Կիսահաղորդչային դիֆուզիոն վառարանի խողովակների նյութեր՝ քվարց, SiC և առաջադեմ կերամիկական լուծումներ

Ներածություն. Վառարանի խողովակների նյութերի կարևոր դերը կիսահաղորդչային արտադրության մեջ

Կիսահաղորդչային թիթեղների արտադրության մեջ դիֆուզիոն վառարանի խողովակը ջերմային մշակման սարքավորումներում օգտագործվող ամենակարևոր բարձր ջերմաստիճանային գործընթացային բաղադրիչներից մեկն է: Այն ապահովում է վերահսկվող ռեակցիայի միջավայր մի քանի հիմնական կիսահաղորդչային գործընթացների համար, ներառյալ՝

• Ջերմային օքսիդացում;
• Դոպանտի դիֆուզիա;
• թրծում;
• LPCVD նստեցում;
• Բարձր ջերմաստիճանի վաֆլիի մշակում։

Ի տարբերություն ավանդական արդյունաբերական վառարանների բաղադրիչների, կիսահաղորդչային վառարանների խողովակները պետք է համապատասխանեն չափազանց խիստ պահանջների, քանի որ նույնիսկ հետքային աղտոտումը կամ մասնիկների առաջացումը կարող են անմիջականորեն ազդել թիթեղների արտադրողականության և սարքի հուսալիության վրա:

Կիսահաղորդչային դիֆուզիայի և օքսիդացման գործընթացների ընթացքում վառարանի խողովակները սովորաբար ենթարկվում են.

• Բարձր ջերմաստիճանային միջավայրեր՝ 800°C-ից մինչև 1200°C;
• Օքսիդացնող գազեր, ինչպիսիք են O₂-ը և H₂O-ն։
• Իներտ գազեր, ներառյալ N₂ և Ar;
• Դոպանտային նախորդ նյութեր, ինչպիսիք են POCl₃-ը և BBr₃-ը;
• Կոռոզիոն քիմիական տեսակներ, ինչպիսիք են HCl-ը:

Հետևաբար, վառարանի խողովակների նյութերը պետք է միաժամանակ ապահովեն.

• Գերբարձր քիմիական մաքրություն;
• Գերազանց ջերմային կայունություն;
• Մետաղական ցածր աղտոտվածություն;
• Բարձր կոռոզիոն դիմադրություն;
• Մասնիկների ցածր առաջացում;
• Երկար գործառնական ժամկետ։

Կիսահաղորդչային սարքավորումների նյութերի ստանդարտների և արդյունաբերական պրակտիկայի համաձայն, վառարանային խողովակների ամենատարածված նյութերն են՝

• Բարձր մաքրության քվարց (հալված սիլիցիում, SiO₂)
• Սիլիցիումի կարբիդ (SiC կերամիկական)
• Ալյումինա կերամիկա (Al₂O₃)
• Սիլիցիումի նիտրիդային կերամիկա (Si₃N₄)

Բարձր մաքրության քվարցե խողովակ

Բոլոր կիսահաղորդչային վառարանային խողովակների նյութերի շարքում, բարձր մաքրության քվարցային խողովակը մնում է ավանդական սիլիցիումային թիթեղների արտադրության գերիշխող լուծումը՝ իր բացառիկ մաքրության, ջերմային կայունության և հասուն մշակման տեխնոլոգիայի շնորհիվ։

Կիսահաղորդչային կարգի քվարցային խողովակները պատրաստվում են բարձր մաքրության հալված սիլիցիումից, որտեղ հիմնական բաղադրիչը սիլիցիումի երկօքսիդն է (SiO₂): Մաքրության մակարդակը սովորաբար գերազանցում է 99.99%-ը՝ մետաղական խառնուրդների խիստ վերահսկմամբ, ներառյալ՝ Fe; Na; K; Cu; Al:

Ջերմային օքսիդացման գործընթացներում քվարցային վառարանի խողովակները ապահովում են իդեալական ռեակցիայի միջավայր սիլիցիումի օքսիդի շերտեր ձևավորելու համար։

Տիպիկ ռեակցիաները ներառում են.

Չոր օքսիդացում:

Si + O₂ → SiO₂

Թաց օքսիդացում:

Si + H₂O → SiO₂ + H₂

Այս օքսիդացման գործընթացները կարևոր են հետևյալի համար.

