TW202236415A - 電漿處理腔室用之火花電漿燒結元件 - Google Patents

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臨 許
哈密特 席恩
潘卡吉 哈扎里卡
撒第斯 史琳瓦森
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Abstract

提供用於製作在電漿處理腔室中使用之元件的方法。將含非氧化物矽的粉末組成物放入模具中，其中含非氧化物矽的粉末組成物實質上由含非氧化物矽的粉末和B或B4C摻雜物的其中至少一者組成。含非氧化物矽的粉末經受火花電漿燒結(SPS)以形成火花電漿燒結元件。將火花電漿燒結元件加工成電漿處理腔室元件。

Description

電漿處理腔室用之火花電漿燒結元件
本揭示內容與用於電漿處理腔室中的部件有關。更具體而言，本揭示內容與電漿處理腔室中的介電質且電漿暴露部件有關。 [相關申請案之交互參照]
本申請案主張2020年11月5日提出申請之美國專利申請案第63/110,212號的優先權，該申請案係針對所有目的藉由參照併入本文。
提供於此的先前技術說明目的為概括地呈現本揭示內容之脈絡。此先前技術部分所述之資訊、連同可能未以其他方式認定為申請時之先前技術的敘述態樣，均不明示性或暗示性納入為相對本揭示內容的先前技術。
在形成半導體裝置方面，將電漿處理腔室用以處理基板。某些電漿處理腔室具有介電部件，例如襯墊、氣體分配板、以及邊緣環。
針對用於電漿處理腔室的某些介電部件，由於碳化矽(SiC)的高抗蝕刻性，所以已廣泛使用SiC。用以生產SiC邊緣環的技術主要是透過化學氣相沉積(CVD)方法，其中將厚的SiC塗層生長在石墨心軸上。移除石墨心軸後，接著將CVD生產的SiC胚料加工成邊緣環。隨著更活潑的電漿化學和對部件壽命的更嚴格要求，CVD生產的純SiC無法滿足壽命的要求。
為了達成前述者並根據本揭示內容的目的，提供用於製作在電漿處理腔室中使用的元件的方法。將含非氧化物矽的粉末組成物放入模具中，其中含非氧化物矽的粉末組成物實質上由含非氧化物矽的粉末和B或B4C摻雜物的其中至少一者組成。含非氧化物矽的粉末經受火花電漿燒結(SPS)以形成火花電漿燒結元件。將火花電漿燒結元件加工成電漿處理腔室元件。
在另一呈現中，提供處理晶圓用的裝置。提供電漿處理腔室。晶圓支撐件用於在電漿處理腔室內支撐晶圓。用於提供氣體給電漿處理腔室的氣體來源。元件包含火花電漿燒結本體，該火花電漿燒結本體包括含非氧化物材料的矽，該含非氧化物材料的矽實質上由含非氧化物矽的材料和B或B4C摻雜物的其中至少一者組成。
在另一呈現中，提供在電漿處理腔室中使用的噴淋頭。盤形元件本體具有面向電漿的表面，其中該盤形元件主體包含火花電漿燒結本體，該火花電漿燒結本體包括含非氧化物材料的矽，該含非氧化物材料的矽實質上由含非氧化物矽的材料和B或B4C摻雜物的其中至少一者組成。將複數個入口孔加工至盤形元件本體的面向電漿的表面中。
本揭示內容之此等與其他特徵將在以下細述內容中且結合隨附圖式更詳細說明。
本揭示內容現將參照隨附圖中顯示之幾個較佳實施例而詳述。在以下說明中，提出眾多具體細節，以提供對本揭示內容的通徹理解。然而，對習於此技藝者將顯而易見，本揭示內容可在缺少此等具體細節之部份或全部者下加以實施。其他情況下，並未詳述眾所周知的處理步驟及/或構造，以免不必要地使本揭示內容晦澀不清。
