CN101577211B - 抗等离子体腐蚀的反应室部件、其制造方法以及包含该部件的等离子体反应室 - Google Patents

Abstract

一种用于等离子体反应室的抗等离子体腐蚀的反应室部件，由氧化钇材料和少量掺杂元素制成，其具有小于10欧姆-厘米的电阻率，可以被用作反应室的射频通道。在本发明的另一实施例中，所述反应室部件至少包括连接在一起的第一导电基体及第二导电基体，所述第二导电基体由氧化钇材料和少量掺杂元素经过烧结或热压制成，并具有低于10欧姆-厘米的电阻率。

Description

抗等离子体腐蚀的反应室部件、其制造方法以及包含该部件的等离子体反应室

【技术领域】

本发明涉及半导体工艺处理设备，尤其涉及一种用于等离子体反应室的抗等离子体腐蚀的反应室部件、其制造方法以及包含该部件的等离子体反应室。

【背景技术】

半导体制程包括一系列的制程步骤，以于一半导体衬底、基片或晶片上制造出许多定义的集成电路。等离子体反应室被广泛地用于半导体制造中。为了在等离子体反应室中产生等离子体，该等离子体反应室内部需要被抽成真空，然后再注入前驱气体，并将射频能量耦合到等离子体反应室内，再将前驱气体激发到等离子体状态，从而在半导体衬底、基片或晶片上处理各种物质层。然而在等离子体反应室的处理过程中，等离子体反应室的某些部件表面会暴露在等离子体中，受到不同程度的等离子体腐蚀。比如，在等离子体蚀刻处理过程中，等离子体反应室的某些部件表面会暴露在等离子体蚀刻气体中，这些暴露的表面常常会被那些等离子体蚀刻气体所腐蚀，例如常被用作蚀刻气体的CF4，C4F8等含卤化合物，其能迅速地腐蚀反应室的部件表面。反应室部件表面的腐蚀是不被期望的，因为被腐蚀部件的粒子经常从部件剥落，落在处理室中正被处理的衬底、基片或晶片上，从而造成污染。

为了解决这一问题，美国公开专利申请第20040002221号及第2005147852号、美国公告专利第6805952号、第6884516号及第6783863号分别揭示了在等离子体反应室部件上涂一层金属氧化物陶瓷保护涂层，例如氧化钇、氧化铝等来达到防止等离子体腐蚀的目的。这些陶瓷保护涂层往往通过等离子喷涂、热喷涂、溅射或者是化学气相沉积的方法而应用到所需保护的等离子体反应室部件上。然而，这些抗腐蚀涂层会受到自身生命周期的限制，其主要原因是涂层的密度与厚度有限。另外，当这些涂层被用于气体喷淋头时，现有的喷涂方法很难做到在气体喷淋头的喷淋孔内均匀地喷涂所述防腐蚀涂层，并同时不堵住气体喷淋头的喷洒口。

因此，为了解决等离子体反应室部件中涂层所带来的气体喷淋头的生命周期限制等问题，美国公开专利申请第20050056218号提出了一种新型的气体喷淋头，该种气体喷淋头整个主体全部由含固体氧化钇的基体(solid yttrium oxide-comprising substrate)制成。显然，该种气体喷淋头可以克服涂层自身密度与厚度不足的问题，也很好地避免了喷洒口被堵住的问题。然而该种气体喷淋头由于具有高的电阻率，因而无法被有效地用作等离子体反应室内的射频通路。其原因是高的电阻率具有高的阻抗，其会阻碍射频信号的导通或者将射频能量消耗掉。例如，在电容耦合型的等离子体反应室中，气体喷淋头通常被作为上电极并接地，与喷淋头相对的基片支座通常被作为下电极并与射频源相连接，在等离子体蚀刻过程中，如果该被作为射频通路的气体喷淋头具有高的电阻率，则结果很显然，射频信号可能无法导通，或者射频能量被大量消耗掉，从而大大降低了射频信号导通的效率。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种抗等离子体腐蚀的反应室部件，其克服了现有技术的不足，解决了现有技术中反应室部件阻碍射频信号导通的问题。

