处理半导体加工部件的方法及由之形成的部件的制作方法

专利名称：处理半导体加工部件的方法及由之形成的部件的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及在制造半导体环境中使用的半导体加工部件的处理方法，以及由之形成的半导体加工部件。
背景技术：
在半导体加工领域，通常的集成电路器件是通过各种晶片加工技术来形成的，加工中，半导体(主要是硅)晶片通过不同的工位和工具进行加工处理。这些加工操作包括，例如，高温扩散、热处理、离子注入、退火、光刻、抛光、沉积等。随着新型半导体器件的研制，行业内迫切需要在这样的加工过程中达到越来越高的纯度。此外，一直需要转向越来越大的半导体晶片。目前，半导体行业处于从200mm向300mm晶片的转变。对更高纯度和更大晶片的需求导致对下一代生产加工的综合挑战。
本文中，已发现，随晶片尺寸增大，由晶片质量和表面积的增大引起的重力应力导致被理解为半导体晶片中的晶面滑移(slip)。晶面滑移本身表现为晶片中的滑动线，导致器件产出随晶片尺寸增大而成比例下降，并且一定程度地削弱大表面积晶片的成本优势。
试图减小结晶滑差，在加工期间需要更完全支持晶片。一种方法是对半导体加工部件进行机加工，特别在与加工部件晶片接触的那些部分上提供光滑的光洁度(finish)。这样的加工部件包括例如半导体晶片夹具、水平和垂直晶片舟皿和晶片载体。通常，通过将缝隙加工到晶片载体或夹具内来达到提高表面光洁度。虽然利用现有技术能够在半导体加工部件上加工出合适的表面光洁度，但是会出现其他问题，特别是纯度下降以及附带对加工部件污染增加。
US 6,093,644公开一种方法，该方法中进行氧化步骤，随后除去氧化层。但是，其中公开的这种技术并煤油适当地论述到一些污染问题，并且集中在部件的整体杂质水平，而不是部件的关键部分的杂质水平。
尽管在本行业内的改进提出了对下一代纯度的关心以及更大尺寸半导体晶片相关的加工问题，本领域仍需要进一步改进半导体加工部件，形成这样部件的方法以及加工半导体晶片的方法。
在其他应用中，不需要机加工或这种加工是任选的，如在没有固定的半导体加工部件如通过CVD(化学气相沉积)形成的SiC部件的情况。虽然通常认为CVD形成的SiC部件已具有用于半导体加工操作的异常特性，本领域仍需要进一步改进了的部件及其形成和使用方法。

发明内容
根据本发明第一方面，一个实施方式按需要提供了对半导体加工部件的进行处理的方法。根据该方法，使半导体加工部件处于升温下的卤素气体中，氧化形成氧化层。形成氧化层后，除去该氧化层。
根据另一个实施方式，提供从半导体加工部件除去污染物的方法，该方法中，污染物在升温下反应，形成反应产物，部件被氧化，形成氧化层，然后再除去该氧化层。
根据另一个实施方式，提供半导体加工部件。这种半导体加工部件含有碳化硅，沿部件外部，采用SIMS(次级离子质谱学)深度剖析法(profiling)，在外表面之下10nm深度测定，其表面粗糙度Ra小于约2微米，杂质含量小于约1000ppm。所述外部部分从部件露出的外表面延伸到露出的外表面之下约0.5微米深度。外部部分可以沿部件外表面的一部分延伸，或者在部件的基本上全部外表面上延伸。
根据另一个实施方式，提供半导体加工部件，所述部件具有经机加工表面，沿部件外表面的杂质含量小于约1000ppm，外部部分如上面所述。
根据另一个实施方式，提供用于接受半导体晶片的半导体加工部件。在此实施方式中，加工部件配置成与半导体晶片接触并接受一个半导体晶片。部件的表面粗糙度Ra小于约2微米，沿部件的外部部分杂质含量小于约1000ppm。
根据本发明第二方面，另一个实施方式按需要提供了一个半导体加工部件，所述部件包含碳化硅，其中，部件的外表面部分具有表面杂质水平和体杂质(bulkimpurity)水平。较好地，表面杂质水平不大于体杂质水平的10倍。
根据另一个实施方式，提供了对半导体加工部件进行处理的方法。该方法开始时首先通过化学气相沉积碳化硅，形成半导体加工部件的外表面部分，该外表面部分具有体杂质水平和表面杂质水平。再除去外表面部分的目标部分，使表面杂质水平不大于体杂质水平的10倍。
根据另一个实施方式，提供了对半导体加工部件进行处理的方法。该方法包括首先通过化学气相沉积碳化硅，形成半导体加工部件的外表面部分。该外表面部分具有整体杂质水平和表面杂质水平。然后，该方法继以除去外表面部分的目标部分，使得表面杂质水平降低至少10倍。


参照附图，能更好理解本发明，本发明的多种特征和优点对本领域技术人员而言是显而易见的。
图1说明本发明的一个实施方式，即晶片舟皿或载体。
图2和图3说明在两个不同商业获得的沉积设备中形成的CVD-SiC膜的深度剖面的杂质分布。
图4说明使用高污染物量的反应气体形成的CVD-SiC膜的深度剖析的杂质分布。
图5说明在最初清洁步骤之前和之后的CVD-SiC层的深度剖析的杂质分布。
图6说明经过两个清洁周期所得的另一个相对较低杂质的CVD-SiC层的样品的深度剖析的杂质分布。
在不同图中使用相同的参照符号来表示类似或相同的项目。
本发明的实施方式根据本发明第一方面，是对半导体加工部件进行处理的方法的实施方式。进行处理的半导体加工部件选自用于不同加工操作下的不同几何构形，所述部件可构造成用来接受不同尺寸的晶片，无论150mm，200mm，或更新一代的例如300mm晶片。具体的加工部件包括半导体晶片桨、处理管、晶片舟、衬垫(liner)、支架、长舟、悬臂棒、晶片载体、垂直加工室和相等仿真(even dummy)晶片。前述中，一些半导体加工部件可以构造成与半导体晶片直接接触并用于接受该半导体晶片，如水平或垂直晶片舟皿，长舟皿，和自由选定(free-standing)的CVD SiC晶片的基座。此外，加工部件可以构造成用于单个晶片处理，并可用于密闭室(chambers)，聚焦环、悬挂环，晶片基座(wafer susceptor)，底座(pedestal)等。
