专利名称：包含硅涂布气体供给管道的系统与施加涂层的方法
技术领域：
本发明总体上涉及包含硅保护层的气体供给管道，并且更具体地，涉及包含含有硅保护层的气体供给管道的等离子体蚀刻系统，以及将硅保护层施加到气体供给管道的方法。
背景技术：
尽管本发明的上下文中不限定于用于半导体器件生产中的特定类型的等离子体系统，但为例证的目的，等离子体蚀刻系统通常通过使工艺气体经相对高的频率的电场(例如，约13.56MHz)的作用而产生等离子体。等离子体通常容纳于包绕基本保持在真空的空间体积的等离子体处理室中，即，可以用真空抽气系统将空气从等离子体处理室抽空以保持压强远远小于大气压强。半导体或玻璃衬底，诸如，例如，包含硅的晶片，可以放置在等离子体处理室中，并使其经受等离子体作用以将该衬底改变成所希望的器件。
发明内容
图1示出了包含工艺气体源102的等离子体蚀刻系统100，工艺气体源102与等离子体处理室104通过气体供给管道106流体连通。例如，工艺气体源102可以提供工艺气体到等离子体处理室106。有关类似于图1所示的等离子体蚀刻系统100的结构的进一步的教导可以在美国专利文献US Pub.N0.2011/0056626中找到，其中的相关部分通过弓I用并入本文。工艺气体可包括卤素气体，并且可能侵蚀气体供给管道106。实践本文所描述的实施方式可能会发现在减少工艺气体对用于多种类型的等离子体蚀刻系统的多种类型的气体供给管道的有害影响中的有利效用。在一种实施方式中，等离子体蚀刻系统可以包括工艺气体源、等离子体处理室和气体供给管道。该工艺气体源可与气体供给管道流体连通。气体供给管道可与等离子体处理室流体连通。工艺配方气体(process gas recipe)可以通过气体供给管道输送,使得工艺配方气体从工艺气体源输送到等离子体处理室。可以由等离子体处理室中的工艺配方气体形成用于蚀刻器件的等离子体。气体供给管道可包括形成内部配方接触表面和外部环境接触表面的耐腐蚀的层状结构。耐腐蚀的层状结构可以包括硅保护层、钝化的耦合连接层和不锈钢层。内部配方接触表面可以由硅保护层形成。可以设置钝化的耦合连接层在硅保护层和不锈钢层之间。钝化的耦合连接层可以包括铬的氧化物和铁的氧化物。在钝化的耦合连接层中铬的氧化物可比铁的氧化物更多。在另一种实施方式中，用于施加涂层的方法可包括提供含有不锈钢的气体供给管道。气体供给管道可以被电抛光，以产生电抛光过的气体供给管道。可以施加钝化溶液到电抛光过的气体供给管道，以产生钝化的气体供给管道。钝化的气体供给管道可包括钝化的耦合连接层。钝化溶液可以包括硝酸。可以施加硅保护层到钝化的气体供给管道的钝化的耦合连接层。钝化的耦合连接层可以包括铬的氧化物和铁的氧化物。在钝化的耦合连接层中铬的氧化物可比铁的氧化物更多。结合附图，基于以下详细描述将充分地理解这些和本文所描述的实施方式所提供的附加特征。
在附图中阐述的实施方式本质上是说明性的和示例性的，并不意图限制由权利要求书限定的主题。当结合下面的附图可以理解说明性实施方式的以下详细描述，其中类似的结构用类似的附图标记表示，并且其中:图1示意性地描绘了根据本文所显示的和描述的一种或多种实施方式所述的等尚子体蚀刻系统；图2示意性地描绘了根据本文所显示的和描述的一种或多种实施方式所述的气体供给管道；图3示意性地描绘了根据本文所显示的和描述的一种或多种实施方式所述的气体供给管道的横剖视图；图4示意性地描绘了根据本文所显示的和描述的一种或多种实施方式所述的喷射器块的剖视图。
具体实施例方式正如上面指出的，本公开涉及包含硅保护层的气体供给管道。气体供给管道可以诸如，例如，在等离子体蚀刻或沉积操作中，用于等离子体蚀刻系统中以运输工艺气体。本公开的构思不应该限于等离子体蚀刻系统。因此，本文所描述的气体供给管道，可用于各种半导体制造系统或其他输送系统以输送类似于本文描述的工艺配方气体的气体。参照图1，等离子体蚀刻系统100包括工艺气体源102、等离子体处理腔室104、和气体供给管道106。工艺气体源102与气体供给管道106流体连通。气体供给管道106与等离子体处理室104流体连通。