• Դարպասի դիէլեկտրիկի ձևավորում;
• Մակերեսային պասիվացում;
• Մեկուսիչ կառուցվածքներ։

Քվարցե խողովակները լայնորեն օգտագործվում են նաև դոպանտային դիֆուզիոն գործընթացներում, ներառյալ՝

• Ֆոսֆորի դիֆուզիա POCl₃-ի միջոցով։
• Բորի դիֆուզիա BBr₃-ի միջոցով։
• Արսենի դիֆուզիոն պրոցեսներ։

Բացի այդ, քվարցային վառարանային խողովակները լայնորեն կիրառվում են LPCVD համակարգերում հետևյալի համար. 

• Սիլիցիումի նիտրիդի նստեցում;
• Պոլիկրիստալային սիլիցիումի նստեցում։

Քվարցային վառարանի խողովակների հիմնական առավելությունները ներառում են.

• Գերազանց քիմիական մաքրություն
• Ցածր ջերմային ընդարձակում
• Գերազանց ջերմային միատարրություն

Սակայն քվարցե խողովակները նույնպես ունեն որոշակի սահմանափակումներ: Հիմնական սահմանափակումը բարձր ջերմաստիճանային մեխանիկական կայունությունն է: Մոտավորապես 1100–1200°C-ից բարձր ջերմաստիճանում երկարատև շահագործման դեպքում քվարցը կարող է ենթարկվել.

• Խողովակի դեֆորմացիա;
• Կախում;
• Նվազեցված մեխանիկական ուժ:

Հետևաբար, քվարցը մնում է նախընտրելի ընտրություն սիլիցիումային կիսահաղորդիչների հիմնական արտադրության համար, բայց պակաս հարմար է չափազանց բարձր ջերմաստիճանային կամ բարձր կոռոզիոն գործընթացների համար։

Սիլիցիումի կարբիդային խողովակ. Բարձր ջերմաստիճանի լուծում կիսահաղորդչային առաջադեմ արտադրության համար

Սիլիցիումի կարբիդային (SiC) կերամիկան ի հայտ է եկել որպես առաջադեմ վառարանային խողովակների համար խոստումնալից այլընտրանքային նյութ։

SiC-ը կովալենտ կերամիկական միացություն է, որը բաղկացած է սիլիցիումի և ածխածնի ատոմներից: Կիսահաղորդչային կարգի SiC կերամիկան սովորաբար ներառում է.

• Ռեակցիոն կապակցված SiC;
• Սինտերացված SiC;
• Բարձր մաքրության CVD SiC նյութեր։

Քվարցի համեմատ, SiC-ն զգալիորեն բարելավում է.

• Ջերմաստիճանի դիմադրություն;
• Մեխանիկական ուժ;
• Ջերմային հաղորդունակություն;
• Քիմիական դիմացկունություն։

SiC վառարանային խողովակների ամենակարևոր առավելություններից մեկը դրանց գերազանց բարձր ջերմաստիճանային դիմադրողականությունն է։

Մինչդեռ քվարցը սովորաբար սահմանափակվում է մոտավորապես 1200°C շահագործման պայմաններով, SiC կերամիկան կարող է դիմակայել 1500°C-ից բարձր ջերմաստիճաններին, ինչը դրանք հարմար է դարձնում առաջադեմ ջերմային գործընթացների համար։

Ջերմային հաղորդունակության տարբերությունը նույնպես նշանակալի է.

• Քվարց՝ ~1.4 Վտ/մ·Կ
• Սիլիցիումի կարբիդ՝ 120–200 Վտ/մ·Կ

SiC-ի բարձր ջերմահաղորդականությունը հնարավորություն է տալիս.

• Ավելի արագ ջերմային արձագանք;
• Բարելավված ջերմաստիճանի միատարրություն;
• Ջերմային գրադիենտների նվազում։

Կիսահաղորդչային կիրառություններում SiC վառարանային խողովակները հիմնականում նախատեսված են հետևյալի համար.

