TWI659853B - 用於高溫應用的耐電漿腐蝕薄膜塗層 - Google Patents

Abstract

例如基座的物件包括主體表面上由第一保護層與第二保護層所塗覆之熱傳導半金屬的主體。第一保護層係熱傳導陶瓷。第二保護層覆蓋第一保護層且為可抵抗650℃溫度下之破裂的耐電漿陶瓷薄膜。

Description

用於高溫應用的耐電漿腐蝕薄膜塗層 【相關申請案】

此專利申請案依照專利法主張2014年4月25日申請之美國臨時申請案第61/984,691號之利益。

一般而言，本發明之實施例關於經常暴露於高溫與直接或遠端電漿環境的保護性腔室部件。

在半導體產業中，藉由多數個產生尺寸永遠減小之結構的製程處理來製造元件。某些製程處理(諸如，電漿蝕刻與電漿清潔製程)暴露基板至高速電漿流以蝕刻或清潔基板。電漿可為高度侵蝕性的並可侵蝕製程腔室與其他暴露至電漿的表面。因此，電漿噴塗保護塗層常用來保護製程腔室部件免於侵蝕。

某些製程處理在高溫(例如，超過400℃的溫度)下執行。傳統的電漿噴塗保護塗層可能不適合用於某些用於上述製程的腔室部件。

在示範實施例中，物件包括具有熱傳導半金屬的主體。物件更包括主體表面上的第一保護層，第一保護層為熱傳導陶瓷。物件更包括第一保護層上的第二保護 層，第二保護層包括可抵抗650℃溫度下之破裂的耐電漿陶瓷薄膜。

在另一示範實施例中，方法包括提供包括熱傳導半金屬主體的物件。方法更包括沉積第一保護層於熱傳導半金屬主體的表面上，第一保護層為熱傳導陶瓷。方法更包括執行離子輔助沉積以沉積第二保護層於第一保護層上，第二保護層包括可抵抗650℃溫度下之破裂的耐電漿陶瓷薄膜。

在另一示範實施例中，原子層沉積腔室的基座包括石墨主體。基座更包括石墨主體之表面上的第一保護層，第一保護層包括碳化矽。基座更包括第一保護層上的第二保護層，第二保護層包括可抵抗650℃溫度下之破裂的耐電漿陶瓷薄膜，其中第二保護層包括選自Er₃Al₅O₁₂、Y₃Al₅O₁₂與YF₃所構成之群組的陶瓷。

100‧‧‧製程腔室

105‧‧‧腔室主體

106‧‧‧內部空間

110‧‧‧噴頭

122、123、124‧‧‧噴嘴

125‧‧‧腔室排放裝置

130‧‧‧加熱元件

132‧‧‧底座

134、200‧‧‧基座

135、330‧‧‧第一保護層

136、308‧‧‧第二保護層

137‧‧‧排放埠

138、140、142、144、146‧‧‧氣體輸送管線

150‧‧‧遠端電漿源

152‧‧‧氣體面板

154‧‧‧閘閥

156‧‧‧節流閥

160‧‧‧泵浦

201、202、203、204、205、206、215‧‧‧凹部

208‧‧‧外環

210‧‧‧舉升銷孔

220‧‧‧孔

250‧‧‧耐電漿插座

300、400、500、750‧‧‧物件

305、405、505‧‧‧主體

406、506‧‧‧薄膜保護層堆疊

408、508‧‧‧第一層

410、510‧‧‧第二層

515‧‧‧第三層

518‧‧‧第四層

600‧‧‧製程

605、608、610、615、620、625、630‧‧‧文字塊

702‧‧‧沉積材料

703‧‧‧能量微粒

715‧‧‧薄膜保護層

752‧‧‧材料源

755‧‧‧能量微粒源

藉由隨附圖式中的圖來舉例(而非限制)來描述本發明，隨附圖示中的相似元件符號指向相似元件。應當注意指向此揭露中「一」或「一個」實施例的不同元件符號並非必然指向相同實施例，且上述元件符號意指至少一者。

第1圖描繪製程腔室之一個實施例的剖面圖。

第2A圖描繪用於原子層沉積(ALD)且一表面上具有薄膜保護塗層的基座。

第2B圖描繪用於原子層沉積腔室且具有耐電漿插座嵌入孔中之基座的放大橫剖面圖。

第3-5圖描繪一表面上具有保護層堆疊之示範物件的橫剖面側視圖。

第6圖描述形成一或多個保護層於物件上之製程的一個實施例。

第7A圖描繪適用於多種利用能量粒子之沉積技術(例如，離子輔助沉積(IAD))的沉積機制。

第7B圖描繪IAD沉積設備的示意圖。

第8圖描述根據本發明實施例形成之薄膜保護層的腐蝕速率。

本發明實施例提供具有薄膜保護層於物件的一或多個表面上的物件(例如，用於原子層沉積(ALD)腔室的腔室部件)。保護層可具有低於約50微米的厚度，且可提供電漿侵蝕抗性以保護物件。在晶圓處理過程中可將腔室部件暴露至高溫。舉例而言，可將腔室部件暴露至超過450℃的溫度。以上述方式形成能夠抵抗或有效免疫這些高溫下之破裂的薄膜保護層。薄膜保護層可為利用離子輔助沉積(IAD)沉積於加熱基板上的密集、共形薄膜。薄膜保護層可由Y₃Al₅O₁₂、Er₃Al₅O₁₂或YF₃所形成。薄膜保護層所提供的改良腐蝕抗性可改善物件的使用壽命，同時降低維持與製造成本。

