CN101304815A - 制备半导体涂敷的基片的方法 - Google Patents

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Abstract

适用于半导体加工的清洁基片的制备方法，在此方法中，使基片变粗糙，在其中形成微裂纹，然后用高浓度强酸进行处理，接着用包含至少一种金属氧化物的材料进行涂敷。

Description

制备半导体涂敷的基片的方法
技术领域
本发明一般涉及适用于半导体加工的基片的制备，在此制备方法中，首先使基片的表面变粗糙，以促进涂料的粘着。然后对表面进行处理，除去基片上的残余颗粒，然后用金属氧化物组合物进行涂敷。
背景技术
石英之类的基片材料在半导体工业中用于许多用途(例如蚀刻处理室中的介电阻挡层)。经常必须对基片的表面进行机械增强(enhance)，以增大表面积。
机械增强可通过在一定压力下用磨料进行表面处理而完成，这通常被称为珠粒喷砂(Bead blasting)，例如参见美国专利第5,202,008号；第5,391,275号和第6,565,667号，这些专利各自参考结合在本文中。
珠粒喷砂经常被用来从基片表面上除去已有的涂层和/或制备表面，通过增大表面积来促进新的涂料层的粘着。但是，珠粒喷砂会产生包含小颗粒的表面，这会对施涂在表面上的涂层造成不利影响。
通过随后用强酸处理珠粒喷砂后的基片表面，可以除去嵌入的颗粒以及松散的碎片，从而得到比单使用珠粒喷砂更清洁的表面，这已获得了一些成功。然而，珠粒喷砂和酸处理相结合无法始终如一地从处理后的基片表面上除去所有的颗粒。另外，留下的表面会包含锯齿状的部分，在对基片进行进一步处理时，这会形成松散的颗粒。
例如，通常将石英用作半导体晶片制造室内的可消耗部件，该制造室的目的可能是从硅晶片表面上除去二氧化硅、氧化铜之类的金属氧化物。在此室内，射频激发氩原子，使它们溅射蚀刻晶片的表面，从而除去表面氧化层。珠粒喷砂处理过的石英还会包含二氧化硅小颗粒，它们可能会在等离子体蚀刻处理过程中发生移动，沉积在硅晶片的表面上，形成缺陷。对于室内的珠粒喷砂处理过的石英部件，本申请具体来说是通过等离子枪将材料聚焦在基片材料的表面上，从而对珠粒喷砂处理过的石英进行涂敷，以提高从晶片上蚀刻的一种或多种材料的粘着性，以及对珠粒喷砂处理过程中产生的颗粒进行密封。涂层的施涂是由于在涂敷枪中形成等离子体所致，通常是使用氢气、氮气、氩气、氦气及其混合物之类的气体产生和涂敷的。此前的形成不含颗粒的珠粒喷砂过的石英表面的方法是对半导体材料(例如BOC Group，Inc.的BOC Edwards Division所销售的半导体材料)的表面进行化学蚀刻。
在这类方法中，对珠粒喷砂处理后的金属或绝缘材料进行化学蚀刻，以除去对表面进行机械修整而产生的嵌入的杂质和基片的松散碎片。
在一些等离子体蚀刻系统中，松散固定的基片材料颗粒保留下来，对基片以及装有该基片的半导体组件的完整性造成不利影响。使表面变粗糙、然后进行化学蚀刻的系统改进了对这些松散固定的基片材料颗粒的去除，但是在一些情况下，基片可能包含一些颗粒物质或者会产生颗粒物质的的小裂缝，这些颗粒物质会在对半导体组件进行进一步处理的过程中移动。如上文所述，这些颗粒会对基片材料和由该基片材料制备的半导体晶片的功能造成不利影响。
因此需要提供一种方法，该方法可以使通常适用于半导体工业的基片材料的表面，至少基本不含任何使表面变粗糙操作过程中形成的基片材料颗粒。还需要对基片材料表面进行处理，使得在半导体组件形成工艺的随后的步骤中不产生小颗粒。该方法应确保基片适合用来制造半导体组件。
发明内容
本发明一般涉及制备适用于半导体加工的基片的方法，在此方法中对基片材料的表面进行初始表面粗糙化操作，并进一步处理以除去表面粗糙化操作过程中形成的松散颗粒。最后在粗糙表面上涂敷包含至少一种金属氧化物的涂料组合物。所述金属氧化物包括氧化铝、氧化锆、氧化钇、二氧化硅、它们的组合物等，以提供薄涂层。
在本发明的具体方面，提供了一种适用于半导体加工的基片的制备方法，所述方法包括：a)使基片材料表面变粗糙，以在其中形成微裂纹；
b)对粗糙表面进行处理，以至少基本除去残留在粗糙表面上的所有基片材料颗粒；
c)用包含至少一种金属氧化物的涂料组合物涂敷粗糙表面。
在本发明优选的实施方式中，所述涂料组合物包含氧化锆。
附图说明
以下附图用来说明本发明实施方式，但是并不是用来限制本申请的权利要求书所包括的本发明。
该附图是根据本发明，用来在粗糙化的基片表面上施涂涂料组合物的等离子喷涂组件的组成部分的示意图。
具体实施方式
本发明一般涉及基片的制备方法，该方法使得该基片适用于半导体加工，在此方法中，首先使基片的表面变粗糙，最后涂敷涂料组合物的薄层，所述组合物宜是电介质，以提供适合进一步加工成半导体组件的基片材料的非电导性表面。
必须首先对半导体材料的表面进行粗糙化处理，从其上除去会对基片材料的性质造成不利面影响的表面材料，这会提高表面的粘着能力，使其适合用来制造晶片等之类的半导体组件。基片材料可以是任何适用于半导体工业的材料，例如石英、陶瓷、金属氧化物(包括氧化铝)和金属(例如铝)。由于石英是电介质，而且制造时较纯，因此是特别有用的基片材料。
对基片材料表面进行粗糙化的方法可以变化，但是希望使用通常为珠粒形式的磨料，在特定条件下，在压力作用下通过喷嘴施加该磨料，得到适合用来制造半导体组件的表面粗糙度。表面粗糙度通常为180-320，优选200-300，最优选200-250微英寸(micro inch)Ra。可通过调节压力、磨粒尺寸和对磨料施加的距离来达到这些表面粗糙度条件。这些体系宜形成粗糙的表面，但是其特征是在表面上留下基片材料的微粒，包括沉积在微裂纹内的颗粒。
