TWI247330B - Fullerene coated component of semiconductor processing equipment and method of manufacturing thereof - Google Patents

Fullerene coated component of semiconductor processing equipment and method of manufacturing thereof Download PDF

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TWI247330B
TWI247330B TW090130002A TW90130002A TWI247330B TW I247330 B TWI247330 B TW I247330B TW 090130002 A TW090130002 A TW 090130002A TW 90130002 A TW90130002 A TW 90130002A TW I247330 B TWI247330 B TW I247330B
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Robert J O'donnell
Christopher C Chang
John E Daugherty
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Description

1247330 A7 ______ B7 五、發明説明（1 ) 登明之背暑 發明之41^ · 本發明是關於半導體加工設備及改善該等元件之抗蝕性。 相關技術立說明 在半導體加工方面，一般是以真空加工室用於蝕刻及在 基板上材料之化學汽相@積而對真空室供應一種蝕刻或澱 積氣體並對該氣體施加一射頻場而激勵該氣體成為電漿狀 怨。在美國第 4,340,462 ; 4,948,458 ; 5,200,232及5,820,723號專 利中均曾揭露平行板、變壓器耦合電漿（tcptM)亦稱為電感 耦合電漿（ICP)及電子迴旋加速諧振（ECR)反應器及其組件之 舉例。因為在該等反應器中電漿環境之腐蝕性質及將粒子 與/或嚴重金屬污染減至最小之需要，非常希望該等設備之 組件能直高度抗蝕性。 ^ ~— 在半導體基板之加工中，基板均是以基板座，諸如機械 夾及靜電夾固定於其空室内。在美國第5,262,〇29及5,838,529 號專利中即有此種夾箝系統之舉例。加工氣體可用各種方 式供至室中，諸如氣體噴管、氣體環、氣體分配板等。在 美國第5,863,376號專利中即舉出用於電感耦合電漿反應器 之溫度控制氣體分配板及其組件之例。除電漿室設備外， 其他用於處理半導體基板之設備包括運送機械、氣體供應 糸統、墊片、升起機械、裝載栓 '門機械、機器臂、緊固 件等。該等設備之組件遭受與半導體加工有關之各種腐蝕 狀況。此外，鑒於處理半導體基板，諸如矽晶圓，及介質 材料，諸如用於平板顯示器之玻璃基板，要求高度之純度 -4- 尽紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇 X 297公釐）—--------- 1247330 A7 B7 五、發明説明（2 ) ，在此情形下非常希望能有經改善抗㈣之組件。 銘及铭合金常用於電紧反應器之壁、電極、基板座、緊 固件及其他組件。為能防止該等金屬組件之腐#，已建議 各種技術以各種塗料塗敷鋁表面。例如美國第5,641，375號 專利揭露隸室壁陽極化而減輕壁之腐#及磨損。此項專 利指出最後該陽極化層被濺射或蝕刻掉而必須更換室。美 國第5,895,586號專利指出在第62·1〇3379號日本專利申請中 可發現在4呂材料上形成Al2〇3，Alc，TiN，沉，應或類似物 之抗蝕膜之技術。 美國第5,680,013號專利指出在美國第4,491，496號專利中曾 揭露在姓刻室金屬表面上以火焰噴塗雖之技術。第 旨出㈣諸如氧化㈣究塗料間熱膨張係 數之不同會導致由於熱循環而使塗層裂開且最後在腐姓環 境中失去塗層。為保護室壁’美國第5 366 585 ; 5,798 〇16及 5,885,356號專利建議用墊片。例如第5 798，Gi6號專利揭露有 陶甍、铭、鋼與/或石英墊片而以銘塾片為最好，因其易於 機器操作’並有氧化铭、㈣或恤，塗層而最好為塗敷铭 來保護鋁不受電漿影響。第5,366,585號專利揭露一種自由 站立之陶瓷墊片’厚度最少為〇〇〇5吋且是以固態礬土用機 器製成H利亦提到使用以火焰喷塗或電聚噴塗氧化 鋁所提供不消耗下面之鋁而澱積之陶曼層。第5,885,356號 專利揭露-種装土陶究堅片及氣化紹陶究屏蔽用於晶圓基 座。第5,885,356號美國專利揭露用於化學汽相;殿積之陶瓷 塾片材料。 -5-
