Hvad er en siliciumwafer? Hvad bruges det til?

Det er sandsynligt, at mange mennesker er kommet i kontakt med eller endda har brugt en siliciumwafer i deres hverdag, dog måske uden at være klar over det. For dem, der har brugt enheder som computere og smartphones, har de bestemt interageret med denne teknologi. Som en fremtrædende leverandør af siliciumwafers bliver vi ofte stillet spørgsmål som: "Hvad er en siliciumwafer egentlig?" og "Hvad er dens anvendelser?" I denne artikel sigter vi mod at give en omfattende introduktion til siliciumwafers.

Til produktion af halvlederenheder, MEMS og mere, tilbyder vi hos WaferPro en bred vifte af siliciumwaferprodukter. Dette inkluderer primede, test- og genvundne siliciumskiver i forskellige orienteringer, resistiviteter, tykkelser og diametre.

Hvad er en siliciumwafer?

Siliciumwafers er essentielle materialer til fremstilling af halvledere, som findes i næsten alle typer elektroniske enheder, der forbedrer folks liv. Silicium er det næstmest udbredte grundstof i universet og bruges primært som halvleder inden for teknologi og elektronik.

Mange mennesker har sandsynligvis stødt på en ægte siliciumwafer på et tidspunkt i deres liv. Denne ultra-flade disk er omhyggeligt poleret til en spejlagtig-lignende finish. Derudover har den minimale overfladeuregelmæssigheder, hvilket gør den til den fladeste genstand på Jorden. Det er også ekstremt rent, fri for urenheder og mikro-partikler, hvilket er kritiske egenskaber, der gør det til det ideelle substratmateriale til moderne halvledere.

Der er flere metoder til fremstilling af silicium, herunder den horisontale Bridgeman-metode, den horisontale gradientfrysemetode, den vertikale gradientfrysemetode, den vertikale Bridgeman-metode og Czochralski-trækmetoden.

Under hele vækstprocessen kan dopingmidler indføres for at ændre renheden af ​​siliciumwaferen i overensstemmelse med dens tilsigtede anvendelse. Disse urenheder kan ændre siliciumets elektroniske egenskaber, som er afgørende for dets specifikke produktionsformål.

Almindelige dopingmidler tilsat under vækstprocessen inkluderer aluminium, bor, nitrogen, indium og gallium. Afhængigt af hvornår dopingmidlerne indføres, kan en halvleder klassificeres som enten degenereret eller ydre.

Hvad bruges siliciumwaferen til?

1. Halvleder

Selvom andre ledere bruges i mere specialiserede applikationer, forbliver silicium den mest udbredte halvleder på grund af dens exceptionelle mobilitet, både ved høje temperaturer og ved stuetemperatur.

Det, der gør silicium til et fremragende valg til elektroniske enheder, er dets evne til at tillade elektriske strømme at strømme gennem dets ledere meget mere effektivt end andre materialer.

2. Siliciumwafers i elektroniske enheder

Halvledere som siliciumwafers er essentielle i produktionen af ​​både chips og mikrochips, der bruges i elektroniske enheder.

På grund af de unikke egenskaber ved elektriske strømme, der strømmer gennem siliciumwafers, er disse halvledere en integreret del af skabelsen af ​​IC'er (integrerede kredsløb). IC'er tjener som kontrolenheder for forskellige handlinger i elektroniske enheder.

Siliciumwaferen er kernekomponenten i integrerede kredsløb. Enkelt sagt er integrerede kredsløb en kombination af forskellige elektroniske komponenter samlet til at udføre en specifik opgave.

Silicium er grundlaget for halvlederteknologier. En wafer er i det væsentlige en tynd skive af halvledermateriale, der fungerer som substrat for mikroelektroniske enheder, der er placeret på eller inde i waferen.

Selvom siliciumwafers kan virke tæt forbundet med avancerede teknologiske gadgets, der kun eksisterer i drømme, er de meget tættere på os, end de fleste er klar over! Siliciumwafers findes i computere, smartphones, mobile enheder og endda i dæktrykssensorsystemer.

