Úloha prášku kryštinového kremíka v výrobe skla a polovodičov

Kryštalický kremíkový prášok ako vysokokvalitná surovina pre špeciálne sklo

Prečo je prášok z α-kremeňa uprednostňovaný pre zliaty kremeň a optiku prepúšťajúcu UV žiarenie

Hlavným materiálom na výrobu zliatého kremeňa a optiky prenášajúcej UV svetlo je prášok α-kremeňa vďaka jeho kryštalickej štruktúre, ktorá je takmer ideálne dokonalá, vynikajúcej odolnosti voči teplu a neuveriteľne nízkym úrovňiam nečistôt. Táto látka zostáva pevná aj pri teplotách vyše 1600 stupňov Celzia, čo umožňuje výrobu zliatého kremeňa, ktorý sa pri zahriatí takmer vôbec nerozťahuje. Navyše, zvyčajne obsahuje menej ako 50 častí na milión kovových kontaminácií celkovo. Železné nečistoty sú obzvlášť problematické, pretože dokonca aj malé množstvá okolo 5 ppm pohlcujú UV svetlo, čím znížia účinnosť prenosu o 10 až 15 percent podľa nedávnych štúdií Spoločnosti pre optické materiály. Pravidelné usporiadanie atómov v α-kremeňi tiež znamená, že sa počas intenzívneho zahrievania nestáva sklovitým ani zamračeným, čím zachováva optiku číru a rovnomernú. Amorfný kremík má však odlišný priebeh, pretože pri tepelnom zaťažení má tendenciu vytvárať malé kryštíky vo vnútri, čo spôsobuje nežiaduce rozptylenie svetla.

Vplyv distribúcie veľkosti častíc a obsahu stopových kovov na homogenitu topenia

Konzistentné správanie pri topení vo výrobe špecialnej skloviny závisí na presne kontrolovaných fyzikálnych a chemických vlastnostiach prášku kryštalinickej kremičite. Optimálne špecifikácie zahŕňajú:

• Úzka distribúcia veľkosti častíc (D90 < 40 μm) pre rovnomerné absorbovanie tepla
• Guľovitý tvar častíc , čo minimalizuje dutiny počas spekania
• Obsah kovov alkalických zemín pod úrovňou ppm , čo zabraňuje kolísaniu viskozity taveniny

Ak sa veľkosti častíc líšia viac ako o 15 % medzi jednotlivými várkami, vznikajú nerovnomerné vzory ohrevu, ktoré vedú k viditeľným pruhom a zachyteným plynom vo výslednom produkte. Ak hladina hliníka presiahne 20 častíc na milión, roztav sa zhrubne o 12 %, čo ovplyvní spracovanie. Kontaminácia vápnikom je ešte horšia, pretože podporuje rast kryštálov krisobalitu, čo si nikto nepria, keďže oslabuje štruktúru materiálu. Väčšina vážnych výrobcov sa spolieha na testy laserovou difrakciou spolu s vybavením ICP-MS na kontrolu všetkých týchto špecifikácií. Tieto kontroly kvality sú nevyhnutné na zabezpečenie konzistentných výsledkov potrebných pri výrobe presných súčiastok pre polovodičový priemysel a drahé optické komponenty, kde môžu malé odchýlky neskôr spôsobiť veľké problémy.

Prášok kryštalickej oxidu kremičitého vo výrobe polovodičov: od suroviny pre tepelnú oxidáciu po masky odolné voči leptaniu

Kontrolovaná konverzia prášku kryštalickej oxidu kremičitého na vysokokvalitné dielektrické vrstvy SiO₂

Hlavným materiálom používaným pri procesoch tepelnej oxidácie v polovodičovej výrobe je prášok kryštalickej kremičitanu. Keď je tento prášok vystavený kyslíkom bohatému prostrediu pri teplotách vyšších ako 900 stupňov Celzia, premení sa na veľmi rovnomerné dielektrické vrstvy SiO2 na kremíkových platniach. Aby tento proces správne fungoval, musí mať prášok konzistentnú veľkosť častíc a extrémne nízku úroveň stopových kovov (pod milióntinami dielov). Dokonca aj malé množstvá nečistôt môžu spôsobiť elektrické problémy v hradlových oxidoch, čo nakoniec ovplyvňuje spoľahlivosť tranzistorov v priebehu času. Moderné výrobné zariadenia používajú systémy kontinuálneho monitorovania plynov, ktoré udržiavajú presne stanovené podmienky oxidácie. Tieto systémy pomáhajú dosiahnuť merania rovnomernosti hrúbky vo výkyve plus alebo mínus 2 percentá na týchto veľkých 300 mm platniach. Takýto presný kontrola je dôvodom, prečo dnešné logické čipy a pamäťové moduly tak dobre fungujú, a zabezpečuje výrobcom dobré výnosy z ich výrobných šarží.

