Substrato contro epitaxia: i due pilastri della fabbricazione di wafer a semiconduttori
May 28, 2025
I. Definizioni fondamentali del substrato e dell'epitaxia
Substrato- eepitaxiasono due concetti fondamentalmente distinti ma strettamente interconnessi nella fabbricazione di wafer a semiconduttori.
Substrato:
Un substrato è in genere un materiale monocristallino di alta purezza e qualità che funge da "fondamento" per tutti i successivi processi di semiconduttori.Fornisce non solo un supporto meccanico, ma anche un modello di reticolo ben ordinato essenziale per la fabbricazione del dispositivo.
I materiali comuni sono:Silicio (Si), Carburo di silicio (SiC), Zaffiro (Al2O3), Arsenide di gallio (GaAs), ecc.
Epitaxia:
L'epitaxia si riferisce alla crescita controllata di una nuova pellicola monocristallina di alta qualità sulla superficie di un substrato.strato epitassiale.
Lo strato epitassiale può essere dello stesso materiale del substrato (Homeopatia) o di un materiale diverso (heteroepitaxia)).
II. Relazione nel processo di fabbricazione delle wafer
Fase 1: preparazione del substrato
I wafer monocristallini di alta purezza sono prodotti utilizzando metodi come il processo di Czochralski o la tecnica della zona galleggiante.i wafer sono pronti per l'uso come substrati.
Fase 2: Crescita epitaxiale
Sulla superficie del substrato viene coltivato uno strato monocristallino di alta qualità, lo strato epitassale spesso più puro, con concentrazione dopante controllata, spessore definito con precisione,e meno difetti strutturali per soddisfare i requisiti specifici di progettazione del dispositivo.
III. Che cos'è un substrato?
Funzione 1: supporto meccanico
Il substrato funge da piattaforma per tutti i processi e dispositivi successivi e deve avere una resistenza meccanica e una stabilità dimensionale adeguate.
Funzione 2: Modello reticolare
La struttura a reticolo cristallino del substrato determina la qualità cristallina dello strato epitaxiale, che a sua volta ha un impatto diretto sulle prestazioni del dispositivo.
Funzione 3: Fondazione elettrica
Le proprietà elettriche intrinseche del materiale del substrato influenzano le caratteristiche fondamentali del chip come la conduttività e la resistività.
Esempio:
Un wafer di silicio a cristallo singolo da 6 pollici serve come punto di partenza nella maggior parte delle fabbriche di semiconduttori.
IV. Che cos'è l'epitaxia?
Principio di crescita epitaxiale:
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.
Tecniche comuni di crescita epitaxiale:
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Epitaxia in fase di vapore (VPE):Il metodo più utilizzato consiste nell'introduzione di precursori gassosi in una camera di reazione ad alta temperatura, dove si depositano e cristallizzano sulla superficie del substrato.L'epitaxia del silicio utilizza spesso tetracloruro di silicio o triclorosilano come fonti di gas.- Sì.
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Epitaxia in fase liquida (LPE):I materiali vengono depositati e cristallizzati in forma liquida sul substrato, principalmente per i semiconduttori composti.
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Epitaxia del fascio molecolare (MBE):Un metodo di alta precisione eseguito sotto vuoto ultra elevato, ideale per la fabbricazione di strutture quantistiche avanzate e superreticolari.
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Deposito chimico a vapore metallico-organico (MOCVD):Specialmente adatto per semiconduttori III-V come GaN e GaAs.
Funzioni di Epitaxy:
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Maggiore purezza e piattezza della superficie:Anche un substrato lucido presenta imperfezioni microscopiche; l'epitaxia crea uno strato superficiale quasi impeccabile.
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Proprietà elettriche e strutturali personalizzate:Permette un controllo preciso del tipo di doping (tipo N/tipo P), della concentrazione e dello spessore dello strato per soddisfare requisiti funzionali specifici.
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Abilita strutture multilivello o eterostrutture:Essenziale per strutture come i pozzi quantistici multipli e le superreticelle, che sono realizzabili solo attraverso la crescita epitaxiale.
V. Differenze tra l'omoepitaxia e l'eteroepitaxia e le loro applicazioni
Homoepitassia:
Il substrato e lo strato epitaxiale sono composti dallo stesso materiale (ad esempio, lo strato epitaxiale di Si su un substrato di Si).
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Vantaggi:Consente un miglioramento significativo della qualità della superficie, una minore densità di difetti e una maggiore resa e consistenza del dispositivo.
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Applicazioni:Ampiamente utilizzato nei dispositivi di potenza e nei circuiti integrati.
Heteroepitaxia:
Il substrato e lo strato epitaxiale sono di materiali diversi (ad esempio, lo strato epitaxiale GaN sul substrato di zaffiro).
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Vantaggi:Combina le proprietà desiderabili di materiali diversi per ottenere prestazioni elettriche e ottiche superiori, superando i limiti dei sistemi a singolo materiale.
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Svantaggi:Le differenze di corrispondenza del reticolo e dei coefficienti di espansione termica spesso portano a stress, lussazioni e altri difetti che richiedono strati tampone o ottimizzazioni strutturali.
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Applicazioni:Il GaN è spesso coltivato su zaffiri, silicio o substrati SiC.
VI. Il ruolo critico dell'epitaxia nei semiconduttori di terza generazione
Nei semiconduttori di terza generazione (ad esempio, SiC, GaN), quasi tutti i dispositivi di potenza e optoelettronici avanzati si basano su strati epitaxiali.
Esempio: Dispositivi SiC:
I parametri chiave come la tensione di rottura e la resistenza di accensione sono determinati dallo spessore e dalla concentrazione di doping dello strato epitaxiale.Il substrato SiC fornisce un supporto meccanico e un modello di reticolo, ma lo strato epitaxiale definisce le prestazioni effettive del dispositivo.
Più lo strato epitaxiale è spesso e privo di difetti, maggiore è la tensione di rottura e migliore le prestazioni.
Pertanto, nell'industria dei semiconduttori a banda larga, la tecnologia di crescita epitassale definisce direttamente il massimale delle prestazioni dei dispositivi finali.
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