从陶瓷基片上去除含有钽沉积层和铝电弧喷涂层的复合涂层的方法.pdf

一种从陶瓷基片表面去除金属层的方法，该方法包括将含有金属涂层的陶瓷基片浸没在浓度高达31％盐酸溶液内，浸渍时间要足以至少基本上将金属层从基片上溶解或去除，从酸溶液中取出陶瓷基片，再在淋洗液中淋洗陶瓷基片，并且在预定的温度下进行热处理，处理时间要足以至少减少该陶瓷基片表面上的损伤或缺陷。

1.  一种将至少由一种金属形成的金属层从陶瓷基片表面去除的方法，所述方法包括将涂覆有金属层的陶瓷基片浸没在浓度高达31％的盐酸溶液内，浸渍时间要足以从基片上基本除去金属层。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，酸溶液含有的盐酸浓度约占溶液体积的31％。

3.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，金属层还包括由铝涂层形成的复合层，铝涂层接触陶瓷基片，而钽沉积层覆盖铝涂层。

4.  如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法还包括在浸渍步骤之后，对陶瓷基片在预定温度下进行热处理步骤，所述预定温度足以至少减少早先存在于陶瓷基片表面的损伤。

5.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法还包括在浸渍步骤之后，对陶瓷基片在升高温度下进行热处理步骤，所述温度应足以至少减少早先存在于陶瓷基片表面的损伤。

6.  如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述热处理步骤还包括采用至少一种预定的升温速率进行变温的步骤。

7.  如权利要求5所述的方法，其特征为：热处理操作还包括以至少一种预定升温速率进行变温的步骤。

8.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括在浸渍步骤之后，将所述基片浸没在含有硝酸(HNO₃)和氢氟酸(HF)的酸浴中，去除污渍。

9.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，该酸浴含有等份的水，硝酸和氢氟酸。

10.  如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述变温步骤还包括：
以约122°F/小时的第一升温速率加热到约302°F的第一温度；
在第一温度下保温约1小时；
以约212°F/小时的第二升温速率加热到约752°F的第二温度；
以约347°F/小时的第三升温速率加热到约1652°F的第三温度；
在第三温度下保温约7小时；
以约210°F/小时的降温速率，使基片冷却至约100°F的第四温度。

11.  如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述变温步骤还包括：
以约122°F/小时的第一升温速率加热到约302°F的第一温度；
在第一温度下保温约1小时；
以约212°F/小时的第二升温速率加热到约752°F的第二温度；
以约347°F/小时的第三升温速率加热到约1652°F的第三温度；
在第三温度下保温约7小时；以及
以约210°F/小时的降温速率使基片冷却至约100°F的第四温度。

12.  如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述变温步骤还包括：
以约122°F/小时的第一升温速率加热到约为302°F的第一温度；以及
在第一温度下保温约1小时。

13.  如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述变温步骤还包括：
以约212°F/小时的第二升温速率加热到约752°F的第二温度。

14.  如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述变温步骤还包括：
以约347°F/小时的第三升温速率加热到约1652°F的第三温度；
在第三温度下保温约7小时。

15.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述变温步骤还包括：
以约210°F/小时的降温速率，使基片冷却至约100°F的第四温度。

16.  一种将至少由一种金属形成的金属层从陶瓷基片表面去除的方法，所述方法包括下列步骤：
将涂覆有一种金属形成的金属层的陶瓷基片浸没在酸溶液中，浸渍时间要足以从基片上除去至少部分金属层；以及
在浸渍步骤之后对陶瓷基片在升高温度下的热处理步骤，所述温度应足以至少减少基片表面早先存在的损伤。

17.  如权利要求16所述的方法，其特征在于，酸溶液包括浓度高达该溶液体积的31体积％的盐酸溶液。

18.  如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述热处理步骤还包括以至少一种预定的升温速率进行变温的步骤。

19.  如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述变温步骤包括：
以约122°F/小时的第一升温速率加热到约302°F的第一温度；
在第一温度下保温约1小时。

20.  如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述变温步骤还包括：
以约212°F/小时的第二升温速率加热到约752°F的第二温度。

21.  如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述变温步骤还包括：
以约347°F/小时的第三升温速率加热到约1652°F的第三温度；
在第三温度下保温约7小时。

22.  如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述变温步骤还包括：
以约210°F/小时的降温速率使基片冷却至约100°F的第四温度。