半导体加工部件可采用各种技术制造。例如，根据一个实施方式，加工部件可由碳化硅基材形成，该基材用熔融元素硅浸渍。任选地，在浸渍后的碳化硅部件上涂敷高纯度层，如通过化学气相沉积(CVD)形成的碳化硅层。这种沉积层能有利防止下层硅的自动掺杂，以及防止杂质从基材大部迁移到部件外表面，这将导致在处理半导体晶片期间的污染。这种情况下，碳化硅部件作为芯体，用熔融硅浸渍，提供对部件的机械支撑。芯体可采用各种技术制造，最常用的是滑移浇铸碳化硅，或通过加压的技术。也可以采用其他专业化方法，例如采用将碳预制件转化为碳化硅芯体的转化方法，或采用脱除(subtractive)方法，在通过如化学气相渗透后除去芯体。
或者，半导体加工部件由可独立的碳化硅形成，采用各种方法，如碳化硅CVD方法形成。这种特定的加工方法能够形成相对高纯度的加工部件。此外，加工部件可以由常规材料如石英形成。在这方面，石英扩散部件一直在半导体工业中用于高温扩散操作，并且是成本合理的替代品，代替价格更高但性能更好的碳化硅基扩散部件。然而，本发明的特征特别可应用于碳化硅基半导体加工部件，如在制造过程中进行机加工的那些，在下面详细论述。
根据本发明的实施方式，在形成半导体加工部件的制造过程的后阶段，对部件进行机加工。具体地，如图1所示的晶片舟皿1的情况，晶片舟皿上有许多凹槽16，每个凹槽沿同一曲率半径延伸。每个凹槽有各自的凹槽段18、20和22，在制造适当晶片舟皿本身后按需要进行机加工。例如，可以采用上述方法之一制造晶片舟皿，如用熔融元素硅浸渍碳化硅芯体，然后进行CVD，形成沉积的碳化硅层。形成碳化硅层后，形成凹槽，并通过机加工控制精细尺寸进行控制，如采用金刚石基的机加工工具。这方面，虽然现有的制造技术已经试图通过使用极高纯度机加工工具来解决机加工阶段带入杂质的问题，本发明的特征是能使用相当宽范围的机加工工具和操作方法，将在下面论述。值得注意的是，虽然图1说明水平晶片舟皿，但是应理解可以使用垂直晶片舟皿或晶片载体，以及上述的其他半导体加工部件。
形成加工部件，并任选进行机加工操作后，使加工部件处于升温的卤素气体中。使用术语“卤素气体”指任何以气态提供卤素元素，通常结合有阳离子。按照本发明实施方式，常用的卤素气体的一个例子是HCl。其他气体包括例如含氟气体。通常，半导体加工部件暴露于卤素气体时升高的温度足以使卤素气体与沿半导体加工部件外表面部分，包括沿半导体加工部件露出的外表面部分所包含的杂质反应。例如，升高的温度在约950-1300℃范围。此外，卤素气体浓度可以变化，并且在加热环境中(如，炉子处理室)在总压的约0.01-10％范围。通常，分压的下限可以略高，如约0.05％或约0.10％。
通常，沿半导体加工部件外表面部分与卤素气体反应的杂质是一种金属杂质。金属杂质可以是元素金属，或金属合金形式，例如，可以是铝基或铁基的。金属杂质来源时常是由于后阶段的机加工，如上面讨论的。机加工工具的实际组成可能包含一定量的污染物。甚至更可能地，使用具有产生颗粒的结构金属部件的设备进行机械加工，所产生的颗粒最终沉积或转移到加工部件。同样，普通的杂质包括通常用于形成工业上机加工工具，包括工具钢的那些金属。使用卤素气体如HCl会形成与这些金属杂质的反应产物。这些反应产物通常具有比杂质高的挥发性，这样，在加工部件处于升高温度时，反应产物挥发，并因此而从加工部件上除去。
与前述部件杂质减少有关，注意到，虽然前述主要集中在碳化硅部件(包括自由选定的CVD SiC，重结晶的CVD，浸渍Si的SiC)，减少杂质的方法同样可应用于其他材料如石英形成的部件。与部件的基本材料无关，经机加工部件如具有精细表面光洁度(如下面详细讨论的)的那些是用来减少杂质的特别好的候选者。
半导体加工部件还可以经受氧化处理。氧化处理有助于进一步减少杂质和/或粒子计数降低，特别是碳化硅部件的情况。与沉积的氧化层相对，通过化学反应形成转化层，来对半导体加工部件进行氧化，形成氧化层。加工部件暴露于卤素气体以及部件氧化可以分开进行。然而，在一个实施方式中，暴露步骤和氧化步骤可以同时进行。这方面，使用术语“同时地”并不要求暴露和氧化步骤完全同时进行，而是两个步骤可以相互部分重叠。
根据氧化处理，在半导体加工部件上提供一个氧化层。这样，氧化层可以直接在下面的碳化硅层上并与之接触，如化学气相沉积碳化硅的情况，或者可以直接在元素硅上并与之接触，如对硅化的碳化硅加工部件，这种部件并没有CVD SiC的上层。
通过在氧化环境中对部件进行氧化，形成氧化层，例如，在含氧气氛中，在升高温度如950-1300℃，更好在约1000-1250℃范围对部件进行氧化。可以在干的或湿的环境中进行氧化，并且通常是在大气压下进行。湿环境通常是通入蒸汽形成的，其作用是提高氧化速率。氧化层一般是氧化硅，通常是SiO2。氧化硅层可以和部件的碳化硅直接接触，如在自由选定的SiC或例如通过CVD涂敷碳化硅基材的情况。或者，在基材的碳化硅和上层氧化层之间存在中间层，如在浸渍硅的碳化硅情况，是没有SiC CVD层的。
根据本发明的实施方式，除了沿主体形成氧化层之外，形成氧化层还会使残留的碳化硅颗粒转化为氧化硅。在微粒转化情况，氧化可以使后面阶段除去微粒。此外，采用转化的方法，而不是沉积的方法，形成的氧化物涂层有助于捕捉氧化层内的残留杂质，如金属杂质，从而除去氧化层的这些杂质。通过将加工部件置于能够溶解氧化层的溶液中，可除去氧化层。在一个实施方式中，所述溶液是含氟的酸。通常，该溶液的pH小于约3.5，最典型的小于约3.0，对更强酸性的某些实施方式，pH小于约2.5。或者，溶液可以是碱性的，并且在升高温度(高于室温，但低于H2O沸点)下暴露该层。或者，也可以采用高温和H2气，如高于1000℃。
