Pusvadītāju ražošana ir augstas{0}precizitātes mikrofastrādes sistēma. Galvenie procesi, piemēram, fotolitogrāfija, kodināšana, plānās -plēves uzklāšana un jonu implantācija, tiek veikti noslēgtās vakuuma kamerās. Caurspīdīgi logi ir vienīgais skatīšanās ports pusvadītāju iekārtu kamerās, kas ļauj inženieriem darbības laikā reāllaikā uzraudzīt iekšējos apstākļus, lai garantētu procesa ražīgumu un aprīkojuma drošību. Tomēr mūsdienu pusvadītāju iekārtu kameru darbības vide ir kļuvusi arvien skarbāka. Caurspīdīgos logus pastāvīgi bombardē plazmas uz fluora- un skābekļa- bāzes, augstas-enerģijas jonu stari un ultravioletais starojums, kā arī tiek pakļauti kodīgām ķīmiskām vielām. Tikmēr kameras bieži tiek pakļautas ātrai sildīšanas un dzesēšanas cikliem no istabas temperatūras līdz simtiem grādu pēc Celsija, un tās iztur pastāvīgas spiediena atšķirības starp iekšējo vakuumu un ārējo atmosfēru. Tradicionālais kausētais silīcija dioksīda stikls un tradicionālais optiskais stikls vairs neatbilst augstākās klases ražošanas prasībām.
Uz šī fona augstas veiktspējas caurspīdīgā keramika ir kļuvusi par galveno materiālu pusvadītāju iekārtu caurspīdīgiem logiem, pateicoties izcilajai izturībai pret koroziju, augstajai temperatūras stabilitātei, radiācijas izturībai, augstajai mehāniskajai izturībai un lieliskajai gaismas caurlaidībai. Šajā rakstā ir apskatīti parastie caurspīdīgie keramiskie logu materiāli pusvadītāju iekārtām, sniedzot atsauci materiālu izvēlei un praktiskai pielietošanai.
Caurspīdīgi keramikas materiāli pusvadītāju iekārtu logiem
Atšķirībā no parastās necaurspīdīgās keramikas, caurspīdīgā keramika tiek ražota, kā izejmateriālu izmantojot īpaši{0}}tīrus, īpaši-smalkus keramikas pulverus. Izmantojot sarežģītas ražošanas metodes, piemēram, atmosfēras saķepināšanu, karstās-preses saķepināšanu un vakuuma saķepināšanu, tie sasniedz gandrīz-teorētisku blīvumu un pilnībā blīvu struktūru, kas novērš poru izraisīto gaismas izkliedi. Turklāt tiek izmantota graudu kontroles tehnoloģija, lai nodrošinātu vienmērīgu graudu izmēru, plānas graudu robežas un bez piemaisījumu segregācijas, krasi samazinot gaismas izkliedi uz graudu robežām. Caurspīdīgus monokristālus var izgatavot arī, izmantojot kristālu augšanas metodes, kam ir labi sakārtoti-režģi un ārkārtīgi zems defektu blīvums, lai samazinātu gaismas izkliedes zudumus.
Ne visi keramikas pulveri ir piemēroti caurspīdīgas keramikas ražošanai. Pašlaik plaši tiek izmantoti kubisko kristālu sistēmas materiāli, tostarp itrija (Y2O3), itrija alumīnija granāts (YAG) un alumīnija oksinitrīds (AlON). Šie materiāli ir optiski izotropiski bez divkāršas laušanas un nodrošina lielisku gaismas caurlaidību. Atsevišķa-kristāla materiāliem, piemēram, safīram ar sešstūra kristāla struktūru, ir arī regulāri režģi un zems defektu blīvums, tādējādi nodrošinot augstu un vienmērīgu gaismas caurlaidību ar zemu optisko kropļojumu.
1. Itrijas (Y₂O₃) Caurspīdīga keramika
Itrijas caurspīdīgajai keramikai ir ārkārtīgi plaša optiskā pārraides josla, sākot no dziļa ultravioletā starojuma (0,25 μm) līdz vidējai -infrasarkanajai (8 μm). Tas ir viens no nedaudzajiem oksīda materiāliem, kas pārraida gaismu gan dziļā ultravioletā, gan vidējā -infrasarkanajā zonā. Augstas-kvalitātes itrija caurspīdīgā keramika parasti nodrošina redzamās-gaismas caurlaidību no 70% līdz 85%.
Papildus izcilajai optiskajai veiktspējai itrijs (Y₂O₃) uzrāda izcilu izturību pret plazmas koroziju, kuras pamatā ir fluors{0}}. Y–O saišu saišu enerģija sasniedz 780 kJ/mol, padarot materiālu ķīmiski inertu pret halogēna elementiem, īpaši fluoru un hloru. Pat reaģējot ar fluoru, tas veido stabilu un blīvu itrija fluorīda (YF₃) slāni, kas ir izturīgs pret lobīšanos. Šis raksturlielums ievērojami samazina daļiņu veidošanos un novērš turpmāku kameras sastāvdaļu, piemēram, dobumu un dušas galviņu, eroziju ar fluora plazmu, tādējādi pagarinot kalpošanas laiku. Tipiskā plazmas vidē ar augstu -blīvumu fluora- vai hlora- bāzes tā kodināšanas ātrums ir tikai 1/20 līdz 1/50 no kvarca stikla ātruma. Ar kušanas temperatūru 2430 grādi itrija var saglabāt struktūras integritāti bez iztvaikošanas vai deformācijas ilgstošas darbības laikā virs 1750 grādiem, pielāgojoties plazmas procesu ekstremālajiem temperatūras apstākļiem. Tas ir ideāls kandidāts augstas klases kodināšanas aprīkojuma caurspīdīgiem logiem.
