Происхождение названия «эпитаксиальная пластина»
Для начала давайте популяризируем небольшую концепцию: подготовка кремниевой пластины включает два основных этапа: подготовку подложки и эпитаксиальный процесс. Подложка — это пластина, изготовленная из полупроводникового монокристаллического материала. Подложка может напрямую поступать в процесс производства полупроводниковых устройств, или же она может быть обработана эпитаксиальными процессами для получения эпитаксиальных пластин. Эпитаксия — это процесс выращивания нового слоя монокристалла на монокристаллической подложке, которая была тщательно обработана путем резки, шлифовки, полировки и т. д. Новый монокристалл может быть из того же материала, что и подложка, или из другого материала (гомогенная эпитаксия или гетероэпитаксия). Поскольку новый монокристаллический слой распространяется и растет в соответствии с кристаллической фазой подложки, он называется эпитаксиальным слоем (толщина обычно составляет несколько микрон; на примере кремния: эпитаксиальный рост кремния означает выращивание на монокристаллической подложке кремния с определенной кристаллической ориентацией. Выращивается слой кристалла с хорошей целостностью кристаллической структуры, различным сопротивлением и толщиной, имеющий ту же кристаллическую ориентацию, что и подложка), а подложка с эпитаксиальным слоем называется эпитаксиальной пластиной (эпитаксиальная пластина = эпитаксиальный слой + подложка). Когда устройство изготавливается на эпитаксиальном слое, это называется позитивной эпитаксией. Если устройство изготавливается на подложке, это называется обратной эпитаксией. В этом случае эпитаксиальный слой играет только вспомогательную роль.
Полированная вафля
методы эпитаксиального роста
Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ): это технология эпитаксиального роста полупроводников, выполняемая в условиях сверхвысокого вакуума. В этой технологии исходный материал испаряется в виде пучка атомов или молекул, а затем осаждается на кристаллическую подложку. МЛЭ — это очень точная и контролируемая технология выращивания тонких полупроводниковых пленок, позволяющая точно контролировать толщину осаждаемого материала на атомном уровне.
Металлоорганическое химическое осаждение из газовой фазы (MOCVD): В процессе MOCVD органический металл и гидридный газ N₂, содержащий необходимые элементы, подаются на подложку при соответствующей температуре, вступают в химическую реакцию с образованием необходимого полупроводникового материала и осаждаются на подложке, в то время как оставшиеся соединения и продукты реакции удаляются.
Эпитаксия в паровой фазе (ЭПГ): Эпитаксия в паровой фазе — важная технология, широко используемая в производстве полупроводниковых приборов. Основной принцип заключается в транспортировке паров элементарных веществ или соединений в несущем газе и осаждении кристаллов на подложку посредством химических реакций.
Какие проблемы решает процесс эпитаксии?
Одних лишь объемных монокристаллических материалов недостаточно для удовлетворения растущих потребностей в производстве различных полупроводниковых устройств. Поэтому в конце 1959 года была разработана технология эпитаксиального роста — технология выращивания тонкослойных монокристаллических материалов. Какой же конкретный вклад вносит технология эпитаксии в развитие материалов?
На заре развития технологии эпитаксиального роста кремния производство высокочастотных и мощных транзисторов стало действительно сложным процессом. С точки зрения принципов работы транзисторов, для достижения высокой частоты и мощности необходимо высокое напряжение пробоя коллекторной области и малое последовательное сопротивление, то есть малое падение напряжения насыщения. Первое требует высокого удельного сопротивления материала в коллекторной области, а второе — низкого. Эти два требования противоречат друг другу. Если уменьшить толщину материала в коллекторной области для снижения последовательного сопротивления, кремниевая пластина станет слишком тонкой и хрупкой для обработки. Если же уменьшить удельное сопротивление материала, это будет противоречить первому требованию. Однако развитие эпитаксиальной технологии позволило успешно решить эту проблему.
Решение: Вырастить эпитаксиальный слой с высоким сопротивлением на подложке с чрезвычайно низким сопротивлением и изготовить устройство на этом эпитаксиальном слое. Этот эпитаксиальный слой с высоким сопротивлением обеспечивает лампе высокое напряжение пробоя, а подложка с низким сопротивлением также снижает сопротивление подложки, тем самым уменьшая падение напряжения насыщения и разрешая противоречие между ними.
Кроме того, технологии эпитаксии, такие как парофазная и жидкофазная эпитаксия GaAs и других полупроводниковых материалов на основе соединений III-V, II-VI и других молекулярных соединений, также получили значительное развитие и стали основой для большинства микроволновых устройств, оптоэлектронных устройств и источников питания. Это незаменимая технология для производства устройств, особенно успешное применение молекулярно-лучевой и металлоорганической парофазной эпитаксии в тонкослойной структуре, сверхрешетках, квантовых ямах, деформированных сверхрешетках и тонкослойной эпитаксии на атомном уровне, что является новым шагом в исследованиях полупроводников. Развитие «энергетической инженерии» в этой области заложило прочную основу.
В практических приложениях широкозонные полупроводниковые приборы почти всегда изготавливаются на эпитаксиальном слое, а кремниевая карбидная пластина служит лишь подложкой. Поэтому контроль эпитаксиального слоя является важной частью индустрии широкозонных полупроводников.
7 основных навыков в технологии эпитаксии
1. Эпитаксиальные слои с высоким (низким) сопротивлением могут быть выращены эпитаксиально на подложках с низким (высоким) сопротивлением.
2. Эпитаксиальный слой N (P) типа может быть выращен эпитаксиально на подложке P (N) типа для непосредственного формирования PN-перехода. При использовании диффузионного метода для создания PN-перехода на монокристаллической подложке проблема компенсации отсутствует.
3. В сочетании с технологией масок осуществляется селективный эпитаксиальный рост в заданных областях, создавая условия для производства интегральных схем и устройств со специальной структурой.
4. Тип и концентрация легирующей примеси могут изменяться в зависимости от потребностей в процессе эпитаксиального роста. Изменение концентрации может быть резким или медленным.
5. Он позволяет выращивать гетерогенные, многослойные, многокомпонентные соединения и ультратонкие слои с переменным составом.
6. Эпитаксиальный рост может быть осуществлен при температуре ниже точки плавления материала, скорость роста контролируема, и может быть достигнут эпитаксиальный рост на атомном уровне толщины.
7. Он позволяет выращивать монокристаллические материалы, которые невозможно вытянуть, такие как GaN, монокристаллические слои третичных и четвертичных соединений и т. д.
Дата публикации: 13 мая 2024 г.