Oggi, nell'incisione moderna dei semiconduttori, nella deposizione di film sottili-e in altre apparecchiature, i materiali ceramici avanzati stanno gradualmente sostituendo i metalli e i polimeri tradizionali grazie alla loro eccellente resistenza alle alte-temperature, alla corrosione, all'elevato isolamento e all'elevata durezza. Sono diventati materiali indispensabili per componenti come mandrini elettrostatici, rivestimenti di camere, riscaldatori, bracci robotici e binari di guida di precisione per macchine litografiche. Nei processi di incisione al plasma, l'anello di focalizzazione, un materiale di consumo critico posizionato immediatamente adiacente al bordo del wafer, influisce direttamente sull'uniformità dell'incisione e sulla resa del chip attraverso la selezione del materiale. Poiché le finestre di processo continuano a restringersi, due tipi di ceramiche ultra-dure, il carburo di silicio (SiC) e il carburo di boro (B₄C), stanno gradualmente sostituendo i tradizionali materiali al quarzo e al silicio, diventando direzioni di sviluppo chiave per gli anelli di messa a fuoco di fascia alta-.
Cos'è un anello di messa a fuoco?
Un anello di messa a fuoco, noto anche come anello di confinamento o anello del bordo, è un componente anulare di precisione installato attorno al piedistallo del wafer in un sistema di incisione al plasma. Durante l'incisione al plasma, l'anello di messa a fuoco si trova immediatamente accanto al bordo del wafer ed è direttamente esposto all'ambiente del plasma ad alta-energia. Le sue funzioni principali sono:
(1) Focalizzazione al plasma: l'incisione dei semiconduttori si basa sul plasma ad alta-energia per incidere con precisione il wafer. Tuttavia, sul bordo del wafer, la densità del plasma tende a diminuire a causa dell’effetto bordo del campo elettrico. Attraverso un design strutturale preciso e proprietà dielettriche, l'anello di messa a fuoco confina e focalizza il plasma ad alta-energia sull'area del wafer, indirizzandolo a bombardare la superficie del wafer con un angolo quasi verticale. Ciò garantisce una distribuzione del plasma più uniforme sul wafer, riduce le differenze di incisione tra il bordo e il centro e migliora l'uniformità del processo.
(2) Protezione della camera e dei componenti di precisione: durante l'attacco, il plasma ad alta-energia e i gas di attacco altamente corrosivi (CF₄, Cl₂, NF₃, ecc.) bombardano e corrodono continuamente i componenti interni della camera. L'anello di messa a fuoco funge da prima barriera, proteggendo i componenti principali di precisione sottostanti, come il mandrino elettrostatico e gli elettrodi, dall'esposizione diretta al plasma e ai gas corrosivi, riducendo il bombardamento fisico e i danni da corrosione chimica e prolungando la durata dei componenti principali.
Requisiti dei materiali per gli anelli di messa a fuoco e vantaggi applicativi delle ceramiche avanzate
Un anello di messa a fuoco può essere esposto continuamente al plasma RF per diverse ore o decine di ore in un singolo processo di attacco, affrontando bombardamento di plasma ad alta-densità, gas corrosivi a base di fluoro- o cloro- e frequenti cicli termici ad alta-bassa temperatura, pur essendo a diretto contatto con il wafer. Ciò richiede che i materiali soddisfino contemporaneamente requisiti rigorosi: estrema resistenza all’erosione da plasma, eccellente stabilità termica e resistenza allo shock termico, basso rischio di contaminazione da impurità, proprietà meccaniche eccezionali e caratteristiche elettriche abbinate. In passato gli anelli di messa a fuoco erano realizzati principalmente in quarzo e silicio. Tuttavia, man mano che i processi di incisione si spostano verso potenze più elevate, i limiti dei materiali tradizionali sono diventati sempre più evidenti:
Anelli al quarzo: basso costo e buona stabilità sotto i campi elettrici ad alta-frequenza, con eccellente isolamento elettrico. Tuttavia, hanno una bassa durezza (durezza Mohs 7), una debole resistenza allo sputtering di ioni, una temperatura massima di servizio inferiore a 1100 gradi, suscettibilità alla deformazione ad alte temperature, alti tassi di erosione nei plasmi contenenti fluoro- e un alto rischio di precipitazione di impurità. Sono adatti solo per apparecchiature di incisione RIE di fascia bassa-e-media-per nodi superiori a 28 nm e non possono soddisfare i requisiti di bassa contaminazione e lunga durata dei processi avanzati.
