专利名称：粗糙化陶瓷表面的方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及使陶瓷表面粗糙化以提高施加在陶瓷上的材料的粘附性的方法。本发明还涉及在半导体处理设备中使用的包括粗糙陶瓷表面的部件。
2.背景技术简述在半导体设备制造中，物理气相沉积法(PVD)是一种经常用来将一层材料沉积到衬底上的方法。
图1表示一个PVD处理室100的截面示意图。在PVD法中，使用一种等离子体(例如一种氩气等离子体)将材料(例如铜或钽)从靶102溅射到位于静电夹盘106上方的半导体衬底104(通常是硅片)的表面上。夹盘106的长度超出半导体衬底104的外部边缘，在夹盘106暴露的上表面上方设置有一个沉积环108以防止在夹盘上沉积材料。沉积环108通常由陶瓷材料(例如氧化铝)制成，因而沉积环的线性热膨胀要与静电夹盘106的氧化铝表面相同。盖环110将沉积环108的外部边缘包围。盖环110通常由一种金属，例如钛制成。
在铜喷镀工艺中，在衬底104上通常沉积一层钽作为润湿层以促进随后的铜沉积。在钽沉积过程中(同样也在处理室加热操作的过程中，这时钽靶在处理室中)，将钽溅射到沉积环108和衬底104上。使沉积环108的陶瓷表面粗糙化，从而使沉积的钽粘附在沉积环108表面，且不会剥落并污染处理室。沉积环陶瓷表面的糙化通常是通过使用碳化硅粒子喷砂进行的。
在沉积量变得过大而使钽跨过紧邻沉积环108的表面并在金属盖环110和半导体衬底102之间形成电路之前的某个时刻，必须从沉积环108中除去钽沉积。然而，钽对化学浸蚀具有很高的抵抗力，且不容易通过传统方法去除。
参照图2A，一种用来去除钽的方法包括在陶瓷沉积环202的粗糙化表面203上涂覆一层铝204牺牲层。图2B表示当在铝牺牲层204上开始形成钽层206时的陶瓷沉积环202的表面203。铝层204可以轻易地溶解掉(例如，通过浸在酸浴中)，同时将覆在上面的沉积的钽206与其一起除去(未表示出)。然而，如图2C所示，当钽层206在半导体处理过程中形成时，它会拉起下方的铝牺牲层204，导致铝层204与陶瓷沉积环202的表面203分离。这通常会导致钽206和铝204双层的剥落。
尽管目前还没有充分理解这种破坏的本质，但初期观察表明这种破坏是在铝牺牲层204和陶瓷沉积环202之间的界面203附近而不是在铝层的深处产生的。因此，相信在观察到的破坏中，陶瓷的表面性能是起作用的主要因素。
铝层204与下方的陶瓷表面203的粘附力主要是由陶瓷基体的拉伸强度(它影响粘结强度)和陶瓷的表面形态(它影响表面粘附)决定的。通过金刚石工具研磨使陶瓷表面203粗糙化，被认为在陶瓷表面的最初几微米处形成微裂纹205，由此降低陶瓷基体的拉伸强度，并增加陶瓷的脆性，当覆在上方的铝牺牲层204在陶瓷沉积环202的表面上施加应力时，使陶瓷材料经受内聚力而断裂。碳化硅喷砂被认为对陶瓷具有与金刚石工具研磨相似的效果，因为粗粒冲击并且甚至嵌入陶瓷表面。因此，如图2C所示，当钽层206和铝层204与陶瓷202分离时，由于钽层206和铝层204的牵引施加的拉力而在陶瓷沉积环202中产生的应力被认为进一步增加了微裂纹205的深度和广度。
需要一种使陶瓷表面糙化的方法，它能提高铝牺牲层204在陶瓷沉积环202的表面203上的粘附性，同时使引发陶瓷表面裂纹或提高裂纹数量的破坏的种类减至最少。普遍认可的是，在一种脆性材料的表面或外层的尖锐凹角可能是应力条件下裂纹开始的部位。
发明概述我们已经发现了一种使陶瓷表面糙化的方法，在该方法中，通过化学蚀刻、热蚀刻、或使用激光显微机械加工法在陶瓷表面(例如氧化铝表面)形成机械联锁。本发明的方法形成有效糙化的陶瓷表面，它对上方的牺牲层(例如铝)提供了良好的粘附性，同时使陶瓷表面的微裂纹和其它破坏减至最低。由于在陶瓷和上方的、通常为牺牲金属保护层之间基本上没有化学成键，本发明的方法通过扩大陶瓷表面和牺牲层之间的接触面积并将牺牲层机械连结在陶瓷表面上来发挥作用。
