用于等离子体室的低温烧结涂层的制作方法

用于等离子体室的低温烧结涂层
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2019年11月22日申请的美国临时申请no.62/939,353的利益。上述引用的申请其全部公开内容都通过引用合并于此。
技术领域
2.本公开涉及用于等离子体衬底处理室中的部件的保护性涂层。


背景技术：

3.这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作在其在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的说明书的各方面中描述的范围内既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。
4.衬底处理系统可用于处理诸如半导体晶片之类的衬底。可以在衬底上执行的示例性工艺包括但不限于化学气相沉积(cvd)、原子层沉积(ald)、导体蚀刻和/或其他蚀刻、沉积或清洁工艺。衬底可以布置在衬底处理系统的处理室中的衬底支撑件上，衬底支撑件例如基座、静电卡盘(esc)等。在蚀刻期间，可以将包括一种或多种前体的气体混合物引入处理室，并且可以使用等离子体来引发化学反应。


技术实现要素：

5.一种用于在衬底处理系统的部件上形成涂层的方法包括：将所述部件布置在处理室中；以及施加陶瓷材料以在所述部件的一个或更多个表面上形成所述涂层。所述陶瓷材料包括混合物，所述混合物包括稀土氧化物且所述混合物的晶粒尺寸小于150nm，并且是在所述处理室内的温度小于400摄氏度时施加。所述涂层的厚度小于30μm。所述方法还包括将所述部件布置在热处理室中；以及对包括所述涂层的所述部件执行热处理工艺。所述热处理工艺包括在第一期间内将所述热处理室的温度从第一温度提高至第二温度，以及在第二期间内将所述热处理室维持在所述第二温度。所述第二温度不超过所述混合物的熔化温度。
6.在其他特征中，所述处理室被配置成执行等离子体蚀刻。所述部件是介电窗。施加所述陶瓷材料包括：使用气溶胶沉积以施加所述陶瓷材料。施加所述陶瓷材料包括使用物理气相沉积、化学气相沉积以及热喷涂中的至少一者来施加所述陶瓷材料。所述混合物包括钇氧化物。所述第二温度低于1400摄氏度。所述第二温度低于1300摄氏度。
7.在其他特征中，所述混合物包括镱、铒、镝、钆、铥以及铝中的至少一者。所述晶粒尺寸小于100nm。所述涂层的所述厚度为3至20μm。所述第一期间介于5至30小时之间，而所述第二期间介于8至144小时之间。所述热处理室的所述温度在所述第一期间内以预定升温速率(ramp rate)升高。所述升温速率为每小时30至100摄氏度。
8.在其他特征中，所述方法包括在第三期间内将所述第二温度升高至第三温度，以及在第四期间内将所述热处理室维持在所述第三温度。所述第三温度不超过所述混合物的
熔化温度。在所述热处理工艺之后，所述涂层的孔隙率小于20％。在所述热处理工艺之后，所述涂层的平均晶粒尺寸介于200至700nm之间。在所述热处理工艺之后，所述涂层的表面粗糙度小于0.1sa。在所述热处理工艺之后，所述涂层经历通过在5％氯化氢溶液中进行一小时的酸浸泡测试而造成的小于30nm的腐蚀。
9.根据详细描述、权利要求和附图，本公开内容的适用性的进一步的范围将变得显而易见。详细描述和具体示例仅用于说明的目的，并非意在限制本公开的范围。
附图说明
10.根据详细描述和附图将更充分地理解本公开，其中：
11.图1是根据本公开的示例性衬底处理系统的功能框图。
12.图2a至2e根据本公开而显示了涂覆及烧结工艺。
13.图3根据本公开描绘了在衬底处理室的部件的涂层上施加及执行热处理的示例性方法的步骤。
14.在附图中，可以重复使用附图标记来标识相似和/或相同的元件。
具体实施方式
