KR101440864B1 - 플라즈마 에치 챔버에 이용되는 내침식성 강화 석영 - Google Patents

플라즈마 에치 챔버에 이용되는 내침식성 강화 석영 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도핑 석영 부품을 제조하기 위한 방법이 제공된다. 일 실시예에서, 도핑 석영 부품은 기판을 지지하도록 구성된 이트륨 도핑 석영 링이다. 또 다른 실시예에서, 도핑 석영 부품은 이트륨 및 알루미늄 도핑 커버 링이다. 또 다른 실시예에서, 도핑 석영 부품은 이트륨, 알루미늄 및 질소 함유 커버 링이다.

Description

플라즈마 에치 챔버에 이용되는 내침식성 강화 석영 {EROSION RESISTANCE ENHANCED QUARTZ USED IN PLASMA ETCH CHAMBER}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 내플라즈마성 챔버 부품 및 이를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
반도체 처리는 다수의 상이한 화학적 및 물리적 공정들을 포함하며, 이에 의해 정밀한 집적 회로들이 기판 상에 형성된다. 집적 회로를 구성하는 재료들의 층들은 화학적 기상 증착, 물리적 기상 증착 등과 같은, 다수의 플라즈마 공정들에 의해 형성된다. 재료의 층들 중 일부는 포토레지스트 마스크들 및 습식 또는 건식 플라즈마 에칭 기술들을 이용하여 패턴화된다. 집적 회로들을 형성하기 위해 이용되는 기판은 실리콘, 비화 갈륨, 인산 인듐, 유리, 또는 다른 적절한 재료일 수 있다.
플라즈마 처리 동안, 통전 가스(energized gas)는 종종 챔버의 노출된 부분들 및 그 안에 위치하는 부품들을 에칭하고 침식하는 고 부식성(corrosive) 종들을 포함한다. 침식된 챔버 부품들은 다수의 공정 사이클들 후 불일치하거나 바람직하지 않은 처리 결과들이 나오기 전에 교체되어야 한다. 또한, 챔버 부품으로부터 침식된 입자들은 챔버 내에서 처리된 기판들을 오염시킬 수 있으며, 이에 의해 처리 결함들을 초래한다.
따라서, 강화된 내플라즈마성(enhanced plasma resistence)을 구비한 챔버 부품들에 대한 요구가 있다.
본 발명의 실시예들은 유용한 내플라즈마성을 구비한 도핑 석영 부품(doped quartz component)을 제조하는 방법들을 제공한다. 일 실시예에서, 플라즈마 챔버에서 이용하기 위한 도핑 석영 부품은 기판을 지지하도록 구성된 이트륨 도핑 석영 링을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 플라즈마 챔버에서 이용하기 위한 도핑된 석영 부품은 기판 지지 페데스탈을 둘러싸도록 구성되고 부식성 플라즈마 환경으로의 노출에 대해 적절한 재료로 이루어지는 환상체를 가지는 석영 링을 포함할 수 있으며, 석영 링은 각각 약 5 중량 % 보다 적은 이트륨 도펀트 및 알루미늄 도펀트를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 플라즈마 공정 챔버는 내부 용적을 가지는 챔버 본체, 챔버 본체에 배치되고 그 위에 기판을 수용하도록 구성되는 지지 페데스탈, 및 내부 용적에 노출되는 하나 이상의 표면을 가지는 내플라즈마성 이트륨 도핑 석영 부품을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 이트륨 함유 석영 부품을 제조하기 위한 방법은 혼합물을 형성하도록 이트륨 함유 재료와 석영 재료를 블렌딩(blend)하는 단계, 혼합물을 가열하는 단계, 및 이트륨 함유 석영 부품을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 이트륨 함유 석영 부품은 기판 지지 페데스탈을 둘러싸도록 구성되는 환상체를 가진다.
본 발명의 상술된 특징들이 상세하게 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간단히 요약된 본 발명의 더욱 특별한 상세한 설명이 일부가 첨부된 도면들에 도시된 실시예들을 참조할 수 있다.
그러나, 첨부된 도면들은 단지 본 발명의 전형적인 실시예들만을 도시하며 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 고려되지 않으며, 본 발명에 대해 다른 동일한 효과적인 실시예들을 인정할 수 있음에 유의해야 한다.
