Composants céramiques de précision en carbure de silicium pour machines de lithographie

Dans l'industrie des circuits intégrés, les équipements de fabrication de circuits intégrés occupent une place stratégique capitale. Les technologies et équipements clés de cette fabrication comprennent principalement la lithographie, la croissance de couches minces, le polissage chimico-mécanique, ainsi que le post-encapsulage haute densité. Tous ces éléments requièrent des technologies de contrôle et d'entraînement de haute efficacité, de haute précision et de grande stabilité. La précision des composants et les performances des matériaux utilisés sont soumises à des exigences extrêmement élevées.

1. Exigences caractéristiques des pièces structurelles en céramique de précision pour équipements semi-conducteurs.

Les équipements clés de la fabrication de circuits intégrés exigent que les matériaux des composants présentent les caractéristiques suivantes : haute pureté, haute densité, haute résistance, module d’élasticité élevé, conductivité thermique élevée et faible coefficient de dilatation thermique ; et que les pièces structurelles présentent une précision dimensionnelle et une complexité structurelle extrêmement élevées afin de garantir que l’équipement permette un mouvement et un contrôle ultra-précis.

Prenons l'exemple de la table porte-pièce d'une machine de lithographie. Sa fonction principale est de supporter la plaquette de silicium et le masque et de réaliser le processus d'exposition. Ses performances influent directement sur le rendement et la résolution. La table doit permettre des mouvements ultra-précis, rapides et stables, sur de grandes courses et à l'échelle nanométrique, avec six degrés de liberté. Par exemple, pour une machine de lithographie d'une résolution de 100 nm, d'une précision de gravure de 33 nm et d'une largeur de ligne de 10 nm, la précision de positionnement de la table porte-pièce doit atteindre 10 nm. Les vitesses de déplacement et de balayage simultanés du masque et de la plaquette de silicium atteignent respectivement 150 nm/s et 120 nm/s, et la vitesse de balayage du masque est proche de 500 nm/s. La table porte-pièce doit donc présenter une précision de mouvement et une stationnarité extrêmement élevées.

Par conséquent, les éléments structurels de précision de la table porte-pièce doivent répondre aux exigences suivantes : (1) Légèreté extrême : afin de réduire l’inertie du mouvement, la charge du moteur et d’améliorer l’efficacité du mouvement, la précision et la stabilité du positionnement, les éléments structurels sont généralement conçus avec une structure légère, avec un taux d’allègement de 60 % à 80 %, voire jusqu’à 90 % ; (2) Haute précision de forme et de position : pour garantir un mouvement et un positionnement de haute précision, les éléments structurels doivent présenter une précision de forme et de position extrêmement élevée. La planéité, le parallélisme et la perpendicularité doivent être inférieurs à 1 µm, et la précision de forme et de position inférieure à 5 µm ; (3) Haute stabilité dimensionnelle : pour garantir un mouvement et un positionnement de haute précision, les éléments structurels doivent présenter une stabilité dimensionnelle extrêmement élevée, une faible déformation, une conductivité thermique élevée et un faible coefficient de dilatation thermique, afin de limiter les déformations dimensionnelles importantes. (4) Propre et sans pollution : les pièces structurelles doivent avoir un coefficient de frottement très faible, une faible perte d'énergie cinétique pendant le mouvement et aucune pollution par des particules de broyage.

2. Application des céramiques en carbure de silicium dans les machines de lithographie

Le carbure de silicium est un excellent matériau céramique structural, 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 les industries pétrochimique, mécanique, nucléaire, microélectronique et autres. Le carbure de silicium possède un module d'élasticité et une conductivité thermique très élevés, ainsi qu'un coefficient de dilatation thermique modéré. Il présente une excellente aptitude au polissage, permet la fabrication de miroirs de haute qualité et résiste bien à la déformation et aux contraintes thermiques. Grâce à une conception structurale allégée, les pièces peuvent être extrêmement légères, ce qui le rend particulièrement adapté à la fabrication d'équipements pour circuits intégrés. Les céramiques en carbure de silicium présentent d'excellentes propriétés mécaniques à température ambiante, une excellente stabilité à haute température, une bonne rigidité spécifique et de bonnes propriétés optiques. Elles sont particulièrement adaptées à la fabrication de pièces structurales en céramique de précision pour les machines de photolithographie destinées aux équipements pour circuits intégrés, telles que les plateaux porte-pièces en SiC, les rails de guidage, les miroirs, les mandrins, les bras, les disques refroidis à l'eau, etc.

3. Difficultés techniques liées aux pièces structurelles en carbure de silicium pour équipements semi-conducteurs

Les composants structurels en céramique de précision utilisés dans les cœurs des circuits intégrés présentent les caractéristiques suivantes : grande taille, épaisseur importante, structure creuse, finesse, légèreté et finesse. Cependant, le carbure de silicium, composé à liaisons covalentes avec une forte liaison Si-C, possède une dureté élevée et une fragilité importante, ce qui rend son usinage de précision difficile. De plus, son point de fusion élevé complique l’obtention d’un frittage dense et aux dimensions quasi-finales. La fabrication de composants structurels en carbure de silicium soulève de nombreuses difficultés et défis techniques.

(1) Comment réaliser la structure à cellules fermées creuses pour atteindre l'objectif d'une grande légèreté, pour les pièces structurelles métalliques avec une structure à cellules fermées creuses, les procédés de brasage et de soudage par diffusion sont généralement utilisés ; Cependant, pour les pièces structurelles métalliques complexes et immatures, il est facile de former une interface de connexion évidente, ce qui entraîne une grande différence de composition et de performance entre la couche de connexion et la matrice.

(2) Comment obtenir une précision de forme et de position élevée pour les pièces structurelles en carbure de silicium afin d'atteindre l'objectif d'un mouvement et d'un positionnement de haute précision ? La dureté du carbure de silicium n'est surpassée que par celle du diamant, ce qui entraîne une faible efficacité et un coût de traitement élevé des pièces structurelles en carbure de silicium. Par conséquent, la réalisation d'une précision de forme et de position élevée pour ces pièces constitue un défi technique, particulièrement marqué lors de la préparation d'échantillons de grande taille, ultra-minces, aux caractéristiques structurelles complexes et d'échantillons à structure alvéolaire fermée creuse.

(3) Comment réduire ou éviter les contraintes résiduelles des produits en carbure de silicium lors des procédés de moulage, de séchage, de frittage et d'usinage de précision ultérieur, afin d'améliorer la qualité et le rendement des produits ? Lors du séchage et du frittage, l'élimination de l'eau et la perte de matière organique du carbure de silicium peuvent entraîner un retrait irrégulier, provoquant des fissures et des déformations, ainsi que des contraintes résiduelles. Ces dernières peuvent se manifester lors de l'usinage de précision après frittage, entraînant des fissures internes et une réduction du rendement. La fabrication de pièces structurelles de précision en carbure de silicium, de grande taille et de forme complexe, est difficile. Actuellement, le marché des céramiques en carbure de silicium pour les équipements de fabrication de circuits intégrés est principalement dominé par des entreprises étrangères : Kyocera (Japon), CoorsTek (États-Unis) et Fountyl (Singapour). En Chine, la recherche sur les technologies de fabrication et la promotion des applications des pièces structurelles de précision en carbure de silicium pour les équipements de circuits intégrés a débuté tardivement, et un écart persiste entre la Chine et les leaders internationaux.