CN103866286A

CN103866286A - 用于半导体基片反应室内部的部件及制造方法

Info

Publication number: CN103866286A
Application number: CN201210553611.XA
Authority: CN
Inventors: 张力; 贺小明; 浦远; 倪图强
Original assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Shanghai
Current assignee: Medium and Micro Semiconductor Equipment (Shanghai) Co., Ltd.
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: CN103866286B

Abstract

本发明公开了一种半导体基片反应室内部的部件及其制造方法，在铝或铝合金部件主体表面进行微弧氧化技术替代传统的阳极氧化技术，形成的微弧氧化涂层既可以直接作为铝或铝合金部件主体表面的防护层，与等离子体接触；也可以作为夹层，在其外表面再涂覆氧化钇涂层。所述微弧氧化涂层为刚玉结构，涂层致密度为98%，厚度在50um到300um之间连续可控，粗糙度Ra最小可达0.4um。良好的结构和组织稳定性，使得微弧氧化涂层成为替代阳极氧化层的理想方案。

Description

用于半导体基片反应室内部的部件及制造方法

技术领域

本发明涉及半导体基片反应室，特别地，涉及一种用于半导体基片反应室的多个部件的涂层，其增强了部件在活性等离子体组分中的抗侵蚀特性。

背景技术

在半导体基片反应室中，如等离子体反应室或化学气相沉积反应室中气体喷淋头常被用于注入反应气体至反应腔。在特定的半导体基片反应室中，例如电容耦合型等离子体处理腔室（capacitively-coupled plasma chambers），气体喷淋头也可执行电极的功能，然而，在制程中，前述气体喷淋头曝露于等离子体中并被等离子体中的活性成份侵蚀，例如卤素等离子体CF4、Cl2等。这种现象对于易与卤素气体反应且反应物为气体的硅系材料，如通过化学气相沉积形成的的碳化硅涂层（CVD SiC）的气体喷淋头来说尤其麻烦。

另一曝露于等离子体中的腔室部件是夹盘，例如静电夹盘。静电夹盘通常用于充当射频功率的下电极和基片支撑座。由于静电夹盘在腔室中曝露于等离子体中，静电夹盘在制程中会受到等离子体侵蚀和基片磨损。因此，静电夹盘的表面必须坚硬和稳定才能在等离子体刻蚀制程中抵挡侵蚀和损耗。然而，现有的静电夹盘通常由固体陶瓷制成，例如Al2O3或AlN，其可被等离子体侵蚀，并在制程中造成污染。其它在腔室中接触等离子体的部件，例如，聚焦环，等离子体约束环，反应腔内衬等，特别地，由阳极化的铝制成的部件，极易受到等离子体的侵蚀。

在现有技术中，为了保护气体喷淋头和静电夹盘等部件不被等离子体侵蚀，各种各样的涂层已经被提出并进行验证。氧化钇（Y2O3）涂层被认为是有希望的；然而由于涂层工艺的限制，部件表面无法全部覆盖抗刻蚀涂层，暴露的金属区域极易受到腐蚀，另外，随着抗刻蚀涂层的消耗，基体金属也有暴露的可能性，同时，由于基体金属和最外层陶瓷(如氧化钇)的热膨胀系数不同和表面结合力不高，直接涂覆会有涂层剥落之虞。因此需要在金属基体与抗刻蚀涂层之间存在打底层，起到过渡和缓冲的作用，用来增加抗刻蚀方案的安全性。通常在铝基体表面制备阳极氧化层，再制备抗刻蚀涂层。

然而，传统的阳极氧化层，氧化深度不超过150um；氧化铝为非晶结构(吸潮，溶于酸和碱)；涂层致密度不高于85%，呈多孔组织(比表面自由能高，易吸附)。结构的不稳定性和组织的高吸附性，使阳极氧化层一旦暴露在等离子体刻蚀作用下，会对部件造成严重损伤，同时对制程的稳定性会带来不良影响，等离子体腐蚀部件表面产生的颗粒污染物等也有可能会导致制程基片的污染。并且，等离子体喷涂Y2O3涂层通常沉积于铝合金部件上，其表面事先被阳极化处理。由于等离子体喷涂Y2O3涂层对阳极化表面的粘附力很弱，阳极化处理层必须在等离子体喷涂Y2O3之前从部件上移除，其增加了生产成本。即，在现有技术中，通常先阳极化处理然后密封阳极化处理的腔室部件。然后，部件上那些将会被曝露于等离子体的区域上的阳极化处理层将被移除。而曝露于等离子体的区域则被等离子体喷涂的Y2O3(PS Y2O3)涂覆，以避免氧化钇和铝之间的粘附问题。另一缺陷在于，由于Y2O3涂层和铝合金的热膨胀系数差别很大，厚的等离子体喷涂Y2O3涂层具有较弱的结构稳定性，当使用温度升高时，其容易破裂。

