Tänapäeval asendavad kaasaegsed pooljuhtide söövitamise, õhukese{0}kile sadestamise ja muude seadmete täiustatud keraamilised materjalid järk-järgult traditsioonilisi metalle ja polümeere tänu nende suurepärasele kõrgele-temperatuurikindlusele, korrosioonikindlusele, kõrgele isolatsioonile ja suurele kõvadusele. Nendest on saanud asendamatud materjalid selliste komponentide jaoks nagu elektrostaatilised padrunid, kambri vooderdised, küttekehad, robotkäed ja litograafiamasinate täppisjuhikud. Plasmasöövitusprotsessides mõjutab teravustamisrõngas – kriitiline kulumaterjal, mis asub vahetult vahvli serva kõrval – oma materjalivaliku kaudu otseselt söövitamise ühtlust ja kiibi saagist. Protsessi akende kitsenemisel on kahte tüüpi ülikõva keraamika, ränikarbiid (SiC) ja boorkarbiid (B₄C) järk-järgult asendamas traditsioonilisi kvarts- ja ränimaterjale, muutudes tipptasemel -fookusrõngaste peamisteks arendussuundadeks.
Mis on fookusrõngas?
Fookusrõngas, tuntud ka kui piiramisrõngas või servarõngas, on rõngakujuline täppiskomponent, mis on paigaldatud plasmasöövitussüsteemis vahvli pjedestaali ümber. Plasma söövitamise ajal asetseb fookusrõngas vahetult vahvli serva kõrval ja puutub otse kokku suure-energia plasmakeskkonnaga. Selle põhifunktsioonid on järgmised:
(1) Plasma teravustamine: pooljuhtsöövitus tugineb vahvli täpseks söövitamiseks suure-energia plasmale. Kuid vahvli serval kipub plasma tihedus elektrivälja servaefekti tõttu vähenema. Tänu täpsele konstruktsioonile ja dielektrilistele omadustele piirab ja fokuseerib fookusrõngas suure-energiaga plasmat vahvlipiirkonna kohal, suunates selle pommitama vahvli pinda peaaegu vertikaalse nurga all. See tagab ühtlasema plasma jaotumise üle vahvli, vähendab söövituse erinevusi serva ja keskpunkti vahel ning parandab protsessi ühtlust.
(2) Kambri ja täppiskomponentide kaitse: söövitamise ajal pommitavad ja korrodeerivad kõrge -energiaga plasma ja väga söövitavad söövitusgaasid (CF4, Cl₂, NF₃ jne) pidevalt kambri sisemisi komponente. Fookusrõngas toimib esimese barjäärina, kaitstes selle all olevaid täpseid põhikomponente, nagu elektrostaatiline padrun ja elektroodid otsese plasma ja söövitavate gaasidega kokkupuute eest, vähendades füüsilist pommitamist ja keemilisi korrosioonikahjustusi ning pikendades põhikomponentide kasutusiga.
Fookusrõngaste materjalinõuded ja täiustatud keraamika rakenduse eelised
Fookusrõngas võib ühe söövitusprotsessi käigus olla pidevalt RF plasmaga kokku puutunud mitu tundi kuni kümneid tunde, olles silmitsi suure{0}}tihedusega plasmapommitamise, fluori- või kloori-põhiste söövitavate gaaside ja sagedase kõrge-madala temperatuuriga termilise tsükliga, olles samal ajal otseses kontaktis vahvliga. See nõuab, et materjalid vastaksid samaaegselt rangetele nõudmistele: äärmine plasma erosioonikindlus, suurepärane termiline stabiilsus ja vastupidavus termilisele šokile, väike saastumise oht lisanditega, silmapaistvad mehaanilised omadused ja sobivad elektrilised omadused. Varem valmistati fookusrõngaid peamiselt kvartsist ja ränist. Kuna aga söövitusprotsessid liiguvad suurema võimsuse poole, on traditsiooniliste materjalide piirangud muutunud üha ilmsemaks:
Kvartsrõngad: madal hind ja hea stabiilsus kõrgsageduslikes{0}}elektriväljades ning suurepärase elektriisolatsiooniga. Siiski on neil madal kõvadus (Mohsi kõvadus 7), nõrk vastupidavus ioonide pihustamisele, maksimaalne kasutustemperatuur alla 1100 kraadi, kõrgel temperatuuril deformatsioonile vastuvõtlikkus, fluori -sisaldavate plasmade kõrge erosioonikiirus ja suur lisandite sadenemise oht. Need sobivad ainult madala- kuni -keskmise-otsaga RIE söövitusseadmetele sõlmedele laiusega üle 28 nm ega suuda täita arenenud protsesside madala saastatuse ja pika eluea nõudeid.
