KR20200124320A - 반도체 디바이스들의 제조에서 사용될 프로세싱 컴포넌트들의 세라믹 표면들의 레이저 폴리싱 - Google Patents

반도체 디바이스들의 제조에서 사용될 프로세싱 컴포넌트들의 세라믹 표면들의 레이저 폴리싱 Download PDF

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강 그란트 펭
데이비드 더블유. 그로첼
투오추안 후앙
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

본 개시내용의 실시예들은, 바람직하게, 세라믹 기판들 또는 세라믹 코팅된 기판들의 표면 거칠기 및 다공도를 감소시키기 위해, 세라믹 기판들 또는 세라믹 코팅된 기판들을 레이저 보조 개질, 즉 레이저 폴리싱하는 방법들을 제공한다. 일 실시예에서, 워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법은 펄스형 레이저 빔으로 워크피스 표면의 적어도 일부를 스캐닝하는 단계를 포함한다. 레이저 빔은 약 50 kHz 이상의 펄스 주파수 및 약 10 mm2 이하의 스폿 사이즈를 가지며, 워크피스 표면은 세라믹 재료를 포함한다.

Description

반도체 디바이스들의 제조에서 사용될 프로세싱 컴포넌트들의 세라믹 표면들의 레이저 폴리싱
[0001] 본 개시내용의 실시예들은 일반적으로 반도체 디바이스 제조에 관한 것이다. 특히, 본원의 실시예들은 플라즈마 프로세싱 챔버와 함께 또는 플라즈마 프로세싱 챔버에서 사용되는 컴포넌트들의 표면들을 레이저 폴리싱(laser polish)하는 것에 관한 것이다.
[0002] 대개, 반도체 디바이스 구현(manifesting) 장비, 이를테면, 플라즈마 보조 프로세싱 챔버들, 및 이와 관련된 프로세싱 컴포넌트들은 세라믹 재료, 또는 보호 세라믹 재료 코팅이 상부에 증착된 기판으로 형성된다. 세라믹 재료들은 화학적 부식(corrosion) 또는 플라즈마 기반 침식(erosion)에 대해 요구되는 내성을 제공하며, 그렇지 않으면, 화학적 부식 또는 플라즈마 기반 침식은 프로세싱 컴포넌트의 유효 수명을 단축시킬 것이다.
[0003] 불행하게도, 증착-직후의 세라믹 코팅들은 대개, 세라믹 코팅들이 상부에 증착된 하부 컴포넌트 재료의 요구 표면 거칠기 및 다공도보다 더 높은 요구 표면 거칠기 및 다공도를 갖는다. 바람직하지 않게 높은 표면 거칠기 및 다공도를 갖는 보호 세라믹 코팅은 크래킹(cracking) 및 플레이킹(flaking)되기 쉬워서 그 보호 세라믹 코팅이 사용되는 프로세싱 챔버에서 입자들을 생성하며, 그 입자들은 궁극적으로, 프로세싱 챔버에 배치된 기판의 디바이스 측 표면으로 이동할 수 있다. 기판 상의 디바이스들의 제조 동안의 기판의 입자 오염은 대개, 디바이스가 동작 불능 상태에 이르게 하여, 오염된 기판으로부터의 디바이스 수율을 억제할 것이다.
[0004] 따라서, 세라믹 프로세싱 컴포넌트들, 및 프로세싱 컴포넌트들의 세라믹 코팅된 표면들의 개선된 표면 마감 방법들이 본 기술 분야에 필요하다.
[0005] 본 개시내용의 실시예들은, 바람직하게, 세라믹 기판들 또는 세라믹 코팅된 기판들의 표면 거칠기 및 다공도를 감소시키기 위해, 세라믹 기판들 또는 세라믹 코팅된 기판들을 레이저 보조 개질(laser assisted modification), 즉 레이저 폴리싱하는 방법들을 제공한다.
[0006] 일 실시예에서, 워크피스(workpiece) 표면을 레이저 폴리싱하는 방법은 펄스형 레이저 빔으로 워크피스 표면의 적어도 일부를 스캐닝하는 단계를 포함한다. 레이저 빔은 약 50 kHz 이상의 펄스 주파수 및 약 10 mm2 이하의 스폿 사이즈를 가지며, 워크피스 표면은 세라믹 재료를 포함한다.
[0007] 일 실시예에서, 워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법은 약 50 kHz 이상의 펄스 주파수 및 약 10 mm 이하의 스폿 사이즈를 갖는 펄스형 레이저 빔으로 워크피스 표면의 적어도 일부를 스캐닝하는 단계를 포함한다. 본원에서, 워크피스 표면은 세라믹 재료를 포함하고, 워크피스는, 가스 주입기, 샤워헤드, 기판 지지부, 지지 샤프트, 도어, 라이너, 차폐부, 또는 로봇 엔드 이펙터(robot end effector) 중 하나를 포함하는, 플라즈마 프로세싱 챔버와 함께 사용하기 위한 프로세싱 컴포넌트이다.
[0008] 일 실시예에서, 워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법은 약 50 kHz 이상의 펄스 주파수 및 약 10 mm2 이하의 스폿 사이즈를 갖는 펄스형 레이저 빔으로 워크피스 표면의 적어도 일부를 스캐닝하는 단계를 포함한다. 본원에서, 워크피스 표면은, 알루미늄, 티타늄, 탄탈럼 또는 이트륨의 질화물, 플루오라이드, 산화물, 옥시나이트라이드 또는 옥시플루오라이드, 또는 석영을 포함하고, 워크피스는 플라즈마 프로세싱 챔버와 함께 사용하기 위한 프로세싱 컴포넌트이고, 워크피스는 가스 주입기, 샤워헤드, 기판 지지부, 지지 샤프트, 도어, 라이너, 차폐부, 또는 로봇 엔드 이펙터 중 하나를 포함한다.
