JP2020520305A - セラミック含有物品の不活性ガス支援型のレーザー加工 - Google Patents

Abstract

セラミック材料を含み、且つ、コールドアブレーションレーザー加工を特徴とする加工された表面を特徴とする、物品であって、加工された表面は、可視状態の酸化を示してはいない。コールドアブレーションに基づいた、但し、不活性支援ガスによって変更又は増強された、レーザー加工装置及び技法であって、有害な表面改質を極小化し、且つ、レーザー加工と関連する酸化物生成を軽減している。【選択図】図７Ａ

Description

１つ又は複数の関連出願に対する相互参照
本特許文献は、それぞれ、２０１７年５月２日付けで出願された米国仮特許出願第６２／５００，４８２号及び第６２／５００，４９１号の利益を主張するものである。法令によって許容されている場合には、これらの共通の出願人による特許出願のそれぞれの内容は、そのすべてが、引用により、本明細書において明示的に包含される。

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
該当せず

一態様においては、本発明は、複合物及びガラスを含む、セラミック含有材料において使用される加工技法に関する。本発明は、詳しくは、レーザー加工技法に関する。

別の態様においては、本発明は、特に、限定を伴うことなしに、リソグラフィである、処理のために、（例えば、シリコンウエハなどの）半導体ウエハを取り扱う物品又はコンポーネント内の、その他の点においては平坦で滑らかな表面に対して、制御された粗度を付与する加工方法に関する。

ムーアの法則が半導体の特徴のサイズを益々小さくしているのに伴って、極めて高精度のウエハハンドリングコンポーネント（真空チャック、静電チャック、ウエハアーム、エンドエフェクタなど）に対するニーズが拡大している。ウエハハンドリングコンポーネントの望ましい特徴は、高度な機械的安定性（高剛性及び低密度）、高熱安定性（高熱伝導率及び低熱膨張係数）、低金属汚染、高トレランスの加工性、（精度を維持するための）低損耗、（ウエハの付着を防止するための）低摩擦、並びに、最大で４５０ｍｍのサイズに製造される能力を含む。更には、これらのチャックは、支持する半導体ウエハとの関係において、低摩擦を有することを要し、且つ、支持表面上における粒子汚染から免れていることが極めて重要である。

これらのニーズに起因して、ウエハハンドリングコンポーネントの製造は、（例えば、ＳｉＣに基づいたセラミックなどの）高精度の材料と、高精度の仕上げ、即ち、極端な平坦度及び低い粗度を有するウエハ接触表面、と、を伴うものになっている。

但し、技術文献においては、２つの非常に平坦な且つ滑らかな表面が接触した際には、これらが付着して１つになること（通常は、「光学的接触」又は「接触接合」又は「付着」と呼称される現象）が周知である。

付着性がウエハとウエハ支持表面の間に存在している際には、ウエハを迅速にチャッキング及びデチャッキングすることが困難であり、且つ、ウエハを高精度で保持することが困難である。

本出願人は、機械的且つ熱的安定性の要件を充足する、いくつかのセラミック複合物（即ち、Ｓｉ／ＳｉＣ、ＳｉＣ／ダイアモンドなど）を製造している。これらのセラミック複合物の多くは、溶融シリコン金属又はシリコン合金を不活性な（又は、不活性となった）セラミック補強材を含む多孔性塊内に浸潤させることを伴う、反応接合プロセスに基づいているか、或いは、これにより、形成されている。一例は、「反応焼結炭化ケイ素」（又は「ＲＢＳＣ：Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｂｏｎｄｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ」又は「Ｓｉ／ＳｉＣ」）を形成するための、ＳｉＣを特徴とする、多孔性塊内への溶融Ｓｉの浸潤である。チャックとウエハの間の摩擦を低減するべく、ピンのパターンがチャックの上部表面内に加工されている。これらの加工により、ウエハとの間の全体的な接触面積並びに、従って摩擦が、大幅に低減される。低接触面積の更なる利益は、ウエハ汚染の低減である。

相対的に小さく且つ相対的に正確に制御されたピンに対する需要を充足するために、電気放電加工（ＥＤＭ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）などの、これらのピンパターンを加工するべく現時点において利用可能な方法が奮闘している。ＥＤＭは、これらの複合物の金属コンポーネントを選好的に加工し、これにより、表面下の損傷（即ち、亀裂及び間隙）及び粒子形成をもたらしている。更には、ＥＤＭは、ウエハハンドリング動作において粒子汚染をもたらしうる表面酸化物層をも残す（「リキャスト」とも呼称される）。更には、ＥＤＭは、寸法制御が乏しいという問題点をも有する。例えば、ＥＤＭによって加工されたウエハチャック内のピンを示す図１４の走査電子顕微鏡写真を参照されたい。この写真において特に興味深い点は、新円の欠損１１（例えば、ピンを中心とした大まかな境界）、亀裂の開始１３、及び間隙の形成１５である。

又、ＥＤＭは、加工される材料が導電性を有することをも必要としている。

レーザー加工は、ＥＤＭに対する潜在的な代替肢を提供している。レーザーは、多相材料内のすべての相を切断することにより、極めて最小限の表面下損傷を有する均一な形状を許容することができる。但し、従来のレーザー加工は、材料を局所的に加熱する可能性があり、この結果、表面改質及び酸化物形成が生じうる。このような表面改質及び酸化物形成は、増大した粒子汚染の傾向に起因して、極めて望ましくない。

別の加工技法は、レーザービームの、特に「コールドアブレーション」に基づいたレーザー加工技法の、使用を伴っている。コールドアブレーションは、材料（加工されている部分）が経験する局所的加熱を極小化しつつ、材料を迅速に除去するべく、短くて高エネルギーのレーザーパルスを使用する、相対的に新しいレーザー加工技法である。但し、コールドアブレーションは、局所的加熱を完全には回避しておらず、従って、ある程度の酸化物形成が発生しうる。

