การสร้างวงจรบนแผ่นเวเฟอร์ (Wafer Fabrication)

บทนํา

                  หลังจากที่ได้แผ่นเวเฟอร์จากกระบวนการเตรียมแผ่นเวเฟอร์ (Wafer Preparation)แล้ว ในขั้นตอนต่อไปจะเป็นกระบวนการในการสร้างวงจรรวมลงบนแผ่นเวเฟอร์ (WaferFabrication) ซึ่งเป็นกระบวนการที่ มีขั้นตอนมาก ถ้าเป็นวงจรรวมที่มีความซับซ้อนมากเช่นไมโครโปรเซสเซอร์ จะมีขั้นตอนในการสร้างมากกว่า 350 ขั้นตอน ใช้เวลาประมาณ 6 ถึง 8 สัปดาห์ ถึงจะสามารถสร้างชั้นของสารกึ่งตัวนําลงบนแผ่นเวเฟอร์ได้ตามที่ต้องการ

รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนําแบบมอส
(Metal Oxide Semiconductor : MOS)

                  จากรูปที่ 1 เป็นโครงสร้างทางกายภาพ (Physical Structure) ของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนําแบบมอสเพียงตัวเดียว จะเห็นว่าประกอบด้วยชั้นของซิลิกอนซับสเตรท (Silicon Substrate)ส่วนของสารกึ่งตัวนําที่เป็นซอร์ส (Source) เกต (Gate) และ เดรน (Drain) นอกจากนี้ยังมีส่วนที่เป็นชั้นของออกไซด์ (Oxide) และส่วนของโลหะ (Metal) ที่ทําหน้าที่เป็นตัวนําต่อระหว่างชิ้นของสารกึ่งตัวนําไปยังส่วนอื่น ๆ เช่นต่อไปยังวงจรส่วนอื่น ซึ่งกระบวนการในการสร้างชั้นของสารกึ่งตัวนําและชั้นของโลหะจะได้กล่าวโดยละเอียดต่อไป

กระบวนการในการสร้างวงจรรวมบนแผ่นเวเฟอร์ (Wafer Fabrication)

                  ดังที่ได้กล่าวมาแล้วว่ากระบวนการในการสร้างวงจรรวมลงบนแผ่นเวเฟอร์มีขั้นตอนที่ยุ่งยากและซับซ้อนมาก เพื่อให้เข้าใจได้โดยง่ายในที่นี้จะขอยกตัวอย่างกระบวนการในการสร้างทรานซิสเตอร์ชนิดมอส (MOS Transistor) เพียงตัวเดียวซึ่งกระบวนการดังกล่าวก็มีขั้นตอนครอบคลุมเช่นเดียวกับการสร้างวงจรรวมที่มีความหนาแน่นของอุปกรณ์มาก ๆ ซึ่งประกอบด้วยขั้นตอนดังต่อไปนี้

1. การเตรียมแผ่นซิลิกอนซับสเตรท (Silicon Substrate)

                  แผ่นซิลิกอนซับสเตรทในที่นี้ก็คือแผ่นเวเฟอร์ที่ผ่านกระบวนการเตรียมแผ่นมาแล้วเป็นแผ่นซิลิกอนที่มีความเรียบและมีความมันวาวสูงเพื่อใช้เป็นฐานของการสร้างอุปกรณ์สารกึ่งตัวนําลงบนซับสเตรทนี้

รูปที่ 2 แสดงแผ่นซิลิกอนซับเสตรท

                  จากรูปที่   2  เป็นแผ่นซิลิกอนที่ทําหน้าที่เป็นฐานของวงจรรวม  มีหน้าที่เช่นเดียวกับฐานรากของอาคารนั่นเองขนาดของซับสเตรทนี้มีขนาดความหนาประมาณ 1 มิลลิเมตร มีความกว้างประมาณ 5 ไมครอน (0.000005 เมตร) อัตราส่วนของรูปที่นําเสนอจะไม่เป็นไปตามอัตราส่วนจริง แต่เพื่อให้ง่ายต่อการทําความเข้าใจรูปที่นําเสนอจึงเสมือนว่ าขนาดของความกว้าง และ ความยาว มีอัตราส่วนใกล้เคียงกัน

2. กระบวนการออกซิเดชั่น (Oxidation)

                   เป็นกระบวนการในการสร้างชั้นออกไซด์ลงบนแผ่นซับสเตรท (A Layer of Silicon Oxide) ซึ่งวิธีการในการสร้างชั้นออกไซด์ดังกล่าว เป็นวิธีการคล้ายกับการเกิดสนิม (Rusting) ที่ผิวของเหล็ก คือเมื่อเหล็กกระทบถูกออกซิเจนหรือนํ้าก็จะทําให้เกิดสนิมได้ การสร้างออกไซด์บนแผ่นเวเฟอร์ที่เรียกว่ากระบวนการออกซิเดชั่นนี้เป็นกระบวนการในการสร้างชั้นซิลิกอนไดออกไซด์ ขึ้นบนผิวของแผ่นเวเฟอร์เพื่อใช้ป้องกันไม่ให้สารเจือแพร่เข้าไปในบริเวณที่ไม่ต้องการขณะที่ทํากระบวนการโดป (Doping) (การแพร่สารเจือเพื่อสร้างชิ้นสารกึ่งตัวนํ าพี-เอ็น) โดยการนําแผ่นเวเฟอร์ใส่เข้าไปในท่อควอทซ์ (Quartz Tube) และใส่เข้าไปในเตาความร้อนที่มีอุณหภูมิประมาณ 1000-1200 องศาเซลเซียส มีออกซิเจนและไอนํ้าฉีดพ่นเข้าไปในเตา ซิลิกอนจะทําปฏิกิริยากับออกซิเจนกลายเป็นซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) ปกคลุมผิวของแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งซิลิกอนไดออกไซด์นี้จะมีคุณสมบัติเป็นฉนวนลักษณะโปร่งใส

(ข)

รูปที่ 3 (ก),(ข) แสดงเตา (Furnace) ที่ใช้ในการสร้างชั้นซิลิกอนไดออกไซด์

(ค)

