TW201704504A

TW201704504A - 塗佈表面之方法

Info

Publication number: TW201704504A
Application number: TW105105354A
Authority: TW
Inventors: 麗華李黃; 伊凡Ｅ巴頓; 亞倫波皮歐卡瓦斯基; 貝瑞特Ｃ理察森; 洪石
Original assignee: 蘭姆研究公司
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2017-02-01
Also published as: KR20160105320A; US20160254125A1

Abstract

提供在基材範圍設置保護層的方法。在基材的範圍沉積陶瓷層，其中該陶瓷層具有多孔性。對陶瓷層的一區域提供局域化加熱，達到導致該陶瓷層熔融而不損傷該基材的溫度，其中該陶瓷層的熔融使孔隙率降低、或密封件裂紋、或柱狀晶界。在該陶瓷層的範圍，對藉由該局域化加熱而受熱之該陶瓷層的該區域進行掃描。

Description

塗佈表面之方法

本發明相關於半導體裝置的加工。本發明更特別地相關於對半導體裝置加工中所使用的腔室表面進行塗佈。

在半導體晶圓處理期間，電漿處理腔室係用以處理半導體裝置。塗層係用以保護腔室表面。

為達成前述內容、且根據本發明之目的，提供在基材範圍設置保護層的方法。在該基材的範圍沉積陶瓷層，其中該陶瓷層具有多孔性。對該陶瓷層的一區域提供局域化加熱，達到導致該陶瓷層熔融而不損傷該基材的溫度，其中該陶瓷層的熔融使孔隙率降低、或密封件裂紋、或柱狀晶界。在該陶瓷層的範圍，對藉由該局域化加熱而受熱之該陶瓷層的該區域進行掃描。

在該發明的另一表現形式中，提供形成電漿處理腔室之元件的方法。在電漿處理腔室之元件的範圍熱噴塗一陶瓷層，其中該陶瓷層具有多孔性。對該陶瓷層的一區域提供局域化加熱，達到導致該陶瓷層熔融而不損傷該元件的溫度，其中該陶瓷層的熔融使孔隙率降低、或密封件裂紋、或柱狀晶界。在該陶瓷層的範圍，對藉由該局域化加熱而受熱之該陶瓷層的該區域進行掃描。將該元件安裝於該電漿處理腔室中。

本發明之該等、及其他特徵將在以下本發明之實施方式中、並結合以下圖式而詳細描述。

現在本發明將參照如隨附圖式中所繪示之本發明若干較佳實施例而詳細描述。在以下描述內容中，提出許多具體細節，以提供對本發明的透徹理解。然而，對熟悉本技術領域者而言將明白的是，本發明可在沒有該等具體細節的一些或全部者的條件下而實施。在其他情形中，已熟知的製程步驟及/或結構未作詳細描述，以免不必要地模糊本發明。

為促進理解，圖1係該發明一實施例中所使用之製程的高階流程圖。在基材之範圍沉積陶瓷層，其中該陶瓷層具有多孔性、及/或弱束縛粒子(步驟104)。使該陶瓷層經受孔隙率降低製程(步驟108)。該孔隙率降低製程(步驟108)包含以下者之步驟：對該陶瓷層的一區域提供局域化加熱，達到導致該陶瓷層熔融而不損傷該基材的溫度(步驟112)，其中該熔融在該陶瓷層的範圍使藉由該局域化加熱而受熱之該陶瓷層之該區域中的孔隙率降低(步驟116)。就是否重複該製程進行判定(步驟120)。若需重複該製程，則重複該孔隙率降低製程(步驟108)。若不再重複該製程，則使該基材成為電漿處理腔室中的元件(步驟124)，例如另一腔室元件的襯套、或覆蓋物，或者將該基材用作電極。然後在電漿處理腔室中使用該基材(步驟128)。範例

