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Los componentes cerámicos más comunes en la fabricación de semiconductores
Cinco materiales cerámicos dirigen la industria de los semiconductores. Alúmina. Nitruro de aluminio. Carburo de silicio. Cuarzo. Circonio. La mayoría de las fábricas los utilizan a diario, pero rara vez se paran a pensar si están utilizando el correcto.
En los últimos 20 años, he pasado por más salas blancas de las que puedo contar. Las mismas lecciones siguen apareciendo.
Resumen
La mayoría de las fábricas empiezan con alúmina. La encontrará en todas partes. El nitruro de aluminio se utiliza donde el calor necesita escapar. El carburo de silicio se utiliza para la resistencia al plasma y la rigidez. El cuarzo es transparente a altas temperaturas. La circonia es para la dureza y la resistencia al desgaste.
Si no tiene ningún requisito especial, empiece por la alúmina. Cubre aproximadamente el 80% de las aplicaciones.
Cinco cerámicas de un vistazo
| Material | El mejor para | Propiedad clave | Componentes típicos | Limitación |
|---|---|---|---|---|
| Alúmina (Al₂O₃) | Aislamiento de uso general | Alta resistencia dieléctrica, buena conductividad térmica | Cámaras, ventanas, pasamuros, manipulación de obleas | Menor conductividad térmica que el AlN |
| Nitruro de aluminio (AlN) | Disipación del calor | Conductividad térmica muy alta (170-200 W/m-K) | Cuerpos calefactores, mandriles electrostáticos, disipadores de calor | Mayor coste, más frágil |
| Carburo de silicio (SiC) | Resistencia al plasma, rigidez | Dureza extrema, baja generación de partículas | Anillos de enfoque, obleas falsas, susceptores, revestimientos de cámaras | Caro, difícil de mecanizar |
| Cuarzo (SiO₂) | Transparencia a altas temperaturas | Claridad óptica a altas temperaturas, baja expansión térmica | Mirillas, campanas, tubos de horno, pedestales | Se ablanda por encima de 1.100°C |
| Circonio (ZrO₂) | Dureza, resistencia al desgaste | Alta tenacidad a la fractura, resistencia al choque térmico | Pasadores guía, rodillos, válvulas, accesorios de precisión | Alta densidad, caro |
Alúmina
La alúmina es el estándar. La encontrará en casi todas las fábricas: en cámaras cerámicas, ventanas de paso de RF, brazos de manipulación de obleas, pasadores de elevación y escudos de deposición. La industria lleva décadas utilizándola y sabe cómo procesarla, mecanizarla y unirla. Las cadenas de suministro están maduras. Los precios son estables.
La pureza típica de la alúmina utilizada en este sector oscila entre el 95% y el 99,6%. Una mayor pureza proporciona una mayor resistencia al plasma, pero cuesta bastante más.
He visto fábricas que especifican alúmina de pureza ultra alta para un revestimiento de cámara cuando el 96% habría durado lo mismo. Adapte el grado a la química del plasma, no a un requisito general.
Nitruro de aluminio
El calor tiene que ir a alguna parte. El nitruro de aluminio existe porque el calor en movimiento es crítico en el procesamiento por plasma. Lo encontrará en cuerpos de mandriles electrostáticos, placas calefactoras, disipadores de calor y ventanas de RF.
Con una conductividad térmica de 170-200 W/m-K, el AlN conduce el calor casi tan bien como algunos metales. Pero sigue siendo un aislante eléctrico. Esta combinación de conducción del calor y bloqueo de la electricidad es poco frecuente.
El AlN es más quebradizo que la alúmina. He visto mandriles agrietarse durante la instalación porque un ingeniero lo trató como si fuera alúmina. No lo es. Hay que tratarlo de otra manera. Además, es entre tres y cinco veces más caro que la alúmina. Utilícelo sólo cuando la disipación del calor sea un factor limitante.
Carburo de silicio
Nada sobrevive al plasma como el carburo de silicio. Los plasmas a base de flúor lo atacan casi todo, pero el carburo de silicio resiste mejor que cualquier otra cerámica de esta lista. Lo verá en anillos de enfoque, obleas ficticias, susceptores, revestimientos de cámaras y placas de distribución de gas.
Además, el SiC es extremadamente duro, casi tanto como el diamante, y genera muy pocas partículas. En los nodos avanzados, eso importa.
Una vez sinterizado, el SiC sólo puede moldearse con herramientas de diamante. Si necesita geometrías complejas, pregunte por el mecanizado en verde (corte antes de la sinterización) o especifique una forma casi neta. El SiC es caro: a menudo cuesta entre cinco y diez veces más que la alúmina. Pero en entornos de plasma de alta densidad, dura mucho más. Calcule el coste total de propiedad antes de optar por la alúmina.
