سرامیک شفاف: مواد پنجره برتر برای تجهیزات نیمه هادی

تولید نیمه هادی یک سیستم میکروساخت{0}دقت بالا است. فرآیندهای اصلی مانند فتولیتوگرافی، اچینگ، رسوب لایه نازک- و کاشت یونی همگی در محفظه‌های خلاء مهر و موم شده انجام می‌شوند. پنجره‌های شفاف به‌عنوان تنها درگاه مشاهده در محفظه‌های تجهیزات نیمه‌رسانا، مهندسان را قادر می‌سازد تا شرایط داخلی را در زمان واقعی نظارت کنند تا عملکرد فرآیند و ایمنی تجهیزات را تضمین کنند. با این حال، محیط عملیاتی اتاق های تجهیزات نیمه هادی مدرن به طور فزاینده ای خشن شده است. پنجره های شفاف دائماً توسط پلاسماهای مبتنی بر فلوئور و اکسیژن-، پرتوهای یونی پرانرژی{{8} و اشعه ماوراء بنفش بمباران می شوند و همچنین در معرض مواد شیمیایی خورنده قرار می گیرند. در همین حال، محفظه ها اغلب تحت چرخه های گرمایش و سرمایش سریع از دمای اتاق تا صدها درجه سانتیگراد قرار می گیرند و اختلاف فشار مداوم بین خلاء داخلی و جو خارجی را تحمل می کنند. شیشه‌های سیلیسی ذوب شده سنتی و شیشه‌های نوری معمولی دیگر نمی‌توانند نیازمندی‌های{11}تولید پیشرفته را برآورده کنند.

در مقابل این پس‌زمینه، سرامیک‌های شفاف با کارایی بالا-به دلیل مقاومت فوق‌العاده در برابر خوردگی،-پایداری دما، مقاومت در برابر تشعشع، استحکام مکانیکی بالا و انتقال نور عالی، به مواد اصلی اصلی برای پنجره‌های شفاف تجهیزات نیمه‌رسانا تبدیل شده‌اند. این مقاله به بررسی مواد رایج پنجره سرامیکی شفاف برای تجهیزات نیمه هادی می پردازد و مرجعی برای انتخاب مواد و کاربرد عملی ارائه می دهد.

مواد سرامیکی شفاف برای پنجره های تجهیزات نیمه هادی

بر خلاف سرامیک‌های مات معمولی، سرامیک‌های شفاف با استفاده از پودرهای سرامیکی فوق‌العاده خالص-و-به‌عنوان مواد خام تولید می‌شوند. با اتخاذ تکنیک‌های ساخت پیچیده مانند تف جوشی در اتمسفر،- تف جوشی با فشار داغ و تف جوشی در خلاء، به چگالی نظری نزدیک به-و ساختار کاملاً متراکمی دست می‌یابند که پراکندگی نور ناشی از منافذ را حذف می‌کند. علاوه بر این، فناوری کنترل دانه برای اطمینان از اندازه دانه یکنواخت، مرزهای دانه نازک و عدم تفکیک ناخالصی به کار می رود، و به شدت پراکندگی نور را در مرزهای دانه کاهش می دهد. تک بلورهای شفاف نیز می‌توانند از طریق روش‌های رشد کریستال ساخته شوند که دارای شبکه‌های منظم-و چگالی نقص بسیار کم برای به حداقل رساندن تلفات پراکندگی نور هستند.

همه پودرهای سرامیکی برای تولید سرامیک های شفاف مناسب نیستند. در حال حاضر، مواد سیستم کریستالی مکعبی شامل ایتریا (Y2O3)، گارنت آلومینیوم ایتریم (YAG) و اکسی نیترید آلومینیوم (AlON) به طور گسترده استفاده می شود. این مواد از نظر نوری ایزوتروپیک و بدون انکسار مضاعف هستند و عبور نور عالی را ارائه می دهند. مواد تک کریستالی مانند یاقوت کبود با ساختار کریستالی شش ضلعی نیز دارای شبکه‌های منظم و چگالی عیب کم هستند که به عبور نور بالا و یکنواخت با اعوجاج نوری کم دست می‌یابند.

