TWI807281B - 零部件、形成耐電漿塗層的方法和電漿反應裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係適用於半導體技術領域，揭露了一種用於電漿反應裝置中的零部件、零部件形成耐電漿塗層的方法和電漿反應裝置。一種用於電漿反應裝置中的零部件，電漿反應裝置包含反應腔，反應腔內為電漿環境，零部件暴露於電漿環境中，零部件包含：非氧化物基板；耐電漿塗層，耐電漿塗層塗覆於非氧化物基板表面，耐電漿塗層為稀土金屬化合物，耐電漿塗層和非氧化物基板之間透過飽和化學鍵過渡。本發明提供的零部件，在非氧化物基板與耐電漿塗層之間的界面透過飽和的化學鍵實現過渡，降低耐電漿塗層脫落的風險，提高耐電漿塗層的服役壽命。

Description

零部件、形成耐電漿塗層的方法和電漿反應裝置
本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種零部件、形成耐電漿塗層的方法和電漿反應裝置。
在典型的電漿蝕刻製程中，製程氣體(如CF4、O2等)在射頻(Radio Frequency，RF)激勵作用下形成電漿。這些電漿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。
然而，在電漿蝕刻製程過程中，物理轟擊及化學反應作用過程中會釋放出大量的熱，使得腔體不斷的升溫；另外在電漿蝕刻製程結束後由於冷機的冷卻作用，又會將這些熱量帶走，使得腔室的溫度下降。對於處在蝕刻腔體內的零部件而言，通常會塗覆一些耐電漿腐蝕的塗層(例如，Y2O3塗層)以保護零部件不被腐蝕。因此，塗覆在零部件上的耐電漿塗層處於一個不斷升溫、降溫的熱循環衝擊環境中。由於在服役過程中熱應力不斷積累，可能引起耐電漿塗層微裂紋產生、擴展、開裂、剝落等現象，引起耐電漿塗層保護功能失效，內部零部件被腐蝕等嚴重事故。距離晶圓較近的零部件，這種現象尤為嚴重。一方面，由於距離晶圓較近，受到的熱起伏和電漿的腐蝕作用更大；另一方面，為了避免額外的金屬污染，這些零部件一般由非氧化物材質製備，而耐電漿耐 腐蝕塗層與非氧化物零部件的結合力較弱，更容易造成耐電漿體塗層與非氧化物基板的脫落。
如何有效降低在非氧化物基板的表面耐電漿塗層的熱應力積累，避免微裂紋產生、擴展、開裂以及剝落等現象，對提升蝕刻腔體環境穩定性，提高零部件服役壽命，降低蝕刻腔體關鍵零部件的運營成本，將具有重要意義。
本發明的第一個目的在於提供一種零部件，其旨在解決耐電漿塗層容易從非氧化物基板上脫落的技術問題。
為達到上述目的，本發明提供的方案是：一種用於電漿反應裝置中的零部件，電漿反應裝置包含反應腔，反應腔內為電漿環境，零部件暴露於電漿環境中，零部件包含：非氧化物基板；耐電漿塗層，耐電漿塗層塗覆於非氧化物基板表面，耐電漿塗層為稀土金屬化合物，耐電漿塗層和非氧化物基板之間透過飽和化學鍵過渡。這樣，對非氧化物基板進行表面飽和處理，促進非氧化物基板和耐電漿塗層在界面的化學鍵過渡，提高耐電漿塗層與非氧化物基板的結合力，進而提高耐電漿塗層的耐熱衝擊能力，降低耐電漿塗層開裂甚至脫落的風險，提高耐電漿塗層的服役壽命。
較佳地，飽和化學鍵包含：Si-O鍵。這樣，非氧化物基板的表面大量的非飽和懸垂鍵Si-與O原子結合成Si-O鍵而達到飽和，促進非氧化物基板和 耐電漿塗層在界面的化學鍵過渡，提高耐電漿塗層與非氧化物基板的結合力，使得耐電漿塗層與非氧化物基板的結合力更強。
較佳地，稀土金屬化合物包含稀土金屬元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的一種或多種。這樣，根據實際電漿蝕刻製程中所選用的製程氣體，而相應的選擇稀土金屬元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的一種或多種。具體應用中，當製程氣體中F/O比例較高時，可以選用稀土金屬元素的氟化物作為耐電漿塗層的主要材料；當製程氣體中F/O比例較低時，可以選用稀土金屬元素的氧化物作為耐電漿塗層的主要材料。
