การเคลือบฟิล์มบาง คือการเคลือบชั้นฟิล์มลงบนวัสดุพื้นผิวหลักของสารกึ่งตัวนำ ฟิล์มนี้สามารถทำจากวัสดุต่างๆ ได้ เช่น สารประกอบฉนวนซิลิคอนไดออกไซด์ สารกึ่งตัวนำโพลีซิลิคอน โลหะทองแดง เป็นต้น อุปกรณ์ที่ใช้ในการเคลือบเรียกว่า อุปกรณ์การเคลือบฟิล์มบาง
จากมุมมองของกระบวนการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์นั้น ตำแหน่งนี้อยู่ในขั้นตอนการผลิตขั้นต้น (front-end process)
กระบวนการเตรียมฟิล์มบางสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภทตามวิธีการขึ้นรูปฟิล์ม ได้แก่ การตกตะกอนด้วยไอระเหยทางกายภาพ (PVD) และการตกตะกอนด้วยไอระเหยทางเคมี(โรคหัวใจและหลอดเลือด)ซึ่งในจำนวนนี้ อุปกรณ์กระบวนการ CVD มีสัดส่วนที่สูงกว่า
การตกตะกอนไอทางกายภาพ (Physical Vapor Deposition หรือ PVD) หมายถึงการทำให้พื้นผิวของวัสดุต้นกำเนิดกลายเป็นไอและตกตะกอนลงบนพื้นผิวของวัสดุรองรับโดยใช้ก๊าซ/พลาสมาความดันต่ำ ซึ่งรวมถึงการระเหย การสปัตเตอร์ การใช้ลำแสงไอออน เป็นต้น
การตกตะกอนไอสารเคมี (โรคหลอดเลือดหัวใจ(Platform Imaging) หมายถึงกระบวนการสร้างฟิล์มแข็งบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนโดยผ่านปฏิกิริยาเคมีของส่วนผสมก๊าซ โดยแบ่งตามสภาวะของปฏิกิริยา (ความดัน สารตั้งต้น) ออกเป็นสองประเภท คือ การเคลือบด้วยความดันบรรยากาศโรคหลอดเลือดหัวใจ(APCVD) ความดันต่ำโรคหลอดเลือดหัวใจ(LPCVD), CVD ที่เสริมด้วยพลาสมา (PECVD), CVD พลาสมาความหนาแน่นสูง (HDPCVD) และการตกตะกอนแบบชั้นอะตอม (ALD)
LPCVD: กระบวนการ LPCVD มีความสามารถในการครอบคลุมพื้นผิวได้ดีกว่า ควบคุมองค์ประกอบและโครงสร้างได้ดี มีอัตราการตกตะกอนและผลผลิตสูง และลดแหล่งกำเนิดมลพิษจากอนุภาคได้อย่างมาก โดยอาศัยอุปกรณ์ทำความร้อนเป็นแหล่งความร้อนเพื่อรักษาระดับปฏิกิริยา การควบคุมอุณหภูมิและความดันก๊าซจึงมีความสำคัญมาก มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตชั้นโพลีเมอร์ของเซลล์ TopCon
PECVD: กระบวนการ PECVD อาศัยพลาสมาที่เกิดจากการเหนี่ยวนำด้วยคลื่นความถี่วิทยุเพื่อให้ได้อุณหภูมิต่ำ (ต่ำกว่า 450 องศาเซลเซียส) ในกระบวนการสร้างฟิล์มบาง ข้อได้เปรียบหลักของกระบวนการนี้คือการสร้างฟิล์มบางที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งช่วยประหยัดพลังงาน ลดต้นทุน เพิ่มกำลังการผลิต และลดการเสื่อมสภาพของพาหะส่วนน้อยในแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนที่เกิดจากอุณหภูมิสูง สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในกระบวนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์แบบต่างๆ เช่น PERC, TOPCON และ HJT ได้
