JP2008522031A - 層状にコーティングされたプロセスチャンバのコンポーネント及び方法 - Google Patents

Abstract

基板処理チャンバのコンポーネントは、プロセスチャンバ内の活性化されたガスに露出されうる。このコンポーネントは下地の構造及び第１、第２のコーティング層を有する。第１のコーティング層は下地の構造の上に形成され、約２５マイクロメーター未満の平均表面粗さを有する第１の表面を有する。第２のコーティング層は第１のコーティング層の上に形成され、少なくとも約５０マイクロメーターの平均表面粗さを有する第２の表面を有する。プロセスの残渣物は、処理される基板へのコンタミネーションを低減するために、第２のコーティング層の表面に付着しうる。

Description

背景

本発明は基板処理チャンバのためのコンポーネントに関する。

半導体ウェハーやディスプレイのような基板の処理において、基板は、プロセスチャンバ内に置かれ、基板上に材料を堆積し、又は、エッチングをするために、活性化したガスに曝される。そのようなプロセスの間に、プロセスの残渣物が生成され、チャンバの内部表面上に堆積しうる。例えば、スパッタの堆積プロセスにおいて、基板上への堆積のためのターゲットからスパッタされた材料は、デポジションリング、シャドーリング、ウォールライナー、及びフォーカスリング等のチャンバ内の他のコンポーネントの表面にも堆積する。次のプロセスのサイクルにおいて、堆積したプロセスの残渣物はチャンバの表面に剥がれ落ち、基板の上に落ちて基板を汚染することとなる。

プロセスの残渣物による基板の汚染を低減するために、チャンバ内のコンポーネントの表面はテキスチャード加工される。プロセスの残渣物は、露出したテキスチャード加工された表面によりよく密着し、剥がれ落ちることなく、チャンバ内の基板を汚染することを防ぐ。テキスチャード加工されたコンポーネントの表面は、例えば、アプライドマテリアルズに共通に譲渡された、２００４年８月１７日に発行されたシーニュング・リン（Shyh-Nung Lin）らによる米国特許第６，７７７,０４５号、及びアプライドマテリアルズに共通に譲渡された２００４年４月２７日に出願されたリン（Lin）等による米国特許出願第１０／８３３，９７５号に記載されるように、コンポーネントの粗くした表面をコーティングすることにより形成されうる。なお、これらの米国特許及び米国特許出願はその全体において本明細書において参照され、組み込まれる。より粗い表面粗さを有するコーティングは、チャンバ内においてプロセス処理される基板のコンタミネーションを低減するために、基板処理の間、プロセスの残渣物をより蓄積せしめ、保持することができる。

しかしながら、コーティング上にもたらされる表面粗さの程度は、下地のコンポーネントの構造へのコーティングの結合特性により制限されうる。例えば、より粗い表面を有するコーティングほど、即ち、プロセスの残渣物の密着性が改善されるほど、下地の構造に対し、一般には、弱い結合となるというジレンマが現行のプロセスにはある。このことは、例えば、セラミック若しくはステンレススティールのコンポーネント上へのアルミニウムのコーティングなどの、異なる組成を有するコンポーネント上のコーティングについて言えることである。より弱く密着したコーティングを伴った基板の処理は、下地の構造からのコーティングの層間剥離、クラッキング、及び剥がれ落ちとなってしまう。チャンバ内のプラズマはコーティングの損傷した領域を貫通し、下地の構造の露出した表面を劣化させ、ついにはコンポーネントの不具合へとつながる。このようにコーティングされたコンポーネントは一般には、十分な結合力及び良好な残渣物の密着特性の両者をもたらさない。

このように、コンポーネントからコーティングの層間剥離が実質的に起こることなく、コンポーネントの表面へのプロセスの残渣物の改善された密着性をもたらすコーティングされたコンポーネント及び方法が望ましい。更に、プロセスの残渣物の密着性を改善するために、より粗くされた表面粗さを有する良好に結合されたコーティングを提供するコーティングされたコンポーネント及び方法が望ましい。

概要

１つの特長において、プロセスチャンバ内において、活性化されたガスに曝されうる基板の処理チャンバのコンポーネントは、下地の構造及び第１及び第２のコーティング層を有する。第１のコーティング層は下地の構造の上に形成され、約２５マイクロメーター未満の平均の表面粗さを有する第１の表面を有する。第２のコーティング層は第１のコーティング層の上に形成され、少なくとも約５０マイクロメーターの平均の表面粗さを有する第２の表面を有する。プロセスの残渣物は、処理される基板のコンタミネーションを低減するために、第２のコーティング層の表面に付着しうる。

別の特長において、基板の処理チャンバのコンポーネントは、ステンレススティール、アルミニウム及びチタンの内の少なくとも１つの下地の構造を有する。このコンポーネントは下地の構造の上に、アルミニウムからなる、第１の溶射されたコーティング層を有し、この第１の溶射されたコーティング層は（ｉ）約１０％未満のポロシティ(空隙率)、（ｉｉ）約２５マイクロメーター未満の平均の表面粗さを有する第１の表面を有する。また、このコンポーネントは第１の溶射されたコーティング層の上に、アルミニウムからなる、第２の溶射されたコーティング層を有し、この第２の溶射されたコーティング層は（ｉ）少なくとも約１２％のポロシティ及び（ｉｉ）少なくとも約５０マイクロメーターの平均の表面粗さを有する第２の表面を有する。プロセスの残渣物は処理される基板のコンタミネーションを低減するために、第２の表面に付着する。

１つの特長において、基板処理チャンバのコンポーネントを製造する方法は、下地の構造を提供し、この下地の構造上に第１のコーティング層を溶射することを含む。第１の溶射パラメータは、第１のコーティング層上に、約２５マイクロメーター未満の平均の表面粗さを有する第１の表面を形成するよう維持される。第２のコーティング層は第１のコーティング層の上に溶射され、第２のコーティング層上に、少なくとも約５０マイクロメーターの平均の表面粗さを有する第２の表面を形成するように、第２の溶射パラメータが維持される。

