Napjainkban a modern félvezető-maratásban, vékony{0}}film-leválasztásban és egyéb berendezésekben a fejlett kerámiaanyagok fokozatosan felváltják a hagyományos fémeket és polimereket, köszönhetően kiváló magas-hőmérsékletállóságuknak, korrózióállóságuknak, nagy szigetelésüknek és nagy keménységüknek köszönhetően. Nélkülözhetetlen anyagokká váltak az olyan alkatrészekhez, mint az elektrosztatikus tokmányok, kamrabetétek, fűtőtestek, robotkarok és a litográfiai gépek precíziós vezetősínei. A plazmamaratási eljárásokban a fókuszgyűrű – az ostya éléhez közvetlenül elhelyezett kritikus fogyóeszköz – anyagválasztása révén közvetlenül befolyásolja a maratási egyenletességet és a forgácshozamot. Ahogy a folyamatablakok továbbra is szűkülnek, kétféle ultrakemény kerámia, a szilícium-karbid (SiC) és a bór-karbid (B₄C) fokozatosan felváltja a hagyományos kvarc- és szilíciumanyagokat, és a csúcskategóriás fókuszgyűrűk kulcsfontosságú fejlesztési irányaivá válnak.
Mi az a fókuszgyűrű?
A fókuszgyűrű, más néven zárógyűrű vagy élgyűrű, egy gyűrű alakú precíziós alkatrész, amelyet a plazmamaratási rendszerben az ostya talapzata köré szerelnek. Plazmamarás során a fókuszgyűrű közvetlenül a lapka széle mellett helyezkedik el, és közvetlenül ki van téve a nagy-energiájú plazmakörnyezetnek. Alapvető funkciói a következők:
(1) Plazmafókuszálás: A félvezető maratás nagy-energiájú plazmára támaszkodik a lapka pontos maratásához. Az ostya szélén azonban a plazmasűrűség csökken az elektromos mező élhatása miatt. A precíz szerkezeti kialakítás és a dielektromos tulajdonságok révén a fókuszgyűrű behatárolja és fókuszálja a nagy-energiájú plazmát az ostya területére, és az ostya felületét közel függőleges szögben bombázza. Ez egyenletesebb plazmaeloszlást biztosít az ostyán, csökkenti a maratási különbségeket a széle és a közepe között, és javítja a folyamat egyenletességét.
(2) A kamra és a precíziós alkatrészek védelme: Marás közben a nagy-energiájú plazma és erősen korrozív maratógázok (CF4, Cl₂, NF₃ stb.) folyamatosan bombázzák és korrodálják a kamra belső alkatrészeit. A fókuszgyűrű első gátként működik, megvédi az alatta lévő precíziós magkomponenseket, például az elektrosztatikus tokmányt és az elektródákat a plazma és korrozív gázok közvetlen kitettségétől, csökkenti a fizikai bombázást és a kémiai korróziós károkat, és meghosszabbítja a magkomponensek élettartamát.
A fókuszgyűrűk anyagszükséglete és a fejlett kerámiák alkalmazási előnyei
A fókuszgyűrűt egyetlen maratási folyamat során több órától több tíz óráig folyamatosan ki lehet téve RF plazmának, nagy-sűrűségű plazmabombázással, fluor- vagy klór-alapú korrozív gázokkal és gyakori magas-alacsony hőmérsékletű termikus ciklusokkal szemben, miközben közvetlenül érintkezik az ostyával. Ez megköveteli, hogy az anyagok egyidejűleg megfeleljenek a szigorú követelményeknek: extrém plazma erózióállóság, kiváló hőstabilitás és hősokkállóság, alacsony szennyeződési kockázat, kiemelkedő mechanikai tulajdonságok és megfelelő elektromos jellemzők. A múltban a fókuszgyűrűk főként kvarcból és szilíciumból készültek. Azonban ahogy a maratási folyamatok egyre nagyobb teljesítmény felé haladnak, a hagyományos anyagok korlátai egyre nyilvánvalóbbá váltak:
Kvarcgyűrűk: Alacsony költség és jó stabilitás nagy{0}}frekvenciás elektromos mezőkben, kiváló elektromos szigeteléssel. Azonban alacsony a keménységük (Mohs-keménység 7), az ionporlasztással szembeni ellenállásuk gyenge, a maximális üzemi hőmérsékletük 1100 fok alatt van, magas hőmérsékleten hajlamosak a deformációra, nagy az eróziós sebességük a fluor{4}}tartalmú plazmákban, és nagy a szennyeződés kicsapódásának kockázata. Csak a 28 nm feletti csomópontok alacsony- és -középső
Szilícium gyűrűk: Jól-illik a hőtágulási együttható és az elektromos tulajdonságok a szilícium lapkákhoz, valamint a magas hőmérsékleti ellenállás akár 1600 fokig, ami egyenletes plazmaeloszlást tesz lehetővé. Mindazonáltal gyengén ellenállnak a fluor-tartalmú plazmaeróziónak, könnyen képeznek illékony SiF₄-ot, ami magas fogyasztási arányt és gyakori cserét eredményez, ami folyamatingadozásokat és leállási veszteségeket okoz. Csak a hagyományos alacsony----közepes-folyamatokhoz alkalmasak.
