Proses etsa dan pembersihan plasma adalah langkah inti dalam pembuatan semikonduktor. Seiring kemajuan node proses ke 7nm, 5nm, dan seterusnya, kepadatan energi plasma terus meningkat, dan aktivitas kimia gas halogen (berbasis-fluor dan-klor) menjadi semakin agresif. Saat mengetsa wafer, plasma ini juga tanpa pandang bulu dan terus menerus menimbulkan korosi pada semua komponen yang terbuka di dalam ruangan, termasuk dinding ruang, pelapis, cincin fokus, pelat distribusi gas, area pandang, dll. Hal ini tidak hanya menyebabkan permukaan menjadi kasar, kehilangan material, dan meningkatkan frekuensi waktu henti peralatan untuk pemeliharaan, namun juga menyebabkan kontaminasi wafer dan kehilangan hasil karena partikel yang terlepas. Oleh karena itu, pencarian material dengan ketahanan lebih tinggi terhadap korosi plasma menjadi kebutuhan mendesak di bidang material peralatan semikonduktor. Yttrium oksida (Y₂O₃) memainkan peran yang tak tergantikan dalam domain ini.
Mengapa yttrium oksida tidak tergantikan dalam peralatan semikonduktor?
Dalam peralatan semikonduktor, aluminium oksida (Al₂O₃) adalah bahan keramik struktural yang paling umum digunakan. Ia memiliki titik leleh 2050 derajat, kekuatan mekanik yang tinggi, ketahanan aus yang tinggi, isolasi listrik yang sangat baik, dan stabilitas kimia yang baik. Namun, energi ikatan ikatan Al-O adalah sekitar 498 kJ/mol. Meskipun tahan terhadap sebagian besar serangan kimia, dalam kondisi plasma berenergi tinggi, ia mudah bereaksi dengan fluor untuk membentuk lapisan fluorida (AlF₃) yang terkelupas dan mudah terkelupas. Lapisan ini mengendap dan mengkristal di permukaan, menciptakan partikel yang melepaskan dan mencemari wafer, sekaligus terus menerus mengonsumsi lapisan pelindung.
Sebaliknya, yttrium oksida (Y₂O₃) memiliki sistem kristal kubik dan titik leleh setinggi 2430 derajat. Selain isolasi listrik yang sangat baik dan transparansi optik, energi ikatan Y–O-nya mencapai 780 kJ/mol. Ia menunjukkan reaktivitas kimia yang sangat rendah dengan halogen (terutama F dan Cl). Ketika bereaksi dengan fluor, ia membentuk lapisan YF₃ yang jauh lebih stabil dan padat serta tidak mudah terkelupas. Hal ini tidak hanya sangat mengurangi pembentukan partikel tetapi juga secara efektif mencegah serangan lebih lanjut oleh plasma fluor pada komponen peralatan (seperti dinding ruang etsa, pancuran, dll.), sehingga memperpanjang masa pakai komponen. Dalam lingkungan plasma berbasis-densitas tinggi-berbasis fluor-atau klorin-, laju pengetsaan Y₂O₃ biasanya hanya 1/20 hingga 1/50 dari Al₂O₃. Selain itu, Y₂O₃ memiliki titik leleh 2430 derajat dan dapat mempertahankan integritas struktural pada suhu tinggi di atas 1750 derajat tanpa penguapan atau deformasi, beradaptasi dengan kondisi suhu ekstrim proses plasma. Resistivitas volumenya melebihi 10¹² Ω·cm, dengan kehilangan dielektrik yang rendah, memastikan stabilitas medan RF frekuensi tinggi dan menghindari penyimpangan proses yang disebabkan oleh sifat dielektrik material yang buruk.