鉴于上文所述的现有技术的缺陷，业内需要一种能够抗等离子体轰击并不产生颗粒污染或裂缝的涂层。该涂层应具有可接受的粗糙度和孔隙大小，使得其具有长的使用寿命。制造该涂层的制程应当允许制造厚涂层，并且不会出现破裂或分层剥离。

发明内容

以下发明内容是为了提供本发明的一些方面和特征的基本理解。发明内容并不是本发明的广泛综述，因此其并不是为了具体地确定本发明的关键或主要要素，也并不是为了说明本发明的范围。其唯一目的是为了以简化形式介绍本发明的一些概念，作为下文中详细描述的前序。

为了解决上述问题，本发明提供一种用于半导体基片反应室内部的部件，所述部件包括：用于半导体基片反应室内部的部件主体；以及形成于所述部件主体表面的微弧氧化涂层。所述部件主体材质为阀金属或其合金，所述阀金属可以为钛、锌、镁、铌、锆、铪、钽等。所述微弧氧化涂层外表面的粗糙度为0.4um<Ra<12um；所述微弧氧化涂层的厚度大于50um，在50um-300um范围内连续可控，所述微弧氧化涂层可以直接作为铝或铝合金的防护层和等离子体接触，对抗等离子体及其他腐蚀性物质。

由于微弧氧化涂层的厚度有限，为了更好的保护铝或铝合金部件主体，本发明所述的部件还包括形成于所述微弧氧化涂层表面的氧化钇涂层。所述氧化钇涂层具有的表面粗糙度为1um<Ra<8um，其孔隙度小于1%，并且为多层材料层结构。

进一步的，本发明所述部件包括一涂覆了氧化钇涂层的气体喷淋头，其中，所述氧化钇涂层具有表面粗糙度1um<Ra<8um，其孔隙度小于1%，并且具有多层材料层结构。

进一步的，所述部件包括一等离子体处理室的反应腔侧壁，所述侧壁包括铝或铝合金部件主体；以及形成于所述铝或铝合金部件主体表面的微弧氧化涂层，所述微弧氧化涂层外表面的粗糙度为0.4um<Ra<4um。

本发明还公开了一种制造用于等离子体处理腔室的部件的方法，所述方法包括如下步骤：制造一由铝或铝合金制成的部件；在所述部件表面微弧氧化一层微弧氧化涂层。

进一步的，所述方法还包括在微弧氧化涂层表面等离子喷涂一层氧化钇涂层，所述氧化钇涂层具有的表面粗糙度为1um<Ra<8um，其孔隙度小于1%，并且为多层材料层结构。

进一步的，所述方法还包括在微弧氧化涂层表面物理气相沉积一层氧化钇，所述氧化钇涂层具有的表面粗糙度为1um<Ra<8um，其孔隙度小于1%，并且为多层材料层结构。

进一步的，在所述部件表面微弧氧化一层微弧氧化涂层的过程在一微弧氧化槽内进行，所述微弧氧化槽内的槽液为弱碱性水溶液。

本发明的优点在于：本发明采用在阀金属或其合金部件主体表面进行微弧氧化技术替代传统的阳极氧化技术，形成的微弧氧化涂层既可以直接作为阀金属或其合金部件主体表面的防护层，又可以作为夹层，在其外表面涂覆氧化钇涂层。所述微弧氧化涂层为刚玉结构，涂层致密度为98%，厚度在50um到300um之间连续可控，粗糙度Ra最小可达0.4um。良好的结构和组织稳定性，使得微弧氧化涂层称为替代阳极氧化层的理想方案。

附图说明

附图是为了解释并图示本发明的原则，其组成了说明书的一部分，例证了本发明的具体实施例以及描述。附图是为了以图示的方式说明典型具体实施例的主要特征。附图并不是为了描述具体实施例的每个特征，也并不是按照比例示出了其示出元件的相对尺寸。

