KR102388784B1 - 고온 애플리케이션을 위한 플라즈마 부식 저항성 박막 코팅 - Google Patents

고온 애플리케이션을 위한 플라즈마 부식 저항성 박막 코팅 Download PDF

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Abstract

서셉터와 같은 물품(article)은, 제 1 보호 층에 의해 코팅된 열 전도성 재료의 바디, 및 바디의 표면 위의 제 2 보호 층을 포함한다. 제 1 보호 층은 열 전도성 세라믹이다. 제 2 보호 층은 제 1 보호 층을 덮으며, 그리고 섭씨 650도의 온도들에서 크래킹(cracking)에 대해 저항적인 플라즈마 저항성(plasma resistant) 세라믹 박막이다.

Description

고온 애플리케이션을 위한 플라즈마 부식 저항성 박막 코팅{PLASMA EROSION RESISTANT THIN FILM COATING FOR HIGH TEMPERATURE APPLICATION}
[0001] 본 발명의 실시예들은, 일반적으로, 고온들에 그리고 직접 또는 원격 플라즈마 환경들에 빈번하게 노출되는 챔버 컴포넌트(chamber component)들을 보호하는 것에 관한 것이다.
[0002] 반도체 산업에서, 디바이스들은, 계속-감소되는 사이즈의 구조들을 생성하는 다수의 제조 프로세스들에 의해 제작된다. 플라즈마 에칭 및 플라즈마 세정 프로세스들과 같은 몇몇 제조 프로세스들은, 기판을 에칭하거나 또는 세정하기 위해, 플라즈마의 고속 스트림에 기판을 노출시킨다. 플라즈마는 고도로 부식성(corrosive)일 수 있고, 플라즈마에 노출되는, 프로세싱 챔버들 및 다른 표면들을 부식시킬 수 있다. 따라서, 프로세싱 챔버 컴포넌트들을 부식으로부터 보호하기 위해, 플라즈마 스프레잉(sprayed) 보호 코팅들이 일반적으로 사용된다.
[0003] 몇몇 제조 프로세스들은 고온들(예를 들어, 400℃ 초과의 온도들)에서 수행된다. 전형적인 플라즈마 스프레잉 보호 코팅들은, 그러한 프로세스들에 대해 사용되는 몇몇 챔버 컴포넌트들에 대해 부적합할 수 있다.
[0004] 예시적인 실시예에서, 물품(article)은, 열 전도성 재료(thermally conductive material)를 갖는 바디(body)를 포함한다. 물품은 바디의 표면 상의 제 1 보호(protective) 층을 더 포함하며, 제 1 보호 층은 열 전도성 세라믹이다. 물품은 제 1 보호 층 상의 제 2 보호 층을 더 포함하며, 제 2 보호 층은, 섭씨 650도까지의 온도들에서 크래킹(cracking)에 대해 저항적인 플라즈마 저항성(plasma resistant) 세라믹 박막을 포함한다.
[0005] 다른 예시적인 실시예에서, 방법은, 열 전도성 재료 바디를 포함하는 물품을 제공하는 단계를 포함한다. 방법은, 열 전도성 재료 바디의 표면 상에 제 1 보호 층을 증착하는 단계를 더 포함하며, 제 1 보호 층은 열 전도성 세라믹이다. 방법은, 제 1 보호 층 위에 제 2 보호 층을 증착하기 위해, 이온 보조 증착(ion assisted deposition)을 수행하는 단계를 더 포함하며, 제 2 보호 층은, 섭씨 650도까지의 온도들에서 크래킹에 대해 저항적인 플라즈마 저항성 세라믹 박막을 포함한다.
[0006] 다른 예시적인 실시예에서, 원자 층 증착 챔버를 위한 서셉터는 그래파이트 바디(graphite body)를 포함한다. 서셉터는 그래파이트 바디의 표면 상의 제 1 보호 층을 더 포함하며, 제 1 보호 층은 실리콘 탄화물(silicon carbide)을 포함한다. 서셉터는 제 1 보호 층 위의 제 2 보호 층을 더 포함하고, 제 2 보호 층은, 섭씨 650도까지의 룸 온도(room temperature)의 온도들에서 크래킹에 대해 저항적인 플라즈마 저항성 세라믹 박막을 포함하며, 제 2 보호 층은, Er3Al5O12, Y3Al5O12 및 YF3으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 세라믹을 포함한다.
[0007] 본 발명은, 유사한 레퍼런스들이 유사한 엘리먼트들을 표시하는 첨부 도면들의 도면들에서, 제한이 아닌 예로서 예시된다. 본 개시내용에서 "실시예" 또는 "일 실시예"에 대한 상이한 언급들이 반드시 동일한 실시예에 대한 것은 아니고, 그러한 언급들은 적어도 하나를 의미한다는 것을 주목해야 한다.
[0008] 도 1은 프로세싱 챔버의 일 실시예의 단면도를 도시한다.
[0009] 도 2a는 하나의 표면 상에 박막 보호 코팅을 갖는, 원자 층 증착(ALD)을 위한 서셉터를 도시한다.
[0010] 도 2b는, 홀(hole) 내에 삽입된 플라즈마 저항성 플러그를 갖는, 원자 층 증착 챔버를 위한 서셉터의 확대된(zoomed in) 단면도를 도시한다.
[0011] 도 3 내지 도 5는 하나의 표면 상에 보호 층 스택들을 갖는 예시적인 물품들의 측단면도들을 도시한다.
[0012] 도 6은 물품 위에 하나 또는 그 초과의 보호 층들을 형성하기 위한 프로세스의 일 실시예를 예시한다.
[0013] 도 7a는, 이를테면 이온 보조 증착(ion assisted deposition, IAD)과 같은, 에너제틱 입자(energetic particle)들을 활용하는 다양한 증착 기법들에 대해 적용가능한 증착 메커니즘을 도시한다.
[0014] 도 7b는 IAD 증착 장치의 개략도를 도시한다.
[0015] 도 8은 본 발명의 실시예들에 따라 형성되는 박막 보호 층들에 대한 부식률(erosion rate)들을 예시한다.
[0016] 본 발명의 실시예들은 원자 층 증착(ALD) 챔버를 위한 챔버 컴포넌트와 같은 물품을 제공하며, 이는 물품의 하나 또는 그 초과의 표면들 상에 박막 보호 층을 갖는다. 보호 층은 대략 50 미크론 미만의 두께를 가질 수 있으며, 그리고 물품의 보호를 위한 플라즈마 부식 저항(plasma corrosion resistance)을 제공할 수 있다. 챔버 컴포넌트는 웨이퍼들의 프로세싱 동안 고온들에 노출될 수 있다. 예를 들어, 챔버 컴포넌트는 450℃ 초과의 온도들에 노출될 수 있다. 박막 보호 층은, 이러한 고온들에서의 크래킹에 대해 실질적으로 영향을 받지 않거나 저항적이 되도록 하는 방식으로 형성된다. 박막 보호 층은, 이온 보조 증착(IAD)을 사용하여, 가열된 기판 상에 증착되는 고밀도(dense)의 컨포밍(conforming) 박막일 수 있다. 박막 보호 층은 Y3Al5O12, Er3Al5O12, 또는 YF3으로 형성될 수 있다. 박막 보호 층에 의해 제공되는 개선된 부식 저항은, 유지보수(maintenance) 및 제조 비용을 감소시키면서, 물품의 유효 수명(service life)을 개선할 수 있다.
[0017] 도 1은, 본 발명의 실시예들에 따른, 박막 보호 층으로 코팅되는 하나 또는 그 초과의 챔버 컴포넌트들을 갖는 프로세싱 챔버(100)의 단면도이다. 프로세싱 챔버(100)는 ALD 프로세싱 챔버일 수 있다. 일 실시예에서, 프로세싱 챔버(100)는, 챔버 세정을 위해 프로세싱 챔버(100) 내로 불소 라디칼(fluorine radical)(F*)들을 전달하기 위해 원격 플라즈마 유닛을 활용한다. 대안적으로, 다른 타입들의 프로세싱 챔버들이, 본원에서 설명되는 실시예들에 대해 사용될 수 있다.
