એપિટેક્સિયલ સ્તરો સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોને કેવી રીતે મદદ કરે છે?

એપિટેક્સિયલ વેફર નામનું મૂળ

પ્રથમ, ચાલો એક નાના ખ્યાલને લોકપ્રિય બનાવીએ: વેફર તૈયારીમાં બે મુખ્ય લિંક્સ શામેલ છે: સબસ્ટ્રેટ તૈયારી અને એપિટેક્સિયલ પ્રક્રિયા. સબસ્ટ્રેટ સેમિકન્ડક્ટર સિંગલ ક્રિસ્ટલ મટિરિયલથી બનેલું વેફર છે. સબસ્ટ્રેટ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોનું ઉત્પાદન કરવા માટે વેફર ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં સીધું જ પ્રવેશી શકે છે, અથવા એપિટેક્સિયલ વેફર બનાવવા માટે એપિટેક્સિયલ પ્રક્રિયાઓ દ્વારા પ્રક્રિયા કરી શકાય છે. એપિટેક્સી એ સિંગલ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટ પર સિંગલ ક્રિસ્ટલના નવા સ્તરને ઉગાડવાની પ્રક્રિયાનો ઉલ્લેખ કરે છે જેને કાપવા, ગ્રાઇન્ડિંગ, પોલિશિંગ વગેરે દ્વારા કાળજીપૂર્વક પ્રક્રિયા કરવામાં આવી છે. નવું સિંગલ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટ જેવી જ સામગ્રી હોઈ શકે છે, અથવા તે હોઈ શકે છે. વિવિધ સામગ્રી (સમાન્ય) એપિટાક્સી અથવા હેટરોએપિટેક્સી). કારણ કે નવું સિંગલ ક્રિસ્ટલ સ્તર સબસ્ટ્રેટના ક્રિસ્ટલ તબક્કા અનુસાર વિસ્તરે છે અને વધે છે, તેને એપિટેક્સિયલ લેયર કહેવામાં આવે છે (જાડાઈ સામાન્ય રીતે થોડા માઇક્રોન હોય છે, ઉદાહરણ તરીકે સિલિકોન લેતાં: સિલિકોન એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિનો અર્થ સિલિકોન સિંગલ પર થાય છે. ચોક્કસ ક્રિસ્ટલ ઓરિએન્ટેશન સાથે ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટ સારી જાળી રચના અખંડિતતા અને વિવિધ પ્રતિકારકતા અને જાડાઈ સાથે સબસ્ટ્રેટ ઉગાડવામાં આવે છે તે જ ક્રિસ્ટલ ઓરિએન્ટેશન), અને એપિટેક્સિયલ લેયર સાથેના સબસ્ટ્રેટને એપિટેક્સિયલ વેફર (એપિટાક્સિયલ વેફર = એપિટાક્સિયલ લેયર + સબસ્ટ્રેટ) કહેવામાં આવે છે. જ્યારે ઉપકરણ એપિટેક્સિયલ સ્તર પર બનાવવામાં આવે છે, ત્યારે તેને હકારાત્મક એપિટેક્સી કહેવામાં આવે છે. જો ઉપકરણ સબસ્ટ્રેટ પર બનાવવામાં આવે છે, તો તેને રિવર્સ એપિટેક્સી કહેવામાં આવે છે. આ સમયે, એપિટેક્સિયલ સ્તર માત્ર સહાયક ભૂમિકા ભજવે છે.

