TW202113915A - 利用原子層沉積技術增強修復蝕刻設備部件陽極氧化塗層的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露了一種利用原子層沉積技術增強修復蝕刻設備部件陽極氧化塗層的方法，其包含：S1，將具有陽極氧化塗層的蝕刻設備部件置於原子層沉積反應器中，通入含鋁第一反應氣體，進行第一化學吸附，使得第一反應氣體吸附至蝕刻設備部件表面；S2，採用氮氣流吹掃；S3，通入第二反應氣體，進行第二化學吸附；S4，採用氮氣流吹掃；S5，重複步驟S1至步驟S4，直到蝕刻設備部件符合要求。本發明利用原子層沉積鍍膜製程，使陽極氧化塗層中的裂紋癒合，有效地提高了抗腐蝕性能，對蝕刻設備部件進行有效的保護，不僅耐電漿腐蝕，尤其是耐腐蝕性反應氣體腐蝕，並且，不涉及硬體變動，使得晶圓片遠離金屬和顆粒污染，達到穩定運行和延長使用壽命的目的。

Description

利用原子層沉積技術增強修復蝕刻設備部件陽極氧化塗層的方法
本發明涉及半導體蝕刻技術中用到的電漿設備的抗腐蝕技術，具體涉及一種利用原子層沉積（Atomic layer deposition，ALD）技術增強修復蝕刻設備部件陽極氧化塗層的方法。
半導體蝕刻技術是利用電漿或電漿與腐蝕性氣體共同實現選擇性腐蝕的半導體生產製程技術。蝕刻製程作為半導體及液晶面板製備過程中的關鍵製程之一，蝕刻機台部件在工作時處於活性電漿氣體中，如鹵族電漿蝕刻氣體SF6 ，CF4 ，Cl2 等，其長期受到離子的物理撞擊以及活性原子的化學蝕刻。蝕刻機台內部有許多鋁製部件，而半導體和液晶面板製備時對蝕刻機台內部潔淨度要求嚴格，這就需要提高蝕刻腔體內部鋁製部件的耐腐蝕性能。陽極氧化鋁合金廣泛的應用於電漿蝕刻設備中。
氧化釔具有優異的耐鹵族電漿蝕刻氣體腐蝕的能力，能夠有效提高鋁製部件使用壽命，保證腔體內部潔淨度。先前技術中通常是在鋁製部件表面製備陽極氧化層，然後使用傳統電漿噴塗在陽極氧化層上製備氧化釔塗層。現有製程具體實施方法如下：1) 在鋁製部件的工作面進行噴砂處理，噴砂後粗糙度Ra 4～8μm；2) 對噴砂後的部件變形進行整形，保證平面度＜1mm；3)進行陽極氧化處理，經噴砂處理後陽極工作面的粗糙度為Ra 3～6μm，經噴砂處理後陽極非工作面的粗糙度為Ra 0.2～1.5μm；4) 進行封孔處理，使用去離子水和陽極氧化膜進行水合作用來密封陽極氧化層微觀納米孔，提高陽極層耐腐蝕性能；5)在工作面使用電漿噴塗氧化釔，塗層厚度100～200μm。
使用上述方法製備部件過程中，由於電漿噴塗使用的是粒徑為10～90μm的粉末，噴塗到陽極氧化膜上吸附能力差，需要在陽極氧化前對部件的工作面進行噴砂處理來提高塗層黏附能力，噴砂處理會增加部件的損耗且同時會造成部件變形，隨著部件再生次數的增加，部件厚度嚴重降低以及變形導致平面度變大，無法滿足使用要求，不得不更換新的部件，增加了維護成本。此外，電漿噴塗製備的氧化釔塗層表面粗糙度為Ra4～8μm，塗層孔隙率為3～8％，隨著半導體及液晶面板產業的發展，製程中蝕刻腔體中的電漿蝕刻氣體更加惡劣，蝕刻功率也越來越高，普通的電漿噴塗氧化釔塗層的耐腐蝕性能越來越不能滿足要求，尤其是不能滿足腐蝕性氣體所流經的部件的耐腐蝕要求。
