JP4628405B2 - 半導体処理チャンバコンポーネント - Google Patents
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Description
（発明の分野）
本発明の実施形態は概して半導体処理チャンバに係り、より詳細には半導体処理チャンバコンポーネントの結合に適した接合材に関する。
（関連技術の説明）
本発明の実施形態は概して半導体処理チャンバに係り、より詳細には半導体処理チャンバコンポーネントの結合に適した接合材に関する。
（関連技術の説明）
半導体処理には基板上に微細な集積回路を形成するための多種多様な化学的及び物理的処理が伴う。集積回路を形成する材料層は化学気相蒸着、物理気相蒸着、エピタキシャル成長等で形成される。材料層の一部はフォトレジストマスクとウェット又はドライエッチング技法を用いてパターニングされる。集積回路を形成する際に利用する基板は、シリコン、ガリウム砒素、リン化インジウム、ガラス、又はその他いずれの適切な材料であってもよい。
典型的な半導体処理チャンバは多くのコンポーネントを有する。コンポーネントの一部には処理区域を規定するチャンバ本体部、処理ガスをガス供給源から処理区域へと供給するように適合されたガス分布アセンブリ、処理区域内の処理ガスにエネルギー印加する際に利用するプラズマ発生装置等のようなガス賦活装置、基板支持アセンブリ、及びガス排気口が含まれる。コンポーネントによっては部品を組み立てたものから構成される。例えば、基板支持アセンブリはセラミック製チャックに接着剤で接合された導電性ベースを含み、ガス分布アセンブリは導電性ベースに接合されたセラミック製ガス分布プレートを含む。部品を効果的に接合させるには適切な接着剤と特殊な接合技法を用いて部品を互いにしっかりと取り付け、その一方で界面に欠陥を生じさせることなく熱膨張における不整合を補う必要がある。
集積回路の製造に用いる多くの半導体処理ではハロゲン、ハロゲン含有ガス及び／又はプラズマを用いる。例えば、ハロゲン又はハロゲン含有ガスにエネルギー印加してエッチング、基板表面上の層の除去又は堆積を行ってもよい。エネルギー印加されたハロゲン又はハロゲン含有ガスは概して腐食性が高く、チャンバコンポーネントの露出部を破壊する攻撃的なイオンを有する。加えて、動力学的にエネルギー印加されたイオン及びラジカル種が露出部に衝突するため、チャンバコンポーネントが侵食される。
プラズマへの露出によるチャンバコンポーネントの侵食及び段階的な劣化により、接合されたコンポーネント間に間隙及び／又は開口部が形成される場合がある。各コンポーネント間の間隙が拡大するにつれ、処理チャンバ内で発生したプラズマが間隙内に侵入し、コンポーネントを組み立てる際に利用した部品を攻撃する。特に、コンポーネントの部品を結合する際に利用する慣用の接合材はこの種の攻撃と侵食を特に蒙り易いことから界面結合部が劣化し、界面部で孔隙や表面に欠陥が生じる。接合材の侵食や欠落により部品の分解が促進され、チャンバコンポーネントの寿命が短縮される可能性がある。加えて、チャンバコンポーネントの浸食部のみならず浸食された接合材の破片は、基板処理中における粒子汚染の原因となる場合がる。従って、チャンバコンポーネントに利用する接合材の耐食性の促進は、チャンバコンポーネントの耐用年数を上げ、チャンバ休止時間を短縮し、保守頻度を低下させ、基板生産量を改善するのに望ましい。
従って、半導体処理チャンバ内の部品及び／又はコンポーネントを組み立てる際に利用する堅牢な接合材が求められている。
本発明の実施形態は半導体処理チャンバコンポーネントの結合に適した堅牢な接合材を提供する。その他の実施形態は、接着層に配置した金属充填材を有する接合材を用いて結合した半導体処理チャンバコンポーネントを提供する。その他の実施形態は接着層に配置した金属充填材を含む接合材を有する半導体処理チャンバコンポーネントの製造方法を含む。金属充填材はハロゲン含有プラズマとの反応に適しているため、プラズマへの露出時に、接合材の露出部上にハロゲン系金属層が形成される。
一実施形態において、半導体チャンバコンポーネントの結合に適した接合材には金属充填材を有する接着材が含まれる。金属充填材はＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｙ及びＺｒの少なくとも１つである。