[0018] 프로세싱 챔버(100)는 고온 ALD 프로세스들에 대해 사용될 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 챔버(100)는 티타늄 질화물(TiN)의 증착을 위해 사용될 수 있다. TiN 증착 프로세스는 전형적으로, 450℃ 또는 그 초과의 온도들에서 수행되는 ALD 프로세스이다. 다른 예시적인 고온 ALD 프로세스는 DCS(dichlorosilane) 텅스텐 실리사이드(tungsten silicide)의 증착이다. DCS 텅스텐 실리사이드 프로세스는, 약 500-600℃의 온도들에서의 WF6, DCS 및 SiH4의 반응에 의해 수행된다. 다른 고온 ALD 프로세스들이 프로세싱 챔버(100)에 의해 수행될 수 있다.
[0019] 박막 보호 층을 포함할 수 있는 챔버 컴포넌트들의 예들은 서셉터(susceptor)(134), 챔버 바디(chamber body)(105), 샤워헤드(110) 등을 포함한다. 하기에서 더 상세히 설명되는 박막 보호 층은, Y3Al5O12(YAG), Er3Al5O12(EAG), 및/또는 YF3을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 박막 보호 층은 또한, 다른 세라믹들을 포함할 수 있다. 부가적으로, 박막 보호 층은 보호 층 스택 내의 하나의 층일 수 있다. 예시된 바와 같이, 일 실시예에 따르면, 서셉터(134)는 박막 보호 층(제 2 보호 층(136))을 갖는다. 하지만, 상기 리스트된 것들과 같은 다른 챔버 컴포넌트들 중 임의의 컴포넌트 또한 박막 보호 층을 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
[0020] 일 실시예에서, 프로세싱 챔버(100)는, 내부 볼륨(interior volume)(106)을 둘러싸는, 챔버 바디(105) 및 샤워헤드(110)를 포함한다. 챔버 바디(105)는 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 다른 적합한 재료로 제조될 수 있다. 챔버 바디(105)는 일반적으로, 측벽들 및 바닥을 포함한다. 샤워헤드(110), 측벽들 및/또는 바닥 중 임의의 것이 박막 보호 층을 포함할 수 있다.
[0021] 챔버 배기부(chamber exhaust)(125) 및 하나 또는 그 초과의 배기 포트들(137)이 챔버의 내부 볼륨(106)으로부터 배기가스(exhaust)를 배출시킨다. 배기 포트들(137)은, 프로세싱 챔버(100)의 내부 볼륨(106)의 압력을 조절 및 진공배기(evacuate)하는 데에 활용되는, 하나 또는 그 초과의 펌프들(160) 및 스로틀 밸브들(156) 및/또는 게이트 밸브들(154)을 포함하는 펌프 시스템에 연결될 수 있다.
[0022] 샤워헤드(110)는 챔버 바디(105)의 측벽들 상에 지지될 수 있다. 샤워헤드(110)(또는 리드(lid))는 프로세싱 챔버(100)의 내부 볼륨(106)으로의 액세스를 허용하기 위해 개방될 수 있으며, 그리고 폐쇄되는 동안에는 프로세싱 챔버(100)에 대한 밀봉(seal)을 제공할 수 있다. 샤워헤드(110)는 가스 분배 플레이트 및 하나 또는 그 초과의 주입기들(122, 123, 124)을 포함할 수 있다. 샤워헤드(110)는 알루미늄, 스테인리스 스틸, 또는 다른 적합한 재료로 제조될 수 있다. 대안적으로, 몇몇 실시예들에서, 샤워헤드(110)는 리드 및 노즐에 의해 대체될 수 있다.
[0023] 가스 패널(152)은, 하나 또는 그 초과의 가스 전달 라인들(138-146)을 경유하여 샤워헤드(110)를 통해 내부 볼륨(106)에 프로세스 및/또는 세정 가스들을 제공할 수 있다. 기판들 상에 층들을 증착하기 위해 CVD 동작들을 수행하는 데에 사용될 수 있는 프로세싱 가스들의 예들은, 증착될 층에 따라서, NH3, TiCl4, TDMAT(Tetrakis(dimethylamino)titanium), WF6, DCS, SiH4 등을 포함한다. 원격 플라즈마 소스(RPS)(150)가, 세정 동안 불소 라디칼들(F*)을 생성할 수 있으며, 불소 라디칼들을 하나 또는 그 초과의 가스 전달 라인들(138-146)을 경유하여 전달할 수 있다. 가스 전달 라인들(138-146), 배기 포트들(137) 및 샤워헤드(110)는, 알루미늄 또는 다른 적합한 재료일 수 있는 돔(dome)(180)에 의해 덮일 수 있다.
[0024] 챔버 컴포넌트들, 이를테면 챔버 바디(105)의 내부 벽들, 샤워헤드(110), 서셉터(134) 등은 프로세싱 동안 재료들의 증착된 층을 축적(accumulate)한다. 입자 오염 뿐만 아니라, 증착 특성들에 있어서의 변화들을 완화시키기 위해, 이러한 증착된 층들은, 원격 플라즈마 세정 프로세스를 사용하여 챔버 컴포넌트들로부터 주기적으로 세정된다. 챔버 컴포넌트들의 표면들로부터, 증착된 재료들을 세정하는 데에 사용될 수 있는 세정 가스들의 예들은, 특히, 할로겐-함유 가스들, 이를테면 C2F6, SF6, SiCl4, HBr, NF3, CF4, CHF3, CH2F3, F, NF3, Cl2, CCl4, BCl3 및 SiF4, 및 다른 가스들, 이를테면 O2, 또는 N2O를 포함한다. 캐리어 가스들의 예들은 N2, He, Ar, 및 세정 가스들에 대해 비활성인 다른 가스들(예를 들어, 비-반응성 가스들)을 포함한다. 일 실시예에서, NF3 및 Ar이 플라즈마 세정 프로세스를 수행하는 데에 사용된다.
[0025] 서셉터(134)는, 프로세싱 챔버(100)의 내부 볼륨(106) 내에서, 샤워헤드(110) 아래에 배치되며, 그리고 베이스(base)(132)에 의해 지지된다. 서셉터(134)는 프로세싱 동안 하나 또는 그 초과의 기판들을 홀딩(hold)한다. 서셉터(134)는, 하나 또는 그 초과의 기판들과 상호작용하는 프로세스 가스들의 균등한(even) 분배를 보장하기 위해, ALD 프로세스들 동안 중심축(axial center)을 중심으로 회전(spin)하도록 구성된다. 이러한 균등한 분배는 하나 또는 그 초과의 기판들 상에 증착되는 층들의 두께 균일성을 개선한다.
[0026] 서셉터(134)는, 가열되도록 그리고 프로세싱 동안 서셉터(134) 전체에 걸쳐서 균일한 열을 유지하도록 구성된다. 따라서, 서셉터(134)는, 열 충격(thermal shock)에 대한 높은 저항을 갖는 열 전도성 재료로 구성되는 바디를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 바디는 그래파이트와 같은 반금속(semimetal) 재료이다. 서셉터(134)는 또한, 높은 열 충격 저항을 갖는 다른 재료들, 이를테면 글래스-카본(glass-carbon)으로 구성되는 바디를 가질 수 있다.
[0027] 서셉터(134)는 다수의 함몰부(depression)들을 갖는다. 각각의 함몰부는 대략적으로, 함몰부 내에 홀딩될 기판(예를 들어, 웨이퍼)의 크기일 수 있다. 기판은 프로세싱 동안 서셉터(134)에 진공 부착될(vacuum attached)(척킹될(chucked)) 수 있다.
[0028] 일 실시예에서, 서셉터(134)의 바디는, 적어도 하나의 표면 상의 제 1 보호 층(135) 및 제 1 보호 층(135) 상의 제 2 보호 층(136)을 갖는다. 일 실시예에서, 제 1 보호 층은 SiC 이며, 그리고 제 2 보호 층은, Y3Al5O12(YAG), Er3Al5O12(EAG), 또는 YF3 중 하나이다. 다른 실시예에서, 서셉터(134)는 단일의 보호 층 만을 가지며, 이는 Y3Al5O12(YAG), Er3Al5O12(EAG), 또는 YF3 중 하나이다. 다른 실시예들에서, 부가적인 보호 층들이 또한 사용될 수 있다. 하나의 예시적인 서셉터가 도 2a 및 도 2b와 관련하여 하기에서 더 상세히 도시된다.
[0029] 일 실시예에서, 하나 또는 그 초과의 가열 엘리먼트들(130)이 서셉터(134) 아래에 배치된다. 하나 또는 그 초과의 열 차폐물(heat shield)들이 또한, 고온들로 가열되서는 안되는 컴포넌트들을 보호하기 위해, 가열 엘리먼트들(130) 근방에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 가열 엘리먼트들(130)은 저항성 또는 유도성 가열 엘리먼트들이다. 다른 실시예에서, 가열 엘리먼트들은 복사 가열 램프(radiant heating lamp)들이다. 몇몇 실시예들에서, 가열 엘리먼트들(130)은 서셉터(134)를 700℃까지의 또는 그 보다 더 높은 온도들로 가열할 수 있다.
