ວັດສະດຸທໍ່ເຕົາເຜົາແຜ່ກະຈາຍຂອງຕົວນຳ: Quartz, SiC ແລະວິທີແກ້ໄຂເຊລາມິກຂັ້ນສູງ

ບົດນຳ: ບົດບາດສຳຄັນຂອງວັດສະດຸທໍ່ເຕົາໃນການຜະລິດເຄື່ອງເຄິ່ງຕົວນຳ

ໃນການຜະລິດແຜ່ນເວເຟີເຄິ່ງຕົວນຳ, ທໍ່ເຕົາແຜ່ກະຈາຍແມ່ນໜຶ່ງໃນອົງປະກອບຂະບວນການທີ່ມີອຸນຫະພູມສູງທີ່ສຳຄັນທີ່ສຸດທີ່ໃຊ້ໃນອຸປະກອນປະມວນຜົນຄວາມຮ້ອນ. ມັນສະໜອງສະພາບແວດລ້ອມປະຕິກິລິຍາທີ່ຄວບຄຸມໄດ້ສຳລັບຂະບວນການເຄິ່ງຕົວນຳທີ່ສຳຄັນຫຼາຍຢ່າງ, ລວມທັງ:

• ການຜຸພັງດ້ວຍຄວາມຮ້ອນ;
• ການແຜ່ກະຈາຍສານເຈືອປົນ;
• ການຫລອມໂລຫະ;
• ການວາງ LPCVD;
• ການປິ່ນປົວດ້ວຍແຜ່ນເວເຟີທີ່ມີອຸນຫະພູມສູງ.

ບໍ່ເຫມືອນກັບອົງປະກອບເຕົາອົບອຸດສາຫະກໍາແບບດັ້ງເດີມ, ທໍ່ເຕົາອົບເຄິ່ງຕົວນໍາຕ້ອງຕອບສະໜອງຄວາມຕ້ອງການທີ່ເຂັ້ມງວດທີ່ສຸດ ເພາະວ່າແມ່ນແຕ່ການປົນເປື້ອນຮ່ອງຮອຍ ຫຼື ການສ້າງອະນຸພາກກໍ່ສາມາດສົ່ງຜົນກະທົບໂດຍກົງຕໍ່ຜົນຜະລິດຂອງແຜ່ນເວເຟີ ແລະ ຄວາມໜ້າເຊື່ອຖືຂອງອຸປະກອນ.

ໃນລະຫວ່າງຂະບວນການແຜ່ກະຈາຍ ແລະ ຜຸພັງຂອງເຄິ່ງຕົວນຳ, ທໍ່ເຕົາໄຟມັກຈະຖືກສຳຜັດກັບ:

• ສະພາບແວດລ້ອມທີ່ມີອຸນຫະພູມສູງຕັ້ງແຕ່ 800°C ຫາ 1200°C;
• ອາຍແກັສທີ່ຜຸພັງເຊັ່ນ: O₂ ແລະ H₂O;
• ອາຍແກັສທີ່ບໍ່ມີປະຕິກິລິຍາລວມທັງ N₂ ແລະ Ar;
• ສານຕັ້ງຕົ້ນຂອງສານເສີມເຊັ່ນ: POCl₃ ແລະ BBr₃;
• ສານເຄມີຊະນິດທີ່ກັດກ່ອນເຊັ່ນ HCl.

ດັ່ງນັ້ນ, ວັດສະດຸທໍ່ເຕົາໄຟຕ້ອງສະໜອງພ້ອມໆກັນ:

• ຄວາມບໍລິສຸດທາງເຄມີສູງຫຼາຍ;
• ສະຖຽນລະພາບຄວາມຮ້ອນທີ່ດີເລີດ;
• ການປົນເປື້ອນໂລຫະຕໍ່າ;
• ຄວາມຕ້ານທານການກັດກ່ອນສູງ;
• ການສ້າງອະນຸພາກຕໍ່າ;
• ອາຍຸການໃຊ້ງານຍາວນານ.

