半导体行业中的陶瓷材料

在半导体行业中，设备投资占半导体产业资本支出的60%-70%，其中晶圆制造过程因工艺复杂，工序多样，相关设备的价值量占比极高，达到了总资本支出的50%以上。半导体设备的发展已经成为推动半导体行业技术创新进步的引擎。

对于半导体设备的研制，部件所使用的材料是影响设备性能的关键因素。特别是对于晶圆制造过程中的刻蚀机和PECVD设备，等离子体通过物理作用和化学反应会对设备器件表面造成严重腐蚀，一方面缩短部件的使用寿命，降低设备的使用性能，另一方面腐蚀过程中产生的反应产物会出现挥发和脱落的现象，在工艺腔内产生杂质颗粒，影响腔室的洁净度。

如何应对等离子体腐蚀难题？

一般可采用高纯Al2O3涂层作为刻蚀腔体和腔体内部件的防护材料。但是随着半导体器件最小特征尺寸的减小和晶圆尺寸的增大，为了获得更高的刻蚀精度和保证刻蚀的均一性，等离子体能量也逐渐增大，同时卤素类气体开始被用于等离子体刻蚀。高能含氟等离子体具有很高的化学活性，容易与Al2O3反应生成AlxFy化合物，沉积在工艺腔内壁或部件表面上，最后在等离子刻蚀过程中脱落成颗粒，污染晶圆，降低成品率，增加生产成本。

因此，刻蚀机腔体和腔体部件材料的耐等离子体刻蚀性能变得至关重要。

石英材料

石英是一种物理化学性质稳定的无机非金属材料，晶体结构属三方晶系，作为刻蚀机腔体材料，对硅晶圆的杂质污染问题较为严重。与此同时，由于刻蚀过程采用含F的等离子体，F易与石英反应生成SiF4。因此等离子体对腔体的刻蚀现象比较严重，作为等离子刻蚀机腔体材料，使用寿命受到了极大的限制。

SiC材料

碳化硅是一种化学性质稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能优异的无机非金属材料。SiC作为刻蚀机腔体材料，相较于石英，其材料本身产生的杂质污染较少，由于具有更加优异的力学性能，在等离子轰击其原子表面时，原子损失率相对较少，日本三井公司报道一种SiC复合材料作为空气刻蚀机腔体材料，具有较高的耐腐蚀性。

阳极氧化铝及高纯Al2O3材料

刻蚀机腔室材料选择铝合金时，易造成金属颗粒污染，转而选择在铝合金上镀一层致密的阳极氧化铝层，通过阳极氧化，从而提高腔室材料的耐刻蚀性。实践发现，阳极氧化铝层易出现剥落的现象。这主要是由于合金中的杂质发生偏析，表面的阳极氧化铝层易产生微裂纹，使得阳极氧化铝的使用寿命较低，因此制备了高纯的氧化铝陶瓷作为腔室材料。

其作为耐等离子刻蚀腔体材料具有以下特点。

(1)生产设备简单，自动化程度较高，生产工艺成本较低。

(2)由于卤素气体通常被用作高速刻蚀Si晶片使用，Al易与卤素F等反应生成易挥发的Al-F副产物而污染晶片。

(3)金属相杂质的添加，对其硬度和抗弯强度明显下降。

(4)高温下，纳米晶粒易长大，并伴随热导率下降。

(5)在梯度涂层中，加重了分层效应。

(6)不能满足300mm以上刻蚀设备的要求。

Y2O3材料

氧化钇作为一种Si片刻蚀加工的腔体材料，与Al2O3相比具有如下优势与不足。

(1)由于AlF3的消除，Y2O3造成的表面颗粒和缺陷污染减少。

(2)材料中的过渡金属含量低，降低了金属污染的风险。

(3) Y2O3具有更加优异的介电性能，并且越厚的Y2O3陶瓷涂层，其抵抗介质击穿能力越强。

(4)作为耐等离子腔体材料，在等离子体中腐蚀速率较低。

(5)使用成本低，但制备成本较高。

(6)热膨胀系数较Al2O3大，在腐蚀的过程中，在晶界边界的残余应力易发生膨胀，因此内部较易产生气孔和微裂纹。

单晶YAG以及Al2O3-YAG共晶复合材料

YAG简称钇铝石榴石，具有立方晶体结构、无双折射效应、高温蠕变小，具有优异的光学及电学性能，被广泛地应用于激光器基质材料、高温可见光窗口、等离子体腔室材料以及红外窗口材料等。

YAG作为一种重要的耐热和耐等离子体冲击材料，近几十年来，受到研究者以及一些相关设备制造商的关注。相较于Y2O3陶瓷，具有以下一些特点。

(1)使用寿命长，使用成本相对较低。

(2)制备工艺更为简单，成本低。

(3)更优异的机械性能。

(4)熔点低，易加工等。

Al2O3-YAG复合陶瓷，是由Al2O3与Y2O3纳米粉末按照一定的配比，经过球磨混合、干燥、成型、烧结等工艺制备而来。

在耐等离子刻蚀腔体壁材方面，相较于单晶YAG，具有良好的应用前景，根据目前相关的研究报道，相较其他耐蚀腔体材料具有如下优点。

(1)优异的机械性能。

(2)高热导率。

(3)高温抗蠕变性能优异。

(4)生产成本相对较低。

(5)耐等离子刻蚀性好。

Si3N4材料

Si3N4作为一种共价键化合物，其热膨胀系数低、导热率高、抗化学腐蚀、耐热冲击性极佳。经过热压烧结的Si3N4，其硬度极高，且极耐高温，它的强度一直维持在1200℃高温下而不下降，受热后不会熔成融体，到1900℃才会分解。

热压烧结的氮化硅加热到1000℃后投入冷水中也不会破裂。但是它作为一种等离子刻蚀腔体材料，仍存在以下不足：

(1)机械加工成本高，已超过产品总成本的一半。

(2)机械加工对材料表面损伤，由此对材料的强度产生不利。

(3)为了避免机械加工对材料性能的消极影响，制造加工通常采用过分保守的加工条件，大大地延长了加工时间，生产效率降低。

(4)作为一种非氧化物陶瓷材料，大尺寸烧结体难以制备，其制备成本高。

审核编辑 ：李倩