等離子體反應器的產量增進熱噴涂含氧化釔涂層的制作方法

專利名稱：等離子體反應器的產量增進熱噴涂含氧化釔涂層的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體材料處理設備的組件，所述組件由在半導體材料處理過程中可降低半導體材料污染的材料形成。本發明還涉及制造所述組件的方法。
背景技術：
在半導體材料處理領域中，將真空處理室用于材料在基板上的蝕刻和化學氣相沉積(CVD)。生產氣體流進處理室中，同時將一射頻(RF)場應用到所述生產氣體以產生生產氣體等離子體。所述等離子體執行經選擇的材料在晶圓上所需的蝕刻或沉積。平行板、也稱為感應耦合等離子體體(ICP)的變壓耦合等離子體體(TCPTM)及電子-回旋加速器諧振源(ECR)反應器及其組件的實例揭示于共同擁有的美國專利第4,340,462號、第4,948,458號、第5,200,232號及第5,820,723號中。
如(例如)美國專利第5,262,029號和第5,838,529號中所揭示，在半導體基板處理過程中，所述基板一般由基板固定器支撐于真空室中。可利用各種氣體供應系統將生產氣體提供給該室。
除等離子體室裝備外，用于處理半導體基板的其它裝備包括傳送機制、襯墊、提升機制、裝載鎖定(load lock)、門機制、機械手臂、緊固件等等。
等離子體由在基板上的蝕刻或沉積而用于去除材料。等離子體蝕刻的條件造成暴露在等離子體中的處理室的表面的明顯離子轟擊。這個離子轟擊，與等離子體化學物和/或蝕刻副產物結合，可造成該處理室的等離子體暴露表面的明顯侵蝕、腐蝕和腐蝕-侵蝕。結果，由物理和/或化學破壞，包括侵蝕、腐蝕及/腐蝕-侵蝕來去除所述表面材料。此破壞造成以下問題包括短的零件壽命、增加的消耗成本、微粒污染、晶圓上過渡金屬污染及方法偏移(process drift)。
根據這些問題，等離子體處理室已被設計成包括例如盤、環及圓柱的零件，其將等離子體限制在欲處理的晶圓上。然而，這些零件不斷地被等離子體侵蝕，且因此最后侵蝕或累積聚合物構造。最終，這些零件遭受這種損耗而使其不再可用。具有相對短壽命的這些零件一般稱為“消耗品”。如果所述消耗零件的壽命很短，那么物主的成本就很高。消耗品和其它零件的侵蝕產生等離子體處理室的污染。
因為所述反應器中等離子體環境的侵蝕和腐蝕性能，以及最小化粒子和/或金屬污染的需求，所以希望所述裝備的組件(包括消耗品和其它零件)具有適當高的抗侵蝕性和抗腐蝕性。零件已由在等離子體環境中提供抗腐蝕性和抗侵蝕性的材料形成。參看(例如)美國專利第5,798,016號、第5,911,852號、第6,123,791號和第6,352,611號。

發明內容
本發明提供半導體處理設備的組件，其由可對在等離子體處理環境中的物理和/或化學侵蝕提供經改良的抗損耗性的材料制成。該等組件相對于金屬和微粒可提供低程度的污染。
根據本發明，半導體處理設備組件的一示范性實施例包含一個基板，其包括一表面和所述表面上的一熱噴涂含氧化釔涂層。該涂層包含該組件的最外層表面。
制造根據本發明的半導體處理設備組件的方法的一示范性實施例包含由熱噴涂在所述組件的一個表面上形成一含氧化釔涂層。該涂層包含所述組件的最外層表面。
在一優選實施例中，所述熱噴涂含氧化釔涂層可直接形成于基板表面上。
此外，本發明提供包括至少一個上述含氧化釔的組件的半導體處理設備。


通過以下詳細描述，結合附圖，不難了解本發明。
圖1說明一常規等離子體噴涂方法。
圖2展示根據本發明的一示范性實施例用于一個等離子體蝕刻設備的汽環的橫截面圖。
圖3展示一個含有根據本發明的組件的示范性實施例的蝕刻室。
圖4展示另一含有根據本發明的組件的示范性實施例的蝕刻室。
圖5展示一個根據本發明的保護涂層的示范性實施例。
圖6展示另一根據本發明的保護涂層的示范性實施例。
圖7展示根據本發明以一含氧化釔涂層涂覆以及未經涂覆的氧化物晶圓和裸硅晶圓的污染程度。
具體實施例方式
本發明提供適用于半導體材料處理設備的組件。該等組件可相對于在處理過程中于半導體材料處理設備中所產生的等離子體的物理和化學破壞而提供抗損耗性。如本文所使用，術語“抗損耗”包括(但不限于)抗侵蝕、抗腐蝕和/或抗腐蝕-侵蝕。
所述組件包含一個含氧化釔涂層。該含氧化釔涂層提供一個對半導體處理設備中的等離子體的物理和化學破壞具有抵抗力的外部表面。
此外，本發明提供制造組件的方法，所述組件包含含氧化釔的涂層以增進在等離子體環境中組件的抗損耗性。
所屬領域的技術人員應了解抗損耗材料可應用至用于處理不同半導體材料的不同處理設備。此外，所述抗損耗材料可以應用于該等處理設備的不同組件上。所述示范性組件包括(但不限于)一個等離子體和/或真空室的零件，諸如(例如)室壁、基板支撐件、氣體分布系統(包括蓮蓬頭(showerhead)、擋板、環、噴嘴等等)、緊固件、加熱單元、等離子體屏、襯墊、傳送模塊組件(諸如機械手臂、緊固件、內室壁和外室壁等等)。
