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在 IC 產業中,集成電路制造裝備具有極其重要的戰略地位,集成電路制造關鍵技術及裝備主要有包括光刻技術及光刻裝備、薄膜生長技術及裝備、化學機械拋光技術及裝備、高密度后封裝技術及裝備等,均涉及高效率、高精度、高穩定性的運動控制技術和驅動技術,對結構件的精度和結構材料的性能提出了極高的要求。

1、半導體裝備用精密陶瓷結構件的特點要求

集成電路制造關鍵裝備要求零部件材料具有高純度、高致密度、高強度、高彈性模量、高導熱系數和低熱膨脹系數等特點,且且結構件要具有極高的尺寸精度和結構復雜性,以保證設備實現超精密運動和控制。

圖?EUV光刻系統,來源ASML

以光刻機中工件臺為例,工件臺的主要功能是承載硅片和掩膜并完成曝光過程,其性能直接影響產率和分辨率。要求工作臺能夠實現高速平穩的大行程和六自由度的納米級超精密運動,如對于 100 nm 分辨率、套刻精度為 33 nm 和線寬為 10 nm 的光刻機,其工件臺定位精度要求達到 10 nm,掩模-硅片同時步進和掃描速度分別達到 150 nm/s 和 120 nm/s,掩模掃描速度接近 500 nm/s,并且要求工件臺具有非常高的運動精度和平穩性。

圖??典型的光刻機工件臺及框架設計
因此,工件臺用精密結構件需滿足以下要求:
(1)高度輕量化:為降低運動慣量,減輕電機負載,提高運動效率、定位精度和穩定性,結構件普遍采用輕量化結構設計,其輕量化率為 60%?~ 80%,最高可達到 90%;
(2)高形位精度:為實現高精度運動和定位,要求結構件具有極高的形位精度,平面度、平行度、垂直度要求小于 1 μm,形位精度要求小于 5 μm;
(3)高尺寸穩定性:為實現高精度運動和定位,要求結構件具有極高的尺寸穩定性,不易產生應變,且導熱系數高、熱膨脹系數低,不易產生大的尺寸變形;
(4)清潔無污染:要求結構件具有極低的摩擦系數,運動過程中動能損失小,且無磨削顆粒的污染。

2、碳化硅陶瓷在光刻機上的應用

碳化硅是一種性能優異的結構陶瓷材料,具有高強度、高硬度、高彈性模量、高比剛度、高導熱系數、低熱膨脹系數和優良的化學穩定性,被廣泛應用于石油化工、機械制造、核工業、微電子工業等領域。碳化硅具有極高的彈性模量、導熱系數和適中的熱膨脹系數,具有極佳的可拋光性,可加工成優質的鏡面,且不易產生變形和熱應變。通過特殊的減重結構設計,可以實現結構件的高度輕量化,在集成電路制造裝備領域應用廣泛。
碳化硅陶瓷具有優良的常溫力學性能、優異的高溫穩定性以及良好的比剛度和光學加工性能,特別適合用于制備光刻機等集成電路裝備用精密陶瓷結構件,如光刻機用SiC陶瓷工件臺、導軌、反射鏡、陶瓷吸盤、手臂、水冷盤、吸盤等。

圖 ?光刻機用碳化硅水冷盤和吸盤,圖源:伏爾肯招股書

3、半導體裝備用碳化硅結構件的技術難點

集成電路核心裝備用精密陶瓷結構件多具有“大、厚、空、薄、輕、精”的特點,但是,由于碳化硅是 Si-C 鍵很強的共價鍵化合物,具有極高的硬度和顯著的脆性,精密加工難度大;此外,碳化硅熔點高,難以實現致密、近凈尺寸燒結。在制備碳化硅結構件時,存在諸多技術難點與挑戰:

(1)如何實現中空閉孔結構,以達到高度輕量化的目標,對于具有中空閉孔結構的金屬結構件,通常采用釬焊和擴散焊工藝;但對于具有復雜和不成熟,易形成明顯的連接界面,造成連接層與基體的組成和性能差異較大等問題。

(2)如何實現碳化硅結構件的高形位精度,以實現高精度運動和定位的目標。碳化硅的硬度僅次于金剛石,導致碳化硅結構件的加工效率低、加工成本高,因此碳化硅結構件高形位精度的實現也是一個技術難點,尤其是在制備具有大尺寸、超薄、復雜結構特征的樣品和具有中空閉孔結構的樣品時,該問題尤為突出。

(3)如何減少或避免碳化硅制品在成型、干燥、燒結及后續精密加工過程中的殘余應力,提高制品質量和成品率。碳化硅坯體在干燥和燒結過程中,因為水分的排除和有機物的燒失,容易產生不均勻的收縮,造成坯體出現出現開裂和變形等缺陷,并在坯體內部引入殘余應力,且在燒結后的精密加工過程中,有可能引發制品內部的裂紋擴展,導致裂紋等缺陷,降低制品的成品率。
大尺寸、復雜異形中空結構的精密碳化硅結構件的制備難度較高,目前集成電路制造裝備用碳化硅陶瓷市場主要由國外企業占據,日本Kyocera、美國CoorsTek等,國內有中國建材總院、寧波伏爾肯等。我國在集成電路裝備用精密碳化硅結構件的制備技術和應用推廣研究起步較晚,與國際領先企業仍有差距。

資料來源:

《光刻機用精密碳化硅陶瓷部件制備技術》,劉海林,霍艷麗,胡傳奇等;

《聚焦集成電路核心裝備用精密碳化硅結構件》,胡傳奇.

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2024年半導體陶瓷產業論壇

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耐等離子腐蝕的氧化釔陶瓷的開發與應用

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高強度高耐磨的氮化硅陶瓷材料的開發

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碳化硅陶瓷結構件在集成電路制造關鍵裝備中的應用

擬邀請碳化硅陶瓷企業/高校研究所

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半導體裝備用陶瓷靜電卡盤關鍵技術

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高純氧化鋁陶瓷制備工藝及其在半導體領域的應用

擬邀請氧化鋁陶瓷企業/高校研究所

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真空釬焊設備在半導體領域的應用

擬邀請真空釬焊企業/高校研究所

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高精度復雜形狀碳化硅陶瓷制備工藝研究

擬邀請碳化硅陶瓷企業/高校研究所

16

半導體設備用陶瓷的成型工藝技術

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17

高強度氮化硅粉體制備工藝技術及產業化

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覆銅陶瓷基板的失效機理分析及可靠性設計

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作者 ab

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