Жартылай өткізгіш диффузиялық пеш түтіктерінің материалдары: кварц, SiC және озық керамикалық ерітінділер

Кіріспе: Жартылай өткізгіштер өндірісіндегі пеш түтіктерінің материалдарының маңызды рөлі

Жартылай өткізгіш пластиналарды жасауда диффузиялық пеш түтігі термиялық өңдеу жабдықтарында қолданылатын ең маңызды жоғары температуралы процесс компоненттерінің бірі болып табылады. Ол бірнеше негізгі жартылай өткізгіш процестер үшін бақыланатын реакция ортасын қамтамасыз етеді, соның ішінде:

• Термиялық тотығу;
• Қоспалардың диффузиясы;
• Күйдіру;
• LPCVD тұндыру;
• Вафлиді жоғары температурада өңдеу.

Кәдімгі өнеркәсіптік пеш компоненттерінен айырмашылығы, жартылай өткізгіш пеш түтіктері өте қатаң талаптарға сай болуы керек, себебі тіпті іздік ластану немесе бөлшектердің пайда болуы пластинаның өнімділігі мен құрылғының сенімділігіне тікелей әсер етуі мүмкін.

Жартылай өткізгіш диффузия және тотығу процестері кезінде пеш түтіктері әдетте келесі әсерлерге ұшырайды:

• 800°C-тан 1200°C-қа дейінгі жоғары температуралы орталар;
• O₂ және H₂O сияқты тотықтырғыш газдар;
• N₂ және Ar қоса алғанда, инертті газдар;
• POCl₃ және BBr₃ сияқты қоспа прекурсорлары;
• HCl сияқты коррозиялық химиялық түрлер.

Сондықтан пеш құбырларының материалдары бір уақытта мыналарды қамтамасыз етуі керек:

• Өте жоғары химиялық тазалық;
• Тамаша термиялық тұрақтылық;
• Металл ластануының төмен деңгейі;
• Жоғары коррозияға төзімділік;
• Бөлшектердің төмен түзілуі;
• Ұзақ пайдалану мерзімі.

Жартылай өткізгіш жабдықтардың материалдары стандарттары мен салалық тәжірибелерге сәйкес, ең көп қолданылатын пеш түтіктерінің материалдарына мыналар жатады:

• Жоғары тазалықтағы кварц (балқытылған кремний диоксиді, SiO₂)
• Кремний карбиді (SiC керамикасы)
• Алюминий оксиді бар керамика (Al₂O₃)
• Кремний нитриді керамикасы (Si₃N₄)

Жоғары тазалықтағы кварц түтігі

Барлық жартылай өткізгіш пеш түтіктерінің материалдарының ішінде жоғары тазалықтағы кварц түтігі өзінің ерекше тазалығына, термиялық тұрақтылығына және жетілдірілген өңдеу технологиясына байланысты дәстүрлі кремний пластиналарын өндіруде басым шешім болып қала береді.

Жартылай өткізгіш кварц түтіктері негізгі компоненті кремний диоксиді (SiO₂) болып табылатын жоғары тазалықтағы балқытылған кремний диоксидінен жасалады. Тазалық деңгейі әдетте 99,99%-дан асады, металл қоспалары, соның ішінде Fe; Na; K; Cu; Al қатаң бақыланады.

Термиялық тотығу процестерінде кварц пешінің түтіктері кремний оксиді қабаттарын қалыптастыру үшін тамаша реакция ортасын қамтамасыз етеді.

Типтік реакцияларға мыналар жатады:

Құрғақ тотығу:

Si + O₂ → SiO₂

Ылғалды тотығу:

Si + H₂O → SiO₂ + H₂

Бұл тотығу процестері мыналар үшін өте маңызды:

• Қақпа диэлектриктерінің түзілуі;
• Беттік пассивация;
• Оқшаулау құрылымдары.

Кварц түтіктері сонымен қатар қоспа диффузиялық процестерінде кеңінен қолданылады, соның ішінде:

• POCl₃ көмегімен фосфордың диффузиясы;
• BBr₃ көмегімен бор диффузиясы;
• Мышьяк диффузиялық процестері.

Сонымен қатар, кварц пешінің түтіктері LPCVD жүйелерінде келесі мақсаттарда кеңінен қолданылады: 

• Кремний нитридін тұндыру;
• Поликристалды кремнийдің тұндырылуы.

Кварц пешінің түтіктерінің негізгі артықшылықтарына мыналар жатады:

• Тамаша химиялық тазалық
• Төмен жылулық кеңею
• Тамаша жылулық біркелкілігі

Дегенмен, кварц түтіктерінің де белгілі бір шектеулері бар. Негізгі шектеу - жоғары температурадағы механикалық тұрақтылық. Шамамен 1100–1200°C жоғары ұзақ уақыт жұмыс істеген кезде кварц келесідей әсер етуі мүмкін:

• Түтіктің деформациясы;
• Салбырау;
• Механикалық беріктіктің төмендеуі.

Сондықтан, кварц негізгі кремний жартылай өткізгіштерін өндіру үшін ең қолайлы таңдау болып қала береді, бірақ өте жоғары температуралы немесе жоғары коррозиялық процестер үшін онша қолайлы емес.

