अर्धचालक निर्माण में प्लाज्मा नक़्क़ाशी और सफाई प्रक्रियाएँ मुख्य चरण हैं। जैसे-जैसे प्रक्रिया नोड्स 7एनएम, 5एनएम और उससे आगे बढ़ते हैं, प्लाज्मा ऊर्जा घनत्व में वृद्धि जारी रहती है, और हैलोजन गैसों (फ्लोरीन-आधारित और क्लोरीन-आधारित) की रासायनिक गतिविधि तेजी से आक्रामक हो जाती है। वेफर्स की नक्काशी करते समय, ये प्लाज़्मा कक्ष के अंदर सभी उजागर घटकों को अंधाधुंध और लगातार संक्षारित करते हैं, जिसमें कक्ष की दीवारें, लाइनर, फोकस रिंग, गैस वितरण प्लेट, व्यूपोर्ट इत्यादि शामिल हैं। इससे न केवल सतह खुरदरी हो जाती है, सामग्री की हानि होती है, और रखरखाव के लिए उपकरण डाउनटाइम की आवृत्ति में वृद्धि होती है, बल्कि अलग कणों के कारण वेफर संदूषण और उपज हानि का भी कारण बनता है। इसलिए, अर्धचालक उपकरण सामग्री के क्षेत्र में प्लाज्मा संक्षारण के लिए उच्च प्रतिरोध वाली सामग्रियों की खोज एक तत्काल आवश्यकता बन गई है। यट्रियम ऑक्साइड (Y₂O₃) इस डोमेन में एक अपूरणीय भूमिका निभाता है।
सेमीकंडक्टर उपकरण में येट्रियम ऑक्साइड अपूरणीय क्यों है?
सेमीकंडक्टर उपकरण में, एल्यूमीनियम ऑक्साइड (Al₂O₃) सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली संरचनात्मक सिरेमिक सामग्री है। इसका गलनांक 2050 डिग्री, उच्च यांत्रिक शक्ति, उच्च घिसाव प्रतिरोध, उत्कृष्ट विद्युत इन्सुलेशन और अच्छी रासायनिक स्थिरता है। हालाँकि, Al-O बांड की बांड ऊर्जा लगभग 498 kJ/mol है। यद्यपि यह अधिकांश रासायनिक हमलों का प्रतिरोध करता है, उच्च ऊर्जा प्लाज्मा स्थितियों के तहत यह आसानी से फ्लोरीन के साथ प्रतिक्रिया करके एक परतदार, आसानी से फैलने वाली फ्लोराइड परत (AlF₃) बनाता है। यह परत सतह पर जमा और क्रिस्टलीकृत हो जाती है, जिससे ऐसे कण बनते हैं जो सुरक्षात्मक परत का लगातार उपभोग करते हुए वेफर्स को अलग और दूषित करते हैं।
इसके विपरीत, येट्रियम ऑक्साइड (Y₂O₃) में एक घन क्रिस्टल प्रणाली होती है और इसका गलनांक 2430 डिग्री तक होता है। उत्कृष्ट विद्युत इन्सुलेशन और ऑप्टिकल पारदर्शिता के अलावा, इसकी Y-O बांड ऊर्जा 780 kJ/mol तक है। यह हैलोजन (विशेष रूप से एफ और सीएल) के साथ बेहद कम रासायनिक प्रतिक्रिया प्रदर्शित करता है। जब यह फ्लोरीन के साथ प्रतिक्रिया करता है, तो यह अधिक स्थिर और घनी YF₃ परत बनाता है जिसके फटने का खतरा नहीं होता है। यह न केवल कण उत्पादन को बहुत कम करता है बल्कि उपकरण घटकों (जैसे नक़्क़ाशी कक्ष की दीवारों, शॉवरहेड इत्यादि) पर फ्लोरीन प्लाज्मा द्वारा आगे के हमले को प्रभावी ढंग से रोकता है, जिससे घटक सेवा जीवन का विस्तार होता है। विशिष्ट उच्च {8}घनत्व फ्लोरीन{{9}आधारित या क्लोरीन-आधारित प्लाज्मा वातावरण में, Y₂O₃ की नक़्क़ाशी दर आम तौर पर Al₂O₃ की केवल 1/20 से 1/50 होती है। इसके अलावा, Y₂O₃ का गलनांक 2430 डिग्री है और यह प्लाज्मा प्रक्रियाओं की चरम तापमान स्थितियों के अनुकूल ढलते हुए, बिना अस्थिरता या विरूपण के 1750 डिग्री से ऊपर उच्च तापमान पर संरचनात्मक अखंडता बनाए रख सकता है। इसकी मात्रा प्रतिरोधकता 10¹² Ω·सेमी से अधिक है, कम ढांकता हुआ नुकसान के साथ, उच्च आवृत्ति आरएफ क्षेत्रों की स्थिरता सुनिश्चित करती है और सामग्री के खराब ढांकता हुआ गुणों के कारण होने वाली प्रक्रिया विचलन से बचती है।
सेमीकंडक्टर उपकरण में येट्रियम ऑक्साइड का अनुप्रयोग
येट्रियम ऑक्साइड के मूल गुणों के आधार पर और विभिन्न अर्धचालक उपकरण घटकों की विशिष्ट आवश्यकताओं के साथ संयुक्त, अर्धचालक क्षेत्र में इसके अनुप्रयोगों को मुख्य रूप से चार श्रेणियों में विभाजित किया गया है:
01 येट्रियम ऑक्साइड कोटिंग्स
