Aký je epitaxiálny proces?

Prehľad epitaxiálnych procesov

Pojem „epitaxia“ pochádza z gréckych slov „epi“, čo znamená „na“ a „taxíky“, čo znamená „usporiadané“, čo naznačuje usporiadanú povahu kryštalického rastu. Epitaxia je rozhodujúci proces pri výrobe polovodičov, ktorý sa týka rastu tenkej kryštalickej vrstvy na kryštalickom substráte. Cieľom procesu epitaxie (EPI) v polovodičovej výrobe je uložiť jemnú vrstvu jednokryštálu, zvyčajne približne 0,5 až 20 mikrónov, na jediný kryštálový substrát. Proces EPI je významným krokom vo výrobe polovodičových zariadení, najmä vkremíková oblátkaVýroba.

Epitaxia umožňuje ukladanie tenkých filmov, ktoré sú vysoko usporiadané a môžu byť prispôsobené pre konkrétne elektronické vlastnosti. Tento proces je nevyhnutný na vytváranie vysoko kvalitných polovodičových zariadení, ako sú diódy, tranzistory a integrované obvody.

Typy epitaxie

V procese epitaxie je orientácia rastu určená základným základným kryštálom.  V závislosti od opakovania depozície môže existovať jedna alebo mnoho vrstiev epitaxie. Proces epitaxie sa môže použiť na vytvorenie tenkej vrstvy materiálu, ktorý môže byť buď rovnaký alebo odlišný od základného substrátu, pokiaľ ide o chemické zloženie a štruktúru. Epitaxia možno rozdeliť do dvoch primárnych kategórií na základe vzťahu medzi substrátom a epitaxnou vrstvou:HomoepitaxiaaHeteroepitaxia.

Ďalej budeme analyzovať rozdiely medzi homoepitaxiou a heteroepitaxou zo štyroch rozmerov: pestovaná vrstva, kryštálová štruktúra a mriežka, príklad a aplikácia:

● homoepitaxia: K tomu dochádza, keď je epitaxná vrstva vyrobená z rovnakého materiálu ako substrát.

✔ Pestovaná vrstva: Epitaxne pestovaná vrstva je rovnakého materiálu ako vrstva substrátu.

✔ Kryštalická štruktúra a mriežka: Kryštálová štruktúra a mriežková konštanta substrátu a epitaxnej vrstvy sú rovnaké.

✔ Príklad: Epitaxiálny rast vysoko čistej kremíku cez kremík substrátu.

Aplikácia: Konštrukcia polovodičových zariadení, kde sú potrebné vrstvy rôznych hladín dopingu, alebo čisté filmy na substrátoch, ktoré sú menej čisté.

● Heteroepitaxia: Zahŕňa to rôzne materiály, ktoré sa používajú na vrstvu a substrát, ako napríklad pestovanie arzenidu hliníka gália (algaas) na arzenidu gallium (GAA). Úspešná heteroepitaxia vyžaduje podobné kryštalické štruktúry medzi týmito dvoma materiálmi, aby sa minimalizovali defekty.

✔ Pestovaná vrstva: Epitaxiálne pestovaná vrstva je z iného materiálu ako vrstva substrátu.

✔ Kryštalická štruktúra a mriežka: Kryštálová štruktúra a mriežková konštanta substrátu a epitaxná vrstva sú rôzne.

✔ Príklad: Epitaxne rastúci gallium arzenid na kremíkovom substráte.

Aplikácia: Konštrukcia polovodičových zariadení, kde sú potrebné vrstvy rôznych materiálov alebo na vybudovanie kryštalického filmu materiálu, ktorý nie je k dispozícii ako jediný kryštál.

Faktory ovplyvňujúce proces EPI pri výrobe polovodičov:

✔ Teplota: Ovplyvňuje rýchlosť epitaxie a hustotu epitaxnej vrstvy. Teplota potrebná pre proces epitaxie je vyššia ako teplota miestnosti a hodnota závisí od typu epitaxie.

✔ Tlak: Ovplyvňuje rýchlosť epitaxie a hustotu epitaxnej vrstvy.

✔ Defekty: Defekty v epitaxii vedú k chybným oblákam. Fyzikálne podmienky potrebné pre proces EPI by sa mali udržiavať pre ne-defektný rast epitaxnej vrstvy.

✔ Požadovaná pozícia: Epitaxiálny rast by mal byť v správnych pozíciách na kryštáli. Regióny, ktoré by mali byť vylúčené z epitaxiálneho procesu, by sa mali správne natáčať, aby sa zabránilo rastu.

✔ Autodopovanie: Keď sa proces epitaxie vykonáva pri vysokých teplotách, dopantné atómy môžu byť schopné priniesť variácie materiálu.

Techniky epitaxného rastu

Existuje niekoľko metód na vykonanie procesu epitaxie: epitaxia kvapalnej fázy, epitaxia hybridnej fázy, epitaxia v tuhej fáze, depozícia vrstvy atómov, depozícia chemickej pary, epitaxia molekulárneho lúča atď. Porovnajme dva procesy epitaxie: CVD a MBE.

Režimy epitaxného rastu

Režimy rastu epitaxie: Epitaxiálny rast sa môže vyskytnúť prostredníctvom rôznych režimov, ktoré ovplyvňujú spôsob, akým tvoria vrstvy:

✔ (a) Volmer-Weber (VW): Charakterizované trojrozmerným rastom ostrova, kde sa nukleacia vyskytuje pred kontinuálnym tvorbou filmu.

✔ (b)Frank-van der Merwe (FM): Zahŕňa rast vrstvy po vrstve a podporuje rovnomernú hrúbku.

✔ (c) The Side-Krastans (SK): Kombinácia VW a FM, počínajúc rast vrstvy, ktorý prechádza do formovania ostrova po dosiahnutí kritickej hrúbky.

Dôležitosť epitaxie rastu vo výrobe polovodičov

Epitaxia je nevyhnutná na zvýšenie elektrických vlastností polovodičových doštičiek. Schopnosť kontrolovať dopingové profily a dosahovanie špecifických materiálových charakteristík spôsobuje, že v modernej elektronike je nevyhnutná epitaxia.

Okrem toho sú epitaxiálne procesy čoraz viac významné pri vývoji vysokovýkonných senzorov a elektroniky výkonu, čo odráža pretrvávajúce pokroky v polovodičovej technológii. Presnosť vyžadovaná pri riadení parametrov, ako napríkladTeplota, tlak a prietok plynuPočas epitaxného rastu je rozhodujúci pre dosiahnutie vysokokvalitných kryštalických vrstiev s minimálnymi defektmi.