CN101842193A - 表面处理方法、喷头部、处理容器和使用它们的处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明具备：第1喷砂工序，使用由非升华性材料构成的喷砂材(例如氧化铝)对喷头部和处理容器等的金属母材的表面进行喷砂处理；第2喷砂工序，使用由升华性材料构成的喷砂材(例如干冰)对实施了所述第1喷砂工序的所述金属母材的表面进行喷砂处理。通过第1喷砂工序，将金属母材的表面进行适度粗糙化而难以产生在成膜处理中发生的附着膜的剥离，同时防止由于附着膜的剥离引起的颗粒物的产生；通过第2喷砂工序，将附着在金属母材的表面的非升华性喷砂材的残渣基本完全除去，防止由于金属母材脱落的非升华性喷砂材的残渣引起颗粒物的产生。

Description

表面处理方法、喷头部、处理容器和使用它们的处理装置

技术领域

本发明涉及用于对半导体晶片等的被处理体实施规定处理的处理装置、在其中使用的喷头部、处理容器和表面处理方法。

背景技术

一般而言，为了制造半导体集成电路等半导体装置，对由硅基板等构成的半导体晶片反复进行成膜处理、蚀刻处理、退火处理、扩散处理等各种处理。

在进行作为上述各种处理之一的成膜处理的成膜装置中，在可真空排气的处理容器内设置的装载台上装载半导体晶片，从设置在与该装载台对置的顶部的喷头部向处理容器内流入规定的成膜气体，在维持规定温度的晶片上形成薄膜(参见特开平11-186197号公报、特开2004-232080号公报等)。

上述薄膜不仅在半导体晶片的表面堆积，而且也将不可避免地在处理容器内表面、喷头部表面等处作为不需要的附着膜而堆积。为了防止上述不需要的附着膜剥落而产生成为产品成品率降低原因的颗粒物，定期或不定期地根据需要，进行除去上述不需要的附着膜的清洁处理。

另外，为了使不需要的附着膜不易剥落，也可进行用于提高附着膜密合性的处理。特开2002-115068号公报公开了如下技术：通过对喷头部表面进行氧化铝溶喷而使上述表面粗糙化(形成微小的凹凸)，从而利用锚固(Anchor)效果防止附着膜的剥离。

在特开2002-115068号公报中记载了如下内容：研究通过对喷头部表面实施氧化铝喷砂处理、使上述表面粗糙化的技术。在该文献中记载了，通过喷砂处理使表面粗糙化，从而与喷头部表面为机械加工面时相比，可以在某种程度上抑制颗粒物的产生。但是，通过喷砂处理得到的颗粒物抑制效果，难以充分满足近年来对颗粒物水平的要求。在特开2002-115068号公报中记载了如下内容：利用氧化铝喷砂的颗粒物抑制效果比利用氧化铝溶喷的颗粒物抑制效果差。该文献进一步推定，其原因可能是，因氧化铝喷砂处理，表面会产生微小、锐利的突起，由于应力集中在突起部分，附着膜上会产生裂纹，从而导致附着膜剥离。

但是，氧化铝溶喷难说是用于粗糙化的最好方法。因为氧化铝溶喷会增加部件的制造成本，氧化铝溶喷粒子脱落后也有可能成为颗粒物。因而，如果通过改善喷砂处理，可以实现令人十分满意的抑制颗粒物效果，倒不如优选该方法。

发明内容

本发明是考虑到上述情况而完成的，其目的在于提供以通过抑制颗粒物的产生可以得到改善的喷砂(blasting)处理技术为特征的表面处理方法。本发明进一步以提供应用了上述表面处理方法的部件和具备该部件的处理装置为目的。

