วัตถุดิบหลักสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์: ประเภทของแผ่นเวเฟอร์

แผ่นเวเฟอร์เป็นวัสดุหลักในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

แผ่นเวเฟอร์เป็นตัวนำพาทางกายภาพของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ และคุณสมบัติของวัสดุเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพ ต้นทุน และการใช้งานของอุปกรณ์โดยตรง ด้านล่างนี้คือประเภทหลักของแผ่นเวเฟอร์ พร้อมข้อดีและข้อเสีย:

1.ซิลิกอน (Si)

• ส่วนแบ่งการตลาด:คิดเป็นมากกว่าร้อยละ 95 ของตลาดเซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลก

• ข้อดี:

  • ต้นทุนต่ำ:วัตถุดิบที่อุดมสมบูรณ์ (ซิลิกอนไดออกไซด์) กระบวนการผลิตที่ครบวงจร และการประหยัดต่อขนาดที่แข็งแกร่ง

  • ความเข้ากันได้ของกระบวนการสูง:เทคโนโลยี CMOS มีการพัฒนาอย่างเต็มที่ โดยรองรับโหนดขั้นสูง (เช่น 3 นาโนเมตร)

  • คุณภาพคริสตัลดีเยี่ยม:สามารถปลูกเวเฟอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ (ส่วนใหญ่ขนาด 12 นิ้ว และ 18 นิ้วอยู่ระหว่างการพัฒนา) ที่มีความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำได้

  • คุณสมบัติเชิงกลที่มั่นคง:ตัด ขัด และจัดการได้ง่าย

• ข้อเสีย:

  • แบนด์แก๊ปแคบ (1.12 eV):กระแสไฟรั่วสูงที่อุณหภูมิสูง ทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ไฟฟ้าลดลง

  • แบนด์แก๊ปทางอ้อม:ประสิทธิภาพการปล่อยแสงต่ำมาก ไม่เหมาะสำหรับอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เช่น LED และเลเซอร์

  • การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจำกัด:ประสิทธิภาพความถี่สูงด้อยกว่าเมื่อเทียบกับสารกึ่งตัวนำแบบประกอบ
    

2.แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs)

• การใช้งาน:อุปกรณ์ RF ความถี่สูง (5G/6G), อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ (เลเซอร์, เซลล์แสงอาทิตย์)

• ข้อดี:

  • ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูง (5–6 เท่าของซิลิกอน):เหมาะสำหรับการใช้งานความเร็วสูง ความถี่สูง เช่น การสื่อสารคลื่นมิลลิเมตร

  • แบนด์แก๊ปโดยตรง (1.42 eV):การแปลงแสงโฟโตอิเล็กทริกประสิทธิภาพสูงเป็นรากฐานของเลเซอร์อินฟราเรดและ LED

  • ทนต่ออุณหภูมิสูงและรังสี:เหมาะสำหรับอุตสาหกรรมอวกาศและสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

• ข้อเสีย:

  • ต้นทุนสูง:วัสดุหายาก การเจริญเติบโตของผลึกยาก (มีแนวโน้มที่จะเคลื่อนตัว) ขนาดเวเฟอร์จำกัด (ส่วนใหญ่ 6 นิ้ว)

  • กลศาสตร์เปราะ:มีแนวโน้มที่จะแตกหัก ส่งผลให้ผลผลิตในการแปรรูปต่ำ

  • ความเป็นพิษ:สารหนูต้องได้รับการจัดการและควบคุมสิ่งแวดล้อมอย่างเข้มงวด

3. ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC)

• การใช้งาน:อุปกรณ์พลังงานอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง (อินเวอร์เตอร์ EV, สถานีชาร์จ), การบินและอวกาศ

• ข้อดี:

  • แบนด์แก๊ปกว้าง (3.26 eV):ความแข็งแรงในการพังทลายสูง (10 เท่าของซิลิกอน) ทนทานต่ออุณหภูมิสูง (อุณหภูมิในการทำงาน >200 °C)

  • การนำความร้อนสูง (≈3× ซิลิกอน):การกระจายความร้อนที่ดีเยี่ยม ช่วยให้ระบบมีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น

  • การสูญเสียการสลับต่ำ:ปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน

• ข้อเสีย:

  • การเตรียมพื้นผิวที่ท้าทาย:การเจริญเติบโตของผลึกช้า (>1 สัปดาห์) การควบคุมข้อบกพร่องทำได้ยาก (ไมโครไพพ์ การเคลื่อนตัว) ต้นทุนสูงมาก (ซิลิกอน 5–10 เท่า)

  • ขนาดเวเฟอร์เล็ก:ส่วนใหญ่ขนาด 4–6 นิ้ว ส่วนขนาด 8 นิ้วยังอยู่ระหว่างการพัฒนา

  • ยากต่อการประมวลผล:แข็งมาก (โมห์ส 9.5) ทำให้การตัดและขัดใช้เวลานาน

4. แกลเลียมไนไตรด์ (GaN)

• การใช้งาน:อุปกรณ์พลังงานความถี่สูง (ชาร์จเร็ว, สถานีฐาน 5G), LED/เลเซอร์สีน้ำเงิน

• ข้อดี:

  • ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงมาก + แบนด์แก๊ปกว้าง (3.4 eV):ผสมผสานประสิทธิภาพความถี่สูง (>100 GHz) และแรงดันไฟฟ้าสูง

  • ความต้านทานต่ำ:ลดการสูญเสียพลังงานของอุปกรณ์

  • เข้ากันได้แบบเฮเทอโรเอพิทาซี:มักปลูกบนพื้นผิวซิลิกอน แซฟไฟร์ หรือ SiC ช่วยลดต้นทุน

