TW202016978A

TW202016978A - 用於處理腔室部件的保護層

Info

Publication number: TW202016978A
Application number: TW108117774A
Authority: TW
Inventors: 卡迪科揚巴拉瑞曼; 巴拉穆魯甘拉瑪薩米; 卡提克薛; 麥思拉森; 凱文Ａ帕克; 拉賈瑟卡帕迪邦德拉; 沙席亞納拉雅娜賓迪嘉納瓦; 尤梅西Ｍ凱爾卡
Original assignee: 美商應用材料股份有限公司
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-05-01
Also published as: TWI837131B; US20200020511A1; US11239058B2; WO2020013918A1; TW202339069A

Abstract

本案揭露內容之實施例提供用於鋁合金基板的保護塗層，即擴散與熱阻障塗層。尤其，本文所述之實施例提供保護層堆疊，該保護層堆疊包括配置在鋁合金基板上的氮化鉭層以及配置在該氮化鉭層上的陶瓷層。一些實施例中，該鋁合金基板包括用在電子元件製造（例如半導體元件製造）之領域中的處理腔室與處理腔室部件。一個實施例中，一種製品包括基板、配置在該基板上的氮化鉭層、以及配置在該氮化鉭層上的陶瓷層。

Description

用於處理腔室部件的保護層

本案揭露內容的實施例一般關於保護塗層領域。尤其，本文的實施例關於用於處理腔室及腔室部件的保護層堆疊，該腔室及腔室部件用在半導體元件製造領域中。

通常半導體元件處理設備及該設備之部件（例如處理腔室主體和處理腔室部件）是由鋁合金形成。選擇鋁合金以提供期望機械性質和化學性質，諸如拉張強度、密度、延展性、可成形性、可加工性、可焊性和耐腐蝕性。除了鋁之外，處理腔室之部件中所用的合金一般包括非鋁元素，諸如銅、鎂、錳、矽、錫、鋅或上述元素之組合。挑選非鋁元素以在與純鋁相比時如期望地改善所得的鋁合金之機械和/或化學性質。不幸的是，在工件處理（例如，矽晶圓之處理）期間，在處理腔室中，非鋁元素會非期望地從處理腔室表面或處理腔室部件遷移到其他表面。例如，經常非鋁元件會遷移到在處理腔室中處理的工件的表面，造成工件表面上有痕量的金屬污染。痕量的金屬污染對形成在工件上的電子元件（例如半導體元件）是有害的，使得元件失效，導致元件效能劣化或縮短該元件之可用的壽命。

防止非鋁元素遷移的習知方法包括，以擴散和熱阻障層塗佈鋁合金表面，諸如藉由在該表面上熱形成或陽極形成氧化鋁（Al₂ O₃ ）層。經常在處理腔室或處理腔室部件的另外可用壽命結束之前，在鋁合金表面上形成的阻障層傾向磨損、破裂、或有上述兩者情況。阻障層之材料的磨損和破裂會產生來自該材料的非期望的顆粒，並且會非期望地暴露該阻障層之材料下方的鋁合金。與鋁合金的痕量金屬污染物類似，這些非期望的顆粒能夠遷移到工件表面，並使該表面上形成的元件失效。

因此，在本領域中需要用於處理腔室表面和處理腔室部件的改良保護層。

本案揭露內容之實施例提供用於鋁合金基板的保護塗層，即擴散與熱阻障塗層。尤其，本文所述之實施例提供保護層堆疊，該保護層堆疊包括配置在鋁合金基板上的氮化鉭層以及配置在該氮化鉭層上的陶瓷層，該陶瓷層並非氮化鉭。一些實施例中，該鋁合金基板是用在電子元件製造（例如半導體元件製造）之領域中的處理腔室或處理腔室部件的一者或組合。

