Nos principais processos de fabricação de semicondutores, a cerâmica de alumina tornou-se um material-chave indispensável devido ao seu excelente isolamento elétrico, alta dureza, resistência à erosão por plasma e boa condutividade térmica. Eles são usados principalmente para componentes estruturais de alta-pureza no manuseio de wafers e câmaras de gravação.
Esses componentes críticos incluem: mandris a vácuo e mandris eletrostáticos que fixam os wafers enquanto resistem a altas temperaturas e gases corrosivos; revestimentos e anéis de foco que protegem as paredes da câmara de gravação a plasma e reduzem a contaminação por partículas; mandris de processo que evitam a contaminação de metal e ao mesmo tempo suportam wafers; e bases-guia de rolamentos-aéreos de precisão que fornecem suporte ultra{1}}estável em equipamentos de litografia e inspeção. Esses componentes exigem níveis de pureza de Al₂O₃ de pelo menos 99%, geralmente 99,5% ou mais – muito acima do grau industrial de 92–96%. As razões por trás disso podem ser entendidas da seguinte forma.
Primeiro: O ambiente de plasma corrói continuamente a superfície cerâmica
Os processos de gravação usam plasmas à base de halogênio-(Cl₂, HBr, gases contendo flúor-) com energia extremamente alta, submetendo as paredes da câmara à corrosão química e à pulverização catódica física.
Corrosão química: os halogênios reagem com os óxidos da cerâmica, formando compostos voláteis na superfície da alumina e causando erosão camada-por{1}}camada.
Sputtering físico: íons de alta{0}}energia bombardeiam diretamente a superfície, eliminando átomos um por um.
Juntos, esses efeitos liberam partículas ou espécies atômicas do material da câmara para o meio ambiente. Se houver impurezas presentes, elas se tornarão fontes de contaminação no wafer.
Segundo: impurezas metálicas causam danos catastróficos aos cavacos
As impurezas residuais na alumina se enquadram em duas categorias principais, cada uma com um mecanismo de dano distinto:
Íons de metais alcalinos (por exemplo, Na⁺, K⁺): Esses íons são altamente móveis em dispositivos de silício. Uma vez que entram no óxido da porta, eles causam mudança de tensão limite em dispositivos MOS, desestabilizando o comportamento de comutação do transistor. Esta degradação é gradual – impulsionada por mudanças de temperatura e campos eléctricos durante o funcionamento, os iões continuam a migrar, causando a deterioração contínua do dispositivo.
Metais de transição (por exemplo, Fe, Ni, Cu): Esses elementos formam defeitos de nível-profundos no silício, atuando como centros de recombinação para portadores minoritários. Isso reduz drasticamente a vida útil da portadora, manifestando-se como aumento da corrente de fuga do diodo, resposta mais lenta do dispositivo e degradação das características da junção p-n. Estudos mostram que para um óxido de porta com espessura de 10 nm, uma concentração de ferro superior a 8×10¹⁰ átomos/cm² no silício compromete gravemente a qualidade do óxido de porta.
Isso explica por que a alumina de 96% de grau industrial, perfeitamente adequada em outros lugares, é totalmente insuficiente em câmaras de semicondutores. De 96% a 99,8% – uma diferença de apenas 3,8% em pureza – o teor total de impurezas cai por um fator de dez ou mais.