[0009] 본 개시내용의 상기 열거된 특징들이 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 앞서 간략히 요약된 본 개시내용의 보다 구체적인 설명이 실시예들을 참조로 하여 이루어질 수 있는데, 이러한 실시예들의 일부는 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 단지 예시적인 실시예들을 예시하는 것이므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 주목되어야 하는데, 이는 본 개시내용이 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
[0010] 도 1은 일 실시예에 따른, 본원에서 설명되는 레이저 보조 표면 개질(레이저 폴리싱) 방법들을 사용하여 폴리싱된 하나 이상의 프로세싱 컴포넌트들을 갖는 프로세싱 챔버의 개략적인 단면도이다.
[0011] 도 2a는 일 실시예에 따른, 본원에서 설명되는 레이저 폴리싱 방법들을 사용하여 폴리싱되는 하나 이상의 표면들을 갖는 기판 지지부의 개략적인 등각도이다.
[0012] 도 2b는 도 2a에 도시된 기판 지지부의 일부의 확대 등각 단면도이다.
[0013] 도 3은 일 실시예에 따른, 본원에서 제시되는 방법들을 실시하기 위해 사용될 수 있는 레이저 폴리싱 시스템의 개략도이다.
[0014] 도 4는 도 3에서 설명된 레이저 폴리싱 시스템을 사용하여 워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법을 제시한다.
[0015] 이해를 용이하게 하기 위해, 도면들에 대해 공통인 동일한 엘리먼트들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 실시예의 엘리먼트들 및 특징들이 추가적인 설명 없이 다른 실시예들에 유익하게 포함될 수 있는 것으로 고려된다.
[0016] 본 개시내용의 실시예들은, 바람직하게, 세라믹 기판들 또는 세라믹 코팅된 기판들의 표면 거칠기 및 다공도를 감소시키기 위해, 세라믹 기판들 또는 세라믹 코팅된 기판들을 레이저 보조 개질, 즉 레이저 폴리싱하는 방법들을 제공한다. 본원에서 설명되는 레이저 폴리싱 방법들은 유익하게, 폴리싱될 표면 영역(들)에 대한 정밀한 서브-밀리미터 스케일(sub-millimeter scale) 폴리싱 제어를 가능하게 하고, 그에 따라, 재료 폴리싱이 요구되는 표면 구역들과, 재료 폴리싱이 요구되지 않는 인접 배치된 표면 구역들 또는 그 표면 구역들에 형성된 개구 사이에 바람직하게 높은 분해능을 제공한다. 일부 실시예들에서, 본원에서 설명되는 방법들은, 전자 디바이스 제조, 예컨대 반도체 디바이스 제조의 분야에서 사용될 수 있는, 세라믹 프로세싱 챔버 컴포넌트들, 또는 프로세싱 챔버 컴포넌트들의 세라믹 코팅된 표면들을 폴리싱하기 위해 사용된다. 본원에서 설명되는 레이저 폴리싱 방법들로부터 이익을 얻을 수 있는 프로세싱 챔버 컴포넌트들의 예들이 도 1, 및 도 2a 및 도 2b에서 도시 및 설명된다. 유익하게, 본원에서 제공되는 레이저 폴리싱 방법들은, 기계적 폴리싱과 달리, 폴리싱될 표면으로부터의 실질적인 재료 제거를 요구하지 않는다. 따라서, 본원에서 제공되는 방법들은, 도 2a 및 도 2b에서 추가로 설명되는 기판 지지부의 패터닝된 표면과 같은 패터닝된 표면으로부터 상승 피처(elevated feature)들이 바람직하지 않게 평탄화되는 리스크 없이, 패터닝된 표면의 오목한 표면들 및 상승 피처들 둘 모두의 표면 개질을 가능하게 한다.
[0017] 도 1은 일 실시예에 따른, 본원에서 설명되는 레이저 보조 표면 개질(레이저 폴리싱) 방법들을 사용하여 폴리싱된 하나 이상의 프로세싱 컴포넌트들을 갖는 프로세싱 챔버(100)의 개략적인 단면도이다. 도 1에 도시된 프로세싱 챔버(100)는 플라즈마 보조 에칭 챔버이다. 그러나, 본원에서 설명되는 레이저 폴리싱 방법들이 임의의 플라즈마 보조 프로세싱 챔버에서 사용되는 프로세싱 컴포넌트들을 폴리싱하거나, 또는 고 분해능 폴리싱이 요구되는 임의의 다른 세라믹 표면 상에서 폴리싱하기 위해 사용될 수 있다는 것이 고려된다.
[0018] 프로세싱 챔버(100)는 챔버 덮개(101), 하나 이상의 측벽들(102), 및 챔버 베이스(103)를 포함하는 챔버 바디(body)를 특징으로 한다. 여기서, 프로세싱 챔버는 기판 지지부(112) 및 샤워헤드(107)를 더 포함하며, 기판 지지부(112) 및 샤워헤드(107)는 하나 이상의 측벽들(102)과 함께 공동으로(collectively) 프로세싱 볼륨(104)을 정의한다. 전형적으로, 프로세싱 가스들은 챔버 덮개(101)를 통해 배치된 유입구(105)를 통하거나, 하나 이상의 측벽들(102)을 통해 배치된 하나 이상의 가스 주입기들(106)을 통하거나, 또는 이들 둘 모두를 통해, 프로세싱 볼륨(104)에 전달된다. 샤워헤드(107)는 프로세싱 볼륨(104) 내로 프로세싱 가스들을 균일하게 분배하기 위해 사용되며, 샤워헤드(107)는 샤워헤드(107)를 통해 배치된 복수의 홀들(108)을 갖는다. 전형적으로, 홀들(108)의 직경은 약 5 mm 이하, 이를테면 약 3 mm 이하, 예컨대 약 1 mm 미만이다. 일부 실시예들에서, 홀들(108)의 개별적인 홀들은 샤워헤드의 플라즈마 대향 표면 상에서 이들 사이에 배치된 재료의 폭이 약 10 mm 이하가 되도록 이격된다.
