I wafer di silicio sono costituiti da un singolo cristallo di silicio altamente puro, tipicamente con meno di una parte per miliardo di contaminanti. Il processo Czochralski è il metodo più comune per formare grandi cristalli di questa purezza, che prevede l'estrazione di un cristallo seme dal silicio fuso, comunemente noto come fusione. Il cristallo seme viene quindi formato in un lingotto cilindrico noto come boule.
Elementi come boro e fosforo possono essere aggiunti alla boule in quantità precise per controllare le proprietà elettriche del wafer, generalmente allo scopo di renderlo un semiconduttore di tipo n o di tipo p. La boule viene poi tagliata a fette sottili con una sega a filo detta anche sega per wafer. I wafer tagliati possono essere lucidati a vari livelli.
A cosa serve un wafer di silicio?
Un wafer di silicio è una sottile fetta di silicio cristallino comunemente utilizzata nell'industria elettronica. Il silicio viene utilizzato per questo scopo perché è un semiconduttore, il che significa che non è né un forte conduttore né un forte isolante elettrico. La sua naturale abbondanza e altre proprietà generalmente rendono il silicio preferibile ad altri semiconduttori come il germanio per la produzione di wafer.
Le dimensioni più comuni dei wafer di silicio dipendono dalla loro applicazione. I wafer utilizzati nei circuiti integrati sono rotondi con diametri generalmente compresi tra 100 e 300 millimetri (mm). Lo spessore generalmente aumenta con il diametro ed è solitamente compreso tra 525 e 775 micron (μm). I wafer nelle celle solari sono generalmente quadrati con lati che misurano da 100 a 200 mm. Il loro spessore è compreso tra 200 e 300 μm, anche se si prevede che nel prossimo futuro verrà standardizzato a 160 μm.
Circuiti integrati
Un circuito integrato, noto anche come microchip o semplicemente chip, è un insieme di circuiti elettronici inseriti in un substrato di materiale semiconduttore. Il silicio monocristallino è attualmente il substrato più comune per i circuiti integrati, sebbene l'arseniuro di gallio venga utilizzato in alcune applicazioni come i dispositivi di comunicazione wireless. Anche i wafer realizzati in leghe di silicio-germanio stanno diventando sempre più utilizzati, tipicamente in applicazioni in cui la maggiore velocità del silicio-germanio vale il costo più elevato.
I circuiti integrati sono attualmente utilizzati nella maggior parte dei dispositivi elettronici, avendo praticamente sostituito componenti elettronici separati. Sono più piccoli, più veloci e più economici da produrre rispetto ai componenti discreti per ordini di grandezza. La rapida adozione dei circuiti integrati nell'industria elettronica è dovuta anche alla progettazione modulare dei circuiti integrati, che si presta facilmente alla produzione di massa.
Questi strati sono sviluppati in modo simile alle normali fotografie, tranne per il fatto che viene utilizzata la luce ultravioletta anziché la luce visibile poiché le lunghezze d'onda della luce visibile sono troppo grandi per creare caratteristiche con la necessaria precisione. Le caratteristiche dei moderni circuiti integrati sono così piccole che gli ingegneri di processo devono utilizzare microscopi elettronici per eseguirne il debug.
Fabbricazione di circuiti integrati
Le apparecchiature di test automatizzate (ATE) testano ciascun wafer prima di utilizzarlo per realizzare un circuito integrato, un processo comunemente noto come wafer probing o wafer testing. Il wafer viene quindi tagliato in pezzi rettangolari detti dies e quindi collegato a un pacchetto elettronico tramite fili elettricamente conduttivi, solitamente in oro o alluminio. Questi fili sono fissati ai cuscinetti che in genere si trovano attorno al bordo dello stampo utilizzando gli ultrasuoni in un processo chiamato collegamento termosonico.
I dispositivi risultanti vengono sottoposti a fasi di test finali, che in genere utilizzano apparecchiature di scansione ATE e tomografia computerizzata (CT) industriale. Il costo relativo dei test varia notevolmente in base alla resa, alle dimensioni e al costo del dispositivo. Ad esempio, i test possono rappresentare oltre il 25% dei costi totali di fabbricazione di dispositivi poco costosi, ma possono essere praticamente trascurabili per dispositivi grandi e costosi a basso rendimento.
Tecniche
La fabbricazione dei circuiti integrati è un processo altamente automatizzato che utilizza molte tecniche specifiche. Queste capacità determinano gli elevati costi di costruzione di un impianto di fabbricazione, che possono superare gli 8 miliardi di dollari a partire dal 2016. Si prevede che questo costo aumenterà molto più rapidamente dell’inflazione a causa della continua necessità di maggiore automazione.
La tendenza verso transistor più piccoli continuerà nel prossimo futuro, con 14 nm che rappresenta lo stato dell'arte nel 2016. I produttori di circuiti integrati come Intel, Samsung, Global Foundries e TSMC dovrebbero iniziare la transizione verso transistor da 10 nm entro la fine del 2017 .
I wafer di grandi dimensioni forniscono un'economia di scala, che riduce il costo totale dei circuiti integrati. I wafer più grandi disponibili in commercio hanno un diametro di 300 mm, mentre si prevede che la dimensione massima successiva sarà di 450 mm. Tuttavia, esistono ancora sfide tecniche significative per realizzare wafer di queste dimensioni.
