KR20100017197A - 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 실시예는 일반적으로 플라즈마 내성 챔버 부품 및 이를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
반도체 처리는 다수의 화학적 및 물리적 공정을 포함하며, 정밀한 집적 회로가 기판 상에 형성된다. 집적 회로를 구성하는 재료의 층은 화학적 증착, 물리적 증착 등과 같은, 다수의 플라즈마 공정에 의해 형성된다. 재료의 층들 중 일부는 포토레지스트 마스크 및 습식 및 건식 플라즈마 에칭 기술을 이용하여 패턴화된다. 집적 회로를 형성하기 위해 이용되는 기판은 실리콘, 비화 갈륨, 인듐 인산염, 유리, 또는 다른 적절한 재료일 수 있다.
플라즈마 처리 동안, 통전 가스(energized gas)는 종종 챔버의 노출된 부분 및 그 안에 위치하는 부품을 에칭하고 침식하는 고 침식성 종을 포함한다. 침식된 챔버 부품은 다수의 공정 사이클 후 불일치하거나 바람직하지 않은 처리 결과가 나오기 전에 교체되어야 한다. 또한, 챔버 부품으로부터 침식된 입자는 챔버 내에서 처리된 기판을 오염시킬 수 있어, 처리 결함을 초래한다.
따라서, 강화된 플라즈마 내성(enhanced plasma resistence)을 구비한 챔버 부품에 대한 요구가 있다.
본 발명의 실시예는 유용한 플라즈마 내성을 구비한 도핑 석영 부품(doped quartz component)을 제조하는 방법을 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 적용되고 침식성 플라즈마 환경으로의 노출에 대해 적절한 재료로 이루어지는 고리형 바디를 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 바디, 챔버 바디에 배치되고 그 위에 기판을 수용하도록 적용되는 지지 페데스탈, 및 내부 용적에 노출되는 하나 이상의 표면을 가지는 플라즈마 내성 이트륨 도핑 석영 부품을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 이트륨 함유 석영 부품을 제조하기 위한 방법은 혼합물을 형성하도록 이트륨 함유 재료와 석영 재료를 혼합하는 단계, 혼합물을 가열하는 단계, 및 이트륨 함유 석영 부품을 형성하는 단계를 포함하며, 이트륨 함유 석영 부품은 기판 지지 페데스탈을 둘러싸도록 적용되는 고리형 바디를 가진다.
본 발명의 상술된 특징이 상세하게 이해될 수 있도록, 위에서 간단히 요약된 본 발명의 더욱 특별한 상세한 설명이 일부가 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참조할 수 있다.
그러나, 첨부된 도면은 단지 본 발명의 전형적인 실시예를 도시하며 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 고려되지 않으며, 본 발명에 대해 다른 동일한 효과의 실시예를 인정할 수 있다.
이해를 용이하게 하도록, 동일한 도면 부호는 가능하게는 도면에 공통하는 동일한 요소를 표시하기 위하여 이용된다. 일 실시예의 요소 및 특징은 추가 인용 없이 다른 실시예에 유익하게 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들로부터 유익할 수 있는 전형적인 플라즈마 에치 챔버의 일 실시예의 개략도이며,
도 2A는 도 1의 챔버에 이용하기에 적절한 전형적인 커버 링의 일 실시예의 평면도이며,
도 2B는 도 2A의 커버 링의 바닥도이며,
도 2C는 기판 지지 조립체에 배치되는 도 2A의 커버 링의 개략적인 단면도이며,
도 2D는 도 2C의 개략적인 단면의 확대도이며,
도 3은 챔버 부품을 제조하기 위한 방법의 공정 흐름도이며,
도 4A는 도 1의 챔버에 이용하기에 적절한 전형적인 커버 링의 또 다른 실시예의 평면도이며,
도 4B는 기판 지지 조립체에 배치되는 도 4A의 커버 링의 개략적인 단면도이며,
도 4C는 도 4B의 개략적인 단면의 확대도이며,
도 5A는 도 1의 챔버에 이용하기에 적절한 전형적인 커버 링의 또 다른 실시예의 평면도이며,
도 5B는 도 5A의 커버 링의 절개 라인 A-A를 따라 도시한 개략적인 단면도이다.
