CN113594014B - 零部件、等离子体反应装置及零部件加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种零部件、等离子体反应装置及零部件加工方法。其中，等离子体反应装置包括反应腔，反应腔内为等离子体环境，零部件暴露于所述等离子体环境中；零部件包括衬底和涂覆在衬底表面的耐等离子体涂层，衬底表面设置有若干宽度W1≤30nm、深度H1≤100nm的凹槽，相邻凹槽间形成凸起；耐等离子体涂层覆盖于凹槽的侧壁表面、底部表面和凸起的顶部表面。本发明提供的零部件，通过在衬底的表面涂覆耐等离子体涂层对衬底进行耐等离子体保护，且耐等离子体涂层不易出现开裂、裂纹扩展以及剥落的问题。

Description

零部件、等离子体反应装置及零部件加工方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别地，涉及一种零部件、等离子体反应装置及零部件加工方法。

背景技术

在半导体器件的制造过程中，等离子体刻蚀是将晶圆加工形成设计图案的关键工艺。

在典型的等离子体刻蚀工艺中，工艺气体(如CF₄、O₂等)在射频(Rad i oFrequency，RF)激励作用下形成等离子体。这些等离子体在经过上电极和下电极之间的电场(电容耦合或者电感耦合)作用后与晶圆表面发生物理轰击作用及化学反应，从而刻蚀出具有特定结构的晶圆。

对于处在反应腔内的零部件而言，其表面通常涂覆有一层耐等离子体涂层，以保护衬底不被等离子体腐蚀。但因为反应腔内部是一个不断升温-降温的热循环冲击环境，处于反应腔内的衬底其表面涂覆的耐等离子体涂层在服役过程中的热应力不断累积，有可能产生微裂纹，甚至微裂纹扩展产生开裂、剥落等现象，进而使耐等离子体涂层的保护功能失效，被其包覆的衬底因裸露在反应腔内的等离子体环境中而发生严重的腐蚀损坏。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于等离子体反应装置中的零部件，其能够有效减轻涂覆在衬底表面的耐等离子体涂层因热应力累积引发的微裂纹产生、扩展、开裂以及剥落等现象。

本发明还提供了一种等离子体反应装置，该等离子体反应装置能够延长零部件的服役寿命、降低其运营成本，维护反应腔内部环境的稳定性。

本发明还提供了一种零部件的加工方法，用于加工形成上述零部件。

本发明的用于等离子体反应装置中的零部件，所述等离子体反应装置包括反应腔，所述反应腔内为等离子体环境，所述零部件暴露于所述等离子体环境中，所述零部件包括：衬底和涂覆在所述衬底表面的耐等离子体涂层，所述衬底的表面设置有若干凹槽，相邻所述凹槽间形成凸起；每个所述凹槽的宽度W1≤30nm、深度H1≤100nm；

所述耐等离子体涂层覆盖于所述凹槽的侧壁表面、底部表面和所述凸起的顶部表面。

可选地，每个所述凸起的宽度W2≤30nm。

可选地，所述凹槽的底部面积和所述凸起的顶部面积的面积比为3:7—7:3。

可选地，所述耐等离子体涂层的材质包括Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的至少一种。

可选地，所述衬底的材质包括铝合金、不锈钢、钨或钛中的至少一种。

一种等离子体反应装置，包括：

反应腔，所述反应腔内为等离子体环境；

如上述任一项所述的零部件，所述零部件暴露于所述等离子体环境中。

可选地，所述等离子体反应装置为电容耦合等离子体反应装置时，所述零部件包括喷淋头、气体分配板、上接地环、下接地环、气体管路、聚焦环、绝缘环、静电卡盘、覆盖环或衬底固持框中的至少一种。

可选地，所述等离子体反应装置为电感耦合等离子体反应装置时，所述零部件包括陶瓷盖板、衬套、气体喷嘴、气体连接法兰、聚焦环、绝缘环、静电卡盘、覆盖环或衬底固持框中的至少一种。

