CN109314033B - 由碳化钨块构成的等离子体设备用部件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体的耐蚀性优秀且确保等离子体分布的均匀性，并改善电导率及热导率且简化结构的由碳化钨块构成的等离子体设备用部件及制造方法。该部件及方法涉及一种形成用于进行等离子体处理的反应空间的腔体及处于腔体的内部并与等离子体接触的部件，该部件具有等离子体耐蚀性，且体积电阻率为103~10‑6Ωㆍcm的碳化钨块。

Description

由碳化钨块构成的等离子体设备用部件
技术领域
本发明涉及等离子体设备用部件，更具体地涉及一种对等离子体的耐蚀性高的由碳化钨块构成的等离子体设备用部件。
背景技术
等离子体处理设备在腔体内配置上部电极与下部电极，在下部电极上面搭载半导体晶片、玻璃基板等基板，向两电极之间施加电力。因两电极之间的电场，引发被加速的电子、由电极放出的电子或被加热的电子与处理气体的分子发生电离冲突，由此，发生处理气体的等离子体。在等离子体中的自由基或离子等活性强的基板表面执行所需的精细加工，例如，蚀刻加工。近来，在精细电子元件等的制造中的设计规则逐渐精细化，尤其，在等离子体蚀刻中，要求更高指数的精密度，因而，利用明显高于当前的电力。在该等离子体处理设备中内置有受等离子体影响的边缘环、聚焦环、喷射头等部件。
对于所述边缘环，在电力变高的情况下，通过形成有驻波的波长效果及在电极表面上电场集中至中心部的趋肤效应等，大致在基板上，中心部最大并在边缘部最低，基板上的等离子体分布的不均匀性严重。在基板上等离子体分布不均匀的情况下，等离子体处理不定而造成精细电子元件的品质低下。韩国公开专利第2009-0101129号在基座与边缘部之间设置绝缘体，而谋求了等离子体分布的均匀性。但，所述专利存在如下问题，结构复杂且难以进行绝缘体及边缘部之间的精密的设计。
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题为提供一种由碳化钨块构成的等离子体设备用部件，对等离子体的耐蚀性优秀，并确保等离子体分布的均匀性，且改善电导率及热导率，简化结构。
用于解决问题的技术方案
本发明的用于解决问题的由碳化钨块构成的等离子体设备用部件涉及一种形成用于等离子体处理的反应空间的腔体及处于所述腔体的内部并与所述等离子体接触的部件，所述部件由具有等离子体耐蚀性的碳化钨块构成，所述碳化钨具有体积电阻率103～10-6Ω·cm。
对于本发明的设备，所述碳化钨块为基于钨及碳而构成的化合物。所述碳化钨块为单一相或复合相。所述单一相包括钨及碳的化学反应计量式相及脱离所述化学反应计量式组成的非化学反应计量式相。所述单一相或复合相包括在所述单一相或复合相添加杂质的固溶体。
对于本发明的优选的设备，所述部件为在边缘环、聚焦环或喷射头中所选择的任一个。所述部件为按压安置在基座的基板的外缘的边缘环，所述等离子体的分布脱离所述基板的外缘而被扩展。优选地，所述部件具有临界厚度0.3mm。所述部件为被烧结的块(bulk)。所述部件为物理气相沉积或化学气相沉积的块(bulk)。
发明的效果
根据本发明的由碳化钨块构成的等离子体设备用部件，使用包括等离子体耐蚀性优秀且赋予导电性的碳化钨的部件，由此，等离子体的耐蚀性优秀，且确保等离子体分布的均匀性，并简化结构。
附图说明
图1及图2为简要显示安装本发明的等离子体部件的等离子体处理设备的附图；
图3为本发明的WC的电子显微镜照片(a)，WC:Si＝95:5(vol％)的照片(b)及WC:C＝97:2(vol％)的照片(c)；
图4为本发明的WC的XRD图表；
图5为对比本发明的WC及现有的SiC的蚀刻率(％)的图表。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的优选的实施例进行具体说明。下面说明的实施例能够被变形为各种不同的其它的形式，本发明的范围并非限定于下面所述的实施例。本发明的实施例用于更完全地向本领域的普通技术人员说明而提供。
