Произходът на името епитаксиална пластина
Първо, нека популяризираме една малка концепция: подготовката на пластини включва две основни звена: подготовка на субстрата и епитаксиален процес. Субстратът е пластина, изработена от полупроводников монокристален материал. Субстратът може директно да влезе в производствения процес на пластината за производство на полупроводникови устройства или може да бъде обработен чрез епитаксиални процеси за получаване на епитаксиални пластини. Епитаксията се отнася до процеса на отглеждане на нов слой монокристал върху монокристален субстрат, който е бил внимателно обработен чрез рязане, шлайфане, полиране и др. Новият монокристал може да бъде от същия материал като субстрата или може да бъде от различен материал (хомогенна епитаксия или хетероепитаксия). Тъй като новият монокристален слой се разширява и расте в съответствие с кристалната фаза на субстрата, той се нарича епитаксиален слой (дебелината обикновено е няколко микрона, като например силиций: значението на силициевия епитаксиален растеж е върху силициев монокристален субстрат с определена кристална ориентация. Отглежда се кристален слой с добра цялост на решетъчната структура и различно съпротивление и дебелина със същата кристална ориентация като субстрата), а субстратът с епитаксиалния слой се нарича епитаксиална пластина (епитаксиална пластина = епитаксиален слой + субстрат). Когато устройството е направено върху епитаксиалния слой, това се нарича положителна епитаксия. Ако устройството е направено върху субстрата, това се нарича обратна епитаксия. В този случай епитаксиалният слой играе само поддържаща роля.
Полирана вафла
Епитаксиални методи за растеж
Молекулярно-лъчева епитаксия (MBE): Това е технология за епитаксиален растеж на полупроводници, извършвана в условия на ултрависок вакуум. При тази техника изходният материал се изпарява под формата на лъч от атоми или молекули и след това се отлага върху кристален субстрат. MBE е много прецизна и контролируема технология за растеж на тънки полупроводникови филми, която може прецизно да контролира дебелината на отложения материал на атомно ниво.
Металоорганична CVD (MOCVD): При MOCVD процеса, органичният метал и хидриден газ N2, съдържащ необходимите елементи, се подават към субстрата при подходяща температура, претърпяват химическа реакция за генериране на необходимия полупроводников материал и се отлагат върху субстрата, докато останалите съединения и реакционни продукти се изхвърлят.
Парофазна епитаксия (VPE): Парофазната епитаксия е важна технология, често използвана в производството на полупроводникови устройства. Основният принцип е транспортирането на пари от елементарни вещества или съединения в газ-носител и отлагането на кристали върху субстрата чрез химични реакции.
Какви проблеми решава процесът на епитаксия?
Само обемните монокристални материали не могат да отговорят на нарастващите нужди от производство на различни полупроводникови устройства. Следователно, в края на 1959 г. е разработена епитаксиалната технология за растеж на тънкослойни монокристални материали. И така, какъв специфичен принос има епитаксиалната технология за развитието на материалите?
За силиция, когато започна технологията за епитаксиален растеж на силиций, това беше наистина труден период за производството на силициеви високочестотни и високомощни транзистори. От гледна точка на принципите на транзисторите, за да се получи висока честота и висока мощност, пробивното напрежение на колекторната зона трябва да е високо, а серийното съпротивление трябва да е малко, т.е. падът на напрежението на насищане трябва да е малък. Първото изисква съпротивлението на материала в колекторната зона да е високо, докато второто изисква съпротивлението на материала в колекторната зона да е ниско. Двете области си противоречат. Ако дебелината на материала в колекторната зона се намали, за да се намали серийното съпротивление, силициевата пластина ще бъде твърде тънка и крехка за обработка. Ако съпротивлението на материала се намали, това ще противоречи на първото изискване. Разработването на епитаксиалната технология обаче успешно реши тази трудност.
Решение: Да се отгледа епитаксиален слой с високо съпротивление върху субстрат с изключително ниско съпротивление и да се направи устройството върху епитаксиалния слой. Този епитаксиален слой с високо съпротивление гарантира, че тръбата има високо пробивно напрежение, докато субстратът с ниско съпротивление също така намалява съпротивлението на субстрата, като по този начин намалява пада на напрежението на насищане, като по този начин разрешава противоречието между двете.
Освен това, технологиите за епитаксия, като парофазна епитаксия и течнофазна епитаксия на GaAs и други III-V, II-VI и други молекулярни полупроводникови материали, също са силно развити и са се превърнали в основа за повечето микровълнови устройства, оптоелектронни устройства, енергийни устройства. Това е незаменима технологична обработка за производството на устройства, особено успешното приложение на технологията за молекулярно-лъчева и металоорганична парофазна епитаксия в тънки слоеве, свръхрешетки, квантови ямки, напрегнати свръхрешетки и тънкослойна епитаксия на атомно ниво, което е нова стъпка в изследванията на полупроводниците. Развитието на „инженерство на енергийни пояси“ в тази област е поставило солидна основа.
В практически приложения, широколентовите полупроводникови устройства почти винаги се изработват върху епитаксиалния слой, а самата силициево-карбидна пластина служи само като субстрат. Следователно, контролът на епитаксиалния слой е важна част от индустрията за широколентови полупроводници.
7 основни умения в епитаксийната технология
1. Епитаксиални слоеве с високо (ниско) съпротивление могат да бъдат епитаксиално отглеждани върху подложки с ниско (високо) съпротивление.
2. Епитаксиалният слой от тип N (P) може да бъде епитаксиално отгледан върху субстрат от тип P (N), за да образува директно PN преход. Няма проблем с компенсацията при използване на дифузионния метод за създаване на PN преход върху монокристален субстрат.
3. В комбинация с маскова технология, се извършва селективен епитаксиален растеж в определени зони, създавайки условия за производство на интегрални схеми и устройства със специални структури.
4. Видът и концентрацията на допинг могат да се променят според нуждите по време на процеса на епитаксиален растеж. Промяната в концентрацията може да бъде внезапна или бавна.
5. Може да отглежда хетерогенни, многослойни, многокомпонентни съединения и ултратънки слоеве с променливи компоненти.
6. Епитаксиалният растеж може да се извърши при температура по-ниска от точката на топене на материала, скоростта на растеж е контролируема и може да се постигне епитаксиален растеж с дебелина на атомно ниво.
7. Може да отглежда монокристални материали, които не могат да бъдат издърпани, като GaN, монокристални слоеве от третични и четвъртични съединения и др.
Време на публикуване: 13 май 2024 г.