ອີງຕາມມາດຕະຖານວັດສະດຸອຸປະກອນເຄິ່ງຕົວນຳ ແລະ ການປະຕິບັດຂອງອຸດສາຫະກຳ, ວັດສະດຸທໍ່ເຕົາອົບທີ່ໃຊ້ກັນຢ່າງກວ້າງຂວາງທີ່ສຸດປະກອບມີ:

• ຫີນ Quartz ຄວາມບໍລິສຸດສູງ (ຊິລິກາປະສົມ, SiO₂)
• ຊິລິກອນຄາໄບ (ເຊລາມິກ SiC)
• ອາລູມິນາເຊລາມິກ (Al₂O₃)
• ເຊລາມິກຊິລິກອນໄນໄຕຣດ (Si₃N₄)

ທໍ່ Quartz ຄວາມບໍລິສຸດສູງ

ໃນບັນດາວັດສະດຸທໍ່ເຕົາອົບເຄິ່ງຕົວນຳທັງໝົດ, ທໍ່ quartz ຄວາມບໍລິສຸດສູງຍັງຄົງເປັນທາງອອກທີ່ໂດດເດັ່ນສຳລັບການຜະລິດແຜ່ນຊິລິໂຄນແບບດັ້ງເດີມເນື່ອງຈາກຄວາມບໍລິສຸດທີ່ໂດດເດັ່ນ, ຄວາມໝັ້ນຄົງທາງຄວາມຮ້ອນ ແລະ ເຕັກໂນໂລຊີການປຸງແຕ່ງທີ່ສົມບູນ.

ທໍ່ quartz ຊັ້ນເຄິ່ງຕົວນຳແມ່ນຜະລິດຈາກຊິລິກາທີ່ປະສົມຄວາມບໍລິສຸດສູງ, ເຊິ່ງສ່ວນປະກອບຫຼັກແມ່ນຊິລິກອນໄດອອກໄຊ (SiO₂). ລະດັບຄວາມບໍລິສຸດມັກຈະເກີນ 99.99%, ໂດຍມີການຄວບຄຸມຢ່າງເຂັ້ມງວດຕໍ່ສິ່ງເຈືອປົນຂອງໂລຫະລວມທັງ: Fe; Na; K; Cu; Al.

ໃນຂະບວນການຜຸພັງດ້ວຍຄວາມຮ້ອນ, ທໍ່ເຕົາ quartz ໃຫ້ສະພາບແວດລ້ອມປະຕິກິລິຍາທີ່ເໝາະສົມສຳລັບການສ້າງຊັ້ນຊິລິກອນອອກໄຊ.

ປະຕິກິລິຍາທົ່ວໄປປະກອບມີ:

ການຜຸພັງແຫ້ງ:

Si + O₂ → SiO₂

ການຜຸພັງປຽກ:

Si + H₂O → SiO₂ + H₂

ຂະບວນການຜຸພັງເຫຼົ່ານີ້ແມ່ນມີຄວາມຈໍາເປັນສໍາລັບ:

• ການສ້າງປະຕູໄຟຟ້າ;
• ການເຮັດໃຫ້ພື້ນຜິວສະອາດ;
• ໂຄງສ້າງການໂດດດ່ຽວ.

ທໍ່ Quartz ຍັງຖືກນໍາໃຊ້ຢ່າງກວ້າງຂວາງໃນຂະບວນການແຜ່ກະຈາຍສານ dopant, ລວມທັງ:

• ການແຜ່ກະຈາຍຟອສຟໍຣັດໂດຍໃຊ້ POCl₃;
• ການແຜ່ກະຈາຍຂອງໂບຣອນໂດຍໃຊ້ BBr₃;
• ຂະບວນການແຜ່ກະຈາຍຂອງສານຫນູ.

ນອກຈາກນັ້ນ, ທໍ່ເຕົາ quartz ຖືກນໍາໃຊ້ຢ່າງກວ້າງຂວາງໃນລະບົບ LPCVD ສໍາລັບ: 

• ການຕົກตะกอนຊິລິໂຄນໄນໄຕຣດ;
• ການຕົກຕະກອນຊິລິໂຄນ polycrystalline.