本発明は、これらの問題点に対処し、且つ、解決策を提供している。

次世代のセラミック含有ウエハチャック加工プロセスは、
・高寸法精度、
・低表面下損傷、
・低局所加熱、
・低表面改質、
・低酸化物形成、
・低粒子汚染、
を必要としている。

上述のように、厳格化し続ける要件を充足するべく、ＥＤＭが奮闘している。従来のレーザー加工は、寸法要件を充足しはするが、望ましくない表面改質を許している。コールドアブレーションレーザー加工は、表面改質問題を完全には解決していない。

本発明の一態様によれば、コールドアブレーションレーザー加工技法に対する支援が提供されており、この支援は、不活性ガス雰囲気によって提供されている。

本発明の別の態様によれば、且つ、本発明の実施形態によれば、半導体ウエハを取り扱う装置内において、ウエハを支持する極めて平坦な表面（「ウエハ支持表面）」の一部分が、加工によって除去され、これにより、支持表面とウエハの間の接触面積が低減されている。この動作は、これら２つのものの間の摩擦を低減し、且つ、従って、「光学的付着」の傾向を低減する。加工は、溝又はチャネル、或いは、複数のこのような溝又はチャネル、或いは、「盲」孔などの複数の孔、の形態を有することができる。この結果、「テクスチャ」又は制御された粗度が支持表面に対して付与される。本発明の実施形態は、このテクスチャ付与のためにレーザーを使用してもよく、このレーザーは、熱レーザー、コールドアブレーションレーザー、或いは、非酸化物材料の酸化を低減するべく不活性「カバー」ガスによって変更されたレーザー（熱又はコールドアブレーション）であってよい。

図１Ａは、本発明に従ってレーザー加工されたＳｉ／ＳｉＣウエハチャック内のピンのＳＥＭ写真である。 図１Ｂは、本発明に従ってレーザー加工されたＳｉ／ＳｉＣウエハチャック内のピンの、図１Ａとは異なる倍率における、ＳＥＭ写真である。 図２は、不活性ガス支援型コールドアブレーションレーザー加工装置の側面図の図面である。 図３は、レーザーを利用してＳｉ／ＳｉＣ複合材料内において穿孔された孔を示しており、この処理は、空気中において実施されている。 図４は、レーザーを利用してＳｉ／ＳｉＣ複合材料内において穿孔された孔を示しており、このプロセスは、流れるアルゴンカバーガス中において実施されている。 図５Ａは、ＥＤＭにより、Ｓｉ／ＳｉＣ複合材料のサンプル内に生成されたポケットカットのＳＥＭ写真である。 図５Ｂは、空気中における従来技術のコールドアブレーションレーザーにより、Ｓｉ／ＳｉＣ複合材料のサンプル内に生成されたポケットカットの、図５Ａと同一倍率における、ＳＥＭ写真である。 図５Ｃは、保護アルゴンガスフローの下における本コールドアブレーションレーザー加工により、Ｓｉ／ＳｉＣ複合材料のサンプル内に生成されたポケットカットの、図５Ａと同一倍率における、ＳＥＭ写真である。 図６Ａは、Ｓｉ／ＳｉＣ複合材料の表面内に、本発明に従って、レーザー加工されたピンを示すＳＥＭ写真である。 図６Ｂは、ＴｉＳｉ／ＳｉＣ複合物の表面内に、本発明に従って、レーザー加工されたピンを示すＳＥＭ写真である。 図６Ｃは、Ｓｉ／ダイアモンド複合材料の表面内に、本発明に従って、レーザー加工されたピンを示すＳＥＭ写真である。 図７Ａは、本発明の本実施形態の能力を更に示すＳＥＭ写真である。 図７Ｂは、本発明の本実施形態の能力を更に示すＳＥＭ写真である。 図７Ｃは、本発明の本実施形態の能力を更に示すＳＥＭ写真である。 図８Ａ（挿入図）は、ＣＶＤ ＳｉＣ内においてレーザー加工された１つのピンの顕微鏡写真である。 図８Ｂは、表面内に加工された複数のピンのパターンを示す、このＣＶＤ ＳｉＣの写真である。 図９Ａは、ＣＶＤダイアモンドボディ内において加工されたピンの高倍率のＳＥＭ写真である。 図９Ｂは、ＣＶＤダイアモンドボディ内において加工されたピンの低倍率のＳＥＭ写真である。図９Ｂは、表面内に加工された複数のピンのパターンを示す。 図１０Ａは、Ｓｉ／ＳｉＣボディの半導体ウエハ支持表面上においてレーザーエッチングされたチャネルのクロスハッチングされたパターンの顕微鏡写真である。 図１０Ｂは、Ｓｉ／ＳｉＣボディの半導体ウエハ支持表面上においてレーザーエッチングされたチャネルのクロスハッチングされたパターンの、図１０Ａとは異なる倍率において取得された、顕微鏡写真である。 図１１Ａは、テクスチャが付与されていないウエハ支持ピンの顕微鏡写真である。 図１１Ｂは、８０ミクロンの間隔を有するクロスハッチングパターンによってテクスチャが付与されたウエハ支持ピンの顕微鏡写真である。 図１１Ｃは、５０ミクロンの間隔を有するクロスハッチングパターンによってテクスチャが付与されたウエハ支持ピンの顕微鏡写真である。 図１２Ａは、本発明の本実施形態の能力を更に示すＳＥＭ写真である。 図１２Ｂは、本発明の本実施形態の能力を更に示すＳＥＭ写真である。 図１２Ｃは、本発明の本実施形態の能力を更に示すＳＥＭ写真である。 図１３Ａは、半導体ウエハを支持するためのＳｉ／ＳｉＣウエハハンドリング装置の写真であり、装置は、支持表面上のピンを特徴としている。 図１３Ｂは、半導体ウエハを支持するためのＳｉ／ＳｉＣウエハハンドリング装置の、図１３Ａとは異なる倍率における写真であり、装置は、支持表面上のピンを特徴としている。 図１４は、ＥＤＭの性能限度を強調表示する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、これは、従来技術を表している。

