Kvartsi on yksi tärkeimmistä materiaaleista puolijohteiden valmistuksessa. Sitä käytetään laajalti diffuusio-uuneissa, hapetusjärjestelmissä, CVD-laitteissa, piikiekkojen kuljetusalustoissa, prosessikammioissa, optisissa tarkastusjärjestelmissä sekä kemikaalien käsittelyyn tarkoitetuissa komponenteissa.
Kaikki kvartsimateriaalit eivät kuitenkaan sovellu puolijohdesovelluksiin. Prosessiympäristöstä riippuen kvartsikomponenteilta saatetaan vaatia eritasoista puhtautta, lämpöstabiilisuutta, hydroksyylipitoisuutta, optisia ominaisuuksia ja mittatarkkuutta.
Sopivan kvartsimateriaalin valinta on ratkaisevan tärkeää kontaminaation minimoimiseksi, prosessin vakauden ylläpitämiseksi ja piikiekkojen tuotoksen maksimoimiseksi.
Miksi puolijohteiden valmistuksessa tarvitaan erittäin puhdasta kvartsia
Puolijohteiden valmistukseen liittyy lukuisia prosesseja, jotka suoritetaan äärimmäisissä olosuhteissa:
- Yli 1000 °C:n korkeat lämpötilat
- Syövyttävät prosessikaasut
- Reaktiiviset kemikaalit
- Erittäin puhtaat tuotantoympäristöt
- Nanometrin mittakaavan laiterakenteet
Näissä olosuhteissa jopa laitteiden materiaaleista peräisin olevat vähäiset epäpuhtaudet voivat vaikuttaa laitteen suorituskykyyn.
Tämän vuoksi puolijohdevalmistajat käyttävät yleensä erittäin puhdasta sulatettua kvartsia tai synteettistä sulatettua piidioksidia tavallisen teollisuuskvartsin sijaan.
1. Erittäin vähäinen metallipitoisuus
Materiaalin puhtaus on yksi puolijohdekvartsin tärkeimmistä vaatimuksista.
Metalliset epäpuhtaudet voivat diffundoitua piikiekkoihin korkean lämpötilan käsittelyn aikana ja vaikuttaa niiden sähköisiin ominaisuuksiin.
Erityistä huomiota kiinnitetään seuraaviin seikkoihin:
- Alumiini (Al)
- Rauta (Fe)
- Kalsium (Ca)
- Magnesium (Mg)
- Titaani (Ti)
- Natrium (Na)
- Kalium (K)
- Litium (Li)
Sen sijaan, että noudatettaisiin yhtä ainoaa yleispätevää vaatimusta, epäpuhtausrajat määritetään yleensä puolijohdeprosessin ja laitevalmistajan toimesta.
Kehittyneissä puolijohdesovelluksissa epäpuhtauspitoisuuksia säädellään usein ppm- tai sub-ppm-tasolla.
2. Erinomainen suorituskyky korkeissa lämpötiloissa
Monet puolijohdeprosessit tapahtuvat 800 °C:n ja 1200 °C:n välillä.
Kvartsi on laajalti käytössä, koska se tarjoaa:
| Kiinteistö | Tyypillinen arvo |
|---|---|
| Pehmenemispiste | Noin 1730 °C |
| Jatkuva käyttölämpötila | Jopa 1200 °C |
| Lämpölaajenemiskerroin | Noin 0,5 × 10⁻⁶ /°C |
Erittäin alhainen lämpölaajenemiskerroin auttaa minimoimaan lämpöjännityksiä nopeiden lämmitys- ja jäähdytysjaksojen aikana.
Yleisiä korkean lämpötilan kvartsikomponentteja ovat muun muassa:
- Kvartsiuunin putket
- Kvartsiveneet
- Piikiekkojen kantajat
- Prosessivuoraukset
- Jalustat
3. Hydroksyyliryhmien (OH) pitoisuus on tärkeää
Yksi usein huomiotta jäävä tekijä on hydroksyylipitoisuus.
OH-ryhmien pitoisuus voi vaikuttaa merkittävästi lämpöstabiiliuteen ja optisiin läpäisyominaisuuksiin.
Vähä-OH-kvartsi
Käytetään yleensä:
- Diffuusio-uunit
- Hapetusuunit
- LPCVD-prosessit
Edut:
- Parannettu lämpöstabiilisuus
- Vähentynyt muodonmuutos korkeissa lämpötiloissa
- Parempi infrapunasignaalin läpäisy
Korkea-OH-kvartsi
Käytetään yleensä:
- UV-optiikkajärjestelmät
- Optiset ikkunat
- Lasersovellukset
Edut:
- Parannettu UV-läpäisykyky
- Erinomainen optinen suorituskyky
Eri puolijohdesovellukset edellyttävät erilaisia OH-vaatimuksia.
