JP5660748B2 - 低温エアロゾル堆積方法及び物品 - Google Patents
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Description
（発明の分野）
本発明の実施形態は、一般に、半導体処理に係り、特に、半導体処理チャンバコンポーネントへの耐プラズマ層の低温エアロゾル堆積に関する。
本発明の実施形態は、一般に、半導体処理に係り、特に、半導体処理チャンバコンポーネントへの耐プラズマ層の低温エアロゾル堆積に関する。
（関連技術の説明）
半導体処理には、数多くの化学及び物理処理が含まれ、微細な集積回路が基板上に作成される。集積回路を作成する材料の層は、化学蒸着、物理蒸着、エピタキシャル成長等により作成される。材料層のいくつかは、フォトレジストマスク及びウェット又はドライエッチング技術を用いてパターン化される。集積回路を形成するのに利用される基板は、シリコン、ガリウム、砒素、リン化インジウム、ガラス又はその他適切な材料である。
半導体処理には、数多くの化学及び物理処理が含まれ、微細な集積回路が基板上に作成される。集積回路を作成する材料の層は、化学蒸着、物理蒸着、エピタキシャル成長等により作成される。材料層のいくつかは、フォトレジストマスク及びウェット又はドライエッチング技術を用いてパターン化される。集積回路を形成するのに利用される基板は、シリコン、ガリウム、砒素、リン化インジウム、ガラス又はその他適切な材料である。
代表的な半導体処理チャンバは、処理ゾーンを画定するチャンバ本体と、ガス供給部から処理ゾーンまでガスを供給するように適合されたガス分配アセンブリと、ガスエナジャイザ、例えば、処理ガスを励起して、基板サポートアセンブリに配置された基板を処理するのに用いるプラズマ発生器と、ガス排出口とを含む。プラズマ処理中、励起されたガスは、高腐食種を含むことが多く、処理チャンバコンポーネントの露出部品をエッチング及び腐食する。チャンバコンポーネントが腐食されると、コンポーネント部品の分解が早まる。腐蝕種による攻撃もまた、チャンバコンポーネントの寿命を短くする。更に、チャンバコンポーネントの腐食部品の薄片が、基板処理中、微粒子汚染源となる恐れがある。従って、チャンバコンポーネントのプラズマ耐食性を促進することが、処理チャンバの耐用年数を延ばし、チャンバダウンタイムを減じ、保守頻度を減じ、基板収率を改善するのに望ましい。
従来から、処理チャンバ表面を陽極酸化して、腐蝕性の処理環境からある程度の保護を与えている。或いは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の誘電性及び／又はセラミック層をコンポーネント表面にコート及び／又は形成して、チャンバコンポーネントの表面保護を促進している。保護層をコートするのに利用される幾つかの従来の方法としては、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、スパッタリング、プラズマスプレーコーティング、エアロゾル堆積（ＡＤ）等が挙げられる。従来のコーティング技術は、一般的に、かなりの高温を用いて、十分な熱エネルギーを与えて、所望量の材料をコンポーネント表面にスパッタ、堆積または噴出させる。しかしながら、高温処理だと、コートされた表面の微細構造の表面特性を低下させたり、悪い方向に変性させる恐れがあり、その結果、高温により、均一性に乏しい且つ／又は表面クラックを有するコート層となる。更に、コート層又は下にある表面が微小クラックを有していたり、コーティングが均一に適用されていない場合には、コンポーネント表面が経時により劣化して、最終的に下にあるコンポーネント表面が腐食性のプラズマ攻撃に晒される。
従って、チャンバコンポーネントの表面に強固な耐プラズマ層をコーティング及び／又は形成する改善された方法が必要とされている。
従って、チャンバコンポーネントの表面に強固な耐プラズマ層をコーティング及び／又は形成する改善された方法が必要とされている。
本発明の実施形態は、半導体チャンバコンポーネント／部品への耐プラズマ層の低温エアロゾル堆積方法を提供する。一実施形態において、低温エアロゾル堆積方法は、エアロゾル発生器において微粒子のエアロゾルを形成する工程と、発生器から処理チャンバへ基板表面に向かってエアロゾルを分配する工程と、基板温度を摂氏約０度〜摂氏５０度の間に維持する工程と、エアロゾル中の材料から基板表面に層を堆積する工程とを含む。
