CN113698234A - 陶瓷件的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种陶瓷件的加工方法，用于对经过机械加工的陶瓷件进行表面处理，其包括以下步骤：对所述陶瓷件进行等离子体刻蚀，以去除所述陶瓷件的待处理表面上的损伤和颗粒；对进行等离子体刻蚀后的所述陶瓷件的待处理表面进行清洗，以去除所述陶瓷件进行等离子体刻蚀的步骤中在所述陶瓷件的待处理表面上产生的固态生成物。本发明实施例提出供的陶瓷件的加工方法，能够有效去除陶瓷件表面的颗粒和损伤。

Description

陶瓷件的加工方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种陶瓷件的加工方法。
背景技术
由于陶瓷具有质硬、耐磨损、抗氧化性好以及强度高等特性，其在半导体刻蚀领域得到了广泛的应用。氧化铝陶瓷是一种以氧化铝(Al2O3)为主体的陶瓷材料，是氧化物中最稳定的物质，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨、机械强度高、硬度大、电绝缘性高与介电损耗低等的优势，这使得氧化铝陶瓷材料越来越多地应用在半导体设备中。图1示出了现有的经过机械加工的陶瓷件的表面颗粒附着情况，可见，陶瓷件在经过机械加工后，陶瓷件表面会附着有很多细小颗粒(图1中所示的白色点状物)，而且附着在陶瓷件表面上的颗粒直径范围可以达到0.2um～1um；而且，图2示出了现有的经过机械加工的陶瓷件的表面损伤状况，可见，机械加工中还会在陶瓷件表面造成多处表面损伤，例如凹坑、划痕等损伤，而且具有多处表面损伤的表面损伤层的厚度范围可以达到10um～30um。
为了消除陶瓷件表面的颗粒和损伤，现有的技术方案通常会采用传统的纯水清洗或超声纯水清洗，但实际上，前述清洗方式均不能够有效去除陶瓷件表面的颗粒和损伤。而若将表面存在颗粒和损伤的陶瓷件应用于半导体刻蚀机中，则用于刻蚀工艺的气体或药液会被由陶瓷件表面脱离的颗粒污染，进而影响加工的晶圆的良率。因此，提出一种能够有效去除陶瓷件表面的颗粒和损伤的加工方法，成为了本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种能够有效去除陶瓷件表面的颗粒和损伤的加工方法。
为实现本发明的目的而提供一种陶瓷件的加工方法，用于对经过机械加工的陶瓷件进行表面处理，其特征在于，包括以下步骤：
对所述陶瓷件进行等离子体刻蚀，以去除所述陶瓷件的待处理表面上的损伤和颗粒；
对进行等离子体刻蚀后的所述陶瓷件的待处理表面进行清洗，以去除所述陶瓷件进行等离子体刻蚀的步骤中在所述陶瓷件的待处理表面上产生的固态生成物。
可选的，所述对所述陶瓷件进行等离子体刻蚀的步骤，包括：
将所述陶瓷件置于刻蚀腔室中；
向所述刻蚀腔室通入工艺气体，以使所述刻蚀腔室的内部压力达到预设压力值；
开启上射频电源，将所述工艺气体激发成等离子体；
控制所述刻蚀腔室内部温度保持在预设刻蚀温度，将所述上射频电源的输出功率调节至第一预设功率值，并将下射频电源的输出功率调节至第二预设功率值，以使所述等离子体在重力作用下轰击所述陶瓷件的待处理表面，并与所述陶瓷件的待处理表面材料以及所述颗粒发生化学反应，以去除所述陶瓷件的待处理表面上的所述损伤和所述颗粒。
可选的，所述工艺气体包括主刻蚀气体和辅助刻蚀气体，其中，所述主刻蚀气体用于在被激发成等离子体后与所述陶瓷件的待处理表面材料以及所述颗粒发生化学反应，并生成所述生成物；
所述辅助刻蚀气体用于在被激发成等离子体后促进所述化学反应进行。