別の特長において、所定の構造の上にコーティングを形成することができるツインワイヤーアークの溶射器が提供される。この溶射器は、消耗される電極を有する電極のうちの少なくとも１つの間で電気的アークを発生するためにバイアスされうることができる第１及び第２の電極を有する。また、この溶射器は電極を通過する加圧されたガスを方向付けるために、加圧ガスの供給源を有し、そこから加圧ガスが流れ出すノズルを有する。このノズルは加圧ガスを受ける導管と、この導管に取り付けられた入口を有する円錐形状部分と、加圧ガスを放出する出力口とを有する。この円錐形状部分は入力口から出力口の方向に延びる傾斜のある円錐形状の側壁を有する。この入力口は第１の直径を有し、出力口は第２の直径を有し、第２の直径は第１の直径の大きさの少なくとも約１．５倍であり、これによりノズルを通過して流れる加圧ガスは、コーティングの所定の表面粗さの平均を提供するよう選択されうる。消耗可能な電極は、少なくとも融解された材料を形成するために電気的アークにより少なくとも部分的に溶解され、融解材料は、ノズルを介し、加圧ガスにより溶射され、所定の構造上にコーティングが形成される。このノズルにより、コーティングの所定の表面粗さの平均がもたらされるように、加圧ガスの圧力が選択される。

詳細な説明

基板処理チャンバ内で用いられるのに好適なコンポーネント２０が図１に示されている。コンポーネント２０は、プロセスの残渣物が付着し、又、下地のコンポーネントのエロージョンを防ぐテキスチャード加工された表面２５を有するコーティング２２を含む。コーティング２２を有するコンポーネント２０は、例えば、チャンバ１０６内にプロセスガスを供給するガス供給システム１１２の１つ、または、１つ以上の部分、チャンバ１０６内で基板１０４を支持する基板支持部１１４、プロセスガスを活性化するガスエナジャイザー１１６、チャンバの包囲壁１１８及びシールド１２０、及びチャンバ１０６からガスを排出するガス排出口１２２などの、エロージョン、及び／又は、プロセスの堆積物の積みあがったものに対して影響を受けやすい、チャンバ１０６内のコンポーネントであり得、それらの全ての例示的な実施形態は第４図に示される。例えば、物理的蒸着チャンバ１０６内において、コーティングされたコンポーネントは、チャンバの包囲壁１１８、チャンバのシールド１２０、ターゲット１２４、カバーリング１２６、デポジションリング１２８、サポートリング１３０、インシュレーターリング１３２、コイル１３５、コイルサポート１３７、シャッターディスク１３３、クランプシールド１４１、及び基板支持部１１４の表面１３４のいかなるものも含みうる。

チャンバのコンポーネント２０は、図１に示されるように、構造２４の少なくとも一部分をカバーする被覆コーティング２２を有する下地の構造２４を含む。下地の構造２４は、基板処理の環境下において形成された活性化されたガスなどの活性ガスによるエロージョンに対して抵抗性のある材料を含む。例えば、構造２４はアルミニウム、チタン、タンタル、ステンレススティール、銅、及びクロムの少なくとも１つなどの金属を含む。１つの実施形態においては、改善されたコロージョンに対し抵抗性を含む構造２４は、アルミニウム、チタン、ステンレススティールの内の少なくとも１つを含む。また、構造２４は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、窒化シリコン、及び、窒化アルミニウムのうちの少なくとも１つなどを例えば含むセラミック材料を含む。構造２４の表面２６は、コーティング２２に接触し、望ましくは、構造２４を被覆するコーティング層２２の密着性を改善する表面粗さを有する。例えば、表面２６は約２．０マイクロメーター（８０マイクロインチ）少なくとも約２．０マイクロメーター（８０マイクロインチ）の表面粗さを有しうる。

基板の処理は、コーティング材料からなる少なくとも２つのコーティング層３０ａ、ｂを含むコーティング２２を提供することにより改善されうることが発見されている。多層のコーティング２２は下地の構造２４へのコーティングの良好な結合をもたらすよう選択されている特性を有し、かつ、プロセスの残渣物の密着性を改善する特性を有するコーティング層３０ａ、ｂを有する。好ましくは、コーティング２２は下地の構造２４の表面２６の少なくとも一部分を覆うよう形成された第１の層３０ａ及び第１の層の少なくとも一部分の上に形成される第２の層３０ｂを含む。第１及び第２の層３０ａ、ｂのうちの少なくとも１つのための適宜な材料は、例えば、アルミニウム、銅、ステンレススティール、タングステン、チタン、ニッケルのうちの少なくとも１つなどの金属材料を含むかもしれない。また、第１及び第２の層３０ａ、ｂのうちの少なくとも１つは、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、炭化シリコン、炭化ホウ素、窒化アルミニウムのうちの少なくとも１つなどのセラミック材料を含むかもしれない。一実施形態において、コーティング２２は、ステンレススティール及びアルミナのうちの少なくとも１つを含む下地の構造２４の上に形成されたアルミニウムからなる１つ以上の層３０ａ、ｂを含む。コーティング２２は２つの層３０ａ、ｂのみからなっているが、コーティング２２は改善された処理特性をもたらす複数の層の材料をも含みうる。

