耐等离子体半导体零部件和形成方法、等离子体反应装置与流程

1.本发明涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种耐等离子体半导体零部件和形成方法、等离子体反应装置。


背景技术：

2.在典型的等离子体刻蚀工艺中，工艺气体(如cf4、o2等)在射频(radio frequency，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，从而将晶圆刻蚀出具有特定的结构，完成刻蚀工序。
3.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也会同样作用于刻蚀腔室内部，以及所有与等离子体接触的部件，造成腐蚀。例如气体输送和分配装置，具体地如喷淋头、喷嘴、衬套、静电卡盘等。这些装置将工艺气体输送至反应腔室形成等离子体后，其连接处也会受到等离子体的腐蚀作用。长时间的暴露在等离子体腐蚀环境中，表面结构遭受破坏，会造成本体成分的析出，脱离表面形成微小颗粒，污染晶圆。
4.随着半导体制程的进一步发展，对微小颗粒提出了更加苛刻的要求。例如，大于45nm的颗粒数为0颗，同时，贴地率更是低于10以下，因此，降低气体分配装置处微小颗粒污染源的形成，对于提高等离子体刻蚀水平，将具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的第一个目的在于提供耐等离子体腐蚀的半导体零部件的形成方法，以解决半导体零部件表面涂层在等离子环境中易脱落的问题，降低颗粒污染。
6.为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种耐等离子体腐蚀的半导体零部件的形成方法，包括：
7.提供第一衬底，其内具有贯穿的第一通孔；
8.在所述第一通孔内形成第二衬底；
9.在所述第二衬底的表面形成耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂层暴露于等离子体的环境中；
10.对所述耐腐蚀涂层和所述第二衬底进行局部加热处理，形成贯穿所述耐腐蚀涂层和第二衬底的第二通孔，并在所述第二通孔内侧壁形成致密层。
11.可选的，所述第二衬底仅位于所述第一通孔内，所述耐腐蚀涂层位于所述第一衬底和第二衬底的表面。
12.可选的，所述第二衬底位于所述第一通孔内和第一衬底的表面，所述耐腐蚀涂层位于所述第二衬底的表面。
13.可选的，所述第二衬底表面具有定位特征结构，所述定位特征结构包括销孔和凹凸等结构，用于所述局部加热处理前对第二通孔的定位。
14.可选的，所述第一通孔直径大于第二通孔直径。
15.可选的，所述局部加热处理包括脉冲激光加热或脉冲电子束加热中的一种或多种。
16.可选的，所述脉冲激光加热的能量密度为100w/mm2～5000w/mm2，所述脉冲电子束加热的能量密度为100w/mm2～5000w/mm2。
17.可选的，所述致密层为结晶结构。
18.可选的，所述耐腐蚀涂层的材料包括：稀土元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的至少一种；所述耐腐蚀涂层的形成工艺为物理气相沉积法、化学气相沉积法或原子层沉积法中的至少一种。
19.可选的，所述第二衬底的材料为耐等离子体材料；形成所述第二衬底的工艺为喷涂工艺或者热压烧结工艺。
20.可选的，所述耐腐蚀涂层的致密度为：95％～100％。
21.可选的，所述第二衬底的致密度为85％～100％。
22.可选的，所述致密层的致密度为：98％～100％。
23.可选的，所述第二衬底仅位于所述第一通孔内，所述耐腐蚀涂层位于所述第一衬底和第二衬底的表面。
24.可选的，所述第二衬底位于所述第一衬底的表面和第一通孔内，所述耐腐蚀涂层位于所述第二衬底的表面。
25.可选的，所述第二通孔的深度与宽度之比的范围为1:1～100:1。
26.可选的，当所述第二通孔为圆形结构，所述第二通孔的孔径范围为0.01mm～2mm。
27.可选的，所述耐腐蚀涂层包括稀土元素y、sc、la、ce、pr、nd、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb或lu中的至少一种。