Tās galvenie trūkumi ir salīdzinoši zemā mehāniskā izturība un cietība (Mosa cietība: 6,5–7). Tam ir zemāka triecienizturība un spiediena noguruma izturība nekā safīram, tāpēc tas nav piemērots ekspluatācijas apstākļiem, kas saistīti ar augstu spiedienu un spēcīgu triecienu.
2. Itrija alumīnija granāts (YAG)
YAG tiek sintezēts, dopingā itriju ar noteiktu alumīnija oksīda proporciju. Tāpat kā itrijam, tam ir kubiskā kristāla struktūra, kas apvieno alumīnija oksīda mehānisko stabilitāti ar itrija augsto -temperatūras izturību un optiskajām priekšrocībām. Ar labi-līdzsvarotu kopējo veiktspēju YAG ir arī rentablāka- nekā tīra itrija. Optiski tīri YAG kristāli nodrošina augstu caurlaidību viļņu garuma diapazonā no 0,25 μm līdz 5 μm, un redzamā un gandrīz -infrasarkanā starojuma caurlaidība pārsniedz 80%. Konkrēti, tas neuzrāda gaismas absorbciju 2 μm–3 μm diapazonā, padarot to izmantojamu darba apstākļos, kas saistīti ar vidēji intensīvu fluora plazmu, augstām temperatūrām un vakuuma spiediena atšķirībām.
3. Alumīnija oksinitrīds (AlON)
AlON caurspīdīgā keramika piedāvā izcilu optisko caurlaidību no ultravioletās un redzamās gaismas līdz vidējai -infrasarkanajai joslai ar caurlaidību virs 80% viļņu garuma diapazonā no 0,2 μm līdz 6,0 μm. Tā lepojas ar Vickers cietību 17–18 GPa un lieces izturību aptuveni 300 MPa. Ar augstu cietību un pienācīgu stingrību AlON ir lieliska izturība pret triecieniem un skrāpējumiem. Tomēr tā ražošanai ir nepieciešama saķepināšana 1750 līdz 1900 grādu temperatūrā, kas rada augstu enerģijas patēriņu un ražošanas izmaksas.
4. Caurspīdīga alumīnija oksīda keramika
Caurspīdīga alumīnija oksīda keramika sasniedz augstu caurlaidību, kas pārsniedz 90% redzamajā un tuvajā infrasarkanajā joslā (200–2200 nm), kas atbilst pusvadītāju iekārtu optiskās uzraudzības prasībām. Tie var arī stabili darboties temperatūrā virs 1000 grādiem. Ražošanas ziņā caurspīdīga alumīnija oksīda keramika gūst labumu no nobriedušiem ražošanas procesiem. Tos var izgatavot, izmantojot bezspiediena saķepināšanu, karstās -preses saķepināšanu un citas metodes, ar zemām izejmateriālu izmaksām, plašu procesa logu un vienkāršu lielapjoma{9}}ražošanu.
Neskatoties uz to, Al-O saišu saites enerģija ir aptuveni 498 kJ/mol. Lai gan materiāls ir izturīgs pret lielāko daļu ķīmiskās korozijas, tas viegli reaģē ar fluoru augstas -enerģijas plazmas apstākļos, veidojot alumīnija fluorīdu (AlF₃). Šim fluorīda slānim ir tendence nolobīties un kristalizēties uz virsmas, radot daļiņu piesārņotājus, kas var nokrist uz plāksnēm un piesārņot tās. Tikmēr aizsargslānis tiek nepārtraukti patērēts, kas ierobežo tā pielietojumu kodināšanas iekārtās.
5. Safīrs
Safīrs ir viena{0}}kristāla alumīnija oksīds, kas būtiski atšķiras no polikristāliski caurspīdīgas alumīnija oksīda keramikas. Alumīnija un skābekļa atomi tiek regulāri saistīti ar kovalentām saitēm kristāla iekšpusē, veidojot kompaktu un labi sakārtotu režģi. Viena-kristāla augšanas process nodrošina ārkārtīgi zemu defektu un piemaisījumu saturu, bez graudu robežām vai porām, kas izraisa gaismas izkliedi. Gaisma pārvietojas pa safīru ar minimāliem šķēršļiem, efektīvi samazinot gaismas izkliedi un absorbciju. Tāpēc safīrs nodrošina izcilu optisko veiktspēju ar pārraides viļņa garuma diapazonu no 0,19 μm līdz 5,5 μm un taisni redzamu-gaismas caurlaidību līdz pat 86%, padarot to par optimālu substrātu augstas veiktspējas optiskajiem logiem.
Tomēr viena{0}kristāla struktūrai ir arī acīmredzami trūkumi. Kristālu augšanas laikā var veidoties iekšējais atlikušais spriegums, tāpēc safīrs ir jutīgs pret trausliem lūzumiem un šķelšanās plaisām lietošanas un montāžas laikā, kas kavē precīzu laminēšanu un apstrādi. Turklāt viena-kristāla augšana ietver sarežģītas metodes un zemu ražas līmeni, kā rezultātā kopējās ražošanas izmaksas ir daudz augstākas nekā polikristāliski caurspīdīgai alumīnija oksīda keramikai.