用于等离子蚀刻设备的碳化硅环及碳化硅环的成型工艺的制作方法

1.本发明涉及化学气相沉积技术领域，尤其涉及一种用于等离子蚀刻设备的碳化硅环及碳化硅环的成型工艺。


背景技术：

2.碳化硅（sic）材料作为优秀的第三代半导体材料，具有热传导度高、耐等离子刻蚀、耐氧化、耐磨损、耐腐蚀、高温稳定等优点，尤其是具备在等离子刻蚀制造工艺中几乎不产生颗粒污染的优良特性。使用碳化硅材料制备而成的部件，比如刻蚀机内部的top edge ring、focus ring以及电极，化学气相沉积反应设备使用的基座等，均有效提高了部件的使用周期及品质，成为半导体领域成功量产和良率保证的重要利器之一。
3.未来几年，随着半导体制程的不断发展进步，比如越来越窄的器件栅极宽度又或者越来越深的刻蚀孔，这些均都有赖于半导体零部件的性能提升。而碳化硅零部件材料因其具有优异的热传导率、耐等离子刻蚀性能等，适用于集成电路等离子刻蚀环节的工艺提升，主要表现在零部件使用寿命的提升以及零部件污染性颗粒的减少。当前主流的碳化硅部件制备技术为化学气相沉积技术，即利用前驱体在高温下热解反应出c/si原子并在衬底上沉积得到碳化硅材料，该项技术的核心参数主要为气体分布、温度和压力，这些参数的控制均会影响到碳化硅沉积材料的组织和性能。其中，因衬底表面为直接发生c/si原子沉积的位置，衬底温度的均匀控制尤为关键。
4.目前，化学气相沉积碳化硅零部件常见的衬底为高纯石墨材料，以等离子刻蚀用的sic edge ring部件的制备为例，所选择的石墨衬底一般为外径290-400mm的大尺寸圆环形式，以多片式堆叠的方式安置在炉体内，并通过电阻加热的方式进行衬底及沉积环境的加热。但在实际的生产过程中，会发现采用上述方式生长出来的环状碳化硅部件作为edge ring使用在等离子刻蚀设备中，会导致等离子体的路径发生偏差，导致刻蚀不均匀的现象。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于等离子蚀刻设备的碳化硅环及碳化硅环的成型工艺，能够提高衬底表面径向上的温度均匀性，获得质地均匀的碳化硅环。
6.本公开第一方面提供了一种碳化硅环的成型工艺，包括步骤：s1：将衬底安装于化学气相沉积设备的反应室内；所述化学气相沉积设备的炉体限定出所述反应室，所述炉体上设有加热装置，所述加热装置环绕所述衬底，所述衬底为具有凹槽的环状体，所述凹槽自所述环状体的外环面向所述环状体的内环面延伸；s2：对所述反应室进行抽真空处理；s3：运行所述加热装置，将所述反应室加热至预设温度；s4：向所述反应室通入反应气体，所述反应气体包括载气、稀释气体以及含有碳元素和硅元素的前驱体；所述反应气体在所述预设温度下分解沉积在所述衬底表面，形成碳
化硅层；s5：当沉积在所述衬底上的碳化硅层满足预设条件时，关闭所述加热装置，降温后取出沉积有碳化硅层的衬底；s6：剥离所述衬底得到碳化硅环。
7.可选的，所述环状体的上表面与所述外环面之间和/或所述环状体的下表面与所述外环面之间倒角过渡。
8.可选的，所述凹槽的横截面形状为圆锥抛物线曲线。
9.可选的，所述衬底采用灰分低于50ppm的石墨材料或纯度大于99.999%的碳化硅材料制成。
10.可选的，步骤s2中将所述反应室抽真空至0.1-0.01 torr。
11.可选的，步骤s3中预设温度为1050℃ ~ 1600℃。
12.可选的，步骤s4包括：向所述反应室通入甲基三氯硅烷作为前驱体，流量为6slpm ~ 12 slpm；向所述反应室通入氢气作为载气，流量为40slpm ~ 100 slpm；向所述反应室通入氮气作为稀释气体，流量为3lpm ~ 40 lpm。
13.可选的，步骤s6之后还包括：将所述碳化硅环加工至目标尺寸。
14.可选的，所述反应室内设有旋转台和至少一根旋转轴，所述旋转台转动设于所述炉体的底壁上，所述至少一根旋转轴靠近所述旋转台的边沿设置，所述衬底安装于所述旋转轴上；所述化学气相沉积设备还包括旋转台驱动件和旋转轴驱动件，在向所述反应室通入反应气体时，所述旋转台驱动件驱动所述旋转台相对于炉体旋转，所述旋转轴驱动件驱动所述旋转轴相对于所述旋转台旋转，所述旋转台的旋转方向与所述旋转轴的旋转方向相反。
