TW202143276A - 零部件、等離子體反應裝置及零部件加工方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及半導體的技術領域，尤其涉及一種零部件、等離子體反應裝置及零部件加工方法。其中，等離子體反應裝置包括反應腔，反應腔內為等離子體環境，零部件暴露於所述等離子體環境中；零部件包括襯底和塗覆在襯底表面的耐等離子體塗層，襯底表面設置有複數個寬度W1≤30nm、深度H1≤100nm的凹槽，相鄰的凹槽間形成凸起；耐等離子體塗層覆蓋於凹槽的側壁表面、底部表面和凸起的頂部表面。本發明提供的零部件，通過在襯底的表面塗覆耐等離子體塗層對襯底進行耐等離子體保護，且耐等離子體塗層不易出現開裂、裂紋擴展以及剝落的問題。

Description

零部件、等離子體反應裝置及零部件加工方法
本發明屬於半導體的技術領域，特別地，涉及一種零部件、等離子體反應裝置及零部件加工方法。
在半導體元件的製造過程中，等離子體蝕刻是將晶圓加工形成設計圖案的關鍵製程。
在典型的等離子體蝕刻製程中，製程氣體（如CF4 、O2 等）在射頻（Radio Frequency，RF）激勵作用下形成等離子體。這些等離子體在經過上電極和下電極之間的電場（電容耦合或者電感耦合）作用後與晶圓表面發生物理轟擊作用及化學反應，從而蝕刻出具有特定結構的晶圓。
對於處在反應腔內的零部件而言，其表面通常塗覆有一層耐等離子體塗層，以保護襯底不被等離子體腐蝕。但因為反應腔內部是一個不斷升溫-降溫的熱迴圈衝擊環境，處於反應腔內的襯底其表面塗覆的耐等離子體塗層在服役過程中的熱應力不斷累積，有可能產生微裂紋，甚至微裂紋擴展產生開裂、剝落等現象，進而使耐等離子體塗層的保護功能失效，被其包覆的襯底因裸露在反應腔內的等離子體環境中而發生嚴重的腐蝕損壞。
本發明的主要目的在於提供一種用於等離子體反應裝置中的零部件，其能夠有效減輕塗覆在襯底表面的耐等離子體塗層因熱應力累積引發的微裂紋產生、擴展、開裂以及剝落等現象。
本發明還提供了一種等離子體反應裝置，該等離子體反應裝置能夠延長零部件的服役壽命、降低其運營成本，維護反應腔內部環境的穩定性。
本發明還提供了一種零部件的加工方法，用於加工形成上述零部件。
本發明的用於等離子體反應裝置中的零部件，所述等離子體反應裝置包括反應腔，所述反應腔內為等離子體環境，所述零部件暴露於所述等離子體環境中，所述零部件包括：襯底和塗覆在所述襯底表面的耐等離子體塗層，所述襯底的表面設置有複數個凹槽，相鄰所述凹槽間形成凸起；每個所述凹槽的寬度W1≤30nm、深度H1≤100nm； 所述耐等離子體塗層覆蓋於所述凹槽的側壁表面、底部表面和所述凸起的頂部表面。
可選地，每個所述凸起的寬度W2≤30nm。
可選地，所述凹槽的底部面積和所述凸起的頂部面積的面積比為3:7至7:3。
可選地，所述耐等離子體塗層的材質包括Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的至少一種。
可選地，所述襯底的材質包括鋁合金、不銹鋼、鎢或鈦中的至少一種。
一種等離子體反應裝置，包括： 反應腔，所述反應腔內為等離子體環境；以及 如上述任一項所述的零部件，所述零部件暴露於所述等離子體環境中。
可選地，所述等離子體反應裝置為電容耦合等離子體反應裝置時，所述零部件包括噴淋頭、氣體分配板、上接地環、下接地環、氣體管路、聚焦環、絕緣環、靜電卡盤、覆蓋環或襯底固持框中的至少一種。
