ویفر سیلیکونی چیست؟ برای چه استفاده می شود؟

این احتمال وجود دارد که بسیاری از مردم در زندگی روزمره خود با ویفر سیلیکونی در تماس بوده یا حتی از آن استفاده کرده باشند، هرچند شاید بدون اینکه متوجه باشند. برای کسانی که از دستگاه هایی مانند رایانه و تلفن های هوشمند استفاده کرده اند، مطمئناً با این فناوری تعامل داشته اند. به عنوان یک تامین کننده برجسته ویفرهای سیلیکونی، اغلب از ما سوالاتی مانند "ویفر سیلیکونی چیست؟" و "کاربرد آن چیست؟" در این مقاله قصد داریم به معرفی کامل ویفرهای سیلیکونی بپردازیم.

برای تولید دستگاه های نیمه هادی، MEMS و موارد دیگر، ما در WaferPro طیف گسترده ای از محصولات ویفر سیلیکونی را ارائه می دهیم. این شامل ویفرهای سیلیکونی درجه اول، آزمایشی و احیا شده در جهت ها، مقاومت ها، ضخامت ها و قطرهای مختلف است.

ویفر سیلیکونی چیست؟

ویفرهای سیلیکونی مواد ضروری برای تولید نیمه هادی ها هستند که تقریباً در همه انواع دستگاه های الکترونیکی یافت می شوند که زندگی مردم را بهبود می بخشد. سیلیکون دومین عنصر فراوان در جهان است و در درجه اول به عنوان نیمه هادی در زمینه های فناوری و الکترونیک استفاده می شود.

بسیاری از مردم احتمالاً در مقطعی از زندگی خود با یک ویفر سیلیکونی واقعی مواجه شده اند. این دیسک فوق-مسطح به دقت صیقل داده شده و به شکل آینه-شبیه شده است. علاوه بر این، دارای بی‌نظمی‌های سطحی است که آن را به صاف‌ترین جسم روی زمین تبدیل می‌کند. همچنین بسیار تمیز و عاری از ناخالصی‌ها و ذرات میکرو-که ویژگی‌های مهمی هستند که آن را به ماده بستر ایده‌آل برای نیمه‌رساناهای مدرن تبدیل می‌کنند.

روش های مختلفی برای ساخت سیلیکون وجود دارد که از آن جمله می توان به روش بریجمن افقی، روش انجماد شیب افقی، روش انجماد گرادیان عمودی، روش بریجمن عمودی و روش کشش چوکرالسکی اشاره کرد.

در طول فرآیند رشد، می توان مواد ناخالص را برای تغییر خلوص ویفر سیلیکونی با توجه به کاربرد مورد نظر آن معرفی کرد. این ناخالصی‌ها می‌توانند خواص الکترونیکی سیلیکون را که برای هدف تولید خاص آن حیاتی هستند، تغییر دهند.

آلاینده های معمولی که در طول فرآیند رشد اضافه می شوند عبارتند از آلومینیوم، بور، نیتروژن، ایندیم و گالیم. بسته به زمان معرفی مواد ناخالص، یک نیمه هادی ممکن است به عنوان منحط یا بیرونی طبقه بندی شود.

ویفر سیلیکونی برای چه مواردی استفاده می شود؟

1. نیمه هادی

اگرچه هادی های دیگر در کاربردهای تخصصی تر مورد استفاده قرار می گیرند، سیلیکون به دلیل تحرک استثنایی خود، هم در دماهای بالا و هم در دمای اتاق، پرمصرف ترین نیمه هادی است.

چیزی که سیلیکون را به گزینه ای عالی برای دستگاه های الکترونیکی تبدیل می کند، توانایی آن در عبور جریان های الکتریکی از طریق هادی های آن بسیار کارآمدتر از سایر مواد است.

2. ویفرهای سیلیکونی در دستگاه های الکترونیکی

نیمه هادی هایی مانند ویفرهای سیلیکونی در تولید تراشه ها و ریزتراشه های مورد استفاده در دستگاه های الکترونیکی ضروری هستند.

به دلیل ویژگی های منحصر به فرد جریان های الکتریکی که از ویفرهای سیلیکونی عبور می کنند، این نیمه هادی ها برای ایجاد IC ها (مدارهای مجتمع) یکپارچه هستند. آی سی ها به عنوان واحد کنترل برای اقدامات مختلف در دستگاه های الکترونیکی عمل می کنند.

