Pooljuhtide difusioonahju torumaterjalid: kvarts, ränikarbiid ja täiustatud keraamilised lahendused

Sissejuhatus: Ahjutorude materjalide kriitiline roll pooljuhtide tootmises

Pooljuhtplaatide valmistamisel on difusioonahju toru üks olulisemaid kõrge temperatuuriga protsessikomponente, mida kasutatakse termilise töötlemise seadmetes. See pakub kontrollitud reaktsioonikeskkonda mitmete oluliste pooljuhtprotsesside jaoks, sealhulgas:

• Termiline oksüdeerimine;
• Dopandi difusioon;
• Lõõmutamine;
• LPCVD sadestumine;
• Kõrgtemperatuuriline vahvlitöötlus.

Erinevalt tavapärastest tööstusahju komponentidest peavad pooljuhtahjude torud vastama äärmiselt rangetele nõuetele, sest isegi jälgede saastumine või osakeste teke võib otseselt mõjutada kiipide saagikust ja seadme töökindlust.

Pooljuhtide difusiooni- ja oksüdeerimisprotsesside ajal puutuvad ahjutorud tavaliselt kokku järgmisega:

• Kõrge temperatuuriga keskkond vahemikus 800 °C kuni 1200 °C;
• Oksüdeerivad gaasid nagu O₂ ja H₂O;
• Inertgaasid, sh N₂ ja Ar;
• Legeerivate ainete eelkäijad, näiteks POCl₃ ja BBr₃;
• Söövitavad keemilised ühendid, näiteks HCl.

Seetõttu peavad ahjutorude materjalid samaaegselt pakkuma:

• Ülikõrge keemiline puhtus;
• Suurepärane termiline stabiilsus;
• Madal metallide saastumine;
• Kõrge korrosioonikindlus;
• Madal osakeste teke;
• Pikk tööiga.

Pooljuhtseadmete materjalide standardite ja tööstustavade kohaselt on kõige laialdasemalt kasutatavad ahjutorude materjalid järgmised:

• Kõrge puhtusastmega kvarts (sulatatud ränidioksiid, SiO₂)
• Ränikarbiid (SiC-keraamika)
• Alumiiniumoksiidkeraamika (Al₂O₃)
• Räninitriidkeraamika (Si₃N₄)

Kõrge puhtusastmega kvartstoru

Kõigist pooljuhtahjude torumaterjalidest on kõrge puhtusastmega kvartstoru endiselt domineeriv lahendus tavapärase räniplaatide tootmisel tänu oma silmapaistvale puhtusele, termilisele stabiilsusele ja küpsele töötlemistehnoloogiale.

Pooljuhtide kvaliteediga kvartstorud on valmistatud kõrge puhtusastmega sulatatud ränidioksiidist, mille peamine komponent on ränidioksiid (SiO₂). Puhtusaste ületab tavaliselt 99,99%, kusjuures metalliliste lisandite, sealhulgas Fe, Na, K, Cu ja Al, sisaldust kontrollitakse rangelt.

Termilise oksüdeerimise protsessides pakuvad kvartsahju torud ideaalset reaktsioonikeskkonda ränioksiidi kihtide moodustamiseks.

Tüüpilised reaktsioonid hõlmavad järgmist:

Kuivoksüdatsioon:

Si + O₂ → SiO₂

Märgoksüdatsioon:

Si + H₂O → SiO₂ + H₂

Need oksüdatsiooniprotsessid on olulised järgmistel eesmärkidel:

• Värava dielektrilise moodustumine;
• Pinna passiveerimine;
• Isolatsioonistruktuurid.

Kvartstorusid kasutatakse laialdaselt ka legeerivate ainete difusiooniprotsessides, sealhulgas:

• Fosfori difusioon POCl₃ abil;
• Boori difusioon BBr₃ abil;
• Arseeni difusiooniprotsessid.

Lisaks kasutatakse kvartsahju torusid laialdaselt LPCVD süsteemides järgmistel eesmärkidel: 

• Räninitriidi sadestamine;
• Polükristallilise räni sadestamine.

Kvarts-ahjutorude peamised eelised on järgmised:

• Suurepärane keemiline puhtus
• Madal soojuspaisumine
• Suurepärane termiline ühtlus

Siiski on kvartstorudel ka teatud piirangud. Peamine piirang on mehaaniline stabiilsus kõrgel temperatuuril. Pikaajalisel töötamisel temperatuuril üle 1100–1200 °C võivad kvartstorud kogeda järgmist:

• Toru deformatsioon;
• Lõtvumine;
• Vähendatud mehaaniline tugevus.

Seetõttu jääb kvarts eelistatud valikuks räni pooljuhtide tootmisel, kuid see sobib vähem äärmiselt kõrge temperatuuri või väga söövitavate protsesside jaoks.

Ränikarbiidist toru: kõrgtemperatuuriline lahendus täiustatud pooljuhtide tootmiseks

Ränikarbiidist (SiC) keraamika on kujunenud paljulubavaks alternatiivmaterjaliks täiustatud ahjutorude jaoks.