較佳地，稀土金屬化合物中的稀土金屬元素包含：Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的一種或多種。這樣，由這些稀土元素的氧化物、氟化物或者氟氧化物中的一種或多種組成的耐電漿保護塗層，能夠形成緻密的膜層，從而可以很好的保護處在蝕刻腔體內的零部件，防止非氧化物基板被腐蝕。
較佳地，非氧化物基板的材料包含：矽、碳化矽或氮化矽中的一種或多種。具體的，矽材料具有單方向導電特性、熱敏特性、光電特性以及摻雜特性等優良性能，是全球應用廣泛的重要集成電路基礎材料。
本發明的第二個目的在於提供一種電漿處理裝置，包含：反應腔，其內為電漿環境；如上述的零部件，零部件暴露於電漿環境中。電漿處理裝置中的反應腔內為電漿環境，由於電漿具有較強的腐蝕性，為了防止非氧化物基板的表面被電漿腐蝕，需要在非氧化物基板的表面塗覆耐電漿塗層。
較佳地，電漿反應裝置為電感耦合電漿反應裝置，零部件包含：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 蓋環或基板固持框中的至少一種。具體的，非氧化物基板即指零部件本體，其表面需要塗覆耐電漿塗層以防止電漿的腐蝕。
較佳地，電漿反應裝置為電容耦合電漿反應裝置，零部件包含：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、覆蓋環或基板固持框中的至少一種。具體的，非氧化物基板的表面需要塗覆耐電漿塗層以防止電漿的腐蝕。
本發明的第三個目的在於提供一種上述的零部件形成耐電漿塗層的方法，包含：提供非氧化物基板；對非氧化物基板的表面進行飽和處理，在非氧化物基板表面形成飽和化學鍵；形成飽和化學鍵之後，在非氧化物基板的表面塗覆耐電漿塗層。這樣，採用這種方法塗覆的耐電漿塗層，在電漿蝕刻反應腔中受到升溫和降溫的循環熱衝擊時，由於在非氧化物基板和耐電漿塗層的界面之間形成了飽和的化學鍵過渡，從而增強了耐電漿塗層與非氧化物基板的結合強度，能夠有效地防止耐電漿塗層和非氧化物基板在界面處微裂紋的產生、擴展、脫落。
較佳地，飽和處理方法包含：高溫氧化、含氧電漿處理或含氧離子注入中的一種或多種。這樣，透過在非氧化物基板的表面引入大量的O原子，從而使得非氧化物基板的表面與耐電漿塗層之間飽和化學鍵的過渡，增加耐電漿塗層與非氧化物基板的結合力。
較佳地，含氧電漿處理中電漿包含：氧氣電漿或者臭氧電漿。這樣，飽和處理製程在所選用塗覆製程實施前採用含強氧化性電漿對非氧化物基板進行轟擊處理。
較佳地，塗覆方法為物理氣相沉積法、化學氣相沉積法或原子層沉積法中的一種或多種。具體的，這些塗覆方法均可在本發明的基礎上在非氧化物基板的表面形成耐電漿塗層，以避免零部件被電漿腐蝕。
本發明的效果：
本發明實施例提供的用於電漿反應裝置中的零部件中，耐電漿塗層塗覆於非氧化物基板表面，非氧化物基板表面大量的非飽和懸垂鍵與原子結合形成化學鍵而達到飽和，使得非氧化物基板和耐電漿塗層在界面附近形成穩定結構，並進行過渡，提高耐電漿塗層與非氧化物基板的結合力，進而提高耐電漿塗層的耐熱衝擊能力，降低耐電漿塗層開裂、脫落的風險，因此，有利於提高耐電漿塗層的服役壽命。
10:耐電漿塗層
20:矽基板
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:基板固持框
308:陶瓷蓋板
309:反應腔
100:耐電漿塗層
200:非氧化物基板
300:化學鍵
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的圖式作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的圖式僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域之具備通常知識者來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些圖式示出的結構獲得其他的圖式。
圖1是一種耐電漿塗層與矽基板的結構示意圖；圖2是本發明實施例提供的一種電漿反應裝置的結構示意圖；圖3是本發明實施例提供的零部件的結構示意圖；圖4是本發明實施例提供的零部件形成耐電漿塗層的製程流程圖。
