JP2004526053A - 半導体処理装置における高靭性ジルコニアセラミック構成要素とコーティングおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
プラズマチャンバーのような半導体処理装置の耐食性構成要素の最も外側の表面を、高靭性ジルコニアセラミック材料で形成する。その構成要素は、全体をセラミック材料で作るか、または、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、高融点金属のような基板上にセラミック材料をコーティングして作ることができる。高靭性ジルコニアセラミックには、正方晶ジルコニア多結晶体(TZP)材料、部分安定化ジルコニア(PSZ)、ジルコニア強化アルミナ（正方晶ジルコニア粒子がAl２O３に分散している）のようなジルコニア分散高靭性セラミック(ZTC)を含む。高靭性ジルコニアセラミックコーティングの場合、構成要素とセラミックコーティングの間に１つかまたはそれ以上の中間層を作ることができる。セラミックコーティングの付着性を高めるために、構成要素表面または中間層表面は、セラミックコーティングの前に表面を粗化する処理を行うことができる。
Description
【技術分野】
【０００１】
［発明の属する技術分野］
本発明は、一般に、半導体ウェーハの処理に関連し、より詳細には処理中のパーティクル汚染及び金属汚染を削減する内部表面を有する高密度プラズマエッチングチャンバーに関連する。
【背景技術】
【０００２】
［関連技術の記載］
半導体処理の分野において、真空処理チャンバーは一般に、エッチングガスもしくは成膜ガス（deposition gas）を真空チャンバーへ供給し、ＲＦ電界（RF field）をガスにかけてプラズマ状態へ励起させることにより基板上の物質のエッチングや化学気相成長法（chemical vapor depositing:ＣＶＤ）を行うために利用されている。平行平板（parallel plate）の例として、変圧器結合プラズマ（transformer coupled plasma:ＴＣＰ（登録商標））、別名誘導結合プラズマ（inductively coupled plasma:ICP）や、電子サイクロトロン共鳴（electron-cyclotron resonance:ECR）反応室、それらの構成要素は、本願と同じ出願人による米国特許第４，３４０．４６２号、第４，９４８，４５８号、第５，２００，２３２号及び第５，８２０，７２３号に開示されている。そのような反応室におけるプラズマ環境の腐食性（corrosive nature）及びパーティクル汚染及び／又は重金属汚染（heavy metal contamination）を最小化する要求のために、そのような構成部品には高い耐食性が特に求められる。
【０００３】
半導体基板の処理中は、機械的なクランプ及び静電式クランプ（electrostatic clamps:ＥＳＣ）などの基板支持部により当該基板は典型的に真空チャンバー内に設置されている。そのようなクランプシステム及びそのような構成要素の例は、本願と同じ出願人による米国特許第５，２６２，０２９号及び第５，８３８，５２９号に発見することができる。プロセスガスは、チャンバー内にガス供給板（gas distribution plate）を利用するなど様々な方法により供給可能である。誘導結合プラズマ反応路のための温度制御ガス供給板及びその構成要素の一例は、本願と同じ出願人による米国特許第５，８６３，３７６号に開示されている。プラズマチャンバー装置に加えて、半導体基板を処理するために利用する他の装置には、搬送機構（transport mechanisms）、ロボットアーム、ファスナー（fasteners）等が含まれる。そのような装置の様々な構成要素は、半導体処理に関連した腐食状況にさらされる。さらに、シリコンウェーハのような半導体基板や、フラット・パネル・ディスプレイに利用されるガラス基板の様な誘電体材料の処理のための高純度化の要求（high purity requirements）の鑑点では、耐食性が改善された構成要素が、そのような環境において特に求められている。
【０００４】
アルミニウム及びアルミニウム合金は典型的に、壁、電極、基板支持部、ファスナー及びプラズマ反応室における他の構成要素に利用されている。そのような金属構成要素の侵食を防止するために、多種多様なコーティング剤によりアルミニウムの表面をコーティングするための様々な技術が提案されてきた。例えば、米国特許第５，６４１，３７５号では、壁のプラズマ侵食（plasma erosion）及び消耗（wear）を低減するためにアルミニウムチャンバー壁が陽極酸化（anodized）されている。‘３７５特許は結果的に陽極酸化層がスパッタリングされ、もしくはエッチングされ、チャンバーを取り替えねばならないと記載している。米国特許第５，８９５，５８６号は、Al２O３,AlC,Tin, TiC,AlN等の耐食性膜をアルミニウム材料上に形成するための技術は、日本国公開公報第６２−１０３３７９号に発見できると記載している。米国特許第５，６８０，０１３号は、エッチングチャンバーの金属表面にAl２O３をフレーム溶射（flame spraying）する技術が、米国特許第４，４９１，４９６号に開示されていると述べている。‘０１３特許は、腐食環境において、アルミニウムとアルミニウム酸化物のようなセラミックコーティングとの間の熱膨張係数（thermal expansion coefficients）の違いが、熱サイクル及びその結果として生ずるコーティングの劣化（eventual failure of the coatings）により、コーティングの亀裂をもたらすと述べている。米国特許第５，８７９，５２３号は、スパッタリングチャンバーを開示する。そこでは、Al２O３の熱溶射コーティング（thermally sprayed coating）がステンレスやアルミニウム等の金属に適用され、NiAlx接続コーティングがその間に随意的に挟まれる。米国特許第５，５２２，９３２号は、ニッケルコーティングを随意的に間に挟んだ（with an optional neckel coating therebetween）、基板のプラズマ処理に利用される装置の金属構成部分についてのロジウムコーティングについて開示している。
【０００５】
チャンバー壁、ライナー、リングや、プラズマチャンバーの他の部分の材料についても提案されている。例えば、米国特許第５，３６６，５８５号、第５，７８８，７９９号、第５，７９８，０１６号、第５，８５１，２９９号、第５，８８５，３５６号がある。
【０００６】
集積回路装置は、物理的サイズ及び動作電圧の両方において縮小を続けているので、それらの関連する処理効率はパーティクル汚染及び金属不純物汚染の影響を受けやすくなっている。従って、物理的サイズが縮小している集積回路装置の処理には、パーティクル汚染及び金属汚染のレベルを従前許容可能であったレベルよりも下げるすることが要求されている。
【０００７】
以上の鑑点から、高密度プラズマ処理チャンバーには、プラズマにさらされる内部表面により高い耐食性持たせ、また、処理されるウェーハ表面への悪影響（例えば、パーティクル不純物や金属不純物）の最小化を促進することが必要とされる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
[発明の概要]
本発明の第１の実施形態は、半導体処理装置の構成要素を作る方法を提供する。当該方法は、その構成要素の最も外側の表面(outermost surface)に高靭性ジルコニアセラミックコーティング（zirconia toughened ceramic coating）を形成するような、構成要素の表面への高靭性ジルコニアセラミックコーティングを含むプロセスである。
【０００９】
本発明の第２の実施形態は、半導体処理装置の構成要素を提供し、ここにおいて、当該構成要素は、最も外側の表面を形成する高靭性ジルコニアセラミックを含んでいる。また、上述の構成要素を少なくとも一つ含むプラズマチャンバーをも提供する。
【００１０】
本発明の第３の実施形態は、上述のプラズマチャンバーにおける半導体基板処理方法を提供する。本発明に対応する方法によれば、基板はプラズマチャンバー内へ搬送され、当該基板の露出表面（exposed surface）はプラズマにより処理される。本発明の更に好適な実施形態によれば、当該方法は、反応室において基板支持部における基板の位置決めを行い、反応室内への処理ガスを供給し、基板表面付近でプラズマを生成させるために処理ガスへＲＦエネルギー供給し、プラズマにより基板表面のエッチングを行う、ステップを含む。
【００１１】
本発明は、添付する図面を参照してより詳細に記載される。当該図面においては、類似の要素は類似の参照番号が与えられるものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
［本発明の好適な実施形態の詳細な記述］
本発明は、プラズマ反応チャンバーの部品のような、半導体処理装置の構成要素の表面に耐食性を与えるための有効な方法を提供する。このような構成要素には、チャンバー壁、基板支持部、ガス供給システム、（シャワーヘッド、バッフル、リング、ノズルなどを含む）、ファスナー、加熱装置、プラズマスクリーン、ライナー、ロボットアームのような搬送モジュール構成要素、ファスナー、内部および外部チャンバー壁等及びそれらに類する構成要素が含まれる。本発明においては、これらの構成要素、高靭性ジルコニアセラミックで製造することができ、また、プラズマにさらされる表面を高靭性ジルコニアセラミック材料でコーティングまたは他の方法で覆うことができる。
【００１３】
