როგორ ეხმარება ეპიტაქსიალური ფენები ნახევარგამტარულ მოწყობილობებს?

სახელის წარმოშობა ეპიტაქსიალური ვაფლი

პირველ რიგში, მოდით გავავრცელოთ პატარა კონცეფცია: ვაფლის მომზადება მოიცავს ორ ძირითად რგოლს: სუბსტრატის მომზადებას და ეპიტაქსიურ პროცესს. სუბსტრატი არის ვაფლი, რომელიც დამზადებულია ნახევარგამტარული ერთკრისტალური მასალისგან. სუბსტრატს შეუძლია პირდაპირ შევიდეს ვაფლის წარმოების პროცესში ნახევარგამტარული მოწყობილობების წარმოებისთვის, ან შეიძლება დამუშავდეს ეპიტაქსიური პროცესებით ეპიტაქსიური ვაფლის წარმოებისთვის. ეპიტაქსია გულისხმობს ერთი ბროლის ახალი ფენის ზრდის პროცესს ერთ ბროლის სუბსტრატზე, რომელიც საგულდაგულოდ დამუშავდა ჭრის, დაფქვის, გაპრიალების და ა.შ. ახალი ერთკრისტალი შეიძლება იყოს იგივე მასალა, როგორც სუბსტრატი, ან შეიძლება იყოს სხვადასხვა მასალის (ერთგვაროვანი) ეპიტაქსია ან ჰეტეროეპიტაქსია). იმის გამო, რომ ახალი ერთკრისტალური ფენა ვრცელდება და იზრდება სუბსტრატის კრისტალური ფაზის მიხედვით, მას უწოდებენ ეპიტაქსიალურ ფენას (სისქე ჩვეულებრივ რამდენიმე მიკრონია, მაგალითად, სილიციუმი: სილიციუმის ეპიტაქსიური ზრდის მნიშვნელობა არის სილიკონის ერთეულზე. ბროლის სუბსტრატი გარკვეული ბროლის ორიენტირებით კრისტალური ორიენტაცია, როგორც სუბსტრატი იზრდება), ხოლო ეპიტაქსიალური შრის მქონე სუბსტრატს ეწოდება ეპიტაქსიალური ვაფლი (ეპიტაქსიალური ვაფლი = ეპიტაქსიალური ფენა + სუბსტრატი). როდესაც მოწყობილობა მზადდება ეპიტაქსიალურ შრეზე, მას პოზიტიური ეპიტაქსია ეწოდება. თუ მოწყობილობა დამზადებულია სუბსტრატზე, მას უწოდებენ საპირისპირო ეპიტაქსიას. ამ დროს ეპიტაქსიალური შრე მხოლოდ დამხმარე როლს ასრულებს.

გაპრიალებული ვაფლი

ეპიტაქსიური ზრდის მეთოდები

მოლეკულური სხივის ეპიტაქსია (MBE): ეს არის ნახევარგამტარული ეპიტაქსიალური ზრდის ტექნოლოგია, რომელიც ხორციელდება ულტრა მაღალი ვაკუუმის პირობებში. ამ ტექნიკით, საწყისი მასალა აორთქლდება ატომების ან მოლეკულების სხივის სახით და შემდეგ დეპონირდება კრისტალურ სუბსტრატზე. MBE არის ძალიან ზუსტი და კონტროლირებადი ნახევარგამტარული თხელი ფირის ზრდის ტექნოლოგია, რომელსაც შეუძლია ზუსტად აკონტროლოს დეპონირებული მასალის სისქე ატომურ დონეზე.
ლითონის ორგანული CVD (MOCVD): MOCVD პროცესში ორგანული ლითონი და ჰიდრიდური აირი N გაზი, რომელიც შეიცავს საჭირო ელემენტებს, მიეწოდება სუბსტრატს შესაბამის ტემპერატურაზე, გადის ქიმიურ რეაქციას საჭირო ნახევარგამტარული მასალის წარმოქმნის მიზნით და დეპონირდება სუბსტრატზე. ჩართულია, ხოლო დარჩენილი ნაერთები და რეაქციის პროდუქტები გამოიყოფა.
ორთქლის ფაზის ეპიტაქსია (VPE): ორთქლის ფაზის ეპიტაქსია მნიშვნელოვანი ტექნოლოგიაა, რომელიც ჩვეულებრივ გამოიყენება ნახევარგამტარული მოწყობილობების წარმოებაში. ძირითადი პრინციპია ელემენტარული ნივთიერებების ან ნაერთების ორთქლის გადატანა გადამზიდავ გაზში და კრისტალების დეპონირება სუბსტრატზე ქიმიური რეაქციების გზით.

რა პრობლემებს წყვეტს ეპიტაქსიის პროცესი?

მხოლოდ ნაყარი ერთკრისტალური მასალები ვერ დააკმაყოფილებს სხვადასხვა ნახევარგამტარული მოწყობილობების წარმოების მზარდ საჭიროებებს. მაშასადამე, ეპიტაქსიალური ზრდა, თხელფენიანი ერთკრისტალური მასალის ზრდის ტექნოლოგია, შეიქმნა 1959 წლის ბოლოს. რა კონკრეტული წვლილი აქვს ეპიტაქსიის ტექნოლოგიას მასალების წინსვლაში?

