Vad är en silikonwafer? Vad används det till?

Det är troligt att många människor har kommit i kontakt med eller till och med använt en kiselwafer i sina vardagliga liv, men kanske utan att ha insett det. För dem som har använt enheter som datorer och smartphones har de verkligen interagerat med denna teknik. Som en framstående leverantör av kiselwafers får vi ofta frågor som "Vad är egentligen en kiselwafer?" och "Vad är dess användningsområden?" I den här artikeln strävar vi efter att ge en omfattande introduktion till kiselwafers.

För produktion av halvledarenheter, MEMS och mer, erbjuder vi på WaferPro ett brett utbud av kiselwaferprodukter. Detta inkluderar primade, testade och återvunna kiselskivor i olika orienteringar, resistiviteter, tjocklekar och diametrar.

Vad är en silikonwafer?

Kiselwafers är viktiga material för tillverkning av halvledare, som finns i nästan alla typer av elektroniska enheter som förbättrar människors liv. Kisel är det näst vanligaste grundämnet i universum och används främst som halvledare inom teknik och elektronik.

Många människor har förmodligen stött på en riktig kiselwafer någon gång i livet. Denna ultra-platta skiva är noggrant polerad till en spegelliknande-finish. Dessutom har den små ytoregelbundenheter, vilket gör den till det plattaste föremålet på jorden. Det är också extremt rent, fritt från föroreningar och mikro-partiklar, vilket är kritiska egenskaper som gör det till det idealiska substratmaterialet för moderna halvledare.

Det finns flera metoder för att tillverka kisel, inklusive den horisontella Bridgeman-metoden, den horisontella gradientfrysningsmetoden, den vertikala gradientfrysningsmetoden, den vertikala Bridgemanmetoden och Czochralski-dragmetoden.

Under hela tillväxtprocessen kan dopningsmedel införas för att ändra renheten hos kiselskivan enligt dess avsedda användning. Dessa föroreningar kan modifiera kislets elektroniska egenskaper, vilket är avgörande för dess specifika produktionsändamål.

Vanliga dopämnen som tillsätts under tillväxtprocessen inkluderar aluminium, bor, kväve, indium och gallium. Beroende på när dopämnena introduceras kan en halvledare klassificeras som antingen degenererad eller extrinsisk.

Vad används Silicon Wafer till?

1. Halvledare

Även om andra ledare används i mer specialiserade applikationer, är kisel fortfarande den mest använda halvledaren på grund av sin exceptionella rörlighet, både vid höga temperaturer och vid rumstemperatur.

Det som gör kisel till ett utmärkt val för elektroniska enheter är dess förmåga att tillåta elektriska strömmar att flöda genom dess ledare mycket mer effektivt än andra material.

2. Kiselskivor i elektroniska enheter

Halvledare som kiselskivor är viktiga i produktionen av både chips och mikrochips som används i elektroniska enheter.

På grund av de unika egenskaperna hos elektriska strömmar som flyter genom kiselskivor, är dessa halvledare integrerade i skapandet av IC:er (integrerade kretsar). IC:er fungerar som styrenheter för olika åtgärder i elektroniska enheter.

Kiselskivan är kärnkomponenten i integrerade kretsar. Enkelt uttryckt är integrerade kretsar en kombination av olika elektroniska komponenter sammansatta för att utföra en specifik uppgift.

Kisel är grunden för halvledarteknologier. En wafer är i huvudsak en tunn skiva av halvledarmaterial, som fungerar som substrat för mikroelektroniska enheter som placeras på eller inuti wafern.

Även om kiselwafers kan tyckas vara nära förknippade med avancerade tekniska prylar som bara finns i drömmar, är de mycket närmare oss än vad de flesta inser! Kiselskivor finns i datorer, smartphones, mobila enheter och till och med i däcktryckssensorsystem.

