CN112553598B - 利用ald技术增强修复刻蚀设备部件阳极氧化涂层的方法 - Google Patents

利用ald技术增强修复刻蚀设备部件阳极氧化涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用ALD技术增强修复刻蚀设备部件阳极氧化涂层的方法，其包含：S1，将具有阳极氧化涂层的刻蚀设备部件置于原子层沉积反应器中，通入含铝第一反应气体，进行第一化学吸附，使得第一反应气体吸附至刻蚀设备部件表面；S2，采用氮气流吹扫；S3，通入第二反应气体，进行第二化学吸附；S4，采用氮气流吹扫；S5，重复步骤S1‑S4，直到刻蚀设备部件符合要求。本发明利用ALD镀膜工艺，使阳极氧化涂层中的裂纹愈合，有效地提高了抗腐蚀性能，对刻蚀设备部件进行有效的保护，不仅耐等离子体腐蚀，尤其是耐腐蚀性反应气体腐蚀，且，不涉及硬件变动，使得晶圆片远离金属和颗粒污染，达到稳定运行和延长使用寿命的目的。

Description

利用ALD技术增强修复刻蚀设备部件阳极氧化涂层的方法
技术领域
本发明涉及半导体刻蚀技术中用到的等离子设备的抗腐蚀技术，具体涉及一种利用ALD(原子层沉积，Atomic layer deposition)技术增强修复刻蚀设备部件阳极氧化涂层的方法。
背景技术
半导体刻蚀技术是利用等离子体或等离子体与腐蚀性气体共同实现选择性腐蚀的半导体生产工艺技术。刻蚀工艺作为半导体及液晶面板制备过程中的关键工艺之一，刻蚀机台部件工作时处于活性等离子气氛中，如卤族等离子刻蚀气体SF6，CF4，Cl2等，长期受到离子的物理撞击以及活性原子的化学刻蚀。刻蚀机台内部有许多铝部件，而半导体和液晶面板制备时对刻蚀机台内部洁净度要求严格，这就需要提高刻蚀腔体内部铝部件的耐腐蚀性能。阳极氧化Al合金广泛的应用于等离子刻蚀设备中。
氧化钇具有优异的耐卤族等离子刻蚀气体腐蚀的能力，能够有效提高铝部件使用寿命，保证腔体内部洁净度。现有技术通常是在铝部件表面制备阳极氧化层，然后使用传统等离子喷涂在阳极氧化层上制备氧化钇涂层。现有工艺具体实施方法如下：1)铝部件工作面喷砂处理，喷砂后粗糙度Ra 4～8μm；2)对喷砂后部件变形进行整形，保证平面度<1mm；3)阳极氧化处理，工作面因喷砂处理阳极后粗糙度为Ra 3～6μm，非工作面阳极后粗糙度为Ra0.2～1.5μm；4)封孔处理，使用去离子水和阳极氧化膜进行水合作用来密封阳极氧化层微观纳米孔，提高阳极层耐腐蚀性能；5)工作面等离子喷涂氧化钇，涂层厚度100～200μm。
使用上述方法制备部件过程中，由于等离子喷涂使用的是粒径为10～90μm的粉末，喷涂到阳极氧化膜上吸附能力差，需要在阳极氧化前对部件工作面进行喷砂处理来提高涂层粘附能力，喷砂处理增加部件损耗的同时造成部件变形，随着部件再生次数的增加，部件厚度降低严重以及变形导致平面度变大，无法满足使用要求，不得不更换新的部件，增加维护成本。另外等离子喷涂制备的氧化钇涂层表面粗糙度为Ra4～8μm，涂层孔隙率为3～8％，随着半导体及液晶面板行业发展，高制程工艺刻蚀腔体中等离子刻蚀气氛更加恶劣，刻蚀功率也越来越高，普通等离子喷涂氧化钇涂层的耐腐蚀性能越来越不能满足要求，尤其是不能满足腐蚀性气体流经的部件的耐腐蚀要求。