본 발명의 실시예는 강화된 플라즈마 내침식성을 구비한 챔버 부품 및 이를 제조하는 방법을 제공한다. 일 실시예에서, 챔버 부품은 기판 지지 페데스탈 상에 배치되는 기판과 결합하도록 적용되는 커버 링이다. 다른 챔버 부품은 실드, 윈도우, 리드, 링 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) 요소(element)가 도핑된 석영 재료로 제조될 수 있다. 본 명세서에서 이용되는, 이트륨(Y) 요소는 이트륨(Y) 금속, 이트륨 산화물(Y2O3), 이트륨 합금 등과 같은 이트륨 및/또는 이트륨 함유 재료일 수 있다. 이트륨 도핑 석영 링은 또한 알루미늄(Al) 금속, 알루미늄 산화물(Al2O3), 알루미늄 합금, 질화 알루미늄(AlN), 질소 요소 또는 이들의 유도체를 포함할 수 있다. 더 욱이, 챔버 부품은 기판 지지 페데스탈을 둘러싸도록 커버 링을 따라 또는 이와 조합되어 이용되는 절연체 링일 수 있다. 도핑 석영 재료에는 침식성 플라즈마 환경에 노출되는 부품에 이용하기에 적절한, 강화된 침식 내성물이 제공되어, 챔버 부품의 수명을 개선하면서 유지 보수 및 제조 비용을 감소시킨다.
도 1은 본 발명의 실시예들로부터 유익할 수 있는 전형적인 하나의 플라즈마 처리 챔버(100)의 일 실시예의 개략적인 단면도이다. 여기서 도시된 챔버의 실시예는 설명 목적을 위해 제공되며 본 발명의 범위를 제한하기 위해 이용되지 않아야 한다. 플라즈마 처리 챔버(100)에 이용된 챔버 부품은 플라즈마에 노출되는 동안 내침식성을 강화하기 위하여 도핑되는 이트륨(Y)을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예는 다양한 적용을 위해 이트륨(Y) 도핑 챔버 부품을 제조하기 위하여 이용될 수 있다. 개선된 챔버 부품은 또한 플라즈마 공정에서 마주치는 것과 같이 침식 환경에서 이용하기에 적절하다. 다양한 플라즈마 처리 챔버는 이트륨(Y) 도핑 부품을 포함하는 에치 챔버, PVD 챔버, 플라즈마 및 어닐링 챔버, 플라즈마 처리 챔버, 플라즈마 강화 CVD 챔버, 및 이온 주입 챔버 등으로부터 유익할 수 있다.
챔버(100)는 전도성 챔버 벽(130) 및 바닥(108)을 가지는 진공 챔버 바디(110)를 포함한다. 챔버 벽(130)은 전기 접지부(134)로 연결된다. 리드(170)는 챔버 바디(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 공정을 위 한 제어 노브(knob)를 제공하도록 적어도 5V를 생성할 수 있는 DC 파워 공급원(154)에 의해 선택적으로 통전된다.
라이너(131)는 챔버(100)의 세정을 용이하게 하도록 내부 용적(178) 내에 배치된다. 에치 공정의 부산물 및 잔류물은 선택된 간격으로 라이너(131)로부터 용이하게 제거될 수 있다.
