JP2011524634A - サブアパーチャ反応性原子エッチングを用いて構成部品を前処理することによって、半導体製造ユニットにおける生産量を高めると共にダウンタイムを減らす方法 - Google Patents

Abstract

本発明の実施形態は、一般的に構成部品に関連する慣らし運転期間の必要性を排除すると共に、その摩耗期の構成部品の耐用年数を延長させるために、プラズマ・エッチング工程と、任意の強化超音波とメガソニックの少なくとも一方の前処理段階とを用いて半導体製造用部品を前処理する方法を提供する。

Description

本発明は、半導体製造ユニットのグラファイト部品の交換に関連するダウンタイムを減らす方法に関する。

炭素／グラファイトは、その不活性、その好適な電気特性と機械特性、その良性な化学排出量、および高融点金属と比べると比較的に低いその費用のために、イオン注入システムにおいて広範囲に用いられている。名目上許容可能な性質を有する広範なグラファイト等級品が、市場において容易に入手できる。しかし、これらの等級品は全て、シリコンウェハ上に種を注入する工程にとって問題となる幾つかの特性を共有する。荷電粒子による持続性衝撃は、グラファイト部品を摩耗させるので、イオンビームを制御するそれらの能力を低下させると共に、不安定化をもたらす。この摩耗メカニズムによる生成物は、ウェハ生産量に影響を及ぼし得るグラファイトの粒子である。

グラファイト注入部品が製造される工程は、機械的研磨と大ブロックからの形状の圧延を伴う。これらの工程では、共有結合を機械的に壊し、グラファイトの粒子を放出させることによって物理的特性が決まる。これらの粒子の大部分は、真空除去による工程において成形物から運び去られる。しかし、前記物質の一部は、セラミック基板の孔内に詰め込まれる。その結果、より小さな半導体装置には、従来式の真空を用いて得られる粒子の除去よりも過度に粒子除去を提供する必要性が存在する。

微粒子の生成に加えて、表面に加えられた機械的応力が表面下に亀裂を残すので、バルクよりも結合エネルギが低い粒子を残す。これらの２つの現象は、注入部品の耐用年数の初期において見られる、高率の粒子放出、それに続く突然の故障および低いウェハ生産量の原因であると考えられている。

ウェハ製造ユーザと装置ＯＥＭからの事例証拠は、注入システムにおけるグラファイト部品からの造粒がバスタブ曲線に従うことを示唆する。即ち、構成部品の耐用年数の初期に生じる粒子数が多く、その後、次第に減って一定になり、最終的に構成部品が摩耗するにつれて指数関数的に増加する。

特開２００８−４７９２７号公報

注入システムの種々のグラファイト部品は摩耗するので、製造業者は、摩耗部品を交換するために、工程を中断しなければならない。交換部品の信頼性を高めるため、交換グラファイト部品は、注入システムが数時間、空のプラズマ室で稼働される「シーズニング」工程を通過しなければならない。この要件は、グラファイト部品の故障と交換の連鎖に関連するダウンタイムを更に増加させてしまう。

従って、「シーズニング」段階が除外され得ることは、方法にとって有益になり得る。しかも、耐用年数が増えたグラファイト部品を提供することは、ひいては前記部品の交換に関連するダウンタイムを減らし得るので、方法にとって有益であろう。

本発明は、これらの必要性の少なくとも１つに有利に対処する工程を対象にする。本発明の１実施形態は、半導体ウェハを製造する処理装置に用いられるべく、グラファイト成形体の耐用年数を増やす方法を提供する。実施形態は、概してプラズマトーチを有するプラズマ処理室内に、半導体製造部品としてのグラファイトまたは炭化ケイ素部品を設置することを有し、前記プラズマトーチは、放電を生じさせる。次にグラファイトまたは炭化ケイ素部品は、前記部品の表面と孔内の少なくとも一方に位置する実質的に全てのグラファイトまたは炭化ケイ素微粒子が、前記部品から除去されるように、プラズマトーチによる反応性原子プラズマ処理を受ける。