高靭性ジルコニアセラミックは、セラミックの強度と靭性を改善するために、準安定な正方晶ジルコニア粒子の、正方晶から単斜晶への相転移を利用した材料(a class of materials which utilize the tetragonal to mono-clinic phase transformation of metastable tetragonal zirconia particles)である。大気圧下において(under ambient pressure)、ジルコニアは３つの多形(three polymorphic forms)、すなわち単斜晶、正方晶、立方晶(monoclinic tetragonal and cubic)を持つ。立方晶ジルコニアは、ジルコニアの融点から約２３７０℃までの範囲で安定であり、正方晶ジルコニアは、約２３７０℃から約１１２０℃までの範囲で安定であり、単斜晶ジルコニアは、約１１２０℃以下の温度で安定である。正方晶から単斜晶への相転移は、３−５％の体積膨張（volume expansion）と、約８％のせん断ひずみ(shear displacement)を伴う。このため、純粋なジルコニアを高温から冷却すると亀裂が生じるかもしれない。
【００１４】
しかし、MgO,CaO,Y2O3,CeO2,TiO2などの安定化剤をジルコニアに加えると、転移可能な正方晶相が室温でも生成できる。転移可能な正方晶ジルコニアZrO2からなるセラミックは、ジルコニアの応力誘起相転移を用いてセラミックの強度と靭性を改善しているため、相転移高靭化セラミック(transformation-toughened ceramisc)と呼ばれている。これらの材料は、高強度と高靭性が必要とされる構造材料の用途に広く用いられている。応力誘起相転移(stress-induced phase transformation)は、室温で準安定として存在する正方晶ジルコニアが、進展する亀裂縁でのせん断応力によって生じる単斜晶相への転移の際にエネルギーを吸収することで起こる。
【００１５】
上述のジルコニアの応力誘起相転移を利用した高靭性ジルコニアセラミックには、以下のものが含まれる。
【００１６】
１）部分安定化ジルコニア(partially stabilized zirconia:PSZ)。立方晶相を作るためにMgO,CaO,Y2O3などの安定化剤をジルコニアに加え、正方晶微粒子を析出させるために立方晶ジルコニアを熱処理することで作られる
２）正方晶ジルコニア多結晶体(tetragonal zirconia polycrystals:TZP)。この全てのジルコニア粒子は正方晶である。約２−３mol％のY2O3と１０-１２mol％のCeO2をジルコニアに加え、正方晶相が安定な状況で焼結または他の熱処理を行うことで作られる；
３）ジルコニア分散高靭性セラミック(zirconia dispersion toughened ceramics:ZTC)。アルミナなどのほかのセラミックに正方晶ジルコニアを分散させることで作られる。高靭性ジルコニアセラミックについては、"加工材料ハンドブック（Engineered Materials Handbook）", 第４巻（Vol.４）, セラミック及びガラス（Ceramics and Glass）, pp.７７５-７８６ (ASM International, １９９１)に述べられている。
【００１７】
本発明による１以上の構成要素を用いた装置において処理される基板の汚染を最小にするためには、高靭性ジルコニアセラミック材料は、例えば遷移金属、アルカリ金属などの汚染要素の量を最小にするなど、可能な限り高純度であることが必要である。高靭性ジルコニアセラミック材料は、例えばウェーハ表面の汚染が１０５ atoms/cm2以上になるのを避けるために十分な程度に、高純度に作る必要がある。
【００１８】
本発明者らは、高靭性ジルコニアセラミックが、プラズマエッチングチャンバーのような半導体処理装置に利用するのに好ましい特性を有することを発見した。特に、高靭性ジルコニアセラミックは、プラズマ反応チャンバーにおけるパーティクル汚染のレベルを減少させる耐食性表面を提供する。高靭性ジルコニアセラミックの高靭化機構は、熱サイクルによって亀裂を起こしやすいセラミックコーティングの性質も抑える。
【００１９】
本発明の好適な実施形態においては、高靭性ジルコニアセラミック材料は、コーティングに用いられる。好適なコーティング方法は溶射である。溶射とは、セラミック粒子を溶融させ、コーティングしたい構成要素へガス流で送って付着させる手法である。溶射技術の１つの利点は、溶射銃に当たった面だけがコーティングされ、他の部分を保護することでマスキングを行うことができる点である。プラズマ溶射を含む従来の溶射技術については、The Science and Engineering of Thermal Spray Coating by Pawlowski (John Wiley, １９９５)を引用により記載に代える。
【００２０】
特に好適な熱溶射手法は、プラズマ溶射である。プラズマ溶射では、複雑な内部表面を持つチャンバーまたは他のチャンバー構成要素であってもコーティングすることができる。図１は、典型的なプラズマ溶射プロセスを示す。コーティング材料１１２は、通常はパウダー状であり、高温プラズマ炎１１４に注入されて急速に加熱され、高速に加速される。この高温になった材料は、基板表面１１６に衝突し急速に冷却されてコーティング１１８を形成する。その結果、溶射されたままの表面は一般的に荒くざらついた状態（generally rough and textured）となる。
【００２１】
プラズマ溶射銃１２０は、典型的には銅製のアノード１２２と、タングステン製のカソード１２４からなり、それぞれが水冷されている。プラズマガス１２６（アルゴン、窒素、水素、ヘリウム）は、一般的には矢印１２８で示す方向にカソードの周りを流れ、収縮されたノズル形状（shaped as a constricting nozzle）を有するアノード１３０を通る。高圧放電によって、局所的な電離と、カソード１２４とアノード１３０間に発生する直流アークの導電性パス（conductive path）を生じさせることで、プラズマは作られる。アークからの抵抗加熱（resistance heating from the arc）によって、ガスは極限温度に到達し、解離、電離してプラズマになる。プラズマは、自由な、若しくは中性プラズマ炎（free or neutral plasma flame、電流を運ばないプラズマ）としてアノードノズル１３０から放出される。プラズマが溶射可能に安定化すると、電気アークはノズルの下に広がる。パウダー１１２は、通常は、アノードノズル出口１３４の近傍に設置された外部パウダーポート１３２を経て、プラズマ炎に供給される。パウダー１１２は、急速に加熱、加速されるため、溶射距離１３６（ノズル先端と基板表面間の距離）はおよそ１２５から１５０mmに達する。このように、プラズマ溶射コーティングは、溶融又は熱軟化した粒子を基板に衝突させることによって生成される。
【００２２】
本発明においては、洗浄(cleaning)、グリット（grit）、ビードブラスト(bead blasting)のような表面前処理技術（surface preparation techniques）は、ボンディングのために、より化学的かつ物理的に活性な表面を提供するために利用できる。基板表面はコーティングの前に、酸化物やグリースなどの表面材料を取り除くために、完全に洗浄することが望ましい。さらに、グリットブラストなどの公知の方法によって、コーティングの前に表面をラフな状態にしておくことができる。グリットブラストにより、接合に利用できる表面の範囲が増加し、これによりコーティング結合の強度を増加することができる。ラフな表面は、基板とコーティングの機械的定着又は結合（mechanical keying or interlocking of the coating with the substrate）を促進することもできる。アルミニウム反応室構成要素においては特に、高靭性ジルコニアセラミックをコーティングする前に、構成要素表面をラフにし、ラフにした構成要素表面を陽極酸化処理し、陽極酸化処理をした表面を再びラフにすることが必要である。
【００２３】
本発明の好適な実施形態においては、高靭性ジルコニアセラミック構成要素は、多結晶シリコン高密度プラズマ反応室の構成要素として用いられる。このタイプの典型的な反応室としては、ラム・リサーチ社（LAM Research Corporation of Fremont, California）製のＴＣＰ９４００（登録商標）プラズマエッチング反応室がある。ＴＣＰ９４００反応室においては、処理ガス（Cl2,HBr,CF4,CH2F2,O2,N2,Ar,SF6,NF3など）は、エッチングチャンバーの底部にあるガスリングから、ガスホールを通って反応チャンバーへ導かれる。図２は、本発明に対応するポリシリコンエッチング反応室用のガスリングの断面図である。図２に示されるように、ガスリング４０の本体は、基板支持部４４を囲んでいる。ガスリング４０の底面は、リング状のガス誘導溝（gas-guiding trench）６０を含んでいる。上述のガスホール５０は、ガス誘導溝６０へ延びている。
【００２４】
ガスリングは典型的にはアルミニウムで構成される。ガスリングの上部表面は直接プラズマにさらされ、侵食(erosion)が生ずる。これらの表面を保護するために、ガスリングは典型的にアルミニウム酸化物層で覆われており、これはガスリング表面を陽極酸化処理することで典型的に形成される。しかし、陽極酸化処理されたコーティングは、比較的もろく、反応室の使用において熱サイクルが繰り返されることで亀裂が生じやすくなる。陽極酸化処理層に形成される亀裂は、腐食性の処理ガスによる下層アルミニウム層への攻撃を許し、部品の寿命を短くし、ウェーハやフラットパネル基板などの処理基板への金属汚染やパーティクル汚染の原因になる。
【００２５】
本発明によると、露出されるガスリング表面は、高靭性ジルコニアセラミック材料によるコーティング４２で覆うことができる。高靭性ジルコニアセラミックは、裸の（本来の表面酸化膜はあってもなくてもよい）アルミニウム層またはアルミニウム酸化物層（例えば表面を陽極酸化処理したアルミニウム）をコーティングすることができる。コーティングにはプラズマ溶射を用いることが望ましいが、セラミック材料に適した他のコーティング手法を用いても良い。ガスリングのコーティング時には、ガスホールの内壁をコートし保護するために、ガスホールを部分的にコーティングしてもよい。しかし、コーティングは、開口を塞がないように適用されなければならない。それゆえ、コーティング処理の最中は、ガスホールを塞いでおくか、又はマスクしておくことができる。
