การโดปซิลิกอนด้วยการอาบนิวตรอน

คำนำ

สารกึ่งตัวนำของซิลิกอนผลิตจากผลึกเดี่ยวของซิลิกอนความบริสุทธิ์สูง นิยมใช้แพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดต่าง ๆ สภาพต้านทานไฟฟ้า (electrical resistivity) ของซิลิกอนขึ้นกับปริมาณของธาตุปริมาณน้อยที่เติมลงไป ซึ่งเรียกว่าการเจือสารหรือการโดป (dope)

การโดปซิลิกอนสามารถกระทำได้ในระหว่างกระบวนการปลูกผลึกเดี่ยวซิลิกอน ในกรณีที่ใช้เทคนิคการปลูกผลึกแบบ Czolski (CZ) อาจผสมสารเจือปนลงในชามซิลิกอนเหลว หรือหากใช้เทคนิคการปลูกผลึกแบบ Float Zone (FZ) ก็อาจผสมสารเจือปนลงใน core wire หรือหยดสารละลายของสารเจือปนลงบนแท่งซิลิกอนตั้งต้น แต่การโดปด้วยวิธีนี้ให้ความแตกต่างของความเข้มข้นของสิ่งเจือปน (doping concentration) ในแท่งซิลิกอนสูงกว่า 20% ทั้งในแนวแกนและแนวรัศมี

การโดปซิลิกอนด้วยการก่อกัมมันตภาพรังสีด้วยนิวตรอน (neutron activation) หรือเทคนิคการอาบนิวตรอน เป็นเทคนิคการเจือฟอสฟอรัสเข้าไปในแท่งซิลิกอนเพื่อทำให้ซิลิกอนมีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำแบบเอ็น (n-type semiconductor) ด้วยกระบวนการสร้างธาตุใหม่จากธาตุเดิมโดยอาศัยปฏิกิริยานิวเคลียร์ วิธีการนี้เริ่มพัฒนามาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1950 แต่เริ่มผลิตในเชิงอุตสาหกรรมในปี ค.ศ. 1975 ปัจจุบันนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ไฟฟ้ากำลังสูง เช่น ไทริสเตอร์ เรกทิไฟเออร์ ไดโอด ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้จะเกิดความร้อนขึ้นขณะใช้งาน ซิลิกอนที่โดปด้วยเทคนิคอื่นจะมีสภาพต้านทานไฟฟ้าไม่สม่ำเสมอ ทำให้เกิดการสะสมความร้อนขึ้นเป็นบางจุด เป็นผลให้อุปกรณ์เหล่านี้มีอายุการใช้งานสั้นลง

การผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าประเภทให้กำลัง (power device) นั้น ต้องใช้ซิลิกอนทั้งแผ่นต่ออุปกรณ์ 1 ชิ้น ซึ่งต่างจากการสร้างชิ้นส่วนจำพวกไอซี เช่น การทำเรกทิไฟเออร์ขนาด 5 ซม. ต้องใช้แผ่นซิลิกอนซึ่งไม่มี ตำหนิ (defect) และมีสารเจือปนที่กระจายอย่างสม่ำเสมอตลอดแผ่น จึงจะได้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีคุณภาพดี เกิดจุดที่สะสมความร้อนน้อย ใช้งานได้ทนนาน ดังนั้น สารกึ่งตัวนำซิลิกอนที่โดปฟอสฟอรัสโดยใช้เทคนิคการอาบนิวตรอน จึงเหมาะสำหรับใช้ในงานนี้ เนื่องจากฟอสฟอรัสที่เกิดขึ้นจะกระจายไปทั่วทั้งแท่งซิลิกอนอย่างสม่ำเสมอ (ดีกว่าร้อยละ 2.5 ทั้งในแนวแกนและแนวรัศมีของแท่ง)

เทคนิคการโดปฟอสฟอรัสลงในซิลิกอนด้วยการอาบนิวตรอน

ซิลิกอนในธรรมชาติประกอบด้วยสามไอโซโทปที่เสถียรคือ ซิลิกอน-28 ซิลิกอน-29 และซิลิกอน-30 เป็นสัดส่วนร้อยละ 92.23 4.67 และ 3.1 ตามลำดับ ไอโซโทปของซิลิกอนเมื่อจับนิวตรอนหนึ่งอนุภาคจะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ดังนี้

