Halvlederfremstilling er et mikrofabrikationssystem med høj-præcision. Kerneprocesser såsom fotolitografi, ætsning, tynd-filmaflejring og ionimplantation udføres alle i forseglede vakuumkamre. Som den eneste visningsport på kamrene i halvlederudstyr gør gennemsigtige vinduer det muligt for ingeniører at overvåge interne forhold i realtid under drift, for at garantere procesudbytte og udstyrssikkerhed. Driftsmiljøet for moderne halvlederudstyrskamre er imidlertid blevet stadig mere barskt. Gennemsigtige vinduer bliver konstant bombarderet af fluor-baseret og oxygen-baseret plasma, høj-ionstråler og ultraviolet stråling samt udsat for ætsende kemiske stoffer. I mellemtiden gennemgår kamrene ofte hurtige opvarmnings- og afkølingscyklusser fra stuetemperatur til hundredvis af grader celsius og tåler vedvarende trykforskelle mellem det indre vakuum og den ydre atmosfære. Traditionelt smeltet silicaglas og konventionelt optisk glas kan ikke længere opfylde kravene til high{11}}fremstilling.
På denne baggrund er højtydende gennemsigtig keramik blevet det almindelige kernemateriale til transparente vinduer i halvlederudstyr, takket være deres enestående korrosionsbestandighed, høje-temperaturstabilitet, strålingsmodstand, høje mekaniske styrke og fremragende lystransmission. Denne artikel gennemgår almindelige transparente keramiske vinduesmaterialer til halvlederudstyr og giver en reference til materialevalg og praktisk anvendelse.
Gennemsigtige keramiske materialer til vinduer med halvlederudstyr
I modsætning til almindelig uigennemsigtig keramik produceres gennemsigtig keramik med ultra-rene, ultra-fine keramiske pulvere som råmaterialer. Ved at anvende sofistikerede fremstillingsteknikker såsom atmosfæresintring, varm-pressesintring og vakuumsintring opnår de næsten-teoretisk tæthed og en fuldstændig tæt struktur, som eliminerer lysspredning forårsaget af porer. Derudover anvendes kornstyringsteknologi for at sikre ensartet kornstørrelse, tynde korngrænser og ingen urenhedsadskillelse, hvilket drastisk reducerer lysspredning ved korngrænser. Gennemsigtige enkeltkrystaller kan også fremstilles via krystalvækstmetoder med velordnede gitter og ekstremt lav defekttæthed for at minimere tab af lysspredning.
Ikke alle keramiske pulvere er egnede til fremstilling af transparent keramik. I øjeblikket anvendes kubiske krystalsystemmaterialer, herunder yttria (Y2O3), yttriumaluminiumgranat (YAG) og aluminiumoxynitrid (AlON), i vid udstrækning. Disse materialer er optisk isotrope uden dobbeltbrydning og leverer fremragende lystransmission. Enkelt-krystalmaterialer såsom safir med en sekskantet krystalstruktur har også regelmæssige gitter og lav defekttæthed, hvilket opnår høj og ensartet lystransmission med lav optisk forvrængning.
1. Yttria (Y2O3) Transparent keramik
Yttria transparent keramik har et ekstremt bredt optisk transmissionsbånd, der spænder fra dyb ultraviolet (0,25 μm) til middel-infrarødt (8 μm). Det er et af de få oxidmaterialer, der transmitterer lys i både dybe ultraviolette og mellem--infrarøde områder. Ytria transparent keramik af høj-kvalitet opnår generelt en synlig-lystransmission på 70 % til 85 %.
Ud over overlegen optisk ydeevne udviser yttria (Y₂O₃) enestående modstandsdygtighed over for fluor-baseret plasmakorrosion. Bindingsenergien for Y-O-bindinger når 780 kJ/mol, hvilket gør materialet kemisk inert over for halogenelementer, især fluor og klor. Selv når det reagerer med fluor, danner det et stabilt og tæt yttriumfluorid (YF₃) lag, der modstår afskalning. Denne egenskab reducerer kraftigt partikeldannelse og forhindrer yderligere erosion af kammerkomponenter såsom hulrum og brusehoveder af fluorplasma, hvilket forlænger levetiden. I typiske-højdensitetsfluor-baserede eller klor-baserede plasmamiljøer er dens ætsningshastighed kun 1/20 til 1/50 af kvartsglas. Med et smeltepunkt på 2430 grader kan yttria opretholde strukturel integritet uden fordampning eller deformation under langvarig-service over 1750 grader, tilpasset de ekstreme temperaturforhold ved plasmaprocesser. Det er en ideel kandidat til gennemsigtige vinduer af{18}}avanceret ætsningsudstyr.
