專利名稱：具有多層涂層的抗腐蝕鋁元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于襯底處理室的鋁元件。
背景技術(shù)：
在襯底處理室中處理襯底的過程中，諸如在集成電路和顯示器的制造中，襯底通常暴露在能夠?qū)σr底上的材料進行例如刻蝕或者沉積的激發(fā)氣體中。激發(fā)氣體還可以用于清潔處理室的表面。但是，激發(fā)氣體經(jīng)?？赡馨赡芨g處理室的元件(例如處理室的圍護壁)的腐蝕性含鹵素氣體以及其他激發(fā)物質(zhì)。例如，鋁制的處理室元件可能與激發(fā)的含鹵素氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成AlCl3或AlF3，從而腐蝕元件。元件的被腐蝕部分可能剝落并污染襯底，這降低了襯底的成品率。因此，必須經(jīng)常從處理室中替換或拆除被腐蝕的元件并進行清潔，給處理室?guī)聿黄谕耐９ぁ?br>
可通過在易受腐蝕的元件表面上方形成抗腐蝕材料的涂層來提高處理室元件的抗腐蝕性，元件表面例如是沒有涂層則可能暴露于激發(fā)氣體的表面。例如，可以通過在電解槽中對鋁元件進行陽極處理而在鋁元件的表面上形成氧化鋁涂層。但是，陽極處理的氧化鋁涂層經(jīng)常包含表面特征例如氣孔、裂縫、凹痕以及其他穿透性的特征，這些穿透性的特征限制了陽極處理的鋁涂層保護下方鋁元件的性能。例如，延伸穿過保護性涂層的表面特征可能使腐蝕性氣體可以穿透該涂層并侵蝕下方的元件材料，從而使涂層從元件剝落。這可能使涂層自身污染處理室以及正在其中處理的襯底。
可以通過用保護性材料(例如易熔的聚合物或有機流體)噴涂陽極處理層而提高陽極處理的氧化鋁涂層的性能，以保護鋁制品不出現(xiàn)表面疤痕和凹陷。但是，這種處理需要額外的處理步驟來凝固、干燥或密封保護層。這樣的額外步驟還增加了制造產(chǎn)品的成本和時間。
還希望減少或防止下方的鋁結(jié)構(gòu)中存在的雜質(zhì)向元件的暴露表面擴散。鋁合金(例如6061鋁合金)經(jīng)常包含微量元素的雜質(zhì)例如鉻、鐵或錳；有時甚至有鈣、鉀或鎂。當(dāng)鋁元件的未加工表面暴露在處理室的等離子環(huán)境中時，處理室中的真空低壓以及等離子的高溫可能導(dǎo)致雜質(zhì)遷移到鋁元件的暴露表面。所導(dǎo)致的表面雜質(zhì)含量升高是不利的，并可能導(dǎo)致襯底污染。
保護處理室元件的另一途徑是用高純鋁-鎂合金來形成處理室元件自身。元件表面經(jīng)過陽極處理，之后再暴露于含鹵素的物質(zhì)下。鹵素穿過氧化鋁層擴散以在氧化鋁層之下立即形成保護性鹵化鎂層。鹵化鎂層使產(chǎn)品的表面抗腐蝕，而氧化鋁層保護下方的鹵化鎂層。盡管這種方法提供了良好的抗腐蝕性，但它也代價高昂，因為鋁-鎂合金難以制造。
因此，需要對激發(fā)氣體可顯示出更高抗腐蝕性的鋁元件。還需要帶有氧化鋁涂層的鋁元件，所述氧化鋁涂層顯示出更高的抗腐蝕性并且不易受侵蝕和從鋁產(chǎn)品剝落。而且需要表面雜質(zhì)含量水平較低的鋁元件。
發(fā)明內(nèi)容
經(jīng)過噴涂的鋁元件可用于襯底處理室中，并包括鋁主體、形成于鋁主體上的陽極化氧化鋁層、以及陽極化氧化鋁層上的包括氧化鋁的濺射層。
參考下列說明、所附權(quán)利要求以及圖示了本發(fā)明示例的附圖，可以更好地理解本發(fā)明的各個特征、方面和優(yōu)點。但是，應(yīng)當(dāng)明白，每個特征一般都可以用在本發(fā)明中，而不僅僅是在特定附圖的上下文中，并且本發(fā)明包括這些特征的任意組合。