他の実施形態において、低温エアロゾル堆積方法は、エアロゾル発生器において微粒子のエアロゾルを形成する工程と、発生器から処理チャンバへ基板表面に向かってエアロゾルを分配する工程と、基板温度を摂氏約０度〜摂氏５０度の間に維持する工程と、基板表面に希土類金属含有層を堆積する工程とを含む。
更に他の実施形態において、低温エアロゾル堆積方法は、エアロゾル発生器から直径が２μｍ未満の微粒子のエアロゾルを形成する工程と、発生器から処理チャンバへ基板表面に向かってエアロゾルを分配する工程と、基板温度を摂氏約０度〜摂氏５０度の間に維持する工程と、基板表面に希土類金属含有層を堆積する工程とを含む。
図１は、本発明によるエアロゾル堆積（ＡＤ）処理を実施するのに用いる装置１００の一実施形態の断面図である。本発明のエアロゾル堆積（ＡＤ）処理は耐プラズマ層を形成し、これを用いてプラズマ処理に晒される表面を有利に保護することができる。本装置１００は、上部１３０、底部１２６及び側壁１４２を有する処理チャンバ１２２を含み、処理チャンバ１２２の内部容積において処理領域１２４を画定している。ステージ１０４が、処理中に基板１３２を保持する基板ホルダー１０２に対して、処理チャンバ１２２の上部１３０に配置されている。ステージ１０４は、Ｘ、Ｙ及びＺ軸に沿ってホルダー１０２を動かすように構成されている。このように、ステージ１０４は、Ｘ、Ｙ及びＺ軸に沿って、配置された基板１３２を動かす。メカニカルブースタポンプ１１６及びロータリポンプ１１８が、処理チャンバ１２２の側壁１４２に形成されたポートを通して処理領域１２４に接続されていて、処理中、真空圧を維持する。
エアロゾル発生器１１０は、搬送管１２８により処理チャンバ１２２の底部１２６を通して処理チャンバ１２２に接続されている。搬送管１２８は、処理チャンバ底部１２６を通って処理領域１２４まで延在している。噴射ノズル１０６が、搬送管１２８の端部１３４に配置されていて、基板１３２の表面１４０に対するエアロゾルの噴射を促す。多数のノズルを用いて、表面１４０に対するエアロゾルの分配を適宜補助してもよい。多数のノズルを用いる実施形態において、共通又は別個の搬送管により、ノズルが発生器に接続されていてもよい。ノズルは、異なる角度でエアロゾルを基板１３２に向けるものと考えられる。
フィルタ１１２を、処理チャンバ１２２とエアロゾル発生器１１０の間に任意で配置して、エアロゾル発生器１１０により発生するエアロゾルの粒子サイズを制御するのを補助してもよい。
原材料１０８をエアロゾル発生器１１０に入れる。エアロゾルが原材料１０８から発生し、ノズル１０６を通して処理領域１２４へ分配される。エアロゾルを用いて基板１３２に耐プラズマ層を形成する。一実施形態において、原材料１０８はセラミック微粒子、金属微粒子又は複合体微粒子であってもよい。他の実施形態において、原材料１０８の平均直径は、約０．０５μｍ〜約３μｍ、例えば、２μｍ未満であってよい。更に他の実施形態において、原材料１０８は腐蝕性のあるプラズマ対する耐性を与える希土類材料及び／又は希土類酸化物であってよい。典型的な実施形態において、原材料１０８は超微粒イットリウム含有粒子であってよい。例えば、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粒子、バルクイットリウム（Ｙ）粒子又はイットリウム（Ｙ）合金が挙げられ、平均直径は約０．０５μｍ〜約３μｍ、例えば、２μｍ未満、１μｍ等である。更に他の実施形態において、原材料１０８は金属粒子と混合された超微粒イットリウム含有粒子であってよい。好適な金属粒子としては、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）等が挙げられる。イットリウム含有粒子から作成されたコーティングは、腐蝕性のあるプラズマ環境で処理される間、プラズマに対する良好な抵抗性を有する。本発明の図示した実施形態において、原材料１０８は平均直径が２μｍ未満、例えば、０．５μｍ未満の超微粒イットリウム含有粒子である。
