DE112009005052T9

DE112009005052T9 - Verfahren und Vorrichtung zum Schutz von Plasmakammerflächen

Info

Publication number: DE112009005052T9
Application number: DE112009005052T
Authority: DE
Inventors: Chiu-Ying Tai; Xing Chen; Chaolin Hu; Andrew Cowe; Ali Shajii
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2012-09-13
Also published as: KR101352775B1; CN102471914A; JP2012532987A; GB201201907D0; TW201103377A; US20110005922A1; KR20120089801A; GB2486086A; GB2486086B; WO2011005277A1; SG177478A1; DE112009005052T5

Abstract

Ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutzschicht auf einer Fläche eines Objektes, das Aluminium und Magnesium umfasst, zur Verwendung in einem Halbleiterverarbeitungssystem, welches das Oxidieren der Oberfläche des Objektes umfasst, wobei ein elektrolytischer Plasmaoxidationsprozess verwendet wird. Das Verfahren umfasst auch das Erzeugen eines halogenhaltigen Plasmas durch Anregen eines Gases, das ein Halogen umfasst. Das Verfahren umfasst auch das Aussetzen der oxidierten Fläche einem halogenhaltigen Plasma oder einem angeregten Gas.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein die Plasmaerzeugungs- und Verarbeitungsausrüstung. Insbesondere betrifft die Technologie Verfahren und Vorrichtungen zum Schutz von Plasmakammerflächen.
STAND DER TECHNIK
Plasmen werden oft zum Aktivieren von Gasen verwendet, indem man sie in einen angeregten Zustand versetzt, so dass sie eine erhöhte Reaktivität haben. In einigen Fällen werden die Gase angeregt, um dissoziierte Gase zu erzeugen, die Ionen, freie Radikale, Atome und Moleküle enthalten. Reaktive Gase werden für zahlreiche industrielle und wissenschaftliche Anwendungen verwendet, wie zum Beispiel das Verarbeiten fester Materialien, wie zum Beispiel Halbleiterwafer, Pulver und andere Gase. Die Parameter der dissoziierten Gase und die Bedingungen für die Einwirkung des dissoziierten Gases auf das Material, das verarbeitet wird, variieren je nach der Anwendung in weiten Bereichen. Zum Dissoziieren werden manchmal beträchtliche Energiemengen im Plasma benötigt.
Plasmareaktoren zum Verarbeiten von Halbleiterwafern können ein Plasma in einer Kammer bilden, die den Wafer enthält, oder sie können angeregte Gase aufnehmen, die von einem Reaktivgasgenerator erzeugt werden, welcher sich vor der Kammer befindet. Der bevorzugte Ort der Plasmaerzeugung relativ zum Ort des Wafers hängt vom Prozess ab.
Ein Plasma in Kontakt mit einem Wafer hat auf Grund des Vorhandenseins von Elektronen und Ionen im Plasma im Allgemeinen eine höhere chemische Reaktivität. Wenn sich das Plasma in Kontakt mit dem Wafer befindet, ist es möglich, die Energie und Richtung von Ionen an der Waferoberfläche durch Anlegen einer Vorspannung an den Wafer zu steuern. Solche Anordnungen werden zum Beispiel in Anwendungen zur plasmaverstärkten chemischen Dampfabscheidung oder zur gerichteten Ätzung verwendet.
Für Halbleiterprozesse, bei denen das Werkstück (z. B. Wafer) empfindlich für elektrische Ladungen in einem Plasma ist, die anfällig für Schäden durch Ultraviolettenergie (UV) sind, die durch das Plasma erzeugt worden ist, oder eine hohe chemische Selektivität erfordern, kann die Einwirkung des Plasmas auf den Wafer unerwünscht sein. In einigen Situationen können der Wafer und die Plasmakammerflächen durch Einwirkung von chemisch korrosiven Plasmen beschädigt werden. Dadurch können chemische Kontamination und Teilchenerzeugung hervorgerufen werden, die Lebensdauer von Produkten verkürzt und die Betriebskosten erhöht werden. Dementsprechend werden manchmal ferne Plasmaquellen verwendet, um Wafer- und Kammerschäden zu reduzieren, weil das Plasma außerhalb der Prozesskammer erzeugt wird und aktivierte Gase, die vom Plasma erzeugt werden, der Prozesskammer zur Verarbeitung des Wafers zugeführt werden.
Reaktivgasgeneratoren erzeugen Plasmen, zum Beispiel durch Anlegen eines elektrischen Potenzials ausreichender Stärke an ein Plasmagas (z. B. O₂, N₂, Ar, NF₃, F₂, H₂ und He) oder an eine Mischung von Gasen, um zumindest einen Teil des Gases zu ionisieren. Plasmen können auf verschiedene Weise erzeugt werden, einschließlich Gleichstromentladung, Hochfrequenz-(HF)-Entladung und Mikrowellenentladung. Gleichstromentladungsplasmen werden durch Anlegen eines Potenzials zwischen zwei Elektroden in einem Plasmagas erreicht. Hochfrequenzentladungsplasmen werden entweder durch elektrostatische oder induktive Kopplung von Energie aus einer Stromversorgung in ein Plasma erreicht. Mikrowellenentladungsplasmen werden durch direkte Kopplung von Mikrowellenenergie über ein Mikrowellendurchgangsfenster in eine Entladungskammer erreicht, die ein Plasmagas enthält. Plasmen sind normalerweise in Kammern enthalten, die aus metallischen Materialien zusammengesetzt sind, wie zum Beispiel Aluminium, oder aus dielektrischen Materialien, wie zum Beispiel Quarz, Saphir, Yttriumoxid, ein Zirkonoxid und/oder ein Aluminiumnitrid.
