耐等离子刻蚀陶瓷体及其制造方法、等离子刻蚀设备

摘要

本发明公开了一种耐等离子刻蚀陶瓷体及其制备方法和等离子刻蚀设备。本发明耐等离子刻蚀陶瓷体由氧化铝粉体模压成型处理后进行烧制获得，其中，所述氧化铝粉体中含有不可避免的杂质成分，且所述杂质成分的质量含量为不大于0.001％。本发明耐等离子刻蚀陶瓷体耐等离子腐蚀性能高，其制备方法能够使得制备的耐等离子刻蚀陶瓷体耐等离子腐蚀性能高，尺寸稳定，密度高。本发明等离子刻蚀设备的刻蚀腔体内设有本发明耐等离子刻蚀陶瓷体构成的氧化铝陶瓷部件。因此，氧化铝陶瓷部件耐等离子腐蚀性能好，使得刻蚀得到的晶圆良率高，而且有效延长了氧化铝陶瓷部件的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种耐等离子刻蚀陶瓷体及其制 造方法、等离子刻蚀设备。

背景技术

氧化铝陶瓷目前分为高纯型与普通型两种。其中，目前高纯型氧化铝陶瓷 如A1₂O₃含量在99.9％以上的陶瓷材料，由于其烧结温度高达1650-1990℃，透 射波长为1-6μm，其在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料。

随着半导体集成电路产业持续的不断发展，硅晶圆制造方面，晶体管之间 的距离迅速缩小到32纳米和25纳米甚至更小尺寸。对于在晶圆加工过程中， 在高密度等离子条件下，等离子刻蚀设备腔体内的材料的耐等离子腐蚀的能力 要求也越来越苛刻。由于等离子刻蚀工艺中，会使用不同反应气体以及温度、 气压等复杂环境，所以刻蚀设备的腔体内部材料必须能够耐受住这些条件的破 坏和冲击。

目前，在晶圆等离子刻蚀工艺中，高纯氧化铝陶瓷是一种很好的耐等离子 腐蚀材料。但是目前使用的高纯型氧化铝陶瓷纯度含量在99.5％-99.9％，其中 还含有较高含量的SiO₂、MgO、CaO、Na₂O等玻璃相，另一方面，氧化铝陶瓷 致密度还有待于提高，仍然存在一定数量的孔隙等缺陷。由于在等离子刻蚀过 程中，会使用各种反应气体，尤其是含氟气体，比如CF₄、CHF₃、SF₆、NF₃等 气体，这些气体会与这些玻璃相发生化学反应，并逐渐缓慢的被等离子体腐蚀， 在等离子体和反应气体的共同作用下，尤其是在氧化铝陶瓷内部有孔隙的不致 密的区域，使得氧化铝陶瓷产生缺陷、颗粒、金属杂质等问题，并污染和损坏 了晶圆，从而使得晶圆的生产良率下降。

同时，这种等离子刻蚀机设备中的氧化铝陶瓷零件也属于大型尺寸陶瓷， 一般为直径在350-650mm，厚度在3-15mm的圆盘形状。这种大型尺寸且超高 纯度氧化铝陶瓷的生产，存在容易变形，开裂，难于烧结致密等问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种耐等离子刻 蚀陶瓷体及其制造方法，以解决现有高纯型氧化铝陶瓷易被等离子体腐蚀的技 术问题。

本发明实施例的另一目的在于提供一种等离子刻蚀设备，以解决现有等离 子刻蚀设备由于含有易被等离子体腐蚀的现有高纯型氧化铝陶瓷部件而导致污 染和损坏晶圆的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明一方面，提供了一种耐等离子刻蚀陶瓷体。 所述耐等离子刻蚀陶瓷体由氧化铝粉体模压成型处理后进行烧制获得，其中， 所述氧化铝粉体中含有不可避免的杂质成分，且所述杂质成分的质量含量不大 于0.001％，或所述氧化铝的质量含量不低于99.999％。

