JP6002672B2 - チャンバコンポーネントを接合するために使用される接着材料 - Google Patents

Description

発明の背景

（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関しており、より具体的には、半導体処理チャンバコンポーネントを接合するのに適した接着材料に関する。

（関連技術の説明）
半導体処理には、多くの異なる化学的及び物理的処理が含まれ、これによって微細な集積回路が基板上に作られる。集積回路を構成する材料の層は、化学蒸着、物理蒸着、エピタキシャル成長等によって作られる。材料の層のいくつかは、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ニングされる。集積回路を形成するために利用される基板は、シリコン、ガリウムヒ素、リン化インジウム、ガラス、又は任意の他の好適な材料が可能である。

典型的な半導体処理チャンバは、多数のコンポーネントを有する場合がある。いくつかのコンポーネントは、処理ゾーンを画定するチャンバ本体と、処理ゾーン内にガス供給部から処理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、処理ゾーン内で処理ガスを励起するために利用されるガス励起装置（例えば、プラズマ発生器）と、基板支持アセンブリと、ガス排気装置を含む。いくつかのコンポーネントは、部品の組立体で構成することができる。例えば、シャワーヘッドアセンブリは、セラミックス製ガス分配板に接着接合された導電性ベースプレートを含むことができる。部品の有効的な接合は、適切な接着剤及び優れた接合技術が要求され、これによって熱膨張の不一致を補償し、いかなる界面欠陥をも逆に作成することなく、部品が互いにしっかりと付くことを保証する。

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ために利用される強固な接着材料が必要とされている。

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接合に適した強固な接着材料を提供する。一実施形態では、半導体チャンバコンポーネントの接合に適した接着材料は、ヤング率が３００ｐｓｉよりも低い接着材料を含む。

別の一実施形態では、半導体チャンバコンポーネントは、第２の表面に隣接して配置された第１の表面と、第１の表面を第２の表面に接合する接着材料であって、接着材料はヤング率が３００ｐｓｉよりも低い接着材料を含む。

更に別の一実施形態では、半導体処理チャンバコンポーネントを接合するための方法は、第１のコンポーネントの表面上に、ヤング率が３００ｐｓｉよりも低い接着材料を塗布する工程と、第１のコンポーネントの表面に接着材料との接触を介して第２のコンポーネントを接合する工程と、第１及び第２のコンポーネントを接合する接着剤層を熱処理する工程を含む。

本発明の上述した構成を詳細に理解することができるように、上記に簡単に要約した本発明のより具体的な説明を、実施形態を参照して行う。実施形態のいくつかは添付図面に示されている。
本発明に係る接合材料を用いた処理チャンバの一実施形態の断面図を示す。 本発明に係る接着材料によって接合される基板の一実施形態の断面図を示す。 本発明に係る接着材料の穴あきシートによって接合される基板の一実施形態の分解断面図を示す。

しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態を示しているに過ぎず、従って、この範囲を制限していると解釈されるべきではなく、本発明は他の等しく有効な実施形態を含み得ることに留意すべきである。

理解を促進するために、図面に共通する同一の要素を示す際には可能な限り同一の参照番号を使用している。一実施形態の要素を更なる説明なしに他の実施形態に有利に使用してもよいと理解される。

詳細な説明

本発明の実施形態は、本発明の接着材料によって接合される半導体処理チャンバ内で使用される部品や処理チャンバコンポーネントを接合するための強固な接着材料及びそれらの部品やコンポーネントの製造方法を提供する。一実施形態では、強固な接合材料は、ガス分配アセンブリ又は半導体処理チャンバの他の異なるアセンブリ内の接合部に対して良好な接合界面を提供するような、特定の所望の接着材料特性を有するシリコーン系材料である。接着材料は、過酷なプラズマエッチング環境内等で利用されるコンポーネント間で強固な接合を提供するように、所望の範囲の熱膨張係数、熱応力、伸び、及び熱伝導率を有する。

図１は、本発明に係る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。好適な処理チャンバ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ズ社（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．）から入手可能な、ＣＥＮＴＵＲＡ（商標名） ＥＮＡＢＬＥＲ（商標名）エッチングシステムが可能である。なお、本明細書に開示される本発明の技法の１以上から恩恵を受けるように、他の処理チャンバを使用可能であることが理解される。