Es gibt Anwendungen, bei denen ein Plasma oder ein angeregtes Gas nicht mit dem Reaktivgasgenerator und/oder dem Halbleiterverarbeitungssystem kompatibel ist. Zum Beispiel werden in einigen Fällen während der Halbleiterherstellung Ionen oder Atome von Fluor oder Fluorkohlenstoffen zum Ätzen oder zum Entfernen von Silizium oder Siliziumoxiden von Flächen der Halbleiterwafer oder zum Reinigen von Prozesskammern verwendet. Die Fluorionen sind chemisch reaktiv und korrosiv für die Materialien der Prozesskammer. Es sind ferne Plasmaquellen zum Erzeugen von atomarem Fluor für diese Prozesse verwendet worden, um Schäden an der Prozesskammer zu vermeiden. Während die Erosion in der Prozesskammer reduziert wird, tritt Erosion in den fernen Plasmaquellen auf. In einem weiteren Beispiel wird atomarer Sauerstoff zum Entfernen von Fotoresist von einem Halbleiterwafer verwendet, indem der Fotoresist in flüchtige CO₂- und H₂O-Nebenprodukte umgewandelt wird. Atomarer Sauerstoff wird normalerweise durch Dissoziieren von O₂ (oder einem Gas, das Sauerstoff enthält) mit einem Plasma in einer Plasmakammer eines Reaktivgasgenerators erzeugt. Die Plasmakammer kann aus Quarz, Saphir und/oder Aluminium hergestellt sein. Die Plasmakammer kann dielektrische Materialien umfassen, wie zum Beispiel Yttriumoxid, Zirkonoxid und/oder Aluminiumnitrid. Die Plasmakammer kann ein Metallgefäß umfassen, das mit einem dielektrischen Material überzogen ist. Atomares Fluor wird oft in Verbindung mit atomarem Sauerstoff verwendet, da das atomare Fluor den Prozess zum Entfernen des Fotoresists beschleunigt. Fluor wird zum Beispiel durch Dissoziieren von NF₃ oder CF₄ mit dem Plasma in der Plasmakammer erzeugt. Fluor ist jedoch hoch korrosiv und kann sich negativ auf eine Aluminiumkammer auswirken.
Es besteht daher ein Bedarf nach verbesserten Plasmakammern, die weniger anfällig für die korrosiven Wirkungen von angeregten Gasen sind, welche sich in der Plasmakammer befinden.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung weist in einer Erscheinungsform ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutzschicht auf einer Fläche eines Objektes auf (zum Beispiel zur Verwendung in einem Halbleiterverarbeitungssystem), das Aluminium und Magnesium umfasst. Das Verfahren umfasst das Oxidieren der Oberfläche des Objektes unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses. Das Verfahren umfasst auch das Erzeugen eines halogenhaltigen Plasmas durch Anregen eines Gases, das ein Halogen umfasst. Das Verfahren umfasst auch das Freilegen der oxidierten Fläche für das halogenhaltige Plasma oder das angeregte Gas.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Oxidieren der Fläche des Objektes unter Verwendung des elektrolytischen Plasmaprozesses das Eintauchen des Objektes in eine elektrolytische Lösung, welcher Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid fehlt. In einigen Ausführungsformen (z. B. Halbleiterverarbeitungsanwendungen) wird eine elektrolytische Lösung gewünscht, die kein Kalium und Natrium enthält, weil Halbleiter empfindlich für die Kontamination mit Kalium oder Natrium sind. In einigen Ausführungsformen wird das halogenhaltige Gas aus der Gruppe bestehend aus NF₃, F₂, CF₄, C₂F₆, C₃F₈, SF₆, Cl₂, ClF₃, Br₂ und BrCl ausgewählt. In einigen Ausführungsformen ist das Objekt, das Aluminium und Magnesium umfasst, eine Aluminiumlegierung mit einem Magnesiumgehalt von etwa 0,1 Gew-% bis etwa 6 Gew-%. In einigen Ausführungsformen tritt das Aussetzen der oxidierten Fläche dem halogenhaltigen Plasma oder dem angeregten Gas auf, während ein Halbleiterprozess unter Verwendung eines Plasmareaktors ausgeführt wird. In einigen Ausführungsformen wird ein Plasmareaktor zum Erzeugen des halogenhaltigen Plasmas verwendet, und das Objekt ist ein Teil einer Innenfläche des Plasmareaktors.
In einer weiteren Erscheinungsform weist die Erfindung ein Verfahren zum Vorbereiten eines Objektes auf die Verwendung in einem Halbleiterverarbeitungssystem auf. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Objektes, das Aluminium und Magnesium umfasst. Das Verfahren umfasst auch das Oxidieren der Oberfläche des Objektes unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses für das nachfolgende Aussetzen einem halogenhaltigen Plasma oder einem angeregten Gas, um eine Schutzschicht auf der Oberfläche des Objektes zu erzeugen.
Die Erfindung weist in einer weiteren Erscheinungsform einen Herstellungsartikel auf, der in einem Halbleiterverarbeitungssystem verwendet wird, welcher eine Beschichtung mit einer Spannungsfestigkeit von mehr als 20 VDC pro Mikrometer hat. Der Herstellungsartikel umfasst ein Objekt, das Aluminium und Magnesium umfasst. Der Herstellungsartikel umfasst auch eine Schutzschicht auf einer Fläche des Objektes, die gebildet wird durch Oxidieren der Fläche des Objektes unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses und dem Aussetzen der oxidierten Fläche einem halogenhaltigen Plasma oder einem angeregten Gas, das durch einen Reaktivgasgenerator erzeugt wird.