第1圖是製程腔室100的剖面圖，製程腔室100具有一或多個根據本發明實施例以薄膜保護層塗覆之腔室部件。製程腔室100可為ALD製程腔室。在一個實施例中，製程腔室100利用遠端電漿單元以輸送氟自由基(F*)進入製程腔室100以進行腔室清潔。或者，本文所述之實施例可用於其他類型的製程腔室。

製程腔室100可用於高溫ALD製程。舉例而言，製程腔室100可被用於氮化鈦(TiN)的沉積。TiN沉積製程通常為執行在450℃或高於450℃之溫度下的ALD製程。另一示範高溫ALD製程是二氯矽烷(DCS)矽化鎢的沉積。DCS矽化鎢製程是藉由WF₆、DCS與SiH₄在約500-600℃溫度下之反應而加以執行。可藉由製程腔室100執行其他高溫ALD製程。

可包括薄膜保護層之腔室部件的實例包括基座134、腔室主體105、噴頭110等等。更詳細描述於下文之薄膜保護層可包括Y₃Al₅O₁₂(YAG)、Er₃Al₅O₁₂(EAG)與/或YF₃。在某些實施例中，薄膜保護層亦可包括其他陶瓷。此外，薄膜保護層可為保護層堆疊中的一個層。根據一個實施例所描述，基座134具有薄膜保護層(第二保護層136)。然而，應當理解其他腔室部件任何一者(例如，上列的那些)亦可包括薄膜保護層。

在一個實施例中，製程腔室100包括封圍內部空間106的腔室主體105與噴頭110。腔室主體105可由鋁、不銹鋼或其他適當材料所構成。腔室主體105通常包 括側壁與底部。噴頭110、側壁與/或底部的任何一者可包括薄膜保護層。

腔室排放裝置125與一或多個排放埠137可將廢氣排出腔室的內部空間106。排放埠137可連接至泵浦系統，泵浦系統包括一或多個泵浦160與節流閥156與/或閘閥154，用以排空並調節製程腔室100之內部空間106的壓力。

噴頭110可由腔室主體105的側壁所支撐。噴頭110(或蓋)可經開啟以允許進入製程腔室100的內部空間106，並可在關閉時提供密封件給製程腔室100。噴頭110可包括氣體分配板與一或多個噴嘴122、123、124。噴頭110可由鋁、不銹鋼或其他適當材料所製成。或者，在某些實施例中，噴頭110可由蓋與噴嘴所取代。

氣體面板152可透過一或多個氣體輸送管線138-146通過噴頭110提供製程與/或清潔氣體至內部空間106。可用於執行CVD操作以沉積層於基板上之製程氣體的實例包括NH₃、TiCl₄、四(二甲胺基)鈦(TDMAT)、WF₆、DCS、SiH₄等等，取決於即將沉積之層。遠端電漿源(RPS)150可在清潔過程中產生氟自由基(F*)，並可透過一或多個氣體輸送管線138-146輸送氟自由基。氣體輸送管線138-146、排放埠137與噴頭110可由圓蓋180所覆蓋，圓蓋180可為鋁或另一適當材料。

腔室部件，諸如腔室主體105的內壁、噴頭110、基座134等等，在處理過程中累積沉積之材料層。為 了減緩沉積性質的改變以及微粒污染，可利用遠端電漿清潔製程周期性地自腔室部件清潔上述沉積之層。可用來自腔室部件之表面清潔沉積之材料的清潔氣體實例包括含鹵素氣體(諸如，C₂F₆、SF₆、SiCl₄、HBr、NF₃、CF₄、CHF₃、CH₂F₃、F、NF₃、Cl₂、CCl₄、BCl₃與SiF₄等等)與其他氣體(諸如，O₂或N₂O)。載氣的實例包括N₂、He、Ar與其他對清潔氣體呈現惰性的氣體(例如，非反應性氣體)。在一個實施例中，NF₃與Ar被用來執行電漿清潔製程。

基座134配置於製程腔室100之內部空間106中且在噴頭110下方並由底座132所支撐。基座134在處理過程中固持一或多個基板。基座134設以在ALD處理過程中圍繞中心旋轉以便確保與一或多個基板相互作用之製程氣體的均勻分佈。上述均勻分佈改善沉積於一或多個基板上之層的厚度均勻性。

基座134設以在處理過程中被加熱並維持均勻熱遍佈整個基座134。因此，基座134可具有對熱衝擊具有高度抵抗性之熱傳導材料所構成的主體。在一個實施例中，主體是半金屬材料，例如石墨。基座134亦可具有由其他具有高熱衝擊抗性材料(例如，玻璃-碳)所構成的主體。

基座134具有多個凹部。每個凹部約等於被固持於凹部中之基板(例如，晶圓)的尺寸。在處理過程中，基板可被真空附著(夾持)至基座134。

在一個實施例中，基座134的主體具有第一保護層135於至少一表面上以及第一保護層135上方之第二保護層136。在一個實施例中，第一保護層是SiC，而第二保護層是Y₃Al₅O₁₂(YAG),Er₃Al₅O₁₂(EAG)或YF₃的一者。在另一個實施例中，基座134僅具有單一保護層，單一保護層是Y₃Al₅O₁₂(YAG)、Er₃Al₅O₁₂(EAG)或YF₃的一者。在其他實施例中，亦可應用額外的保護層。參照第2A-2B圖更詳細地圖示一個示範基座。