[0030] 도 2a는 ALD 챔버를 위한 예시적인 서셉터(200)를 도시한다. 서셉터(200)는 박막 보호 코팅을 갖는다. 일 실시예에서, 박막 보호 코팅은 단지, 서셉터의 상부 표면 만을 코팅한다. 대안적으로, 박막 보호 코팅은 서셉터의 상부 표면 및 하부 표면을 코팅한다. 박막 보호 층은 또한, 서셉터의 측벽들을 코팅할 수 있다. 서셉터(200)의 목적은, 동시에, 다수의 웨이퍼들을 지지하고 이러한 웨이퍼들을 균일하게 가열하는 것이다. 서셉터(200)는, 저항성 가열 엘리먼트들 또는 램프들을 사용하여 복사적으로(radiatively) 가열될 수 있다. 프로세싱 동안, 서셉터(200)는, 원자 층 증착(ALD) 또는 다른 CVD 프로세스에 의해, (지지되는 웨이퍼들과 함께) 코팅된다. MTBC(mean time between cleans)를 증가시키기 위해, 서셉터(200)는, 순차적인 프로세싱 동안 발생되는 내부의 막 응력(film stress)들로 인해 코팅이 벗겨지는(flaking) 것을 막도록 주기적으로 세정되어야 한다. 서셉터(200)는 열적 또는 원격 플라즈마 프로세스에 의해 세정될 수 있다. NF3를 사용하는 원격 플라즈마 세정의 경우, 불소 라디칼들(F*)이 원격에서(remotely) 생성되어, 증착 막을 제거하기 위해 프로세싱 영역 내로 전달된다. 하지만, 고온들에서의 F*는 또한, 서셉터 재료(예를 들어, CVD SiC 및 그래파이트)를 부식시킬 것이다. 따라서, 사용되는 케미스트리(chemistry)에 대해 부식 저항성(erosion resistant)인 보호 코팅이 적용된다. 보호 코팅은 또한, 증착 막 전체가 제거되도록 보장하기 위해, "오버 에칭(over etch)"의 주기를 허용한다.
[0031] 일 실시예에서, 서셉터(200)는 반금속 열 전도성 베이스(semimetal thermally conductive base), 이를테면 그래파이트를 포함한다. 서셉터(200)는, 다수의 기판들(예를 들어, 다수의 웨이퍼들)을 지지하도록 충분히 클 수 있는 디스크형 형상(disc-like shape)을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 서셉터는 1 미터 초과의 직경을 갖는다.
[0032] 서셉터(200)는 하나 또는 그 초과의 함몰부들(포켓들이라고도 또한 지칭됨)(201-206)을 포함할 수 있으며, 이러한 함몰부들 각각은 프로세싱 동안 웨이퍼 또는 다른 기판을 지지하도록 구성될 수 있다. 예시된 예에서, 서셉터(200)는 6 개의 함몰부들(201-206)을 포함한다. 하지만, 다른 서셉터들은 더 많거나 또는 더 적은 함몰부들을 가질 수 있다.
[0033] 함몰부들(201-206) 각각은 많은 표면 피처(feature)들을 포함한다. 함몰부(201) 내의 표면 피처들의 예들은, 외측 링(208), 다수의 메사(mesa)들(206), 및 메사들(206) 사이의 채널들 또는 가스 통로들을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 피처들은 대략 10-80 미크론의 높이들을 가질 수 있다.
[0034] 일 실시예에서, 서셉터(200)는, 열 전도성 반금속 베이스의 하나 또는 그 초과의 표면들 위의 SiC 또는 SiN의 CVD 증착된 층을 더 포함한다. 함몰부들(201-206) 및 표면 피처들(예를 들어, 메사들(206) 및 외측 링(208))은, 서셉터(200) 내에 드릴링된(drilled) 홀들을 통해, 열 전달(또는 이면(backside)) 가스, 이를테면 He의 소스에 유체적으로 커플링될 수 있다. 동작시, 이면 가스(backside gas)는, 서셉터(200)와 기판 간의 열 전달을 향상시키기 위해, 제어되는 압력으로 가스 통로들 내로 제공될 수 있다.
[0035] 함몰부들 및 표면 피처들은, 제 1 보호 층이 증착되기 전에, 서셉터(200)의 바디 내에 형성될 수 있다. 대안적으로, 함몰부들 및/또는 표면 피처들은, 제 1 보호 층이 바디 위에 증착된 후, 제 1 보호 층 내에 형성될 수 있다. 제 2 보호 층은, 함몰부들 및 표면 피처들을 따르는 컨포밍(conforming) 박막 보호 층일 수 있다. 대안적으로, 표면 피처들은 제 2 보호 층 내에 형성될 수 있다. 따라서, 표면 피처들(예를 들어, 메사들(206) 및 외측 링(208)) 모두는, 제 2 보호 층의 표면에 존재한다. 일 실시예에서, 제 2 보호 층은 약 5-50 미크론의 두께를 갖는다. 다른 실시예에서, 제 2 보호 층은 20 미크론 미만의 두께를 갖는다. 다른 실시예에서, 제 2 보호 층은 1000 미크론까지의 두께를 갖는다.
[0036] 서셉터(200)는 부가적으로, 리프트 핀 홀들(210)을 포함한다. 예를 들어, 서셉터(200)는, 리프트 핀들(예를 들어, Al2O3 리프트 핀들)을 지지하는 3개의 리프트 핀 홀들을 포함할 수 있다. 리프트 핀들은 서셉터(200) 상으로의 웨이퍼들의 로딩 및 언로딩을 가능하게 한다. 서셉터(200)는, 회전하는 스핀들(rotating spindle)에 서셉터를 클램핑하는 데에 사용될 수 있는 함몰부(215)를 포함할 수 있다. 함몰부(215)는, 회전하는 스핀들에 서셉터(200)를 기계적으로 고정(fasten)시키는 데에 사용될 수 있는 홀들(220)을 포함할 수 있다.
[0037] 도 2b는, 홀 내에 삽입된 플라즈마 저항성 플러그(250)를 갖는 서셉터(200)의 확대된(zoomed in) 단면도를 도시한다. IAD 및 PVD는 가시선 프로세스(line of sight process)들이다. 따라서, 박막 보호 코팅은 서셉터 내의 홀들(예를 들어, 리프트 핀 홀들(210), 홀들(220) 또는 헬륨 홀들)의 내부(inside)들을 코팅하지 않을 수 있다. 일 실시예에서, 초기의 홀들은 서셉터 내에 오버사이즈 치수(oversize dimension)들로 형성된다. 플라즈마 저항성 플러그들(예를 들어, 플라즈마 저항성 플러그(250))은 개별적으로 제조되어, 오버사이징된(oversized) 홀들 내로 삽입될 수 있다. 플라즈마 저항성 플러그들(250)은, 오버사이징된 홀들 내로 프레스 피팅(press fit)(예를 들어, 기계적으로 가압)될 수 있다. 플라즈마 저항성 플러그들(250)은, 벌크 소결된(bulk sintered) 플라즈마 저항성 세라믹 재료들, 이를테면 AlN, Y2O3, Y2O3-ZrO2의 고용체와 Y4Al2O9를 포함하는 세라믹 화합물, 또는 다른 희토류 산화물로 형성될 수 있다.
[0038] 플라즈마 저항성 플러그들(250) 자체는 자신들의 중심에 최종적인 홀(final hole)들을 가질 수 있으며, 이러한 최종적인 홀들은 요구되는 직경을 갖는다. CVD 증착되는 층 및/또는 박막 보호 층은 단지 서셉터 만을 코팅할 수 있거나, 또는 서셉터와 플라즈마 저항성 플러그들(250) 양자 모두를 코팅할 수 있다. 일 실시예에서, CVD 증착되는 층은, 플라즈마 저항성 플러그들(250)이 삽입되기 전에, 증착된다. 그런 다음, 플라즈마 저항성 플러그들(250)의 삽입 이후에, 박막 보호 층이 증착될 수 있다. 박막 보호 층은, 플러그(250)의 외측 벽과 플러그(250)가 삽입된 최초 홀 사이의 임의의 갭들을 충진(fill)하고 그리고/또는 브리징(bridge)할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 박막 보호 층은, 플러그와 그 플러그가 삽입되는 최초 홀 사이의 갭을 브리징할 정도로 충분히 두껍지 않을 수도 있다. 따라서, 임의의 갭들을 브리징하기 위해, 플러그가 삽입된 후, CVD 코팅이 증착될 수 있다. 이후, 박막 보호 층이 CVD 코팅 위에 증착될 수 있다.
