Fabricarea semiconductorilor este un sistem de microfabricare de{0}}înaltă precizie. Procesele de bază, cum ar fi fotolitografia, gravarea, depunerea de pelicule subțiri-și implantarea ionilor sunt toate efectuate în camere de vid sigilate. Fiind singurul port de vizualizare al camerelor echipamentelor semiconductoare, ferestrele transparente permit inginerilor să monitorizeze condițiile interne în timp real în timpul funcționării, astfel încât să garanteze randamentul procesului și siguranța echipamentului. Cu toate acestea, mediul de operare al camerelor moderne de echipamente semiconductoare a devenit din ce în ce mai dur. Ferestrele transparente sunt bombardate în mod constant de plasme pe bază de fluor-și oxigen-, fascicule de ioni de înaltă-energie și radiații ultraviolete, precum și expuse la substanțe chimice corozive. Între timp, camerele suferă frecvent cicluri rapide de încălzire și răcire de la temperatura camerei la sute de grade Celsius și suportă diferențe persistente de presiune între vidul intern și atmosfera externă. Sticla de siliciu topită tradițională și sticla optică convențională nu mai pot îndeplini cerințele de producție-de ultimă generație.
În acest context, ceramica transparentă de înaltă{0}}performanță a devenit principalul material de bază pentru ferestrele transparente ale echipamentelor semiconductoare, datorită rezistenței remarcabile la coroziune, stabilității-înalte la temperatură, rezistenței la radiații, rezistenței mecanice ridicate și transmiterii excelente a luminii. Acest articol trece în revistă materialele comune pentru ferestre ceramice transparente pentru echipamentele semiconductoare, oferind o referință pentru selecția materialelor și aplicarea practică.
Materiale ceramice transparente pentru ferestre de echipamente semiconductoare
Spre deosebire de ceramica opace obișnuită, ceramica transparentă este produsă folosind ca materii prime pulberi ceramice ultra-pure, ultra-fine. Adoptând tehnici de fabricație sofisticate, cum ar fi sinterizarea în atmosferă, sinterizarea prin presare la cald-și sinterizarea în vid, acestea obțin o densitate aproape-teoretică și o structură complet densă, care elimină împrăștierea luminii cauzată de pori. În plus, tehnologia de control al cerealelor este aplicată pentru a asigura o mărime uniformă a granulelor, granițe subțiri ale granulelor și nicio segregare a impurităților, reducând drastic împrăștierea luminii la limitele cerealelor. Cristalele simple transparente pot fi, de asemenea, fabricate prin metode de creștere a cristalelor, având rețele bine-ordonate și densitate extrem de scăzută a defectelor pentru a minimiza pierderea prin difuzarea luminii.
Nu toate pulberile ceramice sunt potrivite pentru fabricarea ceramicii transparente. În prezent, materialele cu sistem cristalin cubic, inclusiv ytriu (Y₂O₃), granat de ytriu-aluminiu (YAG) și oxinitrură de aluminiu (AlON) sunt utilizate pe scară largă. Aceste materiale sunt izotrope optic, fără birefringență și oferă o transmisie excelentă a luminii. Materialele mono-cristalului, cum ar fi safirul cu o structură cristalină hexagonală, prezintă, de asemenea, rețele regulate și densitate scăzută a defectelor, obținând o transmisie ridicată și uniformă a luminii cu distorsiuni optice reduse.
1. Yttria (Y₂O₃) Ceramica transparentă
Ceramica transparentă Yttria prezintă o bandă de transmisie optică extrem de largă, variind de la ultraviolete profunde (0,25 μm) până la mediul-infraroșu (8 μm). Este unul dintre puținele materiale oxidice care transmit lumină atât în regiunile ultraviolete profunde, cât și în infraroșu mediu-. Ceramica transparentă de -yttria de înaltă calitate realizează, în general, o transmisie-a luminii vizibile de 70% până la 85%.
Dincolo de performanța optică superioară, ytriul (Y₂O₃) prezintă o rezistență excepțională la coroziunea cu plasmă pe bază de fluor{0}}. Energia de legătură a legăturilor Y-O ajunge la 780 kJ/mol, făcând materialul inert din punct de vedere chimic față de elementele halogen, în special fluor și clor. Chiar și atunci când reacționează cu fluor, acesta formează un strat stabil și dens de fluorură de ytriu (YF₃) care rezistă la exfoliere. Această caracteristică reduce foarte mult generarea de particule și previne erodarea suplimentară a componentelor camerei, cum ar fi cavitățile și capete de duș de către plasma cu fluor, prelungind astfel durata de viață. În mediile tipice cu plasmă pe bază de-fluor-de înaltă densitate-sau pe bază de clor-, rata sa de gravare este de doar 1/20 până la 1/50 din cea a sticlei de cuarț. Cu un punct de topire de 2430 de grade , ytria poate menține integritatea structurală fără volatilizare sau deformare în condiții de funcționare pe termen lung peste 1750 de grade , adaptându-se la condițiile extreme de temperatură ale proceselor cu plasmă. Este un candidat ideal pentru ferestre transparente ale echipamentelor de gravare-de ultimă generație.
