TWI441235B - 用以連結腔室組件的自我鈍化抗電漿材料 - Google Patents
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Description
本發明主要涉及半導體處理腔室，更具體地，涉及一種適用於連接半導體腔室部件的黏接材料。
半導體處理包含多個不同的化學和物理製程，藉著該些製程在基材上形成微小的積體電路。可利用化學氣相沈積、物理氣相沈積、磊晶生長等製程來形成構成積體電路的材料層。一些材料層使用光阻罩幕和濕式或乾式刻蝕技術來加以圖案化。用於形成積體電路的基材可為矽(silicon)、砷化鎵(gallium arsenide)、磷化銦(indium phosphide)、玻璃或任何其他適宜材料。
典型的半導體處理腔室可具有多個部件。一些部件包括用來定義出處理區的腔室主體、適於將來自氣源的製程氣體提供給處理區的氣體分配組件、例如電漿發生器等用於激發處理區內之製程氣體的氣體激發器、基材支撐組件和排氣部件。一些部件可由具有多部件的組件所構成。例如，基材支撐組件可包括一黏著連接至陶瓷夾盤的導電基座，而氣體分配組件可包括一連接至一導電基座的陶瓷氣體分配板。有效連接部件需要適合的黏合劑和專門的黏接技術以確保部件彼此牢固黏接，同時在熱膨脹中補償任何不當接合並且不會產生任何有害的介面缺陷。
許多用於製造積體電路的半導體製程使用鹵素、含鹵素氣體和/或電漿。例如，可激發一鹵素或含鹵素氣體以蝕刻、去除或沈積膜層於基材表面上。激發(energized)的鹵素或含鹵素氣體一般為高腐蝕性並且具有會攻擊腔室部件暴露部分的活潑離子(aggressive ions)。另外地，運動的激發離子和游離基物種會轟擊暴露部分，從而侵蝕腔室部件。
因暴露於電漿中所引起的腔室部件腐蝕和逐漸劣化作用可能在相黏的部件之間產生間隙和/或開口。隨著各部件之間的間隙逐漸變寬，製程腔室中產生的電漿可能進入間隙中並攻擊用於組成該部件的零件。特別是，用於連接部件之各個零件的傳統黏接材料特別易受破壞和侵蝕，因而劣化該介面連接處，產生介面孔洞和表面缺陷。腐蝕或喪失黏接材料可能加速零件解體並減少腔室部件的壽命。另外，已腐蝕的黏接材料薄片，以及腔室部件的已腐蝕零件可能成為基材處理期間的顆粒污染源。因此，需要提高用於組裝腔室部件之黏接材料的耐腐蝕性，以增加腔室部件的工作壽命，減少腔室停工時間，降低維修頻率並改善基材產量。
因此，需要一種用來組裝半導體處理腔室之零件和/或部件的牢固黏接材料。
本發明的實施例提供適用於連接半導體處理腔室的牢固黏接材料。其他實施例提供使用在黏合層中具有金屬填充物之黏接材料來連接的半導體處理腔室部件。其他實施例包括用於製造包括在黏接層中具有金屬填充物之黏接材料的半導體處理腔室部件的方法。該金屬填充物適合與含鹵素電漿反應，使得當部件暴露於電漿中時，會在黏接材料的暴露部分上形成鹵化金屬層(halogen based metal layer)。
在一實施例中，適合用於連接半導體腔室部件的黏接材料包括一具有金屬填充物的黏合材料。金屬填充物為鋁(Al)、鎂(Mg)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、釔(Y)和鋯(Zr)中至少其中一者。
在另一實施例中，半導體腔室部件包括一第一表面，該第一表面藉由一黏接材料連接至相鄰一第二表面。該黏接材料在第一表面和第二表面之間具有保持暴露的部分。黏接材料包括一具有金屬填充物的黏合材料。金屬填充物為鋁(Al)、鎂(Mg)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、釔(Y)和鋯(Zr)中至少其中一者。
在又一實施例中，黏接半導體處理腔室部件包括在第一部件的表面上施用一黏接材料，其中該黏接材料包括與一黏合材料混合的金屬填充物，藉由與黏接材料接觸而將第二部件耦接至第一部件的該表面，並且在第一和第二部件之間的暴露黏接材料表面上形成鹵化金屬層。
