延长聚合物元件寿命的抗等离子体的原子层沉积的涂层的制作方法

本公开涉及在半导体处理中使用的蚀刻室中的聚合物元件的涂层。

背景技术：

聚合物元件在等离子体处理室内具有多种用处，聚合物元件包括环、密封件和衬套。为了最大限度地提高聚合物元件的寿命，现有设计已使用抗等离子体的聚合物。一个困境是，一些聚合物可能对一种类型的自由基(例如，F自由基)具有抗性，而对其他自由基(例如，O或H自由基)不具有抗性。另一个挑战是，即使对于高技能的聚合物化学家来说，通过改造链结构而实现聚合物的侵蚀速率的一个数量级的差别可能也不会是简单的任务，因为其必须权衡材料的其它属性。

另一种策略是施加抗等离子体的金属氧化物填料到聚合物基体中以延缓自由基的攻击。然而，聚合物材料可能优先被自由基蚀刻掉，而使填充材料变得松散并可能剥落为颗粒源。

因此，需要新的方法以延长等离子体室中聚合物元件的寿命。

技术实现要素：

本文公开了多种实施方式，其中包括用于等离子体处理室的静电卡盘(ESC)。在一个实施方式中，这种ESC包括铝或铝合金。它可以进一步包括用于保持晶片的陶瓷顶板，其结合到基座上。它可以在基座和陶瓷顶板之间具有聚合物材料，其具有至少一个暴露的部分，以及在所述至少一个暴露的部分上的抗等离子体的原子层沉积的涂层。

在上述的静电卡盘的各种进一步的实施方式中，陶瓷顶板可以通过粘合剂结合到基座，并且所述聚合物材料可以包括围绕所述粘合剂的垫圈。抗等离子体的原子层沉积的涂层可以是介电材料。抗等离子体的原子层 沉积的涂层可以包括氧化铝。抗等离子体的原子层沉积的涂层可以包括包含钇的氧化物。所述聚合物材料可以包括用于提高机械性能的强化添加剂。基座可包括气体分配通道。上述ESC也可以是等离子体处理室的一部分，并且还可以包括O形环。这种O形环可包括抗等离子体的原子层沉积的涂层。

本申请还描述了用于等离子体处理室的约束环的实施方式。这种约束环可以包括支撑结构，其用于支撑所述约束环。这种支撑结构可以包括聚合物材料。这种聚合物材料可由抗等离子体的原子层沉积的涂层涂覆。

在上述约束环的各种进一步的实施方式中，聚合物材料可包括聚酰亚胺。抗等离子体的原子层沉积的涂层也可以是氧化铝。

本申请还描述了制造用于等离子体处理室的静电卡盘的方法。此方法可以包括任何的或所有的以下步骤：提供包含铝或铝合金的基座；提供用于保持晶片的陶瓷顶板；将陶瓷顶板结合到基座上；在基座和陶瓷顶板之间施加聚合物材料，该聚合物材料具有至少一个暴露的部分；并且通过原子层沉积在所述至少一个暴露的部分上沉积抗等离子体的层。

在上述方法的各种进一步的实施方式中，结合的步骤可以包括用粘合剂将陶瓷顶板连接到基座上。施加聚合物材料的步骤还可以包括围绕粘合剂施加聚合物垫圈。抗等离子体的原子层沉积的涂层可以是介电材料。抗等离子体的原子层沉积的涂层可以包括氧化铝。抗等离子体的原子层沉积的涂层可以包括包含钇的氧化物。所述聚合物材料可以包括提高机械性能的强化添加剂。基座可包括气体分配通道。

