等离子刻蚀技术是超大规模集成电路制备工艺中不可或缺加工技术。随着半导体晶体管尺寸急剧减小和卤素类等离子体能量增高,晶圆的污染问题越来越突出。对于在晶圆加工过程中,在高密度等离子条件下,等离子刻蚀设备腔体内的材料的耐等离子腐蚀的能力要求也越来越苛刻。新一代蚀刻技术需要更加强劲可靠的材料,以解决等离子体腐蚀、微粒产生、金属污染和氧气分解等问题。艾邦建有半导体陶瓷产业交流群,欢迎产业链上下游的企业进入:

一、陶瓷是等离子刻蚀设备部件的关键材料

相对于有机材料和金属材料,陶瓷材料一般都具有较好的耐物理和化学腐蚀性能以及很高的工作温度,因而在半导体工业中,陶瓷材料已成为半导体晶圆加工设备的核心部件制造材料。等离子刻蚀设备应用陶瓷材料的部件主要有视窗镜、聚焦环、静电卡盘、喷嘴、腔体、气体分散盘等。

图  等离子体刻蚀设备的结构示意图
刻蚀机腔体内耐等离子刻蚀陶瓷材料的主要特点是:
①纯度高,金属杂质含量少;
②主要组成成分化学性质稳定,特别是与卤素类腐蚀性气体的化学反应速率要低;
③致密度高,开口气孔少;
④晶粒细小,晶界相含量少;
⑤具有优良的机械性能,便于生产加工;
⑥某些部件可能还有其他性能要求,如良好的介电性能、导电性或导热性等。
图  等离子刻蚀设备中的陶瓷部件,来源:京瓷
在等离子环境中,陶瓷材料的选择取决于核心部件所处的工作环境以及对制程产品的品质要求,如耐等离子刻蚀性能、电性能、绝缘性等。

二、陶瓷在等离子刻蚀设备核心部件应用

1、腔体

刻蚀机腔室材料作为晶圆污染的主要来源,等离子刻蚀对其影响程度决定了晶圆的良率、质量、刻蚀工艺的稳定性等等。高纯氧化铝陶瓷是一种很好的耐等离子腐蚀材料,作为腔室材料可提供可靠的等离子体阻抗。
图  钟形汽室、腔,图源京瓷
然而,等离子刻蚀机设备中的氧化铝陶瓷腔体属于大型尺寸陶瓷,这种大型尺寸且超高纯度氧化铝陶瓷的生产,存在容易变形、开裂、难于烧结致密等问题。要获得高致密、高纯度的氧化铝陶瓷,对粉体的纯度、制备工艺具有较高要求。

2、聚焦环

聚焦环旨在提高晶圆边缘或周边周围的蚀刻均匀性,将晶圆固定到位以保持等离子体密度并防止晶圆侧面受到污染。当与静电吸盘一起使用时,晶圆放置在聚焦环上,由静电荷固定到位。由于聚焦环在真空反应室内会直接接触等离子体,因此,需要采用耐等离子体腐蚀的材料,同时还需要具有与硅晶圆相近的电导率。聚焦环的材质有导电硅和碳化硅。
图  硅聚焦环,图源盾源聚芯
导电硅作为一种常用的聚焦环材料,它与硅晶圆的电导率几乎接近,但不足是在含氟等离子体中耐刻蚀性差,刻蚀机部件材料常常使用一段时间后就会出现严重腐蚀的现象,严重降低其生产效率。碳化硅具有与硅相似的电导率、良好的耐离子刻蚀性能,适用于聚焦环材料。
图  碳化硅聚焦环,图源CoorsTek
通常聚焦环是通过气相沉积的方法将化学反应生成的碳化硅沉积成一定的形状,然后根据具体使用条件,将呈一定形状的碳化硅进行机械加工生成聚焦环。

3、静电卡盘(ESC)

晶片在刻蚀的整个过程中是被下电极系统中的静电卡盘(ESC)吸附固定住的,并且向静电卡盘通入射频RF,这样射频RF会在晶片上形成DC bias(直流偏压)。这样促成等离子体对晶片的刻蚀反应。同时,静电卡盘会对晶片实现温度控制,以促进晶片刻蚀的均匀性。静电卡盘内部主要由介电层、基座以及加热层组成。氧化铝和氮化铝因其热导率高,热膨胀系数低,常用于制作静电卡盘的介电层材料。
图  静电卡盘,图源海拓

4、视窗镜

刻蚀机的视窗镜对材料透光率、耐刻蚀性要求较高,当视窗镜的耐刻蚀性能较差时,视窗镜表面易变模糊。氧化钇是一种可见光范围内透明的陶瓷材料,具有较高的透光率,可用作等离子刻蚀设备的视窗镜材料。但是氧化钇陶瓷具有烧结性能差,生产成本高,且机械性能较差,难加工的缺点,通过对氧化钇陶瓷加入一定量的氧化铝形成钇铝石榴石(YAG)复合材料,其透光率和耐刻蚀性表现优异,且具有较好的机械性能,是比较理想的替代材料。

