專利名稱：半導(dǎo)體工藝設(shè)備中的含鈰氧化物的陶瓷部件與涂層的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域一般地，本發(fā)明涉及半導(dǎo)體晶片的制造，更具體地，涉及到具有在工藝過程中可以減少顆粒和金屬污染的內(nèi)表面的高密度等離子體刻蝕腔。
2.相關(guān)技術(shù)描述在半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域中，通常使用真空工藝腔來在襯底上進(jìn)行材料的刻蝕和化學(xué)氣相沉積(CVD)，將刻蝕或者沉積氣體供入真空腔中，并對氣體施加一種RF場將氣體激發(fā)到等離子體狀態(tài)。在專利號(hào)為4340462，4948458，5200232和5820723的共同所有的US專利中公開了平行板式變壓耦合等離子體(TCPTM)，也叫做電感耦合等離子體(ICP)，和電子回旋共振(ECR)反應(yīng)器及其部件的例子。由于這些反應(yīng)器中等離子體環(huán)境的腐蝕性以及為了使顆粒和/或重金屬污染最小化的需要，高度希望這些設(shè)備的部件具有高的抗腐蝕性。
在半導(dǎo)體襯底的處理過程中，一般用襯底夾具例如機(jī)械鉗和靜電鉗(ESC)將襯底固定在真空腔中。這些鉗制系統(tǒng)及其部件的例子可以在專利號(hào)為5262029和5838529的共同所有的US專利中找到?？梢酝ㄟ^許多方式將處理氣體供入腔室中，比如通過氣體分布板。在專利號(hào)為5863376的共同所有的US專利中可以找到一種用于電感耦合等離子體反應(yīng)器的溫控氣體分布板及其部件的例子。除了等離子體腔室設(shè)備，在半導(dǎo)體襯底處理中使用的其它設(shè)備包括傳送機(jī)構(gòu)，氣體供應(yīng)系統(tǒng)，襯里，起落機(jī)構(gòu)，加載鎖，室門機(jī)構(gòu)，機(jī)械臂，緊固件及其它類似的設(shè)備。這些設(shè)備的許多部件要承受多種與半導(dǎo)體工藝相關(guān)的腐蝕條件。而且，考慮到處理半導(dǎo)體襯底如硅晶片及介電材料如用于平板顯示的玻璃襯底時(shí)對高純度的需要，高度希望在這些環(huán)境中的部件具有改善的抗腐蝕性。
通常用于等離子體反應(yīng)器的器壁，電極，襯底支撐，緊固件及其它部件的是鋁和鋁合金。為了防止這些金屬部件的腐蝕，已提出了多種技術(shù)來在鋁表面進(jìn)行各種涂層。例如，在專利號(hào)為5641375的US專利中公開了進(jìn)行了陽極化處理的鋁腔室壁，以減少等離子體對腔壁的侵蝕和磨損。專利’375指出，陽極化層最終會(huì)被濺射掉或刻蝕掉，腔室必須進(jìn)行更換。專利號(hào)為5895586的US專利公開了可以在專利號(hào)為62-103379的日本申請公開中找到一種技術(shù)，來在鋁材料上制備Al2O3，AlC，TiN，TiC，AlN或者其它類似的抗腐蝕膜。專利號(hào)為5680013的US專利指出在專利號(hào)為4491496的US專利中公開了一種在刻蝕腔室的金屬表面火焰噴涂Al2O3的技術(shù)。專利’013指出鋁和陶瓷涂層如氧化鋁間的熱膨脹系數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致涂層因熱循環(huán)而開裂，并最終在腐蝕環(huán)境下失效。專利號(hào)為5879523的US專利公開了一種濺射腔，其中在諸如不銹鋼或者鋁的金屬上應(yīng)用了一種熱噴涂Al2O3涂層，并且二者之間有一個(gè)可選的含NiAlx結(jié)合的涂層。專利號(hào)為5522932的US專利公開了一種用于襯底等離子體處理設(shè)備的金屬部件上的銠涂層，二者之間有一個(gè)可選的鎳涂層。
用于等離子體腔的腔壁，襯里，氣環(huán)和其它部分的材料也已經(jīng)被提出，例如參見專利號(hào)為5366585，5788799，5798016，5851299和5885356的US專利。
由于集成電路器件在外觀尺寸和工作電壓上都持續(xù)減小，其相關(guān)的生產(chǎn)率對于顆粒和金屬雜質(zhì)的污染就變得越來越敏感。結(jié)果，要制作具有更小外觀尺寸的集成電路器件，就需要微粒和金屬污染的水平比以前認(rèn)為可以接受的更小。
考慮到前面所說的，就需要使高密度等離子體工藝腔的暴露在等離子體中的內(nèi)表面更加抗腐蝕并要有助于使正在處理的晶片表面的污染(例如顆粒和金屬雜質(zhì))最小化。
