CN120977856B

CN120977856B - 石英部件及保护方法、等离子体设备及等离子体处理方法

Info

Publication number: CN120977856B
Application number: CN202511483554.6A
Authority: CN
Inventors: 蔡宗祐; 王兆祥; 梁洁; 彭国发; 方文强; 黄海栋
Original assignee: Shanghai Bangxin Semiconductor Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Bangxin Semiconductor Technology Co ltd
Priority date: 2025-10-17
Filing date: 2025-10-17
Publication date: 2026-02-03
Anticipated expiration: 2045-10-17
Also published as: CN120977856A

Abstract

本发明涉及一种石英部件及保护方法、等离子体设备及等离子体处理方法，应用于半导体加工设备技术领域。其中，保护方法包括：采用氯基等离子体选择性去除石英部件表面既有的金属化合物钝化层；随后，沉积新的金属化合物钝化层，利用新的金属化合物钝化层提供抗氟侵蚀保护。通过金属化合物钝化层对氟基等离子体的刻蚀速率远低于其对石英材料的刻蚀速率，且对氢、氧等离子体具有优异的阻隔性能，只需要清洗和再沉积的循环过程，能够在每次工艺前形成一致的腔室环境提供保护，有效保护石英部件免受侵蚀性等离子体攻击，显著延长其寿命，减少工艺微粒，提高工艺稳定性。

Description

石英部件及保护方法、等离子体设备及等离子体处理方法

技术领域

本发明涉及半导体制造设备技术领域，尤其涉及一种适用于等离子体设备（如刻蚀设备、化学气相沉积CVD设备）腔体内部的石英部件及保护方法、等离子体设备及等离子体处理方法。

背景技术

在半导体芯片制造过程中，等离子体刻蚀、化学气相沉积（CVD）是关键工艺步骤。石英因具有优异的介电性能、高纯度和良好的热稳定性，常被用于作为这些工艺设备的腔室视窗、气体分布板、聚焦环等关键零部件。尤其是在射频能量引入腔室的窗口部位，石英是首选的窗口材料。

然而，随着工艺技术的进步，尤其是先进逻辑和存储芯片制造中引入的高氢、高氧等离子体工艺环境（如基于H₂的去胶工艺、基于O₂的灰化工艺等），石英材料暴露于这些活性等离子体中容易受到侵蚀，导致表面微粗糙化、产生微颗粒等，而且这些颗粒会污染晶圆表面，导致器件缺陷和良率下降等问题。此外，石英部件的频繁更换也增加了设备维护成本和停机时间。

目前，业界中未见针对石英部件进行有效保护的方案。而且，针对等离子体设备腔体内部进行日常维护的方法通常有：氟基清洗（带片或不带片）、氧等离子清洗以及氟基清洗后沉积氧化硅保护层等，这些维护方案不仅无法有效保护石英部件，甚至在清洗、沉积等过程中加剧了石英部件损耗。

因此，迫切需要一种针对设备腔体内部石英部件的新型保护方法，能够有效阻隔高活性等离子体对石英的直接侵蚀。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于等离子体处理设备（如刻蚀设备、化学气相沉积CVD设备等）的腔体内部石英部件及保护方法、等离子体设备及等离子体处理方法，特别适用于在高氢、高氧等离子体工艺环境下，能够显著地延长设备内石英部件的寿命，减少微粒污染，提高工艺稳定性。而且，在能够有效阻隔高活性等离子体对石英的直接侵蚀外，还能够不影响现有的等离子体工艺，并便于集成到现有设备与工艺中。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于等离子体处理设备的石英部件表面处理方法，其核心在于：在主工艺（如刻蚀、沉积）之前，执行一个“氯基等离子清洗→钝化层沉积”的循环预处理过程。该预处理过程首先利用氯基等离子体彻底清除前次工艺后残留在石英部件和腔体内部等表面上耐氟侵蚀性的钝化层及可能附着的其他污染物，然后立即在洁净的腔体和石英件表面重新沉积一层致密、均匀的新钝化层。此钝化层在主工艺执行过程中作为牺牲层，有效阻隔氢、氧活性物对下层石英材料的直接攻击。主工艺完成后，该钝化层可在下一次预处理中被氯基等离子体高效、选择性地去除，而不损伤石英基底，从而形成一个可循环的保护机制。

本发明充分利用了氯基等离子体对包含有金属化合物的钝化层（比如氧化铝（Al₂O₃）的钝化层）和二氧化硅（SiO₂）极高的刻蚀选择比。在该化学体系中，氯自由基对Al₂O₃的刻蚀速率远高于对SiO₂的刻蚀速率，这使得清洗步骤能精准地移除钝化层而不对石英部件造成实质性损耗。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

显著延长石英寿命：通过钝化层的物理阻隔，避免了石英与侵蚀性等离子体的直接接触，可将石英部件的使用寿命延长数倍；

减少微粒污染：极大地减少因石英表面侵蚀而产生的微粒，提高晶圆产品的良率；

提升工艺稳定性：每次工艺前腔室内表面状态（比如均为新鲜的氧化铝表面）高度一致，这样每次工艺实施的氛围会非常一致，保证了工艺结果的重复性和稳定性；

兼容性好：该方法易于集成到现有的设备与工艺路线中；

综合成本低：虽然增加了预处理步骤，但因其大幅减少了石英部件的更换频率和腔体维护时间，综合生产成本更低。

附图说明

图1是石英部件被氟侵蚀过程的示意图；

图2是石英部件表面在被氟侵蚀前后的电镜对比示意图；

图3是氯基和氟基等离子体对常见材料具有不同选择比的对比示意图；

图4是本发明中采用钝化层抗氟侵蚀的机理示意图；

图5是石英部件表面采用本发明保护措施在被氟侵蚀前后的电镜对比示意图；

图6是本发明采用氯基清洗和再沉积形成抗氟侵蚀钝化层的过程示意图；

图7是本发明中采用Al₂O₃作为抗氟侵蚀金属化合物钝化层的Al₂O₃沉积示意图；

图8是本发明中采用AlN作为抗氟侵蚀金属化合物钝化层的AlN沉积示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践。

