CN114277340A

CN114277340A - 零部件、耐等离子体涂层的形成方法和等离子体反应装置

Info

Publication number: CN114277340A
Application number: CN202011037205.9A
Authority: CN
Inventors: 孙祥; 段蛟; 陈星建
Original assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Shanghai
Current assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Shanghai
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2040-09-28
Also published as: CN114277340B

Abstract

本发明涉及等离子体刻蚀的技术领域，公开了一种耐等离子体涂层的形成方法、零部件和等离子体反应装置，所述零部件包括零部件本体和耐等离子体涂层；所述耐等离子体涂层为结晶相的钇铝化合物结晶，位于所述零部件本体的表面，所述钇铝化合物结晶还包括稀土元素。钇铝化合物结晶涂层具有更好的耐腐蚀特性，更好地保护零部件本体在等离子体刻蚀工艺过程中不被腐蚀。

Description

零部件、耐等离子体涂层的形成方法和等离子体反应装置

技术领域

本发明涉及等离子体刻蚀的技术领域，具体涉及一种零部件、耐等离子体涂层的形成方法和等离子体反应装置。

背景技术

在半导体器件的制造过程中，等离子刻蚀是将晶圆加工成设计图案的关键工艺。在典型的等离子体刻蚀工艺中，工艺气体在射频(Radio Frequency，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。

在等离子体刻蚀工艺过程中，物理轰击及化学反应作用也会同样作用于刻蚀腔室内部所有与等离子体接触的部件，造成腐蚀。对于处在刻蚀腔体内的工件而言，通常会涂覆一些耐等离子体腐蚀的涂层(例如，Y₂O₃涂层)以保护工件不被腐蚀。然而，随着制程的需求Y₂O₃涂层也需要改进，钇铝化合物在成本和抗等离子腐蚀性能上有着替代Y₂O₃的潜力。

但是，目前所制备的钇铝化合物都为非晶体的形态，耐等离子体腐蚀的效果不佳，因此，开发结晶相的钇铝化合物制备方法有十分重要的意义。

发明内容

鉴于上述的不足之处，本发明的目的在于提供一种零部件、耐等离子体涂层的形成方法和等离子体反应装置，提高耐等离子体涂层的耐腐蚀效果以保护工件不被腐蚀。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种用于等离子体反应装置的零部件，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：

零部件本体；

耐等离子体涂层，其为结晶相的钇铝化合物结晶，位于所述零部件本体的表面，所述钇铝化合物结晶还包括除钇之外的稀土元素。

可选的，所述钇铝化合物结晶为钇铝氧化物结晶或者钇铝氟氧化物结晶。

可选的，所述钇铝氧化物结晶包括：Y₃Al₅O₁₂、YAlO₃或Y₄Al₂O₉。

可选的，所述钇铝氟氧化物结晶包括：Y₃Al₅O_12-xF_x(0<x<6)、YAlO_3-xF_x(0<x<2)或Y₄Al₂O_9-xF_x(0<x<6)。

可选的，所述稀土元素包括Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Zrw、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种。

可选的，所述耐等离子体涂层的厚度在0.1μm-100μm之间。

可选的，所述耐等离子体涂层的致密率为95％到100％。

本发明还提供的技术方案为：一种耐等离子体涂层的形成方法，其特征在于，包括：

提供一零部件本体、第一靶材和第二靶材，所述第一靶材为掺杂有铝源的稀土元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的一种，所述第二靶材为Y₂O₃；

对所述第一靶材进行激发处理，使铝源与稀土元素的氧化物、氟化物或氟氧化物发生铝热反应形成铝的氧化物、氟化物或氟氧化物，并释放出热量；

对所述第二靶材进行激发处理，激发出所述第二靶材的原子，在所述铝热反应释放出的热量的作用下，激发出的所述第二靶材的原子与铝热反应产生的铝的氧化物、氟化物或者氟氧化物在所述零部件本体表面发生化学反应形成耐等离子体涂层，形成的所述耐腐蚀涂层为结晶相的钇铝化合物，所述结晶相的钇铝化合物中掺杂有所述稀土元素。

可选的，所述稀土元素包括Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Zr、Er、Tm、Yb或Lu中的至少一种。