本發明的實施例提供一種用於連接半導體處理腔室中之零件的牢固黏接材料，使用本發明黏接材料來連接的處理腔室部件及其製造方法。在一實施例中，牢固黏接材料為耐電漿腐蝕的材料，其適合用於黏接半導體處理腔室中之氣體分配組件或基材支撐組件中的零件。黏接材料為具有金屬填充物的黏合材料，並當其暴露於含鹵素電漿中時可形成自我鈍化層(self-passivating layer)。
第1圖為半導體處理腔室實施例100的截面圖，其具有至少一個使用根據本發明之黏接材料的部件。適合的處理腔室100的一實施例可為CENTURAHARTTM刻蝕系統，其可購自美國加州聖克拉拉市的應用材料公司。其他處理系統亦可能受益於在此公開的一或多個本發明技術。
處理腔室100包括用來包圍內部容積106的腔室主體102和蓋104。腔室主體102典型由鋁、不銹鋼或其他適合材料製造。腔室主體102一般包括多個側壁108和底部110。基材進出口(未示出)通常定義在一側壁108中以及藉由一狹口閥(slit valve)選擇性密封，以便於基材進出處理腔室100。一外部襯裏116可塗覆在腔室主體102的側壁108上。外部襯裏116可由耐電漿或耐含鹵素氣體腐蝕的材料所製造或塗覆。在一實施例中，外部襯裏116由氧化鋁製成。在另一實施例中，外部襯裏116由釔、釔合金或其氧化物製造。在又一實施例中，外部襯裏由三氧化二釔塊(bulk Y2
O3
)所製成。
一出口126定義在腔室主體102中並將內部容積106耦接至泵浦系統128。泵浦系統128一般包括一個或多個泵浦和節流閥，用於抽空並調節處理腔室100的內部容積106的壓力。在一實施例中，泵浦系統128保持內部容積106內的壓力典型介在約10毫托(mTorr)到約20托(Torr)之間的操作壓力。
蓋104密封地支撐在腔室102的側壁108上。蓋104可打開以允許進出處理腔室100的內部容積106。蓋104包括便於光學製程監控的窗142。在一實施例中，窗142由石英或光學監控系統140所使用之信號可透過的其他適宜材料所構成。可受益於本發明的其中一種光學監控系統為EyeD＠
全光譜干涉儀測量模組，其可購自美國加州聖克拉拉市的應用材料公司。
氣盤158耦接至處理腔室100，以向內部容積106提供製程氣體和/或清洗氣體。製程氣體的範例可包括含鹵素氣體，諸如六氟化二碳(C2
F6
)、六氟化硫(SF6
)、四氯化矽(SiCl4
)、溴化氫(HBr)、三氟化氮(NF3
)、四氟化碳(CF4
)、氯氣(Cl2
)、三氟甲烷(CHF3
)、四氟化碳(CF4
)和四氟化矽(SiF4
)等，以及諸如氧氣(O2
)或氧化亞氮(N2
O，俗稱笑氣)等其他氣體。載氣的範例包括氮(N2
)、氦(He)、氬(Ar)和對製程來說是惰性的其他氣體和不反應性氣體。在第1圖所示的實施例中，入口132’、132”設置在蓋104中，以允許氣體從氣盤158輸送至處理腔室100的內部容積106。
氣體分配組件130耦接至蓋104的內表面114。氣體分配組件130通常包括使用根據本發明之黏接材料122來黏接導電基座194(例如，電極)和氣體分配板196。在一實施例中，導電基座194可由鋁、不銹鋼或其他適合材料製成。氣體分配板196可由諸如碳化矽、釔塊或其氧化物等陶瓷材料所製成，以提供對含鹵素化合物的耐腐蝕性。可選地，氣體分配板196可使用釔或其氧化物加以塗覆以延長氣體分配組件130的壽命。
黏接材料122可應用於導電基座194的下表面或氣體分配板196的上表面，以將氣體分配板196機械性地黏接或焊接(blaze)在導電基座194上。在一實施例中，黏接材料122選擇耐電漿腐蝕材料，以防止在電漿處理期間受到腐蝕和/或損壞。黏接材料122提供足夠的結合能量以牢固地連接導電基座194和氣體分配板196。黏接材料122額外提供足夠的導熱性以提供足夠的拉伸順應性(compliance)，從而防止當電漿處理期間加熱時由於氣體分配板196和導電基座194之間的熱膨脹差異而導致分層。黏接材料122還可黏接用於組裝氣體分配組件130的其他零件和/或部件。
