具有保护涂层的石英组件的制作方法
本发明涉及半导体处理领域，具体地涉及具有保护涂层的石英组件。
背景技术：
配置用于反应器中的基于等离子体的蚀刻操作的石英组件可以在暴露于反应器内所含的等离子体(例如特别是含氢等离子体)时被蚀刻或以其他方式劣化。传统上，受损的石英组件在需要时被新组件替换。然而，在某些情况下，石英特征的劣化可能产生不稳定的微观特征，其能够从石英表面脱离而落在位于石英表面下方的衬底上并且可能干扰位于石英表面下方的衬底，在该石英表面上可以制造电子器件。
提供本文包含的背景和上下文描述仅用于一般地呈现本公开的背景。本公开的大部分呈现了发明人的工作，并且并不仅仅因为这些工作在背景技术部分中描述或者作为本文其他地方的上下文呈现而意味着其被承认为现有技术。
技术实现要素：
本公开的一个方面涉及一种石英组件，其具有适合用作等离子体反应器的组件的尺寸和形状；和包含氧化钇的保护层，所述保护层设置在所述石英结构的至少一个表面上，当被安装时，所述保护层面向等离子体反应器的内部区域。保护层基本上不改变石英结构的尺寸或形状。
在一些实施方案中，所述石英组件具有用作在位于所述等离子体反应器外部的等离子体源与所述等离子体反应器的内部区域之间的窗的尺寸和形状。
本发明提供了一种石英组件，其具有石英结构，所述石英结构具有适合用作等离子体反应器的组件的尺寸和形状。包含氧化钇的保护层设置在所述石英结构的至少一个表面上，当被安装时，所述保护层暴露于在操作期间在所述等离子体反应器中产生的等离子体。所述保护层基本上不改变所述石英结构的尺寸或形状。
在一些实施方案中，所述石英组件具有用作在位于所述等离子体反应器外部的等离子体源与所述等离子体反应器的内部区域之间的窗的尺寸和形状。
在一些实施方案中，所述石英组件是石英窗，所述石英窗被配置成在所述等离子体反应器中设置在使得射频或微波功率能从射频或微波源通过所述石英窗进入所述等离子体反应器的内部区域的位置处。
在一些实施方案中，所述石英窗具有介于约1cm和3cm之间的厚度。
在一些实施方案中，所述石英窗基本上是平的并且具有介于约40cm和100cm之间的直径或长度。
在一些实施方案中，所述石英组件是石英注射器，所述石英注射器包括一个或多个流动通道，所述流动通道用于将气体引入所述等离子体反应器的内部区域和/或从所述等离子体反应器的所述内部区域去除所述气体。
在一些实施方案中，所述石英组件是空心圆顶。
在一些实施方案中，所述保护层具有介于约10nm和10μm之间的厚度。所述厚度可以是所述石英组件的表面上的平均厚度。
在一些实施方案中，所述石英组件具有介于约0.01μm和2μm之间的表面粗糙度ra。所述表面粗糙度可以是所述石英组件的表面上的平均表面粗糙度。
在一些实施方案中，所述保护层具有小于约1％的平均孔隙率。
在一些实施方案中，所述保护层包含氧化钇微晶，所述氧化钇微晶具有介于约10nm和100nm之间的平均最大横截面尺寸。
在一些实施方案中，所述保护层包含至少约90质量％的氧化钇。
在一些实施方案中，所述保护层包含至少约99质量％的氧化钇。
本发明提供了一种等离子体反应器，其具有被配置为在等离子体处理操作期间保持衬底的衬底支撑件。等离子体源被配置为向所述等离子体反应器的内部区域提供功率，在操作期间，在所述等离子体反应器中形成等离子体。所述等离子体反应器具有石英组件，其包括：(a)石英结构，其具有适合用作所述等离子体反应器的组件的尺寸和形状；和(b)包含氧化钇的保护层，所述保护层设置在所述石英结构的至少一个表面上，当被安装时，所述保护层在所述等离子体反应器中形成所述等离子体时暴露于所述等离子体。所述保护层基本上不改变所述石英结构的尺寸或形状。所述等离子体反应器还包括控制器，其具有程序指令，所述程序指令用于使所述等离子体源向所述等离子体反应器的所述内部区域提供射频或微波功率。
在一些实施方案中，所述等离子体反应器中的所述石英组件设置于使得在操作期间所述等离子体将接触或接近所述石英组件的位置。
在一些实施方案中，所述等离子体是含氢等离子体。
在一些实施方案中，所述等离子体反应器是蚀刻工具、灰化工具和/或沉积工具。
在一些实施方案中，所述等离子体源包括线圈。
在一些实施方案中，所述等离子体源包括射频发生器。
在一些实施方案中，所述等离子体源包括微波发生器。
在一些实施方案中，所述石英组件具有用作在所述等离子体源和所述等离子体反应器的内部区域之间的窗的尺寸和形状。
在一些实施方案中，所述石英组件是石英窗，所述石英窗被配置成在所述等离子体反应器中设置在使得所述射频或微波功率能从射频或微波源通过所述石英窗进入所述等离子体反应器的所述内部区域的位置处。
在一些实施方案中，所述石英窗具有介于约1cm和3cm之间的厚度。
在一些实施方案中，所述石英窗基本上是平的并且具有介于约40cm和100cm之间的直径或长度。
在一些实施方案中，所述石英组件是石英注射器，所述石英注射器包括一个或多个流动通道，所述流动通道用于将气体引入所述等离子体反应器的所述内部区域和/或从所述等离子体反应器的所述内部区域去除所述气体。
在一些实施方案中，所述石英组件是空心圆顶。
在一些实施方案中，所述保护层具有介于约10nm和10μm之间的厚度。所述厚度可以是在所述石英组件的表面上的平均厚度。
在一些实施方案中，所述石英组件具有介于约0.01μm和2μm之间的表面粗糙度ra，其中所述表面粗糙度是在所述石英组件的表面上的平均表面粗糙度。
在一些实施方案中，所述保护层具有小于约1％的平均孔隙率。
在一些实施方案中，所述保护层包含氧化钇微晶，所述氧化钇微晶具有介于约10nm和100nm之间的平均最大横截面尺寸。
在一些实施方案中，所述保护层包含至少约90质量％的氧化钇。
在一些实施方案中，所述保护层包含至少约99质量％的氧化钇。
本发明提供了一种方法，其包括：(a)接收石英结构；和(b)用包含氧化钇的保护层涂覆所述石英结构，以形成用于等离子体反应器的石英组件。所述石英组件具有适于形成在所述等离子体反应器中使用的部件的尺寸和形状。
在一些实施方案中，所述保护层基本上不改变所述石英结构的所述尺寸或形状。
