SiC-keramiek: het onmisbare materiaal voor uiterst nauwkeurige componenten in de halfgeleiderproductie

SiC bezit een unieke combinatie van wenselijke eigenschappen, waaronder hoge dichtheid, hoge thermische geleidbaarheid, hoge buigsterkte, hoge elasticiteitsmodulus, sterke corrosieweerstand en uitstekende stabiliteit bij hoge temperaturen. De weerstand tegen vervorming door buigspanning en thermische spanning maakt het uitzonderlijk geschikt voor de zware, corrosieve en ultrahoge temperaturen die voorkomen in kritische productieprocessen zoals epitaxie van wafers en etsen. Bijgevolg heeft SiC wijdverbreide toepassingen gevonden in verschillende productiefasen van halfgeleiders, waaronder slijpen en polijsten, thermische verwerking (gloeien, oxidatie, diffusie), lithografie, afzetting, etsen en ionenimplantatie.

1. Slijpen en polijsten: SiC-slijpkroezen

Na het snijden van blokken vertonen wafels vaak scherpe randen, bramen, chippen, microscheurtjes en andere onvolkomenheden. Om te voorkomen dat deze defecten de sterkte van de wafel, de oppervlaktekwaliteit en de daaropvolgende verwerkingsstappen in gevaar brengen, wordt een slijpproces toegepast. Slijpen maakt de randen van de wafel glad, vermindert diktevariaties, verbetert de parallelliteit van het oppervlak en verwijdert schade veroorzaakt door het snijproces. Dubbelzijdig slijpen met behulp van slijpplaten is de meest gebruikelijke methode, waarbij voortdurende vooruitgang op het gebied van plaatmateriaal, slijpdruk en rotatiesnelheid de wafelkwaliteit voortdurend verbetert.

Dubbelzijdig slijpmechanisme

Traditioneel werden maalplaten voornamelijk gemaakt van gietijzer of koolstofstaal. Deze materialen hebben echter te kampen met een korte levensduur, hoge thermische uitzettingscoëfficiënten en gevoeligheid voor slijtage en thermische vervorming, vooral tijdens slijpen of polijsten op hoge snelheid, waardoor het een uitdaging wordt om consistente vlakheid en parallelliteit van de wafel te bereiken. De komst van keramische SiC-slijpplaten, met hun uitzonderlijke hardheid, lage slijtagesnelheid en thermische uitzettingscoëfficiënt die nauw aansluit bij silicium, heeft geleid tot de geleidelijke vervanging van gietijzer en koolstofstaal. Deze eigenschappen maken SiC-slijpplaten bijzonder voordelig voor snelle slijp- en polijstprocessen.

2. Thermische verwerking: SiC-wafeldragers en reactiekamercomponenten

Thermische verwerkingsstappen zoals oxidatie, diffusie, gloeien en legeren zijn een integraal onderdeel van de wafelfabricage. SiC-keramische componenten zijn cruciaal in deze processen, voornamelijk als wafeldragers voor transport tussen verwerkingsstappen en als componenten in de reactiekamers van thermische verwerkingsapparatuur.

(1)Keramische eindeffectoren (armen):

Tijdens de productie van siliciumwafels is vaak verwerking op hoge temperatuur vereist. Mechanische armen uitgerust met gespecialiseerde eindeffectoren worden vaak gebruikt voor het transporteren, hanteren en positioneren van halfgeleiderwafels. Deze armen moeten werken in cleanroomomgevingen, vaak onder vacuüm, hoge temperaturen en corrosieve gasomgevingen, en vereisen een hoge mechanische sterkte, corrosieweerstand, stabiliteit bij hoge temperaturen, slijtvastheid, hardheid en elektrische isolatie. Hoewel duurder en uitdagender om te produceren, presteren SiC-keramische armen beter dan aluminiumoxide-alternatieven om aan deze strenge eisen te voldoen.

