中國粉體網訊 在半導體行業(yè)中，設備投資占半導體產業(yè)資本支出的60%-70%，其中晶圓制造過程因工藝復雜，工序多樣，相關設備的價值量占比極高，達到了總資本支出的50%以上。半導體設備的發(fā)展已經成為推動半導體行業(yè)技術創(chuàng)新進步的引擎。
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對于半導體設備的研制，部件所使用的材料是影響設備性能的關鍵因素。特別是對于晶圓制造過程中的刻蝕機和PECVD設備，等離子體通過物理作用和化學反應會對設備器件表面造成嚴重腐蝕，一方面縮短部件的使用壽命，降低設備的使用性能，另一方面腐蝕過程中產生的反應產物會出現揮發(fā)和脫落的現象，在工藝腔內產生雜質顆粒，影響腔室的潔凈度。
如何應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部件的防護材料。但是隨著半導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活性，容易與Al2O3反應生成AlxFy化合物，沉積在工藝腔內壁或部件表面上，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，增加生產成本。
因此，刻蝕機腔體和腔體部件材料的耐等離子體刻蝕性能變得至關重要。
石英材料
石英是一種物理化學性質穩(wěn)定的無機非金屬材料，晶體結構屬三方晶系，作為刻蝕機腔體材料，對硅晶圓的雜質污染問題較為嚴重。與此同時，由于刻蝕過程采用含F的等離子體，F易與石英反應生成SiF4。因此等離子體對腔體的刻蝕現象比較嚴重，作為等離子刻蝕機腔體材料，使用壽命受到了極大地限制。
SiC材料
碳化硅是一種化學性質穩(wěn)定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨性能優(yōu)異的無機非金屬材料。SiC作為刻蝕機腔體材料，相較于石英，其材料本身產生的雜質污染較少，由于具有更加優(yōu)異的力學性能，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復合材料作為空氣刻蝕機腔體材料，具有較高的耐腐蝕性。
陽極氧化鋁及高純Al2O3材料
刻蝕機腔室材料選擇鋁合金時，易造成金屬顆粒污染，轉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，陽極氧化鋁層易出現剝落的現象。這主要是由于合金中的雜質發(fā)生偏析，表面的陽極氧化鋁層易產生微裂紋，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)生產設備簡單，自動化程度較高，生產工藝成本較低。
(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等反應生成易揮發(fā)的Al-F副產物而污染晶片。
(3)金屬相雜質的添加，對其硬度和抗彎強度明顯下降。
(4)高溫下，納米晶粒易長大，并伴隨熱導率下降。
(5)在梯度涂層中，加重了分層效應。
(6)不能滿足300mm以上刻蝕設備的要求。
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，其抵抗介質擊穿能力越強。
(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)熱膨脹系數較Al2O3大，在腐蝕的過程中，在晶界邊界的殘余應力易發(fā)生膨脹，因此內部較易產生氣孔和微裂紋。
單晶YAG以及Al2O3-YAG共晶復合材料
YAG簡稱釔鋁石榴石，具有立方晶體結構、無雙折射效應、高溫蠕變小，具有優(yōu)異的光學及電學性能，被廣泛地應用于激光器基質材料、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設備制造商的關注。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)異的機械性能。
(4)熔點低，易加工等。
Al2O3-YAG復合陶瓷，是由Al2O3與Y2O3納米粉末按照一定的配比，經過球磨混合、干燥、成型、燒結等工藝制備而來。
在耐等離子刻蝕腔體壁材方面，相較于單晶YAG，具有良好的應用前景，根據目前相關的研究報道，相較其他耐蝕腔體材料具有如下優(yōu)點。
(1)優(yōu)異的機械性能。
(2)高熱導率。
(3)高溫抗蠕變性能優(yōu)異。
(4)生產成本相對較低。
(5)耐等離子刻蝕性好。
Si3N4材料
Si3N4作為一種共價鍵化合物，其熱膨脹系數低、導熱率高、抗化學腐蝕、耐熱沖擊性極佳。經過熱壓燒結的Si3N4，其硬度極高，且極耐高溫，它的強度一直維持在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)機械加工成本高，已超過產品總成本的一半。
(2)機械加工對材料表面損傷，由此對材料的強度產生不利。
(3)為了避免機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，生產效率降低。
(4)作為一種非氧化物陶瓷材料，大尺寸燒結體難以制備，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
（中國粉體網編輯整理/山川）
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