Úloha v CMP suspenziách a substrátoch pre fotomasky pre pokročilé uzly litografie

Chemicko-mechanické leštenie, alebo CMP, ako sa mu bežne hovorí, využíva suspenzie vyrobené z mikroskopických častíc kryštalickej kremičite na vytváranie povrchov mimoriadne rovných na atómovej úrovni. To je obzvlášť dôležité pri výrobe pokročilých polovodičových zariadení, ako sú pamäťové čipy 3D NAND a tie štruktúry sub-5 nanometer FinFET, o ktorých toho počujeme tak veľa. Materiál sa osvedčil preto, že je dostatočne tvrdý na odstraňovanie materiálu, no zároveň má okrúhly tvar, ktorý bráni poškodeniu jemných vrstiev, ktoré sa lešti. Medzitým sa ten istý prášok zo vysokočistého kremíka používa aj v inom kľúčovom uplatnení. Po splynutí sa stáva základným materiálom pre fotomasky vo výrobe čipov. Tieto masky musia prepúšťať takmer celé ultrafialové svetlo s vlnovou dĺžkou 193 nanometrov a zároveň si udržiavať svoj tvar aj po opakovaných cykloch ohrevu a chladenia. Kombinácia optickej priehľadnosti a stability znamená, že výrobcovia môžu zachovať mimoriadne presné vzory počas procesov litografie s extrémnym ultrafialovým žiarením, pri ktorých by každý expozíciy cyklus inak ohrozil deformáciou mikroskopických prvkov, ktoré sa snažia vytvoriť.

Rámec výberu materiálu: Kedy kryštalický prach kremíka prekonáva amorfné alternatívy

Voľba medzi kryštalickou a amorfnou silikou závisí od toho, aké vlastnosti sú pre konkrétnu aplikáciu najdôležitejšie. Vezmime si napríklad prášok kryštalickej siliky, najmä alfa kremeň, ktorý poskytuje oveľa lepšiu štrukturálnu predpovedateľnosť pri vysokej teplote. Preto je tak dôležitý pri procesoch ako termálna oxidácia alebo výroba špecializovaného skla, kde jednotné vrstvy a stabilné fázy rozhodujú o tom, ako dobre budú zariadenia fungovať. Pravidelná mriežková štruktúra znamená, že môžeme počítať s konzistentným správaním pri topení a odolnosťou voči opätovnému prechodu zo sklovitého stavu do kvapaliny. Na druhej strane amorfna silika lepšie odoláva tepelným šokom, ale neposkytuje rovnakú predpovedateľnosť fázových zmien ani takú presnú kontrolu nad nečistotami. Ak špecifikácie vyžadujú stopové kovy pod 5 častíc na milión alebo veľkosť častíc menšiu ako 10 mikrometrov, kryštalické možnosti zvyčajne fungujú lepšie, pretože počas reakcií vytvárajú menej chýb. Vo finále je voľba jedného materiálu pred druhým otázkou vyváženia toho, ako kritická je presná technologická manipulácia oproti tomu, koľko zaťaženia materiál musí zniesť.

Bezpečnosť, manipulácia a dodržiavanie predpisov pri práci s kryštalickým prachom kremičitanu v priemyselných prostrediach

OSHA PELs, technické opatrenia a monitorovanie prachu v reálnom čase v zariadeniach s vysokou kapacitou

Prach z kryštalickej kremičite predstavuje vážne riziko pre zdravie pľúc, a preto ho orgány dozoru tak pozorne sledujú. Správa pre bezpečnosť a ochranu práce (OSHA) stanovila limit na 50 mikrogramov na meter kubický pre dychateľné častice obsahujúce kryštalickú kremičit, čo znamená, že továrne musia mať pripravené primerané bezpečnostné opatrenia. Väčšina prevádzok najskôr uplatňuje inžinierske riešenia. Ide napríklad o výkonné odvádzacie systémy, ktoré odsávajú prach od pracovníkov, alebo udržiavanie materiálov mokrých počas spracovania, aby sa minimalizoval počet vo vzduchu sa vznášajúcich častíc. Výrobné závody polovodičov, kde sa prach rýchlo hromadí, sa spoliehajú na nepretržité monitorovacie zariadenia sledujúce počet častíc v reálnom čase. Tieto systémy vyhlásia poplach, keď úrovne príliš stúpnu k varovnej hranici 25 mikrogramov na meter kubický. Niektoré prevádzky tiež analyzujú, ako sa vzduch pohybuje ich priestormi, a podľa potreby upravujú ochranné opatrenia, keď sa postupy menia v priebehu času. To pomáha znížiť výskyt silikózy a zároveň umožňuje hladký chod výroby bez neustálych prerušení.