In einer weiteren Erscheinungsform weist die Erfindung ein System zum Erzeugen einer Schutzschicht auf einer Fläche eines Objektes auf, das Aluminium und Magnesium umfasst. Das System umfasst Mittel zum Oxidieren der Oberfläche des Objektes unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses. Das System umfasst auch Mittel zum Erzeugen eines halogenhaltigen Plasmas durch Anregen eines Gases, das Halogen umfasst; und Mittel zum Freilegen der oxidierten Fläche für das halogenhaltige Plasma oder angeregte Gas.
In einer weiteren Erscheinungsform weist die Erfindung eine Plasmakammer zur Verwendung mit einer reaktiven Gasquelle auf. Die Plasmakammer umfasst einen Einlass zur Aufnahme eines Gases. Die Plasmakammer umfasst auch mindestens eine Plasmakammerwand zum Halten des Gases, wobei die Plasmakammerwand Aluminium und Magnesium umfasst und eine Schutzschicht auf einer Fläche des Objektes, die gebildet wird durch Oxidieren der Fläche des Objektes unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses und dem Aussetzen der oxidierten Fläche einem halogenhaltigen Plasma oder einem angeregten Gas. Die Plasmakammer umfasst auch einen Auslass zum Ausgeben eines reaktiven Gases, das durch die Wechselwirkung des Plasmas und des Gases erzeugt wird.
In einer weiteren Erscheinungsform weist die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Plasmakammer auf. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Kammer zum Halten eines Gases, wobei die Kammer einen Einlass zum Aufnehmen eines Gases und einen Auslass zum Ausgeben eines reaktiven Gases umfasst, das durch die Wechselwirkung des Plasmas und des Gases erzeugt wird, wobei die Kammer Aluminium und Magnesium umfasst. Das Verfahren umfasst auch das Oxidieren von mindestens einer Fläche der Kammer unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses und das Aussetzen der oxidierten Fläche einem halogenhaltigen Plasma oder einem angeregten Gas.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorhergehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Erfindung selbst sind aus der folgenden erläuternden Beschreibung besser zu verstehen, wenn sie zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind, gelesen werden.
1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutzschicht auf einer Fläche eines Objektes gemäß einer erläuternden Ausführungsform der Erfindung illustriert.
2A ist eine grafische Darstellung von Spektralanalyseergebnissen, die an einem Objektprozess unter Verwendung eines herkömmlichen Eloxierungsprozesses ausgeführt wurden.
2B ist eine grafische Darstellung von Spektralanalyseergebnissen, die an einem Objekt ausgeführt wurden, bei denen eine zweite Ausführungsform der Erfindung auf das Objekt angewendet wurde.
2C ist eine grafische Darstellung von Spektralanalyseergebnissen, die an einem Objekt ausgeführt wurden, bei denen eine zweite Ausführungsform der Erfindung auf das Objekt angewendet wurde.
3 ist eine grafische Illustration der Spannungsfestigkeit für die Objekte von 2A und 2B.
4A ist eine schematische Darstellung einer Reaktivgasquelle, die zum Ausführen eines Schritts in einem Prozess zum Erzeugen einer Schutzschicht auf einer Fläche einer Plasmakammer gemäß einer erläuternden Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
4B ist eine schematische Darstellung einer Reaktivgasquelle, die zum Ausführen eines Schritts in einem Prozess zum Erzeugen einer Schutzschicht auf einer Fläche einer Plasmakammer gemäß einer erläuternden Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 100 zum Erzeugen einer Schutzschicht auf einer Fläche des Objektes (z. B. eines Objektes zur Verwendung in einem Halbleiterverarbeitungssystem) gemäß einer erläuternden Ausführungsform der Erfindung illustriert. Verfahren 100 umfasst das Bereitstellen eines Objektes 104, das Aluminium und Magnesium umfasst. Verfahren 100 umfasst auch das Oxidieren einer Fläche des Objektes unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses 108, um eine oxidierte Fläche auf der Oberfläche des Objektes zu erzeugen.
Ausführungsformen der Erfindung sind zum Erzeugen einer Schutzschicht auf den Flächen von Objekten anwendbar, die bei der Halbleiterverarbeitung verwendet werden. Die Schutzschicht kann die Oberflächenerosion (z. B. Schmelzen, Verdampfen, Sublimieren, Sputtern des Materials unter der Schutzschicht) von Innenwänden von Plasmaquellen minimieren. Das Minimieren der Oberflächenerosion minimiert letztendlich die Teilchenerzeugung und Kontamination der Prozesse, die in einem Halbleiterverarbeitungssystem ausgeführt werden. Die Schutzschicht kann auch den Verlust an reaktiven Gasen reduzieren, der anderenfalls auf Grund von Oberflächenrekombination des reaktiven Gases auf Plasmakammerwänden auftreten kann.
Die Schutzschicht erweitert auch die Arten der Plasmaformulierungen, mit denen in einer Plasmaquelle gearbeitet werden kann. Die Schutzschicht verbessert die Fähigkeit der Plasmakammer, in chemischen Formulierungen auf der Grundlage von Wasserstoff, Sauerstoff oder Stickstoff (z. B. H₂O, H₂, O₂, N₂), halogenbasierten Formulierungen (z. B. NF₃, CF₄, C₂F₆, C₃F₈, SF₆, Cl₂, ClF₃, Br) und in einer Mischung und/oder einem schnellen Umlauf von Formulierungen auf der Basis von Halogen, Wasserstoff oder Stickstoff und Ar-Zündschritten zu operieren (z. B. Erzeugen von weniger Kontaminanten). Die Schutzschicht erweitert also den Betrieb der Plasmaquellen zu höheren Energieniveaus, verbessert die dielektrische Durchbruchspannung des Objektes durch das Vorhandensein der Schicht und senkt letztlich die Produktionskosten und die Betriebskosten.
