Душевая головка (также известная как газораспределительная пластина или газораспределительная пластина) в оборудовании для производства полупроводников служит «газораспределительным центром» основных процессов, таких как травление, химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и осаждение атомного слоя (ALD). Он определяет однородность толщины осаждаемой пленки и постоянство скорости травления, что напрямую влияет на выход стружки. Однако его технические барьеры чрезвычайно высоки, и оно уже давно монополизировано зарубежными производителями, а стоимость одного устройства составляет сотни тысяч юаней. Поскольку технологические узлы продолжают сокращаться до 7 нм и ниже, среда производства чипов становится все более сложной. Душевые насадки сталкиваются с более высокими температурами (более 600 градусов), более высоким давлением и более интенсивной агрессивной плазмой (например, плазмой на основе фтора и хлора), одновременно требуя беспрецедентного уровня однородности газораспределения и чистоты камеры. Душевые насадки, изготовленные из современных керамических материалов, таких как нитрид алюминия и карбид кремния, используя свои основные преимущества, такие как устойчивость к высоким температурам, высокая электрическая изоляция, сильная коррозионная стойкость и низкий уровень загрязнения металлами, стали лучшим выбором для современных душевых насадок с существенным потенциалом роста рынка. В этой статье рассматриваются тенденции применения керамических материалов в этом компоненте производства полупроводников.
1. Структура и принцип работы душевой насадки.
Насадка для душа обычно имеет форму диска. Его основной корпус содержит внутренний канал для выравнивания давления газа, оптимизированный с помощью моделирования гидродинамики, а его нижняя поверхность густо перфорирована тысячами микроотверстий. Сверху подсоединены линии подвода газа для различных химически активных газов. В качестве примера рассмотрим типичную реакционную камеру CVD: после входа газа различные химически активные газы диффундируют и разделяются через внутренние прецизионные каналы выравнивания давления, образуя однородное концентрационное поле. Затем они вертикально выбрасываются с нижней поверхности насадки душа через тысячи сквозных отверстий микронного размера ламинарным потоком на поверхность пластины, где они вступают в реакцию и образуют тонкую пленку. Воздействуя на структуру потока газа внутри камеры, душевая лейка помогает избежать турбулентности и мертвых зон. Это не только обеспечивает исключительную однородность реакционноспособных газов по поверхности пластины, но также обеспечивает быструю эвакуацию побочных продуктов реакции, позволяя свежему газу постоянно контактировать с поверхностью пластины. В конечном итоге это гарантирует однородность толщины пленки и постоянство скорости травления, тем самым сохраняя выход стружки.
2. Эволюция материалов полупроводниковых душевых насадок и тенденции применения керамических материалов.
Выбор материала душевой насадки напрямую определяет срок ее службы, устойчивость к воздействию окружающей среды и технологическую совместимость. В настоящее время полупроводниковые материалы для душевых головок делятся на три основные категории, соответствующие различным процессам и бюджету затрат:
Металлические материалы, включая алюминиевые сплавы, нержавеющую сталь, чистый никель и сплавы на его основе. Среди них алюминиевые сплавы наиболее широко используются в традиционных процессах (28 нм и выше) из-за их легкого веса, хорошей теплопроводности и умеренной стоимости. Благодаря жесткому анодированию их коррозионная стойкость может быть улучшена. Однако в условиях высокой температуры и сильной плазмы устойчивость матрицы алюминиевого сплава к плазменной бомбардировке ограничена, что приводит к повреждению поверхности или ухудшению характеристик. В настоящее время в критических процессах, таких как литография в крайнем ультрафиолете (EUV) и атомно-слоевое осаждение (ALD), сплавы на основе никеля и титановые сплавы постепенно заменяют алюминиевые сплавы благодаря их превосходной стойкости к плазменной бомбардировке и высокотемпературной стабильности.
Материалы на основе кремния, также известные как кремниевые электроды, изготавливаются из монокристаллического кремния высокой чистоты. Материал отличается высокой чистотой и не склонен к выделению примесей, что позволяет снизить загрязнение химически активными газами и повысить производительность процесса. Они подходят для процессов травления и осаждения низкого и среднего уровня, но имеют более низкую стойкость к плазменной коррозии и требуют периодической замены.
Керамические матричные материалы, такие как нитрид алюминия, карбид кремния и оксид алюминия, а также функциональные покрытия, такие как иттрий и алмазоподобный углерод (DLC). Они обладают такими преимуществами, как устойчивость к высоким температурам, коррозионная стойкость, высокая чистота и высокая теплопроводность. Они в основном используются в высокотехнологичных процессах с нормами 7 нм и ниже, что представляет собой важное направление в эволюции материалов для душевых насадок.
01 Нитрид алюминия (AlN)
По сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами керамика AlN имеет теплопроводность до 170 Вт/(м·К) и термостойкость более 1000 градусов. Он может быстро рассеивать тепло, образующееся во время работы душевой насадки, избегая структурной деформации из-за локального перегрева и, таким образом, обеспечивая равномерность распределения газа. Кроме того, он не имеет осадков металлических примесей, что эффективно предотвращает загрязнение пластин и соответствует строгим требованиям процессов с разрешением менее 7 нм.
02 CVD‑SiC
Наиболее заметной особенностью душевых насадок CVD‑SiC является их превосходная стойкость к плазменной коррозии фтора/хлора, а срок службы в 2–4 раза дольше, чем у кремниевых душевых насадок. Они могут противостоять экстремальным условиям с высококоррозионной плазмой и высокочастотной плазменной бомбардировкой, увеличивая время безотказной работы оборудования для сухого травления и значительно сокращая частоту замены и затраты на техническое обслуживание во время простоя. Они подходят для использования в качестве верхних электродных пластин в реакционных камерах и в качестве краевых фокусирующих колец вокруг пластин. Однако душевые насадки CVD-SiC сложны в производстве, и в настоящее время их невозможно массово производить внутри страны (в Китае), поскольку они зависят от импорта.
03 Иттриевое (Y₂O₃) покрытие
Покрытия из иттрия обладают исключительной химической стабильностью в условиях высокоэнергетических ионов и галогенной плазмы, эффективно предотвращая воздействие агрессивных газов и плазмы на подложку насадки для душа. Они являются ключевым защитным материалом для высококачественных камер травления, подходят для производства логических микросхем и чипов памяти с нормами менее 7 нм, что значительно продлевает срок службы компонентов. В настоящее время покрытия иттрия обычно наносятся с использованием передовых технологий, таких как магнетронное распыление и ALD.
04 Покрытие из алмазоподобного углерода (DLC)
DLC представляет собой аморфную углеродную пленку, содержащую гибридные связи sp³ (ромбовидная структура) и sp² (структура графита). Оно отличается высокой твердостью, самосмазкой и превосходной химической инертностью. Это позволяет значительно снизить сопротивление потоку газа и минимизировать износ внутренних стенок микроотверстий душевой насадки. Примечательно, что его характеристики низкой поверхностной энергии также уменьшают прилипание побочных продуктов реакции. Поскольку интеграция чипов продолжает расти, требования к чистоте душевой насадки и износостойкости растут, и ожидается, что доля применения DLC-покрытий будет постепенно увеличиваться.