فرآیندهای حکاکی و تمیز کردن پلاسما مراحل اصلی در تولید نیمه هادی ها هستند. با پیشروی گره های فرآیند به 7 نانومتر، 5 نانومتر و فراتر از آن، چگالی انرژی پلاسما همچنان افزایش می یابد و فعالیت شیمیایی گازهای هالوژن (بر پایه-فلوئور و مبتنی بر کلر{4}}) به طور فزاینده ای تهاجمی می شود. در حین حکاکی ویفرها، این پلاسماها همچنین به طور بی رویه و مداوم تمام اجزای در معرض در داخل محفظه از جمله دیواره های محفظه، آسترها، حلقه های فوکوس، صفحات توزیع گاز، دریچه های دید و غیره را خورده می کنند. این امر نه تنها منجر به زبری سطح، اتلاف مواد و افزایش دفعات از کار افتادن تجهیزات برای تعمیر و نگهداری می شود، بلکه باعث آلودگی ذرات ویفر به دلیل آلودگی و آلودگی می شود. بنابراین جستجو برای موادی با مقاومت بالاتر در برابر خوردگی پلاسما به یک نیاز مبرم در زمینه مواد تجهیزات نیمه هادی تبدیل شده است. اکسید ایتریوم (Y2O3) نقش غیر قابل جایگزینی در این حوزه ایفا می کند.
چرا اکسید ایتریم در تجهیزات نیمه هادی غیر قابل تعویض است؟
در تجهیزات نیمه هادی، اکسید آلومینیوم (Al2O3) متداول ترین ماده سرامیکی ساختاری مورد استفاده است. دارای نقطه ذوب 2050 درجه، استحکام مکانیکی بالا، مقاومت در برابر سایش بالا، عایق الکتریکی عالی و پایداری شیمیایی خوب است. با این حال، انرژی پیوند پیوند Al-O حدود 498 کیلوژول بر مول است. اگرچه در برابر بیشتر حملات شیمیایی مقاومت میکند، اما تحت شرایط پلاسمایی با انرژی بالا، به آسانی با فلوئور واکنش نشان میدهد و یک لایه فلوراید پوسته پوسته و به راحتی پاره میشود (AlF3). این لایه بر روی سطح رسوب می کند و متبلور می شود و ذراتی ایجاد می کند که ویفرها را جدا کرده و آلوده می کند، در حالی که به طور مداوم لایه محافظ را مصرف می کند.
در مقابل، اکسید ایتریم (Y2O3) دارای سیستم کریستالی مکعبی و نقطه ذوب 2430 درجه است. علاوه بر عایق الکتریکی عالی و شفافیت نوری، انرژی پیوند Y-O آن به 780 کیلوژول بر مول می رسد. واکنش شیمیایی بسیار کم با هالوژن ها (به ویژه F و Cl) از خود نشان می دهد. هنگامی که با فلوئور واکنش می دهد، یک لایه YF3 بسیار پایدارتر و متراکم تشکیل می دهد که مستعد پوسته شدن نیست. این نه تنها تولید ذرات را تا حد زیادی کاهش می دهد، بلکه به طور موثری از حمله بیشتر پلاسمای فلوئور به اجزای تجهیزات (مانند دیوارهای اتاقک اچینگ، سر دوش و غیره) جلوگیری می کند و عمر مفید قطعه را افزایش می دهد. در محیطهای پلاسمایی معمولی مبتنی بر فلوئور با چگالی بالا یا بر پایه کلر، سرعت اچ Y2O3 معمولاً فقط 1/20 تا 1/50 نسبت به Al2O3 است. علاوه بر این، Y2O3 دارای نقطه ذوب 2430 درجه است و می تواند یکپارچگی ساختاری را در دماهای بالای 1750 درجه بدون تبخیر یا تغییر شکل حفظ کند و با شرایط دمایی شدید فرآیندهای پلاسما سازگار شود. مقاومت حجمی آن بیش از 10¹² Ω·cm است، با تلفات دی الکتریک کم، پایداری میدانهای RF با فرکانس بالا را تضمین میکند و از انحرافات فرآیند ناشی از خواص دی الکتریک ضعیف مواد جلوگیری میکند.
