具有耐腐蚀层的陶瓷制品、结合了该陶瓷制品的半导体加工设备以及制造陶瓷制品的方法

摘要

提供了一种制品，该制品包括基材和在该基材上的耐腐蚀涂层。该基材通常主要由氧化铝组成，耐腐蚀涂层与基材直接接触，因此在基材和耐腐蚀层之间不存在中间层，例如高温处理过程生成的反应产物。耐腐蚀涂层通常主要由稀土氧化物组成，其粘合强度不小于约15兆帕。根据特定的实施方式，所述制品是用来加工半导体晶片的半导体加工设备中所用的陶瓷部件。

说明书

                           背景

                         发明领域

本发明一般涉及陶瓷制品、结合了陶瓷制品的半导体晶片加工设备、半导体晶片加工和陶瓷制品的制造方法。

                       相关领域描述

在许多工业中，通常需要提供具有某些必需的热性质、机械性质、电性质和化学性质的部件。特别是在半导体加工领域中，以高收率成功地加工半导体晶片为有源半导体装置时，某些性质是很重要的。对于半导体加工，众所周知的是通过各种加工来制造有源半导体部件，例如加工的半导体晶片的单独陶瓷管芯(die)所包含的逻辑装置和存储装置。这些加工操作包括植入和扩散、光蚀刻、膜沉积、平整化、测试和装配(封装)。对于上述半导体工业的常规加工操作，光蚀刻之类的加工操作通常采用选择的气体反应物从半导体晶片上除去材料。可以用这些方法加工除去沉积层的选定部分(例如在光蚀刻中)、除去整个沉积层或对晶片或工件进行大致的清洁。这些加工中包括称作蚀刻的操作。

蚀刻加工通常使用较高反应活性的气体物质，经常使用卤素类气体。半导体晶片加工工业目前存在的一个问题是对这些物质，特别在升高的温度下具有足够的耐化学性的半导体加工器具。在这方面，已发现用于某些半导体加工器具的部件，例如蚀刻室在加工过程中容易被腐蚀，从而造成微粒计数(partilcecount)增加。在本领域中很容易理解，由于颗粒会对半导体收率造成负面影响，所以在这些控制的环境下通常希望产生最少的颗粒。

因此，由于上述原因，通常需要提供具有耐腐蚀性的改进的陶瓷部件，这种陶瓷部件在半导体工业中有特殊的用途，还需要提供改进的半导体加工设备、加工晶片的方法、以及加工陶瓷部件的方法。

                        发明概述

根据本发明第一方面，提供了一种包括基材和在该基材上的耐腐蚀涂层的制品。该基材通常主要由氧化铝组成，耐腐蚀涂层与基材直接接触，在基材和耐腐蚀层之间没有提供中间层，例如高温处理过程生成的反应产物。耐腐蚀涂层通常主要由稀土氧化物组成，其粘合强度不小于约15兆帕。根据特定的实施方式，所述制品是用来加工半导体晶片的半导体加工设备中所用的陶瓷部件。

根据本发明另一方面，提供了一种半导体晶片加工设备，该加工设备包括至少部分地由室壁限定的室，室壁主要包含陶瓷原料。此外，在室壁上衬有耐腐蚀层，耐腐蚀层与陶瓷原料直接接触，该耐腐蚀层主要由稀土氧化物组成，其粘合强度不小于大约15兆帕。另外，在室中装有用来支承半导体的支架。除非另外说明，在本文中“稀土”氧化物通常表示镧系元素以及钇和钪。

根据本发明另一方面，提供了一种半导体晶片加工方法，该方法包括将半导体晶片置于具有上述结构的加工设备中，并对该半导体晶片进行加工操作，该操作包括向室内通入至少一种加工气体，使其与晶片反应。所述加工操作可包括其它步骤，例如将半导体管芯(semiconductor die)切割成单独的管芯，从而形成半导体器件，然后进行封装。

根据本发明另一方面，提供了一种制造陶瓷制品的方法，在此方法中将基材预热至不低于约200℃的温度，并在基材上热喷涂稀土氧化物层，所述基材主要由氧化铝组成，稀土氧化物的粘合强度不小于约15兆帕。

