Nguồn gốc của tên gọi epitaxial wafer
Trước tiên, chúng ta hãy phổ biến một khái niệm nhỏ: chuẩn bị wafer bao gồm hai liên kết chính: chuẩn bị chất nền và quy trình epitaxial. Chất nền là một wafer được làm bằng vật liệu tinh thể đơn bán dẫn. Chất nền có thể trực tiếp đi vào quy trình sản xuất wafer để sản xuất các thiết bị bán dẫn hoặc có thể được xử lý bằng các quy trình epitaxial để sản xuất các wafer epitaxial. Epitaxy đề cập đến quy trình phát triển một lớp tinh thể đơn mới trên một chất nền tinh thể đơn đã được xử lý cẩn thận bằng cách cắt, mài, đánh bóng, v.v. Tinh thể đơn mới có thể là cùng một vật liệu với chất nền hoặc có thể là một vật liệu khác (đồng nhất) epitaxy hoặc heteroepitaxy). Bởi vì lớp tinh thể đơn mới mở rộng và phát triển theo pha tinh thể của chất nền, nên nó được gọi là lớp epitaxial (độ dày thường là vài micron, lấy silicon làm ví dụ: ý nghĩa của sự phát triển epitaxial silicon là trên một chất nền tinh thể đơn silicon có định hướng tinh thể nhất định. Một lớp tinh thể có tính toàn vẹn cấu trúc mạng tốt và điện trở suất và độ dày khác nhau có cùng định hướng tinh thể với chất nền được phát triển), và chất nền có lớp epitaxial được gọi là wafer epitaxial (wafer epitaxial = lớp epitaxial + chất nền). Khi thiết bị được tạo ra trên lớp epitaxial, nó được gọi là epitaxy dương. Nếu thiết bị được tạo ra trên chất nền, nó được gọi là epitaxy ngược. Lúc này, lớp epitaxial chỉ đóng vai trò hỗ trợ.
Bánh wafer đánh bóng
Phương pháp tăng trưởng epitaxial
Epitaxy chùm phân tử (MBE): Đây là công nghệ phát triển epitaxy bán dẫn được thực hiện trong điều kiện chân không cực cao. Trong kỹ thuật này, vật liệu nguồn được bốc hơi dưới dạng chùm nguyên tử hoặc phân tử và sau đó được lắng đọng trên một chất nền tinh thể. MBE là công nghệ phát triển màng mỏng bán dẫn rất chính xác và có thể kiểm soát được, có thể kiểm soát chính xác độ dày của vật liệu lắng đọng ở cấp độ nguyên tử.
CVD kim loại hữu cơ (MOCVD): Trong quy trình MOCVD, kim loại hữu cơ và khí hydride N chứa các nguyên tố cần thiết được cung cấp cho chất nền ở nhiệt độ thích hợp, trải qua phản ứng hóa học để tạo ra vật liệu bán dẫn cần thiết và được lắng đọng trên chất nền, trong khi các hợp chất còn lại và sản phẩm phản ứng được thải ra.
Epitaxy pha hơi (VPE): Epitaxy pha hơi là một công nghệ quan trọng thường được sử dụng trong sản xuất các thiết bị bán dẫn. Nguyên lý cơ bản là vận chuyển hơi của các chất nguyên tố hoặc hợp chất trong khí mang và lắng đọng các tinh thể trên chất nền thông qua các phản ứng hóa học.
Quá trình epitaxy giải quyết được những vấn đề gì?
Chỉ có vật liệu tinh thể đơn khối không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của việc sản xuất các thiết bị bán dẫn khác nhau. Do đó, công nghệ phát triển vật liệu tinh thể đơn lớp mỏng epitaxy đã được phát triển vào cuối năm 1959. Vậy công nghệ epitaxy có đóng góp cụ thể nào cho sự phát triển của vật liệu?