含氧化釔材料優選基本上由氧化釔組成。為了試著將在并入一或多個包含含氧化釔材料的組件的設備中處理的半導體材料的污染最小化，希望含氧化釔的材料盡可能的純，例如，包括最小量的潛在污染單元，諸如過渡金屬、堿金屬等等。例如，含氧化釔涂層可以足夠純而避免1010個原子/cm2或更高、優選105個原子/cm2或更高的晶圓上的污染。優選地，所述含氧化釔材料具有至少約為99％的高純度，并且更優選地為從約99.95％到約100％。
該含氧化釔涂層可以為下方的基板提供高粘接強度。優選地，該含氧化釔涂層具有從約2000psi到約7000psi的粘接抗張強度。
該含氧化釔涂層可以提供一低的孔隙度程度，其有利于最小化侵蝕性大氣與下方的基板的接觸，且因此隨后最小化由侵蝕性大氣而導致的基板的腐蝕、侵蝕和/或腐蝕-侵蝕所造成的物理和/或化學破壞。優選地，所述含氧化釔涂層具有一個以體積計小于15％、更優選的是以體積計少于小約3％、并且最優選的是以體積計小于1％的孔隙度。
此外，所述含氧化釔涂層可以提供一高硬度以抵抗侵蝕。優選地，陶瓷材料具有從約200到約800的硬度(HVO3)。
所述含氧化釔涂層具有一個晶體結構，其優選從約10％到約100％立方，并且更優選大于約95％立方。
所述含氧化釔涂層可以具有從純白到深灰/黑色的范圍的顏色。該等涂層優選為白色。
所述含氧化釔涂層可以提供用于例如等離子體蝕刻室的半導體處理設備中的所需的抗損耗特性。特別是，所述含氧化釔涂層提供可以降低等離子體反應器室中的離子誘導侵蝕和相關程度的微粒污染的表面。該含氧化釔涂層可以保護下方的基板免受等離子體的物理破壞和化學破壞。
所述抗損耗涂層在各種不同等離子體大氣中可以用于蝕刻、沉積以及其它應用。一般蝕刻化學物包括例如，含氯氣體，包括(但不限于)Cl2、HCl和BCl3；含溴氣體，包括(但不限于)Br2和HBr；含氧氣體，包括(但不限于)O2、H2O和SO2；含氟氣體，包括(但不限于)CF4、CH2F2、NF3、CH3F、C2F6、CHF3和SF6；以及惰性氣體和其它氣體，包括(但不限于)He、Ar和N2。根據所需的等離子體，可以任何適當組合使用這些和其它氣體。蝕刻化學物的一般最大流速為Cl2，200sccm；HCl，100sccm；BCl3，200sccm；HBr，200sccm；O2，20sccm；H2O，100 sccm；SO2，200sccm；CF4，200sccm；CH2F2，100sccm；CH3F，100sccm；C2F6，100sccm；CHF3，100sccm；SF6，200sccm；He，200sccm；Ar，200sccm和N2，200sccm。不同生產氣體的適當流速可基于以下因素而選擇包括(但不限于)等離子體反應器的類型、電源設定、室壓、等離子體解離速率、蝕刻化學物、被蝕刻的材料和在使用生產氣體的蝕刻處理的特別步驟。
一個高密度等離子體反應器的示范性等離子體蝕刻反應器的蝕刻操作條件如下基板溫度從約0℃到約70℃；室壓從約0毫托到約100毫托；氣體流速從約10sccm到約1000sccm；以及等離子體產生電源從大于0瓦到約1500瓦，且一般從約200瓦到約800瓦。最適當的電源取決于在等離子體反應器中蝕刻的晶圓類型。
包括含氧化釔涂層的組件可以用于半導體處理設備的蝕刻室中，以供在半導體等離子體蝕刻處理中蝕刻含硅和含金屬的材料。例如，可以在所述蝕刻室中蝕刻的含硅材料包括(但不限于)單晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、氮氧化硅、硅化物、二氧化硅、低k材料和高k材料。該等含硅材料可以經摻雜或未經摻雜和/或經退火或未經退火。
可以蝕刻的含導電或半導電金屬的材料包括(但不限于)鋁、鋁合金、鎢、鎢合金、鈦、鈦合金、鉭、鉭合金、鉑、鉑合金、釕、釕合金、鉻、鉻合金、鐵、鐵合金、鎳、鎳合金、鈷、鈷合金、鉬、鉬合金，鈦、鎢、鉻、鈷和/或鉬的硅化物，例如硅化鉑和氧化釕的鐵電材料，和例如氮化鉭、硅化鉻和NiFeCo合金的GMR材料。
優選用熱噴涂技術將所述含氧化釔的涂層形成于一個基板上。在熱噴涂技術中，將陶瓷粉末熔化并且并入導向被噴涂的組件的氣流中。熱噴涂技術的一個優點為所述組件僅在面對熱噴槍的側面被涂布，并且遮蔽可以用于保護其它區域。Pawlowski的The Science and Engineering of Thermal SprayCoating(John Wiley，1995)中描述了常規熱噴涂技術，包括等離子體噴涂。此描述以引用的方式全部并入本文中。所述熱噴涂含氧化釔涂層可以形成于任一個適當成形以使其能被涂覆的基板上。
特別優選的熱噴涂技術是等離子體噴涂。等離子體噴涂可以涂覆室的復雜內表面和其它室組件。圖1說明一種一般的等離子體噴涂方法。通常經由外部粉末口132將通常為粉末112形式的涂層材料注入到高溫等離子體火焰114中。將所述粉末快速加熱并且加速到一高速度。所述熱材料沖擊基板表面116并且快速冷卻形成涂層118。
