Pembuatan semikonduktor ialah-sistem fabrikasi mikro berketepatan tinggi. Proses teras seperti fotolitografi, etsa, pemendapan-filem nipis dan implantasi ion semuanya dijalankan dalam ruang vakum yang tertutup. Sebagai satu-satunya port melihat pada ruang peralatan semikonduktor, tingkap lutsinar membolehkan jurutera memantau keadaan dalaman dalam masa nyata semasa operasi, untuk menjamin hasil proses dan keselamatan peralatan. Walau bagaimanapun, persekitaran operasi ruang peralatan semikonduktor moden telah berkembang semakin keras. Tingkap lutsinar sentiasa dihujani oleh plasma berasaskan fluorin-dan oksigen-, rasuk ion tenaga-tinggi dan sinaran ultraungu, serta terdedah kepada bahan kimia yang menghakis. Sementara itu, ruang kerap mengalami kitaran pemanasan dan penyejukan yang pantas dari suhu bilik hingga ratusan darjah Celsius, dan menanggung perbezaan tekanan berterusan antara vakum dalaman dan atmosfera luaran. Kaca silika bercantum tradisional dan kaca optik konvensional tidak lagi dapat memenuhi keperluan{11}pengilangan atasan.
Berlatarkan latar belakang ini, seramik lutsinar-berprestasi tinggi telah menjadi bahan teras arus perdana untuk tingkap lutsinar peralatan semikonduktor, terima kasih kepada rintangan kakisan yang cemerlang,-kestabilan suhu tinggi, rintangan sinaran, kekuatan mekanikal yang tinggi dan penghantaran cahaya yang sangat baik. Artikel ini mengkaji bahan tingkap seramik lutsinar biasa untuk peralatan semikonduktor, menyediakan rujukan untuk pemilihan bahan dan aplikasi praktikal.
Bahan Seramik Lutsinar untuk Tingkap Peralatan Semikonduktor
Tidak seperti seramik legap biasa, seramik lutsinar dihasilkan menggunakan serbuk seramik ultra-tulen, ultra-halus sebagai bahan mentah. Mengguna pakai teknik fabrikasi canggih seperti pensinteran atmosfera, pensinteran-tekan panas dan pensinteran vakum, mereka mencapai-ketumpatan teori yang hampir dan struktur padat sepenuhnya, yang menghapuskan penyebaran cahaya yang disebabkan oleh liang. Selain itu, teknologi kawalan bijirin digunakan untuk memastikan saiz bijian seragam, sempadan bijian nipis dan tiada pengasingan kekotoran, secara drastik mengurangkan serakan cahaya pada sempadan bijian. Hablur tunggal lutsinar juga boleh dibuat melalui kaedah pertumbuhan kristal, menampilkan-kekisi tersusun dengan baik dan ketumpatan kecacatan yang sangat rendah untuk meminimumkan kehilangan serakan cahaya.
Tidak semua serbuk seramik sesuai untuk pembuatan seramik lutsinar. Pada masa ini, bahan sistem kristal padu termasuk yttria (Y₂O₃), yttrium aluminium garnet (YAG) dan aluminium oxynitride (AlON) digunakan secara meluas. Bahan-bahan ini secara optik isotropik tanpa birefringence dan menyampaikan ketransmisian cahaya yang sangat baik. Bahan kristal-tunggal seperti nilam dengan struktur hablur heksagon juga menampilkan kekisi biasa dan ketumpatan kecacatan yang rendah, mencapai ketransmisian cahaya yang tinggi dan seragam dengan herotan optik yang rendah.
1. Yttria (Y₂O₃) Seramik Lutsinar
Seramik lutsinar Yttria menampilkan jalur penghantaran optik yang sangat luas, daripada ultraungu dalam (0.25 μm) hingga pertengahan-inframerah (8 μm). Ia adalah salah satu daripada beberapa bahan oksida yang menghantar cahaya dalam kedua-dua kawasan ultraviolet dalam dan-tengah inframerah. Seramik telus yttria berkualiti tinggi pada umumnya mencapai-transmisi cahaya yang boleh dilihat sebanyak 70% hingga 85%.
Di luar prestasi optik yang unggul, yttria (Y₂O₃) mempamerkan rintangan luar biasa terhadap kakisan plasma-fluorin. Tenaga ikatan ikatan Y–O mencecah 780 kJ/mol, menjadikan bahan lengai secara kimia kepada unsur halogen, terutamanya fluorin dan klorin. Walaupun apabila bertindak balas dengan fluorin, ia membentuk lapisan yttrium fluoride (YF₃) yang stabil dan padat yang tahan pengelupasan. Ciri ini sangat mengurangkan penjanaan zarah dan menghalang hakisan selanjutnya komponen ruang seperti rongga dan kepala pancuran oleh plasma fluorin, sekali gus memanjangkan hayat perkhidmatan. Dalam persekitaran plasma berasaskan-ketumpatan tinggi tinggi-berasaskan fluorin-atau klorin-biasa, kadar goresannya hanyalah 1/20 hingga 1/50 daripada kaca kuarza. Dengan takat lebur 2430 darjah , yttria boleh mengekalkan integriti struktur tanpa pemeruapan atau ubah bentuk di bawah-perkhidmatan jangka panjang melebihi 1750 darjah, menyesuaikan diri dengan keadaan suhu melampau proses plasma. Ia adalah calon yang sesuai untuk tingkap lutsinar{18}}peralatan goresan tinggi.