પોલિશ્ડ વેફર

એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ પદ્ધતિઓ

મોલેક્યુલર બીમ એપિટેક્સી (MBE): તે એક સેમિકન્ડક્ટર એપિટેક્સિયલ ગ્રોથ ટેક્નોલોજી છે જે અલ્ટ્રા-હાઈ વેક્યુમ શરતો હેઠળ કરવામાં આવે છે. આ તકનીકમાં, સ્ત્રોત સામગ્રીને અણુઓ અથવા અણુઓના બીમના સ્વરૂપમાં બાષ્પીભવન કરવામાં આવે છે અને પછી સ્ફટિકીય સબસ્ટ્રેટ પર જમા કરવામાં આવે છે. MBE એ ખૂબ જ ચોક્કસ અને નિયંત્રણક્ષમ સેમિકન્ડક્ટર પાતળી ફિલ્મ ગ્રોથ ટેક્નોલોજી છે જે અણુ સ્તરે જમા થયેલી સામગ્રીની જાડાઈને ચોક્કસ રીતે નિયંત્રિત કરી શકે છે.
મેટલ ઓર્ગેનિક CVD (MOCVD): MOCVD પ્રક્રિયામાં, જૈવિક ધાતુ અને હાઇડ્રાઈડ ગેસ N ગેસ જરૂરી તત્વો ધરાવતા સબસ્ટ્રેટને યોગ્ય તાપમાને પૂરા પાડવામાં આવે છે, જરૂરી સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી ઉત્પન્ન કરવા માટે રાસાયણિક પ્રક્રિયામાંથી પસાર થાય છે, અને સબસ્ટ્રેટ પર જમા કરવામાં આવે છે. પર, જ્યારે બાકીના સંયોજનો અને પ્રતિક્રિયા ઉત્પાદનો વિસર્જિત થાય છે.
વેપર ફેઝ એપિટેક્સી (VPE): વેપર ફેઝ એપિટેક્સી એ એક મહત્વપૂર્ણ તકનીક છે જેનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોના ઉત્પાદનમાં થાય છે. મૂળભૂત સિદ્ધાંત એ છે કે વાહક વાયુમાં તત્વ પદાર્થો અથવા સંયોજનોની વરાળનું પરિવહન કરવું અને રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા સબસ્ટ્રેટ પર સ્ફટિકો જમા કરાવવાનો છે.

એપિટાક્સી પ્રક્રિયા કઈ સમસ્યાઓ હલ કરે છે?

માત્ર બલ્ક સિંગલ ક્રિસ્ટલ સામગ્રી વિવિધ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોના ઉત્પાદનની વધતી જતી જરૂરિયાતોને પૂરી કરી શકતી નથી. તેથી, એપિટેક્સિયલ ગ્રોથ, પાતળા-સ્તરવાળી સિંગલ ક્રિસ્ટલ મટિરિયલ ગ્રોથ ટેક્નોલોજી, 1959ના અંતમાં વિકસાવવામાં આવી હતી. તો સામગ્રીની પ્રગતિમાં એપિટાક્સી ટેક્નોલોજીનું શું ચોક્કસ યોગદાન છે?

સિલિકોન માટે, જ્યારે સિલિકોન એપિટેક્સિયલ ગ્રોથ ટેક્નોલોજી શરૂ થઈ, ત્યારે સિલિકોન ઉચ્ચ-આવર્તન અને ઉચ્ચ-પાવર ટ્રાન્ઝિસ્ટરના ઉત્પાદન માટે ખરેખર મુશ્કેલ સમય હતો. ટ્રાન્ઝિસ્ટર સિદ્ધાંતોના પરિપ્રેક્ષ્યમાં, ઉચ્ચ આવર્તન અને ઉચ્ચ શક્તિ મેળવવા માટે, કલેક્ટર વિસ્તારનું બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ ઊંચું હોવું જોઈએ અને શ્રેણીની પ્રતિકાર નાની હોવી જોઈએ, એટલે કે, સંતૃપ્તિ વોલ્ટેજ ડ્રોપ નાનો હોવો જોઈએ. પહેલા માટે જરૂરી છે કે એકત્રીકરણ વિસ્તારમાં સામગ્રીની પ્રતિરોધકતા ઊંચી હોવી જોઈએ, જ્યારે બાદમાં જરૂરી છે કે એકત્રિત વિસ્તારમાં સામગ્રીની પ્રતિકારકતા ઓછી હોવી જોઈએ. બંને પ્રાંતો એકબીજાથી વિરોધાભાસી છે. જો શ્રેણીના પ્રતિકારને ઘટાડવા માટે કલેક્ટર વિસ્તારમાં સામગ્રીની જાડાઈ ઘટાડવામાં આવે છે, તો સિલિકોન વેફર પ્રક્રિયા કરવા માટે ખૂબ પાતળી અને નાજુક હશે. જો સામગ્રીની પ્રતિકારકતા ઓછી થાય છે, તો તે પ્રથમ આવશ્યકતાનો વિરોધાભાસ કરશે. જો કે, એપિટેક્સિયલ ટેક્નોલોજીનો વિકાસ સફળ રહ્યો છે. આ મુશ્કેલી હલ કરી.

ઉકેલ: અત્યંત નીચા-પ્રતિરોધક સબસ્ટ્રેટ પર ઉચ્ચ-પ્રતિરોધકતા એપિટેક્સિયલ સ્તરને ઉગાડો અને ઉપકરણને એપિટેક્સિયલ સ્તર પર બનાવો. આ ઉચ્ચ-પ્રતિરોધકતા એપિટેક્સિયલ સ્તર ખાતરી કરે છે કે ટ્યુબમાં ઉચ્ચ બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ છે, જ્યારે નીચા-પ્રતિરોધક સબસ્ટ્રેટ તે સબસ્ટ્રેટના પ્રતિકારને પણ ઘટાડે છે, ત્યાં સંતૃપ્તિ વોલ્ટેજ ડ્રોપ ઘટાડે છે, ત્યાંથી બંને વચ્ચેના વિરોધાભાસને ઉકેલે છે.

