एपिटॅक्सियल थर अर्धसंवाहक उपकरणांना कशी मदत करतात?

एपिटॅक्सियल वेफर नावाचे मूळ

प्रथम, एक छोटी संकल्पना लोकप्रिय करूया: वेफर तयारीमध्ये दोन प्रमुख दुवे समाविष्ट आहेत: सब्सट्रेट तयारी आणि एपिटॅक्सियल प्रक्रिया. सब्सट्रेट हा सेमीकंडक्टर सिंगल क्रिस्टल मटेरियलपासून बनलेला वेफर आहे. सब्सट्रेट थेट वेफर उत्पादन प्रक्रियेत प्रवेश करून सेमीकंडक्टर उपकरणे तयार करू शकतो किंवा एपिटॅक्सियल प्रक्रियांद्वारे एपिटॅक्सियल वेफर्स तयार करण्यासाठी त्यावर प्रक्रिया केली जाऊ शकते. एपिटॅक्सि म्हणजे सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेटवर सिंगल क्रिस्टलचा एक नवीन थर वाढवण्याची प्रक्रिया जी काळजीपूर्वक कापून, पीसून, पॉलिश करून प्रक्रिया केली जाते. नवीन सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट सारखीच सामग्री असू शकते किंवा ती वेगळी सामग्री (एकसंध) एपिटॅक्सि किंवा हेटेरोएपिटॅक्सि असू शकते). नवीन सिंगल क्रिस्टल लेयर सब्सट्रेटच्या क्रिस्टल फेजनुसार वाढतो आणि वाढतो, म्हणून त्याला एपिटॅक्सियल लेयर म्हणतात (जाडी सहसा काही मायक्रॉन असते, उदाहरणार्थ सिलिकॉन घेतल्यास: सिलिकॉन एपिटॅक्सियल ग्रोथचा अर्थ एका विशिष्ट क्रिस्टल ओरिएंटेशन असलेल्या सिलिकॉन सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेटवर असतो. चांगल्या जाळीच्या संरचनेची अखंडता आणि भिन्न प्रतिरोधकता आणि जाडी असलेला क्रिस्टलचा थर ज्याची क्रिस्टल ओरिएंटेशन सब्सट्रेट वाढवला जातो त्याच क्रिस्टल ओरिएंटेशनसह), आणि एपिटॅक्सियल लेयर असलेल्या सब्सट्रेटला एपिटॅक्सियल वेफर म्हणतात (एपिटाक्सियल वेफर = एपिटॅक्सियल लेयर + सब्सट्रेट). जेव्हा उपकरण एपिटॅक्सियल लेयरवर बनवले जाते तेव्हा त्याला पॉझिटिव्ह एपिटॅक्सि म्हणतात. जर उपकरण सब्सट्रेटवर बनवले असेल तर त्याला रिव्हर्स एपिटॅक्सि म्हणतात. यावेळी, एपिटॅक्सियल लेयर फक्त सहाय्यक भूमिका बजावते.

पॉलिश केलेले वेफर

एपिटॅक्सियल वाढीच्या पद्धती

आण्विक बीम एपिटॅक्सि (MBE): ही एक अर्धवाहक एपिटॅक्सियल ग्रोथ टेक्नॉलॉजी आहे जी अल्ट्रा-हाय व्हॅक्यूम परिस्थितीत केली जाते. या तंत्रात, स्रोत पदार्थ अणू किंवा रेणूंच्या बीमच्या स्वरूपात बाष्पीभवन केले जातात आणि नंतर क्रिस्टलीय सब्सट्रेटवर जमा केले जातात. MBE हे एक अतिशय अचूक आणि नियंत्रित करण्यायोग्य अर्धवाहक पातळ फिल्म ग्रोथ टेक्नॉलॉजी आहे जे अणु पातळीवर जमा केलेल्या पदार्थाची जाडी अचूकपणे नियंत्रित करू शकते.
धातू सेंद्रिय CVD (MOCVD): MOCVD प्रक्रियेत, आवश्यक घटक असलेले सेंद्रिय धातू आणि हायड्राइड वायू N वायू योग्य तापमानात सब्सट्रेटला पुरवले जातात, आवश्यक अर्धवाहक सामग्री तयार करण्यासाठी रासायनिक अभिक्रिया केली जाते आणि सब्सट्रेटवर जमा केले जातात, तर उर्वरित संयुगे आणि प्रतिक्रिया उत्पादने सोडली जातात.
व्हेपर फेज एपिटॅक्सी (VPE): व्हेपर फेज एपिटॅक्सी ही एक महत्त्वाची तंत्रज्ञान आहे जी सामान्यतः सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या निर्मितीमध्ये वापरली जाते. मूलभूत तत्व म्हणजे वाहक वायूमध्ये मूलभूत पदार्थ किंवा संयुगांची वाफ वाहून नेणे आणि रासायनिक अभिक्रियांद्वारे सब्सट्रेटवर क्रिस्टल्स जमा करणे.