15.本公开第二方面提供了一种用于等离子蚀刻设备的碳化硅环，所述碳化硅环采用上述第一方面所述的碳化硅环的成型工艺制备获得。
16.实施上述方案，具有如下有益效果：本公开改善了衬底表面沉积碳化硅薄膜在径向上的厚度以及组织性能均匀性。具体的，通过在环状衬底的外环面上设置凹槽，当环绕衬底的加热装置加热时，凹槽结构能够改善因衬底内外侧与加热装置空间位置上的差异所导致的温度差异，提高衬底表面径向上的温度均匀性，使衬底表面的碳/硅原子沉积更加均匀。通过设计衬底的上表面、下表面与外环面倒角过渡，减小了衬底外侧边缘偏厚带来的化学气相沉积反应边界层以及碳/硅原子向衬底内侧形核以及扩散的影响，能够进一步提高碳化硅材料沉积的均匀性，减小碳化硅层径向厚度差异。
附图说明
17.图1是本公开实施例提供的化学气相沉积设备的结构示意图；图2是本公开实施例提供的衬底的结构示意图；图3是本公开实施例提供的衬底的剖面结构示意图；图4是传统衬底与本公开衬底的结构及热辐射加载方式比对图；图5是传统衬底与本公开衬底的热辐射数据比对图；
图6是本公开实施例提供的碳化硅环的成型工艺的流程图。
18.图中：100炉体，101进气口，102排气口，103反应室，104加热装置，201旋转台，202旋转轴，300衬底，301外环面，302内环面，303凹槽，304上表面，305倒角，306下表面。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
20.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
23.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
25.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
26.在化学气相沉积制备的碳化硅易于导致等离子体路径偏差的问题研究中，发明人发现采用上述方式生长出来的环状碳化硅部件径向上存在边缘位置厚内部薄的现象，且厚
薄位置的晶粒大小和组织存在一定差异。发明人经反复实验分析，得到造成上述现象的原因为：大尺寸石墨衬底的边缘位置因直接受到加热器的热辐射，温度较衬底内部位置偏高，故在工艺过程中c/si原子会优先形核沉积；随着沉积工艺的持续进行，衬底边缘侧与内侧的厚度差异逐渐变大，且会造成化学气相沉积反应边界层的影响，进一步恶化碳化硅沉积材料的均匀性。
27.图1示出了本公开涉及的化学气相沉积设备的结构示意图，本公开的碳化硅环的成型工艺利用该化学气相沉积设备实施。请参见图1，化学气相沉积设备包括炉体100，炉体100限定出反应室103，炉体100上部设有进气口101，炉体100下部设有排气口102，进气口101和排气口102均与反应室103连通，为了延长气体在反应室103内的流动路径，进气口101与排气口102可以以对角形式设置。进气口101将包含前驱体及其他反应气体的混合气体输送至反应室103，前驱体及其他反应气体在所述炉体100内反应沉积，排气口102将包含未反应的前驱体和气体、反应产物及其他副产物的混合物质从炉体100内排出，便于新的前驱体及其他反应气体进入反应室103。
28.炉体100上设有加热装置104，加热装置104可以环绕炉体100内壁间隔分布。在一种可能的实现方式中，加热装置104为电阻加热装置104，使用电流通过电阻加热装置104后产生的热辐射对反应室103内的环境加热。
29.炉体100底部设有旋转台201，旋转台201上沿周向分布有多个旋转轴202，炉体100外可设置旋转台驱动件和旋转轴驱动件，旋转台驱动件用于驱动旋转台201相对于炉体100底部旋转，旋转轴驱动件用于驱动旋转轴202相对于旋转台201旋转。为了提高碳/硅原子沉积均匀性，设置旋转台201的旋转方向与旋转轴202的旋转方向相反，并且旋转台201的旋转速度与旋转轴202的旋转速度一致，均不高于3转/分钟。
30.旋转轴202上设有多个衬底300，多个衬底300沿旋转轴202的长度方向间隔分布。其中，衬底300为环状体，在一种可能的实现方式中，环状体上可以设置卡槽，旋转轴202上设有连接杆，将连接杆卡入卡槽中完成衬底300与旋转轴202的结合，将衬底300固定于旋转轴202上，确保旋转轴202转动过程中，衬底300不会剧烈晃动。
