Производството на полупроводници е високо{0}}прецизна система за микропроизводство. Основни процеси като фотолитография, ецване, отлагане на тънък-слой и йонна имплантация се извършват в запечатани вакуумни камери. Като единствен порт за наблюдение на камерите на полупроводниковото оборудване, прозрачните прозорци позволяват на инженерите да наблюдават вътрешните условия в реално време по време на работа, така че да се гарантира добив на процеса и безопасност на оборудването. Работната среда на камерите за модерно полупроводниково оборудване обаче става все по-сурова. Прозрачните прозорци са постоянно бомбардирани от плазма-базирана на флуор-и кислород-базирана, йонни лъчи с висока-енергия и ултравиолетова радиация, както и изложени на корозивни химически вещества. Междувременно камерите често преминават през бързи цикли на нагряване и охлаждане от стайна температура до стотици градуси по Целзий и издържат на постоянни разлики в налягането между вътрешния вакуум и външната атмосфера. Традиционното разтопено силициево стъкло и конвенционалното оптично стъкло вече не могат да отговорят на изискванията на високо{11}}производството.
На този фон високо-ефективната прозрачна керамика се превърна в основен основен материал за прозрачни прозорци на полупроводниково оборудване, благодарение на своята изключителна устойчивост на корозия, висока-температурна стабилност, устойчивост на радиация, висока механична якост и отлична пропускливост на светлина. Тази статия разглежда обичайните прозрачни керамични материали за прозорци за полупроводниково оборудване, предоставяйки справка за избор на материал и практическо приложение.
Прозрачни керамични материали за прозорци на полупроводниково оборудване
За разлика от обикновената непрозрачна керамика, прозрачната керамика се произвежда с ултра-чисти, ултра-фини керамични прахове като суровини. Възприемайки усъвършенствани производствени техники като атмосферно синтероване, горещо-пресоване и вакуумно синтероване, те постигат почти-теоретична плътност и напълно плътна структура, което елиминира разсейването на светлината, причинено от порите. В допълнение се прилага технология за контрол на зърното, за да се осигури еднакъв размер на зърното, тънки граници на зърното и липса на сегрегация на примеси, което драстично намалява разсейването на светлината по границите на зърното. Прозрачните монокристали могат също да бъдат произведени чрез методи за растеж на кристали, включващи добре-подредени решетки и изключително ниска плътност на дефектите, за да се минимизират загубите от разсейване на светлината.
Не всички керамични прахове са подходящи за производство на прозрачна керамика. Понастоящем широко се използват материали за кубична кристална система, включително итрий (Y₂O₃), итриев алуминиев гранат (YAG) и алуминиев оксинитрид (AlON). Тези материали са оптически изотропни без двойно пречупване и осигуряват отлична пропускливост на светлина. Моно-кристалните материали като сапфир с шестоъгълна кристална структура също се отличават с правилни решетки и ниска плътност на дефектите, постигайки висока и равномерна пропускливост на светлина с ниско оптично изкривяване.
1. Прозрачна керамика от итрий (Y₂O₃).
Прозрачната керамика Yttria се отличава с изключително широка лента на оптично предаване, варираща от дълбока ултравиолетова (0,25 μm) до средна{1}}инфрачервена (8 μm). Това е един от малкото оксидни материали, които пропускат светлина както в дълбоките ултравиолетови, така и в средните-инфрачервени области. Високо{6}}качествената итриева прозрачна керамика обикновено постига пропускливост на видима-светлина от 70% до 85%.
Освен превъзходните оптични характеристики, итрият (Y₂O₃) проявява изключителна устойчивост на плазмена корозия, основана на-флуор. Енергията на връзката на Y–O връзките достига 780 kJ/mol, което прави материала химически инертен към халогенни елементи, особено флуор и хлор. Дори когато реагира с флуор, той образува стабилен и плътен слой от итриев флуорид (YF₃), който издържа на отлепване. Тази характеристика значително намалява генерирането на частици и предотвратява по-нататъшната ерозия на компонентите на камерата като кухини и душове от флуорна плазма, като по този начин удължава експлоатационния живот. В типични плазмени среди с висока -базирана-или хлор-базирана флуор, неговата скорост на ецване е само 1/20 до 1/50 от тази на кварцовото стъкло. С точка на топене от 2430 градуса, итрият може да поддържа структурна цялост без изпаряване или деформация при дългосрочна-работа над 1750 градуса, като се адаптира към екстремните температурни условия на плазмените процеси. Той е идеален кандидат за прозрачни прозорци на високо{18}}оборудване за гравиране.
