KR20220097459A - 단일 결정 금속 옥사이드 플라즈마 챔버 컴포넌트 - Google Patents

단일 결정 금속 옥사이드 플라즈마 챔버 컴포넌트 Download PDF

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KR20220097459A
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더글라스 디터트
존 도허티
판카즈 하자리카
사티시 스리니바산
나시 더블유. 앤더슨
존 마이클 컨즈
로빈 코시
데이비드 조셉 웨첼
레이 리우
에릭 에이. 파페
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Abstract

컴포넌트의 적어도 하나의 플라즈마 대면 표면을 갖는 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트는 단일 결정 금속 옥사이드 재료를 포함한다. 컴포넌트는 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳으로부터 머시닝될 수 있다. 적합한 단일 결정 금속 옥사이드는 스피넬, 이트륨 옥사이드, 및 이트륨 알루미늄 가넷 (YAG) 을 포함한다. 단일 결정 금속 옥사이드는 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기를 형성하도록 머시닝될 수 있다.

Description

단일 결정 금속 옥사이드 플라즈마 챔버 컴포넌트
본 개시는 반도체 웨이퍼의 플라즈마 프로세싱을 위한 플라즈마 프로세싱 챔버들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 반도체 프로세싱 챔버들의 단일 결정 (single crystal) 금속 옥사이드 컴포넌트 (component) 에 관한 것이다.
플라즈마 프로세싱은 반도체 디바이스들을 형성하는 데 사용된다. 플라즈마 프로세싱 동안, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트들은 플라즈마에 의해 부식될 수도 있다. 플라즈마에 의해 부식된 플라즈마 프로세싱 챔버의 부분들은 오염원이다. 따라서 이러한 플라즈마 부식에 내성이 있는 재료들의 플라즈마 프로세싱 챔버 컴포넌트들을 형성하는 것이 바람직하다.
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 2019 년 11 월 5 일에 출원된 미국 특허 가출원 번호 제 62/930,872 호 및 2019 년 11 월 22 일에 출원된 미국 특허 가출원 번호 제 62/939,422 호의 이익을 주장한다. 전술한 출원들은 모든 목적들을 위해 본 명세서에 참조로서 인용된다.
일 실시 예에 따라, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트를 형성하기 위한 방법이 제공된다. 적어도 하나의 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳 (ingot) 이 제공된다. 적어도 하나의 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳은 컴포넌트를 형성하도록 머시닝 (machine) 된다; 머시닝 후 컴포넌트 상에 표면 처리가 수행된다.
또 다른 실시 예에 따라, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트가 제공된다. 컴포넌트의 적어도 하나의 플라즈마 대면 표면은 단일 결정 금속 옥사이드 재료를 포함한다.
또 다른 실시 예에 따라, 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기가 제공된다. 가스 주입기는 바디 및 단일 결정 금속 옥사이드 재료를 포함하는 적어도 하나의 플라즈마 대면 표면을 포함한다.
본 개시는 유사한 참조 번호들이 유사한 엘리먼트들을 참조하는 첨부한 도면들의 도면들에, 제한이 아니라 예로서 예시된다.
도 1은 일 실시 예의 고 레벨 플로우 차트이다.
도 2a 내지 도 2d는 일 실시 예에 따라 프로세싱된 잉곳의 개략적인 단면도들이다.
도 2e 및 도 2f는 일 실시 예에 따른 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기 컴포넌트의 사시도들이다.
도 2g 및 도 2h는 또 다른 실시 예에 따른 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기 컴포넌트의 사시도들이다.
도 2i는 일 실시 예에 따른 플라즈마 프로세싱 챔버의 확산 본딩된 (bonded) 가스 주입기 컴포넌트의 측단면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 플라즈마 프로세싱 챔버의 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 당업자들에게 명백할 것이다. 다른 예들에서, 잘 공지된 프로세스 단계들 및/또는 구조체들은 본 개시를 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 상세히 기술되지 않았다.
