Субстрат және эпитаксия: жартылай өткізгіштерді өндірудегі негізгі рөлдер

Кіріспе: Қазіргі чиптердің екі тірегі

Жетілдірілген чиптің жоғары жылдамдықты есептеуге және жоғары қуатты шығаруға қалай қол жеткізетінін шынымен түсіну үшін біз оның физикалық құрылымының екі негізгі тірегін - жартылай өткізгіш субстрат пен эпитаксиалды өсу процесін зерттеуіміз керек.

Қарапайым тілмен айтқанда, субстрат механикалық қолдау мен жылуды бөлу үшін «іргетас» береді, ал эпитаксиалды қабат сол «іргетасқа» мұқият салынған «белсенді функционалды қабат» болып табылады. Екі термин бір ғана таңбамен ерекшеленсе де, олардың материал құрылымында, жасау процестерінде және функционалдық рөлдерінде түбегейлі айырмашылықтары бар. Бұл мақалада олардың техникалық айырмашылықтары, негізгі параметрлері және соңғы құрылғының өнімділігіне шешуші әсері жүйелі түрде сипатталады.

I. Жартылай өткізгіш субстрат дегеніміз не?  

[Осы бөлімнің негізгі қорытындысы]: Жартылай өткізгіш субстрат құрылғының «қаңқасы» және «жылу қабылдағыш» қызметін атқарады. Тұтыну нарығында жоғары таза кристалды кремний (Si) басым болса, 4,9 Вт/см·К жоғары жылу өткізгіштігі бар кремний карбиді (SiC) электрлі көліктер мен жоғары вольтты қолданбалар үшін таптырмас таңдау болды.

Жартылай өткізгіш субстраттар барлық дерлік жартылай өткізгіш құрылғылардың құрылымдық және жылулық негізін құрайды. Механикалық тұрғыдан алғанда, олар микро және наноқұрылымдарды қолдайтын физикалық платформа ретінде қызмет етеді; одан да маңыздысы, олар кейіннен тұндырылған қабаттардың кристалдық бағдары мен құрылымдық тұтастығын анықтайтын үздіксіз кристалдық тор үлгісін береді.

Қолдану талаптарына байланысты субстрат материалдары бір кристалды, поликристалды немесе тіпті аморфты болуы мүмкін; дегенмен, жоғары өнімді электронды құрылғылар дәндердің шекаралары мен тасымалдаушылардың қозғалғыштығына кедергі келтіретін ақауларды азайту үшін толығымен дерлік жоғары тазалықтағы монокристалды құймаларға сүйенеді.

1.1 Негізгі субстрат түрлері және олардың материал қасиеттері

Үлкен өлшемді субстраттарды таңдау құрылғының өнімділігіне, өндіріс өнімділігіне және шығындар құрылымына тікелей әсер етеді. Өнеркәсіп негізінен субстраттардың үш негізгі түрін пайдаланады:

• Кремний субстраттары: Czochralski (CZ) немесе Float Zone (FZ) әдістері арқылы өсірілген монокристалды кремний (Si) бүгінгі күнге дейін жаһандық жартылай өткізгіш өнеркәсібіндегі абсолютті негізгі ағын болып қала береді. Оның артықшылықтары ерекше үнемділікте, жоғары механикалық беріктікте және 300 мм (12 дюйм) дейін масштабталады. Ол тұтынушылық деңгейдегі процессорларда, жад құрылғыларында және стандартты күн батареяларында кеңінен қолданылады.
• Кең жолақты субстраттар (кремний карбиді және сапфир): Қуат пен жиілікке қойылатын талаптар кремнийдің физикалық шегінен асып кеткенде, кең жолақты материалдар сөзсіз таңдау болады.
• Кремний карбиді (SiC): Керемет жылуөткізгіштігімен (шамамен 3,7-ден 4,9 Вт/см·К[1]-ге дейін) және жоғары бұзылатын электр өрісінің кернеулігімен бұл электр көліктерінің (EV) инверторлары мен жоғары вольтты электр желілері үшін тамаша таңдау болып табылады.
• Сапфир (Al₂O₃): Тамаша оптикалық мөлдірлігі және диэлектрлік оқшаулау қасиеттерімен ол көк/ультракүлгін жарықдиодты шамдарда және мамандандырылған РЖ SOI қолданбаларында кеңінен қолданылады.
• Кварц субстраты: Өте жоғары химиялық инерттілігінің, өте төмен термиялық кеңею коэффициентінің және жоғары оптикалық тазалығының арқасында ол ең алдымен жоғары сапалы оптикалық компоненттерде, маска дайындамаларында және арнайы сенсорлық жабдықта қолданылады.