[0019] 프로세싱 챔버(100)는 프로세싱 볼륨(104) 외부에서 챔버 덮개(101) 근처에 배치된 하나 이상의 유도 코일들(109)을 통해 A.C. 주파수, 이를테면 RF 주파수를 통과시킴으로써 생성되는 ICP(inductively coupled plasma)를 특징으로 한다. 챔버 덮개(101) 및 샤워헤드(107)는 유전체 재료, 이를테면 석영으로 형성된다. 챔버 덮개(101) 및 샤워헤드(107)는 유전체 윈도우(window)를 형성하며, 그 유전체 윈도우를 통해, 유도 코일들(109)에 의해 생성된 전자기 에너지가 프로세싱 볼륨(104) 내에서 가스로 형성된 플라즈마(110)에 커플링된다. 코일 상의 A.C. 전력으로부터 프로세싱 볼륨(104) 내의 가스들에 가해지는 전자기장은 프로세싱 볼륨(104)에서 불활성 가스, 및 일부 경우들에서는 프로세싱 가스들을 사용하여 플라즈마(110)를 점화 및 유지하는 데 사용된다.
[0020] 여기서, 프로세싱 볼륨(104)은 진공 유출구(111)를 통해 진공 소스, 이를테면 하나 이상의 전용 진공 펌프들에 유동적으로(fluidly) 커플링되며, 그 진공 소스는 프로세싱 볼륨(104)을 대기압-미만 압력(sub-atmospheric) 조건들로 유지하고, 프로세싱 볼륨(104)으로부터 프로세싱 가스 및 다른 가스들을 진공배기(evacuate)시킨다. 프로세싱 볼륨(104)에 배치된 기판 지지부(112)는 이동가능 지지 샤프트(113) 상에 배치되며, 이동가능 지지 샤프트(113)는, 챔버 베이스(103) 아래의 구역에서 벨로즈(미도시)에 의해 둘러싸이는 것과 같이, 챔버 베이스(103)를 통해 밀봉식으로 연장된다. 전형적으로, 기판 지지부(112)는 기판 지지부(112)의 유전체 재료에 매립된 척킹 전극(미도시)을 포함하며, 그 척킹 전극은 기판(114)과 척킹 전극 사이에 전위를 제공함으로써 기판 지지부(112)에 기판(114)을 고정시킨다.
[0021] 대개, 기판 지지부(112)는, 기판 지지부(112)의 유전체 재료와 기판 지지부(112) 상에 배치된 기판(114) 사이의 열 전달에 의해, 기판(114)을 요구 온도로 또는 요구 온도 범위 내로 유지하는 데 사용된다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 기판 지지부(112)는 기판 지지부(112)의 유전체 재료에 매립된 가열 엘리먼트(미도시)를 포함하며, 그 가열 엘리먼트는 기판 지지부(112), 그리고 그에 따라 기판(114)을 프로세싱 전에 요구 온도까지 가열하고, 프로세싱 동안 기판(114)을 요구 온도로 유지하는 데 사용된다. 다른 반도체 제조 프로세스들의 경우, 기판(114)의 프로세싱 동안 기판(114)을 냉각시키는 것이 바람직하며, 기판 지지부(112)는 하나 이상의 냉각 채널들을 전형적으로 포함하는 냉각 베이스(미도시)에 열적으로 커플링되고, 그 하나 이상의 냉각 채널들은 이들을 통해 유동하는 냉각 유체를 갖는다. 일부 경우들에서, 기판 지지부(112)는 가열 엘리먼트들과 냉각 채널들 둘 모두를 포함하며, 이는 기판 지지부(112)의 온도의 미세 제어를 가능하게 한다.
[0022] 전형적으로, 프로세싱 챔버의 프로세싱 볼륨(104) 내의 낮은 압력 분위기는 기판(114)과 기판 지지부(112)의 유전체 재료 사이의 불량한 열 전도를 초래할 것이며, 이는 기판(114)을 가열 또는 냉각시키는 것에서 기판 지지부의 유효성을 감소시킨다. 따라서, 일부 프로세스들에서, 열 전도성 불활성 가스, 전형적으로는 헬륨이 기판(114)의 비-디바이스 측 표면과 기판 지지부(112) 사이에 배치된 후면 볼륨(미도시) 내로 도입되어, 이들 사이의 열 전달을 개선한다. 후면 볼륨은 도 2a 및 도 2b에서 설명되는 패터닝된 표면(201)과 같은, 기판 지지부(112)의 패터닝된 표면에서의 하나 이상의 오목한 표면들, 및 기판 지지부(112) 상에 배치된 기판(114)에 의해 정의된다. 일부 실시예들에서, 기판 지지부(112)의 패터닝된 표면(201)의 적어도 부분들이 본원에서 설명되는 방법들을 사용하여 레이저 폴리싱된다.
[0023] 여기서, 프로세싱 챔버(100)는 하나 이상의 측벽들(102) 중 하나의 측벽 내의 개구(115)를 통해 기판(114)을 기판 지지부(112)로 그리고 기판 지지부(112)로부터 이송하는 것을 가능하게 하도록 구성되며, 개구(115)는 기판 프로세싱 동안 도어(116) 또는 밸브에 의해 밀봉된다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 복수의 리프트 핀들(미도시)이, 기판(114)을 기판 지지부(112)로 그리고 기판 지지부(112)로부터 이송하는 것을 가능하게 하기 위해, 기판 지지부(112)를 통해 형성된 대응하는 리프트 핀 개구들(221)(도 2a 및 도 2b에 도시됨)을 통해 이동가능하게 배치된다. 복수의 리프트 핀들이 상승 포지션에 있을 때, 기판(114)은 로봇 핸들러에 의한 기판(114)으로의 접근을 가능하게 하기 위해 기판 지지부(112)로부터 리프팅된다. 복수의 리프트 핀들이 하강 포지션에 있을 때, 복수의 리프트 핀들의 상부 표면들은 기판 지지부(112)의 표면과 동일한 높이에 있거나 또는 기판 지지부(112)의 표면 아래에 있고, 기판은 기판 지지부(112)의 표면 상에 놓인다.
