सेमीकंडक्टर डिफ्यूजन फर्नेस ट्यूब मटेरियल: क्वार्ट्झ, एसआयसी आणि प्रगत सिरेमिक सोल्यूशन्स

प्रस्तावना: सेमीकंडक्टर निर्मितीमध्ये फर्नेस ट्यूब सामग्रीची महत्त्वपूर्ण भूमिका

सेमीकंडक्टर वेफर फॅब्रिकेशनमध्ये, डिफ्यूजन फर्नेस ट्यूब हा थर्मल प्रोसेसिंग उपकरणांमध्ये वापरला जाणारा एक अत्यंत महत्त्वाचा उच्च-तापमान प्रक्रिया घटक आहे. हे अनेक प्रमुख सेमीकंडक्टर प्रक्रियांसाठी नियंत्रित प्रतिक्रिया वातावरण प्रदान करते, ज्यामध्ये खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

• औष्णिक ऑक्सिडेशन;
• डोपंटचे विसरण;
• तापवणे;
• एलपीसीव्हीडी निक्षेपण;
• उच्च तापमानावर वेफरवर प्रक्रिया करणे.

पारंपरिक औद्योगिक भट्टीच्या घटकांपेक्षा वेगळे, सेमीकंडक्टर भट्टीच्या नळ्यांना अत्यंत कठोर आवश्यकता पूर्ण कराव्या लागतात, कारण अगदी अल्प प्रमाणात होणारे प्रदूषण किंवा कणांची निर्मिती देखील वेफर उत्पादनक्षमता आणि उपकरणाच्या विश्वसनीयतेवर थेट परिणाम करू शकते.

सेमीकंडक्टर डिफ्यूजन आणि ऑक्सिडेशन प्रक्रियेदरम्यान, फर्नेस ट्यूब सामान्यतः खालील गोष्टींच्या संपर्कात येतात:

• ८००°C ते १२००°C पर्यंतच्या उच्च तापमानाचे वातावरण;
• O₂ आणि H₂O सारखे ऑक्सिडीकरण करणारे वायू;
• N₂ आणि Ar सह निष्क्रिय वायू;
• POCl₃ आणि BBr₃ सारखे डोपंट पूर्वगामी;
• HCl सारखे क्षरणकारी रासायनिक घटक.

म्हणून, भट्टीच्या नळीच्या सामग्रीने एकाच वेळी खालील गोष्टी पुरवल्या पाहिजेत:

• अत्यंत उच्च रासायनिक शुद्धता;
• उत्कृष्ट औष्णिक स्थिरता;
• कमी धातूंचे प्रदूषण;
• उच्च गंजरोधकता;
• कमी कण निर्मिती;
• दीर्घ कार्यकाळ.

सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या सामग्री मानकांनुसार आणि औद्योगिक पद्धतींनुसार, सर्वाधिक वापरल्या जाणाऱ्या फर्नेस ट्यूब सामग्रीमध्ये खालील गोष्टींचा समावेश होतो:

• उच्च शुद्धता क्वार्ट्ज (फ्यूज्ड सिलिका, SiO₂)
• सिलिकॉन कार्बाइड (SiC सिरेमिक)
• ॲल्युमिना सिरेमिक (Al₂O₃)
• सिलिकॉन नायट्राइड सिरेमिक (Si₃N₄)

उच्च शुद्धता क्वार्ट्ज ट्यूब

सर्व सेमीकंडक्टर फर्नेस ट्यूब सामग्रींपैकी, उच्च शुद्धतेची क्वार्ट्ज ट्यूब ही तिच्या उत्कृष्ट शुद्धता, औष्णिक स्थिरता आणि प्रगत प्रक्रिया तंत्रज्ञानामुळे पारंपरिक सिलिकॉन वेफर उत्पादनासाठी प्रमुख उपाय राहिली आहे.

सेमीकंडक्टर-ग्रेड क्वार्ट्झ ट्यूब्स उच्च-शुद्धतेच्या फ्यूज्ड सिलिकापासून बनवल्या जातात, ज्यामध्ये सिलिकॉन डायऑक्साइड (SiO₂) हा मुख्य घटक असतो. शुद्धतेची पातळी सामान्यतः ९९.९९% पेक्षा जास्त असते, आणि यामध्ये Fe; Na; K; Cu; Al यांसारख्या धातूंच्या अशुद्धतांवर कठोर नियंत्रण ठेवले जाते.

औष्णिक ऑक्सिडीकरण प्रक्रियांमध्ये, सिलिकॉन ऑक्साईडचे थर तयार करण्यासाठी क्वार्ट्झ फर्नेस ट्यूब एक आदर्श अभिक्रिया वातावरण प्रदान करतात.