ຂໍ້ໄດ້ປຽບຫຼັກຂອງທໍ່ເຕົາ quartz ປະກອບມີ:

• ຄວາມບໍລິສຸດທາງເຄມີທີ່ດີເລີດ
• ການຂະຫຍາຍຕົວທາງຄວາມຮ້ອນຕ່ຳ
• ຄວາມເປັນເອກະພາບທາງຄວາມຮ້ອນທີ່ດີເລີດ

ເຖິງຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, ທໍ່ quartz ຍັງມີຂໍ້ຈຳກັດບາງຢ່າງ. ຂໍ້ຈຳກັດຕົ້ນຕໍແມ່ນຄວາມໝັ້ນຄົງທາງກົນຈັກທີ່ອຸນຫະພູມສູງ. ພາຍໃຕ້ການປະຕິບັດງານທີ່ຍາວນານສູງກວ່າປະມານ 1100–1200°C, quartz ອາດຈະປະສົບກັບ:

• ການຜິດຮູບຂອງທໍ່;
• ການຫຍ่อนຍານ;
• ຫຼຸດຜ່ອນຄວາມເຂັ້ມແຂງກົນຈັກ.

ດັ່ງນັ້ນ, quartz ຍັງຄົງເປັນທາງເລືອກທີ່ຕ້ອງການສຳລັບການຜະລິດເຄິ່ງຕົວນຳຊິລິໂຄນສາຍຫຼັກ ແຕ່ບໍ່ເໝາະສົມສຳລັບຂະບວນການທີ່ມີອຸນຫະພູມສູງຫຼາຍ ຫຼື ການກັດກ່ອນສູງ.

ທໍ່ຊິລິກອນຄາໄບ: ວິທີແກ້ໄຂທີ່ມີອຸນຫະພູມສູງສຳລັບການຜະລິດເຄິ່ງຕົວນຳຂັ້ນສູງ

ເຊລາມິກຊິລິກອນຄາໄບ (SiC) ໄດ້ກາຍເປັນວັດສະດຸທາງເລືອກທີ່ມີຄວາມຫວັງສຳລັບທໍ່ເຕົາອົບທີ່ກ້າວໜ້າ.

SiC ເປັນສານປະກອບເຊລາມິກໂຄວາເລນທີ່ປະກອບດ້ວຍຊິລິກອນ ແລະ ອະຕອມຄາບອນ. ເຊລາມິກ SiC ຊັ້ນເຄິ່ງຕົວນຳມັກຈະປະກອບມີ:

• ປະຕິກິລິຍາຜູກມັດ SiC;
• SiC ທີ່ຖືກເຜົາໄໝ້;
• ວັດສະດຸ SiC CVD ຄວາມບໍລິສຸດສູງ.

ເມື່ອປຽບທຽບກັບ quartz, SiC ໃຫ້ການປັບປຸງຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ:

• ຄວາມຕ້ານທານອຸນຫະພູມ;
• ຄວາມເຂັ້ມແຂງກົນຈັກ;
• ການນຳຄວາມຮ້ອນ;
• ຄວາມທົນທານທາງເຄມີ.

ໜຶ່ງໃນຂໍ້ໄດ້ປຽບທີ່ສຳຄັນທີ່ສຸດຂອງທໍ່ເຕົາ SiC ແມ່ນຄວາມສາມາດໃນການອຸນຫະພູມສູງທີ່ດີກວ່າຂອງມັນ.

ໃນຂະນະທີ່ quartz ໂດຍທົ່ວໄປແມ່ນຖືກຈຳກັດຢູ່ໃນສະພາບການປະຕິບັດງານປະມານ 1200°C, ເຊລາມິກ SiC ສາມາດທົນກັບອຸນຫະພູມເກີນ 1500°C, ເຮັດໃຫ້ມັນເໝາະສົມກັບຂະບວນການຄວາມຮ້ອນຂັ້ນສູງ.

