CN108554746A - 一种半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法 - Google Patents

一种半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法，结合YF3和氧化钇材料各自的优缺点，使用等离子溶射在部件基体上制备一层氧化钇过渡层，然后在氧化钇过渡层上使用等离子溶射制备一层YF3耐腐蚀工作层。实现溶射层整体结合力达到8MPa以上，同时具有优异的耐高功率F系和Cl系等离子气体冲蚀性能，达到栅极特征线宽28nm以下制程工艺对刻蚀腔体使用寿命及particle的要求。

Description

一种半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路，洗净再生工艺，精密设备维护，具体涉及一种半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法。
背景技术
目前，随着半导体集成电路行业的快速发展，相应的特征栅极线宽已经到3nm级别。刻蚀工艺是半导体集成电路图形化的关键工艺，随着特征栅极线宽越来越窄以及晶圆尺寸增大，刻蚀设备的功率越来越高，腐蚀气氛越来越恶劣，在刻蚀腔体内部高功率的F系或Cl系等离子气体的冲蚀下，腔体部件寿命严重降低。尤其在特征栅极线宽发展到28nm以下后，腔体部件表面的氧化钇涂层已经无法满足使用要求，使用寿命大大降低，腔体内部particle(颗粒)问题严重。
与氧化钇相比，YF3(氟化钇)具有更加优异的耐高功率F系和Cl系等离子气体冲蚀性能，但是YF3材料本身脆性大、热膨胀系数低，在部件基体材料上使用等离子溶射制备YF3溶射层时，溶射层极易产生剥落。而氧化钇材料与基体材料具有优异的粘附力(高达10MPa以上)，另外氧化钇与YF3热膨胀系数相近，能有效减少YF3因热冲击造成的剥落。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法，结合YF3和氧化钇材料各自的优缺点，使用等离子溶射在部件基体上制备一层氧化钇过渡层，然后在氧化钇过渡层上使用等离子溶射制备一层YF3耐腐蚀工作层。实现溶射层整体结合力达到8MPa以上，同时具有优异的耐高功率F系和Cl系等离子气体冲蚀性能，达到栅极特征线宽28nm以下制程工艺对刻蚀腔体使用寿命及particle的要求。
本发明的技术方案是：一种半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法，具体步骤如下：
步骤一、部件预处理；
步骤二、水洗干燥；
步骤三、选取氧化钇及YF3陶瓷粉末：氧化钇及YF3粉末粒度分布在10～90μm范围，纯度大于99.99％；
步骤四、氧化钇过渡层溶射：使用六轴机械手操作等离子溶射喷枪对部件进行溶射作业，保证溶射层厚度和性能均匀性，溶射时使用氮气或氩气冷却部件，控制部件表面温度低于80℃；溶射工艺参数：电流500～600A，电压55V～65V，主气流量35～50L/Min，次气流量4～10L/Min，送粉量20～60g/min，溶射距离100～150mm；
步骤五、YF3工作层溶射：使用六轴机械手操作等离子溶射喷枪对部件进行溶射作业，保证溶射层厚度和性能均匀性，溶射时使用氮气或氩气冷却部件，控制部件表面温度低于80℃；溶射工艺参数：电流450～550A，电压50V～60V，主气流量40～60L/Min，次气流量4～10L/Min，送粉量30～80g/min，溶射距离100～150mm；
步骤六、水洗干燥。
进一步的，步骤七、在1000级以上净空房中，对部件进行超声波清洗5～30min、100℃干燥2h以上并真空包装。
进一步的，步骤一中部件预处理：使用60#白刚玉砂材喷砂，喷砂压力2～6kg/cm2，喷砂后部件表面粗糙度均匀，粗糙度Ra在3～8μm范围内。
进一步的，步骤二中水洗干燥：对步骤一中喷砂后的部件先后使用高压水洗和超声波清洗进行清洗。
进一步的，步骤二中所述高压水洗使用的去离子水电阻率大于3MΩ·cm，压力为50～100bar。
进一步的，步骤二中所述超声波清洗工艺使用的去离子水电阻率大于4MΩ·cm，超声波强度6～12W/inch2。
进一步的，步骤二中清洗后使用高纯氮气或CDA吹扫，吹干后放入100℃烘箱干燥1～3h。
进一步的，步骤六中水洗干燥：对溶射后的部件进行高压水洗和超声波清洗，去除表面可能粘附的微粒，并进行100℃预干燥处理0.5h。
本发明的有益效果是：提供半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法，结合YF3和氧化钇材料各自的优缺点，使用等离子溶射在部件基体上制备一层氧化钇过渡层，然后在氧化钇过渡层上使用等离子溶射制备一层YF3耐腐蚀工作层。氧化钇过渡层纯度大于99.95％，厚度在50～150μm范围内，厚度偏差小于±5％，溶射层孔隙率为2～5％。YF3工作层纯度大于99.95％，厚度在75～200μm范围内，厚度偏差小于±5％，溶射层孔隙率为2～4％。该梯度溶射层整体结合力大于8MPa，等离子功率为800W时刻蚀速率低于50nm/min，是单一氧化钇溶射层的2～4倍，表面particle满足：particle≥0.3μm小于0.5颗/cm2，满足28nm以下制程对刻蚀腔体使用寿命及Particle的要求。
附图说明
图1为溶射层表面形貌；
