സെമികണ്ടക്ടർ ഡിഫ്യൂഷൻ ഫർണസ് ട്യൂബ് മെറ്റീരിയലുകൾ: ക്വാർട്സ്, SiC, അഡ്വാൻസ്ഡ് സെറാമിക് സൊല്യൂഷൻസ്

ആമുഖം: സെമികണ്ടക്ടർ നിർമ്മാണത്തിൽ ഫർണസ് ട്യൂബ് മെറ്റീരിയലുകളുടെ നിർണായക പങ്ക്

സെമികണ്ടക്ടർ വേഫർ നിർമ്മാണത്തിൽ, താപ സംസ്കരണ ഉപകരണങ്ങളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഏറ്റവും നിർണായകമായ ഉയർന്ന താപനില പ്രക്രിയ ഘടകങ്ങളിൽ ഒന്നാണ് ഡിഫ്യൂഷൻ ഫർണസ് ട്യൂബ്. നിരവധി പ്രധാന സെമികണ്ടക്ടർ പ്രക്രിയകൾക്ക് ഇത് ഒരു നിയന്ത്രിത പ്രതികരണ അന്തരീക്ഷം നൽകുന്നു, അവയിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:

• താപ ഓക്സീകരണം;
• ഡോപന്റ് ഡിഫ്യൂഷൻ;
• അനിയലിംഗ്;
• എൽപിസിവിഡി നിക്ഷേപം;
• ഉയർന്ന താപനിലയിലുള്ള വേഫർ ചികിത്സ.

പരമ്പരാഗത വ്യാവസായിക ചൂള ഘടകങ്ങളിൽ നിന്ന് വ്യത്യസ്തമായി, സെമികണ്ടക്ടർ ഫർണസ് ട്യൂബുകൾ വളരെ കർശനമായ ആവശ്യകതകൾ പാലിക്കേണ്ടതുണ്ട്, കാരണം ട്രേസ് മലിനീകരണമോ കണികാ ഉത്പാദനമോ പോലും വേഫർ വിളവിനെയും ഉപകരണ വിശ്വാസ്യതയെയും നേരിട്ട് ബാധിക്കും.

സെമികണ്ടക്ടർ ഡിഫ്യൂഷൻ, ഓക്സീകരണ പ്രക്രിയകളിൽ, ഫർണസ് ട്യൂബുകൾ സാധാരണയായി ഇവയ്ക്ക് വിധേയമാകുന്നു:

• 800°C മുതൽ 1200°C വരെയുള്ള ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള പരിതസ്ഥിതികൾ;
• O₂, H₂O തുടങ്ങിയ ഓക്സിഡൈസിംഗ് വാതകങ്ങൾ;
• N₂, Ar എന്നിവയുൾപ്പെടെയുള്ള നിഷ്ക്രിയ വാതകങ്ങൾ;
• POCl₃, BBr₃ തുടങ്ങിയ ഡോപന്റ് മുൻഗാമികൾ;
• HCl പോലുള്ള വിനാശകരമായ രാസ ഇനങ്ങൾ.

അതിനാൽ, ഫർണസ് ട്യൂബ് വസ്തുക്കൾ ഒരേസമയം നൽകേണ്ടത്:

• വളരെ ഉയർന്ന രാസ ശുദ്ധത;
• മികച്ച താപ സ്ഥിരത;
• കുറഞ്ഞ ലോഹ മലിനീകരണം;
• ഉയർന്ന നാശന പ്രതിരോധം;
• കുറഞ്ഞ കണിക ഉത്പാദനം;
• നീണ്ട പ്രവർത്തന ആയുസ്സ്.

സെമികണ്ടക്ടർ ഉപകരണ മെറ്റീരിയൽ മാനദണ്ഡങ്ങളും വ്യവസായ രീതികളും അനുസരിച്ച്, ഏറ്റവും വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ഫർണസ് ട്യൂബ് മെറ്റീരിയലുകളിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:

• ഉയർന്ന ശുദ്ധതയുള്ള ക്വാർട്സ് (ഫ്യൂസ്ഡ് സിലിക്ക, SiO₂)
• സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് (SiC സെറാമിക്)
• അലുമിന സെറാമിക് (Al₂O₃)
• സിലിക്കൺ നൈട്രൈഡ് സെറാമിക് (Si₃N₄)

ഉയർന്ന ശുദ്ധിയുള്ള ക്വാർട്സ് ട്യൂബ്

എല്ലാ സെമികണ്ടക്ടർ ഫർണസ് ട്യൂബ് മെറ്റീരിയലുകളിലും, ഉയർന്ന പ്യൂരിറ്റിയുള്ള ക്വാർട്സ് ട്യൂബ് അതിന്റെ മികച്ച പരിശുദ്ധി, താപ സ്ഥിരത, പക്വമായ പ്രോസസ്സിംഗ് സാങ്കേതികവിദ്യ എന്നിവ കാരണം പരമ്പരാഗത സിലിക്കൺ വേഫർ നിർമ്മാണത്തിനുള്ള പ്രധാന പരിഹാരമായി തുടരുന്നു.

