KR20220018053A - 플라즈마 프로세싱 챔버 컴포넌트들을 위한 실란트 (sealant) 코팅 - Google Patents

플라즈마 프로세싱 챔버 컴포넌트들을 위한 실란트 (sealant) 코팅 Download PDF

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벤자민 필립 하이네
다렐 에를리히
로빈 코시
슬로보단 미트로비치
존 도허티
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램 리써치 코포레이션
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Abstract

플라즈마 프로세싱 챔버에서 사용하기 위한 컴포넌트가 제공된다. 금속 함유 컴포넌트 바디가 제공된다. 실란트 코팅이 금속 함유 컴포넌트 바디의 표면 위에 있고, 실란트 코팅은 실리콘계 실란트, 유기 실란트, 또는 에폭시 실란트 중 적어도 하나를 포함하고, 실란트 코팅은 커버되지 않고 플라즈마 프로세싱 챔버의 플라즈마에 직접 노출된다.

Description

플라즈마 프로세싱 챔버 컴포넌트들을 위한 실란트 (sealant) 코팅
본 개시는 반도체 디바이스들의 제작에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 반도체 디바이스들의 제작에 사용된 플라즈마 챔버 컴포넌트들에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 프로세싱 동안, 플라즈마 프로세싱 챔버들은 반도체 디바이스들을 프로세싱하도록 사용된다. 플라즈마 프로세싱 챔버들의 컴포넌트들은 컴포넌트를 열화시킬 수도 있는 플라즈마들을 겪는다.
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2019년 6월 12일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 62/860,540 호의 우선권의 이익을 주장하고, 이는 모든 목적들을 위해 참조로서 본 명세서에 인용된다.
전술한 바를 달성하기 위해 그리고 본 개시의 목적에 따라, 플라즈마 프로세싱 챔버에서 사용하기 위한 컴포넌트가 제공된다. 금속 함유 컴포넌트 바디가 제공된다. 실란트 (sealant) 코팅이 금속 함유 컴포넌트 바디의 표면 위에 있고, 실란트 코팅은 실리콘계 실란트, 유기 실란트, 또는 에폭시 실란트 중 적어도 하나를 포함하고, 실란트 코팅은 커버되지 않고 플라즈마 프로세싱 챔버의 플라즈마에 직접 노출된다.
또 다른 현상에서, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트를 형성하기 위한 방법이 제공된다. 금속 함유 컴포넌트 바디가 제공된다. 실란트가 금속 함유 컴포넌트 바디의 표면 위에 도포된다.
본 개시의 이들 및 다른 특징들은 본 개시의 상세한 기술 (description) 및 이하의 도면들과 함께 본 개시의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 보다 상세히 기술될 것이다.
본 개시는 유사한 참조 번호들이 유사한 엘리먼트들을 참조하는 첨부된 도면들의 도면들에, 제한이 아니라 예로서 예시된다.
도 1은 일 실시 예의 고 레벨 플로우 차트이다.
도 2a 내지 도 2c는 일 실시 예에 따라 프로세싱된 컴포넌트의 일부의 개략도들이다.
도 3은 일 실시 예에서 사용될 수도 있는 플라즈마 반응기의 개략도이다.
본 개시는 첨부한 도면들에 예시된 바와 같이 개시의 일부 바람직한 실시 예들을 참조하여 이제 상세히 기술될 것이다. 이하의 기술 (description) 에서, 본 개시의 완전한 이해를 제공하기 위해 수많은 구체적 상세들이 제시된다. 그러나, 본 개시가 이들 구체적인 상세들의 일부 또는 전부 없이 실시될 수도 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예들에서, 공지된 프로세스 단계들 및/또는 구조체들은 본 개시를 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 상세히 기술되지 않았다.
