中國粉體網訊 等離子體刻蝕技術作為關鍵的微納加工手段，已成為半導體制造過程中不可或缺的核心工藝。等離子體刻蝕通過應用高能、高密度的等離子體實現材料的精確刻蝕，從而提升了集成電路的制造效率和良品率，使得半導體器件在高度集成的條件下仍然能夠保持高效生產。然而，隨著晶圓尺寸的增大和器件集成度的提升，等離子體刻蝕工藝也面臨一系列技術挑戰。
在刻蝕過程中，鹵素氣體（如CF4、CHF3等）與惰性氣體（如Ar、Xe等）通過電離生成的高能等離子體被用于晶片表面的刻蝕。這一過程當中，不僅晶片材料會受到刻蝕，刻蝕設備的內壁和關鍵部件（如噴淋頭、聚焦環和基座）也會遭到刻蝕。但這些零部件的刻蝕一方面會使得半導體器件污染，良品率下降以及設備壽命縮短，另一方面這也會使得刻蝕腔內壁暴露在等離子環境中產生大量懸浮顆粒污染物，這些污染物可能沉積在晶片表面，導致芯片短路等質量問題。在此背景下，如何有效防止設備內壁刻蝕并消除由此產生的顆粒污染，已成為半導體行業需要解決的難題，耐高密度等離子體刻蝕材料的研發變得尤為緊迫。
等離子體刻蝕裝置中的顆粒污染
直接使用高性能耐刻蝕材料會顯著提高設備成本，并增加加工難度。因此，研究者們逐漸關注耐等離子體刻蝕涂層材料及相關制備工藝，以防護涂層作為刻蝕設備內壁保護手段，成為了一個更具經濟性和技術可行性的解決方案。耐等離子體刻蝕涂層材料的研究不僅涉及新材料的開發，還包括先進涂層制備技術的優化，兩者已成為半導體制造領域中的重要研究方向。
耐等離子體刻蝕涂層材料有哪些？
通常情況下，高純度材料具有更好的物理化學性能和可靠性，耐刻蝕涂層的純度越高，其一致性越好，刻蝕速率及顆粒污染物生成量越低。當前，Al2O3、Y2O3、YAG、YF3、YOF和非晶玻璃等材料，因其獨特的物理和化學特性，已被廣泛用作耐等離子體刻蝕涂層的材料。
Al2O3材料
作為典型的陶瓷材料，Al2O3具有高介電強度和優異的耐化學腐蝕性能，在高能等離子體刻蝕環境中仍能保持相對穩定，是最早采用的耐等離子體刻蝕涂層材料之一。其中，致密的高純Al2O3塊體陶瓷具有更好的耐等離子體刻蝕性能。自20世紀80年代以來，已廣泛應用于200ｍｍ和300ｍｍ晶圓制造設備中，但隨著晶圓尺寸的增大以及等離子體功率的增加，Al2O3涂層仍存在顆粒污染以及在極端刻蝕條件下耐刻蝕性能受限的問題，難以滿足300ｍｍ以上刻蝕設備的要求。
Y2O3材料
Y2O3為立方晶體結構，熔點約為2450℃，具有較高的機械強度、硬度和化學穩定性。其高熔點和熱穩定性使其在等離子體刻蝕環境中能長期保持優異的防護性能，是目前在等離子體刻蝕防護領域中應用最廣泛的材料之一。
Y2O3涂層，來源：卡貝尼
相比Al2O3涂層，Y2O3涂層在半導體和LCD制造過程中，尤其是在含F等離子體環境中，釋放更少有害元素和反應產物，表現出更強的耐等離子體刻蝕性能。Y2O3的最大優點是其在F基等離子體中反應較慢，能夠保持涂層表面的穩定性，這使其在8英寸及以上刻蝕設備中具有良好的應用前景。
此外，氧化釔是一種在可見光范圍內透明的陶瓷材料，具有較高的透光率，可用作等離子體刻蝕設備的窗視鏡材料。
YAG材料
