KR100898531B1 - 반도체 공정 설비내의 질코니아 강화된 세라믹 부품 및 코팅과, 그 제조방법 - Google Patents

반도체 공정 설비내의 질코니아 강화된 세라믹 부품 및 코팅과, 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

플라즈마 챔버와 같은 반도체 공정 설비의 내부식성 부품은 그 부품의 최외곽 표면으로서 질코니아 강화된 세라믹 물질을 포함한다. 상기 부품은 전적으로 세라믹 물질일 수 있으며, 상기 세라믹 물질은 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸 또는 내화금속과 같은 기판상에 코팅으로서 제공될 수 있다. 질코니아 강화된 세라믹은 정방정계 질코니아 다결정 (TZP) 물질, 부분-안정화된 질코니아 (PSZ) 또는 질코니아 강화 알루미나 (Al2O3 내에 분산된 정방정계 질코니아 입자) 와 같은 질코니아 분산 강화된 세라믹 (ZTC) 일 수 있다. 세라믹 질코니아 강화된 코팅의 경우, 하나 이상의 중간층이 부품과 세라믹 코팅 사이에 제공될 수 있다. 세라믹 코팅의 접착성을 향상시키기 위해, 부품 표면 또는 중간층 표면은 세라믹 코팅을 증착하기 이전에 표면 거칠기 처리를 할 수 있다.

Description

반도체 공정 설비내의 질코니아 강화된 세라믹 부품 및 코팅과, 그 제조방법{ZIRCONIA TOUGHENED CERAMIC COMPONENTS AND COATINGS IN SEMICONDUCTOR PROCESSING EQUIPMENT AND METHOD OF MANUFACTURE THEREOF}
본 발명은 일반적으로 반도체 웨이퍼의 제조에 관련 있으며, 보다 상세하게는 공정 동안에 파티클 및 금속 오염을 감소시키는 내부 표면을 갖는 고밀도 플라즈마 에칭 챔버에 관한 것이다.
반도체 공정 분야에서 진공의 공정 챔버들은, 일반적으로 진공 챔버로 에칭가스 또는 증착가스를 공급하고, 그 가스를 플라즈마 상태로 활성화하기 위해 가스에 RF 필드를 적용함으로써 기판상의 물질을 에칭 및 기판상에 물질을 화학기상증착(CVD)하기 위해 사용된다. 평행판, 유도결합 플라즈마 (ICP) 라고도 불리는 트랜스포머 결합 플라즈마 (TCPTM), 전자-사이크로트론 공명 (ECR) 반응기 및 그들의 부품들의 예들이 공동 소유로 된 미국 특허 제 4,340,462 호, 제 4,948,458 호, 제 5,200,232 호, 제 5,820,723 호에 개시되어 있다. 이러한 반응기내에서 플라즈마 환경의 부식성 및 파티클 및/또는 중금속 오염물을 최소화하기 위한 요구로 인하여, 이러한 설비의 부품들은 높은 내부식성을 나타낼 것이 강력히 요구된다.
반도체 기판에 대한 공정 동안에 기판은 전형적으로 기계적 클램프 및 정전기적 클램프 (ESC) 와 같은 기판 홀더들에 의해 진공 챔버내의 위치에 고정된다. 이러한 클램핑 시스템 및 그 부품들의 예들을 공동 소유로 된 미국 특허 제 5,262,029 호 및 제 5,838,529 호에서 찾아볼 수 있다. 공정가스가 가스분산판에 의하는 등의 여러가지 방식으로 챔버내로 공급될 수 있다. 유도결합 플라즈마 반응기용 온도제어된 가스분산판 및 그 부품들의 예를 공동 소유로 된 미국 특허 제 5,863,376 호에서 찾아볼 수 있다. 플라즈마 챔버 설비에 더하여 반도체 기판을 처리하는데 사용되는 다른 설비로서 전송 메카니즘, 가스공급 시스템, 라이너, 리프터 메카니즘, 로드락, 도어 메카니즘, 로봇아암, 패스너 (fastener) 등이 포함된다. 이러한 설비의 여러가지 부품들은 반도체 공정과 관련된 부식 환경에 놓인다. 더구나, 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판 및 평판 디스플레이용으로 사용되는 유리 기판과 같은 유전체 물질을 처리하는데 매우 고순도가 요구된다는 견지에서, 향상된 내부식성을 갖는 부품들이 이러한 환경에서 강력히 요구되어진다.
알루미늄 및 알루미늄 합금은 전형적으로 플라즈마 반응기의 벽체, 전극, 기판 지지대, 패스너 및 다른 부품들용으로 사용된다. 이러한 금속 부품의 부식을 방지하기 위하여, 여러가지 코팅물로 알루미늄 표면을 코팅하기 위한 여러가지 기술들이 제안되어왔다. 예를 들어, 미국 특허 제 5,641,375 호는, 알루미늄 챔버 벽체들이 벽체의 플라즈마 부식 및 마모를 감소시키기 위해 양극산화되어왔다는 것을 개시하고 있다. 상기 '375 특허는 결국에는 이러한 양극산화층은 스퍼터되거나 에칭되어 버리며 챔버는 교체되어야 한다는 것을 기술하고 있다. 미국 특허 제 5,895,586 호는 알루미늄 물질상에 Al2O3, AlC, TiN, TiC, AlN 등의 내부식성막을 형성하는 기술이 일본 공개특허공보 제 62-103379 호에서 찾아볼 수 있다는 것을 개시하고 있다. 미국 특허 제 5,680,013 호는 에칭 챔버의 금속 표면상에 Al2O3 를 화염 분사하는 기술이 미국 특허 제 4,491,496 호에 개시되어 있다는 것을 언급하고 있다. 상기 '013 특허는 알루미늄과 알루미늄 산화물과 같은 세라믹 코팅물 사이의 열팽창계수의 차이는 열적 사이클링에 기인하는 코팅물의 크랙 및 결국에는 부식 환경에서 코팅물의 불량을 유도한다는 것을 언급하고 있다. 미국 특허 제 5,879,523 호는 열적 분사된 Al2O3 코팅물이 스테인레스강 또는 알루미늄과 같은 금속에 선택적으로 그들 사이에 NiAlx 결합 코팅과 함께 적용된 스퍼터링 챔버를 개시하고 있다. 미국 특허 제 5,522,932 호는 기판의 플라즈마 처리에 사용되는 장비의 금속 부품에 대한 로듐 및 그 사이의 선택적 니켈 코팅을 개시하고 있다.
