एपिटॅक्सियल थर सेमीकंडक्टर उपकरणांना कशी मदत करतात?

एपिटॅक्सियल वेफर या नावाचा उगम

सर्वप्रथम, आपण एक छोटी संकल्पना समजून घेऊया: वेफर तयार करण्यामध्ये दोन प्रमुख टप्पे समाविष्ट आहेत: सबस्ट्रेटची तयारी आणि एपिटॅक्सियल प्रक्रिया. सबस्ट्रेट म्हणजे सेमीकंडक्टर सिंगल क्रिस्टल मटेरियलपासून बनवलेली वेफर. सेमीकंडक्टर उपकरणे तयार करण्यासाठी सबस्ट्रेट थेट वेफर उत्पादन प्रक्रियेत वापरले जाऊ शकते, किंवा एपिटॅक्सियल वेफर्स तयार करण्यासाठी त्यावर एपिटॅक्सियल प्रक्रिया केली जाऊ शकते. एपिटॅक्सी म्हणजे कापणे, घासणे, पॉलिश करणे इत्यादी काळजीपूर्वक प्रक्रिया केलेल्या सिंगल क्रिस्टल सबस्ट्रेटवर सिंगल क्रिस्टलचा एक नवीन थर वाढवण्याची प्रक्रिया होय. नवीन सिंगल क्रिस्टल हे सबस्ट्रेटच्याच मटेरियलचे असू शकते, किंवा ते भिन्न मटेरियलचे (होमोजिनियस एपिटॅक्सी किंवा हेटेरोएपिटॅक्सी) असू शकते. नवीन एकल क्रिस्टल थर सब्सट्रेटच्या क्रिस्टल फेजनुसार विस्तारतो आणि वाढतो, म्हणून त्याला एपिटॅक्सियल थर म्हणतात (जाडी साधारणपणे काही मायक्रॉन असते, सिलिकॉनचे उदाहरण घेतल्यास: सिलिकॉन एपिटॅक्सियल वाढीचा अर्थ असा आहे की, एका विशिष्ट क्रिस्टल ओरिएंटेशन असलेल्या सिलिकॉन एकल क्रिस्टल सब्सट्रेटवर, सब्सट्रेटच्या समान क्रिस्टल ओरिएंटेशनसह, चांगल्या लॅटिस संरचनेची अखंडता, भिन्न रोधकता आणि जाडी असलेला क्रिस्टलचा थर वाढवला जातो), आणि एपिटॅक्सियल थर असलेल्या सब्सट्रेटला एपिटॅक्सियल वेफर म्हणतात (एपिटॅक्सियल वेफर = एपिटॅक्सियल थर + सब्सट्रेट). जेव्हा उपकरण एपिटॅक्सियल थरावर बनवले जाते, तेव्हा त्याला पॉझिटिव्ह एपिटॅक्सी म्हणतात. जर उपकरण सब्सट्रेटवर बनवले गेले, तर त्याला रिव्हर्स एपिटॅक्सी म्हणतात. यावेळी, एपिटॅक्सियल थर केवळ आधार देण्याची भूमिका बजावतो.

