Präzisions-Siliziumkarbid-Keramikbauteile auf Fotolithografieanlagen.

Eigenschaften und Anforderungen an präzisionsgefertigte keramische Strukturbauteile für Halbleiteranlagen

Die Schlüsselkomponenten für die Herstellung integrierter Schaltkreise erfordern Werkstoffe mit Eigenschaften wie hoher Reinheit, hoher Dichte, hoher Festigkeit, hohem Elastizitätsmodul, hoher Wärmeleitfähigkeit und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Darüber hinaus müssen die Strukturbauteile eine extrem hohe Maßgenauigkeit und strukturelle Komplexität aufweisen, um eine hochpräzise Bewegung und Steuerung der Anlagen zu gewährleisten.

Am Beispiel des Arbeitstisches einer Lithografiemaschine lässt sich die Hauptfunktion veranschaulichen: Er dient der Aufnahme des Siliziumwafers und der Maske und führt den Belichtungsprozess durch. Seine Leistungsfähigkeit beeinflusst direkt die Ausbeute und die Auflösung. Der Arbeitstisch muss hohe Geschwindigkeiten, gleichmäßige, lange Hübe und sechs Freiheitsgrade für ultrapräzise Bewegungen im Nanometerbereich ermöglichen. Bei einer Lithografiemaschine mit einer Auflösung von 100 nm, einer Überlagerungsgenauigkeit von 33 nm und einer Linienbreite von 10 nm muss die Positioniergenauigkeit des Arbeitstisches 10 nm erreichen. Gleichzeitig sollten die Schritt- und Scangeschwindigkeiten der Maske zum Siliziumwafer 150 nm/s bzw. 120 nm/s betragen, wobei die Maskenscangeschwindigkeit nahezu 500 nm/s erreichen sollte. Darüber hinaus muss der Arbeitstisch eine sehr hohe Bewegungspräzision und -stabilität aufweisen.

Daher müssen die Präzisionsbauteile der Werkstückplattform folgende Anforderungen erfüllen:

(1) Leicht Konstruktion: Um das Trägheitsmoment zu verringern, die Belastung des Motors zu reduzieren und die Bewegungseffizienz, die Positioniergenauigkeit und die Stabilität zu verbessern, werden die Strukturkomponenten im Allgemeinen in Leichtbauweise ausgeführt, wodurch eine Gewichtsreduzierung von 60 bis 80 % und maximal bis zu 90 % erreicht wird;

(2) Hohe geometrische Präzision: Um eine hohe Präzision bei Bewegung und Positionierung zu erreichen, müssen die Bauteile eine extrem hohe geometrische Präzision aufweisen, wobei die Anforderungen an Ebenheit, Parallelität und Rechtwinkligkeit unter 1 μm und die Anforderungen an die Gesamtgenauigkeit unter 5 μm liegen müssen;

(3) Hohe Dimensionsstabilität: Um eine hohe Präzision bei Bewegung und Positionierung zu gewährleisten, müssen die Strukturbauteile eine hervorragende Dimensionsstabilität aufweisen, Dehnungen widerstehen und über eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten verfügen, um signifikante Dimensionsverformungen zu minimieren.

(4) Sauber und frei von Verunreinigungen: Strukturbauteile müssen einen extrem niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen, der zu minimalen kinetischen Energieverlusten während der Bewegung führt, und sollten frei von Verunreinigungen durch Schleifpartikel sein.

Die Anwendung von Silizium Hartmetallkeramiks in Lithographiemaschinen

Siliziumkarbid ist ein strukturell überlegener keramischer Werkstoff, der sich durch hohe Festigkeit, Härte, hohen Elastizitätsmodul, hohe spezifische Steifigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ausgezeichnete chemische Stabilität auszeichnet. Es findet breite Anwendung in Bereichen wie der Petrochemie, dem Maschinenbau, der Nuklearindustrie und der Mikroelektronik. Siliziumkarbid weist einen sehr hohen Elastizitätsmodul, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen moderaten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und lässt sich zudem hervorragend polieren, wodurch es zu hochglänzenden Spiegeloberflächen verarbeitet werden kann. Gleichzeitig ist es beständig gegen Verformung und thermische Belastung. Durch spezielle Leichtbaukonstruktionen kann eine erhebliche Gewichtsreduzierung der Bauteile erreicht werden, was Siliziumkarbid für den Einsatz in Anlagen zur Herstellung integrierter Schaltungen prädestiniert.

