ارتقاء مواد سر دوش نیمه هادی: مواد سرامیکی به یک انتخاب کلیدی برای فرآیندهای-بالا تبدیل می شوند؟

سر دوش (همچنین به عنوان صفحه توزیع گاز یا صفحه همگن سازی گاز نیز شناخته می شود) در تجهیزات تولید نیمه هادی به عنوان "قلب توزیع گاز" فرآیندهای هسته ای مانند اچینگ، رسوب بخار شیمیایی (CVD) و رسوب لایه اتمی (ALD) عمل می کند. این یکنواختی ضخامت لایه رسوب‌شده و قوام نرخ اچ را تعیین می‌کند و مستقیماً بر عملکرد تراشه تأثیر می‌گذارد. با این حال، موانع فنی آن بسیار زیاد است، و مدت‌هاست که در انحصار تولیدکنندگان خارج از کشور بوده است و یک واحد آن صدها هزار RMB هزینه دارد. همانطور که گره های فرآیند به 7 نانومتر و کمتر کاهش می یابند، محیط تولید تراشه به طور فزاینده ای چالش برانگیز می شود. سر دوش ها با دماهای بالاتر (بالای 600 درجه)، فشارهای بالاتر و پلاسماهای خورنده شدیدتر (مثلاً پلاسمای مبتنی بر فلوئور و کلر) مواجه می شوند، در حالی که به طور همزمان سطوح بی سابقه ای از یکنواختی توزیع گاز و تمیزی محفظه را می طلبند. سر دوش های ساخته شده از مواد سرامیکی پیشرفته مانند نیترید آلومینیوم و کاربید سیلیکون، با بهره گیری از مزایای اصلی خود مانند مقاومت در برابر دمای بالا، عایق الکتریکی بالا، مقاومت در برابر خوردگی قوی و آلودگی کم فلزات، به بهترین گزینه برای سر دوش های فرآیند پیشرفته با پتانسیل رشد قابل توجهی در بازار تبدیل شده اند. این مقاله به بررسی روند کاربرد مواد سرامیکی در این جزء تولید نیمه هادی می پردازد.

1. ساختار و اصل کار سر دوش

سر دوش معمولاً شکل دیسکی دارد. بدنه اصلی آن حاوی یک کانال داخلی یکسان کننده فشار گاز است که از طریق شبیه سازی دینامیک سیالات بهینه شده است، و سطح پایین آن با هزاران ریز سوراخ سوراخ شده است. قسمت بالایی به خطوط ورودی گاز برای گازهای راکتیو مختلف متصل است. به عنوان مثال یک محفظه واکنش CVD معمولی را در نظر بگیرید: پس از ورود گاز، گازهای راکتیو مختلف منتشر شده و از طریق کانال‌های یکسان‌سازی فشار دقیق داخلی برای تشکیل یک میدان غلظت یکنواخت تقسیم می‌شوند. سپس آنها به صورت عمودی از سطح زیرین سر دوش از طریق هزاران سوراخ در ابعاد میکرون به صورت جریان آرام به سطح ویفر خارج می شوند، جایی که آنها واکنش داده و یک لایه نازک تشکیل می دهند. با تأثیر بر الگوی جریان گاز در داخل محفظه، سر دوش به جلوگیری از تلاطم و مناطق مرده کمک می کند. این نه تنها یکنواختی شدید گازهای راکتیو روی سطح ویفر را تضمین می کند، بلکه تضمین می کند که محصولات جانبی واکنش به سرعت تخلیه می شوند و اجازه می دهد گاز تازه به طور مداوم با سطح ویفر تماس پیدا کند. در نهایت، این یکنواختی ضخامت فیلم و ثبات نرخ اچ را تضمین می کند و در نتیجه از عملکرد تراشه محافظت می کند.

2. تکامل مواد سر دوش نیمه هادی و روند کاربرد مواد سرامیکی

انتخاب مواد برای سر دوش به طور مستقیم عمر مفید، مقاومت در برابر محیطی و سازگاری فرآیند را تعیین می کند. در حال حاضر، مواد سر دوش نیمه هادی به سه دسته اصلی تقسیم می شوند که فرآیندها و بودجه های مختلف را تامین می کنند:

مواد فلزی، از جمله آلیاژهای آلومینیوم، فولاد ضد زنگ، نیکل خالص و آلیاژهای مبتنی بر نیکل. در این میان، آلیاژهای آلومینیوم به دلیل وزن سبک، هدایت حرارتی خوب و هزینه متوسط، بیشترین استفاده را برای فرآیندهای معمولی (28 نانومتر و بالاتر) دارند. از طریق درمان سخت آندایزینگ، مقاومت به خوردگی آنها را می توان بهبود بخشید. با این حال، در محیط‌های پلاسمایی با دمای بالا و قوی، مقاومت ماتریس آلیاژ آلومینیوم در برابر بمباران پلاسما محدود است که منجر به آسیب سطح یا تخریب عملکرد می‌شود. در حال حاضر، در فرآیندهای حیاتی مانند لیتوگرافی فرابنفش شدید (EUV) و رسوب لایه اتمی (ALD)، آلیاژهای مبتنی بر نیکل و آلیاژهای تیتانیوم به دلیل مقاومت برتر در برابر بمباران پلاسما و پایداری در دمای بالا به تدریج جایگزین آلیاژهای آلومینیوم می شوند.

