ការផ្សាំអ៊ីយ៉ុងគឺជាវិធីសាស្រ្តនៃការបន្ថែមចំនួនជាក់លាក់ និងប្រភេទនៃភាពមិនបរិសុទ្ធទៅក្នុងសម្ភារៈ semiconductor ដើម្បីផ្លាស់ប្តូរលក្ខណៈសម្បត្តិអគ្គិសនីរបស់ពួកគេ។ បរិមាណ និងការចែកចាយនៃសារធាតុមិនបរិសុទ្ធអាចគ្រប់គ្រងបានយ៉ាងជាក់លាក់។
ផ្នែកទី 1
ហេតុអ្វីត្រូវប្រើដំណើរការផ្សាំអ៊ីយ៉ុង
នៅក្នុងការផលិតឧបករណ៍ semiconductor ថាមពល, តំបន់ P/N doping ប្រពៃណីwafers ស៊ីលីកុនអាចត្រូវបានសម្រេចដោយការសាយភាយ។ ទោះយ៉ាងណាក៏ដោយ ការសាយភាយថេរនៃអាតូមមិនបរិសុទ្ធនៅក្នុងស៊ីលីកុនកាបូនគឺទាបបំផុត ដូច្នេះវាមិនប្រាកដប្រជាក្នុងការសម្រេចបាននូវសារធាតុ doping ជ្រើសរើសដោយដំណើរការសាយភាយ ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 1។ ម្យ៉ាងវិញទៀត លក្ខខណ្ឌសីតុណ្ហភាពនៃការផ្សាំអ៊ីយ៉ុងគឺទាបជាងដំណើរការនៃការសាយភាយ ហើយការចែកចាយសារធាតុ doping មានភាពបត់បែន និងត្រឹមត្រូវជាងអាច ត្រូវបានបង្កើតឡើង។
រូបភាពទី 1 ការប្រៀបធៀបបច្ចេកវិទ្យានៃការសាយភាយ និងការដាក់បញ្ចូលអ៊ីយ៉ុងនៅក្នុងសម្ភារៈស៊ីលីកុនកាបូន
ផ្នែកទី 2
វិធីដើម្បីសម្រេចបាន។ស៊ីលីកុនកាបូនការដាក់បញ្ចូលអ៊ីយ៉ុង
ឧបករណ៍ផ្សាំអ៊ីយ៉ុងដែលមានថាមពលខ្ពស់ធម្មតាដែលប្រើក្នុងដំណើរការផលិតស៊ីលីកុនកាបូនឌីអុកស៊ីត ភាគច្រើនមានប្រភពអ៊ីយ៉ុង ប្លាស្មា សមាសធាតុនៃសេចក្តីប្រាថ្នា មេដែកវិភាគ ធ្នឹមអ៊ីយ៉ុង បំពង់បង្កើនល្បឿន អង្គជំនុំជម្រះដំណើរការ និងថាសស្កែន ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 2 ។
រូបភាពទី 2 ដ្យាក្រាមគ្រោងការណ៍នៃឧបករណ៍ផ្សាំអ៊ីយ៉ុងដែលមានថាមពលខ្ពស់ស៊ីលីកុនកាបៃ
(ប្រភព៖ “បច្ចេកវិទ្យាផលិតស៊ីម៉ងតុង”)
ការដាក់បញ្ចូលអ៊ីយ៉ុង SiC ជាធម្មតាត្រូវបានអនុវត្តនៅសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ ដែលអាចកាត់បន្ថយការខូចខាតដល់បន្ទះគ្រីស្តាល់ដែលបណ្តាលមកពីការទម្លាក់គ្រាប់បែកអ៊ីយ៉ុង។ សម្រាប់4H-SiC wafersការផលិតតំបន់ប្រភេទ N ជាធម្មតាត្រូវបានសម្រេចដោយការផ្សាំអ៊ីយ៉ុងអាសូត និងផូស្វ័រ និងការផលិតប្រភេទ Pជាធម្មតាតំបន់ត្រូវបានសម្រេចដោយការផ្សាំអ៊ីយ៉ុងអាលុយមីញ៉ូម និងអ៊ីយ៉ុងបូរ៉ុន។
តារាងទី 1. ឧទាហរណ៍នៃការជ្រើសរើសសារធាតុញៀននៅក្នុងការផលិតឧបករណ៍ SiC
(ប្រភព៖ Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
រូបភាពទី 3 ការប្រៀបធៀបនៃការផ្សាំអ៊ីយ៉ុងថាមពលច្រើនជំហាន និងការចែកចាយកំហាប់សារធាតុ doping លើផ្ទៃ wafer
