TW201533798A - 氣體分布板 - Google Patents

Abstract

本發明提供的氣體分布板，包括基底以及包覆基底表面的耐等離子體刻蝕塗層，其中，組成耐等離子體刻蝕塗層的材料的穩定性較高，不與等離子體工藝過程中的等離子體發生反應，所以，在等離子體加工工藝或等離子體刻蝕過程中，本發明提供的氣體分布板表面穩定性好，其不會被等離子體所腐蝕，因而也就不會在氣體分布板的表面形成新的物質，因而保證了氣體分布板表面的穩定性，提高了氣體分布板的使用壽命，進一步地，表面穩定的氣體分布板保證了等離子體工藝的穩定性，進一步提高了晶片的生產良率。

Description

氣體分布板

本發明涉及等離子體工藝領域，尤其涉及一種氣體分布板。

眾所周知，氣體分布板（gas distribution plate, GDP）或氣體噴淋頭（shower head, SH）是等離子體加工工藝或等離子體刻蝕系統中的一個重要的元件。例如，在帶有電容性耦合等離子體（CCP）等離子體源的等離子體刻蝕反應腔室內，氣體分布板的功能除了實現氣體的輸運和分布以外，還通常可以作為上電極，用於產生或和維持晶圓或晶片的等離子體刻蝕。

但是，由於氣體分布板的材質一般為金屬、合金、陶瓷或者其他材料，在等離子體氛圍中，氣體分布板表面不穩定，很容易被等離子體刻蝕，從而降低了氣體分布板的使用壽命。同時，由於等離子體的刻蝕所引起的氣體分布板幾何尺寸及表面化學成分的變化，將影響等離子體分布的均勻性和穩定性，從而會導致等離子體刻蝕工藝的穩定性，進而影響半導體晶片的質量及生產良率。

有鑑於此，本發明提供了一種氣體分布板，以提高氣體分布板表面的穩定性，進而提高氣體分布板的使用壽命，改善圓晶晶片的生產質量。

為了達到上述發明目的，本發明採用了如下技術方案：一種氣體分布板，應用於等離子體工藝系統中，包括基底，還包括，包覆所述基底表面的耐等離子體刻蝕塗層，組成所述耐等離子體刻蝕塗層的材料不與等離子體工藝過程中的等離子體發生反應。

優選的，所述耐等離子體刻蝕塗層包括氟化釔層和/或氟氧化釔層，所述氟化釔層和/或所述氟氧化釔層的厚度大於0.5微米。

優選的，所述耐等離子體刻蝕塗層還包括氧化釔層，所述氧化釔層包覆所述基底表面，所述氟化釔層和/或所述氟氧化釔層包覆所述氧化釔層。

優選的，所述氟化釔層和/或所述氟氧化釔層的形成方法為等離子體增強物理氣相沉積、等離子體增強化學氣相沉積、物理氣相沉積、等離子體噴塗或化學氣相沉積。

優選的，所述耐等離子體刻蝕塗層的結構為由所述氟化釔層和所述氟氧化釔層交替組成的多層結構。

優選的，所述耐等離子體刻蝕塗層包括由所述氟化釔和所述氟氧化釔組成的混合物構成的塗層。

優選的，所述氟化釔層或所述氟氧化釔層的形成方法為等離子噴塗或溶膠-凝膠法。

優選的，所述氟化釔層或所述氟氧化釔層的形成方法為採用與所述氧化釔層相同的澱積方法。

優選的，所述氟化釔層或所述氟氧化釔層的形成方法為採用氟等離子體對所述氧化釔層進行等離子體預處理原位形成的。

優選的，所述耐等離子體刻蝕塗層包括氧化鉺層。

優選的，所述耐等離子體刻蝕塗層還包括氧化釔層，所述氧化釔層包覆所述基底表面，所述氧化鉺層包覆所述氧化釔層。

本發明提供的氣體分布板，包括基底以及包覆基底表面的耐等離子體刻蝕塗層，其中，組成該耐等離子體刻蝕塗層的材料的穩定性較高，不與等離子體工藝過程中的等離子體發生反應。所以，在等離子體工藝包括加工工藝或等離子體刻蝕過程中，本發明提供的氣體分布板表面穩定性好，其不會被等離子體刻蝕，因而也就不會引起氣體分布板的的幾何尺寸及表面化學成分的變化，因而保證了氣體分布板表面尺寸及化學成分的穩定性，提高了氣體分布板的使用壽命。進一步地，該表面穩定的氣體分布板保證了等離子體工藝的穩定性，進一步提高了晶片的生產良率。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出進步性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