具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：

1、用于等离子体处理室的静电卡盘，其包括：

基座，所述基座包含铝或铝合金；

用于保持晶片的陶瓷顶板，其被结合到所述基座上；

聚合物材料，所述聚合物材料位于所述基座和所述陶瓷顶板之间，所述聚合物材料具有至少一个暴露的部分，以及

在所述至少一个暴露的部分上的抗等离子体的原子层沉积的涂层。

2、根据权利要求1所述的静电卡盘，其中所述陶瓷顶板通过粘合剂结合到所述基座，并且其中所述聚合物材料包括围绕所述粘合剂的垫圈。

3、根据权利要求1所述的静电卡盘，其中所述抗等离子体的原子层沉积的涂层是介电材料。

4、根据权利要求1所述的静电卡盘，其中所述抗等离子体的原子层沉积的涂层包括氧化铝。

5、根据权利要求1所述的静电卡盘，其中所述抗等离子体的原子层沉积的涂层包括包含钇的氧化物。

6、根据权利要求1所述的静电卡盘，其中所述聚合物材料包括用于增强机械性能的强化添加剂。

7、根据权利要求1所述的静电卡盘，其中所述基座包括气体分配通道。

8、一种包括权利要求1所述的静电卡盘的等离子体处理室，其还包括O形环，其中所述O形环包括抗等离子体的原子层沉积的涂层。

9、一种用于等离子体处理室的约束环，其包括：用于支撑所述约束环的支撑结构，其中所述支撑结构包括聚合物材料，其中所述聚合物材料是由抗等离子体的原子层沉积的涂层进行涂覆的。

10、根据权利要求9所述的约束环，其中所述聚合物材料包括聚酰亚胺。

11、根据权利要求9所述的约束环，其中所述抗等离子体的原子层沉积的涂层是氧化铝。

12、一种制造用于等离子体处理室的静电卡盘的方法，其包括：

提供包含铝或铝合金的基座；

提供用于保持晶片的陶瓷顶板；

将所述陶瓷顶板结合到所述基座上；

在所述基座和所述陶瓷顶板之间施加聚合物材料，所述聚合物材料具有至少一个暴露的部分；并且

通过原子层沉积在所述至少一个暴露的部分上沉积抗等离子体的层。

13、根据权利要求12所述的方法，其中所述结合的步骤包括用粘合剂将所述陶瓷顶板接合到所述基座，以及所述施加聚合物材料的步骤包括围绕所述粘合剂施加聚合物垫圈。

14、根据权利要求12所述的方法，其中所述抗等离子体的原子层沉积的涂层是介电材料。

15、根据权利要求12所述的方法，其中所述抗等离子体的原子层沉积的涂层包括氧化铝。

16、根据权利要求12所述的方法，其中所述抗等离子体的原子层沉积的涂层包括包含钇的氧化物。

17、根据权利要求12所述的方法，其中所述聚合物材料包括用于增强机械性能的强化添加剂。

18、根据权利要求12所述的方法，其中所述基座包括气体分配通道。

本发明的这些和其他特征将在下面本发明的详细描述中结合下面的附图更具体地描述。

附图说明

本公开的发明在附图的图中通过举例的方式示出，而不是通过限制的方式示出，并且在附图中类似的附图标记指代相似的元件，并且其中：

图1是示例的静电卡盘和晶片的横截面示意图。

图2是经涂覆的约束环的横截面示意图，所述约束环包括在等离子体室中使用的吊架。

图3是在等离子体室中使用的经涂覆的O形环的横截面示意图。

具体实施方式

现在将参考如在附图中所示的几个本发明的实施方式详细地描述本发明。在以下的说明中，阐述具体的细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，本发明可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施，并且本公开包括可以按照本技术领域中通常可用的知识所作出的修改方案。公知的工艺步骤和/或结构没有详细地描述以免不必要地使本公开难以理解。

聚合物在等离子体处理室内具有多种用途，例如，作为静电卡盘的聚合物垫圈或密封件，作为聚酰胺-酰亚胺衬套，或作为聚酰亚胺层压环。由于聚合物的有机性质，即使在等离子体蚀刻器内不存在离子的轰击的 情况下，它们也容易被自由基攻击，例如C-C或Si-O键受到攻击。这或者会缩短由聚合物制成的可消耗部件的寿命，或者甚至更糟糕的是会危及整个组件的寿命。

