半导体制造中，等离子体蚀刻与清洗工艺是核心环节。随着制程向7nm、5nm乃至更先进节点推进，等离子体能量密度不断提高，卤素气体（氟基、氯基）的化学活性日益增强，其在刻蚀晶圆的同时，也在无差别持续腐蚀暴露于腔体内的所有部件，包括腔体内壁、衬里、聚焦环、气体分配盘、观察窗等，不仅导致部件表面粗糙化、材料损耗，设备停机维护频次增加，更会因脱落颗粒造成晶圆污染、良率下降。因此，寻找一种抗等离子体腐蚀能力更强材料，成为半导体设备材料领域的迫切需求。而氧化钇Y₂O₃在该领域就发挥了无可替代的作用。

（来源：网络）

为什么氧化钇在半导体设备中不可替代？

在半导体设备中，氧化铝（Al₂O₃）是最常用的结构陶瓷部件，其熔点可达2050℃，同时具备高机械强度、高耐磨性、优异的绝缘性能以及优异的绝缘性能等，但其Al-O键键能约为498 kJ/mol，可耐绝大部分化学侵蚀，但在高能等离子体条件下，极易与氟反应形成易剥落的氟化物层（AlF₃），并在在表面沉积结晶，形成颗粒杂质，脱落后污染晶圆，同时导致保护层被持续消耗。

而氧化钇（Y₂O₃）属于立方晶系，熔点高达2430℃，除了具有优异的电绝缘性和透光性，其Y–O键键能高达780 kJ/mol，对卤素元素（尤其是F和Cl）具有极低的化学反应活性，可与氟反应生成的是更为稳定、致密的YF₃层，不易剥落，不仅可大幅减少颗粒产生，而且能有效阻止氟等离子体对设备部件（如刻蚀机腔体、喷淋头等）的进一步侵蚀，延长部件使用寿命，在典型的氟基或氯基高密度等离子体环境中，Y₂O₃的刻蚀速率通常仅为Al₂O₃的1/20到1/50。此外，Y₂O₃的熔点高达2430℃，可在1750℃以上的高温环境中长期保持结构完整，不发生挥发、变形，能适应等离子体工艺的极端温度条件。其体积电阻率也超过10¹² Ω·cm，介电损耗低，能保障高频射频场的稳定性，避免因材料介电性能不佳导致的工艺偏差。

氧化钇晶体结构及其与氟等离子体作用机理（来源：网络）

氧化钇在半导体设备中的应用

基于氧化钇的核心特性，结合半导体设备不同部件的使用需求，其在半导体领域的应用形式主要分为四大类：

1、氧化钇涂层

由于氧化钇作为稀土材料价格偏高，绝大多数刻蚀设备腔体或零部件并不采用纯Y₂O₃陶瓷，而是在铝合金或Al₂O₃基体表面通过等离子喷涂、物理气相沉积（PVD）等技术在腔体衬里或聚焦环、气体分配盘等部件表面沉积一层厚度约100–300μm的致密Y₂O₃涂层，这也是氧化钇涂层目前在半导体设备中应用最广泛的形式。这种方案既兼顾了基体材料的结构强度与Y₂O₃的表面耐腐蚀性能，又能减低成本。目前，在7nm及以下先进制程中，氧化钇涂层已逐步成为行业标准防护配置，将刻蚀设备腔体的大修周期从数百小时延长至千小时级，同时减少颗粒污染，显著提升设备稼动率和晶圆良率。

氧化钇喷涂腔体及模组件（来源：法国NANOE）

2、氧化钇透明视窗

半导体等离子体设备的观察窗是监测工艺过程、保障工艺精度的关键部件，不仅需要具备优异的抗等离子体腐蚀性能，还需拥有良好的透光性，确保操作人员能清晰观察腔体内的晶圆加工情况。传统的石英玻璃、氧化铝透明材料，在氟基等离子体环境中易被腐蚀，导致表面模糊、透光率下降，无法满足长期使用需求。透明氧化钇陶瓷的透光范围覆盖紫外至红外（0.29~8μm），即使在远红外区仍有约80%的直线透过率，加上其本身优异的抗等离子体腐蚀性能，在氟基、氯基等离子体环境中长期使用仍能保持表面洁净、透光性稳定，不会产生腐蚀碎屑和结晶杂质，既保障了观察效果，又避免了晶圆污染。

氧化钇透明陶瓷（来源：网络）

3、氧化钇复合陶瓷零部件

纯氧化钇陶瓷机械强度偏低、烧结难度大、成本偏高，行业主要采用掺杂的方式制备氧化钇基复合陶瓷，来平衡性能需求与成本效益。比如，通过在氧化钇中掺杂一定比例的氧化铝形成的钇铝石榴石（YAG）同样具有立方晶体结构，化学性质稳定，不易与等离子体中的活性气体（如氟、氯等卤素气体）发生剧烈化学反应。在含氟等离子体环境中，相比氧化铝（Al₂O₃）等材料，形成的氟化物副产物较少，能有效减少颗粒污染和表面腐蚀。同时相比纯氧化钇陶瓷，硬度较高（莫氏硬度8-8.5），机械强度优异，可应用于刻蚀机内对机械强度有一定要求的部件，也可用作透明视窗。

小结

氧化钇凭借其超高的Y–O键能、优异的抗卤素等离子体腐蚀性能、出色的耐高温性与电绝缘性，完美解决了先进制程中半导体设备部件易腐蚀、颗粒污染、使用寿命短等核心痛点，弥补了氧化铝等传统材料在高能等离子体环境下的应用短板。从广泛应用的氧化钇涂层，到保障工艺监测的透明视窗，氧化钇以多元应用形式，深度适配先进半导体制程的工艺需求，不仅延长了半导体设备的维护周期、提升了设备稼动率，更从源头减少了晶圆污染，为半导体芯片良率提升提供了关键材料支撑。

粉体圈Corange整理