本发明的另一目的在于提供一种等离子体反应室，其包括有利于射频信号导通的抗等离子体腐蚀的反应室部件。

本发明的又一目的在于提供一种抗等离子体腐蚀的反应室部件的制造方法，其用以制造一种利于射频信号导通的反应室部件。

本发明可以通过以下方式实现：

一种用于等离子体反应室的抗等离子体腐蚀的反应室部件，其至少包含一表面暴露于所述等离子体反应室内产生的等离子体中，所述反应室部件由氧化钇材料和少量掺杂元素制成，并具有低于10欧姆-厘米的电阻率。

本发明还提供一种制造等离子体反应室的抗等离子体腐蚀的反应室部件的方法，其包括：

1)将氧化钇材料和少量掺杂元素经过热压或烧结形成具有电阻率小于10欧姆-厘米的导电基体；

2)加工所述导电基体，制成所述反应室部件。

本发明进一步提供一种等离子体反应室，包括反应室部件，所述等离子体反应室在工作时于其内产生有等离子体，所述反应室部件具有暴露于所述等离子体的至少一表面，其特征在于：所述反应室部件的电阻率小于10欧姆-厘米，其成份为氧化钇和少量掺杂元素，且所述反应室部件在等离子体反应室工作时提供射频通路。

最后，本发明还提供一种用于等离子体反应室的抗等离子体腐蚀的反应室部件，其至少包括相互连接在一起的第一导电基体和第二导电基体，所述第一导电基体为导电材料，所述第二导电基体具有至少一表面暴露于等离子体中，并由电阻率低于10欧姆-厘米的氧化钇材料和少量掺杂元素制成。

【附图说明】

图1是一种包含本发明抗等离子体腐蚀的反应室部件的等离子体反应室的实施方式的示意图。

图2是一种安装于图1所示的反应室中的气体喷淋头(上电极)的示意图。

图3a和3b是根据本图2中所示气体喷淋头沿剖面线A-A剖开的部分截面图的两种实施方式。

图4是本发明的抗等离子体腐蚀的反应室部件的制造方法流程图。

图5是本发明反应室部件的另一种实施方式。

【具体实施方式】

本发明提供一种用于等离子体反应室的抗等离子体腐蚀的反应室部件，该反应室部件不仅能抵抗反应室内部产生的等离子体腐蚀，而且部件本身具有高的导电性能，因而与现有技术的抗等离子体腐蚀的反应室部件不同，其可以被用作反应室的射频通道，从而将射频信号导道至接地。所述反应室部件可以包括各种反应室内部部件，包括但不限于：反应室的腔壁(reactor chamber wall)、反应室内衬(reactor liner)、气体喷淋头(gasshowerhead)、气体喷淋头接地环(grounding ring of gas showerhead)、晶片卡盘边环(wafer chuck edge ring)、基片支座(substrate support)、等离子体限制环(plasma confinement ring)、聚焦环(focus ring)、排气环(baffle ring)等。

本发明反应室部件由氧化钇材料和少量掺杂元素经过烧结或热压制成，制成后的反应室部件具有高的导电性能，具有小于或等于10欧姆-厘米的电阻率。制成后的反应室部件中，氧化钇材料的成份含量大于99％，掺杂元素成份含量小于1％。该掺杂元素包括非金属元素，例如为包括碳、硅、氮元素中的一种或几种。优选地，该掺杂元素仅为碳。应当说明的是，由于材料提纯的技术的原因，目前半导体业界内使用的氧化钇材料并不是百分之百的纯度，其内会含有极微量的金属杂质。

由于本发明的反应室部件本身在制成后即具有高的导电性能，因此，反应室部件即使具有很厚的厚度，比如，厚度范围可以为1毫米至20毫米，也能够有效地提供射频通路，将射频能量通过该反应室部件耦合给反应室其他部件或接地。因此，该反应室部件可以被广泛运用于等离子体反应室内以提供射频通路，同时能有效抵抗提供抗等离子体腐蚀。