因此，工艺配方气体可以通过气体供给管道106输送，SP，可以将工艺配方气体从工艺气体源102输送到等离子体处理室104。为了限定和描述本公开的目的，应该指出，如本文所使用的短语“流体连通”，是指一个物体与另一个物体之间的流体交换，其中可能包括，例如，可压缩和不可压缩的流体的流动。工艺气体源102为等离子体蚀刻系统100提供工艺气体。具体而言，工艺气体配方可能需要多种工艺气体。工艺气体可以包括卤素或卤族元素，诸如，例如，氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、和砹(At)。此外，特定的工艺气体可能包括CClF3、C4F8、C4F6、CHF3XH2F3、CF4,HBr, CH3F' C2F4' N2、02、Ar、Xe、He、H2、NH3> SF6、BCl3, Cl2 和其他等效的等离子工艺气体。因此，工艺气体源102可包括存储在诸如，例如压缩气体钢瓶等压力容器中的多种工艺气体。工艺气体源还可以包括分配和控制组件，诸如，例如，质量流量控制器、压力传感器、压力调节器、加热器、过滤器、净化器、歧管、和截止阀。正如上面指出的，工艺气体可包括有害的气体。因此，工艺气体源102可以是完全或部分地封闭在等离子体处理室104中。附加地或可选地，工艺气体源102可封闭在密封外壳118中，其可以耦合连接到等离子体处理室104的外部。等离子体处理室104是用等离子体的用于处理所需衬底的环境可控的外壳。等离子体处理室104可以包含或密封与气体供给管道106流体连通的等离子体发生组件120。等离子体产生组件120可包括用于产生电磁场的RF源，其通过电介质窗口与等离子体分离。等离子体生成组件120可进一步包括用于将由电磁场和工艺配方气体所产生的等离子体导向衬底材料的上部电极和下部电极。例如，上部电极可以设置有多个孔，用于使工艺气体分散遍布于等离子体处理室104中。可以操作上部电极和下部电极作为阳极和阴极(分别或反之亦然)，用于将电场定向和引导等离子体朝向衬底。因此，根据工艺气体配方可以利用等离子体蚀刻衬底。等离子体蚀刻系统100可以进一步包括通信地耦合到工艺气体源102和等离子体处理室104的工艺控制器116。工艺控制器116包括通信地耦合连接到存储器的电子处理器。工艺控制器被配置为执行存储在存储器上的机器可读指令以控制衬底的等离子体处理。因此，工艺控制器116可控制参数，例如工艺气体配方(气体流混合、气体流速、压强等)和等离子体处理室104的参数(电压、温度、压强、气体混合物，等)。集中参考图1和图2，示意性描绘了用于从工艺气体源102输送工艺气体到等离子体处理室104的气体供给管道106。气体供给管道106可包括连接在一起并被配置为工艺气体提供流体路径的波纹管108、喷射器块110、管道部分112、和微型接头114。例如，气体供给管道106的一部分可被成形为符合等离子体处理室104的外部尺寸。形成具有沟和脊部的波纹管108以使气体供给管道106能弯曲(例如，在加工、组装、拆卸等过程中)。该波纹管108是中空件，其可以从波纹管108的外部至少部分地包绕内部空间。该波纹管108可以基本呈圆筒形状以使内部空间由波纹管108的沟和脊部划定界限。在一些实施例中，波纹管108可以被束缚以限制波纹管的伸缩性。可以限制波纹管108的运动，使得波纹管108弯曲小于约±10°，诸如，例如，约±3°或约±1.5°。喷射器块110被配置为使气体供给管道106与等离子体处理室104耦合连接，使得工艺气体可以从气体供给管道106流动到等离子体处理室104。喷射器块110可以基本呈盒形，并可以用紧固件(例如，螺栓)固定在等离子体处理室。管部112是基本呈圆筒状的中空件，其配置为传输在封闭的空腔内的工艺气体。管部112可以基本是直的或可以设置为任何所需的形状。微型接头114是中空的具有多个入口的接头，其配置为以改变气体供给管道106的方向。例如，微型接头114可以是用于使气体供给管道106陡转约90°的基本L形体，用于使气体供给管道106陡转约45°的基本V形体，或可以是使气体供给管道106陡转约90°的基本T形体，并提供与另一入口基本呈直线的入口。