1. سرامیک شفاف ایتریا (Y2O3).

سرامیک های شفاف ایتریا دارای باند انتقال نوری بسیار وسیعی هستند که از اشعه ماوراء بنفش عمیق (0.25 میکرومتر) تا مادون قرمز میانه (8 میکرومتر) را شامل می شود. این یکی از معدود مواد اکسیدی است که نور را هم در ناحیه ماوراء بنفش عمیق و هم در ناحیه مادون قرمز میانه- منتقل می کند. سرامیک های شفاف ایتریا با کیفیت بالا معمولاً 70٪ تا 85٪ عبور نور قابل مشاهده را دارند.

فراتر از عملکرد نوری برتر، ایتریا (Y2O3) مقاومت استثنایی در برابر خوردگی پلاسمای مبتنی بر{0}}فلورین از خود نشان می‌دهد. انرژی پیوند پیوندهای Y-O به 780 کیلوژول بر مول می رسد و ماده را از نظر شیمیایی نسبت به عناصر هالوژن، به ویژه فلوئور و کلر بی اثر می کند. حتی هنگام واکنش با فلوئور، یک لایه ایتریم فلوراید پایدار و متراکم (YF3) تشکیل می دهد که در برابر لایه برداری مقاومت می کند. این ویژگی تولید ذرات را تا حد زیادی کاهش می دهد و از فرسایش بیشتر اجزای محفظه مانند حفره ها و سر دوش توسط پلاسمای فلوئور جلوگیری می کند و در نتیجه عمر مفید را افزایش می دهد. در محیط‌های پلاسمایی معمولی-بر پایه فلوئور با چگالی بالا-یا مبتنی بر کلر-، میزان اچینگ آن فقط 1/20 تا 1/50 نسبت به شیشه کوارتز است. با نقطه ذوب 2430 درجه، ایتریا می‌تواند یکپارچگی ساختاری را بدون تبخیر یا تغییر شکل تحت سرویس طولانی مدت بالای 1750 درجه حفظ کند و با شرایط دمایی شدید فرآیندهای پلاسما سازگار شود. این یک کاندید ایده آل برای پنجره های شفاف تجهیزات اچینگ{18}بالا است.

اشکالات اصلی آن در استحکام مکانیکی و سختی نسبتاً کم است (سختی Mohs: 6.5-7). در مقایسه با یاقوت کبود از مقاومت ضربه ای و مقاومت در برابر خستگی فشار پایین تری برخوردار است که آن را برای شرایط عملیاتی شامل فشار بالا و ضربه شدید نامناسب می کند.

2. گارنت آلومینیوم ایتریوم (YAG)

YAG با دوپینگ ایتریا با نسبت معینی از آلومینا سنتز می شود. مانند ایتریا، ساختار کریستالی مکعبی دارد که پایداری مکانیکی آلومینا را با مقاومت دمایی بالا و مزایای نوری ایتریا ترکیب می کند. با-عملکرد کلی متعادل، YAG نیز مقرون به صرفه تر از ایتریای خالص است. از نظر اپتیکی، کریستال‌های YAG خالص گذردهی بالایی را در طول موج 0.25 میکرومتر تا 5 میکرومتر ارائه می‌کنند، با عبور مادون قرمز مرئی و نزدیک{8}} بیش از 80%. قابل توجه است که هیچ جذب نوری در باند 2 میکرومتر تا 3 میکرومتر نشان نمی‌دهد، و آن را برای شرایط کاری شامل پلاسمای فلوئور نسبتاً شدید، دماهای بالا و اختلاف فشار خلاء قابل استفاده است.

