CN114188210A - 一种用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法，包括：对陶瓷介质窗的内表面进行加工，使陶瓷介质窗直接朝向腔室的部分内表面的粗糙度增加至Ra5～Ra6，且陶瓷介质窗与腔盖之间的密封面的粗糙度降低至R0.4以下；在陶瓷介质窗的外表面上增加热源，使陶瓷介质窗在晶圆加工过程中，维持自身温度在80℃以上。本发明结合增加粗糙度和高温辅助两种辅助方案，使金属刻蚀机反应腔的工艺时沉积膜能够持续不破裂的时间延长至180射频小时以上，继而减少开腔清洗周期，增加产能。

Description

一种用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法
技术领域
本发明涉及半导体干法刻蚀技术领域，具体而言涉及一种用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法。
背景技术
在半导体干法刻蚀工艺中，根据待刻蚀材料的不同，可分为金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀。金属刻蚀又可以分为金属铝刻蚀、金属钨刻蚀和氮化钛刻蚀等。目前，金属铝作为连线材料，仍然广泛用于DRAM和flash等存储器，以及0.13um以上的逻辑产品中。
目前金属刻蚀机的刻蚀腔广泛采用双射频功率源设计。偏置功率用来加速正离子，提供垂直的物理轰击，源功率用来提高反应腔体内的等离子体的浓度。这种双功率的设计可以实现对离子体的能量和浓度的独立控制，扩大了刻蚀工艺的工艺窗口和性能。金属刻蚀机的刻蚀腔主要包括预真空室、刻蚀腔、供气系统和真空系统四部分。其中刻蚀腔体是等离子体刻蚀机的核心结构，它对刻蚀速率、刻蚀的垂直度以及粗糙度都有直接的影响。如图1所示，刻蚀腔的主要组成部分有：射频线圈001、陶瓷介质窗002、腔盖003，进气喷嘴004、屏蔽罩008、激励射频电源011、匹配网络010、气体源012、偏压电极020、等离子体反应腔室022、偏置射频电源021、匹配网络025、压力控制阀023、真空泵024预抽管道029、预抽阀026、前级阀027、前级管道030、干泵028等组成。其中刻蚀腔内部为真空腔室，工艺时处于真空状态，真空腔室内壁由多个部分组成。金属刻蚀机刻蚀腔在工艺过程中，真空腔室内会产生大量反应产物，大部分反应产物会被真空泵024抽走，但有部分反应产物会沉积到反应腔四周，包括陶瓷介质窗002在真空内的内、反应腔室022在真空内的面、偏压电极在真空内的面等。这些反应产物在上述反应腔内壁上形成一层沉积膜，尤其是电极正上方的陶瓷介质窗002上沉积的膜层产物最厚，这部分沉积膜在一段时间后由于应力、温度等原因破裂，最终落到腔室内各处，部分破碎的膜层落到晶圆上，会影响工艺结果甚至损坏晶圆，这样就必须停产开腔清洗，所以普通金属刻蚀机的沉积层持续不破裂的时间决定着刻蚀腔可以多久不停产。
专利号为KR1020070006326A的发明中同时提出了可以使表面粗糙度控制在120uinch(3um)或以上。进一步地，专利号为US20060086458A1的发明中提出了一种陶瓷衬里表面粗糙度的控制方法，通过磨蚀工艺对陶瓷衬里进行处理，将表面粗糙度改变为140±40μinch(3.5±1um)，使等离子气体反应形成的聚合物粘附在陶瓷衬里上。该发明还指出，如果表面太光滑(＜100μinch，即＜2.5um)，则如果表面太粗糙(＞180μinch，即＞4.5um)，则聚合物不会再次粘附，因为表面太脆，因此140±40μinch是一个更为合理的粗糙度选择。前述两个发明通过在允许范围内增加表面粗糙度的方法来增加聚合物的吸附力，延长了腔室的单次使用时长。但经实践论证，前述粗糙度对于腔室单次使用时长的延长效果有限，普通的腔室由于腔室环境的原因一般仅能维持工艺100小时以内，影响客户产能。
