Wafel krzemowy

Wafel krzemowy, płytka krzemowa, podłoże krzemowe, plaster krzemowy – cienka płytka monokrystalicznego krzemu, używana do wytwarzania czipów krzemowych (mikroprocesorów, mikrokontrolerów i innych układów scalonych), ogniw słonecznych oraz mikroukładów elektromechanicznych.

Produkcja monokryształów krzemu metodą Czochralskiego

Wafel 2-, 4-, 6- i 8-calowy

Wafel krzemowy po obróbce mikroelektronicznej

Wafel jest podstawowym materiałem wyjściowym w mikroelektronice. W celu uzyskania z niego określonych elementów półprzewodnikowych poddawany jest on wielu procesom technologicznym, między innymi domieszkowaniu, implementacji jonów i fotolitografii.

Tworzenie wafla krzemowego

Walce do produkcji wafli uzyskuje się poprzez krystalizację stopionego krzemu, zazwyczaj metodą Czochralskiego. Walce bardzo czystego (99,9999%), niemal wolnego od defektów, krystalicznego krzemu^[1]. Walec krzemowy tnie się na warstwy za pomocą diamentowej piły drutowej, uzyskane płytki są polerowane do osiągnięcia idealnej gładkości^[2], jeśli przeznaczone są do układów scalonych, albo fakturowane, jeżeli mają być używane do budowy ogniw słonecznych. Wafle ogniwowe przycinane są w kwadraty ze ścięciami przy wierzchołkach o boku 100–200 mm i grubości 200–300 μm; w przyszłości standardem mają mieć grubość 160 μm^[3]. W elektronice używa się wafli o średnicy 100–300 mm, a w niedalekiej przyszłości nawet 450 mm^[4].

Tak uzyskany wafel może być następnie domieszkowany celem uzyskania pożądanych właściwości elektrycznych.

Procesy obróbki wafli

Wafle są czyszczone przy użyciu słabego kwasu w celu usunięcia zbędnych cząsteczek lub naprawienia uszkodzeń powstałych podczas przecinania. W przypadku ogniw słonecznych są one następnie fakturowane dla wytworzenia nierównej powierzchni, aby zwiększyć ich efektywność. W końcu podczas wytrawiania jest usuwane szkło fosforowo-krzemowe, które tworzy się na brzegach wafli podczas procesu krystalizacji^[5]. Jeśli mają być one użyte jako podłoże dla układów scalonych, to płytki są polerowane, a następnie poddawane procesowi nanoszenia struktury układu scalonego (zwykle za pomocą fotolitografii).

Charakterystyka wafli

Typowe rozmiary

Wafle krzemowe są dostępne w zakresie rozmiarów od 25,4 mm (jeden cal) do 300 mm (11,8 cala)^[6]. Fabryki półprzewodników są często charakteryzowane przez rozmiary wafli, jakie są w stanie wyprodukować. Ciągłe zwiększanie rozmiarów zwiększa efektywność i redukuje koszty produkcji. Obecnie za standard przyjmuje się 300 mm; następnym przewidywanym standardem jest 450 mm^[7][8].

27 sierpnia 2011, z kapitałem 4,4 mld dolarów, Intel, TSMC, Samsung, IBM i GlobalFoundries stworzyły konsorcjum, aby wspólnie ponieść ogromne koszty opracowania nowej technologii^[9]. W styczniu 2013 Intel zaprezentował pierwszy wafel krzemowy o średnicy 450 mm^[10], lecz już rok później oświadczył, że będzie (ze względu na kryzys w branży komputerowej) stosować wafle 300 mm aż do 2023 roku. Najnowszą technologię wprowadzi dopiero wraz z nową fotolitografią EUV (extreme ultraviolet) i procesem wytwórczym 7 nm^[4], mimo że pierwsza fabryka Fab42 została zbudowana już w roku 2014^[11].

Kolejno stosowane rozmiary wafli:

• 1 cal
• 2 cale (50,8 mm), grubość 275 µm
• 3 cale (76,2 mm), grubość 375 µm
• 4 cale (100 mm), grubość 525 µm
• 5 cali (127 mm) lub 125 mm (4,9 cala), grubość 625 µm
• 150 mm (5,9 cala, zwykle nazywany 6-calowym), grubość 675 µm
• 200 mm (7,9 cala, zwykle nazywany 8-calowym), grubość 725 µm
• 300 mm (11,8 cala, zwykle nazywany 12-calowym), grubość 775 µm
• 450 mm (18 cali), grubość 925 µm (oczekiwana)^[12].