如何选择适用于等离子刻蚀腔体的材料？

张明 0 2023-12-28

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半导体设备投入占半导体产业支出的60%~70%。由于晶圆制造工艺复杂，工序多样，相关制造设备的价值占比极高，达到了总支出的一半以上。半导体设备的发展已经成为推动半导体行业技术创新进步的重要引擎。

对于半导体设备的研制，部件所使用的材料是影响设备性能的关键因素。特别是对于晶圆制造过程中的刻蚀机和沉积设备（如PECVD），等离子体通过物理作用和化学反应会对设备器件表面造成严重腐蚀，一方面缩短部件的使用寿命，降低设备的性能，另一方面腐蚀过程中产生的反应产物会出现挥发和脱落的现象，在工艺腔内产生杂质颗粒，影响腔室的洁净度。

如何应对等离子体腐蚀难题？

通常采用氧化铝（Al₂O₃）涂层作为刻蚀腔体和腔体内部件的防护材料。但随着半导体器件特征尺寸的不断缩小和硅晶圆尺寸的增大，为了获得更高的刻蚀精度和保证刻蚀的均一性，等离子体的能量也逐渐增大，同时卤素类气体开始被用于等离子刻蚀。

高能含氟等离子体具有很高的化学活性，容易与氧化铝反应生成副产物，沉积在腔壁或部件表面，最后在刻蚀过程中脱落成颗粒。这样既污染晶圆，又降低良率，增加生产成本。因此刻蚀机腔体和腔内部件材料的耐等离子刻蚀能力变得至关重要。

石英

石英（SiO₂）是一种物理化学性质稳定的无机非金属材料。不过作为刻蚀机腔体材料，不但其杂质污染的问题比较严重，而且等离子刻蚀过程采用含氟气体，氟易与石英反应生成四氟化硅（SiF₄）。选择石英作为等离子刻蚀机腔体材料，使用寿命将受到了极大限制。

碳化硅

碳化硅（SiC）是一种化学性质稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能优异的无机非金属材料。碳化硅作为刻蚀机腔体材料，相较于石英，其材料本身产生的杂质污染较少。由于碳化硅具有更加优异的力学性能，在等离子体轰击其表面时，原子损失率相对较少。日本三井公司曾报道过一种碳化硅复合材料作为刻蚀机腔体材料，具有较高的耐腐蚀性。

阳极氧化铝

刻蚀机腔室材料选择铝合金时，易造成金属杂质污染。转而选择通过阳极氧化在铝合金上镀一层致密的氧化铝层，从而提高腔室材料的耐等离子刻蚀性。实践中发现，阳极氧化铝层易发生剥落现象。这主要是由于铝合金中杂质发生偏析，氧化铝层易产生微裂纹，降低使用寿命。

阳极氧化铝具备以下特点：

● 卤素类气体常被用作高速刻蚀硅晶圆，氧化铝易与氟反应生成易挥发的三氟化铝（AlF₃）而污染晶圆；

● 金属杂质往往使其硬度和抗弯强度明显下降；

● 高温下纳米晶粒易长大，并伴随热导率下降。

氧化钇

氧化钇（Y₂O₃）作为一种等离子刻蚀腔体材料，与氧化铝相比具有如下优缺点：

● 不产生氟副产物，表面颗粒和缺陷污染减少；

● 过渡族金属含量低，减少了杂质污染的风险；

● 具有更加优异的介电性能，越厚的氧化钇涂层，其抵抗介质击穿能力越强；

● 作为腔体材料，在等离子体中腐蚀速率较低；

● 使用成本低，但制备成本较高；

● 热膨胀系数较氧化铝大，在腐蚀的过程中，在晶界边界的残余应力易发生膨胀，因此内部较易产生气孔和微裂纹。

钇铝石榴石

单晶钇铝石榴石（Y₃Al₅O₁₂，简称YAG），具有立方晶体结构、无双折射效应、高温蠕变小，具有优异的光学及电学性能，被广泛地应用于激光器基质材料、高温可见光窗口、等离子体腔室材料以及红外窗口材料等。

钇铝石榴石作为一种重要的耐热和耐等离子体冲击材料，近几十年来，受到研究者以及一些相关设备制造商的关注。相较于氧化钇，钇铝石榴石具有使用寿命长、成本相对较低、制备工艺更为简单、机械性能更优异等特点。

Al₂O₃-YAG共晶复合材料

Al₂O₃-YAG复合陶瓷，是由Al₂O₃与Y₂O₃纳米粉末按照一定的配比，经过球磨混合、干燥、成型、烧结等工艺制备而来。在耐等离子刻蚀腔体壁材方面，相较于单晶YAG，具有良好的应用前景。据相关的研究报道，相较其他耐蚀腔体材料，Al₂O₃-YAG复合陶瓷具有机械性能优异、高热导率、高温抗蠕变性能优异、生产成本相对较低、耐等离子刻蚀性好等优点。

氮化硅

氮化硅（Si₃N₄）作为一种共价键化合物，其热膨胀系数低、热导率高、抗化学腐蚀、耐热冲击性极佳。经过热压烧结的氮化硅，其硬度极高，且极耐高温，其强度一直维持在1200℃高温下而发生变化，受热后也不会熔融，直到1900℃才会分解。热压烧结的氮化硅加热到1000℃后投入冷水中也不会破裂。不过氮化硅作为等离子刻蚀腔体材料，仍会存在以下不足：

● 机械加工成本高且对材料表面损伤，对材料强度不利；

● 为避免机械加工对材料性能带来的消极影响，通常采用保守加工条件，大大地延长了加工时间，生产效率降低；

● 作为一种非氧化物陶瓷材料，大尺寸烧结体难以制备，成本高。

内容来源：网络

责任编辑：展源

审　　核：何发