JP2003503597A - 半導体処理装置の耐腐食性部材およびその製造方法 - Google Patents
半導体処理装置の耐腐食性部材およびその製造方法Info
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Abstract
Description
チングまたは堆積用ガスを供給し、ガスにRF場を印加してガスにエネルギーを
与えてプラズマ状態にすることにより、基板上で材料のエッチングおよび化学気
相堆積(CVD)を行なうために用いられる。平行板、誘導結合プラズマ(IC
P)とも呼ばれるトランス結合プラズマ(TCP(商標))、および電子サイク
ロトロン共鳴(ECR)反応器とそれらの部材は、本出願の所有者が所有する米
国特許第4340462、4948458、5200232および582072
3号に開示されている。これらの反応器内でのプラズマ環境の腐食性と、粒子お
よび/または重金属汚染の最小化の要求のために、このような装置の部材の耐腐
食性が優れていることは非常に望ましい。
ESC)のような基板ホルダによって真空チャンバ内の定位置に固定されている
。このようなクランプ・システムおよびそれらの部材の例は、本出願の所有者が
所有する米国特許第5262029および5838529号に見出すことができ
る。プロセス・ガスは、ガス・ノズル、ガス・リング、ガス分配プレートなど様
々な方法でチャンバに供給することができる。誘導結合プラズマ反応器用の温度
制御ガス分配プレートおよびその部材の例は、本出願の所有者が所有する米国特
許第5863376号に見出すことができる。プラズマ・チャンバ装置に加えて
、半導体基板処理に用いられる他の装置には、搬送機構、ガス供給システム、ラ
イナ、リフト機構、ロード・ロック、ドア機構、ロボット・アーム、ファスナ、
およびこれらの類似物などが含まれる。このような装置の部材は半導体処理に関
連する様々な腐食性条件のもとに置かれる。さらに、シリコン・ウエハなどの半
導体基板およびフラット・パネル・ディスプレイ用のガラス基板などの誘電体材
料を処理することに対する高純度要件に鑑みて、耐腐食性が改善された部材はこ
のような環境下で非常に望ましい。
、基板サポート、ファスナおよび他の部材に用いられる。これらの金属部材の腐
食を防ぐために、様々なコーティングでアルミニウム表面をコートする様々な技
術が提案されてきた。例えば米国特許第5641375号は、壁面のプラズマに
よる腐食および磨耗を減らすためにアルミニウム・チャンバの壁面を陽極酸化処
理することを開示する。この’375特許は、陽極酸化処理された層は結果的に
スパッタまたはエッチングによってなくなり、チャンバを取り替えなければなら
ないと述べている。米国特許第5895586号は、Al2O3、AlC、Ti
N、TiC、AlNまたはこれらの類似物の耐腐食性フィルムをアルミニウム材
料上に形成する技術を特開昭62−103379に見出すことができることを述
べている。
べている。この’013特許は、アルミニウムと酸化アルミニウムのようなセラ
ミック・コーティングとの間の熱膨張係数の差が、熱サイクルによるコーティン
グのクラックおよび腐食性環境での結果的なコーティングの破損に導くことを記
載している。チャンバの壁面を保護するために、米国特許第5366585、5
798016、および5885356号はライナの配置を提案する。例えば、’
016特許は、セラミック、アルミニウム、スチール、および/または石英のラ
イナを開示しており、アルミニウムが機械加工しやすいために好ましく、酸化ア
ルミニウム、Sc2O3またはY2O3のコーティングを有することはAl2O 3 がプラズマからアルミニウムを保護するためのアルミニウムのコーティングに
とって好ましいことを開示している。’585特許は、少なくとも0.005イ
ンチの厚さをもち固体アルミナから機械加工で製造される自立構造のセラミック
・ライナを開示する。この’585特許はまた、酸化アルミニウムの火炎溶射ま
たはプラズマ溶射により、下側にあるアルミニウムを消耗することなく堆積させ
たセラミック層を使用できることを記載する。’356特許はアルミナのセラミ
ック・ライナおよびウエハ支持台(pedestal)のための窒化アルミニウ
ムのセラミック・シールドを開示する。米国特許第5885356号はCVDチ
ャンバ用のセラミック・ライナ材料を開示する。
えば、米国特許第5879523号は熱スパッタリング・チャンバを開示し、そ
のチャンバではAl2O3の溶射コーティングが任意選択で介在するNiAlx 結合コーティングをもつステンレス鋼またはアルミニウムなどの金属に適用され
ている。米国特許第5522932および589153号は、任意選択で介在す
るニッケル・コーティングをもち基板のプラズマ処理に用いられる装置の金属部
材のためのロジウム・コーティングを開示する。米国特許第5680013号は