コーティング２２は好ましくは下地の構造２４の表面２６への強い結合力をもたらす特性を有する第１の層３０ａを含む。一実施形態において、下地の構造２４の表面２６への第１の層３０ａの良好な結合力を提供するために、十分に低い第１の平均表面粗さを有するテキスチャード加工された表面３２を有する第１の層３０ａにより、より改善された結果がもたらされる。表面の粗さの平均は、表面にかけての粗い表面形状の頂上と谷との平均線からの変位の絶対値の平均である。より低い表面粗さを有する第１の層３０ｓは、層３０と下地の表面２６との間の、より良好な接触領域などの良好な結合特性を示す。また、典型的には、より低い表面粗さの第１の層３０ａであれば、低減されたポロシティ(空隙率)を含み、結合インターフェースの所でのボイド及び気孔の数が少なくなるので、下地の表面２６への結合力が改善されうる。好適な第１の層３０ａは、例えば、約１５マイクロメーター（６００マイクロインチ）から約２３マイクロメーター（９００マイクロインチ）、更には、約２０マイクロメーター（８００マイクロインチ）などの、約２５マイクロメーター（１０００マイクロインチ）未満の表面粗さの平均を有する表面３２を含む。第１の層３０ａの適宜なポロシティは、容量にして約５％から９％などの、約１０％未満のものである。第１の層３０ａの厚さは、下地の表面２６への良好な密着性をもたらすよう選択されうるとともに、エロージョンに対する良好な抵抗性をもたらし、例えば、約０．１５ｍｍから約０．２０ｍｍまでなどの、約０．１０ｍｍから約０．２５ｍｍの範囲のものである。

更に、コーティング２２は、プロセスの残渣物の改善された密着性をもたらす露出したテキスチャード加工された表面２５を有する、第１の層３０ａの少なくとも一部分の上に形成される第２のコーティング層３０ｂを含む。例えば、第２のコーティング層３０ｂは、第１の層３０ｂのそれより大きい表面粗さ平均を有する露出したテキスチャード加工された表面２５を含む。露出したテキスチャード加工された表面２５からの物質の剥がれ、若しくは、剥離の生じることを減らし、コンポーネント２０とともに処理される基板１０４のコンタミネーションを防ぐために、露出した第２の層の表面３０ｂのより粗い表面粗さの平均によって、露出した表面への、プロセスの残渣物の密着性が向上する。プロセス残渣物の密着性の改善をもたらすに好適な露出したテキスチャード加工された表面２５の表面粗さの平均は、約５６マイクロメーター（２２００マイクロインチ）から約６６マイクロメーター（２６００マイクロインチ）などのような、少なくとも約５６マイクロメーター（２２００マイクロインチ）か、若しくは、少なくとも約５０マイクロメーター（２０００マイクロインチ）の表面粗さの平均である。また、より粗い表面粗さを有する第２の層３０ｂは、第１のコーティング層３０ａのポロシティよりも大きい値の、より増加されたポロシティのレベルを有し、そのレベルは、例えば、容量にして約１２％から約２５％の範囲であり、容量にして少なくとも約１５％、また、少なくとも約１２％である。活性化されたガスによるエロージョンに対する良好な抵抗性を維持しながら、第１の層３０ａの表面３２への第２の層３０ｂの良好な密着性をもたらすに十分な第２の層３０ｂの厚さは約０．２０ｍｍから約０．２５ｍｍまでなどの、約０．１５ｍｍから約０．３０ｍｍまでの範囲のものであるかもしれない。

第１及び第２の層３０ａ，ｂを含むコーティング２２は、コーティング２２への残渣物の密着性とともに、下地の構造２４に対するコーティング２２の結合においても実質的な改善をもたらす。第１のより低い表面粗さの平均を含む第１の層３０ａは、下地の構造２４の表面２６に対し強い結合力を形成することができ、下地の構造２４に対しコーティング２２をしっかりと固定する。第２の、より高い平均表面粗さを含む第２の層３０ｂは、より低い平均の表面粗さを有する表面より、より大きい量のプロセス残渣物を蓄積し保持することができ、これにより、コーティング２２を有するコンポーネント２０のプロセス能力を改善する。従って、第１及び第２のコーティング層２２を有するコーティング２２は、構造２４からのコーティング２２の剥離をより少なくして基板の処理におけるパフォーマンスを改善し、処理された基板１０４のコンタミネーションを低減する。

一実施形態において、第１及び第２のコーティング層３０ａ，ｂは好ましくは、２つの層３０ａ，ｂの間の結合力を向上せしめる材料からなる組成物を含む。例えば、第１及び第２のコーティング層３０ａ，ｂは熱膨張の不整合からもたらされる層３０ａ，ｂの剥がれを低減するために、約５％未満の差のある熱膨張係数などの実質に類似する熱膨張係数を有する材料から構成される。より好ましい実施形態においては、第１及び第２の層３０ａ，ｂは、第１及び第２の層３０ａ，ｂの最適な密着性及び熱整合性をもたらすために、同じ組成物を含む。例えば、第１及び第２の層３０ａ、ｂはアルミニウムから構成されうる。同じ材料を含む第１及び第２の層３０ａ，ｂは相互によく合った特性を有し、処理環境において異なるストレスに対して同様に応答するので、より高い平均表面粗さを有する第２の層が第１の層に対する第２の層の良好な密着性を維持しつつもたらされうる。

第１及び第２の層３０ａ，ｂの表面粗さの平均は、表面３２、２５の各々の上に針を通過せしめ、表面上の凹凸の高さの変動のトレースを生成する表面形状測定装置により、又は、表面のイメージを生成するために、表面から反射する電子ビームを用いる走査型電子顕微鏡により決定されるかもしれない。粗さの平均若しくは他の特性などの表面の特性を測定する際に、適宜なカットオフ長さ及び評価長さを特定する国際基準ＡＮＳＩ／ＡＳＭＥ Ｂ．４６．１‐１９９５が用いられうる。次の表１は、この基準により定義されるように、粗さ平均の値、適宜なカットオフ長、及び、最小及び典型的な評価長さを示している。

