รายละเอียดบล็อก

แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนไม่เคยเป็นวงกลมอย่างสมบูรณ์แบบ แต่จะมีขอบแบน (flat) หรือรอยบากเล็กๆ (notch) แทน แม้ว่าคุณสมบัติเหล่านี้อาจดูเหมือนเป็นตัวช่วยในการจัดตำแหน่งทางกลไก แต่หน้าที่ที่แท้จริงของมันคือการจัดเรียงผลึก ในการผลิตสารกึ่งตัวนำสมัยใหม่ การวางแนวของแผ่นเวเฟอร์เป็นตัวแปรทางกายภาพพื้นฐานที่มีผลโดยตรงต่อการเกิดออกซิเดชัน การกัด การฝังไอออน วิศวกรรมความเครียด และการขนส่งพาหะ บทความนี้อธิบายว่าทำไมเครื่องหมายการวางแนวจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคริสตัลเดี่ยว และทำไมขอบแบนและรอยบากจึงจำเป็นสำหรับการควบคุมกระบวนการในระดับอะตอมในอุปกรณ์ขนาดนาโนเมตร

1. แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนไม่ใช่สารไอโซโทรปิก

แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนไม่ใช่แผ่นวัสดุเนื้อเดียวกัน แต่เป็นคริสตัลเดี่ยวที่มีโครงสร้างแลตทิซแบบลูกบาศก์เพชรที่มีการจัดเรียงอย่างสูง การวางแนวที่ใช้กันทั่วไป—(100), (110) และ (111)—แสดงถึงความหนาแน่นของระนาบอะตอมและรูปทรงเรขาคณิตของพันธะที่แตกต่างกัน

ทิศทางผลึกเหล่านี้กำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีหลายประการ:

• พลังงานพื้นผิว

• จลนพลศาสตร์การเกิดออกซิเดชัน

• อัตราการกัดแบบเปียกและแห้งแบบแอนไอโซโทรปิก

• ความน่าจะเป็นในการนำไอออน

• ความผิดปกติของความคล่องตัวของพาหะ

• การแพร่กระจายของข้อบกพร่องและระบบสลิป

ดังนั้น แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนจึงไม่ใช่แค่พื้นผิวเท่านั้น แต่เป็นระบบทางกายภาพแบบทิศทาง อุปกรณ์ขนาดนาโนเมตรทุกชิ้นที่สร้างขึ้นบนนั้นจะได้รับความผิดปกติของแอนไอโซโทรปีนี้

2. แผ่นเวเฟอร์วงกลมไม่มีระบบพิกัดโดยธรรมชาติ

แผ่นดิสก์ที่สมบูรณ์แบบมีความสมมาตรในการหมุนที่ไม่มีที่สิ้นสุด หากไม่มีการอ้างอิงภายนอก กระบวนการทางกายภาพใดๆ ไม่สามารถแยกแยะทิศทางในระนาบหนึ่งจากอีกทิศทางหนึ่งได้

อย่างไรก็ตาม การผลิตสารกึ่งตัวนำกำหนดให้แผ่นเวเฟอร์ทุกแผ่นมีการวางแนวในระนาบที่ชัดเจนเมื่อเทียบกับโครงสร้างแลตทิซของคริสตัล หากไม่มีสิ่งนี้:

• การฝังไอออนจะประสบกับการนำช่องทางที่ไม่สามารถควบคุมได้

• การกัดจะแตกต่างกันไปในแต่ละอุปกรณ์

• วิศวกรรมความเครียดจะสูญเสียความสอดคล้องกันของทิศทาง

• ความคล่องตัวของทรานซิสเตอร์จะแตกต่างกันไปในเชิงสถิติในแผ่นเวเฟอร์

ดังนั้น แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนต้องมีคุณสมบัติที่ทำลายสมมาตรซึ่งกำหนดแกนผลึกคงที่

3. ขอบแบนหรือรอยบากสร้างกรอบอ้างอิงผลึก

ขอบแบนและรอยบากทำหน้าที่เป็นรหัสมาโครสโคปิกของการวางแนวคริสตัลแบบไมโครสโคปิก

ในระหว่างการตัดแผ่นเวเฟอร์จากบูเล่คริสตัลเดี่ยว ผู้ผลิตจะจัดแนวการตัดเพื่อให้:

• ขอบแบนหรือรอยบากขนานกับทิศทางคริสตัลเฉพาะ (เช่น ⟨110⟩ หรือ ⟨100⟩)

• ระนาบพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ (เช่น (100)) และทิศทางในระนาบถูกกำหนดไว้อย่างชัดเจน

