એપિટેક્સિયલ સ્તરો સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોને કેવી રીતે મદદ કરે છે?

એપિટેક્સિયલ વેફર નામનું મૂળ

સૌપ્રથમ, ચાલો એક નાનો ખ્યાલ લોકપ્રિય બનાવીએ: વેફર તૈયારીમાં બે મુખ્ય કડીઓ શામેલ છે: સબસ્ટ્રેટ તૈયારી અને એપિટેક્સિયલ પ્રક્રિયા. સબસ્ટ્રેટ એ સેમિકન્ડક્ટર સિંગલ ક્રિસ્ટલ સામગ્રીથી બનેલું વેફર છે. સબસ્ટ્રેટ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો બનાવવા માટે સીધા વેફર ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં પ્રવેશી શકે છે, અથવા તેને એપિટેક્સિયલ પ્રક્રિયાઓ દ્વારા પ્રક્રિયા કરીને એપિટેક્સિયલ વેફર્સ બનાવી શકાય છે. એપિટેક્સિ એ સિંગલ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટ પર સિંગલ ક્રિસ્ટલના નવા સ્તરને ઉગાડવાની પ્રક્રિયાનો ઉલ્લેખ કરે છે જેને કાપવા, ગ્રાઇન્ડીંગ, પોલિશિંગ વગેરે દ્વારા કાળજીપૂર્વક પ્રક્રિયા કરવામાં આવી છે. નવું સિંગલ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટ જેવી જ સામગ્રી હોઈ શકે છે, અથવા તે એક અલગ સામગ્રી (સમાન) એપિટેક્સિ અથવા હેટરોએપિટેક્સિ હોઈ શકે છે). કારણ કે નવું સિંગલ ક્રિસ્ટલ લેયર સબસ્ટ્રેટના સ્ફટિક તબક્કા અનુસાર વિસ્તરે છે અને વધે છે, તેને એપિટેક્સિયલ લેયર કહેવામાં આવે છે (જાડાઈ સામાન્ય રીતે થોડા માઇક્રોન હોય છે, ઉદાહરણ તરીકે સિલિકોન લેવું: સિલિકોન એપિટેક્સિયલ ગ્રોથનો અર્થ ચોક્કસ સ્ફટિક ઓરિએન્ટેશનવાળા સિલિકોન સિંગલ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટ પર છે. સારી જાળીની રચનાની અખંડિતતા અને સબસ્ટ્રેટ ઉગાડવામાં આવે છે તે જ સ્ફટિક ઓરિએન્ટેશન સાથે વિવિધ પ્રતિકારકતા અને જાડાઈ સાથે સ્ફટિકનો એક સ્તર), અને એપિટેક્સિયલ લેયરવાળા સબસ્ટ્રેટને એપિટેક્સિયલ વેફર (એપિટેક્સિયલ વેફર = એપિટેક્સિયલ લેયર + સબસ્ટ્રેટ) કહેવામાં આવે છે. જ્યારે ઉપકરણ એપિટેક્સિયલ લેયર પર બનાવવામાં આવે છે, ત્યારે તેને પોઝિટિવ એપિટેક્સિયલ કહેવામાં આવે છે. જો ઉપકરણ સબસ્ટ્રેટ પર બનાવવામાં આવે છે, તો તેને રિવર્સ એપિટેક્સિયલ કહેવામાં આવે છે. આ સમયે, એપિટેક્સિયલ લેયર ફક્ત સહાયક ભૂમિકા ભજવે છે.

