როგორ ეხმარება ეპიტაქსიური ფენები ნახევარგამტარულ მოწყობილობებს?

ეპიტაქსიური ვაფლის სახელწოდების წარმოშობა

პირველ რიგში, მოდით, პოპულარული გავხადოთ მცირე კონცეფცია: ვაფლის მომზადება მოიცავს ორ ძირითად რგოლს: სუბსტრატის მომზადებას და ეპიტაქსიურ პროცესს. სუბსტრატი არის ნახევარგამტარული მონოკრისტალური მასალისგან დამზადებული ვაფლი. სუბსტრატს შეუძლია პირდაპირ შევიდეს ვაფლის წარმოების პროცესში ნახევარგამტარული მოწყობილობების წარმოებისთვის, ან მისი დამუშავება შესაძლებელია ეპიტაქსიური პროცესებით ეპიტაქსიური ვაფლების წარმოებისთვის. ეპიტაქსია გულისხმობს მონოკრისტალის ახალი ფენის გაზრდის პროცესს მონოკრისტალის სუბსტრატზე, რომელიც ფრთხილად დამუშავებულია ჭრით, დაფქვით, გაპრიალებით და ა.შ. ახალი მონოკრისტალი შეიძლება იყოს იგივე მასალისგან, რაც სუბსტრატი, ან შეიძლება იყოს სხვა მასალისგან (ერთგვაროვანი (ეპიტაქსია ან ჰეტეროეპიტაქსია). რადგან ახალი ერთკრისტალური ფენა სუბსტრატის კრისტალური ფაზის შესაბამისად ვრცელდება და იზრდება, მას ეპიტაქსიური ფენა ეწოდება (სისქე, როგორც წესი, რამდენიმე მიკრონია, მაგალითად, სილიციუმი: სილიციუმის ეპიტაქსიური ზრდა ნიშნავს სილიციუმის ერთკრისტალურ სუბსტრატზე გარკვეული კრისტალური ორიენტაციით. კარგი ბადისებრი სტრუქტურის მთლიანობის მქონე კრისტალის ფენა, განსხვავებული წინაღობა და სისქე, იგივე კრისტალური ორიენტაციით, როგორც სუბსტრატი იზრდება), ხოლო ეპიტაქსიური ფენის მქონე სუბსტრატს ეპიტაქსიური ვაფლი ეწოდება (ეპიტაქსიური ვაფლი = ეპიტაქსიური ფენა + სუბსტრატი). როდესაც მოწყობილობა ეპიტაქსიურ ფენაზეა დამზადებული, მას დადებითი ეპიტაქსია ეწოდება. თუ მოწყობილობა სუბსტრატზეა დამზადებული, მას უკუ ეპიტაქსია ეწოდება. ამ დროს ეპიტაქსიური ფენა მხოლოდ დამხმარე როლს ასრულებს.

გაპრიალებული ვაფლი

ეპიტაქსიური ზრდის მეთოდები

მოლეკულური სხივური ეპიტაქსია (MBE): ეს არის ნახევარგამტარული ეპიტაქსიური ზრდის ტექნოლოგია, რომელიც ხორციელდება ულტრამაღალი ვაკუუმის პირობებში. ამ ტექნიკის დროს, საწყისი მასალა აორთქლდება ატომების ან მოლეკულების სხივის სახით და შემდეგ ილექება კრისტალურ სუბსტრატზე. MBE არის ძალიან ზუსტი და კონტროლირებადი ნახევარგამტარული თხელი ფენის ზრდის ტექნოლოგია, რომელსაც შეუძლია ზუსტად აკონტროლოს დალექილი მასალის სისქე ატომურ დონეზე.
ლითონის ორგანული კარდიოვარენტული ვიბრაცია (MOCVD): MOCVD პროცესში, ორგანული ლითონი და ჰიდრიდის აირი N, რომელიც შეიცავს საჭირო ელემენტებს, მიეწოდება სუბსტრატს შესაბამის ტემპერატურაზე, განიცდის ქიმიურ რეაქციას საჭირო ნახევარგამტარული მასალის წარმოსაქმნელად და ილექება სუბსტრატზე, ხოლო დარჩენილი ნაერთები და რეაქციის პროდუქტები გამოიყოფა.
ორთქლის ფაზის ეპიტაქსია (VPE): ორთქლის ფაზის ეპიტაქსია მნიშვნელოვანი ტექნოლოგიაა, რომელიც ფართოდ გამოიყენება ნახევარგამტარული მოწყობილობების წარმოებაში. ძირითადი პრინციპია ელემენტარული ნივთიერებების ან ნაერთების ორთქლის ტრანსპორტირება გადამტან გაზში და კრისტალების დალექვა სუბსტრატზე ქიმიური რეაქციების გზით.

