ሴሚኮንዳክተር ዲፍፉዥን ፉርኔስ ቱቦ ቁሳቁሶች፡ ኳርትዝ፣ ሲሲ እና የላቀ የሴራሚክ መፍትሄዎች

መግቢያ፡- በሴሚኮንዳክተር ማምረቻ ውስጥ የእቶን ቱቦ ቁሳቁሶች ወሳኝ ሚና

በሴሚኮንዳክተር ዋፈር ማምረቻ ውስጥ፣ የዳይፍዩሽን ፉርኔስ ቱቦ በሙቀት ማቀነባበሪያ መሳሪያዎች ውስጥ ጥቅም ላይ ከሚውሉት በጣም ወሳኝ ከፍተኛ የሙቀት መጠን ሂደት ክፍሎች አንዱ ነው። ለብዙ ቁልፍ ሴሚኮንዳክተር ሂደቶች ቁጥጥር የሚደረግበት የምላሽ አካባቢን ይሰጣል፣ ከእነዚህም ውስጥ፡

• የሙቀት ኦክሳይድ;
• የዶፓንት ስርጭት;
• አኒሊንግ፤
• የኤልፒሲቪዲ ክምችት፤
• ከፍተኛ የሙቀት መጠን ያለው የዋፈር ሕክምና።

ከባህላዊ የኢንዱስትሪ ምድጃ ክፍሎች በተለየ መልኩ፣ የሴሚኮንዳክተር ምድጃ ቱቦዎች እጅግ በጣም ጥብቅ የሆኑ መስፈርቶችን ማሟላት አለባቸው ምክንያቱም የዱካ ብክለት ወይም የቅንጣት ማመንጨት እንኳን የዋፈር ምርትን እና የመሳሪያውን አስተማማኝነት በቀጥታ ሊጎዳ ይችላል።

በሴሚኮንዳክተር ስርጭት እና ኦክሳይድ ሂደቶች ወቅት የእቶን ቱቦዎች በተለምዶ ለሚከተሉት ይጋለጣሉ፡

• ከ 800°ሴ እስከ 1200°ሴ የሚደርስ ከፍተኛ የሙቀት መጠን ያላቸው አካባቢዎች፤
• እንደ O₂ እና H₂O ያሉ ኦክሳይድ ጋዞች፤
• N₂ እና Arን ጨምሮ ኢንሬትድ ጋዞች፤
• እንደ POCl₃ እና BBr₃ ያሉ የዶፓንት ፕሪኩዌሮች፤
• እንደ HCl ያሉ የሚበላሹ የኬሚካል ዝርያዎች።

ስለዚህ የእቶኑ ቱቦ ቁሳቁሶች በተመሳሳይ ጊዜ የሚከተሉትን ማቅረብ አለባቸው:

• እጅግ በጣም ከፍተኛ የኬሚካል ንፅህና;
• እጅግ በጣም ጥሩ የሙቀት መረጋጋት;
• ዝቅተኛ የብረታ ብረት ብክለት;
• ከፍተኛ የዝገት መቋቋም;
• ዝቅተኛ የቅንጣት ማመንጨት;
• ረጅም የአሠራር ጊዜ።

በሴሚኮንዳክተር መሳሪያዎች የቁሳቁስ ደረጃዎች እና በኢንዱስትሪ ልምዶች መሠረት፣ በብዛት ጥቅም ላይ የዋሉት የእቶን ቱቦ ቁሳቁሶች የሚከተሉትን ያካትታሉ:

• ከፍተኛ ንፁህ ኳርትዝ (የተፈጨ ሲሊካ፣ SiO₂)
• ሲሊከን ካርቦይድ (ሲሲ ሴራሚክ)
• አሉሚና ሴራሚክ (Al₂O₃)
• ሲሊኮን ናይትራይድ ሴራሚክ (Si₃N₄)

