用于等离子体蚀刻腔室的增强耐腐蚀性的石英

摘要

在此提供一种制造掺杂的石英组件的方法。在一实施例中，该掺杂的石英组件为掺杂钇的石英环，配置来支撑基板。在另一实施例中，该掺杂的石英组件为掺杂钇和铝的盖环。在又一实施例中，该掺杂的石英组件为含钇、铝和氮的盖环。

说明书

技术领域

本发明的实施例大体来说有关于一种耐等离子体的腔室组件及其制造方法。

背景技术

半导体处理包含若干不同化学及物理工艺，藉以在基板上产生微小的集成电路。组成集成电路的材料层利用多个等离子体工艺产生，例如化学气相沉积、物理气相沉积以及诸如此类者。某些材料层利用光刻胶掩模和湿式或干式等离子体蚀刻技术图案化。用来形成集成电路的基板可以是硅、砷化镓、磷化铟、玻璃、或其它适合材料。

在等离子体处理期间，能量化气体常由高腐蚀性种类组成，其蚀刻并腐蚀腔室曝露出的部分及设置在其内的组件。被腐蚀的腔室组件必须在若干工艺周期之后在造成不一致或不良的处理结果之前置换掉。此外，从腔室组件腐蚀出的微粒可能会污染在该腔室内处理的基板，而造成工艺缺陷。

因此，需要具有强化的等离子体耐受性的腔室组件。

发明内容

本发明的实施例提供制造拥有良好等离子体耐受性的掺杂的石英组件的方法。在一实施例中，用于等离子体腔室的掺杂的石英组件可包含掺杂钇的石英环，配置来支撑基板。

在另一实施例中，用于等离子体腔室的掺杂的石英组件可包含具有环状主体的石英环，该环状主体适于界定基板支撑台并由适于暴露在腐蚀性等离子体环境下的材料组成，其中该石英环包含分别低于约5重量百分比的钇及铝掺杂。

在又一实施例中，一种等离子体工艺腔室可包含具有内部空间的腔室主体，设置在该腔室主体内的支撑台，且该支撑台适于容纳基板于其上，以及耐等离子体的掺杂钇的石英组件，其具有至少一表面暴露在该内部空间中。

在另一实施例中，一种制造含钇石英组件的方法可包含混合石英材料和含钇材料以形成混合物，加热该混合物，以及形成含钇石英组件，其中该含钇石英组件具有适于界定基板支撑台的环状主体。