所述等離子體噴槍120包含陽極122和陰極124，兩者均為水冷式的。等離子體氣體126(例如，氬、氮、氫、氦)一般以箭頭128所指示的方向流過陰極周圍并且通過一陽極收縮嘴。該等離子體由一高壓放電啟動，其可導致局部離子化及使DC電弧形成于陰極124和陽極122之間的導電通路。自電弧的電阻加熱使得氣體形成等離子體。所述等離子體以一自由或中性等離子體火焰(即，不帶電流的等離子體)的方式離開陽極噴嘴部分。在等離子體穩定且準備噴涂時，所述電弧延伸到噴嘴下方。所述粉末112快速加熱且加速使得在噴嘴端與基板表面之間的噴涂距離136可約為125到150mm。經等離子體噴涂的涂層是使用熔化或加熱軟化的粒子沖擊基板表面116而產生的。
可將所述熱噴涂含氧化釔涂層直接形成于優選基板材料上，而有或無先處理該基板表面以提高涂層的粘附力，和/或有或沒有先在基板上形成一個中間涂層以增強涂層在基板上的粘附力。例如，在未處理基板表面或使用中間涂層的情況下，可將所述含氧化釔涂層直接應用到陽極處理的鋁、氧化鋁或石英基板。在一優選實施例中，所述含氧化釔涂層提供至基板的適當的粘附力而未處理基板和/或形成中間層。因此，因為在未執行所述額外現有處理步驟的情況下，可將所述含氧化釔涂層涂覆到基板，所以可避免由所述額外處理步驟所造成的涂覆方法的增加的成本、復雜性和/或完成時間。
在基板上形成含氧化釔涂層之前，優選清洗待涂覆的基板表面以去除不需要的表面物質，諸如氧化物或油。在一些實施例中，可將諸如清洗和粒子爆破的表面處理技術用于為涂層接合提供更具化學和物理性的活性表面。而較不優選的是，在涂覆之前任一適當的方法(諸如噴砂法)可將基板表面變得粗糙。基板粗糙化增加涂層接合的表面積，其增加涂層接合強度。所述粗糙基板表面外形也可以促進涂層和基板的機械鍵控或聯鎖。
對鋁反應器組件而言，在涂覆之前，優選陽極處理待涂布的組件表面，但不粗糙化所述經陽極處理的表面。所述經陽極處理的層提供一額外的屏障(即除了由涂層提供的保護外)以防止下方的鋁材料的腐蝕破壞。形成于鋁基板(諸如，6061-T6鋁)上的經陽極處理的鋁層可以具有任何適當的厚度。例如，所述經陽極處理的鋁層厚度通常是從約2密耳到約10密耳。該經陽極處理的鋁層表面可進行任何適當的拋光。例如，該表面拋光可以具有約20微英寸到約100微英寸的表面粗糙度。可以使用任一適當的技術(諸如，通過使用沸騰的去離子水)密封所述經陽極處理的層。
所述熱噴涂含氧化釔的涂層可以具有所需要的表面粗糙度特征，其可有效的促進污染物對涂層的粘附力。該等污染沕可以包括聚合物沉積物，其由使用在等離子體蝕刻處理(諸如，金屬蝕刻處理)過程中形成物種(通常為氟碳化合物)的聚合物而產生。如在以引用方式全部并入本文中的共同待決的美國專利申請案第09/749,917號中所描述，所述聚合物沉積物可以在蝕刻處理過程剝落或去皮室表面且污染室內的基板。在重復等離子體處理循環過程中發生的熱循環惡化此問題。
所述熱噴涂的含氧化釔涂層可具有表面粗糙度系數(Ra)，其適合于增強在等離子體反應器中的基板處理過程中產生的聚合物副產物的粘附力。例如，該經熱噴涂含氧化釔涂層的算術平均表面粗糙度(Ra)的范圍可以為從約5微英寸到約400微英寸，并且優選從約120微英寸到約250微英寸。在此范圍中的表面粗糙度系數促進了在等離子體蝕刻處理(例如，金屬蝕刻)過程中沉積在反應室內表面上的聚合物的粘附力。因此，所述經熱噴涂含氧化釔的涂層可以改良組件上的該等聚合物沉積物的粘附力，并且因此降低由于聚合物沉積物而引起的污染的發生。
然而，在一些優選實施例中，所述經熱噴涂含氧化釔的涂層可以是光滑的。例如，在硅蝕刻處理中，顯著沉積物傾向于形成于室表面。對于此等方法而言，并不希望經熱噴涂的含氧化釔涂層具有粗糙表面以促進該等涂層上的沉積物的粘附力。此外，更光滑的表面相對容易清洗。
在一些優選實施例中，將包括含氧化釔涂層的該等組件用于高密度等離子體反應器中。這種類型的一種示范性反應器為TCP 9400TM等離子體蝕刻反應器，其可從加利福尼亞弗里蒙特的Lam Research公司購得。在TCP9400TM反應器中，將處理氣體(例如，Cl2、HBr、CF4、CH2F2、O2、N2、Ar、SF6和NF3)導入位于蝕刻室底部的汽環中，并且接著通過氣孔將其引入反應器室中。圖2展示一個用于TCP 9400TM蝕刻反應器的汽環。如圖2中所示，所述汽環40的主體圍繞著基板支撐件44。汽環40的底部表面含有一個環形導氣溝60。前述氣孔50延伸到導氣溝60。
所述汽環40一般由鋁組成。該汽環的上表面直接暴露于等離子體中并且因此經受侵蝕、腐蝕和腐蝕-侵蝕。要保護這些表面，通常以一氧化鋁層來覆蓋該汽環。例如，在硅蝕刻應用中，含氟大氣可通過侵蝕經陽極處理的鋁而產生氟化鋁“棕塵”。在金屬蝕刻應用中，三氯化硼(BCl3)可以侵蝕掉所述經陽極處理的表面從而導致組件的腐蝕。此外在使用過程中，經陽極處理的鋁是相對易脆的，并且在重復的反應器熱循環過程種是可破裂的。形成于經陽極處理層中的破裂可以允許腐蝕性生產氣體侵蝕下方的鋁層，從而降低零件壽命并造成諸如晶圓、平板顯示基板等等經處理基板的金屬和粒子污染。