플라즈마 챔버의 챔버 벽, 라이너, 링 및 다른 부품용 물질도 제안되어 왔다. 예를 들어, 미국 특허 제 5,366,585 호, 제 5,788,799 호, 제 5,798,016 호, 제 5,851,299 호 및 제 5,885,356 호를 참조하라.
집적회로 소자들이 그 물리적 크기 및 그들의 동작 전압이 계속적으로 축소됨에 따라 그들에 대한 제조 수율이 점점 더 파티클 오염물에 대하여 민감하게 된다. 결과적으로, 보다 작아진 물리적 크기를 갖는 집적회로 소자들은 파티클 및 금속 오염물의 수준이 이전에는 허용될 수 있는 것으로 생각된 것보다 작을 것이 요구된다.
전술한 견지에서, 부식에 더욱 내성이 있으며 처리될 웨이퍼 표면의 오염물 (예를 들어 파티클 및 금속 불순물) 을 최소화하는 데 도움이 되는, 내부적으로 플라즈마에 노출되는 표면을 갖는 고밀도 플라즈마 공정 챔버가 요구된다.
본 발명의 제 1 실시형태에서는, 반도체 공정 설비의 부품을 제조하는 공정이 제공된다. 상기 공정은 질코니아 강화된 세라믹 코팅이 부품의 최외각 표면을 형성하도록 부품의 표면상에 질코니아 강화된 세라믹 코팅을 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 2 실시형태에서는, 반도체 공정 설비의 부품이 제공되며, 거기서 부품은 부품의 최외각 표면을 형성하는 질코니아 강화된 세라믹을 포함한다. 또한 전술한 적어도 하나의 부품을 포함하는 플라즈마 챔버가 제공된다.
본 발명의 제 3 실시형태에서는, 전술한 플라즈마 챔버내에서 반도체 기판을 처리하는 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 방법에서, 기판이 플라즈마 챔버내로 이동되고, 기판의 노출된 표면은 플라즈마로 처리된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 상기 방법은 반응기내의 기판 지지대상에 기판을 위치시키는 단계; 상기 반응기내로 공정 가스를 도입하는 단계; 기판의 노출된 표면 근처에 플라즈마를 발생시키도록 공정 가스에 RF 에너지를 적용하는 단계 및 플라즈마로 노출된 기판 표면을 에칭하는 단계를 포함한다.
본 발명은 유사한 요소는 유사한 참조번호로 표시된 첨부하는 이하의 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1 은 종래의 플라즈마 분사 공정을 나타낸다.
도 2 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리실리콘 에칭 장치용 가스링 장치의 단면도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 부품을 포함하는 고밀도 산화물 에칭 챔버를 나타낸다.
도 4 는 본 발명에 따른 내부식성 코팅의 상세한 예를 보여준다.
도 5 는 본 발명에 따른 내부식성 코팅의 상세한 다른 예를 보여준다.
도 6 은 본 발명에 따른 내부식성 코팅의 상세한 또 다른 예를 보여준다.
본 발명은 플라즈마 처리 반응기 챔버의 부품들과 같은 반도체 처리 장치의 부품들의 표면에 내부식성을 제공하는 효과적인 방법을 제공한다. 이러한 부품으로서 챔버 벽체, 기판 지지대, 가스분산 시스템 (샤워헤드, 배플, 링, 노즐 등을 포함), 패스너, 가열요소, 플라즈마 스크린, 라이너, 로봇아암과 같은 전송모듈 부품, 패스너, 내부 및 외부 챔버 벽체 등을 포함한다. 본 발명에서 부품 자체들이 질코니아 강화된 (toughened) 세라믹으로 만들어질 수 있거나, 부품의 플라즈마에 노출되는 표면들이 질코니아 강화된 세라믹 물질로 코팅되거나 그렇지 않으면 피복될 수 있다.
질코니아 강화된 세라믹 물질들은 세라믹의 강도 및 단단함 (toughness) 을 향상시키기 위해 준안정한 (metastable) 정방정계 (tetragonal) 질코니아 입자의 정방정계에서 단사정계 (mono-clinic) 로의 상 변환 (phase transformation) 을 활용하는 물질들이다. 대기 압력하에서 질코니아는 3가지 다형 형태; 단사정계 (monoclinic), 정방정계 (tetragonal) 및 입방정계 (cubic) 를 갖는다. 입방정계 질코니아는 질코니아의 용융점으로부터 약 2370℃ 의 범위에서 안정하며, 정방정계 질코니아는 약 2370℃ 에서 약 1120℃ 의 범위에서 안정하며, 단사정계는 약 1120℃ 아래의 온도 범위에서 안정하다. 정방정계로부터 단사정계로의 상변환은 3 내지 5% 의 체적 팽창과 약 8% 의 전단 변위 (shear displacement) 를 수반한다. 따라서 고온으로부터 순수 질코니아를 냉각하면 크랙이 형성될 수도 있다.