3. آلومینیوم اکسی نیترید (AlON)

سرامیک های شفاف AlON دارای گذر نوری عالی از اشعه ماوراء بنفش و نور مرئی تا باندهای مادون قرمز میانه با گذر بالای 80 درصد در محدوده طول موج 0.2 میکرومتر تا 6.0 میکرومتر هستند. دارای سختی ویکرز 17-18 گیگا پاسکال و مقاومت خمشی تقریباً 300 مگاپاسکال است. AlON با داشتن سختی بالا و چقرمگی مناسب، مقاومت عالی در برابر ضربه و خراش دارد. با این حال، تولید آن نیاز به تف جوشی در 1750 درجه تا 1900 درجه دارد که منجر به مصرف انرژی و هزینه های ساخت بالا می شود.

4. سرامیک آلومینا شفاف

سرامیک‌های آلومینا شفاف به گذرندگی بالای بیش از 90 درصد در باندهای مرئی و نزدیک مادون قرمز (200 تا 2200 نانومتر) دست می‌یابند که نیازهای نظارت نوری تجهیزات نیمه‌رسانا را برآورده می‌کند. آنها همچنین می توانند در دمای بالای 1000 درجه به طور پایدار عمل کنند. از نظر تولید، سرامیک های آلومینا شفاف از فرآیندهای تولید بالغ بهره می برند. آنها را می توان از طریق تف جوشی بدون فشار، زینترینگ با پرس داغ و روش های دیگر، با هزینه کم مواد اولیه، پنجره فرآیند گسترده و تولید آسان-در مقیاس بزرگ، ساخت.

با این وجود، انرژی پیوند پیوندهای Al-O حدود 498 کیلوژول بر مول است. در حالی که این ماده در برابر بیشتر خوردگی شیمیایی مقاومت می کند، در شرایط پلاسما با انرژی بالا به آسانی با فلوئور واکنش می دهد و فلوراید آلومینیوم (AlF3) را تشکیل می دهد. این لایه فلوراید به جدا شدن و متبلور شدن روی سطح تمایل دارد و ذرات آلاینده ای تولید می کند که ممکن است روی ویفرها بیفتد و آنها را آلوده کند. در همین حال، لایه محافظ به طور مداوم مصرف می شود که کاربرد آن را در تجهیزات اچ محدود می کند.

5. یاقوت کبود

یاقوت کبود یک-آلومینای تک کریستالی است که اساساً با سرامیک‌های آلومینا شفاف چند کریستالی متفاوت است. اتم های آلومینیوم و اکسیژن به طور منظم از طریق پیوندهای کووالانسی در داخل کریستال به هم متصل می شوند و شبکه ای فشرده و مرتب- را تشکیل می دهند. فرآیند رشد تک کریستالی، محتوای عیب و ناخالصی بسیار کم، بدون مرز دانه یا منافذی که باعث پراکندگی نور می شود، ایجاد می کند. نور از یاقوت کبود با کمترین انسداد عبور می کند و به طور موثر پراکندگی و جذب نور را کاهش می دهد. بنابراین، یاقوت کبود عملکرد نوری فوق‌العاده‌ای را ارائه می‌کند، با محدوده طول موج انتقال 0.19 میکرومتر تا 5.5 میکرومتر و انتقال مستقیم نور مرئی تا 86 درصد، آن را به بستری بهینه برای پنجره‌های نوری با عملکرد بالا تبدیل می‌کند.

با این حال، ساختار تک بلوری{0}}هم دارای معایب آشکاری است. تنش داخلی باقیمانده در طول رشد کریستال مستعد ایجاد می‌شود، بنابراین یاقوت کبود در هنگام استفاده و مونتاژ مستعد شکستگی و شکاف‌های شکن است که مانع از لایه‌کاری و پردازش دقیق می‌شود. علاوه بر این، رشد تک کریستالی شامل تکنیک‌های پیچیده و نرخ بازده پایین است که منجر به هزینه کلی تولید بسیار بالاتر از سرامیک‌های آلومینا شفاف پلی‌کریستالی می‌شود.