ALD มีข้อดีคือ ฟิล์มมีความสม่ำเสมอดี หนาแน่นและไม่มีรูพรุน มีคุณสมบัติการปกคลุมพื้นผิวที่ดี สามารถทำได้ที่อุณหภูมิต่ำ (อุณหภูมิห้องถึง 400℃) สามารถควบคุมความหนาของฟิล์มได้อย่างง่ายดายและแม่นยำ ใช้งานได้หลากหลายกับพื้นผิวที่มีรูปร่างแตกต่างกัน และไม่จำเป็นต้องควบคุมความสม่ำเสมอของการไหลของสารตั้งต้น แต่ข้อเสียคือ ความเร็วในการสร้างฟิล์มค่อนข้างช้า ตัวอย่างเช่น ชั้นเปล่งแสงซิงค์ซัลไฟด์ (ZnS) ที่ใช้ในการผลิตฉนวนโครงสร้างนาโน (Al2O3/TiO2) และจอแสดงผลอิเล็กโทรลูมิเนสเซนต์แบบฟิล์มบาง (TFEL)
การตกตะกอนอะตอมทีละชั้น (ALD) เป็นกระบวนการเคลือบในสุญญากาศที่สร้างฟิล์มบางๆ บนพื้นผิวของวัสดุรองรับทีละชั้นในรูปแบบของชั้นอะตอมเดี่ยว เทคโนโลยีนี้ได้รับการพัฒนาขึ้นในปี 1974 โดยนักฟิสิกส์วัสดุชาวฟินแลนด์ Tuomo Suntola และได้รับรางวัล Millennium Technology Award มูลค่า 1 ล้านยูโร เดิมทีเทคโนโลยี ALD ถูกนำไปใช้กับจอแสดงผลอิเล็กโทรลูมิเนสเซนต์แบบแบน แต่ก็ไม่ได้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย จนกระทั่งต้นศตวรรษที่ 21 เทคโนโลยี ALD จึงเริ่มถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ โดยการผลิตวัสดุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูงและบางเป็นพิเศษเพื่อทดแทนซิลิคอนออกไซด์แบบดั้งเดิม ทำให้สามารถแก้ปัญหาการรั่วไหลของกระแสที่เกิดจากการลดความกว้างของเส้นในทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กได้สำเร็จ ซึ่งกระตุ้นให้กฎของมัวร์พัฒนาไปสู่ความกว้างของเส้นที่เล็กลง ดร. Tuomo Suntola เคยกล่าวไว้ว่า ALD สามารถเพิ่มความหนาแน่นของการรวมส่วนประกอบได้อย่างมีนัยสำคัญ
ข้อมูลสาธารณะแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยี ALD ถูกคิดค้นโดย ดร. ทูโอโม ซุนโตลา จาก PICOSUN ในฟินแลนด์เมื่อปี 1974 และได้รับการพัฒนาในระดับอุตสาหกรรมในต่างประเทศ เช่น ฟิล์มไดอิเล็กทริกสูงในชิปขนาด 45/32 นาโนเมตรที่พัฒนาโดย Intel ในประเทศจีนนั้น ประเทศของเราได้นำเทคโนโลยี ALD มาใช้ช้ากว่าประเทศอื่นๆ กว่า 30 ปี ในเดือนตุลาคม 2010 PICOSUN ในฟินแลนด์และมหาวิทยาลัยฟู่ตั้นได้เป็นเจ้าภาพจัดการประชุมแลกเปลี่ยนทางวิชาการด้าน ALD ครั้งแรกในประเทศ ซึ่งเป็นการแนะนำเทคโนโลยี ALD ให้กับประเทศจีนเป็นครั้งแรก