在示范性實施例中，可以含氧化釔材料的涂層42覆蓋經暴露的汽環表面。所述涂層可形成于裸(有或無天然氧化物表面薄膜)鋁基板上或氧化鋁層(例如，具有經陽極處理的表面的鋁)上。當涂覆所述汽環時，可允許將該涂層部分滲入氣孔中以涂覆并保護其內壁，但不會阻塞開口。另外，所述氣孔可以是未經涂覆的，例如，在涂覆處理過程中該等氣孔可被堵塞或遮蓋。
在處理過程種可以暴露于等離子體中的TCP 9400TM蝕刻反應器的其它組件也可以含氧化釔涂層來涂覆。這些組件包括(例如)室壁、室襯墊、夾緊裝置和相對于基板的介電窗。在諸如靜電夾盤的一個夾緊裝置的上表面上提供含氧化釔的涂層，這樣在不存在晶圓的清洗循環過程中給夾盤提供了額外的保護，且因此所述夾盤的上表面直接暴露于等離子體中。
可包括根據本發明的含氧化釔涂層的另一示范性多晶硅蝕刻反應器為VersysTM多晶硅蝕刻器或2300TM蝕刻器，其也可以從加利福尼亞弗里蒙特的Lam Research公司購得，如圖3所示。該反應器包括一個反應器室150，該室包括一個包括靜電夾盤154的基板支撐件152，該夾盤為安裝于其上的基板(未圖示)提供夾緊力。將聚焦環170安裝于靜電夾盤154周圍的基板支撐件152上。所述基板支架152也可以用于將RF偏壓施加到基板上。該基板也可以使用諸如氦的傳熱氣體而進行背冷(back-cool)。在2300TM蝕刻器中，經由位于室150頂端且連接到氣體進料156的氣體注入器168將處理氣體(例如，Cl2、HBr、CF4、CH2F2、O2、N2、Ar、SF6或NF3的一或多種)引入室150中。所述氣體注入器168通常是由石英或諸如氧化鋁的陶瓷材料制成。如所示，可通過適當的RF源(未圖示)來為有感線圈158提供動力，從而提供高密度(例如，1011-1012離子/cm3)的等離子體。該有感線圈158經由介電窗160將RF能量耦合到室150內。所述介電窗160通常是由石英或氧化鋁制成。該介電窗160展示為安裝在環狀構件162上。所述環狀構件162將介電窗160與室150的頂端隔開，并且被稱為“氣體分布板”。室襯墊164圍繞基板支撐件152。室150也可以包括適當的真空泵設備(未圖示)以維持室內處于所需的壓力。
在圖3中，如下反應器組件的經選擇的內表面根據本發明展示為被含氧化釔涂層166所涂覆諸如環狀構件162、介電窗160、基板支撐件152、室襯墊164、氣體注入器168、聚焦環170和靜電夾盤154。如圖3中所展示，室150和室襯墊164下方的基板支撐件152的經選擇的內表面也可以具有含氧化釔涂層166。這些表面的任一個或全部和任一其他內部反應器表面可具有含氧化釔涂層166。
該等組件可以用于高密度氧化物蝕刻處理中。一個示范性氧化物蝕刻反應器為TCP 9100TM等離子體蝕刻反應器，其可從加利福尼亞弗里蒙特的LamResearch公司購得。在TCP 9100TM反應器中，所述氣體分布板為一直接位于TCPTM窗下方的圓形板，其也是一個位于高于并平行于半導體晶圓的平面中的反應器頂端的真空密封表面。將所述氣體分布板密封至位于氣體分布板周圍的氣體分布環。所述氣體分布環將氣體從氣體源進料至由下列組件所定義的體積中氣體分布板、位于提供RF能量至反應器的游絲形線圈形式的天線下方的窗的內表面及氣體分布環。所述氣體分布板含有延伸穿過該板的具有標稱直徑的孔。可變化穿過所述氣體分布板的孔的空間分布以優化待蝕刻的層的蝕刻均質性，該等層例如光阻層、二氧化硅層和晶圓上的底層材料。可改變氣體分布板的橫截面形狀以將RF動力分布用于反應器中的等離子體。所述氣體分布板為一絕緣材料使得此RF動力穿過氣體分布板耦合至反應器中。此外，希望氣體分布板的材料在諸如氧、鹵素或氫氟碳化物氣體等離子體環境中是高度抗化學濺射-蝕刻的，以避免隨之而產生的斷路和合成粒子。
圖4說明了一個前述類型的等離子體反應器。所述反應器包含反應室10。基板支撐件12包括靜電夾盤34，其提供夾緊力和至一基板13的RF偏壓。該基板也可以使用諸如氦的傳熱氣體而進行背冷。聚焦環14將等離子體限于基板上方的一區域中。將用于維持室中高密度(例如1011-1012離子/cm3)的等離子體的能量源置于反應室10的頂端，所述能量源諸如以適當的RF源作為動力以提供高密度等離子體的天線18。所述反應室包括一個用于將室內部維持在所需壓力(例如，低于50毫托，通常為1-20毫托)的真空泵設備。
一在天線18和處理室10的內部提供一個大體平坦的介電窗20，且其在處理室10的頂端形成真空壁。在窗20下方提供氣體分布板22，且其包括用于將自氣體供應23的生產氣體傳遞至室10的開口。襯墊30(諸如錐形或圓柱形襯墊)從氣體分布板22延伸且圍繞基板固定器12。所述天線18可具有一個溝24，溫度控制流體經由入口和出口導管25、26流過該溝。然而，所述天線18和/或窗20不需被冷卻，或可由如下的其它適當技術冷卻例如經過天線和窗的吹入氣體，傳遞冷卻流體或與所述窗和/或氣體分布板傳熱接觸等等。