可选的，所述第一靶材的材料为掺杂铝的CeO₂时，铝与CeO₂发生铝热反应的化学方程式为：

2Al+3CeO₂→Al₂O₃+3CeO+△H；

对所述第二靶材进行激发处理后，铝热反应生成的Al₂O₃与第二靶材Y₂O₃的化学反应方程式为：

5Al₂O₃+3Y₂O₃+2CeO→2Y₃Al₅O₁₂:CeO。

可选的，所述第一靶材中Al的质量分数为10％wt～80％wt。

可选的，所述耐等离子体涂层的厚度在0.1μm-100μm之间。

可选的，所述激发处理包括加热工艺，所述加热工艺的温度为100℃-200℃。

可选的，对所述第一靶材和第二靶材的激发处理过程中辅助增强源，所述强源包括等离子体源、离子束源、微波源中的至少一种。

本发明还提供的技术方案为：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；

零部件，所述零部件暴露于所述等离子体环境中。

可选的，所述等离子体反应装置为等离子体刻蚀装置或者等离子体清洗装置。

可选的，所述等离子体反应装置为电感耦合等离子体反应装置，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。

可选的，所述等离子体反应装置为电容耦合等离子体反应装置，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。

与现有技术相比，本发明技术方案具有如下有益效果：

本发明先对第一靶材进行加热发生铝热反应，在所述铝热反应中将释放出较大的热量，所述热量促使铝热反应产生的铝的氧化物、氟化物或氟氧化物与第二靶材激发出的原子在零部件本体的表面形成结晶相的钇铝化合物耐等离子体涂层，不需要再额外对零部件本体进行加热处理，大大简化了工艺制程；而且，所形成的结晶相的钇铝化合物结晶涂层的结构较致密，因此，结晶相的钇铝化合物结晶涂层具有较好的耐腐蚀特性，能够较好地保护零部件本体在等离子体刻蚀工艺过程中不被腐蚀。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施方式，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本发明的一实施例的一种等离子体反应装置的示意图；

图2是本发明的一实施例的一种耐等离子体腐蚀的零部件的示意图；

图3是本发明的一实施例的一种耐等离子体涂层的形成方法的流程示意图。

其中，100、零部件；110、零部件本体；120、耐等离子体涂层；200、等离子体反应装置；210、反应腔；221、内衬套；222、气体喷嘴；223、静电卡盘；224、聚焦环；225、绝缘环；226、覆盖环；227、等离子体约束环；228、陶瓷盖板；240、基座；W、基片。

具体实施方式

需要理解的是，这里所使用的术语、公开的具体结构和功能细节，仅仅是为了描述具体实施例，是代表性的，但是本发明可以通过许多替换形式来具体实现，不应被解释成仅受限于这里所阐述的实施例。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示相对重要性，或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，除非另有说明，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；“多个”的含义是两个或两个以上。术语“包括”及其任何变形，意为不排他的包含，可能存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

另外，“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系的术语，是基于附图所示的方位或相对位置关系描述的，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指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，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

从制备方式而言钇铝化合物涂层仅仅在原子层沉积技术(Atomic layerdeposition，ALD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)和金属有机化合物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)方式上实现。通过直接在物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)装置中加入原料，也能在零部件本体的表面形成钇铝化合物涂层，但是，PVD工艺很难制备多元金属氧化物，多元金属氟化物及氟氧化物，而且形成的是非晶的涂层，仅仅只是物理混合，不能生成结晶，非晶的涂层耐腐蚀的效果不好。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种耐等离子体涂层的形成方法，用该方法形成的零部件和该零部件所适用的等离子体反应装置。所述零部件包括零部件本体和耐等离子体涂层，通过PVD在零部件本体的表面形成一层钇铝化合物结晶涂层，保护零部件本体不被等离子体腐蚀。

下面参考附图和可选的实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一种等离子体反应装置的示意图。

请参考图1，等离子体反应装置200包括反应腔210和耐等离子体腐蚀的零部件100，所述反应腔210内为等离子体环境；所述耐等离子体腐蚀的零部件100暴露于所述等离子体环境中。等离子体反应装置200还包括：基座240，基座240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，为了防止零部件100的表面被等离子体腐蚀，因此需要在零部件100的表面涂覆耐等离子体涂层。所述等离子体反应装置200为等离子体刻蚀装置或者等离子体清洗装置。

