JP4608159B2 - 半導体処理装置の耐腐食性部材およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は半導体処理装置およびその部材の耐腐食性を改善する方法に関する。
【０００２】
（関連技術の説明）
半導体処理の分野において、通常、真空処理チャンバは、真空チャンバにエッチングまたは堆積用ガスを供給し、ガスにＲＦ場を印加してガスにエネルギーを与えてプラズマ状態にすることにより、基板上で材料のエッチングおよび化学気相堆積（ＣＶＤ）を行なうために用いられる。平行板、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）とも呼ばれるトランス結合プラズマ（ＴＣＰ（商標））、および電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）反応器とそれらの部材は、本出願の所有者が所有する米国特許第４３４０４６２、４９４８４５８、５２００２３２および５８２０７２３号に開示されている。これらの反応器内でのプラズマ環境の腐食性と、粒子および／または重金属汚染の最小化の要求のために、このような装置の部材の耐腐食性が優れていることは非常に望ましい。
【０００３】
半導体基板の処理の間、基板は、通常、機械的クランプおよび静電クランプ（ＥＳＣ）のような基板ホルダによって真空チャンバ内の定位置に固定されている。このようなクランプ・システムおよびそれらの部材の例は、本出願の所有者が所有する米国特許第５２６２０２９および５８３８５２９号に見出すことができる。プロセス・ガスは、ガス・ノズル、ガス・リング、ガス分配プレートなど様々な方法でチャンバに供給することができる。誘導結合プラズマ反応器用の温度制御ガス分配プレートおよびその部材の例は、本出願の所有者が所有する米国特許第５８６３３７６号に見出すことができる。プラズマ・チャンバ装置に加えて、半導体基板処理に用いられる他の装置には、搬送機構、ガス供給システム、ライナ、リフト機構、ロード・ロック、ドア機構、ロボット・アーム、ファスナ、およびこれらの類似物などが含まれる。このような装置の部材は半導体処理に関連する様々な腐食性条件のもとに置かれる。さらに、シリコン・ウエハなどの半導体基板およびフラット・パネル・ディスプレイ用のガラス基板などの誘電体材料を処理することに対する高純度要件に鑑みて、耐腐食性が改善された部材はこのような環境下で非常に望ましい。
【０００４】
通常、アルミニウムおよびアルミニウム合金が、プラズマ反応器の壁面、電極、基板サポート、ファスナおよび他の部材に用いられる。これらの金属部材の腐食を防ぐために、様々なコーティングでアルミニウム表面をコートする様々な技術が提案されてきた。例えば米国特許第５６４１３７５号は、壁面のプラズマによる腐食および磨耗を減らすためにアルミニウム・チャンバの壁面を陽極酸化処理することを開示する。この’３７５特許は、陽極酸化処理された層は結果的にスパッタまたはエッチングによってなくなり、チャンバを取り替えなければならないと述べている。米国特許第５８９５５８６号は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＡｌＮまたはこれらの類似物の耐腐食性フィルムをアルミニウム材料上に形成する技術を特開昭６２−１０３３７９に見出すことができることを述べている。
【０００５】
米国特許第５６８００１３号は、エッチング・チャンバの金属表面にＡｌ_２Ｏ_３を火炎溶射する技術が米国特許第４４９１４９６号に開示されていることを述べている。この’０１３特許は、アルミニウムと酸化アルミニウムのようなセラミック・コーティングとの間の熱膨張係数の差が、熱サイクルによるコーティングのクラックおよび腐食性環境での結果的なコーティングの破損に導くことを記載している。チャンバの壁面を保護するために、米国特許第５３６６５８５、５７９８０１６、および５８８５３５６号はライナの配置を提案する。例えば、’０１６特許は、セラミック、アルミニウム、スチール、および／または石英のライナを開示しており、アルミニウムが機械加工しやすいために好ましく、酸化アルミニウム、Ｓｃ_２Ｏ_３またはＹ_２Ｏ_３のコーティングを有することはＡｌ_２Ｏ_３がプラズマからアルミニウムを保護するためのアルミニウムのコーティングにとって好ましいことを開示している。’５８５特許は、少なくとも０．００５インチの厚さをもち固体アルミナから機械加工で製造される自立構造のセラミック・ライナを開示する。この’５８５特許はまた、酸化アルミニウムの火炎溶射またはプラズマ溶射により、下側にあるアルミニウムを消耗することなく堆積させたセラミック層を使用できることを記載する。’３５６特許はアルミナのセラミック・ライナおよびウエハ支持台（ｐｅｄｅｓｔａｌ）のための窒化アルミニウムのセラミック・シールドを開示する。米国特許第５８８５３５６号はＣＶＤチャンバ用のセラミック・ライナ材料を開示する。