Penerapan yttrium oksida dalam peralatan semikonduktor
Berdasarkan sifat inti yttrium oksida dan dikombinasikan dengan persyaratan spesifik berbagai komponen peralatan semikonduktor, penerapannya di bidang semikonduktor terutama dibagi menjadi empat kategori:
01 Lapisan oksida itrium
Karena yttrium oksida, sebagai bahan tanah jarang, relatif mahal, sebagian besar ruang atau komponen peralatan etsa tidak menggunakan keramik Y₂O₃ murni. Sebaliknya, lapisan Y₂O₃ yang padat dengan ketebalan sekitar 100–300 μm diendapkan pada permukaan paduan aluminium atau substrat Al₂O₃ (seperti pelapis ruang, cincin fokus, pelat distribusi gas, dll.) menggunakan teknik seperti penyemprotan plasma atau deposisi uap fisik (PVD). Saat ini merupakan bentuk pelapisan oksida yttrium yang paling banyak digunakan dalam peralatan semikonduktor. Pendekatan ini menyeimbangkan kekuatan struktural bahan dasar dengan ketahanan korosi permukaan Y₂O₃, sekaligus mengurangi biaya. Dalam node proses lanjutan berukuran 7nm ke bawah, lapisan oksida yttrium secara bertahap menjadi konfigurasi pelindung standar industri, memperpanjang siklus pemeliharaan utama ruang peralatan pengetsaan dari beberapa ratus jam menjadi lebih dari seribu jam, sekaligus mengurangi kontaminasi partikel dan secara signifikan meningkatkan waktu kerja peralatan dan hasil wafer.
02 Area pandang yttrium oksida transparan
Area pandang pada peralatan plasma semikonduktor merupakan komponen penting untuk memantau kondisi proses dan memastikan keakuratan proses. Mereka tidak hanya membutuhkan ketahanan terhadap korosi plasma yang sangat baik tetapi juga transparansi optik yang baik agar operator dapat mengamati dengan jelas pemrosesan wafer di dalam ruangan. Bahan transparan tradisional seperti kaca kuarsa dan alumina mudah terkorosi di lingkungan plasma berbasis fluor, sehingga menyebabkan permukaan menjadi kasar, transmisi berkurang, dan ketidakmampuan memenuhi persyaratan penggunaan jangka panjang. Keramik yttrium oksida transparan memiliki jangkauan transmisi yang mencakup ultraviolet hingga inframerah (0,29–8 μm), dengan sekitar 80% transmisi linier bahkan di wilayah inframerah jauh. Dikombinasikan dengan ketahanan korosi plasma yang sangat baik, permukaannya tetap bersih dan transparansinya tetap stabil bahkan setelah penggunaan jangka panjang di lingkungan plasma berbasis fluor dan klorin, tidak menghasilkan serpihan korosif atau pengotor kristal, sehingga memastikan kualitas pengamatan dan menghindari kontaminasi wafer.
03 Komponen keramik komposit yttrium oksida
Karena kekuatan mekanik yang relatif rendah, kesulitan sintering yang tinggi, dan mahalnya harga keramik yttrium oksida murni, industri ini terutama menggunakan keramik komposit berbahan dasar yttrium oksida-doping untuk menyeimbangkan persyaratan kinerja dan efektivitas-biaya. Misalnya, yttrium aluminium garnet (YAG), yang dibentuk dengan mendoping yttrium oksida dengan proporsi tertentu aluminium oksida, juga memiliki struktur kristal kubik dan sifat kimia yang stabil. Ia tidak mudah mengalami reaksi kimia hebat dengan gas aktif dalam plasma (seperti fluor, klor, dan halogen lainnya). Dalam lingkungan plasma yang mengandung fluor-, dibandingkan dengan bahan seperti Al₂O₃, bahan ini menghasilkan lebih sedikit produk samping fluorida, sehingga secara efektif mengurangi kontaminasi partikel dan korosi permukaan. Pada saat yang sama, dibandingkan dengan keramik yttrium oksida murni, YAG memiliki kekerasan yang lebih tinggi (kekerasan Mohs 8–8,5) dan kekuatan mekanik yang sangat baik, sehingga cocok untuk komponen dengan persyaratan kekuatan mekanik tertentu dalam etsa, dan juga dapat digunakan sebagai area pandang transparan.