ปฏิกิริยานี้ให้ฟอสฟอรัส 3.355 อะตอมในพันล้านอะตอมของซิลิกอนต่อนิวตรอน 10¹⁸ ตัวต่อ ลบ.ซม. ³²P เป็นตัวที่ทำให้เกิดรังสีขึ้นในสารตัวอย่าง

อุปกรณ์ที่ใช้ในการอาบนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ มักประกอบด้วยท่ออาบนิวตรอนที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางหลาย ๆ ขนาด ตั้งแต่ 2-8 นิ้ว สำหรับอาบซิลิกอนขนาดต่าง ๆ กัน ปลายท่อด้านบนต่อกับมอเตอร์เพื่อหมุนแท่งซิลิกอนในขณะอาบรังสี ท่อเหล่านี้จะติดตั้งไว้ในตำแหน่งที่เหมาะสมในบ่อเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ กล่าวคือ ตำแหน่งที่มีเทอร์มัลนิวตรอนฟลักซ์ระหว่าง 5x10¹² ถึง 5x10¹³ นิวตรอน/ตร.ซม.-วินาที (ถ้าฟลักซ์ของนิวตรอนต่ำเกินไปจะต้องใช้เวลาในการอาบนาน แต่ถ้าฟลักซ์สูงเกินไป จะทำให้เกิดความผิดพลาดในเรื่องของเวลาที่ใช้ในการอาบนิวตรอน) นำแท่งซิลิกอนที่เตรียมไว้ใส่ในภาชนะอาบแล้วจึงหย่อนลงในท่ออาบนิวตรอน เมื่ออาบนิวตรอนครบตามกำหนดเวลาที่ต้องการ ต้องนำออกมาพักไว้ให้รังสีลดลงอยู่ในระดับปลอดภัย แล้วล้างด้วยน้ำสะอาดก่อนบรรจุหีบห่อเพื่อขนส่งต่อไป รูปที่ 1 แสดงท่ออาบซิลิกอนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ SAPHIR ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์

เนื่องจากสภาพต้านทานไฟฟ้าของแท่งซิลิกอนแปรผันตามปริมาณของฟอสฟอรัสที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ดังนั้น จึงขึ้นกับเวลาที่ใช้ในการอาบนิวตรอน ซึ่งโดยทั่วไปจะมีค่าอยู่ระหว่าง 20-200 โอห์ม-ซม. สภาพต้านทานไฟฟ้าที่ต่ำกว่านี้ไม่เหมาะสำหรับการผลิตในเชิงพาณิชย์ เพราะนอกจากต้องใช้เวลาในการอาบตัวอย่างเพิ่มขึ้นแล้ว ยังต้องทิ้งให้สารไอโซโทปรังสีสลายกัมมันตรังสีนานขึ้น เนื่องจากเกิดกัมมันตภาพรังสีในปริมาณสูง หากต้องการสภาพต้านทานไฟฟ้าต่ำกว่านี้ควรใช้เทคนิคอื่น ตารางที่ 1⁽³⁾ แสดงความสัมพันธ์ระหว่างเวลาที่ใช้ในการอาบและเก็บซิลิกอน ภายหลังการอาบนิวตรอนกับสภาพต้านทานไฟฟ้าที่เกิดขึ้น

ตารางที่1 ความสัมพันธ์ระหว่างเวลาที่ใช้ในการอาบและเก็บแท่งซิลิกอนภายหลังการอาบนิวตรอนกับ สภาพต้านทานไฟฟ้า

การควบคุมความปลอดภัยทางรังสี

สารรังสีในตัวอย่างซิลิกอนประกอบด้วยสองส่วนคือ ที่ผิวและที่อยู่ภายในเนื้อแท่งซิลิกอน สารรังสีที่ผิวอาจปนเปื้อนจากการขนส่งหรือการอาบตัวอย่าง สารเหล่านี้สามารถชำระล้างหรือเช็ดออกด้วยสารละลายที่เหมาะสม

