一种应用于半导体行业的直接写入等离子喷涂技术的制作方法

本发明涉及一种在半导体行业应用的直接写入等离子喷涂技术。

背景技术

随着半导体行业的迅猛发展，半导体器件尺寸的减少，硅晶圆尺寸的增加，等离子体刻蚀技术在半导体器件的制备过程中得到越来越广泛的应用。等离子体刻蚀的刻蚀气体常用cf4、sf6、nf3、cl2等气体，在等离子体采用干刻蚀过程中，这些刻蚀气体在对半导体零部件进行刻蚀的同时，也会对刻蚀腔内的铝及铝合金等关键零部件产生腐蚀作用。目前，在半导体行业中，为了防止零件被腐蚀，通常在零件外做一层al2o3、y2o3等涂层，但是涂层都是有一定寿命的，当涂层达到寿命极限时，就需要更换零件，不但导致频繁地更换、维护关键零部件，若不能及时更换零件，严重时还会影响到硅晶圆，甚至会导致刻蚀工艺腔的失效和器件的破坏。

随着等离子喷涂技术的发展，人们只是想不断地提高刻蚀腔内的关键零部件的耐腐蚀性或耐磨性，研发耐蚀性和耐磨性更强的涂层。但是无论多么耐腐蚀的涂层都有一定的寿命，当其达到寿命终点时，如果发现不及时，还是会影响其他零部件，会带来不可预见的破坏。

传统的等离子喷涂只是大面积地喷涂具有不同功能性的材料，使得涂层具有一定的作用。然而在很多设备中，尤其是金属内部和电阻器的结构模式都要求是设备级的性能。这些结构模式或者是通过综合性的添加和去除的方式或者通过综合性的添加制造而形成的，前者是电子行业很容易建立的方法，而后者就是所谓的“直接写入”，直接写入就是制造材料模式时添加计算机辅助功能，直接写入方式包括很多新颖的电子和传感器应用。直接写入等离子喷涂是一种新型的制造技术，是利用在基体上沉积不同的电子涂层材料，通过多层的电子膜直接写入制造。直接写入等离子喷涂技术可以在不同的基体材料上喷涂不同的电子/传感器涂层并且能够保证几何形状。直接写入等离子喷涂技术适用于要求基体温度小于200℃，没有其他后处理的设备零件，直接写入等离子喷涂自然而然地用不同的材料涂层建立多层设备，尤其适用于电子和传感器的应用。

本文采用直接写入等离子喷涂技术，将“传感器”喷涂到零件的涂层上，可以通过传感器来监测刻蚀腔内零部件被腐蚀或被磨损的情况，在零件破损前提前“报警”，停止工作，这样不仅可以观测到零件的使用情况，还可以避免了其他核心部件如晶圆被影响的现象。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是利用直接写入等离子喷涂制造“传感器”来监测半导体零部件的涂层寿命，在涂层寿命达到极限前，发出“报警”提示，使得相关人员能够提前更换零件，防止因为涂层破坏而影响其他零部件的寿命。