3. Annan användning av kiselskivor

Ultra-ren silikonskivor ger en idealisk plattform för att skapa de integrerade kretsar som är nödvändiga för alla elektroniska enheter. Dessa wafers används i ett brett spektrum av applikationer, inklusive:

Mikroprocessorer – Kärnan som driver datorer och smartphones

DRAM och flashminne – miljarder kisel-baserade minnesceller som finns på chips

CMOS-sensorer – Bildsensorer som fångar ljus i smartphonekameror och andra enheter

Power Devices – Specialiserade konstruktioner som reglerar elektricitet i elektroniska system

MEMS – Små mekaniska och elektromekaniska system gjorda av kisel

Optiska kretsar – Vågledare och fotoniska enheter som integrerar optik

Hur silikonwafers tillverkas - steg för steg

Kiselwafers produceras genom en komplex process som innefattar flera kritiska steg. Majoriteten av standard och anpassade kiselwafers från WaferPro tillverkas med samma strikta processer under stränga kvalitetskontroller.

1. Att odla götet

Polykisel med hög -renhet smälts och kristalliseras till en enkristallgöt med hjälp av Czochralski-processen. Tackorna kan bli över 2 meter långa och väga hundratals kilo. Götet måste ha en exceptionellt ren kristallstruktur för optimal prestanda inom elektronik, eftersom eventuella föroreningar avsevärt kan försämra funktionaliteten.

2. Platt- eller hackslipning

När kiselgötet är nästan felfritt, innebär nästa steg att slipa plana ytor eller skåror längs dess kanter. Detta hjälper till att rikta in götet korrekt för efterföljande processer. Silikonkristallens orientering är avgörande för exakt skärning.

3. Skiva

Tackorna skärs sedan i skivor, vanligtvis från 0,2 mm till 1,5 mm tjocka, med hjälp av en såg med innerdiameter eller trådsåg. Från ett göt kan hundratals wafers skivas.

4. Kantslipning

Innan skivorna är klara för tillverkning, slipas kanterna för att avlägsna mikroskopiska sprickor och sprickor som bildas under skivning. Detta jämnar ut periferin och stärker kanterna.

5. Lappning

Skivorna placeras mellan två roterande dynor belagda med slipande partiklar och kemisk uppslamning, vilket jämnar ut båda sidorna av skivan.

6. Etsning

Etsning tar bort eventuella kvarvarande mikroskopiska grus och partiklar, vilket ytterligare renar ytan på atomär skala.

7. Polering

Skivorna är polerade för att få en spegel-liknande slät yta med minimala defekter.

8. Städning

Slutligen genomgår skivorna våta kemiska rengöringsbad för att avlägsna eventuella kvarvarande föroreningar.

Snabb sammanfattning av tillverkning av silikonwafer

Steg	Beskrivning
1. Si Silicon Ingot	Odla ett enda kristallint kiselgöt med Czochralski-processen
2. Platt- eller hackslipning	Slipa plattor eller skåror längs göts kanter för att passa in ordentligt för skivning
3. Skiva	Skiva kiselgötet i skivor för att producera råa kiselwafers
4. Kantslipning	Slipa kanterna på de skivade skivorna för att ta bort eventuella sprickor eller sprickor
5. Lappning	Använd slipkuddar och slurry för att platta till och jämna waferytor
6. Etsning	Använd kemiska bad för att avlägsna kvarvarande ojämnheter och ytpartiklar
7. Polering	Applicera slutlig polering för att få extremt släta och plana waferytor
8. Städning	Rengör wafers noggrant för att ta bort eventuella rester

Nyckelspecifikationer för kiselskivor

Diameter - från 1 tum till över 12 tum, de vanligaste storlekarna är 150 mm, 200 mm och 300 mm

Tjocklek - vanligtvis 0,2-1,5 mm

Planhet - tolerans under 1 μm

Ytfinish - under 1 nm variation

Kristallorientering - atomer uppradade för att exponera önskat ytplan

Doping - inneboende eller med spår av bor/fosfor tillsatt

Defektdensiteten - minimerad genom noggrant kontrollerade processer

Kort historia om kisel i elektronik

Utvecklingen av transistorn 1947 markerade en radikal förändring av elektroniken och ersatte skrymmande vakuumrör. Kisel blev det dominerande materialet för halvledare på grund av dess överflöd och överlägsna egenskaper.

