はじめに:半導体製造におけるセラミックスの重要な役割
世界の半導体産業は、スマートフォンやクラウドコンピューティングから人工知能、自動運転車、量子情報システムに至るまで、現代技術のバックボーンとなっています。半導体デバイスが小さくなるにつれてsub-3nmプロセスノード高度な3 dパッケージングアーキテクチャ、製造に使用される製造装置および材料は、ますます厳しい性能要件を満たす必要があります。
このような危険な環境では窒化ケイ素(Si₃N₄)陶磁器半導体装置設計において最も戦略的に重要な先端材料の1つとして浮上しています。従来の金属中の高分子とは違って、ないし他製磁器等か発掘、Si₃N₄一意に均衡の組み合わせをするプラズマ耐侵食性、化学的不活性性、熱安定性、機械的靭性、および超低粒子発生-これらはすべて、現代のウェハ製造施設(ファブ)では、譲れない要件です。
この包括的な技術ガイドでは、プラズマエッチングチャンバー、cvd / pvd成膜システムからリソグラフィのアライメント機構、cmp処理、クリーンルームの自動化に至るまで、窒化ケイ素セラミックスが半導体装置のバリューチェーン全体にどのように適用されているかを詳細に説明します。後ろに理解材料科学Si₃N₄や具体的な利点、半導体環境エンジニアと购买専門家はbetter-informed材料のの选択をするか決める次世代fab設備です
窒化ケイ素(Si₃N₄)-材料ファンダメンタル
窒化ケイ素はaですnon-oxide先進陶器シリコン原子と窒素原子が密な3次元共有結合ネットワークで結合しています。1857年に最初に合成アンリ・ファンタンパリSainte-Claireドゥビルフリードリヒべラー事務総長のSi₃N₄に長い過去7十年間生命はがある陶磁器もっとも技術的に重大な工学の一つと特に半導体、航空宇宙自動車などにも応用できます
屈曲力
700-1000 MPa
マックス温度
1400°Cまで
タフネス骨折です
6 ~ 8メガパスカル・m½
密度
3.17-3.44 g / cm³
水晶段階
Si₃N年に3段階の₄が存在する:α-phase(六角形の低温合成生成物)β-phase(六角形、熱力学的に安定で、エンジニアリングセラミックスに適しています)、とγ-phase(超高圧、15 gpa)。βの-phase特徴长く伸びた連動の雑穀crack-bridgingを媒介とした自然toughening機構を作る。
Semiconductor-Grade純度
半導体アプリケーション、Si₃N₄なければ達成でき超純度(>99.9%)微量金属不純物(< fe、cu、na、kの場合は1 ppm)。この素材は最小限の微小粒子状物汚染プラズマ照射および湿式化学洗浄サイクル中、semi (semiconductor equipment and materials international)のfab使用基準を満たしています。
分子&エスアイ₃N₄の組織構造が
半導体環境における窒化ケイ素の優れた性能は、その特性に由来しています独特の最低でも10年建築。Si₃N₄水晶が3次元网络から建立罪₄も言う各シリコン原子は4つの窒素原子と共有結合しており(sp3混成)、各窒素原子は3つのシリコン原子を平面的に三方的に結合している。この高密度の共有結合ネットワークが材料の基本的な源である's高硬度、化学的不活性、プラズマ浸食に対する耐性は、半導体製造装置に不可欠な特性です。
半導体の構造-特性リンク
強いSi-N共有結合(335集合/ mol)といない時弱い階感飛行機がSi₃N₄抵抗と异例のプラズマ浸食-成分が高エネルギーイオンと反応性ラジカルによって衝突されるエッチングチャンバー内の重要な要素。この材料は石英よりも3 ~ 10倍遅く、フッ素系プラズマ中の高純度アルミナに匹敵します。
半導体プロセスとの関連
密な3 dネットワークも保証します最小限の性があります空白と下超低粒子生成両方とも、サブ5nmの製造ノードでウェハの歩留まりを維持するために重要です。また、化学を真似たシリコン(基板材料自体)が₃Si N本質₄Si-basedプロセスと互換性化学反応。
なぜ半導体装置に窒化ケイ素を使うのか?
