{"id":11370,"date":"2026-07-13T02:00:06","date_gmt":"2026-07-12T18:00:06","guid":{"rendered":"https:\/\/toquartz.com\/?p=11370"},"modified":"2026-02-28T16:21:13","modified_gmt":"2026-02-28T08:21:13","slug":"quartz-thermocouple-tubes-in-semiconductor-manufacturing","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/toquartz.com\/pt\/quartz-thermocouple-tubes-in-semiconductor-manufacturing\/","title":{"rendered":"Propriedades dos tubos de termopar de quartzo e sua aplica\u00e7\u00e3o em fornos semicondutores"},"content":{"rendered":"

A fabrica\u00e7\u00e3o de semicondutores exige um n\u00edvel de precis\u00e3o nas medi\u00e7\u00f5es que a maioria dos ambientes industriais nunca precisa enfrentar. Quando a temperatura se desvia em apenas alguns graus, lotes inteiros de wafers s\u00e3o descartados \u2014 e o tubo de prote\u00e7\u00e3o que envolve o termopar \u00e9 a \u00faltima linha de defesa.<\/p>\n

Seja em fornos de difus\u00e3o, tubos de oxida\u00e7\u00e3o ou reatores CVD, os tubos de termopar de quartzo tornaram-se o material preferido dos engenheiros que n\u00e3o podem se dar ao luxo de ter contamina\u00e7\u00e3o, falha estrutural ou desvio nas medi\u00e7\u00f5es. Este artigo apresenta uma refer\u00eancia t\u00e9cnica completa que abrange propriedades dos materiais, configura\u00e7\u00f5es estruturais, combina\u00e7\u00f5es de termopares, par\u00e2metros de desempenho e aplica\u00e7\u00f5es espec\u00edficas para cada processo \u2014 tudo o que \u00e9 necess\u00e1rio para avaliar tubos de prote\u00e7\u00e3o de s\u00edlica fundida para medi\u00e7\u00f5es t\u00e9rmicas em n\u00edvel de semicondutores.<\/p>\n

Para entender por que o quartzo supera todos os materiais concorrentes, \u00e9 preciso, antes de tudo, compreender o ambiente em que ele \u00e9 utilizado.<\/p>\n

\n

\"Instala\u00e7\u00e3o<\/p>\n

O ambiente t\u00e9rmico dos semicondutores e suas exig\u00eancias em rela\u00e7\u00e3o aos tubos de prote\u00e7\u00e3o<\/h2>\n

Em todo o espectro dos processos de fabrica\u00e7\u00e3o de semicondutores, a medi\u00e7\u00e3o de temperatura n\u00e3o \u00e9 uma fun\u00e7\u00e3o secund\u00e1ria \u2014 \u00e9 o pr\u00f3prio processo. O tubo de prote\u00e7\u00e3o que abriga o termopar deve resistir a condi\u00e7\u00f5es que tornam inadequados praticamente todos os materiais convencionais.<\/p>\n

Regimes de temperatura nos principais processos t\u00e9rmicos de semicondutores<\/h3>\n

Os processos t\u00e9rmicos de semicondutores abrangem uma ampla e exigente faixa de temperatura, e cada zona do processo imp\u00f5e cargas mec\u00e2nicas e qu\u00edmicas distintas a qualquer tubo de prote\u00e7\u00e3o inserido.<\/p>\n

Os fornos de difus\u00e3o horizontal utilizados para a dopagem com boro ou f\u00f3sforo operam normalmente entre 900 \u00b0C e 1.100 \u00b0C<\/strong>, com alguns ciclos de oxida\u00e7\u00e3o avan\u00e7ados atingindo 1200\u00b0C<\/strong> em zonas de alta temperatura localizadas. Os processos de deposi\u00e7\u00e3o qu\u00edmica de vapor sob baixa press\u00e3o (LPCVD) para a deposi\u00e7\u00e3o de nitreto de sil\u00edcio ou polissil\u00edcio operam entre 600 \u00b0C e 900 \u00b0C<\/strong>, enquanto os fornos de oxida\u00e7\u00e3o \u00e0 press\u00e3o atmosf\u00e9rica mant\u00eam 950 \u00b0C a 1.100 \u00b0C<\/strong> de forma cont\u00ednua por horas a cada ciclo. Os sistemas de processamento t\u00e9rmico r\u00e1pido (RTP), embora utilizem arquiteturas de sensores diferentes, atingem temperaturas m\u00e1ximas que ultrapassam 1250\u00b0C<\/strong> em quest\u00e3o de segundos.<\/p>\n

As toler\u00e2ncias de uniformidade t\u00e9rmica em fornos de produ\u00e7\u00e3o s\u00e3o normalmente mantidas entre \u00b10,5 \u00b0C e \u00b11,0 \u00b0C<\/strong> ao longo de todo o comprimento do tubo. Qualquer tubo de prote\u00e7\u00e3o que introduza inconsist\u00eancia na massa t\u00e9rmica, distor\u00e7\u00e3o geom\u00e9trica ou varia\u00e7\u00e3o localizada da emissividade prejudicar\u00e1 as leituras de temperatura por zona \u2014 tornando a estabilidade dimensional \u00e0 temperatura de opera\u00e7\u00e3o uma especifica\u00e7\u00e3o imprescind\u00edvel.<\/p>\n

Faixas de temperatura nos processos t\u00e9rmicos de semicondutores<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Processo<\/th>\nFaixa de temperatura (\u00b0C)<\/th>\nAtmosfera<\/th>\nDura\u00e7\u00e3o t\u00edpica<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
Difus\u00e3o de boro\/f\u00f3sforo<\/td>\n900 \u2013 1100<\/td>\nN\u2082 \/ O\u2082<\/td>\n30 \u2013 120 min<\/td>\n<\/tr>\n
Oxida\u00e7\u00e3o atmosf\u00e9rica<\/td>\n950 \u2013 1100<\/td>\nO\u2082 \/ H\u2082O<\/td>\n20 \u2013 180 min<\/td>\n<\/tr>\n
LPCVD (Si\u2083N\u2084, poli-Si)<\/td>\n600 \u2013 900<\/td>\nSiH\u2084, NH\u2083, N\u2082<\/td>\n60 \u2013 240 min<\/td>\n<\/tr>\n
Recozimento (RTA \/ Forno)<\/td>\n800 \u2013 1150<\/td>\nN\u2082 \/ Ar<\/td>\n10 \u2013 90 min<\/td>\n<\/tr>\n
Absor\u00e7\u00e3o \/ Limpeza de HCl<\/td>\n950 \u2013 1050<\/td>\nHCl \/ O\u2082<\/td>\n15 a 45 minutos<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Sensibilidade \u00e0 contamina\u00e7\u00e3o no processamento de wafers de alta pureza<\/h3>\n

As pastilhas de sil\u00edcio processadas em altas temperaturas s\u00e3o extremamente sens\u00edveis \u00e0 contamina\u00e7\u00e3o met\u00e1lica, e o tubo de prote\u00e7\u00e3o \u2014 posicionado a mil\u00edmetros da atmosfera do processo \u2014 constitui um dos principais vetores de contamina\u00e7\u00e3o caso sejam selecionados materiais inadequados.<\/p>\n

\u00cdons de metais alcalinos, como o s\u00f3dio (Na\u207a), apresentam mobilidade em temperaturas acima de 300 \u00b0C<\/strong> e podem migrar atrav\u00e9s das camadas de \u00f3xido para a rede cristalina do sil\u00edcio, criando estados de interface que prejudicam a estabilidade da tens\u00e3o de limiar do transistor. O ferro (Fe), o n\u00edquel (Ni) e o cobre (Cu) introduzem armadilhas de n\u00edvel profundo no sil\u00edcio, reduzindo o tempo de vida dos portadores minorit\u00e1rios e acelerando a corrente de fuga nos dispositivos acabados. Um tubo de prote\u00e7\u00e3o que libera at\u00e9 mesmo quantidades m\u00ednimas desses elementos \u00e0 temperatura do processo constitui uma fonte de contamina\u00e7\u00e3o que limita o rendimento.<\/p>\n

