中國粉體網(wǎng)訊  對于半導(dǎo)體設(shè)備的研制，部件所使用的材料是影響設(shè)備性能的關(guān)鍵因素。特別是對于晶圓制造過程中的刻蝕機和PECVD設(shè)備，等離子體通過物理作用和化學(xué)反應(yīng)會對設(shè)備器件表面造成嚴(yán)重腐蝕，一方面縮短部件的使用壽命，降低設(shè)備的使用性能，另一方面腐蝕過程中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物會出現(xiàn)揮發(fā)和脫落的現(xiàn)象，在工藝腔內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)顆粒，影響腔室的潔凈度。當(dāng)前，主要采用高純Al₂O₃涂層或Al₂O₃陶瓷作為刻蝕腔體和腔體內(nèi)部件的防護材料。

等離子體刻蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖

隨著半導(dǎo)體器件最小特征尺寸的不斷縮小，對晶圓缺陷的要求變得更加嚴(yán)格，為了避免金屬雜質(zhì)和顆粒的污染，對半導(dǎo)體設(shè)備腔體和腔體內(nèi)的部件材料提出了更加嚴(yán)格的要求�？涛g機腔體內(nèi)耐等離子刻蝕陶瓷材料的主要特點有：（1）純度要高，金屬雜質(zhì)含量少；（2）主要組成成分化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，特別是與鹵素類腐蝕性氣體的化學(xué)反應(yīng)速率要低；（3）致密度高，開口氣孔少；（4）晶粒細(xì)小，晶界相含量少；（5）具有優(yōu)良的機械性能，便于生產(chǎn)加工；（6）某些部件可能還有其他性能要求，如良好的介電性能、導(dǎo)電性或?qū)�熱性等�?br/>

Al₂O₃是一種高硬度的化合物，主要的晶型是α-Al₂O₃、β-Al₂O₃、γ-Al₂O₃。其中，α-Al₂O₃是唯一熱力學(xué)穩(wěn)定的相，屬于離子型晶體，化學(xué)性能穩(wěn)定，在常溫下不受酸堿腐蝕，可以作為耐火或耐腐蝕材料。早期等離子刻蝕防護技術(shù)是在鋁基材上沉積一層致密的硬質(zhì)陽極保護層，但由于合金中的雜質(zhì)會發(fā)生偏析，表面的陽極氧化鋁層易產(chǎn)生微裂紋，在刻蝕過程中出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，所以硬質(zhì)陽極氧化鋁的耐等離子體刻蝕性能較差。

隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，高純Al₂O₃涂層逐漸用于刻蝕機工藝腔和腔體內(nèi)部件的防護。研究者通過氣溶膠噴霧法在硅襯底上形成致密的Al₂O₃涂層，在高能含氟等離子中的耐刻蝕性能是單晶Si的20倍。但是由于熱膨脹系數(shù)的不同，Al₂O₃涂層與襯底之間容易開裂，影響涂層的耐刻蝕性能。

與Al₂O₃涂層相比，致密的高純Al₂O₃塊體陶瓷具有更好的耐等離子體刻蝕性能。研究人員研究了應(yīng)用在半導(dǎo)體加工設(shè)備中的Al₂O₃塊體的制備方法，純度要求在99%以上，金屬氧化物雜質(zhì)（如MgO，CaO，SiO₂等）必須控制在0.05~0.8%之內(nèi)，在不影響燒結(jié)性能的情況下可以提高其耐等離子體刻蝕性能，每100g氧化鋁的含磷量不能超過0.0025g，有利于大塊體陶瓷燒結(jié)均勻。

傳統(tǒng)的氧化鋁燒結(jié)塊體由于內(nèi)外燒結(jié)狀態(tài)不同，導(dǎo)致密度相差很大，其介質(zhì)損耗大，在半導(dǎo)體制造設(shè)備使用過程中容易產(chǎn)生熱量，生成或擴大微裂紋，降低耐等離子體刻蝕性能。隨著等離子功率的增大和腐蝕性較強的含氟刻蝕氣體的使用，Al₂O₃的耐腐蝕性能已經(jīng)難以滿足生產(chǎn)要求，一方面Al₂O₃中的Al與氟離子會反應(yīng)生成AlxFy化合物，沉積后結(jié)晶成顆粒雜質(zhì)，污染晶圓；另一方面，嚴(yán)重的腐蝕會縮短部件的使用壽命。因此，不斷研究陶瓷材料的等離子體刻蝕機制對于制備耐等離子體刻蝕性能優(yōu)異的陶瓷材料具有十分重要的意義。

參考資料：等離子體環(huán)境下陶瓷材料損傷行為研究，朱祖云，廣東工業(yè)大學(xué)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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