15.衬底处理系统的处理室中的多个部件(例如，诸如介电窗或顶板/盖部、边缘环之类的朝向等离子体部件)可能会暴露于该处理室内的等离子体，包括自由基、离子、反应性物质等。暴露于等离子体可能会造成所述部件的部分(例如，部件的陶瓷层)由于处理机制(包括但不限于氟化、离子轰击等)而随着时间的推移腐蚀(即，磨损)。这种磨损可能会使部件的材料转移至该处理室的反应容积中，从而可能会负面影响衬底处理，其可称其为颗粒产生。举例而言，从部件移除的直接分子和/或颗粒材料可能会在等离子体中悬浮，并可能沉积在边缘环或其他处理室部件上。接着，该材料可能在后续处理期间再沉积于衬底的表面上。换言之，因暴露于等离子体所导致部件的磨损，可能会造成颗粒产生并污染处理室，导致衬底缺陷。部件磨损还会减低部件的使用寿命。
16.在一些示例中，对部件施加涂层以减少磨损、增加稳定性和寿命，以及维持部件的结构和/或电性性质。然而，许多涂层并不足以在使用较大功率和/或温度、以及各种腐蚀性材料的工艺中减少磨损和颗粒产生。一些涂层可能具有材料和涂覆工艺所固有的结构缺点。例如，等离子体喷涂工艺可能会使未熔化的颗粒嵌入涂层中，其后当涂层腐蚀时被释放进入该处理室中。各种其他工艺也会造成涂层的腐蚀及颗粒产生，所述其他工艺包括但不限于物理气相沉积(pvd)、原子层沉积(ald)、化学气相沉积(cvd)、等离子体增强cvd(pecvd)等。
17.根据本公开的原理的涂覆系统及方法对衬底处理系统中的处理室的部件施加强化涂层。例如，对部件的基材表面施加陶瓷涂层。该部件的该基材可包括能够承受与该涂覆工艺相关的温度的任何合适材料，包括但不限于铝、硅、氧化铝等。该涂层可在低温下(例如，小于摄氏400度，或在一些示例中小于摄氏300度)使用低孔性气溶胶沉积、pvd、cvd、热喷涂等来施加。
18.该涂层包括耐等离子体陶瓷材料，例如稀土氧化物(例如，钇氧化物、或y2o3)。虽然本文中讨论了钇氧化物，但该涂层材料可包括其他稀土氧化物、和/或可使用混合物(例如，
与铝的混合物)，包括但不限于镱、铒、镝、钆、铥以及铝氧化物。另一示例性材料为钇铝单斜晶氧化物(y4al2o9)。在所沉积涂层中的材料的晶粒尺寸小于150nm，而在一些示例中小于100nm。该涂层的厚度小于30微米(μm)，且优选为3至20微米。
19.包括陶瓷涂层的部件接着插入例如高温烘箱(例如，炉室或窑炉)之类的热处理室中。根据更详细描述于下文的参数以将该烘箱温度提升至足以烧结涂层的温度，并接着使其冷却。对于一些陶瓷材料(例如，如钇氧化物之类的稀土氧化物)的烧结通常可能需要大于摄氏1400度的温度。例如，烧结温度可以对应于熔化相应材料的颗粒所需的温度。然而，根据本公开的材料烧结可以在低于典型烧结温度的温度下进行。换言之，本公开的烧结是在一定温度下执行，其中该温度低于该涂层的材料的熔化温度。
20.例如，根据本公开的对于钇氧化物的烧结可以在小于摄氏1300度、在一些示例中小于摄氏1200度的温度下进行。在该方式中，该材料的颗粒经历了扩散和晶粒生长，从而形成与整体陶瓷相似的结构性质且不会因为熔化而造成该材料的孔隙率以及应力提高。例如，根据本公开的原理的涂层材料可具有提高的化学蚀刻抗性，其中该抗性以在5％氯化氢(hcl)溶液中进行一小时的酸浸泡测试，造成小于300nm的腐蚀而得到证明。
21.现在参考图1，其显示了包括处理室102的衬底处理系统100的示例。虽然简单地显示了特定的衬底处理系统100以说明处理室102内的示例性部件，但本公开的原理可应用于其他类型的衬底处理系统以及处理室。该衬底处理系统100或另一类型的衬底处理系统可用于执行沉积工艺(例如，气溶胶沉积工艺)而根据本公开的原理施加涂层。
22.该衬底处理系统100包括线圈驱动电路104。脉冲电路108可用于脉冲rf功率的开启和关断、或是改变该rf功率的幅值或电平。调谐电路112可直接连接至一或更多个感应线圈116。该调谐电路112将rf源120的输出调整至所期望的频率和/或所期望的相位、匹配线圈116的阻抗、以及分离线圈116之间的功率。在一些示例中，该线圈驱动电路104可由进一步描述于下、与控制rf偏压相关的驱动电路所替代。
23.在一些示例中，可以在线圈116与介电窗124之间配置充气室122，以利用热和/或冷气流控制介电窗124的温度。介电窗124沿着处理室102的一侧配置。处理室102进一步包括衬底支撑件(或基座)132。衬底支撑件132可以包括静电卡盘(esc)、机械式卡盘、或其他类型的卡盘。工艺气体被供应至处理室102，且等离子体140在处理室102的内部产生。等离子体140对衬底的暴露表面进行蚀刻。驱动电路152(例如，描述于下文中的一者)可用于在操作期间将rf偏压提供至该衬底支撑件132中的电极。
