ชั้นเอพิแท็กเซียลช่วยอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ได้อย่างไร?

ที่มาของชื่อแผ่นเวเฟอร์เอพิแท็กเซียล

ก่อนอื่น เรามาทำความเข้าใจแนวคิดพื้นฐานกันก่อน: การเตรียมเวเฟอร์ประกอบด้วยสองขั้นตอนหลัก ได้แก่ การเตรียมซับสเตรตและกระบวนการเอพิแท็กซี ซับสเตรตคือเวเฟอร์ที่ทำจากวัสดุผลึกเดี่ยวของสารกึ่งตัวนำ ซับสเตรตสามารถเข้าสู่กระบวนการผลิตเวเฟอร์โดยตรงเพื่อผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ หรือสามารถผ่านกระบวนการเอพิแท็กซีเพื่อผลิตเวเฟอร์เอพิแท็กซีได้ เอพิแท็กซีหมายถึงกระบวนการปลูกผลึกเดี่ยวชั้นใหม่บนซับสเตรตผลึกเดี่ยวที่ผ่านการเตรียมอย่างพิถีพิถันโดยการตัด การเจียร การขัดเงา ฯลฯ ผลึกเดี่ยวใหม่นี้อาจเป็นวัสดุชนิดเดียวกับซับสเตรต หรืออาจเป็นวัสดุที่แตกต่างกัน (เอพิแท็กซีแบบเอกพันธุ์) หรือเอพิแท็กซีแบบต่างชนิดกันก็ได้ เนื่องจากชั้นผลึกเดี่ยวใหม่จะขยายและเติบโตตามเฟสผลึกของพื้นผิว จึงเรียกว่าชั้นเอพิแท็กเซียล (ความหนาโดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณไม่กี่ไมครอน ยกตัวอย่างเช่น ซิลิคอน: ความหมายของการเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลของซิลิคอนคือการปลูกชั้นผลึกที่มีโครงสร้างแลตติสสมบูรณ์ดี มีความต้านทานและความหนาแตกต่างกัน แต่มีทิศทางผลึกเดียวกันกับพื้นผิว บนพื้นผิวผลึกเดี่ยวซิลิคอนที่มีทิศทางผลึกที่แน่นอน) และพื้นผิวที่มีชั้นเอพิแท็กเซียลเรียกว่าแผ่นเวเฟอร์เอพิแท็กเซียล (แผ่นเวเฟอร์เอพิแท็กเซียล = ชั้นเอพิแท็กเซียล + พื้นผิว) เมื่อสร้างอุปกรณ์บนชั้นเอพิแท็กเซียล จะเรียกว่าเอพิแท็กเซียลแบบบวก หากสร้างอุปกรณ์บนพื้นผิว จะเรียกว่าเอพิแท็กเซียลแบบย้อนกลับ ในกรณีนี้ ชั้นเอพิแท็กเซียลจะมีบทบาทเพียงแค่เป็นตัวรองรับเท่านั้น

เวเฟอร์ขัดเงา

วิธีการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียล

การปลูกผลึกด้วยลำแสงโมเลกุล (Molecular beam epitaxy หรือ MBE): เป็นเทคโนโลยีการปลูกผลึกเซมิคอนดักเตอร์แบบเอพิแท็กซีที่ดำเนินการภายใต้สภาวะสุญญากาศสูงมาก ในเทคนิคนี้ วัสดุต้นกำเนิดจะถูกระเหยในรูปของลำแสงอะตอมหรือโมเลกุล แล้วจึงตกตะกอนลงบนพื้นผิวผลึก MBE เป็นเทคโนโลยีการปลูกฟิล์มบางเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความแม่นยำและควบคุมได้สูง ซึ่งสามารถควบคุมความหนาของวัสดุที่ตกตะกอนได้อย่างแม่นยำในระดับอะตอม
กระบวนการ MOCVD (Metal Organic CVD): ในกระบวนการ MOCVD โลหะอินทรีย์และก๊าซไฮไดรด์ N2 ที่มีธาตุที่ต้องการจะถูกส่งไปยังพื้นผิวที่อุณหภูมิที่เหมาะสม เกิดปฏิกิริยาเคมีเพื่อสร้างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องการ และถูกตกตะกอนลงบนพื้นผิว ในขณะที่สารประกอบและผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาที่เหลือจะถูกระบายทิ้งไป
การปลูกผลึกด้วยไอระเหย (Vapor phase epitaxy หรือ VPE): การปลูกผลึกด้วยไอระเหยเป็นเทคโนโลยีสำคัญที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ หลักการพื้นฐานคือการขนส่งไอระเหยของธาตุหรือสารประกอบในก๊าซพาหะ และตกผลึกบนพื้นผิวผ่านปฏิกิริยาเคมี

กระบวนการเอพิแท็กซีช่วยแก้ปัญหาอะไรบ้าง?

วัสดุผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่เพียงอย่างเดียวไม่สามารถตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ ได้ ดังนั้น เทคโนโลยีการปลูกผลึกเดี่ยวแบบชั้นบาง (epitaxial growth) จึงถูกพัฒนาขึ้นในช่วงปลายปี 1959 แล้วเทคโนโลยี epitaxy มีส่วนช่วยในการพัฒนาวัสดุอย่างไรบ้าง?