Ulteriori tecniche utilizzate nella fabbricazione di circuiti integrati includono transistor tri-gate, che Intel produce con una larghezza di 22 nm dal 2011. IBM utilizza un processo noto come silicio deformato direttamente sull'isolante (SSDOI), che rimuove lo strato di silicio-germanio dal un wafer.
Il rame sta sostituendo le interconnessioni in alluminio nei circuiti integrati, principalmente a causa della sua maggiore conduttività elettrica. Anche gli isolanti dielettrici a basso K e gli isolanti in silicio (SOI) sono tecniche di produzione avanzate per i circuiti integrati.
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Celle solari
Una cella solare utilizza l'effetto fotovoltaico per convertire l'energia luminosa in energia elettrica, che generalmente comporta l'assorbimento della luce da parte di alcuni materiali per eccitare gli elettroni in uno stato energetico più elevato. È un tipo di cellula fotoelettrica, un dispositivo che cambia le sue caratteristiche elettriche quando esposto alla luce. Le celle solari possono utilizzare la luce proveniente da qualsiasi fonte, anche se il termine “solare” implica che richiedano la luce solare.
La generazione di elettricità come fonte di energia è una delle applicazioni più conosciute delle celle solari. Questi tipi di celle solari utilizzano una sorgente luminosa per caricare una batteria, che può essere utilizzata per alimentare un dispositivo elettrico.
Le celle solari sono spesso integrate nel dispositivo che devono alimentare. Ad esempio, le luci a energia solare comunemente disponibili nei negozi di articoli per la casa utilizzano celle solari per caricare la batteria durante il giorno. Di notte, la batteria alimenta un sensore di movimento che accende la luce quando rileva un movimento.
Le celle solari possono essere classificate in tipi di prima, seconda e terza generazione. Le celle di prima generazione sono composte da silicio cristallino, compreso silicio monocristallino e polisilicio. Attualmente sono il tipo più comune di celle solari. Le celle di seconda generazione utilizzano un film sottile composto da silicio amorfo e sono tipicamente utilizzate nelle centrali elettriche commerciali. Le celle solari di terza generazione utilizzano film sottili sviluppati con una varietà di tecnologie emergenti e attualmente hanno applicazioni commerciali limitate.
Fabbricazione di celle solari
La grande maggioranza di una cella solare di prima generazione è composta da silicio cristallino, sebbene la sua qualità strutturale e purezza siano molto inferiori a quelle utilizzate nei circuiti integrati. Il silicio monocristallino converte la luce in elettricità in modo più efficiente rispetto al polisilicio, ma il silicio monocristallino è anche più costoso.
I wafer vengono tagliati in quadrati per formare singole celle e i loro angoli vengono poi ritagliati per formare ottagoni. Questa forma conferisce ai pannelli solari il loro caratteristico aspetto simile a un diamante. Le celle che compongono un pannello solare devono essere orientate tutte lungo lo stesso piano per massimizzare l'efficienza di conversione. I pannelli sono tipicamente ricoperti da una lastra di vetro sul lato rivolto al sole per proteggere i wafer.
Le celle solari possono essere collegate in serie o in parallelo, a seconda delle esigenze specifiche. Collegando le celle in serie aumenta la loro tensione mentre collegandole in parallelo aumenta la corrente. Lo svantaggio principale delle stringhe parallele è che gli effetti ombra possono causare lo spegnimento delle stringhe in ombra, il che può far sì che le stringhe illuminate applichino una polarizzazione inversa alle stringhe in ombra. Questo effetto può comportare una sostanziale perdita di potenza e persino danni alle celle.
La soluzione preferita a questo problema è collegare stringhe di celle in serie per formare moduli e utilizzare inseguitori del punto di massima potenza (MPPT) per gestire i requisiti di potenza delle stringhe indipendentemente l'una dall'altra. Tuttavia, i moduli possono anche essere collegati tra loro per formare un array con la corrente di carico e la tensione di picco desiderate. Un'altra soluzione ai problemi causati dagli effetti ombra è l'uso di diodi shunt per ridurre la perdita di potenza.
Aumento delle dimensioni
La tendenza verso palline più grandi nell'industria dei semiconduttori ha portato ad un aumento delle dimensioni delle celle solari. I pannelli solari sviluppati negli anni '80 sono costituiti da celle con un diametro compreso tra 50 e 100 mm. I pannelli realizzati negli anni '90 e 2000 utilizzavano tipicamente wafer con un diametro di 125 mm, mentre i pannelli realizzati a partire dal 2008 hanno celle da 156 mm.
L'uso dei wafer di silicio
I wafer di silicio vengono spesso utilizzati come substrato per i circuiti integrati (IC), sebbene siano anche un componente importante nelle celle fotovoltaiche o solari. Il processo di base di fabbricazione di questi wafer è lo stesso per entrambe le applicazioni, sebbene i requisiti di qualità siano molto più elevati per i wafer utilizzati nei circuiti integrati. Questi wafer vengono sottoposti anche a passaggi aggiuntivi come l'impianto ionico, l'incisione e la modellazione fotolitografica, che non sono necessari per le celle solari.