Semicorex SiC keramische eindeffector

(2) Onderdelen van de reactiekamer:

Thermische verwerkingsapparatuur, zoals oxidatieovens (horizontaal en verticaal) en Rapid Thermal Processing (RTP)-systemen, werken bij verhoogde temperaturen, waardoor hoogwaardige materialen voor hun interne componenten nodig zijn. Hoogzuivere gesinterde SiC-componenten, met hun superieure sterkte, hardheid, elasticiteitsmodulus, stijfheid, thermische geleidbaarheid en lage thermische uitzettingscoëfficiënt, zijn onmisbaar voor het construeren van de reactiekamers van deze systemen. Belangrijke componenten zijn onder meer verticale boten, sokkels, voeringbuizen, binnenbanden en keerplaten.

Componenten van de reactiekamer

3. Lithografie: SiC-stadia en keramische spiegels

Lithografie, een cruciale stap in de productie van halfgeleiders, maakt gebruik van een optisch systeem om licht op het waferoppervlak te focusseren en te projecteren, waardoor circuitpatronen worden overgedragen voor daaropvolgend etsen. De precisie van dit proces bepaalt rechtstreeks de prestaties en opbrengst van geïntegreerde schakelingen. Als een van de meest geavanceerde apparaten in de chipproductie bestaat een lithografiemachine uit honderdduizenden componenten. Om de prestaties en nauwkeurigheid van de circuits te garanderen, worden strenge eisen gesteld aan de nauwkeurigheid van zowel de optische elementen als de mechanische componenten binnen het lithografiesysteem. SiC-keramiek speelt op dit gebied een cruciale rol, vooral in wafertrappen en keramische spiegels.

Lithografiesysteemarchitectuur

(1)Wafelstadia:

Lithografiestadia zijn verantwoordelijk voor het vasthouden van de wafer en het uitvoeren van nauwkeurige bewegingen tijdens de belichting. Vóór elke belichting moeten de wafer en het podium met nanometerprecisie worden uitgelijnd, gevolgd door uitlijning tussen het fotomasker en het podium om een ​​nauwkeurige patroonoverdracht te garanderen. Dit vereist een snelle, soepele en zeer nauwkeurige geautomatiseerde besturing van het podium met nauwkeurigheid op nanometerniveau. Om aan deze eisen te voldoen, maken lithografietafels vaak gebruik van lichtgewicht SiC-keramiek met uitzonderlijke maatvastheid, lage thermische uitzettingscoëfficiënten en weerstand tegen vervorming. Dit minimaliseert de traagheid, vermindert de motorbelasting en verbetert de bewegingsefficiëntie, positioneringsnauwkeurigheid en stabiliteit.

(2)Keramische spiegels:

Gesynchroniseerde bewegingscontrole tussen de wafertafel en de reticuletafel is cruciaal bij lithografie en heeft een directe invloed op de algehele nauwkeurigheid en opbrengst van het proces. Podiumspiegels zijn integrale componenten van het podiumscan- en positioneringsfeedbackmeetsysteem. Dit systeem maakt gebruik van interferometers om meetstralen uit te zenden die reflecteren op de podiumspiegels. Door de gereflecteerde bundels te analyseren met behulp van het Doppler-principe, berekent het systeem de positieveranderingen van de tafel in realtime, en geeft het feedback aan het bewegingscontrolesysteem om een ​​nauwkeurige synchronisatie tussen de wafertafel en de dradenkruistafel te garanderen. Hoewel lichtgewicht SiC-keramiek geschikt is voor deze toepassing, brengt de productie van dergelijke complexe componenten aanzienlijke uitdagingen met zich mee. Momenteel gebruiken reguliere fabrikanten van geïntegreerde circuitapparatuur voor dit doel voornamelijk glaskeramiek of cordieriet. Dankzij de vooruitgang in de materiaalkunde en productietechnieken hebben onderzoekers van de China Building Materials Academy echter met succes grote, complex gevormde, lichtgewicht, volledig omsloten SiC-keramische spiegels en andere structureel-functionele optische componenten voor lithografietoepassingen vervaardigd.

