专利名称：具有多层涂层的抗腐蚀铝元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于衬底处理室的铝元件。
背景技术：
在衬底处理室中处理衬底的过程中，诸如在集成电路和显示器的制造中，衬底通常暴露在能够对衬底上的材料进行例如刻蚀或者沉积的激发气体中。激发气体还可以用于清洁处理室的表面。但是，激发气体经常可能包括可能腐蚀处理室的元件(例如处理室的围护壁)的腐蚀性含卤素气体以及其他激发物质。例如，铝制的处理室元件可能与激发的含卤素气体发生化学反应形成AlCl3或AlF3，从而腐蚀元件。元件的被腐蚀部分可能剥落并污染衬底，这降低了衬底的成品率。因此，必须经常从处理室中替换或拆除被腐蚀的元件并进行清洁，给处理室带来不期望的停工。
可通过在易受腐蚀的元件表面上方形成抗腐蚀材料的涂层来提高处理室元件的抗腐蚀性，元件表面例如是没有涂层则可能暴露于激发气体的表面。例如，可以通过在电解槽中对铝元件进行阳极处理而在铝元件的表面上形成氧化铝涂层。但是，阳极处理的氧化铝涂层经常包含表面特征例如气孔、裂缝、凹痕以及其他穿透性的特征，这些穿透性的特征限制了阳极处理的铝涂层保护下方铝元件的性能。例如，延伸穿过保护性涂层的表面特征可能使腐蚀性气体可以穿透该涂层并侵蚀下方的元件材料，从而使涂层从元件剥落。这可能使涂层自身污染处理室以及正在其中处理的衬底。
可以通过用保护性材料(例如易熔的聚合物或有机流体)喷涂阳极处理层而提高阳极处理的氧化铝涂层的性能，以保护铝制品不出现表面疤痕和凹陷。但是，这种处理需要额外的处理步骤来凝固、干燥或密封保护层。这样的额外步骤还增加了制造产品的成本和时间。
还希望减少或防止下方的铝结构中存在的杂质向元件的暴露表面扩散。铝合金(例如6061铝合金)经常包含微量元素的杂质例如铬、铁或锰；有时甚至有钙、钾或镁。当铝元件的未加工表面暴露在处理室的等离子环境中时，处理室中的真空低压以及等离子的高温可能导致杂质迁移到铝元件的暴露表面。所导致的表面杂质含量升高是不利的，并可能导致衬底污染。
保护处理室元件的另一途径是用高纯铝-镁合金来形成处理室元件自身。元件表面经过阳极处理，之后再暴露于含卤素的物质下。卤素穿过氧化铝层扩散以在氧化铝层之下立即形成保护性卤化镁层。卤化镁层使产品的表面抗腐蚀，而氧化铝层保护下方的卤化镁层。尽管这种方法提供了良好的抗腐蚀性，但它也代价高昂，因为铝-镁合金难以制造。
因此，需要对激发气体可显示出更高抗腐蚀性的铝元件。还需要带有氧化铝涂层的铝元件，所述氧化铝涂层显示出更高的抗腐蚀性并且不易受侵蚀和从铝产品剥落。而且需要表面杂质含量水平较低的铝元件。
发明内容
经过喷涂的铝元件可用于衬底处理室中，并包括铝主体、形成于铝主体上的阳极化氧化铝层、以及阳极化氧化铝层上的包括氧化铝的溅射层。
参考下列说明、所附权利要求以及图示了本发明示例的附图，可以更好地理解本发明的各个特征、方面和优点。但是，应当明白，每个特征一般都可以用在本发明中，而不仅仅是在特定附图的上下文中，并且本发明包括这些特征的任意组合。
图1是衬底处理室的局部剖视侧视图，该衬底处理室具有根据本发明的带有涂层的铝元件；图2A到2C是形成具有涂层的铝元件的方法中各个阶段的剖视图；图3是适于进行该方法的各个步骤的阳极化装置制造具有涂层的铝元件的原理图；图4是衬底处理室的局部剖视图，该衬底处理室适于进行制造具有涂层的铝元件的方法的各个步骤；并且图5是适于沉积第二氧化铝层的示例性物理气相沉积处理室。
具体实施方式
图1示出了示例性传统处理室20，其用于半导体衬底制造工艺例如化学气相沉积或刻蚀。处理室20一般包括围护壁24，该围护壁24包括顶板28、侧壁32和底板36，并包围着处理区域40。处理室20还可以包括衬垫44，其至少衬垫着处理区域40附近的一部分围护壁24。处理气体经过供气道48引入处理室20中，供气道48包括处理气源52和气体分配器56。气体分配器56可包括带有一个或多个气流阀64的一个或多个导管60，以及围绕衬底支撑座100周边的一个或多个气体入口68，衬底支撑座100具有衬底容纳表面102以容纳衬底26。或者，气体分配器可包括将处理气体从顶板28分配到处理区域40的喷头气体分配器(未示出)。用过的处理气体和刻蚀剂副产物经过排气装置72从处理室20排出，排气装置72可包括容纳来自处理区域40的用过的处理气体的泵送通道76、控制处理室20中处理气体压力的节流阀80以及一个或多个排气泵84。