그러나, MgO, CaO, Y2O3, CeO2 또는 TiO2 등과 같은 안정화제가 질코니아에 첨가되면 실온에서조차도 변환가능한 정방정계 상이 형성될 수 있다. 변환가능한 정방정계 ZrO2 를 포함하는 세라믹은 변환-강화된 (transformation-toughened) 세라믹이라 불리우며, 이는 이들이 세라믹의 강도 및 단단함을 향상시키기 위해 질코니아의 응력-인가된 (stress-induced) 상변환을 이용하기 때문이다. 이러한 물질들은 고강도 및 고 단단함이 요구되는 구조적인 응용에서 널리 사용된다. 상기 응력-인가된 상변환은 실온에서 준안정 상으로 존재하는 정방정계 질코니아가 전파되는 크랙 전면에서 전단 응력에 의해 기동하는 단사정계 상으로의 변환에 의해 에너지를 흡수할 때 발생한다.
전술한 질코니아의 응력-인가된 상 변환을 활용하는 질코니아 강화된 세라믹 은 다음을 포함한다:
1) 입방정계 상을 형성하기 위해 질코니아에 MgO, CaO 및 Y2O3 와 같은 안정화제를 첨가하고, 이어서 미세 정방정계 입자를 침전시키기 위해 입방정계 질코니아를 가열 처리함으로써 준비될 수 있는 부분 안정화된 질코니아 (partially stabilized zirconia; PSZ);
2) 질코니아에 약 2 내지 3 몰%의 Y2O3 또는 10 내지 12 몰%의 CeO2 를 첨가하고, 정방정계 상이 안정한 조건에서 소결 또는 가열 처리함으로써 준비된, 모든 질코니아 입자들이 정방정계인 정방정계 질코니아 다결정 (tetragonal zirconia polycrystal; TZP); 및
3) 알루미나 등과 같은 다른 세라믹에 정방정계 질코니아를 산재시킴으로써 준비된 질코니아 산재 강화된 세라믹 (zirconia dispersion toughened ceramic; ZTC).
질코니아 강화된 세라믹은 자료, Engineered Materials Handbook의 Vol.4, Ceramics and Glass, pp. 775-786 (ASM International, 1991) 에 개시되어 있다.
본 발명에 따른 하나 이상의 부품을 결합하는 설비에서 처리된 기판의 오염을 최소화하기 위해서는, 질코니아 강화된 세라믹 물질이 가능한 한 순수한, 예를 들어 천이 금속, 알카리 금속 등의 오염 요소들이 최소량으로 포함되도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 질코니아 강화된 세라믹 물질은 105 원자/㎠ 이상의 웨이퍼상 오염을 방지하기에 충분한 순도로 만들어질 수 있다.
본 발명자들은 질코니아 강화된 세라믹이 플라즈마 에칭 챔버와 같은 반도체 처리 설비에서 사용하기 위한 바람직한 성질들을 갖는다는 것을 발견하였다. 특히, 질코니아 강화된 세라믹들은 플라즈마 반응 챔버내에서 파티클 오염물의 수준을 감소시킬 수 있는 내부식성 표면을 제공한다. 질코니아 강화된 세라믹들의 강화 메카니즘은 열적 사이클링 동안에 세라믹 코팅이 크랙되는 경향을 줄여줄 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 질코니아 강화된 세라믹 물질은 코팅으로서 제공된다. 바람직한 코팅 방법은 세라믹 분말이 용융되고 분사 코팅되는 부품으로 직접 향하는 가스 흐름에 결합되는 열적 분사 (thermal spraying) 이다. 열적 분사기술의 장점은, 부품이 열적 분사총과 마주하는 측에서만 코팅되며, 다른 영역을 보호하기 위해 마스킹이 사용될 수 있다는 것이다. 플라즈마 분사를 포함하는 종래의 열적 분사 기술들이 자료, The Science and Engineering of Thermal Spray Coating by Pawlowski (John Wiley,1995) 에 소개되어 있으며, 그 내용은 본 명세서에 참조문헌으로써 함께 결합한다.
특히 바람직한 열적 분사 방법은 챔버 또는 다른 챔버 부품들의 복잡한 내부 표면이 코팅되어지도록 해주는 플라즈마 분사이다. 도 1 은 전형적인 플라즈마 분사 공정을 나타낸다. 통상적으로 분말 (112) 형태인 코팅 물질이 고온의 플라즈마 화염 (114) 속으로 주입되고, 거기서 이것은 급격히 가열되고 고속으로 가속되어진다. 뜨거워진 물질은 기판 표면 (116) 과 충돌하며 급격히 냉각되어 코팅 (118) 을 형성한다. 결과적으로 분사된 상태대로의 표면은 일반적으로 거칠다.
플라즈마 분사총 (120) 은 전형적으로 구리 애노드 (122) 및 텅스텐 캐소드 (124) 를 포함하며, 그 둘은 모두 수냉된다. 플라즈마 가스 (126, 예를 들어 아르곤, 질소, 수소, 헬륨) 가 일반적으로 화살표 (128) 로 표시된 방향으로 캐소드 주위를 따라 흐르고, 수축되는 노즐과 같은 형상의 애노드 (122) 를 통하여 흐른다. 플라즈마가 국부적인 이온화를 일으키는 고전압 방전에 의해 점화되고, DC 아크용 도전 경로가 캐소드 (124) 와 애노드 (122) 사이에 형성된다. 상기 아크로부터의 저항 가열은 상기 가스를 극한 온도에 도달하게 하고, 플라즈마 형성을 위해 분해 및 이온화시킨다. 플라즈마는 자유 또는 중성의 플라즈마 화염 (이 플라즈마는 전기적 전류를 이동시키지 않는다) 으로서 애노드 (122) 노즐을 빠져나온다. 플라즈마가 안정화되고 분사될 준비가 되면, 전기적인 아크가 노즐 아래로 확장된다. 분말 (112) 이 통상적으로 애노드 노즐 출구 근처에 장착된 외부 분말 포트 (132) 를 통하여 상기 플라즈마 화염 속으로 공급된다. 분말 (112) 은 급격히 가열되고 가속되어지며, 분사 거리 (136; 노즐팁과 기판 표면사이의 거리) 는 125 내지 150 mm 에 속할 수 있다. 플라즈마 분사된 코팅들은 용융된 또는 가열되어 유연화된 파티클들이 기판 상에 충돌되도록 하는 공정에 의해 형성된다.
