Процессы плазменного травления и очистки являются основными этапами производства полупроводников. По мере того, как технологические узлы продвигаются к 7, 5 нм и далее, плотность энергии плазмы продолжает увеличиваться, а химическая активность галогенных газов (на основе фтора-и хлора-) становится все более агрессивной. При травлении пластин эта плазма также без разбора и непрерывно разъедает все открытые компоненты внутри камеры, включая стенки камеры, лайнеры, кольца фокусировки, газораспределительные пластины, смотровые окна и т. д. Это не только приводит к шероховатости поверхности, потерям материала и увеличению частоты простоев оборудования для технического обслуживания, но также вызывает загрязнение пластин и потерю производительности из-за оторвавшихся частиц. Поэтому поиск материалов с более высокой стойкостью к плазменной коррозии стал насущной необходимостью в области материалов полупроводниковой аппаратуры. Оксид иттрия (Y₂O₃) играет незаменимую роль в этой области.
Почему оксид иттрия незаменим в полупроводниковой технике?
В полупроводниковом оборудовании оксид алюминия (Al₂O₃) является наиболее часто используемым конструкционным керамическим материалом. Он имеет температуру плавления 2050 градусов, высокую механическую прочность, высокую износостойкость, отличную электроизоляцию и хорошую химическую стабильность. Однако энергия связи Al-O составляет около 498 кДж/моль. Хотя он устойчив к большинству химических воздействий, в условиях высокоэнергетической плазмы он легко вступает в реакцию с фтором, образуя чешуйчатый, легко отслаиваемый слой фторида (AlF₃). Этот слой откладывается и кристаллизуется на поверхности, создавая частицы, которые отслаиваются и загрязняют пластины, постоянно разрушая защитный слой.
Напротив, оксид иттрия (Y₂O₃) имеет кубическую кристаллическую систему и температуру плавления до 2430 градусов. Помимо превосходной электроизоляции и оптической прозрачности, энергия связи Y–O достигает 780 кДж/моль. Он проявляет чрезвычайно низкую химическую активность по отношению к галогенам (особенно F и Cl). Когда он реагирует с фтором, он образует гораздо более стабильный и плотный слой YF₃, не склонный к отслаиванию. Это не только значительно снижает образование частиц, но и эффективно предотвращает дальнейшее воздействие фторной плазмы на компоненты оборудования (такие как стенки камеры травления, душевые насадки и т. д.), продлевая срок службы компонентов. В типичных плазменных средах на основе фтора-плотности-или хлора- скорость травления Y₂O₃ обычно составляет всего лишь от 1/20 до 1/50 скорости травления Al₂O₃. Кроме того, Y₂O₃ имеет температуру плавления 2430 градусов и может сохранять структурную целостность при высоких температурах выше 1750 градусов без улетучивания или деформации, адаптируясь к экстремальным температурным условиям плазменных процессов. Его объемное сопротивление превышает 10¹² Ом·см, с низкими диэлектрическими потерями, что обеспечивает стабильность высокочастотных радиочастотных полей и позволяет избежать технологических отклонений, вызванных плохими диэлектрическими свойствами материалов.
Применение оксида иттрия в полупроводниковом оборудовании
На основе основных свойств оксида иттрия и в сочетании с конкретными требованиями различных компонентов полупроводникового оборудования его применение в области полупроводников в основном делится на четыре категории:
01 Покрытия из оксида иттрия
Поскольку оксид иттрия, как редкоземельный материал, относительно дорог, в большинстве камер или компонентов травильного оборудования не используется чистая керамика Y₂O₃. Вместо этого на поверхность подложек из алюминиевого сплава или Al₂O₃ (таких как гильзы камеры, кольца фокусировки, газораспределительные пластины и т. д.) наносится плотное покрытие Y₂O₃ толщиной около 100–300 мкм с использованием таких методов, как плазменное напыление или физическое осаждение из паровой фазы (PVD). В настоящее время это наиболее широко используемая форма покрытия из оксида иттрия в полупроводниковом оборудовании. Этот подход уравновешивает структурную прочность основного материала с устойчивостью к поверхностной коррозии Y₂O₃, одновременно снижая затраты. В передовых технологических узлах размером 7 нм и ниже покрытия из оксида иттрия постепенно стали стандартной защитной конфигурацией отрасли, продлевая основной цикл технического обслуживания камер травильного оборудования с нескольких сотен часов до более тысячи часов, одновременно уменьшая загрязнение частицами и значительно улучшая время безотказной работы оборудования и выход пластин.
02 Прозрачные смотровые окна из оксида иттрия
Смотровые окна на полупроводниковом плазменном оборудовании являются важнейшими компонентами для мониторинга условий процесса и обеспечения его точности. Они требуют не только превосходной стойкости к плазменной коррозии, но и хорошей оптической прозрачности, чтобы операторы могли четко наблюдать за процессом обработки пластин внутри камеры. Традиционные прозрачные материалы, такие как кварцевое стекло и оксид алюминия, легко подвергаются коррозии в среде плазмы-на основе фтора, что приводит к шероховатости поверхности, снижению коэффициента пропускания и неспособности соответствовать требованиям долгосрочного-использования. Прозрачная керамика из оксида иттрия имеет диапазон пропускания от ультрафиолетового до инфракрасного (0,29–8 мкм) с линейным коэффициентом пропускания около 80 % даже в дальней-инфракрасной области. В сочетании с превосходной стойкостью к плазменной коррозии они сохраняют чистую поверхность и стабильную прозрачность даже после длительного-временного использования в плазменных средах на основе фтора-и хлора-, не образуя коррозийных частиц или кристаллических примесей, что обеспечивает качество наблюдения и предотвращает загрязнение пластин.
03 Композитные керамические компоненты на основе оксида иттрия
Из-за относительно низкой механической прочности, высокой сложности спекания и высокой стоимости керамики из чистого оксида иттрия в промышленности в основном используются композитные керамические материалы на основе легированного оксида иттрия-, чтобы сбалансировать требования к производительности и-экономическую эффективность. Например, иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ), полученный путем легирования оксида иттрия определенной долей оксида алюминия, также имеет кубическую кристаллическую структуру и стабильные химические свойства. Он с трудом вступает в бурные химические реакции с активными газами в плазме (такими как фтор, хлор и другие галогены). В плазме, содержащей фтор-, по сравнению с такими материалами, как Al₂O₃, образуется меньше побочных фторидных продуктов, что эффективно снижает загрязнение частицами и поверхностную коррозию. В то же время, по сравнению с керамикой из чистого оксида иттрия, YAG имеет более высокую твердость (твердость по шкале Мооса 8–8,5) и отличную механическую прочность, что делает его пригодным для изготовления деталей с определенными требованиями к механической прочности в травильных станках, а также его можно использовать в качестве прозрачного смотрового окна.