기판 지지 페데스탈(116)은 가스 확산기(132) 아래 공정 챔버(100)의 바닥(108)에 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) 요소를 가지는 석영 재료로 이루어진다. 일 실시예에서, 커버 링(102)은 아래 설명된 방법의 실시예에 따라 제조될 수 있다. 이트륨 도핑 커버 링(102)은 종래의 공정을 이용하여 제조되는 다른 부품에 비해 개선된 내침식성을 보여주며 기판 처리 동안 손상으로부터 페데스탈(116)을 보호한다. 커버 링(102)에 대한 부가 상세는 도 2A 내지 도 2D와 관련하여 아래 설명된다.
지지 페데스탈(116)은 정합 회로(124)를 통하여 RF 바이어스 공급원(122)으로 결합될 수 있다. 바이어스 공급원(122)은 일반적으로 2 kHz 내지 13.56 kHz의 조정가능한 주파수 및 0 내지 5000 Watt의 전력을 가지는 RF 신호를 생산할 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)을 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 온도 구배가 제어될 수 있도록 한다.
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 높은 진공 용적이다. 배기 포트(135)에 배치되는 트로틀 밸브(127)는 처리 챔버(100) 내부 압력을 제어하도록 진공 펌프(136)와 관련하여 이용된다. 배기 포트(135)의 위치 및 챔버 바디(110)의 내부 용적(178) 내부의 다른 유동 제한은 일반적으로 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 다른 챔버 부품(즉, 배기 포트의 위치, 기판 지지 페데스탈 또는 다른 챔버 부품의 형상)에 의해 발생되는 상술된 컨덕턴스 및 가스 유동 분포를 조정하기 위해 이용될 수 있는 비대칭 방식으로 공정가스를 영역(180)으로 제공할 수 있어 가스 및 종의 유동이 균일 또는 선택된 분포로 기판으로 전달되도록 한다.
도 1에 예시적으로 도시된 일 실시예에서, 가스 확산기(132)는 두 개 이상의 가스 분배기(160, 162), 장착판(128) 및 가스 분배판(164)을 포함한다. 가스 분배 기(160, 162)는 처리 챔버(100)의 리드(170)를 통하여 하나 또는 그 이상의 가스 패널(138)로 결합되고, 또한 장착 또는 가스 분배 판(128, 164) 중 하나 이상에 결합된다. 가스 분배기(160, 162)를 통한 가스의 유동은 독립적으로 제어될 수 있다. 가스 분배기(160, 162)가 단일 가스 패널(138)에 결합되어 도시되어 있지만, 가스 분배기(160, 162)가 하나 또는 그 이상의 할당 및/또는 분리된 가스 공급원으로 결합될 수 있다는 것이 고려된다. 가스 패널(138)로부터 제공된 가스는 플레이트들(128, 164) 사이에 형성된 영역(172) 내로 전달되고 이어서 가스 분배 판(164)을 통하여 처리 영역(180)으로 형성된 다수의 통공(168)을 통하여 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 생산할 수 있다. 장착판(128) 및/또는 분배판(164)은 처리 영역(180) 내의 공정 가스로부터 플라즈마를 유지하도록 RF 공급원(118)에 의해 전력이 공급된다.
도 2A 내지 도 2D는 커버 링(102)의 일 실시예의 개략적인 도면이다. 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 단 면선(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 확대도이다. 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 방법에 의해 페데스탈(116)에 부착될 수 있다. 기판(114), 예를 들면 실리콘 웨이퍼에 매우 근접하게 커버 링(102)을 제공하여 이들을 둘러쌈으로써, 중앙 내지 에지 균일도와 같은 공정 균일도가 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 실드, 윈도우, 리드, 링 등과 같은, 다른 이트륨 도핑 챔버 부품을 제조하기 위해 이용될 수 있다. 상기 방법(300)은 노, 캐니스터, 믹서, 또는 챔버와 같은 엔클로저 내에 석영 재료를 제공함으로써 박스(302)에서 시작된다. 석영 재료는 유리, 합성 실리카, 용융 실리카, 용융 석영, 고 순도 석영, 석영 모래 및 석영 유리 성분을 형성하기에 적절한 다른 적절한 실리콘 함유 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 석영 재료는 또한 적절한 공정에 의해 얻을 수 있다.