ガスシリンダ１１４及びマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１２０が、分配ライン１３６を通してエアロゾル発生器１１０に連続して接続されている。ガスシリンダ１１４が、エアロゾル形態の所望量の原材料１０８を処理チャンバ１２２へ噴出できる十分に高い圧力を有するキャリアガスを提供する。ガスシリンダ１１４からの高いキャリアガス圧力が、同伴原材料１０８を有する原材料ジェット気流１３８を形成する。これが、基板表面１４０に向かって分配される。ジェット気流１３８中の原材料１０８は、基板表面１４０に耐プラズマ保護コーティング層を形成する。気流１３８のフロー及び／又は速度は、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）１２０、キャリアガス圧力、或いはノズル１０６の形状及び／又は開口径により制御してもよい。一実施形態において、ガスシリンダにより提供されるキャリアガスは、特に、窒素ガス（Ｎ２）、水素ガス（Ｈ２）、酸素ガス（Ｏ２）、フッ素ガス（Ｆ２）、及びアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）等の不活性ガスのうち少なくとも１つであってよい。
動作中、原材料１０８、例えば、平均直径が０．５μｍ未満のイットリウム含有粒子が、耐プラズマ層堆積の源として、エアロゾル発生器１１０に入れられる。ガスシリンダ１１４からキャリアガスがエアロゾル発生器１１０へ供給され、原材料１０８からエアロゾルが形成される。ガスシリンダ１１４からのキャリアガスの圧力及び噴射速度を制御し、十分な運動エネルギー及び運動量を与えて、原材料１０８の粒子を処理チャンバ１２２へと加速する。更に、原材料１０８の圧力及び噴射速度は十分な運動エネルギー及び運動量を有しており、下にあるバルク基板材料を悪い方向に損傷することなく、原材料１０８の粒子の基板表面１４０へのボンディング接着を促す。一実施形態において、キャリアガスの圧力を、約１０Ｐａ〜約５０Ｐａの間に維持し、キャリアガスの噴射速度は１秒当たり約２５０メートル（ｍ／ｓ）〜１秒当たり約１７５０メートル（ｍ／ｓ）の間で制御される。原材料１０８により形成されたエアロゾルは、続いて、処理チャンバ１２２へ供給される。
一実施形態において、処理チャンバ１２２の圧力を、エアロゾル発生器１１０の圧力より低い圧力に維持して、原材料１０８がそこから噴射されるのを促してもよい。一実施形態において、処理チャンバ１２２の圧力は約２トル〜約１０トルの間に維持され、エアロゾル発生器１１０の圧力は約１０Ｐａ〜約５０Ｐａの間に維持される。或いは、処理チャンバ１２２とエアロゾル発生器１１０の間の圧力差を、約１０Ｐａ〜約１００Ｐａの間、例えば、約２５Ｐａ〜約７５Ｐａの範囲で制御して、超微粒イットリウム含有粒子１０８のエアロゾルフローを促してもよい。
原材料１０８のエアロゾルは、十分なエネルギーにより基板表面１４０に影響を与えて、基板表面１４０に汚染物質や不純物が存在する場合にはこれらを除去する。原材料１０８と基板表面１４０の間の衝突によって、相互の衝突の結果、基板表面１４０が活性化される。続いて、原材料１０８の粒子が基板表面１４０に衝突して、そこに強固にボンドされて、基板表面１４０に耐プラズマ層をコーティング且つ／又は堆積する。
基板ホルダー１０２に配置された基板１３２は、近接する環境と実質的に同様の低温に維持されて、処理中の温度変動を防ぐ。一実施形態において、基板１３２は近接する環境と実質的に同様の室温に維持される。他の実施形態において、基板１３２は摂氏約０度〜摂氏約５０度の間、摂氏約１０度〜摂氏約４０度の間等、例えば、摂氏約２５度の温度に維持される。基板１３２の一定した低処理温度によって、堆積中、基板１３２が過剰の温度変動、熱衝撃及び／又は膨張を受けるのを防ぎ、それによって、コーティングと下にある表面の間に生じる応力が最小になる。一定した低処理温度によって、基板表面１４０の微細構造及び表面粗さが熱損傷から保護される。これによって、均一で一定した基板表面状態が与えられ、強固で長持ちする保護層となる。
原材料１０８の基板１３２への分配は、耐プラズマ層が所望の厚さに達するまで維持される。一実施形態において、耐プラズマ層の厚さは約１μｍ〜約５００μｍである。
原材料１０８の基板１３２への分配は、耐プラズマ層が所望の厚さに達するまで維持される。一実施形態において、耐プラズマ層の厚さは約１μｍ〜約５００μｍである。
図２に、図１で説明した装置１００又はその他好適な装置を用いてエアロゾル堆積処理により適用された基板１３２上の耐プラズマ層２０２コーティングの一実施形態の断面図を示す。基板１３２は半導体処理チャンバの何れのコンポーネントであってもよい。一実施形態において、コンポーネント（例えば、基板１３２）は、基板サポートアセンブリ、静電チャック、ガス分散板、シールド、処理リング、レチクルホルダー、チャンバ蓋、ガスノズル、バッフル、ポンピングチャネル、チャンバライナ及び／又は壁等である。基板１３２の一部をマスクして、保護層２０２が基板１３２の選択した位置だけに形成されるようにしてもよい。
