專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體加工設(shè)備的防腐組件及其制造方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及半導(dǎo)體加工設(shè)備和提高其組件防腐性能的方法。
相關(guān)技術(shù)描述在半導(dǎo)體加工領(lǐng)域，真空加工腔室常被用于蝕刻和在基片上化學(xué)氣相沉積(CVD)物質(zhì)，該化學(xué)氣相沉積物質(zhì)是通過(guò)向真空腔室內(nèi)充入蝕刻或沉積氣體，并向該氣體施加RF場(chǎng)以使其激化到等離子態(tài)而進(jìn)行的。在美國(guó)專(zhuān)利4,340,462；4,948,458；5,200,232和5,820,723中公開(kāi)了平行板、變壓器偶合等離子體(TCPTM)(又稱(chēng)為感應(yīng)耦合等離子體(ICP))和電子回旋共振(ECR)反應(yīng)器及其組件的例子。由于這些反應(yīng)器中的等離子體環(huán)境的腐蝕性和對(duì)最小的微粒和/或重金屬污染的要求，所以就非常需要該設(shè)備的組件具有良好的防腐性能。
在半導(dǎo)體基片的加工中，一般用如機(jī)械夾具或靜電夾具(ESC)的基片夾具將基片固定在真空腔室中。這些夾具系統(tǒng)和其組件的實(shí)例在美國(guó)專(zhuān)利5,262,029和5,838,529中可以看到。工作氣體可以通過(guò)如氣嘴、氣環(huán)、氣體分配盤(pán)等不同方式被輸入到所述腔室中。例如在美國(guó)專(zhuān)利5,863,376中，可發(fā)現(xiàn)感應(yīng)偶合等離子體反應(yīng)器及其組件用的是溫控氣體分配盤(pán)。除等離子體腔室設(shè)備外，其它用于加工半導(dǎo)體基片的設(shè)備包括傳輸機(jī)構(gòu)、供氣系統(tǒng)、襯套、起落機(jī)構(gòu)、裝料控制、門(mén)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、固定裝置等。這種設(shè)備的組件處于與半導(dǎo)體加工相關(guān)的不同腐蝕性條件下。而且如硅晶片的半導(dǎo)體基片的加工和如用于平板顯示器的玻璃基片的介電材料的加工都要求很高的純度，在這樣的環(huán)境中就非常需要組件具有改進(jìn)的防腐性能。
鋁和鋁合金通常被有于等離子體反應(yīng)器的器壁、電極、基座、固定裝置和其它組件。為了防止這種金屬組件的腐蝕，人們應(yīng)用了各種技術(shù)在鋁表面涂覆了各種涂層。如美國(guó)專(zhuān)利5,641,375中公開(kāi)了將鋁質(zhì)室壁陽(yáng)極化，以降低該壁的等離子體腐蝕和磨損。’375專(zhuān)利指出陽(yáng)極化層最后被濺射或腐蝕掉了，以至于不得不更換所述腔室。美國(guó)專(zhuān)利5,895,586描述了一種記載在日本申請(qǐng)未審公開(kāi)62-103379中的在鋁材上形成A12O3、AlC、TiN、TiC、AlN等防腐膜的技術(shù)。
美國(guó)專(zhuān)利5,680,013提到在美國(guó)專(zhuān)利4,491,496中公開(kāi)了一種在蝕刻室的金屬表面用火焰噴鍍Al2O3的技術(shù)?！?13專(zhuān)利指出鋁和陶瓷鍍層(如氧化鋁)之間熱膨脹系數(shù)的不同導(dǎo)致了鍍層在腐蝕性環(huán)境中由于熱周期性變化而破壞和最后失效。為了保護(hù)腔室壁，美國(guó)專(zhuān)利5,366,585；5,798,016和5,885,356中提出了襯套裝置。如’016專(zhuān)利公開(kāi)了陶瓷、鋁、鋼和/或石英襯套，其中優(yōu)選鋁，因?yàn)殇X的機(jī)械加工性能好且具有氧化鋁、Sc2O3或Y2O3覆蓋層，其中優(yōu)選氧化鋁來(lái)覆蓋鋁，以保護(hù)鋁不受等離子體的影響。’585專(zhuān)利公開(kāi)了一種自立式陶瓷襯套，其厚度至少0.005英寸，由固體氧化鋁加工而成。’585專(zhuān)利還提到陶瓷層的使用，該陶瓷層是通過(guò)火焰噴鍍或等離子噴鍍氧化鋁而沉積的，這樣不會(huì)消耗位于下面的鋁。’365專(zhuān)利公開(kāi)了一種氧化鋁的陶瓷襯套和一種用于保護(hù)晶片座的氮化鋁陶瓷護(hù)罩。美國(guó)專(zhuān)利5,885,356公開(kāi)了可用于CVD室的陶瓷襯套材料。
