Idag, i modern halvledaretsning, tunn-filmavsättning och annan utrustning, ersätter avancerade keramiska material gradvis traditionella metaller och polymerer på grund av deras utmärkta hög-temperaturbeständighet, korrosionsbeständighet, höga isolering och höga hårdhet. De har blivit oumbärliga material för komponenter som elektrostatiska chuckar, kammarfoder, värmare, robotarmar och precisionsstyrskenor för litografimaskiner. I plasmaetsningsprocesser påverkar fokusringen – en kritisk förbrukningsvara placerad omedelbart intill skivans kant – direkt etsningslikformigheten och spånutbytet genom sitt materialval. När processfönstren fortsätter att smalna av ersätter två typer av ultra-hård keramik, kiselkarbid (SiC) och borkarbid (B₄C), gradvis traditionella kvarts- och kiselmaterial, och blir viktiga utvecklingsriktningar för hög-fokusringar.
Vad är en fokusring?
En fokusring, även känd som en instängningsring eller kantring, är en ringformig precisionskomponent installerad runt wafer-piedestalen i ett plasmaetsningssystem. Under plasmaetsning sitter fokusringen omedelbart bredvid waferkanten och är direkt exponerad för hög-plasmamiljön. Dess kärnfunktioner är:
(1) Plasmafokusering: Halvledaretsning förlitar sig på hög-plasma för att exakt etsa wafern. Vid skivkanten tenderar emellertid plasmadensiteten att minska på grund av den elektriska fältkanteffekten. Tack vare exakt strukturell design och dielektriska egenskaper begränsar och fokuserar fokusringen hög-plasman över waferområdet och riktar den mot att bombardera waferytan i en nästan vertikal vinkel. Detta säkerställer mer enhetlig plasmafördelning över skivan, minskar etsningsskillnader mellan kanten och mitten och förbättrar processlikformigheten.
(2) Skydd av kammar- och precisionskomponenter: Under etsning bombarderar och korroderar kontinuerligt hög-plasma och mycket frätande etsgaser (CF₄, Cl₂, NF₃, etc.) och korroderar interna kammarkomponenter. Fokusringen fungerar som en första barriär, som skyddar precisionskärnkomponenter under såsom den elektrostatiska chucken och elektroderna från direkt exponering för plasma och korrosiva gaser, minskar fysisk bombardering och kemiska korrosionsskador och förlänger livslängden för kärnkomponenterna.
Materialkrav på fokusringar och applikationsfördelar med avancerad keramik
En fokusring kan exponeras kontinuerligt för RF-plasma i flera timmar till tiotals timmar i en enda etsningsprocess, med hög-densitetsplasmabombardement, fluor- eller klor-baserade frätande gaser och frekvent hög-låg temperatur termisk cykling, samtidigt som den är i direkt kontakt med skivan. Detta kräver att material samtidigt uppfyller stränga krav: extrem plasmaerosionsbeständighet, utmärkt termisk stabilitet och termisk chockbeständighet, låg risk för kontaminering av föroreningar, enastående mekaniska egenskaper och matchade elektriska egenskaper. Förr var fokusringar främst gjorda av kvarts och kisel. Men när etsningsprocesser går mot högre kraft, har begränsningarna för traditionella material blivit alltmer uppenbara:
Kvartsringar: Låg kostnad och bra stabilitet under hög-elektriska fält, med utmärkt elektrisk isolering. De har dock låg hårdhet (Mohs-hårdhet 7), svagt motstånd mot jonförstoftning, en maximal drifttemperatur under 1100 grader, känslighet för deformation vid höga temperaturer, höga erosionshastigheter i fluorhaltiga-plasma och hög risk för utfällning av föroreningar. De är endast lämpliga för RIE-etsningsutrustning med låg-till-medel-ände för noder över 28nm och kan inte uppfylla de låga kontaminerings- och långlivskraven för avancerade processer.