半導体製造は、地球上で最も技術的に要求の厳しい製造環境の1つです。プロセスチャンバーは、高エネルギープラズマ、腐食性ガス、超高真空、急速熱サイクル、ナノメートルスケールの精度要件などの極限条件で動作します。Si₃N₄陶磁器これらの問題は6つの主要なメリットを会う日まで
プラズマ浸食抵抗
ドライエッチング(rie、drie、icp)では、高エネルギーイオンと反応性プラズマ種(cf . cooh、sf、cl socl2、hbr)によってチャンバー成分が連続的に照射される。Si₃N₄示しプラズマ浸食に対する優れた耐性侵食率3 ~ 10×石英より低い身分では高純度、アル・₂O₃AlNに匹敵するプラズマfluorine-basedで。これにより、部品の寿命が延び、ウェーハのパーティクル汚染が低減されます。
超低粒子生成
粒子汚染は#1半導体工場の歩留まりキラー。サブ7nmのノードでは、20nmの粒子が1つでもトランジスタを破壊する可能性があります。Si₃N₄生成かなり少なく粒子プラズマ暴露および熱サイクル中の金属またはポリマー成分よりも優れているため、ファブは高度なプロセスステップで歩留まり90%以上を維持できます。
熱安定性&耐衝撃性
cvdおよび拡散プロセスは、頻繁な熱サイクルで400 ~ 1200°cで動作します。Si₃N₄'s低ワイン(3.2×10⁻⁶/°C)我慢熱ショックの高い抵抗を好む急速な加熱/冷却サイクルの数千亀裂、反り、寸法ドリフトがなく、プロセスの再現性と装置の稼働時間を維持するために重要です。
化学Inertness
半導体プロセス過激な化学物質を用いる- HF、HCl、H₂これ₄及び各種プラズマオブジェクトNH₃という意味だ。Si₃N₄ほとんどの酸に対して化学的に耐性があります(辛いので集中HFやH₂₄を除く)、アルカリ、有機溶剤fab环境で使われています。また、金属化プロセスで使用される溶融金属からの攻撃にも耐えます。
機械精度&安定性
Si₃N₄を加工することができる許容範囲sub-micrometer(±1μm)へダイヤの研磨打ち寄せる。高剛性(300 ~ 320 gpa)と耐クリープ性により、高精度部品は何百万回もの動作サイクルにわたって寸法精度を維持します。これはリソグラフィ用アライメントピン、ウェーハハンドリング用エンドエフェータ、ロボットアーム部品に不可欠です。
电気绝縁
多くの半導体プロセスでは媒体孤立アーク、電荷の蓄積、またはrfプラズマ場との干渉を防止します。Si₃N₄电気绝縁に(巻第抵抗率> 10¹²Ω・センチ、誘電体力> 10 kV / mm)を維持しながら構造上→資料他の組み合わせ幾つかの完全さぐらいがプラズマ・ディスプレー・環境に並べられる選手たち。
半導体や装備Si₃N₄アプリケーションを
窒化ケイ素セラミックスは、最新の半導体製造施設内のほぼすべての主要なプロセス工程で使用されています。以下は、主なアプリケーションの詳細な内訳です。
プラズマエッチング装置(rie / drie / icp)
プラズマエッチングは、反応性のプラズマ種を用いてウェーハ表面から材料を選択的に除去するプロセスです。これは、機器コンポーネントにとって最も攻撃的な環境の1つです。
Si₃N₄要素:エッチングリング(フォーカスリング)、チャンバライナー、シャワーヘッドプレート、ガス分配プレート、上下電極、およびウェハクランプリング。これらの成分は、寸法安定性を維持し、最小限の粒子を生成しながら、フッ素、塩素、および臭素ベースのプラズマ種による連続的な衝撃に耐える必要があります。Si₃N₄エッチ指輪通常最後もう2 ~ 3×cf cooh / sfのetchプロセスと同等の石英よりも優れています。
②例えば/宣誓証言PVDシステム
化学蒸着(cvd)および物理蒸着(pvd)システムは、真空または制御されたガス雰囲気下で、高温(300 ~ 1000°c)でウェーハ上に薄膜を成膜します。
