Céramique SiC : le matériau indispensable pour les composants de haute précision dans la fabrication de semi-conducteurs

Le SiC possède une combinaison unique de propriétés souhaitables, notamment une densité élevée, une conductivité thermique élevée, une résistance à la flexion élevée, un module d'élasticité élevé, une forte résistance à la corrosion et une excellente stabilité à haute température. Sa résistance à la déformation par contrainte de flexion et aux contraintes thermiques le rend exceptionnellement bien adapté aux environnements difficiles, corrosifs et à ultra haute température rencontrés dans les processus de fabrication critiques tels que l'épitaxie et la gravure de tranches. Par conséquent, le SiC a trouvé de nombreuses applications dans diverses étapes de fabrication de semi-conducteurs, notamment le meulage et le polissage, le traitement thermique (recuit, oxydation, diffusion), la lithographie, le dépôt, la gravure et l'implantation ionique.

1. Meulage et polissage : suscepteurs de meulage SiC

Après le découpage des lingots, les tranches présentent souvent des arêtes vives, des bavures, des écailles, des microfissures et d'autres imperfections. Pour éviter que ces défauts ne compromettent la résistance de la tranche, la qualité de la surface et les étapes de traitement ultérieures, un processus de meulage est utilisé. Le meulage lisse les bords de la tranche, réduit les variations d'épaisseur, améliore le parallélisme de la surface et élimine les dommages causés par le processus de découpage. Le meulage double face à l'aide de plaques de meulage est la méthode la plus courante, avec des progrès continus dans le matériau des plaques, la pression de meulage et la vitesse de rotation améliorant constamment la qualité des plaquettes.

Mécanisme de meulage double face

Traditionnellement, les plaques de broyage étaient principalement en fonte ou en acier au carbone. Cependant, ces matériaux souffrent d'une courte durée de vie, de coefficients de dilatation thermique élevés et d'une susceptibilité à l'usure et à la déformation thermique, en particulier lors du meulage ou du polissage à grande vitesse, ce qui rend difficile l'obtention d'une planéité et d'un parallélisme constants des plaquettes. L'avènement des plaques de meulage en céramique SiC, avec leur dureté exceptionnelle, leur faible taux d'usure et leur coefficient de dilatation thermique proche du silicium, a conduit au remplacement progressif de la fonte et de l'acier au carbone. Ces propriétés rendent les plaques de meulage SiC particulièrement avantageuses pour les processus de meulage et de polissage à grande vitesse.

2. Traitement thermique : supports de plaquettes SiC et composants de la chambre de réaction

Les étapes de traitement thermique telles que l'oxydation, la diffusion, le recuit et l'alliage font partie intégrante de la fabrication des plaquettes. Les composants céramiques SiC jouent un rôle crucial dans ces processus, principalement en tant que supports de tranches pour le transport entre les étapes de traitement et en tant que composants dans les chambres de réaction des équipements de traitement thermique.

(1)Effecteurs finaux en céramique (bras) :

Lors de la production de plaquettes de silicium, un traitement à haute température est souvent nécessaire. Les bras mécaniques équipés d'effecteurs terminaux spécialisés sont couramment utilisés pour le transport, la manipulation et le positionnement de tranches de semi-conducteurs. Ces bras doivent fonctionner dans des environnements de salle blanche, souvent sous vide, à haute température et dans des environnements de gaz corrosifs, exigeant une résistance mécanique, une résistance à la corrosion, une stabilité à haute température, une résistance à l'usure, une dureté et une isolation électrique élevées. Bien que plus coûteux et plus difficiles à fabriquer, les bras en céramique SiC surpassent les alternatives en alumine pour répondre à ces exigences strictes.

Effecteur final en céramique Semicorex SiC

(2) Composants de la chambre de réaction :

Les équipements de traitement thermique, tels que les fours d'oxydation (horizontaux et verticaux) et les systèmes de traitement thermique rapide (RTP), fonctionnent à des températures élevées, ce qui nécessite des matériaux hautes performances pour leurs composants internes. Les composants SiC frittés de haute pureté, avec leur résistance, leur dureté, leur module d'élasticité, leur rigidité, leur conductivité thermique et leur faible coefficient de dilatation thermique supérieurs, sont indispensables pour la construction des chambres de réaction de ces systèmes. Les composants clés comprennent des bateaux verticaux, des socles, des tubes de revêtement, des chambres à air et des déflecteurs.

Composants de la chambre de réaction

3. Lithographie : platines SiC et miroirs en céramique

La lithographie, une étape critique dans la fabrication des semi-conducteurs, utilise un système optique pour focaliser et projeter la lumière sur la surface de la plaquette, transférant ainsi les motifs du circuit pour une gravure ultérieure. La précision de ce processus dicte directement les performances et le rendement des circuits intégrés. En tant qu’équipement le plus sophistiqué dans la fabrication de puces, une machine de lithographie comprend des centaines de milliers de composants. Pour garantir les performances et la précision des circuits, des exigences strictes sont imposées à la précision des éléments optiques et des composants mécaniques du système de lithographie. Les céramiques SiC jouent un rôle essentiel dans ce domaine, principalement dans les platines de tranches et les miroirs en céramique.

