JP2016208034A - エッチングチャンバ及び堆積チャンバに利用するための長寿命溶射コーティング - Google Patents

エッチングチャンバ及び堆積チャンバに利用するための長寿命溶射コーティング Download PDF

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Abstract

【課題】寿命が長く尚且つ腐食性プロセス化学剤に対する保護にいっそう優れたプラズマ処理チャンバのコーティングを提供する。
【解決手段】プラズマ処理チャンバの内表面であるアルミニウム１０１を、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の層１０２、安定化されたジルコニア（ＹＳＺ）の層１０３、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）の層１０４の多層膜でコーティングする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体処理に使用されてよいコーティング表面の形成に関する。
半導体材料処理の設備では、例えばエッチング及び堆積のために、プラズマ処理チャンバがよく使用される。これらのチャンバの壁、並びにライナ（内張り）、プロセスキット、及び誘電体窓は、腐食性及び浸食性プロセスガスやプラズマにしばしば曝される。したがって、通常はアルミニウムで構成されるプラズマチャンバは、チャンバの寿命を延ばすために、保護層でコーティングされることがある。
米国特許第８，６１９，４０６Ｂ２号は、酸化イットリウム（イットリア、Ｙ2Ｏ3）のコーティングについて記述しており、該コーティングは、アルミニウムに直接施されている又は酸化アルミニウムの中間層を挟んで施されている。イットリアを改良したものが、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ、ＺｒＯ2：Ｙ2Ｏ3）である。また、これらのいずれかの構成要素をその他の構成要素とともに積み重ねることも可能である。例えば、米国特許第６，９４２，９２９号は、アルミニウムを覆うイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）について記述している。米国特許公報第２００８／０１６９５８８Ａ１号は、外側のイットリア層及び中間のＹＡＧ層が第３のアルミナ層の上に施されるコーティングについて記述している。別の一例は、米国特許公報第２０１４／０２９５６７０Ａ１号であり、アルミニウム又はアルミニウム合金を覆う酸化アルミニウムに施されるイットリアのコーティングについて記述している。
プラズマ処理チャンバをその摩耗後に停止させるために要する費用及び損失時間を考慮し、より寿命が長く尚且つ腐食性プロセス化学剤に対する保護にいっそう優れたチャンバコーティングに関心が持たれている。
本明細書では、本発明の様々な実施形態が説明される。一実施形態は、プラズマを収容するように構成されたチャンバを備えた基板処理装置であり、該装置は、プラズマに面するように方向付けられた１つ以上の多層表面を備えていてよく、該１つ以上の多層表面は、それぞれ、ベース層と、該ベース層を覆う、ドーパント酸化物で安定化されたジルコニアを含む第１の層と、該第１の層を覆う、イットリウム・アルミニウム複合物を含む第２の層とを含んでいてよい。
別の一実施形態では、１つ以上の多層表面の少なくとも１つが、透明な石英窓であってよい。この実施形態は、更に、石英窓を通してチャンバの内部で分光測定を行うように位置決めされた分光測定センサと、分光測定結果に対応する信号を１つ以上のデジタル信号に変換するように構成されたアナログ−デジタル変換器と、汎用コンピュータとを備えていてよく、該汎用コンピュータは、１つ以上のプロセッサと、デジタルメモリシステムと、デジタル−アナログ変換器と通信していて１つ以上のデジタル信号を受信するように構成された入出力バスと、１つ以上のプロセッサと、データレシーバと、デジタルメモリシステムと、入出力バスとの間でデータを伝送するように構成された１本以上の相互接続バスとを備えていてよい。
