Inom halvledartillverkningen är bearbetningen av kiselskivor inte bara beroende av avancerad utrustning och kiselskivor med hög renhet, utan även av ett brett utbud av förbrukningskomponenter som används i processkammare, rengöringssystem, värmeugnar och miljöer för hantering av kiselskivor. Dessa förbrukningskomponenter kan förekomma i form av stöddelar, avskärmningsdelar, bärare, ringar, båtar, brickor, munstycken, rör, plattor eller foder. Materialets prestanda påverkar dock direkt processstabiliteten, partikelkontrollen, kontamineringsnivån, waferutbytet och utrustningens livslängd.
Förbrukningsmaterial för halvledarskivor utsätts för tuffa processförhållanden, bland annat plasmabombardemang, frätande gaser, kemikalier med hög renhet, snabba temperaturförändringar, vakuummiljöer och termiska cykler med höga temperaturer. Därför måste de material som används för dessa delar uppfylla strikta krav på renhet, korrosionsbeständighet, termisk stabilitet, mekanisk hållfasthet, måttnoggrannhet och låg partikelbildning.
Vanliga material som används i förbrukningsartiklar för halvledarskivor är bland annat kvartsglas, kiselkarbid, aluminiumoxidkeramik, kisel, grafit, safir, bornitrid och avancerade keramiska beläggningar. Varje material har sina egna fördelar och begränsningar. Att förstå dessa material hjälper ingenjörer, inköpare och användare av utrustningen att välja lämpliga förbrukningsmaterial för etsning, rengöring, oxidation, diffusion, CVD, PVD, glödgning och andra halvledarprocesser.
1. Vad är förbrukningsmaterial för halvledarskivor?
Med förbrukningsmaterial för halvledarskivor avses utbytbara eller regelbundet underhållna komponenter som används vid tillverkning och bearbetning av skivor. Till skillnad från fasta utrustningsdelar förväntas förbrukningsmaterial slitas, försämras eller förorenas med tiden och måste bytas ut efter en viss användningstid.
Typiska förbrukningsvaror för halvledarskivor är bland annat:
- Waferbåtar
- Waferhållare
- Etsningsringar
- Fokusringar
- Kantringar
- Sköldringar
- Susceptorer
- Brickor
- Processrör
- Kvartsfoder
- Gasmunstycken
- Rengöringskorgar
- Skivhållare
- Keramiska tallrikar
- Isoleringsdelar
- Kammarsköldar
- Delar till diffusionsugnar
- Komponenter till CVD- och PECVD-kammare
Även om dessa delar kanske inte är aktiva elektroniska komponenter kan deras kvalitet ha stor inverkan på det slutliga resultatet av kiselskivprocessen. Ett felaktigt valt förbrukningsmaterial kan leda till partiklar, metallföroreningar, termisk deformation, instabilitet i plasman eller kemisk korrosion. Valet av förbrukningsmaterial är därför en viktig del av processingenjörsarbetet inom halvledarindustrin.
2. Viktiga krav på förbrukningsmaterial för kiselskivor
Olika halvledarprocesser ställer krav på olika materialegenskaper. De flesta förbrukningsartiklar för kiselskivor har dock flera gemensamma kritiska krav.
2.1 Hög renhet
Halvledarprocesser är extremt känsliga för föroreningar. Metalliska föroreningar såsom natrium, järn, koppar, nickel, kalcium eller kalium kan påverka komponenternas prestanda. Av denna anledning måste förbrukningsmaterial ha hög kemisk renhet och låg utsläppsnivå av föroreningar.
2.2 Låg partikelbildning
Partiklar är en av de främsta orsakerna till defekter vid tillverkning av kiselskivor. Förbrukningsmaterial måste tåla nötning, plasmaerosion, sprickbildning och ytavskalning. En jämn ytfinhet och en stabil mikrostruktur är viktiga för att minska partikelbildningen.
2.3 Kemisk beständighet
Etsnings- och rengöringsprocesser kan innefatta fluorbaserade gaser, klorbaserade gaser, syreplasma, starka syror, starka baser eller lösningsmedel med hög renhet. Förbrukningsmaterial måste tåla korrosion i specifika kemiska miljöer.