რა პრობლემებს წყვეტს ეპიტაქსიის პროცესი?

მხოლოდ მოცულობითი მონოკრისტალური მასალები ვერ აკმაყოფილებს სხვადასხვა ნახევარგამტარული მოწყობილობების წარმოების მზარდ საჭიროებებს. ამიტომ, ეპიტაქსიური ზრდა, თხელფენოვანი მონოკრისტალური მასალის ზრდის ტექნოლოგია, შემუშავდა 1959 წლის ბოლოს. მაშ, რა კონკრეტული წვლილი შეაქვს ეპიტაქსიის ტექნოლოგიას მასალების განვითარებაში?

სილიციუმის შემთხვევაში, როდესაც სილიციუმის ეპიტაქსიური ზრდის ტექნოლოგია დაიწყო, ეს ნამდვილად რთული პერიოდი იყო სილიციუმის მაღალი სიხშირის და მაღალი სიმძლავრის ტრანზისტორების წარმოებისთვის. ტრანზისტორების პრინციპების პერსპექტივიდან გამომდინარე, მაღალი სიხშირის და მაღალი სიმძლავრის მისაღებად, კოლექტორის არეალის დაშლის ძაბვა მაღალი უნდა იყოს და მიმდევრული წინააღმდეგობა მცირე, ანუ გაჯერების ძაბვის ვარდნა მცირე უნდა იყოს. პირველი მოითხოვს, რომ შემკრებ არეალის მასალის წინაღობა მაღალი იყოს, ხოლო მეორე - რომ შემკრებ არეალის მასალის წინაღობა დაბალი იყოს. ეს ორი პროვინცია ერთმანეთთან წინააღმდეგობრივია. თუ კოლექტორის არეალის მასალის სისქე შემცირდება მიმდევრული წინააღმდეგობის შესამცირებლად, სილიციუმის ვაფლი ძალიან თხელი და მყიფე იქნება დასამუშავებლად. თუ მასალის წინაღობა შემცირდება, ეს ეწინააღმდეგება პირველ მოთხოვნას. თუმცა, ეპიტაქსიური ტექნოლოგიის განვითარება წარმატებული იყო. ამ სირთულეს გადაჭრა.

გადაწყვეტა: უკიდურესად დაბალი წინაღობის მქონე სუბსტრატზე გაზარდეთ მაღალი წინაღობის მქონე ეპიტაქსიური ფენა და მოწყობილობა დაამზადეთ ეპიტაქსიურ ფენაზე. ეს მაღალი წინაღობის მქონე ეპიტაქსიური ფენა უზრუნველყოფს მილის მაღალი დაშლის ძაბვის არსებობას, ხოლო დაბალი წინაღობის მქონე სუბსტრატი ასევე ამცირებს სუბსტრატის წინაღობას, რითაც ამცირებს გაჯერების ძაბვის ვარდნას და აგვარებს ორს შორის არსებულ წინააღმდეგობას.

