Производство полупроводников – это высокоточная-система микропроизводства. Основные процессы, такие как фотолитография, травление, осаждение тонких пленок и ионная имплантация, выполняются в герметичных вакуумных камерах. Являясь единственным смотровым окном в камерах полупроводникового оборудования, прозрачные окна позволяют инженерам контролировать внутренние условия в режиме реального времени во время работы, чтобы гарантировать производительность процесса и безопасность оборудования. Однако условия эксплуатации современных камер полупроводникового оборудования становятся все более суровыми. Прозрачные окна постоянно подвергаются бомбардировке плазмой на основе фтора-и кислорода-, пучками ионов высокой-энергии и ультрафиолетовым излучением, а также воздействию агрессивных химических веществ. Между тем, камеры часто подвергаются быстрым циклам нагрева и охлаждения от комнатной температуры до сотен градусов Цельсия и выдерживают постоянную разницу давлений между внутренним вакуумом и внешней атмосферой. Традиционное кварцевое стекло и обычное оптическое стекло больше не могут отвечать требованиям высокотехнологичного-производства.
На этом фоне высокоэффективная-прозрачная керамика стала основным материалом для изготовления прозрачных окон полупроводникового оборудования благодаря своей исключительной коррозионной стойкости, высокой-температурной стабильности, радиационной стойкости, высокой механической прочности и превосходному светопропусканию. В этой статье рассматриваются распространенные прозрачные керамические материалы окон для полупроводникового оборудования, а также предоставляются рекомендации по выбору материалов и их практическому применению.
Прозрачные керамические материалы для окон полупроводникового оборудования
В отличие от обычной непрозрачной керамики, прозрачная керамика производится с использованием в качестве сырья сверх-чистых, сверхтонких- керамических порошков. Применяя сложные методы изготовления, такие как атмосферное спекание, спекание в горячем-прессе и вакуумное спекание, они достигают плотности, близкой к-теоретической, и полностью плотной структуры, что исключает рассеяние света, вызванное порами. Кроме того, применяется технология контроля зерна, обеспечивающая однородный размер зерен, тонкие границы зерен и отсутствие сегрегации примесей, что значительно снижает рассеяние света на границах зерен. Прозрачные монокристаллы также могут быть изготовлены с помощью методов выращивания кристаллов с хорошо -упорядоченными решетками и чрезвычайно низкой плотностью дефектов, что позволяет минимизировать потери на рассеяние света.
Не все керамические порошки подходят для изготовления прозрачной керамики. В настоящее время широко используются материалы кубической кристаллической системы, включающие иттрий (Y₂O₃), иттрий-алюминиевый гранат (YAG) и оксинитрид алюминия (AlON). Эти материалы оптически изотропны, не имеют двойного лучепреломления и обеспечивают превосходное пропускание света. Монокристаллические материалы, такие как сапфир с гексагональной кристаллической структурой, также имеют регулярные решетки и низкую плотность дефектов, что обеспечивает высокий и равномерный коэффициент пропускания света с низкими оптическими искажениями.
1. Иттрий (Y₂O₃) Прозрачная керамика
Прозрачная керамика иттрия имеет чрезвычайно широкую полосу оптического пропускания: от глубокого ультрафиолета (0,25 мкм) до среднего-инфракрасного диапазона (8 мкм). Это один из немногих оксидных материалов, которые пропускают свет как в глубоком ультрафиолетовом, так и в среднем-инфракрасном диапазонах. Высококачественная-прозрачная керамика из иттрия обычно обеспечивает пропускание видимого-света от 70 % до 85 %.
Помимо превосходных оптических характеристик, иттрий (Y₂O₃) демонстрирует исключительную устойчивость к плазменной коррозии на основе фтора. Энергия связей Y–O достигает 780 кДж/моль, что делает материал химически инертным к галогенным элементам, особенно к фтору и хлору. Даже при реакции с фтором он образует стабильный и плотный слой фторида иттрия (YF₃), устойчивый к отслаиванию. Эта характеристика значительно снижает образование частиц и предотвращает дальнейшую эрозию компонентов камеры, таких как полости и душевые насадки, фторной плазмой, тем самым продлевая срок службы. В типичной плазме высокой-плотности на основе фтора-или хлора- скорость травления составляет всего лишь от 1/20 до 1/50 от скорости травления кварцевого стекла. Имея температуру плавления 2430 градусов, иттрий может сохранять структурную целостность без улетучивания или деформации при длительной-службе при температуре выше 1750 градусов, адаптируясь к экстремальным температурным условиям плазменных процессов. Это идеальный кандидат для прозрачных окон высококачественного травильного оборудования.
