ভূমিকা: সেমিকন্ডাক্টর উৎপাদনে ফার্নেস টিউব উপকরণের গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা
সেমিকন্ডাক্টর ওয়েফার ফ্যাব্রিকেশনে, ডিফিউশন ফার্নেস টিউব হলো থার্মাল প্রসেসিং সরঞ্জামগুলিতে ব্যবহৃত অন্যতম গুরুত্বপূর্ণ উচ্চ-তাপমাত্রার প্রসেস উপাদান। এটি বেশ কিছু প্রধান সেমিকন্ডাক্টর প্রসেসের জন্য একটি নিয়ন্ত্রিত বিক্রিয়া পরিবেশ প্রদান করে, যার মধ্যে রয়েছে:
- তাপীয় জারণ;
- ডোপ্যান্ট ব্যাপন;
- অ্যানিলিং;
- এলপিসিভিডি জমা;
- উচ্চ-তাপমাত্রার ওয়েফার প্রক্রিয়াকরণ।
প্রচলিত শিল্প চুল্লির যন্ত্রাংশের বিপরীতে, সেমিকন্ডাক্টর চুল্লির টিউবগুলিকে অত্যন্ত কঠোর মানদণ্ড পূরণ করতে হয়, কারণ সামান্যতম দূষণ বা কণার সৃষ্টিও সরাসরি ওয়েফার উৎপাদন এবং ডিভাইসের নির্ভরযোগ্যতাকে প্রভাবিত করতে পারে।
সেমিকন্ডাক্টর ডিফিউশন এবং অক্সিডেশন প্রক্রিয়া চলাকালীন, ফার্নেস টিউবগুলি সাধারণত নিম্নলিখিতগুলির সংস্পর্শে আসে:
- ৮০০°C থেকে ১২০০°C পর্যন্ত উচ্চ তাপমাত্রার পরিবেশ;
- জারক গ্যাস যেমন O₂ এবং H₂O;
- নিষ্ক্রিয় গ্যাসসমূহ, যার মধ্যে N₂ এবং Ar অন্তর্ভুক্ত;
- ডোপ্যান্টের পূর্বসূরী যেমন POCl₃ এবং BBr₃;
- ক্ষয়কারী রাসায়নিক পদার্থ, যেমন HCl।
অতএব, চুল্লির নলের উপকরণগুলিকে একই সাথে নিম্নলিখিত বৈশিষ্ট্যগুলি প্রদান করতে হবে:
- অতি উচ্চ রাসায়নিক বিশুদ্ধতা;
- চমৎকার তাপীয় স্থিতিশীলতা;
- ধাতব দূষণের মাত্রা কম;
- উচ্চ ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতা;
- কম কণা উৎপাদন;
- দীর্ঘ কর্মক্ষম জীবনকাল।
সেমিকন্ডাক্টর সরঞ্জামের উপাদানগত মান এবং শিল্প রীতি অনুসারে, সর্বাধিক ব্যবহৃত ফার্নেস টিউবের উপাদানগুলোর মধ্যে রয়েছে:
- উচ্চ বিশুদ্ধ কোয়ার্টজ (গলিত সিলিকা, SiO₂)
- সিলিকন কার্বাইড (SiC সিরামিক)
- অ্যালুমিনা সিরামিক (Al₂O₃)
- সিলিকন নাইট্রাইড সিরামিক (Si₃N₄)
উচ্চ বিশুদ্ধ কোয়ার্টজ টিউব
সকল সেমিকন্ডাক্টর ফার্নেস টিউব উপকরণের মধ্যে, উচ্চ বিশুদ্ধতার কোয়ার্টজ টিউব তার অসামান্য বিশুদ্ধতা, তাপীয় স্থিতিশীলতা এবং উন্নত প্রক্রিয়াকরণ প্রযুক্তির কারণে প্রচলিত সিলিকন ওয়েফার উৎপাদনের জন্য প্রধান সমাধান হিসেবে রয়ে গেছে।
সেমিকন্ডাক্টর-গ্রেড কোয়ার্টজ টিউব উচ্চ-বিশুদ্ধ ফিউজড সিলিকা থেকে তৈরি করা হয়, যার প্রধান উপাদান হলো সিলিকন ডাইঅক্সাইড (SiO₂)। এর বিশুদ্ধতার মাত্রা সাধারণত ৯৯.৯৯%-এর বেশি হয় এবং এতে Fe; Na; K; Cu; Al-সহ বিভিন্ন ধাতব অপদ্রব্য কঠোরভাবে নিয়ন্ত্রণ করা হয়।
তাপীয় জারণ প্রক্রিয়ায়, কোয়ার্টজ ফার্নেস টিউবগুলো সিলিকন অক্সাইড স্তর গঠনের জন্য একটি আদর্শ বিক্রিয়া পরিবেশ প্রদান করে।
সাধারণ প্রতিক্রিয়াগুলোর মধ্যে রয়েছে:
শুষ্ক জারণ:
Si + O₂ → SiO₂
আর্দ্র জারণ:
Si + H₂O → SiO₂ + H₂
এই জারণ প্রক্রিয়াগুলো নিম্নলিখিত কারণে অপরিহার্য:
- গেট ডাইইলেকট্রিক গঠন;
- পৃষ্ঠতল নিষ্ক্রিয়করণ;
- বিচ্ছিন্নকরণ কাঠামো।