別の一実施形態は、本明細書で開示される上記の装置又は関連の装置を操作する方法であり、該方法は、分光測定センサを使用し、石英窓を通してチャンバ内におけるジルコニウムレベルの分光測定を繰り返し行うことであって、分光測定結果は、アナログ−デジタル変換器によって１つ以上のデジタル信号に変換され、汎用コンピュータの入出力バスに伝送される、ことと、汎用コンピュータに、コンピュータ実行可能プログラム命令を実行させることであって、該命令は、デジタル信号を、それらがチャンバ内におけるジルコニウムレベルの急上昇を反映するまで監視するための命令と、次いで、装置内における一表面上のコーティングの破損を示す信号を伝送するための命令とを含む、ことと、を備えていてよい。
別の一実施形態は、本明細書で開示される上記の装置又は関連の装置の任意を作成する方法であり、該方法は、１つ以上の表面の各表面のために、ベース材料を提供することと、表面にプラズマ溶射を施すことによって、ベース材料を覆う第１の層を形成することと、該第１の層が形成された後に、表面にプラズマ溶射を施すことによって、第１の層を覆う第２の層を形成することと、を備えていてよい。
本発明のこれらの及びその他の特徴が、以下で、下記の図面と関連させて発明の詳細な説明で説明される。
開示された発明は、限定的なものではなく例示的なものとして添付の図面に示されており、図中、類似の参照符号は、同様の要素を指すものとする。
多層コーティングの概略断面図である。
開示される発明を実施するために使用されてよい処理チャンバの概略図である。
多層コーティングを作成するためのプロセスを示したフローチャートである。
開示される発明の実施形態で使用されるセンサ処理システムを実現するためのコンピュータシステムの概略図である。
添付の図面に例示される幾つかの実施形態を参照にして、発明の説明が行われる。以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を与えるために、具体的詳細が明記されている。しかしながら、本発明は、これらの詳細の一部又は全部を伴うことなく実施されてもよく、開示内容は、この技術分野内で一般的に得られる知識にしたがってなされるだろう変更形態もその範囲に含む。本開示内容を不必要に不明瞭にしないように、周知のプロセスステップ及び／又は構造は詳細に説明されていない。
従来技術による特定の酸化イットリウムコーティングを備えたプラズマ処理チャンバにおいて、発明者らは、３７００ＲＦ時間の平均寿命を観察している。この破損は、プラズマプロセスの化学剤次第では、もっと早くなる恐れがある。このようなコーティングの破損のメカニズムとしては、例えば塩素又はフッ素に曝される洗浄プロセス時における剥離が挙げられる。発明者らは、しかしながら、リアクタ内でフッ素プラズマの照射を模擬してＨＦ溶液を使用したテストにおいて、アルミニウムを覆うＹＳＺコーティングがＹ2Ｏ3コーティングよりもおおよそ１０倍長く持続しえることを観察している。しかしながら、リアクタ内で塩素プラズマの照射を模擬してＨＣｌ溶液を使用した同様のテストでは、コーティングの寿命に見られた改善は最小である。アルミニウムを覆うＹＡＧコーティングは、リアクタ内で塩素プラズマの照射を模擬してＨＣｌ溶液を使用したテストでは、Ｙ2Ｏ3コーティングよりもおおよそ６倍長く持続しえるが、ＨＦ溶液を使用した同様のテストでは、Ｙ2Ｏ3と比べておおよそ２倍の寿命にすぎない。これらの結果に熱サイクルが大きく作用するとは考えにくい。発明者らは、１枚のコーティング内でＹＡＧの利点をＹＳＺの利点と組み合わせることが有益であると判断した。これによる利点は、なかでも特に、ＨＣｌ及びＨＦの両方に対して耐性であることだろう。
図１は、同じコーティング内でＹＳＺの利点とＹＡＧの利点とを組み合わせるコーティング１００の一実施形態を示している。この例では、アルミニウムが、コーティング対象のベース／バルク材料１０１であり、プラズマチャンバの内表面である。アルミニウムの上は、Ａｌ2Ｏ3の層１０２である。その上は、ＹＳＺの層１０３である。最後に、一番上は、ＹＡＧの層１０４である。ＹＡＧ層１０４は、この例では、チャンバのプラズマ側を向いている。
