স্বচ্ছ সিরামিক: সেমিকন্ডাক্টর সরঞ্জামের জন্য উচ্চতর উইন্ডো সামগ্রী

সেমিকন্ডাক্টর ম্যানুফ্যাকচারিং হল একটি উচ্চ-নির্ভুল মাইক্রোফেব্রিকেশন সিস্টেম। ফটোলিথোগ্রাফি, এচিং, থিন-ফিল্ম ডিপোজিশন এবং আয়ন ইমপ্লান্টেশনের মতো মূল প্রক্রিয়াগুলি সিল করা ভ্যাকুয়াম চেম্বারে সম্পাদিত হয়। সেমিকন্ডাক্টর সরঞ্জামের চেম্বারে একমাত্র দেখার বন্দর হিসাবে, স্বচ্ছ উইন্ডোগুলি প্রকৌশলীদেরকে অপারেশন চলাকালীন বাস্তব সময়ে অভ্যন্তরীণ অবস্থার নিরীক্ষণ করতে সক্ষম করে, যাতে প্রক্রিয়ার ফলন এবং সরঞ্জামের নিরাপত্তা নিশ্চিত করা যায়। যাইহোক, আধুনিক অর্ধপরিবাহী সরঞ্জাম চেম্বারের অপারেটিং পরিবেশ ক্রমবর্ধমান কঠোর হয়ে উঠেছে। স্বচ্ছ জানালাগুলি ক্রমাগত ফ্লোরিন-ভিত্তিক এবং অক্সিজেন ভিত্তিক-প্লাজমা, উচ্চ-শক্তি আয়ন বিম এবং অতিবেগুনী বিকিরণ, সেইসাথে ক্ষয়কারী রাসায়নিক পদার্থের সংস্পর্শে আসে। ইতিমধ্যে, চেম্বারগুলি প্রায়শই ঘরের তাপমাত্রা থেকে কয়েকশ ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত দ্রুত গরম এবং শীতল চক্রের মধ্য দিয়ে যায় এবং অভ্যন্তরীণ ভ্যাকুয়াম এবং বাহ্যিক বায়ুমণ্ডলের মধ্যে ক্রমাগত চাপের পার্থক্য সহ্য করে। ঐতিহ্যগত ফিউজড সিলিকা গ্লাস এবং প্রচলিত অপটিক্যাল গ্লাস আর উচ্চ{11}}উৎপাদনের প্রয়োজনীয়তা পূরণ করতে পারে না।

এই পটভূমিতে, উচ্চ-কার্যক্ষমতা সম্পন্ন স্বচ্ছ সিরামিকগুলি অর্ধপরিবাহী সরঞ্জামগুলির স্বচ্ছ উইন্ডোগুলির জন্য মূলধারার মূল উপাদান হয়ে উঠেছে, তাদের অসামান্য ক্ষয় প্রতিরোধের, উচ্চ-তাপমাত্রার স্থায়িত্ব, বিকিরণ প্রতিরোধের, উচ্চ যান্ত্রিক শক্তি এবং চমৎকার আলো প্রেরণের জন্য ধন্যবাদ৷ এই নিবন্ধটি সেমিকন্ডাক্টর সরঞ্জামগুলির জন্য সাধারণ স্বচ্ছ সিরামিক উইন্ডো উপকরণগুলির পর্যালোচনা করে, উপাদান নির্বাচন এবং ব্যবহারিক প্রয়োগের জন্য একটি রেফারেন্স প্রদান করে।

