Substratas prieš epitaksiją: pagrindiniai vaidmenys puslaidininkių gamyboje

Įvadas: du šiuolaikinių lustų ramsčiai

Norėdami iš tikrųjų suprasti, kaip pažangus lustas pasiekia didelės spartos skaičiavimus ir didelės galios išvestį, turime įsigilinti į du pagrindinius jo fizinės struktūros ramsčius – puslaidininkinį substratą ir epitaksinį augimo procesą.

Paprasčiau tariant, substratas suteikia „pagrindą“ mechaninei atramai ir šilumos išsklaidymui, o epitaksinis sluoksnis yra „aktyvus funkcinis sluoksnis“, kruopščiai pastatytas ant šio „pagrindo“. Nors šie du terminai skiriasi tik vienu simboliu, jie turi esminių medžiagų struktūros, gamybos procesų ir funkcinių vaidmenų skirtumų. Šiame straipsnyje bus sistemingai apibūdinti jų techniniai skirtumai, pagrindiniai parametrai ir lemiamas poveikis galutinio įrenginio veikimui.

I. Kas yra puslaidininkinis substratas?  

[Pagrindinė šio skyriaus išvada]: puslaidininkinis substratas tarnauja kaip įrenginio „skeletas“ ir „šilumos kriaukle“. Didelio grynumo vienakristalinis silicis (Si) dominuoja vartotojų rinkoje, o silicio karbidas (SiC), kurio šilumos laidumas yra 4,9 W/cm·K, tapo nepakeičiamu pasirinkimu elektra varomoms transporto priemonėms ir aukštos įtampos reikmėms.

Puslaidininkiniai substratai sudaro beveik visų puslaidininkinių įtaisų konstrukcinį ir šiluminį pagrindą. Žvelgiant iš mechaninės perspektyvos, jie tarnauja kaip fizinė platforma, palaikanti mikro ir nanostruktūras; dar svarbiau, kad jie suteikia ištisinį kristalinės gardelės šabloną, kuris lemia vėliau nusodintų sluoksnių kristalų orientaciją ir struktūrinį vientisumą.

Priklausomai nuo naudojimo reikalavimų, pagrindo medžiagos gali būti vienakristalinės, polikristalinės ar net amorfinės; tačiau didelio našumo elektroniniai prietaisai beveik visiškai priklauso nuo didelio grynumo vieno kristalo luitų, kad būtų sumažintos grūdelių ribos ir defektai, trukdantys nešiklio mobilumui.

1.1 Pagrindiniai substratų tipai ir jų medžiagų savybės

Didelio dydžio substratų pasirinkimas tiesiogiai veikia įrenginio veikimą, gamybos išeigą ir sąnaudų struktūrą. Pramonė pirmiausia naudoja tris pagrindinius substratų tipus:

• Silicio substratai: Vienkristalinis silicis (Si), išaugintas Czochralski (CZ) arba plūduriuojančios zonos (FZ) metodais, iki šiol išlieka absoliučiu pagrindiniu pasaulinės puslaidininkių pramonės srautu. Jo pranašumai yra išskirtinis ekonomiškumas, didelis mechaninis stiprumas ir mastelio keitimas iki 300 mm (12 colių). Jis plačiai naudojamas vartotojų klasės procesoriuose, atminties įrenginiuose ir standartiniuose saulės elementuose.
• Plataus diapazono substratai (silicio karbidas ir safyras): Kai galios ir dažnio reikalavimai viršija fizines silicio ribas, plačios juostos medžiagos tampa neišvengiamu pasirinkimu.
• Silicio karbidas (SiC): Dėl išskirtinio šilumos laidumo (maždaug 3,7–4,9 W/cm·K[1]) ir didelio gedimo elektrinio lauko stiprumo jis yra idealus pasirinkimas elektromobilių (EV) keitikliams ir aukštos įtampos elektros tinklams.
• Safyras (Al₂O3): Dėl puikių optinio skaidrumo ir dielektrinės izoliacijos savybių jis plačiai naudojamas mėlynuose / ultravioletiniuose šviesos dioduose ir specializuotose RF SOI programose.
• Kvarcinis substratas: Dėl itin didelio cheminio inertiškumo, itin mažo šiluminio plėtimosi koeficiento ir didelio optinio grynumo jis pirmiausia naudojamas aukščiausios klasės optiniuose komponentuose, kaukių ruošiniuose ir specializuotoje jutiklių įrangoje.