その他の実施形態では、層１０３内で、ジルコニアは、マグネシア（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化セリウム（ＩＩＩ）（Ｃｅ2Ｏ3）、酸化イリジウム（ＩＶ）（ＩｒＯ2）、酸化チタン（ＩＶ）（ＴｉＯ2）、又は原子数５７（Ｌａ）から７１（Ｌｕ）までの元素の酸化物などの、イットリアではないその他の酸化物で安定化されてよい。別の一実施形態では、Ａｌ2Ｏ3層１０２が省略されてよい。また、その他の実施形態は、イットリウム・アルミニウム単斜晶（ＹＡＭ）及びイットリウム・アルミニウム・ペロブスカイト（ＹＡＰ）などの、その他のイットリウム・アルミニウム複合物を含んでいてよい。場合によっては、ＹＡＧのコーティングは、依然としてＹＡＧと見なされつつも、ＹＡＰ及び／又はＹＡＭなどのその他の成分を少量含有していてよい。
その他の実施形態では、任意の順番で配置された、その他の材料からなる中間層又は上記の任意の材料からなる複数の層があってよい。アルミニウム（Ａｌ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、（例えば陽極酸化によって作成された）Ａｌ上のＡｌ2Ｏ3膜、非アルミニウム含有金属、石英、又はその他の既知のプラズマチャンバ材料などの、様々なプラズマ処理チャンバベース材料１０１が使用されてよい。
コーティング層１０３及び１０４は、一実施形態では、プラズマ溶射によって施されてよい。その他の実施形態では、これらの層は、スパッタリング、プラズマ支援化学気相成長又はその他の化学気相成長、電子ビーム物理蒸着又はその他の物理蒸着、化学溶液析出、原子層堆積、パルスレーザ蒸着、陰極アーク蒸着、電気流体力学的堆積、ソルーゲル前駆体堆積、エアロゾル沈着などによって施されてよい。
一実施形態では、層１０３及び１０４の厚さ合計が、約０．２ｍｍ（８ミル）である。これらの層の厚さ合計は、更に大きくても又は小さくてもよいが、この厚さ合計には、二律背反性がある。層が厚いほど、コーティングの腐食耐性及び寿命は増す傾向がある。しかしながら、層が厚くなるにつれて、（１枚以上の）下位層に対する接着性は低下するだろう。したがって、表面が均一にコーティング可能であると想定すると、層が薄い方が良いだろう。一実施形態では、層１０３は、おおよそ０．０５〜０．１ｍｍ（２〜４ミル）であってよく、層１０４は、おおよそ０．０５〜０．１５ｍｍ（２〜６ミル）の厚さであってよい。
上述のように、表面は、破損までに、一実施形態ではおおよそ６，０００〜１０，０００ＲＦ時間の又は別の一実施形態では１０，０００ＲＦ時間を超える寿命に耐えられるように構成されてよい。表面は、また、６，０００〜８，０００ＲＦ時間、７，０００〜９，０００ＲＦ時間、又は８，０００〜１０，０００ＲＦ時間などの所定の予測範囲内で破損するように設計されてもよい。
チャンバは、当該分野で知られる様々なやり方で構成されてよい。適切なチャンバとしては、Ｌａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって提供される２３００（登録商標）Ｖｅｒｓｙｓ（登録商標）Ｋｉｙｏ４５（商標）チャンバが挙げられる。表面は、当該分野で知られる任意の方法によって形成されてよい。また、一実施形態では、プラズマ溶射によって、中間のジルコニウム含有層及び外側のイットリウム・アルミニウム複合物層の両方が堆積されてよい。一実施形態では、少なくとも２枚のコーティングを作成するために、プラズマ溶射によって、アルミニウムで構成されたプラズマチャンバ及び／又は１つ以上の複数の石英窓の内側にコーティングが施されてよい。
別の一実施形態では、プラズマチャンバは、１枚以上の交換可能ライナを含んでいてよい。これらのライナは、制御された環境内でコーティングを施されて、次いで、プラズマチャンバに挿入されてよい。図２は、プラズマ処理チャンバの一実施形態の概略図であり、コーティングされた交換可能ライナを示している。チャンバ２００の内部では、基板を保持するために、チャック２０１が使用されてよい。プロセスガスをチャンバに注入するために、注入器２０２が使用されてよい。チャンバを腐食から保護するために、ライナ２０４、２０５、及び２０６が任意の構成で使用されてよい。このようなライナは、任意の適切な材料で作成されてよい。一実施形態では、ライナは、アルミニウムで構成されてよく、本明細書で説明されるコーティング方法の１つにしたがってコーティングされてよい。
