I dag, i moderne halvlederætsning, tynd-filmaflejring og andet udstyr, erstatter avancerede keramiske materialer gradvist traditionelle metaller og polymerer på grund af deres fremragende høje-temperaturbestandighed, korrosionsbestandighed, høje isolering og høje hårdhed. De er blevet uundværlige materialer til komponenter som elektrostatiske patroner, kammerforinger, varmeapparater, robotarme og præcisionsstyreskinner til litografimaskiner. I plasmaætsningsprocesser påvirker fokusringen - et kritisk forbrugsmateriale placeret umiddelbart ved siden af waferkanten - direkte ætsningens ensartethed og spånudbytte gennem dets materialevalg. Efterhånden som procesvinduerne bliver ved med at indsnævres, erstatter to typer ultra-hård keramik, siliciumcarbid (SiC) og borcarbid (B₄C), gradvist traditionelle kvarts- og siliciummaterialer og bliver vigtige udviklingsretninger for high-fokusringe.
Hvad er en fokusring?
En fokusring, også kendt som en indeslutningsring eller kantring, er en ringformet præcisionskomponent installeret rundt om wafersøjlen i et plasmaætsesystem. Under plasmaætsning sidder fokusringen umiddelbart ved siden af waferkanten og er direkte udsat for det høje-plasmamiljø. Dens kernefunktioner er:
(1) Plasmafokusering: Halvlederætsning er afhængig af-højenergiplasma til præcist at ætse waferen. Ved waferkanten har plasmadensiteten imidlertid en tendens til at falde på grund af den elektriske feltkanteffekt. Gennem præcist strukturelt design og dielektriske egenskaber begrænser og fokuserer fokusringen højenergiplasmaet over waferområdet og dirigerer det til at bombardere waferoverfladen i en næsten lodret vinkel. Dette sikrer en mere ensartet plasmafordeling på tværs af waferen, reducerer ætsningsforskelle mellem kanten og midten og forbedrer procesensartetheden.
(2) Beskyttelse af kammer- og præcisionskomponenter: Under ætsning bombarderer og korroderer højenergiplasma og stærkt ætsende gasser (CF₄, Cl₂, NF₃ osv.) kontinuerligt og korroderer interne kammerkomponenter. Fokusringen fungerer som en første barriere, der afskærmer præcisionskernekomponenter nedenunder, såsom den elektrostatiske borepatron og elektroder, mod direkte eksponering for plasma og ætsende gasser, reducerer fysisk bombardement og kemisk korrosionsskader og forlænger kernekomponenternes levetid.
Materialekrav til fokusringe og anvendelsesfordele ved avanceret keramik
En fokusring kan kontinuerligt udsættes for RF-plasma i flere timer til titusinder af timer i en enkelt ætsningsproces, idet den står over for plasmabombardement med høj-densitet, fluor- eller klor-baserede ætsende gasser og hyppige høj-lavtemperatur termisk cyklus, mens den også er i direkte kontakt med waferen. Dette kræver, at materialer samtidig opfylder strenge krav: ekstrem plasmaerosionsbestandighed, fremragende termisk stabilitet og termisk stødmodstand, lav risiko for forurening af urenheder, fremragende mekaniske egenskaber og afstemte elektriske egenskaber. Før i tiden var fokusringe hovedsageligt lavet af kvarts og silicium. Men efterhånden som ætsningsprocesser bevæger sig mod højere kraft, er begrænsningerne ved traditionelle materialer blevet mere og mere tydelige:
Kvartsringe: Lav pris og god stabilitet under højfrekvente elektriske felter med fremragende elektrisk isolering. De har dog lav hårdhed (Mohs hårdhed 7), svag modstand mod ionforstøvning, en maksimal driftstemperatur under 1100 grader, modtagelighed for deformation ved høje temperaturer, høje erosionshastigheder i fluorholdige-plasmaer og høj risiko for urenhedsudfældning. De er kun egnede til lav-til-midt--ende RIE-ætsningsudstyr til noder over 28nm og kan ikke opfylde de lave forurenings- og langtidskrav til avancerede processer.
