CN114631167A - 单晶金属氧化物等离子体室部件 - Google Patents

Abstract

等离子体处理室的部件包含单晶金属氧化物材料。该等离子体处理室具有该部件的面向等离子体的至少一个表面。该部件可以由单晶金属氧化物锭机械加工而成。合适的单晶金属氧化物包括尖晶石、钇氧化物和钇铝石榴石(YAG)。可以机械加工单晶金属氧化物以形成等离子体处理室的气体注入器。

Description

单晶金属氧化物等离子体室部件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年11月5日申请的美国临时专利申请No.62/930,872以及于2019年11月22日申请的美国临时专利申请No.62/939,422的权益。上述申请通过引用合并于此以用于所有目的。

技术领域

本公开内容涉及用于半导体晶片的等离子体处理的等离子体处理室。更具体地，本公开内容涉及半导体处理室中的单晶金属氧化物部件。

背景技术

等离子体处理用于形成半导体设备。在等离子体处理期间，等离子体处理室的部件可能被等离子体腐蚀。等离子体处理室中被等离子体侵蚀的部分是污染物的来源。因此，希望由能够抵抗这种等离子体侵蚀的材料形成等离子体处理室部件。

发明内容

根据一实施方案，提供了一种用于形成等离子体处理室的部件的方法。提供至少一种单晶金属氧化物锭。该至少一种单晶金属氧化物锭经机械加工，以形成部件；在机械加工后在该部件上进行表面处理。

根据另一实施方案，提供了一种等离子体处理室的部件。该部件的面对等离子体的至少一表面包含单晶金属氧化物材料。

根据又一实施方案，提供一种等离子体处理室的气体注入器。该气体注入器包含主体以及面对等离子体的至少一个表面，该面对等离子体的至少一个表面包含单晶金属氧化物材料。

附图说明

在附图中以示例而非限制的方式显示出本公开内容，且其中相同的图标标记是指相似的元件，其中：

图1为一实施方案的高阶流程图。

图2A-D为根据一实施方案所处理的锭的示意性横截面图。

图2E和2F为根据一实施方案的等离子体处理室的气体注入器部件的透视图。

图2G和2H为根据另一实施方案的等离子体处理室的气体注入器部件的透视图。

图2I为根据一实施方案的等离子体处理室的扩散接合气体注入器部件的横截面侧视图。

图3为根据一实施方案的等离子体处理室的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图中所示的一些优选实施方案来详细描述本公开内容。在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本公开内容的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言，显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践本公开内容。在其他情况下，不详细描述公知的处理步骤和/或结构，以免不必要地模糊本公开内容。

例如等离子体处理室的气体注入器的部件通常由未涂覆的烧结铝氧化物(Al₂O₃)材料形成。理论上来说，可以使用单晶Al₂O₃(蓝宝石)而通过除去可能易受化学侵蚀的晶粒边界来减少颗粒的产生。然而蓝宝石不像例如钇氧化物(Y₂O₃)、钇铝石榴石(YAG，Y₃Al₅O₁₂)、以及尖晶石(MgAl₂O₄)之类的其它材料具化学抗性。

在本文描述的实施方案中，单晶金属氧化物晶种用于生长单晶金属氧化物锭，其经雕塑或雕刻以形成等离子体处理室的部件。应理解的是，术语“单晶”是指其中整个材料的晶格是整齐、连续且不间断的，并且在所有三个维度中的整个材料重复原子排列。然而应理解，单晶锭仍可能具有一些不均匀性以及晶体缺陷和错位。有时，单晶也称为单晶固体。根据一实施方案，单晶材料具有1-1-1晶体取向。晶锭的晶体取向取决于晶种。应当理解，等离子体处理室的部件也可以由具有其他晶体取向的单晶锭形成。

对于等离子体处理室的部件，单晶金属氧化物锭不必是光学等级的，而可以是加工等级(tooling grade)的。根据一特定实施方案，晶锭由具有至少99.9％纯度的未掺杂的YAG形成。在该实施方案中，单晶YAG具有立方晶体结构，其具有1-1-1晶体取向，密度至少为4.5g/cm³，且莫氏(Mohs)硬度在约8-8.5的范围内。根据本实施方案，YAG锭基本上是透明无色的。