As especifica\u00e7\u00f5es de contamina\u00e7\u00e3o do setor para componentes de fornos de semicondutores normalmente exigem n\u00edveis totais de impurezas met\u00e1licas inferiores a 50 ppb em massa<\/strong>, com os metais alcalinos (Na, K, Li) mantidos abaixo de 5 ppb cada um<\/strong>. Esse limite restringe diretamente a escolha do material para qualquer componente \u2014 incluindo tubos de prote\u00e7\u00e3o \u2014 que entre ou entre em contato com a zona de processo do forno.<\/p>\n

Limites permitidos de impurezas met\u00e1licas para componentes de fornos de semicondutores<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Elemento<\/th>\nConcentra\u00e7\u00e3o m\u00e1xima permitida (ppb)<\/th>\nEfeito da contamina\u00e7\u00e3o<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
S\u00f3dio (Na)<\/td>\n\u2264 5<\/td>\nDegrada\u00e7\u00e3o do \u00f3xido de porta, desvio do limiar<\/td>\n<\/tr>\n
Ferro (Fe)<\/td>\n\u2264 20<\/td>\nRedu\u00e7\u00e3o da vida \u00fatil do transportador<\/td>\n<\/tr>\n
Cobre (Cu)<\/td>\n\u2264 10<\/td>\nForma\u00e7\u00e3o de armadilhas em camadas profundas<\/td>\n<\/tr>\n
N\u00edquel (Ni)<\/td>\n\u2264 20<\/td>\nAumento da corrente de fuga<\/td>\n<\/tr>\n
Pot\u00e1ssio (K)<\/td>\n\u2264 5<\/td>\nContamina\u00e7\u00e3o por \u00edons m\u00f3veis<\/td>\n<\/tr>\n
Total de metais<\/td>\n\u2264 50<\/td>\nImpacto combinado no rendimento<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Condi\u00e7\u00f5es atmosf\u00e9ricas no interior dos tubos de fornos para semicondutores<\/h3>\n

Al\u00e9m da temperatura e da contamina\u00e7\u00e3o, a atmosfera qu\u00edmica no interior dos tubos dos fornos de semicondutores imp\u00f5e uma terceira categoria de exig\u00eancias a qualquer componente de prote\u00e7\u00e3o inserido.<\/p>\n

Atmosferas oxidantes contendo O\u2082 seco ou \u00famido s\u00e3o amplamente utilizadas no crescimento do \u00f3xido de porta e do \u00f3xido de campo. Atmosferas redutoras com hidrog\u00eanio (H\u2082) ou g\u00e1s de forma\u00e7\u00e3o (misturas de H\u2082\/N\u2082) s\u00e3o utilizadas nas etapas de recozimento e gettering. G\u00e1s HCl em concentra\u00e7\u00f5es de 1 a 5% por volume<\/strong> \u00e9 introduzido periodicamente durante os ciclos de limpeza para volatilizar contaminantes met\u00e1licos das paredes do forno \u2014 um ambiente que corr\u00f3i a maioria dos materiais cer\u00e2micos e met\u00e1licos, mas que n\u00e3o afeta quimicamente a s\u00edlica fundida de alta pureza. Gases inertes de purga (N\u2082, Ar) predominam nas etapas de controle do ambiente, n\u00e3o gerando carga qu\u00edmica, mas ainda assim exigindo estabilidade dimensional de qualquer tubo inserido.<\/p>\n

Um tubo de prote\u00e7\u00e3o que reaja com qualquer uma dessas atmosferas \u2014 por meio de oxida\u00e7\u00e3o, redu\u00e7\u00e3o ou ataque \u00e1cido \u2014 passa a ser uma fonte de contamina\u00e7\u00e3o, em vez de uma barreira contra a contamina\u00e7\u00e3o. A in\u00e9rcia qu\u00edmica em todas as atmosferas de processo \u00e9, portanto, t\u00e3o essencial quanto a estabilidade t\u00e9rmica<\/strong>, e \u00e9 justamente essa combina\u00e7\u00e3o de propriedades que faz com que a s\u00edlica fundida seja considerada o material padr\u00e3o para tubos de prote\u00e7\u00e3o na ind\u00fastria de semicondutores.<\/p>\n

\n

O que faz do quartzo o material preferido para tubos de termopar<\/h2>\n

Dadas as exig\u00eancias complexas dos ambientes t\u00e9rmicos dos semicondutores \u2014 temperaturas extremas, limites ultrabaixos de contamina\u00e7\u00e3o e atmosferas quimicamente agressivas \u2014, a sele\u00e7\u00e3o de materiais para tubos de prote\u00e7\u00e3o \u00e9 um processo de otimiza\u00e7\u00e3o com m\u00faltiplas vari\u00e1veis. A s\u00edlica fundida atende a todas as restri\u00e7\u00f5es simultaneamente, o que explica sua ampla ado\u00e7\u00e3o em tubo de termopar de quartzo<\/a> especifica\u00e7\u00f5es desse setor.<\/p>\n

Estabilidade t\u00e9rmica e baixo coeficiente de expans\u00e3o t\u00e9rmica no quartzo fundido<\/h3>\n

O comportamento de expans\u00e3o t\u00e9rmica do material de um tubo de prote\u00e7\u00e3o determina diretamente sua resist\u00eancia \u00e0 tens\u00e3o induzida termicamente \u2014 tanto por mudan\u00e7as r\u00e1pidas de temperatura quanto por aquecimento diferencial prolongado na parede do tubo.<\/p>\n

A s\u00edlica fundida apresenta um coeficiente de expans\u00e3o t\u00e9rmica (CTE) de aproximadamente 0,55 \u00d7 10\u207b\u2076\/\u00b0C<\/strong>, medido na faixa de 20 \u00b0C a 1.000 \u00b0C. Esse valor est\u00e1 entre os mais baixos de todos os materiais de \u00f3xido utilizados em aplica\u00e7\u00f5es industriais. Em compara\u00e7\u00e3o, a alumina (Al\u2082O\u2083) apresenta um CTE de 7,2 \u00d7 10\u207b\u2076\/\u00b0C<\/strong>, e a mulita atinge 5,0 \u00d7 10\u207b\u2076\/\u00b0C<\/strong> \u2014 ambos mais de oito vezes superiores aos da s\u00edlica fundida. Quando um tubo de forno passa por um ciclo t\u00e9rmico da temperatura ambiente at\u00e9 1.000 \u00b0C e de volta, a varia\u00e7\u00e3o dimensional em um componente de s\u00edlica fundida \u00e9 quase insignificante, enquanto os tubos de alumina ou cer\u00e2mica acumulam tens\u00e3o interna significativa.<\/p>\n

A consequ\u00eancia pr\u00e1tica desse baixo CTE \u00e9 excepcional resist\u00eancia a choques t\u00e9rmicos<\/strong>. Os tubos de prote\u00e7\u00e3o de s\u00edlica fundida podem ser transferidos da temperatura ambiente para um ambiente de forno a 1.000 \u00b0C sem sofrerem fraturas, um comportamento que \u00e9 operacionalmente significativo durante as sequ\u00eancias de carregamento do forno. Essa propriedade \u00e9 quantificada pelo par\u00e2metro de resist\u00eancia ao choque t\u00e9rmico (R'), e, no caso da s\u00edlica fundida, Os valores de \u201cR\u201d geralmente ultrapassam 1.000 \u00b0C<\/strong> em condi\u00e7\u00f5es de resfriamento r\u00e1pido \u2014 um valor inigual\u00e1vel por qualquer alternativa de alumina ou carboneto de sil\u00edcio na faixa abaixo de 1.200 \u00b0C.<\/p>\n

