CN101134879B - 用于连接腔室部件的自钝化耐等离子体腐蚀材料 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式提供了适合用于连接半导体腔室部件的牢固粘接材料。其他实施方式提供了使用具有在粘合层中沉积的金属填充物的粘接材料连接的半导体处理腔室部件。其他实施方式提供了用于制造具有包括在粘合层中沉积的金属填充的粘接材料的半导体处理腔室部件的方法。金属填充物适合与含卤素等离子体反应从而在其暴露于等离子体时卤素基金属层形成在粘接材料的暴露部分上。

Description

用于连接腔室部件的自钝化耐等离子体腐蚀材料
技术领域
本发明主要涉及半导体处理腔室，更具体地，涉及适宜用于连接半导体腔室部件的粘接材料。
背景技术
半导体处理包含多个不同的化学和物理工艺，从而微小的集成电路形成在衬底上。构成集成电路的材料的层通过化学气相沉积、物理气相沉积、外延生长等形成。一些材料的层使用光刻胶掩模和湿法或干法刻蚀工艺构图。用于形成集成电路的衬底可为硅、砷化镓、磷化铟、玻璃或任意其他适宜材料。
典型的半导体处理腔室可具有多个部件。一些部件包括限定工艺区的腔室主体、适于将来自气源的工艺气体提供给工艺区的气体分配组件、气体激发器，例如，等离子体发生器，其用于激发工艺区内的工艺气体，衬底支架组件和排气。一些部件可由组件构成。例如，衬底支架零件可包括粘附地连接至陶瓷卡盘的导电基座，而气体分配组件可包括连接至导电基座的陶瓷气体分配板。零件的有效连接需要适合的粘合剂和专门的粘接技术以确保部件彼此牢固粘接，同时在热膨胀中补偿任何失配并不会不利地产生任何界面缺陷。
用于生产集成电路的多个半导体工艺使用卤素、含卤素气体和/或等离子体。例如，可激发卤素或含卤素气体以刻蚀、去除或沉积层于衬底表面上。激发的卤素或含卤素气体一般为高腐蚀性并具有破坏腔室部件的暴露部分的入侵离子。另外地，运动的激发离子和游离基物种轰击暴露部分，从而侵蚀腔室部件。
由于等离子体暴露而引起的腔室部件的腐蚀和逐渐退化可在粘接的部件之间产生间隙和/或开口。随着各部件之间中的间隙逐渐变宽，工艺腔室中产生的等离子体可运动至间隙中并破坏用于组装该部件的零件。特别地，用于连接部件的零件的传统粘接材料特别易受所述破坏和侵蚀，从而退化界面连接，产生界面孔洞和表面缺陷。所腐蚀的或消失的粘接材料可加速零件的解体并减少腔室部件的寿命。另外地，所腐蚀的粘接材料的薄片，以及腔室部件的所腐蚀零件可能成为衬底处理期间的颗粒污染源。因此，需要提高用于组装腔室部件的粘接材料的耐腐蚀性以增加腔室部件的工作寿命，减少腔室停工时间，降低维护频率并改善衬底产量。
因此，需要一种用于组件半导体处理腔室的零件和/或部件的牢固粘接材料。
发明内容
本发明的实施方式提供适合用于连接半导体处理腔室的牢固粘接材料。其他实施方式提供使用具有在粘合层中沉积的金属填充物的粘接材料连接的半导体处理腔室部件。其他实施方式包括用于制造具有包括在粘接层中沉积的金属填充物的粘接材料的半导体处理腔室部件的方法。该金属填充物适合与含卤素等离子体反应从而在暴露于等离子体时卤素基的金属层形成在粘接材料的暴露部分上。
在一个实施方式中，适合用于连接半导体腔室部件的粘接材料包括具有金属填充物的粘合材料。金属填充物为Al、Mg、Ti、Ta、Y和Zr的至少其中之
在另一实施方式中，半导体腔室部件包括通过粘接材料耦接至相邻的第二表面的第一表面。粘接材料具有在第一和第二表面之间保持暴露的部分。粘接材料包括具有金属填充物的粘合材料。金属填充物为Al、Mg、Ti、Ta、Y和Zr的至少其中之一。
在再一实施方式中，粘接的半导体处理腔室部件包括应用粘接材料在第一部件的表面上，其中粘接材料包括与粘合材料混合的金属填充物，通过与粘接材料的接触将第二部件耦接至第一部件的表面，并在第一和第二部件之间暴露的粘接材料的表面上形成卤素基的金属层。
附图说明
因此，为了使本发明的以上所述特征可详细理解，将参照附图中示出的实施方式对以上简要概述的本发明进行更具体地描述。