ویفر سیلیکونی جزء اصلی در مدارهای مجتمع است. به زبان ساده، مدارهای مجتمع ترکیبی از اجزای مختلف الکترونیکی هستند که برای انجام یک کار خاص مونتاژ شده اند.

سیلیکون پایه و اساس فناوری های نیمه هادی است. ویفر اساساً یک برش نازک از مواد نیمه هادی است که به عنوان بستر دستگاه های میکروالکترونیکی که روی یا داخل ویفر قرار می گیرند، عمل می کند.

اگرچه ویفرهای سیلیکونی ممکن است به نظر نزدیک به ابزارهای تکنولوژیکی پیشرفته ای باشند که فقط در رویاها وجود دارند، اما آنها بسیار بیشتر از آنچه بیشتر مردم تصور می کنند به ما نزدیک هستند! ویفرهای سیلیکونی در رایانه‌ها، تلفن‌های هوشمند، دستگاه‌های تلفن همراه و حتی در سیستم‌های حسگر فشار تایر یافت می‌شوند.

3. کاربردهای دیگر ویفرهای سیلیکونی

ویفرهای سیلیکونی بسیار{0}خالص یک پلتفرم ایده آل برای ایجاد مدارهای مجتمعی که برای همه دستگاه های الکترونیکی ضروری هستند ارائه می کنند. این ویفرها در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می شوند، از جمله:

ریزپردازنده ها - تراشه های اصلی که رایانه ها و تلفن های هوشمند را هدایت می کنند

حافظه DRAM و فلش – میلیاردها سلول حافظه مبتنی بر سیلیکون-روی تراشه‌ها یافت شد

سنسورهای CMOS - حسگرهای تصویری که نور را در دوربین گوشی های هوشمند و سایر دستگاه ها می گیرند

دستگاه های قدرت - طرح های تخصصی که برق را در سیستم های الکترونیکی تنظیم می کنند

MEMS - سیستم های مکانیکی و الکترومکانیکی کوچک ساخته شده از سیلیکون

مدارهای نوری - موجبرها و دستگاه های فوتونیکی که اپتیک را یکپارچه می کنند

نحوه ساخت ویفرهای سیلیکونی - مرحله به مرحله

ویفرهای سیلیکونی از طریق یک فرآیند پیچیده شامل چندین مرحله حیاتی تولید می شوند. اکثر ویفرهای سیلیکونی استاندارد و سفارشی WaferPro با استفاده از همین فرآیندهای سخت تحت کنترل‌های کیفی دقیق تولید می‌شوند.

1. رشد شمش

پلی سیلیکون با خلوص بالا با استفاده از فرآیند Czochralski ذوب شده و به یک شمش کریستالی تبدیل می شود. شمش ها می توانند بیش از 2 متر طول و صدها کیلوگرم وزن داشته باشند. شمش باید دارای ساختار کریستالی بسیار خالص برای عملکرد بهینه در الکترونیک باشد، زیرا هر گونه ناخالصی می تواند به طور قابل توجهی عملکرد را مختل کند.

2. صاف یا بریدگی سنگ زنی

هنگامی که شمش سیلیکون تقریباً بی عیب و نقص است، مرحله بعدی شامل آسیاب کردن سطوح صاف یا بریدگی در لبه های آن است. این کمک می کند تا شمش به درستی برای فرآیندهای بعدی تراز شود. جهت گیری کریستال سیلیکون برای برش دقیق بسیار مهم است.

3. برش دادن

سپس شمش ها را با استفاده از اره با قطر داخلی یا اره سیمی به دیسک هایی با ضخامت 0.2 تا 1.5 میلی متر برش می دهند. از یک شمش می توان صدها ویفر را برش داد.

4. لبه سنگ زنی

قبل از آماده شدن ویفرها برای ساخت، لبه ها آسیاب می شوند تا ترک های میکروسکوپی و شکاف های ایجاد شده در حین برش زدن از بین بروند. این محیط اطراف را صاف می کند و لبه ها را تقویت می کند.

5. لپ زدن

ویفرها بین دو پد چرخان پوشیده شده با ذرات ساینده و دوغاب شیمیایی قرار می گیرند و هر دو طرف ویفر را صاف می کنند.

6. اچ کردن

اچ کردن هرگونه ریزه و ذرات میکروسکوپی باقیمانده را حذف می‌کند و سطح را در مقیاس اتمی خالص‌تر می‌کند.

7. پرداخت

ویفرها پولیش می‌شوند تا سطحی آینه‌ای{0}}مانند صاف با کمترین نقص داشته باشند.

