Kun puolijohdevalmistus etenee kohti pienempiä prosessisolmuja, suurempaa integrointitiheyttä ja erittäin puhtaita tuotantoympäristöjä, tarkkuuskeraamisista komponenteista on tullut välttämättömiä kaikissa puolijohdevalmistuslaitteissa.
Kehittynyt keramiikka käytetään laajalti litografiassa, etsauksessa, ohutkalvopäällystyksessä, ioni-implantoinnissa, CMP:ssä, pakkaamisessa ja kiekkojen käsittelyjärjestelmissä. Näillä keraamisilla komponenteilla on kriittisiä tehtäviä, kuten kiekon tukeminen, plasmankestävyys, eristys, kaasunjakelu, lämmönhallinta, kontaminaation hallinta ja tarkka liikkeenohjaus.
Poikkeuksellisen kovuutensa, lämmönkestävyytensä, korroosionkestävyytensä, vähäisen hiukkasten muodostumisensa ja sähköisten ominaisuuksiensa ansiosta tarkkuuskeramiikasta on tullut keskeisiä materiaaleja seuraavan sukupolven puolijohteiden valmistuksessa.
Miksi tarkkuuskeramiikalla on merkitystä puolijohdelaitteissa?
Nykyaikaiset puolijohdelaitteet toimivat erittäin vaativissa olosuhteissa:
- Korkean tyhjiön ympäristöt
- Plasma-altistus
- Syövyttävät prosessikaasut
- Erittäin korkeat puhtausvaatimukset
- Nopea lämpökierto
- Nanometrin tason tarkkuusliike
Perinteiset metallimateriaalit joutuvat usein vaikeuksiin näissä olosuhteissa kontaminaatioriskien, lämpömuodonmuutosten tai kemiallisen epävakauden vuoksi.
Kehittyneet keraamiset materiaalit tarjoavat ratkaisevia etuja:
- Korkea puhtaus ja vähäinen saastuminen
- Erinomainen kulutuskestävyys
- Erinomainen plasmakestävyys
- Alhainen lämpölaajeneminen
- Suuri jäykkyys ja mittatarkkuus
- Erinomaiset dielektriset ominaisuudet
- Erinomainen lämmönkestävyys
- Vähäinen hiukkasten muodostuminen
Tämän seurauksena tarkkuuskeraamisia komponentteja käytetään laajalti puolijohdeprosessikammioissa ja kiekkojen käsittelyjärjestelmissä.
Tarkkuuskeramiikka puolijohteiden etupään valmistuslaitteissa
1. Litografiajärjestelmät
Huippuluokan litografiakoneet vaativat erittäin tarkkoja liikejärjestelmiä ja rakenteeltaan vakaita materiaaleja, jotta kuviointitarkkuus voidaan saavuttaa nanometrin mittakaavassa.
Tyypillisiä keraamisia komponentteja ovat:
- Sähköstaattiset kiinnittimet (ESC)
- Tyhjiöruuvit
- Liikkeen vaiheet
- Ohjauskiskot
- Työpöydät
- Maskin vaiheet
- Jäähdytyslevyt
- Rakenteelliset lohkot
- Peilien tukirakenteet
Sähköstaattinen kiinnityslaite (ESC)
Sähköstaattiset kiinnittimet ovat puolijohdevalmistuksen kriittisimpiä keraamisia komponentteja. Niitä käytetään kiekkojen turvalliseen pitämiseen ja siirtämiseen plasma- ja tyhjiöpohjaisissa prosesseissa, kuten:
- Plasmaetsaus
- Kemiallinen kaasufaasipinnoitus (CVD)
- Ioni-implantointi
Yleiset keraamiset materiaalit
- Alumiinioksidi (Al₂O₃)
- Piidinitridi (Si₃N₄)
Valmistuksen haasteet
- Monimutkaiset sisäiset rakenteet
- Erittäin puhtaan raaka-aineen valmistus
- Tarkka sintrauksen ohjaus
- Erittäin tasainen pintakäsittely
- Sulautetun elektrodin integrointi
Precision Motion Stages
Litografiavaiheiden on saavutettava erittäin suuri nopeus ja paikannustarkkuus ja samalla minimoitava muodonmuutokset nopean kiihdytyksen aikana.
Materiaalivaatimukset
- Suuri ominaisjäykkyys
- Pieni tiheys
- Alhainen lämpölaajeneminen
- Erinomainen mittapysyvyys
Yleiset keraamiset materiaalit
- Kordieriittikeramiikka
- Piikarbidi (SiC)
Piikarbidi on erityisen houkutteleva sen kevyen rakenteen, suuren jäykkyyden ja erinomaisen lämmönkestävyyden vuoksi.
2. Etsauslaitteet
Syövytysjärjestelmät siirtävät piirikuvioita naamioilta kiekkoihin ja toimivat erittäin syövyttävissä plasmaympäristöissä.