24.气体输送系统156可用于将工艺气体混合物供应至处理室102。该气体输送系统156可以包括工艺气体和惰性气体源160、气体计量系统162(例如，阀和质量流量控制器)、以及歧管164。气体输送系统168可以用于将气体170经由阀172而输送至充气室122。该气体可包括冷却气体(空气)，其用于冷却线圈116和介电窗124。加热器/冷却器176可用于将衬底支撑件132加热/冷却至预定温度。排放系统180包括阀182和泵184，以通过清扫或抽真空而将反应物从处理室102移除。
25.控制器188可用于控制蚀刻工艺。控制器188监控系统参数，并控制气体混合物的输送、等离子体的点燃、维持及熄灭、反应物的移除、冷却气体的供应等。另外，如下文详细描述的，控制器188可控制线圈驱动电路104和驱动电路152的多个方面。在等离子体处理期间，边缘环192可放置于衬底的径向外侧。
26.现在参考图2a至2e，其显示了根据本公开的涂覆和烧结工艺。如图2a中所显示的，部件200被放置于处理室204内。例如，部件200对应于介电窗，而处理室204对应于等离子体蚀刻室。部件200可包括能够承受与涂覆工艺相关的温度的材料，包括但不限于铝、硅、氧化铝等。仅作为示例，介电窗可包括陶瓷材料。该处理室204可包括气体分配装置208，如喷头、喷嘴等。仅作为示例，气体分配装置208被显示为喷嘴。
27.如图2b及2c所显示的，在处理室204内执行气溶胶沉积工艺以在部件200上施加涂层212。例如，该气体分配装置208被配置成将经气溶胶化材料216供应至处理室204中，以实施气溶胶沉积工艺。涂层212在处理室204内的温度维持低于400摄氏度(例如，介于0与400摄氏度之间)的期间施加。经气溶胶化材料216包括耐等离子体陶瓷材料，例如稀土氧化物(例如，钇氧化物、或y2o3)。该材料的晶粒尺寸小于150nm，而在一些示例中小于100nm。所施加的涂层212的厚度小于30微米(例如，3至20微米的厚度)。
28.如图2d所显示的，将包括涂层212的部件200转移至烘箱或窑炉220而进行热处理工艺。在该热处理工艺期间，将烘箱220内的温度提升至一定温度，该温度足以使涂层212的材料进行扩散及晶粒生长，从而形成与整体陶瓷相似的结构性质且不会因为熔化而造成涂层212的材料的孔隙率以及应力提高。例如，对于钇氧化物的烧结通常可能需要大于1400摄氏度的温度。相反，在根据本公开的热处理工艺中，仅将烘箱220的温度提升至小于1400摄氏度的温度，从而使晶粒生长最大化同时使该涂层212的孔隙率最小化。
29.例如，可在一段预定期间内将该烘箱220的温度从初始温度提升(例如，逐渐升温)至小于1400摄氏度的最大温度。在一示例中，该温度从500摄氏度的初始温度提升至1300摄氏度的最大温度。仅作为示例，该温度可以在第一期间(例如，介于5至30小时之间)内从初始温度提升至最大温度，并且在第二期间(例如，介于8至144小时之间)内保持(“浸泡”)在该最大温度。可以根据部件200和/或涂层212的材料性质而以预定的升温速率来提高温度。在一些示例中，该升温速率为每小时30摄氏度。在其他示例中，该升温速率是每小时100摄氏度。在第三期间内，可将该温度降低(即，逐渐降低)，以使得能在第二期间之后使部件200冷却。
30.在另一示例中，该热处理工艺可以包括多个升温期间和/或浸泡期间。例如，该热处理工艺可以包括在第一期间内将温度从初始温度(例如，500摄氏度)提升至中间温度(例如，900摄氏度)，并且在第二期间内保持该中间温度。在该第二期间之后，可以在第三期间内将该温度从该中间温度提升至最大温度(例如，1300摄氏度)，并在第四期间内保持该最大温度。在该第四期间之后，可以在第五期间内将该温度降低以允许使该部件200冷却。
