Матэрыялы для паўправадніковых дыфузійных трубак печы: кварц, карбід крэмнію і перадавыя керамічныя растворы

Уводзіны: Вырашальная роля матэрыялаў для труб печаў у вытворчасці паўправаднікоў

У вытворчасці паўправадніковых пласцін дыфузійная печ з'яўляецца адным з найважнейшых кампанентаў высокатэмпературных працэсаў, якія выкарыстоўваюцца ў абсталяванні для тэрмічнай апрацоўкі. Яна забяспечвае кантраляванае рэакцыйнае асяроддзе для некалькіх ключавых паўправадніковых працэсаў, у тым ліку:

• Тэрмічнае акісленне;
• Дыфузія прымешак;
• Адпал;
• LPCVD-асаджэнне;
• Высокатэмпературная апрацоўка пласцін.

У адрозненне ад звычайных кампанентаў прамысловых печаў, паўправадніковыя печныя трубкі павінны адпавядаць надзвычай строгім патрабаванням, бо нават сляды забруджвання або ўтварэнне часціц могуць непасрэдна паўплываць на выхад пласцін і надзейнасць прылады.

Падчас працэсаў дыфузіі і акіслення паўправаднікоў трубкі печаў звычайна падвяргаюцца ўздзеянню:

• Высокатэмпературнае асяроддзе ад 800°C да 1200°C;
• Акісляльныя газы, такія як O₂ і H₂O;
• Інэртныя газы, у тым ліку N₂ і Ar;
• Папярэднікі прымешак, такія як POCl₃ і BBr₃;
• Каразійныя хімічныя рэчывы, такія як HCl.

Такім чынам, матэрыялы печных труб павінны адначасова забяспечваць:

• Звышвысокая хімічная чысціня;
• Выдатная тэрмічная стабільнасць;
• Нізкае забруджванне металамі;
• Высокая каразійная ўстойлівасць;
• Нізкае ўтварэнне часціц;
• Працяглы эксплуатацыйны тэрмін.

Згодна са стандартамі матэрыялаў для паўправадніковага абсталявання і галіновай практыкай, найбольш шырока выкарыстоўванымі матэрыяламі для труб печаў з'яўляюцца:

• Высокачысты кварц (плаўлены крэмній, SiO₂)
• Карбід крэмнію (SiC кераміка)
• Алюмініевая кераміка (Al₂O₃)
• Нітрыд крэмнію, кераміка (Si₃N₄)

Кварцавая трубка высокай чысціні

Сярод усіх матэрыялаў для паўправадніковых печных трубак высакаякасныя кварцавыя трубкі застаюцца дамінуючым рашэннем для вытворчасці традыцыйных крэмніевых пласцін дзякуючы сваёй выдатнай чысціні, тэрмічнай стабільнасці і развітой тэхналогіі апрацоўкі.

Кварцавыя трубкі паўправадніковага класа вырабляюцца з высакаякаснага плаўленага крэмнію, асноўным кампанентам якога з'яўляецца дыяксід крэмнію (SiO₂). Узровень чысціні звычайна перавышае 99,99% пры строгім кантролі металічных прымешак, у тым ліку: Fe; Na; K; Cu; Al.

У працэсах тэрмічнага акіслення кварцавыя печы забяспечваюць ідэальнае асяроддзе рэакцыі для ўтварэння слаёў аксіду крэмнію.

Тыповыя рэакцыі ўключаюць:

Сухое акісленне:

Si + O₂ → SiO₂

Мокрае акісленне:

Si + H₂O → SiO₂ + H₂

Гэтыя працэсы акіслення неабходныя для:

• Фарміраванне дыэлектрыка затвора;
• Пасівацыя паверхні;
• Ізаляцыйныя канструкцыі.

Кварцавыя трубкі таксама шырока выкарыстоўваюцца ў працэсах дыфузіі прымешак, у тым ліку:

• Дыфузія фосфару з выкарыстаннем POCl₃;
• Дыфузія бору з выкарыстаннем BBr₃;
• Працэсы дыфузіі мыш'яку.

Акрамя таго, кварцавыя печныя трубкі шырока выкарыстоўваюцца ў сістэмах LPCVD для: 

• Нанясенне нітрыду крэмнію;
• Адкладванне полікрышталічнага крэмнію.

Асноўныя перавагі кварцавых печных трубак ўключаюць:

• Выдатная хімічная чысціня
• Нізкае цеплавое пашырэнне
• Выдатная цеплавая аднастайнасць

Аднак кварцавыя трубкі маюць і пэўныя абмежаванні. Асноўным абмежаваннем з'яўляецца механічная стабільнасць пры высокіх тэмпературах. Пры працяглай эксплуатацыі пры тэмпературы вышэй за прыкладна 1100–1200°C кварц можа адчуваць:

• Дэфармацыя трубы;
• Правісанне;
• Зніжаная механічная трываласць.

Такім чынам, кварц застаецца пераважным выбарам для вытворчасці крэмніевых паўправаднікоў, але менш падыходзіць для надзвычай высокатэмпературных або высокаагрэсіўных працэсаў.