發(fā)明簡述在本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方案中，提供一種制造半導(dǎo)體工藝設(shè)備部件的方法。該方法包括在部件的表面提供一種含鈰氧化物的陶瓷層，使得該含鈰氧化物的陶瓷層形成部件的最外表面。這種含鈰氧化物的陶瓷層包含一種或者多種鈰氧化物作為其單一的最大組分。
在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施方案中，提供一種用含鈰氧化物的陶瓷材料來制造半導(dǎo)體工藝設(shè)備部件的方法。該方法包括步驟制備含鈰氧化物的漿料；按所需形狀用漿料成型生坯；然后將生坯燒結(jié)制成含鈰氧化物的陶瓷部件。這種含鈰氧化物的陶瓷部件包含一種或者多種鈰氧化物作為其單一的最大組分。
在本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施方案中，提供一種半導(dǎo)體工藝設(shè)備部件，其中該部件包括形成其最外表面的一種含鈰氧化物的陶瓷材料。同時(shí)也提供包括至少一種上述部件的等離子體腔。
在本發(fā)明的第四個(gè)實(shí)施方案中，提供一種在上述等離子體腔中處理半導(dǎo)體襯底的方法。在依據(jù)本發(fā)明的這一方法中，將襯底傳送到等離子體腔中并對襯底的暴露表面用等離子體處理。在本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方案中，該方法包括步驟將襯底放置在反應(yīng)器中的襯底支撐上；將處理氣體導(dǎo)入反應(yīng)器中；對處理氣體施加RF能量，以在襯底的暴露表面附近產(chǎn)生等離子體；然后用等離子體對暴露的襯底表面進(jìn)行刻蝕或者其它處理。
附圖簡述結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)的描述，附圖中相同的元件用相同的數(shù)字標(biāo)注，其中

圖1所示是傳統(tǒng)的等離子體噴涂工藝；圖2所示的是依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的多晶硅刻蝕設(shè)備的導(dǎo)氣環(huán)設(shè)備的剖面圖；圖3是包含依據(jù)本發(fā)明的部件的多晶硅刻蝕腔；圖4是包含依據(jù)本發(fā)明的部件的高密度氧化物刻蝕腔；圖5是依據(jù)本發(fā)明的抗腐蝕涂層的一個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)；圖6是依據(jù)本發(fā)明的抗腐蝕涂層的另一個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)；以及圖7是依據(jù)本發(fā)明的抗腐蝕涂層的一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施方案的細(xì)節(jié)。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案詳述本發(fā)明為給半導(dǎo)體工藝設(shè)備部件如等離子體工藝反應(yīng)器腔室部件的表面提供抗腐蝕性提供一種有效的方法。這些部件包括腔壁，襯底支撐，氣體分布系統(tǒng)(包括噴頭，折流板，氣環(huán)，噴嘴等)，緊固件，加熱元件，等離子體屏，襯里，傳輸模塊部件，例如機(jī)械臂，緊固件，內(nèi)外腔壁等，以及其它部件。在本發(fā)明中，這些部件本身可以由含鈰氧化物的陶瓷材料制造，或者用含鈰氧化物的陶瓷材料來涂層或者覆蓋這些部件的暴露于等離子體中的表面。
在本發(fā)明中，含鈰氧化物的陶瓷材料包含一種或者多種鈰氧化物。依據(jù)本發(fā)明，這種或這些鈰氧化物構(gòu)成這一陶瓷材料的單一的最大組分。鈰氧化物可以是Ce(III)的氧化物或者是Ce(IV)的氧化物。依據(jù)本發(fā)明的含鈰氧化物的陶瓷材料中也可以含有氧化鋁，氧化鋯，氧化釔和其它的IIA，IIIA，IVA，VA，VIA，VIIA，VIIIA，IB，IIB，IIIB，IVB族元素的氧化物，氮化物，硼化物，氟化物和碳化物。依據(jù)本發(fā)明的該陶瓷材料也可以包含任何錒系元素(例如原子序數(shù)為58-71的元素)的任何的氧化物，氮化物，硼化物，氟化物或者碳化物。在這些中，尤其優(yōu)選的材料是鈰硼化物和鈰氮化物。