이해를 용이하게 하도록, 동일한 도면 부호들이 가능하게는 도면들에 공통하는 동일한 요소들을 표시하기 위하여 이용된다. 일 실시예의 요소들 및 특징들은 추가 인용 없이 다른 실시예들에 유익하게 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들로부터 유익할 수 있는 예시적인 플라즈마 에치 챔버의 일 실시예의 개략도를 도시하며,
도 2a는 도 1의 챔버에 이용하기에 적절한 예시적인 커버 링의 일 실시예의 평면도를 도시하며,
도 2b는 도 2a의 커버 링의 저면도이며,
도 2c는 기판 지지 조립체에 배치되는 도 2A의 커버 링의 개략적인 단면도를 도시하며,
도 2d는 도 2c의 개략적인 단면도의 확대도를 도시하며,
도 3은 챔버 부품을 제조하기 위한 방법의 공정 흐름도를 도시하며,
도 4a는 도 1의 챔버에 이용하기에 적절한 예시적인 커버 링의 또 다른 실시예의 평면도를 도시하며,
도 4b는 기판 지지 조립체에 배치되는 도 4A의 커버 링의 개략적인 단면도를 도시하며,
도 4c는 도 4b의 개략적인 단면도의 확대도를 도시하며,
도 5a는 도 1의 챔버에 이용하기에 적절한 예시적인 커버 링의 또 다른 실시예의 평면도를 도시하며,
도 5b는 도 5a의 커버 링의 절단선 A-A를 따라 도시한 개략적인 단면도를 도시한다.
본 발명의 실시예들은 강화된 플라즈마 내침식성을 구비한 챔버 부품들 및 이를 제조하는 방법들을 제공한다. 일 실시예에서, 챔버 부품은 기판 지지 페데스탈 상에 배치되는 기판과 결합하도록 구성되는 커버 링이다. 다른 챔버 부품들은 실드들, 윈도우들, 리드들, 링들 등을 포함할 수 있다는 것이 고려된다. 또 다른 실시예에서, 커버 링은 이트륨 도핑 석영 링이다. 또 다른 실시예에서, 커버 링은 이트륨 및 알루미늄 도핑 링이다. 또 다른 실시예에서, 커버 링은 이트륨, 알루미늄 및 질소 함유 링이다. 커버 링은 이트륨(Y) 원소(element)가 도핑된 석영 재료로 제조될 수 있다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 이트륨(Y) 원소는 이트륨(Y) 금속, 산화 이트륨(Y2O3), 이트륨 합금 등과 같은 이트륨 및/또는 이트륨 함유 재료일 수 있다. 이트륨 도핑 석영 링은 또한 알루미늄(Al) 금속, 산화 알루미늄(Al2O3), 알루미늄 합금, 질화 알루미늄(AlN), 질소 원소 또는 이들의 유도체들을 포함할 수 있다. 더욱이, 챔버 부품은 기판 지지 페데스탈을 둘러싸도록 단독으로 또는 커버 링과 조합되어 이용되는 절연체 링일 수 있다. 도핑 석영 재료에는 부식성의 플라즈마 환경에 노출되는 부품들에 이용하기에 적절한, 강화된 내부식성이 제공되어, 이에 의해 챔버 부품의 서비스 수명을 개선하면서 유지 보수 및 제조 비용을 감소시킨다.
도 1은 본 발명의 실시예들로부터 유익할 수 있는 예시적인 하나의 플라즈마 처리 챔버(100)의 일 실시예의 개략적인 단면도를 도시한다. 여기서 도시된 챔버의 실시예는 설명 목적들을 위해 제공되며 본 발명의 범위를 제한하기 위해 이용되지 않아야 한다. 플라즈마 처리 챔버(100)에 이용된 챔버 부품들은 플라즈마에 노출되는 동안 내침식성을 강화하기 위하여 이트륨(Y) 도핑될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 다양한 적용들을 위한 이트륨(Y) 도핑 챔버 부품들을 제조하기 위하여 이용될 수 있다. 개선된 챔버 부품들은 또한 플라즈마 공정들에서 마주치는 것과 같이 부식 환경들에서 이용하기에 적절하다. 다양한 플라즈마 처리 챔버들은 이트륨(Y) 도핑 부품들을 포함하는 에치 챔버들, PVD 챔버들, 플라즈마 및 어닐링 챔버들, 플라즈마 처리(treating) 챔버들, 플라즈마 강화 CVD 챔버들, 및 이온 주입 챔버들 등으로부터 유익할 수 있다.
챔버(100)는 전도성 챔버 벽(130) 및 바닥(108)을 가지는 진공 챔버 본체(110)를 포함한다. 챔버 벽(130)은 전기 접지부(134)로 연결된다. 리드(170)는 챔버 본체(110) 내에 형성되는 내부 용적(178)을 둘러싸도록 챔버 벽(130)에 배치된다. 하나 이상의 솔레노이드 세그먼트(112)가 챔버 벽(130) 외부에 위치된다. 솔레노이드 세그먼트(들)(112)는 처리 챔버(100) 내에 형성된 플라즈마 공정들을 위한 제어 노브(knob)를 제공하도록 적어도 5V를 생성할 수 있는 DC 전력 공급원(154)에 의해 선택적으로 통전될 수 있다.
라이너(131)는 챔버(100)의 세정을 용이하게 하도록 내부 용적(178) 내에 배치된다. 에치 공정의 부산물들 및 잔류물은 선택된 간격들로 라이너(131)로부터 용이하게 제거될 수 있다.