【００２６】
処理の際にプラズマにさらされる他のポリシリコンエッチング反応室の構成要素についても、本発明による高靭性ジルコニアセラミック材料によりコートすることができる。これらの構成要素には、チャンバー壁、チャンバーライナー、静電チャック、基板と向かい合う誘電体ウィンドウ（dielectric window opposite the substrate）を含む。静電チャックの上部表面へ高靭性ジルコニアセラミック材料をコーティングすることは、ウェーハが存在せず、チャックの上部表面が直接にプラズマに晒される洗浄サイクルの間における追加的な保護をチャックに対し与えるものである。
【００２７】
本発明による反応室の構成要素は、高密度酸化物エッチング処理（high-density oxide etch process）においても利用することができる。典型的な酸化物エッチング反応室は、ＴＣＰ９１００（登録商標）プラズマエッチング反応室であり、ラム・リサーチ社から提供される。ＴＣＰ９１００反応室においては、ガス供給板は、ＴＣＰ（登録商標）ウィンドウの真下に位置する円形板である。ＴＣＰウィンドウは、半導体ウェーハの上方かつ平行に位置する平面に属する反応室上端における（at the top of the reactor）真空シーリング面である。ガス供給板は、ガス供給板の周辺に位置するガス供給リングにＯリング（O-ring）を用いることによりシーリングされている。ガス供給リングは、ガスをソースからガス供給板、ＲＦエネルギーを反応室に供給するため平面渦巻き状コイル形のアンテナが下に配置されているウィンドウの内部表面、及びガス供給リングによって定義されるボリュームへ供給する。ガス供給板は、所定の直径の穴のアレイ含んでおり、これはプレートまで広がっている。ガス供給板を通るホールの空間的分布は、例えば、フォトレジスト層、二酸化シリコン層（silicon dioxide layer）、ウェーハ上の下層材料(underlayer material of the wafer)など、エッチングされる層のエッチング均一性（etch uniformity of the layers to be etched）を最適化するために変更することができる。ガス供給板の断面形状は、反応室内のプラズマに供給するＲＦパワー分布を操作するために変更することができる。ガス供給板の材料は、ガス供給板を通って反応室内へＲＦパワーを加えることができるように、誘電体でなければらない。さらに、ガス供給板の材料は、ブレークダウンやその結果生じるパーティクルの生成(breakdown and the resultant particle generation)を避けるため、酸素またはハイドロフルオロカーボンガスプラズマ（hydro-fluorocarbon gas plasma）のような環境での化学的スパッタエッチングに対して強い耐性を持つことが望ましい。
【００２８】
図３は、上述のタイプのプラズマ反応室を示す。反応室は、基板支持部１２を含む反応チャンバー１０で構成され、基板支持部１２は、基板へのＲＦバイアスと共に基板１３へのクランプ力を与える静電チャック３４を含む。基板は、ヘリウムのような熱伝達ガスを用いて裏面冷却される。フォーカスリング１４は、誘電体外部リング１４aと、プラズマを基板の上の領域に閉じ込める内部リング１４bとを備える。高密度プラズマを作るために適切なＲＦソースによって動力供給されるアンテナ１８のような、チャンバー内で高密度（例えば１０11-１０12 ions/cm3）プラズマを維持するためのエネルギー源は、反応チャンバー１０の上端に配置される。チャンバーは、チャンバー内で所望の圧力（例えば５０mTorr以下、典型的には１-２０mTorr）を維持するために適切な真空ポンプ装置を含む。
【００２９】
アンテナ１８と処理チャンバー１０内部との間に配置された均一な厚さの平面誘電体ウィンドウ２０は、処理チャンバー１０の上端に真空壁を作る。ガス供給板２２はウィンドウ２０の下に提供され、ガス供給部２３からチャンバー１０へ処理ガスを送るための円形の穴のような開口を含む。円錐形のライナー３０は、ガス供給板から基板支持部１２の周辺へ延びている。アンテナ１８には、温度調節流体（temperature control fluid）が入口管２５と出口管２６（inlet and outlet conduit）を通る導管２４を提供することができる。しかしながら、アンテナ１８及び／又はウィンドウ２０は、冷却される必要がないか、又は、アンテナ及びウィンドウの上から空気を吹き付ける、冷却媒体（cooling medium）を通したり、又は、ウィンドウ及び／又はガス供給板と熱伝達接続を確保する等の他の技術によって冷却されても良い。
【００３０】
動作においては、シリコンウェーハのような半導体基板は基板支持部１２上に位置し、静電チャック３４によって位置が固定される。しかし、機械式クランプ機構のような他のクランプ手段を利用することもできる。さらに、ヘリウム裏面冷却を基板とチャック間の熱伝達特性を改善するために採用することもできる。そして、処理ガスが、ウィンドウ２０とガス供給板２２との間のギャップを通して真空プロセスチャンバー１０へ供給される。好ましいガス供給板の構成（即ち、シャワーヘッド）は、米国特許第５,８２４,６０５号、第６,０４８,７９８号、第５,８６３,３７６号に開示されている。適切なRFパワーをアンテナ１８に供給することにより、基板とウィンドウとの間の空間において高密度プラズマが立つ(ignited)。
【００３１】
図３では、ガス供給板２２、チャンバーライナー３０、静電チャック３４、及びフォーカスリング１４のような反応室構成要素の内部表面は、高靭性ジルコニアセラミック材料によるコーティング３２で覆われている。これらの表面のいくつか若しくは全てに本発明に対応する高靭性ジルコニアセラミックコーティングが施すことができる。
【００３２】
上記の高密度ポリシリコンや誘電体エッチングチャンバーは、本発明に対応する構成要素を含むことの可能な、単なるプラズマエッチング反応室の典型例である。本発明の高靭性ジルコニアセラミック構成要素は、プラズマ侵食が問題とされる、あらゆるエッチング反応室（例えば金属エッチング反応室）や他のタイプの半導体処理装置に用いることができる。
【００３３】
高靭性ジルコニアセラミックコーティングを施す他の構成要素には、チャンバー壁（典型的には、表面に陽極酸化されている、或いは、陽極酸化されていない表面を有するアルミニウム製である。）、基板支持部、ファスナーなどが含まれる。これらの部分は典型的には、金属製（例えばアルミニウム）やセラミック製（例えばアルミナ）である。これらのプラズマ反応室の構成要素は典型的に、、プラズマに晒され、しばしば腐食の徴候(signs of corrosion)を示す。本発明に対応してコーティング可能な他の部品としては、直接プラズマにされされないが、処理されたウェーハなどから発せられる腐食ガス（corrosive gases）に晒される。それゆえに、半導体基板処理に際して利用される他の装置にも、本発明に対応する高靭性ジルコニアセラミックコーティングを施すことができる。このような装置は、搬送機構（transport mechanisms）、ガス供給システム、ライナー、リフト機構、ロードロック（load lock）、ドア機構、ロボットアーム、ファスナー及びその他これらに類するものを含むことができる。
【００３４】
本発明による高靭性ジルコニアセラミックでコーティング可能な金属及び／又は合金には、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、高融点金属（refractory metals）例えば、"ＨＡＹＮＥＳ２４２","Ａｌ-６０６１","ＳＳ３０４" ,"ＳＳ３１６"などが含まれる。高靭性ジルコニアセラミック材料は構成要素について耐食性コーティングを形成するため、その下の構成要素は直接プラズマに晒されることはなくなり、合金添加材料、粒子構造や表面状態に構わずにアルミニウム合金を用いることができる。さらに、様々なセラミックまたは重合体材料(various ceramic or polymeric materials)も、本発明に対応する高靭性ジルコニアセラミック材料でコーティングしてもよい。特に、反応室構成要素は、アルミナ(Ａｌ２Ｏ３)、炭化ケイ素(ＳｉＣ)、窒化ケイ素(Ｓｉ３Ｎ４)、炭化ホウ素(Ｂ４Ｃ)及び／又は窒化ホウ素(ＢＮ)のようなセラミック材料で作ることができる。
【００３５】
必要であれば、高靭性ジルコニアセラミックと構成要素表面の間に、１以上の中間層を提供しても良い。図４は、本発明の好適な実施形態に対応するコーティングされた構成要素を示す。図４に示すように、第１中間コーティング８０は、従来技術によって反応室構成要素７０上に随意的にコーティングされる。随意的な第１中間コーティング８０は、基板にしっかりと付着し、後述する随意的な第２中間コーティング９０や高靭性ジルコニアセラミックコーティングの形成に先だって行われる処理のために十分な厚さを持つ。第１中間コーティング８０は、少なくとも約０.００１インチの厚さなどの適切な厚さを持ち、厚さが約０.００１から約０.２５インチであることが好ましく、０.００１から０.１５インチであるとさらに好ましく、０.００１から０.０５インチであるのが最も好ましい。
【００３６】
随意的な第１中間コーティング８０を反応室７０上にコーティングした後、コーティングは適切な技術でブラストまたはラフな状態とされ、その後、その上に随意的な第２コーティング９０、又は、高靭性ジルコニアセラミックコーティング１００が施される。ラフな層８０は、特に良い結合をもたらす。好ましいことに、第２中間コーティング９０は、機械的に高い圧縮（a high mechanical compression strength）をコーティング８０に分散させ、コーティング９０における亀裂（fissure）の発生を最小化する。