在包含依據(jù)本發(fā)明的一種或者多種部件的設(shè)備中，為使處理的襯底的污染最小化，希望含鈰氧化物的陶瓷材料盡可能地純，例如，包含最少量的污染元素如過渡金屬，堿金屬等。舉例來講，該含鈰氧化物的陶瓷材料要足夠純到可以避免晶片上1010個(gè)原子/cm2或者更高的污染，優(yōu)選的在105個(gè)原子/cm2或者更高。
本發(fā)明的發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鈰氧化物基陶瓷材料具有用在半導(dǎo)體工藝設(shè)備比如等離子體刻蝕腔中的所期望的性能。特別地，在等離子體反應(yīng)腔中，含鈰氧化物的陶瓷提供的抗腐蝕表面能夠減少微粒污染的水平。含鈰氧化物的陶瓷也可以提供對由等離子體引起的物理侵蝕(例如離子濺射引起的侵蝕)和化學(xué)侵蝕都具有抵抗性的暴露于等離子體中的表面。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，該含鈰氧化物的陶瓷材料是作為涂層提供的。鈰氧化物涂層可以用本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所知的方法來應(yīng)用。例如，在專利號(hào)為4421799，4593007，5334462，5362335，5627124，5668072，5721057，5834070和6007880的US專利以及專利公開GB2236750A和WO94/29237中公開了應(yīng)用鈰氧化物涂層的方法。
一種優(yōu)選的涂層方法是熱噴涂(例如等離子體噴涂)，其中，將陶瓷粉體熔融，并引入對準(zhǔn)要噴涂涂層的部件的氣流中。熱噴涂技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是僅僅是將部件面對熱噴涂槍的面進(jìn)行涂層，并可以使用遮蓋物來對其它區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù)，包括等離子體噴涂，在Pawlowski所著的The Science and Engineering ofThermal Spray Coating(John Wiley，1995)中進(jìn)行了闡述，因此將其內(nèi)容引入作為參考。
一種尤其優(yōu)選的熱噴涂方法是等離子體噴涂，其允許對腔室的復(fù)雜內(nèi)表面或者其它腔室部件進(jìn)行涂層。圖1顯示了一種典型的等離子體噴涂工藝。將涂層材料112，通常是粉體的形式，噴射到高溫等離子體火焰114中，在那里，其被快速加熱并加速到一個(gè)很高的速度。這種熱材料碰撞在襯底表面116上并迅速冷卻形成涂層118。
等離子體噴涂槍120通常包含一個(gè)銅陽極122和鎢陰極124，二者均用水冷卻。等離子體氣126(例如氬，氮，氫，氦)通常沿著箭頭128所示的方向流過陰極，并從做成收縮嘴狀的陽極130中通過。高壓放電引起局部離子化并在陰極124和陽極130之間為DC弧形成一個(gè)導(dǎo)電通路，由此產(chǎn)生等離子體?；〉碾娮杓訜崾箽怏w達(dá)到相當(dāng)高的溫度，分離并離子化而形成等離子體。等離子體作為一種自由的或者中性的等離子體焰(不帶電流的等離子體)由陽極噴嘴130噴出。當(dāng)?shù)入x子體穩(wěn)定并可以進(jìn)行噴涂時(shí)，電弧沿著噴嘴向下擴(kuò)展。通常用一種固定在陽極噴嘴出口134附近的外部粉體端口132將粉體112供入等離子體焰中。粉體112加熱和加速的如此之快以至于噴涂距離136(噴嘴頂端與襯底表面之間的距離)可以大約為125到150mm。這樣通過使熔融或者受熱軟化的顆粒碰撞在襯底上的方法就制成了等離子體噴涂涂層。
在本發(fā)明中，可以使用諸如清洗和噴砂或噴丸等表面制備技術(shù)來提供一個(gè)對于結(jié)合具有更高的化學(xué)和物理活性的表面。在涂層之前，優(yōu)選地，要將襯底表面徹底清洗以消除表面物質(zhì)，比如氧化物或者油脂。進(jìn)一步地，在涂層之前，可以用已知的方法比如噴砂將表面進(jìn)行粗化。通過噴砂，能夠增加結(jié)合的可用表面積，這可以增強(qiáng)涂層結(jié)合的強(qiáng)度。粗糙的表面輪廓也能夠提高涂層與襯底之間的機(jī)械咬合或者互鎖。對于鋁反應(yīng)器部件來講，在應(yīng)用鈰氧化物涂層之前，尤其希望使部件表面粗化，使粗化的部件表面陽極化，并再次將陽極化的表面進(jìn)行粗化。