在高密度等離子體中，Y2O3已取代Al2O3作為腔室內部防護涂層，以提高等離子體耐受性。盡管Y2O3相較傳統的Al2O3具有更好的等離子體耐受性，但其燒結性能差、生產成本高以及力學性能較差，限制了其實用性。采用Y2O3作為基體材料并添加Al2O3作為第二相，已成為等離子體刻蝕陶瓷研究的一個趨勢。
YAG不僅具有良好的化學穩定性和光學性能，而且與Y2O3相比，其機械強度更高且易于加工制造。雖然YAG的抗等離子體刻蝕性能略低于Y2O3，但它可用于 刻蝕腔設備的觀察窗口材料。
YF3材料
YF3具有較高的介電強度，其標準生成焓（-392kJ/mol）低于Y2O3(-318kJ/mol)，在F等離子體刻蝕過程中，可作為保護層，抑制材料的進一步氟化，被認為是Y2O3的替代材料。在不施加偏置電壓的情況下，涂層材料與氟碳等離子體的化學反應占主導地位，導致Y2O3涂層表面上形成細小的氟化物顆粒，YF3涂層則可以保持表面完整和清潔。
YOF材料
YOF具有高熱穩定性和化學穩定性，在高溫及強酸堿環境下均不易分解，被視為一種極具有潛力的耐等離子體刻蝕涂層材料。YOF在約560℃時發生相變，其有序-無序轉變表現出快速的、無法通過淬火穩定的動力學特性，通過調節氧含量，可以制備不同成分和物理特性的氟氧化物材料。此外，YOF的熱膨脹系數與Al更為接近，通過熱噴涂法制備的YOF涂層幾乎沒有裂紋，可形成高結晶度和致密結構的涂層。
非晶玻璃材料
由于多晶陶瓷在鹵素等離子體中表現出優異的耐腐蝕性能，并且具備高機械穩定性和化學穩定性，因此廣泛應用于半導體和顯示器的制造。然而，無論是通過燒結還是噴涂工藝制備的多晶材料都存在晶界，某些工藝制備的材料中難免會出現孔隙等缺陷，容易發生局部腐蝕并釋放顆粒污染物。相比之下，非晶玻璃由于其各向同性的結構，沒有晶界的存在，能夠抑制等離子體暴露后顆粒污染的形成。此外，含稀土金屬的鋁硅酸鹽玻璃在可見光范圍內具有高透射率，可用于等離子 體腔室的觀察窗口。
小結
隨著高密度等離子體刻蝕技術的發展，對刻蝕腔室的耐腐蝕涂層提出了更高的要求。涂層材料的選擇和致密涂層的制備直接關系到半導體生產的穩定性與良品率，這使得高性能耐刻蝕涂層的研發成為半導體行業不可或缺的重要環節。目前，Y2O3、YF3、YAG和YOF等陶瓷涂層已經在一定程度上展現出優異的耐等離子體刻蝕性能，但隨著半導體工藝節點的持續縮小，對刻蝕腔室涂層的要求將愈發嚴苛。
未來，為滿足半導體制造工藝對高密度等離子體刻蝕涂層的嚴格要求，高性能材料體系研發和高致密涂層制備工藝優化將成為關鍵研究方向。在材料研發方面，可以通過摻雜改性、納米結構調控和復合材料設計等手段，提升現有材料的抗刻蝕性能和微觀結構穩定性。新型陶瓷材料、稀土摻雜氧化物及其他復合材料的研發也將為耐等離子體刻蝕涂層提供更多選擇。
來源：
馬凱等：耐等離子體刻蝕涂層材料與制備工藝研究進展
譚毅成：耐等離子體刻蝕釔基復合陶瓷的制備及其性能研究
馬文等：懸浮液等離子噴涂制備Y2O3涂層及耐等離子刻蝕性
（中國粉體網編輯整理/空青）
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