如圖1所示，圖1為一種耐電漿塗層10與矽基板20的結構示意圖。一般而言，非氧化物基板由Si、SiC等材質形成。以矽基板20為例，在矽基板20的內部，4配位的Si原子形成飽和的配位結構，相互成鍵Si-Si，結合力較強。而在矽基板20的表面，周圍O原子配位不足，使得表面Si原子含有大量的Si-懸垂鍵(不飽和鍵)。當在表面含有大量不飽和鍵的矽基板20表面進行耐電漿塗層10(例如，Y2O3塗層)的塗覆時，由於Si與Y2O3的晶格常數不匹配(Si的晶格常數5.428Å，Y2O3的晶格常數10.604Å)，這些Si-不飽和鍵只有少部分能與Y2O3成鍵，因此在矽基板20與Y2O3塗層之間的界面仍然存在大量的不飽和鍵。採用這種方式塗覆的Y2O3塗層在蝕刻腔體中受到升溫、降溫的循環熱衝擊時，這些不飽和鍵會很容易在Y2O3塗層和矽基板20的界面處斷裂，形成微裂紋，並沿著晶界進一步擴展，發生耐電漿塗層10的脫落現象。
為了解決上述技術問題，本發明提供一種零部件、零部件形成耐電漿塗層的方法和電漿反應裝置。具體的，一種用於電漿反應裝置中的零部件，電漿反應裝置包含反應腔，反應腔內為電漿環境，零部件暴露於電漿環境中，零部件包含：非氧化物基板；耐電漿塗層，耐電漿塗層塗覆於非氧化物基板表面，耐電漿塗層為稀土金屬化合物，耐電漿塗層和非氧化物基板之間透過飽和化學鍵過渡。
本發明提供的零部件在耐電漿塗層塗覆過程前，對非氧化物基板進行表面飽和處理，促進非氧化物基板和耐電漿塗層在界面之間的化學鍵過渡，提高耐電漿塗層與非氧化物基板的結合力，進而提高耐電漿塗層的耐熱衝擊能能力，降低耐電漿塗層開裂、脫落的風險，提高耐電漿塗層的服役壽命。
下面將結合本發明實施例中的圖式，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，本領域之具備通常知識者 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(如圖式所示)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含至少一個該特徵。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之具備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2是本發明一種電漿反應裝置的結構示意圖。
請參考圖2，電漿反應裝置包含：反應腔309，反應腔309內為電漿環境；零部件，暴露於電漿環境中。
電漿反應裝置還包含：基座，基座用於承載待處理基片W，電漿用於對待處理基片W進行處理。由於電漿具有較強的腐蝕性，為了防止零部件本體的表面被電漿腐蝕，因此需要在零部件本體的表面塗覆耐電漿塗層100。
在本實施例中，電漿反應裝置為電感耦合電漿反應裝置，相應的，暴露於電漿環境中的零部件包含：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、基板固持框307、陶瓷蓋板308或氣體連接法蘭(圖未示)。這些零部件的表面需要塗覆耐電漿塗層100以防止電漿的腐蝕。
具體應用中，電漿反應裝置也可以為電容耦合電漿反應裝置，相應的，暴露於電漿環境中的零部件包含：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、覆蓋環或基板固持框中的至少一種。這些零部件的表面需要塗覆耐電漿塗層100以防止電漿的腐蝕。
以下對零部件進行詳細說明，圖3是本發明實施例提供的零部件的結構示意圖。
請參考圖3，一種用於電漿反應裝置中的零部件，電漿反應裝置包含反應腔，反應腔內為電漿環境，零部件暴露於電漿環境中，零部件包含：非氧化物基板200；耐電漿塗層100，耐電漿塗層100塗覆於非氧化物基板200表面，耐電漿塗層100為稀土金屬化合物，耐電漿塗層100和非氧化物基板200之間透過飽和化學鍵300過渡。