一個實施例中，一種製品包括：基板、配置在該基板上的氮化鉭層、以及配置在該氮化鉭層上的陶瓷層。

另一實施例中，一種處理部件包括：由鋁合金形成的基板、配置在該基板上的氮化鉭層、以及配置在該氮化鉭層上的氧化鋁層。

另一實施例中，一種形成保護層堆疊的方法包括：在鋁合金基板上沉積氮化鉭層，以及在該氮化鉭層上沉積陶瓷層。

本案揭露內容的實施例提供用於鋁合金基板的保護塗層，即擴散和熱阻障塗層。尤其，本文描述的實施例提供保護層堆疊，該保護層堆疊包括配置在該鋁合金基板上的氮化鉭層和配置在該氮化鉭層上的陶瓷層。在一些實施例中，該鋁合金基板包括用在電子元件製造（例如半導體元件製造）之領域中的處理腔室或處理腔室部件的一者或組合。

圖1是根據一個實施例的示範性處理腔室和與該腔室一起使用的示範性處理部件的剖面示意圖。圖1顯示處理腔室100和一般用於電漿增強沉積腔室和電漿增強蝕刻腔室中（或與上述腔室一併使用）的處理部件。然而，考量本文所述的保護層疊層可用於其中期望有抗磨損的熱和擴散阻障層的任何基板表面上。

處理腔室100的特徵在於腔室主體，該腔室主體包括共同限定處理空間104的腔室蓋101、一或多個側壁102、和腔室基座103。一般而言，處理氣體經過入口105、經過一或多個氣體注射器106、或經過上述兩者而遞送到處理空間104，該入口105配置成穿過腔室蓋101，該氣體注射器106配置成穿過一或多個側壁102。在一些實施例中，腔室蓋101包括噴頭107，該噴頭107具有穿過該噴頭107配置的複數個開口108，用於將處理氣體均勻地分配到處理空間104中。

在此，處理腔室100的一特徵為電感耦合電漿（ICP）產生器，該ICP產生器包括一或多個感應線圈109，該感應線圈109配置在處理空間104外部位於腔室蓋101附近。該ICP產生器用於使用感應線圈109生成的電磁場而從處理氣體點燃和維持電漿110。在其他實施例中，電漿產生器是電容耦合電漿（CCP）產生器或微波電漿產生器。在一些其他實施例中，在電漿遞送進入處理空間104之前，使用遠端電漿源（圖中未示）在處理空間104遠端生成電漿。

在此，處理空間104透過真空出口111流體耦接真空源，諸如耦接一或多個專用真空泵，真空出口111將處理空間104維持在次大氣壓的條件且從處理空間104排出處理氣體和其他氣體。工件支撐件112配置在處理空間104中，該工件支撐件112配置在可移動的支撐軸桿113上，該可移動的支撐軸桿113密封式延伸穿過腔室基座103，諸如在腔室基座103下方的區域中以伸縮囊（圖中未示）環繞。在此，處理腔室100組裝成有助於將工件114經過一或多個側壁102之一者中的開口115移送到工件支撐件112及從工件支撐件112移送工件114，該開口115在工件處理期間是以門116或閥密封。

處理腔室100包括一或多個可移除襯墊117，該襯墊配置在腔室主體的一或多個內表面118上且在該內表面118的徑向向內處。處理腔室100還包括一個或多個遮蔽件，諸如圍繞工件支撐件112和支撐軸桿113的第一遮蔽件119和配置在一或多個側壁102徑向向內處的第二遮蔽件120。在此，該等遮蔽件119和120用於：將電漿110侷限在處理空間104中的期望區域、限定處理空間104中的氣體的流動路徑、或上述兩者之組合。在一些實施例中，使用機器人端效器（例如，機器人真空吸筆121）將工件114移送進入及離開處理空間。在本文的實施例中，上述部件的一或多者（即腔室主體和配置在腔室中或與該腔室一併使用的處理部件）是由鋁合金形成，且包括保護塗層，例如圖2A至圖2D中描述的保護層堆疊。

圖2A說明根據一個實施例的形成在基板201上的保護層堆疊200。一般而言，基板201（或該基板之表面）由合金形成，該合金包含鋁和下述之一或多者：鉻、銅、鐵、鎂、錳、矽、錫、和鋅。例如，一些實施例中，基板201由具有表1中所提出之組成的6061 T6鋁合金形成。表1

