Оршил: Хагас дамжуулагч үйлдвэрлэлд зуухны хоолойн материалын чухал үүрэг
Хагас дамжуулагч хавтангийн үйлдвэрлэлд Диффузийн зуухны хоолой нь дулааны боловсруулалтын тоног төхөөрөмжид ашиглагддаг хамгийн чухал өндөр температурын процессын бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн нэг юм. Энэ нь дараах хэд хэдэн гол хагас дамжуулагч процессуудад хяналттай урвалын орчинг бүрдүүлдэг:
- Дулааны исэлдэлт;
- Допант тархалт;
- Халуун болгох;
- LPCVD-ийн тунадасжуулалт;
- Өндөр температурт вафли боловсруулалт.
Уламжлалт үйлдвэрлэлийн зуухны бүрэлдэхүүн хэсгүүдээс ялгаатай нь хагас дамжуулагч зуухны хоолой нь маш хатуу шаардлагыг хангасан байх ёстой, учир нь ул мөр бохирдол эсвэл бөөм үүсэх нь ваарны гарц болон төхөөрөмжийн найдвартай байдалд шууд нөлөөлдөг.
Хагас дамжуулагчийн диффуз болон исэлдэлтийн процессын үед зуухны хоолойнууд нь ихэвчлэн дараахь зүйлд өртдөг.
- 800°C-аас 1200°C хүртэлх өндөр температурын орчин;
- O₂ болон H₂O зэрэг исэлдүүлэгч хийнүүд;
- N₂ болон Ar зэрэг инертийн хийнүүд;
- POCl₃ болон BBr₃ зэрэг хольцын урьдал бодисууд;
- HCl зэрэг идэмхий химийн зүйлүүд.
Тиймээс зуухны хоолойн материалууд нэгэн зэрэг дараахь зүйлийг хангах ёстой.
- Хэт өндөр химийн цэвэршилт;
- Маш сайн дулааны тогтвортой байдал;
- Металлын бохирдол бага;
- Зэврэлтээс хамгаалах өндөр эсэргүүцэл;
- Бага хэмжээний бөөмс үүсэх;
- Үйл ажиллагааны урт хугацаа.
Хагас дамжуулагч тоног төхөөрөмжийн материалын стандарт болон салбарын практикийн дагуу хамгийн өргөн хэрэглэгддэг зуухны хоолойн материалууд нь:
- Өндөр цэвэршилттэй кварц (хайлсан цахиур, SiO₂)
- Цахиурын карбид (SiC керамик)
- Хөнгөн цагаан керамик (Al₂O₃)
- Цахиурын нитрид керамик (Si₃N₄)
Өндөр цэвэршилттэй кварц хоолой
Хагас дамжуулагч зуухны хоолойн бүх материалын дунд өндөр цэвэршилттэй кварц хоолой нь онцгой цэвэршилт, дулааны тогтвортой байдал, боловсронгуй боловсруулалтын технологийн ачаар уламжлалт цахиурын вафли үйлдвэрлэхэд давамгайлсан шийдэл хэвээр байна.
Хагас дамжуулагч зэрэглэлийн кварц хоолойг өндөр цэвэршилттэй хайлуулсан цахиураар хийдэг бөгөөд үндсэн бүрэлдэхүүн хэсэг нь цахиурын давхар исэл (SiO₂) юм. Цэвэршилтийн түвшин нь ихэвчлэн 99.99%-иас давж, Fe, Na, K, Cu, Al зэрэг металл хольцыг хатуу хянадаг.
Дулааны исэлдэлтийн процесст кварцын зуухны хоолой нь цахиурын оксидын давхарга үүсгэх хамгийн тохиромжтой урвалын орчинг бүрдүүлдэг.
Ердийн урвалууд нь:
Хуурай исэлдэлт:
Si + O₂ → SiO₂
Нойтон исэлдэлт:
Si + H₂O → SiO₂ + H₂
Эдгээр исэлдэлтийн процессууд нь дараахь зүйлд зайлшгүй шаардлагатай.