Cuarzo
El cuarzo no es una cerámica en el mismo sentido que la alúmina o el SiC. Es sílice amorfa. Pero está por todas partes en la fabricación de semiconductores: en tubos de hornos, frascos de campana, botes de obleas, mirillas y pedestales.
Lo que hace especial al cuarzo es su claridad óptica a altas temperaturas. Se puede ver a través del cuarzo cuando está a 1.000°C. Por eso se utiliza en mirillas y tubos de procesamiento térmico.
El cuarzo se ablanda por encima de los 1.100°C. No lo utilice en aplicaciones que superen este límite. Para temperaturas más altas, cambie a alúmina o SiC.
La pureza es importante. El cuarzo semiconductor suele tener una pureza del 99,99% o superior. La contaminación por trazas de metal de un tubo de cuarzo puede arruinar un óxido de compuerta. Lo he visto.
Zirconia
Las cosas se mueven. Las cosas se desgastan. La zirconia es lo que se utiliza cuando esto ocurre. La encontrará en pasadores guía, rodillos, válvulas, cojinetes y dispositivos de precisión.
El óxido de circonio tiene una gran tenacidad a la fractura y resiste la propagación de grietas mejor que cualquier otro material de esta lista. Utilícelo cuando los componentes se muevan unos contra otros o sufran choques mecánicos.
Elóxido de circonio estabilizado con itrio (YSZ ) es el estándar para aplicaciones estructurales. No compre óxido de circonio no estabilizado para semiconductores, ya que se agrieta con los ciclos térmicos. La zirconia es cara, comparable al SiC, pero en aplicaciones de desgaste dura mucho más que la alúmina.
¿Cómo elegir?
| Si su principal preocupación es... | Empiece por... | A continuación, considere... |
|---|---|---|
| Aislamiento general, bajo coste | Alúmina | - |
| Disipación del calor | Nitruro de aluminio | - |
| Resistencia al plasma, bajas partículas | Carburo de silicio | Alúmina de gran pureza |
| Acceso óptico a alta temperatura | Cuarzo | - |
| Resistencia al desgaste, tenacidad | Circonio | - |
| Alta temperatura (>1.100°C) | Alúmina o SiC | No cuarzo |
En caso de duda, empiece por la alúmina. Por algo es el material por defecto en la industria. Cambie a AlN cuando el problema sea el calor. Cambie a SiC cuando el problema sea el plasma.
Qué especificar al hacer el pedido
Para obtener un presupuesto exacto, incluya estos cinco datos:
- Material: alúmina, AlN, SiC, cuarzo o circonio.
- Pureza / Grado - por ejemplo, 99,6% de alúmina, óxido de circonio estabilizado con itrio.
- Dimensiones - Dibujo o boceto detallado
- Cantidad - Un prototipo o 1.000 unidades de producción
- Aplicación - Qué cámara, qué temperatura, qué química del plasma
Buena solicitud:
"Revestimiento de cámara de alúmina, 99,6%, dibujo adjunto, cantidad 10, para una cámara de grabado RIE Oxford que utiliza plasma CF4".
Mala solicitud:
"Por favor, cotice las piezas de cerámica".
La primera solicitud nos da todo lo que necesitamos. La segunda llega incompleta, y pasamos al siguiente cliente.
En resumen
La alúmina cubre la mayoría de las aplicaciones. Utilícela a menos que tenga una razón para no hacerlo.
El nitruro de aluminio sirve para disipar el calor. El carburo de silicio es resistente al plasma. El cuarzo es transparente a altas temperaturas. La circonia es resistente al desgaste.
No sobreespecifique. He visto fábricas que pagan cinco veces más por SiC cuando la alúmina habría funcionado. También he visto fallar tubos de cuarzo porque alguien ignoró el límite de 1.100°C.
Adapte el material al problema, no a una hoja de especificaciones.
Si no está seguro de qué cerámica se adapta a su cámara, envíeme las condiciones. Le diré lo que funciona y lo que agrietará, fundirá o contaminará sus obleas.
*StanfordAdvanced Materials (SAM) suministra componentes cerámicos a fábricas de semiconductores desde 1994. Con almacenes en EE.UU., Canadá, Europa y Asia-Pacífico, realizamos envíos a todo el mundo. Póngase en contacto con nuestro equipo, díganos las condiciones de su cámara y le enviaremos el material adecuado.
Dr. Samuel R. Matthews