专利号为CN109671607A的发明中提出了一种工件的加工方法和工艺腔室，对于介质窗的加工方法提出了新的构想，首先对介质窗的中间半成品的表面进行喷砂处理，在利用酸性溶液浸泡喷砂处理后的中间半成品表面，使介质窗的表面粗糙度值维持在Ra6.3～Ra12.5之间，从而，介质窗的表面可以吸附更多的工艺副产物，避免工艺副产品从介质窗的表面脱落，形成颗粒杂质，从而可以提高晶圆的加工量率。但该加工过程需要同时进行喷砂和酸性溶液侵泡处理，加工过程相当复杂且参数难以控制。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法，结合增加粗糙度和高温辅助两种辅助方案，使金属刻蚀机反应腔的工艺时沉积膜能够持续不破裂的时间延长至180射频小时(RFh)以上，继而减少开腔清洗周期，增加产能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明实施例提出了一种用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法，所述表面处理方法包括以下步骤：
对陶瓷介质窗的内表面进行加工，使陶瓷介质窗直接朝向腔室的内表面的粗糙度增加至Ra5～Ra6，且陶瓷介质窗与腔盖之间的密封面的粗糙度降低至R0.4以下；
在陶瓷介质窗的外表面上增加热源，使陶瓷介质窗在晶圆加工过程中，维持自身温度在80℃以上。
进一步地，所述对陶瓷介质窗的内表面进行加工的过程包括以下步骤：
采用厚度20mm～30mm范围内的陶瓷型胚烧制得到陶瓷介质窗的初步半成品；
在机床上进行整体尺寸精加工，使陶瓷介质窗的粗糙度降低至Ra0.8以下，厚度维持在15mm～25mm范围内；
采用牛纸膜覆盖陶瓷介质窗与腔盖接触的第一内表面区域；
采用60～80目的石英砂或陶瓷砂对陶瓷介质窗直接朝向腔室的第二内表面区域进行喷砂处理，使第二内表面区域的粗糙度增加至Ra5～Ra6；
去除牛纸膜，对第一内表面区域进行抛光处理，使第一内表面区域的粗糙度降低至R0.4以下，得到最终的陶瓷介质窗的成品。
进一步地，所述对陶瓷介质窗的内表面进行加工的过程还包括：
将陶瓷介质窗安装在旋转台上进行喷砂处理；
在喷砂过程中，控制陶瓷介质窗与地面的夹角在70°～80°范围内，旋转台的旋转速度维持在150～200转/min。
进一步地，所述喷砂过程的控制参数为：压缩空气压力为0.6～0.8Mpa，喷砂距离为6-8米。
进一步地，所述表面处理方法还包括：
在陶瓷介质窗的外表面上可拆卸地安装硅胶模板加热装置以维持陶瓷介质窗的温度大于80℃。
进一步地，所述表面处理方法还包括：
采用工件将硅胶模板加热装置直接压在陶瓷介质窗的外表面上。
进一步地，在晶圆加工过程中，陶瓷介质窗的温度维持在80℃～120℃范围内。
本发明还提及一种用于金属刻蚀机的刻蚀腔，所述刻蚀腔包括等离子体反应腔室和陶瓷介质窗，所述陶瓷介质窗覆盖在等离子体反应腔室上方，与等离子体反应腔室构成密闭腔体，所述陶瓷介质窗采用前述的方法制作形成。
本发明的有益效果是：
本发明提出的用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法，利用高温辅助，使陶瓷介质窗的粗糙度控制在Ra5～6范围内，即可以达到大幅提升工艺腔沉积膜能够持续不破裂的时间，减少开腔清洗周期，增加产能，同时简化了整个加工流程，提高了加工过程中的参数控制精度。
附图说明
图1为金属刻蚀机的刻蚀腔的结构示意图。
图2为本发明实施例的用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法流程图。