圖1是襯底處理室的局部剖視側(cè)視圖，該襯底處理室具有根據(jù)本發(fā)明的帶有涂層的鋁元件；圖2A到2C是形成具有涂層的鋁元件的方法中各個階段的剖視圖；圖3是適于進行該方法的各個步驟的陽極化裝置制造具有涂層的鋁元件的原理圖；圖4是襯底處理室的局部剖視圖，該襯底處理室適于進行制造具有涂層的鋁元件的方法的各個步驟；并且圖5是適于沉積第二氧化鋁層的示例性物理氣相沉積處理室。
具體實施方式
圖1示出了示例性傳統(tǒng)處理室20，其用于半導(dǎo)體襯底制造工藝例如化學(xué)氣相沉積或刻蝕。處理室20一般包括圍護壁24，該圍護壁24包括頂板28、側(cè)壁32和底板36，并包圍著處理區(qū)域40。處理室20還可以包括襯墊44，其至少襯墊著處理區(qū)域40附近的一部分圍護壁24。處理氣體經(jīng)過供氣道48引入處理室20中，供氣道48包括處理氣源52和氣體分配器56。氣體分配器56可包括帶有一個或多個氣流閥64的一個或多個導(dǎo)管60，以及圍繞襯底支撐座100周邊的一個或多個氣體入口68，襯底支撐座100具有襯底容納表面102以容納襯底26?；蛘?，氣體分配器可包括將處理氣體從頂板28分配到處理區(qū)域40的噴頭氣體分配器(未示出)。用過的處理氣體和刻蝕劑副產(chǎn)物經(jīng)過排氣裝置72從處理室20排出，排氣裝置72可包括容納來自處理區(qū)域40的用過的處理氣體的泵送通道76、控制處理室20中處理氣體壓力的節(jié)流閥80以及一個或多個排氣泵84。
處理室元件22(包括例如圍護壁24、襯墊44、襯底支撐座100、供氣道48、氣體激發(fā)器92、排氣裝置72和襯底輸送裝置96中一個或多個的至少一部分)通常暴露在腐蝕性含鹵素的物質(zhì)下。特別地，腐蝕劑是通常用于對處理室元件進行等離子清潔的氣體混合物。
某些處理室元件22是用鋁材料通過將鋁或鋁合金成形為一定形狀而制造的，所述形狀是處理室20中元件22的功能所需要的。例如，鋁元件22可包括帶有平面部分、彎曲部分、凸耳、凸緣、孔及其他幾何配置的形狀。元件22可通過若干工藝步驟形成，包括鍛造、機加工、模制、沖壓或者這些與其他制造工序的組合。元件22的鋁或鋁合金是根據(jù)元件22的制造要求和功能要求而選擇的。例如，元件22的形狀和大小可能決定了鋁或鋁合金所需的材料性質(zhì)。
在一種形式中，元件22的鋁或鋁合金是被稱為LPTM鋁合金的鋁合金，它是Lin等人在轉(zhuǎn)讓給加利福尼亞州Santa Clara的Applied Materials，Inc.的美國專利公開2003/0150530中說明的一種鋁合金。LPTM是AppliedMaterials，Inc.的商標(biāo)。LPTM鋁合金的優(yōu)點是由于其可以得到更高質(zhì)量的陽極處理鋁涂層。在LPTM鋁合金中，活動的和非活動的雜質(zhì)的含量控制在特定范圍之內(nèi)。具體而言，這樣的鋁合金應(yīng)當(dāng)具有下列重量百分比的組分鎂含量從約3.5％到約4.0％，硅含量小于0.03％，鐵含量小于0.03％，銅含量從約0.02％到約0.07％，錳含量從約0.005％到約0.015％，鋅含量從約0.08％到約0.16％，鉻含量從約0.02％到約0.07％，鈦含量小于0.01％，其他單一雜質(zhì)每種不超過約0.03％，其他的總雜質(zhì)不超過約0.1％。
此外，還要求LPTM鋁合金在由活動雜質(zhì)形成的微粒方面滿足特殊規(guī)格。在雜質(zhì)混合物的微粒凝聚中，所有微粒的至少95％必須小于5微米的尺寸。5％的微粒尺寸可以從5微米到20微米。最后，不超過0.1％的微?？梢源笥?0微米，沒有大于40微米的微粒。
在另一種形式中，元件22的鋁或鋁合金可能是鋁-鎂-硅合金例如6061鋁合4金，它的優(yōu)點是由于它是一種普通并且易于得到的材料。在其他形式中，元件22的鋁或鋁合金可能是鋁-鎂合金例如5000系列(5xxx)鋁合金(例如5005，5050，5052，5083，5086，5144，5357，5447，5454，5456或5457鋁合金)。