【０００６】
様々なコーティングが半導体処理装置の金属部材に対して提案されてきた。例えば、米国特許第５８７９５２３号は熱スパッタリング・チャンバを開示し、そのチャンバではＡｌ_２Ｏ_３の溶射コーティングが任意選択で介在するＮｉＡｌ_ｘ結合コーティングをもつステンレス鋼またはアルミニウムなどの金属に適用されている。米国特許第５５２２９３２および５８９１５３号は、任意選択で介在するニッケル・コーティングをもち基板のプラズマ処理に用いられる装置の金属部材のためのロジウム・コーティングを開示する。米国特許第５６８００１３号は、プラズマ処理チャンバの金属表面を結合していないセラミックで保護することを開示し、ここで好ましいセラミック材料は焼結ＡｌＮであり、それほどではない材料として酸化アルミニウム、フッ化マグネシウム、および酸化マグネシウムが含まれている。米国特許第５９０４７７８号はチャンバの壁面、チャンバの上面、またはウエハの回りのカラー（ｃｏｌｌａｒ）用の自立構造のＳｉＣ上へのＳｉＣ ＣＶＤコーティングを開示する。
【０００７】
シャワーヘッド・ガス分配システムなどのプラズマ反応器の部材に関して、様々な提案がシャワーヘッドの材料についてされてきた。例えば、本出願の所有者が所有する米国特許第５５６９３５６号はシリコン、グラファイト、または炭化シリコンのシャワーヘッドを開示する。米国特許第５４９４７１３号はアルミニウム電極上にアルマイト・フィルムを形成しさらにアルマイト・フィルム上に酸化シリコンまたは窒化シリコンなどのシリコン・コーティング・フィルムを形成することを開示する。この’７１３号特許は、アルミニウム・コーティング・フィルム、アルマイト・コーティング・フィルム、およびシリコン・コーティング・フィルムは異なる線膨張係数をもちそしてシリコン・コーティング・フィルムが厚すぎると容易にクラックが発生するため、シリコン・コーティング・フィルムの厚さは１０μｍ以下、好ましくは約５μｍとすべきであると記載している。しかし、厚さが５μｍより小さいと、アルミニウム基材の保護が不十分であるために好ましくないと記載されている。米国特許第４５３４５１６号はステンレス・スチール、アルミニウム、銅またはこれらの類似物の上部シャワーヘッド電極を開示する。米国特許第４６１２０７７号はマグネシウムのシャワーヘッド電極を開示する。米国特許第５８８８９０７号はアモルファス・カーボン、ＳｉＣ、またはＡｌのシャワーヘッド電極を開示する。米国特許第５００６２２０および５０２２９７９号は、全体がＳｉＣでできているかまたは高純度のＳｉＣ表面層をもつようにＣＶＤで堆積したＳｉＣでコートされたカーボン・ベースのシャワーヘッド電極を開示する。
【０００８】
半導体処理装置の部材に要求される高い純度および耐腐食性のゆえに、これらの部材に使用される材料および／またはコーティングを改善することが当分野において求められている。さらにチャンバ材料に関して、プラズマ反応器チャンバの耐久性を増しそして装置の休止時間を減らすことができるいかなる材料も半導体ウエハ処理のコストを低減するのに有益である。
【０００９】
（発明の概要）
本発明の第１の態様によれば、半導体処理装置の部材の金属表面に耐腐食性コーティングを設けるプロセスが提供される。このプロセスは、（ａ）部材の金属表面にニッケル−リンめっきを堆積すること、および（ｂ）外側の耐腐食性表面を形成するようにニッケル−リンめっきの上にセラミック・コーティングを堆積すること、を含む。金属表面は、プラズマ・チャンバに用いられる陽極酸化もしくは非陽極酸化アルミニウム、ステンレス鋼、モリブデンもしくは他の金属などの高融点金属または合金とすることができる。セラミック・コーティングはアルミナ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＣまたは他のプラズマに耐えうるセラミック材料とすることができる。
【００１０】
本発明の第２の態様によれば、金属部材が提供される。部材は、（ａ）金属表面、（ｂ）金属表面上のニッケル−リンめっき、および（ｃ）ニッケルめっき上のセラミック・コーティングを含み、アルミナ・コーティングが外側の耐腐食性表面を形成する。
【００１１】
本発明の目的と利点は、添付図と関連する好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。
【００１２】
（本発明の好ましい実施形態の説明）