在一些实施方案中，所述方法还包括将所述石英组件安装于所述等离子体反应器内，在使得在操作期间等离子体将接触或接近所述石英组件的位置处。
在一些实施方案中，所述等离子体反应器是蚀刻工具、灰化工具和/或沉积工具。
在一些实施方案中，所述石英组件具有用作在位于所述等离子体反应器外部的等离子体源与所述等离子体反应器的内部区域之间的窗的尺寸和形状。
在一些实施方案中，所述石英组件是石英窗，所述石英窗被配置成在所述等离子体反应器中设置在使得射频或微波功率能从射频或微波源通过所述石英窗进入所述等离子体反应器的内部部分的位置处。
在一些实施方案中，所述石英窗具有介于约40cm和100cm之间的厚度。
在一些实施方案中，所述石英组件是石英注射器，所述石英注射器包括一个或多个流动通道，所述流动通道用于将气体引入所述等离子体反应器的内部部分和/或从所述等离子体反应器的所述内部部分去除所述气体。
在一些实施方案中，所述保护层具有介于约10nm和10μm之间的厚度，其中所述厚度是所述石英组件的表面上的平均厚度，当被安装时，所述保护层面对所述等离子体反应器的内部区域。
在一些实施方案中，所述石英组件具有介于约0.01μm和5μm之间的表面粗糙度ra，其中所述表面粗糙度是所述石英组件的表面上的平均表面粗糙度，当被安装时，所述保护层面对所述等离子体反应器的内部区域。
在一些实施方案中，所述保护层具有小于约1％的平均孔隙率。
在一些实施方案中，所述保护层包含氧化钇微晶，所述氧化钇微晶具有介于约10nm和100nm之间的平均最大横截面尺寸。
在一些实施方案中，所述保护层包含至少约90质量％的氧化钇。
在一些实施方案中，所述保护层包含至少约99质量％的氧化钇。
在一些实施方案中，用包含氧化钇的保护层涂覆所述石英结构包括通过原子层沉积来沉积所述保护层。
在一些实施方案中，所述方法还包括使所述保护层粗糙化，使所述保护层粗糙化可以包括将所述保护层暴露于去离子水中。所述去离子水具有介于约50℃和100℃之间的温度。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种石英组件，其包括：
a)石英结构，其具有适合用作等离子体反应器的组件的尺寸和形状；和
b)包含氧化钇的保护层，所述保护层设置在所述石英结构的至少一个表面上，当被安装时，所述保护层暴露于在操作期间在所述等离子体反应器中产生的等离子体，
其中所述保护层基本上不改变所述石英结构的所述尺寸或形状。
2.根据条款1所述的石英组件，其中所述石英组件具有用作在位于所述等离子体反应器外部的等离子体源与所述等离子体反应器的内部区域之间的窗的尺寸和形状。
3.根据条款1所述的石英组件，其中所述石英组件是石英窗，所述石英窗被配置成在所述等离子体反应器中设置在使得射频或微波功率能从射频或微波源通过所述石英窗进入所述等离子体反应器的内部区域的位置处。
4.根据条款3所述的石英组件，其中所述石英窗具有介于约1cm和3cm之间的厚度。
5.根据条款3-4中的任一项所述的石英组件，其中所述石英窗基本上是平的并且具有介于约40cm和100cm之间的直径或长度。
6.根据条款1所述的石英组件，其中所述石英组件是石英注射器，所述石英注射器包括一个或多个流动通道，所述流动通道用于将气体引入所述等离子体反应器的内部区域和/或从所述等离子体反应器的所述内部区域去除所述气体。
7.根据条款1所述的石英组件，其中所述石英组件是空心圆顶。
8.根据条款1-7中的任一项所述的石英组件，其中所述保护层具有介于约10nm和10μm之间的厚度，其中所述厚度是所述石英组件的表面上的平均厚度。
9.根据条款1-8中的任一项所述的石英组件，其中所述石英组件具有介于约0.01μm和2μm之间的表面粗糙度ra，其中所述表面粗糙度是所述石英组件的表面上的平均表面粗糙度。
10.根据条款1-9中的任一项所述的石英组件，其中所述保护层具有小于约1％的平均孔隙率。
11.根据条款1-10中的任一项所述的石英组件，其中所述保护层包含氧化钇微晶，所述氧化钇微晶具有介于约10nm和100nm之间的平均最大横截面尺寸。
12.根据条款1-11中的任一项所述的石英组件，其中所述保护层包含至少约90质量％的氧化钇。
13.根据条款1-11中的任一项所述的石英组件，其中所述保护层包含至少约99质量％的氧化钇。
14.一种等离子体反应器，其包括：
衬底支撑件，其被配置为在等离子体处理操作期间保持衬底；
等离子体源，其被配置为向所述等离子体反应器的内部区域提供功率，在操作期间，在所述等离子体反应器中形成等离子体；
石英组件，其包括：
a)石英结构，其具有适合用作所述等离子体反应器的组件的尺寸和形状；和
b)包含氧化钇的保护层，所述保护层设置在所述石英结构的至少一个表面上，当被安装时，所述保护层在所述等离子体反应器中形成所述等离子体时暴露于所述等离子体，其中所述保护层基本上不改变所述石英结构的所述尺寸或形状；以及
控制器，其包括程序指令，所述程序指令用于使所述等离子体源向所述等离子体反应器的所述内部区域提供射频或微波功率。
15.根据条款14所述的等离子体反应器，其中所述等离子体反应器中的所述石英组件设置于使得在操作期间所述等离子体将接触或接近所述石英组件的位置。
16.根据条款14-15中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述等离子体是含氢等离子体。
17.根据条款14-16中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述等离子体反应器是蚀刻工具、灰化工具和/或沉积工具。
18.根据条款14-17中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述等离子体源包括线圈。
19.根据条款14-17中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述等离子体源包括射频发生器。
20.根据条款14-17中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述等离子体源包括微波发生器。