სილიკონისთვის, როდესაც სილიციუმის ეპიტაქსიალური ზრდის ტექნოლოგია დაიწყო, ეს მართლაც რთული პერიოდი იყო სილიკონის მაღალი სიხშირის და მაღალი სიმძლავრის ტრანზისტორების წარმოებისთვის. ტრანზისტორი პრინციპების პერსპექტივიდან, მაღალი სიხშირისა და მაღალი სიმძლავრის მისაღებად, კოლექტორის არეალის ავარიული ძაბვა უნდა იყოს მაღალი და სერიის წინააღმდეგობა მცირე, ანუ გაჯერების ძაბვის ვარდნა მცირე უნდა იყოს. პირველი მოითხოვს, რომ მასალის წინაღობა შეგროვების ზონაში იყოს მაღალი, ხოლო მეორე მოითხოვს, რომ მასალის წინაღობა შეგროვების ზონაში იყოს დაბალი. ეს ორი პროვინცია ერთმანეთს ეწინააღმდეგება. თუ მასალის სისქე კოლექტორის მიდამოში შემცირდება სერიის წინააღმდეგობის შესამცირებლად, სილიკონის ვაფლი ძალიან თხელი და მყიფე იქნება დასამუშავებლად. თუ მასალის წინაღობა შემცირდა, ეს ეწინააღმდეგება პირველ მოთხოვნას. თუმცა, ეპიტაქსიური ტექნოლოგიის განვითარება წარმატებული იყო. გადაჭრა ეს სირთულე.

გამოსავალი: გაზარდეთ მაღალი წინააღმდეგობის ეპიტაქსიალური ფენა უკიდურესად დაბალი რეზისტენტობის სუბსტრატზე და დაამზადეთ მოწყობილობა ეპიტაქსიალურ ფენაზე. ეს მაღალი რეზისტენტობის ეპიტაქსიალური ფენა უზრუნველყოფს, რომ მილს ჰქონდეს მაღალი დაშლის ძაბვა, ხოლო დაბალი წინააღმდეგობის სუბსტრატს ის ასევე ამცირებს სუბსტრატის წინააღმდეგობას, რითაც ამცირებს გაჯერების ძაბვის ვარდნას, რითაც აგვარებს წინააღმდეგობას ორს შორის.

გარდა ამისა, ეპიტაქსიის ტექნოლოგიები, როგორიცაა ორთქლის ფაზის ეპიტაქსია და თხევადი ფაზის ეპიტაქსია GaAs და სხვა III-V, II-VI და სხვა მოლეკულური ნაერთების ნახევარგამტარული მასალები, ასევე დიდად განვითარდა და გახდა საფუძველი მიკროტალღური მოწყობილობების, ოპტოელექტრონული მოწყობილობების, სიმძლავრის უმეტესობისთვის. ეს არის შეუცვლელი პროცესის ტექნოლოგია მოწყობილობების წარმოებისთვის, განსაკუთრებით მოლეკულური სხივისა და ლითონის ორგანული ორთქლის ფაზის ეპიტაქსიის ტექნოლოგიის წარმატებული გამოყენებისთვის. თხელი ფენები, ზელატები, კვანტური ჭაბურღილები, დაძაბული სუპერქსელები და ატომური დონის თხელი ფენის ეპიტაქსია, რაც ახალი ნაბიჯია ნახევარგამტარების კვლევაში. დარგში „ენერგეტიკული ქამრების ინჟინერიის“ განვითარებამ მყარი საფუძველი ჩაუყარა.

პრაქტიკულ გამოყენებაში, ფართო ზოლიანი ნახევარგამტარული მოწყობილობები თითქმის ყოველთვის მზადდება ეპიტაქსიალურ ფენაზე, ხოლო თავად სილიციუმის კარბიდის ვაფლი მხოლოდ სუბსტრატს ემსახურება. აქედან გამომდინარე, ეპიტაქსიალური ფენის კონტროლი არის ფართო ზოლიანი ნახევარგამტარული ინდუსტრიის მნიშვნელოვანი ნაწილი.

7 ძირითადი უნარი ეპიტაქსიის ტექნოლოგიაში

1. მაღალი (დაბალი) წინააღმდეგობის ეპიტაქსიალური ფენები შეიძლება ეპიტაქსიურად გაიზარდოს დაბალი (მაღალი) წინააღმდეგობის სუბსტრატებზე.
2. N (P) ტიპის ეპიტაქსიალური ფენა შეიძლება ეპიტაქსიურად გაიზარდოს P (N) ტიპის სუბსტრატზე, რათა შეიქმნას PN შეერთება პირდაპირ. არ არსებობს კომპენსაციის პრობლემა დიფუზიის მეთოდის გამოყენებისას PN შეერთების გასაკეთებლად ერთ კრისტალურ სუბსტრატზე.
3. ნიღბის ტექნოლოგიასთან ერთად, შერჩევითი ეპიტაქსიალური ზრდა ხორციელდება დანიშნულ ადგილებში, რაც ქმნის პირობებს ინტეგრირებული სქემებისა და სპეციალური სტრუქტურების მქონე მოწყობილობების წარმოებისთვის.
4. დოპინგის ტიპი და კონცენტრაცია შეიძლება შეიცვალოს საჭიროების მიხედვით ეპიტაქსიური ზრდის პროცესში. კონცენტრაციის ცვლილება შეიძლება იყოს უეცარი ცვლილება ან ნელი ცვლილება.
5. მას შეუძლია გაიზარდოს ჰეტეროგენული, მრავალშრიანი, მრავალკომპონენტიანი ნაერთები და ულტრა თხელი ფენები ცვლადი კომპონენტებით.
6. ეპიტაქსიური ზრდა შეიძლება შესრულდეს მასალის დნობის წერტილზე დაბალ ტემპერატურაზე, ზრდის ტემპი კონტროლირებადია და მიიღწევა ატომური დონის სისქის ეპიტაქსიური ზრდა.
7. მას შეუძლია გაიზარდოს ერთკრისტალური მასალები, რომელთა ამოღება შეუძლებელია, როგორიცაა GaN, მესამეული და მეოთხეული ნაერთების ერთკრისტალური ფენები და ა.შ.