2.4 Termisk stabilitet
Termiska processer såsom diffusion, oxidation, glödgning och LPCVD kräver material som kan behålla sin form och hållfasthet vid höga temperaturer. Låg värmeutvidgning, hög mjukningspunkt och motståndskraft mot termisk chock är viktiga egenskaper.
2.5 Måttsäkerhet
Vid bearbetning av kiselskivor krävs ofta exakt positionering. Förbrukningsartiklar som kiselskivshållare, brickor och ringar måste uppfylla snäva toleranser för att säkerställa stabil placering av kiselskivorna, jämnt gasflöde och repeterbarhet i processen.
2.6 Plasmamotstånd
I system för plasmaetsning och -avsättning utsätts förbrukningsartiklarna i kammaren för jonbombardemang och reaktiva plasmakomponenter. Materialen måste tåla erosion samtidigt som kontaminering och partikelbildning minimeras.
3. Förbrukningsartiklar av kvartsglas
Kvartsglas är ett av de mest använda materialen vid bearbetning av halvledarskivor. Det används ofta i högtemperaturugnar, rengöringssystem, diffusionsutrustning, oxidationsprocesser och i miljöer för hantering av halvledarskivor.
3.1 Vanliga förbrukningsartiklar av kvarts
Förbrukningsartiklar av kvarts omfattar:
- Kvartsplattfartyg
- Processrör av kvarts
- Kvartsfoder
- Kvartsringar
- Kvartsflänsar
- Kvartsbrickor
- Kvartsstavar
- Kvartsmunstycken
- Rengöringstankar av kvarts
- Bägare av kvarts
- Kvartsbärare
3.2 Fördelar med kvarts
Kvartsglas har utmärkt värmebeständighet, kemisk stabilitet, optisk transparens och hög renhet. Det är lämpligt för många miljöer med höga temperaturer och kemisk bearbetning. Dess låga värmeutvidgning bidrar till att minska termisk spänning vid uppvärmning och nedkylning.
Kvarts förekommer särskilt ofta i diffusions- och oxidationsugnsystem, eftersom det tål höga temperaturer och samtidigt bibehåller en god renhetsgrad.
3.3 Begränsningar hos kvarts
Även om kvarts har utmärkt renhet och värmeegenskaper kan det mjukna vid mycket höga temperaturer och angripas av vissa fluorhaltiga kemikalier. Kvarts är dessutom sprött, vilket kräver försiktig hantering och precisionsbearbetning.
4. Förbrukningsartiklar av kiselkarbid
Kiselkarbid används i stor utsträckning i halvledarprocesser som kräver hög temperaturbeständighet, plasmabeständighet och goda mekaniska egenskaper. Det används ofta i etskamrar, högtemperaturbärare och avancerade processmiljöer.
4.1 Vanliga förbrukningsartiklar av SiC
Förbrukningsartiklar av kiselkarbid omfattar:
- SiC-fokusringar
- SiC-kantringar
- SiC-skyddsringar
- SiC-brickor
- SiC-susceptorer
- SiC-skivhållare
- SiC-båtar
- SiC-foder
- SiC-munstycken
- SiC-belagda grafitdelar
4.2 Fördelar med kiselkarbid
Kiselkarbid har hög hårdhet, utmärkt slitstyrka, hög värmeledningsförmåga, hög motståndskraft mot termisk chock och god plasmamotståndskraft. Jämfört med kvarts klarar sig SiC bättre i mer aggressiva plasma- och högtemperaturmiljöer.
I utrustning för plasmaetsning bidrar SiC-ringar och kammarkomponenter till att förbättra processstabiliteten och minska föroreningarna. I termiska system kan SiC-bärare och -brickor bära upp kiselskivor under höga temperaturer med god dimensionell stabilitet.