附图说明

因此可以详细了解上述本发明的特征结构的方式，即对本发明更明确的描述，简短地在前面概述过，可以藉由参考实施例来得到，其中某些在附图中示出。

第1图示出可从本发明实施例受惠的范例等离子体蚀刻腔室的一实施例的简要图；

第2A图示出适用于第1图腔室内的范例盖环的一实施例的上视图；

第2B图是第2A图的盖环的底部视图；

第2C图示出设置在基板支撑组件上的第2A图的盖环的简要剖面图；

第2D图示出第2C图的简要剖面图的放大图；

第3图标出制造腔室组件的方法的工艺流程；

第4A图示出适用于第1图腔室内的范例盖环的另一实施例的上视图；

第4B图示出设置在基板支撑组件上的第4A图的盖环的简要剖面图；

第4C图示出第4B图的简要剖面图的放大图；

第5A图示出适用于第1图腔室内的范例盖环的另一实施例的上视图；以及

第5B图示出沿着第5A图的盖环的切线A-A的简要剖面图。

但是应注意的是，附图仅示出本发明的一般实施例，因此不应被认为是对其范围的限制，因为本发明可允许其它等效实施例。

为促进了解，在可能时使用相同的组件符号来表示该等图式共有的相同组件。预期到一实施例的组件及特征结构可有利地并入其它实施例而不需进一步详述。

具体实施方式

本发明实施例提供具有强化的等离子体腐蚀耐受性的腔室组件及其制造方法。在一实施例中，该腔室组件是盖环，适于啮合设置在基板支撑台上的基板。预期到其它腔室组件可包含挡板、窗口、上盖、环及诸如此类者。在另一实施例中，该盖环是掺杂钇的石英环。在另一实施例中，该盖环是掺杂钇及铝的环。在又另一实施例中，该盖环是含钇、铝和氮的环。该盖环可由掺杂钇(Y)元素的石英材料制成。如在此所使用者，钇(Y)元素可以是钇及/或含钇材料，例如钇(Y)金属、钇氧化物(Y₂O₃)、钇合金及诸如此类者。掺杂钇的石英环也可包含铝(Al)金属、铝氧化物(Al₂O₃)、铝合金、氮化铝(AlN)、氮元素或其衍生物。此外，该腔室组件可以是单独使用或与该盖环并用来限定基板支撑台的绝缘体环。该掺杂的石英材料提供强化的腐蚀耐受性，适用在暴露于腐蚀性等离子体环境下的组件内，从而改善该腔室组件的使用寿命，同时减少维修及制造费用。

第1图示出可从本发明实施例受惠的范例等离子体处理腔室100的一实施例的简要剖面图。在此所示腔室的实施例为了解说而提供，因此不应用来限制本发明范围。用于该等离子体处理腔室100内的腔室组件可有钇(Y)掺杂，以强化暴露在等离子体下时的腐蚀耐受性。

本发明实施例可用来制造各种应用的掺杂钇(Y)的腔室组件。该等改善的腔室组件也适用在腐蚀性环境中，例如在等离子体工艺中会遭遇的。可从具有掺杂钇(Y)的组件受惠的各种等离子体处理腔室包含了蚀刻腔室、PVD腔室、等离子体及退火腔室、等离子体处理腔室、等离子体增强CVD腔室、以及离子注入腔室等。

该腔室100包含真空腔室主体110，具有导电腔室壁130以及底部108。该腔室壁130与电气接地134连接。上盖170设置在该腔室壁130上，以封闭限定在该腔室主体110内的内部空间178。至少一螺线管部分112设置在该腔室壁130外部。该螺线管部分112可选择性地由能够产生至少5V的DC电源154供电，以提供在该处理腔室100内所形成的等离子体工艺的控制节点。

内衬131设置在该内部空间178内以促进该腔室100的清洁。可在选择的间隔时间内，将蚀刻工艺的副产物及残留物从该内衬131上轻易除去。

基板支撑台116设置在该工艺腔室100底部108上该气体扩散器132下方。工艺区域180限定在该内部空间178内该基板支撑台116和扩散器132之间。该基板支撑台116可包含静电夹盘126，以在处理期间将基板114保持在该支撑台116表面140上该气体扩散器132下方。该静电夹盘126由DC电源供应器120控制。

在一实施例中，盖环102设置在该支撑台116以及该基板114外缘周边。在一实施例中，该盖环102由其中掺杂有钇(Y)元素的石英材料组成。在一实施例中，该盖环102可根据下述方法的实施例制造。与利用常规工艺制造的其它部件相比，该掺杂钇的盖环102展现出改善的腐蚀耐受性，因而，在基板处理期间保护该支撑台116不受到损伤。关于该盖环102的其它细节会在后下面结合第2A-D图讨论。

该支撑台116可透过匹配网络124与RF偏压源122耦合。该偏压源122一般能够产生具有2kHz至13.56kHz的可调频率以及0和5000瓦之间的功率的RF讯号。选择性地，该偏压源122可以是DC或脉冲DC源。

该支撑台116也可包含内部及外部温度调节区域174、176。每一个区域174、176可包含至少一温度调节设备，例如电阻加热器或用来循环冷却剂的导管，因此可控制设置在该支撑台上的基板的径向温度梯度。

