CN102138198B - 制程套组屏蔽件及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本文提供了一种用于制程腔室中的制程套组屏蔽件以及该制程套组屏蔽件的使用方法。在一些实施例中，制程套组屏蔽件可包含具有壁的主体，该壁包含第一层以及与该第一层结合的第二层，其中，第一层包含第一材料，该第一材料能抵抗用来移除在制程过程中沉积在第一层上的材料的化学清洁剂，并且其中，第二层包含第二材料，第二材料与第一材料不相同并且具有与该第一材料基本相似的热膨胀系数。在一些实施例中，制程套组屏蔽件可以被设置在具有处理容积和非处理容积的制程腔室中。该制程套组屏蔽件可以被设置在处理容积和非处理容积之间。
Description
技术领域
本发明实施例主要涉及半导体设备，更具体而言，设计用在半导体制程腔室中的制程套组屏蔽件。
背景技术
制程套组屏蔽件是一种消耗性部件，典型用来延长半导体制程腔室或其它腔室部件(例如，衬底支撑件)的使用寿命。通常，制程套组屏蔽件是由具有高热传导性、质量轻且价廉的材料所制成。此类材料例如包括铝、不锈钢或钛。在大多数的半导体制程中会产生金属和非金属材料，包括例如钽(Ta)、钨(W)、钛(Ti)、硅(Si)、有机物、聚合物等材料，这些材料可能沉积在制程套组屏蔽件的表面上。为了避免从制程套组屏蔽件上剥落的沉积材料掉落在腔室内正进行处理中的衬底上而造成污染，制程套组屏蔽件必须能够有效地留住所沉积材料并且定期清洗。不幸的是，要移除沉积材料必须使用侵蚀性的化学处理，例如使用氢氟酸(HF)或其它腐蚀性化学品，或是使用研磨材料(例如，氧化铝颗粒)来喷砂以进行机械式移除。此类处理方法在移除沉积颗粒的同时也会磨损制程套组屏蔽件的表面。因此，使得制程套组屏蔽件的使用寿命大幅缩短。
因此，在相关技术领域中需要一种具有长使用寿命的制程套组屏蔽件。
发明内容
本文提供一种用以将制程腔室内的处理容积与非处理容积分隔开的制程套组屏蔽件以及制程套组屏蔽件的使用方法。在一些实施例中，制程套组屏蔽件可包含具有壁的主体，壁包含第一层以及与第一层结合的第二层，其中，第一层包含第一材料，第一材料能抵抗用来移除在制程过程中沉积在第一层上的材料的化学清洁剂，并且其中，第二层包含第二材料，第二材料与第一材料不相同并且具有与第一材料实质相似的热膨胀系数。
在一些实施例中，用于处理衬底的设备可包括制程腔室，制程腔室具有处理容积和非处理容积；以及制程套组屏蔽件，其设置在处理腔室内并且将处理容积与非处理容积分开来，制程套组屏蔽件包含具有壁的主体，壁包含第一层和第二层，第一层面向处理容积以及第二层面向非处理容积，其中第二层结合到第一层，其中第一层包含第一材料，第一材料能抵抗用来移除在制程过程中沉积在第一层上的材料的化学清洁剂，并且第二层包含第二材料，第二材料与第一材料不相同并且第二材料的热膨胀系数与第一材料的热膨胀系数基本相似。
在一些实施例中，一种处理衬底的方法可以包括：提供制程腔室，制程腔室具有处理容积和非处理容积并且具有制程套组屏蔽件，制程套组屏蔽件设置在制程腔室内并且将处理容积和非处理容积分开来，制程套组屏蔽件包含具有壁的主体，壁包含第一层和第二层，第一层面向处理容积以及第二层面向非处理容积，其中第二层结合到第一层，其中第一层包含第一材料，第一材料能抵抗用来移除在制程过程中沉积在第一层上的材料的化学清洁剂，并且第二层包含第二材料，第二材料与第一材料不相同并且第二材料的热膨胀系数与第一材料的热膨胀系数基本相似；将衬底放置在制程腔室中；在处理容积中形成等离子体；以及使衬底暴露到等离子体。
在一些实施例中，清洁制程套组屏蔽件的方法可包括：提供制程套组屏蔽件，制程套组屏蔽件包含具有壁的主体，壁包含第一层以及结合到第一层的第二层，其中第一层包含第一材料，第一材料能抵抗用来移除制程过程中沉积在第一层上的材料的化学清洁剂，以及第二层包含第二材料，第二材料与第一材料不相同并且第二材料的热膨胀系数与第一材料的热膨胀系数基本相似，其中第一层上沉积有污染物；以及使第一层暴露于化学清洁剂，以移除污染物。