Die elektrolytische Plasmaoxidation (die auch als Mikrobogenoxidation bezeichnet wird) ist ein elektrochemischer Prozess zum Erzeugen einer Oxidschicht auf der Oberfläche von Metallen. Die Oxidschicht wird durch Eintauchen eines Metall-(z. B. Aluminium)-Substrats in eine niedrig konzentrierte alkalische elektrolytische Lösung und Hindurchschicken eines gepulsten AC-Stroms durch die elektrolytische Lösung erzeugt. Als Reaktion auf den gepulsten AC-Strom bildet sich eine Plasmaentladung auf der Substratfläche. Die Entladung wandelt die Metallfläche in ein dichtes, hartes Oxid um (z. B. hauptsächlich Aluminiumoxid in dem Fall, wo das Substrat Aluminium ist). Gleichzeitig tritt ein elementarer Co-Depositionsprozess auf. Der Prozess nimmt andere Legierungselemente aus dem Substrat in die oxidierte Schicht auf (wobei zum Beispiel Magnesium (Mg) aus dem Aluminiumlegierungssubstrat in die oxidierte Schicht gezogen wird). In einigen Ausführungsformen wird das Objekt aus einer Aluminiumlegierung mit einem Magnesiumgehalt von etwa 0,1 Gew-% bis etwa 6 Gew-% hergestellt. Eine dicke, gleichförmige Schicht wird auf der Fläche des Substrats als Reaktion auf die elektrochemischen und physikalischen Reaktionen gebildet, die im Prozess auftreten.
Im Allgemeinen besteht die Oxidschicht aus drei Schichten: einer porösen äußeren Schicht, einer harten Schicht und einer Übergangsschicht. Die poröse äußere Schicht nimmt etwa 30% bis 40% der Gesamtdicke der Oxidschicht ein. Die harte Schicht ist eine teilweise kristallisierte Schicht des Oxids. Die Übergangsschicht ist eine dünne Schicht, die sich zwischen dem Metallsubstrat und der keramischen Beschichtung befindet. Es können verschiedene elektrolytische Lösungen zum Bilden der dichten Oxidschicht im elektrolytischen Plasmaoxidationsprozess verwendet werden. In einer Ausführungsform, bei der das Metallsubstrat in einer Halbleiterverarbeitungsanwendung verwendet werden soll, ist es vorteilhaft, wenn die Oxidschicht frei von Kalium (K) und Natrium (Na) ist; es ist daher wünschenswert, dass die elektrolytischen Lösungen ebenfalls frei von Kalium und Natrium sind. Einige gebräuchliche elektrolytische Lösungen umfassen Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid. Es ist deshalb in einigen Ausführungsformen vorteilhaft, wenn die elektrolytische Lösung kein Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid enthält. Der elektrolytische Plasmaoxidationsprozess ist ein handelsüblicher Prozess. Ein Anbieter, der den Prozess als Service anbietet, ist Keronite International Ltd. (Granta Park, Great Abington, Cambridge, CB21 6GP, Großbritannien).
Obwohl das Eloxieren ebenfalls ein Prozess ist, der eine Oxidschicht auf der Oberfläche von Metallen bildet, erzeugt die elektrolytische Plasmaoxidation eine härtere, weniger poröse und stärker korrosionsbeständige Schicht. Die elektrolytische Plasmaoxidation beinhaltet die Anwendung von höheren elektrischen Potenzialen als beim herkömmlichen Eloxieren verwendet werden (mehrere hundert Volt für die elektrolytische Plasmaoxidation im Vergleich zu mehreren zehn Volt für das herkömmliche Eloxieren). Die hohen elektrischen Potenziale, die bei der elektrolytischen Plasmaoxidation verwendet werden, führen zu elektrischen Entladungen, die ein Plasma an der Oberfläche des Objektes erzeugen. Das Plasma modifiziert und verstärkt die Struktur der Oxidschicht. Die elektrolytische Plasmaoxidation ist ein chemischer Prozess, der das Metall im Objekt in sein Oxid umwandelt. Das Oxid wächst aus der ursprünglichen Metallfläche des Objektes nach innen und außen. Eine weite Palette von Metallen und Metalllegierungen kann unter Verwendung der elektrolytischen Plasmaoxidation verarbeitet werden, einschließlich aller Aluminiumlegierungen und Gusslegierungen. Schritt 108 bereitet das Objekt auf die nachfolgende Verarbeitung in Schritt 112 vor, um schließlich eine Schutzschicht auf der Fläche des Objektes zu erzeugen.
Das Verfahren 100 umfasst auch das Erzeugen eines halogenhaltigen Plasmas durch Anregen eines Gases, das ein Halogen 112 umfasst. Halogene (oder Halogenelemente) sind nichtmetallische Elemente aus Gruppe VII und VIIA des Periodensystems (z. B. Fluor). Beispielhafte halogenhaltige Gase, die in Ausführungsformen der Erfindung anwendbar sind, umfassen zum Beispiel NF₃, F₂, CF₄, C₂F₆, C₃F₈, SF₆, Cl₂, ClF₃, Br₂ und BrCl. In einer Ausführungsform wird das halogenhaltige Gas unter Verwendung eines Reaktivgasgenerators angeregt (z. B. der Reaktivgasgenerator von 4).
Verfahren 100 umfasst auch das Aussetzen der oxidierten Fläche des Objektes einem halogenhaltigen Plasma und/oder einem halogenhaltigen Gas 116. Wenn die Oxidschicht des Objektes dem halogenhaltigen Plasma oder angeregten Gas ausgesetzt wird, reagieren Legierungselemente, die durch den elektrolytischen Plasmaoxidationsprozess in die Oxidschicht gezogen werden (siehe Schritt 108), mit dem halogenhaltigen Plasma oder angeregten Gas.