सामान्य प्रतिक्रियांमध्ये खालील गोष्टींचा समावेश होतो:

कोरडे ऑक्सिडेशन:

Si + O₂ → SiO₂

ओले ऑक्सिडेशन:

Si + H₂O → SiO₂ + H₂

या ऑक्सिडेशन प्रक्रिया यासाठी आवश्यक आहेत:

• गेट डायलेक्ट्रिकची निर्मिती;
• पृष्ठभागाचे निष्क्रियीकरण;
• विलगीकरण संरचना.

क्वार्ट्झ ट्यूबचा वापर डोपंट डिफ्यूजन प्रक्रियांमध्येही मोठ्या प्रमाणावर केला जातो, ज्यामध्ये खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

• POCl₃ वापरून फॉस्फरसचे विसरण;
• BBr₃ वापरून बोरॉनचे विसरण;
• आर्सेनिक प्रसार प्रक्रिया.

याव्यतिरिक्त, LPCVD प्रणालींमध्ये क्वार्ट्झ फर्नेस ट्यूबचा वापर खालील कारणांसाठी मोठ्या प्रमाणावर केला जातो: 

• सिलिकॉन नायट्राइडचे निक्षेपण;
• पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉनचे निक्षेपण.

क्वार्ट्ज फर्नेस ट्यूबच्या प्रमुख फायद्यांमध्ये खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

• उत्कृष्ट रासायनिक शुद्धता
• कमी औष्णिक विस्तार
• उत्कृष्ट औष्णिक एकरूपता

तथापि, क्वार्ट्झ ट्यूब्सना काही मर्यादा देखील आहेत. त्यातील प्रमुख मर्यादा म्हणजे उच्च तापमानातील यांत्रिक स्थिरता. सुमारे ११००–१२००°C पेक्षा जास्त तापमानात दीर्घकाळ वापरल्यास, क्वार्ट्झमध्ये खालील बदल होऊ शकतात:

• नळीचे विरूपण;
• लोंबणे;
• कमी झालेली यांत्रिक शक्ती.

त्यामुळे, सर्वसामान्य सिलिकॉन सेमीकंडक्टर उत्पादनासाठी क्वार्ट्झ हा पसंतीचा पर्याय राहिला आहे, परंतु तो अत्यंत उच्च तापमान किंवा अत्यंत क्षरणकारक प्रक्रियांसाठी कमी योग्य आहे.

सिलिकॉन कार्बाइड ट्यूब: प्रगत सेमीकंडक्टर उत्पादनासाठी एक उच्च-तापमान उपाय

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) सिरेमिक हे प्रगत फर्नेस ट्यूबसाठी एक आशादायक पर्यायी सामग्री म्हणून उदयास आले आहे.

SiC हे सिलिकॉन आणि कार्बन अणूंनी बनलेले एक सहसंयुजी सिरॅमिक संयुग आहे. सेमीकंडक्टर-ग्रेड SiC सिरॅमिक्समध्ये सामान्यतः खालील गोष्टींचा समावेश असतो:

• अभिक्रिया-बंधित SiC;
• सिंटर्ड SiC;
• उच्च शुद्धतेचे CVD SiC साहित्य.

क्वार्ट्झच्या तुलनेत, SiC खालील बाबींमध्ये लक्षणीय सुधारणा प्रदान करते:

• तापमान प्रतिरोध;
• यांत्रिक शक्ती;
• औष्णिक वाहकता;
• रासायनिक टिकाऊपणा.

एसआयसी फर्नेस ट्यूब्सचा एक सर्वात महत्त्वाचा फायदा म्हणजे त्यांची उत्कृष्ट उच्च-तापमान क्षमता.

साधारणपणे क्वार्ट्झ सुमारे 1200°C तापमानाच्या परिस्थितीतच काम करू शकते, तर SiC सिरेमिक्स 1500°C पेक्षा जास्त तापमान सहन करू शकतात, ज्यामुळे ते प्रगत औष्णिक प्रक्रियांसाठी योग्य ठरतात.

औष्णिक वाहकतेमधील फरक देखील लक्षणीय आहे:

• क्वार्ट्झ: ~१.४ वॅट/मीटर·केल्विन
• सिलिकॉन कार्बाइड: १२०–२०० वॅट/मीटर·केल्विन

SiC च्या उच्च औष्णिक वाहकतेमुळे खालील गोष्टी शक्य होतात:

• जलद औष्णिक प्रतिसाद;
• तापमानाची सुधारित एकसमानता;
• कमी झालेले तापमान प्रवणता.

सेमीकंडक्टर अनुप्रयोगांमध्ये, SiC फर्नेस ट्यूब्सचा विचार प्रामुख्याने खालील कारणांसाठी केला जातो:

• उच्च-तापमान ॲनीलिंग;
• प्रगत प्रसार प्रक्रिया;
• सिलिकॉन कार्बाइड ऊर्जा उपकरणांचे उत्पादन;
• GaN सेमीकंडक्टर प्रक्रिया.