该腔室100的内部空间是高真空容器，其经由通过该腔室壁130及/或腔室底部108形成的排气口135与真空泵136耦合。设置在该排气口135内的节流阀127与该真空泵136连接，并用以控制该处理腔室100内的压力。该排气口135和位于该腔室主体110内部空间178内的其它流动限制的位置，大幅度影响该处理腔室100内的传导性及气流分布。

该气体扩散器132提供导管，至少一种工艺气体透过该导管通入该处理区域180内。在一实施例中，该气体扩散器132可以不均匀方式提供工艺气体给该区域180，其可用来调整由其它腔室组件(即，该排气口的位置、该基板支撑台或其它腔室组件的几何结构)造成的上述传导性及气流分布，因此气体及种类流会以均匀的，或所选择的分布传送至该基板。

在第1图绘示的一实施例中，该气体扩散器132包含至少两个气体分配器160、162、安装平板128以及配气板164。气体分配器160、162透过该处理腔室100的上盖170与一或多个气体控制板138耦合，并且也与该安装或气体分配平板128、164的至少一者耦合。通过气体分配器160、162的气流可独立控制。虽然气体分配器160、162表示为与单一个气体控制板138耦合，但预期到气体分配器160、162可与一或多个共享及/或个别的气体来源耦合。从该气体控制板138提供的气体被传送进入界定在平板128、164之间的区域172内，然后经由多个通过该配气板164形成的孔168离开进入该处理区域180。

该安装平板128相对于该支撑台116与该上盖170耦合。由RF导电材料制成或覆以RF导电材料的安装平板128，透过阻抗变压器119(例如，四分之一波长匹配短截线)与RF来源118耦合。该来源118一般能够产生具有介于约60MHz和约162MHz之间的可调频率以及介于约0和3000瓦间的功率的RF讯号。该安装平板128及/或配气板164由该RF来源118供电，以维持该工艺区域180内由该等工艺气体形成的等离子体。

第2A-2D图是盖环102的一实施例的简要图示。第2A-B图示出该盖环102的平面及侧视图。该盖环102具有外缘202以及内缘204。在一实施例中，该盖环102具有约12英寸的内径以及约14英寸的外径。凹陷部分206毗邻该内缘204形成。第2C图示出沿着第2A图切线A-A取得的剖面图，切线A-A设置在支撑台116和基板114附近。毗邻该内缘204形成的凹陷部分206的尺寸被制作成用以容纳该基板114。第2D图示出设置在该支撑台116和基板114上盖环102的侧边的放大图。该盖环102的凹陷部分206具有介于约0.8英寸间的长度。该盖环102具有约1.2英寸的高度，划定出该支撑台116的界线。

在一实施例中，该盖环102是掺杂钇的石英环。在另一实施例中，该盖环102是掺杂钇和铝的环。在又另一实施例中，该盖环是含钇、铝及氮的环。该盖环102可以本领域技术人员已知的各种方法与该支撑台116连结。通过在该基板114(例如硅园片)近距离处提供该盖环102，并将基板114围绕，可改善工艺均匀性，例如中心至边缘的均匀性。此种改善由于靠近该基板114的等离子体或电气环境被该盖环102调整而可信。

第3图描述制造盖环的方法的一实施例，例如第1图的盖环102。该方法300可用来制造其它掺杂钇的腔室组件，例如挡板、窗口、上盖、环及诸如此类者。该方法300从方框302开始，通过在围封物内提供石英材料，例如炉管、容器、混合器、或腔室。该石英材料可选自由玻璃、合成氧化硅、熔融氧化硅、熔融石英、高纯度石英、石英砂和其它适于形成石英玻璃组成的合适含硅材料所组成的族群。该石英材料也可由任何适合工艺取得。

在方框304，添加掺杂来源，例如钇(Y)元素及/或铝(Al)元素，并与该石英材料混合，以形成含钇及/或铝(Al)元素的石英组成。该掺杂来源可以是直径介于约0.01微米和约0.02微米之间的微粒形式。