在一實施例中，飽和化學鍵300包含：Si-O鍵。這樣，非氧化物基板200的表面大量的非飽和懸垂鍵Si-與O原子結合成Si-O鍵而達到飽和，促進非氧化物基板200和耐電漿塗層在界面的化學鍵300過渡，提高耐電漿塗層100與非氧化物基板200的結合力，使得耐電漿塗層100與非氧化物基板200的結合更穩定。具體的，為了避免其他金屬元素對電漿蝕刻製程的污染，零部件中的結構材料主要選用包含Si、SiC、SiO2、Al2O3中的一種或多種。對於非氧化物基板200而言，形成Si-O鍵是實現化學穩定而不會引入其他污染的方法。
在一實施例中，稀土金屬化合物包含稀土元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的一種或多種。根據實際的電漿蝕刻製程中所選用的製程氣體， 而選擇稀土元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的一種或多種。具體應用中，當製程氣體中F/O比例較高時，可以選用稀土元素的氟化物作為耐電漿塗層100的主要材料。當製程氣體中F/O比例較低時，可以選用稀土元素的氧化物作為耐電漿塗層100的主要材料。
在一實施例中，稀土金屬化合物中的稀土金屬元素包含：Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的一種或多種。稀土元素可以使滲鍍層或塗層組織細化且緻密，這是它改善改性層力學性能和抗氧化耐腐蝕性的重要原因之一。由上述稀土元素的氧化物、氟化物或者氟氧化物組成的耐電漿保護塗層，能夠形成緻密的膜層，從而可以很好的保護處在蝕刻腔體內的零部件。
在一實施例中，非氧化物基板200的材料包含：矽、碳化矽或氮化矽中的一種或多種。矽材料具有單方向導電特性、熱敏特性、光電特性以及摻雜特性等優良性能，是全球應用廣泛的重要集成電路基礎材料。
圖4是本發明實施例提供的零部件形成耐電漿塗層的製程流程圖。
請參考圖4，零部件形成耐電漿塗層的方法，包含：提供非氧化物基板；對非氧化物基板的表面進行飽和處理，在非氧化物基板表面形成飽和化學鍵；形成飽和化學鍵之後，在非氧化物基板的表面塗覆耐電漿塗層。這樣，在非氧化物基板的表面引入大量原子，從而使得非氧化物基板的表面形成大量飽和的化學鍵，進而在非氧化物基板的表面塗覆耐電漿塗層，實現非氧化物基板與耐電漿塗層在界面附近穩定結構過渡，增加界面之間的結合力。採用這種方法塗覆的耐電漿塗層，在電漿蝕刻反應腔中受到升溫和降溫的循環熱衝擊時，由於在非氧化物基板和耐電漿塗層的界面之間形成了飽和的化學鍵過渡， 從而增強了耐電漿塗層與非氧化物基板的結合強度，能夠有效地防止耐電漿塗層和非氧化物基板在界面處微裂紋的產生、擴展、脫落。
具體的，在對非氧化物基板進行表面飽和處理以及耐電漿塗層塗覆製程時，在表面飽和處理後立即進行耐電漿塗層的塗覆。這樣，可以避免其他雜質(例如C、H2O分子等)對飽和處理後的非氧化物基板表面進行吸附引入的污染，從而影響耐電漿塗層的塗覆效果。
在一實施例中，飽和處理方法包含：高溫氧化、含氧電漿處理或含氧離子注入中的一種或多種。對非氧化物基板進行高溫氧化，在非氧化物基板表面引入大量的O原子，形成飽和的化學鍵，保護非氧化物基板不被電漿侵蝕。含氧電漿處理是在含氧原子的電漿中作用於非氧化物基板。利用電漿在與非氧化物基板表面的撞擊時會將電漿的能量傳遞給非氧化物基板表面的分子和原子，從而對非氧化物基板的表面引入大量O原子，以形成飽和化學鍵，保護非氧化物基板不被電漿侵蝕。離子注入可以保證在很大的面積上具有很高的摻雜均勻性，且非氧化物基板的表面與引入的大量O原子的結合是極其緊密的。
在一實施例中，含氧電漿處理中電漿包含：氧氣電漿或者臭氧電漿。飽和處理製程在所選用塗覆製程實施前採用含強氧化性電漿對非氧化物基板進行轟擊處理。具體應用中，由於O3具有強氧化性，更容易與表面的懸垂鍵的Si-結合成鍵，在含氧電漿處理，選用臭氧電漿對非氧化物基板進行處理。實際應用中，在含氧電漿處理，也可以選用氧氣電漿對非氧化物基板進行處理。
在一實施例中，塗覆方法為物理氣相沉積法、化學氣相沉積法或原子層沉積法中的一種或多種。這些塗覆方法均可在本發明的基礎上在零部件形成耐電漿塗層，以避免零部件被電漿腐蝕。
