Plasmaätz- und Reinigungsprozesse sind zentrale Schritte in der Halbleiterfertigung. Mit der Weiterentwicklung der Prozessknoten auf 7 nm, 5 nm und darüber hinaus nimmt die Plasmaenergiedichte weiter zu und die chemische Aktivität von Halogengasen (auf Fluor-- und Chlor--Basis) wird immer aggressiver. Während sie Wafer ätzen, korrodieren diese Plasmen auch wahllos und kontinuierlich alle freiliegenden Komponenten in der Kammer, einschließlich der Kammerwände, Auskleidungen, Fokusringe, Gasverteilungsplatten, Sichtfenster usw. Dies führt nicht nur zu Oberflächenaufrauhungen, Materialverlust und häufigeren Ausfallzeiten der Geräte wegen Wartung, sondern führt auch zu Wafer-Kontamination und Ertragsverlusten aufgrund abgelöster Partikel. Daher ist die Suche nach Materialien mit höherer Beständigkeit gegen Plasmakorrosion zu einem dringenden Bedarf im Bereich der Materialien für Halbleiterausrüstungen geworden. Yttriumoxid (Y₂O₃) spielt in diesem Bereich eine unersetzliche Rolle.
Warum ist Yttriumoxid in Halbleitergeräten unersetzlich?
In Halbleitergeräten ist Aluminiumoxid (Al₂O₃) das am häufigsten verwendete Strukturkeramikmaterial. Es hat einen Schmelzpunkt von 2050 Grad, eine hohe mechanische Festigkeit, eine hohe Verschleißfestigkeit, eine ausgezeichnete elektrische Isolierung und eine gute chemische Stabilität. Allerdings beträgt die Bindungsenergie der Al-O-Bindung etwa 498 kJ/mol. Obwohl es den meisten chemischen Angriffen widersteht, reagiert es unter hochenergetischen Plasmabedingungen leicht mit Fluor und bildet eine flockige, leicht abplatzende Fluoridschicht (AlF₃). Diese Schicht lagert sich auf der Oberfläche ab und kristallisiert, wodurch Partikel entstehen, die die Wafer ablösen und verunreinigen und gleichzeitig die Schutzschicht kontinuierlich aufbrauchen.
Im Gegensatz dazu hat Yttriumoxid (Y₂O₃) ein kubisches Kristallsystem und einen Schmelzpunkt von bis zu 2430 Grad. Zusätzlich zur hervorragenden elektrischen Isolierung und optischen Transparenz beträgt die Y-O-Bindungsenergie bis zu 780 kJ/mol. Es weist eine äußerst geringe chemische Reaktivität mit Halogenen (insbesondere F und Cl) auf. Wenn es mit Fluor reagiert, bildet es eine viel stabilere und dichtere YF₃-Schicht, die nicht anfällig für Abplatzungen ist. Dies reduziert nicht nur die Partikelerzeugung erheblich, sondern verhindert auch wirksam einen weiteren Angriff von Fluorplasma auf Gerätekomponenten (wie Ätzkammerwände, Duschköpfe usw.) und verlängert so die Lebensdauer der Komponenten. In typischen Plasmaumgebungen auf Fluor--- oder Chlor---Basis mit hoher Dichte beträgt die Ätzrate von Y₂O₃ typischerweise nur 1/20 bis 1/50 der von Al₂O₃. Darüber hinaus hat Y₂O₃ einen Schmelzpunkt von 2430 Grad und kann die strukturelle Integrität bei hohen Temperaturen über 1750 Grad ohne Verflüchtigung oder Verformung aufrechterhalten und sich so an die extremen Temperaturbedingungen von Plasmaprozessen anpassen. Sein spezifischer Volumenwiderstand übersteigt 10¹² Ω·cm bei geringem dielektrischen Verlust, wodurch die Stabilität hochfrequenter HF-Felder gewährleistet und Prozessabweichungen aufgrund schlechter dielektrischer Eigenschaften von Materialien vermieden werden.
