Os componentes cerâmicos mais comuns na fabricação de semicondutores

Cinco materiais cerâmicos comandam o setor de semicondutores. Alumina. Nitreto de alumínio. Carbeto de silício. Quartzo. Zircônia. A maioria das fábricas as utiliza diariamente, mas raramente param para pensar se estão usando a sala certa.

Nos últimos 20 anos, passei por mais salas limpas do que posso contar. As mesmas lições continuam aparecendo.

Tomada rápida

A maioria das fábricas começa com alumina. Você a encontrará em todos os lugares. O nitreto de alumínio vai para onde o calor precisa escapar. O carbeto de silício é para resistência e rigidez ao plasma. O quartzo é para transparência em altas temperaturas. A zircônia é para resistência e resistência ao desgaste.

Se você não tiver um requisito especial, comece com a alumina. Ela cobre cerca de 80% das aplicações.

Cinco cerâmicas em um relance

Alumina

A alumina é o padrão. Você a encontrará em quase todas as fábricas - em câmaras de cerâmica, janelas de passagem de RF, braços de manuseio de wafer, pinos de elevação e proteções de deposição. O setor a utiliza há décadas e sabe como processá-la, usiná-la e uni-la. As cadeias de suprimentos estão maduras. Os preços são estáveis.

A pureza típica da alumina usada nesse setor varia de 95% a 99,6%. A pureza mais alta proporciona melhor resistência ao plasma, mas custa significativamente mais.

Já vi fábricas especificarem alumina de altíssima pureza para um revestimento de câmara quando 96% teria durado o mesmo tempo. Combine o grau com a química do plasma, não com um requisito geral.

Nitreto de alumínio

O calor precisa ir para algum lugar. O nitreto de alumínio existe porque a movimentação do calor é fundamental no processamento de plasma. Você o encontrará em corpos de mandris eletrostáticos, placas de aquecimento, espalhadores de calor e janelas de RF.

Com uma condutividade térmica de 170-200 W/m-K, o AlN conduz o calor quase tão bem quanto alguns metais. Mas continua sendo um isolante elétrico. Essa combinação - condução de calor e bloqueio de eletricidade - é rara.

O AlN é mais frágil do que a alumina. Já vi mandris racharem durante a instalação porque um engenheiro o tratou como alumina. Não é. Trate-o de forma diferente. E é cerca de três a cinco vezes mais caro do que a alumina. Use-o somente quando a dissipação de calor for o fator limitante.

Carbeto de silício

Nada mais sobrevive ao plasma como o carbeto de silício. Os plasmas à base de flúor atacam quase tudo, mas o SiC resiste melhor do que qualquer outra cerâmica desta lista. Você o verá em anéis de foco, pastilhas fictícias, susceptores, revestimentos de câmara e placas de distribuição de gás.

O SiC também é extremamente duro - quase tão duro quanto o diamante - e gera pouquíssimas partículas. Em nós avançados, isso é importante.

Depois que o SiC é sinterizado, ele só pode ser moldado com ferramentas de diamante. Se precisar de geometrias complexas, pergunte sobre a usinagem verde (corte antes da sinterização) ou especifique a forma quase líquida. O SiC é caro - geralmente cinco a dez vezes o custo da alumina. Mas em ambientes de plasma de alta densidade, ele dura muito mais. Faça as contas do custo total de propriedade antes de optar pela alumina.

Quartzo

O quartzo não é uma cerâmica no mesmo sentido que a alumina ou o SiC. Trata-se de sílica amorfa. Mas está presente em toda parte na fabricação de semicondutores - em tubos de fornos, campânulas, barcos de wafer, portas de visualização e pedestais.

O que torna o quartzo especial é sua clareza óptica em altas temperaturas. É possível ver através do quartzo quando ele está a 1.000°C. É por isso que ele é usado para portas de visualização e tubos de processamento térmico.

O quartzo amolece acima de 1.100°C. Não o utilize em aplicações que excedam esse limite. Para temperaturas mais altas, mude para alumina ou SiC.

A pureza é importante. O quartzo de grau semicondutor é normalmente 99,99% ou melhor. A contaminação por traços de metal de um tubo de quartzo arruinará um óxido de porta. Eu já vi isso acontecer.

Zircônia

As coisas se movem. As coisas se desgastam. Zircônia é o que se usa quando isso acontece. Você a encontrará em pinos-guia, roletes, válvulas, rolamentos e acessórios de precisão.

A zircônia tem alta resistência à fratura e resiste à propagação de trincas melhor do que qualquer outro material desta lista. Use-a onde os componentes se movem uns contra os outros ou sofrem choques mecânicos.

A zircônia estabilizada com ítria (YSZ) é o padrão para aplicações estruturais. Não compre zircônia não estabilizada para uso em semicondutores - ela rachará durante o ciclo térmico. A zircônia é cara, comparável ao SiC, mas, em aplicações de desgaste, ela dura muito mais do que a alumina.

Como escolher?

Em caso de dúvida, comece com alumina. Esse é o padrão do setor por algum motivo. Mude para AlN quando o problema for o calor. Mude para SiC quando o problema for o plasma.

O que especificar ao fazer o pedido

Para obter uma cotação precisa, inclua estes cinco itens:

1. Material - Alumina, AlN, SiC, quartzo ou zircônia
2. Pureza/grau - por exemplo, 99,6% de alumina, zircônia estabilizada com ítria
3. Dimensões - desenho ou esboço detalhado
4. Quantidade - Um protótipo ou 1.000 unidades de produção
5. Aplicação - Qual câmara, qual temperatura, qual química de plasma

Boa solicitação:

"Revestimento de câmara de alumina, 99,6%, desenho em anexo, quantidade 10, para uma câmara de gravação RIE da Oxford usando plasma CF4."

Solicitação ruim:

"Por favor, faça uma cotação de peças de cerâmica".

A primeira solicitação nos dá tudo o que precisamos. A segunda chega incompleta e passamos para o próximo cliente.

Resumindo

A alumina atende à maioria das aplicações. Use-a, a menos que você tenha um motivo para não usá-la.

O nitreto de alumínio é para dissipação de calor. O carbeto de silício é para resistência a plasma. Quartzo para transparência em altas temperaturas. Zircônia para resistência ao desgaste.

Não exagere nas especificações. Já vi fábricas pagarem cinco vezes mais por SiC quando a alumina teria funcionado. Também já vi tubos de quartzo falharem porque alguém ignorou o limite de 1.100°C.

Combine o material com o problema, não com uma folha de especificações.

Se não tiver certeza de qual cerâmica se encaixa em sua câmara, envie-me as condições. Eu lhe direi o que funciona e o que pode rachar, derreter ou contaminar seus wafers.

*A StanfordAdvanced Materials (SAM) fornece componentes cerâmicos para fábricas de semicondutores desde 1994. Com armazéns nos EUA, Canadá, Europa e Ásia-Pacífico, enviamos para o mundo todo. Entre em contato com a nossa equipe, informe-nos sobre as condições da sua câmara e nós lhe enviaremos o material certo.