સેમિકન્ડક્ટર ડિફ્યુઝન ફર્નેસ ટ્યુબ મટિરિયલ્સ: ક્વાર્ટઝ, SiC અને એડવાન્સ્ડ સિરામિક સોલ્યુશન્સ

પરિચય: સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદનમાં ફર્નેસ ટ્યુબ મટિરિયલ્સની મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા

સેમિકન્ડક્ટર વેફર ફેબ્રિકેશનમાં, ડિફ્યુઝન ફર્નેસ ટ્યુબ એ થર્મલ પ્રોસેસિંગ સાધનોમાં ઉપયોગમાં લેવાતા સૌથી મહત્વપૂર્ણ ઉચ્ચ-તાપમાન પ્રક્રિયા ઘટકોમાંનું એક છે. તે ઘણી મુખ્ય સેમિકન્ડક્ટર પ્રક્રિયાઓ માટે નિયંત્રિત પ્રતિક્રિયા વાતાવરણ પૂરું પાડે છે, જેમાં શામેલ છે:

• થર્મલ ઓક્સિડેશન;
• ડોપન્ટ પ્રસાર;
• એનલિંગ;
• LPCVD ડિપોઝિશન;
• ઉચ્ચ-તાપમાન વેફર ટ્રીટમેન્ટ.

પરંપરાગત ઔદ્યોગિક ભઠ્ઠીના ઘટકોથી વિપરીત, સેમિકન્ડક્ટર ભઠ્ઠી ટ્યુબ્સે અત્યંત કડક આવશ્યકતાઓને પૂર્ણ કરવી આવશ્યક છે કારણ કે ટ્રેસ દૂષણ અથવા કણોનું ઉત્પાદન પણ વેફર ઉપજ અને ઉપકરણની વિશ્વસનીયતાને સીધી અસર કરી શકે છે.

સેમિકન્ડક્ટર પ્રસરણ અને ઓક્સિડેશન પ્રક્રિયાઓ દરમિયાન, ફર્નેસ ટ્યુબ સામાન્ય રીતે નીચેનાના સંપર્કમાં આવે છે:

• ૮૦૦°C થી ૧૨૦૦°C સુધીના ઉચ્ચ તાપમાનવાળા વાતાવરણ;
• O₂ અને H₂O જેવા ઓક્સિડાઇઝિંગ વાયુઓ;
• N₂ અને Ar સહિત નિષ્ક્રિય વાયુઓ;
• POCl₃ અને BBr₃ જેવા ડોપન્ટ પુરોગામી;
• HCl જેવા કાટ લાગતા રાસાયણિક પ્રજાતિઓ.

તેથી, ફર્નેસ ટ્યુબ સામગ્રીએ એકસાથે આ પ્રદાન કરવું આવશ્યક છે:

• અતિ-ઉચ્ચ રાસાયણિક શુદ્ધતા;
• ઉત્તમ થર્મલ સ્થિરતા;
• ઓછી ધાતુ દૂષણ;
• ઉચ્ચ કાટ પ્રતિકાર;
• ઓછી કણો ઉત્પન્ન;
• લાંબી કાર્યકારી આયુષ્ય.

સેમિકન્ડક્ટર સાધનોના ધોરણો અને ઉદ્યોગ પ્રથાઓ અનુસાર, સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતી ફર્નેસ ટ્યુબ સામગ્રીમાં શામેલ છે:

• ઉચ્ચ શુદ્ધતા ક્વાર્ટઝ (ફ્યુઝ્ડ સિલિકા, SiO₂)
• સિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC સિરામિક)
• એલ્યુમિના સિરામિક (Al₂O₃)
• સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ સિરામિક (Si₃N₄)

ઉચ્ચ શુદ્ધતા ક્વાર્ટઝ ટ્યુબ

તમામ સેમિકન્ડક્ટર ફર્નેસ ટ્યુબ સામગ્રીમાં, ઉચ્ચ શુદ્ધતાવાળી ક્વાર્ટઝ ટ્યુબ તેની ઉત્કૃષ્ટ શુદ્ધતા, થર્મલ સ્થિરતા અને પરિપક્વ પ્રક્રિયા તકનીકને કારણે પરંપરાગત સિલિકોન વેફર ઉત્પાદન માટે પ્રબળ ઉકેલ રહે છે.