Si₃N₄要素:サセプタ板、ヒーターカバー、チャンバーシールド、ターゲットシールド、ウェーハリフトピン、および絶縁スタンドオフ。なお、LPCVD処理Si₃N寄託₄映画は自分を(SiH₂Cl₂+ NH₃)、λen1232のセラミック抵抗コンポーネントは塗料は霧が合わさる!ずに成果掃除のは容易Si₃N₄'sの熱安定性と低アウトガスにより、これらの超クリーンな環境に理想的です。
③リトグラフ&、整列システム
リソグラフィは、半導体製造の中で最も精度の高いステップであり、高度なノードのオーバーレイ精度は<1-2 nmが必要です。ポジショニング機構には、優れた寸法安定性を備えた材料が求められます。
Si₃N₄要素:位置決め/位置決めピン、アライメント治具、ウェハステージコンポーネント、および精密ガイド要素。Si₃N₄'高剛性(310 gpa)、ゼロに近いクリープ、優れた耐摩耗性の組み合わせにより、数百万回の位置決めサイクルにわたってアライメント精度を維持します。耐用年数はジルコニアより5倍長いです位置決めピンと金属ピンより40倍長い精密な位置決め用途で。
④化学機械Planarization(エッチバック)
cmpは、化学的エッチングと機械的摩耗を組み合わせ、ウェーハ表面全体に原子レベルの平坦性を実現します。
Si₃N₄要素:保持リング、ドレッサーボード、およびコンディショニングディスク基板。のceramic's優れた硬度(hv 13-17 gpa)と耐摩耗性により、長時間の研磨サイクルにわたって一貫したダウン力分布とスラリー相互作用を確保し、ウェーハ内の不均一性(wiwnu)ターゲットに直接貢献します。
全自動・全自動・全自動・全自動改札機
自動ウェーハハンドリングロボットは、300mm(さらには450mm)のウェーハをプロセスチャンバー間で高速に搬送するため、軽量、高剛性、粒子フリー、およびesdに安全なエンドエンフータを必要とします。
Si₃N₄要素:ロボットアームのエンドエフェクタ(ブレード/フォーク)、ウェーハボート部品、foup (front opening unified pod)部品、efem (equipment front-end module)構造要素。Si₃N₄'スチールに比べて40%の重量の利点があるため、ロボットの慣性を低減し、位置決め精度を維持しながらウェーハ搬送速度を高速化できます。
⑥先進包装&テスト
2.5 d /3 d統合、tsv (through-silicon via)、fan-outウェハレベルパッケージ(fowlp)、およびチプレットアーキテクチャなどの高度なパッケージング技術には、新しいセラミックソリューションが求められます。
Si₃N₄要素:ボンディングツールのインサート、テストソケットのコンポーネント、ダイアタッチメント治具、および熱管理基板。Si₃N使うことが増えている,セラミック₄基板電力モジュール包装wide-bandgap年(SiC年/の願)半導体装置はSi₃ワイン対戦しN₄とシリコンチップ(~ 3.2 vs 2.6×10⁻⁶/°C) thermomechanicalストレス勢力サイクルの数を減らします。
Si₃N₄要素プラズマエッチ大韓-図断面
以下の断面図は、窒化ケイ素セラミック部品が標準値内に配置される主要な位置を示しています誘導結合プラズマ(icp)エッチング室—半導体製造で最も重要な装置の一つ。各ラベル付けされ成分は特定のSi₃N₄アプリケーションポイントを利用material'sプラズマ抵抗、熱安定性、および寸法精度。
プラズマ刻印室Si₃N₄成分の光景を
①Showerhead
プロセスガスを均一に分散します。Si₃N₄プラズマback-sputteringおよび維持孔幾何学に抵抗した。
②置き指を組んで
ウェハエッジのプラズマシースを制御します。エッチングの均一性に重要です。erosion-rateの高い成分。
③ESC lyonコンポーネント
静電チャック絶縁層。Si₃N₄孤立誘電体に熱伝導率を供給している。
④商議ライナー
プラズマと沈着からチャンバの壁を保護します。迅速な清掃/交換メンテナンスサイクルを可能にします。
⑤リフティングピン