გარდა ამისა, ეპიტაქსიის ტექნოლოგიები, როგორიცაა GaAs-ის და სხვა III-V, II-VI და სხვა მოლეკულური ნაერთი ნახევარგამტარული მასალების ორთქლის ფაზის ეპიტაქსია და თხევადი ფაზის ეპიტაქსია, ასევე მნიშვნელოვნად განვითარდა და გახდა მიკროტალღური მოწყობილობების, ოპტოელექტრონული მოწყობილობების, ენერგიის უმეტესობის საფუძველი. ეს შეუცვლელი პროცესის ტექნოლოგიაა მოწყობილობების წარმოებისთვის, განსაკუთრებით მოლეკულური სხივის და ლითონის ორგანული ორთქლის ფაზის ეპიტაქსიის ტექნოლოგიის წარმატებული გამოყენება თხელ ფენებში, სუპერბადეებში, კვანტურ ჭებში, დაძაბულ სუპერბადეებში და ატომური დონის თხელფენოვან ეპიტაქსიაში, რაც ნახევარგამტარული კვლევის ახალ ნაბიჯს წარმოადგენს. „ენერგეტიკული ქამრის ინჟინერიის“ განვითარებამ ამ სფეროში მყარი საფუძველი ჩაუყარა.

პრაქტიკულ გამოყენებაში, ფართო ზოლის მქონე ნახევარგამტარული მოწყობილობები თითქმის ყოველთვის ეპიტაქსიურ ფენაზე მზადდება, ხოლო სილიციუმის კარბიდის ვაფლი თავად მხოლოდ სუბსტრატის ფუნქციას ასრულებს. ამიტომ, ეპიტაქსიური ფენის კონტროლი ფართო ზოლის მქონე ნახევარგამტარული ინდუსტრიის მნიშვნელოვანი ნაწილია.

ეპიტაქსიის ტექნოლოგიაში 7 ძირითადი უნარი

1. მაღალი (დაბალი) წინააღმდეგობის ეპიტაქსიური ფენების ეპიტაქსიურად გაზრდა შესაძლებელია დაბალი (მაღალი) წინააღმდეგობის სუბსტრატებზე.
2. N (P) ტიპის ეპიტაქსიალური ფენის ეპიტაქსიალურად გაზრდა შესაძლებელია P (N) ტიპის სუბსტრატზე PN შეერთების უშუალოდ წარმოსაქმნელად. ერთკრისტალურ სუბსტრატზე PN შეერთების წარმოსაქმნელად დიფუზიური მეთოდის გამოყენებისას კომპენსაციის პრობლემა არ არსებობს.
3. ნიღბის ტექნოლოგიასთან ერთად, შერჩევითი ეპიტაქსიური ზრდა ხორციელდება განსაზღვრულ ადგილებში, რაც ქმნის პირობებს ინტეგრირებული სქემებისა და სპეციალური სტრუქტურების მქონე მოწყობილობების წარმოებისთვის.
4. ეპიტაქსიური ზრდის პროცესში დოპინგის ტიპი და კონცენტრაცია შეიძლება შეიცვალოს საჭიროებისამებრ. კონცენტრაციის ცვლილება შეიძლება იყოს უეცარი ან ნელი.
5. მას შეუძლია გაზარდოს ჰეტეროგენული, მრავალშრიანი, მრავალკომპონენტიანი ნაერთები და ულტრათხელი ფენები ცვლადი კომპონენტებით.
6. ეპიტაქსიური ზრდა შეიძლება განხორციელდეს მასალის დნობის წერტილზე დაბალ ტემპერატურაზე, ზრდის ტემპი კონტროლირებადია და შესაძლებელია ატომური დონის სისქის ეპიტაქსიური ზრდის მიღწევა.
7. მას შეუძლია გაზარდოს მონოკრისტალური მასალები, რომელთა გაწევა შეუძლებელია, როგორიცაა GaN, მესამეული და მეოთხეული ნაერთების მონოკრისტალური ფენები და ა.შ.