发明人等的研究结果显示，进行了氧化铝喷砂处理的部件(例如喷头)的表面残留有大量的氧化铝粒子(喷砂材的残渣)，该喷砂材的残渣由于随着装置运转时的温度上升而产生的母材(喷头材料)热膨胀而脱落成为颗粒物。一般在氧化铝喷砂处理后，进行超声波洗涤、刷子洗涤等洗涤，但这种洗涤对于除去扎入母材的粒子是不够的。而且，本发明人发现，利用氧化铝粒子等硬质非升华性材料进行第1喷砂处理后，进行以升华性材料粒子特别是干冰粒子为喷砂材的第2喷砂处理，可以在第1喷砂处理后高效地除去母材上残留的喷砂材的残渣，使来源于喷砂材的残渣的颗粒物骤减。在合适的情况下，由于在第2喷砂处理中使用的喷砂材会升华而消失，因而第2喷砂处理的喷砂材的残渣不会残留在母材的表面。另外，由于一般使用比第1喷砂处理中使用的喷砂材柔软的喷砂材实行第2喷砂处理，因此可以认为，不会大幅损伤经过第1喷砂处理所得到的面粗糙度，从而可以缓解特开2002-115068号公报所述的那种母材表面微小突起的锐利性。由此，也可以认为，能够防止因附着膜剥离而引起颗粒物产生。即，可以认为，通过第1喷砂处理和第2喷砂处理的组合产生的协同效果，可以大幅抑制颗粒物。

本发明是基于上述发现而完成的。即，根据本发明，提供了一种表面处理方法，是对金属母材实施规定的表面处理的表面处理方法，具备：第1喷砂工序，使用由非升华性材料构成的非升华性喷砂材对上述金属母材表面进行喷砂处理；和第2喷砂工序，使用由升华性材料构成的升华性喷砂材对实施了上述第1喷砂工序的所述金属母材的表面进行喷砂处理。

可以设置对进行了上述第2喷砂工序的上述金属母材的表面进行洗涤的洗涤工序。

上述非升华性喷砂材可以为选自陶瓷材、树脂、金属氧化物和石英中的一种材料。此时，上述陶瓷材可以选自氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)、硅氮化物(SiN)和硅碳化物(SiC)。另外，上述金属氧化物可以为ZrO₂或TiO₂。

上述升华性喷砂材可以为干冰。

可以将上述金属母材制成在用于对被处理体进行规定处理的处理装置中使用的喷头部。可以将上述金属母材制成在用于对被处理体进行规定处理的处理装置中使用的处理容器。

上述第1和第2喷砂工序可以分别仅对上述金属母材表面的所选择区域实施。

在一种实施方式中上述金属母材是在用于对被处理体进行规定处理的处理装置中使用的喷头部，上述第1和第2喷砂工序仅对设置于上述喷头部的气体喷射孔的周边部区域选择性地实施。

本发明还提供用上述表面处理方法处理过的喷头部和处理容器。

进而，本发明还提供一种处理装置，其具备：经过上述表面处理的处理容器、经过上述表面处理的喷头部、设置在上述处理容器内并用于装载上述被处理体的装载台、和用于将上述处理容器内的气体排出的排气系统。

附图说明

[图1]表示使用用本发明的表面处理方法处理过的金属母材的处理装置的一例的构成示意图。

[图2]是表示本发明的表面处理方法的流程的示意图。

[图3]是表示本发明的表面处理方法的流程的流程图。

[图4]是用于评价说明利用升华性喷砂材进行喷砂处理的电子显微镜照片。

[图5]是用于评价说明使用通过本发明方法和以往方法制造的喷头部的处理装置中的颗粒物的图。

[图6]是用于说明本发明方法的变形实施方式的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行详述。首先，最初，对用本发明的表面处理方法处理过的金属母材，和具备该金属母材的处理装置进行说明。以下说明的例示性的实施方式中，金属母材为喷头部和处理容器，可以对这2个部件中的至少一个部件实施本发明的表面处理。

图1为表示使用用本发明的表面处理方法处理过的金属母材的处理装置的一例的构成示意图。图2为表示本发明的表面处理方法的流程的示意图。图3为表示本发明的表面处理方法的流程的流程图。这里，作为处理装置，使用等离子体，以进行Ti膜的成膜处理的成膜装置为例进行说明，当然不限于此。

