中國粉體網(wǎng)訊 在半導(dǎo)體行業(yè)中,，設(shè)備投資占半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)資本支出的60%-70%,，其中晶圓制造過程因工藝復(fù)雜,，工序多樣，相關(guān)設(shè)備的價值量占比極高,，達(dá)到了總資本支出的50%以上,。半導(dǎo)體設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)成為推動半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)步的引擎。
圖片來源：pexels
對于半導(dǎo)體設(shè)備的研制,，部件所使用的材料是影響設(shè)備性能的關(guān)鍵因素,。特別是對于晶圓制造過程中的刻蝕機(jī)和PECVD設(shè)備，等離子體通過物理作用和化學(xué)反應(yīng)會對設(shè)備器件表面造成嚴(yán)重腐蝕,，一方面縮短部件的使用壽命,，降低設(shè)備的使用性能，另一方面腐蝕過程中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物會出現(xiàn)揮發(fā)和脫落的現(xiàn)象,，在工藝腔內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)顆粒,，影響腔室的潔凈度。
如何應(yīng)對等離子體腐蝕難題,？
一般可采用高純Al2O3涂層作為刻蝕腔體和腔體內(nèi)部件的防護(hù)材料,。但是隨著半導(dǎo)體器件最小特征尺寸的減小和晶圓尺寸的增大，為了獲得更高的刻蝕精度和保證刻蝕的均一性,，等離子體能量也逐漸增大,，同時鹵素類氣體開始被用于等離子體刻蝕。高能含氟等離子體具有很高的化學(xué)活性,，容易與Al2O3反應(yīng)生成AlxFy化合物,，沉積在工藝腔內(nèi)壁或部件表面上，最后在等離子刻蝕過程中脫落成顆粒,，污染晶圓,，降低成品率，增加生產(chǎn)成本,。
因此,，刻蝕機(jī)腔體和腔體部件材料的耐等離子體刻蝕性能變得至關(guān)重要,。
石英材料
石英是一種物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的無機(jī)非金屬材料，晶體結(jié)構(gòu)屬三方晶系,，作為刻蝕機(jī)腔體材料,，對硅晶圓的雜質(zhì)污染問題較為嚴(yán)重。與此同時,，由于刻蝕過程采用含F(xiàn)的等離子體,，F(xiàn)易與石英反應(yīng)生成SiF4。因此等離子體對腔體的刻蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重,，作為等離子刻蝕機(jī)腔體材料,，使用壽命受到了極大地限制。
SiC材料
碳化硅是一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小,、耐磨性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料,。SiC作為刻蝕機(jī)腔體材料，相較于石英,，其材料本身產(chǎn)生的雜質(zhì)污染較少,，由于具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能，在等離子轟擊其原子表面時,，原子損失率相對較少,，日本三井公司報道一種SiC復(fù)合材料作為空氣刻蝕機(jī)腔體材料，具有較高的耐腐蝕性,。
陽極氧化鋁及高純Al2O3材料
刻蝕機(jī)腔室材料選擇鋁合金時,，易造成金屬顆粒污染，轉(zhuǎn)而選擇在鋁合金上鍍一層致密的陽極氧化鋁層,，通過陽極氧化,，從而提高腔室材料的耐刻蝕性。實踐發(fā)現(xiàn),，陽極氧化鋁層易出現(xiàn)剝落的現(xiàn)象,。這主要是由于合金中的雜質(zhì)發(fā)生偏析，表面的陽極氧化鋁層易產(chǎn)生微裂紋,，使得陽極氧化鋁的使用壽命較低,，因此制備了高純的氧化鋁陶瓷作為腔室材料。
