Na produção de semicondutores, o processamento de wafers depende não só de equipamento avançado e de wafers de elevada pureza, mas também de uma vasta gama de componentes consumíveis utilizados no interior das câmaras de processo, sistemas de limpeza, fornos térmicos e ambientes de manuseamento de wafers. Estes consumíveis podem assumir a forma de peças de suporte, peças de blindagem, suportes, anéis, barquinhas, tabuleiros, bicos, tubos, placas ou revestimentos. No entanto, o desempenho dos seus materiais afeta diretamente a estabilidade do processo, o controlo de partículas, o nível de contaminação, o rendimento das pastilhas e a vida útil do equipamento.
Consumíveis para pastilhas semicondutoras estão expostas a condições de processo adversas, incluindo bombardeamento por plasma, gases corrosivos, produtos químicos de elevada pureza, variações rápidas de temperatura, ambientes de vácuo e ciclos térmicos a altas temperaturas. Consequentemente, os materiais utilizados nestas peças têm de cumprir requisitos rigorosos em termos de pureza, resistência à corrosão, estabilidade térmica, resistência mecânica, precisão dimensional e baixa geração de partículas.
Os materiais mais comuns utilizados nos consumíveis para pastilhas semicondutoras incluem vidro de quartzo, carboneto de silício, cerâmica de alumina, silício, grafite, safira, nitreto de boro e revestimentos cerâmicos avançados. Cada material tem as suas próprias vantagens e limitações. Compreender estes materiais ajuda os engenheiros, compradores e utilizadores de equipamentos a selecionar os consumíveis adequados para processos de gravação, limpeza, oxidação, difusão, CVD, PVD, recozimento e outros processos relacionados com semicondutores.
1. O que são consumíveis para pastilhas semicondutoras?
Os consumíveis para pastilhas semicondutoras referem-se a componentes substituíveis ou sujeitos a manutenção regular, utilizados durante o fabrico e o processamento das pastilhas. Ao contrário das estruturas fixas do equipamento, espera-se que os consumíveis sofram desgaste, se degradem ou fiquem contaminados ao longo do tempo, sendo necessário substituí-los após um determinado período de utilização.
Os consumíveis típicos para pastilhas de semicondutores incluem:
- Barquinhos de bolacha
- Porta-wafers
- Anéis gravados
- Anéis de focagem
- Anéis de borda
- Anéis de proteção
- Susceptores
- Bandejas
- Tubos de processo
- Revestimentos de quartzo
- Bicos de gás
- Cestos de limpeza
- Suportes para pastilhas
- Pratos de cerâmica
- Peças de isolamento
- Escudos de câmara
- Peças para fornos de difusão
- Componentes das câmaras CVD e PECVD
Embora estas peças possam não ser componentes eletrónicos ativos, a sua qualidade pode influenciar significativamente o resultado final do processo de fabrico da pastilha. Um consumível mal selecionado pode introduzir partículas, contaminação metálica, deformação térmica, instabilidade do plasma ou corrosão química. Por conseguinte, a seleção de materiais consumíveis constitui uma parte importante da engenharia de processos de semicondutores.
2. Requisitos fundamentais para os materiais consumíveis para pastilhas
Os diferentes processos de semicondutores exigem propriedades diferentes dos materiais. No entanto, a maioria dos consumíveis para pastilhas partilha vários requisitos essenciais.
2.1 Alta pureza
Os processos de semicondutores são extremamente sensíveis à contaminação. As impurezas metálicas, tais como sódio, ferro, cobre, níquel, cálcio ou potássio, podem afetar o desempenho dos dispositivos. Por este motivo, os materiais consumíveis devem apresentar elevada pureza química e baixa libertação de impurezas.
2.2 Baixa geração de partículas
As partículas são uma das principais causas de defeitos na fabricação de pastilhas. Os consumíveis devem ser resistentes à abrasão, à erosão por plasma, à fissuração e ao descascamento da superfície. Um acabamento superficial liso e uma microestrutura estável são importantes para reduzir a geração de partículas.