- Хаалганы диэлектрик үүсэх;
- Гадаргуугийн идэвхгүйжилт;
- Тусгаарлалтын бүтэц.
Кварцын хоолойг мөн дараах хольцын тархалтын процесст өргөн ашигладаг:
- POCl₃ ашиглан фосфорын тархалт;
- BBr₃ ашиглан борын диффуз;
- Хүнцлийн тархалтын процессууд.
Үүнээс гадна, кварц зуухны хоолойг LPCVD системд дараахь зорилгоор өргөнөөр ашигладаг.
- Цахиурын нитридийн тунадасжилт;
- Поликристалл цахиурын тунадасжилт.
Кварцын зуухны гол давуу талууд нь дараахь зүйлийг агуулдаг.
- Маш сайн химийн цэвэршилт
- Дулааны бага тэлэлт
- Маш сайн дулааны жигд байдал
Гэсэн хэдий ч кварц хоолойнууд нь тодорхой хязгаарлалттай байдаг. Үндсэн хязгаарлалт нь өндөр температурын механик тогтвортой байдал юм. Ойролцоогоор 1100–1200°C-аас дээш температурт удаан хугацаагаар ажиллах үед кварц нь дараахь зүйлийг мэдэрч болно.
- Хоолойн деформаци;
- Унжсан байдал;
- Механик бат бөх чанар буурсан.
Тиймээс кварц нь цахиурын хагас дамжуулагч үйлдвэрлэлд илүүд үздэг сонголт хэвээр байгаа боловч маш өндөр температурт эсвэл өндөр зэврэлттэй процесст тийм ч тохиромжтой биш юм.
Цахиурын карбидын хоолой: Дэвшилтэт хагас дамжуулагч үйлдвэрлэлийн өндөр температурын шийдэл
Цахиурын карбид (SiC) керамик нь дэвшилтэт зуухны хоолойн ирээдүйтэй хувилбар болж гарч ирсэн.
SiC нь цахиур болон нүүрстөрөгчийн атомуудаас бүрдсэн ковалент керамик нэгдэл юм. Хагас дамжуулагч зэрэглэлийн SiC керамик нь ихэвчлэн дараахь зүйлийг агуулдаг.
- Урвалын холбоот SiC;
- Шаталсан SiC;
- Өндөр цэвэршилттэй CVD SiC материалууд.
Кварцтай харьцуулахад SiC нь мэдэгдэхүйц сайжруулсан:
- Температурын эсэргүүцэл;
- Механик бат бөх чанар;
- Дулаан дамжуулалт;
- Химийн бат бөх чанар.
SiC зуухны хоолойн хамгийн чухал давуу талуудын нэг нь тэдний өндөр температурт тэсвэртэй байдал юм.
Кварц нь ерөнхийдөө ойролцоогоор 1200°C температурт ажиллах нөхцөлд хязгаарлагддаг бол SiC керамик нь 1500°C-аас дээш температурыг тэсвэрлэх чадвартай тул дэвшилтэт дулааны процесст тохиромжтой.
Дулаан дамжуулалтын ялгаа нь бас мэдэгдэхүйц юм:
- Кварц: ~1.4 Вт/м·К
- Цахиурын карбид: 120–200 Вт/м·К
SiC-ийн өндөр дулаан дамжуулалт нь дараахь боломжийг олгодог.
- Илүү хурдан дулааны хариу урвал;
- Температурын жигд байдлыг сайжруулах;
- Дулааны градиент буурсан.
Хагас дамжуулагчийн хэрэглээнд SiC зуухны хоолойг голчлон дараахь зорилгоор авч үздэг.
- Өндөр температурт хатаах;
- Дэвшилтэт диффузийн процессууд;
- Цахиурын карбидын цахилгаан төхөөрөмжийн үйлдвэрлэл;
- GaN хагас дамжуулагч боловсруулалт.
Хөнгөн цагаан хоолой (Al₂O₃): Өндөр температурт хэмнэлттэй керамик материал
Хөнгөн цагааны исэл бүхий керамик хоолойг голчлон хөнгөн цагааны исэл (Al₂O₃)-ээр хийдэг бөгөөд цэвэршилтийн түвшин нь ихэвчлэн 95%-99.8% хооронд хэлбэлздэг.