23.  如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述热处理步骤还包括以至少一种预定的升温速率进行变温的步骤。

24.  如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述变温步骤还包括：
以约122°F/小时的第一升温速率加热到约302°F的第一温度；
在第一温度下保温约1小时；
以约212°F/小时的第二升温速率加热到约752°F的第二温度；
以约347°F/小时的第三升温速率加热到约1652°F的第三温度；
在第三温度下保温约7小时；
以约210°F/小时的降温速率，使基片冷却至约100°F的第四温度。

25.  一种沉积环的再生方法，所述沉积环包含涂覆有金属复合层的陶瓷基片，该复合层包含与陶瓷基片接触的铝层，以及沉积在铝层上的钽层，所述方法包括下列步骤：
将涂覆有金属复合层的陶瓷基片浸没在浓度高达31％的盐酸溶液中，浸渍时间要足以从基片上除去至少部分金属层；
将陶瓷基片从酸溶液中取出；
陶瓷基片在淋洗液内淋洗；
对陶瓷基片进行干燥；
陶瓷基片上涂覆新的金属层。

26.  如权利要求25所述的方法，其特征在于，该方法还包括：在涂覆步骤之前，陶瓷基片在预定温度下进行热处理的步骤，处理时间要足以至少减少陶瓷基片表面的损伤或缺陷。

27.  如权利要求25所述的方法，其特征在于，该方法还包括：在所述淋洗操作之后，将所述基片浸没在HNO₃和HF的酸溶液中，以去除污渍，然后再进行另一次淋洗步骤。

28.  如权利要求27所述的方法，其特征为：所述酸溶液含有等份的H₂O、HNO₃和HF。

29.  如权利要求27所述的方法，其特征在于，该方法还包括在进行所述涂覆步骤之前，所述基片在预定温度下干燥预定的时间。

30.  如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述的预定温度为250°F，所述预定时间为1小时。

31.  如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述热处理步骤还包括以至少一种预定的升温速率进行变温的步骤。

32.  如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述变温步骤还包括：
以约122°F/小时的第一升温速率加热到约302°F的第一温度；
在第一温度下保温约1小时；
以约212°F/小时的第二升温速率加热到约752°F的第二温度；
以约347°F/小时的第三升温速率加热到约1652°F的第三温度；
在第三温度下保温约7小时；以及
以约210°F/小时的降温速率，使基片冷却至约100°F的第四温度。