在一個實施例中，一或多個加熱元件130配置於基座134下方。一或多個熱遮罩亦可配置在加熱元件130附近以保護不應被加熱至高溫的部件。在一個實施例中，加熱元件130是電阻式或感應式加熱元件。在另一個實施例中，加熱元件是輻射加熱燈泡。在某些實施例中，加熱元件130可加熱基座134至高達700℃或更高的溫度。

第2A圖描繪用於ALD腔室的示範基座200。基座200具有薄膜保護塗層。在一個實施例中，薄膜保護塗層僅塗覆基座的上表面。或者，薄膜保護塗層塗覆基座的上表面與下表面。薄膜保護層亦可塗覆基座的側壁。基座200的目的在於支撐並均勻地同時加熱多個晶圓。可利用電阻式加熱元件或燈泡輻射地加熱基座200。在處理過程中，透過原子單層沉積(ALD)或其他CVD製程沿著被支撐之晶圓塗覆基座200。為了增加清潔間平均時間(MTBC)，應周期性地清潔基座200以避免塗層由於後續處理過程中發展的內部膜應力而剝落。可藉由熱或遠端電 漿製程任一者清潔基座200。在利用NF₃的遠端電漿清潔例子中，遠端地產生氟自由基(F*)並輸送進入製程區域以移除沉積膜。然而，高溫下的F*亦將腐蝕基座材料(例如，CVD的SiC與石墨)。因此，施加對所應用之化學物具有腐蝕抗性的保護塗層。保護塗層亦允許一段時間的「過度蝕刻」以確保移除沉積膜的整體。

在一個實施例中，基座200包括半金屬熱傳導底座，例如石墨。基座200可具有大到足以支撐多個基板(例如，多個晶圓)的類圓盤外形。在一個實施例中，基座的直徑超過1米。

基座200可包括一或多個凹部(亦稱為凹處)201-206，凹部各自可設以在處理過程中支撐晶圓或其他基板。在描繪實例中，基座200包括6個凹部201-206。然而，其他基座可具有更多或更少的凹部。

凹部201-206各自包括許多表面特徵。凹部201中之表面特徵的實例包括外環208、多個凸丘206以及凸丘206之間的溝槽或氣體通道。在某些實施例中，特徵的高度約為10-80微米。

在一個實施例中，基座200更包括熱傳導半金屬底座之一或多個表面上的CVD沉積之SiC或SiN層。凹部201-206與表面特徵(諸如，凸丘206與外環208)可透過基座200中鑽孔之孔洞流體耦接至熱傳送(或背側)氣體源(例如，He)。運作中，可在受控壓力下提供背側氣體進入氣體通道以輔助基座200與基板間的熱傳送。

可在沉積第一保護層之前在基座200之主體中形成凹部與表面特徵。或者，可在上方沉積第一保護層後在第一保護層中形成凹部與/或表面特徵。第二保護層可為與凹部及表面特徵共形的共形薄膜保護層。或者，可在第二保護層中形成表面特徵。因此，所有的表面特徵(諸如，凸丘206與外環208)存在於第二保護層之表面。在一個實施例中，第二保護層的厚度約5-50微米。在另一個實施例中，第二保護層的厚度小於20微米。在另一個實施例中，第二保護層的厚度高達1000微米。

基座200額外地包括舉升銷孔210。舉例而言，基座200可包括三個支撐舉升銷(例如，Al₂O₃舉升銷)的舉升銷孔。舉升銷能夠負載晶圓至基座200上並自基座200上卸載晶圓。基座200可包括凹部215，凹部215可用以夾住基座至旋轉軸。凹部215可包括孔220，孔220可被用來機械地固定基座200至旋轉軸。

第2B圖描繪具有耐電漿插座250插入孔之基座200的放大橫剖面圖。IAD與PVD為視線(line of sight)製程。因此，薄膜保護塗層可能並無塗覆基座中之孔(諸如，舉升銷孔210、孔220或氦氣孔)的內部。在一個實施例中，在基座中形成具有過大尺寸的初步孔。可分別地製造耐電漿插座(例如，耐電漿插座250)並插入過大尺寸孔中。耐電漿插座250可被按壓安裝(例如，機械地按壓)進入過大尺寸孔中。耐電漿插座250可由燒結耐電漿陶瓷材料塊所形成，諸如AlN、Y₂O₃、包括Y₄Al₂O₉與 Y₂O₃-ZrO₂之固體-溶液的陶瓷化合物或另一稀土氧化物。

耐電漿插座250本身可在耐電漿插座250中心處具有最終孔，其中最終孔具有期望的直徑。CVD沉積之層與/或薄膜保護層可僅塗覆基座，或塗覆基座與耐電漿插座250兩者。在一個實施例中，在插入耐電漿插座250之前沉積CVD沉積之層。接著可在插入耐電漿插座250之後沉積薄膜保護層。薄膜保護層可填滿與/或橋接插座250的外壁與插入插座250之最初孔之間的任何間隙。在某些實例中，薄膜保護層可能不夠厚而無法橋接插座與插入插座之最初孔之間的間隙。因此，可在插入插座後沉積CVD塗層以橋接任何間隙。接著可在CVD塗層上沉積薄膜保護層。

在一個實施例中，耐電漿插座的底部窄於耐電漿插座的頂部(如圖所示)。這可讓耐電漿插座被按壓安裝進入基座200的預定深度。

第3-5圖描繪由一或多個薄膜保護層覆蓋之物件(例如，腔室部件)的橫剖面側視圖。第3圖描繪物件300之一個實施例的橫剖面側視圖，物件300具有第一保護層330與第二保護層308。第一保護層可為SiC、SiN或另一陶瓷材料。可已經藉由CVD製程將第一保護層330沉積至主體305上。第一保護層可具有高達200微米的厚度。在一個實施例中，第一保護層約為5-100微米厚。

