У основних процесах виробництва напівпровідників глиноземна кераміка стала незамінним ключовим матеріалом завдяки своїй чудовій електроізоляції, високій твердості, стійкості до плазмової ерозії та хорошій теплопровідності. Вони в основному використовуються для -структурних компонентів високої чистоти в камерах обробки пластин і травлення.
Ці важливі компоненти включають: вакуумні патрони та електростатичні патрони, які закріплюють пластини, витримуючи високі температури та корозійні гази; вкладиші та фокусні кільця, які захищають стінки камери плазмового травлення та зменшують забруднення частинками; технологічні патрони, які запобігають забрудненню металу під час підтримки пластин; і прецизійні пневматичні-підшипникові направляючі основи, які забезпечують над-стабільну опору в літографічному та контрольному обладнанні. Для цих компонентів необхідний рівень чистоти Al₂O₃ щонайменше 99%, часто 99,5% або вище – набагато вище промислового рівня 92–96%. Причини цього можна зрозуміти наступним чином.
По-перше: плазмове середовище постійно руйнує керамічну поверхню
У процесах травлення використовується галогенна-плазма (Cl₂, HBr, фтор-вмісні гази) з надзвичайно високою енергією, що піддає стінки камери як хімічній корозії, так і фізичному розпиленню.
Хімічна корозія: галогени реагують з оксидами в кераміці, утворюючи леткі сполуки на поверхні оксиду алюмінію та спричиняючи -{1}}пошарову ерозію.
Фізичне розпилення: іони-високої енергії безпосередньо бомбардують поверхню, вибиваючи атоми один за одним.
Разом ці ефекти вивільняють частинки або атомні види з матеріалу камери в навколишнє середовище. Якщо домішки присутні, вони стають джерелами забруднення на пластині.
По-друге: металеві домішки завдають катастрофічної шкоди мікросхемам
Залишкові домішки в оксиді алюмінію поділяються на дві основні категорії, кожна з яких має певний механізм пошкодження:
Іони лужних металів (наприклад, Na⁺, K⁺): ці іони дуже рухливі в кремнієвих пристроях. Як тільки вони потрапляють в оксид затвора, вони викликають зсув порогової напруги в пристроях MOS, дестабілізуючи поведінку перемикання транзистора. Ця деградація є поступовою – через зміни температури та електричні поля під час роботи іони продовжують мігрувати, спричиняючи постійне погіршення роботи пристрою.
Перехідні метали (наприклад, Fe, Ni, Cu): ці елементи утворюють глибокі-дефекти в кремнії, діючи як центри рекомбінації для неосновних носіїв. Це різко скорочує термін служби носія, що проявляється у вигляді збільшення струму витоку діода, уповільнення реакції пристрою та погіршення характеристик p-n-переходу. Дослідження показують, що для оксиду затвора товщиною 10 нм концентрація заліза, що перевищує 8×10¹⁰ атомів/см² у кремнії, серйозно погіршує якість оксиду затвора.
Це пояснює, чому глинозем-промислового рівня 96%, якого цілком достатньо в інших місцях, абсолютно недостатньо в напівпровідникових камерах. Від 96% до 99,8% – різниця лише в 3,8% чистоти – загальний вміст домішок падає в десять і більше разів.