依據(jù)本發(fā)明的含鈰氧化物的陶瓷涂層優(yōu)選地用等離子體噴涂工藝進(jìn)行應(yīng)用，但也可以使用陶瓷材料適用的其它的涂層方法。例如，依據(jù)本發(fā)明的含鈰氧化物的陶瓷涂層可以通過濺射，濺射沉積，浸漬涂層，化學(xué)氣相沉積，蒸發(fā)和凝結(jié)(包括電子束蒸發(fā)和凝結(jié))，物理氣相沉積，熱等靜壓，冷等靜壓，壓縮模制，注模，壓實(shí)和燒結(jié)，等離子體噴涂以及熱噴涂的方法進(jìn)行應(yīng)用。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，將含鈰氧化物的陶瓷部件用作多晶硅高密度等離子體反應(yīng)器的反應(yīng)器部件。這種類型的反應(yīng)器的例子是可以從California的Lam Research Corporation ofFremont得到的TCP 9400TM等離子體刻蝕反應(yīng)器。在TCP 9400TM反應(yīng)器中，將處理氣體(例如Cl2，HBr，CF4，CH2F2，O2，N2，Ar，SF6和NF3)導(dǎo)入位于刻蝕腔底部的導(dǎo)氣環(huán)中，然后通過導(dǎo)氣孔導(dǎo)入反應(yīng)腔中。圖2是依據(jù)本發(fā)明的TCP 9400TM多晶硅等離子體刻蝕反應(yīng)器中的導(dǎo)氣環(huán)的剖面圖。正如圖2中所示，導(dǎo)氣環(huán)40的主體部分包圍在襯底支撐44的周圍，導(dǎo)氣環(huán)40的底面含有一個(gè)環(huán)狀導(dǎo)氣槽60。前面提到的導(dǎo)氣孔50延伸到導(dǎo)氣槽60中。
典型地，導(dǎo)氣環(huán)用鋁構(gòu)成。導(dǎo)氣環(huán)的上表面直接暴露在等離子體中，這樣就會(huì)受到侵蝕。為保護(hù)這些表面，導(dǎo)氣環(huán)一般用氧化鋁層進(jìn)行覆蓋，這一般通過將導(dǎo)氣環(huán)表面進(jìn)行陽極化來制備。然而，這種陽極化涂層相對較脆，使用時(shí)在反應(yīng)器反覆的熱循環(huán)過程中有破裂的傾向。在陽極化層中形成的裂紋會(huì)使腐蝕性的處理氣體侵蝕下面的鋁層而減小器件壽命，并對處理的襯底如晶片，平板顯示襯底等形成金屬和顆粒污染。
依據(jù)本發(fā)明，可以用由含鈰氧化物的陶瓷材料的涂層42覆蓋導(dǎo)氣環(huán)的暴露表面。該鈰氧化物陶瓷可以涂層在裸露的(有或者沒有自身的氧化物表面膜)鋁層上或者鋁氧化物層(例如具有陽極化表面的鋁)上。當(dāng)對導(dǎo)氣環(huán)進(jìn)行涂層時(shí)，可以允許涂層部分的滲透到導(dǎo)氣孔中，對其內(nèi)壁進(jìn)行涂層和保護(hù)。然而，不應(yīng)該以會(huì)將這些開孔阻塞的方式應(yīng)用這種涂層材料。這樣，在涂層過程中導(dǎo)氣孔會(huì)被塞住或者遮蓋。
TCP 9400TM多晶硅等離子體刻蝕反應(yīng)器的其它的在工藝過程中要暴露在等離子體中的部件也能夠用依據(jù)本發(fā)明的含鈰氧化物的陶瓷材料進(jìn)行涂層。這些部件包括腔壁，腔襯里，夾持器件以及正對襯底的介電窗。在夾持器件比如靜電夾具的上表面提供含鈰氧化物的陶瓷材料涂層可在清洗期間對夾具提供附加保護(hù)，此過程中沒有晶片，夾具的上表面要直接暴露在等離子體中。
另一個(gè)多晶硅刻蝕反應(yīng)器的例子是同樣可以從California的LamResearch Corporation of Fremont得到的VersysTM多晶硅刻蝕器或2300TM刻蝕器。圖3是依據(jù)本發(fā)明的2300TM多晶硅刻蝕反應(yīng)器的剖面圖。該反應(yīng)器包含反應(yīng)腔150，其中包括的襯底支撐152包括一個(gè)靜電夾具154，其可以對固定在其上的襯底(沒示出)施加一個(gè)鉗制力。在靜電夾具154周圍的襯底支撐152上按所示固定著聚焦環(huán)170。襯底支撐152也能用來對襯底施加一個(gè)RF偏置。襯底也能夠用熱交換氣體比如氦來進(jìn)行背冷。在2300TM刻蝕器中，處理氣體(例如Cl2，HBr，CF4，CH2F2，O2，N2，Ar，SF6和NF3)通過位于腔室150頂部的氣體注入器168導(dǎo)入腔室150中。氣體注入器168與供氣口156相連。氣體注入器168一般用石英或者陶瓷材料比如氧化鋁制成。正如所示，導(dǎo)電線圈158可以用適宜的RF源(沒示出)驅(qū)動(dòng)來提供高密度(例如1011-1012個(gè)離子/cm3)的等離子體。導(dǎo)電線圈158通過介電窗160將RF能量耦合到腔室150內(nèi)部。介電窗160一般由石英或者氧化鋁制成。介電窗160按所示固定在環(huán)狀元件162上。環(huán)狀元件162將介電窗160從腔室150的頂部隔開，稱作一種“氣體分布板”。腔襯里164包圍著襯底支撐152。腔室150也可以包括適宜的抽真空裝置(沒示出)以使腔室內(nèi)部保持在所希望的壓力。