21.根据条款14-20中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述石英组件具有用作在所述等离子体源和所述等离子体反应器的所述内部区域之间的窗的尺寸和形状。
22.根据条款14-20中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述石英组件是石英窗，所述石英窗被配置成在所述等离子体反应器中设置在使得所述射频或微波功率能从射频或微波源通过所述石英窗进入所述等离子体反应器的所述内部区域的位置处。
23.根据条款22所述的等离子体反应器，其中所述石英窗具有介于约1cm和3cm之间的厚度。
24.根据条款22-23中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述石英窗基本上是平的并且具有介于约40cm和100cm之间的直径或长度。
25.根据条款14-20中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述石英组件是石英注射器，所述石英注射器包括一个或多个流动通道，所述流动通道用于将气体引入所述等离子体反应器的所述内部区域和/或从所述等离子体反应器的所述内部区域去除所述气体。
26.根据条款14-20中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述石英组件是空心圆顶。
27.根据条款14-26中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述保护层具有介于约10nm和10μm之间的厚度，其中所述厚度是在所述石英组件的表面上的平均厚度。
28.根据条款14-27中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述石英组件具有介于约0.01μm和2μm之间的表面粗糙度ra，其中所述表面粗糙度是在所述石英组件的表面上的平均表面粗糙度。
29.根据条款14-28中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述保护层具有小于约1％的平均孔隙率。
30.根据条款14-29中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述保护层包含氧化钇微晶，所述氧化钇微晶具有介于约10nm和100nm之间的平均最大横截面尺寸。
31.根据条款14-30中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述保护层包含至少约90质量％的氧化钇。
32.根据条款14-30中的任一项所述的等离子体反应器，其中所述保护层包含至少约99质量％的氧化钇。
33.一种方法，其包括：
(a)接收石英结构；和
(b)用包含氧化钇的保护层涂覆所述石英结构，以形成用于等离子体反应器的石英组件，
其中所述石英组件具有适于形成在所述等离子体反应器中使用的部件的尺寸和形状。
34.根据条款33所述的方法，其中所述保护层基本上不改变所述石英结构的所述尺寸或形状。
35.根据条款33-34中的任一项所述的方法，其还包括将所述石英组件安装于所述等离子体反应器内，在使得在操作期间等离子体将接触或接近所述石英组件的位置处。
36.根据条款33-35中的任一项所述的方法，其中所述等离子体反应器是蚀刻工具、灰化工具和/或沉积工具。
37.根据条款33-36中的任一项所述的方法，其中所述石英组件具有用作在位于所述等离子体反应器外部的等离子体源与所述等离子体反应器的内部区域之间的窗的尺寸和形状。
38.根据条款33-37中的任一项所述的方法，其中用包含氧化钇的保护层涂覆所述石英结构包括通过原子层沉积来沉积所述保护层。
39.根据条款33-38中的任一项所述的方法，其还包括使所述保护层粗糙化。
40.根据条款39所述的方法，其中使所述保护层粗糙化包括：将所述保护层暴露于去离子水中。
41.根据条款40所述的方法，其中所述去离子水具有介于约50℃和100℃之间的温度。
42.根据条款33-41中的任一项所述的方法，其中将在所述等离子体反应器中使用的所述部件是窗户或注射器。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述许多示例性实施方案。根据说明书、附图和权利要求，其他特征、方面和优点将变得显而易见。注意，除非明确指出为比例图，否则下列附图的相对尺寸可能未按比例绘制。
图1呈现了描绘在暴露于含氢等离子体期间在石英组件上形成的微观特征的显微照片。
图2呈现了远程等离子体反应器的示意图。
图3呈现了用于等离子体反应器的微波等离子体源的示意图。
图4呈现了tcp等离子体反应器的示意图。
图5a和图5b呈现了用于将气体输送到等离子体反应器的石英注射器的透视图和剖视图。
图6a呈现了具有保护层的简单石英组件(例如石英窗)的示意图。
图6b呈现了石英层的显微照片，石英层上设置含有氧化钇的保护层。
图7a和7b呈现了在石英组件上形成保护层的工艺的流程图，可选择使沉积的保护层的表面纹理化。
图8呈现了氧化钇保护层的纹理化表面的显微照片。
具体实施方式
本公开整体上涉及具有涂覆有保护层的石英结构的石英组件，所述保护层包含例如氧化钇。石英组件可用于等离子体反应器中。石英组件通常具有适于在等离子体反应器中形成窗、端口或其他组件的尺寸和形状。可以通过用保护层涂覆石英结构来制造石英组件。涂覆工艺可包括通过诸如原子层沉积(ald)或化学气相沉积(cvd)之类的可控工艺沉积诸如氧化钇之类的涂层材料，所述cvd包括等离子体增强cvd(pecvd)。在某些实施方案中，保护层相对于石英组件是薄的，使得石英组件和石英结构具有基本相同的尺寸和形状，至少在石英组件用作等离子体反应器的部件的情况下如此。在一些实施方案中，本公开涉及含有石英组件的装置或系统，例如等离子体反应器。本公开还涉及通过在装置或系统中安装或以其他方式提供石英组件来制造诸如等离子体反应器之类的装置或系统的方法。