在陶瓷表面的机械联锁通常，但不限于通过以下方法形成1)使用一种化学蚀刻剂通过掩模对陶瓷表面进行图形蚀刻，或2)热蚀刻法，或3)使用包括制造图形光束的光学装置的激光系统。当需要提高施用在陶瓷表面的材料层的粘附性时，形成机械联锁的陶瓷表面可以用于半导体处理设备中的许多不同的应用。本发明的一个具体的应用是在物理气相沉积室中使用的沉积环，在此沉积环的上表面具有通过化学蚀刻、热蚀刻、或激光显微机械加工形成的机械联锁。
附图的简要说明图1表示一个物理气相沉积法(PVD)处理室100的截面示意图。
图2A-2C表示钽层206在铝牺牲层204上的形成和随后钽层206和铝层204与粗糙化的陶瓷表面202的分离，这增加了陶瓷表面的微裂纹205。
图3A-3C是表示本发明中使用一种化学蚀刻法在陶瓷表面形成机械联锁的典型方法的截面示意图。
图4是结构400的截面示意图，它显示如本发明所述的使用一种热蚀刻法在陶瓷表面401形成的沟槽402。
图5是结构500的截面示意图，它显示出包括四个空腔的激光钻孔的四凸角空腔(four lobes cavity)501中的两个凸角502、504。这四个分开的空腔每个都有一面壁与陶瓷表面以非90°角相交。这四个空腔互相呈90°排列，并在中间相交形成一个四凸角空腔。
图6是结构600的截面示意图，在该结构中，牺牲材料层608沉积在陶瓷表面602上，并含有机械联锁605。
图7是结构700的截面示意图，在该结构中，粘合涂层707沉积在陶瓷表面702上，并含有机械联锁705。一层牺牲材料层708沉积在粘合涂层707上。
优选实施方案的详细描述本发明揭示的是一种通过化学蚀刻、热蚀刻、或使用激光显微机械加工法在陶瓷表面形成机械联锁，从而使陶瓷表面粗糙化的方法。该方法可用来提高用于半导体处理室中的上层与下层的陶瓷表面的粘附性。为了举例说明本发明，申请人以在物理气相沉积(PVD)室中的使用为例描述本发明。陶瓷表面具有通过化学蚀刻、热蚀刻、或激光显微机械加工形成的机械联锁。进行本发明的方法的示范性处理条件列在下文中。
作为详细描述的引语，应当注意的是，在本说明书及所附权利要求中使用的单数形式“a”、“an”、和“the”包括所指的复数对象，除非本文清楚地另有说明。
I.使陶瓷表面粗糙化的方法本发明是一种通过在陶瓷表面形成机械联锁使陶瓷表面粗糙化的方法。该陶瓷可以是本领域内已知的任何陶瓷材料，这取决于粗糙化的陶瓷表面特定的最终用途。在半导体处理室中使用的优选陶瓷材料，作为例子而非限制性地包括氧化铝、石英、氧化铝/石英混合物(例如富铝红柱石)、氮化铝、碳化硅、四氮化三硅、和碳化硼。
在陶瓷表面的机械联锁可以使用化学蚀刻法、热蚀刻法或激光显微机械加工法形成。
图3A-3C说明了使用化学蚀刻法在陶瓷表面形成机械联锁的本发明的一个具体实施方案。该方法的第一步是如图3A所示，在陶瓷表面302中形成图形掩模304。图形掩模304可以采用多种形式。几种可选择的形式包括一种粘合剂粘合或夹在陶瓷表面302上的共形弹性体掩模；一种紧密装配在陶瓷表面302上的刚性金属掩模；或一种通过金属切削法(例如蚀刻)图案化的有孔结构的薄金属涂层。作为例子而非限制性的，掩模304中的孔可以使用等离子蚀刻法、激光显微机械加工法、传统机加工、或光刻技术形成。