1.2 Субстраттардың екі негізгі қызметі: тірек және жылуды тарату

Құрылғының нақты жұмысы кезінде көлемді субстраттар екі алмастырылмайтын негізгі функцияны орындайды:

Механикалық қолдау: Қатты термиялық цикл, жоғары вакуумды химиялық процестер, пластинаны өңдеу және артқы жағындағы орау кезінде құрылымдық қаттылықты қамтамасыз етеді, пластинаның деформациясы мен сынуын тиімді болдырмайды.

Жылу өткізгіштігі (жылу диссипациясы): Қазіргі микросхемалар жаппай локализацияланған жылу ағындарын тудырады; көлемді кремний субстраттары қосылыс аймағының қызып кетуін және термиялық ағып кетуді болдырмау үшін жылуды сыртқа таратып, тікелей жылу қабылдағыш ретінде әрекет етеді.

II. Жартылай өткізгіш эпитаксиалды өсу дегеніміз не? (Өнімділікке негізделген белсенді деңгей)

[Осы бөлімнің негізгі қорытындысы]: Эпитаксиалды қабат - «чиптің жұмысының жаны». CVD/MOCVD ауқымды өнеркәсіптік өндірісті басқарады, ал MBE (молекулярлық сәуле эпитаксисі) атом деңгейіндегі дәлдікпен ультра тік интерфейстерге мүмкіндік береді. Эпитаксиалды технологиясыз 5G миллиметрлік толқынды радар мен жоғары вольтты MOSFET-тің ультра төмен қарсылығы мүмкін емес еді.

Субстрат тұрақты негізді қамтамасыз еткенімен, жаппай өсірілген монокристалдарда сөзсіз микро ақаулар, табиғи қоспалар және бекітілген электрлік сипаттамалар болады. Өндірушілер ультра жоғары жылдамдықты, жоғары тиімді құрылғыларды жасау үшін эпитаксияны қабылдады - мақсатты субстратқа өте таза, жұқа кристалды қабаттардың бақыланатын тұндыру.

Эпитаксиалды процесс кезінде бу немесе молекулалық сәулелердің атомдары қыздырылған субстрат бетіне орналасады және олардың астындағы кристалдық тормен тамаша үйлеседі. Алынған эпитаксиалды вафли өте жоғары кристалдық тазалықты көрсетеді, ақау тығыздығы көлемді субстратқа қарағанда бірнеше рет төмен.

2.1 Негізгі эпитаксиалды тұндыру технологиялары мен жабдықтары

Қазіргі заманғы эпитаксиалды өсу, ең алдымен, келесі озық әдістер арқылы қол жеткізіледі:

• Химиялық буларды тұндыру (CVD / MOCVD): Газ тәрізді прекурсорлар қыздырылған пластинаның бетінде біркелкі монокристалды қабат түзу үшін ыдырайды. Олардың ішінде металл-органикалық химиялық буларды тұндыру (MOCVD) III-V қосылыстардың және кең диапазонды жартылай өткізгіштердің эпитаксиалды өсуіне арналған салалық стандарт болып табылады.

• Молекулярлық сәуле эпитаксисі (MBE): Өте жоғары вакуумды (UHV) ортада жүргізілетін бұл процесс дәл термиялық сәулені субстратқа бағыттау арқылы бір атомды қабат дәлдігіне қол жеткізеді, нәтижесінде өте тік интерфейс градиенттері пайда болады. Ол кванттық ұңғымалар сияқты өте жұқа құрылымдар үшін қолайлы.

Жоғары сапалы эпитаксиалды тұндыру процесті дәл бақылауға ғана емес, сонымен қатар процестің тұрақтылығы мен кірістілігіне тікелей әсер ететін реакция камерасының ішіндегі негізгі компоненттердің (мысалы, SiC қапталған графит субстраттарының) қызмет ету мерзімін басқаруға да негізделеді.

