SiC-Keramik: Das unverzichtbare Material für hochpräzise Komponenten in der Halbleiterfertigung

SiC verfügt über eine einzigartige Kombination wünschenswerter Eigenschaften, einschließlich hoher Dichte, hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher Biegefestigkeit, hohem Elastizitätsmodul, starker Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichneter Hochtemperaturstabilität. Aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebelastung, Verformung und thermischer Belastung eignet es sich hervorragend für die rauen, korrosiven und extrem hohen Temperaturen, die bei kritischen Herstellungsprozessen wie der Waferepitaxie und dem Ätzen auftreten. Infolgedessen hat SiC in verschiedenen Phasen der Halbleiterherstellung breite Anwendung gefunden, darunter Schleifen und Polieren, thermische Verarbeitung (Glühen, Oxidation, Diffusion), Lithographie, Abscheidung, Ätzen und Ionenimplantation.

1. Schleifen und Polieren: SiC-Schleifsuszeptoren

Nach dem Schneiden von Barren weisen Wafer häufig scharfe Kanten, Grate, Absplitterungen, Mikrorisse und andere Unvollkommenheiten auf. Um zu verhindern, dass diese Defekte die Waferfestigkeit, die Oberflächenqualität und die nachfolgenden Verarbeitungsschritte beeinträchtigen, wird ein Schleifprozess eingesetzt. Durch das Schleifen werden die Waferkanten geglättet, Dickenschwankungen reduziert, die Oberflächenparallelität verbessert und durch den Schneidvorgang verursachte Schäden beseitigt. Das doppelseitige Schleifen mit Schleifplatten ist die gebräuchlichste Methode, wobei ständige Fortschritte bei Plattenmaterial, Schleifdruck und Rotationsgeschwindigkeit die Waferqualität ständig verbessern.

Doppelseitiger Schleifmechanismus

Traditionell wurden Mahlplatten hauptsächlich aus Gusseisen oder Kohlenstoffstahl hergestellt. Allerdings haben diese Materialien eine kurze Lebensdauer, hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten und sind anfällig für Verschleiß und thermische Verformung, insbesondere beim Hochgeschwindigkeitsschleifen oder -polieren, was es schwierig macht, eine gleichmäßige Ebenheit und Parallelität der Wafer zu erreichen. Das Aufkommen von SiC-Keramik-Schleifplatten mit ihrer außergewöhnlichen Härte, geringen Verschleißrate und ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der denen von Silizium sehr nahe kommt, hat zu einem schrittweisen Ersatz von Gusseisen und Kohlenstoffstahl geführt. Diese Eigenschaften machen SiC-Schleifplatten besonders vorteilhaft für Hochgeschwindigkeits-Schleif- und Polierprozesse.

2. Thermische Verarbeitung: SiC-Waferträger und Reaktionskammerkomponenten

Thermische Verarbeitungsschritte wie Oxidation, Diffusion, Glühen und Legieren sind integraler Bestandteil der Waferherstellung. SiC-Keramikkomponenten sind in diesen Prozessen von entscheidender Bedeutung, vor allem als Waferträger für den Transport zwischen Verarbeitungsschritten und als Komponenten innerhalb der Reaktionskammern thermischer Verarbeitungsanlagen.

(1)Keramische Endeffektoren (Arme):

Bei der Herstellung von Siliziumwafern ist häufig eine Hochtemperaturverarbeitung erforderlich. Für den Transport, die Handhabung und die Positionierung von Halbleiterwafern werden üblicherweise mechanische Arme verwendet, die mit speziellen Endeffektoren ausgestattet sind. Diese Arme müssen in Reinraumumgebungen betrieben werden, oft unter Vakuum, hohen Temperaturen und korrosiven Gasumgebungen, und erfordern eine hohe mechanische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturstabilität, Verschleißfestigkeit, Härte und elektrische Isolierung. SiC-Keramikarme sind zwar teurer und schwieriger herzustellen, übertreffen jedoch Aluminiumoxid-Alternativen bei der Erfüllung dieser strengen Anforderungen.