本发明的实施例公开一种通过使用碳化钨块，而等离子体的耐蚀性优秀，且确保等离子体分布的均匀性，并简化结构的等离子体设备用部件(下面，称为等离子体部件)。在该等离子体处理设备中包括受等离子体影响的边缘环、聚焦环、喷射头等部件，在此，其中，以边缘环为例进行说明。为此，以本发明的边缘环为中心，对等离子体部件进行具体研究，具体说明制造所述等离子体部件的方法。
在本发明的实施例中，块(bulk)是指不介入母材，本身构成等离子体部件的形状。介入母材的情况是指将碳化钨涂覆或接合到母材的情况。换言之，本发明的块排除将碳化钨涂覆或接合到母材的情况。适用所述块的理由为在耐蚀性的观点上排除母材的影响力而仅运用块的特性。
图1及图2为简要显示安装本发明的实施例的等离子体部件的等离子体处理设备的附图。除了本发明的范围内公开的设备的结构之外，能够适用于各种结构的等离子体处理设备。
参照图1及图2，本发明的处理设备包括：腔体10、基座20、喷射头30及边缘环40。在此，基座20、喷射头30、边缘环40等为受等离子体影响的等离子体部件AP。腔体10定义反应空间，基座20在上面搭载基板50并上下运动。根据情况，基座20被固定而不发生移动，但在此，以进行上下运动的情况举例。喷射头30处于基座20的上部，向基板50喷射工艺气体。喷射头30因气体供应管12贯通连接腔体10而使得由外部流入所述工艺气体。喷射头30包括：缓冲空间31，使得在通过气体供应管12流入的工艺气体被喷射之前，均匀地扩散至喷射头30内部；喷嘴部32，由多个贯通孔构成。边缘环40设置于腔体10的内壁，并处于环支撑台41。
在腔体10的外部供应射频(RF)电力以用于产生等离子体的RF电源16与等离子体电极或天线连接。所述连接方式存在各种方式，如图显示所示，将等离子体电极与喷射头30一体形成，将RF电源16与气体供应管12连接，以用于所述RF电力被施加至电极的中心。向基座20也施加另外的RF电源，以用于控制照射至基板50的等离子体的能源。虽未图示，但在基座20包括用于对基板50预热或加热的加热器、基板50的搭载的升降销等。
在基板50被安装于基座20的情况下，基座20上升至等离子体处理工艺的位置。边缘环40与安装基板50的外缘一起上升。在使基座20上升而基板50被放置在工艺位置的情况下，在通过喷射头30喷射工艺气体的情况下，施加RF电力而转换为具有加强工艺气体的等离子体活性种。所述活性种执行对基板50的沉积、蚀刻工艺等，在工艺进行中，通过排气口14按一定流量排出工艺气体。在预定时间内执行处理工艺之后，通过排气口14排出残留气体。进而，使基座20下降并将基板50由腔体10搬出至外部。
本发明的实施例的碳化钨包括WC及W2C。本发明的碳化钨除了所述WC及W2C之外，在本发明的范围内也包括其它碳化钨化合物。即，碳化钨是指基于钨及碳而成的所有的化合物。本发明的碳化钨为单一相或复合相中任一种。在此，碳化钨单一相包括钨及碳的化学反应计量式相(phase)与脱离化学反应计量式组成的非化学反应计量式相，复合相是指，例如，基于(base)所述钨及碳而构成的碳化钨化合物中的至少两个以规定比例混合。并且，本发明的碳化钨包括全部在所述碳化钨的单一相或复合相添加杂质而构成固溶体或在制造碳化钨的工艺中不可避免地增加的杂质等。
下面，在等离子体部件AP中，以边缘环40为中心而研究等离子体的影响。在提高形成等离子体的电力的情况下，通过在腔体10内形成驻波的波长效果或在电极表面上电场向中心部集中的趋肤效应等，大致上基板50的中心部最大，而外缘最低，而导致基板50上的等离子体的分布变得不均匀。在基板50上等离子体分布不均匀的情况下，等离子体处理不定，从而，导致精细电子元件的品质低下。在此，等离子体分布是指在基板50及碳化钨边缘环40上施加等离子体的状态，所述分布与在基板50及碳化钨边缘环40各个支点的等离子体密度及朝向基板50的直线性相关。