एपिटॅक्सी प्रक्रियेमुळे कोणत्या समस्या सोडवल्या जातात?

विविध अर्धसंवाहक उपकरणांच्या निर्मितीच्या वाढत्या गरजा केवळ मोठ्या प्रमाणात सिंगल क्रिस्टल मटेरियल पूर्ण करू शकत नाहीत. म्हणूनच, एपिटॅक्सियल ग्रोथ, एक पातळ-थर सिंगल क्रिस्टल मटेरियल ग्रोथ तंत्रज्ञान, १९५९ च्या अखेरीस विकसित करण्यात आले. तर एपिटॅक्सि तंत्रज्ञानाचे साहित्याच्या प्रगतीमध्ये कोणते विशिष्ट योगदान आहे?

सिलिकॉनसाठी, जेव्हा सिलिकॉन एपिटॅक्सियल ग्रोथ टेक्नॉलॉजी सुरू झाली, तेव्हा सिलिकॉन हाय-फ्रिक्वेन्सी आणि हाय-पॉवर ट्रान्झिस्टरच्या उत्पादनासाठी तो खरोखरच कठीण काळ होता. ट्रान्झिस्टर तत्त्वांच्या दृष्टिकोनातून, उच्च फ्रिक्वेन्सी आणि उच्च पॉवर मिळविण्यासाठी, कलेक्टर क्षेत्राचा ब्रेकडाउन व्होल्टेज जास्त असणे आवश्यक आहे आणि मालिका प्रतिरोध लहान असणे आवश्यक आहे, म्हणजेच संपृक्तता व्होल्टेज ड्रॉप लहान असणे आवश्यक आहे. पहिल्यासाठी संकलन क्षेत्रातील सामग्रीची प्रतिरोधकता जास्त असणे आवश्यक आहे, तर दुसऱ्यासाठी संकलन क्षेत्रातील सामग्रीची प्रतिरोधकता कमी असणे आवश्यक आहे. दोन्ही प्रांत एकमेकांशी विरोधाभासी आहेत. जर कलेक्टर क्षेत्रातील सामग्रीची जाडी मालिका प्रतिकार कमी करण्यासाठी कमी केली तर सिलिकॉन वेफर प्रक्रिया करण्यासाठी खूप पातळ आणि नाजूक होईल. जर सामग्रीची प्रतिरोधकता कमी केली तर ते पहिल्या आवश्यकतेचा विरोध करेल. तथापि, एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानाचा विकास यशस्वी झाला आहे. ही अडचण सोडवली.

उपाय: अत्यंत कमी-प्रतिरोधक सब्सट्रेटवर उच्च-प्रतिरोधकता एपिटॅक्सियल थर वाढवा आणि एपिटॅक्सियल लेयरवर डिव्हाइस बनवा. हा उच्च-प्रतिरोधकता एपिटॅक्सियल थर ट्यूबमध्ये उच्च ब्रेकडाउन व्होल्टेज असल्याची खात्री करतो, तर कमी-प्रतिरोधक सब्सट्रेट हे सब्सट्रेटचा प्रतिकार देखील कमी करते, ज्यामुळे संपृक्तता व्होल्टेज ड्रॉप कमी होतो, ज्यामुळे दोघांमधील विरोधाभास दूर होतो.

