Warum Siliziumnitrid SiC und Aluminiumoxid in der Halbleiterfertigung ersetzt

Vor einigen Tagen hat sich einer unserer langjährigen Kunden bei mir wegen eines Angebots gemeldet.

Das Interessante war nicht die Zeichnung selbst. Das auf der Zeichnung angegebene Material war Siliziumkarbid (SiC).

Doch als wir sprachen, fragte er eigentlich, ob wir dieselbe Art von Bauteil auch aus Siliziumnitrid (Si₃N₄).

Dieser Kunde ist Ingenieur für Halbleiterfertigungsanlagen. Im vergangenen Jahr haben wir ihn mit vielen Keramikbauteilen aus Aluminiumoxid und Siliziumkarbid beliefert, darunter Chucks, Ringe und andere Präzisionsteile, die in Halbleiteranlagen eingesetzt werden.

Also fragte ich ihn ganz natürlich:

Warum diesmal Siliziumnitrid? Siliziumnitrid ist teurer als Siliziumkarbid, die Bearbeitungszeit ist länger und das Risiko höher.

Seine Antwort war ebenfalls recht interessant. Er sagte: „Unsere Wettbewerber verwenden alle Siliziumkarbid, und unsere Kunden möchten, dass wir Siliziumnitrid ausprobieren.“

Und genau das beobachten wir in letzter Zeit immer häufiger.

Einige Hersteller von Halbleiteranlagen beginnen, für Bauteile, die traditionell aus Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid gefertigt wurden, Siliziumnitrid in Betracht zu ziehen.

Das bedeutet nicht, dass Siliziumkarbid und Aluminiumoxid keine guten Materialien mehr sind.

Sie werden nach wie vor breit eingesetzt, und jedes hat seine eigenen Vorteile.

Die interessante Frage ist:

Warum beginnen Ingenieure, für einige dieser Anwendungen Siliziumnitrid in Betracht zu ziehen?

Wo ist Siliziumnitrid wirklich sinnvoll?

Nach dem Gespräch mit diesem Kunden begann ich, die Frage aus einem anderen Blickwinkel zu betrachten.

Wenn Siliziumnitrid teurer ist, länger zu bearbeiten ist und schwieriger zu verarbeiten ist, warum sollte dann jemand Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid dadurch ersetzen wollen?

Die Antwort ist, dass die Materialkosten nur ein Teil der Gleichung sind.

Bei manchen Halbleiterbauteilen geht es nicht einfach darum, ob das Material hohen Temperaturen standhält. Es geht darum, wie sich das Bauteil nach wiederholtem mechanischem Kontakt, thermischen Zyklen, Plasmaeinwirkung und langfristigem Betrieb verhält.

Und genau hier bieten die Eigenschaften von Siliziumnitrid-Keramik einen Vorteil.

Hochfrequenter mechanischer Kontakt

Einige Bauteile in Halbleiteranlagen sind wiederholtem mechanischem Kontakt oder Bewegungen ausgesetzt.

Wenn dies tausend- oder sogar millionenfach geschieht, werden Verschleiß und Stoßbeanspruchung wichtig.

Unter den Keramiken liegt Siliziumnitrid bei der Bruchzähigkeit an zweiter Stelle nach Zirkonoxid und ist damit eine hervorragende Wahl für Anlagenbauteile, die wiederholten mechanischen Belastungen und Stößen ausgesetzt sind.

Bei diesen Anwendungen besteht das Ziel nicht unbedingt darin, das härteste Material zu finden.
Sondern ein Material zu finden, das wiederholter mechanischer Beanspruchung standhält, ohne leicht zu reißen oder abzuplatzen.

Hochbeanspruchte Keramik-Chucks und Strukturbauteile

Keramik-Chucks und andere Strukturbauteile können stärker beansprucht werden, als ihr einfaches Aussehen vermuten lässt.

Sie können Bohrungen, Nuten, dünne Wandstärken oder andere Merkmale aufweisen, die lokale Spannungskonzentrationen erzeugen.

Aluminiumoxid wird für diese Art von Bauteilen breit eingesetzt, während SiC in anspruchsvollen Halbleiteranwendungen ebenfalls üblich ist.

Wenn jedoch mechanische Festigkeit, Bruchzähigkeit und Thermoschockbeständigkeit wichtiger werden, kann Siliziumnitrid als Alternative in Betracht gezogen werden.

Das bedeutet nicht, dass jeder Chuck aus Siliziumnitrid gefertigt werden sollte.

Es bedeutet, dass das Material bei bestimmten hochbeanspruchten Konstruktionen bewertet werden sollte.

Spezifische CVD- und Ätzplasma-Umgebungen

Ein weiterer Bereich, den es zu beobachten gilt, sind Halbleiterprozessanlagen, die spezifischen CVD- oder Ätzplasma-Umgebungen ausgesetzt sind.

In diesen Umgebungen muss das Keramikbauteil mehr als nur Temperatur bewältigen.

Plasmaeinwirkung, chemische Wechselwirkung, Oberflächenverschleiß, Partikelbildung und langfristige Maßhaltigkeit können alle wichtig werden.

Deshalb kann die Materialauswahl von einem Prozess zum anderen variieren.

Ein Material, das sich in einer Kammer oder einem Prozess bewährt, ist nicht unbedingt die beste Wahl in einer anderen.

Warum also Siliziumnitrid?

Wenn wir den Materialauswahlprozess vereinfachen, sieht der Unterschied ungefähr so aus:

Natürlich ist diese Tabelle nur eine allgemeine Orientierungshilfe

Der wahre Grund für den Wechsel

Zurück zu dem Kunden, den ich am Anfang erwähnt habe – seine Antwort hat mich zum Nachdenken gebracht.

Seine Wettbewerber verwendeten Siliziumkarbid, aber ihre Kunden baten sie, Siliziumnitrid auszuprobieren.

Das verrät uns etwas Interessantes darüber, wie sich die Materialauswahl in der Halbleiterindustrie verändert.

Manchmal suchen Ingenieure nicht nach einem günstigeren Material.

Sie suchen nach einem Material, das ein Problem lösen kann, das das vorhandene Material nicht gut genug löst.

Und wenn dieses Problem wiederholte mechanische Belastung, hohe Lasten, thermische Wechselbelastung, Verschleiß oder eine bestimmte Prozessumgebung betrifft, kann Siliziumnitrid zu einer sehr interessanten Option werden.

Die nächste Frage ist jedoch etwas komplizierter:

Wenn Siliziumnitrid so gut abschneidet, warum ist es dann so schwer zu bearbeiten?（Klicken Sie auf diesen Link, um den Grund zu erfahren.）