การประยุกต์ใช้ก๊าซพิเศษในอุตสาหกรรมอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบ LED

การเจริญเติบโตแบบเอพิแทกซีถือเป็นขั้นตอนหลักในการผลิตชิปแอลอีดี คุณภาพของกระบวนการเอพิแทกซีส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการเรืองแสง ความสม่ำเสมอของความยาวคลื่น และอายุการใช้งานของชิปแอลอีดี ระบบก๊าซเฉพาะทางที่มีความแม่นยำสูงจึงมีบทบาทสำคัญในการสนับสนุนขั้นตอนวิกฤตนี้

เมื่อเทคโนโลยีจอแสดงผลรุ่นใหม่ เช่น มินิแอลอีดีและไมโครแอลอีดี พัฒนาอย่างรวดเร็ว ความต้องการต่อสภาพแวดล้อมในการผลิตและวัสดุสำหรับกระบวนการก็เพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความบริสุทธิ์ ความเสถียร และความน่าเชื่อถือในการจัดหาของก๊าซเฉพาะทางจึงกลายเป็นปัจจัยสำคัญที่จำกัดการยกระดับอุตสาหกรรม

เอพิแทกซี: จุดเริ่มต้นของการ "เติบโต" ของชิปแอลอีดี

ในห่วงโซ่คุณค่าของอุตสาหกรรมแอลอีดี เทคโนโลยี เครื่องจักร และวัสดุสำหรับการเจริญเติบโตแบบเอพิแทกซี คือสามเสาหลักของการผลิตเวเฟอร์เอพิแทกซี ขณะนี้ เทคโนโลยีโมซีวีดี (MOCVD) หรือการสะสมไอเคมีแบบสารประกอบโลหะอินทรีย์ คือเทคโนโลยีหลักที่ใช้ในการผลิตเวเฟอร์เอพิแทกซี และเป็นกระบวนการอุตสาหกรรมที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง รวมทั้งยังเป็นเทคนิคพื้นฐานสำหรับการผลิตวัสดุออปโตอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่

หลักการพื้นฐานของกระบวนการ MOCVD คือ การส่งสารตั้งต้นที่เป็นสารประกอบโลหะอินทรีย์และไฮไดร์ดที่มีธาตุเฉพาะเจาะจงเข้าไปยังห้องปฏิกิริยาผ่านก๊าซพา โดยจะเกิดปฏิกิริยาเคมีบนวัสดุพื้นฐานที่มีอุณหภูมิสูง จนเกิดการสร้างชั้นเอพิแท็กซีที่เป็นผลึกเดี่ยว กระบวนการนี้มีข้อกำหนดสูงมากต่อความบริสุทธิ์ของก๊าซ ความแม่นยำของการไหล และความเสถียร

บทบาทหลักของก๊าซเฉพาะทางในการสร้างชั้นเอพิแท็กซี

ก๊าซเฉพาะทางที่มีความบริสุทธิ์สูงพิเศษทำหน้าที่ต่างกันในการสร้างชั้นเอพิแท็กซี

ก๊าซที่ใช้ในปฏิกิริยา

● แอร์ซีน (AsH3) ฟอสฟีน (PH3) และแอมโมเนีย (NH3) ที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นก๊าซหลักที่ใช้ในปฏิกิริยา ซึ่งให้ธาตุกลุ่ม V (อะเซนิก ฟอสฟอรัส และไนโตรเจน) ที่รวมตัวกับธาตุกลุ่ม III เพื่อสร้างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบประกอบ

ก๊าซที่ใช้ในการโดป

● ไซแลน (SiH4) ใช้สำหรับการโดปชนิด N ในกระบวนการผลิตแกลเลียมอาร์เซไนด์ เพื่อควบคุมสมบัติทางไฟฟ้าของชั้นเอพิแท็กซีอย่างแม่นยำ ส่วนไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl) และคลอรีน (Cl2) มักใช้เป็นก๊าซกัดกร่อนสำหรับการกัดกร่อนแบบละเอียดและการบำบัดผิว