正如背景技術部分所述，現有通用的氣體分布板在等離子體工藝過程中，很容易被等離子體刻蝕，影響了等離子體工藝過程的穩定性，進而降低了晶片的生產良率。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種表面穩定性高的氣體分布板。具體參見以下實施例。

如圖1所示，本發明提供的氣體分布板，包括基底01以及包覆基底01表面的耐等離子體刻蝕塗層02，其中，組成所述耐等離子體刻蝕塗層02的材料不與等離子體發生反應。這樣，包覆基底01表面的耐等離子體刻蝕塗層02相當於氣體分布板基底的保護層，該保護層避免了基底01與等離子體的接觸，因而可以避免等離子體對基底01的刻蝕，避免等離子體對氣體分布板造成的破壞，提高了氣體分布板的使用壽命。

此外，在等離子體反應腔室內，等離子體的密度會因為不同等離子體刻蝕工藝而分布不均勻，也就是說，在反應腔室內的不同位置具有不同的等離子體分布密度，所以，當等離子體對氣體分布板表面發生刻蝕時，等離子體對氣體分布板表面的不同位置發生反應及所產生的刻蝕程度不同，如果等離子體與氣體分布板表面發生反應生成新物質時，那麼由於等離子體在氣體分布板表面的不同位置的密度不同，因而在氣體分布板表面形成的新物質也就分布不均勻，因而也就形成了表面不均勻的氣體分布板，有可能導致氣體分布板的一部分表面為未反應的氣體分布板的材質，另一部分為反應後生成的新物質，由於不同物質對等離子體反應速率有不同的影響，因而這種表面不均勻的氣體分布板導致等離子體與位於不同位置的晶片的反應具有不同的反應速率，導致了等離子體刻蝕工藝的漂移，這種氣體分布板無法保證等離子體工藝的穩定性，降低了晶片的生產良率。

而在本發明提供的氣體分布板中，由於包覆氣體分布板基底的耐等離子體刻蝕塗層的材料不與等離子體發生反應，保證了氣體分布板表面的穩定性和均勻性，這樣，在氣體分布板表面的任何位置的表面物質均是耐等離子體刻蝕塗層，因而，等離子體與不同位置的晶片反應均具有相同的反應速率，因而也就保證了等離子體工藝過程的穩定性，克服了由於等離子體與氣體分布板表面發生反應在氣體分布板的表面生成不均勻分布的物質由此導致的等離子體工藝漂移的缺陷，進而提高了晶片的生產良率。

需要說明的是，本發明實施例所述等離子體工藝不限於等離子體刻蝕工藝，本發明實施例所述的等離子體工藝還可以包括等離子體加工工藝。

本發明所述的氣體分布板的基底的材質可以為金屬、合金或陶瓷，也可以為其他複合物材料。目前，化學氣相沉積法生長的碳化矽SiC板廣泛用作氣體分布板。該碳化矽SiC板可以用作在等離子體刻蝕工藝中面向等離子體的板。這是因為CVD-SiC材料具有優異的電性能和熱傳導性能、高純度以及較低的顆粒污染風險。

作為本發明的一個實施例，本發明所述的耐等離子體刻蝕塗層的組分可以為氟化釔YF3，此時形成的氣體分布板為氟化釔YF3層包覆的氣體分布板。該等離子體塗層的組分也可以為氟氧化釔YFO，此時形成的氣體分布板為氟氧化釔層包覆的氣體分布板。需要說明的是，在氟氧化釔層中，氧的原子百分含量可以達到50%。該耐等離子體刻蝕塗層的組分還可以為氟化釔YF3和氟氧化釔YFO兩種組分，此時形成的氣體分布板為由氟化釔YF3和氟氧化釔YFO組成的複合層包覆的氣體分布板。其中，由氟化釔和氟氧化釔共同組成的複合層可以為兩層或兩層以上的多層結構。該多層結構可以是氟化釔層和氟氧化釔層交替形成的疊層結構，也可以是氟化釔或氟氧化釔的混合物構成的多層結構。該多層結構還可以為至少一組相鄰的氟化釔層和氟氧化釔層由於原子擴散形成的混合層結構。