아크 (arcing) 에 대한 내성을 제공하는 재료들은 통상적으로 금속 옥사이드이다. 금속 옥사이드는 통상적으로 취성이고 (brittle), 크랙킹 (cracking) 을 겪고, 상대적으로 낮은 열 팽창 계수 (Coefficients of Thermal Expansion; CTE) 를 갖는다. 넓은 범위의 온도에 걸친 사이클링을 통해 유도된 모든 크랙은 절연 파괴를 초래하여, 부품 고장을 유발한다.
정전 척 (electrostatic chuck; ESC) 베이스플레이트들 상의 현재 보호 코팅들은 양극 산화, 세라믹 스프레이 코팅, 또는 양극 산화 상단의 스프레이 코팅을 포함한다. 알루미늄 베이스플레이트들의 표면 직상에 성장된 알루미늄 나이트라이드 코팅이 일부 제품들에서 사용된다. 데이터는 양극 산화가 알루미늄의 평평한 표면 상에 있을 때 0.002 인치 두께 코팅 상에서 대략 2 kV에서, 그리고 코너 반경들 상에서 600 V에서 파괴된다는 (breakdown) 것을 보여준다. 표면에 수직으로 도포된다면, 스프레이 코팅은 평평한 표면들에서 최대 10 kV를 견디지만, 코너 반경들에서 약 4 내지 5 kV만 견딜 것이다. 기판의 CTE와 코팅 재료들의 CTE 사이의 미스매칭으로 인해, 보다 두꺼운 코팅을 함으로써 파괴를 더 개선하려는 시도가 열적 사이클링에 응답하여 크랙킹을 초래하기 때문에, 기존의 기술은 이들 값들에서 한계에 도달한다.
ESC의 금속 부품은 챔버 바디와 비교하여 큰 전압들을 겪을 수 있다. 따라서, 화학적 열화 및 전기적 방전으로부터 ESC들의 금속 부품을 보호하는 것이 바람직할 것이다.
이해를 용이하게 하기 위해, 도 1은 일 실시 예에서 사용된 프로세스의 고 레벨 플로우 차트이다. 금속 함유 컴포넌트 바디가 제공된다 (단계 104). 도 2a는 컴포넌트 (200) 의 금속 함유 컴포넌트 바디 (204) 의 일부의 개략적인 단면도이다. 이 예에서, 컴포넌트 (200) 는 정전 척 (ESC) 이다. 이 실시 예에서, 금속 함유 컴포넌트 바디 (204) 는 알루미늄이다. 컴포넌트 바디 (204) 는 표면 (206) 을 갖는다. 이 실시 예에서, 표면 (206) 은 플라즈마 대면 표면, 또는 플라즈마에 의해 형성된 라디칼들에 노출된 표면, 또는 플라즈마 프로세싱 동안 정전하들에 노출된 표면이다.
세라믹 코팅이 금속 함유 컴포넌트 바디 (204) 의 표면 (206) 상에 증착된다 (단계 108). 도 2b는 세라믹 코팅 (208) 이 금속 함유 컴포넌트 바디 (204) 의 표면 (206) 상에 증착된 후 금속 함유 컴포넌트 바디 (204) 의 개략적인 단면도이다. 이 실시 예에서, 세라믹 코팅 (208) 은 플라즈마 스프레이에 의해 증착된 알루미나이다. 이 실시 예에서, 플라즈마 스프레이는 세라믹 코팅 (208) 으로 하여금 공극들 (pores) (210) 을 갖게 한다.