在基板50的外缘附近(ED)，与碳化钨边缘环40的体积电阻率差异对等离子体分布均匀性造成大的影响。在此，均匀性是指等离子体分布的变化程度，在均匀性低的情况下，等离子体分布急剧变化，在均匀性高的情况下，等离子体分布的变化缓慢。为此，优选地，碳化钨边缘环40的体积电阻率与基板50的体积电阻率类似或低。由此，等离子体分布脱离基板50的外缘而扩展至碳化钨边缘环40，基板50的外缘具有相对高的均匀性。所述均匀性是指等离子体密度及朝向基板50的直线性优秀的情况。在附图中，将脱离基板50的外缘的状态显示为了外缘附近(ED)。
对本发明的实施例的碳化钨边缘环40的体积电阻率以与基板50类似或低的情况在如下观点中进行说明。在碳化钨边缘环40的体积电阻率与基板50类似或低的情况下，等离子体分布脱离基板50的外缘而扩展至碳化钨边缘环40。由此，本发明的碳化钨边缘环40的体积电阻率由基板的外缘而扩展至碳化钨边缘环40，基板50整体的等离子体分布在基板50的外缘也能够均匀。由此，体积电阻率定义为将等离子体分布脱离基板50的外缘而扩展碳化钨边缘环40。
本发明的碳化钨边缘环40的体积电阻率103～10-6Ω·cm根据在基板50的外缘均匀进行等离子体分布的技术思想。由此，所述体积电阻率不基于所述技术思想，无法通过单纯的反复试验而获取。前文中，碳化钨边缘环40与基板50的体积电阻率的关系以边缘环为示例进行了说明。但，在喷射头等其它部件的情况下，碳化钨的体积电阻率与提高等离子体耐蚀性的观点相同。
另外，等离子体耐蚀性受部件的密度(g/cm3)影响。即，等离子体部件的密度越大而等离子体耐蚀性增加。本发明的碳化钨(WC)的密度为15.63(g/cm3)，显著大于通常使用的碳化硅(SiC)的3.12(g/cm3)及氧化铝(Al2O3)的3.95(g/cm3)的块。由此，本发明的碳化钨块与现有的碳化硅及氧化铝相比，等离子体的耐蚀性变大。
包括本发明的实施例的边缘环40的等离子体部件AP具有临界厚度。其理由至少如下所示。第一，在边缘环40最初被安装在蚀刻装备的情况下，边缘环40的表面被放置在与基板50的表面相同的线上。在每个后面的蚀刻工艺中，基板50被更换，但边缘环40持续保持为同一个。反复进行如上所示的蚀刻工艺，由此，在基板50的表面与边缘环40的表面之间产生阶梯差，且阶梯差持续增加。
第二，随着在元件的图案精细化，蚀刻图案的纵横比持续增加，近来，几乎达到界限值。为了进行与该纵横比对应的蚀刻，需提高等离子体能量。在等离子体蚀刻中并存通过化学反应进行的化学性蚀刻与通过物理性离子碰撞而进行的物理性蚀刻。但，等离子体能量越大，物理性蚀刻的强度相对地大于化学性蚀刻，在规定能量以上为压倒性的。因此，更难以保持边缘环40的耐蚀性。
第三，基板50的表面与边缘环40的表面之间的阶梯差扩展至超过规定厚度的情况下，突进基板50的边缘部的活性离子的方向在基板50的表面由垂直方向逐渐转换为射线方向。通过该射线方向的蚀刻离子，在基板50上也以射线方向形成蚀刻孔(hole)或沟(trench)等蚀刻图案。射线方向由蚀刻膜的底层的图案发生角误差(misalignment)现象，而减少元件的产出率。因此，蚀刻加工所述角误差所需可的界限的最大蚀刻厚度与最多数量的基板50，应设定用于保持设备的生产力的最小的蚀刻厚度的界限值。
考虑上述说明的理由的用于普通的耐蚀性的厚度应为0.3mm以上。将该厚度称为临界厚度。当然，由碳化钨块构成的等离子体厚度通常适用3mm以内的厚度，但根据需要，也适用其以上的厚度。因为，等离子体部件AP的厚度要求用于耐蚀性的最小的厚度即临界厚度。所述临界厚度基于本发明的技术思想而设计，其通过等离子体部件AP的反复试验获得。
