"Dao mổ chính xác" cho Xử lý Wafer: Đất hiếm giúp "Phẫu thuật xâm lấn tối thiểu" cho chất bán dẫn trở nên khả thi

Nếu nam châm đất hiếm là "cơ bắp" của thiết bị bán dẫn, thì hợp chất đất hiếm là "dao mổ" trong giai đoạn xử lý. Trong quá trình "biến đổi" một tấm wafer từ một tấm silicon thô thành một chip, mọi bước "khắc" đều dựa vào "hoạt động chính xác" của đất hiếm. Đánh bóng cơ học hóa học (CMP) là ví dụ điển hình nhất. Khi bề mặt của một tấm wafer cần đạt độ phẳng ở cấp độ nguyên tử, chất mài mòn truyền thống (chẳng hạn như silicon dioxide) dựa vào "mài thô", dễ làm xước wafer; trong khi chất đánh bóng cerium dioxide (CeO₂) sử dụng hiệu ứng kép của "phản ứng hóa học + mài vật lý", giống như một "tẩy thông minh" để loại bỏ tạp chất một cách chính xác. Trong môi trường kiềm, các ion cerium (Ce³⁺/Ce⁴⁺) trên bề mặt CeO₂ phản ứng với silicon dioxide (SiO₂) để tạo thành cerium silicate hòa tan, đạt được "loại bỏ chọn lọc" - tốc độ loại bỏ SiO₂ gấp ba lần so với chất mài mòn truyền thống, nhưng hầu như không làm hỏng các vật liệu xung quanh như silicon nitride. Hiện tại, hơn 90% quy trình đánh bóng cách ly rãnh nông (STI) trên toàn thế giới sử dụng chất đánh bóng CeO₂ , và một quy trình đánh bóng wafer 12 inch duy nhất yêu cầu tiêu thụ khoảng 10 gram CeO₂ độ tinh khiết cao (độ tinh khiết 99,99%).

"Lá chắn bảo vệ" của máy khắc cũng dựa vào đất hiếm. Trong quá trình khắc, plasma flo-rin có tính ăn mòn như "nước cường toan", và các thành phần thạch anh thông thường sẽ bị ăn mòn với các lỗ hổng trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, một lớp phủ yttrium oxide (Y₂O₃) có thể tạo thành một "hàng rào hóa học" trên bề mặt của thành phần: yttrium (Y) oxide có độ ổn định hóa học cực kỳ mạnh và sẽ tạo thành một lớp bảo vệ yttrium fluoride (YF₃) dày đặc trong plasma flo-rin, kéo dài tuổi thọ của thành phần từ 3 tháng lên hơn 1 năm. Lớp lót bên trong của các máy khắc quy trình tiên tiến từ TSMC và Samsung gần như hoàn toàn được phủ Y₂O₃ - phương pháp "chống ăn mòn bằng đất hiếm" này hiện không có giải pháp thay thế.

Ngay cả giai đoạn kiểm tra cũng không thể thiếu đất hiếm. Vật liệu cốt lõi của laser được sử dụng để căn chỉnh wafer là tinh thể garnet nhôm yttrium pha tạp neodymium (Nd:YAG). Các ion neodymium (Nd³⁺) có thể tạo ra laser 1.064μm, được chuyển đổi thành ánh sáng cực tím 355nm để đạt được kiểm tra căn chỉnh ở cấp độ nanomet. Nếu không có laser này, wafer không thể được "căn chỉnh" chính xác với mặt nạ, và sản lượng chip sẽ giảm hơn 90%.