在混合步骤的一实施例中，可将该石英材料加热至预定温度，例如大于约1000℃，以将该石英材料熔融成液状及/或胶状形式。随后，添加该掺杂来源并拌入该熔融的石英材料中，以形成具有预期掺杂浓度的混合物。或者，在石英材料为固态形式(例如石英砂)的实施例中，该掺杂来源与该固态石英材料搅拌并翻动，以形成掺杂混合物。随后，将该掺杂混合物加热至预定温度，例如大于约1000℃，以熔融该掺杂混合物，在硅石英和掺杂之间形成强晶格结构及微粒间接合。

在方框304中所执行的混合工艺中，充分搅拌该石英材料和该掺杂材料。该混合工艺使掺杂可均匀分散在整个石英材料中。此外，混合掺杂和石英材料的工艺可包含一或多个热工艺周期，例如，首先热熔化该石英材料，然后进行热搅拌/混合工艺，其使存在于该混合物内的气泡可以逸散出。因此，与常规工艺石英材料相比，所形成的掺杂的石英材料受益地具有减少的气泡。存在于该石英材料内的掺杂量及/或浓度可根据不同工艺需求而改变。

在一实施例中，该掺杂来源可以是选自由钇(Y)金属、钇合金、钇氧化物(Y₂O₃)、钇铝石榴石(YAG)、及其衍生物所组成的族群的钇(Y)元素。此外，该掺杂来源还可包括含铝材料，该含铝材料选自由铝(Al)金属、铝合金、铝氧化物(Al₂O₃)、钇铝石榴石(YAG)、及氮化铝(AlN)等所组成的族群。该掺杂来源可在约0.01重量百分比至约10重量百分比之间掺入该石英材料中，例如，约低于5重量百分比。在此述的一范例实施例中，该石英材料具有低于约5重量百分比的钇掺杂及/或低于约5重量百分比的含铝掺杂。

在方框305中，从该搅拌材料形成坯体(blank)。该坯体工艺可包含烧结、压缩、铸造或其它形成工艺。

在方框306中，该石英材料坯体被加工或以其它方式制造而形成组件。例如，该石英材料坯体可经加工而形成环，例如第2图的盖环102，以用于等离子体处理腔室内。预期到该掺杂的石英材料坯体可根据在该等离子体腔室内的不同用途加工为不同形态，例如挡板、窗口、上盖、环和诸如此类者。

在方框308，执行选择性热处理工艺以处理经加工的掺杂的石英组件。该掺杂的石英组件可根据在方框308中所述实施例的经改善的热处理工艺，或利用另外的适合工艺，进行热处理。该热处理工艺可在围封物内执行，例如炉管或腔室。在一实施例中，该热处理工艺可在用以形成该掺杂的石英材料的相同围封物内执行。或者，该热处理工艺可在另外的围封物内执行。该热处理工艺改善该掺杂的石英薄膜的表面粗度(surface finish)，进而提供平滑表面，并容许安装至该等离子体腔室内时与匹配表面紧密切合。

在该热处理工艺的一范例实施例中，退火气体(例如氮气(N₂))被通入该围封物内，至约100mbar到约1000mbar范围内的压力。该围封物的温度从第一温度，例如环境温度，上升至第二温度，也称为热处理温度。该热处理温度可以在约100℃至约500℃范围内。加热速率选择为足够缓慢，以最小化该掺杂的石英组件内的热应力，并使该掺杂的石英组件的薄膜晶格结构可以形成，进而形成具有降低表面粗糙度的密实组件。例如，每分钟约20至约50℃(℃/分钟)范围内的加热速率适合于许多应用。该组件维持在该退火温度下持续一段第一时间，其可在约1小时至约5小时范围内。