コーティング２２は、プロセス残渣物の密着性を向上せしめ、下地の構造により強固に結合しうるので、第１及び第２の層３０ａ，ｂを含むコーティング２２は、単に一層を有するコーティングよりも、より改善された結果をもたらす。例えば、約２５マイクロメーター（１０００マイクロインチ）未満の表面粗さの平均を有する第１の層３０ａ及び約５１マイクロメーター（２０００マイクロインチ）より大きい表面粗さの平均を有する第２の層３０ｂを含むコーティング２２は、実質的に基板へのコンタミネーションなしで、少なくとも約２００ＲＦ―時間の間、基板１０４を処理するのに用いられることができる。対照的に、従来の単一層のコーティングは、基板のコンタミを防ぐためにコンポーネントの清浄が行われる前に、約１００ＲＦ時間より少ない時間しか基板１０４を処理することができない。

下地の構造２４を保護するために、コーティング２２と下地の構造２４との間に強固な結合をもたらす方法によってコーティング層３０ａ、ｂがもたらされる。例えば、コーティング層３０ａ、ｂのうちの１つ又は両者はツインワイヤーアーク溶射プロセス、溶射プロセス、プラズマ溶射プロセス、酸素ガス溶射プロセスのうちの１つ、若しくは、それ以上の熱溶射プロセスにより吹き付けられる。熱溶射プロセスに代わって、若しくは、それに追加的に、コーティング層の１つ若しくは、複数層が化学的若しくは物理的蒸着プロセスにより形成されうる。一実施形態においては、下地の構造２４の表面２６は、層３０ａ、ｂの堆積の前にビーズによりブラスト加工され、表面２６から遊離したパーティクルが取り除かれる。これにより、引き続き吹き付けられるコーティング２２の密着性が改善され、かつ、第１の層３０ａへの結合のための最適な表面加工がもたらされる。このビーズによりブラスト加工された表面２６は、ビーズ粒子を取り除くために洗浄され、コーティング層３０ａ、ｂの良好な密着性をもたらすために表面２６に残る湿気を蒸発するよう乾燥されうる。

一実施形態において、第１及び第２のコーティング層３０ａ、ｂは、例えば、本明細書においてその全体が参照され組み込まれる、２００１年５月８日に発行されたラザールズ等に付与された米国特許第６，２２７，４３５号Ｂ１、及び１９９７年１２月９日に発行された、シュラッグス等に付与された米国特許第５，６９５，８２５号に記述されるような、ツインワイヤー溶射プロセスによりコンポーネント２０に吹き付けられる。ツインワイヤー熱溶射プロセスにおいて、熱吹付器４００は、例えば、図２に示されるように、アーキングゾーン４５０において電気的アークが生成されるように形成され、角度がつけられた２つの消耗可能な電極４９０、４９９を含む。例えば、消耗可能な電極４９０、４９９は、最も近傍の点の付近で電気的放電が生じるように、相互に向けて角度がつけられ、コンポーネント２０の表面上にコートされるべき金属から形成される、一対のワイヤーを含む。例えば、電力供給源４５２からの電圧が、消耗可能な電極４９０、４９９に印加され、空気、窒素、若しくはアルゴンのうちの１つ又はそれ以上のガスなどのキャリアガスが、電極４９０、４９９の間を流されると、消耗可能な電極４９０、４９９の間に電気アーク放電が生成される。キャリアガスは、加圧されたガス源４５６を含むガス供給源４５４、および、加圧されたキャリアガスが電極４９０、４９９を通るように方向付ける導管４５８若しくは他の方向付け手段により供給される。電極４９０、４９９の間のアーキングは、電極４９０、４９９上の金属を原子化し、少なくとも部分的に液状化する。アーキング電極４９０、４９９により活性化されたキャリアガスは、熱吹付器４００からの溶解分子を、コンポーネント２０の表面２６の方向に推進せしめる。この溶解分子はコンポーネントの表面に衝突し、それらは冷やされ、均一なコーティング層３０ａ，ｂを形成するために凝縮する。消耗可能なワイヤーなどの消耗可能な電極４９０，４９９は、金属製の材料を連続的に供給するために、熱吹付器に連続的にフィードされるかもしれない。

熱溶射の間の動作パラメータは、熱吹付器からコンポーネントへの経路を通過する間の、コーティング材料の温度及び速度などのコーティング材料の吹き付け特性を調整するように適宜、選択される。例えば、キャリアガスの圧力、パワーレベル、ワイヤーのフィードレート、熱吹付器から表面２６への離間距離、表面２６に対するコーティング材料の蒸着角度は、コーティング材料の吹き付け、及び、その結果生じる、下地の構造の表面２６へのコーティング２２の密着性を改善するために選択されうる。例えば、消耗可能な電極４９０、４９９の間の電圧は約３０ボルトなどの、約１０ボルトから約５０ボルトの間から選択されるかもしれない。更に、消耗可能な電極４９０、４９９の間を流れる電流は、約２００アンペアなどの、約１００アンペアから約１０００アンペアの間から選択されうるかもしれない。熱吹付器のパワーレベルは通常、約１０ｋＷなどの、約６ｋＷから約８０ｋＷの間の範囲からのものである。

また、離間距離及び蒸着の角度は、表面２６上へのコーティング材料の蒸着特性を調整するよう選択されうる。例えば、離間距離及び蒸着角度は、「パンケーキ」「ラメラ」パターンを形成するために、溶融したコーティング材料が表面への衝突時にスパッタするパターンを変形するように調整されうる。また、離間距離及び蒸着角度は、コーティング材料が表面２６に衝突するときのコーティング材料の位相、速度、及び液滴の大きさを変更するよう調整されうる。一実施形態において、熱吹付器４００と表面との間の離間距離は約１５ｃｍであり、表面２６へのコーティング材料の蒸着角度は約９０度である。