याव्यतिरिक्त, GaAs आणि इतर III-V, II-VI आणि इतर आण्विक संयुग अर्धवाहक पदार्थांचे वाष्प फेज एपिटॅक्सी आणि द्रव फेज एपिटॅक्सी यासारख्या एपिटॅक्सी तंत्रज्ञानाचा मोठ्या प्रमाणात विकास झाला आहे आणि बहुतेक मायक्रोवेव्ह उपकरणे, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणे, पॉवरसाठी आधार बनला आहे. हे उपकरणांच्या उत्पादनासाठी एक अपरिहार्य प्रक्रिया तंत्रज्ञान आहे, विशेषतः पातळ थर, सुपरलॅटिस, क्वांटम विहिरी, ताणलेले सुपरलॅटिस आणि अणु-स्तरीय पातळ-स्तर एपिटॅक्सीमध्ये आण्विक बीम आणि धातूच्या सेंद्रिय वाष्प फेज एपिटॅक्सी तंत्रज्ञानाचा यशस्वी वापर, जो अर्धवाहक संशोधनातील एक नवीन पाऊल आहे. क्षेत्रात "ऊर्जा बेल्ट अभियांत्रिकी" च्या विकासाने एक मजबूत पाया घातला आहे.

व्यावहारिक अनुप्रयोगांमध्ये, वाइड बँडगॅप सेमीकंडक्टर उपकरणे जवळजवळ नेहमीच एपिटॅक्सियल लेयरवर बनवली जातात आणि सिलिकॉन कार्बाइड वेफर स्वतःच फक्त सब्सट्रेट म्हणून काम करते. म्हणून, एपिटॅक्सियल लेयरचे नियंत्रण हे वाइड बँडगॅप सेमीकंडक्टर उद्योगाचा एक महत्त्वाचा भाग आहे.

एपिटॅक्सी तंत्रज्ञानातील ७ प्रमुख कौशल्ये

१. उच्च (कमी) प्रतिकार असलेल्या एपिटॅक्सियल थरांना कमी (उच्च) प्रतिकार असलेल्या थरांवर एपिटॅक्सियली वाढवता येते.
२. N (P) प्रकारातील एपिटॅक्सियल थर P (N) प्रकारातील सब्सट्रेटवर एपिटॅक्सियली वाढवून थेट PN जंक्शन बनवता येते. सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेटवर PN जंक्शन बनवण्यासाठी डिफ्यूजन पद्धतीचा वापर करताना कोणतीही भरपाई समस्या येत नाही.
३. मास्क तंत्रज्ञानासह एकत्रितपणे, निवडक एपिटॅक्सियल वाढ नियुक्त केलेल्या भागात केली जाते, ज्यामुळे एकात्मिक सर्किट्स आणि विशेष संरचना असलेल्या उपकरणांच्या निर्मितीसाठी परिस्थिती निर्माण होते.
४. एपिटॅक्सियल वाढीच्या प्रक्रियेदरम्यान डोपिंगचा प्रकार आणि एकाग्रता गरजेनुसार बदलता येते. एकाग्रतेतील बदल अचानक बदल किंवा मंद बदल असू शकतो.
५. ते विविध, बहुस्तरीय, बहुघटक संयुगे आणि परिवर्तनशील घटकांसह अति-पातळ थर वाढवू शकते.
६. एपिटॅक्सियल वाढ ही पदार्थाच्या वितळण्याच्या बिंदूपेक्षा कमी तापमानात करता येते, वाढीचा दर नियंत्रित करता येतो आणि अणु-स्तरीय जाडीची एपिटॅक्सियल वाढ साध्य करता येते.
७. ते एकल क्रिस्टल पदार्थ वाढवू शकते जे ओढता येत नाहीत, जसे की GaN, तृतीयक आणि चतुर्थांश संयुगांचे एकल क्रिस्टल थर इ.