본 발명에서는, 세정 및 그리트 또는 비드 블라스팅 (grit or bead blasting) 과 같은 표면 준비 기술들이 플라즈마 분사된 코팅의 결합을 위해 보다 화학적 및 물리적으로 활성적인 부품 표면을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 코팅에 앞서서 기판의 표면은 산화물 또는 그리스와 같은 표면 물질을 제거하기 위해 철저하게 세정되는 것이 바람직하다. 나아가, 표면은 코팅에 앞서서 그리트 블라스팅과 같은 공지된 방법들에 의해 거칠게 되어질 수 있다. 그리트 블라스팅에 의해 결합이 가능한 유용한 표면적은 증가될 수 있으며, 결과적으로 코팅 결합력이 증가될 수 있다. 또한, 거칠어진 표면 프로파일은 기판과 코팅간의 기계적인 키잉 (keying) 또는 인터로킹 (interlocking) 을 향상시킬 수 있다. 알루미늄 반응기 부품들에 대하여는, 질코니아 강화된 세라믹 코팅의 도포에 앞서서 그 부품 표면을 거칠게 하고, 거칠어진 부품의 표면을 양극산화시키고, 양극산화된 표면을 다시 거칠게 하는 것이 특히 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 질코니아 강화된 세라믹 부품들이 폴리실리콘 고밀도 플라즈마 반응기내의 부품으로서 사용된다. 이러한 타입의 예시적인 반응기는 캘리포니아, 프레몬트의 램리서치사로부터 입수할 수 있는 TCP 9400TM이다. TCP 9400TM 반응기에서 공정가스들 (Cl2, HBr, CF4, CH2F2, O2, N2, Ar, SF6 및 NF3등과 같은) 이 에칭 챔버의 바닥에 위치한 가스링 속으로 유도되며, 이어서 가스 홀들을 통하여 반응 챔버내로 유입된다. 도 2 는 본 발명에 따른 폴리실리콘 에칭 반응기용 가스링의 단면을 보여준다. 도 2 에서 보여지듯이, 가스링 (40) 의 주몸체는 기판 지지대 (44) 를 둘러싼다. 가스링 (40) 의 바닥 표면은 링상의 가스-안내 (gas-guiding) 트랜치 (60) 를 포함한다. 전술한 가스홀 (50) 들이 가스-안내 트랜치 (60) 속으로 연장된다.
상기 가스링은 전형적으로 알루미늄으로 구성된다. 가스링의 상부 표면은 플라즈마에 직접 노출되며, 따라서 부식에 놓이게 된다. 이러한 표면들을 보호하기 위하여, 가스링은 전형적으로 가스링의 표면을 양극산화함으로써 형성된 알루미늄 산화물층으로 피복된다. 그러나 상기 양극산화된 코팅은 비교적 깨지기 쉬우며, 사용중에 반응기의 반복된 열적 사이클링 동안에 크랙되는 경향을 갖는다. 양극산화층내에 형성된 크랙들은 부식성의 공정 가스로 하여금 하부의 알루미늄층을 공격하도록 해주기 때문에 부품의 수명을 단축시키고, 웨이퍼, 평판 디스플레이 기판 등과 같은 처리된 기판의 금속성 및 파티클 오염에 기여토록 한다.
본 발명에 따르면, 가스링의 노출된 표면은 질코니아 강화된 세라믹 물질로 된 코팅 (42) 으로 피복될 수 있다. 질코니아 강화된 세라믹은 배어 (bare) (자연산화물 표면막이 있거나 또는 없는) 알루미늄층 또는 알루미늄 산화물층 (예를 들어, 양극산화된 표면을 갖는 알루미늄) 상에 코팅될 수 있다. 상기 코팅은 바람직하게는 플라즈마 분사 공정을 사용하여 도포하지만, 세라믹 물질을 사용하기에 적합한 다른 코팅 방법들도 채용될 수 있다. 상기 가스링을 코팅할 때 코팅이 상기 가스홀들 속으로 부분적으로 침투될 수 있으며 그 내부 벽체를 코팅하고 보호할 수 있게 해준다. 그러나 상기 코팅 물질은 그 개구부를 방해할 정도로 도포되어서는 안된다. 따라서, 가스홀들은 코팅 공정 동안에 막거나 마스크될 수 있다.
공정 동안에 플라즈마에 노출될 수 있는 폴리실리콘 에칭 반응기의 다른 부품들도 본 발명에 따라 질코니아 강화된 세라믹 물질로 코팅될 수도 있다. 이러한 부품들은 챔버 벽, 챔버 라이너, 정전척 및 기판과 반대편의 유전체 창을 포함한다. 정전척의 상부 표면상에 질코니아 강화된 세라믹 물질의 코팅을 제공하는 것은, 웨이퍼가 존재하지 않으며 척의 상부 표면이 직접 플라즈마에 노출되는 세정 사이클 동안에 척에 대한 부가적인 보호를 제공한다.
