CN113707526A - 零部件、形成耐等离子体涂层的方法和等离子体反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于半导体技术领域，公开了一种用于等离子体反应装置中的零部件、零部件形成耐等离子体涂层的方法和等离子体反应装置。一种用于等离子体反应装置中的零部件，等离子体反应装置包括反应腔，反应腔内为等离子体环境，零部件暴露于等离子体环境中，零部件包括：非氧化物基底；耐等离子体涂层，耐等离子体涂层涂覆于非氧化物基底表面，耐等离子体涂层为稀土金属化合物，耐等离子体涂层和非氧化物基底之间通过饱和化学键过渡。本发明提供的零部件，在非氧化物基底与耐等离子体涂层之间的界面通过饱和的化学键实现过渡，降低耐等离子体涂层脱落的风险，提高耐等离子体涂层的服役寿命。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种零部件、形成耐等离子体涂层的方法和等离子体反应装置。
背景技术
在典型的等离子体刻蚀工艺中，工艺气体(如CF4、O2等)在射频(RadioFrequency，RF)激励作用下形成等离子体。这些等离子体在经过上电极和下电极之间的电场(电容耦合或者电感耦合)作用后与晶圆表面发生物理轰击作用及化学反应，从而刻蚀出具有特定结构的晶圆。
然而，在等离子体刻蚀工艺过程中，物理轰击及化学反应作用过程中会释放出大量的热，使得腔体不断的升温；另外在等离子体刻蚀工艺结束后由于冷机的冷却作用，又会将这些热量带走，使得腔室的温度下降。对于处在刻蚀腔体内的零部件而言，通常会涂覆一些耐等离子体腐蚀的涂层(例如，Y2O3涂层)以保护零部件不被腐蚀。因此，涂覆在零部件上的耐等离子体涂层处于一个不断升温、降温的热循环冲击环境中。由于在服役过程中热应力不断积累，可能引起耐等离子体涂层微裂纹产生、扩展、开裂、剥落等现象，引起耐等离子体涂层保护功能失效，内部零部件被腐蚀等严重事故。距离晶圆较近的零部件，这种现象尤为严重。一方面，由于距离晶圆较近，受到的热起伏和等离子体的腐蚀作用更大；另一方面，为了避免额外的金属污染，这些零部件一般由非氧化物材质制备，而耐等离子体耐腐蚀涂层与非氧化物零部件的结合力较弱，更容易造成耐等离体子体涂层与非氧化物基底的脱落。
如何有效降低在非氧化物基底的表面耐等离体子体涂层的热应力积累，避免微裂纹产生、扩展、开裂以及剥落等现象，对提升刻蚀腔体环境稳定性，提高零部件服役寿命，降低刻蚀腔体关键零部件的运营成本，将具有重要意义。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种零部件，其旨在解决耐等离子体涂层容易从非氧化物基底上脱落的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供的方案是：一种用于等离子体反应装置中的零部件，等离子体反应装置包括反应腔，反应腔内为等离子体环境，零部件暴露于等离子体环境中，零部件包括：
非氧化物基底；
耐等离子体涂层，耐等离子体涂层涂覆于非氧化物基底表面，耐等离子体涂层为稀土金属化合物，耐等离子体涂层和非氧化物基底之间通过饱和化学键过渡。这样，对非氧化物基底进行表面饱和处理，促进非氧化物基底和耐等离体子涂层在界面的化学键过渡，提高耐等离体子涂层与非氧化物基底的结合力，进而提高耐等离体子涂层的耐热冲击能能力，降低耐等离体子涂层开裂甚至脱落的风险，提高耐等离体子涂层的服役寿命。
可选地，饱和化学键包括：Si-O键。这样，非氧化物基底的表面大量的非饱和悬垂键Si-与O原子结合成Si-O键而达到饱和，促进非氧化物基底和耐等离体子涂层在界面的化学键过渡，提高耐等离体子涂层与非氧化物基底的结合力，使得耐等离体子涂层与非氧化物基底的结合力更强。
可选地，稀土金属化合物包括稀土金属元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的一种或多种。这样，根据实际等离子体刻蚀制程中所选用的工艺气体，而相应的选择稀土金属元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的一种或多种。具体应用中，当工艺气体中F/O比例较高时，可以选用稀土金属元素的氟化物作为耐等离子体涂层的主要材料；当工艺气体中F/O比例较低时，可以选用稀土金属元素的氧化物作为耐等离子体涂层的主要材料。