8. تمیز کردن

در نهایت، ویفرها تحت حمام های تمیز کننده شیمیایی مرطوب قرار می گیرند تا هر گونه آلودگی باقیمانده از بین برود.

خلاصه سریع تولید ویفر سیلیکونی

مرحله	توضیحات
1. شمش سیلیسیم	یک شمش سیلیکون تک کریستالی را با استفاده از فرآیند Czochralski رشد دهید
2. صاف یا بریدگی سنگ زنی	صاف یا بریدگی را در امتداد لبه های شمش آسیاب کنید تا برای برش به درستی تراز شوند
3. برش دادن	برای تولید ویفرهای سیلیکونی خام، شمش سیلیکون را به دیسک برش دهید
4. لبه سنگ زنی	لبه های ویفرهای برش خورده را آسیاب کنید تا هر گونه ترک یا شکاف از بین برود
5. لپ زدن	از پدهای ساینده و دوغاب برای صاف و صاف کردن سطوح ویفر استفاده کنید
6. اچ کردن	از حمام های شیمیایی برای حذف ناهمواری های باقی مانده و ذرات سطحی استفاده کنید
7. پرداخت	پولیش نهایی را اعمال کنید تا سطوح ویفری بسیار صاف و صاف به دست آید
8. تمیز کردن	ویفرها را کاملا تمیز کنید تا بقایای آن ها پاک شود

مشخصات کلیدی ویفرهای سیلیکونی

قطر - از 1 اینچ تا بیش از 12 اینچ، رایج ترین اندازه ها 150 میلی متر، 200 میلی متر و 300 میلی متر است.

ضخامت - معمولاً 0.2-1.5 میلی متر است

تحمل صافی - کمتر از 1 میکرومتر

پرداخت سطح - زیر تغییرات 1 نانومتری

اتم‌های - جهت‌گیری کریستالی به‌هم ردیف شده‌اند تا صفحه سطح مورد نظر را نشان دهند

دوپینگ - ذاتی یا با ردیابی بور/فسفر اضافه شده است

تراکم نقص - از طریق فرآیندهای کاملاً کنترل شده به حداقل می رسد

تاریخچه مختصر سیلیکون در الکترونیک

توسعه ترانزیستور در سال 1947 یک تغییر اساسی در الکترونیک را نشان داد و جایگزین لوله های خلاء حجیم شد. سیلیکون به دلیل فراوانی و خواص برتر به ماده غالب برای نیمه هادی ها تبدیل شد.

سال	نقطه عطف
1958	اولین مدار مجتمع سیلیکونی با چهار ترانزیستور
1968	اولین تراشه حافظه DRAM سیلیکونی
1971	اولین ریزپردازنده با 2300 ترانزیستور
1981	IBM اولین کامپیوتر شخصی با پردازنده مرکزی 29000 ترانزیستوری را معرفی کرد
2012	پردازنده Intel Ivy Bridge با 1.4 میلیارد ترانزیستور

اقتصاد ویفرهای سیلیکونی

انتظار می رود بازار جهانی ویفرهای سیلیکونی تا سال 2027 به 17 میلیارد دلار برسد. تقاضا برای دستگاه های قدرتمندتر و کارآمدتر همچنان باعث رشد تولید ویفر می شود.

 

 

با رشد شدید تقاضا برای تراشه های سیلیکونی که برنامه های جدید را تامین می کند...

انتظار می‌رود که بازار جهانی ویفرهای سیلیکونی تا سال 2027 به 17 میلیارد دلار نزدیک شود، با تغییر اندازه ویفر از فرمت‌های سنتی 200 میلی‌متری به فرمت‌های بزرگ‌تر 300 میلی‌متری، که سرمایه‌گذاری عمده‌ای را در ویفرهای بزرگتر و تأسیسات تولید انجام می‌دهد.

افزایش تقاضا برای نمایشگرهای پیشرفته و فناوری‌های ارتباطی نیز به رشد بازار ویفرهای نیمه‌رسانای ترکیبی عجیب و غریب، از جمله موادی مانند GaAs و InP دامن می‌زند که اکنون فروش سالانه آنها از 5 میلیارد دلار فراتر رفته است. با وجود تمام پیشرفت‌ها، ویفر سیلیکونی ساده اما قدرتمند همچنان ستون فقرات میکروالکترونیک سیلیکونی است که عمیقاً در زندگی مدرن ادغام شده است.