   (ง)

                                    รูปที่ 3 (ต่อ) (ค) แสดงเตา (Furnace) ที่ใช้ในการสร้างชั้นซิลิกอนไดออกไซด์
                                                       (ง) แสดงชั้นออกไซด์ที่ผิวหน้าของแผ่นซับสเตรท

การสร้างซิลิกอนไดออกไซด์สามารถทําได้โดยวิธีการดังนี้

                 1. การออกซิเดชั่นแบบแห้ง (Dry Oxidation)

                         เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขี้นระหว่างอะตอมของแก๊สออกซิเจนที่บริสุทธิ์ กับอะตอมของซิลิกอนที่อุณหภู มิสูงประมาณ 1100° C อะตอมของซิลิกอนจะรวมตัวกับอะตอมของออกซิเจนจนเกิดเป็นซิลิกอนไดออกไซด์ อุปกรณ์ที่ใช้ในการออกซิเดชั่นแบบนี้แสดงดังรูปที่ 4 รูปที่ 4 แสดงอุปกรณ์ที่ใช้ในการทําออกซิเดชั่นแบบแห้ง (Dry Oxidation)ซิลิกอนไดออกไซด์ ที่ได้จากวิธีการนี้จะมีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดีสํ าหรับความหนาของชั้น SiO2 นี้สามารถพิจารณาได้จากกราฟรูปที่ 5

รูปที่ 5 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างเวลา อุณหภูมิ และความหนาของชั้นซิลิกอนไดออกไซด์

                  จากกราฟรูปที่ 5 ความหนาของชั้นออกไซด์จะสามารถควบคุมไดยโดยการควบคุมอุณหภูมิและเวลาที่ใช้ในการออกซิเดชั่น

                     2. การออกซิเดชั่นแบบชื้น (Wet Oxidation)

                             เป็นปฏิกิริยาระหว่างอะตอมของซิลิกอนและอะตอมของออกซิเจนในไอนํ้าโดยการปล่อยแก๊สออกซิเจนที่บริสุทธิ์เข้าไปในขวดแก้วที่บรรจุนํ้าบริสุทธิ์ไว้ นํ้าในขวดแก้วจะถูกทําให้ร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 90 –95° C แก๊สออกซิเจนซึ่งอิ่มตัวและมีไอนํ้าอยู่ด้วยจะถูกทําให้ไหลผ่านเข้าไปในท่อควอทซ์ที่มีแผ่นเวเฟอร์วางอยู่ ทําให้อะตอมของออกซิเจนรวมตัวกับอะตอมของซิลิกอนจนเกิดเป็นซิลิกอนไดออกไซด์ ดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 แสดงอุปกรณ์ที่ใช้ในการทําออกซิเดชั่นแบบชื้น (Wet Oxidation)

                    สําหรับความหนาของชั้นซิลิกอนไดออกไซด์ที่ได้จากการออกซิเดชั่นแบบชื้นจะสัมพันธ์กับเวลาและอุณหภูมที่ใช้ดังแสดงในกราฟรูปที่ 7

รูปที่ 7 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างเวลา อุณหภูมิ
และความหนาของชั้นซิลิกอนไดออกไซด์

                    การหาความหนาของชั้นออกไซด์นอกจากจะพิจารณาจากกราฟรูปที่ 5 และรูปที่7 แล้ว ยังสามารถบอกความหนาของชั้นออกไซด์ได้โดยการดูสีของชั้นออกไซด์จากการสะท้อนแสงฟลูออเรสเซนต์ตรง ๆ ซึ่งแสดงดังตารางที่ 1

ตารางที่ 1 แสดงสีของชั้นซิลิกอนไดออกไซด์ที่มีความหนาต่าง ๆ กัน

                     3. กระบวนการโฟโตลิโทกราฟี (Photolithography)

                         เป็นกระบวนการที่เริ่มต้นจากการเคลือบสารไวแสง (Photoresist) ลงบนชั้นของซิลิกอนไดออกไซด์ทั่วทั้งแผ่น โดยใช้วิธีการในการปล่อยนํ้ายาไวแสงลงบนแผ่นเวเฟอร์จากนั้นทําการหมุนแผ่นเวเฟอร์เพื่อเกลี่ยให้นํ้ายาไวแสงคลุมพื้นที่ทั่วแผ่นดังแสดงในรูปที่ 8

รูปที่ 8 แสดงการเคลือบนํ้ายาไวแสงลงบนแผ่นเวเฟอร์

                            สารไวแสงหรือนํ้ายาไวแสงนี้จะเปลี่ยนคุณสมบัติทางเคมีถ้าถูกแสง นํ้ายาไวแสงดังกล่าวมีทั้งชนิดบวกและชนิดลบ นําแผ่นที่เคลือบสารไวแสงไปอบ(Cure)ในเตาอบที่ มีอุณหภูมิประมาณ 100 °C เพื่อทําให้นํ้ายาไวแสงยึดติดกับผิวหน้าของชั้นซิลิกอนไดออกไซด์ได้ดียิ่งขึ้น จะได้แผ่นเวเฟอร์ที่มีชั้นของสารไวแสงเคลือบอยู่ ดังรูปที่ 9 หลังจากนั้นจะนําไปฉายด้วยแสงอัลตราไวโอเล็ต ผ่านโฟโตมาส์ค (Photo Mask) ไปตกกระทบบนแผ่นเวเฟอร์เพื่อให้เกิดรูปแบบที่ต้องการบนแผ่นเวเฟอร์นี้ ดังรูปที่ 10 และ 11

รูปที่ 9 แสดงการเคลือบผิวหน้าด้วยนํ้ายาไวแสง (Photoresist)