1.2 Dvi pagrindinės substratų funkcijos: atrama ir šilumos išsklaidymas

Faktinio įrenginio veikimo metu birūs substratai atlieka dvi nepakeičiamas pagrindines funkcijas:

Mechaninė parama: Užtikrina struktūrinį tvirtumą intensyvaus terminio ciklo, didelio vakuumo cheminių procesų, plokštelių tvarkymo ir galinės pakuotės metu, veiksmingai užkertant kelią plokštelių deformacijai ir lūžimui.

Šilumos laidumas (šilumos išsklaidymas): Šiuolaikinės lustai generuoja didžiulius vietinius šilumos srautus; tūriniai silicio substratai veikia kaip tiesioginiai šilumos šalintuvai, išsklaido šilumą į išorę, kad būtų išvengta jungties srities perkaitimo ir šiluminio nutekėjimo.

II. Kas yra puslaidininkinis epitaksinis augimas? (Našumu pagrįstas aktyvus sluoksnis)

[Pagrindinė šio skyriaus išvada]: epitaksinis sluoksnis yra „lusto veikimo siela“. CVD/MOCVD valdo didelio masto pramoninę gamybą, o MBE (Molecular Beam Epitaxy) leidžia itin stačias sąsajas su atominiu tikslumu. Be epitaksinės technologijos būtų neįmanomas itin mažas 5G milimetrinių bangų radaro ir aukštos įtampos MOSFET atsparumas įjungimui.

Nors substratas suteikia stabilų pagrindą, dideliais kiekiais išaugintuose pavieniuose kristaluose neišvengiamai yra mikrodefektų, natūralių priemaišų ir fiksuotų elektrinių charakteristikų. Siekdami gaminti itin sparčius, didelio efektyvumo įrenginius, gamintojai taiko epitaksiją – kontroliuojamą itin švarių, plonų kristalų sluoksnių nusodinimą ant tikslinio pagrindo.

Epitaksinio proceso metu atomai iš garų arba molekulinių pluoštų nusėda ant šildomo substrato paviršiaus ir yra puikiai suderinti su pagrindine kristaline gardele. Gauta epitaksinė plokštelė pasižymi ypač dideliu kristalų grynumu, o defekto tankis yra keliomis eilėmis mažesnis nei birių substratų.

2.1 Pagrindinės epitaksinio nusodinimo technologijos ir įranga

Šiuolaikinis epitaksinis augimas visų pirma pasiekiamas šiais pažangiais metodais:

• Cheminis nusodinimas garais (CVD / MOCVD): Dujiniai pirmtakai suyra ant įkaitintos plokštelės paviršiaus ir sudaro vienodą vieno kristalo sluoksnį. Tarp jų metalo organinis cheminis nusodinimas garais (MOCVD) yra III-V junginių ir plataus dažnių juostos puslaidininkių epitaksinio augimo pramonės standartas.

• Molekulinio pluošto epitaksija (MBE): Vykdant itin aukšto vakuumo (UHV) aplinkoje, šis procesas pasiekia vieno atomo sluoksnio tikslumą, nukreipdamas tikslų šiluminį pluoštą ant pagrindo, todėl sąsajos gradientai yra ypač staigūs. Jis tinka itin smulkioms struktūroms, tokioms kaip kvantiniai šuliniai.

Aukštos kokybės epitaksinis nusodinimas priklauso ne tik nuo tikslios proceso kontrolės, bet ir nuo pagrindinių reakcijos kameros komponentų (pvz., SiC padengtų grafito substratų) eksploatavimo trukmės valdymo, o tai tiesiogiai veikia proceso stabilumą ir išeigą.