박스(304)에서, 이트륨(Y) 요소 및/또는 알루미늄(Al) 요소와 같은 도펀트 공급원은 이트륨 및/또는 알루미늄(Al) 요소 함유 석영 성분을 형성하도록 석영 재료와 혼합된다. 도펀트 공급원은 약 0.01 μm 내지 약 0.02 μm의 직경을 가지는 플라즈마로 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. 후속적으로, 도펀트 공급원이 원하는 도펀트 농도를 가지는 혼합물을 형성하도록 용융 석영 재료 내로 부가되어 혼합된다. 이와 달리, 석영 모래와 같은 석영 재료가 고체 형태로 있는 실시예에서, 도펀트 공급원은 도펀트 혼합물을 형성하도록 고체 석영 재료와 혼합되어 회전된다. 후속적으로, 1000 ℃ 보다 큰 것과 같은 예정 온도로 가열되어, 강한 격자형 구조 및 실리콘 석영 및 도펀트 사이에 실리콘 석영과 도펀트 사이의 내부 입자 본딩을 형성한다.
박스(304)에서 수행된 혼합 공정은 석영 재료와 도펀트 재료를 완전히 혼합한다. 혼합 공정은 도펀트가 전체 석영 재료를 통하여 균일하게 분배되도록 한다. 부가적으로, 석영 재료와 도펀트를 혼합하기 위한 공정은 하나 또는 그 이상의 열 공정 사이클, 예를 들면 열 블렌딩/혼합 공정 다음에 후속되는 석영 재료를 용융하는 제 1 가열 단계(thermal)를 포함할 수 있어, 혼합물 내에 존재하는 거품이 배출되도록 한다. 따라서, 결과적인 도핑 석영 재료는 유익하게는 종래에 처리된 석영 재료에 비해 감소된 거품을 가진다. 석영 재료 내에 존재하는 도펀트의 양 및/또 는 농도는 상이한 공정 요구조건에 따라 변화될 수 있다.
일 실시예에서, 도펀트 공급원은 이트륨(Y) 금속, 이트륨 합금, 이트륨 산화물(Y2O3), 이트륨-알루미늄-가닛(garnet)(YAG), 및 이들의 유도체를 포함하는 그룹으로부터 선택된 이트륨(Y) 요소일 수 있다. 부가적으로, 도펀트 공급원은 알루미늄(Al) 금속, 알루미늄 합금, 알루미늄 산화물(Al2O3), 이트륨-알루미늄-가닛(YAG), 및 알루미늄 질화물(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 전형적인 일 실시예에서, 석영 재료는 약 5 중량 % 보다 적은 이트륨 도펀트 및/또는 약 5 중량 % 보다 적은 알루미늄 함유 도펀트를 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 그렇지 않으면 부품을 형성하기 위하여 제조될 수 있다. 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 실드, 윈도우, 리드, 링 등과 같은, 플라즈마 챔버에서 상이하게 이용하기 위해 상이한 형상으로 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 엔클러저에서 수행될 수 있다. 이와 달리, 열 처리 공정은 또 다른 엔클로저에서 수행될 수 있다. 열 처리 공정은 도핑 석영 필름의 표면 마무리를 개선하여, 부드러운 표면을 제공하여 플라즈마 챔버 내로 설치시 정합 표면과의 타이트한 조립을 허용한다.
