Aplikasi Ammonia dalam Industri Semikonduktor

Ammonia (NH₃), sebagai reagen kimia yang penting, mempunyai aplikasi yang meluas dalam pelbagai bidang perindustrian, dengan peranannya amat penting dalam pembuatan semikonduktor. Ammonia memainkan peranan penting dalam beberapa peringkat pengeluaran semikonduktor, termasuk pemendapan nitrida, implantasi ion dan proses doping, pembersihan, dan etsa. Artikel ini akan menyelidiki aplikasi ammonia dalam industri semikonduktor, menganalisis peranan pentingnya dalam meningkatkan prestasi peranti, mengurangkan kos, dan memacu inovasi industri, sambil turut membincangkan cabaran yang dihadapinya dan arah aliran pembangunan masa hadapan.

1. Sifat Asas dan Kelakuan Kimia Ammonia

Ammonia ialah sebatian yang terdiri daripada nitrogen dan hidrogen, yang terkenal dengan kealkaliannya yang kuat dan biasanya ditemui dalam pengeluaran baja nitrogen industri. Ammonia wujud sebagai gas pada suhu bilik tetapi boleh dicairkan pada suhu rendah, menjadikannya sumber gas yang sangat reaktif. Dalam industri semikonduktor, sifat kimia ammonia menjadikannya komponen teras beberapa proses kritikal, terutamanya dalam pemendapan wap kimia (CVD), implantasi ion, dan operasi pembersihan/penyerapan.

Molekul ammonia boleh bertindak balas dengan pelbagai logam, silikon, dan bahan lain untuk membentuk nitrida atau membiusnya. Tindak balas ini bukan sahaja membantu dalam membentuk bahan filem nipis yang dikehendaki tetapi juga menambah baik sifat elektrik, haba dan mekanikal bahan tersebut, seterusnya memajukan teknologi semikonduktor.

2. Aplikasi Ammonia dalam Pembuatan Semikonduktor

Ammonia memainkan peranan penting dalam pembuatan semikonduktor, terutamanya dalam bidang berikut:

2.1 Pemendapan Filem Nitrida Nitrida

Dalam pembuatan semikonduktor moden, filem nipis nitrida, seperti silikon nitrida (Si₃N₄), aluminium nitrida (AlN), dan titanium nitrida (TiN), digunakan secara meluas sebagai lapisan pelindung, lapisan pengasingan elektrik atau bahan konduktif. Semasa pemendapan filem nitrida ini, ammonia berfungsi sebagai sumber nitrogen yang penting.

Pemendapan wap kimia (CVD) adalah salah satu kaedah yang paling biasa untuk pemendapan filem nitrida.Ammoniabertindak balas dengan gas seperti silane (SiH₄) pada suhu tinggi untuk mengurai dan membentuk filem silikon nitrida. Reaksinya adalah seperti berikut:

3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2

Proses ini menghasilkan pembentukan lapisan silikon nitrida seragam pada permukaan wafer silikon. Ammonia menyediakan sumber nitrogen yang stabil dan membolehkan kawalan tepat tindak balas dengan sumber gas lain di bawah keadaan tertentu, dengan itu mengawal kualiti, ketebalan dan keseragaman filem.

Filem nitrida mempunyai kestabilan haba yang sangat baik, penebat elektrik, dan rintangan pengoksidaan, menjadikannya sangat penting dalam pembuatan semikonduktor. Ia digunakan secara meluas dalam litar bersepadu (IC) sebagai lapisan penebat, lapisan pengasingan elektrod, dan tingkap optik dalam peranti optoelektronik.

2.2 Implantasi Ion dan Doping

Ammoniajuga memainkan peranan penting dalam proses doping bahan semikonduktor. Doping ialah teknik penting yang digunakan untuk mengawal kekonduksian elektrik bahan dalam fabrikasi peranti semikonduktor. Ammonia, sebagai sumber nitrogen yang cekap, sering digunakan bersama-sama dengan gas lain (seperti fosfin PH₃ dan diborane B₂H₆) untuk menanam nitrogen ke dalam bahan seperti silikon dan galium arsenide (GaAs) melalui implantasi ion.

Sebagai contoh, doping nitrogen boleh melaraskan sifat elektrik silikon untuk mencipta semikonduktor jenis N atau P. Semasa proses doping nitrogen yang cekap, ammonia menyediakan sumber nitrogen ketulenan tinggi, memastikan kawalan tepat ke atas kepekatan doping. Ini penting untuk pengecilan dan pengeluaran peranti berprestasi tinggi dalam pembuatan integrasi berskala sangat besar (VLSI).

2.3 Membersih dan Mengukir

Proses pembersihan dan goresan adalah kunci untuk memastikan kualiti permukaan peranti dalam pembuatan semikonduktor. Ammonia digunakan secara meluas dalam proses ini, terutamanya dalam etsa plasma dan pembersihan kimia.

