چرا قطعات سرامیکی نیمه هادی به تمیز کردن پس از ماشینکاری با هزینه بالا نیاز دارند

حتی زمانی که اجزای سرامیکی دقیق نیمه هادی (مانند اکسید آلومینیوم (Al2O3)، نیترید سیلیکون (Si3N4) و کاربید سیلیکون (SiC)) پس از ماشینکاری دقیق به یک روکش آینه مانند می رسند، نمی توان آنها را مستقیماً در سیستم های ساخت ویفر هسته ای مستقر کرد.

در عوض، آنها باید تحت یک فرآیند تصفیه فوق العاده پیچیده و پرهزینه قرار گیرند. این نیاز نه تنها توسط سیاست "تحمل صفر" صنعت نیمه هادی برای آلودگی ویفر، بلکه به دلیل ویژگی های ریزساختاری منحصر به فرد - یعنی ماهیت شکننده و تخلخل ذاتی - سرامیک های پیشرفته ایجاد می شود. این مقاله به بررسی علل اصلی و موانع فنی پشت هزینه بالای تمیز کردن سرامیک نیمه هادی می پردازد.

نماینده قطعات سرامیکی نیمه هادی

1. تهدید "بقایای میکروسکوپی"

در ساخت ویفر گره ای پیشرفته (به عنوان مثال، 3 نانومتر، 5 نانومتر)، حتی آلودگی فیزیکی یا شیمیایی زیر نانومتری می تواند منجر به کاهش عملکرد فاجعه بار شود. فرآیندهای ماشینکاری استاندارد - مانند تراشکاری، آسیاب، سنگ زنی، و پرداخت- سه نوع آلاینده اصلی را بر روی سطح سرامیکی بر جای می گذارد:

• یون های فلزی انتقالی (کشنده ترین): سایش از ابزارهای برش کاربید و تماس با وسایل باعث ایجاد یون های فلزی مانند مس (مس)، آهن (آهن)، کروم (کروم) و نیکل (نیکل) می شود. اگر این یون ها در داخل محفظه خلاء تبخیر شوند و در زیرلایه سیلیکونی پخش شوند، عملکرد الکتریکی دستگاه های نیمه هادی را کاهش می دهند و باعث جریان های نشتی شدید یا شکست دی الکتریک می شوند.
• بقایای محیط های شیمیایی و آلی: سیالات ماشینکاری، خمیرهای پولیش، روغن های ضد زنگ و خنک کننده ها مواد آلی پیچیده درشت مولکولی را به جا می گذارند. هنگامی که در معرض خلاء بالا و محیط پلاسمایی با شدت بالا در یک محفظه فرآیند قرار می گیرند، این مواد آلی به سرعت دچار خروج گاز می شوند. این باعث بی ثباتی سطوح خلاء محفظه می شود و کل محیط پردازش ویفر را آلوده می کند.
• ذرات زیر میکرون: بقایای ریز سرامیکی و ریز پودرها به طور طبیعی در حین ماشینکاری تولید می شوند. حتی یک ذره 0.1 میکرون (μm) که روی سطح ویفر می افتد می تواند مدارهای فتولیتوگرافی دقیق را مسدود کند و سایه های نوری کشنده یا شورت های الکتریکی ایجاد کند.

2. ویژگی های مواد: تخلخل و شکنندگی میکرو ترک

برخلاف فلزات سنتی، سرامیک‌های پیشرفته دارای ویژگی‌های ریزساختاری ذاتی هستند که آن‌ها را به شدت مستعد به دام انداختن آلاینده‌ها می‌کند.

میکرو تخلخل و اثر مویرگی

حتی با پرس ایزواستاتیک با چگالی بالا (CIP) یا پرس گرم (HP) تف جوشی، حفره‌های میکرو به ناچار در امتداد مرزها و سطوح دانه‌های سرامیکی باقی می‌مانند. تحت فشارهای بالای ماشینکاری مکانیکی، سیالات و روغن های برش توسط نیروهای مویرگی شدید به عمق این ریز منافذ هدایت می شوند. شستشوی سطح معمولی فقط لکه های سطحی را از بین می برد. آلاینده هایی که در اعماق منافذ به دام افتاده اند، بعداً تحت عملیات ابزار با خلاء بالا و دمای بالا به طور مداوم از آن خارج می شوند.

ماشینکاری تنش و ریز ترک

با توجه به سختی و شکنندگی شدید سرامیک های صنعتی، حذف مکانیکی مواد (به ویژه سنگ زنی و پرداخت) به ریزشکستگی متکی است. این امر شبکه ای از ریزترک های زیر میکرونی و زیرسطحی را پشت سر می گذارد. این ریز ترک ها به عنوان یک جیب ایده آل برای گرفتن ذرات ریز عمل می کنند. علاوه بر این، در طی چرخه حرارتی سریع پردازش نیمه‌رسانا، این ترک‌ها منبسط و منقبض می‌شوند و مانند یک «دم» عمل می‌کنند که به طور مداوم یون‌های ناخالصی به دام افتاده را به داخل محفظه بیرون می‌زند.

3. محرک های هزینه: شکستن فرآیند و موانع اقتصادی

تمیز کردن درجه نیمه هادی هزینه بالای آن را از طریق ترکیبی از مصرف مواد شیمیایی فوق العاده خالص، کنترل های محیطی دقیق و اندازه گیری سرمایه بر توجیه می کند.

نتیجه گیری و ارزش تجاری

اگر یک سازنده تلاش کند این فرآیند تمیز کردن پرهزینه را دور بزند یا از گوشه و کنار آن بگذرد، یک قطعه سرامیکی با ظاهر بکر پس از نصب در یک محفظه فرآیند چند میلیون دلاری به عنوان منبع مزمن آلودگی عمل می کند. آلودگی حاصل می تواند فوراً یک دسته کامل از ویفرهای 12 اینچی با ارزش بالا را از بین ببرد که صدها هزار دلار هزینه دارد.

بنابراین، تمیز کردن فوق تمیز نیمه هادی با هزینه بالا یک مرحله آرایشی پس از پردازش اختیاری نیست - این یک مرحله مهم و غیرقابل مذاکره است. بیمه نامه کاهش ریسک و کیفیت در زنجیره تامین نیمه هادی سختگیرانه.