সেমিকন্ডাক্টর ইকুইপমেন্ট উইন্ডোজের জন্য স্বচ্ছ সিরামিক উপকরণ

সাধারণ অস্বচ্ছ সিরামিকের বিপরীতে, কাঁচামাল হিসেবে অতি-বিশুদ্ধ, অতি-সূক্ষ্ম সিরামিক পাউডার ব্যবহার করে স্বচ্ছ সিরামিক তৈরি করা হয়। বায়ুমণ্ডল সিন্টারিং, হট-প্রেস সিন্টারিং এবং ভ্যাকুয়াম সিন্টারিংয়ের মতো অত্যাধুনিক ফ্যাব্রিকেশন কৌশলগুলি গ্রহণ করে, তারা প্রায়-তাত্ত্বিক ঘনত্ব এবং একটি সম্পূর্ণ ঘন কাঠামো অর্জন করে, যা ছিদ্রের কারণে আলোর বিচ্ছুরণ দূর করে। উপরন্তু, শস্য নিয়ন্ত্রণ প্রযুক্তি অভিন্ন শস্যের আকার, পাতলা শস্যের সীমানা এবং কোন অপরিচ্ছন্নতা পৃথকীকরণ নিশ্চিত করতে প্রয়োগ করা হয়, শস্যের সীমানায় আলো বিচ্ছুরণকে মারাত্মকভাবে হ্রাস করে। স্বচ্ছ একক স্ফটিকগুলি স্ফটিক বৃদ্ধির পদ্ধতির মাধ্যমেও তৈরি করা যেতে পারে, যাতে আলোর বিক্ষিপ্ত ক্ষতি কমাতে ভালভাবে সাজানো জালি এবং অত্যন্ত কম ত্রুটির ঘনত্ব থাকে।

সমস্ত সিরামিক পাউডার স্বচ্ছ সিরামিক তৈরির জন্য উপযুক্ত নয়। বর্তমানে, yttria (Y₂O₃), yttrium অ্যালুমিনিয়াম গারনেট (YAG) এবং অ্যালুমিনিয়াম অক্সিনিট্রাইড (AlON) সহ কিউবিক ক্রিস্টাল সিস্টেমের উপকরণ ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। এই উপকরণগুলি বিয়ারফ্রিঞ্জেন্স ছাড়াই অপটিক্যালি আইসোট্রপিক এবং চমৎকার আলো প্রেরণ করে। একক-স্ফটিক উপাদান যেমন নীলকান্তমণি একটি ষড়ভুজ স্ফটিক কাঠামোর সাথে নিয়মিত জালি এবং কম ত্রুটির ঘনত্বের বৈশিষ্ট্য রয়েছে, যা কম অপটিক্যাল বিকৃতির সাথে উচ্চ এবং অভিন্ন আলোর প্রেরণা অর্জন করে।

1. Yttria (Y₂O₃) স্বচ্ছ সিরামিক

Yttria স্বচ্ছ সিরামিকগুলি গভীর অতিবেগুনী (0.25 μm) থেকে মধ্য-ইনফ্রারেড (8 μm) পর্যন্ত একটি অত্যন্ত বিস্তৃত অপটিক্যাল ট্রান্সমিশন ব্যান্ড বৈশিষ্ট্যযুক্ত। এটি কয়েকটি অক্সাইড পদার্থের মধ্যে একটি যা গভীর অতিবেগুনী এবং মধ্য-অবলোহিত অঞ্চলে আলো প্রেরণ করে। উচ্চ-গুণমান yttria স্বচ্ছ সিরামিকগুলি সাধারণত 70% থেকে 85% পর্যন্ত দৃশ্যমান-আলোর ট্রান্সমিট্যান্স অর্জন করে।

উচ্চতর অপটিক্যাল পারফরম্যান্সের বাইরে, yttria (Y₂O₃) ফ্লোরিন ভিত্তিক প্লাজমা ক্ষয়ের জন্য ব্যতিক্রমী প্রতিরোধ প্রদর্শন করে। Y–O বন্ডের বন্ড শক্তি 780 kJ/mol ছুঁয়েছে, যা উপাদানকে রাসায়নিকভাবে হ্যালোজেন উপাদান, বিশেষ করে ফ্লোরিন এবং ক্লোরিনকে নিষ্ক্রিয় করে। এমনকি ফ্লোরিনের সাথে বিক্রিয়া করার সময়, এটি একটি স্থিতিশীল এবং ঘন ইট্রিয়াম ফ্লোরাইড (YF₃) স্তর গঠন করে যা পিলিং প্রতিরোধ করে। এই বৈশিষ্ট্যটি কণা উৎপাদনকে ব্যাপকভাবে হ্রাস করে এবং ফ্লোরিন প্লাজমা দ্বারা গহ্বর এবং ঝরনার মাথার মতো চেম্বারের উপাদানগুলির আরও ক্ষয় রোধ করে, এইভাবে পরিষেবা জীবনকে প্রসারিত করে। সাধারণত উচ্চ-ঘনত্বের ফ্লোরিন-ভিত্তিক বা ক্লোরিন-ভিত্তিক প্লাজমা পরিবেশে, এর এচিং হার কোয়ার্টজ গ্লাসের 1/20 থেকে 1/50 মাত্র। 2430 ডিগ্রীর গলনাঙ্কের সাথে, yttria 1750 ডিগ্রির উপরে দীর্ঘমেয়াদী পরিষেবার অধীনে উদ্বায়ীকরণ বা বিকৃতি ছাড়াই কাঠামোগত অখণ্ডতা বজায় রাখতে পারে, প্লাজমা প্রক্রিয়াগুলির চরম তাপমাত্রার অবস্থার সাথে খাপ খাইয়ে নিতে পারে। এটি উচ্চ-এচিং সরঞ্জামের স্বচ্ছ উইন্ডোগুলির জন্য একটি আদর্শ প্রার্থী৷