別の実施形態において、半導体チャンバコンポーネントは接合材により隣接する第２表面に連結された第１表面を含む。接合材は、第１表面と第２表面との間に露出して残留する部分を有する。接合材は金属充填材を有する接着材を含む。金属充填剤はＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｙ及びＺｒの少なくとも１つである。
更に別の実施形態において、半導体処理チャンバコンポーネントの接合には、第１コンポーネントの表面に接着材と混合した金属充填材を含む接合材を適用し、第２コンポーネントを第１コンポーネント表面に接合材との接触を介して連結し、第１コンポーネントと第２コンポーネントとの間で露出している接合材の表面上にハロゲン系金属層を形成することを含む。
本発明の実施形態は半導体処理チャンバで利用する部品を結合するための堅牢な接合材と、本発明の接合材で接合した処理チャンバコンポーネントとその製造方法とを提供する。一実施形態において、堅牢な接合材は半導体処理チャンバのガス分布アセンブリ又は基板支持アセンブリの部品の接合に適したプラズマ耐食性材料である。接合材は金属充填材を有する接着剤であり、ハロゲン含有プラズマに露出されると自己不動態化層を形成する。
図１は本発明の接合材を利用した少なくとも１つのコンポーネントを有する半導体処理チャンバ１００の一実施形態の断面図である。適切な処理チャンバ１００の一例はカリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアル社から入手可能なセンチュラハートエッチングシステム（商標名、ＣＥＮＴＵＲＡ ＨＡＲＴ）である。本願で開示の本発明の技法の１つ以上は、その他の処理チャンバを適合させても有益である。
処理チャンバ１００はチャンバ本体部１０２と内部容積１０６を封鎖する蓋部１０４を含む。チャンバ本体部１０２は、典型的には、アルミニウム、ステンレススチール又はその他の適切な材料から構成される。チャンバ本体部１０２は、通常、側壁１０８と底部１１０を含む。基板アクセスポート（図示せず）は、通常、側壁１０８に規定され、絞り弁により選択的に密閉することで処理チャンバ１００からの基板１４４の搬入と搬出を円滑にしている。外側ライナー１１６をチャンバ本体部１０２の側壁１０８上にコーティングしてもよい。外側ライナー１１６はプラズマ又はハロゲン含有耐ガス材料を用いて構成及び／又はコーティングしてもよい。一実施形態において、外側ライナー１１６は酸化アルミニウムから構成される。別の実施形態において、外側ライナー１１６はイットリウム、イットリム合金又はその酸化物を用いて構成又はコーティングされる。更に別の実施形態において、外側ライナー１１６はバルクＹ２Ｏ３から構成される。
排気ポート１２６はチャンバ本体部１０２内に規定され、内部容積１０６とポンプシステム１２８とを連結している。ポンプシステム１２８は、通常、処理チャンバ１００の内部容積１０６を排気し圧力を調節する１つ以上のポンプと絞り弁を含む。一実施形態において、ポンプシステム１２８は内部容積１０６内部の圧力を典型的には約１０ｍＴｏｒｒ〜約２０Ｔｏｒｒの動作圧力に維持する。
蓋部１０４はチャンバ本体部１０２の側壁１０８上に密閉的に支持される。蓋部１０４を開放して処理チャンバ１００の内部容積１０６へアクセス可能としてもよい。蓋部１０４は処理の光学的なモニタリングを円滑にする窓部１４２を含む。一実施形態において、窓部１４２は石英又は光学モニタシステム１４０が利用する信号を伝達可能なその他の適切な材料から構成される。適合させることで本発明が有益となる光学モニタシステムの１つはカリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアル社から入手可能なアイディー（商標名、ＥｙｅＤ）全帯域スペクトル干渉計測モジュールである。
処理チャンバ１００にはガスパネル１５８が連結され、処理及び／又は洗浄ガスを内部容積１０６に供給する。処理ガスの例にはＣ２Ｆ６、ＳＦ６、ＳｉＣｌ４、ＨＢｒ、ＮＦ３、ＣＦ４、Ｃｌ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４及びＳｉＦ４その他等のハロゲン含有ガス、及びＯ２又はＮ２Ｏ等のその他のガスが含まれる。キャリアガスの例にはＮ２、Ｈｅ、Ａｒ、処理に対して不活性なその他のガス及び非反応性ガスが含まれる。図１に図示の実施形態において、蓋部１０４には吸気口１３２’、１３２”が設けられているため、ガスをガスパネル１５８から処理チャンバ１００の内部容積１０６へと供給可能である。