如图1所示，该处理装置2具有由镍或镍合金、或者铝或铝合金等金属材料构成的筒体状处理容器4。处理容器4接地。处理容器4为在内面用下述本发明的表面处理方法处理过的金属母材。处理容器4内设有从容器底部立起的支柱6支撑的例如由氮化铝等陶瓷材形成的装载台8。装载台8的上面装载有晶片W。

装载台8内埋有由钼线制成的加热器即加热机构10，可以将上述晶片W以规定的温度加热。进而，在装载台8内，在加热机构10的上方埋有网眼状导电部件12。导电部件12通过未图示的配线接地，以装载台8能够起到等离子产生用的下部电极(接地电极)作用的方式构建。也可以以对下部电极施加偏压用的高频电压的方式构建。装载台8的下方设有会在搬出搬入晶片W时上升、从下侧顶起晶片W并支撑的升降栓(未图示)。

处理容器4的底部形成有排气口14。排气口14与包括真空汞和压力调整阀等排气系统16连接，它可以将处理容器4内的气体抽真空、维持规定的压力。

处理容器4的侧壁形成有大小为可以搬出搬入晶片W的开口18，该开口18设有闸阀G。进而，处理容器4的顶部有开口，在该开口部分通过绝缘部件20气密地安装有例如喷头部22作为气体导入机构。喷头部22由镍或镍合金、或者铝或铝合金等金属材料构成。喷头部22具有上部电极的功能。喷头部22内形成有扩散室24。

喷头部22下面的气体喷射面28形成有与上述扩散室24连通的多个气体喷射孔30，可以向处理容器4内的处理空间S导入所需的气体。喷头部22，特别是其下面的气体喷射面28为用本发明的表面处理方法处理的金属母材。

喷头部22的上部形成有气体导入口32。规定的气体，在此，TiCl₄、H₂、Ar气体被分别控制流量并从气体导入口32导入到喷头部22内，这些气体在扩散室24内扩散，由气体喷射孔30向晶片W上方的处理空间S均匀喷射。另外，扩散室不限于1个，根据使用的气体种类可以设置2个以上的扩散室。在这种情况下，也可以将从不同的气体导入口导入的不同气体单独地向处理空间S喷射。

喷头部22与设置了匹配电路34和等离子体生成用的高频电源36(例如频率450KHz)等的馈电线38连接，可在作为上部电极的喷头部22和作为下部电极的装载台8之间生成等离子体。在处理容器4内的处理空间S中，供给TiCl₄、H₂和Ar作为处理气体，并且通过高频电力生成等离子体，且利用加热机构10将晶片W加热至规定的温度，由此可以通过等离子体辅助CVD在晶片W的表面形成Ti膜。

[表面处理方法]

对于如上构成的处理装置2的处理容器4和喷头部22，如上所述实施本发明的表面处理方法。下面对该表面处理方法进行说明。如图2和图3所示，这里，处理容器4和喷头部22为金属母材40，实施本发明的表面处理方法。

该表面处理方法具备：第1喷砂工序，使用由非升华性材料构成的非升华性喷砂材对金属母材40的表面进行第1喷砂处理(参照S1，图2(A))；和第2喷砂工序，使用由升华性材料构成的升华性喷砂材对实施了上述第1喷砂工序的上述金属母材40的表面进行第2喷砂处理(参照S2，图2(B))。在这里，“非升华性材料”是指，在进行表面处理期间、或者表面处理后的温度、压力条件下未升华的材料；“升华性材料”是指，在进行表面处理期间，或者表面处理后的温度、压力条件下升华的材料。优选为，在第2喷砂工序后，进行将实施了第2喷砂处理的金属母材40的表面洗涤的洗涤工序(参照S3，图2(C))。

