Os processos de gravação e limpeza a plasma são etapas essenciais na fabricação de semicondutores. À medida que os nós do processo avançam para 7 nm, 5 nm e além, a densidade de energia do plasma continua a aumentar e a atividade química dos gases halogênios (à base de flúor-e cloro-) torna-se cada vez mais agressiva. Ao gravar wafers, esses plasmas também corroem indiscriminadamente e continuamente todos os componentes expostos dentro da câmara, incluindo as paredes da câmara, revestimentos, anéis de foco, placas de distribuição de gás, janelas de visualização, etc. Portanto, a busca por materiais com maior resistência à corrosão por plasma tornou-se uma necessidade urgente na área de materiais para equipamentos semicondutores. O óxido de ítrio (Y₂O₃) desempenha um papel insubstituível neste domínio.
Por que o óxido de ítrio é insubstituível em equipamentos semicondutores?
Em equipamentos semicondutores, o óxido de alumínio (Al₂O₃) é o material cerâmico estrutural mais comumente usado. Possui ponto de fusão de 2.050 graus, alta resistência mecânica, alta resistência ao desgaste, excelente isolamento elétrico e boa estabilidade química. No entanto, a energia da ligação Al-O é de cerca de 498 kJ/mol. Embora resista à maioria dos ataques químicos, sob condições de plasma de alta{6}}energia ele reage prontamente com o flúor para formar uma camada de flúor escamosa e facilmente lascável (AlF₃). Essa camada se deposita e cristaliza na superfície, criando partículas que se desprendem e contaminam os wafers, enquanto consome continuamente a camada protetora.
Em contraste, o óxido de ítrio (Y₂O₃) tem um sistema cristalino cúbico e um ponto de fusão tão alto quanto 2.430 graus. Além do excelente isolamento elétrico e transparência óptica, sua energia de ligação Y – O chega a 780 kJ/mol. Exibe reatividade química extremamente baixa com halogênios (especialmente F e Cl). Quando reage com o flúor, forma uma camada de YF₃ muito mais estável e densa, que não é propensa a lascar. Isto não apenas reduz bastante a geração de partículas, mas também evita efetivamente ataques adicionais do plasma de flúor aos componentes do equipamento (como paredes da câmara de gravação, chuveiros, etc.), prolongando a vida útil dos componentes. Em ambientes típicos de plasma à base de-flúor-ou de cloro-de alta densidade, a taxa de corrosão do Y₂O₃ normalmente é de apenas 1/20 a 1/50 da do Al₂O₃. Além disso, o Y₂O₃ tem um ponto de fusão de 2.430 graus e pode manter a integridade estrutural em altas temperaturas acima de 1.750 graus sem volatilização ou deformação, adaptando-se às condições extremas de temperatura dos processos de plasma. Sua resistividade volumétrica ultrapassa 10¹² Ω·cm, com baixa perda dielétrica, garantindo a estabilidade de campos de RF de alta-frequência e evitando desvios de processo causados por propriedades dielétricas deficientes dos materiais.
Aplicações de óxido de ítrio em equipamentos semicondutores
Com base nas propriedades principais do óxido de ítrio e combinadas com os requisitos específicos de diferentes componentes de equipamentos semicondutores, suas aplicações no campo de semicondutores são divididas principalmente em quatro categorias:
01 Revestimentos de óxido de ítrio
Como o óxido de ítrio, como um material de terras raras, é relativamente caro, a maioria das câmaras ou componentes dos equipamentos de gravação não usa cerâmica Y₂O₃ pura. Em vez disso, um revestimento denso de Y₂O₃ com uma espessura de cerca de 100–300 μm é depositado na superfície de liga de alumínio ou substratos de Al₂O₃ (como revestimentos de câmara, anéis de foco, placas de distribuição de gás, etc.) usando técnicas como pulverização de plasma ou deposição física de vapor (PVD). Esta é atualmente a forma mais utilizada de revestimento de óxido de ítrio em equipamentos semicondutores. Esta abordagem equilibra a resistência estrutural do material de base com a resistência à corrosão superficial do Y₂O₃, ao mesmo tempo que reduz custos. Em nós de processos avançados de 7 nm e inferiores, os revestimentos de óxido de ítrio tornaram-se gradualmente a configuração de proteção padrão da indústria, estendendo o principal ciclo de manutenção das câmaras dos equipamentos de gravação de algumas centenas de horas para mais de mil horas, ao mesmo tempo que reduzem a contaminação por partículas e melhoram significativamente o tempo de atividade do equipamento e o rendimento do wafer.
02 janelas de visualização transparentes de óxido de ítrio
As viewports em equipamentos de plasma semicondutores são componentes essenciais para monitorar as condições do processo e garantir a precisão do processo. Eles exigem não apenas excelente resistência à corrosão do plasma, mas também boa transparência óptica para permitir que os operadores observem claramente o processamento do wafer dentro da câmara. Materiais transparentes tradicionais, como vidro de quartzo e alumina, são facilmente corroídos em ambientes de plasma à base de-flúor, causando rugosidade na superfície, transmitância reduzida e incapacidade de atender aos requisitos de uso-de longo prazo. A cerâmica transparente de óxido de ítrio tem uma faixa de transmissão que abrange o ultravioleta ao infravermelho (0,29–8 μm), com cerca de 80% de transmitância linear, mesmo na região-do infravermelho distante. Combinados com a excelente resistência à corrosão do plasma, eles mantêm uma superfície limpa e uma transparência estável mesmo após uso prolongado-em ambientes de plasma à base de flúor-e cloro-, sem produzir detritos corrosivos ou impurezas cristalinas, garantindo assim a qualidade da observação e evitando a contaminação do wafer.
03 Componentes cerâmicos compostos de óxido de ítrio
Devido à resistência mecânica relativamente baixa, à alta dificuldade de sinterização e ao alto custo da cerâmica de óxido de ítrio puro, a indústria usa principalmente cerâmicas compostas à base de óxido de ítrio dopado-para equilibrar os requisitos de desempenho e a relação custo-benefício-. Por exemplo, a granada de ítrio-alumínio (YAG), formada pela dopagem do óxido de ítrio com uma certa proporção de óxido de alumínio, também possui uma estrutura cristalina cúbica e propriedades químicas estáveis. Não sofre facilmente reações químicas violentas com gases ativos em plasmas (como flúor, cloro e outros halogênios). Em ambientes de plasma contendo flúor, em comparação com materiais como Al₂O₃, ele produz menos subprodutos de flúor, reduzindo efetivamente a contaminação por partículas e a corrosão superficial. Ao mesmo tempo, em comparação com a cerâmica de óxido de ítrio puro, o YAG possui maior dureza (dureza Mohs 8–8,5) e excelente resistência mecânica, tornando-o adequado para componentes com certos requisitos de resistência mecânica em gravadores, e também pode ser usado como uma janela de visualização transparente.