在操作中，將一個諸如半導體晶圓的基板定位于基板固定器12上并且用靜電夾盤34固定。然而，也可以使用諸如機械夾緊構件的其它夾緊構件。此外，可采用氦背冷來改良基板和夾盤之間的傳熱。接著通過經由窗20和氣體分布板22間的間隙傳遞生產氣體而將生產氣體提供給真空處理室10。適當的氣體分布板配置(即，蓮蓬頭)揭示于共同擁有的美國專利第5,824,605號、第6,048,798號及第5,863,376號中，其均以引用的方式全部并入本文中。通過將適當的RF動力提供給天線18而在基板和窗之間的空間中點然高密度等離子體。
在圖4中，以含氧化釔涂層32涂覆反應器組件的暴露內表面，諸如氣體分布板22、室襯墊30、靜電夾盤34和聚焦環14。然而，只有這些表面中的經選擇部分和/或其它表面可以含氧化釔涂層來涂覆。
所屬領域的技術人員將了解上述高密度多晶硅和絕緣蝕刻室只是可并入所述組件的等離子體蝕刻反應器的示范性實施例。包括含氧化釔涂層的組件可用于任一蝕刻反應器(例如，金屬蝕刻反應器)或其它類型的半導體處理設備中，其中希望降低等離子體所引導的侵蝕、腐蝕和/或腐蝕-侵蝕及相關污染。
可具有含氧化釔涂層的其它示范性組件包括(但不限于)室壁、基板固定器、緊固件等等。這些組件通常由金屬(例如，鋁)或陶瓷(例如，氧化鋁)制成，且通常暴露于等離子體中，并常展示侵蝕、腐蝕和/或腐蝕-侵蝕的標記。可以涂覆含氧化釔涂層的其它零件不需要直接暴露于等離子體中，但卻可以暴露在腐蝕性氣體中，諸如從經過處理的晶圓或其類似物發射出的氣體。因此，用于處理半導體基板的其它裝備也可以具有含氧化釔涂層。該種裝備可包括傳送機制、氣體供應系統、襯墊、提升機制、裝載鎖定、門機制、機械手臂、緊固件等等。
在一優選實施例中，在一個金屬組件上提供含氧化釔涂層。如上所述，可以含氧化釔涂層涂覆經陽極處理和未經陽極處理的鋁基材料，其包括鋁和鋁合金，例如6061-T6鋁。可以涂覆的其它示范性金屬材料包括(但不限于)不銹鋼和難熔金屬，例如，304和316號不銹鋼。因為所述含氧化釔涂層在該組件上形成抗損耗涂層，所以下方的組件被保護以防止直接暴露在等離子體中。因此，所述金屬組件可被保護以防止等離子體的侵蝕、腐蝕和/或腐蝕-侵蝕破壞。結果，可使用諸如鋁合金的金屬材料，而無需考慮添加合金、顆粒的結構或表面條件。
另外，可以含氧化釔涂層來涂覆各種陶瓷或聚合材料。特別是，反應器組件可以由以下陶瓷材料制成包括(但不限于)氧化鋁(Al2O3)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化硼(B4C)和/或氮化硼(BN)。可涂覆的聚合材料優選為那些能經受住等離子體反應器中的高溫條件的材料。
如果需要，可在被涂覆的組件表面和含氧化釔涂層之間提供一或多種中間層材料。圖5展示了一個根據示范性優選實施例的經涂覆的組件。用一常規技術視需要將第一中間涂層80涂覆于基板70上。所述可選第一中間涂層80足夠厚以粘付到該基板上，并且允許在形成一個視需要的第二中間涂層90或含氧化釔涂層100之前對其進行處理。該第一中間涂層80和第二中間涂層90可具有任何可提供這些所需特性的適當厚度。這些涂層可以具有如下厚度至少約0.001英寸，優選從約0.001到約0.25英寸，更優選從約0.001到約0.15英寸，并且最優選從約0.001英寸到約0.05英寸。
在將所述可選第一中間涂層80沉積于反應器組件70上之后，可諸如通過使用任一適當技術的粗加工來處理所述第一中間涂層，并接著以可選第二中間層90或含氧化釔涂層100進行涂覆。經粗糙化的第一中間涂層80提供與隨后應用涂層的特別好的接合作用。希望第二中間涂層90賦予第一中間涂層80高機械壓縮強度并且減少第二中間涂層90中裂縫的形成。
第二中間涂層90足夠厚以粘付到第一中間涂層80，并且允許在形成任何額外中間涂層或外部含氧化釔涂層100之前對其進行處理。又可以通過諸如粗加工來處理第二中間涂層90。所述第二中間涂層90可具有任何提供這些所需特性的適當厚度，諸如至少約0.001英寸、優選從約0.001到約0.25英寸、更優選從約0.001到約0.15英寸、并且最優選從約0.001英寸到約0.05英寸的厚度。
所述第一和第二中間涂層可以由適用于半導體等離子體處理室中的任何金屬、陶瓷和聚合材料制成。可使用的特別所需金屬包括(但不限于)可經受住高處理溫度的難熔金屬。優選的陶瓷包括(但不限于)Al2O3、SiC、Si3N4、B4C、AIN、TiO2及其混合物。優選的聚合物包括(但不限于)諸如聚四氟乙烯和聚酰亞胺的含氟聚合物。
可通過任一適當沉積技術來應用所述中間涂層，該等技術諸如電鍍(例如，無電鍍或電鍍)、濺射、浸漬涂布、化學氣相沉積、物理氣相沉積、電泳沉積、熱等靜法、冷等靜法、壓模、鑄造、壓塑和燒結和熱噴涂(例如，等離子體噴涂)。