เมื่อเปรียบเทียบกับการตกตะกอนไอสารเคมีแบบดั้งเดิม (โรคหลอดเลือดหัวใจเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีอื่นๆ เช่น การตกตะกอนด้วยไอระเหยทางกายภาพ (PVD) ข้อดีของ ALD คือ ความสอดคล้องสามมิติที่ยอดเยี่ยม ความสม่ำเสมอของฟิล์มในพื้นที่ขนาดใหญ่ และการควบคุมความหนาที่แม่นยำ ซึ่งเหมาะสำหรับการสร้างฟิล์มบางพิเศษบนพื้นผิวที่มีรูปทรงซับซ้อนและโครงสร้างที่มีอัตราส่วนความสูงต่อความกว้างสูง
—แหล่งข้อมูล: แพลตฟอร์มการประมวลผลระดับไมโครและนาโนของมหาวิทยาลัยชิงหัว—
ในยุคหลังมัวร์ ความซับซ้อนและปริมาณกระบวนการผลิตเวเฟอร์ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ยกตัวอย่างเช่น ชิปตรรกะ ด้วยจำนวนสายการผลิตที่มีกระบวนการต่ำกว่า 45 นาโนเมตรที่เพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสายการผลิตที่มีกระบวนการ 28 นาโนเมตรและต่ำกว่า ความต้องการความหนาของสารเคลือบและการควบคุมความแม่นยำจึงสูงขึ้น หลังจากมีการนำเทคโนโลยีการฉายแสงหลายครั้งมาใช้ จำนวนขั้นตอนกระบวนการ ALD และอุปกรณ์ที่จำเป็นก็เพิ่มขึ้นอย่างมาก ในด้านชิปหน่วยความจำ กระบวนการผลิตหลักได้พัฒนาจากโครงสร้าง 2D NAND ไปเป็น 3D NAND จำนวนชั้นภายในเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และส่วนประกอบต่างๆ ก็ค่อยๆ มีโครงสร้างความหนาแน่นสูงและอัตราส่วนความสูงต่อความกว้างสูง และบทบาทสำคัญของ ALD ก็เริ่มปรากฏขึ้น จากมุมมองของการพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์ในอนาคต เทคโนโลยี ALD จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในยุคหลังมัวร์
ตัวอย่างเช่น ALD เป็นเทคโนโลยีการตกตะกอนเพียงชนิดเดียวที่สามารถตอบสนองความต้องการด้านการครอบคลุมและประสิทธิภาพของฟิล์มสำหรับโครงสร้างสามมิติแบบซ้อนที่ซับซ้อน (เช่น 3D-NAND) ซึ่งสามารถเห็นได้ชัดเจนในภาพด้านล่าง ฟิล์มที่ตกตะกอนด้วย CVD A (สีน้ำเงิน) ไม่สามารถครอบคลุมส่วนล่างของโครงสร้างได้อย่างสมบูรณ์ แม้ว่าจะมีการปรับกระบวนการบางอย่างใน CVD (CVD B) เพื่อให้ได้การครอบคลุม แต่ประสิทธิภาพของฟิล์มและองค์ประกอบทางเคมีของบริเวณด้านล่างก็ยังแย่มาก (บริเวณสีขาวในภาพ) ในทางตรงกันข้าม การใช้เทคโนโลยี ALD แสดงให้เห็นถึงการครอบคลุมฟิล์มอย่างสมบูรณ์ และได้คุณสมบัติของฟิล์มที่มีคุณภาพสูงและสม่ำเสมอในทุกพื้นที่ของโครงสร้าง
—ภาพแสดงข้อดีของเทคโนโลยี ALD เมื่อเปรียบเทียบกับ CVD (ที่มา: ASM)—
แม้ว่า CVD ยังคงครองส่วนแบ่งการตลาดที่ใหญ่ที่สุดในระยะสั้น แต่ ALD ก็กลายเป็นหนึ่งในส่วนที่มีการเติบโตเร็วที่สุดของตลาดอุปกรณ์การผลิตเวเฟอร์ ในตลาด ALD ที่มีศักยภาพการเติบโตสูงและมีบทบาทสำคัญในการผลิตชิป ASM คือบริษัทชั้นนำในด้านอุปกรณ์ ALD
วันที่เผยแพร่: 12 มิถุนายน 2567