次世代のウエハハンドリングコンポーネント（例えば、ウエハチャック）は、
・高機械安定性（高剛性、低密度）、
・高熱安定性（高熱伝導性、低ＣＴＥ）、
・高損耗抵抗、
・低付着、
・高精度の平坦度及び低粗度、
を必要としている。

本出願人は、通常は、この用途用の表面ピンを有する、ＳｉＣに基づいたセラミックコンポーネントを供給している―例えば、図１３Ａ及び図１３Ｂを参照されたい。課題は、平坦度及び粗度が改善されるのに伴って、光学的接触接合効果に起因して、望ましくない付着が問題となる、という点にある。付着が存在している際には、ウエハを迅速にチャッキング及びデチャッキングすることが困難であり、且つ、高精度でウエハを保持することが困難である。

機械研削又は電気放電加工（ＥＤＭ）は、特定の制限を伴って、光学的に平坦な表面にテクスチャを付与するべく、潜在的に使用することができる。更に詳しく後述するように、機械研削及びＥＤＭは、いずれも、約１０００ミクロンの特徴サイズの加工に限定されており、且つ、約２００ミクロンの精度（或いは、再現可能性）を有する。半導体ウエハの支持表面が、定義された、且つ、非常に正確な、高度をすべてが有する、「ピン」の集合体である場合には、機械研削の精度は、不十分なものとなる。同様に、ＥＤＭも、支持ピンのサイズ（直径）が、２００ミクロンのレベルでありうることから、その精度は、疑わしいものとなる。このようなピンのＥＤＭ加工は、表面の一部分のみではなく、ピンの上部表面全体を完全に破壊する場合がある。

又、ＥＤＭは、加工されている材料が導電性を有することをも必要としている。加工されている材料が金属−セラミック複合物である場合には、ＥＤＭは、これらの複合物の金属成分を選好的に加工し、これにより、表面下損傷（即ち、亀裂及び間隙）及び粒子の形成をもたらす。更には、ＥＤＭは、ウエハハンドリング動作における粒子汚染をもたらしうる表面酸化物層をも残す（「リキャスト」とも呼称される）。

１つの魅力的な解決策は、疑似粗度を表面に誘発することにより、付着を防止する、レーザーによってテクスチャが付与された、或いは、レーザー加工された、表面である。この技法によれば、半導体ウエハを支持するべく意図された、ウエハハンドリング物品の表面は、まず、光学的に平坦でありうる、即ち、ナノメートルのスケールにおいて計測されたトレランス内において「平坦」でありうる、望ましい平坦度に、例えば、加工、研磨、及び／又はラップ加工されるなどのように、構成される。又、通常、このような高精度の平坦度は、類似の平滑度とも関係付けられている。次いで、ウエハ支持表面の一部分（「第２部分」）が、例えば、テクスチャ付与又は加工されるなどのように、更に処理され、これにより、支持表面のこの部分のある程度の材料が除去される。この結果、ウエハ支持表面の第１部分は、テクスチャを有していない状態に残され、これにより、これは、その既存の平坦度及び平滑度のレベルにおいて残されることになる。従って、表面の第２部分は、第１部分の高度との関係において、（例えば、相対的に低い高度において）切除された又は凹入した状態となる。従って、支持表面の一部分は、元の状態において残されており、且つ、別の部分は、加工又はエッチングによって除去されている。これが、「疑似粗度」により、意味されている内容である。この手順は、支持表面と支持されている物品（例えば、半導体ウエハ）の間の接触面積を更に低減する効果を有しており、この結果、摩擦と、特に光学的付着現象と、が低減される。

支持表面の第２部分のこのテクスチャ付与又は加工は、熱レーザーによって実行することができる。レーザービームは、ランダムな、或いは、組織化された、方式により、レリーフ又は凹部（「テクスチャ付与」）を提供するべく、操作することができる。レーザービームは、材料の少なくとも表面層を除去し、これにより、支持表面の材料内において溝又はチャネルを生成するべく、支持表面との関係において運動させることができる。テクスチャ付与は、複数のチャネルの形態を有していてもよく、これらのいくつは、例えば、互いに平行であってもよい。このような平行チャネルの２つの組は、クロスハッチングパターンを生成するべく、相互の関係において角度を有するようにしてもよい。或いは、この代わりに、レーザービームは、盲孔などの、孔を生成するべく、支持表面との関係において、固定位置において保持することもできる。溝、チャネル、又は孔の深さは、少なくとも１ミクロンであることを要する。

レーザー加工又はテクスチャ付与動作と関連する「特性幅」が存在している。特性幅の１つの態様は、レーザービームによって生成される溝、チャネル、又は孔の幅である。複数の溝、チャネル、又は孔が生成される場合には、特性幅の別の態様は、隣接する孔、或いは、平行な溝又はチャネル、の間の間隔である。換言すれば、この態様は、隣接するテクスチャが付与された表面（溝、チャネル、又は孔）の間の材料（例えば、加工されていない材料）の領域の幅を計測している。このような間隔の規則的で周期的な反復の形態は、しばしば、「ピッチ」と呼称されている。これらのレーザー加工動作の特性幅の態様は、いずれも、以下の実施例３において更に詳述するように、研削などの機械的加工により、或いは、ＥＤＭにより、実現されうるものよりも微細である（例えば、幅が小さい）。

例示用のレーザー処理条件（熱レーザー）
・１．０６４ミクロンのＮｄ：ＹＡＧ、
・１００ワットの最大平均パワー、
・５０〜３００マイクロ秒のパルスレート、
・ダイレクトビーム、
・３００ｍｍ×３００ｍｍのステージ、
・１ミクロンの反復ステージ精度