本発明の別の実施形態において、高密度炭化ケイ素部品の表面を前処理する方法が、提供される。この方法は、プラズマトーチを有するプラズマ処理室内に高密度炭化ケイ素部品を設置することを有し、前記プラズマトーチは、放電を生じさせる。次に高密度炭化ケイ素部品は、前記部品の表面と孔内の少なくとも一方に位置する実質的に全ての炭化ケイ素微粒子が、前記部品から除去されるように、プラズマトーチによる反応性原子プラズマ処理を受ける。この実施形態において、高密度炭化ケイ素部品は、結果として生じる高密度炭化ケイ素成形体が、炭化ケイ素で高密度化され、多孔質炭化ケイ素予備成形物と比較して低い多孔性を示し、更に炭化ケイ素複合材料であるように、全体が炭化ケイ素から形成されると共に、網型グラファイト品から形成される開放多孔性を有する多孔質予備成形物を提供することと、多孔質炭化ケイ素予備成形物内の相当数の孔を炭素前駆体で充填することによって、充填炭化ケイ素予備成形物を製造することと、予め選択された熱分解温度で充填炭化ケイ素予備成形物を加熱することによって、多孔質炭化ケイ素予備成形物の孔内に炭素質多孔質構造を生成させることと、ケイ素が炭素質多孔質構造中に拡散し、更に多孔質炭化ケイ素予備成形物の孔内に炭化ケイ素の第２相を生成すべく、多孔質炭化ケイ素予備成形物の孔内に含有される炭素と反応できるように、炭素質多孔質構造をケイ素と接触させることとによって調製される。

本発明の別の実施形態において、前記部品は、超音波エネルギまたはメガソニックエネルギ（以降「超音波／メガソニック」と称する）に前記部品をさらす付加的前処理段階を受ける。１実施形態において、超音波／メガソニック洗浄は、コイン型超音波／メガソニック装置を用いることによって得られる。超音波／メガソニック装置は、好ましくは３０〜１００ｋＨｚの範囲、より好ましくは４０〜８０ｋＨｚの範囲の周波数で稼働される。別の実施形態において、超音波／メガソニック装置において用いられる液体には、フロン、炭化水素、または水が含まれ得る。水は、好適な液体である。別の実施形態において、超音波／メガソニック装置において用いられる液体は、任意の分離した微粒子がフィルタか他のふるい装置を用いることによって液体から除去され得るように、超音波／メガソニック前処理段階中に前記部品から滝のように落とされる。ろ過された液体は、必要に応じて新鮮な液体を添加すると共に、超音波／メガソニック装置内に再循環させて戻すことが好ましい。１実施形態において、液体が所定の抵抗率に到達すると、全ての液体が、パージされ、新鮮な液体と交換される。本発明の別の実施形態において、前記部品は、次に水に浸漬され、乾燥される。次に前記部品は、炉内で加熱され、例えば窒素などの不活性ガスで吹き飛ばされることが可能である。

上記の特徴、有益性、および本発明の目的、並びに明らかになり得る他の事柄が達成される方法が、詳細に理解できるようにするため、上記に簡単に概説した本発明のより詳細な説明は、この明細書の一部を形成する図面に例示される実施形態を参照することによって行われる。しかし、添付図面は、本発明のうちの幾つかの実施形態を例示するにすぎなく、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではなく、本発明は、他の等しく有効な実施形態を認め得るということも注意すべきである。

半導体クリティカル・ディメンジョンと微粒子サイズの相対的影響。 典型的な「バスタブ」曲線のグラフ図。 本発明の実施形態に従う製造用部品の前処理に用いられるシステム線図。 本発明の実施形態に従って製造用部品を前処理するシステムの略線図。 標準掃引超音波法を用いて前処理された構成部品試料と本発明の種々の実施形態に従って前処理された構成部品試料の粒子数のグラフ図。 微粒子数に基づいて製造用部品の有用な耐用年数を予測すべく開発されたモデルのグラフ図。

