Pooljuhtide tootmisseadmetes olev dušiotsik (tuntud ka kui gaasijaotusplaat või gaasi homogeniseerimisplaat) toimib põhiprotsesside, nagu söövitamise, keemilise aurustamise-sadestamise (CVD) ja aatomkihtsadestamise (ALD) "gaasijaotussüdamena". See määrab ladestunud kile paksuse ühtluse ja söövituskiiruse konsistentsi, mõjutades otseselt laastu saagist. Selle tehnilised tõkked on aga äärmiselt kõrged ja välismaised tootjad on seda pikka aega monopoliseerinud, kusjuures üks seade maksab sadu tuhandeid RMB. Kuna protsessisõlmed kahanevad jätkuvalt 7 nm-ni ja alla selle, muutub kiibi tootmiskeskkond üha keerulisemaks. Dušipead seisavad silmitsi kõrgemate temperatuuride (üle 600 kraadi), kõrgema rõhu ja intensiivsema söövitava plasmaga (nt fluoripõhised ja klooripõhised plasmad), nõudes samal ajal enneolematut gaasijaotuse ühtlust ja kambri puhtust. Täiustatud keraamilistest materjalidest, nagu alumiiniumnitriid ja ränikarbiid, valmistatud dušiotsad, mille põhieelisteks on kõrge temperatuuritaluvus, kõrge elektriisolatsioon, tugev korrosioonikindlus ja madal metallisaaste, on saanud täiustatud protsessiga dušipeade parimaks valikuks, millel on märkimisväärne turu kasvupotentsiaal. See artikkel uurib keraamiliste materjalide kasutussuundi selles pooljuhtide tootmiskomponendis.
1. Dušipea struktuur ja tööpõhimõte
Dušiotsikul on tavaliselt ketta kuju. Selle põhikorpus sisaldab sisemist gaasirõhku ühtlustavat kanalit, mis on optimeeritud vedeliku dünaamika simulatsioonide abil, ja selle alumine pind on tihedalt perforeeritud tuhandete mikroaukudega. Ülemine osa on ühendatud erinevate reaktiivgaaside gaasi sisselasketorustikuga. Võttes näiteks tüüpilise CVD reaktsioonikambri: pärast gaasi sisselaskmist difundeeruvad ja jagunevad erinevad reaktiivsed gaasid läbi sisemiste täppisrõhutasanduskanalite, moodustades ühtlase kontsentratsioonivälja. Seejärel väljutatakse need vertikaalselt dušiotsiku alumiselt pinnalt tuhandete mikronisuuruste läbivate avade kaudu laminaarse vooluga vahvli pinnale, kus nad reageerivad ja moodustavad õhukese kile. Mõjutades gaasivoolu mustrit kambris, aitab dušiotsik vältida turbulentsi ja surnud tsoone. See mitte ainult ei taga reaktiivsete gaaside äärmist ühtlust vahvli pinnal, vaid tagab ka reaktsiooni kõrvalproduktide kiire evakueerimise, võimaldades värskel gaasil pidevalt vahvli pinnaga kokku puutuda. Lõppkokkuvõttes tagab see kile paksuse ühtluse ja söövituskiiruse ühtluse, tagades seeläbi laastu saagise.
2. Pooljuhtdušipeade materjali areng ja keraamiliste materjalide kasutussuunad
Dušiotsiku materjali valik määrab otseselt selle kasutusea, keskkonnakindluse ja protsesside ühilduvuse. Praegu jagunevad pooljuhtdušiotsiku materjalid kolme põhikategooriasse, mis vastavad erinevatele protsessidele ja kulueelarvetele:
Metallmaterjalid, sealhulgas alumiiniumisulamid, roostevaba teras, puhas nikkel ja niklipõhised sulamid. Nende hulgas kasutatakse tavalistes protsessides (28 nm ja rohkem) kõige laialdasemalt alumiiniumisulameid nende kerge kaalu, hea soojusjuhtivuse ja mõõdukate kulude tõttu. Tugeva anodeerimisega saab parandada nende korrosioonikindlust. Kõrge temperatuuri ja tugeva plasmakeskkonna korral on alumiiniumisulamist maatriksi vastupidavus plasma pommitamisele siiski piiratud, mis põhjustab pinnakahjustusi või jõudluse halvenemist. Praegu kriitilistes protsessides, nagu äärmuslik ultraviolettkiirgus (EUV) litograafia ja aatomkihtsadestamine (ALD), asendavad niklipõhised sulamid ja titaanisulamid järk-järgult alumiiniumisulameid tänu nende suurepärasele plasmapommitamiskindlusele ja kõrge temperatuuri stabiilsusele.