본 발명의 반응기 부품들은 고밀도 산화물 에칭 공정에서도 사용될 수 있다. 예시적인 산화물 에칭 반응기는 캘리포니아, 프레몬트의 램 리서치사로부터 입수할 수 있는 TCP 9100TM 플라즈마 에칭 반응기이다. TCP 9100TM 반응기에 있어서, 가스분산판은, 반도체 웨이퍼에 평행하며 평면 위로 반응기의 상부에서 진공 시일링의 표면이기도 한 TCPTM 창 바로 아래 위치하는 원형판이다. 가스분산판은 가스분산판의 주변에 위치한 가스분산링에 O-링을 사용하여 밀봉된다. 가스분산링은 가스를 그 소오스로부터 가스분산판, 반응기내에 RF에너지를 공급하는 평탄 나선 코일의 형태의 안테나 아래에 위치하는 창의 내부 표면 및 가스분산링에 의해 한정되는 체적내로 투입시킨다. 가스분산판은 그 판을 통과하여 연장되는 특정 직경을 갖는 홀들의 어레이를 포함한다. 가스분산판을 통과하는 홀들의 공간적인 분포는 에칭되어질 층, 예를 들어 웨이퍼상의 포토레지스트층, 이산화실리콘층 및 하부물질층의 에칭 균일도를 최적화하기 위해 다양하게 될 수 있다. 가스분산판의 단면 형상은 반응기내에서 플라즈마 내로 RF 파워의 분포를 조종하기 위해 다양하게 될 수 있다. 가스분산판 물질은 반응기내에서 가스분산판을 통하여 이러한 RF 파워의 결합을 가능하게 할 수 있도록 유전 물질로 이루어진다. 나아가, 가스분산판의 물질은 브레이크다운 및 그와 관련된 파티클 발생의 방지를 위해 산소 또는 하이드로-플루오로카본 가스 플라즈마 분위기에서 화학적 스퍼터 에칭에 매우 저항성이 있을 것이 요구된다.
도 3 은 전술한 타입의 플라즈마 반응기를 나타낸다. 상기 반응기는 반응 챔버 (10) 를 포함하며, 이는 기판 (13) 에 클램핑력을 제공할 뿐만 아니라 그 위에 지지된 기판에 RF 바이어스를 제공하는 정전척 (34) 을 포함하는 기판 홀더 (12) 를 포함한다. 기판은 헬륨과 같은 열전달 가스로 후면 냉각될 수 있다. 포커스링 (14) 은 기판 위의 영역에 플라즈마를 제한하는 유전성의 외부링 및 내부링을 포함한다. 고밀도 플라즈마를 제공하기 위해 적절한 RF 소오스에 의해 동력화되는 안테나 (18) 와 같은, 챔버내에서 고밀도 (예를 들어, 1011 내지 1012 이온/cm3) 플라즈마를 유지하기 위한 에너지 소오스가 반응 챔버 (10) 의 상부상에 배치된다. 챔버는 챔버의 내부를 원하는 압력 (예를 들어, 50 mTorr 미만, 전형적으로 1 내지 20 mTorr) 으로 유지하기 위한 적절한 진공 펌핑장치를 포함한다.
균일한 두께를 갖는 실질적으로 평탄한 유전체 창 (20) 이 안테나 (18) 와 공정챔버 (10) 의 내부 사이에 제공되며, 공정챔버 (10) 의 상부에서 진공 벽을 형성한다. 가스분산판 (22) 이 유전체 창 (20) 바로 아래에 제공되며, 가스 공급부 (23) 로부터 공급된 공정 가스를 공정챔버 (10) 로 전달하기 위한 원형 홀과 같은 복수개의 개구부를 포함한다. 원뿔 라이너 (30) 가 가스분산판으로부터 연장되며, 기판 홀더 (12) 를 둘러싼다. 온도 제어 유체가 입구관 (25) 및 출구관 (26) 을 경유하여 통과하는 채널 (24) 이 안테나 (18) 에 제공될 수 있다. 그러나 안테나 (18) 및/또는 유전체 창 (20) 은, 안테나 및 유전체 창 위로 공기를 불어주거나, 냉각 매체를 유전체 창 및/또는 가스분산판 등을 통과시키거나 이들과 열 전달 접촉을 시키는 등과 같은 다른 기술들에 의해 냉각되어질 수 있다.
동작에 있어서, 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판이 기판 홀더 (12) 상에 위치하며, 전형적으로 정전척 (34) 에 의해 제자리에 고정된다. 그러나 기계적인 클램핑 메카니즘과 같은 다른 클램핑 수단이 사용될 수도 있다. 부가적으로, 헬륨 후면 냉각이 기판과 척 사이의 열전달을 향상시키기 위해 채용될 수 있다. 이어서 유전체 창 (20) 과 가스분산판 (22) 사이의 갭을 통하여 공정가스를 통과시킴으로써 진공 공정 챔버 (10) 에 공정가스가 공급된다. 적절한 가스분산판 배열 (즉, 샤워헤드) 들이 공동 소유가 된 미국 특허 제 5,824,605 호, 제 5,863,376 호 및 제 6,048,798 호에 개시되어 있다. 고밀도 플라즈마는 상기 안테나 (18) 에 적절한 RF 파워를 공급함으로써 상기 기판과 유전체 창 사이의 공간에서 점화된다.
도 3 에서 가스분산판 (22), 챔버 라이너 (30), 정전척 (34) 및 포커스링 (14) 과 같은 반응기 부품의 내부 표면들은 질코니아 강화된 세라믹 물질로 된 코팅물 (32) 로 코팅된 것을 보여준다. 그러나 본 발명에서는 이러한 표면들의 모두 또는 어느 것에 본 발명에 따른 질코니아 강화된 세라믹 코팅이 제공될 수 있다.
전술한 고밀도 폴리실리콘 및 유전체 에칭 챔버들은 본 발명에 따른 부품들을 결합시킬 수 있는 플라즈마 에칭 반응기의 한 예시에 불과하다. 본 발명에 따른 질코니아 강화된 세라믹 부품들은 임의의 에칭 반응기 (예를 들어, 금속 에칭 반응기) 또는 플라즈마 부식이 문제가 되는 다른 형태의 반도체 공정 장치에서 사용될 수 있다.