                        附图简述

图1显示根据本发明一实施方式的半导体加工设备。

图2显示根据本发明另一实施方式的半导体加工设备。

图3显示切割半导体晶片的半导体管芯。

                        发明详述

根据本发明第一方面，提供了一种加工半导体晶片的半导体加工设备。该设备可以特别制造成接收各种气体物质，用来与该设备的室内的半导体晶片进行反应，可用该设备进行清洁、蚀刻、沉积处理等。参见图1，图中所示一设备10，它包括室16，室16由上部室12和下部室14形成。室16在其内部限定出内部体积，在此体积内进行加工步骤。一般来说，室壁限定出室16。在本文中，通常用“室壁”或“壁”表示限定加工设备内部体积的结构，可包括一般的垂直壁或侧壁，以及一般的水平壁，例如盖或顶。上部室12包括侧壁18，侧壁18与形成上部室12盖部的喷头30一起限定上部室12的内部处理体积。根据该实施方式的特定结构，在侧壁18上沉积有层20。层20是耐腐蚀层，在下文将对其进行更详细的描述。

根据将要进行的特定加工操作，提供基本环绕侧壁18的线圈26，线圈26与高频电源28相连，以产生高频电磁场。另外，任选地将冷却装置24与冷却源相连，以助于控制上部室12内的温度。

根据实施方式的另一特定结构，安装至少一个气体入口32，使室16与外部气源(未显示)气体连通，所述气体可包括用于半导体加工的反应物气体。在图1所示的特定实施方式中，通过本文中称为喷头30的多层结构提供了多个气体入口。

再看下部室14，通常在下部室壁22内安装晶片支架36。如图所示，安装基片支架36来支承晶片W并对其进行定位，可通过打开的门34将晶片W放入设备10中。晶片支架36通常具有卡盘结构，在此情况下，该支架包括静电卡盘46。在本领域中很容易理解，通过嵌入处于所需电势的电极，静电卡盘能够产生静电引力。在此情况下，嵌入的电极48通过直流电源50带有偏压，从而在晶片W上施加所需的静电挟持力。另外，晶片支架36通常还包括嵌在加热层41中的加热元件40，加热元件与电源42和控制器44相连，用来将晶片W维持在所需的温度，该温度取决于所进行的特定加工操作。另外，支架底座38包括冷却剂室52，该冷却剂室可具有环形截面(从垂直于图1平面的平面观察)，与冷却剂入口54和冷却剂出口56流体连通，使冷却剂流体流过冷却室52。

根据图1所示的特定结构，层20可扩展至不仅覆盖上部室12的侧壁18，而且覆盖晶片支架36以及覆盖喷头30形成的上部室12的盖部分。尽管图中未显示，可以在下部室壁22和晶片支架36之间的空间提供内部阻隔壁。该内部阻隔壁也称为衬里，要求由坚固的陶瓷材料形成，通常包括侧壁18所用陶瓷原料之类的原料，还涂布有耐腐蚀层20。

在操作中，通常通过门34放入半导体晶片，将其置于晶片支架36上，通过静电卡盘46产生的静电挟持力将其定位在支架36上。在操作中，通常由线圈26产生电磁场，至少一种反应物气体通过气体入口32中的至少一个入口流入室内。

对于具体的加工操作，如上所述，操作可以是蚀刻过程、清洁过程或沉积过程，其中任意一种均可使用所需的反应物，其中一些反应物具有一般的腐蚀性。关于这一点，示例性的蚀刻气体列于下表1。

                            表1

如表1所示，可以用各种气态化学物质对半导体加工中通常采用的不同材料进行蚀刻，这些化学物质中许多都具有腐蚀性，包括氯基气体或氟基气体之类的含卤气体。名为化学物质I的列一般表示常规使用的化学物质，化学物质II的列表示现代半导体加工中更通常发现的更新一代化学物质。还要注意如果要在半导体制造过程中引入低．K电介质、高-K电介质和铜之类的新材料，也许需要使用新的和/或另外的化学物质。

图2显示另一实施方式，该实施方式与图1基本类似，但是上部室12的轮廓与图1不同。关于这一点，与图1所示部件相似的部件用相同的数字表示，不再对其进行详细讨论。然而，在图2所示的设备中，上部室12由水平延伸的具有短的垂直侧壁的盖19所限定。形成室壁的盖19上涂布了耐腐蚀涂层20。另外，气体通常经由气体入口100导入，用箭头标示的G表示。