例示用の変更されたコールドアブレーションレーザー加工技法
レーザー加工は、ＥＤＭに対する潜在的な代替肢を提供している。レーザーは、多相材料内のすべての相を切断し、これにより、極めて最小限の表面下損傷を有する均一な形状を許容することができる。但し、従来のレーザー加工は、材料を局所的に加熱する可能性があり、この結果、特に、材料が金属及び／又は非酸化物セラミックを含んでいる場合に、表面改質及び酸化物形成が生じうる。このような表面改質及び酸化物形成は、増大した粒子汚染の傾向に起因して、極めて望ましくない。

「コールドアブレーション」は、材料（加工されている部分）が経験する局所的加熱を極小化しつつ、材料を迅速に除去するべく、短くて、高エネルギーの、レーザーパルスを使用する、相対的に新しいレーザー加工技法である。但し、コールドアブレーションは、局所的加熱を完全には回避しておらず、従って、加工が空気中において実行される場合には、なんらかの酸化物形成が発生しうる。

本出願人は、表面改質を極小化する、且つ、酸化物形成を軽減する、不活性支援ガスを伴うコールドアブレーションに基づいたレーザー加工技法を開発した。具体的には、本出願人は、不活性雰囲気（例えば、アルゴン、或いは、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンなどのその他のもの）中において、加工されている局所的エリアを包み込むガスノズルを含むように、コールドアブレーションレーザー加工機器を変更した。不活性な雰囲気は、酸化物形成を防止する。この全体的な結果は、モノリシックなセラミック並びにセラミック及び／又は金属に基づいた複合物などのセラミック含有材料に対して使用されうる加工技法である。本加工技法は、ウエハチャックなどの、支持プラットフォーム又は装置内にピンパターンを加工し、これにより、（酸化物形成を含む）表面改質をまったく又はほとんど伴うことなしに、高度な寸法制御（厳格なトレランス）を実現するべく、使用することができる。

図２に示されているものは、変更されたコールドアブレーションレーザー装置の側面図の図面である。具体的には、このセットアップは、短い持続時間の高エネルギーのレーザーパルス用のレーザー対物レンズ２１と、不活性ガスを加工対象の表面上に導くノズル２３と、機械的計測プローブ２５と、光学的計測カメラ２７と、を示している。図示されていないのは、レーザー光を加工対象の材料上に導き且つ合焦すると共にこれを除去するための、運動可能なガルバノメーターミラーである。変更された加圧型のガスノズルは、（ｉ）ガスのフローが、加工デブリを隣接エリアから除去する、並びに、（ｉｉ）ガスのフローが、不活性アルゴン雰囲気中において加工エリアを包み込み、これにより、酸化を防止する、という２つの目標を実現している。

変更されたコールドアブレーションレーザーの処理条件の受け入れ可能な範囲は、
・１０８０ｎｍ〜１５０ｎｍにおいて使用される波長、
・３００ｎｓ〜１ｆｓの間のパルス幅、
・１０００００Ｈｚ〜１Ｈｚの間の反復レート、
・最大で１０００ｍｍ／ｓのスキャンニング速度
・最大で１２０Ｗのパワー、
・支援（カバー）ガスとしてのアルゴン、
というものである。

この（不活性ガスの「支援」を特徴とする）変更されたコールドアブレーションレーザー加工方法は、複合物を含む、且つ、金属−セラミック複合物を含む、大部分の金属及びセラミックと共に機能することになる。この技法によって加工されうる、且つ、半導体ウエハの取扱いのために使用されうる、その他の材料は、ＡｌＮ、焼結ＳｉＣ、ＣＶＤ ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ガラス、及びガラスセラミックである。これは、対象の金属が空気中において（例えば、レーザーの曝露によって）加熱された際に、酸化物を迅速に形成する傾向を有する際には、特に重要である（即ち、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌなど）。更には、これは、セラミック相が、レーザーに曝露された際に、上述の金属（即ち、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＡｌＮなど）の１つに熱分解する際にも、重要である。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、ウエハチャックとして使用されるべく、望ましいプロパティ、即ち、３つを挙げれば、低密度、低熱膨張係数、及び高熱伝導度、を有する。

炭化ケイ素に基づいたボディは、反応浸潤技法により、正味の形状に近づくように、生成することが可能であり、且つ、これが、数十年にわたって実施されている。一般に、このような反応浸潤プロセスは、真空又は不活性雰囲気環境内における、炭化ケイ素に炭素を加えたもの含む、多孔性塊との間における溶融シリコン（Ｓｉ）の接触を伴っている。湿潤状態が生成され、その結果は、溶融シリコンが毛細管現象によって塊内に引き込まれるというものであり、これが、更なる炭化ケイ素を形成するべく、炭素と反応する。この原位置の炭化ケイ素は、通常、相互接続されている。プロセスが、通常、過剰なシリコンの存在下において発生するように、通常は、高密度のボディが望ましい。従って、結果的に得られる複合ボディは、主に炭化ケイ素（例えば、４０〜８０容積百分率）と、但し、なんらかの望ましくないシリコン（こちらも、相互接続されている）と、をも含んでおり、従って、略号表記において、Ｓｉ／ＳｉＣと呼称することができる。このような複合ボディを生成するべく使用されるプロセスは、相互交換可能に、「反応形成」、「反応接合」、「反応浸潤」、又は「自己接合」と呼称されている。