Đối với silicon, khi công nghệ tăng trưởng epitaxial silicon bắt đầu, đó thực sự là thời kỳ khó khăn đối với việc sản xuất các bóng bán dẫn silicon tần số cao và công suất cao. Theo quan điểm của các nguyên lý bóng bán dẫn, để đạt được tần số cao và công suất cao, điện áp đánh thủng của vùng thu phải cao và điện trở nối tiếp phải nhỏ, nghĩa là độ sụt điện áp bão hòa phải nhỏ. Cái trước yêu cầu điện trở suất của vật liệu trong vùng thu phải cao, trong khi cái sau yêu cầu điện trở suất của vật liệu trong vùng thu phải thấp. Hai tỉnh này trái ngược nhau. Nếu giảm độ dày của vật liệu trong vùng thu để giảm điện trở nối tiếp, thì wafer silicon sẽ quá mỏng và dễ vỡ để có thể xử lý. Nếu giảm điện trở suất của vật liệu, nó sẽ trái ngược với yêu cầu đầu tiên. Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ epitaxial đã thành công. giải quyết được khó khăn này.
Giải pháp: Trồng một lớp epitaxial có điện trở suất cao trên một chất nền có điện trở cực thấp và chế tạo thiết bị trên lớp epitaxial. Lớp epitaxial có điện trở suất cao này đảm bảo rằng ống có điện áp đánh thủng cao, trong khi chất nền có điện trở thấp cũng làm giảm điện trở của chất nền, do đó làm giảm độ sụt điện áp bão hòa, do đó giải quyết được mâu thuẫn giữa hai lớp.
Ngoài ra, các công nghệ epitaxy như epitaxy pha hơi và epitaxy pha lỏng của GaAs và các vật liệu bán dẫn hợp chất phân tử III-V, II-VI khác cũng đã được phát triển mạnh mẽ và đã trở thành cơ sở cho hầu hết các thiết bị vi sóng, thiết bị quang điện tử, công suất Đây là công nghệ quy trình không thể thiếu để sản xuất các thiết bị, đặc biệt là ứng dụng thành công công nghệ epitaxy chùm phân tử và pha hơi hữu cơ kim loại trong các lớp mỏng, siêu mạng, giếng lượng tử, siêu mạng căng thẳng và epitaxy lớp mỏng cấp nguyên tử, đây là một bước tiến mới trong nghiên cứu chất bán dẫn. Sự phát triển của "kỹ thuật vành đai năng lượng" trong lĩnh vực này đã đặt nền tảng vững chắc.
Trong các ứng dụng thực tế, các thiết bị bán dẫn có khoảng cách dải rộng hầu như luôn được chế tạo trên lớp epitaxial và bản thân wafer silicon carbide chỉ đóng vai trò là chất nền. Do đó, việc kiểm soát lớp epitaxial là một phần quan trọng của ngành công nghiệp bán dẫn có khoảng cách dải rộng.
7 kỹ năng chính trong công nghệ epitaxy
1. Các lớp epitaxial có điện trở cao (thấp) có thể được phát triển epitaxial trên các chất nền có điện trở thấp (cao).
2. Lớp epitaxial loại N (P) có thể được phát triển epitaxial trên chất nền loại P (N) để tạo thành mối nối PN trực tiếp. Không có vấn đề bù trừ khi sử dụng phương pháp khuếch tán để tạo mối nối PN trên chất nền tinh thể đơn.
3. Kết hợp với công nghệ mặt nạ, quá trình phát triển epitaxial chọn lọc được thực hiện tại các khu vực được chỉ định, tạo điều kiện cho việc sản xuất các mạch tích hợp và thiết bị có cấu trúc đặc biệt.
4. Loại và nồng độ pha tạp có thể thay đổi theo nhu cầu trong quá trình phát triển epitaxial. Sự thay đổi nồng độ có thể là thay đổi đột ngột hoặc thay đổi chậm.
5. Có thể tạo ra các hợp chất không đồng nhất, nhiều lớp, nhiều thành phần và các lớp siêu mỏng có thành phần thay đổi.
6. Sự phát triển epitaxial có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, tốc độ phát triển có thể kiểm soát được và có thể đạt được sự phát triển epitaxial ở độ dày cấp độ nguyên tử.
7. Có thể tạo ra các vật liệu tinh thể đơn không thể kéo được như GaN, các lớp tinh thể đơn của hợp chất bậc ba và bậc bốn, v.v.
Thời gian đăng: 13-05-2024