4.3 Typer av SiC-material
Flera olika former av kiselkarbid används i förbrukningsmaterial för halvledare:
- Sintrad SiC
- Reaktionsbundet SiC
- CVD SiC
- CVD-belagd grafit med SiC-beläggning
- Omkristalliserat SiC
CVD-SiC uppskattas särskilt för tillämpningar som kräver hög renhet tack vare sin täta struktur och utmärkta ytkvalitet. SiC-belagd grafit används ofta när det krävs en lätt grafitkärna i kombination med en kemiskt stabil SiC-yta.
5. Förbrukningsartiklar av aluminiumoxidkeramik
Aluminiumoxidkeramik är ett annat viktigt material som används i halvledarutrustning och system för bearbetning av kiselskivor. Det används ofta för sina isolerande egenskaper, som mekaniskt stöd, för sin slitstyrka och kemiska stabilitet.
5.1 Vanliga förbrukningsvaror av aluminiumoxid
Förbrukningsartiklar av aluminiumoxidkeramik omfattar:
- Keramiska tallrikar
- Isoleringsringar
- Delar till skivstöd
- Rengöringsutrustning
- Keramiska munstycken
- Keramiska stift
- Keramiska styrningar
- Keramiska armar
- Isoleringsdelar för kammare
5.2 Fördelar med aluminiumoxid
Aluminiumoxid har god elektrisk isoleringsförmåga, hög hårdhet, slitstyrka och termisk stabilitet. Det är dessutom kostnadseffektivt jämfört med många avancerade keramiska material. Högrenhetsaluminiumoxid kan användas i processmiljöer där låga föroreningsnivåer krävs.
5.3 Begränsningar hos aluminiumoxid
Aluminiumoxid är kanske inte lämpligt för alla plasmamiljöer, särskilt inte när extremt låg partikelbildning eller hög beständighet mot fluorplasma krävs. Dess värmeledningsförmåga är lägre än kiselkarbidens, och valet av materialkvalitet är viktigt vid användning inom halvledarindustrin.
6. Förbrukningsmaterial av kisel
Komponenter av högrent kisel används ofta i plasmaetsningssystem, särskilt i de fall där materialkompatibiliteten med kiselskivor är viktig.
6.1 Vanliga förbrukningsvaror av kisel
Förbrukningsmaterial av kisel omfattar:
- Fokusringar av kisel
- Kiselringar med kant
- Kiselelektroder
- Duschmunstycken av kisel
- Kiselplattor
- Delar till kiselkammare
6.2 Fördelar med kisel
Eftersom kisel är grundmaterialet i de flesta halvledarskivor kan förbrukningsartiklar av kisel minska risken för föroreningar från främmande material. Vid etsningsprocesser för kiselplattor kan kiselkomponenter erbjuda utmärkt kompatibilitet med processmiljön.
6.3 Begränsningar hos kisel
Kisel har lägre mekanisk seghet jämfört med vissa keramiska material. Det kan dessutom utsättas för erosion i plasmamiljöer och måste därför bytas ut med jämna mellanrum. Komponenter av högrent kisel kräver vanligtvis precisionsbearbetning och noggrann ytkontroll.
7. Förbrukningsartiklar av grafit och SiC-belagd grafit
Grafit används i halvledarprocesser vid höga temperaturer tack vare sin utmärkta termiska stabilitet, bearbetbarhet och lätta struktur. Obehandlad grafit kan dock avge partiklar eller orsaka föroreningar, varför den ofta beläggs med CVD-SiC eller andra skyddsbeläggningar.
7.1 Typiska förbrukningsvaror baserade på grafit
Komponenter av grafit och SiC-belagd grafit omfattar bland annat:
- Susceptorer
- Värmeelement
- Transportörer
- Brickor
- Ugnstillbehör
- Komponenter för epitaxiprocesser
- Reservdelar till CVD-system
7.2 Fördelar
Grafit har utmärkta egenskaper vid höga temperaturer och kan bearbetas till komplexa former. När det beläggs med CVD-SiC blir ytan kemiskt stabilare, tätare och renare för användning inom halvledarindustrin.
7.3 Begränsningar
Beläggningens kvalitet är avgörande. Om beläggningen har små hål, sprickor eller dålig vidhäftning kan grafitsubstratet blottas. Detta kan leda till partikelkontaminering eller förkortad livslängd.