ロボット搬送用ウェーハの上下。Si₃N₄耐摩耗性用及びゼロの金属汚染を提供する。
⑥排気指輪
排気ガスの流量制御。Si₃N₄腐食ガスと午後に延びる副産物間隔に抵抗した。
材质比較:Si₃N他の半導体陶磁器₄vs
以下の表は、半導体装置で一般的に使用される他のセラミックスと窒化ケイ素を比較したもので、エンジニアが特定の用途に最適な材料を評価するのに役立ちます。
| 財産 | Si₃N₄ | アル₂O₃ | AlN | SiC | 石英 |
|---|---|---|---|---|---|
| 密度(g / cm³) | 3.2-3.4 | 3.9 | 3.3 | 3.2 | 2.2 |
| 屈曲力(MPa) | 700-1000★ | 300-630 | 300から500 | 400 ~ 600隻 | 50 ~ 70 |
| 骨折靭性を分担(MPa・m½) | 6 ~ 8★ | 3 ~ 5 | 2.5-3.5 | 3 ~ 5 | 0.7-1.0 |
| 熱伝導率(W / m・K) | 20 ~ 30 | 24 ~ 30 | 170-200★ | 120-270 | 1.4 |
| ワイン(×10⁻⁶/°C) | 3.2★ | 8.1 | 4.5 | 4.0 | 0.55 |
| プラズマ浸食抵抗 | 優秀な★ | 優秀な | 良い | 優秀な | 貧しい |
| 熱ショック抵抗 | 優秀な★ | 適度な | 良い | 良い | 優秀な |
| 相対費用 | 高い | 低★ | 高い | 高い | 低 |
| 最適 | 靭性+熱サイクル+プラズマ | 絶縁+ cost-sensitive | 熱管理 | 硬度+熱伝導率 | 透明性+低コスト |
★=比較資料の中でこのカテゴリーで最高のパフォーマンス。数値はエンジニアリンググレードの焼結セラミックスの代表的な範囲です。
見識によって:Si₃半導体陶磁器でN₄が独特の位置を占め-运,物質的な同時にのみ最高の破壊靭性、優れた熱衝撃性、優れたプラズマ耐浸食性。この組み合わせにより、高出力エッチングツールのフォーカスリングやウェハハンドリングエンドエフェクターなど、機械的応力とプラズマ暴露の両方を経験するコンポーネントにとって、この製品はかけがえのないものとなります。
の工程をSemiconductor-Grade Si₃N₄成分
生産semiconductor-grade Si₃N₄成分要求より厳しい品質管理標準産業のセラミック。製造プロセスは、超高純度、制御された微細構造、およびサブミクロンの寸法精度を確保する必要があります。典型的な生産フローを以下に示します。
粉学園
高純度Si₃N₄粉(> 99.9%)・₂O₃エイズ/アル₂O₃焼成です金属impurities< 1 ppm。
形成(CIP)
200 ~ 300 mpaの冷間静水圧プレスで、均一な緑体密度とニアネット形状を実現します。
gps / hip焼結
ガス圧焼結またはヒップ1750-1900°cで。>99.5%の理論密度を達成します。
CNC加工
ダイヤモンド研磨、岩浜したのち研磨、±1μm。Cleanroom-compatible仕上面あらさ(Ra<、0.1μm)。
QC &包装
100%。粒子計数、icp-ms純度分析いくつです真空包装
拡張知識-半導体の表面仕上げ:Semiconductor-grade Si₃N₄成分表面粗さを通常必要(Ra)値<、0.2μmパーティクルトラッピングを最小限に抑え、効果的なウェットクリーニングを可能にします。いくつかのアプリケーション(例えば、ESC lyon誘電体層)需要Ra< 0.05μm。最終的な研磨工程では、汚染を防ぐためにクリーンルーム環境でコロイドシリカまたはダイヤモンドスラリーを使用します。
共同ビジョン:『N Si₃にすべく₄を注ぎ込んだ次世代半導体製造
半導体産業が発展していますサブ2nmノード、>を備えた3 d nand、および異種統合アーキテクチャ設備資材への需要は高まるばかりです。窒化ケイ素セラミックスは、いくつかの新しい技術トレンドの中心に位置しています。