Anwendungen von Yttriumoxid in Halbleitergeräten
Basierend auf den Kerneigenschaften von Yttriumoxid und kombiniert mit den spezifischen Anforderungen verschiedener Halbleiterausrüstungskomponenten werden seine Anwendungen im Halbleiterbereich hauptsächlich in vier Kategorien unterteilt:
01 Yttriumoxid-Beschichtungen
Da Yttriumoxid als Seltenerdmaterial relativ teuer ist, verwenden die meisten Kammern oder Komponenten von Ätzgeräten keine reine Y₂O₃-Keramik. Stattdessen wird eine dichte Y₂O₃-Beschichtung mit einer Dicke von etwa 100–300 μm auf der Oberfläche von Aluminiumlegierungs- oder Al₂O₃-Substraten (wie Kammerauskleidungen, Fokusringen, Gasverteilungsplatten usw.) mithilfe von Techniken wie Plasmaspritzen oder physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden. Dies ist derzeit die am weitesten verbreitete Form der Yttriumoxidbeschichtung in Halbleitergeräten. Dieser Ansatz gleicht die strukturelle Festigkeit des Grundmaterials mit der Oberflächenkorrosionsbeständigkeit von Y₂O₃ aus und senkt gleichzeitig die Kosten. In fortschrittlichen Prozessknoten von 7 nm und darunter haben sich Yttriumoxidbeschichtungen nach und nach zur branchenüblichen Schutzkonfiguration entwickelt. Sie verlängern den Hauptwartungszyklus von Ätzanlagenkammern von einigen hundert Stunden auf über tausend Stunden, reduzieren gleichzeitig die Partikelkontamination und verbessern die Betriebszeit der Anlagen und die Waferausbeute deutlich.
02 Transparente Yttriumoxid-Ansichtsfenster
Sichtfenster an Halbleiterplasmageräten sind wichtige Komponenten für die Überwachung der Prozessbedingungen und die Gewährleistung der Prozessgenauigkeit. Sie erfordern nicht nur eine hervorragende Plasmakorrosionsbeständigkeit, sondern auch eine gute optische Transparenz, damit Bediener die Waferverarbeitung in der Kammer klar beobachten können. Herkömmliche transparente Materialien wie Quarzglas und Aluminiumoxid korrodieren in fluorbasierten Plasmaumgebungen leicht, was zu einer Aufrauung der Oberfläche, einer verringerten Durchlässigkeit und der Unfähigkeit führt, die langfristigen Nutzungsanforderungen zu erfüllen. Transparente Yttriumoxidkeramiken haben einen Transmissionsbereich von Ultraviolett bis Infrarot (0,29–8 μm), mit einer linearen Transmission von etwa 80 % selbst im Ferninfrarotbereich. In Kombination mit ihrer hervorragenden Plasmakorrosionsbeständigkeit behalten sie auch nach längerem Einsatz in Plasmaumgebungen auf Fluor- und Chlorbasis eine saubere Oberfläche und stabile Transparenz bei und erzeugen keine korrosiven Rückstände oder kristalline Verunreinigungen, wodurch sowohl die Beobachtungsqualität gewährleistet als auch eine Waferkontamination vermieden wird.
03 Yttriumoxid-Verbundkeramikkomponenten
Aufgrund der relativ geringen mechanischen Festigkeit, der hohen Sinterschwierigkeiten und der hohen Kosten reiner Yttriumoxidkeramik verwendet die Industrie hauptsächlich dotierte Verbundkeramiken auf Yttriumoxidbasis-, um Leistungsanforderungen und Kosteneffizienz in Einklang zu bringen. Beispielsweise weist Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), das durch Dotieren von Yttriumoxid mit einem bestimmten Anteil Aluminiumoxid entsteht, ebenfalls eine kubische Kristallstruktur und stabile chemische Eigenschaften auf. Es geht nicht leicht heftige chemische Reaktionen mit aktiven Gasen in Plasmen (wie Fluor, Chlor und anderen Halogenen) ein. In fluorhaltigen Plasmaumgebungen entstehen im Vergleich zu Materialien wie Al₂O₃ weniger Fluoridnebenprodukte, wodurch Partikelkontamination und Oberflächenkorrosion wirksam reduziert werden. Gleichzeitig weist YAG im Vergleich zu reiner Yttriumoxid-Keramik eine höhere Härte (Mohs-Härte 8–8,5) und eine hervorragende mechanische Festigkeit auf, wodurch es für Bauteile mit bestimmten mechanischen Festigkeitsanforderungen in Ätzern geeignet ist und auch als transparentes Sichtfenster verwendet werden kann.