物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition，簡稱PVD)是用物理的方法(如蒸發、濺射等)使鍍膜材料氣化，在零部件表面沉積成膜的方法。PVD 製程過程簡單，對環境改善，無污染，耗材少，成膜均勻緻密，與零部件表面的結合力強。
原子層沉積法(Atomic Layer Deposition，簡稱ALD)可以沉積的材料包含：氧化物、氮化物、氟化物等，且其沉積參數是高度可控型(厚度、成份和結構)，利於控制在非氧化物基板200表面的飽和化學鍵過渡。
化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD)是利用化學反應由氣相生長固體物質的方法。通常CVD要利用高溫或其它激活方法，依靠化學反應制取所需要的膜層。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是在本發明的發明構思下，利用本發明說明書及圖式內容所作的等效結構變換，或直接/間接運用在其他相關的技術領域均包含在本發明的專利保護範圍內。
10:耐電漿塗層
20:矽基板

Claims (11)

  1. 一種用於電漿反應裝置中的零部件，該電漿反應裝置包含一反應腔，該反應腔內為一電漿環境，該零部件暴露於該電漿環境中，其中該零部件包含：一含矽非氧化物基板；以及一耐電漿塗層，該耐電漿塗層塗覆於該含矽非氧化物基板的表面，該耐電漿塗層為稀土金屬化合物，該耐電漿塗層和該含矽非氧化物基板之間透過飽和化學鍵過渡；其中，該飽和化學鍵包含：一Si-O鍵；該Si-O鍵為氧原子與該含矽非氧化物基板的非飽和懸垂鍵結合而成的飽和化學鍵，該含矽非氧化物基板表面大量非飽和懸垂鍵與氧原子結合形成大量的飽和化學鍵。
  2. 如請求項1所述之用於電漿反應裝置中的零部件，其中，該稀土金屬化合物包含稀土金屬元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的一種或多種。
  3. 如請求項1所述之用於電漿反應裝置中的零部件，其中，該稀土金屬化合物中的稀土金屬元素包含：Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的一種或多種。
  4. 如請求項1所述之用於電漿反應裝置中的零部件，其中，該含矽非氧化物基板的材料包含：矽、碳化矽或氮化矽中的一種或多種。
  5. 一種電漿處理裝置，其包含： 一反應腔，其內為一電漿環境；以及如請求項1至請求項4中的任一項所述之用於電漿反應裝置中的零部件，該零部件暴露於該電漿環境中。
  6. 如請求項5所述之電漿反應裝置，其中，該電漿反應裝置為電感耦合電漿反應裝置，該零部件包含：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、覆蓋環或基板固持框中的至少一種。
  7. 如請求項5所述之電漿反應裝置，其中，該電漿反應裝置為一電容耦合電漿反應裝置，該零部件包含：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、覆蓋環或基板固持框中的至少一種。
  8. 一種在如請求項1至請求項4中的任一項所述之零部件上形成耐電漿塗層的方法，其包含：提供一含矽非氧化物基板；對該含矽非氧化物基板的表面進行飽和處理，在該含矽非氧化物基板表面形成飽和化學鍵；以及形成該飽和化學鍵之後，在該含矽非氧化物基板的表面塗覆該耐電漿塗層。
  9. 如請求項8所述之在零部件形成耐電漿塗層的方法，其中，該飽和處理方法包含：高溫氧化、含氧電漿處理或含氧離子注入中的一種或多種。
  10. 如請求項9所述之在零部件形成耐電漿塗層的方法，其中，該含氧電漿處理中電漿包含：氧氣電漿或者臭氧電漿。
  11. 如請求項8所述之在零部件形成耐電漿塗層的方法，其中，該塗覆方法為物理氣相沉積法、化學氣相沉積法或原子層沉積法中的一種或多種。
TW110110061A 2020-05-20 2021-03-19 零部件、形成耐電漿塗層的方法和電漿反應裝置 TWI807281B (zh)

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