Yleisesti käytettyjä keraamisia komponentteja ovat:
- Prosessikammiot
- Viewports
- Kaasunjakelulevyt
- Suuttimet
- Tarkennusrenkaat
- Eristysrenkaat
- Kammion kannet
- Sähköstaattiset ruuvipuristimet
Etsauskammion komponentit
Kun laitteiden geometria pienenee jatkuvasti, kontaminaation hallinta on yhä kriittisempää. Keraamiset materiaalit ovat vähitellen korvanneet metallit monissa kammiosovelluksissa.
Tärkeimmät materiaalivaatimukset
- Erittäin korkea puhtaus
- Vähäinen metallinen kontaminaatio
- Erinomainen plasmakestävyys
- Suuri tiheys ja alhainen huokoisuus
- Hienorakeinen rakenne
- Vakaat dielektriset ominaisuudet
- Hyvä työstettävyys
Yleiset keraamiset materiaalit
- Kvartsi (SiO₂)
- Piikarbidi (SiC)
- Alumiininitridi (AlN)
- Alumiinioksidi (Al₂O₃)
- Piidinitridi (Si₃N₄)
- Yttria (Y₂O₃)
Kaasunjakelulevyt (suihkupäät)
Kaasunjakolevyt sisältävät satoja tai tuhansia tarkkoja mikroaukkoja, jotka on suunniteltu jakamaan prosessikaasut tasaisesti kiekon pinnoille.
Tasainen kaasuvirtaus vaikuttaa suoraan:
- Kalvon paksuuden tasaisuus
- Syövytyksen johdonmukaisuus
- Tuottoaste
- Prosessin vakaus
Tekniset haasteet
- Mikroaukkojen mittasuhteiden johdonmukaisuus
- Sisäpinnat, joissa ei ole jyrsintää
- Erittäin puhdas työstö
- Korroosionkestävyys
- Korkea tasaisuus
Yleiset keraamiset materiaalit
- CVD-piikarbidi (CVD-SiC)
- Alumiinikeraamiikka
- Piidinitridikeraamiikka
Tarkennusrenkaat
Tarkennusrenkaat auttavat pitämään plasman tasaisen jakautumisen kiekkojen ympärillä plasmasyövytysprosessien aikana.
Perinteiset johtavat piirenkaat kärsivät nopeasta fluoriplasman aiheuttamasta eroosiosta, mikä johtaa lyhyeen käyttöikään.
Piikarbidi tarjoaa:
- Samanlainen sähkönjohtavuus kuin piillä
- Erinomainen plasmakestävyys
- Pidempi käyttöikä
Yleinen materiaali
- Piikarbidi (SiC)
3. Ohutkalvopäällystyslaitteet
Sekä PVD- että CVD-järjestelmissä käytetään laajalti tarkkuuskeramiikkakomponentteja niiden lämpö- ja plasmankestävyyden vuoksi.
Tyypillisiä komponentteja ovat:
- Sähköstaattiset ruuvipuristimet
- Keraamiset lämmittimet
- Kaasunjakelulevyt
- Kammion vuoraukset
Keraamiset lämmittimet
Keraamiset lämmittimet ovat suoraan kosketuksissa kiekkoihin ja tarjoavat vakaan, tasaisen prosessilämpötilan laskeutumisen aikana.
Nämä komponentit ovat välttämättömiä:
- Lämpötilan tasaisuus
- Ohutkalvon laatu
- Prosessin toistettavuus
Yleiset keraamiset materiaalit
- Alumiininitridi (AlN)
- Alumiinioksidi (Al₂O₃)
Alumiininitridiä suositaan erityisesti sen korkean lämmönjohtavuuden ja sähköeristysominaisuuksien vuoksi.
Tarkkuuskeramiikka puolijohdeprosesseissa Back-Endissä
1. CMP-laitteet (kemiallinen mekaaninen kiillotus)
CMP-järjestelmissä käytetään keraamisia materiaaleja:
- Kiillotuslevyt
- Kiekkokannattimet
- Tyhjiöruuvit
- Kalibrointialustat
- Robotisoidut siirtovarret
Keraamiset materiaalit takaavat erinomaisen mittapysyvyyden ja kulumiskestävyyden pitkien kiillotustoimenpiteiden aikana.
2. Kiekko- ja pakkauslaitteet
Tärkeimmät keraamiset komponentit
Timantti-keraamiset komposiittimurskausterät
- Korkea leikkausnopeus
- Kiekon lohkeaminen on vähäistä
- Erinomainen kulutuskestävyys
Keraamiset liimauspäät
- Alumiininitridikeraamiikka
- Korkea lämmönjohtavuus
- Tarkka lämpötilan tasaisuus
Keraamiset pakkaussubstraatit
- LTCC (matalassa lämpötilassa poltettu keramiikka)
- Hieno johdotusvalmius
- Korkeataajuisen signaalin tuki
Keraamiset kapillaarityökalut
Käytetään lankaliimausprosesseissa.
