JP2023539146A

JP2023539146A - 金属基複合材の半導体処理チャンバ構成部品の陽極酸化

Info

Publication number: JP2023539146A
Application number: JP2023512285A
Authority: JP
Inventors: ダス・デバンジャン; サムロン・エリック; エーリック・ダレル
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2021-08-23
Publication date: 2023-09-13
Also published as: US20230343627A1; KR20230056689A; WO2022046643A1

Abstract

【解決手段】金属基成分で形成された半導体処理チャンバの構成部品は、その表面に陽極酸化層を有する。陽極酸化層はアルミニウム酸化層を含み、ＡｌＳｉＣ成分に形成される。陽極酸化層は、保護被膜を提供しながらプラズマ処理ガスによる腐食に対する保護を構成部品に提供する。構成部品の表面にアルミニウム層がめっきされ、次にアルミニウム層は陽極酸化されて、保護層が形成される。【選択図】図１

Description

関連出願の参照
本願は、２０２０年８月２６日出願の米国仮特許出願第６３／０７０，７２２号の利益を主張する。前記出願は、全ての目的のために参照により本明細書に援用される。

本開示は、一般に、半導体デバイスの製造に関する。本開示は、特に、半導体デバイスの製造で用いられるチャンバ構成部品に関する。

半導体ウエハ処理の間、プラズマ処理チャンバは、半導体デバイスを処理するために用いられる。プラズマ処理チャンバは、プラズマ処理チャンバ内の構成部品を劣化させうるプラズマに曝される。例えば、静電チャック（ＥＳＣ）ベースプレートは、ウエハが乗るサブシステムの一部としてエッチングチャンバの不可欠な構成部品である。静電チャックは、腐食性プラズマおよび高静電位に曝される可能性があるため、広い温度範囲にわたり動作するプラズマ溶射被覆基板の信頼性を高めるために、金属基複合材はベースプレート基板として用いられうる。

陽極酸化は、ベースプレート基板などの構成部品を、プラズマ浸食および機械的凝着摩耗を含む処理チャンバの極端な性質から保護するための安価な方法として用いられる。しかし、標準的な陽極酸化技術は、金属複合材の漏れやすい多孔な性質から、金属複合構造ではうまくいかないことが証明されている。金属複合材への金属の閉じ込めは、均一な陽極酸化膜が成長することを妨げ、プラズマ環境において劣った腐食防止を有する、非平坦な頼りない陽極自然酸化膜をもたらす。金属複合構造の表面における強化粒子の存在も、陽極酸化プロセスの効力を低減することでバリア酸化物層の切れ目のない連続した形成を妨げる。よって、腐食性プラズマ材料により耐性のある半導体処理チャンバ構成部品を形成するためには、金属基複合構成部品に均一な陽極酸化層などの保護被膜を形成できることが望ましい。

本明細書に記載の背景技術は、本開示の内容を一般的に提示するためである。現在名前が挙げられている発明者の発明は、本背景技術欄、および出願時の先行技術に該当しない説明の態様において記載される範囲で、本開示に対する先行技術として明示的にも黙示的にも認められない。

実施形態により、半導体処理チャンバの構成部品が提供される。構成部品は、金属基複合材を含む本体と、本体上の陽極酸化層を含む。

別の実施形態により、金属基複合材を含む本体の陽極酸化層を形成するための方法が提供される。金属基複合材を含む本体が提供される。本体の表面にアルミニウム層がめっきされ、アルミニウムは少なくとも９９質量％の純アルミニウムである。アルミニウム層は、陽極酸化層を形成するために陽極酸化される。

さらに別の実施形態により、半導体処理チャンバにおいて金属基複合材を含む本体の陽極酸化層が提供される。金属基複合材を含む本体が提供される。本体の表面にアルミニウム層がめっきされ、アルミニウムは少なくとも９９質量％の純アルミニウムである。アルミニウム層は陽極酸化されて、陽極酸化層が形成される。