各種各樣的鍍層已被用于半導(dǎo)體加工設(shè)備的金屬組件。例如，美國(guó)專(zhuān)利5,879,523公開(kāi)了一種濺射室，其中在金屬如不銹鋼、鋁上熱噴鍍了一層氧化鋁，在其間具有任選的NiAlx結(jié)合鍍層。美國(guó)專(zhuān)利5,522,932和5,891,53公開(kāi)了一種用于基片的等離子加工裝置的金屬組件的銠鍍層，在其間具有任選的鎳鍍層。美國(guó)專(zhuān)利5,680,013公開(kāi)了用于等離子體加工室中的金屬表面的非連接型陶瓷保護(hù)，優(yōu)選的陶瓷材料是經(jīng)燒結(jié)的AlN，次優(yōu)選的材料包括氧化鋁、氟化鎂和氧化鎂。美國(guó)專(zhuān)利5,904,778公開(kāi)了在自立式SiC上的SiC CVD鍍層，其可以用作室壁、室頂或環(huán)繞著晶片的環(huán)圈。
至于等離子體反應(yīng)器組件如噴頭氣體分配系統(tǒng)，對(duì)于噴頭的材料已經(jīng)有了很多提議。如在美國(guó)專(zhuān)利5,569,356中公開(kāi)了硅、石墨或碳化硅的噴頭。美國(guó)專(zhuān)利5,494,713公開(kāi)了在鋁電極上形成耐酸鋁膜，并在該耐酸鋁膜上再鍍一層硅膜如氧化硅或氮化硅?！?13專(zhuān)利中提到硅鍍膜的厚度應(yīng)等于或小于10微米，優(yōu)選約5微米，因?yàn)殇X鍍膜、耐酸鋁鍍膜和硅鍍膜的線(xiàn)膨脹系數(shù)不同，當(dāng)硅鍍膜太厚時(shí)很易發(fā)生裂縫。但厚度小于5微米時(shí)不能對(duì)鋁基片提供充分的保護(hù)，所以也不適宜。美國(guó)專(zhuān)利4,534,516公開(kāi)了一種不銹鋼、鋁、銅等的頂置噴頭電極。美國(guó)專(zhuān)利4,612,077公開(kāi)了一種鎂噴頭電極。美國(guó)專(zhuān)利5,888,907公開(kāi)了無(wú)定形碳、SiC或Al的噴頭電極。美國(guó)專(zhuān)利5,006,220和5,022,979公開(kāi)了一種噴頭電極，其或全部用SiC制造，或是在碳基片上通過(guò)CVD沉積覆蓋上SiC，以提供高純度碳化硅表面層。
考慮到半導(dǎo)體加工設(shè)備組件對(duì)高純度和防腐性能的要求，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)有一種改進(jìn)用于這些組件的材料和/或鍍層的需要。此外，對(duì)于所述腔室的材料而言，任何能提高等離子體反應(yīng)器腔室壽命并因此減少設(shè)備停機(jī)的材料，都將有利于降低半導(dǎo)體晶片的加工費(fèi)用。
本發(fā)明概述本發(fā)明的第一個(gè)方面是提供了一種在半導(dǎo)體加工設(shè)備組件金屬表面施加防腐性鍍層的方法。該方法包括(a)在組件的金屬表面沉積磷鎳(phosphorus nickel)鍍層；和(b)在該磷鎳鍍層上再沉積陶瓷鍍層，以形成防腐性的外表面。所述金屬表面可以是經(jīng)陽(yáng)極化處理或未經(jīng)處理過(guò)的鋁、不銹鋼、耐火金屬(如鉬)或其它用于等離子腔室的金屬或合金。所述陶瓷鍍層可以是氧化鋁、SiC、AlN、Si3N4、BC或其它等離子體相容的陶瓷材料。
本發(fā)明的第二個(gè)方面是提供了一種金屬組件。該組件包括(a)金屬表面；(b)金屬表面上的磷鎳鍍層；(c)該磷鎳鍍層上的陶瓷鍍層，其中氧化鋁鍍層構(gòu)成了最外面的防腐蝕性表面。


通過(guò)以下結(jié)合附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述，將使本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)變得明顯，其中圖1是等離子體反應(yīng)器腔室的剖面示意圖，該腔室具有一個(gè)鍍有本發(fā)明的防腐性鍍層的組件。
