குறைக்கடத்தி பரவல் உலை குழாய் மூலப்பொருட்கள்: குவார்ட்ஸ், SiC மற்றும் மேம்பட்ட பீங்கான் தீர்வுகள்

அறிமுகம்: குறைக்கடத்தி உற்பத்தியில் உலைக்குழாய் பொருட்களின் முக்கியப் பங்கு

குறைக்கடத்தி வேஃபர் உருவாக்கத்தில், பரவல் உலைக் குழாய் (Diffusion Furnace Tube) என்பது வெப்பச் செயலாக்க உபகரணங்களில் பயன்படுத்தப்படும் மிக முக்கியமான உயர்-வெப்பநிலை செயல்முறைக் கூறுகளில் ஒன்றாகும். இது பின்வரும் பல முக்கிய குறைக்கடத்தி செயல்முறைகளுக்குக் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட வினைச் சூழலை வழங்குகிறது:

• வெப்ப ஆக்ஸிஜனேற்றம்;
• கலப்புப் பொருள் பரவல்;
• மென்மையாக்குதல்;
• LPCVD படிவு;
• உயர் வெப்பநிலை வேஃபர் பதப்படுத்துதல்.

வழக்கமான தொழில்துறை உலைக் கூறுகளைப் போலல்லாமல், குறைக்கடத்தி உலைக் குழாய்கள் மிகவும் கடுமையான தேவைகளைப் பூர்த்தி செய்ய வேண்டும், ஏனெனில் மிகச்சிறிய அளவிலான மாசு அல்லது துகள் உருவாக்கம் கூட வேஃபர் உற்பத்தி மற்றும் சாதனத்தின் நம்பகத்தன்மையை நேரடியாகப் பாதிக்கக்கூடும்.

குறைக்கடத்தி பரவல் மற்றும் ஆக்சிஜனேற்ற செயல்முறைகளின் போது, ​​உலைக் குழாய்கள் பொதுவாக பின்வருவனவற்றிற்கு உட்படுகின்றன:

• 800°C முதல் 1200°C வரையிலான உயர் வெப்பநிலைச் சூழல்கள்;
• O₂ மற்றும் H₂O போன்ற ஆக்சிஜனேற்ற வாயுக்கள்;
• N₂ மற்றும் Ar உள்ளிட்ட மந்த வாயுக்கள்;
• POCl₃ மற்றும் BBr₃ போன்ற கலப்புப் பொருள் முன்னோடிகள்;
• HCl போன்ற அரிக்கும் இரசாயன இனங்கள்.

எனவே, உலைக்குழாய் பொருட்கள் ஒரே நேரத்தில் பின்வருவனவற்றை வழங்க வேண்டும்:

• மிக உயர்ந்த இரசாயனத் தூய்மை;
• சிறந்த வெப்ப நிலைத்தன்மை;
• குறைந்த உலோகக் கலப்படம்;
• அதிக அரிப்பு எதிர்ப்புத்திறன்;
• குறைந்த துகள் உருவாக்கம்;
• நீண்ட செயல்பாட்டுக் காலம்.

குறைக்கடத்தி உபகரணப் பொருள் தரநிலைகள் மற்றும் தொழில்துறை நடைமுறைகளின்படி, மிகவும் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் உலைக் குழாய்ப் பொருட்களில் பின்வருவன அடங்கும்:

• உயர் தூய்மை குவார்ட்ஸ் (உருகிய சிலிக்கா, SiO₂)
• சிலிக்கான் கார்பைடு (SiC செராமிக்)
• அலுமினா செராமிக் (Al₂O₃)
• சிலிக்கான் நைட்ரைடு செராமிக் (Si₃N₄)

உயர் தூய்மை குவார்ட்ஸ் குழாய்

அனைத்து குறைக்கடத்தி உலைக் குழாய் பொருட்களிலும், உயர் தூய்மை கொண்ட குவார்ட்ஸ் குழாயானது, அதன் சிறந்த தூய்மை, வெப்ப நிலைத்தன்மை மற்றும் முதிர்ந்த செயலாக்கத் தொழில்நுட்பம் ஆகியவற்றின் காரணமாக, வழக்கமான சிலிக்கான் வேஃபர் உற்பத்திக்கு முதன்மையான தீர்வாகத் திகழ்கிறது.