本発明は、半導体製造ユニットにおいて生産量を増加させると共にダウンタイムを減らす方法を提供する。半導体製造業者は、この２０年間、装置の形状が１８カ月間に約５０％縮小する経路をたどっている。図１の垂直ストリップに象徴されるクリティカル・ディメンジョンが縮小すると、限界欠陥の大きさが、相対的により重要になる。図１に示される欠陥は、両側で絶対サイズが同じであるが、右側の欠陥は、相対的にハーフピッチ・クリティカル・ディメンジョンによる破壊的ブリッジングまたは機能停止のブロックを生じさせるのに十分なほど大きい。従って、生産量とコストの要求量が高くなるにつれて、シリコン工作物の表面付近において欠陥のない環境を維持することが、ますます重要になってきており、以前許容された粒子が、許容できなくなりつつある。

上で述べたように、半導体基板処理装置用に製造された構成部品は、それらの耐用年数の初期に高い欠陥駆動型造粒率を示し、次に低い造粒期間を示し、最終的にそれらの耐用年数の後期に高い欠陥率を示す傾向がある。図２は、対数−対数スケールで典型的な欠陥率対時間を例示し、更に図２は、この一般的ライフサイクルに従う信頼性工学分野において公知なバスタブ曲線例である。水平な一点鎖線は、最大許容粒子数を示し、垂直の点線は、特定構成部品の耐用年数を示す。

本発明の１実施形態において、製造用部品は、乾式機械的製造工程の一部として圧延および研磨の少なくとも一方が行われる。次に製造用部品は、第１前処理段階を受ける。製造用部品は、プラズマ工程を受ける。プラズマ工程は、多孔質の製造用部品から出た小粒子をエッチング処理する。１実施形態において、プラズマシステムは、コンピュータ制御システムによって制御される。図３は、本発明に従って用いられ得る反応性原子プラズマシステムの１実施形態を示す。図３は、プラズマボックス１０６内の誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）トーチを示す。トーチは、内側チューブ１３４、外側チューブ１３８、および中間チューブ１３６からなる。内側チューブ１３４は、質量流量コントローラ１１８から反応性前駆体ガス流１４２を受容するガス注入口１００を有する。ガス注入口１００はまた、被着前駆体ガス流１４０または構成部品の表面上に被着されるべき材料の受容に用いられることも可能である。中間チューブ１３６は、流量コントローラ１１８から補助ガスを受容するガス注入口１０２を備える。外側チューブ１３８は、質量流量コントローラ１１８からプラズマガスを受容するガス注入口１０４を有する。質量流量コントローラ１１８は、幾つかのガス供給１２０，１２２，１２４，１２６から必要なガスを受容すると共に、誘導結合プラズマトーチのそれぞれのチューブに送られるガスの量と速度を制御する。誘導結合プラズマトーチは、構成部品ボックス１１４内のチャック１１２上に置かれた構成部品１１０を前処理すべく用いられ得るプラズマ放電１０８を生じさせる。この実施形態において、プラズマボックス１０６および構成部品ボックス１１４は、別々になっているので、プラズマ放電「１０８」とトーチの少なくとも一方が、プラズマボックス１０６と構成部品ボックス１１４間を少なくとも部分的に通過できるようにする。構成部品ボックス１１４は、任意の工程ガスまたは例えば、プラズマ放電１０８と構成部品１１０の相
互作用から生じる生成物を取り除く排気管１３２を有する。他の実施形態において、プラズマトーチと構成部品に対して個別のボックスは、存在しなくてもよい。

この実施形態におけるチャック１１２は、移動台１１６と連通する。前記移動台は、プラズマ放電１０８に対してチャック１１２上の構成部品１１０の移動と回転の少なくとも一方を行うように構成される。移動台１１６は、例えば、構成部品の望ましい微粒子除去を得るべく構成部品１１０が適切な経路に沿って動けるようにするための必要な情報または制御を移動台１１６に提供するようプログラムされ得るように、コンピュータ制御システム（ＣＮＣ）１３０と連通する。コンピュータ制御システム１３０は、誘導結合プラズマトーチに電力を供給するＲＦ電源１２８と連通する。コンピュータ制御システム１３０はまた、必要な情報を質量流量コントローラ１１８に提供する。