【００３７】
随意的な第２中間コーティング９０は、第１中間コーティング８０としっかりと付着し、後述する更なる随意的な中間コーティングや高靭性ジルコニアセラミックコーティング１００に先だって行われる処理のために十分な厚さを有する。第２中間コーティング９０は、少なくとも約０.００１インチの厚さなどの適切な厚さを持ち、厚さが約０.００１から約０.２５インチであることが好ましく、０.００１から０.１５インチであるとさらに好ましく、０.００１から０.０５インチであるのが最も好ましい。
【００３８】
第１および第２中間コーティングは、従来のプラズマプロセスチャンバーに用いられる随意的な１以上の材料によって作ることができる。そのような材料の例としては、金属、セラミック、ポリマーを含む。特に望ましい金属として、高融点金属（refractory metals）を含む。特に望ましいセラミックとして、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＣ、ＡｌＮ、ＴｉＯ２などを含む。特に望ましいポリマーには、ポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene）、ポリイミド(polyimides)のようなフルオロポリマー（fluoropolymers）が含まれる。１以上の中間コーティングは、めっき(例えば化学めっきや電気めっき(electroless plating or electroplating))、スパッタリング、浸漬めっき（immersion coating）、化学気相成長法（chemical vapor deposition）、物理気相成長法(physical vapor deposition)、電気泳動成膜（electrophoretic deposition）、熱間等静圧圧縮成形(hot isostatic pressing)、冷間等静圧圧縮成形（cold isostatic pressing）、圧縮成形(compression molding)、鋳込成形（casting）、成型と焼結（compacting and sintering）、溶射（例えばプラズマ溶射）などのあらゆる公知の成膜技術を利用して施すことができる。
【００３９】
随意的な第１および第２中間層８０、９０は、所望の特性によって同一又は異なる上述の材料のどれか一つであると考えられる。同一又は異なる材料の第３、第４又は第５の中間コーティングのような更なる中間コーティングを、コーティングと基板の間に施してもよい。
【００４０】
図５は、耐食性コーティングの第２の実施形態の詳細を示す。高靭性ジルコニアセラミック層９０は、約０.００１から約１インチなどの適切な範囲の厚さに成膜され、厚さが約０.００１から約０.５インチであることが好ましく、０.００１から０.０５インチであるのが最も好ましい。セラミック層の厚さは、反応室（例えばエッチング、CVDなど）内に生じるプラズマ環境に応じて選択することができる。
【００４１】
溶射は、構成要素表面に高靭性ジルコニアセラミックを施すために望ましい方法であるが、他のコーティング手法を用いることもできる。高靭性ジルコニアセラミックコーティングは、例えば、スパッタリング、浸漬めっき、化学気相成長法、物理気相成長法、熱間静圧圧縮成形、冷間静圧圧縮成形、圧縮成型、鋳込成形、成型と焼結などの他の成膜技術によって行うこともできる。
【００４２】
高靭性ジルコニアセラミック材料は、露出された反応室の構成要素表面を覆うために、予め形成されたライナーの形態において提供されても良い。これらのライナーの取り付けは、あらゆる公知の手段によって行うことができる。その手段には、例えば、接着や機械式ファスナーの利用が含まれる。ファスナーが利用される場合、もしプラズマに晒されるなら、ファスナー自体が耐食性材料で作られるべきである。さらに、高靭性ジルコニアセラミックライナーは、内在する反応室の構成要素と結合する（interlock）するように設計されても良い。
【００４３】
更に別の実施形態においては、半導体処理装置の構成要素は、高靭性ジルコニアセラミック材料からモノリシック構造体として製造される（manufacutred as monolithic bodies）。図６は、モノリシック構造体を高靭性ジルコニアセラミック材料から製造したチャンバーライナー２８の断面図の詳細を示す。
【００４４】
高靭性ジルコニアセラミック材料からモノリシック構造体を製造する方法は、高靭性ジルコニアセラミックを含むスラリー（slurry）を準備し、所望の形状の圧粉体(green compact)を作り、その圧粉体を焼結する工程を含んでいても良い。所望の形状とは、プラズマに晒される反応室の構成要素のあらゆる形状である。そのような構成要素には、チャンバー壁、基板支持部、シャワーヘッド、バッフル、リング、ノズルなどを含むガス供給システム、ファスナー、加熱装置、プラズマスクリーン、ライナー、ロボットアームのような搬送モジュール構成要素、ファスナー、内部および外部チャンバー壁等、及びそれらに類するものが含まれる。そのような構成要素の具体的な例としては、図６に示すようなモノリシック構造のチャンバーライナー（monolithic chamber liner）２８がある。セラミック処理技術の詳細については、Introduction to Ceramics, ２nd Edition, by W.D.Kingery, H.K.Bowen, and D.R.Uhlmann (J. Wiley & Sons, １９７６)を引用により内容に代える。
【００４５】
高靭性ジルコニアセラミックは、反応チャンバーと構成要素の全てまたは一部に用いることができる。好適な実施形態としては、プラズマに直接触れる部分や、チャンバー構成要素に隠れる部分（例えばライナー）のような、プラズマ環境にさらされる部位（regions）にコーティングや覆いを施す。さらに、比較的高いバイアス電圧(relatively high bias voltages)（すなわち、比較的高いスパッタイオンエネルギー(relatively high suputter ion energies)）がかかる部位に高靭性ジルコニアセラミック層を用いるのが好ましい。
【００４６】
本発明に対応してセラミック層をコーティングや覆いとして用いる場合も、モノリシック構造の構成要素を構築する場合のいずれも、いくつかの長所があることが理解される。すなわち、本発明に対応する高靭性ジルコニアセラミックを用いることによって、侵食率が小さくなる（lower erosion retes）ことが理解される。さらに、高靭性ジルコニアセラミック材料における靭性の変化(transformation toughening of the zirconia toughened ceramic material)により、本発明に対応する保護コーティングは、亀裂を生じにくくなる。その結果、本発明による高靭性ジルコニアセラミックの構成要素またはコーティングは、金属汚染及びパーティクル汚染のレベルを下げ、消耗品の寿命を長くすることでコストを下げ、チャンバー部品の腐食の程度を下げる。
【００４７】
本発明は、特定の実施形態を参照して詳細に記述されている一方で、特許請求の範囲に記載された発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更及び修正、更には均等物の採用が可能であることは、当業者の立場から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来のプラズマ溶射プロセスを示す。
【図２】本発明の一の実施形態に対応するポリシリコンエッチング装置のためのガスリング装置の断面図である。
【図３】本発明による構成要素を含む高密度酸化物エッチングチャンバーを示す。
【図４】本発明による耐食性コーティングの一つの実施形態の詳細を示す。
【図５】本発明による耐食性コーティングのもう一つの実施形態の詳細を示す。
【図６】本発明による耐食性コーティングの他の実施形態の詳細を示す。
【０００１】
［発明の属する技術分野］
本発明は、一般に、半導体ウェーハの処理に関連し、より詳細には処理中のパーティクル汚染及び金属汚染を削減する内部表面を有する高密度プラズマエッチングチャンバーに関連する。
【背景技術】
【０００２】
［関連技術の記載］
半導体処理の分野において、真空処理チャンバーは一般に、エッチングガスもしくは成膜ガス（deposition gas）を真空チャンバーへ供給し、ＲＦ電界（RF field）をガスにかけてプラズマ状態へ励起させることにより基板上の物質のエッチングや化学気相成長法（chemical vapor depositing:ＣＶＤ）を行うために利用されている。平行平板（parallel plate）の例として、変圧器結合プラズマ（transformer coupled plasma:ＴＣＰ（登録商標））、別名誘導結合プラズマ（inductively coupled plasma:ICP）や、電子サイクロトロン共鳴（electron-cyclotron resonance:ECR）反応室、それらの構成要素は、本願と同じ出願人による米国特許第４，３４０．４６２号、第４，９４８，４５８号、第５，２００，２３２号及び第５，８２０，７２３号に開示されている。そのような反応室におけるプラズマ環境の腐食性（corrosive nature）及びパーティクル汚染及び／又は重金属汚染（heavy metal contamination）を最小化する要求のために、そのような構成部品には高い耐食性が特に求められる。
【０００３】
