用于半导体处理室的匹配化学性的组件主体及涂层的制作方法

用于半导体处理室的匹配化学性的组件主体及涂层
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2020年6月25日申请的美国专利申请no.63/044,007的优先权利益，其通过引用合并于此。


背景技术：

2.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。
3.在形成半导体设备时，等离子体处理室用于处理衬底。一些等离子体处理室具有在等离子体处理过程中被侵蚀的零部件。涂层可用于保护这些零部件。然而，温差以及其他因素可能造成这些涂层从零部件上脱层。
4.一些等离子体处理室具有介电部件，其具有面向等离子体的表面。这些介电部件可由陶瓷氧化铝形成。氧化铝零件的加工可能造成损伤以及缺陷。此类缺陷可能会导致问题，主要是关于来自这类部件的颗粒产生。


技术实现要素：

5.为实现前述以及根据本公开内容的目的，提供了一种用于半导体处理室的部件的制造方法。部件主体是由介电材料形成，其中部件主体具有面向半导体处理的表面。介电材料涂层至少沉积在部件主体的面向半导体处理的表面上。
6.在另一种表现形式中，提供了一种用于半导体处理室的部件。介电材料部件主体具有面向半导体处理的表面。介电材料涂层至少位于面向半导体处理的表面上，其中部件主体的介电材料具有与涂层的介电材料相同的化学计量。
7.在另一种表现形式中，提供了一种修复用于半导体处理室的介电材料部件主体的方法。部件的面向处理的表面的至少一部分被去除。介电材料涂层沉积于部件主体上。
8.本公开内容的这些以及其它特征将在以下结合以下附图更详细地描述。
附图说明
9.本公开内容以示例而非限制的方式在附图中示出，其中相似的附图标记代表相似的组件，且其中：
10.图1为一实施方案的高阶流程图。
11.图2a-c为一实施方案的一部分的示意性剖面图。
12.图3为可用于一实施方案的半导体处理室的示意图。
13.图4为另一实施方案的一部分的示意性剖面图。
具体实施方式
14.现在本公开内容将被详细地描述，并且参考附图中所述的几个优选实施方案。在
以下描述中，许多特定细节被提出以提供对于本公开内容的彻底了解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本公开内容可在没有这些特定细节部分或全部情况下实施。在其它情况下，公知的处理步骤和/或结构并未详细地描述，以免不必要地混淆本公开内容。
15.氧化铝(alumina)、氧化钇(yttria)、氧化铝钇(yttrium aluminum oxide)等在一些等离子体处理室作为涂层。氧化铝用于铝衬垫上，氧化钇用于氧化铝或铝制的峰部(pinnacle)以及窗上。然而，仍然存在一些问题，主要是关于从这些涂层产生的颗粒以及涂层粘附。这类部件容易受到加工损伤。这种损伤会受到化学侵蚀、热膨胀和收缩以及来自材料沉积的应力的影响，从而导致颗粒污染物的产生。此外，氧化铝可能会产生氟化铝颗粒污染物。
16.在为电感耦合等离子体处理室提供功率窗(power window)以及气体注入器(gas injector)时，已经发现由于氧化铝的较低成本、可加工性及/或材料特性(例如损耗正切(loss tangent))，氧化铝是用于形成此类部件主体的良好材料。然而，烧结块状氧化铝主体往往含有化学杂质且只能抛光到一定程度的粗糙度，并且会因加工或抛光而产生次表面损伤。此外，块状氧化铝主体可能具有特定的晶体结构，例如刚玉(corundum)以及晶粒边界(grain boundary)，其是尺寸大小的特征。晶粒方向、晶体结构以及晶粒尺寸或边界对于大块材料而言可能都不是理想的。