第二保護層308可為利用IAD施加至第一保護層330上的陶瓷薄膜保護層。可被用來沉積第二保護層308 的兩個示範IAD製程包括電子束IAD(EB-IAD)與離子束濺射IAD(IBS-IAD)。第二保護層308可作為頂塗層，並可作為耐腐蝕阻障層，並密封第一保護層330之暴露表面(例如，密封第一保護層330中的內在表面破裂與孔)。

IAD沉積之第二保護層308可具有相當低的膜應力(例如，相對於電漿噴塗或濺射所造成的膜應力)。IAD沉積之第二保護層308可額外地具有低於1%的孔隙率，且孔隙率在某些實施例低於約0.1%。因此，IAD沉積之保護層是密集結構，這具有應用於腔室部件上之執行優點。此外，可在沒有先粗糙化第一保護層330或執行其他耗時表面製備步驟的情況下沉積IAD沉積之第二保護層308。

可被用來形成第二保護層308之陶瓷實例包括Y₃Al₅O₁₂(YAG)、Er₃Al₅O₁₂(EAG)與YF₃。另一可被應用的示範陶瓷為Y₄Al₂O₉(YAM)。上示陶瓷的任一者可包括微量的其他材料，諸如ZrO₂、Al₂O₃、SiO₂、B₂O₃、Er₂O₃、Nd₂O₃、Nb₂O₅、CeO₂、Sm₂O₃、Yb₂O₃或其他氧化物。

物件300的主體305與/或第一保護層330可包括一或多個表面特徵。對於基座而言，表面特徵可包括凹部、凸丘、密封帶、氣體通道、氦氣孔等等。對於噴頭而言，表面特徵可包括數百或數千個氣體分配孔、圍繞氣體分配孔的凹陷(divot)或凸塊(bump)等等。其他腔室部件可具有其他的表面特徵。

第二保護層308可共形至主體305與第一保護層330的表面特徵。舉例而言，第二保護層308可維持第一保護層330之上表面的相對形狀(例如，流露第一保護層330中之特徵的形狀)。此外，第二保護層308可薄到足以不塞住主體305與/或第一保護層330中之孔。第二保護層可具有小於1000微米的厚度。在一個實施例中，第二保護層308的厚度小於約20微米。在進一步實施例中，第二保護層的厚度在約0.5微米至約7微米之間。

在替代實施例中，可省略第一保護層330。因此，可在主體305的一或多個表面上僅沉積單一Y₃Al₅O₁₂(YAG)、Er₃Al₅O₁₂(EAG)、YF₃或Y₄Al₂O₉(YAM)保護層。

表1顯示IAD沉積之YAM、YF₃、YAG與EAG的材料性質。如表所示，5微米(μm)的IAD沉積之YAM塗層具有695伏(V)的擊穿電壓。5μm的IAD沉積之YF₃塗層具有522V的擊穿電壓。5μm的IAD沉積之YAG塗層具有1080V的擊穿電壓。5μm的IAD沉積之EAG塗層具有900V的擊穿電壓。

1.6mm的氧化鋁上之YF₃的介電常數約為9.2，YAG薄膜的介電常數約為9.76，而EAG薄膜的介電常數約為9.54。1.6mm的氧化鋁上之YF₃薄膜的約為9E-4，YAG薄膜的損耗正切約為4E-4，而EAG薄膜的損耗正切約為4E-4。YAG薄膜的熱傳導率約為20.1W/m-K，而EAG薄膜的熱傳導率約為19.2W/m-K。

對於各個標示之陶瓷材料而言，薄膜保護層對氧化鋁基板的附著強度可高於27兆帕(MPa)。可藉由測量用於自基板分隔薄膜保護層的力量來測定附著強度。

密封性測量利用薄膜保護層可達成的密封能力。如表所示，利用YF₃可達成每秒約2.6E-9立方公分(cm³/s)的He滲漏率，利用YAG可達成約4.4E-10的He滲漏率，而利用EAG可達成約9.5E-10的He滲漏率。較低的He滲漏率代表改善的密封。示範薄膜保護層各自具有低於典型Al₂O₃的He滲漏率。

Y₃Al₅O₁₂、Y₄Al₂O₉、Er₃Al₅O₁₂與YF₃各自具有可抵抗電漿處理過程中磨損的硬度。如表所示，YF₃具有約3.411十億帕(GPa)的維氏(Vickers)硬度(5 Kgf)，YAG具有約8.5GPa的硬度，而EAG具有約9.057GPa的硬度。YAG的測量磨耗率約為每一射頻時0.28奈米(nm/RFhr)，而EAG的磨耗率約為0.176nm/RFhr。

值得注意的是在某些實施例中，Y₃Al₅O₁₂、Y₄Al₂O₉、Er₃A_l5O₁₂與YF₃可經修飾，以致上方飆示之材料性質與特性可變化高達30%。因此，應當理解這些材料性質所描述之數值為示範可達成之數值。本文所述之陶瓷薄膜保護層不應被解讀為受限於提供之數值。

第4圖描繪物件400之一個實施例的橫剖面側視圖，物件400具有薄膜保護層堆疊406沉積於物件400之主體405上。在替代實施例中，薄膜保護層堆疊406可沉積於SiC或SiN的第一保護層上。

