Camadas epitaxiais de silício e substratos na fabricação de semicondutores

Substrato

No processo de fabricação de semicondutores, as camadas epitaxiais de silício e os substratos são dois componentes fundamentais que desempenham papéis cruciais.O substrato, feito principalmente de silício monocristalino, serve de base para a fabricação de chips semicondutores. Ele pode entrar diretamente no fluxo de fabricação de wafer para produzir dispositivos semicondutores ou ser processado posteriormente por meio de técnicas epitaxiais para criar um wafer epitaxial. Como a “base” fundamental das estruturas semicondutoras,o substratogarante a integridade estrutural, evitando fraturas ou danos. Além disso, os substratos possuem propriedades elétricas, ópticas e mecânicas distintas, críticas para o desempenho dos semicondutores.

Se os circuitos integrados forem comparados a arranha-céus, entãoo substratoé sem dúvida a base estável. Para garantir o seu papel de suporte, estes materiais devem apresentar um elevado grau de uniformidade na sua estrutura cristalina, semelhante ao silício monocristalino de alta pureza. A pureza e a perfeição são fundamentais para estabelecer uma base robusta. Somente com uma base sólida e confiável as estruturas superiores podem ser estáveis ​​e perfeitas. Simplificando, sem um adequadosubstrato, é impossível construir dispositivos semicondutores estáveis ​​e com bom desempenho.

Epitaxia

Epitaxiarefere-se ao processo de crescimento preciso de uma nova camada de cristal único em um substrato de cristal único meticulosamente cortado e polido. Esta nova camada pode ser do mesmo material do substrato (epitaxia homogênea) ou diferente (epitaxia heterogênea). Como a nova camada cristalina segue estritamente a extensão da fase cristalina do substrato, ela é conhecida como camada epitaxial, normalmente mantida em espessura de nível micrométrico. Por exemplo, em silícioepitaxia, o crescimento ocorre em uma orientação cristalográfica específica de umsubstrato monocristalino de silício, formando uma nova camada cristalina que é consistente na orientação, mas varia em resistividade elétrica e espessura, e possui uma estrutura de rede perfeita. O substrato que sofreu crescimento epitaxial é denominado wafer epitaxial, sendo a camada epitaxial o valor central em torno do qual gira a fabricação do dispositivo.

O valor de um wafer epitaxial reside na sua engenhosa combinação de materiais. Por exemplo, ao cultivar uma fina camada deEpitaxia GaNem um preço menos carobolacha de silício, é possível alcançar as características de banda larga de alto desempenho dos semicondutores de terceira geração a um custo relativamente mais baixo usando materiais semicondutores de primeira geração como substrato. No entanto, estruturas epitaxiais heterogêneas também apresentam desafios como incompatibilidade de rede, inconsistência nos coeficientes térmicos e baixa condutividade térmica, semelhante à criação de andaimes sobre uma base plástica. Diferentes materiais se expandem e contraem em taxas diferentes quando as temperaturas mudam, e a condutividade térmica do silício não é ideal.

Homogêneoepitaxia, que desenvolve uma camada epitaxial do mesmo material do substrato, é significativo para aumentar a estabilidade e confiabilidade do produto. Embora os materiais sejam os mesmos, o processamento epitaxial melhora significativamente a pureza e a uniformidade da superfície do wafer em comparação com os wafers polidos mecanicamente. A superfície epitaxial é mais lisa e limpa, com microdefeitos e impurezas significativamente reduzidos, resistividade elétrica mais uniforme e controle mais preciso sobre partículas superficiais, falhas de camada e deslocamentos. Por isso,epitaxianão apenas otimiza o desempenho do produto, mas também garante a estabilidade e confiabilidade do produto.**

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