在圖3中，反應(yīng)器部件比如環(huán)狀元件162，介電窗160，襯底支撐152，腔襯里164，氣體注入器168，聚焦環(huán)170和靜電夾具154的內(nèi)表面按所示用由含鈰氧化物的陶瓷材料的涂層166涂覆。腔室150和在腔襯里164下面的襯底支撐152的內(nèi)表面如圖3中所示也可以用含鈰氧化物的陶瓷材料涂層166來提供。這些表面的任何或者全部以及任何其它的反應(yīng)器內(nèi)表面能夠提供依據(jù)本發(fā)明的含鈰氧化物的陶瓷材料涂層。進(jìn)一步地，任何的或者全部的這些部件能夠用依據(jù)本發(fā)明的含鈰氧化物的陶瓷材料的整體材料制造。
本發(fā)明的反應(yīng)器部件也能用在高密度的氧化物刻蝕工藝中。一種氧化物刻蝕反應(yīng)器的例子是可以從California的Lam ResearchCorporation of Fremont得到的TCP 9100TM等離子體刻蝕反應(yīng)器。在TCP 9100TM反應(yīng)器中，氣體分布板是一個(gè)直接位于TCPTM窗下面的圓板，TCPTM窗也是位于反應(yīng)器頂部的真空密封面，其位于在半導(dǎo)體晶片上方并與半導(dǎo)體晶片相平行的平面上。氣體分布板用一個(gè)O型圈與位于氣體分布板周圍的氣體分布環(huán)相密封。氣體分布環(huán)從氣源向由氣體分布板，位于向反應(yīng)器中供應(yīng)RF能量的平面螺旋線圈式天線下面的窗的內(nèi)表面和氣體分布環(huán)限定的空間中供氣。氣體分布板包含特定直徑的貫通該板的孔陣列?？梢愿淖冐炌怏w分布板的孔的空間分布以使被刻蝕層，例如，阻光層，二氧化硅層和位于晶片上的底層材料的刻蝕均勻性達(dá)到最優(yōu)化?？梢愿淖儦怏w分布板的剖面形狀以調(diào)節(jié)供入反應(yīng)器等離子體中的RF能量分布。氣體分布板材料是介電性的，能夠?qū)F能量通過氣體分布板耦合到反應(yīng)器中。而且，希望氣體分布板材料對在諸如氧氣或水-氟碳?xì)怏w等離子體環(huán)境中的化學(xué)濺射刻蝕具有高度的抵抗性，以避免破碎和由此引起的顆粒的產(chǎn)生。
圖4所示的是-個(gè)前述類型的等離子體反應(yīng)器。該反應(yīng)器包含反應(yīng)腔10，其中包括的襯底座12包括一個(gè)靜電夾具34，其可以對襯底13施加一個(gè)鉗制力以及一個(gè)對襯底的RF偏置。襯底能夠用熱交換氣體比如氦來進(jìn)行背冷。聚焦環(huán)14包含介電外環(huán)14a和內(nèi)環(huán)14b，其將等離子體限定在襯底上面的一個(gè)區(qū)域里。在腔室中獲得高密度(例如1011-1012個(gè)離子/cm3)的等離子體的能量源，比如用適宜的RF源驅(qū)動(dòng)來提供高密度等離子體的天線18置于反應(yīng)器腔室10的頂部。該腔室包括適宜的抽真空裝置以使腔室內(nèi)部保持在所希望的壓力(例如在50mTorr以下，典型的在1-20mTorr)。
在天線18和處理腔室10的內(nèi)部之間是一個(gè)厚度均勻的基本上平板狀的介電窗20，其在處理腔室10的頂部構(gòu)成真空壁。氣體分布板22位于窗20的下方，并包括諸如圓孔的開孔以將處理氣體從氣源23輸送到腔室10中。圓錐狀的襯里30從氣體分布板延伸并包圍在襯底座12的周圍。天線18可以與通道24一起提供，溫度控制液可以經(jīng)該通道從入口和出口管道15，26通過。然而，天線18和/或窗20無需冷卻或者可以通過其它的技術(shù)來冷卻，比如在天線和窗上進(jìn)行吹風(fēng)，通入冷卻介質(zhì)或者與窗和/或氣體分布板接觸的熱傳遞，等等。
在操作中，將半導(dǎo)體襯底比如硅晶片放到襯底座12上，并用靜電夾具34固定到位。然而，也可以使用其它的鉗制方法，比如機(jī)械鉗制機(jī)構(gòu)。另外，可以使用氦背冷以提高襯底和夾具之間的熱傳遞。然后將處理氣體通過窗20和氣體分布板22之間的空隙供入真空處理腔10中。在專利號(hào)為5824605，6048798和5863376的共同所有的US專利中公開了適宜的氣體分布板(也就是噴頭)的排列。通過向天線18施加合適的RF源，在襯底和窗之間的空間中引燃了高密度等離子體。