本发明另一方面，提供了一种耐等离子刻蚀陶瓷体的制备方法，其特征在 于，包括如下步骤：

获取纳米氧化铝粉体；所述氧化铝粉体中含有不可避免的杂质成分，且所 述杂质成分的质量含量不大于0.001％，或所述氧化铝的质量含量不低于 99.999％；

将所述纳米氧化铝粉体进行模压处理后置于保护性气氛中进行烧结处理。

本发明又一方面，提供了一种等离子刻蚀设备。所述等离子刻蚀设备的刻 蚀腔体内设有氧化铝陶瓷部件，所述氧化铝陶瓷部件为本发明所述的等离子刻 蚀陶瓷体或为由本发明等离子刻蚀陶瓷体制备方法制备的等离子刻蚀陶瓷体。

与现有技术相比，本发明耐等离子刻蚀陶瓷体由于其含不可避免的杂质含 量低至不大于0.001％，也即是氧化铝含量不低于99.999％，因此，在本发明耐 等离子刻蚀陶瓷体中玻璃相含量低，从而使得其在等离子刻蚀过程中保持稳定， 提高了其耐等离子腐蚀性能。

本发明耐等离子刻蚀陶瓷体的制备方法采用高纯度的氧化铝粉体作为陶瓷 原料，经过成型和烧结处理后，使其制备的氧化铝含量高，不可避免的杂质含 量低至不大于0.001％或所述氧化铝的质量含量不低于99.999％，从而使得制备 的等离子刻蚀陶瓷体在等离子刻蚀过程中保持稳定，提高了其耐等离子腐蚀性 能。另外，本发明制备方法工艺条件易控，制备出的等离子刻蚀陶瓷体性能稳 定，而且生产效率高，降低了经济成本。

本发明等离子刻蚀设备由于在其刻蚀腔体内设有本发明等离子刻蚀陶瓷体 作为氧化铝陶瓷部件，因此，氧化铝陶瓷部件耐等离子腐蚀性能好，使得刻蚀 得到的晶圆良率高，而且有效延长了氧化铝陶瓷部件的使用寿命。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

一方面，本发明实施例提供一种具有离子刻蚀性能的陶瓷体。在一实施例 中，所述陶瓷体是由氧化铝粉体模压成型处理后进行烧制获得。其中，所述氧 化铝粉体理所当然的含有氧化铝成分。由于氧化铝原料在制备过程中或多或少 的残留了一些杂质，因此，在本发明实施例中，氧化铝粉体也不可避免的含有 不可避免的杂质成分，但是在本发明实施例中，该杂质成分的质量含量控制不 大于0.001％或所述氧化铝的质量含量不低于99.999％。这样，所述氧化铝粉体 经烧制获得的本发明实施例离子刻蚀性能的陶瓷体氧化铝含量高，因此，在本 发明耐等离子刻蚀陶瓷体中玻璃相含量低，避免了本发明实施例陶瓷体在等离 子刻蚀环境降低了玻璃相发生的化学反应，从而使得其在等离子刻蚀过程中保 持稳定，提高了其耐等离子腐蚀性能。

在一实施例中，上述实施例中的所述氧化铝粉体所含的氧化铝的质量含量 不低于99.999％，或者杂质成分的质量含量不大于0.001％。将氧化铝成分的含 量提高至不低于99.999％，进一步提高氧化铝粉体的纯度，以实现降低本发明 实施例等离子刻蚀陶瓷体中玻璃相含量，提高其在等离子刻蚀过程中保持稳定 性能，提高其耐等离子腐蚀性能。

在另一实施例中，上述各实施例中的耐等离子刻蚀陶瓷体的密度为 3.96-3.99g/cm³。通过提高本发明实施例耐等离子刻蚀陶瓷体的密度，从而提高 本发明实施例耐等离子刻蚀陶瓷体的密实度，使得其在烧结所形成的孔隙数量 明显减少，不仅提高其强度，而且避免等离子体和反应气体在孔隙中对陶瓷体 发生化学反应，以辅助提高本发明实施例耐等离子刻蚀陶瓷体的耐等离子刻蚀 性能。

