在半導體行業中，設備投資占半導體產業資本支出的60%-70%，其中晶圓制造過程因工藝復雜，工序多樣，相關設備的價值量占比極高，達到了總資本支出的50%以上。半導體設備的發展已經成為推動半導體行業技術創新進步的引擎。

對于半導體設備的研制，部件所使用的材料是影響設備性能的關鍵因素。特別是對于晶圓制造過程中的刻蝕機和PECVD設備，等離子體通過物理作用和化學反應會對設備器件表面造成嚴重腐蝕，一方面縮短部件的使用壽命，降低設備的使用性能，另一方面腐蝕過程中產生的反應產物會出現揮發和脫落的現象，在工藝腔內產生雜質顆粒，影響腔室的潔凈度。

如何應對等離子體腐蝕難題？

一般可采用高純Al2O3涂層作為刻蝕腔體和腔體內部件的防護材料。但是隨著半導體器件最小特征尺寸的減小和晶圓尺寸的增大，為了獲得更高的刻蝕精度和保證刻蝕的均一性，等離子體能量也逐漸增大，同時鹵素類氣體開始被用于等離子體刻蝕。高能含氟等離子體具有很高的化學活性，容易與Al2O3反應生成AlxFy化合物，沉積在工藝腔內壁或部件表面上，最后在等離子刻蝕過程中脫落成顆粒，污染晶圓，降低成品率，增加生產成本。

因此，刻蝕機腔體和腔體部件材料的耐等離子體刻蝕性能變得至關重要。

石英材料

石英是一種物理化學性質穩定的無機非金屬材料，晶體結構屬三方晶系，作為刻蝕機腔體材料，對硅晶圓的雜質污染問題較為嚴重。與此同時，由于刻蝕過程采用含F的等離子體，F易與石英反應生成SiF4。因此等離子體對腔體的刻蝕現象比較嚴重，作為等離子刻蝕機腔體材料，使用壽命受到了極大的限制。

SiC材料

碳化硅是一種化學性質穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨性能優異的無機非金屬材料。SiC作為刻蝕機腔體材料，相較于石英，其材料本身產生的雜質污染較少，由于具有更加優異的力學性能，在等離子轟擊其原子表面時，原子損失率相對較少，日本三井公司報道一種SiC復合材料作為空氣刻蝕機腔體材料，具有較高的耐腐蝕性。

陽極氧化鋁及高純Al2O3材料

刻蝕機腔室材料選擇鋁合金時，易造成金屬顆粒污染，轉而選擇在鋁合金上鍍一層致密的陽極氧化鋁層，通過陽極氧化，從而提高腔室材料的耐刻蝕性。實踐發現，陽極氧化鋁層易出現剝落的現象。這主要是由于合金中的雜質發生偏析，表面的陽極氧化鋁層易產生微裂紋，使得陽極氧化鋁的使用壽命較低，因此制備了高純的氧化鋁陶瓷作為腔室材料。

其作為耐等離子刻蝕腔體材料具有以下特點。

(1)生產設備簡單，自動化程度較高，生產工藝成本較低。

(2)由于鹵素氣體通常被用作高速刻蝕Si晶片使用，Al易與鹵素F等反應生成易揮發的Al-F副產物而污染晶片。

(3)金屬相雜質的添加，對其硬度和抗彎強度明顯下降。

(4)高溫下，納米晶粒易長大，并伴隨熱導率下降。

(5)在梯度涂層中，加重了分層效應。

(6)不能滿足300mm以上刻蝕設備的要求。

Y2O3材料

氧化釔作為一種Si片刻蝕加工的腔體材料，與Al2O3相比具有如下優勢與不足。

(1)由于AlF3的消除，Y2O3造成的表面顆粒和缺陷污染減少。

(2)材料中的過渡金屬含量低，降低了金屬污染的風險。

(3) Y2O3具有更加優異的介電性能，并且越厚的Y2O3陶瓷涂層，其抵抗介質擊穿能力越強。

(4)作為耐等離子腔體材料，在等離子體中腐蝕速率較低。

(5)使用成本低，但制備成本較高。

(6)熱膨脹系數較Al2O3大，在腐蝕的過程中，在晶界邊界的殘余應力易發生膨脹，因此內部較易產生氣孔和微裂紋。

單晶YAG以及Al2O3-YAG共晶復合材料

YAG簡稱釔鋁石榴石，具有立方晶體結構、無雙折射效應、高溫蠕變小，具有優異的光學及電學性能，被廣泛地應用于激光器基質材料、高溫可見光窗口、等離子體腔室材料以及紅外窗口材料等。

YAG作為一種重要的耐熱和耐等離子體沖擊材料，近幾十年來，受到研究者以及一些相關設備制造商的關注。相較于Y2O3陶瓷，具有以下一些特點。

(1)使用壽命長，使用成本相對較低。

(2)制備工藝更為簡單，成本低。

(3)更優異的機械性能。

(4)熔點低，易加工等。

Al2O3-YAG復合陶瓷，是由Al2O3與Y2O3納米粉末按照一定的配比，經過球磨混合、干燥、成型、燒結等工藝制備而來。

在耐等離子刻蝕腔體壁材方面，相較于單晶YAG，具有良好的應用前景，根據目前相關的研究報道，相較其他耐蝕腔體材料具有如下優點。

(1)優異的機械性能。

(2)高熱導率。

(3)高溫抗蠕變性能優異。

(4)生產成本相對較低。

(5)耐等離子刻蝕性好。

Si3N4材料

Si3N4作為一種共價鍵化合物，其熱膨脹系數低、導熱率高、抗化學腐蝕、耐熱沖擊性極佳。經過熱壓燒結的Si3N4，其硬度極高，且極耐高溫，它的強度一直維持在1200℃高溫下而不下降，受熱后不會熔成融體，到1900℃才會分解。

熱壓燒結的氮化硅加熱到1000℃后投入冷水中也不會破裂。但是它作為一種等離子刻蝕腔體材料，仍存在以下不足：

(1)機械加工成本高，已超過產品總成本的一半。

(2)機械加工對材料表面損傷，由此對材料的強度產生不利。

(3)為了避免機械加工對材料性能的消極影響，制造加工通常采用過分保守的加工條件，大大地延長了加工時間，生產效率降低。

(4)作為一種非氧化物陶瓷材料，大尺寸燒結體難以制備，其制備成本高。

審核編輯 ：李倩