形成氟化釔YF3層和/或氟氧化釔YFO層具體可以通過以下工藝方法中的一種或幾種，該工藝方法包括等離子體增強物理氣相沉積（PEPVD）、等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）、物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、等離子體噴塗（plasma spray， PS）、或溶膠-凝膠法 (sol-gel)等。其中，為了澱積形成密實的無孔塗層，優選採用PEPVD工藝方法。這些耐等離子塗層的厚度根據需要可以為大於0.5微米以上的厚度。進一步地，該氟化釔YF3層和/或氟氧化釔YFO層的厚度可以在1微米以上。更進一步地，該氟化釔YF3層和/或氟氧化釔YFO層的厚度可以在1至150微米之間。更進一步地，根據需要，該氟化釔YF3層和/或氟氧化釔YFO層的厚度也可以達到150微米以上。

另外，為了得到具有更好穩定結構和更高耐等離子體刻蝕性能的氟化釔YF3和氟氧化釔YFO組成的複合層，該複合層可以通過PEPVD或其它澱積工藝形成氟化釔YF3和氟氧化釔YFO交替形成的多層結構。該複合層也可以通過PEPVD或其它澱積工藝形成由氟化釔YF3和氟氧化釔YFO的混合物組成的塗層。

作為本發明的另一實施例，所述的耐等離子體刻蝕塗層還可以為包括氧化釔層Y2O3以及氟化釔YF3層和/或氟氧化釔YFO層的多層結構，其中，氧化釔Y2O3層包覆氣體分布板的表面，氟化釔YF3層和/或氟氧化釔YFO層包覆氧化釔層的表面。需要說明的是，本實施例所述的氟化釔YF3層和/氟氧化釔或YFO層的多層結構可以與上述實施例所述的氟化釔YF3層和/或氟氧化釔YFO層的結構相同。

為了降低等離子體對氣體分布板的腐蝕進而提高氣體分布板的使用壽命，可以在氣體分布板的基底表面上澱積一層包覆基底表面的氧化釔Y2O3材料層。氧化釔材料能夠提高氣體分布板基底表面的耐等離子體刻蝕性能，但是，在含氟等離子體的工藝過程中，氧化釔Y2O3會與氟離子或原子反應生成氟化釔YF3。由於在等離子體工藝過程中，等離子體在反應腔室內的分布密度有可能不均勻，所以在氧化釔Y2O3表面的不同位置，氟化釔YF3的生長速率不同，導致氧化釔Y2O3表面上的氟化釔YF3的厚度不均勻，這會引起氟化釔YF3表面的斷裂或分層。而且，由於等離子體在反應腔室內的不均勻分布，也有可能導致氣體分布板上僅部分表面生成了氟化釔YF3，另一部分表面沒有生成氟化釔YF3，仍然為氧化釔Y2O3。這樣由於位於氣體分布板表面的材料不同會對晶圓或晶片表面的等離子體反應速率產生不同的影響，因此，在氣體分布板表面的氧化釔Y2O3和氟化釔YF3會引起等離子體與晶片或晶圓的反應速率的不均一，從而破壞了工藝的穩定性進而降低了晶片的生產良率。

為了清楚地描述採用表面包覆有氧化釔Y2O3的氣體分布板對等離子體工藝穩定性的影響，下面以表面包覆有氧化釔Y2O3的氣體分布板用於等離子刻蝕工藝為例結合圖2（a）至圖2（d）進行說明。圖2（a）是未在含氟等離子體反應室內使用的氣體分布板上的氧化釔層的化學成分圖，圖2（b）是在含氟的等離子體反應室使用後的氣體分布板上的氧化釔層的化學成分圖。從該圖2（a）和圖2（b）中可以看出，未使用的氣體分布板的表面組分中只含有釔元素和氧元素，而用於等離子體工藝之後的氣體分布板的表面組分中不僅還有釔元素和氧元素，還含有高濃度氟元素。這表明，在使用過程中，氣體分布板的表面Y2O3塗層的組分發生了變化，其由Y2O3向含有少量氧的YF3轉變。

