中國粉體網訊 對于半導體設備的研制，部件所使用的材料是影響設備性能的關鍵因素。特別是對于晶圓制造過程中的刻蝕機和PECVD設備，等離子體通過物理作用和化學反應會對設備器件表面造成嚴重腐蝕，一方面縮短部件的使用壽命，降低設備的使用性能，另一方面腐蝕過程中產生的反應產物會出現揮發和脫落的現象，在工藝腔內產生雜質顆粒，影響腔室的潔凈度。當前，主要采用高純Al2O3涂層或Al2O3陶瓷作為刻蝕腔體和腔體內部件的防護材料。
等離子體刻蝕設備的結構示意圖
隨著半導體器件最小特征尺寸的不斷縮小，對晶圓缺陷的要求變得更加嚴格，為了避免金屬雜質和顆粒的污染，對半導體設備腔體和腔體內的部件材料提出了更加嚴格的要求。刻蝕機腔體內耐等離子刻蝕陶瓷材料的主要特點有：（1）純度要高，金屬雜質含量少；（2）主要組成成分化學性質穩定，特別是與鹵素類腐蝕性氣體的化學反應速率要低；（3）致密度高，開口氣孔少；（4）晶粒細小，晶界相含量少；（5）具有優良的機械性能，便于生產加工；（6）某些部件可能還有其他性能要求，如良好的介電性能、導電性或導熱性等。
Al2O3是一種高硬度的化合物，主要的晶型是α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3。其中，α-Al2O3是唯一熱力學穩定的相，屬于離子型晶體，化學性能穩定，在常溫下不受酸堿腐蝕，可以作為耐火或耐腐蝕材料。早期等離子刻蝕防護技術是在鋁基材上沉積一層致密的硬質陽極保護層，但由于合金中的雜質會發生偏析，表面的陽極氧化鋁層易產生微裂紋，在刻蝕過程中出現剝落現象，所以硬質陽極氧化鋁的耐等離子體刻蝕性能較差。
隨著涂層技術的發展，高純Al2O3涂層逐漸用于刻蝕機工藝腔和腔體內部件的防護。研究者通過氣溶膠噴霧法在硅襯底上形成致密的Al2O3涂層，在高能含氟等離子中的耐刻蝕性能是單晶Si的20倍。但是由于熱膨脹系數的不同，Al2O3涂層與襯底之間容易開裂，影響涂層的耐刻蝕性能。
與Al2O3涂層相比，致密的高純Al2O3塊體陶瓷具有更好的耐等離子體刻蝕性能。研究人員研究了應用在半導體加工設備中的Al2O3塊體的制備方法，純度要求在99%以上，金屬氧化物雜質（如MgO，CaO，SiO2等）必須控制在0.05~0.8%之內，在不影響燒結性能的情況下可以提高其耐等離子體刻蝕性能，每100g氧化鋁的含磷量不能超過0.0025g，有利于大塊體陶瓷燒結均勻。
傳統的氧化鋁燒結塊體由于內外燒結狀態不同，導致密度相差很大，其介質損耗大，在半導體制造設備使用過程中容易產生熱量，生成或擴大微裂紋，降低耐等離子體刻蝕性能。隨著等離子功率的增大和腐蝕性較強的含氟刻蝕氣體的使用，Al2O3的耐腐蝕性能已經難以滿足生產要求，一方面Al2O3中的Al與氟離子會反應生成AlxFy化合物，沉積后結晶成顆粒雜質，污染晶圓；另一方面，嚴重的腐蝕會縮短部件的使用壽命。因此，不斷研究陶瓷材料的等離子體刻蝕機制對于制備耐等離子體刻蝕性能優異的陶瓷材料具有十分重要的意義。
參考資料：等離子體環境下陶瓷材料損傷行為研究，朱祖云，廣東工業大學
（中國粉體網編輯整理/平安）
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