सब्सट्रेट बनाम एपिटेक्सीः सेमीकंडक्टर वेफर निर्माण के दो स्तंभ

I. सब्सट्रेट और एपिटाक्सी की मूल परिभाषाएं

सब्सट्रेटऔरश्मशानअर्धचालक वेफर निर्माण में दो मौलिक रूप से अलग लेकिन निकटता से जुड़ी हुई अवधारणाएं हैं।

सब्सट्रेट:
सब्सट्रेट आमतौर पर उच्च शुद्धता, उच्च गुणवत्ता वाली एकल क्रिस्टलीय सामग्री होती है जो सभी बाद की अर्धचालक प्रक्रियाओं के लिए "आधार" के रूप में कार्य करती है।यह न केवल यांत्रिक समर्थन प्रदान करता है, बल्कि उपकरण निर्माण के लिए आवश्यक एक अच्छी तरह से व्यवस्थित जाली टेम्पलेट भी प्रदान करता है.
 

आम सामग्रियों में शामिल हैंःसिलिकॉन (Si), सिलिकॉन कार्बाइड (SiC), सैफियर (Al2O3), गैलियम आर्सेनइड (GaAs), आदि

एपिटैक्सीः
उपशीर्षक की सतह पर एक नई, उच्च गुणवत्ता वाली एकल-क्रिस्टलीय फिल्म की नियंत्रित वृद्धि को एपिटेक्सी कहते हैं। इस फिल्म को उपशीर्षक के रूप में जाना जाता है।उपशीर्षक परत.
उपशीर्षक परत सब्सट्रेट के समान सामग्री की हो सकती है (होमियोएपिटेक्सी) या एक अलग सामग्री (हेटरोएपिटाक्सी) ।

II. वेफर विनिर्माण प्रक्रिया में संबंध

चरण 1: सब्सट्रेट तैयार करना
उच्च शुद्धता वाले एकल क्रिस्टल वेफर्स का उत्पादन Czochralski प्रक्रिया या फ्लोट-ज़ोन तकनीक जैसे तरीकों से किया जाता है।वेफर्स सब्सट्रेट के रूप में उपयोग के लिए तैयार हैं.

चरण 2: उपशीर्षक विकास
सब्सट्रेट की सतह पर एक उच्च गुणवत्ता वाली एकल क्रिस्टल परत उगाई जाती है। एपिटेक्सियल परत में अक्सर उच्च शुद्धता, नियंत्रित डोपिंग एकाग्रता, सटीक रूप से परिभाषित मोटाई होती है,और विशेष उपकरण डिजाइन आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए कम संरचनात्मक दोष.

III. सब्सट्रेट क्या है? इसकी भूमिका और महत्व

कार्य 1: यांत्रिक समर्थन
सब्सट्रेट सभी बाद की प्रक्रियाओं और उपकरणों के लिए मंच के रूप में कार्य करता है। इसमें पर्याप्त यांत्रिक शक्ति और आयामी स्थिरता होनी चाहिए।

कार्य 2: जाली टेम्पलेट
सब्सट्रेट की क्रिस्टल जाली संरचना उपशीर्षक परत की क्रिस्टलीय गुणवत्ता को निर्धारित करती है, जो बदले में सीधे डिवाइस के प्रदर्शन को प्रभावित करती है।

कार्य 3: विद्युत आधार
सब्सट्रेट सामग्री के अंतर्निहित विद्युत गुण चिप की बुनियादी विशेषताओं जैसे चालकता और प्रतिरोध को प्रभावित करते हैं।

उदाहरण:
अधिकांश अर्धचालक कारखानों में एक 6-इंच एकल क्रिस्टल सिलिकॉन वेफर प्रारंभिक बिंदु के रूप में कार्य करता है। लगभग सभी सीएमओएस एकीकृत सर्किट और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण सिलिकॉन सब्सट्रेट से शुरू होते हैं।

IV. एपिटैक्सी क्या है? सिद्धांत और तैयारी के तरीके

ईपिटैक्सियल वृद्धि सिद्धांतः
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.