本発明は、プラズマ処理反応器チャンバの部品などの半導体処理装置の部材の金属表面に耐腐食性をもたせる効果的な方法を提供する。このような部材には、チャンバの壁面、基板サポート、シャワーヘッド、バッフル、リング、ノズルなどを含むガス分配システム、ファスナ、加熱素子、プラズマ・スクリーン、ライナ、ロボット・アームなどの搬送モジュール部材、ファスナ、内部および外部チャンバの壁面などとこれらの類似物が含まれる。
【００１３】
本発明は金属表面をもつどのような種類の部材にも適用できるが、例示を容易にするため、本発明は米国特許第５８２０７２３号−その全体を参照により本明細書に組み込む−に記載される装置を参照してより詳細に説明される。
【００１４】
図１は真空処理反応器チャンバ１０を例示し、これは基板６０に静電クランプ力を及ぼしまたＨｅで裏面冷却されている基板にＲＦバイアスを加える基板ホルダ７０を含む。フォーカス・リング７２は基板上の領域にプラズマを閉じ込める。高密度プラズマを生成するための適切なＲＦ源により駆動されるアンテナ４０などの、チャンバ内に高密度（例えば、１０^１１〜１０^１２イオン／ｃｍ^３）プラズマを維持するためのエネルギー源が反応器チャンバ１０の上部に配置される。チャンバは、チャンバの底部中央にある真空排気口２０を通してチャンバを脱気することにより、望ましい圧力（例えば、５０ｍＴｏｒｒ以下、通常１〜２０ｍＴｏｒｒ）にチャンバの内部３０を維持するための適切な真空ポンプ装置を含む。
【００１５】
アンテナ４０と処理チャンバ１０の内部との間に設けられる均一な厚さの実質的に平面の誘電体の窓５０が、処理チャンバ１０の上部で真空仕切り壁を形成する。ガス分配プレート５２は、窓２０の下に設けられそしてチャンバ１０へガス供給部からプロセス・ガスを導入するための円形の穴などの開口部を含む。円錐形ライナ５４はガス分配プレートから広がりそして基板ホルダ７０を囲む。
【００１６】
操作では、シリコン・ウエハ６０などの半導体基板が基板ホルダ７０に置かれ、Ｈｅの裏面冷却を用いながら通常静電クランプ７４により定位置に固定される。次にプロセス・ガスが、窓５０とガス分配プレート５２との間のギャップにプロセス・ガスを通すことにより真空処理チャンバ１０に供給される。適切なガス分配プレートの配列（すなわち、シャワーヘッド配列）は、本出願の所有者により所有される米国特許出願０８／５０９０８０、０８／６５８２５８、および０８／６５８２５９に開示されており、これらの開示をここで参照により組み込む。例えば、図１の窓およびガス分配プレートの配列は平面で厚さが均一であるが、非平面かつ／または厚さが不均一な構造を窓および／またはガス分配プレートに用いることができる。高密度プラズマは、アンテナ４０に適切なＲＦ出力を供給することにより基板および窓の間のスペースで発生する。
【００１７】
プラズマに曝されて腐食の兆候を示す陽極酸化または非陽極酸化アルミニウム壁面などのチャンバの壁面２８および基板ホルダ７０などの金属部材、ファスナ５６、ライナ５４などは、本発明によるコーティングをおこない、そうすることでプラズマ・チャンバの動作中にそれらをマスクする必要を回避する候補である。コートできる金属および／または合金の例には、陽極酸化もしくは非陽極酸化アルミニウムおよびその合金、ステンレス鋼、ＷおよびＭｏなどの高融点金属とそれらの合金、銅およびその合金などが含まれる。好ましい実施形態においてコートされる部材は、表面２９が陽極酸化または非陽極酸化アルミニウムであるチャンバの壁面２８である。本発明によるコーティングはその組成に関係なく（したがって、高純度のアルミニウムだけでなくより経済的なアルミニウム合金を使用できる）、結晶粒構造または表面状態に関係なくアルミニウム合金の使用を可能にする。以下の記載において、コートされる部材の例は図２に示すように、リン−ニッケル・コーティング８０およびセラミック・コーティング９０をもつアルミニウム・チャンバの壁面２８である。
【００１８】
本発明により、リン−ニッケル層８０は、例えば無電界もしくは電気めっきなどのめっき、スパッタ、浸漬コーティングまたは化学気相堆積を含む従来の技術によりアルミニウム側壁面２８にコートされる。無電界めっきはＰ−Ｎｉコーティングを付けるのに好ましい方法であり、電流を用いることなくチャンバの込み入った内部表面またはガス供給部材のガス通路などのチャンバの他の部材をめっきすることを可能にする。Ｐ−Ｎｉ合金の無電界めっき技術の例は、米国特許第４６３６２５５号に開示されており、その開示をここで参照により組み込む。また、通常の無電界めっきプロセスは、Ｈ．ＢｏｙｅｒおよびＴ．Ｇａｌｌ編「Ｍｅｔａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ」第５版、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｆｏｒ Ｍｅｔａｌｓ（１９８９）に開示されている。
【００１９】