コーティング材料の速度は表面２６へコーティング材料を適宜に堆積するよう調整されうる。一実施形態において、粉末化されたコーティング材料の速度は、約１００ｍ毎秒から約３００ｍ毎秒である。また、熱吹付器４００は、コーティング材料の温度が、コーティング材料が表面に衝突するときに少なくとも約溶融温度であるように、調整されうる。溶解温度より高い温度は高い濃度及び結合力のコーティングをもたらしうる。例えば、電気放電のまわりの活性化したキャリアガスの温度は５０００℃を超えるかもしれない。しかしながら、電気放電のまわりの活性化されたキャリアガスの温度は、コーティング材料が表面２６に衝突したとき所定の時間だけ溶解したままであるように十分低いようにセットされうる。例えば、適宜な時間は少なくとも約数秒である。

熱溶射プロセスのパラメータは、好ましくは、例えば、コーティングされたコンポーネント２０のパフォーマンスを改善するのに貢献する、コーティングの所要のコーティング厚さ、コーティングの表面粗さ、及び、コーティングのポロシティ（空隙率）などの所要の構造及び表面特性を有する層３０ａ、ｂを備えたコーティング２２をもたらすよう選択される。一実施形態において、第１の層３０ａを形成する第１のステップの間、第１の熱溶射プロセスパラメータを維持することにより、及び、より高い表面粗さの平均を有する第２の層３０ｂを形成するための第２のステップの間、第２のパラメータセットに熱溶射プロセスパラメータを変更することにより、コーティング２２は形成される。例えば、第１の熱溶射プロセスパラメータは、より低い平均の表面粗さを有する表面３２を有する第１の層３０ａを形成するために好適なものであり、他方、第２の熱溶射プロセスパラメータは、より高い平均表面粗さを有する表面３２を有する第２の層３０ｂを形成するために好適なものであるかもしれない。

一実施形態において、第１の層３０ａを堆積するための第１の熱溶射プロセスパラメータはキャリアガスの比較的高い第１の圧力を含み、第２の層３０ｂを堆積するための第２の熱溶射プロセスパラメータは第１の圧力より低い、キャリアガスのための比較的低い第２の圧力を含む。例えば、第１の層３０ａの堆積の間に維持されるキャリアガスの第１の圧力は、約２７５ｋＰａ（４０ＰＳＩ）から約４１５ｋＰａ（６０ＰＳＩ）までの範囲であり、少なくとも約２００キロパスカル（３０平方インチ当たりのポンド）であるかもしれない。キャリアガスのより高い圧力は構造表面２６上の溶射されたコーティング材料のより精密な充填をもたらし、その結果、より低い平均表面粗さの層をもたらすと考えられる。第２の層３０ｂの堆積の間に維持されるキャリアガスの第２の圧力は、少なくとも約２００ｋＰａ（３０ＰＳＩ）未満であり、約１００ｋＰａ（１５ＰＳＩ）から約１７５ｋＰａ（２５ＰＳＩ）までの範囲、或いは、約１７５ｋＰａ（２５ＰＳＩ）以下である。また、他のパラメータは、より望ましい層の特性をもたらすために、第１及び第２の層３０ａ、ｂの堆積の間に変更されうる。

一実施形態において、第１のアルミニウムの層３０ａを堆積するための第１の熱溶射プロセスは、約４１５ｋＰａ（６０ＰＳＩ）のキャリアガスの第１の圧力を維持することを含み、他方、約１０Ｗのパワーレベルを電極４９０、４９９に印加する。下地の構造２４の表面２６からの離間距離は約１５ｃｍ（６インチ）に維持され、表面２６に対する堆積角度は約９０度に維持される。第２のアルミニウムの層３０ｂを堆積するための第２の熱溶射プロセスは、キャリアガスの第２の圧力を約１７５ｋＰａ（２５ＰＳＩ）に維持し、約１０Ｗのパワーレベルを電極４９０、４９９に印加することを含む。第１のアルミニウムの層３０ａの表面３２からの離間距離は約１５ｃｍ（６インチ）に維持され、表面３２への堆積角度は約９０度に位置される。

本発明の原理に従い、同じ熱溶射器４００を用いて、より高い及びより低い表面粗さの平均を有する第１及び第２の層３０ａ、ｂの両者の形成することができる、改善された熱溶射器４００が開発された。一実施形態において、改善された熱溶射器４００は改善されたノズル４０２を含み、その実施形態は図３ａ及び図３ｂに示される。改善されたノズルは、加圧されたガス及び溶融されたコーティング粒子を受ける導管４０４を含み、溶融したコーティング材料をコンポーネントの構造に吹き付けるため熱溶射器４００からの加圧されたガス及び溶融された粒子を放出する円錐形状部分４０６を含む。導管４０４は電気的なアーキングゾーンから導管へと流れる加圧されたガス及びコーティング粒子を受けるための入口４０３を含む。円錐形状部分４０６は導管４０４からの加圧されたガス及びコーティング粒子を受けるための入口４０５を含み、ノズル４０２からガス及び溶融されたコーティング粒子を放出するための出口４０７を有している。

円錐形状部分４０６の壁は、円錐形状部分の入口４０５の所の第１の直径ｄ_１から、円錐形状部分の出口４０７の所の第２の直径ｄ_２へと、円錐形状部分４０６の中央軸４０９を中心に外側に広がるような傾斜を有する円錐形状の側壁４０８を含む。この傾斜を有する円錐形状の側壁４０８は、入口４０５の所の狭い流路から、徐々に広がり、出口４０７の所のより広い流路となる、円錐形状の流路をその部分にもたらす。例えば、円錐形状の側壁４０８は、約１０ｍｍから約２３ｍｍの範囲、更には、約１０ｍｍから約１５ｍｍの範囲など、約５ｍｍから約２３ｍｍの範囲の第１の直径を含む。第２の直径は、約２３ｍｍから約２５ｍｍの範囲などの、約２０ｍｍから約３５ｍｍの間のものである。出口４０７のより好ましい第２の直径は、例えば、入口の直径のサイズの約１．５倍から約２倍などの第１の入口４０５の第１の直径のサイズの少なくとも１．５倍である。傾斜を有する円錐形状の側壁４０８は、約９０度などの、約６０度から約１２０度の範囲の相互の交わり角度αで傾斜する。