从陶瓷基片上去除含有钽沉积层和 铝电弧喷涂层的复合涂层的方法
发明领域
本发明通常涉及从陶瓷基片上去除涂层的方法，更具体的说涉及从陶瓷基片表面去除含钽与铝的复合涂层的方法，而对下面的陶瓷基片无负面影响。
发明背景
半导体器件的制作要求对硅晶片表面与里面进行广延的化学处理。这种处理通常要涉及到诸如扩散，氧化和沉积一类化学反应。对于沉积工艺，通过合适的化学手段在晶片表面沉积诸如多晶硅，氮化硅和二氧化硅一类介电材料。在沉积过程中，源自靶材，气体入口管线一类离子组分会沉积在沉积室裸露的内表面，其中包括室壁和硬件。沉积环设计成用来阻截这些飘游的组分。如果沉积环过度使用，它的性能会下降，必须定期更换，才能确保沉积装置的最佳性能。
沉积环通常由涂覆有金属层的陶瓷基片构成。飘游组分很容易沉积在金属层表面。金属层一般由一种金属组成，这种金属对陶瓷基片的反应活性差，耐蚀，对基片的结合力强，且生产成本低。铝是完全满足上述要求的金属。铝层一般经电弧喷涂在陶瓷基片上而形成，形成的铝涂层能提高钽沉积或其它金属沉积的结合力，因而提高了沉积环的性能。基于金属的顶层一般由钽构成，因为在半导体制作中采用沉积环时，钽是作为通过真空沉积法被沉积的组分。
陶瓷沉积环与沉积组分持续不断接触，本例就是金属钽，使该沉积环受污，导致截获性能下降，降到某个程度就会失效。受污与截获性能下降的沉积环必须更换成新的。报废的陶瓷环可以再生处理，以求降低沉积装置操作成本。一般来说，报废的陶瓷环经处理首先从陶瓷基片上去除金属层。一般将沉积环浸没在热的氢氧化钾溶液内除去旧膜。氢氧化钾溶液能溶解铝涂层，进而掏蚀了钽层。虽然氢氧化钾溶液能用于去除旧的金属层，但它也有损伤陶瓷基片表面的倾向，因而减弱了最初金属层与该陶瓷基片的结合力，造成不良的分层与剥落现象。
因此，需要开发一种从陶瓷基片表面去除金属层的新方法，它不会损伤陶瓷基片，确保重新沉积的金属层不会分层。还需要开发一种从陶瓷基片表面去除金属层的新方法，它同时提高随后再次涂层时在陶瓷基片表面的结合力。
发明综述
本发明涉及的是从陶瓷基片表面去除金属层的方法。本发明的方法提供一种有效去除金属层的工艺，而对陶瓷基片表面几无损伤。此方法在较佳实施方式中还同时提供具有重整陶瓷基片表面，提高其随后再次沉积金属层的结合力的优点，因而提高了层与层之间已经改进的结合力或附着力。本发明的方法涉及使用强酸溶液，促进金属层除去作用。本发明人发现较佳的强酸为盐酸(HCl)，该酸不会造成对陶瓷基片明显损伤。在较佳实施方式中，此方法还涉及对陶瓷基片进行热处理，以消除基片表面上的缺陷或早先存在的损伤，以及还能去除表面任何杂质或污染物。
本法最好在陶瓷基片上进行处理，含有复合层的沉积环，所述复合层由陶瓷基片上的铝涂层构成。在制作半导体而使用沉积环时，一般在铝涂层上沉积金属钽。在本发明的一个较佳实施方式中，金属铝是通过电弧喷涂法，喷涂在陶瓷基片的表面。
本发明的一个方面，提供了一种从陶瓷基片表面除去金属层的方法，该方法包括将涂覆有至少一种金属形成的金属层的陶瓷基片浸没在强酸溶液中，浸渍时间要至少足以基本上从基片上除去金属层。
本发明的一个具体方面，提供了一种从陶瓷基片表面除去金属层的方法，该方法包括：
将涂覆有至少一种金属形成的金属层的陶瓷基片浸没在浓度高达31％的盐酸溶液里，浸渍时间要至少足以基本上从基片上除去金属层。
从强酸溶液中取出陶瓷基片；
对陶瓷基片在预定温度下进行热处理，处理时间要足以至少减少陶瓷基片表面上的损伤或缺陷。
本发明的另一方面，提供了沉积环的再生方法，所述沉积环包含涂覆有金属复合层的陶瓷基片，该复合层包含与陶瓷基片接触的铝涂层，以及与铝涂层接触并覆盖其上的钽层，所述方法包括下列步骤：
将涂覆有至少一种金属形成的金属层的陶瓷基片浸没在浓度高达约31％的盐酸溶液内，浸渍时间要足以从基片上基本除去金属层；
将陶瓷基片从强酸溶液中取出；
用水淋洗基片；
将基片浸没在HNO₃和HF地酸溶液中；
用水淋洗基片，以及
将陶瓷基片置于预定温度的烘箱内一定时间，干燥该基片。
下面参考附图详述了本发明各实施方式，附图中相同项目采用相同参考号表识，其中：
图1是本发明一个较佳实施方式的简化方框图，以及