、プラズマ処理チャンバの金属表面を結合していないセラミックで保護すること
を開示し、ここで好ましいセラミック材料は焼結AlNであり、それほどではな
い材料として酸化アルミニウム、フッ化マグネシウム、および酸化マグネシウム
が含まれている。米国特許第5904778号はチャンバの壁面、チャンバの上
面、またはウエハの回りのカラー(collar)用の自立構造のSiC上への
SiC CVDコーティングを開示する。
々な提案がシャワーヘッドの材料についてされてきた。例えば、本出願の所有者
が所有する米国特許第5569356号はシリコン、グラファイト、または炭化
シリコンのシャワーヘッドを開示する。米国特許第5494713号はアルミニ
ウム電極上にアルマイト・フィルムを形成しさらにアルマイト・フィルム上に酸
化シリコンまたは窒化シリコンなどのシリコン・コーティング・フィルムを形成
することを開示する。この’713号特許は、アルミニウム・コーティング・フ
ィルム、アルマイト・コーティング・フィルム、およびシリコン・コーティング
・フィルムは異なる線膨張係数をもちそしてシリコン・コーティング・フィルム
が厚すぎると容易にクラックが発生するため、シリコン・コーティング・フィル
ムの厚さは10μm以下、好ましくは約5μmとすべきであると記載している。
しかし、厚さが5μmより小さいと、アルミニウム基材の保護が不十分であるた
めに好ましくないと記載されている。米国特許第4534516号はステンレス
・スチール、アルミニウム、銅またはこれらの類似物の上部シャワーヘッド電極
を開示する。米国特許第4612077号はマグネシウムのシャワーヘッド電極
を開示する。米国特許第5888907号はアモルファス・カーボン、SiC、
またはAlのシャワーヘッド電極を開示する。米国特許第5006220および
5022979号は、全体がSiCでできているかまたは高純度のSiC表面層
をもつようにCVDで堆積したSiCでコートされたカーボン・ベースのシャワ
ーヘッド電極を開示する。
の部材に使用される材料および/またはコーティングを改善することが当分野に
おいて求められている。さらにチャンバ材料に関して、プラズマ反応器チャンバ
の耐久性を増しそして装置の休止時間を減らすことができるいかなる材料も半導
体ウエハ処理のコストを低減するのに有益である。
ーティングを設けるプロセスが提供される。このプロセスは、(a)部材の金属
表面にニッケル−リンめっきを堆積すること、および(b)外側の耐腐食性表面
を形成するようにニッケル−リンめっきの上にセラミック・コーティングを堆積
すること、を含む。金属表面は、プラズマ・チャンバに用いられる陽極酸化もし
くは非陽極酸化アルミニウム、ステンレス鋼、モリブデンもしくは他の金属など
の高融点金属または合金とすることができる。セラミック・コーティングはアル
ミナ、SiC、AlN、Si3N4、BCまたは他のプラズマに耐えうるセラミ
ック材料とすることができる。
面、(b)金属表面上のニッケル−リンめっき、および(c)ニッケルめっき上
のセラミック・コーティングを含み、アルミナ・コーティングが外側の耐腐食性
表面を形成する。
明から明らかとなるであろう。
金属表面に耐腐食性をもたせる効果的な方法を提供する。このような部材には、
チャンバの壁面、基板サポート、シャワーヘッド、バッフル、リング、ノズルな
どを含むガス分配システム、ファスナ、加熱素子、プラズマ・スクリーン、ライ
ナ、ロボット・アームなどの搬送モジュール部材、ファスナ、内部および外部チ
ャンバの壁面などとこれらの類似物が含まれる。
にするため、本発明は米国特許第5820723号−その全体を参照により本明
細書に組み込む−に記載される装置を参照してより詳細に説明される。
力を及ぼしまたHeで裏面冷却されている基板にRFバイアスを加える基板ホル
ダ70を含む。フォーカス・リング72は基板上の領域にプラズマを閉じ込める
。高密度プラズマを生成するための適切なRF源により駆動されるアンテナ40
などの、チャンバ内に高密度(例えば、1011〜1012イオン/cm3)プ
ラズマを維持するためのエネルギー源が反応器チャンバ10の上部に配置される
。チャンバは、チャンバの底部中央にある真空排気口20を通してチャンバを脱
気することにより、望ましい圧力(例えば、50mTorr以下、通常1〜20
mTorr)にチャンバの内部30を維持するための適切な真空ポンプ装置を含
む。
的に平面の誘電体の窓50が、処理チャンバ10の上部で真空仕切り壁を形成す
る。ガス分配プレート52は、窓20の下に設けられそしてチャンバ10へガス
供給部からプロセス・ガスを導入するための円形の穴などの開口部を含む。円錐
形ライナ54はガス分配プレートから広がりそして基板ホルダ70を囲む。
、Heの裏面冷却を用いながら通常静電クランプ74により定位置に固定される