8. Förbrukningsvaror från Sapphire
Safir är ett material av enkristallin aluminiumoxid med utmärkt hårdhet, optisk transparens, kemisk beständighet och temperaturstabilitet. Det används i speciella processmiljöer för halvledare och optik.
8.1 Typiska Sapphire-komponenter
Sapphires förbrukningsartiklar och precisionsdelar omfattar:
- Safirfönster
- Safirrör
- Safirstavar
- Safirmunstycken
- Safirstift
- Optiska komponenter av safir
- Isolerande delar av safir
8.2 Fördelarna med safir
Safir har utmärkt reptålighet, hög temperaturstabilitet och god ljusgenomsläpplighet. Det är särskilt lämpligt för observationsfönster, optiska övervakningssystem, plasmautrustning och miljöer med hög slitage.
8.3 Begränsningar
Safir är hårt och svårt att bearbeta. Det är i allmänhet dyrare än kvarts eller aluminiumoxid. Vid komplexa former kan bearbetningskostnaden och ledtiden bli högre.
9. Förbrukningsmaterial av bornitrid
Bornitrid används inom halvledarindustrin och i högtemperaturtillämpningar där elektrisk isolering, termisk stabilitet och icke-vätande egenskaper krävs.
9.1 Vanliga förbrukningsvaror för BN
Komponenter av bornitrid omfattar:
- Isoleringsdelar
- Ugnstillbehör
- Komponenter i smältdegeln
- Delar till skivstöd
- Distanser för höga temperaturer
- Keramiska foder
9.2 Fördelar
Bornitrid har god motståndskraft mot termisk chock, god elektrisk isolering och god bearbetbarhet. Det är lämpligt för vissa miljöer med höga temperaturer och i vakuum.
9.3 Begränsningar
BN är relativt mjukt jämfört med aluminiumoxid eller SiC. Dess lämplighet beror i hög grad på den kemiska miljön, temperaturen och den mekaniska belastningen.
10. Material som används vid etsningsprocesser
Etsningsprocesser hör till de mest krävande miljöerna för förbrukningsmaterial till kiselskivor. Plasma, reaktiva gaser, jonbombardemang och biprodukter som bildas i kammaren kan snabbt slita på processkomponenterna.
Vanliga material som används i förbrukningsartiklar för etsning är bland annat:
| Material | Typisk användning av etsning |
|---|---|
| Kiselkarbid | Fokusringar, kantringar, kammarfoder |
| Kisel | Fokusringar, elektroder, duschmunstycken |
| Kvarts | Ringar, foder, fönster, isoleringsdelar |
| Aluminiumoxid | Isolatorer, stöddelar |
| Safir | Fönster, slitstarka delar |
| Keramik med yttriumoxidbeläggning | Plasmabeständiga kammardelar |
Vid plasmaetsning är materialets erosionshastighet och föroreningsbeteende avgörande faktorer vid valet av material. Vilket material som är bäst beror på gasens kemiska sammansättning, plasmakraften, typen av kiselplatta, processtemperaturen och den önskade livslängden.
11. Material som används vid rengöringsprocesser
Våtrengöringssystem använder kemikalier med hög renhetsgrad för att avlägsna partiklar, organiska rester, metalljoner och naturliga oxider. Förbrukningsmaterial som används i dessa miljöer måste vara korrosionsbeständiga och inte orsaka föroreningar på kiselskivan.
Vanliga material som används i rengöringsprodukter är bland annat:
| Material | Typisk rengöringsapplikation |
| Kvarts | Tankar, transportbehållare, bägare, skivhållare |
| Keramik med hög renhetsgrad | Fästelement och tillbehör |
| PTFE/PFA | Slangar och behållare för kemikalier |
| Safir | Specialmunstycken och slitstarka delar |
| Kiselkarbid | Anordningar med hög hållbarhet i utvalda processer |
Kvarts används i stor utsträckning tack vare sin renhet och kemiska stabilitet. Valet av material måste dock anpassas efter den specifika syran, alkalin, lösningsmedlet eller rengöringstemperaturen.
