Céramiques en carbure de silicium : des matériaux de composants de précision de plus en plus indispensables dans les procédés de fabrication des semi-conducteurs
Matériau céramique structural aux performances exceptionnelles, le carbure de silicium (SiC) se caractérise par une densité élevée, une conductivité thermique élevée, une grande résistance à la flexion, un module d'élasticité élevé, une forte résistance à la corrosion et aux hautes températures. Il résiste bien aux déformations dues aux contraintes de flexion et aux contraintes thermiques, et s'adapte aux environnements de forte corrosion et de réactions à très haute température rencontrés lors de l'épitaxie, de la gravure et d'autres étapes de fabrication de plaquettes. De ce fait, il est largement utilisé dans les procédés de fabrication de semi-conducteurs tels que le meulage et le polissage, les traitements thermiques d'épitaxie/oxydation/diffusion, la lithographie, le dépôt, la gravure et l'implantation ionique.
processus de broyage
Lorsqu'un lingot est découpé en plaquette, il présente généralement des arêtes vives, ainsi que des bavures, des ébréchures, de petites fissures ou d'autres défauts. Afin d'éviter que ces fissures n'affectent la résistance de la plaquette, n'endommagent son état de surface et n'introduisent des particules polluantes dans les étapes de post-traitement, il est nécessaire de polir la plaquette par rectification. Ce procédé permet de réduire son épaisseur, d'améliorer le parallélisme de sa surface et d'éliminer les dommages superficiels causés par la découpe au fil. Actuellement, la méthode la plus courante consiste à utiliser un disque de rectification pour une rectification double face. L'amélioration de la qualité du disque passe par l'optimisation du processus de rectification (matériau du disque, pression et vitesse de rectification, etc.).
Auparavant, les disques de meulage étaient principalement utilisés en fonte ou en acier au carbone, matériaux caractérisés par une durée de vie limitée et un coefficient de dilatation thermique élevé. Lors du traitement des plaquettes de silicium, notamment pour le meulage ou le polissage à grande vitesse, la planéité et le parallélisme des plaquettes étaient difficiles à garantir en raison de l'usure et de la déformation thermique du disque. Grâce au développement des matériaux céramiques résistants à l'usure en carbure de silicium et aux progrès des procédés de frittage, les disques en fonte et en acier au carbone ont progressivement été remplacés par des disques en carbure de silicium. Ce dernier, grâce à sa dureté élevée, sa faible usure et son coefficient de dilatation thermique similaire à celui des plaquettes de silicium, présente des avantages considérables pour les opérations de meulage et de polissage à grande vitesse.
Traitement thermique et autres procédés
La fabrication des plaquettes ne peut être dissociée des procédés d'oxydation, de diffusion, de recuit, d'alliage et autres traitements thermiques, principalement utilisés dans la fabrication de produits en céramique de carbure de silicium, notamment les bras en céramique de carbure de silicium utilisés pour transporter les plaquettes entre les différents procédés et les pièces dans la chambre de réaction des équipements de traitement thermique.
· Bras en céramique
Dans la production de plaquettes de silicium, un traitement thermique à haute température est indispensable. Un bras mécanique est souvent utilisé pour déplacer, transporter et positionner ces plaquettes semi-conductrices. Ces dernières doivent être manipulées avec une grande précision et rapidement, et la plupart des procédés se déroulent sous vide, à haute température et en présence de gaz corrosifs. Elles doivent donc présenter une résistance mécanique élevée, une excellente résistance à la corrosion, aux hautes températures et à l'usure, ainsi qu'une dureté et des propriétés isolantes importantes. Comparé à l'alumine, le bras en céramique de carbure de silicium répond mieux à ces exigences, mais son coût élevé et sa complexité de fabrication en limitent l'utilisation.