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已建議各種塗層用於半導體加工設備之金屬組件。例如 吳國第5,879,523號專利揭露一種錢射室，其中對諸如不鱗鋼 或鋁之金屬加上一熱噴塗之八丨2〇3塗層並可在其間選擇性地玫 置一 NiAlx搭接塗層。美國第5,522,932號及5,891，53專利揭露一 種铑塗層肖於基板電聚處理所用裝置之金屬組件且在其間可 選擇性地加上一鎳塗層。美國第5,680,013號專利揭露用於電 漿加工室内金屬表面之非搭接陶瓷保護，較佳之陶瓷材料為 燒結之氮化紹，其次之材料有氧化銘、氧化鎂及氧化鎮。美 國第5,904,778说專利揭露一種在自由站立碳化石夕上之碳化矽 化學汽相澱積塗層用做室壁、室頂或圍繞晶圓之圈。 關於諸如蓮蓬頭氣體分配系統電聚反應器組件，在蓮蓬頭丨 材料方面已有各種建議。例如美國第5,569,356號專利揭露一 種石夕、石墨或碳化石夕蓮蓬頭。美國第5,494,713號專利揭露 在链電極上形成-防㈣膜並在此膜上形成諸如氧化石夕或 氮化矽之矽塗料膜。此一專利指出矽塗料膜之厚度應為1〇 較小’ t好約為5 _，因鋁塗料膜、防蝕鋁塗料膜及 矽塗料膜有不同之線性膨脹係數而若矽塗料太厚時容易發 生裂開。但低於5 //阳之厚度則不理想，因為對鋁基板之保 濩不足。美國第4,534,516號專利揭露一種不銹鋼、鋁、鋼 等之上述連蓬頭電極。美國第4,612,〇77號專利揭露一種鎂 蓮蓬頭電極。美國第5,888,9〇7號專利揭露一種無定形碳、 碳化鋁或鋁蓮蓬頭電極。美國第5,〇〇6,22〇及5,〇22,979號專利 揭露一種完全以碳化矽所製或在碳基上以化學汽相澱積法 沒又積反化石夕塗層而有咼純度夸化石夕表面之蓮蓬頭電極。 ___ -6- 本紙張尺度適用中國國家標準⑴剛八说格⑼⑽撕公董) -----— 1247330
五、發明説明（ 鑒於半導體加工吟供+ ^ 此箄έ # °而要向純度及抗蝕之組件，業界對 此組件所用材料血 ，、或塗料方面需要改進。此外，就室之 材料而§ ，任付炸说 /h ψ ψ ik ^ ± b a σ屯漿反應器室之使用壽命並因而減 少裝置故障時間之# μ ^ 十減少半導體晶圓之加工成本均為 有利。 f面，說明已摘要表述藉著對真空室供應-峨殿積氣 體亚對.亥氣體施加-射頻場而激勵該氣體成為電聚狀態之用 於在基板上蝕刻或化學汽相澱積材料之真空加工室之一般作 業it $以此為背景，第二個對瞭解本發明甚重要之不相關 之技術領域是對芙之研究。芙有時被稱為大球或大教堂芙， 為一㈣級之純碳分子，其中之碳原子形成-壳。最常討論 到之芙為Cm及。一個Cm芙分子有6〇個碳原子連在一起形 成一個籠之結構有在一個像足球結構内對稱排列之2 〇個六角 形與12個五角形面。〜分子形成—個有集中面立體結構之 緊岔包裝固體分子材料。c π之結構有25個六角形而造成令 人想起撖欖球之形狀。 自1 9 8 5年發現芙起’研究人員已調查其特性並開發出對 此種分子之使用。在此方面有很多專利詳述含芙膜與塗層之 使用。例如美國第 5,271，890 ; 5,310,699 ; 5,356,872 ; 5,368,890 ;5,374,463 ; 5,380,595 ; 5,380,703 ; 5,395,496 ; 5,876,790 及 5,558,903號各專利。 本發明之簡要說明 本發明之第一方面是提供一種在半導體加工設備組件之 表面提供一含芙抗蝕塗層之處理。該項處理包括在一加工 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 1247330 A7
