Σήμερα, στη σύγχρονη χάραξη ημιαγωγών, στην εναπόθεση λεπτών-μεμβρανών και σε άλλο εξοπλισμό, τα προηγμένα κεραμικά υλικά αντικαθιστούν σταδιακά τα παραδοσιακά μέταλλα και τα πολυμερή λόγω της εξαιρετικής αντοχής σε υψηλές{{1} θερμοκρασίες, αντοχής στη διάβρωση, υψηλής μόνωσης και υψηλής σκληρότητας. Έχουν γίνει απαραίτητα υλικά για εξαρτήματα όπως ηλεκτροστατικά τσοκ, επενδύσεις θαλάμου, θερμαντήρες, ρομποτικοί βραχίονες και ράγες οδηγών ακριβείας για μηχανές λιθογραφίας. Στις διεργασίες χάραξης πλάσματος, ο δακτύλιος εστίασης - ένα κρίσιμο αναλώσιμο που τοποθετείται αμέσως δίπλα στην άκρη του πλακιδίου - επηρεάζει άμεσα την ομοιομορφία χάραξης και την απόδοση του τσιπ μέσω της επιλογής του υλικού του. Καθώς τα παράθυρα διεργασίας συνεχίζουν να στενεύουν, δύο τύποι εξαιρετικά σκληρών κεραμικών, το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) και το καρβίδιο του βορίου (B₄C), αντικαθιστούν σταδιακά τα παραδοσιακά υλικά χαλαζία και πυριτίου, καθιστώντας βασικές κατευθύνσεις ανάπτυξης για δακτυλίους εστίασης υψηλής-τελικής.
Τι είναι ο δακτύλιος εστίασης;
Ένας δακτύλιος εστίασης, επίσης γνωστός ως δακτύλιος περιορισμού ή δακτύλιος ακμής, είναι ένα δακτυλιοειδές εξάρτημα ακριβείας που είναι εγκατεστημένο γύρω από το βάθρο του πλακιδίου σε ένα σύστημα χάραξης πλάσματος. Κατά τη χάραξη πλάσματος, ο δακτύλιος εστίασης βρίσκεται ακριβώς δίπλα στην άκρη του πλάσματος και εκτίθεται απευθείας στο περιβάλλον πλάσματος υψηλής-ενέργειας. Οι βασικές του λειτουργίες είναι:
(1) Εστίαση πλάσματος: Η χάραξη ημιαγωγών βασίζεται σε πλάσμα υψηλής-ενέργειας για την ακριβή χάραξη της γκοφρέτας. Ωστόσο, στην άκρη του πλάσματος, η πυκνότητα του πλάσματος τείνει να μειώνεται λόγω του φαινομένου της ακμής του ηλεκτρικού πεδίου. Μέσω ακριβούς δομικού σχεδιασμού και διηλεκτρικών ιδιοτήτων, ο δακτύλιος εστίασης περιορίζει και εστιάζει το πλάσμα υψηλής-ενέργειας στην περιοχή του πλακιδίου, κατευθύνοντάς το να βομβαρδίσει την επιφάνεια του πλακιδίου σε σχεδόν κάθετη γωνία. Αυτό εξασφαλίζει πιο ομοιόμορφη κατανομή πλάσματος σε όλη τη γκοφρέτα, μειώνει τις διαφορές χάραξης μεταξύ της άκρης και του κέντρου και βελτιώνει την ομοιομορφία της διαδικασίας.
(2) Προστασία του θαλάμου και των εξαρτημάτων ακριβείας: Κατά τη χάραξη, το πλάσμα υψηλής ενέργειας και τα εξαιρετικά διαβρωτικά αέρια χάραξης (CF4, Cl2, NF3, κ.λπ.) βομβαρδίζουν συνεχώς και διαβρώνουν τα εσωτερικά εξαρτήματα του θαλάμου. Ο δακτύλιος εστίασης λειτουργεί ως πρώτο εμπόδιο, προστατεύοντας τα εξαρτήματα του πυρήνα ακριβείας από κάτω, όπως το ηλεκτροστατικό τσοκ και τα ηλεκτρόδια από την άμεση έκθεση στο πλάσμα και τα διαβρωτικά αέρια, μειώνοντας τον φυσικό βομβαρδισμό και τη χημική διάβρωση και επεκτείνοντας τη διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων του πυρήνα.