ガス分布アセンブリ１３０は蓋部１０４の内側表面１１４に連結されている。ガス分布アセンブリ１３０は、通常、本発明の接合材１２２により結合された導電性ベース１９４（例えば、電極）とガス分布プレート１９６を含む。一実施形態において、導電性ベース１９４はアルミニウム、ステンレススチール又はその他の適切な材料から構成してもよい。ガス分布プレート１９６を炭化ケイ素、バルクイットリウム又はその酸化物等のセラミック材料から構成してハロゲン含有化学反応への耐性を付与してもよい。或いは、ガス分布プレート１９６をイットリウム又はその酸化物でコーティングしてガス分布アセンブリ１３０の寿命を延ばしてもよい。
接合材１２２を導電性ベース１９４の下面又はガス分布プレート１９６の上面に適用し、ガス分布プレート１９６を導電性ベース１９４に機械的に接合又はろう付けしてもよい。一実施形態において、接合材１２２はプラズマ処理中の腐食及び／又は損傷を防止するために選択した耐プラズマ材料である。接合材１２２により導電性ベース１９４とガス分布プレート１９６とをしっかりと接合させるに十分な接合エネルギーが供給される。接合材１２２により、更に、プラズマ処理中に加熱された際の、ガス分布プレート１９６と導電性ベース１９４との間の熱膨張における不整合から生じる剥離を防止するに十分な撓み性を提供するに足る熱伝導率が付与される。また、接合材１２２を、ガス分布アセンブリ１３０を組み立てる際に利用するその他の部品及び／又はコンポーネントを接合するために使用してもよい。
一実施形態において、接合材１２２は金属充填材を添加して耐プラズマ性を促進した熱伝導性ペースト、膠、ゲル又はパッドであってもよい。接合材は接着リング、接着ビーズ、又はその組み合わせの形態で界面に適用してもよい。ガス分布プレート１９６は基板１４４に面したガス分布プレート１９６の下面に形成された複数の開口部１３４を有する平坦な円盤であってもよい。開口部１３４により、プレナム（図示せず）を通ってガスが吸気口１３２（１３２’、１３２”として図示）から処理チャンバ１００の内部容積１０６へと所定の分布でもってチャンバ１００内で処理中の基板１４４表面全体に流入することが可能となる。
ガス分布アセンブリ１３０は、光学モニタシステム１４０により内部容積１０６及び／又は基板支持アセンブリ１４８上に位置された基板１４４を見ることを可能とするのに適した透過性の領域又は経路１３８を含んでいてもよい。経路１３８は経路１３８からのガス漏れを防止するための窓部１４２を含む。
基板支持アセンブリ１４８は処理チャンバ１００内の内部容積１０６内の、ガス分布アセンブリ１３０の下方に載置されている。基板支持アセンブリ１４８は処理中、基板１４４を保持する。基板支持アセンブリ１４８は、通常、アセンブリを貫通して配置された複数の昇降ピン（図示せず）を含み、昇降ピンは支持アセンブリ１４８から基板１４４を上昇させ、ロボット（図示せず）による慣用のやり方での基板１４４の交換を円滑にするようにと構成されている。内側ライナー１１８を基板支持アセンブリ１４８の周縁部にコーティングしてもよい。内側ライナー１１８は外側ライナー１１６と実質的に同様の材料であるハロゲン含有ガスガス耐性材料であってもよい。一実施形態において、内側ライナー１１８は外側ライナー１１６と同一材料から構成してもよい。
一実施形態において、基板支持アセンブリ１４８は取付プレート１６２と、ベース１６４と、静電チャック１６６とを含む。チャンバ本体部１０２の底部１１０に連結された取付プレート１６２は流体、電力線、センサリード線その他等のユーティリティをベース１６４とチャック１６６に通すための経路を含む。
ベース１６４又はチャック１６６の少なくとも１つは、少なくとも１つの任意の埋設ヒータ１７６と、少なくとも１つの任意の埋設アイソレータ１７４と、複数の導管１６８、１７０とを含み、支持アセンブリ１４８の横方向温度プロファイルを制御してもよい。導管１６８、１７０はそこを通して温度制御流体を循環させるところの流体供給源１７２に流体的に連結されている。ヒータ１７６は電源１７８により制御される。導管１６８、１７０及びヒータ１７６を用いてベース１６４の温度を制御することで、静電チャック１６６を加熱及び／又は冷却する。静電チャック１６６とベース１６４の温度は複数の温度センサ１９０、１９２を用いてモニタしてもよい。静電チャック１６６は溝等の複数のガス流路（図示せず）を更に含んでいてもよく、流路はチャック１６６の基板支持面に形成され、Ｈｅ等の熱伝導（又は背面）ガスの供給源に流体的に連結されている。作動中、背面ガスはガス流路へと制御された圧力で供給され、静電チャック１６６と基板１４４との間の熱伝導を向上させる。