本发明反应室部件是通过下述方法制成的。首先，按特定成份含量比例提供氧化钇粉末和少量掺杂元素的粉末，并将二者充分均匀地混合；再将混合好的氧化钇的粉末和少量掺杂元素的粉末经过热压或烧结形成具有电阻率小于10欧姆-厘米的导电基体；最后，依需要加工成形所述导电基体，使之变成所需要的反应室部件。依所加工成形的反应室部件不同，所述加工成形可以包括：钻孔步骤、抛光步骤、粘接步骤、高温退火步骤、清洗步骤等。

图1是一种包含本发明抗等离子体腐蚀的反应室部件的等离子体反应室的实施方式的示意图。如图1所示，等离子体反应室100包括一腔室110，一顶部111，与顶部相对的底部112，形成于顶部111和底部112之间的反应室腔壁113，以及形成于腔壁上的反应室内衬130。所述腔室110包括一制程区116。所述等离子体反应室100还包括一位于所述顶部111的气体喷淋头114。与气体喷淋头114相对并位于腔室底部112的地方设置有基片支座115，用于支撑被处理的半导体工艺件117。

由前述可知，本发明的反应室部件可以用于等离子体反应室内多种部件。优选的一种实施方式是该反应室部件作为等离子体蚀刻反应室中的气体喷淋头(在工作时，也作为上电极)。图2是一种安装于图1所示的反应室中的气体喷淋头(上电极)的示意图。该气体喷淋头在等离子体蚀刻反应过程中，不仅能抵抗等离子体腐蚀，而且作为上电极，其具有高的导电性能，因而能提供良好的射频通道。如图2所示，所述气体喷淋头114具有若干通孔，用于向反应室内喷射和输入反应气体。所述通孔由前述已经制备成的导电基体经超声波钻孔形成，其可以为如图3a所示的直线性的孔径均匀的通孔130，其也可以为如图3b所示的非均匀孔径的通孔133，比如，通孔133具有孔径较大的上端部131以及孔径较小的下端部132。应当理解，所述通孔133也可以被制造成其它各种非均匀孔径形状：例如上大下小的锥形通孔，或者是上小下大的倒锥形通孔，也可以是上下孔径一样而中间有一段较小孔径的通孔，还可以是上下孔径一样或不一样的非直线性(弯曲)的通孔等等。如图1所示，气体喷淋头114周围还设置有一气体喷淋头接地环1141，其用于对气体喷淋头114起支撑作用或用于加大气体喷淋头横向面积以改善等离子体蚀刻的均匀性。基片支座115包括一支撑基盘1151，以及设置于所述基盘上的一静电卡盘1152。支撑基盘1151内设置有水冷通孔可以控制所述静电卡盘1152的温度。静电卡盘1152内有电极1153，其通过一射频匹配网络(未图示)而连接到一射频源120。静电卡盘1152外还设置有卡盘边环1154。在本实施例中腔壁为导体，例如铝金属壁。气体喷淋头114是由热压的氧化钇材料和非金属掺杂元素制成的电阻率低于10欧姆-厘米的导体，其中所述非金属掺杂元素可以是碳、氮、硅元素中的一种或多种，且其成份含量低于1％。由于所述气体喷淋头114为电阻率低于10欧姆-厘米的导体，因此在本实施例中，气体喷淋头114除了向反应腔体通入气体外，还被用作为电极以及射频通道。作为一种优选实施方式，所述的热压的氧化钇材料和非金属掺杂元素制成的气体喷淋头的电阻率大约为1欧姆-厘米。