一种零部件加工方法：

提供零部件本体；

对所述零部件本体进行加工形成如上述任一项所述的零部件。

可选地，对所述零部件本体进行加工形成所述零部件的方法包括：对所述零部件本体表面进行处理，形成所述衬底；在所述衬底表面形成所述耐等离子体涂层

可选地，在所述零部件本体表面不需要加工形成所述凹槽的部位设置有密封保护结构。

可选地，通过电化学腐蚀方法对所述零部件本体表面进行加工形成所述衬底，所述电化学腐蚀方法包括：

设置所述零部件本体为金属导体，与电源的正极电性连接；

设置石墨，与所述电源的负极电性连接；

将所述零部件本体浸泡于电解腐蚀液中，当接通零部件本体-电源-石墨电路时，所述零部件本体其未覆盖有所述密封保护结构的部位发生电化学腐蚀形成所述凹槽。

可选地，通过等离子体刻蚀方法对所述零部件本体表面进行加工形成所述衬底，所述等离子体刻蚀方法包括：

在真空环境中设置电场；

向真空环境中通入工艺气体，工艺气体在射频激励作用下形成等离子体；

等离子体在电场作用下对所述零部件本体其表面未覆盖有所述密封保护结构的部位进行等离子体刻蚀以形成所述凹槽。

本发明的有益效果是：

本发明实施例提供的一种用于等离子体反应装置中的零部件，等离子体反应装置包括反应腔，反应腔内为等离子体环境，零部件暴露于所述等离子体环境中；零部件包括衬底和涂覆在衬底表面的耐等离子体涂层，衬底的表面设置有若干凹槽，相邻凹槽间形成凸起；每个凹槽的宽度W1≤30nm、深度H1≤100nm；耐等离子体涂层覆盖于凹槽的侧壁表面、底部表面和凸起的顶部表面。如此，衬底通过其凸起、凹槽与耐等离子体涂层有较大的接触面积，二者的结合力增强，使耐等离子体涂层不易从衬底表面脱落，并且，耐等离子体涂层上的热应力能够通过以上较大的接触面积更好地传递至衬底，而不会过于集中在耐等离子体涂层自身，进而缓解耐等离子体涂层因受热应力过大产生的开裂、剥落现象；并且即使耐等离子体涂层产生轻微裂纹，设置的若干凹槽和凸起，也能够大大延长裂纹在扩大时需要传递的路径，进而降低耐等离子体涂层剥落的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明的等离子体反应装置的一种实施例的剖视图；

图2是本发明的零部件的一种实施例的剖视图；

图3是图2中C的局部放大图；

图4是本发明的零部件的另一种实施例的俯视图；

图5是本发明的零部件的又一种实施例的俯视图；

图6是本发明的零部件的再一种实施例的俯视图；

图7是本发明的零部件加工方法的一种实施例的流程图。

具体实施方式

等离子体反应装置包括反应腔，反应腔内为等离子体环境，零部件暴露在等离子体环境中，由于等离子体具有较强的腐蚀性，因此，需要在衬底表面涂覆耐腐蚀涂层，以阻挡等离子体对衬底的腐蚀。但是，现有的半导体器件制造过程中，涂覆在衬底上的耐等离子体涂层容易开裂剥落。研究发现：

在金属衬底与耐等离子体涂层之间设置阳极氧化层，以阳极氧化层来实现金属衬底与耐等离子体涂层二者之间不同热膨胀系数的过渡。其具体制作方法包括，在金属衬底上先做阳极氧化处理，形成一层阳极氧化层，然后再在阳极氧化层表面通过等离子体喷涂、PVD或者CVD方法涂覆一层耐等离子体涂层(如Y₂O₃)。这种结构能够使得阳极氧化层与金属衬底具有良好的结合力，但对于耐等离子体涂层与阳极氧化层而言，结合力较弱，容易出现耐等离子体涂层脱落的现象。这是因为，在一般的阳极氧化层表面处理工艺中，形成的孔状结构是空心的，需要用一定的填充方式(例如，高温水或者水蒸气封孔)对孔进行填充，以使阳极氧化层具有一定的致密性。对于这些封孔而言，孔表面会与水/水蒸气结合形成一定量的氢氧化合物(例如，对于6061系列的铝合金而言，阳极氧化层封孔后其表面就会形成Al-O-OH类的结构)。而这些含有氢氧键的阳极氧化层在受到热冲击时，氢氧键容易发生断裂，形成微裂纹，并沿着耐等离子体涂层和阳极氧化层之间的界面进一步扩展，甚至造成耐等离子体涂层的脱落。