本発明の１実施形態において、製造用部品は、第２前処理段階を受け得る。前記製造用部品は、液体媒体を通じて伝送される超音波／メガソニックエネルギを用いることによってキャビテーションを受ける。１実施形態において、製造用部品は、４０ｋＨｚの周波数で稼働するキャビテーションを受ける。より好適な実施形態において、キャビテーションは、８０ｋＨｚの周波数で稼働する。メガソニック洗浄は、基板からのサブミクロンの粒子除去を可能にすべく圧電効果を用いる。セラミック圧電性結晶は、セラミック圧電性結晶を振動させる高周波数ＡＣ電圧によって励起される。この振動は、洗浄液を通じて伝送される音波を生じることによって、制御されたキャビテーションを生じさせる。音波は、目的物の表面を通過すると、洗浄されている物質から粒子を除去する。

超音波とメガソニック間の差は、音波の生成に用いられる周波数にある。超音波は、より低い周波数を用い、ランダムなキャビテーションを生じさせる。メガソニックは、１０００ｋＨｚのより高い周波数を用い、制御されたキャビテーションを生じさせる。

２つの方法間の重要な違いは、より高いメガソニック周波数が、超音波周波数で認められる激しいキャビテーション効果を生じさせないことである。これは、キャビテーション浸食および製造用部品の表面損傷の可能性を有意に減少または排除する。超音波周波数またはキャビテーション効果によって損傷され得る部品は、同じ溶液を用いるメガソニック浴中においては損傷することなく前処理され得ることが多い。

超音波では、タンクの全体にわたってキャビテーションが生じ、水面下部品の全側面が前処理される。メガソニックでは、変換器の方を向いている部品の側面のみが前処理される。

図４は、本発明の実施形態に従って製造用部品を前処理する装置を例示する。装置は、２つの主要部分に分割されることが可能である。第１部分は、製造用部品上の不要な粒子を除去する超音波／メガソニック波を生じさせる。第２部分は、製造用部品の前処理速度の加速に用いられる液体の流量を制御する循環システムである。下記により詳細に述べられるように、前記部分は、必要に応じて同時か個別に用いられることが可能である。

本発明に従うシステムの第１部分は、液体を貯蔵すると共に少なくとも１つの製造用部品１１０を保持する容器２３０を有する。容器２３０は、石英から製造されることが好ましい。前記システムは更に、変換器２３６に接続された超音波／メガソニック発生器２３４を有する。超音波／メガソニック発生器２３４は、前記部品１１０に付着した粒子、でなければ固着した粒子を除去する超音波／メガソニック波を生じさせる。変換器２３６は、超音波／メガソニック発生器２３４によって生じた超音波／メガソニック波を容器２３０に転送させるべく、容器２３０の上端に位置付けられる。

ドレイン２３８は、容器２３０から液体を排出すべく、容器２３０の底部に位置する。好ましくは、ドレイン弁２３９は、ドレイン２３８の流量を制御する。ドレイン弁２３９および下記の他の弁は、各々オンとオフに設定されることが可能である。最初に、ドレイン弁２３９は、ドレイン２３８を閉じるべくオフに設定される。本発明の実施形態において、少なくとも１つの出口開口部２４０が、容器２３０の底部に位置する。

容器２３０は更に、液体を容器２３０に提供するための液体注入口２４２を有する。液体注入口２４２に接続されたノズル２４４は、例えば、脱イオン（ＤＴ）水の液体を容器２３０内の構成部品１１０の表面に噴霧する。液体は、液体注入口２４２とノズル２４４を通って容器２３０内に注入される。更に、ノズル２３１は、ノズル２４４と同じ機能を実行すべく、容器２３０の上端に設置される。

液体注入口２４２は、容器２３０の底面にそって位置する複数のパイプ２４１を任意に有することが可能である。パイプ２４１は、液体を容器２３０内に噴霧すべく複数の開口部２４３を備える。また、複数のパイプを用いることによって、液体注入口２４２と置き替えることが可能である。パイプは、容器２３０の内部側壁に沿って規定されることが可能である。

本発明に従う装置の第２部分は、最終的に容器２３０に液体を提供すべく用いられる液体供給要素２４６を有する。液体供給要素２４６は、液体を変換器２３６に提供する。第１弁２４８は、液体の流量を制御すべく、液体供給要素２４６と変換器２３６の間に置かれる。第１弁２４８は、第１弁２４８がオンに設定されると、超音波／メガソニック波液を生成するため、液体が変換器２３６に流れるようにする。

