Pooljuhtplaat

Elektroonikas on pooljuhtplaat või pooljuht vahvel (Inglise keeles wafer) õhuke pooljuhi, näiteks ränikristalli, viilukujuline toorik. Seda kasutatakse pooljuhitööstuses mikrokiipide ja teiste mikroseadmete valmistamiseks. Pooljuhtplaatide sisse ja peale ehitatakse mikroelektroonikakomponente, see on nende alusmaterjaliks. Komponentide valmistamiseks on vaja palju samme: legeerimine või ioonide lisamine, söövitamine, erinevate materjalikihtide sadestamine ja fotolitograafiaga mustrite pealekandmine. Lõpuks üksikud mikroskeemid eraldatakse lõikamise teel pooljuhttükkideks ning pakendatakse pooljuhi korpustesse.
Mitmeid päikeseelemendi tüüpe valmistatakse sellistest pooljuhtplaatidest. Enamasti kasutatakse päikeseelementide valmistamiseks ära terve plaat.

Valmistamine

Pooljuhtplaadid valmistatakse ülipuhtast (99,9999999% puhtad) ning peaaegu defektivabast kristallilisest materjalist. Üks viis, kuidas kristalltoorikuid valmistada, on Poola keemiku Jan Czochralski leiutatud Czochralski meetod. Selles protsessis moodustub aluskristalli sulatades silindriline kõrge puhtusega monokristall pooljuhi (näiteks räni või germaaniumi) toorik.
Doonor ja aktseptorlisandid, näiteks räni korral boori või fosfori saab lisada sulanud pooljuhimaterjali täpsetes kogustes. Selle tulemusena legeeritakse pooljuht n- või p-tüübiks.
Seejärel pooljuhtplaatide valmistamiseks lõigatakse toorik traatsaega viiludeks ja poleeritakse. Plaadi suurus päikeseelementide puhul on 100–200 mm ja paksus 200–300 μm. Tulevikus hakatakse standardina kasutama 160 μm paksusi plaate. Elektroonika kasutab plaate läbimõõtudega vahemikus 100–450 mm. Suurimad pooljuhtplaadid, mida valmistatakse, on 450 mm läbimõõduga, kuid need pole veel tavatootmises.

Puhastamine, karestamine ja söövitamine

Pooljuhtplaadid puhastatakse ebavajalike osakeste eemaldamiseks ja saagimisprotsessi käigus tekkinud vigade parandamiseks nõrga happega. Päikeseelementides kasutatavad paneelid karestatakse, et suurendada nende kasutegurit. Tekkiv fotosilikaadist klaas eemaldatakse plaadi servadest söövitamise käigus.

Analüütiline kiipide arvu hindamine

Kui on antud plaadi diameeter [d, mm] ja mikrokiibi pooljuhttüki suurus [S, mm²], on olemas täpne number kiipe, mis on võimalik plaadist välja lõigata. Summaarne kiipide arv plaadi kohta on hinnatav järgmise valemiga:
Pange tähele, et kiipide arv ei võta arvesse defektidest, joondumismärkidest ja kvaliteedi testimisest tulnud kadusid.

Kristalliline suund

Pooljuhtplaadid kasvatatakse regulaarse kristallstruktuuriga kristallist. Näiteks räni ühikraku võre vahe on 5,430710 Å (0,5430710 nm). Plaatideks lõigates joondatakse pind võrreldes kristallvõrega kindlat pidi. Suund pannakse kirja Milleri indeksiga. Räni puhul on kõige tavalisemad suunad (100) või (111). Suund on väga tähtis, sest paljud kristalli struktuursed ja elektrilised omadused on tugevalt anisotroopsed. Ioonimplanteerimise sügavus sõltub plaadi kristallilisest suunast, kuna iga suund omab erinevaid transpordiradu. Tavaliselt toimub pooljuhi lõhenevus ainult vähestes hästi määratletud suundades. Plaati on piki lõhenemistasandeid võimalik lihtsamalt pooljuhitükkideks lõigata. Niiviisi lõigatakse keskmine pooljuhtplaat miljarditeks elektriahelateks.

Plaadi sirged servad ja kristallisuuna sälgud

200 mm väiksema läbimõõduga plaatidel on ühes või mitmes küljes sirged sisselõiked, mis märgivad kristallograafia suunda (tavaliselt {110} küljes). Varasematel pooljuhtplaadi generatsioonidel oli sirgete servade paar, mille vaheline nurk näitas legeeringu tüüpi. 200 mm ja suurema läbimõõduga plaadid kasutavad väikest sälku suuna määramiseks ning visuaalsed viisid legeerimise määramiseks puuduvad.

Lisandid

Räniplaadid pole tavalisel 100% puhtast ränist vaid valmistatakse algsete legeeritud lisanditega. Lisandite kontsentratsioon on vahemikust 10¹³ kuni 10¹⁶aatomit cm³ kohta. Boor, fosfor, arseen või antimon lisatakse sulanud kristallile, et muuta see n- või p-tüüpi pooljuhiks. Ehhki kui võrrelda seda räni aatomite tihedusega 5×10²² aatomit cm³ kohta, on puhtus siiski üle 99,9999%. Pooljuhtplaatidel võib olla hapniku kontsentratsioonist tingitud kristallidefekte. Süsinikust ja metallidest tingitud saastust üritatakse võimalikult väiksena hoida. Elektroonilistel kasutusaladel peab hoidma üleminekumetallide kontsentratsiooni eriti madalal, alla ühe osa miljardi kohta.

Ühendpooljuhid

Kuigi räni on elektroonikatööstuses levinuim pooljuhtplaadi materjal, kasutatakse ka muid materjale. Näiteks galliumarseniid (GaAs), Czochralski meetodiga toodetav III–V pooljuht, on üks selliseid.