Les plaquettes de silicium sont constituées d'un monocristal de silicium très pur, contenant généralement moins d'une partie par milliard de contaminants. Le procédé Czochralski est la méthode la plus courante pour former de gros cristaux de cette pureté, qui consiste à extraire un cristal germe du silicium fondu, communément appelé fusion. Le cristal germe est ensuite transformé en un lingot cylindrique appelé boule.
Des éléments tels que le bore et le phosphore peuvent être ajoutés à la boule en quantités précises pour contrôler les propriétés électriques de la plaquette, généralement dans le but d'en faire un semi-conducteur de type n ou de type p. La boule est ensuite découpée en fines tranches à l'aide d'une scie à fil également appelée scie à gaufrette. Les tranches découpées peuvent être polies à des degrés divers.
À quoi sert une plaquette de silicium ?
Une plaquette de silicium est une fine tranche de silicium cristallin couramment utilisée dans l’industrie électronique. Le silicium est utilisé à cette fin car il s’agit d’un semi-conducteur, ce qui signifie qu’il n’est ni un conducteur puissant ni un puissant isolant électrique. Son abondance naturelle et d'autres propriétés rendent généralement le silicium préférable à d'autres semi-conducteurs tels que le germanium pour la fabrication de plaquettes.
Les dimensions les plus courantes des plaquettes de silicium dépendent de leur application. Les plaquettes utilisées dans les circuits intégrés sont rondes et leur diamètre varie généralement de 100 à 300 millimètres (mm). L'épaisseur augmente généralement avec le diamètre et se situe généralement entre 525 et 775 microns (μm). Les plaquettes des cellules solaires sont généralement carrées et mesurent 100 à 200 mm de côté. Leur épaisseur est comprise entre 200 et 300 μm, mais elle devrait être normalisée à 160 μm dans un avenir proche.
Circuits intégrés
Un CI, également connu sous le nom de micropuce ou simplement puce, est un ensemble de circuits électroniques intégrés dans un substrat de matériau semi-conducteur. Le silicium monocristallin est actuellement le substrat le plus courant pour les circuits intégrés, bien que l'arséniure de gallium soit utilisé dans certaines applications telles que les dispositifs de communication sans fil. Les plaquettes constituées d'alliages silicium-germanium sont également de plus en plus utilisées, généralement dans les applications où la vitesse plus élevée du silicium-germanium vaut le coût plus élevé.
Les circuits intégrés sont actuellement utilisés dans la plupart des appareils électroniques, ayant pratiquement remplacé des composants électroniques séparés. Ils sont plus petits, plus rapides et moins chers à fabriquer que les composants discrets, et ce, de plusieurs ordres de grandeur. L'adoption rapide des circuits intégrés dans l'industrie électronique est également due à la conception modulaire des circuits intégrés, qui se prête facilement à une production de masse.
Ces couches sont développées de la même manière que les photographies ordinaires, sauf que la lumière ultraviolette est utilisée plutôt que la lumière visible, car les longueurs d'onde de la lumière visible sont trop grandes pour créer des éléments avec la précision nécessaire. Les fonctionnalités des circuits intégrés modernes sont si réduites que les ingénieurs de procédés doivent utiliser des microscopes électroniques pour les déboguer.
Fabrication de circuits intégrés
L'équipement de test automatisé (ATE) teste chaque tranche avant de l'utiliser pour fabriquer un circuit intégré, un processus communément appelé sondage de tranche ou test de tranche. La plaquette est ensuite découpée en morceaux rectangulaires appelés matrices, puis connectée à un boîtier électronique via des fils électriquement conducteurs, généralement en or ou en aluminium. Ces fils sont liés à des plots généralement situés autour du bord de la puce à l'aide d'ultrasons dans le cadre d'un processus appelé liaison thermosonique.
Les appareils résultants subissent des phases de tests finales, qui utilisent généralement des équipements de tomodensitométrie (CT) industriels et ATE. Le coût relatif des tests varie considérablement en fonction du rendement, de la taille et du coût de l'appareil. Par exemple, les tests peuvent représenter plus de 25 % du coût total de fabrication des appareils peu coûteux, mais ils peuvent être pratiquement négligeables pour les appareils volumineux et coûteux avec de faibles rendements.
Techniques techniques
La fabrication de circuits intégrés est un processus hautement automatisé qui utilise de nombreuses techniques spécifiques. Ces capacités entraînent des coûts élevés de construction d'une usine de fabrication, qui peuvent dépasser 8 milliards de dollars à partir de 2016. Ce coût devrait augmenter beaucoup plus rapidement que l'inflation en raison du besoin continu d'une plus grande automatisation.
La tendance vers des transistors plus petits se poursuivra dans un avenir prévisible, le 14 nm étant l'état de la technique en 2016. Les fabricants de circuits intégrés tels qu'Intel, Samsung, Global Foundries et TSMC devraient entamer la transition vers des transistors 10 nm d'ici la fin 2017. .
Les grandes tranches permettent une économie d'échelle, ce qui réduit le coût total des circuits intégrés. Les plus grandes tranches disponibles dans le commerce ont un diamètre de 300 mm, la prochaine taille maximale étant prévue de 450 mm. Cependant, des défis techniques importants subsistent pour fabriquer des tranches de cette taille.