等离子体工艺（比如等离子体刻蚀、化学气相沉积（CVD））是半导体生产中的关键工艺步骤。目前在工艺设备内部用作腔室视窗、气体分布板、聚焦环等关键零部件通常有石英部件和陶瓷部件两大类，因石英具有优异的介电性能、高纯度和良好的热稳定性等优异特性，尤其是在射频能量引入腔室的窗口部位，因石英具有90%高透过率，而陶瓷透过率不足60%，窗口材料通常首选石英。

但是，因等离子体工艺通常是含氟工艺，而氟等离子体能够对石英侵蚀，导致石英部件损耗快，特别是石英部件表面被氟侵蚀后，石英部件表面快速粗糙化（见图1和图2示出的石英表面被氟侵蚀前后电镜结果图示），甚至是石英部件表面在工艺过程中形成污染颗粒物导致晶圆受到污染。

针对石英受到氟侵蚀的问题，对侵蚀原因进行以下探索和分析：

参考图1示意，因石英的主要成分是二氧化硅（SiO₂），其结构是由硅原子（Si）和氧原子（O）通过强共价键连接成非常稳定的三维网络结构，普通酸（如HCl，H₂SO₄，HNO₃）一般难以破坏该稳定的Si-O键（见图1示意的实线表示的Si-O键）。

但是，氟离子（F^-）的独特之处在于：它能与硅原子（Si）反应后形成非常稳定的六氟硅酸根离子。具体的机理示意如下：氟侵蚀过程是F^-攻击Si原子，即电负性极强的F^-会强烈地吸引并攻击三维网络结构中带部分正电荷的Si原子，使得F^-与Si结合，导致原有的Si-O键断裂（见图1示意的虚线表示的Si-O键），最终一个SiO₂单元被六个F^-包围（图1中未示出），形成六氟硅酸根离子，该离子可溶于水，从而从石英表面脱离，造成石英表面受到侵蚀（见图1或图2示意的被氟侵蚀后石英表面粗糙化结果）。

另外，由于石英是各向异性晶体，不同晶面的原子排列密度和键的强度略有不同，氟侵蚀速率在不同方向上快慢不一，导致最终会形成特定的侵蚀形貌，原本光滑的石英表面会变得异常粗糙，石英表面布满纳米级或微米级的侵蚀坑（见图1或图2示意的被氟侵蚀后石英表面粗糙化结果中的丘状、三角坑等），这些侵蚀坑能够导致石英部件性能显著下降，缩短了石英部件使用寿命。还有，更严重的情形还在石英缺陷表面形成污染颗粒物，导致晶圆加工工艺中污染晶圆，降低了晶圆加工质量，增加了成本。

目前，通行做法是在停产时，将损耗的石英部件及时从设备腔内取走并更换新的石英部件，不仅增加了维护成本，也降低了生产产能。

因此，如何抑制氟侵蚀石英部件表面是亟需解决的紧迫难题。

如果能够在设备腔内完成石英部件防氟侵蚀的保护措施，则设备可以保持在生产线上，只需要在设备中增设一道或多道相关处理工艺，从而利用该处理工艺对这些石英部件进行表面保护处理，以此阻止石英部件表面被氟侵蚀。需要说明的是，虽然设备上多增设了防氟侵蚀处理工艺，但是处理工艺并不需要设备下线停机来拆装这些石英部件，且处理工艺能够在设备内部完成石英部件表面保护处理，以及处理工艺还不会影响后续生产工艺，则增加的处理工艺对于设备的产能影响基本可以忽略，很好地避免了设备产能的损失。

在上述改进思路的指引下，本发明继续对半导体制造设备生产工艺及石英部件表面预防氟侵蚀的机理作深入调研分析，进一步还发现：氯基等离子体能够对石英（SiO₂）和一般金属化合物钝化层（比如氧化铝Al₂O₃、氮化铝AlN、氧化钇Y₂O₃、氧化镧La₂O₃、氧化钆Gd₂O₃、氧化铒Er₂O₃、氮化钛TiN、氮化硅等）具有较大的选择比，以及氟基对石英（SiO₂）和一般金属化合物钝化层也具有较大的选择比。

例如，对SiO₂和Al₂O₃进行对比分析得知，由于Si-O键的键能较大（比如约799 kJ/mol），而Al-O键的键能较小（比如约501 kJ/mol），因而Si-O键比Al-O键坚固得多，所以在氯基等离子体中，单纯的氯自由基或氯离子很难直接、有效地断裂Si-O键，而氯自由基或氯离子较容易断裂Al-O键。另外，氯基等离子体对Al₂O₃陶瓷层材料进行刻蚀中，刻蚀产物为AlCl₃，AlCl₃的生成是高度放热，该反应在化学上更容易发生，而且沸点为180℃，生成焓为-584kJ/mol，通过加热基片（比如提高样品台温度至200℃以上）可以非常有效地提升刻蚀速率，使其达到100-200 nm/min的水平。