a備、、且件之表面澱積一含芙塗層 面。所1 k ^主I 扎成一在外面之抗蝕表 面所叫抗蝕表面係指保護下面之 腐銼旦彡塑而把P + 物枓不受電漿室氣體之 腐蝕〜a而抵抗電漿室氣體腐蝕之冷 工μ偌έΒ & + 太層。將要加以塗敷之 加工δ又備組件之下方表面可含 ^ 陶瓷或聚合材料。 爭貝上在+ V體加工設備表面
鍤由Μ八思 M s夫塗層間可用一種或多 種中間至屬、陶瓷或聚合物塗層 1, ^ ^ ^ db ^ , 了以塗敷之金屬表面包 括1%極化或非㈢極化之銘、不 < ® W π — f鋼、一種耐熱材料諸如銦 或用於电1至内之其他金屬或合 -^ , 可以塗敷之陶瓷表面 L括恭土、碳化矽、氮化鋁、 A ^ A _ 化二矽、碳化硼或其他 適用於U之㈣材料。可以塗敷之聚合物表面包括諸如 特氣隆（Tefl。，之螢光聚合物、諸如Vesp_之聚酿亞氨及 在溫度200 C可用於電漿室之其他聚合材料。 本發明之第二方面是提供-種金屬組件。該組件包括: ⑷-金屬表面，⑻在金屬表面上可選擇之第一中間塗層， ⑷在第-中間塗層或金屬表面上可選擇之第二中間塗層及 ⑷在該組件上之一外部含芙塗層提供一外部抗蝕表面。第 -與第二中間塗層可為金屬或合金、肖瓷、聚合物或此等 材料之混合。 ' 本發明之另一方面是提供一種含芙材料所製之半導體加 工設備組件。該組件可包括在該設備内之一個或多個塗層。 附圖簡介 參照下面較佳實例之詳細說明及附圖即可明白本發明之 目的與優點，其中： 圖1為按照本發明具有一塗敷有抗#塗層組件之電聚反 -8 - 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 1247330 A7
應器室之斷面圖。 圖2為圖1抗|虫塗層之詳情。 本發明較佳實例之詳細說明 本發明是以有效方式藉著使用一抗蝕塗層對半導體加工 裝置組件，諸如為電漿加工反應器室一部分之組件，之金 屬、陶瓷及聚合物表面提供抗蝕性。該等組件包括室壁、 基板座、含有蓮蓬頭、反射體、環、噴管等之氣體分配系 統、緊固件、加熱元件、電聚幕、塾片、運輸模組組件諸 如機器臂、緊固件、内部及外臂室臂等。 雖然本發明可適用於任何類型具有金屬、陶瓷或聚合物 表面之組件，但為易於說明起見本發明將參照全部列此做 為參考之美國第5,820,723號專利中所述之裝置詳加說明。 圖1所示為一真空處理反應器室1〇包括一基板座7〇提供 對基板60之嵌夾力並對基板提供一射頻偏壓且是以氦背面 冷却。一聚焦環72將電漿限制在基板上之一個區域。一個 用於在室内保持高濃度（例如101匕1012 i〇ns/cm3)電渡之能源 ’諸如在反應器室10頂部所放置以一適當射頻源為電力而 k供同7辰度違展之天線40。該室包括適當之真空果浦裝置 藉著透過位於室底部中央之真空埠2〇將室抽空而使室之内部 30保持一欲有之壓力（例如低於5〇 m托，通常為卜2〇㈤托）。 提供於天線40與加工室1〇内部間實質為平面且厚度一致 之介質窗50而在加工室1〇頂部形成真空壁。在窗2〇下面置 一氣體分配板52含有圓洞式開口用於從氣體供應處送氣體 至室10。一個圓錐形墊片54從氣體分配板伸出並包圍基板 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) -- 1247330
座70 〇 在作業中’諸如石夕晶圓6〇之半導體基板放在基板座7〇上 L吊疋以猙電夾74將之固定於位置上且使用氦背面冷却。 …、後使加工氣體通過窗50與氣體分配板52間之一間隙而將 加工一氣體供應至真空加工室1〇。在美國第〇8/5〇9,〇8〇 ; 08/658,258及〇8/6d8,259號專利中曾揭露適當之氣體分配裝置 (亦即連蓬頭），該項揭露列此做為參考。例如雖然圖1中 之窗與氣體分配板為平面型且厚度一致，但非平面與/或厚 j不一致者亦可用做窗與/或氣體分配表。對天線40供應適 當射頻功率而在基板與窗間之空間引起高濃度電漿。 諸如陽極化或非陽極化鋁壁之室壁28及金屬或陶瓷或聚 合物組件諸如基板座7〇、緊固件56、墊片54等均曝露於電 漿且有腐蝕跡象而為本發明塗敷之對象俾避免在電漿室作 業中需對之加上蔽罩。可以塗敷之金屬與/或合金之舉例包 括陽極化或非陽極化之銘與合金、不錄鋼、耐熱金屬諸如 嫣與鉬及其合金、鋼與其合金等。可塗敷之陶曼表面舉例 包括礬土、碳化矽、氮化鋁、四氮化三矽及碳化硼。