CN101268544B - 改进的主动加热铝挡板部件及其应用和制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种主动加热铝挡板部件，如等离子处理室的喷头电极组件(100)的热控制板(101)或挡板环(120)，具有暴露的外部氧化铝层，其通过电解电镀过程形成。与具有类型III阳极氧化表面的相同形状的部件相比，该暴露的外部氧化铝层使由于该铝部件和外部氧化铝层在等离子处理过程中经受的差热应力而产生的缺陷和微粒最小化。

Description

改进的主动加热铝挡板部件及其应用和制造方法
背景技术
随着半导体技术的发展，减小晶体管尺寸要求在晶片处理和处理装备中更高程度的精确度、可重复性和清洁度。存在用于半导体处理的各种装备，包括涉及等离子使用的应用，如等离子蚀刻，等离子增强化学气相沉积(PECVD)和抗蚀剂剥除。这些处理所要求的装备类型包括设置于该等离子室内的部件，并且必须在那样的环境中正常工作。在等离子室内的环境可包括暴露于等离子、暴露于蚀刻剂气体、以及热循环。用于这些部件的材料必须适于经得起该室中的环境条件，以及对于大量晶片的处理而言也是如此，这些处理可包括对每个晶片的多个工艺步骤。为了节省成本，这些部件往往必须经得起几百次或者几千次的晶片循环，同时保持它们的功能性和清洁度。通常极度不能容忍产生微粒的部件，即使那些微粒很少并且不超过数十纳米。所选取的用于等离子处理室内的部件还需要以最节省成本的方式符合这些要求。
发明内容
一种主动加热铝挡板部件，如热控制板或挡板环(bafflering)，包括由电抛光过程形成的暴露的外部氧化铝层。
附图说明
图1描绘了喷头电极组件(assembly)和主动加热铝挡板部件的示意图；
图2描绘了图1所示环中一个的横截面。
具体实施方式
用于半导体基片(如硅晶片)的等离子处理装置包括等离子蚀刻室，其用在半导体器件制造处理工艺中以蚀刻如半导体、金属和电介质的材料。例如，电介质蚀刻室可用来蚀刻如二氧化硅或氮化硅的材料。在该蚀刻处理工艺期间，蚀刻室内的部件加热然后冷却，并因此经受热应力。对于主动加热部件，如加热的喷头组件的挡板部件，该温度循环会导致产生更多的微粒。
在共有的美国专利公布No.2005/0133160A1中描述了具有加热器以防止该喷头电极降低到低于最低温度的喷头电极组件，该披露通过引用结合入此处。该加热器利用温度控制顶板与热控制板在热传导中相配合，该温度控制顶板形成等离子蚀刻室的顶壁。
图1描绘了平行板电容耦合等离子室的喷头组件100的一半，其包括顶部电极103和固定在该顶部电极103上的可选的支撑构件102，热控制板101，和顶板111。该顶板111可形成等离子处理装置(如等离子蚀刻室)的可移除顶壁。该顶部电极103优选地包括内部电极构件105和可选的外部电极构件107。该内部电极构件105优选地是由单晶硅组成的圆柱形。如果需要，该内部和外部电极105、107可由单块材料制成，如CVD碳化硅、单晶硅或其它适合的材料。
内部电极构件105的直径可小于、等于或大于待处理晶片的直径，例如，若该板由单晶硅组成，则晶片直径可高达200mm，这是当前能够得到的单晶硅材料的最大直径。对于更大的半导体基片(如300mm晶片)的处理而言，外部电极构件107适于将顶部电极103的直径从大约15英寸扩展到大约17英寸。该外部电极构件107可以是连续构件(例如，多晶硅或碳化硅构件，如环)，或者是分段构件(例如，以环结构排列的2-6个分开的片段，如单晶硅片段)。在顶部电极103包括多段外部电极构件107的实施方式中，这些片段优选地具有互相交叠以保护下层的粘合材料免予暴露于等离子的边缘。内部电极构件105优选地包括多个气体通道104，其用于将处理气体注入到等离子反应室中在顶部电极103下的空间内。外部电极107优选地在电极103的周缘形成突起的台阶。台阶状电极的更多的细节可参见共有美国专利No.6,824,627，其披露的内容通过引用结合入此处。
