具有陶瓷涂層的經熱處理陶瓷基板及用于經涂布陶瓷的熱處理方法
【技術領域】
[0001] 本發明的具體實施例一般與用以熱處理經涂布陶瓷物品的熱處理工藝有關。
【背景技術】
[0002] 在半導體工業中，通過可產生尺寸越發減少的結構的數種制造工藝來制造元件。 某些制造工藝(例如等離子體蝕刻與等離子體清潔工藝)使基板暴露至高速等離子體流，以 蝕刻或清潔基板。等離子體為高度腐蝕性，且會腐蝕暴露于等離子體的處理腔室以及其他 表面。此腐蝕會產生粒子，粒子常會污染正在被處理的基板，導致元件缺陷。
[0003] 隨著元件幾何尺寸的縮減，對缺陷的敏感度會增加，且對于粒子污染的需求變得 更臻嚴格。因此，當元件的幾何尺寸縮減時，可允許的粒子污染程度則會降低。為了使等離 子體蝕刻及/或等離子體清潔工藝所產生的粒子污染達到最低，已開發出可抵抗等離子體 的腔室材料。這類抗等離子體材料的實例包括含有六1 203^1151(：、￥203、石英與2抑2的陶瓷。 然而，對于某些應用而言，這些陶瓷材料的抗等離子體特性是不夠的。舉例而言，在使用于 閾值尺寸為45納米或32納米的半導體元件的等離子體蝕刻工藝中時，利用傳統陶瓷制造工 藝所制造的抗等離子體陶瓷蓋板及/或噴嘴會產生無法接受的粒子污染程度。此外，當這類 抗等離子體陶瓷被使用作為陶瓷涂層時，這些涂層會產生較高的粒子污染程度，且會因分 層剝落(delamination)而故障。
【發明內容】
[0004] 在一具體實施例中，提供了一種具有陶瓷基板與陶瓷涂層的陶瓷物品，該陶瓷涂 層具有初始孔隙度與初始裂縫量。該陶瓷物品被以約每分鐘〇.l°C至約每分鐘20°C的升降 溫速率加熱至介于約l〇〇〇°C與約1800°C間的溫度范圍。以該溫度范圍內的一或多個溫度熱 處理該陶瓷物品達約24小時的歷時。接著以該升降溫速率來冷卻該陶瓷物品，其中在熱處 理之后，該陶瓷涂層具有降低的孔隙度與降低的裂縫量。
【附圖說明】
[0005] 在如附圖中是藉例示而非限制來說明本發明，在附圖中相同的元件符號是代表相 似的元件。應注意在本文中當述及"一"或"一個"具體實施例時，并不一定是指相同的具體 實施例，這類敘述是代表"至少一個"。
[0006] 圖1A說明了根據本發明的一實施例的制造系統的例示架構；
[0007] 圖1B說明了根據本發明的一實施例的用于熱處理陶瓷物品的一種工藝；
[0008] 圖2A為根據本發明實施例的在利用熱處理處理陶瓷涂層之前以及在利用熱處理 處理陶瓷涂層之后的陶瓷涂層表面的顯微照片；
[0009] 圖2B為根據本發明實施例的在利用熱處理處理陶瓷涂層之前以及在各種溫度和 處理歷時下利用熱處理處理陶瓷涂層之后的陶瓷涂層表面在4,000倍放大倍率下的其他顯 微照片；
[0010]圖2C為根據本發明具體實施例的在利用熱處理處理陶瓷涂層之前以及在各種溫 度和處理歷時下利用熱處理處理陶瓷涂層之后的陶瓷涂層表面在20,000倍放大倍率下的 其他顯微照片；
[0011]圖2D為根據本發明實施例的在陶瓷涂層經處理之前以及在陶瓷涂層經處理之后 的陶瓷涂層表面在1〇,〇〇〇倍放大倍率下的其他顯微照片；
[0012] 圖3A為顯示根據本發明的一實施例的在熱處理前后的陶瓷物品的截面側視圖的 顯微照片；
[0013] 圖3B為顯示根據本發明實施例的在不同溫度與不同歷時下進行熱處理前后的陶 瓷物品在4,000倍放大倍率下的截面側視圖的顯微照片；
[0014] 圖3C為顯示根據本發明實施例的在熱處理前后的陶瓷物品在20,000倍放大倍率 下的截面側視圖的顯微照片；
[0015] 圖3D說明根據本發明的一實施例的在熱處理前后的HPM陶瓷復合涂層的相態組成 比較。
【具體實施方式】
[0016] 本發明的具體實施例是與一種用于熱處理陶瓷物品的工藝有關，且與利用熱處理 所處理的陶瓷物品有關。在一實施例中，提供了一種包括陶瓷基板與陶瓷涂層的陶瓷物品， 該陶瓷涂層具有初始孔隙度、對該陶瓷基板的初始鍵結強度以及初始裂縫量。該陶瓷基板 可為燒結陶瓷，且該陶瓷涂層是等離子體噴涂陶瓷。該陶瓷物品可為，例如等離子體蝕刻器 的陶瓷蓋板、噴嘴或處理套件。該陶瓷物品被以約每分鐘〇.l°C至約每分鐘20°C的升降溫速 率加熱至介于約1 〇〇〇°C與約1800°C間的溫度范圍。該陶瓷物品在該溫度范圍內的一或多個 溫度下進行熱處理達約24小時的歷時。接著該陶瓷物品被以該升降溫速率予以冷卻。在熱 處理之后，該陶瓷涂層具有減少的表面缺陷、降低的涂層孔隙度以及減少的裂縫量。該陶瓷 涂層也具有降低的表面粗糙度，且另外具有對等離子體的較大抵抗性。此外，在熱處理之 后，該陶瓷涂層對陶瓷基板具有較強的界面性，該較強的界面性提供了對陶瓷基板的較大 黏結強度。較強的界面性是因在陶瓷基板與陶瓷涂層之間形成過渡層所致。