സെമികണ്ടക്ടർ-ഗ്രേഡ് ക്വാർട്സ് ട്യൂബുകൾ ഉയർന്ന പരിശുദ്ധിയുള്ള ഫ്യൂസ്ഡ് സിലിക്കയിൽ നിന്നാണ് നിർമ്മിക്കുന്നത്, ഇവിടെ പ്രാഥമിക ഘടകം സിലിക്കൺ ഡൈ ഓക്സൈഡ് (SiO₂) ആണ്. ശുദ്ധതയുടെ അളവ് സാധാരണയായി 99.99% കവിയുന്നു, Fe; Na; K; Cu; Al എന്നിവയുൾപ്പെടെയുള്ള ലോഹ മാലിന്യങ്ങളുടെ കർശന നിയന്ത്രണത്തോടെ.

താപ ഓക്സീകരണ പ്രക്രിയകളിൽ, ക്വാർട്സ് ഫർണസ് ട്യൂബുകൾ സിലിക്കൺ ഓക്സൈഡ് പാളികൾ രൂപപ്പെടുത്തുന്നതിന് അനുയോജ്യമായ ഒരു പ്രതിപ്രവർത്തന അന്തരീക്ഷം നൽകുന്നു.

സാധാരണ പ്രതികരണങ്ങളിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:

ഡ്രൈ ഓക്സിഡേഷൻ:

സി + ഒ₂ → സിഒ₂

ആർദ്ര ഓക്സിഡേഷൻ:

സി + എച്ച്₂ഒ → സിഒ₂ + എച്ച്₂

ഈ ഓക്സീകരണ പ്രക്രിയകൾ ഇവയ്ക്ക് അത്യാവശ്യമാണ്:

• ഗേറ്റ് ഡൈഇലക്ട്രിക് രൂപീകരണം;
• ഉപരിതല നിഷ്ക്രിയത്വം;
• ഒറ്റപ്പെടൽ ഘടനകൾ.

ഡോപന്റ് ഡിഫ്യൂഷൻ പ്രക്രിയകളിൽ ക്വാർട്സ് ട്യൂബുകൾ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു, അവയിൽ ചിലത്:

• POCl₃ ഉപയോഗിച്ചുള്ള ഫോസ്ഫറസ് വ്യാപനം;
• BBr₃ ഉപയോഗിച്ചുള്ള ബോറോൺ വ്യാപനം;
• ആർസെനിക് വ്യാപന പ്രക്രിയകൾ.

കൂടാതെ, ക്വാർട്സ് ഫർണസ് ട്യൂബുകൾ LPCVD സിസ്റ്റങ്ങളിൽ വ്യാപകമായി പ്രയോഗിക്കുന്നു: 

• സിലിക്കൺ നൈട്രൈഡ് നിക്ഷേപം;
• പോളിക്രിസ്റ്റലിൻ സിലിക്കൺ നിക്ഷേപം.

ക്വാർട്സ് ഫർണസ് ട്യൂബുകളുടെ പ്രധാന ഗുണങ്ങൾ ഇവയാണ്:

• മികച്ച രാസ ശുദ്ധി
• കുറഞ്ഞ താപ വികാസം
• മികച്ച താപ ഏകീകൃതത

എന്നിരുന്നാലും, ക്വാർട്സ് ട്യൂബുകൾക്കും ചില പരിമിതികളുണ്ട്. പ്രാഥമിക പരിമിതി ഉയർന്ന താപനിലയിലുള്ള മെക്കാനിക്കൽ സ്ഥിരതയാണ്. ഏകദേശം 1100–1200°C ന് മുകളിലുള്ള ദീർഘകാല പ്രവർത്തനത്തിൽ, ക്വാർട്സിന് അനുഭവപ്പെടാം:

• ട്യൂബ് രൂപഭേദം;
• തൂങ്ങിക്കിടക്കുന്നു;
• മെക്കാനിക്കൽ ശക്തി കുറച്ചു.

അതിനാൽ, മുഖ്യധാരാ സിലിക്കൺ സെമികണ്ടക്ടർ നിർമ്മാണത്തിന് ക്വാർട്സ് ഇപ്പോഴും തിരഞ്ഞെടുക്കപ്പെടുന്നതാണ്, പക്ഷേ വളരെ ഉയർന്ന താപനിലയിലോ ഉയർന്ന തോതിലുള്ള നാശന പ്രക്രിയകളിലോ ഇത് അത്ര അനുയോജ്യമല്ല.

സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് ട്യൂബ്: നൂതന അർദ്ധചാലക നിർമ്മാണത്തിനുള്ള ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള പരിഹാരം.

നൂതന ഫർണസ് ട്യൂബുകൾക്ക് ഒരു വാഗ്ദാനമായ ബദൽ വസ്തുവായി സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് (SiC) സെറാമിക് ഉയർന്നുവന്നിട്ടുണ്ട്.

സിലിക്കണും കാർബൺ ആറ്റങ്ങളും ചേർന്ന ഒരു സഹസംയോജക സെറാമിക് സംയുക്തമാണ് SiC. സെമികണ്ടക്ടർ-ഗ്രേഡ് SiC സെറാമിക്സിൽ സാധാരണയായി ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:

• പ്രതിപ്രവർത്തന ബന്ധിത SiC;
• സിന്റർ ചെയ്ത SiC;
• ഉയർന്ന പരിശുദ്ധിയുള്ള CVD SiC വസ്തുക്കൾ.

ക്വാർട്സുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, SiC ഗണ്യമായി മെച്ചപ്പെട്ടു:

• താപനില പ്രതിരോധം;
• മെക്കാനിക്കൽ ശക്തി;
• താപ ചാലകത;
• രാസ പ്രതിരോധശേഷി.

SiC ഫർണസ് ട്യൂബുകളുടെ ഏറ്റവും പ്രധാനപ്പെട്ട ഗുണങ്ങളിലൊന്ന് അവയുടെ മികച്ച ഉയർന്ന താപനില ശേഷിയാണ്.

ക്വാർട്സ് സാധാരണയായി ഏകദേശം 1200°C പ്രവർത്തന സാഹചര്യങ്ങളിലേക്ക് പരിമിതപ്പെടുത്തിയിട്ടുണ്ടെങ്കിലും, SiC സെറാമിക്സിന് 1500°C കവിയുന്ന താപനിലയെ നേരിടാൻ കഴിയും, ഇത് വിപുലമായ താപ പ്രക്രിയകൾക്ക് അനുയോജ്യമാക്കുന്നു.

താപ ചാലകത വ്യത്യാസവും പ്രധാനമാണ്:

• ക്വാർട്സ്: ~1.4 W/m·K
• സിലിക്കൺ കാർബൈഡ്: 120–200 W/m·K

SiC യുടെ ഉയർന്ന താപ ചാലകത ഇവയെ പ്രാപ്തമാക്കുന്നു:

• വേഗത്തിലുള്ള താപ പ്രതികരണം;
• മെച്ചപ്പെട്ട താപനില ഏകത;
• കുറഞ്ഞ താപ ഗ്രേഡിയന്റുകൾ.

സെമികണ്ടക്ടർ ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ, SiC ഫർണസ് ട്യൂബുകൾ പ്രധാനമായും പരിഗണിക്കുന്നത്:

• ഉയർന്ന താപനിലയിലുള്ള അനീലിംഗ്;
• വിപുലമായ വ്യാപന പ്രക്രിയകൾ;
• സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് പവർ ഉപകരണ നിർമ്മാണം;
• GaN സെമികണ്ടക്ടർ പ്രോസസ്സിംഗ്.

അലുമിന ട്യൂബ് (Al₂O₃): ചെലവ് കുറഞ്ഞതും ഉയർന്ന താപനിലയുള്ളതുമായ സെറാമിക് മെറ്റീരിയൽ.

അലുമിന സെറാമിക് ട്യൂബുകൾ പ്രധാനമായും അലുമിനിയം ഓക്സൈഡിൽ (Al₂O₃) നിന്നാണ് നിർമ്മിക്കുന്നത്, സാധാരണയായി 95% മുതൽ 99.8% വരെയാണ് ശുദ്ധതാ നിലവാരം.

അലുമിന സെറാമിക്സിന്റെ പ്രവർത്തന താപനില ശേഷി ഏകദേശം 1400–1700°C വരെ എത്താം. ഇത് പരമ്പരാഗത ക്വാർട്സിനേക്കാൾ കൂടുതലാണ്.

ഈ സവിശേഷതകൾ കാരണം, അലുമിന ഫർണസ് ട്യൂബുകൾ സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്നത്:

ലബോറട്ടറി സെമികണ്ടക്ടർ ചൂളകൾ;

• l ഗവേഷണ വികസന ഉപകരണങ്ങൾ;
• l പരീക്ഷണാത്മക താപ സംസ്കരണ സംവിധാനങ്ങൾ.