குறைக்கடத்தித் தரத்திலான குவார்ட்ஸ் குழாய்கள், உயர் தூய்மையுள்ள உருகிய சிலிக்காவிலிருந்து தயாரிக்கப்படுகின்றன; இதன் முதன்மைக் கூறு சிலிக்கான் டை ஆக்சைடு (SiO₂) ஆகும். இதன் தூய்மை நிலை பொதுவாக 99.99%-ஐத் தாண்டுகிறது, மேலும் Fe; Na; K; Cu; Al உள்ளிட்ட உலோகக் கலப்படங்கள் கடுமையாகக் கட்டுப்படுத்தப்படுகின்றன.

வெப்ப ஆக்சிஜனேற்ற செயல்முறைகளில், குவார்ட்ஸ் உலைக்குழாய்கள் சிலிக்கான் ஆக்சைடு அடுக்குகளை உருவாக்குவதற்கு உகந்த வினைச் சூழலை வழங்குகின்றன.

பொதுவான எதிர்வினைகள் பின்வருமாறு:

உலர் ஆக்சிஜனேற்றம்:

Si + O₂ → SiO₂

ஈர ஆக்சிஜனேற்றம்:

Si + H₂O → SiO₂ + H₂

இந்த ஆக்சிஜனேற்ற செயல்முறைகள் பின்வருவனவற்றிற்கு அவசியமானவை:

• கேட் மின்காப்பு உருவாக்கம்;
• மேற்பரப்பு செயலற்றதாக்குதல்;
• தனிமைப்படுத்தல் கட்டமைப்புகள்.

குவார்ட்ஸ் குழாய்கள், பின்வருவன உள்ளிட்ட கலப்புப் பொருள் பரவல் செயல்முறைகளிலும் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன:

• POCl₃-ஐப் பயன்படுத்தி பாஸ்பரஸ் பரவல்;
• BBr₃-ஐப் பயன்படுத்தி போரான் பரவல்;
• ஆர்சனிக் பரவல் செயல்முறைகள்.

மேலும், குவார்ட்ஸ் உலைக் குழாய்கள் LPCVD அமைப்புகளில் பின்வருவனவற்றிற்காகப் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன: 

• சிலிக்கான் நைட்ரைடு படிதல்;
• பல்படிக சிலிக்கான் படிவு.

குவார்ட்ஸ் உலைக் குழாய்களின் முக்கிய நன்மைகள் பின்வருமாறு:

• சிறந்த இரசாயன தூய்மை
• குறைந்த வெப்ப விரிவாக்கம்
• சிறந்த வெப்ப சீரான தன்மை

இருப்பினும், குவார்ட்ஸ் குழாய்களுக்கும் சில வரம்புகள் உள்ளன. உயர் வெப்பநிலை இயந்திர நிலைத்தன்மையே இதன் முதன்மை வரம்பாகும். சுமார் 1100–1200°C-க்கு மேல் நீண்ட நேரம் இயங்கும்போது, ​​குவார்ட்ஸ் பின்வரும் பாதிப்புகளைச் சந்திக்கக்கூடும்:

• குழாய் உருக்குலைவு;
• தொய்வு;
• இயந்திர வலிமை குறைந்தது.

எனவே, பிரதான சிலிக்கான் குறைக்கடத்தி உற்பத்திக்கு குவார்ட்ஸ் விரும்பப்படும் தேர்வாக உள்ளது, ஆனால் மிக அதிக வெப்பநிலை அல்லது அதிக அரிப்புத்தன்மை கொண்ட செயல்முறைகளுக்கு இது அவ்வளவு பொருத்தமானதல்ல.

சிலிக்கான் கார்பைடு குழாய்: மேம்பட்ட குறைக்கடத்தி உற்பத்திக்கான ஒரு உயர்-வெப்பநிலைத் தீர்வு

சிலிக்கான் கார்பைடு (SiC) பீங்கான், மேம்பட்ட உலைக் குழாய்களுக்கான ஒரு நம்பிக்கைக்குரிய மாற்றுப் பொருளாக உருவெடுத்துள்ளது.

