Inleiding tot keramische onderdelen in halfgeleidercomponenten
Keramische materialen, als belangrijk type composietmateriaal, bestaan doorgaans uit een mengsel van verschillende verbindingen zoals aluminiumoxide (Al₂O₃), siliciumnitride (Si₃N₄) en zirkoniumoxide (ZrO₂). Door een strikte formuleontwikkeling en componentregulering kan een nauwkeurige controle van de materiaaleigenschappen worden bereikt. In de halfgeleiderindustrie wordt dit materiaal voornamelijk gebruikt in mechanische afdichtingsringen (zoals siliciumcarbidekeramiek), isolatieondersteunende componenten (zoals aluminiumnitridekeramiek) en slijtvaste voeringcomponenten (zoals zirkoniumoxidekeramiek). Het is belangrijk te benadrukken dat de productie en kwaliteitscontrole van hoogwaardige keramische materialen strikt moeten voldoen aan internationale normen en specificaties zoals ASTM F2091.
Fountyl Technologies Pte Ltd. is gespecialiseerd in het leveren van keramische vacuümspankoppen, keramische armen, keramische balken, keramische geleiders en diverse precisiekeramische componenten voor de halfgeleiderindustrie, die door gebruikers zeer worden gewaardeerd.
Geavanceerde keramiek kent strenge eisen.
De productie van halfgeleiderapparatuur en de industrialisatie van de toepassing van geavanceerde keramische componenten moeten aan de volgende drie strenge eisen voldoen:
1. Prestatie-indicatoren van het materiaal: Deze moeten volledig voldoen aan de algemene prestatie-eisen voor halfgeleiderapparatuur wat betreft mechanische sterkte, thermische eigenschappen, diëlektrische eigenschappen en chemische corrosiebestendigheid (inclusief zure en alkalische media en plasmaomgevingen).
2. Precisiebewerkingstechnologie: vanwege de geavanceerde keramiek, die tot de typische harde, brosse en moeilijk te bewerken materialen behoort, en de zeer strenge eisen die halfgeleiderapparatuur stelt aan de afmetingen en oppervlaktekwaliteit van onderdelen, is de bewerkingstechnologie altijd een cruciale technologie geweest die knelpunten vormt bij de productie van keramische onderdelen in de halfgeleiderindustrie;
3. Oppervlaktebehandeling: Aangezien de halfgeleidercomponenten in keramische onderdelen zich meestal in de kern van de wafer bevinden en zelfs direct in contact komen met de wafer, zijn strenge normen voor de beheersing van metaalionenconcentraties en microdeeltjesverontreiniging aan het oppervlak van cruciaal belang. Dit maakt de nabewerkingstechnologie voor de toepasbaarheid van keramische componenten een essentieel onderdeel.
Inleiding tot de belangrijkste keramische materialen
Keramische materialen die in halfgeleiderapparatuur worden gebruikt, omvatten hoofdzakelijk systemen zoals aluminiumoxide, siliciumnitride, aluminiumnitride en siliciumcarbide. Precisiekeramische componenten vertegenwoordigen ongeveer 16% van de totale waarde van de apparatuur. Geavanceerde keramische materialen voor diverse halfgeleiders hebben elk unieke prestatiekarakteristieken en specifieke toepassingsgebieden. Hieronder volgt een gedetailleerde beschrijving van de belangrijkste materiaalsystemen en hun toepassingen:
Aluminiumoxide (Al₂O₃), siliciumcarbide (SiC) en aluminiumnitride (AlN) zijn representatieve voorbeelden van geavanceerde keramische materialen. Dankzij hun hoge hardheid, uitstekende slijtvastheid, uitstekende corrosiebestendigheid, lage thermische uitzettingscoëfficiënt en hoge isolerende eigenschappen zijn ze perfect geschikt voor de hoge temperaturen, sterke corrosiebestendigheid en hoge precisie-eisen die gelden bij de productie van halfgeleiders.
De specifieke toepassingsvoordelen komen tot uiting in de volgende aspecten:
1. Weerstand tegen plasmacorrosie: Bij ets- en chemische dampafzettingsapparatuur (CVD) moeten keramische componenten (zoals focusringen, kamerbekledingen, enz.) gedurende lange perioden worden blootgesteld aan plasmaomgevingen met hoge energie die fluor of chloor bevatten. De chemische inertheid van keramische materialen maakt hun prestaties op dit gebied aanzienlijk beter dan die van traditionele metalen materialen.
2. Thermische stabiliteit: Siliciumcarbide is bijvoorbeeld een ideale keuze vanwege de hoge thermische geleidbaarheid en de lage thermische uitzettingscoëfficiënt. Het is geschikt voor componenten met strenge eisen aan bewegingsnauwkeurigheid op nanometerniveau, zoals de werkstukhouder van een fotolithografiemachine.
3. Reinheidscontrole: De lage verontreinigingseigenschappen van keramische materialen (zoals vacuümhouders van aluminiumoxide) kunnen metaaldeeltjesverontreiniging tijdens de waferverwerking effectief voorkomen en zo de zuiverheid van het proces waarborgen.
Belangrijkste keramische materialen en hun typische toepassingen
SiC
De lage reactiviteit en geleidbaarheid van CVD-siliciumcarbide ten opzichte van chloor- en fluorhoudende etsgassen maken het een ideaal materiaal voor componenten zoals de focusring in plasma-etsapparatuur. Volgens gegevens van QY Research bedroeg de wereldwijde omzet van CVD-siliciumcarbideonderdelen in 2022 $ 813 miljoen en zal deze naar verwachting $ 1,432 miljard bereiken in 2028, met een samengestelde jaarlijkse groei (CAGR) van 10,61%.
