تعد عمليات النقش والتنظيف بالبلازما خطوات أساسية في تصنيع أشباه الموصلات. مع تقدم عقد العملية إلى 7 نانومتر و5 نانومتر وما بعده، تستمر كثافة طاقة البلازما في الزيادة، ويصبح النشاط الكيميائي لغازات الهالوجين (المعتمد على الفلور - والكلور -) عدوانيًا بشكل متزايد. أثناء حفر الرقائق، تعمل هذه البلازما أيضًا بشكل عشوائي ومستمر على تآكل جميع المكونات المكشوفة داخل الحجرة، بما في ذلك جدران الحجرة، والبطانات، وحلقات التركيز، ولوحات توزيع الغاز، ومنافذ العرض، وما إلى ذلك. وهذا لا يؤدي فقط إلى خشونة السطح، وفقدان المواد، وزيادة تكرار توقف المعدات للصيانة، ولكنه يتسبب أيضًا في تلوث الرقاقة وفقدان الإنتاج بسبب الجزيئات المنفصلة. ولذلك، أصبح البحث عن مواد ذات مقاومة أعلى لتآكل البلازما حاجة ملحة في مجال مواد معدات أشباه الموصلات. يلعب أكسيد الإيتريوم (Y₂O₃) دورًا لا يمكن الاستغناء عنه في هذا المجال.
لماذا لا يمكن استبدال أكسيد الإيتريوم في معدات أشباه الموصلات؟
في معدات أشباه الموصلات، يعتبر أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) هو المادة الخزفية الهيكلية الأكثر استخدامًا. لديها نقطة انصهار تبلغ 2050 درجة، وقوة ميكانيكية عالية، ومقاومة تآكل عالية، وعزل كهربائي ممتاز، واستقرار كيميائي جيد. ومع ذلك، فإن طاقة الرابطة لرابطة Al-O تبلغ حوالي 498 كيلوجول/مول. على الرغم من أنه يقاوم معظم الهجمات الكيميائية، فإنه في ظل ظروف البلازما عالية الطاقة-يتفاعل بسهولة مع الفلور لتكوين طبقة فلورايد قشرية وسهلة التشظي (AlF₃). تترسب هذه الطبقة وتتبلور على السطح، مكونة جزيئات تفصل الرقائق وتلوثها، بينما تستهلك الطبقة الواقية بشكل مستمر.
في المقابل، أكسيد الإيتريوم (Y₂O₃) لديه نظام بلوري مكعب ونقطة انصهار تصل إلى 2430 درجة. بالإضافة إلى العزل الكهربائي الممتاز والشفافية البصرية، تصل طاقة روابط Y–O إلى 780 كيلوجول/مول. يُظهر تفاعلًا كيميائيًا منخفضًا للغاية مع الهالوجينات (خاصة F وCl). عندما يتفاعل مع الفلور، فإنه يشكل طبقة YF₃ أكثر استقرارًا وكثافة وليست عرضة للتشظي. وهذا لا يقلل بشكل كبير من توليد الجسيمات فحسب، بل يمنع أيضًا بشكل فعال المزيد من الهجمات بواسطة بلازما الفلور على مكونات المعدات (مثل حفر جدران الحجرة، ورؤوس الدش، وما إلى ذلك)، مما يطيل عمر خدمة المكونات. في بيئات البلازما النموذجية عالية الكثافة-المعتمدة على الفلور-أو المعتمدة على الكلور-، يكون معدل النقش لـ Y₂O₃ عادةً 1/20 إلى 1/50 فقط من Al₂O₃. علاوة على ذلك، فإن Y₂O₃ لديه نقطة انصهار تبلغ 2430 درجة ويمكنه الحفاظ على السلامة الهيكلية عند درجات حرارة عالية تزيد عن 1750 درجة دون تطاير أو تشوه، والتكيف مع ظروف درجات الحرارة القصوى لعمليات البلازما. تتجاوز مقاومتها الحجمية 10¹² Ω·cm، مع فقد منخفض للعزل الكهربائي، مما يضمن استقرار -مجالات التردد اللاسلكي العالية التردد وتجنب انحرافات العملية الناتجة عن ضعف خصائص العزل الكهربائي للمواد.