Semicorex SiC-Keramik-Endeffektor

(2) Komponenten der Reaktionskammer:

Wärmeverarbeitungsgeräte wie Oxidationsöfen (horizontal und vertikal) und Rapid Thermal Processing (RTP)-Systeme arbeiten bei erhöhten Temperaturen und erfordern Hochleistungsmaterialien für ihre internen Komponenten. Hochreine gesinterte SiC-Komponenten mit ihrer überlegenen Festigkeit, Härte, Elastizitätsmodul, Steifigkeit, Wärmeleitfähigkeit und niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten sind für den Aufbau der Reaktionskammern dieser Systeme unverzichtbar. Zu den Schlüsselkomponenten gehören vertikale Boote, Sockel, Auskleidungsrohre, Innenrohre und Prallplatten.

Komponenten der Reaktionskammer

3. Lithographie: SiC-Tische und Keramikspiegel

Bei der Lithographie, einem entscheidenden Schritt in der Halbleiterfertigung, wird ein optisches System verwendet, um Licht zu fokussieren und auf die Waferoberfläche zu projizieren und Schaltkreismuster für das anschließende Ätzen zu übertragen. Die Präzision dieses Prozesses bestimmt direkt die Leistung und Ausbeute integrierter Schaltkreise. Als eines der anspruchsvollsten Geräte in der Chipherstellung besteht eine Lithografiemaschine aus Hunderttausenden Komponenten. Um die Leistung und Präzision der Schaltung zu gewährleisten, werden strenge Anforderungen an die Genauigkeit sowohl der optischen Elemente als auch der mechanischen Komponenten innerhalb des Lithographiesystems gestellt. SiC-Keramiken spielen in diesem Bereich eine entscheidende Rolle, vor allem in Wafer-Bühnen und Keramikspiegeln.

Lithographie-Systemarchitektur

(1)Wafer-Stufen:

Lithographietische sind dafür verantwortlich, den Wafer zu halten und während der Belichtung präzise Bewegungen auszuführen. Vor jeder Belichtung müssen Wafer und Tisch nanometergenau ausgerichtet werden, gefolgt von der Ausrichtung zwischen Fotomaske und Tisch, um eine genaue Musterübertragung sicherzustellen. Dies erfordert eine schnelle, reibungslose und hochpräzise automatisierte Steuerung des Tisches mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden in Lithografiestufen häufig leichte SiC-Keramiken mit außergewöhnlicher Dimensionsstabilität, niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und Verformungsbeständigkeit eingesetzt. Dies minimiert die Trägheit, reduziert die Motorlast und verbessert die Bewegungseffizienz, Positionierungsgenauigkeit und Stabilität.

(2)Keramikspiegel:

Die synchronisierte Bewegungssteuerung zwischen Wafer- und Retikeltisch ist in der Lithographie von entscheidender Bedeutung und wirkt sich direkt auf die Gesamtgenauigkeit und Ausbeute des Prozesses aus. Bühnenspiegel sind integrale Bestandteile des Bühnenabtast- und Positionierungs-Feedback-Messsystems. Dieses System verwendet Interferometer, um Messstrahlen auszusenden, die von den Tischspiegeln reflektiert werden. Durch die Analyse der reflektierten Strahlen mithilfe des Doppler-Prinzips berechnet das System die Positionsänderungen des Tisches in Echtzeit und gibt eine Rückmeldung an das Bewegungssteuerungssystem, um eine präzise Synchronisierung zwischen dem Wafertisch und dem Retikeltisch sicherzustellen. Obwohl leichte SiC-Keramiken für diese Anwendung geeignet sind, stellt die Herstellung solch komplexer Komponenten erhebliche Herausforderungen dar. Derzeit verwenden gängige Hersteller integrierter Schaltkreise zu diesem Zweck hauptsächlich Glaskeramik oder Cordierit. Dank der Fortschritte in der Materialwissenschaft und den Herstellungstechniken ist es den Forschern der China Building Materials Academy jedoch gelungen, große, komplex geformte, leichte, vollständig geschlossene SiC-Keramikspiegel und andere strukturell-funktionale optische Komponenten für Lithographieanwendungen herzustellen.

