Puslaidininkinių difuzinių krosnių vamzdžių medžiagos: kvarcas, SiC ir pažangūs keraminiai tirpalai

Įvadas: Kritinis krosnių vamzdžių medžiagų vaidmuo puslaidininkių gamyboje

Puslaidininkių plokštelių gamyboje difuzinės krosnies vamzdelis yra vienas iš svarbiausių aukštos temperatūros proceso komponentų, naudojamų terminio apdorojimo įrangoje. Jis užtikrina kontroliuojamą reakcijos aplinką keliems pagrindiniams puslaidininkių procesams, įskaitant:

• Terminis oksidavimas;
• Legitrinių medžiagų difuzija;
• Atkaitinimas;
• LPCVD nusėdimas;
• Aukštos temperatūros plokštelių apdorojimas.

Skirtingai nuo įprastų pramoninių krosnių komponentų, puslaidininkinių krosnių vamzdeliai turi atitikti itin griežtus reikalavimus, nes net ir nedidelis užterštumas ar dalelių susidarymas gali tiesiogiai paveikti plokštelių išeigą ir įrenginio patikimumą.

Puslaidininkių difuzijos ir oksidacijos procesų metu krosnių vamzdžiai paprastai yra veikiami:

• Aukšta temperatūra nuo 800 °C iki 1200 °C;
• Oksiduojančios dujos, tokios kaip O₂ ir H₂O;
• Inertinės dujos, įskaitant N₂ ir Ar;
• Legitinių medžiagų pirmtakai, tokie kaip POCl₃ ir BBr₃;
• Ėsdinančios cheminės medžiagos, tokios kaip HCl.

Todėl krosnies vamzdžių medžiagos turi vienu metu užtikrinti:

• Itin didelis cheminis grynumas;
• Puikus terminis stabilumas;
• Mažas metalų užterštumas;
• Didelis atsparumas korozijai;
• Mažas dalelių susidarymas;
• Ilgas eksploatavimo laikas.

Remiantis puslaidininkių įrangos medžiagų standartais ir pramonės praktika, plačiausiai naudojamos krosnių vamzdžių medžiagos yra šios:

• Didelio grynumo kvarcas (lydytas silicio dioksidas, SiO₂)
• Silicio karbidas (SiC keramika)
• Aliuminio oksido keramika (Al₂O₃)
• Silicio nitrido keramika (Si₃N₄)

Didelio grynumo kvarcinis vamzdelis

Tarp visų puslaidininkinių krosnių vamzdinių medžiagų didelio grynumo kvarcinis vamzdelis išlieka dominuojančiu sprendimu įprastinių silicio plokštelių gamyboje dėl išskirtinio grynumo, terminio stabilumo ir brandžios apdorojimo technologijos.

Puslaidininkinės klasės kvarciniai vamzdeliai gaminami iš labai gryno lydyto silicio dioksido, kurio pagrindinis komponentas yra silicio dioksidas (SiO₂). Grynumo lygis paprastai viršija 99,99 %, griežtai kontroliuojant metalines priemaišas, įskaitant: Fe; Na; K; Cu; Al.

Terminio oksidavimo procesuose kvarcinės krosnies vamzdeliai sudaro idealią reakcijos aplinką silicio oksido sluoksniams formuoti.

Tipinės reakcijos apima:

Sausas oksidavimas:

Si + O₂ → SiO₂

Šlapia oksidacija:

Si + H₂O → SiO₂ + H₂

Šie oksidacijos procesai yra būtini:

• Vartų dielektriko formavimas;
• Paviršiaus pasyvavimas;
• Izoliacinės struktūros.

Kvarco vamzdeliai taip pat plačiai naudojami legiruojančių medžiagų difuzijos procesuose, įskaitant:

• Fosforo difuzija naudojant POCl₃;
• Boro difuzija naudojant BBr₃;
• Arseno difuzijos procesai.

Be to, kvarco krosnies vamzdžiai plačiai naudojami LPCVD sistemose: 

• Silicio nitrido nusodinimas;
• Polikristalinio silicio nusodinimas.

Pagrindiniai kvarcinių krosnių vamzdžių privalumai:

• Puikus cheminis grynumas
• Mažas šiluminis plėtimasis
• Puikus terminis vienodumas

Tačiau kvarciniai vamzdeliai taip pat turi tam tikrų apribojimų. Pagrindinis apribojimas yra mechaninis stabilumas aukštoje temperatūroje. Ilgai veikiant maždaug aukštesnėje nei 1100–1200 °C temperatūroje, kvarcas gali patirti:

• Vamzdžių deformacija;
• Suglebimas;
• Sumažintas mechaninis stiprumas.

Todėl kvarcas išlieka pageidaujamu pasirinkimu pagrindinėje silicio puslaidininkių gamyboje, tačiau jis mažiau tinka itin aukštos temperatūros arba labai koroziniams procesams.