รูปที่ 10 แสดงการฉายแสงอัลตราไวโอเลตผ่านโฟโตมาส์ค

รูปที่ 11 แสดงการฉายแสงอัลตราไวโอเลตผ่านโฟโตมาส์คครั้งละหลายรูป

รูปที่ 12 แสดงโฟโตมาส์คที่ใช้ในการสร้างวงจรรวมแต่ละเลเยอร์

รูปที่ 13 แสดงโฟโตมาส์คที่ใช้ในการสร้างวงจรรวม

                                รูปที่ 14 แสดงส่วนที่ถูกแสง (Exposed Area) และส่วนไม่ถูกแสง (Unexposed Area)
                                            อัลตราไวโอเล็ต (มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า)

                      หลังจากที่ฉายด้วยแสงอุตร้าไวโอเล็ตแล้วจะนําแผ่นเวเฟอร์ไปทําการล้าง (Develop)เอาส่วนของนํ้ายาไวแสงที่ไม่ต้องการออกไป ซึ่งก็ขึ้นอยู่กับว่าใช้นํ้ายาไวแสงชนิดบวก (PositiveResist) หรือชนิดลบ (Negative Resist) ถ้าใช้นํ้ายาไวแสงชนิดบวกเมื่อนําไปดีเวลอป(Develop) ส่วนที่ถูกแสงจะถูกกัดออกไป แต่ถ้าเป็นนํ้ายาไวแสงแบบบวกเมื่อนําไป ดีเวลอปส่วนที่ถูกแสงจะยังคงอยู่ ดังรูปที่ 15

                                                (ก)                                                                  (ข)

รูปที่ 15 (ก) Negative resist developed (ข) Positive resist developed

                    4. กระบวนการเอชชิ่ง (Etching)

                          เป็นกระบวนการกัดกร่อนมีทั้งแบบ Wet Etching (ใช้สารเคมีในการกัดกร่อน)และ Dry Etching (ใช้พลาสมา : Plasma) เพื่อทําการลอกชั้นของออกไซด์ในส่วนที่ไม่มีสารไวแสง (Photoresist) ปกคลุมอยู่ ดังรูปที่ 16

รูปที่ 16 แสดงส่วนของแผ่นเวเฟอร์ที่ทําการลอกชั้นของออกไซด์ออกแล้ว

                         หลังจากลอกเอาส่วนของออกไซด์ออกแล้วจะเข้าสู่กระบวนการ Etching อีกครั้งหนึ่งเพื่อกําจัดชั้นของสารไวแสง (Photoresist) ออกไปก็จะเหลือส่วนของซิลิกอนไดออกไซด์ที่ต้องการอยู่บนซับสเตรท ดังรูปที่ 17

รูปที่ 17 แสดงส่วนของซิลิกอนไดออกไซด์ที่อยู่บนซับสเตรท

                          ต่อจากนั้นจะเป็นกระบวนการในการสร้างชั้นของออกไซด์บาง ๆ ปกคลุมผิวหน้าของทั้งหมดโดยใช้กระบวนการเช่นเดียวกับการสร้างชั้นซิลิกอนไดออกไซด์ในตอนแรก โดยนําเอาแผ่นเวเฟอร์ใส่เข้าไปในเตาความร้อนแล้วฉีดพ่นออกซิเจนเข้าไปแต่จะใช้เวลาน้อยกว่ากระบวนการในการสร้างชั้นซิลิกอนไดออกไซด์ในตอนแรก เมื่อผ่านกระบวนการนี้ที่ผิวหน้าของเวเฟอร์จะถูกปกคลุมด้วยชั้นของออกไซด์บาง ๆ โดยมีความหนาประมาณ 1 ใน 100 ส่วนของชั้นออกไซด์ที่สร้างในตอนแรก ซึ่งชั้นออกไซด์บาง ๆ ที่ได้นี้จะทําหน้าที่เป็นฉนวนที่คั่นอยู่ระหว่างขาเกตกับแผ่นซับสเตรท ในกระบวนการสร้าง MOS ทรานซิสเตอร์แสดงดังรูปที่ 18

รูปที่ 18 แสดงชั้นของออกไซด์บาง ๆ ปกคลุมที่ผิวหน้าของเวเฟอร์

                      หลังจากได้ชั้นของออกไซด์บาง ๆ ที่ผิวหน้าของเวฟอร์แล้วในขั้นตอนต่อไปเป็นการสร้างชั้นของซิลิกอนปกคลุมทับบนชั้นของออกไซด์อีกชั้นหนึ่ง โดยการนําเอาเวเฟอร์เข้าสู่เตาความร้อน หลังจากนั้นฉีดพ่นแก๊สไซเลน (Silane : SiH4) เข้าไปในเตาความร้อน แก๊สไซเลนจะแตกตัวแยกออกเป็นซิลิกอนกับไฮโตรเจน ซิลิกอนที่ได้จะตกตะกอนกองอยู่บนผิวหน้าของเวเฟอร์ซึ่งความหนาของชั้นซิลิกอนนี้จะมีความหนาประมาณ 100 เท่าของชั้นเกตออกไซด์ ดังแสดงในรูปที่ 19

รูปที่ 19 แสดงชั้นของซิลิกอนที่เกิดจาก SiH4

                      เมื่อได้ชั้นของซิลิกอนแล้วก็จะนําแผ่นเวเฟอร์เข้าสู่กระบวนการโฟโตลิโธกราฟี (Photolithography) และกระบวนการเอชชิ่ง (Etching) อีกครั้งหนึ่ง ในกระบวนการโฟโตลิโธกราฟี ก็จะเป็นการฉายรังสีอัลตราไวโอเล็ตผ่านโฟโตมาส์ค (Photo Mask) ตกกระทบลงบนผิวหน้าของเวเฟอร์ที่เคลือบด้วยนํ้ายาไวแสง (Photoresist) ซึ่งแผ่นโฟโตมาส์คก็จะทําให้ผิวหน้าของเวเฟอร์มีทั้งส่วนที่ถูกแสงและส่วนที่ไม่ถูกแสงอัลตราไวโอเล็ต จากนั้นนําแผ่นเวเฟอร์ไปเข้าสู่กระบวนการเอชชิ่งเพื่อกัดเซาะเอาส่วนที่ไม่ต้องการออกไปจนได้แผ่นเวเฟอร์ที่มีผิวหน้าดังรูปที่ 20