図２の実施形態は、石英窓２０３を含み、この窓は、やはり本明細書で説明されるように、チャンバのプラズマ側に面するようにコーティングを施されてよい。一実施形態では、石英窓の後ろにセンサ２０７が置かれてよく、該センサは、センサ２０７からの信号を処理するためのプロセッサ２０８に、センサ回路を介して接続されてよい。
一実施形態では、本明細書で説明されるようにコーティングされた表面の破損は、チャンバ内におけるジルコニウムの存在を監視するためのセンサの使用によって認識されてよい。中間層内の唯一の成分がジルコニウムである構成では、ジルコニウム層の上の層が突破されたことの合図の役割をジルコニウムが果たしてよい。一例では、プラズマ内で、又は処理されている基板の表面上で、ジルコニウムの急上昇が認識されるだろう。このような急上昇は、例えば、外側のＹＡＧ層を突破する大幅な腐食があったこと、及び中間のＹＳＺ層が腐食されていることを示しているだろう。これは、したがって、測定されるジルコニアレベルの顕著な増加をもたらすだろう。急上昇は、チャンバ内におけるジルコニウム濃度に関して所定の閾値を設定し、該閾値に達したときをチャンバ内で表面コーティングが破損した表れであろうとするなどの、幾つかのやり方で認識されてよい。代替の一実施形態では、閾値を、時間の関数としてのジルコニウム濃度変化率に関して設定することができる。
チャンバの内側のコーティングが破損したときは、チャンバが交換されてよい若しくはコーティングしなおされておい、又はチャンバの一部が交換されてよい若しくはコーティングしなおされてよい。一実施形態では、チャンバは、コーティングされた交換可能ライナを含んでいてよく、いずれかのライナのコーティングが破損したときは、そのライナが交換されてよい。別の一実施形態では、石英窓挿入部が同様にコーティングされてよく、該コーティングが破損したときは、その窓が交換されてよい。別の一実施形態では、チャンバへのガス注入器が上述のようにコーティングされてよく、ガス注入器のコーティングが破損したときは、その注入器が交換されてよい。
図３は、チャンバ内部の表面が、具体的には交換可能ライナの表面がいつ破損したかを決定するための、アルゴリズムの一実施形態を示している。ステップ３０１では、チャンバ内におけるジルコニウムレベルを測定するために、センサ２０７が使用されてよい。プロセスは、ジルコニウムレベルの急上昇が検出されるまでループする（３０２）。しかしながら、もし、急上昇が検出されたら、プロセスは、３０３において、チャンバコーティングが破損したことをオペレータに示してよい。オペレータは、一実施形態では、プロセスを停止し、ライナを検査し、全てのライナ又は破損した１枚若しくは複数枚のライナのみを交換することによって応答してよい。アルゴリズムは、当該分野で知られるようなアナログ警報回路によって、又は専用の若しくは汎用のコンピュータなどのデジタル回路によって実施されてよい。オペレータは、視覚的な表示、音声による警告、又はテキストによるメッセージなどの、様々な手段によって通知されてよい。このような通知は、一実施形態では、有線若しくは無線のネットワークを通じて、又はそうでなければ任意の適切な電気通信媒体を介して送信することができる。
図４は、開示される発明の実施形態で使用されるセンサ処理システムを実現するためのコンピュータシステム４００を示したハイレベルブロック図である。コンピュータシステムは、集積回路、プリント回路基板、及び小型携帯用端末から巨大スーパコンピュータに至る数多くの物理的形態をとりえる。コンピュータシステム４００は、１つ以上のプロセッサ４０２を含んでいてよく、更に、（グラフィックス、テキスト、及びその他のデータを表示するための）電子ディスプレイ装置４０４、メインメモリ４０６（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ））、記憶装置４０８（例えば、ハードディスクドライブ）、着脱式記憶装置４１０（例えば、光ディスクドライブ）、ユーザインターフェース装置４１２（例えば、キーボード、タッチ画面、キーパッド、マウス、又はその他のポインティングデバイスなど）、及び／又は通信インターフェース４１４（例えば、無線ネットワークインターフェース）を含むことができる。通信インターフェース４１４は、リンクを通じてコンピュータシステム４００と外部装置との間でソフトウェア及び／又はデータが移行されることを可能にしてよい。システムは、また、上記の装置／モジュールが接続されてよい通信インフラストラクチャ４１６（例えば、通信バス、クロスオーババー、又はネットワーク）も含んでいてよい。