本開示は、添付の図面の図において、限定ではなく例示を目的として示されている。適合する参照番号は、同一の要素を表す。

ＥＳＣシステムを提供するための実施形態の高レベルフローチャート。

実施形態によりＥＳＣシステムで用いられるプレートの底面図。

図２Ａに示されたプレートの上面図。

図２Ａおよび２Ｂに示されたプレートの断面側面図。

実施形態による陽極酸化後のプレートの一部の断面図。

別の実施形態による陽極酸化後のプレートの一部の断面図。

実施形態による陽極酸化後のガス経路の拡大断面図。

別の実施形態による陽極酸化後のガス経路の拡大断面図。

基板をプラズマ処理するためのプラズマ処理システムの概略図。

ここで本開示は、添付の図面に示されるように、そのいくつかの好ましい実施形態に関して詳しく説明される。以下の説明では、本開示の十分な理解を提供するためにいくつかの特定の詳細が記載される。しかし、本開示がこれらの特定の詳細のいくつかまたは全てなしで実施されてよいことは当業者には明らかだろう。他の例では、本開示を必要以上に分かりにくくしないように、周知のプロセス工程および／または構造は詳しく説明されていない。

金属基複合材は、チャンバ構成部品をプラズマ処理するのに望ましい部品材料である。金属基複合材は、ＥＳＣベースプレートなどのプラズマチャンバ構成部品に用いられてよい。しかし、ＥＳＣの金属部分は、チャンバ本体よりも大きな電圧に曝されうる。ＥＳＣの金属部分を、化学劣化および放電から保護する必要がある。エッチング耐性被膜は、そのようなプラズマチャンバ構成部品にさらなる保護を提供できる。金属基複合材は、連続固相モノリシック金属材料の基に補強材（金属、または、セラミックもしくは有機化合物などの非金属）を分散することにより形成される複合材料である。

現在のＥＳＣベースプレートへの保護被膜は、陽極酸化層、セラミック溶射被膜、または陽極酸化層上の溶射被膜を含む。製品によっては、アルミニウムベースプレートの表面で直接成長する窒化アルミニウム被膜が用いられる。陽極酸化は、平坦面のアルミニウムに形成されるときは、０．００２インチ（０．００５０８センチメートル）厚の被膜において約２キロボルト（ｋＶ）、コーナー半径において６００ボルト（Ｖ）で崩壊する。溶射被膜は、表面に直角に塗布された場合、平坦面では最大１０ｋＶまで耐えるが、コーナー半径では約４～５ｋＶまでしか耐えないだろう。溶射被膜はポリマによって密封されうるが、特にチャンバ動作条件下でフッ素含有プラズマに曝露されたときは、全ての周知の効果的な密封方法はうまくいかないだろう。被膜をより厚くすることによって崩壊をさらに改善しようとする試みは、基板の熱膨張係数（ＣＴＥ）と被膜材料のＣＴＥとの不整合により熱循環に応じて割れを引き起こすため、既存の技術はこれらの値でその限界に達する。

本明細書に記載の様々な実施形態は、アーキングおよび／またはプラズマエッチングによる腐食による損傷に耐性があるＥＳＣを提供する。理解しやすくするために、図１は、ＥＳＣシステムを提供するための実施形態の高レベルフローチャートである。プレートが形成される（工程１０４）。図２Ａは、実施形態で提供されたＥＳＣシステム２００で用いられるプレート２０４の底面図である。プレート２０４の底面図は、プレート２０４の第１の側面を示す。この実施形態におけるプレート２０４の第１の側面は、平坦面である。

この実施形態では、プレート２０４は金属基複合材で形成される。実施形態により、金属基複合材は、分散されたシリコンカーバイド（ＳｉＣ）粒子、ファイバ、またはウィスカを有するアルミニウム基を含むアルミニウム－シリコンカーバイド（ＡｌＳｉＣ）である。ＡｌＳｉＣは、連続固相モノリシックアルミニウム基に分散されたシリコンカーバイドを含む。実施形態によりＡｌＳｉＣで形成されたプレート２０４は、３０～７５容量％のシリコンカーバイドを含む。別の実施形態によりＡｌＳｉＣで形成されたプレート２０４は、４０～６０容量％のシリコンカーバイドを含む。ＡｌＳｉＣで形成されたプレート２０４を用いて作られたＥＳＣシステム２００は、従来のベースプレート技術に対してはるかに有利である。ＡｌＳｉＣは、低ＣＴＥと高熱伝導性との釣り合いを提供する。