图1是根据本发明的一个具体实施例的工艺流程图；

图2A示出了用于等离子体处理腔室的传统的气体喷淋头和电极组件；

图2B示出一气体喷淋头具有大致上和图2A一样的结构，除了其包括根据本发明一个具体实施例的微弧氧化涂层；

图2C示出了另一具体实施例，其中气体喷淋头具有一片式气体分布盘；

图3示出了根据本发明的一个具体实施例的等离子体处理室。

具体实施方式

下文将结合附图对本发明的具体实施例进行描述，提供用于等离子体处理腔室内部的部件及其制造方法，其能改善涂层的抗腐蚀和颗粒污染性能。

目前常用的保护半导体基片反应室内部部件表面的技术是，在金属部件表面进行阳极化处理，阳极化处理是一种电解钝化制程，用于提高在金属部件表面上的自然氧化层厚度。阳极膜最常用于保护铝合金，其也用于钛、锌、镁、铌、锆、铪、钽等阀金属。阳极化处理会改变表面的微观结构以及临近表面的金属的晶体结构。然而，传统的阳极氧化层，氧化深度不超过100um；氧化铝为非晶结构(吸潮，溶于酸和碱)；涂层致密度不高于85％，呈多孔组织(比表面自由能高，易吸附)。结构的不稳定性和组织的高吸附性，使阳极氧化层一旦暴露在等离子体刻蚀作用下，会对部件造成严重损伤，同时对制程的稳定性会带来不良影响，等离子体腐蚀部件表面产生的颗粒污染物等也有可能会导致制程基片的污染。

本发明提供的半导体基片反应室内部部件表面采用微弧氧化技术制作一层微弧氧化涂层，所述的微弧氧化涂层氧化深度可达200um-300um，为刚玉结构，致密度可达98%，具有良好的结构和组织稳定性。

金属微弧氧化技术是在普通阳极氧化技术的基础上，通过升高外加电压等措施发展起来的。普通阳极氧化技术外加的电压比较低，一般低于30伏，随着外加电压的升高，铝合金表面上已经生成的阳极氧化膜会被击穿，产生孔洞或氧化膜局部脱落，因此对已经生成的阳极氧化膜来说，外加电压的升高可能破坏阳极氧化膜的完整性，所以普通阳极氧化严格限制外加电压的升高。科学研究发现，继续升高电压会生成新的微弧氧化膜，这层氧化膜是在高电压下产生的，高温高压条件下会发生相和结构的变化，使原来无定形结构的氧化膜产生γ-Al2O3相或α-Al2O3相等结晶相，因此，微弧氧化膜的硬度和耐磨性都得到明显提高，其耐腐蚀性和电绝缘性也随之有较大的提高。

图1示出了根据本发明一个具体实施例的制程。在本具体实施例中，制造一等离子体处理腔室部件。在步骤100中，制作铝或铝合金部件主体。在步骤110中，在铝或铝合金部件主体表面制作微弧氧化涂层，所述的微弧氧化涂层在一微弧氧化槽内制作完成，所述的微弧氧化槽槽液使用弱碱性水溶液，其电压在200伏到600伏之间，电流2-8A/dm²，并要求有良好的搅拌和冷却效果。在步骤120中，完成微弧氧化的部件表面被涂覆涂层。例如，可利用等离子体喷涂氧化钇粉末涂覆涂层。其它用于形成涂层的方法也包括在内，例如PVD,CVD和PECVD。在步骤120中，涂覆了涂层的微弧氧化涂层部件表面被掩膜（masked）或者保护起来(protected)，以便更好的提高等离子体处理腔室部件的耐腐蚀性，延长等离子体处理腔室部件的使用寿命。由于微弧氧化涂层具有良好的耐腐蚀性和耐磨性，其也可以直接作为与等离子体接触的抗腐蚀涂层，即步骤120是为了更好的实现本发明的目的，其并非必须。

采用微弧氧化技术在铝或铝合金部件表面形成的微弧氧化涂层的粗糙度可达0.4um，大大优于采用阳极氧化处理的氧化层粗糙度。所述微弧氧化涂层较好的粗糙度范围为0.4um<Ra<12um，厚度范围为50um-300um。

本实施例所述的步骤120中，微弧氧化涂层表面涂覆的氧化钇涂层具有的表面粗糙度为1um<Ra<8um，其孔隙度小于1%，并且为多层材料层结构。

图2A示出了现有技术的用于等离子处理腔室的气体喷淋头和电极组件。导电板（conductive plate）205位于背板（back plate）210和多孔板（perforatedplate）215之间，导电板205有时候可以转化为控制气体喷淋头温度的加热器，导电环220围绕多孔板215设置，并可以充当辅助电极。支撑件225（有时也称为接地环）也位于导电环220和背板210之间。多孔板215实际上充当了气体分布板（gas distribution plate，GDP），其可以被组装于传导板205的下表面。导电环220可以被组装于支撑件225的下表面。气体喷淋头以一种常见的方式附设于等离子处理腔室的顶部上。