参照图3B，将陶瓷层302进行图形蚀刻以在陶瓷表面形成机械联锁305。如果使用化学蚀刻法在陶瓷表面302中形成机械联锁，优选的蚀刻化学物质取决于特定的被蚀刻的陶瓷及使用的特定掩模。化学蚀刻剂通常是酸性和碱性溶液，例如100％H2SO4(大约230℃)、85％H3PO4(大约350-420℃)、1∶1H2SO4/H3PO4(大约270-300℃)、10％HF(大约20℃)、熔融的K2S2O4(650℃)、熔融的V2O5(大约900℃)、熔融的Na2B4O7(大约850-900℃)、或非水KOH(大约335℃)。通常选择化学蚀刻剂来提供一种如图3B所示的底切(undercut)蚀刻外形。
陶瓷浸渍在蚀刻液中的时间取决于特定的陶瓷、蚀刻溶液的种类和浓度、以及所需的联锁的尺寸。如果陶瓷是氧化铝，蚀刻液是1∶1H2SO4/H3PO4，则浸渍时间在大约10分钟至大约60分钟之间，温度为大约270℃至大约300℃时通常可以提供具有所需剖面和尺寸的联锁。
机械联锁305的尺寸取决于用来形成这种联锁的方法。该方法可以被设计成提供所需的表面积。如果使用一种湿法化学蚀刻法在氧化铝中形成机械联锁，制得的联锁305通常直径A为大约30微米至大约300微米；更通常为大约30微米至大约200微米。直径在大约50微米至大约100微米之间的联锁尤其有效。联锁305的深度B通常在大约1微米至大约40微米之间，而直径/深度比(A∶B)通常在大约5∶1至大约50∶1之间。如果使用湿法化学蚀刻法形成机械联锁，相邻联锁之间的间距通常在大约200微米至大约700微米之间；更通常在大约200微米至大约500微米之间。
形成的联锁305优选具有如图3B所示的底切外形。该底切外形提高了陶瓷表面302和随后沉积的牺牲材料层之间的联锁和粘附力。当其冷却并收缩至室温尺寸后，底切程度应该足以在牺牲材料层上产生机械锁定。参照图3C，当使用化学蚀刻法形成联锁时，在联锁305的壁306和陶瓷表面307之间形成的角θ通常在大约45°至大约87°之间。底切的形状和陶瓷表面相邻底切之间的间距应该使得在陶瓷表面和牺牲材料层之间的界面上施加拉伸载荷时，周围陶瓷结构内产生的组合应力基本上是压应力。
参照图3C，在陶瓷的图形蚀刻已经达到所需的蚀刻深度时，去除图形掩模304。图形掩模304的去除可以使用传统方法进行，这取决于所使用的特定的掩模。
按照本发明的一个具体实施方案，将一层具有高熔化温度的金属层(如铜或镍)溅射沉积到陶瓷表面至厚度为大约10微米至大约50微米。使用电子束钻孔穿透金属涂层，且通常部分进入陶瓷。必须小心，在掩模图形法中不要使用过大的能量，以避免陶瓷破裂。作为例子，通过浸在温度为850-900℃的熔融的四硼酸钠(Na2B4O7)中大约10分钟至大约60分钟，使陶瓷表面通过金属掩模层进行图形蚀刻。然后将陶瓷表面浸在酸浴中使铜掩模层剥离。例如，可以通过将陶瓷表面浸在室温下的HCl浴中大约1分钟至5分钟使铜掩模层剥离。然后将陶瓷表面用去离子水漂洗干净。
在另一个实施方案中，将具有高熔化温度、厚度为大约25微米至大约250微米的金属片(例如铜或镍)掩蔽并蚀刻以形成许多小孔。然后制成与陶瓷表面相配的金属片。然后将金属片涂上厚度为大约25微米至大约125微米的中间过渡焊接材料，过渡材料不要填满金属片中的孔洞。适合的中间过渡焊接材料包括钼、锰、氧化钼、和铜的混合物，如Claes I.Helgesson在Ceramic to Metal Bonding(BostonTechnical PublishersCambridge，MA(1968)，p.11)所述的种类。然后将涂覆的金属片固定在陶瓷表面上并进行炉钎焊。作为例子，通过浸在温度为850-900℃的熔融的四硼酸钠(Na2B4O7)中大约10分钟至大约60分钟，使陶瓷表面透过金属掩模层进行图形蚀刻。然后将陶瓷表面浸在酸浴中使铜掩模层剥离。例如，可以通过将陶瓷表面浸在室温下的HCl浴中大约1分钟至5分钟使铜掩模层剥离。然后将陶瓷表面用去离子水漂洗干净。
