Виробництво напівпровідників – це високо-точна система мікровиробництва. Основні процеси, такі як фотолітографія, травлення, осадження тонких -плівок та іонна імплантація, усі виконуються в герметичних вакуумних камерах. Як єдиний оглядовий порт камер напівпровідникового обладнання, прозорі вікна дозволяють інженерам контролювати внутрішні умови в режимі реального часу під час роботи, щоб гарантувати ефективність процесу та безпеку обладнання. Однак робоче середовище камер сучасного напівпровідникового обладнання стає все більш жорстким. Прозорі вікна постійно бомбардуються плазмою-на основі фтору та кисню-, пучками іонів високої-енергетичних іонів та ультрафіолетовим випромінюванням, а також піддаються впливу корозійних хімічних речовин. Водночас камери часто проходять швидкі цикли нагрівання та охолодження від кімнатної температури до сотень градусів Цельсія та витримують постійну різницю тиску між внутрішнім вакуумом і зовнішньою атмосферою. Традиційне плавлене кварцеве скло та звичайне оптичне скло більше не можуть відповідати вимогам високо-виробництва.
На цьому тлі високо-ефективна прозора кераміка стала основним основним матеріалом для прозорих вікон напівпровідникового обладнання завдяки своїй видатній стійкості до корозії, високій-температурній стабільності, радіаційній стійкості, високій механічній міцності та чудовому пропусканню світла. У цій статті розглядаються загальні прозорі керамічні віконні матеріали для напівпровідникового обладнання, надаючи довідкові матеріали для вибору матеріалу та практичного застосування.
Прозорі керамічні матеріали для вікон напівпровідникового обладнання
На відміну від звичайної непрозорої кераміки, прозору кераміку виготовляють із використанням ультра-чистих, ультра-тонких керамічних порошків як сировини. Застосовуючи такі складні методи виготовлення, як атмосферне спікання, гаряче-спікання та вакуумне спікання, вони досягають майже-теоретичної щільності та повністю щільної структури, що усуває розсіювання світла, спричинене порами. Крім того, технологія контролю зерна застосована для забезпечення однакового розміру зерен, тонких меж зерен і відсутності сегрегації домішок, різко зменшуючи розсіювання світла на межах зерен. Прозорі монокристали також можна виготовити за допомогою методів вирощування кристалів, які мають добре-впорядковані гратки та надзвичайно низьку щільність дефектів, щоб мінімізувати втрати на розсіювання світла.
Не всі керамічні порошки підходять для виготовлення прозорої кераміки. В даний час широко використовуються матеріали кубічної кристалічної системи, включаючи ітрій (Y₂O3), ітрій-алюмінієвий гранат (YAG) і оксинітрид алюмінію (AlON). Ці матеріали є оптично ізотропними без подвійного променезаломлення та забезпечують відмінну пропускну здатність світла. Моно{3}}матеріали, такі як сапфір із гексагональною кристалічною структурою, також мають регулярні решітки та низьку щільність дефектів, завдяки чому досягається висока та однорідна пропускна здатність світла з низьким оптичним викривленням.
1. Прозора кераміка з ітрію (Y₂O₃).
Прозора кераміка з ітрію має надзвичайно широку оптичну смугу пропускання в діапазоні від глибокого ультрафіолетового (0,25 мкм) до середнього{1}}інфрачервоного (8 мкм). Це один із небагатьох оксидних матеріалів, які пропускають світло як у глибокому ультрафіолетовому, так і в середньо-інфрачервоному діапазонах. Високоякісна-ітрієва прозора кераміка зазвичай забезпечує пропускання-видимого світла від 70% до 85%.
Окрім надзвичайних оптичних характеристик, оксид ітрію (Y₂O₃) демонструє виняткову стійкість до плазмової корозії на основі фтору-. Енергія зв'язку Y–O досягає 780 кДж/моль, що робить матеріал хімічно інертним до галогенних елементів, особливо фтору та хлору. Навіть при взаємодії з фтором він утворює стійкий і щільний шар фториду ітрію (YF₃), який не відшаровується. Ця характеристика значно зменшує утворення часток і запобігає подальшій ерозії компонентів камери, таких як порожнини та душові лійки, плазмою фтору, подовжуючи таким чином термін служби. У типових плазмових середовищах із високою -на основі фтору- або хлору- його швидкість травлення становить лише 1/20–1/50 від швидкості травлення кварцового скла. Маючи температуру плавлення 2430 градусів, оксид ітрію може зберігати структурну цілісність без випаровування чи деформації за тривалого-терміну експлуатації вище 1750 градусів, адаптуючись до екстремальних температурних умов плазмових процесів. Це ідеальний кандидат для прозорих вікон-висококласного обладнання для травлення.
