ראש המקלחת (המכונה גם לוחית חלוקת גז או פלטת הומוגניזציה של גז) בציוד לייצור מוליכים למחצה משמש כ"לב חלוקת הגז" של תהליכי ליבה כגון תחריט, שקיעת אדים כימית (CVD) ותצהיר שכבה אטומית (ALD). הוא קובע את האחידות של עובי הסרט שהופקד ועקביות קצב הצריבה, ומשפיע ישירות על תפוקת השבב. עם זאת, החסמים הטכניים שלה גבוהים ביותר, והיא כבר מזמן מונופול על ידי יצרנים מעבר לים, עם יחידה אחת שעלותה מאות אלפי יואן. כאשר צמתי תהליך ממשיכים להתכווץ ל-7 ננומטר ומטה, סביבת ייצור השבבים הופכת למאתגרת יותר ויותר. ראשי מקלחת מתמודדים עם טמפרטורות גבוהות יותר (מעל 600 מעלות), לחצים גבוהים יותר ופלזמות קורוזיביות אינטנסיביות יותר (למשל פלזמות על בסיס פלואור וכלור), ובמקביל דורשים רמות חסרות תקדים של אחידות חלוקת גז וניקיון החדר. ראשי מקלחת העשויים מחומרים קרמיים מתקדמים כגון אלומיניום ניטריד וסיליקון קרביד, הממנפים את יתרונותיהם העיקריים של עמידות בטמפרטורות גבוהות, בידוד חשמלי גבוה, עמידות בפני קורוזיה חזקה וזיהום מתכת נמוך, הפכו לבחירה העליונה עבור מקלחונים בתהליך מתקדם, עם פוטנציאל צמיחה משמעותי בשוק. מאמר זה בוחן את מגמות היישום של חומרים קרמיים ברכיב ייצור מוליכים למחצה זה.
1. מבנה ועקרון עבודה של ראש המקלחת
לראש המקלחת יש בדרך כלל צורת דיסק. הגוף הראשי שלו מכיל תעלה פנימית המשווקת ללחץ גז מותאמת באמצעות הדמיות דינמיקה של נוזלים, והמשטח התחתון שלו מחורר בצפיפות באלפי מיקרו-חורים. החלק העליון מחובר לקווי כניסת גז לגזים תגובתיים שונים. ניקח כדוגמה תא תגובה טיפוסי של CVD: לאחר כניסת גז, גזים תגובתיים שונים מתפזרים ומתפצלים דרך תעלות השוויון הלחץ הדיוק הפנימי ליצירת שדה ריכוז אחיד. לאחר מכן הם נפלטים אנכית מהמשטח התחתון של ראש המקלחת דרך אלפי חורים בגודל מיקרון בזרימה למינרית אל משטח הפרוסות, שם הם מגיבים ויוצרים סרט דק. על ידי השפעה על דפוס זרימת הגז בתוך החדר, ראש המקלחת מסייע למנוע מערבולות ואזורים מתים. זה לא רק מבטיח אחידות קיצונית של הגזים התגובתיים על פני הפרוסה, אלא גם מבטיח שתוצרי הלוואי של התגובה מפונים מיד, מה שמאפשר לגז טרי ליצור קשר מתמשך עם פני הפרוסה. בסופו של דבר, זה מבטיח אחידות של עובי הסרט ועקביות קצב החריטה, ובכך שומרת על תפוקת השבב.
2. התפתחות חומרית של ראשי מקלחת מוליכים למחצה ומגמות יישום של חומרים קרמיים
בחירת החומר לראש המקלחת קובעת ישירות את חיי השירות שלו, עמידות הסביבתית ותאימות התהליך. נכון לעכשיו, חומרי ראש מקלחת מוליכים למחצה מתחלקים לשלוש קטגוריות עיקריות, הנותנות מענה לתהליכים ותקציבי עלויות שונים:
חומרים מתכתיים, כולל סגסוגות אלומיניום, נירוסטה, ניקל טהור וסגסוגות על בסיס ניקל. בין אלה, סגסוגות אלומיניום הן הנפוצות ביותר עבור תהליכים קונבנציונליים (28 ננומטר ומעלה) בשל משקלן הקל, מוליכות תרמית טובה והעלות המתונה. באמצעות טיפול אילגון קשה, ניתן לשפר את עמידותם בפני קורוזיה. עם זאת, בסביבות פלזמה חזקות בטמפרטורה גבוהה, ההתנגדות להפצצת פלזמה של מטריצת סגסוגת האלומיניום מוגבלת, מה שמוביל לנזק פני השטח או לירידה בביצועים. נכון לעכשיו, בתהליכים קריטיים כמו ליתוגרפיה אולטרה סגולה קיצונית (EUV) ותצהיר שכבה אטומית (ALD), סגסוגות על בסיס ניקל וסגסוגות טיטניום מחליפות בהדרגה את סגסוגות האלומיניום בשל ההתנגדות המעולה שלהן להפצצות פלזמה ויציבותן בטמפרטורות גבוהות.