加圧ガスおよび溶融したコーティング粒子は、改善されたノズル４０２を通って、所定の範囲の表面粗さの平均を有するコーティング層３０ａ、ｂの堆積をもたらす。より小さい第１の直径は比較的低い平均の表面粗さの範囲に好適であり、より大きい第１の直径は比較的高い平均の表面粗さの範囲をもたらすなど、円錐形状部分の入口４０５の第１の直径ｄ_１は、第１及び第２の層３０ａ、ｂの望まれる最小及び最大の表面粗さに基づいて選択されうる。第２の直径ｄ_２は、所要のコーティング特性を提供するために、溶射されたコーティング材料の所望の拡散及び分配を提供するような大きさとされる。そして、溶射プロセスパラメータは、所要の平均の表面粗さをもたらすよう選択される。例えば、キャリアガスの比較的高い圧力は比較的低い平均表面粗さを有する第１の層３０ａを形成するようもたらされ、これに対し、キャリアガスの比較的低い圧力は比較的高い平均表面粗さを有する層３０ｂを形成するためもたらされる。少なくとも部分的には、コーティング材料の高い供給量にも拠るが、より低い表面粗さの構造を作るために、ガスの圧力を高くすれば、コンポーネントの構造の表面上に、より堅固に、かつ、均質的に、溶融したコーティング材料を充填することができると考えられている。より低い圧力であれば、より低い供給量率となり、これにより、より高いポロシティ（空隙率）、及び、より高い平均表面粗さを有するコーティング構造となる。改善されたノズル４０２により、実質的に、各層３０ａ、ｂに対して別個の装置コンポーネントを必要とすること、または、様々な溶射パラメータを再設定することなくして、コンポーネント上に異なる平均表面粗さを有する層３０ａ、ｂの効率的な生成が可能となると共に、コーティング粒子の拡散及び分配などの、所望の溶射特性を達成することができる。

コーティング２２が施されると、コーティング２２の表面２５から遊離したコーティング粒子又は他の汚染物が取り除かれる。表面２５は、水、酸性のクリーニング溶剤、基本的なクリーニング溶剤のうちの少なくとも１つなどのクリーニング液体により、洗浄されうる。また、コンポーネント２０を超音波により振動させることにより表面２５は洗浄されうる。一実施形態において表面２５は脱イオン化水により洗浄処理されることにより洗浄される。

また、コーティングされたコンポーネント２０は、堆積したプロセスの残渣物及びコーティング２２の劣化された部分をコンポーネント２０から取り除くために、１つ又はそれ以上の基板１０４を処理した後、洗浄され、改装される。一実施形態において、コンポーネント２０は、コーティング２２及びプロセスの残渣物を取り除くことにより、及び、コーティング層３０ａ、ｂを吹付けの前に下地の表面２６を洗浄するために様々な洗浄プロセスを行うことにより、改装されうる。下地の構造２６を洗浄することは、下地の構造２４とそれに続く再形成されたコーティング２２との間のより高められた結合をもたらす。例えば、本出願と同じようにアプライドマテリアルズに譲渡され、本明細書に参照され組み込まれる、２００４年４月２７日に出願されたリン等に発行された、米国特許出願第１０／８３３、９７５号の米国特許出願に記述されるようなクリーニング方法により、クリーニングされ、下地の構造が洗浄されると、コーティング２２は下地の構造２４の表面２６上に再形成されうる。

コーティング層３０ａ、ｂを有するコンポーネントを備えた適宜なプロセスチャンバ１０６の例が４図に示されている。チャンバ１０６は、チャンバ１０６との間で基板１０４を搬送するロボットアームのメカニズムにより相互接続されたチャンバのクラスタを有するマルチチャンバプラットホーム（図示せず）の一部分でありうる。図示の例において、プロセスチャンバ１０６は、物理的蒸着若しくはＰＶＤチャンバとも呼ばれるスパッタデポジションチャンバであり、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、銅、タングステン、窒化タングステン及びアルミニウムのうちの１つ、若しくは、複数の材料を基板１０４上へスパッタ蒸着することができる。チャンバ１０６は、側壁１６４、底の壁１６６、天井１６８を有して、プロセスゾーン１０９を包囲する包囲壁１１８を含む。サポートリング１３０は、天井１６８を支持するために、側壁１６４と天井１６８との間に配置されうる。他のチャンバの壁はスパッタリング環境から包囲壁１１８をシールドする１つ又はそれ以上のシールド１２０を含みうる。

チャンバ１０６は、スパッタデポジションチャンバ１０６内で基板を支持するための基板支持体１３０を含む。基板支持体１３０はＲＦ電源などの、電力供給１７２によりバイアスされる電極１７０を含み、電気的に浮いている。又、基板支持体１３０は基板１０４が存在しないときに、支持体１３０の上側表面１３４を保護するためのシャッターディスク１３３を含む。動作中、基板１０４は、チャンバ１０６の側壁１６４内の基板導入口（図示せず）を通してチャンバ１０６に導入され、支持体１３０上に載置される。支持体１３０は、支持体のリフトベローズにより、上に上げられたり下に下げられたりする。リフトフィンガーアセンブリ（図示せず）は、チャンバ１０６への基板１０４の搬入、及び、チャンバ１０６からの基板１０４の搬出の間、支持体１３０上の基板を上に上げたり下に下げたりするのに用いられる。