當(dāng)暴露在處理室20中的腐蝕性環(huán)境之下時，鋁元件22易與鹵素如氯、氟和溴反應(yīng)而產(chǎn)生化合物，該化合物可能從元件22的表面剝落或在其中產(chǎn)生空隙。這使元件22受到侵蝕，并且還是處理室20的微粒污染的一個來源。
在一種形式中，通過元件22表面上形成保護性涂層使元件22受到保護并且處理室20的污染減小到最低。圖2A到2C示出了鋁元件22在其制造中的的截面?zhèn)纫晥D，圖3是圖示了在鋁元件22上形成保護性涂層的過程的流程圖。參考圖2A-2C以及圖3，可對元件22容納保護性涂層的表面116進行處理以便容納保護性涂層(步驟300)。在形成涂層之前對表面116進行的處理可對制造的速度和容易程度以及最終的保護性涂層質(zhì)量都帶來好處。
在一種形式中，元件22的表面116的處理包括通過進行珠光處理(bead blasting process)使表面116粗糙化，所述珠光處理是將珠狀微粒拋射向表面116。珠光處理使鋁元件22的表面116形成合適的表面粗糙度和其他特性。例如，珠光處理可以蝕去元件表面116的特征的過于銳利的棱邊和角，從而使得到的表面116中不存在可能對上面的覆蓋層引起應(yīng)力的特征。珠光處理還可以使元件表面116的某些部分具有紋理以提高材料對表面116的粘附性。例如，與完全光滑的表面相比，沉積材料可以更好地粘附到帶有受控紋理的表面。
在珠光處理中，通過增壓到足夠高壓力的氣體將堅硬的珠狀微粒流拋射向元件22的表面116，以使珠狀微粒從表面116上侵蝕并除去材料。例如，合適的壓力可以是從約20psi到約110psi。理想的珠狀微粒包括硬度高于表面116的材料。例如，粗砂微?？砂ㄑ趸X、石榴石、氧化硅、金剛砂、玻璃、硅石、硬塑料或其混合物。還可以選擇珠狀微粒的大小來影響對表面116進行的珠光處理所產(chǎn)生的特征的尺寸。例如，珠狀微粒的粒度可以是約100到約200。還可以選擇珠狀微粒相對于元件表面116的入射角度和珠狀微粒從其來源到元件22所行進的噴距(standoff distance)以得到表面116所需的粗糙度。例如，珠狀微粒相對于元件表面116的入射角度可以是約30°到約60°，噴距可以從約7cm到約32cm。在一種形式中，元件22的表面116被粗糙化以具有例如從約100微英寸到約200微英寸的平均粗糙度。
元件22的表面116的處理還可以包括對表面116的清潔以除去雜質(zhì)和松散的微粒。清潔處理還可以除去可能由元件22的制造而殘留的化學(xué)品或材料，例如來自鍛造或機加工處理的油或冷卻液，或者來自模制處理的沙或其他材料。清潔處理還可以對元件22的表面116進行化學(xué)拋光。例如，清潔處理可以從元件22除去材料的外部層。這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。在一種形式中，元件22的表面116浸入溶液中，該溶液包括酸性溶液、有機溶劑、堿性溶液、水、去離子水或其混合物。例如，酸性溶液可包括草酸、磷酸、硝酸、硫酸或其混合物。有機溶劑可包括丙酮、異丙醇或其混合物。堿性溶液可包括氫氧化鈉、氫氧化鉀或其混合物。此外，還可以將表面浸入包括不同組分和濃度的幾種不同溶液中。
例如，在一種形式中，元件22的表面116可以通過(i)將表面116浸入包括有機溶劑的溶液中，(ii)將表面116在水中清洗，(iii)將表面116浸入包括酸的溶液中，以及(iv)將表面116在去離子水中清洗來進行清潔。在步驟(iii)中，溶液可以包括例如在約15℃到約90℃的溫度下重量比為約5％到約50％的硫酸，表面116可以浸入約1分鐘到約30分鐘。在另一個示例中，元件22的表面可以通過(i)將表面116浸入包括硝酸的溶液中，(ii)將表面116在去離子水中清洗，(iii)將表面116浸入包括氫氧化鈉的溶液中，(iv)將表面116在去離子水中清洗，(v)將表面116浸入包括丙酮的溶液中，以及(vi)將表面116浸入包括異丙醇的溶液中來進行清潔。也可以使用例如超聲作用的其他清潔方法。