[0039] 일 실시예에서, 플라즈마 저항성 플러그들의 베이스는 (도시된 바와 같이) 플라즈마 저항성 플러그들의 상단(top) 보다 더 좁다. 이는 플라즈마 저항성 플러그들이 서셉터(200) 내로 미리 결정된 깊이로 프레스 피팅될 수 있게 한다.
[0040] 도 3 내지 도 5는 하나 또는 그 초과의 박막 보호 층들에 의해 덮이는 물품들(예를 들어, 챔버 컴포넌트들)의 측단면도들을 예시한다. 도 3은, 제 1 보호 층(330) 및 제 2 보호 층(308)을 갖는 물품(300)의 일 실시예의 측단면도를 예시한다. 제 1 보호 층은 SiC, SiN, 또는 다른 세라믹 재료일 수 있다. 제 1 보호 층(330)은 CVD 프로세스에 의해 바디(305) 상에 증착되었을 수 있다. 제 1 보호 층은 200 미크론까지의 두께를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 보호 층의 두께는 대략 5-100 미크론이다.
[0041] 제 2 보호 층(308)은 IAD를 사용하여 제 1 보호 층(330) 위에 적용(apply)되는 세라믹 박막 보호 층일 수 있다. 제 2 보호 층(308)을 증착하는 데에 사용될 수 있는 2개의 예시적인 IAD 프로세스들은 전자 빔 IAD(EB-IAD) 및 이온 빔 스퍼터링 IAD(IBS-IAD)를 포함한다. 제 2 보호 층(308)은 탑 코트(top coat)의 역할을 할 수 있으며, 그리고 부식 저항성 배리어의 역할을 할 수 있고, 제 1 보호 층(330)의 노출된 표면을 밀봉(예를 들어, 제 1 보호 층(330) 내의 고유의 표면 크랙(surface crack)들 및 기공(pore)들을 밀봉)할 수 있다.
[0042] IAD 증착되는 제 2 보호 층(308)은, (예를 들어, 플라즈마 스프레잉 또는 스퍼터링에 의해 야기되는 막 응력과 비교하여), 비교적 낮은 막 응력을 가질 수 있다. IAD 증착되는 제 2 보호 층(308)은 부가적으로, 1% 미만, 몇몇 실시예들에서는 약 0.1% 미만의 공극률(porosity)을 가질 수 있다. 따라서, IAD 증착되는 보호 층은 고밀도(dense)의 구조이며, 이는 챔버 컴포넌트 상의 애플리케이션에 대해 성능 이득들을 가질 수 있다. 부가적으로, IAD 증착되는 제 2 보호 층(308)은, 제 1 보호 층(330)을 먼저 러프닝(roughening)하지 않거나 또는 다른 시간 소모적인 표면 준비 단계들을 수행하지 않으면서, 증착될 수 있다.
[0043] 제 2 보호 층(308)을 형성하는 데에 사용될 수 있는 세라믹들의 예들은, Y3Al5O12(YAG), Er3Al5O12(EAG), 및 YF3를 포함한다. 사용될 수 있는 다른 예시적인 세라믹은 Y4Al2O9(YAM) 이다. 상기 언급된 세라믹들 중 임의의 것은, 다른 재료들, 이를테면 ZrO2, Al2O3, SiO2, B2O3, Er2O3, Nd2O3, Nb2O5, CeO2, Sm2O3, Yb2O3, 또는 다른 산화물들을 소량(trace amounts) 포함할 수 있다.
[0044] 물품(300)의 바디(305) 및/또는 제 1 보호 층(330)은 하나 또는 그 초과의 표면 피처들을 포함할 수 있다. 서셉터의 경우, 표면 피처들은 함몰부들, 메사들, 밀봉 밴드(sealing band)들, 가스 채널들, 헬륨 홀들 등을 포함할 수 있다. 샤워헤드의 경우, 표면 피처들은 가스 분배를 위한 수백개 또는 수천개의 홀들, 가스 분배 홀들 주위의 디보트(divot)들 또는 범프(bump)들 등을 포함할 수 있다. 다른 챔버 컴포넌트들은 다른 표면 피처들을 가질 수 있다.
[0045] 제 2 보호 층(308)은, 제 1 보호 층(330) 및 바디(305)의 표면 피처들을 따를 수 있다. 예를 들어, 제 2 보호 층(308)은 제 1 보호 층(330)의 상부 표면의 상대적 형상(relative shape)을 유지(예를 들어, 제 1 보호 층(330) 내의 피처들의 형상들을 텔레그래핑(telegraphing))할 수 있다. 부가적으로, 제 2 보호 층(308)은, 바디(305) 및/또는 제 1 보호 층(330) 내의 홀들을 플러깅(plug)하지 않을 정도로 충분히 얇을 수 있다. 제 2 보호 층은 1000 미크론 미만의 두께를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 보호 층(308)은 약 20 미크론 미만의 두께를 갖는다. 추가의 실시예에서, 제 2 보호 층은 약 0.5 미크론 내지 약 7 미크론의 두께를 갖는다.
[0046] 대안적인 실시예에서, 제 1 보호 층(330)이 생략될 수 있다. 따라서, Y3Al5O12(YAG), Er3Al5O12(EAG), YF3 또는 Y4Al2O9(YAM)의 단일의 보호 층 만이, 바디(305)의 하나 또는 그 초과의 표면들 위에 증착될 수 있다.
IAD 증착된 YAM, YF3, YAG 및 EAG에 대한 재료 특성들
특성 YAM YF3 YAG EAG
브레이크다운 전압(V/5㎛ 코팅) 695 522 1080 900
1.6mm 알루미나에 대한 유전 상수 스택 9.2 9.76 +/-0.01 9.54
1.6mm 알루미나에 대한 손실 탄젠트 스택 9E-4 4E-4 4E-4
1.6mm 알루미나에 대한 열 전도율 스택(W/m-K) 20.1 19.2
92% Al2O3에 대한 접착력(MPa) >27 >27 >27 >27
허미시티(Hermicity)(누설률)
(cm3/s)		 <1E-10 2.6E-9 4.4E-10 9.5E-10
경도(GPa) 3.411 8.5 9.057
마모율(nm/RFhr) 0.28 0.176
결정 구조 A A A A
[0047] 표 1은 IAD 증착된 YAM, YF3, YAG 및 EAG에 대한 재료 특성들을 도시한다. 도시된 바와 같이, IAD 증착된 YAM의 5 미크론(㎛) 코팅은 695 볼트(V)의 브레이크다운 전압을 갖는다. IAD 증착된 YF3의 5 ㎛ 코팅은 522 V의 브레이크다운 전압을 갖는다. IAD 증착된 YAG의 5 ㎛ 코팅은 1080 V의 브레이크다운 전압을 갖는다. IAD 증착된 EAG의 5 ㎛ 코팅은 900 V의 브레이크다운 전압을 갖는다.
[0048] 1.6mm 알루미나에 대한 YF3의 유전 상수는 약 9.2 이고, YAG 박막의 유전 상수는 약 9.76 이며, 그리고 EAG 박막의 유전 상수는 약 9.54 이다. 1.6mm 알루미나에 대한 YF3 박막의 손실 탄젠트는 약 9E-4 이고, YAG 박막의 손실 탄젠트는 약 4E-4 이며, 그리고 EAG 박막의 손실 탄젠트는 약 4E-4 이다. YAG 박막의 열전도율은 약 20.1 W/m-K 이며, 그리고 EAG 박막의 열전도율은 약 19.2 W/m-K 이다.
[0049] 알루미나 기판에 대한 박막 보호 층들의 접착력 세기는, 식별되는 세라믹 재료들 각각에 대해 27 메가 파스칼(MPa) 초과일 수 있다. 접착력 세기는, 기판으로부터 박막 보호 층을 분리시키는 데에 사용되는 힘의 양을 측정함으로써 결정될 수 있다.