为达到上述技术目的，采用的技术方案是：

本发明的有益效果是：

1)可以监测到零件涂层的变化，做到在达到涂层寿命前更换零件涂层；

2)利用不同材料的性能特点来制造不同类型的传感器；

3)生产制造效率高，生产成本低，生产环境不受限制。

附图说明

图1是用直接写入等离子喷涂技术制造传感器的示意图。

图2是在硅环上构建的电阻传感器示意图。

图3是观测到硅环上涂层电阻的变化情况。

图4是在喷嘴上构建的湿度传感器示意图。

图5是观测到喷嘴上涂层湿度的变化情况。

具体实施方案

下面结合附图和实例对本发明技术方案进行详细描述。

一种应用直接写入等离子喷涂技术构造在半导体行业应用的传感器，其特征在于：

以半导体内铝合金零件为例，为了保护零件不被刻蚀气体腐蚀，通常在表面镀一层具有防腐蚀能力的涂层，为第一层，如附图中a1所示。

在该零件不影响装配的某一个位置，喷涂一层导电涂层，但不能是金属涂层，喷涂面积为1cm²即可，为第二层，如附图中a2所示。

在第二层的基础上喷涂与第一层相同的涂层，但是厚度比第一层的涂层厚度薄一些，为第三层，如附图中a3所示。

在第三层上喷涂无线电，用于连接外部的观测系统。

该传感器的工作原理是：该传感器由三层涂层组成，第一层和第三层是相同的涂层为al2o3、y2o3涂层或其他涂层，为绝缘层，第二层可以采用半导体层(或在某一方面与第一层具有不同的性能)，具有一定的导电性能(或其他具有明显的不同性能)，利用第二层和第三层的电阻(或其他不同的性能)的不同，外部监测仪通过监测电阻的变化来监测涂层的变化。由于第一层与第三层的是同一种涂层，涂层的腐蚀速率是一致的，当零件刚被装入半导体设备内，第一层和第三层的耐腐蚀涂层起到保护作用，外部监测器监测到涂层的电阻值较低，随着零件的腐蚀时间的增加，电阻值会随之而变大，当第三层的涂层被腐蚀气体穿透，电阻会达到峰值，由于第三层的涂层厚度比第一层的涂层厚度薄一些，第一层的涂层还在保护零件，这时候就该更换零件。这样，在第一层涂层被腐蚀气体穿透前，不仅保护涂层的本身零件，更避免了其他重要的部件(如晶圆等)被影响。一是可以做到随时观测到涂层的变化情况；二是可以提前更换零件，保护零件。

实施例一

本发明以半导体刻蚀机内的硅环为例，为了防止刻蚀气体对硅环的服饰，通常在硅环外喷涂al2o3涂层。如图2所示，本发明提供一种在半导体硅环上采用直接写入等离子喷涂技术制备传感器，监测硅环的涂层变化的方法，具体包括如下步骤：

(1)采用大气等离子喷涂在硅环上喷涂al2o3涂层，为了区分，标记为al2o3-1。喷涂工艺参数为：喷涂功率设为35kw,粉末注入角度为90°，主气为氩气，气体流量为0.8l/s,辅气为氢气，气体流量为0.083l/s,喷涂距离为130mm，喷涂速率为500/s，涂层厚度大约为75微米。

(2)在y2o3涂层外喷涂一层面积大约为1-2cm²左右的半导体涂层nial，喷涂工艺参数为：喷涂功率为20kw,粉末注入角度为90°，主气为氩气，气体流量为50l/min,喷涂距离为120mm，涂层厚度为10微米。

(3)在nial涂层上再次用大气等离子喷涂的方法喷涂al2o3涂层，为了区分，标记为al2o3-2，喷涂工艺与第一层的al2o3涂层的喷涂工艺相同，涂层厚度为70微米。

(4)用喷涂方法加激光微型喷嘴的方式在最外层的al2o3涂层上喷涂嵌入式无线电，用以连接外部的监控设备。

图2所示，就是直接写入等离子喷涂方式制备的电阻传感器的示意图。al2o3涂层是绝缘体，电阻值大，nial涂层是半导体，电阻值相比al2o3涂层小，该传感器就是利用涂层电阻的不同来观测涂层的变化。当硅环在刻蚀机内正常工作时，硅环外都是al2o3涂层，起到防腐蚀作用，此时，监控到电阻值是al2o3-2涂层的电阻值，电阻值较大。随着硅环的工作时间的增加，当工作到一定时间时，al2o3-2涂层的耐腐蚀能力逐渐减弱，此时，al2o3-2涂层和al2o3-1涂层的寿命是一致的。当腐蚀气体将涂层腐蚀穿透，无线电接触到nial涂层，电阻值迅速降低，此时检测到的电阻值在最低值，证明al2o3-2涂层的寿命已经到了极限，由于al2o3-1涂层比al2o3-2涂层的厚度稍厚一些，表明此时的al2o3-1涂层的寿命要接近极限，但是还能起到一定的耐腐蚀作用，保证硅环没有暴露在刻蚀腔内。此时，观测到的电阻变化如图3所示。电阻达到a点时，代表al2o3-2涂层即将接近寿命极限，但还在起保护作用；电阻达到最低峰时(即b点)，即是出现的“报警”预告，代表al2o3-2涂层已经被腐蚀气体穿透，证明应该将硅环取出，重新喷涂al2o3涂层。工作人员可根据自身对设备的情况的了解，来决定是在a点还是在b点取出硅环，来更换涂层。