在對鋁元件22的表面116進行處理后，對表面116進行陽極處理以產(chǎn)生陽極化的氧化鋁層120(步驟302)，如圖2B所示。在陽極化處理的一種形式中，元件22作為電解槽148中的陽極150，例如圖4所示。參考圖2B和圖4，電解槽148包括盛有陽極化溶液164的水池168、電壓源152以及元件22。元件22連接到電壓源152的正極端156，水池168作為陰極154連接到電壓源152的負極端160。元件22的表面116浸入陽極化溶液164中，陽極化溶液164包括例如具有含氧離子的含水電解液。從電壓源152對陰極154和陽極150施加偏壓使元件22的表面116積聚正電荷，將溶液中帶負電荷的電解質(zhì)物質(zhì)吸引到表面116。帶負電荷的物質(zhì)中的氧與元件表面116的鋁化合形成第一陽極化氧化鋁層120。
可以對陽極化條件(例如陽極化溶液164的濃度和組分、電壓源152提供的電壓和電流以及進行操作所處的溫度)進行選擇以得到具有所需厚度和結(jié)構(gòu)特性的陽極化氧化鋁層120。適當(dāng)?shù)年枠O化溶液164可包括例如硫酸、鉻酸、草酸、磷酸、水或其混合物。還可以使用其他適當(dāng)?shù)年枠O化條件，例如不同的陽極化溶液組分和其他電解液。例如，在一種形式中，鋁元件22在包括重量比為15％的硫酸、重量比為1％的鉻酸以及水的陽極化溶液164中進行陽極處理。鋁元件22在約15℃到約40℃的溫度下進行約1分鐘到約30分鐘的陽極處理。在陰極154與陽極150之間施加的電壓為約10伏到約100伏，電流限制在約0.5安到約5安。
陽極化氧化鋁層120的表面124通常帶有表面特征128，例如缺陷、斷裂、裂紋、氣孔和其他的偏離平面性的因素。這些表面特征128通?？稍陉枠O化氧化鋁層的表面上發(fā)現(xiàn)。表面特征128既來自陽極處理過程所產(chǎn)生的層，也可由其他來源(例如下層的鋁元件22中及其表面116上的雜質(zhì))引起。但是，對于陽極化氧化鋁層120能夠為下方的鋁元件22提供的保護而言，表面特征128的因素是不利的。例如，延伸入陽極化氧化鋁層120的表面特征128允許侵蝕劑(例如在襯底26的處理過程中存在于處理室20中的氣體和等離子體)進入氧化鋁層120的內(nèi)部，從而減小了對下方的鋁元件22提供保護的層120的厚度。
為了減小或消除表面特征128的不利效果，用物理氣相沉積(PVD)或濺射處理在陽極化氧化鋁層120上形成另一個氧化鋁層132(步驟304)。如圖2C所示，濺射的氧化鋁層132填補并消除表面特征128，從而在元件的暴露表面上形成密封層。
圖5示出了適于沉積第二氧化鋁層132的示例性處理室。處理室506包括濺射沉積室，也稱為物理氣相沉積室或PVD室，它能夠?qū)⒉牧蠟R射沉積到襯底504上，所述材料包括鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、銅、鎢、氮化鎢以及鋁中的一種或多種。此處襯底504是帶有陽極化氧化鋁層120的鋁元件22。處理室506包括圍護壁518，其包圍著處理區(qū)域509并包括側(cè)壁564、底板566和頂板568。其他的處理室壁可包括一個或多個護罩520，其將圍護壁518與濺射環(huán)境屏蔽開來。