ویفرهای سیلیکونی پایه‌ای حیاتی برای تولید مدارهای مجتمع و ریزتراشه‌هایی هستند که الکترونیک را در صنایع مختلف تامین می‌کنند. از آنجایی که تقاضا برای دستگاه‌های سریع‌تر، مقرون‌به‌صرفه‌تر و قوی‌تر هر سال به طور تصاعدی رشد می‌کند، تولید این بسترهای نیمه‌رسانای حیاتی نیز با سرعت زیادی در حال افزایش است.

در سال 2019، هر ماه بیش از 12 میلیون ویفر سیلیکونی تولید شد. این بدان معناست که سالانه بیش از 150 میلیون دستگاه در مقیاس جهانی تولید می شود. فقط پنج سال قبل، در سال 2014، تولید سالانه نزدیک به 100 میلیون بود. تا سال 2025، پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که هر سال بیش از 300 میلیون ویفر تولید می‌شود و تولید به‌طور پیوسته افزایش می‌یابد.

محرک اصلی این رشد، پیگیری بی وقفه تراشه های کوچکتر و سریعتر است. هر نسل جدید از تراشه ها قدرت محاسباتی بیشتری را در یک منطقه کوچکتر قرار می دهد، به این معنی که تراشه های بیشتری را می توان از هر ویفر تولید کرد. این پیشرفت سریع که اغلب از آن به عنوان قانون مور یاد می شود، منجر به افزایش عرضه ویفر برای پاسخگویی به تقاضا با کاهش هزینه ترانزیستور شده است.

عرضه محصولات جدید، مانند آیفون یا کنسول‌های بازی، منجر به افزایش ناگهانی تقاضا می‌شود که با سرمایه‌گذاری مستمر در امکانات اتاق تمیز جدید برآورده می‌شود. در حالی که قطر ویفرهای اولیه فقط یک اینچ بود، دیسک‌های سیلیکونی 300 میلی‌متری مدرن امکان صرفه‌جویی در مقیاس بزرگ را فراهم می‌کنند. شرکت های نیمه هادی پیشرو هم اکنون در حال آزمایش نمونه های اولیه با قطر 450 میلی متر هستند.

فضای تولید اختصاص داده شده به ساخت ویفر به میلیون ها فوت مربع گسترش یافته است و تجهیزاتی که هر کدام تا 100 میلیون دلار هزینه دارند. در دهه گذشته، غول‌های فناوری مانند TSMC و سامسونگ بیش از نیم تریلیون دلار در تأسیسات ساخت ویفر سرمایه‌گذاری کرده‌اند و برای دستیابی به پیشرفت‌های بعدی در کوچک‌سازی رقابت می‌کنند.

امروزه، TSMC، پیشروترین کارخانه ریخته گری خالص-جهان، سالانه بیش از 100 میلیون ویفر تولید می کند. سامسونگ نیز با بخش‌های داخلی خود، بازیگر اصلی است و طیف وسیعی از تراشه‌ها از حافظه گرفته تا پردازنده‌های موبایل تولید می‌کند. علاوه بر این، شرکت هایی مانند SUMCO، GlobalFoundries، و تولیدکنندگان چینی مانند SMIC در تولید بیش از 50 میلیون ویفر اضافی در سطح جهان مشارکت دارند.

بازار فروش ویفر سیلیکونی استاندارد هنوز هم صنعت پر رونق 10 میلیارد دلاری را نشان می دهد که طرح های تخصصی را برای کارخانه های مختلف عرضه می کند. GlobalWafers، یک بازیکن پیشرو، بیش از 2 میلیون ویفر در ماه برای پاسخگویی به این تقاضای فزاینده ارسال می کند.

این تولید که به سرعت در حال گسترش است به شرکت های نیمه هادی که مدارهای یکپارچه را بر روی این بسترهای بی عیب سیلیکون و کاربید سیلیکون تولید می کنند، اجازه می دهد تا درآمد سالانه عظیم بیش از 500 میلیارد دلاری خود را در سراسر زنجیره تامین جهانی حفظ کنند.

بنابراین، دفعه بعد که از قدرت گوشی هوشمند خود لذت می برید، لحظه ای را به قدردانی از ظرفیت عظیم تولید و سرمایه ای که برای ایجاد آن صرف می کند، اختصاص دهید. آینده دیجیتال ما به میلیاردها ویفر سیلیکونی بستگی دارد که سالانه از طریق خطوط لوله ساخت جهانی پردازش می شود.