पॉलिश केलेले वेफर

एपिटॅक्सियल वाढ पद्धती

मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सी (MBE): हे एक सेमीकंडक्टर एपिटॅक्सियल वाढ तंत्रज्ञान आहे जे अत्यंत उच्च निर्वात परिस्थितीत केले जाते. या तंत्रात, स्रोत सामग्री अणू किंवा रेणूंच्या बीमच्या स्वरूपात बाष्पीभवन केली जाते आणि नंतर एका स्फटिकमय सब्सट्रेटवर जमा केली जाते. MBE हे एक अत्यंत अचूक आणि नियंत्रणीय सेमीकंडक्टर पातळ फिल्म वाढ तंत्रज्ञान आहे जे जमा केलेल्या सामग्रीची जाडी अणू पातळीवर अचूकपणे नियंत्रित करू शकते.
मेटल ऑरगॅनिक सीव्हीडी (एमओसीव्हीडी): एमओसीव्हीडी प्रक्रियेमध्ये, सेंद्रिय धातू आणि आवश्यक घटक असलेला हायड्राइड वायू (N₂) योग्य तापमानावर सब्सट्रेटला पुरवला जातो, रासायनिक अभिक्रिया होऊन आवश्यक सेमीकंडक्टर मटेरियल तयार होते आणि ते सब्सट्रेटवर जमा होते, तर उर्वरित संयुगे आणि अभिक्रिया उत्पादने डिस्चार्ज केली जातात.
वाष्प प्रावस्था एपिटॅक्सी (VPE): वाष्प प्रावस्था एपिटॅक्सी हे सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या उत्पादनात सामान्यतः वापरले जाणारे एक महत्त्वाचे तंत्रज्ञान आहे. याचे मूलभूत तत्त्व म्हणजे, मूलद्रव्यीय पदार्थांच्या किंवा संयुगांच्या वाफेला एका वाहक वायूमध्ये वाहून नेणे आणि रासायनिक अभिक्रियांद्वारे सब्सट्रेटवर स्फटिकांचे निक्षेपण करणे.

एपिटॅक्सी प्रक्रिया कोणत्या समस्या सोडवते?

केवळ स्थूल एकल स्फटिक पदार्थ विविध अर्धसंवाहक उपकरणांच्या निर्मितीच्या वाढत्या गरजा पूर्ण करू शकत नाहीत. त्यामुळे, १९५९ च्या अखेरीस एपिटॅक्सियल ग्रोथ, म्हणजेच पातळ-थराच्या एकल स्फटिक पदार्थांच्या वाढीचे तंत्रज्ञान, विकसित करण्यात आले. तर मग पदार्थांच्या प्रगतीमध्ये एपिटॅक्सी तंत्रज्ञानाचे नेमके कोणते योगदान आहे?

सिलिकॉनच्या बाबतीत, जेव्हा सिलिकॉन एपिटॅक्सियल ग्रोथ तंत्रज्ञान सुरू झाले, तेव्हा सिलिकॉन उच्च-फ्रिक्वेन्सी आणि उच्च-शक्तीच्या ट्रान्झिस्टरच्या उत्पादनासाठी तो खरोखरच एक कठीण काळ होता. ट्रान्झिस्टरच्या तत्त्वांनुसार, उच्च फ्रिक्वेन्सी आणि उच्च शक्ती मिळवण्यासाठी, कलेक्टर क्षेत्राचा ब्रेकडाउन व्होल्टेज उच्च असणे आणि सिरीज रेझिस्टन्स कमी असणे आवश्यक आहे, म्हणजेच सॅचुरेशन व्होल्टेज ड्रॉप कमी असणे आवश्यक आहे. पहिल्यासाठी कलेक्टर क्षेत्रातील पदार्थाची रेझिस्टिव्हिटी जास्त असणे आवश्यक आहे, तर दुसऱ्यासाठी कलेक्टर क्षेत्रातील पदार्थाची रेझिस्टिव्हिटी कमी असणे आवश्यक आहे. हे दोन्ही मुद्दे एकमेकांच्या विरोधाभासी आहेत. जर सिरीज रेझिस्टन्स कमी करण्यासाठी कलेक्टर क्षेत्रातील पदार्थाची जाडी कमी केली, तर सिलिकॉन वेफर प्रक्रियेसाठी खूप पातळ आणि नाजूक होईल. जर पदार्थाची रेझिस्टिव्हिटी कमी केली, तर ते पहिल्या गरजेच्या विरोधात जाईल. तथापि, एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानाच्या विकासामुळे ही अडचण यशस्वीरित्या सोडवली गेली आहे.

उपाय: अत्यंत कमी-प्रतिरोध असलेल्या सबस्ट्रेटवर उच्च-प्रतिरोध असलेला एपिटॅक्सियल थर वाढवा आणि त्या एपिटॅक्सियल थरावर डिव्हाइस बनवा. हा उच्च-प्रतिरोध असलेला एपिटॅक्सियल थर ट्यूबला उच्च ब्रेकडाउन व्होल्टेज मिळेल याची खात्री करतो, तर कमी-प्रतिरोध असलेला सबस्ट्रेट देखील सबस्ट्रेटचा प्रतिरोध कमी करतो, ज्यामुळे सॅचुरेशन व्होल्टेज ड्रॉप कमी होतो आणि अशा प्रकारे या दोन्हींमधील विरोधाभास दूर होतो.