2.2 Išplėstinės programos, įgalintos naudojant epitaksinę technologiją

Epitaxy įgalina įrenginių architektūras, kurių negalima pasiekti naudojant vien birių medžiagų:

• Silicio-germanio dvipolis tranzistorius (SiGe HBT): Auginant itin ploną SiGe epitaksinį sluoksnį ant bazinės srities, atsiranda juostos tarpo poslinkis, žymiai padidindamas aukšto dažnio atsako greitį.
• Įtempto silicio technologija: Plono silicio sluoksnio nusodinimas ant SiGe gardelės sukelia tempimo arba gniuždymo deformaciją, taip padidindamas nešiklio mobilumą (padidėja elektronų mobilumas n-FET ir skylių mobilumas p-FET).
• Selektyvus epitaksinis augimas (SEG): Šiuolaikinėse „FinFET“ ir „Gate-All-Around“ (GAA) architektūrose selektyvus Si / SiGe epitaksinis augimas šaltinio / nutekėjimo srityse sumažina kontaktinį pasipriešinimą ir padidina prisotinimo srovę.

Puslaidininkio epitaksijos proceso apibrėžimą rasite:Kas yra puslaidininkio epitaksijos procesas?

III. Substratas prieš epitaksinę plokštelę: pagrindinių skirtumų apžvalga

[Pagrindinė šio skyriaus išvada]: Tiesiausias būdas atskirti šiuos du dalykus yra ištirti jų „funkcinius vaidmenis“ - substratas yra atsakingas už fizinių ir šiluminių smūgių atlaikymą, o epitaksinis sluoksnis yra atsakingas už srovės ir elektrinių laukų atlaikymą. Atjungus aktyviąją sritį nuo į defektus linkusios srities, epitaksinės plokštelės pasiekia nuotėkio srovės lygį daugiau nei vienu laipsniu mažesnius nei prietaisai, pagaminti tiesiai ant pagrindo.

Norėdami vizualiai palyginti, toliau pateiktoje lentelėje apibendrinami pagrindiniai birių substratų ir epitaksinių plokštelių skirtumai pagal pagrindinius gamybos parametrus:

IV. Techninė pažanga: kaip „Epitaxy“ iš esmės pagerina įrenginio našumą?

[Pagrindinė šio skyriaus išvada]: Natūralūs mikrodefektai ir šiluminės įtampos taškai biriuose substratuose yra „paslėpti žudikai“, sukeliantys didelę nuotėkio srovę ir mažą gedimo įtampą įrenginiuose. Epitaksinės technologijos esmė slypi „sugedusio mechaninio substrato“ atjungime nuo „be defektų aktyvaus funkcinio sluoksnio“, tokiu būdu izoliuojant nešiklio transportavimą gryname epitaksiniame sluoksnyje. Dėl šios atjungimo konstrukcijos tiesiogiai gaunami aukštesni veikimo dažniai, mažesnės energijos sąnaudos ir ilgesnis įrenginio eksploatavimo laikas – tai kokybinis šuolis, kurio niekada nepavyks pasiekti naudojant vien masinius substratus.

Epitaksinės technologijos įdiegimas yra ne tik „plėvelės sluoksnio pridėjimas“, bet kokybinis įrenginio patikimumo ir elektrinio veikimo šuolis.

Net ir esant didžiausiam cheminiam grynumui, standartiniuose biriuose substratuose neišvengiamai yra mikroporingumo, deguonies nuosėdų ir terminio įtempio taškų, likusių po kristalų traukimo proceso. Gaminant prietaisus tiesiai ant birių pagrindų, dažnai susidaro didelė nuotėkio srovė ir maža gedimo įtampos tolerancija.

Priešingai, epitaksinės plokštelės išskiria nešiklio transportavimą gryname, be defektų epitaksiniame sluoksnyje. Atsiedami aktyviąją funkcinę sritį nuo defektų turinčio mechaninio pagrindo, gamintojai gali pasiekti:

• Aukštesni veikimo dažniai (sumažinta parazitinė talpa);
• Mažesnis energijos suvartojimas (mažesnis nuotėkis);
• Ilgesnis prietaiso tarnavimo laikas ir išskirtinis stabilumas esant dideliam elektroterminiam stresui.

Pavyzdžiui, galios puslaidininkių srityje SiC vienalyčio epitaksinio sluoksnio kokybė tiesiogiai nulemia MOSFET įrenginių gedimo įtampą ir atsparumą įjungimui – tai, ko dideli SiC substratai negali pasiekti patys.