                                          รูปที่ 20 แสดงผิวหน้าของเวเฟอร์ที่ผ่านกระบวนการโฟโตลิโธกราฟี
                                                      และกระบวนการเอชชิ่งครั้งที่ 2

                   5. กระบวนการโดป (Doping)

                         กระบวนการในการโดปเป็นกระบวนการที่จะกําหนดชนิด (Type) และความนําไฟฟ้า (Conductivity) ของสารกึ่งตัวนํ าให้มีค่าตามต้องการ ซึ่งต้องมีการความคุมชนิดและปริมาณของสารเจือ (Impurity) ว่าต้องการให้สารกึ่งตัวนํานั้นมี สภาพเป็นผู้ให้อิเล็กตรอน(Donor) หรือผู้รับอิเล็กตรอน (Acceptor) โดยถ้าต้องการให้เป็นผู้ให้อิเล็กตรอนก็ทําการเติมฟอสฟอรัส (Phosphorus) หรืออาเซนิค (Arsenic) ถ้าต้องการให้เป็นผู้รับอิเล็กตรอนก็ทําการเติม แกลเลียม (Gallium) หรือ อินเดียม (Indium) กระบวนการในการโดปสามารถทําได้ 2 วิธีได้แก่

                                   1. การแพร่สารเจือ (Diffusion)

                                   2. การยิงอิออน (Ion-Implantation)

                      5.1 การแพร่สารเจือ (Diffusion)

                            กระบวนการในการแพร่สาร (Diffuse) หมายถึงกระบวนการที่สารชนิดหนึ่งที่มีความหนาแน่นสูงถูกนําไปใส่ไว้ในสารอีกชนิดหนึ่งที่มีความหนาแน่นตํ่า สารที่มีความหนาแน่นสูงจะแผ่กระจายออกไป ตัวอย่างเช่นการหยดหมึกลงในนํ้า จะสังเกตว่าเมื่อมีการหยดหมึกลงในนํ้าหมึกจะกระจายตัวออกไปจนทําให้นํ้าเปลี่ยนสีเป็นสีของหมึกจาง ๆ ได้ดังแสดงในรูปที่ 20

รูปที่ 20 แสดงหลักการแพร่กระจายของหมึกในนํ้า

                    จากการศึกษากลไกของการแพร่พบว่า การแพร่ของสารเจือในของแข็งนั้นเป็นไปได้มากขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และมีกลไกการแพร่ของสารเจือเป็น 2 แบบคือ การเข้าไปแทนที่อะตอม และการเข้าไปแทรกตัวอยู่ระหว่างอะตอม

                         1 การแพร่แบบเข้าไปแทนที่

                                วาเลนซ์อิเล็กตรอนของซิลิกอนหรือเยอรมาเนียมมี 4 ตัว และการเกาะเกี่ยวระหว่างอะตอมทํากันด้วยพันธะโควาเลนซ์ (Covalence bond) และเกาะกันเป็นโครงผลึก(Lattice) เมื่อให้พลังงานสูงขึ้นคู่พันธะจะแตกออก อะตอมของสารเจือจะเข้าไปแทนที่ ลักษณะการแทนที่เช่นนี้อะตอมของสารเจือจะต้องมีขนาดใกล้เคียงกับขนาดของอะตอมที่จะถูกแทนที่ซึ่งเป็นกรณีเดียวกับการแพร่ของ โบรอน ฟอสฟอรัส อาเซนิค ในซิลิกอนหรือเยอรมาเนียม เมื่อมีการแทนที่แล้วถ้าหากอะตอมของสารเจือได้รับพลังงานมากพอก็อาจจะหลุดไปและมีการแทนที่ในที่ใหม่ได้เช่นกัน

                           2 การแพร่แบบเข้าไปแทรกตัว

                              พบว่าการแพร่แบบนี้จะเกิดขึ้นกับสารเจือที่มีขนาดของอะตอมใหญ่กว่าอะตอมของสารกึ่งตัวนํามาก เช่นการแพร่ของทองคําในซิลิกอน เป็นต้น

เทคนิคการแพร่สารเจือ

                 จุดประสงค์ของสําคัญของการแพร่สารเจือก็คือการทําให้เกิดอะตอมผู้ให้(Donor) และอะตอมผู้รับ (Acceptor) ขึ้น ซึ่งในกระบวนการของการแพร่สารจะต้องประกอบด้วยการ Deposition การ Drive-In และการ Activation ดังแสดงในรูปที่ 22

รูปที่ 22 แสดงขั้นตอนในการแพร่สารเจือเบื้องต้น

                  จากรูปที่ 22 เป็นหลักการในการแพร่สารเจือเบื้องต้น เพื่อให้เห็นภาพรวมของกระบวนการ จะเห็นว่าแผ่นเวเฟอร์จะถูกเคลือบด้วยสารเจือทั่วทั้งแผ่น (มีการเปิดช่องเพื่อให้สารเจือเข้าไปได้โดยผ่านกระบวนการโฟโตลิโธกราฟี และกระบวนการเอชชิ่งแล้ว) เรียกขั้นตอนนี้ว่าการ Deposition จากนั้นแผ่นเวเฟอร์จะถูกทําให้ร้อนเพื่อให้อะตอมของสารเจือได้แทรกตัวเข้าไปในโมเลกุลของซิลิกอนหรือเยอรมาเนียมในแผ่นเวเฟอร์ เรียกขั้นตอนนี้ว่าการ Drive-Inหลังจากนั้นอะตอมของซิลิกอนหรือเยอรมาเนียมจะถูกแทรกด้วยอะตอมของสารเจือทําให้เกิดอะตอมผู้ให้ (Donor) หรืออะตอมผู้รับ (Acceptor) ก็ขึ้นอยู่กับชนิดของสารเจือ เรียกขั้นตอนนี้ว่า Activation