2.3 Resistência química
Os processos de gravação e limpeza podem envolver gases à base de flúor, gases à base de cloro, plasma de oxigénio, ácidos fortes, álcalis fortes ou solventes de alta pureza. Os materiais consumíveis devem ser resistentes à corrosão em ambientes químicos específicos.
2.4 Estabilidade térmica
Os processos térmicos, tais como a difusão, a oxidação, o recozimento e o LPCVD, exigem materiais capazes de manter a forma e a resistência a temperaturas elevadas. É importante que apresentem baixa expansão térmica, elevado ponto de amolecimento e resistência ao choque térmico.
2.5 Precisão dimensional
O processamento de wafers requer frequentemente um posicionamento preciso. Os consumíveis, tais como porta-wafers, tabuleiros e anéis, devem respeitar tolerâncias rigorosas para garantir um posicionamento estável dos wafers, um fluxo de gás uniforme e a repetibilidade do processo.
2.6 Resistência do plasma
Nos sistemas de gravação e deposição por plasma, os consumíveis da câmara estão expostos ao bombardeamento de iões e a espécies reativas do plasma. Os materiais têm de resistir à erosão, minimizando simultaneamente a contaminação e a formação de partículas.
3. Consumíveis de vidro de quartzo
O vidro de quartzo é um dos materiais mais utilizados no processamento de pastilhas semicondutoras. É frequentemente utilizado em fornos de alta temperatura, sistemas de limpeza, equipamento de difusão, processos de oxidação e ambientes de manuseamento de pastilhas.
3.1 Consumíveis típicos de quartzo
Os consumíveis de quartzo incluem:
- Barquinhas para pastilhas de quartzo
- Tubos de quartzo para processos
- Revestimentos de quartzo
- Anéis de quartzo
- Flanges de quartzo
- Bandejas de quartzo
- Barras de quartzo
- Bicos de quartzo
- Tanques de limpeza de quartzo
- Copos de quartzo
- Suportes de quartzo
3.2 Vantagens do quartzo
O vidro de quartzo apresenta excelente resistência térmica, estabilidade química, transparência ótica e elevada pureza. É adequado para diversos ambientes de processamento químico e de alta temperatura. A sua baixa expansão térmica contribui para reduzir a tensão térmica durante o aquecimento e o arrefecimento.
O quartzo é especialmente comum em sistemas de fornos de difusão e oxidação, uma vez que consegue resistir a altas temperaturas, mantendo ao mesmo tempo um bom nível de limpeza.
3.3 Limitações do quartzo
Embora o quartzo apresente uma excelente pureza e desempenho térmico, pode amolecer a temperaturas muito elevadas e ser atacado por certas substâncias químicas que contêm flúor. O quartzo é também frágil, pelo que é necessário um manuseamento cuidadoso e um fabrico de precisão.
4. Consumíveis de carboneto de silício
O carboneto de silício é amplamente utilizado em processos de semicondutores que exigem resistência a altas temperaturas, resistência ao plasma e um elevado desempenho mecânico. É frequentemente utilizado em câmaras de gravação, suportes para altas temperaturas e ambientes de processo avançados.
4.1 Consumíveis típicos de SiC
Os consumíveis de carboneto de silício incluem:
- Anéis de focagem de SiC
- Anéis de borda em SiC
- Anéis de proteção em SiC
- Bandejas de SiC
- Suscetores de SiC
- Porta-pastilhas de SiC
- Barcos de SiC
- Revestimentos de SiC
- Bicos de SiC
- Peças de grafite revestidas com SiC
4.2 Vantagens do carboneto de silício
O carboneto de silício apresenta elevada dureza, excelente resistência ao desgaste, elevada condutividade térmica, forte resistência ao choque térmico e boa resistência ao plasma. Em comparação com o quartzo, o SiC apresenta um melhor desempenho em ambientes de plasma mais agressivos e a altas temperaturas.
Nos equipamentos de gravação por plasma, os anéis de SiC e os componentes da câmara ajudam a melhorar a estabilidade do processo e a reduzir a contaminação. Nos sistemas térmicos, os suportes e tabuleiros de SiC podem suportar as pastilhas em condições de alta temperatura, mantendo uma boa estabilidade dimensional.