Siliziumkarbidkeramiken weisen hervorragende mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur, eine ausgezeichnete Hochtemperaturstabilität sowie eine gute spezifische Steifigkeit und optische Bearbeitbarkeit auf. Sie eignen sich besonders für die Herstellung von Präzisionskeramikbauteilen für integrierte Schaltungen, wie z. B. SiC-Keramik-Arbeitstische, Führungsschienen, Spiegel, Keramik-Saugfüße und -Arme. Kühlplattenund Saugvorrichtungen, die in Lithographiemaschinen verwendet werden.

Technische Herausforderungen von Siliziumkarbid-Strukturbauteilen für Halbleiteranlagen

Kernkomponenten für integrierte Schaltungen mit präzisionsgefertigten Keramikbauteilen zeichnen sich typischerweise durch die Eigenschaften „groß, dick, hohl, dünn, leicht und präzise“ aus. Da Siliciumcarbid jedoch eine kovalente Verbindung mit starken Si-C-Bindungen ist, besitzt es eine extrem hohe Härte und eine ausgeprägte Sprödigkeit, was die Präzisionsbearbeitung erschwert. Hinzu kommt der hohe Schmelzpunkt von Siliciumcarbid, der das Erreichen einer dichten, endformnahen Sinterung kompliziert. Bei der Herstellung von Siliciumcarbid-Bauteilen treten daher verschiedene technische Schwierigkeiten und Herausforderungen auf:

(1) Wie lassen sich hohle, geschlossenporige Strukturen für hohe Leichtbauanforderungen realisieren? Für metallische Strukturbauteile mit hohlen, geschlossenporigen Strukturen werden üblicherweise Löt- und Diffusionsschweißverfahren eingesetzt. Bei komplexen und noch nicht ausgereiften Strukturen können jedoch deutliche Grenzflächen entstehen, die zu signifikanten Unterschieden in Zusammensetzung und Eigenschaften zwischen der Verbindungsschicht und dem Grundmaterial führen.

(2) Wie lässt sich eine hohe geometrische Genauigkeit bei Siliziumkarbid-Strukturbauteilen erzielen, um präzise Bewegungen und Positionierungen zu ermöglichen? Siliziumkarbid ist nach Diamant das zweithärteste Metall, was zu einer geringen Bearbeitungseffizienz und hohen Kosten bei der Herstellung von Siliziumkarbid-Strukturbauteilen führt. Die Realisierung einer hohen geometrischen Genauigkeit stellt daher eine technische Herausforderung dar, insbesondere bei der Fertigung von Proben mit großen Abmessungen, ultradünnen Strukturen und komplexen Strukturen, insbesondere solchen mit hohlen, geschlossenen Poren.

(3) Wie lassen sich Eigenspannungen beim Formen, Trocknen, Sintern und der anschließenden Präzisionsbearbeitung von Siliciumcarbid-Produkten reduzieren oder vermeiden, um die Produktqualität und -ausbeute zu verbessern? Beim Trocknen und Sintern von Siliciumcarbid-Grünlingen kann es aufgrund von Feuchtigkeitsverlust und organischem Materialverlust leicht zu ungleichmäßiger Schrumpfung kommen. Dies führt zu Defekten wie Rissen und Verformungen und erzeugt Eigenspannungen im Material. Darüber hinaus kann dies bei der anschließenden Präzisionsbearbeitung nach dem Sintern die Rissausbreitung im Produkt begünstigen und ebenfalls zu Defekten wie Rissen führen, wodurch die Produktausbeute sinkt. Die Herstellung von großflächigen, komplexen und unregelmäßigen Hohlstruktur-Siliciumcarbid-Präzisionsbauteilen stellt eine große Herausforderung dar.

Derzeit wird der Markt für Siliziumkarbidkeramik für Anlagen zur Herstellung integrierter Schaltungen hauptsächlich von ausländischen Unternehmen wie dem japanischen Konzern Kyocera und dem amerikanischen Unternehmen CoorsTek dominiert, während zu den chinesischen Unternehmen die China Building Material Academy und Ningbo Vulcan zählen. Chinas Forschung und Entwicklung im Bereich der Fertigungstechnologie und Anwendungsförderung von Präzisionsbauteilen aus Siliziumkarbid für Anlagen zur Herstellung integrierter Schaltungen begann vergleichsweise spät und hinkt international führenden Unternehmen noch hinterher.