图3为本发明实施例的陶瓷介质窗的夹持状态示意图。
图4为陶瓷介质窗未喷砂时的沉积膜脱落示意图。
图5为本发明实施例的陶瓷介质窗的粗糙度示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一
图2为本发明实施例的用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法流程图。参见图2，该表面处理方法包括以下步骤：
对陶瓷介质窗002的内表面进行加工，使陶瓷介质窗002直接朝向腔室的部分内表面的粗糙度增加至Ra5～Ra6，且陶瓷介质窗002与腔盖003之间的密封面的粗糙度降低至R0.4以下。在陶瓷介质窗002的外表面上增加热源，使陶瓷介质窗002在晶圆加工过程中，维持自身温度在80℃以上。
陶瓷介质窗002由于其安装位置的特殊性，直接影响晶圆加工工艺的良品率。图4为陶瓷介质窗未喷砂时的沉积膜脱落示意图。在图4中，金属刻蚀机刻蚀腔的等离子体反应腔室上陶瓷介质窗002真空内壁面比较光滑，Ra＜0.8；陶瓷介质窗002的温度在25～40℃(在传统晶圆刻蚀过程中，陶瓷介质窗002外侧通常不设置热源，或者设置低温热源)，经测试，工艺时沉积膜可持续不破裂的时间＜40RFh。
而单独的将陶瓷介质窗002内表面增加至Ra5～6的粗糙度，还无法更高地提升沉积膜累积时间，需要同时在陶瓷介质窗002的上表面增加了热源，使陶瓷介质窗002温度大于80℃，进一步优选的在80℃～120℃之间。高温能够有效降低每次加工单片wafer所沉积的产物量，没有沉积住的副产物可以被真空泵024及时的抽走。在前述两种方案相结合的前提下，金属刻蚀机反应腔的工艺时沉积膜能够持续不破裂的时间＞180射频小时(RFh)，进而减少开腔清洗周期，增加产能。
示例性地，本实施例采用硅胶膜板加热装置作为热源，硅胶膜板加热装置不同于以往聚酰亚胺贴加热；聚酰亚胺贴是直接贴在陶瓷介质窗002上不可拆卸，返修清洗陶瓷介质窗002时需要做单独清洗治具；硅胶膜板是直接靠工件直接压在陶瓷介质窗002表面，可实现现场直接拆装。
作为其中的一种优选例，对陶瓷介质窗002的内表面进行加工的过程包括以下步骤：
S11，采用陶瓷型胚烧制得到陶瓷介质窗002的初步半成品。为保证接下来的喷砂效果和传热效果，同时确保合适的加工余量，优选陶瓷型胚厚度在20～30mm范围内。
S12，在机床上进行整体尺寸精加工，使陶瓷介质窗002的粗糙度降低至Ra0.8以下，厚度维持在15mm～25mm范围内。
S13，采用牛纸膜覆盖陶瓷介质窗002与腔盖003接触的第一内表面区域。为了喷砂过程不损伤陶瓷介质窗002和腔盖003之间的密封面，需要用专门的牛纸膜将密封面盖住，喷砂后再进行单独抛光处理即可。
S14，采用60～80目的石英砂或陶瓷砂对陶瓷介质窗002直接朝向腔室的第二内表面区域进行喷砂处理，使第二内表面区域的粗糙度增加至Ra5～Ra6，能够更好的将光刻胶等副产物吸附在粗糙度较大的凹槽内。优先选用石英砂作为喷砂介质。
S15，去除牛纸膜，对第一内表面区域进行抛光处理，使第一内表面区域的粗糙度降低至R0.4以下，确保密封效果，从而得到最终的陶瓷介质窗002的成品。图5为本发明实施例的陶瓷介质窗的粗糙度示意图。
本实施例的陶瓷介质窗002喷砂是利用压入式喷砂工艺，它是利用压缩空气形成高速喷射束，为达到上述粗糙度需求，和避免对整个喷砂面造成冲力损伤，需要将压缩空气压力控制在0.6～0.8Mpa，同时喷砂距离需要控制在6-8米范围内，能够提高加工良率和降低制造成本。如图3所示，为了防止喷砂反弹后的石英砂或陶瓷砂降低新的砂砾作用于陶瓷表面，可以将陶瓷介质窗002安装在旋转台时同地面夹角控制在70～80°，旋转速度150～200转/min。
实施例二