应当指出，虽然图2描绘了微型接头114为L形或T形，微型接头114可具有任何数量的相对于彼此定向成任何角度的入口，以使气体供给管道106能够根据工艺气体配方输送工艺气体到等离子体处理室104。因此，气体供给管道106可以通过熔合任何数目的波纹管108、喷射器块110、管状部分112、和微型接头114制成，以形成所需的气体流道。例如，该工艺气体源102可以是完全或部分地设置在等离子体处理室104中。气体供给管道106可以从工艺气体源102离开延伸到等离子体处理室104的外部，以提供工艺气体到等离子体处理室104的内部。例如，气体供给管道106可包括与等离子体处理室104的内部流体连通的喷射器块110。任何数目的波纹管108、喷射器块110、管状部分112、和微型接头114可彼此熔合，以便使从气体供给管道106的泄漏的工艺气体基本最小化。合适的熔合方法包括焊接、钎焊、或能够基本将工艺气体密封在气体供给管道106内，并在等离子体蚀刻系统100的操作期间提供足够的稳定的机械联接的任何其他工艺。例如，当气体供给管道106包含类似组合物和熔化点的材料时，可熔焊气体供给管道106以结合气体供给管道106的组成部分。由于相对高的加工温度，熔焊可在焊接接头和焊接接头相邻处的材料中产生热影响区。合适的焊接工艺包括电弧焊接、氧-燃料焊接、电阻焊接，激光束焊接、电子束焊接、铝热剂焊接、或任何其他的能够基本将工艺气体密封在气体供给管道106内的焊接工艺。气体供给管道106的任何部分可以包括耐腐蚀的层状结构。集中参考图3和图4，耐腐蚀的层状结构形成内部配方接触表面12和外部环境接触表面14，内部配方接触表面12用于包封工艺气体，外部环境接触表面14用于与气体供给管106周围的环境(图1和图2)相互作用。值得注意的是，为清楚起见，示意了管部112 (图3)和喷射器块110 (图4)，但不以气体供给管道106的任何特定部分(图1和2)限制本文所描述的实施方式。耐腐蚀的层状结构包括硅保护层20、钝化的耦合连接层22和不锈钢层24。内部配方接触表面12通过硅保护层20形成，并且钝化的耦合连接层22设置在硅保护层20和不锈钢层24之间。耐腐蚀的层状结构可选地包括第二硅保护层20和第二钝化的耦合连接层22。具体而言，不锈钢层24可以设置在两层钝化的耦合连接层22之间。硅保护层20可被耦合连接到每个钝化的耦合连接层22，使得硅保护层20形成内部配方接触表面12，且硅保护层20形成外部环境接触表面14。硅保护层20可以小于约I微米厚，诸如，例如，小于约0.85微米，从约0.02微米至约0.8微米，或从约0.04微米至约0.77微米。不锈钢层24用适合耐受暴露于由如本文所描述的工艺气体的任何种类、等级或表面处理的不锈钢合金，诸如，例如，ASTM A-967覆盖的不锈钢类型。合适的不锈钢合金可以包括钥、钛、奥氏体铬-镍-猛合金、奥氏体铬-镍-猛合金、奥氏体铬-镍合金、铁素体铬合金、马氏体铬合金、耐热铬合金、或马氏体沉淀硬化合金。不锈钢可以进行真空感应熔炼(VIM)，以为后续的重熔提供相对密集的组成范围和相对低的气体含量。不锈钢可以进行真空电弧重熔(VAR)，以产生具有低浓度挥发性杂质元素和降低的气体含量的相对高质量的锭。一些优选在不锈钢层24中使用的不锈钢包括316不锈钢、316L不锈钢、316L VIM/VAR不锈钢。钝化的耦合连接层22的是硬化的非反应性的膜，其包括铬的氧化物和铁的氧化物，以便在钝化的耦合连接层22中铬的氧化物比铁的氧化物更多。在一些实施例中，在钝化的耦合连接层22中铬的氧化物与铁的氧化物的比率将大于约2。出乎意料的是，钝化的耦合连接层22可以增强硅保护层20与不锈钢层24的粘附性，特别是在热影响区和波纹管108 (图2和图3)中。此外，已经发现，钝化的耦合连接层22展示不锈钢层24对工艺气体的有害影响改进的抵抗力，特别是在热影响区和波纹管108 (图2和图3)中。钝化的耦合连接层22可以小于约I微米厚，诸如，例如，小于约0.5微米，小于约10纳米，或小于约5纳米。应指出，术语“层”在本文使用时，是指设置在另一种材料上的有基本连续的厚度的材料，其可以包括层缺陷。层缺陷可能包括裂缝、空洞、脱皮、夹杂的杂质或过量层材料、凹痕、划痕，或其他制造、表面或材料缺陷。因此，虽然图3和4描绘了理想化的层，但在不脱离本公开的范围的情况下，这里所描述的任何的层可包括层缺陷或任何其它缺陷。此外，应当指出，层的厚度可以用X-射线光电子能谱(XPS)或任何其他用于测量层厚度的基本相当的方式确定。
