Hari ini, dalam goresan semikonduktor moden, pemendapan filem-nipis dan peralatan lain, bahan seramik termaju secara beransur-ansur menggantikan logam dan polimer tradisional kerana rintangan suhu-tinggi yang sangat baik, rintangan kakisan, penebat tinggi dan kekerasan yang tinggi. Ia telah menjadi bahan yang sangat diperlukan untuk komponen seperti chuck elektrostatik, pelapik ruang, pemanas, lengan robot, dan rel panduan ketepatan untuk mesin litografi. Dalam proses goresan plasma, cincin fokus - bahan habis guna kritikal diletakkan bersebelahan dengan tepi wafer - secara langsung mempengaruhi keseragaman goresan dan hasil cip melalui pemilihan bahannya. Apabila tetingkap proses terus mengecil, dua jenis seramik ultra-keras, silikon karbida (SiC) dan boron karbida (B₄C), secara beransur-ansur menggantikan bahan kuarza dan silikon tradisional, menjadi arah pembangunan utama untuk gelang fokus-tinggi.
Apakah cincin fokus?
Cincin fokus, juga dikenali sebagai cincin kurungan atau cincin tepi, ialah komponen ketepatan anulus yang dipasang di sekeliling alas wafer dalam sistem etsa plasma. Semasa etsa plasma, cincin fokus terletak betul-betul di sebelah tepi wafer dan terdedah terus kepada-persekitaran plasma tenaga tinggi. Fungsi terasnya ialah:
(1) Pemfokusan plasma: Goresan semikonduktor bergantung pada-plasma tenaga tinggi untuk menggores wafer dengan tepat. Walau bagaimanapun, pada pinggir wafer, ketumpatan plasma cenderung berkurangan disebabkan oleh kesan pinggir medan elektrik. Melalui reka bentuk struktur yang tepat dan sifat dielektrik, gelang fokus mengehadkan dan memfokuskan-plasma tenaga tinggi ke atas kawasan wafer, mengarahkannya untuk mengebom permukaan wafer pada sudut hampir menegak. Ini memastikan pengedaran plasma yang lebih seragam merentasi wafer, mengurangkan perbezaan goresan antara tepi dan tengah, dan meningkatkan keseragaman proses.
(2) Perlindungan kebuk dan komponen ketepatan: Semasa pengelasan,-plasma tenaga tinggi dan gas goresan yang sangat menghakis (CF₄, Cl₂, NF₃, dsb.) terus membedil dan menghakis komponen ruang dalaman. Cincin fokus bertindak sebagai penghalang pertama, melindungi komponen teras ketepatan di bawahnya seperti chuck elektrostatik dan elektrod daripada pendedahan langsung kepada plasma dan gas menghakis, mengurangkan pengeboman fizikal dan kerosakan kakisan kimia, dan memanjangkan hayat perkhidmatan komponen teras.
Keperluan bahan untuk cincin fokus dan kelebihan aplikasi seramik termaju
Cincin fokus boleh terdedah secara berterusan kepada plasma RF selama beberapa jam hingga berpuluh-puluh jam dalam satu proses goresan, menghadapi pengeboman plasma berketumpatan tinggi- tinggi, gas menghakis berasaskan fluorin- atau klorin-dan kitaran haba suhu rendah yang tinggi-selalu, sambil juga bersentuhan langsung dengan wafer. Ini memerlukan bahan pada masa yang sama memenuhi permintaan yang ketat: rintangan hakisan plasma yang melampau, kestabilan haba yang sangat baik dan rintangan kejutan haba, risiko pencemaran kekotoran yang rendah, sifat mekanikal yang cemerlang dan ciri elektrik yang dipadankan. Pada masa lalu, cincin fokus kebanyakannya diperbuat daripada kuarza dan silikon. Walau bagaimanapun, apabila proses etsa bergerak ke arah kuasa yang lebih tinggi, batasan bahan tradisional telah menjadi semakin jelas:
Cincin kuarza: Kos rendah dan kestabilan yang baik di bawah-medan elektrik frekuensi tinggi, dengan penebat elektrik yang sangat baik. Walau bagaimanapun, ia mempunyai kekerasan yang rendah (Kekerasan Mohs 7), rintangan yang lemah terhadap percikan ion, suhu perkhidmatan maksimum di bawah 1100 darjah , mudah terdedah kepada ubah bentuk pada suhu tinggi, kadar hakisan yang tinggi dalam fluorin-yang mengandungi plasma dan berisiko tinggi untuk pemendakan kekotoran. Ia hanya sesuai untuk peralatan etsa RIE-hingga-pertengahan-akhir rendah untuk nod melebihi 28nm dan tidak dapat memenuhi keperluan pencemaran rendah dan jangka hayat proses lanjutan yang panjang.
