Glava prhe (znana tudi kot plošča za distribucijo plina ali plošča za homogenizacijo plina) v opremi za proizvodnjo polprevodnikov služi kot "srce distribucije plina" osnovnih procesov, kot so jedkanje, nanašanje s kemično paro (CVD) in nanašanje atomskih plasti (ALD). Določa enakomernost debeline nanesenega filma in doslednost hitrosti jedkanja, kar neposredno vpliva na izkoristek odrezkov. Vendar so njegove tehnične ovire izjemno visoke in že dolgo so ga monopolizirali čezmorski proizvajalci, saj ena enota stane več sto tisoč RMB. Ker se procesna vozlišča še naprej krčijo na 7 nm in manj, postaja okolje za proizvodnjo čipov vse bolj zahtevno. Glave prh se soočajo z višjimi temperaturami (nad 600 stopinj), višjimi pritiski in intenzivnejšo jedko plazmo (npr. plazmo na osnovi fluora in klora), hkrati pa zahtevajo najvišje ravni enakomernosti porazdelitve plina in čistoče komore. Glave za prhe, izdelane iz naprednih keramičnih materialov, kot sta aluminijev nitrid in silicijev karbid, ki izkoriščajo svoje glavne prednosti, kot so odpornost na visoke temperature, visoko električno izolacijo, močno odpornost proti koroziji in nizko onesnaženje s kovinami, so postale najboljša izbira za glave za prhe z naprednimi procesi z znatnim potencialom rasti trga. Ta članek raziskuje trende uporabe keramičnih materialov v tej komponenti za proizvodnjo polprevodnikov.
1. Zgradba in princip delovanja glave prhe
Glava prhe ima običajno obliko diska. Njegovo glavno telo vsebuje notranji kanal za izravnavo tlaka plina, optimiziran s simulacijami dinamike tekočin, njegova spodnja površina pa je gosto perforirana s tisoči mikroluknjic. Zgornji del je povezan z dovodnimi cevmi za različne reaktivne pline. Če za primer vzamemo tipično reakcijsko komoro CVD: po vstopu plina različni reaktivni plini difundirajo in se razdelijo skozi notranje natančne kanale za izravnavo tlaka, da tvorijo enotno koncentracijsko polje. Nato se navpično izvržejo s spodnje površine glave prhe skozi tisoče mikronskih skoznjih lukenj v laminarnem toku na površino rezin, kjer reagirajo in tvorijo tanek film. Z vplivanjem na vzorec pretoka plina v komori glava prhe pomaga preprečiti turbulenco in mrtve cone. To ne zagotavlja samo izredne enakomernosti reaktivnih plinov po površini rezin, ampak tudi zagotavlja, da se reakcijski stranski produkti takoj evakuirajo, kar omogoča, da svež plin neprekinjeno pride v stik s površino rezin. Navsezadnje to zagotavlja enakomernost debeline filma in doslednost hitrosti jedkanja, s čimer je zagotovljen izkoristek odrezkov.
2. Razvoj materiala polprevodniških prh in trendi uporabe keramičnih materialov
Izbira materiala za glavo prhe neposredno določa njeno življenjsko dobo, odpornost na okolje in združljivost postopka. Trenutno se polprevodniški materiali za tuširanje uvrščajo v tri glavne kategorije, ki ustrezajo različnim procesom in stroškovnim proračunom:
Kovinski materiali, vključno z aluminijevimi zlitinami, nerjavnim jeklom, čistim nikljem in zlitinami na osnovi niklja. Med temi se aluminijeve zlitine najpogosteje uporabljajo za običajne postopke (28 nm in več) zaradi majhne teže, dobre toplotne prevodnosti in zmernih stroškov. S trdo anodizacijo je mogoče izboljšati njihovo odpornost proti koroziji. Vendar pa je v okoljih z visoko temperaturo in močno plazemo odpornost matrike iz aluminijeve zlitine na bombardiranje s plazmo omejena, kar povzroči poškodbe površine ali poslabšanje delovanja. Trenutno v kritičnih procesih, kot sta ekstremno ultravijolična (EUV) litografija in atomsko plastno nanašanje (ALD), zlitine na osnovi niklja in titanove zlitine postopoma nadomeščajo aluminijeve zlitine zaradi svoje vrhunske odpornosti na bombardiranje s plazmo in stabilnosti pri visokih temperaturah.
