Il soffione (noto anche come piastra di distribuzione del gas o piastra di omogeneizzazione del gas) nelle apparecchiature di produzione di semiconduttori funge da "cuore di distribuzione del gas" di processi chiave come l'attacco, la deposizione di vapori chimici (CVD) e la deposizione di strati atomici (ALD). Determina l'uniformità dello spessore del film depositato e la consistenza della velocità di incisione, influenzando direttamente la resa del truciolo. Tuttavia, le sue barriere tecniche sono estremamente elevate ed è stato a lungo monopolizzato dai produttori esteri, con una singola unità che costa centinaia di migliaia di RMB. Poiché i nodi di processo continuano a ridursi a 7 nm e al di sotto, l’ambiente di produzione dei chip diventa sempre più impegnativo. I soffioni doccia sono sottoposti a temperature più elevate (oltre 600 gradi), pressioni più elevate e plasma corrosivi più intensi (ad esempio, plasma a base di fluoro e cloro), richiedendo contemporaneamente livelli senza precedenti di uniformità di distribuzione del gas e pulizia della camera. I soffioni doccia realizzati con materiali ceramici avanzati come nitruro di alluminio e carburo di silicio, sfruttando i vantaggi principali di resistenza alle alte temperature, elevato isolamento elettrico, forte resistenza alla corrosione e bassa contaminazione da metalli, sono diventati la scelta migliore per i soffioni doccia di processo avanzati, con un notevole potenziale di crescita del mercato. Questo articolo esplora le tendenze applicative dei materiali ceramici in questo componente di produzione di semiconduttori.
1. Struttura e principio di funzionamento del soffione
Il soffione ha tipicamente una forma a disco. Il suo corpo principale contiene un canale interno di equalizzazione della pressione del gas ottimizzato tramite simulazioni fluidodinamiche e la sua superficie inferiore è densamente perforata con migliaia di microfori. La parte superiore è collegata alle linee di ingresso del gas per diversi gas reattivi. Prendendo come esempio una tipica camera di reazione CVD: dopo l'ingresso del gas, diversi gas reattivi si diffondono e si dividono attraverso i canali interni di equalizzazione della pressione di precisione per formare un campo di concentrazione uniforme. Vengono quindi espulsi verticalmente dalla superficie inferiore del soffione attraverso migliaia di fori passanti delle dimensioni di un micron in un flusso laminare sulla superficie del wafer, dove reagiscono e formano una pellicola sottile. Influenzando il flusso del gas all'interno della camera, il soffione aiuta a evitare turbolenze e zone morte. Ciò non solo garantisce un'estrema uniformità dei gas reattivi sulla superficie del wafer, ma garantisce anche che i sottoprodotti della reazione vengano prontamente evacuati, consentendo al gas fresco di entrare continuamente in contatto con la superficie del wafer. In definitiva, ciò garantisce l'uniformità dello spessore del film e la costanza della velocità di incisione, salvaguardando così la resa del truciolo.
2. Evoluzione dei materiali dei soffioni a semiconduttore e tendenze applicative dei materiali ceramici
La scelta del materiale per il soffione determina direttamente la sua durata, la resistenza ambientale e la compatibilità del processo. Attualmente, i materiali semiconduttori dei soffioni doccia rientrano in tre categorie principali, adatte a diversi processi e budget di costo:
Materiali metallici, tra cui leghe di alluminio, acciaio inossidabile, nichel puro e leghe a base di nichel. Tra queste, le leghe di alluminio sono le più utilizzate per i processi convenzionali (28 nm e oltre) grazie alla loro leggerezza, buona conduttività termica e costo moderato. Attraverso il trattamento di anodizzazione dura, la loro resistenza alla corrosione può essere migliorata. Tuttavia, in ambienti con plasma intenso e ad alta temperatura, la resistenza al bombardamento del plasma della matrice della lega di alluminio è limitata, con conseguenti danni superficiali o un degrado delle prestazioni. Attualmente, in processi critici come la litografia ultravioletta estrema (EUV) e la deposizione di strati atomici (ALD), le leghe a base di nichel e le leghe di titanio stanno gradualmente sostituendo le leghe di alluminio grazie alla loro superiore resistenza al bombardamento con plasma e stabilità alle alte temperature.