单晶硅是用于内部电极构件105和外部电极构件107的等离子暴露表面的优选材料。高纯度单晶硅最小化了等离子处理过程中的基片污染，因为其仅向该反应室中引入最小量的不期望的成分，并且在等离子处理过程中光滑地磨损，由此使微粒的量最少。
该喷头电极组件100可为处理大的基片(如具有300mm直径的半导体晶片)设定尺寸。对于300mm晶片，顶部电极103的直径至少为300mm。然而，喷头电极组件可设定尺寸，以处理其它晶片尺寸或具有非环形构造的基片。
支撑构件102包括支撑板106以及可选地包括支撑环108。在这种构造中，内部电极构件105与支撑板106共延(coextensive)，以及外部电极构件107与环绕的支撑环108共延。然而，支撑板106可延伸超出该内部电极构件，从而，可使用单一的支撑板来支撑该内部电极构件以及该分段的外部电极构件，或者该内部电极和该外部电极可包括单块材料。内部电极构件105和外部电极构件107优选地通过粘合材料(如弹性粘合材料)附着于支撑构件102。支撑板106包括与该内部电极构件105中的气体通道104对齐的气体通道113，以向该等离子处理室内提供气体流。气体通道113直径通常为大约0.04英寸，以及气体通道104的直径通常为大约0.025英寸。
支撑板106和支撑环108优选地由与用于在等离子处理室中处理半导体基片的处理气体化学上相容的材料制成，其热膨胀系数与该电极材料的热膨胀系数紧密匹配。可用来制造该支撑构件102的优选材料包括，但不限于，石墨和SiC。
顶部电极103可利用导热和导电弹性粘合材料附着于支撑板106和支撑环108，该材料适应热应力，并且在该顶部电极103和支撑板106和支撑环108之间传递热量和电能。例如，用于将电极组件的表面粘合在一起的弹性体的应用在共有美国专利No.6,073,577中描述，在此通过引用将其整体合并入此处。
支撑板106和支撑环108优选地利用合适的紧固件附着于热控制板101，该紧固件可以是螺栓、螺钉等。例如，螺栓(图未示)可插入该热控制板101内的孔中并且拧入支撑构件102的螺纹孔中。热控制板101与主动控制加热器为热传递关系。例如，参见，图1-2以及对其的论述在共有美国公开申请No.2005/0133160A1中描述，在此通过引用将其披露内容结合入此处。热控制板101包括弯曲部分109并优选地由机械加工金属材料组成，如铝、铝合金(如铝合金6061)等。顶板111优选地由铝或如铝合金6061的铝合金组成。等离子限制组件110显示为在喷头电极组件100的外面。包括可垂直调节的等离子限制环组件的适合的等离子限制组件，在共有美国专利No.5,534,751中描述，该专利通过引用结合入此处。
该热控制板优选地包括至少一个加热器，其可运行以与该温度控制顶板相配合，以控制该顶部电极的温度。例如，在一个优选的实施方式中，在该热控制板的上部表面上提供加热器，该加热器包括由该第一突出部围绕的第一加热器区域，在该第一突出部和该第二突出部之间的第二加热器区域，以及在该第二突出部和该弯曲部之间的第三加热器区域。加热器区域的数量可以变化；例如，在其它实施方式中，该加热器可包括单一加热器区域、两个加热器区域或者三个以上加热器区域。该加热器可备选地提供在该热控制板的底面上。