কোয়ার্টজ টিউবগুলি ডোপ্যান্ট ব্যাপন প্রক্রিয়াতেও ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়, যার মধ্যে রয়েছে:
- POCl₃ ব্যবহার করে ফসফরাসের ব্যাপন;
- BBr₃ ব্যবহার করে বোরনের ব্যাপন;
- আর্সেনিকের ব্যাপন প্রক্রিয়া।
এছাড়াও, LPCVD সিস্টেমে কোয়ার্টজ ফার্নেস টিউবগুলি নিম্নলিখিত কারণে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়:
- সিলিকন নাইট্রাইড জমা;
- বহুস্ফটিক সিলিকন অধঃক্ষেপণ।
কোয়ার্টজ ফার্নেস টিউবের প্রধান সুবিধাগুলো হলো:
- চমৎকার রাসায়নিক বিশুদ্ধতা
- নিম্ন তাপীয় প্রসারণ
- চমৎকার তাপীয় অভিন্নতা
তবে, কোয়ার্টজ টিউবেরও কিছু সীমাবদ্ধতা রয়েছে। এর প্রধান সীমাবদ্ধতা হলো উচ্চ তাপমাত্রায় যান্ত্রিক স্থিতিশীলতা। প্রায় ১১০০–১২০০°C-এর উপরে দীর্ঘ সময় ধরে ব্যবহারের ফলে কোয়ার্টজে নিম্নলিখিত সমস্যাগুলো দেখা দিতে পারে:
- নলের বিকৃতি;
- ঝুলে পড়া;
- যান্ত্রিক শক্তি হ্রাস পেয়েছে।
তাই, মূলধারার সিলিকন সেমিকন্ডাক্টর উৎপাদনের জন্য কোয়ার্টজই পছন্দের উপাদান হিসেবে রয়ে গেছে, কিন্তু এটি অত্যন্ত উচ্চ-তাপমাত্রার বা অধিক ক্ষয়কারী প্রক্রিয়ার জন্য কম উপযুক্ত।
সিলিকন কার্বাইড টিউব: উন্নত সেমিকন্ডাক্টর উৎপাদনের জন্য একটি উচ্চ-তাপমাত্রার সমাধান
সিলিকন কার্বাইড (SiC) সিরামিক উন্নত ফার্নেস টিউবের জন্য একটি সম্ভাবনাময় বিকল্প উপাদান হিসেবে আবির্ভূত হয়েছে।
SiC হলো সিলিকন এবং কার্বন পরমাণু দ্বারা গঠিত একটি সমযোজী সিরামিক যৌগ। সেমিকন্ডাক্টর-গ্রেড SiC সিরামিকে সাধারণত নিম্নলিখিত উপাদানগুলো থাকে:
- বিক্রিয়া বন্ধনযুক্ত SiC;
- সিন্টারড SiC;
- উচ্চ বিশুদ্ধতার CVD SiC উপাদান।
কোয়ার্টজের তুলনায় SiC উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত সুবিধা প্রদান করে:
- তাপমাত্রা প্রতিরোধ ক্ষমতা;
- যান্ত্রিক শক্তি;
- তাপ পরিবাহিতা;
- রাসায়নিক স্থায়িত্ব।
SiC ফার্নেস টিউবগুলির অন্যতম প্রধান সুবিধা হলো এর উন্নত উচ্চ-তাপমাত্রা সহনশীলতা।
যদিও কোয়ার্টজ সাধারণত প্রায় ১২০০°C কার্যক্ষম তাপমাত্রায় সীমাবদ্ধ থাকে, SiC সিরামিক ১৫০০°C-এর বেশি তাপমাত্রা সহ্য করতে পারে, যা এগুলিকে উন্নত তাপীয় প্রক্রিয়ার জন্য উপযুক্ত করে তোলে।
তাপ পরিবাহিতার পার্থক্যটিও তাৎপর্যপূর্ণ:
- কোয়ার্টজ: ~১.৪ ওয়াট/মিটার·কেলভিন
- সিলিকন কার্বাইড: ১২০–২০০ ওয়াট/মিটার·কেলভিন
SiC-এর উচ্চ তাপ পরিবাহিতা নিম্নলিখিত বিষয়গুলো সম্ভব করে তোলে:
- দ্রুততর তাপীয় প্রতিক্রিয়া;
- উন্নত তাপমাত্রা সমরূপতা;
- হ্রাসপ্রাপ্ত তাপীয় গ্রেডিয়েন্ট।
সেমিকন্ডাক্টর অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে, SiC ফার্নেস টিউবগুলি প্রধানত নিম্নলিখিত কারণে বিবেচনা করা হয়:
- উচ্চ-তাপমাত্রার অ্যানিলিং;
- উন্নত ব্যাপন প্রক্রিয়া;
- সিলিকন কার্বাইড পাওয়ার ডিভাইস উৎপাদন;
- GaN সেমিকন্ডাক্টর প্রক্রিয়াকরণ।
