Compoñentes cerámicos de carburo de silicio de precisión en equipos de fotolitografía.

As características e os requisitos dos compoñentes estruturais cerámicos de precisión para equipos semicondutores

O equipamento clave para a fabricación de circuítos integrados require que os materiais dos compoñentes posúan características como alta pureza, alta densidade, alta resistencia, alto módulo elástico, alta condutividade térmica e baixo coeficiente de expansión térmica. Ademais, os compoñentes estruturais deben ter unha precisión dimensional e unha complexidade estrutural extremadamente altas para garantir que o equipo poida lograr un movemento e un control de ultra precisión.

Tomando como exemplo a plataforma de traballo nunha máquina de litografía, a función principal da plataforma de traballo é soportar a oblea de silicio e a máscara e completar o proceso de exposición, e o seu rendemento afecta directamente ao rendemento e á resolución. A plataforma de traballo debe lograr trazos longos suaves e de alta velocidade e seis graos de liberdade para un movemento de ultraprecisión a nivel nanométrico. Para unha máquina de litografía cunha resolución de 100 nm, unha precisión de superposición de 33 nm e un ancho de liña de 10 nm, a precisión de posicionamento da plataforma de traballo debe alcanzar os 10 nm, mentres que as velocidades simultáneas de paso e dixitalización da máscara á oblea de silicio deben alcanzar os 150 nm/s e os 120 nm/s, respectivamente, cunha velocidade de dixitalización da máscara que se aproxima aos 500 nm/s. Ademais, a plataforma de traballo debe posuír unha precisión e estabilidade de movemento moi altas.

Polo tanto, os compoñentes estruturais de precisión da plataforma da peza de traballo deben cumprir os seguintes requisitos:

(1) Lixeiro deseño: Para reducir o momento de inercia, diminuír a carga do motor e mellorar a eficiencia do movemento, a precisión do posicionamento e a estabilidade, os compoñentes estruturais xeralmente adoptan un deseño lixeiro, conseguindo unha taxa de redución de peso do 60% ao 80%, cun máximo de ata o 90%;

(2) Alta precisión xeométrica: para lograr unha alta precisión no movemento e no posicionamento, os compoñentes estruturais deben posuír unha precisión xeométrica extremadamente alta, con esixencias de planitude, paralelismo e perpendicularidade inferiores a 1 μm e uns requisitos de precisión xeométrica global inferiores a 5 μm;

(3) Alta estabilidade dimensional: para garantir unha alta precisión no movemento e no posicionamento, os compoñentes estruturais deben presentar unha excelente estabilidade dimensional, resistencia á deformación, cunha alta condutividade térmica e un baixo coeficiente de expansión térmica para minimizar a deformación dimensional significativa;

(4) Limpo e libre de contaminación: os compoñentes estruturais deben ter un coeficiente de fricción extremadamente baixo, o que resulta nunha perda mínima de enerxía cinética durante o movemento, e deben estar libres de contaminación por partículas de moenda.

A aplicación do silicio Cerámica de carburos en máquinas de litografía

O carburo de silicio é un tipo de material cerámico estruturalmente superior, caracterizado por unha alta resistencia, alta dureza, alto módulo elástico, alta rixidez específica, alta condutividade térmica, baixo coeficiente de expansión térmica e excelente estabilidade química. Aplícase amplamente en campos como a petroquímica, a fabricación de maquinaria, a industria nuclear e a microelectrónica. O carburo de silicio presenta un módulo elástico moi alto, unha condutividade térmica e un coeficiente de expansión térmica moderado, xunto cunha excepcional capacidade de pulido que permite mecanizalo en superficies de espello de alta calidade, sendo ao mesmo tempo resistente á deformación e á tensión térmica. Mediante un deseño estrutural lixeiro especializado, pódese conseguir un alto grao de redución de peso para os compoñentes estruturais, o que o fai amplamente utilizado no campo dos equipos de fabricación de circuítos integrados.

As cerámicas de carburo de silicio presentan excelentes propiedades mecánicas a temperatura ambiente, unha destacada estabilidade a altas temperaturas, así como unha boa rixidez específica e capacidades de procesamento óptico. Son especialmente axeitadas para a preparación de compoñentes estruturais cerámicos de precisión para equipos de circuítos integrados, como mesas de traballo cerámicas de SiC, carrís guía, espellos, ventosas cerámicas, brazos, placas de arrefriamentoe dispositivos de succión empregados nas máquinas de litografía.

Desafíos técnicos dos compoñentes estruturais de carburo de silicio para equipos semicondutores

Os equipos principais para circuítos integrados con pezas estruturais cerámicas de precisión adoitan presentar características de ser "grandes, grosas, ocas, delgadas, lixeiras e precisas". Non obstante, debido a que o carburo de silicio é un composto covalente con fortes enlaces Si-C, posúe unha dureza extremadamente alta e unha fraxilidade significativa, o que dificulta o procesamento de precisión. Ademais, o carburo de silicio ten un punto de fusión alto, o que complica a consecución dunha sinterización densa e case de forma neta. Durante a fabricación de pezas estruturais de carburo de silicio, existen varias dificultades e desafíos técnicos:

(1) Como conseguir estruturas ocas de poros pechados para cumprir obxectivos de lixeireza elevados. Para pezas estruturais metálicas con estruturas ocas de poros pechados, adoitan empregarse procesos de soldadura por soldadura por difusión; pero para aquelas con características complexas e inmaturas, poden formarse interfaces de conexión perceptibles, o que leva a diferenzas significativas na composición e no rendemento entre a capa de conexión e o substrato.

(2) Como conseguir unha alta precisión xeométrica para as pezas estruturais de carburo de silicio para permitir un movemento e un posicionamento precisos. A dureza do carburo de silicio só é superada por do diamante, o que resulta nunha baixa eficiencia de procesamento e nuns custos elevados para as pezas estruturais de carburo de silicio, o que fai que a consecución dunha alta precisión xeométrica sexa un desafío técnico, especialmente ao preparar mostras con grandes tamaños, características ultrafinas e estruturas complexas, especialmente aquelas con estruturas ocas de poros pechados.

(3) Como reducir ou evitar a tensión residual na conformación, secado, sinterización e posterior procesamento de precisión de produtos de carburo de silicio para mellorar a calidade e o rendemento do produto. Durante o secado e a sinterización de corpos verdes de carburo de silicio, pode producirse facilmente unha contracción desigual debido á eliminación de humidade e á perda de materia orgánica, o que leva a defectos como gretas e deformacións, e introduce tensión residual dentro do corpo. Ademais, no posterior procesamento de precisión despois da sinterización, isto pode desencadear a propagación de gretas dentro dos produtos, o que resulta en defectos como gretas, reducindo así o rendemento do produto. A fabricación de pezas estruturais de carburo de silicio de precisión de gran tamaño, complexas e irregulares con estrutura oca é moi complexa.

Actualmente, o mercado da cerámica de carburo de silicio para equipos de fabricación de circuítos integrados está dominado principalmente por empresas estranxeiras como Kyocera do Xapón e CoorsTek da América, mentres que entre as empresas nacionais están China Building Material Academy e Ningbo Vulcan. A investigación e o desenvolvemento chinés na tecnoloxía de fabricación e a promoción da aplicación de pezas estruturais de carburo de silicio de precisión para equipos de circuítos integrados comezou relativamente tarde e aínda está por detrás das empresas líderes internacionais.