处理室元件22(包括例如围护壁24、衬垫44、衬底支撑座100、供气道48、气体激发器92、排气装置72和衬底输送装置96中一个或多个的至少一部分)通常暴露在腐蚀性含卤素的物质下。特别地，腐蚀剂是通常用于对处理室元件进行等离子清洁的气体混合物。
某些处理室元件22是用铝材料通过将铝或铝合金成形为一定形状而制造的，所述形状是处理室20中元件22的功能所需要的。例如，铝元件22可包括带有平面部分、弯曲部分、凸耳、凸缘、孔及其他几何配置的形状。元件22可通过若干工艺步骤形成，包括锻造、机加工、模制、冲压或者这些与其他制造工序的组合。元件22的铝或铝合金是根据元件22的制造要求和功能要求而选择的。例如，元件22的形状和大小可能决定了铝或铝合金所需的材料性质。
在一种形式中，元件22的铝或铝合金是被称为LPTM铝合金的铝合金，它是Lin等人在转让给加利福尼亚州Santa Clara的Applied Materials，Inc.的美国专利公开2003/0150530中说明的一种铝合金。LPTM是AppliedMaterials，Inc.的商标。LPTM铝合金的优点是由于其可以得到更高质量的阳极处理铝涂层。在LPTM铝合金中，活动的和非活动的杂质的含量控制在特定范围之内。具体而言，这样的铝合金应当具有下列重量百分比的组分镁含量从约3.5％到约4.0％，硅含量小于0.03％，铁含量小于0.03％，铜含量从约0.02％到约0.07％，锰含量从约0.005％到约0.015％，锌含量从约0.08％到约0.16％，铬含量从约0.02％到约0.07％，钛含量小于0.01％，其他单一杂质每种不超过约0.03％，其他的总杂质不超过约0.1％。
此外，还要求LPTM铝合金在由活动杂质形成的微粒方面满足特殊规格。在杂质混合物的微粒凝聚中，所有微粒的至少95％必须小于5微米的尺寸。5％的微粒尺寸可以从5微米到20微米。最后，不超过0.1％的微粒可以大于20微米，没有大于40微米的微粒。
在另一种形式中，元件22的铝或铝合金可能是铝-镁-硅合金例如6061铝合4金，它的优点是由于它是一种普通并且易于得到的材料。在其他形式中，元件22的铝或铝合金可能是铝-镁合金例如5000系列(5xxx)铝合金(例如5005，5050，5052，5083，5086，5144，5357，5447，5454，5456或5457铝合金)。
当暴露在处理室20中的腐蚀性环境之下时，铝元件22易与卤素如氯、氟和溴反应而产生化合物，该化合物可能从元件22的表面剥落或在其中产生空隙。这使元件22受到侵蚀，并且还是处理室20的微粒污染的一个来源。
在一种形式中，通过元件22表面上形成保护性涂层使元件22受到保护并且处理室20的污染减小到最低。图2A到2C示出了铝元件22在其制造中的的截面侧视图，图3是图示了在铝元件22上形成保护性涂层的过程的流程图。参考图2A-2C以及图3，可对元件22容纳保护性涂层的表面116进行处理以便容纳保护性涂层(步骤300)。在形成涂层之前对表面116进行的处理可对制造的速度和容易程度以及最终的保护性涂层质量都带来好处。
在一种形式中，元件22的表面116的处理包括通过进行珠光处理(bead blasting process)使表面116粗糙化，所述珠光处理是将珠状微粒抛射向表面116。珠光处理使铝元件22的表面116形成合适的表面粗糙度和其他特性。例如，珠光处理可以蚀去元件表面116的特征的过于锐利的棱边和角，从而使得到的表面116中不存在可能对上面的覆盖层引起应力的特征。珠光处理还可以使元件表面116的某些部分具有纹理以提高材料对表面116的粘附性。例如，与完全光滑的表面相比，沉积材料可以更好地粘附到带有受控纹理的表面。