এর প্রধান ত্রুটিগুলি তুলনামূলকভাবে কম যান্ত্রিক শক্তি এবং কঠোরতা (Mohs কঠোরতা: 6.5-7)। নীলকান্তমণির তুলনায় এটির নিম্নতর প্রভাব প্রতিরোধ ক্ষমতা এবং চাপ ক্লান্তি প্রতিরোধ ক্ষমতা রয়েছে, এটি উচ্চ চাপ এবং গুরুতর প্রভাব জড়িত অপারেটিং অবস্থার জন্য অনুপযুক্ত করে তোলে।

2. Yttrium অ্যালুমিনিয়াম গারনেট (YAG)

YAG অ্যালুমিনার একটি নির্দিষ্ট অনুপাতের সাথে ডোপিং yttria দ্বারা সংশ্লেষিত হয়। yttria এর মতো, এটির একটি ঘন স্ফটিক কাঠামো রয়েছে, যা অ্যালুমিনার যান্ত্রিক স্থায়িত্বকে উচ্চ-তাপমাত্রা প্রতিরোধের এবং yttria-এর অপটিক্যাল সুবিধার সাথে একত্রিত করে। ভাল-ভারসাম্যপূর্ণ সামগ্রিক কর্মক্ষমতা সহ, YAG বিশুদ্ধ yttria-এর চেয়েও বেশি খরচ-কার্যকর৷ অপটিক্যালি, বিশুদ্ধ YAG স্ফটিক 0.25 μm থেকে 5 μm তরঙ্গদৈর্ঘ্যের পরিসীমা জুড়ে উচ্চ ট্রান্সমিট্যান্স প্রদান করে, একটি দৃশ্যমান এবং কাছাকাছি- ইনফ্রারেড ট্রান্সমিট্যান্স 80% এর বেশি। উল্লেখযোগ্যভাবে, এটি 2 μm–3 μm ব্যান্ডে কোন আলো শোষণ দেখায় না, এটি মাঝারি তীব্র ফ্লোরিন প্লাজমা, উচ্চ তাপমাত্রা এবং ভ্যাকুয়াম চাপের পার্থক্য জড়িত কাজের অবস্থার জন্য প্রযোজ্য করে তোলে।

3. অ্যালুমিনিয়াম অক্সিনিট্রাইড (AlON)

AlON স্বচ্ছ সিরামিকগুলি অতিবেগুনী এবং দৃশ্যমান আলো থেকে মধ্য- ইনফ্রারেড ব্যান্ড পর্যন্ত চমৎকার অপটিক্যাল ট্রান্সমিট্যান্স অফার করে, যার তরঙ্গদৈর্ঘ্য 0.2 μm থেকে 6.0 μm পরিসরে 80% এর বেশি। এটি 17-18 GPa এর একটি Vickers কঠোরতা এবং প্রায় 300 MPa এর নমনীয় শক্তি নিয়ে গর্ব করে। উচ্চ কঠোরতা এবং শালীন দৃঢ়তা বৈশিষ্ট্যযুক্ত, AlON-এর প্রভাব এবং স্ক্র্যাচিংয়ের দুর্দান্ত প্রতিরোধ রয়েছে। যাইহোক, এর উৎপাদনের জন্য 1750 ডিগ্রী থেকে 1900 ডিগ্রীতে সিন্টারিং প্রয়োজন, যার ফলে উচ্চ শক্তি খরচ এবং উত্পাদন খরচ হয়।