在該發明一較佳實施例的範例中，在基材的範圍沉積一陶瓷層 (步驟104)。圖2A係在基材204之範圍具有陶瓷層208之基材204的示意性橫剖面視圖。陶瓷層208具有以陰影表示的多孔性。在此實施例中，陶瓷層208係藉由熱噴塗沉積而沉積。在其他實施例中，陶瓷層可藉由電漿噴塗、懸浮噴塗、PVD (物理氣相沉積)、CVD (化學氣相沉積)、或氣膠沉積而沉積。在此實施例中，基材為鋁。在其他實施例中，基材為鋁土(alumina)、碳化矽、陽極化鋁、氧化釔、或AlN。在此實施例中，陶瓷層208包含釔氧化物(氧化釔)。在其他實施例中，陶瓷層208包含釔氟化物、釔氟氧化物(YOF)、釔安定氧化鋯(YSZ，yttria stabilized zirconia)、釔、鈰氧化物、鋁氟化物、稀土氧化物、或其他陶瓷塗層的組合。在一些實施例中，陶瓷層係由氧化物製成。

熱噴塗係用來描述各種塗佈製程的概括性術語，例如電漿噴塗、電弧噴塗、火焰/燃燒噴塗、及電漿噴塗。所有的熱噴塗使用能量將固體加熱至熔融、或塑化狀態。該熔融的或塑化的材料向基材加速，使得該熔融或塑化材料塗佈該基材的表面，然後冷卻。較佳地，電漿噴塗係用來提供氧化釔塗層。該等製程與使用汽化材料而非熔融材料的氣相沉積製程有所不同。

使陶瓷層經受孔隙率降低製程(步驟108)。在該製程中，對該陶瓷層208的一區域提供局域化加熱(步驟112)，以加熱該局域化區域，達到使該局域化區域處之該陶瓷塗層熔融而不損傷基材204的溫度。能量主要地耗散於陶瓷塗層的頂部100微米或更淺，使得自表面起大於100微米的材料不進行熔融。更佳地，自表面起大於20微米的材料不熔融。這需要選擇被陶瓷塗層所吸收之能量的來源。該陶瓷層的熔融使孔隙率降低。該陶瓷層的熔融亦可包含：利用複數的曝露使該陶瓷再熔融、以及改變能量位準以達成期望的材料特性(例如，熔融深度、表面光度)。

圖3係局域化加熱系統300的示意圖，用以對該陶瓷層208提供局域化加熱(步驟112)。局域化加熱系統300包含柱體320。圍繞陰極306的偏壓杯體316係與柱體320位於一起。舉例而言，陰極306可為包含如鎢之材料的細絲(filament)。高壓電纜322係耦接至陰極306。

陽極308及兩對高速偏轉線圈312a、312b係與陰極306相隔開，且位於陰極306的下方。穿孔318係形成於陽極308內。快速聚焦線圈310 (設計上典型地為圓形，且與柱體320同軸)係位於陽極308的下方。兩對高速偏轉線圈312a、312b位於快速聚焦線圈310的下方。具有頂部表面314t的工作腔室314係耦接至柱體320，且位於其之下。工作腔室314通常包含基材支撐件340。基材支撐件340可耦接至二維移動系統342，用以在x軸方向上及y軸方向上獨立地移動基材支撐件340。在此範例中，移動系統342包含用以在x軸方向上移動基材支撐件340的x軸台343、及用以在y軸方向上獨立地移動基材支撐件340的y軸台344。二維移動系統342使基材相對電磁射束302進行移動。基材支撐件340可更包含加熱元件350(例如電阻加熱器、及/或如水冷板的熱漕浴)，從而在製程期間控制基材溫度。隔離閥328定位於陽極308與快速聚焦線圈310之間，並且通常將柱體320分開，使得腔室314可維持在與柱體320之隔離閥328上方的部分不同的壓力。第一泵324係與柱體320流體連接。第二泵330係與腔室314流體連接。

儘管圖3具體地將局域化加熱系統300描繪為電子射束系統，但使用電磁波或微粒的其他射束仍在本發明的範疇內，例如局域化加熱系統之其他實施例中的質子、中子、X-射線、或光子射束。局域化加熱系統包含掃描及聚焦系統，該掃描及聚焦系統取決於所採用之電磁輻射的具體類型。