याव्यतिरिक्त, GaAs आणि इतर III-V, II-VI तसेच इतर आण्विक संयुग अर्धसंवाहक पदार्थांच्या बाष्प-अवस्था एपिटॅक्सी आणि द्रव-अवस्था एपिटॅक्सीसारख्या एपिटॅक्सी तंत्रज्ञानाचाही मोठ्या प्रमाणात विकास झाला आहे आणि ते बहुतेक मायक्रोवेव्ह उपकरणे, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणे, ऊर्जा उपकरणांच्या उत्पादनासाठी आधार बनले आहे. विशेषतः, पातळ थर, सुपरलॅटिस, क्वांटम वेल्स, स्ट्रेन्ड सुपरलॅटिस आणि अणू-स्तरीय पातळ-थर एपिटॅक्सीमध्ये आण्विक बीम आणि धातू-सेंद्रिय बाष्प-अवस्था एपिटॅक्सी तंत्रज्ञानाचा यशस्वी वापर, हे अर्धसंवाहक संशोधनातील “एनर्जी बेल्ट इंजिनिअरिंग”च्या विकासाचे एक नवीन पाऊल आहे, ज्याने एक भक्कम पाया घातला आहे.

व्यावहारिक उपयोगांमध्ये, वाइड बँडगॅप सेमीकंडक्टर उपकरणे जवळजवळ नेहमीच एपिटॅक्सियल थरावर बनवली जातात आणि सिलिकॉन कार्बाइड वेफर स्वतः केवळ सब्सट्रेट म्हणून काम करते. त्यामुळे, एपिटॅक्सियल थराचे नियंत्रण हा वाइड बँडगॅप सेमीकंडक्टर उद्योगाचा एक महत्त्वाचा भाग आहे.

एपिटॅक्सी तंत्रज्ञानातील ७ प्रमुख कौशल्ये

१. कमी (उच्च) रोध असलेल्या सब्सट्रेटवर उच्च (कमी) रोध असलेले एपिटॅक्सियल थर एपिटॅक्सियली वाढवता येतात.
२. पी (एन) प्रकारच्या सबस्ट्रेटवर एन (पी) प्रकारचा एपिटॅक्सियल थर एपिटॅक्सियली वाढवून थेट पीएन जंक्शन तयार करता येते. सिंगल क्रिस्टल सबस्ट्रेटवर डिफ्यूजन पद्धत वापरून पीएन जंक्शन बनवताना कोणतीही कॉम्पेन्सेशनची समस्या येत नाही.
३. मास्क तंत्रज्ञानाच्या संयोगाने, निर्दिष्ट क्षेत्रांमध्ये निवडक एपिटॅक्सियल वाढ केली जाते, ज्यामुळे एकात्मिक सर्किट्स आणि विशेष संरचना असलेल्या उपकरणांच्या उत्पादनासाठी परिस्थिती निर्माण होते.
४. एपिटॅक्सियल वाढ प्रक्रियेदरम्यान गरजेनुसार डोपिंगचा प्रकार आणि प्रमाण बदलले जाऊ शकते. प्रमाणातील हा बदल अचानक किंवा हळूहळू असू शकतो.
५. ते विविध घटकांसह विषम, बहुस्तरीय, बहुघटक संयुगे आणि अति-पातळ थर वाढवू शकते.
६. एपिटॅक्सियल वाढ पदार्थाच्या वितळणबिंदूपेक्षा कमी तापमानावर केली जाऊ शकते, वाढीचा दर नियंत्रित करता येतो आणि अणू-स्तरीय जाडीची एपिटॅक्सियल वाढ साध्य करता येते.
७. याच्या साहाय्याने खेचता न येणारे एकल स्फटिक पदार्थ, जसे की GaN, तृतीयक आणि चतुर्थक संयुगांचे एकल स्फटिक थर इत्यादी वाढवता येतात.