為增進理解，圖1是製造電漿處理腔室用之元件的方法的實施例的高階流程圖。將含非氧化物矽的粉末組成物放入模具(步驟104)。在此實施例中，該含非氧化物矽的粉末組成物包含矽碳化物粉末與包含硼(B)或碳化硼(B4C)的其中至少一者的一或更多燒結添加劑以幫助製造過程。在一實施例中，硼對矽的原子分率是在0.01%至30%的範圍中。在其他實施例中，硼對矽的原子分率在1%至20%的範圍中。在其他實施例中，硼對矽的原子分率在10%至20%的範圍中。在其他實施例中，硼對矽的原子分率大於10%。在某些實施例中，含非氧化物材料的矽實質上由SiC粉末和B或B4C的其中至少一者組成。在某些實施例中，含非氧化物材料的矽實質上由SiC粉末和B4C組成。圖2A顯示擺置在用於製造電漿處理腔室的元件的模具的環形凹槽或空腔中的含非氧化物材料的矽204a(具有硼(B)或碳化硼(B4C)摻雜物的其中至少一者)的剖面圖。模具包含外模環208a和內模208b。在此範例中，該元件是在電漿處理腔室中使用的邊緣環。將模具配置成根據火花電漿燒結(SPS)處理來處理含非氧化物材料的矽204a，並且在一實施例中包括一對導電墊212，其圍住模具腔體的上端和下端並作用為活塞或衝頭，以施加壓縮力P在模具內的含非氧化物材料的矽204a上。
參照回圖1，接著使含非氧化物材料的矽204a經受火花電漿燒結(SPS)以將矽或矽碳化物和B或B4C摻雜物組成物形成為火花電漿燒結部件或元件(步驟108)。圖2B的剖面圖中顯示的示範性實施例中，接著使含非氧化物材料的矽204a經受SPS以將矽碳化物粉末和B或B4C摻雜物組成物形成為火花電漿燒結形成的邊緣環204b。
與習知的燒結處理相比，SPS處理(亦稱作脈衝電流燒結(PECS)、場輔助燒結(FAST)或電漿壓力壓實(P2C))涉及同時使用壓力和高強度、低電壓(例如5-12V)、脈衝式電流以顯著降低處理/加熱時間(例如5-10分鐘(min)而不是幾個小時)並產生高密度元件。在一實施例中，使用導電墊212作為電極將脈衝DC電流傳輸到沉積的含非氧化物材料的矽204a，同時將壓力(例如，在10百萬帕(MPa)至500 MPa或更高者之間)通過導電墊212在單軸機械力作用下的往復運動同時軸向地施加到含非氧化物材料的矽204a。「單軸力」在本文中定義為表示沿單一軸或方向施加、從而產生單軸壓縮的力。在處理的至少一部分期間，通常將模具208和含非氧化物材料的矽204a放置在真空下。通常以毫秒為單位的脈衝電流模式(ON:OFF)實現高加熱速率(高達1000 ℃/min或更高)和快速冷卻/淬火速率(高達200 ℃/min或更高)以將含非氧化物材料的矽204a加熱至1000 ℃以下至2500 ℃之範圍的溫度。在一實施例中，SPS處理的開-關DC脈衝充能產生下列之一或更多者在SiC組成物中：1)火花電漿、2)火花沖擊壓力、3)焦耳加熱、以及4)電場擴散效應。
吾人理解的是，在圖2A和2B(以及圖3A和圖3B中詳述的元件)的示意圖中提供的模具、導電墊212、含非氧化物材料的矽204a、和SPS形成的邊緣環204b的尺寸和幾何形狀，僅出於說明性目的而提供，並且這些元件可在尺寸、比例、形狀和形式方面相對於彼此而變化。並且，吾人理解的是，模具和導電墊212可作為SPS裝置(未顯示)的一部分而提供，該SPS裝置尤其包含一或更多以下者：垂直單軸加壓機構、冷卻的真空腔室、大氣控制、真空排氣單元、燒結DC脈衝產生器和SPS控制器。
在僅用於示範性目的的SPS處理的一實施例中，在真空下(6＜P(Pa)＜14)進行矽碳化物粉末和燒結添加劑的組合物的燒結，同時一邊經受脈衝電流。SPS熱處理可以如下實施：1)進行3 min至10 min間的時間段的脫氣處理，並且較佳地使含非氧化物材料的矽204a在有限的施加負載下(例如10 MPa和 20 MPa之間)經受3 min，並且在負載增加至40 MPa至100 MPa下經受2 min，以及2)在40 MPa至100 MPa之間的施加負載下以100 ℃ min-1加熱至1850 ℃至1950 ℃之間，和在最高溫度下5 min的均熱時間，然後冷卻至室溫。吾人理解的是，包括組成成分比和顆粒尺寸、壓力、溫度、處理週期和電流脈衝序列的一或更多SPS處理參數可以適當地改變以最佳化SPS處理。
