中国粉体网讯 等离子体刻蚀技术作为关键的微纳加工手段，已成为半导体制造过程中不可或缺的核心工艺。等离子体刻蚀通过应用高能、高密度的等离子体实现材料的精确刻蚀，从而提升了集成电路的制造效率和良品率，使得半导体器件在高度集成的条件下仍然能够保持高效生产。然而，随着晶圆尺寸的增大和器件集成度的提升，等离子体刻蚀工艺也面临一系列技术挑战。
在刻蚀过程中，卤素气体（如CF4、CHF3等）与惰性气体（如Ar、Xe等）通过电离生成的高能等离子体被用于晶片表面的刻蚀。这一过程当中，不仅晶片材料会受到刻蚀，刻蚀设备的内壁和关键部件（如喷淋头、聚焦环和基座）也会遭到刻蚀。但这些零部件的刻蚀一方面会使得半导体器件污染，良品率下降以及设备寿命缩短，另一方面这也会使得刻蚀腔内壁暴露在等离子环境中产生大量悬浮颗粒污染物，这些污染物可能沉积在晶片表面，导致芯片短路等质量问题。在此背景下，如何有效防止设备内壁刻蚀并消除由此产生的颗粒污染，已成为半导体行业需要解决的难题，耐高密度等离子体刻蚀材料的研发变得尤为紧迫。
等离子体刻蚀装置中的颗粒污染
直接使用高性能耐刻蚀材料会显著提高设备成本，并增加加工难度。因此，研究者们逐渐关注耐等离子体刻蚀涂层材料及相关制备工艺，以防护涂层作为刻蚀设备内壁保护手段，成为了一个更具经济性和技术可行性的解决方案。耐等离子体刻蚀涂层材料的研究不仅涉及新材料的开发，还包括先进涂层制备技术的优化，两者已成为半导体制造领域中的重要研究方向。
耐等离子体刻蚀涂层材料有哪些？
通常情况下，高纯度材料具有更好的物理化学性能和可靠性，耐刻蚀涂层的纯度越高，其一致性越好，刻蚀速率及颗粒污染物生成量越低。当前，Al2O3、Y2O3、YAG、YF3、YOF和非晶玻璃等材料，因其独特的物理和化学特性，已被广泛用作耐等离子体刻蚀涂层的材料。
Al2O3材料
作为典型的陶瓷材料，Al2O3具有高介电强度和优异的耐化学腐蚀性能，在高能等离子体刻蚀环境中仍能保持相对稳定，是最早采用的耐等离子体刻蚀涂层材料之一。其中，致密的高纯Al2O3块体陶瓷具有更好的耐等离子体刻蚀性能。自20世纪80年代以来，已广泛应用于200ｍｍ和300ｍｍ晶圆制造设备中，但随着晶圆尺寸的增大以及等离子体功率的增加，Al2O3涂层仍存在颗粒污染以及在极端刻蚀条件下耐刻蚀性能受限的问题，难以满足300ｍｍ以上刻蚀设备的要求。
Y2O3材料
Y2O3为立方晶体结构，熔点约为2450℃，具有较高的机械强度、硬度和化学稳定性。其高熔点和热稳定性使其在等离子体刻蚀环境中能长期保持优异的防护性能，是目前在等离子体刻蚀防护领域中应用最广泛的材料之一。
Y2O3涂层，来源：卡贝尼
相比Al2O3涂层，Y2O3涂层在半导体和LCD制造过程中，尤其是在含F等离子体环境中，释放更少有害元素和反应产物，表现出更强的耐等离子体刻蚀性能。Y2O3的最大优点是其在F基等离子体中反应较慢，能够保持涂层表面的稳定性，这使其在8英寸及以上刻蚀设备中具有良好的应用前景。
此外，氧化钇是一种在可见光范围内透明的陶瓷材料，具有较高的透光率，可用作等离子体刻蚀设备的窗视镜材料。
YAG材料
在高密度等离子体中，Y2O3已取代Al2O3作为腔室内部防护涂层，以提高等离子体耐受性。尽管Y2O3相较传统的Al2O3具有更好的等离子体耐受性，但其烧结性能差、生产成本高以及力学性能较差，限制了其实用性。采用Y2O3作为基体材料并添加Al2O3作为第二相，已成为等离子体刻蚀陶瓷研究的一个趋势。
YAG不仅具有良好的化学稳定性和光学性能，而且与Y2O3相比，其机械强度更高且易于加工制造。虽然YAG的抗等离子体刻蚀性能略低于Y2O3，但它可用于 刻蚀腔设备的观察窗口材料。
YF3材料
YF3具有较高的介电强度，其标准生成焓（-392kJ/mol）低于Y2O3(-318kJ/mol)，在F等离子体刻蚀过程中，可作为保护层，抑制材料的进一步氟化，被认为是Y2O3的替代材料。在不施加偏置电压的情况下，涂层材料与氟碳等离子体的化学反应占主导地位，导致Y2O3涂层表面上形成细小的氟化物颗粒，YF3涂层则可以保持表面完整和清洁。
YOF材料
YOF具有高热稳定性和化学稳定性，在高温及强酸碱环境下均不易分解，被视为一种极具有潜力的耐等离子体刻蚀涂层材料。YOF在约560℃时发生相变，其有序-无序转变表现出快速的、无法通过淬火稳定的动力学特性，通过调节氧含量，可以制备不同成分和物理特性的氟氧化物材料。此外，YOF的热膨胀系数与Al更为接近，通过热喷涂法制备的YOF涂层几乎没有裂纹，可形成高结晶度和致密结构的涂层。
非晶玻璃材料
由于多晶陶瓷在卤素等离子体中表现出优异的耐腐蚀性能，并且具备高机械稳定性和化学稳定性，因此广泛应用于半导体和显示器的制造。然而，无论是通过烧结还是喷涂工艺制备的多晶材料都存在晶界，某些工艺制备的材料中难免会出现孔隙等缺陷，容易发生局部腐蚀并释放颗粒污染物。相比之下，非晶玻璃由于其各向同性的结构，没有晶界的存在，能够抑制等离子体暴露后颗粒污染的形成。此外，含稀土金属的铝硅酸盐玻璃在可见光范围内具有高透射率，可用于等离子 体腔室的观察窗口。
小结
随着高密度等离子体刻蚀技术的发展，对刻蚀腔室的耐腐蚀涂层提出了更高的要求。涂层材料的选择和致密涂层的制备直接关系到半导体生产的稳定性与良品率，这使得高性能耐刻蚀涂层的研发成为半导体行业不可或缺的重要环节。目前，Y2O3、YF3、YAG和YOF等陶瓷涂层已经在一定程度上展现出优异的耐等离子体刻蚀性能，但随着半导体工艺节点的持续缩小，对刻蚀腔室涂层的要求将愈发严苛。
未来，为满足半导体制造工艺对高密度等离子体刻蚀涂层的严格要求，高性能材料体系研发和高致密涂层制备工艺优化将成为关键研究方向。在材料研发方面，可以通过掺杂改性、纳米结构调控和复合材料设计等手段，提升现有材料的抗刻蚀性能和微观结构稳定性。新型陶瓷材料、稀土掺杂氧化物及其他复合材料的研发也将为耐等离子体刻蚀涂层提供更多选择。
来源：
马凯等：耐等离子体刻蚀涂层材料与制备工艺研究进展
谭毅成：耐等离子体刻蚀钇基复合陶瓷的制备及其性能研究
马文等：悬浮液等离子喷涂制备Y2O3涂层及耐等离子刻蚀性
（中国粉体网编辑整理/空青）
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