薄膜保護層堆疊406中的一或多個薄膜保護層(諸如，第一層408與/或第二層410)可為YAG、YAM、EAG或YF₃的一者。此外，該些保護層的某些可包括Er₂O₃、Gd₂O₃、Gd₃Al₅O₁₂或包括Y₄Al₂O₉與Y₂O₃-ZrO₂之固體-溶液(solid-solution)的陶瓷化合物。在一個實施例中，相同的陶瓷材料未用於兩個相鄰的薄膜保護層。然而，在另一個實施例中，相鄰層可由相同的陶瓷所構成。

第5圖描繪物件500之另一個實施例的橫剖面側視圖，物件500具有薄膜保護層堆疊506沉積於物件500之主體505上。或者，薄膜保護層堆疊506可沉積於SiC或 SiN層上。物件500相似於物件400，除了薄膜保護層堆疊506具有四個薄膜保護層508、510、515、518以外。

薄膜保護層堆疊(例如，所述的那些堆疊)可具有任何數目的薄膜保護層。堆疊中的薄膜保護層可均具有相同厚度，或者可具有不同的厚度。薄膜保護層各自可具有低於約50微米的厚度，厚度在某些實施例中低於約10微米。在一實例中，第一層408可具有3微米的厚度，而第二層410可具有3微米的厚度。在另一實例中，第一層508可為具有2微米厚度的YAG層，第二層510可為具有1微米厚度的化合物陶瓷層，第三層515可為具有1微米厚度的YAG層，而第四層518可為具有1微米厚度的化合物陶瓷層。

陶瓷層數目與陶瓷層所用之組合物的選擇可基於接受塗覆之物件的期望應用與/或類型而定。IAD形成之EAG、YAG與YF₃薄膜保護層通常具有非晶結構。相反地，IAD沉積之化合物陶瓷與Er₂O₃層通常具有結晶或奈米結晶結構。結晶與奈米結晶結構陶瓷層通常可比非晶陶瓷層更能抵抗腐蝕。然而，在某些實例中，具有結晶結構或奈米結晶結構的薄膜陶瓷層可能經歷偶發性垂直破裂(大約在膜厚度方向中且大致上垂直於塗覆表面進行的破裂)。上述垂直破裂可由晶格失配所引發，且可為電漿化學物的攻擊點。每次加熱與冷卻物件，薄膜保護層與薄膜保護層所塗覆之基板間之熱膨脹係數的失配便會造成薄膜保護層上的應力。上述應力會被集中在垂直破裂處。這會造 成薄膜保護層最終自薄膜保護層所塗覆之基板剝落。相反地，若沒有垂直破裂，那麼應力大約會均勻地分散整個薄膜上。

因此，在一個實施例中，薄膜保護層堆疊406中之第一層408為非晶陶瓷(諸如，YAG或EAG)，而薄膜保護層堆疊406中之第二層410為結晶或奈米結晶陶瓷(諸如，陶瓷化合物或Er₂O₃)。在上述實施例中，第二層410可提供相對於第一層408較大的電漿耐受性。藉由形成第二層410於第一層408上而非直接形成在主體405上(或SiC或SiN保護層上)，第一層408作為緩衝以最小化後續層的晶格失配。因此，可增加第二層410的壽命。

在另一個實例中，主體、Y₃Al₅O₁₂(YAG)、Y₄A_l2O₉、Er₂O₃、Gd₂O₃、Er₃Al₅O₁₂、Gd₃Al₅O₁₂、與包括Y₄Al₂O₉與Y₂O₃-ZrO₂之固體-溶液的陶瓷化合物各自可具有不同的熱膨脹係數。兩個相鄰材料間之熱膨脹係數的失配越大，這些材料中之一者最終破裂、剝離或以其他方式喪失與其他材料之鍵結的可能性便越大。可用上述方式形成保護層堆疊406、506以最小化相鄰層間(或層與主體405、505間)之熱膨脹係數的失配。舉例而言，主體505可為石墨，而EAG可具有最接近石墨之熱膨脹係數的熱膨脹係數，接著為YAG的熱膨脹係數，接著為化合物陶瓷的熱膨脹係數。因此，在一個實施例中，第一層508可為EAG，第二層510可為YAG，而第三層515可為化合物陶瓷。

在另一個實例中，保護層堆疊506中的層可為兩個不同陶瓷的交替層。舉例而言，第一層508與第三層515可為YAG，而第二層510與第四層518可為EAG或YF₃。上述交替層可提供相似於上文所提出的那些優點，實例中用於交替層中的一個材料為非晶而用於交替層中的另一材料為結晶或奈米結晶。

在另一個實例中，可在薄膜保護層堆疊406或506中的位置沉積具有可辨別之顏色的薄膜塗層。舉例而言，可在薄膜堆疊的底部沉積具有可辨別之顏色的薄膜塗層。舉例而言，具有可辨別之顏色的薄膜塗層可為Er₂O₃或SmO₂。當技術員看見可辨別之顏色時，可警覺到應當替換或刷新基座。

在某些實施例中，薄膜保護層堆疊406、506中的一或多個層為利用熱處理形成的過渡層。若主體405、505為陶瓷主體，那麼可執行高溫熱處理以促進薄膜保護層與主體間的相互擴散。此外，可執行熱處理以促進相鄰薄膜保護層間、或厚保護層與薄膜保護層間的相互擴散。值得注意的是過渡層可為非多孔層。過渡層可作為兩個陶瓷間的擴散鍵結，並可提供相鄰陶瓷間的改良附著力。這可有助於在電漿處理過程中避免保護層破裂、剝落或剝除。

熱處理可為在高達約1400-1600℃下持續高達約24小時週期(例如，在一個實施例中，3-6小時)的熱 處理。這可產生第一薄膜保護層與相鄰陶瓷主體、厚保護層或第二薄膜保護層的一或多者之間的相互擴散層。