• Composants de la chambre de réaction
L'équipement utilisé dans le traitement thermique des semi-conducteurs comprend des fours d'oxydation (horizontaux et verticaux), des systèmes de traitement thermique rapide (RTP), etc. Du fait des températures de fonctionnement élevées, les composants de la chambre de réaction doivent répondre à des exigences élevées. Les pièces en carbure de silicium fritté de haute pureté présentent une résistance, une dureté, un module d'élasticité et une rigidité spécifique élevés, une conductivité thermique élevée et un faible coefficient de dilatation thermique. Elles sont indispensables dans la chambre de réaction des équipements de traitement thermique des circuits intégrés. Cet équipement comprend principalement un creuset vertical, un socle, des tubes de revêtement, des tubes intérieurs et des plaques d'isolation thermique.
Actuellement, le marché du carbure de silicium fritté de haute pureté pour équipements semi-conducteurs est principalement dominé par des entreprises étrangères telles que le groupe japonais Kyokera et l'américain Quastai. Grâce à une longue expérience et à une forte capacité d'innovation, elles ont développé une gamme complète de produits et leurs technologies de traitement des matériaux, notamment en termes de propriétés, de précision et de structures complexes, atteignent un niveau de pointe. Elles fournissent des composants spécifiques pour les équipements de base des circuits intégrés, tels que les machines de photolithographie, de gravure plasma, de dépôt de couches minces et d'implantation ionique. En revanche, la Chine a tardé à s'investir dans la recherche, le développement et l'application des pièces en carbure de silicium fritté pour équipements semi-conducteurs et se heurte encore à des difficultés techniques, notamment pour la fabrication de pièces de haute précision, de grande taille, légères et aux structures spéciales (telles que creuses ou à cellules fermées).
procédé de gravure légère
La photolithographie utilise principalement un système optique pour focaliser le faisceau lumineux émis par la source et le projeter sur la plaquette de silicium afin d'exposer le motif du circuit et de faciliter la gravure ultérieure. La précision de cette dernière détermine directement les performances et le rendement du circuit intégré. Comptant parmi les équipements clés de la fabrication de puces, la machine de lithographie comprend jusqu'à 100 000 pièces. Afin de garantir les performances et la précision du circuit, les composants optiques et les composants du système de lithographie doivent répondre à des exigences extrêmement élevées. Les applications de la céramique de carbure de silicium incluent notamment la table porte-pièce et les miroirs carrés en céramique.
Table de travail
La table de la machine de lithographie supporte principalement la plaquette et réalise le mouvement d'exposition. Lors de ce processus, la plaquette de silicium et la table porte-pièce doivent être alignées avant chaque exposition. Ensuite, le masque optique et la table porte-pièce sont alignés afin d'assurer un alignement parfait et une reproduction précise des motifs sur la zone à lithographier. Ceci exige de la table porte-pièce un contrôle automatique ultra-précis à l'échelle nanométrique, rapide, fluide et d'une grande précision. Pour répondre à ces exigences, la table porte-pièce est généralement conçue avec un poids léger, une stabilité dimensionnelle extrêmement élevée, un faible coefficient de dilatation thermique et une faible déformation, afin de réduire l'inertie et la charge du moteur, et d'améliorer l'efficacité du mouvement, la précision de positionnement et la stabilité.
Miroir carré en céramique
L'une des technologies clés d'une machine de lithographie est la commande synchrone du mouvement de la table porte-pièce et de la table porte-masque. La précision de cette commande influe directement sur la précision et le rendement de la lithographie. Le système de mesure utilise un interféromètre pour envoyer un faisceau de mesure incident sur un miroir carré situé sur le côté de la table porte-pièce, puis le renvoie vers le récepteur de l'interféromètre. Le déplacement de la table porte-pièce est calculé par effet Doppler et transmis en temps réel au système de commande de mouvement afin de garantir la synchronisation des mouvements de la table porte-pièce et de la table porte-masque. Les céramiques en carbure de silicium, légères, répondent aux exigences d'utilisation de miroirs carrés en céramique. Cependant, leur fabrication est plus complexe ; c'est pourquoi les principaux fabricants internationaux d'équipements pour circuits intégrés utilisent actuellement des vitrocéramiques, de la cordiérite et d'autres matériaux. Cependant, grâce aux progrès technologiques, des experts de l'Institut général chinois des sciences et de la recherche sur les matériaux de construction ont réussi à mettre au point des miroirs carrés en céramique de carbure de silicium de grande taille, de forme complexe, très légers et entièrement fermés, ainsi que d'autres composants optiques structurels et fonctionnels pour les machines de lithographie.