플라즈마 프로세싱 챔버들의 가스 주입기들과 같은, 컴포넌트들은 통상적으로 코팅되지 않은 소결된 (sintered) 알루미늄 옥사이드 (Al2O3) 재료로 형성된다. 이론적으로, Al2O3 (사파이어) 의 단일 결정은 화학적 공격에 민감할 수 있는 입자 경계들을 제거함으로써 입자 생성을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 그러나, 사파이어는 이트륨 옥사이드 (Y2O3), 이트륨 알루미늄 가넷 (yttrium aluminum garnet; YAG, Y3Al5O12), 및 스피넬 (MgAl2O4) 과 같은 다른 재료들만큼 화학적으로 내성이 없다.
본 명세서에 기술된 실시 예들에서, 단일 결정 금속 옥사이드 시드 (seed) 는 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트를 형성하도록 조형되거나 (sculpted) 조각되는 (carved) 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳을 성장시키기 위해 사용된다. 용어 "단일 결정 (single crystal)"은 전체 재료의 결정 격자 (lattice) 가 질서 있고, 연속적이며, 깨지지 않는 재료를 지칭하고, 원자들의 배열이 3 차원 모두에서 전체 재료에 걸쳐 반복된다는 것이 이해될 것이다. 그러나, 단일 결정 잉곳은 여전히 일부 불균일성들 (nonuniformities) 및 결정 결함들 및 전위들 (dislocations) 을 가질 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 때때로, 단일 결정은 또한 단결정 (monocrystalline) 고체로 공지된다. 일 실시 예에 따라, 단일 결정 재료는 1-1-1 결정 배향을 갖는다. 잉곳의 결정 배향은 시드 결정에 종속된다. 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트들은 또한 다른 결정 배향들을 갖는 단일 결정 잉곳들로부터 형성될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트에 대해, 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳은 광학 등급일 필요는 없고, 툴링 등급 (tooling grade) 일 수 있다. 특정한 실시 예에 따라, 잉곳은 적어도 99.9 %의 순도를 갖는 도핑되지 않은 YAG로 형성된다. 이 실시 예에서, 단일 결정 YAG는 적어도 4.5 g/㎤의 밀도 및 약 8 내지 8.5 범위의 Mohs 경도를 갖는 1-1-1 결정 배향을 갖는 입방 결정 구조 (cubic crystallographic structure) 를 갖는다. 이 실시 예에 따라, YAG 잉곳은 실질적으로 투명하고 무색이다.
이상적인 가스 주입기는 또한 고 파괴 인성 (fracture toughness) 뿐만 아니라 고 열 충격 내성을 갖는 단일 결정 내화학성 재료로 형성될 것이다. 단일 결정 형태의, 스피넬은 고 파괴 인성, 고 열 충격 내성, 및 고 에칭 내성을 갖고 따라서 플라즈마 챔버 컴포넌트를 위한 고성능 재료이다. 또한 스피넬은 고도로 제작 가능하고 (manufacturable) YAG 및 YAM (yttrium aluminum monoclinic) 과 같은 다른 재료들보다 보다 비용 효율적인 원재료이기 때문에 플라즈마 챔버 컴포넌트들에 대해 바람직한 재료이다.
일 실시 예에 따라, 잉곳은 단일 결정 스피넬로 형성된다. 단일 결정 스피넬은 1-1-1, 1-0-0, 또는 1-1-0 결정 배향을 가질 수 있다. 일 실시 예에 따라, 단일 결정 스피넬은 어떠한 도펀트들 (dopants) 도 포함하지 않는다.
이해를 용이하게 하기 위해, 도 1은 일 실시 예의 고 레벨 플로우 차트이다. 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳이 제공된다 (단계 (104)). 일 실시 예에 따라, 초크랄스키 (Czochralski) 결정 성장법이 시드 결정으로부터 금속 옥사이드의 단일 결정 잉곳을 성장시키는 데 사용된다. 초크랄스키법에서, 결정을 성장시키기 위해, 시드 결정을 "용융물 (melt)" 또는 이 실시 예에서 용융된 금속 옥사이드에 담근다 (dip in). 결정 성장 프로세스는 상대적으로 느리고 수 일까지 걸릴 수 있다. 붕소 또는 인의 도펀트 원자들은 금속 옥사이드를 도핑하도록 용융된 금속 옥사이드에 첨가될 수 있다. 용융물의 조성은 잉곳의 등급화된 조성을 발생시키도록 초크랄스키 결정 성장 프로세스 동안 변화될 수 있다는 것이 주의될 것이다. 예를 들어, 등급화된 방식으로 도핑된 잉곳을 성장시키도록 결정 성장 프로세스 동안 도펀트가 첨가될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 금속 옥사이드는 합성 결정인 YAG이다. 또 다른 실시 예에 따라, 금속 옥사이드는 스피넬이다. 이 예에서, 단일 결정 YAG의 잉곳 또는 부울 (boule) 은 초크랄스키법을 사용하여 형성된다. 결정 성장의 다른 방법들이 단일 결정 금속 옥사이드의 잉곳 또는 부울을 성장시키는 데 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 2a는 금속 옥사이드 잉곳 (200) 의 개략적인 측단면도이다. 이하에 보다 상세히 논의된 바와 같이, 금속 옥사이드는 스피넬, 또는 희토류 (rare earth) 옥사이드 재료들과 같은 다른 단일 결정 금속 옥사이드로 형성될 수 있다.