如果可以保留关键的整体特性(机械强度以及稳定性、介电常数、损耗正切)并加入具有最佳特性的表面涂层，则部件的整体性能可被改善。已经发现原子层沉积(ald)涂层可以填充孔洞或孔隙，消除部件主体与等离子体的直接接触，并可提供受控的晶相。这种涂层可以改变等离子体润湿表面，以定制涂层对化学以及离子攻击的响应。如果氧化钇涂层沉积于氧化铝上，则氧化钇会强烈氟化。接着，直接或随后通过再沉积，已氟化的氧化钇会产生可能落在晶片上的颗粒。此外，对于各种沉积技术而言，氧化钇的形态以及密度比氧化铝的形态以及密度更难以控制。氧化钇的这些“不良”材料特性导致等离子体损伤以及颗粒生成增加。因此，在该实施方案中，将通过ald工艺在氧化铝烧结体上形成氧化铝涂层。
17.为有利于理解，图1是在实施方案中使用的工艺的高阶流程图。提供部件主体(步骤104)。部件主体可经由烧结导电陶瓷粉末形成。图2a是部件主体204的一部分的示意性剖面图。在该示例中，部件主体204形成功率窗。于此实施方案中，部件主体204由介电陶瓷金属氧化物形成。在该实施方案中，部件主体204是由烧结氧化铝形成。部件主体204具有面向等离子体的表面208。面向等离子体的表面208被示意性地示出是粗糙的，其具有峰和谷。更普遍地，面向等离子体的表面208是面向半导体处理的表面，其中半导体处理可以是等离子体工艺或无等离子体工艺。
18.在该实施方案中，烧结用于由氧化铝陶瓷粉末形成陶瓷氧化铝部件主体204。烧结氧化铝主体可经由使用各种烧结工艺(例如冷压、热压、温压、热均压(hot isostatic press)、生胚片(green sheet)和火花等离子体烧结(spark plasma sintering))来制成。在一些实施方案中，部件主体204可被加热到至少400℃持续至少2小时。于一些实施方案中，部件被加热至少1天。
19.在该实施方案中，部件主体204被加工以及抛光。加工以及抛光用于使部件主体成形以及改变面向等离子体的表面208的形态。图2b是在部件主体204已被加工以及抛光后，部件主体204的一部分的示意性剖面图。粗糙的面向等离子体的表面208已经变得更平滑。
烧结部件主体204的面向等离子体的表面208具有小孔212。小孔212可能是部件主体204的多孔结构的结果。此外，在该实施方案中，面向等离子体的表面208具有由部件主体204的加工所造成的损伤216。在其他实施方案中，部件主体204未被加工或抛光或者两者兼有。举例而言，部件主体204可被形成为足够接近最终的形状，因而不需要加工。在该实施方案中，功率窗的整个部件主体204是由单一介电材料制成。单一介电材料可以是包含材料(例如氧化铝)的单一介电金属。
20.在部件主体204被加工以及抛光之后，涂层沉积于部件主体的面向等离子体的表面208上(步骤108)。在该实施方案中，使用原子层沉积将氧化铝涂层沉积于氧化铝部件主体204上。在该实施方案中，原子层沉积(ald)工艺包含多个循环。在该实施方案的每一循环中，首先，沉积前体。在该示例中，前体是三甲基铝。接着，提供第一次清扫。在该示例中，氮气清扫气体流入以清扫未沉积的前体。接着，施加反应物。在该示例中，反应物为水。反应物使铝氧化以形成单层氧化铝。接着，提供第二次清扫。在该示例中，氮气清扫气体流入以清扫仍为蒸气态的反应物。该循环重复多个循环，从而形成原子层沉积(ald)氧化铝涂层。在该示例中，原子层沉积工艺是无等离子体的。在一些实施方案中，除了面向等离子体的表面208外，涂层还可应用于部件主体204的其它表面。
21.图2c是沉积涂层220后(步骤108)部件主体204的一部分的示意性剖面图。在该实施方案中，涂层220填充小孔212并覆盖损伤216，从而提供平滑的无孔洞表面。在其它实施方案中，涂层220可以更保形，或者可选择以及调整沉积工艺，以提供期望的表面形态。