在第三个实施方案中，将一层具有高熔化温度的金属层(如铜或镍)溅射沉积到陶瓷表面至厚度为大约50微米至大约250微米。在金属层内并部分在陶瓷表面内机械加工出一个细螺旋或同心槽图形。作为例子，通过浸在温度为850-900℃的熔融的四硼酸钠(Na2B4O7)中大约10分钟至大约60分钟，使陶瓷表面透过金属掩模层进行图形蚀刻。然后将陶瓷表面浸在酸浴中使铜掩模层剥离。例如，可以通过将陶瓷表面浸在室温下的HCl浴中大约1分钟至5分钟使铜掩模层剥离。然后将陶瓷表面用去离子水漂洗干净。
在又一实施方案中，将一层具有高熔化温度的金属层(如铜或镍)溅射沉积到陶瓷表面至厚度为大约2微米至大约10微米。使用电火花加工(EDM)，包括一个使电极能够沿着金属涂层的弧面运动的电极运动控制系统，在金属层内机械加工出一个细螺旋或同心槽图形。作为例子，通过浸在温度为850-900℃的熔融的四硼酸钠(Na2B4O7)中大约10分钟至大约60分钟，使陶瓷表面透过金属掩模层进行图形蚀刻。然后将陶瓷表面浸在酸浴中使铜掩模层剥离。例如，可以通过将陶瓷表面浸在室温下的HCl浴中大约1分钟至5分钟使铜掩模层剥离。然后将陶瓷表面用去离子水漂洗干净。
如果掩模金属和化学蚀刻剂都被选用，只要金属足以抵抗特定化学蚀刻剂的浸蚀以使金属层能够发挥必要的掩模功能，上述金属掩模/化学蚀刻实施方案也可以使用铜以外的掩模金属和四硼酸钠以外的化学蚀刻剂。在任何情况下，掩模金属必须能够从陶瓷表面完全去除，或者必须与蚀刻图形的花陶瓷表面特定的最终用途一致。例如，在一种用于半导体处理室的部件的制造过程中，就存在一些不适宜使用铜掩模的情况，因为在处理室中残留的铜会对该室中进行的半导体的处理工艺产生负面影响。
在本发明的另一实施方案中，使用热蚀刻形成陶瓷表面的机械联锁。热蚀刻可以用来在任何多晶陶瓷的表面蚀刻图形，例如氧化铝、碳化硅、和氮化铝(作为例子而非限制)。在热蚀刻中，陶瓷表面的部分粘合剂(各种粘合剂的例子包括二氧化硅、氧化铝、和氧化镁)被部分去除，使陶瓷的晶粒结构暴露出来。粘合剂的蒸气压通常比陶瓷高，造成当陶瓷暴露在略低于陶瓷烧结温度的温度中时，陶瓷表面的粘合剂会挥发并离开陶瓷表面。热蚀刻通常是通过将陶瓷暴露在比烧结温度低大约200℃至大约500℃的温度下进行大约20分钟至大约6小时的。例如，氧化铝的热蚀刻通常在大约1250℃至大约1500℃之间进行大约30分钟至大约4.5小时。时间是根据经验判断的，以确保氧化铝晶体与陶瓷结构的表面保持结合，同时在晶粒之间形成裂隙。
为了扩大接触面积，同时避免陶瓷产生微裂纹，去除的粘合剂的量应该低于大约被蚀刻的特定陶瓷的平均晶粒尺寸的50％。例如，当陶瓷是氧化铝时，平均晶粒尺寸为大约6微米至大约10微米，粘合剂必须去除至不大于2微米至大约5微米的深度。参照图4，热蚀刻导致在陶瓷表面400的晶界相上形成槽402。形成的图形是被蚀刻的特定陶瓷的晶粒结构的后生物。陶瓷内的槽或草皮断片(divot)的间距约等于陶瓷的晶粒尺寸。
热蚀刻后，可以将陶瓷表面超声清洗以去除任何松散粘接的陶瓷颗粒。超声清洗可以这样进行将陶瓷表面浸在去离子水的超声浴中，温度为大约20℃至大约80℃，持续时间为大约10分钟至大约1小时。
清洗后，将陶瓷表面掩蔽以遮盖部分随后将进行热喷雾涂布的表面。陶瓷表面的未掩蔽部分被再次研磨或磨平以提供所需的表面处理。
在本发明的第三个具体实施方案中，使用含有产生图形的光束的光学装置的激光系统在陶瓷表面形成机械联锁。激光是优选的大功率、紫外线脉冲激光系统，它能够钻出具有所需深度的精密孔洞，而不会使陶瓷表面明显变热或对其造成破坏。适合用于本发明的方法的激光系统包括但不限于准分子激光器系统(例如，Lambda Physik USA，Inc.，Fort Lauderdale，FL提供的Model No.LPX210i)和二极体激发式固态激光系统(例如，也是由Lambda Physik提供的Model No.PG355-10-F10)。