이 실시 예에서, 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳이 제공된 후, 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳이 어닐링된다 (annealed) (단계 (108)). 초크랄스키 결정 성장법 동안, 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳의 가열은 고르지 않을 수도 있고, 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳의 외측 부분은 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳의 중간보다 보다 빠르게 냉각된다. 그 결과, 결정 구조는 불균일하거나 불규칙할 (irregular) 수 있다. 이러한 불균일성들은 응력을 유발할 수 있다. 어닐링 프로세스는 결정 원자들 또는 분자들로 하여금 이동하게 하고 보다 균일하거나 규칙적으로 되고 이러한 응력을 감소시키거나 제거하게 하는 에너지를 제공한다.
단일 결정 금속 옥사이드 잉곳은 컴포넌트를 형성하도록 슬라이싱되거나 (sliced) 코어링된다 (cored) (단계 (112)). 슬라이싱 또는 코어링은 다이아몬드 에지 (edge) 톱 또는 코어 드릴을 사용하여 수행될 수도 있다. 일 실시 예에 따라, 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳은 플라즈마 프로세싱 챔버를 위해 적어도 하나의 가스 주입기를 제공하도록 머시닝된다. 도 2b는 금속 옥사이드 잉곳 (200) 이 슬라이싱되거나 코어링된 후 가스 주입기 컴포넌트 (204) 의 개략적인 측단면도이다. 가스 주입기는 플라즈마 프로세싱 챔버의 중앙 주입기 또는 측면 주입기일 수 있다. 가스 주입기에 대한 특정한 실시 예에 따라, 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳은 약 50 ㎜의 직경 및 약 90 ㎜의 길이를 갖도록 성장된다. 재료 낭비를 감소시키기 위해 실린더 형상 (cylindrical shape) 을 갖도록 잉곳을 성장시키는 것이 바람직할 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
다른 실시 예들에 따라, 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳은 에지 링들, 샤워헤드들, 윈도우들 또는 RF 에너지가 통과할 수 있는 다른 컴포넌트들, 크로스들 (crosses), 슬리브들 (sleeves), 핀들 (pins), 노즐들, 주입기들, 포크들 (forks), 암들 (arms), 정전 척 (electrostatic chuck; ESC) 세라믹들, 등과 같은 플라즈마 프로세싱 챔버의 다른 컴포넌트들 또는 다른 컴포넌트들의 부분들을 형성하도록 머시닝될 수 있다. 플라즈마에 노출된 임의의 표면(들)을 갖는 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트에 대해, 플라즈마 노출로 인한 이러한 표면들의 부식으로 유발되는 오염물들 및 입자 결함을 최소화하기 위해 이러한 표면들을 덮는 단일 결정 금속 옥사이드 표면인 것이 이러한 표면들에 유리하다. 따라서, 컴포넌트의 임의의 플라즈마 대면 표면은 표면의 부식을 최소화하도록 단일 결정 금속 옥사이드 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 컴포넌트의 부분들은 단일 결정 금속 옥사이드 재료로 클래딩 (clad) 될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 단일 결정 금속 옥사이드 층은 컴포넌트의 플라즈마 대면 표면들에 본딩될 수 있다.