可選地，所述等離子體反應裝置為電感耦合等離子體反應裝置時，所述零部件包括陶瓷蓋板、襯套、氣體噴嘴、氣體連接法蘭、聚焦環、絕緣環、靜電卡盤、覆蓋環或襯底固持框中的至少一種。
一種零部件加工方法，其包含下列步驟： 提供零部件本體；以及 對所述零部件本體進行加工形成如上述任一項所述的零部件。
可選地，對所述零部件本體進行加工形成所述零部件的方法包括：對所述零部件本體表面進行處理，形成所述襯底；在所述襯底表面形成所述耐等離子體塗層
可選地，在所述零部件本體表面不需要加工形成所述凹槽的部位設置有密封保護結構。
可選地，通過電化學腐蝕方法對所述零部件本體表面進行加工形成所述襯底，所述電化學腐蝕方法包括下列步驟： 設置所述零部件本體為金屬導體，與電源的正極電性連接； 設置石墨，與所述電源的負極電性連接；以及 將所述零部件本體浸泡於電解腐蝕液中，當接通零部件本體-電源-石墨電路時，所述零部件本體其未覆蓋有所述密封保護結構的部位發生電化學腐蝕形成所述凹槽。
可選地，通過等離子體蝕刻方法對所述零部件本體表面進行加工形成所述襯底，所述等離子體蝕刻方法包括： 在真空環境中設置電場； 向真空環境中通入製程氣體，製程氣體在射頻激勵作用下形成等離子體； 等離子體在電場作用下對所述零部件本體其表面未覆蓋有所述密封保護結構的部位進行等離子體蝕刻以形成所述凹槽。
本發明的有益效果是： 本發明實施例提供的一種用於等離子體反應裝置中的零部件，等離子體反應裝置包括反應腔，反應腔內為等離子體環境，零部件暴露於所述等離子體環境中；零部件包括襯底和塗覆在襯底表面的耐等離子體塗層，襯底的表面設置有複數個凹槽，相鄰凹槽間形成凸起；每個凹槽的寬度W1≤30nm、深度H1≤100nm；耐等離子體塗層覆蓋於凹槽的側壁表面、底部表面和凸起的頂部表面。如此，襯底通過其凸起、凹槽與耐等離子體塗層有較大的接觸面積，二者的結合力增強，使耐等離子體塗層不易從襯底表面脫落，並且，耐等離子體塗層上的熱應力能夠通過以上較大的接觸面積更好地傳遞至襯底，而不會過於集中在耐等離子體塗層自身，進而緩解耐等離子體塗層因受熱應力過大產生的開裂、剝落現象；並且即使耐等離子體塗層產生輕微裂紋，設置的複數個凹槽和凸起，也能夠大大延長裂紋在擴大時需要傳遞的路徑，進而降低耐等離子體塗層剝落的風險。
等離子體反應裝置包括反應腔，反應腔內為等離子體環境，零部件暴露在等離子體環境中，由於等離子體具有較強的腐蝕性，因此，需要在襯底表面塗覆耐腐蝕塗層，以阻擋等離子體對襯底的腐蝕。但是，習知的半導體元件製造過程中，塗覆在襯底上的耐等離子體塗層容易開裂剝落。
研究發現：在金屬襯底與耐等離子體塗層之間設置陽極氧化層，以陽極氧化層來實現金屬襯底與耐等離子體塗層二者之間不同熱膨脹係數的過渡。其具體製作方法包括，在金屬襯底上先做陽極氧化處理，形成一層陽極氧化層，然後再在陽極氧化層表面通過等離子體噴塗、PVD或者CVD方法塗覆一層耐等離子體塗層（如Y2 O3 ）。這種結構能夠使得陽極氧化層與金屬襯底具有良好的結合力，但對於耐等離子體塗層與陽極氧化層而言，結合力較弱，容易出現耐等離子體塗層脫落的現象。這是因為，在一般的陽極氧化層表面處理製程中，形成的孔狀結構是空心的，需要用一定的填充方式（例如，高溫水或者水蒸氣封孔）對孔進行填充，以使陽極氧化層具有一定的緻密性。對於這些封孔而言，孔表面會與水/水蒸氣結合形成一定量的氫氧化合物（例如，對於6061系列的鋁合金而言，陽極氧化層封孔後其表面就會形成Al-O-OH類的結構）。而這些含有氫氧鍵的陽極氧化層在受到熱衝擊時，氫氧鍵容易發生斷裂，形成微裂紋，並沿著耐等離子體塗層和陽極氧化層之間的介面進一步擴展，甚至造成耐等離子體塗層的脫落。
