中國(guó)粉體網(wǎng)訊 在半導(dǎo)體行業(yè)中，設(shè)備投資占半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)資本支出的60%-70%，而設(shè)備總支出中資產(chǎn)占比最高的要數(shù)晶圓制造，而光刻、等離子刻蝕、薄膜沉積設(shè)備作為晶圓制造中最重要的制造環(huán)節(jié)，是推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)步的引擎。
在刻蝕機(jī)中，刻蝕腔體采用的核心部件是影響機(jī)器先進(jìn)程度的關(guān)鍵要素。半導(dǎo)體刻蝕過(guò)程中，利用高能、活性的等離子混合氣體通過(guò)連續(xù)的物理、化學(xué)作用，會(huì)對(duì)刻蝕設(shè)備的腔體部件造成腐蝕，影響刻蝕機(jī)設(shè)備部件的使用壽命；另一方面，由于部件的腐蝕過(guò)程中，形成副產(chǎn)物，當(dāng)這種副產(chǎn)物沒(méi)有及時(shí)排除腔體或者形成難揮發(fā)的副產(chǎn)物，就會(huì)在硅片上形成顆粒雜質(zhì)，降低了設(shè)備的可靠性，進(jìn)而影響晶圓硅材料的純度和刻蝕的晶體管形貌和進(jìn)度。
那么，什么樣的材料適合做耐刻蝕機(jī)腔體？
隨著半導(dǎo)體晶體管尺寸急劇減少和鹵素類等離子體能量增高，要求等離子刻蝕機(jī)的刻蝕腔體在晶圓刻蝕的時(shí)候需要保持越來(lái)越高的潔凈度；此外，為了增加刻蝕機(jī)腔體壽命和可靠性，半導(dǎo)體設(shè)備加工中與等離子體接觸的部件需要有較好的耐等離子體刻蝕性能；最后，由于刻蝕腔體內(nèi)表面部件形狀復(fù)雜、孔槽類特征眾多且尺寸大，在刻蝕機(jī)制造的時(shí)候必須多次安裝刻蝕腔體內(nèi)表面部件，這就要求刻蝕腔體內(nèi)表面部件材料機(jī)械強(qiáng)度好，不容易機(jī)械損壞。
相對(duì)于有機(jī)和金屬材料，陶瓷材料一般都具有較好的耐物理和化學(xué)腐蝕性能以及耐高溫特性，因此在半導(dǎo)體工業(yè)中，多種陶瓷材料已成為半導(dǎo)體設(shè)備核心部件制造材料，如SiC、AlN、Al2O3和Y2O3等，離子刻蝕設(shè)備應(yīng)用陶瓷材料的部件主要有視窗鏡、靜電卡盤(pán)、聚焦環(huán)等。
等離子體刻蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖
耐等離子體刻蝕陶瓷材料
石英玻璃
石英是一種物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的無(wú)機(jī)非金屬材料，晶體結(jié)構(gòu)屬三方晶系，其主要成分是SiO2，具有一定的耐化學(xué)腐蝕性，作為刻蝕機(jī)設(shè)備的部件材料，其主要成分元素與Si片相同，不會(huì)對(duì)晶圓產(chǎn)生其他污染。但長(zhǎng)期在高能等離子環(huán)境中，易與Si反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致部件變得模糊。
碳化硅
碳化硅是一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料。SiC作為刻蝕機(jī)腔體材料，相較于石英，其材料本身產(chǎn)生的雜質(zhì)污染較少，因其優(yōu)異的導(dǎo)熱率以及與Si片較匹配的電導(dǎo)率被用于聚焦環(huán)材料，而且SiC具有更加優(yōu)異的耐等離子刻蝕性能，是極好的備選材料。
陽(yáng)極氧化鋁及高純Al2O3材料
早期等離子刻蝕防護(hù)技術(shù)是在鋁基材上沉積一層致密的硬質(zhì)陽(yáng)極保護(hù)層，但由于合金中的雜質(zhì)會(huì)發(fā)生偏析，表面的陽(yáng)極氧化鋁層易產(chǎn)生微裂紋，在刻蝕中出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，高純Al2O3涂層逐漸用于刻蝕機(jī)工藝腔和腔體內(nèi)部件的防護(hù)，但由于Al2O3涂層與襯底熱膨脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致開(kāi)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，其作為耐等離子刻蝕腔體材料具有以下特點(diǎn)：
●生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度較高，生產(chǎn)工藝成本較低。
●由于鹵素氣體通常被用作高速刻蝕Si晶片使用，Al易于鹵素F等反應(yīng)生成易揮發(fā)的Al-F副產(chǎn)物而污染晶片。
●金屬相雜質(zhì)的添加，使其硬度和抗彎強(qiáng)度明顯下降。
●高溫下，納米晶粒易長(zhǎng)大，并伴隨熱導(dǎo)率下降。
●在梯度涂層中，加重了分層效應(yīng)。
●不能滿足300mm以上刻蝕設(shè)備的要求。
氧化釔（Y2O3）