잉곳은 컴포넌트를 더 형성하도록 더 머시닝된다 (단계 (116)). 머시닝 프로세스는 단일 결정 금속 옥사이드 바디를 그라인딩하는 (grind) 단계를 포함할 수도 있다. 도 2c는 플라즈마 프로세싱 챔버를 위한 가스 주입기 컴포넌트 (204) 를 더 형성하도록 가스 주입기 컴포넌트 (204) 가 머시닝된 후의 개략적인 단면도이다. 이 실시 예에서, 가스 주입기 컴포넌트 (204) 는 실린더형 샤프트 (shaft) 의 중간을 둘러싸는 디스크-형상 플랜지 (flange) (212) 를 갖는 실린더형 샤프트 (208) 를 포함한다.
적어도 하나의 홀이 컴포넌트를 관통하여 형성된다 (단계 (120)). 이 실시 예에서, 드릴이 가스 주입기 컴포넌트 (204) 를 통해 홀을 형성하는 데 사용된다. 도 2d는 실린더형 샤프트 (208) 의 중앙을 관통하여 홀 (216) 을 형성하도록 가스 주입기 컴포넌트 (204) 가 드릴링된 (drilled) 후의 개략적인 단면도이다. 가스 주입기 컴포넌트 (204) 는 가스 주입기 컴포넌트 (204) 가 모놀리식 (monolithic) 단일 결정 잉곳으로부터 조각되거나 또는 조형되는 서브트랙티브 제조법 (subtractive fabrication method) 을 사용하여 형성된다는 것이 이해될 것이다.
컴포넌트가 슬라이싱/코어링, 머시닝, 및 드릴링에 의해 형성된 후, 컴포넌트의 표면이 처리된다 (단계 (124)). 표면 처리는 오염물들 및/또는 표면 결함들을 제거하기 위해 사용될 수도 있다. 표면 결함들은 우선적으로 공격받을 수도 있고, 입자들의 생성을 유발한다. 오염 물질들 및 표면 결함들은 머시닝 또는 홀 형성 프로세스들에 의해 유발될 수도 있다. 표면 처리들은 열적 어닐링, 레이저 처리, 화학적 처리, 전자 빔 처리, 폴리싱 (polishing), 표면 플라즈마 노출, 습식 세정, 및/또는 입자 계측 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 폴리싱의 예는 기계적 폴리싱을 제공한다. 이러한 기계적 폴리싱은 무결함 표면 모폴로지 (surface morphology) 를 달성하기 위해 컴포넌트의 표면 상에 연마재를 문지르기 위해 (rub) 패드를 사용할 수도 있다. 표면 플라즈마 노출은 플라즈마 프로세싱 챔버 내에 컴포넌트를 배치하고 컴포넌트의 표면을 플라즈마에 노출함으로써 달성될 수도 있다. 이는 챔버 상에서 값비싼 시즈닝 프로세스들을 최소화하는 "정상-상태 (steady-state)" 표면을 생성한다. 습식 세정의 일 실시 예에서, 컴포넌트의 표면은 표면 오염 최소화에 효과적인 계면활성제들, 염기들 (NH4OH, KOH, 등), 및 산들 (HF (hydrogen fluoride), HNO3, HCl) 을 포함할 수도 있는, 습식 세정제에 노출된다. 일 실시 예에서, 계측 툴이 표면을 세정하는 데 사용된다. 반도체 분야에서, 계측 툴은 표면 상의 오염 물질들의 수를 측정하는 데 사용될 수도 있다. 일부 계측 툴들은 컴포넌트의 표면으로부터 오염 물질들을 제거함으로써 오염 물질들의 수를 측정한다. 따라서, 계측 툴은 컴포넌트의 표면으로부터 오염 물질들을 제거하도록 사용될 수도 있다. 일 실시 예에서, 컴포넌트의 표면을 처리하는 단계 (단계 (124)) 는 먼저 기계적 폴리싱, 이어서 표면 플라즈마 노출, 이어서 입자 계측을 포함할 수도 있다. 다른 실시 예들은 표면 처리들의 다른 조합들을 사용할 것이다.
