Ceramica SiC: il materiale indispensabile per componenti di alta precisione nella produzione di semiconduttori

Il SiC possiede una combinazione unica di proprietà desiderabili, tra cui alta densità, elevata conduttività termica, elevata resistenza alla flessione, elevato modulo di elasticità, forte resistenza alla corrosione ed eccellente stabilità alle alte temperature. La sua resistenza alla deformazione da sollecitazione di flessione e alla deformazione termica lo rende eccezionalmente adatto per gli ambienti difficili, corrosivi e ad altissima temperatura incontrati nei processi di produzione critici come l'epitassia e l'incisione dei wafer. Di conseguenza, il SiC ha trovato applicazioni diffuse in varie fasi di produzione dei semiconduttori, tra cui macinazione e lucidatura, trattamento termico (ricottura, ossidazione, diffusione), litografia, deposizione, attacco e impiantazione ionica.

1. Molatura e lucidatura: suscettori di macinazione SiC

Dopo il taglio del lingotto, i wafer spesso presentano spigoli vivi, bave, scheggiature, microfessurazioni e altre imperfezioni. Per evitare che questi difetti compromettano la resistenza del wafer, la qualità della superficie e le successive fasi di lavorazione, viene utilizzato un processo di macinazione. La rettifica leviga i bordi del wafer, riduce le variazioni di spessore, migliora il parallelismo della superficie e rimuove i danni causati dal processo di affettatura. La molatura su due lati utilizzando piastre di molatura è il metodo più comune, con i continui progressi nel materiale delle piastre, nella pressione di molatura e nella velocità di rotazione che migliorano costantemente la qualità dei wafer.

Meccanismo di macinazione su due lati

Tradizionalmente, le piastre di macinazione erano realizzate principalmente in ghisa o acciaio al carbonio. Tuttavia, questi materiali presentano una durata di vita breve, elevati coefficienti di dilatazione termica e suscettibilità all'usura e alla deformazione termica, in particolare durante la rettifica o la lucidatura ad alta velocità, rendendo difficile ottenere una planarità e un parallelismo costanti dei wafer. L'avvento delle piastre di macinazione in ceramica SiC, con la loro eccezionale durezza, basso tasso di usura e coefficiente di dilatazione termica molto simile a quello del silicio, ha portato alla graduale sostituzione della ghisa e dell'acciaio al carbonio. Queste proprietà rendono le piastre abrasive SiC particolarmente vantaggiose per i processi di levigatura e lucidatura ad alta velocità.

2. Lavorazione termica: supporti per wafer SiC e componenti della camera di reazione

Le fasi di trattamento termico come l'ossidazione, la diffusione, la ricottura e la lega sono parte integrante della fabbricazione dei wafer. I componenti ceramici SiC sono cruciali in questi processi, principalmente come trasportatori di wafer per il trasporto tra le fasi di lavorazione e come componenti all'interno delle camere di reazione delle apparecchiature di trattamento termico.

(1)Effettori finali in ceramica (bracci):

Durante la produzione dei wafer di silicio è spesso necessaria una lavorazione ad alta temperatura. I bracci meccanici dotati di effettori finali specializzati sono comunemente utilizzati per il trasporto, la movimentazione e il posizionamento dei wafer semiconduttori. Questi bracci devono funzionare in ambienti sterili, spesso sotto vuoto, ad alte temperature e in ambienti con gas corrosivi, richiedendo elevata resistenza meccanica, resistenza alla corrosione, stabilità alle alte temperature, resistenza all'usura, durezza e isolamento elettrico. Sebbene più costosi e impegnativi da produrre, i bracci in ceramica SiC superano le alternative in allumina nel soddisfare questi severi requisiti.

Effettore finale in ceramica Semicorex SiC

(2) Componenti della camera di reazione:

Le apparecchiature per il trattamento termico, come i forni di ossidazione (orizzontali e verticali) e i sistemi RTP (Rapid Thermal Processing), operano a temperature elevate e necessitano di materiali ad alte prestazioni per i loro componenti interni. I componenti SiC sinterizzati di elevata purezza, con la loro resistenza, durezza, modulo di elasticità, rigidità, conduttività termica e basso coefficiente di dilatazione termica superiori, sono indispensabili per costruire le camere di reazione di questi sistemi. I componenti chiave includono barche verticali, piedistalli, tubi di rivestimento, camere d'aria e deflettori.

Componenti della camera di reazione

3. Litografia: fasi SiC e specchi ceramici

La litografia, una fase critica nella produzione di semiconduttori, utilizza un sistema ottico per focalizzare e proiettare la luce sulla superficie del wafer, trasferendo schemi circuitali per la successiva incisione. La precisione di questo processo determina direttamente le prestazioni e la resa dei circuiti integrati. Essendo una delle apparecchiature più sofisticate nella produzione di chip, una macchina litografica comprende centinaia di migliaia di componenti. Per garantire le prestazioni e la precisione del circuito, vengono posti requisiti rigorosi sull'accuratezza sia degli elementi ottici che dei componenti meccanici all'interno del sistema di litografia. Le ceramiche SiC svolgono un ruolo fondamentale in quest'area, principalmente negli stadi dei wafer e negli specchi ceramici.