在如图1所示的实施例中，腔室顶部111与气体喷淋头114接地。但应当理解在本发明的某些其它实施方式中反应室的腔壁113、气体喷淋头接地环1141均可接地，且气体喷淋头接地环1141、腔体内衬130、卡盘边环1154均可为与气体喷淋头一样材料制成的导体。当欲使用等离子体反应室100对晶片117上的材料进行蚀刻时，首先利用泵(未图示)将腔室110抽成真空，之后将晶片117由保持在真空的传输室(未图示)中移入腔室110内，并且将其置于基片支座115上，并可利用静电吸附将晶片固定在基片支座115上。之后，将由多种体积流率的气体组成的制程气体通入反应室110内，当腔室110内的压力达到一定的稳定程度后，开启射频电源系统以供给制程气体能量，而在制程区116内形成等离子体鞘层。在这一过程中，其中基片支座115作为一阴极，而腔室顶部111与气体喷淋头114共同作为阳极电极。实际上，导电的气体喷淋头114在这里被作用为提供射频通路。如前所述，正是由于本发明中的气体喷淋头114是由热压的氧化钇材料和非金属掺杂元素制成的电阻率低于10欧姆-厘米的导体，所以其不会阻碍射频信号的导通。另外，由于氧化钇材料本身具有较强的抗等离子体腐蚀的性能，因此不难理解，本发明的气体喷淋头还具有良好的抗腐蚀性能以及较长的使用寿命。

同时也应当理解，在某些其它的实施方式中，当等离子体反应室的腔壁113、气体喷淋头接地环1141均接地，且气体喷淋头接地环1141、腔体内衬130、卡盘边环1154均为与气体喷淋头一样材料制成的导体时，基片支座115以及其导电的卡盘边环1154被共同作为一阴极，而腔室反应室的腔壁113(包括设置在反应室的腔壁上的导电的腔体内衬130)、腔室顶部111、气体喷淋头114、气体喷淋头接地环1141将被共同作为阳极电极。此时，这些导电的气体喷淋头114、气体喷淋头接地环1141、腔体内衬130、卡盘边环1154都被作为了射频通路。基于同样的道理，气体喷淋头114、气体喷淋头接地环1141、腔体内衬130、卡盘边环1154将不会妨碍射频信号的导通。

图4所示为本发明的抗等离子体腐蚀的反应室部件的制造方法流程图。如图4所示，本发明的制造方法包括以下步骤：

1)将氧化钇材料和少量掺杂元素经过热压或烧结形成具有电阻率小于10欧姆-厘米的导电基体，如步骤401所示；

2)加工所述导电基体，制成所述反应室部件，如步骤402所示。

在步骤401中，所述少量掺杂元素包括非金属元素，其包括氮、碳、硅元素中的一种或多种。在热压或烧结的过程中所述掺杂的非金属元素将与所述的氧化钇材料相互作用，并最终形成致密的具有低电阻率(小于10欧姆-厘米)的导电基体。所述掺杂的非金属掺杂成份含量占整个导电基体的1％或小1％。

在步骤402中，依需要加工成形所述导电基体，使之变成所需要的反应室部件。所述的等离子体反应室部件可以包括多种，比如：气体喷淋头、气体喷淋头外环气体喷淋头接地环、腔体内衬、卡盘边环等各种部件。依所加工成形的反应室部件不同，在所述步骤402中，加工成形可以包括：钻孔步骤、抛光步骤、粘接步骤、高温退火步骤、清洗步骤等。举例说明，其中当所制造的述反应室部件为气体喷淋头时，还进一步包括：超声波钻孔(ultrasonic drilling)的步骤、钻孔后高温退火以及酸洗的步骤。为了在气体喷淋头上形成气体喷射孔，用超声波钻孔技术形成孔的工艺避免了钻小直径孔和钻具有高深宽比(high aspect ratio)的孔的耗费时间问题。所述酸洗具体可以指使用盐酸、硫酸、硝酸等强酸或醋酸、碳酸等弱酸来清洗由于钻孔所产生的表面颗粒。

更进一步地，在不脱离本发明的发明构思和精神下，本发明还提供了反应室部件的其他实施例变形。本发明进一步提供一种反应室部件，其并非由前述一片式的导电基体制成，而是由多片式的导电基体制成。如图5所示，反应室部件251至少包括连接在一起的第一导电基体261及第二导电基体262。所述第一导电基体261及第二导电基体262均具有低的电阻率，即，具有高的导电性，从而可以在反应室内提供射频通道。第二导电基体262具有至少一表面2621暴露于等离子体反应室的等离子体中。该第一导电基体261可以由各种低电阻率的导体材料制成，如金属铝制成，或由如前述由氧化钇材料和少量掺杂元素经烧结或热压制成，并具有低的电阻率，或由烧结的或热压的碳化硅或硅注入的石墨制成。该第二导电基体262由如前述由氧化钇材料和少量掺杂元素经烧结或热压制成，并具有低于10欧姆-厘米的电阻率。作为一种实施方式，该第一导电基体261及第二导电基体262均由如前述由氧化钇材料和少量掺杂元素分别经烧结或热压制成，并具有低于10欧姆-厘米的电阻率。在制造过程中，该第一导电基体261及第二导电基体262被分别制造成形，再通过热压的方式使二者连接在一起，或者在二者之间提供一种粘合材料(未图示)使二者粘合在一起。