参考图3示意，氯基对SiO₂的刻蚀速率远远慢于对这些钝化层的刻蚀速率，而氟工艺中氟基对于SiO₂的侵蚀速率远远快于对这些钝化层的刻蚀速率，这里等离子体对不同材料的刻蚀速率可以理解为选择比。

虽然氮化钛（TiN）在氯基情况下表现出独特的行为，即氟基对其刻蚀速率高于氯基，但是因氯基对氮化钛与SiO₂仍然具有较高选择比，因而氮化钛仍然适合作为抗氟侵蚀的钝化层；以及，氮化硅（Si₃N₄）在氯基下也表现出独特的行为，对氯基和氟基的刻蚀速率相近，但是因氯基对氮化硅与SiO₂仍然具有较高选择比，因而氮化硅仍然适合作为抗氟侵蚀的钝化层。因此，在选择钝化层时，可以根据钝化层与SiO₂的选择比来优选出适合作为半导体制造工艺中石英部件表面抗氟侵蚀的钝化层。

需要说明的是，本发明中的选择比可以指这些钝化层与SiO₂之间的不同刻蚀速率之比，比如在氯基作用下氯基对钝化层与SiO₂之间的不同刻蚀速率之比，这时当选择比大于1，意味着氯基对钝化层的刻蚀快于对SiO₂的刻蚀，从而可以将这种情形下的含氯气体优选为本发明中进行清洗步骤的工艺气体作为优选实施方式。例如，氯基对Al₂O₃刻蚀快，对SiO₂刻蚀慢，特别是氯基对Al₂O₃的刻蚀远快对SiO₂的刻蚀，因而氯基作为清洗步骤的工艺气体时，具有非常高的高选择比。

本发明中选择比可以是高于5:1，也可以定义为更高或更低的选择比。

因此，如果能够利用氯基和氟基对于不同材料具有较大的选择比特性，进而先利用氯基等离子体清洗石英表面，然后在石英表面形成耐氟基侵蚀的钝化层，从而可以利用该钝化层来防止石英表面被氟侵蚀。

参考图4示意，以致密的包含AlN或Al₂O₃金属化合物的钝化层为例进行抗氟侵蚀机理说明如下：致密金属化合物钝化层（如AlN或Al₂O₃致密钝化层）因具有极高的化学稳定性和致密结构，对石英部件表面起到非常好的保护作用，在该致密钝化层的阻挡作用下，氟基被阻挡在外，有效防止了氟基对石英部件表面渗透，避免了石英部件表面被氟侵蚀而变得粗糙化甚至是形成颗粒污染物。需要说明的是，即使半导体制造设备在使用含氟气体进行过多次工艺后，致密钝化层表面也仅仅是形成非常薄且非挥发的稳定氟化层（比如AlF₃），该氟化层还能进一步阻挡氟基对石英部件表面侵蚀，所以石英部件更换频率非常低，具有非常长的使用寿命。另外，本发明中氟侵蚀可以指氟导致石英表面结构破坏，比如石英表面变得很粗糙，以及应力开裂甚至剥落形成颗粒等。

需要说明的是，在使用氯基等离子体对钝化层（比如Al₂O₃）进行清洗时，氯基能够非常有效地去除Al₂O₃钝化层上如图4示意的薄层氟化物AlF₃。工作原理示意如下：在氯基与AlF₃发生化学反应，F被Cl置换后生成易挥发的AlCl₃。因此，通过氯基成功地将难以挥发的薄层氟化物AlF₃，轻松地转化为易挥发的且可以轻松清除的AlCl₃产物，其中该AlCl₃产物可以通过挥发被清除干净，不会对下一步工艺带来影响。

结合图2和图5的示意，全新的石英部件表面无粗糙化形貌，没有采用本发明的保护措施下，该石英部件表面被氟侵蚀后存在严重粗糙化形貌，而采用本发明的保护措施后，被保护过的石英部件表面基本与全新状态相似，无粗糙化形貌，表面了本发明提供的保护措施是有效地保护了石英部件不被氟侵蚀。

基于上述探索，本发明提出一种石英部件保护方案：参考图6示意，针对设备腔体内部石英部件，设备利用原有（或者新增）的管路、控制系统等通入含氯工艺气体（比如氯源气体为示例），并激活为等离子体，使得氯基等离子体对石英部件表面的抗氟侵蚀钝化层（比如Al₂O₃，甚至是多次氟工艺中在Al₂O₃上形成的薄层氟化物AlF₃等）完成氯基清洗过程，从而得到表面干净且未被氟侵蚀过的石英部件。然后，根据需要沉积得到的抗氟侵蚀钝化层通入相应的金属有机前驱体和反应气体进行沉积步骤，比如需要沉积出Al₂O₃钝化层作为抗氟侵蚀保护层，可以通入铝源（比如TEA（即Al(C₂H₅)₃）、TMA（即Al(CH₃)₃）、AlCl₃等）和氧化剂反应气体（比如O₂、N₂O或CO₂等），使得铝源与氧化剂气体等离子体在石英部件表面沉积形成一层致密层（即Al₂O₃致密层），从而利用该Al₂O₃致密层作为防止氟侵蚀钝化层，有效地阻止工艺过程中如NF₃、CF₄、SF₆等含氟气体在等离子激活下氟基对石英部件表面侵蚀。需要说明的是，上述图6示意是以氯基和Al₂O₃作为钝化层作示例说明，其他有利于抗氟侵蚀的钝化层可以参考Al₂O₃示例，本实施示例中不一一列举说明。