在一实施例中，上述实施例中的所述氧化铝粉体的平均粒径控制为200纳 米。

由于上述各实施例中的所述耐等离子刻蚀陶瓷体具有强的耐等离子刻蚀性 能和高密实度以及强度，因此，本发明实施例耐等离子刻蚀陶瓷体可以作为等 离子刻蚀设备腔体内设置的氧化铝陶瓷部件。以实现提高等离子刻蚀设备的刻 蚀的稳定性能和刻蚀产品良率。

另一方面，本发明实施例还提供了上文所述的本发明实施例耐等离子刻蚀 陶瓷体的一种制备方法。在一实施例中，本发明实施例耐等离子刻蚀陶瓷体的 制备方法包括如下步骤：

步骤S01：获取纳米氧化铝粉体；

步骤S02：将步骤S01中提供的所述纳米氧化铝粉体进行模压处理后置于 保护性气氛中进行烧结处理。

在一实施例中，上述步骤S01中，所述氧化铝粉体中含有不可避免的杂质 成分，且所述杂质成分的质量含量为不大于0.001％，或所述氧化铝的质量含量 不低于99.999％。如上文所述的，由于氧化铝原料在制备过程中或多或少的残 留了一些杂质，将该不可以避免的杂质含量控制不大于0.001％，或所述氧化铝 的质量含量不低于99.999％，以实现提高氧化铝的含量，使得其经烧结后，制 备的耐等离子刻蚀陶瓷体中氧化铝含量高，且玻璃相含量低，从而使得其在等 离子刻蚀过程中保持稳定，提高了其耐等离子腐蚀性能。

在进一步实施例中，该步骤S01中的纳米氧化铝粉体选所含氧化铝的质量 含量不低于99.999％，或者杂质成分的质量含量不大于0.001％。将氧化铝成分 的含量提高至不低于99.999％，进一步提高氧化铝粉体的纯度，以实现降低最 终烧结制备的等离子刻蚀陶瓷体中玻璃相含量，提高等离子刻蚀陶瓷体在等离 子刻蚀过程中保持稳定性能，提高其耐等离子腐蚀性能。另外，该氧化铝的质 量含量不低于99.999％的高纯度的纳米氧化铝粉体可以直接市购或者按照现有 高纯度的氧化铝制备方法制备获得，如在具体实施例中，直接市购获得。

在具体实施例中，上述步骤S01中的所述氧化铝粉体的平均粒径控制为200 纳米。

上述步骤S02中，步骤S01中的所述氧化铝粉体经模压处理后，形成压坯。 在一实施例中，在模压成型过程中模压处理的条件控制为：采用高速压制成型 的方法，压制压力为650-1000MPa，压制速度为5-9m/s，且经过多次连续压制， 相邻两次的所述压制间隔时间为0.3-0.5秒。在一具体实施例中，经过多次如3 次连续压制，相邻两次的所述压制间隔时间为如0.3秒。这样，在该高速压制 过程重锤与上模冲接触时产生了若干次弹性碰撞，第一次碰撞时产生的压力最 大，以后逐次递减，至锤头的能量完全传递给粉末。在此过程中，产生的多重 冲击波使得粉末受到多次压制，密度逐次得到提高。高速压制时压制压力由静 压变成动压，粉末体受到静压力和动量mv的作用，作用时间短，瞬时冲击力 F＝mv/t很大，从而使得压坯的密度相对提高。传统压制的压坯密度主要取决于 压制压力，并不随压制次数增加而显著提高。因此，高速压制可以获得更加致 密的压坯。另外，该高速压制时应力和残余应力的分布与传统压制大致相同， 但是该高速压制时压制压力高，使得颗粒间结合紧密，压坯强度高，烧结后陶 瓷密度、致密度和强度都大大提高。陶瓷的密度和致密度提高了，使得其在烧 结所形成的孔隙数量明显减少，避免等离子体和反应气体在孔隙中对陶瓷体发 生化学反应，也有利于提高陶瓷的耐等离子腐蚀能力。同时减小了烧结的收缩 率，有利于保持模压成型的压坯的几何尺寸，减小变形量，防止压坯烧结时开 裂。

