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)新進步的引擎。

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)定的無機非金屬材料，晶體結(jié)構(gòu)屬三方晶系，作為刻蝕機腔體材料，對硅晶圓的雜質(zhì)污染問題較為嚴重。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)象比較嚴重，作為等離子刻蝕機腔體材料，使用壽命受到了極大的限制。

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(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(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。

(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)機械加工成本高，已超過產(chǎn)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(chǎn)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(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。

審核編輯 ：李倩