石英组件有时被反应器的等离子体(特别是基于氢的等离子体)蚀刻或以其他方式侵蚀。石英组件在暴露于等离子体时的侵蚀会导致各种不利影响。然而，在某些情况下，仅仅去除石英是相对较小的问题，特别是如果认为石英组件是等离子体反应器的可消耗部件的话。在这种情况下，在除去一定量的石英之后，该组件简单地用新的组件替换，并且该装置继续用于基于等离子体的反应。
然而，本发明人已经发现，在一些情况下，侵蚀产生不稳定的微观特征，其可能从石英组件(例如，窗)脱落并落到衬底上正在制造电子器件的位置。在这种情况下，微观特征，更具体地说，由这种微观特征产生的微粒，可能破坏电子器件。石英组件上的破坏性微观特征的示例显示在图1的显微照片中。
虽然不稳定的微观特征可以具有一系列尺寸，但是它们通常在约1μm至50μm的长度范围内，假设为大致圆柱形的话，则直径达到约10μm。它们足够大以致在制造的电子器件上产生缺陷。如果等离子体蚀刻仅仅均匀地除去在窗表面上的石英并且不产生微观特征，则石英的等离子体蚀刻将是不太重要的问题。
然而，对于某些石英组件而言，无论潜在的不稳定微观特征的形成如何，石英的单纯侵蚀都会产生问题。例如，对于具有高容许流动路径的石英注射器，如下所述，在流动路径中甚至少量石英的去除可以极大地改变流动的流体动力学并且对等离子体反应器中进行的工艺产生负面影响。具有灵敏流动路径的石英注射器的示例在图5a和5b中示出。
不稳定的微观特征有时在石英表面的操作温度较低(例如，约20℃至200℃)的区域中更容易或更突出地形成。在暴露于较高温度的区域中，产生明显较少的微观特征。虽然不希望受理论束缚，但相信可能产生这种现象，因为较高的温度导致由氢等离子体与二氧化硅(石英)反应产生的硅烷(sih4)分解回以形成二氧化硅。在较低温度下，可能不会发生这种分解，在这种情况下，硅烷逸出并带有来自石英的硅，在微观特征中留下二氧化硅。
定义
应当理解，如本文所使用的，术语“半导体晶片”可以指由半导体材料(例如，硅)制成的晶片，以及由通常被识别为不是半导体但通常在其上面提供半导体材料的材料(例如电介质和/或导体)制成的晶片。绝缘体上硅(soi)晶片就是这样的一个示例。本公开中描述的装置和方法可以用于处理多种尺寸的半导体晶片，包括用于处理直径为200mm、300mm和450mm的半导体晶片。
在本说明书中，术语“等离子体反应器”是指在处理衬底(例如部分制造的半导体器件、显示器或其他电子器件)期间使用等离子体的反应器。等离子体反应器可以是在衬底上沉积材料的反应器(“沉积反应器”)、从衬底蚀刻材料的反应器(“蚀刻器”或“蚀刻反应器”)、灰化光致抗蚀剂或其他材料的反应器(“灰化器”)等。沉积反应器的示例包括等离子体增强原子层沉积(peald)反应器和等离子体增强化学气相沉积(pecvd)反应器。蚀刻室的示例包括用于在等离子体辅助工艺中蚀刻导体和/或电介质的各种蚀刻工具。使用可暴露于等离子体(特别是氢等离子体)的石英窗的lamresearchcorporation半导体器件制造工具的示例是
“等离子体源”是用于在等离子体反应器内产生等离子体的功率源。通常在本公开的上下文中，等离子体源位于等离子体反应器的外部，并且石英窗位于等离子体源和等离子体反应器的内部之间。等离子体反应器的内部是形成等离子体并且放置晶片或其他工件的位置。等离子体源可以以许多特定频率或频率范围中的任何一个提供功率。在某些实施方案中，等离子体源在电磁波谱的射频部分中传递功率。在某些实施方案中，等离子体源在电磁波谱的微波频率部分中传递功率。等离子体源可包括在操作期间被激励以产生用于在等离子体反应器内部产生等离子体的功率的板、线圈或其他结构。等离子体源的示例在下面给出的一些示例中给出。
在一些实现方式中，等离子体反应器是多站式半导体处理系统的一部分。在这样的实现方式中，每个处理室可以包括衬底保持器，并且可选地包括一个或多个室窗和/或等离子体源。
“石英组件”是等离子体反应器的含石英组件。石英是含有在硅-氧四面体的连续骨架中的硅和氧原子的二氧化硅(sio2)的形式，其中每个氧原子在两个四面体之间共享。石英组件的示例包括石英窗和石英注射器。石英窗可用于从位于反应器内部的外部的射频源向反应器内部传输射频功率。反应器内部是放置衬底并通过等离子体促进的反应处理衬底的位置。石英注射器是包含一个或多个流动路径的石英元件，流动路径用于将一种或多种气体输送到等离子体反应器内部或从等离子体反应器内部移除一种或多种气体。在某些实施方案中，石英注射器可具有机加工到端口结构中的特别复杂的流动通道。
“不稳定的微观特征”是可能在与等离子体(特别是含氢等离子体)接触的石英表面上形成的小特征。在某些实施方案中，不稳定的石英圆柱形微观特征的尺寸(横截面和/或长度)在约几微米至几十微米之间，并且在等离子体反应器的正常操作期间它们可以容易地从石英表面上脱落。例如，简单的振动或其他弱机械力可以使微观特征脱落。
“保护层”是在石英组件上形成的层。保护层当暴露于等离子体或其他侵蚀性环境(例如物理或化学侵蚀性环境)时，可减少石英组件中石英的去除。在一示例中，保护层是或包括氧化钇层。保护层可以在将保护层沉积在石英组件上的涂覆装置中形成。涂覆装置可采用各种公知的沉积工艺，例如ald、cvd、溅射或其他化学或物理工艺，以在石英组件上形成保护层。
石英组件上的保护层的某些功能
在各种实施方案中，在石英组件上提供保护层。保护层可以防止或减少通过暴露于等离子体，特别是含氢等离子体或其他侵蚀性环境而形成的不稳定微观特征。进一步或替代地，保护层可以防止或减少通过暴露于等离子体，特别是含氢等离子体或其他侵蚀性环境而导致的对石英的侵蚀。结果，不稳定的微观特征不会从石英组件表面剥落，并且不会使正在制造的电子器件劣化。在某些情况下，石英组件不需要经常更换，因为它们会降解得更慢，如果有降解的话。此外，在石英组件具有严格公差的特征的情况下，例如一些石英注射器，在暴露于等离子体期间保持特征的特性，因此石英组件的功能按预期保持，至少比在没有保护层的石英组件的情况下保持更长时期的操作。在某些实施方案中，保护层是氧化钇。
