අර්ධ සන්නායක විසරණ උදුන නල ද්‍රව්‍ය: ක්වාර්ට්ස්, SiC සහ උසස් සෙරමික් විසඳුම්

හැඳින්වීම: අර්ධ සන්නායක නිෂ්පාදනයේදී උදුන නල ද්‍රව්‍යවල තීරණාත්මක කාර්යභාරය

අර්ධ සන්නායක වේෆර් නිෂ්පාදනයේදී, විසරණ උදුන නළය තාප සැකසුම් උපකරණවල භාවිතා වන වඩාත්ම තීරණාත්මක අධි-උෂ්ණත්ව ක්‍රියාවලි සංරචක වලින් එකකි. එය ප්‍රධාන අර්ධ සන්නායක ක්‍රියාවලීන් කිහිපයක් සඳහා පාලිත ප්‍රතික්‍රියා පරිසරයක් සපයයි, ඒවා අතර:

• තාප ඔක්සිකරණය;
• මාත්‍රක විසරණය;
• ඇනීලිං;
• LPCVD තැන්පත් වීම;
• ඉහළ උෂ්ණත්ව වේෆර් ප්‍රතිකාරය.

සාම්ප්‍රදායික කාර්මික උදුන සංරචක මෙන් නොව, අර්ධ සන්නායක උදුන නල අතිශයින්ම දැඩි අවශ්‍යතා සපුරාලිය යුතුය, මන්ද දූෂණය හෝ අංශු උත්පාදනය පවා වේෆර් අස්වැන්න සහ උපාංග විශ්වසනීයත්වයට සෘජුවම බලපෑ හැකිය.

අර්ධ සන්නායක විසරණය සහ ඔක්සිකරණ ක්‍රියාවලීන්හිදී, උදුන නල සාමාන්‍යයෙන් නිරාවරණය වන්නේ:

• 800°C සිට 1200°C දක්වා ඉහළ උෂ්ණත්ව පරිසරයන්;
• O₂ සහ H₂O වැනි ඔක්සිකාරක වායූන්;
• N₂ සහ Ar ඇතුළු නිෂ්ක්‍රීය වායු;
• POCl₃ සහ BBr₃ වැනි මාත්‍රක පූර්වගාමීන්;
• HCl වැනි විඛාදන රසායනික විශේෂ.

එබැවින්, උදුන නල ද්‍රව්‍ය එකවර සැපයිය යුතුය:

• අතිශය ඉහළ රසායනික සංශුද්ධතාවය;
• විශිෂ්ට තාප ස්ථායිතාව;
• අඩු ලෝහ දූෂණය;
• ඉහළ විඛාදන ප්රතිරෝධය;
• අඩු අංශු උත්පාදනය;
• දිගු මෙහෙයුම් ආයු කාලය.

අර්ධ සන්නායක උපකරණ ද්‍රව්‍ය ප්‍රමිතීන් සහ කර්මාන්ත පිළිවෙත් අනුව, බහුලව භාවිතා වන උදුන නල ද්‍රව්‍ය අතරට:

• අධි සංශුද්ධතා ක්වාර්ට්ස් (විලයන සිලිකා, SiO₂)
• සිලිකන් කාබයිඩ් (SiC සෙරමික්)
• ඇලුමිනා සෙරමික් (Al₂O₃)
• සිලිකන් නයිට්‍රයිඩ් සෙරමික් (Si₃N₄)

ඉහළ සංශුද්ධතාවයකින් යුත් ක්වාර්ට්ස් නළය

සියලුම අර්ධ සන්නායක උදුන නල ද්‍රව්‍ය අතර, ඉහළ සංශුද්ධතාවයකින් යුත් ක්වාර්ට්ස් නළය එහි කැපී පෙනෙන සංශුද්ධතාවය, තාප ස්ථායිතාව සහ පරිණත සැකසුම් තාක්ෂණය හේතුවෙන් සාම්ප්‍රදායික සිලිකන් වේෆර් නිෂ්පාදනය සඳහා ප්‍රමුඛ විසඳුම ලෙස පවතී.