รูปที่ 23 แสดงการแพร่สารเจือเข้าไปตรงช่องที่ต้องการ

รูปที่ 24 แสดงการแพร่สารเจือ (Diffusion) เกิดเป็นรอยต่อ P-N

                    แหล่งจ่ายสารเจือจะอยู่ในรูปของสารประกอบทั้ง 3 สถานะ คือ ของแข็ง ของเหลว และแก ๊ ส รูปแบบการใช้งานก็จะมีความเหมาะสมแตกต่างกันออกไปตามสภาวะ

                          1. การแพร่สารเจือเมื่อแหล่งจ่ายอยู่ในลักษณะของแข็งแหล่งจ่ายสารเจือที่เป็นของแข็ง จะเป็นสารประกอบของโบรอน , ฟอสฟอรัสและอาเซนิค ซึ่งเตาแพร่สารมักจะเป็นแบบ Two-Zone Diffusion Furnace ดังรูปที่ 25

รูปที่ 25 แสดงเตาแพร่สารเจือที่มีแหล่งจ่ายเป็นของแข็ง (Solid Source)

                      จากรูปที่ 25 เตาแพร่สารเจือจะแบ่งออกเป็น 2 ตอน ตอนหลังซึ่งมีแหล่งจ่ายสารเจืออยู่จะมีอุณหภูมิตํ่า ประมาณ 200-400° C แต่ส่วนหน้าซึ่งเป็นตําแหน่งวางเวเฟอร์จะมีอุณหภูมิประมาณ 800-1250 °C แก๊สพาหะจะใช้ทั้งออกซิเจนและไนโตรเจน

                     2. การแพร่สารเจือเมื่อแหล่งจ่ายอยู่ในลักษณะของเหลวโดยทั่วไปแหล่งจ่ายสารเจือจะเป็น Phosphorus Oxychloride (POCl3) และ Boron tribomide (BBr3) ซึ่งมีกระบวนการคล้ายกับการทํา Wet Oxidation คือผ่านแก๊สเฉี่อยลงไปในสารละลาย จากนั้นไอของ BBr3 หรือ POCl3 ก็จะผ่านเข้าไปในท่อควอทช์ ซึ่งมีแผ่นเวเฟอร์อยู่ดังรูปที่ 26 ในทางปฏิบัติสามารถควบคุมความหนาแน่นในการแพร่สารเจือได้โดยการควบคุมอุณหภูมิของแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งตัวแปรอื่น ๆ เช่น เวลา อัตราการไหลของแก๊ส ปริมาณออกซิเจน มักจะถูกจํากัดให้มีค่าคงที่เอาไว้ ข้อดีของการแพร่สารเจือแบบนี้คือ สามารถแพร่สารเจือให้มีความหนาแน่นได้สูง ประมาณ 10² Atom/cm³ แต่มีข้อเสียคือ การแพร่ให้มีความหนาแน่นของสารเจือสูง ๆ อาจเกิดความเสียหายของผิวหน้า เนื่องจากโบรมีน และคลอรีนที่เกิดขึ้นเนื่องจากปฏิกิริยาได้

รูปที่ 26 แสดงเตาแพร่สารเจือที่มีแหล่งจ่ายเป็นของเหลว (Liquid Source)

                   3. การแพร่สารเจือเมื่อแหล่งจ่ายอยู่ในลักษณะแก๊ส จะใช้สารประกอบของโบรอน ฟอสฟอรัส และอาเซนิค แสดงดังรูปที่ 26

รูปที่ 27 แสดงเตาแพร่สารเจือที่มีแหล่งจ่ายเป็นแก๊ส (Gas Source)

                  การใช้แหล่งจ่ายสารเจือที่เป็นแก๊สมีข้อได้เปรียบกว่าทั้งสองแบบที่กล่าวมาแล้วมาก เนื่องจากสามารถควบคุมความหนาแน่นของสารเจือได้ง่าย ทั้งยังทํ าให้ใช้งานกับระบบอัตโนมัติได้สะดวกอีกด้วย ทําให้เตาที่ใช้มีขนาดกระทัดรัดลงมา และเป็นแบบ Single-zone Diffusion Furnace และยังได้เปรียบในเรื่องของความสะอาดอีกด้วย แต่ก็มีข้อเสียเนื่องจากแก๊สที่ใช้เป็นแก๊สพิษ ถ้าไม่มีระบบป้องกันที่ดีพอ อาจทําให้เกิดอันตรายต่อผู้ปฏิบัติงานได้

           5.2. การยิงอิออน (Ion-Implantation)

                 การโดปโดยวิธีแพร่สารเจือเป็นวิธีที่ใช้ได้ดีกับวงจรรวมที่มีขนาดไม่หนาแน่นมากนักเช่นวงจรรวมแบบ SSI MSI หรือ LSI แต่ถ้าเป็นวงจรรวมขนาดใหญ่การโดปโดยวิธีการแพร่สารเจือจะทําได้ยากเนื่องจากการควบคุมขอบเขตของการแพร่สารจะกระทําได้ยากขึ้น ดังนั้นจึงได้มีการกระบวนการโดปโดยใช้วิธีการยิงอิออน เนื่องจากสามารถควบคุมให้มีความเที่ยงตรงแน่นอน ไม่ว่าจะเป็นการควบคุมความลึกของรอยต่อ หรือปริมาณอะตอมของสารเจือ เครื่องยิงอิออนแสดงในรูปที่ 28

รูปที่ 28 แสดงไดอะแกรมการทํางานของ Ion-Implantator

                 อะตอมของสารเจือจะถูกเลือกโดย Analyze magnet หลังจากนั้นก็จะถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้า (Acceleration tube) ผ่านเลนส์แม่เหล็กเข้าสู่ระบบการสแกน (อาจจะสแกนลําอนุภาคหรือเลื่อนแผ่นเวเฟอร์ก็ได้) เพื่อให้ตกกระทบสู่แผ่นเวเฟอร์ปกติแล้วจะใช้ชั้นซิลิกอนไดออกไซด์ (Silicon Dioxide) หนา ๆ หรือสารไวแสง (Photoresist) หนา ๆ เป็นหน้ากากป้องกันการแพร่ในส่วนที่ไม่ต้องการ ความลึกของอนุภาคสารเจือที่จะเข้าไปสู่แผ่นซิลิกอนสามารถที่จะกําหนดได้โดยการปรับความเข้มของสนามไฟฟ้าที่เร่งอนุภาคสารเจือ