31.图2e显示了该热处理工艺之后的涂层212。作为在具有上方图2a-2c中所描述特性的材料上执行该热处理工艺的结果，该涂层212的孔隙率小于20％，平均晶粒尺寸介于200与700nm之间，而表面粗糙度小于0.1sa。此外，在经依照本公开的原理的热处理工艺之后的涂层212具有提高的化学蚀刻抗性，其中该抗性以在5％氯化氢(hcl)溶液中进行一小时的酸浸泡测试，造成小于300nm的腐蚀而得到证明。
32.现在参考图3，在304处开始一示例性方法300，其用于根据本公开而对衬底处理室的部件的涂层施加并执行热处理。在308处，该方法300(例如，用户)限定将在涂覆步骤中施加至处理室的部件的材料的一或更多个参数。例如，可限定材料的晶粒尺寸。该晶粒尺寸可限定为小于150nm，且在一些示例中小于100nm。另一示例性参数是对于在处理室内的其他
化学混合物所造成的等离子体蚀刻和/或腐蚀的抗性。
33.在312处，该方法300(例如，用户)从可用材料中选择满足限定参数的材料。示例性材料可以包括稀土氧化物混合物，包括但不限于镱、铒、镝、钆、铥和铝氧化物混合物。在一示例中，该材料对应于钇氧化物混合物，其具有小于150nm的晶粒尺寸，并能够以厚度介于3至20微米的涂层施加。
34.在316处，将部件放置在合适的处理室中，例如，等离子体蚀刻室中。在320处，在该处理室内执行气溶胶沉积工艺，以施加所选材料的涂层。例如，所选材料如上所述地以经气溶胶化形式而供应至处理室，并将处理室内的温度维持在低于400摄氏度(例如，介于0至400摄氏度之间)。该涂层具有3至20微米的厚度。
35.在324处，将包括涂层的部件转移至烘箱或窑炉而进行热处理工艺。在328处，如上文在图2d和2e中所描述的，在该部件上执行热处理工艺。例如，将烘箱内的温度提高至一定温度，该温度足以使涂层的材料进行扩散及晶粒生长，从而形成与整体陶瓷相似的结构性质且不会因为熔化而造成该涂层的材料的孔隙率及应力提高。例如，对于钇氧化物混合物，烘箱的温度从500摄氏度的初始温度提高至1300摄氏度的最大温度。如上所述，该热处理工艺可以包括多个升温期间和/或浸泡期间以及冷却期间。该方法300在332处结束。虽然系在与该气溶胶沉积工艺不同的室中进行上述热处理工艺，但在一些示例中，该涂层的施加和热处理工艺可以在同一室中执行。
36.前面的描述本质上仅仅是说明性的，绝不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实现。因此，虽然本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应当被如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时，其他修改方案将变得显而易见。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时地)执行。此外，虽然每个实施方案在上面被描述为具有某些特征，但是相对于本公开的任何实施方案描述的那些特征中的任何一个或多个，可以在任何其它实施方案的特征中实现和/或与任何其它实施方案的特征组合，即使该组合没有明确描述。换句话说，所描述的实施方案不是相互排斥的，并且一个或多个实施方案彼此的置换保持在本公开的范围内。
37.使用各种术语来描述元件之间(例如，模块之间、电路元件之间、半导体层之间等)的空间和功能关系，各种术语包括“连接”、“接合”、“耦合”、“相邻”、“紧挨”、“在...顶部”、“在...上面”、“在...下面”和“设置”。除非将第一和第二元件之间的关系明确地描述为“直接”，否则在上述公开中描述这种关系时，该关系可以是直接关系，其中在第一和第二元件之间不存在其它中间元件，但是也可以是间接关系，其中在第一和第二元件之间(在空间上或功能上)存在一个或多个中间元件。如本文所使用的，短语“a、b和c中的至少一个”应当被解释为意味着使用非排他性逻辑或(or)的逻辑(a或b或c)，并且不应被解释为表示“a中的至少一个、b中的至少一个和c中的至少一个”。