අර්ධ සන්නායක ශ්‍රේණියේ ක්වාර්ට්ස් නල නිෂ්පාදනය කරනු ලබන්නේ ඉහළ සංශුද්ධතාවයකින් යුත් විලයන සිලිකා වලින් වන අතර, එහි ප්‍රාථමික සංරචකය සිලිකන් ඩයොක්සයිඩ් (SiO₂) වේ. සංශුද්ධතා මට්ටම සාමාන්‍යයෙන් 99.99% ඉක්මවන අතර, ලෝහමය අපද්‍රව්‍ය දැඩි ලෙස පාලනය කිරීමත් සමඟ: Fe; Na; K; Cu; Al.

තාප ඔක්සිකරණ ක්‍රියාවලීන්හිදී, ක්වාර්ට්ස් උදුන නල සිලිකන් ඔක්සයිඩ් ස්ථර සෑදීම සඳහා කදිම ප්‍රතික්‍රියා පරිසරයක් සපයයි.

සාමාන්‍ය ප්‍රතික්‍රියා වලට ඇතුළත් වන්නේ:

වියළි ඔක්සිකරණය:

Si + O₂ → SiO₂

තෙත් ඔක්සිකරණය:

Si + H₂O → SiO₂ + H₂

මෙම ඔක්සිකරණ ක්‍රියාවලීන් අත්‍යවශ්‍ය වන්නේ:

• ගේට්ටු පාර විද්‍යුත් ද්‍රව්‍ය සෑදීම;
• මතුපිට අක්‍රිය කිරීම;
• හුදකලා ව්‍යුහයන්.

මාත්‍රක විසරණ ක්‍රියාවලීන්හි දී ක්වාර්ට්ස් නල බහුලව භාවිතා වේ, ඒවා අතර:

• POCl₃ භාවිතයෙන් පොස්පරස් විසරණය;
• BBr₃ භාවිතයෙන් බෝරෝන් විසරණය;
• ආසනික් විසරණ ක්‍රියාවලීන්.

ඊට අමතරව, ක්වාර්ට්ස් උදුන නල LPCVD පද්ධතිවල බහුලව භාවිතා වන්නේ: 

• සිලිකන් නයිට්‍රයිඩ් තැන්පත් වීම;
• බහු ස්ඵටිකරූපී සිලිකන් තැන්පත් වීම.

ක්වාර්ට්ස් උදුන නල වල ප්‍රධාන වාසි අතර:

• විශිෂ්ට රසායනික සංශුද්ධතාවය
• අඩු තාප ප්‍රසාරණය
• විශිෂ්ට තාප ඒකාකාරිත්වය

කෙසේ වෙතත්, ක්වාර්ට්ස් නල වලට ද යම් සීමාවන් ඇත. ප්‍රධාන සීමාව වන්නේ ඉහළ උෂ්ණත්ව යාන්ත්‍රික ස්ථායිතාවයි. ආසන්න වශයෙන් 1100–1200°C ට වඩා දිගු කාලයක් ක්‍රියාත්මක වීමේදී, ක්වාර්ට්ස් වලට පහත දේ අත්විඳිය හැකිය:

• නල විරූපණය;
• එල්ලා වැටීම;
• යාන්ත්‍රික ශක්තිය අඩු වීම.

එබැවින්, ප්‍රධාන ධාරාවේ සිලිකන් අර්ධ සන්නායක නිෂ්පාදනය සඳහා ක්වාර්ට්ස් වඩාත් කැමති තේරීම ලෙස පවතී, නමුත් අතිශයින් ඉහළ උෂ්ණත්ව හෝ අධික විඛාදන ක්‍රියාවලීන් සඳහා එතරම් සුදුසු නොවේ.

සිලිකන් කාබයිඩ් නළය: උසස් අර්ධ සන්නායක නිෂ්පාදනය සඳහා ඉහළ උෂ්ණත්ව විසඳුමක්.

