Composants en céramique de carbure de silicium de précision sur équipement de photolithographie.

Caractéristiques et exigences des composants structurels en céramique de précision pour équipements semi-conducteurs

Les équipements clés pour la fabrication de circuits intégrés exigent que les matériaux qui les composent présentent des caractéristiques telles qu'une pureté élevée, une densité élevée, une résistance élevée, un module d'élasticité élevé, une conductivité thermique élevée et un faible coefficient de dilatation thermique. De plus, les composants structurels doivent présenter une précision dimensionnelle et une complexité structurelle extrêmement élevées afin de garantir que l'équipement puisse atteindre des mouvements et un contrôle ultra-précis.

Prenons l'exemple de la platine porte-objet d'une machine de lithographie. Sa fonction principale est de supporter la plaquette de silicium et le masque, et de réaliser l'exposition. Ses performances influent directement sur le rendement et la résolution. La platine porte-objet doit permettre des déplacements rapides, fluides et longs, ainsi que six degrés de liberté pour une précision nanométrique extrême. Pour une machine de lithographie d'une résolution de 100 nm, d'une précision de superposition de 33 nm et d'une largeur de ligne de 10 nm, la précision de positionnement de la platine porte-objet doit atteindre 10 nm. Les vitesses de déplacement et de balayage simultanés du masque sur la plaquette de silicium doivent atteindre respectivement 150 nm/s et 120 nm/s, la vitesse de balayage du masque approchant les 500 nm/s. De plus, la platine porte-objet doit présenter une précision et une stabilité de mouvement très élevées.

Par conséquent, les composants structurels de précision de la plateforme de la pièce à usiner doivent répondre aux exigences suivantes :

(1) Léger conception : Afin de réduire le moment d'inertie, de diminuer la charge sur le moteur et d'améliorer l'efficacité du mouvement, la précision du positionnement et la stabilité, les composants structurels adoptent généralement une conception légère, atteignant un taux de réduction de poids de 60 % à 80 %, avec un maximum allant jusqu'à 90 % ;

(2) Haute précision géométrique : Pour atteindre une haute précision dans le mouvement et le positionnement, les composants structurels doivent posséder une précision géométrique extrêmement élevée, avec des exigences de planéité, de parallélisme et de perpendicularité inférieures à 1 μm et des exigences de précision géométrique globales inférieures à 5 μm ;

(3) Stabilité dimensionnelle élevée : Pour assurer une grande précision dans le mouvement et le positionnement, les composants structurels doivent présenter une stabilité dimensionnelle exceptionnelle, résister à la contrainte, avec une conductivité thermique élevée et un faible coefficient de dilatation thermique pour minimiser la déformation dimensionnelle significative ;

(4) Propreté et absence de contamination : Les composants structurels doivent avoir un coefficient de frottement extrêmement faible, ce qui entraîne une perte d'énergie cinétique minimale pendant le mouvement, et doivent être exempts de contamination par des particules de broyage.

L'application du silicium Céramique de carburemachines de lithographie

Le carbure de silicium est un matériau céramique aux propriétés structurelles supérieures, caractérisé par une résistance, une dureté, un module d'élasticité et une rigidité spécifique élevés, une conductivité thermique élevée, un faible coefficient de dilatation thermique et une excellente stabilité chimique. Il est largement utilisé dans des secteurs tels que la pétrochimie, la construction mécanique, l'industrie nucléaire et la microélectronique. Le carbure de silicium présente un module d'élasticité et une conductivité thermique très élevés, ainsi qu'un coefficient de dilatation thermique modéré. Son polissage exceptionnel permet d'obtenir des surfaces de haute qualité, semblables à des miroirs, tout en résistant à la déformation et aux contraintes thermiques. Grâce à une conception structurelle allégée, il est possible de réduire considérablement le poids des composants, ce qui explique son utilisation répandue dans la fabrication de circuits intégrés.

Les céramiques en carbure de silicium présentent d'excellentes propriétés mécaniques à température ambiante, une stabilité remarquable à haute température, ainsi qu'une bonne rigidité spécifique et d'excellentes aptitudes au traitement optique. Elles sont particulièrement adaptées à la fabrication de composants structuraux en céramique de précision pour les équipements de circuits intégrés, tels que des plateaux de travail, des rails de guidage, des miroirs, des ventouses et des bras en céramique SiC. plaques de refroidissementet les dispositifs d'aspiration utilisés dans les machines de lithographie.

Défis techniques liés aux composants structuraux en carbure de silicium pour les équipements semi-conducteurs

Les composants essentiels des circuits intégrés comportant des pièces structurelles en céramique de précision présentent généralement les caractéristiques suivantes : grande taille, épaisseur, structure creuse, finesse, légèreté et précision. Cependant, le carbure de silicium, composé covalent aux liaisons Si-C fortes, possède une dureté extrêmement élevée et une fragilité importante, ce qui rend son usinage de précision complexe. De plus, son point de fusion élevé complique l’obtention d’un frittage dense et quasi-définitif. La fabrication de pièces structurelles en carbure de silicium soulève plusieurs difficultés et défis techniques :

(1) Comment obtenir des structures creuses à pores fermés pour atteindre des objectifs de légèreté élevés ? Pour les pièces métalliques structurelles à structures creuses à pores fermés, on utilise généralement le brasage et le soudage par diffusion ; mais pour celles présentant des caractéristiques complexes et encore imparfaites, des interfaces de liaison notables peuvent se former, entraînant des différences significatives de composition et de performance entre la couche de liaison et le substrat.

(2) Comment obtenir une précision géométrique élevée pour les pièces structurelles en carbure de silicium afin de permettre un mouvement et un positionnement précis ? La dureté du carbure de silicium n’est surpassée que par celle du diamant, ce qui entraîne une faible efficacité de traitement et des coûts élevés pour les pièces structurelles en carbure de silicium. L’obtention d’une précision géométrique élevée représente donc un défi technique, notamment lors de la préparation d’échantillons de grandes dimensions, de structures ultra-minces et complexes, en particulier celles présentant des structures creuses à pores fermés.

(3) Comment réduire ou éviter les contraintes résiduelles lors de la mise en forme, du séchage, du frittage et de l'usinage de précision ultérieur des produits en carbure de silicium afin d'améliorer leur qualité et leur rendement ? Lors du séchage et du frittage des ébauches en carbure de silicium, un retrait irrégulier peut facilement se produire en raison de l'élimination de l'humidité et de la perte de matière organique, entraînant des défauts tels que des fissures et des déformations, et introduisant des contraintes résiduelles dans le produit. De plus, lors de l'usinage de précision ultérieur après frittage, cela peut déclencher la propagation de fissures, provoquant des défauts tels que des craquelures et réduisant ainsi le rendement. La fabrication de pièces structurelles de précision en carbure de silicium, de grande taille, complexes et de structure creuse irrégulière, représente un défi de taille.

Actuellement, le marché des céramiques en carbure de silicium pour les équipements de fabrication de circuits intégrés est principalement dominé par des entreprises étrangères telles que le japonais Kyocera et l'américain CoorsTek, tandis que des entreprises chinoises comme la China Building Material Academy et Ningbo Vulcan y contribuent. La recherche et le développement en Chine concernant les technologies de fabrication et la promotion des applications des composants structuraux de précision en carbure de silicium pour les équipements de circuits intégrés ont débuté relativement tard et la Chine reste en retrait par rapport aux leaders internationaux.