また、支持体１３０のエロージョンを防ぐために、支持体１３０は、支持体１３０の上側表面１３４の少なくとも一部分を覆う、カバーリング１２６及びデポジションリング１２８などの１つ以上のリングを含む。一実施形態においては、デポジションリング１２８は、基板１０４によりカバーされていない支持体１３０の部分を保護するために、基板１０４を少なくとも部分的に取り囲む。カバーリング１２６はデポジションリング１２８の少なくとも一部分を取り囲んでカバーし、デポジションリング１２８及び下の支持体１３０の両者へのパーティクルの堆積を少なくする。

スパッタリングガスなどのプロセスガスは、一定流量のガスを通すために、マスフローコントローラなどのガス流量制御バルブ１７８を有する導管１７６の各々にガス供給する１つ以上のガス源１７４を含むプロセスガス供給源を含むガス分配システム１１２を介してチャンバ１０６に導入される。導管１７６は、所望のプロセスガスの組成を形成するために、ガスが混合されるミキシングマニフォールド（図示せず）にガスを供給する。ミキシングマニフォールドは、１つ以上のチャンバ１０６内へのガス出力口１８２を有するガスディストリビュータ１８０にガス供給する。プロセスガスは、ターゲットに励起的に衝突し、ターゲットから材料をスパッタリングすることができる、アルゴン又はキセノンなどの不活性ガスを含む。また、プロセスガスは、基板１０４上に層を形成するためにスパッタされた材料と反応することができる、酸素含有ガスおよび窒素含有ガスの少なくとも１つなどの活性ガスを含む。使用されたプロセスガス及び副産物は、使用されたプロセスガスを受け、その使用されたプロセスガスを、チャンバ１０６内のガスの圧力を制御するスロットルバルブ１８８を有した排気導管１８６に流す、１つ以上の排出ポート１８４を含む排出部１２２を通してチャンバ１０６から排出される。排気導管１８６は１つ以上の排出ポンプ１９０にガス排出する。典型的には、チャンバ１０６内のスパッタリングガスの圧力は大気圧レベル以下にセットされる。

更に、スパッタリングチャンバ１０６は、基板１０４の表面１０５に対峙し、基板１０４上にスパッタされるべき材料を含むスパッタリングターゲット１２４を含む。ターゲット１２４は円管状のインシュレーターリング１３２によりチャンバ１０６から電気的に絶縁されており、電源１９２に接続されている。また、スパッタリングチャンバ１０６はスパッタされた材料からチャンバ１０６の壁１１８を保護するためのシールド１２０を備えている。シールド１２０はチャンバ１０６の上側及び下側の領域をシールドする、上側の及び下側のシールドセクション１２０ａ、１２０ｂを有する壁状の円筒形状の形を含む。図４に示される実施形態において、シールド１２０はサポートリング１３２に搭載された上側部分１２０ａ及びカバーリング１２６に取り付けられた下側セクション１２０ｂを有する。クランピングリングを含むクランプシールド１４１は上側及び下側のシールドセクション１２０ａ、ｂを共にクランプするよう設けられうる。内側及び外側のシールドなどのような別のシールドの構成も考えられうる。一実施形態において、電源１９２、ターゲット１２４、及びシールド１２０の１つ若しくはそれ以上は、ターゲット１２４からの材料をスパッタするスパッタリングガスを活性化することができるガスエナジャイザー１１６として動作する。電源１９２はシールド１２０に対してターゲット１２４へのバイアス電源を供給する。印加された電圧によりチャンバ１０６内に生成される電界は、スパッタリングガスを活性化し、ターゲット１２４に励起的に衝突するプラズマを生成せしめ、ターゲット１２４から材料をスパッタし、基板１０４上に堆積せしめる。また、電極１７０及び支持電極電源１７２を有する支持体１３０は、ターゲット１２４からスパッタされたイオン化された材料を基板１０４の方向に活性化し、加速することにより、ガスエナジャイザー１１６の部分として動作する。更に、ガス励起コイル１３５が電源１９２により電源供給され、チャンバ１０６内に位置して、改善された活性化ガスの濃度などのより励起された活性化ガスの特性をもたらす。ガス励起コイル１３５は、チャンバ１０６内のシールド１２０若しくは他の壁に取り付けられたコイルサポート１３７により支持されうる。

チャンバ１０６は、チャンバ１０６内で基板１０４を処理するためにチャンバ１０６のコンポーネントを動作せしめる命令セットを有するプログラムコードを含むコントローラ１９４により制御される。例えば、コントローラ１９４はチャンバ１０６内に基板１０４を位置せしめるために、基板支持体１３０及び基板搬送部の少なくとも１つを動作せしめるための基板位置決め命令セットと、チャンバ１０６へのスパッタリングガスの流量をセットするための流量制御バルブ１７８を動作せしめるガス流量制御命令セットと、チャンバ１０６内の圧力を維持するために排出スロットルバルブ１８８を動作せしめるガス圧力制御命令セットと、ガス活性化パワーレベルをセットするためガスエナジャイザー１１６を動作せしめるガスエナジャイザー制御命令セットと、チャンバ１０６内の温度を制御する温度制御命令セットと、及びチャンバ１００内のプロセスをモニタするプロセスモニタリング命令セットを含む。

本発明の例示的な実施形態が示され記述されてきたが、当該技術分野における当業者は本発明を組み込んだ他の実施形態を成しうるかもしれないが、それは本発明の範囲内である。例えば、本明細書に記述された例示的なコンポーネント以外のチャンバコンポーネントも同様に洗浄されうる。また、他の熱溶射器４００の構造及び実施形態が用いられうるし、本明細書に記載された以外のコーティング及び構造の組成が用いられうる。ここに記載された以外の追加的なクリーニングのステップが行われ得、そのクリーニングステップはここに記述された以外の順番によりなされうる。更に、例示的な実施形態に関して示された相対的若しくは位置的な条件は相互交換可能である。従って、添付の請求の範囲は、本発明を説明するために本明細書において記載されたより好ましい実施形態、材料若しくは空間的な配置の記述に制限されるべきではない。