28.可选的，所述耐腐蚀涂层包括稀土元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的至少一种。
29.相应的，提供一种半导体零部件，包括：
30.第一衬底，其内具有贯通的第一通孔；
31.第二衬底，位于所述第一通孔内；
32.耐腐蚀涂层，位于所述第二衬底表面；
33.第二通孔，贯穿所述第二衬底和耐腐蚀涂层；
34.致密层，位于所述第二通孔的内侧壁。
35.相应的，提供一种等离子体反应装置，包括：
36.反应腔，其内为等离子体环境；
37.半导体零部件，所述耐腐蚀涂层暴露于所述等离子体环境中。
38.可选的，所述等离子体包括含f等离子体、含cl等离子体、含h等离子体或含o等离子体中的至少一种。
39.可选的，所述等离子体反应装置为等离子体刻蚀装置或者等离子体清洗装置。
40.可选的，所述等离子体刻蚀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或静电卡盘中的至少一种。
41.可选的，所述等离子体刻蚀装置为电感耦合等离子体反应装置，所述半导体零部件包括气体喷嘴、衬套或静电卡盘中的至少一种。
42.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
43.本发明提供的半导体零部件的形成方法中，所述第一衬底内具有贯穿的第一通孔，所述第一通孔用于容纳第二衬底，所述第二衬底和第一衬底上具有耐腐蚀涂层，通过局部加热熔融部分耐腐蚀涂层和第二衬底，形成贯穿所述第二衬底和耐腐蚀涂层的第二通孔，同时在所述第二通孔的内侧壁形成致密层，所述致密层也具有较好的耐腐蚀能力，因此所述致密层能够耐等离子体的腐蚀，同时，所述致密层是通过加热熔融第二衬底和耐腐蚀涂层形成的，因此，所述致密层与第二衬底和耐腐蚀涂层之间的结合力较强，那么所述致密层在被等离子体轰击时不易被轰击下来形成颗粒污染，有利于降低颗粒污染。
附图说明
44.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。
45.图1是本发明实施例等离子体反应装置示意图；
46.图2是本发明第一种实施例半导体零部件结构示意图；
47.图3是本发明第二种实施例半导体零部件结构示意图；
48.图4是本发明实施例半导体零部件的形成方法流程图；
49.图5是本发明实施例第一衬底结构示意图；
50.图6是本发明实施例第一衬底和第二衬底结构示意图；
51.图7是本发明实施例耐腐蚀涂层结构示意图；
52.图8是本发明实施例致密层结构示意图。
53.附图标记：
54.100-反应腔；101-基座；102-喷淋头；103-静电卡盘；
55.201-第一衬底；202-第二衬底；
56.300-耐腐蚀涂层；400-第一通孔；500-第二通孔；600-致密层；
57.w-晶圆。
具体实施方式
58.为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种耐等离子体腐蚀的半导体零部件的形成方法，还有通过该方法获得的半导体零部件的实施例，以及包括这种半导体零部件的等离子体反应装置实施例。
59.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。
60.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。
61.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。
62.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。
63.图1是本发明一种等离子体反应装置的结构示意图。
64.请参考图1，等离子体反应装置包括：反应腔100，反应腔100内为等离子体环境，半导体零部件和反应腔100内部腔壁暴露于等离子体环境中。
65.等离子体反应装置还包括：基座101，基座101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，为了防止半导体零部件的表面被等离子体腐蚀，因此需要在半导体零部件的表面涂覆耐腐蚀涂层。