根据另一个特征，在制造半导体环境中，在使用加工部件之前，将加工部件暴露于卤素气体，氧化该部件，形成氧化层和除去氧化层。这样，前述步骤可以脱离位置(off-site)进行，与半导体制造环境分开，如由加工部件的制造商进行。加工部件可以完全处理，然后包装在密封的运送容器，以供在制造环境中直接立刻使用。虽然前述部分集中于一个周期，卤素气体处理和/或氧化和除去步骤可以重复多次，以达到所需的纯度水平。
虽然前述部分述及使用卤素气体，但可以使用其他含活性阴离子的反应物，只要选择的反应物能与期望的金属杂质形成反应产物，并且形成的反应产物的挥发性大于金属杂质本身的挥发性。
根据改变了的另一个方法，在暴露于卤素、进行氧化和除去氧化物之前，可以增加另外的处理步骤，目的是进一步降低杂质水平。例如，部件可以进行漂洗，如用去离子水(DI)，然后暴露于卤素气体和进行随后的处理。在漂洗时可以进行搅拌，如用超声波混合器/搅拌器，以进一步除去污染物。此外，漂洗溶液可以是酸性溶液，有助于剥除(strip)污染物。
或者，除漂洗外，部件可以浸在酸性剥除溶液中，之后暴露于卤素物质如酸溶液中，有助于进一步除去杂质。在进一步处理之前，漂洗和/或浸渍步骤可以重复任意多次。
此外，本发明的实施方式提供了具有不同特征的半导体加工部件。例如，包含碳化硅的加工部件的表面粗糙度Ra小于约2微米，沿部件外部部分的杂质含量小于约1000ppm(用SIMS深度剖析法，在外表面之下10nm深度测定)。在部件直接与晶片接触的情况，如支撑夹具或晶片舟皿，该部件表面具有上述表面粗糙度的表面部分至少延伸到配置来用于这种接触的部分，如晶片舟皿中的狭槽。上述具有控制纯度的外部部分一般限定为部件从露出的外表面延伸到约0.5微米深度(用SIMS深度剖析法，在露出的外表面之下测定)的部分。根据一个实施方式，这种外部部分基本上沿部件的全部外部区域延伸，实际的杂质水平数据取自数个有代表性的外部部分位置的纯度水平。通过进行机加工步骤，例如使用金刚石研磨工具，表面粗糙度可以降低到Ra小于约2微米。或者，采用不同的制造技术，来形成具有这样表面粗糙度的加工部件。一些实施方式的表面粗糙度小于约1.5微米，如小于约1.0微米。
例如采用在此所述的方法，可以将部件外部部分的杂质含量降低在上述范围之内。较好地，所述杂质含量小于约500ppm，更好小于约200ppm。一些实施方式中，甚至能进一步降低杂质含量，如总量小于100ppm，和小于80ppm。前述杂质水平是B，Na，Al，Ca，Ti，V，Cr，Fe，Ni，Cu和Zn的总含量。虽然在背景部分描述了包括进行氧化和除去氧化层的现有方法，本发明人已认识到这样的方法一般产生高杂质水平的部件，其杂质含量明显高于在此所述的本发明提供的杂质含量。这样的方法导致杂质限度超过了半导体工业应用所需的范围。此外，发现，加工部件制造商是在整个部件上(包括本体材料(bulk material)上)取出杂质含量，而不是沿特别关键的部分取得。部件的这些外部部分易于发生不希望的扩散以及受到半导体制造环境的污染。因此，本发明的实施方式不仅提供满足或超过工业标准的整体杂质水平，而且降低了沿部件重要外表面部分的杂质水平。
实施例表1列出在不同条件下制造的CVD SiC样品的粗糙度。Ra定义为平均表面粗糙度。更确切地，Ra是轮廓偏离平均线的算术平均值。Ra＝1/L0□L|Z(X)|dx。Rz定义为在样品长度或行程长度(行程L)中5个最高峰和5个最低谷之间的平均高度差。行程长度是评定表面粗糙度参数的长度。
样品1、2和3所示是CVD沉积的SiC涂层的粗糙度。用表面光度仪(profilometer)，采用10μm铁笔和3-6.4行程长度，获得这些结果。样品3、4、5、6和7是CVD SiC涂层，该涂层用金刚石材料，通过用砂轮机加工或用金刚石糊料研磨和抛光进行了表面处理。由该表可知，对CVD SiC进行机加工起到明显降低处理的表面粗糙度的作用。FS CVD指自由选定的化学气相沉积部件。
表1

表2列出沉积的CVD SiC膜的表面纯度结果，所述CVD SiC膜已经进行用金刚石工具进行后机加工步骤。用Secondary Ion Mass Spectroscopy(SIMS)，在10nm标称深度，确定表面纯度，由下述构成总的杂质B、Na、Al、Ca、Ti、V、Cr、Fe、Ni、Cu。样品9显示相当高纯度的沉积涂层。相反，在机加工和用DI水漂洗后，样品10显示较高的污染水平。这方面，另一个进行机加工和DI漂洗的样品显示甚至更高的污染水平，达到总的5000ppm数量级。在超声波罐中用DI水漂洗后，采用氯化氧化方法对样品11进一步处理。以该循环中氧为基准，HCl浓度在1-3％范围，最高温度为1300℃。用4∶1∶1的DI水∶HF∶HCl配方(酸剥除)除去样品11上生成的氧化物。获得经这样机加工和处理的CVD SiC膜的SIMS数据。可知，杂质明显降低，纯度非常接近沉积条件。
类似于上面所述处理样品12，不同之处是，在超声波DI漂洗之后但在氯化氧化之前增加4∶1∶1的DI水∶HF∶HCl浸渍步骤。由结果可知，这种方法能将机加工后的CVD SiC材料的表面杂质量有效降低到最初的水平(沉积时)。
表2

根据本发明另一方面，提供半导体加工部件，以及处理半导体加工部件的方法。半导体加工部件一般至少部分由SiC形成，包括控制了杂质含量的外表面部分。外表面部分通常采用化学气相沉积(CVD)形成，并且外部的纯度不大于体纯度的10倍。外表面部分可定义为由CVD形成的可确认的SiC层，或主要由CVD形成的SiC部件的外部厚度，如在自由选定的CVD-SiC部件的情况，将在下面详细描述。