(3)Fotomasker dunne films:

Fotomaskers, ook wel dradenkruizen genoemd, worden gebruikt om selectief licht door te laten en patronen te creëren op lichtgevoelige materialen. EUV-lichtbestraling kan echter een aanzienlijke verwarming van het fotomasker veroorzaken, waardoor mogelijk temperaturen tussen 600 en 1000 graden Celsius kunnen worden bereikt, wat tot thermische schade kan leiden. Om dit te verzachten wordt vaak een dunne SiC-film op het fotomasker afgezet om de thermische stabiliteit ervan te verbeteren en degradatie te voorkomen.

4. Plasma-etsen en afzetting: focusringen en andere componenten

Bij de vervaardiging van halfgeleiders maken etsprocessen gebruik van plasma's die worden gegenereerd uit geïoniseerde gassen (bijvoorbeeld fluorbevattende gassen) om selectief ongewenst materiaal van het waferoppervlak te verwijderen, waardoor de gewenste circuitpatronen achterblijven. Bij het neerslaan van dunne films worden daarentegen isolatiematerialen tussen metaallagen afgezet om diëlektrische lagen te vormen, vergelijkbaar met een omgekeerd etsproces. Beide processen maken gebruik van plasmatechnologie, die corrosief kan zijn voor kamercomponenten. Daarom vereisen deze componenten een uitstekende plasmaweerstand, een lage reactiviteit met fluorhoudende gassen en een lage elektrische geleidbaarheid.

Traditioneel werden componenten in ets- en depositieapparatuur, zoals focusringen, vervaardigd met materialen als silicium of kwarts. De niet aflatende drang naar miniaturisatie van geïntegreerde schakelingen (IC) heeft de vraag naar en het belang van zeer nauwkeurige etsprocessen echter aanzienlijk vergroot. Deze miniaturisatie maakt het gebruik van hoogenergetische plasma's noodzakelijk voor nauwkeurig etsen op microschaal om kleinere kenmerkafmetingen en steeds complexere apparaatstructuren te bereiken.

Als antwoord op deze vraag is Chemical Vapour Deposition (CVD) siliciumcarbide (SiC) naar voren gekomen als het voorkeursmateriaal voor coatings en componenten in ets- en depositieapparatuur. De superieure fysische en chemische eigenschappen, waaronder hoge zuiverheid en uniformiteit, maken het uitzonderlijk geschikt voor deze veeleisende toepassing. Momenteel omvatten CVD SiC-componenten in etsapparatuur focusringen, gasdouchekoppen, platen en randringen. In depositieapparatuur wordt CVD SiC gebruikt voor kamerdeksels, voeringen en met SiC gecoate grafiet susceptors.

Focusring en grafiet susceptor met SiC-coating

De lage reactiviteit van CVD SiC met etsgassen op chloor- en fluorbasis, in combinatie met de lage elektrische geleidbaarheid, maakt het een ideaal materiaal voor componenten zoals focusringen in plasma-etsapparatuur. Een focusring, gepositioneerd rond de omtrek van de wafel, is een cruciaal onderdeel dat het plasma op het wafeloppervlak focust door een spanning op de ring aan te leggen, waardoor de verwerkingsuniformiteit wordt verbeterd.

Naarmate de IC-miniaturisatie voortschrijdt, blijven de vermogens- en energiebehoeften van etsplasma's stijgen, vooral bij etsapparatuur met capacitief gekoppeld plasma (CCP). Bijgevolg neemt het gebruik van op SiC gebaseerde focusringen snel toe vanwege hun vermogen om deze steeds agressievere plasma-omgevingen te weerstaan.**

Semicorex levert als ervaren fabrikant en leverancier speciale grafiet- en keramische materialen voor de halfgeleider- en fotovoltaïsche industrie. Als u vragen heeft of aanvullende informatie nodig heeft, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Neem contact op met telefoonnummer +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com