在圖4中，反應(yīng)器部件比如氣體分布板22，腔襯里30，靜電夾具34和聚焦環(huán)14的內(nèi)表面按所示的用鈰氧化物材料涂層32涂覆。然而，任何的或者全部的這些表面能夠備有依據(jù)本發(fā)明的鈰氧化物涂層。
上述高密度多晶硅和介電刻蝕腔僅僅是可以引入依據(jù)本發(fā)明的部件的等離子體刻蝕反應(yīng)器的例子。本發(fā)明的含鈰氧化物的陶瓷部件可以用在任何的刻蝕反應(yīng)器中(例如金屬刻蝕反應(yīng)器)或者其它類型的其中存在等離子體侵蝕問題的半導(dǎo)體工藝設(shè)備中。
可以配以鈰氧化物涂層的其它部件包括腔壁(一般地由具有陽極化或者非陽極化表面的鋁制成)，襯底座，緊固件等。這些部件一般由金屬(例如鋁)或者陶瓷(例如氧化鋁)制成。這些等離子體反應(yīng)器部件一般暴露在等離子體中，并經(jīng)常呈現(xiàn)出腐蝕跡象。其它的可以依據(jù)本發(fā)明進(jìn)行涂層的部件可以是不直接暴露在等離子體中的，但卻是暴露在腐蝕性氣體中，比如從被處理晶片等中釋放出的氣體。所以，也能夠依據(jù)本發(fā)明為其它的在處理半導(dǎo)體襯底中使用的設(shè)備提供含鈰氧化物的陶瓷表面。這些設(shè)備包括傳送機(jī)構(gòu)，氣體供應(yīng)系統(tǒng)，襯里，起落機(jī)構(gòu)，加載鎖，室門機(jī)構(gòu)，機(jī)械臂，緊固件及其它類似的設(shè)備。
能夠用依據(jù)本發(fā)明的含鈰氧化物的陶瓷材料進(jìn)行涂層的金屬和/或合金的例子包括鋁，不銹鋼，難熔金屬，例如“HAYNES 242”“Al-6061”，“SS 304”，“SS 316”。由于含鈰氧化物的陶瓷材料在部件上形成了一個(gè)抗腐蝕的涂層，下面的部件不再直接暴露在等離子體中，就可以在使用鋁合金時(shí)不必考慮合金添加劑，晶粒結(jié)構(gòu)或者表面條件。另外，許多陶瓷或者聚合物材料也可以用依據(jù)本發(fā)明的含鈰氧化物的陶瓷材料進(jìn)行涂層。特別地，反應(yīng)器部件可以用陶瓷材料比如氧化鋁(Al2O3)，碳化硅(SiC)，氮化硅(Si3N4)，碳化硼(B4C)和/或氮化硼(BN)來制造。
如果需要，在含鈰氧化物的陶瓷涂層和部件表面之間可以提供一個(gè)或者多個(gè)中間材料層。圖5所示的是依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案的已涂層部件。如圖5所示，可選地，通過一種傳統(tǒng)技術(shù)將第一中間涂層80涂層在反應(yīng)器部件70上。這種可選的第一中間層80是足夠厚的，可以附著在襯底上，而且允許在制備下面要說的可選的第二中間涂層90或者鈰氧化物涂層之前對其進(jìn)行處理。第一中間涂層80可以具有任意合適的厚度，比如厚至少大約0.001英寸，優(yōu)選的從大約0.001英寸到大約0.25英寸，更優(yōu)選的在0.001到0.15英寸之間，最優(yōu)選的從0.001英寸到0.05英寸。
在將可選的第一中間涂層80沉積在反應(yīng)器部件70上之后，可以用任意適用的技術(shù)將該鍍層進(jìn)行噴砂或者粗糙化，然后再在上面涂覆可選的第二涂層90或者含鈰氧化物的陶瓷涂層100。粗糙化層80提供了特別好的結(jié)合。所希望的是，第二中間涂層90能給涂層80帶來高的機(jī)械壓縮強(qiáng)度并使涂層90中裂紋的形成最小化。
這種可選的第二中間涂層90是足夠厚的，可以附著在第一中間涂層80上，而且進(jìn)一步允許在制備下面要說的其它附加中間涂層或者外部的含鈰氧化物的涂層100之前對其進(jìn)行處理。第二中間涂層90可以具有任意合適的厚度，比如厚至少大約0.001英寸，優(yōu)選的從大約0.001英寸到大約0.25英寸，更優(yōu)選的在0.001到0.15英寸之間，最優(yōu)選的從0.001英寸到0.05英寸。
該第一和第二中間涂層可以用任何的一種或者多種在傳統(tǒng)等離子體工藝腔中使用的材料來制造。這些材料的例子包括金屬，陶瓷和聚合物。特別希望的金屬包括難熔金屬。特別希望的陶瓷包括Al2O3，SiC，Si3N4，BC，AlN，TiO2等。特別希望的聚合物包括含氟聚合物如聚四氟乙烯和聚酰亞胺。這一或這些中間涂層可用任意已知的沉積技術(shù)來應(yīng)用，如鍍層(例如非電鍍或者電鍍)，濺射，浸漬涂層，化學(xué)氣相沉積，物理氣相沉積，電泳沉積，熱等靜壓，冷等靜壓，壓縮模制，注模，壓實(shí)和燒結(jié)，以及熱噴涂(例如等離子體噴涂)。