该加热器优选地包括层压板，其包括设在聚合材料的相对层之间的耐热材料，该耐热材料可经得起该加热器所达到的运行温度。可使用的示范性聚合材料是以商标为所售的聚酰亚胺，其可通过商业途径从E.I.duPontdeNemoursandCompany得到。备选地，该加热器可以是嵌入该热控制板的电阻加热器(例如，在铸造热控制板中的加热零件，或位于在该热控制板中形成的通道内的加热零件)。该加热器的另一个实施方式包括安装在该加热控制板的上部和/或下部表面的电阻加热零件。该热控制板的加热可通过传导和/或辐射实现。
该加热器材料可具有任何合适的样式(pattern)，其提供该第一加热区域、第二加热区域和第三加热区域的热均一加热。例如，该层压板加热器可具有矩形或非矩形的电阻加热线路样式，如曲折形、蛇形的或者同心的样式。通过利用该加热器，并与该温度控制顶板的运行相配合而加热该热控制板，在该喷头电极组件运行过程中可提供沿该顶部电极的所需要的温度分布。
位于该第一加热器区域、第二加热器区域和第三加热器区域的加热器部分可通过任何合适的技术(例如，应用热和压力、粘结剂、紧固件等)固定到该热控制板。
该顶部电极可电接地，或者可选地优选由射频(RF)电流源供电。在优选的实施方式中，该顶部电极接地，并且在该底部电极上施加一个或多个频率的功率，以在该等离子处理室中生成等离子。例如，该底部电极可通过两个独立控制的射频功率源在2MHz和27MHz的频率通电。在基片处理后(例如，半导体基片完成等离子蚀刻后)，切断对该底部电极的供电以终止等离子的生成。处理后的基片从该等离子处理室中移除，并且另一个基片设在该基片支撑件上以进行等离子处理。在优选的实施方式中，当切断对该底部电极的供电时，激活该加热器以加热该热控制板，以及相应地加热该顶部电极。结果，优选地防止该顶部电极温度降低到低于需要的最低温度。为了蚀刻介电材料，该顶部电极温度在连续的基片处理运行之间优选地保持在接近恒定温度，如150到250℃，以便更均一地处理基片，并因此提高处理产出。该功率源优选地是可控的以基于实际的温度和该顶部电极所需的温度，以需要的水平和比率向该加热器供电。
用在等离子处理室中的主动加热铝部件的另一个例子是用来在等离子室中分配处理气体的铝挡板环装置120。图1中的铝挡板环装置120包括六个由铝或铝合金(如6061铝)制得的环，其包括重量比为大约96％到大约98％的Al，大约0.8％到大约1.2％的Mg，大约0.4％到大约0.8％的Si，大约0.15％到0.4％的Cu，大约0.04％到0.35％Cr，以及可选地Fe，Mn，Zn和/或Ti。这6个同心的L形环位于该在该支撑构件102之上以及该热控制板101之下的空间(plenum)内。例如，中央空间可包括单一的环，邻接的空间可包括两个分开1/2到1英寸间隙的环，下一个邻接的空间可包括两个分开1/2到1英寸间隙的环以及外部空间可包括单一的环。这些环利用螺钉安装在该热控制板101。例如，每个环可包括圆周隔开的托脚(stand-off)或凸起(boss)，其带有用于容纳这些螺钉的孔，例如，可使用以120℃间隔设置的三个凸起。单一挡板环部分的代表性横截面在图2中示出。每个环可具有大约0.040英寸厚度的水平部分以及大约1/4英寸长度的垂直凸缘。该环包括平面121和边缘122。
用在等离子处理室中的传统的铝部件具有由称为类型III阳极氧化的处理工艺所产生的表面加工，其导致形成接近25-75微米厚的氧化铝层。类型III阳极氧化(也称为“硬”阳极氧化)在电解槽(electrolyticbath)中执行，该电解槽包括浓度为大约14-17％重量比的硫酸，以及可选地浓度为大约2.5-7.5％重量比的草酸。该电解槽维持在大约-4℃到11℃的温度以及工件保持为电解池(electrolyticcell)的阳极，在大约50V到75V的电压下持续大约10-80分钟。所产生的层主要由氧化铝组成并且包括大约1000A(0.1微米)的靠近该Al/氧化物界面的密集的氧化铝以及多孔氧化物的残留厚度。在周围环境和升高超过100℃、125℃、150℃、175℃、200℃或更高的温度之间的温度循环，可使具有阳极氧化处理的层的挡板环出现破裂并导致微粒污染。