플라즈마 스프레이는 토치가 2 개의 전극들 사이에 전위를 인가함으로써 형성되는 열 스프레이의 일 타입이고, 가속화된 가스의 이온화 (플라즈마) 를 초래한다. 이 타입의 토치들은 수천 ℃의 온도에 쉽게 도달할 수 있어서, 세라믹과 같은 고 용융점 재료들을 액화한다. 목표된 재료의 입자들은 제트 내로 주입되고, 용융되고, 이어서 용융되거나 가소화된 재료가 컴포넌트의 표면을 코팅하고 냉각되도록 기판을 향해 가속화되어, 단단한, 컨포멀한 (conformal) 코팅을 형성한다. 바람직하게, 플라즈마 스프레이는 세라믹 코팅 (208) 을 증착하도록 사용된다. 이들 프로세스들은 용융된 재료 대신 기화된 재료를 사용하는 기상 증착 프로세스들과 구별된다. 이 실시 예에서, 세라믹 코팅 (208) 의 두께는 30 ㎛ 내지 750 ㎛이다. 다른 실시 예들에서, 세라믹 코팅 (208) 은 300 ㎛ 내지 600 ㎛의 두께를 갖는다. 다른 실시 예들에서, 세라믹 코팅 (208) 은 30 ㎛ 내지 200 ㎛의 두께를 갖는 플라즈마 전해 산화 세라믹 코팅이다. 세라믹 코팅 (208) 을 플라즈마 스프레이하기 위한 레시피의 예는 다음과 같다. 캐리어 가스가 아크 캐비티를 통해 그리고 노즐을 통해 밖으로 푸시된다. 캐비티에서, 캐소드 및 애노드는 아크 캐비티의 부분들을 포함한다. 캐소드 및 애노드는 캐리어 가스가 이온화되어 플라즈마를 형성하기 시작할 때까지, 큰 DC 바이어스 전압으로 유지된다. 이어서 고온의, 이온화된 가스는 토치를 형성하는 노즐을 통해 밖으로 푸시된다. 노즐 근방의 챔버 내로 수십 ㎛ 사이즈의 유체화된 (fludized) 세라믹 입자들이 주입된다. 이들 입자들은 세라믹의 용융 온도를 초과하도록 플라즈마 토치 내의 고온, 이온화된 가스에 의해 가열된다. 플라즈마 및 용융된 세라믹의 제트는 이어서 기판을 향한다. 입자들은 세라믹 코팅을 형성하기 위해 기판에 충격을 가하여, 평평하게 하고 냉각시킨다.
실란트 코팅이 세라믹 코팅 (208) 상에 형성된다 (단계 112). 이 예에서, 실란트는 또한 Ohio Westlake의 Henkel Corporation에 의해 제작된 Loctite® Nordbak® Chemical Resistant Coating™으로 공지된 Loctite® PC 7319™이다. Loctite PC 7319는 에폭시이다. Loctite PC 7319는 2000 V보다 큰 파괴 전압을 제공한다는 것이 밝혀졌다. 일반적으로, 실란트는 플루오르화된 폴리머, 퍼플루오르화된 폴리머, 실리콘, 에폭시 실란트, 또는 파릴렌 (Parylene) 중 적어도 하나를 포함하는 유기 실란트이다. 실란트는 브러시 페인팅, 스프레이 페인팅, 또는 딥핑 (dipping) 에 의해 도포될 수도 있다. 이 실시 예에서, 실란트는 함침 (impregnation) 에 의해 도포된다. 실란트는 실란트로 하여금 세라믹 코팅 (208) 의 공극들 (210) 내로 침지되게 (soak) 하도록 세라믹 코팅 (208) 상에 부어지거나, 침지되거나, 문질러진다. 이어서 실란트가 경화된다 (단계 116). 실란트의 경화는 실란트 코팅을 형성하기 위해 실란트를 건조, 가열, 또는 중합함으로써 달성될 수도 있다.
도 2c는 실란트 코팅 (212) 이 금속 함유 컴포넌트 바디 (204) 의 표면 위의 세라믹 코팅 (208) 상에 형성된 후 금속 함유 컴포넌트 바디 (204) 의 개략적인 단면도이다. 이 실시 예에서, 실란트는 공극들을 충진하지만, 세라믹 코팅 (208) 위에 연속적인 표면을 형성하지 않는다. 일부 실시 예들에서, 50 ㎛ 미만의 두께를 갖는 상단 표면 층이 형성된다.
