Das Trockenätzverfahren ist in der Chipfertigung weit verbreitet. Der Siliziumwafer dient als positive Elektrode am Boden der Ätzkammer. Die Gasverteilungsplatte mit dicht gepackten, winzigen Durchgangslöchern, die als negative Elektrode fungiert, ist oben auf der Kammer montiert. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung und Zufuhr von saurem Plasmaätzgas wird die Mikrostrukturierung des Siliziumwafers in der Hochtemperaturkammer gemäß den lithografisch definierten Schaltungsmustern durchgeführt. Dadurch wird die Waferoberfläche auf die gewünschte Linienbreite und -tiefe geätzt und mikrointegrierte Schaltungen erzeugt.
Die oberen und unteren Elektroden stehen in direktem Kontakt mit dem Plasma. Beim Ätzen des Siliziumwafers verschleißen die Elektroden durch das Plasma. Sie unterliegen einer allmählichen physikalischen und chemischen Korrosion durch das Ätzgas. Sobald ein bestimmter Verschleißgrad erreicht ist, müssen die Elektroden ausgetauscht werden, um ein gleichmäßiges Ätzen zu gewährleisten. Die gleichmäßig verteilten Löcher in der oberen Elektrode (Duschkopf/Gasverteilerplatte) verändern aufgrund der Ätzgaskorrosion ihre Abmessungen und müssen ersetzt werden, sobald die Toleranzgrenzen überschritten werden.
Der Duschkopf (Gasverteilerplatte/Oberelektrode/Siliziumelektrode/Gashomogenisierungsplatte) ist eine der Kernkomponenten für das Ätzen und die Dünnschichtabscheidung in der Halbleiterwaferfertigung. Er ist nahe der Oberseite der Reaktionszone montiert und verfügt über zahlreiche feine Löcher als Gaseinlässe, um das Reaktionsgas gleichmäßig in die Kammer einzuleiten. Da es sich um ein Verbrauchsmaterial handelt, das auf Lager gehalten wird, stellt die Bearbeitung der dichten Mikrolöcher im Duschkopf die folgenden Herausforderungen dar, die häufige Engpässe in der Halbleiteranlagenfertigung sind.
– Materialherausforderung – Duschköpfe bestehen üblicherweise aus harten, spröden Materialien wie monokristallinem Silizium (SiC) und hochreiner Aluminiumoxidkeramik. Diese Materialien zeichnen sich durch hohe Härte und Sprödigkeit aus, was leicht zu Absplitterungen an den Lochkanten, Rissen und schnellem Werkzeugverschleiß führt.
– Präzisionsherausforderung — Um eine gleichmäßige Gasverteilung zu gewährleisten, bestimmt die Qualität der massiven Mikrobohrungen an den Duschköpfen direkt die Ausbeute des Spanprozesses. Toleranz des Bohrungsdurchmessers, Rundheit, Oberflächenrauheit und Positionsgenauigkeit liegen alle im Mikrometerbereich.
– Strukturelle Herausforderung – Die Mikrobohrungen in Duschköpfen zeichnen sich durch einen geringen Durchmesser und ein hohes Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser aus. Die Bohrungsdurchmesser reichen von Φ0,3 mm bis Φ0,8 mm, das Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser beträgt bis zu 55:1. Kleine und tiefe Bohrungen führen zu schlechter Spanabfuhr, einem hohen Risiko von Bohrerbruch und Schwierigkeiten bei der Sicherstellung einer gleichbleibenden Bearbeitungsqualität.
Lösungsanalyse
◎ Tests an monokristallinem Silizium mit einem PKD-Mikrobohrer (φ 0,45 mm) zeigen minimales Ausbrechen an den Bohrlochkanten. Mikroskopische Untersuchungen ergaben eine Rundheitstoleranz des Bohrlochs von unter 0,005 mm, eine Maßgenauigkeit von ±0,003 mm und eine Oberflächenrauheit von ≤Ra 0,2 μm, womit die Kundenanforderungen erfüllt sind.
◎ In ersten Tests zeigte der Bohrer nach 3500 Bohrungen einen leichten Kantenverschleiß und blieb weiterhin verwendbar.
Die PKD-Mikrobohrer von Worldia sind in vier Serien (WZ1, WZ2, WZ3 und WZ-X) unterteilt, je nach bearbeiteten Materialien und Anwendungsbereichen, mit Durchmessern von φ0,1–φ1,0 mm. Die Voll-PKD-Bohrer sind selbstzentrierend und ermöglichen ein maximales Verhältnis von Bohrtiefe zu Durchmesser von bis zu 57:1. Die Spannuten werden durch integrales Schleifen für einen reibungslosen Spanabtransport hergestellt. Die Oberflächengüte der bearbeiteten Bohrungen erreicht Ra 0,2 μm oder besser bei minimalem Ausbrechen am Bohrungsrand. Die PKD-Bohrspitze zeichnet sich durch hervorragende Verschleißfestigkeit, lange Standzeit und hohe Maßgenauigkeit aus. Die Produkte erfüllen die Anforderungen der Mikrobohrbearbeitung für monokristallines Silizium, polykristallines Silizium, SiC, Keramik, Quarzglas und andere Materialien in der Halbleiterindustrie.