Введение в керамические детали в полупроводниковых компонентах
Керамические материалы, являясь важным типом композитных материалов, обычно представляют собой смешанную систему, состоящую из различных соединений, таких как оксид алюминия (Al₂O₃), нитрид кремния (Si₃N₄) и диоксид циркония (ZrO₂). Строгий подход к разработке формулы и регламентация компонентов позволяют добиться точного контроля эксплуатационных характеристик материала. В области производства полупроводникового оборудования этот тип материала в основном используется в механических уплотнительных кольцах (например, кремниевых). Карбидная керамика), компоненты опоры изоляции (например, керамика на основе нитрида алюминия) и износостойкие ключевые компоненты футеровки (например, керамика на основе диоксида циркония). Стоит отметить, что производство и контроль качества высококачественных керамических материалов должны строго соответствовать международным стандартам и спецификациям, таким как ASTM F2091.
Fountyl Technologies Pte Ltd. специализируется на поставках керамических вакуумных зажимных приспособлений, Керамическая рукакерамические балки, керамические направляющие и различные прецизионные керамические компоненты для полупроводниковой промышленности, получившие высокую оценку пользователей.
К современной керамике предъявляются строгие требования
Производство полупроводникового оборудования, индустриализация применения современных керамических компонентов должны отвечать следующим трем строгим требованиям:
1. Показатели эффективности материалов: Они должны полностью соответствовать комплексным эксплуатационным требованиям, предъявляемым к материалам полупроводниковой аппаратуры по механической прочности, термическим свойствам, диэлектрическим характеристикам, стойкости к химической коррозии (включая кислотные и щелочные среды, плазменные среды).
2. Технология точной обработки: поскольку передовая керамика относится к типичным твердым хрупким труднообрабатываемым материалам, а требования к точности размеров деталей и качеству поверхности полупроводникового оборудования очень строгие, технология обработки всегда была ключевой технологией керамических деталей в области узких мест применения полупроводников;
3. Обработка поверхности: поскольку полупроводниковые приборы в керамических деталях обычно находятся в основной зоне обработки пластины, а детали даже непосредственно контактируют с пластиной, то на поверхности стандарт контроля концентрации ионов металла и загрязнения микрочастицами строгий, что делает обработку после технологии обработки поверхности ключевой для применимости керамических компонентов одного из основных элементов.
Введение в основные керамические материалы
Керамические материалы, используемые в полупроводниковом оборудовании, в основном включают такие системы, как оксид алюминия, нитрид кремния, нитрид алюминия и карбид кремния. На прецизионные керамические компоненты приходится около 16% общей стоимости оборудования. Современные керамические материалы для различных полупроводников обладают уникальными эксплуатационными характеристиками и специфическими областями применения. Ниже приводится подробное описание основных систем материалов и их применения:
Оксид алюминия (Al₂O₃), карбид кремния (SiC), нитрид алюминия (AlN) как представители современных керамических материалов благодаря своей высокой твердости, превосходной износостойкости, превосходной коррозионной стойкости, низкому коэффициенту теплового расширения и высоким изоляционным свойствам могут идеально адаптироваться к высоким температурам, сильной коррозии и высоким требованиям к окружающей среде в процессе производства полупроводников.
Конкретные преимущества применения отражаются в следующих аспектах:
1. Стойкость к плазменной коррозии: В оборудовании для травления и химического осаждения из газовой фазы (CVD) керамические компоненты (например, фокусировочные кольца, облицовка камер и т. д.) должны подвергаться длительному воздействию высокоэнергетической плазмы, содержащей фтор или хлор. Химическая инертность керамических материалов значительно превосходят в этом отношении характеристики традиционных металлических материалов.
2. Термическая стабильность: если взять в качестве примера карбид кремния, то его высокая теплопроводность и низкий коэффициент теплового расширения делают его идеальным выбором для компонентов со строгими требованиями к точности перемещения на нанометровом уровне, например, для стола заготовки фотолитографической машины.
3. Контроль чистоты: низкие показатели загрязнения керамических материалов (например, вакуумных зажимных приспособлений из оксида алюминия) позволяют эффективно предотвращать загрязнение металлическими частицами во время обработки пластин, обеспечивая чистоту процесса.
Основные керамические материалы и их типичные применения
SiC
Низкая реакционная способность и проводимость карбида кремния, полученного методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), по отношению к хлор- и фторсодержащим травильным газам делают его идеальным материалом для изготовления таких компонентов, как фокусирующие кольца в оборудовании для плазменного травления. Согласно данным QY Research, объём мирового рынка деталей из карбида кремния, полученных методом CVD, в 2022 году достиг 813 млн долларов США, а к 2028 году ожидается рост до 1,432 млрд долларов США. Совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) составит 10,61%.