在本文所述的加工设备内对半导体晶片进行加工之后，可以对晶片进行其它加工步骤，这些步骤可包括在背景中所述常规加工操作中的任一项，例如沉积、平整化、进一步光蚀刻和蚀刻加工操作。完成晶片加工之后，通常将晶片切割成独立的半导体管芯。图3显示了这一操作，图中显示沿切割线100将晶片W切割成单独的管芯102。切割操作之后，通常将单独的管芯封装在例如倒装芯片的封装、塑料包封的封装、针栅(pin grid)阵列或球栅阵列封装、或本领域已知的各种封装中的任一种，包括多芯片模块(MCM)。封装的半导体管芯形成有源半导体部件，然后可将其结合入电子器件中。一般来说，半导体器件包括逻辑电路和存储电路中至少一个，分别形成逻辑器件和存储器件。

如上所述，根据本发明一实施方式的特定特征，所述加工设备的室的至少一些部分是由涂布有耐腐蚀衬里的陶瓷部件所限定。在图1和图2的情况下，陶瓷部件分别表示为侧壁18和盖19，所述侧壁18和盖19均涂布有耐腐蚀层20。形成盖19或侧壁18的陶瓷部件的原料可以是任意的各种陶瓷材料，包括氧化铝、氧化硅和氮化铝。然而，根据一特定实施方式，陶瓷原料主要由氧化铝、特别是α-氧化铝(刚玉)形成。

在层20中使用合适的耐腐蚀材料。该耐腐蚀材料通常由稀土氧化物形成。在一实施方式中，层20主要由稀土氧化物组成。在本文中，当提到耐腐蚀层“主要由”稀土氧化物“组成”时，表示该层的至少80重量％、更优选至少约90重量％、在一些实施方式中为超过95重量％由稀土氧化物形成。另外，在本文中，术语“稀土”不仅包括镧系元素，而且还包钇和钪。根据一特定实施方式，特定的稀土是钇(Y)，从而形成主要由Y₂O₃组成的耐腐蚀层。

根据本发明另一方面，采用热喷法在下层的陶瓷基材(在图1和2中，分别为陶瓷侧壁18或盖19)上形成耐腐蚀层20。关于这一点，通常将需要在其上沉积耐腐蚀层的基材预热至不低于大约200℃的温度，要求等于或高于250℃，在一些实施方式中为275℃，甚至等于或高于300℃。然后在将基材加热至高于上述温度时热喷涂耐腐蚀层。发现热喷涂的耐腐蚀层具有优异的粘合强度，其粘合强度不低于约15兆帕，通常高于20兆帕，在一些实施方式中不低于约25兆帕，不低于约30兆帕。

应当注意，尽管上文大部分内容着重描述至少部分限定了半导体加工用的加工设备的陶瓷部件的各种结构，但是对不同的应用，也可将上述的基材/耐腐蚀层结构结合入常规的陶瓷结构。关于这一点，在其上要沉积耐腐蚀层的基材可具有各种几何结构，用于各种耐腐蚀应用。

另外，发现在基材主要由氧化铝组成的特定情况下，可以如上所述地沉积高粘合强度的稀土耐腐蚀层。由于通常很难在氧化铝基材上沉积氧化钇之类的稀土氧化物层，因此这一点是极为有益的。关于这一点，现有技术中通常依赖于使用各种层内结构，可以是分层的氧化铝/氧化钇夹层、一些复合夹层、或着通过在氧化铝基材上沉积氧化钇层，然后在升高的温度下对其进行热处理形成反应产物而形成的热反应夹层。这些反应产物在沉积的氧化钇层和下层基材之间形成了可识别的层。

根据本发明实施方式，可以在不对沉积层和下层基材之间的粘合强度造成负面影响下略去通常需要使用的夹层。另外，还发现按照这样沉积的层可能具有残余引力和微裂纹，这二者都是能够增加韧性并降低沉积层的脆性的增韧作用。相反，对于热处理的氧化钇层，例如2002年2月14日公开的美国专利申请公报第2002/0018921A1所述的热处理氧化钇层，如衍射分析所证实的，其残余应力和微裂被减少，表明这些热处理氧化钇层的脆性通常较高。