รูปที่ 29 แสดงการโดปโดยใช้วิธียิงอิออน (Ion-Implantation)

                  จากรูปที่ 29 อิออนจะถูกยิงเข้าไปที่ผิวหน้าของเวเฟอร์ ส่วนที่ปกคลุมด้วยนํ้ายาไวแสงจะไม่เกิดปฏิกิริยาใด ๆ ส่วนของซิลิกอนซับสเตรทที่เปิดอยู่อิออนจะทําให้เกิดเป็นส่วนของ ซอร์ส (Source) และเดรน (Drain) ขึ้นเมื่อเสร็จสิ้นกระบวนการ Ion-Implantation แล้วส่วนของสารไวแสง (Photoresist)จะถูกกัดออกโดยใช้กระบวนการ Etching ดังรูปที่ 30 ในขั้นตอนนี้ก็จะได้ มอสทรานซิสเตอร์ที่ประกอบด้วยเกต (Gate) ซอร์ส (Source) และเดรน (Drain)

รูปที่ 30 แสดงมอสทรานซิสเตอร์หลังจากผ่านการโด๊ป

รูปที่ 31 แสดงการยิงอิออนของฟอสฟอรัสเข้าไปทําให้เกิดสารกึ่งตัวนําชนิด N

รูปที่ 32 แสดงการยิงอิออนของโบรอนเข้าไปทําให้เกิดสารกึ่งตัวนําชนิด P

              6. กระบวนการเมทัลไลเซชั่น (Metalization)

                   เมื่อผ่านกระบวนการมาถึงขั้นตอนนี้จะได้ชิ้นส่วนต่าง ๆ ของอุปกรณ์วงจรรวมบนแผ่นเวเฟอร์แต่ส่วนต่าง ๆ ของอุปกรณ์เหล่านั้นยังไม่มีส่วนใดที่ต่อเชื่อมถึงกัน ดังนั้นจึงจําเป็นที่ต้องต่อส่วนต่าง ๆ ของอุปกรณ์เหล่านั้นเข้าด้วยกันตามโครงสร้างที่ได้ออกแบบไว้เพื่อที่จะให้ได้วงจรรวมที่ทํางานตามหน้าที่ได้อย่างสมบูรณ์การเชื่อมต่อส่วนต่าง ๆ ดังกล่าวเข้าด้วยกันจําเป็นต้องอาศัยกระบวนการเมทัลไลเซชั่น (Metalization) เพื่อสร้างรอยสัมผัสโอห์มมิค(Ohmic Contact) โดยใช้ตัวนําไฟฟ้าที่ทําให้รอยสัมผัสที่ค่าความต้านทานตํ่า ทําให้ส่วนต่าง ๆ เชื่อมต่อกันได้อย่างสมบูรณ์

                     ขั้นตอนของกระบวนการเมทัลไลเซชั่น เริ่มจากการสร้างชั้นซิลิกอนไนไตรด์ (Silicon Nitride) ที่มีความหนาปกคลุมผิวหน้าของแผ่นเวเฟอร์ เรียกส่วนนี้ว่า Top Nitride เพื่อทําหน้าที่เป็นฉนวนบนผิวหน้าของแผ่นเวเฟอร์ ป้องกันความชื้น ฝุ่นละออง และรอยขีดข่วนที่อาจเกิดขึ้นกับชั้นของสารกึ่งตัวนําด้านล่าง ดังรูปที่ 33

รูปที่ 33 แสดงการสร้างชั้นซิลิกอนไนไตรด์คลุมผิวหน้าของแผ่นเวเฟอร์

                 ในขั้นตอนต่อไปก็จะเป็นกระบวนการโฟโตลิโธกราฟี โดยใช้โฟโตมาส์ค และกระบวนการเอชชิ่งเพื่อเปิดช่องสําหรับนําโลหะมาสร้างรอยสัมผัสโอห์มมิคต่อส่วนต่าง ๆ ของวงจรบนแผ่นเวเฟอร์ ดังรูปที่ 34

รูปที่ 34 แสดงช่องที่จะใช้สําหรับสร้างรอยสัมผัสโอห์มมิคในกระบวนการเมทัลไลเซชั่น

                  ในขั้นตอนสุดท้ายจะเป็นการสร้างรอยสัมผัสโอห์มมิคโดยใช้โลหะ เช่น อลูมิเนียมมาสร้างเป็นชั้นปกคลุมผิวหน้าของแผ่นเวเฟอร์ จากนั้นก็จะใช้กระบวนการโฟโตลิโธกราฟีพร้อมด้วยโฟโตมาส์ค และกระบวนการเอชชิ่งเพื่อกัดเซาะเอาส่วนของตัวนําในส่วนที่ไม่ต้องการออกไป จะได้มอสทรานซิสเตอร์ที่สมบูรณ์ดังรูปที่ 35

รูปที่ 35 แสดง Metal Contact ต่อจากส่วนของ ซอร์ส เกต และเดรน

รูปที่ 36 แสดงส่วนต่าง ๆ ของ มอสทรานซิสเตอร์ที่สมบูรณ์

รูปที่ 37 แสดงชั้น (Layer) ต่าง ๆ ของแผ่นวงจรรวม

             7. การทดสอบวงจรบนแผ่นเวเฟอร์ ( Wafer Test & Mark)

                 เป็นการทดสอบวงจรบนแผ่นเวเฟอร์ (Wafer Test) และทําเครื่องหมาย (Mark)บนได (Die) เมื่อตรวจพบว่าไดนั้นชํารุดหรือเสียหาย ในกาทดสอบแผ่นเวเฟอร์เป็นการทดสอบคุณสมบัติทางไฟฟ้าแต่ละอย่างว่ามีคุณสมบัติและมีประสิทธิภาพในการทํางานตามที่ต้องการหรือไม่ คุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ต้องการทดสอบจะใช้กระบวนการในการทดสอบแตกต่างกันออกไปขึ้นอยู่กับว่าจะทดสอบคุณสมบัติในด้านใด เมื่อพบว่ามีความผิดพลาดเกิดขึ้นชิ้นส่วนหรือได (Die) นั้นก็จะถูกทําเครื่องหมายไว้