所預(yù)期地，可選的第一和第二中間涂層80和90可以是上面提及的材料中的任何一種，這樣，這些涂層依賴于所需的性能可以是相同的或者不同的。在此涂層和襯底之間也可以提供相同或者不同材料的附加中間涂層比如第三，第四或者第五中間涂層。
圖6顯示的是抗腐蝕涂層的第二個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)。含鈰氧化物的陶瓷層100以一個(gè)合適的厚度沉積在反應(yīng)器部件70上，比如厚度在大約0.001到大約1.0英寸的范圍，優(yōu)選的從0.001到0.5英寸，最優(yōu)選的從0.001英寸到0.05英寸。陶瓷層的厚度可以通過要與在反應(yīng)器(例如刻蝕，CVD等)中要遇到的等離子體環(huán)境相容來進(jìn)行選擇。
盡管熱噴涂是提供具有含鈰氧化物的陶瓷表面的部件的優(yōu)選方法，其它的涂層方法也可以使用。例如，含鈰氧化物的涂層也可以通過其它的沉積技術(shù)來應(yīng)用，比如濺射，浸漬涂層，化學(xué)氣相沉積，物理氣相沉積，熱等靜壓，冷等靜壓，壓縮模制，注模，以及壓實(shí)和燒結(jié)。
含鈰氧化物的陶瓷材料也能夠以一種適于覆蓋反應(yīng)器部件的暴露表面的預(yù)成型襯里的形式來提供。這些襯里可用包括粘接結(jié)合的任意已知的方法來進(jìn)行粘附，或者使用機(jī)械緊固件。當(dāng)采用緊固件時(shí)，緊固件自身如果暴露在等離子體中，也應(yīng)該用抗腐蝕的材料來制造。另外，可以將含鈰氧化物的陶瓷襯里與下面的反應(yīng)器部件設(shè)計(jì)成互鎖結(jié)構(gòu)。
然而，在另一個(gè)實(shí)施方案中，半導(dǎo)體工藝設(shè)備的部件用含鈰氧化物的陶瓷材料的整體材料制成。在比如專利號(hào)為2434236和4465778的US專利中公開了燒結(jié)的鈰氧化物陶瓷整體材料的例子。
從含鈰氧化物的陶瓷材料制造整體材料的方法可以包括制備含鈰氧化物的漿料，按所期望的形狀成型生坯，將坯體進(jìn)行燒結(jié)?？梢詫⑸髦瞥扇魏伪┞队诘入x子體中的反應(yīng)器部件的形狀。這些部件可以包括腔壁，襯底支撐，氣體分布系統(tǒng)包括噴頭，折流板，氣環(huán)，噴嘴等的氣體分布系統(tǒng)，緊固件，加熱元件，等離子體屏，襯里，傳輸模塊部件，例如機(jī)械臂，緊固件，內(nèi)外腔壁等，以及其它類似的部件。這些部件的一個(gè)具體例子是圖7中所示的反應(yīng)器部件110。圖7所示的是由含鈰氧化物的陶瓷材料的整體材料構(gòu)成的反應(yīng)器部件110的剖面圖的細(xì)節(jié)。在W.D.Kingery，H.K.Bowen和D.R.Uhlmann所著的Introduction to Ceramics第二版中詳細(xì)給出了陶瓷加工技術(shù)，因此將其內(nèi)容引入作為參考。
含鈰氧化物的陶瓷材料可以提供在全部的或者部分的反應(yīng)器腔室和部件上。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，將該涂層或覆蓋提供在暴露于等離子體環(huán)境中的區(qū)域上，比如與等離子體直接接觸的部分或者在腔室部件(例如襯里)后面的部分。另外，鈰氧化物層優(yōu)選地用在那些要承受相對較高的偏置電壓(即相對較高的濺射離子能量)的區(qū)域。
依據(jù)本發(fā)明，通過將含鈰氧化物的陶瓷層用作涂層或覆蓋，或者構(gòu)成含鈰氧化物陶瓷的整體部件，實(shí)現(xiàn)了一些優(yōu)點(diǎn)。也就是說，通過使用依據(jù)本發(fā)明的含鈰氧化物的陶瓷，實(shí)現(xiàn)了較低的腐蝕速率。結(jié)果，依據(jù)本發(fā)明的含鈰氧化物的陶瓷部件或者涂層能夠降低金屬和顆粒污染的水平，通過提高消耗品的使用壽命而降低成本，降低處理偏差，并能夠減少腔室部件和襯底的腐蝕水平。
權(quán)利要求
1.一種對半導(dǎo)體工藝設(shè)備部件表面進(jìn)行涂層的方法，該方法包括在半導(dǎo)體工藝設(shè)備部件表面沉積含鈰氧化物的陶瓷層，其中含鈰氧化物的陶瓷層包含一種或者多種鈰氧化物作為其單一的最大組分，而且其中含鈰氧化物的陶瓷層形成該部件的最外表面。
2.權(quán)利要求1中的方法，其中鈰氧化物包含Ce(III)的氧化物和/或Ce(IV)的氧化物。