[0050] 허미시티(hermicity)는, 박막 보호 층을 사용하여 달성될 수 있는 밀봉 용량(sealing capacity)을 측정한다. 도시된 바와 같이, 약 2.6E-9 cm3/s(cubic centimeters per second)의 He 누설률은 YF3를 사용하여 달성될 수 있고, 약 4.4E-10의 He 누설률은 YAG를 사용하여 달성될 수 있으며, 그리고 약 9.5E-10의 He 누설률은 EAG를 사용하여 달성될 수 있다. 더 낮은 He 누설률들은 개선된 밀봉을 나타낸다. 예시적인 박막 보호 층들 각각은, 전형적인 Al2O3 보다 더 낮은 He 누설률을 갖는다.
[0051] Y3Al5O12, Y4Al2O9, Er3Al5O12, 및 YF3 각각은, 플라즈마 프로세싱 동안 마모(wear)를 견딜 수 있는 경도를 갖는다. 도시된 바와 같이, YF3는 약 3.411 기가 파스칼(GPa)의 비커스 경도(Vickers hardness)(5 Kgf)를 갖고, YAG는 약 8.5 GPa의 경도를 가지며, 그리고 EAG는 약 9.057 GPa의 경도를 갖는다. YAG의 측정된 마모율은 약 0.28 nm/RFhr(nanometers per radio frequency hour)이며, 그리고 EAG의 마모율은 약 0.176 nm/RFhr 이다.
[0052] 몇몇 실시예들에서, Y3Al5O12, Y4Al2O9, Er3Al5O12, 및 YF3 는, 상기 식별되는 재료 특성들 및 특징들이 30%까지 만큼 달라질 수 있도록 변경될 수 있음을 주목한다. 따라서, 이러한 재료 특성들에 대해 설명되는 값들은 달성가능한 예시적인 값들로서 이해되어야 한다. 본원에서 설명되는 세라믹 박막 보호 층들은 제공되는 값들로 제한되는 것으로서 이해되서는 안된다.
[0053] 도 4는 물품(400)의 일 실시예의 측단면도를 예시하며, 여기서, 물품(400)은, 물품(400)의 바디(405) 위에 증착된 박막 보호 층 스택(406)을 갖는다. 대안적인 실시예에서, 박막 보호 층 스택(406)은 SiC 또는 SiN의 제 1 보호 층 위에 증착될 수 있다.
[0054] 박막 보호 층 스택(406) 내의 하나 또는 그 초과의 박막 보호 층(예를 들어, 제 1 층(408) 및/또는 제 2 층(410))은 YAG, YAM, EAG 또는 YF3 중 하나일 수 있다. 부가적으로, 보호 층들 중 일부는, Er2O3, Gd2O3, Gd3Al5O12, 또는 Y2O3-ZrO2의 고용체와 Y4Al2O9를 포함하는 세라믹 화합물을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 2개의 인접하는 박막 보호 층들에 대해, 동일한 세라믹 재료가 사용되지 않는다. 하지만, 다른 실시예에서, 인접하는 층들은 동일한 세라믹으로 구성될 수 있다.
[0055] 도 5는 물품(500)의 다른 실시예의 측단면도를 예시하며, 여기서, 물품(500)은, 물품(500)의 바디(505) 위에 증착되는 박막 보호 층 스택(506)을 갖는다. 대안적으로, 박막 보호 층 스택(506)은 SiC 또는 SiN 층 위에 증착될 수 있다. 물품(500)은, 박막 보호 층 스택(506)이 4개의 박막 보호 층들(508, 510, 515, 518)을 갖는 것을 제외하고, 물품(400)과 유사하다.
[0056] (이를테면 예시된 것들과 같은) 박막 보호 층 스택들은 임의의 개수의 박막 보호 층들을 가질 수 있다. 스택 내의 박막 보호 층들은 모두 동일한 두께를 가질 수 있거나, 또는 이들은 변화하는 두께들을 가질 수 있다. 박막 보호 층들 각각은, 대략 50 미크론 미만, 몇몇 실시예들에서는 대략 10 미크론 미만의 두께를 가질 수 있다. 하나의 예에서, 제 1 층(408)은 3 미크론의 두께를 가질 수 있고, 제 2 층(410)은 3 미크론의 두께를 가질 수 있다. 다른 예에서, 제 1 층(508)은 2 미크론의 두께를 갖는 YAG 층일 수 있고, 제 2 층(510)은 1 미크론의 두께를 갖는 화합물 세라믹(compound ceramic) 층일 수 있고, 제 3 층(515)은 1 미크론의 두께를 갖는 YAG 층일 수 있으며, 그리고 제 4 층(518)은 1 미크론의 두께를 갖는 화합물 세라믹 층일 수 있다.
[0057] 사용하기 위한 세라믹 층들의 조성(composition) 및 세라믹 층들의 개수의 선택은, 요구되는 애플리케이션 및/또는 코팅되는 물품의 타입에 기초할 수 있다. IAD에 의해 형성되는 EAG, YAG 및 YF3 박막 보호 층들은 전형적으로, 비정질 구조를 갖는다. 대조적으로, IAD 증착되는 화합물 세라믹 및 Er2O3 층들은 전형적으로, 결정질(crystalline) 또는 나노-결정질(nano-crystalline) 구조를 갖는다. 결정질 및 나노-결정질 세라믹 층들은 일반적으로, 비정질 세라믹 층들 보다 더 부식 저항적일 수 있다. 하지만, 몇몇 경우들에서, 결정질 구조 또는 나노-결정질 구조를 갖는 박막 세라믹 층들은 가끔씩(occasional)의 수직 크랙(vertical crack)들(대략적으로 막 두께의 방향으로 그리고 코팅되는 표면에 대해 대략적으로 수직으로 연장(run)하는 크랙들)을 겪을 수 있다. 이러한 수직 크랙들은 격자 미스매치(lattice mismatch)에 의해 야기될 수 있으며, 플라즈마 케미스트리(plasma chemistry)들에 대한 공격의 포인트들일 수 있다. 물품이 가열 및 냉각될 때 마다, 박막 보호 층과 그 박막 보호 층이 코팅하는 기판 간의 열 팽창 계수들의 미스매치는 박막 보호 층 상에 응력을 야기한다. 이러한 응력은 수직 크랙들에 집중될 수 있다. 이는, 박막 보호 층으로 하여금, 그 박막 보호 층이 코팅하는 기판으로부터 결국 벗겨지도록 야기할 수 있다. 대조적으로, 수직 크랙들이 없다면, 응력은 박막에 걸쳐서 대략적으로 균등하게 분포된다.
[0058] 따라서, 일 실시예에서, 박막 보호 층 스택(406) 내의 제 1 층(408)은 비정질 세라믹, 이를테면 YAG 또는 EAG 이며, 그리고 박막 보호 층 스택(406) 내의 제 2 층(410)은 결정질 또는 나노-결정질 세라믹, 이를테면 세라믹 화합물 또는 Er2O3 이다. 이러한 실시예에서, 제 2 층(410)은 제 1 층(408)과 비교하여 더 큰 플라즈마 저항을 제공할 수 있다. 제 2 층(410)을, 바디(405) 위에(또는 SiC 또는 SiN 보호 층 위에) 직접적으로 형성하는 것인 아니라, 제 1 층(408) 위에 형성함으로써, 제 1 층(408)은 이후의 층에 대한 격자 미스매치를 최소화하기 위한 버퍼의 역할을 한다. 따라서, 제 2 층(410)의 수명이 증가될 수 있다.
[0059] 다른 예에서, 바디, Y3Al5O12(YAG), Y4Al2O9, Er2O3, Gd2O3, Er3Al5O12, Gd3Al5O12, 및 Y2O3-ZrO2의 고용체와 Y4Al2O9를 포함하는 세라믹 화합물 각각은 상이한 열 팽창 계수를 가질 수 있다. 2개의 인접하는 재료들 간의 열 팽창 계수의 미스매치가 더 클수록, 이러한 재료들 중 하나가 결국 크래킹되거나, 벗겨지거나, 그렇지 않으면 다른 재료에 대한 그 접착을 잃게 될 가능성이 더 커지게 된다. 보호 층 스택들(406, 506)은, 인접하는 층들 간의 (또는 층과 바디(405, 505) 간의) 열 팽창 계수의 미스매치를 최소화하는 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 바디(505)는 그래파이트일 수 있으며, 그리고 EAG는, 그래파이트의 열 팽창 계수와 가장 가깝고, 그 다음으로 YAG에 대한 열 팽창 계수와 가장 가깝고, 그 다음으로 화합물 세라믹에 대한 열 팽창 계수와 가장 가까운 열 팽창 계수를 가질 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 제 1 층(508)은 EAG일 수 있고, 제 2 층(510)은 YAG일 수 있으며, 그리고 제 3 층(515)은 화합물 세라믹일 수 있다.