图1示出了使用根据本发明的粘接材料的处理腔室的一个实施方式的截面图；
图2示出了具有通过根据本发明的粘接材料限定的衬底的一个实施方式的截面图；
图3示出了具有在其上形成的钝化层的粘接材料的截面图。
然而，应该注意附图仅示出了本发明的示例性实施方式，因此不能理解为对本发明范围的限制，本发明还承认其它等效的实施方式。
为了便于理解，在此尽可能使用相同的附图标记表示附图中共有的相同元件。一般认为一个实施方式的元件和特征可以有利地结合到另一实施方式中，而不用进一步叙述。
具体实施方式
本发明的实施方式提供一种用于连接在半导体处理腔室中使用的零件的牢固粘接材料，利用本发明粘接材料的处理腔室部件和制造该部件的方法。在一个实施方式中，牢固粘接材料为耐等离子体腐蚀的材料，其适合用于粘接半导体处理腔室的气体分配组件或衬底支架组件中的零件。粘接材料为具有金属填充物的粘合材料并提供当其暴露于含卤素等离子体时形成的自钝化层。
图1为具有使用根据本发明的粘接材料的至少一个部件的半导体处理腔室100的一个实施方式的截面图。适合的处理腔室100的一个实施例可为CENTURAHART刻蚀系统，其可从Califomia，Santa Clara的应用材料公司购买。一般认为其他处理系统可适于受益于在此公开的一个或多个本发明技术。
处理腔室100包括腔室主体102和包围内部容积106的盖104。腔室主体102典型地由铝、不锈钢或其他适合材料制造。腔室主体102一般包括侧壁108和底部110。衬底进出口(未示出)一般限定在侧壁108中以及通过狭口阀选择性密封以便于衬底从处理腔室100进出。外部衬里116可涂覆在腔室主体102的侧壁108上。外部衬里116可由耐等离子体或含卤素气体腐蚀材料制造或涂覆。在一个实施方式中外部衬里116由氧化铝制造。在另一实施方式中，外部衬里116由钇、钇合金或其氧化物制造。在再一实施方式中，外部衬里由块Y2O3制造。
出口126限定在腔室主体102中并将内部容积106耦接至泵系统128。泵系统128一般包括一个或多个泵和节流阀以用于抽空并调节处理腔室100的内部容积106的压力。在一个实施方式中，泵系统128保持内部容积106内的压力典型地在约10mT到约20mT之间的操作压力。
盖104密封地支撑在腔室102的侧壁108上。盖104可为打开的以允许进出处理腔室100的内部容积106。盖104包括便于光学工艺监控的窗口142。在一个实施方式中，窗口142由石英或对由光学监控系统140使用的信号为透过的其他适宜材料构成。可适于受益于本发明的一个光学监控系统为EyeD全光谱、干涉仪测量模块，其可从California，Santa Clara的应用材料公司购买。
气体仪表盘158耦接至处理腔室100以向内部容积106提供工艺气体和/或清洗气体。处理气体的实施例可包括含卤素气体，诸如C2F6、SF6、SiCl4、HBr、NF3、CF4、Cl2、CHF3、CF4和SiF4等，以及诸如O2或N2O的其他气体。载气的实施例包括N2、He、Ar和对工艺气体惰性的其他气体和不反应性气体。在图1所示的实施方式中，入口132’、132”设置在盖104中以允许气体从气体仪表盘158输送至处理腔室100的内部容积106。
气体分配组件130耦接至盖104的内表面114。气体分配组件130一般包括导电基座194(例如，电极)和由根据本发明的粘接材料122限定的气体分配板196。在一个实施方式中，导电基座194可由铝、不锈钢或其他适合材料制造。气体分配板196可由诸如硅碳化物、块钇或其氧化物的陶瓷材料制造以提供对含卤素化合物的耐腐蚀性。可选地，气体分配板196可由钇或其氧化物涂覆以延长气体分配组件130的寿命。
