एपीटैक्सियल परतें अर्धचालक उपकरणों की किस प्रकार सहायता करती हैं?

एपिटैक्सियल वेफर नाम की उत्पत्ति

सबसे पहले, आइए एक छोटी अवधारणा को लोकप्रिय बनाएं: वेफर तैयारी में दो प्रमुख लिंक शामिल हैं: सब्सट्रेट तैयारी और एपिटैक्सियल प्रक्रिया। सब्सट्रेट अर्धचालक एकल क्रिस्टल सामग्री से बना एक वेफर है। सब्सट्रेट सीधे अर्धचालक उपकरणों का उत्पादन करने के लिए वेफर निर्माण प्रक्रिया में प्रवेश कर सकता है, या इसे एपिटैक्सियल प्रक्रियाओं द्वारा संसाधित करके एपिटैक्सियल वेफर्स का उत्पादन किया जा सकता है। एपिटैक्सि का अर्थ है एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट पर एकल क्रिस्टल की एक नई परत विकसित करने की प्रक्रिया जिसे काटने, पीसने, चमकाने आदि द्वारा सावधानीपूर्वक संसाधित किया गया है। नया एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट के समान सामग्री हो सकता है, या यह एक अलग सामग्री (सजातीय) एपिटैक्सि या हेटेरोएपिटेक्सि) हो सकता है। क्योंकि नई एकल क्रिस्टल परत सब्सट्रेट के क्रिस्टल चरण के अनुसार विस्तारित और बढ़ती है, इसे एपिटैक्सियल परत कहा जाता है (मोटाई आमतौर पर कुछ माइक्रोन होती है, उदाहरण के लिए सिलिकॉन लेना: सिलिकॉन एपिटैक्सियल विकास का अर्थ एक निश्चित क्रिस्टल अभिविन्यास के साथ एक सिलिकॉन एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट पर है। सब्सट्रेट के समान क्रिस्टल अभिविन्यास के साथ अच्छी जाली संरचना अखंडता और विभिन्न प्रतिरोधकता और मोटाई के साथ क्रिस्टल की एक परत विकसित होती है), और एपिटैक्सियल परत वाले सब्सट्रेट को एपिटैक्सियल वेफर (एपिटैक्सियल वेफर = एपिटैक्सियल परत + सब्सट्रेट) कहा जाता है। जब डिवाइस को एपिटैक्सियल परत पर बनाया जाता है, तो इसे पॉजिटिव एपिटैक्सी कहा जाता है। यदि डिवाइस को सब्सट्रेट पर बनाया जाता है, तो इसे रिवर्स एपिटैक्सी कहा जाता है।

पॉलिश वेफर

एपीटैक्सियल वृद्धि विधियाँ

आणविक बीम एपिटेक्सी (MBE): यह एक अर्धचालक एपिटैक्सियल वृद्धि तकनीक है जो अल्ट्रा-हाई वैक्यूम स्थितियों के तहत की जाती है। इस तकनीक में, स्रोत सामग्री को परमाणुओं या अणुओं की एक किरण के रूप में वाष्पित किया जाता है और फिर एक क्रिस्टलीय सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है। MBE एक बहुत ही सटीक और नियंत्रणीय अर्धचालक पतली फिल्म वृद्धि तकनीक है जो परमाणु स्तर पर जमा सामग्री की मोटाई को सटीक रूप से नियंत्रित कर सकती है।
धातु कार्बनिक सीवीडी (एमओसीवीडी): एमओसीवीडी प्रक्रिया में, आवश्यक तत्वों से युक्त कार्बनिक धातु और हाइड्राइड गैस एन गैस को उचित तापमान पर सब्सट्रेट को आपूर्ति की जाती है, आवश्यक अर्धचालक सामग्री उत्पन्न करने के लिए एक रासायनिक प्रतिक्रिया से गुजरती हैं, और सब्सट्रेट पर जमा होती हैं, जबकि शेष यौगिकों और प्रतिक्रिया उत्पादों को छुट्टी दे दी जाती है।
वाष्प चरण एपिटेक्सी (VPE): वाष्प चरण एपिटेक्सी एक महत्वपूर्ण तकनीक है जिसका उपयोग आमतौर पर अर्धचालक उपकरणों के उत्पादन में किया जाता है। इसका मूल सिद्धांत मौलिक पदार्थों या यौगिकों के वाष्प को वाहक गैस में परिवहन करना और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से सब्सट्रेट पर क्रिस्टल जमा करना है।

एपिटैक्सी प्रक्रिया किन समस्याओं का समाधान करती है?

केवल थोक एकल क्रिस्टल सामग्री विभिन्न अर्धचालक उपकरणों के निर्माण की बढ़ती जरूरतों को पूरा नहीं कर सकती। इसलिए, 1959 के अंत में, पतली परत वाली एकल क्रिस्टल सामग्री विकास तकनीक, एपिटैक्सियल ग्रोथ विकसित की गई थी। तो सामग्री की उन्नति में एपिटैक्सि तकनीक का क्या विशिष्ट योगदान है?