処理チャンバ１００は、内部容積１０６を囲むチャンバ本体１０２及び蓋１０４を含む。チャンバ本体１０２は、典型的には、アルミニウム、ステンレス鋼又は他の好適な材料から作られる。チャンバ本体１０２は、一般的に側壁１０８及び底部１１０を含む。基板アクセスポート（図示せず）は、一般的に側壁１０８内に画定されており、スリットバルブによって選択的に封止され、これによって処理チャンバ１００からの基板１４４の出し入れを促進する。チャンバ本体１０２の側壁１０８に接して、外側ライナ１１６を配置することができる。プラズマ又はハロゲン含有ガスに耐性のある材料で、外側ライナ１１６を製造する及び／又はコーティングすることができる。一実施形態では、外側ライナ１１６は、酸化アルミニウムから製造される。別の一実施形態では、外側ライナ１１６は、イットリウム、イットリウム合金又はそれらの酸化物から製造される又はコーティングされる。更に別の一実施形態では、外側ライナ１１６は、バルクＹ_２Ｏ_３から製造される。

排気口１２６は、チャンバ本体１０２内に画定され、内部容積１０６をポンプシステム１２８に結合する。ポンプシステム１２８は、一般的に処理チャンバ１００の内部容積１０６の圧力を排気して調節するために利用される１以上のポンプ及びスロットルバルブを含む。一実施形態では、ポンプシステム１２８は、典型的に約１０ｍＴｏｒｒ〜約２０Ｔｏｒｒの動作圧力で内部容積１０６内の圧力を維持する。

蓋１０４は、チャンバ本体１０２の側壁１０８上で密閉して支持される。蓋１０４は、処理チャンバ１００の内部容積１０６への過剰量を許容するために開くことができる。蓋１０４は、オプションとして、光処理監視を促進する窓１４２を含むことができる。一実施形態では、窓１４２は、光監視システム１４０によって利用される信号を透過する石英又は他の好適な材料から構成される。本発明から利益を得るように利用可能な１つの光監視システムは、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ＥｙｅＤ（商標名）フルスペクトル干渉計測モジュールである。

ガスパネル１５８は処理チャンバ１００に結合され、これによって内部容積１０６へ処理ガス及び／又はクリーニングガスを供給する。処理ガスの例としては、ハロゲン含有ガス（特に、Ｃ_２Ｆ_６、ＳＦ_６、ＳｉＣｌ_４、ＨＢｒ、ＮＦ_３、ＣＦ_４、Ｃｌ_２、ＣＨＦ_３、ＣＦ_４、ＳｉＦ_４など）、及び他のガス（Ｏ_２又はＮ_２Ｏなど）を含むことができる。キャリアガスの例としては、Ｎ_２、Ｈｅ、Ａｒ、処理に対して不活性な他のガス、及び非反応性ガスを含む。図１に示される実施形態では、入口ポート１３２’、１３２’’（総称してポート１３２）が蓋１０４内に提供され、これによってガスパネル１５８からガス分配アセンブリ１３０を介して処理チャンバ１００の内部容積１０６へとガスを送出することができる。

ガス分配アセンブリ１３０は、蓋１０４の内面１１４に結合されている。ガス分配アセンブリ１３０は、導電性ベースプレート１９６に結合されたガス分配板１９４を含む。導電性ベースプレート１９６は、ＲＦ電極として機能することができる。一実施形態では、導電性ベースプレート１９６は、アルミニウム、ステンレス鋼、又は他の好適な材料で作ることができる。ガス分配板１９４は、ハロゲン含有化学物質に対する耐性を提供するために、セラミックス材料（例えば、炭化ケイ素、バルクイットリウム、又はその酸化物）から作ることができる。あるいはまた、ガス分配板１９４は、ガス分配アセンブリ１３０の寿命を延ばすために、イットリウム又はその酸化物でコーティングしてもよい。

導電性ベースプレート１９６は、本発明に係る接着材料１２２によって、ガス分配板１９４に接合されている。接着材料１２２は、導電性ベースプレート１９６の下面又はガス分配板１９４の上面に塗布され、これによってガス分配板１９４を導電性ベースプレート１９６に機械的に接合することができる。一実施形態では、接着材料１２２は、ガス分配板１９４と導電性ベースプレート１９６との間に強固な接合界面を提供する、特定の所望の特性を有するシリコーン系材料である。接着材料１２２は、導電性ベースプレート１９６とガス分配板１９４を確実に接合するのに十分な接合エネルギーを提供する。接合材料１２２は更に、プラズマ処理中に加熱したときに、ガス分配板１９４と導電性ベースプレート１９６との間の熱膨張の不整合に起因する層間剥離を防止するのに十分に対応して、ガス分配板１９４と導電性ベースプレート１９６との間に良好な熱伝達を提供するのに十分な熱伝導性も提供する。接着材料１２２はまた、ガス分配アセンブリ１３０を組み立てるために利用される他の部品及び／又はコンポーネントを接合するためにも使用可能であることが理解される。一実施形態では、接着材料１２２の層は、必要に応じて、複数の接着リング及び／又は複数の接着ビード（玉縁）又は溝を含み、これによってガス分配板１９４を通してガス送出の独立したゾーンを分離する。