Compara\u00e7\u00e3o da CTE dos materiais dos tubos de prote\u00e7\u00e3o<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Material<\/th>\nCTE (\u00d710-\u2076\/\u00b0C)<\/th>\nTemperatura m\u00e1xima de servi\u00e7o (\u00b0C)<\/th>\nResist\u00eancia a choques t\u00e9rmicos<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
S\u00edlica fundida (sint\u00e9tica)<\/td>\n0.55<\/td>\n1100 (cont\u00ednuo)<\/td>\nExcelente<\/td>\n<\/tr>\n
S\u00edlica fundida (natural)<\/td>\n0.55<\/td>\n1050 (cont\u00ednuo)<\/td>\nExcelente<\/td>\n<\/tr>\n
Al\u00famina (99,7%)<\/td>\n7.2<\/td>\n1700<\/td>\nModerado<\/td>\n<\/tr>\n
Mullita<\/td>\n5.0<\/td>\n1600<\/td>\nModerado<\/td>\n<\/tr>\n
Carbeto de sil\u00edcio (SiC)<\/td>\n4.0<\/td>\n1600<\/td>\nBom<\/td>\n<\/tr>\n
A\u00e7o inoxid\u00e1vel (310S)<\/td>\n16.0<\/td>\n1050<\/td>\nRuim<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

In\u00e9rcia qu\u00edmica dos tubos de termopar de quartzo em atmosferas de processo<\/h3>\n

Em todas as atmosferas utilizadas nos processos padr\u00e3o de semicondutores, o comportamento qu\u00edmico do material do tubo de prote\u00e7\u00e3o \u00e9 fundamental \u2014 n\u00e3o apenas para a longevidade do tubo, mas tamb\u00e9m para a integridade da pureza do ambiente da pastilha.<\/p>\n

A s\u00edlica fundida \u00e9 quimicamente inerte em O\u2082, N\u2082, Ar, H\u2082, HCl e na maioria dos vapores \u00e1cidos nas temperaturas dos processos de semicondutores.<\/strong> Ela n\u00e3o sofre oxida\u00e7\u00e3o adicional em atmosferas oxidantes, pois j\u00e1 est\u00e1 totalmente oxidada na forma de SiO\u2082. Em atmosferas redutoras de H\u2082 abaixo de 1.200 \u00b0C, a s\u00edlica fundida permanece estrutural e quimicamente est\u00e1vel, n\u00e3o apresentando nenhuma rea\u00e7\u00e3o de redu\u00e7\u00e3o mensur\u00e1vel sob condi\u00e7\u00f5es padr\u00e3o de LPCVD ou de recozimento. Atmosferas de HCl nas concentra\u00e7\u00f5es utilizadas na limpeza de fornos (1\u20135% a 900\u20131050 \u00b0C) n\u00e3o produzem nenhum ataque mensur\u00e1vel na s\u00edlica fundida de alta pureza, enquanto tubos de alumina apresentam corros\u00e3o superficial e corros\u00e3o nos limites dos gr\u00e3os em condi\u00e7\u00f5es semelhantes.<\/p>\n

A exce\u00e7\u00e3o importante \u00e9 o \u00e1cido fluor\u00eddrico (HF) e seu equivalente em fase de vapor. O HF ataca o SiO\u2082 rapidamente em qualquer temperatura<\/strong>, e os tubos termopares de quartzo n\u00e3o devem ser utilizados em atmosferas contendo HF ou em ambientes de bancada \u00famida p\u00f3s-HF sem neutraliza\u00e7\u00e3o pr\u00e9via. Fora dessa exce\u00e7\u00e3o espec\u00edfica, o perfil de compatibilidade qu\u00edmica dos tubos de prote\u00e7\u00e3o de s\u00edlica fundida abrange essencialmente todo o espectro de produtos qu\u00edmicos utilizados em processos t\u00e9rmicos de semicondutores.<\/p>\n

Compatibilidade qu\u00edmica da s\u00edlica fundida com as atmosferas dos processos de semicondutores<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Atmosfera<\/th>\nCompatibilidade<\/th>\nNotas<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
O\u2082 seco<\/td>\n\u2713 Totalmente compat\u00edvel<\/td>\nSem rea\u00e7\u00e3o; j\u00e1 est\u00e1 totalmente oxidado<\/td>\n<\/tr>\n
Vapor \u00famido de O\u2082 \/ H\u2082O<\/td>\n\u2713 Compat\u00edvel<\/td>\nHidroxila\u00e7\u00e3o superficial m\u00ednima a >1.000 \u00b0C<\/td>\n<\/tr>\n
N\u2082 \/ Ar (g\u00e1s inerte)<\/td>\n\u2713 Totalmente compat\u00edvel<\/td>\nN\u00e3o h\u00e1 rea\u00e7\u00e3o em nenhuma temperatura do processo<\/td>\n<\/tr>\n
H\u2082 \/ G\u00e1s de conforma\u00e7\u00e3o<\/td>\n\u2713 Compat\u00edvel com temperaturas de at\u00e9 1.200 \u00b0C<\/td>\nN\u00e3o deve haver redu\u00e7\u00e3o abaixo de 1.200 \u00b0C<\/td>\n<\/tr>\n
HCl (1\u20135%)<\/td>\n\u2713 Compat\u00edvel<\/td>\nSem ataque mensur\u00e1vel \u00e0 superf\u00edcie<\/td>\n<\/tr>\n
Vapor de HF<\/td>\n\u2717 Incompat\u00edvel<\/td>\nGrava\u00e7\u00e3o r\u00e1pida de SiO\u2082; evitar totalmente<\/td>\n<\/tr>\n
SiH\u2084 \/ NH\u2083 (CVD)<\/td>\n\u2713 Compat\u00edvel<\/td>\nN\u00e3o h\u00e1 rea\u00e7\u00e3o com a parte externa do tubo<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Graus de pureza e controle da contamina\u00e7\u00e3o por metais-tra\u00e7o<\/h3>\n

Nem toda a s\u00edlica fundida \u00e9 fabricada com o mesmo grau de pureza, e a distin\u00e7\u00e3o entre os tipos natural e sint\u00e9tico \u00e9 funcionalmente significativa em aplica\u00e7\u00f5es de semicondutores.<\/p>\n

S\u00edlica sint\u00e9tica fundida<\/strong>, produzido por hidr\u00f3lise por chama ou oxida\u00e7\u00e3o por plasma de tetracloreto de sil\u00edcio (SiCl\u2084) de alta pureza, atinge um teor de SiO\u2082 de \u226599,9991 TP3T (5N)<\/strong> com o total de impurezas met\u00e1licas normalmente abaixo de 20 ppb em massa<\/strong>. Os metais alcalinos individuais (Na, K, Li) s\u00e3o mantidos abaixo de 1\u20132 ppb<\/strong> em material de alta qualidade, pr\u00f3prio para semicondutores. S\u00edlica fundida natural<\/strong>, derivado de mat\u00e9ria-prima de cristal de quartzo de alta pureza, atinge um teor de SiO\u2082 de aproximadamente 99.9%<\/strong> com impurezas met\u00e1licas totais na faixa de 50\u2013200 ppb<\/strong> \u2014 suficiente para muitas aplica\u00e7\u00f5es industriais, mas insuficiente para a fabrica\u00e7\u00e3o de dispositivos CMOS avan\u00e7ados ou de mem\u00f3ria.<\/p>\n

O impacto operacional da escolha do grau de pureza \u00e9 mais vis\u00edvel nas etapas de oxida\u00e7\u00e3o e difus\u00e3o em alta temperatura, nas quais A contamina\u00e7\u00e3o proveniente de um tubo de prote\u00e7\u00e3o de qualidade inferior pode alterar as tens\u00f5es de limiar dos transistores MOS em 50\u2013200 mV<\/strong> \u2014 uma varia\u00e7\u00e3o que causa falhas funcionais em dispositivos com especifica\u00e7\u00f5es rigorosas de margem de tens\u00e3o. Os tubos de termopar de quartzo de grau semicondutor devem ser adquiridos acompanhados de certificados completos de material, incluindo an\u00e1lise espectrogr\u00e1fica do teor de metais em tra\u00e7os, especificamente para Na, K, Fe, Cu e Ni.<\/p>\n