Απαιτήσεις υλικού για δακτυλίους εστίασης και πλεονεκτήματα εφαρμογής προηγμένων κεραμικών
Ένας δακτύλιος εστίασης μπορεί να εκτίθεται συνεχώς σε πλάσμα ραδιοσυχνοτήτων για αρκετές ώρες έως δεκάδες ώρες σε μία μόνο διαδικασία χάραξης, αντιμετωπίζοντας βομβαρδισμό πλάσματος υψηλής πυκνότητας, διαβρωτικά αέρια με βάση το φθόριο- ή το χλώριο{-και συχνά υψηλής-χαμηλής θερμοκρασίας σε άμεση θερμική επαφή με τη γκοφρέτα. Αυτό απαιτεί τα υλικά να ανταποκρίνονται ταυτόχρονα σε αυστηρές απαιτήσεις: ακραία αντοχή στη διάβρωση πλάσματος, εξαιρετική θερμική σταθερότητα και αντίσταση θερμικών κραδασμών, χαμηλός κίνδυνος μόλυνσης από ακαθαρσίες, εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και αντίστοιχα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Στο παρελθόν, οι δακτύλιοι εστίασης κατασκευάζονταν κυρίως από χαλαζία και πυρίτιο. Ωστόσο, καθώς οι διαδικασίες χάραξης κινούνται προς υψηλότερη ισχύ, οι περιορισμοί των παραδοσιακών υλικών γίνονται όλο και πιο εμφανείς:
Δακτύλιοι χαλαζία: Χαμηλό κόστος και καλή σταθερότητα κάτω από-ηλεκτρικά πεδία υψηλής συχνότητας, με εξαιρετική ηλεκτρική μόνωση. Ωστόσο, έχουν χαμηλή σκληρότητα (σκληρότητα Mohs 7), ασθενή αντίσταση στη διασκορπισμό ιόντων, μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας κάτω από 1100 μοίρες, ευαισθησία σε παραμόρφωση σε υψηλές θερμοκρασίες, υψηλούς ρυθμούς διάβρωσης σε πλάσματα που περιέχουν-φθόριο και υψηλό κίνδυνο καθίζησης ακαθαρσιών. Είναι κατάλληλα μόνο για εξοπλισμό χαρακτικής RIE χαμηλού{-έως-μέσου- για κόμβους άνω των 28 nm και δεν μπορούν να καλύψουν τις απαιτήσεις χαμηλής μόλυνσης και μεγάλης διάρκειας ζωής των προηγμένων διεργασιών.
Δακτύλιοι πυριτίου:-ταιριάζουν καλά ο συντελεστής θερμικής διαστολής και οι ηλεκτρικές ιδιότητες με γκοφρέτες πυριτίου και αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες έως 1600 μοίρες, επιτρέποντας ομοιόμορφη κατανομή πλάσματος. Ωστόσο, έχουν επίσης χαμηλή αντίσταση στη διάβρωση του πλάσματος που περιέχει-φθόριο, σχηματίζοντας εύκολα πτητικό SiF4, οδηγώντας σε υψηλούς ρυθμούς κατανάλωσης και συχνή αντικατάσταση, γεγονός που προκαλεί διακυμάνσεις της διαδικασίας και απώλειες χρόνου διακοπής λειτουργίας. Είναι κατάλληλα μόνο για παραδοσιακές διαδικασίες χαμηλού-έως-μεσαίου-τελικού.
Σε αυτό το πλαίσιο, προηγμένα κεραμικά όπως η αλουμίνα (Al2O3), το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) και το καρβίδιο του βορίου (B4C) έχουν μπει στην άποψη των κατασκευαστών εξοπλισμού ημιαγωγών και σταδιακά γίνονται η κύρια επιλογή για δακτυλίους εστίασης υψηλού-.
