Plasmaætsnings- og renseprocesser er kernetrin i halvlederfremstilling. Efterhånden som procesknudepunkter udvikler sig til 7 nm, 5 nm og derover, fortsætter plasmaenergitætheden med at stige, og den kemiske aktivitet af halogengasser (fluor-baseret og chlor-baseret) bliver stadig mere aggressiv. Under ætsning af wafere korroderer disse plasmaer også vilkårligt og kontinuerligt alle udsatte komponenter inde i kammeret, inklusive kammervægge, liners, fokusringe, gasfordelingsplader, viewports, osv. Dette fører ikke kun til overfladerudannelse, materialetab og øget frekvens af udstyrsnedetid til vedligeholdelse, men forårsager også tab af wafer-partikler og løsrevet partikeltab. Derfor er søgningen efter materialer med højere modstandsdygtighed over for plasmakorrosion blevet et presserende behov inden for halvlederudstyrsmaterialer. Yttriumoxid (Y2O3) spiller en uerstattelig rolle i dette domæne.
Hvorfor er yttriumoxid uerstattelig i halvlederudstyr?
I halvlederudstyr er aluminiumoxid (Al₂O₃) det mest almindeligt anvendte strukturelle keramiske materiale. Det har et smeltepunkt på 2050 grader, høj mekanisk styrke, høj slidstyrke, fremragende elektrisk isolering og god kemisk stabilitet. Imidlertid er bindingsenergien af Al-O-bindingen omkring 498 kJ/mol. Selvom det modstår de fleste kemiske angreb, reagerer det under høje-plasmaforhold let med fluor for at danne et flaget, let spjættet fluoridlag (AlF₃). Dette lag aflejrer og krystalliserer på overfladen, hvilket skaber partikler, der løsner og forurener wafers, mens det kontinuerligt forbruge det beskyttende lag.
I modsætning hertil har yttriumoxid (Y₂O3) et kubisk krystalsystem og et smeltepunkt så højt som 2430 grader. Ud over fremragende elektrisk isolering og optisk gennemsigtighed er dens Y–O-bindingsenergi så høj som 780 kJ/mol. Det udviser ekstremt lav kemisk reaktivitet med halogener (især F og Cl). Når det reagerer med fluor, danner det et meget mere stabilt og tæt YF₃-lag, der ikke er tilbøjeligt til afskalning. Dette reducerer ikke kun kraftigt partikeldannelse, men forhindrer også effektivt yderligere angreb fra fluorplasma på udstyrskomponenter (såsom ætsning af kammervægge, brusehoveder osv.), hvilket forlænger komponenternes levetid. I typiske-højdensitetsfluor-baserede eller chlorbaserede-plasmamiljøer er ætsningshastigheden for Y₂O3 typisk kun 1/20 til 1/50 af Al₂O₃. Y₂O₃ har desuden et smeltepunkt på 2430 grader og kan opretholde strukturel integritet ved høje temperaturer over 1750 grader uden fordampning eller deformation, tilpasset de ekstreme temperaturforhold ved plasmaprocesser. Dens volumenresistivitet overstiger 10¹² Ω·cm med lavt dielektrisk tab, hvilket sikrer stabiliteten af højfrekvente RF-felter og undgår procesafvigelser forårsaget af materialers dårlige dielektriske egenskaber.
Anvendelser af yttriumoxid i halvlederudstyr
Baseret på kerneegenskaberne af yttriumoxid og kombineret med de specifikke krav til forskellige halvlederudstyrskomponenter er dets applikationer på halvlederområdet hovedsageligt opdelt i fire kategorier:
01 Yttriumoxidbelægninger
Fordi yttriumoxid, som et sjældent jordart materiale, er relativt dyrt, bruger de fleste ætseudstyrskamre eller komponenter ikke ren Y2O3-keramik. I stedet afsættes en tæt Y₂O₃-belægning med en tykkelse på omkring 100-300 μm på overfladen af aluminiumslegeringer eller Al₂O₃-substrater (såsom kammerforinger, fokusringe, gasfordelingsplader osv.) ved hjælp af teknikker som plasmasprøjtning eller fysisk dampaflejring (PVD). Dette er i øjeblikket den mest udbredte form for yttriumoxidbelægning i halvlederudstyr. Denne tilgang afbalancerer den strukturelle styrke af basismaterialet med overfladekorrosionsbestandigheden på Y2O3, samtidig med at omkostningerne reduceres. I avancerede procesknudepunkter på 7 nm og derunder er yttriumoxidbelægninger gradvist blevet industristandardens beskyttende konfiguration, hvilket udvider den store vedligeholdelsescyklus af ætseudstyrskamre fra et par hundrede timer til over tusind timer, samtidig med at partikelforurening reduceres og udstyrets oppetid og waferudbytte væsentligt forbedres.
02 Gennemsigtige yttriumoxidudsigter
Udsigtsporte på halvlederplasmaudstyr er kritiske komponenter til overvågning af procesforhold og sikring af procesnøjagtighed. De kræver ikke kun fremragende plasmakorrosionsbestandighed, men også god optisk gennemsigtighed for at tillade operatører tydeligt at observere waferbehandling inde i kammeret. Traditionelle gennemsigtige materialer som kvartsglas og aluminiumoxid korroderes let i fluorbaserede-plasmamiljøer, hvilket fører til ru overflade, reduceret transmittans og manglende evne til at opfylde langsigtede-brugskrav. Transparent yttriumoxidkeramik har et transmissionsområde, der dækker ultraviolet til infrarødt (0,29-8 μm), med omkring 80 % lineær transmittans selv i det fjerne-infrarøde område. Kombineret med deres fremragende plasmakorrosionsbestandighed bevarer de en ren overflade og stabil gennemsigtighed selv efter lang-tidsbrug i fluor-baserede og klorbaserede-plasmamiljøer, uden at producere ætsende affald eller krystallinske urenheder, hvilket sikrer både observationskvalitet og undgår waferforurening.
03 Yttriumoxid komposit keramiske komponenter
På grund af den relativt lave mekaniske styrke, høje sintringsvanskeligheder og høje omkostninger ved ren yttriumoxidkeramik, bruger industrien hovedsageligt doteret yttriumoxid-baseret kompositkeramik for at balancere ydeevnekrav og omkostningseffektivitet-. For eksempel har yttrium aluminium granat (YAG), dannet ved doping af yttriumoxid med en vis andel af aluminiumoxid, også en kubisk krystalstruktur og stabile kemiske egenskaber. Det gennemgår ikke uden videre voldsomme kemiske reaktioner med aktive gasser i plasmaer (såsom fluor, klor og andre halogener). I fluor-holdige plasmamiljøer, sammenlignet med materialer som Al₂O₃, producerer det færre fluoridbiprodukter, hvilket effektivt reducerer partikelforurening og overfladekorrosion. Samtidig har YAG, sammenlignet med ren yttriumoxidkeramik, højere hårdhed (Mohs hårdhed 8-8,5) og fremragende mekanisk styrke, hvilket gør den velegnet til komponenter med visse krav til mekanisk styrke i ætsere, og den kan også bruges som en gennemsigtig viewport.