集中参考图2和图3，可以通过先电解抛光不锈钢层24，然后用其他材料层涂布不锈钢层24，从而形成本文所述的耐腐蚀的层状结构。例如，气体供给管道106可最初通过焊接各种不锈钢的组件(例如，波纹管108、喷射器块110、管部112、和微型接头114)形成。可以对气体供给管道106进行电化学工艺处理，以去除多余材料，并形成相对平滑的表面加工，从而电解抛光气体供给管道106。在一些实施例中，电解抛光的气体供给管道可具有小于约20微英寸的表面粗糙度Ra (算术平均)，如小于约10微英寸的表面粗糙度Ra (算术平均)。不锈钢层24在电解抛光后可被钝化，或在一些实施例中，不锈钢层可以没有事先电解抛光而进行钝化。具体来说，可使电解抛光的气体供给管道经受钝化溶液处理，得到含有钝化的稱合连接层22的钝化的气体供给管道。钝化溶液包括硝酸。钝化溶液可以包括小于约50体积％的硝酸，诸如，例如约30体积％的硝酸至约40体积％的硝酸。在一些实施方式中，钝化溶液可施用超过约60分钟，诸如，例如，从约117分钟至约123分钟，或约120分钟。硅保护层20可以施加或沉积在钝化的耦合连接层22上。在美国专利N0.6，444，326,6,511,760和7,070,833中描述了用于施加硅保护层20的合适的方法，其中的有关部分通过引用并入本文，其转让给了 Silcotek Corporation of Bellefonte,PA,USA。 基于描述并定义本发明的目的，应指出，本文使用术语“基本”和“约”来表示固有的不确定性的程度，这种不确定的程度可以归因于任何数量比较、估值、测量、或其他表述。本文也利用术语“基本”或“约”表示定量描述相对于所描述的参考值的变化程度，该变化程度不会导致相关主题的基本功能的变化应当指出的是，术语“通常”在用于本文时，不是用于限制权利要求的本发明的范围，或暗示某些特征对于权利要求的结构或功能是关键的、必需的、或重要的。确切地说，这些术语只是为了确定本公开的实施方式的特定方面，或强调可以或不可以用于本公开的特定的实施方式的替代的或额外的特征。类似地，尽管本公开的某些方面被认定为是优选的或特别有利的，但可以设想，本公开并不必要地限于本公开的这些优选方面。已详细地并且参考本发明的具体实施方式
阐述了本发明，显而易见，在不脱离所附的权利要求书中所定义的本发明的范围的情况下，对本发明进行修改和改变是可行的。值得注意的是，下面的权利要求中的一项或多项使用术语“其中”作为过渡性短语。基于定义本发明的目的，应注意，权利要求中引入这一术语作为开放的过渡性短语，该过渡性短语用于引入关于一系列结构特征的描述，并且应当以类似于解释更常用的开放性序言术语“包含”的方式对其进行解释。
权利要求
1.一种包含工艺气体源、等离子体处理室和气体供给管道的等离子体蚀刻系统，其中: 所述工艺气体源与所述气体供给管道流体连通； 所述气体供给管道与所述等离子体处理室流体连通； 工艺配方气体通过所述气体供给管道输送，使得所述工艺配方气体从所述工艺气体源输送到所述等离子体处理室； 用于蚀刻器件的等离子体在所述等离子体处理室中由所述工艺配方气体形成； 所述气体供给管道包括形成内部配方接触表面和外部环境接触表面的耐腐蚀的层状结构； 所述耐腐蚀的层状结构包括硅保护层、钝化的耦合连接层和不锈钢层； 所述内部配方接触表面由所述硅保护层形成； 所述钝化的耦合连接层被布置在所述硅保护层和所述不锈钢层之间；以及所述钝化的耦合连接层包括铬的氧化物和铁的氧化物，以使在所述钝化的耦合连接层中所述铬的氧化物比所述铁的氧化物更多。
2.根据权利要求1所述的等离子体蚀刻系统，其中，所述硅保护层小于约1微米厚。