第6圖描繪形成一或多個保護層於物件上之製程600的一個實施例。製程600的文字塊605處，提供基座。基座可用於ALD製程腔室。在一個實施例中，基座具有熱傳導半金屬主體(具有良好熱傳導率的半金屬主體)。在一個實施例中，熱傳導半金屬主體是石墨主體。或者，可提供非熱傳導基座。非熱傳導基座可具有碳-玻璃構成之主體。在其他實施例中，可提供基座以外的物件。舉例而言，可提供用於ALD製程腔室的鋁噴頭。

在一個實施例中，文字塊608處，將耐電漿陶瓷插座插入基座中之孔中。耐電漿陶瓷插座可被按壓安裝進入孔中。在替代實施例中，在文字塊610之後將耐電漿陶瓷插座插入基座中之孔中。在另一個實施例中，沒有耐電漿陶瓷插座被插入基座中之孔中。

文字塊610處，執行CVD製程以沉積第一保護層於所提供之基座上。在一個實施例中，第一保護層僅覆蓋基座的面對電漿表面。在另一個實施例中，第一保護層覆蓋基座的正面與背面。在另一個實施例中，第一保護層覆蓋基座的正面、背面與側邊。在一個實施例中，第一保護層是SiC。或者，第一保護層可為SiN或另一適當材料。第一保護層可具有高達約200微米的厚度。可將基座的表面特徵加工進入石墨中。在一個實施例中，在沉積之後研磨第一保護層。

文字塊615處，加熱基座至高於200℃的溫度。舉例而言，可將基座加熱至200-400℃的溫度。在一個實施例中，基座被加熱至300℃的溫度。

文字塊620處，在加熱基座時，執行IAD以沉積第二保護層於第一保護層的一或多個表面上。在一個實施例中，第二保護層僅覆蓋第一保護層的面對電漿表面。在另一個實施例中，第二保護層覆蓋基座之正面與背面上的第一保護層。在另一個實施例中，第二保護層覆蓋第一保護層的每個表面。在一個實施例中，在IAD沉積之前藉由離子槍將氧與/或氬離子引導至基座。氧與氬離子可燒掉第一保護層上的任何表面有機污染物並驅散任何殘餘微粒。

可執行的兩種IAD類型包括EB-IAD與IBS-IAD。可藉由蒸鍍來執行EB-IAD。可藉由濺射固體靶材材料來執行IBS-IAD。第二保護層可為Y₃Al₅O₁₂、Y₄Al₂O₉、Er₃Al₅O₁₂或YF₃。第二保護層可為非晶的並可抵抗450℃溫度下的破裂。在一個實施例中，在高達550℃的重覆熱循環後，保護層可能未經歷任何破裂。在進一步實施例中，第二保護層抵抗高達650℃溫度下的破裂。第二保護層可抵抗破裂，雖然第二保護層沉積於第一保護層與基座上，第一保護層與基座兩者具有與第二保護層不同的熱膨脹係數。

第二保護層的沉積速率每秒可約為1-8埃，並可藉由調整沉積參數而加以改變。在一個實施例中，沉積速 率為每秒1-2埃(A/s)。沉積速率亦可在沉積過程中改變。在一個實施例中，約0.25-1A/s的初始沉積速率被用來達成基板上的共形良好附著塗層。接著，2-10A/s的沉積速率被用來在較短且較具成本效益的塗層進行中達成較厚的塗層。

第二保護層可為非常共形、厚度均勻且良好附著至沉積之材料上的薄膜保護層。在一個實施例中，第二保護層的厚度低於1000微米。在進一步實施例中，第二保護層的厚度為5-50微米。在又進一步實施例中，第二保護層的厚度低於20微米。

文字塊625處，進行是否沉積任何額外保護層(例如，任何額外薄膜保護層)的決定。若即將沉積額外保護層，製程持續進行至文字塊630。文字塊630處，利用IAD在第二保護層上形成另一保護層。

在一個實施例中，另一保護層由不同於第二保護層之陶瓷的陶瓷所構成。在一個實施例中，另一保護層是Y₃Al₅O₁₂、Y₄Al₂O₉、Er₂O₃、Gd₂O₃、Er₃Al₅O₁₂、Gd₃Al₅O₁₂、YF₃或Y₄Al₂O₉與Y₂O₃-ZrO₂之固體-溶液的陶瓷化合物的一者。

在另一個實施例中，另一保護層由與第二保護層之陶瓷相同的陶瓷所構成。舉例而言，可在第二保護層形成之後將遮罩配置於基座上。此遮罩可具有開口，其中特徵(諸如凸丘與密封)將形成於基座上(例如，基座中之凹 部中)。接著可沉積額外保護層以形成這些特徵。在一個實施例中，特徵(例如，凸丘)的高度為10-20微米。

方法接著返回文字塊625。若文字塊625處無施加額外薄膜保護層，則製程終止。

第7A圖描繪適用於多種利用能量微粒之沉積技術(例如，離子輔助沉積(IAD))的沉積機制。示範性IAD方法包括併入離子轟擊的沉積製程，諸如在離子轟擊存在下的蒸鍍(諸如，活性反應蒸鍍(activated reactive evaporation,ARE)或EB-IAD)與濺射(例如，IBS-IAD)以形成本文所述之耐電漿塗層。可在反應性氣體物種(諸如，O₂、N₂、鹵素等等)存在下執行IAD方法的任一者。

