एपिटॅक्सियल लेयर सेमीकंडक्टर उपकरणांना कशी मदत करतात?

एपिटॅक्सियल वेफर नावाचे मूळ

प्रथम, एक लहान संकल्पना लोकप्रिय करूया: वेफरच्या तयारीमध्ये दोन प्रमुख दुवे समाविष्ट आहेत: सब्सट्रेट तयार करणे आणि एपिटॅक्सियल प्रक्रिया. सब्सट्रेट हे सेमीकंडक्टर सिंगल क्रिस्टल मटेरियलपासून बनवलेले वेफर आहे. सेमीकंडक्टर उपकरणे तयार करण्यासाठी सब्सट्रेट थेट वेफर उत्पादन प्रक्रियेत प्रवेश करू शकतो किंवा एपिटॅक्सियल वेफर्स तयार करण्यासाठी एपिटॅक्सियल प्रक्रियेद्वारे प्रक्रिया केली जाऊ शकते. एपिटॅक्सी म्हणजे एकाच क्रिस्टल सब्सट्रेटवर एकल क्रिस्टलचा नवीन थर वाढवण्याच्या प्रक्रियेला संदर्भित करतो ज्यावर काळजीपूर्वक प्रक्रिया केली जाते, कापून, पीसणे, पॉलिश करणे इ. नवीन सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट सारखीच सामग्री असू शकते किंवा ते असू शकते. भिन्न सामग्री (एकसंध) एपिटॅक्सी किंवा हेटरोएपिटॅक्सी). नवीन सिंगल क्रिस्टल लेयर सब्सट्रेटच्या क्रिस्टल टप्प्यानुसार वाढतो आणि वाढतो म्हणून, त्याला एपिटॅक्सियल लेयर म्हणतात (जाडी सामान्यतः काही मायक्रॉन असते, उदाहरण म्हणून सिलिकॉन घेतात: सिलिकॉन एपिटॅक्सियल वाढीचा अर्थ सिलिकॉन सिंगलवर असतो. क्रिस्टल सब्सट्रेट एका विशिष्ट क्रिस्टल अभिमुखतेसह क्रिस्टलचा एक थर चांगल्या जाळीच्या संरचनेच्या अखंडतेसह आणि भिन्न प्रतिरोधकता आणि जाडीसह सब्सट्रेट प्रमाणेच क्रिस्टल ओरिएंटेशन वाढले आहे), आणि एपिटॅक्सियल लेयर असलेल्या सब्सट्रेटला एपिटॅक्सियल वेफर (एपिटॅक्सियल वेफर = एपिटॅक्सियल लेयर + सब्सट्रेट) म्हणतात. जेव्हा उपकरण एपिटॅक्सियल लेयरवर बनवले जाते तेव्हा त्याला सकारात्मक एपिटॅक्सी म्हणतात. जर उपकरण सब्सट्रेटवर बनवले असेल तर त्याला रिव्हर्स एपिटॅक्सी म्हणतात. यावेळी, एपिटेक्सियल लेयर केवळ एक सहाय्यक भूमिका बजावते.

पॉलिश वेफर

एपिटॅक्सियल वाढीच्या पद्धती

आण्विक बीम एपिटॅक्सी (एमबीई): हे अल्ट्रा-हाय व्हॅक्यूम परिस्थितीत केले जाणारे सेमीकंडक्टर एपिटॅक्सियल ग्रोथ तंत्रज्ञान आहे. या तंत्रात, स्रोत सामग्रीचे अणू किंवा रेणूंच्या तुळईच्या रूपात बाष्पीभवन केले जाते आणि नंतर स्फटिकाच्या थरावर जमा केले जाते. MBE हे अत्यंत अचूक आणि नियंत्रण करण्यायोग्य अर्धसंवाहक पातळ फिल्म ग्रोथ तंत्रज्ञान आहे जे अणु स्तरावर जमा केलेल्या सामग्रीची जाडी अचूकपणे नियंत्रित करू शकते.
मेटल ऑरगॅनिक सीव्हीडी (एमओसीव्हीडी): एमओसीव्हीडी प्रक्रियेत, आवश्यक घटक असलेले सेंद्रिय धातू आणि हायड्राइड वायू एन वायू सब्सट्रेटला योग्य तापमानात पुरवले जातात, आवश्यक अर्धसंवाहक सामग्री तयार करण्यासाठी रासायनिक अभिक्रिया करून, आणि सब्सट्रेटवर जमा केले जातात. वर, उर्वरित संयुगे आणि प्रतिक्रिया उत्पादने डिस्चार्ज होत असताना.
व्हेपर फेज एपिटॅक्सी (VPE): व्हेपर फेज एपिटॅक्सी हे सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या निर्मितीमध्ये वापरले जाणारे एक महत्त्वाचे तंत्रज्ञान आहे. मूलभूत तत्त्व म्हणजे वाहक वायूमधील मूलद्रव्ये किंवा संयुगांची वाफ वाहून नेणे आणि रासायनिक अभिक्रियांद्वारे थरावर क्रिस्टल्स जमा करणे.