作为一实施例，在该步骤S02的模压处理过程中，在将氧化铝粉体置于模 具模压处理之前，在模具内壁或内壁以及上、下模冲头涂布润滑剂，使得润滑 剂模腔内壁形成一层连续的、均匀的固体薄膜，有利于压制和脱模，可以提高 压坯的密度，最终有利于提高烧结后得到的耐等离子刻蚀陶瓷体的密度。在具 体实施例中，润滑剂为氮化硼。在形成润滑剂固体薄膜的过程中，可以将润滑 剂如氮化硼配制成溶液，然后涂覆在模腔内壁，或进一步的涂覆在上、下模冲 头上。

该步骤S02的模压处理所用的模具优选采用耐磨材料金属模具，优点是， 超高纯度氧化铝硬度很高，采用耐磨合金模具耐磨性能更好，模具寿命更长。

作为一实施例中，该步骤S02中模压处理后得到的压坯进行烧结处理的烧 结温度为1500-1700℃下，时间为2-5小时。在进一步实施例中，所述烧结处理 是以5℃/min升温速度先加热到1300℃，保温1小时；然后2℃/min升温速度 加热到1600℃进行烧结，保温2小时。这样，通过对烧结温度和时间控制，能 够使得纳米氧化铝粉体充分烧结，有利于提高烧结成型的耐等离子刻蚀陶瓷体 的密度和致密度，从而有利于提高陶瓷的耐等离子腐蚀能力，同时强度高，烧 结收缩率小，几何尺寸稳定，变形量小，避免开裂现象发生。

在一具体实施例中，该烧结处理可以是真空烧结或非真空烧结。烧结过程 中的保护性气氛可以是由氮气或者氩气形成的保护性气氛。由于通入氮气或氩 气保护性气氛，在烧结过程中，有利于减少杂质，有利于获得纯度更高的氧化 铝陶瓷，从而有利于提高氧化铝陶瓷的耐等离子腐蚀能力。

将烧结处理后获得的耐等离子刻蚀陶瓷体进行密度的测定，其密度为 3.96-3.99g/cm³。

因此，本发明实施例耐等离子刻蚀陶瓷体的制备方法采用高纯度的氧化铝 粉体作为陶瓷原料，经过模压成型和烧结处理后，使其制备的氧化铝含量高， 不可避免的杂质含量低至不大于0.001％，从而使得制备的等离子刻蚀陶瓷体在 等离子刻蚀过程中保持稳定，提高了其耐等离子腐蚀性能。通过模压处理、烧 结处理的工艺条件的控制，使得制备的耐等离子刻蚀陶瓷体致密，有利于提高 陶瓷的密度和致密度，从而有利于提高陶瓷的耐等离子腐蚀能力。同时几何尺 寸稳定，变形量小，避免开裂现象发生。另外，本发明制备方法工艺条件易控， 制备出的等离子刻蚀陶瓷体性能稳定，而且生产效率高，降低了经济成本。

又一方面，在上文所述的本发明实施例耐等离子刻蚀陶瓷体及其制备方法 的基础上，本发明实施例还提供了一种等离子刻蚀设备。在一实施例中，所述 等离子刻蚀设备的刻蚀腔体内设有氧化铝陶瓷部件，所述氧化铝陶瓷部件为上 文所述的本发明实施例等离子刻蚀陶瓷体或为由本发明实施例等离子刻蚀陶瓷 体制备方法制备的耐等离子刻蚀陶瓷体。这样，由于氧化铝陶瓷部件为上文所 述等离子刻蚀陶瓷体，因此，该氧化铝陶瓷部件耐等离子腐蚀性能好，使得刻 蚀得到的晶圆良率高，而且有效延长了氧化铝陶瓷部件的使用寿命，从而提高 了本发明等离子刻蚀设备刻蚀性能稳定。

