Роль порошку кристалічного діоксиду кремнію у виробництві скла та напівпровідників

Порошок кристалічного діоксиду кремнію як сировина високої чистоти для спеціального скла

Чому порошок α-кварцу використовують для виробництва сплавленого кварцу та оптики з пропусканням УФ-випромінювання

Основним матеріалом для виготовлення сплавленого кварцу та оптики, що пропускає УФ-випромінювання, є порошок α-кварцу через його кристалічну структуру, яка майже ідеальна за визначенням, чудову термостійкість і надзвичайно низький рівень домішок. Цей матеріал залишається твердим навіть при температурах понад 1600 градусів Цельсія, що дозволяє створювати сплавлений кварц, який практично не розширюється при нагріванні. Крім того, загальний вміст металевих забруднюючих речовин у ньому зазвичай становить менше 50 частин на мільйон. Особливо проблемним є забруднення залізом, оскільки навіть незначні кількості близько 5 ppm поглинають ультрафіолетове світло, зменшуючи ефективність пропускання на 10–15 відсотків, згідно з останніми дослідженнями Товариства оптичних матеріалів. Правильне розташування атомів у α-кварці також означає, що він не стає скляним або непрозорим під час інтенсивних процесів нагрівання, зберігаючи оптичну прозорість і однорідність на всьому протязі. З іншого боку, аморфний діоксид кремнію поводиться інакше, оскільки схильний до утворення малих кристалів усередині під дією теплового напруження, що призводить до небажаного розсіювання світла.

Вплив розподілу частинок за розміром та вмісту домішок металів на однорідність плавлення

Стабільна поведінка при плавленні у виробництві спеціального скла залежить від чітко контрольованих фізичних і хімічних характеристик порошку кристалічного діоксиду кремнію. Оптимальні специфікації включають:

• Вузький розподіл частинок за розміром (D90 < 40 мкм) для рівномірного поглинання тепла
• Сферична морфологія , мінімізує пори під час спікання
• Вміст лужних металів менше ppm , запобігає коливанням в'язкості розплаву

Коли розміри частинок відрізняються більше ніж на 15% між партіями, це створює неоднорідність нагрівання, що призводить до видимих смуг і затримки газів у готовому продукті. Якщо вміст алюмінію перевищує 20 частин на мільйон, розплав стає на 12% густішим, що впливає на процес обробки. Забруднювачі кальцієм ще гірші, оскільки сприяють утворенню кристалів кристобаліту — цього ніхто не хоче, адже це послаблює структуру матеріалу. Більшість серйозних виробників покладаються на лазерну дифракцію та обладнання ICP-MS для перевірки всіх цих параметрів. Такий контроль якості є обов’язковим для забезпечення стабільних результатів під час виготовлення прецизійних деталей для виробництва напівпровідників і дорогих оптичних компонентів, де навіть незначні відхилення можуть спричинити великі проблеми на подальших етапах.

Порошок кристалічної оксиду кремнію у виробництві напівпровідників: від сировини для термічного окиснення до стійких до травлення масок

Контрольоване перетворення порошку кристалічного оксиду кремнію на високоякісні діелектричні шари SiO₂

Основним матеріалом, який використовується для термічного окиснення в процесі виробництва напівпровідників, є порошок кристалічної окиси кремнію. У середовищі, насиченому киснем, при температурах понад 900 градусів Цельсія, цей порошок перетворюється на дуже однорідні діелектричні шари SiO2 на кремнієвих пластинах. Щоб цей процес працював належним чином, порошок має мати узгоджений розмір частинок та надзвичайно низький вміст домішок металів (менше частин на мільйон). Навіть незначні кількості забруднення можуть спричинити електричні проблеми у шарах затвору, що зрештою впливає на надійність транзисторів протягом часу. Сучасні виробничі підприємства використовують системи монтування газів у реальному часі, щоб підтримувати оптимальні умови окиснення. Ці системи допомагають досягти рівномірності товщини шару в межах плюс-мінус 2 відсотки по всій поверхні великих 300 мм пластин. Такий точний контроль забезпечує високу продуктивність сучасних логічних мікросхем та модулів пам'яті і гарантує високий відсоток придатної продукції на виробничих лініях.