क्योंकि येट्रियम ऑक्साइड, एक दुर्लभ पृथ्वी सामग्री के रूप में, अपेक्षाकृत महंगा है, अधिकांश नक़्क़ाशी उपकरण कक्ष या घटक शुद्ध Y₂O₃ सिरेमिक का उपयोग नहीं करते हैं। इसके बजाय, प्लाज्मा छिड़काव या भौतिक वाष्प जमाव (पीवीडी) जैसी तकनीकों का उपयोग करके एल्यूमीनियम मिश्र धातु या Al₂O₃ सब्सट्रेट्स (जैसे चैम्बर लाइनर, फोकस रिंग, गैस वितरण प्लेट इत्यादि) की सतह पर लगभग 100-300 μm की मोटाई के साथ एक घने Y₂O₃ कोटिंग जमा की जाती है। यह वर्तमान में सेमीकंडक्टर उपकरण में येट्रियम ऑक्साइड कोटिंग का सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला रूप है। यह दृष्टिकोण लागत को कम करते हुए आधार सामग्री की संरचनात्मक ताकत को Y₂O₃ के सतह संक्षारण प्रतिरोध के साथ संतुलित करता है। 7nm और उससे नीचे के उन्नत प्रक्रिया नोड्स में, येट्रियम ऑक्साइड कोटिंग्स धीरे-धीरे उद्योग मानक सुरक्षात्मक कॉन्फ़िगरेशन बन गई हैं, जिससे कण संदूषण को कम करने और उपकरण अपटाइम और वेफर उपज में उल्लेखनीय सुधार करते हुए, नक़्क़ाशी उपकरण कक्षों के प्रमुख रखरखाव चक्र को कुछ सौ घंटों से बढ़ाकर एक हजार घंटे से अधिक कर दिया गया है।
02 पारदर्शी येट्रियम ऑक्साइड व्यूपोर्ट
सेमीकंडक्टर प्लाज्मा उपकरण पर व्यूपोर्ट प्रक्रिया स्थितियों की निगरानी और प्रक्रिया सटीकता सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण घटक हैं। उन्हें न केवल उत्कृष्ट प्लाज्मा संक्षारण प्रतिरोध की आवश्यकता होती है, बल्कि ऑपरेटरों को चैम्बर के अंदर वेफर प्रसंस्करण को स्पष्ट रूप से देखने की अनुमति देने के लिए अच्छी ऑप्टिकल पारदर्शिता की भी आवश्यकता होती है। क्वार्ट्ज ग्लास और एल्यूमिना जैसी पारंपरिक पारदर्शी सामग्री फ्लोरीन आधारित प्लाज्मा वातावरण में आसानी से संक्षारित हो जाती है, जिससे सतह खुरदरी हो जाती है, संप्रेषण कम हो जाता है और दीर्घकालिक उपयोग आवश्यकताओं को पूरा करने में असमर्थता होती है। पारदर्शी येट्रियम ऑक्साइड सिरेमिक में पराबैंगनी से अवरक्त (0.29-8 μm) तक की संचरण सीमा होती है, सुदूर अवरक्त क्षेत्र में भी लगभग 80% रैखिक संचरण होता है। अपने उत्कृष्ट प्लाज्मा संक्षारण प्रतिरोध के साथ संयुक्त, वे फ्लोरीन आधारित और क्लोरीन आधारित प्लाज्मा वातावरण में लंबे समय तक उपयोग के बाद भी एक साफ सतह और स्थिर पारदर्शिता बनाए रखते हैं, जिससे कोई संक्षारक मलबे या क्रिस्टलीय अशुद्धियां पैदा नहीं होती हैं, इस प्रकार अवलोकन गुणवत्ता दोनों सुनिश्चित होती है और वेफर संदूषण से बचा जाता है।
03 येट्रियम ऑक्साइड मिश्रित सिरेमिक घटक
अपेक्षाकृत कम यांत्रिक शक्ति, उच्च सिंटरिंग कठिनाई, और शुद्ध येट्रियम ऑक्साइड सिरेमिक की उच्च लागत के कारण, उद्योग मुख्य रूप से प्रदर्शन आवश्यकताओं और लागत{1}} प्रभावशीलता को संतुलित करने के लिए डोप्ड येट्रियम ऑक्साइड आधारित मिश्रित सिरेमिक का उपयोग करता है। उदाहरण के लिए, एल्युमीनियम ऑक्साइड के एक निश्चित अनुपात के साथ येट्रियम ऑक्साइड को मिलाने से बनने वाले येट्रियम एल्युमीनियम गार्नेट (YAG) में एक घन क्रिस्टल संरचना और स्थिर रासायनिक गुण भी होते हैं। यह प्लाज़्मा में सक्रिय गैसों (जैसे फ्लोरीन, क्लोरीन और अन्य हैलोजन) के साथ हिंसक रासायनिक प्रतिक्रियाओं से आसानी से नहीं गुजरता है। फ्लोरीन युक्त प्लाज्मा वातावरण में, Al₂O₃ जैसी सामग्रियों की तुलना में, यह कम फ्लोराइड उपोत्पाद पैदा करता है, जो प्रभावी रूप से कण संदूषण और सतह क्षरण को कम करता है। साथ ही, शुद्ध येट्रियम ऑक्साइड सिरेमिक की तुलना में, YAG में उच्च कठोरता (Mohs कठोरता 8-8.5) और उत्कृष्ट यांत्रिक शक्ति होती है, जो इसे एचर में कुछ यांत्रिक शक्ति आवश्यकताओं वाले घटकों के लिए उपयुक्त बनाती है, और इसे पारदर्शी व्यूपोर्ट के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है।