مواد مبتنی بر سیلیکون، همچنین به عنوان الکترودهای سیلیکونی شناخته می شوند، از سیلیکون تک کریستالی با خلوص بالا ساخته می شوند. این ماده بسیار خالص است، مستعد انتشار ناخالصی ها نیست، بنابراین آلودگی گازهای راکتیو را کاهش می دهد و عملکرد فرآیند را بهبود می بخشد. آنها برای فرآیندهای حکاکی و رسوب گذاری با انتهای پایین تا متوسط ​​مناسب هستند، اما مقاومت به خوردگی پلاسما ضعیف تری دارند و نیاز به تعویض دوره ای دارند.

مواد ماتریکس سرامیکی مانند نیترید آلومینیوم، کاربید سیلیکون و آلومینا، و همچنین پوشش‌های کاربردی مانند ایتریا و کربن الماس مانند (DLC). اینها مزایایی مانند مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی، خلوص بالا و هدایت حرارتی بالا را ارائه می دهند. آنها عمدتاً در فرآیندهای پیشرفته در 7 نانومتر و پایین تر استفاده می شوند که نشان دهنده یک جهت مهم در تکامل مواد سر دوش است.

01 آلومینیوم نیترید (AlN)

در مقایسه با آلیاژهای آلومینیوم سنتی، سرامیک AlN دارای هدایت حرارتی تا 170 W/(m·K) و مقاومت دمایی بیش از 1000 درجه است. می تواند به سرعت گرمای تولید شده در حین کار سر دوش را دفع کند، از تغییر شکل ساختاری ناشی از گرمای بیش از حد موضعی جلوگیری کرده و در نتیجه یکنواختی توزیع گاز را تضمین می کند. علاوه بر این، هیچ گونه رسوب ناخالصی فلزی ندارد، به طور موثری از آلودگی ویفر جلوگیری می کند و نیازهای سختگیرانه فرآیندهای زیر 7 نانومتر را برآورده می کند.

02 CVD-SiC

بارزترین ویژگی سرهای دوش CVD-SiC مقاومت عالی آنها در برابر خوردگی پلاسمای فلوئور/کلر است، با عمر مفید 2 تا 4 برابر بیشتر از دوش های سیلیکونی. آنها می توانند در محیط های شدید با پلاسماهای بسیار خورنده و بمباران پلاسما با فرکانس بالا مقاومت کنند و زمان کارکرد تجهیزات اچ خشک را بهبود بخشند و فرکانس تعویض و هزینه های تعمیر و نگهداری از کار افتادگی را به طور قابل توجهی کاهش دهند. آنها برای استفاده به عنوان صفحات الکترود بالایی در محفظه های واکنش و به عنوان حلقه های تمرکز لبه در اطراف ویفرها مناسب هستند. با این حال، ساخت سر دوش‌های CVD-SiC دشوار است و در حال حاضر نمی‌توان آن‌ها را در داخل کشور (در چین)، با تکیه بر واردات، تولید کرد.

03 ایتریا (Y2O3) پوشش

پوشش‌های ایتریا در زیر یون‌های پرانرژی و پلاسماهای هالوژن پایداری شیمیایی فوق‌العاده‌ای از خود نشان می‌دهند و به طور مؤثری از حمله گازها و پلاسماهای خورنده به زیرلایه سر دوش جلوگیری می‌کنند. آنها یک ماده محافظ کلیدی برای محفظه های اچینگ پیشرفته هستند، مناسب برای ساخت تراشه های منطقی و حافظه کمتر از 7 نانومتر، و به طور قابل توجهی عمر قطعه را افزایش می دهند. در حال حاضر، پوشش‌های ایتریا معمولاً با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته مانند کندوپاش مگنترون و ALD اعمال می‌شوند.

04 پوشش کربن مانند الماس (DLC).

DLC یک فیلم کربن آمورف است که حاوی پیوندهای هیبریدی sp³ (ساختار الماس) و sp² (ساختار گرافیت) است. دارای سختی بالا، خود روانکاری و بی اثری شیمیایی عالی است. می تواند مقاومت جریان گاز را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و سایش دیواره های داخلی سوراخ های ریز سر دوش را به حداقل برساند. به طور قابل توجه، ویژگی های انرژی سطح پایین آن نیز چسبندگی محصولات جانبی واکنش را کاهش می دهد. همانطور که ادغام تراشه همچنان در حال افزایش است، تقاضا برای تمیزی سر دوش و مقاومت در برابر سایش در حال افزایش است و انتظار می‌رود نسبت کاربرد پوشش‌های DLC به تدریج افزایش یابد.