具有石英组件的装置
如先前所介绍和讨论的，在石英组件上提供保护层，其可以插入等离子体反应器中或以其他方式与等离子体反应器集成，所述等离子体反应器例如变压器耦合等离子体(tcp)装置，有时称为电感耦合等离子体(icp)装置。
图2示意性地示出了适用于实施本文的某些实施方案的icp蚀刻装置200的横截面图，其示例是由位于加利福尼亚州fremont的lamresearchcorp.生产的
可选的内部等离子体栅格240将整个处理室201分成上子室202和下子室203。在某些实施方案中，等离子体栅格240不存在。卡盘217位于下子室203内，靠近装置的底部。卡盘217被构造为接收并保持半导体晶片219，在半导体晶片219上执行蚀刻和/或沉积工艺。卡盘217可以是用于当晶片219存在时支撑晶片219的静电卡盘。在一些实施方式中，边缘环(未示出)围绕卡盘217，并且具有当晶片219存在于卡盘217上方时与晶片219的顶表面近似成平面的上表面。卡盘217还可包括用于卡紧和释放晶片219的静电电极。为此目的，可以提供滤波器和dc钳位电源(图2中未示出)。可以提供用于提升晶片219离开卡盘217的其它控制系统。
卡盘217可以使用rf电源223来充电。rf电源223通过连接227连接到匹配电路221。可以将偏置功率传递到卡盘217以给衬底施加偏置。在各种实施方案中，偏置功率可以被设置为介于0v(无偏置)和约2000v之间，或介于0v和约1800v之间，或介于0v和约1400v之间，或者介于约400v和约1400v之间的值。匹配电路221通过连接224连接到卡盘217。以这种方式，rf电源223连接到卡盘217上。
本文公开的卡盘217可以在用于处理衬底的介于约-200℃至约600℃之间或介于约-20℃至约240℃之间的温度范围内操作以蚀刻钽，可以设置卡盘217在低于约0℃的温度下。温度将取决于工艺操作和具体配方以及使用的工具。
用于等离子体产生的元件(统称为等离子体源)包括位于窗211上方的线圈233。在一些实施方式中，不使用线圈。线圈233由导电材料制成并且包括至少一个完整的匝。图2中所示的线圈233的示例包括三匝。线圈233的横截面用符号示出，并且具有“x”的线圈旋转地延伸到页面里，而具有“●”的线圈旋转地延伸出页面。用于等离子体产生的元件还包括被配置为向线圈233提供rf功率的rf电源241。通常，rf电源241通过连接244连接到匹配电路239。匹配电路239通过连接243连接到线圈233。以这种方式，rf电源241连接到线圈233。rf电源241可以被配置为在修改操作期间使用介于约1％和约20％之间的占空比以介于约10hz和约200hz之间的频率被施以脉冲，和/或使用介于约1％和约20％之间的占空比以介于约10hz和约200hz之间的频率被施以脉冲。可选的法拉第屏蔽249定位在线圈233和窗211之间。法拉第屏蔽249相对于线圈233保持间隔开的关系。法拉第屏蔽249设置在窗211的正上方。线圈233、法拉第屏蔽249和窗211各自被配置为基本上彼此平行。法拉第屏蔽249可以防止金属或其它物质沉积在处理室201的窗211上。
工艺气体(例如氯气、氩气、氧气等)可以通过位于上室202中的一个或多个主气流入口260和/或通过一个或多个侧气流入口270流入处理室201。可以使用真空泵(例如，一级或两级机械干式泵和/或涡轮分子泵240)将工艺气体抽出处理室201并维持处理室201内的特定压力或压力范围。例如，泵可用于在吹扫操作期间排空处理室201。阀控制的导管可以用于将真空泵流体连接到处理室201，以便选择性地控制由真空泵提供的真空环境的施加。这可以在操作等离子体处理期间采用闭环控制的流量限制装置(例如，节流阀(未示出)或摆动阀(未示出))来完成。同样，也可以采用真空泵和阀控制的与电容耦合等离子体处理室的流体连接。
在装置的操作期间，可以通过气流入口260和/或270供应一种或多种工艺气体。在某些实施方式中，工艺气体可以仅通过主气流入口260供应，或者仅通过侧气流入口270供应。在一些情况下，图中所示的气流入口可以被更复杂的气流入口(例如，一个或多个喷头)替换。法拉第屏蔽249和/或可选栅格240可以包括允许将工艺气体输送到处理室201的内部通道和孔。法拉第屏蔽249和可选栅格240中的任一个或两个可以用作用于输送工艺气体的喷头。在一些实施方案中，液体汽化和输送系统可以位于处理室201的上游，使得一旦液体反应物或前体被汽化，则汽化的反应物或前体经由气流入口260和/或270被引入到处理室201中。示例性的液体前体包括sicl4和硅酰胺。
射频功率从rf电源241提供到线圈233，以使rf电流流过线圈233。流过线圈233的rf电流在线圈233周围产生电磁场。电磁场在上子室202中产生感应电流。各种产生的离子和自由基与晶片219的物理和化学相互作用可以选择性地蚀刻晶片219的特征并且/或者在晶片219上沉积层。
处理室201在安装在洁净室或制造设施中时可耦合到设施(未示出)。设施包括提供工艺气体、真空、温度控制和环境颗粒控制的管道(plumbing)。这些设施当安装在目标制造设施中时，耦合到处理室201上。另外，处理室201可耦合到传送室，传送室允许机械手使用典型的自动化技术传送半导体晶片进出处理室201。
在一些实施方案中，系统控制器230(其可以包括一个或多个物理或逻辑控制器)控制处理室的操作中的一些或全部。系统控制器230可以包括一个或多个存储器设备和一个或多个处理器。在一些实施方案中，该装置包括用于当执行所公开的实施方案时控制流速和持续时间的切换系统。在一些实施方案中，装置可以具有高达约200ms或高达约740ms的切换时间。切换时间可以取决于流动化学物、所选择的配方、反应器结构和其它因素。