为使本发明上述实施细节和操作能清楚地被本领域技术人员理解，以及本 发明等离子刻蚀陶瓷体及其制备方法进步性能显著地体现，以下通过实施例对 本发明的实施进行举例说明。

实施例1

本实施例1提供了一种等离子刻蚀陶瓷体及其制备方法。该等离子刻蚀陶 瓷体是由氧化铝粉体模压成型处理后进行烧制获得，其中，所述氧化铝粉体的 纯度为99.999％，平均粒度200纳米。

该等离子刻蚀陶瓷体制备方法如下：

S11：获得纳米氧化铝粉末，其纯度99.999％，平均粒度200纳米；

S12：把纳米氧化铝粉末装入金属模具内进行模压成型后进行烧结处理；其 中，金属模具采用耐磨材料金属模具；在纳米氧化铝粉末装入金属模具内之前， 在模具内壁以及上、下模冲头涂布氮化硼溶液作为润滑剂，使其在模腔内部上 形成一层连续的、均匀的固体薄膜，以利于压制和脱模；模压成型过程中的压 制压力为650MPa，压制速度为5m/s的条件下进行高速压制，经过3次连续冲 压，间隔时间0.5秒；压制后烧结处理的是在真空条件下，氩气保护性气体中 进行，烧结是以5℃/min升温速度先加热到1300℃，保温1小时；然后2℃/min 升温速度加热到1500℃进行烧结，保温2小时，之后，随炉冷却。

实施例2

本实施例2提供了一种等离子刻蚀陶瓷体及其制备方法。该等离子刻蚀陶 瓷体是由氧化铝粉体模压成型处理后进行烧制获得，其中，所述氧化铝粉体的 纯度为99.999％，平均粒度200纳米。

该等离子刻蚀陶瓷体制备方法如下：

S11：获得纳米氧化铝粉末，其纯度99.999％，平均粒度200纳米；

S12：把纳米氧化铝粉末装入金属模具内进行模压成型后进行烧结处理；其 中，金属模具采用耐磨材料金属模具；在纳米氧化铝粉末装入金属模具内之前， 在模具内壁以及上、下模冲头涂布氮化硼溶液作为润滑剂，使其在模腔内部上 形成一层连续的、均匀的固体薄膜，以利于压制和脱模；模压成型过程中的压 制压力为800MPa，压制速度为7m/s的条件下进行高速压制，经过3次连续冲 压，间隔时间0.4秒；压制后烧结处理的是在真空条件下，氩气保护性气体中 进行，烧结是以5℃/min升温速度先加热到1300℃，保温1小时；然后2℃/min 升温速度加热到1600℃进行烧结，保温4小时，之后，随炉冷却。

实施例3

本实施例3提供了一种等离子刻蚀陶瓷体及其制备方法。该等离子刻蚀陶 瓷体是由氧化铝粉体模压成型处理后进行烧制获得，其中，所述氧化铝粉体的 纯度为99.999％，平均粒度200纳米。

该等离子刻蚀陶瓷体制备方法如下：

S11：获得纳米氧化铝粉末，其纯度99.999％，平均粒度200纳米；

S12：把纳米氧化铝粉末装入金属模具内进行模压成型后进行烧结处理；其 中，金属模具采用耐磨材料金属模具；在纳米氧化铝粉末装入金属模具内之前， 在模具内壁以及上、下模冲头涂布氮化硼溶液作为润滑剂，使其在模腔内部上 形成一层连续的、均匀的固体薄膜，以利于压制和脱模；模压成型过程中的压 制压力为1000MPa，压制速度为9m/s的条件下进行高速压制，经过3次连续 冲压，间隔时间0.3秒；压制后烧结处理的是在真空条件下，氩气保护性气体 中进行，烧结是以5℃/min升温速度先加热到1300℃，保温1小时；然后2℃ /min升温速度加热到1700℃进行烧结，保温5小时，之后，随炉冷却。