22.将部件主体204安装于半导体处理室中(步骤112)。在该实施方案中，部件主体204可使用作为半导体处理室中的功率窗或气体注入器。为有利于理解，图3示意性地图示了可用于一实施方案中的半导体处理室系统300的示例。半导体处理室系统300包含等离子体反应器302，其具有在其中的半导体处理室304。由功率匹配网络308调谐的等离子体电源306向位于介电感应功率窗312附近的变压器耦合等离子体(tcp)线圈310提供功率，以通过提供感应耦合功率于半导体处理室304中产生等离子体314。峰部372从半导体处理室304的室壁376延伸至介电感应功率窗312，从而形成峰部环。峰部372相对于室壁376以及介电感应功率窗312倾斜。举例而言，峰部372和室壁376之间的内角以及峰部372和介电感应功率窗312之间的内角可分别大于90度以及小于180度。如图所示，峰部372在半导体处理室304的顶部附近提供倾斜的环。tcp线圈(上部电源)310可配置为在半导体处理室304内产生均匀扩散的分布。举例而言，tcp线圈310可配置为在等离子体314中产生环形功率分布。提供介电感应功率窗312以将tcp线圈310与半导体处理室304分开，同时允许能量从tcp线圈310传递到半导体处理室304。当堆叠件置于电极320上时，由偏置匹配网络318调谐的晶片偏压电源316向电极320提供功率以设置偏压。处理晶片366放置于电极320上。控制器324控制等离子体电源306以及晶片偏压电源316。
23.等离子体电源306以及晶片偏压电源316可配置为在特定射频下操作，例如在13.56兆赫(mhz)、27mhz、2mhz、60mhz、400千赫(khz)、2.54千兆赫(ghz)或其组合下操作。等离子体电源306以及晶片偏压电源316可以是适当的尺寸以提供一定范围的功率，进而达到期望的工艺性能。举例而言，在一实施方案中，等离子体电源306可提供50至5000瓦范围内的功率，且晶片偏压电源316可提供20至2000伏特(v)范围内的偏压。此外，tcp线圈310和/或电极320可以由两个或更多个子线圈或子电极组成。子线圈或子电极可由单个电源供电
或由多个电源供电。
24.如图3所示，半导体处理室系统300还包含气体源/气体供应机构330。气体源330通过气体入口，例如气体注入器340，与半导体处理室304流体连接。气体注入器340具有至少一个钻孔341以允许气体经由气体注入器340进入半导体处理室304。气体注入器340可设置于半导体处理室304中的任何有利位置，且可采取任何形式注入气体。然而，优选地，气体入口可配置为产生“可调节”的气体注入分布。可调节的气体注入分布允许独立地调节通向等离子体处理室304中的多个区域的相应气体流量。更优选地，气体注入器安装至介电感应功率窗312。气体注入器可以安装于功率窗上、安装于功率窗中或构成功率窗的一部分。处理气体以及副产物经由压力控制阀342以及泵344从等离子体处理室304去除。压力控制阀342以及泵344还用于将半导体处理室304内维持在特定压力下。压力控制阀342可以在处理期间保持小于1托的压强。边缘环360围绕电极320的顶部放置。气体源/气体供应机构330由控制器324控制。lam research corp.(fremont,ca)的kiyo可用于实践一实施方案。