粘接材料122可应用于导电基座194的下表面或气体分配板196的上表面以将气体分配板196机械地粘接或焊接(blaze)在导电基座194上。在一个实施方式中，粘接材料122为所选的耐等离子体腐蚀材料以防止在等离子体处理期间腐蚀和/或损坏。粘接材料122提供足够的结合能力以牢固地连接导电基座194和气体分配板196。粘接材料122额外地提供足够的导热性以提供足够的拉伸，从而防止当等离子体处理期间加热时由于气体分配板196和导电基座194之间的热膨胀失配而导致的分层。一般认为粘接材料122还可用于粘接用于组装气体分配组件130的其他零件和/或部件。
在一个实施方式中，粘接材料122可为导热胶、胶水、凝胶体或具有粘附在其上的金属填充物以提高耐等离子体腐蚀性。粘接材料可以粘合环、粘合珠或其组合的形式应用于界面。气体分配板196可为具有在面朝衬底144的气体分配板196的下表面中形成的多个孔134的平板。孔134允许气体从入口132(以132’、132”示出)经过气室(未示出)以预定分布进入处理腔室100的内部容积106中越过腔室100中处理的衬底144的表面上。
气体分配组件130可包括透射区或通道138，其适合于允许光学监控系统140观察内部容积106和/或衬底支撑组件148上放置的衬底144。通道138包括防止气体从通道138泄露的窗口142。
衬底支撑组件148设置在处理腔室100的内部容积106中位于气体分配板130之下。衬底支撑组件148在处理期间容纳衬底144。衬底支撑组件148一般包括设置贯穿其的多个升降杆(未示出)，配置该升降杆以从支撑组件148提升衬底144并便于以传统方式用机械手(未示出)交换衬底144。内部衬里118可涂覆在衬底支撑组件148的外围。内部衬里118可为对含卤素气体耐腐蚀的材料，其基本类似于外部衬里116。在一个实施方式中，内部衬里118可由与外部衬里116相同材料制造。
在一个实施方式中，衬底支撑组件148包括装配板162、基座164和静电卡盘166。装配板162耦接至腔室主体102的底部110，并包括用于将诸如流体、功率线和传感引线等设备连接至基座164和卡盘166的通道。
至少一个基座164或卡盘166可包括至少一个可选的嵌入加热器176、至少一个可选的嵌入绝缘体174和多个管道168、170以控制支撑组件148的侧向温度曲线。管道168、170流动地耦接至流体源172，该流体源循环温度，并调节流经管道的流体。加热器176通过电源178调节。管道168、170和加热器176用于控制基座164的温度，从而加热和/或冷却静电卡盘166。静电卡盘166和基座164的温度可利用多个温度传感器190、192监控。静电卡盘166可进一步包括多个气体通道(未示出)，诸如凹槽，其形成在卡盘166的衬底支撑表面中并流动地耦接至诸如He的传热(或背侧)气体源。在操作中，背侧气体以可控压力提供至气体通道中以改善静电卡盘166和衬底144之间的传热。
静电卡盘166包括使用卡盘电源182控制的至少一个夹持电极180。电极180(或设置在卡盘166或基座164中的其他电极)可进一步通过匹配电路188耦合至一个或多个RF电源184、186，用于维持处理腔室100内由工艺气体和/或其他气体形成的等离子体。源184、186一般能产生具有从约50kHz到约3GHz频率和上达约10,000W功率的RF信号。
基座164通过粘接材料136限定在静电卡盘166上，该粘接材料基本类似于用于粘接气体分配板196和导电基座194于气体分配组件130中的粘接材料122。如上所述，粘接材料136有助于静电卡盘166和基座164之间的热能交换并补偿二者之间的热膨胀失配。在一个示例性实施方式中，粘接材料136将静电卡盘166机械地粘接到基座164上。一般认为粘接材料136还可用于粘接组装衬底支撑组件148的其他零件和/或部件，诸如将基座164粘接至装配板162上。
图2示出了用于将第一表面202粘接至第二表面206的粘接材料204的一个实施方式的截面图。表面202、206可限定在气体分配组件130或衬底支撑组件148上，或暴露于等离子体的其他腔室部件上。在一个实施方式中，粘接材料204可为用于在气体分配组件中将气体分配板196粘接到导电基座194的粘接材料122，如图1所示。在另一实施方式中，粘接材料204可为用于在衬底支撑组件148中将基座166粘接到静电卡盘166的粘接材料136。即，粘接材料204可为粘接材料122或136。一般认为粘接材料204可用于粘接用于组装半导体处理腔室部件，诸如处理腔室100的其他零件。