在上述第1喷砂工序中，可以使用例如作为陶瓷材的氧化铝(Al₂O₃)作为非升华性喷砂材。可以利用空气喷砂机将由氧化铝的微细粒子构成的喷砂材通过压缩空气进行喷射，从而进行第1喷砂工序。

此时，喷砂材的粒径可以使用范围在#220～#20的物质。在这里，#(目)为表示用泰勒(Tyler)标准筛测定的颗粒体的颗粒粗细的单位。将处理容器4用作金属母材40的情况下，优选对该处理容器4的内表面整体进行喷砂处理。另外，将上述喷头部22用作金属母材40的情况下，优选对喷头部22的气体喷射面28进行喷砂处理，更优选对喷头部22暴露于处理空间S的表面整个面进行喷砂处理。

由此，金属母材40的表面被大致均匀地粗糙化，该表面形成有微细的凹凸。金属母材40表面的表面粗糙度Ra(由JIS B 0601-1994定义的算术平均粗糙度)优选在1.0～2.0μm左右。

另外，非升华性喷砂材不限于氧化铝，可以从陶瓷材、树脂、金属氧化物和石英中选择。上述陶瓷材可以从氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)、硅氮化物(SiN)、硅碳化物(SiC)中选择。上述金属氧化物可以选自ZrO₂和TiO₂。

在上述第2喷砂工序中，可以使用例如干冰作为升华性喷砂材。可以利用例如空气喷砂机，将由干冰微细粒子构成的喷砂材通过压缩空气进行喷射，从而进行第2喷砂工序。

第2喷砂处理至少是对实施了第1喷砂处理的表面整体进行。通过进行第2喷砂处理，可以将在之前的进行第1喷砂处理时在金属母材40表面附着的难以剥落的非升华性喷砂材即氧化铝的喷砂材基本完全除去。

通常，在使用氧化铝进行喷砂处理后，进行如上所述的超声波洗涤等而除去附着在喷砂面上的残渣。但是，在超声波洗涤中，虽然除去扎入喷砂面浅的残渣容易，但除去扎入较深的残渣很困难。

对此，本发明方法中，在使用氧化铝的喷砂处理后，通过实施使用干冰的喷砂处理，也可以容易地将在超声波洗涤中不能除去的扎入较深的残渣除去。利用使用干冰的喷砂处理也不能除去扎入非常深的残渣，这种残渣在晶片处理时即使金属母材40变成高温，也几乎不会从金属母材40表面脱落，因此不会产生颗粒物的问题。

另外，干冰的喷砂材即使扎入金属母材40的表面，由于在常温常压下升华，因而不会残留在金属母材40的表面。

进而，使用了干冰的喷砂处理，由于没有大幅改变使用氧化铝的喷砂处理的表面粗糙度，因此可以将使用氧化铝的喷砂处理后的表面状态大体维持原状。因此，不会损伤通过使用氧化铝的喷砂处理得到的母材表面的凹凸产生的锚固效果，可以可靠防止附着膜的剥离。另外，可以认为，使用干冰的喷砂处理会缓解由于使用氧化铝的喷砂处理而在母材表面产生的突起的锐利性，缓解可能会在这种突起的顶端产生的应力集中。由这一点，也可以认为，能够进一步可靠地防止附着膜的剥离。即，由于第2喷砂处理中使用的升华性喷砂材(例如干冰)一般来说比第1喷砂处理中使用的非升华性喷砂材(例如氧化铝)柔软，故不会损伤上述的锚固效果，且具有适度缓解母材表面的突起的锐利性的效果。

可以进行例如超声波洗涤作为上述洗涤工序。在这里，将实施了第2喷砂工序的金属母材40浸渍于例如纯水等构成的洗涤液42中，对其施加超声波，进行洗涤(参照图2(C))。

由此，可以基本完全除掉在金属母材40上残留并有可能脱落的残渣。另外，在该洗涤工序中，代替上述超声波洗涤，可以进行对金属母材40表面喷射高压水的高压水洗涤、或对金属母材40表面施加洗涤水的同时用刷子刷的刷洗(涤)等。该洗涤工序也可以省略。

