Warum ist hochreines Kupfer das Rückgrat der Halbleiter- und Dünnschichtherstellung?

Was Reinheitsgrade für hochreines Cu eigentlich bedeuten

Die in der Industrie für hochreine Materialien verwendete Notation „N“ beschreibt die Anzahl der Neunen im Reinheitsprozentsatz. Jeder Schritt nach oben stellt eine Verzehnfachung der gesamten metallischen Verunreinigungen dar – ein Sprung, der echte Auswirkungen auf die elektrische Leistung, die Gleichmäßigkeit des Films und die langfristige Gerätezuverlässigkeit hat.

CRNMC liefert Cu-Blöcke, Targets und Verdampfungsmaterialien mit einer Reinheit von bis zu 99,99999 % (7N), mit maximalen Barrenabmessungen von 600 mm und einem Gewicht von bis zu 3 Tonnen – Zahlen, die für Produktionsläufe mit hohem Volumen von Bedeutung sind, bei denen die Konsistenz über große Chargen hinweg nicht verhandelbar ist.

Die Rolle von hochreinem Cu in der Halbleiterherstellung

Kupfer ersetzte ab Ende der 1990er Jahre Aluminium als dominierendes Verbindungsmetall in fortschrittlichen Logikchips. Der Grund: Cu hat einen um etwa 40 % geringeren spezifischen Widerstand als Al (1,68 vs. 2,65 Mikro-Ohm-cm), was die RC-Verzögerung – die Zeit, die Signale für die Übertragung zwischen Transistoren benötigen – direkt reduziert. Da die Knotengrößen unter 5 nm schrumpfen, wird dieser Vorteil noch entscheidender.

Die Leistungssteigerungen stellen sich jedoch nur dann ein, wenn das verwendete Kupfer tatsächlich Halbleiterqualität hat. Zu den Hauptanliegen gehören:

• Alkalimetalle (Na, K): Konzentrationen über 0,1 ppm können durch Migration durch Gate-Dielektrika zu einer Verschiebung der Schwellenspannung in MOSFET-Geräten führen.
• Übergangsmetalle (Fe, Ni, Cr): Tiefliegende Fallen im Silizium verkürzen die Lebensdauer der Minoritätsträger und verringern so die Leistung von Solarzellen und DRAM.
• Sauerstoffgehalt: Hochwertige Cu-Sputtertargets erfordern einen Sauerstoffgehalt unter 1 ppm, um Oxideinschlüsse in abgeschiedenen Filmen zu verhindern.

Die Cu-Produkte von CRNMC in Halbleiterqualität decken einen Reinheitsgrad von 99,99 % bis 99,99999 % ab und werden in Holzkisten nach Exportstandard mit doppellagiger Vakuumversiegelung und Perlenbaumwollpolsterung verpackt – zum Schutz vor Oxidation und mechanischen Beschädigungen von der Fabrik bis zur Fertigung.

Cu-Sputtertargets: Spezifikationen, die die Qualität von Dünnschichten beeinflussen

Sputtern ist das vorherrschende PVD-Verfahren zur Abscheidung von Kupferdünnschichten bei der Herstellung von Halbleitern und Flachbildschirmen. In einem Sputtersystem bombardieren Argonionen die Cu-Targetoberfläche und schleudern Atome aus, die zum Substrat wandern und es beschichten. Die Qualität des abgeschiedenen Films ist eine direkte Funktion der Zielreinheit und Mikrostruktur.

Zwei mikrostrukturelle Eigenschaften bestimmen die Zielleistung:

• Korngröße: Feine, gleichmäßige Körner (typischerweise 50–150 Mikrometer) sorgen für gleichmäßige Sputterraten und eine gleichmäßige Filmdicke über große Substratflächen – entscheidend für LCD-Panels der G8,5-Generation mit einer Größe von über 2,2 x 2,5 Metern.
• Dichte: Die Ziele müssen eine nahezu theoretische Dichte (über 99 %) erreichen, um die Knötchenbildung zu minimieren – Partikeldefekte, die Lichtbögen und Filmlöcher verursachen.

CRNMC erreicht diese Spezifikationen durch einen mehrstufigen Prozess: Hochreine Cu-Barren werden durch mehrere Elektrolyse- und Zonenraffinierungsdurchgänge verfeinert und dann durch Schmieden, Walzen und kontrollierte Wärmebehandlung geformt, um die Kornstruktur vor der endgültigen Präzisionsbearbeitung zu verfeinern. Ziele sind in planaren Formularaten (bis zu 820 mm), drehbaren Konfigurationen und kundenspezifischen Geometrien einschließlich kreisförmiger, rechteckiger und ringförmiger Form erhältlich.