圖2是圖1中A部分的防腐性鍍層的詳圖。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述本發(fā)明為半導(dǎo)體加工設(shè)備組件(如等離子體加工反應(yīng)器腔室的部件)的金屬表面提供了一種有效的防腐途徑。這些組件包括室壁、基片支承、氣體分配系統(tǒng)(包括噴頭、阻氣板、環(huán)氣嘴等)、固定器、加熱元件、等離子體隔板、襯套、傳送模件組件(如機(jī)械手、緊固器、內(nèi)外室壁等)等等。
盡管本發(fā)明適用于任何類(lèi)型的具有金屬表面的組件，但為了解釋方便，本發(fā)明將參照美國(guó)專(zhuān)利5,820,723中所述的設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)描述，該文獻(xiàn)在此全文引作參考。
圖1所示的真空加工反應(yīng)器腔室10包括基片座70，它能給基片60提供一個(gè)靜電夾持力，也能在基片被氦后冷卻時(shí)對(duì)其提供RF偏移，限制環(huán)72能把等離子體局限在基片的上方。在反應(yīng)器腔室10的頂部有一個(gè)為保持該腔室內(nèi)高等離子體密度(如1011-1012個(gè)離子/cm3)的能源如天線(xiàn)40，其由適當(dāng)?shù)腞F源驅(qū)動(dòng)，以提供高密度的等離子體。該腔室包括真空泵裝置，其通過(guò)腔室底中部的真空口20對(duì)該腔室抽真空，以使腔室內(nèi)部30保持所需的壓力(如低于50毫托，一般為1-20毫托)。
在天線(xiàn)40和加工腔室10的內(nèi)部之間有一個(gè)厚度均一的基本上平的絕緣窗口50，它構(gòu)成了加工腔室10頂部的真空壁。氣體分配盤(pán)52位于窗口50之下，且其包括有如環(huán)形洞的開(kāi)口，以把工作氣體從供氣裝置輸入到腔室10中。從氣體分配盤(pán)延伸出一個(gè)圓錐形的襯套54，且該襯套包圍著基片座70。
工作時(shí)，被加工的半導(dǎo)體基片如硅晶片60被固定在基片座70上，當(dāng)進(jìn)行氦后冷卻時(shí)，一般用靜電夾具74將基片固定。然后工作氣體通過(guò)窗口50和氣體分配盤(pán)52之間的空隙進(jìn)入真空加工腔室10。在申請(qǐng)?zhí)枮?8/509,080；08/658,258和08/658,259的美國(guó)專(zhuān)利中公開(kāi)了適合的氣體分配盤(pán)的排列(如噴頭)，這些文獻(xiàn)的內(nèi)容在此引作參考。例如，盡管圖1中窗口和氣體分配盤(pán)排列是平面的且厚度均一，但非平面和/或非均勻厚度的幾何形狀也能用于窗口和/或氣體分配盤(pán)。通過(guò)向天線(xiàn)40提供合適的RF動(dòng)力就能在窗口和基片之間的空隙中點(diǎn)燃高密度的等離子體。
暴露在等離子體中且有腐蝕現(xiàn)象發(fā)生的如經(jīng)或未經(jīng)陽(yáng)極化處理的鋁質(zhì)壁的腔室壁28和如基片座70、固定器56、襯套54等的金屬組件都是施加本發(fā)明防腐性鍍層的對(duì)象，因此在等離子體腔室的操作中就不必將它們都罩起來(lái)?？杀诲兺康慕饘俸?或合金包括經(jīng)或未經(jīng)陽(yáng)極化處理的鋁及其合金、不銹鋼、耐火金屬(如鎢、鉬)及其合金、銅及其合金等等。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，被鍍涂的組件是腔室壁28，它具有經(jīng)或未經(jīng)陽(yáng)極化處理的鋁表面29。本發(fā)明的鍍層允許使用鋁合金，而對(duì)鋁合金的組成(這樣除高純度的鋁外，就可以用更經(jīng)濟(jì)的鋁合金)、顆粒結(jié)構(gòu)或表面條件沒(méi)有特殊要求。在下面的討論中，如圖2所示的被鍍涂的組件的例子是鋁質(zhì)的腔室壁28，其具有磷鎳鍍層80和陶瓷鍍層90。