컴포넌트는 트랩된 (trapped) 가스들을 방출하는 것을 도울 수도 있고 또한 표면 모폴로지를 개선할 수 있는 어닐링 또는 소성 (bake) 프로세스 (단계 (128)) 를 겪을 수 있다. 일 실시 예에 따라, 어닐링 프로세스는 1200 ℃에서 약 8 시간 동안 수행된다. 또 다른 실시 예에서, 불소 토치가 표면 처리를 위해 사용될 수 있다. 표면 처리는 입자 생성을 감소시키고, 챔버 내 시즈닝 시간을 감소시키고, 표면 마감을 개선하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 에지 링이 챔버 내에서 상대적으로 큰 표면적을 갖기 때문에, 에지 링과 같은, 컴포넌트의 표면을 처리하는 것이 특히 유리할 수도 있다는 것이 주의될 것이다.
이어서 컴포넌트를 플라즈마 프로세싱 챔버의 부품이 되게 한다 (단계 (132)). 이 예에서, 컴포넌트는 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기에 장착된다. 컴포넌트는 복수의 기판들을 프로세싱하도록 플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 사용된다 (단계 (136)). 예를 들어, 컴포넌트는 100 개 이상의 기판들을 순차적으로 프로세싱하도록 플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 사용된다.
도 2e 및 도 2f는 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기 (400) 의 또 다른 실시 예의 사시도들이다. 도 2e에 도시된 바와 같이, 중앙 통로 (450) 및 중앙 통로 (450) 를 둘러싸는 보다 작은 통로들 (460) 이 있다. 이 실시 예에서, 중앙 통로 (450) 는 복수의 가스 홀들 (470) 내로 피딩되고 (feed), 보다 작은 통로들 (460) 각각은 노즈 (nose) (410) 의 측면 가스 주입기 홀 (480) 내로 피딩된다. 통로들 (460) 각각은 가스 주입기 홀 (480) 내로 피딩되도록 가스 주입기 (400) 내 일 각도로 (at an angle) (가스 주입기의 축과의 각도, 또는 중앙 가스 통로와의 각도) 배향되는 부분을 갖는다는 것이 이해될 것이다. 통로 (460) 의 이 부분은 약 10 ° 내지 70 °의 범위로 기울어질 (angled) 수 있다. 일 실시 예에서, 통로 (460) 의 이 부분은 약 45 °로 기울어진다. 또 다른 실시 예에 따라, 통로 (460) 의 이 부분은 상이한 각도, 예컨대 약 90 °의 각도로 기울어질 수 있다. 도 2f에 도시된 바와 같이, 가스 주입기 (400) 의 노즈 (410) 의 하단 표면에 벌집 패턴의 가스 홀들 (470) 이 있다. 상술된 바와 같이, 노즈 (410) 는 플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 플라즈마에 노출되는, 플랜지 (flange) (420) 아래의, 가스 주입기 (400) 의 부분이다. 이들 통로들 (450 및 460) 및 홀들 (470 및 480) 은 단계 (120) 를 참조하여 상기 기술된 바와 같이, 머시닝되거나 드릴링된다.
도 2g 및 도 2h는 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기 (500) 의 또 다른 실시 예의 사시도이다. 도 2h에 도시된 바와 같이, 중앙 통로 (550) 및 중앙 통로 (550) 를 둘러싸는 8 개의 보다 작은 통로들 (560) 이 있다. 이 실시 예에서, 중앙 통로 (550) 는 복수의 가스 홀들 (570) 내로 피딩되고, 보다 작은 통로들 (560) 각각은 노즈 (510) 의 측면 가스 주입기 홀 (580) 내로 피딩된다. 통로들 (560) 각각은 가스 주입기 홀 (580) 내로 피딩되도록 가스 주입기 (500) 내 일 각도로 배향되는 부분을 갖는다는 것이 이해될 것이다. 일 실시 예에서, 통로 (560) 의 이 부분은 약 45 °로 기울어질 수 있다. 또 다른 실시 예에 따라, 통로 (560) 의 이 부분은 상이한 각도, 예컨대 약 90 °의 각도로 기울어질 수 있다. 도 2g에 도시된 바와 같이, 가스 주입기 (500) 노즈 (510) 의 하단 표면에 원형으로 배열된 6 개의 가스 홀들 (570) 이 있다. 상술된 바와 같이, 노즈 (510) 는 플라즈마 프로세싱 챔버의 플라즈마에 노출되는, 플랜지 (520) 아래의, 가스 주입기 (500) 의 부분이다. 이들 통로들 (550 및 560) 및 홀들 (570 및 580) 은 단계 (120) 을 참조하여 상기 기술된 바와 같이, 머시닝되거나 드릴링된다.