SiC என்பது சிலிக்கான் மற்றும் கார்பன் அணுக்களைக் கொண்ட ஒரு சகப்பிணைப்பு பீங்கான் சேர்மம் ஆகும். குறைக்கடத்தித் தர SiC பீங்கான்களில் பொதுவாக பின்வருவன அடங்கும்:

• வினைப் பிணைப்புற்ற SiC;
• சின்டர்டு SiC;
• உயர் தூய்மை கொண்ட CVD SiC பொருட்கள்.

குவார்ட்ஸுடன் ஒப்பிடுகையில், SiC குறிப்பிடத்தக்க அளவு மேம்பட்ட பலன்களை வழங்குகிறது:

• வெப்பநிலை எதிர்ப்பு;
• இயந்திர வலிமை;
• வெப்பக் கடத்துத்திறன்;
• வேதியியல் நிலைத்தன்மை.

SiC உலைக் குழாய்களின் மிக முக்கியமான நன்மைகளில் ஒன்று, அவற்றின் உயர்ந்த வெப்பநிலை தாங்கும் திறன் ஆகும்.

குவார்ட்ஸ் பொதுவாக சுமார் 1200°C இயக்க நிலைமைகளுக்கு மட்டுப்படுத்தப்பட்டிருக்கும் நிலையில், SiC பீங்கான்கள் 1500°C-க்கும் அதிகமான வெப்பநிலையைத் தாங்கக்கூடியவை, இது அவற்றை மேம்பட்ட வெப்ப செயல்முறைகளுக்கு ஏற்றதாக ஆக்குகிறது.

வெப்பக் கடத்துத்திறன் வேறுபாடும் குறிப்பிடத்தக்கதாகும்:

• குவார்ட்ஸ்: ~1.4 W/m·K
• சிலிக்கான் கார்பைடு: 120–200 W/m·K

SiC இன் அதிக வெப்பக் கடத்துத்திறன் பின்வருவனவற்றைச் சாத்தியமாக்குகிறது:

• வேகமான வெப்பப் பிரதிபலிப்பு;
• மேம்படுத்தப்பட்ட வெப்பநிலை சீரான தன்மை;
• குறைக்கப்பட்ட வெப்ப சாய்வுகள்.

குறைக்கடத்திப் பயன்பாடுகளில், SiC உலைக் குழாய்கள் முக்கியமாகப் பின்வருவனவற்றிற்காகக் கருதப்படுகின்றன:

• உயர் வெப்பநிலை பதப்படுத்துதல்;
• மேம்பட்ட பரவல் செயல்முறைகள்;
• சிலிக்கான் கார்பைடு ஆற்றல் சாதன உற்பத்தி;
• GaN குறைக்கடத்தி செயலாக்கம்.

அலுமினா குழாய் (Al₂O₃): ஒரு செலவு குறைந்த உயர் வெப்பநிலை பீங்கான் பொருள்

அலுமினா செராமிக் குழாய்கள் முதன்மையாக அலுமினியம் ஆக்சைடிலிருந்து (Al₂O₃) தயாரிக்கப்படுகின்றன, இதன் தூய்மை நிலை பொதுவாக 95% முதல் 99.8% வரை இருக்கும்.

அலுமினா பீங்கான்களின் இயக்க வெப்பநிலைத் திறன் சுமார் 1400–1700°C வரை அடையலாம், இது வழக்கமான குவார்ட்ஸை விட அதிகமாகும்.

இந்தப் பண்புகளின் காரணமாக, அலுமினா உலைக் குழாய்கள் பொதுவாகப் பின்வருவனவற்றில் பயன்படுத்தப்படுகின்றன:

ஆய்வக குறைக்கடத்தி உலைகள்;

• ஆராய்ச்சி மற்றும் மேம்பாட்டு உபகரணங்கள்;
• சோதனை வெப்பச் செயலாக்க அமைப்புகள்.