컴포넌트는 플라즈마 프로세싱 챔버 내에 장착된다 (단계 120). 플라즈마 프로세싱 챔버는 기판을 프로세싱하도록 사용되고 (단계 124), 기판을 프로세싱하기 위해, 예컨대 기판을 에칭하기 위해 챔버 내에 플라즈마가 생성되고, 보호되지 않은 실란트 코팅 (212) 이 플라즈마에 노출된다.
도 3은 컴포넌트가 장착된 플라즈마 프로세싱 챔버 (300) 의 개략도이다. 플라즈마 프로세싱 챔버 (300) 는 한정 링들 (confinement rings) (302), 상부 전극 (304), 정전 척 (ESC) 형태의 하부 전극 (308), 가스 소스 (310), 라이너 (362), 및 배기 펌프 (320) 를 포함한다. 이 예에서, 컴포넌트는 ESC이다. 플라즈마 프로세싱 챔버 (300) 내에서, 웨이퍼 (366) 가 하부 전극 (308) 상에 위치된다. 하부 전극 (308) 은 웨이퍼 (366) 를 홀딩하기에 적합한 기판 척킹 메커니즘 (예를 들어, 정전기, 기계적 클램핑, 등) 을 포함한다. 반응기 상단부 (328) 는 하부 전극 (308) 바로 맞은편에 배치된 상부 전극 (304) 을 포함한다. 상부 전극 (304), 하부 전극 (308), 및 한정 링들 (302) 은 한정된 플라즈마 볼륨 (340) 을 규정한다.
가스는 가스 소스 (310) 에 의해 가스 유입구 (343) 를 통해 한정된 플라즈마 볼륨 (340) 에 공급되고, 한정된 플라즈마 볼륨 (340) 으로부터 한정 링들 (302), 그리고 배기 펌프 (320) 에 의해 배기 포트를 통해 배기된다. 가스 배기를 돕는 것 외에도, 배기 펌프 (320) 는 압력을 조절하는 것을 돕는다. 무선 주파수 (Radio Frequency; RF) 소스 (348) 가 하부 전극 (308) 에 전기적으로 접속된다.
챔버 벽들 (352) 이 라이너 (362), 한정 링들 (302), 상부 전극 (304), 및 하부 전극 (308) 을 둘러싼다. 라이너 (362) 는 한정 링들 (302) 을 통과하는 가스 또는 플라즈마가 챔버 벽들 (352) 과 콘택트하는 것을 방지하는 것을 돕는다. RF 전력을 전극에 접속시키는 상이한 조합들이 가능하다. 바람직한 실시 예에서, 27 ㎒, 60 ㎒, 및 2 ㎒ 전력 소스들은 하부 전극 (308) 에 접속된 RF 소스 (348) 를 구성하고, 상부 전극 (304) 은 접지된다. 제어기 (335) 가 RF 소스 (348), 배기 펌프 (320), 및 가스 소스 (310) 에 제어 가능하게 연결된다. 플라즈마 프로세싱 챔버 (300) 는 CCP (Capacitively Coupled Plasma) 반응기 또는 ICP (Inductively Coupled Plasma) 반응기일 수도 있고, 또는 표면파, 마이크로파와 유사한 다른 소스들을 사용할 수도 있고, 또는 ECR (Electron Cyclotron Resonance) 이 사용될 수도 있다.
발생하는 코팅은 화학적 열화 및 아크에 내성이 있다. 그 결과, 이러한 컴포넌트들을 갖는 플라즈마 프로세싱 챔버들은 이러한 시스템들의 고장 레이트들을 감소시키고 다양한 부품들의 교체들 사이의 시간을 증가시키면서, 보다 적은 결함들을 가질 것이다.
