Днес в модерното ецване на полупроводници, отлагане на тънък-слой и друго оборудване усъвършенстваните керамични материали постепенно изместват традиционните метали и полимери поради тяхната отлична устойчивост на висока-температура, устойчивост на корозия, висока изолация и висока твърдост. Те са се превърнали в незаменими материали за компоненти като електростатични патронници, облицовки на камери, нагреватели, роботизирани ръце и прецизни направляващи релси за литографски машини. При процесите на плазмено ецване фокусиращият пръстен – критичен консуматив, поставен непосредствено до ръба на пластината – влияе пряко върху равномерността на ецване и добива на чипове чрез избора на материала. Тъй като прозорците на процеса продължават да се стесняват, два вида ултра-твърда керамика, силициев карбид (SiC) и борен карбид (B₄C), постепенно заменят традиционните кварцови и силициеви материали, превръщайки се в ключови насоки за развитие на фокусиращите пръстени от висок-клас.
Какво е пръстен за фокусиране?
Фокусният пръстен, известен също като ограничителен пръстен или ръбов пръстен, е пръстеновиден прецизен компонент, инсталиран около пиедестала на пластината в система за плазмено ецване. По време на плазмено ецване пръстенът за фокусиране се намира непосредствено до ръба на пластината и е директно изложен на високо-енергийната плазмена среда. Неговите основни функции са:
(1) Плазмено фокусиране: Полупроводниковото ецване разчита на високо{1}}енергийна плазма за прецизно ецване на пластината. Въпреки това, на ръба на пластината, плътността на плазмата има тенденция да намалява поради ефекта на ръба на електрическото поле. Чрез прецизен структурен дизайн и диелектрични свойства пръстенът за фокусиране ограничава и фокусира високо-енергийната плазма върху зоната на пластината, насочвайки я да бомбардира повърхността на пластината под почти вертикален ъгъл. Това гарантира по-равномерно разпределение на плазмата в подложката, намалява разликите при ецване между ръба и центъра и подобрява равномерността на процеса.
(2) Защита на камерата и прецизните компоненти: По време на ецване високо{1}}енергийната плазма и силно корозивните ецващи газове (CF₄, Cl₂, NF3 и т.н.) непрекъснато бомбардират и корозират вътрешните компоненти на камерата. Фокусиращият пръстен действа като първа бариера, като предпазва прецизните основни компоненти отдолу, като електростатичния патронник и електродите, от директно излагане на плазма и корозивни газове, намалявайки физическото бомбардиране и увреждането от химическа корозия и удължавайки експлоатационния живот на основните компоненти.
Изисквания към материалите за пръстените за фокусиране и предимствата на приложението на усъвършенстваната керамика
Фокусният пръстен може да бъде изложен непрекъснато на радиочестотна плазма в продължение на няколко часа до десетки часове в един процес на ецване, изправен пред бомбардиране с висока-плазма с висока плътност, корозивни газове- или хлор-на основата на чести термични цикли при висока-ниска температура, като същевременно е в пряк контакт с подложката. Това изисква материалите да отговарят едновременно на строги изисквания: изключителна устойчивост на плазмена ерозия, отлична термична стабилност и устойчивост на термичен шок, нисък риск от замърсяване с примеси, изключителни механични свойства и съвпадащи електрически характеристики. В миналото пръстените за фокусиране бяха направени главно от кварц и силиций. Въпреки това, тъй като процесите на ецване се придвижват към по-висока мощност, ограниченията на традиционните материали стават все по-очевидни:
Кварцови пръстени: Ниска цена и добра стабилност при високо{0}}честотни електрически полета, с отлична електрическа изолация. Въпреки това, те имат ниска твърдост (твърдост по Mohs 7), слаба устойчивост на йонно разпръскване, максимална работна температура под 1100 градуса, податливост на деформация при високи температури, високи скорости на ерозия във флуор-съдържаща плазма и висок риск от утаяване на примеси. Те са подходящи само за оборудване за ецване RIE от нисък{6}}до-среден-край за възли над 28n и не могат да отговорят на изискванията за ниско замърсяване и дълъг живот на напредналите процеси.