综上，氯基等离子体清洗步骤确保了即使存在这氟化层（比如AlF₃层“外壳”），也能被有效打破和清除，从而保证每次清洗都能将钝化层完全去除干净。本发明“氯基清洗+抗氟侵蚀钝化层（比如Al₂O₃）沉积”循环保护处理方式，不仅依赖于氯基对Al₂O₃的高刻蚀速率，也依赖于氯基对氟工艺中在Al₂O₃钝化层表面产生的副产物（如AlF₃）有非常出色的清洁能力。因此，氯基清洗就像一个“全能清洁工”，既能高效地吃掉Al₂O₃钝化层，也能轻松清理掉Al₂O₃钝化层表面非常致密且非挥发的稳定（“顽固”）氟化层残留（比如AlF₃），为下一次沉积新钝化层准备好干净整洁的SiO₂表面。

通过对石英部件表面进行“氯基清洗+抗氟侵蚀钝化层沉积”的循环保护处理方式，在石英部件表面形成致密防护层，比如形成稳定性良好的Al₂O₃、AlN等致密层，从而利用该致密层作为抗氟侵蚀阻挡层，使得石英部件表面不再容易被氟侵蚀，从源头上消除了石英部件表面被氟侵蚀后粗糙化甚至是形成颗粒物污染晶圆芯片的风险。另外，“氯基清洗+抗氟侵蚀钝化层沉积”的循环保护处理过程无需设备停产下线，更无需拆装石英部件，而且只需在设备中增加该循环保护处理过程，从而避免了设备停产下线带来的产能损失，以及所增加的循环保护处理过程，可以利用设备自身条件，在通入相应的反应源后就能完成上述循环保护处理过程，比如在氯基清洗步骤通入氯源气体形成清洗用的氯基等离子体，比如在沉积步骤中通入相应的金属有机前驱体和反应气体（比如沉积Al₂O₃时通入铝源前驱体和氧化剂气体）来沉积出相应的金属化合物钝化层（比如沉积Al₂O₃钝化层），且清洗和沉积的工艺对后续生产工艺带来的影响基本可以忽略不计。

还有，改进前因氟侵蚀导致石英部件需要经常更换，而改进后石英部件能够抗氟侵蚀，基本不需要经常维护，维护周期可以从改进前按月计算延长到按年计算，节约了大量维护成本，显著地提高了设备产能和晶圆良品率。

需要说明的是，本发明“氯基清洗+抗氟侵蚀钝化层沉积”的抗氟侵蚀预处理工艺可以在腔体内有晶圆或无晶圆的状态下均可以实施，对已有工艺影响小。

另外，本领域的技术人员应该理解，本发明中的钝化层可以是以金属化合物或非金属化合物等为主要成分但可能包含因工艺条件而产生的少量其他成分的薄膜层，即本申请中钝化层为包含金属或非金属化合物（或者说基于金属或非金属化合物）的钝化层，该钝化层以金属或非金属化合物为主要功能成分和主要结构成分实现抗氟侵蚀目的，但同时可以允许存在其他非主导的、无意引入的次要成分（如工艺副产物、微量杂质等），所以钝化层可以是以混合物形态出现的金属无机物陶瓷薄膜层，也可以是单纯金属化合物形态出现的金属化合物钝化层。

本发明提供一种等离子体处理设备内石英部件保护方法，包括：

若干个氯基等离子体清洗步骤：向置有石英部件的处理腔室通入含氯工艺气体并激发等离子体，以利用氯基等离子体选择性去除石英部件表面上包含金属化合物的钝化层，其中所述钝化层为在氟基等离子体工艺中抗氟侵蚀的致密钝化层；

若干个沉积步骤：在所述氯基等离子体清洗后，在石英部件表面重新沉积新的所述钝化层，以利用所述钝化层在氟基等离子体工艺中抑制氟基等离子体侵蚀石英部件。

需要说明的是，本申请中钝化层是指在氟基等离子体工艺中能够起到抗氟侵蚀的包含一些金属化合物的致密钝化层，本发明中后续示例中列举了部分的金属氧化物、金属氮化物或其组合等，比如金属化合物可以是氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)、氮化钛（TiN）、氧化钇(Y₂O₃)、氧化镧(La₂O₃)、氧化钆(Gd₂O₃)、氧化铒(Er₂O₃)等一种或多种组合。因此，本领域的技术人员应理解的是，本发明列举的金属氧化物、金属氮化物等可以不限制于此，只要能够起到抗氟侵蚀又能够被清洗工艺清除的包含金属化合物的钝化层均落入本发明保护范围。

在一些实施方式中，所述钝化层对氯基等离子体的被刻蚀速率高于石英对氯基等离子体的被刻蚀速率，且氯基等离子体对所述金属化合物钝化层与石英的刻蚀选择比大于5:1。

在一些实施方式中所述金属化合物包括金属氧化物、金属氮化物或其组合。

在一些实施方式中，所述金属氧化物包括氧化铝、氧化钇、氧化镧、氧化钆、氧化铒中的一种或多种；所述金属氮化物包括氮化铝、氮化钛、氮化硅中的一种或多种。

在一些实施方式中，所述沉积步骤采用等离子体增强化学气相沉积法、热化学气相沉积法或原子层沉积法进行。

在一些实施方式中，当所述金属化合物钝化层为氧化物钝化层时，所述沉积步骤使用金属有机前驱体和氧化剂O₂、O₃、H₂O、H₂O₂或N₂O作为反应源。

在一些实施方式中，当所述金属化合物钝化层为氮化物钝化层时，所述沉积步骤使用金属有机前驱体和氮源气体NH₃气体或N₂/H₂混合气体作为反应源。

在一些实施方式中，当氧化物钝化层为氧化铝钝化层或氮化物钝化层为氮化铝钝化层时，所述金属有机前驱体选自三甲基铝、三乙基铝、三甲基钇、三氯化铝中的一种或多种。

在一些实施方式中，在所述氯基等离子体清洗步骤之后和所述沉积步骤之前，所述方法还包括采用惰性气体进行吹扫步骤和/或真空抽取步骤以去除清洗步骤残留的氯活性物和副产物。