參照圖2C的側面圖，將SPS形成的邊緣環204b從模具208移除作為SPS形成的部件，並且在此實施例中，SPS形成的邊緣環204b具有中心通道216。SPS形成的邊緣環204b形成具有面向電漿的表面的環形火花電漿燒結本體。SPS形成的元件的特徵在於高度緻密化，達到接近100%(例如99%或更大的相對密度，較佳地在99.5%和100%之間的相對密度)，具有均相特性，該均相特性具有降低的晶粒間擴散及受到最小化或防止的晶粒生長。環形火花電漿燒結本體包括含非氧化物材料的矽，其實質上由含非氧化物矽的材料和B或B4C摻雜劑的其中至少一者組成。含非氧化物矽的材料可是矽或非氧化物矽化合物，例如碳化矽(SiC)。含非氧化物矽的粉末可是矽粉末或非氧化物矽化合物粉末的其中至少一者，例如矽碳化物粉末。
在SPS處理之後，可進一步處理元件(步驟112，例如拋光、加工或類似處理)以特定地使元件適合在電漿處理腔室中使用。吾人理解的是，可將模具及/或SPS處理建構成使得在步驟112中不需要進一步處理。SPS形成的邊緣環204b可形成為近淨形(NNS)部件。NNS部件需要去除低於20%的NNS部件體積的後續加工。
參照圖2D的側面圖，將火花電漿燒結形成的邊緣環204b進一步處理以形成經處理的邊緣環204c。例如，可將SPS形成的邊緣環204b的一或更多的表面220(例如中心通道216的內表面和直徑Di、具有外徑Do的外圓周表面、及/或頂部或底部表面)拋光、珩磨、加工等以形成特定適於電漿處理腔室中使用的邊緣環204c。
接著將經處理的SPS本體裝設或以其他方式安裝在電漿處理腔室中(步驟116)，其中在電漿處理腔室中使用SPS元件(步驟120)以對一或更多的晶圓或基板進行電漿處理。在電漿處理期間，將SPS元件的一個或多個表面暴露於電漿及/或介電蝕刻處理。
由電漿處理腔室執行的電漿處理可包括蝕刻、沉積、鈍化或另一電漿處理的一或更多的處理。電漿處理亦可與非電漿處理結合進行。如此的處理可能將電漿處理腔室的諸多元件暴露於含有鹵素及/或氧的電漿，導致部件的腐蝕或劣化。
圖1中顯示的SPS處理對於製造消耗性介電電漿處理腔室元件尤其有用。更具體而言，圖1與圖2A到圖2D中顯示的處理尤其適用於形成及/或調節電漿處理腔室的一或更多個元件，以抑制或最小化經由電漿處理腔室中固有的電漿和蝕刻過程對元件的消耗。除了可能暴露於電漿或高能離子的電漿處理腔室中的其他部件外，在高流量襯墊、氣體分配板和邊緣環之外，如此的元件還包括塔柱和靜電卡盤(ESC)。
因此，圖3A到圖3F顯示根據本說明使用SPS處理製造電漿處理元件(尤其是腔室氣體分配板)的方法的另一實施例。圖3A顯示放置在模具308的凹槽或空腔中以製造電漿處理腔室的氣體分配板的SiC組成物304a(具有硼(B)或碳化硼(B4C)摻雜劑的其中至少一者)的剖面圖。將模具308配置用於根據SPS處理對SiC組成物304a進行處理。一實施例包括一對導電墊312，其圍住模具308腔體的上端和下端並作用為活塞或衝頭，以施加壓縮力在模具308內的含SiC組成物304a上。
參照圖3B的剖面圖，根據上述關於圖2B詳述的SPS處理，接著使SiC組成物304a經受SPS，以經由同時施加壓縮力P和施加在導電墊312的脈衝電流、將B/B4C摻雜的矽碳化物粉末組合物形成火花電漿燒結形成的盤304b(步驟108)。
