ชั้น epitaxis ช่วยอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ได้อย่างไร

ที่มาของชื่อ epitaxis wafer

ก่อนอื่น เรามาเผยแพร่แนวคิดเล็กๆ น้อยๆ กันก่อน: การเตรียมเวเฟอร์ประกอบด้วยการเชื่อมโยงหลัก 2 ประการ: การเตรียมซับสเตรตและกระบวนการเอพิแทกเซียล พื้นผิวเป็นเวเฟอร์ที่ทำจากวัสดุผลึกเดี่ยวแบบเซมิคอนดักเตอร์ วัสดุพิมพ์สามารถเข้าสู่กระบวนการผลิตแผ่นเวเฟอร์เพื่อผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ได้โดยตรง หรือสามารถประมวลผลโดยกระบวนการเอพิแทกเซียลเพื่อผลิตเวเฟอร์เอพิแทกเซียลได้ Epitaxy หมายถึงกระบวนการสร้างชั้นใหม่ของผลึกเดี่ยวบนพื้นผิวผลึกเดี่ยวที่ได้รับการประมวลผลอย่างระมัดระวังโดยการตัด บด ขัด ฯลฯ ผลึกเดี่ยวใหม่อาจเป็นวัสดุเดียวกันกับสารตั้งต้น หรืออาจเป็น วัสดุที่แตกต่างกัน (เป็นเนื้อเดียวกัน) epitaxy หรือ heteroepitaxy) เนื่องจากชั้นผลึกเดี่ยวใหม่จะขยายและเติบโตตามเฟสคริสตัลของสารตั้งต้น จึงเรียกว่าชั้น epitaxis (โดยปกติความหนาจะอยู่ที่ไม่กี่ไมครอน โดยใช้ซิลิคอนเป็นตัวอย่าง: ความหมายของการเจริญเติบโตของ epitaxis ของซิลิคอนอยู่บนซิลิคอนเดี่ยว สารตั้งต้นคริสตัลที่มีการวางแนวคริสตัลที่แน่นอน ชั้นของคริสตัลที่มีความสมบูรณ์ของโครงสร้างขัดแตะที่ดีและมีความต้านทานและความหนาที่แตกต่างกันโดยมีการวางแนวของคริสตัลเดียวกันกับสารตั้งต้นที่โตขึ้น) และสารตั้งต้นที่มีชั้น epitaxis เรียกว่าเวเฟอร์ epitaxis (เวเฟอร์ epitaxis = ชั้นเยื่อบุผิว + สารตั้งต้น) เมื่ออุปกรณ์ถูกสร้างขึ้นบนชั้น epitaxis จะเรียกว่า epitaxy เชิงบวก หากอุปกรณ์ถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิว จะเรียกว่า epitaxy แบบย้อนกลับ ในเวลานี้ ชั้น epitaxis มีบทบาทสนับสนุนเท่านั้น

เวเฟอร์ขัดเงา

วิธีการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว

Molecular Beam Epitaxy (MBE): เป็นเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของสารกึ่งตัวนำในสภาวะสุญญากาศสูงเป็นพิเศษ ในเทคนิคนี้ วัสดุต้นทางจะถูกระเหยในรูปของลำแสงอะตอมหรือโมเลกุล จากนั้นจึงสะสมไว้บนสารตั้งต้นที่เป็นผลึก MBE เป็นเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของฟิล์มบางเซมิคอนดักเตอร์ที่แม่นยำและควบคุมได้ ซึ่งสามารถควบคุมความหนาของวัสดุที่สะสมในระดับอะตอมได้อย่างแม่นยำ
โลหะอินทรีย์ CVD (MOCVD): ในกระบวนการ MOCVD โลหะอินทรีย์และก๊าซไฮไดรด์ก๊าซ N ที่มีองค์ประกอบที่จำเป็นจะถูกจ่ายให้กับสารตั้งต้นที่อุณหภูมิที่เหมาะสม ผ่านปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อสร้างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องการ และสะสมอยู่บนพื้นผิว ในขณะที่สารประกอบและผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่เหลือถูกปล่อยออกมา
Vapor Phase Epitaxy (VPE): Vapor Phase Epitaxy เป็นเทคโนโลยีสำคัญที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ หลักการพื้นฐานคือการขนส่งไอของธาตุหรือสารประกอบในก๊าซตัวพา และสะสมผลึกไว้บนสารตั้งต้นผ่านปฏิกิริยาทางเคมี

กระบวนการ epitaxy แก้ปัญหาอะไรได้บ้าง?

วัสดุผลึกเดี่ยวจำนวนมากเท่านั้นที่ไม่สามารถตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ ดังนั้น การเจริญเติบโตของ epitaxy ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของวัสดุผลึกเดี่ยวแบบชั้นบางจึงได้รับการพัฒนาเมื่อปลายปี พ.ศ. 2502 แล้วเทคโนโลยี epitaxy มีส่วนช่วยอะไรโดยเฉพาะต่อความก้าวหน้าของวัสดุ?