めっきされた材料が確実によく付着するように、好ましくはアルミニウム基板２８の表面は、めっきする前に徹底的に洗浄して酸化物またはグリースなどの表面物質を取り除く。好ましいニッケル合金めっきにはＰが約９から約１２重量パーセント、またより好ましくは約１０から約１２重量パーセント含まれる。
【００２０】
このＰ−Ｎｉコーティング８０は、基板に固着しまたさらにこのニッケル表面上にアルミナ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＣ、ＡｌＮなどのセラミック層９０を形成する前にそれが加工できるように、十分に厚い。Ｐ−Ｎｉコーティング８０の厚さは、少なくとも約０．００２インチ、好ましくは約０．００２インチから約０．０１０インチ、より好ましくは０．００２および０．００４インチの間のような適切ないかなる厚さでもよい。
【００２１】
アルミニウム基板２８の上にＰ−Ｎｉコーティング８０を堆積した後、このめっきを何らかの適切な技法でブラストするかまたは粗化し、次にセラミック材料で保護被覆することができる。セラミック材料はリン−ニッケル・コーティング８０の上に好ましくは熱溶射される。このように粗化された層８０は溶融セラミック粒子に特に良好な結合を実現する。セラミック・コーティングの温度が下がると、それはコーティング８０に高い機械圧縮強度を付与し、かつコーティング９０内の亀裂の形成を最小化する。セラミック・コーティング９０は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＣ、ＡｌＮ、ＴｉＯ_２などの望ましいセラミック材料または材料の組合わせのいずれも含むことができる。
【００２２】
セラミック・コーティングは他の堆積技術、例えば化学気相堆積またはＲＦスパッタリングにより付けることもできる。好ましいコーティング法は熱溶射によるものであり、この方法ではセラミックの粉末を溶融しそして溶射コートされる部材に向けられるガス流に乗せる。熱溶射技術の利点は、金属体の熱溶射ガンに面する側だけがコートされ、また他の領域を保護するためにマスキングを用いることができるということである。Ｐａｗｌｏｗｓｋｉによる「Ｔｈｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｐｒａｙ Ｃｏａｔｉｎｇ」（Ｊｏｈｎ ｗｉｌｅｙ、１９９５）に、プラズマ溶射を含む通常の熱溶射技術に関する記載がある。
【００２３】
好ましい実施形態におけるセラミック層９０は、Ｐ−Ｎｉ層８０上にアルミナをプラズマ溶射することにより、約０．００５から約０．０４０インチ、好ましくは０．０１０から０．０１５インチ厚の範囲のような適切な厚さに堆積させられる。アルミナ層の厚さは、反応器内で発生しうるプラズマ環境（例えば、エッチング、ＣＶＤなど）に耐えうるように選択することができる。アルミナのこの層９０は、反応器チャンバおよび前記のような部材の全てまたは一部分にコートされる。それは、反応器チャンバで処理される半導体基板がニッケルおよび／またはアルミニウムで汚染されることを防ぐために、プラズマと直接接触する部分またはライナなどのチャンバの部材の後ろの部分のようなプラズマ環境に曝されることも曝されないこともある領域に設けることが好ましい。そうすることで、本発明の１つの利点により、不十分なエッチングまたは堆積フィルムにおける望ましくないピンホールの生成は、腐食によるチリの発生を押さえることにより低減される。
【００２４】
本発明の特定の実施形態を参照して本発明を詳細に記載したが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正をすることができ、同等のものを用いることがでるということは当分野の技術者には明かであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による耐腐食性コーティングでコートされた部材をもつプラズマ反応器チャンバの概略的横断面図である。
【図２】 図１の細部Ａの耐腐食性コーティングの詳細を示す図である。

Claims (23)

1. 半導体処理装置の部材の金属表面をコーティングするための方法であって、
   （ａ）半導体処理装置の部材の金属表面にニッケル−リンめっきを堆積すること、
   （ｂ）前記ニッケル−リンめっき上に、最外郭表面を形成するセラミック・コーティングを堆積することを含み、前記金属表面が、陽極酸化されたアルミニウム又は陽極酸化されたアルミニウム合金であることを特徴とする方法。
2. 前記ニッケル−リンめっきを無電解めっきにより堆積させる請求項１に記載のコーティングするための方法。
3. 前記部材がプラズマ・チャンバの側壁を含み、前記ニッケル−リンめっきを前記側壁の露出した内側表面の上に堆積させる請求項１に記載のコーティングするための方法。
