Плазма јеткање и процеси чишћења су кључни кораци у производњи полупроводника. Како процесни чворови напредују до 7нм, 5нм и више, густина енергије плазме наставља да расте, а хемијска активност халогених гасова (на бази флуора-и на бази хлора-) постаје све агресивнија. Док се нагризају плочице, ове плазме такође неселективно и континуирано кородирају све изложене компоненте унутар коморе, укључујући зидове коморе, облоге, фокусне прстенове, плоче за дистрибуцију гаса, прозоре за приказ, итд. Ово не само да доводи до храпавости површине, губитка материјала и повећане учесталости застоја опреме због одржавања, већ такође узрокује губитак минуса и деградације делова. Стога је потрага за материјалима са већом отпорношћу на плазма корозију постала хитна потреба у области материјала полупроводничке опреме. Итријум оксид (И₂О₃) игра незаменљиву улогу у овом домену.
Зашто је итријум оксид незаменљив у полупроводничкој опреми?
У полупроводничкој опреми, алуминијум оксид (Ал₂О₃) је најчешће коришћени структурни керамички материјал. Има тачку топљења од 2050 степени, високу механичку чврстоћу, високу отпорност на хабање, одличну електричну изолацију и добру хемијску стабилност. Међутим, енергија везе Ал-О везе је око 498 кЈ/мол. Иако је отпоран на већину хемијских напада, у условима високо-енергетске плазме лако реагује са флуором да би формирао љускави слој флуорида који се лако љушти (АлФ₃). Овај слој се таложи и кристалише на површини, стварајући честице које се одвајају и контаминирају плочице, док континуирано троше заштитни слој.
Насупрот томе, итријум оксид (И₂О₃) има кубни кристални систем и тачку топљења до 2430 степени. Поред одличне електричне изолације и оптичке транспарентности, енергија И-О везе је чак 780 кЈ/мол. Показује изузетно ниску хемијску реактивност са халогенима (нарочито Ф и Цл). Када реагује са флуором, формира много стабилнији и гушћи ИФ₃ слој који није склон љуштењу. Ово не само да у великој мери смањује стварање честица, већ и ефикасно спречава даљи напад флуорне плазме на компоненте опреме (као што су зидови коморе за нагризање, главе туша, итд.), продужавајући радни век компоненти. У типичним окружењима плазме високе густине-на бази флуора-или хлора-, брзина нагризања И₂О₃ је типично само 1/20 до 1/50 у односу на Ал₂О₃. Штавише, И₂О₃ има тачку топљења од 2430 степени и може одржати структурни интегритет на високим температурама изнад 1750 степени без испарења или деформације, прилагођавајући се екстремним температурним условима плазма процеса. Његова запреминска отпорност прелази 10¹² Ω·цм, са малим диелектричним губицима, обезбеђујући стабилност високо-РФ поља и избегавајући одступања процеса узрокована лошим диелектричним својствима материјала.
Примена итријум оксида у полупроводничкој опреми
На основу основних својстава итријум оксида и у комбинацији са специфичним захтевима различитих компоненти полупроводничке опреме, његове примене у области полупроводника су углавном подељене у четири категорије:
01 Премази од итријум оксида
Пошто је итријум оксид, као реткоземни материјал, релативно скуп, већина комора или компоненти опреме за јеткање не користи чисту И₂О₃ керамику. Уместо тога, густи И₂О₃ премаз дебљине око 100–300 μм се наноси на површину легуре алуминијума или Ал₂О₃ супстрата (као што су облоге комора, фокусни прстенови, плоче за дистрибуцију гаса, итд.) коришћењем техника као што су распршивање плазме или физичко распршивање ПВД). Ово је тренутно најраспрострањенији облик премаза од итријум оксида у полупроводничкој опреми. Овај приступ балансира структурну чврстоћу основног материјала са површинском отпорношћу на корозију од И₂О₃, уз смањење трошкова. У напредним процесним чворовима од 7 нм и ниже, премази од итријум оксида постепено су постали индустријски стандард заштитне конфигурације, продужавајући главни циклус одржавања комора опреме за јеткање са неколико стотина сати на преко хиљаду сати, истовремено смањујући контаминацију честицама и значајно побољшавајући време рада опреме и принос плочице.
02 Провидни прозори за приказ итријум оксида
Прикази на опреми са полупроводничком плазмом су критичне компоненте за праћење услова процеса и обезбеђивање тачности процеса. Они захтевају не само одличну отпорност на корозију плазме, већ и добру оптичку транспарентност која омогућава оператерима да јасно посматрају обраду плочица унутар коморе. Традиционални провидни материјали попут кварцног стакла и глинице лако се кородирају у окружењима плазме на бази флуора{2}}, што доводи до храпавости површине, смањене пропустљивости и немогућности да се испуне захтеви за дуготрајну-употребу. Провидна керамика од итијум оксида има опсег трансмисије који покрива ултраљубичасто до инфрацрвено (0,29–8 μм), са око 80% линеарне пропустљивости чак и у далеком-инфрацрвеном региону. У комбинацији са својом одличном отпорношћу на корозију у плазми, они одржавају чисту површину и стабилну провидност чак и након-дуготрајне употребе у окружењима плазме на бази флуора-и хлора-, не производећи корозивне остатке или кристалне нечистоће, чиме се обезбеђују и квалитет посматрања и избегава контаминација плочица.
03 Композитне керамичке компоненте од итријум оксида
Због релативно ниске механичке чврстоће, велике потешкоће при синтеровању и високе цене керамике од чистог итријум оксида, индустрија углавном користи композитну керамику на бази допираног итијум оксида- како би уравнотежила захтеве перформанси и исплативости{1}}. На пример, итријум алуминијум гранат (ИАГ), формиран допирањем итријум оксида са одређеним уделом алуминијум оксида, такође има кубичну кристалну структуру и стабилна хемијска својства. Не подлеже лако насилним хемијским реакцијама са активним гасовима у плазми (као што су флуор, хлор и други халогени). У окружењима плазме која садржи флуор-, у поређењу са материјалима као што је Ал₂О₃, производи мање нуспроизвода флуорида, ефикасно смањујући контаминацију честицама и површинску корозију. Истовремено, у поређењу са чистом итријум оксидном керамиком, ИАГ има већу тврдоћу (тврдоћа по Мохсу 8–8,5) и одличну механичку чврстоћу, што га чини погодним за компоненте са одређеним захтевима за механичку чврстоћу у гравирањима, а може се користити и као провидни прозор за приказ.