Основните му недостатъци са относително ниската механична якост и твърдост (твърдост по Моос: 6,5–7). Той има по-ниска устойчивост на удар и устойчивост на умора от натиск в сравнение със сапфира, което го прави неподходящ за работни условия, включващи високо налягане и силен удар.
2. Итриев алуминиев гранат (YAG)
YAG се синтезира чрез допиране на итриев оксид с определена част от алуминиев оксид. Подобно на итрия, той има кубична кристална структура, съчетаваща механичната стабилност на двуалуминиевия оксид с висока-температурна устойчивост и оптични предимства на итрия. С добре-балансирана обща производителност, YAG също е по-рентабилен-от чистия итрий. Оптично чистите YAG кристали осигуряват висока пропускливост в диапазона на дължината на вълната от 0,25 μm до 5 μm, с пропускливост на видимата и близката-инфрачервена светлина от над 80%. По-специално, той не показва абсорбция на светлина в лентата 2 μm–3 μm, което го прави приложим за работни условия, включващи умерено интензивна флуорна плазма, високи температури и разлики във вакуумното налягане.
3. Алуминиев оксинитрид (AlON)
Прозрачната керамика AlON предлага отлична оптична пропускливост от ултравиолетова и видима светлина до средни-инфрачервени ленти, с пропускливост над 80% в диапазона на дължина на вълната от 0,2 μm до 6,0 μm. Той може да се похвали с твърдост по Викерс от 17–18 GPa и якост на огъване от приблизително 300 MPa. Отличаващ се с висока твърдост и прилична издръжливост, AlON има отлична устойчивост на удар и надраскване. Производството му обаче изисква синтероване при 1750 градуса до 1900 градуса, което води до висока консумация на енергия и производствени разходи.
4. Прозрачна алуминиева керамика
Прозрачната алуминиева керамика постига висока пропускливост от над 90% във видимата и близката-инфрачервена лента (200–2200 nm), отговаряйки на изискванията за оптично наблюдение на полупроводниковото оборудване. Те също могат да работят стабилно при температури над 1000 градуса. По отношение на производството, прозрачната алуминиева керамика се възползва от зрелите производствени процеси. Те могат да бъдат произведени чрез синтероване без налягане, горещо-пресово синтероване и други методи, характеризиращи се с ниски разходи за суровини, широк прозорец на процеса и лесно широкомащабно-производство.
Независимо от това, енергията на връзката на Al-O връзките е около 498 kJ/mol. Докато материалът е устойчив на повечето химическа корозия, той лесно реагира с флуор при условия на високо-енергийна плазма, за да образува алуминиев флуорид (AlF₃). Този флуориден слой има тенденция да се отлепва и кристализира на повърхността, произвеждайки замърсители от частици, които могат да попаднат върху и да замърсят вафли. Междувременно защитният слой се изразходва непрекъснато, което ограничава приложението му в оборудването за ецване.
5. Сапфир
Сапфирът е монокристален алуминиев оксид, коренно различен от поликристалната прозрачна алуминиева керамика. Алуминиеви и кислородни атоми са редовно свързани чрез ковалентни връзки вътре в кристала, образувайки компактна и добре-подредена решетка. Процесът на растеж на един-кристал дава изключително ниско съдържание на дефекти и примеси, без граници на зърна или пори, които причиняват разсейване на светлината. Светлината преминава през сапфир с минимално препятствие, което ефективно намалява разсейването и поглъщането на светлината. Поради това сапфирът осигурява изключителна оптична производителност с обхват на дължина на вълната на предаване от 0,19 μm до 5,5 μm и право пропускане на видима-светлина до 86%, което го прави оптимален субстрат за оптични прозорци с висока-производителност.
Въпреки това монокристалната-структура има и очевидни недостатъци. Остатъчното вътрешно напрежение е склонно да се образува по време на растежа на кристала, така че сапфирът е податлив на крехко счупване и пукнатини от разцепване по време на употреба и сглобяване, което възпрепятства прецизното ламиниране и обработка. Освен това растежът на един-кристал включва сложни техники и ниска степен на добив, което води до много по-високи общи производствени разходи в сравнение с поликристалната прозрачна алуминиева керамика.