સેમિકન્ડક્ટર-ગ્રેડ ક્વાર્ટઝ ટ્યુબ ઉચ્ચ-શુદ્ધતા ફ્યુઝ્ડ સિલિકામાંથી બનાવવામાં આવે છે, જ્યાં પ્રાથમિક ઘટક સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (SiO₂) છે. શુદ્ધતા સ્તર સામાન્ય રીતે 99.99% કરતાં વધી જાય છે, જેમાં ધાતુની અશુદ્ધિઓ પર કડક નિયંત્રણ હોય છે જેમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે: Fe; Na; K; Cu; Al.

થર્મલ ઓક્સિડેશન પ્રક્રિયાઓમાં, ક્વાર્ટઝ ફર્નેસ ટ્યુબ સિલિકોન ઓક્સાઇડ સ્તરો બનાવવા માટે એક આદર્શ પ્રતિક્રિયા વાતાવરણ પૂરું પાડે છે.

લાક્ષણિક પ્રતિક્રિયાઓમાં શામેલ છે:

શુષ્ક ઓક્સિડેશન:

Si + O₂ → SiO₂

ભીનું ઓક્સિડેશન:

Si + H₂O → SiO₂ + H₂

આ ઓક્સિડેશન પ્રક્રિયાઓ આ માટે જરૂરી છે:

• ગેટ ડાઇલેક્ટ્રિક રચના;
• સપાટી નિષ્ક્રિયતા;
• આઇસોલેશન સ્ટ્રક્ચર્સ.

ડોપન્ટ પ્રસરણ પ્રક્રિયાઓમાં ક્વાર્ટઝ ટ્યુબનો વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે, જેમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે:

• POCl₃ નો ઉપયોગ કરીને ફોસ્ફરસ ફેલાવો;
• BBr₃ નો ઉપયોગ કરીને બોરોન ફેલાવો;
• આર્સેનિક પ્રસાર પ્રક્રિયાઓ.

વધુમાં, LPCVD સિસ્ટમોમાં ક્વાર્ટઝ ફર્નેસ ટ્યુબનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે: 

• સિલિકોન નાઇટ્રાઇડનું નિક્ષેપન;
• પોલીક્રિસ્ટલાઇન સિલિકોન નિક્ષેપ.

ક્વાર્ટઝ ફર્નેસ ટ્યુબના મુખ્ય ફાયદાઓમાં શામેલ છે:

• ઉત્તમ રાસાયણિક શુદ્ધતા
• ઓછું થર્મલ વિસ્તરણ
• ઉત્તમ થર્મલ એકરૂપતા

જોકે, ક્વાર્ટઝ ટ્યુબમાં પણ કેટલીક મર્યાદાઓ હોય છે. પ્રાથમિક મર્યાદા ઉચ્ચ-તાપમાન યાંત્રિક સ્થિરતા છે. આશરે 1100-1200°C થી વધુ તાપમાને લાંબા સમય સુધી કામગીરી હેઠળ, ક્વાર્ટઝ અનુભવી શકે છે:

• ટ્યુબ વિકૃતિ;
• ઝૂલવું;
• યાંત્રિક શક્તિમાં ઘટાડો.

તેથી, મુખ્ય પ્રવાહના સિલિકોન સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદન માટે ક્વાર્ટઝ પસંદગીની પસંદગી રહે છે પરંતુ અત્યંત ઉચ્ચ-તાપમાન અથવા અત્યંત કાટ લાગતી પ્રક્રિયાઓ માટે તે ઓછું યોગ્ય છે.