Трубка з карбіду крэмнію: высокатэмпературнае рашэнне для вытворчасці перадавых паўправаднікоў

Карбідкрэмніевая (SiC) кераміка стала перспектыўным альтэрнатыўным матэрыялам для сучасных печных труб.

SiC — гэта кавалентнае керамічнае злучэнне, якое складаецца з атамаў крэмнію і вугляроду. Паўправадніковая кераміка SiC звычайна ўключае:

• Рэакцыйна звязаны SiC;
• Спечаны карбід крэмнію;
• Высокачыстыя матэрыялы SiC, атрыманыя метадам CVD.

У параўнанні з кварцам, SiC забяспечвае значна палепшаныя:

• Тэмпературная ўстойлівасць;
• Механічная трываласць;
• Цеплаправоднасць;
• Хімічная ўстойлівасць.

Адной з найбольш значных пераваг SiC-печных труб з'яўляецца іх выдатная высокатэмпературная ўстойлівасць.

У той час як кварц звычайна працуе пры тэмпературы каля 1200°C, кераміка SiC можа вытрымліваць тэмпературы, якія перавышаюць 1500°C, што робіць яе прыдатнай для складаных тэрмічных працэсаў.

Розніца ў цеплаправоднасці таксама істотная:

• Кварц: ~1,4 Вт/м·K
• Карбід крэмнію: 120–200 Вт/м·К

Больш высокая цеплаправоднасць SiC дазваляе:

• Хутчэйшая цеплавая рэакцыя;
• Палепшаная аднастайнасць тэмпературы;
• Зніжаныя тэмпературныя градыенты.

У паўправадніковых прымяненнях трубкі з карбіду крэмнію ў асноўным разглядаюцца для:

• Высокатэмпературны адпал;
• Пашыраныя працэсы дыфузіі;
• Вытворчасць сілавых прылад з карбіду крэмнію;
• Апрацоўка паўправаднікоў GaN.

Алюмініевая трубка (Al₂O₃): эканамічна эфектыўны керамічны матэрыял для высокіх тэмператур

Алюмінакерамічныя трубкі вырабляюцца ў асноўным з аксіду алюмінію (Al₂O₃), звычайна з узроўнем чысціні ад 95% да 99,8%.

Тэмпературная здольнасць алюмініевай керамікі можа дасягаць прыблізна 1400–1700°C, што вышэй, чым у звычайнага кварца.

З-за гэтых характарыстык алюмініевыя печныя трубы звычайна выкарыстоўваюцца ў:

Лабараторныя паўправадніковыя печы;

• л Абсталяванне для даследаванняў і распрацовак;
• l Эксперыментальныя сістэмы тэрмічнай апрацоўкі.

Аднак аксід алюмінію абмежавана выкарыстоўваецца ў масавай вытворчасці паўправаднікоў. Асноўная прычына — кантроль забруджвання.

У параўнанні з кварцам, алюмініевая кераміка можа ўводзіць:

• Забруджванне алюмініем;
• l Больш высокі ўзровень прымешак.

Для вытворчасці паўправаднікоў з высокім узроўнем забруджвання, якія патрабуюць надзвычай нізкага ўзроўню, пераважным выбарам застаюцца кварц і высакаякасны карбід крэмнію.

Трубка з нітрыду крэмнію (Si₃N₄): удасканаленая кераміка для ўстойлівасці да цеплавых удараў

Нітрыд крэмнію (Si₃N₄) — яшчэ адзін перадавы керамічны матэрыял, вядомы сваімі выключнымі механічнымі ўласцівасцямі. Патэнцыйныя паўправадніковыя сферы прымянення ўключаюць:

• Спецыялізаваныя кампаненты печы;
• Даследчае паўправадніковае абсталяванне;
• Высокатэмпературныя керамічныя канструкцыі.

Аднак, Si₃N₄ печавыя трубкі не атрымалі шырокага распаўсюджвання ў асноўных дыфузійных паўправадніковых печах з-за:

• Падвышаная складанасць вытворчасці;
• Больш высокі кошт;
• Абмежаваная сталасць прамысловага ланцужка паставак.

Выснова

Дыфузійная печная трубка — гэта найважнейшы, але часта недаацэнены кампанент у вытворчасці паўправаднікоў. Яе матэрыял непасрэдна ўплывае на:

• Выхад вафлі;
• Стабільнасць працэсу;
• Прадукцыйнасць часціц;
• Тэрмін службы абсталявання.

У цяперашні час:

Кварцавыя трубкідамінуюць у традыцыйных працэсах акіслення і дыфузіі дзякуючы сваёй выключнай чысціні і сталасці.

SiC-трубызабяспечваюць пашыраныя цеплавыя магчымасці для паўправадніковых прымяненняў наступнага пакалення.

Трубы з аксіду алюмінію і нітрыду крэмнію выкарыстоўваюцца ў спецыялізаваных умовах пры высокіх тэмпературах, дзе прыярытэт аддаецца механічным характарыстыкам.

Па меры таго, як вытворчасць паўправаднікоў працягваецца ў напрамку больш высокіх тэмператур, большых пласцін і прылад з шырокай забароненай зонай, перадавыя матэрыялы для керамічных трубак для печаў будуць адыгрываць усё больш важную ролю ў будучым абсталяванні для апрацоўкі паўправаднікоў.