ఎపిటాక్సియల్ పొరలు సెమీకండక్టర్ పరికరాలకు ఎలా సహాయపడతాయి?

ఎపిటాక్సియల్ వేఫర్ అనే పేరు యొక్క మూలం

మొదటగా, ఒక చిన్న భావనను సులభంగా అర్థం చేసుకుందాం: వేఫర్ తయారీలో రెండు ప్రధాన దశలు ఉంటాయి: సబ్‌స్ట్రేట్ తయారీ మరియు ఎపిటాక్సియల్ ప్రక్రియ. సబ్‌స్ట్రేట్ అనేది సెమీకండక్టర్ సింగిల్ క్రిస్టల్ పదార్థంతో తయారు చేయబడిన ఒక వేఫర్. ఈ సబ్‌స్ట్రేట్‌ను సెమీకండక్టర్ పరికరాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి నేరుగా వేఫర్ తయారీ ప్రక్రియలోకి పంపవచ్చు, లేదా ఎపిటాక్సియల్ వేఫర్‌లను ఉత్పత్తి చేయడానికి దీనిని ఎపిటాక్సియల్ ప్రక్రియల ద్వారా ప్రాసెస్ చేయవచ్చు. ఎపిటాక్సీ అంటే, కత్తిరించడం, గ్రైండింగ్, పాలిషింగ్ మొదలైన వాటి ద్వారా జాగ్రత్తగా ప్రాసెస్ చేయబడిన సింగిల్ క్రిస్టల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై కొత్త సింగిల్ క్రిస్టల్ పొరను పెంచే ప్రక్రియ. ఈ కొత్త సింగిల్ క్రిస్టల్, సబ్‌స్ట్రేట్ తయారైన పదార్థంతోనే ఉండవచ్చు, లేదా భిన్నమైన పదార్థంతో (హోమోజీనియస్ ఎపిటాక్సీ లేదా హెటెరోఎపిటాక్సీ) కూడా ఉండవచ్చు. కొత్త ఏక స్ఫటిక పొర, ఆధారపదార్థం (సబ్‌స్ట్రేట్) యొక్క స్ఫటిక దశకు అనుగుణంగా విస్తరించి, పెరుగుతుంది కాబట్టి, దానిని ఎపిటాక్సియల్ పొర అని అంటారు (దీని మందం సాధారణంగా కొన్ని మైక్రాన్లు ఉంటుంది, ఉదాహరణకు సిలికాన్‌ను తీసుకుంటే: సిలికాన్ ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదల అంటే ఒక నిర్దిష్ట స్ఫటిక విన్యాసం కలిగిన సిలికాన్ ఏక స్ఫటిక ఆధారపదార్థంపై, ఆధారపదార్థం వలె అదే స్ఫటిక విన్యాసంతో, మంచి లాటిస్ నిర్మాణ సమగ్రత మరియు విభిన్న నిరోధకత, మందం కలిగిన స్ఫటిక పొరను పెంచడం), మరియు ఎపిటాక్సియల్ పొరతో ఉన్న ఆధారపదార్థాన్ని ఎపిటాక్సియల్ వేఫర్ అని అంటారు (ఎపిటాక్సియల్ వేఫర్ = ఎపిటాక్సియల్ పొర + ఆధారపదార్థం). పరికరాన్ని ఎపిటాక్సియల్ పొరపై తయారు చేసినప్పుడు, దానిని పాజిటివ్ ఎపిటాక్సీ అని అంటారు. పరికరాన్ని ఆధారపదార్థంపై తయారు చేస్తే, దానిని రివర్స్ ఎపిటాక్సీ అని అంటారు. ఈ సమయంలో, ఎపిటాక్సియల్ పొర కేవలం సహాయక పాత్రను మాత్రమే పోషిస్తుంది.