如圖所示，藉由在能量微粒703(例如，離子)存在下累積沉積材料702來形成薄膜保護層715。沉積材料702包括原子、離子、自由基或上述之混合物。能量微粒703可碰撞並在薄膜保護層715形成時壓緊薄膜保護層715。

在一個實施例中，如先前描述於本文各處般利用IAD來形成薄膜保護層715。第7B圖描繪IAD沉積設備的示意圖。如圖所示，材料源752(亦稱為靶材主體)提供沉積材料702流量，同時能量微粒源755提供能量微粒703流量，兩者在IAD製程整個過程中碰撞物件750。能量微粒源755可為氧或其他離子源。能量微粒源755亦可提供其他類型的能量微粒，諸如惰性自由基、中子原子與來自微 粒產生源的奈米尺寸微粒(諸如，來自電漿、反應性氣體或來自提供沉積材料的材料源)。用於提供沉積材料702之材料源(例如，靶材主體)752可為陶瓷燒結塊，陶瓷燒結塊對應至即將構成薄膜保護層715的相同陶瓷。舉例而言，材料源可為陶瓷化合物燒結塊，或YAG、Er₂O₃、Gd₂O₃、Er₃Al₅O₁₂、YF₃或Gd₃Al₅O₁₂燒結塊。IAD可利用一或多個電漿或束來提供材料源與能量離子源。或者，材料源可為金屬。

亦可在耐電漿塗層的沉積過程中提供反應性物種。在一個實施例中，能量微粒703包括非反應性物種(例如，Ar)或反應性物種(例如，O)的至少一者。在進一步實施例中，在耐電漿塗層形成過程中，亦可導入反應性物種，諸如CO與鹵素(Cl、F、Br等等)，以進一步增加選擇性移除大部分虛弱地鍵結至薄膜保護層715之沉積材料的傾向。

以IAD製程可獨立於其他沉積參數藉由能量離子(或其他微粒)源755來控制能量微粒703。可調整能量離子通量的能量(例如，速率)、密度與入射角來控制薄膜保護層的組成、結構、結晶方向與晶粒尺寸。可調整的額外參數為沉積過程中物件的溫度以及沉積週期。

利用離子輔助能量來致密塗層並加速基板之表面上的材料沉積。可利用離子源的電壓與電流兩者來改變離子輔助能量。可調整電壓與電流以達成高與低塗層密度、操控塗層的應力以及塗層的結晶度。離子輔助能量的 範圍約為50-500V且約為1-50安培(A)。亦可利用離子輔助能量以故意地改變塗層的化學計量。舉例而言，可在沉積過程中應用金屬靶材並轉化成金屬氧化物。

可藉由利用加熱器來加熱沉積腔室與/或基板並藉由調整沉積速率來控制塗層溫度。沉積過程中之基板(物件)溫度可粗略地分成低溫(約為120-150℃，在一個實施例中為典型室溫)與高溫(在一個實施例中，約為270℃或更高)。在一個實施例中，使用約為300℃的沉積溫度。或者，可應用較高(例如，高達450℃)或較低(例如，低至室溫)的沉積溫度。可應用沉積溫度來調整膜應力、結晶度與其他塗層性質。

工作距離為電子束(或離子束)槍與基板之間的距離。可改變工作距離以達成具有最高均勻性的塗層。此外，工作距離可影響塗層的沉積速率與密度。

沉積角度為電子束(或離子束)與基板之間的角度。可藉由改變基板的位置與/或方向來改變沉積角度。藉由最佳化沉積角度，可達成三維幾何學的均勻塗層。

EB-IAD與IBS-IAD沉積適用於廣大範圍的表面條件。然而，研磨表面是較佳的，以達成均勻塗層覆蓋。在IAD沉積過程中可使用多種固定裝置來固持基板。

第8圖描繪根據本發明實施例形成之薄膜保護層的腐蝕速率。第8圖顯示薄膜保護層暴露至NF₃電漿化學物時的腐蝕速率。如圖所示，相較於SiC而言，IAD沉積之薄膜保護層顯示更加改良的腐蝕抗性。舉例而言，SiC 顯示每射頻小時超過2.5μm(μm/RFHr)的腐蝕速率。相反地，IAD沉積之EAG、YAG與YF₃薄膜保護層皆顯示低於0.2μm/RFHr的腐蝕速率。

前文描述提出多種特定細節(諸如，特定系統、部件、方法等等的實施例)以提供本發明多個實施例的良好理解。然而，本領域具有通常知識者可理解可在不具有這些特定細節的情況下執行本發明的至少某些實施例。在其他實例中，習知部件或方法並未詳細描述或存在於簡單的文字塊圖格式中以避免非必要地干擾本發明。因此，提出的特定細節僅為示範性的。特定的實施方式可有別於這些示範性細節，並仍然被視為位於本發明的範圍中。

本說明書通篇提及「一個實施例」或「一實施例」意指參照實施例描述之一特定特徵、結構或特性被包含於至少一個實施例中。因此，此說明書通篇不同地方出現詞句「在一個實施例中」或「在一實施例中」並非必然皆指向相同實施例。此外，詞彙「或」意圖表示包括性「或」而非排他性「或」。當本文使用詞彙「約」或「大致」時，這意圖表示所呈現的名義上數值準確地位在±30%之中。

雖然以特定順序來圖示與描述本文方法的操作，但各個方法之操作順序可經改變以致可在相反順序中執行某些操作或者至少一部分的某些操作可與其他操作共同執行。在另一個實施例中，獨特操作的指令或子操作可為間歇性與/或交替性方式。