將具有陶瓷層208的基材204放置於局域化加熱系統中。將陶瓷層208的局域區域加熱至導致該陶瓷層在不損傷基材204的情形下進行熔融的溫度，其中該熔融使孔隙率降低(步驟112)。在此範例中，將腔室314中的壓力降低至約10^-3 mbars。電子射束302係藉由對陰極306加熱、且對陰極施加電流而形成。電子從陰極306逃離，並且在偏壓杯體316中聚集。負高壓電位係經由電纜322相對於陽極308而施加至陰極306。將電子射束302引向陶瓷層208，以導致陶瓷層208之局域化區域的受熱。較佳地，局域化加熱系統300提供介於30-150kV之間的電子加速電壓、及0.1-10mA的電流。電子射束在陶瓷層208上產生具有80-200微米之直徑的射束點，使得藉由來自電子射束之電子而直接受熱的局域化加熱區域具有80-200微米的直徑。

在陶瓷層208的範圍對陶瓷層208之受熱的局域化區域進行掃描(步驟118)。在各種實施例中，二維移動系統342或偏轉線圈312a、312b可單獨地、或以組合方式地用以提供該掃描動作。在此實施例中，掃描係笛卡爾式(Cartesian)的，沿著x及y軸方向形成列及排。在其他實施例中，掃描可為以螺旋路徑的旋轉式。局域加熱將陶瓷層208加熱至陶瓷層208的熔融溫度，導致陶瓷層208熔融，然後再固化。在一些實施例中，陶瓷層已於之前熔融過，使得該熔融即為再熔融。在此實施例中，判定該局域化區域將在該陶瓷層208的範圍掃描兩次(步驟120)。在此實施例中，第二掃描將以不同於第一掃描的溫度進行。在其他實施例中，第二掃描將在相同的溫度進行。

圖2B係已在陶瓷層208的範圍掃描該局域化區域兩次後，於基材204之範圍具有陶瓷層208之基材204的示意性橫剖面圖。如減少的陰影所標示，該製程已使孔隙率降低。

基材204然後便成為電漿處理腔室的一部分(步驟124)。圖4係於其內已安裝該基材之電漿處理腔室400的示意圖。電漿處理腔室400包含限制環402、上電極404、下電極408、氣體源410、襯套462、及排出泵420。襯套462係由具有再熔融陶瓷層的基材形成。在電漿處理腔室400內，晶圓466係定位於下電極408上。下電極408包含適當的基板夾持機構(例如，靜電夾具、機械夾具，或類似者)，用以固持晶圓466。反應器頂部428包含設置成與下電極408直接相對的上電極404。上電極404、下電極408、及限制環402界定出受限電漿容積440。

氣體係透過氣體入口443由氣體源410供應至受限電漿容積440，並且係藉由排出泵420透過限制環402及排氣埠從受限電漿容積440排走。除有助於排出氣體外，排出泵420還有助於調節壓力。RF電源448係電性連接至下電極408。

腔室壁452圍繞襯套462、限制環402、上電極404、及下電極408。襯套462有助於阻止穿過限制環402的氣體或電漿接觸腔室壁452。將RF功率連接至電極的方式可能有不同的組合。在較佳實施例中，27 MHz、60 MHz、及2 MHz的電源組成連接至下電極408的RF電源448，且上電極404係接地的。控制器435係可控地連接至RF電源448、排出泵420、其氣體源410。製程腔室400可為電容耦合電漿(CCP, capacitive coupled plasma)反應器、或電感耦合電漿(ICP，inductive coupled plasma)反應器，或者可使用如表面波、微波、或電子迴旋共振(ECR, electron cyclotron resonance)的其他來源。

然後在電漿處理腔室中使用基材(步驟128)。在使用中，將晶圓466放置與下電極408上。將如蝕刻氣體或沉積氣體的電漿處理氣體從氣體源410流入電漿處理腔室400。在此範例中，電漿處理氣體具有包含氫及鹵素的成分。使電漿處理腔室形成為電漿，用以進行電漿處理。含鹵素及氫之成分的一些者沉積在襯套462上。當打開腔室時，氫及鹵素成分與水汽形成酸。具有高孔隙率的陶瓷層使基材曝露於酸，這會造成基材腐蝕。熱處理已使孔隙率降低，這可藉由陶瓷層而改善對基材的保護(免於酸)。