又例如，在衬底与耐等离子体涂层之间设置氧化物过渡层，以氧化物过渡层来实现金属衬底与耐等离子体涂层二者之间不同热膨胀系数的过渡。其具体制作方法包括，在金属衬底上通过等离子体喷涂、PVD或者CVD方法涂覆一层氧化物过渡层(通常是金属衬底的氧化物)，然后再通过等离子体喷涂、PVD或者CVD方法涂覆一层耐等离子体涂层(如Y₂O₃)。采用这种结构的涂层具有一定的耐热冲击性能，但是由于金属衬底和氧化物过渡层之间热膨胀系数的差异相对于氧化物过渡层和耐等离子体涂层之间的热膨胀系数的差异要大的多(6061铝合金热膨胀系数为21.6x10^-6，Al₂O₃热膨胀系数为7.2x10^-6，Y₂O₃热膨胀系数为7x10^-6)，因此氧化物过渡层的耐热冲击性能有限，耐等离子体涂层在受到反应腔环境的热冲击和等离子体的物理轰击作用下，一旦形成微裂纹，就会迅速沿着氧化物过渡层和金属衬底之间的界面进一步扩展，造成耐等离子体涂层的脱落。

显然，以上方案仍然未能较好地解决涂覆在衬底上的耐等离子体涂层容易开裂剥落的问题，因此，本发明提出了一种用于等离子体反应装置中的零部件、等离子体反应装置及零部件的加工方法。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

图1是本发明的等离子体反应装置的一种实施例的剖视图。

请参考图1，等离子体反应装置包括：反应腔309，反应腔309内为等离子体环境；零部件，零部件暴露于等离子体环境中。

等离子体反应装置还包括：基座，基座用于承载待处理基片W，等离子体用于对待处理基片W进行处理。由于等离子体具有较强的腐蚀性，为了防止衬底的表面被等离子体腐蚀，因此需要在衬底的表面涂覆耐等离子体涂层。

在本实施例中，等离子体反应装置为电感耦合等离子体反应装置，相应的，暴露于等离子体环境中的零部件包括：衬套301、气体喷嘴302、静电卡盘303、聚焦环304、绝缘环305、覆盖环306、衬底固持框307、陶瓷盖板308或气体连接法兰(未图示)。这些零部件的衬底表面表面需要涂覆耐等离子体涂层以防止等离子体腐蚀。

具体应用中，等离子体反应装置也可以为电容耦合等离子体反应装置，相应的，暴露于等离子体环境中的零部件包括：喷淋头、气体分配板、上接地环、下接地环、气体管路、聚焦环、绝缘环、静电卡盘、覆盖环或衬底固持框中的至少一种。这些零部件的衬底表面需要涂覆耐等离子体涂层以防止等离子体腐蚀。

以下对零部件进行详细说明：

图2是本发明的零部件的一种实施例的剖视图。

请参考图2、图3，零部件包括衬底A和涂覆在衬底A表面的耐等离子体涂层B。衬底A用于涂覆耐等离子体涂层B的表面设置有若干凹槽1，每个凹槽1的深度H1≤100nm、宽度W1≤30nm；相邻凹槽1间形成凸起2。

当在衬底A上涂覆耐等离子体涂层B时，衬底A上连续的凹槽1和凸起2形成的凹凸特征，使得耐等离子体涂层不仅与衬底A表面接触，还与衬底A表面凹槽1的侧壁和底部表面接触，即：衬底A和耐等离子体涂层B二者之间的接触面积增大，因此，有利于提高二者之间的结合力，结合关系更加稳定，耐等离子体涂层B不易从衬底A表面脱落，则不易发生颗粒污染，且耐等离子体涂层B对衬底A的保护能力较强，使衬底A不易被腐蚀。

并且，上述衬底A与耐等离子体涂层B通过上述凹凸特征接触，二者之间的接触面积增大，使原本集中在耐等离子体涂层B上的热应力，能够通过较大的接触面积更好地传导至衬底A，从而避免耐等离子体涂层B因热应力集中产生微裂纹、裂纹扩展甚至剥落。