プレート２０４は、複数の内部ガス経路２０６および２０８を備える。ガス経路２０６および２０８の各々は、プレート２０４の底面２０４Ａまたは裏面に出口を有する。図２Ａに示されるように、ガス流路穴２０６および貫通孔２０８は、プレート２０４の底面図に示されている。図２Ｂは、プレート２０４の上面２０４Ｂにおける冷媒流路２１０を示すプレート２０４の上面図である。ウエハ裏面冷却ガスは、プレート２０４の第１の側面の表面に実質的に平行な方向で冷却ガス分配流路２１０を通って流れることができる。いくつかの実施形態では、ウエハ裏面冷却ガスはヘリウムである。

図２Ｃは、ＥＳＣシステム２００のプレート２０４の側面図である。図２Ｃに示されるように、ガス貫通孔２０８は、プレート２０４の上面２０４Ｂまで貫通して延びる。各ガス流路穴２０６は、冷却ガス分配流路２１０まで延びて終端する。

プレート２０４が形成され提供された（工程１０４）後は、図２Ｃに示されるように、プレート２０４の底面２０４Ａにアルミニウム層２１２が形成される（工程１０８）。アルミニウム層２１２は、プレート２０４の底面２０４Ａならびにガス経路２０６および２０８の内面にめっきされる。

実施形態により、アルミニウム層２１２は、金属基複合プレート２０４にクラッド層を形成するためにめっきされる。いくつかの実施形態により、アルミニウム層２１２は、原子層堆積（ＡＬＤ）またはプラズマ電解酸化（ＰＥＯ）などの堆積方法を用いて堆積される。このアルミニウム層２１２は、標準陽極酸化と比較してより均一で、最低限の多孔性を有し、低い微量汚染物質を有する陽極酸化上層２１４（以下に記載）の形成を助ける。この陽極酸化層２１４は、浸食性プラズマ環境に対する耐腐食バリアであり、高電圧プラズマ環境からの電圧スタンドオフ保護も提供する。実施形態によるアルミニウム層２１２は、少なくとも９９質量％の純アルミニウムである。別の実施形態によるアルミニウム層２１２は、少なくとも９９．５質量％の純アルミニウムである。さらに別の実施形態によるアルミニウム層２１２は、少なくとも９９．９質量％の純アルミニウムである。

アルミニウム層２１２が形成された後は、ＥＳＣシステム２００（プレート２０４を含む）が陽極酸化され（工程１１２）、陽極酸化層２１４が形成される。図３Ａは、陽極酸化層２１４を示す、陽極酸化後のプレート２０４の一部の実施形態の断面図である。図３Ａに示されるように、いくつかの実施形態では、陽極酸化層２１４は少なくとも１０ミクロンの厚さであり、５０ミクロンもの厚さになりうる。他の実施形態では、陽極酸化層２１４は２５～５０ミクロンの厚さを有する。いくつかの実施形態では、陽極酸化後のアルミニウム層２１２は１０ミクロン未満の厚さである。いくつかの実施形態によるアルミニウム層２１２の厚さは、陽極酸化後の陽極酸化層２１４の厚さの少なくとも１／３である。

他の実施形態では、陽極酸化プロセスで全てのアルミニウム層２１２が陽極酸化されるため、図３Ｂに示されるように、陽極酸化後に陽極酸化層２１４とプレート２０４との間にはアルミニウム層がない。実施形態によるプレート２０４の底面は、ガス経路２０６および２０８への少なくとも１つの開口部を有し、ガス経路２０６および２０８の内部表面にも陽極酸化層２１４が形成される。１つ以上のガス経路２０６および２０８を有するいくつかの実施形態では、ガス経路２０６および２０８の各々の内部表面にも陽極酸化層２１４が形成される。

実施形態による陽極酸化層２１４は、純度が少なくとも９９質量％の酸化アルミニウムを有するアルミニウム酸化層である。別の実施形態による陽極酸化層２１４は、純度が少なくとも９９．５質量％の酸化アルミニウムを有するアルミニウム酸化層である。さらに別の実施形態による陽極酸化層２１４は、純度が少なくとも９９．９質量％の酸化アルミニウムを有するアルミニウム酸化層である。陽極酸化層２１４は、０．５容量％以下の多孔率を有する。いくつかの実施形態では、陽極酸化層２１４の多孔率は０．１～０．５容量％である。