在一些实现方式中，控制器230是系统的一部分，该系统可以是上述示例的一部分。这种系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台，和/或特定处理组件(衬底支撑件、气体流系统等)。这些系统可以与用于在半导体晶片或衬底的处理之前、期间和之后控制它们的操作的电子器件集成。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种组件或子部件。根据处理参数和/或系统类型，控制器230可以被编程以控制本文公开的任何工艺，包括处理气体的输送、温度设置(例如加热和/或冷却)、压力设置、真空设置、功率设置、射频(rf)发生器设置、rf匹配电路设置、频率设置、流率设置、流体输送设置、位置和操作设置、进出工具和其他输送工具和/或连接到特定系统或与特定系统接口的装载锁的晶片输送。
在某些实施方案中，诸如窗211之类的石英窗具有介于约40cm和90cm之间的平均长度(如果是矩形)或直径(如果是圆形)。在某些实施方案中，石英窗具有介于约20mm和60mm之类的平均厚度(内表面至外表面)。这些值可能适合于处理300mm的直径的晶片。对于200mm的晶片，可以适当地将直径除以因数1.5而缩小。对于450mm的晶片，可以适当地通过将直径乘以因数1.5来放大。在某些实施方案中，石英窗具有基本上平坦的形状。
在一些实施方案中，石英组件是配置成使工艺气体流入或流出等离子体反应器的端口。如本文所述，石英注射器在端口的至少一部分上具有保护层，该至少一部分与反应器中的等离子体或其他侵蚀性环境接触。在某些实施方案中，端口安装在石英窗(例如图2的窗211)的中心处或附近。例如，气流入口260可以是具有保护层的石英注射器。
在一些实施方案中，石英组件是石英管。在一个示例中，石英管用于适于提供等离子体的微波等离子体源中。如图3所示，微波等离子体源的一部分301包括石英管302和具有冷却流体入口304和出口308的盘绕冷却管305。该图中未示出微波发生器(例如，磁控管)、用于将微波辐射从该发生器传输到石英管302的波导以及围绕石英管302的可选微波腔。在这种情况下，石英管302有时被称为等离子体放电管。在操作期间，工艺气体流入石英管302，其中气体(例如，含氢气体)通过与在沿轴312的方向上行进的微波相互作用而被激发成等离子体。所得到的等离子体被反应器用于处理衬底。美国专利申请公开no.2015/0318148a1中提供了微波等离子体源的示例，其全部内容通过引用合并于此。
在一些实施方案中，石英组件是石英圆顶。在一个示例中，石英圆顶用于适于产生远程等离子体的等离子体反应器400中。参见图4。在所示实施方案中，反应器400是间接或“远程”类型的等离子体工具，其中石英窗402通常具有圆顶形状。环绕圆顶覆盖的是导电感应线圈410，其可以被激活或供电，以在圆顶形石英窗402内的某些区域中产生等离子体。通常符合图4的实施方案的市售工具是由lamresearchcorp.提供的
在某些实施方案中，反应器400(也如“characterizationofhydrogen–plasmainteractionswithphotoresist,silicon,andsiliconnitridesurfaces”bythedjoisworoetal.,j.vac.sci.technol.a,vol.30,no.3,may/jun2012中所示和所述，其通过引用整体并入本文)包括三个主要组件：(1)等离子体源408，(2)喷头412，和(3)反应室424。等离子体源408可以共同地指由感应线圈410围绕的圆顶形石英窗402，感应线圈410由射频(rf)电源供电。在某些实施方案中，通过指定的入口将氢气(h2)(例如，具有约99.9995％的纯度水平)引入等离子体源408中。然后可以激励感应线圈410以在圆顶形石英窗402内部产生氢气衍生的等离子体。
等离子体中产生的活性物质可以经由喷头412从石英窗402流向晶片426的表面414。晶片426设置在压板416上。在某些实施方案中，可以构造喷头412作为带孔的金属板。喷头412不仅(a)保护晶片426免于直接暴露于包含在圆顶形石英窗402内的等离子体，而且(b)引起离子和电子的复合，所有这些都保护晶片表面414不受其轰击。此外，喷头412可以接地以将带电物质(例如离子、电子)传导远离等离子体。因此，喷头412可以产生远程或下游等离子体处理条件，其允许主要中性物质(例如h自由基)移动通过喷头412孔并到达晶片表面414。
喷头412可以在相对大的区域上分配来自等离子体的活性物质，并因此补充整个晶片表面414上的气体分布的均匀性。包含在反应室424内的晶片426搁置在压板416上，压板416可以配置为配备有允许改变晶片426的温度的加热元件。压板416的温度可以通过附接到压板416的热电偶和温度控制器来控制。
在典型的操作条件下，可以首先加热压板416以接近期望的温度设定点。然后可以将氢气引入反应器400，并且可以降低反应室424中的压力，例如通过操作真空泵以获得所需的压力。接下来可以激活rf功率以产生氢衍生的等离子体并且启动对晶片426的蚀刻或在晶片426上的沉积。
在某些实施方案中，石英圆顶的平均高度(从空心区域的开口到圆顶的尖端的轴向距离)在约15cm和30cm之间。在某些实施方案中，石英圆顶在结构的底部或开口处的平均直径在约20cm和45cm之间。在某些实施方案中，石英圆顶的平均厚度(内表面到外表面)在约5mm和15mm之间。
图5a和图5b中示出了石英注射器的示例，图5a示出了透视图，图5b示出了剖视图。如图所示，石英注射器500包括底部508，底部508当安装在等离子体反应器中时，延伸到反应器内部。另外，注射器500包括气体入口502和504以及出口514和516。注射器500还包括精心加工的流动路径510(中心流动路径)和512(圆周流动路径)。这些路径一起提供精确受控的气流。遗憾的是，如果任一流动路径或其入口或出口甚至稍微改变，则流动气体的性质可显著偏离预期的流动。
在某些实施方案中，石英注射器通常在流动路径的方向上具有在约5cm和10cm之间的平均长度。在某些实施方案中，石英注射器在大致垂直于流动路径的方向上具有在约2cm和4cm之间的平均直径或最大横向尺寸。在某些实施方案中，石英注射器中的一个或多个流动路径在大致垂直于流动方向的方向上具有在约5mm和15mm之间的平均直径或最大横向尺寸。