Силициеви пръстени: Добре-съответстващ коефициент на топлинно разширение и електрически свойства със силициеви пластини и устойчивост на висока температура до 1600 градуса, което позволява равномерно разпределение на плазмата. Въпреки това, те също така имат слаба устойчивост на флуор{3}}съдържаща плазмена ерозия, лесно образувайки летлив SiF₄, което води до високи нива на потребление и честа подмяна, което причинява колебания в процеса и загуби при престой. Те са подходящи само за традиционни процеси от нисък-до-среден-клас.
На този фон усъвършенстваната керамика като алуминиев оксид (Al₂O₃), силициев карбид (SiC) и борен карбид (B₄C) навлезе в полезрението на производителите на полупроводниково оборудване и постепенно се превръща в основен избор за фокусиращи пръстени от висок-клас.
(1) Двуалуминиев оксид (Al₂O₃): Двуалуминиевият оксид е една от ранните керамики, използвани в полупроводниковото оборудване, обикновено с чистота над 99,5%, а продуктите от висок -клас могат да достигнат 99,9%. Процесът на получаване е зрял, като се използва синтероване без налягане или горещо пресоване, със значително по-ниска цена от SiC и B₄C. Като фокусиращ пръстен, той предлага висока твърдост и устойчивост на износване, намалявайки замърсяването с частици от износване. В плазми на базата на флуор- или хлор- той образува стабилен пасивиращ слой от AlF3 или AlCl3, осигуряващ добра устойчивост на плазмено разпръскване. Подходящ е за процеси на ецване със средна{10}}мощност-с относително дълъг експлоатационен живот. Освен това неговите диелектрични свойства са стабилни с добра изолация, ефективно изолиране на електрическото поле и избягване на смущения в електростатичния патронник. Въпреки това, при висока температура и висок поток на флуор, пасивиращият слой AlF₃ може да се отлепи и да се превърне в източник на замърсяване. Нещо повече, неговият коефициент на топлинно разширение (CTE) е около 7,0 × 10⁻⁶/K, което се различава значително от този на силиция (около 2,6 × 10⁻⁶/K), което потенциално причинява промени в размерите при високи температури и влияе върху точността на подравняване с пластината, ограничавайки приложението му при висока-прецизност, сценарии с малък{20}}ръб-пропуск.
(2) Силициев карбид (SiC): фокусиращите пръстени от SiC се превърнаха в основната надстройка за ецващи машини от висок клас през последните години. Тяхната твърдост по Mohs е висока до 9,5, якостта на огъване остава 500-600 MPa дори при 1400 градуса, а техният CTE (4×10⁻⁶/градус) е близък до този на силициевите пластини, осигурявайки стабилни междини при високи температури. Те имат отлична устойчивост на термичен удар, издържат на бърз термичен цикъл и спомагат за оптимизиране на еднородността на ръбовете. По-важното е, че те показват изключителна устойчивост на ерозия към Ar, F, Cl и други плазми – особено във флуорна плазма, където скоростта на ерозия е почти нулева. В сравнение с двуалуминиевия оксид, те предлагат по-дълъг експлоатационен живот и значително подобрена обща ефективност на оборудването (OEE). SiC фокусиращите пръстени могат да бъдат произведени чрез синтероване без налягане, горещо пресоване или химическо отлагане на пари (CVD). CVD-произведеният SiC с висока чистота може да достигне чистота над 99,9995%, което го прави подходящ за масови усъвършенствани процеси от 5nm до 28nm.
(3) Борен карбид (B₄C): B₄C е важен кандидат материал в много инженерни приложения. Още през 2022 г. Samsung Electronics вече провеждаше научноизследователска и развойна дейност на B₄C пръстени за фокусиране. По-рано тази година лабораторията Hubei Longzhong успешно разработи първия в Китай B₄C керамичен пръстен за фокусиране. В сравнение с масовите фокусиращи пръстени от SiC, той предлага 30% по-висока устойчивост на ерозия, експлоатационен живот над 30 дни, намалява разходите за процеса на ецване с около 20%, подобрява ефективността и производителността на производството на чипове, като същевременно поддържа отлична термична стабилност и механични свойства – постигайки световна-водеща технология.