Halvledartillverkning är ett hög-mikrotillverkningssystem. Kärnprocesser som fotolitografi, etsning, tunn-filmavsättning och jonimplantation utförs alla i förseglade vakuumkammare. Som den enda visningsporten på kamrarna i halvledarutrustning, gör transparenta fönster det möjligt för ingenjörer att övervaka interna förhållanden i realtid under drift, för att garantera processutbyte och utrustningssäkerhet. Driftsmiljön för moderna halvledarutrustningskammare har emellertid blivit allt hårdare. Genomskinliga fönster bombarderas ständigt av fluor-baserade och syrebaserade-plasma, hög-jonstrålar och ultraviolett strålning, samt exponeras för frätande kemiska ämnen. Samtidigt genomgår kamrarna ofta snabba uppvärmnings- och nedkylningscykler från rumstemperatur till hundratals grader Celsius och uthärdar ihållande tryckskillnader mellan det inre vakuumet och den yttre atmosfären. Traditionellt smält kiseldioxidglas och konventionellt optiskt glas kan inte längre uppfylla kraven för högtillverkning.{11}
Mot denna bakgrund har högpresterande transparent keramik blivit det vanliga kärnmaterialet för transparenta fönster i halvledarutrustning, tack vare deras enastående korrosionsbeständighet, höga-temperaturstabilitet, strålningsbeständighet, höga mekaniska styrka och utmärkta ljusgenomsläpplighet. Den här artikeln granskar vanliga transparenta keramiska fönstermaterial för halvledarutrustning, vilket ger en referens för materialval och praktisk tillämpning.
Transparenta keramiska material för fönster med halvledarutrustning
Till skillnad från vanlig ogenomskinlig keramik produceras transparent keramik med hjälp av ultra-rena, ultra-fina keramiska pulver som råmaterial. Genom att använda sofistikerade tillverkningstekniker som atmosfärsintring, varm-presssintring och vakuumsintring uppnår de nästan -teoretisk densitet och en helt tät struktur, vilket eliminerar ljusspridning orsakad av porer. Dessutom används kornkontrollteknik för att säkerställa enhetlig kornstorlek, tunna korngränser och ingen föroreningssegregering, vilket drastiskt minskar ljusspridningen vid korngränserna. Transparenta enkristaller kan också tillverkas via kristalltillväxtmetoder, med väl-ordnade gitter och extremt låg defektdensitet för att minimera ljusspridningsförluster.
Inte alla keramiska pulver är lämpliga för tillverkning av transparent keramik. För närvarande används kubiska kristallsystemmaterial inklusive yttria (Y2O3), yttriumaluminiumgranat (YAG) och aluminiumoxynitrid (AlON) i stor utsträckning. Dessa material är optiskt isotropa utan dubbelbrytning och ger utmärkt ljustransmittans. Enkristallmaterial som safir med en hexagonal kristallstruktur har också regelbundna gitter och låg defektdensitet, vilket uppnår hög och enhetlig ljustransmittans med låg optisk distorsion.
1. Yttria (Y2O3) Transparent keramik
Yttria transparent keramik har ett extremt brett optiskt överföringsband, som sträcker sig från djup ultraviolett (0,25 μm) till medel-infrarött (8 μm). Det är ett av få oxidmaterial som sänder ljus i både djupa ultravioletta och mitten-infraröda områden. Genomskinlig yttria-keramik av hög-kvalitet uppnår i allmänhet en synlig-ljustransmittans på 70 % till 85 %.
Utöver överlägsen optisk prestanda, uppvisar yttria (Y₂O₃) exceptionell motståndskraft mot fluor-baserad plasmakorrosion. Bindningsenergin för Y–O-bindningar når 780 kJ/mol, vilket gör materialet kemiskt inert mot halogenelement, särskilt fluor och klor. Även när det reagerar med fluor bildar det ett stabilt och tätt yttriumfluorid (YF₃) skikt som motstår flagning. Denna egenskap minskar kraftigt partikelbildning och förhindrar ytterligare erosion av kammarkomponenter såsom hålrum och duschmunstycken av fluorplasma, vilket förlänger livslängden. I typiska hög-fluorbaserade-eller klor-baserade plasmamiljöer är dess etsningshastighet bara 1/20 till 1/50 av kvartsglasets. Med en smältpunkt på 2430 grader kan yttriumoxid bibehålla strukturell integritet utan förångning eller deformation under lång-service över 1750 grader, anpassad till de extrema temperaturförhållandena för plasmaprocesser. Det är en idealisk kandidat för genomskinliga fönster med-avancerad etsutrustning.
