Wafer silikon terbuat dari satu kristal silikon yang sangat murni, biasanya dengan kontaminan kurang dari satu bagian per miliar. Proses Czochralski adalah metode paling umum untuk membentuk kristal besar dengan kemurnian ini, yang melibatkan penarikan kristal benih dari silikon cair, yang umumnya dikenal sebagai lelehan. Kristal benih kemudian dibentuk menjadi ingot silinder yang dikenal sebagai boule.
Unsur-unsur seperti boron dan fosfor dapat ditambahkan ke boule dalam jumlah yang tepat untuk mengontrol sifat listrik wafer, umumnya dengan tujuan menjadikannya semikonduktor tipe-n atau tipe-p. Boule tersebut kemudian dipotong menjadi irisan tipis dengan gergaji kawat yang juga dikenal sebagai gergaji wafer. Wafer yang dipotong dapat dipoles hingga tingkat yang berbeda-beda.
Untuk Apa Wafer Silikon Digunakan?
Wafer silikon adalah irisan tipis silikon kristal yang biasa digunakan dalam industri elektronik. Silikon digunakan untuk tujuan ini karena merupakan semikonduktor, artinya silikon bukanlah konduktor kuat atau isolator listrik yang kuat. Kelimpahan alaminya dan sifat-sifat lainnya secara umum menjadikan silikon lebih disukai daripada semikonduktor lain seperti germanium untuk membuat wafer.
Dimensi wafer silikon yang paling umum bergantung pada aplikasinya. Wafer yang digunakan dalam IC berbentuk bulat dengan diameter biasanya berkisar antara 100 hingga 300 milimeter (mm). Ketebalan umumnya bertambah seiring dengan diameter dan biasanya berkisar antara 525 hingga 775 mikron (μm). Wafer pada sel surya biasanya berbentuk persegi dengan sisi berukuran 100 hingga 200 mm. Ketebalannya antara 200 dan 300 μm, meskipun diharapkan akan distandarisasi menjadi 160 μm dalam waktu dekat.
Sirkuit terintegrasi
IC, juga dikenal sebagai microchip atau hanya chip, adalah sekumpulan sirkuit elektronik yang dipasang pada substrat bahan semikonduktor. Silikon monokristalin saat ini merupakan substrat yang paling umum untuk IC, meskipun galium arsenida digunakan dalam beberapa aplikasi seperti perangkat komunikasi nirkabel. Wafer yang terbuat dari paduan silikon-germanium juga semakin banyak digunakan, biasanya dalam aplikasi di mana kecepatan silikon-germanium yang lebih besar sebanding dengan biaya yang lebih tinggi.
IC saat ini digunakan di sebagian besar perangkat elektronik, hampir menggantikan komponen elektronik terpisah. Komponen ini lebih kecil, lebih cepat, dan lebih murah untuk diproduksi dibandingkan komponen terpisah. Pesatnya adopsi IC dalam industri elektronik juga disebabkan oleh desain IC yang modular, yang mudah diproduksi secara massal.
Lapisan ini dikembangkan dengan cara yang mirip dengan foto biasa, hanya saja yang digunakan adalah sinar ultraviolet, bukan cahaya tampak, karena panjang gelombang cahaya tampak terlalu besar untuk membuat fitur dengan presisi yang diperlukan. Fitur IC modern sangat kecil sehingga insinyur proses harus menggunakan mikroskop elektron untuk melakukan debug.
Fabrikasi IC
Peralatan uji otomatis (ATE) menguji setiap wafer sebelum digunakan untuk membuat IC, suatu proses yang biasa dikenal dengan wafer probing atau pengujian wafer. Wafer tersebut kemudian dipotong menjadi potongan-potongan persegi panjang yang disebut cetakan dan kemudian dihubungkan ke paket elektronik melalui kabel penghantar listrik, yang biasanya terbuat dari emas atau aluminium. Kabel-kabel ini diikat ke bantalan yang biasanya terletak di sekitar tepi cetakan menggunakan ultrasound dalam proses yang disebut ikatan termosonik.
Perangkat yang dihasilkan menjalani tahap pengujian akhir, yang biasanya menggunakan peralatan pemindaian ATE dan tomografi komputer (CT) industri. Biaya relatif pengujian sangat bervariasi menurut hasil, ukuran dan biaya perangkat. Misalnya, pengujian mungkin menghabiskan lebih dari 25% total biaya fabrikasi perangkat yang tidak mahal, namun hal ini dapat diabaikan untuk perangkat yang besar dan mahal dengan hasil yang rendah.
Teknik
Pembuatan IC adalah proses yang sangat otomatis yang menggunakan banyak teknik khusus. Kemampuan ini mendorong tingginya biaya pembangunan fasilitas fabrikasi, yang bisa melebihi $8 miliar pada tahun 2016. Biaya ini diperkirakan akan meningkat jauh lebih cepat dibandingkan inflasi karena terus adanya kebutuhan akan otomatisasi yang lebih besar.
Tren menuju transistor yang lebih kecil akan terus berlanjut di masa mendatang, dengan 14 nm menjadi yang terdepan di tahun 2016. Produsen IC seperti Intel, Samsung, Global Foundries, dan TSMC diperkirakan akan memulai transisi ke transistor 10 nm pada akhir tahun 2017. .
Wafer besar memberikan skala ekonomi, yang mengurangi total biaya IC. Wafer terbesar yang tersedia secara komersial berdiameter 300 mm, dengan 450 mm diharapkan menjadi ukuran maksimum berikutnya. Namun, tantangan teknis yang signifikan masih ada untuk membuat wafer sebesar ini.