根據其所需的特性，所述可選第一中間涂層80和第二中間涂層90可以具有彼此相同或不同的成分。如果需要，也可以在含氧化釔涂層和基板之間提供諸如具有相同或不同材料的第三、第四或第五中間涂層的額外中間涂層。
圖6展示含氧化釔涂層的另一示范性實施例。在這個實施例中，含氧化釔涂層100直接置于一基板上(即，未形成任何中間層)，其為組件70的外表面。在這個和其它實施例中，涂層100可以具有任何適當的厚度。當所述含氧化釔涂層暴露在等離子體大氣中時，所述含氧化釔涂層100至少具有最小的厚度，該厚度為下方表面提供足夠的敷層從而提供抗損耗性并且保護下方的表面防止受到物理和化學破壞。特別地，涂層100可具有如下范圍內的厚度約0.001英寸到約1英寸；優選地從約0.001英寸到約0.5英寸；更優選地從約0.001英寸到約0.1英寸；并且最優選地從約0.01英寸到約0.1英寸。這個厚度也可以用于其它實施例中。可將含氧化釔涂層的厚度選擇為與在反應器(例如，蝕刻、CVD等等)中將遇到的等離子體環境相容。
可將所述含氧化釔涂層提供于反應室和組件的全部或部分上。在一優選實施例中，將所述涂層提供于暴露在等離子體環境中的反應器室區域上，諸如那些直接與等離子體接觸的零件或位于室組件之后的零件(諸如襯墊)。另外，優選將含氧化釔涂層提供于經受相對高偏壓(即，相對高的濺射離子能量)的反應器室區域。
通過應用含氧化釔涂層實現了優點。即，所述含氧化釔涂層可以用于所有等離子體化學。該涂層有利于用在含氟和含BCl3大氣中，這些大氣對經陽極處理的鋁具有高度的侵蝕性。通過在這些大氣中使用含氧化釔涂層，在等離子體反應器中可達到顯著降低的侵蝕速率。
進行了證明含氧化釔涂層在等離子體環境中提供抗侵蝕性表面的效力的測試。將三個經陽極處理6061-T6鋁試料和每一個均是由在經陽極處理的6061-T6鋁試樣表面上形成熱噴涂含氧化釔涂層而制成的三個試樣附著在等離子體反應器中的室壁上。所述含氧化釔涂層具有約99.95重量％氧化釔的成分。該等試樣每個都具有1英寸的直徑和0.375英寸的厚度。將所述試樣附著在室壁上。等離子體由包含相同流動速率的Cl2和BCl3的生產氣體產生，并且室內部的壓力設為6毫托。在反應器室中蝕刻裸硅晶圓。將所述試樣總共測試約90RF-小時。
測試之后，黃色粉塵滲入反應器室。使用EDS分析法分析所述粉塵，并且發現其主要含有硼、氧和氯。
使用分析天平計算所述試樣以確定質量虧損，并且計算試樣以確定預計侵蝕速率。沒有含氧化釔涂層的經陽極處理的6061-T61鋁試樣被確定為虧損了約15到20mg。因此，生產氣體相對于這些未經涂涂覆的試樣具有高度侵蝕性。
相反，具有含氧化釔涂層的三個試樣由于涂層上粉塵的積聚而增加了每個的重量。該等三個經涂覆的試樣的重量增加范圍為從約0.8mg到約1.2mg。該等三個經涂覆試樣的重量增加速率范圍為從約0.009mg/RF-hr到約0.013mg/RF-hr。
至于所預計的侵蝕速率，如明顯的重量減輕所證明，沒有含氧化釔涂層的經陽極處理的6061-T6鋁試樣明顯被腐蝕。這些試樣被測定為具有從約20到27/RF-min的預測平均侵蝕速率。相反，具有含氧化釔涂層的三個試樣未經腐蝕。
此外，因為鋁組件被保護以防止受到氟的侵蝕，所以當將經涂覆組件用于等離子體反應器中的含氟生產氣體大氣中時，含氧化釔涂層可以將氟化鋁的形成降至最低或甚至防止其形成。
也進行測試來說明通過提供包括經熱噴涂含氧化釔涂層的等離子體反應器室中的組件而降低了在等離子體反應器中蝕刻過程中晶圓的污染，該涂層基本上上由氧化釔組成。測試是在一個9400DFM等離子體反應器上進行的，該反應器具有以含氧化釔涂層完全密封的室襯墊、以含氧化釔涂層涂覆的底環、以含氧化釔涂層涂覆的基環螺帽和反應器室中的石英窗。
所述反應器室由包括以6％H2O+異丙醇擦拭干凈的濕式清洗程序和使用六個氧化物晶圓以及下列過程參數的濕式清洗恢復程序而制備15mT室壓/800瓦頂端線圈功率/0W底部電極功率/100sccm SF6/20sccm Cl2/50sccmO2/8托He背冷/300秒蝕刻時間。使用十個裸硅晶圓以下列過程參數進行反應器室的調節穿透蝕刻(break through etch)4毫托室壓/600瓦頂端線圈功率/65瓦底部電極功率/100sccm HBr/10sec蝕刻時間；主蝕刻6毫托室壓/350瓦頂端線圈功率/20瓦底部電極功率/180sccm HBr/65sec蝕刻時間；和過度蝕刻80mT室壓/350瓦頂端線圈功率/75瓦底部電極功率/150sccmHBr/150sccm He/5sccm O2/90sec蝕刻時間。在每片晶圓之后使用高壓無晶圓自動清洗。
