เวเฟอร์ซับสเตรตเซมิคอนดักเตอร์: คุณสมบัติของวัสดุของซิลิคอน, GaAs, SiC และ GaN

01. พื้นฐานของเวเฟอร์ซับสเตรตเซมิคอนดักเตอร์

1.1 คำจำกัดความของสารตั้งต้นเซมิคอนดักเตอร์

สารตั้งต้นเซมิคอนดักเตอร์หมายถึงวัสดุพื้นฐานที่ใช้ในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งมักจะเป็นวัสดุผลึกเดี่ยวหรือโพลีคริสตัลไลน์ที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีการเติบโตของคริสตัลที่มีความบริสุทธิ์สูง แผ่นเวเฟอร์ของพื้นผิวมักมีโครงสร้างแผ่นบางและแข็ง ซึ่งใช้ในการผลิตอุปกรณ์และวงจรเซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ ความบริสุทธิ์และคุณภาพของวัสดุพิมพ์ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสุดท้าย

1.2 บทบาทและฟิลด์การใช้งานของเวเฟอร์ซับสเตรต

แผ่นเวเฟอร์ของพื้นผิวมีบทบาทสำคัญในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากเป็นพื้นฐานของอุปกรณ์และวงจร เวเฟอร์ของซับสเตรตจึงไม่เพียงแต่สนับสนุนโครงสร้างของอุปกรณ์ทั้งหมดเท่านั้น แต่ยังให้การสนับสนุนที่จำเป็นในด้านไฟฟ้า ความร้อน และเครื่องกลอีกด้วย หน้าที่หลักได้แก่:

การสนับสนุนทางกล: จัดให้มีรากฐานโครงสร้างที่มั่นคงเพื่อรองรับขั้นตอนการผลิตที่ตามมา

การจัดการความร้อน: ช่วยกระจายความร้อนเพื่อป้องกันไม่ให้ความร้อนสูงเกินไปส่งผลต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์

ลักษณะทางไฟฟ้า: ส่งผลต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้าของอุปกรณ์ เช่น ความนำไฟฟ้า ความคล่องตัวของผู้ให้บริการ ฯลฯ

ในแง่ของการใช้งาน เวเฟอร์ซับสเตรตถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน:

อุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์: เช่น วงจรรวม (ICs), ไมโครโปรเซสเซอร์ เป็นต้น

อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์: เช่น LED, เลเซอร์, เครื่องตรวจจับแสง ฯลฯ

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูง: เช่น เครื่องขยายสัญญาณ RF อุปกรณ์ไมโครเวฟ เป็นต้น

อุปกรณ์ไฟฟ้ากำลัง: เช่น เครื่องแปลงไฟ, อินเวอร์เตอร์ เป็นต้น

02. วัสดุเซมิคอนดักเตอร์และคุณสมบัติ

สารตั้งต้นซิลิคอน (Si)

· ความแตกต่างระหว่างซิลิคอนผลึกเดี่ยวและซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์:

ซิลิคอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันมากที่สุด โดยส่วนใหญ่อยู่ในรูปของซิลิคอนผลึกเดี่ยวและซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์ ซิลิกอนผลึกเดี่ยวประกอบด้วยโครงสร้างผลึกต่อเนื่อง มีความบริสุทธิ์สูงและปราศจากข้อบกพร่อง ซึ่งเหมาะมากสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง ซิลิกอนโพลีคริสตัลไลน์ประกอบด้วยเกรนหลายชนิด และมีขอบเขตของเกรนระหว่างเกรน แม้ว่าต้นทุนการผลิตจะต่ำ แต่ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าต่ำ ดังนั้นจึงมักจะใช้ในบางสถานการณ์การใช้งานที่มีประสิทธิภาพต่ำหรือขนาดใหญ่ เช่น เซลล์แสงอาทิตย์

·สมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และข้อดีของซับสเตรตซิลิกอน:

พื้นผิวซิลิคอนมีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ดี เช่น ความคล่องตัวของตัวพาสูงและช่องว่างพลังงานปานกลาง (1.1 eV) ซึ่งทำให้ซิลิคอนเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่

นอกจากนี้ พื้นผิวซิลิกอนยังมีข้อดีดังต่อไปนี้:

มีความบริสุทธิ์สูง: ด้วยเทคนิคการทำให้บริสุทธิ์และการเจริญเติบโตขั้นสูง ทำให้ได้ซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่มีความบริสุทธิ์สูงมาก

ความคุ้มค่า: เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ซิลิคอนมีต้นทุนต่ำและมีกระบวนการผลิตที่ครบวงจร