(ប្រភព៖ G.Lulli, Introduction To Ion Implantation)
ដើម្បីសម្រេចបាននូវកំហាប់សារធាតុ doping ឯកសណ្ឋាននៅក្នុងតំបន់ផ្សាំអ៊ីយ៉ុង វិស្វករជាធម្មតាប្រើការផ្សាំអ៊ីយ៉ុងច្រើនជំហាន ដើម្បីកែតម្រូវការបែងចែកកំហាប់រួមនៃតំបន់ផ្សាំ (ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 3); នៅក្នុងដំណើរការផលិតនៃដំណើរការជាក់ស្តែង ដោយការកែតម្រូវថាមពលនៃការផ្សាំ និងកម្រិតថ្នាំផ្សាំរបស់ implantation ion កំហាប់ doping និងជំរៅ doping នៃតំបន់ implantation ion អាចត្រូវបានគ្រប់គ្រង ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាព 4. (a) and (b); Ion implanter អនុវត្តការផ្សាំអ៊ីយ៉ុងឯកសណ្ឋានលើផ្ទៃ wafer ដោយស្កេនផ្ទៃ wafer ច្រើនដងក្នុងអំឡុងពេលប្រតិបត្តិការ ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 4. (c) ។
(គ) ចលនាគន្លងនៃ implanter ion កំឡុងពេល implantation ion
រូបភាពទី 4 កំឡុងពេលដំណើរការផ្សាំអ៊ីយ៉ុង កំហាប់មិនបរិសុទ្ធ និងជម្រៅត្រូវបានគ្រប់គ្រងដោយការកែតម្រូវថាមពល និងកម្រិតនៃការផ្សាំអ៊ីយ៉ុង
III
ដំណើរការ annealing ធ្វើឱ្យសកម្មសម្រាប់ការផ្សាំស៊ីលីកុន carbide ion
ការផ្តោតអារម្មណ៍ តំបន់ចែកចាយ អត្រាធ្វើឱ្យសកម្ម ពិការភាពក្នុងរាងកាយ និងលើផ្ទៃនៃការផ្សាំអ៊ីយ៉ុង គឺជាប៉ារ៉ាម៉ែត្រចំបងនៃដំណើរការផ្សាំអ៊ីយ៉ុង។ មានកត្តាជាច្រើនដែលជះឥទ្ធិពលដល់លទ្ធផលនៃប៉ារ៉ាម៉ែត្រទាំងនេះ រួមមានកម្រិតនៃការផ្សាំ ថាមពល ការតំរង់ទិសគ្រីស្តាល់នៃសម្ភារៈ សីតុណ្ហភាពនៃការផ្សាំ សីតុណ្ហភាពនៃការបន្ទោរបង់ ពេលវេលា annealing បរិស្ថាន។ល។ ភាពមិនបរិសុទ្ធនៃស៊ីលីកុនកាបូនបន្ទាប់ពីការដាក់បញ្ចូលអ៊ីយ៉ុង។ យកអត្រាអ៊ីយ៉ូដនៃការទទួលយកអាលុយមីញ៉ូមនៅក្នុងតំបន់អព្យាក្រឹតនៃ 4H-SiC ជាឧទាហរណ៍នៅកំហាប់សារធាតុ doping នៃ 1 × 1017cm-3 អត្រា ionization អ្នកទទួលយកគឺប្រហែល 15% នៅសីតុណ្ហភាពបន្ទប់ (ជាធម្មតាអត្រាអ៊ីយ៉ូដនៃស៊ីលីកុនគឺប្រហែល។ 100%)។ ដើម្បីសម្រេចបាននូវគោលដៅនៃអត្រាធ្វើឱ្យសកម្មខ្ពស់ និងពិការភាពតិចជាងមុន ដំណើរការ annealing សីតុណ្ហភាពខ្ពស់នឹងត្រូវបានប្រើបន្ទាប់ពីការផ្សាំអ៊ីយ៉ុង ដើម្បីធ្វើឡើងវិញនូវពិការភាព amorphous ដែលបង្កើតកំឡុងពេលផ្សាំ ដូច្នេះអាតូមដែលបានដាក់បញ្ចូលទៅក្នុងកន្លែងជំនួស ហើយត្រូវបានធ្វើឱ្យសកម្មដូចដែលបានបង្ហាញ។ នៅក្នុងរូបភាពទី 5. នាពេលបច្ចុប្បន្ននេះ ការយល់ដឹងរបស់មនុស្សអំពីយន្តការនៃដំណើរការ annealing នៅមានកម្រិតនៅឡើយ។ ការគ្រប់គ្រង និងការយល់ដឹងស៊ីជម្រៅនៃដំណើរការ annealing គឺជាផ្នែកមួយនៃការស្រាវជ្រាវផ្តោតសំខាន់នៃការផ្សាំអ៊ីយ៉ុងនាពេលអនាគត។