Його головні недоліки полягають у відносно низькій механічній міцності та твердості (твердість за Моосом: 6,5–7). Він має нижчу стійкість до ударів і втоми від тиску порівняно з сапфіром, що робить його непридатним для умов експлуатації, пов’язаних із високим тиском і сильним ударом.
2. Ітрієвий алюмінієвий гранат (YAG)
YAG синтезується шляхом легування ітрію певною часткою глинозему. Як і оксид ітрію, він має кубічну кристалічну структуру, яка поєднує механічну стабільність оксиду алюмінію з високо-температурною стійкістю та оптичними перевагами оксиду ітрію. Завдяки добре-збалансованій загальній продуктивності YAG також економічно-ефективніший, ніж чистий оксид ітрію. З оптичної точки зору чисті кристали YAG забезпечують високий коефіцієнт пропускання в діапазоні довжин хвиль від 0,25 мкм до 5 мкм із пропусканням у видимому та ближньому-інфрачервоному діапазонах понад 80%. Примітно, що він не демонструє поглинання світла в діапазоні 2 мкм–3 мкм, що робить його придатним для робочих умов, пов’язаних із помірно інтенсивною плазмою фтору, високими температурами та різницею вакуумного тиску.
3. Оксинітрид алюмінію (AlON)
Прозора кераміка AlON забезпечує чудове оптичне пропускання від ультрафіолетового та видимого світла до середнього-інфрачервоного діапазону з пропусканням понад 80% у діапазоні довжин хвиль від 0,2 мкм до 6,0 мкм. Він має твердість за Віккерсом 17–18 ГПа та міцність на вигин приблизно 300 МПа. Маючи високу твердість і пристойну міцність, AlON має відмінну стійкість до ударів і подряпин. Однак його виробництво вимагає спікання при температурі від 1750 до 1900 градусів, що призводить до високого споживання енергії та витрат на виробництво.
4. Прозора глиноземна кераміка
Прозора глиноземна кераміка досягає високого пропускання понад 90% у видимому та ближньому-інфрачервоному діапазонах (200–2200 нм), що відповідає вимогам оптичного моніторингу напівпровідникового обладнання. Вони також можуть стабільно працювати при температурах вище 1000 градусів. З точки зору виробництва, прозора глиноземна кераміка виграє від зрілих виробничих процесів. Їх можна виготовити за допомогою спікання без тиску, гарячого-пресового спікання та інших методів, які відрізняються низькою вартістю сировини, широким вікном процесу та легким-великомасштабним виробництвом.
Тим не менш, енергія зв’язку Al–O становить приблизно 498 кДж/моль. Хоча матеріал стійкий до більшості хімічної корозії, він легко реагує з фтором в умовах високо-енергетичної плазми з утворенням фториду алюмінію (AlF₃). Цей фтористий шар має тенденцію відшаровуватися та кристалізуватися на поверхні, утворюючи часткові забруднення, які можуть впасти на пластини та забруднити їх. При цьому захисний шар постійно витрачається, що обмежує його застосування в травильному обладнанні.
5. Сапфір
Сапфір — монокристалічний оксид алюмінію, який принципово відрізняється від полікристалічної прозорої глиноземної кераміки. Атоми алюмінію та кисню регулярно зв’язані ковалентними зв’язками всередині кристала, утворюючи компактну та добре -впорядковану решітку. Процес вирощування одного-кристала дає надзвичайно низький вміст дефектів і домішок, без меж зерен або пор, які спричиняють розсіювання світла. Світло проходить через сапфір з мінімальними перешкодами, ефективно зменшуючи розсіювання та поглинання світла. Таким чином, сапфір забезпечує надзвичайні оптичні характеристики з діапазоном довжин хвиль пропускання від 0,19 мкм до 5,5 мкм і прямим пропусканням видимого-світла до 86%, що робить його оптимальною підкладкою для-високоефективних оптичних вікон.
Однак монокристалічна структура- має також очевидні недоліки. Залишкова внутрішня напруга схильна до утворення під час росту кристала, тому сапфір чутливий до крихкого руйнування та тріщин від сколу під час використання та складання, що перешкоджає точному ламінуванню та обробці. Крім того, моно{3}}вирощування монокристалів включає складні методи та низький коефіцієнт виходу, що призводить до значно вищих загальних витрат на виробництво, ніж полікристалічна прозора глиноземна кераміка.