W miarę postępu procesów produkcji chipów w kierunku bardziej krytycznych węzłów, wymagania dotyczące wydajności materiałów na sprzęt półprzewodnikowy stale rosną. W dziedzinie sprzętu do trawienia następuje subtelna zmiana: od dawna-powszechnie używany tlenek glinu (Al₂O₃) jest stopniowo zastępowany tlenkiem itru (Y₂O₃).
To ulepszenie nie jest prostą substytucją materiału, ale nieuniknionym wynikiem wyższych wymagań w zakresie czystości, stabilności i żywotności sprzętu narzuconych przez zaawansowane procesy. Zatem przed jakimi wyzwaniami stoi tlenek glinu i jakie zalety sprawiają, że tlenek itru jest nowym wyborem?
Dlaczego materiały ceramiczne są niezbędne w sprzęcie do trawienia?
Trawienie na sucho jest jednym z najważniejszych procesów w produkcji chipów. Komora trawienia jest zazwyczaj wypełniona reaktywnymi gazami, takimi jak CF₄, SF₆, Cl₂ i HBr, które tworzą wysoce aktywne środowisko plazmy w polu elektrycznym o częstotliwości radiowej.
Podczas tego procesu jony-o wysokiej energii nieustannie bombardują ściany komory i powierzchnie komponentów, czemu towarzyszy złożona korozja chemiczna i szok termiczny. W przypadku elementów takich jak wykładziny komór, głowice prysznicowe, pierścienie ogniskujące i okienka materiał musi nie tylko wykazywać doskonałą odporność na korozję i erozję, ale także minimalizować uwalnianie cząstek i zanieczyszczenie.
Powód jest prosty: jeśli jakakolwiek cząstka spadnie na powierzchnię wafla, może spowodować defekty, a nawet zeskrobanie całego wafla. W miarę zmniejszania się węzłów technologicznych wymagania dotyczące czystości materiałów stosowanych w urządzeniach stają się coraz bardziej rygorystyczne.
Jakie są ograniczenia tlenku glinu?
Dzięki dojrzałej technologii, niskiemu kosztowi i dobrym właściwościom mechanicznym tlenek glinu od dawna jest dominującym materiałem ceramicznym w sprzęcie półprzewodnikowym. Jednakże w miarę jak procesy postępują w bardziej krytycznych węzłach, widoczne stają się ograniczenia tlenku glinu w środowiskach plazmowych.
W plazmie-zawierającej fluor tlenek glinu reaguje z aktywnymi formami fluoru, tworząc fluorek glinu (AlF₃) i inne produkty. Te produkty uboczne-reakcji mogą się osadzać, łuszczyć i stać się źródłem zanieczyszczenia cząstkami. Tymczasem sam tlenek glinu ulega stopniowej erozji pod wpływem-długoterminowego bombardowania plazmą, skracając żywotność komponentów.
W przypadku dojrzałych węzłów procesowych problemy te można zazwyczaj rozwiązać poprzez skrócenie okresów międzyobsługowych. Jednakże w miarę zmniejszania się krytycznych wymiarów urządzenia tolerancja na zanieczyszczenia cząstkami stałymi i metalami znacznie spada, a śladowe zanieczyszczenia uwalniane z materiałów komory mogą wpływać na wydajność produktu.
Dlaczego Yttria zyskuje przychylność?
Wśród wielu kandydatów na materiał itr stopniowo wyróżniał się. W porównaniu z tlenkiem glinu tlenek itru zapewnia lepszą stabilność chemiczną w plazmach-na bazie halogenów. Kiedy reaguje z plazmą-zawierającą fluor, powstająca warstwa fluorku itru (YF₃) jest dość stabilna i może tworzyć powłokę ochronną, która spowalnia dalszą korozję.
Ponadto itr zazwyczaj wykazuje niższą szybkość trawienia plazmowego. Badania i zastosowania przemysłowe pokazują, że w tych samych warunkach szybkość erozji itru jest znacznie niższa niż w przypadku tlenku glinu, co skutecznie wydłuża żywotność komponentów oraz zmniejsza częstotliwość konserwacji sprzętu i przestoje.
Co więcej, tlenek itru zachowuje dobrą stabilność strukturalną w wysokich temperaturach i nie pęka ani nie odpryskuje łatwo-pod wpływem długotrwałych cykli termicznych, co jest również ważne dla kontrolowania zanieczyszczenia cząstkami.
Od powłok po ceramikę masową: dwie drogi aplikacji itru
Obecnie istnieją dwie główne drogi techniczne zastosowania tlenku itru w sprzęcie półprzewodnikowym. Z punktu widzenia rozwoju przemysłu szlaki te nie wykluczają się wzajemnie; odpowiadają one różnym scenariuszom zastosowań i wymaganiom kosztowym.
(1) Powłoki itrowe:Warstwa itru jest osadzana na stopie aluminium lub podłożu ceramicznym z tlenku glinu w procesach takich jak natryskiwanie plazmowe, poprawiając w ten sposób odporność elementu na plazmę. To podejście jest stosunkowo dojrzałe, można je zastosować do części-o skomplikowanych kształtach, a koszty są przystępne do zarządzania, co czyni je obecnie najczęściej stosowaną formą. Elementy takie jak wykładziny komór, głowice prysznicowe i przegrody są często pokrywane takimi powłokami.
(2) Ceramika itrowa luzem:Proszek itru-o wysokiej czystości jest bezpośrednio spiekany w celu wytworzenia elementów ceramicznych bez konieczności stosowania innych materiałów podłoża. W porównaniu z powłokami ceramika itrowa w masie zapewnia bardziej jednolitą mikrostrukturę i doskonałą odporność na plazmę, ale trudność spiekania, złożoność przetwarzania i koszty produkcji są znacznie wyższe.
Krajowa produkcja itru wciąż stoi przed wieloma wyzwaniami
Chociaż zalety itru są powszechnie znane, jego industrializacja napotyka duże bariery. W przypadku zastosowań natryskowych podstawowym surowcem jest proszek itru-o wysokiej czystości. Produkt musi osiągać wyjątkowo wysoką czystość, stabilny rozkład wielkości cząstek, dobrą kulistość i stałą jakość partii, aby spełnić wymagania dotyczące podawania i topienia proszku w przypadku natryskiwania termicznego.
Jednocześnie kontrola parametrów natrysku, porowatości powłoki, optymalizacja siły wiązania i późniejsze procesy uszlachetniania powierzchni bezpośrednio wpływają na wydajność produktu końcowego.
W dziedzinie ceramiki itrowej luzem, ponieważ sam materiał jest trudny do spiekania i kosztowny w obróbce, stawiane są wyższe wymagania w zakresie przygotowania, formowania, spiekania i precyzyjnego przetwarzania proszku.