液体供給要素２４６内の液体はまた、液体注入口２４２とノズル２４４を介して容器２３０内に送り込まれる。液体注入口２４２を通る液体の流量を制御する複数の第２弁２５０は、液体注入口２４２と液体供給要素２４６間に位置する。第２弁２５０は、弁がオンに設定されると、液体を流入させる。

液体供給要素２４６、容器２３０、および液体注入口２４２は、循環流路を形成する。液体供給要素２４６は、パイプ２５２によって液体注入口２４２に接続される。例えばポンプなどの駆動手段２５４は、パイプ２５２を用いて容器２３０の出口開口部２４０に接続される。好ましくは、フィルタ２５６の一端は、液体から残留物をろ過して取り除くべくポンプ２５４に接続される。フィルタ２５６の第２端は、液体注入口２４２に接続される。

次に本発明のシステムの操作順序を説明する。構成部品１１０は、容器２３０内の所定の位置に適当に設置される。第１弁２４８と第２弁２５０は、オンに設定され、液体を変換器２３６と液体注入口２４２に提供する。更に、ドレイン２３８を制御するドレイン弁２３９は、オフに設定される。液体は、液体注入口２４２、ノズル２４４、ノズル２３１および、存在するなら開口２４３を通じて所望のレベルまで容器２３０内に注入される。

同時に、超音波／メガソニック発生器２３４は、超音波／メガソニック波を生じさせるべく、稼働される。ポンプ２５４もオンにされる。ポンプ２５４は、システム内で液体を循環させる。ソレノイド弁２３９が稼働されると、液体は、ドレイン２３８によって、容器２３０から素早く排出される。前述の段階は、構成部品１１０上の不要な粒子を除去すべく繰り返されることが可能である。システムの第１部分と第２部分は、不要な粒子を除去すべく、個別または同時の何れかで実装されることが可能である。
［実施例］
前処理技術の研究に８つのＩＤＭ定義（ＩＤＭ−ｄｅｆｉｎｅｄ）の重要部品試料が用
いられた。これらの電極は全て、ポコグラファイト（Ｐｏｃｏ Ｇｒａｐｈｉｔｅ）社のＺＥＥ−２材料から製造された。そのうちの２つは、標準掃引（ｓｔａｎｄａｒｄ ｓｗｅｐｔ）５０ｋＨｚ超音波を用いて前処理され、２つは、上記のプラズマ処理を用いて前処理され、２つは、プラズマ処理と標準掃引４０ｋＨｚ超音波の組み合わせを用いて前処理され、２つは、プラズマ処理と上記の強化超音波／メガソニックの組み合わせを用いて前処理された。プラズマ処理と標準掃引４０ｋＨｚ超音波の組み合わせ処理を受ける２つの試料では、試料は、６０℃（１４０°Ｆ）にした超純水（１７ＭΩの抵抗を有する）中に置かれた。前記部品試料を４０ｋＨｚの周波数で稼働する超音波エネルギに約３０分間暴露させた。次にエネルギをオフにすることによって、前記部品を更に３０分間浸漬させた後、無菌の乾燥空気で乾燥した。次に乾燥部品試料を１０１．６７℃（２１５°Ｆ）で稼働する炉内に約１時間置いた後、引き続き２１８．３３℃（４２５°Ｆ）で更に２時間加熱した。前記部品試料を炉から取り出し、窒素を吹き付けた後、試験まで保存すべく二重真空パックに詰めた。プラズマ処理と強化超音波／メガソニックエネルギで前処理された２つの試料の工程は、試料が４０ｋＨｚよりはむしろ８０ｋＨｚで稼働する２回目の超音波エネルギに暴露された以外は同じであった。次にグレースケールと比較するテープ法を用いて、８つのコンポーネント試料を残存微粒子について測定した。図５は、結果のグラフ図である。

