Pooljuhtplaat

Allikas: Vikipeedia
Poleeritud 300 ja 150 mm pooljuhtplaadid. Täkked plaatides tähistavad kristallide orientatsiooni.
Suur 300 mm pooljuhtplaat enne lõikumist ja mikrokiibiks pakkimist.

Elektroonikas on pooljuhtplaat (Inglise keeles wafer[1]) õhuke pooljuhi, näiteks ränikristalli, viilu kujuline 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 peale kandmine. 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[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kristalli kasvatamine
50 mm, 100 mm, 150 mm ja 200 mm pooljuhtplaadid.

Pooljuhtplaadid valmistatakse ülipuhtast (99,9999999% puhtad)[2] ning peaaegu defektivabast kristallilisest materjalist.[3] Üks viis kuidas kristalltoorikuid valmistada on Poola keemiku Jan Czochralski leiutatud Czochralski meetod. Selles protsessis moodustub aluskristalli sulatades silindriline kõrge puhtusega monokristall pooljuhti (näiteks räni või Germaaniumi) toorik.[4][5] Doonor ja akseptorlisandid, 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 ning poleeritakse.[6] Plaadi suurus päikeseelementide puhul on 100–200 mm ja paksus 200–300 μm. Tulevikus hakatakse standardina kasutama 160 μm paksusi plaate.[7] 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[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pooljuhtplaadid puhastatakse ebavajalike osakeste eemaldamiseks ning saagimisprotsessi käigus tekkinud vigade parandamiseks nõrga happega. Päikeseelementides kasutatavad paneelid karestatakse, et suurendada nende kasutegurit. Tekkiv fotosilikaadist klaas eemaldatakse plaadi servadest söövitamise käigus.[8]

Plaatide omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Standardsed plaatide suurused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Päikeseelementide pooljuhtpaneelid konveieril
Lõpetatud päikeseelement

Pooljuhtplaate on paljudes erinevates läbimõõtudes, alates 25 mm-st kuni 300 mm-ni.[9] Pooljuhte tootvaid tehaseid jagatakse selle järgi kui suuri plaate seal olevad masinad on võimelised tootma. Diameeter on vähehaaval suurenenud, et suurendada tootlikust ja vähendada hinda. Praegused kaasaegseimad tehased kasutavad 300 mm läbimõõduga plaate ja järgmine standard on prognoositud olema 450 mm.[10][11] Intel, TSMC ja Samsungarendavad eraldiseisvalt 450 mm prototüüptehast. Täpsed valmimisaastad sõltuvad paljuski uutest tehnoloogilistest edusammudest, sest sammuks ei saa ainult olemasolevaid tehnoloogiad laiendada

  • 25 mm
  • 50 mm. Paksus 275 µm.
  • 75 mm. Paksus 375 µm.
  • 100 mm. Paksus 525 µm.
  • 125 mm. Paksus 625 µm.
  • 150 mm. Paksus 675 µm.
  • 200 mm. Paksus 725 µm.
  • 300 mm. Paksus 775 µm.
  • 450 mm. Paksus 925 µm (oodatav).[12]

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.

Analüütiline kiipide arvu hindamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

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 kiipe plaadi kohta on hinnatav järgmise valemiga:

KiipePlaadiKohta = d\pi\left (\frac{d}{4S} - \frac{1}{\sqrt{2S}} \right)

Pane tähele, et kiipide arv ei võta arvesse defektidest, joondumismärkidest ja kvaliteedi testimisest tulnud kadusid.

Kristalliline suund[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pooljuhtplaadid kasvatatakse regulaarse kristallstruktuuriga kristallist. Näiteks räni ühikraku võre vahe on 5.430710 Å (0.5430710 nm).[13] Plaatideks lõigates joondatakse pind võrreldes kristallvõrega kindlat pidi. Suund pannakse kirja Milleri indeksiga. Räni puhul on kõige tavalisemad suunad (100) või (111).[13] 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.[14] Tavaliselt toimub pooljuhi lõhenevus ainult vähestes hästi määratletud suundades. Plaati on pikki lõhenemistasandeid võimalik lihtsamalt pooljuhitükkideks lõigata. Niiviisi lõigatakse keskmine pooljuhtplaat miljarditeks elektriahelateks.

Plaadi sirged servad ja kristallisuna sälgud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Sirgeid ära lõigatud servi kasutatakse legeerimise tüübi ja kristallvõre suuna märkimiseks. Punane märgib eemaldatud materjali.

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.[15]

Lisandid[muuda | redigeeri lähteteksti]

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.[16] Siiski 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.[17] Elektroonilistes kasutusalades peab hoidma üleminekumetallide konsentratsiooni eriti madalal, alla ühe osa miljardi kohta.[18]

Ühendpooljuhid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuigi räni on elektroonikatööstuses enimlevinud pooljuhtplaadi materjal, kasutatakse ka teisi materjale. Galliumarseniid (GaAs), Czochralski meetodiga toodetav III-V pooljuht, on üks teistest levinud pooljuhtidest.[5]

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Phillip A. Laplante (2005). Comprehensive dictionary of electrical engineering (väljaanne 2nd ). CRC Press. ISBN 978-0-8493-3086-5. 
  2. "Semi" SemiSource 2006: A supplement to Semiconductor International. December 2005. Reference Section: How to Make a Chip. Adapted from Design News. Reed Electronics Group.
  3. SemiSource 2006: A supplement to Semiconductor International. December 2005. Reference Section: How to Make a Chip. Adapted from Design News. Reed Electronics Group.
  4. Levy, Roland Albert (1989). Microelectronic Materials and Processes. pp. 1–2. ISBN 0-7923-0154-4. Vaadatud 2008-02-23. 
  5. 5,0 5,1 Grovenor, C. (1989). Microelectronic Materials. CRC Press. pp. 113–123. ISBN 0-85274-270-3. Vaadatud 2008-02-25. 
  6. Nishi, Yoshio (2000). Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. CRC Press. pp. 67–71. ISBN 0-8247-8783-8. Vaadatud 2008-02-25. 
  7. http://www.omron-semi-pv.eu/en/wafer-based-pv/wafer-preparation/slicing-the-ingot.html
  8. http://www.omron-semi-pv.eu/en/wafer-based-pv/front-end/wet-process.html
  9. "Silicon Wafer". Vaadatud 2008-02-23. 
  10. Intel, Samsung, TSMC reach agreement about 450mm tech
  11. ITRS Presentation (PDF)
  12. Industry Agrees on first 450-mm wafer standard - EETimes.com
  13. 13,0 13,1 O'Mara, William C. (1990). Handbook of Semiconductor Silicon Technology. William Andrew Inc. pp. 349–352. ISBN 0-8155-1237-6. Vaadatud 2008-02-24. 
  14. Nishi, Yoshio (2000). Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. CRC Press. pp. 108–109. ISBN 0-8247-8783-8. Vaadatud 2008-02-25. 
  15. "Wafer Flats". Vaadatud 2008-02-23. 
  16. Widmann, Dietrich (2000). Technology of Integrated Circuits. Springer. p. 39. ISBN 3-540-66199-9. Vaadatud 2008-02-24. 
  17. Levy, Roland Albert (1989). Microelectronic Materials and Processes. pp. 6–7, 13. ISBN 0-7923-0154-4. Vaadatud 2008-02-23. 
  18. Rockett, Angus (2008). The Materials Science of Semiconductors. p. 13. ISBN 978-0-387-25653-5.