在一些实施方式中，在所述沉积步骤后进行二次吹扫步骤和/或真空抽取步骤以去除沉积步骤的副产物。

在一些实施方式中吹扫步骤使用的载气包括以下至少一种气体：O₂、Ar、He、N₂。

在一些实施方式中，吹扫的流量为100-1000sccm，时间为1-60秒。

在一些实施方式中，所述氯基等离子体清洗使用的工艺气体包括Cl₂、BCl₃、SiCl₄、CCl₄、HCl中的一种或多种。

在一些实施方式中，所述氯基等离子体清洗的工艺参数包括：压力0.001-1Torr，射频功率100-2000W，气体流量50-2000sccm，处理时间5-300秒。

在一些实施方式中，所述钝化层的沉积工艺参数包括：沉积温度20-400℃，压力0.05-20 Torr，射频功率10-500W。

在一些实施方式中，每一个所述沉积步骤形成的钝化层厚度为0.1nm至200nm。

在一些实施方式中，所述氯基等离子体清洗步骤采用终点检测法控制清洗时间，所述终点检测法包括光学发射光谱法监测金属特征谱线强度变化或质谱法监测含金属副产物分压变化。

下面再结合附图，说明本发明各实施例的其他优选技术方案。

实施例1：基于Al₂O₃钝化层对石英部件表面进行保护

结合图6和图7示意，在采用Al₂O₃钝化层对石英部件表面进行保护中，可以利用氯基等离子体先进行氯基清洗步骤，即向置有石英部件的处理腔室通入含氯工艺气体并激发等离子体，从而利用氯基等离子体选择性去除石英部件表面的抗氟侵蚀Al₂O₃钝化层，在清洗后再沉积新的抗氟侵蚀Al₂O₃钝化层。需要说明的是，Al₂O₃钝化层沉积工艺可以参考现有工艺，也可以参考本发明提供的沉积步骤示意。

Step1、氯基等离子体清洗步骤：可以使用氯源气体（比如Cl₂/Ar）等离子体，利用氯基等离子体去除被氟化过的Al₂O₃钝化层，去除中可以通过监测AlCl特征谱线的强度变化作为清除终点的判据。

另外，在清洗步骤中，还可以参考下述各个示例。

清洗的工艺气体，除了Cl₂，亦可使用BCl₃/Cl₂混合气体（如BCl₃：50sccm，Cl₂：100sccm），其中BCl₃有助于增强对金属污染物的去除能力。另外，还可以采用BCl₃、SiCl₄、CCl₄、HCl中的一种或多种气体作为清洗用气体。

压力：可设置在0.1 Torr（高各向异性，方向性强）至1Torr（高各向同性，覆盖性好）之间调节，以适应不同腔室结构和部件形状。

射频功率：对于大型腔室，功率可提高至2000W甚至更高功率，而对于小型腔室，功率可降低至100W甚至更低功率。因此，可以根据腔体类型选择合适功率，以确保等离子体填满整个空间，实现均匀清洗。

终点检测：终点检测法包括光学发射光谱法监测铝特征谱线强度变化或质谱法监测含铝副产物分压变化。因此，除光学发射光谱（OES）监测手段外，也可使用质谱仪监测AlClx⁺等碎片离子的信号变化作为终点判据，使得精度更高。

在氯基清洗步骤之后，可以采用惰性气体进行吹扫步骤和/或真空抽取步骤以去除清洗步骤残留的氯活性物和副产物。例如，吹扫的流量可以设置为100-1000sccm，时间为1-60秒；吹扫步骤使用的载气可以包括以下至少一种气体：Ar、He、N₂。除了吹扫方式外，也可以通过真空抽取步骤去除清洗步骤的副产物，具体真空抽取可以根据实际情况开展，这里不作具体限定。

在一些示例中，氯基等离子体清洗采用Cl₂作为主要工艺气体时，流量可以进一步降低到80-200sccm，压力为0.3-1Torr，射频功率为300-800W，更有利于在不同设备中开展工艺实施。

Step2、沉积Al₂O₃钝化层步骤。

例如，先将腔室温度控制在150℃左右，然后通入载气Ar，流量为30 sccm，该Ar气流经一个保持在40℃的TMA气泡器，携带TMA蒸汽进入腔室；

同时通入O₂气体，流量为300 sccm；

通入N₂气作为补充气体，流量为100 sccm，以维持腔室压力稳定和气体均匀分布；

调节腔室压力至1 Torr，施加射频功率（13.56 MHz）120 W，激发等离子体；

沉积持续时间为20秒，可在腔室内表面和石英视窗上形成一层约3nm厚、均匀致密的氧化铝薄膜。

参考图7示意，在半导体制造设备腔体中，TMA（三甲基铝）作为铝源气体被通入并被RF或微波等离子体激活，形成高活性的铝离子/自由基。同时，氧化剂（如O₂）被等离子体解离为高活性的氧自由基（O•）。这些活性物质在石英部件表面发生反应沉积形成致密的Al₂O₃钝化层薄膜。