半導体基板の処理中は、機械的なクランプ及び静電式クランプ（electrostatic clamps:ＥＳＣ）などの基板支持部により当該基板は典型的に真空チャンバー内に設置されている。そのようなクランプシステム及びそのような構成要素の例は、本願と同じ出願人による米国特許第５，２６２，０２９号及び第５，８３８，５２９号に発見することができる。プロセスガスは、チャンバー内にガス供給板（gas distribution plate）を利用するなど様々な方法により供給可能である。誘導結合プラズマ反応路のための温度制御ガス供給板及びその構成要素の一例は、本願と同じ出願人による米国特許第５，８６３，３７６号に開示されている。プラズマチャンバー装置に加えて、半導体基板を処理するために利用する他の装置には、搬送機構（transport mechanisms）、ロボットアーム、ファスナー（fasteners）等が含まれる。そのような装置の様々な構成要素は、半導体処理に関連した腐食状況にさらされる。さらに、シリコンウェーハのような半導体基板や、フラット・パネル・ディスプレイに利用されるガラス基板の様な誘電体材料の処理のための高純度化の要求（high purity requirements）の鑑点では、耐食性が改善された構成要素が、そのような環境において特に求められている。
【０００４】
アルミニウム及びアルミニウム合金は典型的に、壁、電極、基板支持部、ファスナー及びプラズマ反応室における他の構成要素に利用されている。そのような金属構成要素の侵食を防止するために、多種多様なコーティング剤によりアルミニウムの表面をコーティングするための様々な技術が提案されてきた。例えば、米国特許第５，６４１，３７５号では、壁のプラズマ侵食（plasma erosion）及び消耗（wear）を低減するためにアルミニウムチャンバー壁が陽極酸化（anodized）されている。‘３７５特許は結果的に陽極酸化層がスパッタリングされ、もしくはエッチングされ、チャンバーを取り替えねばならないと記載している。米国特許第５，８９５，５８６号は、Al２O３,AlC,Tin, TiC,AlN等の耐食性膜をアルミニウム材料上に形成するための技術は、日本国公開公報第６２−１０３３７９号に発見できると記載している。米国特許第５，６８０，０１３号は、エッチングチャンバーの金属表面にAl２O３をフレーム溶射（flame spraying）する技術が、米国特許第４，４９１，４９６号に開示されていると述べている。‘０１３特許は、腐食環境において、アルミニウムとアルミニウム酸化物のようなセラミックコーティングとの間の熱膨張係数（thermal expansion coefficients）の違いが、熱サイクル及びその結果として生ずるコーティングの劣化（eventual failure of the coatings）により、コーティングの亀裂をもたらすと述べている。米国特許第５，８７９，５２３号は、スパッタリングチャンバーを開示する。そこでは、Al２O３の熱溶射コーティング（thermally sprayed coating）がステンレスやアルミニウム等の金属に適用され、NiAlx接続コーティングがその間に随意的に挟まれる。米国特許第５，５２２，９３２号は、ニッケルコーティングを随意的に間に挟んだ（with an optional neckel coating therebetween）、基板のプラズマ処理に利用される装置の金属構成部分についてのロジウムコーティングについて開示している。
【０００５】
チャンバー壁、ライナー、リングや、プラズマチャンバーの他の部分の材料についても提案されている。例えば、米国特許第５，３６６，５８５号、第５，７８８，７９９号、第５，７９８，０１６号、第５，８５１，２９９号、第５，８８５，３５６号がある。
【０００６】
集積回路装置は、物理的サイズ及び動作電圧の両方において縮小を続けているので、それらの関連する処理効率はパーティクル汚染及び金属不純物汚染の影響を受けやすくなっている。従って、物理的サイズが縮小している集積回路装置の処理には、パーティクル汚染及び金属汚染のレベルを従前許容可能であったレベルよりも下げるすることが要求されている。
【０００７】
以上の鑑点から、高密度プラズマ処理チャンバーには、プラズマにさらされる内部表面により高い耐食性持たせ、また、処理されるウェーハ表面への悪影響（例えば、パーティクル不純物や金属不純物）の最小化を促進することが必要とされる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
[発明の概要]
本発明の第１の実施形態は、半導体処理装置の構成要素を作る方法を提供する。当該方法は、その構成要素の最も外側の表面(outermost surface)に高靭性ジルコニアセラミックコーティング（zirconia toughened ceramic coating）を形成するような、構成要素の表面への高靭性ジルコニアセラミックコーティングを含むプロセスである。
【０００９】
本発明の第２の実施形態は、半導体処理装置の構成要素を提供し、ここにおいて、当該構成要素は、最も外側の表面を形成する高靭性ジルコニアセラミックを含んでいる。また、上述の構成要素を少なくとも一つ含むプラズマチャンバーをも提供する。
【００１０】
本発明の第３の実施形態は、上述のプラズマチャンバーにおける半導体基板処理方法を提供する。本発明に対応する方法によれば、基板はプラズマチャンバー内へ搬送され、当該基板の露出表面（exposed surface）はプラズマにより処理される。本発明の更に好適な実施形態によれば、当該方法は、反応室において基板支持部における基板の位置決めを行い、反応室内への処理ガスを供給し、基板表面付近でプラズマを生成させるために処理ガスへＲＦエネルギー供給し、プラズマにより基板表面のエッチングを行う、ステップを含む。
【００１１】
本発明は、添付する図面を参照してより詳細に記載される。当該図面においては、類似の要素は類似の参照番号が与えられるものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
［本発明の好適な実施形態の詳細な記述］
本発明は、プラズマ反応チャンバーの部品のような、半導体処理装置の構成要素の表面に耐食性を与えるための有効な方法を提供する。このような構成要素には、チャンバー壁、基板支持部、ガス供給システム、（シャワーヘッド、バッフル、リング、ノズルなどを含む）、ファスナー、加熱装置、プラズマスクリーン、ライナー、ロボットアームのような搬送モジュール構成要素、ファスナー、内部および外部チャンバー壁等及びそれらに類する構成要素が含まれる。本発明においては、これらの構成要素、高靭性ジルコニアセラミックで製造することができ、また、プラズマにさらされる表面を高靭性ジルコニアセラミック材料でコーティングまたは他の方法で覆うことができる。
【００１３】
高靭性ジルコニアセラミックは、セラミックの強度と靭性を改善するために、準安定な正方晶ジルコニア粒子の、正方晶から単斜晶への相転移を利用した材料(a class of materials which utilize the tetragonal to mono-clinic phase transformation of metastable tetragonal zirconia particles)である。大気圧下において(under ambient pressure)、ジルコニアは３つの多形(three polymorphic forms)、すなわち単斜晶、正方晶、立方晶(monoclinic tetragonal and cubic)を持つ。立方晶ジルコニアは、ジルコニアの融点から約２３７０℃までの範囲で安定であり、正方晶ジルコニアは、約２３７０℃から約１１２０℃までの範囲で安定であり、単斜晶ジルコニアは、約１１２０℃以下の温度で安定である。正方晶から単斜晶への相転移は、３−５％の体積膨張（volume expansion）と、約８％のせん断ひずみ(shear displacement)を伴う。このため、純粋なジルコニアを高温から冷却すると亀裂が生じるかもしれない。
【００１４】
しかし、MgO,CaO,Y2O3,CeO2,TiO2などの安定化剤をジルコニアに加えると、転移可能な正方晶相が室温でも生成できる。転移可能な正方晶ジルコニアZrO2からなるセラミックは、ジルコニアの応力誘起相転移を用いてセラミックの強度と靭性を改善しているため、相転移高靭化セラミック(transformation-toughened ceramisc)と呼ばれている。これらの材料は、高強度と高靭性が必要とされる構造材料の用途に広く用いられている。応力誘起相転移(stress-induced phase transformation)は、室温で準安定として存在する正方晶ジルコニアが、進展する亀裂縁でのせん断応力によって生じる単斜晶相への転移の際にエネルギーを吸収することで起こる。
【００１５】
上述のジルコニアの応力誘起相転移を利用した高靭性ジルコニアセラミックには、以下のものが含まれる。
【００１６】
１）部分安定化ジルコニア(partially stabilized zirconia:PSZ)。立方晶相を作るためにMgO,CaO,Y2O3などの安定化剤をジルコニアに加え、正方晶微粒子を析出させるために立方晶ジルコニアを熱処理することで作られる
２）正方晶ジルコニア多結晶体(tetragonal zirconia polycrystals:TZP)。この全てのジルコニア粒子は正方晶である。約２−３mol％のY2O3と１０-１２mol％のCeO2をジルコニアに加え、正方晶相が安定な状況で焼結または他の熱処理を行うことで作られる；
３）ジルコニア分散高靭性セラミック(zirconia dispersion toughened ceramics:ZTC)。アルミナなどのほかのセラミックに正方晶ジルコニアを分散させることで作られる。高靭性ジルコニアセラミックについては、"加工材料ハンドブック（Engineered Materials Handbook）", 第４巻（Vol.４）, セラミック及びガラス（Ceramics and Glass）, pp.７７５-７８６ (ASM International, １９９１)に述べられている。
【００１７】
