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Couches et substrats épitaxiaux de silicium dans la fabrication de semi-conducteurs

2024-05-07

Substrat

Dans le processus de fabrication des semi-conducteurs, les couches épitaxiales et les substrats de silicium sont deux composants fondamentaux qui jouent un rôle crucial.Le substrat, principalement constitué de silicium monocristallin, sert de base à la fabrication de puces semi-conductrices. Il peut entrer directement dans le flux de fabrication des tranches pour produire des dispositifs semi-conducteurs ou être traité ultérieurement par des techniques épitaxiales pour créer une tranche épitaxiale. En tant que « base » fondamentale des structures semi-conductrices,le substratassure l’intégrité structurelle, empêchant toute fracture ou dommage. De plus, les substrats possèdent des propriétés électriques, optiques et mécaniques distinctes, essentielles aux performances des semi-conducteurs.

Si les circuits intégrés sont comparés à des gratte-ciel, alorsle substratest sans aucun doute la base stable. Pour assurer son rôle de soutien, ces matériaux doivent présenter un degré élevé d’uniformité dans leur structure cristalline, semblable au silicium monocristallin de haute pureté. La pureté et la perfection sont fondamentales pour établir une base solide. Ce n'est qu'avec une base solide et fiable que les structures supérieures peuvent être stables et impeccables. Autrement dit, sans unsubstrat, il est impossible de construire des dispositifs semi-conducteurs stables et performants.

Épitaxie

Épitaxiefait référence au processus de croissance précise d’une nouvelle couche monocristalline sur un substrat monocristallin méticuleusement découpé et poli. Cette nouvelle couche peut être du même matériau que le substrat (épitaxie homogène) ou différent (épitaxie hétérogène). Étant donné que la nouvelle couche cristalline suit strictement l’extension de la phase cristalline du substrat, elle est appelée couche épitaxiale, généralement maintenue à une épaisseur de l’ordre du micromètre. Par exemple, en siliciumépitaxie, la croissance se produit selon une orientation cristallographique spécifique d'unsubstrat monocristallin de silicium, formant une nouvelle couche cristalline dont l'orientation est constante mais dont la résistivité électrique et l'épaisseur varient, et possède une structure de réseau impeccable. Le substrat qui a subi une croissance épitaxiale est appelé plaquette épitaxiale, la couche épitaxiale étant la valeur fondamentale autour de laquelle tourne la fabrication du dispositif.

La valeur d’une plaquette épitaxiale réside dans son ingénieuse combinaison de matériaux. Par exemple, en faisant pousser une fine couche deÉpitaxie GaNà un prix moins cherplaquette de silicium, il est possible d'obtenir les caractéristiques à large bande interdite hautes performances des semi-conducteurs de troisième génération à un coût relativement inférieur en utilisant des matériaux semi-conducteurs de première génération comme substrat. Cependant, les structures épitaxiales hétérogènes présentent également des défis tels qu'une disparité de réseau, une incohérence des coefficients thermiques et une mauvaise conductivité thermique, semblables à la mise en place d'un échafaudage sur une base en plastique. Différents matériaux se dilatent et se contractent à des rythmes différents lorsque les températures changent, et la conductivité thermique du silicium n'est pas idéale.



Homogèneépitaxie, qui fait croître une couche épitaxiale du même matériau que le substrat, est important pour améliorer la stabilité et la fiabilité du produit. Bien que les matériaux soient les mêmes, le traitement épitaxial améliore considérablement la pureté et l’uniformité de la surface de la tranche par rapport aux tranches polies mécaniquement. La surface épitaxiale est plus lisse et plus propre, avec des micro-défauts et des impuretés considérablement réduits, une résistivité électrique plus uniforme et un contrôle plus précis des particules de surface, des défauts de couche et des dislocations. Ainsi,épitaxieoptimise non seulement les performances du produit, mais garantit également la stabilité et la fiabilité du produit.**



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