Substrato versus epitaxia: os dois pilares da fabricação de wafer de semicondutores
May 28, 2025
I. Definições fundamentais do substrato e da epitaxia
SubstratoeEpitaxiasão dois conceitos fundamentalmente distintos, mas intimamente interligados, na fabricação de wafers de semicondutores.
Substrato:
Um substrato é tipicamente um material cristalino único de alta pureza e qualidade que serve como "base" para todos os processos de semicondutores subsequentes.Ele fornece não só o apoio mecânico, mas também um modelo de rede bem ordenado essencial para a fabricação do dispositivo.
Os materiais comuns incluem:Silício (Si), Carbono de Silício (SiC), Safira (Al2O3), Arseneto de Gállio (GaAs), etc.
Epitaxia:
A epitaxia refere-se ao crescimento controlado de uma nova película monocristalina de alta qualidade na superfície de um substrato.camada epitaxial.
A camada epitaxial pode ser do mesmo material que o substrato (homoepitaxia) ou de um material diferente (Heteroepitaxia)).
II. Relação no processo de fabrico de wafer
Etapa 1: Preparação do substrato
As bolinhas de cristal único de alta pureza são produzidas usando métodos como o processo de Czochralski ou a técnica de zona flutuante.As bolhas estão prontas para utilização como substratos..
Etapa 2: Crescimento epitaxial
Uma camada de cristal único de alta qualidade é cultivada na superfície do substrato. A camada epitaxial tem frequentemente uma pureza mais elevada, concentração dopante controlada, espessura definida com precisão,e menos defeitos estruturais para satisfazer os requisitos específicos de concepção do dispositivo.
III. O que é um substrato?
Função 1: Apoio mecânico
O substrato serve de plataforma para todos os processos e dispositivos subsequentes e deve possuir uma resistência mecânica e estabilidade dimensional adequadas.
Função 2: Modelo de rede
A estrutura de rede cristalina do substrato determina a qualidade cristalina da camada epitaxial, o que por sua vez afeta diretamente o desempenho do dispositivo.
Função 3: Fundamento elétrico
As propriedades elétricas intrínsecas do material do substrato influenciam as características fundamentais do chip, como a condutividade e a resistividade.
Exemplo:
Uma bolacha de silício de cristal único de 6 polegadas serve como ponto de partida na maioria das fábricas de semicondutores.
IV. O que é a epitaxia? Princípios e métodos de preparação
Princípio de crescimento epitaxial:
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.
Técnicas comuns de crescimento epitaxial:
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Epitaxia na fase de vapor (VPE):Os precursores gasosos são introduzidos numa câmara de reação a alta temperatura, onde se depositam e cristalizam na superfície do substrato.A epitaxia do silício geralmente usa tetracloreto de silício ou triclorocilano como fontes de gás.- Não.
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Epitaxia na fase líquida (LPE):Os materiais são depositados e cristalizados em forma líquida no substrato, principalmente para semicondutores compostos.
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Epitaxia de feixe molecular (MBE):Um método de alta precisão realizado sob ultra-alto vácuo, ideal para a fabricação de estruturas quânticas avançadas e superrede.
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Deposição química de vapores metálicos-orgânicos (MOCVD):Especialmente adequado para semicondutores III-V, tais como GaN e GaAs.
Funções do Epitaxy:
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Melhoria da pureza e da planície da superfície:Mesmo um substrato polido tem imperfeições microscópicas; a epitaxia cria uma camada de superfície quase impecável.
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Propriedades elétricas e estruturais personalizadas:Permite um controlo preciso do tipo de dopagem (tipo N/tipo P), concentração e espessura da camada para satisfazer requisitos funcionais específicos.
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Ativar multicamadas ou heterostructuras:É essencial para estruturas como poços quânticos múltiplos e superrede, que só são alcançáveis através do crescimento epitaxial.
V. Diferenças entre homoepitaxia e heteroepitaxia e suas aplicações
Homoepitaxia:
O substrato e a camada epitaxial são compostos pelo mesmo material (por exemplo, camada epitaxial de Si em um substrato de Si).
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Vantagens:Permite melhorar significativamente a qualidade da superfície, reduzir a densidade de defeitos e melhorar o rendimento e a consistência do dispositivo.
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Aplicações:Amplamente utilizado em dispositivos de energia e circuitos integrados.
Heteroepitaxia:
O substrato e a camada epitaxial são de materiais diferentes (por exemplo, a camada epitaxial GaN no substrato de safira).
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Vantagens:Combina propriedades desejáveis de diferentes materiais para alcançar um desempenho elétrico e óptico superior, ignorando as limitações dos sistemas de um único material.
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Desvantagens:O desajuste da malha e as diferenças no coeficiente de expansão térmica levam frequentemente a tensões, deslocamentos e outros defeitos que exigem camadas tampão ou otimizações estruturais.
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Aplicações:É comum em LEDs, lasers, transistores de alta frequência.
VI. O papel crítico da epitaxia nos semicondutores de terceira geração
Nos semicondutores de terceira geração (por exemplo, SiC, GaN), quase todos os dispositivos avançados de energia e optoeletrônicos dependem de camadas epitaxiais.
Exemplo ¢ Dispositivos SiC:
Os parâmetros principais, tais como a tensão de ruptura e a resistência de ligação, são determinados pela espessura e concentração de dopagem da camada epitaxial.O substrato SiC fornece suporte mecânico e um modelo de rede, mas a camada epitaxial define o desempenho real do dispositivo.
Quanto mais espessa e livre de defeitos for a camada epitaxial, maior a tensão de ruptura e melhor o desempenho.
Por conseguinte, na indústria de semicondutores de banda larga, a tecnologia de crescimento epitaxial define diretamente o limite máximo de desempenho dos dispositivos finais.
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