市面 有售之可塗敷聚合材料包括螢光聚合物諸如特氟龍 (Teflon®)、聚醯亞氨諸如％51^丨(§)及其他在高達2〇〇。〔溫度時 可用於電漿室之聚合材料。在一較佳實例中被塗敷之 為室壁28，它有陽極化或非陽極化之鋁表面29。按照本發 明之塗料可使用鋁合金而不計較其成分（因此可用除高純度 鋁以外更經濟之鋁合金）、顆粒結構或表面狀況。在下面之 討論中所舉出將被塗敷組件之例為鋁室壁28具有可選擇之 _ -10- 本紙張尺度適用*國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公着) --~一 — 1247330 A7
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0.05吋。 * '、第-中間塗層可用傳統電漿加工室所用之任何一 入：夕種材料製成。此等材料之舉例包括金屬、陶瓷及聚 二：二：別理想之金屬包括任何一種或多種耐熱金屬混合 體或含有該等金屬之合金。特別理想之陶£包括Ai2〇3，sic =，，應，丁1〇2等。特別理想之聚合物包括營光聚 °以如特氟龍（Tefl’、聚酿亞氨諸如Vespd⑧及其他在 皿度200 C時可用於電聚室之聚合材料。用於中間層之特定 材料包括含芙材料、含其他硬碳材料諸如鑽石與鑽石類材 料、碳化物、棚化物、I化物與/或氮化碳物例如姶、组、 鈦與/或矽、碳化硼、氮化蝴、氮化碳硼、二氧化錯、釔氧 或上述材料之混合物。 可選擇之第一與第二中間塗層80與90可為上述任何一種 材料而塗層是否相同或不同則全視欲有之特性而定。額外 之中間塗層諸如第2、第四或第五中間塗層可用相同或不 同材料。 含芙塗層100可澱積在可選擇之第二中間塗層90或可選擇 之第一中間塗層80或直接在鋁基板28之上。含芙塗層之厚 度至少為0.001吋，較理想者約為0 001至0 25时，更理想者 約為0.001至0.2吋，再理想者約為0·001至〇1吋而最理想者為 0.001至0·05吋。含芙塗層100之厚度可選擇在能與在反應器 中所遇到之電漿環境相容者（例如蝕刻、化學汽相殿積等） 。如上所述此一含芙塗層可塗敫在全部或部分反應器室與 組件上。 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) ' ---— ---- 1247330 A7 B7 五、發明説明
本文中所稱之含 、π诊雖藏笑之塗 層或以該種碳芙製成之塗層，芙有時被稱為 八深或大教堂 芙。最常談到之芙為Cm與C7〇。一個c6〇芙分早h ⑼天刀千包括60個碳原 子接在一起形成一個籠之結構有20個六角形盘^ 、用^與12個五角形 之面對稱排列在一似足球之結構中。C 60分早γ a 60刀十形成一個具有 集中面之體結構之封閉包裝固體分子材料。Γ々^ 7 Q之、，、。構有25 個六角形而造成令人想起撤棍球之形狀。 、任何一種或 C7〇與任何一種 種或多種均排 較佳之塗層包括純C6〇或C7〇、彼等之混合物 多種較高度芙諸如C76，C78，C84，C92等或C60， 或多種較高度芙之混合物。此等芙之任何一 除在含芙塗層外。 在本發明中亦提及所謂之摻雜芙。此等分子包括含有任 何一種或多種摻雜物質之芙，諸如摻有鹼金屬或函素原子 。摻雜濃度要小於或等於芙塗層重量之百分之一，較理想 者約在芙塗層重量每百萬有1〇〇個部分與百分之一間，更理 想者約在芙塗層重量百分之〇 Q01與之間。 另一種選擇是本發明之含芙塗層可為上述任何一種芙與 能形成硬抗蝕表面之其他材料或化合物之混合物。該等混 合物最好有含芙材料之連續矩陣相位。該等混合物可包括 總混合物百分之五十及更大量之其他保護材料。較理想之 本發明混合物包括約百分之一與百分之四十間重量之額外 材料更理想者為根據該混合物約百分之一與百分之十間 重Ϊ之額外材料。在某些情形，，尤其是成本頗為重要之 清形’夫之百分比很低，例如低於塗層重量之百分之20， ____ -13· F紙張尺度適财® ®家料格(21Qx 297/j^--- 1247330 A7 ___________B7 五、發明説~)~一- 石反基在電裝加工中會依電化並可從室中移除而不污染被加 工之產品，例如矽晶圓。 