V. Inžinieriams didžiausią susirūpinimą keliančios techninės problemos (DUK)

(Toliau pateikti klausimai kyla iš įprastų techninių iššūkių, su kuriais susiduria puslaidininkių gamybos linijos procesų inžinieriai faktinių epitaksinio augimo procesų metu)

1 klausimas: jei epitaksinio augimo metu staiga padaugėja kietųjų dalelių, išskyrus kameros nuotėkius, kokias kitas lengvai nepastebimas vietas reikėtų ištirti?

A: Tai viena iš sudėtingiausių netikėtų situacijų, su kuriomis susiduria inžinieriai įprastų plokštelių važiavimo metu. Patvirtinus, kad kamera yra sandari, rekomenduojame pirmenybę teikti trijų „paslėptų kampų“ tyrimui:

1. Grafito susceptoriaus paviršiaus būklė: SiC dangoje esantys mikroįtrūkimai arba nusilupusios vietos gali išskirti daleles esant aukštai temperatūrai. Jei susceptorius buvo naudojamas daugiau nei 1000 kartų, rekomenduojame jį nedelsiant pakeisti, kad būtų atliktas tyrimas – daugelis dalelių problemų išnyksta pakeitus susceptorių nepažeista danga.

2. Slėgio tranzitai perjungiant dujotiekį: MOCVD sistemose dėl slėgio svyravimų šaltinio dujų perjungimo momentu šalutiniai produktai gali atsiskirti nuo vamzdyno vidinių sienelių. Rekomenduojame patikrinti automatinio slėgio reguliatoriaus (APC) atsako kreivę, kad įsitikintumėte, ar nėra slėgio viršijimo.

3. Užpakalinėje pagrindo pusėje esantys teršalai: jei pagrindo galinėje pusėje prieš jam patenkant į kamerą yra smulkių dulkių arba organinių likučių, aukštoje temperatūroje jos gali „migruoti“ į priekinį epitaksinį sluoksnį – tai dažniausiai nepastebima problema.

Dalelių trikčių šalinimas iš esmės yra „pašalinimo“ procesas: pradėkite nuo dažniausiai keičiamų eksploatacinių medžiagų ir žingsnis po žingsnio atsekite problemą link gilesnių kameros dalių.

2 klausimas. Ar siauras yra SiC epitaksijos proceso langas laipsniško srauto augimui? Kokie yra temperatūros ir slėgio nuokrypių nuokrypiai?

A: Šis klausimas liečia SiC epitaksijos proceso esmę – norint, kad laipsniškas srautas augtų labai siaurame lange, vienu metu būtų tenkinamos trys sąlygos: pakankamas paviršiaus mobilumas, atitinkama branduolio susidarymo kliūtis pakopos krašte ir trimatės salos augimo slopinimas.

Remiantis praktiniais duomenimis iš masinės gamybos linijų:

• Temperatūros langas: Paprastai nuo 1550°C iki 1650°C, o efektyvus langas yra maždaug ±15°C. Jei temperatūra per žema, paviršiaus šiurkštumas (RMS) smarkiai pablogėja; jei temperatūra per aukšta, atsiranda 3C-SiC polimorfiniai intarpai.
• Slėgio langas: Paprastai valdoma nuo 50 iki 200 mbar, o efektyvus langas yra maždaug ±20 mbar. Per didelis slėgis → sumažėjęs paviršiaus migracijos ilgis ir žingsninis susiliejimas; nepakankamas slėgis → sumažėjęs garų persotinimas ir reikšmingas augimo greičio sumažėjimas.

Praktinėse inžinerijos srityse dauguma procesų inžinierių nori pirmiausia nustatyti temperatūrą, o tada tiksliai sureguliuoti slėgį, kad surastų langą, nes kamera greičiau reaguoja į slėgio pokyčius, todėl ji tinkama greitam DOE (eksperimentų planavimo) nuskaitymui.

3 klausimas: kaip nustatomas MOCVD įrangos grafito susceptoriaus pakeitimo ciklas? Ar tai pagrįsta važiavimų skaičiumi ar vizualine apžiūra?

A: Ši problema yra tiesiogiai susijusi su pusiausvyra tarp proceso derliaus ir gamybos sąnaudų ir yra pagrindinis dėmesys tiek gamybos linijų inžinieriams, tiek pirkimų sprendimus priimantiems asmenims.