પોલિશ્ડ વેફર

એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ પદ્ધતિઓ

મોલેક્યુલર બીમ એપિટાક્સી (MBE): તે એક સેમિકન્ડક્ટર એપિટાક્સિયલ ગ્રોથ ટેકનોલોજી છે જે અતિ-ઉચ્ચ શૂન્યાવકાશ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ કરવામાં આવે છે. આ તકનીકમાં, સ્રોત સામગ્રીને અણુઓ અથવા પરમાણુઓના બીમના સ્વરૂપમાં બાષ્પીભવન કરવામાં આવે છે અને પછી સ્ફટિકીય સબસ્ટ્રેટ પર જમા કરવામાં આવે છે. MBE એ ખૂબ જ ચોક્કસ અને નિયંત્રિત કરી શકાય તેવી સેમિકન્ડક્ટર પાતળી ફિલ્મ ગ્રોથ ટેકનોલોજી છે જે અણુ સ્તરે જમા થયેલી સામગ્રીની જાડાઈને ચોક્કસ રીતે નિયંત્રિત કરી શકે છે.
મેટલ ઓર્ગેનિક CVD (MOCVD): MOCVD પ્રક્રિયામાં, જરૂરી તત્વો ધરાવતો કાર્બનિક ધાતુ અને હાઇડ્રાઇડ ગેસ N ગેસ યોગ્ય તાપમાને સબસ્ટ્રેટમાં પૂરો પાડવામાં આવે છે, જરૂરી સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી ઉત્પન્ન કરવા માટે રાસાયણિક પ્રતિક્રિયામાંથી પસાર થાય છે, અને સબસ્ટ્રેટ પર જમા થાય છે, જ્યારે બાકીના સંયોજનો અને પ્રતિક્રિયા ઉત્પાદનો છોડવામાં આવે છે.
વરાળ તબક્કો એપિટાક્સી (VPE): વરાળ તબક્કો એપિટાક્સી એ એક મહત્વપૂર્ણ તકનીક છે જેનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોના ઉત્પાદનમાં થાય છે. મૂળભૂત સિદ્ધાંત એ છે કે વાહક ગેસમાં મૂળભૂત પદાર્થો અથવા સંયોજનોના વરાળનું પરિવહન કરવું, અને રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા સબસ્ટ્રેટ પર સ્ફટિકો જમા કરવા.

એપિટાક્સી પ્રક્રિયા કઈ સમસ્યાઓ હલ કરે છે?

વિવિધ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોના ઉત્પાદનની વધતી જતી જરૂરિયાતોને ફક્ત જથ્થાબંધ સિંગલ ક્રિસ્ટલ મટિરિયલ્સ જ પૂરી કરી શકતા નથી. તેથી, 1959 ના અંતમાં એપિટેક્સિયલ ગ્રોથ, એક પાતળા-સ્તરની સિંગલ ક્રિસ્ટલ મટિરિયલ ગ્રોથ ટેકનોલોજી વિકસાવવામાં આવી હતી. તો સામગ્રીના વિકાસમાં એપિટેક્સિ ટેકનોલોજીનું શું ચોક્કસ યોગદાન છે?

સિલિકોન માટે, જ્યારે સિલિકોન એપિટેક્સિયલ ગ્રોથ ટેકનોલોજી શરૂ થઈ, ત્યારે સિલિકોન હાઇ-ફ્રિકવન્સી અને હાઇ-પાવર ટ્રાન્ઝિસ્ટરના ઉત્પાદન માટે ખરેખર મુશ્કેલ સમય હતો. ટ્રાન્ઝિસ્ટર સિદ્ધાંતોના દ્રષ્ટિકોણથી, ઉચ્ચ આવર્તન અને ઉચ્ચ શક્તિ મેળવવા માટે, કલેક્ટર વિસ્તારનો બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ ઊંચો હોવો જોઈએ અને શ્રેણી પ્રતિકાર નાનો હોવો જોઈએ, એટલે કે, સંતૃપ્તિ વોલ્ટેજ ડ્રોપ નાનો હોવો જોઈએ. પહેલા માટે જરૂરી છે કે સંગ્રહ ક્ષેત્રમાં સામગ્રીની પ્રતિકારકતા ઊંચી હોવી જોઈએ, જ્યારે બાદમાં જરૂરી છે કે સંગ્રહ ક્ષેત્રમાં સામગ્રીની પ્રતિકારકતા ઓછી હોવી જોઈએ. બંને પ્રાંત એકબીજાના વિરોધાભાસી છે. જો શ્રેણી પ્રતિકાર ઘટાડવા માટે કલેક્ટર વિસ્તારમાં સામગ્રીની જાડાઈ ઘટાડવામાં આવે, તો સિલિકોન વેફર ખૂબ પાતળો અને નાજુક બનશે જેથી પ્રક્રિયા કરી શકાય. જો સામગ્રીની પ્રતિકારકતા ઓછી કરવામાં આવે, તો તે પ્રથમ જરૂરિયાતનો વિરોધાભાસ કરશે. જો કે, એપિટેક્સિયલ ટેકનોલોજીનો વિકાસ સફળ રહ્યો છે. આ મુશ્કેલી ઉકેલી.

ઉકેલ: અત્યંત ઓછા-પ્રતિરોધક સબસ્ટ્રેટ પર ઉચ્ચ-પ્રતિરોધક એપિટેક્સિયલ સ્તર ઉગાડો, અને ઉપકરણને એપિટેક્સિયલ સ્તર પર બનાવો. આ ઉચ્ચ-પ્રતિરોધક એપિટેક્સિયલ સ્તર ખાતરી કરે છે કે ટ્યુબમાં ઉચ્ચ બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ છે, જ્યારે ઓછા-પ્રતિરોધક સબસ્ટ્રેટ તે સબસ્ટ્રેટના પ્રતિકારને પણ ઘટાડે છે, જેનાથી સંતૃપ્તિ વોલ્ટેજ ડ્રોપ ઓછો થાય છે, જેનાથી બંને વચ્ચેનો વિરોધાભાસ ઉકેલાય છે.