所述粘合材料可以是各种适用的粘合材料，例如，一种可以形成弹性连接(elastomeric joint)的粘合材料，例如，聚合物材料(polymer material)。举例说来，可以选用的粘合材料有：聚酰亚胺(polyimide)、聚酮(polyketone)、聚醚(polyetherketone)、聚醚砜(polyether sulfone)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)、聚四氟乙烯丙烯共聚物(fluoroethylene propylene copolymers)、纤维素(cellulose)、三醋酸酯(triacetates)、硅(silicone)以及橡胶制品(rubber)。合适使用的高纯度弹性材料(high purity elastomeric materials)包括：通用电气公司(General Electric)供应的单成分室温固化粘合材料(one-component room temperature curingadhesives)，如RTV133和RTV167，通用电气公司供应的单成分可流动的加热固化(例如超过100℃)的粘合材料(one-component flowableheat-curable(e，g.over 1000C)adhesive)，如TSE 3221，以及道康宁公司(Dow Coming)提供的双混合固化弹性材料(two-part addition cureelastomer)，如“SILASTIC”。一种特别适用的弹性材料是含有硬化催化剂(如硬化铂)的弹性材料(polydimethylsiloxane containing elastomer)，该弹性材料可由Rhodia公司提供，型号V217，且其在250℃或更高温度下保持稳定。该弹性材料也可选择地包括导电填料和/或导热粒子，或其它成型的填料，如金属网、编织的或非编织的传导物等。

又基于与前一实施例相同的道理，因为本实施例中的反应室部件251的第一导电基体261与第二导电基体262均具有低的电阻率，因此有利于射频信号的导通。此外，所述的第二导电基体262即使做得比较厚，也不影响射频导通性能，可以至少为3毫米。最佳地，在本实施例中其厚度范围为1毫米至20毫米。本发明反应室部件251克服了传统涂层的厚度与密度的限制，同时具有良好的抗腐蚀性能。

在等离子体反应过程中，通常在使用这种包含第一导电基体261及第二导电基体262的反应室部件时，第二导电基体262在经过一特定长的工作时间后会被等离子体完全腐蚀掉或腐蚀掉其中的一部分。此时，设备使用者的工作人员可以将该使用过的反应室部件拆下，将反应室部件上剩余的第二导电基体262去除，只剩下使用过的第一导电基体261。由于该第一导电基体261在等离子体反应过程中并没有接触等离子体，因而不会被等离子体腐蚀，可以被循环再利用。然后，提供一新的第二导电基体262使之与使用过的第一导电基体261连接在一起而成为一新的反应室部件，从而可以循环再利用第一导电基体261，由此可以降低设备使用者的使用成本。类似地，所述连接方式包括：通过热压的方式使该第一导电基体261及第二导电基体262连接在一起，或者在二者之间提供一种粘合材料使二者粘合在一起。

本发明是参照具体实例描述的，但其所有方面都应为示意性而非限定性的。技术人员可以发现很多硬件、软件和固件的不同组合均可适用于应用本发明。此外，对于一般技术人员而言，在了解了本发明所公开的特征和实施方式后，本发明的其它应用方式也可以较为明显地被想到。本发明所述实施方式的各种构思和/或元件可以在等离子体反应室技术中被单独地或被组合地使用。本说明书中所述的特征和实施方式应当仅理解为示例性的说明，本发明的权利范围由下列权利要求所限定。

Claims (17)