ከፍተኛ ንፅህና ኳርትዝ ቱቦ

ከሁሉም የሴሚኮንዳክተር ምድጃ ቱቦ ቁሳቁሶች መካከል፣ ከፍተኛ ንፅህና ያለው የኳርትዝ ቱቦ በሚያስደንቅ ንፅህና፣ በሙቀት መረጋጋት እና በብስለት ማቀነባበሪያ ቴክኖሎጂ ምክንያት ለባህላዊው የሲሊኮን ዋፈር ማምረቻ ዋነኛው መፍትሄ ሆኖ ይቆያል።

የሴሚኮንዳክተር ደረጃ ኳርትዝ ቱቦዎች የሚመረቱት ከፍተኛ ንፁህ ከሆነ ሲሊካ ሲሆን ዋናው ክፍል ሲሊኮን ዳይኦክሳይድ (SiO₂) ነው። የንፁህነቱ ደረጃ በተለምዶ ከ99.99% ይበልጣል፣ ይህም የሚከተሉትን ጨምሮ የብረት ቆሻሻዎችን በጥብቅ ይቆጣጠራል፡ Fe; Na; K; Cu; Al.

በሙቀት ኦክሳይድ ሂደቶች ውስጥ፣ የኳርትዝ ምድጃ ቱቦዎች የሲሊኮን ኦክሳይድ ንብርብሮችን ለመፍጠር ተስማሚ የምላሽ አካባቢን ይሰጣሉ።

የተለመዱ ምላሾች የሚከተሉትን ያካትታሉ:

ደረቅ ኦክሳይድ:

Si + O₂ → SiO₂

እርጥብ ኦክሳይድ:

Si + H₂O → SiO₂ + H₂

እነዚህ የኦክሳይድ ሂደቶች ለሚከተሉት አስፈላጊ ናቸው

• የበር ዳይኤሌክትሪክ ምስረታ;
• የወለል ፓስቪዥን;
• የመገለል መዋቅሮች።

የኳርትዝ ቱቦዎች በዶፓንት ስርጭት ሂደቶች ውስጥ በስፋት ጥቅም ላይ ይውላሉ፣ ከእነዚህም ውስጥ የሚከተሉት ይገኙበታል፡

• የፎስፈረስ ስርጭት በ POCl₃ በመጠቀም፤
• የቦሮን ስርጭት BBr₃ን በመጠቀም፤
• የአርሴኒክ ስርጭት ሂደቶች።

በተጨማሪም፣ የኳርትዝ ምድጃ ቱቦዎች በ LPCVD ስርዓቶች ውስጥ በስፋት ጥቅም ላይ ይውላሉ ለሚከተሉት: 

• የሲሊኮን ናይትሬድ ክምችት;
• ፖሊክሪስታሊን ሲሊከን ዲፖዚሽን።

የኳርትዝ ምድጃ ቱቦዎች ዋና ዋና ጥቅሞች የሚከተሉትን ያካትታሉ:

• እጅግ በጣም ጥሩ የኬሚካል ንፅህና
• ዝቅተኛ የሙቀት መስፋፋት
• እጅግ በጣም ጥሩ የሙቀት ወጥነት

ሆኖም ግን፣ የኳርትዝ ቱቦዎችም የተወሰኑ ገደቦች አሏቸው። ዋናው ገደብ ከፍተኛ የሙቀት መጠን ያለው ሜካኒካል መረጋጋት ነው። ከ1100-1200°ሴ በላይ ባለው ረጅም ጊዜ በሚሠራበት ጊዜ፣ ኳርትዝ የሚከተሉትን ሊያጋጥመው ይችላል፡

• የቱቦ መበስበስ;
• መሳሳት፤
• የሜካኒካል ጥንካሬ መቀነስ።

ስለዚህ፣ ኳርትዝ ለዋናው የሲሊኮን ሴሚኮንዳክተር ማምረቻ ተመራጭ ምርጫ ሆኖ ይቀጥላል ነገር ግን እጅግ በጣም ከፍተኛ ሙቀት ላላቸው ወይም ከፍተኛ ዝገት ላላቸው ሂደቶች ብዙም ተስማሚ አይደለም።