In einer Ausführungsform ist das Objekt eine Aluminiumlegierung, die Magnesium enthält. Während des elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses wird Magnesium in die Oxidschicht gezogen. Wenn die Oxidschicht (die Oxide des Magnesiums enthält) einem angeregten Gas ausgesetzt wird, das Fluor umfasst, reagiert das Magnesiumoxid mit dem Fluor und bildet Magnesiumfluorid (MgF₂). Das Magnesiumfluorid wird in der Oxidschicht erzeugt. Das Magnesiumfluorid bildet Diffusionsbrücken mit benachbarten Materialschichten des Objektes und verkapselt und schützt Aluminium und Aluminiumoxid auf der Oberfläche des Objektes vor der Einwirkung des fluorhaltigen Gases. Das Magnesiumfluorid hemmt das Eindringen von zusätzlichem Fluor in die Oxidschicht und sorgt für den Schutz der Oxidschicht und der darunter liegende Aluminiumlegierung.
In einer Ausführungsform wird die Schutzschicht auf einer Fläche eines Objektes erzeugt, die Teil einer Innenfläche des Plasmareaktors ist, in dem ein halogenbasierter Prozess abläuft. Das Erzeugen des Plasmas und das Anregen des Gases, das Halogen enthält (Schritt 112), und das Freilegen der oxidierten Fläche des Objektes für das halogenhaltige Plasma oder angeregte Gas (Schritt 116) treten während des Ablaufens des halogenbasierten Prozesses auf. In einigen Ausführungsformen wird Verfahren 100 auf diese Weise implementiert, weil die oxidierte Fläche einen Widerstand gegen den Halogenangriff entwickelt, während ein halogenbasierter Halbleiterprozess abläuft.
2A ist eine grafische Darstellung einer energie-dispersiven Röntgenspektroskopie-(EDS)-Analyse aus Tests, die an einem Objekt ausgeführt wurden, welches unter Verwendung eines herkömmlichen Typ III-Harteloxierprozesses eloxiert wurde. Das Spektrum in 2A ist eine grafische Darstellung 200 der Röntgensignale 208 (y-Achse) als Funktion der Röntgenenergie in keV (Kiloelektronenvolt) 212 (x-Achse) des Objektes, das gerade analysiert wird. Das Objekt, das verwendet wird, ist ein Stab aus der Aluminiumlegierung 6061. Die Dicke der Oxidationsschicht auf dem Objekt beträgt ca. 50 μm. Das Objekt wurde vor der EDS-Analyse keinem Plasma ausgesetzt. Die Röntgenemission wurde mit einem 18 keV-Elektronenstrahl erzeugt, was die Nachweisdicke auf etwa 2–3 μm der eloxierten Aluminiumfläche begrenzt. Plot 200 zeigt, dass das eloxierte Objekt Aluminium (Al) und Sauerstoff (O) enthält. Die Magnesiummenge liegt unterhalb der Nachweisgrenze des Analysesystems.
Die 2B und 2C sind grafische Darstellungen von Spektren der energie-dispersiven Röntgenspektroskopie-(EDS)-Analyse aus Tests, die an Objekten ausgeführt wurden, bei denen unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung auf die Objekte angewendet wurden. Das Spektrum in 2B ist eine grafische Darstellung 250 der Röntgensignale 258 (y-Achse) als Funktion der Röntgenenergie in keV (Kiloelektronenvolt) 262 (x-Achse) des Objektes, das gerade analysiert wird. Das Objekt, das in dieser Analyse verwendet wurde, war ein Stab aus der Aluminiumlegierung 6061 (Legierung 6061 enthält ca. 1% Magnesium), die unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses von Keronite International Ltd. verarbeitet wurde. Die Dicke der Oxidschicht beträgt ca. 50 μm. Das Objekt wurde vor der EDS-Analyse keinem Plasma ausgesetzt. Plot 250 zeigt, dass das oxidierte Objekt die folgenden Elemente enthält: Sauerstoff (O), Aluminium (Al) und Magnesium (Mg).
Das Spektrum in 2C ist eine grafische Darstellung 270 der Röntgensignale 280 (y-Achse) als Funktion der Röntgenenergie in keV (Kiloelektronenvolt) 285 (x-Achse) des Objektes, das gerade analysiert wird. Das Objekt ist ein Stab aus der Aluminiumlegierung 6061, die durch Keronite International Ltd. verarbeitet wurde, wobei derselbe elektrolytische Plasmaoxidationsprozess verwendet wurde, der auch beim Objekt in 2B verwendet wurde. Nach der Verarbeitung des Objektes unter Verwendung des elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses wurde das Objekt vor der Durchführung der EDS-Analyse einem NF₃-Plasma über 50 Stunden ausgesetzt. Plot 270 zeigt, dass das oxidierte Objekt die folgenden Elemente enthält: Sauerstoff (O), Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Fluor (F). Die Menge an Magnesium im Objekt in 2C (ca. 1000 Röntgensignale) ist signifikant höher als die Menge an Magnesium im Objekt in 2B (ca. 100 Röntgensignale). Fluor ist im Objekt in 2C vorhanden, da Fluoride von Aluminium und Magnesium während der Einwirkung des NF₃-Plasmas gebildet werden. Es ist bekannt, dass Magnesiumfluorid Diffusionsbrücken mit benachbarten Materialschichten des Aluminiums oder Aluminiumoxid bildet. Das Magnesiumfluorid verkapselt und schützt Aluminium und Aluminiumoxid vor der weiteren Einwirkung des fluorhaltigen Gases. Wenn Aluminiumoxide durch das NF₃-Plasma entfernt werden, erhöht sich die relative Konzentration von Magnesiumfluorid oder Magnesiumoxid auf der Oberfläche des Objektes. Das Magnesiumfluorid hemmt das Eindringen von zusätzlichem Fluor in die Oxidschicht und sorgt für den Schutz der Oxidschicht und der darunter liegenden Aluminiumlegierung.