Architecture du système de lithographie

(1)Étapes de la plaquette :

Les étapes de lithographie sont chargées de maintenir la plaquette et d'effectuer des mouvements précis pendant l'exposition. Avant chaque exposition, la plaquette et la platine doivent être alignées avec une précision nanométrique, suivie d'un alignement entre le photomasque et la platine pour garantir un transfert de motif précis. Cela nécessite un contrôle automatisé de la scène à grande vitesse, fluide et très précis, avec une précision de l’ordre du nanomètre. Pour répondre à ces exigences, les platines de lithographie utilisent souvent des céramiques SiC légères présentant une stabilité dimensionnelle exceptionnelle, de faibles coefficients de dilatation thermique et une résistance à la déformation. Cela minimise l'inertie, réduit la charge du moteur et améliore l'efficacité du mouvement, la précision du positionnement et la stabilité.

(2)Miroirs en céramique :

Le contrôle synchronisé du mouvement entre l’étage de la tranche et l’étage du réticule est crucial en lithographie, car il a un impact direct sur la précision et le rendement globaux du processus. Les miroirs de scène font partie intégrante du système de mesure de balayage de scène et de rétroaction de positionnement. Ce système utilise des interféromètres pour émettre des faisceaux de mesure qui se reflètent sur les miroirs de la scène. En analysant les faisceaux réfléchis à l'aide du principe Doppler, le système calcule les changements de position de la platine en temps réel, fournissant un retour d'information au système de contrôle de mouvement pour assurer une synchronisation précise entre la platine de plaquette et la platine de réticule. Bien que les céramiques SiC légères conviennent à cette application, la fabrication de composants aussi complexes présente des défis importants. Actuellement, les principaux fabricants d’équipements de circuits intégrés utilisent principalement de la vitrocéramique ou de la cordiérite à cette fin. Cependant, grâce aux progrès de la science des matériaux et des techniques de fabrication, les chercheurs de la China Building Materials Academy ont réussi à fabriquer des miroirs en céramique SiC de grande taille, de forme complexe, légers et entièrement fermés, ainsi que d'autres composants optiques structurels et fonctionnels pour les applications de lithographie.

(3)Films minces de photomasque :

Les photomasques, également appelés réticules, sont utilisés pour transmettre sélectivement la lumière et créer des motifs sur des matériaux photosensibles. Cependant, l’irradiation par la lumière EUV peut provoquer un échauffement important du photomasque, pouvant atteindre des températures comprises entre 600 et 1 000 degrés Celsius, entraînant des dommages thermiques. Pour atténuer ce problème, un film mince de SiC est souvent déposé sur le photomasque afin d'améliorer sa stabilité thermique et d'éviter sa dégradation.

4. Gravure et dépôt au plasma : anneaux de mise au point et autres composants

Dans la fabrication de semi-conducteurs, les processus de gravure utilisent des plasmas générés à partir de gaz ionisés (par exemple, des gaz contenant du fluor) pour éliminer sélectivement les matériaux indésirables de la surface de la tranche, laissant derrière eux les motifs de circuit souhaités. À l’inverse, le dépôt de couches minces consiste à déposer des matériaux isolants entre des couches métalliques pour former des couches diélectriques, semblable à un processus de gravure inverse. Les deux procédés utilisent la technologie plasma, qui peut être corrosive pour les composants de la chambre. Par conséquent, ces composants nécessitent une excellente résistance au plasma, une faible réactivité avec les gaz contenant du fluor et une faible conductivité électrique.

Traditionnellement, les composants des équipements de gravure et de dépôt, tels que les bagues de focalisation, étaient fabriqués à partir de matériaux comme le silicium ou le quartz. Cependant, la tendance incessante vers la miniaturisation des circuits intégrés (CI) a considérablement accru la demande et l’importance des processus de gravure de haute précision. Cette miniaturisation nécessite l’utilisation de plasmas à haute énergie pour une gravure précise à l’échelle micrométrique afin d’obtenir des caractéristiques de plus petite taille et des structures de dispositifs de plus en plus complexes.

En réponse à cette demande, le carbure de silicium (SiC) par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est devenu le matériau préféré pour les revêtements et les composants des équipements de gravure et de dépôt. Ses propriétés physiques et chimiques supérieures, notamment une pureté et une uniformité élevées, le rendent exceptionnellement bien adapté à cette application exigeante. Actuellement, les composants CVD SiC dans les équipements de gravure comprennent des bagues de focalisation, des pommes de douche à gaz, des plateaux et des anneaux de bord. Dans les équipements de dépôt, le CVD SiC est utilisé pour les couvercles de chambre, les revêtements et les suscepteurs en graphite recouverts de SiC.

Bague de mise au point et suscepteur en graphite recouvert de SiC

La faible réactivité du CVD SiC avec les gaz de gravure à base de chlore et de fluor, associée à sa faible conductivité électrique, en fait un matériau idéal pour des composants tels que les bagues de focalisation dans les équipements de gravure au plasma. Un anneau de focalisation, positionné autour de la périphérie de la tranche, est un composant essentiel qui focalise le plasma sur la surface de la tranche en appliquant une tension à l'anneau, améliorant ainsi l'uniformité du traitement.

À mesure que la miniaturisation des circuits intégrés progresse, les besoins en puissance et en énergie des plasmas de gravure continuent d'augmenter, en particulier dans les équipements de gravure à plasma à couplage capacitif (CCP). Par conséquent, l’adoption de bagues de mise au point basées sur SiC augmente rapidement en raison de leur capacité à résister à ces environnements plasma de plus en plus agressifs.**

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