4. 前記セラミック・コーティングがＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＣ、またはＡｌＮを含む請求項１に記載のコーティングするための方法。
5. 前記ニッケル−リンめっきが９から１２重量パーセントのリンを含む請求項１に記載のコーティングするための方法。
6. 前記ニッケル−リンめっきを０．０５から０．１ｍｍの範囲の厚さに堆積させる請求項１に記載のコーティングするための方法。
7. 前記セラミック・コーティングを堆積する前に前記ニッケル−リンめっきに表面粗化処理をおこない、前記ニッケル−リンめっきの全部または一部分を被覆するように前記セラミック・コーティングを前記ニッケル−リンめっき上にプラズマ溶射することによって前記セラミック・コーティングを粗化ニッケル−リンめっき上に堆積することをさらに含む、請求項１に記載のコーティングするための方法。
8. 前記セラミック・コーティングを０．１３から１ｍｍの範囲の厚さに堆積させる請求項１に記載のコーティングするための方法。
9. 前記セラミック・コーティングがＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＣ、またはＡｌＮである請求項１に記載のコーティングするための方法。
10. 半導体処理装置の部材であって、
    （ａ）金属表面と、
    （ｂ）前記金属表面上のニッケル−リンめっきと、
    （ｃ）前記ニッケル−リンめっき上の、最外郭表面を形成するセラミック・コーティングとを含み、前記金属表面が、陽極酸化されたアルミニウム又は陽極酸化されたアルミニウム合金であることを特徴とする部材。
11. 前記セラミックがＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＣ、またはＡｌＮである請求項１０に記載の部材。
12. 前記ニッケル−リンめっきが９から１２重量パーセントのリンを含む請求項１０に記載の部材。
13. 前記ニッケル−リンめっきが０．０５から０．１ｍｍの範囲の厚さを有する請求項１０に記載の部材。
14. 前記セラミック・コーティングが０．１３から１ｍｍの範囲の厚さを有するプラズマ溶射アルミナ・コーティングである請求項１０に記載の部材。
15. 前記部材がプラズマ・チャンバ壁である請求項１０に記載の部材。
16. 前記ニッケル−リンめっきがセラミック・コーティングと接触する粗化表面を含み、セラミック・コーティングが熱溶射によるコーティングである請求項１０に記載の部材。
17. 前記セラミック・コーティングがアルミナである請求項１６に記載の部材。
18. 請求項１０に記載の部材を含むプラズマ・チャンバ内で半導体基板を処理する方法であって、半導体基板の露出表面をプラズマと接触させることを含む方法。
19. 半導体処理装置の部材の金属表面をコーティングするための方法であって、
    （ａ）半導体処理装置の部材の金属表面にニッケル−リンめっきを堆積すること、
    （ｂ）前記ニッケル−リンめっき上に、前記部材の最外郭表面を形成するセラミック・コーティングを堆積することを含み、
    前記部材がプラズマ・チャンバの側壁を含み、前記ニッケル−リンめっきを前記側壁の露出した内側表面の上に堆積させ、前記金属表面が、陽極酸化されたアルミニウム又は陽極酸化されたアルミニウム合金であることを特徴とする方法。
20. 前記セラミック・コーティングがＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＣ、またはＡｌＮである請求項１９に記載のコーティングするための方法。
21. 前記セラミック・コーティングを堆積する前に前記ニッケル−リンめっきに表面粗化処理をおこない、前記セラミック・コーティングが、プラズマ溶射することによって粗化ニッケル−リンめっき上に堆積される請求項１９に記載のコーティングするための方法。
22. 半導体処理装置の部材であって、
    （ａ）金属表面と、
    （ｂ）前記金属表面上のニッケル−リンめっきと、
    （ｃ）前記ニッケル−リンめっき上の、前記部材の最外郭表面を形成するセラミック・コーティングとを含み、プラズマ・チャンバの側壁として構成され、前記金属表面が、陽極酸化されたアルミニウム又は陽極酸化されたアルミニウム合金であることを特徴とする部材。
23. 前記セラミック・コーティングがＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＣ、またはＡｌＮである請求項２２に記載の部材。

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