在本实施例中，所述等离子体刻蚀装置200为电感耦合等离子体刻蚀装置，相应的，暴露于等离子体环境中的零部件100包括：内衬套221、气体喷嘴222、静电卡盘223、聚焦环224、绝缘环225、覆盖环226、等离子体约束环中227、陶瓷盖板228和气体连接法兰(图未示)。这些零部件的表面需要涂覆耐等离子体涂层120以防止等离子体的腐蚀。

具体应用中，所述等离子体刻蚀装置200也可以为电容耦合等离子体处理装置，相应的，暴露于等离子体环境中的零部件100包括：气体喷淋头、上接地环、下接地环、覆盖环、聚焦环、绝缘环、等离子体约束环。这些零部件的表面需要涂覆耐等离子体涂层120以防止等离子体的腐蚀。

为了防止在等离子体刻蚀过程中将零部件本体110腐蚀，在零部件本体110的表面设置一层耐等离子体涂层，以下对零部件100进行详细说明：

图2是本发明的一种耐等离子体腐蚀的零部件的示意图。

请参考图1和图2，所述零部件100用于等离子体反应装置200，所述等离子体反应装置200包括反应腔210，所述反应腔210内为等离子体环境，所述零部件100暴露于所述等离子体环境中，所述零部件100包括零部件本体110；以及耐等离子体涂层120，其为结晶相的钇铝化合物结晶，位于所述零部件本体110的表面，所述钇铝化合物结晶还包括除钇之外的稀土元素。

通过在所述零部件本体110的表面设置一层钇铝化合物结晶涂层，因为钇铝化合物结晶涂层具有很强的耐等离子体腐蚀的特性，因此它可以保护零部件本体110在等离子体刻蚀过程中不被腐蚀，延长零部件100的使用使用寿命，而且还可以防止零部件本体110被腐蚀后，产生的杂质参与到等离子体刻蚀的过程中。

其中，所述耐等离子体涂层120的元素包括Al、Y和用于掺杂的稀土元素。所述稀土元素包括Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Zr、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种；在所述耐等离子体涂层120中掺杂入稀土元素，提高耐等离子体涂层120在形成过程中的稳定性。所述耐等离子体涂层的致密率为95％到100％，所述耐等离子体涂层120要承受等离子体的轰击，产生尽量少的产生微小颗粒污染物，因此其致密度优选99％以上。所述耐等离子体涂层120的厚度在0.1μm-100μm之间，在此范围内既可以保证保护到零部件本体110不被等离子体腐蚀，又可以防止耐等离子体涂层120过厚对等离子体刻蚀过程产生影响，还有耐等离子体涂层的厚度越大，所需的成本越高，因此厚度设置在0.1μm-100μm之间，既能节省成本，也能够起到耐等离子体涂层120对零部件本体110表面的保护作用。

所述钇铝化合物结晶可以为钇铝氧化物结晶或者钇铝氟氧化物结晶，所述钇铝氧化物包括Y₃Al₅O₁₂(YAG)、YAlO₃(YAP)或Y₄Al₂O₉(YAM)，所述钇铝氟氧化物包括Y₃Al₅O_12-xF_x(0<x<6)、YAlO_3-xF_x(0<x<2)或Y₄Al₂O_9-xF_x(0<x<6)。

