Křemen je jedním z nejdůležitějších materiálů používaných při výrobě polovodičů. Široce se využívá v difúzních pecích, oxidačních systémech, zařízeních pro chemickou depozici z plynné fáze (CVD), nosičích destiček, procesních komorách, systémech optické kontroly a součástech pro manipulaci s chemikáliemi.

Ne všechny křemenné materiály jsou však vhodné pro použití v polovodičovém průmyslu. V závislosti na procesním prostředí mohou křemenné součásti vyžadovat různé úrovně čistoty, tepelné stability, obsahu hydroxylových skupin, optických vlastností a rozměrové přesnosti.

Výběr vhodného křemenného materiálu má zásadní význam pro minimalizaci kontaminace, zajištění stability procesu a maximalizaci výtěžnosti destiček.

Proč se při výrobě polovodičů využívá křišťál vysoké čistoty

Výroba polovodičů zahrnuje řadu procesů probíhajících za extrémních podmínek:

Vysoké teploty přesahující 1000 °C
Korozivní procesní plyny
Reaktivní chemikálie
Vysoce čistá výrobní prostředí
Struktury zařízení v nanometrovém měřítku

Za těchto podmínek může výkon zařízení ovlivnit i stopové znečištění pocházející z materiálů, z nichž je zařízení vyrobeno.

V důsledku toho výrobci polovodičů obvykle používají vysoce čistý tavený křemen nebo syntetický tavený křemen namísto běžného průmyslového křemene.

1. Extrémně nízká úroveň kovové kontaminace

Čistota materiálu je jedním z nejdůležitějších požadavků kladených na křemen pro polovodičové účely.

Při zpracování za vysokých teplot mohou do destiček pronikat kovové nečistoty, což může mít vliv na jejich elektrické vlastnosti.

Zvláštní pozornost je věnována:

Hliník (Al)
Železo (Fe)
Vápník (Ca)
Hořčík (Mg)
Titan (Ti)
Sodík (Na)
Draslík (K)
Lithium (Li)

Místo toho, aby se řídily jedinou univerzální specifikací, jsou limity nečistot obvykle stanoveny výrobcem polovodičového procesu a zařízení.

U pokročilých aplikací v oblasti polovodičů se koncentrace nečistot často regulují na úrovni ppm nebo pod úrovní ppm.

2. Vynikající vlastnosti při vysokých teplotách

Mnohé procesy při výrobě polovodičů probíhají při teplotách v rozmezí 800 °C až 1200 °C.

Křemen se hojně používá, protože nabízí:

Majetek	Typická hodnota
Bod měknutí	Přibližně 1730 °C
Trvalá provozní teplota	Až 1200 °C
Koeficient tepelné roztažnosti	Přibližně 0,5 × 10⁻⁶ /°C

Díky mimořádně nízkému koeficientu tepelné roztažnosti se daří minimalizovat tepelné napětí během cyklů rychlého zahřívání a ochlazování.

Mezi běžné vysokoteplotní křemenné součástky patří:

Trubky křemenné pece
Lodě z křemene
Nosiče destiček
Vložky do výrobních linek
Podstavce

3. Obsah hydroxylových skupin (OH) je důležitý

Jedním z faktorů, který se často přehlíží, je obsah hydroxylových skupin.

Koncentrace OH skupin může významně ovlivnit tepelnou stabilitu a optické vlastnosti propustnosti.

Křemen s nízkým obsahem OH

Obvykle se používá pro:

Difúzní pece
Oxidace v pecích
Procesy LPCVD

Výhody:

Zlepšená tepelná stabilita
Snížená deformace při vysokých teplotách
Lepší propustnost infračerveného záření

Křemen s vysokým obsahem OH

Obvykle se používá pro:

UV optické systémy
Optická okna
Laserové aplikace

Výhody:

Zvýšená propustnost UV záření
Vynikající optický výkon

Různá použití polovodičů vyžadují různé specifikace OH.

4. Kontrola bublin a vměstků

Vnitřní bubliny a vměstky jsou klíčovými ukazateli kvality polovodičového křemene.

Příliš vysoká hustota bublin může vést k:

Vytváření částic
Snížená mechanická pevnost
Lokální tepelné namáhání
Předčasná porucha součásti

U kritických aplikací v oblasti polovodičů se křemenné materiály často klasifikují podle hustoty bublin a obsahu inkluzí.

Špičková zařízení pro výrobu polovodičů obecně vyžadují extrémně nízký obsah bublin a vměstků.

5. Chemická odolnost

Křemen vykazuje vynikající odolnost vůči většině kyselin a procesních chemikálií používaných při výrobě polovodičů.

V následujících prostředích vykazuje dobré výsledky:

Kyselina sírová
Kyselina dusičná
Kyselina chlorovodíková
Oxidující chemikálie

Křemen však může být napaden:

Kyselina fluorovodíková (HF)
Některá silně alkalická roztoky při zvýšených teplotách

Proto je nutné kompatibilitu materiálů vždy posuzovat s ohledem na chemické složení procesu, pro který jsou určeny.

6. Rozměrová přesnost a kvalita povrchu

Výroba polovodičových zařízení vyžaduje vysoce přesné křemenné součástky.

Mezi typické požadavky mohou patřit:

Plochost
Paralelismus
Soustřednost
Povrchová úprava
Kvalita hran

Kromě toho by povrchy neměly obsahovat:

Škrábance
Čipsy
Trhliny
Cizí vměstky

Povrchové vady se mohou stát zdrojem znečištění a snížit spolehlivost procesu.

7. Čistota a kontrola částic

Při moderní výrobě polovodičů se klade stále větší důraz na kontrolu kontaminace.

Křemenné součásti často procházejí:

Přesné obrábění
Čištění kyselinou
Ultrazvukové čištění
Oplachování vodou vysoké čistoty
Obaly pro čisté prostory

Samotný materiál vysoké čistoty nestačí, pokud není finální součástka zpracována a zabalena v souladu s požadavky na čistotu v polovodičovém průmyslu.

Běžné křemenné materiály používané při výrobě polovodičů

Typ materiálu	Typické aplikace
Tavený křemen	Obecné součásti zařízení pro výrobu polovodičů
Tavený křemen vysoké čistoty	Difúzní a oxidační systémy
Syntetický tavený křemen	Aplikace v oblasti optiky a fotolitografie
Křemen s nízkým obsahem OH	Komponenty vysokoteplotních pecí
Křemen s vysokým obsahem OH	Součásti pro propustnost UV záření

Závěr

Ne všechny křemenné materiály jsou vhodné pro výrobu polovodičů.

Výběr křemene pro polovodičové účely by měl vycházet z řady faktorů, mezi něž patří čistota, obsah hydroxylových skupin, tepelná stabilita, hustota bublin, chemická odolnost, rozměrová přesnost a požadavky na čistotu.

Vzhledem k tomu, že každý polovodičový proces klade na materiál odlišné požadavky, je výběr vhodné třídy křemene často stejně důležitý jako volba správné konstrukce součástky.

Pro výrobce polovodičových zařízení a závody na výrobu polovodičových destiček může správný výběr křemenného materiálu výrazně zlepšit stabilitu výrobního procesu, snížit riziko kontaminace a prodloužit životnost komponentů.