在一實施例中，黏接材料122可為添加有金屬填充物的導熱膏、膠、凝膠體或墊，以提高耐電漿腐蝕性。黏接材料可以黏合環、黏合珠或其組合的形式應用於該界面。氣體分配板196可為在面朝基材144的下表面中具有多個孔134的平板。孔134允許氣體從入口132(表示為132’、132”)經過氣室(未示出)以預定分佈情形進入處理腔室100的內部容積106中，而佈滿腔室100中待處理的基材144之表面上。
氣體分配組件130可包括一透明區或通道138，其適合於允許光學監控系統140觀察內部容積106和/或放置基材支撐組件148上的基材144。通道138包括一個用以防止氣體從通道138洩出的窗142。
基材支撐組件148設置在處理腔室100的內部容積106中且位於氣體分配組件130下方。基材支撐組件148在處理期間可固持住基材144。基材支撐組件148通常包括多個升降杆(未示出)，該等升降杆貫穿該基材支撐組件148以將基材144從支撐組件148上升起，並且便於以傳統方式用機械手臂(未示出)交換基材144。內部襯裏118可塗覆在基材支撐組件148的週邊。內部襯裏118可為對含鹵素氣體具有耐腐蝕性的材料，其實質上類似於外部襯裏116的材料。在一實施例中，內部襯裏118可使用與外部襯裏116相同的材料製造。
在一實施例中，基材支撐組件148包括一安裝板(mounting plate)162、基座164和靜電夾盤166。安裝板162耦接至腔室主體102的底部110，並包括用於將諸如流體管線、電線和感應器引線(sensor leads)等設備連接至基座164和夾盤166的通道。
基座164或夾盤166至少其中一者可包括至少一個選用性的嵌入式加熱器176、至少一個選用性的嵌入式隔離體(isolator)174和多個管道168、170以控制支撐組件148的側向溫度輪廓(profile)。管道168、170流體連通地耦接至流體源172，該等管道係用以循環流動一溫度控制流體。利用電源178來調節加熱器176。管道168、170和加熱器176用於控制基座164的溫度，從而加熱和/或冷卻靜電夾盤166。可利用多個溫度感測器190、192監控靜電夾盤166和基座164的溫度。靜電夾盤166可進一步包括多個氣體通道(未示出)，諸如凹槽，其形成在夾盤166的基材支撐表面中並流體連通地耦接至諸如氦(He)等傳熱(或背側)氣體源。在操作中，以受控制的壓力將背側氣體提供至氣體通道中以改善靜電夾盤166和基材144之間的傳熱。
靜電夾盤166包括使用至少一個夾持電極180，並且使用夾盤電源182來控制該夾持電極180。電極180(或設置在夾盤166或基座164中的其他電極)可進一步透過匹配電路188而耦合至一個或多個RF電源184、186，用於維持處理腔室100內由製程氣體和/或其他氣體形成的電漿。電源184、186一般能產生從約50kHz到約3GHz頻率和高達約10,000瓦(W)功率的RF信號。
基座164藉由黏接材料136黏著在靜電夾盤166上，該黏接材料實質上類似於用來黏接氣體分配組件130中之氣體分配板196和導電基座194的黏接材料122。如上所述，黏接材料136有助於靜電夾盤166和基座164之間的熱能交換，並補償二者之間的熱膨脹差異。在一示例性實施例中，黏接材料136將靜電夾盤166機械性地黏接到基座164上。黏接材料136還可用於黏接用來組成基材支撐組件148的其他零件和/或部件，諸如將基座164黏接至安裝板162上。
第2圖示出用於將第一表面202黏接至第二表面206的黏接材料204實施例之截面圖。表面202、206可定義在氣體分配組件130或基材支撐組件148上，或暴露於電漿中的其他腔室部件上。在一實施例中，黏接材料204可為用於將氣體分配組件中將氣體分配板196黏接到導電基座194的黏接材料122，如第1圖所示。在另一實施例中，黏接材料204可為用於在基材支撐組件148中將基座166黏接到靜電夾盤166的黏接材料136。即，黏接材料204可為黏接材料122或136。黏接材料204可用於黏接用來組成半導體處理腔室部件(如處理腔室100)的其他零件。