Хөнгөн цагааны исэл керамикийн ажиллах температурын хүчин чадал нь ойролцоогоор 1400–1700°C хүрч болох бөгөөд энэ нь уламжлалт кварцаас өндөр үзүүлэлт юм.
Эдгээр шинж чанаруудаас шалтгаалан хөнгөн цагаан зуухны хоолойг дараахь зүйлд түгээмэл ашигладаг.
Лабораторийн хагас дамжуулагч зуух;
- Судалгаа, хөгжүүлэлтийн тоног төхөөрөмж;
- l Туршилтын дулааны боловсруулалтын системүүд.
Гэсэн хэдий ч хөнгөнцагааны исэл нь их хэмжээний хагас дамжуулагч үйлдвэрлэлд хязгаарлагдмал хэмжээгээр хэрэглэгддэг. Гол шалтгаан нь бохирдлын хяналт юм.
Кварцтай харьцуулахад хөнгөнцагаан керамик нь дараахь зүйлийг агуулж болно.
- Хөнгөн цагааны бохирдол;
- l Илүү өндөр бохирдлын түвшин.
Бохирдлын түвшин маш бага шаарддаг дэвшилтэт хагас дамжуулагч үйлдвэрлэлийн хувьд кварц болон өндөр цэвэршилттэй SiC нь илүүд үздэг сонголт хэвээр байна.
Цахиурын нитридийн хоолой (Si₃N₄): Дулааны цохилтод тэсвэртэй дэвшилтэт керамик
Цахиурын нитрид (Si₃N₄) нь онцгой механик шинж чанараараа алдартай өөр нэг дэвшилтэт керамик материал юм. Хагас дамжуулагчийн хэрэглээнд дараахь зүйлс орно.
- Зуухны тусгай эд ангиуд;
- Хагас дамжуулагч тоног төхөөрөмжийг судлах;
- Өндөр температурт тэсвэртэй керамик бүтэц.
Гэсэн хэдий ч Si₃N₄ зуухны хоолойг дараах шалтгааны улмаас хагас дамжуулагч диффузийн зууханд өргөн ашигладаггүй.
- Үйлдвэрлэлийн өндөр нарийн төвөгтэй байдал;
- Илүү өндөр өртөгтэй;
- Аж үйлдвэрийн хангамжийн сүлжээний хязгаарлагдмал төлөвшил.
Дүгнэлт
Диффузийн зуухны хоолой нь хагас дамжуулагч үйлдвэрлэлд чухал боловч ихэвчлэн дутуу үнэлэгддэг бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Түүний материал нь дараахь зүйлд шууд нөлөөлдөг.
- Ваферын гарц;
- Үйл явцын тогтвортой байдал;
- Бөөмийн гүйцэтгэл;
- Тоног төхөөрөмжийн ашиглалтын хугацаа.
Одоогоор:
Кварц хоолойонцгой цэвэршилт болон боловсорч гүйцсэн байдлаасаа шалтгаалан уламжлалт исэлдэлт ба диффузийн процессыг давамгайлдаг.
SiC хоолойнууддараагийн үеийн хагас дамжуулагчийн хэрэглээнд зориулсан дэвшилтэт дулааны чадавхийг хангах.
Хөнгөн цагаан ба цахиурын нитридийн хоолойнууд нь механик гүйцэтгэлийг нэн тэргүүнд тавьдаг өндөр температурын тусгай хэрэглээнд зориулагдсан.
Хагас дамжуулагч үйлдвэрлэл өндөр температур, том хэмжээтэй вафли, өргөн зурвасын зайтай төхөөрөмжүүд рүү чиглэхийн хэрээр дэвшилтэт керамик зуухны хоолойн материалууд ирээдүйн хагас дамжуулагчийн технологийн тоног төхөөрөмжид улам бүр чухал үүрэг гүйцэтгэх болно.
Нийтэлсэн цаг: 2026 оны 7-р сарын 24