再有，当耐等离子体涂层B上产生微裂纹时，若干的凹槽1和凸起2能够延长微裂纹扩展传递的路径，进一步降低了耐等离子体涂层B剥落的风险。

另有，衬底A上的凹槽1的高度H1和凸起2的高度(H1)均远小于1μm，因此涂覆在衬底A表面的耐等离子体涂层B，其表面粗糙度与衬底A的表面粗糙度差别不大，均较为平整，并不需要对耐等离子体涂层B进行额外的抛光处理，简化了零部件的加工工艺。

进一步地，本实施例中同时设置了凸起2的宽度W2≤30nm。此时，凹槽1和凸起2的宽度差距不大，二者分布较为均匀，当衬底A和耐等离子体涂层B受热变形时，衬底A和耐等离子体涂层B表现在凹槽1与凸起2上的变形量分布均匀，不会过于集中，避免了耐等离子体涂层B在与衬底A交界面附近由于热应力集中而发生的开裂脱落。

并且，凸起2本身的宽度W2尺寸不大，提高了凹槽1分布的密度，能够进一步增大衬底A和耐等离子体涂层B的接触面积，进而增大二者之间的结合力。

更进一步地，还可以设置凹槽1的底部面积和凸起2的顶部面积的面积比为3:7—7:3。限定面积比大于等于3:7，可以保证凹槽1的分布密度，而限定面积比小于等于7:3，可以避免凸起2的尺寸过小，避免凹槽1和凸起2与耐等离子体涂层B的形变差异造成的损伤。

以上结构中，衬底A的材质可以设置为包括铝合金、不锈钢、钨、钛中的至少一种。以上材质都是用于等离子体反应装置中的零部件的常用材料，性价比较高。耐等离子体涂层B的材质，包括Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的至少一种。

因以上零部件其本身结构稳定，耐等离子体涂层B不易开裂或者从衬底A的表面脱落，能够在等离子体环境中对衬底A进行很好的耐等离子腐蚀保护，所以，本发明的等离子体反应装置，其零部件的服役寿命延长、运营成本降低并且反应腔的稳定性提高。

图4、图5、图6示出了本发明的用于等离子体反应装置中的零部件的三个实施例的俯视图，其中凹槽1和凸起2呈不同规则排列。

图4中，若干凹槽1呈n行、m列的阵列式排布(n、m均为正整数)，相邻行的凹槽1对齐设置。

图5中，若干凹槽1呈i行、j列的阵列式排布(i、j均为正整数)，相邻行的凹槽1交错设置。

图6中，若干凹槽1呈条形槽形式间隔设置，若干凹槽1的延伸方向相互平行。

以上三种实施例皆为举例说明，只要衬底A的表面设置有符合尺寸限定范围的凹槽1和凸起2即可。

本发明还提供了一种零部件的加工方法，包括：

提供零部件本体；

对零部件本体进行加工形成上述零部件。

此处，如图7所示，可以设置对零部件本体进行加工形成上述零部件的方法包括：对零部件本体表面进行处理，形成衬底A；在衬底A表面形成耐等离子体涂层B。

进一步地，在零部件本体其表面不需要加工形成凹槽1的部位设置有密封保护结构。

具体地，可以通过电化学腐蚀方法对零部件本体表面进行加工形成衬底A，该电化学腐蚀方法包括：

设置零部件本体为金属导体，与电源的正极电性连接；

设置石墨，与电源的负极电性连接；

将零部件本体浸泡于电解腐蚀液中，当接通零部件本体-电源-石墨电路时，零部件本体其未覆盖有密封保护结构(此处的保护结构可以是能够粘贴在零部件本体表面的胶条等)的部位发生电化学腐蚀形成凹槽1。

在本实施例的基础上，可以通过控制电解腐蚀液的浓度和/或上述电路的通电时长和/或上述电路的通电电流大小，控制上述电化学腐蚀形成的凹槽1的深度和宽度，使其满足工艺要求。以上方法简单并且容易实现，操作方便。