又例如，在襯底與耐等離子體塗層之間設置氧化物過渡層，以氧化物過渡層來實現金屬襯底與耐等離子體塗層二者之間不同熱膨脹係數的過渡。其具體製作方法包括，在金屬襯底上通過等離子體噴塗、PVD或者CVD方法塗覆一層氧化物過渡層（通常是金屬襯底的氧化物），然後再通過等離子體噴塗、PVD或者CVD方法塗覆一層耐等離子體塗層（如Y2 O3 ）。採用這種結構的塗層具有一定的耐熱衝擊性能，但是由於金屬襯底和氧化物過渡層之間熱膨脹係數的差異相對於氧化物過渡層和耐等離子體塗層之間的熱膨脹係數的差異要大的多（6061鋁合金熱膨脹係數為21.6x10-6 ，Al2 O3 熱膨脹係數為7.2x10-6 ，Y2 O3 熱膨脹係數為7x10-6 ），因此氧化物過渡層的耐熱衝擊性能有限，耐等離子體塗層在受到反應腔環境的熱衝擊和等離子體的物理轟擊作用下，一旦形成微裂紋，就會迅速沿著氧化物過渡層和金屬襯底之間的介面進一步擴展，造成耐等離子體塗層的脫落。
顯然，以上方案仍然未能較好地解決塗覆在襯底上的耐等離子體塗層容易開裂剝落的問題，因此，本發明提出了一種用於等離子體反應裝置中的零部件、等離子體反應裝置及零部件的加工方法。
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，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，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作出創造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。
需要說明，本發明實施例中所有方向性指示（諸如上、下、左、右、前、後……）僅用於解釋在某一特定姿態（如附圖所示）下各部件之間的相對位置關係、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。
還需要說明的是，當元件被稱為“固定於”或“設置於”另一個元件上時，它可以直接在另一個元件上或者可能同時存在居中元件。當一個元件被稱為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接另一個元件或者可能同時存在居中元件。
另外，在本發明中涉及“第一”“第二”等的描述僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。另外，各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域的通常知識者能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發明要求的保護範圍之內。
圖1是本發明的等離子體反應裝置的一種實施例的剖視圖。
請參考圖1，等離子體反應裝置包括：反應腔309，反應腔309內為等離子體環境；以及零部件，零部件暴露於等離子體環境中。
等離子體反應裝置還包括：基座，基座用於承載待處理基片W，等離子體用於對待處理基片W進行處理。由於等離子體具有較強的腐蝕性，為了防止襯底的表面被等離子體腐蝕，因此需要在襯底的表面塗覆耐等離子體塗層。