12. Material som används i termiska processer
Termiska processer omfattar oxidation, diffusion, glödgning, LPCVD, epitaxi och högtemperaturbehandling. Förbrukningsmaterial i dessa system måste bibehålla sin dimensionsstabilitet och renhet vid höga temperaturer.
Vanliga material för termiska processer är bland annat:
| Material | Typisk termisk tillämpning |
| Kvarts | Ugnsrör, båtar, foder |
| Kiselkarbid | Båtar, brickor, bärare, susceptorer |
| Grafit | Stödkonstruktioner för höga temperaturer |
| SiC-belagd grafit | Susceptorer och bärare för epitaxi |
| Aluminiumoxid | Isolatorer och stöddelar |
| Bornitrid | Isoleringskomponenter för höga temperaturer |
I värmesystem måste man beakta värmeutvidgning, temperaturjämnhet, föroreningsnivå och mekanisk hållfasthet i sin helhet.
13. Hur man väljer rätt förbrukningsmaterial
För att kunna välja rätt förbrukningsmaterial för halvledarskivor krävs kunskap om både processmiljön och komponentens funktion.
Viktiga frågor att ställa sig vid urvalet är bland annat:
- Är processen torr, våt, plasmabaserad eller termisk?
- Vilka kemikalier eller gaser kommer att komma i kontakt med delen?
- Vad är den högsta driftstemperaturen?
- Ligger delen nära skivans yta?
- Är partikelbildning ett stort problem?
- Behöver komponenten elektrisk isolering?
- Krävs det hög värmeledningsförmåga?
- Vilken måtttolerans krävs?
- Hur ofta kommer delen att bytas ut?
- Krävs det material med hög renhetsgrad?
- Kommer delen att rengöras och återanvändas?
Till exempel kan kvarts vara lämpligt för ett rör i en diffusionsugn, medan SiC kan vara bättre för en plasmaetsningsring. Aluminiumoxid kan vara lämpligt för isolerande fixturer, medan kisel med hög renhet kan vara att föredra i vissa kiseletsningsmiljöer.
14. Betydelsen av precisionsbearbetning och ytbehandling
Det räcker inte med att bara välja rätt material. Förbrukningsartiklar inom halvledarindustrin kräver dessutom precisionsbearbetning, ytbehandling och noggrann rengöring.
Viktiga tillverkningsfaktorer är bland annat:
- Noggrannhet vid CNC-bearbetning
- Slip- och poleringskvalitet
- Kantfasning
- Kontroll av ytans ojämnhet
- Partikelavskiljning
- Rengöring med hög renhetsgrad
- Måttkontroll
- Förpackningens renhet
Även ett material av hög kvalitet kan uppvisa brister om ytan är ojämn, kanterna är flisiga eller om partiklar finns kvar efter bearbetningen. Därför bör leverantörerna inte bara tillhandahålla lämpliga material utan även ha tillförlitliga resurser för bearbetning och kontroll.
15. Slutsats
Förbrukningsmaterial för halvledarskivor är viktiga komponenter vid etsning, rengöring och termiska processer. Även om de byts ut med jämna mellanrum har materialkvaliteten en direkt inverkan på skivutbytet, processstabiliteten, partikelkontrollen och utrustningens prestanda.
Kvartsglas, kiselkarbid, aluminiumoxidkeramik, kisel, grafit, safir och bornitrid hör till de vanligaste materialen som används i förbrukningsartiklar för halvledartillverkning. Varje material har unika fördelar när det gäller renhet, korrosionsbeständighet, plasmabeständighet, termisk stabilitet, elektrisk isolering och mekanisk hållfasthet.
För halvledartillverkare och användare av utrustning bör rätt förbrukningsmaterial väljas utifrån processmiljön, typen av kiselplatta, kemisk exponering, driftstemperatur, renhetskrav och förväntad livslängd. I takt med att halvledarprocesserna blir allt mer avancerade kommer efterfrågan på förbrukningskomponenter med hög renhet, precisionsbearbetade och anpassade för specifika tillämpningar att fortsätta öka.