Жарым өткөргүчтүү диффузиялык меш түтүк материалдары: кварц, SiC жана өркүндөтүлгөн керамикалык эритмелер

Киришүү: Жарым өткөргүчтөрдү өндүрүүдө меш түтүкчөлөрүнүн материалдарынын маанилүү ролу

Жарым өткөргүч пластиналарды жасоодо диффузиялык меш түтүгү термикалык иштетүү жабдууларында колдонулган эң маанилүү жогорку температуралуу процесстин компоненттеринин бири болуп саналат. Ал бир нече негизги жарым өткөргүч процесстер үчүн башкарылуучу реакция чөйрөсүн камсыз кылат, анын ичинде:

• Термикалык кычкылдануу;
• Кошулмалардын диффузиясы;
• Күйгүзүү;
• LPCVD катмарын аныктоо;
• Жогорку температурадагы пластина менен иштетүү.

Кадимки өнөр жай мешинин компоненттеринен айырмаланып, жарым өткөргүч мештин түтүктөрү өтө катуу талаптарга жооп бериши керек, анткени издердин булганышы же бөлүкчөлөрдүн пайда болушу да пластинанын чыгышына жана түзмөктүн ишенимдүүлүгүнө түздөн-түз таасир этиши мүмкүн.

Жарым өткөргүчтөрдүн диффузия жана кычкылдануу процесстеринде меш түтүктөрү адатта төмөнкүлөргө дуушар болушат:

• 800°Cден 1200°Cге чейинки жогорку температуралуу чөйрөлөр;
• O₂ жана H₂O сыяктуу кычкылдандыруучу газдар;
• N₂ жана Ar сыяктуу инерттүү газдар;
• POCl₃ жана BBr₃ сыяктуу кошулма прекурсорлору;
• HCl сыяктуу коррозиялык химиялык түрлөр.

Ошондуктан, меш түтүкчөлөрүнүн материалдары бир эле учурда төмөнкүлөрдү камсыз кылышы керек:

• Өтө жогорку химиялык тазалык;
• Мыкты жылуулук туруктуулугу;
• Металл менен булгануунун төмөндүгү;
• Жогорку коррозияга туруктуулук;
• Бөлүкчөлөрдүн аз пайда болушу;
• Узак иштөө мөөнөтү.

Жарым өткөргүч жабдуулардын материалдарынын стандарттарына жана тармактык тажрыйбаларга ылайык, эң кеңири колдонулган меш түтүк материалдары төмөнкүлөрдү камтыйт:

• Жогорку тазалыктагы кварц (эритилген кремний кычкылы, SiO₂)
• Кремний карбиди (SiC керамикасы)
• Глинозем керамикасы (Al₂O₃)
• Кремний нитриди керамикасы (Si₃N₄)

Жогорку тазалыктагы кварц түтүгү

Бардык жарым өткөргүч меш түтүк материалдарынын арасында жогорку тазалыктагы кварц түтүгү өзүнүн өзгөчө тазалыгына, жылуулук туруктуулугуна жана жетилген иштетүү технологиясына байланыштуу салттуу кремний пластиналарын өндүрүү үчүн негизги чечим бойдон калууда.

Жарым өткөргүчтүү кварц түтүктөрү жогорку тазалыктагы эритилген кремний кычкылынан жасалат, мында негизги компонент кремний диоксиди (SiO₂) болуп саналат. Тазалык деңгээли адатта 99,99% дан ашат, металл кошулмалары, анын ичинде: Fe; Na; K; Cu; Al катуу көзөмөлдөнөт.

Термикалык кычкылдануу процесстеринде кварц мешинин түтүктөрү кремний кычкылы катмарларын түзүү үчүн идеалдуу реакция чөйрөсүн камсыз кылат.

Типтүү реакцияларга төмөнкүлөр кирет:

Кургак кычкылдануу:

Si + O₂ → SiO₂

Нымдуу кычкылдануу:

Si + H₂O → SiO₂ + H₂

Бул кычкылдануу процесстери төмөнкүлөр үчүн абдан маанилүү:

• Дарбаза диэлектрикинин пайда болушу;
• Беттик пассивдүүлүк;
• Изоляциялык конструкциялар.

Кварц түтүктөрү ошондой эле легирлөөчү диффузиялык процесстерде кеңири колдонулат, анын ичинде:

• POCl₃ колдонуу менен фосфордун диффузиясы;
• BBr₃ колдонуу менен бордун диффузиясы;
• Мышьяктын диффузиялык процесстери.

Мындан тышкары, кварц мешинин түтүктөрү LPCVD системаларында төмөнкүлөр үчүн кеңири колдонулат: 

• Кремний нитридин чөктүрүү;
• Поликристаллдык кремнийдин чөкмөсү.

Кварц түтүктөрүнүн негизги артыкчылыктары төмөнкүлөрдү камтыйт:

• Мыкты химиялык тазалык
• Төмөн жылуулук кеңейүүсү
• Мыкты жылуулук бирдейлиги

Бирок, кварц түтүктөрү да белгилүү бир чектөөлөргө ээ. Негизги чектөө - жогорку температурадагы механикалык туруктуулук. Болжол менен 1100–1200°C жогору узак убакыт иштегенде кварц төмөнкүлөргө дуушар болушу мүмкүн:

• Түтүктүн деформациясы;
• Салбырап калуу;
• Механикалык бекемдиктин төмөндөшү.

Ошондуктан, кварц негизги кремний жарым өткөргүчтөрүн өндүрүү үчүн артыкчылыктуу тандоо бойдон калууда, бирок өтө жогорку температурадагы же жогорку коррозиялуу процесстер үчүн анча ылайыктуу эмес.