Yleiset materiaalit
- Alumiinikeraamiikka
- Zirkoniumoksidilla karkaistu alumiinioksidi (ZTA)
3. Puolijohteiden koetinasemat ja testauslaitteet
Keskeiset osat
Keraamiset interposer-substraatit
- Berylliumoksidi (BeO)
- Alumiininitridi (AlN)
Korkean taajuuden testilaitteet
- Alumiininitridikeraamiikka
Nämä materiaalit tukevat suurtaajuista signaalinsiirtoa säilyttäen samalla lämpöstabiiliuden.
Keraamiset komponentit kiekkojen käsittelyssä ja puhtaissa ympäristöissä
1. Kiekkojen siirtorobotit
Puolijohderobottijärjestelmät edellyttävät:
- Korkea tarkkuus
- Vähäinen hiukkasten muodostuminen
- Pitkä käyttöikä
- Tyhjiöyhteensopivuus
Tärkeimmät keraamiset komponentit
Robottikäsivarret
Yleiset materiaalit
- Alumiinikeraamiikka
- Piikarbidikeramiikka
Yhteiset laakerit
Yleiset materiaalit
- Zirkoniumoksidikeraamiset pallot
Edut
- Erittäin alhainen kitkakerroin
- Pitkä käyttöikä
- Erinomainen kulutuskestävyys
Päätysefektorit / kiekkosormet
Yleinen materiaali
- Piikarbidikeramiikka
Suorituskyvyn edut
- Korkean lämpötilan kestävyys
- Erittäin vähäinen hiukkasten vapautuminen
- Erinomainen mittapysyvyys
2. Erittäin puhtaan veden ja kaasun jakelujärjestelmät
Keraamiset materiaalit ovat myös ratkaisevan tärkeitä kemikaalien jakelujärjestelmissä.
Tyypilliset komponentit
- Venttiilin tiivisteosat
- Putkivuoraukset
- Korroosionkestävät virtauskomponentit
Yleiset materiaalit
- Piidinitridikeraamiikka
- Suuritiheyksinen alumiinioksidikeramiikka
Nämä materiaalit kestävät erinomaisesti syövyttäviä kemikaaleja, kuten fluorivetyhappoa.
Puolijohdelaitteissa käytettävät tärkeimmät kehittyneet keraamiset materiaalit
| Keraaminen materiaali | Tärkeimmät edut | Tyypilliset sovellukset |
|---|---|---|
| Alumiinioksidi (Al₂O₃) | Eristys, kulutuskestävyys | ESC:t, eristimet, robottivarret |
| Alumiininitridi (AlN) | Korkea lämmönjohtavuus | Keraamiset lämmittimet, alustat |
| Piikarbidi (SiC) | Plasmakestävyys, jäykkyys | Tarkennusrenkaat, vaiheet, kiekkosormet |
| Piidinitridi (Si₃N₄) | Lujuus, lämpöshokin kestävyys | Rakenneosat, tiivisteet |
| Zirkonia (ZrO₂) | Suuri sitkeys | Laakerit, kuluvat osat |
| Kvartsi (SiO₂) | Korkea puhtaus | Kammiot, uuniputket |
| Yttria (Y₂O₃) | Plasmakorroosionkestävyys | Kammion pinnoitteet |
| boorinitridi (BN) | Lämpöstabiilisuus, voitelu | Eristeet, lämpökomponentit |
Puolijohdekeraamisten komponenttien tulevat suuntaukset
Puolijohdevalmistuksen kehittyessä edelleen kohti:
- Kehittyneet prosessisolmut
- Tekoälysirut
- 3D-pakkaukset
- Laajakaistaiset puolijohteet
- Suuritehoiset laitteet
tarkkuuskeraamiset komponentit vaativat:
- Suurempi puhtaus
- Parempi plasmankestävyys
- Suuremmat mitat
- Pienempi vikatiheys
- Monimutkaisemmat geometriat
- Ultratarkka työstö
- Kehittynyt pintatekniikka
Kehittyneestä keramiikasta on nopeasti tulossa yksi perustavanlaatuisista teknologioista, jotka tukevat tulevaisuuden puolijohdelaiteinnovaatioita.
Päätelmä
Tarkat keraamiset komponentit ovat välttämättömiä kaikissa puolijohteiden valmistuslaitteissa, litografia- ja plasmaetsausjärjestelmistä kiekkojen käsittelyrobotteihin ja pakkauslaitteisiin.
Niiden ainutlaatuinen yhdistelmä:
- Korkea puhtaus
- Lämpöstabiilisuus
- Plasman vastus
- Mekaaninen lujuus
- Sähköinen eristys
- Vähäinen saastuminen
tekee kehittyneestä keramiikasta välttämätöntä nykyaikaisessa puolijohdetuotannossa vaaditun tarkkuuden, luotettavuuden ja puhtauden saavuttamiseksi.
Puolijohdeteknologian kehittyessä suorituskykyisten keraamisten materiaalien ja erittäin tarkan keraamisen valmistuksen merkitys kasvaa edelleen.