Ebben az összefüggésben a fejlett kerámiák, például az alumínium-oxid (Al₂O3), a szilícium-karbid (SiC) és a bór-karbid (B₄C) bekerültek a félvezető berendezések gyártóinak látókörébe, és fokozatosan a csúcskategóriás fókuszgyűrűk főbb választásává válnak.
(1) Alumínium-oxid (Al2O3): Az alumínium-oxid a félvezető berendezésekben alkalmazott korai kerámiák egyike, jellemzően 99,5% feletti tisztaságú, és a kiváló minőségű termékek elérhetik a 99,9%-ot. Előállítási folyamata érett, nyomásmentes szinterezést vagy melegsajtolásos szinterezést alkalmaz, lényegesen alacsonyabb költséggel, mint a SiC és a B₄C. Fókuszgyűrűként nagy keménységet és kopásállóságot biztosít, csökkentve a kopásból származó részecskék szennyeződését. A fluor- vagy klór-alapú plazmákban stabil AlF3 vagy AlCl3 passzivációs réteget képez, amely jó ellenállást biztosít a plazmaporlasztással szemben. Alkalmas közepes{10}}teljesítményű-sűrűségű maratási eljárásokhoz, viszonylag hosszú élettartammal. Ezenkívül a dielektromos tulajdonságai stabilak, jó szigeteléssel, hatékonyan leválasztják az elektromos mezőt és elkerülik az elektrosztatikus tokmány interferenciáját. Magas hőmérséklet és nagy fluoráramlás mellett azonban az AlF3 passzivációs réteg leválik, és szennyeződési forrássá válhat. Ezen túlmenően a hőtágulási együtthatója (CTE) körülbelül 7,0 × 10⁻⁶/K, ami jelentősen eltér a szilíciumoétól (körülbelül 2,6 × 10⁻⁶/K), ami magas hőmérsékleten potenciálisan méretváltozást okozhat, és befolyásolja az ostyához való igazítási pontosságot, korlátozva a nagy pontosságú alkalmazást. kis-szegély-szcenáriók.
(2) Szilícium-karbid (SiC): A szilícium-karbid fókuszgyűrűk az elmúlt években a csúcsminőségű maratógépek főbb fejlesztéseivé váltak{1}}. Mohs-keménységük eléri a 9,5-öt, a hajlítószilárdság 1400 fokon is 500-600 MPa marad, CTE-jük (4×10⁻⁶/fok) pedig közel áll a szilícium lapkákéhez, így stabil hézagokat biztosít magas hőmérsékleten. Kiváló hősokkállósággal rendelkeznek, ellenállnak a gyors hőciklusnak, és segítenek optimalizálni az élek egyenletességét. Ennél is fontosabb, hogy kiváló erózióállóságot mutatnak az Ar, F, Cl és más plazmákkal szemben – különösen a fluor plazmákban, ahol az eróziós ráta közel nulla. Az alumínium-oxidhoz képest hosszabb élettartamot és jelentősen javított általános berendezés-hatékonyságot (OEE) kínálnak. A SiC fókuszgyűrűk előállíthatók nyomásmentes szinterezéssel, melegsajtolással vagy kémiai gőzleválasztással (CVD). A CVD-előállítású, nagy tisztaságú szilícium-karbid 99,9995% feletti tisztaságot érhet el, így alkalmas az 5 nm-től 28 nm-ig terjedő fejlettebb folyamatokhoz.
(3) Bór-karbid (B₄C): A B₄C fontos jelölt anyag számos mérnöki alkalmazásban. A Samsung Electronics már 2022-ben is végzett kutatást és fejlesztést a B₄C fókuszgyűrűkkel kapcsolatban. Az év elején a Hubei Longzhong Laboratory sikeresen kifejlesztette Kína első B₄C kerámia fókuszgyűrűjét. A hagyományos SiC fókuszgyűrűkkel összehasonlítva 30%-kal nagyobb erózióállóságot, 30 napot meghaladó élettartamot biztosít, körülbelül 20%-kal csökkenti a maratási folyamat költségeit, javítja a forgácsgyártás hatékonyságát és áteresztőképességét, miközben megőrzi a kiváló hőstabilitást és mechanikai tulajdonságait – ezzel a világ-vezető technológiáját éri el.