Субстрат против эпитаксии: двойные столпы производства полупроводниковых пластин
May 28, 2025
I. Основные определения субстрата и эпитаксии
СубстратиЭпитаксииявляются двумя принципиально различными, но тесно переплетенными понятиями в производстве полупроводниковых пластинок.
Субстрат:
Субстрат, как правило, является высокочистым, высококачественным однокристаллическим материалом, который служит "основой" для всех последующих полупроводниковых процессов.Он обеспечивает не только механическую поддержку, но и хорошо упорядоченную решетку шаблон, необходимый для изготовления устройства.
Общие материалы включают:Кремний (Si), карбид кремния (SiC), сапфир (Al2O3), арсенид галлия (GaAs) и т.д.
Эпитаксии:
Эпитаксии относятся к контролируемому росту новой, высококачественной однокристаллической пленки на поверхности субстрата.эпитаксиальный слой.
Эпитаксиальный слой может быть из того же материала, что и субстрат (гомоэпитаксии) или другого материала (гетероэпитаксии)).
II. Отношения в процессе изготовления пластин
Шаг 1: Подготовка субстрата
Высокочистые однокристаллические пластины производятся с использованием таких методов, как процесс Цохральски или техника плавающей зоны.пластинки готовы к использованию в качестве подложки.
Шаг 2: Эпитаксиальный рост
На поверхности субстрата выращивается высококачественный однокристаллический слой.и меньше структурных дефектов для удовлетворения конкретных требований к конструкции устройства.
III. Что такое субстрат?
Функция 1: Механическая поддержка
Подложка служит платформой для всех последующих процессов и устройств. Она должна обладать достаточной механической прочностью и размерной стабильностью.
Функция 2: Шаблон решетки
Структура кристаллической решетки субстрата определяет кристаллическое качество эпитаксиального слоя, что, в свою очередь, напрямую влияет на производительность устройства.
Функция 3: Электрический фундамент
Внутренние электрические свойства материала субстрата влияют на фундаментальные характеристики чипа, такие как проводимость и сопротивляемость.
Пример:
6-дюймовый однокристаллический кремниевый пластинка служит отправной точкой в большинстве заводов полупроводников.
IV. Что такое эпитаксий? Принципы и методы приготовления
Принцип эпитаксиального роста:
Epitaxy involves the atomic-scale deposition of a new single crystal layer that aligns with the lattice structure of the underlying substrate—similar to decorating a well-laid foundation with high-grade materials.
Общие методы эпитаксиального роста:
-
Эпитаксии паровой фазы (VPE):Наиболее широко используемый метод. Газообразные предшественники вводятся в реакционную камеру высокой температуры, где они откладываются и кристаллизуются на поверхности субстрата.Кремниевая эпитаксия часто использует кремниевый тетрахлорид или трихлоросилан в качестве источников газа. - Что?
-
Эпитаксия жидкой фазы (LPE):Материалы откладываются и кристаллизуются в жидкой форме на подложке, в основном для полупроводников-соединений.
-
Молекулярная эпитаксия луча (MBE):Высокоточный метод, выполненный под сверхвысоким вакуумом, идеально подходит для изготовления передовых квантовых структур и суперрешетки.
-
Металлоорганическое химическое отложение паров (MOCVD):Особенно подходит для полупроводников III-V, таких как GaN и GaAs.
Функции эпитакси:
-
Улучшенная чистота и плоскость поверхности:Даже полированный субстрат имеет микроскопические несовершенства; эпитаксия создает почти безупречный поверхностный слой.
-
Специализированные электрические и структурные свойства:Позволяет точно контролировать тип допинга (N-тип/P-тип), концентрацию и толщину слоя для удовлетворения конкретных функциональных требований.
-
Позволяет использовать многослойные или гетероструктуры:Необходимо для таких структур, как множественные квантовые скважины и суперрешетки, которые достижимы только посредством эпитаксиального роста.
V. Различия между гомеоэпитаксией и гетероэпитаксией и их применения
Гомеоэпитакс:
Субстрат и эпитаксиальный слой состоят из одного и того же материала (например, эпитаксиальный слой Si на Si-субстрат).
-
Преимущества:Это позволяет значительно улучшить качество поверхности, уменьшить плотность дефектов и повысить производительность и консистенцию устройства.
-
Применение:Широко используется в силовых устройствах и интегральных схемах.
Гетероэпитакс:
Субстрат и эпитаксиальный слой изготовлены из разных материалов (например, эпитаксиальный слой GaN на сапфировом субстрате).
-
Преимущества:Сочетает желательные свойства различных материалов для достижения превосходных электрических и оптических характеристик, обходя ограничения систем с одним материалом.
-
Недостатки:Несоответствие решетки и различия в коэффициенте теплового расширения часто приводят к напряжению, вывихам и другим дефектам, требующим буферных слоев или структурных оптимизаций.
-
Применение:Часто встречается в светодиодах, лазерах, высокочастотных транзисторах.
VI. Критическая роль эпитаксии в полупроводниках третьего поколения
В полупроводниках третьего поколения (например, SiC, GaN) почти все передовые устройства питания и оптоэлектроники полагаются на эпитаксиальные слои.
Пример СиК-устройства:
Ключевые параметры, такие как разрывное напряжение и сопротивление, определяются толщиной и концентрацией допинга эпитаксиального слоя.Субстрат SiC обеспечивает механическую поддержку и шаблоны решетки, но эпитаксиальный слой определяет фактическую производительность устройства.
Чем толще и дефектнее эпитаксиальный слой, тем выше напряжение разрыва и тем лучше производительность.
Поэтому в полупроводниковой промышленности с широким диапазоном диапазона технология эпитаксиального роста напрямую определяет предельный показатель производительности конечных устройств.
Сопутствующие продукты