Hochpräzise Plasma-Ätzung: 3D-gedruckter Gasinjektor aus technischer Keramik

Halbleiterhersteller setzen zunehmend auf Anlagenkomponenten, die extremen Plasmaumgebungen standhalten, eine präzisere Prozesskontrolle erlauben und Kontaminationen auf ein absolutes Minimum reduzieren. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Sinto Advanced Ceramics (ehemals Bosch Advanced Ceramics) einen zuvor zweiteiligen Gasinjektor mittels additiver Fertigung in eine vollständig integrierte Keramikkomponente überführt. Durch die Kombination von hochreinem Aluminiumoxid mit lithographiebasierten Fertigungsverfahren (AM) gelang es, komplexe interne Geometrien zu realisieren, welche die Zuverlässigkeit und Performance in der fortschrittlichen Waferproduktion maßgeblich steigern.

Die Halbleiterfertigung ist für ihre kompromisslosen Anforderungen an Materialien und Prozesse bekannt. Insbesondere trockenchemische Ätzprozesse erfordern den Einsatz hochaggressiver Gase und damit Komponenten, die eine außergewöhnliche chemische Inertheit und thermische Stabilität bieten sowie höchste Präzision im Dauerbetrieb gewährleisten. Dieser Anwendungsfall verdeutlicht eindrucksvoll, wie die additive Keramikfertigung die Leistungsfähigkeit kritischer Prozesskomponenten optimiert.

Funktionale Integration

Die Realisierung dieses Projekts durch Sinto Advanced Ceramics – in enger Kooperation mit dem Kunden und unter Einsatz der lithographiebasierten Keramikfertigung (LCM-Verfahren) – veranschaulicht den direkten Nutzen von AM für optimierte Prozessabläufe und eine höhere Systemzuverlässigkeit. Gasinjektoren sind Schlüsselkomponenten, um korrosive Medien während der Waferprozessierung präzise in die Ätzkammer einzubringen. Während das konventionelle Konzept aus zwei separaten Bauteilen bestand, integriert das finale AM-Design drei innenliegende Kanäle und 62 strömungsoptimierte Auslässe in einem einzigen, monolithischen Keramikteil. Dieses integrierte Design verbessert sowohl die Prozessstabilität als auch die Materialreinheit.

„Unser Kunde stand vor einer Herausforderung, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht effizient gelöst werden konnte und erhebliches Optimierungspotenzial hinsichtlich der Funktionalität bot“, erklärt Ashu Sharma, CSO von Bosch Advanced Ceramics (heute Sinto Advanced Ceramics). „Die additive Keramikfertigung bot hier die ideale Alternative, um funktionale Integration, gesteigerte Bauteilperformance und eine tiefgreifende Optimierung des Halbleiterprozesses zu vereinen.“

Die Spezifikationen für das Bauteil waren vielschichtig: Es musste über die gesamte Lebensdauer absolute Gasdichtigkeit garantieren, langfristige Beständigkeit gegenüber aggressiven Prozessgasen bieten und enge Toleranzen von ±0,1 mm am Flansch für eine fehlerfreie Systemintegration einhalten. Konventionelle Werkstoffe wie Metalle sind unter diesen Bedingungen korrosionsanfällig, was zu Materialdegradation und folgenschweren Kontaminationen führt. Kunststoffe wiederum verlieren in Plasmaumgebungen rasch ihre strukturelle Integrität. Beide Materialklassen – insbesondere Metalle – bergen zudem das Risiko einer Partikelgenerierung, die in der Halbleiterfertigung zwingend eliminiert werden muss.

‍

‍

Materialien und Prozesse: Aluminiumoxid mit AM-Präzision

Angesichts dieser anspruchsvollen Rahmenbedingungen fiel die Wahl auf Aluminiumoxid (99,8 % Al₂O₃). Das Material zeichnet sich durch exzellente chemische Inertheit, hohe thermische Beständigkeit und eine ausgeprägte mechanische Belastbarkeit aus. Es ist prädestiniert für die aggressiven Umgebungen innerhalb von Ätzkammern und sichert die strikte Einhaltung von Reinraumanforderungen durch die Minimierung von Kontaminationsrisiken.

