Душова насадка (також відома як газорозподільна пластина або газова гомогенізаційна пластина) в обладнанні для виробництва напівпровідників служить «серцем газорозподілу» основних процесів, таких як травлення, хімічне осадження з парової фази (CVD) і атомно-шарове осадження (ALD). Він визначає рівномірність товщини нанесеної плівки та стабільність швидкості травлення, що безпосередньо впливає на вихід стружки. Однак його технічні бар’єри надзвичайно високі, і він уже давно монополізований закордонними виробниками, а одна одиниця коштує сотні тисяч юанів. Оскільки вузли процесу продовжують скорочуватися до 7 нм і нижче, середовище виробництва чіпів стає дедалі складнішим. Душові лійки витримують високі температури (вище 600 градусів), вищий тиск і більш інтенсивну корозійну плазму (наприклад, плазми на основі фтору та хлору), водночас вимагаючи безпрецедентного рівня рівномірності розподілу газу та чистоти камери. Душові лійки, виготовлені з передових керамічних матеріалів, таких як нітрид алюмінію та карбід кремнію, використовуючи свої основні переваги, такі як стійкість до високих температур, висока електрична ізоляція, висока стійкість до корозії та низький рівень забруднення металом, стали найкращим вибором для душових лійок для передових процесів із значним потенціалом для зростання ринку. У цій статті досліджуються тенденції застосування керамічних матеріалів у цьому компоненті виробництва напівпровідників.
1. Будова та принцип роботи душової лійки
Душова лійка зазвичай має форму диска. Його основний корпус містить внутрішній канал для вирівнювання тиску газу, оптимізований за допомогою симуляції гідродинаміки, а його нижня поверхня щільно перфорована тисячами мікроотворів. Верх з'єднаний з газовими вхідними лініями для різних реактивних газів. Розглянемо типову реакційну камеру CVD як приклад: після входу газу різні реакційноздатні гази дифундують і поділяються через внутрішні прецизійні канали вирівнювання тиску, утворюючи однорідне поле концентрації. Потім вони вертикально викидаються з нижньої поверхні душової лійки через тисячі наскрізних отворів мікронного розміру ламінарним потоком на поверхню пластини, де реагують і утворюють тонку плівку. Впливаючи на структуру газового потоку всередині камери, душова лійка допомагає уникнути турбулентності та мертвих зон. Це не тільки забезпечує надзвичайну рівномірність реактивних газів по поверхні пластини, але також забезпечує швидке видалення побічних продуктів реакції, дозволяючи свіжому газу постійно контактувати з поверхнею пластини. Зрештою, це гарантує однорідність товщини плівки та сталість швидкості травлення, тим самим зберігаючи вихід стружки.
2. Еволюція матеріалів напівпровідникових душових насадок і тенденції застосування керамічних матеріалів
Вибір матеріалу душової лійки безпосередньо визначає її термін служби, стійкість до навколишнього середовища і технологічну сумісність. На даний момент напівпровідникові матеріали для душових насадок поділяються на три основні категорії, що відповідають різним процесам і бюджетам витрат:
Металеві матеріали, включаючи алюмінієві сплави, нержавіючу сталь, чистий нікель і сплави на основі нікелю. Серед них алюмінієві сплави найбільш широко використовуються для звичайних процесів (28 нм і вище) через їх малу вагу, хорошу теплопровідність і помірну вартість. Завдяки обробці жорстким анодуванням їх стійкість до корозії можна покращити. Однак у високотемпературному середовищі з сильною плазмою стійкість матриці з алюмінієвого сплаву до плазмового бомбардування обмежена, що призводить до пошкодження поверхні або погіршення продуктивності. Наразі в критичних процесах, таких як екстремально ультрафіолетове (EUV) літографія та атомно-шарове осадження (ALD), сплави на основі нікелю та титану поступово витісняють алюмінієві сплави завдяки їхній чудовій стійкості до плазмового бомбардування та стійкості до високих температур.
Матеріали на основі кремнію, також відомі як кремнієві електроди, виготовлені з монокристалічного кремнію високої чистоти. Матеріал високої чистоти, не схильний до виділення домішок, таким чином зменшуючи забруднення реактивними газами та покращуючи вихід процесу. Вони підходять для процесів травлення та осадження від низького до середнього рівня, але мають меншу стійкість до плазмової корозії та потребують періодичної заміни.
Керамічні матричні матеріали, такі як нітрид алюмінію, карбід кремнію та оксид алюмінію, а також функціональні покриття, такі як ітрій і алмазоподібний вуглець (DLC). Вони пропонують такі переваги, як стійкість до високих температур, стійкість до корозії, висока чистота та висока теплопровідність. Вони в основному використовуються в високотехнологічних процесах 7 нм і нижче, представляючи важливий напрямок в еволюції матеріалів для душових лійок.
01 Нітрид алюмінію (AlN)
У порівнянні з традиційними алюмінієвими сплавами, кераміка AlN має теплопровідність до 170 Вт/(м·К) і термостійкість понад 1000 градусів. Він може швидко розсіювати тепло, що утворюється під час роботи душової лійки, уникаючи структурної деформації через локальний перегрів і таким чином забезпечуючи рівномірний розподіл газу. Крім того, він не містить металевих домішок, що ефективно запобігає забрудненню пластин, відповідаючи суворим вимогам процесів менше 7 нм.
02 CVD‑SiC
Найвидатнішою особливістю душових лійок CVD‑SiC є їх чудова стійкість до плазмової корозії фтору/хлору, термін служби якої в 2–4 рази довший, ніж у силіконових душових лійок. Вони можуть витримувати екстремальні навколишні умови з висококорозійною плазмою та високочастотним плазмовим бомбардуванням, покращуючи час безвідмовної роботи обладнання для сухого травлення та значно скорочуючи частоту замін і витрати на технічне обслуговування. Вони підходять для використання як верхні електродні пластини в реакційних камерах і як кільця для фокусування країв навколо пластин. Однак душові насадки CVD‑SiC складно виготовити, і наразі їх неможливо масово виробляти всередині країни (у Китаї), покладаючись на імпорт.
03 Покриття з ітрію (Y₂O₃).
Покриття з оксиду ітрію виявляють виняткову хімічну стабільність під дією високоенергетичних іонів і галогенної плазми, ефективно запобігаючи впливу корозійних газів і плазми на підкладку душової лійки. Вони є ключовим захисним матеріалом для високоякісних камер травлення, придатних для виробництва логіки та мікросхем пам’яті за технологією нижче 7 нм, що значно подовжує термін служби компонентів. В даний час покриття з оксиду ітрію зазвичай наносять із застосуванням передових методів, таких як магнетронне напилення та ALD.
04 Алмазоподібне вуглецеве покриття (DLC).
DLC — це аморфна вуглецева плівка, яка містить гібридні зв’язки sp³ (алмазна структура) і sp² (графітова структура). Він має високу твердість, здатність до самозмащування та відмінну хімічну інертність. Це може значно зменшити опір потоку газу та звести до мінімуму знос внутрішніх стінок мікроотворів душової лійки. Примітно, що характеристики низької поверхневої енергії також зменшують адгезію побічних продуктів реакції. Оскільки інтеграція чіпів продовжує зростати, вимоги до чистоти душової лійки та зносостійкості зростають, і очікується, що частка нанесених покриттів DLC поступово зростатиме.