可选地，稀土金属化合物中的稀土金属元素包括：Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的一种或多种。这样，由这些稀土元素的氧化物、氟化物或者氟氧化物中的一种或多种组成的耐等离子体保护涂层，能够形成致密的膜层，从而可以很好的保护处在刻蚀腔体内的零部件，防止非氧化物基底被腐蚀。
可选地，非氧化物基底的材料包括：硅、碳化硅或氮化硅中的一种或多种。具体的，硅材料具有单方向导电特性、热敏特性、光电特性以及掺杂特性等优良性能，是全球应用广泛的重要集成电路基础材料。
本发明的第二个目的在于提供一种等离子体处理装置，包括：
反应腔，其内为等离子体环境；
如上述的零部件，零部件暴露于等离子体环境中。等离子体处理装置中的反应腔内为等离子体环境，由于等离子体具有较强的腐蚀性，为了防止非氧化物基底的表面被等离子体腐蚀，需要在非氧化物基底的表面涂覆耐等离子体涂层。
可选地，等离子体反应装置为电感耦合等离子体反应装置，零部件包括：陶瓷盖板、衬套、气体喷嘴、气体连接法兰、聚焦环、绝缘环、静电卡盘、覆盖环或衬底固持框中的至少一种。具体的，非氧化物基底即指零部件本体，其表面需要涂覆耐等离子体涂层以防止等离子体的腐蚀。
可选地，等离子体反应装置为电容耦合等离子体反应装置，零部件包括：喷淋头、气体分配板、上接地环、下接地环、气体管路、聚焦环、绝缘环、静电卡盘、覆盖环或衬底固持框中的至少一种。具体的，非氧化物基底的表面需要涂覆耐等离子体涂层以防止等离子体的腐蚀。
本发明的第三个目的在于提供一种上述的零部件形成耐等离子体涂层的方法，包括：
提供非氧化物基底；
对非氧化物基底的表面进行饱和处理，在非氧化物基底表面形成饱和化学键；
形成饱和化学键之后，在非氧化物基底的表面涂覆耐等离子体涂层。这样，采用这种方法涂覆的耐等离子体涂层，在等离子体刻蚀反应腔中受到升温和降温的循环热冲击时，由于在非氧化物基底和耐等离体子涂层的界面之间形成了饱和的化学键过渡，从而增强了耐等离子体涂层与非氧化物基底的结合强度，能够有效地防止耐等离子体涂层和非氧化物基底在界面处微裂纹的产生、扩展、脱落。
可选地，饱和处理方法包括：高温氧化、含氧等离子体处理或含氧离子注入中的一种或多种。这样，通过在非氧化物基底的表面引入大量的O原子，从而使得非氧化物基底的表面与耐等离子体涂层之间饱和化学键的过渡，增加耐等离子体涂层与非氧化物基底的结合力。
可选地，含氧等离子体处理中等离子体包括：氧气等离子体或者臭氧等离子体。这样，饱和处理工艺在所选用涂覆工艺实施前采用含强氧化性等离子体对非氧化物基底进行轰击处理。
可选地，涂覆方法为物理气相沉积法、化学气相沉积法或原子层沉积法中的一种或多种。具体的，这些涂覆方法均可在本发明的基础上在非氧化物基底的表面形成耐等离子体涂层，以避免零部件被等离子体腐蚀。
本发明的有益效果：
本发明实施例提供的用于等离子体反应装置中的零部件中，耐等离子体涂层涂覆于非氧化物基底表面，非氧化物基底表面大量的非饱和悬垂键与原子结合形成化学键而达到饱和，使得非氧化物基底和耐等离体子涂层在界面附近形成稳定结构，并进行过渡，提高耐等离体子涂层与非氧化物基底的结合力，进而提高耐等离体子涂层的耐热冲击能力，降低耐等离体子涂层开裂、脱落的风险，因此，有利于提高耐等离体子涂层的服役寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是一种耐等离子体涂层与硅基底的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种等离子体反应装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的零部件的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的零部件形成耐等离子体涂层的工艺流程图。
附图标记：
