現在、最新の半導体エッチング、薄膜堆積、その他の装置では、その優れた高温耐性、耐食性、高絶縁性、高硬度により、最先端のセラミック材料が従来の金属やポリマーに徐々に取って代わりつつあります。-これらは、静電チャック、チャンバーライナー、ヒーター、ロボットアーム、リソグラフィー装置の精密ガイドレールなどのコンポーネントに不可欠な素材となっています。プラズマ エッチング プロセスでは、ウエハー エッジのすぐ隣に配置される重要な消耗品であるフォーカス リングは、材料の選択を通じてエッチングの均一性とチップの歩留まりに直接影響します。プロセスウィンドウが狭まり続ける中、炭化ケイ素 (SiC) と炭化ホウ素 (B₄C) という 2 種類の超硬質セラミックスが徐々に従来の石英とシリコン材料に取って代わりつつあり、ハイエンド フォーカス リングの開発の重要な方向性となっています。-
フォーカスリングとは何ですか？
フォーカス リングは、閉じ込めリングまたはエッジ リングとも呼ばれ、プラズマ エッチング システムのウェーハ ペデスタルの周囲に取り付けられる環状の精密部品です。プラズマ エッチング中、フォーカス リングはウェーハのエッジのすぐ隣に位置し、高エネルギーのプラズマ環境に直接さらされます。-その中心となる機能は次のとおりです。
(1) プラズマ集束: 半導体エッチングは、高エネルギーのプラズマを利用してウェーハを正確にエッチングします。-しかしながら、ウエハエッジでは、電界エッジ効果によりプラズマ密度が減少する傾向がある。正確な構造設計と誘電特性により、フォーカス リングは高エネルギー プラズマをウェハ領域上に閉じ込めて集束させ、垂直に近い角度でウェハ表面に衝突するように誘導します。{4}}これにより、ウェーハ全体でのプラズマの分布がより均一になり、エッジと中心の間のエッチングの差が減少し、プロセスの均一性が向上します。
(2) チャンバーと精密コンポーネントの保護: エッチング中、高エネルギーのプラズマと腐食性の高いエッチング ガス (CF4、Cl2、NF3 など) が継続的に衝突し、チャンバーの内部コンポーネントを腐食させます。フォーカス リングは最初のバリアとして機能し、静電チャックや電極など、その下の精密なコア コンポーネントをプラズマや腐食性ガスに直接さらさないように保護し、物理的衝撃や化学的腐食による損傷を軽減し、コア コンポーネントの耐用年数を延ばします。
フォーカスリングの材質要件とアドバンストセラミックの応用メリット
フォーカス リングは、1 回のエッチング プロセスで数時間から数十時間にわたって RF プラズマに連続的にさらされる可能性があり、高密度プラズマの衝撃、フッ素- または塩素- ベースの腐食性ガス、頻繁な高温低温の熱サイクルにさらされると同時に、ウエハと直接接触することがあります。-そのためには、材料が、極めて高いプラズマ浸食耐性、優れた熱安定性と熱衝撃耐性、低い不純物汚染リスク、卓越した機械的特性、および適合した電気的特性といった厳しい要求を同時に満たす必要があります。従来、フォーカスリングは石英やシリコンが主流でした。しかし、エッチングプロセスがより高出力になるにつれて、従来の材料の限界がますます明らかになってきています。
石英リング: 低コストで、高周波電場下でも安定性が高く、優れた電気絶縁性を備えています。{0}ただし、硬度が低く (モース硬度 7)、イオンスパッタリングに対する耐性が弱く、最高使用温度が 1100 度未満、高温で変形しやすく、フッ素を含むプラズマ中での侵食速度が高く、不純物が析出するリスクが高いという特徴があります。{4}}これらは、28nm を超えるノード用のローエンドからミッドエンドの RIE エッチング装置にのみ適しており、高度なプロセスの低汚染性と長寿命の要件を満たすことはできません。
シリコン リング: -シリコン ウェーハとの熱膨張係数と電気的特性がよく一致し、最大 1600 度の高温耐性があり、均一なプラズマ分布が可能になります。ただし、フッ素を含むプラズマ侵食に対する耐性も弱く、揮発性の SiF₄ を容易に形成するため、高い消費率と頻繁な交換につながり、プロセスの変動やダウンタイム損失の原因となります。これらは、従来のローエンドから-ミッドエンドのプロセス-にのみ適しています。
このような背景から、アルミナ (Al₂O₃)、炭化ケイ素 (SiC)、炭化ホウ素 (B₄C) などの先進的なセラミックが半導体装置メーカーの視野に入り、徐々にハイエンド フォーカス リングの主流の選択肢になりつつあります。{0}}
(1) アルミナ (Al₂O₃): アルミナは半導体装置に使用される初期のセラミックの 1 つで、通常純度が 99.5% 以上で、高品位の製品では 99.9% に達することもあります。-。その製造プロセスは成熟しており、無加圧焼結またはホットプレス焼結を使用しており、SiC や B₄C よりも大幅に低コストです。フォーカスリングとしては高い硬度と耐摩耗性を備え、摩耗によるパーティクルの汚れを軽減します。フッ素-または塩素-ベースのプラズマでは、AlF₃ または AlCl₃ の安定した不動態化層を形成し、プラズマスパッタリングに対する優れた耐性を提供します。耐用年数が比較的長く、中程度の電力密度のエッチング プロセスに適しています。{10}さらに、その誘電特性は安定しており、優れた絶縁性を備えているため、電界を効果的に絶縁し、静電チャックとの干渉を回避します。しかし、高温および多量のフッ素流の下では、AlF3 パッシベーション層が剥がれて汚染源となる可能性があります。さらに、その熱膨張係数 (CTE) は約 7.0×10-6/K で、シリコンの熱膨張係数 (約 2.6×10-6/K) とは大きく異なり、高温で寸法変化を引き起こし、ウェーハとのアライメント精度に影響を与える可能性があり、高精度、小さなエッジギャップのシナリオでの用途が制限されます。-
(2) 炭化ケイ素 (SiC): SiC フォーカス リングは、近年ハイエンド エッチャーのアップグレードの主流となっています。-モース硬度は 9.5 と高く、曲げ強度は 1400 度でも 500-600 MPa を維持し、CTE (4×10⁻⁶/度) はシリコンウェーハに近く、高温でも安定したギャップを確保します。優れた耐熱衝撃性を備え、急速な熱サイクルに耐え、エッジの均一性の最適化に役立ちます。さらに重要なのは、Ar、F、Cl、その他のプラズマ、特に侵食速度がほぼゼロであるフッ素プラズマに対して優れた耐侵食性を示します。アルミナと比較して、耐用年数が長く、設備全体の効率 (OEE) が大幅に向上します。 SiC フォーカス リングは、無加圧焼結、ホットプレス、または化学蒸着 (CVD) によって製造できます。 CVD- で製造された高純度 SiC は 99.9995% 以上の純度に達することができ、5nm から 28nm までの主流の高度なプロセスに適しています。
(3) 炭化ホウ素 (B₄C): B₄C は、多くの工学用途における重要な候補材料です。サムスン電子は2022年の時点ですでにB₄Cフォーカスリングの研究開発を行っていた。今年初め、湖北省龍中研究所は中国初のB₄Cセラミックフォーカスリングの開発に成功した。主流の SiC フォーカス リングと比較して、30% 高い耐浸食性、30 日を超える耐用年数を実現し、エッチング プロセス コストを約 20% 削減し、チップの製造効率とスループットを向上させながら、優れた熱安定性と機械的特性を維持し、世界をリードするテクノロジーを実現しています。-