3.權(quán)利要求1中的方法，其中陶瓷層通過選自如下之一的技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用濺射，濺射沉積，浸漬涂層，化學(xué)氣相沉積，電子束蒸發(fā)和凝結(jié)，物理氣相沉積，熱等靜壓，冷等靜壓，壓縮模制，注模，壓實(shí)和燒結(jié)，等離子噴涂以及熱噴涂。
4.權(quán)利要求1中的方法，其中部件選自等離子體腔壁，腔襯里，氣體分布板，氣環(huán)，底座，介電窗，靜電夾具和聚焦環(huán)。
5.權(quán)利要求1中的方法，其中沉積陶瓷層的厚度在從大約0.001到大約0.050英寸的范圍。
6.權(quán)利要求1中的方法，進(jìn)一步包含在部件表面上沉積一個(gè)中間層，和在該中間層上沉積陶瓷層。
7.權(quán)利要求1中的方法，進(jìn)一步包含在沉積陶瓷層之前將表面進(jìn)行表面粗糙化處理，該陶瓷層沉積在粗糙化的表面上。
8.權(quán)利要求7中的方法，其中表面是鋁，該方法進(jìn)一步包含在沉積陶瓷層之前將粗糙化的表面進(jìn)行陽極化處理。
9.權(quán)利要求8中的方法，進(jìn)一步包含在沉積陶瓷層之前將陽極化處理的表面進(jìn)行表面粗糙化處理。
10.權(quán)利要求1中的方法，其中表面是一種金屬表面。
11.一種半導(dǎo)體工藝設(shè)備部件，該部件包括構(gòu)成部件最外表面的含鈰氧化物的陶瓷材料，其中含鈰氧化物的陶瓷材料包含一種或者多種鈰氧化物作為其單一的最大組分。
12.權(quán)利要求11中的部件，其中含鈰氧化物的陶瓷材料包含一個(gè)在襯底上的陶瓷層。
13.權(quán)利要求12中的部件，其中襯底包含鋁。
14.權(quán)利要求13中的部件，其中鋁襯底具有一個(gè)陽極化處理的表面，且陶瓷層位于在陽極化處理的表面上。
15.權(quán)利要求12中的部件，其中陶瓷層的厚度在從大約0.001到0.050英寸的范圍。
16.權(quán)利要求11中的部件，其中部件包含一個(gè)暴露在等離子體環(huán)境中的部分，或者包含一個(gè)暴露在與等離子體環(huán)境相關(guān)的偏置電壓下的部分。
17.權(quán)利要求11中的部件，其中部件包含一個(gè)基本上由含鈰氧化物的陶瓷材料構(gòu)成的塊狀部分。
18.權(quán)利要求11中的部件，其中部件選自等離子體腔室壁，腔襯里，氣體分布板，氣環(huán)，底座，介電窗，靜電夾具和聚焦環(huán)。
19.權(quán)利要求11中的部件，其中鈰氧化物包含Ce(III)的氧化物和/或Ce(IV)的氧化物。
20.一種在包含權(quán)利要求11中的部件的等離子體腔室中處理半導(dǎo)體襯底的方法，該方法包括用等離子體與半導(dǎo)體襯底的暴露表面相接觸。
21.一種制造由含鈰氧化物的陶瓷材料構(gòu)成的半導(dǎo)體工藝設(shè)備部件的方法，包括步驟制備含鈰氧化物的陶瓷材料的漿料；將漿料按所期望的形狀制成生坯；并將生坯燒結(jié)成含鈰氧化物的陶瓷部件；其中含鈰氧化物的陶瓷部件包含一種或者多種鈰氧化物作為其單一的最大組分。
22.用權(quán)利要求21中的方法制造的半導(dǎo)體工藝設(shè)備的部件。
23.權(quán)利要求21中的方法，其中鈰氧化物包含Ce(III)的氧化物和/或Ce(IV)的氧化物。
全文摘要
半導(dǎo)體工藝設(shè)備如等離子體腔室的一種抗腐蝕部件，其包含用一種含鈰氧化物的陶瓷材料作為部件的最外層表面。含鈰氧化物的陶瓷材料包含一種或多種鈰氧化物作為其單一的最大組分。該部件可以完全由含鈰氧化物的陶瓷材料制造，或者可供選擇的，可用這種含鈰氧化物的陶瓷在比如鋁或者鋁合金，陶瓷材料，不銹鋼，或者難熔金屬的襯底上提供一種層?？梢酝ㄟ^一種技術(shù)比如等離子噴涂將該含鈰氧化物的陶瓷層作為一種涂層提供。在部件和這種含鈰氧化物的陶瓷涂層之間可以提供一個(gè)或者多個(gè)中間層。為了提高這種含鈰氧化物的陶瓷涂層的附著力，在沉積該含鈰氧化物的陶瓷涂層之前，可以對部件表面或者中間層表面進(jìn)行一種表面粗糙化處理。
文檔編號(hào)H01L21/3065GK1505695SQ02808947
公開日2004年6月16日 申請日期2002年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月30日
發(fā)明者R·J·奧唐奈, R J 奧唐奈, J·E·道格爾蒂, 道格爾蒂 申請人:蘭姆研究公司