一実施形態では、接着材料１２２は、図２を参照して更に後述する接合コンポーネント間の接合エネルギーを促進するために選択された所望の特性を有する、熱伝導性ペースト、接着剤、ゲル、又はパッドであることができる。接着材料は、接着リング、接着ビード、又はそれらの組み合わせの形態の界面に塗布することができる。ガス分配板１９４は、基板１４４に向かって面するガス分配板１９４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ることができる。ガス分配板１９４の開口部１３４は、導電性ベースプレート１９６を貫通して形成された対応する開口部１５４と整列しており、これによって入口ポート１３２（１３２’、１３２’’として図示される）から１以上のプレナム（１２７、１２９として図示される）を通って処理チャンバ１００の内部容積１０６内へと、チャンバ１００内で処理されている基板１４４の表面全域に亘って所定の分布でガスを流すことができる。

ガス分配アセンブリ１３０は、蓋１０４と導電性ベースプレート１９６との間に配置され、内側プレナム１２７と外側プレナム１２９を画定する仕切り１２５を含むことができる。ガス分配アセンブリ１３０内に形成された内側プレナム１２７及び外側プレナム１２９は、ガスパネルから供給されるガスがガス分配板１９４を通過する前に混合するのを防止することを助けることができる。仕切り１２５が使用される場合、対応する接着層１２２が、ガス分配板１９４と導電性ベースプレート１９６との間に配置され、これによってガス分配板１９４を通過して内部容積１０６に入る前に、各入口ポート１３２’、１３２’’から供給されるガスを隔離する。更に、ガス分配アセンブリ１３０は、光監視システム１４０が内部容積１０６及び／又は基板支持アセンブリ１４８上に配置された基板１４４を見ることができるように透過した領域又は適した通路１３８を更に含むことができる。通路１３８は、通路１３８からガス漏れを防止するための窓１４２を含む。

基板支持アセンブリ１４８は、ガス分配アセンブリ１３０の下方の処理チャンバ１００の内部容積１０６内に配置されている。基板支持アセンブリ１４８は、処理中に基板１４４を保持する。基板支持アセンブリ１４８は、一般的に支持アセンブリ１４８から基板１４４を持ち上げ、従来の方法でロボット（図示せず）による基板１４４の交換を促進するように構成される貫通配置された複数のリフトピン（図示せず）を含む。内側ライナ１１８は、基板支持アセンブリ１４８の周囲にコーティングしてもよい。内側ライナ１１８は、外側ライナ１１６用に用いる材料と実質的に同様のハロゲン含有ガスに耐性のある材料であってもよい。一実施形態では、内側ライナ１１８は、外側ライナ１１６と同じ材料から作ることができる。内側ライナ１１８は、温度を調節するために流体源１２４から供給される熱伝導流体を通す内部導管１２０を含むことができる。

一実施形態では、基板支持アセンブリ１４８は、取付板１６２、ベース１６４、及び静電チャック１６６を含む。取付板１６２は、チャンバ本体１０２の底部１１０に結合され、ベース１６４及びチャック１６６へユーティリティ（特に、流体、電力線、及びセンサのリード線等）をルーティングするための通路を含む。

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つのオプションの組込ヒーター１７６、少なくとも１つのオプションの組込アイソレータ１７４、及び複数の導管１６８、１７０を含み、これによって支持アセンブリ１４８の横方向の温度プロファイルを制御することができる。導管１６８、１７０は、温度調節流体を循環させる流体源１７２に流体結合される。ヒーター１７６は、電源１７８によって調節される。導管１６８、１７０、及びヒーター１７６は、ベース１６４の温度を制御するために利用され、これによって静電チャック１６６を加熱及び／又は冷却する。静電チャック１６６及びベース１６４の温度は、複数の温度センサ１９０、１９２を用いて監視することができる。静電チャック１６６は、更に、例えば、静電チャック１６６の基板支持面内に形成され、熱伝達（又は裏面）ガス（Ｈｅなど）の供給源に流体結合された複数の通路（溝など、図示せず）を更に含むことができる。動作時には、裏面ガスが圧力を制御してガス通路内に供給され、これによって静電チャック１６６と基板１４４との間の熱伝達を高める。

