Cerámica SiC: el material indispensable para componentes de alta precisión en la fabricación de semiconductores

El SiC posee una combinación única de propiedades deseables, que incluyen alta densidad, alta conductividad térmica, alta resistencia a la flexión, alto módulo de elasticidad, fuerte resistencia a la corrosión y excelente estabilidad a altas temperaturas. Su resistencia a la deformación por tensión de flexión y a la tensión térmica lo hace excepcionalmente adecuado para los ambientes hostiles, corrosivos y de temperatura ultra alta que se encuentran en procesos de fabricación críticos como la epitaxia y el grabado de obleas. En consecuencia, el SiC ha encontrado aplicaciones generalizadas en diversas etapas de fabricación de semiconductores, incluido el esmerilado y pulido, el procesamiento térmico (recocido, oxidación, difusión), la litografía, la deposición, el grabado y la implantación de iones.

1. Esmerilado y pulido: susceptores de esmerilado de SiC

Después del corte del lingote, las obleas suelen presentar bordes afilados, rebabas, astillas, microfisuras y otras imperfecciones. Para evitar que estos defectos comprometan la resistencia de la oblea, la calidad de la superficie y los pasos de procesamiento posteriores, se emplea un proceso de molienda. El pulido suaviza los bordes de la oblea, reduce las variaciones de espesor, mejora el paralelismo de la superficie y elimina el daño causado por el proceso de corte. La molienda de doble cara utilizando placas de molienda es el método más común, y los avances continuos en el material de las placas, la presión de molienda y la velocidad de rotación mejoran constantemente la calidad de las obleas.

Mecanismo de molienda de doble cara

Tradicionalmente, las placas abrasivas se fabricaban principalmente de hierro fundido o acero al carbono. Sin embargo, estos materiales tienen una vida útil corta, altos coeficientes de expansión térmica y susceptibilidad al desgaste y la deformación térmica, particularmente durante el esmerilado o pulido a alta velocidad, lo que dificulta lograr una planitud y un paralelismo consistentes de la oblea. La llegada de las placas abrasivas cerámicas de SiC, con su excepcional dureza, baja tasa de desgaste y coeficiente de expansión térmica muy similar al silicio, ha llevado a la sustitución gradual del hierro fundido y el acero al carbono. Estas propiedades hacen que las placas abrasivas de SiC sean particularmente ventajosas para procesos de rectificado y pulido de alta velocidad.

2. Procesamiento térmico: portadores de obleas de SiC y componentes de la cámara de reacción

Los pasos del procesamiento térmico como oxidación, difusión, recocido y aleación son parte integral de la fabricación de obleas. Los componentes cerámicos de SiC son cruciales en estos procesos, principalmente como portadores de obleas para el transporte entre pasos de procesamiento y como componentes dentro de las cámaras de reacción de los equipos de procesamiento térmico.

(1)Efectores finales cerámicos (brazos):

Durante la producción de obleas de silicio, a menudo se requiere un procesamiento a alta temperatura. Los brazos mecánicos equipados con efectores finales especializados se utilizan comúnmente para transportar, manipular y posicionar obleas semiconductoras. Estos brazos deben funcionar en entornos de sala limpia, a menudo bajo vacío, altas temperaturas y ambientes con gases corrosivos, lo que exige alta resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, estabilidad a altas temperaturas, resistencia al desgaste, dureza y aislamiento eléctrico. Aunque son más caros y difíciles de fabricar, los brazos cerámicos de SiC superan a las alternativas de alúmina a la hora de cumplir con estos estrictos requisitos.

Efector final cerámico Semicorex SiC

(2) Componentes de la cámara de reacción:

Los equipos de procesamiento térmico, como los hornos de oxidación (horizontales y verticales) y los sistemas de procesamiento térmico rápido (RTP), operan a temperaturas elevadas, lo que requiere materiales de alto rendimiento para sus componentes internos. Los componentes de SiC sinterizado de alta pureza, con su resistencia, dureza, módulo de elasticidad, rigidez, conductividad térmica y bajo coeficiente de expansión térmica superiores, son indispensables para construir las cámaras de reacción de estos sistemas. Los componentes clave incluyen embarcaciones verticales, pedestales, tubos de revestimiento, cámaras de aire y placas deflectoras.

Componentes de la cámara de reacción

3. Litografía: Platinas de SiC y Espejos Cerámicos

La litografía, un paso crítico en la fabricación de semiconductores, utiliza un sistema óptico para enfocar y proyectar luz sobre la superficie de la oblea, transfiriendo patrones de circuitos para su posterior grabado. La precisión de este proceso dicta directamente el rendimiento y el rendimiento de los circuitos integrados. Como uno de los equipos más sofisticados en la fabricación de chips, una máquina de litografía consta de cientos de miles de componentes. Para garantizar el rendimiento y la precisión del circuito, se imponen requisitos estrictos a la precisión tanto de los elementos ópticos como de los componentes mecánicos dentro del sistema de litografía. Las cerámicas de SiC desempeñan un papel fundamental en este ámbito, principalmente en etapas de obleas y espejos cerámicos.