4. স্বচ্ছ অ্যালুমিনা সিরামিক

স্বচ্ছ অ্যালুমিনা সিরামিকগুলি দৃশ্যমান এবং কাছাকাছি ইনফ্রারেড ব্যান্ডে (200–2200 এনএম) 90% এর বেশি উচ্চ ট্রান্সমিট্যান্স অর্জন করে, অর্ধপরিবাহী সরঞ্জামগুলির অপটিক্যাল পর্যবেক্ষণের প্রয়োজনীয়তা পূরণ করে। তারা 1000 ডিগ্রির উপরে তাপমাত্রায় স্থিরভাবে কাজ করতে পারে। উৎপাদনের পরিপ্রেক্ষিতে, স্বচ্ছ অ্যালুমিনা সিরামিক পরিপক্ক উত্পাদন প্রক্রিয়া থেকে উপকৃত হয়। এগুলি চাপবিহীন সিন্টারিং, হট-প্রেস সিন্টারিং এবং অন্যান্য পদ্ধতির মাধ্যমে তৈরি করা যেতে পারে, যাতে কম কাঁচামালের খরচ, একটি বিস্তৃত প্রক্রিয়া উইন্ডো এবং সহজ-উৎপাদন।

তবুও, Al–O বন্ডের বন্ড শক্তি প্রায় 498 kJ/mol। যদিও উপাদানটি বেশিরভাগ রাসায়নিক ক্ষয় প্রতিরোধ করে, এটি অ্যালুমিনিয়াম ফ্লোরাইড (AlF₃) গঠনের জন্য উচ্চ-শক্তির প্লাজমা অবস্থার অধীনে ফ্লোরিনের সাথে সহজেই বিক্রিয়া করে। এই ফ্লোরাইড স্তরটি পৃষ্ঠের উপর খোসা ছাড়িয়ে স্ফটিক হয়ে যায়, কণা দূষক তৈরি করে যা ওয়েফারের উপর পড়ে এবং দূষিত করতে পারে। এদিকে, প্রতিরক্ষামূলক স্তরটি ক্রমাগত গ্রাস করা হয়, যা ইচিং সরঞ্জামগুলিতে এর প্রয়োগ সীমাবদ্ধ করে।

5. নীলা

স্যাফায়ার হল একক-ক্রিস্টাল অ্যালুমিনা, পলিক্রিস্টালাইন স্বচ্ছ অ্যালুমিনা সিরামিক থেকে মৌলিকভাবে আলাদা। অ্যালুমিনিয়াম এবং অক্সিজেন পরমাণু নিয়মিতভাবে স্ফটিকের অভ্যন্তরে সমযোজী বন্ধনের মাধ্যমে বন্ধন করা হয়, যা একটি কম্প্যাক্ট এবং সুশৃঙ্খল-জালি তৈরি করে। একক-স্ফটিক বৃদ্ধির প্রক্রিয়া অত্যন্ত কম ত্রুটি এবং অপরিষ্কার সামগ্রী দেয়, কোনো শস্যের সীমানা বা ছিদ্র নেই যা আলো বিচ্ছুরণ ঘটায়। আলো ন্যূনতম বাধা সহ নীলকান্তমণির মধ্য দিয়ে ভ্রমণ করে, কার্যকরভাবে আলো বিচ্ছুরণ এবং শোষণকে হ্রাস করে। তাই, স্যাফায়ার অসামান্য অপটিক্যাল পারফরম্যান্স প্রদান করে, যার ট্রান্সমিশন তরঙ্গদৈর্ঘ্য 0.19 μm থেকে 5.5 μm এবং একটি সোজা দৃশ্যমান- 86% পর্যন্ত আলো ট্রান্সমিট্যান্স, এটিকে উচ্চ কার্যক্ষমতার অপটিক্যাল উইন্ডোগুলির জন্য একটি সর্বোত্তম সাবস্ট্রেট তৈরি করে৷

যাইহোক, একক-ক্রিস্টাল কাঠামোরও সুস্পষ্ট অসুবিধা রয়েছে। স্ফটিক বৃদ্ধির সময় অবশিষ্ট অভ্যন্তরীণ চাপ তৈরি হওয়ার প্রবণতা থাকে, তাই ব্যবহার এবং সমাবেশের সময় নীলকান্তমণি ভঙ্গুর ফ্র্যাকচার এবং ক্লিভেজ ফাটলের জন্য সংবেদনশীল, যা নির্ভুল স্তরায়ণ এবং প্রক্রিয়াকরণকে বাধা দেয়। উপরন্তু, একক-ক্রিস্টাল বৃদ্ধিতে জটিল কৌশল এবং কম ফলন হার জড়িত, যার ফলে পলিক্রিস্টালাইন স্বচ্ছ অ্যালুমিনা সিরামিকের তুলনায় সামগ্রিক উৎপাদন খরচ অনেক বেশি।