Vloga prahov kristalnega silicijevga dioksida v proizvodnji stekla in polprevodnikov

Kristalni silicijev prah kot sirovi material visoke čistosti za specialno steklo

Zakaj se rabi prah α-kvorca za spoplavljeni kvarec in optiko prepustno za UV

Ključna surovina za izdelavo spajenega kvarca in optike, ki prepušča UV svetlobo, je prah α-kvarec zaradi njegove kristične strukture, ki je skoraj popolna v učbeničnem pomenu, izjemne odpornosti proti toploti ter izjemno nizke vsebnosti nečistoč. Ta material ostaja trd, tudi ko temperature presegajo 1600 stopinj Celzija, kar omogoča izdelavo spajenega kvarca, ki se skoraj nič ne razširi ob segrevanju. Poleg tega običajno vsebuje manj kot 50 delov na milijon kovinskih kontaminacij skupno. Železove kontaminacije so še posebej problematične, saj celo majhne količine okoli 5 ppm absorbirajo UV svetlobo, kar zmanjša učinkovitost prepuščanja med 10 do 15 odstotkov, kar kažejo najinejše raziskave Društva za optične materiale. Redna razporeditev atomov v α-kvarecu tudi pomeni, da se med intenzivnim segrevanjem ne spremeni v steklasto ali megleno stanje, temveč ohranja optiko prozorno in enotno. Amorfni silicijev dioksid pa pove povsem drugačno zgodbo, saj se ob toplotnem naporu pogosto začne kristizirati v majhne kristle, kar povzroča neželeno sipanje svetlobe.

Vpliv porazdelitve velikosti delcev in vsebnosti sledov kovin na homogenost taljenja

Stalno obnašanje pri taljenju pri proizvodnji specialne steklovine je odvisno od strogo nadzorovanih fizikalnih in kemijskih lastnosti kristalinčnega silikatnega prahu. Optimalne specifikacije vključujejo:

• Ozka porazdelitev velikosti delcev (D90 < 40 μm) za enakomerno absorpcijo toplote
• Sferična morfologija , kar zmanjšuje praznine med sintranjem
• Vsebnost alkalnih kovin pod ppm , kar preprečuje nihanja viskoznosti taline

Ko se velikosti delcev razlikujejo za več kot 15 % med posameznimi serijami, pride do neenakomernih vzorcev segrevanja, kar v končnem izdelku povzroči vidne striacije in ujeti pline. Če ravni aluminija presežejo 20 deli na milijon, raztaljena masa postane 12 % bolj viskozna, kar vpliva na obdelavo. Še slabše so kontaminacije s kalcijem, saj spodbujajo rast kristobalitskih kristalov, kar nihče ne želi, ker oslabi strukturo materiala. Večina resnih proizvajalcev se zanaša na analize z lasersko difrakcijo skupaj s opremo ICP-MS za preverjanje vseh specifikacij. Te kontrole kakovosti so bistvene za ohranjanje doslednih rezultatov, potrebnih pri izdelavi natančnih delov za proizvodnjo polprevodnikov in dragih optičnih komponent, kjer lahko majhne razlike povzročijo velike težave kasneje.

Prašek kristalnega silicijevga dioksida v proizvodnji polprevodnikov: od sirovine za termalno oksidacijo do mask, odpornih proti vrezanju

Kontrolirana pretvorba praška kristalnega silicijevga dioksida v visokokakovostne dielektrične sloje SiO₂

Glavni material, uporabljen za termalne oksidacijske procese pri proizvodnji polprevodnikov, je kristalinični prah silicijevega dioksida. Ko je ta prah izpostavljen okolju z visoko vsebnostjo kisika pri temperaturah nad 900 stopinj Celzija, se pretvori v zelo enakomerno plast dielektrika SiO2 na silicijskih ploščah. Za učinkovito delovanje tega procesa mora imeti prah enotne velikosti delcev in izjemno nizko vsebnost sledov kovin (pod milijoninko). Tudi najmanjše količine onesnaženja lahko povzročijo električne težave v vratarjih oksidov, kar sčasoma vpliva na zanesljivost tranzistorjev. Sodobne proizvodne naprave uporabljajo sisteme za spremljanje plinov v realnem času, da ohranijo optimalne pogoje oksidacije. Ti sistemi pomagajo doseči enakomernost debeline z natančnostjo plus ali minus 2 odstotka po celotnih velikih 300 mm ploščah. Takšna natančna kontrola omogoča odlično zmogljivost današnjih logičnih čipov in pomenskih modulov ter zagotavlja proizvajalcem visoke izkoristke pri proizvodnih serijah.