參照圖3C和圖3D的相應的平面圖和側面圖，將SPS形成的盤304b從模具308取出，盤304b特徵在於高度緻密化，達到接近100%的均相特性，該均相特性具有降低的晶粒間擴散及受到最小化或防止的晶粒生長。在諸多實施例中，緻密化提供99%或更高的相對密度，並且較佳地在99.5%和100%之間的相對密度之緻密化。成形的盤304b是盤形的元件本體。
參照圖3E和圖3F的相應的平面圖和側面圖，進一步處理SPS形成的盤304b以形成經處理的氣體分配板304c。例如，可將複數個氣體入口孔316鑽入形成的盤304b中以形成氣體分配板304c。在圖3E和圖3F中顯示的插圖中，孔316未按比例繪製以便更好地說明實施例。在不同的實施例中，孔316可具有諸多間距及/或幾何圖案，例如圓形、網格等。此外，可將SPS形成的盤304b的一或更多表面(例如具有直徑Do的外圓周表面、及/或頂部或底部表面)拋光、珩磨、加工等，以形成特定適用於電漿處理腔室中使用的氣體分配板304c。使氣體分配板304適於接收來自氣體來源的氣體並將氣體提供到電漿處理腔室中。在此實施例中，拋光表面的其中一者是面向電漿的表面320。將孔316鑽入面向電漿的表面320中。面向電漿的表面320是用於電漿處理腔室時面向或暴露於電漿的表面。當將面向電漿的表面320暴露於電漿或遠程電漿時，面向電漿的表面亦可稱為電漿暴露表面。
由SPS處理產生的電漿處理元件(例如邊緣環204c、氣體分配板304c)對於來自對電漿之暴露的腐蝕有抗性，使得該元件不再是消耗品，或實質地抑制消耗以限制或消除因腐蝕而改變或更換元件的需求。由於更耐蝕刻，經由圖1顯示的處理所製造和安裝的元件亦最小化/防止電漿處理期間雜質的產生。圖1中詳述的SPS處理亦尤其適用於製造大型部件，例如形成具有14吋(35.56公分)或更大之外徑(Do)的邊緣環204c和氣體分配板304c。
以上討論的關於電漿處理腔室的介電質組件的整體性對於保持電氣隔絕、電漿侵蝕抗性和化學抗性都是至關重要的。如本說明中詳述的SPS形成的元件提供優於介電質塗佈部件的顯著優點，因為太厚的介電塗層較容易破裂，而較薄的介電塗層並未提供足夠的絕緣性來防止由電漿處理腔室使用的電壓造成的損壞。
參照圖4的示意系統視圖，可將一或更多經處理的和SPS形成的元件加以裝設或以其他方式安裝，以供在用於處理晶圓或基板407的電漿處理腔室400中使用。如此的電漿處理腔室的範例是由Lam Research Corporation of Fremont, CA製造的Flex® etch system。該實施例中的電漿處理腔室是CCP(電容耦合電漿)反應器。
在一示範性配置中，一或更多經處理和SPS形成的元件包含例如邊緣環、氣體分配板、高流量襯墊等的可消耗的電漿處理腔室元件。在某些實施例中，電漿處理腔室400包括氣體分配板406，亦稱作「噴淋頭」，其用於在電漿處理腔室404內提供氣體入口。可將氣體分配板406與靜電卡盤(ESC)416一起裝設在電漿處理腔室404中，均由腔室壁450包圍。在電漿處理腔室404內，將基板或晶圓407定位在作用晶圓支撐件的ESC 416之上，以支撐基板407。ESC 416可提供來自ESC電源448的偏壓。氣體來源410經由氣體分配板406連接到電漿處理腔室404。ESC溫度控制器451連接到ESC 416並提供ESC 416的溫度控制。射頻(RF)電源430提供RF功率給ESC 416和上電極。在此實施例中，上電極是氣體分配板406。在較佳的實施例中，13.56百萬赫(MHz)、2 MHz、60  MHz及/或(可選地)27 MHz的電源構成RF電源430和ESC電源448。控制器435可控地連接到RF電源430、ESC電源448、排氣泵420和氣體來源410。