可理解上方描述意圖為描述性，而非限制性。那些熟悉技術人士在閱讀與理解上方描述後可得知許多其他實施例。因此，本發明的範圍應參照隨附之申請專利範圍以及上述申請專利範圍給予之等效物的完整範圍而加以確定。

Claims (20)

1. 一種物件，包括：一主體，該主體包括一熱傳導半金屬；一第一保護層，該第一保護層位於該主體的一表面上，該第一保護層為一熱傳導陶瓷；及一第二保護層，該第二保護層位於該第一保護層上，該第二保護層包括一耐電漿陶瓷薄膜，該耐電漿陶瓷薄膜的厚度為約5-50微米且該耐電漿陶瓷薄膜的孔隙率低於約1%，其中該第二保護層抵抗650℃之溫度下的破裂。
2. 如請求項1所述之物件，其中該熱傳導半金屬包括石墨，該第一保護層包括碳化矽且該第一保護層的厚度為約5-100微米，而該第二保護層為一共形層，該共形層包括一選自Er₃Al₅O₁₂、Y₃Al₅O₁₂與YF₃所構成之群組的陶瓷。
3. 如請求項1所述之物件，其中該第一保護層包括碳化矽。
4. 如請求項1所述之物件，其中該物件為一用於一原子層沉積腔室的基座。
5. 如請求項4所述之物件，其中該第一保護層包括複數個凹部，該複數個凹部各自設以支撐一晶圓並具有複數個表面特徵，其中該第二保護層共形於該複數個凹部且共形於該複數個表面特徵。
6. 如請求項1所述之物件，其中該第二保護層包括一選自Er₃Al₅O₁₂、Y₃Al₅O₁₂與YF₃所構成之群組的陶瓷。
7. 如請求項1所述之物件，其中該第二保護層的厚度為5-50微米。
8. 如請求項1所述之物件，進一步包括：一保護層堆疊，該保護層堆疊位於該第一保護層上，該保護層堆疊包括至少該第二保護層與一覆蓋該第二保護層的第三保護層，其中該第三保護層的厚度低於約20微米且包括Y₃Al₅O₁₂、Y₄Al₂O₉、Er₂O₃、Gd₂O₃、Er₃Al₅O₁₂、Gd₃Al₅O₁₂或一包括Y₄Al₂O₉與一Y₂O₃-ZrO₂固體-溶液之陶瓷化合物的至少一者。
9. 如請求項1所述之物件，其中該第二保護層抵抗具有一氟基化學物之電漿的腐蝕。
10. 如請求項1所述之物件，進一步包括：複數個耐電漿插座，該複數個耐電漿插座位於該主體中之複數個孔中，其中該第二保護層覆蓋該複數個耐電漿插座。
11. 如請求項10所述之物件，其中該複數個耐電漿插座是由一燒結陶瓷所構成，該燒結陶瓷包括AlN、Y₂O₃或一包括Y₄Al₂O₉與一Y₂O₃-ZrO₂固體-溶液之陶瓷化合物的至少一者。
12. 一種方法，包括以下步驟：提供一物件，該物件包括一熱傳導半金屬主體；沉積一第一保護層於該熱傳導半金屬主體的一表面上，該第一保護層是一熱傳導陶瓷；及執行離子輔助沉積以沉積一第二保護層於該第一保護層上，該第二保護層包括一耐電漿陶瓷薄膜，該耐電漿陶瓷薄膜的厚度為約5-50微米且該耐電漿陶瓷薄膜的孔隙率低於約1%，其中該第二保護層抵抗650℃之溫度下的破裂。
13. 如請求項12所述之方法，進一步包括以下步驟：加熱該物件至一約200-400℃的溫度；及當該物件被加熱時，執行該離子輔助沉積。
14. 如請求項12所述之方法，其中沉積該第一保護層的步驟包括以下步驟：執行一化學氣相沉積製程。
15. 如請求項12所述之方法，其中該物件包括一用於一原子層沉積腔室的基座，該熱傳導半金屬主體包括石墨，該第一保護層包括碳化矽，而該第二保護層包括一選自Er₃Al₅O₁₂、Y₃Al₅O₁₂與YF₃所構成之群組的陶瓷。
16. 如請求項12所述之方法，其中該第二保護層的厚度為5-50微米。
17. 如請求項12所述之方法，進一步包括以下步驟：在執行該離子輔助沉積步驟之前，將複數個耐電漿插座插入該熱傳導半金屬主體中之複數個孔中。
18. 如請求項17所述之方法，其中該複數個耐電漿插座是由一燒結陶瓷所構成，該燒結陶瓷包括AlN、Y₂O₃或一包括Y₄Al₂O₉與一Y₂O₃-ZrO₂固體-溶液之陶瓷化合物的至少一者。
19. 如請求項12所述之方法，進一步包括以下步驟：在執行沉積該第一保護層的步驟之前，將複數個耐電漿插座插入該熱傳導半金屬主體中之複數個孔中。
20. 一種用於一原子層沉積腔室的基座，包括：一石墨主體；一第一保護層，該第一保護層位於該石墨主體的一表面上，該第一保護層包括碳化矽；及一第二保護層，該第二保護層位於該第一保護層上，該第二保護層包括一耐電漿陶瓷薄膜，該耐電漿陶瓷薄膜的厚度為約5-50微米且該耐電漿陶瓷薄膜的孔隙率低於約1%，其中該第二保護層抵抗650℃之溫度下的破裂，且其中該第二保護層包括一選自Er₃Al₅O₁₂、Y₃Al₅O₁₂與YF₃所構成之群組的陶瓷。