66.在本实施例中，等离子体反应装置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半导体零部件包括：喷淋头102和静电卡盘103。
67.在其他实施例中，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半导体零部件包括：衬套和气体喷嘴中的至少一种。
68.在等离子体刻蚀工艺过程中，物理轰击及化学反应作用也会同样作用于刻蚀腔内部所有与等离子体接触的半导体零部件，对半导体零部件造成腐蚀，长时间的暴露于等离子体腐蚀环境中，表面结构遭受破坏，会造成本体成分的析出，脱离表面形成微小颗粒，污染晶圆。半导体先进制对微小颗粒污染具有严苛的要求，例如大于45nm的颗粒数为0颗，并且贴地率更是低于10以下。
69.因此，需要在等离子体反应装置中的半导体零部件表面涂覆耐腐蚀涂层来抵御等离子体的腐蚀。对于暴露于等离子体环境中带孔的半导体零部件，由于所述半导体零部件孔内也会接触到等离子体，因此，也需在孔的内壁形成具有耐腐蚀性的涂层，以抵御等离子体对孔内壁半导体零部件的侵害。
70.本实施例等离子体反应装置中的半导体零部件表面具有的耐等离子体涂层，所述耐等离子体涂层晶粒的生长方向与其接触面的法线方向平行，因此，耐等离子体涂层与其接触面的结合力强，不易脱落，并且在孔内侧壁表面还具有致密层，所述致密层通过第二衬底和耐腐蚀涂层的材料熔融形成的，因此，所述致密层与第二衬底与耐等离子体涂层之间的结合力较强。则半导体零部件置于等离子体环境中，不易被等离子体腐蚀，还能够减少被等离子体轰击下来形成颗粒的风险。避免了现有技术在孔内壁形成的耐腐蚀涂层与衬底的结合力较弱的问题，进而避免了半导体零部件的孔内部涂层不断受到等离子体的物理轰击和化学反应作用后，逐渐与工件脱落，形成微小的颗粒，散落在腔室内部的问题。
71.以下对半导体零部件进行详细说明：
72.图2为本发明提供的一种半导体零部件实施例的示意图。
73.请参考图2，该实施例具体包括第一衬底201和第二衬底202，其中第一衬底201内
具有贯穿的第一通孔400，第二衬底202位于第一通孔400内和第一衬底201的表面；在第二衬底202的表面设有耐腐蚀涂层300；还包括第二通孔500，所述第二通孔500贯穿第二衬底202和耐腐蚀涂层300，在第二通孔500的内侧壁上还设有致密层600。
74.所述第二衬底202表面具有耐腐蚀涂层300，所述耐腐蚀涂层300通过物理气相沉积工艺形成，且在形成的过程中，使耐腐蚀涂层300晶粒的生长方向与接触面的法线方向一致，因此耐腐蚀涂层300与接触面的结合力较强，在等离子的轰击下不易脱落形成颗粒污染。并且，所述耐腐蚀涂层300的致密度为95％～100％，即：耐腐蚀涂层300具有致密结构，则所述耐腐蚀涂层300能够对第二衬底202的表面进行较好的防护，防止第二衬底202的表面被等离子体腐蚀。
75.同时，所述第二通孔500内侧壁的表面上具有致密层600，所述致密层600的致密度为98％～100％，即：所述致密层也具有致密结构，使所述致密层600耐等离子体腐蚀的能力较强，且所述致密层能够较好的保护第二衬底202的表面，防止第二衬底202被轰击下来形成颗粒污染。另外，所述致密层600是由耐腐蚀涂层300和第二衬底202加热熔融形成的，因此，所述致密层600与耐腐蚀涂层300和第二衬底202的结合力较强，而不是通过物理气相沉积工艺在半导体零部件的孔内壁形成耐腐蚀层，避免了在孔内形成耐腐蚀层的生长方向偏离孔内侧壁的法线方向导致的耐腐蚀层与孔内壁的结合力弱的问题，本发明的所述致密层不易发生脱落，避免对反应腔环境造成颗粒污染。
76.在本实施例中，第二衬底202后续需要作为形成致密层600的原料，因此致密层600也具有耐腐蚀性能。第二衬底202的致密度为85％～99％，具体地，第二衬底202采用耐等离子体涂层，其致密度为85％～99％，或者第二衬底202采用耐腐蚀陶瓷，其致密度为90％～96％。由于第二衬底202没有直接暴露出等离子体环境中，因此第二衬底202耐腐蚀性要求略低于耐腐蚀涂层300和致密层600。并且致密层600的致密度大于第二衬底202和耐腐蚀涂层300的致密度，这是由于致密层600是通过加热熔融制备而成，其工艺相比于喷涂和物理气相沉积法，得到的致密层具有更高的致密度。