通信インターフェース４１４を通じて伝達される情報は、ワイヤ若しくはケーブル、光ファイバ、電話回線、携帯電話リンク、無線周波数リンク、及び／又はその他の通信チャネルを使用して実現されえる信号搬送通信リンクを通じて通信インターフェース４１４によって受信されることが可能な電子信号、電磁信号、光信号、又はその他の信号などの信号の形態をとってよい。このような通信インターフェースによって、１つ以上のプロセッサ４０２は、上述された方法のステップを実施する過程でネットワークから情報を受信しえる又はネットワークに情報を出力しえると考えられる。更に、本発明の方法の実施形態は、プロセッサ上のみで実行されてよい、又は処理の一部分を共有する遠隔プロセッサと連携してインターネットなどのネットワーク上で実行されてよい。
「非一過性のコンピュータ読み取り可能媒体」という用語は、一般に、メインメモリ、二次メモリ、着脱式記憶装置、並びにハードディスク、フラッシュメモリ、ディスクドライブメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、及びその他の形態の永続メモリのような記憶装置などの媒体を言い、搬送波又は信号などの一過性の対象を含むと見なされてはならない。コンピュータコードの例には、コンパイラによって作成されるなどのマシンコード、及びインタープリタを使用してコンピュータによって実行される高水準コードを含むファイルがある。コンピュータ読み取り可能媒体は、搬送波に盛り込まれたコンピュータデータ信号によって伝送されプロセッサによって実行可能な一連の命令を表すコンピュータコードであってもよい。
コンピュータ装置４００は、図２におけるセンサ２０７からの信号を処理するためのプロセッサ２０８として機能してよい。例えば、センサ２０７からの信号は、入出力バスを含んでいてよい例えば通信インターフェース４１４を介してデジタル信号が計算装置２０８に伝送されえるように、アナログ−デジタルコンピュータを通じて処理されてよい。
幾つかの好ましい実施形態の観点から発明が説明されているが、本発明の範囲に含まれるものとして、代替形態、置換形態、変更形態、及び代わりとなる様々な等価形態がある。本明細書で開示された方法及び装置を実現するには、多くの代替のやり方がある。したがって、以下の添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨及び範囲に含まれるものとして、このようなあらゆる代替形態、置換形態、及び代わりとなる様々な等価形態を含むと解釈されることを意図している。

Claims (15)

  1. プラズマを収容するように構成されたチャンバを備える基板処理装置であって、前記プラズマに面するように方向付けられた１つ以上の多層表面を備え、前記１つ以上の多層表面は、それぞれ、
    ベース材料と、
    前記ベース材料を覆う、ドーパント酸化物で安定化されたジルコニアを含む第１の層と、
    前記第１の層を覆う、イットリウム・アルミニウム複合物を含む第２の層と、
    を含む、装置。
  2. 請求項１に記載の装置であって、
    前記イットリウム・アルミニウム複合物は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）である、装置。
  3. 請求項１に記載の装置であって、
    前記イットリウム・アルミニウム複合物は、イットリウム・アルミニウム単斜晶（ＹＡＭ）及びイットリウム・アルミニウム・ペロブスカイト（ＹＡＰ）である、装置。
  4. 請求項１に記載の装置であって、
    前記第１の層は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）である、装置。
  5. 請求項１に記載の装置であって、
    前記ベース材料は、金属アルミニウム又はアルミニウム合金である、装置。
