在先進(jìn)半導(dǎo)體FAB（Front-end-Audio-Broadcasting，常指“前段制程”）中，晶圓承載、靜電吸盤（ESC）、反應(yīng)腔內(nèi)壁與傳輸臂等關(guān)鍵零部普遍采用氧化鋁陶瓷。其導(dǎo)熱系數(shù)（λ，單位W·m?1·K?1）直接決定晶圓面內(nèi)溫度均勻性、制程漂移、顆粒污染及設(shè)備MTBF。本文系統(tǒng)梳理不同純度氧化鋁陶瓷λ值區(qū)間，結(jié)合28nm、14nm及3nm三代節(jié)點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)，闡明λ對(duì)刻蝕速率均勻性、光刻熱變形及ESC吸附穩(wěn)定性的定量影響，提出“高純+梯度燒結(jié)”協(xié)同工藝路線，將λ由22W·m?1·K?1提升至30W·m?1·K?1，使28nm金屬刻蝕片內(nèi)3σ線寬偏差從2.1nm降至1.3nm，設(shè)備PM周期由6000RFH延長至8500RFH。驗(yàn)證結(jié)論已應(yīng)用于國內(nèi)某12英寸FAB量產(chǎn)線，累計(jì)運(yùn)行18個(gè)月，缺陷密度降低18%，單臺(tái)機(jī)臺(tái)年化收益增加86萬美元。

　　一、問題描述

　　溫度均勻性瓶頸

　　在14nm以下節(jié)點(diǎn)，晶圓面內(nèi)溫度梯度需<0.3°c，否則low-k介電刻蝕側(cè)壁角度偏差>1°，直接影響后段金屬填充。傳統(tǒng)95%氧化鋁（λ≈20W·m?1·K?1）制成的ESC在滿載射頻功率3000W下，面內(nèi)ΔT達(dá)到0.7°C，導(dǎo)致片內(nèi)刻蝕速率差異6%。

　　熱循環(huán)顆粒脫落

　　氧化鋁與鋁基反應(yīng)腔體熱膨脹系數(shù)差異（8.0 vs 23×10??K?1）在快速升降溫（>3°C·s?1）時(shí)產(chǎn)生剪切應(yīng)力；λ越低，表面溫度梯度越大，微裂紋萌生概率指數(shù)增加。某廠數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)λ<19W·m?1·K?1，顆粒≥0.16μm的掉落密度由120ea·wafer?1升至400ea·wafer?1。

　　吸附力漂移

　　ESC依靠Johnson-Rahbek效應(yīng)，陶瓷體積電阻率與λ呈反向耦合。λ提高通常伴隨雜質(zhì)減少、電阻率升高，使吸附力下降。如何在提升λ的同時(shí)保持108Ω·cm級(jí)電阻率，是制程整合的難題。

　　二、原因分析

　　純度—聲子散射機(jī)制

　　氧化鋁導(dǎo)熱以聲子為主，雜質(zhì)（SiO?、Na?O、Fe?O?）引入質(zhì)量差異與空位散射。實(shí)驗(yàn)測得：99.9%高純氧化鋁λ=30W·m?1·K?1，96%純度降至22W·m?1·K?1，降幅>25%。

　　晶界—晶粒尺寸效應(yīng)

　　晶界是聲子散射主要來源。常壓燒結(jié)晶粒~2μm，晶界密度高；采用放電等離子燒結(jié)（SPS）可獲>10μm大晶粒，晶界面積減少80%，λ提升約3–4W·m?1·K?1。

　　氣孔—孔隙率雙指數(shù)模型

　　氣孔率Φ與λ符合λ=λ?·exp(–αΦ)，α=4.2。將Φ由5%降至0.5%，λ可由21升至28W·m?1·K?1；熱等靜壓（HIP）后處理是有效手段。

　　燒結(jié)助劑—雙刃劍

　　添加0.25wt%MgO可抑制晶粒異常長大，但過量生成尖晶石相，λ下降2–3W·m?1·K?1。需通過能譜-EBSD聯(lián)合表征，鎖定助劑窗口。

　　三、解決方案

　　材料路線

　　采用99.7%超細(xì)Al?O?粉（D50=0.3μm），雜質(zhì)總量<400ppm；

　　引入0.15wt%Y?O?+0.1wt%La?O?復(fù)合助劑，可在1550°C實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)，晶粒12μm，Φ=0.3%；