另外，阳极氧化层由于其微观组织的限制，不可避免的会出现裂纹、坑洞等缺陷，特别是在较高温度下使用时，裂纹的萌生与扩展会导致喷淋头(Showerhead)、基板(Mountbase)、气体挡板(gas baffle)、内衬(liner)等零件表面阳极氧化层的抗腐蚀性能急剧降低，限制了它在腐蚀性气体中的应用。常规的涂层修复方法，可能带来金属或其他杂质颗粒污染，不能有效地愈合微观缺陷，且，无法有效解决具有气孔的刻蚀设备部件的耐腐蚀要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高刻蚀部件阳极氧化层的抗腐蚀性能的工艺方法，该方法在阳极氧化层表面进行原子层沉积(ALD)，不仅能有效提高阳极氧化层的抗腐蚀性能，且能用于具有裂纹、坑洞等缺陷的阳极氧化层，对其表面进行修复，从而提高其抗腐蚀性能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种利用ALD技术增强修复刻蚀设备部件阳极氧化涂层的方法，其包含：
步骤1，将具有阳极氧化涂层的刻蚀设备部件置于原子层沉积反应器中，向原子层沉积反应器中通入含铝第一反应气体，进行第一化学吸附，使得第一反应气体吸附至所述刻蚀设备部件表面；
步骤2，采用氮气流吹扫，以除去所述刻蚀设备部件未吸附的第一反应气体和/或第一化学吸附产生的副产物；
步骤3，向原子层沉积反应器中通入第二反应气体，进行第二化学吸附；
步骤4，采用氮气流吹扫，以除去所述刻蚀设备部件未吸附的第二反应气体和/或第二化学吸附产生的副产物；
步骤5，重复步骤1-4，直到所述刻蚀设备部件符合要求。
较佳地，所述的刻蚀设备部件具有气孔。
较佳地，所述的刻蚀设备部件是指在工作状态下，腐蚀性工艺气体流经的部件。
较佳地，所述的腐蚀性工艺气体包含氯气。本发明特别适用于需要氯气(Cl2)作为工艺气体的等离子处理装置，因为氯气会通过阳极氧化(Al2O3)层中的裂纹与零部件基底的铝反应形成污染物气体AlCl3，不仅严重腐蚀零部件而且污染反应腔内空间。
较佳地，所述的刻蚀设备部件为腐蚀性气体流经的部件，即长期暴露于腐蚀性气体中的部件，包含喷淋头、基板、挡板或管线中的任意一种或多种。
较佳地，所述的刻蚀设备部件的表面具有若干微观裂纹或坑洞，可采用本发明的方法进行修复，大幅增强其抗腐蚀性。
较佳地，所述的第一反应气体为Al(CH3)3，所述的第二反应气体为H2O。其反应原理为：第一化学吸附时，Al(CH3)3的Al与阳极氧化铝合金涂层上的-OH的O结合，脱除的CH3与羟基脱除的H结合形成CH4，反应完成时，所有阳极氧化铝合金涂层上的-OH的O均结合有Al基；第二化学吸附时，H2O中的O基与Al基结合，即以-OH取代Al基上结合的-CH3，并分别脱除-H和-CH3，二者可形成CH4，反应完成时，Al基上结合的所有的-CH3均被-OH取代。反应式如下：
2Al(CH3)3+3H2O→Al2O3+6CH4。
本发明将阳极氧化与ALD技术结合用于刻蚀设备部件，尤其是腐蚀性气体流经的部件，在阳极氧化涂层表面进行原子层沉积，大幅增强刻蚀设备部件的抗腐蚀性能，尤其是抗腐蚀性气体的性能，而不仅仅是抗等离子体腐蚀。由于ALD涂层的致密性，可以有效愈合阳极氧化层中的裂纹或坑洞等微观缺陷，将腐蚀性工艺气体与刻蚀设备部件的铝合金基材隔绝，大幅提高阳极氧化涂层的耐化学腐蚀性能，且不会带来金属等颗粒污染。本发明首次运用ALD镀膜工艺于阳极氧化涂层表面，可使阳极氧化涂层中的裂纹愈合，对刻蚀设备中的多个部件进行有效的保护，且不涉及硬件变动，让晶圆片远离金属和颗粒污染，达到稳定运行和延长使用寿命的作用。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中包含具有阳极氧化涂层的刻蚀部件的半导体刻蚀设备。
图2为本发明的一种利用ALD技术增强修复刻蚀设备部件阳极氧化涂层的方法的流程示意图。
图3为本发明的一种利用ALD技术增强喷淋头阳极氧化涂层的耐腐蚀性能的方法。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，为一种半导体刻蚀设备，包含：反应腔1；