以下列程序測量晶圓的污染。以下列過程參數蝕刻一個1k熱氧化物晶圓穿透蝕刻4毫托室壓/600瓦頂端線圈功率/65瓦底部電極功率/100sccm HBr/10sec蝕刻時間；主蝕刻6毫托室壓/350瓦頂端線圈功率/20瓦底部電極功率/180sccm HBr/65sec蝕刻時間；和過蝕刻80毫托室壓/350瓦頂端線圈功率/75瓦底部電極功率/150sccm HBr/150sccm He/5sccm O2/90sec蝕刻時間。用下列過程參數蝕刻該硅晶圓5mT室壓/250瓦頂端線圈功率/150瓦底部電極功率/50sccm Cl2/120sec蝕刻時間。蝕刻之后，使用ICP-MS分析所述熱氧化物晶圓和主要硅晶圓的污染。
將熱氧化物晶圓和裸硅晶圓放置于反應器室中并使用上述過程參數對其進行蝕刻，其中反應器室中可存在或不存在包括含氧化釔涂層的組件。在以反應器室中不包括含氧化釔涂層的組件進行測試過程中，在測試過程中將反應器室中的經陽極處理的鋁組件的實際量暴露在等離子體中。蝕刻之后，以1010個原子/cm2為單位為晶圓測量Al、Cr、Cu、Fe、Ni、Na和Y的表面濃度。亦分析未被放入反應器室中的控制氧化物晶圓以確定為源自所述反應器室的經蝕刻晶圓而測量的污染程度。
圖7展示了晶圓的污染分析結果。“經涂覆”指存在于反應器室中的經氧化釔涂覆的組件，且“未經涂覆”指未存在的經氧化釔涂覆的組件。比較相同晶圓類型的測試結果，即，熱氧化物晶圓和裸硅晶圓，測試結果展示在單元對單元的基礎上，包括經氧化釔涂覆組件的反應器室的結果明顯低于組件上含有經等離子體暴露且經陽極處理的鋁表面的反應器室的結果。例如，所測量“未經涂覆”裸硅晶圓的鋁濃度為約87×1010個原子/cm2，而所測量“經涂覆”裸硅晶圓的鋁濃度為約12×1010個原子/cm2。而且，所測量“未經涂覆”裸硅晶圓的鉻濃度為約7×1010原子/cm2，而所測量“經涂覆”裸硅晶圓的鋁濃度為約109個原子/cm2，其為測量裝備的檢測極限。對熱氧化物晶圓而言，下列結果是以1010個原子/cm2為單位而獲得Al“未經涂覆”，2000，“經涂覆”，480；Cu“未經涂覆”，15，“經涂覆”，4；Fe“未經涂覆”，72，“經涂覆”，280；和Ni“未經涂覆”，10，“經涂覆”，2。測試之后，確定在測試過程中存在Fe污染源，其增加了晶圓中的Fe含量。
又如圖7中所展示，氧化釔含量對所有被測試晶圓并無意義。對于裸硅晶圓而言，未檢測到任何氧化釔高于測量裝備的檢測極限。此結果證明含氧化釔涂層在等離子體環境中的堅固性質。因此，含氧化釔涂層可以達到很低程度的晶圓上氧化釔污染。
因此，上述測試結果證明含氧化釔涂層可達到暴露在等離子體環境中的組件的侵蝕速率的明顯降低。結果，所述含氧化釔涂層可以用氧化釔和其它形成經氧化釔涂覆的零件的單元而將等離子體蝕刻反應器中的半導體基板污染最小化。
所述含氧化釔涂層可以提供一個非常堅固且抗損耗的表面。所述涂層希望不是與處理室氣體反應的材料，且是化學性惰性的材料從而產生低或無粒子污染、極小或無腐蝕、極小或無金屬污染和/或極少或無揮發性蝕刻產物。因此，含氧化釔涂層可以減少金屬和微粒污染的程度、通過增加消耗品的壽命而降低成本、減少方法偏移及降低室零件和基板腐蝕的程度。
雖然已參照其特定實施例詳細敘述本發明，但是所屬領域的技術人員應了解在不背離隨附權利要求書的范圍情況下可以做出各種改變和修正，并且可以使用對等物。
權利要求
1.一種半導體處理設備的組件，其包含一個包括一個表面的基板；和一個基本上由布置在所述表面上的氧化釔所組成的熱噴涂涂層，所述涂層包括所述組件的一個最外層表面。
2.根據權利要求1所述的組件，其中所述涂層是直接位于所述基板的表面上而沒有在所述涂層與所述基板表面之間布置另一材料中間層。
3.根據權利要求1所述的組件，其中所述基板表面是由選自由經過陽極處理的鋁、氧化鋁和石英組成的群組的材料制成。
4.根據權利要求1所述的組件，其是一個室壁。
5.根據權利要求1所述的組件，其是選自由下列各物組成的群組中的至少一個組件室壁、室襯墊、氣體分布板、汽環、基座、介電窗、靜電夾盤和等離子體聚焦環。
6.根據權利要求1所述的組件，其中所述涂層具有約0.001英寸到約0.1英寸的厚度。
7.根據權利要求1所述的組件，其進一步包含所述基板表面與所述涂層之間的至少一個中間層。
8.根據權利要求1所述的組件，其中所述涂層具有一個有效促進聚合物沉積物在所述涂層上的粘附力的算術平均表面粗糙度(Ra)。
9.根據權利要求8所述的組件，其中所述涂層具有約120到約250微英寸的算術平均表面粗糙度(Ra)。
10.一種半導體處理設備的室壁，其包括一個包括一個表面的經陽極處理的鋁基板；和一個基本上由直接布置在所述表面上的氧化釔所組成的熱噴涂涂層，所述涂層包括所述組件的一個最外層表面。
11.根據權利要求10所述的組件，其中所述涂層具有一個促進聚合物沉積物的粘附力的算術平均表面粗糙度(Ra)。
12.一種等離子體蝕刻反應器，其包含包括以下組件的至少一個組件一個包含一個表面的基板；和一個基本上由布置在所述表面上的氧化釔所組成的熱噴涂涂層，該涂層包括該組件的一個最外層表面。
13.根據權利要求12所述的等離子體蝕刻反應器，其中所述基板表面是經陽極處理的鋁，并且該涂層是直接位于所述基板的所述表面上而沒有在所述涂層與所述基板表面之間布置另一材料中間層。