處理室506包括襯底支撐座514將襯底504支撐在濺射沉積室506中。襯底支撐座514可以是電浮的，或者可以包括由電源572(例如射頻電源)提供偏壓的電極570。襯底支撐座514還可以包括可動的百葉窗片533，當(dāng)未放置襯底504時，該窗片可保護支撐座514的上表面534。在操作中，將襯底504通過處理室506的側(cè)壁564中的襯底裝載入口(未示出)引入處理室506中并置于支撐座514上。支撐座514可以由支撐座升降膜盒升高或降低，在將襯底504輸送進和輸送出處理室506期間，可以用升降指狀組件(未示出)將襯底504升高或降低到支撐座514上。
通過氣體傳送系統(tǒng)512(包括處理氣體貯備)將處理氣體(例如濺射氣體)引入處理室506中，所述氣體貯備包括一個或多個氣源574，每個氣源向?qū)Ч?76供給氣體，所述導(dǎo)管576帶有氣流控制閥578(例如質(zhì)量流量控制器)以使設(shè)定流速的氣體通過。導(dǎo)管576可以將氣體供給混合集流腔(未示出)，氣體在混合集流腔中混合以形成所需的處理氣體組分?；旌霞髑幌驓怏w分配器580供給氣體，氣體分配器580在處理室506中有一個或多個氣體出口582。
處理氣體可以包括惰性氣體如氬或氙，它能夠以高能量撞擊到靶材上并從其濺射材料。處理氣體還可以包括活性氣體如含氧氣體和含氮氣體中的一種或多種，它能夠與被濺射的材料反應(yīng)而在襯底504上形成覆蓋層例如氧化鋁。用過的處理氣體和副產(chǎn)物經(jīng)過包括一個或多個排氣口584的排氣裝置523從處理室506排出，所述排氣口584接納用過的氣體并將用過的氣體傳遞到排氣導(dǎo)管586，在排氣導(dǎo)管586中有節(jié)流閥588控制處理室506中氣體的壓力。排氣導(dǎo)管586向一個或多個排氣泵590供給氣體。通常處理室506中濺射氣體的壓力設(shè)定在負壓水平。
濺射室506還包括面向襯底504的表面505并包括待濺射到襯底504上的材料(例如鋁)的濺射靶材524。靶材504由環(huán)形絕緣環(huán)532與處理室506電絕緣，并連接到電源592。濺射室506還具有護罩520以保護處理室506的壁518與濺射材料隔開。在一種形式中，電源592、靶材524和護罩520中的一個或多個用作氣體激發(fā)器516，該激發(fā)器能夠使濺射氣體激發(fā)以從靶材524上濺射材料。電源592相對于護罩520對靶材524施加偏壓。所施加的電壓在處理室506中產(chǎn)生的電場使濺射氣體激發(fā)以形成等離子體，等離子體以高能量撞擊到靶材上并對其轟擊以將材料濺射離開靶材524并到達襯底504上。具有電極570的支撐座514和支撐座電極電源572還可以通過使從靶材524濺射的離子化材料激發(fā)并朝向襯底504加速而用作氣體激發(fā)器516的一部分。此外，還可以設(shè)置由電源592供電并位于處理室506內(nèi)的氣體激發(fā)線圈535以提供更高的激發(fā)氣體特性，例如提高的激發(fā)氣體密度。氣體激發(fā)線圈535可由線圈支撐座537支撐，該線圈支撐座537安裝在護罩520或處理室506中其他壁上。
處理室506可由包括程序代碼的控制器594控制，該程序代碼具有操作處理室506的元件以處理處理室506中的襯底504的指令組。例如，控制器594可包括襯底定位指令組，其操作襯底支撐座514以及襯底輸送裝置中的一個或多個來定位處理室506中的襯底504；氣流控制指令組，其操作氣流控制閥578來設(shè)定到處理室506的濺射氣體流；氣壓控制指令組，其操作排氣節(jié)流閥588來維持處理室506中的壓力；氣體激發(fā)器控制指令組，其操作氣體激發(fā)器516以設(shè)定氣體激發(fā)功率水平；以及處理監(jiān)視指令組，其監(jiān)視處理室506中的處理。