較佳地，陶瓷層的孔隙率在處理之前大於5%，且在處理之後小於1%。在另一實施例中，陶瓷層的孔隙率在處理之前大於1%，且在處理之後小於0.5%。在兩種情形中，孔隙率被減低至少50%。較佳地，局域化加熱具有小於100微米的熔融深度。低熔融深度容許待熔融的陶瓷在不損傷基材、或不使基材熔融的情形下使陶瓷再流動。在一些實施例中，陶瓷層中的材料係第一次熔融。在其他實施例中，陶瓷層中的材料係再熔融。在其他實施例中，材料的一些者係第一次熔融，而其他材料係再熔融。在一些實施例中，基材係Al、陽極化鋁、或鋁土，且局域受熱的區域將陶瓷層加熱至至少1800℃的溫度。較佳地，當使用電子射束時，被熔融的局域化區域具有小於100微米的直徑。當使用雷射射束時，被熔融的局域化區域具有小於5cm的直徑。

在較佳的實施例中，電子射束係連續的，而不是脈衝的，從而容許連續的掃描，提供陶瓷層更均勻的熔融。在一實施例中，陶瓷層由高純度氧化釔組成，該高純度氧化釔係定義為比95%更純。在如此實施例中，可使用雷射提供局域化加熱。

在一些實施例中，熔融的陶瓷層具有改善的均勻度、密度、純度、及表面光度，以改善化學及電漿耐性。再熔融亦可用來使PVD製程的柱狀晶界密封起來。再熔融亦可減少塗層凹痕及低密度區域氣膠沉積物(low density area aerosol deposition)、增加塗層硬度及破裂韌性(fracture toughness)。在一些實施例中，在不損傷下方鋁基材(具有約660℃的熔點)或鋁土基材(其具有高得多的熔融溫度)的情況下，將陶瓷層加熱至2200℃以上的溫度。

在一些實施例中，局域化加熱裝置的各種控制程式可用來提供可控制的加熱深度。舉例而言，離子射束的偏壓可用來增加或減少加熱深度，該加熱深度控制陶瓷層熔融的深度。較佳地，熔融深度係小於100微米。更佳地，熔融深度係小於50微米。最佳地，熔融深度係小於20微米。

儘管此發明已就若干較佳的實施例而加以描述，但仍有落於此發明之範疇內的改變、置換、及各種替代等價物。也應該注意，有許多替代的方式來實施本發明的方法及設備。因此意圖將以下隨附申請專利範圍解釋為包含落於本發明之範疇及真正精神內的所有如此之改變、置換、及各種替代等價物。

104‧‧‧步驟
108‧‧‧步驟
112‧‧‧步驟
116‧‧‧步驟
120‧‧‧步驟
124‧‧‧步驟
128‧‧‧步驟
204‧‧‧基材
208‧‧‧陶瓷層
300‧‧‧局域化加熱系統
302‧‧‧射束
306‧‧‧陰極
308‧‧‧陽極
310‧‧‧聚焦線圈
312a‧‧‧偏轉線圈
312b‧‧‧偏轉線圈
314‧‧‧腔室
314t ‧‧‧頂部表面
316‧‧‧杯體
318‧‧‧穿孔
320‧‧‧柱體
322‧‧‧電纜
324‧‧‧泵
328‧‧‧隔離閥
330‧‧‧泵
340‧‧‧基材支撐件
342‧‧‧移動系統
343‧‧‧x軸台
344‧‧‧y軸台
350‧‧‧加熱元件
400‧‧‧腔室
402‧‧‧限制環
404‧‧‧上電極
408‧‧‧下電極
410‧‧‧氣體源
420‧‧‧排出泵
428‧‧‧頂部
435‧‧‧控制器
440‧‧‧受限電漿容積
443‧‧‧氣體入口
448‧‧‧RF電源
452‧‧‧腔室壁
462‧‧‧襯套
466‧‧‧晶圓