以下以YAG结晶作为耐等离子体涂层为例进行说明，其他钇铝氧化物结晶或者钇铝氟氧化物结晶的形成方法、应用和特性与YAG结晶相同。

图3是本发明的一种耐等离子体涂层的形成方法的流程示意图。

请参考图3，所述耐等离子体涂层通过物理气相沉积法形成，包括：

步骤S1：提供一零部件本体、第一靶材和第二靶材，所述第一靶材为掺杂有铝源的稀土元素的氧化物，所述第二靶材为Y₂O₃；

其中，所述沉积腔的温度为100℃-200℃；

步骤S2：对所述第一靶材进行激发处理，使铝源与稀土元素的氧化物、氟化物或氟氧化物发生铝热反应形成铝的氧化物、氟化物或氟氧化物，并释放出热量；

在一种实施例中，所述铝热反应的步骤具体包括：Al和稀土元素的氧化物发生铝热反应，生成Al₂O₃和放出大量热量；

步骤S3：对所述第二靶材进行激发处理，激发出所述第二靶材的原子，在所述铝热反应释放出的热量的作用下，激发出的所述第二靶材的原子与铝热反应产生的铝的氧化物、氟化物或氟氧化物在所述零部件本体表面发生化学反应形成耐等离子体涂层，形成的所述耐腐蚀涂层为结晶相的钇铝化合物，所述结晶相的钇铝化合物中掺杂有所述稀土元素。

在一种实施例中，所述形成耐等离子体涂层的步骤具体包括：铝热反应形成的Al₂O₃与第二靶材Y₂O₃在铝热反应生成的热量作用下在零部件本体表面形成结晶相的钇铝化合物涂层，且结晶相的钇铝化合物涂层中掺杂入稀土元素。

在本实施例中，先通过物理气相沉积装置所产生的温度使沉积腔内发生铝热反应，铝热反应中释放出的较大热量，利用铝热反应产生的热量，在零部件本体的表面形成结晶相的钇铝化合物涂层，不需要再额外对零部件本体进行加热处理，大大简化了工艺制程；而且，结晶相的钇铝化合物涂层的结构较致密，因此具有更好的耐腐蚀特性，更好地保护零部件本体在等离子体刻蚀工艺过程中不被腐蚀。结晶相的钇铝化合物涂层中掺杂入稀土元素有助于保证涂层在氧化还原反应过程中的稳定性，主要是通过掺杂的这些稀土元素的化学价态易于调控的特点，使得形成的工艺可控；而且原材料价格低廉，大大降低制造的成本。

在一实施例中，所述氧化剂为稀土元素的氧化物；所述稀土元素包括Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Zr、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种。通过直接以稀土元素的氧化物、氟化物或氟氧化物来作为铝热反应中的反应物，铝热反应过后的含稀土元素的生成物又可以直接作为掺杂入所述YAG结晶涂层的掺杂物进行反应，不需要再额外添加稀土元素掺杂物，使得在整一个反应中，只需要在一开始将需要的物质放入到所述物理气相沉积装置的沉积腔内，就可以直接形成掺杂有稀土元素的结晶相的钇铝化合物涂层，不需要在中途添加物质，一步到位，简化结晶相的钇铝化合物涂层的制备流程，操作简单方便。

在一实施例中，所述第一靶材的材料为掺杂铝的CeO₂时，铝与CeO₂发生铝热反应的化学反应方程式为：

2Al+3CeO₂→Al₂O₃+3CeO+△H；

5Al₂O₃+3Y₂O₃+2CeO→2Y₃Al₅O₁₂:CeO。

由于铈元素具有化学价态可调的性质，所述耐等离子体涂层受到等离子体轰击后能够产生活性较高的氧空位，活性较高的氧空位能够打开碳氟聚合物中的碳-氟键形成为气态的小分子气体，而气态的小分子可通过泵抽出到反应腔外，因此，能够防止碳氟聚合物堆积后以颗粒的形式脱落，避免反应腔内的颗粒污染。同时，氧空位能够再次吸附等离子体环境中的氧恢复到初始状态。

在一实施例中，所述第一靶材中Al的质量分数为10％wt～80％wt。纯铝在铝热反映中太过激烈，燃烧太猛，不易于控制，容易使得YAG结晶涂层的制备失败或是将物理气相沉积装置损坏，因此控制Al在第一靶材中的质量分数防止过高，起到减弱铝热反应的激烈程度的作用，保证YAG结晶涂层的制造工艺顺利进行，提高可控性，同时又防止Al在第一靶材中的质量分数过低，无法形成YAG结晶。

在一实施例中，所述耐等离子体涂层120的厚度在0.1μm-100μm之间。在此范围内既可以保证保护到零部件本体110不被等离子体腐蚀，又可以防止耐等离子体涂层120过厚对等离子体刻蚀过程产生影响，还有耐等离子体涂层的厚度越大，所需的成本越高，因此厚度设置在0.1μm-100μm之间，既能节省成本，也能够起到耐等离子体涂层120对零部件本体110表面的保护作用。