สำหรับซิลิคอน เมื่อเทคโนโลยีการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลของซิลิคอนเริ่มต้นขึ้น ถือเป็นช่วงเวลาที่ยากลำบากอย่างแท้จริงสำหรับการผลิตทรานซิสเตอร์ซิลิคอนความถี่สูงและกำลังสูง จากมุมมองของหลักการทรานซิสเตอร์ เพื่อให้ได้ความถี่สูงและกำลังสูง แรงดันพังทลายของบริเวณตัวเก็บประจุต้องสูงและค่าความต้านทานอนุกรมต้องต่ำ นั่นคือ แรงดันตกคร่อมอิ่มตัวต้องต่ำ เงื่อนไขแรกต้องการให้ค่าความต้านทานของวัสดุในบริเวณตัวเก็บประจุสูง ในขณะที่เงื่อนไขหลังต้องการให้ค่าความต้านทานของวัสดุในบริเวณตัวเก็บประจุต่ำ ซึ่งทั้งสองเงื่อนไขนี้ขัดแย้งกัน หากลดความหนาของวัสดุในบริเวณตัวเก็บประจุเพื่อลดค่าความต้านทานอนุกรม แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนจะบางและเปราะเกินไปจนไม่สามารถนำไปแปรรูปได้ หากลดค่าความต้านทานของวัสดุลง ก็จะขัดแย้งกับเงื่อนไขแรก อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเทคโนโลยีเอพิแท็กเซียลประสบความสำเร็จในการแก้ปัญหานี้

วิธีแก้ปัญหา: ปลูกชั้นเอพิแท็กเซียลที่มีความต้านทานสูงบนพื้นผิวที่มีความต้านทานต่ำมาก และสร้างอุปกรณ์บนชั้นเอพิแท็กเซียลนั้น ชั้นเอพิแท็กเซียลที่มีความต้านทานสูงนี้จะช่วยให้ท่อมีแรงดันพังทลายสูง ในขณะที่พื้นผิวที่มีความต้านทานต่ำจะช่วยลดความต้านทานของพื้นผิวลง ทำให้ลดแรงดันตกคร่อมอิ่มตัวลงได้ ซึ่งจะช่วยแก้ปัญหาความขัดแย้งระหว่างทั้งสองอย่างได้

นอกจากนี้ เทคโนโลยีการปลูกผลึกแบบเอพิแท็กซี เช่น การปลูกผลึกแบบไอระเหยและการปลูกผลึกแบบของเหลวของ GaAs และวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สารประกอบโมเลกุล III-V, II-VI อื่นๆ ก็ได้รับการพัฒนาอย่างมากและกลายเป็นพื้นฐานสำหรับอุปกรณ์ไมโครเวฟ อุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก และอุปกรณ์ไฟฟ้าส่วนใหญ่ เป็นเทคโนโลยีการผลิตที่ขาดไม่ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการปลูกผลึกแบบไอระเหยด้วยลำแสงโมเลกุลและโลหะอินทรีย์ในชั้นบาง โครงสร้างซูเปอร์แลตติส บ่อควอนตัม โครงสร้างซูเปอร์แลตติสแบบมีแรงดึง และการปลูกผลึกแบบชั้นบางระดับอะตอม ซึ่งเป็นก้าวใหม่ในการวิจัยเซมิคอนดักเตอร์ ได้วางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการพัฒนา "วิศวกรรมสายพานพลังงาน" ในสาขานี้

ในการใช้งานจริง อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีแบนด์แก็ปขนาดกว้างเกือบทั้งหมดผลิตบนชั้นเอพิแท็กเซียล โดยที่แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ทำหน้าที่เป็นเพียงพื้นผิวรองรับเท่านั้น ดังนั้น การควบคุมชั้นเอพิแท็กเซียลจึงเป็นส่วนสำคัญของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแบนด์แก็ปขนาดกว้าง

ทักษะสำคัญ 7 ประการในเทคโนโลยีการปลูกผลึกแบบเอพิแท็กซี

1. ชั้นเอพิแท็กเซียลที่มีความต้านทานสูง (ต่ำ) สามารถปลูกแบบเอพิแท็กเซียลบนพื้นผิวที่มีความต้านทานต่ำ (สูง) ได้
2. ชั้นเอพิแท็กเซียลชนิด N (P) สามารถปลูกแบบเอพิแท็กเซียลบนพื้นผิวชนิด P (N) เพื่อสร้างรอยต่อ PN ได้โดยตรง ไม่มีปัญหาการชดเชยเมื่อใช้วิธีการแพร่เพื่อสร้างรอยต่อ PN บนพื้นผิวผลึกเดี่ยว
3. เมื่อผนวกรวมกับเทคโนโลยีหน้ากาก การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลแบบเลือกเฉพาะจะเกิดขึ้นในบริเวณที่กำหนด ทำให้เกิดสภาวะที่เอื้อต่อการผลิตวงจรรวมและอุปกรณ์ที่มีโครงสร้างพิเศษ
4. ชนิดและความเข้มข้นของสารเจือปนสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามความต้องการในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตแบบเอพิเท็กเซียล การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นอาจเป็นการเปลี่ยนแปลงแบบฉับพลันหรือการเปลี่ยนแปลงแบบค่อยเป็นค่อยไปก็ได้
5. สามารถสร้างสารประกอบที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน หลายชั้น หลายองค์ประกอบ และชั้นบางพิเศษที่มีองค์ประกอบแปรผันได้
6. การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียสามารถทำได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของวัสดุ อัตราการเจริญเติบโตสามารถควบคุมได้ และสามารถบรรลุการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียที่มีความหนาในระดับอะตอมได้
7. สามารถใช้ในการปลูกผลึกเดี่ยวของวัสดุที่ไม่สามารถดึงได้ เช่น แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ชั้นผลึกเดี่ยวของสารประกอบตติยภูมิและจตุรภูมิ เป็นต้น