Ränirõngad: hästi-sobiv soojuspaisumise koefitsient ja elektrilised omadused räniplaatidega ning kõrge temperatuuritaluvus kuni 1600 kraadini, mis võimaldab plasma ühtlaselt jaotada. Kuid neil on ka halb vastupidavus fluori-sisaldava plasma erosioonile, moodustades kergesti lenduvat SiF₄, mis põhjustab kõrget tarbimismäära ja sagedast asendamist, mis põhjustab protsesside kõikumisi ja seisakuid. Need sobivad ainult traditsiooniliste madalate{5}}--keskmiste{7}}protsesside jaoks.
Selle taustal on täiustatud keraamika, nagu alumiiniumoksiid (Al₂O3), ränikarbiid (SiC) ja boorkarbiid (B₄C), sattunud pooljuhtseadmete tootjate vaatevälja ning neist on järk-järgult saamas tipptasemel{0}}fookusrõngaste peamine valik.
(1) Alumiiniumoksiid (Al₂O3): alumiiniumoksiid on üks varasemaid pooljuhtseadmetes kasutatavaid keraamikaid, mille puhtus on tavaliselt üle 99,5% ja kõrgekvaliteedilised tooted võivad ulatuda 99,9% -ni. Selle valmistamisprotsess on küps, kasutades survevaba paagutamist või kuumpressimisega paagutamist, oluliselt madalamate kuludega kui SiC ja B₄C. Fookusrõngana pakub see kõrget kõvadust ja kulumiskindlust, vähendades kulumisest tingitud osakeste saastumist. Fluori{7}} või kloori-põhistes plasmades moodustab see stabiilse AlF3 või AlCl₃ passiveerimiskihi, mis tagab hea vastupidavuse plasma pihustamisele. See sobib suhteliselt pika kasutuseaga keskmise{10}}võimsusega-söövitamiseks. Lisaks on selle dielektrilised omadused stabiilsed ja hea isolatsioon, isoleerides tõhusalt elektrivälja ja vältides elektrostaatilise padruni häireid. Kõrge temperatuuri ja suure fluorivoolu korral võib AlF3 passiveerimiskiht siiski maha kooruda ja muutuda saasteallikaks. Lisaks on selle soojuspaisumistegur (CTE) umbes 7,0 × 10⁻⁶/K, mis erineb oluliselt räni omast (umbes 2,6 × 10⁻⁶/K), mis võib kõrgetel temperatuuridel põhjustada mõõtmete muutusi ja mõjutada joondamistäpsust vahvliga, piirates selle kasutamist kõrgel täpsusel{{19, väikese-serva-stsenaariumid.
(2) Ränikarbiid (SiC): ränikarbiidi fookusrõngad on viimastel aastatel muutunud tipptasemel{1}}söövitajate peamiseks uuenduseks. Nende Mohsi kõvadus on koguni 9,5, paindetugevus jääb 500-600 MPa juurde isegi 1400 kraadi juures ja nende CTE (4×10⁻⁶/ kraad) on lähedane ränivahvlite omale, tagades stabiilsed vahed kõrgel temperatuuril. Neil on suurepärane soojuslöögikindlus, need taluvad kiiret termilist tsüklit ja aitavad optimeerida servade ühtlust. Veelgi olulisem on see, et neil on suurepärane erosioonikindlus Ar, F, Cl ja muude plasmade suhtes – eriti fluoriplasmade puhul, kus erosioonikiirus on peaaegu null. Võrreldes alumiiniumoksiidiga pakuvad need pikemat kasutusiga ja oluliselt paremat üldist seadmete efektiivsust (OEE). SiC fookusrõngaid saab toota rõhuvaba paagutamise, kuumpressimise või keemilise aurustamise-sadestamise (CVD) abil. CVD-toodetud kõrge puhtusastmega ränikarbiidi puhtusaste võib ulatuda üle 99,9995%, mistõttu see sobib tavapärasteks täiustatud protsessideks vahemikus 5 nm kuni 28 nm.
(3) Boorkarbiid (B₄C): B₄C on paljudes insenerirakendustes oluline kandidaatmaterjal. Juba 2022. aastal tegeles Samsung Electronics B₄C fookusrõngaste uurimis- ja arendustegevusega. Selle aasta alguses töötas Hubei Longzhongi labor edukalt välja Hiina esimese B₄C keraamilise teravustamisrõnga. Võrreldes tavaliste SiC fookusrõngastega pakub see 30% suuremat erosioonikindlust, üle 30 päeva kasutusiga, vähendab söövitusprotsessi kulusid umbes 20%, parandab kiibi valmistamise efektiivsust ja läbilaskevõimet, säilitades samal ajal suurepärase termilise stabiilsuse ja mehaanilised omadused – saavutades maailma juhtiva tehnoloogia.