Cerâmica SiC: o material indispensável para componentes de alta precisão na fabricação de semicondutores

O SiC possui uma combinação única de propriedades desejáveis, incluindo alta densidade, alta condutividade térmica, alta resistência à flexão, alto módulo de elasticidade, forte resistência à corrosão e excelente estabilidade em altas temperaturas. Sua resistência à deformação por tensão de flexão e à tensão térmica o torna excepcionalmente adequado para ambientes agressivos, corrosivos e de temperatura ultra-alta encontrados em processos críticos de fabricação, como epitaxia de wafer e gravação. Consequentemente, o SiC encontrou aplicações generalizadas em vários estágios de fabricação de semicondutores, incluindo retificação e polimento, processamento térmico (recozimento, oxidação, difusão), litografia, deposição, gravação e implantação iônica.

1. Moagem e Polimento: Susceptores de Moagem SiC

Após o corte do lingote, os wafers geralmente apresentam bordas afiadas, rebarbas, lascas, microfissuras e outras imperfeições. Para evitar que esses defeitos comprometam a resistência do wafer, a qualidade da superfície e as etapas subsequentes de processamento, um processo de retificação é empregado. A retificação suaviza as bordas do wafer, reduz variações de espessura, melhora o paralelismo da superfície e remove danos causados ​​pelo processo de fatiamento. A retificação bilateral usando placas de retificação é o método mais comum, com avanços contínuos no material da placa, na pressão de retificação e na velocidade de rotação melhorando constantemente a qualidade do wafer.

Mecanismo de retificação dupla face

Tradicionalmente, as placas de moagem eram feitas principalmente de ferro fundido ou aço carbono. No entanto, esses materiais apresentam vida útil curta, altos coeficientes de expansão térmica e suscetibilidade ao desgaste e à deformação térmica, especialmente durante a retificação ou polimento em alta velocidade, tornando um desafio obter planicidade e paralelismo consistentes do wafer. O advento das placas de retificação de cerâmica SiC, com sua dureza excepcional, baixa taxa de desgaste e coeficiente de expansão térmica muito próximo do silício, levou à substituição gradual do ferro fundido e do aço carbono. Essas propriedades tornam as placas de retificação de SiC particularmente vantajosas para processos de retificação e polimento em alta velocidade.

2. Processamento térmico: transportadores de wafers de SiC e componentes da câmara de reação

Etapas de processamento térmico como oxidação, difusão, recozimento e liga são essenciais para a fabricação de wafers. Os componentes cerâmicos de SiC são cruciais nestes processos, principalmente como transportadores de wafers para transporte entre as etapas de processamento e como componentes dentro das câmaras de reação de equipamentos de processamento térmico.

(1)Efetores finais cerâmicos (braços):

Durante a produção de wafers de silício, muitas vezes é necessário processamento em alta temperatura. Braços mecânicos equipados com efetores finais especializados são comumente usados ​​para transporte, manuseio e posicionamento de wafers semicondutores. Esses braços devem operar em ambientes de sala limpa, muitas vezes sob vácuo, altas temperaturas e ambientes com gases corrosivos, exigindo alta resistência mecânica, resistência à corrosão, estabilidade em altas temperaturas, resistência ao desgaste, dureza e isolamento elétrico. Embora mais caros e desafiadores de fabricar, os braços cerâmicos de SiC superam as alternativas de alumina no atendimento a esses requisitos rigorosos.

Efetor final cerâmico Semicorex SiC

(2) Componentes da Câmara de Reação:

Equipamentos de processamento térmico, como fornos de oxidação (horizontais e verticais) e sistemas de Processamento Térmico Rápido (RTP), operam em temperaturas elevadas, necessitando de materiais de alto desempenho para seus componentes internos. Componentes de SiC sinterizados de alta pureza, com resistência superior, dureza, módulo de elasticidade, rigidez, condutividade térmica e baixo coeficiente de expansão térmica, são indispensáveis ​​para a construção das câmaras de reação desses sistemas. Os principais componentes incluem barcos verticais, pedestais, tubos de revestimento, tubos internos e placas defletoras.

Componentes da Câmara de Reação

3. Litografia: Estágios SiC e Espelhos Cerâmicos

A litografia, uma etapa crítica na fabricação de semicondutores, utiliza um sistema óptico para focar e projetar luz na superfície do wafer, transferindo padrões de circuito para gravação subsequente. A precisão deste processo determina diretamente o desempenho e o rendimento dos circuitos integrados. Sendo um dos equipamentos mais sofisticados na fabricação de chips, uma máquina de litografia compreende centenas de milhares de componentes. Para garantir o desempenho e a precisão do circuito, requisitos rigorosos são impostos à precisão dos elementos ópticos e dos componentes mecânicos do sistema de litografia. A cerâmica SiC desempenha um papel vital nesta área, principalmente em estágios de wafer e espelhos cerâmicos.