የሲሊኮን ካርባይድ ቱቦ፡ ለከፍተኛ ሴሚኮንዳክተር ማምረቻ ከፍተኛ የሙቀት መጠን መፍትሄ

የሲሊኮን ካርቦይድ (ሲሲ) ሴራሚክ ለላቁ የምድጃ ቱቦዎች ተስፋ ሰጪ አማራጭ ቁሳቁስ ሆኖ ብቅ ብሏል።

ሲሲ የሲሊኮን እና የካርቦን አቶሞችን ያካተተ ኮቫለንት የሴራሚክ ውህድ ነው። ሴሚኮንዳክተር-ደረጃ ሲሲ ሴራሚክስ በተለምዶ የሚከተሉትን ያካትታል፡

• ምላሽ የተሳሰረ SiC;
• ሲንተርድ ሲሲ;
• ከፍተኛ ንፅህና ያለው የCVD SiC ቁሳቁሶች።

ከኳርትዝ ጋር ሲነጻጸር፣ SiC በከፍተኛ ሁኔታ የተሻሻለ ያቀርባል፡

• የሙቀት መቋቋም;
• ሜካኒካል ጥንካሬ;
• የሙቀት ማስተላለፊያ;
• የኬሚካል ዘላቂነት።

የሲሲ ምድጃ ቱቦዎች በጣም ጉልህ ከሆኑት ጥቅሞች አንዱ ከፍተኛ የሙቀት መጠን የማድረቅ ችሎታቸው ነው።

ኳርትዝ በአጠቃላይ በግምት 1200°ሴ የአሠራር ሁኔታዎች ብቻ የተወሰነ ቢሆንም፣ የሲሲ ሴራሚክስ ከ1500°ሴ በላይ የሙቀት መጠንን መቋቋም ይችላል፣ ይህም ለላቁ የሙቀት ሂደቶች ተስማሚ ያደርጋቸዋል።

የሙቀት ማስተላለፊያ ልዩነትም ጉልህ ነው-

• ኳርትዝ፡ ~1.4 ወ/ሜ·ኬ
• ሲሊከን ካርቦይድ፡ 120–200 W/m·K

ከፍተኛ የ SiC የሙቀት ማስተላለፊያ የሚከተሉትን ያስችላል፦

• ፈጣን የሙቀት ምላሽ;
• የተሻሻለ የሙቀት መጠን ወጥነት;
• የሙቀት ቅልጥፍናዎች መቀነስ።

በሴሚኮንዳክተር አፕሊኬሽኖች ውስጥ የሲሲ ምድጃ ቱቦዎች በዋናነት ለሚከተሉት ታሳቢ ይሆናሉ፡

• ከፍተኛ የሙቀት መጠን ማቃጠል;
• የላቀ የስርጭት ሂደቶች;
• የሲሊኮን ካርቦይድ የኃይል መሣሪያ ማምረቻ;
• የ GaN ሴሚኮንዳክተር ማቀነባበሪያ።

የአሉሚና ቱቦ (Al₂O₃): ወጪ ቆጣቢ ከፍተኛ የሙቀት መጠን ያለው የሴራሚክ ቁሳቁስ

የአሉሚና የሴራሚክ ቱቦዎች በዋናነት ከአሉሚኒየም ኦክሳይድ (Al₂O₃) የሚመረቱ ሲሆን፣ በተለይም ከ95% እስከ 99.8% የሚደርስ የንጽህና ደረጃ አላቸው።

የአሉሚና ሴራሚክስ የአሠራር የሙቀት መጠን በግምት ከ1400-1700°ሴ ሊደርስ ይችላል፤ ይህም ከተለመደው ኳርትዝ ከፍ ያለ ነው።

በእነዚህ ባህሪያት ምክንያት፣ የአሉሚኒየም ምድጃ ቱቦዎች በተለምዶ በሚከተሉት ውስጥ ጥቅም ላይ ይውላሉ፡

የላቦራቶሪ ሴሚኮንዳክተር ምድጃዎች;