חומרים המבוססים על סיליקון, הידועים גם בשם אלקטרודות סיליקון, עשויים מסיליקון חד גבישי בטוהר גבוה. החומר טהור ביותר, אינו נוטה לשחרר זיהומים, ובכך מפחית זיהום של גזים תגובתיים ומשפר את תפוקת התהליך. הם מתאימים לתהליכי תחריט ותצהיר נמוך עד אמצע, אך יש להם עמידות חלשה יותר בפני קורוזיה בפלזמה ודורשים החלפה תקופתית.
חומרים מטריצות קרמיות כגון אלומיניום ניטריד, סיליקון קרביד ואלומינה, כמו גם ציפויים פונקציונליים כמו איטריה ופחמן דמוי יהלום (DLC). אלה מציעים יתרונות כגון עמידות בטמפרטורה גבוהה, עמידות בפני קורוזיה, טוהר גבוה ומוליכות תרמית גבוהה. הם משמשים בעיקר בתהליכים מתקדמים ב-7 ננומטר ומטה, המייצגים כיוון חשוב באבולוציה של חומרי ראש מקלחת.
01 אלומיניום ניטריד (AlN)
בהשוואה לסגסוגות אלומיניום מסורתיות, ל-AlN קרמיקה מוליכות תרמית של עד 170 W/(m·K) ועמידות בטמפרטורה העולה על 1000 מעלות. זה יכול לפזר במהירות חום שנוצר במהלך פעולת ראש המקלחת, למנוע עיוות מבני עקב התחממות יתר מקומית ובכך להבטיח אחידות חלוקת הגז. בנוסף, אין לו משקעי זיהומים מתכתיים, מה שמונע למעשה זיהום פרוסות, ועומד בדרישות המחמירות של תהליכים תת-7 ננומטר.
02 CVD-SiC
המאפיין הבולט ביותר של ראשי מקלחת CVD-SiC הוא העמידות המצוינת שלהם בפני קורוזיה בפלזמה פלואור/כלור, עם חיי שירות ארוכים פי 2-4 מזה של ראשי מקלחת מסיליקון. הם יכולים לעמוד בסביבות קיצוניות עם פלזמות קורוזיביות מאוד והפצצות פלזמה בתדר גבוה, משפרים את זמן הפעולה של ציוד תחריט יבש ומפחיתים באופן משמעותי את תדירות ההחלפה ועלויות תחזוקה בזמן השבתה. הם מתאימים לשימוש כלוחות אלקטרודות עליונות בתאי תגובה וכטבעות מיקוד קצוות סביב פרוסות. עם זאת, ראשי מקלחת CVD-SiC קשים לייצור וכרגע לא ניתן לייצרם המוני מקומית (בסין), תוך הסתמכות על יבוא.
03 ציפוי Ytria (Y₂O₃).
ציפויים של Ytria מפגינים יציבות כימית יוצאת דופן תחת יונים ופלזמות הלוגן בעלות אנרגיה גבוהה, ומונעים ביעילות גזים מאכלים ופלזמות לתקוף את מצע ראש המקלחת. הם חומר הגנה מרכזי עבור תאי תחריט מתקדמים, המתאימים לייצור שבבי לוגיקה וזיכרון מתחת ל-7 ננומטר, ומאריכים באופן משמעותי את חיי הרכיבים. נכון לעכשיו, ציפוי איטריה מיושם בדרך כלל באמצעות טכניקות מתקדמות כגון קיצוץ מגנטרון ו-ALD.
04 ציפוי פחמן דמוי יהלום (DLC).
DLC הוא סרט פחמן אמורפי המכיל גם קשרים היברידיים sp³ (מבנה יהלום) וגם sp² (מבנה גרפיט). הוא כולל קשיות גבוהה, שימון עצמי ואינרטיות כימית מצוינת. זה יכול להפחית באופן משמעותי את התנגדות זרימת הגז ולמזער את הבלאי בקירות הפנימיים של חורים המיקרו של ראש המקלחת. יש לציין כי מאפייני אנרגיית פני השטח הנמוכים שלו מפחיתים גם הידבקות של תוצרי לוואי של תגובה. ככל ששילוב השבבים ממשיך לגדול, הדרישות לניקיון ראש המקלחת ועמידות בפני שחיקה עולות, ושיעור היישום של ציפויי DLC צפוי לעלות בהדרגה.