Materiali na osnovi silicija, znani tudi kot silicijeve elektrode, so izdelani iz monokristalnega silicija visoke čistosti. Material je zelo čist, ni nagnjen k sproščanju nečistoč, s čimer se zmanjša kontaminacija reaktivnih plinov in izboljša izkoristek postopka. Primerni so za postopke jedkanja in nanašanja od nizkega do srednjega razreda, vendar imajo manjšo odpornost proti plazemski koroziji in jih je treba občasno zamenjati.
Keramični matrični materiali, kot so aluminijev nitrid, silicijev karbid in aluminijev oksid, kot tudi funkcionalni premazi, kot sta itrij in diamantu podoben ogljik (DLC). Ti ponujajo prednosti, kot so odpornost na visoke temperature, odpornost proti koroziji, visoka čistost in visoka toplotna prevodnost. Uporabljajo se predvsem v vrhunskih procesih pri 7 nm in manj, kar predstavlja pomembno smer v razvoju materialov za prhe.
01 Aluminijev nitrid (AlN)
V primerjavi s tradicionalnimi aluminijevimi zlitinami ima AlN keramika toplotno prevodnost do 170 W/(m·K) in temperaturno odpornost nad 1000 stopinj. Lahko hitro odvaja toploto, ki nastane med delovanjem prhe, s čimer se izogne strukturni deformaciji zaradi lokalnega pregrevanja in tako zagotovi enakomerno porazdelitev plina. Poleg tega ne vsebuje obarjanja kovinskih nečistoč, kar učinkovito preprečuje kontaminacijo rezin in izpolnjuje stroge zahteve postopkov pod 7 nm.
02 CVD‑SiC
Najpomembnejša značilnost pršnih glav CVD‑SiC je njihova odlična odpornost na korozijo s fluorom/klorom, z življenjsko dobo 2–4-krat daljšo kot pri silikonskih pršnih glavah. Prenesejo lahko ekstremna okolja z visoko jedko plazmo in visokofrekvenčnim plazemskim obstreljevanjem, s čimer izboljšajo čas delovanja opreme za suho jedkanje in bistveno zmanjšajo pogostost zamenjave in stroške vzdrževanja izpadov. Primerne so za uporabo kot zgornje elektrodne plošče v reakcijskih komorah in kot obroči za fokusiranje robov okoli rezin. Vendar je prhe CVD‑SiC težko izdelati in jih trenutno ni mogoče množično proizvajati doma (na Kitajskem), odvisno od uvoza.
03 Prevleka iz itrija (Y₂O₃).
Premazi iz itrija izkazujejo izjemno kemično stabilnost pod visokoenergijskimi ioni in halogensko plazmo ter učinkovito preprečujejo, da bi jedki plini in plazma napadli podlago prhe. So ključni zaščitni material za vrhunske komore za jedkanje, primerni za proizvodnjo logičnih in pomnilniških čipov pod 7 nm, kar bistveno podaljšuje življenjsko dobo komponent. Trenutno se premazi iz itrija običajno nanašajo z uporabo naprednih tehnik, kot sta magnetronsko naprševanje in ALD.
04 Diamantu podoben ogljik (DLC) premaz
DLC je amorfni ogljikov film, ki vsebuje hibridne vezi sp³ (diamantna struktura) in sp² (grafitna struktura). Odlikuje ga visoka trdota, samomazljivost in odlična kemična inertnost. Znatno lahko zmanjša upor pretoka plina in minimalizira obrabo notranjih sten mikroluknjic glave prhe. Njegove lastnosti nizke površinske energije prav tako zmanjšajo oprijem reakcijskih stranskih produktov. Ker se integracija čipov še naprej povečuje, se povečujejo zahteve glede čistoče prhe in odpornosti proti obrabi, zato se pričakuje, da se bo delež nanosa DLC premazov postopoma povečal.