エアロゾル堆積により堆積した耐プラズマ層２０２は、エアロゾル発生器１１０から噴射された原材料１０８で構成されたセラミック層であってもよい。一実施形態において、耐プラズマ層２０２は希土類金属含有材料である。例えば、希土類金属はイットリウム（Ｙ）であってよい。他の実施形態において、耐プラズマ層２０２はイットリウム含有材料、例えば、バルクイットリウム、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、イットリウム合金、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）またはこれらの誘導体である。更に他の実施形態において、耐プラズマ層２０２は、約９８重量パーセント〜約９９．９重量パーセント、例えば、９９．５重量パーセントを超えるイットリウム含有材料の純度を有している。他の実施形態において、耐プラズマ層２０２の空隙率は約０．００１ｇ／ｍ３〜約０．０１ｇ／ｃｍ３である。
或いは、耐プラズマ層２０２は金属と混合されたＹ２Ｏ３を含んでいてもよい。金属としては、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）等が挙げられる。更なる実施形態において、耐プラズマ層２０２はドープＹ２Ｏ３を含んでいてもよい。
エアロゾル堆積中、原材料１０８の一部を基板表面１４０に埋め込んで、基板表面１４０と耐プラズマ層２０２の間の界面にボンディング層２０４を形成してもよい。強固なボンディング層２０４は、プラズマ処理中、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）耐プラズマ層のクラッキング、ピーリングオフまたはストリッピングオフを防ぐ。一実施形態において、ボンディング層２０４は原材料１０８の合金であっても、基板コンポーネントの材料であってもよい。或いは、ボンディング層２０４は基板１３２の材料と原材料１０８の混合物であってもよい。イットリウム含有材料を原材料として用いる実施形態において、ボンディング層２０４はイットリウムドープ界面層であってもよい。一実施形態において、ボンディング層２０４の厚さは約０．０１μｍ〜約０．２μｍである。基板表面１４０に堆積した耐プラズマ層２０２の厚さは、約１μｍ〜約５００μｍ、例えば、約１μｍ〜約１００μｍ、約２μｍ〜約３０μｍ等である。
原材料１０８から作成された耐プラズマ層２０２は、基板表面１４０にプラズマ耐食性コーティングを提供する。これを用いて、半導体チャンバのコンポーネント及び／又は部品の露出面を腐蝕性プラズマ及び／又は処理ガスから保護する。一実施形態において、耐プラズマ層２０２は、高純度の酸化イットリウム層（Ｙ２Ｏ３）で、酸化イットリウム層（Ｙ２Ｏ３）中に存在する不純物によるチャンバ汚染を最小にする。これによって、プラズマ処理中に、半導体処理チャンバへ微粒子が放出される可能性が排除される。酸化イットリウム層（Ｙ２Ｏ３）の純度は、少なくとも約９０体積パーセントの酸化イットリウム、例えば、少なくとも９９体積パーセントの酸化イットリウムであり、密度は少なくとも約４．３ｇ／ｃｍ３である。
酸化イットリウム層（Ｙ２Ｏ３）はまた硬度も高く、プラズマ処理中の腐食及び／又は侵食に耐える。一実施形態において、酸化イットリウム層（Ｙ２Ｏ３）は約３ＧＰａ〜約１１ＧＰａの硬度（ビッカース５Ｋｇｆ）を提供する。更に、酸化イットリウム層（Ｙ２Ｏ３）の表面粗さは約２μ−インチ〜４００μ−インチ、例えば、約１６μ−インチであり、吸水度は約０．０２パーセント未満である。
原材料１０８が、平均直径が２μｍ未満、例えば、約０．５μｍ未満の粒子を提供すると、得られる堆積した耐プラズマ層２０２の粒径は、約０．０１μｍ〜約５μｍ、約０．０１μｍ〜約１μｍ、例えば、約０．０１μｍ〜約０．５μｍ、約０．１μｍ未満等と小さくなる。耐プラズマ層２０２の粒径が小さいと、プラズマ攻撃下にありながら、粒子生成が実質的に排除される。同様に、粒径が小さいと、緻密で稠密なフィルム構造が与えられて、耐フィルム特性が向上する。一実施形態において、酸化イットリウム耐プラズマ層２０２の平均結晶粒径は約０．１μｍ未満である。
このように、耐プラズマ層の半導体チャンバコンポーネント／部品への低温エアロゾル堆積方法が提供される。低温エアロゾル堆積によって、耐プラズマ層を安定した低温でコンポーネントに堆積させることができる。これによって、均一性が向上し、コーティング応力が減じ、チャンバコンポーネントが腐蝕性プラズマ環境から保護されて、チャンバコンポーネントの寿命が延びる。