下面，对制造包括碳化钨(WC，tungsten carbide)的块状的等离子体部件AP的方法进行说明。碳化钨等离子体部件AP通过烧结及物理气相沉积或化学气相沉积等沉积方法制造，本身为块(bulk)状部件。并且，物理气相沉积或化学气相沉积运用能源物质而制造碳化钨等离子体部件AP，与其余的不同的方法(例如，烧结)区分。在此公开的方法仅为公开分别适合的示例，在本发明的范围内包括其它方法。
<通过烧结而形成的碳化钨等离子体部件AP>
所述烧结是将碳化钨粉末在真空或与惰性气体空气一样氧分压比大气压低的空气或还原性气体空气中进行烧结。所述惰性气体为公知的惰性气体时都能够使用，优选地，包括氩、氮等。所述还原性气体为公知的还原性气体时都能够使用，优选地，为氢气、氨气、一氧化碳、二氧化碳等。由此，通过烧结而制造的碳化钨等离子体部件为块(bulk)状的烧结体。
<通过物理气相沉积或化学气相沉积而形成的碳化钨等离子体部件AP>
所述化学气相沉积使钨能源及碳能源发生反应而在一定条件下沉积在母材而增长，之后，去除母材。例如，使用WF6作为钨前驱物(precursor)，使用CH4作为碳前驱物，沉积温度设为500～1500℃，通过化学气相沉积设备沉积。物理气相沉积将钨靶(target)通过Ar等惰性气体溅射(sputter)并注入含有碳的CH4等气体而在母材上部合成碳化钨而增长，或将目标本身形成为碳化钨而溅射，由此，在母材上部增长碳化钨，之后，去除母材。由此，通过物理或化学气相沉积制造的碳化钨部件为上述说明的块(bulk)状。
下面，公开如下实施例，以用于具体说明本发明的等离子体部件的物性。但，本发明并非限定于下面的实施例。显示于实施例及对比例的部件的电导率(Ω·cm)通过LORESTA-GP MCP-T610(制造公司，Mitsubish)型号进行了测定，热导率((W/m·k)通过LFA467-TMA 402F3(制造公司，NETZSCH)型号进行了测定。
<实施例1至4>
通过烧结方式制造的厚度5mm即WC，WC:Si＝95:5(vol％)，WC:C＝97:0.2(vol％)及W2C的电导率(Ω·cm)及热导率((W/m·k)在上述公开的设备中进行了测定。此时，WC:Si＝95:5(vol％)及WC:C＝98:0.2(vol％)在WC中Si及C分别以vol％固溶5％及0.2％的状态。图3为显示WC的电子显微镜照片(a)，WC:Si＝95:5(vol％)的照片(b)及WC:C＝97:0.2(vol％)的照片(c)，图4为WC的XRD图表。
<对比例1及2>
通过烧结方式制造的碳化硅及氧化铝的电导率(Ω·cm)及热导率((W/m·k)通过上述公开的设备进行了测定。此时，碳化硅通过掺杂而调整了电导率(Ω·cm)，通常为使用于等离子体部件的材料。
表1显示本发明的实施例1至4及对比例1与2的电导率(Ω·cm)及热导率((W/m·k)。此时，电导率(Ω·cm)及热导率(W/m·k)为通过多次测定产生的平均值而非一次测定，为了方便显示为了10的平方数。
[表1]
分类 组合物 电导率(Ω·cm) 热导率(W/m·k)
实施例1 WC 10<sup>-6</sup> 179
实施例2 WC:Si＝95:5(vol％) 10<sup>-5</sup> 160
实施例3 WC:C＝97:0.2(vol％) 10<sup>-5</sup> 160
实施例4 W<sub>2</sub>C 10<sup>-5</sup> 185
对比例1 SiC 10<sup>3</sup>～10<sup>-2</sup> 150
对比例2 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 10<sup>14</sup> 33