기판 지지 페데스탈(116)은 가스 확산기(132) 아래 공정 챔버(100)의 바닥(108) 상에 배치된다. 공정 영역(180)은 기판 지지 페데스탈(116)과 확산기(132) 사이의 내부 용적(178) 내에 형성된다. 기판 지지 페데스탈(116)은 처리 동안 가스 확산기(132) 아래 페데스탈(116)의 표면(140) 상에 기판(114)을 유지하기 위한 정전 척(126)을 포함할 수 있다. 정전 척(126)은 DC 전류 공급원(120)에 의해 제어된다.
일 실시예에서, 커버 링(102)은 페데스탈(116) 뿐만 아니라 기판(114)의 외측 주변부 둘레에 배치된다. 일 실시예에서, 커버 링(102)은 내부에 도핑된 이트륨(Y) 원소를 가지는 석영 재료로 이루어진다. 일 실시예에서, 커버 링(102)은 아래 설명된 방법의 실시예들에 따라 제조될 수 있다. 이트륨 도핑 커버 링(102)은 종래의 공정들을 이용하여 제조되는 다른 부품들에 비해 개선된 내부식성을 보여주며 기판 처리 동안 손상으로부터 페데스탈(116)을 보호한다. 커버 링(102)에 대한 부가 상세들은 도 2a 내지 도 2d와 관련하여 하기에서 논의될 것이다.
지지 페데스탈(116)은 정합 네트워크(124)를 통하여 RF 바이어스 공급원(122)으로 결합될 수 있다. 바이어스 공급원(122)은 일반적으로 2 kHz 내지 13.56 MHz의 조정가능한 주파수 및 0 내지 5000 Watt의 전력을 가지는 RF 신호를 발생시킬 수 있다. 선택적으로, 바이어스 공급원(122)은 DC 또는 펄스형 DC 공급원일 수 있다.
지지 페데스탈(116)은 또한 내부 및 외부 온도 조절 영역(174, 176)들을 포함할 수 있다. 각각의 영역(174, 176)은 저항성 히터 또는 냉매를 순환하기 위한 도관과 같은, 하나 이상의 온도 조절 장치를 포함할 수 있어, 페데스탈에 배치되는 기판의 반경 방향의 온도 구배가 제어될 수 있다.
챔버(100)의 내부는 챔버 벽(130) 및/또는 챔버 바닥(108)을 통하여 형성되는 배기 포트(135)를 통하여 진공 펌프(136)에 결합되는 고진공 용기이다. 배기 포트(135)에 배치되는 트로틀 밸브(127)는 처리 챔버(100) 내부 압력을 제어하도록 진공 펌프(136)와 함께 이용된다. 배기 포트(135)의 위치 및 챔버 본체(110)의 내부 용적(178) 내의 다른 유동 제한들은 처리 챔버(102) 내의 컨덕턴스 및 가스 유동 분포에 많은 영향을 미치게 된다.
가스 확산기(132)는 도관을 제공하며, 도관을 통하여 하나 이상의 공정 가스가 처리 영역(180) 내로 도입된다. 일 실시예에서, 가스 확산기(132)는 가스 및 종의 유동이 균일 또는 선택된 분포로 기판으로 전달되도록, 다른 챔버 부품(즉, 배기 포트의 위치, 기판 지지 페데스탈 또는 다른 챔버 부품의 기하학적 형상)들에 의해 발생되는 상술된 컨덕턴스 및 가스 유동 분포를 조정하기 위해 이용될 수 있는 비대칭 방식으로 공정가스를 영역(180)으로 제공할 수 있다.
도 1에 예시적으로 도시된 일 실시예에서, 가스 확산기(132)는 두 개 이상의 가스 분배기(160, 162)들, 장착판(128) 및 가스 분배판(164)을 포함한다. 가스 분배기(160, 162)들은 처리 챔버(100)의 리드(170)를 통하여 하나 또는 그 초과의 가스 패널(138)들로 결합되고, 또한 장착 또는 가스 분배 판(128, 164)들 중 하나 이상에 결합된다. 가스 분배기(160, 162)들을 통한 가스의 유동은 독립적으로 제어될 수 있다. 가스 분배기(160, 162)들이 단일 가스 패널(138)에 결합된 것으로 도시되어 있지만, 가스 분배기(160, 162)들이 하나 또는 그 초과의 공통(shared) 및/또는 별개의(separate) 가스 공급원들로 결합될 수 있다는 것이 고려된다. 가스 패널(138)로부터 제공된 가스들은 플레이트(128, 164)들 사이에 형성된 영역(172) 내로 전달되고 이어서 가스 분배 판(164)을 통하여 형성된 다수의 통공(168)들을 통하여 처리 영역(180)으로 배출된다.
장착판(128)은 지지 페데스탈(116) 반대쪽에 있는 리드(170)와 결합된다. RF 전도성 재료로 제조되거나 이 재료로 덮혀지는 장착판(128)은 임피던스 트랜스포머(119)(예를 들면, 1/4 파장 정합 스터브)를 통하여 RF 공급원(118)으로 결합된다. 공급원(118)은 일반적으로 약 60 MHz 내지 약 162 MHz의 조정가능한 주파수 및 약 0 내지 약 3000 Watt의 전력을 가지는 RF 신호를 발생시킬 수 있다. 장착판(128) 및/또는 가스 분배판(164)은 처리 영역(180) 내의 공정 가스들로부터 형성된 플라즈마를 유지하도록 RF 공급원(118)에 의해 전력이 공급된다.