Pramonėje taikoma standartinė praktika – tai dviejų krypčių metodas, apimantis „partijos gyvavimo trukmę“ ir „vizualią patikrą“:

• Partijos tarnavimo laikas: Tiekėjai pateikia rekomenduojamą eksploatavimo trukmę (pvz., VETEK SiC padengtus susceptorius rekomenduojama naudoti Aixtron serijoms), gautą iš pagreitinto senėjimo bandymų, pagrįstų dangos terminiu cikliniu nuovargiu. Net jei išvaizda yra normali, prieš pasiekiant šį partijų skaičių rekomenduojama pakeisti susceptorių pagal grafiką, kad būtų sumažinta staigaus gedimo rizika.

• Vizuali apžiūra: Po kiekvienos apdorojimo partijos vizualiai apžiūrėkite SiC dangos paviršių arba apžiūrėkite jį mikroskopu. Jei pasirodo bet kuri iš šių „raudonų vėliavėlių“, pakeitimas turi būti atliktas nedelsiant – nelaukite, kol pasibaigs rekomenduojamas naudojimo laikas: 

① Matomas dangos lupimasis arba įtrūkimai; 

② Pakitusios spalvos dėmės, kurių skersmuo >1 mm ant paviršiaus (rodo dangos pažeidimą ir grafito pagrindo oksidaciją); 

③ Pasikartojantys lokalizuoti epitaksinio sluoksnio storio svyravimai, jei buvo atmesti oro srauto pasiskirstymo veiksniai.

Plačiai patvirtinta inžinerinė praktika yra nustatyti 80 % tiekėjo rekomenduojamos eksploatavimo trukmės pakeitimo ciklą, tuo pat metu sukuriant substrato eksploatavimo trukmės duomenų bazę, fotografuojant ir archyvuojant kiekvienos partijos išvaizdą – tokiu būdu išvengiama tiek ankstyvo išmetimo (dėl kurio atsiranda atliekų) ir azartinių lošimų iki pat paskutinės krosnies, o tai gali baigtis visos partijos laužu.

4 klausimas: kai epitaksinės plokštelės lankelis ar metmenys viršija specifikacijas, ar tai pirmiausia lemia substratas ar epitaksinis procesas?

A: Tai karščiausiai diskutuojama „atsakomybės priskyrimo“ problema tarp inžinierių per pajamingumo analizės susitikimus. Atsakymas yra toks: abu prisideda, tačiau santykinis svoris skiriasi priklausomai nuo medžiagų sistemos:

Pragmatiška trikčių šalinimo seka deformacijos problemoms spręsti: Pirmiausia patikrinkite gaunamus substrato deformacijos duomenis (tiekėjo Cpk ataskaita) → Tada patikrinkite epitaksinės krosnies temperatūros vienodumą (termoporos kalibravimas) → Galiausiai sureguliuokite proceso receptą.

VI. Santrauka ir atrankos rekomendacijos

Apibendrinant galima pasakyti, kad substratas tarnauja kaip „skeletas ir šilumos kriauklė“, o epitaksinis sluoksnis veikia kaip „smegenys ir raumenys“. Abu yra būtini:

Jei orientuojatės į sąnaudoms jautrius standartinius loginius lustus arba paprastus atskirus įrenginius, jūsų poreikiams patenkinti pakanka aukštos kokybės, didelio dydžio silicio substratų.

Jei jūsų programa apima aukšto dažnio ryšį, aukštos įtampos galios konvertavimą arba didelio jautrumo fotodetekciją, geriausias pasirinkimas yra plokštelės, pagamintos naudojant tikslius epitaksinius procesus.

Šiandieninėje puslaidininkių gamybos pramonėje, kuri nuolat ieško „greitesnių, mažesnių ir efektyvesnių“ sprendimų, epitaksinė technologija tapo pagrindine priemone, leidžiančia peržengti fizines Moore'o dėsnio ribas.

Reikia pasirinktinių epitaksinių plokštelių savo projektui arba norite sužinoti apie konkrečias substrato pasirinkimo galimybes?

[Spustelėkitečiasusisiekite su mumis] arba skambinkite [+86-18069220752], o mūsų procesų inžinieriai suteiks jums profesionalią techninę pagalbą.