(3)Fotomasken-Dünnfilme:

Fotomasken, auch Retikel genannt, werden verwendet, um Licht selektiv zu übertragen und Muster auf lichtempfindlichen Materialien zu erzeugen. Allerdings kann die Bestrahlung mit EUV-Licht zu einer erheblichen Erwärmung der Fotomaske führen, die möglicherweise Temperaturen zwischen 600 und 1000 Grad Celsius erreicht und zu thermischen Schäden führt. Um dies zu mildern, wird häufig ein dünner SiC-Film auf der Fotomaske abgeschieden, um deren thermische Stabilität zu verbessern und eine Verschlechterung zu verhindern.

4. Plasmaätzen und -abscheidung: Fokusringe und andere Komponenten

Bei der Halbleiterherstellung nutzen Ätzprozesse aus ionisierten Gasen (z. B. fluorhaltigen Gasen) erzeugte Plasmen, um unerwünschtes Material selektiv von der Waferoberfläche zu entfernen und die gewünschten Schaltkreismuster zurückzulassen. Bei der Dünnschichtabscheidung hingegen werden isolierende Materialien zwischen Metallschichten abgeschieden, um dielektrische Schichten zu bilden, ähnlich einem umgekehrten Ätzprozess. Bei beiden Verfahren kommt die Plasmatechnologie zum Einsatz, die für die Kammerkomponenten korrosiv sein kann. Daher erfordern diese Komponenten eine hervorragende Plasmabeständigkeit, eine geringe Reaktivität mit fluorhaltigen Gasen und eine geringe elektrische Leitfähigkeit.

Traditionell wurden Komponenten in Ätz- und Abscheidungsgeräten, wie etwa Fokusringe, aus Materialien wie Silizium oder Quarz hergestellt. Allerdings hat das unaufhörliche Streben nach Miniaturisierung integrierter Schaltkreise (IC) die Nachfrage nach und die Bedeutung hochpräziser Ätzprozesse deutlich erhöht. Diese Miniaturisierung erfordert den Einsatz hochenergetischer Plasmen für präzises Ätzen im Mikromaßstab, um kleinere Strukturgrößen und immer komplexere Gerätestrukturen zu erreichen.

Als Reaktion auf diese Nachfrage hat sich Siliziumkarbid (SiC) für die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) als bevorzugtes Material für Beschichtungen und Komponenten in Ätz- und Abscheidungsanlagen herausgestellt. Aufgrund seiner hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften, einschließlich hoher Reinheit und Gleichmäßigkeit, eignet es sich hervorragend für diese anspruchsvolle Anwendung. Derzeit umfassen CVD-SiC-Komponenten in Ätzgeräten Fokusringe, Gasduschköpfe, Platten und Kantenringe. In Abscheidungsanlagen wird CVD-SiC für Kammerdeckel, Auskleidungen und SiC-beschichtete Graphitsuszeptoren verwendet.

Fokusring und SiC-beschichteter Graphit-Suszeptor

Die geringe Reaktivität von CVD-SiC mit Ätzgasen auf Chlor- und Fluorbasis sowie seine geringe elektrische Leitfähigkeit machen es zu einem idealen Material für Komponenten wie Fokusringe in Plasmaätzgeräten. Ein Fokusring, der um den Waferumfang herum positioniert ist, ist eine entscheidende Komponente, die das Plasma durch Anlegen einer Spannung an den Ring auf die Waferoberfläche fokussiert und so die Gleichmäßigkeit der Verarbeitung verbessert.

Mit der fortschreitenden Miniaturisierung von ICs steigt der Leistungs- und Energiebedarf von Ätzplasmen weiter, insbesondere bei Ätzgeräten mit kapazitiv gekoppeltem Plasma (CCP). Folglich nimmt der Einsatz von SiC-basierten Fokusringen aufgrund ihrer Fähigkeit, diesen zunehmend aggressiven Plasmaumgebungen standzuhalten, rasch zu.**

Als erfahrener Hersteller und Lieferant liefert Semicorex Spezialgraphit- und Keramikmaterialien für die Halbleiter- und Photovoltaikindustrie. Wenn Sie Fragen haben oder zusätzliche Informationen benötigen, zögern Sie bitte nicht, mit uns Kontakt aufzunehmen.

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