การผลิตเซมิคอนดักเตอร์อาศัยก๊าซหลายชนิด ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็น 3 ประเภทหลักๆ ได้แก่ ก๊าซจำนวนมาก, ก๊าซชนิดพิเศษและกัดกร่อนก๊าซ ก๊าซเหล่านี้จะต้องมีความบริสุทธิ์สูงมากเพื่อป้องกันการปนเปื้อน ซึ่งอาจทำลายกระบวนการผลิตที่ละเอียดอ่อนและซับซ้อนได้

ก๊าซจำนวนมาก

ไนโตรเจน (N₂):

บทบาท: N₂ ทำหน้าที่หลายวัตถุประสงค์ รวมถึงการไล่ล้างห้องกระบวนการ และจัดให้มีบรรยากาศเฉื่อยในระหว่างขั้นตอนต่างๆ ของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์
หมายเหตุเพิ่มเติม: มักใช้ไนโตรเจนในการขนส่งและจัดเก็บเวเฟอร์ซิลิคอนเพื่อลดการเกิดออกซิเดชัน ธรรมชาติเฉื่อยทำให้มั่นใจได้ว่าจะไม่ทำปฏิกิริยากับวัสดุอื่นๆ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการรักษาสภาพแวดล้อมการประมวลผลที่สะอาด

อาร์กอน (อาร์):
บทบาท: นอกเหนือจากการมีส่วนร่วมในกระบวนการพลาสมา อาร์กอนยังเป็นเครื่องมือในกระบวนการที่องค์ประกอบของก๊าซที่ได้รับการควบคุมมีความสำคัญ
หมายเหตุเพิ่มเติม: เนื่องจากไม่ทำปฏิกิริยากับวัสดุส่วนใหญ่ อาร์กอนจึงใช้สำหรับการสปัตเตอร์ด้วย ซึ่งช่วยในการสะสมฟิล์มโลหะหรือไดอิเล็กตริกซึ่งต้องดูแลรักษาพื้นผิวโดยไม่มีการปนเปื้อน

ฮีเลียม (เขา):
บทบาท: คุณสมบัติทางความร้อนของฮีเลียมทำให้มีประโยชน์อย่างยิ่งในการทำความเย็นและรักษาความสม่ำเสมอของอุณหภูมิในระหว่างกระบวนการที่เกิดปฏิกิริยา
หมายเหตุเพิ่มเติม: มักใช้ในระบบเลเซอร์พลังงานสูงสำหรับการพิมพ์หิน เนื่องจากมีลักษณะที่ไม่เกิดปฏิกิริยาและความสามารถในการรักษาเส้นทางแสงที่ปราศจากการปนเปื้อน

ไฮโดรเจน (H₂):
บทบาท: นอกเหนือจากการใช้งานในการหลอมเหลวแล้ว ไฮโดรเจนยังช่วยในการทำความสะอาดพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ และอาจเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีในระหว่างการลอกเปลือก
หมายเหตุเพิ่มเติม: การใช้ไฮโดรเจนในการสะสมของฟิล์มบางช่วยให้สามารถควบคุมความเข้มข้นของตัวพาในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ได้ดีขึ้น ส่งผลให้คุณสมบัติทางไฟฟ้าของพวกมันเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก

ก๊าซพิเศษและสารเจือปน

ไซเลน (SiH₄):
บทบาท: นอกเหนือจากการเป็นสารตั้งต้นของการสะสมของซิลิคอนแล้ว ไซเลนยังสามารถโพลิเมอไรซ์เป็นฟิล์มที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงซึ่งช่วยปรับปรุงคุณลักษณะทางอิเล็กทรอนิกส์
หมายเหตุเพิ่มเติม: การเกิดปฏิกิริยาต้องใช้ความระมัดระวังเนื่องจากข้อกังวลด้านความปลอดภัย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อผสมกับอากาศหรือออกซิเจน

แอมโมเนีย (NH₃):
บทบาท: นอกเหนือจากการผลิตฟิล์มไนไตรด์แล้ว แอมโมเนียยังมีความสำคัญในการผลิตชั้นฟิล์มที่ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์
หมายเหตุเพิ่มเติม: อาจมีส่วนร่วมในกระบวนการที่ต้องมีการรวมไนโตรเจนเข้ากับซิลิคอน เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์