可选的，所述陶瓷件由氧化铝制成；所述主刻蚀气体包括氯气；所述辅助刻蚀气体包括惰性气体。
可选的，所述主刻蚀气体和所述辅助刻蚀气体的进气流量比小于等于1:1，且大于等于1:3.5。
可选的，所述向刻蚀腔室通入工艺气体的步骤包括：
以第一进气流量向所述刻蚀腔室内部通入所述主刻蚀气体，并以第二进气流量向所述刻蚀腔室内部通入所述辅助刻蚀气体；其中，
所述第一进气流量值大于等于150sccm，且小于等于300sccm；所述第二进气流量值大于等于400sccm，且小于等于650sccm。
可选的，所述预设压力值大于等于600mTorr，且小于等于900mTorr；
所述第一预设功率值大于等于1800W，且小于等于2200W；
所述第二预设功率值等于0W；
所述预设刻蚀温度大于等于60℃，且小于等于70℃。
可选的，在所述对所述陶瓷件进行机械加工的步骤之后，且在所述对所述陶瓷件进行等离子体刻蚀的步骤之前，还包括：
对所述陶瓷件进行烘烤，以烘干所述陶瓷件的待处理表面。
可选的，所述对所述陶瓷件的待处理表面进行清洗的步骤包括：
将所述陶瓷件浸泡在清洗溶液中，以去除所述固态生成物；
去除所述陶瓷件的待处理表面上残留的所述清洗溶液。
可选的，在所述对所述陶瓷件的待处理表面进行清洗的步骤之后，还包括：
静置所述陶瓷件，直至所述陶瓷件的待处理表面中的应力全部释放。
可选的，以上多个实施例中所述的陶瓷件包括用于半导体设备的陶瓷工艺套件和静电卡盘的陶瓷层。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的陶瓷件的加工方法，通过利用等离子体刻蚀工艺对陶瓷件表面材料进行去除，以能够有效去除陶瓷件表面的损伤和颗粒；而且由于等离子体刻蚀工艺的精度较高，所以利用等离子体刻蚀工艺对陶瓷件表面材料进行去除，能够通过控制刻蚀工艺的工艺条件来较为精确地控制去除量，进而既能够有效去除陶瓷件表面损伤，也能够避免在陶瓷件表面增加额外的损伤。
附图说明
图1为现有的经过机械加工后的陶瓷件的表面颗粒附着情况电镜图；
图2为现有的经过机械加工后的陶瓷件的表面损伤状况电镜图；
图3为本发明实施例提供的陶瓷件的加工方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的对陶瓷件进行等离子体刻蚀的步骤的流程图；
图5为采用本发明实施例提供的加工方法对陶瓷件进行加工前后的表面颗粒附着情况对比图；
图6为采用本发明实施例提供的加工方法对陶瓷件进行加工前后的表面损伤状况对比图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的陶瓷件的加工方法进行详细描述。
本实施例提供一种陶瓷件的加工方法，用于对经过机械加工的陶瓷件进行表面处理，以去除陶瓷件表面的损伤和颗粒。陶瓷生坯经过烧结固化后，形成的陶瓷件通常具有较高的硬度，常用作半导体加工设备的零部件，在一些实施例中，陶瓷件包括用于半导体设备的陶瓷工艺套件和静电卡盘的陶瓷层。而为了使陶瓷件的尺寸、形状以及表面粗糙度能够达到实际应用的期望条件，在将陶瓷生坯烧结成陶瓷件后，还需要对陶瓷件进行机械加工，例如切削、研磨以及打孔等多种工艺；但由于陶瓷件的硬度较高，所以在后续的机械加工过程中，必须采用硬度较高的刀具或磨料，这就容易在陶瓷件表面留下损伤，而且在切削和研磨中产生的细小颗粒还会附着在陶瓷件表面，难以去除。
为了解决上述技术问题，如图3所示，本实施例提供的陶瓷件的加工方法包括以下步骤：