在一个实施方式中，聚合物元件的寿命可以通过使用原子层沉积(ALD)的涂层而延长，该涂层作为抵抗自由基的保护性屏障以完全地保护聚合物免遭自由基攻击。示例的ALD的涂层材料可以包括陶瓷，介电材料，氧化铝，氧化锆，氧化钇，铝、锆、钇和/或氧的组合(例如YAG或YSZ)，以及在本领域中已知的对自由基具有超强抵抗性的材料。在几个实施方式中，所述材料也可以是金属氧化物、氮化物、氟化物或碳化物、或它们的组合。

如在这些实施方式的范围中所使用的ALD的涂层可以是超共形(super-conformal)且均匀的，并有许多其他的优点(例如增加聚合物部件的使用寿命，并且减少污染源)。ALD的涂层可以在低温下(甚至在室温下)进行操作，而这将不损害聚合物的结构和化学特性(例如软化聚合物)。所述涂层可以是没有针孔的也没有孔的，并且提供优越的自由基屏障。

用在等离子体处理室中的聚合物材料的涂层的另一个优点是，ALD的涂层通常是非常纯的，并且可以被制成以表现出除了或许来自涂层中的铝以外，没有可检测的金属杂质。也可以使膜中的碳杂质的含量低。

聚合物的ALD的涂层可以是超共形(super-conformal)且均匀的，并显示出独立于深宽比的涂层厚度。涂层不需要改变部件的尺寸，这对许多部件(例如热接口材料、牺牲性保护垫片或O形环)可能是重要的。此外，非常薄的ALD的涂层通过加入热阻抗而不需要干扰经涂覆的部件(例如热接口材料)的功能。

此外，ALD的涂层可以制成柔性的，这可以使它们适合于柔性的聚合物部件。可以采用ALD的无机的涂层，例如作为用于柔性显示器的防湿层。不受理论的束缚，ALD的涂层的柔性的机理可能是由于其低的厚度或无定形的结构。

ALD的涂层的方法在本领域中是公知的，参见如美国专利公开No.2014/0113457 A1(公开于2014年4月24日)，在此通过引用将其全部 并入本文。它们使用表面介导的沉积反应逐层地(layer-by-layer basis)沉积薄膜。在ALD处理的一个示例中，使包括表面活性位点群的衬底表面暴露于气相分布的第一膜前驱体(P1)。一些P1分子可以在衬底表面的顶上形成凝聚相，所述凝聚相包括P1的化学吸附物质和物理吸附分子。然后将反应器抽空以除去气相和物理吸附的P1，使得反应器仅保留化学吸附物质。然后，第二膜前驱体(P2)被引入到反应器中，以使一些P2分子吸附到衬底表面。该反应器可以再次抽空，这一次以除去未结合的P2。随后，向衬底提供的热能激活吸附的P1分子和吸附的P2分子之间的表面反应，进而形成薄膜层。最后，将反应器抽空以除去反应副产物和可能的未反应的P1和P2，从而结束ALD的循环。可包括附加的ALD循环以构建膜厚度。

用于等离子体室的聚合物元件，其可以适合于用ALD层涂覆，所述聚合物元件可包括任何在等离子体蚀刻以及沉积中易受自由基侵蚀的元件，或处于下游室中的那些元件。非限制性的示例可包括：

·弹性的O形环；

·环氧树脂或硅胶静电卡盘垫圈(bead)和E形带(E-bands)；

·牺牲性(层压聚酰亚胺)垫片；

·热接口材料如(铝箔和导电橡胶的复合体)；

·PEEK(聚醚醚酮)吊架，其用于约束环；和

·(聚酰胺-酰亚胺)衬套和环。

在一个实施方式中，聚合物部件可在装配在室中之前经由ALD进行涂覆。在另一个实施方式中，部件可在室的整体或部分被组装之后进行涂覆。例如，可以组装包括聚合物的部件的静电卡盘，并且整个静电卡盘可通过ALD进行涂覆。