25.在该实施方案中，由于部件主体204以及涂层220是由氧化铝制成，因此部件主体204以及涂层220具有几乎相同的热膨胀系数(cte)。部件主体204是烧结的，而涂层220是非烧结的。因此，当部件200暴露于宽范围的温度时，部件主体204以及涂层220之间的脱层减少。在该实施方案中，以原子层沉积工艺沉积的涂层220具有比部件主体204更高纯度的氧化铝，因而减少由杂质所造成的污染物。涂层220提供具有较少加工损伤以及较少小孔的面向等离子体的表面，以进一步减少污染物。涂层220的表面形态可针对不同的质量进行调整。举例而言，可以调整表面的粗糙度以及形状，以在等离子体处理期间增加沉积的附着。增加的附着减少了污染物。在其它实施方案中，涂层220具有比部件主体204低的纯度。
26.各种材料的异位(ex-situ)氟化数据指出，表面形态(粗糙度)、暴露的等离子体材料相结构(氧化铝晶体的类型，以及尺寸、晶粒边界、填隙材料、光谱频率)对于产生颗粒的等离子体暴露材料的最终性能具有重大的影响。因此，在一些实施方案中，部件主体204以及涂层220具有不同的晶体结构。于一部件主体上提供相同材料的涂层可用于控制表面特性，同时匹配部件主体204的热膨胀系数以及其他特性，以允许较好的热及机械稳定性以及维持其他所需的整体特性。多种实施方案能够在修复来自加工的缺陷的同时提供所需的表面形态。如果涂层220的材料与部件主体204的材料不同，则缺陷可能无法完全修复。涂层220可以改变面向等离子体的表面，以定制关于化学以及离子侵蚀的响应。
27.各种半导体处理室系统300可使用其它部件，其具有介电材料部件主体204以及相同介电材料的涂层220，使得部件主体204以及涂层220为具有相同化学计量的相同化合物。此类部件包含用于静电卡盘(esc)的陶瓷板、介电感应功率窗、气体注入器、边缘环、室衬垫，例如室峰部、室壁、喷头或陶瓷传送臂。室壁，例如圆顶形室壁可具有复杂的几何形状，其可能需要加工以提供复杂的几何形状。沉积的涂层在加工表面上提供了更耐腐蚀的表面。对于陶瓷传送臂，涂层会减少表面颗粒。陶瓷传送臂不暴露于等离子体。因此，在多种实施方案中，涂层也形成于部件的多个表面上，该多个表面不是半导体处理室系统300的部件的面向等离子体的表面。部件200可使用作为消耗性半导体处理室部件。部件200可使用于其他类型的半导体处理室，其用于蚀刻、沉积或其它等离子体工艺。使用部件200的其他类型的半导体处理室的示例可以是电容耦合半导体处理室以及斜角半导体处理室。
28.在其它实施方案中，部件主体204以及涂层220可由其他介电材料制成。这种介电
材料可为包含介电金属的材料，例如金属氧化物、金属氟氧化物和金属氟化物中的一或多者。这种金属氧化物可为氧化铝、氧化钇(y2o3)、三元氧化钇-氧化铝如钇铝石榴石(y3al5o
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(yag))、钇铝单斜晶(y4al2o9(yam))或钇铝钙钛矿(yalo3(yap))或钇稳定氧化锆(ysz)。其他可使用的金属氧化物为稀土金属氧化物。金属氟氧化物的一示例为氟氧化钇(yof)。金属氟化物的一示例为氟化钇(iii)(yf3)。在其它实施方案中，可使用其他复合陶瓷，其包含氧化铝、氧化钇、氧化铝镁或氧化镁(mgo)相。
29.在多种实施方案中，部件主体204可为烧结部件主体，或者可为单晶或多晶。在多种实施方案中，整个部件以及部件主体是由介电材料的烧结介电陶瓷制成，而不是仅部件主体上的套管或涂层是由烧结陶瓷制成，部件的其余部分由铝或铝合金制成。在多种实施方案中，不同工艺可用于沉积涂层220。举例而言，在一些实施方案中，可使用物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)、原子层沉积(ald)、气溶胶沉积(ad)或各种形式的热喷涂涂布，例如大气等离子体喷涂(aps)或悬浮等离子体喷涂(sps)。