کاربردهای اکسید ایتریم در تجهیزات نیمه هادی
بر اساس خواص اصلی اکسید ایتریم و ترکیب با الزامات خاص اجزای مختلف تجهیزات نیمه هادی، کاربردهای آن در زمینه نیمه هادی عمدتاً به چهار دسته تقسیم می شوند:
01 پوشش های اکسید ایتریوم
از آنجایی که اکسید ایتریم، به عنوان یک ماده خاکی کمیاب، نسبتاً گران است، بیشتر اتاقک ها یا اجزای تجهیزات اچ از سرامیک های خالص Y2O3 استفاده نمی کنند. در عوض، یک پوشش متراکم Y2O3 با ضخامت حدود 100-300 میکرومتر بر روی سطح آلیاژ آلومینیوم یا بسترهای Al2O3 (مانند آسترهای محفظه، حلقه های کانونی، صفحات توزیع گاز و غیره) با استفاده از تکنیک هایی مانند پاشش پلاسما یا رسوب بخار فیزیکی (PVD) قرار می گیرد. این در حال حاضر پرکاربردترین شکل پوشش اکسید ایتریوم در تجهیزات نیمه هادی است. این رویکرد استحکام ساختاری ماده پایه را با مقاومت در برابر خوردگی سطح Y2O3 متعادل می کند، در حالی که هزینه ها را کاهش می دهد. در گرههای فرآیند پیشرفته ۷ نانومتری و پایینتر، پوششهای اکسید ایتریوم به تدریج به پیکربندی حفاظتی استاندارد صنعت تبدیل شدهاند و چرخه اصلی تعمیر و نگهداری محفظههای تجهیزات اچ را از چند صد ساعت به بیش از هزار ساعت افزایش میدهند، در حالی که آلودگی ذرات را کاهش میدهند و به طور قابلتوجهی زمان کارکرد تجهیزات و بازده ویفر را بهبود میبخشند.
02 دریچه های دید شفاف اکسید ایتریوم
درگاه های دید در تجهیزات پلاسمای نیمه هادی اجزای حیاتی برای نظارت بر شرایط فرآیند و اطمینان از دقت فرآیند هستند. آنها نه تنها به مقاومت عالی در برابر خوردگی پلاسما نیاز دارند، بلکه به شفافیت نوری خوبی نیز نیاز دارند تا به اپراتورها اجازه دهد تا پردازش ویفر را در داخل محفظه به وضوح مشاهده کنند. مواد شفاف سنتی مانند شیشه کوارتز و آلومینا به راحتی در محیطهای پلاسمایی مبتنی بر فلوئور خورده میشوند که منجر به زبری سطح، کاهش ضریب انتقال و ناتوانی در برآورده کردن الزامات استفاده طولانیمدت میشود. سرامیک های شفاف اکسید ایتریوم دارای محدوده انتقالی هستند که از ماوراء بنفش به مادون قرمز (0.29-8 میکرومتر) با حدود 80٪ عبور خطی حتی در ناحیه مادون قرمز دور می باشد. همراه با مقاومت عالی در برابر خوردگی پلاسما، سطح تمیز و شفافیت پایداری را حتی پس از استفاده طولانی مدت در محیطهای پلاسمایی مبتنی بر فلوئور{11} و کلر{12}} حفظ میکنند، و هیچ زباله خورنده یا ناخالصیهای کریستالی تولید نمیکنند، در نتیجه از مشاهده کیفیت و جلوگیری از مشاهده کیفیت جلوگیری میکنند.
03 اجزای سرامیکی کامپوزیت اکسید ایتریوم
با توجه به استحکام مکانیکی نسبتا کم، دشواری تف جوشی بالا و هزینه بالای سرامیک اکسید ایتریوم خالص، این صنعت عمدتاً از سرامیک های کامپوزیت مبتنی بر اکسید ایتریوم{0}} دوپ شده برای متعادل کردن الزامات عملکرد و اثربخشی هزینه استفاده می کند. به عنوان مثال، گارنت آلومینیوم ایتریوم (YAG) که از دوپینگ اکسید ایتریم با نسبت مشخصی از اکسید آلومینیوم تشکیل می شود، همچنین دارای ساختار بلوری مکعبی و خواص شیمیایی پایدار است. با گازهای فعال پلاسما (مانند فلوئور، کلر و هالوژن های دیگر) به راحتی تحت واکنش های شیمیایی خشن قرار نمی گیرد. در محیطهای پلاسمایی حاوی فلوئور، در مقایسه با موادی مانند Al2O3، محصولات جانبی فلوراید کمتری تولید میکند و به طور موثر آلودگی ذرات و خوردگی سطح را کاهش میدهد. در عین حال، در مقایسه با سرامیک های اکسید ایتریم خالص، YAG دارای سختی بالاتر (سختی Mohs 8-8.5) و استحکام مکانیکی عالی است که آن را برای قطعاتی با الزامات مقاومت مکانیکی خاص در اچرها مناسب می کند و همچنین می تواند به عنوان یک نمای شفاف استفاده شود.