[0024] 본원의 프로세싱 챔버(100)는 하나 이상의 제거가능 라이너들(117)을 포함하며, 하나 이상의 제거가능 라이너들(117)은 챔버 바디의 하나 이상의 내부 표면들(118) 상에 그리고 챔버 바디의 하나 이상의 내부 표면들(118)로부터 반경 방향 내측에 배치된다. 프로세싱 챔버(100)는 하나 이상의 차폐부들, 이를테면, 기판 지지부(112) 및 지지 샤프트(113)를 에워싸는 제1 차폐부(119), 및 하나 이상의 측벽들(102)로부터 반경 방향 내측에 배치된 제2 차폐부(120)를 더 포함한다. 본원에서, 차폐부들(119 및 120)은, 프로세싱 볼륨(104) 내의 요구 구역으로 플라즈마(110)를 한정하거나, 프로세싱 볼륨(104)에서 가스들을 위한 유동 경로들을 정의하거나, 프로세스 가스들 및 증착 생성물들 또는 에천트들로부터 챔버 벽들을 보호하거나, 또는 이들의 조합들을 행하기 위해 사용된다. 일부 실시예들에서, 기판(114)은, 로봇 엔드 이펙터, 예컨대 로봇 진공 완드(robot vacuum wand)(121)를 사용하여, 프로세싱 볼륨 내로 그리고 프로세싱 볼륨 밖으로 이송된다.
[0025] 본원의 실시예들에서, 위에서 설명된 프로세싱 컴포넌트들 중 하나 이상의 프로세싱 컴포넌트들의 표면들은 세라믹 재료로 형성되거나, 그 표면들 상에 배치된 보호 세라믹 재료 코팅을 갖거나, 또는 이들 둘 모두에 해당된다. 프로세싱 컴포넌트 또는 프로세싱 컴포넌트를 위한 보호 코팅으로서 사용하는 데 적합한 세라믹들의 예들은, 실리콘 탄화물(SiC), 석영, 또는 III 족, IV 족, 란탄 계열 원소들 및 이들의 조합들의 플루오라이드들, 산화물들, 옥시플루오라이드들, 질화물들 및 옥시나이트라이드들을 포함한다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 위에서 설명된 프로세싱 컴포넌트들 중 하나 이상의 프로세싱 컴포넌트들의 표면들은, 석영, 알루미늄 산화물(Al2O3), 알루미늄 질화물(AlN), 티타늄 산화물(TiO), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈럼 산화물(Ta2O5), 탄탈럼 질화물(TaN), 이트륨 산화물(Y2O3), 이트륨 플루오라이드(YF3), 이트륨 옥시플루오라이드(YOF), 또는 이트륨-안정화 지르코니아(yttrium-stabilized zirconia)로 형성된다.
[0026] 대개, 세라믹 코팅들은 화학적 부식 및 플라즈마 기반 침식으로부터 하부 컴포넌트 재료를 보호하기 위해, 적어도, 프로세싱 컴포넌트의 플라즈마 대향 표면 상에 증착된다. 세라믹 코팅은 임의의 적합한 코팅 방법, 이를테면 열 스프레잉 방법, 예컨대 플라즈마 스프레잉을 사용하여 증착되며, 여기서, 세라믹 코팅 재료는 용융 또는 가소화 상태까지 가열되고, 프로세싱 컴포넌트의 표면 상에 스프레잉된다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 프로세싱 컴포넌트는 샤워헤드(107)와 같은 샤워헤드이며, 그 샤워헤드는 석영 기판으로 형성되고, 적어도, 샤워헤드의 플라즈마 대향 표면 상에 증착된 이트륨 기반 세라믹 코팅을 갖는다. 다른 실시예들에서, 샤워헤드(107)의 플라즈마 대향 표면은 석영으로 형성되며, 본원에서 설명되는 레이저 폴리싱 방법들은 샤워헤드(107)의 플라즈마 유발 침식을 복구하여 샤워헤드(107)의 유효 수명을 연장시키기 위해 사용된다.
[0027] 다른 실시예들에서, 샤워헤드는 알루미늄과 같은 전기 전도성 재료로 형성되고, 샤워헤드와 챔버 벽 또는 기판 지지부(112) 사이에 CCP(capacitively coupled plasma)가 유지된다. 다른 실시예들에서, 불활성, 및 일부 경우들에서는 프로세스 가스들을 사용하여, 프로세싱 볼륨에 플라즈마를 생성하기 위해, 마이크로파 소스가 사용된다. 일부 실시예들에서, 가스 플라즈마가 프로세싱 볼륨(104)에 전달되기 전에 원격 플라즈마 소스(미도시)를 사용하여 프로세싱 볼륨(104)으로부터 원격으로 생성된다.
[0028] 도 2a는 본원에서 설명되는 레이저 폴리싱 방법들을 사용하여 폴리싱된 하나 이상의 세라믹 표면들을 특징으로 하는 기판 지지부(112)의 개략적인 등각도이다. 도 2b는 도 2a에 도시된 기판 지지부(112)의 일부의 확대 등각 단면도이다.
[0029] 본원에서, 기판 지지부(112)는 하나 이상의 오목한 표면들(216)로부터 연장된 복수의 상승 피처들을 갖는 패터닝된 표면(201)을 특징으로 한다. 상승 피처들은 복수의 돌출부들(217), 하나 이상의 외측 밀봉 밴드(sealing band)들, 이를테면 제2 외측 밀봉 밴드(215) 및 제1 외측 밀봉 밴드(213), 및 복수의 내측 밀봉 밴드들(219)을 포함한다. 제1 외측 밀봉 밴드(213)는 패터닝된 표면(201)의 중심 주위에 동심으로 그리고 패터닝된 표면(201)의 외측 둘레 근처에 배치되며, 제2 외측 밀봉 밴드(215)는, 제1 외측 밀봉 밴드(213) 근처에서 그리고 제1 외측 밀봉 밴드(213)의 반경 방향 내측에서, 패터닝된 표면(201)의 중심 주위에 동심으로 배치된다. 내측 밀봉 밴드들(219) 각각은 기판 지지부(112)를 통해 형성된 각각의 리프트 핀 개구들(221) 주위에 동축으로 배치된다. 상승 피처들 및 하나 이상의 오목한 표면들(216)과 (도 1에 도시된) 기판(114)의 비-디바이스 측 표면은, 기판(114)이 기판 지지부(112)에 척킹될 때, 후면 볼륨의 경계 표면들을 정의한다.