Cincin silikon:-pekali pengembangan terma dipadankan dengan baik dan sifat elektrik dengan wafer silikon, dan rintangan suhu tinggi sehingga 1600 darjah , membolehkan pengedaran plasma seragam. Walau bagaimanapun, ia juga mempunyai rintangan yang lemah terhadap fluorin-yang mengandungi hakisan plasma, mudah membentuk SiF₄ meruap, membawa kepada kadar penggunaan yang tinggi dan penggantian yang kerap, yang menyebabkan turun naik proses dan kehilangan masa henti. Ia hanya sesuai untuk proses rendah-hingga-pertengahan-tradisional.
Berlatarbelakangkan ini, seramik termaju seperti alumina (Al₂O₃), silikon karbida (SiC) dan boron karbida (B₄C) telah memasuki pandangan pengeluar peralatan semikonduktor dan secara beransur-ansur menjadi pilihan arus perdana untuk cincin fokus-tinggi.
(1) Alumina (Al₂O₃): Alumina ialah salah satu seramik awal yang digunakan dalam peralatan semikonduktor, biasanya dengan ketulenan melebihi 99.5%, dan produk gred-tinggi boleh mencapai 99.9%. Proses penyediaannya adalah matang, menggunakan pensinteran tanpa tekanan atau pensinteran menekan panas, dengan kos yang jauh lebih rendah daripada SiC dan B₄C. Sebagai cincin fokus, ia menawarkan kekerasan tinggi dan rintangan haus, mengurangkan pencemaran zarah daripada haus. Dalam plasma berasaskan fluorin- atau klorin-, ia membentuk lapisan pempasifan yang stabil bagi AlF₃ atau AlCl₃, memberikan rintangan yang baik terhadap percikan plasma. Ia sesuai untuk proses goresan ketumpatan sederhana-kuasa{11}} dengan hayat perkhidmatan yang agak panjang. Selain itu, sifat dielektriknya adalah stabil dengan penebat yang baik, mengasingkan medan elektrik dengan berkesan dan mengelakkan gangguan pada chuck elektrostatik. Walau bagaimanapun, di bawah suhu tinggi dan aliran fluorin yang tinggi, lapisan pempasifan AlF₃ mungkin terkelupas dan menjadi sumber pencemaran. Selain itu, pekali pengembangan terma (CTE)nya ialah kira-kira 7.0×10⁻⁶/K, yang berbeza dengan ketara daripada silikon (kira-kira 2.6×10⁻⁶/K), yang berpotensi menyebabkan perubahan dimensi pada suhu tinggi dan menjejaskan ketepatan penjajaran dengan wafer, mengehadkan penggunaannya dalam ketepatan tinggi- senario jurang-tepi-kecil.
(2) Silicon carbide (SiC): Cincin fokus SiC telah menjadi peningkatan arus perdana untuk-pengukir kelas atas dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Kekerasan Mohs mereka adalah setinggi 9.5, kekuatan lentur kekal pada 500-600 MPa walaupun pada 1400 darjah, dan CTE mereka (4×10⁻⁶/ darjah ) adalah hampir dengan wafer silikon, memastikan jurang yang stabil pada suhu tinggi. Mereka mempunyai rintangan kejutan haba yang sangat baik, menahan kitaran haba yang pantas, dan membantu mengoptimumkan keseragaman kelebihan. Lebih penting lagi, mereka mempamerkan rintangan hakisan yang luar biasa kepada Ar, F, Cl, dan plasma lain - terutamanya dalam plasma fluorin, di mana kadar hakisan hampir sifar. Berbanding dengan alumina, ia menawarkan hayat perkhidmatan yang lebih lama dan kecekapan peralatan keseluruhan (OEE) yang dipertingkatkan dengan ketara. Cincin fokus SiC boleh dihasilkan dengan pensinteran tanpa tekanan, penekanan panas, atau pemendapan wap kimia (CVD). CVD-yang menghasilkan SiC ketulenan tinggi boleh mencapai ketulenan melebihi 99.9995%, menjadikannya sesuai untuk proses lanjutan arus perdana daripada 5nm hingga 28nm.
(3) Boron karbida (B₄C): B₄C ialah bahan calon penting dalam banyak aplikasi kejuruteraan. Seawal 2022, Samsung Electronics telah pun menjalankan R&D pada gelang fokus B₄C. Awal tahun ini, Makmal Hubei Longzhong berjaya membangunkan cincin fokus seramik B₄C pertama di China. Berbanding dengan cincin fokus SiC arus perdana, ia menawarkan rintangan hakisan 30% lebih tinggi, hayat perkhidmatan melebihi 30 hari, mengurangkan kos proses goresan sebanyak kira-kira 20%, meningkatkan kecekapan pembuatan cip dan daya pemprosesan, sambil mengekalkan kestabilan haba dan sifat mekanikal yang sangat baik – mencapai-teknologi terkemuka dunia.