Compara\u00e7\u00e3o dos graus de pureza dos tubos de prote\u00e7\u00e3o para termopares de semicondutores<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Grau<\/th>\nConte\u00fado de SiO\u2082 (%)<\/th>\nTotal de metais (ppb)<\/th>\nNa + K (ppb)<\/th>\nAplica\u00e7\u00e3o recomendada<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
Sint\u00e9tico (5N)<\/td>\n\u2265 99,999<\/td>\n< 20<\/td>\n< 2<\/td>\nCMOS avan\u00e7ado, mem\u00f3ria, \u00f3xido de porta<\/td>\n<\/tr>\n
Sint\u00e9tico (4N)<\/td>\n\u2265 99.99<\/td>\n< 50<\/td>\n< 5<\/td>\nDifus\u00e3o padr\u00e3o, LPCVD<\/td>\n<\/tr>\n
S\u00edlica fundida natural<\/td>\n\u2265 99,9<\/td>\n50 \u2013 200<\/td>\n10 \u2013 50<\/td>\nRecozimento, processos n\u00e3o cr\u00edticos<\/td>\n<\/tr>\n
Quartzo industrial padr\u00e3o<\/td>\n\u2265 99,5<\/td>\n> 200<\/td>\n> 50<\/td>\nAplica\u00e7\u00f5es n\u00e3o relacionadas a semicondutores<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Transpar\u00eancia \u00f3ptica e sua relev\u00e2ncia funcional<\/h3>\n

A s\u00edlica fundida transparente transmite radia\u00e7\u00e3o em uma ampla faixa espectral \u2014 do ultravioleta (UV) ao infravermelho pr\u00f3ximo (NIR) \u2014 e essa propriedade tem import\u00e2ncia pr\u00e1tica que vai al\u00e9m da est\u00e9tica em ambientes de fornos de semicondutores.<\/p>\n

Os tubos transparentes de quartzo para termopares permitem a inspe\u00e7\u00e3o visual direta da jun\u00e7\u00e3o do termopar e do estado dos fios<\/strong> sem a necessidade de remo\u00e7\u00e3o do tubo. Em ambientes de produ\u00e7\u00e3o de alto valor, nos quais aberturas n\u00e3o planejadas do forno causam tanto perda de rendimento quanto perturba\u00e7\u00f5es t\u00e9rmicas, a capacidade de avaliar visualmente o estado de oxida\u00e7\u00e3o do fio, a integridade da jun\u00e7\u00e3o ou o ac\u00famulo de detritos atrav\u00e9s da parede do tubo representa uma vantagem operacional significativa. Al\u00e9m disso, em processos nos quais a pirometria \u00f3ptica ou a termometria por radia\u00e7\u00e3o s\u00e3o utilizadas como refer\u00eancia secund\u00e1ria de temperatura, um tubo de prote\u00e7\u00e3o transparente n\u00e3o introduz nenhuma obstru\u00e7\u00e3o \u00f3ptica entre o pir\u00f4metro e a zona de processo.<\/p>\n

Os tubos de s\u00edlica fundida opacos (branco transl\u00facido), produzidos a partir de quartzo natural fundido com teor controlado de bolhas, oferecem resist\u00eancia mec\u00e2nica ligeiramente maior e menor transmiss\u00e3o de infravermelho \u2014 o que os torna a op\u00e7\u00e3o preferida em aplica\u00e7\u00f5es nas quais \u00e9 necess\u00e1rio o gerenciamento do calor radiante ou a supress\u00e3o da luz difusa no infravermelho pr\u00f3ximo. A escolha entre as variantes de tubos transparentes e opacos \u00e9, portanto, uma decis\u00e3o espec\u00edfica do processo<\/strong>, e na maioria das aplica\u00e7\u00f5es de semicondutores em que o controle de contamina\u00e7\u00e3o e o acesso para inspe\u00e7\u00e3o visual s\u00e3o preocupa\u00e7\u00f5es primordiais, a s\u00edlica fundida sint\u00e9tica transparente \u00e9 o padr\u00e3o.<\/p>\n

\n

\"Tubos<\/p>\n

Configura\u00e7\u00f5es estruturais de tubos de termopar de quartzo para uso em semicondutores<\/h2>\n

Para os engenheiros respons\u00e1veis pela especifica\u00e7\u00e3o de tubos de prote\u00e7\u00e3o para fornos de semicondutores, a composi\u00e7\u00e3o do material por si s\u00f3 n\u00e3o \u00e9 suficiente \u2014 a forma geom\u00e9trica e estrutural do tubo de quartzo para termopar determina sua compatibilidade funcional com arquiteturas espec\u00edficas de fornos e requisitos de medi\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

Geometrias de tubos de di\u00e2metro \u00fanico e de di\u00e2metros m\u00faltiplos<\/h3>\n

A configura\u00e7\u00e3o do di\u00e2metro interno de um tubo de prote\u00e7\u00e3o define quantos elementos termopares ele pode acomodar e como esses elementos s\u00e3o isolados termicamente e eletricamente uns dos outros.<\/p>\n

Tubos de quartzo de di\u00e2metro \u00fanico<\/strong> s\u00e3o a configura\u00e7\u00e3o mais amplamente utilizada em fornos de semicondutores, acomodando um par de termopares cujos dois fios s\u00e3o normalmente passados por uma haste isolante de alumina de duplo furo, separada, alojada dentro do inv\u00f3lucro de quartzo. Esse arranjo mant\u00e9m o isolamento el\u00e9trico, enquanto o tubo de quartzo oferece prote\u00e7\u00e3o qu\u00edmica e t\u00e9rmica. Os di\u00e2metros externos padr\u00e3o de furo \u00fanico para uso em semicondutores variam de 4 mm a 12 mm<\/strong>, com di\u00e2metros internos a partir de 2 mm a 8 mm<\/strong>.<\/p>\n

Tubos com m\u00faltiplos di\u00e2metros internos<\/strong> \u2014 geralmente nas configura\u00e7\u00f5es de duplo canal (dois canais paralelos dentro de um \u00fanico corpo de quartzo) ou de quatro canais \u2014 permitem que v\u00e1rios pares de termopares independentes ocupem um \u00fanico conjunto inserido. Isso \u00e9 particularmente \u00fatil em fornos multizona, onde restri\u00e7\u00f5es espaciais limitam o n\u00famero de inser\u00e7\u00f5es independentes de tubos, ou onde um par de termopares prim\u00e1rio e um redundante precisam compartilhar uma \u00fanica porta de entrada. A espessura da parede entre os furos em tubos de quartzo com m\u00faltiplos furos varia normalmente entre 0,8 mm e 1,5 mm<\/strong>, e manter a integridade dessa parede \u00e0 temperatura exigem s\u00edlica fundida de alta qualidade com baixo teor de bolhas internas.<\/p>\n

Configura\u00e7\u00f5es padr\u00e3o de di\u00e2metro interno para tubos de prote\u00e7\u00e3o de grau semicondutor<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n
Configura\u00e7\u00e3o<\/th>\nN\u00famero de furos<\/th>\nFaixa t\u00edpica de di\u00e2metro externo (mm)<\/th>\nDi\u00e2metro interno t\u00edpico do furo (mm)<\/th>\nAplicativo principal<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
De cano \u00fanico<\/td>\n1<\/td>\n4 \u2013 12<\/td>\n2 \u2013 8<\/td>\nMedi\u00e7\u00e3o padr\u00e3o da zona<\/td>\n<\/tr>\n
Duplo di\u00e2metro<\/td>\n2<\/td>\n8 \u2013 16<\/td>\n2 a 4 por furo<\/td>\nPar de termopares redundantes<\/td>\n<\/tr>\n
Quatro canos<\/td>\n4<\/td>\n14 \u2013 22<\/td>\n1,5 \u2013 3 por furo<\/td>\nConjuntos compactos com v\u00e1rios elementos<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Toler\u00e2ncias dimensionais e especifica\u00e7\u00f5es de espessura de parede<\/h3>\n