ຄວາມແຕກຕ່າງຂອງການນຳຄວາມຮ້ອນກໍ່ມີຄວາມສຳຄັນເຊັ່ນກັນ:

• ຄວດສ໌: ~1.4 W/m·K
• ຊິລິກອນຄາໄບ: 120–200 W/m·K

ການນຳຄວາມຮ້ອນທີ່ສູງຂຶ້ນຂອງ SiC ຊ່ວຍໃຫ້:

• ການຕອບສະໜອງຄວາມຮ້ອນໄວຂຶ້ນ;
• ປັບປຸງຄວາມສະເໝີພາບຂອງອຸນຫະພູມ;
• ຫຼຸດຜ່ອນການຜັນຜວນທາງຄວາມຮ້ອນ.

ໃນການນໍາໃຊ້ semiconductor, ທໍ່ເຕົາ SiC ສ່ວນໃຫຍ່ແມ່ນພິຈາລະນາສໍາລັບ:

• ການອົບແຫ້ງດ້ວຍອຸນຫະພູມສູງ;
• ຂະບວນການແຜ່ຂະຫຍາຍຂັ້ນສູງ;
• ການຜະລິດອຸປະກອນພະລັງງານຊິລິກອນຄາໄບ;
• ການປະມວນຜົນເຄິ່ງຕົວນຳ GaN.

ທໍ່ອາລູມິນາ (Al₂O₃): ວັດສະດຸເຊລາມິກອຸນຫະພູມສູງທີ່ມີປະສິດທິພາບດ້ານຄ່າໃຊ້ຈ່າຍ

ທໍ່ເຊລາມິກອາລູມິນາແມ່ນຜະລິດຈາກອາລູມິນຽມອອກໄຊ (Al₂O₃) ສ່ວນໃຫຍ່, ໂດຍປົກກະຕິແລ້ວມີລະດັບຄວາມບໍລິສຸດຕັ້ງແຕ່ 95% ຫາ 99.8%.

ຄວາມສາມາດໃນການໃຊ້ງານຂອງເຊລາມິກອາລູມິນາສາມາດບັນລຸໄດ້ປະມານ: 1400–1700°C ເຊິ່ງສູງກວ່າຫີນຄວດທຳມະດາ.

ເນື່ອງຈາກລັກສະນະເຫຼົ່ານີ້, ທໍ່ເຕົາອະລູມິນາຖືກນໍາໃຊ້ທົ່ວໄປໃນ:

ເຕົາອົບເຄິ່ງຕົວນຳຫ້ອງທົດລອງ;

• ອຸປະກອນຄົ້ນຄວ້າ ແລະ ພັດທະນາ;
• ລະບົບການປະມວນຜົນຄວາມຮ້ອນແບບທົດລອງ.

ເຖິງຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, ອະລູມິນາມີການຮັບຮອງເອົາຈຳກັດໃນການຜະລິດເຄິ່ງຕົວນຳໃນປະລິມານສູງ. ເຫດຜົນຫຼັກແມ່ນການຄວບຄຸມການປົນເປື້ອນ.

ເມື່ອປຽບທຽບກັບ quartz, ເຊລາມິກ alumina ອາດຈະແນະນໍາ:

• ການປົນເປື້ອນອາລູມິນຽມ;
• ລະດັບສິ່ງປົນເປື້ອນສູງຂຶ້ນ.

ສຳລັບການຜະລິດເຄິ່ງຕົວນຳຂັ້ນສູງທີ່ຕ້ອງການລະດັບການປົນເປື້ອນຕ່ຳຫຼາຍ, ແຮ່ quartz ແລະ SiC ທີ່ມີຄວາມບໍລິສຸດສູງຍັງຄົງເປັນທາງເລືອກທີ່ຕ້ອງການ.

