Epitaxiale groei, vaak ook wel epitaxie genoemd, is een van de belangrijkste processen bij de fabricage van halfgeleidermaterialen en -apparaten. Epitaxiale groei is het proces waarbij onder bepaalde omstandigheden een laagje van een enkelkristallijne film op een substraat wordt gegroeid. De groei van deze enkelkristallijne film wordt epitaxiale laag genoemd. Epitaxiale technologie is gebaseerd op onderzoek naar dunne silicium-enkristalfilms uit de vroege jaren 60 en heeft zich inmiddels bijna een halve eeuw ontwikkeld. Onder bepaalde omstandigheden is het mogelijk geworden om diverse halfgeleiderfilms te produceren. Epitaxiale technologie heeft veel problemen in discrete halfgeleidercomponenten en geïntegreerde schakelingen opgelost en de prestaties van apparaten aanzienlijk verbeterd. Epitaxiale films maken een nauwkeurigere controle van hun dikte en doteringseigenschappen mogelijk, wat heeft geleid tot een snelle ontwikkeling van geïntegreerde halfgeleiderschakelingen naar een hoger niveau. Silicium-enkristallen kunnen door middel van snijden, slijpen, polijsten en andere bewerkingstechnieken worden gepolijst tot een gepolijste plaat, waarop vervolgens discrete componenten en geïntegreerde schakelingen kunnen worden aangebracht. Maar in veel gevallen dient deze gepolijste plaat slechts als mechanische ondersteuning voor het substraat, waarop eerst een laag eenkristallijne film met de juiste geleidbaarheid en soortelijke weerstand moet worden gegroeid, waarna discrete componenten of geïntegreerde schakelingen in deze eenkristallijne film worden geproduceerd. Deze methode wordt bijvoorbeeld gebruikt bij de productie van hoogfrequente siliciumtransistoren met een hoog vermogen, waarbij het conflict tussen doorslagspanning en serieweerstand wordt opgelost. De collector van de transistor vereist een hoge doorslagspanning, die wordt bepaald door de soortelijke weerstand van de pn-overgang van de siliciumwafer. Om aan deze eis te voldoen, zijn materialen met een hoge soortelijke weerstand nodig. Men brengt op een epitaxiale laag van enkele tot tientallen micrometers dikke, licht gedoteerde n-type materialen met een hoge soortelijke weerstand een sterk gedoteerde laag aan met een hoge soortelijke weerstand van een n-type materiaal met een lage soortelijke weerstand. Hierdoor wordt de transistor in de epitaxiale laag geproduceerd, wat de tegenstrijdigheid oplost tussen de hoge doorslagspanning die nodig is voor de hoge soortelijke weerstand en de lage serieweerstand van de collector die nodig is voor de lage soortelijke weerstand van het substraat.
Epitaxiale groei in de gasfase is de vroegste toepassing in de halfgeleiderindustrie van een meer volwassen epitaxiale groeitechnologie. Deze technologie speelt een belangrijke rol in de ontwikkeling van de halfgeleiderwetenschap en draagt in grote mate bij aan de kwaliteit van halfgeleidermaterialen en -apparaten en aan de verbetering van hun prestaties. Momenteel is chemische dampafzetting (CVD) de belangrijkste methode voor de bereiding van epitaxiale halfgeleider-eenkristalfilms. CVD is een proces waarbij gasvormige stoffen een chemische reactie aangaan met een vast oppervlak, wat resulteert in de vorming van vaste afzettingen. CVD-technologie maakt de groei van hoogwaardige eenkristalfilms mogelijk, met de gewenste doteringssoort en epitaxiale dikte, is eenvoudig te realiseren voor massaproductie en wordt daarom veelvuldig in de industrie gebruikt. In de industrie bevatten epitaxiale wafers die met CVD zijn bereid vaak een of meer begraven lagen. Deze lagen kunnen worden gebruikt om de apparaatstructuur en de doteringsverdeling te controleren door middel van diffusie of ionenimplantatie. De fysische eigenschappen van een CVD-epitaxiale laag verschillen van die van het bulkmateriaal, en het zuurstof- en koolstofgehalte van de epitaxiale laag is over het algemeen zeer laag, wat een voordeel is. Een CVD-epitaxiale laag is echter gevoelig voor zelfdotering. In praktische toepassingen moeten daarom bepaalde maatregelen worden genomen om zelfdotering in de epitaxiale laag te verminderen. De CVD-technologie bevindt zich nog in een empirische fase en vereist diepgaander onderzoek om de verdere ontwikkeling ervan te bevorderen.
Het CVD-groeimechanisme is zeer complex. De chemische reactie omvat doorgaans een verscheidenheid aan componenten en stoffen, kan een aantal tussenproducten opleveren en er zijn veel onafhankelijke variabelen, zoals temperatuur, druk, gasstroomsnelheid, enz. Het epitaxiale proces bestaat uit een aantal opeenvolgende stappen die elkaar ontwikkelen en verbeteren. Het epitaxiale proces kent vele opeenvolgende, elkaar versterkende en perfectionerende stappen. Om het proces en mechanisme van CVD-epitaxiale groei te analyseren, is het allereerst belangrijk om de oplosbaarheid van reactieve stoffen in de gasfase, de evenwichtspartialdruk van verschillende gassen en de kinetische en thermodynamische processen te verduidelijken. Vervolgens is het belangrijk om inzicht te krijgen in het massatransport van reactieve gassen van de gasfase naar het substraatoppervlak, de vorming van de grenslaag tussen de gasstroom en het substraatoppervlak, de groei van de kiem, evenals de oppervlaktereactie, diffusie en migratie, en zo uiteindelijk de gewenste film te genereren. In het CVD-groeiproces spelen de ontwikkeling en de voortgang van de reactor een cruciale rol, die grotendeels de kwaliteit van de epitaxiale laag bepaalt. De oppervlaktemorfologie van de epitaxiale laag, roosterdefecten, de verdeling en beheersing van onzuiverheden, de dikte en uniformiteit van de epitaxiale laag hebben een directe invloed op de prestaties en opbrengst van het apparaat.
–Dit artikel is gepubliceerd doorfabrikant van vacuümcoatingmachinesGuangdong Zhenhua
Geplaatst op: 4 mei 2024