静電チャック１６６は、チャック電源１８２を用いて制御される少なくとも１つのクランプ電極１８０を含む。電極１８０（又はチャック１６６又はベース１６４内に配置されたその他の電極）を更に１つ以上のＲＦ電源１８４、１８６に整合回路１８８を介して連結し、処理及び／又はその他のガスから形成されたプラズマを処理チャンバ１００内で維持してもよい。電源１８４、１８６は、通常、周波数約５０ｋＨｚ〜３ＧＨｚのＲＦ信号と約１００００ワットにのぼる電力を発生可能である。
ベース１６４は接合材１３６により静電チャック１６６に結合されており、接合材１３６はガス分布プレート１３０のガス分布プレート１９６を導電性ベース１９４に接合する際に利用する接合材１２２と実質的に同様である。上述したように、接合材１３６により静電チャック１６６とベース１６４との間の熱エネルギー交換が円滑となり、その間の熱膨張の不整合が補われる。一模範実施形態において、接合材１３６は静電チャック１６６とベース１６４とを機械的に接合する。また、接合材１３６をベース１６４の取付プレート１６２への接合等の、基板支持アセンブリ１４８を組み立てる際に利用するその他の部品及び／又はコンポーネントの接合に用いてもよい。
図２は第１表面２０２を第２表面２０６に接合する際に用いる接合材２０４の一実施形態の断面図を示す。表面２０２、２０６はガス分布アセンブリ１３０又は基板支持アセンブリ１４８、又はプラズマに露出されるその他のチャンバコンポーネント上に規定してもよい。一実施形態において、接合材２０４は、図１に示されるように、ガス分布アセンブリ１３０においてガス分布プレート１９６を導電性ベース１９４に接合する際に利用する接合材１２２であってもよい。別の実施形態において、接合材２０４は基板支持アセンブリ１４８においてベース１６４を静電チャック１６６に接合する際に利用する接合材１３６であってもよい。つまり、接合材２０４は接合材１２２又は１３６であってもよい。接合材２０４は、処理チャンバ１００等の半導体処理チャンバコンポーネントの組立に用いるその他の部品の接合に用いてもよい。
接合材２０４は金属充填材２０８を混合又は添加したベース材２１０を含む。一実施形態において、ベース材２１０はゲル、膠、パッド又はペースト状の接着材であってもよい。適切な接着材の例にはアクリル及びシリコーン系化合物が含まれるが、これに限定されるものではない。別の実施形態において、適切な例にはアクリル、ウレタン、ポリエステル、ポリカプロラクトン（ＰＣＬ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ＰＥＶＡ、ＰＢＭＡ、ＰＨＥＭＡ，ＰＥＶＡｃ、ＰＶＡｃ、ポリＮ−ビニルピロリドン、ポリ（エチレン−ビニルアルコール）、エポキシ、樹脂、ポリウレタン、プラスチック又はその他の重合体接着材が含まれる。金属充填材２０８とベース材２１０は遠心分離又はその他の適切なやり方で混合してもよい。
金属充填材２０８はベース材２１０内での懸濁が促進されるようなサイズを有する。一実施形態において、金属充填材の平均直径又は投影面積は約０．２μｍ〜２．５μｍである。金属充填材２０８とベース材２１０との混合比は、接合材２０４に良好な熱伝導性を付与するようなものを選択する。金属充填材２０８とベース材２１０との比は重量％で約１：２０〜約１：１、例えば約１：１０〜約１：２．５である。
金属充填材２０８はベース材２１０に均一又はランダムに懸濁させた粒子、粉末、又は薄片であってもよい。金属充填材２０８はＡｌ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｙ及びＺｒの少なくとも１つを含んでいてもよい。ベース材２１０に混合した金属充填材２０８は高いギブス自由エネルギーを有するためプラズマから形成されたハロゲン含有ガスと反応可能であり、これにより図３に図示されるようにＭＦｘ等のハロゲン系金属層３０２が形成され、ここでＭはＡｌ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｙ及びＺｒでありｘは１〜５の整数である。ハロゲン系金属層３０２は処理中のプラズマによる接合材２０４への更なる破壊を防止する不動態層として機能することから接合材２０４の表面耐食性が向上し、チャンバコンポーネントの耐用年数が延びる。ハロゲン系金属層３０２の形成は自己限定的な工程であるため、イオン衝撃により損傷を受けたりハロゲン含有プラズマへ再露出されると、接合材２０４はハロゲン系金属層３０２へと自己不動態化される。金属粉末がアルミニウム（Ａｌ）であり形成されたハロゲン含有ガスがＣＦ４である実施形態の場合、ハロゲン系金属層はＡｌＦ３層である。