77.在本实施例中，第二通孔500的深度与宽度之比的范围为1:1～100:1。
78.在本实施例中，第二通孔500为圆形结构，其孔径范围为0.01mm～2mm。
79.在本实施例中，所述第一通孔400直径大于第二通孔500直径。
80.在本实施例中，耐腐蚀涂层300包括稀土元素y、sc、la、ce、pr、nd、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb或lu中的至少一种，以及上述稀土元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的至少一种。这些稀土元素制备得到的耐腐蚀涂层具有抗等离子特性，并且不会带入其他金属污染。
81.本实施例中，第二衬底202位于第一衬底201的表面和第一衬底201的第一通孔400内，耐腐蚀涂层300位于第二衬底202的表面。这种结构中，第一衬底201能够对第二衬底202进行支撑，能够避免后续对所述耐腐蚀涂层300和所述第二衬底202进行局部加热处理时因热应力的积累导致第二衬底202与第一衬底201的界面分离甚至脱落。
82.在另一实施例中，如图3所示，第二衬底202仅位于第一通孔400内，耐腐蚀涂层300位于第一衬底201和第二衬底202的表面。第二衬底202仅位于第一通孔400内，能够节省材料，降低成本。
83.图4为本发明实施例耐等离子体腐蚀的半导体零部件的形成方法流程图。
84.请参考图4，步骤s1：提供第一衬底，所述第一衬底内具有贯穿的第一通孔；步骤s2：在所述第一通孔内形成第二衬底；步骤s3：在所述第一衬底和第二衬底上形成耐腐蚀涂层；步骤s4：对耐腐蚀涂层和第二衬底进行局部加热处理，形成贯穿耐腐蚀涂层和第二衬底的第二通孔，并在第二通孔内侧壁形成致密层。
85.如下对半导体零部件的形成方法进行详细介绍：
86.图5至图8是本发明一种半导体零部件形成方法各步骤的结构示意图。
87.请参考图5，第一衬底201内具有贯通的第一通孔400。
88.在一种实施例中，第一衬底201的材料为金属基底，所述第一衬底201提供腔体结构支撑功能。第一衬底201的材料也可以和第二衬底202一致，都为耐腐蚀陶瓷，此时第一衬底201与第二衬底202为一体结构，因此第一衬底201与第二衬底202不存在界面。同种材料的第一衬底201与第二衬底202相比于不同种材料的第一衬底201与第二衬底202，由于为同种材料一体结构，因此不存在界面结合失效的问题。
89.请参考图6，在所述第一通孔400内形成第二衬底202。
90.本实施例中，第二衬底202的材料选用耐腐蚀材料，由于第二衬底202后续需要作为形成致密层600的原料，因此具有耐腐蚀性能。具体可以为耐等离子体腐蚀陶瓷或涂层，耐等离子体腐蚀陶瓷或涂层熔融后能够形成致密结构。形成第二衬底202的工艺为喷涂工艺或者热压烧结工艺，将第二衬底202与第一衬底201结合在一起。
91.在本实施例中，第二衬底202不仅位于第一通孔400内还位于第一衬底201的表面。
92.其它实施例中，第二衬底202可以仅位于第一通孔400内。
93.第二衬底202位于第一通孔400内和第一衬底201的表面上的实施例中，第一衬底201能够对第二衬底202进行支撑，使所述第二衬底202与第一衬底201的接触面积不仅包括第一通孔400的内侧壁，还包括第一衬底201的表面，使所述第一衬底201与第二衬底202之间的结合力较强。
94.所述第二衬底202表面具有定位特征结构，所述定位特征结构包括销孔、凹凸和扣合等结构，用于所述局部加热处理前对第二通孔500的定位。
95.请参考图7，在第二衬底202和第一衬底上形成耐腐蚀涂层300。
96.在本实施例中，耐腐蚀涂层300包括稀土元素y、sc、la、ce、pr、nd、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb或lu中的至少一种，以及上述稀土元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的至少一种。这些稀土元素制备得到的耐腐蚀涂层具有抗等离子特性，并且不会带入其他金属污染。耐腐蚀涂层300的形成工艺为物理气相沉积法、化学气相沉积法或原子层沉积法中的至少一种，这些形成工艺得到的涂层具有致密的结构，不易脱落，抗腐蚀性好。耐腐蚀涂层300具有两个作用，一个作用是用于抵抗等离子体的腐蚀，另一个作用是为后续致密层600的形成提供原料。