此外，陽極氧化層由於其微觀組成的限制，不可避免的會出現裂紋、坑洞等缺陷，特別是在較高溫度下使用時，裂紋的產生與擴展會導致噴淋頭（Showerhead）、基板（Mount base）、氣體擋板（gas baffle）、內襯（liner）等零件表面陽極氧化層的抗腐蝕性能急遽降低，限制了它在腐蝕性氣體中的應用。習知的塗層修復方法，可能帶來金屬或其他雜質顆粒污染，不能有效地癒合微觀缺陷，並且無法有效解決具有氣孔的蝕刻設備部件的耐腐蝕要求。
本發明的目的是提供一種提高蝕刻部件陽極氧化層的抗腐蝕性能的製程方法，該方法在陽極氧化層表面進行原子層沉積（原子層沉積），不僅能有效提高陽極氧化層的抗腐蝕性能，且能用於具有裂紋、坑洞等缺陷的陽極氧化層，對其表面進行修復，從而提高其抗腐蝕性能。
為了達到上述目的，本發明提供了一種利用原子層沉積技術增強修復蝕刻設備部件陽極氧化塗層的方法，其包含：
步驟1，將具有陽極氧化塗層的蝕刻設備部件置於原子層沉積反應器中，向原子層沉積反應器中通入含鋁的第一反應氣體，進行第一化學吸附，使得第一反應氣體吸附至蝕刻設備部件的表面；
步驟2，採用氮氣流吹掃，以除去蝕刻設備部件未吸附的第一反應氣體及/或第一化學吸附所產生的副產物；
步驟3，向原子層沉積反應器中通入第二反應氣體，進行第二化學吸附；
步驟4，採用氮氣流吹掃，以除去蝕刻設備部件未吸附的第二反應氣體及/或第二化學吸附所產生的副產物；
步驟5，重複步驟1至步驟4，直到蝕刻設備部件符合要求。
較佳地，蝕刻設備部件具有氣孔。
較佳地，蝕刻設備部件是指在工作狀態下，腐蝕性製程氣體流經的部件。
較佳地，腐蝕性製程氣體包含氯氣。本發明特別適用於需要使嗽氯氣（Cl2 ）作為製程氣體的電漿處理裝置，因為氯氣會通過陽極氧化（Al2 O3 ）層中的裂紋與零組件基底的鋁反應形成污染物氣體AlCl3 ，不僅嚴重腐蝕零組件而且污染反應腔內空間。
較佳地，蝕刻設備部件為腐蝕性氣體流經的部件，即長期暴露於腐蝕性氣體中的部件，包含噴淋頭、基板、擋板或管線中的任意一種或多種。
較佳地，蝕刻設備部件的表面具有複數個微觀裂紋或複數個坑洞，可以採用本發明所揭露的方法進行修復，大幅增強其抗腐蝕性。
較佳地，第一反應氣體為Al(CH3 )3 ，且第二反應氣體為H2 O。其反應原理為：第一化學吸附時，Al(CH3 )3 的Al與陽極氧化鋁合金塗層上的-OH的O結合，脫除的CH3 與羥基脫除的H結合形成CH4 ，反應完成時，所有陽極氧化鋁合金塗層上的-OH的O均結合有Al基；第二化學吸附時，H2 O中的O基與Al基結合，即以-OH取代Al基上結合的-CH3 ，並分別脫除-H和-CH3 ，二者可形成CH4 ，反應完成時，Al基上結合的所有的-CH3 均被-OH取代。反應式如下： 2Al(CH3 )3 + 3H2 O → Al2 O3 + 6CH4
本發明將陽極氧化與原子層沉積技術結合並用於蝕刻設備部件，尤其是腐蝕性氣體流經的部件，在陽極氧化塗層表面進行原子層沉積，大幅增強蝕刻設備部件的抗腐蝕性能，尤其是抗腐蝕性氣體的性能，而不僅僅是抗電漿腐蝕。由於原子層沉積塗層的緻密性，可以有效癒合陽極氧化層中的裂紋或坑洞等微觀缺陷，將腐蝕性製程氣體與蝕刻設備部件的鋁合金基材隔絕，大幅提高陽極氧化塗層的耐化學腐蝕性能，且不會帶來金屬等顆粒污染。本發明首次運用原子層沉積鍍膜製程於陽極氧化塗層表面，可使陽極氧化塗層中的裂紋癒合，對蝕刻設備中的複數個部件進行有效的保護，且不涉及硬體變更，讓晶圓遠離金屬和顆粒污染，並達到穩定運行和延長使用壽命的作用。
