Plasmaetsing og renseprosesser er kjernetrinn i halvlederproduksjon. Etter hvert som prosessnoder avanserer til 7nm, 5nm og utover, fortsetter plasmaenergitettheten å øke, og den kjemiske aktiviteten til halogengasser (fluor-basert og klor-basert) blir stadig mer aggressiv. Mens de etser wafere, korroderer disse plasmaene også vilkårlig og kontinuerlig alle eksponerte komponenter inne i kammeret, inkludert kammerveggene, foringene, fokusringene, gassfordelingsplatene, viewports, etc. Dette fører ikke bare til overflaterøsing, materialtap og økt hyppighet av utstyrsstans for vedlikehold, men forårsaker også tap av wafer-partikler som følge av løsgjøring. Derfor har letingen etter materialer med høyere motstand mot plasmakorrosjon blitt et presserende behov innen halvlederutstyrsmaterialer. Yttriumoksid (Y₂O₃) spiller en uerstattelig rolle i dette domenet.
Hvorfor er yttriumoksid uerstattelig i halvlederutstyr?
I halvlederutstyr er aluminiumoksid (Al₂O₃) det mest brukte strukturelle keramiske materialet. Den har et smeltepunkt på 2050 grader, høy mekanisk styrke, høy slitestyrke, utmerket elektrisk isolasjon og god kjemisk stabilitet. Imidlertid er bindingsenergien til Al-O-bindingen omtrent 498 kJ/mol. Selv om den motstår de fleste kjemiske angrep, reagerer den under høye-plasmaforhold lett med fluor for å danne et flassende, lett avskallet fluoridlag (AlF₃). Dette laget avsettes og krystalliserer på overflaten, og skaper partikler som løsner og forurenser wafere, mens det kontinuerlig forbruker det beskyttende laget.
I motsetning til dette har yttriumoksid (Y₂O₃) et kubisk krystallsystem og et smeltepunkt så høyt som 2430 grader. I tillegg til utmerket elektrisk isolasjon og optisk gjennomsiktighet, er dens Y–O-bindingsenergi så høy som 780 kJ/mol. Den viser ekstremt lav kjemisk reaktivitet med halogener (spesielt F og Cl). Når det reagerer med fluor, danner det et mye mer stabilt og tett YF₃-lag som ikke er utsatt for avskalling. Dette reduserer ikke bare partikkelgenerering betraktelig, men forhindrer også effektivt ytterligere angrep av fluorplasma på utstyrskomponenter (som etsing av kammervegger, dusjhoder, etc.), og forlenger komponentens levetid. I typiske-fluorbaserte- eller klorbaserte{10}}baserte plasmamiljøer med høy tetthet, er etsehastigheten til Y₂O₃ vanligvis bare 1/20 til 1/50 av Al₂O₃. Y₂O₃ har videre et smeltepunkt på 2430 grader og kan opprettholde strukturell integritet ved høye temperaturer over 1750 grader uten fordampning eller deformasjon, tilpasset de ekstreme temperaturforholdene til plasmaprosesser. Volumresistiviteten overstiger 10¹² Ω·cm, med lavt dielektrisk tap, noe som sikrer stabiliteten til høyfrekvente RF-felt og unngår prosessavvik forårsaket av dårlige dielektriske egenskaper til materialer.
Anvendelser av yttriumoksid i halvlederutstyr
Basert på kjerneegenskapene til yttriumoksid og kombinert med de spesifikke kravene til forskjellige halvlederutstyrskomponenter, er dets applikasjoner innen halvlederfeltet hovedsakelig delt inn i fire kategorier:
01 Yttriumoksidbelegg
Fordi yttriumoksid, som et sjeldent jordmateriale, er relativt dyrt, bruker de fleste etseutstyrskamre eller komponenter ikke ren Y2O3-keramikk. I stedet blir et tett Y₂O₃-belegg med en tykkelse på omtrent 100–300 μm avsatt på overflaten av aluminiumslegering eller Al₂O₃-substrater (som kammerforinger, fokusringer, gassfordelingsplater, etc.) ved bruk av teknikker som plasmaspraying eller fysisk dampavsetning (PVD). Dette er for tiden den mest brukte formen for yttriumoksidbelegg i halvlederutstyr. Denne tilnærmingen balanserer den strukturelle styrken til basismaterialet med overflatekorrosjonsmotstanden til Y2O3, samtidig som kostnadene reduseres. I avanserte prosessnoder på 7 nm og under har yttriumoksidbelegg gradvis blitt industristandardens beskyttende konfigurasjon, og utvider den store vedlikeholdssyklusen til etseutstyrskamrene fra noen hundre timer til over tusen timer, samtidig som den reduserer partikkelforurensning og forbedrer utstyrets oppetid og wafer-utbytte betydelig.
02 Gjennomsiktige yttriumoksid-visningsporter
Viewporter på halvlederplasmautstyr er kritiske komponenter for å overvåke prosessforhold og sikre prosessnøyaktighet. De krever ikke bare utmerket plasmakorrosjonsmotstand, men også god optisk gjennomsiktighet for å tillate operatører å tydelig observere waferbehandling inne i kammeret. Tradisjonelle gjennomsiktige materialer som kvartsglass og aluminiumoksyd korroderes lett i fluorbaserte-plasmamiljøer, noe som fører til ru overflate, redusert transmittans og manglende evne til å møte langsiktig-brukskrav. Transparent yttriumoksidkeramikk har et transmisjonsområde som dekker ultrafiolett til infrarødt (0,29–8 μm), med omtrent 80 % lineær transmittans selv i det fjerne-infrarøde området. Kombinert med deres utmerkede plasmakorrosjonsbestandighet opprettholder de en ren overflate og stabil gjennomsiktighet selv etter lang-bruk i fluor-baserte og klorbaserte-plasmamiljøer, og produserer ingen etsende rusk eller krystallinske urenheter, og sikrer dermed både observasjonskvalitet og unngår waferforurensning.
03 Yttriumoksid kompositt keramiske komponenter
På grunn av den relativt lave mekaniske styrken, høye sintringsvansker og høye kostnader for ren yttriumoksidkeramikk, bruker industrien hovedsakelig dopet yttriumoksid-basert komposittkeramikk for å balansere ytelseskrav og kostnadseffektivitet. For eksempel har yttriumaluminiumgranat (YAG), dannet ved doping av yttriumoksyd med en viss andel aluminiumoksyd, også en kubisk krystallstruktur og stabile kjemiske egenskaper. Det gjennomgår ikke lett voldsomme kjemiske reaksjoner med aktive gasser i plasma (som fluor, klor og andre halogener). I fluorholdige-plasmamiljøer, sammenlignet med materialer som Al₂O₃, produserer den færre fluorbiprodukter, noe som effektivt reduserer partikkelforurensning og overflatekorrosjon. Samtidig, sammenlignet med ren yttriumoksidkeramikk, har YAG høyere hardhet (Mohs hardhet 8–8,5) og utmerket mekanisk styrke, noe som gjør den egnet for komponenter med visse krav til mekanisk styrke i etsere, og den kan også brukes som en gjennomsiktig visningsport.