[发明专利]一种应用于石英基材的碳化硼梯度涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及半导体刻蚀机内衬及石英表面防蚀处理技术领域，具体涉及一种应用于石英基材的碳化硼梯度涂层。所述涂层，包括依次喷涂在石英基材表面的第一涂层，由第一百分含量的二氧化硅粉末和第二百分含量的碳化硼粉末混合喷涂而成，第一百分含量和第二百分含量之和为100%；第二涂层，由第三百分含量的二氧化硅粉末和第四百分含量的碳化硼粉末混合喷涂而成，第三百分含量和第四百分含量之和为100%；碳化硼涂层，为纯碳化硼粉末喷涂而成；第三百分含量小于第一百分含量。本发明还涉及一种所述梯度涂层的制备方法。本发明的梯度涂层组分和结构的梯度变化可以降低或消除界面、物性突变和界面应力，提高石英基材和碳化硼涂层界面结合强度。

技术领域

本发明涉及半导体刻蚀机内衬及石英表面防蚀处理技术领域，具体涉及一种应用于石英基材的碳化硼梯度涂层及其制备方法。

背景技术

目前，低温等离子体微细加工方法是材料微纳加工的关键技术，它是微电子、光电子、微机械、微光学等制备技术的基础，特别是在超大规模集成电路制造工艺中，有近三分之一的工序是借助于等离子体加工完成的，如等离子体薄膜沉积、等离子体刻蚀及等离子体去胶等。其中等离子体刻蚀为最关键的工艺流程之一，是实现超大规模集成电路生产中的微细图形高保真地从光刻模板转移到硅片上的不可替代的工艺。

在刻蚀工艺过程中，刻蚀气体（主要是F基和Cl基的气体）通过气体流量控制系统通入反应腔室，在高频电场（频率通常为13.56MHz）作用下产生辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成等离子体。在等离子体中，包含由正离子、负离子、游离基和自由电子。游离基在化学上很活波、它与被刻蚀的材料发生化学反应，生成能够由气流带走的挥发性化合物，从而实现化学刻蚀。但同时在刻蚀过程中产生的大量F和Cl自由基对刻蚀工艺腔及石英罩也会产生腐蚀作用，影响刻蚀效果。早期的90年代的刻蚀设备中，在较小功率和单一等离子体发生源的情况下，使用阳极氧化在工艺腔内表面Al层加上Al₂O₃涂层再封孔就可以满足等离子体对腔室的蚀刻损伤。

随着晶片尺寸的增大，进入到300mm设备，随着射频功率越来越大，等离子体对刻蚀工艺腔内表面的损伤也越来越大，可能造成涂层脱落，等离子体直接作用于基体，导致颗粒污染，半导体设备零部件的寿命受到更高功率的限制。研究表明，使用等离子体喷涂的Y₂O₃涂层，具有更加稳定的耐等离子侵蚀性能，直接的好处便是延长半导体设备零部件的寿命和减少颗粒，并且和CF系气体生成的反应产物YF₃蒸汽压低，其颗粒难以飞散。目前，以Y₂O₃粉末作为喷涂材料，利用大气等离子喷涂方法，在刻蚀工艺腔内表面制备出单一结构的Y₂O₃耐腐蚀涂层是一种普遍采用的方法。

相比于Y₂O₃，碳化硼（B₄C）又有其独特的优势。它不仅具有超硬、高熔点、密度低等一系列的优良物理性能，同时还有优异的化学稳定性，能抵抗酸、碱腐蚀，并且不与大多数熔融金属润湿和发生作用。因此碳化硼是优良的抗腐蚀材料，可用于耐酸、碱零部件的加工。由于碳化硼材料与半导体工艺的兼容性好，因此非常适合用作半导体零部件的耐腐蚀涂层。

制备B₄C涂层主要的方法有：化学气相沉积(CVD)、反应烧结和等离子喷涂等。大气等离子喷涂是用N₂、Ar、H₂及He等作为离子气，经电离产生等离子高温高速射流，将输入材料熔融或半熔融喷射到工作表面形成涂层的方法。其中的等离子电弧温度极高，足够熔化所有的高熔点陶瓷粉末。大气等离子喷涂工艺中，气体环境会对涂层的最终性能有很大程度的影响。气体的选择原则主要是考虑实用性和经济性。具体的要求是：（1）性能稳定，不与喷涂材料发生有害反应；（2）热焓高，适合于难熔材料，但又不应过高而烧蚀喷嘴；（3）应选择与电极或喷嘴不发生化学作用的气体；（4）成本低廉，供应方便。