附图说明
为详细了解本发明上述特征，参照多个实施例提出本发明更具体的描述，其概要整理如上。该些实施例部分绘示于附图中。然而应了解到，附图中仅显示本发明的代表性实施例，因此不应用于限制本发明范围，本发明可能具有其它等效实施例。
图1示出了根据本发明一些实施例的用来处理衬底的设备。
图2示出了根据本发明一些实施例的制程套组屏蔽件的部分剖面图。
图3示出了根据本发明一些实施例的衬底处理方法的流程图。
图4示出了根据本发明一些实施例的制程套组屏蔽件清洗方法的流程图。
为求清晰，该些附图已简化并且未按比例绘制。为了便于理解，尽可能使用相同的组件符号来代表各图中共通的相同组件。可预期，一个实施例中的某些组件可有利地并入其它实施例中，而无需多加说明。
具体实施方式
本文提供用制程套组屏蔽件的方法和设备。在一些实施例中，制程套组屏蔽件可包含第一层及第二层，该第一层包含能抵抗处理区域中的制程气体的第一材料并且该第二层包含具有与第一材料基本类似的热膨胀系数(CTE)的第二材料。该新颖的制程套组屏蔽件可有利且价廉地由能提供期望重量、热性质和化学清洁处理抗性的数种材料(即，第一材料和第二材料)组合构造而成，由此延长制程套组使用寿命。该新颖的制程套组屏蔽件可用于如图1所示的半导体制程设备中，例如用于制程腔室中。
图1示出了设备100的概要剖面图，其用于处理衬底并具有根据本发明一些实施例的制程套组屏蔽件110。设备100可以被构造为用于高密度等离子体物理气相沉积(HDPPVD)，并且可以是有时被称作自离子化等离子体(SIPTM)腔室的类型，其可购自于美国加州Santa Clara的应用材料公司。设备100仅做为示范范例，其它适当设备(例如用于化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、蚀刻、离子诸如及其它可能造成腔室部件上发生不期望的颗粒沉积的制程的腔室)也可与本发明的制程套组屏蔽件一同使用。在一些实施例中，另一种适当设备可能包括构造为用于化学机械平坦化(CMP)的制程腔室。
设备100包含制程腔室102，该制程腔室102具有处理容积103、非处理容积105以及位于腔室内的支撑基座108，支撑基座108用以在处理过程中支撑衬底106。在一些实施例中，例如当构造为用于PVD应用时，靶材104可安装在腔室102的顶部附近。靶材104可包含即将溅射沉积在衬底106上的材料，衬底106则放置在衬底支撑基座108上。示范的靶材材料可包括钽(Ta)、钨(W)、钛(Ti)、镍(Ni)、钴(Co)、锗(Ge)、锑(Sb)、鍗(Te)或上述材料的合金等。在一些实施例中，制程腔室102还可以包含用来形成等离子体的机构，例如，通过从靶材材料产生的离子使靶材材料自我离子化(self-ionization)来产生等离子体，详细内容进一步讨论如下。
制程套组屏蔽件110可设置在制程腔室102中并且定位成可将处理容积103和非处理容积105分隔开来。制程套组(process kit)可能是任何能使处理容积和非处理容积分隔开的适当形状。例如，在一些实施例中，如图1所示，制程套组屏蔽件110可具有环形形状，并且可能具有环绕在支撑基座108周围的底部(base)。制程套组屏蔽件110可保护腔室壁以及腔室的其它非处理部分不受到制程副产物(例如从靶材104溅射出的材料、沉积气体副产物等)处理。当利用可变式直流(DC)电源112将直流功率供应到靶材104时，制程套组屏蔽件110更可作为接地阳极。
如图1所示，制程套组屏蔽件110通常包括具有壁的主体。如图2详细所示，制程套组屏蔽件110的壁包含由第一材料形成的第一层202以及由第二材料形成的第二层204。第一层202构造为面向处理容积103并且第二层204构造为面向非处理容积105。在图1所示的实施例中，第一层202可为内层或面向内的层(inward facing layer)，并且第二层204可为外层或面向外的层。