静電チャック１６６は、チャッキング電源１８２を使用し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内に配置された他の電極）は、処理チャンバ１００内で処理ガス及び／又は他のガスから形成されたプラズマを維持するために、整合回路１８８を介して１以上のＲＦ電源１８４、１８６に更に結合することができる。電源１８４、１８６は、一般的に約５０ｋＨｚ〜約３ＧＨｚの周波数と、約１０，０００ワットまでの電力を有するＲＦ信号を生成することができる。

ベース１６４は、ガス分配アセンブリ１３０内でガス分配板１９４と導電性ベース１９６を接合するために利用される接合材料１２２と実質的に類似又は同一であるかもしれない接合材料１３６によって静電チャック１６６に固定されている。上述したように、接合材料１３６は、静電チャック１６６とベース１６４との間の熱エネルギー交換を促進し、それらの間の熱膨張の不整合を補償する。例示的な一実施形態では、接合材料１３６は、静電チャック１６６をベース１６４に機械的に接合する。なお、接合材料１３６はまた、基板支持アセンブリ１４８を組み立てるために利用される他の部品及び／又はコンポーネントを接合する（例えば、ベース１６４を取付板１６２に接合する）のに使用可能であることが理解される。

図２は、第１の表面２０４を第２の表面２０６に接合するために使用される接着材料１２２（又は材料１３６）の一実施形態の断面図を示す。表面２０４、２０６は、必要に応じて、ガス分配アセンブリ１３０内に形成されたガス分配板１９４及び導電性ベースプレート１９６の表面に、基板支持アセンブリ１４８内で使用される他のコンポーネントの表面に、又は他のチャンバコンポーネントの表面に画定されることができる。一実施形態では、接着材料１２２は、図１に示されるように、ガス分配アセンブリ１３０内で導電性ベースプレート１９６にガス分配板１９４を接合するために利用される接着材料１２２であってもよい。

接着材料１２２は、ゲル、接着剤、パッド又はペーストの形態であることができる。好適な接着材料のいくつかの例としては、アクリル系及びシリコーン系化合物を含むが、これらに限定されない。別の一実施形態では、好適な例としては、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）、樹脂、ポリウレタン、プラスチック又は他のポリマー接着材料を含むことができる。

一実施形態では、接着材料１２２は、低ヤング率（例えば、３００ｐｓｉ未満）を有するように選択される。低ヤング率を有する接着材料は、比較的適合しており、プラズマプロセス中における接合界面での表面変動に順応することができる。プラズマ処理中に、界面における表面は、プラズマ反応で発生した熱エネルギーにより膨張する可能性がある。従って、２つの面２０４、２０６が２つの異なる材料（例えば、セラミックス製ガス分配板１９４と金属製導電性ベースプレート１９６）から構成される場合、界面に配置された接着材料１２２は、界面での熱膨張の不整合に順応するのに十分適合している。従って、低ヤング率を有する接着材料１２２は、プラズマ処理中に低い熱応力を提供し、これによって界面での熱膨張の不整合に順応するために所望の程度の適合性を提供する。一実施形態では、接着材料は、約２メガパスカル未満の熱応力を有するように選択される。

更に、接着材料１２２は、高い伸び率（例えば、約１５０％を超える）及び高い熱伝導率（例えば、約０．１Ｗ／ｍＫ〜約５．０Ｗ／ｍＫ）を有するように選択される。接着材料１２２の伸びは、引張試験により測定することができる。接着材料１２２の高い熱伝導率は、セラミックス製ガス分配板１９４と金属製導電性ベースプレート１９６の間の熱エネルギーの伝達を助け、これによってガス分配アセンブリ１３０の全域に亘って均一な熱伝達を維持することができる。また、接着材料１２２の高い熱伝導率も、処理チャンバ１００の内部容積１０６への熱エネルギーの伝達を助け、これによって内部容積１０６内に均一な温度勾配を提供し、処理中にプラズマの均一な分布を助けることができる。