一実施形態において、接合材２０４は第１基板２０２と第２基板２０６とをしっかりと接合するに十分であるとして選択された厚さを有する。接合材２０４の厚さは、一旦プラズマに露出された接合材２０４の表面上にハロゲン系金属層３０２を形成するに十分なものである。一実施形態において、接合材の厚さは約２２５μｍ〜約３５０μｍ等の約５０μｍ〜約５００μｍの間で選択する。別の実施形態において、接合材の厚さはガス分布プレート１３０の部品の組立に関しては約５０μｍ〜約５００μｍ、基板支持アセンブリ１４８の部品の組立に関しては約５０μｍ〜約４００μｍの間で選択する。接合材２０４により、厚さ約０．２μｍ〜約２μｍのハロゲン系金属層３０２がプラズマ処理中に形成される。
従って、半導体チャンバの部品を組み立てる際に利用し得る堅牢な接合材が得られる。堅牢な接合材はハロゲン含有プラズマへの露出時に自己不動態化層を形成することでその下の接合材の腐食を防止し、接合材及び／又はチャンバコンポーネントの寿命を延長するという点で有利である。
上記は本発明の実施形態についてのものであるが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく本発明のその他及び更に別の実施形態を考案することができ、本発明の範囲は特許請求の範囲に基づいて定められる。
一部が添付図面で図示されている実施形態を参照し、上記で簡単に概要を述べた本発明の更に具体的な説明を得ることで、本発明の上述した特徴が詳細に理解可能である。
本発明の接合材を用いた処理チャンバの一実施形態の断面図である。
本発明による接合材を用いて結合させた基板の一実施形態の断面図である。
その上に自己不動態化層を有する接合材の断面図である。
しかしながら、添付図面は本発明の模範的な実施形態を図示するに過ぎず、本発明はその他の同等に効果的な実施形態も認め得るため、本発明の範囲を制限すると解釈されないことに留意すべきである。
円滑な理解のために、可能な限り、図面間で共通する同一要素は同一の参照番号を用いて表した。一実施形態における要素と構成は、特に記載することなく別の実施形態にて便宜上利用する場合がある。
Claims (10)
- 第２表面に隣接して配置された第１表面と、
前記第１表面と第２表面とを連結する接合剤を含み、前記第１表面と第２表面の間の接合剤の一部は、プラズマプロセスの間、プラズマに露出して残留し、露出部はプラズマから供給されるハロゲン含有ガスと反応し、
前記接合剤は、
アクリル系化合物である接着材と、
前記接着材に添加された金属充填材を含み、前記金属充填材は、Ｍｇ、Ｔａ及びＺｒの少なくとも１つである半導体処理チャンバコンポーネント。 - プラズマから供給されたハロゲン含有ガスと反応した露出部は、その上に形成されたハロゲン系金属層を更に含む請求項１記載の半導体処理チャンバコンポーネント。
- 前記ハロゲン系金属層の化学式がＭＦｘであり、ＭがＭｇ、Ｔａ、及びＺｒから成る群から選択され、ｘが１〜５の整数である請求項２記載の半導体処理チャンバコンポーネント。
- 前記接着材がペースト、膠、ゲル又はパッド状である請求項１記載の半導体処理チャンバコンポーネント。
- 前記金属充填材は平均直径が０．２μｍ〜２．５μｍの粒子、薄片又は粉末を更に含む請求項１記載の半導体処理チャンバコンポーネント。
- 前記金属充填材の接着材に対する比が重量％で１：２０〜１：１である請求項１記載の半導体処理チャンバコンポーネント。
- 前記第１表面がガス分布アセンブリのベースであり、前記第２表面がガス分布プレートである請求項１記載の半導体処理チャンバコンポーネント。
- 前記第１表面が基板支持アセンブリのベースであり、前記第２表面が静電チャックである請求項１記載の半導体処理チャンバコンポーネント。
- 前記第１表面がセラミックであり、前記第２表面が金属である請求項１記載の半導体処理チャンバコンポーネント。
- 前記接合材が５０μｍ〜５００μｍの厚さを有する請求項１記載の半導体処理チャンバコンポーネント。
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