30.在一实施方案中，提供介电感应功率窗312。使用大气等离子体喷涂(aps)或悬浮等离子体喷涂(sps)将氧化铝涂层沉积于氧化铝部件主体上。
31.大气等离子体喷涂(aps)是一种热喷涂，其通过在两个电极之间施加电势而形成火炬(torch)，从而导致加速的气体(等离子体)离子化。这类火炬可很容易地达到摄氏数千度的温度，从而液化高熔点材料，例如陶瓷。所需材料的颗粒(在该实施方案中为氧化铝)被注入射流中，熔化然后朝向衬底加速，使得熔化或塑化的材料涂布于部件的表面并冷却，从而形成固态、保形的涂层。这些工艺不同于使用汽化材料而不是熔融材料的气相沉积工艺。
32.悬浮等离子体喷涂是一种热喷涂，其通过施加电势于两个电极之间而形成火炬，从而导致加速的气体(等离子体)离子化。这类火炬可很容易地达到摄氏数千度的温度，从而液化高熔点材料，例如陶瓷。将待沉积的固体颗粒在液体介质中的液体悬浮液送入火炬。火炬熔化所需材料的固体颗粒。载气被推送通过电弧腔并通过喷嘴输出。在该腔中，阴极和阳极构成电弧腔的一部分，并维持在大直流(dc)偏压下，直到载气开始离子化，从而形成等离子体。热的离子化气体接着经由喷嘴被推出，从而形成火炬。尺寸小于10微米的流化陶瓷颗粒被注入喷嘴附近的室中。这些颗粒在等离子体火炬中被热的离子化气体加热，使其超过陶瓷的熔化温度。然后等离子体以及熔化的陶瓷射流瞄准部件主体。颗粒撞击部件主体且被压平以及冷却以形成涂层。
33.在该实施方案中，涂层具有介于50微米至200微米范围内的厚度。此外，在该实施方案中，涂层具有介于100微英寸至250微英寸(2.54微米至6.35微米)范围内的表面粗糙度ra。在其它实施方案中，涂层可具有介于30纳米(nm)和150微米之间的厚度。
34.在另一实施方案中，通过先提供yag部件主体来提供介电感应功率窗312。气溶胶沉积(ad)用于在部件主体上沉积yag涂层。气溶胶沉积是通过使载气通过固体粉末混合物的流化床来实现的。在压力差的驱动下，粉末颗粒通过喷嘴加速，在其出口形成气溶胶射流。然后气溶胶被引导至部件主体的表面，气溶胶射流在该处以高速撞击表面。颗粒分解成固体纳米尺寸的碎片，从而形成涂层。
35.在另一实施方案中，通过先提供yof部件主体来提供介电感应功率窗312。物理气相沉积(pvd)、气溶胶沉积(ad)或大气等离子体喷涂(aps)用于在部件主体上沉积yof涂层。
36.在另一实施方案中，该部件为气体注入器340。在一些半导体处理室系统300中，气
体注入器340可提供不同的气体或气体比率至不同的区域。在一示例中，中央气体注入器可提供气体至半导体处理室304的中央部分，以及边缘气体注入器可提供气体至半导体处理室304的外围部分。通过该实施方案，中央以及边缘气体注入器都可以提供。在该实施方案中，氧化铝的部件主体可使用增材制造或基于液滴的净成型制造(net-formmanufacturing)形成。增材制造是一种制造工艺，其通过增加一层又一层的材料来构建立体(3d)物件。3d打印是增材制造的一个示例。氧化铝涂层可由大气等离子体喷涂(aps)形成。
37.在另一实施方案中，气体注入器可具有yag部件主体。在一实施方案中，部件主体为yag单晶。yag涂层可通过物理气相沉积(pvd)沉积。在另一实施方案中，气体注入器部件包含部件主体以及涂层，其都由氧化钇、yof或氟化钇(iii)(yf3)制成。
38.在其它实施方案中，该部件为边缘环360，其用于围绕一被处理之处理晶片366。在一实施方案中，边缘环360的环形部件主体是由氧化铝制成。大气等离子体喷涂(aps)、化学气相沉积(cvd)以及原子层沉积(ald)中的一者用于在部件主体上沉积氧化铝涂层。在另一实施方案中，部件主体以及涂层为二氧化钛(氧化钛)。在另一实施方案中，部件主体以及涂层为氧化钇、yof以及氟化钇(iii)(yf3)中的一者。
