中國粉體網訊 隨著芯片特征尺寸的減小和鹵素類等離子體能量的逐漸提高，刻蝕機工藝腔和腔體內部件的耐等離子體刻蝕性能變得越來越重要。相對于有機和金屬材料，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，多種陶瓷材料已成為半導體單晶硅片制造工序和前道加工工序的設備核心部件制造材料，如石英，SiC，AlN，Al2O3和Y2O3等。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。
等離子體刻蝕設備的結構示意圖
等離子體刻蝕設備上采用陶瓷材料制作的部件主要有窗視鏡，氣體分散盤，噴嘴，絕緣環，蓋板，聚焦環和靜電吸盤等。
刻蝕機腔體
半導體制造過程中的腐蝕性等離子環境主要是等離子體清洗和等離子體刻蝕。此外，等離子增強化學氣相沉積所使用的鹵素類等離子體也具有較強的腐蝕性。隨著半導體器件最小特征尺寸的不斷縮小，對晶圓缺陷的要求變得更加嚴格，為了避免金屬雜質和顆粒的污染，對半導體設備腔體和腔體內的部件材料提出了更加嚴格的要求。目前陶瓷材料已經成為刻蝕機腔體的主要材料。刻蝕機腔體內耐等離子刻蝕陶瓷材料的主要特點是：
圖片來源：日本京瓷
（1）純度要高，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。
目前該類陶瓷材料主要涵蓋石英、碳化硅、氮化鋁、氧化鋁、氮化硅、氧化釔等。
靜電吸盤
圖源：日本京瓷
晶圓溫度分布的均勻性是影響晶圓刻蝕速率和刻蝕均勻性的重要因素，靜電吸盤在控制晶圓溫度方面起著關鍵作用。靜電吸盤的內部結構主要包括介電層、加熱層和基座。AlN和SiC因為具有較高的熱導率，都可以用于制作靜電吸盤的介電層。雖然在含氟等離子體中AlN比SiC的耐等離子體刻蝕性能更優異，但SiC與含氟等離子反應生成的氟化物易揮發，可以通過真空系統排除，不會對芯片造成刻蝕污染。
靜電吸盤結構
據了解，國內外所掌握的靜電吸盤相關技術并不平衡，具有比較成熟的靜電吸盤設計制造技術的公司僅有京瓷、應用材料、NGK、lam research等少數幾家。
聚焦環
聚焦環的作用是提供均衡的等離子，要求與硅晶圓有相似的電導率。以往采用的材料主要是導電硅，但是含氟等離子體會與硅反應生成易揮發的氟化硅，大大縮短其使用壽命，導致部件需要頻繁更換，降低生產效率。SiC與單晶Si有相似的電導率，而且耐等離子體刻蝕性能更好，可以作為聚焦環的使用材料。
前段時間，有媒體報道三星電子正在研發取代碳化硅聚焦環的新材料。業界消息指出，硬度表現優秀的碳化硼成為三星有力備選方案。三星為將B4C打造成新一代聚焦環材料，正在進行相關研發。
窗視鏡
刻蝕機上的窗視鏡材料要求透光率高，開始采用的是石英玻璃材料，但容易被腐蝕得模糊不清，之后被Al2O3材料替代。但是隨著含氟等離子體的應用，Al2O3的耐腐蝕性能也逐漸滿足不了批量生產的需求，因為Al2O3中的Al與氟離子反應會生成Al–F化合物，然后沉積結晶形成顆粒雜質，容易污染晶圓。Y2O3透明陶瓷在含氟等離子體中表現出非常好的耐腐蝕性能，但其燒結性能差，生產成本高，且機械性能較差，難加工，實用性受到限制。YAG透明陶瓷透光率高，對含氟等離子體的耐腐蝕性能與氧化釔相似，而且機械性能更加優異，是比較理想的替代材料。
蝕刻環
SiC刻蝕環作為半導體材料在等離子刻蝕環節中的關鍵耗材，其純度要求極高。一般只能采用CVD工藝進行生長SiC厚層塊體，隨后經精密加工而制得，主要用于半導體刻蝕工藝的制備環節。長期以來，圍繞半導體及其配套材料的發展一直是我國生產制造中的薄弱環節，但因其技術壁壘高，長期被美、日、德等國所壟斷，一直是被“卡脖子”的關鍵材料之一。
絕緣環
陶瓷材料在多數情況下是優良的絕緣體，尤其是氮化硅陶瓷具有絕緣性、耐高溫、抗腐蝕性、壽命長的特點。因此可制備成在嚴苛的工作條件下對絕緣性要求較高的絕緣環。與氧化鋁陶瓷絕緣環相比，氮化硅陶瓷絕緣環耐溫更高、強度更大，具有強的熱穩定性，使用壽命可延長大約10倍以上，在很大的程度上可降低生產成本、節約操作時間。
參考來源：
[1]朱祖云.等離子體環境下陶瓷材料損傷行為研究
[2]譚毅成.耐等離子體刻蝕釔基復合陶瓷的制備及其性能研究
[3]京瓷官網、中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/山川）
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