在本實施例中，等離子體反應裝置為電感耦合等離子體反應裝置，相應的，暴露於等離子體環境中的零部件包括：襯套301、氣體噴嘴302、靜電卡盤303、聚焦環304、絕緣環305、覆蓋環306、襯底固持框307、陶瓷蓋板308或氣體連接法蘭（未圖示）。這些零部件的襯底表面需要塗覆耐等離子體塗層以防止等離子體腐蝕。
具體應用中，等離子體反應裝置也可以為電容耦合等離子體反應裝置，相應的，暴露於等離子體環境中的零部件包括：噴淋頭、氣體分配板、上接地環、下接地環、氣體管路、聚焦環、絕緣環、靜電卡盤、覆蓋環或襯底固持框中的至少一種。這些零部件的襯底表面需要塗覆耐等離子體塗層以防止等離子體腐蝕。
以下對零部件進行詳細說明：
圖2是本發明的零部件的一種實施例的剖視圖。
請參考圖2、圖3，零部件包括襯底A和塗覆在襯底A表面的耐等離子體塗層B。襯底A用於塗覆耐等離子體塗層B的表面設置有複數個凹槽1，每個凹槽1的深度H1≤100nm、寬度W1≤30nm；相鄰凹槽1間形成凸起2。
當在襯底A上塗覆耐等離子體塗層B時，襯底A上連續的凹槽1和凸起2形成的凹凸特徵，使得耐等離子體塗層不僅與襯底A表面接觸，還與襯底A表面凹槽1的側壁和底部表面接觸，即：襯底A和耐等離子體塗層B二者之間的接觸面積增大，因此，有利於提高二者之間的結合力，結合關係更加穩定，耐等離子體塗層B不易從襯底A表面脫落，則不易發生顆粒污染，且耐等離子體塗層B對襯底A的保護能力較強，使襯底A不易被腐蝕。
並且，上述襯底A與耐等離子體塗層B通過上述凹凸特徵接觸，二者之間的接觸面積增大，使原本集中在耐等離子體塗層B上的熱應力，能夠通過較大的接觸面積更好地傳導至襯底A，從而避免耐等離子體塗層B因熱應力集中產生微裂紋、裂紋擴展甚至剝落。
再有，當耐等離子體塗層B上產生微裂紋時，複數個的凹槽1和凸起2能夠延長微裂紋擴展傳遞的路徑，進一步降低了耐等離子體塗層B剝落的風險。
另有，襯底A上的凹槽1的高度H1和凸起2的高度（H1）均遠小於1μm，因此塗覆在襯底A表面的耐等離子體塗層B，其表面粗糙度與襯底A的表面粗糙度差別不大，均較為平整，並不需要對耐等離子體塗層B進行額外的拋光處理，簡化了零部件的加工製程。
進一步地，本實施例中同時設置了凸起2的寬度W2≤30nm。此時，凹槽1和凸起2的寬度差距不大，二者分佈較為均勻，當襯底A和耐等離子體塗層B受熱變形時，襯底A和耐等離子體塗層B表現在凹槽1與凸起2上的變形量分佈均勻，不會過於集中，避免了耐等離子體塗層B在與襯底A交界面附近由於熱應力集中而發生的開裂脫落。
並且，凸起2本身的寬度W2尺寸不大，提高了凹槽1分佈的密度，能夠進一步增大襯底A和耐等離子體塗層B的接觸面積，進而增大二者之間的結合力。
更進一步地，還可以設置凹槽1的底部面積和凸起2的頂部面積的面積比為3:7—7:3。限定面積比大於等於3:7，可以保證凹槽1的分佈密度，而限定面積比小於等於7:3，可以避免凸起2的尺寸過小，避免凹槽1和凸起2與耐等離子體塗層B的形變差異造成的損傷。
以上結構中，襯底A的材質可以設置為包括鋁合金、不銹鋼、鎢、鈦中的至少一種。以上材質都是用於等離子體反應裝置中的零部件的常用材料，性價比較高。耐等離子體塗層B的材質，包括Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的至少一種。
因以上零部件其本身結構穩定，耐等離子體塗層B不易開裂或者從襯底A的表面脫落，能夠在等離子體環境中對襯底A進行很好的耐等離子腐蝕保護，所以，本發明的等離子體反應裝置，其零部件的服役壽命延長、運營成本降低並且反應腔的穩定性提高。
圖4、圖5、圖6示出了本發明的用於等離子體反應裝置中的零部件的三個實施例的俯視圖，其中凹槽1和凸起2呈不同規則排列。