រូបភាពទី 5 ដ្យាក្រាមគំនូសតាងនៃការផ្លាស់ប្តូរការរៀបចំអាតូមលើផ្ទៃនៃកន្លែងផ្សាំអ៊ីយ៉ុងស៊ីលីកុនកាបៃមុន និងក្រោយការផ្សាំអ៊ីយ៉ុង ដែល Vsiតំណាងឱ្យស៊ីលីកុនទំនេរ, VCតំណាងឱ្យកាបោនទំនេរ, គiតំណាងឱ្យអាតូមបំពេញកាបូន និងស៊ីiតំណាងឱ្យអាតូមបំពេញស៊ីលីកុន
ការធ្វើឱ្យសកម្មអ៊ីយ៉ុង ជាទូទៅរួមបញ្ចូលការបន្ទោរបង់ក្នុងឡ ការពន្លាតរហ័ស និងការបញ្ចូលឡាស៊ែរ។ ដោយសារតែការ sublimation នៃអាតូម Si នៅក្នុងសមា្ភារៈ SiC សីតុណ្ហភាព annealing ជាទូទៅមិនលើសពី 1800 ℃; បរិយាកាស annealing ជាទូទៅត្រូវបានអនុវត្តនៅក្នុង inert gas or vacuum ។ អ៊ីយ៉ុងផ្សេងគ្នាបណ្តាលឱ្យមានមជ្ឈមណ្ឌលពិការភាពផ្សេងគ្នានៅក្នុង SiC និងតម្រូវឱ្យមានសីតុណ្ហភាព annealing ផ្សេងគ្នា។ ពីលទ្ធផលពិសោធន៍ភាគច្រើន គេអាចសន្និដ្ឋានបានថា សីតុណ្ហភាពនៃការបន្ទោរបង់កាន់តែខ្ពស់ អត្រានៃការធ្វើឱ្យសកម្មកាន់តែខ្ពស់ (ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 6)។
រូបភាពទី 6 ឥទ្ធិពលនៃសីតុណ្ហភាព annealing លើអត្រាសកម្មនៃចរន្តអគ្គិសនីនៃការផ្សាំអាសូត ឬផូស្វ័រនៅក្នុង SiC (នៅសីតុណ្ហភាពបន្ទប់)
(កម្រិតថ្នាំផ្សាំសរុប 1×1014cm-2)
(ប្រភព៖ Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
ដំណើរការ annealing សកម្មដែលប្រើជាទូទៅបន្ទាប់ពីការផ្សាំអ៊ីយ៉ុង SiC ត្រូវបានអនុវត្តនៅក្នុងបរិយាកាស Ar នៅ 1600 ℃ ~ 1700 ℃ ដើម្បីធ្វើគ្រីស្តាល់ផ្ទៃ SiC និងធ្វើឱ្យសារធាតុ dopant សកម្មដោយហេតុនេះធ្វើអោយប្រសើរឡើងនូវចរន្តនៃផ្ទៃ doped ។ មុនពេល annealing ស្រទាប់នៃខ្សែភាពយន្តកាបូនអាចត្រូវបានស្រោបលើផ្ទៃ wafer សម្រាប់ការការពារផ្ទៃដើម្បីកាត់បន្ថយការរិចរិលនៃផ្ទៃដែលបណ្តាលមកពី Si desorption និងការធ្វើចំណាកស្រុកអាតូមិចលើផ្ទៃដូចបានបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 7; បន្ទាប់ពី annealing ខ្សែភាពយន្តកាបូនអាចត្រូវបានយកចេញដោយការកត់សុីឬការ corrosion ។
រូបភាពទី 7 ការប្រៀបធៀបភាពរដុបលើផ្ទៃនៃ 4H-SiC wafers ដោយមានឬគ្មានការការពារខ្សែភាពយន្តកាបូនក្រោមសីតុណ្ហភាព annealing 1800 ℃