4.3 Tipos de materiais de SiC
São utilizadas várias formas de carboneto de silício nos consumíveis para semicondutores:
- SiC sinterizado
- SiC ligado por reação
- CVD SiC
- Grafite revestida com SiC por CVD
- SiC recristalizado
O SiC obtido por CVD é especialmente valorizado em aplicações que exigem elevada pureza, devido à sua estrutura densa e à excelente qualidade da superfície. A grafite revestida com SiC é frequentemente utilizada quando é necessário um núcleo de grafite leve, aliado a uma superfície de SiC quimicamente estável.
5. Consumíveis cerâmicos de alumina
A cerâmica de alumina é outro material importante utilizado em equipamentos de semicondutores e sistemas de processamento de pastilhas. É amplamente utilizada pelas suas propriedades de isolamento, suporte mecânico, resistência ao desgaste e estabilidade química.
5.1 Consumíveis típicos de alumina
Os consumíveis cerâmicos de alumina incluem:
- Pratos de cerâmica
- Anéis isolantes
- Peças de suporte para wafer
- Equipamentos de limpeza
- Bicos de cerâmica
- Pinos de cerâmica
- Guias de cerâmica
- Braços de cerâmica
- Peças de isolamento da câmara
5.2 Vantagens da alumina
A alumina apresenta bom isolamento elétrico, elevada dureza, resistência ao desgaste e estabilidade térmica. É também uma opção económica em comparação com muitas cerâmicas avançadas. A alumina de alta pureza pode ser utilizada em ambientes de processo onde é exigida uma baixa contaminação.
5.3 Limitações da alumina
A alumina pode não ser adequada para todos os ambientes de plasma, especialmente quando é necessária uma geração de partículas extremamente baixa ou uma forte resistência ao plasma de flúor. A sua condutividade térmica é inferior à do carboneto de silício, sendo importante a seleção do tipo de material para utilização em semicondutores.
6. Consumíveis de silício
As peças de silício de alta pureza são frequentemente utilizadas em sistemas de gravação por plasma, especialmente nos casos em que a compatibilidade do material com as pastilhas de silício é importante.
6.1 Consumíveis típicos de silício
Os consumíveis de silício incluem:
- Anéis de focagem de silício
- Anéis de silício com rebordo
- Electrodos de silício
- Chuveiros de silicone
- Placas de silício
- Peças da câmara de silício
6.2 Vantagens do silício
Uma vez que o silício é o material de base da maioria das pastilhas semicondutoras, os consumíveis de silício podem reduzir o risco de introdução de contaminação por materiais estranhos. Nos processos de gravação de pastilhas de silício, as peças de silício podem proporcionar uma excelente compatibilidade com o ambiente do processo.
6.3 Limitações do silício
O silício apresenta uma resistência mecânica inferior à de algumas cerâmicas. Pode também sofrer erosão em ambientes de plasma, pelo que requer substituição periódica. Os componentes de silício de alta pureza exigem, normalmente, usinagem de precisão e um controlo cuidadoso da superfície.
7. Consumíveis de grafite e de grafite revestida com SiC
A grafite é utilizada em processos de semicondutores a altas temperaturas devido à sua excelente estabilidade térmica, maquinabilidade e estrutura leve. No entanto, a grafite em bruto pode gerar partículas ou libertar contaminação, pelo que é frequentemente revestida com SiC por CVD ou outros revestimentos protetores.
7.1 Consumíveis típicos à base de grafite
Os componentes de grafite e de grafite revestida com SiC incluem:
- Susceptores
- Elementos de aquecimento
- Operadoras
- Bandejas
- Acessórios para fornos
- Peças para processos de epitaxia
- Peças de suporte para CVD
7.2 Vantagens
A grafite apresenta um excelente desempenho a altas temperaturas e pode ser maquinada para assumir formas complexas. Quando revestida com SiC por CVD, a superfície torna-se mais estável do ponto de vista químico, mais densa e mais limpa para utilização em semicondutores.
7.3 Limitações
A qualidade do revestimento é fundamental. Se o revestimento apresentar poros, fissuras ou má aderência, o substrato de grafite poderá ficar exposto. Tal pode conduzir à contaminação por partículas ou a uma redução da vida útil.