10、耐等离体子涂层；20、硅基底；
301、衬套；302、气体喷嘴；303、静电卡盘；304、聚焦环；305、绝缘环；306、覆盖环；307、衬底固持框；308、陶瓷盖板；309、反应腔；
100、耐等离体子涂层；200、非氧化物基底；300、化学键。
具体实施方式
如图1所示，图1为一种耐等离子体涂层10与硅基底20的结构示意图。一般而言，非氧化物基底由Si、SiC等材质形成。以硅基底20为例，在硅基底20的内部，4配位的Si原子形成饱和的配位结构，相互成键Si-Si，结合力较强。而在硅基底20的表面，周围O原子配位不足，使得表面Si原子含有大量的Si-悬垂键(不饱和键)。当在表面含有大量不饱和键的硅基底20表面进行耐等离子体涂层10(例如，Y2O3涂层)的涂覆时，由于Si与Y2O3的晶格常数不匹配(Si的晶格常数
Y2O3的晶格常数
)，这些Si-不饱和键只有少部分能与Y2O3成键，因此在硅基底20与Y2O3涂层之间的界面仍然存在大量的不饱和键。采用这种方式涂覆的Y2O3涂层在刻蚀腔体中受到升温、降温的循环热冲击时，这些不饱和键会很容易在Y2O3涂层和硅基底20的界面处断裂，形成微裂纹，并沿着晶界进一步扩展，发生耐等离子体涂层10的脱落现象。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种零部件、零部件形成耐等离子体涂层的方法和等离子体反应装置。具体的，一种用于等离子体反应装置中的零部件，等离子体反应装置包括反应腔，反应腔内为等离子体环境，零部件暴露于等离子体环境中，零部件包括：非氧化物基底；耐等离子体涂层，耐等离子体涂层涂覆于非氧化物基底表面，耐等离子体涂层为稀土金属化合物，耐等离子体涂层和非氧化物基底之间通过饱和化学键过渡。
本发明提供的零部件在耐等离体子涂层涂覆过程前，对非氧化物基底进行表面饱和处理，促进非氧化物基底和耐等离体子涂层在界面之间的化学键过渡，提高耐等离体子涂层与非氧化物基底的结合力，进而提高耐等离体子涂层的耐热冲击能能力，降低耐等离体子涂层开裂、脱落的风险，提高耐等离体子涂层的服役寿命。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，在本发明中涉及“第一”“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
图2是本发明一种等离子体反应装置的结构示意图。
请参考图2，等离子体反应装置包括：反应腔309，反应腔309内为等离子体环境；零部件，暴露于等离子体环境中。
等离子体反应装置还包括：基座，基座用于承载待处理基片W，等离子体用于对待处理基片W进行处理。由于等离子体具有较强的腐蚀性，为了防止零部件本体的表面被等离子体腐蚀，因此需要在零部件本体的表面涂覆耐等离子体涂层100。
在本实施例中，等离子体反应装置为电感耦合等离子体反应装置，相应的，暴露于等离子体环境中的零部件包括：衬套301、气体喷嘴302、静电卡盘303、聚焦环304、绝缘环305、覆盖环306、衬底固持框307、陶瓷盖板308或气体连接法兰(图未示)。这些零部件的表面需要涂覆耐等离子体涂层100以防止等离子体的腐蚀。
具体应用中，等离子体反应装置也可以为电容耦合等离子体反应装置，相应的，暴露于等离子体环境中的零部件包括：喷淋头、气体分配板、上接地环、下接地环、气体管路、聚焦环、绝缘环、静电卡盘、覆盖环或衬底固持框中的至少一种。这些零部件的表面需要涂覆耐等离子体涂层100以防止等离子体的腐蚀。
以下对零部件进行详细说明，图3是本发明实施例提供的零部件的结构示意图。
请参考图3，一种用于等离子体反应装置中的零部件，等离子体反应装置包括反应腔，反应腔内为等离子体环境，零部件暴露于等离子体环境中，零部件包括：非氧化物基底200；耐等离子体涂层100，耐等离子体涂层100涂覆于非氧化物基底200表面，耐等离子体涂层100为稀土金属化合物，耐等离子体涂层100和非氧化物基底200之间通过饱和化学键300过渡。