根据一个方面，本发明人认识到沉积的CVD-SiC(无论是否经过机加工)的外表面处杂质水平有一尖峰，通常在部件外深度的开始的0.5微米内，如在开始的0.25微米内，或在开始的0.10微米内。相反，虽然整个外表面部分的杂质水平稳定在相对低水平，但时常还是比部件最外表面的杂质水平低1个，2个甚至3个数量级。体杂质水平一般是代表作为深度函数的恒定或标称的杂质水平，将在下面详细描述。本领域一般并没有认识到前述的一种现象，而沉积的CVD-SiC层的严格分析已揭示杂质水平有明显的扩散。杂质水平一般基于在外表面与外表面部分整体之间的下面的至少一种或组合的浓度Cr、Fe、Cu、Ni、Al、Ca、Na、Zn、B和Ti。根据一个实施方式，杂质水平是基于Fe和/或Cr。
本文中，根据本发明第二方面的另一个实施方式，提供基于化学气相沉积的SiC形成的外表面部分的半导体加工部件，并且除去了外表面部分的目标部分，使外表面部分的杂质水平不大于外表面部分体杂质水平的10倍。虽然一般要求杂质水平在整体和表面之间的最大相差10X，另一些实施方式的表面杂质水平不超过整体杂质水平的约5倍，如不大于约2倍。确实，一些实施方式的表面杂质水平没有超过整体杂质水平。
按照在此的实施方式的半导体加工部件可选自如上面所述的用于不同处理操作的各种几何构形之一，并可构造成用来接受各种尺寸的晶片，无论是150mm，200mm，还是新型300mm的晶片。具体的加工部件包括半导体晶片桨、处理管、晶片舟皿、衬垫、支架、长舟皿、悬臂棒、晶片载体、垂直加工室和相等仿真晶片。前述中，一些半导体加工部件可以是配置成用来与半导体晶片如水平晶片舟皿或垂直晶片舟皿，长舟皿和晶片基座等直接接触及接受这些半导体晶片。此外，该加工部件可以配置成用于单个晶片处理，并可用于密封室、聚焦环、悬挂环、基座、底座等。
半导体加工部件可以采用各种方法制造。根据一个实施方式，例如，加工部件由通过CVD涂敷有SiC层的基材形成。CVD-SiC层的作用是能有效削弱下层硅的自动掺杂，以及防止杂质从基材整体迁移到部件的外表面，它们会导致在制造半导体晶片时的污染。该基材通常用来提供机械支撑和结构完整性，基材可以由各种材料如重结晶的SiC，并由各种处理途径来形成。一种技术中，主要包含SiC的基材通过滑移浇铸或压制形成。在滑移浇铸情况，滑移浇铸体进行干燥和热处理，随后任选进行浸渍，以降低孔隙率。较好地，用熔融硅渗透来浸渍。也可以采用其他专业化的制造方法，如采用将碳预制体转变为碳化硅芯体的常规方法，或采用脱除方法，在通过如化学气相渗透后除去芯体。
或者，半导体加工部件由可独立的碳化硅形成，采用各种方法之一，如碳化硅CVD方法形成。这种特定的加工技术能够使形成的加工部件是整体中基本上或部件内部相对高纯度的。
形成加工部件后，对加工部件进行处理工序。即，对由CVD-SiC形成的部件的外部部分进行处理，提高纯度，特别是对外表面的杂质。一个实施方式中，除去外表面部分的目标部分，留下杂质含量不大于外表面部分整体杂质含量的10倍的外表面。
可采用多种技术除去目标部分。根据一种技术，通过氧化-剥除方法除去外表面部分，如上面讨论的。然而，为清楚起见，下面描述氧化-剥除方法。在氧化期间，部件暴露于反应物中，如卤素气体，以进一步提高纯度。反应物的作用一般是与存在的杂质配合或反应，并且在高温处理时挥发。氧化-剥除也沿外表面降低颗粒计数，特别有益于半导体加工操作。
更详细地，与沉积氧化物层相反，半导体加工部件一般通过化学反应形成转化层来进行氧化形成氧化层。根据氧化处理，氧化物层消耗了部件的目标部分，即CVD-SiC材料部分。通过在氧化环境中对部件进行氧化，形成氧化层，例如在含氧环境中，在升高温度到约950-1300℃范围，更好约1000-1250℃下氧化部件。可以在干的或湿的环境中进行氧化，通常是在大气压下进行。湿环境通常是通入蒸汽形成的，其作用是提高氧化速率。氧化层一般是氧化硅，通常是SiO2。氧化硅层可以和部件的碳化硅直接接触，如在自由选定的SiC或例如通过CVD涂敷了碳化硅的基材的情况。
氧化层会使残留的碳化硅颗粒转化为氧化硅，此外沿主体形成氧化层。在微粒转化情况，氧化可以使后面阶段除去微粒。此外，采用转化的方法，而不是沉积的方法，形成的氧化物涂层有助于捕捉氧化层内的残留杂质，如金属杂质，从而除去氧化层的这些杂质。
通过将加工部件处于能够溶解氧化层的溶液中，除去氧化层。在一个实施方式中，所述溶液是含氟的酸。通常，该溶液的pH小于约3.5，最典型的小于约3.0，对更强酸性的某些实施方式，pH小于约2.5。或者，溶液可以是碱性，并且在升高温度(高于室温，但低于H2O沸点)下暴露该层。或者，也可以采用高温和H2气，如高于1000℃。
氧化期间，加工部件暴露于活性物质如卤素气体中，该气体与外表面部分的外表面上存在的杂质形成反应产物。一般，暴露于活性物质和氧化步骤可以同时进行，虽然也可以分开进行。这方面，使用术语“同时地”并不要求暴露和氧化步骤完全同时进行，而是两个步骤可以相互部分重叠。
术语“卤素气体”指使用任何以气态提供的卤族元素，通常结合有阳离子。按照本发明实施方式，常用的卤素气体的一个例子包括HCl。其他气体包括例如含氟气体。通常，半导体加工部件暴露于卤素气体时升高的温度足以使卤素气体与沿半导体加工部件外表面部分，包括沿半导体加工部件露出的外表面部分所包含的杂质反应。例如，升高的温度在约950-1300℃范围。此外，卤素气体浓度可以变化，并且在加热环境中(如，炉子处理室)在总压的约0.01-10％范围。通常，分压的下限可以略高，如约0.05％或约0.10％。虽然前述部分针对卤素气体，但可以使用其他含活性阴离子的反应物，只要选择的反应物能与期望的金属杂质形成反应产物，并且形成的反应产物的挥发性大于金属杂质本身的挥发性。