下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地說明，顯而易見的是，所說明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，本領域具有通常知識者在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬本發明保護的範圍。
在本發明的說明中，需要說明的是，術語「上」、「下」、 「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於說明本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」僅用於說明目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
在本發明的說明中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語  「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接；可以是直接相連，也可以透過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域具有通常知識者而言，可以依據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
實施例1
如圖1所示，為一種半導體蝕刻設備，包含：反應腔1； 氣體噴淋頭3，其設置在半導體蝕刻設備的反應腔1內部，位於晶片2上方，氣體噴淋頭3包含圓形進氣區域和至少一個同心設置的環形進氣區域，圓形進氣區域和環形進氣區域互相隔離，且圓形進氣區域和環形進氣區域的下表面包含複數個氣體通孔4，用於通入可能具有腐蝕性的反應氣體（製程氣體），各環形進氣區域又包含複數個扇形區域，不同的扇形區域之間互相隔離，各環形進氣區域中的各扇形區域都具有一個供氣通道； 複數個氣體管路5，其分別連接氣體噴淋頭3上的複數個扇形區域中對應的複數個供氣通道； 複數個電子開關閥門6，其分別設置在各氣體管路5上，各電子開關閥門6都連接控制器，用於控制氣體管路5的通斷； 複數個流量控制器7，各流量控制器7連接同一個環形進氣區域上的所有氣體管路5，用於控制提供給環形進氣區域的總氣量； 氣源8，氣源8的管路連接所有的流量控制器7，用於提供可能具有腐蝕性的反應氣體。
在上述蝕刻設備運行過程中，腐蝕性的反應氣體流經的區域的蝕刻設備部件，如，噴淋頭（Showerhead）、基板（Mount base）、氣體擋板（gas baffle）、內襯（liner）等等部件均包含許多氣孔。因此，氣孔內壁也需要原子層沉積塗層的保護，但是其內徑僅有0.5mm~7mm。常規的塗層無法有效地將氣孔內壁覆蓋。
如圖2所示，本發明提供的一種利用原子層沉積技術增強（修復）蝕刻設備部件陽極氧化塗層的方法包含以下步驟：
步驟S1，將具有陽極氧化塗層的蝕刻設備部件置於原子層沉積反應器中，向原子層沉積反應器中通入含鋁的第一反應氣體（如，Al(CH3 )3 ），進行第一化學吸附，使得第一反應氣體吸附至蝕刻設備部件表面。
步驟S2，採用氮氣流吹掃，以除去蝕刻設備部件未吸附的第一反應氣體及/或第一化學吸附所產生的副產物。
