Pooljuhtplaat

Pooljuhtplaat ehk pooljuhtvahvel (inglise keeles "wafer") on õhuke pooljuhi, näiteks ränikristalli, viilukujuline toorik. Seda kasutatakse pooljuhttehnoloogias mikrokiipide ja teiste integraallülituste 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.
Plaatide omadused.
Standardsed plaadisuurused.
Pooljuhtplaate on paljude läbimõõtudega, vahemikus 25–300 mm. Pooljuhte tootvaid tehaseid jagatakse selle järgi kui suuri plaate seal olevad masinad on võimelised tootma. Diameeter on vähehaaval suurenenud, et suurendada tootlikkust ja vähendada hinda. Praegused kaasaegseimad tehased kasutavad 300 mm läbimõõduga plaate ja järgmine standard on prognoositud olema 450 mm. Intel, TSMC ja Samsung arendavad eraldiseisvalt 450 mm prototüüptehast. Täpsed valmimisaastad sõltuvad paljuski uutest tehnoloogilistest edusammudest, sest sammuks ei saa ainult olemasolevaid tehnoloogiad laiendada.
Pooljuhtplaadid, mis ei ole ränist kasvatatud, võivad omada sama diameetri juures testsuguseid paksusi. Plaadi paksus sõltub kasutatava materjali tugevusest; plaat peab olema piisavalt tugev, et see käsitlemise ajal oma raskuse all ei murduks.
Kiipide arvu hindamine.
Kui on antud plaadi diameeter ("d", mm) ja mikrokiibi pooljuhttüki pindala ("S", mm2), saab plaadist väljalõigatavate kiipide arvu "n" leida valemiga:
formula_1
Saadud 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. Ehkki 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.