질코니아 강화 세라믹 코팅이 제공될 수 있는 다른 부품으로서는 챔버 벽 (전형적으로는 양극산화되거나 양극산화되지 않은 표면을 갖는 알루미늄으로 만들어짐), 기판 홀더, 패스너 등이 포함된다. 이러한 부품들은 전형적으로 금속 (예를 들어, 알루미늄) 또는 세라믹 (예를 들어, 알루미나) 으로 만들어진다. 이러한 플라즈마 반응기 부품들은 전형적으로 플라즈마에 노출되며, 빈번히 부식 표시를 보여준다. 본 발명에 따라 코팅될 수 있는 다른 부품들은 플라즈마에 직접적으로 노출되지는 않지만, 대신에 처리된 웨이퍼로부터 방출된 가스 등과 같은 부식성 가스들에 노출될 수 있다. 따라서, 반도체 기판을 처리하는 데 사용된 다른 설비도 본 발명에 따른 질코니아 강화된 세라믹 표면이 제공될 수 있다. 이러한 장비는 전송 메카니즘, 가스공급 시스템, 라이너, 리프트 메카니즘, 로드락, 도어 메카니즘, 로봇아암, 패스너 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 질코니아 강화된 세라믹 물질에 의해 코팅될 수 있는 금속 및/또는 합금의 예들로서, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 내화금속, 예를 들어 "HAYNES 242", "Al-6061", "SS 304","SS 316" 이 포함된다. 질코니아 강화된 세라믹 물질은 부품 위에 내부식성 코팅물을 형성하기 때문에, 하부의 부품은 더 이상 직접 플라즈마에 노출되지 않으며, 합금 부가물, 입자 구조 및 표면 조건에 상관없이 알루미늄 합금이 사용될 수 있다. 부가적으로, 여러가지 세라믹 또는 폴리머 물질들이 본 발명에 따른 질코니아 강화된 세라믹 물질로 코팅될 수 있다. 특히, 반응기 부품들이 알루미나(Al2O3), 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘 나이트라이드 (Si3N4), 보론 카바이드 (B4C) 및/또는 보론 나이트라이드 (BN) 등과 같은 세라믹 물질로 만들어질 수 있다.
원한다면, 하나 또는 그 이상의 중간층이 질코니아 강화된 세라믹 코팅과 부품의 표면 사이에 제공될 수 있다. 도 4 는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 코팅된 부품을 보여준다. 도 4 에서 보여지듯이, 제 1 중간 코팅 (80) 이 선택적으로 종래 기술에 의해 반응기 부품 (70) 상에 코팅된다. 상기 선택적인 제 1 중간 코팅 (80) 은 기판에 접착하기에 충분할 정도로 두꺼우며, 이하에서 언급할 선택적인 제 2 중간 코팅 (90) 또는 질코니아 강화된 세라믹 코팅을 형성하기 이전에 처리되어지도록 한다. 제 1 중간 코팅 (80) 은 적어도 약 0.001 인치, 바람직하게는 약 0.001 내지 약 0.25 인치, 보다 바람직하게는 0.001 내지 0.15 인치, 가장 바람직하게는 0.001 내지 0.05 인치의 두께와 같은 적절한 두께를 가질 수 있다.
반응기 부품 (70) 상에 상기 선택적인 제 1 중간 코팅 (80) 을 증착한 후에, 그 도금은 임의의 적절한 기술에 의해 블라스트되거나 거칠어질 수 있으며, 이어서 제 2 중간 코팅 (90) 또는 질코니아 강화된 세라믹 코팅 (100) 으로 코팅될 수 있다. 거칠어진 코팅층 (80) 은 매우 양호한 결합을 제공한다. 바람직하게도, 제 2 중간 코팅 (90) 은 상기 코팅 (80) 에 대하여 강한 기계적인 압축력을 가하며, 코팅 (90) 내에서 쪼개짐이 발생되는 것을 최소화 해준다.
선택적인 제 2 중간 코팅 (90) 은 제 1 중간 코팅 (80) 에 접착하기에 충분하도록 두꺼우며, 이하에서 언급할 임의의 부가적인 중간 코팅 또는 외곽의 질코니아 강화된 세라믹 코팅 (100) 을 형성하기 이전에 처리되어지도록 한다. 제 2 중간 코팅 (90) 은 적어도 약 0.001 인치, 바람직하게는 약 0.001 내지 약 0.25 인치, 보다 바람직하게는 0.001 내지 0.15 인치, 가장 바람직하게는 0.001 내지 0.05 인치의 두께와 같은 적절한 두께를 가질 수 있다.
제 1 및 제 2 중간 코팅은 종래의 플라즈마 공정 챔버에서 채용된 어느 하나 이상의 물질로 만들어질 수도 있다. 이러한 물질의 예로서, 금속, 세라믹 및 폴리머들이 포함된다. 특히 바람직한 금속은 내화금속을 포함한다. 특히 바람직한 세라믹은 Al2O3, SiC, Si3N4, BC, AlN, TiO2 등을 포함한다. 특히 바람직한 폴리머는 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리이미드와 같은 플루오로폴리머를 포함한다. 중간 코팅 또는 코팅들은 도금 (예를 들어, 무전해 도금 또는 전해도금), 스퍼터링, 침지 코팅, 화학기상증착, 물리기상증착, 전기영동 (electrophoretic) 증착, 열간정수압 프레싱 (hot isostatic pressing), 냉간정수압 프레싱 (cold isostatic pressing), 압축 성형, 캐스팅, 컴팩팅 및 소결, 및 열적 분사 (예를 들어, 플라즈마 분사) 와 같은 공지의 증착 기술에 의해 도포될 수 있다.
선택적으로 형성되는 상기 제 1 및 제 2 중간 층 (80,90) 은 그 코팅이 원하는 성질에 따라 동일한 또는 상이한 것이 되도록 전술한 물질중의 어느 하나로 형성될 수 있음을 예상할 수 있다. 동일한 또는 상이한 물질로 된 제 3, 제 4 또는 제 5 중간 코팅과 같은 부가적인 중간 코팅들이 상기 코팅과 기판 사이에 제공될 수도 있다.