然后可以通过用浸渍浴对粗糙化的基片材料进行处理，从而至少一定程度地除去这些沉积的颗粒，所述浸渍浴通常包含较高浓度的强酸，例如硝酸和/或氢氟酸。强酸的浓度通常为15-50体积％，优选25-35体积％。所述酸浸渍浴包含足够高浓度的强酸，从而能够便于除去至少一部分残留在基片表面上的基片材料颗粒。在优选的方法中，粗糙表面被化学蚀刻，以除去嵌入的杂质和因对表面的机械修整而产生的松散的基片材料碎片。
尽管上述酸蚀刻处理体系能够有效地除去松散固定的颗粒，但是已观察到在进行进一步处理以制造半导体组件的过程中，粗糙表面的微裂纹还会形成另外的颗粒。微裂纹的锯齿状边缘部分会移动或从表面断裂下来，因此在酸蚀刻处理之后，微裂纹本身仍然会是不希望有的松散颗粒的来源。
根据本发明，从基片材料的粗糙表面上至少基本除去所有松散颗粒之后，可以进一步进行以下处理，即在粗糙的酸蚀刻过的表面上施涂薄涂层(优选为介电涂层)，这可以防止来自粗糙表面上所含的微裂纹的另外的基片材料颗粒发生移动。
用来形成所述薄涂层的涂料组合物可以是满足以下条件的任何涂料组合物：其能够形成高效的优选介电的涂层，而且可以在将基片材料制成半导体组件的进一步处理过程中防止基片表面的颗粒发生移动。该涂层的厚度应足以填充和覆盖微裂纹，其厚度通常高达0.010英寸。所述涂料组合物选自包括二氧化硅的金属氧化物涂料。优选的金属氧化物涂料包括氧化锆、氧化钇和/或氧化铝。优选所述涂料组合物包含氧化锆，特别优选氧化锆作为其主要组分。在本发明优选的形式中，涂料组合物包含至少92％的氧化锆。由于氧化锆的化学纯度高于氧化铝之类的其他金属氧化物，因此是所述涂料组合物的优选组分。氧化铝经常包含少量的氧化钠。在等离子处理过程中，钠被转移到基片材料。
涂料组合物优选以等离子体的形式施涂，附图所示是形成等离子体的示意图。参见附图，等离子喷涂组合体2可通过从气源6提供用来产生等离子体的合适的气体，产生涂料组合物的等离子喷雾4，所述气体通常来自氢气、氮气、氩气、氦气及其混合物。将等离子气体与以固体形式(通常是粉末形式)向等离子枪9供料的涂料组合物材料8(例如氧化锆)相混合，在等离子枪9的等离子室内产生的高温(例如10,000-30,000°F)将会使粉末熔化，使得涂料组合物会以薄层的形式施涂到预先粗糙化的基片(例如通过珠粒喷砂粗糙化的基片)上。
从气源10向等离子枪9提供压缩空气或其它合适的压缩气体，以将等离子枪中的熔融材料推向基片表面。另外，由冷冻器12向等离子枪提供冰晶形式的冷冻水，以控制等离子枪提供的等离子喷涂的的温度。
所述涂料组合物的厚度通常足以填充基片的粗糙表面上所含的微裂纹，通常高达0.005英寸，更优选高达0.006英寸。因此，涂料组合物的厚度通常高达0.010英寸。通过填充微裂纹可以防止微裂纹的锯齿状边缘部分发生移动，形成松散的颗粒。所得的涂敷的表面除了可以防止由微裂纹的锯齿状部分形成不希望有的颗粒以外，还会提供光滑的基片表面，这可以使连续形成的半导体组件具有更佳的粘着性，还可显著减少表面上不希望有的气体(即减少脱气)。
在本发明另外的优选实施方式中，基本从粗糙的基片表面上除去所有松散的基片材料颗粒之后，可以对粗糙的基片进行超声清洗，通常优选是将其浸涂美国专利第5,651,797号所述类型的超声清洗容器内用去离子水进行清洗，该专利参考结合入本文中。
实施例1
使用碳化硅对具有一层二氧化硅层的石英制成的薄晶片基片(样品1)进行珠粒喷砂，以0.03英寸的切割长度获得180-220微英寸Ra的表面粗糙度。然后用包含33％体积/体积的浓度70％的硝酸、33％体积/体积的浓度69％的氢氟酸和34％的去离子水对珠粒喷砂处理过的晶片处理1-2分钟。
然后在去离子水中对这样处理过的晶片进行淋洗，并在美国专利第5,651,797号所述的超声清洗容器内，在＞5.0兆欧-厘米下在去离子水中，在75-90°F的温度下超声清洗2分钟。然后使用0.01微米过滤的氮气干燥该晶片，并在250°F、氮气气氛下烘焙2小时。
在如此干燥并烘焙的晶片上涂敷氧化铝含量大于98％的涂料组合物，在晶片表面上形成厚度0.002英寸的涂层，以制备具有足够粘着性的涂层，其粘着性足以在随后制备半导体组件的过程中至少基本防止颗粒移位。
实施例2
依照与制备样品1相同的方式制备了样品2-18，其不同之处在于改变涂料、涂层厚度和晶片的表面粗糙度，如表1所示。
表1
粘着性结果
 样品 涂料 涂层厚度(英寸) 表面粗糙度*
 1 氧化铝 0.002  A
 2 氧化铝 0.002  A
 3 氧化铝 0.002  A
 4 氧化铝 0.006  B
 5 氧化铝 0.006  B
 6 氧化铝 0.006  B
 7 氧化铝 0.010  C
 8 氧化铝 0.010  C
 9 氧化铝 0.010  C
 10 氧化锆** 0.002  A
 11 氧化锆 0.002  A
 12 氧化锆 0.002  A
 13 氧化锆 0.006  B
 14 氧化锆 0.006  B
 15 氧化锆 0.006  B
 16 氧化锆 0.010  C
 17 氧化锆 0.010  C
 18 氧化锆 0.010  C
*A＝180-220微英寸Ra
B＝230-270微英寸Ra
C＝280-320微英寸Ra
**所有的氧化锆样品包含92％的氧化锆和8％的氧化钇
样品2-18各自包括具有足够粘着性的涂层，其至少能够在随后制造半导体组件的过程中基本防止颗粒移位。由于在基片材料的表面上氧化锆涂层具有比氧化铝涂层更少的脱气、更少的水蒸气保留以及更少的阴离子和阳离子残留，因此，氧化锆涂层是更加优选的。

