Sprchová hlavica (tiež známa ako doska na distribúciu plynu alebo doska na homogenizáciu plynu) v zariadení na výrobu polovodičov slúži ako „srdce distribúcie plynu“ procesov v jadre, ako je leptanie, chemické nanášanie pár (CVD) a nanášanie atómovej vrstvy (ALD). Určuje rovnomernosť hrúbky naneseného filmu a konzistenciu rýchlosti leptania, čo priamo ovplyvňuje výťažnosť triesok. Jeho technické bariéry sú však extrémne vysoké a už dlho je monopolizovaný zámorskými výrobcami, pričom jedna jednotka stojí stovky tisíc RMB. Keďže procesné uzly sa naďalej zmenšujú na 7nm a menej, prostredie výroby čipov sa stáva čoraz náročnejším. Sprchové hlavice čelia vyšším teplotám (nad 600 stupňov), vyšším tlakom a intenzívnejším korozívnym plazmám (napr. plazmám na báze fluóru a chlóru), pričom súčasne vyžadujú bezprecedentné úrovne rovnomernosti distribúcie plynu a čistoty komory. Sprchové hlavice vyrobené z pokročilých keramických materiálov, ako je nitrid hliníka a karbid kremíka, využívajúce svoje hlavné výhody odolnosti voči vysokým teplotám, vysokej elektrickej izolácii, silnej odolnosti proti korózii a nízkej kontaminácii kovov, sa stali najlepšou voľbou pre sprchové hlavice s pokročilým procesom so značným potenciálom rastu trhu. Tento článok skúma aplikačné trendy keramických materiálov v tomto komponente na výrobu polovodičov.
1. Štruktúra a princíp fungovania sprchovej hlavice
Sprchová hlavica má zvyčajne kotúčový tvar. Jeho hlavné telo obsahuje vnútorný kanál na vyrovnávanie tlaku plynu optimalizovaný pomocou simulácií dynamiky tekutín a jeho spodný povrch je husto perforovaný tisíckami mikrootvorov. Vrchná časť je pripojená k prívodu plynu pre rôzne reaktívne plyny. Vezmime si ako príklad typickú CVD reakčnú komoru: po vstupe plynu rôzne reaktívne plyny difundujú a rozdeľujú sa cez vnútorné presné tlakové vyrovnávacie kanály, aby vytvorili rovnomerné koncentračné pole. Potom sú vertikálne vypudzované zo spodného povrchu sprchovej hlavice cez tisíce mikrónových priechodných otvorov spôsobom laminárneho prúdenia na povrch plátku, kde reagujú a vytvárajú tenký film. Ovplyvnením vzoru prúdenia plynu vo vnútri komory pomáha sprchová hlavica predchádzať turbulenciám a mŕtvym zónam. To nielen zaisťuje extrémnu rovnomernosť reaktívnych plynov na povrchu plátku, ale tiež zaisťuje, že vedľajšie produkty reakcie sú okamžite evakuované, čo umožňuje čerstvému plynu nepretržitý kontakt s povrchom plátku. V konečnom dôsledku to zaručuje rovnomernosť hrúbky filmu a konzistentnosť rýchlosti leptania, čím sa zaisťuje výťažnosť triesok.
2. Materiálový vývoj polovodičových sprchových hlavíc a aplikačné trendy keramických materiálov
Výber materiálu pre sprchovú hlavicu priamo určuje jej životnosť, odolnosť voči prostrediu a procesnú kompatibilitu. V súčasnosti spadajú polovodičové materiály sprchových hlavíc do troch hlavných kategórií, ktoré vyhovujú rôznym procesom a rozpočtom nákladov:
Kovové materiály vrátane zliatin hliníka, nehrdzavejúcej ocele, čistého niklu a zliatin na báze niklu. Spomedzi nich sú hliníkové zliatiny najpoužívanejšie pre konvenčné procesy (28 nm a viac) kvôli ich nízkej hmotnosti, dobrej tepelnej vodivosti a nízkej cene. Tvrdým eloxovaním je možné zlepšiť ich odolnosť proti korózii. Vo vysokoteplotnom a silnom plazmovom prostredí je však odolnosť matrice hliníkovej zliatiny voči plazmovému bombardovaniu obmedzená, čo vedie k poškodeniu povrchu alebo zhoršeniu výkonu. V súčasnosti v kritických procesoch, ako je extrémna ultrafialová (EUV) litografia a nanášanie atómovej vrstvy (ALD), zliatiny na báze niklu a zliatiny titánu postupne nahrádzajú hliníkové zliatiny vďaka ich vynikajúcej odolnosti voči plazmovému bombardovaniu a stabilite pri vysokých teplotách.