දියුණු උදුන නල සඳහා පොරොන්දු වූ විකල්ප ද්‍රව්‍යයක් ලෙස සිලිකන් කාබයිඩ් (SiC) සෙරමික් මතු වී තිබේ.

SiC යනු සිලිකන් සහ කාබන් පරමාණු වලින් සමන්විත සහසංයුජ සෙරමික් සංයෝගයකි. අර්ධ සන්නායක ශ්‍රේණියේ SiC සෙරමික් සාමාන්‍යයෙන් ඇතුළත් වන්නේ:

• ප්‍රතික්‍රියා බන්ධන SiC;
• සින්ටර් කරන ලද SiC;
• ඉහළ සංශුද්ධතාවයකින් යුත් CVD SiC ද්‍රව්‍ය.

ක්වාර්ට්ස් හා සසඳන විට, SiC සැලකිය යුතු ලෙස වැඩිදියුණු කර ඇත:

• උෂ්ණත්ව ප්රතිරෝධය;
• යාන්ත්‍රික ශක්තිය;
• තාප සන්නායකතාවය;
• රසායනික කල්පැවැත්ම.

SiC උදුන නලවල ඇති වඩාත්ම වැදගත් වාසියක් වන්නේ ඒවායේ උසස් අධි-උෂ්ණත්ව හැකියාවයි.

ක්වාර්ට්ස් සාමාන්‍යයෙන් ආසන්න වශයෙන් 1200°C මෙහෙයුම් තත්ත්වයන්ට සීමා වුවද, SiC සෙරමික් 1500°C ඉක්මවන උෂ්ණත්වයන්ට ඔරොත්තු දිය හැකි අතර, ඒවා උසස් තාප ක්‍රියාවලීන් සඳහා සුදුසු වේ.

තාප සන්නායකතා වෙනස ද සැලකිය යුතු ය:

• ක්වාර්ට්ස්: ~1.4 W/m·K
• සිලිකන් කාබයිඩ්: 120–200 W/m·K

SiC හි ඉහළ තාප සන්නායකතාවය මඟින්:

• වේගවත් තාප ප්‍රතිචාරය;
• උෂ්ණත්ව ඒකාකාරිත්වය වැඩි දියුණු කිරීම;
• අඩු කළ තාප අනුක්‍රමණ.

අර්ධ සන්නායක යෙදීම් වලදී, SiC උදුන නල ප්‍රධාන වශයෙන් සලකා බලනු ලබන්නේ:

• ඉහළ උෂ්ණත්ව ඇනීලිං;
• උසස් විසරණ ක්‍රියාවලීන්;
• සිලිකන් කාබයිඩ් බල උපාංග නිෂ්පාදනය;
• GaN අර්ධ සන්නායක සැකසුම්.

ඇලුමිනා ටියුබ් (Al₂O₃): පිරිවැය-ඵලදායී ඉහළ උෂ්ණත්ව සෙරමික් ද්‍රව්‍යයකි.

ඇලුමිනා සෙරමික් නල ප්‍රධාන වශයෙන් ඇලුමිනියම් ඔක්සයිඩ් (Al₂O₃) වලින් නිපදවනු ලබන අතර, සාමාන්‍යයෙන් සංශුද්ධතා මට්ටම් 95% සිට 99.8% දක්වා පරාසයක පවතී.

ඇලුමිනා සෙරමික් වල ක්‍රියාකාරී උෂ්ණත්ව හැකියාව ආසන්න වශයෙන් ළඟා විය හැකිය: 1400–1700°C. එය සාම්ප්‍රදායික ක්වාර්ට්ස් වලට වඩා වැඩිය.

මෙම ලක්ෂණ නිසා, ඇලුමිනා උදුන නල බහුලව භාවිතා වන්නේ:

රසායනාගාර අර්ධ සන්නායක ඌෂ්මක;

• l පර්යේෂණ සහ සංවර්ධන උපකරණ;
• l පර්යේෂණාත්මක තාප සැකසුම් පද්ධති.