ＥＳＣシステム２００は、次にプラズマ処理チャンバに取り付けられる（工程１１６）。実施形態では、プレート２０４の上にセラミックプレートが設置される。ガス源は、ガス開口部２０８と流体接続して設置される。この実施形態では、ガス源はヘリウムを提供する。ヘリウムは、セラミックプレートとプレート２０４との間で熱を伝達するために提供される。冷媒源は、冷媒流路２２４と流体接続して設置される。冷媒源は、ＥＳＣシステム２００の温度を制御するために冷媒を提供する。ＥＳＣシステム２００は、処理される基板を支持する。ＥＳＣシステム２００は、基板のプラズマ処理で用いられる（工程１２０）。ＥＳＣシステム２００は、プロセス中に基板を支持し、処理の間にプラズマおよび高電位に曝される。

プレート２０４にアルミニウム層２１２を形成することで、腐食耐性アルミニウム酸化層２１４を形成するために陽極酸化されうる層２１２が提供される。陽極酸化によって形成されたアルミニウム酸化層２１４は、ガス経路２０６および２０８の内部などのより複雑な形状を含む、向上した保護層を提供する。向上した保護アルミニウム酸化層２１４は、アーキングおよび他の損傷（プラズマエッチングによる腐食など）により耐性がある。

めっきアルミニウム層２１２は、アルミニウム層２１２の陽極酸化で保護アルミニウム酸化層２１４が形成されるために被覆が難しいガス経路２０６および２０８の内面などの表面を被覆することを可能にする。図３Ｃは、ガス経路２０６および２０８の内面上の実質的に純粋なアルミニウム層２１２の上に保護アルミニウム酸化層２１４を有するガス経路２０６および２０８の実施形態の拡大断面図である。図３Ｄは、ガス経路２０６および２０８の内面上に保護アルミニウム酸化層２１４を有するガス経路２０６および２０８の別の実施形態の拡大断面図である。図３Ｄに示された実施形態では、陽極酸化プロセスで全てのアルミニウム層が陽極酸化されたため、アルミニウム酸化層２１４とガス経路２０６および２０８との間にアルミニウム層はない。

金属合金とは異なり、陽極酸化される実質的に純粋なアルミニウム（少なくとも９９質量％の純アルミニウム）は、特有の汚染リスクを低減する。その後のアルミニウム酸化層２１４の陽極酸化品質は、表面酸化層における欠陥およびボイドを排除することにより大きく改善される。高純度アルミニウム材は、基板からの、または陽極酸化層におけるプラズマエッチングチャンバ汚染を大きく低減するというさらなる利点も提供する。この優れた構造は、金属基複合材における独立した標準陽極酸化処理と比べて、腐食、誘電体、および摩耗性能において改善をもたらす。

図４は、実施形態において構成部品が搭載されうる、基板をプラズマ処理するためのプラズマ処理システム４００の概略図である。１つ以上の実施形態では、プラズマ処理システム４００は、チャンバ壁４５０で囲まれたプラズマ処理チャンバ４０４内に、ガス入口およびＥＳＣシステム２００を提供するガス分配プレート４０６を備える。プラズマ処理チャンバ４０４内では、基板４０７はＥＳＣシステム２００の上に設置される。ＥＳＣ電源４４８は、ＥＳＣシステム２００にバイアス電力を提供してよい。ガス源４１０は、ガス分配プレート４０６を介してプラズマ処理チャンバ４０４に接続される。冷却システム４５１は、ＥＳＣシステム２００の冷却ガス分配流路２１０と流体接続し、ＥＳＣシステム２００の温度制御を提供する。裏面ガスシステム４５２は、ガス経路２０６および２０８と流体接続する。この実施形態では、裏面ガスシステム４５２は、ヘリウム流を提供する。高周波（ＲＦ）電源４３０は、ＥＳＣシステム２００および上部電極にＲＦ電力を提供する。この実施形態では、上部電極はガス分配プレート４０６である。好ましい実施形態では、１３．５６メガヘルツ（ＭＨｚ）、２ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、および／または、必要に応じて２７ＭＨｚの電源が、ＲＦ電源４３０およびＥＳＣ電源４４８を構成する。コントローラ４３５は、ＲＦ電源４３０、ＥＳＣ電源４４８、排気ポンプ４２０、およびガス源４１０に制御可能に接続されている。高フローライナ４６０は、プラズマ処理チャンバ４０４内のライナである。高フローライナ４６０は、ガス源からのガスを閉じ込め、スロット４６２を有する。スロット４６２は、ガス源４１０から排気ポンプ４２０に通すガスの制御された流れを維持する。そのようなプラズマ処理チャンバの例は、カリフォルニア州フレモントのラム・リサーチ・コーポレーションにより製造されたＥｘｅｌａｎＦｌｅｘ（登録商標）エッチングシステムである。処理チャンバは、ＣＣＰ（容量結合プラズマ）リアクタまたはＩＣＰ（誘導結合プラズマ）リアクタでありうる。