4. Kuplien ja sulkeumien hallinta
Sisäiset kuplat ja sulkeumat ovat puolijohdekvartsin laadun kannalta ratkaisevia indikaattoreita.
Liian suuri kuplatiheys voi johtaa seuraaviin seurauksiin:
- Hiukkasten muodostuminen
- Vähentynyt mekaaninen lujuus
- Paikallinen lämpöjännitys
- Komponentin ennenaikainen vikaantuminen
Kriittisissä puolijohdesovelluksissa kvartsimateriaalit luokitellaan usein kuplatiheyden ja sulkeumien määrän perusteella.
Huippuluokan puolijohdelaitteissa vaaditaan yleensä erittäin alhaisia kuplien ja sulkeumien pitoisuuksia.
5. Kemiallinen kestävyys
Kvartsi kestää erinomaisesti useimpia puolijohteiden valmistuksessa käytettyjä happoja ja prosessikemikaaleja.
Se toimii hyvin seuraavanlaisissa ympäristöissä:
- Rikkihappo
- Typpihappo
- Suolahappo
- Hapettavat kemikaalit
Kvartsiin voivat kuitenkin vaikuttaa seuraavat tekijät:
- Fluorivetyhappo (HF)
- Tietyt voimakkaasti emäksiset liuokset korkeissa lämpötiloissa
Siksi materiaalien yhteensopivuus on aina arvioitava suunnitellun prosessikemian perusteella.
6. Mittaustarkkuus ja pinnanlaatu
Puolijohdelaitteiden valmistuksessa tarvitaan erittäin tarkkoja kvartsikomponentteja.
Tyypillisiä vaatimuksia voivat olla esimerkiksi:
- Tasaisuus
- Rinnakkaisuus
- Keskittymä
- Pinnan viimeistely
- Reunan laatu
Lisäksi pinnoilla ei saa olla:
- Naarmut
- Sirut
- Halkeamat
- Vieraat sulkeumat
Pintaviat voivat muodostua epäpuhtauksien lähteiksi ja heikentää prosessin luotettavuutta.
7. Puhtaus ja hiukkasten hallinta
Nykyaikaisessa puolijohteiden valmistuksessa kiinnitetään yhä enemmän huomiota epäpuhtauksien hallintaan.
Kvartsikomponentit joutuvat usein:
- Tarkkuuskoneistus
- Happopuhdistus
- Ultraäänipuhdistus
- Huuhtelu erittäin puhtaalla vedellä
- Puhdastilapakkaukset
Pelkkä erittäin puhdas materiaali ei riitä, ellei lopullista komponenttia käsitellä ja pakata puolijohteiden puhtausvaatimusten mukaisesti.
Puolijohteiden valmistuksessa yleisesti käytetyt kvartsimateriaalit
| Materiaalityyppi | Tyypilliset sovellukset |
|---|---|
| Sulatettu kvartsi | Yleiset puolijohdelaitteiden komponentit |
| Erittäin puhdas sulatettu kvartsi | Diffuusio- ja hapetusjärjestelmät |
| Synteettinen sulatettu piidioksidi | Optiset ja fotolitografiset sovellukset |
| Vähä-OH-kvartsi | Korkean lämpötilan uunin osat |
| Korkea-OH-kvartsi | UV-läpäisyä parantavat komponentit |
Päätelmä
Kaikki kvartsimateriaalit eivät sovellu puolijohteiden valmistukseen.
Puolijohde-laatuista kvartsia valittaessa on otettava huomioon useita tekijöitä, kuten puhtaus, hydroksyylipitoisuus, lämpöstabiilisuus, kuplatiheys, kemiallinen kestävyys, mittatarkkuus ja puhtausvaatimukset.
Koska jokainen puolijohdeprosessi asettaa materiaalille erilaisia vaatimuksia, sopivan kvartsilaadun valinta on usein yhtä tärkeää kuin oikean komponenttisuunnittelun valinta.
Puolijohdelaitteiden valmistajille ja piikiekkojen tuotantolaitoksille oikeanlainen kvartsimateriaali voi merkittävästi parantaa prosessin vakautta, vähentää saastumisriskejä ja pidentää komponenttien käyttöikää.