Architettura del sistema di litografia

(1)Fasi del wafer:

Le fasi di litografia sono responsabili del mantenimento del wafer e dell'esecuzione di movimenti precisi durante l'esposizione. Prima di ogni esposizione, il wafer e il tavolino devono essere allineati con precisione nanometrica, seguito dall'allineamento tra la fotomaschera e il tavolino per garantire un trasferimento accurato del pattern. Ciò richiede un controllo automatizzato del palco ad alta velocità, fluido e altamente preciso con un'accuratezza a livello nanometrico. Per soddisfare queste esigenze, gli stadi litografici utilizzano spesso ceramiche SiC leggere con eccezionale stabilità dimensionale, bassi coefficienti di dilatazione termica e resistenza alla deformazione. Ciò riduce al minimo l'inerzia, riduce il carico del motore e migliora l'efficienza del movimento, la precisione del posizionamento e la stabilità.

(2)Specchi in ceramica:

Il controllo del movimento sincronizzato tra lo stadio wafer e lo stadio reticolo è fondamentale nella litografia, poiché incide direttamente sulla precisione complessiva e sulla resa del processo. Gli specchi da palco sono componenti integrali del sistema di scansione del palco e di misurazione del feedback di posizionamento. Questo sistema utilizza interferometri per emettere raggi di misurazione che si riflettono sugli specchi del palco. Analizzando i raggi riflessi utilizzando il principio Doppler, il sistema calcola i cambiamenti di posizione del tavolino in tempo reale, fornendo feedback al sistema di controllo del movimento per garantire una sincronizzazione precisa tra lo stadio wafer e lo stadio reticolo. Sebbene le ceramiche SiC leggere siano adatte per questa applicazione, la produzione di componenti così complessi presenta sfide significative. Attualmente, i principali produttori di apparecchiature per circuiti integrati utilizzano principalmente vetroceramica o cordierite per questo scopo. Tuttavia, con i progressi nella scienza dei materiali e nelle tecniche di produzione, i ricercatori della China Building Materials Academy hanno fabbricato con successo specchi ceramici SiC di grandi dimensioni, di forma complessa, leggeri e completamente chiusi e altri componenti ottici strutturale-funzionali per applicazioni di litografia.

(3)Film sottili per fotomaschere:

Le fotomaschere, note anche come reticoli, vengono utilizzate per trasmettere selettivamente la luce e creare motivi su materiali fotosensibili. Tuttavia, l’irradiazione luminosa EUV può causare un riscaldamento significativo della fotomaschera, raggiungendo potenzialmente temperature comprese tra 600 e 1000 gradi Celsius, con conseguente danno termico. Per mitigare questo problema, sulla fotomaschera viene spesso depositato un film sottile di SiC per migliorarne la stabilità termica e prevenirne il degrado.

4. Incisione e deposizione al plasma: anelli di focalizzazione e altri componenti

Nella produzione di semiconduttori, i processi di attacco utilizzano plasmi generati da gas ionizzati (ad esempio gas contenenti fluoro) per rimuovere selettivamente il materiale indesiderato dalla superficie del wafer, lasciando dietro di sé gli schemi circuitali desiderati. La deposizione di film sottile, al contrario, comporta il deposito di materiali isolanti tra strati metallici per formare strati dielettrici, simile a un processo di attacco inverso. Entrambi i processi utilizzano la tecnologia al plasma, che può essere corrosiva per i componenti della camera. Pertanto, questi componenti richiedono un'eccellente resistenza al plasma, bassa reattività con gas contenenti fluoro e bassa conduttività elettrica.

Tradizionalmente, i componenti delle apparecchiature di incisione e deposizione, come gli anelli di messa a fuoco, venivano fabbricati utilizzando materiali come silicio o quarzo. Tuttavia, la spinta incessante verso la miniaturizzazione dei circuiti integrati (IC) ha aumentato significativamente la domanda e l'importanza di processi di incisione altamente precisi. Questa miniaturizzazione richiede l'uso di plasma ad alta energia per un'incisione accurata su microscala per ottenere caratteristiche di dimensioni più piccole e strutture di dispositivi sempre più complesse.

In risposta a questa domanda, il carburo di silicio (SiC) per deposizione chimica in fase vapore (CVD) è emerso come il materiale preferito per rivestimenti e componenti nelle apparecchiature di incisione e deposizione. Le sue proprietà fisiche e chimiche superiori, tra cui elevata purezza e uniformità, lo rendono eccezionalmente adatto per questa applicazione impegnativa. Attualmente, i componenti SiC CVD nelle apparecchiature di incisione includono anelli di messa a fuoco, soffioni a gas, piastre e anelli per bordi. Nelle apparecchiature di deposizione, il SiC CVD viene utilizzato per i coperchi delle camere, i rivestimenti e i suscettori in grafite rivestiti di SiC.

Anello di messa a fuoco e suscettore in grafite rivestito in SiC

La bassa reattività del SiC CVD con i gas di attacco a base di cloro e fluoro, unita alla sua bassa conduttività elettrica, lo rendono un materiale ideale per componenti come gli anelli di focalizzazione nelle apparecchiature di attacco al plasma. Un anello di focalizzazione, posizionato attorno alla periferia del wafer, è un componente critico che focalizza il plasma sulla superficie del wafer applicando una tensione all'anello, migliorando così l'uniformità di elaborazione.

Con l'avanzare della miniaturizzazione dei circuiti integrati, i requisiti di potenza ed energia dei plasmi di incisione continuano ad aumentare, in particolare nelle apparecchiature di incisione con plasma accoppiato capacitivamente (CCP). Di conseguenza, l'adozione di anelli di messa a fuoco basati su SiC sta aumentando rapidamente grazie alla loro capacità di resistere a questi ambienti di plasma sempre più aggressivi.**

Semicorex, in qualità di produttore e fornitore esperto, fornisce materiali speciali in grafite e ceramica per l'industria dei semiconduttori e del fotovoltaico. Se hai domande o hai bisogno di ulteriori dettagli, non esitare a contattarci.

Telefono di contatto n. +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com