Роль у суспензіях CMP та підкладках фотомасок для літографії просунутих вузлів

Хіміко-механічне полірування, або CMP, як його зазвичай називають, ґрунтується на суспензіях, виготовлених із дрібних частинок кристалічного діоксиду кремнію, щоб створювати поверхні, які є надзвичайно плоскими на атомному рівні. Це особливо важливо під час виробництва сучасних напівпровідникових пристроїв, таких як чипи пам'яті 3D NAND та структури FinFET менше 5 нанометрів, про які ми так багато чуємо. Матеріал добре працює, оскільки він достатньо твердий для абразивного стирання, але має круглу форму, що запобігає пошкодженню делікатних шарів, які поліруються. Тим часом, цей самий порошок діоксиду кремнію високої чистоти використовується ще в одному важливому застосуванні. Коли його сплавляють, він стає основним матеріалом для фоторешіток у виробництві мікросхем. Ці маски повинні пропускати майже весь ультрафіолетовий світло з довжиною хвилі 193 нанометри, зберігаючи при цьому свою форму навіть після багаторазових циклів нагрівання та охолодження. Таке поєднання оптичної прозорості та стабільності дозволяє виробникам зберігати надзвичайно точні малюнки під час процесів літографії з використанням екстремального ультрафіолетового випромінювання, де кожен цикл експонування інакше загрожував би спотворенню мікроскопічних елементів, які потрібно створити.

Структура вибору матеріалу: коли кристалічний порошок діоксиду кремнію перевершує аморфні аналоги

Вибір між кристалічним та аморфним діоксидом кремнію залежить від того, які властивості є найважливішими для певного застосування. Візьмемо, наприклад, порошок кристалічного діоксиду кремнію, особливо α-кварц, який забезпечує значно кращу структурну передбачуваність при високих температурах. Саме тому він так важливий для процесів, як термічне окиснення та виробництво спеціального скла, де однорідні шари й стабільні фази мають вирішальне значення для ефективності пристроїв. Регулярна ґраткова структура означає, що можна розраховувати на стабільну поведінку під час плавлення й стійкість до перетворення з рідкого стану назад у скло. З іншого боку, аморфний діоксид кремнію краще витримує теплові удари, але не забезпечує таких передбачуваних фазових перетворень чи суворого контролю над домішками. Коли технічні вимоги передбачають вміст домішок металів менше ніж 5 частин на мільйон або розмір частинок менше 10 мікронів, краще підходять кристалічні матеріали, оскільки вони спричиняють менше дефектів під час реакцій. У кінцевому підсумку, вибір одного матеріалу замість іншого — це оцінка того, наскільки критичним є точний процес проти того, яке навантаження має витримувати матеріал.

Безпека, обробка та дотримання нормативних вимог щодо порошку кристалічної сіліції у промислових умовах

МПБЗ ОSHA, інженерні заходи та постійний моніторинг пилу на потужних об'єктах

Порошок кристабічної силіки створює серйозну загрозу для здоров'я легенів, тому регулятори так уважно стежать за ним. Адміністрація безпеки та охорони праці встановлює межу на рівні 50 мікрограмів на кубічний метр для частинок, що містять кристабічну силіку, що означає, як важливо мати надійні заходи безпеки на фабриках. Більшість підприємств спочатку використовують інженерні рішення. Наприклад, потужні витяжні системи, які відводять пил від працівників, або зволоження матеріалів під час обробки, щоб зменшити кількість завислих частинок. Підприємства з виробництвом напівпровідників, де пил накопичується швидко, використовують пристрої безперервного монтування, які в реальному часі відстежують кількість частинок. Ці системи спрацьовують, коли рівень наближається до позначки попередження — 25 мікрограмів на кубічний метр. Деякі об'єкти також аналізують, як повітря рухається через ї простір, коригуючи захисти відповідно до змін у процесах. Це допомагає зменшити кількість випадків силікозу, забезпечуючи безперебійне виробництво без постійних перерв.