การเกิดออกไซด์: ซิลิคอนสามารถสร้างชั้นของซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) ได้ตามธรรมชาติ ซึ่งสามารถใช้เป็นชั้นฉนวนที่ดีในการผลิตอุปกรณ์ได้

สารตั้งต้นแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs)

· ลักษณะความถี่สูงของ GaAs:

แกลเลียมอาร์เซไนด์เป็นสารกึ่งตัวนำแบบผสมซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูงและความเร็วสูง เนื่องจากมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงและแถบความถี่ที่กว้าง อุปกรณ์ GaAs สามารถทำงานที่ความถี่สูงกว่าด้วยประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและระดับเสียงรบกวนที่ต่ำกว่า ทำให้ GaAs เป็นวัสดุสำคัญในการใช้งานคลื่นไมโครเวฟและคลื่นมิลลิเมตร

· การประยุกต์ใช้ GaAs ในออปโตอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูง:

เนื่องจาก bandgap โดยตรง GaAs จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ตัวอย่างเช่น วัสดุ GaAs ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิต LED และเลเซอร์ นอกจากนี้ การเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนในระดับสูงของ GaA ทำให้ทำงานได้ดีในเครื่องขยายสัญญาณ RF อุปกรณ์ไมโครเวฟ และอุปกรณ์สื่อสารผ่านดาวเทียม

พื้นผิวซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)

· การนำความร้อนและคุณสมบัติกำลังสูงของ SiC:

ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแถบความถี่กว้างซึ่งมีการนำความร้อนได้ดีเยี่ยมและมีสนามไฟฟ้าที่มีการแยกย่อยสูง คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ SiC เหมาะมากสำหรับการใช้งานที่มีกำลังสูงและอุณหภูมิสูง อุปกรณ์ SiC สามารถทำงานได้อย่างเสถียรที่แรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิสูงกว่าอุปกรณ์ซิลิคอนหลายเท่า

· ข้อดีของ SiC ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง:

พื้นผิว SiC แสดงข้อได้เปรียบที่สำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เช่น ลดการสูญเสียการสลับและประสิทธิภาพที่สูงขึ้น สิ่งนี้ทำให้ SiC ได้รับความนิยมมากขึ้นในการใช้งานการแปลงพลังงานสูง เช่น ยานพาหนะไฟฟ้า เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าลมและพลังงานแสงอาทิตย์ นอกจากนี้ SiC ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในการควบคุมการบินและอวกาศและอุตสาหกรรมเนื่องจากมีความต้านทานต่ออุณหภูมิสูง

พื้นผิวแกลเลียมไนไตรด์ (GaN)

· การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงและคุณสมบัติทางแสงของ GaN:

แกลเลียมไนไตรด์เป็นเซมิคอนดักเตอร์แบบ bandgap แบบกว้างอีกชนิดหนึ่งที่มีความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงมากและมีคุณสมบัติทางแสงที่แข็งแกร่ง การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงของ GaN ทำให้มีประสิทธิภาพมากในการใช้งานความถี่สูงและพลังงานสูง ในเวลาเดียวกัน GaN สามารถปล่อยแสงในอัลตราไวโอเลตจนถึงช่วงที่มองเห็นได้ ซึ่งเหมาะสำหรับอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์หลากหลายชนิด

· การประยุกต์ใช้ GaN ในอุปกรณ์ไฟฟ้าและออปโตอิเล็กทรอนิกส์:

ในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง อุปกรณ์ GaN มีความเป็นเลิศในการจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งและเครื่องขยายสัญญาณ RF เนื่องจากมีสนามไฟฟ้าพังสูงและความต้านทานออนต่ำ ในเวลาเดียวกัน GaN ยังมีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิต LED และไดโอดเลเซอร์ ซึ่งส่งเสริมความก้าวหน้าของเทคโนโลยีแสงสว่างและการแสดงผล

· ศักยภาพของวัสดุที่เกิดขึ้นใหม่ในเซมิคอนดักเตอร์:

ด้วยการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่เกิดขึ้นใหม่ เช่น แกลเลียมออกไซด์ (Ga2O3) และเพชร ได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยอดเยี่ยม แกลเลียมออกไซด์มีแถบความถี่กว้างพิเศษ (4.9 eV) และเหมาะมากสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง ในขณะที่เพชรถือเป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับการใช้งานที่มีกำลังสูงและความถี่สูงรุ่นต่อไปเนื่องจากมีความร้อนที่ดีเยี่ยม การนำไฟฟ้าและความคล่องตัวของผู้ให้บริการที่สูงมาก วัสดุใหม่เหล่านี้คาดว่าจะมีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต

03. กระบวนการผลิตเวเฟอร์

3.1 เทคโนโลยีการเจริญเติบโตของเวเฟอร์ซับสเตรต

3.1.1 วิธี Czochralski (วิธี CZ)

วิธี Czochralski เป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุดในการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยว ทำโดยการจุ่มผลึกเมล็ดลงในซิลิคอนหลอมเหลว แล้วค่อยๆ ดึงออกมา เพื่อให้ซิลิคอนหลอมเหลวตกผลึกบนผลึกเมล็ดและเติบโตเป็นผลึกเดี่ยว วิธีนี้สามารถผลิตซิลิคอนผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่คุณภาพสูงได้ ซึ่งเหมาะมากสำหรับการผลิตวงจรรวมขนาดใหญ่

3.1.2 วิธีบริดจ์แมน

โดยทั่วไปวิธี Bridgman ใช้ในการปลูกสารกึ่งตัวนำแบบผสม เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ ในวิธีนี้ วัตถุดิบจะถูกให้ความร้อนจนมีสถานะหลอมเหลวในถ้วยใส่ตัวอย่าง จากนั้นจึงค่อย ๆ เย็นลงจนกลายเป็นผลึกเดี่ยว วิธี Bridgman สามารถควบคุมอัตราการเติบโตและทิศทางของคริสตัลได้ และเหมาะสำหรับการผลิตสารกึ่งตัวนำเชิงผสมที่ซับซ้อน

3.1.3 Molecular Beam Epitaxy (MBE)

Molecular Beam Epitaxy เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ในการขยายชั้นเซมิคอนดักเตอร์ที่บางเป็นพิเศษบนพื้นผิว มันสร้างชั้นคริสตัลคุณภาพสูงโดยการควบคุมลำแสงโมเลกุลขององค์ประกอบที่แตกต่างกันอย่างแม่นยำในสภาพแวดล้อมสุญญากาศที่สูงเป็นพิเศษ และสะสมพวกมันไว้ทีละชั้นบนพื้นผิว เทคโนโลยี MBE เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตจุดควอนตัมที่มีความแม่นยำสูงและโครงสร้างจุดเชื่อมต่อเฮเทอโรอิเล็กทริกที่บางเป็นพิเศษ

3.1.4 การสะสมไอสารเคมี (CVD)

การสะสมไอสารเคมีเป็นเทคโนโลยีการสะสมฟิล์มบางที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์และวัสดุประสิทธิภาพสูงอื่นๆ CVD สลายสารตั้งต้นที่เป็นก๊าซและสะสมไว้บนพื้นผิวของสารตั้งต้นเพื่อสร้างฟิล์มแข็ง เทคโนโลยี CVD สามารถผลิตฟิล์มที่มีความหนาและองค์ประกอบที่มีการควบคุมสูง ซึ่งเหมาะมากสำหรับการผลิตอุปกรณ์ที่ซับซ้อน

3.2 การตัดและขัดเวเฟอร์

3.2.1 เทคโนโลยีการตัดเวเฟอร์ซิลิคอน

หลังจากการเติบโตของคริสตัลเสร็จสิ้น คริสตัลขนาดใหญ่จะถูกตัดเป็นชิ้นบาง ๆ ให้เป็นเวเฟอร์ การตัดแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนมักจะใช้ใบเลื่อยเพชรหรือเทคโนโลยีเลื่อยสายไฟเพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำในการตัดและลดการสูญเสียวัสดุ กระบวนการตัดจำเป็นต้องได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำเพื่อให้แน่ใจว่าความหนาและความเรียบของพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์เป็นไปตามข้อกำหนด

-

VeTek Semiconductor เป็นผู้ผลิตมืออาชีพของจีนเวเฟอร์ SiC ชนิด p ชนิดปิดแกน 4°, พื้นผิว SiC ชนิด 4H N, และพื้นผิว SiC ชนิดกึ่งฉนวน 4H-  VeTek Semiconductor มุ่งมั่นที่จะนำเสนอโซลูชั่นขั้นสูงสำหรับหลากหลายSiC เวเฟอร์ผลิตภัณฑ์สำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ 

ถ้าคุณมีความสนใจในเวเฟอร์ซับสเตรตเซมิคอนดักเตอร์โปรดติดต่อเราโดยตรง

ม็อบ: +86-180 6922 0752

WhatsApp: +86 180 6922 0752

อีเมล์: anny@veteksemi.com