Сравнение трех основных колец фокусировки

Кольца фокусировки представляют собой прецизионные кольцевые детали, которые обычно устанавливаются вокруг патрона пластин оборудования для плазменного травления и подвергаются непосредственному воздействию высокоэнергетической плазмы во время процесса травления. Их основная функция — выступать в качестве расходуемых частей, обеспечивая равномерные результаты травления по всей поверхности пластины. Из-за краевого эффекта электрические поля резко искажаются и расходятся по краям пластины, что делает плотность и энергию плазмы совершенно несовместимыми с центром пластины, тем самым нарушая однородность травления. Кольца фокусировки решают эту проблему с помощью трех основных механизмов, перечисленных ниже:

1. Оптимизация электрического поля

Кольца фокусировки, расположенные вокруг пластины, действуют как буферная рампа электрического поля, поднимая физические и электрические границы пластины. Эта настройка выравнивает плазменную оболочку на краю пластины, направляя ионы на бомбардировку поверхности пластины под оптимальными углами, тем самым обеспечивая постоянную точность травления между краем пластины и центром.

2. Механизм защиты основных компонентов

В качестве жертвуемых частей в системе травления кольца фокусировки выдерживают прямую бомбардировку высокоэнергетической плазмой. Они могут защитить расположенные под ними дорогостоящие компоненты, такие как электростатические патроны, от повреждений, что значительно продлевает срок службы компонентов и снижает затраты на их обслуживание.

3. Техническое обслуживание термического и электрического согласования.

Некоторые кольца фокусировки могут способствовать достижению равномерного распределения тепла или формированию хорошо согласованного электрического поля с пластиной с заданной электропроводностью, создавая тем самым чрезвычайно стабильную среду обработки для высокоточного травления.

Сравнение трех широко используемых материалов колец фокусировки

Кварц, кремний и карбид кремния — три основных материала для изготовления колец фокусировки. Ниже приводится подробное описание их сильных сторон, недостатков и типичных применений.

1. Кварцевое кольцо фокусировки (традиционный вариант).

А. Преимущества и недостатки

Кварцевые кольца фокусировкидемонстрируют низкие эксплуатационные расходы, устойчивое поведение в высокочастотных полях и превосходную диэлектрическую изоляцию. Тем не менее нельзя игнорировать их ограничения. Кварц обладает низкой механической твердостью, поэтому кварцевые кольца фокусировки склонны к деформации в условиях высоких температур. Они также обладают плохой устойчивостью к ионному распылению и чрезвычайно высокой скоростью коррозии при воздействии плазмы на основе фтора, что может вызвать риск загрязнения производственных процессов.

Б. Подходящие сценарии

Эти кольца подходят для травильных станков RIE без высокой бомбардировки, поддерживающих процессы среднего и низкого уровня при 28 нм и выше. Они не могут соответствовать строгим требованиям к низкому загрязнению и длительному сроку службы, предъявляемым к усовершенствованным узлам.

2. Кремниевое кольцо фокусировки.

А. Преимущества и недостатки

Кремниевые кольца фокусировки.Изготовлены из того же материала, что и кремниевые пластины, и имеют хорошо подобранные коэффициенты теплового расширения и электрические свойства. Они выдерживают температуру до 1600°C и помогают поддерживать равномерное распределение плазмы. Тем не менее, кремний плохо противостоит плазменному травлению фтором. Он легко генерирует летучий SiF₄, быстро изнашивается и вызывает частые отклонения процесса и незапланированные простои. Требуется частая замена: кольца из монокристаллического кремния обычно требуют замены каждые 10–12 дней.

Б. Подходящие сценарии

Кремниевые кольца когда-то были стандартом для линий травления полупроводников, но постепенно заменяются вариантами SiC. Они по-прежнему используются в устаревших производственных процессах среднего и низкого уровня, чувствительных к затратам.

3. Кольцо фокусировки из карбида кремния (выбор премиум-класса с высокими характеристиками)

А. Преимущества и недостатки

Кольца фокусировки из карбида кремния.имеют твердость по шкале Мооса 9,5 и сохраняют прочность на изгиб от 500 до 600 МПа даже при 1400°C. Между тем, их коэффициент теплового расширения хорошо соответствует кремниевым пластинам, обеспечивая исключительную стойкость к тепловому удару, позволяющую выдерживать быстрые циклические изменения температуры, что значительно оптимизирует однородность травления по краям пластины. Самое главное, что SiC обладает исключительной коррозионной стойкостью к Ar, F, Cl и другим плазменным химическим соединениям. Скорость его травления во фторной плазме близка к нулю. Фокусировочные кольца из карбида кремния имеют срок службы в 2–3 раза дольше, чем кремниевые, что значительно повышает общую эффективность оборудования. Карбид кремния высокой чистоты, выращенный методом CVD, достигает уровня чистоты выше 99,9995%, что резко снижает риск загрязнения частицами и элементами.

Однако кольца фокусировки из карбида кремния не лишены недостатков. Учитывая чрезвычайную твердость карбида кремния, для изготовления фокусировочных колец из карбида кремния требуются алмазные режущие инструменты. А их сложные и длительные процедуры обработки значительно увеличивают первоначальную стоимость покупки.

Б. Подходящие сценарии

Кольца фокусировки из карбида кремния являются оптимальным вариантом для передовых производственных процессов, включая логические микросхемы с нормой менее 14 нм и устройства 3D NAND, а также являются лучшим материалом для изготовления силовых устройств из карбида кремния.