Siliciumringe: Vel-afstemt termisk udvidelseskoefficient og elektriske egenskaber med siliciumwafers og høj temperaturbestandighed op til 1600 grader, hvilket muliggør ensartet plasmafordeling. De har dog også ringe modstandsdygtighed over for fluor-holdig plasmaerosion, hvilket let danner flygtigt SiF₄, hvilket fører til høje forbrugsrater og hyppig udskiftning, hvilket forårsager procesudsving og nedetidstab. De er kun egnede til traditionelle lav-til-midtende-processer.
På denne baggrund er avanceret keramik såsom aluminiumoxid (Al₂O₃), siliciumcarbid (SiC) og borcarbid (B₄C) kommet ind i visningen af halvlederudstyrsproducenter og er gradvist ved at blive det almindelige valg for high-fokusringe.
(1) Aluminiumoxid (Al₂O₃): Aluminiumoxid er en af de tidlige keramik, der anvendes i halvlederudstyr, typisk med en renhed på over 99,5 %, og produkter af høj-kvalitet kan nå 99,9 %. Dens forberedelsesproces er moden, ved hjælp af trykløs sintring eller varmpressende sintring, med betydeligt lavere omkostninger end SiC og B₄C. Som en fokusring giver den høj hårdhed og slidstyrke, hvilket reducerer partikelforurening fra slid. I fluor- eller klor-baserede plasmaer danner det et stabilt passiveringslag af AlF3 eller AlCl3, hvilket giver god modstand mod plasmasputtering. Den er velegnet til ætsningsprocesser med medium-effekt-densitet med en relativt lang levetid. Derudover er dens dielektriske egenskaber stabile med god isolering, hvilket effektivt isolerer det elektriske felt og undgår interferens med den elektrostatiske borepatron. Under høj temperatur og høj fluorstrøm kan AlF3-passiveringslaget dog skalle af og blive en forureningskilde. Desuden er dens termiske ekspansionskoefficient (CTE) omkring 7,0×10⁻⁶/K, hvilket adskiller sig væsentligt fra siliciums (ca. 2,6×10⁻⁶/K), hvilket potentielt forårsager dimensionsændringer ved høje temperaturer og påvirker alignment-nøjagtigheden med waferen, hvilket begrænser dens anvendelse i høj{19}} scenarier med lille-kant-gab.
(2) Siliciumcarbid (SiC): SiC-fokusringe er blevet mainstream-opgraderingen til high-ætsere i de seneste år. Deres Mohs-hårdhed er så høj som 9,5, bøjningsstyrken forbliver på 500-600 MPa selv ved 1400 grader, og deres CTE (4×10⁻⁶/grad) er tæt på siliciumwafers, hvilket sikrer stabile mellemrum ved høje temperaturer. De har fremragende termisk stødmodstand, modstår hurtig termisk cykling og hjælper med at optimere kantens ensartethed. Endnu vigtigere, de udviser enestående erosionsbestandighed over for Ar, F, Cl og andre plasmaer - især i fluorplasmaer, hvor erosionshastigheden er næsten nul. Sammenlignet med alumina tilbyder de længere levetid og væsentligt forbedret overordnet udstyrseffektivitet (OEE). SiC-fokusringe kan fremstilles ved trykløs sintring, varmpresning eller kemisk dampaflejring (CVD). CVD-produceret SiC med høj renhed kan nå en renhed på over 99,9995 %, hvilket gør den velegnet til mainstream avancerede processer fra 5 nm til 28 nm.
(3) Borcarbid (B₄C): B₄C er et vigtigt kandidatmateriale i mange tekniske applikationer. Allerede i 2022 gennemførte Samsung Electronics allerede forskning og udvikling på B₄C fokusringe. Tidligere i år udviklede Hubei Longzhong Laboratory med succes Kinas første B₄C keramiske fokusring. Sammenlignet med almindelige SiC-fokusringe tilbyder den 30 % højere erosionsbestandighed, en levetid på mere end 30 dage, reducerer omkostningerne til ætsningsprocessen med omkring 20 %, forbedrer effektiviteten og gennemløbet af chipfremstilling, samtidig med at den bibeholder fremragende termisk stabilitet og mekaniske egenskaber – og opnår verdens-førende teknologi.