Saat ini, dalam etsa semikonduktor modern, deposisi film-tipis, dan peralatan lainnya, material keramik canggih secara bertahap menggantikan logam dan polimer tradisional karena ketahanan-suhu tinggi, ketahanan terhadap korosi, isolasi tinggi, dan kekerasan tinggi. Mereka telah menjadi bahan yang sangat diperlukan untuk komponen seperti chuck elektrostatis, pelapis ruang, pemanas, lengan robot, dan rel pemandu presisi untuk mesin litografi. Dalam proses etsa plasma, cincin fokus – bahan habis pakai penting yang ditempatkan berdekatan dengan tepi wafer – secara langsung mempengaruhi keseragaman etsa dan hasil chip melalui pemilihan materialnya. Seiring dengan semakin menyempitnya jendela proses, dua jenis keramik ultra-keras, silikon karbida (SiC) dan boron karbida (B₄C), secara bertahap menggantikan bahan kuarsa dan silikon tradisional, menjadi arah pengembangan utama untuk cincin fokus-kelas atas.
Apa itu cincin fokus?
Cincin fokus, juga dikenal sebagai cincin kurungan atau cincin tepi, adalah komponen presisi berbentuk cincin yang dipasang di sekitar alas wafer dalam sistem etsa plasma. Selama pengetsaan plasma, cincin fokus berada tepat di sebelah tepi wafer dan langsung terkena-lingkungan plasma berenergi tinggi. Fungsi intinya adalah:
(1) Pemfokusan plasma: Pengetsaan semikonduktor bergantung pada plasma-energi tinggi untuk mengetsa wafer dengan tepat. Namun pada bagian tepi wafer, kepadatan plasma cenderung menurun akibat efek tepi medan listrik. Melalui desain struktural dan sifat dielektrik yang tepat, cincin fokus membatasi dan memfokuskan plasma-energi tinggi di atas area wafer, mengarahkannya untuk membombardir permukaan wafer pada sudut yang hampir vertikal. Hal ini memastikan distribusi plasma yang lebih seragam di seluruh wafer, mengurangi perbedaan etsa antara tepi dan tengah, dan meningkatkan keseragaman proses.
(2) Perlindungan ruang dan komponen presisi: Selama pengetsaan, plasma-berenergi tinggi dan gas pengetsaan yang sangat korosif (CF₄, Cl₂, NF₃, dll.) terus-menerus membombardir dan menimbulkan korosi pada komponen ruang internal. Cincin fokus bertindak sebagai penghalang pertama, melindungi komponen inti presisi di bawahnya seperti chuck elektrostatis dan elektroda dari paparan langsung terhadap plasma dan gas korosif, mengurangi pemboman fisik dan kerusakan korosi kimia, serta memperpanjang masa pakai komponen inti.
Persyaratan material untuk cincin fokus dan keunggulan aplikasi keramik canggih
Cincin fokus mungkin terus-menerus terkena plasma RF selama beberapa jam hingga puluhan jam dalam satu proses pengetsaan, menghadapi pemboman plasma-densitas tinggi, gas korosif- atau klorin-berbasis fluor, dan siklus termal suhu tinggi-rendah yang sering terjadi, sekaligus bersentuhan langsung dengan wafer. Hal ini memerlukan material yang secara bersamaan memenuhi tuntutan yang ketat: ketahanan erosi plasma yang ekstrim, stabilitas termal dan ketahanan guncangan termal yang sangat baik, risiko kontaminasi pengotor yang rendah, sifat mekanik yang luar biasa, dan karakteristik kelistrikan yang sesuai. Di masa lalu, cincin fokus sebagian besar terbuat dari kuarsa dan silikon. Namun, seiring dengan kemajuan proses etsa menuju kekuatan yang lebih tinggi, keterbatasan bahan tradisional menjadi semakin jelas:
Cincin kuarsa: Biaya rendah dan stabilitas yang baik di bawah-medan listrik frekuensi tinggi, dengan isolasi listrik yang sangat baik. Namun, bahan tersebut memiliki kekerasan yang rendah (kekerasan Mohs 7), ketahanan yang lemah terhadap sputtering ion, suhu layanan maksimum di bawah 1100 derajat , kerentanan terhadap deformasi pada suhu tinggi, tingkat erosi yang tinggi dalam plasma yang mengandung fluor, dan risiko tinggi terjadinya pengendapan pengotor. Produk ini hanya cocok untuk peralatan etsa RIE kelas bawah-hingga-menengah-untuk node di atas 28nm dan tidak dapat memenuhi persyaratan kontaminasi rendah dan umur panjang dari proses tingkat lanjut.