步骤S1：对机械加工后的陶瓷件进行等离子体刻蚀，以去除陶瓷件的待处理表面上的损伤和颗粒；
具体的，附着陶瓷件的待处理表面上的颗粒通常是机械加工中的切屑或磨屑，因此该颗粒与陶瓷件为同种材料；而陶瓷件的待处理表面上的损伤通常指凹坑或划痕等由陶瓷件表面向内凹陷的缺陷，因此若要去除陶瓷件表面的损伤，必须要将陶瓷件的存在损伤的部分去除，即，将整层表面损伤层去除；还需要说明的是，“等离子体刻蚀”是指在将用于刻蚀的工艺气体激发成等离子体后，赋予等离子体一定的动能以轰击陶瓷件的表面，从而使陶瓷件表面材料溅射脱离陶瓷件主体；或者，利用等离子体的化学性质，与陶瓷件材料发生化学反应生成气体生成物或易升华的固体生成物；或者，同时利用等离子体的动能和化学性质，以使等离子体既能够轰击陶瓷件表面材料，又能够与等离子体表面材料发生化学反应；
步骤S2：对陶瓷件的待处理表面进行清洗，以去除在进行上述步骤S1的等离子体刻蚀中在陶瓷件的待处理表面上产生的固态生成物。具体的，步骤S1中产生的固态生成物通常具有易升华的性质，其会在较低的温度下升华成气体，但由于分子间作用力的存在，所以不可避免地，陶瓷件的待处理表面会残留部分固态生成物，因此需要对陶瓷件的待处理表面进行清洗才能完全去除残留的固态生成物。
本实施例提供的陶瓷件的加工方法通过利用等离子体刻蚀工艺，对陶瓷件表面材料进行整层去除，从而能够有效去除附着在陶瓷件的待加工表面上的颗粒，以及存在损伤的表面损伤层。而且由于等离子体刻蚀工艺的精度较高，所以利用等离子体刻蚀工艺对陶瓷件表面材料进行去除，能够通过控制刻蚀工艺的工艺条件来较为精确地控制去除量，进而既能够有效去除陶瓷件表面损伤，也能够避免在陶瓷件表面增加额外的损伤。
在一些实施例中，如图4所示，前述步骤S1，即，对陶瓷件进行等离子体刻蚀的步骤，将陶瓷件放入刻蚀腔室中后，具体包括以下步骤：
步骤S11：将陶瓷件置于刻蚀腔室中；
步骤S12：向刻蚀腔室通入工艺气体，以使刻蚀腔室的内部压力达到预设压力值；
步骤S13：开启上射频电源，将工艺气体激发成等离子体；
具体的，上射频电源通常位于刻蚀腔室的顶部，用于将工艺气体激发成等离子体；本实施例的步骤S13中，对上射频电源的输出功率不作限定，其能够满足部分或全部工艺气体能够被激发成等离子体即可；
步骤S14：控制刻蚀腔室内部温度保持在预设刻蚀温度，将上射频电源的输出功率调节至第一预设功率值，并将下射频电源的输出功率调节至第二预设功率值，以使等离子体在重力作用下轰击陶瓷件的待处理表面，并与陶瓷件的待处理表面材料和颗粒发生化学反应，以去除陶瓷件的待处理表面上的损伤和颗粒。其中，下射频电源通常用于向设置在刻蚀腔室中的卡盘加载射频功率，以吸引等离子体轰击卡盘上的待加工工件。
在本实施例中，通过使等离子体仅在重力作用下轰击在陶瓷件的待处理表面，可以使轰击力度尽可能地小，从而避免因轰击力度过大在待处理表面造成额外的损伤或增大待处理表面的表面粗糙度。
在一些实施例中，前述预设刻蚀温度大于等于60℃，且小于等于70℃。前述预设压力值大于等于600mTorr，且小于等于900mTorr；第一预设功率值大于等于1800W，且小于等于2200W，以维持刻蚀腔室中工艺气体保持在等离子体的状态。由于下射频电源用于吸引等离子体向陶瓷件运动，因此第二预设功率值等于0W，以保证等离子体仅受重力作用，而不受洛伦兹力影响，从而使轰击力度尽可能地小，进而避免因轰击力度过大在待处理表面造成额外的损伤，并能够保证待处理表面的表面粗糙度不会增大。不过本实施例并不仅限于此，在对陶瓷件的表面粗糙度要求不高的条件下，第二预设功率值也可以选取接近于0W的值。