1.一种用于等离子体反应室的抗等离子体腐蚀的反应室部件，其至少包含一表面暴露于所述等离子体反应室内产生的等离子体中，所述反应室部件由氧化钇材料和少量掺杂元素制成，所述氧化钇材料的成份含量大于99％，所述少量掺杂元素的成份含量小于1％，并具有低于10欧姆-厘米的电阻率，其中，所述反应室部件由氧化钇材料和少量掺杂元素经过烧结或热压制成，所述掺杂元素为包括碳、硅、氮元素中的一种或几种。

2.如权利要求1所述的反应室部件，所述掺杂元素包括非金属元素。

3.如权利要求1所述的反应室部件，所述掺杂元素为碳元素，且成份含量小于1％。

4.如权利要求1所述的反应室部件，所述反应室部件由包括反应室的腔壁、反应室内衬、气体喷淋头、气体喷淋头接地环、卡盘边环、基片支座、等离子体限制环、聚焦环、排气环在内的这组部件中选出。

5.如权利要求1所述的反应室部件，所述反应室部件为气体喷淋头，所述气体喷淋头上设置有若干通孔，用于传输反应气体。

6.一种制造等离子体反应室的抗等离子体腐蚀的反应室部件的方法，其包括：

1)将氧化钇材料和少量掺杂元素经过热压或烧结形成具有电阻率小于10欧姆-厘米的导电基体，所述氧化钇材料的成份含量大于99％，所述少量掺杂元素的成份含量小于1％； 

2)加工所述导电基体，制成所述反应室部件，其中，所述少量掺杂元素包括氮、碳、硅元素中的一种或多种。

7.如权利要求6所述的方法，所述氧化钇材料成份含量占99％以上。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述反应室部件是气体喷淋头，其中在所述步骤2)中，还包括在导电基体上用超声波钻孔以在其上形成若干用于传输反应气体的通孔的步骤。

9.如权利要求8所述的方法，还包括在完成所述钻孔步骤后对所述导电基体进行高温退火的步骤。

10.如权利要求9所述的方法，还包括在完成所述退火步骤后对所述导电基体进行清洗的步骤。

11.一种等离子体反应室，包括反应室部件，所述等离子体反应室在工作时于其内产生有等离子体，所述反应室部件具有暴露于所述等离子体的至少一表面，其特征在于：所述反应室部件的电阻率小于10欧姆-厘米，其成份为氧化钇和少量掺杂元素，且所述反应室部件在等离子体反应室工作时提供射频通路，其中，所述反应室部件由氧化钇材料和少量掺杂元素经过烧结或热压制成，所述掺杂元素为包括碳、硅、氮元素中的一种或几种，所述氧化钇材料的成份含量大于99％，所述少量掺杂元素的成份含量小于1％。

12.如权利要求11所述的等离子体反应室，所述反应室部件由包括反应室的腔壁、反应室内衬、气体喷淋头、气体喷淋头接地环、卡盘边环、基片支座、等离子体限制环、聚焦环、排气环在内的这组部件中选 出。

13.一种用于等离子体反应室的抗等离子体腐蚀的反应室部件，其至少包括相互连接在一起的第一导电基体和第二导电基体，所述第一导电基体为导电材料，所述第二导电基体具有至少一表面暴露于等离子体中，并由电阻率低于10欧姆-厘米的氧化钇材料和少量掺杂元素制成，其中，所述氧化钇材料的成份含量大于99％，所述少量掺杂元素为成分含量不到1％的非金属元素，所述非金属元素为氮、碳、硅元素中的一种或多种。

14.如权利要求13所述的反应室部件由包括反应室的腔壁、反应室内衬、气体喷淋头、气体喷淋头接地环、卡盘边环、基片支座、等离子体限制环、聚焦环、排气环在内的这组部件中选出。

15.如权利要求14所述的反应室部件为气体喷淋头，其中所述第二导电基体的厚度范围为1毫米至20毫米。

16.如权利要求14所述的反应室部件，其中所述第一导电基体及第二导电基体通过热压的方式连接在一起。

17.如权利要求14所述的反应室部件，还包括一粘合材料设置于所述第一导电基体及第二导电基体之间，通过粘合材料使第一导电基体及第二导电基体粘合在一起。 

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