Substraat versus epitaxy: de dubbele pijlers van de fabricage van halfgeleiderwafers
May 28, 2025
I. Fundamentele definities van substraat en epitaxy
SubstraatenEpitaxiezijn twee fundamenteel verschillende maar nauw verweven concepten in de vervaardiging van halfgeleiderwafers.
Substraat:
Een substraat is doorgaans een hoog zuiver, kwalitatief hoogwaardig enkelkristallijn materiaal dat dient als "grond" voor alle daaropvolgende halfgeleiderprocessen.Het biedt niet alleen mechanische ondersteuning, maar ook een goed geordende rooster sjabloon die essentieel is voor de fabricage van het apparaat.
De meest voorkomende materialen zijn:Silicium (Si), siliciumcarbide (SiC), saffier (Al2O3), galliumarsenide (GaAs), enz.
Epitaxy:
Epitaxie verwijst naar de gecontroleerde groei van een nieuwe, hoogwaardige enkelkristallijn film op het oppervlak van een substraat.epitaxiale laag.
De epitaxiale laag kan van hetzelfde materiaal zijn als het substraat (Homeoepitaxie) of van een ander materiaal (heteroepitaxie)).
II. Betrekkingen in het proces van wafervervaardiging
Stap 1: Voorbereiding van het substraat
Eenvoudige kristallen wafers van hoge zuiverheid worden geproduceerd met behulp van methoden zoals het Czochralski-proces of de float-zone-techniek.de wafers zijn klaar voor gebruik als substraat.
Stap 2: Epitaxiale groei
De epitaxiale laag heeft vaak een hogere zuiverheid, een gecontroleerde dopingconcentratie, een nauwkeurig gedefinieerde dikte,en minder structurele gebreken om aan de specifieke ontwerpvereisten van het apparaat te voldoen.
III. Wat is een substraat?
Functie 1: Mechanische ondersteuning
Het substraat dient als platform voor alle daaropvolgende processen en apparaten en moet over voldoende mechanische sterkte en dimensionale stabiliteit beschikken.
Functie 2: Raster sjabloon
De kristallen rasterstructuur van het substraat bepaalt de kristallijn kwaliteit van de epitaxiale laag, wat op zijn beurt rechtstreeks van invloed is op de prestaties van het apparaat.
Functie 3: Elektrische fundering
De intrinsieke elektrische eigenschappen van het substraatmateriaal hebben invloed op fundamentele chipkenmerken zoals geleidbaarheid en resistiviteit.
Voorbeeld:
Bijna alle CMOS-integrated circuits en opto-elektronische apparaten beginnen met een siliciumsubstraat.
IV. Wat is epitaxy?
Epitaxiaal groeiprijs:
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.
Gewone epitaxiale groeitechnieken:
-
Epitaxy in dampfase (VPE):De meest gebruikte methode is het introduceren van gasvormige precursoren in een reactiekamer bij hoge temperatuur, waar ze zich op het substraatoppervlak afzetten en kristalliseren.silicium-epitaxy gebruikt vaak silicium-tetrachloride of trichlorosilan als gasbronnen.- Ik weet het niet.
-
Liquid Phase Epitaxy (LPE):Materialen worden in vloeibare vorm op het substraat afgezet en gekristalliseerd, voornamelijk voor samengestelde halfgeleiders.
-
Moleculaire straal-epitaxie (MBE):Een zeer nauwkeurige methode onder ultrahoog vacuüm, ideaal voor het fabriceren van geavanceerde kwantumstructuren en supernetwerken.
-
Metalen-organische chemische dampafzetting (MOCVD):Vooral geschikt voor III-V halfgeleiders zoals GaN en GaAs.
Functies van Epitaxy:
-
Verbeterde oppervlakte zuiverheid en vlakheid:Zelfs een gepolijst substraat heeft microscopische imperfecties; epitaxie creëert een bijna onberispelijke oppervlaktelaag.
-
Gepersonaliseerde elektrische en structurele eigenschappen:Hierdoor kan nauwkeurig worden gecontroleerd op het type doping (N-type/P-type), de concentratie en de laagdikte om aan specifieke functionele eisen te voldoen.
-
Het mogelijk maken van meerlaagse of heterostructuur:Essentieel voor structuren zoals meerdere kwantumputten en supernetwerken, die alleen bereikt kunnen worden door middel van epitaxiale groei.
V. Verschillen tussen homoepitaxie en heteroepitaxie en hun toepassingen
Homoepitaxie:
Het substraat en de epitaxiale laag zijn samengesteld uit hetzelfde materiaal (bijv. Si-epitaxiale laag op een Si-substraat).
-
Voordelen:Verbetert de oppervlakte kwaliteit aanzienlijk, vermindert de defectdichtheid, en verbetert de rendement en consistentie van het apparaat.
-
Toepassingen:Algemeen gebruikt in energieapparaten en geïntegreerde schakelingen.
Heteroepitaxy:
Het substraat en de epitaxiale laag zijn van verschillende materialen (bijv. GaN-epitaxiale laag op saffiersubstraat).
-
Voordelen:Combineert wenselijke eigenschappen van verschillende materialen om superieure elektrische en optische prestaties te bereiken, waarbij de beperkingen van systemen met één enkel materiaal worden overschreden.
-
Nadelen:Het verschil in de vergrendeling en de thermische uitbreidingscoëfficiënt leidt vaak tot spanningen, verplaatsingen en andere defecten die bufferlagen of structurele optimalisaties vereisen.
-
Toepassingen:GaN wordt vaak gekweekt op saffier, silicium of SiC-substraten.
VI. De kritieke rol van epitaxie in halfgeleiders van de derde generatie
In de derde generatie halfgeleiders (bijv. SiC, GaN) zijn bijna alle geavanceerde energie- en opto-elektronica-apparaten afhankelijk van epitaxiale lagen.
Voorbeeld SiC-apparaten:
Belangrijke parameters zoals de breukspanning en de weerstand worden bepaald door de dikte en de dopingconcentratie van de epitaxiale laag.Het SiC-substraat biedt mechanische ondersteuning en een roosterpatroon, maar de epitaxiale laag bepaalt de werkelijke prestaties van het apparaat.
Hoe dikker en gebrekvrijer de epitaxiale laag is, hoe hoger de afbraakspanning en hoe beter de prestaties.
Daarom bepaalt de epitaxiale groeitechnologie in de breedbandsemiconductorindustrie rechtstreeks het prestatieplafond van de eindtoestellen.
Gerelateerde producten
12 inch SiC Wafer 300mm Silicon Carbide Wafer Leidende Dummy Grade N-Type Onderzoeksgraad