通过表1，本发明的实施例即WC的电导率为10-6，WC:Si＝95:5(vol％)，WC:C＝97:0.2(vol％)及W2C分别为10-5。对比例即SiC的电导率为103～10-2，Al2O3为1014。另外，为了作为等离子体部件使用，优选地，电导率小于100单位。本发明的WC，WC:Si＝95:5(vol％)，WC:C＝97:0.2(vol％)及W2C的电导率为10-5～10-6，在电导率方面为优选的组合物。但，因Al2O3为1014，无法作为等离子体部件使用。
本发明的实施例即WC，WC:Si＝95:5(vol％)，WC:C＝97:0.2(vol％)及W2C的热导率分别为179、160、160及185。而，对比例即SiC及Al2O3分别为150及33。热导率为将在等离子体处理过程中，因与离子碰撞而发生的热向外部放出的指标。在热导率小的情况下，热传输未能正常进行，由此，对等离子体部件施加热冲击而造成部件的寿命低下，对于与边缘环等基板邻接的部件的情况，产生加热基板外缘的效果，而增加局部蚀刻率，由此，对元件产出率造成不良影响。WC，WC:Si＝95:5(vol％)，WC:C＝97:0.2(vol％)及W2C的热导率与SiC相比优秀并增加部件的寿命，且提高产出率。Al2O3的情况为热导率非常低，因此，作为等离子体部件并不适合。
图5为对比本发明的实施例的WC及现有的SiC的蚀刻率(％)的图表。此时，蚀刻率(％)在通过CF4气体等离子体实施蚀刻之后进行了测定。并且，蚀刻率(％)表现了重量的变化。
通过图5，在将现有的SiC蚀刻率称为100％时，本发明的WC的情况为82％。即，本发明的WC的蚀刻率与现有的SiC相比减少了18％左右。换言之，本发明的WC与现有的SiC相比等离子体显示了优秀的耐蚀性。并且，蚀刻率的差异根据等离子体电力变大而显著。等离子体耐蚀性受部件的密度(g/cm3)的影响。即，等离子体部件的密度越大，等离子体耐蚀性增加。本发明的WC的密度为15.63(g/cm3)，SiC为3.12(g/cm3)，由此，根据部件的密度而确认提高耐蚀性的倾向。
综上，本发明以优选的实施例为例进行了具体说明，但本发明并非限定于所述实施例，在本发明的技术思想的范围内能够通过本领域的普通技术人员进行各种变形。
附图标记说明
10：腔体 12：气体供应管
20：基座 30：喷射头
40：边缘环 41：环支撑台
50：基板 AP：等离子体部件

Claims (7)

1.一种由碳化钨块构成的等离子体设备用部件，其特征在于，
包括：
腔体，形成用于等离子体处理的反应空间；及
边缘环，处于所述腔体的内部并与所述等离子体接触且按压基板的外缘，
所述边缘环由具有等离子体耐蚀性的、0.3mm临界厚度的碳化钨块构成，所述碳化钨具有体积电阻率103~10-6Ωㆍcm，
所述体积电阻率与所述基板的体积电阻率类似，所述基板的表面与所述边缘环的表面放置在相同的线上，
向所述基板的所述等离子体的分布脱离所述基板的外缘而扩展至所述边缘环。
2.根据权利要求1所述的由碳化钨块构成的等离子体设备用部件，其特征在于，
所述碳化钨块为基于钨及碳而构成的化合物。
3.根据权利要求1所述的由碳化钨块构成的等离子体设备用部件，其特征在于，
所述碳化钨块为单一相或复合相。
4.根据权利要求3所述的由碳化钨块构成的等离子体设备用部件，其特征在于，
所述单一相包括钨及碳的化学反应计量式相及脱离化学反应计量式组成的非化学反应计量式相。
5.根据权利要求3所述的由碳化钨块构成的等离子体设备用部件，其特征在于，
所述单一相或复合相包括在所述单一相或复合相增加杂质的固溶体。
6.根据权利要求1所述的由碳化钨块构成的等离子体设备用部件，其特征在于，
所述边缘环为烧结的块。
7.根据权利要求1所述的由碳化钨块构成的等离子体设备用部件，其特征在于，
所述边缘环为物理气相沉积或化学气相沉积的块。
CN201780035133.4A 2016-06-23 2017-05-29 由碳化钨块构成的等离子体设备用部件 Active CN109314033B (zh)

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