结合对下述特殊实施例的讨论，能够更清楚地了解其它特征。

实施例

根据下表2所述的热喷涂参数，在多个实施例进行制造。

                            表2

  名称  氧化钇喷涂常参数2C  化学组成  UHP Y₂O₃  尺寸范围  μ-63+10  粉末形态  喷雾干燥  氩气(升/分钟)  43  氢气(升/分钟)  9  强度(安)  590A  电压(伏)  68-72  喷涂距离(毫米)  105毫米  喷枪/阳极  TS7-16052313W衬里的  加料注射器  1.5  加料角度  90°  加料注射距离  5毫米  粉末载气(升/分钟)  11±1升/分钟  粉末进料(克/分钟)  25  喷枪线速度  400毫米/秒  阶跃增量(step increment)(毫米/tr)   对于100微米厚度为0.8毫米   (对其他厚度进行调节)

依照上述参数在多个α-氧化铝(刚玉)基材(用80-磨粒进行加工，使其公称表面粗糙度R_a为1.7微米)上进行热喷涂操作，制造这些样品。

下表3列出了在上述加工条件下制造的大量样品的断裂强度和定位。

                                表3

  样品  涂层厚度  断裂强度(兆帕)  断裂定位  未预热  1  150微米  2  100％界面  2  150微米  2  100％界面  3  150微米  5  100％界面  4  150微米  14  10％涂层内，90％界面  平均值                                                 5.75  100℃预热  5  150微米  4  100％界面  6  150微米  4  100％界面  7  150微米  4  100％界面  8  150微米  5  100％界面  平均值                                                 4.25  200℃预热  9  150微米  20  100％界面  10  150微米  25  100％界面  11  150微米  7  10％内涂层，90％界面  平均值                                                 17.3                             1 差的样品(25.7不含)

                                    表4

  样品  涂层厚度  断裂强度(兆帕)  断裂定位  200℃预热  12  90-100微米  13  90％基材/涂层的界面-10％胶  13  90-100微米  9  80％基材/涂层的界面-20％胶  14  90-100微米  17  85％基材/涂层的界面-15％胶  15  90-100微米  9  80％基材/涂层的界面-20％胶  16  90-100微米  25  30％基材/涂层的界面-70％胶  平均值                                       14.6  300℃预热  17  100-105微米  34  40％基材/涂层的界面-60％在胶中  18  100-105微米  18  80％基材/涂层的界面-20％在胶中  19  100-105微米  46  45％基材/涂层的界面-15％胶-40％涂层中  20  100-105微米  33  45％基材/涂层的界面-10％胶-45％涂层中  21  100-105微米  24  50％基材/涂层的界面-50％涂层中  平均值                                       31

从上面的数据可以清楚地看出，在进行了预热的实施例中，热喷涂的氧化钇膜的粘合性获得了提高。

另外，进行一对比例，与根据’921公开的用热处理沉积涂层形成的中间反应层进行对比，来证实根据本发明的实施例的所述韧性。对依照本发明喷涂的样品和在1500℃处理3小时(从而形成中间反应层)的另一样品进行衍射分析。使用XRG-3100发生器进行衍射分析，该发生器具有铜靶和石墨单色器，该石墨单色器与荷兰艾因霍温的Phillips公司制造的APD-3720衍射系统相连。使用Phillips PC-APD软件3.6j版，采用Marquardt非线性最小二乘拟合法对数据进行分析。喷涂制备的样品具有在度数为0.220宽度的(440)α₁峰，而热处理的样品具有0.155宽度的(440)α₁峰。对喷涂制造的样品的440α₁峰宽的增大表明该样品包含更高程度的不均匀残余应力，通过残余应力和微裂纹提高了耐破坏能力并提高了韧性。

通过用46-粗砂对α-氧化铝圆柱体进行喷砂处理，使其表面粗糙度达到约2微米Ra，从而进行了其它实施例。在400°进行预热，依照上述喷涂参数进行热喷涂。粘合强度一般约为37-75兆帕。

尽管上文具体描述了本发明的实施方式，但是很容易理解，本领域普通技术人员可以在本权利要求书范围内对其进行修改。