プラズマ処理チャンバ４０４は、基板４０７をプラズマ処理するために用いられる。プラズマ処理は、エッチング、堆積、パッシベーション、または別のプラズマプロセスのうちの１つ以上のプロセスであってよい。プラズマ処理は、非プラズマ処理と併せて実施されてもよい。そのようなプロセスは、ハロゲンおよび／または酸素を含むプラズマにＥＳＣシステム２００を曝露してよい。

本開示は、いくつかの好ましい実施形態の視点から説明されたが、本開示の範囲に該当する変更、置き換え、修正、および様々な代替同等物がある。本開示の方法および装置を実施する多くの別の方法があることにも注意されたい。よって、以下に添付の特許請求の範囲は、本開示の真の精神および範囲に該当する、全てのかかる変更、置き換え、および様々な代替同等物を含むと解釈されることが意図される。

Claims

半導体処理チャンバの構成部品であって、
金属基複合材を含む本体と、
前記本体上の陽極酸化層と、
を含む、構成部品。
請求項１に記載の構成部品であって、
前記金属基複合材は、ＡｌＳｉＣを含む、構成部品。
請求項１に記載の構成部品であって、さらに、
前記本体と前記陽極酸化層との間にアルミニウム層を含む、構成部品。
請求項３に記載の構成部品であって、
前記アルミニウム層は、少なくとも９９質量％の純アルミニウムである、構成部品。
請求項３に記載の構成部品であって、
前記アルミニウム層は、少なくとも９９．５質量％の純アルミニウムである、構成部品。
請求項３に記載の構成部品であって、
前記アルミニウム層は、少なくとも９９．９質量％の純アルミニウムである、構成部品。
請求項２に記載の構成部品であって、
前記ＡｌＳｉＣは、３０～７５容量％のシリコンカーバイドを含む、構成部品。
請求項１に記載の構成部品であって、
前記陽極酸化層は、前記本体の底面に形成される、構成部品。
請求項１に記載の構成部品であって、
前記陽極酸化層は、純度が少なくとも９９質量％の酸化アルミニウムを有するアルミニウム酸化層である、構成部品。
請求項１に記載の構成部品であって、
前記陽極酸化層は、０．１～０．５容量％の多孔率を有する、構成部品。
請求項１に記載の構成部品であって、
前記陽極酸化層は、１０～５０ミクロンの厚さを有する、構成部品。
請求項１０に記載の構成部品であって、
前記陽極酸化層は、５０ミクロン未満の厚さを有する、構成部品。
請求項１０に記載の構成部品であって、
前記陽極酸化層は、１０ミクロン未満の厚さを有する、構成部品。
請求項１に記載の構成部品であって、
前記構成部品はベースプレートであり、複数の内部ガス経路をさらに備え、各内部ガス経路は、陽極酸化層を含む表面を有し、前記ベースプレートの下側に出口を有する、構成部品。
金属基複合材を含む本体の陽極酸化層を形成する方法であって、
前記金属基複合材を含む前記本体を提供する工程と、
前記本体の表面にアルミニウム層をめっきする工程であって、前記アルミニウムは、少なくとも９９質量％の純アルミニウムである、工程と、
前記アルミニウム層を陽極酸化して陽極酸化層を形成する工程と、
を含む、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記金属基複合材は、ＡｌＳｉＣを含む、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記アルミニウム層における前記アルミニウムは、少なくとも９９．５質量％の純アルミニウムである、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記アルミニウム層における前記アルミニウムは、少なくとも９９．９質量％の純アルミニウムである、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記アルミニウム層の厚さは、陽極酸化後の前記陽極酸化層の厚さの少なくとも１／３である、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記本体の前記表面は、内部流路への少なくとも１つの開口部を備え、前記陽極酸化層は、前記内部流路の内部の表面に形成される、方法。
半導体処理チャンバの構成部品であって、
請求項１５に記載の方法で形成される、構成部品。
請求項２１に記載の構成部品であって、
前記構成部品はベースプレートであり、複数の内部ガス経路をさらに備え、各内部ガス経路は、陽極酸化層を含む表面を有し、前記ベースプレートの下側に出口を有する、構成部品。