• የምርምር እና የልማት መሳሪያዎች;
• l የሙከራ የሙቀት ማቀነባበሪያ ስርዓቶች።

ይሁን እንጂ፣ ከፍተኛ መጠን ያለው የሴሚኮንዳክተር ማምረቻ ውስጥ አሉሚና የተወሰነ ተቀባይነት አለው። ዋናው ምክንያት የብክለት ቁጥጥር ነው።

ከኳርትዝ ጋር ሲነጻጸር፣ የአሉሚኒየም ሴራሚክስ የሚከተሉትን ሊያስተዋውቅ ይችላል፡

• የአሉሚኒየም ብክለት;
• l ከፍተኛ የንጽህና ደረጃዎች።

እጅግ በጣም ዝቅተኛ የብክለት መጠን የሚፈልግ የላቀ የሴሚኮንዳክተር ምርት ለማግኘት፣ ኳርትዝ እና ከፍተኛ ንፅህና SiC ተመራጭ ምርጫዎች ሆነው ይቀጥላሉ።

የሲሊኮን ናይትሬድ ቱቦ (Si₃N₄): ለሙቀት ድንጋጤ መቋቋም የላቀ ሴራሚክ

ሲሊከን ናይትራይድ (Si₃N₄) ለየት ባለ የሜካኒካል ባህሪያቱ የሚታወቅ ሌላ የላቀ የሴራሚክ ቁሳቁስ ነው። ሊሆኑ የሚችሉ የሴሚኮንዳክተር አፕሊኬሽኖች የሚከተሉትን ያካትታሉ፡

• ልዩ የእቶን ክፍሎች;
• የሴሚኮንዳክተር መሳሪያዎችን ምርምር ማድረግ፤
• ከፍተኛ የሙቀት መጠን ያላቸው የሴራሚክ መዋቅሮች።

ይሁን እንጂ፣ የሲ₃N₄ የእቶን ቱቦዎች በዋና ዋና ሴሚኮንዳክተር ስርጭት ምድጃዎች ውስጥ በስፋት ተቀባይነት የላቸውም ምክንያቱም፡

• ከፍተኛ የማምረት ውስብስብነት;
• ከፍተኛ ወጪ;
• ውስን የኢንዱስትሪ አቅርቦት ሰንሰለት ብስለት።

መደምደሚያ

የስርጭት ምድጃ ቱቦ በሴሚኮንዳክተር ማምረቻ ውስጥ ወሳኝ ነገር ግን ብዙ ጊዜ ዝቅተኛ ግምት የሚሰጠው አካል ነው። ቁሱ በቀጥታ የሚነካው፡

• የዋፈር ምርት;
• የሂደት መረጋጋት;
• የቅንጣት አፈፃፀም;
• የመሳሪያው የህይወት ዘመን።

በአሁኑ ግዜ፥

የኳርትዝ ቱቦዎችበልዩ ንፅህናቸው እና ብስለት ምክንያት ባህላዊ የኦክሳይድ እና የስርጭት ሂደቶችን ይቆጣጠራሉ።

የሲሲ ቱቦዎችለቀጣዩ ትውልድ ሴሚኮንዳክተር አፕሊኬሽኖች የላቀ የሙቀት አቅምን ያቅርቡ።

የአሉሚና እና የሲሊኮን ናይትሬድ ቱቦዎች ሜካኒካል አፈጻጸም ቅድሚያ በሚሰጥባቸው ልዩ ከፍተኛ ሙቀት አፕሊኬሽኖች ያገለግላሉ።

የሴሚኮንዳክተር ማምረቻ ወደ ከፍተኛ የሙቀት መጠን፣ ትላልቅ ዋፈር እና ሰፊ ባንድ ክፍተት መሳሪያዎች እየቀጠለ ሲሄድ፣ የላቁ የሴራሚክ ምድጃ ቱቦ ቁሳቁሶች ወደፊት በሚደረጉ የሴሚኮንዳክተር ሂደት መሳሪያዎች ውስጥ ከጊዜ ወደ ጊዜ እየጨመረ የሚሄድ ሚና ይጫወታሉ።