다른 실시 예들에서, 실란트는 플루오르화된 폴리머, 퍼플루오르화된 폴리머, 실리콘, 에폭시, 또는 파릴렌 중 적어도 하나를 포함하는 유기 코팅일 수도 있다. 일 실시 예에서, 실란트는 Illinois, Morris 소재의 Micro Surface Corporation에 의해 제작된 Xylan® 1620이다. Xylan 1620은 0.02만큼 낮은 마찰 계수를 갖는 플루오로폴리머 코팅을 제공한다. 또 다른 실시 예에서, 실란트는 이전에 Israel Haifa Bay의 Protective Coating Technology에 의해 제작된 PCT S-Sealer이다. PCT S-Sealer는 유기-세라믹 자기-평탄화된 실러 (self-planarized sealer) 이다. PCT S-Sealer는 0.12의 마찰 계수를 갖는다. PCT S-Sealer는 5000 V보다 큰 파괴 전압을 제공한다는 것이 알려졌다. 또 다른 실시 예에서, 실란트는 독일의 Diamant에 의해 제작된 dichtol WF 49이다. dichtol WF 49는 2000 V보다 큰 파괴 전압을 제공한다는 것이 알려졌다. 또 다른 실시 예에서, 실란트는 파릴렌이다. 파릴렌은 폴리(p-자일릴렌)폴리머로 형성된다. 파릴렌은 열적 프로세스를 사용하여 증착되고, 가스는 분해되고 이어서 세라믹 코팅 (208) 상에 응결된다. 다양한 실시 예들에서, 실란트는 약 -60 ℃ 내지 300 ℃의 온도 범위에서 사용될 수도 있다.
다양한 실시 예들에서, 컴포넌트는 한정 링들, 에지 링들, 접지 링들, 챔버 라이너들, 도어 라이너들, 또는 다른 컴포넌트들과 같은 플라즈마 프로세싱 챔버의 다른 부품들일 수도 있다. 플라즈마 프로세싱 챔버는 유전체 프로세싱 챔버 또는 도체 프로세싱 챔버일 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 모든 표면들이 아닌 하나 이상의 표면들이 코팅된다. 플라즈마 프로세싱 챔버는 에칭, 증착, 또는 다른 기판 프로세스들을 위해 사용될 수도 있다. 상기 실시 예에서 기판 지지가 ESC에 의해 제공되었지만, 다른 실시 예들에서 코팅은 정전 척킹 없는 페데스탈 또는 기판 지지부와 같은 다른 기판 지지부들 상에서 사용될 수도 있다.
다른 실시 예들에서, 실란트 코팅 (212) 은 세라믹 코팅 (208) 없이 금속 함유 컴포넌트 바디 (204) 상에 직접 증착된다. 다양한 실시 예들에서, 금속 함유 컴포넌트 바디 (204) 는 알루미늄 또는 실리콘 카바이드 입자들 (AlSiC) 을 갖는 알루미늄 매트릭스일 수도 있다. 알루미늄 컴포넌트 바디 (204) 는 Aluminum 6061과 같은 알루미늄 기반 합금들을 포함한다. 금속 함유 컴포넌트 바디 (204) 는 붕소 카바이드 또는 붕소 나이트라이드의 필러들과 같은 필러들을 더 포함할 수도 있다.
본 개시가 몇몇의 바람직한 실시 예들의 측면에서 기술되었지만, 본 개시의 범위 내에 속하는 변경들, 치환들, 수정들, 및 다양한 대체 등가물들이 있다. 또한 본 개시의 방법들 및 장치들을 구현하는 많은 대안적인 방식들이 있다는 것에 유의해야 한다. 따라서 이하의 첨부된 청구항들은 본 개시의 진정한 정신 및 범위 내에 속하는 이러한 변경들, 치환들, 및 다양한 대체 등가물들을 모두 포함하는 것으로 해석되는 것이 의도된다.