在该处理室中的半导体基片处理过程中，热量从该加热器装置或由内部电极构件105和外部电极构件107生成的热量传导到该热控制板和挡板环。该热传导的结果是，如热传导板铝挡板环120的部件的温度可主动加热到150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃或更高的温度。因此，该主动加热铝挡板部件可在从环境温度到150℃及以上的温度上热循环。所以该铝部件的大块材料与表面氧化物材料的热膨胀系数α的相对值在通常的处理条件下会产生应力。铝的热膨胀系数α大约是25×10-6/℃，而对于氧化铝，这个值大约是8×10-6/℃。这个差导致所设置的氧化铝层在热循环过程中受到应力，并且这个现象在不平的表面加剧。这是因为，在膨胀过程中，在不平表面状况区域上的表面层的膨胀必定比它们在平面上的膨胀更多。因此，预期在边缘的应力更高。在温度增加过程中，例如，因为单独的热膨胀系数不同，所以在边缘引入到该氧化物的张应力超过将在平面上引入该氧化物的应力。
在该等离子处理装置的正常使用过程中，在热循环之后，在类型III阳极氧化处理的主动加热铝挡板部件上发现表面层的破裂。沿这些部件边缘的破裂是最可见的。任何这样的破裂是在该室内的可能的粒子源，所以当发生破裂时，通常必须替换破裂的部件。这会增加成本并且降低等离子工艺的质量。所以，需要具有一种用于用在等离子处理室中的主动加热铝挡板部件的表面加工过程，其在晶片处理过程中产生减少的微粒。
根据上述与在等离子处理室中使用类型III阳极氧化铝的主动加热铝挡板部件有关的缺点，进行了更多的研究以开发出不同的、更合适材料的部件。这些研究的结果是，发现使用可选(alternative)表面加工技术的主动加热铝挡板部件可以被使用而没有上述的缺点。根据优选实施方式，电解抛光用来向这些部件的表面提供氧化铝层。电解抛光的氧化铝试样表现出在至少125℃、150℃、175℃、200℃或更高温度范围内热循环的条件下减少的破裂。
电解抛光是一种电化学工艺，其中工件浸在池(bath)中并且在用于电解抛光铝部件的电解池中用作阳极(正电势)。为了电解抛光铝部件，该池含有浓缩的磷酸，并且在该电解抛光处理工艺过程中，该池保持在大约50℃到70℃的温度，持续大约1-6分钟，其中施加大约12-24V的电压。这个处理通常产生厚度小于大约0.5微米的氧化层。该层由基本无孔的、高密度氧化铝组成。由电解抛光产生的氧化铝层通常不可剥离。然而，如果需要的话，可通过其它合适的技术产生厚度通常小于大约0.5微米的基本无孔、高密度、通常不可剥离的氧化铝。
可以理解的是经历下面工序的主动加热铝挡板部件可以是“新的”或者“使用过的”。如果该部件是铝挡板平板环或其它部件，那么该铝挡板部件可以是没有在等离子室中使用过的“新的”挡板部件，或者是“用过的”挡板部件，即先前在等离子室中使用过的挡板部件，并且可以是无遮蔽的铝部件或者是包括由电镀抛光或其它技术(如类型III阳极氧化)形成的氧化铝层的部件。优选地处理这种“新的”和“使用过的”部件以产生由电镀抛光生产的氧化铝层。因此，“使用过的”铝部件可通过从等离子室去除先前使用过的挡板部件，其后清洗、剥除氧化物并且电镀抛光以提供当经受热循环时抵抗破裂和微粒形成的氧化层而“恢复”。
下面详细的例子描述了为恢复使用过的铝挡板部件而应用的电解电镀工艺，该部件从双频平行板等离子蚀刻室中去除，如2300ExelanTM介电蚀刻系统，其可从LamResearchCorporation得到。其意图为说明性的，而不是排他的。
示例1：