എന്നിരുന്നാലും, ഉയർന്ന അളവിലുള്ള സെമികണ്ടക്ടർ നിർമ്മാണത്തിൽ അലുമിനയുടെ ഉപയോഗം പരിമിതമാണ്. പ്രധാന കാരണം മലിനീകരണ നിയന്ത്രണമാണ്.

ക്വാർട്സുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, അലുമിന സെറാമിക്സ് ഇവ അവതരിപ്പിച്ചേക്കാം:

• അലുമിനിയം മലിനീകരണം;
• l ഉയർന്ന മാലിന്യ അളവ്.

വളരെ കുറഞ്ഞ മലിനീകരണ അളവ് ആവശ്യമുള്ള നൂതന അർദ്ധചാലക ഉൽ‌പാദനത്തിന്, ക്വാർട്‌സും ഉയർന്ന പരിശുദ്ധിയുള്ള SiC ഉം മുൻഗണന നൽകുന്നു.

സിലിക്കൺ നൈട്രൈഡ് ട്യൂബ് (Si₃N₄): തെർമൽ ഷോക്ക് റെസിസ്റ്റൻസിനുള്ള അഡ്വാൻസ്ഡ് സെറാമിക്.

അസാധാരണമായ മെക്കാനിക്കൽ ഗുണങ്ങൾക്ക് പേരുകേട്ട മറ്റൊരു നൂതന സെറാമിക് വസ്തുവാണ് സിലിക്കൺ നൈട്രൈഡ് (Si₃N₄). സെമികണ്ടക്ടറുകളുടെ സാധ്യതയുള്ള പ്രയോഗങ്ങളിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:

• പ്രത്യേക ചൂള ഘടകങ്ങൾ;
• സെമികണ്ടക്ടർ ഉപകരണങ്ങളെക്കുറിച്ചുള്ള ഗവേഷണം;
• ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള സെറാമിക് ഘടനകൾ.

എന്നിരുന്നാലും, മുഖ്യധാരാ സെമികണ്ടക്ടർ ഡിഫ്യൂഷൻ ചൂളകളിൽ Si₃N₄ ഫർണസ് ട്യൂബുകൾ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നില്ല, കാരണം:

• നിർമ്മാണത്തിന്റെ ഉയർന്ന സങ്കീർണ്ണത;
• ഉയർന്ന ചെലവ്;
• പരിമിതമായ വ്യാവസായിക വിതരണ ശൃംഖലയുടെ പക്വത.

തീരുമാനം

ഡിഫ്യൂഷൻ ഫർണസ് ട്യൂബ് അർദ്ധചാലക നിർമ്മാണത്തിൽ നിർണായകവും എന്നാൽ പലപ്പോഴും കുറച്ചുകാണപ്പെടുന്നതുമായ ഒരു ഘടകമാണ്. അതിന്റെ മെറ്റീരിയൽ നേരിട്ട് സ്വാധീനിക്കുന്നു:

• വേഫർ വിളവ്;
• പ്രക്രിയ സ്ഥിരത;
• കണിക പ്രകടനം;
• ഉപകരണങ്ങളുടെ ആയുസ്സ്.

നിലവിൽ:

ക്വാർട്സ് ട്യൂബുകൾഅസാധാരണമായ പരിശുദ്ധിയും പക്വതയും കാരണം പരമ്പരാഗത ഓക്സീകരണ, വ്യാപന പ്രക്രിയകളിൽ ആധിപത്യം പുലർത്തുന്നു.

SiC ട്യൂബുകൾഅടുത്ത തലമുറ സെമികണ്ടക്ടർ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്ക് വിപുലമായ താപ ശേഷി നൽകുന്നു.

അലുമിന, സിലിക്കൺ നൈട്രൈഡ് ട്യൂബുകൾ മെക്കാനിക്കൽ പ്രകടനത്തിന് മുൻഗണന നൽകുന്ന പ്രത്യേക ഉയർന്ന താപനില ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ നൽകുന്നു.

ഉയർന്ന താപനിലയിലേക്കും, വലിയ വേഫറുകളിലേക്കും, വൈഡ്-ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് ഉപകരണങ്ങളിലേക്കും സെമികണ്ടക്ടർ നിർമ്മാണം തുടരുമ്പോൾ, ഭാവിയിലെ സെമികണ്ടക്ടർ പ്രോസസ്സ് ഉപകരണങ്ങളിൽ നൂതന സെറാമിക് ഫർണസ് ട്യൂബ് മെറ്റീരിയലുകൾ കൂടുതൽ പ്രധാന പങ്ക് വഹിക്കും.