สารรังสีภายในแท่งซิลิกอนที่สำคัญได้แก่ ³²P ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยา ³¹P (n,b) ³²P มีครึ่งชีวิตประมาณ 14.5 วัน ซึ่งปริมาณของกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้น จะขึ้นกับเวลาที่ใช้ในการอาบรังสี กล่าวคือ การอาบรังสีนานจะทำให้เกิดรังสีในปริมาณสูงขึ้น

ในข้อกำหนดสำหรับการเคลื่อนย้ายและขนส่งซิลิกอนตามกฏของทบวงการพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ(4) สารกัมมันตรังสีหมายถึง วัสดุใด ๆ ที่มีกัมมันตภาพรังสีจำเพาะ (specific activity) มากกว่า 2x10^-3 mCi/g ทั้งนี้ ในการเคลื่อนย้ายวัสดุกัมมันตรังสีใด ๆ จะต้องปฏิบัติตามระเบียบด้านความปลอดภัยทางรังสีตามมาตรฐานของ ICRP (International Commission of Radiological Protection)

นอกจากซิลิกอนแล้ว ยังมีสารกึ่งตัวนำชนิดอื่นที่ผลิตได้ด้วยวิธีการอาบนิวตรอน เช่น เจอร์เมเนียม และแกลเลียมอาร์เซไนด์ แต่เนื่องจากไอโซโทปรังสีที่เกิดขึ้นมีครึ่งชีวิตยาว ซึ่งบางชนิดอาจต้องทิ้งไว้นานเป็นเดือนเพื่อให้ปริมาณรังสีลดลงอยู่ในระดับปลอดภัย จึงไม่เหมาะสำหรับการผลิตในเชิงพาณิชย์

ในปัจจุบันนี้คาดว่า สารกึ่งตัวนำซิลิกอนที่จำหน่ายในท้องตลาดประมาณร้อยละ 50 ผลิตด้วยกรรมวิธีนี้ ประเทศที่ให้บริการอาบรังสีซิลิกอนที่สำคัญ เช่น ประเทศออสเตรเลีย เดนมาร์ก ฝรั่งเศส สหรัฐอเมริกา เป็นต้น สำหรับประเทศไทยได้มีการเตรียมท่อสำหรับอาบซิลิกอนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่จะสร้างขึ้นใหม่ ณ ศูนย์นิวเคลียร์องครักษ์ จำนวน 4 ท่อ ซึ่งในจำนวนนี้ จะมีการติดตั้งอุปกรณ์สำหรับอาบซิลิกอนครบชุดไว้ 2 ท่อ ซึ่งคาดว่าจะสามารถอาบแท่งซิลิกอนขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางตั้งแต่ 3-6 นิ้ว ได้ไม่ต่ำกว่าปีละ 1 ตัน

บทสรุป

การโดปซิลิกอนด้วยวิธีนี้มีข้อดีคือ ให้ปริมาณของสารเจือปนที่แม่นยำ (ความผิดพลาดน้อยกว่า 1%) และสภาพต้านทานไฟฟ้าตลอดแท่งซิลิกอนมีความสม่ำเสมอหรือภาวะเอกพันธุ์ (homogeneity) สูง ทั้งในแนวแกนและแนวรัศมี เหมาะสำหรับใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้ากำลังสูง อย่างไรก็ตาม การโดปซิลิกอนด้วยการอาบนิวตรอนต้องเสียค่าใช้จ่ายในการอาบรังสีค่อนข้างสูง ทั้งยังต้องผ่านขั้นตอนการควบคุมความปลอดภัยทางรังสีด้วย

เอกสารอ้างอิง

1. W.R. Runyun. Silicon Semiconductor Technology, McGraw-Hill Book Company (1965) p. 35-36.
2. H. Winkler. Silicon Transmutation Doping Techniques and Practices. IAEA-TECDOC-456 (1988), p.33.
3. J.M. Meese (ed.). Neutron Transmutation Doping in Semiconductor. Plenum Press, New York (1979) p.33-34.
4. J.M. Meese (ed.). Ibid. p.29.
5. J.M. Silver. "Neutron Transmutation Doping in Australia". Paper presented at RCA Workshop on NTD, Beijing, China, 4-11 Oct.1992.