열 처리 공정을 위한 전형적인 일 실시예에서, 어닐링 가스, 예를 들면 질소(N2)가 약 100 mbar 내지 약 1000 mbar의 범위 내의 압력 까지 엔클로저 내로 도입된다. 엔클로저의 온도는 제 1 온도, 예를 들면 대기 온도로부터 또한 열 처리 온도로 인용되는 제 2 온도 까지 상승된다(ramped up). 열 처리 온도는 약 100 ℃ 내지 약 500 ℃의 범위 내에 있을 수 있다. 가열 속도는 도핑 석영 재료 내의 열 응력을 최소화하도록 충분히 느리게 선택되어 도핑 석영 부품의 필름 격자형 구조가 형성되도록 하여, 감소된 표면 거칠기를 가진 밀집한 부품을 초래한다. 예를 들면, 약 20 내지 약 50 ℃/min.의 범위의 가열 속도는 많은 분야에 적절하다. 부품은 약 1 시간 내지 약 5 시간의 범위일 수 있는 제 1 시간 기간 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. 이와 달리, 본 명세서에 제공된 열 처리 공정은 또한 종래의 도핑되지 않은 석영 재료에 이용될 수 있다. 질소 원자는 흡수되어 실리콘 격자물 내로 결합되어 표면 결함을 감소시킨다. 도핑된 석영 부품 내로 결합되는 질소 원자의 양은 처리 온도, 질소 가스 농도, 및 열 처리 공정에서 수행되는 전체 공정 시간에 종속될 수 있다. 예를 들면, 높은 양의 질소 도핑이 바람직한 실시예에서, 더 높은 질소 가스 유동, 더 높은 온도 또는 더 긴 공정 시간이 이용될 수 있으며 그 반대도 가능하다. 본 명세서에서 설명되는 전형적인 일 실시예에서, 도핑된 석영 부품 내로 결합되는 질소 원자는 약 10 ppmw(parts per million by weight) 내지 약 150 ppmw, 예를 들면 약 50 ppmw이다.
이와 달리, 불활성 가스 및/또는 환원 가스는 열 처리 공정 동안 엔클로저 내로 N2 가스를 선택적으로, 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. 다른 환원 가스, 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 가스의 적절한 예는 Ar, He, Ne, Kr 및 Xe를 포함한다.
열 처리 공정이 완료될 때, 엔클로저의 온도는 약 2 내지 약 50 시간의 기간 에 걸쳐 하강하여(ramp down), 대기 온도로 처리된 도핑 석영 부품의 점차적인 냉각을 허용한다. 도핑 석영 부품은 제어된 속도로 냉각되어 과잉 고속 냉각으로부터 발생될 수 있는 열 응력을 최소화하도록 한다. 예를 들면, 약 20℃/min. 내지 약 50℃/min. 의 냉각 속도가 이용될 수 있다. 이와 달리, 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.
상대적인 침식 테스트는 본 발명의 실시예들을 이용하여 제조된 수 개의 이트륨 도핑 석영 부품을 위해 실시된다. 테스트된 도핑 석영 부품은 본 발명의 다양한 실시예에 따라 상이한 상태 하에서 이트륨에 의해 도핑된 석영 재료로 제조되며, 본 발명의 일 실시예에 따라 열 처리된다. 침식(또는 부식) 속도는 반응 분위기, 예를 들면, 불소 기재 플라즈마로의 노출 전 및 후 상기 부품 상의 두께 측정을 수행함으로써 얻어진다.
결과는 본 발명의 실시예들을 이용하여 제조되는 도핑 석영 부품이 개선된 침식 내성, 또는 종래의 공정을 이용하여 제조되는 종래의 석영 부품에 비해, 약 20 % 내지 약 35 %의 범위의 감소된 침식 속도를 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 부품에 비해 약 30 %의 불소 함유 플라즈마로의 노출에 대해 개선된 침식 내성, 또는 감소된 침식 내성을 가진다.
도 4A 내지 도 4C는 기판 지지 페데스탈(450) 상에 배치되는 전형적인 하나 의 커버 링(400)의 또 다른 실시예의 개략적인 도면이다. 도 4A는 커버 링(400)의 평면도이다. 커버 링(400)은 이트륨 요소 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 고리형 바디(402)를 가진다. 내측 영역(406)의 태브(404)는 바디(402)로부터 반지름방향 내측으로 연장한다. 일 실시예에서, 커버 링(400)은 약 11.7 인치와 같은 약 12 인치 내지 약 13 인치 사이의 내부 직경 및 약 15.9 인치와 같은 약 15 인치 내지 약 16.5 인치 사이의 외부 직경을 가진다.