理想的气体注入器将由具有高断裂韧性以及高抗热震性的单晶化学抗性材料形成。单晶形式的尖晶石具有高断裂韧性、高抗热震性以及高抗蚀刻性，因此是用于等离子体室部件的高性能材料。尖晶石也是等离子体室部件的理想材料，因为与其他材料(例如YAG和钇铝单斜晶(YAM))相比，尖晶石具有高度的可制造性并且是更具成本效益的原材料。

根据一实施方案，晶锭由单晶尖晶石形成。单晶尖晶石可以具有1-1-1、1-0-0或1-1-0的晶体取向。根据一实施方案，单晶尖晶石不包含任何掺杂剂。

为了便于理解，图1是一实施方案的高阶流程图。提供一单晶金属氧化物锭(步骤104)。根据一实施方案，使用柴可拉斯基法(Czochralski method)从种晶来生长金属氧化物的单晶锭。在柴可拉斯基法中，种晶被浸在本实施方案中的“熔融”或熔化的金属氧化物以生长晶体。晶体生长过程相当地慢，可能需要几天的时间。可以将硼或磷掺杂原子添加到熔融金属氧化物中以掺杂金属氧化物。应注意，在柴氏晶体生长过程中，熔体的成分可以改变，从而导致锭的成分分级。例如可以在晶体生长过程中添加掺杂剂以生长用分级方式掺杂的晶锭。

根据一实施方案，该金属氧化物为属于合成晶体的YAG。根据另一实施方案，该金属氧化物是尖晶石。在本示例中，使用柴可拉斯基法形成单晶YAG的锭或人造胚晶(boule)。应当理解，可以使用其它的晶体生长方法以生长单晶金属氧化物的晶锭或人造胚晶。图2A为金属氧化物锭200的示意性侧剖视图。如下面更详细地讨论的，该金属氧化物可由其他单晶金属氧化物形成，如尖晶石、或稀土氧化物材料。

在本实施方案中，在提供单晶金属氧化物锭后，对单晶金属氧化物锭进行退火(步骤108)。在柴可拉斯基法中，单晶金属氧化物锭的加热可能不均匀，其中单晶金属氧化物锭的外部冷却得比单晶金属氧化物锭的中间更快。因此，晶体结构可能不均匀或不规则。这种不均匀性可能会引起应力。退火处理乃提供能量以允许晶体原子或分子移动并变得更加均匀或规则，并减少或消除这种应力。

将单晶金属氧化物锭切片或取芯(core)以形成部件(步骤112)。切片或取芯可以使用金刚石刃锯或取芯钻进行。根据一实施方案，对单晶金属氧化物锭进行机械加工以提供用于等离子体处理室的至少一个气体注入器。图2B为气体注入器部件204在金属氧化物锭200于切片或取芯后的示意性横截面侧视图。该气体注入器可以是等离子体处理室的中心注入器或侧面注入器。根据气体注入器的一特定实施方案，单晶金属氧化物锭被生长为具有约50mm的直径和约90mm的长度。应理解的是，可能优选的是将锭生长为具有圆柱形状以减少材料浪费。

根据其他实施方案，可以对单晶金属氧化物锭进行机械加工以形成等离子体处理室的其他部件或其他部件的一部分，例如边缘环、喷头、射频(RF)能量可以通过的窗或其他部件、十字形构件、套管、销、喷嘴、注入器、叉、臂、静电卡盘(ESC)陶瓷等等。对于具有任何表面暴露于等离子体的等离子体处理室中的部件，由单晶金属氧化物表面来覆盖这些表面是有益的，以最大程度地减少由于等离子体暴露而造成此类表面腐蚀所导致的污染物和颗粒缺陷。因此，部件的面对等离子体的任何表面可以由单晶金属氧化物材料形成，以最小化对表面的腐蚀。在一些实施方案中，部件的这些部分可以以单晶金属氧化物材料覆盖。在其他实施方案中，单晶金属氧化物层可以贴合到部件的面向等离子体的表面。

