오늘날 최신 반도체 식각,{0}}박막 증착 및 기타 장비에서 고급 세라믹 재료는 우수한 고온 저항, 내부식성, 높은 절연성 및 높은 경도로 인해 전통적인 금속 및 폴리머를 점차 대체하고 있습니다.{1}} 이는 정전 척, 챔버 라이너, 히터, 로봇 팔, 리소그래피 기계용 정밀 가이드 레일과 같은 부품에 없어서는 안 될 재료가 되었습니다. 플라즈마 에칭 공정에서 웨이퍼 가장자리 바로 옆에 배치되는 중요한 소모품인 포커스 링은 재료 선택을 통해 에칭 균일성과 칩 수율에 직접적인 영향을 미칩니다. 프로세스 창이 계속 좁아짐에 따라 두 가지 유형의 초경질 세라믹인 탄화규소(SiC)와 탄화붕소(B₄C)가 점차 기존 석영 및 실리콘 재료를 대체하고 있으며 고급 초점 링의 핵심 개발 방향이 되고 있습니다.-
포커스 링이란 무엇입니까?
제한 링 또는 에지 링으로도 알려진 포커스 링은 플라즈마 에칭 시스템의 웨이퍼 받침대 주위에 설치되는 환형 정밀 구성 요소입니다. 플라즈마 에칭 중에 포커스 링은 웨이퍼 가장자리 바로 옆에 위치하며 고에너지 플라즈마 환경에 직접 노출됩니다.- 핵심 기능은 다음과 같습니다.
(1) 플라즈마 포커싱: 반도체 식각은 웨이퍼를 정밀하게 식각하기 위해 고-에너지 플라즈마를 사용합니다. 그러나 웨이퍼 가장자리에서는 전계 가장자리 효과로 인해 플라즈마 밀도가 감소하는 경향이 있습니다. 정밀한 구조 설계와 유전체 특성을 통해 포커스 링은 고{4}}에너지 플라즈마를 웨이퍼 영역에 가두어 집중시켜 거의 수직 각도로 웨이퍼 표면에 충격을 가하도록 합니다. 이는 웨이퍼 전체에 보다 균일한 플라즈마 분포를 보장하고, 가장자리와 중앙 사이의 에칭 차이를 줄이고, 공정 균일성을 향상시킵니다.
(2) 챔버 및 정밀 부품 보호: 에칭 중에 고에너지 플라즈마와 부식성이 강한 에칭 가스(CF₄, Cl2, NF₃ 등)가 지속적으로 내부 챔버 부품을 공격하여 부식시킵니다. 포커스 링은 첫 번째 장벽 역할을 하여 정전기 척 및 전극과 같은 아래의 정밀 핵심 구성 요소가 플라즈마 및 부식성 가스에 직접 노출되지 않도록 보호하고 물리적 충격 및 화학적 부식 손상을 줄이며 핵심 구성 요소의 서비스 수명을 연장합니다.
포커스 링에 대한 재료 요구 사항 및 고급 세라믹의 응용 장점
포커스 링은 단일 에칭 공정에서 몇 시간에서 수십 시간 동안 RF 플라즈마에 지속적으로 노출될 수 있으며, 고밀도 플라즈마 충격, 불소- 또는 염소{2}} 기반 부식성 가스, 잦은 고온-열 사이클링에 직면하면서 동시에 웨이퍼와 직접 접촉할 수도 있습니다. 이를 위해서는 재료가 극도의 플라즈마 침식 저항성, 우수한 열 안정성 및 열충격 저항성, 낮은 불순물 오염 위험, 뛰어난 기계적 특성 및 일치하는 전기적 특성 등 엄격한 요구 사항을 동시에 충족해야 합니다. 과거에는 초점 링이 주로 석영과 실리콘으로 만들어졌습니다. 그러나 에칭 공정이 더 높은 출력으로 이동함에 따라 기존 재료의 한계가 점점 더 분명해졌습니다.
석영 반지: 가격이 저렴하고 고주파 전기장에서 안정성이 우수하며 전기 절연성이 뛰어납니다. 그러나 경도가 낮고(모스 경도 7), 이온 스퍼터링에 대한 저항성이 약하고, 최대 사용 온도가 1100도 미만이고, 고온에서 변형되기 쉬우며, 불소{4}}함유 플라즈마에서 침식률이 높고, 불순물 침전 위험이 높습니다. 이는 28nm 이상의 노드를 위한 저-~-중간- RIE 식각 장비에만 적합하며 고급 공정의 낮은 오염 및 긴 수명 요구 사항을 충족할 수 없습니다.