Шлифовальные диски: По сравнению с традиционными металлическими шлифовальными дисками шлифовальные диски из карбида кремния и керамики позволяют значительно снизить повреждение поверхности пластин и одновременно повысить эффективность шлифования.
Детали реакционной полости, такие как вертикальная лодочка, тепловое отключение и т. д., широко используются в оборудовании для высокотемпературной термообработки, таком как окислительные печи, оборудование для быстрого отжига и т. д.).
Детали литографических машин: заготовки из карбида кремния и керамические боковые зеркала, обладающие малым весом и высокой устойчивостью, широко используются в прецизионных системах движения легких гравировальных машин.
Оборудование для травления: фокусировочное кольцо, газораспылительная головка для соответствия допускам ключевых деталей плазменного травления.
Al₂O₃
Защита травильной машины: для внутренней футеровки камеры травления используется высокочистое покрытие из оксида алюминия или объемная керамика, что значительно продлевает срок службы оборудования.
Электростатический держатель (ESC): Оксид алюминия, в котором для адсорбции пластин используется сила Кулона, стал основным материалом из-за его высокой стоимости, но нитрид алюминия (AlN) постепенно вытесняет некоторые из его применений из-за его превосходной теплопроводности.
Роботизированные руки и сопла: Керамические роботизированные руки, используемые для обработки пластин, и газовые сопла для оборудования плазменной очистки должны соответствовать строгим требованиям, таким как высокая износостойкость и коррозионная стойкость.
AlN
Высококачественный порошок нитрида алюминия является необходимым условием для получения высокотеплопроводных керамических подложек из нитрида алюминия. В настоящее время технология получения высококачественного порошка AlN практически монополизирована развитыми странами, такими как Япония, США и Германия, которые строго ограничивают его технологический процесс. Их порошок AlN обладает такими преимуществами, как высокая чистота, хорошая однородность размера частиц, хорошие характеристики спекания и хорошая усадка, занимая 90% мирового рынка, особенно благодаря таким гигантам отрасли, как Tokuyama и Toyo Aluminum в Японии.
Электростатический держатель: По сравнению с оксидом алюминия, высокая теплопроводность нитрида алюминия может значительно повысить точность контроля температуры пластины, но из-за его относительно высокой стоимости его применение по-прежнему сосредоточено в областях с высоким уровнем требований.
Компоненты теплоотвода: в качестве теплоотводящей подложки для мощных устройств (например, СВЧ-модулей) он в полной мере использует свои превосходные характеристики теплопроводности.
Si₃N₄
Подшипники и направляющие: Благодаря высокой прочности и стойкости к тепловым ударам они широко используются в прецизионных системах перемещения фотолитографических машин и травильных машин.
Специальная конструкционная керамика, производимая Fountyl Technologies, включает в себя керамику на основе нитрида кремния, нитрида алюминия, оксида алюминия, карбида кремния и пористую керамику. Она изготавливается из высокочистого керамического сырья методом сухого или холодного изостатического прессования, высокотемпературного спекания и прецизионной обработки. Керамические конструкционные элементы, производимые Fountyl Technologies, обладают такими характеристиками, как высокая термостойкость, коррозионная стойкость, износостойкость и изоляционные свойства.
Анализ рынка полупроводниковой керамической продукции
Согласно последним данным исследования QYResearch, объем мирового рынка полупроводниковой керамики и ключевых материалов в 2024 году составил около 2,766 млрд долларов США и, как ожидается, вырастет до 4,257 млрд долларов США к 2031 году, при этом среднегодовой темп роста (CAGR) составит 6,8% в период с 2025 по 2031 год.
В настоящее время мировой рынок полупроводниковых керамических материалов составляет около 18 млрд долларов США, на рынке высококлассных товаров (таких как керамические нагреватели, электростатические патроны и т.д.) уровень локализации все еще составляет менее 10%, в основном за счет японской компании Kyocera (Киосера) и американского международного гиганта-монополиста CoorsTek.
Японские компании занимают доминирующее положение на мировом рынке, обладая долей более 50%. Среди них Kyocera, NGK, Ferrotec, TOTO, Niterra и Japan Fine Ceramics Co., Ltd. (JFC), которые являются лидерами в области технологий в области высокотехнологичных компонентов (например, рабочих столов для литографических машин из карбида кремния); американская компания CoorsTek имеет значительное преимущество в области коррозионно-стойких керамических покрытий.