ก๊าซพาหะ:

● อาร์กอน (Ar), ไนโตรเจน (N2), และฮีเลียม (He) ทำหน้าที่ลำเลียงสารตั้งต้นเข้าสู่ห้องปฏิกิริยา ขณะเดียวกันก็รักษาสภาพแวดล้อมในการประมวลผลให้เป็นแบบเฉื่อย

แหล่งสารอินทรีย์:

● แหล่งสารอินทรีย์หลัก ได้แก่ ไทรเมทิลแกลเลียม (TMGa), ไทรเมทิลอินเดียม (TMIn), ไทรเมทิลอะลูมิเนียม (TMAl), ไดเอทิลสังกะสี (DEZn), และบิส(ไซโคลเพนตาไดเอนิล)แมกนีเซียม (Cp2Mg) ซึ่งให้ธาตุหมู่ III และสารเติมแต่งชนิด P-type

ความบริสุทธิ์: ตัวแปรสำคัญที่กำหนดคุณภาพของ LED

เมื่อเทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำประกอบพัฒนาจนถึงขั้นสุกงอม และการผลิตในเชิงอุตสาหกรรมเร่งตัวขึ้น การพัฒนาก๊าซเฉพาะทางและแหล่งสารอินทรีย์ที่มีความบริสุทธิ์สูงยิ่งยวดก็ได้ก้าวหน้าไปในหลายด้าน ดังนี้:

● เทคโนโลยีการทำให้บริสุทธิ์อย่างลึกซึ้ง โดยใช้กระบวนการหลายขั้นตอน เพื่อรักษาระดับสิ่งปนเปื้อนให้อยู่ในระดับต่ำมาก

● การบำบัดผนังภายในถังบรรจุและท่อให้สะอาดด้วยวิธีอิเล็กโทรโพลิชชิงและอิเล็กโทรเคมิคอลโพลิชชิง เพื่อป้องกันการปนเปื้อนซ้ำระหว่างการส่งก๊าซ

● การตรวจจับสิ่งปนเปื้อนในปริมาณน้อยมาก กำลังก้าวหน้าจากระดับ ppm และ ppb ไปสู่ระดับ ppt

● การปรับปรุงอย่างต่อเนื่องในการทำให้บริสุทธิ์และการวิเคราะห์สิ่งเจือปนโลหะในระดับพิโคกรัม (ppt)

● การจัดการก๊าซเสียด้วยระบบแจ้งเตือน และการจัดหาแก๊สที่ไม่ก่อให้เกิดมลพิษแบบบูรณาการ เพื่อความปลอดภัยและความสอดคล้องตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม

● การเตรียมส่วนผสมก๊าซเฉพาะทางด้วยความแม่นยำสูง เพื่อตอบสนองความต้องการที่แน่นอนของกระบวนการต่าง ๆ

● เทคโนโลยีการกรองอนุภาค รวมถึงการทดสอบและกรองอนุภาคที่มีขนาดเล็กถึง 0.01–0.002 ไมโครเมตร

ยกตัวอย่างก๊าซแอมโมเนีย ซึ่งเป็นก๊าซที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรม LED ความบริสุทธิ์ของก๊าซนี้ได้พัฒนาขึ้นจากเกรดอิเล็กทรอนิกส์ (5N) เป็น 5.5N และ 5.7N แล้วจึงก้าวหน้าไปสู่ 'แอมโมเนียสีฟ้า' (6.4N) ซึ่งใช้กันอย่างกว้างขวางในการผลิตกาเลียมไนไตรด์

เนื่องจากสิ่งเจือปน เช่น ความชื้นและไฮโดรคาร์บอน ถูกจำกัดอย่างเข้มงวด ในขณะที่ก๊าซเฉพาะทางส่วนใหญ่มีปฏิกิริยาเคมีสูงและรักษาความบริสุทธิ์ไว้ได้ยาก ความบริสุทธิ์ของก๊าซและความน่าเชื่อถือของระบบจัดหาจึงกลายเป็นลำดับความสำคัญสูงสุดสำหรับผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์