Y2O3是立方晶系，是一種透明陶瓷，在寬廣的波長(zhǎng)（0.3-0.8μm）范圍內(nèi)，特別是在紅外區(qū)中具有很高的透光率，可以作為等離子體刻蝕設(shè)備的窗視鏡材料。雖然Y2O3有極好的耐等離子體刻蝕性能，但由于較差的壓實(shí)性和燒結(jié)能力，機(jī)械強(qiáng)度低，加工難度大，其實(shí)用性受到限制。與Al2O3相比具有如下優(yōu)勢(shì)與不足：
●由于AlF3的消除，Y2O3造成的表面顆粒和缺陷污染減少。
●材料中的過(guò)渡金屬含量低，降低了金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。
●Y2O3具有更加優(yōu)異的介電性能，并且越厚的Y2O3陶瓷涂層，其抵抗介質(zhì)擊穿能力越強(qiáng)。
●作為耐等離子腔體材料，在等離子體中腐蝕速率較低。
●使用成本低，但制備成本較高。
●熱膨脹系數(shù)較Al2O3大，在腐蝕的過(guò)程中，在晶界邊界的殘余應(yīng)力易發(fā)生膨脹，因此內(nèi)部較易產(chǎn)生氣孔和微裂紋。
單晶YAG以及Al2O3-YAG共晶復(fù)合材料
單純用Y2O3來(lái)制備半導(dǎo)體生產(chǎn)中的耐腐蝕器件，生產(chǎn)成本高，對(duì)于，有學(xué)者制備出YAG。YAG簡(jiǎn)稱釔鋁石榴石，具有立方晶體結(jié)構(gòu)、無(wú)雙折射效應(yīng)、高溫蠕變小，具有優(yōu)異的光學(xué)及電學(xué)性能，被廣泛地應(yīng)用于激光器基質(zhì)材料、高溫可見(jiàn)光窗口、等離子體腔室材料以及紅外窗口材料等。
YAG作為一種重要的耐熱和耐等離子體沖擊材料，相較于Y2O3陶瓷，具有以下一些特點(diǎn)：
●使用壽命長(zhǎng)，制備工藝更為簡(jiǎn)單，使用成本相對(duì)較低。
●更優(yōu)異的機(jī)械性能。
●熔點(diǎn)低，易加工等。
Al2O3-YAG復(fù)合陶瓷，是由Al2O3與Y2O3納米粉末按照一定的配比，經(jīng)過(guò)球磨混合、干燥、成型、燒結(jié)等工藝制備而來(lái)。在耐等離子刻蝕腔體壁材方面，相較其他耐蝕腔體材料具有如下優(yōu)點(diǎn)：
●優(yōu)異的機(jī)械性能。
●高熱導(dǎo)率、高溫抗蠕變性能優(yōu)異。
●生產(chǎn)成本相對(duì)較低。
●耐等離子刻蝕性好。
氮化硅（Si3N4）
Si3N4作為一種共價(jià)鍵化合物，其熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱率高、抗化學(xué)腐蝕、耐熱沖擊性極佳。經(jīng)過(guò)熱壓燒結(jié)的Si3N4，其硬度極高，且極耐高溫，它的強(qiáng)度一直維持在1200℃高溫下而不下降，受熱后不會(huì)熔成融體，到1900℃才會(huì)分解。
熱壓燒結(jié)的氮化硅加熱到1000℃后投入冷水中也不會(huì)破裂。但是它作為一種等離子刻蝕腔體材料，仍存在以下不足：
●機(jī)械加工成本高，已超過(guò)產(chǎn)品總成本的一半。
●機(jī)械加工對(duì)材料表面損傷，由此對(duì)材料的強(qiáng)度產(chǎn)生不利。
●為了避免機(jī)械加工對(duì)材料性能的消極影響，制造加工通常采用過(guò)分保守的加工條件，大大地延長(zhǎng)了加工時(shí)間，生產(chǎn)效率降低。
●作為一種非氧化物陶瓷材料，大尺寸燒結(jié)體難以制備，其制備成本高。
氮化鋁（AlN）
AlN作為共價(jià)鍵化合物，具有六方鉛鋅礦結(jié)構(gòu)，是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的重要材料。由于AlN陶瓷的高熱導(dǎo)率，低介電常數(shù)，與單晶硅相匹配的熱膨脹系數(shù)，以及良好的電絕緣性，是成為靜電吸盤(pán)介電層和硅片支撐用托盤(pán)的理想材料。
高純氮化鋁作為刻蝕機(jī)的耐等離子刻蝕材料主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）高熱導(dǎo)率，易散熱；
（2）電絕緣性好；
（3）熱膨脹系數(shù)與單晶硅相似，硅片在刻蝕過(guò)程不會(huì)因受熱膨脹破裂；
（4）機(jī)械強(qiáng)度高，易加工制造；
（5）介電常數(shù)和介電損耗適中；
（6）耐高溫性能和耐等離子刻蝕性能好。
小結(jié)
目前晶圓尺寸不斷增大以及特征尺寸不斷縮小的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)刻蝕設(shè)備的腔室材料要求也會(huì)越來(lái)越高。未來(lái)刻蝕設(shè)備腔體材料的發(fā)展方向:
( 1) 為了刻蝕設(shè)備腔體高潔凈的要求，能夠制備出大尺寸的陶瓷燒結(jié)體材料至關(guān)重要。
( 2) 作為耐等離子刻蝕腔體材料，材料的研究方向朝著稀土氧化物的復(fù)合材料發(fā)展。如 Y2O3、Er2O3等。
參考來(lái)源：
譚毅成等：耐等離子刻蝕陶瓷的研究現(xiàn)狀（2018）
譚毅成：耐等離子體刻蝕釔基復(fù)合陶瓷的制備及其性能研究（2021）
朱祖云：等離子體環(huán)境下陶瓷材料損傷行為研究
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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