실리콘 링:-실리콘 웨이퍼와 열팽창 계수 및 전기적 특성이 잘 일치하며 최대 1600도에 이르는 고온 저항으로 균일한 플라즈마 분포가 가능합니다. 그러나 불소-함유 플라즈마 침식에 대한 저항력도 약해 휘발성 SiF₄를 쉽게 형성하여 소비율이 높고 교체가 잦아 공정 변동과 가동 중지 시간 손실을 초래합니다. 이는 기존의 저가-~-중간- 프로세스에만 적합합니다.
이러한 배경에서 알루미나(Al2O₃), 실리콘 카바이드(SiC), 붕소 카바이드(B₄C)와 같은 고급 세라믹이 반도체 장비 제조업체의 시야에 들어오게 되었고 점차 고급 초점 링의 주류 선택이 되고 있습니다-.
(1) 알루미나(Al2O₃): 알루미나는 반도체 장비에 사용되는 초기 세라믹 중 하나이며 일반적으로 순도가 99.5% 이상이며 고급-등급 제품은 99.9%에 도달할 수 있습니다. 무압력 소결 또는 열간 압착 소결을 사용하여 SiC 및 B₄C보다 훨씬 저렴한 비용으로 준비 공정이 성숙되었습니다. 포커스 링으로서 높은 경도와 내마모성을 제공하여 마모로 인한 입자 오염을 줄입니다. 불소- 또는 염소- 기반 플라즈마에서는 AlF₃ 또는 AlCl₃의 안정적인 부동태화 층을 형성하여 플라즈마 스퍼터링에 대한 우수한 저항성을 제공합니다. 상대적으로 수명이 긴 중간-밀도-식각 공정에 적합합니다. 또한 유전 특성이 안정적이고 절연성이 우수하여 전기장을 효과적으로 격리하고 정전척과의 간섭을 방지합니다. 그러나 고온 및 높은 불소 흐름에서는 AlF₃ 보호층이 벗겨져 오염원이 될 수 있습니다. 더욱이 열팽창 계수(CTE)는 약 7.0×10⁻⁶/K로, 이는 실리콘의 열팽창 계수(약 2.6×10⁻⁶/K)와 크게 다르므로 잠재적으로 고온에서 치수 변화를 일으키고 웨이퍼의 정렬 정확도에 영향을 미쳐 고정밀, 작은-가장자리-간격 시나리오에서의 적용이 제한됩니다.
(2) 실리콘 카바이드(SiC): SiC 포커스 링은 최근 몇 년 동안 고급 에칭 장치의 주류 업그레이드가 되었습니다. 모스 경도는 9.5에 달하고 굽힘 강도는 1400도에서도 500-600MPa를 유지하며 CTE(4×10⁻⁶/도)는 실리콘 웨이퍼에 가깝기 때문에 고온에서 안정적인 간격을 보장합니다. 열충격 저항성이 뛰어나고 빠른 열 순환을 견디며 가장자리 균일성을 최적화하는 데 도움이 됩니다. 더 중요한 것은 Ar, F, Cl 및 기타 플라즈마, 특히 침식률이 거의 0에 가까운 불소 플라즈마에 대해 뛰어난 내식성을 나타냅니다. 알루미나에 비해 수명이 길고 전체 장비 효율성(OEE)이 크게 향상되었습니다. SiC 포커스 링은 무압력 소결, 핫 프레싱 또는 화학 기상 증착(CVD)을 통해 생산할 수 있습니다. CVD-로 생산된 고순도 SiC는 99.9995% 이상의 순도에 도달할 수 있어 5nm~28nm의 주류 첨단 공정에 적합합니다.
(3) 탄화붕소(B₄C): B₄C는 많은 엔지니어링 응용 분야에서 중요한 후보 물질입니다. 삼성전자는 이미 2022년부터 B₄C 포커스링에 대한 연구개발을 진행하고 있었다. 올해 초 후베이 롱중 연구소(Hubei Longzhong Laboratory)는 중국 최초의 B₄C 세라믹 포커스 링을 성공적으로 개발했습니다. 주류 SiC 포커스 링과 비교하여 30% 더 높은 내식성, 30일을 초과하는 서비스 수명, 에칭 공정 비용을 약 20% 절감하고 칩 제조 효율성과 처리량을 향상시키는 동시에 뛰어난 열 안정성과 기계적 특성을 유지하여 세계 최고의 기술을 달성합니다.{8}}