SiC on kovalentne keraamiline ühend, mis koosneb räni ja süsiniku aatomitest. Pooljuhtide kvaliteediga SiC keraamika hõlmab tavaliselt:

• Reaktsioonliimiga seotud SiC;
• Paagutatud ränikarbiid;
• Kõrge puhtusastmega CVD SiC materjalid.

Võrreldes kvartsiga pakub SiC oluliselt paremaid omadusi:

• Temperatuurikindlus;
• Mehaaniline tugevus;
• Soojusjuhtivus;
• Keemiline vastupidavus.

SiC-ahjutorude üks olulisemaid eeliseid on nende suurepärane vastupidavus kõrgele temperatuurile.

Kuigi kvartsi töötemperatuur on üldiselt piiratud umbes 1200 °C-ga, talub SiC-keraamika temperatuuri üle 1500 °C, mistõttu sobivad need keerukateks termilisteks protsessideks.

Soojusjuhtivuse erinevus on samuti märkimisväärne:

• Kvarts: ~1,4 W/m·K
• Ränikarbiid: 120–200 W/m·K

SiC kõrgem soojusjuhtivus võimaldab:

• Kiirem termiline reaktsioon;
• Parem temperatuuri ühtlus;
• Vähendatud termilised gradiendid.

Pooljuhtide rakendustes kasutatakse SiC ahjutorusid peamiselt järgmistel eesmärkidel:

• Kõrgel temperatuuril lõõmutamine;
• Täiustatud difusiooniprotsessid;
• Ränikarbiidist jõuseadmete tootmine;
• GaN pooljuhtide töötlemine.

Alumiiniumoksiidi toru (Al₂O₃): kulutõhus kõrge temperatuuriga keraamiline materjal

Alumiiniumoksiidi keraamilised torud on valmistatud peamiselt alumiiniumoksiidist (Al₂O₃), mille puhtusaste on tavaliselt vahemikus 95% kuni 99,8%.

Alumiiniumoksiidkeraamika töötemperatuur võib ulatuda umbes 1400–1700 °C-ni, mis on kõrgem kui tavalisel kvartsil.

Nende omaduste tõttu kasutatakse alumiiniumoksiidi ahjutorusid tavaliselt järgmistes valdkondades:

Laboratoorsed pooljuhtahjud;

• Teadus- ja arendusseadmed;
• Eksperimentaalsed termilise töötlemise süsteemid.

Alumiiniumoksiidi kasutamine suuremahuliste pooljuhtide tootmises on aga piiratud. Peamine põhjus on saastumise kontroll.

Võrreldes kvartsiga võib alumiiniumoksiidkeraamika sisaldada:

• Alumiiniumi saastumine;
• Kõrgem lisandite sisaldus.

Täiustatud pooljuhtide tootmiseks, mis nõuab äärmiselt madalat saastetaset, jäävad eelistatud valikuteks kvarts ja kõrge puhtusastmega ränikarbiid.

Räninitriidtoru (Si₃N₄): täiustatud keraamika termilise löögikindluse tagamiseks

Räninitriid (Si₃N₄) on veel üks täiustatud keraamiline materjal, mis on tuntud oma erakordsete mehaaniliste omaduste poolest. Potentsiaalsete pooljuhtide rakenduste hulka kuuluvad:

• Spetsiaalsed ahjukomponendid;
• Uurimispooljuhtide seadmed;
• Kõrgtemperatuurilised keraamilised struktuurid.

Si₃N₄ ahjutorusid ei kasutata aga laialdaselt peavoolu pooljuhtide difusioonahjudes järgmistel põhjustel:

• Suurem tootmise keerukus;
• Kõrgem hind;
• Piiratud tööstusliku tarneahela küpsus.

Kokkuvõte

Difusioonahju toru on pooljuhtide tootmises kriitiline, kuid sageli alahinnatud komponent. Selle materjal mõjutab otseselt:

• Vahvli saagis;
• Protsessi stabiilsus;
• Osakeste jõudlus;
• Seadmete eluiga.

Praegu:

Kvartstoruddomineerivad tavapärastes oksüdatsiooni- ja difusiooniprotsessides tänu oma erakordsele puhtusele ja küpsusele.

SiC-torudpakuvad täiustatud termilist võimekust järgmise põlvkonna pooljuhtide rakenduste jaoks.

Alumiiniumoksiidi ja räninitriidtorud on mõeldud spetsiaalsetele kõrge temperatuuriga rakendustele, kus mehaaniline jõudlus on esmatähtis.

Kuna pooljuhtide tootmine jätkub kõrgemate temperatuuride, suuremate vahvlite ja laia keelutsooniga seadmete suunas, mängivad täiustatud keraamilised ahjutorumaterjalid tulevastes pooljuhtide protsessiseadmetes üha olulisemat rolli.