在一实施例中，饱和化学键300包括：Si-O键。这样，非氧化物基底200的表面大量的非饱和悬垂键Si-与O原子结合成Si-O键而达到饱和，促进非氧化物基底200和耐等离体子涂层在界面的化学键300过渡，提高耐等离体子涂层100与非氧化物基底200的结合力，使得耐等离体子涂层100与非氧化物基底200的结合更稳定。具体的，为了避免其他金属元素对等离子体刻蚀制程的污染，零部件中的结构材料主要选用包括Si、SiC、SiO2、Al2O3中的一种或多种。对于非氧化物基底200而言，形成Si-O键是实现化学稳定而不会引入其他污染的方法。
在一实施例中，稀土金属化合物包括稀土元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的一种或多种。根据实际的等离子体刻蚀制程中所选用的工艺气体，而选择稀土元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的一种或多种。具体应用中，当工艺气体中F/O比例较高时，可以选用稀土元素的氟化物作为耐等离子体涂层200的主要材料。当工艺气体中F/O比例较低时，可以选用稀土元素的氧化物作为耐等离子体涂层200的主要材料。
在一实施例中，稀土金属化合物中的稀土金属元素包括：Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的一种或多种。稀土元素可以使渗镀层或涂层组织细化且致密，这是它改善改性层力学性能和抗氧化耐腐蚀性的重要原因之一。由上述稀土元素的氧化物、氟化物或者氟氧化物组成的耐等离子体保护涂层，能够形成致密的膜层，从而可以很好的保护处在刻蚀腔体内的零部件。
在一实施例中，非氧化物基底200的材料包括：硅、碳化硅或氮化硅中的一种或多种。硅材料具有单方向导电特性、热敏特性、光电特性以及掺杂特性等优良性能，是全球应用广泛的重要集成电路基础材料。
图4是本发明实施例提供的零部件形成耐等离子体涂层的工艺流程图。
请参考图4，零部件形成耐等离子体涂层的方法，包括：提供非氧化物基底；对非氧化物基底的表面进行饱和处理，在非氧化物基底表面形成饱和化学键；形成饱和化学键之后，在非氧化物基底的表面涂覆耐等离子体涂层。这样，在非氧化物基底的表面引入大量原子，从而使得非氧化物基底的表面形成大量饱和的化学键，进而在非氧化物基底的表面涂覆耐等离子体涂层，实现非氧化物基底与耐等离子体涂层在界面附近稳定结构过渡，增加界面之间的结合力。采用这种方法涂覆的耐等离子体涂层，在等离子体刻蚀反应腔中受到升温和降温的循环热冲击时，由于在非氧化物基底和耐等离体子涂层的界面之间形成了饱和的化学键过渡，从而增强了耐等离子体涂层与非氧化物基底的结合强度，能够有效地防止耐等离子体涂层和非氧化物基底在界面处微裂纹的产生、扩展、脱落。
具体的，在对非氧化物基底进行表面饱和处理以及耐等离子体涂层涂覆工艺时，在表面饱和处理后立即进行耐等离子体涂层的涂覆。这样，可以避免其他杂质(例如C、H2O分子等)对饱和处理后的非氧化物基底表面进行吸附引入的污染，从而影响耐等离子体涂层的涂覆效果。
在一实施例中，饱和处理方法包括：高温氧化、含氧等离子体处理或含氧离子注入中的一种或多种。对非氧化物基底进行高温氧化，在非氧化物基底表面引入大量的O原子，形成饱和的化学键，保护非氧化物基底不被等离子体侵蚀。含氧等离子体处理是在含氧原子的等离子体中作用于非氧化物基底。利用等离子体在与非氧化物基底表面的撞击时会将等离子体的能量传递给非氧化物基底表面的分子和原子，从而对非氧化物基底的表面引入大量O原子，以形成饱和化学键，保护非氧化物基底不被等离子体侵蚀。离子注入可以保证在很大的面积上具有很高的掺杂均匀性，且非氧化物基底的表面与引入的大量O原子的结合是极其紧密的。
在一实施例中，含氧等离子体处理中等离子体包括：氧气等离子体或者臭氧等离子体。饱和处理工艺在所选用涂覆工艺实施前采用含强氧化性等离子体对非氧化物基底进行轰击处理。具体应用中，由于O3具有强氧化性，更容易与表面的悬垂键的Si-结合成键，在含氧等离子体处理，选用臭氧等离子体对非氧化物基底进行处理。实际应用中，在含氧等离子体处理，也可以选用氧气等离子体对非氧化物基底进行处理。
在一实施例中，涂覆方法为物理气相沉积法、化学气相沉积法或原子层沉积法中的一种或多种。这些涂覆方法均可在本发明的基础上在零部件形成耐等离子体涂层，以避免零部件被等离子体腐蚀。