સિલિકોન કાર્બાઇડ ટ્યુબ: અદ્યતન સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદન માટે ઉચ્ચ-તાપમાન ઉકેલ

સિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC) સિરામિક અદ્યતન ફર્નેસ ટ્યુબ માટે એક આશાસ્પદ વૈકલ્પિક સામગ્રી તરીકે ઉભરી આવ્યું છે.

SiC એ સિલિકોન અને કાર્બન પરમાણુઓથી બનેલું સહસંયોજક સિરામિક સંયોજન છે. સેમિકન્ડક્ટર-ગ્રેડ SiC સિરામિક્સમાં સામાન્ય રીતે શામેલ છે:

• પ્રતિક્રિયા બંધાયેલ SiC;
• સિન્ટર્ડ SiC;
• ઉચ્ચ શુદ્ધતાવાળા CVD SiC સામગ્રી.

ક્વાર્ટઝની તુલનામાં, SiC નોંધપાત્ર રીતે સુધારેલ પ્રદાન કરે છે:

• તાપમાન પ્રતિકાર;
• યાંત્રિક શક્તિ;
• થર્મલ વાહકતા;
• રાસાયણિક ટકાઉપણું.

SiC ફર્નેસ ટ્યુબનો સૌથી મહત્વપૂર્ણ ફાયદો એ તેમની શ્રેષ્ઠ ઉચ્ચ-તાપમાન ક્ષમતા છે.

જ્યારે ક્વાર્ટઝ સામાન્ય રીતે આશરે 1200°C ઓપરેટિંગ પરિસ્થિતિઓ સુધી મર્યાદિત હોય છે, ત્યારે SiC સિરામિક્સ 1500°C થી વધુ તાપમાનનો સામનો કરી શકે છે, જે તેમને અદ્યતન થર્મલ પ્રક્રિયાઓ માટે યોગ્ય બનાવે છે.

થર્મલ વાહકતા તફાવત પણ નોંધપાત્ર છે:

• ક્વાર્ટઝ: ~1.4 W/m·K
• સિલિકોન કાર્બાઇડ: ૧૨૦–૨૦૦ W/m·K

SiC ની ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સક્ષમ કરે છે:

• ઝડપી થર્મલ પ્રતિભાવ;
• સુધારેલ તાપમાન એકરૂપતા;
• ઘટાડેલા થર્મલ ગ્રેડિયન્ટ્સ.

સેમિકન્ડક્ટર એપ્લિકેશન્સમાં, SiC ફર્નેસ ટ્યુબ મુખ્યત્વે આ માટે ધ્યાનમાં લેવામાં આવે છે:

• ઉચ્ચ-તાપમાન એનિલિંગ;
• અદ્યતન પ્રસાર પ્રક્રિયાઓ;
• સિલિકોન કાર્બાઇડ પાવર ડિવાઇસનું ઉત્પાદન;
• GaN સેમિકન્ડક્ટર પ્રોસેસિંગ.

એલ્યુમિના ટ્યુબ (Al₂O₃): એક ખર્ચ-અસરકારક ઉચ્ચ તાપમાન સિરામિક સામગ્રી

એલ્યુમિના સિરામિક ટ્યુબ મુખ્યત્વે એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ (Al₂O₃) માંથી બનાવવામાં આવે છે, સામાન્ય રીતે શુદ્ધતા સ્તર 95% થી 99.8% સુધી હોય છે.

એલ્યુમિના સિરામિક્સની ઓપરેટિંગ તાપમાન ક્ષમતા આશરે ૧૪૦૦–૧૭૦૦°C સુધી પહોંચી શકે છે જે પરંપરાગત ક્વાર્ટઝ કરતા વધારે છે.