도 2a 내지 도 2d는 커버 링(102)의 일 실시예의 개략적인 도면들이다. 도 2a 내지 도 2b는 커버 링(102)의 평면도 및 측면도이다. 커버 링(102)은 외측 주변부(202) 및 내측 주변부(204)를 가진다. 일 실시예에서, 커버 링(102)은 약 12 인치의 내경 및 약 14 인치의 외경을 가진다. 리세스 부분(206)은 내측 주변부(204)에 인접하게 형성된다. 도 2c는 페데스탈(116) 및 기판(114) 둘레에 배치되는 절단선(A-A)으로부터 취한 도 2a의 단면도를 도시한다. 내측 주변부(204)에 인접하게 형성된 리세스 부분(206)은 기판(114)을 수용하도록 이에 따른 크기를 가진다. 도 2d는 페데스탈(116) 및 기판(114)에 배치되는 커버 링(102)의 측부의 확대도를 도시한다. 커버 링(102)의 리세스 부분(206)은 약 0.8 인치 사이의 길이를 가진다. 커버 링(102)은 페데스탈(116)을 둘러싸는 약 1.2 인치의 높이를 가진다.
일 실시예에서, 커버 링(102)은 이트륨 도핑 석영 링이다. 또 다른 실시예에서, 커버 링(102)은 이트륨 및 알루미늄 도핑 링이다. 또 다른 실시예에서, 커버 링은 이트륨, 알루미늄 및 질소 함유 링이다. 커버 링(102)은 본 기술분야의 일반적인 기술자에게 공지된 다양한 방법들에 의해 페데스탈(116)에 부착될 수 있다. 기판(114), 예를 들면 실리콘 웨이퍼에 매우 근접하게 커버 링(102)을 제공하여 기판을 둘러쌈으로써, 중앙으로부터 에지에 걸친 균일성과 같은 공정 균일성이 개선될 수 있다. 이 같은 개선은 커버 링(102)에 의해 변형되는 기판(114) 근처의 플라즈마 또는 전기적 환경으로부터 초래되는 것으로 믿어진다.
도 3은 도 1의 커버 링(102)과 같은 커버 링을 제조하기 위한 방법의 일 실시예를 도시한다. 방법(300)은 실드들, 윈도우들, 리드들, 링들 등과 같은, 다른 이트륨 도핑 챔버 부품들을 제조하기 위해 이용될 수 있다. 상기 방법(300)은 노, 캐니스터, 믹서, 또는 챔버와 같은 엔클로저 내에 석영 재료를 제공하는 박스(302)에서 시작된다. 석영 재료는 유리, 합성 실리카, 용융 실리카, 용융 석영, 고 순도 석영, 석영 모래 및 석영 유리 조성물을 형성하기에 적절한 다른 적절한 실리콘 함유 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 석영 재료는 또한 임의의 적절한 공정에 의해 얻을 수 있다.
박스(304)에서, 이트륨(Y) 원소 및/또는 알루미늄(Al) 원소와 같은 도펀트 공급원은 이트륨 및/또는 알루미늄(Al) 원소 함유 석영 조성물을 형성하도록 석영 재료에 부가되어 혼합된다. 도펀트 공급원은 약 0.01 μm 내지 약 0.02 μm의 직경을 가지는 입자들로 형성될 수 있다.
혼합 절차의 일 실시예에서, 석영 재료는 약 1000 ℃ 보다 큰 것과 같은 예정된 온도로 가열될 수 있어, 석영 재료를 액체 및/또는 겔 형태를 용융시키도록 한다. 후속하여, 도펀트 공급원이 원하는 도펀트 농도를 가지는 혼합물을 형성하도록 용융 석영 재료 내로 부가되어 블렌딩된다. 대안으로, 석영 모래와 같은 석영 재료가 고체 형태로 있는 실시예들에서, 도펀트 공급원은 도펀트 혼합물을 형성하도록 고체 석영 재료와 블렌딩되어 회전(tumble)된다. 후속하여, 도펀트 혼합물은 약 1000 ℃ 보다 큰 것과 같은 예정 온도로 가열되어 도펀트 혼합물이 용융되며, 실리콘 석영 및 도펀트들 사이에 입자간 결합(inter-particle bonding) 및 강한 격자형 구조를 형성한다.