2.2 Epitaxial технологиясы арқылы қосылған қосымша қолданбалар

Эпитаксия тек жаппай материалдармен қол жеткізуге болмайтын құрылғы архитектурасына мүмкіндік береді:

• Кремний-германий гетероидациялық биполярлы транзистор (SiGe HBT): Негізгі аймақта ультра жұқа SiGe эпитаксиалды қабатын өсіру жоғары жиілікті жауап жылдамдығын айтарлықтай арттыра отырып, жолақ аралық ығысуын жасайды.
• Штаммды кремний технологиясы: SiGe торына жұқа кремний қабатын қою созылу немесе қысу деформациясын индукциялайды, осылайша тасымалдаушының қозғалғыштығын арттырады (n-FET-де электрондардың қозғалғыштығы да, p-FET-дегі тесіктердің қозғалғыштығы да жақсарады).
• Селективті эпитаксиалды өсу (SEG): Заманауи FinFET және Gate-All-Around (GAA) архитектураларында көз/ағызу аймақтарындағы таңдамалы Si/SiGe эпитаксиалды өсімі контактіге төзімділікті төмендетеді және қанықтыру тогын арттырады.

Жартылай өткізгішті эпитаксистік процесті анықтау үшін мынаны қараңыз:Жартылай өткізгіш эпитаксиялық процесс дегеніміз не?

III. Субстрат және эпитаксиалды пластиналар: негізгі айырмашылықтарға шолу

[Осы бөлімнің негізгі қорытындысы]: Екеуін ажыратудың ең тікелей жолы олардың «функционалдық рөлдерін» зерттеу болып табылады — субстрат физикалық және жылулық соққыларға төтеп беруге жауапты, ал эпитаксиалды қабат ток пен электр өрістеріне төтеп беруге жауапты. Белсенді аймақты ақауға бейім аймақтан ажырату арқылы эпитаксиалды пластиналар тікелей субстратта жасалған құрылғыларға қарағанда бір реттен төмен ағып кету тогының деңгейіне жетеді.

Көрнекі салыстыру үшін төмендегі кестеде негізгі өндірістік параметрлер бойынша көлемді субстраттар мен эпитаксиалды пластиналар арасындағы негізгі айырмашылықтар жинақталған:

IV. Техникалық жетілу: эпитаксия құрылғының өнімділігін қалай түбегейлі арттырады?

[Осы бөлімнің негізгі қорытындысы]: Табиғи микро ақаулар мен көлемді субстраттардағы термиялық кернеу нүктелері құрылғыларда жоғары ағып кету тогын және төмен бұзылу кернеуін тудыратын «жасырын өлтірушілер» болып табылады. Эпитаксиалды технологияның мәні «ақаулы механикалық субстратты» «ақаусыз белсенді функционалды қабаттан» ажырату, осылайша таза эпитаксиалды қабат ішінде тасымалдаушы тасымалдауды оқшаулау болып табылады. Бұл ажырату дизайны жоғары жұмыс жиіліктеріне, аз қуат тұтынуына және құрылғының ұзақ қызмет ету мерзіміне тікелей әкеледі — тек жаппай негіздерді пайдалану арқылы ешқашан қол жеткізуге болмайтын сапалы секіріс.

Эпитаксиалды технологияны енгізу жай ғана «пленка қабатын қосу» емес, құрылғының сенімділігі мен электрлік өнімділігінде сапалы секіріс болып табылады.

Ең жоғары химиялық тазалықтың өзінде стандартты көлемді субстраттар сөзсіз микрокеуектілікті, оттегі тұнбаларын және кристалды тарту процесінде қалған термиялық кернеу нүктелерін қамтиды. Тікелей көлемді негіздерде құрылғыларды жасау көбінесе ағып кетудің жоғары тогы мен төмен бұзылу кернеуіне төзімділікке әкеледі.

Керісінше, эпитаксиалды пластиналар таза, ақаусыз эпитаксиалды қабатта тасымалдаушыны оқшаулайды. Белсенді функционалды аймақты ақауға бейім механикалық субстраттан ажырату арқылы өндірушілер мыналарға қол жеткізе алады:

• Жоғары жұмыс жиіліктері (төмендетілген паразиттік сыйымдылық);
• Төмен қуат тұтыну (төменгі ағып кету);
• Құрылғының ұзақ қызмет ету мерзімі және экстремалды электротермиялық кернеу кезінде ерекше тұрақтылық.

Мысалы, қуатты жартылай өткізгіштер саласында SiC біртекті эпитаксиалды қабатының сапасы MOSFET құрылғыларының бұзылу кернеуінің рейтингін және кедергісін тікелей анықтайды - SiC негізгі субстраттары өздігінен қол жеткізе алмайтын нәрсе.