Vloga v CMP muljih in podlagah za fotoravnin za litografijo naprednih vozlišč

Kemijsko mehansko planiranje, ali CMP, kot se mu pogosto reče, temelji na suspenzijah iz majhnih delcev kristalnega silicijevega dioksida, s katerimi se ustvarijo izjemno ravne površine na atomski ravni. To je še posebej pomembno pri izdelavi naprednih polprevodniških naprav, kot so pomnilniški čipi 3D NAND in strukture FinFET pod 5 nanometri, o katerih tako pogosto slišimo. Material deluje dobro, ker je trdno dovolj, da se zmelje, hkrati pa ima okroglo obliko, ki preprečuje poškodbe občutljivih slojev, ki se polirirajo. Medtem se isti silicijev dioksid visoke čistosti uporablja tudi v drugi pomembni uporabi. Ko se stopi skupaj, postane osnovni material za fotorazlike v proizvodnji čipov. Te razlike morajo prepustiti skoraj vso ultravijolično svetlobo pri valovni dolžini 193 nanometrov, hkrati pa ohraniti obliko tudi po večkratnem segrevanju in hlajenju. Ta kombinacija optične prozornosti in stabilnosti omogoči proizvajalcem, da med postopki litografije z ekstremnim ultravijoličnim žarom ohranjajo izjemno natančne vzorce, saj bi vsak cikel izpostavljanja sicer ogrozil popačenje mikroskopskih značilnosti, ki jih poskušujejo ustvariti.

Okvir za izbiro materiala: Kdaj kristalinični silicijev prah prekašnja amorfne alternative

Izbira med kristalno in amorfnim silicijem se v bistvu zdihovala temu, katere lastnosti so najpomembnejše za določeno uporabo. Vzemimo kristalni silicijev prah, zlasti alfa kvarč, ki zagotavlja veliko boljšo strukturno predvidljivost pri visokih temperaturah. Zato je tako pomemben pri postopkih, kot sta termalna oksidacija in izdelava specialnih stekel, kjer enakomerni sloji in stabilne faze odločilno vplivajo na delovanje naprav. Pravilna mrežna struktura pomeni, da lahko zanesljivo pričakujemo dosledno taljenje in odpornost proti ponovnemu prehodu iz tekočega stanja v stekleno. Nasprotno pa amorfni silicij bolje prenaša termične šoke, a ne ponuja enako predvidljivih faznih sprememb ali natančnega nadzora nad onesnaženjem. Ko specifikacije zahtevajo sledove kovin pod 5 delov na milijon ali velikost delcev manjšo od 10 mikronov, se kristalne možnosti pogosto izkažejo za boljše, saj povzročajo manj napak med reakcijami. Na koncu dne izbira enega materiala namesto drugega temelji na tem, kako pomembna je natančna obdelava v primerjavi s trdnostjo, ki jo mora material prenesti.

Varnost, rokovanje in predpisi za prah kristalne silicije v industrijskih okoljih

OSHA mejne vrednosti, inženirske kontrole ter spremljanje prahu v resničnem času v napravah z visoko zmogljivostjo

Prah kristalnega silicija predstavlja resno nevarnost za zdravje pljuč, zato nadzorni organi tako pozorno opazujejo to snov. Uprava za varnost in zdravje pri delu določa mejno vrednost 50 mikrogramov na kubični meter za dihalne delce, ki vsebujejo kristalni silicij, kar pomeni, da morajo tovarne imeti učinkovite varnostne ukrepe. Večina obratov najprej uporabi tehnične rešitve. Gre za stvari, kot so močni izpušni sistemi, ki odvajajo prah stran od delavcev, ali ohranjanje materialov mokrih med obdelavo, da se zmanjša število delcev v zraku. Proizvodni obrati za polprevodnike, kjer se prah hitro nabira, se zanašajo na naprave za neprestano spremljanje, ki v realnem času opazujejo število delcev. Ti sistemi oddajo opozorilni signal, ko se ravni približajo opozorilni meji 25 mikrogramov na kubični meter. Nekateri obrati analizirajo tudi, kako se zrak premika skozi njihove prostore, in prilagajajo zaščitne ukrepe glede na spremembe v dejavnostih s časom. To pomaga zmanjšati primerke silikoze in hkrati omogoča gladko tečenje proizvodnje brez stalnih motenj.