[0017] 在一實施例中，加熱爐對包含陶瓷基板與陶瓷涂層的陶瓷物品執行熱處理工藝， 其中該陶瓷涂層具有初始孔隙度與初始裂縫量。該加熱爐以每分鐘約〇.l°C至每分鐘約20 °C的升降溫速率來加熱該陶瓷物品，直到該陶瓷物品達到指定溫度或溫度范圍為止。該指 定溫度范圍從約l〇〇〇°C變化至約1800°C，且該指定溫度是該指定溫度范圍內的溫度。加熱 爐于該指定溫度及/或該溫度范圍內的其他指定溫度下對該陶瓷物品熱處理達約24小時的 歷時。該加熱爐接著以該升降溫速率來冷卻該陶瓷物品。在熱處理之后，該陶瓷物品具有降 低的表面孔隙度及減少的裂縫量。
[0018] 本發明的實施例經由過渡層的形成而增加陶瓷涂層以及涂布該陶瓷涂層的陶瓷 基板之間的鍵結強度。本發明的實施例也減少了經處理的陶瓷物品上的陶瓷涂層的表面缺 陷、降低孔隙度并減少裂縫量。實施例也降低了經處理的陶瓷涂層的表面粗糙度，并且使陶 瓷涂層上的表面粒子減到最少。當使用于應用等離子體的半導體工藝(例如等離子體蝕刻 與等離子體清潔工藝)時，這類經熱處理的陶瓷涂層具有減少的高能量鍵結(斷鍵)數，并產 生明顯較低的粒子污染量。此外，經熱處理的陶瓷涂層的降低孔隙度與減少裂縫可減少滲 入陶瓷涂層而與下方基板反應的處理氣體量。另外，在陶瓷涂層與陶瓷基板間的過渡層(在 本文中也稱為界面性過渡層）的形成可抑制滲入涂層的工藝化學物與下方基板反應。這可 使分層剝落的發生降至最低。過渡層可提高陶瓷涂層的黏結強度，且可使剝離降至最低。舉 例而言，用于蝕刻器機器的經陶瓷涂布的蓋板與噴嘴可經熱處理，以使在等離子體蝕刻工 藝期間所產生的粒子污染及/或剝離降至最低。因此，利用本文所述的經熱處理的陶瓷物品 而制造的半導體會具有較低的缺陷計數，且可導致降低的廢棄率。
[0019] 在本文中所使用的用語"熱處理"是表示對陶瓷物品施加升高溫度，例如通過加熱 爐。當于本文中使用用語"約"時，是用以表示所提出的標稱數值在±10%內都是精確的。
[0020] 在本文中，有些實施例使用加熱爐來進行熱處理，然而，應了解也可使用其他的熱 處理技術來進行所述熱處理。可使用的其他熱處理技術的部分實例包括激光表面處理（也 稱為激光熱處理）、電子束（e-beam)表面處理(也稱為電子束熱處理）、火焰表面處理(也稱 為火焰熱處理）以及高溫等離子體處理。
[0021] 同時注意本文所述的有些實施例是關于半導體制造的等離子體蝕刻器中所使用 的經陶瓷涂布的蓋板與經陶瓷涂布的噴嘴。然而，應理解到這類等離子體蝕刻器也可用以 制造微機電系統(MEMS)的元件。此外，本文所述的經熱處理的陶瓷物品可為暴露于等離子 體的其他結構。舉例而言，該陶瓷物品可為等離子體蝕刻器、等離子體清潔器、等離子體驅 動系統等的經陶瓷涂布的環件、壁部、基部、氣體分配板材、噴淋頭、基板固持框架等。
[0022] 此外，本文所述的實施例是關于在使用于富含等離子體工藝的處理腔室中時能夠 產生降低的粒子污染的陶瓷物品。然而，應理解本文所述的陶瓷物品在使用于其他工藝的 處理腔室(例如非等離子體蝕刻器、非等離子體清潔器、化學氣相沉積(CVD)腔室、物理氣相 沉積(PVD)腔室、等離子體增強的化學氣相沉積(PECVD)腔室、等離子體增強的物理氣相沉 積(PEPVD)腔室、等離子體增強的原子層沉積(PEALD)腔室等）中時也可提供降低的粒子污 染。
[0023] 圖1A說明了根據本發明的一具體實施例的制造系統的例示架構。該制造系統100 可以是陶瓷制造系統。在一實施例中，該制造系統100包括加熱爐105(例如，如旋轉窯 (kiln)的陶瓷加熱爐）、設備自動化層115與計算裝置120。在替代實施例中，該制造系統100 可包括更多或更少的組件。舉例而言，該制造系統100僅包含加熱爐105,加熱爐105是手動 的離線機器。
[0024] 加熱爐105為一種經設計以加熱例如陶瓷物品的機器。加熱爐105包括熱絕緣腔室 或爐體，能對插置于熱絕