অ্যালুমিনা টিউব (Al₂O₃): একটি সাশ্রয়ী উচ্চ-তাপমাত্রার সিরামিক উপাদান
অ্যালুমিনা সিরামিক টিউব প্রধানত অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইড (Al₂O₃) থেকে তৈরি করা হয়, যার বিশুদ্ধতার মাত্রা সাধারণত ৯৫% থেকে ৯৯.৮% পর্যন্ত থাকে।
অ্যালুমিনা সিরামিকের কার্যক্ষম তাপমাত্রা প্রায় ১৪০০–১৭০০°C পর্যন্ত পৌঁছাতে পারে, যা প্রচলিত কোয়ার্টজের চেয়ে বেশি।
এই বৈশিষ্ট্যগুলোর কারণে, অ্যালুমিনা ফার্নেস টিউব সাধারণত নিম্নলিখিত ক্ষেত্রে ব্যবহৃত হয়:
পরীক্ষাগারের সেমিকন্ডাক্টর চুল্লি;
- গবেষণা ও উন্নয়ন সরঞ্জাম;
- পরীক্ষামূলক তাপ প্রক্রিয়াকরণ সিস্টেম।
তবে, বৃহৎ পরিসরে সেমিকন্ডাক্টর উৎপাদনে অ্যালুমিনার ব্যবহার সীমিত। এর প্রধান কারণ হলো দূষণ নিয়ন্ত্রণ।
কোয়ার্টজের তুলনায় অ্যালুমিনা সিরামিক নিম্নলিখিত সমস্যাগুলো সৃষ্টি করতে পারে:
- অ্যালুমিনিয়াম দূষণ;
- অশুদ্ধির মাত্রা বেশি।
অত্যন্ত কম দূষণের মাত্রা প্রয়োজন এমন উন্নত সেমিকন্ডাক্টর উৎপাদনের জন্য কোয়ার্টজ এবং উচ্চ-বিশুদ্ধ SiC পছন্দের বিকল্প হিসেবেই রয়ে গেছে।
সিলিকন নাইট্রাইড টিউব (Si₃N₄): তাপীয় অভিঘাত প্রতিরোধের জন্য উন্নত সিরামিক
সিলিকন নাইট্রাইড (Si₃N₄) হলো আরেকটি উন্নত সিরামিক উপাদান যা এর অসাধারণ যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যের জন্য পরিচিত। এর সম্ভাব্য সেমিকন্ডাক্টর প্রয়োগগুলোর মধ্যে রয়েছে:
- বিশেষায়িত চুল্লির উপাদানসমূহ;
- গবেষণা সেমিকন্ডাক্টর সরঞ্জাম;
- উচ্চ-তাপমাত্রার সিরামিক কাঠামো।
তবে, নিম্নলিখিত কারণগুলির জন্য Si₃N₄ ফার্নেস টিউবগুলি মূলধারার সেমিকন্ডাক্টর ডিফিউশন ফার্নেসগুলিতে ব্যাপকভাবে গৃহীত হয় না:
- উচ্চতর উৎপাদন জটিলতা;
- উচ্চতর খরচ;
- শিল্প সরবরাহ শৃঙ্খলের সীমিত পরিপক্কতা।
উপসংহার
সেমিকন্ডাক্টর উৎপাদনে ডিফিউশন ফার্নেস টিউব একটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ কিন্তু প্রায়শই অবমূল্যায়িত উপাদান। এর উপাদান সরাসরি প্রভাবিত করে:
- ওয়েফারের ফলন;
- প্রক্রিয়ার স্থিতিশীলতা;
- কণার কর্মক্ষমতা;
- সরঞ্জামের জীবনকাল।
বর্তমানে:
কোয়ার্টজ টিউবতাদের ব্যতিক্রমী বিশুদ্ধতা এবং পরিপক্কতার কারণে প্রচলিত জারণ এবং ব্যাপন প্রক্রিয়াকে ছাপিয়ে যায়।
SiC টিউবপরবর্তী প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য উন্নত তাপীয় ক্ষমতা প্রদান করা।
অ্যালুমিনা এবং সিলিকন নাইট্রাইড টিউবগুলি বিশেষায়িত উচ্চ-তাপমাত্রার প্রয়োগের জন্য ব্যবহৃত হয়, যেখানে যান্ত্রিক কর্মক্ষমতাকে অগ্রাধিকার দেওয়া হয়।
যেহেতু সেমিকন্ডাক্টর উৎপাদন উচ্চতর তাপমাত্রা, বৃহত্তর ওয়েফার এবং প্রশস্ত-ব্যান্ডগ্যাপ ডিভাইসের দিকে অগ্রসর হচ্ছে, তাই ভবিষ্যতের সেমিকন্ডাক্টর প্রসেস সরঞ্জামগুলিতে উন্নত সিরামিক ফার্নেস টিউব উপকরণগুলি ক্রমবর্ধমান গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করবে।
পোস্ট করার সময়: ২৪ জুলাই, ২০২৬