3 ist eine grafische Darstellung der Spannungsfestigkeit der oxidierten Schichten auf drei Objekten. Plot 300 von 3 ist eine grafische Darstellung der Spannungsfestigkeit der drei Objekte 304, 308 und 312. Objekt 304 ist ein Objekt, das unter Verwendung eines herkömmlichen Oxidationsprozesses oxidiert wurde, um eine eloxierte Fläche auf dem Objekt zu erzeugen. Die Objekte 308 und 312 haben Flächen, die unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses oxidiert wurden, welcher von Keronite International unter Verwendung unterschiedlicher Elektrolyte ausgeführt wurde. Die y-Achse 316 von Plot 300 ist die Spannungsfestigkeit in Volt/μm. Der Maximal- und Minimalwert der Spannungsfestigkeit wurden auf der Grundlage der Durchbruchspannung jedes Objektes an fünf Stellen auf jedem Objekt bestimmt. Die Spannungsfestigkeit wurde als gemessene Durchbruchspannung, dividiert durch die Dicke der Oxidschicht berechnet, die an den fünf Stellen auf dem Objekt gemessen wurde. Die Spannungsfestigkeit von Objekt 304 war kleiner als etwa 14 Volt DC/μm. Die Spannungsfestigkeit von Objekt 308 war größer als etwa 19 Volt DC/μm. Die Spannungsfestigkeit von Objekt 312 war größer als etwa 64 Volt DC/μm. Die Durchbruchspannung wurde unter Verwendung eines Biddle AC/DC High-Pot Testers (Modell-Nr. 230425) (hergestellt von Megger Group Limited (Dallas, TX)) gemessen. Die Dicke der Oxidschicht wurde unter Verwendung einer DualScope^® MP20-Dickenmesseinheit, hergestellt von Fischer Technology, Inc. (Windsor, CT), gemessen. Die Spannungsfestigkeit der Objekte mit Flächen, die unter Verwendung des elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses behandelt wurden (Objekte 308 und 312), war größer als etwa 20 Volt DC/μm.
4A ist eine schematische Teildarstellung eines Reaktivgasgeneratorsystems 400 zum Anregen von Gasen gemäß einer erläuternden Ausführungsform der Erfindung. Das Reaktivgasgeneratorsystem 400 umfasst eine Plasmagasquelle 412, die über eine Gasleitung 416 mit einem Einlass 440 einer Plasmakammer 408 verbunden ist. Ein Ventil 420 steuert den Fluss von Plasmagas (z. B. O₂, N₂, Ar, NF₃, F₂, H₂ und He) aus der Plasmagasquelle 412 durch die Gasleitung 416 und in den Einlass 440 der Plasmakammer 408. Ein Plasmagenerator 484 erzeugt einen Bereich von Plasma 432 in der Plasmakammer 408. Das Plasma 432 umfasst das angeregte Plasmagas 434, von dem ein Teil aus der Kammer 408 strömt. Das angeregte Plasmagas 434 wird im Ergebnis dessen erzeugt, dass das Plasma 432 das Plasmagas erhitzt und aktiviert. In dieser Ausführungsform befindet sich der Plasmagenerator 484 teilweise rund um die Plasmakammer 408.
Das Reaktivgasgeneratorsystem 400 umfasst auch eine Stromversorgung 424, die Energie über Anschluss 428 für den Plasmagenerator 484 zum Erzeugen des Plasmas 432 (welches das angeregte Gas 434 umfasst) in der Plasmakammer 408 liefert. Die Plasmakammer 408 kann zum Beispiel aus einem metallenen Material, wie zum Beispiel Aluminium, oder einem feuerfesten Metall, einem dielektrischen Material, wie zum Beispiel Quarz oder Saphir, oder einem beschichteten Metall, wie zum Beispiel eloxiertem Aluminium, gebildet oder hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen wird das Plasmagas sowohl zum Erzeugen des Plasmas 432 wie auch zum Erzeugen des angeregten Gases 434 verwendet.
Die Plasmakammer 408 hat einen Auslass 472, der über einen Durchlass 468 mit einem Eingang 476 einer Prozesskammer 456 verbunden ist. Das angeregte Gas 434 fließt durch den Durchlass 468 und in den Eingang 476 der Prozesskammer 456. Ein Probenhalter 460, der in der Prozesskammer 456 positioniert ist, trägt ein Material, das durch das angeregte Gas 434 verarbeitet wird. In einer Ausführungsform erleichtert das angeregte Gas 434 das Ätzen eines Halbleiterwafers, der sich auf dem Probenhalter 460 in der Prozesskammer 456 befindet.
Die Plasmaquelle 484 kann zum Beispiel ein DC-Plasmagenerator, Hochfrequenz-(HF)-Plasmagenerator oder ein Mikrowellenplasmagenerator sein. Die Plasmaquelle 484 kann eine ferne Plasmaquelle sein. Beispielsweise kann die Plasmaquelle 484 eine ASTRON^®-Fernplasmaquelle sein, die von MKS Instruments, Inc. aus Wilmington, MA, hergestellt wird.
In einer Ausführungsform ist die Plasmaquelle 484 eine toroidale Plasmaquelle, und die Kammer 408 ist eine Kammer, die aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, welche Magnesium enthält. In anderen Ausführungsformen können alternative Arten von Plasmaquellen und Kammermaterialien verwendet werden.