14.根據權利要求13所述的等離子體蝕刻反應器，其中所述組件為一個室壁，并且該等離子體蝕刻反應器包括一個誘導性地將射頻能量耦合到所述反應器中的等離子體產生源。
15.根據權利要求12所述的等離子體蝕刻反應器，其中所述涂層具有一個有效促進聚合物沉積物在所述涂層上的粘附力的算術平均表面粗糙度(Ra)。
16.一種制造半導體處理設備中的組件的方法，其包含用熱噴涂將一個基本上上由氧化釔組成的涂層涂覆在一個基板表面上，所述涂層包含所述組件的一個最外層表面。
17.根據權利要求16所述的方法，其中將所述涂層直接應用到所述基板表面上。
18.根據權利要求16所述的方法，其中所述基板表面是由選自由經陽極處理的鋁、氧化鋁和石英組成的群組的材料制成。
19.根據權利要求16所述的方法，其中所述涂層是形成為具有一個有效促進聚合物沉積物的粘附力的算術平均表面粗糙度(Ra)。
20.一種蝕刻半導體基板的方法，其包含將一個半導體基板放在一個等離子體蝕刻反應器室中，所述等離子體蝕刻反應器包含至少一個包括一個具有一表面的基板和一個基本上由布置在所述表面上的氧化釔組成的熱噴涂涂層的組件，所述涂層包括所述組件的一個最外層表面；將生產氣體引入所述室中；從所述生產氣體產生等離子體；和以所述等離子體蝕刻所述半導體基板，其中所述涂層在蝕刻過程中暴露在所述等離子體中。
21.根據權利要求20所述的方法，其中通過誘導性的將射頻能量耦合到所述室中而產生所述等離子體。
22.根據權利要求20所述的方法，其中所述半導體基板包含至少一種選自由下列各物組成的群組的含硅材料單晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、氮氧化硅、硅化物、二氧化硅、低k材料和高k材料。
23.根據權利要求20所述的方法，其中所述半導體基板包含至少一種選自由下列各物組成的群組的含金屬材料鋁、鋁合金、鎢、鎢合金、鈦、鈦合金、鉭、鉭合金、鉑、鉑合金、釕、釕合金、鉻、鉻合金、鐵、鐵合金、鎳、鎳合金、鈷、鈷合金、鉬、鉬合金，鈦、鎢、鉻、鈷和/或鉬的硅化物，鐵電材料和GMR材料。
24.根據權利要求20所述的方法，其中所述涂層具有一個在蝕刻過程中促進聚合物沉積物在所述涂層上的粘附力的算術平均表面粗糙度(Ra)。
25.一種減小半導體晶圓污染的方法，其是通過侵蝕在等離子體蝕刻反應器中在半導體晶圓蝕刻過程中等離子體蝕刻反應器的一個室中的一個組件而實現的，所述方法包含將一個半導體晶圓放在一個等離子體蝕刻反應器的一個室中，所述等離子體蝕刻反應器包含至少一個組件，所述至少一個組件包括一個由一材料組成的基板且具有一個表面和一個基本上由布置在所述表面上的氧化釔所組成的熱噴涂涂層，所述涂層包括所述組件的一個最外層表面；將一生產氣體引入所述室中，所述生產氣體相對于所述基板材料具有侵蝕性；從所述生產氣體產生一等離子體；和當將所述涂層暴露于所述等離子體時，以所述等離子體蝕刻所述半導體基板，其中所述涂層在所述蝕刻過程中通過所述基板材料和氧化釔而將所述半導體晶圓的污染最小化。
26.根據權利要求25所述的方法，其中所述基板包含鋁或其合金。
27.根據權利要求25所述的方法，其中氧化釔對所述半導體晶圓的污染程度小于1010個原子/cm2。
28.根據權利要求25所述的方法，其中所述組件的表面是經陽極處理的鋁，并且所述涂層直接位于所述經陽極處理的鋁上。
29.根據權利要求25所述的方法，其中所述半導體晶圓包含至少一種含硅材料，并且所述生產氣體包含氟。
30.根據權利要求29所述的方法，其中所述含硅材料是選自由下列各物組成的群組單晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、氮氧化硅、硅化物、二氧化硅、低k材料和高k材料。
31.根據權利要求25所述的方法，其中所述半導體晶圓包含至少一種含金屬材料，并且所述生產氣體包含BCl3。
32.根據權利要求31所述的方法，其中所述含金屬材料是選自由下列各物組成的群組鋁、鋁合金、鎢、鎢合金、鈦、鈦合金、鉭、鉭合金、鉑、鉑合金、釕、釕合金、鉻、鉻合金、鐵、鐵合金、鎳、鎳合金、鈷、鈷合金鉬、鉬合金，鈦、鎢、鉻、鈷和/或鉬的硅化物、鐵電材料和GMR材料。
33.根據權利要求25所述的方法，其中所述半導體晶圓包含硅，并且所述生產氣體包含溴。
34.根據權利要求25所述的方法，其中所述生產氣體包含BCl3，并且所述涂層在蝕刻過程中未被等離子體侵蝕。
全文摘要
本發明涉及一種包含熱噴涂含氧化釔涂層的半導體處理設備的組件，所述涂層在等離子體大氣中提供抗侵蝕、腐蝕和/或腐蝕－侵蝕性。所述涂層可以保護基板以免受到物理和/或化學破壞。
文檔編號H01J37/32GK1663017SQ03815023
公開日2005年8月31日 申請日期2003年6月12日 優先權日2002年6月27日
發明者羅伯特·J·歐唐奈, 約翰·E·多爾蒂 申請人:藍姆研究公司