柔軟性を追加するべく、多孔性塊内のＳｉＣのいくつか又はすべてをＳｉＣ以外の１つ又は複数の材料と置換することができる。例えば、このＳｉＣの一部をダイアモンド微粒子によって置換することにより、Ｓｉ／ダイアモンド／ＳｉＣ複合物を結果的に得ることができる。ダイアモンドの容積比率は、１０パーセント〜７０パーセントの範囲をとるように設計することができる。更には、シリコン金属は、合金化されてもよく、或いは、多孔性塊は、合金元素を含む、反応によって形成された複合物をもたらすべく、シリコン以外の金属を含むこともできる。例えば、Ｓｉ／ＳｉＣ複合物中のシリコン成分は、「ＴｉＳｉ／ＳｉＣ」と表示されうる、シリコン及びチタニウムの両方を特徴とするＳｉＣ含有複合ボディをもたらすべく、チタニウムによって変更することができる。このようなチタニウムを含有する、反応形成されたＳｉＣ複合物を形成するための成功裡の浸潤は、それぞれ、１５ｗｔ％及び４０ｗｔ％のチタニウムと、残りの部分のシリコンと、を含む溶浸材金属を使用することにより、実行されている。本発明の本実施形態は、これらの材料のすべてにおいて使用される。

様々な技法によって加工された表面の特徴付け
以下は、ＥＤＭによって加工されたものから、且つ、レーザービームによって加工されたものから、従来の研削／ラップ加工／研磨によって調製された加工された表面を特徴付け又は弁別する方式について記述している。この特徴付けのために、金属−セラミック複合材料、即ち、Ｓｉ／ＳｉＣ、が使用されたことに留意されたい。

異なる動作の結果として得られた表面は、表面粗度によって弁別することができる。粗い研磨ダイアモンドツールによる研削動作（即ち、表面研削、スピン研削、ジグ研削、又はラップ加工）は、表面内においてスクラッチ（表面研削における平行なスクラッチ、スピン研削における同心状のもの、ジグ研削及びラップ加工の場合のランダムなもの）を残すことになる。ランダムな動き及び微細なダイアモンド研磨剤を伴う研削動作（即ち、微細なツールを有するジグ研削又はラップ加工）においては、表面は、研磨された状態となる。研磨された表面は、セラミックの間の金属がわずかに除去された状態における、セラミック粒の、すべてが同一の高さを有する、平坦な上部を有することになる。

対照的に、レーザー加工された表面は、制御された粗度を有することになる。レーザー加工は、表面上においてスキャニングされる一連の円形のエリア内において、材料を除去している。粗度は、円形のエリアのオーバーラップの程度によって制御される。それぞれの円形の露出エリア内において、セラミック粒は、なんらかの粗度を有することになり、且つ、粒間金属からわずかに隆起することになる。

研削及びレーザー加工は、セラミックと金属の材料除去レートの間においてわずかな差を有する一方で、ＥＤＭ動作は、ほとんど金属のみを加工する。これに起因して、ＥＤＭ表面は、溶解した／酸化したテクスチャ（「リキャスト層」）を伴うことにより、非常に異なっている。電気放電加工された表面は、ランダムな粗度を有することになる。セラミック粒の間において、金属が深く除去される。又、表面の下方において深く延在することになる、除去された金属の微細亀裂も存在することになる。いくつかのケースにおいては、これらの微細亀裂は、特徴を切断することが可能であり、且つ、数百ミクロン離れた、反対側の表面からの亀裂に接続しうる。

表１は、上述の粗度を定量化している。この表は、微細に研削された（研磨された）Ｓｉ／ＳｉＣ複合材料表面のレーザー加工が、相対的に低いレーザーパワーにおいて約一桁だけ、粗度を増大させるが、相対的に高いパワーレベルにおいては、この粗度を約３倍増大させることを示している。但し、電気放電加工を通じて得られる粗度は、依然として、８５ワットレーザーによって生成される粗度の２倍超であった。

研削、ＥＤＭ、及びレーザー加工の間における別の相違点は、加工された表面の化学的性質及び結晶性に対する潜在的な変更の観点におけるものである。熱レーザーによって加工された表面の支配的な特徴は、溶解した、又は熱の影響を受けた、ゾーンである。対照的に、Ｓｉ／ＳｉＣ材料が、Ａｒ支援型のコールドアブレーションレーザーによって加工された際には、本プロセスは、
・加工された特徴の相対的に高精度の制御、
・格段に少ない表面下損傷、
・相対的に滑らかな表面仕上げ、
・特徴のエッジ上における格段に小さな粗度、
・亀裂又は間隙形成の証拠の欠如、
・酸化の回避及び粒子形成の傾向の低減、
を提供する。

「酸化の回避」により、本出願人は、光学顕微鏡において、或いは、ＳＥＭにおいても、酸化が視覚的に観察されなかったことを意味している。但し、これは、例えば、加工された表面上に存在する、１つの、いくつかの、恐らくは、最大で１ダースの半分の数の、酸化物の原子層などの、金属又は非酸化物セラミック表面上において原子スケールの酸化が存在する可能性を排除するものではない。この結果は、熱レーザー及びＥＤＭとは明らかに対照的であり、この場合には、酸化の層が観察される。

次に、以下の実施例を参照し、本発明について更に詳述することとする。

実施例１：Ｓｉ／ＳｉＣウエハチャック内のピンのレーザー加工
次に、本発明に従ってレーザー加工されたＳｉ／ＳｉＣウエハチャック内のピンの、異なる倍率における、ＳＥＭ写真である、図１Ａ及び図１Ｂを参照されたい。レーザービームのゾーン又は領域の近傍における加工対象のＳｉ／ＳｉＣ材料の表面上に不活性ガス（ここでは、アルゴンガス）を導くための手段（例えば、ノズル）によって変更又は補完されたコールドアブレーションレーザー装置を利用してレーザー加工を実行した。

Ｓｉ／ＳｉＣ材料の加工された表面の表面改質がほとんど又はまったく存在していないことに加えて、Ａｒ支援型のコールドアブレーションレーザー加工は、
・加工された特徴の相対的に高精度の制御、
・格段に少ない表面下損傷、
・相対的に滑らかな表面仕上げ、
・特徴のエッジ上における格段に小さな粗度、
・亀裂又は間隙形成の証拠の欠如、
・酸化の回避及び粒子形成の傾向の低減、
を提供している。