3.根据权利要求2所述的等离子体蚀刻系统，其中，所述硅保护层小于约0.85微米。
4.根据权利要求1所述的等离子体蚀刻系统，其中，在所述钝化的耦合连接层中所述铬的氧化物与所述铁的氧化物的比例大于约2。
5.根据权利要求4所述的等离子体蚀刻系统，其中，所述钝化的耦合连接层小于约1微米厚。
6.根据权利要求1所述的等离子体蚀刻系统，其中，所述不锈钢层包括316L不锈钢。
7.根据权利要求1所述的等离子体蚀刻系统，其中，所述不锈钢层包括316LVIM/VAR不锈钢。
8.根据权利要求1所述的等离子体蚀刻系统，其中，所述气体供给管道包括波纹管且所述波纹管包括所述耐腐蚀的层状结构。
9.根据权利要求8所述的等离子体蚀刻系统，其中，所述波纹管的弯曲度被限制为小于约±10°。
10.根据权利要求1所述的等离子体蚀刻系统，其中，所述气体供给管道包括热影响区且所述热影响区包括所述耐腐蚀的层状结构。
11.根据权利要求1所述的等离子体蚀刻系统，其中，所述气体供给管道包括喷射器块且所述喷射器块包括所述耐腐蚀的层状结构。
12.根据权利要求1所述的等离子体蚀刻系统，其中，所述气体供给管道包括微型接头且所述微型接头包括所述耐腐蚀的层状结构。
13.根据权利要求1所述的等离子体蚀刻系统,其中: 所述耐腐蚀的层状结构包括第二硅保护层和第二钝化的耦合连接层以及不锈钢层； 所述外部环境接触表面由所述第二硅保护层形成； 所述第二钝化的耦合连接层被布置在所述第二硅保护层和所述不锈钢层之间。
14.一种施加涂层的方法，所述方法包括: 提供包括不锈钢的气体供给管道；电抛光所述气体供给管道，以产生电抛光的气体供给管道； 给所述电抛光的气体供给管道施加钝化溶液，以得到含有钝化的耦合连接层的钝化的气体供给管道，其中，所述钝化溶液包括硝酸；以及 给所述钝化的气体供给管道的所述钝化的耦合连接层施加硅保护层，其中，所述钝化的耦合连接层包括铬的氧化物和铁的氧化物，以使在所述钝化的耦合连接层所述铬的氧化物比所述铁的氧化物更多。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括焊接所述气体供给管道，其中，所述气体供给管道包括微型接头、波纹管和喷射器块。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述气体供给管道包括316L不锈钢、316LVIM/VAR不锈钢、或316L不锈钢和316L VIM/VAR不锈钢两者。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电抛光的气体供给管道具有小于约20微英寸的表面粗糙度Ra。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述钝化溶液包括小于约50%的体积百分比的所述硝酸。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述钝化溶液被施用的时间超过约60分钟
20.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述钝化的耦合连接层中所述铬的氧化物与所述铁的氧化物的比例为大于约2，且所述硅保护层小于约I微米厚。
全文摘要
在一种实施方式中，等离子体蚀刻系统可以包括工艺气体源、等离子体处理室和气体供给管道。等离子体可以由在等离子体处理室的工艺配方气体形成。气体供给管道可包括形成内部配方接触表面和外部环境接触表面的耐腐蚀的层状结构。耐腐蚀的层状结构可以包括硅保护层、钝化的耦合连接层和不锈钢层。内部配方接触表面可以由硅保护层形成。可以设置钝化的耦合连接层在硅保护层和不锈钢层之间。钝化的耦合连接层可以包括铬的氧化物和铁的氧化物。在钝化的耦合连接层中铬的氧化物比铁的氧化物可更多。
文档编号H01J37/32GK103094040SQ20121042558
公开日2013年5月8日 申请日期2012年10月30日 优先权日2011年11月1日
发明者石洪, 约翰·迈克尔·克恩斯, 方言, 艾伦·龙尼 申请人:朗姆研究公司