Процесите на плазмено ецване и почистване са основни стъпки в производството на полупроводници. Тъй като процесните възли напредват до 7nm, 5nm и след това, енергийната плътност на плазмата продължава да се увеличава и химическата активност на халогенните газове (базирани на флуор-и хлор-базирани) става все по-агресивна. Докато ецват пластини, тези плазми също корозират безразборно и непрекъснато всички открити компоненти вътре в камерата, включително стените на камерата, облицовките, фокусиращите пръстени, газоразпределителните плочи, прозорците за изглед и т.н. Това не само води до грапавост на повърхността, загуба на материал и повишена честота на прекъсване на оборудването за поддръжка, но също така причинява замърсяване на пластини и загуба на добив поради отделени частици. Следователно търсенето на материали с по-висока устойчивост на плазмена корозия се превърна в спешна необходимост в областта на материалите за полупроводниково оборудване. Итриевият оксид (Y₂O₃) играе незаменима роля в тази област.
Защо итриевият оксид е незаменим в полупроводниковото оборудване?
В полупроводниковото оборудване алуминиевият оксид (Al₂O₃) е най-често използваният структурен керамичен материал. Има точка на топене от 2050 градуса, висока механична якост, висока устойчивост на износване, отлична електрическа изолация и добра химическа стабилност. Въпреки това, енергията на връзката на връзката Al-O е около 498 kJ/mol. Въпреки че издържа на повечето химически атаки, при условия на високо-енергийна плазма той лесно реагира с флуора, за да образува люспест, лесно разцепващ се флуориден слой (AlF₃). Този слой се отлага и кристализира на повърхността, създавайки частици, които се отделят и замърсяват вафлите, като същевременно непрекъснато консумират защитния слой.
Обратно, итриевият оксид (Y₂O₃) има кубична кристална система и точка на топене до 2430 градуса. В допълнение към отличната електрическа изолация и оптична прозрачност, енергията на Y–O връзката му достига 780 kJ/mol. Той проявява изключително ниска химическа реактивност с халогени (особено F и Cl). Когато реагира с флуор, той образува много по-стабилен и плътен YF₃ слой, който не е склонен към разцепване. Това не само значително намалява генерирането на частици, но също така ефективно предотвратява по-нататъшно нападение от флуорна плазма върху компонентите на оборудването (като стени на камерата за ецване, душове и т.н.), като удължава експлоатационния живот на компонентите. В типични плазмени среди на базата на-флуор-или хлор-висока плътност скоростта на ецване на Y₂O₃ обикновено е само 1/20 до 1/50 от тази на Al₂O3. Освен това Y₂O₃ има точка на топене от 2430 градуса и може да поддържа структурна цялост при високи температури над 1750 градуса без изпаряване или деформация, като се адаптира към екстремните температурни условия на плазмените процеси. Неговото обемно съпротивление надвишава 10¹² Ω·cm, с ниска диелектрична загуба, осигуряваща стабилност на високо-честотните RF полета и избягване на отклонения в процеса, причинени от лоши диелектрични свойства на материалите.
Приложения на итриев оксид в полупроводниково оборудване
Въз основа на основните свойства на итриевия оксид и комбинирани със специфичните изисквания на различните компоненти на полупроводниковото оборудване, неговите приложения в областта на полупроводниците се разделят основно на четири категории:
01 Покрития от итриев оксид
Тъй като итриевият оксид, като рядкоземен материал, е сравнително скъп, повечето камери или компоненти на оборудване за ецване не използват чиста Y₂O3 керамика. Вместо това, плътно Y₂O₃ покритие с дебелина около 100–300 μm се отлага върху повърхността на алуминиева сплав или Al2O3 субстрати (като камерни облицовки, фокусни пръстени, газоразпределителни плочи и т.н.), като се използват техники като плазмено пръскане или физическо отлагане на пари (PVD). В момента това е най-широко използваната форма на покритие от итриев оксид в полупроводниковото оборудване. Този подход балансира структурната здравина на основния материал с повърхностната устойчивост на корозия на Y₂O₃, като същевременно намалява разходите. В усъвършенствани процесни възли от 7nm и по-ниски, покритията от итриев оксид постепенно се превърнаха в индустриална стандартна защитна конфигурация, разширявайки основния цикъл на поддръжка на камерите за оборудване за ецване от няколкостотин часа до над хиляда часа, като същевременно намалява замърсяването с частици и значително подобрява времето за работа на оборудването и добива на пластини.
02 Прозрачни прозорци от итриев оксид
Прозорците за наблюдение на полупроводниковото плазмено оборудване са критични компоненти за наблюдение на условията на процеса и осигуряване на точност на процеса. Те изискват не само отлична устойчивост на плазмена корозия, но и добра оптична прозрачност, за да позволят на операторите да наблюдават ясно обработката на пластини вътре в камерата. Традиционните прозрачни материали като кварцово стъкло и алуминиев оксид лесно се поддават на корозия във флуорна-плазмена среда, което води до загрубяване на повърхността, намалена пропускливост и невъзможност да се отговори на дългосрочните-изисквания за употреба. Прозрачната керамика от итриев оксид има обхват на предаване, обхващащ ултравиолетови до инфрачервени лъчи (0,29–8 μm), с около 80% линейна пропускливост дори в далечната-инфрачервена област. В съчетание с тяхната отлична устойчивост на плазмена корозия, те поддържат чиста повърхност и стабилна прозрачност дори след дългосрочна-използване в базирани на флуор-и хлор-плазмени среди, като не произвеждат корозивни остатъци или кристални примеси, като по този начин гарантират както качество на наблюдение, така и избягване на замърсяване на пластини.
03 Композитни керамични компоненти от итриев оксид
Поради сравнително ниската механична якост, високата трудност при синтероване и високата цена на чистата керамика от итриев оксид, индустрията използва основно композитна керамика на базата на-итриев оксид, за да балансира изискванията за производителност и-ефективността на разходите. Например, итриев алуминиев гранат (YAG), образуван чрез допиране на итриев оксид с определена част от алуминиев оксид, също има кубична кристална структура и стабилни химични свойства. Не се подлага лесно на бурни химични реакции с активни газове в плазмата (като флуор, хлор и други халогени). Във флуоро-съдържащи плазмени среди, в сравнение с материали като Al₂O₃, той произвежда по-малко флуоридни странични продукти, като ефективно намалява замърсяването с частици и повърхностната корозия. В същото време, в сравнение с чистата керамика от итриев оксид, YAG има по-висока твърдост (твърдост по Mohs 8–8,5) и отлична механична якост, което го прави подходящ за компоненти с определени изисквания за механична якост в ецващи машини и може да се използва и като прозрачен прозорец за изглед.