物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition，简称PVD)是用物理的方法(如蒸发、溅射等)使镀膜材料气化，在零部件表面沉积成膜的方法。PVD工艺过程简单，对环境改善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，与零部件表面的结合力强。
原子层沉积法(Atomic Layer Deposition，简称ALD)可以沉积的材料包括：氧化物、氮化物、氟化物等，且其沉积参数是高度可控型(厚度、成份和结构)，利于控制在非氧化物基底200表面的饱和化学键过渡。
化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)是利用化学反应由气相生长固体物质的方法。通常CVD要利用高温或其它激活方法,依靠化学反应制取所需要的膜层。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (12)
1.一种用于等离子体反应装置中的零部件，所述等离子体反应装置包括反应腔，所述反应腔内为等离子体环境，所述零部件暴露于所述等离子体环境中，其特征在于，所述零部件包括：
非氧化物基底；
耐等离子体涂层，所述耐等离子体涂层涂覆于所述非氧化物基底的表面，所述耐等离子体涂层为稀土金属化合物，所述耐等离子体涂层和所述非氧化物基底之间通过饱和化学键过渡。
2.如权利要求1所述的用于等离子体反应装置中的零部件，其特征在于，所述饱和化学键包括：Si-O键。
3.如权利要求1所述的用于等离子体反应装置中的零部件，其特征在于，所述稀土金属化合物包括稀土金属元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的用于等离子体反应装置中的零部件，其特征在于，所述稀土金属化合物中的稀土金属元素包括：Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的用于等离子体反应装置中的零部件，其特征在于，所述非氧化物基底的材料包括：硅、碳化硅或氮化硅中的一种或多种。
6.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：
反应腔，其内为等离子体环境；
如权利要求1至5任一项所述的用于等离子体反应装置中的零部件，所述零部件暴露于所述等离子体环境中。
7.如权利要求6所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述等离子体反应装置为电感耦合等离子体反应装置，所述零部件包括：陶瓷盖板、衬套、气体喷嘴、气体连接法兰、聚焦环、绝缘环、静电卡盘、覆盖环或衬底固持框中的至少一种。
8.如权利要求6所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述等离子体反应装置为电容耦合等离子体反应装置，所述半导体零部件包括：喷淋头、气体分配板、上接地环、下接地环、气体管路、聚焦环、绝缘环、静电卡盘、覆盖环或衬底固持框中的至少一种。
9.一种如权利要求1至5中任一项所述的零部件形成耐等离子体涂层的方法，其特征在于，包括：
提供非氧化物基底；
对所述非氧化物基底的表面进行饱和处理，在所述非氧化物基底表面形成饱和化学键；
形成所述饱和化学键之后，在所述非氧化物基底的表面涂覆所述耐等离子体涂层。
10.如权利要求9所述的零部件形成耐等离子体涂层的方法，其特征在于，所述饱和处理方法包括：高温氧化、含氧等离子体处理或含氧离子注入中的一种或多种。
11.如权利要求10所述的零部件形成耐等离子体涂层的方法，其特征在于，所述含氧等离子体处理中等离子体包括：氧气等离子体或者臭氧等离子体。
12.如权利要求9所述的零部件形成耐等离子体涂层的方法，其特征在于，所述涂覆方法为物理气相沉积法、化学气相沉积法或原子层沉积法中的一种或多种。
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