(ប្រភព៖ Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
IV
ផលប៉ះពាល់នៃការផ្សាំអ៊ីយ៉ុង SiC និងដំណើរការ annealing ធ្វើឱ្យសកម្ម
ការដាក់បញ្ចូលអ៊ីយ៉ុង និងការធ្វើឱ្យសកម្មជាបន្តបន្ទាប់នឹងបង្កើតពិការភាពដែលកាត់បន្ថយដំណើរការឧបករណ៍ដោយជៀសមិនរួច៖ ពិការភាពចំណុចស្មុគស្មាញ កំហុសជង់ (ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 8) ការផ្លាស់ទីលំនៅថ្មី ពិការភាពកម្រិតថាមពលរាក់ ឬជ្រៅ រង្វិលជុំរំកិលយន្តហោះមូលដ្ឋាន និងចលនានៃការផ្លាស់ទីលំនៅដែលមានស្រាប់។ ចាប់តាំងពីដំណើរការទម្លាក់គ្រាប់បែកអ៊ីយ៉ុងថាមពលខ្ពស់នឹងបង្កឱ្យមានភាពតានតឹងដល់ SiC wafer ដំណើរការដាក់បញ្ចូលអ៊ីយ៉ុងដែលមានសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ និងថាមពលខ្ពស់នឹងបង្កើនការវាយលុករបស់ wafer ។ បញ្ហាទាំងនេះក៏បានក្លាយជាទិសដៅដែលចាំបាច់ត្រូវធ្វើឱ្យប្រសើរឡើងជាបន្ទាន់ និងសិក្សានៅក្នុងដំណើរការផលិតនៃការផ្សាំ និងបញ្ចូលអ៊ីយ៉ុង SiC ។
រូបភាពទី 8 ដ្យាក្រាមគ្រោងការណ៍នៃការប្រៀបធៀបរវាងការរៀបចំបន្ទះឈើធម្មតា 4H-SiC និងកំហុសជង់ផ្សេងគ្នា
(ប្រភព៖ Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defects)
V.
ការកែលម្អដំណើរការផ្សាំស៊ីលីកុនកាបូនអ៊ីយ៉ុង
(1) ខ្សែភាពយន្តអុកស៊ីដស្តើងមួយត្រូវបានរក្សាទុកនៅលើផ្ទៃនៃតំបន់ផ្សាំអ៊ីយ៉ុង ដើម្បីកាត់បន្ថយកម្រិតនៃការខូចខាតនៃការផ្សាំដែលបណ្តាលមកពីការផ្សាំអ៊ីយ៉ុងដែលមានថាមពលខ្ពស់ទៅលើផ្ទៃនៃស្រទាប់ស៊ីលីកុនកាប៊ីត epitaxial ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 9 ។ (ក) .
(2) ធ្វើអោយប្រសើរឡើងនូវគុណភាពនៃឌីសគោលដៅនៅក្នុងឧបករណ៍ផ្សាំអ៊ីយ៉ុង ដើម្បីឱ្យ wafer និងឌីសគោលដៅត្រូវគ្នាកាន់តែជិតស្និទ្ធ ចរន្តកំដៅនៃឌីសគោលដៅទៅ wafer គឺប្រសើរជាង ហើយឧបករណ៍កំដៅផ្នែកខាងក្រោយនៃ wafer កាន់តែមានភាពស៊ីសង្វាក់គ្នា ធ្វើអោយប្រសើរឡើងនូវគុណភាពនៃការផ្សាំអ៊ីយ៉ុងដែលមានសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ និងថាមពលខ្ពស់នៅលើ wafers silicon carbide ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាព 9. (ខ)។
(3) បង្កើនប្រសិទ្ធភាពអត្រាការកើនឡើងសីតុណ្ហភាព និងឯកសណ្ឋាននៃសីតុណ្ហភាពក្នុងអំឡុងពេលប្រតិបត្តិការនៃឧបករណ៍កំដៅសីតុណ្ហភាពខ្ពស់។
រូបភាពទី 9 វិធីសាស្រ្តសម្រាប់ការកែលម្អដំណើរការផ្សាំអ៊ីយ៉ុង
ពេលវេលាបង្ហោះ៖ ថ្ងៃទី ២២ ខែតុលា ឆ្នាំ ២០២៤