Origem do Nome “Wafer Epitaxial”
A preparação do wafer consiste em duas etapas principais: preparação do substrato e processo epitaxial. O substrato é feito de material semicondutor de cristal único e normalmente é processado para produzir dispositivos semicondutores. Ele também pode passar por processamento epitaxial para formar uma bolacha epitaxial. Epitaxia refere-se ao processo de crescimento de uma nova camada de cristal único em um substrato de cristal único cuidadosamente processado. O novo cristal único pode ser do mesmo material que o substrato (epitaxia homogênea) ou de um material diferente (epitaxia heterogênea). Como a nova camada cristalina cresce em alinhamento com a orientação cristalina do substrato, ela é chamada de camada epitaxial. O wafer com a camada epitaxial é referido como wafer epitaxial (wafer epitaxial = camada epitaxial + substrato). Os dispositivos fabricados na camada epitaxial são chamados de “epitaxia direta”, enquanto os dispositivos fabricados no substrato são chamados de “epitaxia reversa”, onde a camada epitaxial serve apenas como suporte.
Epitaxia Homogênea e Heterogênea
▪Epitaxia Homogênea:A camada epitaxial e o substrato são feitos do mesmo material: por exemplo, Si/Si, GaAs/GaAs, GaP/GaP.
▪Epitaxia Heterogênea:A camada epitaxial e o substrato são feitos de materiais diferentes: por exemplo, Si/Al₂O₃, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC, etc.
Bolachas Polidas
Que problemas a epitaxia resolve?
Os materiais monocristalinos a granel por si só são insuficientes para atender às demandas cada vez mais complexas da fabricação de dispositivos semicondutores. Portanto, no final de 1959, foi desenvolvida a técnica de crescimento de material de cristal único fino conhecida como epitaxia. Mas como a tecnologia epitaxial ajudou especificamente no avanço dos materiais? Para o silício, o desenvolvimento da epitaxia de silício ocorreu em um momento crítico, quando a fabricação de transistores de silício de alta frequência e alta potência enfrentava dificuldades significativas. Do ponto de vista dos princípios do transistor, alcançar alta frequência e potência requer que a tensão de ruptura da região do coletor seja alta e a resistência em série seja baixa, o que significa que a tensão de saturação deve ser pequena. O primeiro exige alta resistividade no material do coletor, enquanto o segundo exige baixa resistividade, o que cria uma contradição. Reduzir a espessura da região do coletor para reduzir a resistência em série tornaria o wafer de silício muito fino e frágil para processamento, e diminuir a resistividade entraria em conflito com o primeiro requisito. O desenvolvimento da tecnologia epitaxial resolveu esse problema com sucesso. A solução foi cultivar uma camada epitaxial de alta resistividade em um substrato de baixa resistividade. O dispositivo é fabricado na camada epitaxial, garantindo a alta tensão de ruptura do transistor, enquanto o substrato de baixa resistividade reduz a resistência de base e diminui a tensão de saturação, resolvendo a contradição entre os dois requisitos.
Além disso, as tecnologias epitaxiais para semicondutores compostos III-V e II-VI, como GaAs, GaN e outros, incluindo epitaxia de fase vapor e fase líquida, tiveram avanços significativos. Essas tecnologias tornaram-se essenciais para a fabricação de muitos dispositivos de micro-ondas, optoeletrônicos e de energia. Em particular, técnicas como epitaxia por feixe molecular (MBE) e deposição de vapor químico metal-orgânico (MOCVD) foram aplicadas com sucesso a camadas finas, super-redes, poços quânticos, super-redes tensas e camadas epitaxiais finas em escala atômica, estabelecendo uma base sólida para o desenvolvimento de novos campos de semicondutores, como “engenharia de banda”.
Em aplicações práticas, a maioria dos dispositivos semicondutores de banda larga são fabricados em camadas epitaxiais, com materiais como carboneto de silício (SiC) sendo usados apenas como substratos. Portanto, controlar a camada epitaxial é um fator crítico na indústria de semicondutores de banda larga.
Tecnologia Epitaxy: Sete Recursos Principais
1. A epitaxia pode desenvolver uma camada de resistividade alta (ou baixa) em um substrato de resistividade baixa (ou alta).
2. A epitaxia permite o crescimento de camadas epitaxiais do tipo N (ou P) em substratos do tipo P (ou N), formando diretamente uma junção PN sem os problemas de compensação que surgem ao usar a difusão para criar uma junção PN em um substrato de cristal único.
3. Quando combinada com a tecnologia de máscara, o crescimento epitaxial seletivo pode ser realizado em áreas específicas, possibilitando a fabricação de circuitos integrados e dispositivos com estruturas especiais.
4. O crescimento epitaxial permite o controle dos tipos e concentrações de dopagem, com a capacidade de alcançar mudanças abruptas ou graduais na concentração.
5. A epitaxia pode desenvolver compostos heterogêneos, multicamadas e multicomponentes com composições variáveis, incluindo camadas ultrafinas.
6. O crescimento epitaxial pode ocorrer em temperaturas abaixo do ponto de fusão do material, com uma taxa de crescimento controlável, permitindo precisão em nível atômico na espessura da camada.
7. A epitaxia permite o crescimento de camadas de materiais monocristalinos que não podem ser transformados em cristais, como GaN e semicondutores compostos ternários/quaternários.
Várias camadas epitaxiais e processos epitaxiais
Em resumo, as camadas epitaxiais oferecem uma estrutura cristalina perfeita e mais facilmente controlada do que os substratos a granel, o que é benéfico para o desenvolvimento de materiais avançados.
Horário da postagem: 24 de dezembro de 2024