تم تصنيع معدات معالجة أشباه الموصلات في الغالب من نفس المعادن مثل كل شيء آخر في التصنيع الصناعي - الألومنيوم للأجزاء الهيكلية خفيفة الوزن، والفولاذ المقاوم للصدأ حيث تكون مقاومة التآكل مهمة. لقد تغير هذا بشكل مطرد على مدى العقدين الماضيين، والسبب ليس أن المعدن أصبح أسوأ. إنها أن عمليات أشباه الموصلات أصبحت أكثر تطلبًا بطرق لا يمكن للمعادن اتباعها من الناحية الهيكلية، في حين أن السيراميك مثل الألومينا وكربيد السيليكون لديه بالفعل الخصائص المناسبة لمشاكل لم تكن الصناعة تعاني منها.
مشكلة التلوث لا يمكن للمعادن حلها بالكامل
لا يتحمل تصنيع أشباه الموصلات تقريبًا أي تلوث جسيمي أو أيوني في بيئة العمليةمكونات معدنيةهي مصدر دائم لكليهما. يمكن للأسطح المعدنية، حتى-التشطيب الجيد، التخلص من الجزيئات النزرة تحت التآكل الميكانيكي أو التدوير الحراري، ويمكن أن تنتقل الأيونات المعدنية إلى كيمياء العمليات أو إلى أسطح الرقاقات بطرق تؤدي إلى انخفاض إنتاجية الأجهزة عند الأجزاء-لكل- مليار مستوى تعمل عليه المصانع الحديثة. هذه ليست مخاطرة افتراضية - إنها مشكلة موثقة ومستمرة تتعلق بإدارة الإنتاجية والتي تدفع قرارات مواصفات المواد الحقيقية.
تتجنب الألومينا وكربيد السيليكون هذه المشكلة إلى حد كبير. كلاهما خامل كيميائيًا مقارنة بمعظم كيمياء العمليات المستخدمة في تصنيع الرقائق، كما أن بنيتهما البلورية أو متعددة البلورات لا تتخلص من الأيونات المعدنية بالطريقة التي يمكن بها للأسطح المعدنية في ظل نفس ظروف التآكل. هذا هو السبب الرئيسي وراء ظهور كلتا المادتين بشكل متسق في ظرف الرقاقة والمستقبلات ومكونات غرفة المعالجة - ليس لأنها غريبة، ولكن لأنها تحل مشكلة التلوث التي لا يستطيع المعدن حلها من الناحية الهيكلية.
السلوك الحراري: حيث تتباعد الألومينا وكربيد السيليكون عن بعضهما البعض
يجدر بنا أن نكون محددين هنا، لأن "السيراميك" ليس مادة واحدة لها مجموعة واحدة من الخصائص، والألومينا وكربيد السيليكون يحلان في الواقع مشاكل حرارية مختلفة.
توفر الألومينا (Al2O3) عزلًا كهربائيًا متينًا مقترنًا بموصلية حرارية معقولة وقوة ميكانيكية جيدة، وبتكلفة أقل من معظم أنواع السيراميك التقنية الأخرى. إنه خيار شائع للمكونات العازلة، والأجزاء الشفافة RF-، وأجهزة غرفة العمليات العامة حيث لا يكون التوصيل الحراري الشديد هو المتطلب الأساسي.
يأخذ كربيد السيليكون (SiC) موضعًا مختلفًا - فهو يوفر توصيلًا حراريًا أقرب إلى بعض المعادن، أعلى بكثير من الألومينا، بالإضافة إلى صلابة ممتازة ومقاومة للصدمات الحرارية. وهذا يجعل SiC الخيار الأكثر شيوعًا للمكونات التي تحتاج إلى توصيل الحرارة بكفاءة مع الاستمرار في تجنب مشكلات التلوث والتآكل. يقدم المعدن - قابلات ومكونات السخان في العمليات ذات التدوير الحراري القوي وهو تطبيق نموذجي.
