V modernom leptaní polovodičov, nanášaní tenkých{0}}vrstvov a iných zariadeniach dnes pokročilé keramické materiály postupne nahrádzajú tradičné kovy a polyméry vďaka ich vynikajúcej odolnosti voči vysokým-teplotám, korózii, vysokej izolácii a vysokej tvrdosti. Stali sa nepostrádateľným materiálom pre komponenty, ako sú elektrostatické skľučovadlá, vložky komôr, ohrievače, robotické ramená a presné vodiace lišty pre litografické stroje. Pri procesoch plazmového leptania zaostrovací krúžok – kritický spotrebný materiál umiestnený bezprostredne vedľa okraja plátku – priamo ovplyvňuje rovnomernosť leptania a výťažok čipu prostredníctvom výberu materiálu. Ako sa procesné okná stále zužujú, dva typy ultra{5}}tvrdej keramiky, karbid kremíka (SiC) a karbid bóru (B₄C), postupne nahrádzajú tradičné kremenné a kremíkové materiály a stávajú sa kľúčovými smermi vývoja pre špičkové -fokusačné prstence.
Čo je to zaostrovací krúžok?
Zaostrovací krúžok, tiež známy ako zadržiavací krúžok alebo okrajový krúžok, je prstencový presný komponent inštalovaný okolo podstavca plátku v systéme plazmového leptania. Počas plazmového leptania sa zaostrovací krúžok nachádza hneď vedľa okraja plátku a je priamo vystavený plazmovému prostrediu s vysokou energiou-. Jeho základné funkcie sú:
(1) Plazmové zaostrovanie: Polovodičové leptanie sa spolieha na vysokoenergetickú plazmu na presné leptanie plátku. Avšak na okraji plátku má hustota plazmy tendenciu klesať v dôsledku okrajového efektu elektrického poľa. Vďaka precíznemu štrukturálnemu dizajnu a dielektrickým vlastnostiam zaostrovací krúžok obmedzuje a sústreďuje vysokoenergetickú plazmu- na oblasť plátku a nasmeruje ho tak, aby bombardoval povrch plátku v takmer vertikálnom uhle. To zaisťuje rovnomernejšiu distribúciu plazmy na plátku, znižuje rozdiely v leptaní medzi okrajom a stredom a zlepšuje jednotnosť procesu.
(2) Ochrana komory a presných komponentov: Počas leptania vysokoenergetická plazma a vysoko korozívne leptacie plyny (CF₄, Cl₂, NF₃ atď.) nepretržite bombardujú a korodujú vnútorné komponenty komory. Zaostrovací krúžok pôsobí ako prvá bariéra, ktorá chráni presné súčasti jadra pod nimi, ako je elektrostatické skľučovadlo a elektródy, pred priamym vystavením plazmovým a korozívnym plynom, čím sa znižuje fyzikálne bombardovanie a poškodenie chemickou koróziou a predlžuje sa životnosť komponentov jadra.
Materiálové požiadavky na ohniskové krúžky a aplikačné výhody pokročilej keramiky
Zaostrovací krúžok môže byť nepretržite vystavený vysokofrekvenčnej plazme počas niekoľkých hodín až desiatok hodín v jedinom procese leptania, pričom čelí vysokohustotnému bombardovaniu plazmou, korozívnym plynom na báze fluóru- alebo chlóru- a častým vysoko-nízkoteplotným tepelným cyklom, pričom je tiež v priamom kontakte s plátkom. To si vyžaduje, aby materiály súčasne spĺňali prísne požiadavky: extrémna odolnosť proti erózii plazmou, vynikajúca tepelná stabilita a odolnosť proti tepelným šokom, nízke riziko kontaminácie nečistotami, vynikajúce mechanické vlastnosti a prispôsobené elektrické vlastnosti. V minulosti sa ohniskové krúžky vyrábali najmä z kremeňa a kremíka. Ako sa však procesy leptania posúvajú smerom k vyššej sile, obmedzenia tradičných materiálov sú čoraz zreteľnejšie:
Kremenné krúžky: Nízka cena a dobrá stabilita vo vysoko-elektrických poliach s vynikajúcou elektrickou izoláciou. Majú však nízku tvrdosť (tvrdosť podľa Mohsa 7), slabú odolnosť voči iónovému rozprašovaniu, maximálnu prevádzkovú teplotu pod 1100 stupňov, náchylnosť na deformáciu pri vysokých teplotách, vysokú rýchlosť erózie v plazme-obsahujúcej fluór a vysoké riziko zrážania nečistôt. Sú vhodné iba pre nízko-až{7}}stredné-leptacie zariadenia RIE pre uzly nad 28 nm a nemôžu spĺňať požiadavky pokročilých procesov na nízku kontamináciu a dlhú životnosť.