根據(jù)本發(fā)明，在鋁質(zhì)側(cè)壁28上鍍磷鎳層80可以用常規(guī)的技術(shù)來(lái)完成，包括如化學(xué)鍍、電鍍、噴鍍、浸鍍或化學(xué)氣相沉積?；瘜W(xué)鍍是優(yōu)選的提供P-Ni鍍層的方法，其允許在沒(méi)有電流的情況下對(duì)腔室復(fù)雜的內(nèi)表面或其它腔室組件如氣體供給組件中的氣體通道等進(jìn)行鍍涂。在美國(guó)專(zhuān)利4,636,255中公開(kāi)了一種化學(xué)鍍P-Ni合金的技術(shù)，其內(nèi)容在此引作參考。在美國(guó)金屬協(xié)會(huì)1989年出版，H.Boyer和T.Gall編輯的《金屬手冊(cè)》(Metals Handbook)(第五版)中也公開(kāi)了常規(guī)的化學(xué)鍍方法。
為了保證被鍍材料的良好粘附性，優(yōu)選在鍍前對(duì)鋁基片28進(jìn)行徹底清洗，以除去如氧化物和油酯等的表面物質(zhì)。優(yōu)選的鎳合金包括約9-12wt％的磷，更優(yōu)選為約10-12wt％。
所述P-Ni鍍層80足夠厚，以使其附著在基片上，且又能使其在于該鎳表面上形成如氧化鋁、SiC、Si3N4、BC、AlN等陶瓷鍍層之前被加工。該P(yáng)-Ni鍍層80可具有任何合適的厚度，如至少約0.002英寸、優(yōu)選0.002-0.010英寸、更優(yōu)選0.002-0.004英寸的厚度。
在于鋁基片28上沉積P-Ni鍍層80后，可以用任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)使該鍍層噴砂或糙化，然后再鍍陶瓷材料。該陶瓷材料優(yōu)選被熱噴鍍到磷鎳鍍層80上。這樣就為經(jīng)糙化的層80與熔融的陶瓷顆粒間提供了特別好的結(jié)合。當(dāng)陶瓷鍍層冷卻時(shí)，會(huì)給鍍層80一個(gè)高的機(jī)械壓力且使在鍍層90中形成的裂紋減到最少。陶瓷鍍層90可包括任何所需的陶瓷材料或材料的組合，如Al2O3、SiC、Si3N4、BC、AlN、TiO2等。
可以用如化學(xué)氣相沉積或RF濺鍍的任何沉積技術(shù)來(lái)鍍涂陶瓷鍍層。優(yōu)選的鍍涂方法是通過(guò)熱噴鍍，在熱噴鍍中陶瓷粉末被熔融且在氣流的帶動(dòng)下結(jié)合到被噴鍍的組件上。熱噴鍍技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是金屬體只有面對(duì)熱噴槍的側(cè)面被鍍，而其它地方可以用遮蔽物保護(hù)起來(lái)。常用的熱噴鍍技術(shù)包括等離子體噴鍍，其在Pawlowski的《熱噴鍍科學(xué)與工程》(The Science and Engineering of Thermal SprayCoating)(John Wiley，1995)中都有記載。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，陶瓷層90是在P-Ni層80上等離子體噴鍍氧化鋁至合適的厚度而被沉積上的，該厚度如為約0.005-0.040英寸，優(yōu)選為0.010-0.015英寸，選擇該氧化鋁層的厚度，以與反應(yīng)器中將要遇到的等離子體環(huán)境(如蝕刻、CVD等)相容。該氧化鋁層90可被鍍涂在如上所述的整個(gè)或部分反應(yīng)器腔室和組件上。優(yōu)選將其鍍涂在可能或不可能暴露于等離子體環(huán)境的區(qū)域上，如直接與等離子體接觸的部分或位于腔室組件(如襯套等)后面的部分，以防止鎳和/或鋁污染在反應(yīng)器腔室中加工的半導(dǎo)體基片。因此根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)抑制由于腐蝕產(chǎn)生的粉塵，可使沉積膜中的令人不滿(mǎn)意的蝕刻或不希望的針孔得到減少。