పాలిష్ చేసిన వేఫర్

ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదల పద్ధతులు

మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ (MBE): ఇది అత్యధిక వాక్యూమ్ పరిస్థితులలో నిర్వహించబడే ఒక సెమీకండక్టర్ ఎపిటాక్సియల్ వృద్ధి సాంకేతికత. ఈ పద్ధతిలో, మూల పదార్థాన్ని పరమాణువులు లేదా అణువుల పుంజం రూపంలో ఆవిరి చేసి, ఆపై ఒక స్ఫటికాకార ఉపరితలంపై నిక్షిప్తం చేస్తారు. MBE అనేది చాలా కచ్చితమైన మరియు నియంత్రించదగిన సెమీకండక్టర్ పలుచని పొర వృద్ధి సాంకేతికత, ఇది నిక్షిప్తం చేయబడిన పదార్థం యొక్క మందాన్ని పరమాణు స్థాయిలో కచ్చితంగా నియంత్రించగలదు.
మెటల్ ఆర్గానిక్ CVD (MOCVD): MOCVD ప్రక్రియలో, అవసరమైన మూలకాలను కలిగి ఉన్న ఆర్గానిక్ మెటల్ మరియు హైడ్రైడ్ గ్యాస్ N₂ వాయువును తగిన ఉష్ణోగ్రత వద్ద సబ్‌స్ట్రేట్‌కు సరఫరా చేస్తారు. ఇవి రసాయన చర్యకు లోనై అవసరమైన సెమీకండక్టర్ పదార్థాన్ని ఉత్పత్తి చేసి, సబ్‌స్ట్రేట్‌పై నిక్షిప్తం చేస్తాయి. అదే సమయంలో, మిగిలిన సమ్మేళనాలు మరియు చర్య ఉత్పత్తులు తొలగించబడతాయి.
ఆవిరి దశ ఎపిటాక్సీ (VPE): ఆవిరి దశ ఎపిటాక్సీ అనేది సెమీకండక్టర్ పరికరాల ఉత్పత్తిలో సాధారణంగా ఉపయోగించే ఒక ముఖ్యమైన సాంకేతికత. దీని ప్రాథమిక సూత్రం ఏమిటంటే, మూల పదార్థాలు లేదా సమ్మేళనాల ఆవిరిని ఒక వాహక వాయువులో రవాణా చేసి, రసాయన చర్యల ద్వారా సబ్‌స్ట్రేట్‌పై స్ఫటికాలను నిక్షేపించడం.

ఎపిటాక్సీ ప్రక్రియ ఏ సమస్యలను పరిష్కరిస్తుంది?

వివిధ సెమీకండక్టర్ పరికరాల తయారీ యొక్క పెరుగుతున్న అవసరాలను కేవలం స్థూల ఏక స్ఫటిక పదార్థాలు తీర్చలేవు. అందువల్ల, 1959 చివరిలో, పలుచని పొర ఏక స్ఫటిక పదార్థాన్ని పెంచే సాంకేతికత అయిన ఎపిటాక్సియల్ గ్రోత్ అభివృద్ధి చేయబడింది. మరి పదార్థాల పురోగతికి ఎపిటాక్సీ సాంకేతికత యొక్క నిర్దిష్ట సహకారం ఏమిటి?

సిలికాన్ ఎపిటాక్సియల్ గ్రోత్ టెక్నాలజీ ప్రారంభమైనప్పుడు, సిలికాన్ అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు అధిక-పవర్ ట్రాన్సిస్టర్ల ఉత్పత్తికి అది నిజంగా ఒక కష్టకాలం. ట్రాన్సిస్టర్ సూత్రాల దృక్కోణం నుండి, అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు అధిక పవర్ పొందాలంటే, కలెక్టర్ ప్రాంతం యొక్క బ్రేక్‌డౌన్ వోల్టేజ్ ఎక్కువగా ఉండాలి మరియు శ్రేణి నిరోధకత తక్కువగా ఉండాలి, అంటే, శాచ్యురేషన్ వోల్టేజ్ డ్రాప్ తక్కువగా ఉండాలి. మొదటిదానికి కలెక్టర్ ప్రాంతంలోని పదార్థం యొక్క నిరోధకత ఎక్కువగా ఉండాలి, అయితే రెండవదానికి కలెక్టర్ ప్రాంతంలోని పదార్థం యొక్క నిరోధకత తక్కువగా ఉండాలి. ఈ రెండు అంశాలు ఒకదానికొకటి విరుద్ధమైనవి. శ్రేణి నిరోధకతను తగ్గించడానికి కలెక్టర్ ప్రాంతంలోని పదార్థం యొక్క మందాన్ని తగ్గిస్తే, సిలికాన్ వేఫర్ చాలా పలుచగా మరియు పెళుసుగా మారి ప్రాసెస్ చేయడానికి వీలుకాదు. ఒకవేళ పదార్థం యొక్క నిరోధకతను తగ్గిస్తే, అది మొదటి ఆవశ్యకతకు విరుద్ధంగా ఉంటుంది. అయితే, ఎపిటాక్సియల్ టెక్నాలజీ అభివృద్ధి ఈ కష్టాన్ని విజయవంతంగా పరిష్కరించింది.

పరిష్కారం: అత్యంత తక్కువ నిరోధకత గల సబ్‌స్ట్రేట్‌పై అధిక నిరోధకత గల ఎపిటాక్సియల్ పొరను పెంచి, ఆ ఎపిటాక్సియల్ పొరపై పరికరాన్ని తయారు చేయాలి. ఈ అధిక నిరోధకత గల ఎపిటాక్సియల్ పొర ట్యూబ్‌కు అధిక బ్రేక్‌డౌన్ వోల్టేజ్ ఉండేలా నిర్ధారిస్తుంది, అదే సమయంలో తక్కువ నిరోధకత గల సబ్‌స్ట్రేట్, సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క నిరోధకతను కూడా తగ్గిస్తుంది, తద్వారా శాచురేషన్ వోల్టేజ్ డ్రాప్‌ను తగ్గించి, ఈ రెండింటి మధ్య ఉన్న వైరుధ్యాన్ని పరిష్కరిస్తుంది.