박스(304)에서 수행된 혼합 공정은 석영 재료와 도펀트 재료를 완전히 블렌딩된다. 혼합 공정은 도펀트들이 전체 석영 재료를 통하여 균일하게 분배되도록 한다. 부가적으로, 석영 재료와 도펀트들을 혼합하기 위한 공정은 하나 또는 그 초과의 열 공정 사이클들, 예를 들면 열 블렌딩/혼합 공정 다음에 후속되는 석영 재료의 제 1 열 용융 단계(thermal melting)를 포함할 수 있어, 혼합물 내에 존재하는 거품들이 배출되도록 한다. 따라서, 결과적인 도핑 석영 재료는 유익하게는 종래에 처리된 석영 재료에 비해 감소된 거품들을 가진다. 석영 재료 내에 존재하는 도펀트들의 양 및/또는 농도는 상이한 공정 요구조건들에 따라 변화될 수 있다.
일 실시예에서, 도펀트 공급원은 이트륨(Y) 금속, 이트륨 합금, 산화 이트륨(Y2O3), 이트륨-알루미늄-가닛(garnet)(YAG), 및 이들의 유도체를 포함하는 그룹으로부터 선택된 이트륨(Y) 원소일 수 있다. 부가적으로, 도펀트 공급원은 알루미늄(Al) 금속, 알루미늄 합금, 산화 알루미늄(Al2O3), 이트륨-알루미늄-가닛(YAG), 및 질화 알루미늄(AlN), 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 알루미늄 함유 재료를 더 포함할 수 있다. 도펀트 공급원은 약 0.01 중량 % 내지 약 10 중량 %, 예를 들면 약 5 중량 % 보다 적은 석영 재료로 도핑될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 예시적인 일 실시예에서, 석영 재료는 약 5 중량 % 보다 적은 이트륨 도펀트 및/또는 약 5 중량 % 보다 적은 알루미늄 함유 도펀트들을 가진다.
박스(305)에서, 블랭크는 블렌딩 재료로 형성된다. 블랭킹 공정은 소결, 압축, 몰딩 또는 다른 성형 공정을 포함할 수 있다.
박스(306)에서, 석영 재료 블랭크는 기계가공되거나 다른 방식으로 부품을 형성하기 위하여 제조된다. 예를 들면, 석영 재료 블랭크는 플라즈마 처리 챔버에서 이용하기 위해 도 2의 커버 링(102)과 같은, 링을 형성하도록 기계가공될 수 있다. 도핑 석영 재료 블랭크는 실드들, 윈도우들, 리드들, 링들 등과 같은, 플라즈마 챔버에서 상이하게 이용하기 위해 상이한 구성들로 기계가공될 수 있다.
박스(308)에서, 선택적인 열 처리 공정은 기계가공된 도핑 석영 부품을 처리하기 위해 수행된다. 도핑 석영 부품은 박스(308)에서 설명된 일 실시예에 따른 개선된 열 처리 공정 또는 다른 적절한 공정에 의해 열 처리될 수 있다. 열 처리 공정은 노 또는 챔버와 같은 엔클로저에 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 열 처리 공정은 도핑 석영 재료가 형성되는 동일한 엔클로저에서 수행될 수 있다. 대안으로, 열 처리 공정은 또 다른 엔클로저에서 수행될 수 있다. 열 처리 공정은 도핑 석영 필름의 표면 마무리를 개선하여, 이에 의해 매끄러운 표면을 제공하여 플라즈마 챔버 내로의 설치시 정합 표면들과의 타이트한 조립을 허용한다.
열 처리 공정을 위한 예시적인 일 실시예에서, 어닐링 가스, 예를 들면 질소(N2)가 약 100 mbar 내지 약 1000 mbar의 범위 내의 압력까지 엔클로저 내로 도입된다. 엔클로저의 온도는 제 1 온도, 예를 들면 대기 온도로부터 또한 열 처리 온도로 인용되는 제 2 온도까지 상승된다(ramped up). 열 처리 온도는 약 100 ℃ 내지 약 500 ℃의 범위 내에 있을 수 있다. 가열 속도는 도핑 석영 부품 내의 열 응력을 최소화하고 도핑 석영 부품의 필름 격자형 구조가 형성되도록 하여, 감소된 표면 거칠기를 가진 밀집한 부품들을 초래하기에 충분할 만큼 느리게 되도록 선택된다. 예를 들면, 약 20℃/분 내지 약 50 ℃/분(℃/min)의 범위의 가열 속도는 많은 분야들에 적절하다. 부품은 약 1 시간 내지 약 5 시간의 범위일 수 있는 제 1 시간 주기 동안 어닐링 온도로 유지된다.
열 처리 공정 내의 N2 가스는 도핑 석영 재료의 표면을 질화 처리하여, 도핑 석영 재료의 표면 상에 존재하는 끊어진 결합(dangling bond)을 보수한다. 대안으로, 본 명세서에 제공된 열 처리 공정은 또한 종래의 도핑되지 않은 석영 재료에 이용될 수 있다. 질소 원자들은 실리콘 격자물 내로 흡수되어 결합되며 표면 결함들을 감소시킨다. 도핑된 석영 부품 내로 결합되는 질소 원자들의 양은 열처리 공정에서 수행되는 처리 온도, 질소 가스 농도, 및 전체 공정 시간에 종속될 수 있다. 예를 들면, 대량의 질소들을 도핑하는 것이 바람직한 실시예들에서, 더 높은 질소 가스 유동, 더 높은 온도 또는 더 긴 공정 시간이 이용될 수 있으며 그 반대도 가능하다. 본 명세서에서 설명되는 예시적인 일 실시예에서, 도핑된 석영 부품 내로 결합되는 질소 원자들은 약 10 ppmw(parts per million by weight) 내지 약 150 ppmw, 예를 들면 약 50 ppmw이다.