「酸化の回避」により、本出願人は、光学顕微鏡において、或いは、ＳＥＭにおいても、酸化が視覚的に観察されなかったことを意味している。但し、これは、例えば、加工された表面上に存在する酸化物の、１つの、いくつかの、恐らくは、最大で１ダースの半分の数の、原子層などの、原子スケールの酸化が金属又は非酸化物セラミック表面上において存在している可能性を排除するものではない。この結果は、熱レーザー及びＥＤＭとは明らかに対照的であり、この場合には、酸化の層が観察される。

実施例２：Ｓｉ／ＳｉＣ内のレーザーによって穿孔された孔の比較
この例は、不活性ガスの「支援」をコールドアブレーションレーザー加工プロセスに追加する効果を示している。

ここで、プロセスは、反応形成プロセスによって形成されたＳｉ／ＳｉＣ複合材料内において孔を穿孔する際のものである。図３は、空気中において実施されているプロセスを示している。図の左側は、孔のＳＥＭ写真である。図の右側は、Ｘ線によるエネルギー分散分析（ＥＤＡＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）による孔のエッジの元素分析を示している。

同様に、図４は、流れるアルゴンカバーガス中において実施されているプロセスを示している。図の左側は、孔のＳＥＭ写真である。図の右側は、Ｘ線によるエネルギー分散分析（ＥＤＡＸ）による孔のエッジの元素分析を示している。図３のシリコンピークに対する酸素ピークの比率又は相対的なサイズを図４のものと比較することにより、酸素ピークは、アルゴンカバーガスが使用された場合には、大幅に低減されることがわかり、これは、レーザー穿孔プロセスにおける格段に少ない酸化物形成を示している。実際に、アルゴンカバーガスを使用して形成された酸化物の量は、レーザー穿孔が空気中において実施された際に形成された量の半分未満であった。ここで、アルゴンガスは、なんらかの酸素及び／又は水蒸気不純物を含んでいたのであり、更に純粋なソースガスは、形成される酸化物の量を更に低減していたことであろう。

酸化物層の形成は、特に、ウエハチャックなどの、半導体ウエハを取り扱うためのコンポーネントの製造の文脈において、いくつかの問題点を生成しうる。これらの問題点は、トレランス制御の低減、表面硬度の低減、（例えば、酸化物の剥落による）潜在的な粒子汚染、不均一な表面プロパティ、並びに、異なる熱膨張係数を有する結合された材料によって生成される応力及び／変形（例えば、曲がり）問題（バイメタルストリップ効果）を含む。

実施例３：Ｓｉ／ＳｉＣにおけるポケットカットの比較
この例は、本発明の変更されたコールドアブレーションレーザー加工技法、従来技術のコールドアブレーションレーザー加工プロセス、及び従来技術の電気放電加工プロセスの間において、「ポケットカット」の品質を比較している。それぞれの例において、反応接合によって生成されたＳｉ／ＳｉＣ複合材料のサンプル上において、ポケットカットを準備した。ポケットカットは、立方体などの材料の直交プリズムを提供し、且つ、望ましい深さまで一側部上の材料を剃り落とすように進めるが、上部表面近傍の領域を元のままに残し、且つ、次いで、隣接する側部表面上において同一の内容を実行し、これにより、再度、上部表面近傍の領域を元のままの状態に残すことにより、準備することができる。

図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは、ＥＤＭ、空気中における従来技術のコールドアブレーションレーザー及び保護アルゴンガスフローの下における本コールドアブレーションレーザー加工によってＳｉ／ＳｉＣサンプル内に生成されたポケットカットの、同一の倍率における、ＳＥＭ写真である。サンプルは、それぞれ、同一の方式によって方向付けされており、加工された側部表面の１つのものの正面図と、上部表面及びその他の側部表面の側面図と、を示している。

図５Ａの従来技術のＥＤＭのポケットカットは、電気放電の動作の際のＳｉ／ＳｉＣ複合物のポップアウト内の粒子としての表面下損傷を反映した、不均一なエッジを示している。又、切断表面は、酸化物／リキャスト層をも示している。図５Ｂの（従来技術の）コールドアブレーションレーザーのポケットカットは、Ｓｉ／ＳｉＣ複合物のすべての相を通じたレーザー切断を反映した、相対的に均一なエッジ（まっすぐな切断）を示している。但し、切断表面における酸化物の蓄積が観察される。又、図５Ｃの本発明の、変更されたアルゴンガスコールドアブレーションレーザーのポケットアウトは、均一なエッジ（まっすぐな切断）を示しており、且つ、切断表面が、形成された酸化物の観察を伴うことなしに、「クリーン」であることをも示している。

実施例４：異なる組成のＳｉ含有複合物のレーザー加工
図６Ａ〜図６Ｃは、Ｓｉ／ＳｉＣ複合材料、ＴｉＳｉ／ＳｉＣ複合材料、及びＳｉ／ダイアモンド複合材料の表面内に本発明に従ってレーザー加工されたピンを示すＳＥＭ写真である。従って、この例は、本技法の多様性を示している。ダイアモンド含有複合材料は、ダイアモンド粒子の硬度に起因して、機械的技法を使用して加工（例えば、研削）することができないことに留意されたい。

実施例５：本技法の寸法精度
図７Ａ〜図７Ｃは、本発明の本実施形態の能力を更に示すＳＥＭ写真である。図７Ａは、レーザー加工された、且つ、２００ミクロン未満だけ、互いから離れるように離隔した、異なる形状特徴を示している。図７Ｂは、ウエハチャック内のレーザー加工されたピンを示しており、ピンは、その計測幅が約２００ミクロンであるベースを有する。図７Ｃは、その幅が約１５０ミクロンであるベースを有するピンを示しており、このピンも、本発明の実施形態に従ってレーザー加工されている。