Claims (22)

1.一种制备适用于半导体加工的基片的方法，所述方法包括：
a)使基片材料的表面变粗糙，以在其中形成微裂纹；
b)对粗糙的表面进行处理，以至少除去残留在所述粗糙的表面上的基本上所有的基片材料的颗粒；
c)用包含至少一种金属氧化物的涂料组合物涂敷所述粗糙的表面。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基片由选自石英、陶瓷、金属和金属氧化物的材料组成。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂料组合物选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钇、以及它们的组合。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述涂料组合物包含氧化锆和氧化钇。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂敷所述粗糙的表面的步骤包括：产生包含产生等离子体的气体和涂料组合物的等离子体，以足以在所述粗糙的表面上施涂该涂料组合物的方式将所述等离子体导向所述粗糙的表面。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括在压缩空气的存在下产生等离子体。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法包括在约10,000-30,000°F的温度下产生等离子体。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述产生等离子体的气体选自氢气、氮气、氩气、氦气、以及它们的混合物。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使基片材料的表面变粗糙的步骤包括：
a)使基片材料与糙化材料的固体颗粒相接触，以达到约180-320微英寸Ra的表面粗糙度。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述表面粗糙度为200-300微英寸Ra。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述粗糙的表面进行处理步骤包括将基片浸入包含高浓度强酸的浸渍浴中。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述强酸的浓度为15-50体积％。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述强酸的浓度为25-35体积％。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述浸渍浴包含硝酸和氢氟酸。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法还包括从浸渍浴取出基片并清洗所述基片。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微裂纹的深度高达约0.005英寸。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微裂纹的深度高达约0.006英寸。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，涂层的厚度足以填充和覆盖所述微裂纹。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述涂层的厚度高达约0.010英寸。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂敷所述粗糙的表面的步骤包括：以包含等离子气体的等离子体的形式施涂所述涂料组合物。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该方法包括在10,000-30,000°F的温度下以等离子体的形式施涂所述涂料组合物。
22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂层是介电涂层。
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