Glava tuša (poznata i kao ploča za distribuciju plina ili ploča za homogenizaciju plina) u opremi za proizvodnju poluvodiča služi kao "srce distribucije plina" osnovnih procesa kao što su jetkanje, kemijsko taloženje iz pare (CVD) i taloženje atomskog sloja (ALD). Određuje ujednačenost debljine nanesenog filma i dosljednost brzine jetkanja, izravno utječući na iskorištenje strugotine. Međutim, njegove tehničke prepreke su izuzetno visoke i dugo su ga monopolizirali inozemni proizvođači, a jedna jedinica košta stotine tisuća RMB. Kako se procesni čvorovi nastavljaju smanjivati na 7nm i niže, okruženje za proizvodnju čipova postaje sve izazovnije. Glave tuševa suočavaju se s višim temperaturama (iznad 600 stupnjeva), višim pritiscima i intenzivnijom korozivnom plazmom (npr. plazma na bazi fluora i klora), dok istovremeno zahtijeva neviđene razine ujednačenosti distribucije plina i čistoće komore. Glave tuševa izrađene od naprednih keramičkih materijala kao što su aluminijev nitrid i silicijev karbid, iskorištavajući svoje temeljne prednosti otpornosti na visoke temperature, visoku električnu izolaciju, jaku otpornost na koroziju i nisku kontaminaciju metalima, postale su najbolji izbor za glave tuševa naprednih procesa, sa značajnim potencijalom rasta tržišta. Ovaj članak istražuje trendove primjene keramičkih materijala u ovoj komponenti za proizvodnju poluvodiča.
1. Struktura i princip rada glave tuša
Glava tuša obično ima oblik diska. Njegovo glavno tijelo sadrži unutarnji kanal za izjednačavanje tlaka plina optimiziran simulacijama dinamike fluida, a njegova je donja površina gusto perforirana s tisućama mikro-rupa. Gornji dio je spojen na ulazne cijevi za različite reaktivne plinove. Uzimajući tipičnu CVD reakcijsku komoru kao primjer: nakon ulaza plina, različiti reaktivni plinovi difundiraju i dijele se kroz unutarnje precizne kanale za izjednačavanje tlaka kako bi formirali jedinstveno koncentracijsko polje. Zatim se okomito izbacuju s donje površine glave tuša kroz tisuće mikronskih otvora u laminarnom protoku na površinu ploče, gdje reagiraju i stvaraju tanki film. Utječući na uzorak protoka plina unutar komore, glava tuša pomaže u izbjegavanju turbulencije i mrtvih zona. Ovo ne samo da osigurava ekstremnu ujednačenost reaktivnih plinova preko površine pločice, već također osigurava da se nusprodukti reakcije odmah evakuiraju, dopuštajući svježem plinu da neprekidno kontaktira površinu pločice. U konačnici, ovo jamči jednolikost debljine filma i dosljednost brzine jetkanja, čime se čuva prinos strugotine.
2. Evolucija materijala poluvodičkih glava za tuširanje i trendovi primjene keramičkih materijala
Odabir materijala za glavu tuša izravno određuje njezin vijek trajanja, otpornost na okoliš i kompatibilnost procesa. Trenutno poluvodički materijali za tuševe spadaju u tri glavne kategorije, u skladu s različitim procesima i proračunima troškova:
Metalni materijali, uključujući legure aluminija, nehrđajući čelik, čisti nikal i legure na bazi nikla. Među njima, aluminijske legure se najčešće koriste za konvencionalne procese (28 nm i više) zbog svoje male težine, dobre toplinske vodljivosti i umjerene cijene. Tretmanom tvrde anodizacije može se poboljšati njihova otpornost na koroziju. Međutim, pod visokotemperaturnim okruženjima jake plazme, otpornost matrice od aluminijske legure na bombardiranje plazmom je ograničena, što dovodi do oštećenja površine ili degradacije performansi. Trenutačno, u kritičnim procesima kao što su ekstremno ultraljubičasta (EUV) litografija i taloženje atomskim slojem (ALD), legure na bazi nikla i titanijumske legure postupno zamjenjuju aluminijske legure zbog svoje vrhunske otpornosti na bombardiranje plazmom i stabilnosti na visokim temperaturama.