38.在一些实现方案中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述示例的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定处理部件(晶片基座、气体流系统等)。这些系统可以与用于在半导体晶片或衬底的处理之前、期间和之后控制它们的操作的电子器件集成。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种部件或子部件。根据
处理要求和/或系统类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何工艺，包括工艺气体的输送、温度设置(例如加热和/或冷却)、压力设置、真空设置、功率设置、射频(rf)产生器设置、rf匹配电路设置、频率设置、流率设置、流体输送设置、位置和操作设置、晶片转移进出与具体系统连接或通过接口连接的工具和其他转移工具和/或装载锁。
39.概括地说，控制器可以定义为电子器件，电子器件具有接收指令、发出指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(dsp)、定义为专用集成电路(asic)的芯片、和/或一个或多个微处理器、或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式发送到控制器的指令，单独设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定工艺的操作参数。在一些实施方案中，操作参数可以是由工艺工程师定义的配方的一部分，以在一或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或晶片的管芯的制造期间完成一个或多个处理步骤。
40.在一些实现方案中，控制器可以是与系统集成、耦合到系统、以其它方式联网到系统或其组合的计算机的一部分或耦合到该计算机。例如，控制器可以在“云”中或是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，其可以允许对晶片处理的远程访问。计算机可以实现对系统的远程访问以监视制造操作的当前进展、检查过去制造操作的历史、检查多个制造操作的趋势或性能标准，以改变当前处理的参数、设置处理步骤以跟随当前的处理、或者开始新的工艺。在一些示例中，远程计算机(例如服务器)可以通过网络(其可以包括本地网络或因特网)向系统提供工艺配方。远程计算机可以包括使得能够输入或编程参数和/或设置的用户界面，然后将该参数和/或设置从远程计算机发送到系统。在一些示例中，控制器接收数据形式的指令，其指定在一个或多个操作期间要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以特定于要执行的工艺的类型和工具的类型，控制器被配置为与该工具接口或控制该工具。因此，如上所述，控制器可以是例如通过包括联网在一起并朝着共同目的(例如本文所述的工艺和控制)工作的一个或多个分立的控制器而呈分布式。用于这种目的的分布式控制器的示例是在与远程(例如在平台级或作为远程计算机的一部分)的一个或多个集成电路通信的室上的一个或多个集成电路，其组合以控制在室上的工艺。
41.示例系统可以包括但不限于等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转漂洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(pvd)室或模块、化学气相沉积(cvd)室或模块、原子层沉积(ald)室或模块、原子层蚀刻(ale)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及可以与半导体晶片的制造和/或制备相关联或用于半导体晶片的制造和/或制备的任何其它半导体处理系统。
42.如上所述，根据将由工具执行的一个或多个工艺步骤，控制器可以与一个或多个其他工具电路或模块、其它工具部件、群集工具、其他工具接口、相邻工具、邻近工具、位于整个工厂中的工具、主计算机、另一控制器、或在将晶片容器往返半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口运输的材料运输中使用的工具通信。