气体喷淋头3，其设置在半导体刻蚀设备的反应腔1内部，位于晶片2上方，该气体喷淋头3包含圆形进气区域和至少一个同心设置的环形进气区域，所述圆形进气区域和环形进气区域互相隔离，且圆形进气区域和环形进气区域的下表面包含多个气体通孔4用于通入可能具有腐蚀性的反应气体(工艺气体)，每一个环形进气区域又包含多个扇形区域，不同的扇形区域之间互相隔离，圆形进气区域每一个扇形区域都具有一个供气通道圆形进气区域扇形区域；
多个气体管路5，其分别连接气体喷淋头3上的多个扇形区域对应的多个供气通道；
多个电子开关阀门6，其分别设置在每一个气体管路5上，每一个电子开关阀门6都连接控制器，用于控制气体管路5的通断；
多个流量控制器7，每一个流量控制器7连接同一个环形进气区域上的所有气体管路5，用于控制提供给环形进气区域的总气量；
气源8，其管路连接所有的流量控制器7，用于提供可能具有腐蚀性的反应气体。
在上述刻蚀设备运行过程中，腐蚀性的反应气体流经的区域的刻蚀设备部件，如，喷淋头(Showerhead)、基板(Mount base)、气体挡板(gas baffle)、内衬(liner)等等部件均包含许多气孔。因而，气孔内壁也需要ALD涂层的保护，但是其内径仅有0.5mm～7mm。常规的涂层无法有效地将气孔内壁覆盖。
如图2所示，本发明提供的一种利用ALD技术增强(修复)刻蚀设备部件阳极氧化涂层的方法包含：
步骤1(S1)，将具有阳极氧化涂层的刻蚀设备部件置于原子层沉积反应器中，向原子层沉积反应器中通入含铝第一反应气体(如，Al(CH3)3)，进行第一化学吸附，使得第一反应气体吸附至所述刻蚀设备部件表面；
步骤2(S2)，采用氮气流吹扫，以除去所述刻蚀设备部件未吸附的第一反应气体和/或第一化学吸附产生的副产物；
步骤3(S3)，向原子层沉积反应器中通入第二反应气体(如，H2O)，进行第二化学吸附；
步骤4(S4)，采用氮气流吹扫，以除去所述刻蚀设备部件未吸附的第二反应气体和/或第二化学吸附产生的副产物；
步骤5(S5)，重复步骤S1-S4，直到刻蚀设备部件符合要求。
将本发明制备的刻蚀设备部件(实施例)，与未经ALD处理的具有阳极氧化涂层的刻蚀设备部件(对比例)分别进行气泡试验，对比结果如表1所示：
表1：实施例与对比例的刻蚀设备部件气泡试验结果
Figure BDA0002215328980000051
由上表可知，本发明提供的ALD涂层+阳极氧化涂层的耐腐蚀性能大大优于单阳极氧化涂层。
本实施例提供的ALD工艺相较于其它镀膜工艺，可以有效的实现对小口径深孔内壁的全覆盖，有效的保护这些部件，免于腐蚀性气体的损害。
实施例2
本发明重点在于提高阳极氧化的耐化学腐蚀性能，主要应用于所有腐蚀性工艺气体流经的部件。
如图3所示，一种具有阳极氧化涂层的喷淋头主体呈圆盘状，盘体上表面同心环设置内凸缘10和外凸缘20，其中，外凸缘20连续设置无间断，内凸缘10不连续，包含若干均匀分布的导气通道30，该导气通道30与内凸缘10间隔分布且整体构成一个环，该环与外凸缘20形成的环同轴心。在内凸缘与外凸缘之间设置有圆环状进气沟道40。所述的内凸缘环10内的盘体上还设置有均匀分布的进气孔50。
刻蚀设备运行过程中，腐蚀性的反应气体自进气沟道40进入后，受到内凸缘10的阻碍作用，首先在进气沟道40内扩散，均匀分布后从导气通道30进入进气孔50所在的区域，从而保证进气均匀。显然，自外凸缘20以内的区域均为腐蚀性气体流经的区域，该区域的部件均需要耐受腐蚀性气体的腐蚀。
将上述喷淋头置于原子层沉积反应器中，a)向原子层沉积反应器中通入Al(CH3)3，进行第一化学吸附，待Al(CH3)3化学吸附至喷淋头表面(包括进气孔内壁的表面)后，b)通入氮气流进行净化，除去未吸附的Al(CH3)3及生成的副产物CH4；c)向原子层沉积反应器中通入H2O蒸汽，进行第二化学吸附，待H2O化学吸附至喷淋头表面后，d)再次通入氮气流进行净化，除去未吸附的H2O及生成的副产物CH4；然后，循环进行a)～d)操作，直至检测喷淋头符合要求。
