Precyzyjne elementy ceramiczne z węglika krzemu do maszyn litograficznych

W branży układów scalonych sprzęt do produkcji układów scalonych zajmuje niezwykle ważną pozycję strategiczną. Kluczowe technologie i sprzęt do produkcji obwodów scalonych obejmują głównie technologię litografii i sprzęt do litografii, technologię i sprzęt do narastania folii, technologię i sprzęt do polerowania chemiczno-mechanicznego, technologię i sprzęt do pakowania końcowego o dużej gęstości... itd., wszystkie obejmują technologię sterowania ruchem i technologię napędową o wysokiej wydajności, wysokiej precyzji i wysokiej stabilności. Dokładność części konstrukcyjnych i wydajność materiałów konstrukcyjnych stawiają bardzo wysokie wymagania.

1, Charakterystyka wymagań precyzyjnych ceramicznych części konstrukcyjnych sprzętu półprzewodnikowego.

Kluczowy sprzęt do produkcji obwodów scalonych wymaga, aby materiały części charakteryzowały się wysoką czystością, dużą gęstością, dużą wytrzymałością, wysokim modułem sprężystości, wysoką przewodnością cieplną i niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, a części konstrukcyjne miały wyjątkowo wysoką dokładność wymiarową i złożoność strukturalna, aby zapewnić sprzętowi osiągnięcie ultraprecyzyjnego ruchu i kontroli.

Biorąc za przykład stół przedmiotu obrabianego w maszynie litograficznej, główną funkcją stołu przedmiotu obrabianego jest przenoszenie płytki krzemowej i maski oraz zakończenie procesu naświetlania, a jego działanie bezpośrednio wpływa na wydajność i rozdzielczość. Wymagane jest, aby stół mógł osiągać szybki i stabilny, duży skok i ultraprecyzyjny ruch w nanoskali o sześciu stopniach swobody. Przykładowo dla maszyny litograficznej o rozdzielczości 100 nm, dokładności grawerowania 33 nm i szerokości linii 10 nm wymagana jest dokładność pozycjonowania stołu przedmiotu obrabianego sięgająca 10 nm. Jednoczesne prędkości krokowe i skanowania płytki maska-krzem osiągają odpowiednio 150 nm/s i 120 nm/s, a prędkość skanowania maski jest bliska 500 nm/s, a stół przedmiotu obrabianego musi charakteryzować się bardzo dużą dokładnością ruchu i stacjonarność.

Dlatego precyzyjne części konstrukcyjne stołu przedmiotu obrabianego muszą spełniać następujące wymagania: (1) Bardzo lekka: w celu zmniejszenia bezwładności ruchu, zmniejszenia obciążenia silnika, poprawy wydajności ruchu, dokładności i stabilności pozycjonowania, ogólnie części konstrukcyjne użyj lekkiej konstrukcji konstrukcyjnej, współczynnik lekkości wynosi 60% ~ 80%, aż do 90%; (2) Wysoka dokładność kształtu i położenia: Aby osiągnąć wysoką precyzję ruchu i pozycjonowania, części konstrukcyjne muszą charakteryzować się wyjątkowo dużą dokładnością kształtu i położenia, płaskość, równoległość i prostopadłość muszą być mniejsze niż 1 μm, a wymagana jest dokładność kształtu i położenia mniejsza niż 5 μm; (3) Wysoka stabilność wymiarowa: Aby osiągnąć wysoką precyzję ruchu i pozycjonowania, części konstrukcyjne muszą mieć wyjątkowo wysoką stabilność wymiarową, co nie jest łatwe do wytworzenia odkształcenia, a przewodność cieplna jest wysoka, współczynnik rozszerzalności cieplnej wynosi niski i nie jest łatwo wytworzyć duże odkształcenie wymiarowe; (4) Czyste i wolne od zanieczyszczeń: części konstrukcyjne muszą mieć bardzo niski współczynnik tarcia, małe straty energii kinetycznej podczas ruchu i brak zanieczyszczeń cząstkami ściernymi.