Die Stromversorgung 424 kann zum Beispiel eine HF-Stromversorgung oder eine Mikrowellenstromversorgung sein. In einigen Ausführungsformen umfasst die Plasmaquelle 408 Mittel zum Erzeugen von freien Ladungen, die für ein anfängliches Ionisierungsereignis sorgen, welches das Plasma 432 in der Plasmakammer 408 zündet. Das anfängliche Ionisierungsereignis kann ein kurzer, hoher Spannungsimpuls sein, der an die Plasmakammer 408 angelegt wird. Der Impuls kann eine Spannung von ca. 500–10.000 Volt haben und kann ca. 0,1 Mikrosekunden bis 100 Millisekunden lang sein. Ein Edelgas, wie zum Beispiel Argon, kann in die Plasmakammer 408 eingeleitet werden, um die Spannung zu reduzieren, die zum Zünden des Plasmas 432 erforderlich ist. Auch Ultraviolettstrahlung kann dazu verwendet werden, die freien Ladungen in der Plasmakammer 408 zu erzeugen, die für das anfängliche Ionisierungsereignis sorgen, welches das Plasma 432 in der Plasmakammer 408 zündet.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Reaktivgasgeneratorsystem 400 zum Anregen eines Gases, das Halogen enthält, zur Verwendung, wie hierin vorher beschrieben (z. B. im Hinblick auf Schritt 112 von 1), verwendet. Ein Objekt, das Aluminium und Magnesium umfasst, wird unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses verarbeitet (z. B. Schritt 108 von 1), um mindestens eine Fläche des Objektes zu oxidieren.
In einer Ausführungsform wurde das oxidierte Objekt in der Plasmakammer 408 montiert und dem Plasma 432 ausgesetzt. In einer Ausführungsform wurde eine ASTRON^®ex-Fernplasmaquelle, die von MKS Instruments, Inc. aus Wilmington, MA, hergestellt wird, als Plasmaquelle 484 verwendet. Das oxidierte Objekt wurde einem NF₃-Plasma ausgesetzt, das durch die Plasmaquelle erzeugt wurde, um Magnesiumfluorid auf der Fläche zu erzeugen. Die NF₃-Durchflussrate betrug 3 Standard-Liter pro Minute (slm), und der Kammerdruck betrug 2,9 torr (ca. 2,78 MPa). Die elektrische Leistung, die dem Plasma zugeführt wurde, betrug etwa 6,5 kW.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Reaktivgasgeneratorsystem 400 zum Anregen eines Gases, das Halogen enthält, zur Verwendung, wie hierin vorher beschrieben (z. B. im Hinblick auf Schritt 112 von 1), verwendet. Die Plasmakammer 408 ist das Objekt, das unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses (z. B. Schritt 108 von 1) verarbeitet wird. In dieser Ausführungsform wird die Plasmakammer 408 aus einer Aluminiumlegierung erstellt, die Magnesium enthält. Ein elektrolytischer Plasmaoxidationsprozess wird zum Erzeugen der Oxidschicht auf den Innenflächen der Plasmakammer 408 verwendet. Die Plasmakammer 408 wird dann im Reaktivgasgeneratorsystem 400 installiert.
Die Plasmaquelle 412 stellt NF₃ als Plasmagas für die Plasmakammer 408 bereit. Plasma 432 wird unter Verwendung des NF₃ erzeugt. Das Plasma 432 erzeugt das angeregte Plasmagas 434 in Kammer 408. Die oxidierten Innenflächen der Plasmakammer 408 werden also dem fluorhaltigen Plasma 432 und angeregten Gas 434 (das Fluor enthält) ausgesetzt. Die oxidierten Flächen der Plasmakammer 408 sind dem Plasma 432 und angeregten Gas 434 ausgesetzt, ähnlich wie oben in Bezug auf 1 beschrieben. Das Magnesiumoxid in der Oxidschicht auf den Wänden der Plasmakammer 408 reagiert mit dem Fluor und bildet Magnesiumfluorid (MgF₂). Das Magnesiumfluorid wird in der Oxidschicht erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Reaktivgasgeneratorsystem 400 zum Erzeugen von Plasma 432 durch Anregen eines Gases, das Halogen enthält, verwendet. Die Innenflächen des Gasdurchlasses 468 und/oder der Prozesskammer 456 sind die Objekte, die unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses (z. B. Schritt 108 von 1) verarbeitet werden. In dieser Ausführungsform sind der Gasdurchlass 468 und/oder die Prozesskammer 456 aus einer Aluminiumlegierung erstellt, die Magnesium enthält. Ein elektrolytischer Plasmaoxidationsprozess wird zum Erzeugen der Oxidschicht auf den Innenflächen der Plasmakammer 468 oder der Prozesskammer 456 verwendet. Die Plasmakammer 408 wird im Reaktivgasgeneratorsystem 400 installiert. Die Plasmaquelle 412 stellt NF₃ (als Plasmagas) für die Plasmakammer 408 bereit. Plasma 432 wird unter Verwendung des NF₃ erzeugt. Das Plasma 432 erzeugt das angeregte Plasmagas 434, das anschließend durch den Durchlass 468 und die Prozesskammer 456 strömt. Die oxidierten Innenflächen des Durchlasses 468 und der Prozesskammer 456 sind daher dem angeregten Gas 434 (das Fluor enthält) ausgesetzt. Die oxidierten Flächen von Durchlass 468 und der Prozesskammer 456 sind dem angeregten Gas 434 ausgesetzt, ähnlich wie oben im Hinblick auf 1 beschrieben. Das Magnesiumoxid in der Oxidschicht auf den Wänden von Durchlass 468 und der Prozesskammer 456 reagiert mit dem Fluor und bildet Magnesiumfluorid (MgF₂).
