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      這些陶瓷材料在半導體產業最受關注!

      新聞資訊

      這些陶瓷材料在半導體產業最受關注!

      【摘要】:
      在半導體行業中,設備投資占半導體產業資本支出的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。半導體設備的發展已經成為推動半導體行業技術創新進步的引擎。?圖片來源:pexels?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

      在半導體行業中,設備投資占半導體產業資本支出的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。半導體設備的發展已經成為推動半導體行業技術創新進步的引擎。

       

      圖片來源:pexels

       

      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定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨性能優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點。

       

      (1)優異的機械性能。

       

      (2)高熱導率。

       

      (3)高溫抗蠕變性能優異。

       

      (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。

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