Plazma jetkanje i procesi čišćenja su ključni koraci u proizvodnji poluvodiča. Kako procesni čvorovi napreduju do 7nm, 5nm i dalje, gustina energije plazme nastavlja da raste, a hemijska aktivnost halogenih gasova (na bazi fluora-i na bazi hlora-) postaje sve agresivnija. Tokom jetkanja pločica, ove plazme takođe neselektivno i kontinuirano korodiraju sve izložene komponente unutar komore, uključujući zidove komore, obloge, fokusne prstenove, ploče za distribuciju gasa, prozore za prikaz, itd. Ovo ne samo da dovodi do hrapavosti površine, gubitka materijala i povećane učestalosti zastoja opreme za održavanje, već takođe uzrokuje gubitak minusa i degradacije delova. Stoga je potraga za materijalima veće otpornosti na plazma koroziju postala hitna potreba u oblasti materijala za poluvodičku opremu. Itrijum oksid (Y₂O₃) igra nezamjenjivu ulogu u ovoj domeni.
Zašto je itrijum oksid nezamjenjiv u poluvodičkoj opremi?
U poluvodičkoj opremi, aluminij oksid (Al₂O₃) je najčešće korišteni strukturni keramički materijal. Ima tačku topljenja od 2050 stepeni, visoku mehaničku čvrstoću, visoku otpornost na habanje, odličnu električnu izolaciju i dobru hemijsku stabilnost. Međutim, energija veze Al-O veze je oko 498 kJ/mol. Iako je otporan na većinu hemijskih napada, u uslovima visoko-energetske plazme lako reaguje sa fluorom da bi formirao ljuskavi sloj fluorida koji se lako ljušti (AlF₃). Ovaj sloj se taloži i kristalizira na površini, stvarajući čestice koje se odvajaju i kontaminiraju oblatne, dok kontinuirano troše zaštitni sloj.
Nasuprot tome, itrijum oksid (Y₂O₃) ima kubni kristalni sistem i tačku topljenja čak 2430 stepeni. Pored odlične električne izolacije i optičke prozirnosti, energija Y-O veze iznosi čak 780 kJ/mol. Pokazuje izuzetno nisku hemijsku reaktivnost sa halogenima (posebno F i Cl). Kada reaguje sa fluorom, formira mnogo stabilniji i gušći sloj YF₃ koji nije sklon ljuštenju. Ovo ne samo da značajno smanjuje stvaranje čestica, već i efikasno sprečava dalji napad fluorne plazme na komponente opreme (kao što su zidovi komore za jetkanje, glave tuša, itd.), produžavajući radni vek komponenti. U tipičnim okruženjima plazme visoke gustine-na bazi fluora-ili hlora-, stopa nagrizanja Y₂O₃ je tipično samo 1/20 do 1/50 od Al₂O₃. Nadalje, Y₂O₃ ima tačku topljenja od 2430 stepeni i može održati strukturni integritet na visokim temperaturama iznad 1750 stepeni bez isparavanja ili deformacije, prilagođavajući se ekstremnim temperaturnim uslovima plazma procesa. Njegova zapreminska otpornost prelazi 10¹² Ω·cm, sa malim dielektričnim gubicima, osiguravajući stabilnost visoko-RF polja i izbjegavajući odstupanja procesa uzrokovana lošim dielektričnim svojstvima materijala.
Primjena itrijum oksida u poluvodičkoj opremi
Na osnovu osnovnih svojstava itrijum oksida i u kombinaciji sa specifičnim zahtjevima različitih komponenti poluvodičke opreme, njegove primjene u oblasti poluvodiča uglavnom su podijeljene u četiri kategorije:
01 Premazi od itrijum oksida
Budući da je itrijum oksid, kao rijetka zemlja, relativno skup, većina komora ili komponenti opreme za jetkanje ne koristi čistu Y₂O₃ keramiku. Umjesto toga, gusti Y₂O₃ premaz debljine oko 100-300 μm se nanosi na površinu legure aluminija ili Al2O₃ supstrata (kao što su obloge komora, fokusni prstenovi, ploče za distribuciju plina, itd.) korištenjem tehnika kao što su raspršivanje plazme ili fizičko raspršivanje PVD). Ovo je trenutno najrasprostranjeniji oblik prevlake itrij oksida u poluvodičkoj opremi. Ovaj pristup uravnotežuje strukturnu čvrstoću osnovnog materijala sa površinskom otpornošću na koroziju od Y₂O₃, uz smanjenje troškova. U naprednim procesnim čvorovima od 7nm i niže, premazi od itrijum oksida postepeno su postali industrijski standard zaštitne konfiguracije, produžujući glavni ciklus održavanja komora opreme za jetkanje sa nekoliko stotina sati na više od hiljadu sati, dok smanjuju kontaminaciju česticama i značajno poboljšavaju vrijeme rada opreme i prinos pločice.
02 Prozirni okviri za prikaz itrijum oksida
Prikazi na opremi sa poluvodičkom plazmom su kritične komponente za praćenje uslova procesa i osiguravanje tačnosti procesa. Oni zahtijevaju ne samo odličnu otpornost na koroziju plazme, već i dobru optičku transparentnost koja omogućava operaterima da jasno promatraju obradu pločica unutar komore. Tradicionalni prozirni materijali poput kvarcnog stakla i glinice lako se korodiraju u okruženjima plazme na bazi fluora-, što dovodi do hrapavosti površine, smanjene propusnosti i nemogućnosti ispunjavanja zahtjeva za dugotrajnu-upotrebu. Prozirna keramika od itrijum oksida ima opseg transmisije koji pokriva ultraljubičasto do infracrveno (0,29–8 μm), sa oko 80% linearne propustljivosti čak i u dalekoj-infracrvenoj regiji. U kombinaciji sa svojom odličnom otpornošću na koroziju plazme, oni održavaju čistu površinu i stabilnu prozirnost čak i nakon-dugotrajne upotrebe u okruženjima plazme na bazi fluora-i klora-, ne proizvodeći korozivne ostatke ili kristalne nečistoće, čime se osigurava kvalitet posmatranja i izbjegava kontamin na pločice.
03 Kompozitne keramičke komponente od itrijum oksida
Zbog relativno niske mehaničke čvrstoće, velike poteškoće pri sinteriranju i visoke cijene keramike čistog itrijum oksida, industrija uglavnom koristi kompozitnu keramiku na bazi dopiranog itrijum oksida- kako bi uravnotežila zahtjeve performansi i isplativosti{1}}. Na primjer, itrijum aluminij granat (YAG), nastao dopiranjem itrijum oksida određenim udjelom aluminij oksida, također ima kubičnu kristalnu strukturu i stabilna hemijska svojstva. Ne podliježe lako nasilnim kemijskim reakcijama s aktivnim plinovima u plazmi (kao što su fluor, hlor i drugi halogeni). U okruženjima plazme koja sadrži fluor-, u poređenju sa materijalima kao što je Al₂O₃, proizvodi manje nusproizvoda fluorida, efikasno smanjujući kontaminaciju česticama i površinsku koroziju. Istovremeno, u poređenju sa čistom itrijum oksidnom keramikom, YAG ima veću tvrdoću (tvrdoća po Mohsu 8–8,5) i odličnu mehaničku čvrstoću, što ga čini pogodnim za komponente sa određenim zahtevima za mehaničku čvrstoću u nagrizanjima, a može se koristiti i kao transparentni prozor za prikaz.