I materiali a base di silicio, noti anche come elettrodi di silicio, sono realizzati in silicio monocristallino di elevata purezza. Il materiale è altamente puro, non incline al rilascio di impurità, riducendo così la contaminazione dei gas reattivi e migliorando la resa del processo. Sono adatti per processi di incisione e deposizione di fascia medio-bassa, ma hanno una resistenza alla corrosione al plasma più debole e richiedono una sostituzione periodica.
Materiali a matrice ceramica come nitruro di alluminio, carburo di silicio e allumina, nonché rivestimenti funzionali come ittrio e carbonio simile al diamante (DLC). Questi offrono vantaggi come resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione, elevata purezza ed elevata conduttività termica. Vengono utilizzati principalmente in processi di fascia alta a 7 nm e inferiori, rappresentando una direzione importante nell'evoluzione dei materiali dei soffioni.
01 Nitruro di alluminio (AlN)
Rispetto alle tradizionali leghe di alluminio, la ceramica AlN ha una conduttività termica fino a 170 W/(m·K) e una resistenza alla temperatura superiore a 1000 gradi. È in grado di dissipare rapidamente il calore generato durante il funzionamento del soffione, evitando deformazioni strutturali dovute a surriscaldamenti localizzati e garantendo così l'uniformità della distribuzione del gas. Inoltre, non provoca precipitazione di impurità metalliche, prevenendo efficacemente la contaminazione dei wafer e soddisfacendo i rigorosi requisiti dei processi inferiori a 7 nm.
02 CVD‑SiC
La caratteristica più importante dei soffioni CVD‑SiC è la loro eccellente resistenza alla corrosione da fluoro/cloro plasma, con una durata 2-4 volte superiore a quella dei soffioni in silicone. Possono resistere ad ambienti estremi con plasma altamente corrosivo e bombardamento di plasma ad alta frequenza, migliorando i tempi di attività delle apparecchiature di incisione a secco e riducendo significativamente la frequenza di sostituzione e i costi di manutenzione dei tempi di inattività. Sono adatti per l'uso come piastre elettrodi superiori nelle camere di reazione e come anelli di focalizzazione dei bordi attorno ai wafer. Tuttavia, i soffioni doccia CVD‑SiC sono difficili da produrre e attualmente non possono essere prodotti in serie a livello nazionale (in Cina), facendo affidamento sulle importazioni.
03 Rivestimento in ittrio (Y₂O₃).
I rivestimenti con ittrio mostrano un'eccezionale stabilità chimica sotto ioni ad alta energia e plasma alogeni, prevenendo efficacemente che gas e plasma corrosivi attacchino il substrato del soffione. Sono un materiale protettivo fondamentale per le camere di incisione di fascia alta, adatti per la produzione di chip logici e di memoria inferiori a 7 nm, prolungando significativamente la durata dei componenti. Attualmente, i rivestimenti di ittrio vengono generalmente applicati utilizzando tecniche avanzate come lo sputtering del magnetron e l'ALD.
04 Rivestimento in carbonio simile al diamante (DLC).
Il DLC è un film di carbonio amorfo contenente legami ibridi sia sp³ (struttura del diamante) che sp² (struttura della grafite). Presenta elevata durezza, autolubrificazione ed eccellente inerzia chimica. Può ridurre significativamente la resistenza al flusso di gas e minimizzare l'usura delle pareti interne dei microfori del soffione. In particolare, le sue caratteristiche di bassa energia superficiale riducono anche l'adesione dei sottoprodotti della reazione. Poiché l’integrazione dei chip continua ad aumentare, le esigenze in termini di pulizia del soffione doccia e resistenza all’usura aumentano e si prevede che la percentuale di applicazione dei rivestimenti DLC aumenterà gradualmente.