Его основные недостатки заключаются в относительно невысокой механической прочности и твердости (твердость по Моосу: 6,5–7). Он имеет меньшую ударопрочность и сопротивление усталостной усталости по сравнению с сапфиром, что делает его непригодным для условий эксплуатации, связанных с высоким давлением и сильными ударами.
2. Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ).
YAG синтезируется путем легирования иттрия определенной долей оксида алюминия. Как и иттрий, он имеет кубическую кристаллическую структуру, сочетающую в себе механическую стабильность оксида алюминия с высокой-температурной стойкостью и оптическими преимуществами иттрия. Благодаря хорошо-сбалансированным общим характеристикам YAG также более экономичен-, чем чистый иттрий. С оптической точки зрения чистые кристаллы YAG обеспечивают высокий коэффициент пропускания в диапазоне длин волн от 0,25 до 5 мкм, при этом коэффициент пропускания видимого и ближнего-инфракрасного диапазона превышает 80 %. Примечательно, что он не поглощает свет в диапазоне 2–3 мкм, что делает его применимым для рабочих условий, включающих умеренно интенсивную фтористую плазму, высокие температуры и перепады вакуумного давления.
3. Оксинитрид алюминия (AlON).
Прозрачная керамика AlON обеспечивает превосходный оптический коэффициент пропускания от ультрафиолетового и видимого света до среднего-инфракрасного диапазона, с коэффициентом пропускания более 80 % в диапазоне длин волн от 0,2 до 6,0 мкм. Он имеет твердость по Виккерсу 17–18 ГПа и прочность на изгиб около 300 МПа. Обладая высокой твердостью и достаточной прочностью, AlON обладает превосходной устойчивостью к ударам и царапинам. Однако его производство требует спекания при температуре от 1750 до 1900 градусов, что приводит к высокому энергопотреблению и производственным затратам.
4. Прозрачная глиноземная керамика
Прозрачная керамика из оксида алюминия обеспечивает высокий коэффициент пропускания более 90 % в видимом и ближнем-инфракрасном диапазонах (200–2200 нм), что соответствует требованиям оптического мониторинга полупроводникового оборудования. Они также могут стабильно работать при температуре выше 1000 градусов. С точки зрения производства прозрачная глиноземная керамика выигрывает от отработанных производственных процессов. Их можно изготавливать с помощью спекания без давления, спекания в горячем-прессовании и других методов, характеризующихся низкими затратами на сырье, широким технологическим окном и простым-масштабным производством.
Тем не менее энергия связей Al–O составляет около 498 кДж/моль. Хотя этот материал устойчив к большей части химической коррозии, он легко вступает в реакцию с фтором в условиях высокоэнергетической плазмы с образованием фторида алюминия (AlF₃). Этот слой фторида имеет тенденцию отслаиваться и кристаллизоваться на поверхности, образуя твердые примеси, которые могут упасть на пластины и загрязнить их. При этом защитный слой постоянно изнашивается, что ограничивает его применение в травильном оборудовании.
5. Сапфир
Сапфир – это монокристаллический-оксид алюминия, принципиально отличающийся от поликристаллической прозрачной керамики из оксида алюминия. Атомы алюминия и кислорода регулярно связаны ковалентными связями внутри кристалла, образуя компактную и-упорядоченную решетку. Процесс выращивания монокристаллов - обеспечивает чрезвычайно низкое содержание дефектов и примесей, отсутствие границ зерен и пор, вызывающих рассеяние света. Свет проходит через сапфир с минимальными препятствиями, эффективно уменьшая рассеяние и поглощение света. Таким образом, сапфир обеспечивает выдающиеся оптические характеристики: диапазон длин волн пропускания от 0,19 до 5,5 мкм и коэффициент пропускания прямого видимого-света до 86 %, что делает его оптимальной основой для высокоэффективных-оптических окон.
Однако монокристаллическая-структура имеет и очевидные недостатки. Остаточные внутренние напряжения склонны к образованию во время роста кристаллов, поэтому сапфир подвержен хрупкому разрушению и растрескиванию во время использования и сборки, что затрудняет точное ламинирование и обработку. Кроме того, выращивание монокристаллов - требует сложных технологий и имеет низкую производительность, что приводит к гораздо более высокой общей себестоимости производства, чем у поликристаллической прозрачной керамики на основе оксида алюминия.