• Բարձր ջերմաստիճանի թրծում;
• Առաջադեմ դիֆուզիոն գործընթացներ;
• Սիլիկոնային կարբիդային էներգամատակարարման սարքերի արտադրություն;
• GaN կիսահաղորդչային մշակում։

Ալյումինե խողովակ (Al₂O₃). Բարձր ջերմաստիճանի համար մատչելի կերամիկական նյութ

Ալյումինա կերամիկական խողովակները հիմնականում արտադրվում են ալյումինի օքսիդից (Al₂O₃), որոնց մաքրության մակարդակը սովորաբար տատանվում է 95%-ից մինչև 99.8%:

Ալյումինա կերամիկայի աշխատանքային ջերմաստիճանային կարողությունը կարող է հասնել մոտավորապես 1400–1700°C-ի, որը ավելի բարձր է, քան սովորական քվարցինը։

Այս բնութագրերի շնորհիվ ալյումինե վառարանի խողովակները լայնորեն օգտագործվում են՝

Լաբորատոր կիսահաղորդչային վառարաններ;

• լ Հետազոտությունների և զարգացման սարքավորումներ;
• լ Փորձարարական ջերմային մշակման համակարգեր։

Սակայն, ալյումինի օգտագործումը մեծ ծավալի կիսահաղորդչային արտադրությունում սահմանափակ է։ Հիմնական պատճառը աղտոտվածության վերահսկումն է։

Քվարցի համեմատ, ալյումինե կերամիկան կարող է ներառել.

• Ալյումինի աղտոտում;
• լ Ավելի բարձր խառնուրդների մակարդակ։

Առաջադեմ կիսահաղորդչային արտադրության համար, որը պահանջում է չափազանց ցածր աղտոտվածության մակարդակ, քվարցը և բարձր մաքրության SiC-ը մնում են նախընտրելի ընտրություններ։

Սիլիցիումի նիտրիդային խողովակ (Si₃N₄): Ջերմային հարվածների դիմադրության համար առաջադեմ կերամիկա

Սիլիցիումի նիտրիդը (Si₃N₄) մեկ այլ առաջադեմ կերամիկական նյութ է, որը հայտնի է իր բացառիկ մեխանիկական հատկություններով: Կիսահաղորդչային կիրառությունների թվում են՝

• Մասնագիտացված վառարանի բաղադրիչներ;
• Հետազոտական ​​կիսահաղորդչային սարքավորումներ;
• Բարձր ջերմաստիճանի դիմացկուն կերամիկական կառուցվածքներ։

Սակայն, Si₃N₄ վառարանային խողովակները լայնորեն չեն կիրառվում հիմնական կիսահաղորդչային դիֆուզիոն վառարաններում՝ հետևյալի պատճառով.

• Արտադրության բարձր բարդություն;
• Ավելի բարձր ծախս;
• Արդյունաբերական մատակարարման շղթայի սահմանափակ հասունություն։

Եզրակացություն

Դիֆուզիոն վառարանի խողովակը կիսահաղորդչային արտադրության մեջ կարևոր, բայց հաճախ թերագնահատված բաղադրիչ է: Դրա նյութը անմիջականորեն ազդում է.

• Վաֆլիի բերքատվությունը;
• Գործընթացի կայունություն;
• Մասնիկների կատարողականություն;
• Սարքավորումների կյանքի տևողությունը:

Ներկայումս՝

Քվարցե խողովակներգերիշխում են ավանդական օքսիդացման և դիֆուզիոն գործընթացներում՝ իրենց բացառիկ մաքրության և հասունության շնորհիվ։

SiC խողովակներապահովել առաջադեմ ջերմային հնարավորություններ հաջորդ սերնդի կիսահաղորդչային կիրառությունների համար։

Ալյումինե և սիլիցիումային նիտրիդային խողովակները ծառայում են մասնագիտացված բարձր ջերմաստիճանային կիրառություններին, որտեղ մեխանիկական կատարողականությունը գերակա է։

Քանի որ կիսահաղորդիչների արտադրությունը շարունակվում է դեպի ավելի բարձր ջերմաստիճաններ, ավելի մեծ թիթեղներ և լայն գոտիական անջատում ունեցող սարքեր, առաջադեմ կերամիկական վառարանային խողովակների նյութերը գնալով ավելի կարևոր դեր կխաղան ապագա կիսահաղորդչային պրոցեսային սարքավորումներում։