其作為耐等離子刻蝕腔體材料具有以下特點,。
(1)生產(chǎn)設(shè)備簡單,，自動化程度較高，生產(chǎn)工藝成本較低,。
(2)由于鹵素氣體通常被用作高速刻蝕Si晶片使用,，Al易與鹵素F等反應(yīng)生成易揮發(fā)的Al-F副產(chǎn)物而污染晶片,。
(3)金屬相雜質(zhì)的添加，對其硬度和抗彎強(qiáng)度明顯下降,。
(4)高溫下,，納米晶粒易長大，并伴隨熱導(dǎo)率下降,。
(5)在梯度涂層中,，加重了分層效應(yīng)。
(6)不能滿足300mm以上刻蝕設(shè)備的要求,。
Y2O3材料
氧化釔作為一種Si片刻蝕加工的腔體材料,，與Al2O3相比具有如下優(yōu)勢與不足。
(1)由于AlF3的消除,，Y2O3造成的表面顆粒和缺陷污染減少,。
(2)材料中的過渡金屬含量低，降低了金屬污染的風(fēng)險,。
(3) Y2O3具有更加優(yōu)異的介電性能,，并且越厚的Y2O3陶瓷涂層，其抵抗介質(zhì)擊穿能力越強(qiáng),。
(4)作為耐等離子腔體材料,，在等離子體中腐蝕速率較低。
(5)使用成本低,，但制備成本較高,。
(6)熱膨脹系數(shù)較Al2O3大，在腐蝕的過程中,，在晶界邊界的殘余應(yīng)力易發(fā)生膨脹,，因此內(nèi)部較易產(chǎn)生氣孔和微裂紋。
單晶YAG以及Al2O3-YAG共晶復(fù)合材料
YAG簡稱釔鋁石榴石,，具有立方晶體結(jié)構(gòu),、無雙折射效應(yīng)、高溫蠕變小,，具有優(yōu)異的光學(xué)及電學(xué)性能,，被廣泛地應(yīng)用于激光器基質(zhì)材料、高溫可見光窗口,、等離子體腔室材料以及紅外窗口材料等,。
YAG作為一種重要的耐熱和耐等離子體沖擊材料，近幾十年來,，受到研究者以及一些相關(guān)設(shè)備制造商的關(guān)注,。相較于Y2O3陶瓷，具有以下一些特點。
(1)使用壽命長,，使用成本相對較低,。
(2)制備工藝更為簡單，成本低,。
(3)更優(yōu)異的機(jī)械性能,。
(4)熔點低，易加工等,。
Al2O3-YAG復(fù)合陶瓷,，是由Al2O3與Y2O3納米粉末按照一定的配比，經(jīng)過球磨混合,、干燥,、成型、燒結(jié)等工藝制備而來,。
在耐等離子刻蝕腔體壁材方面,，相較于單晶YAG，具有良好的應(yīng)用前景,，根據(jù)目前相關(guān)的研究報道,，相較其他耐蝕腔體材料具有如下優(yōu)點。
(1)優(yōu)異的機(jī)械性能,。
(2)高熱導(dǎo)率,。
(3)高溫抗蠕變性能優(yōu)異,。
(4)生產(chǎn)成本相對較低,。
(5)耐等離子刻蝕性好。
Si3N4材料
Si3N4作為一種共價鍵化合物,，其熱膨脹系數(shù)低,、導(dǎo)熱率高、抗化學(xué)腐蝕,、耐熱沖擊性極佳,。經(jīng)過熱壓燒結(jié)的Si3N4，其硬度極高,，且極耐高溫,，它的強(qiáng)度一直維持在1200℃高溫下而不下降，受熱后不會熔成融體,，到1900℃才會分解,。
熱壓燒結(jié)的氮化硅加熱到1000℃后投入冷水中也不會破裂。但是它作為一種等離子刻蝕腔體材料,，仍存在以下不足：
(1)機(jī)械加工成本高,，已超過產(chǎn)品總成本的一半。
(2)機(jī)械加工對材料表面損傷，由此對材料的強(qiáng)度產(chǎn)生不利,。
(3)為了避免機(jī)械加工對材料性能的消極影響,，制造加工通常采用過分保守的加工條件，大大地延長了加工時間,，生產(chǎn)效率降低,。
(4)作為一種非氧化物陶瓷材料，大尺寸燒結(jié)體難以制備,，其制備成本高,。
參考來源：
[1]譚毅成等.耐等離子刻蝕陶瓷的研究現(xiàn)狀
[2]朱祖云.等離子體環(huán)境下陶瓷材料損傷行為研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除