تطبيقات أكسيد الإيتريوم في معدات أشباه الموصلات
استنادًا إلى الخصائص الأساسية لأكسيد الإيتريوم بالإضافة إلى المتطلبات المحددة لمكونات معدات أشباه الموصلات المختلفة، تنقسم تطبيقاته في مجال أشباه الموصلات بشكل أساسي إلى أربع فئات:
01 طلاءات أكسيد الإيتريوم
نظرًا لأن أكسيد الإيتريوم، باعتباره مادة أرضية نادرة، باهظ الثمن نسبيًا، فإن معظم غرف أو مكونات معدات الحفر لا تستخدم سيراميك Y₂O₃ النقي. بدلاً من ذلك، يتم ترسيب طبقة كثيفة من Y₂O₃ يبلغ سمكها حوالي 100-300 ميكرومتر على سطح سبائك الألومنيوم أو ركائز Al₂O₃ (مثل بطانات الحجرة، وحلقات التركيز، ولوحات توزيع الغاز، وما إلى ذلك) باستخدام تقنيات مثل رش البلازما أو ترسيب البخار الفيزيائي (PVD). هذا هو الشكل الأكثر استخدامًا حاليًا لطلاء أكسيد الإيتريوم في معدات أشباه الموصلات. يوازن هذا النهج بين القوة الهيكلية للمادة الأساسية ومقاومة التآكل السطحي لـ Y₂O₃، مع تقليل التكاليف. في عقد العمليات المتقدمة التي تبلغ 7 نانومتر أو أقل، أصبحت طلاءات أكسيد الإيتريوم تدريجيًا هي التكوين الوقائي القياسي للصناعة، مما يؤدي إلى تمديد دورة الصيانة الرئيسية لغرف معدات الحفر من بضع مئات من الساعات إلى أكثر من ألف ساعة، مع تقليل تلوث الجسيمات وتحسين وقت تشغيل المعدات وإنتاجية الرقاقة بشكل كبير.
02 منافذ عرض شفافة لأكسيد الإيتريوم
تعد منافذ العرض الموجودة على معدات البلازما لأشباه الموصلات مكونات مهمة لمراقبة ظروف العملية وضمان دقة العملية. فهي لا تتطلب مقاومة ممتازة للتآكل في البلازما فحسب، بل تتطلب أيضًا شفافية بصرية جيدة للسماح للمشغلين بمراقبة معالجة الرقاقة داخل الحجرة بوضوح. تتآكل المواد التقليدية الشفافة مثل زجاج الكوارتز والألومينا بسهولة في بيئات البلازما المعتمدة على الفلور-، مما يؤدي إلى خشونة السطح، وانخفاض النفاذية، وعدم القدرة على تلبية متطلبات الاستخدام على المدى الطويل-. يحتوي سيراميك أكسيد الإيتريوم الشفاف على نطاق نقل يغطي الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء (0.29–8 ميكرومتر)، مع نفاذية خطية تبلغ حوالي 80% حتى في منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة-. بالإضافة إلى مقاومتها الممتازة لتآكل البلازما، فإنها تحافظ على سطح نظيف وشفافية مستقرة حتى بعد الاستخدام لفترة طويلة-في بيئات البلازما المعتمدة على الفلور-والكلور-، ولا تنتج أي حطام مسبب للتآكل أو شوائب بلورية، وبالتالي ضمان جودة المراقبة وتجنب تلوث الرقاقة.
03 مكونات السيراميك المركبة من أكسيد الإيتريوم
نظرًا للقوة الميكانيكية المنخفضة نسبيًا، وصعوبة التلبيد العالية، والتكلفة العالية لسيراميك أكسيد الإيتريوم النقي، تستخدم الصناعة بشكل أساسي السيراميك المركب المعتمد على أكسيد الإيتريوم - لتحقيق التوازن بين متطلبات الأداء وفعالية التكلفة-. على سبيل المثال، عقيق ألومنيوم الإيتريوم (YAG)، الذي يتكون من تطعيم أكسيد الإيتريوم بنسبة معينة من أكسيد الألومنيوم، له أيضًا بنية بلورية مكعبة وخصائص كيميائية مستقرة. ولا يخضع بسهولة لتفاعلات كيميائية عنيفة مع الغازات النشطة في البلازما (مثل الفلور والكلور والهالوجينات الأخرى). في بيئات البلازما التي تحتوي على الفلور-، مقارنة بمواد مثل Al₂O₃، فإنه ينتج عددًا أقل من منتجات الفلورايد الثانوية، مما يقلل بشكل فعال من تلوث الجسيمات وتآكل السطح. في الوقت نفسه، بالمقارنة مع سيراميك أكسيد الإيتريوم النقي، يتمتع YAG بصلابة أعلى (صلابة موس 8-8.5) وقوة ميكانيكية ممتازة، مما يجعله مناسبًا للمكونات ذات متطلبات قوة ميكانيكية معينة في النقش، ويمكن استخدامه أيضًا كمنفذ عرض شفاف.