含芙塗層或組件最好放在或用在可能或不可能曝露於電 水％ *兄之區域，諸如與電漿直接接觸之零件或在室組件後 面之諸如墊片等零件俾將在反應器室内加工之半導體基板 之金屬污染減至最小。最好限制或排除過渡金屬塵，諸如 種或夕種元素21至29(銃至銅）、39至47(釔至銀）、57至79( 鑭至金）及週期表上從89(婀）起之所有已知元素。因此本發 明之一項優點即是抑制侵蝕或腐蝕所生之塵而減少不理想 之蝕刻或在澱積之膜中形成不欲有之針孔。 雖已參考特舉實例對本發明詳細說明，但熟於此項技術 者在不脫離本文所附申請專利範圍情形下顯然仍有各種變 化與修改及使用同等之物件。 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐）

Claims (1)

  1. 申請專利範園 塗覆方法，該 一種用於半導體加工設備中一組件表面之 方法包括： ⑷在半導體加工設備_組件之表面上選擇性地殿積一 第一中間塗層； ()在該苐中間層或該表面上選擇性地毅積一第二 中間塗層；及 一 ⑷在該組件上殿m塗層而形成—外部抗触表面。 2·=申請專利範圍第i項之塗覆方法，其中該半導體加工 設備組件之該表面有一金屬、陶瓷或聚合物表面。 3.如申請專利範圍第2項之塗覆方法，其中該第一中間塗 層並非選擇性者。 其中該第一中間塗 其中該組件含有一 4 ·如申請專利範圍第3項之塗覆方法 層有一金屬、陶瓷或聚合物塗層。 5 ·如申請專利範圍第1項之塗覆方法 電漿蝕刻室之室壁。 6·如申請專利範圍第丨項之塗覆方法，其更包括在該組件 上形成一粗糙表面而該含芙塗層即澱積在該粗糙表面 上。 7 ·如申請專利範圍第1項之塗覆方法，其中出現於該含芙 塗層中之笑為C 6〇芙’ C 7〇芙或二者之混合物。 8 ·如申請專利範圍第1項之塗覆方法，其中該芙塗層澱積 之厚度範圍從約0.001至約0.050吋。 9 ·如申請專利範圍第1項之塗覆方法，其中出現於該含芙 75215-940907.doc 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1247330 Αβ -DO C8 _ D8 六、申請專利範園 ^ ^ 塗層中之芙為經摻雜之芙。 10·如申請專利範圍第1項之塗覆方法，其中該含芙塗層之 澱積方法為化學汽相澱積、電漿噴塗、昇華、雷射汽相 化、錢射、賤射殿積、離子束塗敷、噴塗、浸入塗敷、 蒸發塗敷、滾動塗敷或刷塗。 11 ·如申請專利範圍第1項之塗覆方法，其中有一個或多個 額外之含芙或中間塗層施加至該組件上。 12. —種半導體加工設備之組件，含有： (a) —表面； (b) —個在該表面上之選擇性第一中間塗層； (c) 一個在該第一中間塗層或該表面上之選擇性第二 中間塗層；及 (d) 在該組件上一含芙塗層形成一外部抗蝕表面。 13. 如申請專利範圍第12項之組件，其中該表面⑷為一金 屬、陶瓷或聚合物表面。 14. 如申請專利範圍第12項之組件，其中該第一中間塗層並 非選擇性者。 15. 如申請專利範圍第14項之組件，其中該中間塗層為一金 屬、陶瓷或聚合物塗層。 16. 如申請專利範圍第12項之組件，其中該組件含有一電漿 蝕刻室之一室壁。 17·如申請專利範圍第π項之組件，其中出現於該含芙塗層 中之芙為C 6〇芙，C 7〇芙或二者之混合。 75215-940907.doc 〇. 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1247330 - C8 D8 六、申請專利範圍 18·如申請專利範圍第10項之組件，其中該含芙塗層之厚度 範圍從約0.001至約0.050吋。 19. 如申請專利範圍第12項之組件，其中出現於該含芙塗層 中之芙為經掺雜之芙。 20. 如申請專利範圍第12項之組件，其更含有一個或多個額 外之含芙或中間塗層。 21. 如申請專利範圍第12項之組件，其中之芙形成該含芙塗 層之一連續矩陣相位。 22. —種半導體加工設備之組件，其中該組件係由形成該組 件表面之含芙材料製成。 75215-940907.doc -3- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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