• ข้อเสีย:

  • การเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวจำนวนมากเป็นเรื่องยาก:Heteroepitaxy เป็นกระแสหลัก แต่ความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายทำให้เกิดข้อบกพร่อง

  • ต้นทุนสูง:แผ่นรองรับ GaN ดั้งเดิมมีราคาแพงมาก (เวเฟอร์ขนาด 2 นิ้วอาจมีราคาหลายพันเหรียญสหรัฐ)

  • ความท้าทายด้านความน่าเชื่อถือ:ปรากฏการณ์เช่นการพังทลายของกระแสไฟฟ้าจำเป็นต้องมีการปรับให้เหมาะสม

5. อินเดียมฟอสไฟด์ (InP)

• การใช้งาน:การสื่อสารด้วยแสงความเร็วสูง (เลเซอร์ เครื่องตรวจจับแสง) อุปกรณ์เทราเฮิรตซ์

• ข้อดี:

  • ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนที่สูงมาก:รองรับการทำงาน >100 GHz เหนือกว่า GaAs

  • แบนด์แก๊ปโดยตรงพร้อมการจับคู่ความยาวคลื่น:วัสดุแกนกลางสำหรับการสื่อสารผ่านสายใยแก้วนำแสงขนาด 1.3–1.55 μm

• ข้อเสีย:

  • เปราะบางและมีราคาแพงมาก:ต้นทุนวัสดุพิมพ์เกินซิลิกอน 100 เท่า ขนาดเวเฟอร์จำกัด (4–6 นิ้ว)

6. แซฟไฟร์ (Al₂O₃)

• การใช้งาน:ไฟ LED (แผ่นซับสเตรตอิพิแทกเซียล GaN) กระจกครอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

• ข้อดี:

  • ต้นทุนต่ำ:ราคาถูกกว่าแผ่นรองรับ SiC/GaN มาก

  • ความเสถียรทางเคมีที่ยอดเยี่ยม:ทนทานต่อการกัดกร่อน มีความเป็นฉนวนสูง

  • ความโปร่งใส:เหมาะสำหรับโครงสร้าง LED แนวตั้ง

• ข้อเสีย:

  • ความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายขนาดใหญ่กับ GaN (>13%):ทำให้เกิดความหนาแน่นของข้อบกพร่องสูง ต้องใช้ชั้นบัฟเฟอร์

  • การนำความร้อนต่ำ (~1/20 ของซิลิกอน):ข้อจำกัดในประสิทธิภาพของ LED กำลังไฟสูง

7. วัสดุพื้นผิวเซรามิก (AlN, BeO เป็นต้น)

• การใช้งาน:ตัวกระจายความร้อนสำหรับโมดูลกำลังไฟสูง

• ข้อดี:

  • ความเป็นฉนวน + การนำความร้อนสูง (AlN: 170–230 W/m·K):เหมาะสำหรับบรรจุภัณฑ์ที่มีความหนาแน่นสูง

• ข้อเสีย:

  • ไม่ใช่ผลึกเดี่ยว:ไม่สามารถรองรับการเติบโตของอุปกรณ์ได้โดยตรง ใช้เป็นวัสดุบรรจุภัณฑ์ได้เท่านั้น

8. สารตั้งต้นพิเศษ

• SOI (ซิลิคอนบนฉนวน):

  • โครงสร้าง:ซิลิคอน/SiO₂/แซนด์วิชซิลิคอน

  • ข้อดี:ลดความจุปรสิต ทนต่อรังสี ป้องกันการรั่วไหล (ใช้ใน RF, MEMS)

  • ข้อเสีย:มีราคาแพงกว่าซิลิโคนแบบรวม 30–50%

• ควอตซ์ (SiO₂):ใช้ในหน้ากากถ่ายภาพและ MEMS ทนทานต่ออุณหภูมิสูงแต่เปราะมาก

• เพชร:วัสดุพิมพ์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงสุด (>2000 W/m·K) อยู่ภายใต้การวิจัยและพัฒนาเพื่อการกระจายความร้อนในระดับสูงสุด

ตารางสรุปเปรียบเทียบ

ปัจจัยสำคัญในการเลือกวัสดุพิมพ์

• ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ:GaAs/InP สำหรับความถี่สูง; SiC สำหรับแรงดันไฟฟ้าสูง อุณหภูมิสูง; GaAs/InP/GaN สำหรับออปโตอิเล็กทรอนิกส์

• ข้อจำกัดด้านต้นทุน:อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อการบริโภคนิยมซิลิคอน ส่วนสาขาไฮเอนด์สามารถพิสูจน์ได้ว่าราคา SiC/GaN จะสูงขึ้น

• ความซับซ้อนของการบูรณาการ:ซิลิกอนยังคงไม่สามารถถูกแทนที่ได้สำหรับความเข้ากันได้ของ CMOS

• การจัดการความร้อน:แอปพลิเคชันที่มีกำลังไฟสูงมักต้องการ SiC หรือ GaN ที่ใช้เพชร

• ความสมบูรณ์ของห่วงโซ่อุปทาน:Si > แซฟไฟร์ > GaAs > SiC > GaN > InP

แนวโน้มในอนาคต

การบูรณาการที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (เช่น GaN-on-Si, GaN-on-SiC) จะสร้างความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและต้นทุน ขับเคลื่อนความก้าวหน้าใน 5G ยานยนต์ไฟฟ้า และการประมวลผลควอนตัม