根据优选的实施方式，首先清洗从等离子蚀刻室去除的铝挡板部件以去除沉积物。这些沉积物可包括蚀刻副产物，如碳基聚合物，以及其它物质，如AlF3。该清洗优选地包括首先使用合适的碱性清洗溶液，如Novaclean120LF溶液，其可从位于MadisonHeights，Michigan的HenkelSurfaceTechnologies得到。该溶液是非硅酸盐化的、碱性清洗溶液，其含有硼酸钠(sodiumtetraborate)和适量的添加物。该铝挡板部件优选地在大约110°F到约130°F的温度下浸入该溶液中持续大约5分钟到大约15分钟，接着用水冲洗该铝挡板部件大约3到大约5分钟以从其上去除该溶液。
在该实施方式中，然后，优选使用合适的碱性蚀刻溶液(如可从HenkelSurfaceTechnologies得到的NovaxSC603B)蚀刻该铝挡板部件外部表面。该溶液是主要含有氢氧化钠的碱性蚀刻溶液。该铝挡板部件优选地在大约110°F到130°F的温度下浸入该溶液中持续大约30秒到大约2分钟，接着用水冲洗足够的时间以从该铝挡板部件去除该溶液，通常大约5分钟到大约10分钟。该冲洗水优选地是超纯水，在大约为环境温度下的电阻系数至少为大约15Mohm-cm。
在该实施方式中，然后，该铝挡板部件的外部表面使用合适的还原溶液还原和清洗金属，如可从HenkelSurfaceTechnologies得到的Nova300A&B溶液。该铝挡板部件优选地浸入该溶液足够长时间，以从该铝挡板去除该外部氧化铝层，通常大约5到大约10分钟。该溶液优选地是在大约环境温度。然后冲洗该铝挡板部件，优选地利用超纯水，持续足够长时间以去除该溶液，通常大约5到大约10分钟。冲洗后的铝挡板部件使用例如清洁干燥空气或过滤后的氮气烘干。
在去除该氧化铝层之后，该铝挡板部件优选地再加工(refinish)以形成为在该蚀刻室中使用所需要的表面粗糙度。例如，再加工后的表面粗糙度可小于大约0.4微米。该铝挡板部件可使用任何合适的磨料再加工，如包括氧化铝磨料的砂纸，例如，1200-粒度砂纸。或者，也可根据该铝挡板部件所需要的表面加工使用更粗糙或者更细的砂纸。该铝挡板部件可在表面再处理的过程中旋转以增强表面加工的均一性。优选使用超纯水冲洗该再处理表面的铝挡板部件足够长时间，以从该铝挡板部件表面去除松散微粒，通常大约5到10分钟。冲洗后的铝挡板部件使用例如清洁干燥空气或过滤后的氮气烘干。
在该实施方式中，去除残留在该铝挡板部件表面来自该重新加工的污染物；优选地首先使用合适的碱性清洗溶液，如Novaclean120LF。该铝挡板部件优选地在大约110℉到大约130℉温度下浸在该溶液中大约5到大约15分钟。然后优选利用超纯水冲洗该铝挡板部件大约3到大约10分钟，以从该铝挡板部件去除剩余的碱性清洗溶液。
在该碱性清洗步骤之后，利用酸性清洗溶液清洗该铝挡板部件以去除硅和金属污染物。优选的酸性清洗溶液含有大约0.25％磷酸和大约0.05％氢氟酸的混合物。该铝挡板部件优选地在大约为环境温度下浸入酸性清洗溶液中大约1到大约3分钟。然后优选利用超纯水冲洗该铝挡板部件大约3到10分钟，以去除剩余的酸性清洗溶液。
然后，在电解抛光箱内电解抛光该铝挡板部件，该箱含有浓缩磷酸，如Hydrite1375，可从位于Brookfield，WI的HydriteChemicalCo.得到。在电解抛光处理工艺期间，该池保持在大约50℃到70℃的温度大约1-6分钟，其中施加大约12-24V的电压。然后，优选地在去离子水中喷射冲洗该铝挡板部件大约3到大约10分钟。
然后将该铝挡板部件移到清洁环境中，如等级10,000或1000无尘室，并在超纯水中喷射冲洗。接着，在超纯水中以40KHz的10-20W/in2的功率超声波清洗大约2-15分钟。然后，优选地使用氮或超纯空气烘干该铝挡板部件。然后将该部件放在烤箱中在120℃持续30分钟以去除水分。冷却后，仍在该无尘室内封装该部件。