对比例1

本对比例1提供了一种等离子刻蚀陶瓷体及其制备方法。该等离子刻蚀陶 瓷体是由氧化铝粉体模压成型处理后进行烧制获得，其中，所述氧化铝粉体的 纯度为99.7％，平均粒度1微米。

该等离子刻蚀陶瓷体制备方法如下：

S11：获得纳米氧化铝粉末，其纯度99.7％，平均粒度1微米；

S12：把纳米氧化铝粉末装入金属模具内进行模压成型后进行烧结处理；其 中，金属模具采用耐磨材料金属模具；在纳米氧化铝粉末装入金属模具内之前， 在模具内壁以及上、下模冲头涂布氮化硼溶液作为润滑剂，使其在模腔内部上 形成一层连续的、均匀的固体薄膜，以利于压制和脱模；模压成型过程中的压 制压力为650MPa，压制速度为5m/s的条件下进行高速压制，经过3次连续冲 压，间隔时间0.5秒；压制后烧结处理的是在真空条件下，氩气保护性气体中 进行，烧结是以5℃/min升温速度先加热到1300℃，保温1小时；然后2℃/min 升温速度加热到1500℃进行烧结，保温2小时，之后，随炉冷却。

对比例2

本对比例2提供了一种等离子刻蚀陶瓷体及其制备方法。该等离子刻蚀陶 瓷体是由氧化铝粉体模压成型处理后进行烧制获得，其中，所述氧化铝粉体的 纯度为99.999％，平均粒度200纳米。

该等离子刻蚀陶瓷体制备方法如下：

S11：获得纳米氧化铝粉末，其纯度99.999％，平均粒度200纳米；

S12：把纳米氧化铝粉末装入金属模具内进行模压成型后进行烧结处理；其 中，金属模具采用耐磨材料金属模具；在纳米氧化铝粉末装入金属模具内之前， 在模具内壁以及上、下模冲头涂布氮化硼溶液作为润滑剂，使其在模腔内部上 形成一层连续的、均匀的固体薄膜，以利于压制和脱模；模压成型过程中的压 制压力为600MPa，压制速度为2m/s的条件下进行高速压制，经过3次连续冲 压，间隔时间1秒；压制后烧结处理的是在真空条件下，氩气保护性气体中进 行，烧结是以5℃/min升温速度先加热到1300℃，保温1小时；然后2℃/min 升温速度加热到1450℃进行烧结，保温2小时，之后，随炉冷却。

对比例3

本对比例3提供了一种等离子刻蚀陶瓷体及其制备方法。该等离子刻蚀陶 瓷体是由氧化铝粉体模压成型处理后进行烧制获得，其中，所述氧化铝粉体的 纯度为99.999％，平均粒度200纳米。

该等离子刻蚀陶瓷体制备方法如下：

S11：获得纳米氧化铝粉末，其纯度99.999％，平均粒度200纳米；

S12：把纳米氧化铝粉末装入金属模具内，在150MPa压力下进行干压成型， 保压时间10s，压制后烧结处理是在空气中进行，烧结是以5℃/min升温速度先 加热到1300℃，保温1小时；然后2℃/min升温速度加热到1600℃进行烧结， 保温2小时，之后，随炉冷却。

耐等离子刻蚀陶瓷体相关性能测试：

将上述实施例1至实施例3和对比例1-3提供的耐等离子刻蚀陶瓷体进行 如下表1中相关性能测试，测试结果如下述表1。

表1

由上述表1可知，上述实施例1-3中提供的耐等离子刻蚀陶瓷体密度高， 强度高，耐等离子腐蚀能力好，且经烧结处理后几何尺寸稳定，变形量小，无 开裂现象发生。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明 的保护范围之内。