V. Инженерлер үшін ең маңызды техникалық мәселелер (ЖҚС)

(Келесі сұрақтар нақты эпитаксиалды өсу процестері кезінде жартылай өткізгіштерді өндіру желісінің технологиялық инженерлері кездесетін жалпы техникалық қиындықтардан алынған)

1-сұрақ: Бөлшектер эпитаксиальды өсу кезінде кенеттен көбейсе, камераның ағып кетуінен басқа, басқа қандай оңай елеусіз аймақтарды зерттеу керек?

A: Бұл вафельді кәдімгі жүгіру кезінде инженерлер кездесетін ең қиын күтпеген жағдайлардың бірі. Камераның ауа өткізбейтіндігін растағаннан кейін біз үш «жасырын бұрышты» зерттеуге басымдық беруді ұсынамыз:

1. Графит қабылдағыштың бетінің жай-күйі: SiC жабынындағы микрожарықтар немесе пиллинг аймақтары жоғары температурада бөлшектерді шығаруы мүмкін. Егер қабылдағыш 1000-нан астам рет пайдаланылса, оны сынақ үшін дереу ауыстыруды ұсынамыз — көптеген бөлшектер мәселесі қабылдағышты жабыны бұзылмағанымен ауыстырғаннан кейін жойылады.

2. Газ құбырын ауыстыру кезіндегі қысымның өтпелі процестері: MOCVD жүйелерінде бастапқы газды ауыстыру сәтіндегі қысымның ауытқуы қосымша өнімдердің құбырлардың ішкі қабырғаларынан ажырап кетуіне әкелуі мүмкін. Қысымның асып кетуін растау үшін автоматты қысым реттегішінің (APC) жауап қисығын тексеруді ұсынамыз.

3. Субстраттың артқы жағындағы ластаушы заттар: камераға кірмес бұрын оның артқы жағында ұсақ шаң немесе органикалық қалдық болса, ол жоғары температурада алдыңғы жағындағы эпитаксиалды қабатқа «көшіп кетуі» мүмкін — бұл ең жиі ескерілмейтін мәселе.

Бөлшектердің ақаулықтарын жою негізінен «жою» процесі болып табылады: ең жиі ауыстырылатын шығын материалдарынан бастаңыз және мәселені камераның тереңірек бөліктеріне қарай кезең-кезеңімен қадағалаңыз.

2-сұрақ: SiC эпитаксисінде қадамдық өсу үшін процесс терезесі қаншалықты тар? Температура мен қысымның ауытқуына қандай рұқсаттар бар?

A: Бұл сұрақ SiC эпитаксистік процесінің өзегін қозғайды — сатылы ағынның өсуі өте тар терезеде бір мезгілде үш шартты орындауды талап етеді: беттің жеткілікті қозғалғыштығы, қадам шетіндегі тиісті ядролық кедергі және үш өлшемді аралдың өсуін басу.

Жаппай өндіріс желілерінің практикалық деректеріне негізделген:

• Температура терезесі: Әдетте 1550°C және 1650°C аралығында, тиімді терезесі шамамен ±15°C. Температура тым төмен болса, беттің кедір-бұдыры (ТБК) күрт нашарлайды; температура тым жоғары болса, 3C-SiC полиморфты қосындылар пайда болады.
• Қысым терезесі: Әдетте 50 мен 200 мбар арасында басқарылады, тиімді терезесі шамамен ±20 мбар. Шамадан тыс қысым → беттік көші-қон ұзындығының қысқаруы және сатылы коалесценция; қысымның жеткіліксіздігі → будың асқын қанығуының төмендеуі және өсу қарқынының айтарлықтай төмендеуі.

Практикалық инженерлік қолданбаларда технологиялық инженерлердің көпшілігі алдымен температураны түзетіп, содан кейін терезені табу үшін қысымды дәл баптауды жөн көреді — өйткені камера қысымның өзгеруіне тезірек жауап береді, бұл оны жылдам DOE (эксперимент дизайны) сканерлеуіне қолайлы етеді.

3-сұрақ: MOCVD жабдығындағы графит қабылдағышты ауыстыру циклі қалай анықталады? Бұл жүгіру санына немесе визуалды тексеруге негізделген бе?

A: Бұл мәселе процестің кірістілігі мен өндіріс шығындары арасындағы тепе-теңдікке тікелей қатысты және өндірістік желі инженерлері үшін де, сатып алу бойынша шешім қабылдаушылар үшін де басты назар болып табылады.