本發明係藉由範例的方式、且非限制的方式在隨附圖示的複數圖中加以說明，且其中相似的參考數字表示相似的元件，且其中：

圖1為本發明一實施例的高階流程圖。

圖2A-B為根據本發明一實施例受處理之基材的示意圖。

圖3為可在該發明一實施例中加以使用之局域化加熱系統的示意圖。

圖4為可在該發明一實施例中加以使用之蝕刻反應器的示意圖。

104‧‧‧步驟

108‧‧‧步驟

112‧‧‧步驟

116‧‧‧步驟

120‧‧‧步驟

124‧‧‧步驟

128‧‧‧步驟

Claims

一種在基材之範圍設置保護層的方法，包含：在該基材之範圍沉積一陶瓷層,其中該陶瓷層具有多孔性；對該陶瓷層的一區域提供一局域化加熱，達到導致該陶瓷層熔融而不損傷該基材的一溫度，其中該陶瓷層的熔融使其孔隙率、或密封件裂紋、或柱狀晶界降低；以及在該陶瓷層的範圍，對藉由該局域化加熱而受熱之該陶瓷層的該區域進行掃描。
如申請專利範圍第1項之在基材之範圍設置保護層的方法，其中提供該局域化加熱包含提供一電磁能量射束。
如申請專利範圍第2項之在基材之範圍設置保護層的方法，其中該電磁能量射束係一電子射束。
如申請專利範圍第3項之在基材之範圍設置保護層的方法，其中該熔融的深度係小於100微米。
如申請專利範圍第4項之在基材之範圍設置保護層的方法，其中所沉積之該陶瓷層的該孔隙率在提供該局域化加熱之前係大於5%，且在提供該局域化加熱之後小於1%。
如申請專利範圍第5項之在基材之範圍設置保護層的方法，其中在該陶瓷層的範圍，對藉由該局域化加熱而受熱之該陶瓷層的該區域所進行之間掃描在該陶瓷層的範圍掃描至少兩次。
如申請專利範圍第6項之在基材之範圍設置保護層的方法，其中對該陶瓷層的該區域提供該局域化加熱使該陶瓷層的部分再熔融。
如申請專利範圍第7項之在基材之範圍設置保護層的方法，更包含將該基材放置於一電漿處理腔室中。
如申請專利範圍第7項之在基材之範圍設置保護層的方法，其中該基材係一含鋁材料，並且其中該局域化加熱將該陶瓷層加熱至至少1800℃的一溫度。
如申請專利範圍第7項之在基材之範圍設置保護層的方法，其中該基材包含Al或鋁土(alumina)，並且其中該局域化加熱將該陶瓷層加熱至至少1800℃的一溫度。
如申請專利範圍第10項之在基材之範圍設置保護層的方法，其中該陶瓷層的沉積包含提供一熱噴塗塗層。
如申請專利範圍第11項之在基材之範圍設置保護層的方法，其中該陶瓷層包含以下者中至少一者：鋁土 (Al₂ O₃ )、AlFx、CeO₂ 、氧化釔 (Y₂ O₃ )、Y、釔安定氧化鋯(YSZ，yttria stabilized zirconia)、YF_x 、或YOF。
如申請專利範圍第2項之在基材之範圍設置保護層的方法，其中該電磁能量射束係一雷射射束。
如申請專利範圍第1項之在基材之範圍設置保護層的方法，其中該熔融的深度係小於100微米。
如申請專利範圍第1項之在基材之範圍設置保護層的方法，其中所沉積之該陶瓷層的該孔隙率在提供該局域化加熱之前大於2%，且在提供該局域化加熱之後小於1%。
如申請專利範圍第1項之在基材之範圍設置保護層的方法，其中在該陶瓷層的範圍，對藉由該局域化加熱而受熱之該陶瓷層的該區域所進行之掃描在該陶瓷層的範圍掃描至少兩次。
如申請專利範圍第1項之在基材之範圍設置保護層的方法，更包含將該基材放置於一電漿處理腔室中。
一種形成電漿處理腔室之元件的方法，包含：在一電漿處理腔室之該元件的範圍熱噴塗一陶瓷層，其中該陶瓷層具有多孔性；對該陶瓷層的一區域提供一局域化加熱，達到導致該陶瓷層熔融而不損傷該元件的一溫度，其中熔融該陶瓷層使其孔隙率、或密封件裂紋、或柱狀晶界降低；在該陶瓷層的範圍，對藉由該局域化加熱而受熱之該陶瓷層的該區域進行掃描；將該元件安裝於該電漿處理腔室中。