Ränipõhised materjalid, tuntud ka kui ränielektroodid, on valmistatud kõrge puhtusastmega monokristallilisest ränist. Materjal on väga puhas, ei erita lisandeid, vähendades seeläbi reaktiivsete gaaside saastumist ja parandades protsessi saagist. Need sobivad madala kuni keskmise otsa söövitus- ja sadestamisprotsessideks, kuid neil on nõrgem plasma korrosioonikindlus ja need vajavad perioodilist väljavahetamist.
Keraamilised maatriksmaterjalid, nagu alumiiniumnitriid, ränikarbiid ja alumiiniumoksiid, samuti funktsionaalsed katted, nagu ütrium ja teemanditaoline süsinik (DLC). Need pakuvad eeliseid, nagu kõrge temperatuurikindlus, korrosioonikindlus, kõrge puhtus ja kõrge soojusjuhtivus. Neid kasutatakse peamiselt tipptasemel protsessides lainepikkusel 7 nm ja alla selle, mis esindab olulist suunda dušiotsikute materjalide arengus.
01 alumiiniumnitriid (AlN)
Võrreldes traditsiooniliste alumiiniumisulamitega on AlN keraamika soojusjuhtivus kuni 170 W/(m·K) ja temperatuuritaluvus üle 1000 kraadi. See võib kiiresti hajutada dušipea töötamise ajal tekkivat soojust, vältides lokaalsest ülekuumenemisest tingitud konstruktsiooni deformatsioone ja tagades seega gaasijaotuse ühtluse. Lisaks sellele ei sadestu sellel metallilisi lisandeid, mis takistab tõhusalt vahvlite saastumist ja vastab alla 7 nm protsesside rangetele nõuetele.
02 CVD-SiC
CVD-SiC dušiotsikute silmapaistvaim omadus on nende suurepärane vastupidavus fluori/kloori plasmakorrosioonile ning nende kasutusiga on 2–4 korda pikem kui silikoondušiotsikutel. Nad taluvad äärmuslikke keskkondi väga söövitava plasma ja kõrgsagedusliku plasmapommitamise abil, parandades kuivsöövitusseadmete tööaega ja vähendades märkimisväärselt vahetussagedust ja seisakuid. Need sobivad kasutamiseks ülemiste elektroodplaatidena reaktsioonikambrites ja servade teravustamise rõngastena vahvlite ümber. CVD-SiC dušiotsikuid on aga raske toota ja praegu ei saa neid impordile tuginedes siseriiklikult (Hiinas) massiliselt toota.
03 Üttria (Y₂O₃) kate
Yttria katted on erakordse keemilise stabiilsusega kõrge energiaga ioonide ja halogeenplasmade mõjul, vältides tõhusalt söövitavate gaaside ja plasmade ründamist dušiotsiku aluspinnale. Need on tipptasemel söövituskambrite peamine kaitsematerjal, mis sobivad loogika- ja mälukiipide tootmiseks alla 7 nm, pikendades oluliselt komponentide eluiga. Praegu kasutatakse ütriumkatteid tavaliselt täiustatud tehnikate abil, nagu magnetron-pihustamine ja ALD.
04 Teemantilaadne süsinik (DLC) kate
DLC on amorfne süsinikkile, mis sisaldab nii sp³ (teemantstruktuur) kui ka sp² (grafiitstruktuur) hübriidsidemeid. Sellel on kõrge kõvadus, isemäärimine ja suurepärane keemiline inertsus. See võib oluliselt vähendada gaasivoolu takistust ja minimeerida dušiotsiku mikroavade siseseinte kulumist. Eelkõige vähendavad selle madala pinnaenergia omadused ka reaktsiooni kõrvalproduktide adhesiooni. Kuna kiipide integreerimine suureneb, suurenevad nõuded dušiotsiku puhtusele ja kulumiskindlusele ning DLC-katete osakaal peaks järk-järgult suurenema.