لا تعتبر أي من المادتين بديلاً عالميًا للأخرى، ويعد تحديد المادة الخاطئة لملف تعريف حراري معين خطأ شائعًا ويمكن تجنبه - المكون الذي يحتاج إلى التوصيل الحراري لـ SiC لن يؤدي بنفس الطريقة في الألومينا، على الرغم من وصف كليهما على نطاق واسع على أنهما "سيراميك تقني" في محادثة غير رسمية.
مقاومة التآكل في كيمياء العمليات العدوانية
تشتمل العديد من عمليات أشباه الموصلات على غازات شديدة التآكل وبيئات بلازما تؤدي إلى تحلل المكونات المعدنية بشكل ثابت عبر دورات متكررة - وهي تكلفة صيانة واستبدال تتراكم على مدار عمر خدمة الأداة. تقاوم كل من الألومينا وكربيد السيليكون هذا النوع من الهجمات الكيميائية بشكل أفضل بكثير من الألومنيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يطيل عمر خدمة المكونات في عمليات الحفر والترسيب حيث تحتاج الأجزاء المعدنية إلى استبدال متكرر أو طلاء وقائي يؤدي في حد ذاته إلى مخاطر التلوث.
حيث لا يزال المعدن منطقيًا
لا شيء من هذا يجعل السيراميك ترقية عالمية، ومن الجدير أن نكون مباشرين بشأن المكان الذي يظل فيه المعدن هو الخيار الأفضل. المكونات الهيكلية التي تحتاج إلى اللحام، أو تحتاج إلى قنوات تبريد داخلية معقدة يتم تشكيلها بشكل اقتصادي، أو تحتاج إلى الثني قليلاً تحت الحمل الميكانيكي دون كسر، لا تزال عمومًا تخدم بشكل أفضل بواسطة المعدن - هشاشة السيراميك مما يعني أنه يفشل عن طريق التشقق بدلاً من التشوه، وهو قيد حقيقي لبعض التصميمات الميكانيكية. تعتبر التكلفة عاملاً أيضًا: تحمل المكونات الخزفية، وخاصة الأكبر منها، علاوة تكلفة كبيرة مقارنة بالأجزاء المعدنية المكافئة، ولا يتم تبرير هذه العلاوة إلا عندما تكون ميزة التلوث أو الحرارة أو التآكل ذات أهمية فعلية للتطبيق المحدد.
طريقة عملية لتأطير القرار المادي
السؤال المفيد لمصممي المعدات ليس "السيراميك أو المعدن" في الملخص - بل ما إذا كان المكون المحدد يقع في منطقة حساسة للتلوث-، أو يواجه كيمياء عملية تآكل، أو يحتاج إلى ملف تعريف حراري معدني لا يمكن توصيله بدون طلاء أو بطانة. يتم بشكل متزايد تحديد المكونات التي تلبي أيًا من هذه المعايير في الألومينا أو كربيد السيليكون كممارسة قياسية، وليس ترقية غريبة. المكونات خارج تلك المعايير - الأجهزة الهيكلية العامة،-المبيتات غير المتصلة - غالبًا ما تظل معدنية لسبب وجيه، نظرًا لأن قسط السيراميك لن يشتري أي شيء يحتاجه التطبيق بالفعل.
نقوم بتصنيع مكونات الألومينا وكربيد السيليكون بدقة كجزء من خط السيراميك الدقيق الأوسع لدينا، والنمط الذي يظهر باستمرار في محادثات العملاء هو بالضبط هذا النوع من المكونات-بواسطة-قرار المكونات بدلاً من تبديل المواد بالجملة - غالبًا ما تخلط قطعة واحدة من معدات أشباه الموصلات مكونات السيراميك حيث يكون التلوث أو الأداء الحراري أكثر أهمية مع العناصر الهيكلية المعدنية في كل مكان آخر، بدلاً من الالتزام بالكامل بمادة واحدة أو أخرى.