在此，保護層堆疊200包括配置在基板201上的氮化鉭層202和配置在氮化鉭層202上的陶瓷層203。在一些實施例中，該陶瓷層203包括下述一或多者：氧化鋁（Al₂ O₃ ）、氮化鋁（AlN）、氧化鈦（TiO）、氮化鈦（TiN）、和氧化釔（Y₂ O₃ ）。在一些實施例中，陶瓷層203包括氧化鋁。在此，氮化鉭層202具有小於約10μm的第一厚度T（1），諸如小於約1μm、小於約500nm、例如小於約250nm。在一些實施例中，氮化鉭層202的第一厚度T（1）介於約10nm與約10μm之間、諸如介於約10nm與約1μm之間、介於約10nm與約500nm之間、或介於約10nm和約250nm之間。在一些實施例中，陶瓷層203具有介於約10nm和約10μm之間的第二厚度T（2）。一般而言，氮化鉭層的厚度T（1）對陶瓷層T（2）的厚度T（2）之比在約5：1至1：5之間，諸如在約2：1至1：5之間、約2：1至約1：3之間、約1：1至1：5之間、約1：1至約1：3之間、例如約1：2。在一個實施例中，氮化鉭層的厚度T（1）在約10nm和約250nm之間，並且T（1）與T（2）的厚度比在約1：1和約1：3之間。

在一些實施例中，沉積的氮化鉭層202的壓縮（+）或拉張（ - ）內應力小於約+/- 1000MPa，例如小於約+/- 900MPa、小於約+/- 800MPa、小於約+/- 700MPa、例如小於約+/- 600MPa。在一些實施例中，剛沉積的氮化鉭層202的內應力是拉張的。在一些實施例中，剛沉積的陶瓷層203的壓縮或拉張內應力小於約+/- 1000MPa，諸如小於約+/- 900MPa、小於約+/- 800MPa、小於約+/- 700Mpa、小於約+/- 600MPa、諸如小於約+/- 500MPa。在一些實施例中，沉積的陶瓷層203的內應力是壓縮的。

在工件處理操作期間，本文所述的處理腔室和處理部件暴露於從約20°C至約25°C的環境（室溫）至約100°C至約400°C（或更高）的較高操作溫度的重複熱循環。在一些實施例中，較高的操作溫度為400°C或更低，諸如300°C或更低、200°C或更低、150°C或更低，例如100°C或更低。這些重複的熱循環能夠引發保護層堆疊200的內應力從上文所述之剛沉積之層的應力改變。因此，在一些實施例中，在從室溫到較高操作溫度的一或多個熱循環之後，陶瓷層203中的內應力小於約+/- 400MPa，例如小於約+/- 300MPa。

在一些實施例中，在一個或多個熱循環之後氮化鉭層202的剪切應力小於約500MPa，例如小於約400MPa，例如小於約300MPa。在一些實施例中，在一或多個熱循環之後陶瓷層203的剪切應力小於約500MPa，諸如小於約400MPa、小於約300MPa、小於約200MPa、或小於約100MPa。

圖2B說明根據另一實施例的形成在基板201上的保護層堆疊204，諸如圖1中描述的處理部件。在此，保護層堆疊204包括圖2A中描述的基板201、氮化鉭層202、和陶瓷層203，並且進一步包括插入在氮化鉭層202和陶瓷層203之間的鉭層205。一般而言，鉭層205的厚度T（3）對氮化鉭層T（1）的厚度T（2）之比在約1：5至約5：1之間，諸如在約1：3到約3：1之間，例如在約1：2至2：1之間。

圖2C說明根據另一實施例的形成在基板201上的保護層堆疊206，諸如圖1中描述的處理部件。在此，保護層堆疊206包括圖2A中描述的基板201、氮化鉭層202、和陶瓷層203，並且進一步包括插入在基板和氮化鉭層之間的圖2B中描述的鉭層205。