通过向制程套组屏蔽件110提供具有面向处理容积103的第一材料以及不接触处理容积的第二材料的壁，制程套组屏蔽件110可由不同材料制成，这些不同材料共同合作，以提供相比于已知制程套组屏蔽件而言更佳的性能。举例而言，第一层202可提供下列一种或多种性能：对制程腔室条件(例如，化学品、等离子体等)的抗性；能利用机械式手段(例如，喷砂、机械加工、塑形、激光、电子束等)形成纹理；和/或对于沉积物移除(例如，剥蚀化学品、喷砂等)的化学抗性。此外，第二层204可提供一种或多种下列性能：高热传导性(例如，帮助快速冷却和/或加热)、与制程侧屏蔽件(例如，第一层202)相匹配的热膨胀系数、导电性、磁性及/或重量轻。
在一些实施例中，第一层202可包含能抵抗处理环境(例如在处理和/或清洁过程中第一层202将会接触到的物质、化学品、等离子体等)的材料。就其本身而言，第一材料可以适合于改善对于在从制程套组屏蔽件上移除沉积材料的清洁制程中使用的例如氢氟酸(HF)及其它腐蚀性化学品的抗性。在一些实施例中，第一材料包含不锈钢、镍、钽或钛或其它此类材料的其中至少一种。
在一些实施例中，第一层202也可以包含纹理化的表面，用以保留住例如从靶材104溅射出来的颗粒及/或该些颗粒沉积在第一层202表面上所形成的膜层。该纹理化的表面通常能够保留住沉积膜层且不会有颗粒脱落。在一些实施例中，该纹理化的表面能够保留住直径大于或等于约0.009微米的颗粒。在一些实施例中，该纹理化的表面能够保留住直径大于或等于约0.016微米的颗粒。可通过诸如喷砂、机械加工(machining)、激光或电子束蚀刻等纹理化制程来形成该纹理化的表面。例如，当使用本发明的制程套组屏蔽件时，可利用冲模、机械加工、电弧喷涂、阳极处理(anodizing)、化学纹理化法、LAVACOAT
或CLEANCOATTM处理和/或通过清洁与纹理化制程等方法来使得第一层202的内表面或面向制程的表面(process-facing surface)纹理化，从而有利于制程透明性(process transparency)。
第二层204并不直接暴露于处理环境中，且通常可由任何适当材料制成。在一些实施例中，第二层204可由适合提供质轻(low weight)、高热传导性、高导电性、磁屏蔽性、与第一层202几乎匹配的热膨胀系数(CTE)或上述特性的组合的第二材料所制成。第二材料可能是任何用于提供一种或多种上述特性的适当材料。例如，在一些实施例中，第二材料可以是铝和硅的复合材料。铝硅复合材料可有利地提供铝的高热传导性，同时允许通过控制硅含量来修改材料的热膨胀系数。例如，CTE可以被调整到介于约5到约22(相当于纯铝)的范围之间，从而有利于使第二材料的CTE能与适用于形成第一层202的各种第一材料相匹配。
以具有高热传导性的材料来制造第二层204有助于使制程套组屏蔽件110保持较低温度，从而有利于减小可能造成沉积在屏蔽件上的材料剥落的温度波动(thermal swings)。更低温度的制程套组屏蔽件110亦可能导致在屏蔽件表面上有更少颗粒形成，从而延长制程套组屏蔽件的清洁间隔的平均时间。例如，本发明人发现，在执行示范性沉积制程时，完全由不锈钢制成的制程套组屏蔽件可能会被加热到高达600摄氏度的温度。然而，完全由铝制成的制程套组屏蔽件在同样的制程过程中则保持约80摄氏度的温度。因此，通过为本发明的制程套组屏蔽件110提供例如含有不锈钢的面向制程的第一层以及含有铝和硅的第二层，可有利地将该第一层材料的化学抗性与在制程中保持低温的能力结合起来，从而可在某些制程(例如，CVD制程)中降低制程套组屏蔽件上的材料沉积速度。在一些实施例中，制程套组屏蔽件在制程过程中到达的温度可介于约100℃到约200℃之间。