本発明のこれらの特長、特質及び効果は、本発明の例を図説する詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面に関連して、よりよく理解されうる。しかしながら、それらの特長の各特長は本発明において一般に使用されうるものであり、特定の図面の中のみに用いられるものではなく、本発明はこれらの特長の組み合わせをも含むことを理解されるべきである。

第１及び第２のコーティング層を有するプロセスチャンバのコンポーネントの一実施形態の部分断面側面図である。 コンポーネント上にコーティング形成することができる熱溶射器の一実施形態の部分概略図である。 〜 異なる平均表面粗さの範囲を有するコーティング層を形成することができる熱溶射器ノズルの一実施形態を示す部分断面側面図及びオフセット平面図である。 基板処理チャンバの一実施形態の部分断面側面図である。

Claims (12)

1. （ａ）下地の構造と、
   （ｂ）前記下地の構造の上にあり、約２５マイクロメーター未満の平均表面粗さを有する第１の表面を含む第１のコーティング層と、
   （ｃ）前記第１のコーティング層の上にあり、少なくとも約５０マイクロメーターの平均表面粗さを有する第２の表面を含む第２のコーティング層とを含み、
   処理される基板のコンタミネーションを少なくするために、プロセスの残渣物が前記第２の表面に付着させるプロセスチャンバ内で活性化されたガスに露出しうる基板プロセスチャンバのコンポーネント。
2. （１）溶射されたアルミニウムのコーティング層を含む前記第１及び第２のコーティング層と、
   （２） アルミニウム、チタン、タンタル、ステンレススティール、銅及びクロムのうちの少なくとも１つを含む下地の構造の少なくとも１つを含む請求項１記載のコンポーネント。
3. （１）約１０％未満のポロシティを含む前記第１のコーティング層と
   （２）少なくとも約１２％未満のポロシティを含む前記第２のコーティング層と、
   （３）少なくとも約１５％のポロシティを含む前記第２のコーティング層の少なくとも１つを含む請求項１記載のコンポーネント。
4. 前記第１のコーティング層は約０．１ｍｍから約０．２５ｍｍの厚さを有し、前記第２のコーティング層は約０．１５ｍｍから約０．３ｍｍの厚さを有する請求項１記載のコンポーネント。
5. 前記コンポーネントはチャンバの包囲壁、シールド、プロセスキット、基板支持体、ガス分配システム、ガスエナジャイザー、及びガス排出口のうちの少なくとも一部分を含む請求項１記載のコンポーネント。
6. 請求項１記載のコンポーネントを含み、基板支持体、ガス分配システム、ガスエナジャイザー、及びガス排出部を含む基板処理チャンバ。
7. （ａ）下地の構造を提供し、
   （ｂ）約２５マイクロメーター未満の平均表面粗さを有する第１のコーティング層の上に第１の表面を形成するために、第１の溶射パラメータを維持しながら、前記下地の構造状の上に前記第１のコーティング層を溶射し、
   （ｃ）少なくとも約５０マイクロメーターの平均表面粗さを有する第２のコーティング層上に第２の表面を形成するために、第２の溶射パラメータを維持しながら、前記第１のコーティング層の上に第２のコーティング層を溶射することを含む基板処理チャンバのコンポーネントを製造するための方法。
8. （ｂ）及び（ｃ）は加圧ガスによりノズルを通してコーティング材料を溶射することを含み、前記ノズルは、ノズルの入口の所での直径の大きさの少なくとも約１．５倍の大きさの直径をノズルの出口の所で有する円錐形状の流路を含む請求項７記載の方法。
9. （ｂ）は少なくとも約２００ｋＰａの第１の圧力により前記ノズルを介してコーティング材料を溶射することを含み、（ｃ）は前記第１の圧力より低い第２の圧力により同じノズルを介してコーティング材料を溶射することを含み、前記第２の圧力は約１７５ｋＰａ未満である請求項８記載の方法。
10. （ａ） 電気的アークを生成するためにバイアスされうることができる第１及び第２の電極であって、前記電極のうちの少なくとも１つは消耗可能な電極を含む第１及び第２の電極と、
    （ｂ） 前記電極を通る加圧ガスを方向付けるための加圧ガスの供給源と、
    （ｃ） 前記加圧されたガスが流れるノズルとを含む構造の上にコーティングを形成することができるツインワイアーアーク溶射器であって、
    前記ノズルは、
    （ｉ）前記加圧されたガスを受ける導管と、
    （ｉｉ）前記導管に取り付けられた入口及び前記加圧されたガスを放出する出口を有する円錐形状部分であって、前記円錐形状部分は前記入口から前記出口の方向に外側に広がる傾斜を有する円錐形状の側壁を含み、前記入口は第１の直径を有し、前記出口は第２の直径を有し、前記第２の直径は少なくとも前記第１の直径の大きさの１．５倍である円錐形状部分とを含み、前記ノズルを通る加圧されたガスの圧力は前記コーティングの所定の表面粗さの平均をもたらすために選択され、
    前記消耗可能な電極は溶融材料を形成するために電気的アークにより少なくとも部分的に溶融され、溶融された材料はコーティングを形成するために前記構造の上に前記ノズルを介して加圧されたガスにより溶射されるツインワイアーアーク溶射器。
11. 前記傾斜を有する円錐形状の側壁は約６０度から約１２０の角度をなす請求項１０記載のツインワイヤーアーク溶射器。
12. 前記第１の直径は約５ｍｍから約２３ｍｍであり、前記第２の直径は約２０ｍｍから約３５ｍｍである請求項１０記載のツインワイヤーアーク溶射器。

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