대안으로, 불활성 가스 및/또는 환원 가스는 선택적으로 열 처리 공정 동안 엔클로저 내로 N2 가스를, 동시에 또는 주기적으로 공급할 수 있다. 불활성 가스 및/또는 환원 가스는 열 처리 공정 동안 엔클로저 내로 N2 가스를 동시에 공급하거나 주기적으로 펄싱하여 제거할 수 있다(purge out). 일 실시예에서, 환원 가스는 N2 및 H2 의 혼합물, 예를 들면 약 6 용적 %와 같이, 약 10 용적 % 보다 작은 H2의 농도를 가진 성형 가스(forming gas)이다. 또한, 다른 환원 가스들, 예를 들면 H2, N2/H2 혼합물, CXHyFZ, CXFZ(여기서 x, y, 및 z은 적어도 1인 정수이다), CO, CO2, NH3, H2/CO2 혼합물, CO/CO2 혼합물, 및 H2/CO/CO2 혼합물이 이용될 수 있다. 불활성 가스들의 적절한 예들은 Ar, He, Ne, Kr 및 Xe를 포함한다.
열 처리 공정이 완료될 때, 엔클로저의 온도는 약 2 내지 약 50 시간의 시간 주기에 걸쳐 하강하여(ramp down), 대기 온도로 처리된 도핑 석영 부품의 점차적인 냉각을 허용한다. 도핑 석영 부품은 제어된 속도로 냉각되어 열 응력을 최소화하는데, 그렇지 않은 경우 열 응력이 과잉 고속 냉각으로부터 발생될 수 있다. 예를 들면, 약 20℃/분 내지 약 50℃/분의 냉각 속도가 이용될 수 있다. 대안으로, 박스(308)에서 도시된 바와 같은 선택적인 열 처리 공정은 도핑 석영 재료가 점선(310)에 의해 표시된 바와 같이, 박스(306) 내의 부품 내로 기계가공되기 전에 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예들을 이용하여 제조되었된 수 개의 이트륨 도핑 석영 부품들을 위해 비교 침식 테스트들이 실시된다. 테스트된 도핑 석영 부품들은 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 상이한 상태들 하에서 이트륨에 의해 도핑되며 본 발명의 일 실시예에 따라 열 처리된 석영 재료로 제조된다. 침식(또는 부식) 속도들은 반응성 분위기, 예를 들면, 불소계 플라즈마로의 노출 전후에 상기 부품들의 두께 측정들을 수행함으로써 얻어졌다.
결과들은 본 발명의 실시예들을 이용하여 제조되는 도핑 석영 부품이 종래의 공정들을 이용하여 제조되는 종래의 석영 부품에 비해 개선된 내침식성, 또는 약 20 % 내지 약 35 %의 범위의 감소된 침식 속도를 갖는 것을 보여준다.
특별한 일 실시예에서, 도핑된 석영 부품은 약 5 중량 % 보다 적은 도핑된 이트륨, 약 5 중량 % 보다 적은 도핑된 알루미늄, 및/또는 약 50 ppmw의 농도의 도핑 질소 및 종래의 석영 부품들에 비해 약 30 %의 불소 함유 플라즈마로의 노출에 대해 개선된 내침식성, 또는 감소된 침식 속도들을 가진다.
도 4a 내지 도 4c는 기판 지지 페데스탈(450) 상에 배치되는 예시적인 하나의 커버 링(400)의 또 다른 실시예의 개략적인 도면들을 도시한다. 도 4a는 커버 링(400)의 평면도를 도시한다. 커버 링(400)은 이트륨 원소 및/또는 알루미늄으로 도핑된 석영 재료로 제조되며, 일 실시예에서, 방법(300)에 의해 제조된다. 커버 링(400)은 외측 영역(408) 및 내측 영역(406)을 가지는 환상체(402)를 가진다. 내측 영역(406)의 태브(404)는 환상체(402)로부터 반경 방향 내측으로 연장한다. 일 실시예에서, 커버 링(400)은 약 11.7 인치와 같은 약 12 인치 내지 약 13 인치 사이의 내경 및 약 15.9 인치와 같은 약 15 인치 내지 약 16.5 인치 사이의 외경을 가진다.
