La fabricació de semiconductors és un sistema de microfabricació{0}}d'alta precisió. Els processos bàsics, com ara la fotolitografia, el gravat, la deposició de pel·lícules primes-i la implantació d'ions es duen a terme en cambres de buit segellades. Com a únic port de visualització de les cambres dels equips de semiconductors, les finestres transparents permeten als enginyers controlar les condicions internes en temps real durant el funcionament, per garantir el rendiment del procés i la seguretat de l'equip. No obstant això, l'entorn operatiu de les cambres modernes d'equips de semiconductors ha crescut cada cop més dur. Les finestres transparents són bombardejades constantment per plasmes basats en fluor-i oxigen-, feixos d'ions d'alta-energia i radiació ultraviolada, així com exposades a substàncies químiques corrosives. Mentrestant, les cambres sovint es sotmeten a cicles ràpids d'escalfament i refrigeració des de la temperatura ambient fins a centenars de graus centígrads, i suporten diferencials de pressió persistents entre el buit intern i l'atmosfera externa. El vidre de sílice fos tradicional i el vidre òptic convencional ja no poden complir els requisits de la fabricació-de gamma alta.
En aquest context, les ceràmiques transparents d'alt rendiment-s'han convertit en el material bàsic principal per a finestres transparents d'equips semiconductors, gràcies a la seva excepcional resistència a la corrosió, alta-estabilitat a la temperatura, resistència a la radiació, alta resistència mecànica i excel·lent transmissió de la llum. Aquest article revisa els materials de finestres de ceràmica transparents comuns per a equips de semiconductors, proporcionant una referència per a la selecció de materials i l'aplicació pràctica.
Materials ceràmics transparents per a finestres d'equips semiconductors
A diferència de la ceràmica opaca normal, la ceràmica transparent es fa amb pols ceràmiques ultra-pures i ultra-fines com a matèries primeres. Adoptant tècniques de fabricació sofisticades, com ara la sinterització d'atmosfera, la sinterització per premsa en calent i la sinterització al buit, aconsegueixen una densitat gairebé-teòrica i una estructura totalment densa, que elimina la dispersió de la llum causada pels porus. A més, s'aplica la tecnologia de control de gra per garantir una mida uniforme del gra, límits de gra prim i sense segregació d'impureses, reduint dràsticament la dispersió de la llum als límits del gra. Els cristalls senzills transparents també es poden fabricar mitjançant mètodes de creixement de cristalls, amb gelosies ben-ordenades i una densitat de defectes extremadament baixa per minimitzar la pèrdua de dispersió de la llum.
No totes les pols ceràmiques són adequades per a la fabricació de ceràmica transparent. Actualment, s'utilitzen àmpliament els materials del sistema de cristalls cúbics que inclouen itria (Y₂O₃), granat d'itri d'alumini (YAG) i oxinitrur d'alumini (AlON). Aquests materials són òpticament isòtrops sense birrefringència i ofereixen una excel·lent transmissió de la llum. Els materials de cristall simple-com ara el safir amb una estructura de cristall hexagonal també presenten gelosies regulars i una baixa densitat de defectes, aconseguint una transmissió de llum elevada i uniforme amb una baixa distorsió òptica.
1. Yttria (Y₂O₃) Ceràmica transparent
Les ceràmiques transparents d'Yttria presenten una banda de transmissió òptica extremadament àmplia, que va des de l'ultraviolat profund (0,25 μm) fins a l'infraroig mitjà-(8 μm). És un dels pocs materials d'òxid que transmeten llum tant a l'ultraviolat profund com a l'infraroig mitjà-. Les ceràmiques transparents d'ítria d'alta-qualitat generalment aconsegueixen una-transmissió de la llum visible del 70% al 85%.
Més enllà d'un rendiment òptic superior, l'itria (Y₂O₃) presenta una resistència excepcional a la corrosió del plasma basada en fluor{0}. L'energia d'enllaç dels enllaços Y-O arriba als 780 kJ/mol, fent el material químicament inert als elements halogens, especialment el fluor i el clor. Fins i tot quan reacciona amb el fluor, forma una capa estable i densa de fluorur d'itri (YF₃) que resisteix la descamació. Aquesta característica redueix en gran mesura la generació de partícules i evita una major erosió dels components de la cambra, com ara cavitats i capçals de dutxa per plasma de fluor, allargant així la vida útil. En entorns de plasma típics basats en fluor-d'alta densitat-o clor-, la seva velocitat de gravat és només d'1/20 a 1/50 de la del vidre de quars. Amb un punt de fusió de 2430 graus, l'itri pot mantenir la integritat estructural sense volatilització ni deformació en un servei a llarg termini per sobre de 1750 graus, adaptant-se a les condicions de temperatura extremes dels processos de plasma. És un candidat ideal per a finestres transparents d'equips-de gravat d'alta gamma.