虽然上述讨论集中于安装在等离子体反应器(特别是用于处理半导体晶片的反应器)中的石英组件，但是所公开的实施方案包括用于等离子体反应器和其他装置(例如用于科学研究和其他目的的不一定涉及与等离子体的反应的等离子体室)的未安装的石英组件。等离子体装置的一些或所有组件可以表现出比其石英组件更长的使用寿命。在这种情况下，石英组件可用于改造或翻新等离子体反应器或其他装置。换句话说，石英组件可用作可替换或备用部件。在一些情况下，石英组件可以与其他可消耗部件(例如，衬底基座和/或喷头)组合作为用于改装或翻新等离子体装置的套件的一部分提供。
保护层
如上所述，为了解决与等离子体(例如，氢衍生的或基于氢的等离子体)处理期间的石英表面侵蚀相关的各种挑战，在石英结构的表面上提供保护层或涂层。石英组件包括单独或主要为石英的石英结构和设置在石英结构上的保护涂层，保护涂层降低了等离子体反应器操作期间石英组件的消耗或劣化速率。结果，在反应室内处理期间，微观特征不太可能形成在暴露于等离子体的石英组件的表面上并最终从该表面上脱落。
图6a提供了石英组件600a的示意图，该石英组件600a包括涂覆有具有限定厚度606a的保护层604a的石英结构602a。保护层604a的厚度606a相对于石英结构602a的厚度608a被放大。本领域技术人员应理解，这种放大是出于解释的目的，并且保护层604a相对于石英结构602a的其他合适的取向、相对厚度或构造可以存在而不背离保护层604a防止在石英组件600a上形成微观特征的目的。
图6b提供了石英组件横截面600b的显微照片，其具有涂覆有氧化钇保护层602b的石英结构604b。如图6b所示，氧化钇保护层602b共形地涂覆石英结构604b。在图6b中，显微照片606b显示了石英组件的顶视图，特别是共形施加的氧化钇保护层。在某些实施方案中，保护层共形地涂覆石英结构的不规则的(在保护层厚度的厚度范围内的)表面。如图6b所示，保护层602b跟随(follow)石英结构604b表面上的凹坑或凹陷的轮廓。
在某些实施方案中，保护层包括氧化钇(例如，y2o3)。与氧化钇相关的有益性质的示例包括：(1)抗高能或反应性物质(例如由氢(h2)基等离子体产生或与之相关的h自由团)的侵蚀的稳定性；(2)保留石英作为理想的射频(rf)或微波(mw)耦合材料的许多优点，包括(但不限于)：低rf损耗低热膨胀、低热机械应力和应用于各种尺寸的零件或组件的灵活性；(3)与通常用于基于等离子体的蚀刻的工艺气体中的许多的相容性；(4)作为保形、均匀和致密的涂层存在的能力，例如，如图6b的显微照片所示。
在某些实施方案中，保护层含有至少约90质量％的氧化钇，或至少约99质量％的氧化钇。可能存在的微量元素包括钠、镁、铝等。在某些实施方案中，保护层由除氧化钇之外的材料制成。这种其他材料的示例包括其他稀土元素的氧化物和氟化物，例如yoxfy氧氟化物(x＝0-1.5，y＝0-3)。
在某些实施方案中，保护层可包含多个氧化钇条纹层或其他材料条纹层，每个随后的条纹层具有比原始或初始氧化钇层更小或更低的密度。后期沉积的条纹层也可以表现出比原始层更高水平的孔隙率。
适用于施加在石英结构上的氧化钇保护层可具有至少约95％，或介于约98％和100％之间的孔隙率。保护层的材料可以是无定形的、结晶的、微晶的等，或这些形态中的任何两种或更多种的组合。在某些实施方案中，保护层含有平均直径(或其他最长尺寸)介于约10nm和100nm之间(例如，介于约30nm和70nm之间)的微晶。在一些情况下，氧化钇保护层是多晶的，其中微晶是立方的(440)并且是细长的(例如，长度约50nm，而宽度约30nm)。在某些实施方案中，保护层的厚度介于约100nm和50μm之间(例如，介于约0.5μm和30μm之间)。在某些实施方案中，保护层的表面粗糙度(ra)介于约0.03μm和0.3μm之间。
在石英组件上形成保护层的方法
如上所述，可以通过用保护层涂覆石英结构来制造石英组件。涂覆工艺可包括通过诸如原子层沉积(ald)或化学气相沉积(cvd)之类的可控工艺沉积诸如氧化钇之类的涂层材料，所述化学气相沉积(cvd)包括等离子体增强cvd(pecvd)。
描述在石英结构上沉积包含氧化钇的涂层材料的示例性工艺流程700a在图7a中示出。工艺流程700a在“开始”操作702a处开始，进入操作704a，其中将具有适于在等离子体反应器中使用的尺寸和形状的石英结构接收在该等离子体反应器中。这种石英结构的合适示例可包括石英注射器和其他石英组件，如图2、3、4以及5a和5b所示。接下来，在操作706a处，包含在等离子体反应器内的石英结构通过ald涂覆有包含氧化钇的保护层，如本文进一步描述的，以形成用于等离子体反应器的石英组件。保护层基本上不改变石英结构的尺寸或形状。在完成操作706a后，工艺流程700a如在操作708a所示结束。本领域技术人员应理解，操作702a-708a是示例性的而不是限制性的，并且在不脱离制造石英组件的范围和精神的情况下，可以存在工艺流程700a中所示的其他合适的变型。
在某些实施方案中，沉积工艺是ald，ald是使用顺序自限制反应沉积薄材料层的技术。ald工艺使用表面介导的沉积反应来循环地逐层沉积膜，其中每层通过单个的完整的循环形成。ald循环可以包括以下操作：(i)输送/吸附前体，(ii)从反应室中吹扫掉前体，(iii)输送第二反应物并任选地在反应室内点燃等离子体，以及(iv)从反应室中吹扫掉副产物。第二反应物和被吸附的前体之间的在衬底表面上形成膜的反应影响膜组成和性质，例如不均匀性、应力、湿法蚀刻速率、干法蚀刻速率、电性质(例如，击穿电压和漏电流)等。