本発明による１以上の構成要素を用いた装置において処理される基板の汚染を最小にするためには、高靭性ジルコニアセラミック材料は、例えば遷移金属、アルカリ金属などの汚染要素の量を最小にするなど、可能な限り高純度であることが必要である。高靭性ジルコニアセラミック材料は、例えばウェーハ表面の汚染が１０５ atoms/cm2以上になるのを避けるために十分な程度に、高純度に作る必要がある。
【００１８】
本発明者らは、高靭性ジルコニアセラミックが、プラズマエッチングチャンバーのような半導体処理装置に利用するのに好ましい特性を有することを発見した。特に、高靭性ジルコニアセラミックは、プラズマ反応チャンバーにおけるパーティクル汚染のレベルを減少させる耐食性表面を提供する。高靭性ジルコニアセラミックの高靭化機構は、熱サイクルによって亀裂を起こしやすいセラミックコーティングの性質も抑える。
【００１９】
本発明の好適な実施形態においては、高靭性ジルコニアセラミック材料は、コーティングに用いられる。好適なコーティング方法は溶射である。溶射とは、セラミック粒子を溶融させ、コーティングしたい構成要素へガス流で送って付着させる手法である。溶射技術の１つの利点は、溶射銃に当たった面だけがコーティングされ、他の部分を保護することでマスキングを行うことができる点である。プラズマ溶射を含む従来の溶射技術については、The Science and Engineering of Thermal Spray Coating by Pawlowski (John Wiley, １９９５)を引用により記載に代える。
【００２０】
特に好適な熱溶射手法は、プラズマ溶射である。プラズマ溶射では、複雑な内部表面を持つチャンバーまたは他のチャンバー構成要素であってもコーティングすることができる。図１は、典型的なプラズマ溶射プロセスを示す。コーティング材料１１２は、通常はパウダー状であり、高温プラズマ炎１１４に注入されて急速に加熱され、高速に加速される。この高温になった材料は、基板表面１１６に衝突し急速に冷却されてコーティング１１８を形成する。その結果、溶射されたままの表面は一般的に荒くざらついた状態（generally rough and textured）となる。
【００２１】
プラズマ溶射銃１２０は、典型的には銅製のアノード１２２と、タングステン製のカソード１２４からなり、それぞれが水冷されている。プラズマガス１２６（アルゴン、窒素、水素、ヘリウム）は、一般的には矢印１２８で示す方向にカソードの周りを流れ、収縮されたノズル形状（shaped as a constricting nozzle）を有するアノード１３０を通る。高圧放電によって、局所的な電離と、カソード１２４とアノード１３０間に発生する直流アークの導電性パス（conductive path）を生じさせることで、プラズマは作られる。アークからの抵抗加熱（resistance heating from the arc）によって、ガスは極限温度に到達し、解離、電離してプラズマになる。プラズマは、自由な、若しくは中性プラズマ炎（free or neutral plasma flame、電流を運ばないプラズマ）としてアノードノズル１３０から放出される。プラズマが溶射可能に安定化すると、電気アークはノズルの下に広がる。パウダー１１２は、通常は、アノードノズル出口１３４の近傍に設置された外部パウダーポート１３２を経て、プラズマ炎に供給される。パウダー１１２は、急速に加熱、加速されるため、溶射距離１３６（ノズル先端と基板表面間の距離）はおよそ１２５から１５０mmに達する。このように、プラズマ溶射コーティングは、溶融又は熱軟化した粒子を基板に衝突させることによって生成される。
【００２２】
本発明においては、洗浄(cleaning)、グリット（grit）、ビードブラスト(bead blasting)のような表面前処理技術（surface preparation techniques）は、ボンディングのために、より化学的かつ物理的に活性な表面を提供するために利用できる。基板表面はコーティングの前に、酸化物やグリースなどの表面材料を取り除くために、完全に洗浄することが望ましい。さらに、グリットブラストなどの公知の方法によって、コーティングの前に表面をラフな状態にしておくことができる。グリットブラストにより、接合に利用できる表面の範囲が増加し、これによりコーティング結合の強度を増加することができる。ラフな表面は、基板とコーティングの機械的定着又は結合（mechanical keying or interlocking of the coating with the substrate）を促進することもできる。アルミニウム反応室構成要素においては特に、高靭性ジルコニアセラミックをコーティングする前に、構成要素表面をラフにし、ラフにした構成要素表面を陽極酸化処理し、陽極酸化処理をした表面を再びラフにすることが必要である。
【００２３】
本発明の好適な実施形態においては、高靭性ジルコニアセラミック構成要素は、多結晶シリコン高密度プラズマ反応室の構成要素として用いられる。このタイプの典型的な反応室としては、ラム・リサーチ社（LAM Research Corporation of Fremont, California）製のＴＣＰ９４００（登録商標）プラズマエッチング反応室がある。ＴＣＰ９４００反応室においては、処理ガス（Cl2,HBr,CF4,CH2F2,O2,N2,Ar,SF6,NF3など）は、エッチングチャンバーの底部にあるガスリングから、ガスホールを通って反応チャンバーへ導かれる。図２は、本発明に対応するポリシリコンエッチング反応室用のガスリングの断面図である。図２に示されるように、ガスリング４０の本体は、基板支持部４４を囲んでいる。ガスリング４０の底面は、リング状のガス誘導溝（gas-guiding trench）６０を含んでいる。上述のガスホール５０は、ガス誘導溝６０へ延びている。
【００２４】
ガスリングは典型的にはアルミニウムで構成される。ガスリングの上部表面は直接プラズマにさらされ、侵食(erosion)が生ずる。これらの表面を保護するために、ガスリングは典型的にアルミニウム酸化物層で覆われており、これはガスリング表面を陽極酸化処理することで典型的に形成される。しかし、陽極酸化処理されたコーティングは、比較的もろく、反応室の使用において熱サイクルが繰り返されることで亀裂が生じやすくなる。陽極酸化処理層に形成される亀裂は、腐食性の処理ガスによる下層アルミニウム層への攻撃を許し、部品の寿命を短くし、ウェーハやフラットパネル基板などの処理基板への金属汚染やパーティクル汚染の原因になる。
【００２５】
本発明によると、露出されるガスリング表面は、高靭性ジルコニアセラミック材料によるコーティング４２で覆うことができる。高靭性ジルコニアセラミックは、裸の（本来の表面酸化膜はあってもなくてもよい）アルミニウム層またはアルミニウム酸化物層（例えば表面を陽極酸化処理したアルミニウム）をコーティングすることができる。コーティングにはプラズマ溶射を用いることが望ましいが、セラミック材料に適した他のコーティング手法を用いても良い。ガスリングのコーティング時には、ガスホールの内壁をコートし保護するために、ガスホールを部分的にコーティングしてもよい。しかし、コーティングは、開口を塞がないように適用されなければならない。それゆえ、コーティング処理の最中は、ガスホールを塞いでおくか、又はマスクしておくことができる。
【００２６】
処理の際にプラズマにさらされる他のポリシリコンエッチング反応室の構成要素についても、本発明による高靭性ジルコニアセラミック材料によりコートすることができる。これらの構成要素には、チャンバー壁、チャンバーライナー、静電チャック、基板と向かい合う誘電体ウィンドウ（dielectric window opposite the substrate）を含む。静電チャックの上部表面へ高靭性ジルコニアセラミック材料をコーティングすることは、ウェーハが存在せず、チャックの上部表面が直接にプラズマに晒される洗浄サイクルの間における追加的な保護をチャックに対し与えるものである。
【００２７】
本発明による反応室の構成要素は、高密度酸化物エッチング処理（high-density oxide etch process）においても利用することができる。典型的な酸化物エッチング反応室は、ＴＣＰ９１００（登録商標）プラズマエッチング反応室であり、ラム・リサーチ社から提供される。ＴＣＰ９１００反応室においては、ガス供給板は、ＴＣＰ（登録商標）ウィンドウの真下に位置する円形板である。ＴＣＰウィンドウは、半導体ウェーハの上方かつ平行に位置する平面に属する反応室上端における（at the top of the reactor）真空シーリング面である。ガス供給板は、ガス供給板の周辺に位置するガス供給リングにＯリング（O-ring）を用いることによりシーリングされている。ガス供給リングは、ガスをソースからガス供給板、ＲＦエネルギーを反応室に供給するため平面渦巻き状コイル形のアンテナが下に配置されているウィンドウの内部表面、及びガス供給リングによって定義されるボリュームへ供給する。ガス供給板は、所定の直径の穴のアレイ含んでおり、これはプレートまで広がっている。ガス供給板を通るホールの空間的分布は、例えば、フォトレジスト層、二酸化シリコン層（silicon dioxide layer）、ウェーハ上の下層材料(underlayer material of the wafer)など、エッチングされる層のエッチング均一性（etch uniformity of the layers to be etched）を最適化するために変更することができる。ガス供給板の断面形状は、反応室内のプラズマに供給するＲＦパワー分布を操作するために変更することができる。ガス供給板の材料は、ガス供給板を通って反応室内へＲＦパワーを加えることができるように、誘電体でなければらない。さらに、ガス供給板の材料は、ブレークダウンやその結果生じるパーティクルの生成(breakdown and the resultant particle generation)を避けるため、酸素またはハイドロフルオロカーボンガスプラズマ（hydro-fluorocarbon gas plasma）のような環境での化学的スパッタエッチングに対して強い耐性を持つことが望ましい。