进一步加工该锭以进一步形成部件(步骤116)。该机械加工处理可以包含研磨单晶金属氧化物主体。图2C为气体注入器部件204已经被机械加工后的示意性横截面图，以进一步形成用于等离子体处理室的气体注入器部件204。在该实施方案中，气体注入器部件204包含圆柱轴208，圆柱轴208具有围绕圆柱轴中间的盘形凸缘212。

形成穿过部件的至少一个孔(步骤120)。在本实施方案中，使用钻头来形成穿过气体注入器部件204的孔。图2D为在气体注入器部件204上钻孔以形成穿过圆柱轴208中心的孔216后的示意性横截面图。应理解，气体注入器部件204是使用减材制造方法所形成，其中气体注入器部件204是从整块单晶锭雕塑或雕刻的。

在经由切片/取芯、机械加工和钻孔形成部件之后，对该部件的表面进行处理(步骤124)。表面处理可用于去除污染物和/或表面缺陷。表面缺陷可能会被优先攻击，从而导致颗粒的产生。机械加工或开孔处理可能导致污染物和表面缺陷。表面处理可以包含热退火、雷射处理、化学处理、电子束处理、抛光、表面等离子体暴露、湿式清洁和/或颗粒计量中的一或多种。抛光的例子提供了机械抛光。这种机械抛光可以使用垫子在部件的表面上摩擦以获得无缺陷的表面形态。表面等离子体暴露可以通过将部件放置在等离子体处理室中，并将部件的表面暴露于等离子体。如此将产生一个「稳态」表面，而最小化了处理室中昂贵的调制过程。在湿式清洁的实施方案中，部件的表面系暴露于湿式清洁剂，该湿式清洁剂可以包含酸(氟化氢(HF)、HNO₃、HCl)、碱(NH₄OH、KOH等)和表面活性剂，而可有效减少表面污染。在一实施方案中，使用计量工具来清洁表面。在半导体领域中，可以使用计量工具来测量表面上的污染物数量。一些计量工具系通过从部件表面去除污染物来测量污染物的数量。因此，可以使用计量工具从部件表面去除污染物。在一实施方案中，处理部件的表面(步骤124)首先可以包含机械抛光、然后是表面等离子体暴露、然后是颗粒计量。其他实施方案会使用表面处理的其他组合。

可以对部件进行退火或烘烤处理(步骤128)，该处理可以帮助释放捕获的气体并且还可以改善表面形貌。根据一实施方案，退火处理在1200℃下执行约八小时。在另一实施方案中，可以使用氟炬进行表面处理。表面处理可用于减少颗粒的产生、减少室内的调制时间并改善表面光洁度。应当注意，处理例如边缘环的部件表面可能特别有益，例如因为边缘环在室中具有相对较大的表面积。

接着使该部件成为等离子体处理室的一部分(步骤132)。在本示例中，部件被安装到等离子体处理室的气体注入器。在等离子体处理室中使用该部件以处理多个衬底(步骤136)。例如在等离子体处理室中使用该部件以按顺序处理100多个衬底。

图2E和2F为等离子体处理室的气体注入器400的另一实施方案的透视图。如图2E所示，具有中央通道450以及围绕中央通道450的较小通道460。在本实施方案中，中央通道450向多个气孔470内馈送，且每一较小通道460向鼻部410中的侧面气体注入器孔480内馈送。应理解，每个通道460具有在气体注入器400内以一定角度(与气体注入器的轴线成角度或与中央气体通道成角度)定向的部分，以向气体注入器孔480内馈送。通道460的该部分可以在约10°-70°的范围内成角度。在一实施方案中，通道460的该部分成约45°角。根据另一实施方案，通道460的该部分可以以不同的角度倾斜，例如约90°的角度。如图2F所示，在气体注入器400的鼻部410的底表面处具有蜂窝状的气孔470。如上所述，鼻部410是气体注入器400在凸缘420下方的部分，其在等离子体处理室中被暴露于等离子体。这些通道450、460和孔470、480经机械加工或钻孔，如上参照步骤120的描述。