Teknik tambahan yang digunakan dalam pembuatan IC mencakup transistor tri-gate, yang telah diproduksi Intel dengan lebar 22 nm sejak tahun 2011. IBM menggunakan proses yang dikenal sebagai strained silikon langsung pada isolator (SSDOI), yang menghilangkan lapisan silikon-germanium dari wafer.
Tembaga menggantikan interkoneksi aluminium pada IC, terutama karena konduktivitas listriknya yang lebih besar. Insulator dielektrik K rendah dan Silicon on Insulator (SOI) juga merupakan teknik manufaktur canggih untuk IC.
Sumber Daya Lain Tentang Semikonduktor
Istilah & Definisi Dasar Wafer
Memotong Si Wafer di Luar Sumbu
Presipitasi Oksigen dalam Silikon
Sifat Kaca yang Terkait dengan Aplikasi dengan Silikon
Panduan Spesifikasi SEMI untuk Si Wafer
Pengetsaan Kimia Basah dan Pembersihan Silikon
Sel surya
Sel surya menggunakan efek fotovoltaik untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik, yang umumnya melibatkan penyerapan cahaya oleh beberapa material untuk merangsang elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi. Ini adalah jenis sel fotolistrik, perangkat yang mengubah karakteristik kelistrikannya saat terkena cahaya. Sel surya dapat menggunakan cahaya dari sumber apa pun, meskipun istilah "surya" menyiratkan bahwa sel surya memerlukan sinar matahari.
Pembangkitan listrik sebagai sumber energi adalah salah satu aplikasi sel surya yang paling terkenal. Sel surya jenis ini menggunakan sumber cahaya untuk mengisi baterai, yang dapat digunakan untuk memberi daya pada perangkat listrik.
Sel surya sering kali diintegrasikan ke dalam perangkat yang dimaksudkan untuk memberi daya. Misalnya, lampu bertenaga surya yang biasa tersedia di toko perlengkapan rumah menggunakan sel surya untuk mengisi baterai di siang hari. Pada malam hari, baterai memberi daya pada sensor gerak yang menyalakan lampu saat mendeteksi gerakan.
Sel surya dapat diklasifikasikan menjadi tipe generasi pertama, kedua dan ketiga. Sel generasi pertama terdiri dari silikon kristal, termasuk silikon monokristalin dan polisilikon. Saat ini mereka adalah jenis sel surya yang paling umum. Sel generasi kedua menggunakan film tipis yang terdiri dari silikon amorf dan biasanya digunakan di pembangkit listrik komersial. Sel surya generasi ketiga menggunakan film tipis yang dikembangkan dengan berbagai teknologi baru dan saat ini memiliki aplikasi komersial yang terbatas.
Fabrikasi Sel Surya
Sebagian besar sel surya generasi pertama terdiri dari silikon kristal, meskipun kualitas struktural dan kemurniannya jauh di bawah yang digunakan pada IC. Silikon monokristalin mengubah cahaya menjadi listrik lebih efisien dibandingkan polisilikon, namun silikon monokristalin juga lebih mahal.
Wafer dipotong menjadi kotak untuk membentuk sel individual, dan sudutnya kemudian dipotong menjadi segi delapan. Bentuk ini membuat panel surya terlihat seperti berlian. Sel-sel yang membentuk panel surya semuanya harus diorientasikan pada bidang yang sama untuk memaksimalkan efisiensi konversi. Panel biasanya ditutup dengan selembar kaca di sisi yang menghadap matahari untuk melindungi wafer.
Sel surya dapat dihubungkan secara seri atau paralel, tergantung pada kebutuhan spesifik. Menghubungkan sel secara seri akan meningkatkan tegangannya, sedangkan menghubungkannya secara paralel akan meningkatkan arus. Kerugian utama dari string paralel adalah efek bayangan dapat menyebabkan string yang dibayangi berhenti, yang dapat menyebabkan string yang diterangi menerapkan bias terbalik ke string yang dibayangi. Efek ini dapat mengakibatkan hilangnya kekuatan secara signifikan dan bahkan kerusakan pada sel.
Solusi yang lebih disukai untuk masalah ini adalah dengan menghubungkan string sel secara seri untuk membentuk modul dan menggunakan pelacak titik daya maksimum (MPPT) untuk menangani kebutuhan daya string secara independen satu sama lain. Namun, modul-modul tersebut juga dapat dihubungkan untuk membentuk suatu array dengan arus pembebanan dan tegangan puncak yang diinginkan. Solusi lain terhadap masalah yang disebabkan oleh efek bayangan adalah penggunaan dioda shunt untuk mengurangi kehilangan daya.
Peningkatan Ukuran
Tren menuju boule yang lebih besar dalam industri semikonduktor telah mengakibatkan peningkatan ukuran sel surya. Panel surya yang dikembangkan pada tahun 1980an terbuat dari sel dengan diameter antara 50 dan 100 mm. Panel yang dibuat pada tahun 1990-an dan 2000-an biasanya menggunakan wafer dengan diameter 125 mm, dan panel yang dibuat sejak tahun 2008 memiliki sel 156 mm.
Penggunaan Wafer Silikon
Wafer silikon paling sering digunakan sebagai substrat untuk sirkuit terpadu (IC), meskipun mereka juga merupakan komponen utama dalam sel fotovoltaik atau surya. Proses dasar pembuatan wafer ini sama untuk kedua aplikasi ini, meskipun persyaratan kualitasnya jauh lebih tinggi untuk wafer yang digunakan dalam IC. Wafer ini juga menjalani langkah-langkah tambahan seperti implantasi ion, etsa, dan pola fotolitografi, yang tidak diperlukan untuk sel surya.
