Οι διαδικασίες χάραξης και καθαρισμού πλάσματος αποτελούν βασικά βήματα στην κατασκευή ημιαγωγών. Καθώς οι κόμβοι διεργασίας προχωρούν στα 7 nm, 5 nm και πέρα, η πυκνότητα ενέργειας του πλάσματος συνεχίζει να αυξάνεται και η χημική δραστηριότητα των αερίων αλογόνου (με βάση-με βάση το φθόριο και το χλώριο-) γίνεται όλο και πιο επιθετική. Κατά τη χάραξη των πλακών, αυτά τα πλάσματα διαβρώνουν επίσης αδιάκριτα και συνεχώς όλα τα εκτεθειμένα εξαρτήματα στο εσωτερικό του θαλάμου, συμπεριλαμβανομένων των τοιχωμάτων του θαλάμου, των επενδύσεων, των δακτυλίων εστίασης, των πλακών διανομής αερίου, των θυρών προβολής κ.λπ. Ως εκ τούτου, η αναζήτηση υλικών με υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση του πλάσματος έχει γίνει επιτακτική ανάγκη στον τομέα των υλικών εξοπλισμού ημιαγωγών. Το οξείδιο του υττρίου (Y2O3) παίζει έναν αναντικατάστατο ρόλο σε αυτόν τον τομέα.
Γιατί το οξείδιο του υττρίου είναι αναντικατάστατο σε εξοπλισμό ημιαγωγών;
Στον εξοπλισμό ημιαγωγών, το οξείδιο του αλουμινίου (Al2O3) είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο δομικό κεραμικό υλικό. Έχει σημείο τήξης 2050 μοιρών, υψηλή μηχανική αντοχή, υψηλή αντοχή στη φθορά, εξαιρετική ηλεκτρική μόνωση και καλή χημική σταθερότητα. Ωστόσο, η ενέργεια του δεσμού του δεσμού Al-O είναι περίπου 498 kJ/mol. Παρόλο που αντιστέκεται στις περισσότερες χημικές επιθέσεις, υπό συνθήκες πλάσματος υψηλής-ενέργειας αντιδρά εύκολα με το φθόριο για να σχηματίσει μια νιφάδα, που θρυμματίζεται εύκολα φθοριούχο στρώμα (AlF3). Αυτό το στρώμα εναποτίθεται και κρυσταλλώνεται στην επιφάνεια, δημιουργώντας σωματίδια που αποσπώνται και μολύνουν τις γκοφρέτες, ενώ καταναλώνουν συνεχώς το προστατευτικό στρώμα.
Αντίθετα, το οξείδιο του υττρίου (Y2O3) έχει ένα κυβικό κρυσταλλικό σύστημα και ένα σημείο τήξης τόσο υψηλό όσο 2430 μοίρες. Εκτός από την εξαιρετική ηλεκτρική μόνωση και την οπτική διαφάνεια, η ενέργεια του δεσμού Y–O φτάνει τα 780 kJ/mol. Παρουσιάζει εξαιρετικά χαμηλή χημική αντιδραστικότητα με αλογόνα (ιδιαίτερα F και Cl). Όταν αντιδρά με το φθόριο, σχηματίζει μια πολύ πιο σταθερή και πυκνή στρώση YF3 που δεν είναι επιρρεπής σε ξέφτισμα. Αυτό όχι μόνο μειώνει σημαντικά τη δημιουργία σωματιδίων, αλλά επίσης αποτρέπει αποτελεσματικά την περαιτέρω επίθεση από το πλάσμα φθορίου σε εξαρτήματα του εξοπλισμού (όπως τοιχώματα θαλάμου χάραξης, κεφαλές ντους κ.λπ.), παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής του εξαρτήματος. Σε τυπικά περιβάλλοντα πλάσματος-με βάση το φθόριο-ή με βάση το χλώριο{10}} υψηλής πυκνότητας, ο ρυθμός χάραξης του Y2O3 είναι τυπικά μόνο 1/20 έως 1/50 εκείνου του Al2O3. Επιπλέον, το Y2O3 έχει σημείο τήξης 2430 μοιρών και μπορεί να διατηρήσει τη δομική ακεραιότητα σε υψηλές θερμοκρασίες πάνω από 1750 βαθμούς χωρίς εξαέρωση ή παραμόρφωση, προσαρμοζόμενο στις ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας των διεργασιών πλάσματος. Η αντίσταση όγκου του υπερβαίνει τα 10¹² Ω·cm, με χαμηλές διηλεκτρικές απώλειες, διασφαλίζοντας τη σταθερότητα των πεδίων ραδιοσυχνοτήτων υψηλής-συχνότητας και αποφεύγοντας τις αποκλίσεις της διαδικασίας που προκαλούνται από κακές διηλεκτρικές ιδιότητες των υλικών.