在珠光处理中，通过增压到足够高压力的气体将坚硬的珠状微粒流抛射向元件22的表面116，以使珠状微粒从表面116上侵蚀并除去材料。例如，合适的压力可以是从约20psi到约110psi。理想的珠状微粒包括硬度高于表面116的材料。例如，粗砂微粒可包括氧化铝、石榴石、氧化硅、金刚砂、玻璃、硅石、硬塑料或其混合物。还可以选择珠状微粒的大小来影响对表面116进行的珠光处理所产生的特征的尺寸。例如，珠状微粒的粒度可以是约100到约200。还可以选择珠状微粒相对于元件表面116的入射角度和珠状微粒从其来源到元件22所行进的喷距(standoff distance)以得到表面116所需的粗糙度。例如，珠状微粒相对于元件表面116的入射角度可以是约30°到约60°，喷距可以从约7cm到约32cm。在一种形式中，元件22的表面116被粗糙化以具有例如从约100微英寸到约200微英寸的平均粗糙度。
元件22的表面116的处理还可以包括对表面116的清洁以除去杂质和松散的微粒。清洁处理还可以除去可能由元件22的制造而残留的化学品或材料，例如来自锻造或机加工处理的油或冷却液，或者来自模制处理的沙或其他材料。清洁处理还可以对元件22的表面116进行化学抛光。例如，清洁处理可以从元件22除去材料的外部层。这可以除去可能形成于元件22表面上的不期望的氧化物和其他材料。在一种形式中，元件22的表面116浸入溶液中，该溶液包括酸性溶液、有机溶剂、碱性溶液、水、去离子水或其混合物。例如，酸性溶液可包括草酸、磷酸、硝酸、硫酸或其混合物。有机溶剂可包括丙酮、异丙醇或其混合物。碱性溶液可包括氢氧化钠、氢氧化钾或其混合物。此外，还可以将表面浸入包括不同组分和浓度的几种不同溶液中。
例如，在一种形式中，元件22的表面116可以通过(i)将表面116浸入包括有机溶剂的溶液中，(ii)将表面116在水中清洗，(iii)将表面116浸入包括酸的溶液中，以及(iv)将表面116在去离子水中清洗来进行清洁。在步骤(iii)中，溶液可以包括例如在约15℃到约90℃的温度下重量比为约5％到约50％的硫酸，表面116可以浸入约1分钟到约30分钟。在另一个示例中，元件22的表面可以通过(i)将表面116浸入包括硝酸的溶液中，(ii)将表面116在去离子水中清洗，(iii)将表面116浸入包括氢氧化钠的溶液中，(iv)将表面116在去离子水中清洗，(v)将表面116浸入包括丙酮的溶液中，以及(vi)将表面116浸入包括异丙醇的溶液中来进行清洁。也可以使用例如超声作用的其他清洁方法。
在对铝元件22的表面116进行处理后，对表面116进行阳极处理以产生阳极化的氧化铝层120(步骤302)，如图2B所示。在阳极化处理的一种形式中，元件22作为电解槽148中的阳极150，例如图4所示。参考图2B和图4，电解槽148包括盛有阳极化溶液164的水池168、电压源152以及元件22。元件22连接到电压源152的正极端156，水池168作为阴极154连接到电压源152的负极端160。元件22的表面116浸入阳极化溶液164中，阳极化溶液164包括例如具有含氧离子的含水电解液。从电压源152对阴极154和阳极150施加偏压使元件22的表面116积聚正电荷，将溶液中带负电荷的电解质物质吸引到表面116。带负电荷的物质中的氧与元件表面116的铝化合形成第一阳极化氧化铝层120。
可以对阳极化条件(例如阳极化溶液164的浓度和组分、电压源152提供的电压和电流以及进行操作所处的温度)进行选择以得到具有所需厚度和结构特性的阳极化氧化铝层120。适当的阳极化溶液164可包括例如硫酸、铬酸、草酸、磷酸、水或其混合物。还可以使用其他适当的阳极化条件，例如不同的阳极化溶液组分和其他电解液。例如，在一种形式中，铝元件22在包括重量比为15％的硫酸、重量比为1％的铬酸以及水的阳极化溶液164中进行阳极处理。铝元件22在约15℃到约40℃的温度下进行约1分钟到约30分钟的阳极处理。在阴极154与阳极150之间施加的电压为约10伏到约100伏，电流限制在约0.5安到约5安。