[0030] 도시된 바와 같이, 복수의 돌출부들(217)은 실질적으로 원통형으로 형상화되고, 약 500 μm 내지 약 5 mm의 평균 직경(D1), 약 5 mm 내지 약 20 mm의 CTC(center to center) 간격(D2), 및 약 3 μm 내지 약 700 μm의 높이(H)를 갖는다. 다른 실시예들에서, 복수의 돌출부들(217)은, 기판(114)을 지지하기 위해 오목한 표면(216)을 넘어서 연장되고 임의의 적합한 방법을 사용하여 형성되는, 임의의 다른 적합한 형상, 이를테면, 정사각형 또는 직사각형 블록들, 원뿔들, 웨지(wedge)들, 피라미드들, 포스트(post)들, 원통형 마운드(mound)들, 또는 다양한 사이즈들의 다른 돌출부들, 또는 이들의 조합들을 포함한다.
[0031] 본원에서, 제1 외측 및 제2 외측 밀봉 밴드들(213 및 215)은 약 500 μm 내지 약 5 mm의 폭 및 높이(H)로 실질적으로 직사각형인 단면 프로파일을 갖는다. 복수의 내측 밀봉 밴드들(219)(각각이 각각의 리프트 핀 개구를 둘러쌈)은 전형적으로, 높이(H) 및 폭(W)으로, 복수의 내측 밀봉 밴드들(219)의 내측 직경과 외측 직경 사이에서, 실질적으로 직사각형 형상의 단면 프로파일을 갖는다. 복수의 돌출부들(217)은, 기판(114)이 기판 지지부(112)에 척킹될 때, 적어도, 기판(114)을 오목한 표면(216)으로부터 이격된 상태로 홀딩하며, 이는 열 전도성 불활성 가스, 본원에서는 헬륨이 가스 유입구로부터 기판(114)과 기판 지지부(112) 사이의 후면 볼륨 전체에 걸쳐 유동할 수 있게 한다. 밀봉 밴드들(213, 315, 및 219)은, 기판(114)이 기판 지지부(112)에 척킹될 때, 가스가 후면 볼륨으로부터 프로세싱 챔버(100)의 프로세싱 볼륨(104) 내로 유동하는 것을 방지하거나 또는 상당히 줄인다(도 1에 도시됨).
[0032] 다른 실시예들에서, 복수의 돌출부들(217)은, 기판(114)을 지지하기 위해 오목한 표면(216)을 넘어서 연장되고 임의의 적합한 방법을 사용하여 형성되는, 임의의 다른 적합한 형상, 이를테면, 정사각형 또는 직사각형 블록들, 원뿔들, 웨지들, 피라미드들, 포스트들, 원통형 마운드들, 또는 다양한 사이즈들의 다른 돌출부들, 또는 이들의 조합들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 기판 지지부(112)의 기판 접촉 표면들(229)과 기판 지지부(112) 상에 배치된 기판의 비-디바이스 측 표면 사이의 접촉 면적은 약 30% 미만, 이를테면 약 20% 미만, 이를테면 약 15% 미만, 약 10% 미만, 약 5% 미만, 예컨대 약 3% 미만이다.
[0033] 전형적으로, 기판 지지부(112)의 패터닝된 표면(201)은 적층 제조(additive manufacturing) 프로세스, 절삭 제조(subtractive manufacturing) 프로세스, 또는 이들의 조합을 사용하여 형성된다. 전형적인 적층 제조 프로세스에서, 상승 피처들은 마스크를 통해 기판 지지부(112)의 프리-패턴(pre-pattern) 표면 상에 증착되며, 그 마스크는 마스크를 통하는 대응하는 개구들을 갖는다. 기판 지지부(112)의 오목한 표면들(216)을 형성하게 될 프리-패턴 표면은 전형적으로, 상승 피처들의 증착 전에, 요구 표면 마감으로 평탄화되거나 또는 다른 방식으로 프로세싱된다. 그러나, 상승 표면들의 기판 접촉 피처들은 흔히, 바람직하지 않게 높은 표면 거칠기를 갖고, 그에 따라, 일부 실시예들에서, 본원에서 설명되는 방법들을 사용하여 레이저 폴리싱된다.
[0034] 전형적인 절삭 제조 프로세스에서, 오목하게 형성될 구역들로부터의 재료는, 기판 지지부의 프리-패턴 표면으로부터, 그 프리-패턴 표면 상에 배치된 마스크를 통해 형성된 대응하는 개구들을 통해, 예컨대 비드 블라스팅(bead blasting)에 의해 제거된다. 적층 제조 프로세스와 유사하게, 기판 접촉 표면들을 형성하게 될 프리-패턴 표면은 전형적으로, 오목하게 형성될 구역들로부터의 재료의 제거 전에, 요구 표면 마감으로 평탄화되거나 또는 다른 방식으로 프로세싱된다. 그러나, 오목한 구역들에서의 표면들(216)은 흔히, 바람직하지 않게 높은 표면 거칠기를 갖고, 그에 따라, 일부 실시예들에서, 본원에서 설명되는 방법들을 사용하여 레이저 폴리싱된다.