A precis\u00e3o dimensional nos tubos de termopares de quartzo n\u00e3o \u00e9 uma quest\u00e3o secund\u00e1ria \u2014 em fornos para semicondutores, onde os tubos precisam passar por flanges usinadas com precis\u00e3o, alinhar-se a conjuntos de sondas multizona e manter folgas radiais consistentes em condi\u00e7\u00f5es de temperatura, toler\u00e2ncias rigorosas s\u00e3o essenciais para o funcionamento.<\/p>\n

As toler\u00e2ncias do di\u00e2metro externo dos tubos de s\u00edlica fundida para semicondutores s\u00e3o normalmente mantidas entre \u00b10,10 mm e \u00b10,15 mm<\/strong>, em compara\u00e7\u00e3o com \u00b10,3 mm ou mais no caso dos tubos de quartzo industriais padr\u00e3o. A uniformidade da espessura da parede \u00e9 especificada com uma toler\u00e2ncia de \u00b10,1 mm<\/strong> para garantir uma transfer\u00eancia de calor radial sim\u00e9trica e evitar a flex\u00e3o induzida termicamente sob carga cont\u00ednua. As toler\u00e2ncias de comprimento s\u00e3o normalmente de \u00b11,0 mm a \u00b12,0 mm<\/strong> para tubos na faixa de 300 mm a 1.500 mm, refletindo as limita\u00e7\u00f5es pr\u00e1ticas de corte e polimento a fogo.<\/p>\n

A escolha da espessura da parede afeta diretamente tanto a durabilidade mec\u00e2nica quanto o tempo de resposta t\u00e9rmica. Paredes mais finas (1,0\u20131,5 mm) reduzem a massa t\u00e9rmica<\/strong> e permitem que a jun\u00e7\u00e3o do termopar responda mais rapidamente \u00e0s varia\u00e7\u00f5es de temperatura do forno \u2014 uma caracter\u00edstica que melhora a capacidade de resposta do controle de zona. Paredes mais espessas (2,0\u20133,0 mm) aumentam a resist\u00eancia a danos causados pelo manuseio e prolongam a vida \u00fatil sob carga c\u00edclica, mas introduzem um pequeno atraso na resposta t\u00e9rmica. Na maioria das aplica\u00e7\u00f5es de difus\u00e3o e oxida\u00e7\u00e3o de semicondutores, espessuras de parede de 1,5 mm a 2,0 mm representam a faixa padr\u00e3o de projeto<\/strong>, equilibrando a velocidade de resposta com a robustez mec\u00e2nica.<\/p>\n

Faixas de especifica\u00e7\u00f5es dimensionais para tubos de quartzo de grau semicondutor<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Par\u00e2metro<\/th>\nGrau de semicondutor<\/th>\nGrau industrial padr\u00e3o<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
Toler\u00e2ncia do di\u00e2metro externo (mm)<\/td>\n\u00b1 0,10 \u2013 0,15<\/td>\n\u00b1 0,30 \u2013 0,50<\/td>\n<\/tr>\n
Toler\u00e2ncia de espessura da parede (mm)<\/td>\n\u00b1 0.10<\/td>\n\u00b1 0,20 \u2013 0,30<\/td>\n<\/tr>\n
Faixa de espessura da parede (mm)<\/td>\n1,0 \u2013 3,0<\/td>\n1,0 \u2013 5,0<\/td>\n<\/tr>\n
Toler\u00e2ncia de comprimento (mm)<\/td>\n\u00b1 1,0 \u2013 2,0<\/td>\n\u00b1 2,0 \u2013 5,0<\/td>\n<\/tr>\n
Concentricidade do furo (mm)<\/td>\n\u00b1 0,05 \u2013 0,10<\/td>\n\u00b1 0,15 \u2013 0,30<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Configura\u00e7\u00f5es de tubos fechados versus abertos<\/h3>\n

A geometria terminal de um tubo de prote\u00e7\u00e3o de termopar de quartzo \u2014 seja ele fechado ou aberto na extremidade de medi\u00e7\u00e3o \u2014 tem implica\u00e7\u00f5es diretas na prote\u00e7\u00e3o qu\u00edmica da jun\u00e7\u00e3o do termopar e nas caracter\u00edsticas de medi\u00e7\u00e3o t\u00e9rmica do conjunto.<\/p>\n

Tubos fechados<\/strong> apresentam uma ponta fundida e selada na extremidade de medi\u00e7\u00e3o, criando um ambiente totalmente fechado para a jun\u00e7\u00e3o do termopar. Isso impede o contato direto entre os gases da atmosfera do processo e o fio do termopar, o que \u00e9 fundamental em atmosferas de limpeza contendo HCl, em ambientes de CVD com gases precursores reativos e em qualquer processo em que a liga do termopar possa sofrer ataque qu\u00edmico pela exposi\u00e7\u00e3o direta ao g\u00e1s. A configura\u00e7\u00e3o de extremidade fechada \u00e9 a especifica\u00e7\u00e3o padr\u00e3o para conjuntos de termopares de fornos de semicondutores, e dist\u00e2ncias entre a jun\u00e7\u00e3o e a ponta do tubo de 5 mm a 15 mm<\/strong> s\u00e3o normalmente mantidos para garantir um bom acoplamento t\u00e9rmico entre a atmosfera do processo e o ponto de medi\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

Tubos abertos nas extremidades<\/strong> permite a exposi\u00e7\u00e3o direta da jun\u00e7\u00e3o do termopar \u00e0 atmosfera do processo, proporcionando uma resposta t\u00e9rmica mais r\u00e1pida e eliminando o atraso de condu\u00e7\u00e3o na ponta, inerente aos projetos de extremidade fechada. No entanto, essa configura\u00e7\u00e3o s\u00f3 \u00e9 adequada quando a atmosfera do processo n\u00e3o reage com a liga do termopar \u2014 principalmente em ambientes inertes ou levemente oxidantes de N\u2082 e Ar. Os tubos de s\u00edlica fundida com extremidades abertas t\u00eam uso limitado em aplica\u00e7\u00f5es de semicondutores<\/strong>, restrito em grande parte a fornos de pesquisa que operam sob atmosferas inertes controladas, onde a velocidade da medi\u00e7\u00e3o supera o risco de contamina\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

\n

\"Tubos<\/p>\n

Tipos de termopares combinados com tubos de prote\u00e7\u00e3o de quartzo em fornos para semicondutores<\/h2>\n

A compatibilidade entre a liga do fio do termopar e o tubo de prote\u00e7\u00e3o de s\u00edlica fundida deve ser confirmada durante o processo de sele\u00e7\u00e3o de materiais. Nos conjuntos de tubos de termopar de quartzo, o tipo de termopar determina o limite m\u00e1ximo de temperatura utiliz\u00e1vel, a classe de precis\u00e3o e o comportamento de estabilidade a longo prazo do sistema de medi\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

Termopares do tipo K e do tipo N em aplica\u00e7\u00f5es com semicondutores a temperaturas inferiores a 1.100 \u00b0C<\/h3>\n

Entre os tipos de termopares de metais comuns, os tipos K e N s\u00e3o os mais amplamente utilizados em aplica\u00e7\u00f5es com fornos de semicondutores que operam abaixo de 1.100 \u00b0C, e ambos s\u00e3o normalmente alojados em tubos de prote\u00e7\u00e3o de s\u00edlica fundida.<\/p>\n

