การตกตะกอนไอสารเคมี

การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียล หรือที่เรียกอีกอย่างว่า เอพิแท็กซี เป็นกระบวนการที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในการผลิตวัสดุและอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลนี้ คือกระบวนการสร้างฟิล์มชั้นเดียวบนพื้นผิวผลึกเดี่ยวภายใต้เงื่อนไขบางประการ ฟิล์มผลึกเดี่ยวที่เจริญเติบโตนี้เรียกว่าชั้นเอพิแท็กเซียล เทคโนโลยีเอพิแท็กเซียลเกิดขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1960 จากการวิจัยฟิล์มบางผลึกเดี่ยวซิลิคอน และพัฒนามาเกือบครึ่งศตวรรษ ปัจจุบันผู้คนสามารถสร้างฟิล์มเซมิคอนดักเตอร์หลากหลายชนิดภายใต้เงื่อนไขบางประการโดยการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลได้ เทคโนโลยีเอพิแท็กเซียลได้แก้ปัญหาหลายอย่างในส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์แบบแยกชิ้นและวงจรรวม และช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์อย่างมาก ฟิล์มเอพิแท็กเซียลสามารถควบคุมความหนาและคุณสมบัติการเจือปนได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น คุณสมบัตินี้ทำให้การพัฒนาวงจรรวมเซมิคอนดักเตอร์เป็นไปอย่างรวดเร็วและสมบูรณ์ยิ่งขึ้น ผลึกเดี่ยวซิลิคอนสามารถแปรรูปได้ด้วยเทคนิคการตัด การเจียร การขัดเงา และเทคนิคอื่นๆ เพื่อให้ได้แผ่นขัดเงา ซึ่งสามารถนำมาทำเป็นส่วนประกอบแบบแยกชิ้นและวงจรรวมได้ แต่ในหลายกรณี แผ่นขัดเงาเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นเพียงตัวรองรับทางกลสำหรับพื้นผิวเท่านั้น ซึ่งจำเป็นต้องปลูกชั้นฟิล์มผลึกเดี่ยวที่มีค่าการนำไฟฟ้าและความต้านทานที่เหมาะสมก่อน จากนั้นจึงผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบแยกชิ้นหรือวงจรรวมในฟิล์มผลึกเดี่ยว วิธีนี้ใช้ในการผลิตทรานซิสเตอร์ซิลิคอนความถี่สูงและกำลังสูง ตัวอย่างเช่น เพื่อแก้ปัญหาความขัดแย้งระหว่างแรงดันพังทลายและความต้านทานอนุกรม ตัวเก็บประจุของทรานซิสเตอร์ต้องการแรงดันพังทลายสูง ซึ่งกำหนดโดยความต้านทานของรอยต่อ pn ของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดนี้ จึงจำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีความต้านทานสูง นักวิจัยจึงใช้สารเจือปนชนิด n ที่มีความต้านทานต่ำจำนวนมากบนชั้นเอพิแทกเซียลหนาหลายไมครอนถึงหลายสิบไมครอน ร่วมกับสารเจือปนชนิด n ที่มีความต้านทานสูงจำนวนน้อย ในการผลิตทรานซิสเตอร์ในชั้นเอพิแทกเซียล ซึ่งช่วยแก้ปัญหาความขัดแย้งระหว่างแรงดันพังทลายสูงที่ต้องการโดยความต้านทานสูงและความต้านทานอนุกรมของตัวเก็บประจุต่ำที่ต้องการโดยความต้านทานพื้นผิวต่ำ

การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียในเฟสแก๊สเป็นการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียที่ค่อนข้างสมบูรณ์ในด้านเซมิคอนดักเตอร์มาตั้งแต่ยุคแรกๆ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาวิทยาศาสตร์เซมิคอนดักเตอร์ และมีส่วนช่วยอย่างมากในการปรับปรุงคุณภาพของวัสดุและอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ รวมถึงประสิทธิภาพการทำงาน ปัจจุบัน วิธีการที่สำคัญที่สุดในการเตรียมฟิล์มเอพิแท็กเซียผลึกเดี่ยวของเซมิคอนดักเตอร์คือการตกตะกอนด้วยไอสารเคมี (Chemical Vapor Deposition: CVD) CVD คือกระบวนการใช้สารในสถานะแก๊สทำปฏิกิริยาทางเคมีกับพื้นผิวของแข็ง เพื่อสร้างการตกตะกอนของแข็ง เทคโนโลยี CVD สามารถปลูกฟิล์มผลึกเดี่ยวคุณภาพสูง เพื่อให้ได้ชนิดการเจือปนและความหนาของเอพิแท็กเซียตามต้องการ ง่ายต่อการผลิตในปริมาณมาก และด้วยเหตุนี้จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม ในอุตสาหกรรม แผ่นเวเฟอร์เอพิแท็กเซียที่เตรียมโดย CVD มักจะมีชั้นฝังอยู่หนึ่งชั้นหรือมากกว่า ซึ่งสามารถใช้ควบคุมโครงสร้างของอุปกรณ์และการกระจายตัวของการเจือปนโดยการแพร่หรือการฝังไอออนได้ คุณสมบัติทางกายภาพของชั้นเอพิแท็กเซียลที่ได้จากวิธี CVD นั้นแตกต่างจากวัสดุที่เป็นก้อน และโดยทั่วไปปริมาณออกซิเจนและคาร์บอนในชั้นเอพิแท็กเซียลจะต่ำมาก ซึ่งเป็นข้อดี อย่างไรก็ตาม ชั้นเอพิแท็กเซียลที่ได้จากวิธี CVD นั้นง่ายต่อการเกิดการเจือปนด้วยตัวเอง ในการใช้งานจริงจำเป็นต้องใช้มาตรการบางอย่างเพื่อลดการเจือปนด้วยตัวเองของชั้นเอพิแท็กเซียล เทคโนโลยี CVD ยังคงอยู่ในสถานะกระบวนการเชิงทดลองในบางด้าน จำเป็นต้องมีการวิจัยเชิงลึกเพิ่มเติม เพื่อให้เทคโนโลยี CVD พัฒนาต่อไปได้

กลไกการเจริญเติบโตแบบ CVD นั้นซับซ้อนมาก ในปฏิกิริยาเคมีมักประกอบด้วยส่วนประกอบและสารต่างๆ มากมาย สามารถสร้างผลิตภัณฑ์ขั้นกลางได้หลายชนิด และมีตัวแปรอิสระหลายตัว เช่น อุณหภูมิ ความดัน อัตราการไหลของก๊าซ เป็นต้น กระบวนการเจริญเติบโตแบบเอพิเท็กเซียลมีการพัฒนาและปรับปรุงอย่างต่อเนื่องหลายขั้นตอน กระบวนการเจริญเติบโตแบบเอพิเท็กเซียลมีหลายขั้นตอนที่ต่อเนื่องกัน ขยายและปรับปรุงซึ่งกันและกัน เพื่อวิเคราะห์กระบวนการและกลไกการเจริญเติบโตแบบเอพิเท็กเซียลด้วยวิธี CVD ก่อนอื่นต้องชี้แจงความสามารถในการละลายของสารตั้งต้นในเฟสของก๊าซ ความดันย่อยสมดุลของก๊าซต่างๆ และกระบวนการจลนศาสตร์และอุณหพลศาสตร์ที่ชัดเจน จากนั้นจึงทำความเข้าใจการขนส่งมวลของก๊าซตั้งต้นจากเฟสของก๊าซไปยังพื้นผิวของวัสดุรองรับ การก่อตัวของชั้นขอบเขตของการไหลของก๊าซและพื้นผิวของวัสดุรองรับ การเจริญเติบโตของนิวเคลียส ตลอดจนปฏิกิริยาบนพื้นผิว การแพร่และการเคลื่อนย้าย และในที่สุดก็สร้างฟิล์มที่ต้องการได้ ในกระบวนการเจริญเติบโตของผลึกด้วยวิธี CVD การพัฒนาและความก้าวหน้าของเครื่องปฏิกรณ์มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง ซึ่งเป็นตัวกำหนดคุณภาพของชั้นผลึกแบบเอพิแท็กเซียลเป็นอย่างมาก ลักษณะพื้นผิวของชั้นผลึกแบบเอพิแท็กเซียล ข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึก การกระจายและการควบคุมสิ่งเจือปน ความหนาและความสม่ำเสมอของชั้นผลึกแบบเอพิแท็กเซียล ล้วนส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและผลผลิตของอุปกรณ์

–บทความนี้เผยแพร่โดยผู้ผลิตเครื่องเคลือบสุญญากาศกว่างตงเจิ้นหัว