在一些实施例中，前述工艺气体包括主刻蚀气体和辅助刻蚀气体。其中，主刻蚀气体用于在被激发成等离子体后与陶瓷件的待处理表面材料以及颗粒发生化学反应，并生成固态生成物，该固态生成物可以具有较低的沸点，以能够在较低的温度下升华成气体，从而可以通过刻蚀腔室的排气口排出。辅助刻蚀气体用于在被激发成等离子体后促进主刻蚀气体与陶瓷件的待处理表面材料和颗粒发生的化学反应的进行。
在一些实施例中，陶瓷件由氧化铝(Al2O3)制成。相应的，主刻蚀气体包括氯气(Cl2)；辅助刻蚀气体包括惰性气体。其中，惰性气体例如为氩气(Ar)，氩气在被激发为等离子体后，等离子体状态的氩离子具有一定的动能，而且在重力作用下，氩离子会以一定速度与陶瓷件的待处理表面材料以及附着在陶瓷件的待处理表面上的颗粒发生碰撞，从而能够使氧化铝材料中的Al-O键发生断裂，进而能够促进氯气在被激发成等离子体后，氯离子与铝离子发生化合反应。氯离子与铝离子发生化合反应会生成固态的氯化铝，而由于氯化铝的熔点和沸点都很低，所以其极易升华，因此可以通过调整刻蚀腔室的内部温度来促进氯化铝发生升华，并将升华后的气态氯化铝由腔室的出气口排出。另外，本实施例提供的陶瓷件的加工方法不仅用于氧化铝陶瓷件，还可以应用于碳化硅等材料制成的陶瓷件。
在一些实施例中，可以通过调节主刻蚀气体和辅助刻蚀气体的进气流量比，来对步骤S1中的刻蚀速率进行调整；具体的，主刻蚀气体和辅助刻蚀气体的进气流量比小于等于1:1，且大于等于1:3.5。
在此基础上，前述步骤S12，即，向刻蚀腔室通入工艺气体的步骤，具体包括以下步骤：
以第一进气流量向刻蚀腔室内部通入主刻蚀气体，并以第二进气流量向刻蚀腔室内部通入辅助刻蚀气体。其中，第一进气流量值大于等于150sccm，且小于等于300sccm；第二进气流量值大于等于400sccm，且小于等于650sccm。在这样的气体条件下，可以保证主刻蚀气体与陶瓷件的待处理表面材料以及吸附在待处理表面上的颗粒发生充分且均匀的反应，同时也可以使刻蚀反应以适当的速率进行。
在一些实施例中，在前述步骤S1开始之前，即，在对陶瓷件的进行机械加工之后，且在对陶瓷件进行等离子体刻蚀的步骤之前，还包括以下步骤：
步骤S10：对陶瓷件进行烘烤，以烘干陶瓷件的待处理表面，即，使残留在陶瓷件表面的液体受热加速蒸发。进行此步骤的原因在于，在进行机械加工、运输或储存等过程中，陶瓷件表面会吸附一定量的水汽，若直接进入刻蚀腔室，则会影响后续刻蚀反应的进行。
在一些实施例中，前述步骤S2，即，对陶瓷件的待处理表面进行清洗的步骤，具体包括以下步骤：
步骤S21：将陶瓷件浸泡在清洗溶液中，以去除固态生成物；
具体的，清洗溶液可以例如为氨水和双氧水的混合溶液，其配比为：一水合氨(NH4OH)：过氧化氢(H2O2)：水(H2O)＝1：2：5；而且在浸泡陶瓷件的过程中，清洗溶液应当保持预设的温度，例如为30℃；
步骤S22：去除陶瓷件的待处理表面上残留的清洗溶液。
在一些实施例中，在前述在步骤S2结束后，即，在对陶瓷件的待处理表面进行清洗的步骤之后，还包括以下步骤：
步骤S3：静置陶瓷件，直至陶瓷件表面的应力全部释放。
具体的，在步骤S3中，可以将陶瓷件放入充满氮气的静置柜中，并控制静置柜内部温度保持在20℃，并使陶瓷件在此温度下静置1h，以使陶瓷件表面的应力全部释放。
作为另一种技术方案，在上述陶瓷件的加工方法的基础上，本实施例还提供一种对氧化铝陶瓷件进行表面处理的流程，其包括以下多个步骤：
步骤S01：将陶瓷件置于烤箱中，并以预设烘烤温度，对陶瓷件进行预设烘烤时长的烘烤；具体的，预设烘烤温度例如为110℃，预设烘烤时长例如为45min，在此条件下，陶瓷件表面吸附的水汽能够被完全去除；