สิ่งนี้จะแปลงวัตถุที่สมมาตรในการหมุนเป็นพื้นผิวที่มีการจัดทำดัชนีทิศทาง

เครื่องมือการผลิตทุกชนิด—การพิมพ์หิน การฝัง การกัด CMP และมาตรวิทยา—ใช้การอ้างอิงนี้เพื่อจัดแนวการทำงานกับโครงสร้างแลตทิซของคริสตัล

4. ทำไมการวางแนวจึงมีความสำคัญในระดับนาโนเมตร

อุปกรณ์ CMOS, FinFET และ gate-all-around (GAA) สมัยใหม่ทำงานในระบอบที่ฟิสิกส์ในระดับอะตอมมีอิทธิพล

ตัวอย่างหลายประการแสดงให้เห็นว่าทำไมต้องล็อกการวางแนวคริสตัล:

4.1 การฝังไอออน

ไอออนสารเจือปนสามารถเดินทางลึกเข้าไปในช่องคริสตัลที่มีดัชนีต่ำได้ หากการวางแนวแผ่นเวเฟอร์แตกต่างกัน ความลึกของการนำช่องทางและโปรไฟล์สารเจือปนจะกลายเป็นสิ่งที่คาดเดาไม่ได้

4.2 การกัดแบบแอนไอโซโทรปิก

อัตราการกัดซิลิคอนแตกต่างกันอย่างมากระหว่างระนาบ (100), (110) และ (111) การจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้องจะเปลี่ยนรูปร่างของร่อง มุมผนังด้านข้าง และขนาดวิกฤต

4.3 ความคล่องตัวของพาหะ

อิเล็กตรอนและความคล่องตัวของรูในซิลิคอนขึ้นอยู่กับทิศทาง ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ได้รับการปรับให้เหมาะสมโดยการจัดแนวช่องทางตามทิศทางคริสตัลเฉพาะ

หากไม่มีการอ้างอิงแผ่นเวเฟอร์คงที่ พารามิเตอร์เหล่านี้จะไม่สามารถควบคุมได้ด้วยความสามารถในการทำซ้ำในระดับนาโนเมตร

5. ทำไมแผ่นเวเฟอร์สมัยใหม่จึงใช้รอยบากแทนขอบแบน

แผ่นเวเฟอร์รุ่นแรก (4–6 นิ้ว) ใช้ขอบแบนยาว เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นเวเฟอร์เพิ่มขึ้นเป็น 200 มม. และ 300 มม. อุตสาหกรรมได้นำรอยบากมาใช้ด้วยเหตุผลทางกายภาพและเศรษฐกิจ:

• รอยบากใช้พื้นที่ขอบน้อยกว่ามาก เพิ่มจำนวนชิปที่ใช้งานได้

• มันยังคงรักษาสมมาตรทางกลไก ปรับปรุงการจัดการแผ่นเวเฟอร์

• ระบบการจัดตำแหน่งด้วยหุ่นยนต์และออปติคอลตรวจจับได้ง่ายกว่า

• มันไม่บิดเบือนสนามความเครียดที่ขอบแผ่นเวเฟอร์

ดังนั้น รอยบากจึงเป็นเครื่องหมายผลึกที่มีความแม่นยำสูงซึ่งปรับให้เหมาะสมสำหรับโรงงานอัตโนมัติ

6. ขอบแบนหรือรอยบากเป็นสะพานเชื่อมระหว่างอะตอมและเครื่องจักร

ในการผลิตสารกึ่งตัวนำขั้นสูง ปรากฏการณ์ทางกายภาพในระดับนาโนเมตรจะต้องสอดคล้องกับระบบกลไกในระดับมิลลิเมตร

ขอบแบนหรือรอยบากทำการแปลนี้:
มันเชื่อมต่อโครงสร้างแลตทิซของอะตอมกับระบบพิกัดของโรงงาน

หากไม่มีสิ่งนี้ การพิมพ์หิน การกัด การฝัง และวิศวกรรมความเครียดสมัยใหม่จะสูญเสียกรอบอ้างอิงทางกายภาพ

บทสรุป

ขอบแบนหรือรอยบากบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนไม่ใช่สิ่งประดิษฐ์ทางกลไก—แต่เป็นจุดยึดผลึก

มันทำให้มั่นใจได้ว่าทรานซิสเตอร์ทุกตัว ช่องทางทุกช่อง และชั้นอะตอมทุกชั้นถูกสร้างขึ้นในความสัมพันธ์คงที่กับโครงสร้างแลตทิซของซิลิคอน ในยุคที่ขนาดอุปกรณ์เข้าใกล้ขนาดของอะตอมเพียงไม่กี่โหล คุณสมบัติทางเรขาคณิตเล็กๆ น้อยๆ นี้กลายเป็นหนึ่งในโครงสร้างที่สำคัญที่สุดในระบบนิเวศสารกึ่งตัวนำทั้งหมด