Termopares do tipo K (Chromel-Alumel, Ni-Cr\/Ni-Al)<\/strong> abrangem uma faixa de medi\u00e7\u00e3o de -200 \u00b0C a 1.260 \u00b0C<\/strong>, com precis\u00e3o padr\u00e3o de \u00b12,2 \u00b0C ou \u00b10,751 TP3T<\/strong> acima de 375 \u00b0C (IEC 60584 Classe 1). Eles apresentam um Coeficiente de Seebeck<\/a>1<\/a><\/sup> de aproximadamente 41 \u00b5V\/\u00b0C<\/strong> a 1.000 \u00b0C \u2014 a mais alta entre os tipos padr\u00e3o de metais comuns \u2014, o que permite uma excelente resolu\u00e7\u00e3o de sinal em sistemas de aquisi\u00e7\u00e3o de dados. No entanto, os termopares do tipo K s\u00e3o suscet\u00edveis a oxida\u00e7\u00e3o por \u201cpodrid\u00e3o verde\u201d<\/strong> em atmosferas com baixa press\u00e3o parcial de oxig\u00eanio acima de 800 \u00b0C, nas quais o cromo se oxida seletivamente no fio de Chromel. Isso limita sua adequa\u00e7\u00e3o para uso em ambientes com g\u00e1s de forma\u00e7\u00e3o ou purga com N\u2082, sem teor adequado de oxig\u00eanio.<\/p>\n

Termopares do tipo N (Nicrosil-Nisil)<\/strong> foram desenvolvidos especificamente para resolver a instabilidade \u00e0 oxida\u00e7\u00e3o do Tipo K e demonstram resist\u00eancia \u00e0 deriva significativamente melhorada acima de 800 \u00b0C<\/strong>. A deriva em termopares do tipo N a 1.000 \u00b0C \u00e9 normalmente inferior a 0,5 \u00b0C a cada 100 horas<\/strong> de tempo de servi\u00e7o ininterrupto, em compara\u00e7\u00e3o com 1\u20133 \u00b0C a cada 100 horas<\/strong> em compara\u00e7\u00e3o com o Tipo K em condi\u00e7\u00f5es equivalentes. Essa estabilidade torna o Tipo N o termopar de metal comum preferido em fornos de recozimento de semicondutores, onde os intervalos de calibra\u00e7\u00e3o devem ser minimizados e a reprodutibilidade do processo \u00e9 rigorosamente controlada. Tanto o Tipo K quanto o Tipo N s\u00e3o quimicamente compat\u00edveis com o interior dos tubos de s\u00edlica fundida em suas temperaturas de opera\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

Compara\u00e7\u00e3o de desempenho entre tipos de termopares de metais comuns em tubos de s\u00edlica fundida<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Propriedade<\/th>\nTipo K<\/th>\nTipo N<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
Faixa de temperatura (\u00b0C)<\/td>\n-200 a 1.260<\/td>\n-200 a 1.300<\/td>\n<\/tr>\n
Precis\u00e3o IEC (Classe 1)<\/td>\n\u00b12,2 \u00b0C ou \u00b10,751 TP3T<\/td>\n\u00b12,2 \u00b0C ou \u00b10,751 TP3T<\/td>\n<\/tr>\n
Coeficiente de Seebeck a 1.000 \u00b0C (\u00b5V\/\u00b0C)<\/td>\n~41<\/td>\n~36<\/td>\n<\/tr>\n
Deriva a 1.000 \u00b0C (\u00b0C\/100 h)<\/td>\n1 \u2013 3<\/td>\n< 0.5<\/td>\n<\/tr>\n
Suscetibilidade \u00e0 podrid\u00e3o verde<\/td>\nAlta (> 800 \u00b0C, baixa pO\u2082)<\/td>\nBaixa<\/td>\n<\/tr>\n
Compatibilidade com s\u00edlica fundida<\/td>\n\u2713 Compat\u00edvel<\/td>\n\u2713 Compat\u00edvel<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Termopares dos tipos S, R e B para fornos de difus\u00e3o e oxida\u00e7\u00e3o de alta temperatura<\/h3>\n

Para processos de semicondutores que operam acima de 1.100 \u00b0C \u2014 incluindo oxida\u00e7\u00e3o em alta temperatura, difus\u00e3o profunda e alguns processos de LPCVD \u2014 os termopares de metais preciosos alojados em tubos de s\u00edlica fundida oferecem a combina\u00e7\u00e3o necess\u00e1ria de resist\u00eancia a altas temperaturas e prote\u00e7\u00e3o contra contamina\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

Termopares do tipo S (Pt-10%Rh \/ Pt) e do tipo R (Pt-13%Rh \/ Pt)<\/strong> funcionar de maneira confi\u00e1vel para 1600\u00b0C<\/strong> em servi\u00e7o cont\u00ednuo, com precis\u00e3o da Classe 1 da IEC de \u00b11,0 \u00b0C ou \u00b10,251 TP3T<\/strong> acima de 1.100 \u00b0C. Na pr\u00e1tica dos fornos para semicondutores, esses tipos s\u00e3o utilizados na faixa de 1.050 \u00b0C a 1.200 \u00b0C, onde os termopares de metais comuns se aproximam de seus limites de desvio. As ligas de platina-r\u00f3dio s\u00e3o suscet\u00edveis a migra\u00e7\u00e3o do r\u00f3dio e crescimento dos gr\u00e3os acima de 1.300 \u00b0C<\/strong>, e para contamina\u00e7\u00e3o por vapores de sil\u00edcio, f\u00f3sforo e boro<\/strong> \u2014 todas elas presentes como esp\u00e9cies dopantes nas atmosferas dos fornos de difus\u00e3o. O tubo de prote\u00e7\u00e3o de s\u00edlica fundida \u00e9, portanto, funcionalmente indispens\u00e1vel para os elementos dos tipos S e R em ambientes semicondutores: ele isola o fio de platina das esp\u00e9cies reativas do processo, mantendo o conjunto de medi\u00e7\u00e3o a uma dist\u00e2ncia de 5 a 15 mm da zona de processo.<\/p>\n

Tipo B (Pt-30%Rh \/ Pt-6%Rh)<\/strong> amplia o limite superior de medi\u00e7\u00e3o para 1.820 \u00b0C<\/strong>, sendo que a pot\u00eancia \u00fatil abaixo de 600 \u00b0C \u00e9 insignificante devido ao coeficiente de Seebeck quase nulo em baixas temperaturas. Na pr\u00e1tica de fornos semicondutores, o Tipo B \u00e9 utilizado em aplica\u00e7\u00f5es especializadas de recozimento a temperaturas ultra-altas. Seu teor de r\u00f3dio faz com que ele menos suscet\u00edvel \u00e0 varia\u00e7\u00e3o causada pela perda de r\u00f3dio<\/strong> do que os tipos S ou R, e apresenta maior resist\u00eancia \u00e0 contamina\u00e7\u00e3o por sil\u00edcio. A prote\u00e7\u00e3o por tubo de s\u00edlica fundida continua sendo padr\u00e3o para o tipo B at\u00e9 o limite de temperatura de servi\u00e7o do tubo, de aproximadamente 1.100 \u00b0C em opera\u00e7\u00e3o cont\u00ednua; acima desse valor, devem ser considerados meios de prote\u00e7\u00e3o alternativos.<\/p>\n

Tipos de termopares de metais preciosos utilizados com tubos de prote\u00e7\u00e3o de s\u00edlica fundida<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n
Tipo<\/th>\nComposi\u00e7\u00e3o<\/th>\nIntervalo (\u00b0C)<\/th>\nPrecis\u00e3o (Classe 1 da IEC)<\/th>\nLimita\u00e7\u00e3o principal<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
S<\/td>\nPt-10%Rh \/ Pt<\/td>\n0 \u2013 1.600<\/td>\n\u00b11,0 \u00b0C ou \u00b10,251 TP3T<\/td>\nMigra\u00e7\u00e3o de Rh > 1.300 \u00b0C<\/td>\n<\/tr>\n
R<\/td>\nPt-13%Rh \/ Pt<\/td>\n0 \u2013 1.600<\/td>\n\u00b11,0 \u00b0C ou \u00b10,251 TP3T<\/td>\nMigra\u00e7\u00e3o de Rh > 1.300 \u00b0C<\/td>\n<\/tr>\n
B<\/td>\nPt-30%Rh \/ Pt-6%Rh<\/td>\n600 \u2013 1820<\/td>\n\u00b10,251 TP3T (> 1.050 \u00b0C)<\/td>\nBaixa pot\u00eancia < 600 \u00b0C<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n
\n