Film de masque lumineux
Le masque optique, également appelé masque de lumière, a pour rôle principal de laisser passer la lumière et de former un motif sur le matériau photosensible. Cependant, lorsque la lumière EUV éclaire le masque, elle émet de la chaleur, et la température peut atteindre entre 600 et 1 000 degrés Celsius, ce qui risque d'endommager le matériau. C'est pourquoi il est généralement nécessaire de déposer un film de carbure de silicium sur le masque. Actuellement, de nombreuses entreprises étrangères, telles qu'ASML, fournissent des films présentant une transmittance lumineuse supérieure à 90 % afin de réduire la fréquence de nettoyage et d'inspection du masque en cours d'utilisation, et d'améliorer l'efficacité et le rendement des machines de lithographie EUV.
Gravure et dépôt plasma
Le procédé de gravure utilisé dans la fabrication des semi-conducteurs exploite un plasma ionisé par des agents de gravure liquides ou gazeux (tels que des gaz fluorés) pour bombarder la plaquette, éliminant sélectivement les matériaux indésirables jusqu'à l'obtention du circuit imprimé souhaité. Le dépôt de couches minces est similaire au procédé inverse de la gravure : il consiste à empiler successivement des matériaux isolants et à recouvrir chaque couche de métal pour former un film mince. Ces deux procédés utilisant également la technologie plasma et d'autres technologies susceptibles d'induire la corrosion des cavités et des composants, ces derniers doivent présenter une bonne résistance au plasma, une faible réactivité et une faible conductivité vis-à-vis des gaz de gravure fluorés.
Les composants traditionnels des équipements de gravure et de dépôt, tels que les anneaux de focalisation, sont fabriqués à partir de matériaux comme le silicium ou le quartz. Cependant, avec la miniaturisation croissante des circuits intégrés, l'importance du processus de gravure dans leur fabrication augmente. Il est désormais nécessaire d'utiliser un plasma haute énergie pour graver avec précision les plaquettes de silicium à l'échelle microscopique, ce qui permet d'obtenir des largeurs de ligne plus faibles et des structures d'équipements plus complexes. C'est pourquoi le carbure de silicium déposé par voie chimique en phase vapeur (CVD), grâce à ses excellentes propriétés physico-chimiques, sa grande pureté et sa grande uniformité, est progressivement devenu le matériau de revêtement privilégié pour les équipements de gravure et de dépôt. Actuellement, les pièces en carbure de silicium CVD utilisées dans les équipements de gravure comprennent les anneaux de focalisation, les têtes de pulvérisation de gaz, les palettes, les anneaux de bordure, etc. Dans les équipements de dépôt, on trouve notamment le couvercle de la chambre, le revêtement de la cavité et le support en graphite revêtu de SiC.
Grâce à sa faible réactivité et sa faible conductivité vis-à-vis des gaz de gravure chlorés et fluorés, le carbure de silicium CVD est un matériau idéal pour les anneaux de focalisation et autres composants des équipements de gravure plasma. Parmi les pièces en carbure de silicium CVD utilisées dans ces équipements, on trouve l'anneau de focalisation, la tête de pulvérisation de gaz, le plateau, l'anneau de bordure, etc. Prenons l'exemple de l'anneau de focalisation : pièce essentielle placée à la surface externe de la plaquette, en contact direct avec celle-ci, il permet, par l'application d'une tension, de focaliser le plasma qui le traverse, améliorant ainsi l'uniformité du traitement. Les anneaux de focalisation traditionnels sont en silicium ou en quartz. Avec la miniaturisation croissante des circuits intégrés, la demande et l'importance des procédés de gravure dans leur fabrication augmentent, de même que la puissance et l'énergie du plasma de gravure, notamment pour les équipements de gravure plasma à couplage capacitif (CCP). Par conséquent, l'utilisation d'anneaux de focalisation en carbure de silicium est en constante progression.
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