3. Andre anvendelser af siliciumwafers

Ultra-ren siliciumskiver giver en ideel platform til at skabe de integrerede kredsløb, der er essentielle for alle elektroniske enheder. Disse wafers bruges i en bred vifte af applikationer, herunder:

Mikroprocessorer - De kernechips, der driver computere og smartphones

DRAM og Flash-hukommelse – Milliarder af silicium-baserede hukommelsesceller fundet på chips

CMOS-sensorer – Billedsensorer, der fanger lys i smartphone-kameraer og andre enheder

Power Devices – Specialiserede designs, der regulerer elektricitet i elektroniske systemer

MEMS – Små mekaniske og elektromekaniske systemer lavet af silicium

Optiske kredsløb – Bølgeledere og fotoniske enheder, der integrerer optik

Sådan fremstilles siliciumwafers - trin for trin

Siliciumwafers fremstilles gennem en kompleks proces, der involverer flere kritiske trin. Størstedelen af ​​standard- og brugerdefinerede siliciumwafers fra WaferPro er fremstillet ved hjælp af de samme strenge processer under streng kvalitetskontrol.

1. Dyrkning af barren

Polysilicium med høj-renhed smeltes og krystalliseres til en enkelt krystalbarre ved hjælp af Czochralski-processen. Ingots kan blive over 2 meter lange og veje hundredvis af kilo. Barren skal have en usædvanlig ren krystalstruktur for optimal ydeevne i elektronik, da eventuelle urenheder kan forringe funktionaliteten væsentligt.

2. Flad eller kærvslibning

Når først siliciumbarren er næsten fejlfri, involverer næste trin at slibe flade overflader eller hak langs dens kanter. Dette hjælper med at justere barren korrekt til efterfølgende processer. Orienteringen af ​​siliciumkrystallen er afgørende for nøjagtig skæring.

3. Udskæring

Barrerne skæres derefter i skiver, typisk i området fra 0,2 mm til 1,5 mm tykke, ved hjælp af en sav med indvendig diameter eller trådsav. Fra én barre kan hundredvis af wafere skæres i skiver.

4. Kantslibning

Før waflerne er klar til fremstilling, slibes kanterne for at fjerne mikroskopiske revner og sprækker dannet under udskæring. Dette udglatter periferien og styrker kanterne.

5. Lapping

Vaflerne er placeret mellem to roterende puder belagt med slibende partikler og kemisk opslæmning, hvilket udglatter begge sider af waferen.

6. Radering

Ætsning fjerner eventuelle resterende mikroskopiske grus og partikler, og renser overfladen yderligere i atomskalaen.

7. Polering

Vaflerne er poleret for at opnå en spejlagtig-glat overflade med minimale defekter.

8. Rengøring

Til sidst gennemgår vaflerne våde kemiske rensebade for at fjerne eventuelle resterende forurenende stoffer.

Hurtig oversigt over fremstilling af siliciumwafer

Trin	Beskrivelse
1. Si Silicium Ingot	Dyrk en enkelt krystallinsk siliciumbarre ved hjælp af Czochralski-processen
2. Flad- eller kærvslibning	Slib flade eller indhak langs barrens kanter for korrekt at justere til udskæring
3. Udskæring	Skær siliciumbarren i skiver for at fremstille rå siliciumwafers
4. Kantslibning	Slib kanterne af de skivede skiver for at fjerne eventuelle revner eller sprækker
5. Lapping	Brug slibende puder og opslæmning til at udjævne og udglatte waferoverflader
6. Radering	Brug kemiske bade til at fjerne resterende ujævnheder og overfladepartikler
7. Polering	Påfør endelig polering for at opnå ekstremt glatte og flade waferoverflader
8. Rengøring	Rengør wafere grundigt for at fjerne eventuelle resterende rester

Nøglespecifikationer for siliciumwafers

Diameter - fra 1 tomme til over 12 tommer, mest almindelige størrelser er 150 mm, 200 mm og 300 mm

Tykkelse - typisk 0,2-1,5 mm

Fladhed - tolerance under 1 μm

Overfladefinish - under 1 nm variation

Krystalorientering - atomer opstillet for at blotlægge det ønskede overfladeplan

Doping - iboende eller tilsat sporbor/fosfor

Defekttæthed - minimeret gennem stramt kontrollerede processer

Kort historie om silicium i elektronik

Udviklingen af ​​transistoren i 1947 markerede et radikalt skift i elektronik, der erstattede voluminøse vakuumrør. Silicium blev det dominerende materiale for halvledere på grund af dets overflod og overlegne egenskaber.

