中國粉體網(wǎng)訊 等離子體刻蝕技術(shù)作為關(guān)鍵的微納加工手段，已成為半導(dǎo)體制造過程中不可或缺的核心工藝。等離子體刻蝕通過應(yīng)用高能、高密度的等離子體實現(xiàn)材料的精確刻蝕，從而提升了集成電路的制造效率和良品率，使得半導(dǎo)體器件在高度集成的條件下仍然能夠保持高效生產(chǎn)。然而，隨著晶圓尺寸的增大和器件集成度的提升，等離子體刻蝕工藝也面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。
在刻蝕過程中，鹵素氣體（如CF4、CHF3等）與惰性氣體（如Ar、Xe等）通過電離生成的高能等離子體被用于晶片表面的刻蝕。這一過程當(dāng)中，不僅晶片材料會受到刻蝕，刻蝕設(shè)備的內(nèi)壁和關(guān)鍵部件（如噴淋頭、聚焦環(huán)和基座）也會遭到刻蝕。但這些零部件的刻蝕一方面會使得半導(dǎo)體器件污染，良品率下降以及設(shè)備壽命縮短，另一方面這也會使得刻蝕腔內(nèi)壁暴露在等離子環(huán)境中產(chǎn)生大量懸浮顆粒污染物，這些污染物可能沉積在晶片表面，導(dǎo)致芯片短路等質(zhì)量問題。在此背景下，如何有效防止設(shè)備內(nèi)壁刻蝕并消除由此產(chǎn)生的顆粒污染，已成為半導(dǎo)體行業(yè)需要解決的難題，耐高密度等離子體刻蝕材料的研發(fā)變得尤為緊迫。
等離子體刻蝕裝置中的顆粒污染
直接使用高性能耐刻蝕材料會顯著提高設(shè)備成本，并增加加工難度。因此，研究者們逐漸關(guān)注耐等離子體刻蝕涂層材料及相關(guān)制備工藝，以防護(hù)涂層作為刻蝕設(shè)備內(nèi)壁保護(hù)手段，成為了一個更具經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可行性的解決方案。耐等離子體刻蝕涂層材料的研究不僅涉及新材料的開發(fā)，還包括先進(jìn)涂層制備技術(shù)的優(yōu)化，兩者已成為半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中的重要研究方向。
耐等離子體刻蝕涂層材料有哪些？
通常情況下，高純度材料具有更好的物理化學(xué)性能和可靠性，耐刻蝕涂層的純度越高，其一致性越好，刻蝕速率及顆粒污染物生成量越低。當(dāng)前，Al2O3、Y2O3、YAG、YF3、YOF和非晶玻璃等材料，因其獨特的物理和化學(xué)特性，已被廣泛用作耐等離子體刻蝕涂層的材料。
Al2O3材料
作為典型的陶瓷材料，Al2O3具有高介電強(qiáng)度和優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能，在高能等離子體刻蝕環(huán)境中仍能保持相對穩(wěn)定，是最早采用的耐等離子體刻蝕涂層材料之一。其中，致密的高純Al2O3塊體陶瓷具有更好的耐等離子體刻蝕性能。自20世紀(jì)80年代以來，已廣泛應(yīng)用于200ｍｍ和300ｍｍ晶圓制造設(shè)備中，但隨著晶圓尺寸的增大以及等離子體功率的增加，Al2O3涂層仍存在顆粒污染以及在極端刻蝕條件下耐刻蝕性能受限的問題，難以滿足300ｍｍ以上刻蝕設(shè)備的要求。
Y2O3材料
Y2O3為立方晶體結(jié)構(gòu)，熔點約為2450℃，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、硬度和化學(xué)穩(wěn)定性。其高熔點和熱穩(wěn)定性使其在等離子體刻蝕環(huán)境中能長期保持優(yōu)異的防護(hù)性能，是目前在等離子體刻蝕防護(hù)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的材料之一。
Y2O3涂層，來源：卡貝尼
相比Al2O3涂層，Y2O3涂層在半導(dǎo)體和LCD制造過程中，尤其是在含F(xiàn)等離子體環(huán)境中，釋放更少有害元素和反應(yīng)產(chǎn)物，表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐等離子體刻蝕性能。Y2O3的最大優(yōu)點是其在F基等離子體中反應(yīng)較慢，能夠保持涂層表面的穩(wěn)定性，這使其在8英寸及以上刻蝕設(shè)備中具有良好的應(yīng)用前景。
此外，氧化釔是一種在可見光范圍內(nèi)透明的陶瓷材料，具有較高的透光率，可用作等離子體刻蝕設(shè)備的窗視鏡材料。
YAG材料