가스 주입기들의 몇몇 실시 예들이 기술되고 도시되지만, 가스 주입기는 상이한 기하 구조들을 가질 수 있다는 것이 주의될 것이다. 가스 주입기는 가스를 수용하고 이어서 플라즈마 프로세싱 챔버의 플라즈마로 가스를 주입하기 위한 적어도 하나의 가스 통로를 갖는다. 가스 주입기는 하나의 가스 통로가 있는 한, 임의의 수의 홀들 및 통로들을 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 가스 주입기를 통하는 통로(들)는 임의의 각도일 수 있다. 일부 실시 예들에 따라, 가스 주입기는 측면 튜닝 (tuning) 을 위한 측면 가스 유출구들을 갖는다. 다른 실시 예들에 따라, 가스 주입기는 어떠한 측면 가스 유출구도 갖지 않는다. 일부 실시 예들에서, 가스 통로 각각은 개별적으로 제어된다. 다른 실시 예들에서, 가스 통로들은 모두 함께 제어된다.
초크랄스키 프로세스는 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳을 성장시키기 위해 상기 기술되었다. 또 다른 실시 예에 따라, 다른 결정 성장법들이 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳을 성장시키는 데 사용될 수 있다.
일부 실시 예들에 따라, 단일 결정 금속 옥사이드 컴포넌트는 플라즈마 프로세싱 챔버의 전체 부품 (예를 들어, 가스 주입기) 이 아니라, 부품의 부분 또는 컴포넌트이다. 예를 들어, 일 실시 예에서, 단일 결정 금속 옥사이드 컴포넌트는 가스 주입기의 "노즈 (nose)"이다. "노즈" 는 프로세싱 챔버 내에서 플라즈마에 노출되는 가스 주입기의 부분이다. 대부분의 입자 생성은 이 영역에서 발생한다. 노즈는 2 개의 상이한 재료들을 결합하는 데 사용될 수 있는, 확산 본딩을 포함하는, 다양한 본딩 방법들을 사용하여 가스 주입기의 또 다른 부분에 부착되거나 융합될 수 있다. 도 2i에 도시된 실시 예에 따라, 가스 주입기 (600) 의 단일 결정 금속 옥사이드 부분은 플랜지 (620) 아래의 부분인, "노즈" (610) 이다. 도 2i에 도시된 실시 예에서, 노즈 (610) 는 확산 본딩 라인 (B) 에 의해 도시된 바와 같이, 상이한 재료 (예를 들어, 다결정 (polycrystalline) 재료) 로 형성될 수 있는, 가스 주입기 (600) 의 나머지에 본딩된다. 플랜지 (620) 및 실린더형 샤프트 (630) 를 포함하는, 가스 주입기 (600) 의 나머지는 노즈 (610) 만 플라즈마 프로세싱 챔버의 플라즈마에 노출된 표면들을 갖기 때문에, 이 단일 결정 금속 옥사이드 재료로 형성될 필요는 없다. 따라서, 일 실시 예에서, YAG의 전체 가스 주입기 (600) 를 형성하는 대신, 가스 주입기 (600) 의 나머지는 툴링 등급 YAG, 소결 YAG 또는 다른 세라믹 (예를 들어, 알루미늄 옥사이드 (Al2O3)) 과 같은, 보다 덜 비싸고, 보다 비용 효율적인 재료로 형성될 수 있다. 가스 주입기 (600) 는 복수의 보다 작은 통로들 (660) 내로 피딩되는 중앙 통로 (650) 를 갖는다.
일부 실시 예들에 따라, 잉곳은 충분히 길지 않을 수도 있고 2 개의 단일 결정 잉곳들은 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트를 형성하도록 함께 결합된다. 확산 본딩과 같은, 본딩 프로세스는 2 개의 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳들을 결합하는 데 사용될 수 있다. 상술된 바와 같이, 2 개의 상이한 재료들을 결합하는 것이 가능하다. 예를 들어, 단일 결정 재료는 세라믹에 확산 본딩될 수 있다. 확산 본딩은 또한 도핑되지 않은 단일 결정 금속 옥사이드에 도핑된 단일 결정 금속 옥사이드를 결합하는 데 사용될 수 있다.