År	Milepæl
1958	Første integrerede siliciumkredsløb med fire transistorer
1968	Første silicium DRAM hukommelseschip
1971	Første mikroprocessor med 2300 transistorer
1981	IBM introducerer den første personlige computer med 29000 transistor CPU
2012	Intel Ivy Bridge-processor med 1,4 milliarder transistorer

Økonomi af silicium wafers

Det globale marked for siliciumwafers forventes at nå op på 17 milliarder dollars i 2027. Efterspørgslen efter mere kraftfulde og effektive enheder driver fortsat væksten i waferproduktionen.

 

 

Med kraftig vækst i efterspørgslen efter siliciumchips, der driver nye applikationer...

Det globale marked for silicium wafers forventes at nærme sig 17 milliarder dollars i 2027, hvor waferstørrelser skifter fra de traditionelle 200 mm til større 300 mm formater, hvilket driver store investeringer i større wafers og produktionsfaciliteter.

Den stigende efterspørgsel efter avancerede skærme og kommunikationsteknologier fremmer også væksten på markedet for eksotiske sammensatte halvlederwafere, herunder materialer som GaAs og InP, som nu har oversteget $5 milliarder i årligt salg. På trods af alle fremskridt fortsætter den enkle, men kraftfulde siliciumwafer med at være rygraden i siliciummikroelektronikken, som er dybt integreret i det moderne liv.

Siliciumwafers er et kritisk grundlag for produktionen af ​​integrerede kredsløb og mikrochips, der driver elektronik på tværs af forskellige industrier. Da efterspørgslen efter hurtigere, mere overkommelige og mere kraftfulde enheder vokser eksponentielt hvert år, stiger produktionen af ​​disse vitale halvledersubstrater også i et hurtigt tempo.

I 2019 blev der produceret over 12 millioner siliciumwafers hver måned. Det betyder, at der blev produceret mere end 150 millioner enheder årligt på globalt plan. Blot fem år tidligere, i 2014, var den årlige produktion næsten 100 mio. Inden 2025 forudsiger prognoser, at der vil blive produceret mere end 300 millioner wafers hvert år, med en støt stigende produktion.

Den primære drivkraft bag denne vækst er den ubønhørlige jagt på mindre og hurtigere chips. Hver ny generation af chips passer mere computerkraft ind i et mindre område, hvilket betyder, at der kan produceres flere chips fra hver wafer. Denne hurtige fremgang, ofte omtalt som Moores lov, har ført til et stigende udbud af wafere for at imødekomme efterspørgslen, efterhånden som transistoromkostningerne falder.

Nye produktlanceringer, såsom iPhones eller spillekonsoller, fører til pludselige stigninger i efterspørgslen, som bliver mødt af løbende investeringer i nye renrumsfaciliteter. Mens tidlige wafers kun var en tomme i diameter, muliggør moderne 300 mm siliciumskiver enorme stordriftsfordele. Førende halvledervirksomheder eksperimenterer nu endda med prototyper, der måler 450 mm i diameter.

Produktionspladsen dedikeret til waferfremstilling er udvidet til millioner af kvadratfod, med udstyr, der koster op til $100 millioner hver. I det seneste årti har teknologigiganter som TSMC og Samsung investeret mere end en halv billion dollars i waferfabrikationsfaciliteter, der konkurrerer om at opnå de næste gennembrud inden for miniaturisering.

I dag producerer TSMC, verdens førende ren-legestøberi, mere end 100 millioner wafers årligt. Samsung er med sine interne divisioner også en stor spiller, der producerer en bred vifte af chips, fra hukommelse til mobile processorer. Derudover bidrager virksomheder som SUMCO, GlobalFoundries og kinesiske producenter som SMIC til mere end 50 millioner ekstra wafere produceret globalt.

Markedet for salg af standard siliciumwafers repræsenterer stadig en blomstrende industri på 10 milliarder dollars, der leverer specialiserede designs til forskellige fabrikater. GlobalWafers, en førende aktør, sender over 2 millioner wafers om måneden for at imødekomme denne skyhøje efterspørgsel.

Denne hurtigt voksende produktion gør det muligt for halvledervirksomheder, som fremstiller integrerede kredsløb på disse fejlfrie silicium- og siliciumcarbidsubstrater, at opretholde deres enorme årlige indtægter på over 500 milliarder dollars på tværs af den globale forsyningskæde.

Så næste gang du nyder kraften i din smartphone, skal du bruge et øjeblik på at værdsætte den enorme produktionskapacitet og kapital, der ligger i at gøre det muligt. Vores digitale fremtid afhænger af de milliarder af siliciumwafers, der årligt behandles gennem globale fremstillingsrørledninger.