黏接材料204可包括其內混合或添加有金屬填充物208的基底材料210。在一實施例中，基底材料210可為以凝膠狀、膠狀、墊狀或膏狀形式的黏合材料。適合的黏合材料的一些範例包括，但不限於，丙烯酸系化合物(acrylic based compounds)和矽化合物(silicone based compounds)。在另一實施例中，適合的範例可包括丙烯酸(acrylic)、氨基甲酸酯(urethane)、聚酯(polyester)、聚已內醯胺(polycaprolactone，PCL)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、PEVA、PBMA、PHEMA、PEVAc、PVAc、聚N-乙烯基吡咯烷酮(Poly N-Vinyl pyrrolidone)、聚(乙烯-乙烯醇)(Poly(ethylene-vinyl alcohol))、環氧化物、樹脂、聚氨酯(polyurethane)、塑膠或其他聚合物黏合材料。金屬填充物208可利用離心或其他適合方式與基材210混合。
金屬填充物208可具有利於在基材210中懸浮的尺寸。在一實施例中，金屬填充物可具有介於約0.2微米(μm)至2.5微米範圍之間的平均直徑或投影面積。選擇金屬填充物208與基材210的混合比例，以使黏接材料204具有良好的導熱性。金屬填充物208與基底材料210的比例可介於約1：20至約1：1之間，例如，介在約1：10至約1：2.5重量百分比之間。
金屬填充物208可為均勻地或隨機地分佈在基材210中的顆粒、粉末或薄片。金屬填充物208可包括鋁(Al)、鎂(Mg)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釔(Y)和鋯(Zr)中至少其中一者。混合在基底材料(base material)210中的金屬填充物208具有高吉布斯自由能(Gibbs free energy)，因而能與形成電漿的含鹵素氣體反應，從而形成鹵化金屬層302，如第3圖所示，諸如MFx，其中M為鋁(Al)、鎂(Mg)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釔(Y)和鋯(Zr)，以及x為從1至5之範圍內的整數。鹵化金屬層302作為鈍化層(passivating layer)，防止處理期間電漿對黏接材料204的進一步攻擊，從而提高黏接材料204的表面耐腐蝕性，並延長腔室部件的工作壽命。鹵化金屬層302的形成為自我限制製程(selflimiting process)，如果其受到離子轟擊並暴露於含鹵素電漿中而損壞時，允許黏接材料204自鈍化成鹵化金屬層302。在金屬粉末為鋁(Al)以及含鹵素氣體為四氟化碳(CF4
)的實施例中，鹵化金屬層為三氟化鋁(AlF3
)層。
在一實施例中，黏接材料204的厚度足以允許第一基材202和第二基材206牢固地黏接。黏接材料204提供足夠的厚度，一旦其暴露於電漿中則在黏接材料204的表面上形成鹵化金屬層302。在一實施例中，黏接材料的厚度選擇在約50微米至約500微米之間，諸如約225微米至約350微米之間。在另一實施例中，用於組裝氣體分配板130中之零件的黏接材料厚度介在約50微米至約500微米之間，以及用於組裝基材支撐組件148中之零件的黏接材料厚度約50微米至400微米之間。在電漿處理期間，黏接材料204可產生厚度約0.2微米至約2微米之間的鹵化金屬層302。
因此，本發明提供一種牢固黏接材料，其可用於組裝半導體腔室的零件。該牢固黏接材料在暴露於含鹵素電漿中時，有利地提供自我鈍化層，從而防止下層黏接材料被侵蝕並延長黏接材料和/或腔室部件的壽命。
雖然前述內容涉及數個本發明實施例，但在不偏離本發明的基本範圍內，當可設計出本發明的其他和進一步實施例，並且本發明範圍由以下申請專利範圍限定。
100．．．半導體處理腔室
102．．．腔室主體
104．．．蓋
106．．．內部容積
108．．．側壁
114．．．內表面
116．．．外部襯裏
118．．．內部襯裏
122．．．黏接材料
126．．．出口
128．．．泵浦系統
130．．．氣體分配組件
132’、132”．．．入口
134．．．孔
136．．．黏接材料
138．．．通道