激光显微机械加工法通常涉及一种大功率、紫外线脉冲激光束的使用。激光束聚焦在工件上待形成孔洞的地方。由于足够高的温度，工件的聚焦区域上的物质被转化呈液相和汽相。然后通过液相和汽相物质的去除，一脉冲一脉冲地形成所需的孔洞。在一个10-30纳秒脉冲激光操作过程中，材料从固相到液相然后到汽相的转化如此之快以至于热量实际上没有时间转移到工件上。因此，一种大功率、紫外线脉冲激光束有效地将工件上受激光显微机械处理影响的区域尺寸降至最小，由此将微裂纹降至最少。使用波长大于400nm和/或脉冲时间更长的激光束会在工件内产生明显的热传导，从而形成拙劣的表面形态和可能的微裂纹。
当使用激光显微机械处理法形成机械连锁时，形成的联锁通常直径为大约30微米至大约100微米，宽度为大约10微米至大约50微米。直径/深度比通常在大约2∶1至大约3∶1之间。相邻联锁的间距通常在大约200微米至大约700微米之间。
激光钻孔的空腔通常与陶瓷表面以非90°角相交。当使用激光显微机械加工法来形成联锁，则空腔的壁与陶瓷表面的夹角通常在大约30°至大约87°之间；更通常在大约60°至大约80°之间。图5是表示可通过激光显微机械加工制得的结构500的截面示意图，图5所示的是由四个空腔组成的多凸角空腔501中的两个凸角502、504，四个空腔中每个都有一面底切壁，互相呈90°排列，并在中间相交。四凸角空腔501大多数的壁都是底切的。
在陶瓷表面形成机械联锁后(无论是通过化学蚀刻、热蚀刻、还是使用激光显微机械加工法)，为了除气的目的，陶瓷表面可以任选地进行烘焙，随后退火以进一步释放表面应力。将陶瓷加热至大约120℃至大约300℃达大约1小时至大约4小时进行退火。特定的陶瓷材料的退火温度在本领域内是公知的。
参照图6，在陶瓷表面602中形成机械联锁605后，通常在陶瓷表面602上沉积一层牺牲材料层608。牺牲材料层608可以用本领域中已知的传统方法进行沉积，这取决于使用的特定牺牲材料和机械联锁605的尺寸，后者是由形成联锁的方法决定的。例如，如果牺牲材料是铝，并且联锁是通过湿法化学蚀刻法形成的，则通常使用热喷射(铝电弧喷射)法沉积铝。然而，如果联锁的直径是大约30微米或更小(例如，如果联锁是通过等离子蚀刻或通过激光显微机械加工形成的)，就很难用铝的热喷射将联锁填满。因此，对于较小(也就是30微米的直径或更小)的联锁尺寸而言，牺牲材料(例如铝)通常是通过溅射或蒸发的方法沉积的。或者，通过电镀使牺牲材料沉积在PVD或CVD(也就是化学气相淀积)沉积的铝晶种层上。
牺牲材料层608的沉积厚度取决于所用的特定牺牲材料。例如，如果牺牲材料是铝，牺牲材料层608的沉积厚度通常为大约0.003”(大约76微米)至大约0.060”(大约1.5毫米)之间。
图7表明了本发明的另一具体实施方案，其中粘合涂层707在牺牲材料层708之前，沉积在陶瓷表面702的上方。粘合涂层707的用途是进一步提高牺牲材料层708与陶瓷表面702的粘合力。
粘合涂层707通常含有一种线性热膨胀系数(CTE)比陶瓷702的CTE低或高的范围不超过20％的材料。例如，氧化铝的CTE在大约7.0×10-6/℃至8.4×10-6/℃之间(通常，大约7.8×10-6/℃)，这取决于氧化铝的组成及纯度。适用与氧化铝一起使用的粘合涂层材料包括钽(CTE＝6.5×10-6/℃)、铼(CTE＝8.3×10-6/℃)、铬(CTE＝6.2×10-6/℃)、钛(CTE＝8.5×10-6/℃)、铂(CTE＝8.8×10-6/℃)、及其混合物。钼(CTE＝4.9×10-6/℃)、镍(CTE＝12.7×10-6/℃)和锰(CTE＝21.2×10-6/℃)可以与上列任何其它粘合涂层材料混合使用，也可以互相混合使用，以提供所需的公称CTE。例如，钼和锰的混合物(通常含有大约15wt％至大约25wt％的锰)可以特制成具有所需的公称CTE。