圖2（c）和圖2（d）分別為採用表面包覆有氧化釔Y2O3的氣體分布板的等離子體反應腔室內的等離子體對晶圓上的氧化物的主刻蝕速率和過刻蝕速率與刻蝕時間的關係圖。其中，等離子體主刻蝕工藝中的等離子體由四氟化碳（CF4）、氧（O2）和氬（Ar）混合氣體離化產生，而等離子體過刻蝕工藝中的等離子體由八氟化四碳（C4F8）、氧（O2）和氬（Ar）混合氣體離化形成。從圖2（c）和圖2（d）中可以看出，當氣體分布板的表面為Y2O3時，等離子體對氧化物的主刻蝕速率和過刻蝕速率較小。對主刻蝕工藝來說，刻蝕時間至少超過5小時刻蝕速率才能穩定；對於過刻蝕工藝來說，刻蝕時間至少超過2小時，刻蝕速率才能穩定。這表明採用表面為氧化釔的氣體分布板的等離子刻蝕工藝的穩定性較差，尤其在等離子刻蝕最初的幾個小時內。

為了防止包覆在氣體分布板基底表面的氧化釔Y2O3層與氟、氧等離子體的不均勻反應，提高等離子刻蝕工藝的穩定性，本發明提供的包覆氣體分布板基底表面的耐等離子體刻蝕塗層還包括澱積在氧化釔Y2O3塗層上的氟化釔YF3和/或氟氧化釔YFO塗層，該氟化釔YF3和/或氟氧化釔YFO塗層包覆氧化釔Y2O3的表面。其中，氟氧化釔YFO是含有氧的以氟化釔為主體的塗層，其中，氧的原子百分含量可以高達50%。所述的氟化釔YF3和/或氟氧化釔YFO塗層的厚度很據需要可以為大於0.5微米以上的厚度，進一步地，該氟化釔YF3和/或氟氧化釔YFO塗層的厚度可以在0.5至150微米之間。進一步地，根據需要，該氟化釔YF3和/或氟氧化釔YFO塗層的厚度也可以達到150微米以上。

包覆有氟化釔YF3和或氟氧化釔YFO塗層的氣體分布板的表面穩定性高，這是因為氟化釔YF3和/或氟氧化釔YFO塗層表面不與含氟氧的等離子體反應，能夠防止在氧化釔Y2O3的表面上由於形成或生長YF3或YFO而引起在氧化物的主刻蝕和過刻蝕工藝中的刻蝕速率的漂移。

上述所述的YF3和/或YFO塗層可以採用以下方法形成： 第一種：可以通過等離子體噴塗（plasma spray，PS）（也稱熱噴塗（thermal spray），TS）、溶膠-凝膠（sol-gel）或其它方法形成。 第二種：通過連續澱積方法，採用與Y2O3相同的工藝方法在Y2O3的表面上連續澱積YF3和/或YFO塗層。該連續澱積方法包括但不限於等離子噴塗方法（在PS方法形成的Y2O3的表面上形成PS YF3塗層）、濺射法、離子輔助澱積方法或其它PVD及PEPVD方法。 第三種：在等離子體工藝前，在反應腔室內，用氟等離子體對Y2O3的表面進行等離子預處理，從而在反應腔室內原位生成一層密實的YF3或YFO塗層。形成的YF3或YFO塗層的厚度與Y2O3塗層的厚度的比值可以根據工藝要求調整。

為了形象地表示上述結構的氣體分布板的有益效果，下面結合圖3（a）至圖3（d）進行說明。

圖3（a）是氟化釔YF3層包覆的氣體分布板的截面結構示意圖。該YF3塗層由PEPVD工藝澱積形成。YF3的化學組分由SEM/EDX分析得到，具體如圖3（b）所示，在YF3表面組分僅包括釔元素和氟元素。採用該結構的氣體分布板用於等離子體刻蝕工藝中，在最初90小時的刻蝕時間內，氧化物的主刻蝕的刻蝕速率的變化率小於2%，如圖3（c）所示。在最初90小時的刻蝕時間內，氧化物的過刻蝕的刻蝕速率的變化率小於1%。如圖3（d）所示。而當使用表面為Y2O3的氣體分布板時，最初30小時的刻蝕時間內，氧化物的主刻蝕速率和過刻蝕速率的變化了率分布高於2%，其結果分別如圖2（c）和圖2（d）所示。

由上述實驗結果可知，採用表面包覆有YF3和/或YFO的氣體分布板，其刻蝕速率的變化率明顯減小，也就是說，在不同時間段內的刻蝕速率幾乎是恒定的，因而，採用表面包覆有YF3和/或YFO的氣體分布板，提高了等離子體刻蝕工藝的穩定性，進而提高了晶片的生產良率。