5、喷嘴

喷嘴用于精确的气体流速和均匀控制,以将气体均匀地分散到蚀刻工艺室中。这些组件需要高等离子耐受性、介电强度以及对工艺气体和副产品的强耐腐蚀性。通常采用的陶瓷材料有氮化铝陶瓷和氧化铝陶瓷。目前还可通过陶瓷3D打印技术生产刻蚀腔内的陶瓷喷嘴,提升产品制造效率和使用稳定性。
图 刻蚀设备用喷嘴,图源CoorsTek
相关陶瓷零部件供应商有:京瓷、CoorsTek、苏州珂玛、上海卡贝尼、商德等等,这里就不一一列举,以后再给大家做详细介绍。艾邦建有半导体陶瓷产业交流群,欢迎产业链上下游的企业进入:

推荐活动:【邀请函】2024年半导体陶瓷产业论坛(2024年4月12日·泉州)

2024年半导体陶瓷产业论坛

The  Semiconductor Ceramics Industry Forum

2024年4月12日
泉州·泉商希尔顿酒店

福建省泉州市晋江市滨江路999号

主办单位:深圳市艾邦智造资讯有限公司
协办单位:福建华清电子材料科技有限公司
媒体支持:艾邦半导体网、艾邦陶瓷展、陶瓷科技视野
 
一、暂定议题
 

序号

暂定议题

拟邀请企业

1

半导体设备及陶瓷零部件的现状及发展趋势

拟邀请陶瓷零部件企业/高校研究所

2

半导体用高超精密陶瓷部件研制与应用

拟邀请陶瓷零部件企业/高校研究所

3

半导体引线键合用陶瓷劈刀制备技术

拟邀请劈刀企业/高校研究所

4

大功率电力电子器件用陶瓷封装基板的研究进展

拟邀请陶瓷基板企业/高校研究所

5

第三代功率半导体封装用AMB陶瓷覆铜基板

拟邀请AMB企业/高校研究所

6

多孔陶瓷的研究进展及在半导体领域的应用

拟邀请多孔陶瓷企业/高校研究所

7

LTCC技术在半导体晶圆探针卡中的应用

拟邀请探针卡企业/高校研究所

8

CVD用绝缘高导热氮化铝陶瓷加热器的研发

拟邀请陶瓷加热盘企业/高校研究所

9

耐等离子腐蚀的氧化钇陶瓷的开发与应用

拟邀请氧化钇陶瓷企业/高校研究所

10

高强度高耐磨的氮化硅陶瓷材料的开发

拟邀请氮化硅陶瓷企业/高校研究所

11

碳化硅陶瓷结构件在集成电路制造关键装备中的应用

拟邀请碳化硅陶瓷企业/高校研究所

12

半导体装备用陶瓷静电卡盘关键技术

拟邀请静电卡盘企业/高校研究所

13

高纯氧化铝陶瓷制备工艺及其在半导体领域的应用

拟邀请氧化铝陶瓷企业/高校研究所

14

真空钎焊设备在半导体领域的应用

拟邀请真空钎焊企业/高校研究所

15

高精度复杂形状碳化硅陶瓷制备工艺研究

拟邀请碳化硅陶瓷企业/高校研究所

16

半导体设备用陶瓷的成型工艺技术

拟邀请成型设备企业/高校研究所

17

高强度氮化硅粉体制备工艺技术及产业化

拟邀请氮化硅粉体企业/高校研究所

18

高性能氮化铝粉体连续式生产关键工艺技术

拟邀请氮化铝粉体企业/高校研究所

19

覆铜陶瓷基板的失效机理分析及可靠性设计

拟邀请陶瓷基板企业/高校研究所

20

特种陶瓷高温烧结工艺技术

拟邀请热工装备企业/高校研究所

21

半导体设备用陶瓷零部件表面处理技术

拟邀请表面处理/陶瓷零部件企业

演讲及赞助请联系李小姐:18124643204(同微信)
二、报名方式
 
 

报名方式1:加微信
李小姐:18124643204(同微信)
邮箱:lirongrong@aibang.com
注意:每位参会者均需要提供信息;
报名方式2:长按二维码扫码在线登记报名
 

或者复制网址到浏览器后,微信注册报名:
https://www.aibang360.com/m/100184
点击阅读原文,即可在线报名!

一颗芯片的制造工艺非常复杂,需经过几千道工序,加工的每个阶段都面临难点。欢迎加入艾邦半导体产业微信群:

长按识别二维码关注公众号,点击下方菜单栏左侧“微信群”,申请加入群聊

作者 d