확산 본딩 프로세스에서, 함께 본딩될 표면들 각각은 오염 물질이 없는 매우 매끄러운 표면을 달성하도록 먼저 슈퍼 폴리싱된다. 확산 본딩은 함께 본딩될 2 개의 표면들이 콘택트하게 (in contact) 배치되고 함께 클램핑되고 (clamp) 이어서 고온 및 고압을 겪는 프로세스이다. 두 부품들이 함께 확산 본딩될 때, 두 부품들은 서로 확산하고 하나의 단일 결정 재료가 된다. 확산 본딩 프로세스는 2 개의 표면들의 원자들이 표면들의 경계들에 걸쳐 산재하고 본딩을 생성하기 위해 적어도 수 시간이 걸릴 수 있다. 통상적으로, 본딩될 2 개의 부품들은 재료의 용융 온도의 적어도 약 2/3 인, 고온으로 매우 천천히 (최대 24 시간 이상) 가열된다. 이어서 2 개의 부품들은 확산이 일어나고 2 개의 부품들이 함께 본딩될 때까지 고압 하에서 이 고온에서 함께 유지된다. 2 개의 부품들이 함께 본딩된 후, 확산 본딩된 부품은 실온으로 천천히 (최대 약 24 시간 이상) 냉각된다.
일부 실시 예들에 따라, 상술된 바와 같이, 단일 잉곳이 충분히 크지 않다면, 컴포넌트를 형성하도록 2 개 이상의 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳들이 함께 본딩될 수 있다. 가스 주입기에 대한 일 실시 예에서, 예를 들어, 통로들이 잉곳들을 통해 드릴링되기 전에 2 개 이상의 잉곳들이 함께 본딩된다. 또 다른 실시 예에 따라, 개별 잉곳 각각은 통로들을 형성하도록 먼저 드릴링되고, 이어서 2 개의 잉곳들의 통로들이 정렬되고 잉곳들은 컴포넌트를 형성하도록 함께 본딩된다. 확산 본딩된 컴포넌트는 모놀리식 잉곳으로부터 형성된 컴포넌트만큼 강하지 않을 수도 있다. 따라서, 확산 본딩된 컴포넌트는 드릴링을 기계적으로 견딜 수 없을 수도 있고 크랙들이 발생할 수도 있다. 그러나, 본딩 후 통로들을 드릴링하는 것은 어려울 수 있는, 미리 드릴링된 통로들을 정렬할 필요성을 제거한다.
도 3은 플라즈마 프로세싱 시스템 (300) 의 일 예를 개략적으로 예시한다. 플라즈마 프로세싱 시스템 (300) 은 일 실시 예에 따른 기판 (301) 을 프로세싱하는 데 사용될 수도 있다. 플라즈마 프로세싱 시스템 (300) 은 챔버 벽 (362) 에 의해 인클로징된 (enclosed), 플라즈마 프로세싱 챔버 (304) 를 갖는 플라즈마 반응기 (302) 를 포함한다. 매칭 네트워크 (308) 에 의해 튜닝된, 플라즈마 전력 공급부 (306) 가, 유도적으로 커플링된 (inductively coupled) 전력을 제공함으로써 플라즈마 프로세싱 챔버 (304) 내에 플라즈마 (314) 를 생성하도록 전력 윈도우 (312) 근방에 위치된 TCP 코일 (310) 에 전력을 공급한다. TCP 코일 (상부 전력 소스) (310) 은 플라즈마 프로세싱 챔버 (304) 내에 균일한 확산 프로파일을 생성하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, TCP 코일 (310) 은 플라즈마 (314) 에 토로이달 (toroidal) 전력 분포를 생성하도록 구성될 수도 있다. 전력 윈도우 (312) 는 에너지로 하여금 TCP 코일 (310) 로부터 플라즈마 프로세싱 챔버 (304) 로 통과하게 하는 동안 TCP 코일 (310) 을 플라즈마 프로세싱 챔버 (304) 로부터 분리하도록 제공된다. 매칭 네트워크 (318) 에 의해 튜닝된 웨이퍼 바이어스 전압 전력 공급부 (316) 가 기판 (301) 상에 바이어스 전압을 설정하도록 전극 (320) 에 전력을 제공한다. 전극 (320) 은 기판 (301) 에 대한 척을 제공하고, 전극 (320) 은 정전 척으로서 작용한다. 기판 온도 제어기 (366) 가 Peltier 가열기/냉각기 (368) 에 제어 가능하게 연결된다. 제어기 (324) 가 플라즈마 전력 공급부 (306), 기판 온도 제어기 (366), 및 웨이퍼 바이어스 전압 전력 공급부 (316) 에 대한 지점들을 설정한다.