இருப்பினும், அதிக அளவிலான குறைக்கடத்தி உற்பத்தியில் அலுமினாவின் பயன்பாடு குறைவாகவே உள்ளது. இதற்கான முக்கிய காரணம் மாசுக்கட்டுப்பாடே ஆகும்.

குவார்ட்ஸுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​அலுமினா பீங்கான்கள் பின்வரும் அம்சங்களை அறிமுகப்படுத்தலாம்:

• அலுமினியக் கலப்படம்;
• அதிக அசுத்த அளவுகள்.

மிகக் குறைந்த மாசு அளவு தேவைப்படும் மேம்பட்ட குறைக்கடத்தி உற்பத்திக்கு, குவார்ட்ஸ் மற்றும் உயர் தூய்மை கொண்ட SiC ஆகியவை விரும்பப்படும் தேர்வுகளாகத் திகழ்கின்றன.

சிலிக்கான் நைட்ரைடு குழாய் (Si₃N₄): வெப்ப அதிர்ச்சி எதிர்ப்பிற்கான மேம்பட்ட பீங்கான்

சிலிக்கான் நைட்ரைடு (Si₃N₄) என்பது அதன் சிறப்பான இயந்திரவியல் பண்புகளுக்காக அறியப்படும் மற்றொரு மேம்பட்ட பீங்கான் பொருளாகும். சாத்தியமான குறைக்கடத்திப் பயன்பாடுகள் பின்வருமாறு:

• சிறப்பு உலைக் கூறுகள்;
• குறைக்கடத்தி உபகரணங்களை ஆராய்தல்;
• உயர் வெப்பநிலை பீங்கான் கட்டமைப்புகள்.

இருப்பினும், பின்வரும் காரணங்களால் Si₃N₄ உலைக் குழாய்கள் பிரதான குறைக்கடத்தி பரவல் உலைகளில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுவதில்லை:

• அதிக உற்பத்திச் சிக்கல்தன்மை;
• அதிக செலவு;
• தொழில்துறை விநியோகச் சங்கிலியின் முதிர்ச்சி குறைவாக உள்ளது.

முடிவு

குறைக்கடத்தி உற்பத்தியில் பரவல் உலைக் குழாய் ஒரு முக்கியமான ஆனால் பெரும்பாலும் குறைத்து மதிப்பிடப்படும் ஒரு அங்கமாகும். அதன் மூலப்பொருள் பின்வருவனவற்றை நேரடியாகப் பாதிக்கிறது:

• வேஃபர் விளைச்சல்;
• செயல்முறை நிலைத்தன்மை;
• துகள் செயல்திறன்;
• உபகரணத்தின் ஆயுட்காலம்.

தற்போது:

குவார்ட்ஸ் குழாய்கள்அவற்றின் விதிவிலக்கான தூய்மை மற்றும் முதிர்ச்சி காரணமாக, வழக்கமான ஆக்சிஜனேற்றம் மற்றும் பரவல் செயல்முறைகளில் ஆதிக்கம் செலுத்துகின்றன.

SiC குழாய்கள்அடுத்த தலைமுறை குறைக்கடத்திப் பயன்பாடுகளுக்கு மேம்பட்ட வெப்பத் திறனை வழங்குகிறது.

அலுமினா மற்றும் சிலிக்கான் நைட்ரைடு குழாய்கள், இயந்திர செயல்திறனுக்கு முன்னுரிமை அளிக்கப்படும் சிறப்பு உயர்-வெப்பநிலை பயன்பாடுகளுக்கு உதவுகின்றன.

குறைக்கடத்தி உற்பத்தி உயர் வெப்பநிலை, பெரிய வேஃபர்கள் மற்றும் அகன்ற பட்டை இடைவெளி சாதனங்களை நோக்கித் தொடர்வதால், எதிர்கால குறைக்கடத்தி செயல்முறை உபகரணங்களில் மேம்பட்ட செராமிக் உலைக் குழாய் பொருட்கள் பெருகிய முறையில் முக்கியப் பங்கு வகிக்கும்.