Anelli di silicio: coefficiente di espansione termica e proprietà elettriche ben abbinati con wafer di silicio e resistenza alle alte temperature fino a 1600 gradi, consentendo una distribuzione uniforme del plasma. Tuttavia, hanno anche una scarsa resistenza all'erosione del plasma contenente fluoro-, formando facilmente SiF₄ volatile, con conseguenti tassi di consumo elevati e sostituzioni frequenti, che causano fluttuazioni del processo e perdite di tempi di inattività. Sono adatti solo per i processi tradizionali di fascia bassa-e-media-.
In questo contesto, i materiali ceramici avanzati come l'allumina (Al₂O₃), il carburo di silicio (SiC) e il carburo di boro (B₄C) sono entrati nel panorama dei produttori di apparecchiature per semiconduttori e stanno gradualmente diventando la scelta principale per gli anelli di messa a fuoco di fascia alta-.
(1) Allumina (Al₂O₃): l'allumina è una delle prime ceramiche applicate nelle apparecchiature per semiconduttori, in genere con una purezza superiore al 99,5% e i prodotti di alta-gradazione possono raggiungere il 99,9%. Il suo processo di preparazione è maturo, utilizzando la sinterizzazione senza pressione o la sinterizzazione con pressatura a caldo, con costi significativamente inferiori rispetto a SiC e B₄C. Come anello di messa a fuoco, offre elevata durezza e resistenza all'usura, riducendo la contaminazione da particelle dovuta all'usura. Nei plasmi a base di fluoro- o cloro-, forma uno strato di passivazione stabile di AlF₃ o AlCl₃, fornendo una buona resistenza allo sputtering del plasma. È adatto per processi di incisione a media-potenza-densità con una durata di servizio relativamente lunga. Inoltre, le sue proprietà dielettriche sono stabili con un buon isolamento, isolando efficacemente il campo elettrico ed evitando interferenze con il mandrino elettrostatico. Tuttavia, ad alta temperatura e con un flusso elevato di fluoro, lo strato di passivazione AlF₃ potrebbe staccarsi e diventare una fonte di contaminazione. Inoltre, il suo coefficiente di espansione termica (CTE) è di circa 7,0×10⁻⁶/K, che differisce significativamente da quello del silicio (circa 2,6×10⁻⁶/K), causando potenzialmente cambiamenti dimensionali alle alte temperature e influenzando la precisione dell'allineamento con il wafer, limitandone l'applicazione in scenari ad alta-precisione e con-gap ridotto sui bordi-.
(2) Carburo di silicio (SiC): negli ultimi anni gli anelli di messa a fuoco SiC sono diventati l'aggiornamento principale per gli incisori di fascia alta-. La loro durezza Mohs arriva fino a 9,5, la resistenza alla flessione rimane a 500-600 MPa anche a 1400 gradi e il loro CTE (4×10⁻⁶/grado) è vicino a quello dei wafer di silicio, garantendo spazi stabili alle alte temperature. Hanno un'eccellente resistenza agli shock termici, resistono a rapidi cicli termici e aiutano a ottimizzare l'uniformità dei bordi. Ancora più importante, mostrano un’eccezionale resistenza all’erosione nei confronti di Ar, F, Cl e altri plasmi, specialmente nei plasmi di fluoro, dove il tasso di erosione è quasi pari a zero. Rispetto all'allumina, offrono una maggiore durata e un'efficienza complessiva delle apparecchiature (OEE) notevolmente migliorata. Gli anelli di messa a fuoco SiC possono essere prodotti mediante sinterizzazione senza pressione, pressatura a caldo o deposizione chimica in fase vapore (CVD). Il SiC ad elevata purezza prodotto tramite CVD- può raggiungere una purezza superiore al 99,9995%, rendendolo adatto ai principali processi avanzati da 5 nm a 28 nm.
(3) Carburo di boro (B₄C): B₄C è un importante materiale candidato in molte applicazioni ingegneristiche. Già nel 2022 Samsung Electronics stava conducendo ricerca e sviluppo sugli anelli di messa a fuoco B₄C. All'inizio di quest'anno, il Laboratorio Hubei Longzhong ha sviluppato con successo il primo anello di messa a fuoco in ceramica B₄C della Cina. Rispetto agli anelli di messa a fuoco SiC tradizionali, offre una resistenza all'erosione superiore del 30%, una durata operativa superiore a 30 giorni, riduce i costi del processo di incisione di circa il 20%, migliora l'efficienza e la produttività della produzione dei chip, mantenendo al contempo stabilità termica e proprietà meccaniche eccellenti, ottenendo una tecnologia leader-a livello mondiale.