Arquitectura del sistema de litografía

(1)Etapas de oblea:

Las etapas de litografía se encargan de sujetar la oblea y realizar movimientos precisos durante la exposición. Antes de cada exposición, la oblea y el escenario deben alinearse con precisión nanométrica, seguido de la alineación entre la fotomáscara y el escenario para garantizar una transferencia precisa del patrón. Esto requiere un control automatizado del escenario de alta velocidad, suave y altamente preciso con una precisión de nivel nanométrico. Para satisfacer estas demandas, las etapas de litografía suelen utilizar cerámicas de SiC livianas con una estabilidad dimensional excepcional, bajos coeficientes de expansión térmica y resistencia a la deformación. Esto minimiza la inercia, reduce la carga del motor y mejora la eficiencia del movimiento, la precisión del posicionamiento y la estabilidad.

(2)Espejos cerámicos:

El control de movimiento sincronizado entre la etapa de oblea y la etapa de retícula es crucial en la litografía, ya que afecta directamente la precisión general y el rendimiento del proceso. Los espejos de escenario son componentes integrales del sistema de medición de retroalimentación de posicionamiento y escaneo del escenario. Este sistema utiliza interferómetros para emitir haces de medición que se reflejan en los espejos del escenario. Al analizar los haces reflejados utilizando el principio Doppler, el sistema calcula los cambios de posición de la platina en tiempo real, proporcionando retroalimentación al sistema de control de movimiento para garantizar una sincronización precisa entre la platina de oblea y la platina de retícula. Si bien las cerámicas livianas de SiC son adecuadas para esta aplicación, la fabricación de componentes tan complejos presenta desafíos importantes. Actualmente, los principales fabricantes de equipos de circuitos integrados utilizan principalmente vitrocerámica o cordierita para este fin. Sin embargo, con los avances en la ciencia de los materiales y las técnicas de fabricación, los investigadores de la Academia de Materiales de Construcción de China han fabricado con éxito espejos cerámicos de SiC de gran tamaño, de formas complejas, livianos y completamente cerrados y otros componentes ópticos estructurales y funcionales para aplicaciones de litografía.

(3)Películas delgadas de fotomáscara:

Las fotomáscaras, también conocidas como retículas, se utilizan para transmitir luz de forma selectiva y crear patrones en materiales fotosensibles. Sin embargo, la irradiación de luz EUV puede causar un calentamiento significativo de la fotomáscara, alcanzando potencialmente temperaturas entre 600 y 1000 grados Celsius, lo que provoca daños térmicos. Para mitigar esto, a menudo se deposita una película delgada de SiC sobre la fotomáscara para mejorar su estabilidad térmica y evitar la degradación.

4. Grabado y deposición de plasma: anillos de enfoque y otros componentes

En la fabricación de semiconductores, los procesos de grabado utilizan plasmas generados a partir de gases ionizados (por ejemplo, gases que contienen flúor) para eliminar selectivamente material no deseado de la superficie de la oblea, dejando atrás los patrones de circuito deseados. Por el contrario, la deposición de películas finas implica depositar materiales aislantes entre capas metálicas para formar capas dieléctricas, similar a un proceso de grabado inverso. Ambos procesos emplean tecnología de plasma, que puede ser corrosiva para los componentes de la cámara. Por lo tanto, estos componentes requieren una excelente resistencia al plasma, baja reactividad con gases que contienen flúor y baja conductividad eléctrica.

Tradicionalmente, los componentes de los equipos de grabado y deposición, como los anillos de enfoque, se fabricaban utilizando materiales como el silicio o el cuarzo. Sin embargo, el incesante impulso hacia la miniaturización de los circuitos integrados (CI) ha aumentado significativamente la demanda y la importancia de los procesos de grabado de alta precisión. Esta miniaturización requiere el uso de plasmas de alta energía para un grabado preciso a microescala para lograr tamaños de características más pequeños y estructuras de dispositivos cada vez más complejas.

En respuesta a esta demanda, el carburo de silicio (SiC) por deposición química de vapor (CVD) se ha convertido en el material preferido para recubrimientos y componentes en equipos de grabado y deposición. Sus propiedades físicas y químicas superiores, incluida su alta pureza y uniformidad, lo hacen excepcionalmente adecuado para esta exigente aplicación. Actualmente, los componentes CVD SiC en equipos de grabado incluyen anillos de enfoque, cabezales de ducha de gas, platinas y anillos de borde. En los equipos de deposición, CVD SiC se utiliza para tapas de cámaras, revestimientos y susceptores de grafito recubiertos de SiC.

Anillo de enfoque y susceptor de grafito recubierto de SiC

La baja reactividad del CVD SiC con gases de grabado a base de cloro y flúor, junto con su baja conductividad eléctrica, lo convierte en un material ideal para componentes como anillos de enfoque en equipos de grabado por plasma. Un anillo de enfoque, colocado alrededor de la periferia de la oblea, es un componente crítico que enfoca el plasma en la superficie de la oblea aplicando un voltaje al anillo, mejorando así la uniformidad del procesamiento.

A medida que avanza la miniaturización de los circuitos integrados, los requisitos de potencia y energía de los plasmas de grabado continúan aumentando, particularmente en los equipos de grabado de plasma acoplado capacitivamente (CCP). En consecuencia, la adopción de anillos de enfoque basados ​​en SiC está aumentando rápidamente debido a su capacidad para resistir estos entornos de plasma cada vez más agresivos.**

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