粘接材料204可包括具有混合或添加至其中的金属填充物208的基材210。在一个实施方式中，基材210可为以凝胶物、胶水、垫或胶形式的粘合材料。适合的粘合材料的一些实施例包括，但不限于，丙烯酸和硅基化合物。在另一实施方式中，适合的实施例可包括丙烯酸、氨基甲酸酯、聚酯、聚已内酰胺(PCL)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、PEVA、PBMA、PHEMA、PEVAc、PVAc、聚N-乙烯基吡咯烷酮、聚(乙烯-乙烯醇)、环氧物、树脂、聚氨酯、塑料或其他聚合物粘合材料。金属填充物208可通过离心分离机或其他适合方式与基材210混合。
金属填充物208可具有便于在基材210中悬挂的尺寸。在一个实施方式中，金属填充物可具有在约0.2μm和2.5μm之间范围的平均直径或投影面积。选择金属填充物208与基材210的混合比例以允许粘接材料204具有良好的导热性。金属填充物208与基材210的比例可在约1：20和约1：1之间，例如，在约1：10到约1：2.5的重量百分比之间。
金属填充物208可为均匀地或随机地分配在基材210中的颗粒、粉末或薄片。金属填充物208可包括Al、Mg、Ta、Ti、Y和Zr的至少其中之一。混合在基材210中的金属填充物208具有高吉布斯自由能并从而能与形成等离子体的含卤素气体反应，从而形成卤素基金属层302，如图3所示，诸如MFx，其中M为Al、Mg、Ta、Ti、Y和Zr以及x为1和5之间范围内的整数。卤素基金属层302用作钝化层，防止处理期间由等离子体对粘接材料204的进一步破坏，从而提高粘接材料204的表面耐腐蚀性并延长腔室部件的工作寿命。卤素基金属层302的形成为自限制工艺，如果其被离子轰击并再次暴露于含卤素等离子体中而损坏的情形下，则允许粘接材料204自钝化于卤素基金属层302上。在金属粉末为铝(Al)以及形成的含卤素气体为CF4的实施方式中，卤素基金属层为AlF3层。
在一个实施方式中，粘接材料204具有所选的厚度足以允许第一衬底202和第二衬底206牢固地粘接。粘接材料204提供足够的厚度，一旦其暴露于等离子体中则在粘接材料204的表面上形成卤素基金属层302。在一个实施方式中，粘接材料的厚度选择在约50μm和约500μm之间，诸如约225μm和约350μm之间。在另一实施方式中，粘接材料的厚度选择在约50μm和约500μm之间，用于组装气体分配板130中的零件，以及约50μm和400μm之间，用于组装衬底支撑组件148中的零件。在等离子体处理期间，粘接材料204可产生具有约0.2μm和约2μm之间厚度的卤素基金属层302。
因此，提供了一种牢固粘接材料，其可用于组装用于半导体腔室的零件。该牢固粘接材料在暴露于含卤素等离子体中时，有利地提供自钝化层，从而防止下层粘接材料被侵蚀并延长粘接材料和/或腔室部件的寿命。
虽然前述涉及本发明的实施方式，但在不偏离本发明的基本范围内，可设计本发明的其他和进一步的实施方式，以及本发明的范围由以下权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种用于连接半导体处理腔室部件的粘接材料，包括：
粘合材料；
添加至所述粘合材料中的金属填充物，所述金属填充物为Al、Mg、Ta、Ti、Y和Zr的至少其中之一，其中所述金属填充物与所述粘合材料的比率在1∶10和1∶2.5重量比之间，其中所述粘接材料配置成与等离子体提供的含卤素气体反应以形成自钝化层。
2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述粘合材料为丙烯酸基化合物和硅基化合物的至少其中之一。