도 4B는 페데스탈(450) 및 기판(452) 둘레에 배치되는 단면 라인(A-A)을 따라 취한 커버 링(400)의 단면도이다. 커버 링(400)은 페데스탈(450)의 외측 상부면을 덮고, 페데스탈(450)을 둘러싸는 절연체 링(400)을 덮는다. 일 실시예에서, 커버 링(400)은 홀로 또는 페데스탈(450)의 정합면들 사이에 유용한 밀봉을 제공하기 위해 절연체 링과 조합하여 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 확대도이다. 커버 링(400)의 고리형 바디(402)는 일반적으로 상부면(422) 및 바닥면(420)을 가진다. 제 1 릿지(414), 제2 릿지(412), 및 제 3 릿지(418)는 바디(402)의 바닥면(420)으로부터 하방으로 연장한다. 도 4C에 도시된 실시예에서, 릿지(414, 412, 418)는 동심 링이다.
제 1 및 제 2 릿지(414, 412)는 커버 링(400)의 내부로부터 연장하여 그 사이에 제 1 슬롯(430)을 형성하고, 제 1 슬롯은 챔버 부품(426)의 상단부에 끼워진 다. 제 1 릿지(414)는 제 2 릿지(412)보다 바디(402)로부터 더 멀리 연장한다. 제 2 릿지(412) 및 제 3 릿지(418)는 페데스탈(450)과 결합된 절연체 링(428)의 상부면에 끼워져서 커버 링(400)과 페데스탈(116) 사이의 배향을 고정한다. 제 2 릿지(4120는 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 공동 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 바디(42)의 상부면(424)과 태브(404) 사이에 배치된다. 내측 벽(410)은 태브(404)의 내경 보다 큰 직경을 가진다. 바디(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 내부 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 기판 페데스탈(450), 또는 다른 페데스탈 내의 도 4A 내지 도 4C의 커버 링(400)을 따라 또는 이들과 조합되어 이용될 수 있다. 절연체 링(428)은 도 3의 방법(300)에 의해 제조될 수 있다. 이와 달리, 절연체 링(428)은 소정의 적절한 기술에 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 적용된다.
도 5B는 도 5A의 단면선(A-A)을 따라 취한 절연체 링(428)의 단면을 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 외부 링(502)의 상부 코너 및 외부 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 부품은 형태(morphology) 및 미세구조와 같은 개선된 특정을 가지도록 하여, 플라즈마 가스에 의한 침식에 대해 강화된 내성, 감소된 기계적 응력, 개선된 표면 마무리, 및 감소된 입자 발생을 초래한다.
위의 예 및 논의가 예시적으로 플라즈마 챔버용 도핑 석영 부품에 초점을 맞추었지만, 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예가 또한 상이한 적용에 대해 다양한 재료를 이용하는 부품을 포함하여 다른 챔버 부품을 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 열 처리 공정은 또한 세라믹, 금속, 유전체, 합금 등과 같은 재료로 제조된 부분으로 적용될 수 있다.
본 발명에 대해 전술되었지만, 본 발명의 다른 및 추가의 실시예는 본 발명의 기본 범위로부터 이탈하지 않고 발명될 수 있으며, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의해 결정된다.

Claims (15)

  1. 플라즈마 챔버에 이용하기 위한 도핑(doped) 석영 부품으로서,
    기판을 지지하도록 구성된 이트륨 도핑 석영 링을 포함하는,
    도핑 석영 부품.
