Dusjhodet (også kjent som gassfordelingsplate eller gasshomogeniseringsplate) i halvlederproduksjonsutstyr fungerer som "gassfordelingshjertet" i kjerneprosesser som etsing, kjemisk dampavsetning (CVD) og atomlagsavsetning (ALD). Den bestemmer jevnheten til avsatt filmtykkelse og konsistensen av etsningshastigheten, og påvirker chiputbyttet direkte. Imidlertid er dens tekniske barrierer ekstremt høye, og den har lenge vært monopolisert av utenlandske produsenter, med en enkelt enhet som koster hundretusenvis av RMB. Ettersom prosessnoder fortsetter å krympe til 7nm og under, blir chipproduksjonsmiljøet stadig mer utfordrende. Dusjhoder møter høyere temperaturer (over 600 grader), høyere trykk og mer intense etsende plasmaer (f.eks. fluorbaserte og klorbaserte plasmaer), samtidig som de krever enestående nivåer av ensartet gassfordeling og kammerrenhet. Dusjhoder laget av avanserte keramiske materialer som aluminiumnitrid og silisiumkarbid, som utnytter sine kjernefordeler med høytemperaturmotstand, høy elektrisk isolasjon, sterk korrosjonsmotstand og lav metallforurensning, har blitt toppvalget for avansert prosessdusjhode, med betydelig markedsvekstpotensial. Denne artikkelen utforsker brukstrendene for keramiske materialer i denne halvlederproduksjonskomponenten.
1. Struktur og arbeidsprinsipp for dusjhodet
Dusjhodet har vanligvis en skiveform. Hoveddelen inneholder en intern gasstrykkutjevnende kanal optimalisert via simuleringer av væskedynamikk, og bunnoverflaten er tett perforert med tusenvis av mikrohull. Toppen er koblet til gassinntaksledninger for forskjellige reaktive gasser. For å ta et typisk CVD-reaksjonskammer som et eksempel: etter gassinntak diffunderer forskjellige reaktive gasser og splittes gjennom de interne presisjonstrykkutjevningskanalene for å danne et jevnt konsentrasjonsfelt. De sendes deretter vertikalt ut fra bunnen av dusjhodet gjennom tusenvis av gjennomgående hull i mikronstørrelse på en laminær flyt måte på waferoverflaten, hvor de reagerer og danner en tynn film. Ved å påvirke gassstrømningsmønsteret inne i kammeret, hjelper dusjhodet med å unngå turbulens og dødsoner. Dette sikrer ikke bare ekstrem jevnhet av de reaktive gassene over waferoverflaten, men sikrer også at reaksjonsbiprodukter umiddelbart evakueres, slik at fersk gass kontinuerlig kan komme i kontakt med waferoverflaten. Til syvende og sist garanterer dette jevn filmtykkelse og konsistens i etsehastigheten, og sikrer dermed sponutbytte.
2. Materialutvikling av halvlederdusjhoder og brukstrender for keramiske materialer
Valget av materiale for dusjhodet bestemmer direkte levetiden, miljømotstanden og prosesskompatibiliteten. For øyeblikket faller halvlederdusjhodematerialer inn i tre hovedkategorier, som passer til forskjellige prosesser og kostnadsbudsjetter:
Metalliske materialer, inkludert aluminiumslegeringer, rustfritt stål, rent nikkel og nikkelbaserte legeringer. Blant disse er aluminiumslegeringer de mest brukte for konvensjonelle prosesser (28nm og over) på grunn av deres lette vekt, gode varmeledningsevne og moderate kostnader. Gjennom hard anodiseringsbehandling kan deres korrosjonsbestandighet forbedres. Under høye temperaturer og sterke plasmamiljøer er imidlertid plasmabombardementsmotstanden til aluminiumslegeringsmatrisen begrenset, noe som fører til overflateskade eller ytelsesforringelse. For tiden, i kritiske prosesser som ekstrem ultrafiolett (EUV) litografi og atomlagdeponering (ALD), erstatter nikkelbaserte legeringer og titanlegeringer gradvis aluminiumslegeringer på grunn av deres overlegne plasmabombardementsmotstand og høytemperaturstabilitet.
Silisiumbaserte materialer, også kjent som silisiumelektroder, er laget av monokrystallinsk silisium med høy renhet. Materialet er svært rent, ikke utsatt for å frigjøre urenheter, og reduserer dermed forurensning av reaktive gasser og forbedrer prosessutbyttet. De er egnet for lav-til-midt-ende etse- og avsetningsprosesser, men har svakere plasmakorrosjonsmotstand og krever periodisk utskifting.
Keramiske matrisematerialer som aluminiumnitrid, silisiumkarbid og alumina, samt funksjonelle belegg som yttria og diamantlignende karbon (DLC). Disse tilbyr fordeler som motstand mot høye temperaturer, korrosjonsmotstand, høy renhet og høy varmeledningsevne. De brukes først og fremst i avanserte prosesser ved 7nm og lavere, og representerer en viktig retning i utviklingen av dusjhodematerialer.
01 Aluminiumnitrid (AlN)
Sammenlignet med tradisjonelle aluminiumslegeringer har AlN-keramikk en termisk ledningsevne på opptil 170 W/(m·K) og temperaturmotstand over 1000 grader. Den kan raskt spre varme som genereres under dusjhodedrift, og unngår strukturell deformasjon på grunn av lokal overoppheting og sikrer dermed jevn gassfordeling. I tillegg har den ingen metallisk urenhetsutfelling, og forhindrer effektivt waferforurensning, og oppfyller de strenge kravene til sub-7nm-prosesser.
02 CVD-SiC
Den mest fremtredende egenskapen til CVD-SiC-dusjhoder er deres utmerkede motstand mot fluor/klorplasmakorrosjon, med en levetid som er 2–4 ganger lengre enn for silisiumdusjhoder. De tåler ekstreme miljøer med svært korrosive plasmaer og høyfrekvent plasmabombardement, noe som forbedrer oppetiden til tørt etseutstyr og reduserer utskiftingsfrekvensen og vedlikeholdskostnadene for nedetid betraktelig. De er egnet for bruk som øvre elektrodeplater i reaksjonskamre og som kantfokuseringsringer rundt wafere. Imidlertid er CVD-SiC-dusjhoder vanskelige å produsere og kan foreløpig ikke masseproduseres innenlands (i Kina), avhengig av import.
03 Yttria (Y₂O₃) Belegg
Yttria-belegg viser eksepsjonell kjemisk stabilitet under høyenergi-ioner og halogenplasmaer, og forhindrer effektivt korrosive gasser og plasmaer fra å angripe dusjhodesubstratet. De er et viktig beskyttelsesmateriale for avanserte etsingskamre, egnet for logikk- og minnebrikkeproduksjon under 7nm, noe som forlenger komponentenes levetid betydelig. For tiden påføres yttria-belegg vanligvis ved bruk av avanserte teknikker som magnetronforstøvning og ALD.
04 Diamant-lignende karbon (DLC) belegg
DLC er en amorf karbonfilm som inneholder både sp³ (diamantstruktur) og sp² (grafittstruktur) hybridbindinger. Den har høy hardhet, selvsmøring og utmerket kjemisk treghet. Det kan redusere gassstrømningsmotstanden betraktelig og minimere slitasje på de indre veggene til dusjhodets mikrohull. Spesielt reduserer dens lave overflateenergiegenskaper også adhesjon av reaksjonsbiprodukter. Ettersom chipintegrasjonen fortsetter å øke, øker kravene til dusjhoderens renslighet og slitestyrke, og påføringsandelen av DLC-belegg forventes å øke gradvis.