根据本文公开的实施方式，在用在等离子体室中的聚合物之上的ALD的涂层可以是非常薄的，或可具有宽范围的厚度。例如，在一个实施方式中所述厚度可在约10纳米至约1微米的范围内。优选地，所述范围可以是从约100纳米至约500纳米。

实施例

图1是示出了等离子体室聚合物元件的ALD涂层的应用的一个示例的横截面示意图。在本示例中所述室包括静电卡盘。所述卡盘的基座可以包括流体通道109，其通常用于冷却，并且所述基座可以由两个部件形成，其包括顶部件108和底部件111。在一个实施方式中，部件108和111可以是铝质的，并且所述部件108、111可以通过钎焊或其他方式110而被接合在一起，以形成用于冷却流体(例如水)的通道109。在本实施方式中，经接合的卡盘基座可通过粘性的聚合物105结合到陶瓷的板104上。在处理期间，晶片102可以放置在陶瓷的板104上，并且在二者之间具有小间隙103。在一些实施方式中，聚合物垫圈107可被放置在粘性的聚合物105的周围。

在一个实施方式中，陶瓷板104包括介电材料。在另一个实施方式中，它包括氧化铝。

在运行期间，等离子体室区域101可产生自由基(例如F自由基)，其可以沿晶片的边缘流(100)到围绕粘合剂105或聚合物垫圈107的区域106中。粘合剂105(或垫圈107，如果存在的话)可以通过ALD在至少朝向区域106的一侧涂覆抗等离子体的涂层，使得ALD的涂层115将对自由基攻击具有抗性。

在一个实施方式中，抗等离子体的涂层115可以是介电材料。在另一个实施方式中，涂层可包括氧化铝。在另一个实施方式中，粘合剂材料105可包括强化添加剂，如纤维或颗粒，以增强机械性能。在以前的设计中，用于聚合物的强化添加剂因为污染的可能性而是有害的。然而，通过ALD涂覆强化的聚合物材料使得有可能在涂层内密封这样的添加剂，从而使等离子体处理室内部可采用强化的聚合物材料。

一些等离子体处理室使用约束环以限制等离子体在室中的特定位置。在某些配置中，诸如在美国专利申请公开No.2012/0073754 A1(公开于2012年3月29日，其全部通过引用并入本文)中所描述的，这种约束环可使用由聚合物材料(例如PEEK(聚醚醚酮))制成的吊架进行定位。

图2是通过吊架201固定的约束环200的示意图。在本示例中，吊架201由聚醚醚酮(PEEK)制成。在安装前，它可以用抗等离子体的涂层205(例如氧化铝)通过原子层沉积进行涂覆。在各种实施方式中，该组件还 可以包括在约束环下方的下部环204，在本实施例中所述下部环204也可以由聚醚醚酮(PEEK)制成并通过原子层沉积涂覆。在吊架下也可以使用垫圈203，其也可以由聚醚醚酮(PEEK)制成并通过原子层沉积涂覆。在一个替代实施方式中，可以安装约束环200，并且所述下部环204、吊架201、以及在一个实施方式中的垫圈203可以首先安装，然后通过原子层沉积涂覆整个组件。

图3是等离子体处理室的简单的示意图，所述等离子体处理室含有静电卡盘302，其中O形环303连接室主体300与室顶部301。在本示例中，O形环可以具有含氧化铝的涂层304，其通过原子层沉积形成。

虽然已经根据几个优选实施方式对发明进行了描述，但仍有落入本发明的范围之内的变形、置换和各种替代等同方案。存在实施本文所公开的方法和装置的许多替代方式。因此，意在将下面所附的权利要求解释为包括所有这些落入本发明的真实精神和范围内的变形、置换和各种替代等同方案。