도 5 는 내부식성 코팅의 제 2 실시형태를 보여준다. 질코니아 강화된 세라믹 층 (90) 이, 약 0.001 내지 약 1.0 인치, 바람직하게는 약 0.001 내지 약 0.5 인치, 보다 바람직하게는 0.001 내지 0.05 인치의 범위의 두께와 같은 적절한 두께로 증착될 수 있다. 세라믹 층의 두께는 반응기 (예를 들어, 에칭, CVD 등) 에서 직면하게 될 플라즈마 환경에 맞도록 선택될 수 있다.
비록 열적 분사가 질코니아 강화된 세라믹 표면을 갖는 부품을 제공하는 바람직한 방법이지만, 다른 코팅 방법들이 채용될 수도 있다. 예를 들어, 질코니아 강화된 세라믹 코팅은 스퍼터링, 침지 코팅, 화학기상증착, 물리기상증착, 열간정수압 프레싱, 냉간정수압 프레싱, 압축 성형, 캐스팅, 컴팩팅 및 소결과 같은 다른 증착 기술에 의해 도포될 수 있다.
질코니아 강화된 세라믹 물질은 반응기 부품들의 노출된 표면을 피복하기 위해 도포된 미리 형성된 라이너의 형태로 제공될 수도 있다. 이러한 라이너들은 접착 본딩을 포함하는 공지의 수단 또는 기계적인 패스너를 사용하여 부착될 수 있다. 패스너가 사용될 때는 패스너 자체는 만약 플라즈마에 노출된다면, 내부식성 물질로 만들어져야 한다. 부가적으로, 질코니아 강화된 세라믹 라이너는 하부의 반응기 부품과 인터록되도록 설계될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서 반도체 공정 설비의 부품들은 질코니아 강화된 세라믹 물질로 이루어진 모놀리딕 몸체 (monolithic body) 로서 제작될 수 있다. 도 6 은 질코니아 강화된 세라믹 물질로부터 제작된 모놀리딕 몸체로서 구성된 챔버 라이너 (28) 의 단면을 보여준다.
질코니아 강화된 세라믹 물질로 이루어진 모놀리딕 몸체를 제작하는 방법은 질코니아 강화된 세라믹 함유 슬러리를 준비하는 단계, 원하는 형상으로 그린 컴팩트 (green compact) 를 형성하는 단계, 상기 컴팩트를 소결하는 단계를 포함할 수도 있다. 원하는 형상은 임의의 플라즈마 노출되는 반응기 부품이다. 이러한 부품들은 샤워헤드, 배플, 링, 노즐 등을 포함하는 가스분산 시스템, 챔버 벽, 기판 지지대, 패스너, 가열 소자, 플라즈마 스크린, 라이너 및, 로봇아암, 패스너, 내부 및 외부 챔버 벽 등과 같은 전송 모듈 부품 등을 포함한다. 이러한 부품의 특정 예가 도 6 에서 보여지는 모놀리딕 챔버 라이너 (28) 이다. 세라믹 공정 기술들에 대한 상세한 것이 W.D.Kingery, H.K.Bowen 및 D.R.Uhlmann에 의한 자료, Introduction to Ceramics, 2nd Edition (J.Wiley & Sons, 1976) 에 기술되어 있으며, 그 내용은 참조문헌으로서 본 명세서에 함께 결합한다.
질코니아 강화된 세라믹은 반응기 챔버 및 부품의 모든 또는 일부상에 제공될 수 있다. 바람직한 실시형태에서는 상기 코팅 또는 피복은 플라즈마와 직접 접촉하는 부분들 또는 챔버 부품 뒤의 부분들 (예를 들어, 라이너) 과 같은 플라즈마 환경에 노출될 수 있는 영역들 상에 제공될 수 있다. 부가적으로, 질코니아 강화된 세라믹층이 상대적으로 높은 바이어스 전압 (즉, 상대적으로 높은 스퍼터 이온 에너지) 에 부속될 수도 있는 영역에 적용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라서 코팅 또는 피복으로서 세라믹층을 적용하거나 또는 모놀리딕 부품을 구축함으로써, 몇가지 장점들이 실현된다. 즉, 본 발명에 따라서 질코니아 강화된 세라믹 물질을 채용함으로써 낮은 부식율이 실현된다. 나아가, 질코니아 강화된 세라믹 물질의 단단함으로의 변환에 기인하여 본 발명에 따른 보호 코팅은 크랙이 발생할 경향이 감소한다. 결과적으로, 본 발명에 따른 질코니아 강화된 세라믹 부품들 또는 코팅들은 금속 및 파티클 오염의 수준을 감소시킬 수 있으며, 소모품의 수명을 증가시킴으로서 비용을 낮추고, 챔버 부품들의 부식 수준을 감소시킬 수 있다.
이상에서 본 발명은 특정 실시형태를 참조하여 상세하게 설명되었지만, 이하의 클레임에 의해 정의되는 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에 의한 실시형태들에서 변형들이 이루어질 수 있다는 것은 명백하다.