阳极化氧化铝层120的表面124通常带有表面特征128，例如缺陷、断裂、裂纹、气孔和其他的偏离平面性的因素。这些表面特征128通常可在阳极化氧化铝层的表面上发现。表面特征128既来自阳极处理过程所产生的层，也可由其他来源(例如下层的铝元件22中及其表面116上的杂质)引起。但是，对于阳极化氧化铝层120能够为下方的铝元件22提供的保护而言，表面特征128的因素是不利的。例如，延伸入阳极化氧化铝层120的表面特征128允许侵蚀剂(例如在衬底26的处理过程中存在于处理室20中的气体和等离子体)进入氧化铝层120的内部，从而减小了对下方的铝元件22提供保护的层120的厚度。
为了减小或消除表面特征128的不利效果，用物理气相沉积(PVD)或溅射处理在阳极化氧化铝层120上形成另一个氧化铝层132(步骤304)。如图2C所示，溅射的氧化铝层132填补并消除表面特征128，从而在元件的暴露表面上形成密封层。
图5示出了适于沉积第二氧化铝层132的示例性处理室。处理室506包括溅射沉积室，也称为物理气相沉积室或PVD室，它能够将材料溅射沉积到衬底504上，所述材料包括钽、氮化钽、钛、氮化钛、铜、钨、氮化钨以及铝中的一种或多种。此处衬底504是带有阳极化氧化铝层120的铝元件22。处理室506包括围护壁518，其包围着处理区域509并包括侧壁564、底板566和顶板568。其他的处理室壁可包括一个或多个护罩520，其将围护壁518与溅射环境屏蔽开来。
处理室506包括衬底支撑座514将衬底504支撑在溅射沉积室506中。衬底支撑座514可以是电浮的，或者可以包括由电源572(例如射频电源)提供偏压的电极570。衬底支撑座514还可以包括可动的百叶窗片533，当未放置衬底504时，该窗片可保护支撑座514的上表面534。在操作中，将衬底504通过处理室506的侧壁564中的衬底装载入口(未示出)引入处理室506中并置于支撑座514上。支撑座514可以由支撑座升降膜盒升高或降低，在将衬底504输送进和输送出处理室506期间，可以用升降指状组件(未示出)将衬底504升高或降低到支撑座514上。
通过气体传送系统512(包括处理气体贮备)将处理气体(例如溅射气体)引入处理室506中，所述气体贮备包括一个或多个气源574，每个气源向导管576供给气体，所述导管576带有气流控制阀578(例如质量流量控制器)以使设定流速的气体通过。导管576可以将气体供给混合集流腔(未示出)，气体在混合集流腔中混合以形成所需的处理气体组分。混合集流腔向气体分配器580供给气体，气体分配器580在处理室506中有一个或多个气体出口582。
处理气体可以包括惰性气体如氩或氙，它能够以高能量撞击到靶材上并从其溅射材料。处理气体还可以包括活性气体如含氧气体和含氮气体中的一种或多种，它能够与被溅射的材料反应而在衬底504上形成覆盖层例如氧化铝。用过的处理气体和副产物经过包括一个或多个排气口584的排气装置523从处理室506排出，所述排气口584接纳用过的气体并将用过的气体传递到排气导管586，在排气导管586中有节流阀588控制处理室506中气体的压力。排气导管586向一个或多个排气泵590供给气体。通常处理室506中溅射气体的压力设定在负压水平。
溅射室506还包括面向衬底504的表面505并包括待溅射到衬底504上的材料(例如铝)的溅射靶材524。靶材504由环形绝缘环532与处理室506电绝缘，并连接到电源592。溅射室506还具有护罩520以保护处理室506的壁518与溅射材料隔开。在一种形式中，电源592、靶材524和护罩520中的一个或多个用作气体激发器516，该激发器能够使溅射气体激发以从靶材524上溅射材料。电源592相对于护罩520对靶材524施加偏压。所施加的电压在处理室506中产生的电场使溅射气体激发以形成等离子体，等离子体以高能量撞击到靶材上并对其轰击以将材料溅射离开靶材524并到达衬底504上。具有电极570的支撑座514和支撑座电极电源572还可以通过使从靶材524溅射的离子化材料激发并朝向衬底504加速而用作气体激发器516的一部分。此外，还可以设置由电源592供电并位于处理室506内的气体激发线圈535以提供更高的激发气体特性，例如提高的激发气体密度。气体激发线圈535可由线圈支撑座537支撑，该线圈支撑座537安装在护罩520或处理室506中其他壁上。
