Procesy plazmového leptání a čištění jsou základními kroky ve výrobě polovodičů. Jak procesní uzly postupují na 7nm, 5nm a dále, hustota energie plazmy se stále zvyšuje a chemická aktivita halogenových plynů (na bázi fluoru-a chloru-) je stále agresivnější. Při leptání plátků tato plazma také bez rozdílu a nepřetržitě koroduje všechny exponované součásti uvnitř komory, včetně stěn komory, vložek, zaostřovacích kroužků, plynových distribučních desek, průhledů atd. To vede nejen ke zdrsnění povrchu, ztrátě materiálu a zvýšené frekvenci prostojů zařízení kvůli údržbě, ale také způsobuje kontaminaci plátků a ztrátu výnosu v důsledku odloučených částic. Proto se hledání materiálů s vyšší odolností vůči plazmové korozi stalo naléhavou potřebou v oblasti materiálů pro polovodičové vybavení. Oxid yttritý (Y2O3) hraje v této oblasti nezastupitelnou roli.
Proč je oxid yttrium nenahraditelný v polovodičových zařízeních?
V polovodičových zařízeních je nejběžněji používaným konstrukčním keramickým materiálem oxid hlinitý (Al₂O3). Má bod tání 2050 stupňů, vysokou mechanickou pevnost, vysokou odolnost proti opotřebení, vynikající elektrickou izolaci a dobrou chemickou stabilitu. Vazebná energie vazby Al-O je však asi 498 kJ/mol. I když odolává většině chemických útoků, za podmínek vysokoenergetického plazmatu snadno reaguje s fluorem a vytváří šupinatou, snadno se odlupující fluoridovou vrstvu (AlF3). Tato vrstva se ukládá a krystalizuje na povrchu a vytváří částice, které se oddělují a kontaminují oplatky, přičemž neustále pohlcuje ochrannou vrstvu.
Naproti tomu oxid yttrium (Y203) má krychlový krystalový systém a bod tání až 2430 stupňů. Kromě vynikající elektrické izolace a optické průhlednosti je energie jeho vazby Y–O až 780 kJ/mol. Vykazuje extrémně nízkou chemickou reaktivitu s halogeny (zejména F a Cl). Když reaguje s fluorem, vytváří mnohem stabilnější a hustší vrstvu YF3, která není náchylná k odlupování. To nejen výrazně snižuje tvorbu částic, ale také účinně zabraňuje dalšímu působení fluorového plazmatu na součásti zařízení (jako jsou stěny leptací komory, sprchové hlavice atd.), čímž se prodlužuje životnost součástí. V typickém prostředí plazmy s vysokou-hustotou na bázi fluoru-nebo{10}}chloru{10}}je rychlost leptání Y203 obvykle pouze 1/20 až 1/50 leptání Al₂O3. Kromě toho má Y203 bod tání 2430 stupňů a může si zachovat strukturální integritu při vysokých teplotách nad 1750 stupňů bez těkání nebo deformace, čímž se přizpůsobí extrémním teplotním podmínkám plazmových procesů. Jeho objemový odpor přesahuje 10¹² Ω·cm s nízkou dielektrickou ztrátou, která zajišťuje stabilitu vysokofrekvenčních -polí RF a zabraňuje odchylkám procesu způsobeným špatnými dielektrickými vlastnostmi materiálů.
Aplikace oxidu yttria v polovodičových zařízeních
Na základě základních vlastností oxidu yttria a v kombinaci se specifickými požadavky různých komponentů polovodičových zařízení jsou jeho aplikace v oblasti polovodičů rozděleny především do čtyř kategorií:
01 Nátěry oxidu yttria
Protože oxid yttrium jako materiál vzácných zemin je relativně drahý, většina komor nebo komponentů leptacího zařízení nepoužívá čistou keramiku Y203. Namísto toho se na povrch substrátů z hliníkové slitiny nebo Al₂O3 (jako jsou vložky komor, ohniskové kroužky, desky pro distribuci plynu atd.) nanáší hustý povlak Y₂O₃ o tloušťce asi 100–300 μm pomocí technik, jako je plazmové stříkání nebo fyzikální napařování (PVD). Toto je v současnosti nejrozšířenější forma povlaku oxidu yttria v polovodičových zařízeních. Tento přístup vyvažuje strukturální pevnost základního materiálu s odolností proti povrchové korozi Y203 a zároveň snižuje náklady. V pokročilých procesních uzlech 7nm a méně se povlaky oxidu yttria postupně staly průmyslovou standardní ochrannou konfigurací, prodlužují hlavní cyklus údržby komor leptacího zařízení z několika set hodin na více než tisíc hodin, přičemž snižují kontaminaci částicemi a výrazně zlepšují dobu provozuschopnosti zařízení a výtěžnost plátků.
02 Průhledné průhledy oxidu yttria
Průzory na zařízeních pro polovodičové plazmy jsou kritickými součástmi pro monitorování podmínek procesu a zajištění přesnosti procesu. Vyžadují nejen vynikající odolnost plazmové korozi, ale také dobrou optickou průhlednost, aby operátori mohli jasně pozorovat zpracování plátků uvnitř komory. Tradiční transparentní materiály, jako je křemenné sklo a oxid hlinitý, snadno korodují v plazmovém prostředí-na bázi fluoru, což vede ke zdrsnění povrchu, snížené propustnosti a nemožnosti splnit požadavky dlouhodobého-používání. Transparentní keramika na bázi oxidu yttria má rozsah propustnosti od ultrafialového po infračervené (0,29–8 μm), s přibližně 80% lineární propustností i ve vzdálené -infračervené oblasti. V kombinaci s jejich vynikající odolností proti plazmové korozi si udržují čistý povrch a stabilní průhlednost i po dlouhodobém-používání v plazmových prostředích na bázi fluoru-a chloru{12}}, neprodukují žádné korozivní úlomky ani krystalické nečistoty, čímž zajišťují kvalitu pozorování a zabraňují kontaminaci plátků.
03 Kompozitní keramické komponenty na bázi oxidu yttria
Vzhledem k relativně nízké mechanické pevnosti, vysoké obtížnosti slinování a vysokým nákladům na čistou keramiku na bázi oxidu yttria se v tomto odvětví používá hlavně kompozitní keramika na bázi dopovaného oxidu yttria-k dosažení rovnováhy mezi požadavky na výkon a efektivitou nákladů-. Například yttriumaluminium garnet (YAG), tvořený dotováním oxidu yttria určitým podílem oxidu hlinitého, má také kubickou krystalickou strukturu a stabilní chemické vlastnosti. Nepodléhá snadno prudkým chemickým reakcím s aktivními plyny v plazmatu (jako je fluor, chlor a další halogeny). V plazmových prostředích obsahujících fluor-produkuje ve srovnání s materiály jako Al₂O₃ méně fluoridových vedlejších produktů, čímž účinně snižuje kontaminaci částicemi a povrchovou korozi. Zároveň má YAG oproti čisté keramice z oxidu yttria vyšší tvrdost (tvrdost podle Mohse 8–8,5) a vynikající mechanickou pevnost, díky čemuž je vhodný pro součásti s určitými požadavky na mechanickou pevnost v leptadlech a lze jej použít i jako průhledný průhled.