如果粘合涂层材料的CTE低于陶瓷材料的，陶瓷表面702和粘合涂层707会在应用时互锁。当陶瓷的温度在冷却过程中降低时，陶瓷和粘合涂层之间的粘合变得更紧。因此，为了在粘合涂层707和陶瓷表面702之间获得最紧密的结合，粘合涂层材料应该在陶瓷表面温度尽可能高的情况下沉积到陶瓷表面上。例如，如果陶瓷是氧化铝，粘合涂层材料是钽，则陶瓷表面应该加热至高达大约1000℃。
如果粘合涂层材料的CTE高于陶瓷材料的，可能需要更大的底切以确保陶瓷表面702与粘合涂层707保持互锁状态。
如果陶瓷已经使用热蚀刻法蚀刻图形，需要选择粘合涂层材料以具备相似的热膨胀系数和热性能，使得粘合涂层材料不会导致陶瓷产生裂纹。具体而言，需要选择粘合涂层材料，其在与随后的铝电弧喷射过程中达到的温度相关的应力对温度曲线中没有高应力中间区域，后者会造成粘合涂层膨胀至使陶瓷开裂的程度(在铝电弧喷射过程中和结束后)。
粘合涂层707可以使用本领域中已知的标准方法进行沉积，这取决于特定的粘合涂层材料。例如，如果粘合涂层707是钽，钽通常是通过物理气相沉积法(也就是溅射沉积)沉积的。粘合涂层707的沉积厚度通常为大约0.0003”(大约7.6微米)至大约0.0015”(大约38微米)之间。
为了提高覆在上方的牺牲材料708与粘合涂层707的粘合力，在牺牲材料层708沉积之前，优选先将粘合涂层707的上部表面709粗糙化为表面粗糙度为大约50微英寸Ra至大约400微英寸Ra。粘合涂层表面709的粗糙化受各种热喷雾参数的调整的影响，例如气压、气体和粉末加料速度、电压、电流、喷嘴的动作和方向、机械表面粗糙度、气体化学物质、和粉末成分。
图6和7所示的结构可以用作半导体处理室中一种部件(例如沉积环)的表面。当沉积钽的量累积到一个无法接受的程度时，可以将该部件从半导体处理室中移出，可以使用传统方法将上方有钽沉积的牺牲材料层去除，这取决于所用的牺牲材料。例如，如果牺牲材料是铝，可以将该部件的表面浸在酸性溶液(例如37％HCl、93％H2SO4、85％H3PO4、70％HNO3、49％HF、30％H2O2、或其混合物)中，从而将铝层及其上方的钽沉积去除。浸泡时间取决于铝层306的厚度。然而，对于厚度在大约0.006”(大约50微米)至大约0.015”(大约380微米)之间的铝层而言，大约5分钟至大约20分钟的浸泡时间通常足以去除整个铝层及其上方的钽沉积物。
如果该部件包括在陶瓷表面702和牺牲材料层708之间的一层任选的粘合涂层707，该粘合涂层707应该含有一种材料，该材料或者可以轻易地从陶瓷表面702中去除(例如，可以与牺牲材料层708同时去除)，或者不能去除但却与半导体处理室中进行的半导体制造处理相容。CTE略微低于氧化铝的钽，是优秀的用作粘合涂层707的材料。因为钽对化学蚀刻剂有极高的抵抗力(如“发明背景”所述)，在去除牺牲材料层707及其上的钽沉积物时，钽粘合涂层707通常不被去除。
去除牺牲材料层及钽沉积物后，如前所述，将陶瓷表面或粘合涂层重新涂覆上一层牺牲材料。
尽管不如喷砂陶瓷表面粗糙，但我们发现按照本发明的化学蚀刻、热蚀刻、或激光显微机械处理法糙化的陶瓷表面，与使用传统喷砂技术粗糙化的陶瓷表面相比，脆性降低且呈现出更少的破坏。此外，与喷砂陶瓷表面相比，按照本发明的方法粗糙化的陶瓷表面提供了更好的上层铝牺牲层的粘合性。因为铝涂层与陶瓷表面的粘合基本依赖铝和陶瓷的机械粘合(而非化学键)，本发明通过扩大陶瓷表面和铝的接触面积，并通过将铝机械连结到陶瓷表面，从而提供了一个基本问题的解决方法。