ＥＤＭ及び熱レーザーは、「オーバーバーン（ｏｖｅｒ−ｂｕｒｎ）」に起因して、正確性の課題を有する。基本的に、切断に先立って、熱によって影響されたゾーン／溶解したゾーンが存在している。本発明の変更されたコールドレーザーアブレーションプロセスは、はっきりとした切断を有しており、その理由は、熱の影響が存在していないからである。ＥＤＭは、直径が約２００ミクロンである小さなサイズを有する特徴を加工することが可能であり、且つ、これらの材料内において、±（プラス又はマイナス）１２ミクロンのトレランスを保持することができる。研削によるものなどの、機械的な加工は、約１０００ミクロンという小さなサイズの特徴を加工することが可能であり、且つ、±２００ミクロンのトレランスを保持することができる。ネットシェイプ成形も、同様に、±２００ミクロンのトレランス能力を有する。レーザー加工は、５００ミクロン、２００ミクロン、１００ミクロン、場合によっては、５０ミクロンという小さなサイズの特徴を加工することが可能であり、且つ、これらの材料内において、±０．１ミクロンのトレランスを保持することができる。場合によっては、５０ミクロン未満の特徴サイズも、可能でありうるであろう。

本発明の実施形態の文脈においては、加工されうる最小特徴サイズは、２つの特徴の間において加工されうる通路、チャネル、又は溝の最も狭い幅、或いは、穿孔されうる最小直径の孔、の観点において表現することができる。例えば、図７Ａにおいて、真空封止用のピン及び溝は、約２００ミクロンだけ離隔するものとして示されている。セラミック材料が、これら２つの特徴と、その間の空間（凹入したエリア）と、を生成するべく、除去されて（加工されて）いることから、本加工技法は、この狭い間隔をもたらすものとして示されている。加工されたエリアは、隣接する２つの特徴の高度との関係において、相対的に低い高度を有する（凹入している）。孔が関係している場合には、加工された表面は、孔を定義している。「盲」孔の場合には、孔の底部は、孔の外側の、且つ、隣接する、材料の高度よりも低い高度を有する。

相対的に大きな寸法精度は、相対的に柔軟なピンの形状及びパターン化を許容する。材料が、ほとんど表面改質を伴うことなしに、除去されうることから、相対的に小さな特徴を加工することができる。不活性ガス支援型のコールドアブレーションレーザー加工は、ピンのプロファイル及びその他の特徴までの間隔に対する相対的に大きな制御を有する。又、これは、下流のプロセスをも益することになる。

実施例６：非導電性材料のレーザー加工
この例は、電気放電加工（ＥＤＭ）によって加工されるには、導電性が不十分である、材料を加工するための、本発明の変更されたコールドアブレーションレーザー加工技法の使用法を実証している。

１．ＣＶＤ ＳｉＣ
図８Ａ（挿入図）は、化学蒸着（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスによって生成された炭化ケイ素（ＳｉＣ）内において加工されたピンの顕微鏡写真である。加工は、本発明に、例えば、保護不活性ガスによって変更されたコールドアブレーションレーザーに、よるものであった。図８Ｂは、このＣＶＤ ＳｉＣのレーザー加工された表面の写真であり、表面内に加工された複数のピンのパターンを示している。

ＣＶＤ ＳｉＣは、その電気抵抗率が過大である、１０Ｅ６（百万）Ω−ｃｍのレベルである、ことからＥＤＭによって加工することができない。

２．ＣＶＤダイアモンド
図９Ａは、化学蒸着プロセスによって生成されたダイアモンド内において加工されたピンの顕微鏡写真である。加工は、本発明に、例えば、保護不活性ガスによって変更されたコールドアブレーションレーザーに、よるものであった。図９Ｂは、このＣＶＤダイアモンドのレーザー加工された表面の写真であり、表面内に加工された複数のピンのパターンを示している。

ＣＶＤダイアモンドは、その電気抵抗率が過大である、１×１０^１６（１０Ｅ１６）Ω−ｃｍのレベルである、ことからＥＤＭによって加工することができない。

不活性ガス支援型のコールドアブレーションレーザー加工は、次世代の半導体ウエハハンドリング機器の加工のための要件を充足することができる。

利益のうちで、直接及び間接的なものの両方は、以下のとおりである。
・レーザー加工が、相対的に少ない表面改質をもたらし、且つ、表面下損傷をほとんど又はまったくもたらさず、且つ、相対的に高度な寸法制御を有することから、下流のプロセスに大きな利益を付与するべく、ピンパターンの加工を最適化することができる。
・導電性材料に限定されてはいない。
・特徴の設計の相対的に大きな柔軟性を利用することができる（特徴のプロファイル及びフットプリント、表面のテクスチャ付与）。
・４５０ｍｍ以上の直径に容易にスケーラブルである。
・大きなマシニングセンタが利用可能であり、これにより、多数の部分の同時加工が可能となる。

次に示されているのは、本発明のレーザーによるテクスチャ付与の態様に関係するいくつかの例である。

実施例７：ウエハハンドリング装置のレーザーによるテクスチャ付与
半導体ウエハを支持するべく、表面ピン（「メサ」又は「プラトー」とも呼称される）を有するＳｉ／ＳｉＣウエハハンドリング装置が提供され、これは、図１３Ａ及び図１３Ｂに示されているものに類似している。ピンは、非常に均一な高度において位置しており、且つ、装置とウエハの間の接触面積を大幅に低減している。但し、ピントップは、非常に滑らかであり、これにより、「光学的付着」現象がもたらされる。

ピントップを粗化するべく（これに対して疑似粗度を提供するべく）、レーザーによるテクスチャ付与を利用した。具体的には、ウエハハンドリング装置の少なくとも１つのピントップ内にクロスハッチングパターンを加工又はエッチングするべく、熱レーザーを使用した。

