Os wafers de silício são feitos de um único cristal de silício altamente puro, normalmente com menos de uma parte por bilhão de contaminantes. O processo Czochralski é o método mais comum de formação de grandes cristais desta pureza, que envolve extrair um cristal semente do silício fundido, comumente conhecido como fundido. O cristal semente é então transformado em um lingote cilíndrico conhecido como boule.
Elementos como boro e fósforo podem ser adicionados à bocha em quantidades precisas para controlar as propriedades elétricas do wafer, geralmente com o propósito de torná-lo um semicondutor do tipo n ou do tipo p. A boule é então cortada em fatias finas com uma serra de arame, também conhecida como serra wafer. As bolachas cortadas podem ser polidas em vários graus.
Para que serve um wafer de silício?
Um wafer de silício é uma fatia fina de silício cristalino comumente usada na indústria eletrônica. O silício é usado para essa finalidade porque é um semicondutor, o que significa que não é um condutor forte nem um isolante forte de eletricidade. Sua abundância natural e outras propriedades geralmente tornam o silício preferível a outros semicondutores, como o germânio, para a fabricação de wafers.
As dimensões mais comuns das pastilhas de silício dependem da sua aplicação. Os wafers usados em CIs são redondos, com diâmetros variando normalmente de 100 a 300 milímetros (mm). A espessura geralmente aumenta com o diâmetro e geralmente está na faixa de 525 a 775 mícrons (μm). Os wafers nas células solares são geralmente quadrados com lados medindo 100 a 200 mm. Sua espessura está entre 200 e 300 μm, embora se espere que seja padronizada para 160 μm em um futuro próximo.
Circuitos integrados
Um IC, também conhecido como microchip ou apenas chip, é um conjunto de circuitos eletrônicos colocados em um substrato de material semicondutor. O silício monocristalino é atualmente o substrato mais comum para CIs, embora o arsenieto de gálio seja usado em algumas aplicações, como dispositivos de comunicação sem fio. Wafers feitos de ligas de silício-germânio também estão se tornando mais amplamente utilizados, normalmente em aplicações onde a maior velocidade do silício-germânio compensa o custo mais elevado.
Os ICs são atualmente usados na maioria dos dispositivos eletrônicos, tendo praticamente substituído componentes eletrônicos separados. Eles são menores, mais rápidos e mais baratos de fabricar do que componentes discretos em ordens de grandeza. A rápida adoção de CIs na indústria eletrônica também se deve ao design modular dos CIs, que se presta facilmente à produção em massa.
Essas camadas são reveladas de maneira semelhante às fotografias normais, exceto que a luz ultravioleta é usada em vez da luz visível, uma vez que os comprimentos de onda da luz visível são muito grandes para criar características com a precisão necessária. Os recursos dos CIs modernos são tão pequenos que os engenheiros de processo devem usar microscópios eletrônicos para depurá-los.
Fabricação de CI
O equipamento de teste automatizado (ATE) testa cada wafer antes de usá-lo para fazer um IC, um processo comumente conhecido como sondagem de wafer ou teste de wafer. O wafer é então cortado em pedaços retangulares conhecidos como matrizes e depois conectado a um pacote eletrônico por meio de fios eletricamente condutores, que geralmente são feitos de ouro ou alumínio. Esses fios são ligados a almofadas que normalmente estão localizadas ao redor da borda da matriz usando ultrassom em um processo chamado ligação termossônica.
Os dispositivos resultantes passam por fases finais de testes, que normalmente usam equipamentos industriais de tomografia computadorizada (TC) e ATE. O custo relativo dos testes varia muito de acordo com o rendimento, tamanho e custo do dispositivo. Por exemplo, os testes podem representar mais de 25% dos custos totais de fabricação de dispositivos baratos, mas podem ser virtualmente insignificantes para dispositivos grandes e caros com baixo rendimento.
Técnicas
A fabricação de CIs é um processo altamente automatizado que utiliza muitas técnicas específicas. Estas capacidades impulsionam o elevado custo de construção de uma instalação de fabricação, que pode exceder os 8 mil milhões de dólares a partir de 2016. Espera-se que este custo aumente muito mais rapidamente do que a inflação devido à necessidade contínua de maior automação.
A tendência para transistores menores continuará no futuro próximo, com 14 nm sendo o estado da arte em 2016. Fabricantes de IC como Intel, Samsung, Global Foundries e TSMC deverão iniciar a transição para transistores de 10 nm até o final de 2017 .
Grandes wafers proporcionam uma economia de escala, o que reduz o custo total dos ICs. Os maiores wafers disponíveis comercialmente têm 300 mm de diâmetro, sendo 450 mm o próximo tamanho máximo esperado. No entanto, ainda existem desafios técnicos significativos para a fabricação de wafers deste tamanho.