在一实施例中，对所述第一靶材和第二靶材的激发处理过程中辅助增强源，所述强源包括等离子体源、离子束源、微波源中的至少一种。

需要说明的是，本方案中涉及到的各步骤的限定，在不影响具体方案实施的前提下，并不认定为对步骤先后顺序做出限定，写在前面的步骤可以是在先执行的，也可以是在后执行的，甚至也可以是同时执行的，只要能实施本方案，都应当视为属于本发明的保护范围。

以上内容是结合具体的可选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于等离子体反应装置的零部件，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：

零部件本体；

耐等离子体涂层，其为结晶相的钇铝化合物，位于所述零部件本体的表面，所述钇铝化合物中还包括除钇之外的稀土元素。

2.根据权利要求1所述的一种零部件，其特征在于，所述钇铝化合物为钇铝氧化物或者钇铝氟氧化物。

3.根据权利要求2所述的一种零部件，其特征在于，所述钇铝氧化物结晶包括：Y₃Al₅O₁₂、YAlO₃或Y₄Al₂O₉。

4.根据权利要求2所述的一种零部件，其特征在于，所述钇铝氟氧化物结晶包括：Y₃Al₅O_12-xF_x(0<x<6)、YAlO_3-xF_x(0<x<2)或Y₄Al₂O_9-xF_x(0<x<6)。

5.根据权利要求1所述的一种零部件，其特征在于，所述稀土元素包括Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Zrw、Er、Tm、Yb和Lu中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的一种零部件，其特征在于，所述耐等离子体涂层的厚度在0.1μm-100μm之间。

7.根据权利要求1所述的一种零部件，其特征在于，所述耐等离子体涂层的致密率为95％到100％。

8.一种耐等离子体涂层的形成方法，其特征在于，包括：

对所述第二靶材进行激发处理，以激发出所述第二靶材中的原子，在所述铝热反应释放出的热量的作用下，激发出的所述第二靶材的原子与铝热反应产生的铝的氧化物、氟化物或者氟氧化物在所述零部件本体表面发生化学反应形成耐等离子体涂层，形成的所述耐腐蚀涂层为结晶相的钇铝化合物，所述结晶相的钇铝化合物中掺杂有所述稀土元素。

9.根据权利要求8所述的一种耐等离子体涂层的形成方法，其特征在于，所述稀土元素包括Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Zr、Er、Tm、Yb或Lu中的至少一种。

10.根据权利要求9所述的一种耐等离子体涂层的形成方法，其特征在于，所述第一靶材的材料为掺杂铝的CeO₂时，铝与CeO₂发生铝热反应的化学反应方程式为：

2Al+3CeO₂→Al₂O₃+3CeO+△H；

5Al₂O₃+3Y₂O₃+2CeO→2Y₃Al₅O₁₂:CeO。

11.根据权利要求8所述的一种耐等离子体涂层的形成方法，其特征在于，所述第一靶材中Al的质量分数为10％wt～80％wt。

12.根据权利要求8所述的一种耐等离子体涂层的形成方法，其特征在于，所述耐等离子体涂层的厚度在0.1μm-100μm之间。

13.根据权利要求8所述的一种耐等离子体涂层的形成方法，其特征在于，所述激发处理为加热工艺，所述加热工艺的温度为100℃-200℃。

14.根据权利要求8所述的一种耐等离子体涂层的形成方法，其特征在于，对所述第一靶材和第二靶材的激发处理过程中辅助增强源，所述增强源包括等离子体源、离子束源或微波源中的至少一种。

15.一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7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。

16.根据权利要求15所述的一种等离子体反应装置，其特征在于，所述等离子体反应装置为等离子体刻蚀装置或者等离子体清洗装置。

17.根据权利要求16所述的一种等离子体反应装置，其特征在于，所述等离子体刻蚀装置为电感耦合等离子体反应装置，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。

18.根据权利要求16所述的一种等离子体反应装置，其特征在于，所述等离子体刻蚀装置为电容耦合等离子体反应装置，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。