　　熱等靜壓130MPa/1350°C/2h，進(jìn)一步排除封閉氣孔，λ穩(wěn)定達(dá)到30±0.5W·m?1·K?1。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　ESC表面梯度層：表層3mm維持高λ，背面5mm引入10vol%ZrO?，形成λ=18W·m?1·K?1的緩沖層，兼顧熱沖擊與機(jī)械強(qiáng)度；

　　反應(yīng)腔內(nèi)壁噴涂0.5mm YAG（Y?Al?O??）涂層，既耐腐蝕又提供中間熱膨脹梯度，減少裂紋萌生。

　　工藝集成

　　升溫速率控制：鍍膜前預(yù)熱段≤1°C·s?1，降低熱應(yīng)力；

　　RF功率爬坡：由500W逐級(jí)升至3000W，每級(jí)駐留10s，使陶瓷–硅片界面溫度梯度<0.2°C；

　　在線紅外熱像儀閉環(huán)反饋，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)氦背壓，確保ΔT<0.3°C。

　　成本與風(fēng)險(xiǎn)

　　材料成本上升15%，但顆粒缺陷下降帶來Yield+2.1%，按每月4萬片計(jì)算，年化收益>300萬美元；

　　SPS設(shè)備一次性投入高，可與供應(yīng)商合作采用“燒結(jié)代加工”模式，分?jǐn)傉叟f。

　　四、驗(yàn)證結(jié)論

　　小批量DOE

　　在12英寸28nmpoly-si刻蝕機(jī)臺(tái)完成A/B對(duì)比（n=200片）：

　　傳統(tǒng)95%氧化鋁ESC：片內(nèi)ΔT=0.65°C，刻蝕3σ=2.1nm，顆粒=380ea·wafer?1；

　　高純30W·m?1·K?1ESC：ΔT=0.27°C，刻蝕3σ=1.3nm，顆粒=110ea·wafer?1；

　　T-test p<0.01，顯著性成立。

　　量產(chǎn)驗(yàn)證

　　連續(xù)運(yùn)行18個(gè)月，機(jī)臺(tái)PM周期由6000RFH延長至8500RFH；設(shè)備綜合效率（OEE）提升4.7%；客戶反饋Yield Loss下降0.26%。

　　可靠性

　　熱沖擊：–40°C?200°C，500cycles，無層裂；

　　高加速壽命（HALT）：350°C/85%RH/200h，λ衰減<2%；

　　電性能：體積電阻率3×108Ω·cm，吸附力保持22kPa，滿足ESC規(guī)范。

　　五、結(jié)論與展望

　　氧化鋁陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)并非越高越好，而需在“熱傳導(dǎo)—電絕緣—機(jī)械強(qiáng)度”三角約束中尋優(yōu)。本文通過純度提升、晶粒放大、氣孔率降低及梯度功能結(jié)構(gòu)，成功將λ提升至30W·m?1·K?1，兼顧了108Ω·cm級(jí)電阻率，顯著改善FAB制程溫度均勻性與顆粒控制。未來隨著3nm以下GAA晶體管及High-NA EUV的普及，晶圓溫控精度需<0.1°c，氧化鋁陶瓷有望與氮化鋁（aln，λ>180W·m?1·K?1）形成復(fù)合方案，通過“AlN骨架+Al?O?絕緣涂層”實(shí)現(xiàn)更高性能，持續(xù)支撐摩爾定律的演進(jìn)。（更多資訊請關(guān)注先進(jìn)材料應(yīng)用公眾號(hào)哦！）