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等離子刻蝕技術是超大規模集成電路制備工藝中不可或缺加工技術。隨著半導體晶體管尺寸急劇減小和鹵素類等離子體能量增高,晶圓的污染問題越來越突出。對于在晶圓加工過程中,在高密度等離子條件下,等離子刻蝕設備腔體內的材料的耐等離子腐蝕的能力要求也越來越苛刻。新一代蝕刻技術需要更加強勁可靠的材料,以解決等離子體腐蝕、微粒產生、金屬污染和氧氣分解等問題。艾邦建有半導體陶瓷產業交流群,歡迎產業鏈上下游的企業進入:

一、陶瓷是等離子刻蝕設備部件的關鍵材料

相對于有機材料和金屬材料,陶瓷材料一般都具有較好的耐物理和化學腐蝕性能以及很高的工作溫度,因而在半導體工業中,陶瓷材料已成為半導體晶圓加工設備的核心部件制造材料。等離子刻蝕設備應用陶瓷材料的部件主要有視窗鏡、聚焦環、靜電卡盤、噴嘴、腔體、氣體分散盤等。

圖??等離子體刻蝕設備的結構示意圖
刻蝕機腔體內耐等離子刻蝕陶瓷材料的主要特點是:
①純度高,金屬雜質含量少;
②主要組成成分化學性質穩定,特別是與鹵素類腐蝕性氣體的化學反應速率要低;
③致密度高,開口氣孔少;
④晶粒細小,晶界相含量少;
⑤具有優良的機械性能,便于生產加工;
⑥某些部件可能還有其他性能要求,如良好的介電性能、導電性或導熱性等。
圖??等離子刻蝕設備中的陶瓷部件,來源:京瓷
在等離子環境中,陶瓷材料的選擇取決于核心部件所處的工作環境以及對制程產品的品質要求,如耐等離子刻蝕性能、電性能、絕緣性等。

二、陶瓷在等離子刻蝕設備核心部件應用

1、腔體

刻蝕機腔室材料作為晶圓污染的主要來源,等離子刻蝕對其影響程度決定了晶圓的良率、質量、刻蝕工藝的穩定性等等。高純氧化鋁陶瓷是一種很好的耐等離子腐蝕材料,作為腔室材料可提供可靠的等離子體阻抗。
圖??鐘形汽室、腔,圖源京瓷
然而,等離子刻蝕機設備中的氧化鋁陶瓷腔體屬于大型尺寸陶瓷,這種大型尺寸且超高純度氧化鋁陶瓷的生產,存在容易變形、開裂、難于燒結致密等問題。要獲得高致密、高純度的氧化鋁陶瓷,對粉體的純度、制備工藝具有較高要求。

2、聚焦環

聚焦環旨在提高晶圓邊緣或周邊周圍的蝕刻均勻性,將晶圓固定到位以保持等離子體密度并防止晶圓側面受到污染。當與靜電吸盤一起使用時,晶圓放置在聚焦環上,由靜電荷固定到位。由于聚焦環在真空反應室內會直接接觸等離子體,因此,需要采用耐等離子體腐蝕的材料,同時還需要具有與硅晶圓相近的電導率。聚焦環的材質有導電硅和碳化硅。
圖??硅聚焦環,圖源盾源聚芯
導電硅作為一種常用的聚焦環材料,它與硅晶圓的電導率幾乎接近,但不足是在含氟等離子體中耐刻蝕性差,刻蝕機部件材料常常使用一段時間后就會出現嚴重腐蝕的現象,嚴重降低其生產效率。碳化硅具有與硅相似的電導率、良好的耐離子刻蝕性能,適用于聚焦環材料。
圖??碳化硅聚焦環,圖源CoorsTek
通常聚焦環是通過氣相沉積的方法將化學反應生成的碳化硅沉積成一定的形狀,然后根據具體使用條件,將呈一定形狀的碳化硅進行機械加工生成聚焦環。

3、靜電卡盤(ESC)

晶片在刻蝕的整個過程中是被下電極系統中的靜電卡盤(ESC)吸附固定住的,并且向靜電卡盤通入射頻RF,這樣射頻RF會在晶片上形成DC bias(直流偏壓)。這樣促成等離子體對晶片的刻蝕反應。同時,靜電卡盤會對晶片實現溫度控制,以促進晶片刻蝕的均勻性。靜電卡盤內部主要由介電層、基座以及加熱層組成。氧化鋁和氮化鋁因其熱導率高,熱膨脹系數低,常用于制作靜電卡盤的介電層材料。
圖??靜電卡盤,圖源海拓

4、視窗鏡

刻蝕機的視窗鏡對材料透光率、耐刻蝕性要求較高,當視窗鏡的耐刻蝕性能較差時,視窗鏡表面易變模糊。氧化釔是一種可見光范圍內透明的陶瓷材料,具有較高的透光率,可用作等離子刻蝕設備的視窗鏡材料。但是氧化釔陶瓷具有燒結性能差,生產成本高,且機械性能較差,難加工的缺點,通過對氧化釔陶瓷加入一定量的氧化鋁形成釔鋁石榴石(YAG)復合材料,其透光率和耐刻蝕性表現優異,且具有較好的機械性能,是比較理想的替代材料。

5、噴嘴

噴嘴用于精確的氣體流速和均勻控制,以將氣體均勻地分散到蝕刻工藝室中。這些組件需要高等離子耐受性、介電強度以及對工藝氣體和副產品的強耐腐蝕性。通常采用的陶瓷材料有氮化鋁陶瓷和氧化鋁陶瓷。目前還可通過陶瓷3D打印技術生產刻蝕腔內的陶瓷噴嘴,提升產品制造效率和使用穩定性。
圖?刻蝕設備用噴嘴,圖源CoorsTek
相關陶瓷零部件供應商有:京瓷、CoorsTek、蘇州珂瑪、上??ㄘ惸帷⑸痰碌鹊龋@里就不一一列舉,以后再給大家做詳細介紹。艾邦建有半導體陶瓷產業交流群,歡迎產業鏈上下游的企業進入:

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