Claims (25)

  1. 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품의 표면을 코팅하는 공정으로서,
    최외각 표면을 형성하고 질코니아 강화된 세라믹 물질을 포함하는 질코니아 강화된 세라믹층을 상기 부품의 표면상에 증착하는 단계를 포함하며,
    상기 질코니아 강화된 세라믹층은 정방정계 질코니아 다결정 (TZP) 및 부분-안정화된 질코니아 (PSZ) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는, 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품 표면 코팅 공정.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부품은 플라즈마 챔버 벽, 챔버 라이너, 가스분산판, 가스링, 페디스탈, 유전체 창, 정전척 및 포커스링으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품 표면 코팅 공정.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 질코니아 강화된 세라믹층은 스퍼터링, 스퍼터 증착, 침지 코팅, 화학기상증착, 물리기상증착, 열간정수압 프레싱 (hot isostatic pressing), 냉간정수압 프레싱 (cold isostatic pressing), 압축 성형, 캐스팅, 컴팩팅 및 소결, 플라즈마 분사 및 열적 분사로 이루어진 군으로부터 선택되는 기술에 의해 적용되는, 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품 표면 코팅 공정.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 질코니아 강화된 세라믹층은 약 0.001 내지 0.050 인치 범위의 두께로 증착되는, 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품 표면 코팅 공정.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 질코니아 강화된 세라믹층은 부분-안정화된 질코니아 (PSZ) 를 포함하는, 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품 표면 코팅 공정.
  6. 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품의 표면을 코팅하는 공정으로서,
    상기 부품의 표면상에 중간층을 증착하는 단계; 및
    최외각 표면을 형성하고 질코니아 강화된 세라믹 물질을 포함하는 질코니아 강화된 세라믹층을 상기 중간층상에 증착하는 단계를 포함하며,
    상기 질코니아 강화된 세라믹층은 정방정계 질코니아 다결정 (TZP) 및 부분-안정화된 질코니아 (PSZ) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는, 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품 표면 코팅 공정.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면은 금속 표면인, 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품 표면 코팅 공정.
  8. 정방정계 질코니아 다결정 (TZP) 물질 또는 부분-안정화된 질코니아 (PSZ) 를 포함하는 질코니아 강화된 세라믹 물질에 의해 형성되는 최외각 표면을 포함하는 반도체 공정 설비의 부품으로서,
    상기 세라믹 물질은 플라즈마에 또는 플라즈마와 관련된 바이어스 전압에 노출되어, 상기 플라즈마 및 상기 바이어스 전압에 관한 부품에 내부식성을 제공하는, 반도체 공정 설비의 부품.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 세라믹 물질은 기판상의 세라믹층을 포함하는, 반도체 공정 설비의 부품.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 부품은 플라즈마 환경에 노출된 부분을 포함하는, 반도체 공정 설비의 부품.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 부품은 상기 질코니아 강화된 세라믹 물질을 포함하는 벌크 부분을 포함하는, 반도체 공정 설비의 부품.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 부품은 플라즈마 챔버 벽, 챔버 라이너, 가스분산판, 가스링, 페디스탈, 유전체 창, 정전척 및 포커스링으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 반도체 공정 설비의 부품.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 세라믹 물질은 정방정계 질코니아 다결정 (TZP) 물질을 포함하는, 반도체 공정 설비의 부품.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 세라믹 물질은 부분-안정화된 질코니아 (PSZ) 를 포함하는, 반도체 공정 설비의 부품.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 세라믹층은 약 0.001 내지 0.050 인치 범위의 두께를 갖는, 반도체 공정 설비의 부품.
  16. 제 8 항에 기재된 부품을 포함하는 플라즈마 챔버에서 반도체 기판을 처리하는 방법으로서,
    상기 반도체 기판의 노출된 표면을 플라즈마와 접촉시키는 단계를 포함하는, 반도체 기판 처리 방법.
  17. 질코니아 강화된 세라믹 물질로 구성된 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품을 제조하는 방법으로서,
    질코니아 강화된 세라믹의 슬러리를 준비하는 단계;
    원하는 형상으로 그린 (green) 컴팩트를 형성하는 단계; 및
    상기 컴팩트를 소결하는 단계를 포함하며,
    상기 질코니아 강화된 세라믹은 부분적으로 안정화된 질코니아 및 정방정계 질코니아 다결정 물질로 이루어진 군으로부터 선택되는, 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품 제조 방법.
  18. 제 17 항에 기재된 방법에 의해 제조된, 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 슬러리는 MgO, CaO 및 Y2O3 로 이루어진 군으로부터 선택되는 안정화제를 포함하는, 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품 제조 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 슬러리는 약 2 내지 3 몰% 의 Y2O3 또는 약 10 내지 12 몰% 의 CeO2 를 포함하는, 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품 제조 방법.
  21. 플라즈마 챔버 벽, 챔버 라이너, 가스분산판, 가스링, 페디스탈, 유전체 창, 정전척 및 포커스링으로 이루어진 군으로부터 선택되는 부품을 포함하는 고밀도 플라즈마 에칭 챔버로서,
    상기 부품의 최외각 표면은 정방정계 질코니아 다결정 (TZP) 및 부분적으로-안정화된 질코니아 (PSZ) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 질코니아 강화된 세라믹층을 포함하는, 고밀도 플라즈마 에칭 챔버.
  22. 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품의 표면을 코팅하는 공정으로서,
    거친 표면 (roughened surface) 을 형성하기 위해 상기 부품의 표면을 표면 거칠기 처리하는 단계; 및
    최외각 표면을 형성하고 질코니아 강화된 세라믹 물질을 포함하는 질코니아 강화된 세라믹층을 상기 거친 표면상에 증착하는 단계를 포함하며,
    상기 질코니아 강화된 세라믹층은 정방정계 질코니아 다결정 (TZP) 및 부분-안정화된 질코니아 (PSZ) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는, 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품 표면 코팅 공정.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹층은 정방정계 질코니아 다결정 (TZP) 을 포함하는, 플라즈마 공정 반응 챔버의 부품 표면 코팅 공정.
  24. 정방정계 질코니아 다결정 (TZP) 물질 또는 부분적으로 안정화된 질코니아 (PSZ) 를 포함하는 최외각 표면을 포함하며, 플라즈마 챔버 벽, 챔버 라이너, 가스분산판, 가스링, 페디스탈, 유전체 창 및 포커스링으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 반도체 공정 설비의 부품.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 부품은 플라즈마 챔버 벽인, 반도체 공정 설비의 부품.
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