31.如上文说明，目前常规的衬底在使用过程中因温度不均匀导致碳化硅环径向上存在边缘位置厚内部薄的现象，且厚薄位置的晶粒大小和组织存在一定差异。为解决此问题，本公开对衬底进行了改进设计，具体包括衬底内部掏空设计。发明人分析发现，衬底径向上温度差异大的主要原因是：衬底外部在空间上更接近加热装置，能接受到更多的热辐射，温度较衬底内部偏高，更易形核生长薄膜材料。为了减小温度差，本公开在衬底外侧环面上进行掏空设计，让接受热辐射的面更加接近衬底的内侧，改善衬底表面的温度差异。
32.进一步的，由于衬底边缘位置更加接近加热装置，故衬底内外侧必然会存在一定温度差异，产生化学气相沉积反应边界层影响，即：衬底边缘温度高，碳/硅原子在衬底边缘沉积速度快，随沉积时间加长，衬底边缘处碳化硅层的高度增大，会阻挡碳/硅原子向衬底内侧形核以及扩散。但为了减小衬底外侧边缘偏厚带来的化学气相沉积反应边界层的影响，本公开在衬底的边缘位置进行倒角设计，以减小边缘位置薄膜材料偏厚带来的影响。
33.图2和图3示出了基于上述设计思想的一种衬底300的结构，请参见图2和图3，衬底300在本实施例中选用高纯石墨材料制成的环状体结构，在另外的实施例中也可以为高纯碳化硅。一般的，碳化硅环的尺寸为外径为360 mm，内径为240 mm，因此所述环状体衬底300
的内径为200 mm-280 mm，外径为330 mm-400 mm。不同型号的等离子刻蚀设备，所需碳化硅环的尺寸需求亦会发生变化，所述环状体衬底300可依据实际需求相应增大或减小。环状体上设有凹槽303，凹槽303自环状体的外环面301向环状体的内环面302延伸。环状体的上表面304与外环面301之间和环状体的下表面306与外环面301之间倒角305过渡。具体的，该倒角305可以是平面倒角305或者曲面倒角305。衬底300边缘倒角305设计，可以改善因衬底300外侧边缘偏厚带来的化学气相沉积不均匀。衬底300外环面301上设凹槽303，能够让衬底300外侧接受热辐射的面空间上更加接近内侧，有效改善衬底300表面的温度差异，使衬底300表面的碳/硅原子沉积更加均匀，如薄膜厚度以及组织。
34.在一种可能的实现方式中，环状体上凹槽303的槽底和槽壁均为弧面，凹槽303的横截面形状为圆锥抛物线曲线，凹槽两相对侧壁之间的距离从凹槽的槽口向凹槽的槽底逐渐减小，如图3所示。将凹槽截面设置为圆锥抛物线曲线，使凹槽内没有棱角，进而没有气流死角，有利于气流流动；并且，由于凹槽两侧壁之间的距离从凹槽的槽口向槽底逐渐缩小，能够确保环状体的支撑强度。除此之外，凹槽303的截面形状还可以是矩形、梯形、“c”形、“＜”形、“∠”形等。
35.在图1所示结构包括3个旋转轴202，每根旋转轴202有11个衬底300，为3轴11层碳化硅边缘环沉积工艺，其中高纯石墨衬底300的内外径加工尺寸为200mm~400mm。因衬底300尺寸较大，为了确保碳化硅材料能够在衬底300表面均匀沉积，故衬底300表面的温度需要确保其均匀性。为确保碳化硅材料在衬底300圆周方向上沉积的均匀性，旋转台201会带动旋转轴202整体作慢速顺时针旋转运动，转速为1 转/分钟，且旋转轴202也在作慢速逆时针旋转运动，转速为1 转/分钟。同时，为确保碳化硅材料在衬底300径向上沉积的均匀性，减小衬底300径向上内外侧温差以及内外侧沉积膜层厚度差异的影响，对衬底300进行了如上描述的改善：1、内部掏空设计；2、衬底300边缘倒角305设计。图1所示化学气相沉积设备的使用过程为：加热装置104加热温度为1050℃，载气氢气携带前驱体甲基三氯硅烷通过进气口101进入到炉体100内的反应室103，前驱体在高温下会进行分解，碳/硅原子经过复杂的分解吸附反应过程，最终在衬底300表面沉积得到碳化硅材料，而未反应的气体及其他副产物的混合物质从排气口102排出。