此外，第一层202和第二层204的CTE相匹配有利于维持第一层202和第二层204之间牢固的结合。通过使第一层202的CTE与第二层204的CTE相匹配，可使两层的接合界面处的应力不会过高到足以破坏该结合。适当结合的第一层202和第二层204也将会防止虚漏(virtual leak)，并且可为目前的固体铝屏蔽件提供制程透明性。举例而言，第一层202耦合或结合到第二层204，因而整体地形成制程套组屏蔽件110的壁。第一层202和第二层204可以以在两层之间形成整体结合的任何适当的方式形成或结合在一起，例如通过提供能被压合在一起的圆筒状(cylindrical)材料、将材料(面向制程的第一材料或第二材料)喷涂在另一个材料的表面上、将材料(面向制程的第一材料或第二材料)的粉末以磁力成形(magneforming)的方式形成在另一个材料的表面上等。
为了帮助保持第一层202和第二层204之间的牢固结合以承受制程条件(例如，高温)，可选择第一材料和第二材料使其具有相似的CTE。在一些实施例中，第一材料与第二材料之间的CTE的差异小于约10％。在一些实施例中，第一材料与第二材料之间的CTE的差异小于约3ppm/摄氏度。举例而言，在一些实施例中，第一材料可以是具有约14到16的CTE的不锈钢，并且第二材料可以是通过控制硅含量而也具有约14到16的CTE的铝硅合金。
除了基于上述理由选择第一材料和第二材料之外，也可以选择第一材料和/或第二材料来提供其它优点，例如可传递、减弱或屏蔽来自处理容积103内的磁场的能力、提供传导和/或非传导特性等。此外，虽然图2中示出的制程套组屏蔽件具有两个层，但是在各层的CTE都几乎相匹配的状态下，制程套组屏蔽件110可包含两个以上的层。例如，可使用具有两个以上的层的屏蔽件，以提供热传导性、磁屏蔽性、导电性、相邻层之间具有低CTE的失配和/或化学抗性，其中每一层提供至少一部分的期望拥有的特性，使得该制程套组屏蔽件整体提供全部期望拥有的特性。
返回图1，制程气体供应器114将制程气体(例如，氩气)供应到制程腔室102，制程气体供应器114包含制程气体源116和第一质量流量控制器120。如果将要执行反应溅射以溅射沉积氮化金属层(例如TaN)，可提供包含氮气源122和第二质量流量控制器126的第二气体供应器118。所示出的制程腔室102在腔室102的顶部附近接收氩气和氮气，但也可构造为在其它位置(例如在制程腔室102的底部附近)接收这些气体。提供泵124来将制程腔室102抽空到执行溅射制程的压力；并且射频(RF)功率源130通过耦合电容器132连接到基座108(例如，用以在溅射过程中对衬底106加偏压)。
为了促进有效溅射，磁控管134以可旋转的方式安装在靶材104上方以塑造等离子体的形状。磁控管134可以是任何能产生深入延伸到腔室102中(例如朝向基座108)的非对称性磁场的磁控管形式，以提高等离子体的离子化密度，如美国专利No.6,183,614中所公开的。通过引用的方式将美国专利No.6,183,614全文结合在这里以供参考。在一些实施例中，当采用这种非对称性磁场时，例如在等离子体主体区域中的离子化金属密度可达1010到1011金属离子/立方厘米(metal ions/cm3)。在这种系统中，已离子化的金属原子会顺着延伸到腔室102中的磁场线移动，因此会以更高的方向性和效率来涂覆衬底106。磁控管134例如可以以60到100rpm的转速旋转。在其它实施例中，可使用固定式磁环来代替旋转磁控管134。
提供控制器128来控制腔室102的运作。控制器128主要包括中央处理单元(CPU)、内存和支持电路(未显示)。控制器128耦合到腔室102的控制模块和多个设备。在操作时，控制器128直接控制多个模块以及设备100的运作，或者控制与这些模块和设备相关的管理计算机(和/或控制器)。可操作地连接控制器128以控制DC电源112、第一质量流量控制器120、第二质量流量控制器126、泵124以及RF功率供应器130。同样地，可耦合控制器128以控制基座108的位置和/或温度。例如，控制器128可以控制基座108与靶材104之间的距离，以及控制基座108的加热和/或冷却。控制器128例如可以指挥制程腔室，以在该制程腔室中执行以下将参照图3所述的衬底处理方法。