一実施形態では、接着材料１２２は、第１の表面２０４と第２の表面２０６が確実に接合できるのに十分に選択された厚さを有する。一実施形態では、接着材料１２２の厚さは、約１００μｍ〜約５００μｍの間で選択される。接合したコンポーネント間の最終的なギャップは、約２５μｍ〜約５００μｍに制御することができる。５０μｍ未満の平坦度を有するシートとして接着材料１２２を塗布して、これによって表面２０４、２０６間の小さな公差と良好な平行度を確保することができる。

一実施形態では、図１を参照して上述したように、接着材料１２２は、必要に応じて、穴あきシート材料で、異なる寸法を有する円形リング、同心円リング、又はメッシュの形であることができる。第１の表面２０４と第２の表面２０６が、接着材料１２２によって接合された後に、熱処理（例えば、ベーキング、アニーリング、熱浸漬、又は他の好適な熱処理）を行い、これによって第１の表面２０４と第２の表面２０６との間の接着材料１２２の接合を助けることができる。接着層によって接合した後、第１の表面２０４と第２の表面２０６の界面は、１００μｍ未満の表面均一性プロファイルを有する実質的平面となる。

図３は、穴あきシート３００の形態の接着材料１２２を有する一実施形態のガス分配アセンブリ１３０の分解図を示している。穴あきシート３００は、上述される接着材料１２２のような寸法的及び物理的特性を有することができる。穴あきシート３００は、円盤形状を有することができ、実質的に、ガス分配板１９４と同じ直径を有することができる。穴あきシート３００は、開口部１３４、１５４と整列するように配置されている予め形成された複数の開口部３０２を含む。複数の開口部３０２は、規則的なパターン（特に、グリッド、極座標配列、又は放射状パターンなど）で配置されることができる。開口部１３４、１５４、３０２の直径は、実質的に等しいか、又は開口部３０２の直径が開口部１３４、１５４の直径よりも僅かに大きく、これによってガス分配アセンブリ１３０を通過する流れは、最小の制限を有する。更に、開口部１３４、１５４、３０２は直径がほとんど又は全く違いのない同心円であるので、接着層を貫通する開口部の形状が、接着層が穴のあいた非シート形状ではないときに普及している楕円形又は他の非円形形状であるときにより可能性のある、開口部１３４、１５４、３０２が合うときにおける粒子やその他の潜在的な汚染物質の蓄積の可能性が最小となる。

上記は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の他の及び更なる実施形態は本発明の基本的範囲を逸脱することなく創作することができ、その範囲は以下の特許請求の範囲に基づいて定められる。

Claims (9)

1. ヤング率が３００ｐｓｉ（＝３００ｌｂｆ／ｉｎ ^２ ＝２．０７ＭＰａ）より低い接着材料を含み、前記接着材料は、伸びが１５０％を超える円盤形状の穴あきシートであり、前記接着材料は、セラミックス製ガス分配板と金属製導電性ベースプレートの間にガス通路を画定するように配置される、半導体チャンバコンポーネントを接合するのに適した接着材料。
2. 前記接着材料はシリコーン系化合物である請求項１記載の材料。
3. 前記接着材料は熱応力が２ＭＰａ未満である請求項１記載の材料。
4. 前記接着材料は熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ〜５Ｗ／ｍＫである請求項１記載の材料。
5. 前記接着材料は厚さが１００μｍ〜５００μｍである請求項１記載の材料。
6. 第２の表面に隣接して配置された第１の表面と、
   前記第１の表面を前記第２の表面に接合する接着材料を含み、前記接着材料はヤング率が３００ｐｓｉ（＝３００ｌｂｆ／ｉｎ ^２ ＝２．０７ＭＰａ）よりも低く、前記接着材料は、伸びが１５０％を超える円盤形状の穴あきシートであり、前記第１の表面はセラミックス製ガス分配板であり、前記第２の表面は金属製導電性ベースプレートであり、前記接着材料は前記第１の表面と前記第２の表面の間にガス通路を画定するように配置される半導体チャンバコンポーネント。
7. 前記接着材料はシリコーン系化合物である請求項６記載の半導体チャンバコンポーネント。
8. 前記接着材料は熱応力が２ＭＰａ未満である請求項６記載の半導体チャンバコンポーネント。
9. 前記接着材料は熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ〜５Ｗ／ｍＫであり、厚さが１００μｍ〜５００μｍである請求項６記載の半導体チャンバコンポーネント。