Claims (19)

  1. 플라즈마 프로세싱 챔버에서 사용하기 위한 컴포넌트에 있어서,
    금속 함유 컴포넌트 바디; 및
    상기 금속 함유 컴포넌트 바디의 표면 위의 실란트 (sealant) 코팅으로서, 상기 실란트 코팅은 실리콘계 실란트, 유기 실란트, 또는 에폭시 실란트 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 실란트 코팅은 커버되지 않고 상기 플라즈마 프로세싱 챔버의 플라즈마에 직접 노출되는, 상기 실란트 코팅을 포함하는, 컴포넌트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실란트 코팅은 플루오르화된 폴리머, 퍼플루오르화된 폴리머, 실리콘, 에폭시, 또는 폴리(p-자일릴렌)폴리머 중 적어도 하나의 유기 코팅인, 컴포넌트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 실란트 코팅은 파릴렌 (Parylene), PCT S-Sealer, Loctite PC 7319, Xylan 2630, 및 dichtol WF 49 중 적어도 하나인, 컴포넌트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 함유 컴포넌트 바디는 기판 지지부를 형성하는, 컴포넌트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 함유 컴포넌트 바디의 표면 상의 세라믹 코팅을 더 포함하고, 상기 실란트 코팅은 상기 세라믹 코팅 내로 함침되는 (impregnate), 컴포넌트.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 실란트 코팅은 플루오르화된 폴리머, 퍼플루오르화된 폴리머, 또는 폴리(p-자일릴렌)폴리머 중 적어도 하나의 유기 코팅인, 컴포넌트.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 실란트 코팅은 파릴렌, PCT S-Sealer, Loctite PC 7319, Xylan 2630, 및 dichtol WF 49 중 적어도 하나인, 컴포넌트.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 함유 컴포넌트 바디는 기판 지지부를 형성하는, 컴포넌트.
  9. 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트를 형성하기 위한 방법에 있어서,
    금속 함유 컴포넌트 바디를 제공하는 단계; 및
    상기 금속 함유 컴포넌트 바디의 표면 위에 실란트를 도포하는 단계를 포함하는, 컴포넌트 형성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 실란트는 파릴렌, PCT S-Sealer, Loctite PC 7319, Xylan 2630, 및 dichtol WF 49 중 적어도 하나인, 컴포넌트 형성 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 실란트는 파릴렌이고, 상기 파릴렌을 도포하는 단계는,
    상기 파릴렌을 기화시키는 단계; 및
    상기 금속 함유 컴포넌트 바디 상에 상기 파릴렌을 응결시키는 단계를 포함하는, 컴포넌트 형성 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 실란트는 플루오르화된 폴리머, 퍼플루오르화된 폴리머, 실리콘, 에폭시, 또는 폴리(p-자일릴렌)폴리머 중 적어도 하나의 유기 실란트인, 컴포넌트 형성 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    플라즈마 프로세싱 챔버 내에 상기 금속 함유 컴포넌트 바디를 배치하는 단계; 및
    상기 플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 기판을 플라즈마 프로세싱하는 단계로서, 상기 실란트는 상기 플라즈마 프로세싱 동안 플라즈마에 노출되는, 상기 기판 플라즈마 프로세싱 단계를 더 포함하는, 컴포넌트 형성 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 함유 컴포넌트 바디는 기판 지지부를 형성하는, 컴포넌트 형성 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 함유 컴포넌트 바디의 표면 상에 세라믹 코팅을 증착하는 단계를 더 포함하고, 상기 실란트는 상기 세라믹 코팅 내로 함침되는, 컴포넌트 형성 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 실란트는 플루오르화된 폴리머, 퍼플루오르화된 폴리머, 또는 폴리(p-자일릴렌)폴리머 중 적어도 하나인, 컴포넌트 형성 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 실란트는 파릴렌, PCT S-Sealer, Loctite PC 7319, Xylan 2630, 및 dichtol WF 49 중 적어도 하나인, 컴포넌트 형성 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 금속 함유 컴포넌트 바디는 기판 지지부를 형성하는, 컴포넌트 형성 방법.
  19. 제 9 항에 있어서,
    상기 실란트를 경화시키는 단계를 더 포함하는, 컴포넌트 형성 방법.
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