图2G和2H是等离子体处理室的气体注入器500的又一实施方案的透视图。如图2G所示，有一个中央通道550以及围绕中央通道550的八个较小通道560。在本实施方案中，中央通道550向多个气孔570内馈送，且每一较小通道560向鼻部510中的侧面气体注入器孔580内馈送。应理解，每个通道560具有在气体注入器500内以一定角度定向的部分，以向气体注入器孔580内馈送。在一实施方案中，通道560的该部分可以成约45°角。根据另一实施方案，通道560的该部分可以以不同的角度倾斜，例如约90°的角度。如图2H所示，在气体注入器500的鼻部510的底表面处具有排列成圆形的六个气孔570。如上所述，鼻部510是气体注入器500在凸缘520下方的部分，其在等离子体处理室中暴露于等离子体。这些通道550、560和孔570、580是经机械加工或钻孔的，如上参照步骤120描述的。

尽管描述并显示出气体注入器的一些实施方案，但是应注意，气体注入器可以具有不同的几何形状。气体注入器具有至少一个气体通道，以用于接收气体，然后将气体注射到等离子体处理室中的等离子体中。应理解，气体注入器可以具有任意数量的孔和通道，只要存在一个气体通道即可。穿过气体注入器的通道可以成任何角度。根据一些实施方案，气体注入器具有用于侧面调整的侧面气体出口。根据其他实施方案，气体注入器不具有任何侧面气体出口。在一些实施方案中，每一气体通道均可单独控制。在其他实施方案中，气体通道全部被一起控制。

以上描述了用于生长单晶金属氧化物锭的柴可拉斯基法。根据另一实施方案，可以使用其他晶体生长方法来生长单晶金属氧化物锭。

根据一些实施方案，单晶金属氧化物部件并非等离子体处理室的整个零件(例如气体注入器)，而是该零件的部分或部件。例如在一实施方案中，单晶金属氧化物部件为气体注入器的“鼻部”。“鼻部”为气体注入器在处理室中暴露于等离子体的部分。大多数颗粒的产生都发生在这个区域。可以使用包含扩散接合在内的多种接合方法，将鼻部连接至气体注入器的另一部分或与其融合，所述接合方法可用于结合两种不同的材料。根据图2I所示的实施方案，气体注入器600的单晶金属氧化物部分为“鼻部”610，其为凸缘620下方的部分。在图2I所示的实施方案中，鼻部610被接合到气体注入器600的可以由不同的材料(例如多晶材料)形成的其余部分，如图中的扩散接合线B所示。气体注入器600的其余部分(其包含凸缘620和圆柱轴630)并不一定要由这种单晶金属氧化物材料形成，因为只有鼻部610具有暴露于等离子体处理室中的等离子体的表面。因此，在一实施方案中，取代形成整个YAG气体注入器600，气体注入器600的其余部分可以由较便宜、更具成本效益的材料制成，例如加工等级YAG、烧结YAG或其它陶瓷(例如氧化铝(Al₂O₃))。气体注入器600具有中央通道650，该中央通道650向多个较小通道660内馈送。

根据一些实施方案中，一个晶锭可能不够长，两个单晶锭被连接在一起以形成等离子体处理室的部件。可以使用例如扩散接合的接合处理来连接两个单晶金属氧化物锭。如上所述，可以结合两种不同的材料。例如单晶材料可以扩散接合到陶瓷。扩散接合还可用于将掺杂的单晶金属氧化物连接到非掺杂的单晶金属氧化物。

在扩散接合处理中，每个要被接合在一起的表面首先经由超级抛光以达到极其光滑而不含污染物的表面。扩散接合是将两个要接合在一起的表面接触并夹紧在一起，然后经受高温和高压的处理。当两部分扩散接合在一起时，这两部分便相互扩散并成为单晶材料。扩散接合处理可能需要至少几个小时，两个表面的原子才能散布在两个表面的边界上并形成键。通常，将要接合的两个部分非常缓慢地加热(长达24小时或更长时间)至高温，该温度至少约为材料熔融温度的2/3。然后将这两个部分在此高温高压下保持在一起，直到发生扩散并将这两个部分接合在一起。将两部分接合在一起后，让扩散接合的部分缓慢冷却(最多约24小时或更多)至室温。