步驟S3，向原子層沉積反應器中通入第二反應氣體（如，H2 O），進行第二化學吸附。
步驟S4，採用氮氣流吹掃，以除去蝕刻設備部件未吸附的第二反應氣體及/或第二化學吸附所產生的副產物。
步驟S5，重複步驟S1至步驟S4，直到蝕刻設備部件符合要求。
將本發明製備的蝕刻設備部件（實施例），與未經原子層沉積處理的具有陽極氧化塗層的蝕刻設備部件（比較例）分別進行氣泡試驗，對比結果如表1所示。
表1：實施例與對比例的蝕刻設備部件氣泡試驗結果
  氣泡試驗時間（bubble test time）
塗層 實施例（原子層沉積+陽極氧化） 對比例（陽極氧化）
蝕刻設備部件的中心部 5h ＜1.0h
蝕刻設備部件的邊緣部 7h ＜1.0h
由上表可知，本發明提供的原子層沉積塗層加上陽極氧化塗層的耐腐蝕性能大大優於僅有陽極氧化塗層的情形。
本實施例提供的原子層沉積製程相較於其它鍍膜製程，可以有效的實現對小口徑深孔內壁的全面覆蓋，有效的保護這些部件，使其免於腐蝕性氣體的損害。
實施例2
本發明的重點在於提高陽極氧化的耐化學腐蝕性能，主要應用於所有腐蝕性製程氣體流經的部件。
如圖3所示，一種具有陽極氧化塗層的噴淋頭主體呈圓盤狀，盤體上表面同心環設置內凸緣10和外凸緣20，其中，外凸緣20連續設置無間斷，內凸緣10則不連續，且包含均勻分佈的複數個導氣通道30，導氣通道30與內凸緣10間隔分佈且整體構成一個環，此環與外凸緣20形成的環同軸心。在內凸緣10與外凸緣20之間設置有圓環狀進氣溝道40。內凸緣10的環內的盤體上進一步設置有均勻分佈的進氣孔50。
在蝕刻設備運行過程中，腐蝕性的反應氣體自進氣溝道40進入後，受到內凸緣10的阻礙作用，首先在進氣溝道40內擴散，均勻分佈後從導氣通道30進入進氣孔50所在的區域，從而保證進氣均勻。顯而易見的是，自外凸緣20以內的區域均為腐蝕性氣體流經的區域，此區域的部件均需要承受腐蝕性氣體的腐蝕。
將上述噴淋頭置於原子層沉積反應器中，a）向原子層沉積反應器中通入Al(CH3 )3 ，進行第一化學吸附，待Al(CH3 )3 化學吸附至噴淋頭表面(包括進氣孔內壁的表面)後，b）通入氮氣流進行清潔，除去未吸附的Al(CH3 )3 及生成的副產物CH4 ；c）向原子層沉積反應器中通入H2 O蒸汽，進行第二化學吸附，待H2 O化學吸附至噴淋頭表面後，d）再次通入氮氣流進行清潔，除去未吸附的H2 O及生成的副產物CH4 ；然後，循環進行a）~d）的操作，直至檢測噴淋頭符合要求。
實施例3
由於陽極氧化層與基底的鋁材料的熱膨脹係數差距很大，在電漿處理過程中，各零組件（蝕刻設備部件）會相應的升溫（從室溫升到120度左右）。這樣頻繁的熱脹冷縮會導致陽極氧化層受基底鋁材料的拉伸而出現很多微裂縫，由於在零組件的整個生命週期中都會產生裂紋，需要經常對這些零組件進行修復。
本發明提供的方法特別適用於修復受損的蝕刻設備部件。受損的蝕刻設備部件是指其表面的陽極氧化塗層具有微觀裂紋、或者坑洞等缺陷，因此其抗腐蝕性大幅下降。
步驟S1，將受損的蝕刻設備部件置於原子層沉積反應器中，向原子層沉積反應器中通入Al(CH3 )3 ，進行第一化學吸附，使得Al(CH3 )3 吸附至蝕刻設備部件表面；
步驟S2，採用氮氣流吹掃，以除去受損的蝕刻設備部件未吸附的Al(CH3 )3 及/或第一化學吸附產生的副產物；
步驟S3，向原子層沉積反應器中通入氣態H2 O，進行第二化學吸附；
