1、衬底和外延片的定义与基本概念
A. 衬底的定义
1. 衬底的理学与化学性质
衬底，或叫作基片（substrate），指的是在半导体器件制造过程中用来支持其他材料或结构的底层材料。衬底的理学性质包含其晶体结构、机械强度、热导率、膨胀系数等，而化学性质则涵盖其纯度、表面化学稳定性、化学反应活性等。平常的衬底材料如硅（Si）、砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）等，因其优越的理学与化学性质而被广泛应用。
2. 衬底的功效与功能
在半导体制造中，衬底起到至关重要的支撑功效。首要，衬底为后续的材料沉积和器件制作供给了一个平整且稳定的基本，其次，衬底材料的选取直接影响器件的性能和制导致本。另外，衬底还需具备良好的机械强度和热导率，以支持器件在高功率和高温要求下稳定运行。
B. 外延片的定义
1. 外延片的形成机制
外延片（epitaxial wafer）是经过外延生长技术在衬底表面沉积一层拥有特定晶体取向和化学成份的薄膜形成的。这一过程一般在高真空或特定化学环境中进行，以保证外延层的纯净和高质量。分子束外延（MBE）、化学气相沉积（CVD）和液相外延（LPE）是三种重点的外延技术。
2. 外延片的理学与化学性质
外延片的理学性质包含其厚度、表面粗糙度、晶体完美度等；化学性质则触及其纯度、掺杂浓度和均匀性等。外延层的高质量晶体结构和可控的掺杂特性，使其在高性能半导体器件制造中具备不可替代的优良。
C. 衬底与外延片的基本区别
1. 制造工艺的区别
衬底的制造重点经过晶体生长、切片和抛光等过程完成，而外延片则是在衬底上进一步经过外延技术沉积外延层。因此呢，衬底的制造工艺重点集中在大尺寸单晶材料的制备和处理，而外延片的制造则更强调外延层的精确掌控和质量保准。
2. 结构与构成的区别
结构上，衬底一般是单一材料的整体，而外延片则是由于衬底和外延层两部分构成，且外延层的晶体取向和化学成份能够与衬底区别。功能上，衬底重点供给机械支撑和热管理，而外延层则是实现特定电子、光学性能的关键区域。
2、衬底的制作过程
A. 材料选取
1. 平常衬底材料
硅（Si）：做为最常用的衬底材料，硅具备良好的机械强度、导热性和成本效益。 砷化镓（GaAs）：用于高频和光电子器件，因其优越的电子迁移率和直接带隙性质。 碳化硅（SiC）：适用于高功率和高温应用，因其高热导率和宽禁带特性。
2. 材料选取的标准与考量
选取衬底材料时需综合思虑其机械性质（如硬度、韧性）、热学性质（如导热性、膨胀系数）、电学性质（如电阻率、介电常数）以及其成本和供应链稳定性。
B. 制造工艺
1. 衬底制造的重点过程
晶体生长：经过直拉法（Czochralski）或浮区法（Float Zone）生长出大尺寸单晶。 切片：将单晶棒切成薄片。 抛光：对切片表面进行抛光处理，保证其平整和光滑。
2. 切片与抛光技术
切片过程中运用精细的金刚石锯片进行切割，以得到均匀厚度的衬底片。抛光过程中，采用多过程机械和化学抛光技术，最后得到镜面般光洁的衬底表面。
C. 质量掌控
1. 衬底质量的检测与评估标准
表面平整度：运用干涉显微镜或原子力显微镜（AFM）检测。 晶体完美度：经过X射线衍射（XRD）测绘晶体结构的完美度。 缺陷密度：利用光学显微镜或扫描电子显微镜（SEM）检测衬底中的缺陷。
3、外延片的制作过程
A. 材料选取
1. 平常外延材料
硅（Si）：适用于CMOS和MEMS器件。 砷化镓（GaAs）：适用于高速电子和光电子器件。 氮化镓（GaN）：适用于高功率和高频器件，尤其是在5G和电动汽车行业。
2. 材料选取的标准与考量
外延材料的选取需思虑与衬底的晶格匹配、热膨胀系数的匹配以及所需的电子和光学性能。高质量的外延材料能明显提高器件性能。
B. 外延技术
1. 分子束外延（MBE）
MBE是在超高真空要求下，经过原子或分子束在衬底表面进行沉积。其优良在于能够实现原子级别的生长掌控，但成本较高且生长速度较慢。
2. 化学气相沉积（CVD）
CVD利用气态前驱物在衬底表面出现化学反应，形成外延层。CVD拥有高生长速度和很强面积均匀性的优点，广泛应用于工业生产。
3. 液相外延（LPE）
LPE是经过在高温下将外延材料溶解在溶剂中，而后沉积在衬底上。LPE拥有工艺简单和成本优惠的优点，但在生长高质量外延层方面有必定的局限。
C. 质量掌控
1. 外延片质量的检测与评估标准
表面粗糙度：运用AFM或扫描隧道显微镜（STM）检测。 外延层厚度：经过椭偏测绘或X射线反射（XRR）确定。 掺杂浓度与均匀性：利用二次离子质谱（SIMS）或霍尔效应测绘分析。
4、衬底与外延片的应用行业
A. 半导体器件
1. 集成电路（IC）
硅衬底和硅外延片是集成电路制造的核心材料，能够供给高密度、低功耗的电路处理方法。
2. 光电器件（LED、激光器）
砷化镓和氮化镓衬底与外延片被广泛应用于LED和激光器制造中，供给有效的光电转换性能。
B. 功率电子
1. 高频与高功率器件
碳化硅和氮化镓外延片在高频和高功率电子器件中发挥重要功效，适用于电力电子、射频和微波通信等行业。
2. 电力电子与新能源应用
这些材料在电动汽车、电力变换器和光伏逆变器中广泛应用，供给有效的能量管理处理方法。
C. 传感器与其他应用
1. MEMS器件
硅衬底和硅外延片在微机电系统（MEMS）中应用广泛，供给精细的机械结构和集成电路功能。
2. 生物传感器与其他高精细应用
外延片材料在生物传感器和高精细仪器中亦有广泛应用，供给高灵敏度和高分辨率的检测能力。
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发表于 2024-8-13 22:11:00
