如今，在现代半导体刻蚀、薄膜沉积等设备中，先进陶瓷材料凭借其优异的耐高温、耐腐蚀、高绝缘及高硬度等特性，正逐步取代传统金属与聚合物材料，成为制作静电吸盘、腔体内衬、加热器、机械手臂、光刻机精密导轨等零部件不可或缺的材料。而在等离子体刻蚀工艺中，聚焦环作为紧邻晶圆边缘的关键耗材，其材质选择直接影响了刻蚀均匀性与芯片良率。随着工艺窗口不断收窄，碳化硅（SiC）与碳化硼（B₄C）两类超硬陶瓷正逐步取代传统石英与硅材料，成为高端聚焦环的重要发展方向。

什么是聚焦环？

聚焦环，又称约束环或边缘环，是安装在等离子体刻蚀设备晶圆承载台外围的一个环形精密部件。在等离子体刻蚀过程中，聚焦环紧邻晶圆边缘，直接暴露于高能等离子体环境中。它的核心作用主要体现在：

（1）聚焦等离子体：半导体刻蚀依赖高能等离子体对晶圆进行精准蚀刻，但晶圆边缘由于电场边缘效应，等离子体密度往往会下降，而聚焦环通过精准的结构设计与材质介电特性，将高能等离子体聚焦并约束在晶圆上方区域后，再以近乎垂直的角度轰击晶圆表面，从而保证离子体更均匀地分布在晶圆表面，减少边缘与中心的刻蚀差异，提升工艺均匀性。

（2）保护腔体与精密组件：刻蚀过程中，高能等离子体、强腐蚀性刻蚀气体（CF₄、Cl₂、NF₃等）会持续轰击、腐蚀腔室内部组件。聚焦环可作为第一道屏障，遮蔽下方静电吸盘、电极等精密核心部件，避免其直接暴露于等离子体与腐蚀性气体中，减少物理轰击与化学腐蚀损伤，延长核心部件使用寿命。

聚焦环的材质要求与先进陶瓷材料的应用优势

聚焦环在单次刻蚀工艺中可能连续暴露于射频等离子体数小时至数十小时，面临着高密度等离子体轰击、氟基或氯基腐蚀性气体、频繁的高低温热循环的考验，同时又与晶圆直接接触，这要求材质必须同时满足极致的耐等离子体刻蚀性、优异的热稳定性与抗热震性、低杂质污染风险、优异的力学性能、匹配的电学特性等核心要求。过往，聚焦环主要采用石英、硅材料等。然而，随着刻蚀工艺向更高功率的方向发展，传统材质的局限性日益凸显：

（1）石英环：成本较低、高频电场下稳定性好，具有良好的电绝缘性，但其硬度低（莫氏硬度 7）、抗离子溅射能力弱，使用温度在1100度以下，高温下易变形，且在含氟等离子体中腐蚀速率高，杂质析出风险大，适用于28nm以上节点中低端制程非强轰击型RIE刻蚀设备，无法满足先进制程低污染、长寿命需求。

（来源：实验室石英玻璃）

（2）硅材料：与硅晶圆的热膨胀系数以及电学性能匹配性好，耐高温达1600°C，能使得等离子体分布均匀，但同样耐含氟等离子体刻蚀性差，易析出挥发性SiF₄，损耗速率快，需频繁更换，易引发工艺波动与停机损失，仅适用于传统中低端制程。

（来源：实验室石英玻璃）

正是在这一背景下，氧化铝（Al₂O₃）、碳化硅（SiC）、碳化硼（B₄C）等先进陶瓷材料进入了半导体设备厂商的视野，并逐渐成为高端聚焦环的主流选择。

（1）氧化铝：氧化铝（Al₂O₃）是较早应用于半导体设备的陶瓷之一，纯度通常达到99.5%以上，高规格产品可至99.9%。它的制备工艺成熟，可采用常压烧结或热压烧结，成本显著低于碳化硅和碳化硼。作为聚焦环，其具有高硬度与耐磨性，可减少因磨损产生的颗粒污染，在氟基、氯基等离子体中会在表面形成稳定的AlF₃或AlCl₃钝化层，具有良好的抗等离子溅射性能，适配中等功率密度的刻蚀工艺，使用寿命较长，同时，其介电性能稳定，绝缘性好，可有效隔离电场，避免干扰静电吸盘正常工作。但需要注意在高温高氟流量下，AlF₃钝化层可能发生剥落成为杂质来源。此外，其热膨胀系数约7.0×10⁻⁶/K，与硅的差异较大（约2.6×10⁻⁶/K），在高温下可能导致聚焦环尺寸变化，影响与晶圆的匹配精度，限制了它在高精度、小边缘间隙场景中的应用。

（来源：实验室石英玻璃）

（2）碳化硅：碳化硅（SiC）聚焦环是近年来高端刻蚀机台的升级主流，其莫氏硬度高达9.5，1400℃高温下抗弯强度仍可达500-600MPa，且热膨胀系数（4×10⁻⁶/℃）与硅晶圆较为接近，高温下间隙稳定，热震稳定性好，可承受快速热循环冲击，有利于边缘均匀性的优化。更重要的是，其对于Ar、F、Cl等等离子体具有极佳的耐蚀性能，尤其在氟等离子体中，其腐蚀速率近乎为0，相比氧化铝，使用寿命更高，设备综合效率提升明显。通常，碳化硅聚焦环科分为常压烧结、热压烧结、CVD制备等类型，其中采用化学气相沉积（CVD）工艺制备的高纯碳化硅，纯度可达99.9995%以上，可适配5-28nm主流先进制程。

（3）碳化硼：碳化硼（B₄C）是很多工程应用领域中的重要候选材料，早在2022年，三星电子就已在进行碳化硼聚焦环的相关研发，而今年年初，湖北隆中实验室则已率先研制出了国内首个碳化硼陶瓷聚焦环，相比其流碳化硅聚焦环，其耐刻蚀性能提升30%，不仅服役寿命超过30天，还能降低刻蚀工艺成本约20%，提升芯片制造效率与产能，同时保持优异的热稳定性和力学性能，技术达到国际领先水平。

小结

与传统材质相比，氧化铝、碳化硅和碳化硼等陶瓷聚焦环的更耐等离子体刻蚀，机械强度更高，使用寿命更长，不仅可减少设备开腔更换部件的频率，提升设备综合效率，还显著降低晶圆金属污染和颗粒缺陷。可以预见，随着等离子体刻蚀技术向更高能量密度、更复杂气体化学体系演进，聚焦环的材料路线还将持续升级，尤其是碳化硅与碳化硼的广泛应用，正是先进陶瓷从“可选项”变为“必选项”的证明，也是半导体设备零部件行业从传统材料向高性能陶瓷全面转型的一个缩影。

粉体圈Corange整理