దీనికి అదనంగా, GaAs మరియు ఇతర III-V, II-VI మరియు ఇతర మాలిక్యులర్ కాంపౌండ్ సెమీకండక్టర్ పదార్థాల ఆవిరి దశ ఎపిటాక్సీ మరియు ద్రవ దశ ఎపిటాక్సీ వంటి ఎపిటాక్సీ సాంకేతికతలు కూడా బాగా అభివృద్ధి చెందాయి మరియు చాలా మైక్రోవేవ్ పరికరాలు, ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలు, పవర్ పరికరాల ఉత్పత్తికి ఇవి ఆధారంగా మారాయి. ఇది ఒక అనివార్యమైన ప్రక్రియ సాంకేతికత. ముఖ్యంగా, సన్నని పొరలు, సూపర్‌లాటిస్‌లు, క్వాంటం వెల్స్, స్ట్రెయిన్డ్ సూపర్‌లాటిస్‌లు మరియు పరమాణు-స్థాయి సన్నని పొర ఎపిటాక్సీలలో మాలిక్యులర్ బీమ్ మరియు మెటల్ ఆర్గానిక్ ఆవిరి దశ ఎపిటాక్సీ సాంకేతికత యొక్క విజయవంతమైన అనువర్తనం సెమీకండక్టర్ పరిశోధనలో ఒక కొత్త ముందడుగు. ఈ రంగంలో "ఎనర్జీ బెల్ట్ ఇంజనీరింగ్" అభివృద్ధి ఒక పటిష్టమైన పునాది వేసింది.

ఆచరణాత్మక అనువర్తనాలలో, విస్తృత బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ పరికరాలు దాదాపు ఎల్లప్పుడూ ఎపిటాక్సియల్ పొరపై తయారు చేయబడతాయి మరియు సిలికాన్ కార్బైడ్ వేఫర్ కేవలం సబ్‌స్ట్రేట్‌గా మాత్రమే పనిచేస్తుంది. అందువల్ల, ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క నియంత్రణ విస్తృత బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో ఒక ముఖ్యమైన భాగం.

ఎపిటాక్సీ టెక్నాలజీలో 7 ప్రధాన నైపుణ్యాలు

1. అధిక (తక్కువ) నిరోధకత గల ఎపిటాక్సియల్ పొరలను తక్కువ (అధిక) నిరోధకత గల సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై ఎపిటాక్సియల్‌గా పెంచవచ్చు.
2. N (P) రకం ఎపిటాక్సియల్ పొరను P (N) రకం సబ్‌స్ట్రేట్‌పై నేరుగా ఎపిటాక్సియల్‌గా పెంచి, ఒక PN జంక్షన్‌ను ఏర్పరచవచ్చు. సింగిల్ క్రిస్టల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై PN జంక్షన్‌ను తయారు చేయడానికి డిఫ్యూజన్ పద్ధతిని ఉపయోగించినప్పుడు కాంపెన్సేషన్ సమస్య ఉండదు.
3. మాస్క్ టెక్నాలజీతో కలిపి, నిర్దేశిత ప్రాంతాలలో సెలెక్టివ్ ఎపిటాక్సియల్ గ్రోత్ నిర్వహించబడుతుంది, ఇది ప్రత్యేక నిర్మాణాలతో ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్లు మరియు పరికరాల ఉత్పత్తికి పరిస్థితులను సృష్టిస్తుంది.
4. ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదల ప్రక్రియ సమయంలో అవసరాలకు అనుగుణంగా డోపింగ్ రకం మరియు గాఢతను మార్చవచ్చు. గాఢతలో మార్పు ఆకస్మికంగా లేదా నెమ్మదిగా జరగవచ్చు.
5. ఇది విజాతీయ, బహుళ-పొరల, బహుళ-భాగాల సమ్మేళనాలను మరియు మారుతున్న భాగాలతో అతి పలుచని పొరలను పెంచగలదు.
6. పదార్థం యొక్క ద్రవీభవన స్థానం కంటే తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలను నిర్వహించవచ్చు, పెరుగుదల రేటును నియంత్రించవచ్చు మరియు పరమాణు-స్థాయి మందం గల ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలను సాధించవచ్చు.
7. ఇది GaN, తృతీయ మరియు చతుర్థ సమ్మేళనాల ఏక స్ఫటిక పొరలు మొదలైన లాగలేని ఏక స్ఫటిక పదార్థాలను పెంచగలదు.