。次にプロセス・ガスが、窓50とガス分配プレート52との間のギャップにプ
ロセス・ガスを通すことにより真空処理チャンバ10に供給される。適切なガス
分配プレートの配列(すなわち、シャワーヘッド配列)は、本出願の所有者によ
り所有される米国特許出願08/509080、08/658258、および0
8/658259に開示されており、これらの開示をここで参照により組み込む
。例えば、図1の窓およびガス分配プレートの配列は平面で厚さが均一であるが
、非平面かつ/または厚さが不均一な構造を窓および/またはガス分配プレート
に用いることができる。高密度プラズマは、アンテナ40に適切なRF出力を供
給することにより基板および窓の間のスペースで発生する。
壁面などのチャンバの壁面28および基板ホルダ70などの金属部材、ファスナ
56、ライナ54などは、本発明によるコーティングをおこない、そうすること
でプラズマ・チャンバの動作中にそれらをマスクする必要を回避する候補である
。コートできる金属および/または合金の例には、陽極酸化もしくは非陽極酸化
アルミニウムおよびその合金、ステンレス鋼、WおよびMoなどの高融点金属と
それらの合金、銅およびその合金などが含まれる。好ましい実施形態においてコ
ートされる部材は、表面29が陽極酸化または非陽極酸化アルミニウムであるチ
ャンバの壁面28である。本発明によるコーティングはその組成に関係なく(し
たがって、高純度のアルミニウムだけでなくより経済的なアルミニウム合金を使
用できる)、結晶粒構造または表面状態に関係なくアルミニウム合金の使用を可
能にする。以下の記載において、コートされる部材の例は図2に示すように、リ
ン−ニッケル・コーティング80およびセラミック・コーティング90をもつア
ルミニウム・チャンバの壁面28である。
どのめっき、スパッタ、浸漬コーティングまたは化学気相堆積を含む従来の技術
によりアルミニウム側壁面28にコートされる。無電界めっきはP−Niコーテ
ィングを付けるのに好ましい方法であり、電流を用いることなくチャンバの込み
入った内部表面またはガス供給部材のガス通路などのチャンバの他の部材をめっ
きすることを可能にする。P−Ni合金の無電界めっき技術の例は、米国特許第
4636255号に開示されており、その開示をここで参照により組み込む。ま
た、通常の無電界めっきプロセスは、H.BoyerおよびT.Gall編「M
etals Handbook」第5版、American Society
For Metals(1989)に開示されている。
28の表面は、めっきする前に徹底的に洗浄して酸化物またはグリースなどの表
面物質を取り除く。好ましいニッケル合金めっきにはPが約9から約12重量パ
ーセント、またより好ましくは約10から約12重量パーセント含まれる。
上にアルミナ、SiC、Si3N4、BC、AlNなどのセラミック層90を形
成する前にそれが加工できるように、十分に厚い。P−Niコーティング80の
厚さは、少なくとも約0.002インチ、好ましくは約0.002インチから約
0.010インチ、より好ましくは0.002および0.004インチの間のよ
うな適切ないかなる厚さでもよい。
っきを何らかの適切な技法でブラストするかまたは粗化し、次にセラミック材料
で保護被覆することができる。セラミック材料はリン−ニッケル・コーティング
80の上に好ましくは熱溶射される。このように粗化された層80は溶融セラミ
ック粒子に特に良好な結合を実現する。セラミック・コーティングの温度が下が
ると、それはコーティング80に高い機械圧縮強度を付与し、かつコーティング
90内の亀裂の形成を最小化する。セラミック・コーティング90は、Al2O 3 、SiC、Si3N4、BC、AlN、TiO2などの望ましいセラミック材
料または材料の組合わせのいずれも含むことができる。
パッタリングにより付けることもできる。好ましいコーティング法は熱溶射によ
るものであり、この方法ではセラミックの粉末を溶融しそして溶射コートされる
部材に向けられるガス流に乗せる。熱溶射技術の利点は、金属体の熱溶射ガンに
面する側だけがコートされ、また他の領域を保護するためにマスキングを用いる
ことができるということである。Pawlowskiによる「The Scie
nce and Engineering of Thermal Spray
Coating」(John wiley、1995)に、プラズマ溶射を含
む通常の熱溶射技術に関する記載がある。
をプラズマ溶射することにより、約0.005から約0.040インチ、好まし
くは0.010から0.015インチ厚の範囲のような適切な厚さに堆積させら
れる。アルミナ層の厚さは、反応器内で発生しうるプラズマ環境(例えば、エッ
チング、CVDなど)に耐えうるように選択することができる。アルミナのこの
層90は、反応器チャンバおよび前記のような部材の全てまたは一部分にコート