图2是本发明另一个实施方式的简化方框图。
本发明涉及从陶瓷基片上除去金属复合层的方法。在较佳实施方式中，本发明方法增强了脱除复合层的能力，同时明显改善或至少维持下层陶瓷基片的质量，随后可以再涂覆新的金属复合层。本发明方法的各实施方式避免了陶瓷表面的损伤，而这种损伤通常与现有的去除方法有关。本发明较佳方法还进一步改善了陶瓷基片早先存在的表面损伤或缺陷。本发明在这个实施方式中所采用的方法提供了有效而又价廉的再生废旧陶瓷基片的手段，那些废旧基片是一些诸如在生产半导体器件中加工硅晶片相关的，用来再生与更新这类基片。在一个实施方式中，陶瓷基片形成沉积环的一个部分(未予表示)，但本发明不限于此，它还适用于从多种其它部件表面去除金属复合层或单金属层。
制作半导体器件包括采用真空沉积方法在硅晶片上沉积—涂层。沉积方法可以是物理方法，将蒸气相沉积到所需基片上，或者是化学方法，将蒸气流过所需基片，在基片表面上进行化学反应。使用蒸气相会一成不变地造成从材料源向沉积装置的沉积室迁移，为此，要求采用沉积环以减少源材料在沉积室内各种部件上的沉积。结果，不仅在靶基上发生沉积作用，而且还会在诸如沉积环本身一类组件的裸露面上发生沉积作用。钽是一种典型的源材料。而且，这种工艺通常会随时间推延导致各组件表面性能的退化，反复使用到某个程度后，导致该组件最终无法使用，因而需要更换和报废组件的再生。供给半导体制造商新的或再生的沉积环在陶瓷基片表层有一层铝。使用期间，金属钽沉积在铝涂层上，时间一长，与沉积环相关的效率就会下降。
本发明还有一个方面，提供了一种从陶瓷基片表面除去金属层的方法，该方法包括：
将涂覆有至少一种金属形成的金属层的陶瓷基片浸没在浓度高达31％的盐酸溶液里，浸渍时间要至少足以基本上从基片上除去金属层。在较佳实施方式中，本方法在涂覆有金属复合层的陶瓷基片上进行，该金属复合层包含铝涂层，和覆盖在铝涂层上的钽沉积层。
本发明另一方面，提供了沉积环的再生方法，该沉积环包含涂覆有一种金属复合层的陶瓷基片，该复合层包含与陶瓷基片接触的铝涂层，以及与铝涂层接触并覆盖其上的钽沉积层，所述方法包括：
将涂覆有金属复合层的陶瓷基片浸没在浓度高达31％的盐酸溶液内，浸渍时间要足以从基片上基本上除去金属层；
将陶瓷基片从强酸溶液中取出；
在陶瓷基片上涂覆一层新的金属层。
参见图1，该图显示的是本发明一个较佳实施方式的操作步骤。这些步骤包括相继将涂覆金属的陶瓷基片浸没在盐酸(HCl)酸溶液2内，进行酸洗或将单金属镀层或金属复合层从基片上溶解，再用淋洗液4淋洗基片，用吹干机6吹干基片，将该基片置于炉窑8内在高温下进行热处理，并且再经涂层机10在基片上重新涂覆一层所需金属。在本实施例中，所需金属为铝，但本发明所述的铝并不意味仅限于铝。下面进一步叙述其中一些步骤。
在图2中，所示的是本发明第二个实施方式，该方法稍逊于图1所述的实施方式。在第二实施方式中，没有采用第一实施方式中使用炉窑8的热处理步骤，而采用所示的其它步骤，如图所示。须注意的是第二实施方式中前两步操作与最后一步操作与图1第一较佳实施方式中的前两步操作与最后一步操作完全相同。第二实施方式的一连串操作步骤包括将镀有金属层的陶瓷基片浸没在盐酸(HCl)酸溶液2内，再将洗脱金属层后的基片浸没在淋洗液4内，将基片浸没在硝酸和氢氟酸的酸溶液7内，用吹干机6吹干基片，再在超声清洗机12内冲洗，用吹干机6吹干基片，在烘箱14内烘干基片，并且再经涂层机10在基片上重新镀一层所需金属。下面进一步叙述其中某些步骤。
再参见图1，简化的方框图表示基本组件和实施本发明较佳方法的操作步骤。本发明较佳方法采用配制含有酸性洗提液的酸溶液2，它用以去除或通过洗脱将金属复合层洗脱下来，或从陶瓷基片表面上将金属层溶解，同时仍保持陶瓷基片表面完整无损状态。酸性洗提液由一种强酸，最好是盐酸的混合水溶液构成。较佳酸性洗提液含有高达31体积％盐酸，更佳含有约31体积％盐酸。酸性洗提液很适宜于去除金属层，如该金属层由覆盖在陶瓷组件上的铝与钽的复合层构成。可以看出，本发明采用约31％HCl的酸性洗提液很容易去除或洗脱金属层，而对下层的陶瓷基片无任何明显损伤。