该热处理工艺中的氮气氮化该掺杂的石英材料表面，修复存在于该掺杂的石英材料表面上的悬挂键(dangling bonds)。或者，在此所提供的热处理工艺也可用于常规未掺杂石英材料上。氮原子被吸收并并入该硅晶格内以减少表面缺陷。并入该掺杂的石英组件中的氮原子量可取决于工艺温度、氮气浓度、及在该热处理工艺中执行的总工艺时间。例如，在预期大量氮掺杂的实施例中，可用较高的氮气流、较高的温度或较长的工艺时间，反之亦然。在此间所述的一范例实施例中，并入该掺杂的石英组件内的氮原子以重量计介于约10ppm和约150ppm之间，例如约50ppm。

或者，惰性气体及/或还原气体可在热处理工艺期间选择性地供应，并连同氮气同时地或周期性地，进入该围封物内。在该热处理工艺期间，该惰性气体及/或还原气体可与氮气同时供应或周期性脉冲输送进入及清出该围封物。在一实施例中，该还原气体为氮气和氢气的混合物，例如，氢气浓度低于约10体积百分比的混合气体(forming gas)，例如约6体积百分比。也可使用其它还原气体，例如，氢气、氮气/氢气混合物、C_xH_yF_z、C_xF_z(其中x、y和z是至少等于1的整数)、一氧化碳、二氧化碳、氨气、氢气/二氧化碳混合物、一氧化碳/二氧化碳混合物、以及氢气/一氧化碳/二氧化碳混合物。适合的惰性气体的范例包含氩气、氦气、氖气、氪气和氙气。

在热处理工艺完成时，该围封物温度在一段约2至约50小时的时间内下降，以容许所处理的掺杂的石英组件逐步冷却至环境温度。该掺杂的石英组件以受控制的速率冷却，以最小化热应力，否则热应力会因为冷却过快而产生。例如，可使用约20℃/分钟至约50℃/分钟的冷却速率。或者，如方框308中所示的选择性热处理工艺可在该掺杂的石英材料在方框306内被加工成为组件之前执行，如虚线310所示。

若干利用本发明实施例所制出的掺杂钇的石英组件，已进行比较性蚀刻测试。所测试的掺杂的石英部件由根据本发明的各实施例在不同条件下掺杂钇的石英材料制成，并且根据本发明的一实施例热处理。蚀刻(或腐蚀)速率通过在暴露于反应性环境(例如氟基等离子体)之前和之后，在部件上执行厚度测量取得。

结果显示，与利用常规工艺制出的常规石英组件相比，利用本发明实施例制出的掺杂的石英组件展现出范围约20％至约35％的改善蚀刻耐受性，或降低的蚀刻速率。

在一具体实施例中，就暴露在约30％的含氟等离子体下而言，与常规石英组件相比，具有约低于5重量百分比的钇掺杂，低于约5重量百分比的铝掺杂，及/或浓度约50ppm的氮掺杂的掺杂石英组件，展现出改善的蚀刻耐受性，或降低的蚀刻速率。

第4A-4C图示出设置在基板支撑台450上的例示盖环400的另一实施例的简要图示。第4A图示出该盖环400的平面图。该盖环400由掺杂钇元素及/或铝的石英材料制成，并且在一实施例中，利用方法300制出。该盖环400具有环状主体402，该环状主体402具有外部区域408及内部区域406。该内部区域406的凸出部404从该主体402径向往内延伸。在一实施例中，该盖环400具有介于约12英寸和约13英寸间的内径，例如约11.7英寸，以及介于约15英寸和约16.5英寸间的外径，例如约15.9英寸。

第4B图示出沿着设置在支撑台450和基板452附近的切线A-A取得的盖环400的剖面图。该盖环400覆盖该支撑台450的外侧上表面，并覆盖限定出该支撑台450的绝缘体环428。在一实施例中，可单独使用该盖环400，或与该绝缘体环428并用，以在该支撑台450的匹配表面间提供良好的密封。该盖环400插入和该支撑台450啮合的腔室组件426(例如腔室内衬)的上端。