  6. 請求項５に記載の装置であって、更に、
    前記ベース材料の上に且つ前記第１の層の下に、酸化アルミニウムを含む第３の層を備える装置。
  7. 請求項１に記載の装置であって、
    前記ベース材料は、石英である、装置。
  8. 請求項１に記載の装置であって、
    前記第１の層は、少なくとも約０．０５ｍｍで且つ約０．１ｍｍ以下の厚さを有し、前記第２の層は、少なくとも約０．０５ｍｍで且つ約０．１５ｍｍ以下の厚さを有する、装置。
  9. 請求項１に記載の装置であって、
    前記第１の層及び前記第２の層の厚さ合計は、約０．２ｍｍ未満である、装置。
  10. 請求項１に記載の装置であって、
    前記１つ以上の多層表面の少なくとも１つは、前記装置を修理するために前記チャンバから取り外されて同一のチャンバライナで交換されてよいように前記プラズマに面して前記チャンバに嵌め込まれるように構成された交換可能なチャンバライナである、装置。
  11. 請求項１に記載の装置であって、
    前記１つ以上の多層表面の少なくとも１つは、透明な石英窓である、装置。
  12. 請求項１１に記載の装置であって、更に、
    前記石英窓を通して前記チャンバの内部で分光測定を行うように位置決めされた分光測定センサと、
    前記分光測定の結果に対応する信号を１つ以上のデジタル信号に変換するように構成されたアナログ−デジタル変換器と、
    汎用コンピュータであって、
    １つ以上のプロセッサと、
    デジタルメモリシステムと、
    前記デジタル−アナログ変換器と通信しており、前記１つ以上のデジタル信号を受信するように構成された入出力バスと、
    前記１つ以上のプロセッサと、前記データレシーバと、前記デジタルメモリシステムと、前記入出力バスとの間でデータを伝送するように構成された１本以上の相互接続バスと、
    を含む汎用コンピュータと、
    を備える装置。
  13. 請求項１２に記載の装置であって、
    前記デジタルメモリシステムは、一連のステップをサイクル周期で繰り返すための命令を含む実行可能プログラム命令をロードされており、前記サイクル内の前記ステップは、
    （１）前記アナログ−デジタル変換器からの前記１つ以上のデジタル信号のなかから、前記チャンバ内におけるジルコニウムのレベルの分光測定結果を反映した数であるデジタル信号を受信することと、
    （２）前記数を、前記チャンバ内の１つ以上の表面の破損を反映した前記ジルコニウムのレベルの最大値を表す閾値と比較することと、
    （３）前記数が前記閾値に等しい及び／又は前記閾値を超える場合に、前記サイクルを終了させ、前記装置内における一表面上のコーティングの破損を示す信号を送信し、そうでない場合に、前記サイクルを繰り返すことと、
    を含む、装置。
  14. 請求項１２に記載の装置を操作する方法であって、
    前記分光測定センサを使用し、前記石英窓を通して前記チャンバ内における前記ジルコニウムのレベルの分光測定を繰り返し行うことであって、前記分光測定結果は、前記アナログ−デジタル変換器によって前記１つ以上のデジタル信号に変換され、前記汎用コンピュータの前記入出力バスに伝送される、ことと、
    前記汎用コンピュータに、コンピュータ実行可能プログラム命令を実行させることであって、前記コンピュータ実行可能プログラム命令は、前記デジタル信号を、それらが前記チャンバ内における前記ジルコニウムのレベルの急上昇を反映するまで監視するための命令と、次いで、前記装置内における一表面上のコーティングの破損を示す信号を伝送するための命令とを含む、ことと、を
    備える方法。
  15. 請求項１に記載の装置を作成する方法であって、前記１つ以上の表面の各表面のために、
    前記ベース材料を提供することと、
    前記表面にプラズマ溶射を施すことによって、前記ベース材料を覆う前記第１の層を形成することと、
    前記第１の層が形成された後に、前記表面にプラズマ溶射を施すことによって、前記第１の層を覆う前記第２の層を形成することと、
    を備える方法。
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