  2. 제 1 항에 있어서,
    이트륨 도펀트(dopant)는 약 5 중량 % 보다 적게 포함되는,
    도핑 석영 부품.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 이트륨 도펀트는 이트륨 금속, 이트륨 합금, 또는 이트륨 산화물 중 하나 이상인,
    도핑 석영 부품.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도핑 석영 링은 알루미늄 함유 도펀트를 더 포함하는,
    도핑 석영 부품.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 알루미늄 함유 도펀트는 알루미늄 금속, 알루미늄 합금, 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질화물 중 하나 이상이며, 상기 알루미늄 함유 도펀트는 약 5 중량 % 보다 적게 포함되는,
    도핑 석영 부품.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도핑 석영 링은 질소 함유 도펀트를 더 포함하는,
    도핑 석영 부품.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 질소 함유 도펀트는 열 처리 공정에 사용되고, 상기 질소 함유 도펀트는 약 10 ppmw(ppm by weight) 내지 약 150 ppmw를 포함하는,
    도핑 석영 부품.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 도핑 석영 부품은 외측 주변부, 내측 주변부, 및 상기 기판을 수용하도록 구성되어 상기 내측 주변부에 인접한 리세스 부분을 가지는,
    도핑 석영 부품.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 도핑 석영 부품은 외측 영역, 내측 영역, 및 상기 외측 영역에 형성된 리세스 부분을 가지는,
    도핑 석영 부품.
  10. 플라즈마 챔버에 이용하기 위한 도핑 석영 부품으로서,
    기판 지지 페데스탈을 둘러싸도록 구성되고 침식성 플라즈마 환경에 노출하기에 적절한 재료로 이루어지는 고리형 바디를 가지는 석영 링을 포함하며,
    상기 석영 링은 각각 약 5 중량 % 보다 적은 이트륨 도펀트 및 알루미늄 도펀트를 포함하는,
    도핑 석영 부품.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 석영 링은 질소 도펀트를 더 포함하고, 상기 질소 도펀트는 약 10 ppmw 내지 약 150 ppmw인,
    도핑 석영 부품.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 이트륨 도펀트는 이트륨 금속, 이트륨 합금, 이트륨 산화물 중 하나 아상이고, 또는 상기 알루미늄 도펀트는 알루미늄 금속, 알루미늄 합금, 알루미늄 산화물, 또는 알루미늄 질화물 중 하나 이상인,
    도핑 석영 부품.
  13. 플라즈마 공정 챔버로서,
    내부 용적을 가지는 챔버 바디,
    상기 챔버 바디 내에 배치되고 그 위에 기판을 수용하는 지지 페데스탈, 및
    상기 내부 용적에 노출되는 하나 이상의 표면을 가지는 플라즈마 내성 이트륨 도핑 석영 부품을 포함하는,
    플라즈마 공정 챔버.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 플라즈마 내성 이트륨 도핑 석영 부품은 알루미늄을 더 포함하고, 상기 이트륨 및 알루미늄 함유 석영 부품은 그 위에 위치되는 기판을 수용하는 리세스 부분을 가지는 커버 링이고, 상기 이트륨 및 알루미늄 함유 석영 부품은 상기 커버 링과 결합되는 리세스 부분을 가지는 절연체 링인,
    플라즈마 공정 챔버.
  15. 이트륨 함유 석영 부품을 제조하기 위한 방법으로서,
    혼합물을 형성하도록 이트륨 함유 재료와 석영 재료를 혼합하는 단계,
    상기 혼합물을 가열하는 단계,
    이트륨 함유 석영 부품을 형성하는 단계로서, 상기 이트륨 함유 석영 부품은 그 위에 기판을 지지하도록 하는 크기를 가지는 고리형 바디를 가지는, 단계,
    질소 가스의 존재시 상기 이트륨 함유 석영 부품을 열 처리하는 단계, 및
    이트륨 및 질소 함유 석영 부품을 형성하는 단계를 포함하는,
    이트륨 함유 석영 부품 제조 방법.
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