140．．．光學監控系統
142．．．窗
144．．．基材
148．．．基材支撐組件
158．．．氣盤
162．．．安裝板
164．．．基座
166．．．靜電夾盤
168．．．管道
170．．．管道
172．．．流體源
174．．．隔離體
176．．．加熱器
178．．．電源
184．．．RF電源
186．．．RF電源
188．．．匹配電路
190．．．溫度感測器
192．．．溫度感測器
194．．．導電基座
196．．．氣體分配板
202．．．第一表面
204．．．黏接材料
206．．．第二表面
208．．．金屬填充物
210．．．基材
302．．．鹵化金屬層
因此，為了詳細理解本發明上述特徵，將參照附圖中示出的實施例對以上簡要概述的本發明做更具體地描述。
第1圖示出使用根據本發明所做之黏接材料的處理腔室實施例截面圖；
第2圖示出利用根據本發明之黏接材料來黏接的基材實施例截面圖；
第3圖示出其上形成有一自我鈍化層的黏接材料截面圖。
然而，應該注意附圖僅示出了本發明的示例性實施例，因此不能視為本發明範圍的限制，本發明還具有其他等效實施例。
為了便於理解，在文中盡可能使用相同的圖式元件符號來表示附圖中共有的相同元件。無需進一步說明便可瞭解到，一實施例中的元件和特徵可以有利地結合到另一實施例中。
100．．．半導體處理腔室
102．．．腔室主體
104．．．蓋
106．．．內部容積
108．．．側壁
114．．．內表面
116．．．外部襯裏
118．．．內部襯裏
122．．．黏接材料
126．．．出口
128．．．泵浦系統
130．．．氣體分配組件
132’、132”．．．入口
134．．．孔
136．．．黏接材料
138．．．通道
140．．．光學監控系統
142．．．窗
144．．．基材
148．．．基材支撐組件
158．．．氣盤
162．．．安裝板
164．．．基座
166．．．靜電夾盤
168．．．管道
170．．．管道
172．．．流體源
174．．．隔離體
176．．．加熱器
178．．．電源
184．．．RF電源
186．．．RF電源
188．．．匹配電路
190．．．溫度感測器
192．．．溫度感測器
194．．．導電基座
196．．．氣體分配板
Claims (9)
- 一種半導體腔室部件，包括：相鄰設置的第一表面與第二表面；一黏接材料，其耦合該第一表面和該第二表面，其中位在該第一表面和該第二表面之間的一部份該黏接材料在一電漿製程期間保持暴露至電漿，其中該暴露的部份與從該電漿提供的一含鹵素氣體反應，且其中該黏接材料更包括：一黏合材料，其中該黏合材料係一丙烯酸系化合物；以及一金屬填充物，其添加至該黏合材料中，該金屬填充物為鎂(Mg)、鉭(Ta)和鋯(Zr)中至少其中一者。
- 如申請專利範圍第1項所述的腔室部件，其中與從該電漿提供的該含鹵素氣體反應的該暴露部分更包括：形成在該暴露部分上的鹵化金屬層(halogen based metal layer)。
- 如申請專利範圍第2項所述的腔室部件，其中該鹵化金屬層具有MFx 化學式，其中M選自於由鎂(Mg)、鉭(Ta)和鋯(Zr)所構成的群組中，以及x為從1至5範圍內的整數。
- 如申請專利範圍第1項所述的腔室部件，其中該黏合材料為膏形式、膠形式、凝膠物或墊形式。
- 如申請專利範圍第1項所述的腔室部件，更包括金屬填充物與黏合材料的比例介於約1：20至約1：1重量百分比之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的腔室部件，其中該第一表面為一氣體分配組件的一基座，以及該第二表面為一氣體分配板。
- 如申請專利範圍第1項所述的腔室部件，其中該第一表面為一基材支撐組件的一基座，以及該第二表面為一靜電夾盤。
- 如申請專利範圍第1項所述的腔室部件，其中該第一表面為陶瓷，以及該第二表面為金屬。
- 如申請專利範圍第1項所述的腔室部件，其中該黏接材料具有介於約50微米至約500微米之間的厚度。
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