สำหรับซิลิคอน เมื่อเทคโนโลยีการเจริญเติบโตแบบ epitaxis ของซิลิคอนเริ่มต้นขึ้น มันเป็นช่วงเวลาที่ยากลำบากจริงๆ สำหรับการผลิตทรานซิสเตอร์ความถี่สูงและกำลังสูงของซิลิคอน จากมุมมองของหลักการของทรานซิสเตอร์ เพื่อให้ได้ความถี่สูงและกำลังสูง แรงดันพังทลายของพื้นที่ตัวสะสมจะต้องสูงและความต้านทานอนุกรมต้องมีน้อย กล่าวคือ แรงดันตกคร่อมอิ่มตัวจะต้องมีน้อย แบบแรกกำหนดให้ความต้านทานของวัสดุในพื้นที่รวบรวมควรสูง ในขณะที่แบบหลังต้องการให้ความต้านทานของวัสดุในพื้นที่รวบรวมควรต่ำ ทั้งสองจังหวัดมีความขัดแย้งกัน หากความหนาของวัสดุในพื้นที่ตัวรวบรวมลดลงเพื่อลดความต้านทานต่ออนุกรม แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนจะบางเกินไปและเปราะบางเกินกว่าจะนำไปแปรรูปได้ หากความต้านทานของวัสดุลดลง จะขัดแย้งกับข้อกำหนดแรก อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเทคโนโลยีเอพิแทกเซียลประสบความสำเร็จ แก้ไขปัญหานี้แล้ว

วิธีแก้ไข: เพิ่มชั้นอีพิแทกเซียลที่มีความต้านทานสูงบนซับสเตรตที่มีความต้านทานต่ำมาก และสร้างอุปกรณ์บนชั้นอีพิแทกเซียล ชั้นอีพิแทกเซียลที่มีความต้านทานสูงนี้ช่วยให้แน่ใจว่าท่อมีแรงดันพังทลายสูง ในขณะที่ซับสเตรตที่มีความต้านทานต่ำ ยังช่วยลดความต้านทานของซับสเตรต ซึ่งช่วยลดแรงดันตกคร่อมอิ่มตัว ซึ่งจะช่วยแก้ไขข้อขัดแย้งระหว่างทั้งสอง

นอกจากนี้ เทคโนโลยี epitaxy เช่น epitaxy เฟสไอ และ epitaxy เฟสของเหลวของ GaAs และ III-V, II-VI อื่นๆ และวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สารประกอบโมเลกุลอื่นๆ ได้รับการพัฒนาอย่างมากเช่นกัน และกลายเป็นพื้นฐานสำหรับอุปกรณ์ไมโครเวฟ อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ พลังงาน เป็นเทคโนโลยีกระบวนการที่ขาดไม่ได้สำหรับการผลิตอุปกรณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการประยุกต์ใช้ลำแสงโมเลกุลและเทคโนโลยี epitaxy เฟสไออินทรีย์โลหะในชั้นบาง ๆ ซุปเปอร์แลตติซ หลุมควอนตัม ซูเปอร์แลตติซที่เครียด และ epitaxy ชั้นบางระดับอะตอม ซึ่งเป็น ก้าวใหม่ในการวิจัยเซมิคอนดักเตอร์ การพัฒนา "วิศวกรรมสายพานพลังงาน" ในสาขานี้ได้วางรากฐานที่มั่นคง

ในการใช้งานจริง อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบ bandgap แบบกว้างมักถูกสร้างขึ้นบนชั้นเอปิแอกเซียลเสมอ และตัวเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์จะทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นเท่านั้น ดังนั้นการควบคุมชั้น epitaxis จึงเป็นส่วนสำคัญของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์แบบ bandgap แบบกว้าง

7 ทักษะสำคัญในเทคโนโลยี Epitaxy

1. ชั้นเยื่อบุผิวที่มีความต้านทานสูง (ต่ำ) สามารถปลูกแบบเยื่อบุผิวได้บนพื้นผิวที่มีความต้านทานต่ำ (สูง)
2. ชั้น epitaxis ชนิด N (P) สามารถปลูกแบบ epitaxisly บนซับสเตรตประเภท P (N) เพื่อสร้างจุดเชื่อมต่อ PN ได้โดยตรง ไม่มีปัญหาการชดเชยเมื่อใช้วิธีการแพร่เพื่อสร้างจุดเชื่อมต่อ PN บนซับสเตรตคริสตัลเดี่ยว
3. เมื่อผสมผสานกับเทคโนโลยีมาส์ก การเจริญเติบโตแบบเลือกเอพิเทกเซียลจะดำเนินการในพื้นที่ที่กำหนด ทำให้เกิดเงื่อนไขสำหรับการผลิตวงจรรวมและอุปกรณ์ที่มีโครงสร้างพิเศษ
4. ชนิดและความเข้มข้นของสารกระตุ้นสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามความต้องการในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นอาจเป็นการเปลี่ยนแปลงกะทันหันหรือการเปลี่ยนแปลงช้าก็ได้
5. สามารถเติบโตสารประกอบที่ต่างกัน หลายชั้น หลายองค์ประกอบ และชั้นบางเฉียบพร้อมส่วนประกอบที่แปรผันได้
6. การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวสามารถทำได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของวัสดุ อัตราการเติบโตสามารถควบคุมได้ และการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวในระดับความหนาอะตอมสามารถทำได้
7. สามารถปลูกวัสดุผลึกเดี่ยวที่ไม่สามารถดึงออกมาได้ เช่น GaN ชั้นผลึกเดี่ยวของสารประกอบตติยภูมิและควอเทอร์นารี เป็นต้น