步骤S02：将陶瓷件放入刻蚀腔室中，并以机械固定的方式将陶瓷件固定在刻蚀腔室内部的中心位置，以能够使后续的刻蚀工艺均匀地进行；具体的，前述机械固定例如为将陶瓷件放置在卡盘上；需要说明的是，被固定好的陶瓷件的朝向刻蚀腔室顶部的面即为待处理表面，换言之，在固定陶瓷件的过程中应当注意，陶瓷件的需要被加工的面应尽量朝上；
步骤S03：以第一进气流量向刻蚀腔室内部通入氯气，并以第二进气流量向刻蚀腔室内部通入氩气；具体的，第一进气流量值大于等于150sccm，且小于等于300sccm；第二进气流量值大于等于400sccm，且小于等于650sccm；
步骤S04：开启上射频电源，将工艺气体激发成等离子体；在此步骤中，不需要开启下射频电源；
步骤S05：上射频电源的输出功率调节至第一预设功率值，并保持下射频电源的关闭状态，以使等离子体仅在重力作用下以一定的速度下落至陶瓷件的待处理表面上；具体的，第一预设功率值大于等于1800W，且小于等于2200W；具体的，此步骤可以进行预设刻蚀时长，而且可以通过预设刻蚀时长来调节刻蚀量，即，去除掉的陶瓷件表面材料的厚度；
步骤S06：将陶瓷件由刻蚀腔室中取出，放入清洗槽中浸泡1min，以使残留在陶瓷件表面的氯化铝被清洗槽中的清洗溶液溶解；
步骤S07：将陶瓷件由清洗槽取出，放入纯水槽中浸泡2min，以去除残留在陶瓷件表面的清洗溶液；
步骤S08：将陶瓷件由纯水槽取出，放入旋转槽中，以3000r/min的转速持续旋转45s，以使残留在陶瓷件表面的液体被甩离；
步骤S09：将陶瓷件放入静置柜中；
步骤S10：控制静置柜内部温度保持在20℃，并使陶瓷件在此温度下静置1h，以使陶瓷件表面的应力全部释放。
发明人采用上述表面处理流程对多个陶瓷件样品进行表面处理后，取得了如下表所示的效果：
表1多个陶瓷样品经过表面处理前和处理后的表面颗粒数量与表面损伤层厚度对比数据表
Figure BDA0003236824240000091
Figure BDA0003236824240000101
由上表可见，本实施例提供的表面加工方法能够有效减少陶瓷件的表面颗粒和表面损伤。而且，由图5和图6也可以直观地看出，经过采用本实施例提供的表面加工方法对陶瓷件进行处理后，附着在陶瓷件表面的颗粒明显变少，而且陶瓷件表面损伤层大部分都得到了有效去除，且没有增加新的损伤。
本实施例提供的陶瓷件的加工方法通过利用等离子体刻蚀工艺，对陶瓷件表面材料进行整层去除，从而能够有效去除附着在陶瓷件的待加工表面上的颗粒，以及存在损伤的表面损伤层。而且由于等离子体刻蚀工艺的精度较高，所以利用等离子体刻蚀工艺对陶瓷件表面材料进行去除，能够通过控制刻蚀工艺的工艺条件来较为精确地控制去除量，进而既能够有效去除陶瓷件表面损伤，也能够避免在陶瓷件表面增加额外的损伤。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种陶瓷件的加工方法，用于对经过机械加工的陶瓷件进行表面处理，其特征在于，包括以下步骤：
对所述陶瓷件进行等离子体刻蚀，以去除所述陶瓷件的待处理表面上的损伤和颗粒；
对进行等离子体刻蚀后的所述陶瓷件的待处理表面进行清洗，以去除所述陶瓷件进行等离子体刻蚀的步骤中在所述陶瓷件的待处理表面上产生的固态生成物。
2.根据权利要求1所述的陶瓷件的加工方法，其特征在于，所述对所述陶瓷件进行等离子体刻蚀的步骤，包括：
将所述陶瓷件置于刻蚀腔室中；