在高密度等離子體中，Y2O3已取代Al2O3作為腔室內(nèi)部防護(hù)涂層，以提高等離子體耐受性。盡管Y2O3相較傳統(tǒng)的Al2O3具有更好的等離子體耐受性，但其燒結(jié)性能差、生產(chǎn)成本高以及力學(xué)性能較差，限制了其實用性。采用Y2O3作為基體材料并添加Al2O3作為第二相，已成為等離子體刻蝕陶瓷研究的一個趨勢。
YAG不僅具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)性能，而且與Y2O3相比，其機(jī)械強(qiáng)度更高且易于加工制造。雖然YAG的抗等離子體刻蝕性能略低于Y2O3，但它可用于 刻蝕腔設(shè)備的觀察窗口材料。
YF3材料
YF3具有較高的介電強(qiáng)度，其標(biāo)準(zhǔn)生成焓（-392kJ/mol）低于Y2O3(-318kJ/mol)，在F等離子體刻蝕過程中，可作為保護(hù)層，抑制材料的進(jìn)一步氟化，被認(rèn)為是Y2O3的替代材料。在不施加偏置電壓的情況下，涂層材料與氟碳等離子體的化學(xué)反應(yīng)占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致Y2O3涂層表面上形成細(xì)小的氟化物顆粒，YF3涂層則可以保持表面完整和清潔。
YOF材料
YOF具有高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫及強(qiáng)酸堿環(huán)境下均不易分解，被視為一種極具有潛力的耐等離子體刻蝕涂層材料。YOF在約560℃時發(fā)生相變，其有序-無序轉(zhuǎn)變表現(xiàn)出快速的、無法通過淬火穩(wěn)定的動力學(xué)特性，通過調(diào)節(jié)氧含量，可以制備不同成分和物理特性的氟氧化物材料。此外，YOF的熱膨脹系數(shù)與Al更為接近，通過熱噴涂法制備的YOF涂層幾乎沒有裂紋，可形成高結(jié)晶度和致密結(jié)構(gòu)的涂層。
非晶玻璃材料
由于多晶陶瓷在鹵素等離子體中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能，并且具備高機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，因此廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和顯示器的制造。然而，無論是通過燒結(jié)還是噴涂工藝制備的多晶材料都存在晶界，某些工藝制備的材料中難免會出現(xiàn)孔隙等缺陷，容易發(fā)生局部腐蝕并釋放顆粒污染物。相比之下，非晶玻璃由于其各向同性的結(jié)構(gòu)，沒有晶界的存在，能夠抑制等離子體暴露后顆粒污染的形成。此外，含稀土金屬的鋁硅酸鹽玻璃在可見光范圍內(nèi)具有高透射率，可用于等離子 體腔室的觀察窗口。
小結(jié)
隨著高密度等離子體刻蝕技術(shù)的發(fā)展，對刻蝕腔室的耐腐蝕涂層提出了更高的要求。涂層材料的選擇和致密涂層的制備直接關(guān)系到半導(dǎo)體生產(chǎn)的穩(wěn)定性與良品率，這使得高性能耐刻蝕涂層的研發(fā)成為半導(dǎo)體行業(yè)不可或缺的重要環(huán)節(jié)。目前，Y2O3、YF3、YAG和YOF等陶瓷涂層已經(jīng)在一定程度上展現(xiàn)出優(yōu)異的耐等離子體刻蝕性能，但隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點的持續(xù)縮小，對刻蝕腔室涂層的要求將愈發(fā)嚴(yán)苛。
未來，為滿足半導(dǎo)體制造工藝對高密度等離子體刻蝕涂層的嚴(yán)格要求，高性能材料體系研發(fā)和高致密涂層制備工藝優(yōu)化將成為關(guān)鍵研究方向。在材料研發(fā)方面，可以通過摻雜改性、納米結(jié)構(gòu)調(diào)控和復(fù)合材料設(shè)計等手段，提升現(xiàn)有材料的抗刻蝕性能和微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。新型陶瓷材料、稀土摻雜氧化物及其他復(fù)合材料的研發(fā)也將為耐等離子體刻蝕涂層提供更多選擇。
來源：
馬凱等：耐等離子體刻蝕涂層材料與制備工藝研究進(jìn)展
譚毅成：耐等離子體刻蝕釔基復(fù)合陶瓷的制備及其性能研究
馬文等：懸浮液等離子噴涂制備Y2O3涂層及耐等離子刻蝕性
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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