図６は、微粒子数に基づく製造用部品の有用な耐用年数を予測すべく開発されたモデルのグラフ図である。テープ試験から収集したデータを用いることによって、前述の実施例に従って前処理された製造用部品の期待耐用年数値を予測した。強化超音波試料と本発明の実施形態に従って前処理された試料は、各々の開始粒子数が、許容レベルをはるかに下回るので「シーズニング」が必要ないことを示す。しかし、本発明の実施形態に従って製造された製造用部品は、ライフサイクルの初期段階で優れているだけでなく、「摩耗」期間にその有用性を予想外により長く維持する。この予想外の結果は、交換の初期段階でのダウンタイムを減らすだけではなく、構成部品の耐用年数も増加させるので、製造ユニットの全ダウンタイムを減らす。

当業者には容易に明らかになり得るように、本発明は、その趣旨または本質的特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で容易に生み出され得る。従って本発明は、制限的ではなく、単なる例示として考慮されるべきであり、本発明の範囲は、前述の説明よりはむしろ特許請求の範囲によって示されるので、請求項と等価の意味および範囲内に入る変更は全て、その中に含めようと意図するものである。

Claims (6)

1. グラファイト部品の表面であるグラファイト部品表面を前処理する方法であって、前記方法は、
   放電を生じさせるプラズマトーチを備えたプラズマ処理室内に前記グラファイト部品を設置する工程と；
   前記グラファイト部品表面上にある実質的に全てのグラファイト微粒子が、前記グラファイト部品表面から除去されるように、前記グラファイト部品を前記プラズマトーチからの前記放電による反応性原子プラズマ処理にかける工程と；
   コンピュータ制御システムを用いることによって前記プラズマトーチからの放電率を制御する工程と
   を有する、方法。
2. 前記方法は更に、前記グラファイト部品を次の前処理段階にかける工程を有し、
   前記次の前処理段階は、
   液体媒体を充填した容器内に前記グラファイト部品を設置する工程であって、前記容器は、変換器に接続された超音波／メガソニック発生器と連通することと；
   周波数を有するエネルギ波に前記グラファイト部品をさらすことと
   を有する、
   請求項１記載の方法。
3. 前記エネルギ波の周波数は、４０ｋＨｚである、
   請求項２記載の方法。
4. 前記エネルギ波の周波数は、８０ｋＨｚである、
   請求項２記載の方法。
5. 前記液体媒体は、フロン、炭化水素、および水からなる群から選択される、
   請求項２記載の方法。
6. 高密度炭化ケイ素部品の表面を前処理する方法であって、前記方法は、
   放電を生じさせるプラズマトーチを備えたプラズマ処理室内に前記高密度炭化ケイ素部品を設置する工程と；
   前記高密度炭化ケイ素部品を前記プラズマトーチからの前記放電による反応性原子プラズマ処理にかける工程と；
   コンピュータ制御システムを用いて前記プラズマトーチからの放電率を制御する工程とを有し、
   前記高密度炭化ケイ素部品は、
   全体が炭化ケイ素から形成されると共に開放多孔性を有する多孔質炭化ケイ素予備成形物を提供する工程であって、前記多孔質炭化ケイ素予備成形物が、網型グラファイト成形体から形成されることと；
   前記多孔質炭化ケイ素予備成形物内の相当数の孔を、炭素前駆体で充填することによって、充填された充填炭化ケイ素予備成形物を形成する工程と；
   前記充填炭化ケイ素予備成形物を、予め選択された熱分解温度で加熱することによって、前記多孔質炭化ケイ素予備成形物の孔内に、炭素質多孔質構造を形成する工程と；
   前記炭素質多孔質構造をケイ素に接触させることによって、前記炭素質多孔質構造を通じて前記ケイ素を拡散させ、且つ前記多孔質炭化ケイ素予備成形物の孔内に含有される炭素と反応させる工程であって、前記多孔質炭化ケイ素予備成形物の孔内に炭化ケイ素の第２相を形成することによって、結果として得られる前記高密度炭化ケイ素部品は、炭化ケイ素によって高密度化され、且つ前記多孔質炭化ケイ素予備成形物よりも低い多孔性を示
   し、且つ炭化ケイ素複合材料であることと
   によって生成される、方法。