Der Gasinjektor verfügt über drei interne Kanäle mit jeweils 6 mm Durchmesser und insgesamt zweiundsechzig strömungsoptimierte Auslassöffnungen. Im Auslassbereich werden extrem dünne Wandstärken von lediglich 0,2 mm erzielt. Die additive Keramikfertigung erlaubt die Realisierung solch komplexer interner Architekturen und filigraner Strukturen, die mit konventionellen Verfahren wie der spanenden Bearbeitung oder dem Keramikspritzguss (CIM) wirtschaftlich nicht oder nur extrem schwer umsetzbar wären. Gleichzeitig garantiert das Verfahren Präzision im Mikrometerbereich und eine exzellente Oberflächengüte – beides essenzielle Voraussetzungen für den zuverlässigen Einsatz in der Halbleiterindustrie.

„Die additive Fertigung erlaubt uns Geometrien, die mit traditionellen Methoden undenkbar wären, und ermöglicht gleichzeitig ein Maximum an funktionaler Integration“, betont Nikolai Sauer, CTO von Bosch Advanced Ceramics (heute Geschäftsführer von Sinto Advanced Ceramics). „Die ursprünglich zweiteilige Komponente wurde zu einem einzigen, optimierten Design verschmolzen. Das reduziert die Systemkomplexität und optimiert das interne Strömungsverhalten durch die strömungstechnisch optimierte Struktur.“

Eine zentrale technische Hürde im Prozess war die Reinigung der komplexen internen Kanäle nach dem Druckvorgang. Speziell das rückstandsfreie Entfernen von unvernetztem Restmaterial aus gekrümmten und dünnwandigen Strukturen erfordert exakt kontrollierte Parameter. Sinto Advanced Ceramics hat hierfür prozessoptimierte Reinigungsmethoden entwickelt, um sicherzustellen, dass diese filigranen Geometrien zuverlässig und beschädigungsfrei gesäubert werden. Diese validierten Prozesse sind die technologische Basis, um eine reproduzierbare Qualität in der Serienproduktion zu garantieren.

Leistungssteigerung und erhöhte Anlageneffizienz

Der keramische Gasinjektor befindet sich mittlerweile in der Serienfertigung, wobei die Jahresstückzahlen flexibel auf den industriellen Bedarf skaliert sind. Das monolithische Design reduziert den Montageaufwand und eliminiert anfällige Dichtungsschnittstellen, wodurch potenzielle Fehlerquellen (Leaks) systematisch ausgeschlossen werden. Gleichzeitig verbessert die optimierte Innengeometrie die Homogenität der Gasverteilung, was direkt zu stabileren Prozessbedingungen beiträgt. Die Reduzierung von Prozessprozessschwankungen wirkt sich unmittelbar positiv auf die Wafer-Ausbeute (Yield) aus und steigert die Gesamteffizienz der Produktion.

Darüber hinaus gewährleistet die hohe chemische Beständigkeit des Aluminiumoxids eine signifikant verlängerte Standzeit der Komponente unter aggressiven Bedingungen. Dies führt zu ausgedehnten Wartungsintervallen, minimierten ungeplanten Ausfallzeiten und einer maximierten Anlagenverfügbarkeit (Uptime). Auch bei regulären Servicearbeiten bietet das vereinfachte Design praktische Vorteile: Die in sich geschlossene Komponente lässt sich deutlich einfacher handhaben und austauschen, was die Servicezeiten (MTTR - Mean Time to Repair) verkürzt.

Keramik-3D-Druck: Neue Horizonte für das Anlagendesign

Dieser Gasinjektor demonstriert eindrucksvoll, wie der Keramik-3D-Druck das Bauteildesign in der Halbleiterindustrie revolutioniert. Die Symbiose aus technischer Hochleistungskeramik und der konstruktiven Freiheit der additiven Fertigung erlaubt es, Komponenten rein nach ihren funktionalen Anforderungen zu designen – ohne die Restriktionen konventioneller Fertigungsverfahren. Technische Keramiken liefern die erforderliche Reinheit, chemische Inertheit und thermische Stabilität, während AM komplexe interne Geometrien und funktionale Integrationen in einem einzigen Bauteil ermöglicht. Dies minimiert den Montageaufwand, senkt das Fehlerrisiko und erhöht die Gesamtzuverlässigkeit. Das Anwendungsbeispiel verdeutlicht, wie die additive Fertigung den Weg für zukunftsweisende Komponenten ebnet, die den rasant wachsenden Anforderungen der Halbleiterfertigung mühelos gerecht werden.

Ein Artikel über dieses Bauteil wurde im PIM International Magazin veröffentlicht. Den Artikel finden Sie hier.