根据优选的实施方式描述了本发明。然而，对于本领域的技术人员非常明显的是本发明可实现为不同于上述的具体形式，而不背离本发明的精神。该优选实施方式是说明性的而无论如何不应当认为是限制性的。本发明的范围由所附权利要求给出，而不是该具体描述，并且落在这些权利要求的范围之内的所有变化和等同物确定为包含在其中。

Claims (25)

1.一种等离子处理室的主动加热铝挡板部件，所述铝挡板部件具有暴露的外部氧化铝层，其中所述外部氧化铝层由电解抛光过程形成。
2.根据权利要求1所述的部件，其中所述外部氧化铝层包括在所述铝挡板部件上的不可剥离层。
3.根据权利要求1所述的部件，其中所述外部氧化铝层具有0.5微米的最大厚度。
4.根据权利要求1所述的部件，其中所述部件包括挡板环。
5.根据权利要求1所述的部件，其中所述部件包括热控制板。
6.根据权利要求1所述的部件，其中所述部件由铝合金制成。
7.根据权利要求1所述的部件，其中所述部件由Al6061-T6制成。
8.根据权利要求1所述的部件，其中所述部件是新的或用过的。
9.一种在等离子蚀刻室中安装根据权利要求1所述的部件的方法，其中，从喷头电极组件去除使用过的挡板部件，清洗和电解抛光所述部件以形成所述电解抛光层，并将电解抛光后的所述部件安装在所述喷头电极组件中，或者用具有由电解抛光形成的外部氧化铝层的新的挡板部件替换所述使用过的挡板部件。
10.一种制造等离子处理室的主动加热铝挡板部件的方法，所述方法包括在铝部件上形成暴露的外部氧化铝层，其中所述外部氧化铝层通过电解抛光形成,使得与由在其上具有类型III阳极氧化层的相同形状的铝部件所生成的缺陷和微粒相比，由于所述铝部件和外部氧化铝层在等离子处理过程中经历的有区别的热应力所产生的缺陷和微粒减少。
11.根据权利要求10所述的方法，其中导致减少的缺陷和微粒的所述外部氧化铝层包括在所述铝部件上的不可剥离层。
12.根据权利要求10所述的方法，其中导致减少的缺陷和微粒的所述外部氧化铝层具有0.5微米的最大厚度。
13.根据权利要求10所述的方法，其中导致减少的缺陷和微粒的所述外部氧化铝层包括邻接所述铝部件的、具有最大厚度为0.1微米的无孔层。
14.根据权利要求10所述的方法，其中导致减少的缺陷和微粒的所述外部氧化铝层被形成在使用过的铝部件上。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述铝部件包括挡板环。
16.根据权利要求10所述的方法，其中所述铝部件包括热控制板。
17.根据权利要求10所述的方法，其中所述铝包括铝合金。
18.根据权利要求10所述的方法，其中所述铝包括Al6061-T6。
19.根据权利要求10所述的方法，其中所述铝部件是新的或者使用过的。
20.根据权利要求10所述的方法，其中将所述铝部件机械加工为需要的结构、清洗并电解抛光以形成所述氧化层。
21.一种等离子处理装置，包括：
等离子处理室；以及
根据权利要求1所述的铝挡板部件。
22.根据权利要求21所述的等离子处理装置，其中所述等离子处理装置包括等离子蚀刻室，所述等离子蚀刻室具有顶部喷头电极和底部电极，所述喷头电极包括具有主动加热热控制板的喷头电极组件部分。
23.根据权利要求22所述的等离子处理装置，其中所述铝挡板部件包括所述热控制板。
24.根据权利要求22所述的等离子处理装置，其中所述铝挡板部件包括位于所述热控制板和所述顶部电极之间的空间内的挡板环。
25.一种等离子处理方法，所述方法包括在根据权利要求21所述的等离子处理装置中处理半导体基片。
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