3.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述粘合材料为胶或凝胶物的形式。
4.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述金属填充物进一步包括：
具有0.2μm和2.5μm之间的平均直径的颗粒、薄片或粉末。
5.一种半导体处理腔室部件，包括：
相邻第二表面设置的第一表面；
耦合第一和第二表面的粘接材料，其中在所述第一和第二表面之间的所述粘接材料的一部分在等离子体处理期间保持暴露于等离子体，其中该暴露的部分与等离子体提供的含卤素气体反应以形成自钝化层，以及其中所述粘接材料进一步包括：
粘合材料，其中所述粘合材料是丙烯酸基化合物；
添加至所述粘合材料中的金属填充物，所述金属填充物为Al、Mg、Ta、Ti、Y和Zr的至少其中之一，其中所述金属填充物与所述粘合材料的比率在1∶10和1∶2.5重量比之间。
6.根据权利要求5所述的腔室部件，其特征在于，所述粘接材料的暴露的部分进一步包括：
在其上形成的卤素基金属层。
7.根据权利要求6所述的腔室部件，其特征在于，所述卤素基金属层具有MFx化学式，其中M选自包括Al、Mg、Ta、Ti、Y和Zr的组，以及x为从1到5范围内的整数。
8.根据权利要求5所述的腔室部件，其特征在于，所述粘合材料为胶或凝胶物的形式。
9.根据权利要求5所述的腔室部件，其特征在于，所述金属填充物进一步包括：
具有0.2μm和2.5μm之间的平均直径的颗粒、薄片或粉末。
10.根据权利要求5所述的腔室部件，其特征在于，所述第一表面为气体分配组件的基座以及所述第二表面为气体分配板。
11.根据权利要求5所述的腔室部件，其特征在于，所述第一表面为衬底支撑组件的基座以及所述第二表面为静电卡盘。
12.根据权利要求5所述的腔室部件，其特征在于，所述第一表面为陶瓷以及所述第二表面为金属。
13.根据权利要求5所述的腔室部件，其特征在于，所述粘接材料具有50μm和500μm之间的厚度。
14.一种用于粘接半导体处理腔室部件的方法，包括：
应用粘接材料在第一部件的表面上，其中所述粘接材料包括与粘合材料混合的金属填充物，所述金属填充物为Al、Mg、Ta、Ti、Y和Zr的至少其中之一，其中所述金属填充物与所述粘合材料的比率在1∶10和1∶2.5重量比之间；
通过与所述粘接材料的接触将第二部件耦接至所述第一部件的表面；以及
在所述第一和第二部件之间暴露的所述粘接材料的表面上形成卤素基金属层作为自钝化层。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，形成所述卤素基金属层进一步包括：
将所述粘合材料暴露于含卤素等离子体中。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述粘合材料为丙烯酸基化合物和硅基化合物的至少其中之一。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述金属填充物选自包括Al、Mg、Ta、Ti、Y和Zr的组。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述卤素基金属层具有MFx、MClx或MBrx化学式，其中M选自包括Al、Mg、Ta、Ti、Y和Zr的组，以及x为从1到5范围内的整数。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述粘合材料为胶或凝胶物的形式。
20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述金属填充物进一步包括：
具有0.2μm和2.5μm之间的平均直径的颗粒、薄片或粉末。
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