Keramische Heizung für Komponenten von Halbleitergeräten

In den Front-End-of-Line-Prozessen (FEOL) der Halbleiterfertigung durchlaufen Wafer verschiedene Verarbeitungsschritte, insbesondere das Erhitzen auf eine bestimmte Temperatur mit strengen Anforderungen, da die Temperaturgleichmäßigkeit einen entscheidenden Einfluss auf die Produktausbeute hat. Darüber hinaus müssen Halbleitergeräte in Umgebungen betrieben werden, in denen Vakuum, Plasma und chemische Gase vorhanden sind, was den Einsatz von Keramikheizungen erforderlich macht. Keramikheizungen sind wichtige Komponenten in Geräten zur Halbleiter-Dünnschichtabscheidung. Sie werden in Prozesskammern eingesetzt, wo sie den Wafer direkt kontaktieren, für stabile und gleichmäßige Prozesstemperaturen sorgen und hochpräzise Reaktionen auf der Waferoberfläche zur Bildung dünner Schichten ermöglichen.

Keramische Heizgeräte verwenden aufgrund ihres Einsatzes bei hohen Temperaturen in der Regel keramische Materialien, die hauptsächlich auf Keramik basieren Aluminiumnitrid (AlN). Dies liegt daran, dass Aluminiumnitrid elektrisch isolierende Eigenschaften hat und ein ist Keramikmaterial mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit. Darüber hinaus liegt sein Wärmeausdehnungskoeffizient nahe an dem von Silizium und verfügt über eine hervorragende Plasmabeständigkeit, wodurch es sich hervorragend für den Einsatz als Komponente in Halbleitergeräten eignet.

Grundaufbau des Heizgeräts

Der Keramikheizer besteht aus einer Keramikbasis, die den Wafer trägt, und einem zylindrischen Stützkörper auf der Rückseite, der für Halt sorgt. Im Inneren bzw. auf der Oberfläche des Keramiksockels befinden sich zum Heizen nicht nur Heizelemente (Heizschicht), sondern auch HF-Elektroden (RF-Schicht). Um ein schnelles Aufheizen und Abkühlen zu erreichen, muss die Dicke der Keramikbasis dünn sein. Wenn sie jedoch zu dünn ist, verringert sich die Steifigkeit. Der Tragkörper des Heizgeräts besteht typischerweise aus einem Material mit einem ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Basis, weshalb der Trägerkörper häufig aus Aluminiumnitrid besteht. Der Heizer verfügt über eine einzigartige Wellenstruktur zur Verbindung mit dem Boden, die die Anschlüsse und Drähte vor den Auswirkungen von Plasma und korrosiven chemischen Gasen schützt. Der Trägerkörper ist mit Gaseinlass- und -auslasskanälen zur Wärmeleitung ausgestattet, die eine gleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Heizgerät gewährleisten. Die Basis und der Stützkörper sind durch eine Verbindungsschicht chemisch miteinander verbunden.

Der Keramikheizsockel enthält eingebettete Widerstandsheizelemente. Diese Elemente werden im Siebdruckverfahren mit Leiterpaste (z. B. Wolfram, Molybdän oder Tantal) geformt, um spiralförmige oder konzentrische kreisförmige Schaltkreismuster zu erzeugen. Alternativ können auch Metalldrähte, Metallgeflechte oder Metallfolien verwendet werden. Beim Siebdruckverfahren werden zwei Keramikplatten gleicher Form hergestellt und auf die Oberfläche einer davon Leiterpaste aufgetragen. Die Paste wird dann gesintert, um das Widerstandsheizelement zu bilden. Die zweite Keramikplatte wird dann verwendet, um das Widerstandsheizelement einzuschließen, wodurch der Prozess der Einbettung des Widerstandselements in die Basis abgeschlossen wird.

Bei der Herstellung dünner Filme mit Geräten zur plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) sind die Plasmaeigenschaften und die Prozesstemperatur die wichtigsten Faktoren, die die Gleichmäßigkeit und Dicke der Filme beeinflussen. Erstens wirken sich Dichte und Verteilung des Plasmas direkt auf die Gleichmäßigkeit des Films und die Abscheidungsrate aus. Ein gleichmäßig verteiltes Plasma sorgt dafür, dass die reaktiven Gase vollständig auf der Substratoberfläche reagieren und einen gleichmäßigen Film bilden. Die Gleichmäßigkeit der Plasmaverteilung hängt eng mit dem im Heizgerät eingebetteten HF-Netz zusammen. Zweitens sorgt eine bestimmte Prozesstemperatur für eine hervorragende thermische Gleichmäßigkeit. Die Keramikheizung sorgt dafür, dass die Waferoberflächentemperatur innerhalb von ±1,0 % schwankt. Beispielsweise weisen von NGK Insulator in Japan hergestellte Heizgeräte eine Temperaturschwankung von weniger als 0,1 % auf, was als hervorragender Leistungsindikator gilt.

Bei der Herstellung von Keramikheizungen gibt es auch Anforderungen an hohe Reinheit von Aluminiumnitrid (AlN)-Materialien. Leichte Änderungen in der Zusammensetzung können unter bestimmten Bedingungen die Farbe des Heizgeräts verändern und auch die elektrischen Eigenschaften des Heizgeräts verändern. Dies wirkt sich natürlich auch auf die Eigenschaften des gekoppelten Plasmas aus. Darüber hinaus beeinflussen die Dichte, die Wärmeleitfähigkeit und der Volumenwiderstand des Aluminiumnitridmaterials die Leistung des Heizgeräts.

Aus der Literatur geht hervor, dass der spezifische Massenwiderstand des Heizgeräts bei 500 °C im Bereich von 5,0E+9 bis 1,0E+10 Ω·cm liegen muss, und bei Temperaturen zwischen 600 °C und 700 °C sollte dieser spezifische Massenwiderstand liegen im Bereich von 1,0E+8 bis 1,0E+9 Ω·cm. Der Massenwiderstand typischer Aluminiumnitrid-Keramikheizgeräte nimmt ab 500 °C tendenziell schnell ab, was zu Leckströmen führen kann.

Laut einem Marktforschungsbericht betrug die globale Marktgröße für Aluminiumnitrid-Keramikheizungen für Halbleiter im Jahr 2022 33 Millionen US-Dollar und wird bis 2031 voraussichtlich 78,53 Millionen US-Dollar erreichen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 10 % während der Prognose Zeitraum. Zu den wichtigsten Herstellern von Aluminiumnitrid-Keramikheizungen für Halbleiter gehören NGK Insulator, MiCo Ceramics, Boboo Hi-Tech, AMAT, Sumitomo Electric, CoorsTek, Semixicon LLC und andere. Im Jahr 2023 machten die fünf größten Unternehmen etwa 91,0 % des Marktanteils aus. Bei den Produkttypen dominieren derzeit 8-Zoll-Heizgeräte den Markt mit einem Anteil von rund 45,9 %. In Bezug auf die Anwendung sind Anlagen zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) mit einem Anteil von etwa 73,7 % die Hauptnachfragequelle.