步驟S4，採用氮氣流吹掃，以除去受損的蝕刻設備部件未吸附的氣態H2 O及/或第二化學吸附產生的副產物；
步驟S5，重複步驟S1至步驟S4，直到檢測受損的蝕刻設備部件無微觀裂紋或者坑洞等缺陷。由於原子層沉積塗層的緻密性，可以有效癒合陽極氧化層中的裂紋，並將腐蝕性氣體與蝕刻設備部件的鋁合金基材隔絕，且不會帶來金屬和顆粒污染。
經氣泡試驗檢測，本發明提供原子層沉積塗層加上陽極氧化塗層的抗腐蝕性能遠遠高於僅具有陽極氧化塗層的情形。
本發明特別適用於需要氯氣（Cl2 ）作為製程氣體的電漿處理裝置，因為氯氣會通過陽極氧化（Al2 O3 ）層中的裂紋與零組件基底的鋁反應形成污染物氣體AlCl3 ，不僅嚴重腐蝕零組件而且污染反應腔內空間。
綜上所述，本發明透過向具有陽極氧化塗層的蝕刻設備部件表面引入原子層沉積塗層，有效提高了蝕刻設備部件的抗腐蝕性能，使得晶圓片遠離金屬和顆粒污染，並大幅延長其使用壽命，從而降低成本。
儘管本發明的內容已經透過上述較佳實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的說明不應被認為是對本發明的限制。在本領域具有通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。
1:反應腔 2:晶片 3:氣體噴淋頭 4:氣體通孔 5:氣體管路 6:電子開關閥門 7:流量控制器 8:氣源 10:內凸緣 20:外凸緣 30:導氣通道 40:進氣溝道 50:進氣孔 S1,S2,S3,S4,S5:步驟
圖1為本發明的一個實施例中包含具有陽極氧化塗層的蝕刻部件的半導體蝕刻設備； 圖2為本發明的一種利用原子層沉積技術增強修復蝕刻設備部件陽極氧化塗層的方法的流程示意圖； 圖3為本發明的一種具有陽極氧化塗層的噴淋頭。。
S1,S2,S3,S4,S5:步驟

Claims (8)

  1. 一種利用原子層沉積技術增強修復蝕刻設備部件陽極氧化塗層的方法，其中該方法包含： 步驟1，將具有一陽極氧化塗層的一蝕刻設備部件置於一原子層沉積反應器中，向該原子層沉積反應器中通入含鋁的一第一反應氣體，進行一第一化學吸附，使得該第一反應氣體吸附至該蝕刻設備部件的表面； 步驟2，採用氮氣流吹掃，以除去該蝕刻設備部件未吸附的該第一反應氣體及/或該第一化學吸附所產生的副產物； 步驟3，向該原子層沉積反應器中通入一第二反應氣體，進行一第二化學吸附； 步驟4，採用氮氣流吹掃，以除去該蝕刻設備部件未吸附的該第二反應氣體及/或該第二化學吸附所產生的副產物； 步驟5，重複步驟1至步驟4，直到該蝕刻設備部件符合要求。
  2. 如請求項1所述的方法，其中該蝕刻設備部件具有一氣孔。
  3. 如請求項1所述的方法，其中該蝕刻設備部件是指在工作狀態下，一腐蝕性製程氣體流經的部件。
  4. 如請求項3所述的方法，其中該腐蝕性製程氣體包含氯氣。
  5. 如請求項1至請求項4中的任意一項所述的方法，其中該蝕刻設備部件包含噴淋頭、基板、擋板或管線中的任意一種或多種。
  6. 如請求項1所述的方法，其中該蝕刻設備部件的表面具有複數個微觀裂紋或複數個坑洞。
  7. 如請求項1所述的方法，其中該第一反應氣體為Al(CH3 )3 。
  8. 如請求項7所述的方法，其中該第二反應氣體為H2 O。
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