Técnicas adicionais usadas na fabricação de CIs incluem transistores tri-gate, que a Intel fabrica com largura de 22 nm desde 2011. A IBM usa um processo conhecido como silício tenso diretamente no isolador (SSDOI), que remove a camada de silício-germânio do uma bolacha.
O cobre está substituindo as interconexões de alumínio nos CIs, principalmente devido à sua maior condutividade elétrica. Isoladores dielétricos de baixo K e Silício em Isoladores (SOIs) também são técnicas avançadas de fabricação de CIs.
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Células solares
Uma célula solar usa o efeito fotovoltaico para converter a energia luminosa em energia elétrica, o que geralmente envolve a absorção de luz por algum material para excitar os elétrons para um estado de energia mais elevado. É uma espécie de célula fotoelétrica, dispositivo que altera suas características elétricas quando exposto à luz. As células solares podem usar luz de qualquer fonte, embora o termo “solar” implique que elas requerem luz solar.
A geração de eletricidade como fonte de energia é uma das aplicações mais conhecidas das células solares. Esses tipos de células solares usam uma fonte de luz para carregar uma bateria, que pode ser usada para alimentar um dispositivo elétrico.
As células solares são frequentemente integradas ao dispositivo que pretendem alimentar. Por exemplo, as luzes movidas a energia solar comumente disponíveis em lojas de materiais de construção usam células solares para carregar uma bateria durante o dia. À noite, a bateria alimenta um sensor de movimento que acende a luz quando detecta movimento.
As células solares podem ser classificadas em tipos de primeira, segunda e terceira geração. As células de primeira geração são compostas de silício cristalino, incluindo silício monocristalino e polissilício. Atualmente, eles são o tipo mais comum de célula solar. As células de segunda geração utilizam uma película fina composta de silício amorfo e são normalmente utilizadas em centrais eléctricas comerciais. As células solares de terceira geração utilizam película fina desenvolvida com uma variedade de tecnologias emergentes e atualmente têm aplicações comerciais limitadas.
Fabricação de células solares
A grande maioria de uma célula solar de primeira geração é composta de silício cristalino, embora sua qualidade estrutural e pureza estejam muito abaixo daquelas utilizadas em CIs. O silício monocristalino converte luz em eletricidade com mais eficiência do que o polissilício, mas o silício monocristalino também é mais caro.
As bolachas são cortadas em quadrados para formar células individuais e seus cantos são então cortados para formar octógonos. Este formato confere aos painéis solares sua aparência distinta de diamante. As células que compõem um painel solar devem ser todas orientadas no mesmo plano para maximizar a eficiência de conversão. Os painéis são normalmente cobertos com uma folha de vidro na lateral voltada para o sol para proteger os wafers.
As células solares podem ser conectadas em série ou paralelo, dependendo dos requisitos específicos. Conectar as células em série aumenta sua tensão, enquanto conectá-las em paralelo aumenta a corrente. A principal desvantagem das cordas paralelas é que os efeitos de sombra podem fazer com que as cordas sombreadas sejam desligadas, o que pode fazer com que as cordas iluminadas apliquem uma tendência reversa às cordas sombreadas. Este efeito pode resultar em uma perda substancial de energia e até mesmo em danos às células.
A solução preferida para este problema é conectar cadeias de células em série para formar módulos e usar rastreadores de ponto de potência máxima (MPPTs) para lidar com os requisitos de energia das cadeias independentemente umas das outras. No entanto, os módulos também podem ser interligados para formar um conjunto com a corrente de carga e a tensão de pico desejadas. Outra solução para os problemas causados pelos efeitos de sombra é a utilização de diodos shunt para reduzir a perda de potência.
Aumento de tamanho
A tendência para bolas maiores na indústria de semicondutores resultou em um aumento no tamanho das células solares. Os painéis solares desenvolvidos na década de 1980 são feitos de células com diâmetro entre 50 e 100 mm. Os painéis fabricados durante as décadas de 1990 e 2000 normalmente usavam wafers com diâmetro de 125 mm, e os painéis fabricados desde 2008 têm células de 156 mm.
O uso de wafers de silício
Os wafers de silício são mais frequentemente usados como substrato para circuitos integrados (ICs), embora também sejam um componente importante em células fotovoltaicas ou solares. O processo básico de fabricação desses wafers é o mesmo para ambas as aplicações, embora os requisitos de qualidade sejam muito mais elevados para os wafers usados em CIs. Esses wafers também passam por etapas adicionais, como implantação iônica, gravação e padronização fotolitográfica, que não são necessárias para células solares.