如上所述，根据本发明方法，使用非升华性喷砂材例如氧化铝进行第1喷砂工序后，使用升华性喷砂材例如干冰进行第2喷砂工序，因此可以基本完全除去金属母材40表面附着的难以脱落的非升华性喷砂材的残渣。因此，可以大幅地抑制由喷砂材的残渣引起的颗粒物的产生。另外，通过第1喷砂工序被适度表面粗糙化的金属母材40的表面不会因第2喷砂工序而受损(反而可以认为，变得更为有利)。因此，通过金属母材40的表面粗糙化产生的锚固效果可以提高附着膜的密合性，由此可以大幅地抑制由附着膜引起颗粒物的产生。

[评价利用升华性喷砂材进行的喷砂处理]

下面，对用于实证本发明方法优点的实验结果进行说明。

对由作为金属母材40的镍构成的喷头部22的表面，作为本发明方法，实施利用氧化铝进行的喷砂处理作为第1喷砂工序，接着，实施利用干冰进行的喷砂处理作为第2喷砂工序。在进行了这样处理的喷头部22的表面贴附强粘合力的碳导电胶带，过一会后将其剥掉，通过电子显微镜观察该碳导电胶带的表面。

对于比较例1～3，首先，与本发明方法相同地实施了利用氧化铝进行的喷砂处理。接着，在比较例1中，对喷砂处理后的喷头部的表面进行3次超声波洗涤。在比较例2中，在喷砂处理后的喷头部的表面供给洗涤液并用刷子刷，进行刷洗(涤)。在比较例3中，通过对喷砂处理后的喷头部表面喷射高压水，进行高压水洗(涤)。

在进行了这样的处理的比较例1～3的喷头部的表面贴附强粘合力的碳导电胶带，过一会后将其剥掉，通过电子显微镜观察该碳导电胶带的表面。

图4示出倍率为50倍和1000倍的电子显微镜照片。在比较例1～3的情况下，附着了很多喷砂的残渣，但在本发明方法的情况下，喷砂的残渣仅有少量，可以确认本发明方法的有效性。特别是如1000倍的照片所示，可以确认通过本发明方法也能够有效除去颗粒物的大小为0.1μm左右以上的物质。

将附着在上述碳导电胶带的颗粒物利用成分分析器进行分析，结果发现有Al元素和O元素存在，确认了在碳导电胶带上的附着物为Al₂O₃(氧化铝)。

进而，进行了如下实验：将通过本发明方法和以往方法制造的喷头部设置于处置装置进行升温，确认产生的颗粒物量。将该结果示于图5。作为以往方法，通过上述的比较例1的工序将喷头部进行处理。作为本发明方法，进行氧化铝喷砂处理(第1喷砂处理)和干冰喷砂处理(第2喷砂处理)，最后实施超声波洗涤。

将经过上述处理的各喷头部设置于如图1中说明的那样的成膜装置中，将半导体晶片装载于装载台8上，通过加热机构10将处理容器2内升温。然后，计数附着在半导体晶片表面的颗粒物数。颗粒物数表示在图5的表内。加热机构10的设定温度(相当于成膜温度)设为200℃、450℃、640℃。另外，对处理容器内实施预涂敷处理后，对将加热机构10的温度设定为450℃进行升温处理的构件，也同样计数颗粒物数。

从图5可知，加热机构10的温度在200℃、450℃、640℃和450℃(有预涂膜)时，采用以往方法的情况下，颗粒物数分别为593、161、687、62个，但在本发明方法的情况下，分别为3、39、30、0，本发明方法的情况下与以往方法相比颗粒物数远为减少。即，可以确认本发明方法的有效性。

[本发明方法的变形实施方式]

下面，对本发明方法的变形实施方式进行说明。在先前说明的实施方式中，对金属母材40的表面整个面进行了喷砂处理。但是，也可以仅对金属母材表面的选择区域进行第1和第2喷砂工序。