图2B示出了一和图2A大体上相同的气体喷淋头，不同之处在于：其包括了根据本发明一个具体实施例的微弧氧化涂层和氧化钇涂层。在图2B中，微弧氧化涂层和氧化钇涂层235设置于多孔板和传导环220的下表面上，即，在基片制程中面对等离子体的表面。在本实施例中，多孔板和传导环按照标准流程利用铝或铝合金制造。多孔板和传导环被放入微弧氧化槽内进行微弧氧化处理，在其下表面涂覆一层微弧氧化涂层，所述微弧氧化涂层外表面的粗糙度为0.4um<Ra<12um；所述微弧氧化涂层的厚度大于50um，在50um-300um范围内连续可控；然后，多孔板和传导环一并或者单独地被插入物理气相沉积反应腔室中，在微弧氧化涂层外表面物理气相沉积一层氧化钇涂层，所述氧化钇涂层具有的表面粗糙度为Ra>1.0um，其孔隙度小于1%。

图2C示出了较图2B具有改良结构的气体喷淋头，其具有根据本发明一个具体实施例。在图2C中，多孔板215、传导环220和支持环225在前述实施例中被集成为一体成型（一片式）的盘或在本实施例中的气体分布盘（gasdistribution plate，GDP）215。与附图2A所示的现有技术极不同的是，一体成型的多孔板215可由金属制成，例如，铝或铝合金，和保护多孔板表面的微弧氧化涂层和氧化钇涂层235，即，在等离子体和/或刻蚀制程中面对等离子体的表面。与现有技术相比，用微弧氧化涂层和氧化钇涂层235涂覆在多孔板215上形成的气体喷淋头，简化了气体喷淋头的装配和制造过程，增强了气体喷淋头的的抗腐蚀性能，提高了使用寿命。

本发明所述的等离子体处理腔室内部的部件还包括围成等离子体刻蚀腔的腔体侧壁300，如图3所示，在刻蚀过程中，反应腔体内部侧壁300会直接与等离子体进行接触，增加反应腔体的耐腐蚀性可以提高反应制程的稳定性。本发明所述的等离子体刻蚀腔的腔体侧壁主体为为铝或铝合金，其还包括微弧氧化涂层335，微弧氧化涂层335的粗糙度范围为0.4um<Ra<12um，厚度范围为30um-300um。特别的，微弧氧化涂层表面还包括一层氧化钇涂层，所述氧化钇涂层具有的表面粗糙度为Ra>1.0um，其孔隙度小于1%。

需要说明的是，本文中提及的制程和技术并不是固有地与任何特定地装置有关，其可以用任何合适的部件组合而得到。进一步地，根据本专利的教示和描述，多种类型的通用装置可以被使用。本发明根据特定例子进行了描述，其只是为了从各方面说明本发明而并不是限制本发明。本领域技术人员应当理解，许多不同的组合适合于实施本发明。

并且，对于熟悉本领域的技术人员而言，根据本专利所公开的说明书和操作，实施本发明的其它的实施方式将是显而易见的。上文中具体实施例的不同方面和/或部件可以单一或者组合地应用。需要说明的是，上文所述具体实施例和方式都应仅考虑为例证性的，本发明的真正范围和精神都应以权利要求书为准。

Claims

1.一种用于半导体基片反应室内部的部件，其特征在于，包括：

用于半导体基片反应室内部的部件主体；以及形成于所述部件主体表面的微弧氧化涂层。

2.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述部件还包括形成于所述微弧氧化涂层表面的氧化钇涂层。

3.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述部件主体材质为阀金属或其合金，所述阀金属包括钛、锌、镁、铌、锆、铪、钽。

4.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述微弧氧化涂层表面的粗糙度为0.4um<Ra<12um。

5.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述微弧氧化涂层的厚度大于50um，在50um-300um范围内连续可控。

6.根据权利要求2所述的部件，其特征在于，所述氧化钇涂层具有的表面粗糙度为1um<Ra<8um，其孔隙度小于1%。

7.根据权利要求2所述的部件，其特征在于，所述部件包括一涂覆了氧化钇涂层的气体喷淋头，其中，所述氧化钇涂层具有表面粗糙度为1um<Ra<8um，其孔隙度小于1%。

8.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述部件包括一等离子体处理室的反应腔侧壁，所述侧壁包括铝或铝合金部件主体；以及形成于所述铝或铝合金部件主体表面的微弧氧化涂层，所述微弧氧化涂层外表面的粗糙度为0.4um<Ra<4um。

9.一种制造用于半导体基片反应室的部件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

制造一反应室部件主体；

在所述部件主体表面微弧氧化一层微弧氧化涂层。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在微弧氧化涂层表面等离子喷涂一层氧化钇涂层，所述氧化钇涂层具有的表面粗糙度为1um<Ra<8um，其孔隙度小于1%。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在微弧氧化涂层表面物理气相沉积一层氧化钇，所述氧化钇涂层具有的表面粗糙度为1um<Ra<8um，其孔隙度小于1%。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述部件表面微弧氧化一层微弧氧化涂层的过程在一微弧氧化槽内进行，所述微弧氧化槽内的槽液为弱碱性水溶液。