2, zastosowanie ceramiki z węglika krzemu w maszynie litograficznej

Węglik krzemu to doskonały konstrukcyjny materiał ceramiczny o wysokiej wytrzymałości, wysokiej twardości, wysokim module sprężystości, wysokiej sztywności właściwej, wysokiej przewodności cieplnej, niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej i doskonałej stabilności chemicznej, który jest szeroko stosowany w przemyśle petrochemicznym, produkcji maszyn, przemyśle nuklearnym, przemysł mikroelektroniki i inne dziedziny. Węglik krzemu ma bardzo wysoki moduł sprężystości, przewodność cieplną i umiarkowany współczynnik rozszerzalności cieplnej, ma doskonałą polerowalność, można go przetwarzać na wysokiej jakości lustro i nie jest łatwo wywołać odkształcenie i naprężenie termiczne. Dzięki specjalnej konstrukcji konstrukcji redukującej wagę części konstrukcyjne mogą być bardzo lekkie, co jest szeroko stosowane w dziedzinie sprzętu do produkcji układów scalonych. Ceramika z węglika krzemu ma doskonałe właściwości mechaniczne w temperaturze pokojowej, doskonałą stabilność w wysokich temperaturach oraz dobrą sztywność właściwą i właściwości obróbki optycznej, szczególnie nadaje się do przygotowania maszyny fotolitograficznej sprzętu z układami scalonymi do precyzyjnych ceramicznych części konstrukcyjnych, takich jak ceramiczny stół obrabiany SiC do fotolitografii maszyna, szyna prowadząca, lustro, uchwyt ceramiczny, ramię, tarcza chłodzona wodą, uchwyt...etc.

3, Trudności techniczne części konstrukcyjnych z węglika krzemu do sprzętu półprzewodnikowego

Precyzyjne ceramiczne części konstrukcyjne stosowane w podstawowym wyposażeniu układów scalonych charakteryzują się „dużymi, grubymi, pustymi, cienkimi, lekkimi i delikatnymi”. Jednakże, ponieważ węglik krzemu jest związkiem o wiązaniu kowalencyjnym z silnym wiązaniem Si-C, ma wysoką twardość i znaczną kruchość, a także jest trudny w precyzyjnej obróbce. Ponadto wysoka temperatura topnienia węglika krzemu utrudnia osiągnięcie gęstego spiekania o wielkości zbliżonej do netto. Przygotowanie części konstrukcyjnych z węglika krzemu wiąże się z wieloma trudnościami i wyzwaniami technicznymi:

(1) Jak zrealizować pustą strukturę o zamkniętych komórkach, aby osiągnąć cel, jakim jest wysoka lekkość, w przypadku metalowych części konstrukcyjnych o strukturze pustych zamkniętych komórek zwykle stosuje się procesy lutowania twardego i spawania dyfuzyjnego; Jednakże w przypadku złożonych i niedojrzałych metalowych części konstrukcyjnych łatwo jest utworzyć oczywisty interfejs połączenia, co skutkuje dużą różnicą w składzie i wydajności pomiędzy warstwą łączącą a matrycą.

(2) Jak osiągnąć wysoką dokładność kształtu i położenia części konstrukcyjnych z węglika krzemu, aby osiągnąć cel, jakim jest precyzyjny ruch i pozycjonowanie. Twardość węglika krzemu ustępuje jedynie diamentowi, co skutkuje niską wydajnością przetwarzania i wysokimi kosztami przetwarzania części konstrukcyjnych z węglika krzemu, więc osiągnięcie wysokiej dokładności kształtu i położenia części konstrukcyjnych z węglika krzemu jest również trudnością techniczną, szczególnie w przygotowaniu w przypadku próbek o dużych rozmiarach, ultracienkich i złożonych cechach strukturalnych oraz próbek o strukturze pustych, zamkniętych komórek, problem ten jest szczególnie widoczny.

(3) Jak zmniejszyć lub uniknąć naprężeń szczątkowych produktów z węglika krzemu w procesie formowania, suszenia, spiekania i późniejszej precyzyjnej obróbki oraz poprawić jakość i wydajność produktu. Korpus z węglika krzemu w procesie suszenia i spiekania, ze względu na eliminację wody i utratę materii organicznej, łatwo powoduje nierównomierny skurcz, powodując pęknięcia i deformacje korpusu oraz wprowadzenie naprężeń szczątkowych w korpusie i precyzyjny proces obróbki po spiekaniu może spowodować pęknięcia wewnątrz produktu, co skutkuje pęknięciami, zmniejszeniem wydajności produktu. Przygotowanie wielkogabarytowych, pustych struktur o skomplikowanym kształcie z precyzyjnych części konstrukcyjnych z węglika krzemu jest trudne, obecnie rynek ceramiki z węglika krzemu do urządzeń do produkcji układów scalonych jest zajęty głównie przez przedsiębiorstwa zagraniczne, Japonię-Kyocera, USA-CoorsTek, Singapur-Fountyl. Badania nad technologią przygotowania i promocją stosowania precyzyjnych części konstrukcyjnych z węglika krzemu do urządzeń z obwodami scalonymi w Chinach rozpoczęły się późno i nadal istnieje przepaść między Chinami a wiodącymi międzynarodowymi przedsiębiorstwami.