实施例3
由于阳极氧化层与基底的铝材料的热膨胀系数差距很大，在等离子处理过程中，各个零部件(刻蚀设备部件)会相应的升温(从室温到120度左右)。这样频繁的热胀冷缩会导致阳极氧化层被基底铝材料拉伸出很多微裂缝，所以在这些零部件的整个生命周期中都会产生裂纹，需要经常对这些零部件进行修复。
本发明提供的方法特别适用于修复受损的刻蚀设备部件。受损的刻蚀设备部件是指其表面的阳极氧化涂层具有微观裂纹、或者坑洞等缺陷，从而抗腐蚀性大幅下降。
步骤1，将所述受损的刻蚀设备部件置于原子层沉积反应器中，向原子层沉积反应器中通入Al(CH3)3，进行第一化学吸附，使得Al(CH3)3吸附至所述刻蚀设备部件表面；
步骤2，采用氮气流吹扫，以除去所述受损的刻蚀设备部件未吸附的Al(CH3)3和/或第一化学吸附产生的副产物；
步骤3，向原子层沉积反应器中通入气态H2O，进行第二化学吸附；
步骤4，采用氮气流吹扫，以除去所述受损的刻蚀设备部件未吸附的气态H2O和/或第二化学吸附产生的副产物；
步骤5，重复步骤1-4，直到检测所述受损的刻蚀设备部件无微观裂纹或者坑洞等缺陷。由于ALD涂层的致密性，可以有效愈合阳极氧化层中的裂纹，将腐蚀性气体与刻蚀设备部件的铝合金基材隔绝，不会带来金属和颗粒污染。
经气泡试验检测，抗腐蚀性能远远高于单阳极氧化涂层。
本发明特别适用于需要氯气(Cl2)作为工艺气体的等离子处理装置，因为氯气会通过阳极氧化(Al2O3)层中的裂纹与零部件基底的铝反应形成污染物气体AlCl3，不仅严重腐蚀零部件而且污染反应腔内空间。
综上所述，本发明通过向具有阳极氧化涂层的刻蚀设备部件表面引入ALD涂层，有效提高了刻蚀设备部件的抗腐蚀性能，使得晶圆片远离金属和颗粒污染，大幅延长使用寿命，从而降低成本。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种利用ALD技术增强修复刻蚀设备部件阳极氧化涂层的方法，其特征在于，该方法包含：
步骤1，将具有阳极氧化涂层的刻蚀设备部件置于原子层沉积反应器中，向原子层沉积反应器中通入含铝第一反应气体，进行第一化学吸附，使得第一反应气体吸附至所述刻蚀设备部件表面；所述第一反应气体为Al(CH3)3；
步骤2，采用氮气流吹扫，以除去所述刻蚀设备部件未吸附的第一反应气体和/或第一化学吸附产生的副产物；
步骤3，向原子层沉积反应器中通入第二反应气体，进行第二化学吸附；所述第二反应气体为H2O；
步骤4，采用氮气流吹扫，以除去所述刻蚀设备部件未吸附的第二反应气体和/或第二化学吸附产生的副产物；
步骤5，重复步骤1-4，直到所述刻蚀设备部件符合要求。
2.如权利要求1所述的利用ALD技术增强修复刻蚀设备部件阳极氧化涂层的方法，其特征在于，所述的刻蚀设备部件具有气孔。
3.如权利要求1所述的利用ALD技术增强修复刻蚀设备部件阳极氧化涂层的方法，其特征在于，所述的刻蚀设备部件是指在工作状态下，腐蚀性工艺气体流经的部件。
4.如权利要求3所述的利用ALD技术增强修复刻蚀设备部件阳极氧化涂层的方法，所述的腐蚀性工艺气体包含氯气。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的利用ALD技术增强修复刻蚀设备部件阳极氧化涂层的方法，其特征在于，所述的刻蚀设备部件包含喷淋头、基板、挡板或管线中的任意一种或多种。
6.如权利要求1所述的利用ALD技术增强修复刻蚀设备部件阳极氧化涂层的方法，其特征在于，所述的刻蚀设备部件的表面具有若干微观裂纹或坑洞。
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