8. Consumíveis Sapphire
A safira é um material de óxido de alumínio monocristalino com excelente dureza, transparência ótica, resistência química e estabilidade térmica. É utilizada em ambientes especiais de processamento de semicondutores e óticos.
8.1 Componentes típicos da Sapphire
Os consumíveis e peças de precisão da Sapphire incluem:
- Janelas de safira
- Tubos de safira
- Barras de safira
- Bicos de safira
- Pinos de safira
- Componentes óticos de safira
- Peças isolantes de safira
8.2 Vantagens da safira
A safira oferece excelente resistência a riscos, estabilidade a altas temperaturas e transmissão ótica. É especialmente útil em janelas de observação, sistemas de monitorização ótica, equipamentos de plasma e ambientes sujeitos a elevado desgaste.
8.3 Limitações
A safira é dura e difícil de usinar. É, geralmente, mais cara do que o quartzo ou a alumina. No caso de formas complexas, o custo de usinagem e o prazo de entrega podem ser mais elevados.
9. Consumíveis de nitreto de boro
O nitreto de boro é utilizado em aplicações de semicondutores e de alta temperatura, nas quais são necessários isolamento elétrico, estabilidade térmica e comportamento anti-molhabilidade.
9.1 Consumíveis típicos do BN
Os componentes de nitreto de boro incluem:
- Peças de isolamento
- Acessórios para fornos
- Componentes do cadinho
- Peças de suporte para wafer
- Espaçadores para altas temperaturas
- Revestimentos cerâmicos
9.2 Vantagens
O nitreto de boro apresenta boa resistência ao choque térmico, bom isolamento elétrico e boa usinabilidade. É adequado para determinados ambientes de alta temperatura e a vácuo.
9.3 Limitações
O BN é relativamente macio quando comparado com a alumina ou o SiC. A sua adequação depende fortemente do ambiente químico, da temperatura e da carga mecânica.
10. Materiais utilizados nos processos de gravação
Os processos de gravação estão entre os ambientes mais exigentes para os consumíveis das pastilhas. O plasma, os gases reativos, o bombardeamento iónico e os subprodutos da câmara podem desgastar rapidamente os componentes do processo.
Os materiais mais comuns utilizados nos consumíveis para gravação incluem:
| Material | Aplicação típica de gravação química |
|---|---|
| Carboneto de silício | Anéis de focagem, anéis de borda, revestimentos de câmara |
| Silício | Anéis de focagem, elétrodos, chuveiros |
| Quartzo | Anéis, revestimentos, janelas, peças de isolamento |
| Alúmina | Isoladores, peças de suporte |
| Safira | Janelas, peças resistentes ao desgaste |
| Cerâmicas revestidas com ítria | Peças da câmara resistentes ao plasma |
No caso da gravação por plasma, a taxa de erosão do material e o comportamento em termos de contaminação são fatores-chave na escolha do material. O material mais adequado depende da composição química do gás, da potência do plasma, do tipo de wafer, da temperatura do processo e da vida útil pretendida.
11. Materiais utilizados nos processos de limpeza
Os sistemas de limpeza a húmido utilizam produtos químicos de elevada pureza para remover partículas, resíduos orgânicos, iões metálicos e óxidos nativos. Os consumíveis utilizados nestes ambientes têm de ser resistentes à corrosão e evitar a contaminação da pastilha.
Os materiais mais comuns utilizados nos consumíveis de limpeza incluem:
| Material | Aplicação típica de limpeza |
| Quartzo | Tanques, recipientes de transporte, copos de medição, suportes para pastilhas |
| Cerâmicas de alta pureza | Acessórios e peças de suporte |
| PTFE/PFA | Tubos e recipientes para produtos químicos |
| Safira | Bicos especiais e peças resistentes ao desgaste |
| Carboneto de silício | Equipamentos de elevada durabilidade em processos selecionados |
O quartzo é amplamente utilizado devido à sua pureza e estabilidade química. No entanto, a escolha do material deve ser adequada ao ácido, álcali, solvente ou temperatura de limpeza específicos.