Kiselringar: väl-matchade värmeutvidgningskoefficient och elektriska egenskaper med kiselskivor och hög temperaturbeständighet upp till 1600 grader, vilket möjliggör jämn plasmafördelning. Men de har också dålig motståndskraft mot fluor-innehållande plasmaerosion, vilket lätt bildar flyktigt SiF₄, vilket leder till höga förbrukningshastigheter och frekventa utbyten, vilket orsakar processfluktuationer och stilleståndsförluster. De är endast lämpliga för traditionella processer med låg-till-mitt-del.
Mot denna bakgrund har avancerad keramik som aluminiumoxid (Al₂O₃), kiselkarbid (SiC) och borkarbid (B₄C) kommit in i synen på tillverkare av halvledarutrustning och blir gradvis det vanliga valet för avancerade fokusringar.
(1) Aluminiumoxid (Al₂O₃): Aluminiumoxid är en av de tidiga keramerna som används i halvledarutrustning, vanligtvis med en renhet över 99,5 %, och hög-produkter kan nå 99,9 %. Dess beredningsprocess är mogen, med hjälp av trycklös sintring eller varmpressningssintring, med betydligt lägre kostnad än SiC och B₄C. Som en fokusring erbjuder den hög hårdhet och slitstyrka, vilket minskar partikelkontamination från slitage. I fluor- eller klor-baserade plasmaer bildar det ett stabilt passiveringsskikt av AlF3 eller AlCl3, vilket ger bra motstånd mot plasmaförstoftning. Den är lämplig för etsningsprocesser med-medellång-effekt-densitet med en relativt lång livslängd. Dessutom är dess dielektriska egenskaper stabila med god isolering, vilket effektivt isolerar det elektriska fältet och undviker interferens med den elektrostatiska chucken. Under hög temperatur och högt fluorflöde kan emellertid AlF3-passiveringsskiktet lossna och bli en föroreningskälla. Dessutom är dess termiska expansionskoefficient (CTE) cirka 7,0×10⁻⁶/K, vilket skiljer sig markant från den för kisel (cirka 2,6×10⁻⁶/K), vilket potentiellt kan orsaka dimensionsförändringar vid höga temperaturer och påverka inriktningsnoggrannheten med wafern, vilket begränsar dess tillämpning i hög{19}} scenarier med liten-kant-klyfta.
(2) Kiselkarbid (SiC): SiC-fokusringar har blivit den vanliga uppgraderingen för avancerade-etsare under de senaste åren. Deras Mohs-hårdhet är så hög som 9,5, böjhållfastheten förblir 500-600 MPa även vid 1400 grader, och deras CTE (4×10⁻⁶/grad) är nära den för kiselskivor, vilket säkerställer stabila mellanrum vid höga temperaturer. De har utmärkt värmechockbeständighet, tål snabb termisk cykling och hjälper till att optimera kantens enhetlighet. Ännu viktigare är att de uppvisar enastående erosionsbeständighet mot Ar, F, Cl och andra plasma - speciellt i fluorplasma, där erosionshastigheten är nästan noll. Jämfört med aluminium erbjuder de längre livslängd och avsevärt förbättrad total utrustningseffektivitet (OEE). SiC-fokusringar kan tillverkas genom trycklös sintring, varmpressning eller kemisk ångavsättning (CVD). CVD-framställd SiC med hög renhet kan nå en renhet över 99,9995 %, vilket gör den lämplig för vanliga avancerade processer från 5 nm till 28 nm.
(3) Borkarbid (B₄C): B₄C är ett viktigt kandidatmaterial i många tekniska tillämpningar. Redan 2022 bedrev Samsung Electronics redan forskning och utveckling på B₄C fokusringar. Tidigare i år utvecklade Hubei Longzhong Laboratory framgångsrikt Kinas första B₄C keramiska fokusring. Jämfört med vanliga SiC-fokusringar, erbjuder den 30 % högre erosionsbeständighet, en livslängd som överstiger 30 dagar, minskar etsningsprocesskostnaderna med cirka 20 %, förbättrar spåntillverkningseffektiviteten och genomströmningen, samtidigt som den bibehåller utmärkt termisk stabilitet och mekaniska egenskaper – vilket uppnår världsledande teknik-.