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.