EUVリトグラフ時代
euv (13.5nm)リソグラフィ装置には、マスクハンドリング、ウェハステージ、真空チャンバ内部用の超高純度で超安定したセラミック部品が必要です。Si₃N₄'低アウトガス化と寸法安定性により、euv特有の用途に適しています。
Si₃N₄薄膜資料として
構成要素を超えSi₃N₄自体は薄膜として寄託(LPCVD / PECVD経由)大門誘電体としてウエハー対応エッチ止め層鈍化レイヤを伸張し、ストレスライナーstrained-silicon技術。
Si₃N₄光子集積回路
Si₃N₄光子プラットフォームが必要な要素技術として浮上しているシステムオンチップ光学接続、量子計算LiDAR、biosensing - material&を活用#39;広い透明ウィンドウ(中赤外からも見える)とcmos互換性。
Wide-Bandgapパワーエレクトロニクス
Si₃N₄セラミックス基板は決定的です,SiC顔電力モジュールパッケージのワイン試合が熱竞轮选手信頼性、も高温能力より伝統アル₂O₃産業電力アプリケーション自動車とAlN基板で始まったのです
結論
窒化ケイ素セラミックスは、現代の半導体製造装置に不可欠な材料となっています。その独特な組み合わせはプラズマ耐浸食性、超低粒子発生性、熱衝撃安定性、機械的靭性、化学的不活性性プラズマエッチング、cvd / pvd成膜、リソグラフィのアライメント、cmpプロセスなど、最も要求の厳しいプロセス環境に最適な製品です。
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よくある質問(faq)
q1:なぜ窒化ケイ素が半導体装置に使われるのですか?
窒化ケイ素(Si₃N₄)であることが隠せる優れたプラズマ浸食耐性、粒子の発生を最小限に抑えた高純度、1400°cまでの優れた熱安定性、優れた破壊靭性(6-8 mpa・m)½)、電気絶縁性に優れています。これらの特性により、ウェーハ処理チャンバ、エッチリング、フォーカスリング、シャワーヘッドプレート、精密位置決め部品に理想的です。
Q2:半導体装備部品が何からできていからSi₃N₄?
鍵コンポーネントにはエッチングリング/フォーカスリング、シャワーヘッドプレート、チャンバーライナー、esc部品、ウェハリフトピン、位置決め/位置決めピン、cmp保持リング、ウェハハンドリングエンドエフェクター、cvd / pvdサセプタ部品。Si₃Nとしてこの言葉が用いられる₄もの薄膜誘電体エッチ層直接振り込まはやめてウエハー対応よ
Q3: Si₃N₄はどうやって他の陶磁器半導体のアプリケーションでと比べると?
Si₃N₄提供してタフネス最高骨折です(6-8 vs 3-5 mpa・m½アル₂O₃)や耐熱衝撃性に優れている半導体陶磁器。alnやsicよりも熱伝導率は低いですが、機械的信頼性は良好です。そのワイン(3.2×10⁻⁶/°C)「シリコンぴったり合うはず(2.6×10⁻⁶/°C)、thermomechanicalストレスを減らすことです
Q4:エスアイ₃の役割は何かN₄ウエハー?
Si₃N₄二重機能としての役割:設備部品の構造材料(エッチングリング、チャンバー部品、位置決めピン)プラズマや化学攻撃に抵抗する、とaウェーハ上に薄膜材料を堆積させるvia lpcvd / pecvd高度なcmosプロセスにおけるゲート誘電体、エッチングストップ層、パッシベーション、およびストレスライナーとして使用します。
Q5:いつまで続くSi₃N₄成分半導体の装備?
Si₃N₄成分通常最後石英よりも2-3倍長いプラズマ環境でも同様であるジルコニアより5倍長いです測位翻译,请等待…[translate]ウェーハハンドリングのアプリケーションでは、耐用年数を超えることがあります金属部品の40倍です。正確な一生プロセス化学に依存しているとプラズマ、温度、およびデューティサイクル-でもSi₃N₄一貫してはlongest-lastingセラミックオプション数えられる。