【００２８】
図３は、上述のタイプのプラズマ反応室を示す。反応室は、基板支持部１２を含む反応チャンバー１０で構成され、基板支持部１２は、基板へのＲＦバイアスと共に基板１３へのクランプ力を与える静電チャック３４を含む。基板は、ヘリウムのような熱伝達ガスを用いて裏面冷却される。フォーカスリング１４は、誘電体外部リング１４aと、プラズマを基板の上の領域に閉じ込める内部リング１４bとを備える。高密度プラズマを作るために適切なＲＦソースによって動力供給されるアンテナ１８のような、チャンバー内で高密度（例えば１０11-１０12 ions/cm3）プラズマを維持するためのエネルギー源は、反応チャンバー１０の上端に配置される。チャンバーは、チャンバー内で所望の圧力（例えば５０mTorr以下、典型的には１-２０mTorr）を維持するために適切な真空ポンプ装置を含む。
【００２９】
アンテナ１８と処理チャンバー１０内部との間に配置された均一な厚さの平面誘電体ウィンドウ２０は、処理チャンバー１０の上端に真空壁を作る。ガス供給板２２はウィンドウ２０の下に提供され、ガス供給部２３からチャンバー１０へ処理ガスを送るための円形の穴のような開口を含む。円錐形のライナー３０は、ガス供給板から基板支持部１２の周辺へ延びている。アンテナ１８には、温度調節流体（temperature control fluid）が入口管２５と出口管２６（inlet and outlet conduit）を通る導管２４を提供することができる。しかしながら、アンテナ１８及び／又はウィンドウ２０は、冷却される必要がないか、又は、アンテナ及びウィンドウの上から空気を吹き付ける、冷却媒体（cooling medium）を通したり、又は、ウィンドウ及び／又はガス供給板と熱伝達接続を確保する等の他の技術によって冷却されても良い。
【００３０】
動作においては、シリコンウェーハのような半導体基板は基板支持部１２上に位置し、静電チャック３４によって位置が固定される。しかし、機械式クランプ機構のような他のクランプ手段を利用することもできる。さらに、ヘリウム裏面冷却を基板とチャック間の熱伝達特性を改善するために採用することもできる。そして、処理ガスが、ウィンドウ２０とガス供給板２２との間のギャップを通して真空プロセスチャンバー１０へ供給される。好ましいガス供給板の構成（即ち、シャワーヘッド）は、米国特許第５,８２４,６０５号、第６,０４８,７９８号、第５,８６３,３７６号に開示されている。適切なRFパワーをアンテナ１８に供給することにより、基板とウィンドウとの間の空間において高密度プラズマが立つ(ignited)。
【００３１】
図３では、ガス供給板２２、チャンバーライナー３０、静電チャック３４、及びフォーカスリング１４のような反応室構成要素の内部表面は、高靭性ジルコニアセラミック材料によるコーティング３２で覆われている。これらの表面のいくつか若しくは全てに本発明に対応する高靭性ジルコニアセラミックコーティングが施すことができる。
【００３２】
上記の高密度ポリシリコンや誘電体エッチングチャンバーは、本発明に対応する構成要素を含むことの可能な、単なるプラズマエッチング反応室の典型例である。本発明の高靭性ジルコニアセラミック構成要素は、プラズマ侵食が問題とされる、あらゆるエッチング反応室（例えば金属エッチング反応室）や他のタイプの半導体処理装置に用いることができる。
【００３３】
高靭性ジルコニアセラミックコーティングを施す他の構成要素には、チャンバー壁（典型的には、表面に陽極酸化されている、或いは、陽極酸化されていない表面を有するアルミニウム製である。）、基板支持部、ファスナーなどが含まれる。これらの部分は典型的には、金属製（例えばアルミニウム）やセラミック製（例えばアルミナ）である。これらのプラズマ反応室の構成要素は典型的に、、プラズマに晒され、しばしば腐食の徴候(signs of corrosion)を示す。本発明に対応してコーティング可能な他の部品としては、直接プラズマにされされないが、処理されたウェーハなどから発せられる腐食ガス（corrosive gases）に晒される。それゆえに、半導体基板処理に際して利用される他の装置にも、本発明に対応する高靭性ジルコニアセラミックコーティングを施すことができる。このような装置は、搬送機構（transport mechanisms）、ガス供給システム、ライナー、リフト機構、ロードロック（load lock）、ドア機構、ロボットアーム、ファスナー及びその他これらに類するものを含むことができる。
【００３４】
本発明による高靭性ジルコニアセラミックでコーティング可能な金属及び／又は合金には、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、高融点金属（refractory metals）例えば、"ＨＡＹＮＥＳ２４２","Ａｌ-６０６１","ＳＳ３０４" ,"ＳＳ３１６"などが含まれる。高靭性ジルコニアセラミック材料は構成要素について耐食性コーティングを形成するため、その下の構成要素は直接プラズマに晒されることはなくなり、合金添加材料、粒子構造や表面状態に構わずにアルミニウム合金を用いることができる。さらに、様々なセラミックまたは重合体材料(various ceramic or polymeric materials)も、本発明に対応する高靭性ジルコニアセラミック材料でコーティングしてもよい。特に、反応室構成要素は、アルミナ(Ａｌ２Ｏ３)、炭化ケイ素(ＳｉＣ)、窒化ケイ素(Ｓｉ３Ｎ４)、炭化ホウ素(Ｂ４Ｃ)及び／又は窒化ホウ素(ＢＮ)のようなセラミック材料で作ることができる。
【００３５】
必要であれば、高靭性ジルコニアセラミックと構成要素表面の間に、１以上の中間層を提供しても良い。図４は、本発明の好適な実施形態に対応するコーティングされた構成要素を示す。図４に示すように、第１中間コーティング８０は、従来技術によって反応室構成要素７０上に随意的にコーティングされる。随意的な第１中間コーティング８０は、基板にしっかりと付着し、後述する随意的な第２中間コーティング９０や高靭性ジルコニアセラミックコーティングの形成に先だって行われる処理のために十分な厚さを持つ。第１中間コーティング８０は、少なくとも約０.００１インチの厚さなどの適切な厚さを持ち、厚さが約０.００１から約０.２５インチであることが好ましく、０.００１から０.１５インチであるとさらに好ましく、０.００１から０.０５インチであるのが最も好ましい。
【００３６】
随意的な第１中間コーティング８０を反応室７０上にコーティングした後、コーティングは適切な技術でブラストまたはラフな状態とされ、その後、その上に随意的な第２コーティング９０、又は、高靭性ジルコニアセラミックコーティング１００が施される。ラフな層８０は、特に良い結合をもたらす。好ましいことに、第２中間コーティング９０は、機械的に高い圧縮（a high mechanical compression strength）をコーティング８０に分散させ、コーティング９０における亀裂（fissure）の発生を最小化する。
【００３７】
随意的な第２中間コーティング９０は、第１中間コーティング８０としっかりと付着し、後述する更なる随意的な中間コーティングや高靭性ジルコニアセラミックコーティング１００に先だって行われる処理のために十分な厚さを有する。第２中間コーティング９０は、少なくとも約０.００１インチの厚さなどの適切な厚さを持ち、厚さが約０.００１から約０.２５インチであることが好ましく、０.００１から０.１５インチであるとさらに好ましく、０.００１から０.０５インチであるのが最も好ましい。
【００３８】
第１および第２中間コーティングは、従来のプラズマプロセスチャンバーに用いられる随意的な１以上の材料によって作ることができる。そのような材料の例としては、金属、セラミック、ポリマーを含む。特に望ましい金属として、高融点金属（refractory metals）を含む。特に望ましいセラミックとして、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＣ、ＡｌＮ、ＴｉＯ２などを含む。特に望ましいポリマーには、ポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene）、ポリイミド(polyimides)のようなフルオロポリマー（fluoropolymers）が含まれる。１以上の中間コーティングは、めっき(例えば化学めっきや電気めっき(electroless plating or electroplating))、スパッタリング、浸漬めっき（immersion coating）、化学気相成長法（chemical vapor deposition）、物理気相成長法(physical vapor deposition)、電気泳動成膜（electrophoretic deposition）、熱間等静圧圧縮成形(hot isostatic pressing)、冷間等静圧圧縮成形（cold isostatic pressing）、圧縮成形(compression molding)、鋳込成形（casting）、成型と焼結（compacting and sintering）、溶射（例えばプラズマ溶射）などのあらゆる公知の成膜技術を利用して施すことができる。
【００３９】
随意的な第１および第２中間層８０、９０は、所望の特性によって同一又は異なる上述の材料のどれか一つであると考えられる。同一又は異なる材料の第３、第４又は第５の中間コーティングのような更なる中間コーティングを、コーティングと基板の間に施してもよい。
【００４０】
図５は、耐食性コーティングの第２の実施形態の詳細を示す。高靭性ジルコニアセラミック層９０は、約０.００１から約１インチなどの適切な範囲の厚さに成膜され、厚さが約０.００１から約０.５インチであることが好ましく、０.００１から０.０５インチであるのが最も好ましい。セラミック層の厚さは、反応室（例えばエッチング、CVDなど）内に生じるプラズマ環境に応じて選択することができる。