36.为了确认改善效果，通过仿真软件对常规和改善后的衬底进行模拟计算，确认衬底表面的温度差异，传统衬底和本公开的衬底的比对如图4所示，图4左侧3-1为传统衬底的热辐射示意图，图4右侧3-2为本公开衬底的热辐射示意图。图4中传统衬底和本公开衬底的内外径数据一致，内径均为300mm，外径均为400mm。电阻加热装置设计为1050℃，对衬底进行辐射加热，为了有目的性的放大改善效果，仅考虑对衬底外侧面的辐射(如图5中所示)，考虑衬底表面与环境的热对流，确保两组模拟实验条件差异仅有衬底的边缘倒角设计和外部挖空设计。结果如图5所示，图5中左侧4-1为传统衬底的实验数据，图5中右侧4-2为本公开衬底的实验数据，由图5可见，传统衬底的内外侧温差为31.99℃，本公开的衬底内外侧温差为16.06℃，且两者的温度对径向的变化曲线趋势也发生了改变。另外，结果发现本公开的衬底最高温度较传统衬底的最高温度更高，分析原因为该模拟实验考虑的情况比较理想，改善后的衬底装置外侧面接受辐射的面为曲面，面积更大，故接受到的热能更高。虽然实际的工艺中，因生长炉内的热环境非常复杂，且衬底的内外侧温差不会有几十度，但模拟结果从定性的角度上表明了该方案有助于改善衬底在径向上的温度差异，进而提高碳化硅
材料沉积的均匀性。
37.本公开实施例还提供了一种碳化硅环的成型工艺，可以采用上述的化学气相沉积设备来实施。请参见图6，碳化硅环的成型工艺包括如下步骤s1~ s6。
38.s1：将衬底安装于化学气相沉积设备的反应室内；所述化学气相沉积设备的炉体限定出所述反应室，所述炉体上设有加热装置，所述加热装置环绕所述衬底，所述衬底为具有凹槽的环状体，所述凹槽自所述环状体的外环面向所述环状体的内环面延伸，所述环状体的上表面与所述外环面之间和/或所述环状体的下表面与所述外环面之间倒角过渡。
39.其中，所述衬底采用高纯石墨材料制成。所述环状体衬底的内径为200 mm-280 mm，外径为330 mm-400 mm。
40.s2：对所述反应室进行抽真空处理。
41.具体的，将反应室抽真空至0.1-0.01 torr。
42.s3：运行所述加热装置，将所述反应室加热至预设温度。
43.预设温度为1050℃ ~ 1600℃。
44.s4：向所述反应室通入反应气体，所述反应气体包括载气、稀释气体以及含有碳元素和硅元素的前驱体；所述反应气体在所述预设温度下分解沉积在所述衬底表面，形成碳化硅层。
45.向所述反应室通入反应气体的同时，还包括将反应副产物排出所述反应室。具体的，步骤s4中向所述反应室通入甲基三氯硅烷作为前驱体，流量为6slpm ~ 12 slpm；向所述反应室通入氢气作为载气，流量为40slpm ~ 100 slpm；向所述反应室通入氮气作为稀释气体，流量为3lpm ~ 40 lpm。甲基三氯硅烷在高温下会分解为碳和硅原子的基团，扩散吸附到石墨衬底上沉积碳化硅材料，其余副产物通过排气口排出。
46.s5：当沉积在所述衬底上的碳化硅层满足预设条件时，关闭所述加热装置，降温后取出沉积有碳化硅层的衬底。
47.观察衬底表面碳化硅材料的生长情况，待碳化硅层生长至一定厚度后关闭加热装置进行降温；当温度降至80℃以下后，开腔取出表面沉积有碳化硅材料的石墨衬底。
48.s6：剥离所述衬底得到碳化硅环。
49.通过机械加工去除石墨衬底材料后得到碳化硅环，由于碳化硅在石墨衬底的上下表面均有沉积，因此一个石墨衬底上可得到两个碳化硅环，利用线切割工艺将碳化硅环切割至要求的内外径尺寸，并对碳化硅环的表面进行研磨抛光达到所需的表面粗糙度，然后通过清洗工艺去除碳化硅环表面的杂质油污，获得可进行使用的碳化硅环部件。该碳化硅环部件可应用于等离子刻蚀核心零部件。
50.本公开还提供了一种采用上述的碳化硅环的成型工艺制备获得的用于等离子蚀刻设备的碳化硅环。
51.本公开改善了衬底表面沉积碳化硅薄膜在径向上的厚度以及组织性能均匀性。具体的，通过在环状衬底的外环面上设置凹槽，当环绕衬底的加热装置加热时，凹槽结构能够改善因衬底内外侧与加热装置空间位置上的差异所导致的温度差异，提高衬底表面径向上的温度均匀性，使衬底表面的碳/硅原子沉积更加均匀。通过设计衬底的上表面、下表面与外环面倒角过渡，减小了衬底外侧边缘偏厚带来的化学气相沉积反应边界层以及碳/硅原子向衬底内侧形核以及扩散的影响，能够进一步提高碳化硅材料沉积的均匀性，减小碳化
硅层径向厚度差异。本公开对电阻加热炉、大尺寸及厚膜材料生长的衬底温差改善效益明显。
52.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。