एपिटॅक्सी प्रक्रिया कोणत्या समस्या सोडवते?

केवळ मोठ्या प्रमाणात सिंगल क्रिस्टल मटेरियल विविध सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या निर्मितीच्या वाढत्या गरजा पूर्ण करू शकत नाही. म्हणून, एपिटॅक्सियल ग्रोथ, एक पातळ-थर एकल क्रिस्टल मटेरियल ग्रोथ टेक्नॉलॉजी, 1959 च्या शेवटी विकसित केली गेली. मग सामग्रीच्या प्रगतीमध्ये एपिटॅक्सी तंत्रज्ञानाचे कोणते विशिष्ट योगदान आहे?

सिलिकॉनसाठी, जेव्हा सिलिकॉन एपिटॅक्सियल ग्रोथ टेक्नॉलॉजी सुरू झाली, तेव्हा सिलिकॉन हाय-फ्रिक्वेंसी आणि हाय-पॉवर ट्रान्झिस्टरच्या निर्मितीसाठी खरोखरच कठीण काळ होता. ट्रान्झिस्टरच्या तत्त्वांच्या दृष्टीकोनातून, उच्च वारंवारता आणि उच्च शक्ती प्राप्त करण्यासाठी, संग्राहक क्षेत्राचे ब्रेकडाउन व्होल्टेज जास्त असणे आवश्यक आहे आणि मालिका प्रतिरोध लहान असणे आवश्यक आहे, म्हणजेच, संपृक्तता व्होल्टेज ड्रॉप लहान असणे आवश्यक आहे. पहिल्यासाठी आवश्यक आहे की गोळा केलेल्या क्षेत्रामध्ये सामग्रीची प्रतिरोधकता जास्त असावी, तर नंतरच्यासाठी आवश्यक आहे की गोळा केलेल्या क्षेत्रामध्ये सामग्रीची प्रतिरोधकता कमी असावी. दोन्ही प्रांत एकमेकांच्या परस्परविरोधी आहेत. मालिका प्रतिरोधकता कमी करण्यासाठी कलेक्टर क्षेत्रातील सामग्रीची जाडी कमी केल्यास, सिलिकॉन वेफर प्रक्रिया करण्यासाठी खूप पातळ आणि नाजूक असेल. जर सामग्रीची प्रतिरोधकता कमी झाली तर ती पहिल्या गरजेचा विरोध करेल. तथापि, एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानाचा विकास यशस्वी झाला आहे. ही अडचण सोडवली.

उपाय: अत्यंत कमी-प्रतिरोधक सब्सट्रेटवर उच्च-प्रतिरोधक एपिटॅक्सियल लेयर वाढवा आणि उपकरणाला एपिटॅक्सियल लेयरवर बनवा. हा उच्च-प्रतिरोधक एपिटॅक्सियल स्तर ट्यूबमध्ये उच्च ब्रेकडाउन व्होल्टेज असल्याची खात्री करतो, तर कमी-प्रतिरोधक सब्सट्रेट हे सब्सट्रेटचा प्रतिकार देखील कमी करते, ज्यामुळे संपृक्तता व्होल्टेज ड्रॉप कमी होते, ज्यामुळे दोन्हीमधील विरोधाभास दूर होतो.