技术效果：该低温PECVD过程形成的Al₂O₃薄膜致密、均匀，具有良好的隔绝性能，且对石英表面附着力强。

另外，在沉积步骤中，还可以参考下述各个示例开展。

沉积后吹扫：停止通入TMA和O₂，采用Ar气吹扫腔室，清除任何未反应的前驱体和副产物。需要说明的是，吹扫步骤还可以再沉积前，即在清洗后和沉积前插入吹扫步骤，进一步清洁腔内环境，更有利于沉积；以及，在多次沉积步骤之间进行二次吹扫，也有利于沉积。

铝源采用TMA反应活性高，适合低温沉积。以及，除TMA外，也可使用三乙基铝（TEA）或氯化铝（AlCl₃）等其它有机或无机铝源。

氧化剂除O₂外，使用O₃作为氧化剂可在更低温度下（如80℃）实现更高质量的Al₂O₃沉积，薄膜更致密。还可以采用H₂O、H₂O₂或N₂O等，不再一一展开说明。

沉积步骤采用等离子体增强化学气相沉积法、热化学气相沉积法或原子层沉积法进行。采用原子层沉积（ALD）模式，可以通过交替通入TMA和H₂O（或O₃），可在石英部件的结构表面实现极佳的阶梯覆盖性和厚度控制等。

另外，采用热CVD模式，无需等离子体，沉积温度提高至250-300℃，通过热CVD无需等离子体，避免了高能离子对潜在敏感表面的轰击损伤，薄膜纯度更高。

厚度控制上，钝化层厚度可在0.1nm（超薄，对工艺影响最小）至200nm（超强保护，适用于极端侵蚀环境）之间精确调控，比如每一个沉积步骤形成的钝化层厚度可以为0.1nm至200nm。其中，可以通过多个沉积步骤实现更厚的厚度精确控制，比如通过控制沉积时间或循环次数（如采用ALD模式）来实现。

在一些示例中，通过“低功率/各向同性清洗”与“低温/臭氧沉积”组合时，能够适用于对离子轰击和高温敏感的精密的石英部件，实现了“温和而高效”的保护。通过“高功率/各向异性清洗”与“等离子体增强沉积”组合时，能够适用于需要快速处理和高台阶覆盖率的场景。

综上，本发明通过引入一个可循环再生的氧化铝钝化层及其精准的移除与再沉积工艺，巧妙地利用氯基对于不同材料的化学反应选择性差异，比如利用氯基吃掉Al₂O₃薄膜钝化层和利用氯基极高的选择比保护石英（SiO₂），成功解决了高活性等离子体环境中石英零部件易受侵蚀的行业难题。该方法不仅显著提升了石英件的寿命和工艺腔室的稳定性，更通过减少微粒污染直接提升了半导体器件的制造良率，具有重大的工业应用价值。

实施例2：基于AlN钝化层对石英部件表面进行保护

本实施例提供一种以氮化铝(AlN)作为钝化层的替代方案。

氯基等离子体清洗步骤：与实施例1相同或相似，用于去除AlN钝化层，具体可以参考前述实施例，不再展开说明。

AlN沉积步骤：

铝源使用TMA，通过Ar载气输送；

氮源使用NH₃（氨气），流量为100-300 sccm；

腔室温度需较高，通常为300-400°C，以促进反应并获得高质量的AlN薄膜；

压力维持在1Torr；

施加RF功率（100-300W）激发等离子体（PECVD模式）；

其中，反应式：TMA + NH₃→ AlN + CH₄+ H₂；

沉积时间20-40秒，形成一层约3-7nm厚的AlN薄膜。

参考图8示意，在半导体制造设备腔体中，在等离子体激活下，三甲基铝(TMA)分解为Al⁺自由基，氮源气体(NH₃或N₂)分解为活性N⁺自由基。这些活性基团在石英部件表面发生化学反应后沉积形成致密的AlN钝化层薄膜。

技术效果：AlN具有高导热性和良好的抗F基等离子体能力，且与现有TMA工艺兼容性好。

实施例3：基于Y₂O₃钝化层对石英部件表面进行保护

本实施例提供一种以氧化钇(Y₂O₃)作为钝化层的替代方案。

氯基等离子体清洗步骤：与实施例1相同或相似，比如可以使用Cl₂/Ar等离子体去除上一循环残留的Y₂O₃钝化层。另外，可通过监测YCl特征谱线（如λ=378 nm附近）的强度变化作为终点判据。

Y₂O₃沉积步骤：

将装有固态钇前驱体Y(TMHD)₃的鼓泡器加热至120-140°C，使其升华；

使用Ar作为载气，流量为20-50 sccm，携带Y(TMHD)₃蒸汽进入腔室；

同时通入O₂（300-500 sccm）作为氧化剂，并可辅以O₃以降低沉积温度；

腔室温度维持在200-300°C，压力维持在1-3Torr；

其中，可施加RF功率（50-200W）进行等离子体增强（PECVD模式），或在无等离子体下进行热CVD；

沉积时间30-60秒，形成一层约2-5nm厚的Y₂O₃薄膜。

技术效果：Y₂O₃对F基和O基等离子体的耐受性均极佳，提供比Al₂O₃更卓越的保护性能，特别适用于极端苛刻的工艺环境。

需要说明的是，包含其他金属化合物的钝化层进行氯基清洗和再沉积的过程示例，可以参考前述各个实施例，针对具体金属化合物采用相应的金属前驱体和反应气体完成清洗和沉积过程，这里不再展开一一说明。