39.于另一实施方案中，图4为具有另一实施方案的部件主体404的部件400的一部分的示意性剖面图。在该实施方案中，涂层包含第一涂层420a，其施加至部件主体404，以及第二涂层420b，其施加至第一涂层420a。第一涂层420a、第二涂层420b以及部件主体404都具有相同的化学成分。在该实施方案中，第二涂层420b是使用不同于施加第一涂层420a的工艺的沉积工艺进行施加，使得第一涂层420a的密度不同于第二涂层420b的密度。
40.在一些实施方案中，第一涂层420a比第二涂层420b更致密。在这类实施方案中，第一涂层420a能够以化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)或气溶胶沉积(ad)进行施加，且第二涂层420b是以大气等离子体喷涂(aps)进行施加。在其它实施方案中，第二涂层420b比第一涂层420a更致密。在这类实施方案中，第一涂层420a能够以大气等离子体喷涂(aps)进行施加，且第二涂层420b能够以气溶胶沉积(ad)或化学气相沉积(cvd)进行施加。替代地，第一涂层420a是以原子层沉积(ald)进行施加，第二涂层420b是以大气等离子体喷涂(aps)进行施加。在一些实施方案中，更致密的第二涂层420b可使用作为密封、胶合或阻挡涂层。
41.在另一实施方案中，提供了一种用于修整半导体处理室的使用过的部件的部件主体的方法。整个部件以及部件主体是由介电材料(例如氧化铝)制成。在用于处理多个晶片的半导体处理室中使用后，面向半导体处理的表面可能变差。部件从半导体处理室中取出。在一实施方案中，面向半导体处理的表面的至少一部分被去除。在一实施方案中，去除包含湿式清洗或酸去除。其他清洗以及处理步骤可在面向半导体处理的表面以及部件上执行。介电材料的涂层至少沉积于部件主体的半导体处理表面上。涂层具有与部件主体以及面向半导体处理的表面不同的形态以及晶体结构。沉积涂层可通过化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积、悬浮等离子体喷涂、气溶胶沉积以及热喷涂中的一者或多者进行。在一些实施方案中，涂层具有介于30纳米以及150微米之间的厚度。在一些实施方案中，涂层是金属氧化物、金属氟氧化物以及金属氟化物中的至少一者，例如氧化铝、氧化钇、钇稳定氧化锆、氟氧化钇、氟化钇(iii)以及氧化铝钇中的一者或多者。修复后的部件被放置于半导体处理
室中，然后用于处理晶片。在该实施方案中，涂层具有介于30纳米至600微米范围内的厚度。在多种实施方案中，涂层可具有介于30纳米至200纳米、1微米至20微米、10微米至250微米或300微米至600微米中的一或多个范围内的厚度，具体取决于涂布工艺以及应用。
42.以前，使用过的部件将被丢弃。提供新部件的成本是昂贵的。能够以低成本提供具有抗侵蚀性以及与新部件相似性质的修复部件，降低了拥有成本并减少了对环境的影响。在其它实施方案中，第二涂层可沉积在该涂层上，其中第二涂层与该涂层具有相同的材料，但具有与该涂层不同的密度、形态或晶体结构。举例而言，在一实施方案中，第二涂层可比该涂层更为致密。密度可由沉积工艺以及沉积参数来决定。
43.本公开内容虽已通过多个优选实施方案进行说明，但仍有许多落在本公开内容范围内的变更、修改、置换以及各种替代的等同方案。需注意的是，有许多实现本公开内容的方法以及装置的替代方式。因此意在使以下随附权利要求解释为包含所有落入本公开内容的真正精神以及范围内的此类变更、修改、置换以及各种替代的等同方案。