圖4中，複數個凹槽1呈n列、m行的陣列式排布（n、m均為正整數），相鄰行的凹槽1對齊設置。
圖5中，複數個凹槽1呈i列、j行的陣列式排布（i、j均為正整數），相鄰行的凹槽1交錯設置。
圖6中，複數個凹槽1呈條形槽形式間隔設置，複數個凹槽1的延伸方向相互平行。
以上三種實施例皆為舉例說明，只要襯底A的表面設置有符合尺寸限定範圍的凹槽1和凸起2即可。
本發明還提供了一種零部件的加工方法，包括下列步驟： 提供零部件本體；以及 對零部件本體進行加工形成上述零部件。
此處，如圖7所示，可以設置對零部件本體進行加工形成上述零部件的方法包括下列步驟：對零部件本體表面進行處理，形成襯底A；以及在襯底A表面形成耐等離子體塗層B。
進一步地，在零部件本體其表面不需要加工形成凹槽1的部位設置有密封保護結構。
具體地，可以通過電化學腐蝕方法對零部件本體表面進行加工形成襯底A，該電化學腐蝕方法包括下列步驟： 設置零部件本體為金屬導體，與電源的正極電性連接； 設置石墨，與電源的負極電性連接；以及 將零部件本體浸泡於電解腐蝕液中，當接通零部件本體-電源-石墨電路時，零部件本體其未覆蓋有密封保護結構(此處的保護結構可以是能夠粘貼在零部件本體表面的膠條等)的部位發生電化學腐蝕形成凹槽1。
在本實施例的基礎上，可以通過控制電解腐蝕液的濃度和/或上述電路的通電時長和/或上述電路的通電電流大小，控制上述電化學腐蝕形成的凹槽1的深度和寬度，使其滿足製程要求。以上方法簡單並且容易實現，操作方便。
或者，通過等離子體蝕刻方法對零部件本體表面進行加工形成襯底A，該等離子體蝕刻方法包括下列步驟： 在真空環境中設置電場； 向真空環境中通入製程氣體，製程氣體在射頻激勵作用下形成等離子體；以及 等離子體在電場作用下對零部件本體其表面未覆蓋有所密封保護結構（此處的保護結構能夠保護零部件本體上其所覆蓋的部分不受等離子體蝕刻，例如可以選用耐等離子體塗層）的部位進行等離子體蝕刻以形成凹槽1。
在本實施例的基礎上，可以通過控制上述真空環境中的氣體壓強大小和/或上述形成的等離子體的濃度和/或上述電場的場強大小，控制上述等離子體蝕刻形成的所述凹槽1的深度和寬度，使其滿足製程要求。以上方法簡單並且容易實現，操作方便。
最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的通常知識者應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍，其均應涵蓋在本發明的申請專利範圍和說明書的範圍當中。尤其是，只要不存在結構衝突，各個實施例中所提到的各項技術特徵均可以任意方式組合起來。本發明並不局限於文中公開的特定實施例，而是包括落入申請專利範圍的範圍內的所有技術方案。
1:凹槽 2:凸起 301:襯套 302:氣體噴嘴 303:靜電卡盤 304:聚焦環 305:絕緣環 306:覆蓋環 307:襯底固持框 308:陶瓷蓋板 309:反應腔 A:襯底 B:耐等離子體塗層 W:待處理基片
為了更清楚地說明本發明具體實施方式或習知技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。在所有附圖中，類似的元件或部分一般由類似的附圖標記標識。附圖中，各元件或部分並不一定按照實際的比例繪製。 圖1是本發明的等離子體反應裝置的一種實施例的剖視圖； 圖2是本發明的零部件的一種實施例的剖視圖； 圖3是圖2中C的局部放大圖； 圖4是本發明的零部件的另一種實施例的俯視圖； 圖5是本發明的零部件的又一種實施例的俯視圖； 圖6是本發明的零部件的再一種實施例的俯視圖；以及 圖7是本發明的零部件加工方法的一種實施例的流程圖。