વધુમાં, GaAs અને અન્ય III-V, II-VI અને અન્ય મોલેક્યુલર કમ્પાઉન્ડ સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સની વેપર ફેઝ એપિટાક્સી અને લિક્વિડ ફેઝ એપિટાક્સી જેવી એપિટાક્સી ટેકનોલોજીઓ પણ મોટા પ્રમાણમાં વિકસિત થઈ છે અને મોટાભાગના માઇક્રોવેવ ડિવાઇસ, ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ડિવાઇસ, પાવર માટેનો આધાર બની ગઈ છે. તે ઉપકરણોના ઉત્પાદન માટે એક અનિવાર્ય પ્રક્રિયા ટેકનોલોજી છે, ખાસ કરીને પાતળા સ્તરો, સુપરલેટીસ, ક્વોન્ટમ વેલ્સ, સ્ટ્રેઇન્ડ સુપરલેટીસ અને અણુ-સ્તરના પાતળા-સ્તરના એપિટાક્સીમાં મોલેક્યુલર બીમ અને મેટલ ઓર્ગેનિક વેપર ફેઝ એપિટાક્સી ટેકનોલોજીનો સફળ ઉપયોગ, જે સેમિકન્ડક્ટર સંશોધનમાં એક નવું પગલું છે. ક્ષેત્રમાં "એનર્જી બેલ્ટ એન્જિનિયરિંગ" ના વિકાસે મજબૂત પાયો નાખ્યો છે.

વ્યવહારુ ઉપયોગોમાં, પહોળા બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો લગભગ હંમેશા એપિટેક્સિયલ સ્તર પર બનાવવામાં આવે છે, અને સિલિકોન કાર્બાઇડ વેફર પોતે જ સબસ્ટ્રેટ તરીકે કામ કરે છે. તેથી, એપિટેક્સિયલ સ્તરનું નિયંત્રણ પહોળા બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગનો એક મહત્વપૂર્ણ ભાગ છે.

એપિટેક્સી ટેકનોલોજીમાં 7 મુખ્ય કુશળતા

1. ઉચ્ચ (નીચા) પ્રતિકારક એપિટેક્સિયલ સ્તરોને નીચા (ઉચ્ચ) પ્રતિકારક સબસ્ટ્રેટ પર એપિટેક્સિલી રીતે ઉગાડી શકાય છે.
2. N (P) પ્રકારના એપિટેક્સિયલ સ્તરને P (N) પ્રકારના સબસ્ટ્રેટ પર એપિટેક્સિલી રીતે ઉગાડી શકાય છે જેથી સીધા PN જંકશન બને. સિંગલ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટ પર PN જંકશન બનાવવા માટે પ્રસરણ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરતી વખતે કોઈ વળતર સમસ્યા નથી.
3. માસ્ક ટેકનોલોજી સાથે મળીને, પસંદગીયુક્ત એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ નિયુક્ત વિસ્તારોમાં કરવામાં આવે છે, જે ખાસ માળખાંવાળા સંકલિત સર્કિટ અને ઉપકરણોના ઉત્પાદન માટે પરિસ્થિતિઓ બનાવે છે.
4. એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ પ્રક્રિયા દરમિયાન ડોપિંગનો પ્રકાર અને સાંદ્રતા જરૂરિયાતો અનુસાર બદલી શકાય છે. સાંદ્રતામાં ફેરફાર અચાનક ફેરફાર અથવા ધીમો ફેરફાર હોઈ શકે છે.
5. તે વિજાતીય, બહુ-સ્તરીય, બહુ-ઘટક સંયોજનો અને ચલ ઘટકો સાથે અતિ-પાતળા સ્તરો ઉગાડી શકે છે.
6. એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ સામગ્રીના ગલનબિંદુ કરતા ઓછા તાપમાને કરી શકાય છે, વૃદ્ધિ દર નિયંત્રિત છે, અને અણુ-સ્તરની જાડાઈનો એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ પ્રાપ્ત કરી શકાય છે.
7. તે એકલ સ્ફટિકીય પદાર્થો ઉગાડી શકે છે જે ખેંચી શકાતા નથી, જેમ કે GaN, તૃતીય અને ચતુર્થાંશ સંયોજનોના એકલ સ્ફટિકીય સ્તરો, વગેરે.