图6为用于说明这种本发明方法的变形实施方式的图。图6(A)为表示喷砂处理后的喷头部的气体喷射面的一部分的俯视图，图6(B)为表示该制造工序的中途状态的截面图。

在这里，第1和第2喷砂工序仅对设置在喷头部22的气体喷射孔30的周边部的表面选择性地进行。即，如图6(A)所示，在喷头部22的气体喷射面28中，仅对气体喷射孔30的周边部44(以半光表示)选择性地实施第1和第2喷砂工序。这种情况下，例如气体喷射孔30的直径L1为1mm左右，圆形的周边部44的直径L2为3mm左右。

仅对这种选择区域进行喷砂处理时，如图6(B)所示，可以将具有与周边部44相同直径的多个孔部46的罩48配置在喷头部22的前面侧，使各孔部46对应于各个气体喷射孔30，在这种状态下进行喷砂处理。此时，第2喷砂工序可以在除掉罩48的状态下进行。

仅对这种选择区域进行喷砂处理的理由如下。即，将喷头部22作为上部电极使用时，若通过喷砂处理在气体喷射面28产生微少的凹凸，则表面积增加，上部电极和下部电极之间形成的容量成分有偏离设计值而大幅变动的可能。但是，即使在这种情况下，在容易成为膜剥落的起点的气体喷射孔30的周边部，也希望提高膜的密合性而防止膜剥落的产生。这种情况下，如上所述，仅对气体喷射孔30的周边部44进行喷砂处理。

另外，在上述的实施方式中，处理装置为进行Ti膜的成膜处理的装置，但不限于此，处理装置可以是将任意膜种成膜的装置。另外，在上述的实施方式中，喷头部22被施以高频电力，但也可以在未施加高频电力的喷头部22应用本发明。

另外，利用处理装置处理的被处理体不限定于半导体晶片，也可以是玻璃基板、LCD基板、陶瓷基板等。

Claims (13)

1.一种表面处理方法，是对金属母材实施规定的表面处理的表面处理方法，其特征在于，具备：

第1喷砂工序，使用由非升华性材料构成的非升华性喷砂材对所述金属母材的表面进行喷砂处理，和

第2喷砂工序，使用由升华性材料构成的升华性喷砂材对实施了所述第1喷砂工序的所述金属母材的表面进行喷砂处理。

2.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，具有将实施了所述第2喷砂工序的所述金属母材的表面进行洗涤的洗涤工序。

3.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述非升华性喷砂材由选自陶瓷材、树脂、金属氧化物和石英中的1种材料构成。

4.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述非升华性喷砂材由陶瓷材构成，该陶瓷材从氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)、硅氮化物(SiN)和硅碳化物(SiC)中选择。

5.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述非升华性喷砂材由金属氧化物构成，该金属氧化物为ZrO₂或TiO₂。

6.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述升华性喷砂材由干冰构成。

7.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述金属母材是在用于对被处理体进行规定处理的处理装置中使用的喷头部。

8.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述金属母材是在用于对被处理体进行规定处理的处理装置中使用的处理容器。

9.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述第1和第2喷砂工序分别仅对所述金属母材表面的所选择区域实施。

10.根据权利要求9所述的表面处理方法，其特征在于，所述金属母材是在用于对被处理体进行规定处理的处理装置中使用的喷头部，所述第1和第2喷砂工序仅对设置于所述喷头部的气体喷射孔的周边部区域实施。

11.一种喷头部，其特征在于，用权利要求7或10所述的表面处理方法处理过。

12.一种处理容器，其特征在于，实施用权利要求8所述的表面处理方法处理过。

13.一种处理装置，是用于对被处理体实施规定处理的处理装置，其特征在于，具备：

权利要求12所述的处理容器，

权利要求11所述的喷头部，

设置在所述处理容器内用于装载所述被处理体的装载台，和

用于将所述处理容器内的气体排出的排气系统。

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