通过该电阻传感器观测到的电阻变化既是表明的al2o3-1涂层的变化情况，由于al2o3-1涂层和al2o3-2涂层采用相同的材料，相同的喷涂工艺，故而可以用al2o3-2涂层的寿命来反应al2o3-1的涂层寿命。因此，该电阻传感器可以监测到硅环的表面al2o3-1涂层寿命的变化情况。

实施例二

以半导体刻蚀机内的喷嘴为例，喷嘴被刻蚀气体腐蚀的概率比硅环更严重，通常喷涂y2o3涂层来防止其被腐蚀。如图3所示，本发明提供一种在半导体喷嘴上采用直接写入等离子喷涂技术制备湿度传感器，监测喷嘴的涂层变化的方法，具体包括如下步骤：

(1)采用大气等离子喷涂在硅环上喷涂y2o3涂层，喷涂工艺参数为：喷涂功率设为30kw,粉末注入角度为90°，主气为氩气，气体流量为40l/min,辅气为氢气，气体流量为15l/min,喷涂距离为220mm，涂层厚度大约为25微米。

(2)在y2o3涂层外喷涂一层面积大约为1-2cm²左右的半导体涂层nicr，涂层厚度为5微米。

(3)在nicr涂层上再次用大气等离子喷涂的方法喷涂y2o3涂层，涂层厚度为20微米。

(4)用喷涂方法加激光微型喷嘴的方式在最外层的y2o3涂层上喷涂嵌入式无线电，用以连接外部的监控设备。

图4所示，就是利用直接写入等离子喷涂方式制备的湿度传感器。y2o3涂层具有很好的耐腐蚀性能，而nicr的耐腐蚀性能较差，利用防腐蚀能力的差异，来构造湿度传感器。当喷嘴在刻蚀机内正常工作时，y2o3涂层起到防腐蚀的作用，此时，无线电感应到的湿度很低；随着工作时间的增加，当工作到一定时间时，y2o3-2涂层的耐腐蚀能力逐渐减弱，此时，y2o3-2涂层和y2o3-1涂层的寿命是一致的。当腐蚀气体将y2o3-2涂层穿透时，由于nicr涂层的耐蚀性较弱，无线电可以感应到h⁺和h3o⁺离子，此时湿度增加，达到峰值。说明y2o3-2涂层寿命已经到达极限，而由于y2o3-2涂层比y2o3-1涂层厚度略薄，表明此时的y2o3-1涂层的寿命要接近极限，但是还能起到一定的耐腐蚀作用，保证喷嘴没有暴露在刻蚀腔内。此过程，观测到的湿度变化如图5所示。当湿度达到a点时，代表y2o3-2涂层快要接近寿命极限，但还在起到防腐蚀作用；当湿度达到b点时，代表y2o3-2涂层已经达到寿命极限。应该将喷嘴取出，重新喷涂y2o3涂层。工作人员可根据自身对设备的情况的了解，来决定是在a点还是在b点取出喷嘴，来更换涂层。

通过该湿度传感器观测到的湿度的变化可以代表y2o3-1涂层的变化，因为首先湿度传感器观测到的湿度变化代表着y2o3-2涂层的变化，由于y2o3-2涂层和y2o3-1涂层采用相同的材料、相同的工艺制造的涂层，涂层性能相同，所以可以代表y2o3-1涂层的变化。因此，通过该湿度传感器可以监测到y2o3-1涂层的涂层寿命的变化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，本发明可有各种更改和变化。本发明可用于半导体行业的各种具有涂层的零部件，本发明所构建的传感器也不只是电阻或湿度传感器，本发明也不是仅局限于用三层涂层来构建传感器，可根据实际应用情况来制定，本发明所用的喷涂技术也不仅限于大气等离子喷涂，还可以应用超音速等离子喷涂等其他喷涂技术；本发明所喷涂的涂层也不局限于实施例。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。