                การทดสอบคุณสมบัติทางไฟฟ้าจะถูกกระทําในหลาย ๆ ส่วนของกระบวนการผลิต ตั้งแต่เริ่มต้นออกแบบ (Design Stage) ในระหว่างกระบวนการสร้างวงจรรวมบนแผ่นเวเฟอร์ (Wafer Fabrication) รวมทั้งทดสอบเมื่อได้ไอซีในรูปแบบที่เป็น Package แล้ว

ตารางที่ 2 แสดงการทดสอบในระหว่างกระบวนการต่าง ๆ

  การทดสอบคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่กระทําในระหว่างกระบวนการ Wafer Fabrication ได้แก่

                             - In-line parametric test

                             - Wafer sort

           7.1 In-Line Parametric Test

                   เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Wafer Electrical Test (WET) เป็นการทดสอบคุณสมบัติทางไฟฟ้า เมื่อสร้างชั้นของโลหะชั้นแรกเสร็จเรียบร้อยแล้ว (First Metal Layer Etched) การทดสอบแบบนี้บางครั้งเรียกว่า “DC Test” เนื่องจากมีการป้อนแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเข้าไปโดยการนําโพรปไปสัมผัสกับส่วนที่เป็น Pads สาเหตุที่ต้องทําการทดสอบในลักษณะนี้ก็เพื่อ

                  1. Identify Process Problem เป็นการแยกแยะปัญหาที่เกิดขึ้นในขั้นตอนของWafer Fab. ในเบื้องต้น แทนที่จะทดสอบเมื่อสิ้นสุดกระบวนการ Wafer Fabrication

                   2. Pass/fail Criteria กํ าหนดกฏเกณฑ์ (Criteria) ว่าสมควรจะดําเนินกระบวนการ Wafer Fab. ต่อไปหรือไม่

                   3. Data Collection เป็นการรวบรวมข้อมูลเพื่อดูแนวโน้มในการปรับปรุงกระบวนการ Wafer Fabrication

                   4. Special Test เป็นการทดสอบคุณสมบัติพิเศษตามความต้องการของลูกค้า

                   5. Wafer Level Reliability เป็นการทดสอบความน่าเชื่อถือในระดับเวเฟอร์ เพื่อให้เกิดความมั่นใจว่ากระบวนการผลิดเป็นไปตามเงื่ อนไขและมีขั้นตอนและกระบวนการที่ถูกต้อง

อุปกรณ์ที่ต้องใช้ในกระบวนการ In-Line Parametric Test

                1. Probe Card Iinterface

                    - เป็นตัวที่ทําหน้าที่ในการติดต่อระหว่างเครื่องทดสอบกับเวเฟอร์ที่ต้องการทดสอบ ลักษณะของ Probe Card มักจะอยู่ในรูปของแผ่นวงจรพิมพ์ (Printed Circuit Board)ที่มีปลายเข็มสําหรับทําหน้าที่เป็นจุดสัมผัสกับเวเฟอร์ส่วนที่ต้องการทดสอบ

รูปที่ 38 แสดง Probe card ในรูปแบบต่าง ๆ

              2. Wafer Positioning

                         - เป็นอุปกรณ์ที่ทําหน้าที่ปรับตําแหน่งให้ปลายเข็มของ Probe Card ตรงกับจุดที่ต้องการทดสอบ โดยสามารถปรับตําแหน่งได้ทั้งในแนวแกน X , Y และ Z

รูปที่ 39 แสดงการปรับตําแหน่งของ Probe Card ให้อยู่ในตําแหน่งที่ถูกต้อง

              3. Test Instrument

                     - เป็นอุปกรณ์ที่ทําหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายทั้งกระแสและแรงดันให้กับ Probe Card และนอกจากนี้ยังทําหน้าที่เป็นตัวตรวจจับหรือตรวจวัด กระแส แรงดัน ความจุ ที่มีค่าน้อย ๆ ในระดับพิโคแอมป์ (Picoamp) หรือพิโคฟารัด (Picofarad) ได้โดยค่าแรงดัน กระแส ความต้านทาน หรือความจุ ที่วัดได้จะอยู่ ในรูปของสัญญาณแอนะลอก ส่วนของ Test Instrument ก็จะทําการแปลงให้เป็นสัญญาณดิจิตอลเพื่อส่งไปประมวลผลที่เครื่องคอมพิวเตอร์ต่อไป

                4. Computer as Host or Server/Network

                    - เป็นเครื่องคอมพิวเตอร์ที่ใช้งานเป็นเครื่องทดสอบโดยเฉพาะ ทําหน้าที่ในการประมวลผลสัญญาณที่รับเข้ามาได้และแสดงผลลัพธ์ออกมา โดยเครื่องคอมพิวเตอร์จะมีซอฟท์แวร์ที่ใช้ในการควบคุมตําแหน่งของเวเฟอร์ ควบคุมการรับและส่งสัญญาณที่ Probe Card ในบางระบบ คอมพิวเตอร์ก็อาจต่อร่วมกันเป็นระบบเน็ทเวอร์คก็ได์

รูปที่ 40 แสดงบล็อคไดอะแกรมของ Automated Tester System

                7.2 Wafer Sort

                   เป็นการทดสอบเมื่อสิ้นสุดกระบวนการ Wafer Fabrication เป็นการทดสอบได (Die) ทุกได ที่อยู่บนแผ่นเวเฟอร์ว่ามีคุณสมบัติหรือมีฟังก์ชั่นตรงตามที่ต้องการหรือไม่โดยจะทําการทดสอบทุกฟังก์ชั่น สาเหตุของการทํา Wafer Sort ก็คือ