Les techniques supplémentaires utilisées dans la fabrication des circuits intégrés incluent les transistors à trois grilles, qu'Intel fabrique avec une largeur de 22 nm depuis 2011. IBM utilise un processus connu sous le nom de silicium contraint directement sur l'isolant (SSDOI), qui supprime la couche de silicium-germanium de l'isolant. une plaquette.
Le cuivre remplace les interconnexions en aluminium dans les circuits intégrés, principalement en raison de sa plus grande conductivité électrique. Les isolants diélectriques à faible K et les silicium sur isolants (SOI) sont également des techniques de fabrication avancées pour les circuits intégrés.
Autres ressources sur les semi-conducteurs
Termes et définitions de base des plaquettes
Découpe de plaquettes Si hors axe
Précipitation de l'oxygène dans le silicium
Propriétés du verre liées aux applications avec du silicium
Un guide des spécifications SEMI pour les plaquettes Si
Gravure chimique humide et nettoyage du silicium
Cellules solaires
Une cellule solaire utilise l'effet photovoltaïque pour convertir l'énergie lumineuse en énergie électrique, ce qui implique généralement l'absorption de la lumière par un matériau pour exciter les électrons vers un état énergétique supérieur. Il s'agit d'un type de cellule photoélectrique, un dispositif qui modifie ses caractéristiques électriques lorsqu'il est exposé à la lumière. Les cellules solaires peuvent utiliser la lumière de n’importe quelle source, même si le terme « solaire » implique qu’elles ont besoin de la lumière du soleil.
La production d’électricité comme source d’énergie est l’une des applications les plus connues des cellules solaires. Ces types de cellules solaires utilisent une source de lumière pour charger une batterie, qui peut être utilisée pour alimenter un appareil électrique.
Les cellules solaires sont souvent intégrées à l’appareil qu’elles sont destinées à alimenter. Par exemple, les lampes solaires couramment disponibles dans les magasins de rénovation domiciliaire utilisent des cellules solaires pour charger une batterie pendant la journée. La nuit, la batterie alimente un détecteur de mouvement qui allume la lumière lorsqu'elle détecte un mouvement.
Les cellules solaires peuvent être classées en types de première, deuxième et troisième génération. Les cellules de première génération sont composées de silicium cristallin, notamment de silicium monocristallin et de polysilicium. Il s’agit actuellement du type de cellule solaire le plus courant. Les cellules de deuxième génération utilisent un film mince composé de silicium amorphe et sont généralement utilisées dans les centrales électriques commerciales. Les cellules solaires de troisième génération utilisent des couches minces développées avec diverses technologies émergentes et ont actuellement des applications commerciales limitées.
Fabrication de cellules solaires
La grande majorité des cellules solaires de première génération est composée de silicium cristallin, bien que sa qualité structurelle et sa pureté soient bien inférieures à celles utilisées dans les circuits intégrés. Le silicium monocristallin convertit la lumière en électricité plus efficacement que le polysilicium, mais le silicium monocristallin est également plus cher.
Les tranches sont découpées en carrés pour former des cellules individuelles, puis leurs coins sont coupés pour former des octogones. Cette forme donne aux panneaux solaires leur aspect distinctif de diamant. Les cellules qui composent un panneau solaire doivent toutes être orientées selon le même plan pour maximiser l’efficacité de conversion. Les panneaux sont généralement recouverts d'une feuille de verre sur la face exposée au soleil pour protéger les plaquettes.
Les cellules solaires peuvent être connectées en série ou en parallèle, en fonction des exigences spécifiques. Connecter les cellules en série augmente leur tension tandis que les connecter en parallèle augmente le courant. Le principal inconvénient des chaînes parallèles est que les effets d'ombre peuvent provoquer l'arrêt des chaînes ombrées, ce qui peut amener les chaînes éclairées à appliquer une polarisation inverse aux chaînes ombrées. Cet effet peut entraîner une perte de puissance importante et même des dommages aux cellules.
La solution privilégiée à ce problème consiste à connecter des chaînes de cellules en série pour former des modules et à utiliser des trackers de point de puissance maximale (MPPT) pour gérer les besoins en énergie des chaînes indépendamment les unes des autres. Cependant, les modules peuvent également être interconnectés pour former un réseau avec le courant de charge et la tension de crête souhaités. Une autre solution aux problèmes causés par les effets d’ombre consiste à utiliser des diodes shunt pour réduire les pertes de puissance.
Augmentation de la taille
La tendance vers des boules plus grandes dans l'industrie des semi-conducteurs a entraîné une augmentation de la taille des cellules solaires. Les panneaux solaires développés dans les années 1980 sont constitués de cellules d'un diamètre compris entre 50 et 100 mm. Les panneaux fabriqués dans les années 1990 et 2000 utilisaient généralement des tranches d'un diamètre de 125 mm, et les panneaux fabriqués depuis 2008 avaient des cellules de 156 mm.
L'utilisation de plaquettes de silicium
Les plaquettes de silicium sont le plus souvent utilisées comme substrat pour les circuits intégrés (CI), bien qu'elles constituent également un composant majeur des cellules photovoltaïques ou solaires. Le processus de base de fabrication de ces tranches est le même pour ces deux applications, bien que les exigences de qualité soient beaucoup plus élevées pour les tranches utilisées dans les circuits intégrés. Ces plaquettes subissent également des étapes supplémentaires telles que l'implantation ionique, la gravure et la configuration photolithographique, qui ne sont pas nécessaires pour les cellules solaires.