Arquitetura do sistema de litografia

(1)Estágios de wafer:

Os estágios de litografia são responsáveis ​​por segurar o wafer e realizar movimentos precisos durante a exposição. Antes de cada exposição, o wafer e a platina devem ser alinhados com precisão nanométrica, seguido pelo alinhamento entre a fotomáscara e a platina para garantir uma transferência precisa do padrão. Isso requer controle automatizado de alta velocidade, suave e altamente preciso do palco com precisão de nível nanométrico. Para atender a essas demandas, os estágios de litografia geralmente utilizam cerâmica leve de SiC com excepcional estabilidade dimensional, baixos coeficientes de expansão térmica e resistência à deformação. Isso minimiza a inércia, reduz a carga do motor e melhora a eficiência do movimento, a precisão do posicionamento e a estabilidade.

(2)Espelhos Cerâmicos:

O controle de movimento sincronizado entre o estágio wafer e o estágio retículo é crucial na litografia, impactando diretamente a precisão geral e o rendimento do processo. Os espelhos de palco são componentes integrais do sistema de medição de feedback de posicionamento e varredura de palco. Este sistema utiliza interferômetros para emitir feixes de medição que refletem nos espelhos do palco. Ao analisar os feixes refletidos usando o princípio Doppler, o sistema calcula as mudanças de posição do estágio em tempo real, fornecendo feedback ao sistema de controle de movimento para garantir a sincronização precisa entre o estágio wafer e o estágio retículo. Embora a cerâmica leve de SiC seja adequada para esta aplicação, a fabricação de componentes tão complexos apresenta desafios significativos. Atualmente, os principais fabricantes de equipamentos de circuitos integrados utilizam principalmente cerâmica de vidro ou cordierita para essa finalidade. No entanto, com os avanços na ciência dos materiais e nas técnicas de fabricação, os pesquisadores da Academia de Materiais de Construção da China fabricaram com sucesso espelhos cerâmicos de SiC de tamanho grande, de formato complexo, leves e totalmente fechados e outros componentes ópticos estruturais-funcionais para aplicações de litografia.

(3)Filmes finos de fotomáscara:

As fotomáscaras, também conhecidas como retículas, são usadas para transmitir luz seletivamente e criar padrões em materiais fotossensíveis. No entanto, a irradiação da luz EUV pode causar aquecimento significativo da máscara fotográfica, atingindo potencialmente temperaturas entre 600 e 1000 graus Celsius, levando a danos térmicos. Para mitigar isto, uma película fina de SiC é frequentemente depositada na fotomáscara para aumentar a sua estabilidade térmica e evitar a degradação.

4. Gravura e Deposição de Plasma: Anéis de Foco e Outros Componentes

Na fabricação de semicondutores, os processos de gravação utilizam plasmas gerados a partir de gases ionizados (por exemplo, gases contendo flúor) para remover seletivamente materiais indesejados da superfície do wafer, deixando para trás os padrões de circuito desejados. A deposição de filmes finos, por outro lado, envolve a deposição de materiais isolantes entre camadas metálicas para formar camadas dielétricas, semelhante a um processo de gravação reversa. Ambos os processos empregam tecnologia de plasma, que pode ser corrosiva para os componentes da câmara. Portanto, estes componentes requerem excelente resistência ao plasma, baixa reatividade com gases contendo flúor e baixa condutividade elétrica.

Tradicionalmente, os componentes dos equipamentos de gravação e deposição, como anéis de foco, eram fabricados com materiais como silício ou quartzo. No entanto, o impulso incansável em direção à miniaturização de circuitos integrados (CI) aumentou significativamente a demanda e a importância de processos de gravação altamente precisos. Esta miniaturização requer o uso de plasmas de alta energia para gravação precisa em microescala para obter tamanhos menores e estruturas de dispositivos cada vez mais complexas.

Em resposta a esta demanda, o carboneto de silício (SiC) de Deposição Química de Vapor (CVD) emergiu como o material preferido para revestimentos e componentes em equipamentos de gravação e deposição. Suas propriedades físicas e químicas superiores, incluindo alta pureza e uniformidade, tornam-no excepcionalmente adequado para esta aplicação exigente. Atualmente, os componentes CVD SiC em equipamentos de gravação incluem anéis de foco, chuveiros a gás, placas e anéis de borda. Em equipamentos de deposição, CVD SiC é utilizado para tampas de câmaras, revestimentos e susceptores de grafite revestidos de SiC.

Anel de foco e susceptor de grafite revestido com SiC

A baixa reatividade do CVD SiC com gases de gravação à base de cloro e flúor, juntamente com sua baixa condutividade elétrica, torna-o um material ideal para componentes como anéis de foco em equipamentos de gravação a plasma. Um anel de foco, posicionado ao redor da periferia do wafer, é um componente crítico que foca o plasma na superfície do wafer aplicando uma voltagem ao anel, aumentando assim a uniformidade do processamento.

À medida que a miniaturização do IC avança, os requisitos de potência e energia dos plasmas de gravação continuam a aumentar, particularmente em equipamentos de gravação de plasma acoplado capacitivamente (CCP). Consequentemente, a adoção de anéis de foco baseados em SiC está aumentando rapidamente devido à sua capacidade de resistir a esses ambientes de plasma cada vez mais agressivos.**

Semicorex, como um fabricante e fornecedor experiente, fornece materiais especiais de grafite e cerâmica para a indústria de semicondutores e fotovoltaica. Se você tiver alguma dúvida ou precisar de detalhes adicionais, não hesite em entrar em contato conosco.

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