\"Tubos<\/p>\n

Par\u00e2metros de desempenho para tubos de termopar de quartzo em condi\u00e7\u00f5es de processo<\/h2>\n

A escolha de um tubo de prote\u00e7\u00e3o com base apenas na identifica\u00e7\u00e3o do material n\u00e3o \u00e9 suficiente para aplica\u00e7\u00f5es do setor de semicondutores. Par\u00e2metros de desempenho quantificados \u2014 especialmente aqueles que determinam a temperatura m\u00e1xima de opera\u00e7\u00e3o, a toler\u00e2ncia ao choque t\u00e9rmico, a resist\u00eancia \u00e0 carga mec\u00e2nica e a estanqueidade ao g\u00e1s \u2014 devem ser avaliados em rela\u00e7\u00e3o \u00e0s condi\u00e7\u00f5es espec\u00edficas do processo \u00e0s quais o tubo estar\u00e1 sujeito.<\/p>\n

Limites m\u00e1ximos de temperatura de opera\u00e7\u00e3o para tubos de s\u00edlica fundida<\/h3>\n

A temperatura m\u00e1xima de servi\u00e7o cont\u00ednuo de um tubo de termopar de quartzo de s\u00edlica fundida n\u00e3o \u00e9 um valor \u00fanico e fixo \u2014 ela depende do formato do tubo, da atmosfera, da carga e da dura\u00e7\u00e3o da exposi\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

Os tubos transparentes de s\u00edlica fundida sint\u00e9tica t\u00eam uma temperatura nominal de servi\u00e7o cont\u00ednuo de aproximadamente 1.100 \u00b0C<\/strong> em atmosferas oxidantes ou inertes. Desvios de curta dura\u00e7\u00e3o para Temperaturas de 1.250 \u00b0C s\u00e3o toler\u00e1veis por per\u00edodos inferiores a 1 hora<\/strong>, desde que o tubo n\u00e3o esteja sob carga mec\u00e2nica e as condi\u00e7\u00f5es atmosf\u00e9ricas permane\u00e7am n\u00e3o redutoras. Em temperaturas acima de aproximadamente 1.050\u20131.100 \u00b0C, in\u00edcio da desvitrifica\u00e7\u00e3o<\/strong> \u2014 a convers\u00e3o progressiva da s\u00edlica fundida amorfa em cristobalita cristalina. Essa transforma\u00e7\u00e3o de fase produz opacidade superficial, altera\u00e7\u00e3o de volume e uma redu\u00e7\u00e3o na resist\u00eancia mec\u00e2nica, o que acaba limitando a vida \u00fatil do tubo.<\/p>\n

Os tubos de s\u00edlica fundida natural apresentam um limite m\u00e1ximo de servi\u00e7o cont\u00ednuo um pouco menor, de aproximadamente 1.000\u20131.050 \u00b0C<\/strong>, refletindo o teor de impurezas ligeiramente mais elevado que catalisa a desvitrifica\u00e7\u00e3o em temperaturas mais baixas. Em fornos de difus\u00e3o de semicondutores, nos quais as temperaturas do processo s\u00e3o rigorosamente controladas e raramente ultrapassam 1.100 \u00b0C, Os tubos de s\u00edlica fundida sint\u00e9tica oferecem uma margem adequada<\/strong> de aproximadamente 50\u2013100 \u00b0C acima da temperatura m\u00e1xima do processo \u2014 o suficiente para garantir uma vida \u00fatil prolongada em ciclos operacionais normais.<\/p>\n

Temperatura m\u00e1xima de opera\u00e7\u00e3o para as variantes de tubos de s\u00edlica fundida<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n
Tipo de tubo<\/th>\nServi\u00e7o cont\u00ednuo (\u00b0C)<\/th>\nPico de curto prazo (\u00b0C)<\/th>\nIn\u00edcio da desvitrifica\u00e7\u00e3o (\u00b0C)<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
Sint\u00e9tico transparente<\/td>\n1100<\/td>\n1250<\/td>\n1050 \u2013 1100<\/td>\n<\/tr>\n
Sint\u00e9tico opaco<\/td>\n1050<\/td>\n1200<\/td>\n1.000 \u2013 1.050<\/td>\n<\/tr>\n
S\u00edlica fundida natural<\/td>\n1.000 \u2013 1.050<\/td>\n1150<\/td>\n950 \u2013 1.000<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Resist\u00eancia ao choque t\u00e9rmico e comportamento em aquecimento c\u00edclico<\/h3>\n

O CTE ultrabaixo da s\u00edlica fundida se traduz diretamente em uma resist\u00eancia ao choque t\u00e9rmico que nenhuma cer\u00e2mica de \u00f3xido concorrente consegue igualar, e essa caracter\u00edstica \u00e9 particularmente importante em fornos de semicondutores, onde os tubos passam por centenas de ciclos t\u00e9rmicos ao longo de sua vida \u00fatil.<\/p>\n

Os tubos de prote\u00e7\u00e3o de s\u00edlica fundida podem suportar o resfriamento r\u00e1pido direto de 1.000 \u00b0C at\u00e9 a temperatura ambiente<\/strong> sem fratura \u2014 uma condi\u00e7\u00e3o que causaria a quebra catastr\u00f3fica de tubos de alumina ou mulita com espessura de parede equivalente. Esse comportamento \u00e9 quantificado pelo diferencial de temperatura cr\u00edtico (\u0394T_c) no qual a probabilidade de fratura excede 50%: para a s\u00edlica fundida, \u0394T_c ultrapassa 1.000 \u00b0C<\/strong>, em compara\u00e7\u00e3o com aproximadamente 200 \u00b0C para a alumina (99,5%)<\/strong> e 350 \u00b0C para a mulita<\/strong>. Nas opera\u00e7\u00f5es de carregamento de fornos em que conjuntos de tubos frios s\u00e3o inseridos em fornos pr\u00e9-aquecidos \u2014 um procedimento de rotina em equipamentos de difus\u00e3o em lote \u2014, essa toler\u00e2ncia ao choque t\u00e9rmico elimina o modo de falha por fratura do tubo, que representa uma das causas mais comuns de interrup\u00e7\u00e3o n\u00e3o planejada do processo com alternativas cer\u00e2micas.<\/p>\n

Ao longo de um servi\u00e7o c\u00edclico prolongado, Os tubos de s\u00edlica fundida mant\u00eam a estabilidade dimensional<\/strong> atrav\u00e9s de milhares de ciclos de aquecimento e resfriamento, sem o surgimento progressivo de microfissuras ou a migra\u00e7\u00e3o nos limites dos gr\u00e3os que limitam a vida \u00fatil c\u00edclica das cer\u00e2micas policristalinas. Testes de vida \u00fatil acelerados em 50 ciclos por dia entre 25 \u00b0C e 1.000 \u00b0C<\/strong> demonstrou a integridade do tubo de s\u00edlica fundida al\u00e9m de 2.000 ciclos sem altera\u00e7\u00e3o dimensional mensur\u00e1vel ou degrada\u00e7\u00e3o estrutural<\/strong> \u2014 um valor que comprova uma vida \u00fatil de v\u00e1rios anos em condi\u00e7\u00f5es normais de opera\u00e7\u00e3o de fornos para semicondutores.<\/p>\n

Compara\u00e7\u00e3o da resist\u00eancia ao choque t\u00e9rmico<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Material<\/th>\n\u0394T_c cr\u00edtico (\u00b0C)<\/th>\nCTE (\u00d710-\u2076\/\u00b0C)<\/th>\nVida \u00fatil c\u00edclica (ciclos de 25 a 1.000 \u00b0C)<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
S\u00edlica fundida<\/td>\n> 1.000<\/td>\n0.55<\/td>\n> 2.000<\/td>\n<\/tr>\n
Al\u00famina (99,5%)<\/td>\n~200<\/td>\n7.2<\/td>\n200 \u2013 500<\/td>\n<\/tr>\n
Mullita<\/td>\n~350<\/td>\n5.0<\/td>\n300 \u2013 700<\/td>\n<\/tr>\n
Carbeto de sil\u00edcio<\/td>\n~400<\/td>\n4.0<\/td>\n500 \u2013 1.000<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Resist\u00eancia mec\u00e2nica e resist\u00eancia \u00e0 press\u00e3o sob cargas operacionais<\/h3>\n