Кремний карбид түтүгү: өнүккөн жарым өткөргүчтөрдү өндүрүү үчүн жогорку температурадагы чечим

Кремний карбиди (SiC) керамикасы өнүккөн меш түтүктөрү үчүн келечектүү альтернатива материал катары пайда болду.

SiC – кремний жана көмүртек атомдорунан турган коваленттүү керамикалык кошулма. Жарым өткөргүчтүү SiC керамикасы адатта төмөнкүлөрдү камтыйт:

• Байланышкан SiC реакциясы;
• Синтетикалык SiC;
• Жогорку тазалыктагы CVD SiC материалдары.

Кварц менен салыштырганда, SiC бир топ жакшырган:

• Температурага туруктуулук;
• Механикалык бекемдик;
• Жылуулук өткөрүмдүүлүгү;
• Химиялык туруктуулук.

SiC меш түтүктөрүнүн эң маанилүү артыкчылыктарынын бири - алардын жогорку температурага туруштук берүү жөндөмдүүлүгү.

Кварц, адатта, болжол менен 1200°C иштөө шарттары менен чектелсе, SiC керамикасы 1500°C жогору температурага туруштук бере алат, бул аларды өнүккөн термикалык процесстерге ылайыктуу кылат.

Жылуулук өткөрүмдүүлүгүнүн айырмасы да маанилүү:

• Кварц: ~1.4 Вт/м·К
• Кремний карбиди: 120–200 Вт/м·К

SiC жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү төмөнкүлөргө мүмкүндүк берет:

• Тезирээк жылуулук реакциясы;
• Температуранын бирдейлигин жакшыртуу;
• Жылуулук градиенттеринин азайышы.

Жарым өткөргүчтөрдө SiC меш түтүктөрү негизинен төмөнкүлөр үчүн каралат:

• Жогорку температурада күйгүзүү;
• Өркүндөтүлгөн диффузия процесстери;
• Кремний карбидинин кубат берүүчү түзүлүшүн өндүрүү;
• GaN жарым өткөргүчтөрүн иштетүү.

Глинозем түтүгү (Al₂O₃): үнөмдүү жогорку температуралуу керамикалык материал

Алюминий кычкылынан жасалган керамикалык түтүктөр негизинен алюминий кычкылынан (Al₂O₃) жасалат, адатта тазалык деңгээли 95% дан 99,8% га чейин.

Алюминий кычкылынын керамикасынын иштөө температурасы болжол менен 1400–1700°Cге жетиши мүмкүн, бул кадимки кварцка караганда жогору.

Ушул мүнөздөмөлөрдөн улам, алюминий кычкылынан жасалган меш түтүктөрү көбүнчө төмөнкүлөрдө колдонулат:

Лабораториялык жарым өткөргүч мештер;

• Изилдөө жана иштеп чыгуу жабдуулары;
• Эксперименталдык термикалык иштетүү системалары.

Бирок, алюминий оксиди көп көлөмдөгү жарым өткөргүчтөрдү өндүрүүдө чектелүү колдонулат. Негизги себеби - булганууну көзөмөлдөө.

Кварц менен салыштырганда, глинозем керамикасы төмөнкүлөрдү алып келиши мүмкүн:

• Алюминийдин булганышы;
• л Кошулмалардын жогорку деңгээли.

Булгануунун өтө төмөн деңгээлин талап кылган өнүккөн жарым өткөргүчтөрдү өндүрүү үчүн кварц жана жогорку тазалыктагы SiC артыкчылыктуу тандоо бойдон калууда.

Кремний нитрид түтүгү (Si₃N₄): жылуулук соккуларына туруктуулук үчүн өркүндөтүлгөн керамика

Кремний нитриди (Si₃N₄) - өзгөчө механикалык касиеттери менен белгилүү болгон дагы бир өнүккөн керамикалык материал. Жарым өткөргүчтөрдүн колдонулушунун потенциалы төмөнкүлөрдү камтыйт:

• мештин атайын компоненттери;
• Жарым өткөргүч жабдууларды изилдөө;
• Жогорку температурага чыдамдуу керамикалык конструкциялар.

Бирок, Si₃N₄ меш түтүктөрү төмөнкү себептерден улам негизги жарым өткөргүч диффузиялык мештерде кеңири колдонулбайт:

• Өндүрүш татаалдыгынын жогорулашы;
• Жогорку баа;
• Өнөр жайлык жеткирүү чынжырынын чектелген жетилиши.

Жыйынтык

Диффузиялык мештин түтүгү жарым өткөргүчтөрдү өндүрүүдө маанилүү, бирок көп учурда бааланбай калган компонент болуп саналат. Анын материалы төмөнкүлөргө түздөн-түз таасир этет:

• Вафли чыгышы;
• Процесстин туруктуулугу;
• Бөлүкчөлөрдүн иштеши;
• Жабдуулардын иштөө мөөнөтү.

Учурда:

Кварц түтүктөрүөзгөчө тазалыгы жана жетилгендигинен улам салттуу кычкылдануу жана диффузия процесстеринде үстөмдүк кылат.

SiC түтүктөрүкийинки муундагы жарым өткөргүч колдонмолор үчүн өнүккөн жылуулук мүмкүнчүлүктөрүн камсыз кылат.

Глинозем жана кремний нитриди түтүктөрү механикалык иштөөгө артыкчылык берилген атайын жогорку температуралуу колдонмолордо колдонулат.

Жарым өткөргүчтөрдү өндүрүү жогорку температурага, чоңураак пластиналарга жана кең тилкелүү түзүлүштөргө карай уланып жаткандыктан, өнүккөн керамикалык меш түтүк материалдары келечектеги жарым өткөргүч технологиялык жабдууларда барган сайын маанилүү ролду ойнойт.