实施例4：基于本发明提供保护措施基础上的一种晶圆等离子体处理方法流程示例

本发明提供一种用于晶圆加工的等离子体处理方法，包括：

预处理步骤：采用如本发明前述中任意一项实施示例所述方法对等离子体处理设备腔体内的石英部件进行抗氟侵蚀保护预处理；

工艺处理步骤：在完成所述预处理步骤后，对待加工晶圆执行预定的氟基等离子体工艺处理。

需要说明的是，预处理步骤可以是在等离子体处理设备腔体内未放入待加工晶圆下开展，也可以是在腔内以放入待等离子体处理的待加工晶圆下开展，不作具体限定。

优选地，本发明提供的方案尤其适用于氟基等离子体工艺为高氢环境下的去胶工艺或高氧环境下的灰化工艺，有效地消除了石英部件容易被氟侵蚀后性能显著下降甚至形成污染颗粒物给晶圆加工带来污染风险。

下面，通过一个实施例来说明一种晶圆加工方案，该方案应用于一个电容耦合等离子体（CCP）刻蚀设备，该设备的腔室顶盖为石英材质视窗。

本实施例提供一种晶圆加工方案依次包括以下步骤：

Step1、工艺后状态：完成一片晶圆的刻蚀工艺后，腔室内壁和石英视窗表面覆盖有一层来自前次预处理的氧化铝钝化层，该层可能在工艺中部分受损或污染。

Step2、晶圆传送出：机械手将已处理的晶圆从反应腔室中取出。

Step3、氯基等离子清洗：

关闭腔室，抽真空至基础压力以下；

向腔室通入Cl₂气体，流量设置为150 sccm，同时通入Ar气100 sccm以稳定等离子体；

调节腔室压力至0.8 Torr；

施加射频功率（13.56 MHz）600 W，激发并维持等离子体；

清洗时间通过光学发射光谱（OES）终点检测法控制。监测AlCl特征谱线（如261 nm附近）的强度，当该谱线强度显著下降并稳定至背景噪声水平时，表明氧化铝钝化层已完全清除，立即停止等离子体。此过程通常持续40-60秒。

技术效果：该步骤选择性极强地去除氧化铝层，而对下层石英的刻蚀可忽略不计，实现了对石英的“零损耗”清洗。

Step4、腔体吹扫：停止通入Cl₂，采用高流量Ar气（500 sccm）吹扫腔室30秒，彻底清除残留的刻蚀副产物和活性氯物种。

Step5、氧化铝钝化层沉积：

将腔室温度控制在150℃；

通入载气Ar，流量为30 sccm，该Ar气流经一个保持在40℃的TMA气泡器，携带TMA蒸汽进入腔室；

同时通入O₂气体，流量为300 sccm；

调节腔室压力至1Torr；

施加射频功率（13.56 MHz）120 W，激发等离子体；

沉积持续时间为20秒，可在腔室内表面和石英视窗上形成一层约3 nm厚、均匀致密的氧化铝薄膜。

技术效果：通过在吹扫后沉积薄膜致密、均匀，具有良好的隔绝性能，且对石英表面附着力强。

Step6、沉积后吹扫：停止通入TMA和O₂，采用Ar气吹扫腔室，清除任何未反应的前驱体和副产物。

Step7、下一片晶圆工艺：传入新的晶圆，进行正常的刻蚀工艺。

通过上述步骤，由于每一片的晶圆所处的腔室氛围均为新鲜的Al₂O₃表面，工艺重复性极佳，从而可以实现对每一片晶圆的高质量加工。

实施例5：设备与系统实现示例

本实施例集成有本发明提供的保护方法形成一种等离子体处理设备。该等离子体处理设备可以包括：

处理腔室，其具有石英顶窗；

基座，用于支撑晶圆；

气体供应系统，包括气源（Cl₂，CF₄，Ar，N₂，O₂，TMA、载气等）、质量流量控制器（MFC）、阀门等；

等离子体生成装置，本例中为顶电极和基座电极构成的CCP系统，连接射频电源；

真空系统；

控制系统，包括处理器和存储器，其中存储器中存储有计算机程序，当被处理器执行时，控制设备自动执行上述保护方法的各个步骤，包括气体流量、压力、温度、射频功率、时间的控制，以及接收终点检测器（如OES spectrometer）的信号并判断清洗终点。

通过在等离子体处理设备中集成本发明前述各个示例所述的保护方法，从而将保护流程作为标准配方的一部分，能够实现保护和高质量加工的全自动化操作。

结合前述图1、图2和图5示意，通过扫描电子显微镜（SEM）对比了未采用本发明保护措施的传统晶圆加工方案和采用本发明保护措施的晶圆加工方案，各自在处理1000片晶圆后的石英视窗表面的电镜效果图，传统方案的石英部件表面出现明显腐蚀和粗糙化，并经检测后能够发现存在较多微粒污染物；而采用本发明保护措施的新加工方案，石英部件表面依然光滑完好，使得石英部件可能带来的微粒数量下降超过95%以上，而且石英视窗的平均寿命从原来的5000片晶圆延长至数万片晶圆以上（比如不低于20000片）。

基于本发明提供的保护方案，该等离子体处理设备的腔内表面和石英部件的表面均具有可循环再生的包含金属化合物的钝化层。其中，设备的腔内表面和石英部件的外表面的金属化合物钝化层的厚度可以为5Å-200nm，从而起到良好的腔内氛围和石英部件表面不容易被氟侵蚀而成为晶圆加工的颗粒物污染源。