圖2D說明根據另一實施例的形成在基板201上的保護層堆疊207，例如圖1中描述的處理部件。在此，保護層堆疊207包括圖2A至圖2C中描述的基板201、鉭層205、和陶瓷層203，其中鉭層205插入在基板201和陶瓷層203之間。

圖3是流程圖，提出根據一個實施例的在基板上形成保護層堆疊的方法。在活動301，方法300包括在鋁合金基板上沉積氮化鉭層。在活動302，方法300包括在氮化鉭層上沉積陶瓷層。在一些實施例中，使用化學氣相沉積（CVD）製程、物理氣相沉積（PVD）製程、或原子層沉積（ALD）製程中的一者或組合來沉積氮化鉭層。在一些實施例中，使用電漿增強（PE）沉積製程（即，PECVD、PEPVD或PEALD製程）沉積氮化鉭層。

在一個實施例中，使用ALD製程沉積氮化鉭層，所述ALD製程包括將基板交替暴露於含鉭前驅物和氮前驅物。合適的鉭前驅物之範例包括：第三丁基亞胺基-三(二乙胺基)鉭、五(乙基甲基胺基)鉭、五(二甲胺基)鉭（PDMAT）、五(二乙胺基)鉭、第三丁基亞胺基三(二乙基甲基胺基)鉭、第三丁基亞胺基-三(二甲胺基)鉭、雙(環戊二烯基)鉭三氫化物、雙(甲基環戊二烯基)鉭三氫化物、或上述物質之組合。合適的含氮前驅物的範例包括：氨、肼、甲基肼、二甲基肼、第三丁基肼、苯肼、偶氮異丁烷、乙基疊氮化物、及上述物質之組合。

在一些實施例中，使用CVD製程、PVD製程、和ALD製程或噴塗製程中的一種或組合來沉積陶瓷層。在一些實施例中，使用電漿增強沉積製程（即，PECVD、PEPVD、PEALD或電漿增強噴塗製程）來沉積陶瓷層。在一個實施例中，陶瓷層包含使用ALD製程沉積的氧化鋁，所述ALD製程包括將基板交替暴露於含鋁前驅物，諸如三甲基鋁（TMA：(CH₃ )₃ A1）和氧氣。

方法300可用於在多種處理部件（諸如腔室主體，及配置在該腔室主體中或與腔室主體一併使用的處理部件（如圖1所描述））之任一者或組合上形成圖2A至圖2D中描述的保護層堆疊中的任何一者或組合。

在一些實施例中，在沉積氮化鉭層和陶瓷層中的一或兩者期間，基板維持在低於約150°C，諸如低於約120°C，例如約100°C或更低。

方法300有利地提供抗磨損保護塗層，該塗層包括氮化鉭的擴散阻障層和設置在該擴散阻障層上的絕熱Al₂ O₃ 層。

雖然前述內容是針對本案揭露內容的實施例，但是可以在不偏離本案揭露內容的基本範疇的情況下設計本案揭露內容的其他和進一步的實施例，並且本案揭露內容的範圍由所附申請專利範圍決定。

100:處理腔室 101:腔室蓋 102:側壁 103:基座 104:處理空間 105:入口 106:氣體注射器 107:噴頭 108:開口 109:感應線圈 110:電漿 111:真空出口 112:工件支撐件 113:支撐軸桿 114:工件 115:開口 116:門 117:可移除襯墊 118:內表面 119:第一遮蔽件 120:第二遮蔽件 121:機器人真空吸筆 200:保護層堆疊 201:基板 202:氮化鉭層 203:陶瓷層 204:保護層堆疊 205:鉭層 206:保護層堆疊 207:保護層堆疊 300:方法 301、302:活動 T(1)、T(2)、T(3):厚度

可藉由參考實施例（其中一些是在所附的圖式中說明）而獲得上文簡要概述的本案揭露內容的更具體的描述，如此能夠詳細瞭解本案揭露內容的上文記載之特徵。然而，應注意，所附的圖式僅示說明本案揭露內容的典型實施例，因此不應視為是對本案揭露內容之範圍的限制，因為本案揭露內容可允許其他等效的實施例。