Zu den Hauptanwendungen von Cu-Sputtertargets gehören:

• Verbindungsschichten von Halbleiterchips (Logik und Speicher)
• Touchscreen-Verkabelung und Schutzfolien
• Lichtabsorbierende Schichten von Solarzellen
• Elektrodenabscheidung für Flachbildschirme (FPD).
• Dekorative und funktionale optische Beschichtungen

Cu-Verdampfungsmaterialien: Pellets, Granulat und Prozesskompatibilität

Verdampfungsmaterialien werden in thermischen Verdampfungs- und Elektronenstrahl-PVD-Systemen (E-Strahl) verwendet – Verfahren, bei denen das Ausgangsmaterial erhitzt wird, bis es verdampft und als dünner Film auf dem Substrat kondensiert. Die wichtigsten physikalischen Parameter für Kupfer sind ein Schmelzpunkt von 1.083 Grad C und ein Dampfdruck von 10-4 Torr bei 1.017 Grad C, wodurch es sowohl für thermische als auch für Elektronenstrahlprozesse gut geeignet ist.

Hochreine Cu-Verdampfungsmaterialien werden in verschiedenen Formen geliefert, um zu unterschiedlichen Verdampfungsquellenkonfigurationen zu passen:

CRNMC verpackt Cu-Verdampfungsmaterialien in doppelschichtigen, vakuumversiegelten Beuteln mit innerer PEF-Polsterung in Holzkisten – eine Konfiguration, die die Oberflächenreinheit aufrechterhält und eine Kontamination der Atmosphäre verhindert, bevor das Material die Abscheidungskammer erreicht.

Hochreines Cu in Superlegierungen und in der Luft- und Raumfahrt

Während Halbleiter- und Displayanwendungen die Nachfrage nach den höchsten Reinheitsgraden dominieren, spielt hochreines Cu auch eine entscheidende unterstützende Rolle bei der Herstellung von Superlegierungen und Komponenten für die Luft- und Raumfahrt. Kupfer ist ein wichtiges Legierungselement in Superlegierungen auf Nickelbasis, die in Turbinenschaufeln und Brennkammern verwendet werden, wobei die Kontrolle von Spurenverunreinigungen während der Legierungsvorbereitung die Ermüdungsbeständigkeit und das Oxidationsverhalten bei hohen Temperaturen bestimmt.

Für diese Anwendungen wird typischerweise ein Cu-Bestandteil von 99,99 % (4N) bis 99,999 % (5N) spezifiziert, mit strengen Kontrollen für Schwefel, Wismut und Blei – Elemente, die bei erhöhten Temperaturen die Korngrenzen verspröden. Die Kupfermaterialien von CRNMC für Luft- und Raumfahrt- und Industrieanwendungen werden in mit Argon gespülten verzinkten Fässern verpackt, deren Reinheitszertifikate auf ICP-MS-Analysen auf Chargenebene rückverfolgbar sind.

So spezifizieren Sie hochreines Cu: Eine praktische Checkliste

Wenn Sie eine Bestellung für Cu in Halbleiterqualität oder hochreines Cu für eine erweiterte Anwendung aufgeben, sollten die folgenden Spezifikationspunkte mit Ihrem Lieferanten bestätigt werden, bevor Sie eine Bestellung aufgeben:

• Reinheitsgrad und Zertifizierungsmethode: Bestätigen Sie die ICP-MS- oder GDMS-Analyse, nicht nur GDOES, für die Quantifizierung von Verunreinigungen im Spurenbereich unter 1 ppm.
• Angabe des Sauerstoffgehalts: Fordern Sie für Sputtertargets einen Sauerstoffgehalt unter 1 ppm an. Für Verdampfungsmaterialien sind im Allgemeinen weniger als 5 ppm akzeptabel.
• Formfaktor: Barren, Zielrohling, Pellet, Granulat, Rohr oder kundenspezifisch bearbeitetes Teil – bestätigen Sie, dass der Lieferant die endgültige Geometrie verarbeiten kann.
• Maßtoleranzen: Kritisch für gebundene Ziele und Verdunstungsschiffchen; Bestätigen Sie die Anforderungen an Ebenheit, Oberflächenrauheit (Ra) und Parallelität.
• Verpackung und Haltbarkeit: Ab 5 N ist eine vakuumversiegelte Doppelschichtverpackung das Minimum; Bestätigen Sie die Haltbarkeit unter den Lagerbedingungen in Ihrer Einrichtung.
• Zoll- und Exportdokumentation: Bestätigen Sie bei internationaler Beschaffung den HS-Code, das Ursprungslandzertifikat und die Verfügbarkeit des Materialsicherheitsdatenblatts.