处理室506可由包括程序代码的控制器594控制，该程序代码具有操作处理室506的元件以处理处理室506中的衬底504的指令组。例如，控制器594可包括衬底定位指令组，其操作衬底支撑座514以及衬底输送装置中的一个或多个来定位处理室506中的衬底504；气流控制指令组，其操作气流控制阀578来设定到处理室506的溅射气体流；气压控制指令组，其操作排气节流阀588来维持处理室506中的压力；气体激发器控制指令组，其操作气体激发器516以设定气体激发功率水平；以及处理监视指令组，其监视处理室506中的处理。
在一种形式中，通过引入溅射气体(包括如氩的惰性气体及含氧气体)以及对铝靶材524施加电压来用溅射室506形成溅射的氧化铝层132。在沉积过程中，来自靶材524的铝离子与含氧气体反应而在衬底504上形成氧化铝层132。
阳极化氧化铝层120和溅射氧化铝层132的厚度选择为使保护性涂层的效能最大而使不利因素(例如处理涂层的时间和成本，以及过厚的涂层易从下面的铝元件22剥离的趋势)最小。在一种形式中，在下面的铝元件包括标准6061铝合金时，阳极化氧化铝层120的厚度为约15到约35微米，例如约25微米(近似为1mil)，溅射氧化铝层132的厚度为约2微米到约5微米。在另一种形式中，当下面的铝元件包括LPTM铝合金时，阳极化氧化铝层120的厚度一样，但溅射氧化铝层132的厚度减小为约1微米到约2微米。
在形成氧化铝层132的方法中，相对于其他沉积氧化铝层的处理如化学气相沉积(CVD)和等离子喷涂处理，PVD或溅射处理是优选的。已经观察到溅射氧化铝层132优于CVD氧化铝层，因为PVD处理沉积的氧化铝层132致密适形、气孔率很低，而CVD处理沉积的氧化铝层气孔率高，因此其抗腐蚀性能较差。
以其高密度和低气孔率为特征的溅射氧化铝层132有效地保护了下面的阳极化氧化铝层120和下方的铝元件22不受腐蚀性气体损害，还防止了铝元件22中的杂质离开铝元件22扩散到处理室20中。因此，两层保护性涂层使元件22受到的腐蚀性气体影响更小，从而提高了元件的耐用性和寿命，并防止了杂质逸出元件20，从而大大降低了处理室20中的污染。
尽管示出并说明了本发明的示例性实施例，但本领域普通技术人员可以设计出结合了本发明的其他实施例，它们也在本发明的范围内。例如，本领域普通技术人员应当明白，除了具体提到的那些之外，下面的结构也可以形成处理室元件22的某些部分。此外，术语下面、上面、底部、顶部、向上、向下、第一和第二以及其他表示相对或位置关系的术语是参照附图中的示例性实施例示出并可以互换的。因此，所附权利要求不应当局限于此处为阐明本发明而描述的优选示例、材料或空间布置的说明。
权利要求1.一种用于衬底处理室的抗腐蚀铝元件，包括a)铝主体；b)形成于所述铝主体上的阳极化氧化铝层；以及c)所述阳极化氧化铝层上的溅射层，所述溅射层包括氧化铝。
2.根据权利要求1所述的铝元件，其中所述阳极化氧化铝层包括从约15微米到约35微米的厚度。
3.根据权利要求1所述的铝元件，其中所述铝元件包括铝-镁-硅合金，并且其中所述溅射层包括从约2微米到约5微米的厚度。
4.根据权利要求1所述的铝元件，其中所述溅射层包括从约1到约2微米的厚度。
专利摘要一种具有多层涂层的抗腐蚀铝元件，可用于衬底处理室中，并包括铝主体、形成于铝主体上的阳极化氧化铝层、以及阳极化氧化铝层上的包括氧化铝的溅射层。
文档编号H01L21/02GK2935467SQ200620000359
公开日2007年8月15日 申请日期2006年1月18日 优先权日2005年1月18日
发明者阿施施·布特那格尔, 拉克斯曼·牧鲁格施 申请人:应用材料公司