根据一些实施方案，如果单一锭不够大，如上所述，可以结合两个或更多的单晶金属氧化物锭在一起以形成部件。在气体注入器的一实施方案中，于锭中钻出通道之前，例如先将两个或更多个锭接合在一起。根据另一实施方案，每一单独的锭系首先先钻孔以形成通道，然后将两个锭的通道对齐，并将锭结合在一起以形成部件。扩散接合的部件可能不如从整块锭形成的部件强壮。因此，扩散接合的部件可能无法承受机械钻孔，其可能导致裂纹。然而，在接合之后钻通道则消除了对准预钻孔通道的需要，对准预钻孔通道是很困难的。

图3示意性地显示出等离子体处理系统300的一示例。根据一实施方案，等离子体处理系统300可以用于处理衬底301。等离子体处理系统300包含具有等离子体处理室304的等离子体反应器302，等离子体处理室304由室壁362所包围。经由匹配网络308所调谐的等离子体电源306提供功率至靠近电动窗312的TCP线圈310，以通过提供电感耦合功率而在等离子体处理室304中产生等离子体314。TCP线圈(上电源)310被配置成在等离子体处理室304中产生均匀的扩散轮廓。例如，TCP线圈310可以被配置成在等离子体314中产生环形功率分布。提供功率窗312以使TCP线圈310与等离子体处理室304分离，同时允许能量从TCP线圈310通过而到达等离子体处理室304。经由匹配网络318所调谐的晶片偏压电源316提供功率至电极320，以设置衬底301上的偏压。电极320提供用于衬底301的卡盘，其中电极320用作静电卡盘。衬底温度控制器366以可控方式连接到珀耳帖加热器/冷却器368。控制器324设定用于等离子体电源306、衬底温度控制器366、以及晶片偏压电源316的值。

等离子体电源306和晶片偏压电源316被配置成在特定的射频下操作，例如在13.56MHz、27MHz、2MHz、1MHz、400kHz或其组合下操作。等离子体电源306和晶片偏置电压电源316的尺寸可以适当地设置以提供一定范围的功率，以实现期望的处理性能。例如在一实施方案中，等离子体电源306可以提供50到5000瓦范围内的功率，而晶片偏置电压电源316可以提供在20到2000V范围内的偏压。TCP线圈310和/或电极320可以由两个或更多个子线圈或子电极组成。两个或更多个子线圈或子电极可以由单一电源供电或由多个电源供电。

如图3所示，等离子体处理系统300还包含气体源330。气体源330经过单晶金属氧化物气体进料器204提供气体或远程等离子体至等离子体反应器302。处理气体和副产物经由压力控制阀342和泵344而从等离子体处理室304去除。压力控制阀342和泵344还用来保持等离子体处理室304内的特定压力。气体源330由控制器324控制。可以使用Lam ResearchCorp.(Fremont,CA)所生产的

来实践实施方案。

等离子体处理系统300用来按顺序蚀刻多个衬底301。由于单晶金属氧化物气体进料器204由单晶金属氧化物形成，所以单晶金属氧化物气体进料器204会导致较少的污染物并具有更少的缺陷。因此，单晶金属氧化物气体进料器204对于等离子体处理引起的侵蚀具有更强的抵抗力，且单晶金属氧化物气体进料器204在等离子体处理期间提供较少的污染。

在其他实施方案中，等离子体处理系统300的其他部件可以是单晶金属氧化物部件。单晶金属氧化物部件具有小于0.1％的孔隙率和大于99％的纯度。这样的其他部件包含边缘环、喷头、射频(RF)能量可以通过的窗或其他部件、十字形构件、套管、销、喷嘴、注入器、叉、臂、静电卡盘(ESC)陶瓷等等。在其它实施方案中可以使用其他类型的等离子体处理系统。多种实施方案提供了例如气体注入器之类的用于等离子体处理室的部件。该部件包含单晶金属氧化物主体。该部件还可以具有至少一个通孔。在其他实施方案中，提供了一种用于形成等离子体处理室的部件的方法。提供单晶金属氧化物锭。对单晶金属氧化物锭进行机械加工以形成部件。在部件中形成至少一个通孔。该至少一个通孔可以是平行于部件的轴(例如在图2I中的旋转轴虚)。对该部件进行表面处理。在其他实施方案中，可以使用其他单晶金属氧化物。例如该部件可以从蓝宝石(单晶铝氧化物(Al₂O₃))、尖晶石、YAG、YAM、钇铝钙钛矿(YAP)、或钇稳定的氧化锆(YSZ)形成。该部件可以由从尖晶石、YAG、钇氧化物、铝氧化物或锆氧化物的变体生长的单晶锭形成，这些单晶锭可以具有低百分比的添加物和掺杂剂。

