半導体製造における高精度部品に欠かせない素材「SiCセラミックス」

SiC は、高密度、高熱伝導率、高曲げ強度、高弾性率、強力な耐食性、優れた高温安定性など、望ましい特性のユニークな組み合わせを備えています。曲げ応力変形や熱ひずみに対する耐性により、ウェーハのエピタキシーやエッチングなどの重要な製造プロセスで遭遇する過酷で腐食性の超高温環境に非常に適しています。その結果、SiCは研削、研磨、熱処理（アニーリング、酸化、拡散）、リソグラフィー、蒸着、エッチング、イオン注入などのさまざまな半導体製造段階で広く応用されています。

1. 研削・研磨：SiC研削サセプタ

インゴットをスライスした後、ウェーハには鋭いエッジ、バリ、欠け、微小亀裂、その他の欠陥が現れることがよくあります。これらの欠陥によってウェーハの強度、表面品質、およびその後の処理ステップが損なわれるのを防ぐために、研削プロセスが使用されます。研削によりウェーハのエッジが滑らかになり、厚さのばらつきが減り、表面の平行度が向上し、スライスプロセスによって引き起こされる損傷が除去されます。研削プレートを使用した両面研削は最も一般的な方法であり、プレートの材質、研削圧力、回転速度の継続的な進歩により、ウェーハの品質は常に向上しています。

両面研削機構

従来、研削プレートは主に鋳鉄または炭素鋼で作られていました。しかし、これらの材料は寿命が短く、熱膨張係数が高く、特に高速研削または研磨中に摩耗や熱変形を受けやすいため、一貫したウェーハの平坦性と平行度を達成することが困難です。並外れた硬度、低摩耗率、シリコンとほぼ一致する熱膨張係数を備えた SiC セラミック研削プレートの出現により、鋳鉄や炭素鋼が徐々に置き換えられてきました。これらの特性により、SiC 研削プレートは高速研削および研磨プロセスに特に有利になります。

2. 熱処理: SiC ウェーハキャリアおよび反応チャンバーコンポーネント

酸化、拡散、アニーリング、合金化などの熱処理ステップは、ウェーハの製造に不可欠です。 SiC セラミック コンポーネントは、主に処理ステップ間を搬送するためのウェーハ キャリアとして、また熱処理装置の反応チャンバー内のコンポーネントとして、これらのプロセスにおいて重要です。

(1)セラミックエンドエフェクター(アーム):

シリコンウェーハの製造中には、多くの場合、高温処理が必要となります。特殊なエンドエフェクターを備えた機械アームは、半導体ウェーハの搬送、取り扱い、位置決めに一般的に使用されます。これらのアームはクリーンルーム環境、多くの場合真空、高温、腐食性ガス雰囲気下で動作する必要があり、高い機械的強度、耐食性、高温安定性、耐摩耗性、硬度、電気絶縁性が要求されます。 SiC セラミックアームはより高価で製造が困難ですが、これらの厳しい要件を満たす点ではアルミナ代替アームよりも優れています。

Semicorex SiC セラミックエンドエフェクター

(2) 反応チャンバーのコンポーネント:

酸化炉 (横型および縦型) や急速熱処理 (RTP) システムなどの熱処理装置は高温で動作するため、内部コンポーネントには高性能の材料が必要です。優れた強度、硬度、弾性率、剛性、熱伝導率、低い熱膨張係数を備えた高純度焼結SiCコンポーネントは、これらのシステムの反応チャンバーを構築するために不可欠です。主要なコンポーネントには、垂直ボート、ペデスタル、ライナー チューブ、インナー チューブ、バッフル プレートが含まれます。

反応チャンバーのコンポーネント

3. リソグラフィー: SiC ステージとセラミックミラー

半導体製造における重要なステップであるリソグラフィーでは、光学システムを使用して光をウェーハ表面に焦点を合わせて投影し、その後のエッチングに備えて回路パターンを転写します。このプロセスの精度は、集積回路の性能と歩留まりに直接影響します。チップ製造において最も洗練された機器の 1 つであるリソグラフィー マシンは、数十万のコンポーネントで構成されています。回路の性能と精度を保証するために、リソグラフィ システム内の光学素子と機械コンポーネントの両方の精度に厳しい要件が課されます。 SiC セラミックは、この分野、主にウェーハ ステージやセラミック ミラーで重要な役割を果たしています。

リソグラフィーシステムのアーキテクチャ

(1)ウェーハステージ:

