Керамический нагреватель для компонентов полупроводникового оборудования

В процессах предварительного производства полупроводников (FEOL) пластины подвергаются различным этапам обработки, в частности, нагреванию до определенной температуры с соблюдением строгих требований, поскольку однородность температуры оказывает решающее влияние на выход продукта. Кроме того, полупроводниковое оборудование должно работать в средах, где присутствуют вакуум, плазма и химические газы, что требует использования керамических нагревателей. Керамические обогреватели являются важнейшими компонентами оборудования для осаждения тонких пленок полупроводников, применяются в технологических камерах, где они непосредственно контактируют с пластиной, обеспечивая стабильную и однородную температуру процесса и позволяя проводить высокоточные реакции на поверхности пластины с образованием тонких пленок.

В керамических нагревателях из-за работы с высокими температурами обычно используются керамические материалы, в основном на основе нитрид алюминия (AlN). Это связано с тем, что нитрид алюминия обладает электроизоляционными свойствами и является керамический материал с отличной теплопроводностью. Кроме того, его коэффициент теплового расширения близок к коэффициенту теплового расширения кремния, и он обладает превосходной стойкостью к плазме, что делает его очень подходящим для использования в качестве компонента полупроводникового оборудования.

Базовая конструкция обогревателя

Керамический нагреватель состоит из керамического основания, поддерживающего пластину, и цилиндрического опорного корпуса на задней стороне, обеспечивающего поддержку. Внутри или на поверхности керамического основания расположены не только нагревательные элементы (нагревательный слой) для нагрева, но и ВЧ-электроды (ВЧ-слой). Чтобы добиться быстрого нагрева и охлаждения, толщина керамического основания должна быть небольшой, но если сделать его слишком тонким, это приведет к снижению его жесткости. опорный корпус отопителя обычно изготавливается из материала с коэффициентом теплового расширения, аналогичным коэффициенту теплового расширения основания, поэтому корпус опоры часто изготавливается из нитрида алюминия. В нагревателе используется уникальная конструкция вала, соединяющаяся снизу, которая защищает клеммы и провода от воздействия плазмы и агрессивных химических газов. Корпус опоры снабжен каналами подвода и отвода газа для теплопроводности, обеспечивающими равномерное распределение температуры по нагревателю. Основание и опорный корпус химически связаны между собой связующим слоем.

Керамическое основание нагревателя содержит встроенные резистивные нагревательные элементы. Эти элементы формируются с помощью метода трафаретной печати с использованием проводящей пасты (например, вольфрамовой, молибденовой или танталовой) для создания спиральных или концентрических круговых рисунков. В качестве альтернативы также можно использовать металлическую проволоку, металлические сетки или металлическую фольгу. В процессе трафаретной печати подготавливаются две керамические пластины одинаковой формы, на поверхность одной из них наносится проводящая паста. Затем пасту спекают, образуя резистивный нагревательный элемент. Затем вторая керамическая пластина используется для размещения резистивного нагревательного элемента, завершая процесс встраивания резистивного элемента в основание.

При изготовлении тонких пленок с использованием оборудования для плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD) основными факторами, влияющими на однородность и толщину пленки, являются характеристики плазмы и температура процесса. Во-первых, плотность и распределение плазмы напрямую влияют на однородность пленки и скорость осаждения. Равномерно распределенная плазма гарантирует, что химически активные газы полностью вступят в реакцию на поверхности подложки, образуя однородную пленку. Равномерность распределения плазмы тесно связана с RF-сеткой, встроенной в нагреватель. Во-вторых, определенная температура процесса обеспечивает превосходную термическую однородность. Керамический нагреватель обеспечивает колебания температуры поверхности пластины в пределах ±1,0%. Например, обогреватели производства NGK Insulator в Японии имеют колебание температуры менее 0,1%, что считается отличным показателем производительности.

При изготовлении керамических нагревателей также предъявляются требования к высокая чистота материалов из нитрида алюминия (AlN). Незначительные изменения в составе могут изменить цвет нагревателя при определенных условиях, а также могут изменить электрические свойства нагревателя. Естественно, это влияет и на характеристики связанной плазмы. Кроме того, на характеристики нагревателя влияют плотность, теплопроводность и объемное сопротивление материала нитрида алюминия.

В литературе указано, что объемное сопротивление нагревателя при 500°C должно находиться в диапазоне от 5,0E+9 до 1,0E+10 Ом·см, а при температурах от 600°C до 700°C объемное сопротивление должно составлять в диапазоне от 1,0E+8 до 1,0E+9 Ом·см. Объемное сопротивление типичных керамических нагревателей из нитрида алюминия имеет тенденцию быстро уменьшаться, начиная с 500°C, что может привести к току утечки.

Согласно отчету об исследовании рынка, объем мирового рынка керамических нагревателей из нитрида алюминия для полупроводников в 2022 году составил 33 миллиона долларов, и ожидается, что к 2031 году он достигнет 78,53 миллиона долларов, при этом совокупный годовой темп роста (CAGR) составит 10% во время прогноза. период. Основными производителями керамических нагревателей из нитрида алюминия для полупроводников являются NGK Insulator, MiCo Ceramics, Boboo Hi-Tech, AMAT, Sumitomo Electric, CoorsTek, Semixicon LLC и другие. В 2023 году на долю пяти крупнейших компаний пришлось примерно 91,0% доли рынка. По типам продукции на рынке в настоящее время доминируют 8-дюймовые обогреватели, на долю которых приходится около 45,9%. С точки зрения применения оборудование для химического осаждения из паровой фазы (CVD) является основным источником спроса, на его долю приходится около 73,7% доли.