सामान्य उपशीर्षक विकास तकनीकेंः

• वाष्प चरण एपिटेक्सी (वीपीई):सबसे व्यापक रूप से प्रयुक्त विधि। गैस के रूप में अग्रदूतों को एक उच्च तापमान प्रतिक्रिया कक्ष में पेश किया जाता है, जहां वे जमा और सब्सट्रेट की सतह पर क्रिस्टलीकृत होते हैं। उदाहरण के लिए,सिलिकॉन एपिटेक्सी में अक्सर सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड या ट्राइक्लोरोसिलेन गैस स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता है.​

• तरल अवस्था में एपिटेक्सी (एलपीई):सामग्री जमा होती है और द्रव रूप में सब्सट्रेट पर क्रिस्टलीकृत होती है, मुख्य रूप से यौगिक अर्धचालकों के लिए।

• आणविक बीम एपिटेक्सी (एमबीई):अति-उच्च वैक्यूम के तहत निष्पादित उच्च-सटीक विधि, उन्नत क्वांटम संरचनाओं और सुपररेटिक्स के निर्माण के लिए आदर्श है।

• धातु-कार्बनिक रासायनिक वाष्प अवशेष (MOCVD):विशेष रूप से III-V अर्धचालकों जैसे GaN और GaAs के लिए उपयुक्त है।

एपिटैक्सी के कार्यः

• बढ़ी हुई सतह शुद्धता और समतलता:यहां तक कि एक पॉलिश सब्सट्रेट में भी सूक्ष्म दोष होते हैं; एपिटेक्सी लगभग निर्दोष सतह परत बनाता है।

• अनुकूलित विद्युत और संरचनात्मक गुणःविशिष्ट कार्यात्मक आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए डोपिंग प्रकार (एन-प्रकार/पी-प्रकार), एकाग्रता और परत मोटाई पर सटीक नियंत्रण की अनुमति देता है।

• मल्टीलेयर या हेटरोस्ट्रक्चर को सक्षम करता हैःकई क्वांटम कुओं और सुपररेट्स जैसी संरचनाओं के लिए आवश्यक है, जो केवल एपिटाक्सियल विकास के माध्यम से प्राप्त की जा सकती है।

वी. होमियोएपिटेक्सी और हेटरोएपिटेक्सी और उनके अनुप्रयोगों के बीच अंतर

होमियोएपिटेक्सीः
सब्सट्रेट और एपिटैक्सियल परत एक ही सामग्री से बनी होती है (उदाहरण के लिए, एक एपिटैक्सियल परत पर Si सब्सट्रेट) ।

• लाभःसतह की गुणवत्ता में काफी सुधार, दोष घनत्व में कमी, और डिवाइस की उपज और स्थिरता में सुधार करने में सक्षम बनाता है।

• अनुप्रयोग:व्यापक रूप से बिजली उपकरणों और एकीकृत सर्किट में प्रयोग किया जाता है।

हेटरोएपिटेक्सीः
सब्सट्रेट और एपिटैक्सियल परत अलग-अलग सामग्रियों की होती है (उदाहरण के लिए, नीलमणि सब्सट्रेट पर GaN एपिटैक्सियल परत) ।

• लाभःविभिन्न सामग्रियों के वांछित गुणों को जोड़कर उच्च विद्युत और ऑप्टिकल प्रदर्शन प्राप्त करता है जो एकल-सामग्री प्रणालियों की सीमाओं को दरकिनार करता है।

• नुकसानःजाली के असंगतता और थर्मल विस्तार गुणांक में अंतर अक्सर तनाव, विस्थापन और अन्य दोषों की ओर जाता है, जिसके लिए बफर परतों या संरचनात्मक अनुकूलन की आवश्यकता होती है।

• अनुप्रयोग:एलईडी, लेजर, उच्च आवृत्ति ट्रांजिस्टर में आम है। GaN अक्सर नीलमणि, सिलिकॉन, या SiC सब्सट्रेट पर उगाया जाता है।

VI. तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों में एपिटैक्सी की महत्वपूर्ण भूमिका

तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों (जैसे, SiC, GaN) में, लगभग सभी उन्नत शक्ति और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण एपिटेक्सियल परतों पर निर्भर करते हैं।

उदाहरण ∙ सीआईसी उपकरण:
प्रमुख मापदंड जैसे कि ब्रेकडाउन वोल्टेज और ऑन-रेसिस्टेंस को एपिटाक्सियल परत की मोटाई और डोपिंग एकाग्रता से निर्धारित किया जाता है।SiC सब्सट्रेट यांत्रिक समर्थन और एक जाली टेम्पलेट प्रदान करता है, लेकिन एपिटाक्सियल परत डिवाइस के वास्तविक प्रदर्शन को परिभाषित करती है।

जितना अधिक मोटी और दोष मुक्त उप-अक्षीय परत होगी, उतना ही अधिक टूटने वाला वोल्टेज और बेहतर प्रदर्शन होगा।

इसलिए, व्यापक-बैंड-गैप अर्धचालक उद्योग में, एपिटैक्सियल वृद्धि तकनीक सीधे अंतिम उपकरणों की प्रदर्शन सीमा को परिभाषित करती है।

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