中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著芯片特征尺寸的減小和鹵素類等離子體能量的逐漸提高，刻蝕機(jī)工藝腔和腔體內(nèi)部件的耐等離子體刻蝕性能變得越來(lái)越重要。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)腐蝕性能以及很高的工作溫度，因而在半導(dǎo)體工業(yè)中，多種陶瓷材料已成為半導(dǎo)體單晶硅片制造工序和前道加工工序的設(shè)備核心部件制造材料，如石英，SiC，AlN，Al2O3和Y2O3等。在等離子環(huán)境中陶瓷材料的選擇取決于核心部件所處的工作環(huán)境以及對(duì)制程產(chǎn)品的品質(zhì)要求，如耐等離子刻蝕性能、電性能、絕緣性等。
等離子體刻蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖
等離子體刻蝕設(shè)備上采用陶瓷材料制作的部件主要有窗視鏡，氣體分散盤(pán)，噴嘴，絕緣環(huán)，蓋板，聚焦環(huán)和靜電吸盤(pán)等。
刻蝕機(jī)腔體
半導(dǎo)體制造過(guò)程中的腐蝕性等離子環(huán)境主要是等離子體清洗和等離子體刻蝕。此外，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積所使用的鹵素類等離子體也具有較強(qiáng)的腐蝕性。隨著半導(dǎo)體器件最小特征尺寸的不斷縮小，對(duì)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(duì)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。目前陶瓷材料已經(jīng)成為刻蝕機(jī)腔體的主要材料。刻蝕機(jī)腔體內(nèi)耐等離子刻蝕陶瓷材料的主要特點(diǎn)是：
圖片來(lái)源：日本京瓷
（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(kāi)口氣孔少；
（4）晶粒細(xì)小，晶界相含量少；
（5）具有優(yōu)良的機(jī)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)嵝缘取?/p>
目前該類陶瓷材料主要涵蓋石英、碳化硅、氮化鋁、氧化鋁、氮化硅、氧化釔等。
靜電吸盤(pán)
圖源：日本京瓷
晶圓溫度分布的均勻性是影響晶圓刻蝕速率和刻蝕均勻性的重要因素，靜電吸盤(pán)在控制晶圓溫度方面起著關(guān)鍵作用。靜電吸盤(pán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括介電層、加熱層和基座。AlN和SiC因?yàn)榫哂休^高的熱導(dǎo)率，都可以用于制作靜電吸盤(pán)的介電層。雖然在含氟等離子體中AlN比SiC的耐等離子體刻蝕性能更優(yōu)異，但SiC與含氟等離子反應(yīng)生成的氟化物易揮發(fā)，可以通過(guò)真空系統(tǒng)排除，不會(huì)對(duì)芯片造成刻蝕污染。
靜電吸盤(pán)結(jié)構(gòu)
據(jù)了解，國(guó)內(nèi)外所掌握的靜電吸盤(pán)相關(guān)技術(shù)并不平衡，具有比較成熟的靜電吸盤(pán)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的公司僅有京瓷、應(yīng)用材料、NGK、lam research等少數(shù)幾家。
聚焦環(huán)
聚焦環(huán)的作用是提供均衡的等離子，要求與硅晶圓有相似的電導(dǎo)率。以往采用的材料主要是導(dǎo)電硅，但是含氟等離子體會(huì)與硅反應(yīng)生成易揮發(fā)的氟化硅，大大縮短其使用壽命，導(dǎo)致部件需要頻繁更換，降低生產(chǎn)效率。SiC與單晶Si有相似的電導(dǎo)率，而且耐等離子體刻蝕性能更好，可以作為聚焦環(huán)的使用材料。
前段時(shí)間，有媒體報(bào)道三星電子正在研發(fā)取代碳化硅聚焦環(huán)的新材料。業(yè)界消息指出，硬度表現(xiàn)優(yōu)秀的碳化硼成為三星有力備選方案。三星為將B4C打造成新一代聚焦環(huán)材料，正在進(jìn)行相關(guān)研發(fā)。
窗視鏡
刻蝕機(jī)上的窗視鏡材料要求透光率高，開(kāi)始采用的是石英玻璃材料，但容易被腐蝕得模糊不清，之后被Al2O3材料替代。但是隨著含氟等離子體的應(yīng)用，Al2O3的耐腐蝕性能也逐漸滿足不了批量生產(chǎn)的需求，因?yàn)?span style="text-align: justify; text-indent: 32px;">Al2O3中的Al與氟離子反應(yīng)會(huì)生成Al–F化合物，然后沉積結(jié)晶形成顆粒雜質(zhì)，容易污染晶圓。Y2O3透明陶瓷在含氟等離子體中表現(xiàn)出非常好的耐腐蝕性能，但其燒結(jié)性能差，生產(chǎn)成本高，且機(jī)械性能較差，難加工，實(shí)用性受到限制。YAG透明陶瓷透光率高，對(duì)含氟等離子體的耐腐蝕性能與氧化釔相似，而且機(jī)械性能更加優(yōu)異，是比較理想的替代材料。
蝕刻環(huán)
SiC刻蝕環(huán)作為半導(dǎo)體材料在等離子刻蝕環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵耗材，其純度要求極高。一般只能采用CVD工藝進(jìn)行生長(zhǎng)SiC厚層塊體，隨后經(jīng)精密加工而制得，主要用于半導(dǎo)體刻蝕工藝的制備環(huán)節(jié)。長(zhǎng)期以來(lái)，圍繞半導(dǎo)體及其配套材料的發(fā)展一直是我國(guó)生產(chǎn)制造中的薄弱環(huán)節(jié)，但因其技術(shù)壁壘高，長(zhǎng)期被美、日、德等國(guó)所壟斷，一直是被“卡脖子”的關(guān)鍵材料之一。
絕緣環(huán)
陶瓷材料在多數(shù)情況下是優(yōu)良的絕緣體，尤其是氮化硅陶瓷具有絕緣性、耐高溫、抗腐蝕性、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。因此可制備成在嚴(yán)苛的工作條件下對(duì)絕緣性要求較高的絕緣環(huán)。與氧化鋁陶瓷絕緣環(huán)相比，氮化硅陶瓷絕緣環(huán)耐溫更高、強(qiáng)度更大，具有強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，使用壽命可延長(zhǎng)大約10倍以上，在很大的程度上可降低生產(chǎn)成本、節(jié)約操作時(shí)間。
參考來(lái)源：
[1]朱祖云.等離子體環(huán)境下陶瓷材料損傷行為研究
[2]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
[3]京瓷官網(wǎng)、中國(guó)粉體網(wǎng)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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