વધુમાં, એપિટાક્સી ટેક્નોલોજીઓ જેમ કે વેપર ફેઝ એપિટાક્સી અને લિક્વિડ ફેઝ એપિટાક્સી ઓફ GaAs અને અન્ય III-V, II-VI અને અન્ય મોલેક્યુલર કમ્પાઉન્ડ સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સ પણ મોટા પ્રમાણમાં વિકસિત થઈ છે અને મોટાભાગના માઇક્રોવેવ ઉપકરણો, ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો, પાવર માટેનો આધાર બની ગઈ છે. તે ઉપકરણોના ઉત્પાદન માટે એક અનિવાર્ય પ્રક્રિયા તકનીક છે, ખાસ કરીને મોલેક્યુલરની સફળ એપ્લિકેશન બીમ અને મેટલ ઓર્ગેનિક વેપર ફેઝ એપીટેક્સી ટેક્નોલોજી પાતળા સ્તરો, સુપરલેટીસ, ક્વોન્ટમ વેલ્સ, સ્ટ્રેઇન્ડ સુપરલેટીસ અને એટોમિક-લેવલ થિન-લેયર એપિટેક્સી, જે સેમિકન્ડક્ટર સંશોધનમાં એક નવું પગલું છે. ક્ષેત્રમાં "એનર્જી બેલ્ટ એન્જિનિયરિંગ" ના વિકાસે મજબૂત પાયો નાખ્યો છે.

પ્રાયોગિક એપ્લિકેશનમાં, વાઈડ બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો લગભગ હંમેશા એપિટેક્સિયલ સ્તર પર બનાવવામાં આવે છે, અને સિલિકોન કાર્બાઈડ વેફર પોતે જ સબસ્ટ્રેટ તરીકે કામ કરે છે. તેથી, એપિટેક્સિયલ સ્તરનું નિયંત્રણ એ વિશાળ બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગનો એક મહત્વપૂર્ણ ભાગ છે.

એપિટેક્સી ટેકનોલોજીમાં 7 મુખ્ય કુશળતા

1. ઉચ્ચ (નીચા) પ્રતિરોધક એપિટેક્સિયલ સ્તરો એપિટાક્સિયલ રીતે નીચા (ઉચ્ચ) પ્રતિકાર સબસ્ટ્રેટ પર ઉગાડવામાં આવે છે.
2. N (P) પ્રકારનું એપિટેક્સિયલ સ્તર સીધા PN જંકશન બનાવવા માટે P (N) પ્રકારના સબસ્ટ્રેટ પર એપિટાક્સિઅલ રીતે ઉગાડી શકાય છે. એક જ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટ પર PN જંકશન બનાવવા માટે પ્રસરણ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરતી વખતે વળતરની કોઈ સમસ્યા નથી.
3. માસ્ક ટેક્નોલૉજી સાથે સંયુક્ત, પસંદગીયુક્ત એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ નિયુક્ત વિસ્તારોમાં કરવામાં આવે છે, ખાસ રચનાઓ સાથે સંકલિત સર્કિટ અને ઉપકરણોના ઉત્પાદન માટે શરતો બનાવે છે.
4. ડોપિંગનો પ્રકાર અને સાંદ્રતા એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ પ્રક્રિયા દરમિયાન જરૂરિયાતો અનુસાર બદલી શકાય છે. એકાગ્રતામાં ફેરફાર અચાનક ફેરફાર અથવા ધીમો ફેરફાર હોઈ શકે છે.
5. તે વિજાતીય, બહુ-સ્તરવાળી, બહુ-ઘટક સંયોજનો અને ચલ ઘટકો સાથે અતિ-પાતળા સ્તરો ઉગાડી શકે છે.
6. એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ સામગ્રીના ગલનબિંદુ કરતાં નીચા તાપમાને કરી શકાય છે, વૃદ્ધિ દર નિયંત્રણક્ષમ છે, અને અણુ-સ્તરની જાડાઈની એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ પ્રાપ્ત કરી શકાય છે.
7. તે સિંગલ ક્રિસ્ટલ મટિરિયલ ઉગાડી શકે છે જેને ખેંચી શકાતી નથી, જેમ કે GaN, ત્રીજા અને ચતુર્થાંશ સંયોજનોના સિંગલ ક્રિસ્ટલ સ્તરો વગેરે.