或者，通过等离子体刻蚀方法对零部件本体表面进行加工形成衬底A，该等离子体刻蚀方法包括：

在真空环境中设置电场；

向真空环境中通入工艺气体，工艺气体在射频激励作用下形成等离子体；

等离子体在电场作用下对零部件本体其表面未覆盖有所密封保护结构(此处的保护结构能够保护零部件本体上其所覆盖的部分不受等离子体刻蚀，例如可以选用耐等离子体涂层)的部位进行等离子体刻蚀以形成凹槽1。

在本实施例的基础上，可以通过控制上述真空环境中的气体压强大小和/或上述形成的等离子体的浓度和/或上述电场的场强大小，控制上述等离子体刻蚀形成的所述凹槽1的深度和宽度，使其满足工艺要求。以上方法简单并且容易实现，操作方便。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (11)

1.一种用于等离子体反应装置中的零部件，所述等离子体反应装置包括反应腔，所述反应腔内为等离子体环境，所述零部件暴露于所述等离子体环境中，其特征在于：

所述零部件包括衬底和涂覆在所述衬底表面的耐等离子体涂层，所述衬底的表面设置有若干凹槽，相邻所述凹槽间形成凸起；每个所述凹槽的宽度W1≤30nm、深度H1≤100nm，每个所述凸起的宽度W2≤30nm；所述凹槽的底部面积和所述凸起的顶部面积的面积比为3:7—7:3；所述若干凹槽呈阵列排布，相邻行的所述凹槽呈对齐设置或交错设置；或者，所述若干凹槽呈条形槽形式间隔设置，所述若干凹槽的延伸方向相互平行；

所述耐等离子体涂层覆盖于所述凹槽的侧壁表面、底部表面和所述凸起的顶部表面。

2.根据权利要求1所述的零部件，其特征在于：所述耐等离子体涂层的材质包括Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的零部件，其特征在于：所述衬底的材质包括铝合金、不锈钢、钨或钛中的至少一种。

4.一种等离子体反应装置，其特征在于，包括：

反应腔，所述反应腔内为等离子体环境；

如权利要求1至权利要求3中任一项所述的零部件，所述零部件暴露于所述等离子体环境中。

5.根据权利要求4所述的等离子体反应装置，其特征在于：所述等离子体反应装置为电容耦合等离子体反应装置时，所述零部件包括喷淋头、气体分配板、上接地环、下接地环、气体管路、聚焦环、绝缘环、静电卡盘、覆盖环或衬底固持框中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的等离子体反应装置，其特征在于：所述等离子体反应装置为电感耦合等离子体反应装置时，所述零部件包括陶瓷盖板、衬套、气体喷嘴、气体连接法兰、聚焦环、绝缘环、静电卡盘、覆盖环或衬底固持框中的至少一种。

7.一种零部件加工方法，其特征在于：

提供零部件本体；

对所述零部件本体进行加工形成如权利要求1至权利要求3中任一项所述的零部件。

8.根据权利要求7所述的零部件加工方法，其特征在于，对所述零部件本体进行加工形成所述零部件的方法包括：对所述零部件本体表面进行处理，形成所述衬底；在所述衬底表面形成所述耐等离子体涂层。

9.根据权利要求8所述的零部件加工方法，其特征在于：在所述零部件本体表面不需要加工形成所述凹槽的部位设置有密封保护结构。

10.根据权利要求9所述的零部件加工方法，其特征在于：通过电化学腐蚀方法对所述零部件本体表面进行加工形成所述衬底，所述电化学腐蚀方法包括：

设置所述零部件本体为金属导体，与电源的正极电性连接；

设置石墨，与所述电源的负极电性连接；

将所述零部件本体浸泡于电解腐蚀液中，当接通零部件本体-电源-石墨电路时，所述零部件本体其未覆盖有所述密封保护结构的部位发生电化学腐蚀形成所述凹槽。

11.根据权利要求9所述的零部件加工方法，其特征在于，通过等离子体刻蚀方法对所述零部件本体表面进行加工形成所述衬底，所述等离子体刻蚀方法包括：

在真空环境中设置电场；

向真空环境中通入工艺气体，工艺气体在射频激励作用下形成等离子体；

等离子体在电场作用下对所述零部件本体其表面未覆盖有所述密封保护结构的部位进行等离子体刻蚀以形成所述凹槽。