[0060] 다른 예에서, 보호 층 스택(506) 내의 층들은 2개의 상이한 세라믹들의 교번하는 층들일 수 있다. 예를 들어, 제 1 층(508) 및 제 3 층(515)은 YAG일 수 있고, 제 2 층(510) 및 제 4 층(518)은 EAG 또는 YF3일 수 있다. 교번하는 층들에서 사용되는 하나의 재료가 비정질이고 그리고 교번하는 층들에서 사용되는 다른 재료가 결정질 또는 나노-결정질인 경우들에 있어서, 이러한 교번하는 층들은 상기 설명된 장점들과 유사한 장점들을 제공할 수 있다.
[0061] 다른 예에서, 구별가능한 색깔을 갖는 박막 코팅이 박막 보호 층 스택(406 또는 506)에서의 포인트에 증착될 수 있다. 예를 들어, 구별가능한 색깔을 갖는 박막 코팅은 박막 스택의 바닥에 증착될 수 있다. 구별가능한 색깔을 갖는 박막 코팅은, 예를 들어, Er2O3 또는 SmO2 일 수 있다. 기술자가 구별가능한 색깔을 볼 때, 기술자들은 서셉터가 교체되거나 리퍼비싱(refurbished) 되어야 함을 인식하게 된다.
[0062] 몇몇 실시예들에서, 박막 보호 층 스택들(406, 506) 내의 층들 중 하나 또는 그 초과는 열 처리를 사용하여 형성되는 전이(transition) 층들이다. 바디(405, 505)가 세라믹 바디이면, 바디와 박막 보호 층 간의 상호 확산(interdiffusion)을 촉진시키기 위해, 고온 열 처리가 수행될 수 있다. 부가적으로, 열 처리는, 인접하는 박막 보호 층들 간의 또는 두꺼운 보호 층과 박막 보호 층 간의 상호 확산을 촉진시키기 위해 수행될 수 있다. 특히, 전이 층은 비-다공성(porous) 층일 수 있다. 전이 층은 2개의 세라믹들 간의 확산 본드(diffusion bond)의 역할을 할 수 있으며, 그리고 인접하는 세라믹들 간에 개선된 접착력을 제공할 수 있다. 이는, 보호 층이 플라즈마 프로세싱 동안 크래킹되거나, 벗겨지거나, 또는 스트리핑(stripping)되는 것을 막는 것을 도울 수 있다.
[0063] 열 처리는, 약 24 시간까지의 지속기간(예를 들어, 일 실시예에서, 3-6 시간) 동안의 약 1400-1600℃ 까지에서의 열 처리일 수 있다. 이는, 제 1 박막 보호 층과, 인접하는 세라믹 바디, 두꺼운 보호 층 또는 제 2 박막 보호 층 중 하나 또는 그 초과 사이에 상호-확산 층을 생성할 수 있다.
[0064] 도 6은 물품 위에 하나 또는 그 초과의 보호 층들을 형성하기 위한 프로세스(600)의 일 실시예를 예시한다. 프로세스(600)의 블록(605)에서, 서셉터가 제공된다. 서셉터는 ALD 프로세싱 챔버를 위한 것일 수 있다. 일 실시예에서, 서셉터는 열 전도성 반금속 바디(양호한 열 전도율을 갖는 반금속 바디)를 갖는다. 일 실시예에서, 열 전도성 반금속 바디는 그래파이트 바디이다. 대안적으로, 비-열 전도성 서셉터(non-thermally conductive susceptor)가 제공될 수 있다. 비-열 전도성 서셉터는 카본-글래스(carbon-glass)로 구성되는 바디를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 서셉터 이외의 물품들이 제공될 수 있다. 예를 들어, ALD 프로세싱 챔버를 위한 알루미늄 샤워헤드가 제공될 수 있다.
[0065] 일 실시예에서, 블록(608)에서, 플라즈마 저항성 세라믹 플러그들이 서셉터 내의 홀들 내로 삽입된다. 플라즈마 저항성 세라믹 플러그들은 홀들 내로 프레스 피팅될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 플라즈마 저항성 세라믹 플러그들은 블록(610) 이후에 서셉터 내의 홀들 내로 삽입된다. 다른 실시예에서는, 어떠한 플라즈마 저항성 세라믹 플러그들도 서셉터 내의 홀들 내로 삽입되지 않는다.
[0066] 블록(610)에서, 제공되는 서셉터 위에 제 1 보호 층을 증착하기 위해, CVD 프로세스가 수행된다. 일 실시예에서, 제 1 보호 층은, 서셉터의 플라즈마 대면 표면(plasma facing surface) 만을 덮는다. 다른 실시예에서, 제 1 보호 층은 서셉터의 전방(front) 및 후방(back)을 덮는다. 다른 실시예에서, 제 1 보호 층은 서셉터의 전방, 후방 및 측면들을 덮는다. 일 실시예에서, 제 1 보호 층은 SiC 이다. 대안적으로, 제 1 보호 층은 SiN 또는 다른 적합한 재료일 수 있다. 제 1 보호 층은 대략 200 미크론까지의 두께를 가질 수 있다. 서셉터의 표면 피처들은 그래파이트 내로 머시닝될(machined) 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 보호 층은, 증착 이후 폴리싱된다(polished).
[0067] 블록(615)에서, 서셉터는 섭씨 200도 초과의 온도로 가열된다. 예를 들어, 서셉터는 섭씨 200-400도의 온도로 가열될 수 있다. 일 실시예에서, 서셉터는 섭씨 300도의 온도로 가열된다.
[0068] 블록(620)에서, 서셉터가 가열되는 동안 제 1 보호 층의 하나 또는 그 초과의 표면들 위에 제 2 보호 층을 증착하기 위해, IAD가 수행된다. 일 실시예에서, 제 2 보호 층은 제 1 보호 층의 플라즈마 대면 표면 만을 덮는다. 다른 실시예에서, 제 2 보호 층은 서셉터의 전방 및 후방 상의 제 1 보호 층을 덮는다. 다른 실시예에서, 제 2 보호 층은 제 1 보호 층의 모든 표면을 덮는다. 일 실시예에서, IAD 증착 이전에, 이온 총(ion gun)들에 의해 산소 및/또는 아르곤 이온들이 서셉터로 지향된다. 산소 및 아르곤 이온들은 제 1 보호 층 상의 임의의 표면 유기 오염물(organic contamination)을 버닝하여 제거(burn off)하고, 임의의 남아있는 입자들을 확산(disperse)시킬 수 있다.
[0069] 수행될 수 있는 IAD의 2개의 타입들은 EB-IAD 및 IBS-IAD를 포함한다. EB-IAD는 증발(evaporation)에 의해 수행될 수 있다. IBS-IAD는, 고체 타겟 재료를 스퍼터링함으로써 수행될 수 있다. 제 2 보호 층은 Y3Al5O12, Y4Al2O9, Er3Al5O12, 또는 YF3 일 수 있다. 제 2 보호 층은 비정질일 수 있고, 450℃의 온도들에서 크래킹에 대해 저항적일 수 있다. 일 실시예에서, 보호 층은, 550℃까지의 반복되는 열 사이클링(thermal cycling) 이후에 조차도, 어떠한 크래킹도 겪지 않을 수도 있다. 추가의 실시예에서, 제 2 보호 층은 650℃까지의 룸 온도의 온도들에서 크래킹에 대해 저항적이다. 제 2 보호 층은, 제 2 보호 층이 제 1 보호 층 및 서셉터(제 1 보호 층 및 서셉터 양자 모두는 제 2 보호 층과 상이한 열 팽창 계수를 가질 수 있음) 위에 증착됨에도 불구하고, 크래킹에 대해 저항적일 수 있다.
[0070] 제 2 보호 층에 대한 증착 레이트는 초당 약 1-8 옹스트롬일 수 있으며, 증착 파라미터들을 조정함으로써 달라질 수 있다. 일 실시예에서, 증착 레이트는 1-2 Å/s(Angstroms per second)이다. 증착 레이트는 또한, 증착 동안 달라질 수 있다. 일 실시예에서, 기판 상에 컨포밍 웰 부착 코팅(conforming well adhering coating)을 달성하기 위해, 약 0.25-1 Å/s의 초기 증착 레이트가 사용된다. 이후, 더 짧고 더 비용 효율적인 코팅 실행(run)으로 더 두꺼운 코팅을 달성하기 위해, 2-10 Å/s의 증착 레이트가 사용된다.