正如前面指出，本发明的一个用途是直接用于陶瓷基片表面报废的或用过的金属复合层的再生。该陶瓷基片一般用作沉积装置内的沉积环的组件。一般来说，金属复合层包含覆盖在铝涂层上的钽层(如在制作半导体采用沉积环时沉积而成)，而铝涂层是结合在陶瓷基片表面上的。废旧沉积环最初浸没在装有酸溶液2的酸洗槽内，酸溶液含有酸性洗提液。废旧沉积环最好悬挂在酸洗槽内，如通过采用一只普通吊钩(未予显示)就可以达此目的。沉积环浸没在酸溶液内的时间要足以让酸性洗提液将金属层洗脱或溶解。酸溶液2的温度维持在室温左右。正常情况下，沉积环浸没在酸性洗提液或酸溶液2的时间长达约15分钟至约1小时。然而，浸取时间没有限制，它随被去除的金属复合层的厚度与成分而变。
然而，取出沉积环，在淋洗液4中淋洗除去任何酸性洗提液和/或已裸露成光面的陶瓷基片上的沾污物。这种操作可以通过将沉积环浸没在装有静态淋洗液4的淋洗槽内进行。该静态淋洗液4为水。沉积环浸没在静态淋洗液4的时间要足以洗去残留物，通常从约30秒到2分钟不等。
然后从静态淋洗液4中取出沉积环，再用去离子水喷洗除去可能还残存在基片表面上的任何残留物。一经喷洗，再将沉积环浸没在溢流式洗槽(未予表示)。按需要再次重复在淋洗液4中淋洗，直至沉积环表面不再含有任何残留物，否则会影响随后的重镀工艺，以致影响组件的再生。
在本发明这个较佳实施方式中，沉积环置于可温控的炉窑8内进行热处理。该炉窑8可以采用常规的市售炉。经过热处理可以消除陶瓷基片表面上任何缺陷或早先存在的损伤。除此之外，沉积环经热处理可以氧化与驱除陶瓷基片表面上的有机残存物与沾污物。
再进行热处理操作时，在炉窑8内将沉积环加热到约302°F，升温速率为约122°F/小时，保温约1小时。然后，将沉积环升温到约752°F，升温速率为约212°F/小时。此后，将沉积环升温到约1652°F，升温速率约为347°F/小时，保温约7小时。7小时后，将沉积环降温至约100°F，降温速率约210°F/小时。
正如前所述，在图2实施方式中，酸洗操作采用的是硝酸/氢氟酸溶液或酸溶液7，酸洗时间为5-10分钟，去除基片上的污渍。本发明人发现含有等份量的水、HF与HNO₃(各占三分之一)的酸溶液7可以在除污渍的同时对基片的损伤最小。然而，采用这一类洗液会损伤基片，尤其可能要用炉窑或其它热处理装置要对基片进行热处理时，应避免采用这类洗液。
再参见图2的实施方式，沉积环浸没在酸溶液7之后，再浸没在淋洗液9内(即静态和/或溢流淋洗液)，提高任何残留物、沾污物一类的洗脱效果，然后用吹干机6吹干沉积环或陶瓷基片，接着浸没在超声清洗液12内，用常规超声清洗机清洗。此后，使用吹干机6使沉积环或陶瓷基片部分干燥。再将沉积环置于烘箱14内，温度约为250°F，时间约为1小时，使基片彻底干燥。所用的烘箱14可以是市售的任何一种烘箱。
一旦在烘箱14内干燥或在炉窑8内热处理完成后，沉积环或陶瓷基片准备就绪，在涂层机10内再重新进行金属镀层操作。涂层机10可以是本领域已知的任何适宜于金属镀层或金属层的涂层装置，如双线缆电弧喷射装置(twinwire arc spray systems)，但不仅限于此。在本发明一个实施方式中，通过适宜手段在沉积环上最初镀一层铝，该镀层具有所需的厚度、硬度、表面粗糙度与结合强度。该铝涂层可以采用热喷涂装置，包括本领域内广为所知的双线缆电弧喷射装置(twin wire arc spray system)。至此，沉积环已被再生，准备安装在主机内并再次投入作业。
虽然详细说明了本发明各种实施方式，但这些实施方式并不是用来限制本发明范围的。本领域的技术人员可以明白对这些实施方式做出各种修改，而这些修改均包括在本发明所附权利要求的精神与范围之内。例如，本发明不限于采用金属镀层的陶瓷沉积环，本发明还可以用于从其它以陶瓷为基材的组件或部件上去除金属镀层。还有，除HCl外，还可以采用其它强酸，但本发明人观察到其它强酸会造成陶瓷基片性能下降。本发明人还认为处理温度越低和/或HCl浓度低于31％，工艺时间会拉得过长。再有，如果处理温度愈高和/或酸的浓度愈高，高达31％HCl，则会对陶瓷基片或组件造成损伤。