圖1是根據一個實施例的示範性處理腔室和示範性處理腔室部件的剖面示意圖，該腔室與部件可受惠於本文所述的保護層堆疊。

圖2A至圖2D說明根據本文描述的實施例的在基板上形成的各種保護層堆疊。

圖3是流程圖，提出根據一個實施例的在基板上沉積保護層堆疊的方法。

為了助於瞭解，只要可能則使用相同的元件符號表示圖式中共通的相同元件。考量一個實施例的元件和特徵可有利地併入其他實施例中而無需贅述。

國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無

國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

200:保護層堆疊

201:基板

202:氮化鉭層

203:陶瓷層

T(1)、T(2):厚度

Claims

一種製品，包括：一基板；一氮化鉭層，配置在該基板上；以及一陶瓷層，配置在該氮化鉭層上。
如請求項1所述之製品，其中該基板由鋁合金形成，該鋁合金包括下述之一者：鉻、銅、鐵、鎂、錳、矽、錫、鋅、或上述材料之組合。
如請求項2所述之製品，其中該基板由6061鋁合金形成。
如請求項1所述之製品，其中該陶瓷層包括氧化鋁（Al₂ O₃ ）、氮化鋁（AlN）、氧化鈦（TiO）、氮化鈦（TiN）、氧化釔（Y₂ O₃ ）、或上述材料之組合。
如請求項4所述之製品，其中該陶瓷層包括氧化鋁（Al₂ O₃ ）。
如請求項1所述之製品，其中該氮化鉭層的厚度介於約10nm至約10µm之間。
如請求項6所述之製品，其中該氮化鉭層之厚度對該陶瓷層之厚度的比介於約2:1至約1:3之間。
如請求項1所述之製品，其中該基板包括一處理部件或一腔室主體的一內表面。
如請求項8所述之製品，其中該基板包括一氣體注射器、一噴頭、一工件支撐件、一支撐軸桿、一門、一襯墊、一遮蔽件、一機器人端效器、或上述部件之組合。
如請求項8所述之製品，其中該基板由6061鋁合金形成；該陶瓷層包括氧化鋁（Al₂ O₃ ）；該氮化鉭層的厚度介於約10nm至約10µm之間；及該氮化鉭層之厚度對該陶瓷層之厚度的比介於約2:1至約1:3之間。
一種處理部件，包括：一基板，由鋁合金形成；一氮化鉭層，配置在該基板上；以及一氧化鋁層，配置在該氮化鉭層上。
如請求項11所述之處理部件，其中該基板包括一處理部件或一處理腔室之一內表面。
如請求項11所述之處理部件，其中該鋁合金包括下述之一者：鉻、銅、鐵、鎂、錳、矽、錫、鋅、或上述材料之組合。
如請求項13所述之處理部件，其中該基板由6061鋁合金形成。
如請求項14所述之處理部件，其中該基板包括一腔室主體的一內表面。
如請求項14所述之處理部件，其中該基板包括一氣體注射器、一噴頭、一工件支撐件、一支撐軸桿、一門、一襯墊、一遮蔽件、一機器人端效器、或上述部件之組合。
一種在基板上形成保護層堆疊的方法，包括：在一鋁合金基板上沉積一氮化鉭層；以及在該氮化鉭層上沉積一陶瓷層。
如請求項17所述之方法，其中該基板由6061鋁合金形成；該陶瓷層包括氧化鋁（Al₂ O₃ ）；該氮化鉭層的厚度介於約10nm至約10µm之間；及該氮化鉭層之厚度對該陶瓷層之厚度的比介於約2:1至約1:3之間。
如請求項18所述之方法，其中該基板是下述一者：一腔室主體之內表面、一氣體注射器、一噴頭、一工件支撐件、一支撐軸桿、一門、一襯墊、一遮蔽件、一機器人端效器、或上述部件之組合。
如請求項19所述之方法，其中在該氮化鉭層或該陶瓷層一或二者沉積期間，該基板維持在低於約150°C的溫度。