97.形成所述耐腐蚀涂层300之后，定位特征结构的位置通过耐腐蚀涂层300传递上去，后续以传递至耐腐蚀涂层300的定位位置确定后续局部加热处理的位置。
98.请参考图8，对耐腐蚀涂层300和第二衬底202进行局部加热处理，形成贯穿耐腐蚀涂层300和第二衬底202的第二通孔500，并在第二通孔500内侧壁形成致密层600。在本实施例中，所述耐腐蚀涂层300的形成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至少一种，即：所述耐腐蚀涂层300是由气态分子、原子基团经过成核和生长，转化为固
态形成的，具有致密的特征；所述第二衬底202的工艺为喷涂工艺或者热压烧结工艺，即：所述第二衬底202是由固态颗粒经过瞬时液相或者高温烧结过程，晶粒收缩形成的固态涂层，具有低于耐腐蚀涂层300的致密特征，而所述致密层600则是由涂层300和衬底202固体经过局部加热熔融转化为熔体，再冷却转化为固态的过程，熔融冷却过程中，固体晶粒之间的微小孔隙都会被释放出来，因此，在所述第二通孔500的侧壁形成的致密层600，具有比耐腐蚀涂层300和衬底202更高的致密性。
99.在进行局部加热形成致密层600的过程中，为了避免耐腐蚀涂层300和衬底202之间局部热膨胀过大而造成耐腐蚀涂层300的脱落现象，可以采取以下措施：一方面，调整脉冲加热的占空比，保证耐腐蚀涂层300和衬底202有充足的时间降温冷却，释放局部热应力；另一方面，采用制冷措施辅助冷却，例如采用he、n2、干冰、液氮等来进行局部降温，进一步释放局部热应力。
100.在本实施例中，所述致密层600具有稳定的结晶结构，使得所述致密层600的性能较稳定，在受到等离子体的物理轰击和化学腐蚀作用时表面保持稳定结构，刻蚀腔体性能不易发生漂移。
101.所述局部加热处理的工艺为：脉冲式激光熔融或者脉冲式电子束熔融方式，将第二衬底202和表面耐腐蚀涂层300进行局部熔化并迅速冷却形成。
102.采用脉冲激光加热的方式，使用的能量密度为100w/mm2～5000w/mm2，采用脉冲电子束加热的方式，使用的能量密度为100w/mm2～5000w/mm2。
103.通过脉冲激光或者脉冲电子束加热方式，可以实现三方面的作用：
①
依靠非直接接触式的加热方式形成第二通孔500，可以避免由机械加工钻头引入的金属污染问题；
②
由于激光或者电子束作用半径小，可以有效进行局部熔融，形成结构致密的通孔结构，能够保持本实施例特征孔内壁的致密特性，并且具有强的耐腐蚀性能，同时能够避免微小颗粒的形成；
③
脉冲加热方式，对第二衬底202和耐腐蚀涂层300进行局部熔融-冷却-熔融-冷却方式加工，可以避免第一衬底201热膨胀积累变形累积过大引起耐腐蚀涂层300或者第二衬底202发生的形状失效，从而有效保护特征通孔的精密结构。
104.通过脉冲激光或者脉冲电子束加热方式将耐腐蚀涂层和第二衬底材料进行熔融，耐腐蚀涂层和第二衬底由固态变为熔融态，此时熔融状态下的材料为长程无序状态，熔融状态下的材料冷却后重新变为长程有序的固态致密层，这种类似重造过程得到的致密层具有高致密的特性。
105.在其他实施例中，第二通孔500的结构还可以为台阶孔、分段孔、斜孔组合孔中的至少一种。
106.综上所述，本发明实施例提供的半导体零部件的孔结构表面具有致密层，能够降低等离子体对半导体零部件孔结构的腐蚀引起的金属污染和微小颗粒物污染，提高等离子体刻蚀水平。本发明实施例提供的耐等离子体腐蚀的半导体零部件的形成方法，能够在半导体零部件的表面以及孔状表面都形成致密的涂层，得到的涂层不易脱落，降低了颗粒污染的风险。本发明实施例提供的等离子体反应装置的中的半导体零部件具有耐腐蚀涂层，能抵抗等离子体的腐蚀，且涂层不易脱落，降低了反应腔内工作环境的颗粒污染，进而提高了等离子体反应装置产品制备的成品率。
107.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。