ॲल्युमिना ट्यूब (Al₂O₃): एक किफायतशीर उच्च तापमान सिरॅमिक सामग्री

ॲल्युमिना सिरेमिक ट्यूब्स प्रामुख्याने ॲल्युमिनियम ऑक्साईड (Al₂O₃) पासून बनवल्या जातात, ज्यांची शुद्धता पातळी सामान्यतः 95% ते 99.8% पर्यंत असते.

ॲल्युमिना सिरेमिक्सची कार्यकारी तापमान क्षमता अंदाजे 1400–1700°C पर्यंत पोहोचू शकते, जी पारंपारिक क्वार्ट्जपेक्षा जास्त आहे.

या वैशिष्ट्यांमुळे, ॲल्युमिना फर्नेस ट्यूब्सचा वापर सामान्यतः खालील ठिकाणी केला जातो:

प्रयोगशाळेतील सेमीकंडक्टर भट्ट्या;

• संशोधन आणि विकास उपकरणे;
• प्रायोगिक औष्णिक प्रक्रिया प्रणाली.

मात्र, मोठ्या प्रमाणावरील सेमीकंडक्टर उत्पादनात ॲल्युमिनाचा वापर मर्यादित आहे. याचे मुख्य कारण म्हणजे दूषण नियंत्रण.

क्वार्ट्जच्या तुलनेत, ॲल्युमिना सिरॅमिक्समुळे खालील गोष्टी घडू शकतात:

• ॲल्युमिनियमचे प्रदूषण;
• अशुद्धतेची उच्च पातळी.

अत्यंत कमी प्रदूषण पातळी आवश्यक असलेल्या प्रगत सेमीकंडक्टर उत्पादनासाठी, क्वार्ट्झ आणि उच्च-शुद्धतेचे SiC हे पसंतीचे पर्याय आहेत.

सिलिकॉन नायट्राइड ट्यूब (Si₃N₄): उष्णतेच्या धक्क्यांना प्रतिकार करण्यासाठी प्रगत सिरेमिक

सिलिकॉन नायट्राइड (Si₃N₄) हा त्याच्या अपवादात्मक यांत्रिक गुणधर्मांसाठी ओळखला जाणारा आणखी एक प्रगत सिरॅमिक पदार्थ आहे. संभाव्य सेमीकंडक्टर उपयोगांमध्ये खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

• विशेष भट्टीचे घटक;
• संशोधन सेमीकंडक्टर उपकरणे;
• उच्च-तापमान सिरॅमिक संरचना.

तथापि, मुख्य प्रवाहातील सेमीकंडक्टर डिफ्यूजन फर्नेसमध्ये Si₃N₄ फर्नेस ट्यूब्सचा वापर खालील कारणांमुळे मोठ्या प्रमाणावर केला जात नाही:

• उत्पादन प्रक्रियेतील वाढती गुंतागुंत;
• जास्त खर्च;
• औद्योगिक पुरवठा साखळीची मर्यादित परिपक्वता.

निष्कर्ष

डिफ्यूजन फर्नेस ट्यूब हा सेमीकंडक्टर निर्मितीमधील एक महत्त्वपूर्ण पण अनेकदा दुर्लक्षित केला जाणारा घटक आहे. त्याच्या सामग्रीचा थेट परिणाम खालील बाबींवर होतो:

• वेफरचे उत्पादन;
• प्रक्रियेची स्थिरता;
• कणांची कामगिरी;
• उपकरणाचे आयुर्मान.

सध्या:

क्वार्ट्झ ट्यूबत्यांच्या अपवादात्मक शुद्धता आणि परिपक्वतेमुळे ते पारंपारिक ऑक्सिडेशन आणि डिफ्यूजन प्रक्रियांवर वर्चस्व गाजवतात.

एसआयसी ट्यूबपुढील पिढीच्या सेमीकंडक्टर अनुप्रयोगांसाठी प्रगत औष्णिक क्षमता प्रदान करणे.

ॲल्युमिना आणि सिलिकॉन नायट्राइड ट्यूब्सचा उपयोग अशा विशेष उच्च-तापमान अनुप्रयोगांमध्ये होतो, जिथे यांत्रिक कार्यक्षमतेला प्राधान्य दिले जाते.

सेमीकंडक्टर उत्पादन जसजसे उच्च तापमान, मोठे वेफर्स आणि वाइड-बँडगॅप उपकरणांच्या दिशेने वाटचाल करत आहे, तसतसे भविष्यातील सेमीकंडक्टर प्रक्रिया उपकरणांमध्ये प्रगत सिरेमिक फर्नेस ट्यूब सामग्रीची भूमिका अधिकाधिक महत्त्वाची ठरेल.