本实施例还提及一种用于金属刻蚀机的刻蚀腔，刻蚀腔包括等离子体反应腔室和陶瓷介质窗，陶瓷介质窗覆盖在等离子体反应腔室上方，与等离子体反应腔室构成密闭腔体，所述陶瓷介质窗采用实施例一中任意一项的表面处理方法制作形成。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法，其特征在于，所述表面处理方法包括以下步骤：
对陶瓷介质窗的内表面进行加工，使陶瓷介质窗直接朝向腔室的部分内表面的粗糙度增加至Ra5～Ra6，且陶瓷介质窗与腔盖之间的密封面的粗糙度降低至R0.4以下；
在陶瓷介质窗的外表面上增加热源，使陶瓷介质窗在晶圆加工过程中，维持自身温度在80℃以上。
2.根据权利要求1所述的用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法，其特征在于，所述对陶瓷介质窗的内表面进行加工的过程包括以下步骤：
采用厚度20mm～30mm范围内的陶瓷型胚烧制得到陶瓷介质窗的初步半成品；
在机床上进行整体尺寸精加工，使陶瓷介质窗的粗糙度降低至Ra0.8以下，厚度维持在15mm～25mm范围内；
采用牛纸膜覆盖陶瓷介质窗与腔盖接触的第一内表面区域；
对陶瓷介质窗直接朝向腔室的第二内表面区域进行喷砂处理，使第二内表面区域的粗糙度增加至Ra5～Ra6；
去除牛纸膜，对第一内表面区域进行抛光处理，使第一内表面区域的粗糙度降低至R0.4以下，得到最终的陶瓷介质窗的成品。
3.根据权利要求2所述的用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法，其特征在于，采用石英砂或陶瓷砂对陶瓷介质窗直接朝向腔室的第二内表面区域进行喷砂处理。
4.根据权利要求3所述的用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法，其特征在于，采用60～80目的石英砂或陶瓷砂对陶瓷介质窗直接朝向腔室的第二内表面区域进行喷砂处理。
5.根据权利要求2所述的用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法，其特征在于，所述对陶瓷介质窗的内表面进行加工的过程还包括：
将陶瓷介质窗安装在旋转台上进行喷砂处理；
在喷砂过程中，控制陶瓷介质窗与地面的夹角在70°～80°范围内，旋转台的旋转速度维持在150～200转/min。
6.根据权利要求5所述的用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法，其特征在于，所述喷砂过程的控制参数为：压缩空气压力为0.6～0.8Mpa，喷砂距离为6-8米。
7.根据权利要求1所述的用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法，其特征在于，所述表面处理方法还包括：
在陶瓷介质窗的外表面上可拆卸地安装硅胶模板加热装置以维持陶瓷介质窗的温度大于80℃。
8.根据权利要求7所述的用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法，其特征在于，所述表面处理方法还包括：
采用工件将硅胶模板加热装置直接压在陶瓷介质窗的外表面上。
9.根据权利要求1所述的用于金属刻蚀机的刻蚀腔内部沉积面表面处理方法，其特征在于，在晶圆加工过程中，陶瓷介质窗的温度维持在80℃～120℃范围内。
10.一种用于金属刻蚀机的刻蚀腔，所述刻蚀腔包括等离子体反应腔室和陶瓷介质窗，所述陶瓷介质窗覆盖在等离子体反应腔室上方，与等离子体反应腔室构成密闭腔体，其特征在于，所述陶瓷介质窗采用权利要求1-9任意一项所述的方法制作形成。
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