Silicio karbido vamzdelis: aukštos temperatūros sprendimas pažangiai puslaidininkių gamybai

Silicio karbido (SiC) keramika tapo perspektyvia alternatyva pažangiems krosnių vamzdžiams.

SiC yra kovalentinis keraminis junginys, sudarytas iš silicio ir anglies atomų. Puslaidininkinės kokybės SiC keramika paprastai apima:

• Reakciniu būdu sujungtas SiC;
• Sukepintas SiC;
• Didelio grynumo CVD SiC medžiagos.

Palyginti su kvarcu, SiC suteikia žymiai geresnių savybių:

• Atsparumas temperatūrai;
• Mechaninis stiprumas;
• Šilumos laidumas;
• Cheminis patvarumas.

Vienas reikšmingiausių SiC krosnių vamzdžių privalumų yra jų puikios aukštos temperatūros savybės.

Nors kvarco darbinė temperatūra paprastai apribota maždaug 1200 °C, SiC keramika gali atlaikyti aukštesnę nei 1500 °C temperatūrą, todėl tinka sudėtingiems terminiams procesams.

Šilumos laidumo skirtumas taip pat reikšmingas:

• Kvarcas: ~1,4 W/m·K
• Silicio karbidas: 120–200 W/m·K

Didesnis SiC šilumos laidumas leidžia:

• Greitesnis terminis atsakas;
• Pagerintas temperatūros vienodumas;
• Sumažinti šiluminiai gradientai.

Puslaidininkių srityje SiC krosnių vamzdžiai daugiausia naudojami:

• Aukštos temperatūros atkaitinimas;
• Pažangūs difuzijos procesai;
• Silicio karbido galios įtaisų gamyba;
• GaN puslaidininkių apdorojimas.

Aliuminio oksido vamzdelis (Al₂O₃): ekonomiška aukštos temperatūros keraminė medžiaga

Aliuminio oksido keraminiai vamzdžiai daugiausia gaminami iš aliuminio oksido (Al₂O₃), kurio grynumo lygis paprastai svyruoja nuo 95% iki 99,8%.

Aliuminio oksido keramikos darbinė temperatūra gali siekti maždaug 1400–1700 °C, tai yra daugiau nei įprastos kvarcinės keramikos.

Dėl šių savybių aliuminio oksido krosnių vamzdžiai dažniausiai naudojami:

Laboratorinės puslaidininkinės krosnys;

• Mokslinių tyrimų ir plėtros įranga;
• Eksperimentinės terminio apdorojimo sistemos.

Tačiau aliuminio oksidas yra ribotai naudojamas didelio masto puslaidininkių gamyboje. Pagrindinė priežastis – užterštumo kontrolė.

Palyginti su kvarcu, aliuminio oksido keramikoje gali būti:

• Aliuminio užterštumas;
• Didesnis priemaišų kiekis.

Pažangiai puslaidininkių gamybai, kuriai reikalingas itin mažas užterštumo lygis, pirmenybė teikiama kvarcui ir didelio grynumo SiC.

Silicio nitrido vamzdelis (Si₃N₄): Pažangi keramika, atspari šiluminiam smūgiui

Silicio nitridas (Si₃N₄) yra dar viena pažangi keraminė medžiaga, žinoma dėl išskirtinių mechaninių savybių. Galimos puslaidininkių taikymo sritys:

• Specializuoti krosnių komponentai;
• Tyrimų puslaidininkių įranga;
• Aukštos temperatūros keraminės konstrukcijos.

Tačiau Si₃N₄ krosnių vamzdeliai nėra plačiai naudojami pagrindinėse puslaidininkių difuzijos krosnyse dėl:

• Didesnis gamybos sudėtingumas;
• Didesnė kaina;
• Ribotas pramoninio tiekimo grandinės brandumas.

Išvada

Difuzinės krosnies vamzdis yra labai svarbus, bet dažnai nepakankamai įvertinamas puslaidininkių gamybos komponentas. Jo medžiaga tiesiogiai veikia:

• Vaflių išeiga;
• Proceso stabilumas;
• Dalelių veikimas;
• Įrangos tarnavimo laikas.

Šiuo metu:

Kvarco vamzdeliaidėl išskirtinio grynumo ir brandos dominuoja įprastiniuose oksidacijos ir difuzijos procesuose.

SiC vamzdžiaiužtikrinti pažangias šilumines galimybes naujos kartos puslaidininkių taikymams.

Aliuminio oksido ir silicio nitrido vamzdžiai skirti specializuotoms aukštos temperatūros reikmėms, kur pirmenybė teikiama mechaninėms savybėms.

Puslaidininkių gamyboje toliau siekiant aukštesnės temperatūros, didesnių plokštelių ir plataus draudžiamojo tarpo įtaisų, pažangios keraminės krosnių vamzdžių medžiagos vaidins vis svarbesnį vaidmenį būsimoje puslaidininkių procesų įrangoje.