Apesar de seu excelente desempenho t\u00e9rmico e qu\u00edmico, a s\u00edlica fundida apresenta menor resist\u00eancia mec\u00e2nica intr\u00ednseca do que a alumina ou o carboneto de sil\u00edcio, e isso deve ser levado em considera\u00e7\u00e3o no projeto da instala\u00e7\u00e3o e na sele\u00e7\u00e3o das dimens\u00f5es dos tubos.<\/p>\n

O m\u00f3dulo de ruptura (MOR) da s\u00edlica fundida transparente \u00e9 de aproximadamente 50\u201365 MPa<\/strong> \u00e0 temperatura ambiente, diminuindo para aproximadamente 40\u201355 MPa a 1.000 \u00b0C<\/strong> \u2014 aproximadamente metade do MOR da alumina (99,7%) em condi\u00e7\u00f5es equivalentes. Isso significa que os tubos de s\u00edlica fundida s\u00e3o mais suscet\u00edveis \u00e0 fratura causada por carga pontual, impacto durante o manuseio ou tens\u00e3o de instala\u00e7\u00e3o do que seus equivalentes em cer\u00e2mica policristalina. A escolha da espessura da parede \u00e9 o principal fator de influ\u00eancia na engenharia<\/strong> para gerenciar o risco mec\u00e2nico: aumentar a espessura da parede de 1,5 mm para 2,5 mm praticamente dobra a se\u00e7\u00e3o transversal do tubo momento de in\u00e9rcia<\/a>2<\/a><\/sup>, melhorando substancialmente a resist\u00eancia \u00e0 deforma\u00e7\u00e3o sob o pr\u00f3prio peso em instala\u00e7\u00f5es de fornos horizontais.<\/p>\n

A instala\u00e7\u00e3o horizontal de longo prazo em temperaturas acima de 900 \u00b0C acarreta o risco de deforma\u00e7\u00e3o viscosa (afundamento)<\/strong> em tubos de s\u00edlica fundida. No caso de tubos com mais de 600 mm instalados horizontalmente a temperaturas pr\u00f3ximas a 1.100 \u00b0C, a deforma\u00e7\u00e3o por flacidez pode se tornar mensur\u00e1vel ao longo de per\u00edodos de opera\u00e7\u00e3o que ultrapassam v\u00e1rios meses. Apoiar o tubo em v\u00e1rios pontos ao longo de seu comprimento<\/strong> \u2014 ou o uso de um di\u00e2metro externo ligeiramente maior para aumentar o m\u00f3dulo de se\u00e7\u00e3o \u2014 atenua esse comportamento. Em configura\u00e7\u00f5es de fornos verticais, a carga gravitacional \u00e9 axial, e n\u00e3o de flex\u00e3o, e o risco de flu\u00eancia \u00e9 substancialmente reduzido.<\/p>\n

Propriedades mec\u00e2nicas da s\u00edlica fundida em compara\u00e7\u00e3o com materiais concorrentes<\/h4>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Propriedade<\/th>\nS\u00edlica fundida<\/th>\nAl\u00famina (99,7%)<\/th>\nSiC<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
M\u00f3dulo de ruptura \u00e0 temperatura ambiente (MPa)<\/td>\n50 \u2013 65<\/td>\n300 \u2013 380<\/td>\n400 - 500<\/td>\n<\/tr>\n
M\u00f3dulo de ruptura a 1.000 \u00b0C (MPa)<\/td>\n40 \u2013 55<\/td>\n250 \u2013 320<\/td>\n350 \u2013 450<\/td>\n<\/tr>\n
M\u00f3dulo el\u00e1stico (GPa)<\/td>\n73<\/td>\n370<\/td>\n410<\/td>\n<\/tr>\n
Dureza Vickers (GPa)<\/td>\n9<\/td>\n15<\/td>\n25<\/td>\n<\/tr>\n
Densidade (g\/cm\u00b3)<\/td>\n2.20<\/td>\n3.90<\/td>\n3.10<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Permeabilidade a gases e integridade herm\u00e9tica em temperaturas elevadas<\/h3>\n

A fun\u00e7\u00e3o de barreira contra gases de um tubo de prote\u00e7\u00e3o de termopar costuma ser negligenciada nas discuss\u00f5es sobre a sele\u00e7\u00e3o de materiais, mas \u00e9 fundamental para o funcionamento \u2014 um tubo que permita a entrada de g\u00e1s de processo exp\u00f5e o fio do termopar a ataques qu\u00edmicos e compromete a integridade do sistema de medi\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

A s\u00edlica fundida apresenta uma permeabilidade a gases extremamente baixa em temperaturas inferiores a 1.000 \u00b0C<\/strong>, com permeabilidade ao h\u00e9lio de aproximadamente 10\u207b\u00b9\u2070 cm\u00b3\u00b7cm\/(cm\u00b2\u00b7s\u00b7cmHg)<\/strong> \u00e0 temperatura ambiente \u2014 a mais baixa entre todos os vidros de \u00f3xido comuns. Para gases diat\u00f4micos mais pesados, como O\u2082 e N\u2082, a permeabilidade \u00e9 ordens de magnitude menor, tornando um tubo de s\u00edlica fundida com extremidades fechadas, quando fabricado adequadamente, efetivamente herm\u00e9tico nas condi\u00e7\u00f5es dos processos de semicondutores. Essa integridade herm\u00e9tica depende de aus\u00eancia de bolhas internas, rachaduras superficiais e defeitos de fus\u00e3o na extremidade fechada<\/strong> \u2014 todos esses s\u00e3o atributos de qualidade que devem ser verificados por meio de protocolos de inspe\u00e7\u00e3o de fornecedores.<\/p>\n

A exce\u00e7\u00e3o not\u00e1vel \u00e9 hidrog\u00eanio a temperaturas superiores a 900 \u00b0C<\/strong>. O H\u2082 \u00e9 uma mol\u00e9cula pequena com alta velocidade t\u00e9rmica, e sua permeabilidade atrav\u00e9s da s\u00edlica fundida aumenta significativamente acima de 900 \u00b0C, atingindo n\u00edveis em que pode ocorrer entrada mensur\u00e1vel de hidrog\u00eanio no interior do tubo durante tempos de processo prolongados. Em atmosferas de forno contendo H\u2082 em concentra\u00e7\u00f5es acima de aproximadamente 5% em volume a temperaturas superiores a 900 \u00b0C<\/strong>, a taxa de difus\u00e3o do hidrog\u00eanio atrav\u00e9s da parede do tubo pode ser suficiente para alterar a atmosfera local ao redor da jun\u00e7\u00e3o do termopar ao longo de per\u00edodos de v\u00e1rias horas. Especifica\u00e7\u00e3o de espessura de parede aumentada (\u2265 2,0 mm) e monitoramento da deriva na calibra\u00e7\u00e3o do termopar<\/strong> em intervalos regulares s\u00e3o as solu\u00e7\u00f5es t\u00e9cnicas padr\u00e3o para essa limita\u00e7\u00e3o espec\u00edfica.<\/p>\n

\n

\"Tubos<\/p>\n

Utiliza\u00e7\u00e3o espec\u00edfica de tubos de termopar de quartzo em processos de semicondutores<\/h2>\n

Ao longo do fluxo de produ\u00e7\u00e3o de uma f\u00e1brica moderna de semicondutores, os tubos de termopar de quartzo aparecem em v\u00e1rios n\u00f3s de processo \u2014 cada um com requisitos funcionais distintos, determinados pelas condi\u00e7\u00f5es t\u00e9rmicas e qu\u00edmicas espec\u00edficas daquela etapa.<\/p>\n