4B ist eine schematische Teildarstellung eines lokalen Plasmasystems 475. Das Plasmagas 425 (z. B. ein Gas, das ein Halogen enthält) wird über Eingang 466 der Plasmakammer 450 zugeführt, die auch die Prozesskammer ist. Ein Plasma 480 wird in der Kammer 450 durch einen Plasmareaktor 494 erzeugt. Ein Probenhalter 462, der in der Prozesskammer 450 positioniert ist, trägt ein Material, das durch das Plasma 480 oder angeregte Gas 490 verarbeitet wird. In einer Ausführungsform wird das Objekt auf den Probenhalter 462 gebracht. In einer weiteren Ausführungsform ist das Objekt selbst die Prozesskammer 450. Es wird ein elektrolytischer Plasmaoxidationsprozess zum Erzeugen der Oxidschicht auf dem Objekt verwendet. Die oxidierte Fläche des Objektes wird dem halogenhaltigen Plasma 480 und angeregten Gas 490 ausgesetzt, ähnlich wie oben in Bezug auf 1 beschrieben.
Abwandlungen, Modifizierungen und andere Implementierungen des hierin Beschriebenen sind für die Fachleuten auf diesem Gebiet ersichtlich, ohne vom Geist und dem Anwendungsbereich der Erfindung, wie beansprucht, abzuweichen. Dementsprechend soll die Erfindung nicht durch die vorhergehende erläuternde Beschreibung, sondern stattdessen durch den Geist und Anwendungsbereich der folgenden Ansprüche definiert werden.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer Schutzschicht auf einer Fläche eines Objektes, das Aluminium und Magnesium umfasst, zur Verwendung in einem Halbleiterverarbeitungssystem, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Oxidieren der Fläche des Objektes unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses; Erzeugen eines halogenhaltigen Plasmas durch Anregen eines Gases, das ein Halogen enthält; und Aussetzen der oxidierten Fläche einem halogenhaltigen Plasma oder einem angeregten Gas.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das halogenhaltige Gas aus der Gruppe bestehend aus NF₃, F₂, CF₄, C₂F₆, C₃F₈, SF₆, Cl₂, ClF₃, und Br₂ und BrCl ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Objekt, das Aluminium und Magnesium umfasst, eine Aluminiumlegierung mit einem Magnesiumgehalt von etwa 0,1 Gew-% bis etwa 6 Gew-% ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas, das ein Halogen enthält, unter Verwendung eines Reaktivgasgenerators angeregt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Plasmareaktor zum Erzeugen des halogenhaltigen Plasmas verwendet wird, und das Objekt Teil einer Innenfläche des Plasmareaktors ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aussetzen der oxidierten Fläche dem halogenhaltigen Plasma oder angeregtem Gas stattfindet, während ein Halbleiterprozess unter Verwendung eines Plasmareaktors ausgeführt wird.
Verfahren zum Vorbereiten eines Objektes zur Verwendung in einem Halbleiterverarbeitungssystem, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Bereitstellen eines Objektes, das Aluminium und Magnesium umfasst; und Oxidieren der Oberfläche des Objektes unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses für das nachfolgende Aussetzen einem halogenhaltigen Plasma oder einem angeregten Gas, um eine Schutzschicht auf der Oberfläche des Objektes zu erzeugen.
Herstellungsartikel, der in einem Halbleiterverarbeitungssystem verwendet wird, welcher eine Beschichtung mit einer Spannungsfestigkeit von mehr als 20 Volt DC pro Mikrometer hat, wobei der Herstellungsartikel folgendes umfasst: ein Objekt, das Aluminium und Magnesium umfasst; und eine Schutzschicht auf der Oberfläche des Objektes, gebildet durch Oxidieren der Oberfläche des Objektes unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses, und Aussetzen der oxidierten Fläche einem halogenhaltigen Plasma oder einem angeregten Gas, das durch einen Reaktivgasgenerator erzeugt wurde.
System zum Erzeugen einer Schutzschicht auf einer Fläche eines Objektes, das Aluminium und Magnesium umfasst, zur Verwendung in einem Halbleiterverarbeitungssystem, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Mittel zum Oxidieren der Oberfläche des Objektes unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses; Mittel zum Erzeugen eines halogenhaltigen Plasmas durch Anregen eines Gases, das ein Halogen enthält; und Mittel zum Aussetzen der oxidierten Fläche dem halogenhaltigen Plasma oder dem angeregten Gas.
Plasmakammer zur Verwendung mit einer reaktiven Gasquelle, wobei die Plasmakammer folgendes umfasst: einen Einlass zum Aufnehmen eines Gases; mindestens eine Plasmakammerwand zum Halten des Gases, wobei die Plasmakammerwand Aluminium und Magnesium und eine Schutzschicht auf einer Fläche des Objektes umfasst, die gebildet wird durch Oxidieren der Fläche des Objektes unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses, und Aussetzen der oxidierten Fläche einem halogenhaltigen Plasma oder einem angeregten Gas; einen Auslass zum Ausgeben eines reaktiven Gases, das durch die Wechselwirkung des Plasmas und des Gases erzeugt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Plasmakammer, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Bereitstellen einer Kammer zum Halten eines Gases, wobei die Kammer einen Einlass zum Aufnehmen eines Gases und einen Auslass zum Ausgeben eines reaktiven Gases umfasst, das durch die Wechselwirkung des Plasmas und des Gases erzeugt wird, wobei die Kammer Aluminium und Magnesium umfasst; Oxidieren von mindestens einer Fläche der Kammer unter Verwendung eines elektrolytischen Plasmaoxidationsprozesses und Aussetzen der oxidierten Fläche einem halogenhaltigen Plasma oder einem angeregten Gas.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Objekt Teil einer Innenfläche eines Plasmareaktors ist, wobei das Verfahren ferner das Betreiben des Plasmareaktors mit Formulierungen auf der Grundlage von Wasserstoff, Sauerstoff oder Stickstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Kammer Teil eines Plasmareaktors ist, wobei das Verfahren ferner das Betreiben des Plasmareaktors mit Formulierungen auf der Grundlage von Wasserstoff, Sauerstoff oder Stickstoff umfasst.