Kremíkové krúžky: Dobre{0}}zladený koeficient tepelnej rozťažnosti a elektrické vlastnosti s kremíkovými doštičkami a odolnosť voči vysokej teplote až do 1600 stupňov , čo umožňuje rovnomernú distribúciu plazmy. Majú však tiež nízku odolnosť voči erózii plazmy s obsahom fluóru-, ľahko vytvárajúci prchavý SiF₄, čo vedie k vysokej spotrebe a častej výmene, čo spôsobuje kolísanie procesov a straty spôsobené prestojmi. Sú vhodné len pre tradičné low-až{6}}stredné-procesy.
V tomto kontexte sa do pohľadu výrobcov polovodičových zariadení dostala pokročilá keramika, ako je oxid hlinitý (Al₂O₃), karbid kremíka (SiC) a karbid bóru (B₄C), ktorý sa postupne stáva bežnou voľbou pre špičkové -fokusačné prstence.
(1) Oxid hlinitý (Al₂O3): Oxid hlinitý je jednou z prvých keramických materiálov používaných v polovodičových zariadeniach, typicky s čistotou nad 99,5 % a vysokokvalitné produkty môžu dosiahnuť 99,9 %. Proces jeho prípravy je zrelý, využíva beztlakové spekanie alebo spekanie lisovaním za tepla, s výrazne nižšími nákladmi ako SiC a B₄C. Ako zaostrovací krúžok ponúka vysokú tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu, čím znižuje kontamináciu časticami z opotrebovania. V plazme na báze fluóru- alebo chlóru-vytvára stabilnú pasivačnú vrstvu AlF3 alebo AlCl3, ktorá poskytuje dobrú odolnosť voči plazmovému rozprašovaniu. Je vhodný pre procesy leptania so strednou{10}}výkonnou{11}}hustotou a relatívne dlhou životnosťou. Okrem toho sú jeho dielektrické vlastnosti stabilné s dobrou izoláciou, účinne izolujú elektrické pole a vyhýbajú sa interferencii s elektrostatickým skľučovadlom. Avšak pri vysokej teplote a vysokom prietoku fluóru sa pasivačná vrstva AlF3 môže odlupovať a stať sa zdrojom kontaminácie. Jeho koeficient tepelnej rozťažnosti (CTE) je navyše približne 7,0 × 10⁻⁶/K, čo sa výrazne líši od koeficientu kremíka (približne 2,6 × 10⁻⁶/K), čo môže spôsobiť zmeny rozmerov pri vysokých teplotách a ovplyvniť presnosť zarovnania s plátkom, čo obmedzuje jeho použitie v scenári s vysokou{19}}20⁻⁻⁶{20}}malou{1}
(2) Karbid kremíka (SiC): Zaostrovacie krúžky SiC sa v posledných rokoch stali bežnou inováciou pre špičkové-leptače. Ich tvrdosť podľa Mohsa je až 9,5, pevnosť v ohybe zostáva na hodnote 500-600 MPa aj pri 1400 stupňoch a ich CTE (4×10⁻⁶/stupeň) sa blíži ku kremíkovým doštičkám, čo zaisťuje stabilné medzery pri vysokých teplotách. Majú vynikajúcu odolnosť proti tepelným šokom, vydržia rýchle tepelné cykly a pomáhajú optimalizovať rovnomernosť hrán. Ešte dôležitejšie je, že vykazujú vynikajúcu odolnosť proti erózii voči Ar, F, Cl a iným plazmám - najmä vo fluórových plazme, kde je rýchlosť erózie takmer nulová. V porovnaní s oxidom hlinitým ponúkajú dlhšiu životnosť a výrazne zlepšujú celkovú efektivitu zariadenia (OEE). Ohniskové krúžky SiC možno vyrábať beztlakovým spekaním, lisovaním za tepla alebo chemickým nanášaním pár (CVD). CVD-vyrobený vysoko čistý SiC môže dosiahnuť čistotu nad 99,9995 %, vďaka čomu je vhodný pre bežné pokročilé procesy od 5nm do 28nm.
(3) Karbid bóru (B₄C): B₄C je dôležitým kandidátskym materiálom v mnohých inžinierskych aplikáciách. Už v roku 2022 spoločnosť Samsung Electronics vykonávala výskum a vývoj na zaostrovacích prstencoch B₄C. Začiatkom tohto roka laboratórium Hubei Longzhong úspešne vyvinulo prvý čínsky keramický zaostrovací krúžok B₄C. V porovnaní s bežnými zaostrovacími krúžkami SiC ponúka o 30 % vyššiu odolnosť proti erózii, životnosť presahujúcu 30 dní, znižuje náklady na proces leptania približne o 20 %, zlepšuje efektivitu výroby čipu a priepustnosť pri zachovaní vynikajúcej tepelnej stability a mechanických vlastností – dosahuje špičkovú svetovú-technológiu.