Dens største ulemper ligger i relativt lav mekanisk styrke og hårdhed (Mohs hårdhed: 6,5-7). Den har ringere slagfasthed og tryktræthedsmodstand sammenlignet med safir, hvilket gør den uegnet til driftsforhold, der involverer højt tryk og alvorlige stød.
2. Yttrium Aluminium Granat (YAG)
YAG syntetiseres ved at dope yttria med en vis andel af aluminiumoxid. Ligesom yttria har den en kubisk krystalstruktur, der kombinerer den mekaniske stabilitet af aluminiumoxid med den høje-temperaturmodstand og optiske fordele ved yttria. Med en vel-afbalanceret generel ydeevne er YAG også mere omkostningseffektiv- end ren yttria. Optisk leverer rene YAG-krystaller høj transmittans over bølgelængdeområdet på 0,25 μm til 5 μm med en synlig og nær-infrarød transmittans på over 80 %. Især viser den ingen lysabsorption i 2 μm-3 μm båndet, hvilket gør den anvendelig til arbejdsforhold, der involverer moderat intens fluorplasma, høje temperaturer og vakuumtrykforskelle.
3. Aluminiumoxynitrid (AlON)
AlON transparent keramik tilbyder fremragende optisk transmittans fra ultraviolet og synligt lys til mellem-infrarøde bånd med en transmittans over 80 % i bølgelængdeområdet på 0,2 μm til 6,0 μm. Den har en Vickers hårdhed på 17-18 GPa og en bøjningsstyrke på cirka 300 MPa. Med høj hårdhed og anstændig sejhed har AlON fremragende modstandsdygtighed over for slag og ridser. Dets produktion kræver dog sintring ved 1750 grader til 1900 grader, hvilket fører til højt energiforbrug og produktionsomkostninger.
4. Transparent Alumina Keramik
Transparent aluminiumoxidkeramik opnår en høj transmittans på over 90 % i de synlige og nære-infrarøde bånd (200-2200 nm), hvilket opfylder de optiske overvågningskrav til halvlederudstyr. De kan også fungere stabilt ved temperaturer over 1000 grader. Med hensyn til produktion drager gennemsigtig aluminiumoxidkeramik fordel af modne fremstillingsprocesser. De kan fremstilles via trykløs sintring, varm-pressesintring og andre metoder, med lave råmaterialeomkostninger, et bredt procesvindue og nem stor-produktion.
Ikke desto mindre er bindingsenergien for Al-O-bindinger omkring 498 kJ/mol. Mens materialet modstår mest kemisk korrosion, reagerer det let med fluor under høje-plasmaforhold for at danne aluminiumfluorid (AlF₃). Dette fluoridlag har en tendens til at skalle af og krystallisere på overfladen, hvilket producerer partikelformige forurenende stoffer, der kan falde ned på og forurene wafers. I mellemtiden forbruges det beskyttende lag kontinuerligt, hvilket begrænser dets anvendelse i ætseudstyr.
5. Safir
Safir er enkelt-aluminiumoxid, der er fundamentalt forskellig fra polykrystallinsk transparent aluminiumoxidkeramik. Aluminium- og oxygenatomer er regelmæssigt bundet via kovalente bindinger inde i krystallen og danner et kompakt og velordnet gitter. Enkelt-krystalvækstprocessen giver ekstremt lavt defekt- og urenhedsindhold uden korngrænser eller porer, der forårsager lysspredning. Lys bevæger sig gennem safir med minimal obstruktion, hvilket effektivt reducerer lysspredning og absorption. Derfor leverer Sapphire enestående optisk ydeevne med et transmissionsbølgelængdeområde på 0,19 μm til 5,5 μm og en lige synlig-lystransmission op til 86 %, hvilket gør det til et optimalt substrat til højtydende optiske vinduer.
Den enkelte-krystalstruktur har dog også åbenlyse ulemper. Residual intern stress er tilbøjelig til at dannes under krystalvækst, så safir er modtagelig for sprøde brud og spaltningsrevner under brug og montering, hvilket hindrer præcisionslaminering og forarbejdning. Derudover involverer enkelt-krystalvækst komplekse teknikker og et lavt udbytte, hvilket resulterer i en meget højere samlede produktionsomkostning end polykrystallinsk transparent aluminiumoxidkeramik.