此外，為了消除等離子體工藝或刻蝕速率的漂移，作為本發明的又一實施例，所述的耐等離子體刻蝕塗層還可以為氧化鉺塗層。所述的耐等離子體刻蝕塗層也可以包括氧化釔層和氧化鉺層，其中，氧化釔層包覆基底表面，氧化鉺包覆氧化釔層表面。形成氧化鉺層的工藝方法可以與形成YFO或YF3的工藝方法相同。另外，形成氧化鉺層的厚度也與形成的YFO或YF3的厚度基本一致。為了簡要起見，可以參見上述實施例描述。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。

01‧‧‧基底
02‧‧‧耐等離子體刻蝕塗層

為了更清楚地說明本發明實施例或習知技術中的技術方案，下面將對實施例或習知技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出進步性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例的氣體分布板的截面結構示意圖； 圖2（a）是未在含氟等離子體反應室內使用的氣體分布板上的氧化釔層的化學成分圖； 圖2（b）是在含氟等離子體反應室使用後的氣體分布板上的氧化釔層的化學成分圖； 圖2（c）是採用氧化釔包覆的氣體分布板的等離子體反應室內等離子體對晶圓上的氧化物的主刻蝕速率與刻蝕時間的關係圖； 圖2（d）是採用氧化釔包覆的氣體分布板的等離子體反應室內等離子體對晶圓上的氧化物的過刻蝕速率與刻蝕時間的關係圖； 圖3（a）是氟化釔層包覆的氣體分布板的截面結構示意圖； 圖3（b）是氣體分布板上的氟化釔層的化學成分圖； 圖3（c）是採用氟化釔層包覆的氣體分布板的等離子體反應室內等離子體對晶圓上的氧化物的主刻蝕速率與刻蝕時間的關係圖； 圖3（d）是採用氟化釔層包覆的氣體分布板的等離子體反應室內等離子體對晶圓上的氧化物的過刻蝕速率與刻蝕時間的關係圖。

01‧‧‧基底

02‧‧‧耐等離子體刻蝕塗層

Claims (11)

1. 一種氣體分布板，應用於等離子體工藝系統中，包括，基底，其中還包括包覆所述基底表面的耐等離子體刻蝕塗層，組成所述耐等離子體刻蝕塗層的材料不與等離子體工藝過程中的等離子體發生反應。
2. 如請求項1所述的氣體分布板，其中所述耐等離子體刻蝕塗層包括氟化釔層和/或氟氧化釔層，所述氟化釔層和/或所述氟氧化釔層的厚度大於0.5微米。
3. 如請求項2所述的氣體分布板，其中所述耐等離子體刻蝕塗層還包括氧化釔層，所述氧化釔層包覆所述基底表面，所述氟化釔層和/或所述氟氧化釔層包覆所述氧化釔層。
4. 如請求項2所述的氣體分布板，其中所述氟化釔層和/或所述氟氧化釔層的形成方法為等離子體增強物理氣相沉積、等離子體增強化學氣相沉積、物理氣相沉積、等離子體噴塗或化學氣相沉積。
5. 如請求項2-4任一項所述的氣體分布板，其中所述耐等離子體刻蝕塗層的結構為由所述氟化釔層和所述氟氧化釔層交替組成的多層結構。
6. 如請求項2-4任一項所述的氣體分布板，其中所述耐等離子體刻蝕塗層包括由所述氟化釔和所述氟氧化釔組成的混合物構成的塗層。
7. 如請求項2或3所述的氣體分布板，其中所述氟化釔層或所述氟氧化釔層的形成方法為等離子噴塗或溶膠-凝膠法。
8. 如請求項3所述的氣體分布板，其中所述氟化釔層或所述氟氧化釔層的形成方法為採用與所述氧化釔層相同的澱積方法。
9. 如請求項2或3所述的氣體分布板，其中所述氟化釔層或所述氟氧化釔層的形成方法為採用氟等離子體對所述氧化釔層進行等離子體預處理原位形成的。
10. 如請求項1所述的氣體分布板，其中所述耐等離子體刻蝕塗層包括氧化鉺層。
11. 如請求項10所述的氣體分布板，其中所述耐等離子體刻蝕塗層還包括氧化釔層，所述氧化釔層包覆所述基底表面，所述氧化鉺層包覆所述氧化釔層。