图2为梯度等离子溶射层结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明涉及一种半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法，该梯度涂层具有优异的耐高功率F系和Cl系等离子气体冲蚀性能，提高了刻蚀腔体使用寿命，同时减少腔体内particle问题，满足栅极线宽28nm以下制程工艺要求。
1、部件预处理：使用60#白刚玉砂材喷砂，喷砂压力2～6kg/cm2，喷砂后部件表面粗糙度均匀，粗糙度Ra在3～8μm范围内。
2、水洗干燥：对喷砂后的部件先后使用高压水洗和超声波清洗进行清洗。高压水洗使用的去离子水电阻率大于3MΩ·cm，压力为50～100bar；超声波清洗工艺使用的去离子水电阻率大于4MΩ·cm，超声波强度6～12W/inch2。清洗后使用高纯氮气或CDA吹扫，吹干后放入100℃烘箱干燥1～3h。
3、陶瓷粉末：适用于此方案的氧化钇及YF3粉末粒度分布在10～90μm范围，纯度大于99.99％。
4、氧化钇过渡层溶射：使用六轴机械手操作等离子溶射喷枪对部件进行溶射作业，保证溶射层厚度和性能均匀性，溶射时使用氮气或氩气冷却部件，保证部件表面温度低于80℃。溶射工艺参数：电流500～600A，电压55V～65V，主气流量35～50L/Min，次气流量4～10L/Min，送粉量20～60g/min，溶射距离100～150mm。
5、YF3工作层溶射：使用六轴机械手操作等离子溶射喷枪对部件进行溶射作业，保证溶射层厚度和性能均匀性，溶射时使用氮气或氩气冷却部件，保证部件表面温度低于80℃。溶射工艺参数：电流450～550A，电压50V～60V，主气流量40～60L/Min，次气流量4～10L/Min，送粉量30～80g/min，溶射距离100～150mm。
6、水洗干燥：对溶射后的部件进行高压水洗和超声波清洗，去除表面可能粘附的微粒，并进行100℃预干燥处理0.5h。
7、在1000级以上净空房中，对部件进行超声波清洗5～30min、100℃干燥2h以上并真空包装。
上述方案制备的溶射层具有以下特征：溶射层表面形貌如图1所示，梯度等离子溶射层结构示意图如图2所示，氧化钇过渡层纯度大于99.95％，厚度在50～150μm范围内，厚度偏差小于±5％，溶射层孔隙率为2～5％。YF3工作层纯度大于99.95％，厚度在75～200μm范围内，厚度偏差小于±5％，溶射层孔隙率为2～4％。该梯度溶射层整体结合力大于8MPa，等离子功率为800W时刻蚀速率低于50nm/min，是单一氧化钇溶射层的2～4倍，表面particle满足：particle≥0.3μm小于0.5颗/cm2，满足28nm以下制程对刻蚀腔体使用寿命及Particle的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、部件预处理；
步骤二、水洗干燥；
步骤三、选取氧化钇及YF3陶瓷粉末：氧化钇及YF3粉末粒度分布在10～90μm范围，纯度大于99.99％；
步骤四、氧化钇过渡层溶射：使用六轴机械手操作等离子溶射喷枪对部件进行溶射作业，溶射时使用氮气或氩气冷却部件，控制部件表面温度低于80℃；溶射工艺参数：电流500～600A，电压55V～65V，主气流量35～50L/Min，次气流量4～10L/Min，送粉量20～60g/min，溶射距离100～150mm；
步骤五、YF3工作层溶射：使用六轴机械手操作等离子溶射喷枪对部件进行溶射作业，溶射时使用氮气或氩气冷却部件，控制部件表面温度低于80℃；溶射工艺参数：电流450～550A，电压50V～60V，主气流量40～60L/Min，次气流量4～10L/Min，送粉量30～80g/min，溶射距离100～150mm；
步骤六、水洗干燥。
2.根据权利要求1所述的一种半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法，其特征在于，步骤七、在1000级以上净空房中，对部件进行超声波清洗5～30min、100℃干燥2h以上并真空包装。
3.根据权利要求1所述的一种半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法，其特征在于，步骤一中部件预处理：使用60#白刚玉砂材喷砂，喷砂压力2～6kg/cm2，喷砂后部件表面粗糙度均匀，粗糙度Ra在3～8μm范围内。
4.根据权利要求1所述的一种半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法，其特征在于，步骤二中水洗干燥：对步骤一中喷砂后的部件先后使用高压水洗和超声波清洗进行清洗。
5.根据权利要求4所述的一种半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法，其特征在于，步骤二中所述高压水洗使用的去离子水电阻率大于3MΩ·cm，压力为50～100bar。
6.根据权利要求4所述的一种半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法，其特征在于，步骤二中所述超声波清洗工艺使用的去离子水电阻率大于4MΩ·cm，超声波强度6～12W/inch2。
7.根据权利要求4所述的一种半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法，其特征在于，步骤二中清洗后使用高纯氮气或CDA吹扫，吹干后放入100℃烘箱干燥1～3h。
8.根据权利要求1所述的一种半导体刻蚀腔体用梯度陶瓷溶射层的制备方法，其特征在于，步骤六中水洗干燥：对溶射后的部件进行高压水洗和超声波清洗，并进行100℃预干燥处理0.5h。
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