以上參照具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述。顯然對(duì)于熟悉此領(lǐng)域的人來(lái)說(shuō)，在不脫離所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行各種變化和改進(jìn)，或采用等效的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)半導(dǎo)體加工設(shè)備組件的金屬表面進(jìn)行鍍涂的方法，該方法包括(a)在半導(dǎo)體加工設(shè)備組件的金屬表面沉積磷鎳鍍層；(b)在所述磷鎳鍍層上沉積陶瓷鍍層，其中所述陶瓷鍍層構(gòu)成最外層表面。
2.如權(quán)利要求1所述的鍍涂方法，其中所述磷鎳鍍層是通過(guò)化學(xué)鍍而被沉積上的。
3.如權(quán)利要求1所述的鍍涂方法，其中所述組件包括等離子體腔室側(cè)壁，且所述磷鎳鍍層被沉積在所述側(cè)壁暴露的內(nèi)表面上。
4.如權(quán)利要求1所述的鍍涂方法，其中所述陶瓷鍍層包括Al2O3、SiC、Si3N4、BC或AlN。
5.如權(quán)利要求1所述的鍍涂方法，其中所述磷鎳鍍層包括約9-12wt％的磷。
6.如權(quán)利要求1所述的鍍涂方法，其中所述磷鎳鍍層的厚度為約0.002-0.004英寸。
7.如權(quán)利要求1所述的鍍涂方法，其進(jìn)一步包括在沉積所述陶瓷鍍層之前，對(duì)磷鎳鍍層進(jìn)行表面糙化處理，所述陶瓷鍍層是通過(guò)等離子體噴鍍所述陶瓷鍍層于所述磷鎳鍍層上而被沉積的，以便全部或部分覆蓋所述磷鎳鍍層。
8.如權(quán)利要求1所述的鍍涂方法，其中所述陶瓷鍍層的厚度為約0.005-0.040英寸。
9.如權(quán)利要求1所述的鍍涂方法，其中所述金屬表面是經(jīng)過(guò)陽(yáng)極化處理或未經(jīng)陽(yáng)極化處理過(guò)的鋁或鋁合金，且所述陶瓷鍍層是Al2O3、SiC、Si3N4、BC或AlN。
10.一個(gè)半導(dǎo)體加工設(shè)備的組件，其包括(a)金屬表面；(b)在所述金屬表面上的磷鎳鍍層；和(c)在所述磷鎳鍍層上的陶瓷鍍層，其中所述陶瓷鍍層構(gòu)成最外層表面。
11.如權(quán)利要求10所述的組件，其中所述金屬表面是經(jīng)過(guò)陽(yáng)極化處理或未經(jīng)陽(yáng)極化處理過(guò)的鋁或鋁合金。
12.如權(quán)利要求10所述的組件，其中所述陶瓷是Al2O3、SiC、Si3N4、BC或AlN。
13.如權(quán)利要求10所述的組件，其中所述磷鎳鍍層中含有約9-12wt％的磷。
14.如權(quán)利要求10所述的組件，其中所述磷鎳鍍層的厚度為約0.002-0.004英寸。
15.如權(quán)利要求10所述的組件，其中所述陶瓷鍍層是等子體噴鍍的氧化鋁鍍層，其厚度為約0.005-0.030英寸。
16.如權(quán)利要求10所述的組件，其中所述組件為等離子體腔室壁。
17.如權(quán)利要求10所述的組件，其中所述陶瓷鍍層是抗開(kāi)裂的。
18.如權(quán)利要求10所述的組件，其中所述磷鎳鍍層包括與陶瓷鍍層接觸的經(jīng)糙化的表面，且該陶瓷鍍層是熱噴鍍鍍層。
19.如權(quán)利要求18所述的組件，其中所述陶瓷鍍層是氧化鋁，且金屬表面是經(jīng)過(guò)陽(yáng)極化處理或未經(jīng)陽(yáng)極化處理過(guò)的鋁或鋁合金。
20.一種在包含權(quán)利要求10的組件的等離子體腔室中加工半導(dǎo)體基片的方法，該方法包括使半導(dǎo)體基片的暴露表面與等離子體接觸。
全文摘要
半導(dǎo)體加工設(shè)備的防腐組件如等離子體腔室,其包括如鋁或鋁合金、不銹鋼或耐火金屬的金屬表面,該金屬表面上鍍有磷鎳鍍層和如氧化鋁、碳化硅、氮化硅、碳化硼或氮化鋁的外陶瓷鍍層。該磷鎳鍍層可通過(guò)化學(xué)鍍被沉積,而陶瓷鍍層可通過(guò)熱噴鍍沉積。為了增加陶瓷鍍層的粘附力,在沉積陶瓷鍍層前,可先對(duì)磷鎳鍍層進(jìn)行糙化處理。
文檔編號(hào)C23C18/31GK1358238SQ00809591
公開(kāi)日2002年7月10日 申請(qǐng)日期2000年6月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月30日
發(fā)明者R·J·斯泰戈, C·張 申請(qǐng)人:蘭姆研究公司