图3示出了根据本发明一些实施例的衬底处理方法的流程图。以下参照图1和图2的设备100和制程套组屏蔽件110来说明方法300。
方法300开始于步骤302，在步骤302处提供具有制程套组屏蔽件110的制程腔室102。制程套组屏蔽件110可如上述地将制程腔室102的处理容积103与非处理容积105分隔开来。
在步骤304处，在制程腔室102的处理容积103中处理衬底106。例如，在示例性PVD制程中，处理制程可以开始于从制程气体供应器114将氩气引导进入处理容积103中，并且由DC电源112提供功率以点燃氩气以形成等离子体。等离子体中产生的正电氩气离子会被带负电荷的靶材104所吸引，而以足以造成靶材原子从靶材104中溅射出来的能量来撞击靶材104。所溅射出的部分原子撞击衬底106并且沉积在衬底上，因而在衬底106上形成由靶材材料构成的薄膜。
在衬底106的处理过程中，处理容积103内的溅射出的或离子化的靶材原子和其它制程副产物可能沉积在制程套组屏蔽件110的第一层202面向处理容积103的表面上。在处理过程中，所沉积的材料可以在第一层202的表面上形成足以引起剥落并污染衬底106的厚度。在一些实施例中，为了延长清洗间隔的平均时间以及进一步减少衬底的污染，第一层202的面向制程的表面可以具有纹理并且能够保留住直径大于约0.016微米的颗粒。该纹理化的表面可以有助于使沉积在第一层202的表面上的材料更均匀地分布和/或促进材料保留在该表面上。
在步骤306，在材料沉积在第一层202的表面上之后，制程套组屏蔽件110达到足够厚度，在该制程套组屏蔽件110继续用于制程腔室内之前，可能需要先清洁制程套组屏蔽件110以移除所沉积的材料。通过提供根据本发明的制程套组屏蔽件110，可以增加清洁制程的次数，例如清洁循环次数可从传统制程套组屏蔽件的约四次，提高到本发明制程套组屏蔽件的约20次。能够承受更多次清洁循环的能力有利地延长了本发明制程套组屏蔽件的使用寿命。
例如，图4示出了用于根据本发明实施例的制程套组屏蔽件110的示意性清洁方法400的流程图。以下参照图1和图2的设备100和制程套组屏蔽件110来说明该方法400。根据制程腔室是否具有供应用于清洁的适当气体的能力，可于原位(in-situ)上或离位(ex-situ)执行该清洁制程。例如，可在使用反应性离子蚀刻(RIE)或由化学清洁剂(例如臭氧(O3)或氧气(O2)等)形成适当等离子体的制程腔室中执行原位清洁制程，以清洁腔室和/或腔室部件。可在任何需要清洁的时候执行这种清洁制程。
在步骤402，提供在第一层202的表面上布置有污染物的制程套组屏蔽件110。污染物可以包括如上述的靶材原子或副产物材料中的至少一者。
在步骤404，将制程套组屏蔽件110暴露于化学清洁剂。在一些实施例中，仅使得第一层202暴露于化学清洁剂下，由此避免第二层204暴露。在一些实施例中，可使整个制程套组屏蔽件110暴露于化学清洁剂中。化学清洁剂可以包括下列至少一种：氢氟酸(HF)、硝酸(HNO3)、过氧化氢(H2O2)、铵(NH4)、氢氧化钾(KOH)或可移除上述污染物的其它腐蚀性化学品。
对于原位清洁(即，在该制程腔室中执行的清洁)，可将化学清洁剂以气态形式导入，并且使其接触制程套组屏蔽件110的第一层202。通过排气口或其它可从制程腔室中移除气体的方式来排出残余的化学清洁剂以及通过化学清洁剂与污染物的反应而生成的副产物。
当采用离位(ex-situ)清洁时，从制程腔室102中移除制程套组屏蔽件110，并且可以用其中第一层202暴露于化学清洁剂中的多种适当方法中的任意方法来清洁制程套组屏蔽件110，因而从第一层202表面移除污染物。例如，制程套组屏蔽件110可以被浸没在容纳有化学清洁剂的浴槽中，或是可以暴露到手动或自动喷洒的化学清洁剂下。在一些实施例中，可使用化学清洁剂润湿要被清洁的表面，并且使用布和/或刮擦垫(scrubbing pad)等物来擦拭或刮洗该表面。预期到也可使用其它适当的离位清洁方法来去除在第一层202表面上所沉积的污染物。