Салалық стандартты тәжірибе – бұл «топтаманың қызмет ету мерзімі» мен «визуалды тексеруді» біріктіретін екі жолды тәсіл:

• Пакеттің қызмет ету мерзімі: Жабдықтаушылар ұсынылған қызмет ету мерзімін қамтамасыз етеді (мысалы, VETEK компаниясының SiC-жабылған сенсорлары Aixtron сериялары үшін ұсынылады), жабынның термиялық циклдік шаршауына негізделген жылдам қартаю сынақтарынан алынған. Көрініс қалыпты болса да, кенеттен істен шығу қаупін азайту үшін осы партия санына жеткенге дейін сенсорды жоспарланғандай ауыстыру ұсынылады.

• Көрнекі тексеру: Өңдеудің әрбір партиясынан кейін SiC жабынының бетін визуалды түрде тексеріңіз немесе оны микроскоп астында тексеріңіз. Төмендегі «қызыл жалаулардың» кез келгені пайда болса, ауыстыруды дереу орындау керек — ұсынылған қызмет мерзімінің аяқталуын күтпеңіз: 

①Көрінетін қабыршақтану немесе жабынның жарылуы; 

② Бетіндегі диаметрі >1 мм түссіз патчтар (жабынның зақымдалуын және графит негізінің тотығуын көрсетеді); 

③ Ауа ағынының таралу факторлары жоққа шығарылған жағдайда эпитаксиалды қабаттағы қалыңдықтың қайталанатын локализацияланған ауытқулары.

Кеңінен расталған инженерлік тәжірибе жеткізуші ұсынған қызмет ету мерзімінің 80%-ына ауыстыру циклін орнату болып табылады, сонымен бірге әр топтаманың сыртқы түрін суретке түсіру және мұрағаттау арқылы субстраттың қызмет ету мерзімінің дерекқорын құру — бұл тәсіл мерзімінен бұрын сынықтарды (қалдықтарды тудыратын) және соңғы пешке дейін құмар ойындарды болдырмайды, бұл қалдықтардың жойылуына әкелуі мүмкін.

4-сұрақ: Эпитаксиалды пластинаның иілісі немесе иілісі спецификациядан асып кетсе, бұл ең алдымен субстратқа немесе эпитаксиалды процеске байланысты ма?

Ж: Бұл кірістілікті талдау жиналыстары кезінде инженерлер арасында ең қызу талқыланатын «жауапкершілікті жатқызу» мәселесі. Жауап: екеуі де үлес қосады, бірақ салыстырмалы салмақ материалдық жүйеге байланысты өзгереді:

Бұрылыс мәселелеріне арналған прагматикалық ақаулықтарды жою реті: Алдымен, субстраттың кіріс деформация деректерін тексеріңіз (жеткізуші Cpk есебі) → Содан кейін, эпитаксиалды пештің температураның біркелкілігін тексеріңіз (термопара калибрлеу) → Соңында, процесс рецептін реттеңіз.

VI. Қорытынды және таңдау бойынша ұсыныстар

Қорытындылай келе, субстрат «қаңқа және жылу қабылдағыш» қызметін атқарады, ал эпитаксиалды қабат «ми мен бұлшықеттер» ретінде әрекет етеді. Екеуі де таптырмас:

Егер сіз шығынды қажет ететін стандартты логикалық чиптерге немесе қарапайым дискретті құрылғыларға назар аударсаңыз, қажеттіліктеріңізді қанағаттандыру үшін жоғары сапалы, үлкен өлшемді кремний субстраттары жеткілікті.

Қолданбаңыз жоғары жиілікті байланыстарды, жоғары вольтты қуатты түрлендіруді немесе жоғары сезімталдықты фотоанықтауды қамтыса, дәл эпитаксиалды процестерді қолданып жасалған пластиналар сіздің ең жақсы таңдауыңыз болады.

Үздіксіз «жылдамырақ, кішірек және тиімдірек» шешімдерді іздейтін бүгінгі жартылай өткізгіштерді өндіру өнеркәсібінде эпитаксиалды технология Мур заңының физикалық шектерін бұзудың негізгі құралы болды.

Жобаңызға арнайы эпитаксиалды пластиналар қажет пе немесе субстратты таңдаудың нақты нұсқалары туралы білгіңіз келе ме?

[БасуМұндабізбен байланысу үшін] немесе [+86-18069220752] телефонына қоңырау шалыңыз, біздің технологиялық инженерлер сізге кәсіби техникалық қолдау көрсетеді.