(1) Αλουμίνα (Al2O3): Η αλουμίνα είναι ένα από τα πρώιμα κεραμικά που εφαρμόζονται σε εξοπλισμό ημιαγωγών, συνήθως με καθαρότητα άνω του 99,5% και προϊόντα υψηλής ποιότητας μπορούν να φτάσουν το 99,9%. Η διαδικασία παρασκευής του είναι ώριμη, χρησιμοποιώντας πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση ή θερμή συμπίεση, με σημαντικά χαμηλότερο κόστος από το SiC και το B4C. Ως δακτύλιος εστίασης, προσφέρει υψηλή σκληρότητα και αντοχή στη φθορά, μειώνοντας τη μόλυνση από σωματίδια από τη φθορά. Σε πλάσματα με βάση το φθόριο- ή το χλώριο-, σχηματίζει ένα σταθερό στρώμα παθητικοποίησης AlF3 ή AlCl3, παρέχοντας καλή αντίσταση στην εκτόξευση πλάσματος. Είναι κατάλληλο για διεργασίες χάραξης{10}}μέσης ισχύος-με σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής. Επιπλέον, οι διηλεκτρικές του ιδιότητες είναι σταθερές με καλή μόνωση, απομονώνοντας αποτελεσματικά το ηλεκτρικό πεδίο και αποφεύγοντας παρεμβολές στο ηλεκτροστατικό τσοκ. Ωστόσο, υπό υψηλή θερμοκρασία και υψηλή ροή φθορίου, το στρώμα παθητικοποίησης AlF3 μπορεί να αποκολληθεί και να γίνει πηγή μόλυνσης. Επιπλέον, ο συντελεστής θερμικής διαστολής του (CTE) είναι περίπου 7,0×10-6/K, ο οποίος διαφέρει σημαντικά από αυτόν του πυριτίου (περίπου 2,6×10-6/K), προκαλώντας δυνητικά αλλαγές διαστάσεων σε υψηλές θερμοκρασίες και επηρεάζοντας την υψηλή ακρίβεια ευθυγράμμισης με τη γκοφρέτα, περιορίζοντας την εφαρμογή της σενάρια μικρών-ακρών-χασμάτων.
(2) Καρβίδιο του πυριτίου (SiC): Οι δακτύλιοι εστίασης SiC έχουν γίνει η κύρια αναβάθμιση για τους χαρακτήρες υψηλών-τερμάτων τα τελευταία χρόνια. Η σκληρότητά τους σε Mohs είναι έως και 9,5, η αντοχή σε κάμψη παραμένει στα 500-600 MPa ακόμα και στους 1400 βαθμούς και το CTE (4×10-6/βαθμός) είναι κοντά σε αυτό των πλακών πυριτίου, εξασφαλίζοντας σταθερά κενά σε υψηλές θερμοκρασίες. Έχουν εξαιρετική αντοχή στο θερμικό σοκ, αντέχουν στον γρήγορο θερμικό κύκλο και συμβάλλουν στη βελτιστοποίηση της ομοιομορφίας των άκρων. Το πιο σημαντικό είναι ότι παρουσιάζουν εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση σε Ar, F, Cl και άλλα πλάσματα – ειδικά σε πλάσματα φθορίου, όπου ο ρυθμός διάβρωσης είναι σχεδόν μηδενικός. Σε σύγκριση με την αλουμίνα, προσφέρουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και σημαντικά βελτιωμένη συνολική απόδοση εξοπλισμού (OEE). Οι δακτύλιοι εστίασης SiC μπορούν να παραχθούν με πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση, θερμή συμπίεση ή εναπόθεση χημικών ατμών (CVD). Το SiC υψηλής καθαρότητας που παράγεται{14}}το CVD μπορεί να φτάσει σε καθαρότητα πάνω από 99,9995%, καθιστώντας το κατάλληλο για προηγμένες διεργασίες από 5 nm έως 28 nm.
(3) Καρβίδιο του βορίου (B4C): Το B4C είναι ένα σημαντικό υποψήφιο υλικό σε πολλές εφαρμογές μηχανικής. Ήδη από το 2022, η Samsung Electronics διεξήγαγε ήδη έρευνα και ανάπτυξη σε δακτυλίους εστίασης B₄C. Νωρίτερα φέτος, το εργαστήριο Hubei Longzhong ανέπτυξε με επιτυχία τον πρώτο κεραμικό δακτύλιο εστίασης B₄C στην Κίνα. Σε σύγκριση με τους κύριους δακτυλίους εστίασης SiC, προσφέρει 30% υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση, διάρκεια ζωής που υπερβαίνει τις 30 ημέρες, μειώνει το κόστος της διαδικασίας χάραξης κατά περίπου 20%, βελτιώνει την απόδοση και την απόδοση κατασκευής τσιπ, ενώ διατηρεί εξαιρετική θερμική σταθερότητα και μηχανικές ιδιότητες – επιτυγχάνοντας την παγκόσμια{{8} κορυφαία τεχνολογία.