高流量襯墊460是電漿處理腔室404內的襯墊，亦可根據圖1中顯示的步驟加以形成、安裝和使用。高流量襯墊460侷限來自氣體來源的氣體並具有狹縫462。狹縫462維持受控的氣體流量以從氣體來源410通向排氣泵420。
邊緣環464圍繞基板407。電漿處理腔室404使用邊緣環464對基板407進行電漿處理。吾人期望邊緣環464的頂面與基板407的頂面齊平。因此，使用SPS形成的邊緣環204c當作邊緣環464，消除了通常設置為在邊緣環被消耗時移動邊緣環以保持邊緣環的頂表面與基板的頂表面平齊的諸多機構。此外，一旦邊緣環被充分消耗，則邊緣環必須更換，從而產生電漿處理腔室的停機時間。在其他實施例中，可將如此的元件放置在加以屏蔽以免受電漿影響的位置。陶瓷邊緣環具有低熱膨脹係數和良好的導電性和導熱性。
在其他實施例中，元件可是例如TCP(變壓耦合電漿)反應器、斜面電漿處理腔室或類似裝置的其他類型的電漿處理腔室的部件。可在諸多實施例中提供的電漿處理腔室的元件的範例是侷限環、電漿排除環、邊緣環、靜電卡盤、接地環、腔室襯墊、門襯、塔柱、噴淋頭、介電功率窗、氣體注射器、邊緣環、陶瓷傳送臂或其他元件。
在諸多實施例中，含非氧化物矽的粉末包含具有B4C摻雜劑的矽粉末。在某些實施例中，含非氧化物矽的粉末實質上由具有B4C摻雜劑的矽粉末組成。在一實施例中，硼對矽的原子分率是在0.01%至30%的範圍中。在其他實施例中，硼對矽的原子分率是在1%至20%的範圍中。在其他實施例中，硼對矽的原子分率是在10%至20%的範圍內。
雖然此揭示內容已按照若干較佳實施例描述，仍有落於本揭示內容之範疇的修改、修飾、置換、以及諸多替代相當者。亦應注意有許多實施本揭示內容之方法與裝置的替代方案。因此意圖將以下隨附請求項解讀成包括所有落入本揭示內容的真實精神與範疇的如此修改、修飾、置換、以及諸多替代相當者。
104-120:步驟 204a:含非氧化物材料的矽 204b:邊緣環 204c:邊緣環 208:模具 208a:外模環 208b:內模 212:導電墊 216:中心通道 220:表面 308:模具 304a:SiC組成物 304b:盤 304c:氣體分配板 312:導電墊 316:氣體入口孔 320:表面 400:電漿處理腔室 404:電漿處理腔室 406:氣體分配板 407:基板 410:氣體來源 416:靜電卡盤、ESC 420:排氣泵 430:射頻電源、RF電源 435:控制器 448:ESC電源 450:腔室壁 451:ESC溫度控制器 460:高流量襯墊 462:狹縫 464:邊緣環
本揭示內容藉由範例且非藉由限制而在隨附圖式中顯示，且其中相似的參照數字表示相似元件，且其中：
圖1是實施例的高階流程圖。
圖2A至圖2D顯示用於製造在電漿處理腔室中使用的邊緣環元件的方法的實施例。圖2A是在模具中擺放的矽碳化物粉末的剖面圖。圖2B是在將矽碳化物粉末火花電漿燒結(SPS)之後形成的邊緣環的剖面圖。圖2C是從模具移除的邊緣環的側視圖。圖2D是在進一步處理以形成用於電漿處理腔室中的邊緣環元件之後的邊緣環的側視圖。
圖3A-圖3F顯示用於製造在電漿處理腔室中使用的氣體分配板元件的方法的實施例。圖3A是在模具中擺置的矽碳化物粉末的剖面圖。圖3B是在將矽碳化物粉末火花電漿燒結(SPS)之後形成的氣體分配板的剖面圖。圖3C是從模具移除的氣體分配板的俯視圖。圖3D是圖3C的氣體分配板的側視圖。圖3E是在進一步處理以形成用於電漿處理腔室中的氣體分配板元件之後的氣體分配板的側視圖。圖3F是圖3E的氣體分配板的側視圖。
圖4是根據一實施例之電漿處理腔室的示意圖。
104-120:步驟

Claims (21)