                     1. Chip Functionally

                      - เป็นการทดสอบการทํางานของฟังก์ชั่นทุกฟังก์ชั่นของชิปที่อยู่บนแผ่นเวเฟอร์เพื่อให้แน่ใจว่าชิปทุกชิปที่จะส่งต่อไปยังกระบวนการต่อไปเป็นชิปที่มีคุณสมบัติและมีฟังก์ชั่นการทํางานถูกต้องครบถ้วนตามที่กําหนด

                     2. Chip Sorting

                       - เป็นการแยกแยะชิปที่มีคุณภาพดีโดยพิจารณาจากคุณสมบัติทางด้านความเร็วในการทํางาน (Operating Speed Performance) (ซึ่งกระทําโดยการป้อนแรงดันทดสอบหลาย ๆ ค่าและเปลี่ยนแปลงเงื่อนไขทางด้านเวลา)

                     3. Fab Yield Response

                        - เป็นการแสดงค่าอัตราส่วนระหว่างจํานวนชิปที่ใช้งานได้ต่อจํานวนชิปทั้งหมดที่ อยู่บนแผ่นเวเฟอร์เพื่อหาประสิ ทธิภาพของกระบวนการผลิตเพื่อเป็นข้อมูลที่ใช้ในการปรับปรุงกระบวนการผลิตต่อไป สูตรที่ใช้ในการคํานวณหาค่า Wafer sort yield ได้แก่

                 4. Test Coverage

                     - การทดสอบแบบนี้ครอบคลุมทุกส่วนภายในอุปกรณ์ที่ทําการทดสอบด้วยค่าใช้จ่ายที่ถูกที่สุด

รูปที่ 41 แสดงไดที่ถูกทําเครื่องหมายซึ่งจะต้องไม่ถูกนํามาใช้งาน

 สรุป

                    ในกระบวนการสร้างวงจรบนแผ่นเวเฟอร์(Wafer Fabrication) เริ่มจากนําแผ่นเวเฟอร์ที่ได้จากกระบวนการเตรียมแผ่น (Wafer Preparation) มาสร้างชั้นออกไซด์โดยใช้กระบวนการออกซิเดชั่น (Oxidation) ซึ่งกระบวนการออกซิเดชั่นมีทั้ง การออกซิเดชั่นแบบแห้ง (Dry Oxidation) ใช้หลักการรวมตัวของอะตอมของออกซิเจนและอะตอมของซิลิกอนในสภาพอุณหภูมิที่สูงภายในเตาความร้อน (Furnace) และการออกซิเดชั่นแบบชื้น (Wet Oxidation) ใช้หลักการรวมตัวของออกซิเจนที่มีอยู่ในไอนํ้าและอะตอมของซิลิกอน หลังจากผ่านกระบวนการออกซิเดชั่นแล้วแผ่นเวเฟอร์จะมีชั้นของซิลิกอนไดออกไซด์เคลือบอยู่จากนั้นจะเข้าสู่กระบวนการโฟโตลิโธกราฟี (Photolithography) เป็นการถ่ายแสงอัลตราไวโอเล็ตผ่านโฟโตมาส์ค ทําให้เกิดส่วนที่ถูกแสงและส่วนที่ไม่ถูกแสงที่แผ่นเวเฟอร์ที่ถูกเคลือบด้วยนํ้ ายาไวแสงจากนั้นจะเข้าสู่กระบวนการเอชชิ่ง (Etching) เพื่อกัดเซาะเอาส่วนที่ไม่ต้องการจากกระบวนการถ่ายแสงให้ออกไปคงเหลือไว้แต่ส่วนที่ต้องการให้เกิดบนแผ่นเวเฟอร์เท่านั้น หลังจากนั้นจะเข้าสู่กระบวนการโดป (Doping) เพื่อทําให้เกิดชั้นของสารกึ่งตัวนําบนแผ่นเวเฟอร์กระบวนการโดปสามารถทําได้ 2 วิธีได้แก่ กระบวนการแพร่สารเจือ (Diffusion) และกระบวนการยิงอิออน (Ion Implantation)ซึ่งกระบวนการโดปจะทําให้เกิดชั้นของสารกึ่งตัวนําได้ทั้งชนิด P และชนิด N ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับการแพร่สารเจือชนิดไหนเข้าไป หรือยิงอิออนของอะไรเข้าไป เช่นถ้ายิงอิออนของฟอสฟอรัส(Phosphorus) เข้าไปก็จะทําให้เกิดสารกึ่งตัวนําชนิด N แต่ถ้ายิงอิออนของโบรอน (Boron) เข้าไปก็จะทําให้เกิดสารกึ่งตัวนําชนิด P กระบวนการโฟโตลิโธกราฟีกระบวนการเอชชิ่ง และกระบวนการโดป จะถูกทําหลาย ๆ ครั้งจนกว่าจะได้ชั้นของสารกึ่งตัวนําตามที่ต้องการ ในขั้นตอนต่อมาจะเป็นกระบวนการในการเชื่อมโยงส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกัน เรียกกระบวนการนี้ว่ากระบวนการเมทัลไลเซชั่น เป็นการใช้โลหะตัวนําเชื่อมโยงส่วนต่าง ๆ ของแต่ละเลเยอร์เข้าด้วยกัน ซึ่งต้องใช้กระบวนการโฟโตลิโธกราฟี กระบวนการเอชชิ่ง ช่วยในการสร้างชั้นของโลหะตัวนํานี้ ในขั้นตอนสุดท้ายเป็นขั้นตอนของการทดสอบแผ่นเวเฟอร์ที่ได้ว่ามีได (Die) ที่ใช้ได้และใช้ไม่ได้คือไม่สามารถทํางานได้ตามฟังก์ชั่นที่ได้ออกแบบไว้ว่ามีจํานวนเท่าใด ถ้าพบไดที่ใช้ไม่ได้ก็จะทําเครื่องหมายลงบนไดตัวนั้น

คณะวิชาช่างไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ สถาบันการอาชีวศึกษาภาคกลาง 3 วิทยาเขตเทคนิคสิงห์บุรีแห่งที่ 1

Webmaster email address; sanong_tou@hotmail.com,sanong_tou@thaimail.com

Tel:036-511232, Fax: 036- 511487