第4C图示出该盖环400的一部分的放大图。该盖环400的环状主体402一般具有上表面422和底表面420。第一脊部414、第二脊部412、以及第三脊部418从该主体402的底表面420往下延伸。在第4C图所示实施例中，脊部414、412、418是同心的环。

该第一及该第二脊部414、412从该盖环400的内部延伸出，并在其间界定出容纳该腔室组件426上端的第一狭缝430。该第一脊部414从该主体402延伸得比该第二脊部412更远。该第二脊部412和该第三脊部418界定出第二狭缝432，其容纳与该支撑台450啮合的绝缘体环428的上表面，进而固定该盖环400和该支撑台116之间的位向。该第二脊部412具有下表面434。该下表面434的宽度与该绝缘体环428的上表面宽度相等，因此提供两个组件之间良好的啮合，这会在下面参考第5A-5B图进一步描述。

该凸出部404包含上表面424，其实质上与该支撑台116的上表面共平面，进而当该基板452设置在其上时，使该基板452可以覆盖该上支撑台表面和该凸出部404上表面424之间的接口。

内壁410设置在该凸出部404和该主体42的上表面424之间。该内壁410的直径大于该凸出部404的内径。该主体402的上表面422包含该内部区域406和该外部区域408，如第4A图的上视图所示。该内部区域406相对于该外部区域408提高。该内部区域406可与该上表面424的外部区域408平行定位。倾斜区域416在该上表面422的内部及外部区域406、408之间界定出过渡区域。

在一实施例中，该盖环400为利用第3图的方法300制出的掺杂钇的石英环。在另一实施例中，该盖环400为掺杂钇和铝的石英环。在又另一实施例中，该盖环400为含钇、铝和氮的环。

第5A-5B图示出可在该基板支撑台450内或其它支撑台内，单独使用或与第4A-4C图的盖环400并用的例示绝缘体环428的一实施例简要图示。该绝缘体环428可利用第3图的方法300制造。或者，该绝缘体环428可利用任何适合技术制造。

第5A图示出该绝缘体环428的平面图。该绝缘体环428具有外部区域502和内部区域504。该环428的内部区域504适于啮合在界定于该盖环400的第二和第三脊部412、418间的狭缝432内，如第4B图所示。

第5B图示出沿着第5A图的切线A-A取得的该绝缘体环428的剖面图。因为该绝缘体环428被该盖环400覆盖，故该绝缘体环428并不与该基板452直接接触。凹陷部分506形成在该外部区域502的上角及下角上。形成在该外部区域502的上角上的该凹陷部分506容纳该盖环的第二脊部412，并与该第二脊部412的下表面434匹配。该凹陷部分506盖住该第二脊部412，提供良好的密封并固定该盖环400的位向。

在一实施例中，该绝缘体环428可以是常规石英环。在另一实施例中，该绝缘体环428可以是掺杂钇的石英环，掺杂钇和铝的石英环或含钇、铝和氮的环。在又另一实施例中，该环428可利用第3图中的方法300制造。

掺杂的石英组件(例如第1-2A-2D图的盖环102、第4A-4C图的盖环400和第4B及5A-5B图的绝缘体环428)已发现具有改善的特性，例如构形及微结构，使得对于等离子体气体的腐蚀有增强的耐受性、降低的机械应力、改善的表面粗度、以及减少的微粒产生。

虽然上面的范例及讨论例示性地集中在用于等离子体腔室的掺杂的石英组件上，但本发明的一或多个实施例也可用于其它腔室组件，包含由于不同应用而使用各种材料的组件。例如，本发明的热处理工艺也可应用于由例如陶瓷、金属、介电材料、合金等等材料制成的部件。

虽然前述针对本发明实施例，但本发明的其它及进一步的实施例可在不背离其基本范围下设计出，而其范围由如下权利要求判定。