도 4b는 페데스탈(450) 및 기판(452) 둘레에 배치되는 커버 링(400)의 절단선(A-A)을 따라 취한 단면도이다. 커버 링(400)은 페데스탈(450)의 외측 상부면을 덮고, 페데스탈(450)을 둘러싸는 절연체 링(428)을 덮는다. 일 실시예에서, 커버 링(400)은 페데스탈(450)의 정합면들 사이에 유용한 밀봉을 제공하기 위해 절연체 링(428)을 따라 또는 이들과 조합되어 이용될 수 있다. 커버 링(400)은 페데스탈(450)과 결합되는 챔버 라이너와 같은, 챔버 부품(426)의 상단부에 끼워진다.
도 4c는 커버 링(400)의 일 부분의 확대도를 도시한다. 커버 링(400)의 환상체(402)는 일반적으로 상부면(422) 및 바닥면(420)을 가진다. 제 1 릿지(414), 제2 릿지(412), 및 제 3 릿지(418)는 환상체(402)의 바닥면(420)으로부터 하방으로 연장한다. 도 4c에 도시된 실시예에서, 릿지(414, 412, 418)들은 동심 링들이다.
제 1 및 제 2 릿지(414, 412)들은 커버 링(400)의 내부 부분으로부터 연장하여 그 사이에 제 1 슬롯(430)을 형성하고, 제 1 슬롯은 챔버 부품(426)의 상단부에 끼워진다. 제 1 릿지(414)는 환상체(402)로부터 제 2 릿지(412)보다 더 멀리 연장한다. 제 2 릿지(412) 및 제 3 릿지(418)는 페데스탈(450)과 결합된 절연체 링(428)의 상부면에 끼워져서 제 2 슬롯(432)을 형성함으로써, 커버 링(400)과 페데스탈(116) 사이의 배향을 고정한다. 제 2 릿지(412)는 하부면(434)을 가진다. 하부면(434)의 폭은 절연체 링(428)의 상부면의 폭에 일치하여 두 개의 부품들 사이에 유용한 맞물림(occlusion)을 제공하며, 이는 도 5a 내지 도 5b를 참조하여 아래에서 더 상세하게 설명된다.
태브(404)는 페데스탈(116)의 상부면과 실질적으로 동일한 평면 상에 있는 상부면(424)을 포함하여, 기판(452)이 그 위에 배치될 때 기판(452)이 상부 페데스탈 표면과 태브(404)의 상부면(424) 사이의 경계부(interface)를 덮는 것을 허용한다.
내측 벽(410)은 환상체(402)의 상부면(424)과 태브(404) 사이에 배치된다. 내측 벽(410)은 태브(404)의 내경 보다 큰 직경을 가진다. 환상체(402)의 상부면(422)은 도 4a의 평면도에 도시된 바와 같이 내측 영역(406) 및 외측 영역(408)을 포함한다. 내측 영역(406)은 외측 영역(408)에 대해 상승된다. 내측 영역(406)은 상부면(424)의 외측 영역(408)에 평행하게 배향될 수 있다. 경사진 영역(416)은 상부면(422)의 내측 및 외측 영역(406, 408) 사이의 변이 영역(transion region)을 형성한다.
일 실시예에서, 커버 링(400)은 도 3의 방법(300)에 의해 제조되는 이트륨 도핑 석영 링이다. 또 다른 실시예에서, 커버 링(400)은 이트륨 및 알루미늄 도핑 석영 링이다. 또 다른 실시예에서, 커버 링(400)은 이트륨, 알루미늄 및 질소 함유 링이다.
도 5a 내지 도 5b는 도 4a 내지 도 4c의 커버 링(400)을 따라 또는 이들과 조합되어 기판 페데스탈(450), 또는 다른 페데스탈 내에서 이용될 수 있는 예시적인 절연체 링(428)의 실시예의 개략도들이다. 절연체 링(428)은 도 3의 방법(300)에 의해 제조될 수 있다. 대안으로, 절연체 링(428)은 소정의 적절한 기술들에 의해 제조될 수 있다.
도 5a는 절연체 링(428)의 평면도를 도시한다. 절연체 링(428)은 외측 영역(502) 및 내측 영역(504)을 가진다. 링(428)의 내측 영역(504)은 도 4b에 도시된 바와 같이, 커버 링(400)의 제 2 및 제 3 릿지(412, 418) 사이에 형성된 슬롯(432)에 결합되도록 구성된다.
도 5b는 도 5a의 절단선(A-A)을 따라 취한 절연체 링(428)의 단면도를 도시한다. 절연체 링(428)이 커버 링(400)에 의해 덮혀질 때, 절연체 링(428)은 기판(452)과 직접 접촉하지 않는다. 리세스 부분(506)은 외측 영역(502)의 상부 코너 및 하부 코너 상에 형성된다. 외측 영역(502)의 상부 코너에 형성된 리세스 부분(506)은 커버 링의 제 2 릿지(412)를 수용하여 제 2 릿지(412)의 하부면(434)과 정합한다. 리세스 부분(506)은 제 2 릿지(412)를 덮어서 유용한 밀봉을 제공하고 커버 링(400)의 배향을 고정한다.