通常，沿半导体加工部件外表面部分与卤素气体反应的杂质是一种金属杂质。金属杂质可以是元素金属，或金属合金形式，例如，可以是铝基、铁基或铬基。使用卤素气体如HCl会形成与这些金属杂质的反应产物。这些反应产物的挥发性通常高于杂质，这样，在加工部件处于升高温度时，反应产物挥发，并因此而从加工部件上除去。
虽然上述内容是针对通过反应，特别是通过氧化-剥除来除去部件的部分，但是可以采用其他除去目标部分的方法。例如，目标部分可以通过蚀刻操作，通过在升温下通入蚀刻剂进行反应，形成能挥发的蚀刻剂产物，以完全或部分除去目标部分。例如，蚀刻剂可以是含氯气体，形成可挥发的SiClx蚀刻剂产物。含Cl气体可以是HCl，Cl2和其他气体。某些情况下，碳作为蚀刻操作的副产物而留下。这些碳可以通过高温烧去处理来除去。注意到，有时蚀刻被称作石墨化，描述碳以石墨形式留在部件的表面。一般还要求使用后的蚀刻剂与外表面部分存在的杂质合成，形成挥发物，如FeCl，TiCl等。此外，如上所述，就利用氧化和氧化物进行来除去目标部分来说，如前面已详细说明了的，可以通过通入卤素气体，使污染物反应，形成反应产物。
通过在此所述的任何一种方法除去目标部分之前，部件可以进行机加工操作，以除去例如部件上10-100微米的外部材料。虽然通过机加工操作除去材料一般可以改变沉积的杂质分布，但是机加工会在部件外表面(即，机加工表面)留下杂质尖峰，与观察到的沉积CVD SiC的情况相似。已经发现，在达到整体杂质水平之前，表面杂质水平扩展到了外表面部分，如在1-3微米的数量级。因此，在已进行了机加工是实施方式中，需除去的目标部分的厚度在上述最大约为20微米的上限，实际除去的厚度在3-5微米的数量级。因此，就除去目标部分之前，对部件的CVD-SiC表面进行机械研磨或机加工过程如研磨，磨光或抛光来说，由于在后机加工表面的污染水平提高，一般需进行进一步的除去。可以氧化-剥除周期或蚀刻周期来除去目标部分，例如，进行足够次数来达到高纯度。
根据另一个特征，在半导体制造环境中使用加工部件之前，除去目标部分。这样，前述步骤可以脱离位置进行，与半导体制造环境分开，如由加工部件的制造商，而不是最后用户(如，半导体部件制造商/晶片加工商)进行。加工部件可以完全处理，然后包装在密封的运送容器，供在制造环境中直接立刻使用。虽然前述部分集中于一个周期，但是处理步骤如氧化步骤(用任选卤素气体处理)可以重复，并且一般重复多次，通过除去目标部分来达到要求的纯度水平。
根据改变了的一种方法，在暴露以除去目标部分之前，可以增加另外的处理步骤，目的是进一步降低杂质水平。例如，在暴露于卤素气体和进行随后的处理之前，部件可以进行漂洗，如用去离子(DI)水。在漂洗时可以进行搅拌，如用超声波混合器/搅拌器，以进一步除去污染物。此外，漂洗溶液可以是酸性溶液，有助于剥除污染物。
或者，除漂洗外，暴露于卤素物质之前，部件可以浸在酸性剥除溶液如酸溶液中，有助于进一步除去杂质。在进一步处理之前，漂洗和/或浸渍步骤可以重复任意多次。
由于观察到的深度剖析，如下面详细描述的，通常目标部分厚度至少约0.25微米，如0.38微米，0.50微米，甚至更大。当然，目标部分更普遍的厚度至少为1.0微米，较好的至少约2微米，如约2-10微米，但一般小于20微米。CVD-SiC层的厚度通常在约10-1000微米范围，一些实施方式中，所述厚度最大约800微米，600微米，400微米，或约200微米。一般要对应于部件外表面部分除去的深度来选择目标部分的厚度，以确保要求的表面杂质降低，如使表面杂质含量从整体杂质含量的1,000X下降到10X级别，或甚至更低。当然，如果除去的目标部分造成的表面杂质水平一般降低不到2个数量级，也至少1个数量级。
至于用来表征处理前和处理后的CVD-SiC膜的特别测定方法，具体使用Secondary Ion Mass Spectroscopy(SIMS)。其他方法包括例如GDMS。如本文使用的，体杂质水平一般对应于外表面部分内纯度水平达到稳定的深度处的杂质水平，即，一般对外表面部分的更深处是不变的。注意到，杂质检测一般会带来某种程度的变化，由测定的作为深度函数的杂质水平的变化表示。除非在此特别指出，虽然列出原始数据，特定的杂质水平数据点以及具体的体杂质水平是基于根据这些数据的杂质含量的趋势，即是，校平后(smoothed)的数据。根据本文报道的特征研究，发现，通常在3微米深度达到体杂质水平。因此，可以在约3-10微米范围，如3-5微米范围的深度得出杂质水平。但是，达到体杂质水平的具体深度值取决于用来形成外表面部分的特定的CVD方法的具体处理条件，包括使用的工具、气体、温度、压力和其他处理参数。
根据一个具体的实施方式，体杂质水平不大于约1e17原子/cc铁(Fe)和不大于1e15原子/cc铬(Cr)。当然，更需要的加工部件的最终用途要求比前述甚至更低的体杂质水平，如1e16原子/cc铁(Fe).
数据和下面的讨论针对一些沉积的CVD-SiC样品以及后处理的CVD-SiC样品的特征研究。
采用标准方法，制备尺寸为25mm×75mm×6mm的Si:SiC试样。该试样在稀酸中用超声波清洗，DI水漂洗后干燥。将清洁后的试样装入CVD反应器，在Si:SiC试样表面上沉积12-18微米厚的CVD膜。用两种不同涂敷系统(设备A和设备B)进行多次涂敷操作，以进一步了解设备对涂层纯度的效果。