सिलिकॉन के लिए, जब सिलिकॉन एपिटैक्सियल विकास तकनीक शुरू हुई, तो सिलिकॉन उच्च आवृत्ति और उच्च शक्ति ट्रांजिस्टर के उत्पादन के लिए यह वास्तव में एक कठिन समय था। ट्रांजिस्टर सिद्धांतों के दृष्टिकोण से, उच्च आवृत्ति और उच्च शक्ति प्राप्त करने के लिए, कलेक्टर क्षेत्र का ब्रेकडाउन वोल्टेज अधिक होना चाहिए और श्रृंखला प्रतिरोध छोटा होना चाहिए, अर्थात संतृप्ति वोल्टेज ड्रॉप छोटा होना चाहिए। पूर्व के लिए आवश्यक है कि संग्रह क्षेत्र में सामग्री की प्रतिरोधकता अधिक होनी चाहिए, जबकि बाद के लिए आवश्यक है कि संग्रह क्षेत्र में सामग्री की प्रतिरोधकता कम होनी चाहिए। दोनों प्रांत एक दूसरे के विरोधाभासी हैं। यदि श्रृंखला प्रतिरोध को कम करने के लिए कलेक्टर क्षेत्र में सामग्री की मोटाई कम हो जाती है, तो सिलिकॉन वेफर संसाधित होने के लिए बहुत पतला और नाजुक होगा। यदि सामग्री की प्रतिरोधकता कम हो जाती है, तो यह पहली आवश्यकता का खंडन करेगा। हालांकि, एपिटैक्सियल तकनीक का विकास सफल रहा है।

समाधान: एक अत्यंत कम प्रतिरोध वाले सब्सट्रेट पर एक उच्च प्रतिरोधकता वाली एपिटैक्सियल परत विकसित करें, और डिवाइस को एपिटैक्सियल परत पर बनाएं। यह उच्च प्रतिरोधकता वाली एपिटैक्सियल परत सुनिश्चित करती है कि ट्यूब में उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज है, जबकि कम प्रतिरोध वाला सब्सट्रेट यह सब्सट्रेट के प्रतिरोध को भी कम करता है, जिससे संतृप्ति वोल्टेज ड्रॉप कम हो जाता है, जिससे दोनों के बीच विरोधाभास हल हो जाता है।

इसके अलावा, GaAs और अन्य III-V, II-VI और अन्य आणविक यौगिक अर्धचालक सामग्रियों के वाष्प चरण एपिटेक्सी और तरल चरण एपिटेक्सी जैसी एपिटेक्सी तकनीकें भी बहुत विकसित हुई हैं और अधिकांश माइक्रोवेव उपकरणों, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, बिजली के लिए आधार बन गई हैं। उपकरणों के उत्पादन के लिए यह एक अपरिहार्य प्रक्रिया प्रौद्योगिकी है, विशेष रूप से पतली परतों, सुपरलैटिस, क्वांटम कुओं, तनावपूर्ण सुपरलैटिस और परमाणु-स्तर पतली परत एपिटेक्सी में आणविक बीम और धातु कार्बनिक वाष्प चरण एपिटेक्सी तकनीक का सफल अनुप्रयोग, जो अर्धचालक अनुसंधान में एक नया कदम है। क्षेत्र में "ऊर्जा बेल्ट इंजीनियरिंग" के विकास ने एक ठोस नींव रखी है।

व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, वाइड बैंडगैप सेमीकंडक्टर डिवाइस लगभग हमेशा एपिटैक्सियल परत पर बनाए जाते हैं, और सिलिकॉन कार्बाइड वेफर स्वयं केवल सब्सट्रेट के रूप में कार्य करता है। इसलिए, एपिटैक्सियल परत का नियंत्रण वाइड बैंडगैप सेमीकंडक्टर उद्योग का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है।

एपिटैक्सी तकनीक में 7 प्रमुख कौशल

1. उच्च (निम्न) प्रतिरोध एपीटैक्सियल परतों को निम्न (उच्च) प्रतिरोध सब्सट्रेट पर एपीटैक्सियल रूप से विकसित किया जा सकता है।
2. एन (P) प्रकार की एपीटैक्सियल परत को सीधे पीएन जंक्शन बनाने के लिए पी (N) प्रकार के सब्सट्रेट पर एपीटैक्सियल रूप से विकसित किया जा सकता है। एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट पर पीएन जंक्शन बनाने के लिए प्रसार विधि का उपयोग करते समय कोई क्षतिपूर्ति समस्या नहीं होती है।
3. मास्क प्रौद्योगिकी के साथ संयुक्त रूप से, निर्दिष्ट क्षेत्रों में चयनात्मक एपीटैक्सियल वृद्धि की जाती है, जिससे विशेष संरचनाओं वाले एकीकृत सर्किट और उपकरणों के उत्पादन के लिए परिस्थितियां बनती हैं।
4. डोपिंग के प्रकार और सांद्रता को एपिटैक्सियल वृद्धि प्रक्रिया के दौरान ज़रूरतों के अनुसार बदला जा सकता है। सांद्रता में परिवर्तन अचानक या धीमा परिवर्तन हो सकता है।
5. यह विषमांगी, बहुस्तरीय, बहुघटकीय यौगिकों और परिवर्तनशील घटकों के साथ अति पतली परतों को विकसित कर सकता है।
6. एपीटैक्सियल वृद्धि सामग्री के गलनांक से कम तापमान पर की जा सकती है, वृद्धि दर नियंत्रणीय है, और परमाणु-स्तर की मोटाई की एपीटैक्सियल वृद्धि प्राप्त की जा सकती है।
7. यह एकल क्रिस्टल पदार्थों को विकसित कर सकता है जिन्हें खींचा नहीं जा सकता, जैसे GaN, तृतीयक और चतुर्धातुक यौगिकों की एकल क्रिस्टल परतें, आदि।