ທໍ່ຊິລິໂຄນໄນໄຕຣດ (Si₃N₄): ເຊລາມິກຂັ້ນສູງສຳລັບຄວາມຕ້ານທານຄວາມຮ້ອນ

ຊິລິກອນໄນໄຕຣດ (Si₃N₄) ເປັນວັດສະດຸເຊລາມິກທີ່ກ້າວໜ້າອີກຊະນິດໜຶ່ງທີ່ຮູ້ຈັກກັນດີໃນດ້ານຄຸນສົມບັດກົນຈັກທີ່ໂດດເດັ່ນ. ການນຳໃຊ້ເຊມິຄອນດັກເຕີທີ່ມີທ່າແຮງລວມມີ:

• ອົງປະກອບເຕົາອົບພິເສດ;
• ຄົ້ນຄວ້າອຸປະກອນເຄິ່ງຕົວນຳ;
• ໂຄງສ້າງເຊລາມິກທີ່ມີອຸນຫະພູມສູງ.

ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ທໍ່ເຕົາ Si₃N₄ ບໍ່ໄດ້ຖືກນຳໃຊ້ຢ່າງກວ້າງຂວາງໃນເຕົາເຜົາແຜ່ກະຈາຍຂອງຕົວນຳໄຟຟ້າເນື່ອງຈາກ:

• ຄວາມສັບສົນໃນການຜະລິດທີ່ສູງຂຶ້ນ;
• ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍທີ່ສູງຂຶ້ນ;
• ຄວາມສົມບູນຂອງລະບົບຕ່ອງໂສ້ການສະໜອງອຸດສາຫະກຳທີ່ຈຳກັດ.

ສະຫຼຸບ

ທໍ່ເຕົາແຜ່ກະຈາຍແມ່ນອົງປະກອບທີ່ສຳຄັນແຕ່ມັກຖືກປະເມີນຄ່າຕໍ່າເກີນໄປໃນການຜະລິດເຄິ່ງຕົວນຳ. ວັດສະດຸຂອງມັນມີອິດທິພົນໂດຍກົງຕໍ່:

• ຜົນຜະລິດຂອງແຜ່ນເວເຟີ;
• ຄວາມໝັ້ນຄົງຂອງຂະບວນການ;
• ປະສິດທິພາບຂອງອະນຸພາກ;
• ອາຍຸການໃຊ້ງານຂອງອຸປະກອນ.

ປັດຈຸບັນ:

ທໍ່ຄວດສ໌ຄອບງຳຂະບວນການຜຸພັງ ແລະ ການແຜ່ກະຈາຍແບບດັ້ງເດີມ ເນື່ອງຈາກຄວາມບໍລິສຸດ ແລະ ຄວາມສຸກທີ່ໂດດເດັ່ນຂອງມັນ.

ທໍ່ SiCໃຫ້ຄວາມສາມາດດ້ານຄວາມຮ້ອນຂັ້ນສູງສຳລັບການນຳໃຊ້ເຄິ່ງຕົວນຳລຸ້ນຕໍ່ໄປ.

ທໍ່ອາລູມິນາ ແລະ ຊິລິກອນໄນໄຕຣດ ໃຫ້ບໍລິການໃນການນຳໃຊ້ອຸນຫະພູມສູງພິເສດ ບ່ອນທີ່ປະສິດທິພາບກົນຈັກໄດ້ຮັບຄວາມສຳຄັນ.

ໃນຂະນະທີ່ການຜະລິດເຄິ່ງຕົວນຳຍັງສືບຕໍ່ໄປສູ່ອຸນຫະພູມທີ່ສູງຂຶ້ນ, ເວເຟີຂະໜາດໃຫຍ່ກວ່າ ແລະ ອຸປະກອນແບນວິດກວ້າງ, ວັດສະດຸທໍ່ເຕົາເຊລາມິກທີ່ກ້າວໜ້າຈະມີບົດບາດສຳຄັນເພີ່ມຂຶ້ນໃນອຸປະກອນຂະບວນການເຄິ່ງຕົວນຳໃນອະນາຄົດ.