用Secondary Ion Mass Spectroscopy(SIMS)分析CVD涂敷的Si:SiC试样表面的杂质水平。用Cameca 3f仪器，以深度剖析法，用O2+等离子体进行SIMS分析。该仪器用注入离子的SiC标准进行校正，以精确测定杂质。该分析针对单独的Fe和Cr，使之能得到良好的检测限度，即，对Fe为1e15原子/cc，对Cr为1e14原子/cc。除非特别指出，下面所述结果代表沉积的CVD-SiC或除去的CVD-SiC，都没有中间机加工操作。
由设备A处理的样品的CVD-SiC层的SIMS分析表明，它是被Fe和Cr高度污染的表面，即比体值大500-1000倍，如图2所示。本体中Fe浓度＜1e15原子/cc，Cr浓度＜1e14原子/cc，CVD-SiC涂层通常如此。
在采用设备B沉积的CVD-SiC层上也观察到类似的高表面杂质浓度，如图3所示。
待表征的具体样品表面Fe浓度为＞1e18原子/cc，在CVD-SiC通常的0.5微米深度内，下降到整体值，＜1e15原子/cc。为证实在沉积表面的高杂质浓度的普遍性，对用来形成CVD膜的反应气体中有较高杂质含量的CVD-SiC涂层进行第三个试验。在较高杂质水平的涂层中观察到杂质富集，如图4所示。表面的Fe浓度为＞1e19原子/cc，并在2-2.5微米上，降低到体值的Fe浓度，5e16原子/cc。表面的Cr浓度为5e17原子/cc，比体Cr浓度7e14原子/cc高550倍。杂质浓度从表面到体内的逐渐下降可能与表征的涂层之间表面粗糙度差相关。
目前，还不能完全理解杂质富集在表面的机理，但是，这与CVD-SiC沉积过程杂质从Si:SiC基材表面迁移有关，或与冷却期间Fe从膜内部偏析(segregation)到表面有关。
用设备A制备两种不同类型的CVD-SiC涂层，即标准涂层和低纯度涂层，选择这两种涂层进行清洁处理。将试样装在CVD涂敷的悬臂桨上，并放在装备有SiC处理管的扩散炉内。
在最多有10％HCl的O2气流中，在950-1350℃，氧化试样6-14小时。选择热处理条件，使之能够通过消耗相当于该氧化物厚度的约0.45-0.60倍，指定为0.5倍的CVD-SiC上目标部分在CVD-SiC表面生长厚的热氧化物。氧化过程有助于将过渡金属杂质如Fe浓缩到CVD-SiC的氧化层中。虽然HCl气体有助于挥发生长中的氧化物表面上的杂质，但是并不认为HCl处理能明显除去被捕捉在氧化物层中的金属。通过的反应，形成SiO2，总体过程消耗了CVD-SiC层中被污染的目标部分。
为除去氧化层内的整体杂质，用HF-HCl混合物(1∶1酸混合物)在酸浴中剥除氧化层。在表面形成的杂质浓度示于图5。
SIMS分析表明表面Fe浓度从最初CVD-SiC试样上＞5e17原子/cc下降到清洁后试样上＜5e16原子/cc，由于清洁而改善了10倍。体杂质浓度保持在＜1e15原子/cc不变。虽然清洁周期降低了表面杂质浓度，但是表面杂质浓度仍比整体的高50倍。因此，进行另外的清洁周期，以进一步降低表面的Fe浓度。由于检测限度和分析中的噪扰问题，用SIMS未能量化第2清洁周期的效果。因此，使用较高杂质的CVD-SiC样品(如图4所示)重复该清洁周期，有助于辨别表面和体杂质水平之间的微小差别。
类似于标准CVD-SiC样品那样，对低纯度CVD-SiC样品进行清洁。在最多有10％HCl的O2气流中，在950-1350℃，氧化试样6-14小时，生长氧化物层，随后用HF-HCl溶液剥除。重复该清洁周期两次，除去深至CVD-SiC表面下的材料，从而除去富Fe的表面层。
试样两次清洁后的SIMS分析示于图6。两次清洁周期能有效完全除去污染的表面层，并且表面杂质浓度类似于体杂质浓度。
再次注意到，虽然前述特征研究利用了结合用卤素气体处理的重复氧化-剥除周期的优点，但也可以采用其他方法来除去目标部分。此外，已分析，重复进行除去步骤，以促使表面杂质水平达到如上所述的要求范围，单个周期达到的表面杂质水平得到明显改善，但是表面杂质水平仍是体杂质水平的50X。因此，一般重复进行该周期，以确保在表面有类似本体的纯度。
由图6证实，进行本文所述的方法，能将表面杂质水平降低到不大于体杂质水平，即约等于或小于体杂质水平。注意到图6所示的数据取自两个不同样品，进行比较，来表明处理之前和之后的杂质趋势。
上面披露的主题是用于说明，而不是限制，所附权利要求书旨在覆盖在本发明范围之内的所有修改，加强和其他实施方式。因此，为使法律允许的范围最大，本发明的范围由下面权利要求书允许的最广义的解释及其等价物决定，不受前面详细描述内容的限制。
权利要求
1.一种处理半导体加工部件的方法，该方法包括下面步骤使部件在升高温度下暴露于卤素气体中；氧化所述部件，形成氧化层；除去该氧化层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使部件暴露于卤素气体以及氧化所述部件的步骤可以同时进行。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卤素气体包含选自氯和氟的卤素。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述卤素气体是HCl。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卤素气体以约0.01-10％范围内的分压存在。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化部件的步骤在约950-1300℃范围的温度下进行。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化步骤在湿环境气氛中进行。