याशिवाय, एपिटॅक्सी तंत्रज्ञान जसे की वाफ फेज एपिटॅक्सी आणि लिक्विड फेज एपिटॅक्सी ऑफ GaAs आणि इतर III-V, II-VI आणि इतर आण्विक कंपाऊंड सेमीकंडक्टर मटेरियल देखील मोठ्या प्रमाणावर विकसित केले गेले आहेत आणि बहुतेक मायक्रोवेव्ह उपकरणे, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणे, पॉवरसाठी आधार बनले आहेत. हे उपकरणांच्या उत्पादनासाठी एक अपरिहार्य प्रक्रिया तंत्रज्ञान आहे, विशेषत: आण्विक यशस्वी अनुप्रयोग पातळ थरांमध्ये बीम आणि मेटल ऑर्गेनिक वाष्प फेज एपिटॅक्सी तंत्रज्ञान, सुपरलॅटिसेस, क्वांटम विहिरी, ताणलेल्या सुपरलॅटिसेस आणि अणु-स्तरीय पातळ-थर एपिटॅक्सी, जे सेमीकंडक्टर संशोधनातील एक नवीन पाऊल आहे. क्षेत्रात “एनर्जी बेल्ट इंजिनिअरिंग” च्या विकासाने एक भक्कम पाया घातला आहे.

व्यावहारिक अनुप्रयोगांमध्ये, वाइड बँडगॅप सेमीकंडक्टर उपकरणे जवळजवळ नेहमीच एपिटॅक्सियल लेयरवर बनविली जातात आणि सिलिकॉन कार्बाइड वेफर स्वतःच सब्सट्रेट म्हणून काम करते. म्हणून, एपिटॅक्सियल लेयरचे नियंत्रण हा विस्तृत बँडगॅप सेमीकंडक्टर उद्योगाचा एक महत्त्वाचा भाग आहे.

एपिटॅक्सी तंत्रज्ञानातील 7 प्रमुख कौशल्ये

1. उच्च (कमी) प्रतिरोधक एपिटॅक्सियल स्तर कमी (उच्च) प्रतिरोधक सब्सट्रेट्सवर एपिटॅक्सियल पद्धतीने वाढू शकतात.
2. थेट PN जंक्शन तयार करण्यासाठी N (P) प्रकारचा एपिटॅक्सियल स्तर P (N) प्रकाराच्या सब्सट्रेटवर एपिटॅक्सियल पद्धतीने वाढू शकतो. एकाच क्रिस्टल सब्सट्रेटवर PN जंक्शन बनवण्यासाठी डिफ्यूजन पद्धत वापरताना कोणतीही नुकसान भरपाई समस्या नाही.
3. मुखवटा तंत्रज्ञानासह एकत्रित, निवडक एपिटॅक्सियल वाढ नियुक्त क्षेत्रांमध्ये केली जाते, विशेष संरचना असलेल्या एकात्मिक सर्किट्स आणि डिव्हाइसेसच्या उत्पादनासाठी परिस्थिती निर्माण करते.
4. डोपिंगचा प्रकार आणि एकाग्रता एपिटॅक्सियल वाढ प्रक्रियेदरम्यान गरजेनुसार बदलली जाऊ शकते. एकाग्रतेतील बदल हा अचानक बदल किंवा हळू बदल असू शकतो.
5. हे विषम, बहुस्तरीय, बहु-घटक संयुगे आणि परिवर्तनीय घटकांसह अति-पातळ थर वाढू शकते.
6. एपिटॅक्सियल वाढ सामग्रीच्या वितळण्याच्या बिंदूपेक्षा कमी तापमानात केली जाऊ शकते, वाढीचा दर नियंत्रित आहे आणि अणू-स्तरीय जाडीची एपिटॅक्सियल वाढ साध्य केली जाऊ शकते.
7. हे एकल क्रिस्टल मटेरियल वाढवू शकते जे खेचले जाऊ शकत नाही, जसे की GaN, तृतीयक आणि चतुर्थांश संयुगेचे एकल क्रिस्टल स्तर इ.