Cincin silikon:-koefisien ekspansi termal dan sifat listrik yang sangat cocok dengan wafer silikon, dan ketahanan terhadap suhu tinggi hingga 1600 derajat , memungkinkan distribusi plasma yang seragam. Namun, bahan tersebut juga memiliki ketahanan yang buruk terhadap fluor-yang mengandung erosi plasma, sehingga mudah membentuk SiF₄ yang mudah menguap, menyebabkan tingkat konsumsi yang tinggi dan seringnya penggantian, yang menyebabkan fluktuasi proses dan hilangnya waktu henti. Mereka hanya cocok untuk proses-hingga-menengah-tradisional.
Dengan latar belakang ini, keramik canggih seperti alumina (Al₂O₃), silikon karbida (SiC), dan boron karbida (B₄C) telah mulai diminati oleh produsen peralatan semikonduktor dan secara bertahap menjadi pilihan utama untuk cincin fokus{0}}kelas atas.
(1) Alumina (Al₂O₃): Alumina adalah salah satu keramik awal yang digunakan dalam peralatan semikonduktor, biasanya dengan kemurnian di atas 99,5%, dan produk bermutu tinggi dapat mencapai 99,9%. Proses persiapannya sudah matang, menggunakan sintering tanpa tekanan atau sintering pengepresan panas, dengan biaya yang jauh lebih rendah dibandingkan SiC dan B₄C. Sebagai cincin fokus, cincin ini menawarkan kekerasan dan ketahanan aus yang tinggi, sehingga mengurangi kontaminasi partikel akibat keausan. Dalam plasma berbasis fluor- atau klorin-, ia membentuk lapisan pasif AlF₃ atau AlCl₃ yang stabil, sehingga memberikan ketahanan yang baik terhadap sputtering plasma. Cocok untuk proses etsa dengan kepadatan{10}}daya{11}}sedang dengan masa pakai yang relatif lama. Selain itu, sifat dielektriknya stabil dengan insulasi yang baik, secara efektif mengisolasi medan listrik dan menghindari gangguan pada chuck elektrostatis. Namun, pada suhu tinggi dan aliran fluor yang tinggi, lapisan pasivasi AlF₃ dapat terkelupas dan menjadi sumber kontaminasi. Selain itu, koefisien ekspansi termal (CTE)-nya adalah sekitar 7,0×10⁻⁶/K, yang berbeda secara signifikan dari silikon (sekitar 2,6×10⁻⁶/K), yang berpotensi menyebabkan perubahan dimensi pada suhu tinggi dan memengaruhi akurasi penyelarasan dengan wafer, sehingga membatasi penerapannya dalam skenario celah-presisi{20}}tepi{21}}yang kecil.
(2) Silikon karbida (SiC): Cincin fokus SiC telah menjadi peningkatan utama bagi-pengetsa kelas atas dalam beberapa tahun terakhir. Kekerasan Mohsnya mencapai 9,5, kekuatan lenturnya tetap pada 500-600 MPa bahkan pada suhu 1400 derajat , dan CTE-nya (4×10⁻⁶/ derajat ) mendekati wafer silikon, sehingga memastikan celah yang stabil pada suhu tinggi. Mereka memiliki ketahanan guncangan termal yang sangat baik, tahan terhadap siklus termal yang cepat, dan membantu mengoptimalkan keseragaman tepi. Yang lebih penting lagi, mereka menunjukkan ketahanan erosi yang luar biasa terhadap Ar, F, Cl, dan plasma lainnya – terutama pada plasma fluor, yang laju erosinya hampir nol. Dibandingkan dengan alumina, bahan ini menawarkan masa pakai lebih lama dan meningkatkan efisiensi peralatan secara keseluruhan (OEE). Cincin fokus SiC dapat diproduksi dengan sintering tanpa tekanan, pengepresan panas, atau deposisi uap kimia (CVD). CVD-yang memproduksi SiC dengan kemurnian tinggi dapat mencapai kemurnian di atas 99,9995%, sehingga cocok untuk proses lanjutan arus utama dari 5nm hingga 28nm.
(3) Boron karbida (B₄C): B₄C adalah kandidat material penting dalam banyak aplikasi teknik. Pada awal tahun 2022, Samsung Electronics telah melakukan penelitian dan pengembangan pada cincin fokus B₄C. Awal tahun ini, Laboratorium Hubei Longzhong berhasil mengembangkan cincin fokus keramik B₄C pertama di Tiongkok. Dibandingkan dengan cincin fokus SiC umum, cincin ini menawarkan ketahanan erosi 30% lebih tinggi, masa pakai lebih dari 30 hari, mengurangi biaya proses pengetsaan sekitar 20%, meningkatkan efisiensi dan hasil produksi chip, sekaligus menjaga stabilitas termal dan sifat mekanik yang sangat baik – mencapai teknologi-terdepan di dunia.