År	Milstolpe
1958	Första kiselintegrerad krets med fyra transistorer
1968	Första kisel-DRAM-minneschippet
1971	Första mikroprocessor med 2300 transistorer
1981	IBM introducerar den första persondatorn med 29000 transistor-CPU
2012	Intel Ivy Bridge-processor med 1,4 miljarder transistorer

Kiselwafers ekonomi

Den globala marknaden för kiselwafers förväntas nå 17 miljarder dollar år 2027. Efterfrågan på mer kraftfulla och effektiva enheter fortsätter att driva på tillväxten i waferproduktionen.

 

 

Med stark efterfråganstillväxt på kiselchips som driver nya applikationer...

Den globala marknaden för kiselwafers förväntas närma sig 17 miljarder dollar år 2027, med waferstorlekar som skiftar från de traditionella 200 mm till större 300 mm-formaten, vilket driver stora investeringar i större wafers och produktionsanläggningar.

Den ökande efterfrågan på avancerade bildskärmar och kommunikationsteknologier underblåser också tillväxten av marknaden för exotiska sammansatta halvledarwafer, inklusive material som GaAs och InP, som nu har överstigit 5 ​​miljarder dollar i årlig försäljning. Trots alla framsteg fortsätter den enkla men kraftfulla kiselskivan att vara ryggraden i kiselmikroelektroniken, som är djupt integrerad i det moderna livet.

Kiselskivor är en kritisk grund för produktion av integrerade kretsar och mikrochips som driver elektronik inom olika industrier. Eftersom efterfrågan på snabbare, mer prisvärda och kraftfullare enheter växer exponentiellt varje år, ökar också produktionen av dessa vitala halvledarsubstrat i snabb takt.

Under 2019 producerades över 12 miljoner kiselwafers varje månad. Det betyder att mer än 150 miljoner enheter producerades årligen i global skala. Bara fem år tidigare, 2014, var den årliga produktionen nästan 100 miljoner. År 2025 förutspår prognoser att mer än 300 miljoner wafers kommer att produceras varje år, med produktionen stadigt ökande.

Den främsta drivkraften bakom denna tillväxt är den obevekliga jakten på mindre och snabbare marker. Varje ny generation chips får in mer datorkraft på ett mindre område, vilket innebär att fler marker kan produceras från varje wafer. Denna snabba utveckling, ofta kallad Moores lag, har lett till ett ökat utbud av wafers för att möta efterfrågan när transistorkostnaderna minskar.

Nya produktlanseringar, som iPhones eller spelkonsoler, leder till plötsliga ökningar i efterfrågan, som möts av kontinuerliga investeringar i nya renrumsanläggningar. Medan tidiga wafers bara var en tum i diameter, möjliggör moderna 300 mm kiselskivor enorma skalfördelar. Ledande halvledarföretag experimenterar nu till och med med prototyper som mäter 450 mm i diameter.

Produktionsutrymmet för wafertillverkning har utökats till miljontals kvadratmeter, med utrustning som kostar upp till 100 miljoner dollar vardera. Under det senaste decenniet har teknikjättar som TSMC och Samsung investerat mer än en halv biljon dollar i anläggningar för wafertillverkning, och tävlat om att uppnå nästa genombrott inom miniatyrisering.

Idag producerar TSMC, världens ledande ren-lekgjuteri, mer än 100 miljoner wafers årligen. Samsung, med sina interna divisioner, är också en stor aktör som producerar ett brett utbud av chips, från minne till mobila processorer. Dessutom bidrar företag som SUMCO, GlobalFoundries och kinesiska tillverkare som SMIC till mer än 50 miljoner extra wafers som produceras globalt.

Marknaden för standardförsäljning av kiselwafer representerar fortfarande en blomstrande industri på 10 miljarder dollar, som levererar specialiserade konstruktioner för olika fabriker. GlobalWafers, en ledande aktör, skickar över 2 miljoner wafers per månad för att möta denna skyhöga efterfrågan.

Denna snabbt växande produktion gör det möjligt för halvledarföretag, som tillverkar integrerade kretsar på dessa felfria kisel- och kiselkarbidsubstrat, att upprätthålla sina enorma årliga intäkter på över 500 miljarder dollar över den globala leveranskedjan.

Så nästa gång du njuter av kraften i din smartphone, ta en stund att uppskatta den enorma tillverkningskapacitet och kapital som ligger till grund för att göra det möjligt. Vår digitala framtid beror på de miljarder kiselskivor som bearbetas årligen genom globala tillverkningspipelines.