Кремний карбидті түтік: жартылай өткізгіш өндірісінің озық үлгілері үшін жоғары температуралы шешім

Кремний карбиді (SiC) керамикасы заманауи пеш құбырлары үшін перспективалы балама материал ретінде пайда болды.

SiC – кремний мен көміртек атомдарынан тұратын ковалентті керамикалық қосылыс. Жартылай өткізгіштік класты SiC керамикасына әдетте мыналар кіреді:

• Байланысқан SiC реакциясы;
• Күйдірілген SiC;
• Жоғары тазалықтағы CVD SiC материалдары.

Кварцпен салыстырғанда, SiC айтарлықтай жақсартылған:

• Температураға төзімділік;
• Механикалық беріктік;
• Жылу өткізгіштігі;
• Химиялық төзімділік.

SiC пеш түтіктерінің ең маңызды артықшылықтарының бірі - олардың жоғары температураға төзімділігі.

Кварц әдетте шамамен 1200°C жұмыс жағдайларымен шектелсе, SiC керамикасы 1500°C-тан асатын температураға төтеп бере алады, бұл оларды озық термиялық процестерге жарамды етеді.

Жылу өткізгіштік айырмашылығы да айтарлықтай:

• Кварц: ~1,4 Вт/м·К
• Кремний карбиді: 120–200 Вт/м·К

SiC жоғары жылу өткізгіштігі мыналарға мүмкіндік береді:

• Жылдам термиялық реакция;
• Температураның біркелкілігі жақсарды;
• Термиялық градиенттердің төмендеуі.

Жартылай өткізгіштерді қолдануда SiC пеш түтіктері негізінен келесі мақсаттарда қарастырылады:

• Жоғары температурада күйдіру;
• Жетілдірілген диффузиялық процестер;
• Кремний карбиді қуат құрылғысын өндіру;
• GaN жартылай өткізгіштерін өңдеу.

Глинозем түтігі (Al₂O₃): жоғары температуралы керамикалық материал, үнемді

Алюминий оксидінен жасалған керамикалық түтіктер негізінен алюминий оксидінен (Al₂O₃) жасалады, әдетте тазалық деңгейі 95%-дан 99,8%-ға дейін болады.

Алюминий оксиді керамикасының жұмыс температурасы шамамен 1400–1700°C жетуі мүмкін, бұл кәдімгі кварцқа қарағанда жоғары.

Осы сипаттамаларына байланысты алюминий пешінің түтіктері келесі жағдайларда кеңінен қолданылады:

Зертханалық жартылай өткізгіш пештер;

• l Зерттеу және тәжірибелік-конструкторлық жабдықтар;
• Тәжірибелік термиялық өңдеу жүйелері.

Дегенмен, алюминий оксиді көп көлемді жартылай өткізгіштер өндірісінде шектеулі түрде қолданылады. Негізгі себеп - ластануды бақылау.

Кварцпен салыстырғанда, алюминий оксиді керамикасы келесідей болуы мүмкін:

• Алюминиймен ластану;
• l Қоспаның жоғары деңгейі.

Ластану деңгейі өте төмен болуын талап ететін озық жартылай өткізгіш өндірісі үшін кварц және жоғары тазалықтағы SiC таңдаулы болып қала береді.

Кремний нитридті түтігі (Si₃N₄): Термиялық соққыға төзімділік үшін жетілдірілген керамика

Кремний нитриді (Si₃N₄) - ерекше механикалық қасиеттерімен танымал тағы бір озық керамикалық материал. Жартылай өткізгіштердің әлеуетті қолданылуына мыналар жатады:

• Пештің мамандандырылған компоненттері;
• Жартылай өткізгіш жабдықтарды зерттеу;
• Жоғары температураға төзімді керамикалық құрылымдар.

Дегенмен, Si₃N₄ пеш түтіктері негізгі жартылай өткізгіш диффузиялық пештерде кеңінен қолданылмайды, себебі:

• Өндірістің күрделілігінің жоғарылауы;
• Жоғары құны;
• Өнеркәсіптік жеткізу тізбегінің шектеулі жетілуі.

Қорытынды

Диффузиялық пеш түтігі жартылай өткізгіш өндірісінде маңызды, бірақ көбінесе бағаланбайтын компонент болып табылады. Оның материалы мыналарға тікелей әсер етеді:

• Вафлидің өнімділігі;
• Процестің тұрақтылығы;
• Бөлшектердің өнімділігі;
• Жабдықтың қызмет ету мерзімі.

Қазіргі уақытта:

Кварц түтіктеріерекше тазалығы мен жетілуіне байланысты дәстүрлі тотығу және диффузия процестерінде басымдыққа ие.

SiC түтіктерікелесі буын жартылай өткізгіш қолданбалары үшін озық жылу мүмкіндігін қамтамасыз етеді.

Глинозем және кремний нитриді түтіктері механикалық өнімділікке басымдық берілетін мамандандырылған жоғары температуралы қолданбаларға қызмет етеді.

Жартылай өткізгіштер өндірісі жоғары температураға, үлкенірек пластиналарға және кең жолақты құрылғыларға қарай жалғасқан сайын, болашақ жартылай өткізгіш технологиялық жабдықтарда керамикалық пеш түтіктерінің озық материалдары маңызды рөл атқаратын болады.