[0035] 도 3은 일 실시예에 따른, 본원에서 제시되는 방법들을 실시하기 위해 사용될 수 있는 레이저 폴리싱 시스템(300)의 개략도이다. 레이저 폴리싱 시스템(300)은 병진 이동 스테이지(302) 및 스캐닝 레이저 소스(306)를 특징으로 하며, 병진 이동 스테이지(302)는 병진 이동 스테이지(302) 상에 배치된 워크피스(304)를 지지 및 포지셔닝한다. 본원에서, 스캐닝 레이저 소스(306)는 스테이지(302) 위에 배치되고, 그리고 폴리싱될 워크피스(304)의 표면 상에 펄스형 레이저 빔(308)을 지향시키기 위해 스테이지(302)를 향해 있다. 다른 실시예들에서, 레이저 소스(306)는 스테이지(302) 위에 배치되지 않으며, 레이저 폴리싱 시스템(300)은 레이저 소스(306)로부터의 레이저 빔(308)을 워크피스(304)의 표면 상의 요구 스폿으로 지향시키기 위해 사용되는 하나 이상의 미러들(미도시)을 포함한다.
[0036] 일부 실시예들에서, 레이저 폴리싱 시스템(300)은 3D 스캐너와 같은 이미지 센서(310)를 더 포함하며, 이미지 센서(310)는 워크피스(304)의 표면을 맵핑하고 워크피스(304)의 표면의 3D 이미지를 생성하기 위해 사용된다. 일부 실시예들에서, 이미지 센서(310)는 기판 지지부의 기판 접촉 표면들, 기판 지지부의 오목한 표면들, 또는 샤워헤드의 플라즈마 대향 표면을 통해 형성된 홀들 사이에 배치된 샤워헤드의 재료 표면들을 맵핑하기 위해 사용된다. 이미지 맵은 시스템 제어기로 통신되며, 그 시스템 제어기는 스테이지(302)의 이동 및 레이저 소스(306)의 동작을 포함하는 레이저 폴리싱 시스템의 동작을 제어한다. 이미지 맵은, 레이저 폴리싱이 요구되지 않는 사이에 있는 표면들을 레이저 빔에 노출시키지 않으면서, 워크피스 상의 요구 표면들을 선택적으로 레이저 폴리싱하기 위해, 시스템 제어기에 의해 사용된다.
[0037] 본원에서, 레이저 소스는, 본원에서 설명되는 프로세싱 컴포넌트들 중 하나 이상의 프로세싱 컴포넌트들의 피처들, 또는 그 피처들 사이의 고 분해능 폴리싱에 적합한 스폿 사이즈, 즉 빔의 단면적을 갖는 펄스형 레이저 빔을 제공한다. 본원에서, 스폿의 직경은 약 10 mm 이하, 이를테면 약 5 mm 이하, 또는 예컨대 1 mm 이하이다. 일부 실시예들에서, 스폿 사이즈는 약 500 mm2 이하, 이를테면 약 150 mm2 이하, 또는 약 100 mm2 이하이다. 일부 실시예들에서, 스폿 사이즈는 약 0.001 mm2 내지 약 10 mm2, 이를테면 약 0.001 mm2 내지 약 5 mm2, 약 0.001 mm2 내지 약 1 mm2, 약 0.001 mm2 내지 약 0.5 mm2, 또는 예컨대 약 0.001 mm2 내지 약 0.1mm2이다. 일부 실시예들에서, 빔의 스폿 사이즈는 약 10 mm2 이하, 이를테면 5 mm2 이하, 2.5 mm2 이하, 1 mm2 이하, 0.5 mm2 이하, 0.1 mm2 이하, 0.5 mm2 이하, 또는 예컨대 약 0.01 mm2 이하이다.
[0038] 본원에서, 레이저 빔의 펄스 반복 레이트, 즉 펄스 주파수는 약 500 Hz 이상, 이를테면 약 1 kHz 이상, 약 5 kHz 이상, 약 10 kHz 이상, 약 100 kHz 이상, 약 500 kHz 이상, 예컨대 약 1 MHz 이상이다. 일부 실시예들에서, 약 0.001 mm2 내지 약 0.01 mm2의 스폿 사이즈에 대한 펄스 주파수는 약 100 kHz 이상, 예컨대 약 500 kHz 이상이다. 일부 실시예들에서, 약 0.01 mm2 내지 약 0.1 mm2의 스폿 사이즈에 대한 펄스 주파수는 약 10 kHz 이상, 이를테면 약 100 kHz 이상이다. 일부 실시예들에서, 약 0.1 mm2 내지 약 1 mm2의 스폿 사이즈에 대한 펄스 주파수는 약 1 kHz 이상이다. 일부 실시예들에서, 약 1 mm2 초과의 스폿 사이즈에 대한 펄스 주파수는 약 1 kHz 이상이다. 일부 실시예들에서, 평균 펄스 지속기간은 약 10 μs 이하, 이를테면 약 1 μs 이하, 약 0.5 μs 이하, 또는 예컨대 약 0.1 μs 이하이다. 전형적으로, 펄스형 빔의 온-타임 듀티 사이클은 약 50% 이하, 이를테면 약 40% 이하, 약 30% 이하, 약 20% 이하, 또는 예컨대 약 10% 이하이다. 일부 실시예들에서, 각각의 레이저 펄스의 피크 에너지는 약 4 μJ 내지 약 500 μJ, 또는 예컨대 약 1 μJ 초과, 약 10 μJ 초과, 이를테면 약 50 μJ 초과, 또는 약 100 μJ 초과이다. 일부 실시예들에서, 레이저 빔의 펄스 에너지 밀도는 약 6000 mW/cm2 이하, 이를테면 약 1000 mW/cm2 이하, 약 500 mW/cm2 이하, 약 250 mW/cm2 이하, 약 100 mW/cm2 이하, 약 50 mW/cm2 이하, 또는 예컨대 약 10 mW/cm2 이하이다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 본원에서 설명되는 스폿 사이즈들 또는 직경들, 또는 스폿 사이즈들 또는 직경들의 범위들 중 임의의 것의 펄스 주파수는 약 10 kHz 내지 약 500 kHz, 이를테면 약 50 kHz 내지 약 250 kHz이고, 각각의 레이저 펄스의 피크 에너지는 약 50 μJ 내지 250 μJ이며, 펄스 에너지 밀도는 약 100 mW/cm2 이하, 이를테면 약 50 mW/cm2 이하, 예컨대 약 25 mW/cm2 이하이다.
