随着半导体器件集成度的提升及先进制程的不断发展，半导体制造刻蚀工艺面临更高要求。刻蚀机内壁受高密度等离子体轰击，可能释放颗粒污染物，引发工艺漂移，严重时甚至导致电流短路和生产良率的下降。在刻蚀机内壁表面制备陶瓷涂层，可有效减缓等离子体对器件表面的刻蚀，并最大程度减少颗粒物的生成。
图 等离子体刻蚀装置中的颗粒污染
随着等离子体刻蚀技术在半导体制造工艺中的广泛应用，对耐等离子体刻蚀涂层的需求不断增加。这类涂层不仅需要满足高效防护要求，还需具备经济性和工艺可行性。耐等离子体刻蚀涂层应满足以下需求：
１）高耐等离子体刻蚀性，材料需抵抗等离子体中活性气体和高能离子的化学和物理侵蚀；
２）优异的化学稳定性，能够与常见湿法清洗工艺兼容，不受清洗过程中的化学腐蚀损伤；
３）较小晶粒尺寸和低结构缺陷，避免颗粒污染和微坑形成；
４）良好的热稳定性，能在刻蚀过程中承受设备内部高温环境；
５）避免金属污染，不含Na、K、Fe、Ni、Cr、Cu等可能污染硅晶片的金属元素，保证半导体器件的成品率；
６）低成本，生产成本应尽可能控制在合理范围内，便于大规模工业应用。
图 刻蚀设备反应腔示意图及零部件，来源：超纯股份招股说明书
目前，Al2O3、Y2O3、YAG、YF3、YOF等材料因其独特的物理和化学特性，已被广泛用作耐等离子体刻蚀涂层的材料。
图不同材料涂层等离子体刻蚀前后的形貌，来源：https://doi.org/10.3390/coatings11010105
1、氧化铝（Al2O3）
Al2O3具有高介电强度和优异的耐化学腐蚀性能，在高能等离子体刻蚀环境中仍能保持相对稳定，是最早采用的耐等离子体刻蚀涂层材料之一。
阳极氧化铝涂层具有良好的耐腐蚀性且成本低，自20世纪80年代以来，已广泛应用于200ｍｍ和300ｍｍ晶圆制造设备中。然而，由于阳极氧化膜的多孔结构以及潜在的工艺缺陷（如裂纹、孔洞和毛刺），其在高功率等离子体环境下的稳定性有限。随着等离子喷涂技术的应用，特别是高纯Al2O3涂层（＞99.9％）的制备可以有效提升Al2O3涂层的耐等离子体刻蚀性能。但随着晶圆尺寸的增大以及等离子体功率的增加，Al2O3涂层仍存在颗粒污染以及在极端刻蚀条件下耐刻蚀性能受限的问题，难以满足300ｍｍ以上刻蚀设备的要求。
2、氧化钇（Y2O3）
Y2O3为立方晶体结构，熔点约为2450℃，具备较高的机械强度、硬度和化学稳定性。其高熔点和热稳定性使其在等离子体刻蚀环境中能长期保持优异的防护性能，是目前在等离子体刻蚀防护领域中应用最广泛的材料之一。相比Al2O3涂层，Y2O3涂层在半导体和LCD制造过程中，尤其是在含F等离子体环境中，释放更少有害元素和反应产物，表现出更强的耐等离子体刻蚀性能。
图 耐等离子材料，来源：京瓷
Y2O3的最大优点是其在F基等离子体中反应较慢，能够保持涂层表面的稳定性，这使其在８英寸及以上刻蚀设备中具有良好的应用前景。在高密度等离子体中，Y2O3已取代Al2O3作为腔室内部防护涂层，以提高等离子体耐受性。然而，Y2O3的韧性和机械强度相对较低，限制了其在高应力环境中的应用。刻蚀过程中，涂层表面可能形成微裂纹，这些裂纹在高应力条件下容易导致涂层剥落。
3、钇铝石榴石（YAG）
钇铝石榴石（YAG，Y3Al5O12）具有高机械强度、优异的化学稳定性和耐高温性，作为耐等离子体刻蚀材料得到了广泛研究。
YAG不仅具有良好的化学稳定性和光学性能，而且与Y2O3相比，其机械强度更高且易于加工制造。虽然YAG的抗等离子体刻蚀性能略低于Y2O3，但它可用于刻蚀腔设备的观察窗口材料。
4、氟化钇（YF3）
YF3具有较高的介电强度，其标准生成焓（-392kJ/mol）低于Y2O3（-318kJ/mol），在F等离子体刻蚀过程中，可作为保护层，抑制材料的进一步氟化，被认为是Y2O3的替代材料。
在以化学反应为主的等离子体刻蚀环境下，YF3具有优异的耐刻蚀性能。
5、氟氧化钇（YOF）
YOF具有高热稳定性和化学稳定性，在高温及强酸碱环境下均不易分解，被视为一种极具潜力的耐等离子体刻蚀涂层材料。当Y2O3在氟碳等离子体中被刻蚀一段时间后，其表面生成了由Y、O和F元素组成的改性层，同时释放出化学成分接近YF3的颗粒物。由于改性层中含有F元素，该层几乎不与等离子体反应，从而有效抑制了颗粒的生成，并提升了Y2O3涂层在等离子体环境中的稳定性。
在高密度等离子轰击、化学腐蚀、温度冲击等极端条件下，传统涂层材料难以长期承载，推动更高性能的陶瓷涂层、复合膜层、纳米多层结构等新型工艺加快发展。
来源：
1.耐等离子体刻蚀涂层材料与制备工艺研究进展,马凯,等
2.超纯股份招股说明书
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