向所述刻蚀腔室通入工艺气体，以使所述刻蚀腔室的内部压力达到预设压力值；
开启上射频电源，将所述工艺气体激发成等离子体；
控制所述刻蚀腔室内部温度保持在预设刻蚀温度，将所述上射频电源的输出功率调节至第一预设功率值，并将下射频电源的输出功率调节至第二预设功率值，以使所述等离子体在重力作用下轰击所述陶瓷件的待处理表面，并与所述陶瓷件的待处理表面材料以及所述颗粒发生化学反应，以去除所述陶瓷件的待处理表面上的所述损伤和所述颗粒。
3.根据权利要求2所述的陶瓷件的加工方法，其特征在于，所述工艺气体包括主刻蚀气体和辅助刻蚀气体，其中，所述主刻蚀气体用于在被激发成等离子体后与所述陶瓷件的待处理表面材料以及所述颗粒发生化学反应，并生成所述生成物；
所述辅助刻蚀气体用于在被激发成等离子体后促进所述化学反应进行。
4.根据权利要求3所述的陶瓷件的加工方法，其特征在于，所述陶瓷件由氧化铝制成；所述主刻蚀气体包括氯气；所述辅助刻蚀气体包括惰性气体。
5.根据权利要求3所述的陶瓷件的加工方法，其特征在于，所述主刻蚀气体和所述辅助刻蚀气体的进气流量比小于等于1:1，且大于等于1:3.5。
6.根据权利要求5所述的陶瓷件的加工方法，其特征在于，所述向刻蚀腔室通入工艺气体的步骤包括：
以第一进气流量向所述刻蚀腔室内部通入所述主刻蚀气体，并以第二进气流量向所述刻蚀腔室内部通入所述辅助刻蚀气体；其中，
所述第一进气流量值大于等于150sccm，且小于等于300sccm；所述第二进气流量值大于等于400sccm，且小于等于650sccm。
7.根据权利要求2所述的陶瓷件的加工方法，其特征在于，所述预设压力值大于等于600mTorr，且小于等于900mTorr；
所述第一预设功率值大于等于1800W，且小于等于2200W；
所述第二预设功率值等于0W；
所述预设刻蚀温度大于等于60℃，且小于等于70℃。
8.根据权利要求1所述的陶瓷件的加工方法，其特征在于，在所述对所述陶瓷件进行机械加工的步骤之后，且在所述对所述陶瓷件进行等离子体刻蚀的步骤之前，还包括：
对所述陶瓷件进行烘烤，以烘干所述陶瓷件的待处理表面。
9.根据权利要求1所述的陶瓷件的加工方法，其特征在于，所述对所述陶瓷件的待处理表面进行清洗的步骤包括：
将所述陶瓷件浸泡在清洗溶液中，以去除所述固态生成物；
去除所述陶瓷件的待处理表面上残留的所述清洗溶液。
10.根据权利要求1所述的陶瓷件的加工方法，其特征在于，在所述对所述陶瓷件的待处理表面进行清洗的步骤之后，还包括：
静置所述陶瓷件，直至所述陶瓷件的待处理表面中的应力全部释放。
11.根据权利要求1-10任意一项所述的陶瓷件加工方法，其特征在于，所述陶瓷件包括用于半导体设备的陶瓷工艺套件和静电卡盘的陶瓷层。
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CN101224458A (zh) * 2007-01-15 2008-07-23 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 一种多晶硅刻蚀腔室中陶瓷材料零件表面的清洗方法
CN104844270A (zh) * 2015-02-10 2015-08-19 苏州亚晶新材料有限公司 一种电子产品用多晶透明陶瓷的制备方法
CN113275329A (zh) * 2021-05-17 2021-08-20 滨州学院 一种陶瓷印刷表面处理加工用等离子体清洗机及清洗工艺

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