[0039] 본원에서, 레이저 빔(308)과 스테이지(302) 중 하나 또는 둘 모두는 워크피스(304)의 표면의 레이저 폴리싱을 가능하게 하도록 워크피스(304)의 표면에 걸친 레이저 빔(308)의 스캔을 제공하기 위해 x 및 y 방향들로 이동된다. 레이저 빔(308)과 워크피스(304)의 상대적인 이동은 폴리싱될 표면 상의 각각의 포인트에 3개 이상의 레이저 펄스들(레이저 샷들) 또는 예컨대 약 3개 내지 약 300개의 레이저 샷들에 대한 노출을 제공하기 위해 제어된다.
[0040] 도 4는 도 3에서 설명된 레이저 폴리싱 시스템을 사용하여 워크피스를 레이저 폴리싱하는 방법을 제시한다. 액티비티(401)에서, 방법(400)은 약 500 kHz 이상의 펄스 주파수 및 약 10 mm2 이하의 스폿 사이즈를 갖는 펄스형 레이저 빔으로 워크피스 표면의 적어도 일부를, 이를테면 래스터 패턴으로 스캐닝하는 단계를 포함한다. 본원에서, 워크피스 표면은 세라믹 재료를 포함한다. 전형적으로, 워크피스의 표면에 걸쳐 펄스형 레이저 빔을 스캐닝하는 것은 레이저 빔이 지향되는 세라믹 재료의 표면을 재료의 용융점을 초과하지만 재료의 기화점 미만인 온도까지 가열한다. 따라서, 워크피스 표면의 적어도 일부에 걸쳐 레이저 빔을 스캐닝하는 것은 바람직하게, 세라믹 재료를 리플로우(reflow)시켜서 세라믹 재료의 표면 거칠기 및 다공도를 감소시킨다.
[0041] 일부 실시예들에서, 본원에서 설명되는 레이저 폴리싱 방법들은 세라믹 코팅의 표면 거칠기(Ra)를 약 10% 초과, 이를테면 약 20% 초과만큼 감소시킨다. 일부 실시예들에서, 폴리싱 방법들은 세라믹 코팅의 다공도를 약 30% 초과, 이를테면 약 40% 초과, 예컨대 약 50% 초과만큼 감소시킨다. 일부 실시예들에서, 세라믹 코팅은 이트륨을 포함하며, 본원에서 설명되는 레이저 폴리싱 방법들은 이트륨 기반 코팅의 표면 거칠기(Ra)를 약 20% 이상만큼 감소시키고, 다공도를 약 50% 이상만큼 감소시킨다.
[0042] 일부 실시예들에서, 워크피스는 도 1에서 설명된 프로세싱 챔버와 같은 플라즈마 프로세싱 챔버와 함께 또는 그 플라즈마 프로세싱 챔버에서 사용될 프로세싱 컴포넌트이다. 일부 실시예들에서, 워크피스는 가스 주입기, 샤워헤드, 기판 지지부, 지지 샤프트, 도어, 라이너, 차폐부, 또는 로봇 엔드 이펙터 중 하나를 포함한다. 일부 실시예들에서, 세라믹 재료는, III 족, IV 족 또는 란탄 계열 원소들의 플루오라이드, 산화물, 옥시플루오라이드, 질화물 또는 옥시나이트라이드들, 또는 실리콘 탄화물(SiC) 중 하나 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시예들에서, 프로세싱 컴포넌트는 플라즈마 프로세싱 챔버에서 이전에 사용되었으며, 본원에서 제시되는 레이저 폴리싱 방법들은 프로세싱 컴포넌트에 대한 화학적 부식 또는 플라즈마 유발 침식 손상을 복구하기 위해 프로세싱 컴포넌트를 다시 표면 처리(resurface)하는 데 사용된다.
[0043] 일부 실시예들에서, 프로세싱 컴포넌트는 석영 기판으로 형성된 샤워헤드를 포함하며, 그 샤워헤드는 샤워헤드의 플라즈마 대향 표면 상에 배치된 이트륨 기반 보호 코팅을 더 포함한다. 이트륨 기반 보호 코팅은, 복수의 홀들이 석영 기판의 표면을 통해 형성되기 전에, 그 석영 기판의 표면 상에 증착된다. 따라서, 홀들의 내부 표면들은 노출된 석영을 포함한다. 본원에서, 샤워헤드를 레이저 폴리싱하는 것은 복수의 홀들 중 개별 홀들 사이에 배치된 이트륨 기반 보호 코팅에 걸쳐 펄스형 레이저 빔을 스캐닝하는 것을 포함한다. 다른 실시예들에서, 레이저 폴리싱될 표면은 보호 코팅이 있거나 또는 없는 석영 샤워헤드의 플라즈마 대향 표면을 포함하며, 여기서, 레이저 폴리싱은 그 석영 샤워헤드의 표면에 대한 플라즈마 유발 침식 손상을 복구하기 위해 사용된다. 유익하게, 본원에서 설명되는 방법들과 함께 사용되는 레이저 스폿 사이즈들은, 레이저 빔이 복수의 홀들 내로 이동하지 않으면서, 복수의 홀들의 에지들까지 레이저 폴리싱하기에 충분한 분해능을 제공한다. 이러한 비교적 높은 분해능은, 홀들 내부의 노출된 석영 표면에 대한 바람직하지 않은 손상 또는 바람직하지 않은 리플로우, 또는 홀들 내로의 이트륨 기반 코팅 또는 석영 표면의 리플로우를 야기하지 않으면서, 샤워헤드의 플라즈마 대향 표면의 실질적으로 완전한 레이저 폴리싱을 가능하게 한다.
[0044] 일부 실시예들에서, 프로세싱 컴포넌트의 레이저 폴리싱될 표면은 도 2a 및 도 2b에서 설명된 기판 지지부와 같은 기판 지지부의 패터닝된 표면을 포함한다. 일부 실시예들에서, 기판 지지부의 패터닝된 표면을 폴리싱하는 것은 상승 구역들의 기판 접촉 표면들, 또는 이들 사이에 배치된 오목한 구역들 중 둘 모두가 아니라 하나만 레이저 폴리싱하는 것을 포함한다.