Kelemahan utamanya terletak pada kekuatan dan kekerasan mekanikal yang agak rendah (kekerasan Mohs: 6.5–7). Ia mempunyai rintangan hentaman yang lebih rendah dan rintangan lesu tekanan berbanding dengan nilam, menjadikannya tidak sesuai untuk keadaan operasi yang melibatkan tekanan tinggi dan impak yang teruk.
2. Yttrium Aluminium Garnet (YAG)
YAG disintesis dengan doping yttria dengan bahagian alumina tertentu. Seperti yttria, ia mempunyai struktur kristal padu, menggabungkan kestabilan mekanikal alumina dengan{1}}rintangan suhu tinggi dan kelebihan optik yttria. Dengan-prestasi keseluruhan yang seimbang, YAG juga lebih kos-berkesan daripada yttria tulen. Secara optik, kristal YAG tulen memberikan ketransmisian tinggi merentasi julat panjang gelombang 0.25 μm hingga 5 μm, dengan pemancaran inframerah-terlihat dan hampir lebih 80%. Terutama, ia tidak menunjukkan penyerapan cahaya dalam jalur 2 μm–3 μm, menjadikannya terpakai untuk keadaan kerja yang melibatkan plasma fluorin sederhana sengit, suhu tinggi dan perbezaan tekanan vakum.
3. Aluminium Oxynitride (AlON)
Seramik lutsinar AlON menawarkan ketransmisian optik yang sangat baik daripada ultraungu dan cahaya kelihatan kepada jalur inframerah pertengahan-, dengan ketransmisian melebihi 80% dalam julat panjang gelombang 0.2 μm hingga 6.0 μm. Ia mempunyai kekerasan Vickers 17–18 GPa dan kekuatan lenturan kira-kira 300 MPa. Menampilkan kekerasan yang tinggi dan keliatan yang baik, AlON mempunyai ketahanan yang sangat baik terhadap hentaman dan calar. Walau bagaimanapun, pengeluarannya memerlukan pensinteran pada 1750 darjah hingga 1900 darjah, yang membawa kepada penggunaan tenaga yang tinggi dan kos pembuatan.
4. Seramik Alumina Lutsinar
Seramik alumina lutsinar mencapai ketransmisian tinggi melebihi 90% dalam jalur inframerah-terlihat dan dekat (200–2200 nm), memenuhi keperluan pemantauan optik peralatan semikonduktor. Ia juga boleh beroperasi secara stabil pada suhu melebihi 1000 darjah. Dari segi pengeluaran, seramik alumina lutsinar mendapat manfaat daripada proses pembuatan matang. Ia boleh dibuat melalui pensinteran tanpa tekanan, pensinteran-tekan panas dan kaedah lain, menampilkan kos bahan mentah yang rendah, tetingkap proses yang luas dan pengeluaran berskala besar-yang mudah.
Namun begitu, tenaga ikatan ikatan Al–O adalah kira-kira 498 kJ/mol. Walaupun bahan itu menentang kebanyakan kakisan kimia, ia mudah bertindak balas dengan fluorin di bawah-keadaan plasma tenaga tinggi untuk membentuk fluorida aluminium (AlF₃). Lapisan fluorida ini cenderung mengelupas dan menghablur di permukaan, menghasilkan bahan cemar zarah yang mungkin jatuh ke atas dan mencemarkan wafer. Sementara itu, lapisan pelindung digunakan secara berterusan, yang mengehadkan penggunaannya dalam peralatan etsa.
5. Nilam
Nilam ialah alumina tunggal-kristal, pada asasnya berbeza daripada seramik alumina lutsinar polihabluran. Atom aluminium dan oksigen diikat secara tetap melalui ikatan kovalen di dalam kristal, membentuk kisi-yang padat dan teratur. Proses pertumbuhan kristal tunggal-menghasilkan kandungan kecacatan dan kekotoran yang sangat rendah, tanpa sempadan butiran atau liang yang menyebabkan penyebaran cahaya. Cahaya bergerak melalui nilam dengan halangan yang minimum, dengan berkesan mengurangkan serakan dan penyerapan cahaya. Oleh itu, nilam memberikan prestasi optik yang luar biasa, dengan julat panjang gelombang penghantaran 0.19 μm hingga 5.5 μm dan pemancaran cahaya-terlihat lurus sehingga 86%, menjadikannya substrat optimum untuk tetingkap optik{11}}berprestasi tinggi.
Walau bagaimanapun, struktur kristal tunggal-juga mempunyai kelemahan yang jelas. Tekanan dalaman sisa terdedah kepada pembentukan semasa pertumbuhan kristal, jadi nilam mudah terdedah kepada keretakan rapuh dan retakan belahan semasa penggunaan dan pemasangan, yang menghalang pelapis dan pemprosesan ketepatan. Selain itu,-pertumbuhan kristal tunggal melibatkan teknik yang kompleks dan kadar hasil yang rendah, menghasilkan kos pengeluaran keseluruhan yang jauh lebih tinggi daripada seramik alumina lutsinar polihabluran.