需要说明的是，本发明中半导体制造的等离子体处理设备可以指半导体薄膜沉积设备，等离子刻蚀设备，去胶设备等需要进行等离子体处理的相关设备，以及这些设备可以是电容耦合等离子体设备（CCP）或电感耦合等离子体设备（ICP）等。

基于本发明提供的保护方案，本发明还提供一种石英部件，所述石英部件的至少一个表面具有预设厚度的包含金属化合物的钝化层，以利用所述钝化层在氟基等离子体工艺中抑制氟基等离子体侵蚀石英部件，所述钝化层为利用本发明中任意一项实施示例所述方法形成在石英部件表面的钝化层。

进一步，石英部件的至少一个表面的钝化层的厚度为5Å-200nm；和/或，该石英部件为等离子体设备的腔室视窗、气体分布板、聚焦环或绝缘部件。

本发明通过引入一个可循环再生的氧化铝钝化层及其精准的移除与再沉积工艺，巧妙地利用化学反应选择性的差异，成功解决了高活性等离子体环境中石英零部件易受侵蚀的行业难题。该方法不仅显著提升了石英件的寿命和工艺腔室的稳定性，更通过减少微粒污染直接提升了半导体器件的制造良率，具有重大的工业应用价值。

本说明书中，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的实施例而言，描述比较简单，相关之处参见前述实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种等离子体处理设备内石英部件保护方法，其特征在于，包括：

若干个氯基等离子体清洗步骤：向置有石英部件的处理腔室通入含氯工艺气体并激发等离子体，以利用氯基等离子体选择性去除石英部件表面上耐氟侵蚀性钝化层，其中所述钝化层为在氟基等离子体工艺中抗氟侵蚀的致密钝化层；

若干个沉积步骤：在所述氯基等离子体清洗后，在石英部件表面重新沉积新的钝化层，以利用所述钝化层在氟基等离子体工艺中抑制氟基等离子体侵蚀石英部件；

其中，所述若干个氯基等离子体清洗步骤和所述若干个沉积步骤均在所述等离子体处理设备腔室内执行，以使所述等离子体处理设备能够保持在生产线上对腔内的石英部件进行表面保护处理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钝化层对氯基等离子体的被刻蚀速率高于石英对氯基等离子体的被刻蚀速率，且氯基等离子体对所述钝化层与石英的刻蚀选择比大于5:1；

和/或，所述钝化层包括包含有金属化合物的钝化层，所述金属化合物包括金属氧化物、金属氮化物或其组合。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述金属氧化物包括氧化铝、氧化钇、氧化镧、氧化钆、氧化铒中的一种或多种；所述金属氮化物包括氮化铝、氮化钛、氮化硅中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤采用等离子体增强化学气相沉积法、热化学气相沉积法或原子层沉积法进行。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述氯基等离子体清洗步骤之后和所述沉积步骤之前，所述方法还包括采用惰性气体进行吹扫步骤和/或真空抽取步骤以去除清洗步骤残留的氯活性物和副产物；

和/或，在所述沉积步骤后进行二次吹扫步骤和/或真空抽取步骤以去除沉积步骤的副产物；

其中，吹扫步骤使用的载气包括以下至少一种气体：O₂、Ar、He、N₂。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，吹扫的流量为100-1000sccm，时间为1-60秒。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氯工艺气体包括Cl₂、BCl₃、SiCl₄、CCl₄、HCl中的一种或多种；

和/或，所述氯基等离子体清洗的工艺参数包括：压力0.001-1Torr，射频功率100-2000W，气体流量50-2000sccm，处理时间5-300秒；

和/或，所述钝化层的沉积工艺参数包括：沉积温度20-400℃，压力0.05-20 Torr，射频功率10-500W；

和/或，每一个所述沉积步骤形成的钝化层厚度为0.1nm至200nm；

和/或，所述氯基等离子体清洗步骤采用终点检测法控制清洗时间，所述终点检测法包括光学发射光谱法监测金属特征谱线强度变化或质谱法监测含金属副产物分压变化。

8.一种等离子体处理方法，其特征在于，包括：

预处理步骤：采用如权利要求1-7中任意一项所述方法对等离子体处理设备腔体内的石英部件进行抗氟侵蚀保护预处理；

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述氟基等离子体工艺包括高氢环境下的去胶工艺或高氧环境下的灰化工艺。

10.一种等离子体处理设备，其特征在于，包括：

一处理腔室，其内设置有至少一个石英部件；

气体供应系统，用于向所述处理腔室提供工艺气体；

等离子体生成装置，用于在所述处理腔室内生成等离子体；

一控制系统，被配置为：控制气体供应系统和等离子体生成装置，以在处理腔室内执行：如权利要求1-7中任意一项所述等离子体处理设备内石英部件保护方法的步骤，或者如权利要求8-9中任意一项所述等离子体处理方法的步骤。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述设备的腔内表面和所述石英部件的表面均具有可循环再生的钝化层。

12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备的腔内表面和所述石英部件的外表面的钝化层的厚度为5Å-200nm。

13.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述设备包括电容耦合等离子体设备或电感耦合等离子体设备。

14.一种石英部件，其特征在于，所述石英部件的至少一个表面具有预设厚度的钝化层，以利用所述钝化层在氟基等离子体工艺中抑制氟基等离子体侵蚀石英部件，所述钝化层为利用权利要求1-7中任意一项所述方法形成在石英部件表面的钝化层。

15.如权利要求14所述的石英部件，其特征在于，所述石英部件的至少一个表面的钝化层的厚度为5Å-200nm；和/或，所述石英部件为等离子体设备的腔室视窗、气体分布板、聚焦环或绝缘部件。