テクスチャの付与（クロスハッチング）は、様々なレーザーパラメータによって実施することができる。本例の場合には、以下のレーザーパラメータにより、Ｓｉ／ＳｉＣにテクスチャを付与した。
・１．０６４μｍのＮｄ：ＹＡＧ（熱レーザー）、
・１００Ｗの最大平均パワー、
・５０〜３００μｍのパルスレート、
・ダイレクトビーム、
・３００ｍｍ×３００ｍｍのステージ、
・１μｍの反復ステージ精度

図１０Ａ及び図１０Ｂの２つの顕微鏡写真には、このレーザーによるテクスチャ付与の結果が示されている。これらの写真は、Ｓｉ／ＳｉＣウエハハンドリング装置のピントップ上の同一のエリアのものであり、異なっているのは、倍率のみである。直角のクロスハッチングパターンが観察される。パターンは、Ｓｉ／ＳｉＣ材料内に焼き込まれたチャネルに対応しており、この場合に、それぞれのチャネルは、約３ミクロンの深さと、約１０ミクロンの幅と、を有する。チャネルのピッチ（周期）は、約８０〜９０ミクロンである。

実施例８
この例は、不活性カバーガスによって変更されたコールドアブレーションレーザーを使用したウエハハンドリング装置のレーザーによるテクスチャ付与を実証している。レーザー加工される材料は、実施例１と同一であり、即ち、反応浸潤によって生成されたシリコン／炭化ケイ素複合材料であった。

図１１Ａ〜図１１Ｃは、それぞれ、テクスチャが付与されていないウエハ支持ピン、８０ミクロンの間隔を有するクロスハッチングパターンによってテクスチャが付与されたウエハ支持ピン、並びに、５０ミクロンの間隔を有するクロスハッチングパターンによってテクスチャが付与されたウエハ支持ピン、の顕微鏡写真である。Ｓｉ／ＳｉＣセラミック内に切削されたクロスハッチングパターンが、アルゴンカバーガスを伴う、１５Ｗのパワーの１０６４ｎｍのコールドアブレーションレーザーを使用してレーザー加工されている。

クロスハッチングされたパターンは、摩擦の低減、裏面汚染の低減、及び平坦度の改善を目的として、半導体ウエハとの間の表面接触を低減している。クロスハッチングパターンを形成するためのレーザー除去の使用は、従来の加工よりも小さな特徴サイズと、熱レーザー切削との比較において改善されたトレランス能力と、切削された表面内に誘発される熱的及び機械的損傷の低減と、を提供している。

「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又は「一実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」に対する本明細書における参照は、その実施形態との関連において記述されている特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態において含まれうることを意味している。本明細書の様々な場所における「一実施形態において（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」というフレーズの出現は、必ずしも、そのすべてが同一の実施形態を参照しているものではなく、且つ、別個の又は代替の実施形態が、必ずしも、その他の実施形態を相互に排除しているものでもない。この同一の内容は、「実装形態（ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ」という用語にも適用される。

本明細書において記述されている例示用の方法のステップは、必ずしも、記述されている順序どおりの実行を必要とはしていないことを理解されたい。従って、このような方法のステップの順序は、例示を目的としたものに過ぎないものと理解されたい。同様に、本発明の様々な実施形態と一貫性を有する方法により、更なるステップが、これらの方法において含まれてもよく、且つ、特定のステップが、省略されてもよく、或いは、組み合わせられてもよいであろう。

本出願において使用されている「例示用の（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」という用語は、本明細書においては、例、例証、又は例示として機能することを意味するべく、使用されている。「例示用」として本明細書において記述されている任意の態様又は設計は、必ずしも、その他の態様又は設計よりも好ましい又は有利であると解釈されるものではない。むしろ、「例示用」という用語の使用は、概念を具体的な方式によって提示することを意図したものである。

本出願人のレーザー加工技法は、多様であり、且つ、（ＥＤＭとの比較において）処理可能な様々な材料を許容している。複合物内のセラミック粒子サイズとは無関係に、特徴を加工することができる。多くの異なる組成（例えば、複数の相を含む複合材料）を加工することができる。

本発明の技法、装置、及び物品は、半導体製造産業における物品の製造において、且つ、特に、半導体ウエハの取扱いに関与する物品又はコンポーネントの製造において、有用性を見出すであろう。このような物品又はコンポーネントは、
・真空ウエハチャック、
・真空ウエハテーブル、
・静電チャック、
・ウエハアーム、
・エンドエフェクタ、
を含む。

熱又は酸化を伴わないセラミックの材料除去が望ましいその他の用途は、
・次世代材料の（即ち、ダイアモンドに基づいた）加工
・反射防止用のテクスチャ付与、
・低摩擦のテクスチャ付与、
・化学−機械平坦化（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）コンディショナパッドの製造、
を含む。

当業者は、添付の請求項において定義されている本発明の範囲又は精神を逸脱することなしに、様々な変更が、本明細書において記述されている本発明に対して実施されうることを理解するであろう。

Claims (7)

1. 金属含有又はセラミック含有材料を加工する方法において、
   コールドアブレーションレーザーを使用して加工するステップを有し、不活性ガスが、前記コールドアブレーションレーザーからのレーザービームが前記表面上において入射する場所において、加工対象の前記材料の表面に提供される、ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記コールドアブレーションレーザーは、１５〜１２０ワットの範囲のパワーを有することを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法において、前記コールドアブレーションレーザーは、１５０〜１０８０ｎｍの波長において動作することを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、前記コールドアブレーションレーザーは、１フェムト秒〜３００ナノ秒のパルス幅を有することを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の方法において、前記コールドアブレーションレーザーは、１Ｈｚ〜１０００００Ｈｚの反復レートを有することを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の方法において、前記不活性ガスは、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、及びキセノンから構成された群から選択されたガスを有することを特徴とする方法。
7. 金属含有又はセラミック含有ボディの表面を加工する装置において、
   コールドアブレーションレーザーと、
   不活性ガスを前記コールドアブレーションレーザーからのレーザービームが前記表面上において入射する場所において前記表面上に導く手段と、
   を有することを特徴とする装置。

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