આ લાક્ષણિકતાઓને કારણે, એલ્યુમિના ફર્નેસ ટ્યુબનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે નીચેનામાં થાય છે:

પ્રયોગશાળા સેમિકન્ડક્ટર ભઠ્ઠીઓ;

• l સંશોધન અને વિકાસ સાધનો;
• l પ્રાયોગિક થર્મલ પ્રોસેસિંગ સિસ્ટમ્સ.

જોકે, ઉચ્ચ-વોલ્યુમ સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદનમાં એલ્યુમિનાનો ઉપયોગ મર્યાદિત છે. તેનું મુખ્ય કારણ દૂષણ નિયંત્રણ છે.

ક્વાર્ટઝની તુલનામાં, એલ્યુમિના સિરામિક્સ રજૂ કરી શકે છે:

• એલ્યુમિનિયમ દૂષણ;
• l ઉચ્ચ અશુદ્ધિ સ્તર.

અત્યંત નીચા દૂષણ સ્તરની જરૂર હોય તેવા અદ્યતન સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદન માટે, ક્વાર્ટઝ અને ઉચ્ચ-શુદ્ધતા SiC પસંદગીના વિકલ્પો રહે છે.

સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ ટ્યુબ (Si₃N₄): થર્મલ શોક પ્રતિકાર માટે અદ્યતન સિરામિક

સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ (Si₃N₄) એ બીજી એક અદ્યતન સિરામિક સામગ્રી છે જે તેના અસાધારણ યાંત્રિક ગુણધર્મો માટે જાણીતી છે. સંભવિત સેમિકન્ડક્ટર એપ્લિકેશનોમાં શામેલ છે:

• ખાસ ભઠ્ઠીના ઘટકો;
• સેમિકન્ડક્ટર સાધનોનું સંશોધન કરો;
• ઉચ્ચ-તાપમાન સિરામિક રચનાઓ.

જોકે, મુખ્ય પ્રવાહના સેમિકન્ડક્ટર ડિફ્યુઝન ફર્નેસમાં Si₃N₄ ફર્નેસ ટ્યુબનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થતો નથી કારણ કે:

• ઉચ્ચ ઉત્પાદન જટિલતા;
• વધારે ખર્ચ;
• મર્યાદિત ઔદ્યોગિક પુરવઠા શૃંખલા પરિપક્વતા.

નિષ્કર્ષ

ડિફ્યુઝન ફર્નેસ ટ્યુબ સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદનમાં એક મહત્વપૂર્ણ પરંતુ ઘણીવાર ઓછો અંદાજિત ઘટક છે. તેની સામગ્રી સીધી રીતે પ્રભાવિત કરે છે:

• વેફર ઉપજ;
• પ્રક્રિયા સ્થિરતા;
• કણ કામગીરી;
• સાધનસામગ્રીનો આયુષ્ય.

હાલમાં:

ક્વાર્ટઝ ટ્યુબતેમની અસાધારણ શુદ્ધતા અને પરિપક્વતાને કારણે પરંપરાગત ઓક્સિડેશન અને પ્રસરણ પ્રક્રિયાઓ પર પ્રભુત્વ ધરાવે છે.

SiC ટ્યુબઆગામી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર એપ્લિકેશનો માટે અદ્યતન થર્મલ ક્ષમતા પ્રદાન કરે છે.

એલ્યુમિના અને સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ ટ્યુબ ખાસ ઉચ્ચ-તાપમાન એપ્લિકેશનો સેવા આપે છે જ્યાં યાંત્રિક કામગીરીને પ્રાથમિકતા આપવામાં આવે છે.

જેમ જેમ સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદન ઊંચા તાપમાન, મોટા વેફર્સ અને પહોળા-બેન્ડગેપ ઉપકરણો તરફ આગળ વધતું જાય છે, તેમ તેમ અદ્યતન સિરામિક ફર્નેસ ટ્યુબ સામગ્રી ભવિષ્યના સેમિકન્ડક્ટર પ્રક્રિયા સાધનોમાં વધુને વધુ મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવશે.