ชั้นอิพิแทกเซียลช่วยอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ได้อย่างไร

ที่มาของชื่อเวเฟอร์เอพิแทกเซียล

ก่อนอื่นมาทำให้แนวคิดเล็กๆ น้อยๆ เป็นที่นิยมกันก่อน: การเตรียมเวเฟอร์ประกอบด้วยสองขั้นตอนหลัก ได้แก่ การเตรียมพื้นผิวและกระบวนการเอพิแทกเซียล พื้นผิวคือเวเฟอร์ที่ทำจากวัสดุผลึกเดี่ยวเซมิคอนดักเตอร์ พื้นผิวสามารถเข้าสู่กระบวนการผลิตเวเฟอร์โดยตรงเพื่อผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ หรือสามารถประมวลผลด้วยกระบวนการเอพิแทกเซียลเพื่อผลิตเวเฟอร์เอพิแทกเซียลได้ เอพิแทกซีหมายถึงกระบวนการปลูกชั้นใหม่ของผลึกเดี่ยวบนพื้นผิวผลึกเดี่ยวที่ผ่านการประมวลผลอย่างระมัดระวังด้วยการตัด เจียร ขัด ฯลฯ ผลึกเดี่ยวใหม่สามารถเป็นวัสดุเดียวกันกับพื้นผิว หรืออาจเป็นวัสดุที่แตกต่างกัน (เป็นเนื้อเดียวกัน) (เอพิแทกซีหรือเฮเทอโรเอพิแทกซี) เนื่องจากชั้นผลึกเดี่ยวใหม่ขยายและเติบโตตามเฟสผลึกของสารตั้งต้น จึงเรียกว่าชั้นเอพิแทกเซียล (ความหนาปกติไม่กี่ไมครอน โดยใช้ซิลิกอนเป็นตัวอย่าง ความหมายของการเติบโตของเอพิแทกเซียลซิลิคอนคือ บนพื้นผิวผลึกเดี่ยวซิลิกอนที่มีการวางแนวผลึกที่แน่นอน ชั้นผลึกที่มีความสมบูรณ์ของโครงสร้างตาข่ายดีและมีค่าความต้านทานและความหนาต่างกันที่มีการวางแนวผลึกเดียวกันกับสารตั้งต้นจะเติบโต) และสารตั้งต้นที่มีชั้นเอพิแทกเซียลเรียกว่าเวเฟอร์เอพิแทกเซียล (เวเฟอร์เอพิแทกเซียล = ชั้นเอพิแทกเซียล + สารตั้งต้น) เมื่อทำอุปกรณ์บนชั้นเอพิแทกเซียล จะเรียกว่าเอพิแทกเซียลเชิงบวก หากทำอุปกรณ์บนสารตั้งต้น จะเรียกว่าเอพิแทกเซียลย้อนกลับ ในเวลานี้ ชั้นเอพิแทกเซียลจะมีบทบาทสนับสนุนเท่านั้น

แผ่นเวเฟอร์ขัดเงา

วิธีการปลูกแบบเอพิแทกเซียล

โมเลกุลาร์บีมเอพิแทกซี (MBE): เป็นเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของเอพิแทกซีของสารกึ่งตัวนำที่ดำเนินการภายใต้สภาวะสุญญากาศที่สูงมาก ในเทคนิคนี้ วัสดุต้นทางจะระเหยออกมาในรูปของลำแสงของอะตอมหรือโมเลกุล จากนั้นจึงสะสมไว้บนพื้นผิวผลึก MBE เป็นเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของฟิล์มบางของสารกึ่งตัวนำที่แม่นยำและควบคุมได้มาก ซึ่งสามารถควบคุมความหนาของวัสดุที่สะสมไว้ได้อย่างแม่นยำในระดับอะตอม
CVD ของโลหะอินทรีย์ (MOCVD): ในกระบวนการ MOCVD โลหะอินทรีย์และก๊าซไฮไดรด์ N ที่มีธาตุที่ต้องการจะถูกส่งไปยังสารตั้งต้นในอุณหภูมิที่เหมาะสม ทำปฏิกิริยาเคมีเพื่อสร้างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องการ และถูกสะสมไว้บนพื้นผิว ในขณะที่สารประกอบที่เหลือและผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาจะถูกปล่อยออก
อิพิแทกซีเฟสไอ (VPE): อิพิแทกซีเฟสไอเป็นเทคโนโลยีสำคัญที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ หลักการพื้นฐานคือการเคลื่อนย้ายไอของสารหรือสารประกอบพื้นฐานในก๊าซพาหะ และสะสมผลึกบนพื้นผิวผ่านปฏิกิริยาเคมี

กระบวนการเอพิแทกซีช่วยแก้ปัญหาด้านใดได้บ้าง?

วัสดุผลึกเดี่ยวจำนวนมากไม่สามารถตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ ได้ ดังนั้น การเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซียล ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของวัสดุผลึกเดี่ยวแบบชั้นบาง จึงได้รับการพัฒนาในช่วงปลายปี พ.ศ. 2502 แล้วเทคโนโลยีเอพิแทกเซียลมีส่วนสนับสนุนเฉพาะเจาะจงอย่างไรต่อความก้าวหน้าของวัสดุ?

สำหรับซิลิกอนเมื่อเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของอิพิแทกเซียลของซิลิกอนเริ่มต้นขึ้น มันเป็นช่วงเวลาที่ยากลำบากจริงๆ สำหรับการผลิตทรานซิสเตอร์ความถี่สูงและกำลังสูงของซิลิกอน จากมุมมองของหลักการทรานซิสเตอร์ เพื่อให้ได้ความถี่สูงและกำลังสูง แรงดันไฟฟ้าพังทลายของพื้นที่ตัวรวบรวมจะต้องสูงและความต้านทานแบบอนุกรมจะต้องมีค่าเล็กน้อย นั่นคือ แรงดันไฟฟ้าตกอิ่มตัวจะต้องมีค่าเล็กน้อย ประการแรก ต้องการให้ค่าความต้านทานของวัสดุในพื้นที่ตัวรวบรวมสูง ในขณะที่ประการหลัง ต้องการให้ค่าความต้านทานของวัสดุในพื้นที่ตัวรวบรวมต่ำ ทั้งสองพื้นที่มีความขัดแย้งกัน หากความหนาของวัสดุในพื้นที่ตัวรวบรวมลดลงเพื่อลดความต้านทานแบบอนุกรม เวเฟอร์ซิลิกอนจะบางเกินไปและเปราะบางเกินกว่าที่จะประมวลผลได้ หากค่าความต้านทานของวัสดุลดลง ก็จะขัดแย้งกับข้อกำหนดแรก อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเทคโนโลยีอิพิแทกเซียลประสบความสำเร็จแล้ว จึงสามารถแก้ไขปัญหานี้ได้

วิธีแก้ปัญหา: ปลูกชั้นเอพิแทกเซียลที่มีความต้านทานสูงบนพื้นผิวที่มีความต้านทานต่ำมาก และทำให้อุปกรณ์อยู่บนชั้นเอพิแทกเซียล ชั้นเอพิแทกเซียลที่มีความต้านทานสูงนี้ช่วยให้หลอดมีแรงดันไฟฟ้าพังทลายสูง ในขณะที่พื้นผิวที่มีความต้านทานต่ำยังช่วยลดความต้านทานของพื้นผิวด้วย จึงลดแรงดันไฟฟ้าตกอิ่มตัว จึงแก้ไขข้อขัดแย้งระหว่างทั้งสองได้

นอกจากนี้เทคโนโลยีเอพิแทกซี เช่น เอพิแทกซีเฟสไอและเอพิแทกซีเฟสของเหลวของ GaAs และวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สารประกอบโมเลกุล III-V, II-VI อื่นๆ ก็ได้รับการพัฒนาอย่างมากและกลายเป็นพื้นฐานสำหรับอุปกรณ์ไมโครเวฟ อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ พลังงาน เป็นเทคโนโลยีกระบวนการที่ขาดไม่ได้สำหรับการผลิตอุปกรณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเอพิแทกซีเฟสไออินทรีย์ของลำแสงโมเลกุลและโลหะในชั้นบาง ซูเปอร์แลตทิซ ควอนตัมเวลล์ ซูเปอร์แลตทิซเครียด และเอพิแทกซีชั้นบางระดับอะตอม ซึ่งถือเป็นก้าวใหม่ในการวิจัยเซมิคอนดักเตอร์ การพัฒนา "วิศวกรรมสายพานพลังงาน" ในสาขานี้ได้สร้างรากฐานที่มั่นคง

ในการใช้งานจริง อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก็ปกว้างมักจะผลิตบนชั้นเอพิแทกเซียล และเวเฟอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์ทำหน้าที่เป็นเพียงพื้นผิวเท่านั้น ดังนั้น การควบคุมชั้นเอพิแทกเซียลจึงเป็นส่วนสำคัญของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก็ปกว้าง

7 ทักษะหลักในเทคโนโลยีเอพิแทกซี

1. ชั้นเอพิแทกเซียลที่มีความต้านทานสูง (ต่ำ) สามารถเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซียลบนพื้นผิวที่มีความต้านทานต่ำ (สูง) ได้
2. สามารถปลูกชั้นเอพิแทกเซียลชนิด N (P) บนพื้นผิวชนิด P (N) เพื่อสร้างรอยต่อ PN ได้โดยตรง ไม่มีปัญหาเรื่องการชดเชยเมื่อใช้วิธีการแพร่เพื่อสร้างรอยต่อ PN บนพื้นผิวผลึกเดี่ยว
3. เมื่อใช้ร่วมกับเทคโนโลยีหน้ากาก การเจริญเติบโตของเอพิแทกเซียลแบบเลือกสรรจะเกิดขึ้นในพื้นที่ที่กำหนด ซึ่งสร้างเงื่อนไขสำหรับการผลิตวงจรรวมและอุปกรณ์ที่มีโครงสร้างพิเศษ
4. ชนิดและความเข้มข้นของการเจือปนสารสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามความต้องการในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของเอพิแทกเซียล การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นอาจเป็นการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันหรือการเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ
5. สามารถปลูกสารประกอบที่หลากหลาย หลายชั้น หลายส่วนประกอบ และชั้นบางพิเศษที่มีส่วนประกอบที่แปรผันได้
6. การเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซียลสามารถทำได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของวัสดุ อัตราการเจริญเติบโตนั้นสามารถควบคุมได้ และสามารถบรรลุการเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซียลที่มีความหนาในระดับอะตอมได้
7. สามารถปลูกวัสดุผลึกเดี่ยวที่ไม่สามารถดึงออกได้ เช่น GaN ชั้นผลึกเดี่ยวของสารประกอบตติยภูมิและจตุภาค ฯลฯ