Ролята на прах от кристална силика в производството на стъкло и полупроводници

Кристална Силицов Прах Като Високочист Суровинен Материал за Специално Стекло

Защо Прахът от α-Кварц се предпочита за Стопена Кварца и Оптика с Пропускливост в UV

Основният материал за производство на спечен кварц и оптика, пропускаща UV лъчи, е прах от α-кварц поради неговата кристална структура, която е почти идеална по учебник, изключителна устойчивост на топлина и изключително ниски нива на примеси. Този материал остава твърд дори при температери над 1600 градуса по Целзий, което позволява производството на спечен кварц, който почти не се разширява при нагряване. Освен това обикновено съдържа по-малко от 50 части на милион общо метални замърсявания. Особено проблемна е замърсяването с желязо, тъй като дори миниатюрни количества около 5 ppm поглъщат UV светлина, намалявайки пропускането с между 10 и 15 процента според последни изследвания на Оптичното дружество за материали. Редовното подреждане на атомите в α-кварц също означава, че той не става стъклен или мътно по време на тези интензивни процеси на нагряване, запазвайки оптиката прозрачна и еднородна изцяло. С аморфния силициев диоксид обаче е различна история, тъй като при топлинно напрежение той има тенденция да образува малки кристали вътре, което причинява нежелано разсейване на светлината.

Влияние на разпределението по размер на частиците и съдържанието на следи от метали върху хомогенността на топенето

Постоянното поведение при топене в производството на специално стъкло зависи от прецизно контролирани физически и химически характеристики на праха от кристална силика. Оптималните спецификации включват:

• Тясно разпределение по размер на частиците (D90 < 40 μm) за равномерно поглъщане на топлина
• Сферична морфология , минимизиране на порите по време на спечелване
• Съдържание на алкални метали под ppm , предотвратяване на колебания във вискозитета на разтопа

Когато размерите на частиците варират повече от 15% между различните партиди, това създава неравномерни модели на нагряване, които водят до видими стрийки и уловени газове в крайния продукт. Ако нивото на алуминий надвиши 20 части на милион, разтопената маса става 12% по-гъста, което влияе на обработката. Контаминиранията с калций са още по-лоши, защото насърчават растежа на кристобалитни кристали – нещо, което никой не желае, тъй като отслабва структата на материала. Повечето сериозни производители разчитат на лазерна дифракция и оборудване за ICP-MS, за да проверяват всички тези спецификации. Тези контроли по качество са задължителни за осигуряване на последователни резултати, необходими при производството на прецизни части за полупроводникова промишленост и скъпи оптични компоненти, където дори миниатюрни отклонения могат да предизвикат големи проблеми по-късно.

Кристален силициев прах в производството на полупроводници: От суровина за термично оксидиране до маски с висока устойчивост към травяне

Контролирано преобразуване на кристален силициев прах в качествени SiO₂ диелектрични слоеве

Основният материал, използван за термични оксидационни процеси в производството на полупроводници, е кристален силициев диоксиден прах. Когато се излага на среди с високо съдържание на кислород при температери над 900 градуса по Целзий, този прах се превръща в много равномерни диелектрични слоеве от SiO2 върху силициевите пласти. За да работи правилно, прахът трябва да има последователни по размер частици и изключително ниско съдържание на примесни метали (под части на милион). Дори миниатюрни количества замърсяване могат да предизвикат електрически проблеми в оксидните слоеве на транзисторите, което в крайна сметка влияе на тяхната надеждност с времето. Съвременните производствени съоръжения използват системи за непрекъснато наблюдение на газовете, за да поддържат точно определени оксидационни условия. Тези системи помагат да се постигне равномерност в дебелината на слоя с точност от плюс или минус 2 процента по цялата повърхност на големите 300 мм пласти. Такъв прецизен контрол е причината днешните логически чипове и паметни модули да имат висока производителност и осигурява добри добиви за производителите по време на производствените серии.

Роля в суспензии за CMP и подложки за фотомаски при литография с напреднали възли

Химичната механична планаризация, или по-известна като CMP, разчита на суспензии, изработени от микроскопични частици кристална силика, за да създава повърхности, които са изключително равни на атомно ниво. Това е особено важно при производството на напреднали полупроводникови устройства като 3D NAND чипове за памет и тези структури под 5 нанометра FinFET, за които толкова често се споменава. Материалът работи добре, защото е достатъчно твърд, за да абразира, но има закръглена форма, която предпазва чувствителните слоеве, които се полират. Междувременно същият силно чист силициев прах се използва и в друга важна област – при производството на фотомаски за чипове. Когато се стопи, той се превръща в основен материал за фотомаски. Тези маски трябва да пропускат почти цялата ултравиолетова светлина с дължина на вълната 193 нанометра, като запазват формата си дори след многократни цикли на нагряване и охлаждане. Тази комбинация от оптична прозрачност и стабилност позволява на производителите да поддържат изключително прецизни модели по време на процесите на литография с екстремен ултравиолетов спектър, където всеки цикъл на експониране би рискувал деформация на микроскопичните елементи, които се опитват да създадат.

Рамка за избор на материали: Когато кристалният силициев пулвер превъзхожда аморзните алтернативи

Изборът между кристална и аморфна силица всъщност се свежда до това кои свойства са най-важни за дадено конкретно приложение. Вземете например кристалния силицов прах, особено алфа кварц, който осигурява значително по-добра структурна предвидимост при високи темперации. Затова той е толкова важен за процеси като термично оксидиране и производството на специално стъкло, където еднородните слоеве и устойчивите фази правят цялата разлика за ефективността на устройствите. Редовната кристична решетка означава, че можем да разчитаме на последователно топене и устойчивост към преобразуване обратно в стъклено състояние от течно. От друга страна, аморфната силица по-добре поема топлинни удари, но не предлага същата предвидимост при фазовите промени или строг контрол върху замърсяванията. Когато спецификациите изискват съдържание на метали в следови количества под 5 части на милион или размер на частиците под 10 микрона, кристалните решения обикновено работят по-добре, тъй като водят до по-малко дефекти по време на химични реакции. В крайна сметка, изборът на един материал пред друг се свежда до преценка колко критична е точната обработка спрямо колко голямо механично напрежение трябва да издържи материала.

Сигурност, управление и спазване на разпоредбите за прах от кристален силиций в промишлени условия

OSHA PELs, технически мерки и непрекъснат мониторинг на праха в обекти с голяма производствена мощност

Кристалният силициев прах представлява сериозна заплаха за здравето на дробовете, поради което регулаторните органи го наблюдават толкова отблизо. Администрацията за безопасност и здраве при работа установява лимит от 50 микрограма на кубичен метър за вдишвани частици, съдържащи кристален силиций, което означава, че фабриките трябва да прилагат надеждни мерки за безопасност. Повечето заводи първо прибягват до инженерни решения. Мислете за неща като мощни изпускателни системи, които отвеждат праха далеч от работниците, или за поддържане на влажност на материалите по време на обработката, за да се намали количеството въздушни частици. Заводите за производство на полупроводници, където прахът се натрупва бързо, разчитат на устройства за непрекъснат мониторинг, следящи броя на частиците в реално време. Тези системи подават сигнал, когато нивата се доближат твърде много до предупредителната граница от 25 микрограма на кубичен метър. Някои обекти също анализират как въздухът циркулира в помещенията им, коригирайки защитните мерки според променящите се операции с течение на времето. Това помага за намаляване на случаите на силикоза, без да се налага постоянно прекъсване на производството.