일 실시예에서, 절연체 링(428)은 종래의 석영 링일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 절연체 링(428)은 이트륨 도핑 석영 링, 이트륨 및 알루미늄 도핑 석영 링, 또는 이트륨, 알루미늄 및 질소 함유 링일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 링(428)은 도 3의 방법(300)에 의해 제조될 수 있다.
도 1, 도 2a 내지 도 2d의 커버 링(102), 도 4a 내지 도 4c의 커버 링(400) 및 도 4b 및 도 5a 내지 도 5b의 절연체 링(428)과 같은 도핑된 석영 부품들은 형태(morphology) 및 미세구조와 같은 특성들이 개선된 결과, 플라즈마 가스들에 의한 부식에 대해 강화된 내성, 감소된 기계적 응력, 개선된 표면 마무리, 및 감소된 입자 발생을 초래하는 것이 판명되었다.
위의 예 및 논의가 예시적으로 플라즈마 챔버들용 도핑 석영 부품에 초점을 맞추었지만, 본 발명의 하나 또는 그 초과의 실시예들이 또한 상이한 적용들에 대해 다양한 재료들을 이용하는 부품들을 포함하여 다른 챔버 부품들을 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 열 처리 공정은 또한 세라믹들, 금속들, 유전체들, 합금들 등과 같은 재료들로 제조된 부품에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 대해 전술되었지만, 본 발명의 다른 및 추가의 실시예들은 본 발명의 기본 범위로부터 이탈하지 않고 발명될 수 있으며, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위들에 의해 결정된다.

Claims (15)

  1. 플라즈마 챔버에 이용하기 위한 도핑(doped) 석영 부품으로서,
    기판을 지지하도록 구성된 이트륨 도핑 기계가공(machined) 석영 링을 포함하며,
    상기 석영 링이 기계가공-후 열 도포 질소 함유 도펀트(post-machining thermally applied nitrogen containing dopant)를 더 포함하는,
    도핑 석영 부품.
  2. 제 1 항에 있어서,
    이트륨 도펀트는 5 중량 % 보다 적게 포함되는,
    도핑 석영 부품.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 이트륨 도펀트는 이트륨 금속, 이트륨 합금, 또는 산화 이트륨 중 하나 이상인,
    도핑 석영 부품.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 석영 링은 알루미늄 함유 도펀트를 더 포함하는,
    도핑 석영 부품.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 알루미늄 함유 도펀트는 알루미늄 금속, 알루미늄 합금, 산화 알루미늄 또는 질화 알루미늄 중 하나 이상인,
    도핑 석영 부품.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 알루미늄 함유 도펀트는 5 중량 % 보다 적게 포함되는,
    도핑 석영 부품.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 질소 함유 도펀트는 10 ppmw(ppm by weight) 내지 150 ppmw를 포함하는,
    도핑 석영 부품.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 석영 부품은 외측 주변부; 내측 주변부; 그리고 상기 기판을 수용하도록 구성되어 상기 내측 주변부에 인접하는 리세스 부분;을 가지는,
    도핑 석영 부품.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 석영 부품은 외측 영역; 내측 영역; 및 상기 외측 영역에 형성되는 리세스 부분;을 가지는,
    도핑 석영 부품.
  10. 플라즈마 챔버에 이용하기 위한 도핑 석영 부품으로서,
    기판 지지 페데스탈을 둘러싸도록 구성되고 부식성 플라즈마 환경에 노출시킬 수 있는 재료로 이루어지는 환상체를 가지는 기계가공 석영 링을 포함하며,
    상기 석영 링은 질소, 이트륨 및 알루미늄 도펀트를 포함하며,
    이트륨 및 알루미늄 도펀트는 각각 5 중량 % 보다 적고,
    질소 함유 도펀트는, 형성된 석영 링 상의 기계가공-후 열 처리 공정에 의해 도포되는,
    도핑 석영 부품.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 질소 도펀트는 10 ppmw 내지 150 ppmw인,
    도핑 석영 부품.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 이트륨 도펀트가 이트륨 금속, 이트륨 합금, 및 산화 이트륨 중 하나 이상이거나, 또는
    상기 알루미늄 도펀트가 알루미늄 금속, 알루미늄 합금, 산화 알루미늄, 또는 질화 알루미늄 중 하나 이상인,
    도핑 석영 부품.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 혼합물을 형성하도록 이트륨 함유 재료와 석영 재료를 혼합(blend)하는 단계;
    상기 혼합물을 가열하는 단계;
    이트륨 함유 석영 부품을 형성하는 단계로서, 상기 이트륨 함유 석영 부품은 상부에 기판을 지지할 수 있는 크기를 갖는 환상체를 가지는, 이트륨 함유 석영 부품을 형성하는 단계;
    질소 가스의 존재 하에서 상기 이트륨 함유 석영 부품을 열 처리하는 단계; 및
    이트륨 및 질소 함유 석영 부품을 형성하는 단계;를 포함하는,
    이트륨 함유 석영 부품 제조 방법.
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