Ứng dụng của khí SF₆ trong ngành công nghiệp bán dẫn

SF₆ trong sản xuất bán dẫn – Khí không thể thiếu cho quá trình Plasma Etching

Trong ngành công nghiệp bán dẫn, mỗi con chip đều được tạo nên từ hàng trăm đến hàng nghìn lớp vật liệu cực mỏng với kích thước chỉ vài chục nanomet. Để tạo ra các cấu trúc này, nhà sản xuất phải sử dụng nhiều loại khí điện tử có độ tinh khiết rất cao, trong đó Sulfur Hexafluoride (SF₆) là một trong những loại khí quan trọng nhất cho các quy trình khắc plasma (Plasma Etching).

Khác với ứng dụng trong ngành điện, nơi SF₆ chủ yếu được sử dụng để cách điện và dập hồ quang, trong công nghiệp bán dẫn, SF₆ đóng vai trò là nguồn cung cấp nguyên tử fluor (F) nhằm tạo phản ứng hóa học với silicon và các vật liệu khác trên bề mặt wafer.

---

Vì sao SF₆ được sử dụng trong Plasma Etching?

Trong buồng phản ứng plasma, khí SF₆ được đưa vào dưới áp suất thấp và chịu tác động của nguồn RF (Radio Frequency). Dưới tác dụng của plasma, phân tử SF₆ bị phân ly tạo thành nhiều gốc hoạt tính:

• F•
• SF₅•
• SF₄•
• SF₃•

Trong đó, nguyên tử fluor (F) là thành phần quan trọng nhất.

Fluor phản ứng với silicon theo phản ứng:

Si + 4F → SiF₄ (khí)

Silicon tetrafluoride (SiF₄) là chất khí nên được hệ thống chân không hút ra ngoài, giúp loại bỏ chính xác từng lớp silicon trên wafer.

Đây là nền tảng của công nghệ Reactive Ion Etching (RIE) và Deep Reactive Ion Etching (DRIE).

---

Những công đoạn sử dụng SF₆

1. Etching Silicon

Đây là ứng dụng phổ biến nhất.

SF₆ được dùng để:

• khắc silicon đơn tinh thể
• polysilicon
• amorphous silicon

Các cấu trúc được tạo ra gồm:

• transistor
• MEMS
• cảm biến
• IC công suất
• chip logic

---

2. Deep Reactive Ion Etching (DRIE)

Trong công nghệ MEMS, cần tạo các hố và rãnh có tỷ lệ chiều sâu rất lớn.

Ví dụ:

• sâu 300 µm
• rộng chỉ 5–10 µm

SF₆ là khí etching chính trong quy trình Bosch.

Chu trình Bosch thường gồm:

1. SF₆ etch
2. C₄F₈ passivation
3. SF₆ etch
4. C₄F₈ passivation

Lặp lại hàng trăm chu kỳ.

Nhờ đó có thể tạo:

• cảm biến áp suất
• cảm biến gia tốc
• gyroscope
• microphone MEMS

---

3. Làm sạch buồng Plasma (Chamber Cleaning)

Sau nhiều giờ sản xuất, thành buồng phản ứng sẽ bám:

• silicon
• oxide
• polymer
• fluorocarbon

SF₆ được dùng kết hợp với:

• O₂
• Ar

để plasma làm sạch bề mặt buồng phản ứng.

Việc làm sạch giúp:

• giảm particle
• tăng Yield
• kéo dài tuổi thọ thiết bị

---

4. Sản xuất MEMS

Các sản phẩm MEMS sử dụng SF₆ rất nhiều:

• cảm biến điện thoại
• cảm biến ô tô
• cảm biến áp suất
• microphone
• accelerometer
• gyroscope

Đây là một trong những lĩnh vực tiêu thụ SF₆ lớn nhất trong ngành bán dẫn.

---

Vì sao SF₆ được lựa chọn?

SF₆ có nhiều ưu điểm:

Tạo nhiều nguyên tử Fluor

Một phân tử SF₆ chứa tới 6 nguyên tử fluor, giúp tạo mật độ fluor tự do rất cao trong plasma.

Điều này làm tăng:

• tốc độ etching
• hiệu suất plasma
• độ ổn định của quá trình

---

Khả năng khắc Silicon rất cao

SF₆ có tốc độ etch silicon cao hơn nhiều loại khí khác.

Do đó:

• giảm thời gian sản xuất
• tăng Throughput
• giảm chi phí

---

Dễ phối trộn với các khí khác

Trong thực tế, SF₆ hiếm khi sử dụng đơn lẻ.

Một số hỗn hợp phổ biến:

---

Yêu cầu đối với khí SF₆ trong ngành bán dẫn

Khác với ngành điện, nơi SF₆ chủ yếu được đánh giá theo độ tinh khiết và độ ẩm, khí dùng trong sản xuất bán dẫn phải đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt hơn.

Các chỉ tiêu thường được quan tâm gồm:

• Độ tinh khiết rất cao (Electronic Grade).
• Hàm lượng hơi nước (H₂O) ở mức cực thấp.
• Oxy (O₂), nitơ (N₂), hydrocarbon và các tạp chất kim loại ở nồng độ rất thấp.
• Hàm lượng hạt bụi (particles) được kiểm soát chặt chẽ.
• Đóng gói trong bình chuyên dụng đã được làm sạch cho khí điện tử.

Những yêu cầu này nhằm giảm nguy cơ tạo hạt, nhiễm bẩn bề mặt wafer và cải thiện tỷ lệ sản phẩm đạt yêu cầu (yield).

---

Xu hướng phát triển

Mặc dù SF₆ vẫn là một trong những khí plasma hiệu quả nhất cho quá trình etching silicon, nhưng đây cũng là khí có tiềm năng gây nóng lên toàn cầu (GWP) rất cao nếu phát thải trực tiếp.

Vì vậy, các nhà máy bán dẫn hiện nay thường:

• tối ưu hóa lượng khí sử dụng;
• lắp đặt hệ thống xử lý khí thải (abatement systems) để phân hủy hoặc thu hồi khí sau quá trình sản xuất;
• nghiên cứu các công nghệ plasma và hóa chất thay thế trong một số ứng dụng, mặc dù SF₆ vẫn giữ vai trò quan trọng đối với nhiều quy trình khắc silicon và MEMS.

---

Kết luận

Trong ngành công nghiệp bán dẫn, SF₆ không được sử dụng như một môi chất cách điện mà là khí phản ứng trong các quy trình plasma, đặc biệt là Reactive Ion Etching (RIE) và Deep Reactive Ion Etching (DRIE). Khả năng tạo ra lượng lớn nguyên tử fluor giúp SF₆ khắc silicon với tốc độ cao, độ chính xác lớn và tính lặp lại tốt, khiến nó trở thành một trong những khí điện tử quan trọng đối với sản xuất wafer, MEMS và nhiều linh kiện vi điện tử hiện đại.