[0071] 제 2 보호 층은, 매우 컨포밍하고, 두께가 균일하며, 그리고 재료(이 재료 위에 제 2 보호 층이 증착됨)에 대한 양호한 접착력을 갖는 박막 보호 층일 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 보호 층은 1000 미크론 미만의 두께를 갖는다. 추가의 실시예에서, 제 2 보호 층은 5-50 미크론의 두께를 갖는다. 또 다른 추가의 실시예에서, 제 2 보호 층은 20 미크론 미만의 두께를 갖는다.
[0072] 블록(625)에서, 임의의 부가적인 보호 층들(예를 들어, 임의의 부가적인 박막 보호 층들)을 증착할지의 여부에 대한 결정이 이루어진다. 부가적인 보호 층이 증착되어야 하는 경우, 프로세스는 블록(630)으로 계속된다. 블록(630)에서, IAD를 사용하여 제 2 보호 층 위에 다른 보호 층이 형성된다.
[0073] 일 실시예에서, 다른 보호 층은, 제 2 보호 층의 세라믹과 상이한 세라믹으로 구성된다. 일 실시예에서, 다른 보호 층은, Y3Al5O12, Y4Al2O9, Er2O3, Gd2O3, Er3Al5O12, Gd3Al5O12, YF3, 또는 Y2O3-ZrO2의 고용체와 Y4Al2O9을 포함하는 세라믹 화합물 중 하나이다.
[0074] 다른 실시예에서, 다른 보호 층은, 제 2 보호 층의 세라믹과 동일한 세라믹으로 구성된다. 예를 들어, 제 2 보호 층의 형성 이후, 서셉터 위에 마스크가 배치될 수 있다. 이 마스크는 개구들을 가질 수 있으며, 여기에서, 피처들, 이를테면 메사들 및 시일(seal)들이 서셉터 상에(예를 들어, 서셉터 내의 함몰부들 내에) 형성된다. 이후, 부가적인 보호 층이 증착되어, 이러한 피처들을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 피처들(예를 들어, 메사들)은 10-20 미크론의 높이를 갖는다.
[0075] 이후, 방법은 블록(625)으로 복귀된다. 블록(625)에서, 어떠한 부가적인 박막 보호 층들도 적용되지 않을 것이라면, 프로세스는 끝난다.
[0076] 도 7a는, 이를테면 이온 보조 증착(IAD)과 같은, 에너제틱 입자(energetic particle)들을 활용하는 다양한 증착 기법들에 대해 적용가능한 증착 메커니즘을 도시한다. 예시적인 IAD 방법들은, 이온 충격을 포함하는 증착 프로세스들, 이를테면, 본원에서 설명되는 바와 같은 플라즈마 저항성 코팅들을 형성하기 위한, 이온 충격의 존재하에서의 스퍼터링(예를 들어, IBS-IAD), 및 증발(예를 들어, ARE(activated reactive evaporation) 또는 EB-IAD)을 포함한다. IAD 방법들 중 임의의 방법은, 반응성 가스 종, 이를테면 O2, N2, 할로겐들 등의 존재하에서 수행될 수 있다.
[0077] 도시된 바와 같이, 박막 보호 층(715)은, 이온들과 같은 에너제틱 입자들(703)의 존재하에서의 증착 재료들(702)의 축적에 의해 형성된다. 증착 재료들(702)은 원자들, 이온들, 라디칼들, 또는 이들의 혼합(mixture)들을 포함한다. 에너제틱 입자들(703)은, 박막 보호 층(715)이 형성될 때, 박막 보호 층(715)에 충돌하여 그 박막 보호 층(715)을 압축(compact)시킬 수 있다.
[0078] 일 실시예에서, 본원의 다른 곳에서 이전에 설명된 바와 같이, 박막 보호 층(715)을 형성하기 위해 IAD가 활용된다. 도 7b는 IAD 증착 장치의 개략도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 재료 소스(752)(타겟 바디라고도 또한 지칭됨)는 증착 재료들(702)의 플럭스(flux)를 제공하는 한편, 에너제틱 입자 소스(755)는 에너제틱 입자들(703)의 플럭스를 제공하며, 이들 양자 모두는 IAD 프로세스 전반에 걸쳐서 물품(750)에 충돌한다. 에너제틱 입자 소스(755)는 산소 또는 다른 이온 소스일 수 있다. 에너제틱 입자 소스(755)는 또한, 입자 발생 소스들로부터(예를 들어, 플라즈마, 반응성 가스들로부터, 또는 증착 재료들을 제공하는 재료 소스로부터) 유래하는 다른 타입들의 에너제틱 입자들, 이를테면 비활성 라디칼들, 뉴트론 원자들, 및 나노-크기의 입자들을 제공할 수 있다. 증착 재료들(702)을 제공하기 위해 사용되는 재료 소스(예를 들어, 타겟 바디)(752)는, 박막 보호 층(715)이 구성되어야 하는 동일한 세라믹에 상응하는 벌크 소결된 세라믹일 수 있다. 예를 들어, 재료 소스는 벌크 소결된 세라믹 화합물 바디, 또는 벌크 소결된 YAG, Er2O3, Gd2O3, Er3Al5O12, YF3, 또는 Gd3Al5O12 일 수 있다. IAD는, 재료 및 에너제틱 이온 소스들을 제공하기 위해 하나 또는 그 초과의 플라즈마들 또는 빔들을 활용할 수 있다. 대안적으로, 재료 소스는 금속일 수 있다.
[0079] 플라즈마 저항성 코팅의 증착 동안, 반응성 종이 또한 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 에너제틱 입자들(703)은, 비-반응성 종(예를 들어, Ar) 또는 반응성 종(예를 들어, O) 중에서 적어도 하나를 포함한다. 추가의 실시예들에서, 박막 보호 층(715)에 대해 가장 약하게 본딩된 증착 재료(deposited material)를 선택적으로 제거하는 경향을 더 증가시키기 위해, 반응성 종, 이를테면 CO 및 할로겐들(Cl, F, Br 등)이 또한, 플라즈마 저항성 코팅의 형성 동안 유입될 수 있다.
[0080] IAD 프로세스들을 의하면, 에너제틱 입자들(703)은, 다른 증착 파라미터들과 관계없이, 에너제틱 이온(또는 다른 입자) 소스(755)에 의해 제어될 수 있다. 에너제틱 이온 플럭스의 에너지(예를 들어, 속도), 밀도 및 입사각이, 박막 보호 층의 조성, 구조, 결정 방위(crystalline orientation) 및 그레인 사이즈(grain size)를 제어하기 위해 조정될 수 있다. 조정될 수 있는 부가적인 파라미터들은, 증착의 지속기간 뿐만 아니라, 증착 동안의 물품의 온도이다.
[0081] 코팅을 치밀화(densify)하기 위해, 그리고 기판의 표면 상의 재료의 증착을 가속시키기 위해, 이온 보조 에너지(ion assist energy)가 사용된다. 이온 보조 에너지는, 이온 소스의 전압 및 전류 모두를 사용하여 달라질 수 있다. 고 및 저 코팅 밀도를 달성하여, 코팅의 응력 및 또한 코팅의 결정도(crystallinity)를 조작하기 위해, 전압 및 전류가 조정될 수 있다. 이온 보조 에너지는 대략 50-500 V 및 대략 1-50 암페어(A)의 범위일 수 있다. 이온 보조 에너지는 또한, 코팅의 화학량론(stoichiometry)을 의도적으로 변경하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 금속성 타겟(metallic target)이 증착 동안 사용될 수 있고, 금속 산화물로 변환될 수 있다.
[0082] 코팅 온도는, 증착 챔버 및/또는 기판을 가열하기 위해 가열기들을 사용함으로써 그리고 증착 레이트를 조정함으로써, 제어될 수 있다. 증착 동안의 기판(물품) 온도는 대략적으로, 저온(일 실시예에서, 전형적인 룸 온도인 약 120-150℃) 및 고온(일 실시예에서, 약 270℃ 또는 그 초과)으로 분할될 수 있다. 일 실시예에서, 약 300℃의 증착 온도가 사용된다. 대안적으로, 더 높거나(예를 들어, 450℃까지) 또는 더 낮은(예를 들어, 룸 온도까지 아래로) 증착 온도들이 사용될 수 있다. 증착 온도는, 막 응력, 결정도, 및 다른 코팅 특성들을 조정하는 데에 사용될 수 있다.