上述优选实施方案不是为了限制本发明的范围，因为本领域的技术人员能够基于本文的揭示将这些实施方案扩展以对应于下面的本发明的权利要求的主旨。
权利要求
1.一种使陶瓷表面粗糙化的方法，包括使用一种化学蚀刻剂通过掩模对所述陶瓷表面进行图形浸蚀，从而在所述陶瓷表面形成机械联锁。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷选自氧化铝、石英、氮化铝、碳化硅、四氮化三硅、碳化硼、及其混合物。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述机械联锁的直径在大约30微米至大约300微米的范围内。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述机械联锁的深度在大约1微米至大约40微米的范围内。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述机械联锁的直径/深度比在大约5∶1至大约50∶1的范围内。
6.如权利要求1所述的方法，其相邻机械联锁的间距在大约200微米至大约700微米的范围内。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述机械联锁是底切。
8.如权利要求1所述的方法，其中通过在所述陶瓷表面上形成图形掩模对所述陶瓷表面进行图形蚀刻，然后将所述有掩模的陶瓷表面浸在一种酸溶液中，所述酸选自H2SO4、H3PO4、HF、K2S2O4、V2O5、Na2B4O7、KOH，及其混合物。
9.一种使陶瓷表面粗糙化的方法，包括使用一种热蚀刻法在所述陶瓷表面形成机械联锁。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述陶瓷选自氧化铝、石英、氮化铝、碳化硅、四氮化三硅、碳化硼、及其混合物。
11.如权利要求9所述的方法，其中使所述陶瓷表面暴露在低于所述陶瓷烧结温度的温度下，从而将所述陶瓷表面热蚀刻。
12.如权利要求11所述的方法，其中使所述陶瓷表面暴露在比所述陶瓷烧结温度低大约200℃至500℃的温度下，从而将所述陶瓷表面热蚀刻。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述陶瓷表面暴露在比所述陶瓷烧结温度低大约200℃至500℃的温度下的时间为大约20分钟至大约6小时。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述陶瓷表面含氧化铝，且将所述氧化铝暴露在大约1250℃至大约1500℃大约30分钟至大约4.5小时，从而将所述氧化铝热蚀刻。
15.一种使陶瓷表面粗糙化的方法，包括使用一种激光系统在所述陶瓷表面形成机械联锁，所述激光系统包括产生图形光束的光学装置。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述陶瓷选自氧化铝、石英、氮化铝、碳化硅、四氮化三硅、碳化硼、及其混合物。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述机械联锁的直径在大约30微米至大约300微米的范围内。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述机械联锁的深度在大约10微米至大约50微米的范围内。
19.如权利要求15所述的方法，其中所述机械联锁的直径/深度比在大约2∶1至大约3∶1的范围内。