虽然已经根据几个示例性实施方案描述了本公开内容，但是仍具有落入本公开内容范围内的变更、修改、置换和各种替代等同方按。还应注意，存在许多实现本公开内容的方法和装置的替代方式。因此意图将以下所附的权利要求解释为包含落入本公开内容的真实精神及范围内的所有的这种变动、修改、置换和各种替代等同方案。

Claims (26)

1.一种形成等离子体处理室的部件的方法，所述方法包含：

提供至少一个单晶金属氧化物锭；

对所述至少一个单晶金属氧化物锭进行机械加工以形成所述部件；以及

在所述机械加工后于所述部件上执行表面处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其还包含在所述机械加工前对所述至少一个单晶金属氧化物锭进行退火。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个单晶金属氧化物是单晶尖晶石。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个单晶金属氧化物是单晶YAG。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述机械加工包含在所述部件中钻孔。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述机械加工包含对所述至少一个单晶金属氧化物锭进行切片。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述部件是气体注入器。

8.根据权利要求1所述的方法，其还包含在所述机械加工前，将第二单晶金属氧化物锭接合至所述至少一个单晶金属氧化物锭。

9.一种等离子体处理室的部件，其通过权利要求1所述的方法形成。

10.一种等离子体处理室的部件，其中所述部件的面对等离子体的至少一个表面包含单晶金属氧化物材料。

11.根据权利要求10所述的部件，其中所述部件的面对等离子体的所述至少一个表面是从单晶金属氧化物锭机械加工而成的。

12.根据权利要求10所述的部件，其中面对等离子体的所述至少一个表面包含接合至所述部件的主体的成层的所述单晶金属氧化物材料。

13.根据权利要求10所述的部件，其中所述单晶金属氧化物材料是单晶尖晶石。

14.根据权利要求10所述的部件，其中所述单晶金属氧化物材料是单晶YAG。

15.根据权利要求10所述的部件，其中所述部件是气体注入器，其中所述气体注入器的鼻部包含所述单晶金属氧化物材料，其中所述鼻部为暴露于所述等离子体处理室中的等离子体的所述气体注入器的一部分。

16.根据权利要求15所述的部件，其中所述鼻部被扩散接合至所述部件的主体，其中所述主体由与所述单晶金属氧化物材料不同的材料所形成。

17.根据权利要求16所述的部件，其中所述主体由多晶硅材料形成。

18.一种等离子体处理室的气体注入器，其包含:

主体；以及

面对等离子体的至少一个表面，其包含单晶金属氧化物材料。

19.根据权利要求18所述的气体注入器，其中所述单晶金属氧化物材料是单晶尖晶石。

20.根据权利要求18所述的气体注入器，其中所述单晶金属氧化物材料是单晶YAG。

21.根据权利要求18所述的气体注入器，其中所述气体注入器是从单晶金属氧化物锭机械加工而成的。

22.根据权利要求18所述的气体注入器，其中所述单晶金属氧化物锭在机械加工前进行退火。

23.根据权利要求18所述的气体注入器，其中面对等离子体的所述至少一个表面包含接合至所述主体的成层的所述单晶金属氧化物材料。

24.根据权利要求18所述的气体注入器，其还包含经机械加工穿过所述主体的中央通道。

25.根据权利要求23所述的气体注入器，其还包含多个经机械加工穿过所述主体的较小通道，其中所述多个较小通道包围所述中央通道。

26.根据权利要求24所述的气体注入器，其中所述多个较小通道中的每一个都向侧面气体注入器孔中馈送，且所述多个较小通道中的每一个都具有以一定角度定位于所述气体注入器内的一部分，以向所述侧面气体注入器孔内馈送。

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