Slijpschijven: In vergelijking met traditionele metalen slijpschijven kunnen keramische slijpschijven van siliciumcarbide de oppervlakteschade aan wafers aanzienlijk verminderen en tegelijkertijd de slijpefficiëntie verbeteren.
Onderdelen van de reactieholte, zoals verticale bootjes, thermische afschermingen, enz., worden veel gebruikt in warmtebehandelingsapparatuur voor hoge temperaturen, zoals oxidatieovens, snelgloei-apparatuur, enz.
Onderdelen voor lithografiemachines: werkstukken van siliciumcarbide en keramische zijspiegels met lichte gewicht en hoge stabiliteit, die veelvuldig worden gebruikt in precisiebewegingssystemen voor lichtgraveermachines.
Etsapparatuur: focusring, gassproeikop voor nauwkeurige toleranties van de belangrijkste onderdelen bij plasma-etsen.
Al₂O₃
Bescherming van de etsmachine: Voor de binnenbekleding van de etskamer wordt een coating van zeer zuiver aluminiumoxide of massief keramiek gebruikt, waardoor de levensduur van de apparatuur aanzienlijk wordt verlengd.
Elektrostatische klem (ESC): Gebaseerd op de Coulombkracht om wafers te adsorberen, is aluminiumoxide (alumina) het meest gebruikte materiaal geworden vanwege de gunstige kosten-prestatieverhouding. Aluminiumnitride (AlN) vervangt echter geleidelijk aan een aantal van deze toepassingen vanwege de superieure thermische geleidbaarheid.
Robotarmen en -sproeiers: Keramische robotarmen die worden gebruikt voor het hanteren van wafers en gassproeiers voor plasmareinigingsapparatuur moeten voldoen aan strenge eisen zoals hoge slijtvastheid en corrosiebestendigheid.
AlN
Hoogwaardig aluminiumnitridepoeder is een voorwaarde voor het verkrijgen van keramische substraten van aluminiumnitride met een hoge thermische geleidbaarheid. Momenteel wordt de productietechnologie van hoogwaardig AlN-poeder grotendeels gemonopoliseerd door ontwikkelde landen zoals Japan, de Verenigde Staten en Duitsland, die strikte technologische blokkades opleggen. Hun AlN-poeder heeft de voordelen van een hoge zuiverheid, goede deeltjesgrootte-uniformiteit, goede sinterprestaties en een goede krimpconsistentie, en beslaat 90% van het wereldwijde marktaandeel, met name in handen van industriereuzen zoals Tokuyama en Toyo Aluminum in Japan.
Elektrostatische houder: In vergelijking met aluminiumoxide kan de hoge thermische geleidbaarheid van aluminiumnitride de precisie van de temperatuurregeling van wafers aanzienlijk verbeteren, maar vanwege de relatief hoge kosten wordt het nog steeds voornamelijk in hoogwaardige sectoren toegepast.
Warmteafvoerende componenten: Als warmteafvoersubstraat voor krachtige componenten (zoals RF-vermogensmodules) komt het uitstekende thermische geleidbaarheidsvermogen volledig tot zijn recht.
Si₃N₄
Lagers en geleiderails: Dankzij hun hoge sterkte en thermische schokbestendigheid worden ze veelvuldig gebruikt in de precisiebewegingssystemen van fotolithografiemachines en etsmachines.
De speciale constructiekeramiek die door Fountyl Technologies wordt geproduceerd, omvat siliciumnitridekeramiek, aluminiumnitridekeramiek, aluminiumoxidekeramiek, siliciumcarbidekeramiek en poreus keramiek. Deze materialen worden vervaardigd uit hoogwaardige keramische grondstoffen en gevormd door middel van droogpersen of koud-isostatisch persen, sinteren bij hoge temperaturen en precisiebewerking. De keramische constructiecomponenten van Fountyl beschikken over vele eigenschappen, zoals hoge temperatuurbestendigheid, corrosiebestendigheid, slijtvastheid en isolatie.
Marktanalyse van halfgeleiderkeramische producten
Volgens de meest recente onderzoeksgegevens van QYResearch bedroeg de wereldwijde markt voor halfgeleiderkeramiek en sleutelmaterialen in 2024 circa 2,766 miljard Amerikaanse dollar en zal deze naar verwachting groeien tot 4,257 miljard Amerikaanse dollar in 2031, met een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 6,8% gedurende de periode van 2025 tot 2031.
Momenteel bedraagt de wereldwijde markt voor keramische halfgeleidermaterialen ongeveer 18 miljard dollar. Het lokalisatiepercentage voor hoogwaardige producten (zoals keramische verwarmingselementen, elektrostatische klemmen, enz.) is nog steeds minder dan 10%, voornamelijk in handen van het Japanse Kyocera, net als het Amerikaanse CoorsTek, dat een monopoliepositie heeft.
Japanse bedrijven bekleden een dominante positie op de wereldmarkt met een marktaandeel van meer dan 50%. Onder hen zijn Kyocera, NGK, Ferrotec, TOTO, Niterra en Japan Fine Ceramics Co., Ltd. (JFC) toonaangevend op het gebied van hoogwaardige componenten (zoals werktafels voor siliciumcarbide lithografiemachines); het Amerikaanse CoorsTek heeft een aanzienlijk voordeel op het gebied van corrosiebestendige keramische coatings.