Dalam etsa plasma, ammonia boleh digabungkan dengan gas lain (seperti klorin, Cl₂) untuk membantu membuang bahan cemar organik, lapisan oksida dan kekotoran logam daripada permukaan wafer. Sebagai contoh, ammonia bertindak balas dengan oksigen untuk menghasilkan spesies oksigen reaktif (seperti O₃ dan O₂), yang secara berkesan menghilangkan oksida permukaan dan memastikan kestabilan dalam proses seterusnya.

Selain itu, ammonia boleh bertindak sebagai pelarut dalam proses pembersihan, membantu membuang sisa surih yang terbentuk akibat tindak balas kimia atau kemalangan proses, dengan itu mengekalkan ketulenan tinggi wafer.

3. Kelebihan Ammonia dalam Industri Semikonduktor

Ammonia menawarkan beberapa kelebihan dalam pembuatan semikonduktor, terutamanya dalam bidang berikut:

3.1 Sumber Nitrogen yang Cekap

Ammonia ialah sumber nitrogen yang cekap dan tulen yang menyediakan bekalan atom nitrogen yang stabil dan tepat untuk pemendapan filem nitrida dan proses doping. Ini adalah penting untuk fabrikasi peranti berskala mikro dan nano dalam pembuatan semikonduktor. Dalam kebanyakan kes, ammonia lebih reaktif dan boleh dikawal daripada gas sumber nitrogen lain (seperti gas nitrogen atau nitrogen oksida).

3.2 Kawalan Proses Cemerlang

Kereaktifan ammonia membolehkannya mengawal kadar tindak balas dan ketebalan filem dengan tepat dalam pelbagai proses yang kompleks. Dengan melaraskan kadar aliran ammonia, suhu dan masa tindak balas, adalah mungkin untuk mengawal ketebalan, keseragaman dan ciri-ciri struktur filem dengan tepat, dengan itu mengoptimumkan prestasi peranti.

3.3 Keberkesanan Kos dan Mesra Alam Sekitar

Berbanding dengan gas sumber nitrogen lain, ammonia kosnya agak rendah dan mempunyai kecekapan penggunaan nitrogen yang tinggi, menjadikannya sangat berfaedah dalam pengeluaran semikonduktor berskala besar. Tambahan pula, teknologi kitar semula dan penggunaan semula ammonia menjadi lebih maju, menyumbang kepada kemesraan alam sekitar.

4. Cabaran Keselamatan dan Alam Sekitar

Walaupun peranannya yang penting dalam pembuatan semikonduktor, ammonia memberikan potensi bahaya. Pada suhu bilik, ammonia adalah gas, dan dalam bentuk cecairnya, ia sangat menghakis dan toksik, memerlukan langkah keselamatan yang ketat semasa digunakan.

1. Penyimpanan dan Pengangkutan: Ammonia mesti disimpan pada suhu rendah dan tekanan tinggi, menggunakan bekas dan saluran paip khusus untuk mengelakkan kebocoran.
2. Keselamatan Operasi: Operator dalam talian pengeluaran semikonduktor perlu memakai peralatan perlindungan, seperti cermin mata, sarung tangan, dan topeng gas, untuk mengelakkan pendedahan ammonia kepada tubuh manusia.
3. Rawatan Gas Sisa: Penggunaan ammonia boleh menghasilkan gas buangan yang berbahaya, maka sistem rawatan gas sisa yang cekap mesti ada untuk memastikan pelepasan memenuhi piawaian alam sekitar.

Apabila proses pembuatan semikonduktor terus berkembang dan permintaan untuk prestasi peranti yang lebih tinggi meningkat, peranan ammonia dalam industri akan terus berkembang. Ini benar terutamanya dalam litar bersepadu skala nano berketepatan tinggi, cip pengkomputeran kuantum dan teknologi pembungkusan termaju. Selain itu, apabila peraturan alam sekitar menjadi lebih ketat, pembangunan teknologi pengeluaran dan kitar semula yang lebih hijau untuk ammonia akan menjadi faktor kritikal dalam masa depan industri.

Aplikasi ammonia dalam industri semikonduktor menyediakan asas yang kukuh untuk pembangunan elektronik moden. Peranannya dalam meningkatkan kecekapan pengeluaran, mengurangkan kos pembuatan, dan memacu inovasi teknologi amat diperlukan. Dengan kemajuan teknologi, aplikasi ammonia akan terus berkembang, membantu industri semikonduktor berkembang ke arah kecekapan yang lebih tinggi dan kemampanan alam sekitar.

Ammonia, sebagai reagen kimia penting, memainkan peranan penting dalam pembuatan semikonduktor. Ia adalah penting untuk pemendapan filem nitrida, doping, dan proses pembersihan/pengerasan. Dengan kemajuan berterusan teknologi semikonduktor, aplikasi ammonia bersedia untuk berkembang, memberikan sumbangan besar kepada kemajuan teknologi dan membantu industri semikonduktor berkembang ke arah yang lebih cekap dan mesra alam.