リソグラフィ ステージは、ウェハを保持し、露光中に正確な動きを実行する役割を果たします。各露光の前に、正確なパターン転写を確実にするために、ウェハとステージをナノメートルの精度で位置合わせし、続いてフォトマスクとステージの間の位置合わせを行う必要があります。そのためには、ナノメートルレベルの精度で、高速かつスムーズかつ高精度にステージを自動制御する必要があります。これらの要求を満たすために、リソグラフィ ステージには、優れた寸法安定性、低い熱膨張係数、変形耐性を備えた軽量の SiC セラミックが使用されることがよくあります。これにより、慣性が最小限に抑えられ、モーターの負荷が軽減され、動作効率、位置決め精度、安定性が向上します。

(2)セラミックミラー:

ウェハ ステージとレチクル ステージ間の同期動作制御はリソグラフィーにおいて極めて重要であり、プロセス全体の精度と歩留まりに直接影響します。ステージミラーは、ステージスキャンおよび位置決めフィードバック測定システムの不可欠なコンポーネントです。このシステムは干渉計を使用して測定ビームを放射し、ステージのミラーで反射します。ドップラー原理を使用して反射ビームを分析することにより、システムはステージの位置変化をリアルタイムで計算し、モーション制御システムにフィードバックを提供して、ウエハステージとレチクルステージ間の正確な同期を確保します。軽量の SiC セラミックはこの用途に適していますが、このような複雑なコンポーネントの製造には大きな課題が伴います。現在、主流の集積回路装置メーカーは主にガラスセラミックまたはコーディエライトをこの目的に使用しています。しかし、材料科学と製造技術の進歩により、中国建築材料アカデミーの研究者らは、リソグラフィー用途向けに、大型で複雑な形状の軽量の完全密閉型 SiC セラミックミラーやその他の構造機能性光学コンポーネントの製造に成功しました。

(3)フォトマスク薄膜:

レチクルとしても知られるフォトマスクは、光を選択的に透過し、感光性材料上にパターンを作成するために使用されます。ただし、EUV 光の照射によりフォトマスクが大幅に加熱され、摂氏 600 ～ 1000 度の温度に達する可能性があり、熱損傷につながる可能性があります。これを軽減するために、フォトマスクの熱安定性を高め、劣化を防ぐために、SiC 薄膜がフォトマスク上に堆積されることがよくあります。

4. プラズマエッチングと蒸着: フォーカスリングとその他のコンポーネント

半導体製造におけるエッチングプロセスでは、イオン化ガス（フッ素含有ガスなど）から生成されたプラズマを利用して、ウェーハ表面から不要な材料を選択的に除去し、所望の回路パターンを残します。逆に、薄膜堆積では、リバース エッチング プロセスと同様に、金属層の間に絶縁材料を堆積して誘電体層を形成します。どちらのプロセスでもプラズマ技術が採用されており、チャンバーのコンポーネントを腐食させる可能性があります。したがって、これらのコンポーネントには、優れたプラズマ耐性、フッ素含有ガスとの低い反応性、および低い電気伝導率が必要です。

従来、フォーカス リングなどのエッチングおよび蒸着装置のコンポーネントは、シリコンや石英などの材料を使用して製造されていました。しかし、集積回路 (IC) の微細化への絶え間ない取り組みにより、高精度のエッチング プロセスの需要と重要性が大幅に増加しています。この小型化には、より小さなフィーチャ サイズとますます複雑なデバイス構造を達成するために、高エネルギー プラズマを使用して正確なマイクロスケール エッチングが必要になります。

この需要に応えて、化学蒸着 (CVD) 炭化ケイ素 (SiC) が、エッチングおよび蒸着装置のコーティングやコンポーネントに推奨される材料として浮上しています。高純度や均一性などの優れた物理的および化学的特性により、この要求の厳しい用途に非常に適しています。現在、エッチング装置の CVD SiC コンポーネントには、フォーカス リング、ガス シャワーヘッド、プラテン、エッジ リングが含まれます。成膜装置では、CVD SiC がチャンバーの蓋、ライナー、SiC コーティングされたグラファイト サセプターに利用されます。

フォーカスリングとSiCコーティングされたグラファイトサセプター

CVD SiC は塩素系およびフッ素系のエッチング ガスとの反応性が低く、導電率が低いため、プラズマ エッチング装置のフォーカス リングなどのコンポーネントに理想的な材料となっています。ウエハの周囲に配置されるフォーカス リングは、リングに電圧を印加することでプラズマをウエハ表面に集中させ、それによって処理の均一性を高める重要なコンポーネントです。

IC の小型化が進むにつれて、特に容量結合プラズマ (CCP) エッチング装置において、エッチング プラズマに必要な電力とエネルギーは増加し続けています。その結果、これらのますます攻撃的なプラズマ環境に耐えられる能力があるため、SiC ベースのフォーカス リングの採用が急速に増加しています。**

Semicorex は、経験豊富なメーカーおよびサプライヤーとして、半導体および太陽光発電産業向けに特殊グラファイトおよびセラミック材料を提供しています。ご質問がある場合、または詳細が必要な場合は、お気軽にお問い合わせください。

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