在一種形式中，通過引入濺射氣體(包括如氬的惰性氣體及含氧氣體)以及對鋁靶材524施加電壓來用濺射室506形成濺射的氧化鋁層132。在沉積過程中，來自靶材524的鋁離子與含氧氣體反應(yīng)而在襯底504上形成氧化鋁層132。
陽極化氧化鋁層120和濺射氧化鋁層132的厚度選擇為使保護性涂層的效能最大而使不利因素(例如處理涂層的時間和成本，以及過厚的涂層易從下面的鋁元件22剝離的趨勢)最小。在一種形式中，在下面的鋁元件包括標(biāo)準6061鋁合金時，陽極化氧化鋁層120的厚度為約15到約35微米，例如約25微米(近似為1mil)，濺射氧化鋁層132的厚度為約2微米到約5微米。在另一種形式中，當(dāng)下面的鋁元件包括LPTM鋁合金時，陽極化氧化鋁層120的厚度一樣，但濺射氧化鋁層132的厚度減小為約1微米到約2微米。
在形成氧化鋁層132的方法中，相對于其他沉積氧化鋁層的處理如化學(xué)氣相沉積(CVD)和等離子噴涂處理，PVD或濺射處理是優(yōu)選的。已經(jīng)觀察到濺射氧化鋁層132優(yōu)于CVD氧化鋁層，因為PVD處理沉積的氧化鋁層132致密適形、氣孔率很低，而CVD處理沉積的氧化鋁層氣孔率高，因此其抗腐蝕性能較差。
以其高密度和低氣孔率為特征的濺射氧化鋁層132有效地保護了下面的陽極化氧化鋁層120和下方的鋁元件22不受腐蝕性氣體損害，還防止了鋁元件22中的雜質(zhì)離開鋁元件22擴散到處理室20中。因此，兩層保護性涂層使元件22受到的腐蝕性氣體影響更小，從而提高了元件的耐用性和壽命，并防止了雜質(zhì)逸出元件20，從而大大降低了處理室20中的污染。
盡管示出并說明了本發(fā)明的示例性實施例，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以設(shè)計出結(jié)合了本發(fā)明的其他實施例，它們也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，除了具體提到的那些之外，下面的結(jié)構(gòu)也可以形成處理室元件22的某些部分。此外，術(shù)語下面、上面、底部、頂部、向上、向下、第一和第二以及其他表示相對或位置關(guān)系的術(shù)語是參照附圖中的示例性實施例示出并可以互換的。因此，所附權(quán)利要求不應(yīng)當(dāng)局限于此處為闡明本發(fā)明而描述的優(yōu)選示例、材料或空間布置的說明。
權(quán)利要求1.一種用于襯底處理室的抗腐蝕鋁元件，包括a)鋁主體；b)形成于所述鋁主體上的陽極化氧化鋁層；以及c)所述陽極化氧化鋁層上的濺射層，所述濺射層包括氧化鋁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁元件，其中所述陽極化氧化鋁層包括從約15微米到約35微米的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁元件，其中所述鋁元件包括鋁-鎂-硅合金，并且其中所述濺射層包括從約2微米到約5微米的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁元件，其中所述濺射層包括從約1到約2微米的厚度。
專利摘要一種具有多層涂層的抗腐蝕鋁元件，可用于襯底處理室中，并包括鋁主體、形成于鋁主體上的陽極化氧化鋁層、以及陽極化氧化鋁層上的包括氧化鋁的濺射層。
文檔編號H01L21/02GK2935467SQ200620000359
公開日2007年8月15日 申請日期2006年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月18日
發(fā)明者阿施施·布特那格爾, 拉克斯曼·牧魯格施 申請人:應(yīng)用材料公司