因此，本文中提供用于制程套组屏蔽件的方法及设备。相比于传统的制程套组屏蔽件而言，本发明的制程套组屏蔽件可以有利地具有较长使用寿命，同时还提供卓越的热传导性质和重量上的优势。本发明的制程套组屏蔽件可由能提供期望重量、热性质和化学清洁处理抗性的数种材料组合构造而成。
虽然上述内容设计本发明的多个实施例，但在不偏离本发明基本范围的情况下，当可做出本发明的其它或进一步实施例，其中本发明的范围由权利要求所决定。
Claims (14)
1.一种制程套组屏蔽件，包含：
主体，所述主体具有壁，所述壁包含第一层和与所述第一层结合的第二层，其中，所述第一层包含第一材料，所述第一材料能抵抗用来移除在制程过程中沉积在所述第一层上的材料的化学清洁剂，并且其中，所述第二层包含第二材料，所述第二材料与所述第一材料不相同并且所述第二材料具有与所述第一材料基本相似的热膨胀系数，其中，所述第二材料包含铝和硅的复合材料，并且，通过控制所述第二材料的硅含量来调节热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的制程套组屏蔽件，其中，所述第一材料和所述第二材料的热膨胀系数之间的差异小于或等于10%。
3.根据权利要求1或2中任意一项所述的制程套组屏蔽件，其中，所述第二层是喷涂形成在所述第一层上的。
4.根据权利要求1到2中任意一项所述的制程套组屏蔽件，其中，所述主体是环状。
5.根据权利要求1到2中任意一项所述的制程套组屏蔽件，其中，所述第一材料包含不锈钢、镍、钽或钛中的至少一者。
6.根据权利要求1到2中任意一项所述的制程套组屏蔽件，其中，所述第一层包含面向制程的纹理化的表面，所述纹理化的表面能保留住直径大于0.016微米的颗粒。
7.一种衬底处理设备，包括：
制程腔室，其具有处理容积和非处理容积；以及
制程套组屏蔽件，其设置在所述腔室内并且将所述处理容积与所述非处理容积分隔开，所述制程套组屏蔽件如权利要求1-6中任何一项所述，其中，所述第一层面向所述处理容积并且所述第二层面向所述非处理容积。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述制程套组屏蔽件环绕在衬底支撑基座的周围，所述衬底支撑基座设置在所述制程腔室中并且位于所述处理容积下方。
9.一种处理衬底的方法，包括：
提供制程腔室，其具有处理容积和非处理容积以及具有如权利要求1-6中任何一项所述的制程套组屏蔽件，所述制程套组屏蔽件设置在所述制程腔室内并且将所述处理容积和所述非处理容积分隔开，其中，所述第一层面向所述处理容积并且所述第二层面向所述非处理容积；
将衬底放置在所述制程腔室中；
在所述处理容积中形成等离子体；以及
使所述衬底暴露到所述等离子体。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一材料与所述第二材料的热膨胀系数之间的差异小于或等于10%。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一层还包含纹理化表面，所述纹理化表面能保留住直径大于0.016微米的颗粒。
12.一种清洁制程套组屏蔽件的方法，包括：
提供如权利要求1-7中任何一项所述的制程套组屏蔽件，其中，所述第一层具有布置在其上的污染物；以及
使所述第一层暴露到所述化学清洁剂中，以移除所述污染物。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述化学清洁剂包含氢氟酸（HF）、硝酸（HNO3）、过氧化氢（H2O2）、铵（NH4）或氢氧化钾（KOH）中的至少一者。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，只有所述第一层暴露到所述化学清洁剂中。
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