される。それは、反応器チャンバで処理される半導体基板がニッケルおよび/ま
たはアルミニウムで汚染されることを防ぐために、プラズマと直接接触する部分
またはライナなどのチャンバの部材の後ろの部分のようなプラズマ環境に曝され
ることも曝されないこともある領域に設けることが好ましい。そうすることで、
本発明の1つの利点により、不十分なエッチングまたは堆積フィルムにおける望
ましくないピンホールの生成は、腐食によるチリの発生を押さえることにより低
減される。
求の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正をすることができ、同等
のものを用いることがでるということは当分野の技術者には明かであろう。
チャンバの概略的横断面図である。
Claims (20)
- 【請求項1】 半導体処理装置の部材の金属表面をコーティングするための
方法であって、 (a)半導体処理装置の部材の金属表面にニッケル−リンめっきを堆積するこ
と、 (b)前記ニッケル−リンめっき上に、最外郭表面を形成するセラミック・コ
ーティングを堆積すること を含む方法。 - 【請求項2】 前記ニッケル−リンめっきを無電界めっきにより堆積させる
請求項1に記載のコーティングするための方法。 - 【請求項3】 前記部材がプラズマ・チャンバの側壁を含み、前記ニッケル
−リンめっきを前記側壁の露出した内側表面の上に堆積させる請求項1に記載の
コーティングするための方法。 - 【請求項4】 前記セラミック・コーティングがAl2O3、SiC、Si 3 N4、BC、またはAlNを含む請求項1に記載のコーティングするための方
法。 - 【請求項5】 前記ニッケル−リンめっきが約9から約12重量パーセント
のリンを含む請求項1に記載のコーティングするための方法。 - 【請求項6】 前記ニッケル−リンめっきを約0.002から約0.004
インチの範囲の厚さに堆積させる請求項1に記載のコーティングするための方法
。 - 【請求項7】 前記セラミック・コーティングを堆積する前に前記ニッケル
−リンめっきに表面粗化処理をおこない、前記ニッケル−リンめっきの全部また
は一部分を被覆するように前記セラミック・コーティングを前記ニッケル−リン
めっき上にプラズマ溶射することによって前記セラミック・コーティングを粗化
ニッケル−リンめっき上に堆積することをさらに含む、請求項1に記載のコーテ
ィングするための方法。 - 【請求項8】 前記セラミック・コーティングを約0.005から約0.0
40インチの範囲の厚さに堆積させる請求項1に記載のコーティングするための
方法。 - 【請求項9】 前記金属表面が、陽極酸化された、または陽極酸化されてい
ないアルミニウムもしくはアルミニウム合金であり、前記セラミック・コーティ
ングがAl2O3、SiC、Si3N4、BC、またはAlNである請求項1に
記載のコーティングするための方法。 - 【請求項10】 半導体処理装置の部材であって、 (a)金属表面と、 (b)前記金属表面上のニッケル−リンめっきと、 (c)前記ニッケル−リンめっき上の、最外郭表面を形成するセラミック・コ
ーティングと を含む部材。 - 【請求項11】 金属表面が、陽極酸化された、または陽極酸化されていな
いアルミニウムもしくはアルミニウム合金である請求項10に記載の部材。 - 【請求項12】 前記セラミックがAl2O3、SiC、Si3N4、BC
、またはAlNである請求項10に記載の部材。 - 【請求項13】 前記ニッケル−リンめっきが約9から約12重量パーセン
トのリンを含む請求項10に記載の部材。 - 【請求項14】 前記ニッケル−リンめっきが約0.002から約0.00
4インチの範囲の厚さを有する請求項10に記載の部材。 - 【請求項15】 前記セラミック・コーティングが約0.005から約0.
030インチの範囲の厚さを有するプラズマ溶射アルミナ・コーティングである
請求項10に記載の部材。 - 【請求項16】 前記部材がプラズマ・チャンバ壁である請求項10に記載
の部材。 - 【請求項17】 前記セラミック・コーティングが耐亀裂性である請求項1
0に記載の部材。 - 【請求項18】 ニッケル−リンめっきがセラミック・コーティングと接触
する粗化表面を含み、セラミック・コーティングが熱溶射によるコーティングで
ある請求項10に記載の部材。 - 【請求項19】 セラミック・コーティングがアルミナであり、金属表面が
、陽極酸化された、または陽極酸化されていないアルミニウムもしくはアルミニ
ウム合金である請求項18に記載の部材。 - 【請求項20】 請求項10に記載の部材を含むプラズマ・チャンバ内で半
導体基板を処理する方法であって、半導体基板の露出表面をプラズマと接触させ
ることを含む方法。
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