ฟอสฟีน (PH₃), อาร์ซีน (AsH₃) และไดโบเรน (B₂H₆):
บทบาท: ก๊าซเหล่านี้ไม่เพียงจำเป็นสำหรับการเติมสารต้องห้ามเท่านั้น แต่ยังมีความสำคัญต่อการบรรลุคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ต้องการในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงอีกด้วย
หมายเหตุเพิ่มเติม: ความเป็นพิษจำเป็นต้องมีระเบียบปฏิบัติด้านความปลอดภัยที่เข้มงวดและระบบตรวจสอบในสภาพแวดล้อมการผลิตเพื่อบรรเทาอันตราย

การแกะสลักและการทำความสะอาดก๊าซ

ฟลูออโรคาร์บอน (CF₄, SF₆):
บทบาท: ก๊าซเหล่านี้ถูกใช้ในกระบวนการกัดแบบแห้ง ซึ่งมีความแม่นยำสูงเมื่อเทียบกับวิธีการกัดแบบเปียก
หมายเหตุเพิ่มเติม: CF₄ และ SF₆ มีความสำคัญเนื่องจากความสามารถในการกัดวัสดุที่มีซิลิคอนอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งช่วยให้มีความละเอียดของรูปแบบที่ละเอียดซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในไมโครอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

คลอรีน (Cl₂) และไฮโดรเจนฟลูออไรด์ (HF):
บทบาท: คลอรีนมีความสามารถในการกัดกรดสูง โดยเฉพาะโลหะ ในขณะที่ HF มีความสำคัญอย่างยิ่งในการกำจัดซิลิคอนไดออกไซด์
หมายเหตุเพิ่มเติม: การรวมกันของก๊าซเหล่านี้ช่วยให้สามารถกำจัดชั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพในระหว่างขั้นตอนการผลิตต่างๆ ทำให้มั่นใจได้ว่าพื้นผิวจะสะอาดสำหรับขั้นตอนการประมวลผลครั้งต่อไป

ไนโตรเจนไตรฟลูออไรด์ (NF₃):
บทบาท: NF₃ เป็นส่วนสำคัญในการทำความสะอาดสิ่งแวดล้อมในระบบ CVD โดยตอบสนองต่อสิ่งปนเปื้อนเพื่อรักษาประสิทธิภาพสูงสุด
หมายเหตุเพิ่มเติม: แม้จะกังวลเกี่ยวกับศักยภาพของก๊าซเรือนกระจก แต่ประสิทธิภาพของ NF₃ ในการทำความสะอาดทำให้ผลิตภัณฑ์นี้เป็นตัวเลือกที่ต้องการในโรงงานหลายแห่ง แม้ว่าการใช้งานจะต้องคำนึงถึงสิ่งแวดล้อมอย่างระมัดระวังก็ตาม

ออกซิเจน (O₂):
บทบาท: กระบวนการออกซิเดชันที่เกิดจากออกซิเจนสามารถสร้างชั้นฉนวนที่จำเป็นในโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ได้
หมายเหตุเพิ่มเติม: บทบาทของออกซิเจนในการเพิ่มการเกิดออกซิเดชันของซิลิคอนเพื่อสร้างชั้น SiO₂ มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการแยกและการป้องกันส่วนประกอบของวงจร

ก๊าซเกิดใหม่ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

นอกเหนือจากก๊าซแบบดั้งเดิมที่ระบุไว้ข้างต้นแล้ว ก๊าซอื่นๆ กำลังได้รับความสนใจในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งรวมถึง:

คาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂): ใช้ในงานทำความสะอาดและกัดกรดบางประเภท โดยเฉพาะงานที่เกี่ยวข้องกับวัสดุขั้นสูง

ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO₂): แม้ว่าจะไม่ใช่ก๊าซภายใต้สภาวะมาตรฐาน แต่ซิลิคอนไดออกไซด์ในรูปแบบที่กลายเป็นไอจะถูกนำมาใช้ในกระบวนการสะสมบางอย่าง

ข้อพิจารณาด้านสิ่งแวดล้อม

อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ให้ความสำคัญกับการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้องกับการใช้ก๊าซต่างๆ มากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งก๊าซเรือนกระจกที่มีศักยภาพ สิ่งนี้นำไปสู่การพัฒนาระบบการจัดการก๊าซขั้นสูงและการสำรวจก๊าซทางเลือกที่สามารถให้ประโยชน์ที่คล้ายคลึงกันโดยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

บทสรุป

ก๊าซที่ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์มีบทบาทสำคัญในการรับประกันความแม่นยำและประสิทธิภาพของกระบวนการผลิต ในขณะที่เทคโนโลยีก้าวหน้า อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์พยายามอย่างต่อเนื่องในการปรับปรุงความบริสุทธิ์ของก๊าซและการจัดการ ขณะเดียวกันก็จัดการกับข้อกังวลด้านความปลอดภัยและสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้องกับการใช้งานด้วย