20.如权利要求15所述的方法，其中所述机械联锁是底切。
21.如权利要求15所述的方法，其中所述激光系统是大功率、紫外线脉冲激光系统。
22.一种在半导体处理室中使用的部件，其中所述部件有至少一个已经在其上形成机械联锁的陶瓷表面。
23.如权利要求22所述的部件，其中所述陶瓷选自氧化铝、石英、氮化铝、碳化硅、四氮化三硅、碳化硼、及其混合物。
24.如权利要求22所述的部件，其中所述机械联锁是通过下述方法在所述的至少一个陶瓷表面中形成，所述方法选自化学蚀刻法、热蚀刻法和激光显微机械加工法。
25.如权利要求22所述的部件，其中所述机械联锁是底切。
26.如权利要求22所述的部件，其中一牺牲材料层覆盖在所述陶瓷表面上。
27.如权利要求26所述的部件，其中所述牺牲材料是铝。
28.如权利要求27所述的部件，其中所述铝层的厚度在大约76微米至大约1.5毫米的范围内。
29.如权利要求26所述的部件，其中所述部件在所述陶瓷表面和所述牺牲材料层之间还包括一层粘合涂层。
30.如权利要求29所述的部件，其中所述粘合涂层含有一种热膨胀系数比所述陶瓷的热膨胀系数低或高的范围不超过约20％的材料。
31.如权利要求29所述的部件，其中所述陶瓷含有氧化铝，并且所述粘合涂层含有一种选自下列物质的材料钽、铼、钼、铬、钛、铂、镍、锰及其混合物。
32.如权利要求31所述的部件，其中所述粘合涂层含有钽，且所述钽层的厚度在大约7.6微米至大约38微米的范围内。
33.一种在物理气相沉积室中使用的沉积环，其中所述沉积环有至少一个已经在其上形成机械联锁的陶瓷表面。
34.如权利要求33所述的沉积环，其中所述陶瓷选自氧化铝、石英、氮化铝、碳化硅、四氮化三硅、碳化硼、及其混合物。
35.如权利要求33所述的沉积环，其中所述机械联锁是通过下述方法在所述的至少一个陶瓷表面中形成，所述方法选自化学蚀刻法、热蚀刻法和激光显微机械加工法。
36.如权利要求33所述的沉积环，其中所述机械联锁是底切。
37.如权利要求33所述的沉积环，其中一牺牲材料层覆盖在所述陶瓷表面上。
38.如权利要求37所述的沉积环，其中所述牺牲材料是铝。
39.如权利要求38所述的沉积环，其中所述铝层的厚度在大约76微米至大约1.5毫米的范围内。
40.如权利要求37所述的沉积环，其中所述部件在所述陶瓷表面和所述牺牲材料层之间还包括一层粘合涂层。
41.如权利要求40所述的沉积环，其中所述粘合涂层含有一种热膨胀系数比所述陶瓷的热膨胀系数低或高的范围不超过约20％的材料。
42.如权利要求40所述的沉积环，其中所述陶瓷含有氧化铝，并且所述粘合涂层含有一种选自下列物质的材料钽、铼、钼、铬、钛、铂、镍、锰及其混合物。
43.如权利要求42所述的沉积环，其中所述粘合涂层含有钽，且所述钽层的厚度在大约7.6微米至大约38微米的范围内。
全文摘要
本发明揭示了一种通过在陶瓷表面形成机械联锁而使陶瓷表面粗糙化的方法，其中机械联锁是通过化学蚀刻、热蚀刻、或使用激光显微机械加工法形成的。本发明还揭示了在半导体处理室中使用的部件(尤其是在PVD室中使用的沉积环)，这些部件具有至少一个已经在其上通过化学蚀刻、热蚀刻、和激光显微机械加工形成机械联锁的陶瓷表面。按照本发明的化学蚀刻法、热蚀刻法、和激光显微机械加工法粗糙化的陶瓷表面，与使用传统喷砂技术粗糙化的陶瓷表面相比，脆性和损坏降低。本发明的方法产生了一种对上方牺牲层(例如铝)有良好粘合性的粗糙化的陶瓷表面。
文档编号H01L21/203GK1496343SQ02806155
公开日2004年5月12日 申请日期2002年11月20日 优先权日2001年12月21日
发明者E·C·韦尔登, Y·何, H·王, C·C·斯托, E C 韦尔登, 斯托 申请人:应用材料有限公司