Dess främsta nackdelar ligger i relativt låg mekanisk hållfasthet och hårdhet (Mohs hårdhet: 6,5–7). Den har sämre slaghållfasthet och tryckutmattningsbeständighet jämfört med safir, vilket gör den olämplig för driftsförhållanden med högt tryck och kraftiga stötar.
2. Yttrium Aluminium Granat (YAG)
YAG syntetiseras genom dopning av yttriumoxid med en viss andel aluminiumoxid. Liksom yttriumoxid har den en kubisk kristallstruktur, som kombinerar aluminiumoxidens mekaniska stabilitet med yttriumoxidens höga-temperaturbeständighet och optiska fördelar. Med väl-balanserad övergripande prestanda är YAG också mer kostnadseffektiv- än ren yttria. Optiskt ger rena YAG-kristaller hög transmittans över våglängdsområdet 0,25 μm till 5 μm, med en synlig och nära-infraröd transmittans på över 80 %. Noterbart visar den ingen ljusabsorption i 2 μm–3 μm bandet, vilket gör den tillämpbar för arbetsförhållanden som involverar måttligt intensiv fluorplasma, höga temperaturer och vakuumtryckskillnader.
3. Aluminiumoxinitrid (AlON)
AlON transparent keramik erbjuder utmärkt optisk transmittans från ultraviolett och synligt ljus till mellan-infraröda band, med en transmittans över 80 % i våglängdsområdet 0,2 μm till 6,0 μm. Den har en Vickers hårdhet på 17–18 GPa och en böjhållfasthet på cirka 300 MPa. Med hög hårdhet och anständig seghet har AlON utmärkt motståndskraft mot stötar och repor. Dess produktion kräver dock sintring i 1750 grader till 1900 grader, vilket leder till hög energiförbrukning och tillverkningskostnader.
4. Transparent aluminiumoxidkeramik
Transparent aluminiumoxidkeramik uppnår en hög transmittans på över 90 % i de synliga och nära-infraröda banden (200–2200 nm), vilket uppfyller de optiska övervakningskraven för halvledarutrustning. De kan också fungera stabilt vid temperaturer över 1000 grader. När det gäller produktion drar transparent aluminiumoxidkeramik nytta av mogna tillverkningsprocesser. De kan tillverkas via trycklös sintring, varm-presssintring och andra metoder, med låga råmaterialkostnader, ett brett processfönster och enkel stor-produktion.
Ändå är bindningsenergin för Al–O-bindningar cirka 498 kJ/mol. Även om materialet motstår mest kemisk korrosion, reagerar det lätt med fluor under hög-plasmaförhållanden för att bilda aluminiumfluorid (AlF₃). Detta fluoridskikt tenderar att lossna och kristallisera på ytan, vilket producerar partikelformiga föroreningar som kan falla på och förorena wafers. Samtidigt förbrukas skyddsskiktet kontinuerligt, vilket begränsar dess användning i etsningsutrustning.
5. Safir
Safir är enkel-aluminiumoxid, som skiljer sig fundamentalt från polykristallin transparent aluminiumoxidkeramik. Aluminium- och syreatomer är regelbundet bundna via kovalenta bindningar inuti kristallen och bildar ett kompakt och välordnat gitter. Tillväxtprocessen för en-kristall ger extremt låg defekt- och föroreningshalt, utan korngränser eller porer som orsakar ljusspridning. Ljus färdas genom safir med minimalt hinder, vilket effektivt minskar ljusspridning och absorption. Därför levererar Sapphire enastående optisk prestanda, med ett överföringsvåglängdsområde på 0,19 μm till 5,5 μm och en rakt synligt-ljustransmittans upp till 86%, vilket gör det till ett optimalt substrat för optiska fönster med hög-prestanda.
Den enda-kristallstrukturen har dock också uppenbara nackdelar. Kvarstående inre spänningar är benägna att bildas under kristalltillväxt, så safir är känsligt för spröda brott och sprickor under användning och montering, vilket hindrar precisionslaminering och bearbetning. Dessutom involverar en-tillväxt av en kristall komplexa tekniker och ett lågt utbyte, vilket resulterar i en mycket högre total produktionskostnad än polykristallin transparent aluminiumoxidkeram.