Els seus principals inconvenients resideixen en la resistència mecànica i la duresa relativament baixes (duresa de Mohs: 6,5–7). Té una resistència a l'impacte i una resistència a la fatiga de pressió inferiors en comparació amb el safir, el que el fa inadequat per a condicions operatives que impliquen alta pressió i impactes severs.
2. Granat d'itri d'alumini (YAG)
El YAG es sintetitza dopant itria amb una certa proporció d'alúmina. Igual que l'itri, té una estructura de cristall cúbic, que combina l'estabilitat mecànica de l'alúmina amb la resistència a la temperatura alta-i els avantatges òptics de l'itri. Amb un rendiment general-ben equilibrat, YAG també és més rendible-que l'itria pura. Òpticament, els cristalls YAG purs ofereixen una gran transmitància en el rang de longitud d'ona de 0,25 μm a 5 μm, amb una transmitància visible i infraroja propera -de més del 80%. Notablement, no mostra cap absorció de llum a la banda de 2 μm-3 μm, el que fa que sigui aplicable a condicions de treball amb plasma de fluor moderadament intens, altes temperatures i diferencials de pressió de buit.
3. Oxinitrur d'alumini (AlON)
Les ceràmiques transparents AlON ofereixen una excel·lent transmitància òptica des de la llum ultraviolada i visible fins a les bandes d'infraroig mitjà-, amb una transmitància superior al 80% en el rang de longitud d'ona de 0,2 μm a 6,0 μm. Té una duresa Vickers de 17-18 GPa i una resistència a la flexió d'aproximadament 300 MPa. Amb una alta duresa i una duresa decent, AlON té una excel·lent resistència a l'impacte i a les ratllades. No obstant això, la seva producció requereix sinterització entre 1750 i 1900 graus, la qual cosa comporta un alt consum d'energia i costos de fabricació.
4. Ceràmica d'alúmina transparent
Les ceràmiques d'alúmina transparent aconsegueixen una transmitància elevada de més del 90% a les bandes visibles i de l'infraroig proper (200-2200 nm), complint els requisits de monitorització òptica dels equips semiconductors. També poden funcionar de manera estable a temperatures superiors als 1000 graus. Pel que fa a la producció, les ceràmiques d'alúmina transparent es beneficien de processos de fabricació madurs. Es poden fabricar mitjançant sinterització sense pressió, sinterització-per premsa en calent i altres mètodes, amb uns costos baixos de matèries primeres, una àmplia finestra de procés i una producció fàcil-a gran escala.
No obstant això, l'energia d'enllaç dels enllaços Al–O és d'uns 498 kJ/mol. Tot i que el material resisteix la major part de la corrosió química, reacciona fàcilment amb el fluor en condicions de plasma d'alta -energia per formar fluorur d'alumini (AlF₃). Aquesta capa de fluor tendeix a pelar-se i cristal·litzar a la superfície, produint partícules contaminants que poden caure i contaminar les hòsties. Mentrestant, la capa protectora es consumeix contínuament, la qual cosa limita la seva aplicació en equips de gravat.
5. Safir
El safir és alúmina d'un-cristall, fonamentalment diferent de la ceràmica d'alúmina transparent policristalina. Els àtoms d'alumini i d'oxigen s'uneixen regularment mitjançant enllaços covalents dins del cristall, formant una xarxa compacta i-ben ordenada. El procés de creixement d'un cristall-únic produeix un contingut de defectes i impureses extremadament baix, sense límits de gra ni porus que provoquin dispersió de la llum. La llum viatja a través del safir amb una obstrucció mínima, reduint eficaçment la dispersió i l'absorció de la llum. Per tant, el safir ofereix un rendiment òptic excepcional, amb un rang de longitud d'ona de transmissió de 0,19 μm a 5,5 μm i una transmissió de la llum visible recta de fins a un 86%, el que el converteix en un substrat òptim per a finestres òptiques d'alt rendiment-.
Tanmateix, l'estructura d'-un sol cristall també té desavantatges evidents. L'estrès intern residual és propens a formar-se durant el creixement del cristall, de manera que el safir és susceptible a fractures fràgils i esquerdes d'escissió durant l'ús i el muntatge, cosa que dificulta la laminació i el processament de precisió. A més, el creixement d'un-cristall únic implica tècniques complexes i una baixa taxa de rendiment, el que resulta en un cost de producció global molt més elevat que la ceràmica d'alúmina transparent policristalina.