[0045] 본원에서 설명되는 실시예들과 함께 사용될 수 있는 예시적인 레이저 폴리싱 파라미터들은 표 1의 열들 A, B, 및 C에서 제시된다. 열 A의 예에서, 방법은 5 mW/cm2 내지 25 mW/cm2의 레이저 빔 펄스 에너지 밀도를 제공한다. 열 B의 예에서, 방법은 50 mW/cm2 내지 250 mW/cm2의 레이저 빔 펄스 에너지 밀도를 제공한다. 열 C의 예에서, 방법은 1500 mW/cm2 내지 6000 mW/cm2의 레이저 빔 펄스 에너지 밀도를 제공한다.
Figure pct00001
[0046] 전술한 바가 본 개시내용의 실시예들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 및 추가적인 실시예들이 본 개시내용의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않으면서 고안될 수 있고, 본 개시내용의 범위는 다음의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (15)

  1. 워크피스(workpiece) 표면을 레이저 폴리싱(laser polish)하는 방법으로서,
    약 500 kHz 이상의 펄스 주파수 및 약 10 mm 이하의 스폿 사이즈를 갖는 펄스형 레이저 빔으로 상기 워크피스 표면의 적어도 일부를 스캐닝하는 단계를 포함하며,
    상기 워크피스 표면은 세라믹 재료를 포함하는,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 워크피스는 가스 주입기, 샤워헤드, 기판 지지부, 지지 샤프트, 도어, 라이너, 차폐부, 또는 로봇 엔드 이펙터(robot end effector) 중 하나를 포함하는,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 워크피스 표면은 기판 지지부의 패터닝된 표면이며,
    상기 패터닝된 표면은 하나 이상의 오목한 구역들로부터 연장된 복수의 상승 피처(elevated feature)들을 포함하는,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 패터닝된 표면의 기판 접촉 표면적은 상기 기판 지지부 상에 배치될 기판의 비-디바이스 측 표면적의 약 30% 미만인,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 워크피스는 석영 또는 이트륨 기반 보호 코팅을 포함하는 플라즈마 대향 표면을 갖는 석영 샤워헤드를 포함하며,
    상기 워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 것은 상기 플라즈마 대향 표면에 형성된 홀들 사이에 배치된 상기 석영 또는 이트륨 기반 코팅에 걸쳐 상기 펄스형 레이저 빔을 스캐닝하는 것을 포함하는,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 것은 상기 플라즈마 대향 표면에 형성된 홀들에 걸쳐 상기 펄스형 레이저 빔을 스캐닝하는 것을 포함하지 않는,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 레이저의 스폿 사이즈는 약 1 mm 이하인,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
  8. 워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법으로서,
    약 500 kHz 이상의 펄스 주파수 및 약 10 mm 이하의 스폿 사이즈를 갖는 펄스형 레이저 빔으로 상기 워크피스 표면의 적어도 일부를 스캐닝하는 단계를 포함하며,
    상기 워크피스 표면은 세라믹 재료를 포함하고,
    상기 워크피스는, 가스 주입기, 샤워헤드, 기판 지지부, 지지 샤프트, 도어, 라이너, 차폐부, 또는 로봇 엔드 이펙터 중 하나를 포함하는, 플라즈마 프로세싱 챔버와 함께 사용하기 위한 프로세싱 컴포넌트인,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 프로세싱 컴포넌트는 석영 또는 이트륨 기반 보호 코팅을 포함하는 플라즈마 대향 표면을 갖는 석영 샤워헤드를 포함하며,
    상기 워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 것은 상기 플라즈마 대향 표면에 형성된 홀들 사이에 배치된 상기 석영 또는 이트륨 기반 코팅에 걸쳐 상기 펄스형 레이저 빔을 스캐닝하는 것을 포함하는,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 워크피스 표면은 기판 지지부의 패터닝된 표면이며,
    상기 패터닝된 표면은 하나 이상의 오목한 구역들로부터 연장된 복수의 상승 피처들을 포함하는,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 패터닝된 표면의 기판 접촉 표면적은 상기 기판 지지부 상에 배치될 기판의 비-디바이스 측 표면적의 약 30% 미만인,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
  12. 워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법으로서,
    약 500 kHz 이상의 펄스 주파수 및 약 10 mm 이하의 스폿 사이즈를 갖는 펄스형 레이저 빔으로 상기 워크피스 표면의 적어도 일부를 스캐닝하는 단계를 포함하며,
    상기 워크피스 표면은 알루미늄, 티타늄 또는 이트륨의 질화물, 플루오라이드, 산화물, 옥시나이트라이드 또는 옥시플루오라이드를 포함하고,
    상기 워크피스는, 가스 주입기, 샤워헤드, 기판 지지부, 지지 샤프트, 도어, 라이너, 차폐부, 또는 로봇 엔드 이펙터 중 하나를 포함하는, 플라즈마 프로세싱 챔버와 함께 사용하기 위한 프로세싱 컴포넌트인,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 프로세싱 컴포넌트는 석영 또는 이트륨 기반 보호 코팅을 포함하는 플라즈마 대향 표면을 갖는 석영 샤워헤드를 포함하며,
    상기 워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 것은 상기 플라즈마 대향 표면에 형성된 홀들 사이에 배치된 상기 석영 또는 이트륨 기반 코팅에 걸쳐 상기 펄스형 레이저 빔을 스캐닝하는 것을 포함하는,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 워크피스 표면은 기판 지지부의 패터닝된 표면이며,
    상기 패터닝된 표면은 하나 이상의 오목한 구역들로부터 연장된 복수의 상승 피처들을 포함하는,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 패터닝된 표면의 기판 접촉 표면적은 상기 기판 지지부 상에 배치될 기판의 비-디바이스 측 표면적의 약 30% 미만인,
    워크피스 표면을 레이저 폴리싱하는 방법.
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