  1. 一種用於製造電漿處理腔室系統中使用的元件的方法，包含： 將一含非氧化物矽的粉末組成物放入一模具中，其中該含非氧化物矽的粉末組成物實質上由一含非氧化物矽的粉末和B或B 4C摻雜物之其中至少一者組成； 使該含非氧化物矽的粉末組成物經受火花電漿燒結(SPS)，以形成火花電漿燒結元件；以及 將該火花電漿燒結元件加工成一電漿處理腔室元件。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該含非氧化物矽的粉末組成物中的硼對矽的原子比率是在0.10%至20%的範圍中。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該電漿處理腔室元件為該電漿處理腔室的氣體分配板、邊緣環、或襯墊之其中至少一者。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該含非氧化物矽的粉末實質上由矽碳化物粉末和B或B 4C摻雜物之其中至少一者組成。
  5. 如請求項4所述之方法，其中B或B 4C摻雜物之其中該至少一者是一B 4C摻雜物。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該含非氧化物矽的粉末實質上由矽粉末和B 4C摻雜物組成。
  7. 一種用於電漿處理腔室中的元件，該元件以請求項1之方法製成。
  8. 一種處理晶圓用的裝置，包含： 一電漿處理腔室； 一晶圓支撐件，用於支撐晶圓於該電漿處理腔室內； 一氣體來源，用於提供氣體給該電漿處理腔室；以及 一元件，包含一火花電漿燒結本體，該火花電漿燒結本體包含一含非氧化 物材料的矽，該含非氧化物材料的矽實質上由一含非氧化物矽的材料與B或B 4C摻雜物之其中至少一者組成。
  9. 如請求項8所述之裝置，其中該元件中的硼對矽的原子比率是在10%至20%的範圍中。
  10. 如請求項8所述之裝置，其中該元件為該電漿處理腔室的氣體分配板、邊緣環、或襯墊之其中至少一者。
  11. 如請求項8所述之裝置，其中該含非氧化物矽的材料實質上由矽碳化物組成。
  12. 如請求項8所述之裝置，其中B或B 4C摻雜物之其中該至少一者是一B 4C摻雜物。
  13. 如請求項8所述之裝置，其中該含非氧化物矽的材料實質上由矽組成。
  14. 一種用於一電漿處理腔室中的邊緣環，包含具有一面向電漿的表面的一環形本體，該環形本體包含一火花電漿燒結本體，該火花電漿燒結本體包含實質上由一含非氧化物矽的材料和B或B 4C摻雜物之其中至少一者組成的一含非氧化物材料的矽。
  15. 如請求項14所述之邊緣環，其中該含非氧化物矽的材料實質上由矽碳化物組成。
  16. 如請求項14所述之邊緣環，其中B或B 4C摻雜物之其中該至少一者是一B 4C摻雜物。
  17. 如請求項14所述之邊緣環，其中該含非氧化物矽的材料實質上由矽組成。
  18. 一種用於一電漿處理腔室中的噴淋頭，包含： 具有一面向電漿的表面的一盤形元件本體，其中該盤形元件本體包含一火花電漿燒結本體，該火花電漿燒結本體包含實質上由一含非氧化物矽的材料和B或B 4C摻雜物之其中至少一者組成的一含非氧化物材料的矽；以及 加工至該盤形元件本體的該面向電漿的表面中的複數入口孔。
  19. 如請求項18所述之噴淋頭，其中該含非氧化物矽的材料實質上由矽碳化物組成。
  20. 如請求項18所述之噴淋頭，其中B或B 4C摻雜物之其中該至少一者是一B 4C摻雜物。
  21. 如請求項18所述之噴淋頭，其中該含非氧化物矽的材料實質上由矽組成。
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