1:凹槽
2:凸起
A:襯底
B:耐等離子體塗層

Claims (13)

  1. 一種用於等離子體反應裝置中的零部件，該等離子體反應裝置包括一反應腔，該反應腔內為一等離子體環境，該零部件暴露於該等離子體環境中，其中： 該零部件包括一襯底和塗覆在該襯底的表面的一耐等離子體塗層，該襯底的表面設置有複數個凹槽，相鄰該凹槽間形成一凸起；每個該凹槽的寬度W1≤30nm、深度H1≤100nm； 該耐等離子體塗層覆蓋於該凹槽的側壁表面、底部表面和該凸起的頂部表面。
  2. 根據請求項1所述的零部件，其中：每個該凸起的寬度W2≤30nm。
  3. 根據請求項1所述的零部件，其中：該凹槽的底部面積和該凸起的頂部面積的面積比為3:7—7:3。
  4. 根據請求項1所述的零部件，其中：該耐等離子體塗層的材質包括Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的至少一種。
  5. 根據請求項1所述的零部件，其中：該襯底的材質包括鋁合金、不銹鋼、鎢或鈦中的至少一種。
  6. 一種等離子體反應裝置，其中，包括： 一反應腔，該反應腔內為一等離子體環境；以及 一如請求項1至請求項5中任一項所述的零部件，該零部件暴露於該等離子體環境中。
  7. 據請求項6所述的等離子體反應裝置，其中：該等離子體反應裝置為電容耦合等離子體反應裝置時，該零部件包括噴淋頭、氣體分配板、上接地環、下接地環、氣體管路、聚焦環、絕緣環、靜電卡盤、覆蓋環或襯底固持框中的至少一種。
  8. 根據請求項6所述的等離子體反應裝置，其中：該等離子體反應裝置為電感耦合等離子體反應裝置時，該零部件包括陶瓷蓋板、襯套、氣體噴嘴、氣體連接法蘭、聚焦環、絕緣環、靜電卡盤、覆蓋環或襯底固持框中的至少一種。
  9. 一種零部件加工方法，其中包含下列步驟： 提供一零部件本體； 對該零部件本體進行加工形成如請求項1至請求項5中任一項所述的零部件。
  10. 根據請求項9所述的零部件加工方法，其中，對該零部件本體進行加工形成該零部件的方法包括：對該零部件本體的表面進行處理，形成該襯底；在該襯底的表面形成該耐等離子體塗層。
  11. 根據請求項10所述的零部件加工方法，其中：在該零部件本體的表面不需要加工形成該凹槽的部位設置有一密封保護結構。
  12. 根據請求項11所述的零部件加工方法，其中：通過電化學腐蝕方法對該零部件本體的表面進行加工形成該襯底，該電化學腐蝕方法包括下列步驟： 設置該零部件本體為金屬導體，與一電源的正極電性連接； 設置一石墨，與該電源的負極電性連接；以及 將該零部件本體浸泡於電解腐蝕液中，當接通該零部件本體-該電源-該石墨的電路時，該零部件本體其未覆蓋有該密封保護結構的部位發生電化學腐蝕形成該凹槽。
  13. 根據請求項11所述的零部件的加工方法，其中，通過等離子體蝕刻方法對該零部件本體的表面進行加工形成該襯底，該等離子體蝕刻方法包括下列步驟： 在真空環境中設置一電場； 向真空環境中通入一製程氣體，該製程氣體在射頻激勵作用下形成等離子體；以及 等離子體在電場作用下對該零部件本體其表面未覆蓋有該密封保護結構的部位進行等離子體蝕刻以形成該凹槽。
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