前述したのは本発明の実施形態に係るものであるが、本発明のその他又は更なる実施形態はその基本的な範囲から逸脱することなく考案してよく、その範囲は特許請求の範囲に基づいて定められる。
本発明の上述した特徴が詳細に理解できるよう、上に簡単にまとめた本発明を、実施形態を参照してより具体的に説明する。そのうちいくつかは添付図面に示されている。
しかしながら、添付図面は本発明の代表的な実施形態を例示するだけであり、その範囲を制限するものとは考えられず、本発明は他の同様に有効な実施形態も認められることに留意すべきである。
理解を促すために、図面で共通する同一構成要素を示すのに、可能な場合は、同一の参照番号を用いている。一実施形態の要素は、特に挙げていないが、他の実施形態にも有利に利用されるものと考えられる。
Claims (14)
- エアロゾル発生器において微粒子のエアロゾルを形成する工程と、
前記エアロゾル発生器から処理チャンバ内の基板材料を含む基板の表面に向かって前記エアロゾルを噴出する工程と、
前記処理チャンバ内の前記基板の温度を摂氏０度〜摂氏５０度の間に維持し、前記エアロゾル発生器から前記処理チャンバ内の前記基板に向かって前記エアロゾルを噴出することによって、前記基板の表面内に前記微粒子を埋め込み、前記微粒子と前記基板材料の合金層を含んだボンディング層を形成すると共に、前記微粒子からなる耐プラズマ層を堆積する工程とを含む半導体処理チャンバコンポーネントへの低温エアロゾル堆積方法。 - 前記微粒子が希土類金属を含む請求項１記載の方法。
- 前記微粒子の直径が０．０５μｍ〜３μｍである請求項１記載の方法。
- 前記微粒子のエアロゾルを形成する工程が、
Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ、Ｏ２、Ｎ２及びＨ２のうち少なくとも１つを含むキャリアガスを前記エアロゾル発生器に提供する工程を含む請求項１記載の方法。 - 前記キャリアガスを提供する工程が、
前記エアロゾル発生器中の前記キャリアガスの圧力を１０Ｐａ〜５０Ｐａに維持する工程を含む請求項４記載の方法。 - 前記基板表面に堆積した層の厚さが、１μｍ〜１００μｍである請求項１記載の方法。
- 前記基板表面に堆積した層の粒径が、０．０１μｍ〜１μｍである請求項１記載の方法。
- 前記ボンディング層の厚さが０．０１μｍ〜０．２μｍである請求項１記載の方法。
- 前記微粒子の直径が２μｍ未満である請求項１又は８記載の方法。
- エアロゾル発生器において直径が２μｍ未満の希土類金属含有材料からなる微粒子のエアロゾルを形成する工程と、
前記エアロゾル発生器から処理チャンバ内の基板材料を含む基板の表面に向かって前記エアロゾルを噴出する工程と、
前記処理チャンバ内の前記基板の温度を摂氏０度〜摂氏５０度の間に維持し、前記エアロゾル発生器から前記処理チャンバ内の前記基板に向かって前記エアロゾルを噴出することによって、前記基板の表面内に前記微粒子を埋め込み、前記希土類金属含有材料と前記基板材料の合金層を含んだボンディング層を形成すると共に、前記希土類金属含有材からなる耐プラズマ層を堆積する工程とを含む半導体チャンバコンポーネントへの低温エアロゾル堆積方法。 - 前記微粒子はイットリウム含有材料である請求項１又は１０記載の方法。
- 前記イットリウム含有材料が、バルクイットリウム、イットリウム合金、又は金属と混合された酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）のうち少なくとも１つを含む請求項１１記載の方法。
- 前記金属がアルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔ）又はタンタル（Ｔａ）のうち少なくとも１つである請求項１２記載の方法。
- 耐プラズマ層を有する半導体処理チャンバで用いられる物品であって、
前記耐プラズマ層は、
エアロゾル発生器において微粒子のエアロゾルを形成する工程と、
前記エアロゾル発生器から処理チャンバ内の基板材料を含む基板の表面に向かって前記エアロゾルを噴出する工程と、
前記処理チャンバ内の前記基板の温度を摂氏０度〜摂氏５０度の間に維持し、前記エアロゾル発生器から前記処理チャンバ内の前記基板に向かって前記エアロゾルを噴出することによって、前記基板の表面内に前記微粒子を埋め込み、前記微粒子と前記基板材料の合金層を含んだボンディング層を形成すると共に、前記微粒子からなる耐プラズマ層を堆積する工程により形成される物品。
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