在ald工艺的一个示例中，将包含一群表面活性位点的石英表面暴露于提供给容纳石英结构的室的剂量的第一前体(如含钇前体)的气相分布。该第一前体的分子(包括第一前体的化学吸附物质和/或物理吸附分子)被吸附到所述表面上。应当理解，当如本文所述，化合物被吸附到衬底表面上时，吸附层可以包括所述化合物以及所述化合物的衍生物。例如，含钇前体的吸附层可以包括含钇前体以及含钇前体的衍生物。在投配第一前体之后，室则被抽空以除去大部分或全部的保留在气相中的第一前体，使得主要或仅仅吸附的物质残留。在一些实现方式中，室可能未被完全抽空。例如，可以将反应室抽空，使得处于气相的第一前体的分压足够低以致基本不发生反应。将诸如含氧气体之类的第二反应物引入到室中，使得这些分子中的一些与吸附在表面上的第一前体反应。在一些工艺中，第二反应物与吸附的第一前体在接触时立即反应。在其他实施方案中，第二反应物仅在施加激活(例如，与等离子体接触、uv辐射和/或热能)之后才进行反应。然后可以再次抽空室以除去未结合的第二反应物分子。如上所述，在一些实施方案中，室可能不被完全抽空。通常，连续进行几个ald循环以形成所需厚度的膜。
在一些实现方式中，ald方法包括等离子体激活。如本文所述，本文所述的ald方法和装置可以是共形膜沉积(cfd)方法，其在于2011年4月11日提交的标题为“plasmaactivatedconformalfilmdeposition”的美国专利申请no.13/084,399(现为美国专利no.8,728,956)以及于2011年4月11日提交的题为“siliconnitridefilmsandmethods”的美国专利申请号no.13/084,305中一般性地描述，其全部内容通过引用并入本文。
在某些实施方案中，用于合成氧化钇保护层的前体包括三(甲基环戊二烯基)钇，但是其他合适的前体也可以使用，并且可以通过在约200℃至450℃下进行的循环ald工艺在暴露的石英表面上形成。
适用于形成氧化钇保护层的ald前体可包括以下性质中的一种或多种：
可控的挥发性(例如，用于前体物质的有效输送，例如在最大适用的源温度下约0.1torr蒸气压的粗略限制)；
没有自分解(例如，以防止破坏自限性膜生长机制)；
积极和完全的反应(例如，以提供快速完成的表面反应，从而有助于缩短循环时间，提供更高的膜纯度，并避免通常与不完全的气相反应相关的并发问题)；
没有蚀刻膜或衬底材料，以确保没有会阻止膜生长的竞争反应途径；
对膜没有溶解性(例如，溶解性会破坏自限性薄膜生长机制)；
非反应性副产物，以避免膜的腐蚀，并避免由副产物再吸附引起的膜生长速率的降低；和
足够的纯度，以满足对于每个工艺特定的容差和性能预期。
虽然设想三(甲基环戊二烯基)钇作为形成氧化钇保护层的前体，但是其他环戊二烯基前体(如三(环戊二烯基)钇(iii)和三(丁基环戊二烯基)钇)可以与根据需要驱除前体配体的水(h2o)组合使用。在某些实施方案中，β-二酮酸盐，如三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸)钇(iii)、六氟乙酰丙酮酸钇(iii)脱水物和乙酰丙酮钇(iii)水合物，可用作上述环戊二烯基与水的组合的替代物。
在石英表面上形成1微米厚的氧化钇层的一般合成方法可以基本上如下进行：(1)提供羟基(-oh)封端的石英起始表面；(2)将含钇(例如y(l)3)物质注入起始表面以与其反应形成含钇单层；(3)可选择吹扫；(4)注入水(h2o)以驱除含钇前体配体，留下氧化钇层。根据需要重复步骤(1)-(4)以将氧化钇层形成所需的厚度。在某些实施方案中，进行约8,000次循环以沉积1微米厚的氧化钇膜。
在某些实施方案中，100nm-5,000nm厚的氧化钇涂层可以沉积在尺寸足够的热壁ald反应器中以容纳一个或多个石英部件，例如窗、圆顶和/或端口。可以将钇前体和水依次引入反应室中。在某些实施方案中，泵送功能可以与前体开关(例如，负责前体输送到反应室中)整合以帮助前体排空，并防止前体串扰；即，ald循环中采用的气体不会以不希望的方式或过早地相互作用并且不可能发生故障。串扰可导致更像cvd的沉积。
决定形成氧化钇保护层的自限制ald工艺可以在约150℃-500℃的温度下进行。在通过ald涂覆到特定厚度之后，ald涂覆的石英部件可以用于各种反应室中以用于许多不同的应用。
在某些实施方案中，在石英上形成的保护层的表面进一步纹理化或粗糙化。在石英组件制造工艺700a的基础上，另一制造工艺700b在图7b中示出，并且包括在此进一步描述的用于进行表面粗糙化工艺的附加操作，即操作708b。粗糙化工艺包括在完成操作706b之后使包含氧化钇的保护层与水接触。如图所示，工艺流程700b在操作710b处结束。操作702b-706b可以以与先前针对工艺流程700a中的对应操作702a-706a所讨论的方式基本类似的方式实现，因此不再详细描述。
如工艺流程700b所示，在一些实现方式中，纹理化工艺涉及将经涂覆的石英组件浸泡在纹理化浴中。通常，浴具有特定的组成。合适的浴的示例包括含酸浴和水，例如去离子(di)水。可以选择浸泡的温度和时间以允许适当的程度或纹理化。在某些实施方案中，去离子水浴的温度为约50℃至100℃，例如约80℃。在某些实施方案中，石英组件和纹理化浴之间的接触持续时间为约4至19小时。
与进行氧化钇保护层的表面粗糙化工艺相关的示例性益处包括反应器预涂层的更好粘附和粘附反应(例如蚀刻工艺)副产物的更好粘附，否则副产物可能过早地剥落。此外，反应器预涂层如果不能很好地粘附，也可能过早地剥落。
在某些实施方案中，通过调节去离子水温度和浸泡时间，可以将通过ald形成的氧化钇层的粗糙度调节至ra＝0.03μm至0.3μm。
结论
在前面的详细描述中，阐述了许多具体实现方式，以便提供对所公开的实现的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或通过使用替代部件或工艺来实践所公开的实现方式。在其他情况下，没有详细描述公知的工艺、过程和组件，以免不必要地使所公开的实现方式的各方面难以理解。除非另有说明，否则在数值范围内的端点包括所述值的约+/-5％的变化。
尽管为了清楚理解的目的，已经相当详细地描述了前述实施方案，但是显而易见的是，可以在所附权利要求的范围内实施某些改变和修改。应当注意，存在实现本实施方案的处理、系统和装置的许多替代方式。因此，本实施方案被认为是说明性的而不是限制性的，并且实施方案不限于这里给出的细节。
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