等离子刻蚀设备陶瓷部件
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。
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：网络
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的应用
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，图源网络
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，图源网络
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，图源网络
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，图源网络
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，图源网络
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