Materiály na báze kremíka, známe aj ako kremíkové elektródy, sú vyrobené z vysoko čistého monokryštalického kremíka. Materiál je vysoko čistý, nie je náchylný na uvoľňovanie nečistôt, čím sa znižuje kontaminácia reaktívnych plynov a zlepšuje sa výťažok procesu. Sú vhodné pre nízko- až stredné leptacie a nanášacie procesy, ale majú slabšiu odolnosť proti plazmovej korózii a vyžadujú pravidelnú výmenu.
Materiály s keramickou matricou, ako je nitrid hliníka, karbid kremíka a oxid hlinitý, ako aj funkčné povlaky ako yttria a uhlík podobný diamantu (DLC). Ponúkajú výhody, ako je odolnosť voči vysokej teplote, odolnosť proti korózii, vysoká čistota a vysoká tepelná vodivosť. Používajú sa predovšetkým v špičkových procesoch pri 7 nm a menej, čo predstavuje dôležitý smer vo vývoji materiálov sprchových hlavíc.
01 Nitrid hliníka (AlN)
V porovnaní s tradičnými hliníkovými zliatinami má AlN keramika tepelnú vodivosť až 170 W/(m·K) a teplotnú odolnosť presahujúcu 1000 stupňov. Dokáže rýchlo rozptýliť teplo vznikajúce počas prevádzky sprchovej hlavice, čím sa zabráni štrukturálnej deformácii v dôsledku lokalizovaného prehriatia a tým sa zabezpečí rovnomernosť distribúcie plynu. Okrem toho nemá žiadne zrážanie kovových nečistôt, čo účinne zabraňuje kontaminácii plátkov a spĺňa prísne požiadavky procesov pod 7 nm.
02 CVD-SiC
Najvýraznejšou vlastnosťou sprchových hlavíc CVD-SiC je ich vynikajúca odolnosť voči fluórovej/chlórovej plazmovej korózii so životnosťou 2–4 krát dlhšou ako u silikónových sprchových hlavíc. Dokážu odolať extrémnym prostrediam s vysoko korozívnymi plazmami a vysokofrekvenčným plazmovým bombardovaním, čím zlepšujú dobu prevádzky zariadenia na suché leptanie a výrazne znižujú frekvenciu výmeny a náklady na údržbu prestojov. Sú vhodné na použitie ako horné elektródové platne v reakčných komorách a ako okrajové zaostrovacie krúžky okolo plátkov. Sprchové hlavice CVD-SiC sa však ťažko vyrábajú a v súčasnosti ich nemožno hromadne vyrábať na domácom trhu (v Číne), pričom sa spolieha na dovoz.
03 Náter Yttria (Y₂O₃).
Povlaky Yttria vykazujú výnimočnú chemickú stabilitu pod vysokoenergetickými iónmi a halogénovými plazmami, čím účinne bránia korozívnym plynom a plazme napadnúť substrát sprchovej hlavice. Sú kľúčovým ochranným materiálom pre špičkové leptacie komory, vhodné na výrobu logických a pamäťových čipov pod 7nm, čím výrazne predlžujú životnosť komponentov. V súčasnosti sa povlaky ytria zvyčajne nanášajú pomocou pokročilých techník, ako je magnetrónové naprašovanie a ALD.
04 Diamantový uhlíkový povlak (DLC).
DLC je amorfný uhlíkový film obsahujúci hybridné väzby sp3 (diamantová štruktúra) aj sp² (grafitová štruktúra). Vyznačuje sa vysokou tvrdosťou, samomaznosťou a vynikajúcou chemickou inertnosťou. Dokáže výrazne znížiť odpor prúdenia plynu a minimalizovať opotrebovanie vnútorných stien mikrootvorov sprchovej hlavice. Jeho nízka povrchová energia tiež znižuje adhéziu vedľajších produktov reakcie. Keďže integrácia čipov sa neustále zvyšuje, nároky na čistotu sprchovej hlavice a odolnosť proti opotrebeniu stúpajú a očakáva sa, že podiel nanášania DLC povlakov sa bude postupne zvyšovať.