Εφαρμογές οξειδίου του υττρίου σε εξοπλισμό ημιαγωγών
Με βάση τις βασικές ιδιότητες του οξειδίου του υττρίου και σε συνδυασμό με τις ειδικές απαιτήσεις διαφορετικών εξαρτημάτων εξοπλισμού ημιαγωγών, οι εφαρμογές του στον τομέα των ημιαγωγών χωρίζονται κυρίως σε τέσσερις κατηγορίες:
01 Επιστρώσεις οξειδίου του υττρίου
Επειδή το οξείδιο του υττρίου, ως υλικό σπάνιων γαιών, είναι σχετικά ακριβό, οι περισσότεροι θάλαμοι ή εξαρτήματα του εξοπλισμού χάραξης δεν χρησιμοποιούν καθαρά κεραμικά Y2O3. Αντίθετα, μια πυκνή επίστρωση Y2O3 με πάχος περίπου 100–300 μm εναποτίθεται στην επιφάνεια κράματος αλουμινίου ή υποστρωμάτων Al2O3 (όπως επενδύσεις θαλάμου, δακτύλιοι εστίασης, πλάκες διανομής αερίου κ.λπ.) χρησιμοποιώντας τεχνικές όπως ψεκασμός πλάσματος ή φυσική εναπόθεση ατμού (PVD). Αυτή είναι σήμερα η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μορφή επικάλυψης οξειδίου του υττρίου σε εξοπλισμό ημιαγωγών. Αυτή η προσέγγιση εξισορροπεί τη δομική αντοχή του υλικού βάσης με την επιφανειακή αντοχή στη διάβρωση του Y2O3, ενώ μειώνει το κόστος. Σε προηγμένους κόμβους διεργασίας 7 nm και κάτω, οι επικαλύψεις οξειδίου του υττρίου έχουν γίνει σταδιακά η τυπική προστατευτική διαμόρφωση, επεκτείνοντας τον κύριο κύκλο συντήρησης των θαλάμων εξοπλισμού χάραξης από μερικές εκατοντάδες ώρες σε περισσότερες από χίλιες ώρες, ενώ μειώνουν τη μόλυνση των σωματιδίων και βελτιώνουν σημαντικά τον χρόνο λειτουργίας του εξοπλισμού και την απόδοση του πλακιδίου.
02 Διαφανείς θυρίδες προβολής οξειδίου του υττρίου
Οι θυρίδες προβολής σε εξοπλισμό πλάσματος ημιαγωγών είναι κρίσιμα στοιχεία για την παρακολούθηση των συνθηκών της διαδικασίας και τη διασφάλιση της ακρίβειας της διαδικασίας. Απαιτούν όχι μόνο εξαιρετική αντίσταση στη διάβρωση του πλάσματος, αλλά και καλή οπτική διαφάνεια για να επιτρέπουν στους χειριστές να παρατηρούν καθαρά την επεξεργασία του πλάσματος μέσα στο θάλαμο. Τα παραδοσιακά διαφανή υλικά όπως το γυαλί χαλαζία και η αλουμίνα διαβρώνονται εύκολα σε περιβάλλοντα πλάσματος-με βάση το φθόριο, οδηγώντας σε τραχύτητα της επιφάνειας, μειωμένη διαπερατότητα και αδυναμία κάλυψης-των απαιτήσεων μακροχρόνιας χρήσης. Τα διαφανή κεραμικά οξειδίου του υττρίου έχουν εύρος μετάδοσης που καλύπτει το υπεριώδες σε υπέρυθρο (0,29–8 μm), με περίπου 80% γραμμική μετάδοση ακόμη και στην μακρινή-υπέρυθρη περιοχή. Σε συνδυασμό με την εξαιρετική τους αντοχή στη διάβρωση του πλάσματος, διατηρούν μια καθαρή επιφάνεια και σταθερή διαφάνεια ακόμα και μετά από μακροχρόνια χρήση σε περιβάλλοντα πλάσματος με βάση το φθόριο{{11} και το χλώριο{12}}, χωρίς διαβρωτικά υπολείμματα ή κρυσταλλικές ακαθαρσίες, διασφαλίζοντας έτσι την ποιότητα και την παρατήρηση.
03 Σύνθετα κεραμικά συστατικά οξειδίου του υττρίου
Λόγω της σχετικά χαμηλής μηχανικής αντοχής, της υψηλής δυσκολίας πυροσυσσωμάτωσης και του υψηλού κόστους των κεραμικών καθαρού οξειδίου του υττρίου, η βιομηχανία χρησιμοποιεί κυρίως σύνθετα κεραμικά με βάση το οξείδιο του υττρίου-για την εξισορρόπηση των απαιτήσεων απόδοσης και της{1}αποτελεσματικότητας κόστους. Για παράδειγμα, ο γρανάτης αλουμινίου υττρίου (YAG), που σχηματίζεται με ντόπινγκ οξειδίου του υττρίου με μια ορισμένη αναλογία οξειδίου του αλουμινίου, έχει επίσης κυβική κρυσταλλική δομή και σταθερές χημικές ιδιότητες. Δεν υφίσταται εύκολα βίαιες χημικές αντιδράσεις με ενεργά αέρια στο πλάσμα (όπως φθόριο, χλώριο και άλλα αλογόνα). Σε περιβάλλοντα πλάσματος που περιέχουν-φθόριο, σε σύγκριση με υλικά όπως το Al2O3, παράγει λιγότερα υποπροϊόντα φθορίου, μειώνοντας αποτελεσματικά τη μόλυνση των σωματιδίων και τη διάβρωση της επιφάνειας. Ταυτόχρονα, σε σύγκριση με τα καθαρά κεραμικά οξειδίου του υττρίου, το YAG έχει υψηλότερη σκληρότητα (Mohs σκληρότητα 8–8,5) και εξαιρετική μηχανική αντοχή, καθιστώντας το κατάλληλο για εξαρτήματα με συγκεκριμένες απαιτήσεις μηχανικής αντοχής σε χαρακτήρες και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως διαφανές παράθυρο προβολής.