【００４１】
溶射は、構成要素表面に高靭性ジルコニアセラミックを施すために望ましい方法であるが、他のコーティング手法を用いることもできる。高靭性ジルコニアセラミックコーティングは、例えば、スパッタリング、浸漬めっき、化学気相成長法、物理気相成長法、熱間静圧圧縮成形、冷間静圧圧縮成形、圧縮成型、鋳込成形、成型と焼結などの他の成膜技術によって行うこともできる。
【００４２】
高靭性ジルコニアセラミック材料は、露出された反応室の構成要素表面を覆うために、予め形成されたライナーの形態において提供されても良い。これらのライナーの取り付けは、あらゆる公知の手段によって行うことができる。その手段には、例えば、接着や機械式ファスナーの利用が含まれる。ファスナーが利用される場合、もしプラズマに晒されるなら、ファスナー自体が耐食性材料で作られるべきである。さらに、高靭性ジルコニアセラミックライナーは、内在する反応室の構成要素と結合する（interlock）するように設計されても良い。
【００４３】
更に別の実施形態においては、半導体処理装置の構成要素は、高靭性ジルコニアセラミック材料からモノリシック構造体として製造される（manufacutred as monolithic bodies）。図６は、モノリシック構造体を高靭性ジルコニアセラミック材料から製造したチャンバーライナー２８の断面図の詳細を示す。
【００４４】
高靭性ジルコニアセラミック材料からモノリシック構造体を製造する方法は、高靭性ジルコニアセラミックを含むスラリー（slurry）を準備し、所望の形状の圧粉体(green compact)を作り、その圧粉体を焼結する工程を含んでいても良い。所望の形状とは、プラズマに晒される反応室の構成要素のあらゆる形状である。そのような構成要素には、チャンバー壁、基板支持部、シャワーヘッド、バッフル、リング、ノズルなどを含むガス供給システム、ファスナー、加熱装置、プラズマスクリーン、ライナー、ロボットアームのような搬送モジュール構成要素、ファスナー、内部および外部チャンバー壁等、及びそれらに類するものが含まれる。そのような構成要素の具体的な例としては、図６に示すようなモノリシック構造のチャンバーライナー（monolithic chamber liner）２８がある。セラミック処理技術の詳細については、Introduction to Ceramics, ２nd Edition, by W.D.Kingery, H.K.Bowen, and D.R.Uhlmann (J. Wiley & Sons, １９７６)を引用により内容に代える。
【００４５】
高靭性ジルコニアセラミックは、反応チャンバーと構成要素の全てまたは一部に用いることができる。好適な実施形態としては、プラズマに直接触れる部分や、チャンバー構成要素に隠れる部分（例えばライナー）のような、プラズマ環境にさらされる部位（regions）にコーティングや覆いを施す。さらに、比較的高いバイアス電圧(relatively high bias voltages)（すなわち、比較的高いスパッタイオンエネルギー(relatively high suputter ion energies)）がかかる部位に高靭性ジルコニアセラミック層を用いるのが好ましい。
【００４６】
本発明に対応してセラミック層をコーティングや覆いとして用いる場合も、モノリシック構造の構成要素を構築する場合のいずれも、いくつかの長所があることが理解される。すなわち、本発明に対応する高靭性ジルコニアセラミックを用いることによって、侵食率が小さくなる（lower erosion retes）ことが理解される。さらに、高靭性ジルコニアセラミック材料における靭性の変化(transformation toughening of the zirconia toughened ceramic material)により、本発明に対応する保護コーティングは、亀裂を生じにくくなる。その結果、本発明による高靭性ジルコニアセラミックの構成要素またはコーティングは、金属汚染及びパーティクル汚染のレベルを下げ、消耗品の寿命を長くすることでコストを下げ、チャンバー部品の腐食の程度を下げる。
【００４７】
本発明は、特定の実施形態を参照して詳細に記述されている一方で、特許請求の範囲に記載された発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更及び修正、更には均等物の採用が可能であることは、当業者の立場から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来のプラズマ溶射プロセスを示す。
【図２】本発明の一の実施形態に対応するポリシリコンエッチング装置のためのガスリング装置の断面図である。
【図３】本発明による構成要素を含む高密度酸化物エッチングチャンバーを示す。
【図４】本発明による耐食性コーティングの一つの実施形態の詳細を示す。
【図５】本発明による耐食性コーティングのもう一つの実施形態の詳細を示す。
【図６】本発明による耐食性コーティングの他の実施形態の詳細を示す。
Claims (25)
- 半導体処理装置の構成要素の表面をコーティングするための方法であって、半導体処理装置の構成要素の表面に高靭性ジルコニアセラミック層を成膜し、前記セラミック層が最も外側の表面に形成される工程を備えることを特徴とする方法。
- 前記セラミック層が、本質的に正方晶ジルコニア多結晶体(TZP)材料からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記セラミック層が、スパッタリング、スパッタ成膜、浸漬めっき、化学気相成長法、物理気相成長法、熱間等静圧圧縮成形、冷間等静圧圧縮成形、圧縮成形、鋳込成形、成形と焼結、プラズマ溶射、及び溶射のうちから選択される技術により適用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記構成要素が、プラズマチャンバー壁、チャンバーライナー、ガス供給板、ガスリング、ペデスタル、誘電体ウィンドウ、静電チャック、及びフォーカスリングの中から選択されるものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記セラミック層が、約０.００１から約０.０５０インチの範囲の厚さに成膜されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記セラミック層が、本質的に部分安定化ジルコニア(PSZ)からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記セラミック層が、本質的にジルコニア分散高靭性セラミック(ZTC)からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記セラミック層が、本質的にジルコニア強化アルミナ(ZTA)からなることを特徴とする請求項７に記載の方法。
- 前記構成要素の表面に中間層を成膜し、前記中間層の上に前記セラミック層を成膜する工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記セラミック層を成膜する前に前記表面に表面ラフ化処理を行い、前記ラフ化された表面上に前記セラミック層を成膜する工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記表面が金属表面であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 半導体処理装置の構成要素であって、前記構成要素は、最も外側の表面に形成された高靭性ジルコニアセラミック材料を備えることを特徴とする構成要素。
- 前記セラミック材料が、基板上にセラミック層を備えることを特徴とする請求項１２に記載の構成要素。
- プラズマ環境にさらされる部品、又は、プラズマ環境に関連するバイアス電圧にさらされる部品を備えることを特徴とする請求項１２に記載の構成要素。
- 本体が本質的に前記高靭性ジルコニアセラミック材料からなるバルク部分を備えることを特徴とする請求項１２に記載の構成要素。
- 前記構成要素が、プラズマチャンバー壁、チャンバーライナー、ガス供給板、ガスリング、ペデスタル、誘電体ウィンドウ、静電チャック、およびフォーカスリングのうちから、選択されるものであることを特徴とする請求項１２に記載の構成要素。
- 前記セラミック材料が、本質的に正方晶ジルコニア多結晶体(TZP)材料からなることを特徴とする請求項１２に記載の構成要素。
- セラミック材料が、本質的に部分安定化ジルコニア(PSZ)からなることを特徴とする請求項１２に記載の構成要素。
- 前記セラミック材料が、本質的にジルコニア分散高靭性セラミック(ZTC)からなることを特徴とする請求項１２に記載の構成要素。
- 前記セラミック材料が、ジルコニア強化アルミナ(ZTA)を備えることを特徴とする請求項１９に記載の構成要素。
- 前記セラミック層が、約０.００１から約０.０５０インチの範囲の厚さを持つことを特徴とする請求項１３に記載の構成要素。
- 請求項１２に記載の構成要素を含むプラズマチャンバーを用いた半導体基板処理方法であって、前記半導体基板の露出表面をプラズマに接触させる工程を備えることを特徴とする方法。
- 高靭性ジルコニアセラミック材料で構成される半導体処理装置の構成要素を製造する方法であって、
高靭性ジルコニアセラミックのスラリーを準備する工程と、
所望の形状の圧粉体を形成する工程と、
前記圧粉体を焼結する工程と
を備えることを特徴とする方法。 - 請求項２３に記載の方法によって製造される半導体処理装置の構成要素。
- 前記高靭性ジルコニアセラミックが、本質的に正方晶ジルコニア多結晶体(TZP)、部分安定化ジルコニア(PSZ)、又は、ジルコニア分散高靭性セラミック(ZTC)からなることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
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