Principalele sale dezavantaje constă în rezistența mecanică și duritatea relativ scăzute (duritate Mohs: 6,5–7). Are o rezistență inferioară la impact și rezistență la oboseală la presiune în comparație cu safirul, ceea ce îl face nepotrivit pentru condiții de operare care implică presiune ridicată și impact puternic.
2. Granat de ytriu aluminiu (YAG)
YAG este sintetizat prin doparea ytriei cu o anumită proporție de alumină. La fel ca ytria, are o structură cristalină cubică, combinând stabilitatea mecanică a aluminei cu rezistența ridicată la temperatură-și avantajele optice ale ytriei. Cu o performanță generală bine-echilibrată, YAG este, de asemenea, mai rentabil- decât ytria pură. Din punct de vedere optic, cristalele pure YAG oferă o transmisie ridicată în intervalul de lungimi de undă de la 0,25 μm până la 5 μm, cu o transmisie vizibilă și în infraroșu apropiat de peste 80%. În special, nu prezintă absorbție a luminii în banda de 2 μm–3 μm, ceea ce îl face aplicabil pentru condiții de lucru care implică plasmă de fluor moderat intens, temperaturi ridicate și diferențe de presiune în vid.
3. Oxinitrură de aluminiu (AlON)
Ceramica transparentă AlON oferă o transmisie optică excelentă de la lumina ultravioletă și vizibilă la benzile medii-infraroșii, cu o transmisie de peste 80% în intervalul de lungimi de undă de la 0,2 μm la 6,0 μm. Are o duritate Vickers de 17–18 GPa și o rezistență la încovoiere de aproximativ 300 MPa. Cu duritate ridicată și duritate decentă, AlON are o rezistență excelentă la impact și zgârieturi. Cu toate acestea, producția sa necesită sinterizare la 1750 de grade până la 1900 de grade, ceea ce duce la un consum ridicat de energie și costuri de producție.
4. Ceramica de alumină transparentă
Ceramica cu alumină transparentă realizează o transmisie ridicată de peste 90% în benzile vizibile și în infraroșu apropiat (200–2200 nm), îndeplinind cerințele de monitorizare optică ale echipamentelor semiconductoare. De asemenea, pot funcționa stabil la temperaturi peste 1000 de grade. În ceea ce privește producția, ceramica cu alumină transparentă beneficiază de procese de fabricație mature. Ele pot fi fabricate prin sinterizare fără presiune, sinterizare prin presare la cald-și alte metode, oferind costuri scăzute ale materiilor prime, o fereastră largă de proces și producție la scară largă-ușoară.
Cu toate acestea, energia de legătură a legăturilor Al–O este de aproximativ 498 kJ/mol. În timp ce materialul rezistă la majoritatea coroziunii chimice, el reacționează ușor cu fluorul în condiții de plasmă cu energie înaltă-formând fluorură de aluminiu (AlF₃). Acest strat de fluor tinde să se dezlipească și să se cristalizeze la suprafață, producând particule contaminante care pot cădea pe napolitane și pot contamina. Între timp, stratul de protecție este consumat continuu, ceea ce limitează aplicarea acestuia în echipamentele de gravare.
5. Safir
Safirul este alumină mono-cristalină, fundamental diferită de ceramica de alumină transparentă policristalină. Atomii de aluminiu și oxigen sunt legați în mod regulat prin legături covalente în interiorul cristalului, formând o rețea compactă și bine-ordonată. Procesul de creștere a unui singur-cristal produce un conținut extrem de scăzut de defecte și impurități, fără granițe sau pori care cauzează împrăștierea luminii. Lumina circulă prin safir cu o obstrucție minimă, reducând eficient împrăștierea și absorbția luminii. Prin urmare, safirul oferă performanțe optice remarcabile, cu o gamă de lungimi de undă de transmisie de la 0,19 μm până la 5,5 μm și o transmisie directă a luminii vizibile-de până la 86%, făcându-l un substrat optim pentru ferestrele optice-de înaltă performanță.
Cu toate acestea, structura monocristalina-are de asemenea dezavantaje evidente. Tensiunile interne reziduale sunt predispuse să se formeze în timpul creșterii cristalului, astfel încât safirul este susceptibil la fracturi fragile și fisuri de scindare în timpul utilizării și asamblarii, ceea ce împiedică laminarea și prelucrarea cu precizie. În plus, creșterea unui singur-cristal implică tehnici complexe și o rată de randament scăzută, ceea ce duce la un cost total de producție mult mai mare decât ceramica cu alumină transparentă policristalină.