Materijali na bazi silicija, poznati i kao silicijske elektrode, izrađeni su od monokristalnog silicija visoke čistoće. Materijal je vrlo čist, nije sklon otpuštanju nečistoća, čime se smanjuje kontaminacija reaktivnim plinovima i poboljšava prinos procesa. Prikladni su za procese jetkanja i taloženja niske do srednje razine, ali imaju slabiju otpornost na plazma koroziju i zahtijevaju povremenu zamjenu.
Materijali keramičke matrice kao što su aluminijev nitrid, silicijev karbid i aluminijev oksid, kao i funkcionalni premazi poput itrija i ugljika sličnog dijamantu (DLC). Oni nude prednosti kao što su otpornost na visoke temperature, otpornost na koroziju, visoka čistoća i visoka toplinska vodljivost. Prvenstveno se koriste u vrhunskim procesima na 7nm i nižim, što predstavlja važan smjer u evoluciji materijala za tuševe.
01 Aluminijev nitrid (AlN)
U usporedbi s tradicionalnim aluminijskim legurama, AlN keramika ima toplinsku vodljivost do 170 W/(m·K) i temperaturnu otpornost veću od 1000 stupnjeva. Može brzo raspršiti toplinu koja se stvara tijekom rada glave tuša, izbjegavajući strukturnu deformaciju zbog lokalnog pregrijavanja i tako osiguravajući jednoliku distribuciju plina. Osim toga, nema taloženja metalnih nečistoća, učinkovito sprječava kontaminaciju pločica, ispunjavajući stroge zahtjeve procesa ispod 7 nm.
02 CVD‑SiC
Najistaknutija značajka CVD‑SiC glava tuša je njihova izvrsna otpornost na koroziju fluor/klor plazmom, s radnim vijekom 2-4 puta duljim nego kod silikonskih glava tuša. Mogu izdržati ekstremna okruženja s visoko korozivnom plazmom i bombardiranjem visokofrekventnom plazmom, poboljšavajući vrijeme rada opreme za suho jetkanje i značajno smanjujući učestalost zamjene i troškove održavanja zastoja. Prikladne su za upotrebu kao ploče gornje elektrode u reakcijskim komorama i kao prstenovi za fokusiranje rubova oko pločica. Međutim, CVD‑SiC glave tuša je teško proizvesti i trenutno se ne mogu masovno proizvoditi u zemlji (u Kini), oslanjajući se na uvoz.
03 Itria (Y₂O3) Premaz
Premazi iz itrija pokazuju iznimnu kemijsku stabilnost pod visokoenergetskim ionima i halogenom plazmom, učinkovito sprječavajući korozivne plinove i plazmu da napadnu podlogu glave tuša. Oni su ključni zaštitni materijal za vrhunske komore za jetkanje, pogodni za proizvodnju logičkih i memorijskih čipova ispod 7nm, značajno produžujući vijek trajanja komponenti. Trenutačno se prevlake iz itrija obično nanose pomoću naprednih tehnika kao što su magnetronsko raspršivanje i ALD.
04 Diamond-Like Carbon (DLC) premaz
DLC je amorfni ugljični film koji sadrži sp³ (dijamantna struktura) i sp² (grafitna struktura) hibridne veze. Odlikuje se visokom tvrdoćom, samopodmazivanjem i izvrsnom kemijskom inertnošću. Može značajno smanjiti otpor protoka plina i smanjiti habanje unutarnjih stijenki mikrorupa glave tuša. Značajno, karakteristike niske površinske energije također smanjuju prianjanje nusproizvoda reakcije. Kako se integracija čipova nastavlja povećavati, zahtjevi za čistoćom glave tuša i otpornošću na habanje rastu, a očekuje se da će se udio primjene DLC premaza postupno povećavati.