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体加工部件含有金属杂质，所述卤素气体与金属杂质反应，形成在暴露步骤时挥发的反应产物。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体加工部件包括选自下面的部件半导体晶片桨、处理管、晶片舟皿、衬垫、支架、长舟皿、悬臂棒、晶片载体、加工室和仿真晶片、晶片基座、聚焦环、悬挂环。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体加工部件包含碳化硅。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述半导体加工部件通过化学气相沉积形成。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述半导体加工部件包含基材和在该上面的碳化硅涂层。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述碳化硅涂层通过化学气相沉积来沉积。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述基材包含元素硅。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述基材包含浸渍有所述元素硅的碳化硅。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，除去氧化层的步骤是如下进行的将氧化层暴露于溶液，以溶解所述氧化层。
17.如权利要求1所述的方法，该方法还包括在进行暴露和氧化步骤之前机加工所述部件。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在用于半导体加工操作之前，除去氧化层。
19.如权利要求1所述的方法，该方法还包括在暴露于卤素气体之前，将所述部件暴露于剥除溶液中的步骤。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述剥除溶液包括酸性溶液。
21.一种从半导体加工部件除去污染物的方法，该方法包括下面步骤使污染物在升高温度下反应，形成反应产物；氧化所述部件，形成氧化层；除去该氧化层。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述反应步骤和氧化步骤可以同时进行。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述反应产物的挥发性大于污染物。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述反应产物在所述升高温度下挥发，以致从半导体加工部件上除去。
25.一种处理半导体加工部件的方法，该方法包括下面步骤使在部件表面部分包含的污染物在升高温度下反应，形成反应产物，所述的外表面部分的表面粗糙度小于约2微米。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，采用SIMS，在距部件表面10nm的深度处测定，所述部件沿部件外表面部分的杂质含量小于约1000ppm。
27.包含碳化硅的半导体加工部件，该部件的表面粗糙度Ra小于约2微米，采用SIMS，在距部件表面10nm的深度处测定，所述部件沿部件外部部分的杂质含量小于约1000ppm。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述部件包含基材和其上的碳化硅涂层。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述部件经过机加工至Ra小于约2微米。
30.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述杂质含量小于约500ppm。
31.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述杂质含量小于约200ppm。
32.用来接受半导体晶片的半导体加工部件，该部件的表面粗糙度Ra小于约2微米，采用SIMS，在距部件表面10nm的深度处测定，所述部件沿部件外部部分的杂质含量小于约1000ppm。
33.包含SiC的半导体加工部件，其特征在于，所述部件的外表面部分具有的表面杂质含量不大于整体杂质含量的10倍。
34.如权利要求33所述的部件，其特征在于，在距外表面部分的外表面至少3微米的深度处测定所述整体杂质水平。
35.如权利要求33所述的部件，其特征在于，所述外表面部分由CVD-SiC组成。
36.如权利要求35所述的部件，其特征在于，所述外表面部分是沉积在基材上面的CVD-SiC层。
37.如权利要求36所述的部件，其特征在于，所述基材包含SiC。
38.如权利要求37所述的部件，其特征在于，所述基材包含浸渍有元素硅的SiC。
39.如权利要求38所述的部件，其特征在于，所述基材包含浸渍有元素硅的重结晶的SiC。
40.如权利要求36所述的部件，其特征在于，所述CVD-SiC层厚度在约10-1000微米范围内。
41.如权利要求35所述的部件，其特征在于，所述部件是自由选定的CVD-SiC部件。
42.如权利要求41所述的部件，其特征在于，所述部件基本由CVD-SiC组成。
43.如权利要求33所述的部件，其特征在于，所述表面杂质含量不大于整体杂质含量的5倍。
44.如权利要求33所述的部件，其特征在于，所述表面杂质含量不大于整体杂质含量的2倍。