කෙසේ වෙතත්, ඉහළ පරිමාවකින් යුත් අර්ධ සන්නායක නිෂ්පාදනයේදී ඇලුමිනා භාවිතය සීමිතය. ප්‍රධාන හේතුව දූෂණය පාලනය කිරීමයි.

ක්වාර්ට්ස් හා සසඳන විට, ඇලුමිනා සෙරමික් හඳුන්වා දිය හැකිය:

• ඇලුමිනියම් දූෂණය;
• l ඉහළ අපිරිසිදු මට්ටම්.

අතිශය අඩු දූෂණ මට්ටම් අවශ්‍ය වන දියුණු අර්ධ සන්නායක නිෂ්පාදනය සඳහා, ක්වාර්ට්ස් සහ ඉහළ සංශුද්ධතාවයකින් යුත් SiC වඩාත් කැමති තේරීම් ලෙස පවතී.

සිලිකන් නයිට්‍රයිඩ් නළය (Si₃N₄): තාප කම්පන ප්‍රතිරෝධය සඳහා උසස් සෙරමික්

සිලිකන් නයිට්‍රයිඩ් (Si₃N₄) යනු එහි සුවිශේෂී යාන්ත්‍රික ගුණාංග සඳහා ප්‍රසිද්ධ තවත් දියුණු සෙරමික් ද්‍රව්‍යයකි. විභව අර්ධ සන්නායක යෙදුම් අතරට:

• විශේෂිත උදුන සංරචක;
• පර්යේෂණ අර්ධ සන්නායක උපකරණ;
• ඉහළ උෂ්ණත්ව සෙරමික් ව්‍යුහයන්.

කෙසේ වෙතත්, ප්‍රධාන ධාරාවේ අර්ධ සන්නායක විසරණ ඌෂ්මකවල Si₃N₄ ඌෂ්මක නල බහුලව භාවිතා නොවන්නේ පහත සඳහන් හේතු නිසාය:

• නිෂ්පාදනයේ ඉහළ සංකීර්ණතාව;
• ඉහළ පිරිවැය;
• සීමිත කාර්මික සැපයුම් දාම පරිණතභාවය.

නිගමනය

විසරණ උදුන නළය අර්ධ සන්නායක නිෂ්පාදනයේ ඉතා වැදගත් නමුත් බොහෝ විට අවතක්සේරු කරන ලද සංරචකයකි. එහි ද්‍රව්‍යය සෘජුවම බලපායි:

• වේෆර් අස්වැන්න;
• ක්‍රියාවලි ස්ථායිතාව;
• අංශු කාර්ය සාධනය;
• උපකරණ ආයු කාලය.

දැනට:

ක්වාර්ට්ස් නලඒවායේ සුවිශේෂී සංශුද්ධතාවය සහ පරිණතභාවය හේතුවෙන් සාම්ප්‍රදායික ඔක්සිකරණ සහ විසරණ ක්‍රියාවලීන්හි ප්‍රමුඛස්ථානය ගනී.

SiC නලඊළඟ පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක යෙදුම් සඳහා උසස් තාප හැකියාව ලබා දීම.

ඇලුමිනා සහ සිලිකන් නයිට්‍රයිඩ් නල, යාන්ත්‍රික ක්‍රියාකාරිත්වයට ප්‍රමුඛතාවය දෙන විශේෂිත අධි-උෂ්ණත්ව යෙදුම් සඳහා සේවය කරයි.

අර්ධ සන්නායක නිෂ්පාදනය ඉහළ උෂ්ණත්වයන්, විශාල වේෆර් සහ පුළුල් කලාප පරතරය උපාංග දෙසට අඛණ්ඩව සිදුවන විට, දියුණු සෙරමික් උදුන නල ද්‍රව්‍ය අනාගත අර්ධ සන්නායක ක්‍රියාවලි උපකරණවල වඩ වඩාත් වැදගත් කාර්යභාරයක් ඉටු කරනු ඇත.