12. Materiais utilizados em processos térmicos
Os processos térmicos incluem oxidação, difusão, recozimento, LPCVD, epitaxia e tratamento a alta temperatura. Os consumíveis utilizados nestes sistemas devem manter a estabilidade dimensional e a limpeza a altas temperaturas.
Entre os materiais mais comuns utilizados em processos térmicos contam-se:
| Material | Aplicação térmica típica |
| Quartzo | Tubos de fornalha, barcos, revestimentos |
| Carboneto de silício | Barquinhos, tabuleiros, suportes, susceptores |
| Grafite | Estruturas de suporte para altas temperaturas |
| Grafite revestida com SiC | Susceptores e suportes de epitaxia |
| Alúmina | Isoladores e peças de suporte |
| Nitreto de boro | Componentes de isolamento para altas temperaturas |
Nos sistemas térmicos, a expansão térmica, a uniformidade da temperatura, o nível de contaminação e a resistência mecânica devem ser considerados em conjunto.
13. Como escolher o material consumível adequado
A seleção do material consumível adequado para pastilhas semicondutoras requer a compreensão tanto do ambiente do processo como da função do componente.
Entre as questões importantes relativas à seleção, destacam-se:
- O processo é a seco, a húmido, à base de plasma ou térmico?
- Que produtos químicos ou gases entrarão em contacto com a peça?
- Qual é a temperatura máxima de funcionamento?
- A peça está próxima da superfície da pastilha?
- A geração de partículas constitui uma grande preocupação?
- O componente requer isolamento elétrico?
- É necessária uma elevada condutividade térmica?
- Que tolerância dimensional é necessária?
- Com que frequência é que a peça será substituída?
- É necessário utilizar material de alta pureza?
- A peça será limpa e reutilizada?
Por exemplo, o quartzo pode ser adequado para o tubo de um forno de difusão, enquanto o SiC pode ser mais adequado para um anel de gravação por plasma. A alumina pode ser adequada para acessórios isolantes, enquanto o silício de alta pureza pode ser preferível em determinados ambientes de gravação de silício.
14. Importância da maquinagem de precisão e do acabamento de superfícies
A seleção dos materiais, por si só, não é suficiente. Os consumíveis para semicondutores também exigem usinagem de precisão, acabamento de superfícies e controlo da limpeza.
Os fatores críticos de fabrico incluem:
- Precisão da maquinação CNC
- Qualidade do esmerilamento e do polimento
- Chanfradura das arestas
- Controlo da rugosidade da superfície
- Remoção de partículas
- Limpeza de alta pureza
- Inspeção dimensional
- Limpeza das embalagens
Um material de alta qualidade pode, mesmo assim, apresentar falhas se a superfície for rugosa, se as arestas estiverem lascadas ou se permanecerem partículas após a maquinagem. Por conseguinte, os fornecedores devem disponibilizar não só materiais adequados, mas também capacidades fiáveis de processamento e inspeção.
15. Conclusão
Os consumíveis para pastilhas semicondutoras são componentes essenciais nos processos de gravação, limpeza e tratamento térmico. Embora possam ser substituídos periodicamente, a qualidade dos seus materiais tem um impacto direto no rendimento das pastilhas, na estabilidade do processo, no controlo de partículas e no desempenho do equipamento.
O vidro de quartzo, o carboneto de silício, a cerâmica de alumina, o silício, a grafite, a safira e o nitreto de boro estão entre os materiais mais comuns utilizados nos consumíveis para semicondutores. Cada material apresenta vantagens únicas em termos de pureza, resistência à corrosão, resistência ao plasma, estabilidade térmica, isolamento elétrico e resistência mecânica.
Para os fabricantes de semicondutores e os utilizadores de equipamentos, o material consumível adequado deve ser selecionado de acordo com o ambiente do processo, o tipo de wafer, a exposição a produtos químicos, a temperatura de funcionamento, os requisitos de limpeza e a esperança de vida útil. À medida que os processos de semicondutores se tornam mais avançados, a procura por componentes consumíveis de alta pureza, usinados com precisão e específicos para cada aplicação continuará a crescer.