45.如权利要求33所述的部件，其特征在于，所述表面杂质含量不大于整体杂质含量。
46.如权利要求33所述的部件，其特征在于，所述表面杂质和整体杂质含量基于下面的至少一种的浓度Cr，Fe，Cu，Ni，Al，Ca，Na，Zn，V，B和Ti的浓度。
47.如权利要求46所述的部件，其特征在于，所述表面杂质和整体杂质含量基于Cr和Fe浓度的至少之一。
48.如权利要求47所述的部件，其特征在于，所述表面杂质和整体杂质含量基于Fe浓度。
49.如权利要求47所述的部件，其特征在于，整体杂质含量不大于1E17原子/cc Fe和不大于1E15原子/cc Cr。
50.如权利要求33所述的部件，其特征在于，所述半导体加工部件包括选自下面的部件半导体晶片桨、处理管、晶片舟皿、衬垫、支架、长舟皿、悬臂棒、晶片载体、加工室、仿真晶片、晶片基座、聚焦环、悬挂环。
51.如权利要求50所述的部件，其特征在于，所述部件是晶片舟皿。
52.如权利要求33所述的部件，其特征在于，所述部件在处理之前进行机加工，提供所述表面杂质含量。
53.一种处理半导体加工部件的方法，该方法包括下面步骤提供具有化学气相沉积SiC形成的外表面部分的半导体加工部件，外表面部分具有整体杂质含量和表面杂质含量；除去外表面部分的目标部分，使表面杂质含量不大于整体杂质含量的10倍。
54.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面杂质含量不大于整体杂质含量的5倍。
55.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面杂质含量不大于整体杂质含量的2倍。
56.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面杂质含量不大于整体杂质含量。
57.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标部分通过使其反应来除去。
58.如权利要求57所述的方法，其特征在于，所述反应是氧化反应，使外表面部分形成氧化物，所述除去目标部分的步骤还包括除去氧化物。
59.如权利要求58所述的方法，其特征在于，重复进行氧化和除去氧化物步骤，以除去所述目标部分。
60.如权利要求57所述的方法，其特征在于，通过蚀刻除去所述目标部分。
61.如权利要求60所述的方法，其特征在于，所述蚀刻包括使目标部分与蚀刻剂反应，形成蚀刻剂产物，该产物挥发，从而除去目标部分。
62.如权利要求61所述的方法，其特征在于，蚀刻剂是含Cl气体，形成SiClx的蚀刻剂产物。
63.如权利要求1所述的方法，该方法还包括使外表面部分的外表面上的污染物反应，形成反应产物。
64.如权利要求63所述的方法，其特征在于，所述目标部分通过下面步骤除去使外表面部分氧化，形成氧化物，随后除去该氧化物，并且所述反应和氧化步骤可以同时进行。
65.如权利要求63所述的方法，其特征在于，污染物与卤素气体反应。
66.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体加工部件包括选自下面的部件半导体晶片桨、处理管、晶片舟皿、衬垫、支架、长舟皿、悬臂棒、晶片载体、加工室、仿真晶片、晶片基座、聚焦环、悬挂环。
67.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体加工部件包含基材，为基材上面的涂层的外表面部分。
68.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述基材包含元素硅。
69.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述基材包含浸渍有所述元素硅的碳化硅。
70.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在用于半导体加工操作之前，除去所述目标部分。
71.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过重复进行除去步骤，除去目标部分。
72.如权利要求1所述的方法，其特征在于，目标部分的厚度至少为0.25微米。
73.如权利要求1所述的方法，其特征在于，目标部分的厚度至少为0.38微米。
74.如权利要求1所述的方法，其特征在于，目标部分的厚度至少为0.50微米。
75.如权利要求1所述的方法，该方法还包括在除去目标部分之前对所述部件进行机加工。
76.一种处理半导体加工部件的方法，该方法包括下面步骤提供具有由化学气相沉积SiC形成的外表面部分的半导体加工部件，外表面部分具有整体杂质含量和表面杂质含量；除去外表面部分的目标部分，使表面杂质水平至少降低10x。
77.如权利要求76所述的方法，其特征在于，所述表面杂质水平降低至少100x。
全文摘要
公开了各种半导体加工部件及其制造方法。一个实施方式中，半导体加工部件由SiC形成，部件的外表面部分的表面杂质水平不大于体杂质水平的10倍。另一个实施方式中，处理半导体加工部件的方法包括将部件在升高温度下暴露于卤素气体中，氧化所述部件形成氧化层，并除去该氧化层。
文档编号C04B41/80GK1856868SQ200480015166
公开日2006年11月1日 申请日期2004年4月14日 优先权日2003年4月15日
发明者Y·纳伦德拉, R·F·巴克利, A·G·黑尔, R·R·亨斯特 申请人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司