[0083] 워킹 거리(working distance)는 전자 빔(또는 이온 빔) 총(gun)과 기판 간의 거리이다. 워킹 거리는, 가장 높은 균일성을 갖는 코팅을 달성하기 위해 달라질 수 있다. 부가적으로, 워킹 거리는 코팅의 밀도 및 증착 레이트에 영향을 미칠 수 있다.
[0084] 증착 각도(deposition angle)는 전자 빔(또는 이온 빔)과 기판 간의 각도이다. 증착 각도는, 기판의 배향 및/또는 위치를 변경함으로써 달라질 수 있다. 증착 각도를 최적화함으로써, 3차원 기하형상들에서의 균일한 코팅이 달성될 수 있다.
[0085] EB-IAD 및 IBS-IAD 증착들은 넓은 범위의 표면 조건들에 대해 실행가능하다. 하지만, 균일한 코팅 커버리지를 달성하기 위해서는, 폴리싱된 표면들이 선호된다. IAD 증착 동안 기판을 홀딩(hold)하기 위해, 다양한 고정물들이 사용될 수 있다.
[0086] 도 8은 본 발명의 실시예들에 따라 형성되는 박막 보호 층들에 대한 부식률들을 예시한다. 도 8은, NF3 플라즈마 케미스트리에 대해 노출되는 경우, 박막 보호 층들의 부식률들을 도시한다. 도시된 바와 같이, IAD 증착된 박막 보호 층들은, SiC와 비교하여, 훨씬 개선된 부식 저항을 나타낸다. 예를 들어, SiC는, 2.5 ㎛/RFHr(㎛ per radio frequency hour) 초과의 부식률을 나타내었다. 대조적으로, IAD 증착된 EAG, YAG 및 YF3 박막 보호 층들 모두는, 0.2 ㎛/RFHr 미만의 부식률을 나타내었다.
[0087] 이전의 설명은, 본 발명의 수개의 실시예들의 양호한 이해를 제공하기 위해, 특정한 시스템들, 컴포넌트들, 방법들 등의 예들과 같은 다수의 특정한 세부사항들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 적어도 몇몇 실시예들이, 그러한 특정한 세부사항들 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우들에서, 본 발명을 불필요하게 불명료하게 하는 것을 피하기 위해, 잘-알려진 컴포넌트들 또는 방법들은 상세히 설명되지 않거나, 간단한 블록도 포맷으로 제시된다. 따라서, 설명된 특정한 세부사항들은 단지 예시적인 것일 뿐이다. 특정한 구현들이 그러한 예시적인 세부사항들로부터 변화될 수 있고, 여전히, 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 고려될 수 있다.
[0088] 본 명세서 전반에 걸친, "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은, 실시예와 관련하여 설명된 특정한 피처, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸친 다양한 위치들에서의 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 문구의 출현들이 반드시 모두, 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 부가하여, "또는"이라는 용어는, 배타적인 "또는"이 아니라 포괄적인 "또는"을 의미하도록 의도된다. "약" 또는 "대략"의 용어가 본원에서 사용되는 경우, 이는 제시되는 공칭 값이 ±30% 내에서 정확함을 의미하는 것으로 의도된다.
[0089] 본원에서의 방법들의 동작들이 특정한 순서로 도시되고 설명되지만, 각각의 방법의 동작들의 순서는, 특정한 동작들이 역순으로 수행될 수 있도록, 또는 특정한 동작이 적어도 부분적으로 다른 동작들과 동시에 수행될 수 있도록, 변경될 수 있다. 다른 실시예에서, 별개의 동작들의 하위-동작들 또는 명령들은 간헐적인 및/또는 교번적인 방식으로 이루어질 수 있다.
[0090] 상기 설명은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 의도됨을 이해해야 한다. 상기 설명을 읽고 이해할 시에, 다수의 다른 실시예들이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는, 첨부된 청구항들에 관하여, 그러한 청구항들에게 권리가 부여되는 등가물들의 전체 범위와 함께, 결정되어야 한다.

Claims (15)

  1. 물품(article)으로서,
    그래파이트(graphite)를 포함하는 바디(body);
    상기 바디의 표면 상의 제1 보호 층 ― 상기 제1 보호 층은 열 전도성 세라믹이며, 상기 제1 보호 층은 실리콘 탄화물(silicon carbide)을 포함하고 5-100 미크론의 두께를 가짐 ―; 및
    상기 제1 보호 층 상의 제2 보호 층
    을 포함하고,
    상기 제2 보호 층은, 최고 섭씨 650도의 온도에서 크래킹(cracking)에 저항적인 플라즈마 저항성 세라믹 박막을 포함하며,
    상기 제2 보호 층은, 하부 표면의 형상을 따르는 컨포밍(conforming) 층이며 1% 미만의 공극율(porosity)을 갖고,
    상기 제2 보호 층은, 5-50 미크론의 두께를 가지며 Er3Al5O12, Y3Al5O12 및 YF3으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 세라믹을 포함하는,
    물품.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 물품은 원자 층 증착 챔버를 위한 서셉터인,
    물품.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 보호 층은 복수의 함몰부(depression)들을 포함하며, 상기 복수의 함몰부들 각각은, 웨이퍼를 지지하도록 구성되고 그리고 복수의 표면 피처(surface feature)들을 가지며,
    상기 제2 보호 층은 상기 복수의 함몰부들 및 상기 복수의 표면 피처들을 따르는,
    물품.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 보호 층 상의 보호 층 스택을 더 포함하고,
    상기 보호 층 스택은 적어도 상기 제2 보호 층, 및 상기 제2 보호 층을 덮는 제3 보호 층을 포함하며,
    상기 제3 보호 층은 20 미크론 미만의 두께를 가지며, 그리고 Y3Al5O12, Y4Al2O9, Er2O3, Gd2O3, Er3Al5O12, Gd3Al5O12, 또는 Y2O3-ZrO2의 고용체(solid-solution)와 Y4Al2O9를 포함하는 세라믹 화합물 중 적어도 하나를 포함하는,
    물품.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 보호 층은 불소계 화학적 성질(chemistry)을 갖는 플라즈마들에 대해 부식 저항성(erosion resistant)인,
    물품.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 바디 내의 복수의 홀(hole)들 내의 복수의 플라즈마 저항성 플러그들을 더 포함하며,
    상기 제2 보호 층은 상기 복수의 플라즈마 저항성 플러그들을 덮는,
    물품.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 플라즈마 저항성 플러그들은, AlN, Y2O3, 또는 Y2O3-ZrO2의 고용체와 Y4Al2O9를 포함하는 세라믹 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 소결된 세라믹으로 구성되는,
    물품.
  11. 방법으로서,
    그래파이트 바디를 포함하는 물품을 제공하는 단계;
    상기 그래파이트 바디의 표면 상에 제1 보호 층을 증착하는 단계 ― 상기 제1 보호 층은 열 전도성 세라믹이며, 상기 제1 보호 층은 실리콘 탄화물을 포함하고 5-100 미크론의 두께를 가짐 ―; 및
    상기 제1 보호 층 위에 제2 보호 층을 증착하기 위해, 이온 보조 증착(ion assisted deposition)을 수행하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제2 보호 층은, 최고 섭씨 650도의 온도들에서 크래킹에 저항적인 플라즈마 저항성 세라믹 박막을 포함하며,
    상기 제2 보호 층은, 하부 표면의 형상을 따르는 컨포밍 층이며 1% 미만의 공극율을 갖고,
    상기 제2 보호 층은, 5-50 미크론의 두께를 가지며 Er3Al5O12, Y3Al5O12 및 YF3으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 세라믹을 포함하는,
    방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 물품을 섭씨 200-400도의 온도로 가열하는 단계; 및
    상기 물품이 가열되는 동안, 상기 이온 보조 증착을 수행하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 보호 층을 증착하는 단계는 화학 기상 증착 프로세스를 수행하는 단계를 포함하는,
    방법.
  14. 삭제
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 방법은:
    상기 제1 보호 층을 증착하는 단계를 수행하기 전에 또는 상기 이온 보조 증착을 수행하는 단계 전에, 상기 그래파이트 바디 내의 복수의 홀들 내로 복수의 플라즈마 저항성 플러그들을 삽입하는 단계를 더 포함하고,
    상기 복수의 플라즈마 저항성 플러그들은, AlN, Y2O3, 또는 Y2O3-ZrO2의 고용체와 Y4Al2O9를 포함하는 세라믹 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 소결된 세라믹으로 구성되는,
    방법.
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