플라즈마 전력 공급부 (306) 및 웨이퍼 바이어스 전압 전력 공급부 (316) 는 13.56 ㎒, 27 ㎒, 2 ㎒, 1 ㎒, 400 ㎑, 또는 이들의 조합들과 같은 특정한 무선 주파수들에서 동작하도록 구성될 수도 있다. 플라즈마 전력 공급부 (306) 및 웨이퍼 바이어스 전압 전력 공급부 (316) 는 목표된 프로세스 성능을 달성하기 위해 다양한 전력들을 공급하도록 적절하게 사이즈가 정해질 (sized) 수도 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 플라즈마 전력 공급부 (306) 는 50 내지 5000 W (Watts) 범위의 전력을 공급할 수도 있고, 웨이퍼 바이어스 전압 전력 공급부 (316) 는 20 내지 2000 V 범위의 바이어스 전압을 공급할 수도 있다. 또한, TCP 코일 (310) 및/또는 전극 (320) 은 2 개 이상의 서브-코일들 또는 서브-전극들로 구성될 수도 있다. 2 개 이상의 서브-코일들 또는 서브-전극들은 단일 전력 공급부에 의해 전력 공급되거나 복수의 전력 공급부들에 의해 전력 공급될 수도 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 플라즈마 프로세싱 시스템 (300) 은 가스 소스 (330) 를 더 포함한다. 가스 소스 (330) 는 단일 결정 금속 옥사이드 가스 피드 (feed) (204) 를 통해 플라즈마 반응기 (302) 로 가스 또는 리모트 플라즈마를 제공한다. 프로세스 가스들 및 부산물들은 압력 제어 밸브 (342) 및 펌프 (344) 를 통해 플라즈마 프로세싱 챔버 (304) 로부터 제거된다. 압력 제어 밸브 (342) 및 펌프 (344) 는 또한 플라즈마 프로세싱 챔버 (304) 내에 특정한 압력을 유지하기 위한 역할을 한다. 가스 소스 (330) 는 제어기 (324) 에 의해 제어된다. CA, Fremont 소재의 Lam Research Corp. 의 Kiyo®가 일 실시예를 실시하는 데 사용될 수도 있다.
플라즈마 프로세싱 시스템 (300) 은 복수의 기판들 (301) 을 순차적으로 에칭하는 데 사용된다. 단일 결정 금속 옥사이드 가스 피드 (204) 가 단일 결정 금속 옥사이드로부터 형성되기 때문에, 단일 결정 금속 옥사이드 가스 피드 (204) 는 보다 적은 오염물들을 유발하고 보다 적은 결함들을 갖는다. 그 결과, 단일 결정 금속 옥사이드 가스 피드 (204) 는 플라즈마 프로세스에 의해 유발된 부식에 보다 내성이 있고 단일 결정 금속 옥사이드 가스 피드 (204) 는 플라즈마 프로세싱 동안 보다 적은 오염을 제공한다.
다른 실시 예들에서, 플라즈마 프로세싱 시스템 (300) 의 다른 컴포넌트들은 단일 결정 금속 옥사이드 컴포넌트일 수도 있다. 단일 결정 금속 옥사이드 컴포넌트는 0.1 % 미만의 다공성 (porosity) 및 99 % 보다 큰 순도를 갖는다. 이러한 다른 컴포넌트들은 에지 링들, 샤워헤드들, 윈도우들 또는 RF 에너지가 통과할 수 있는 다른 컴포넌트들, 크로스들, 슬리브들, 핀들, 노즐들, 주입기들, 포크들, 암들, 정전 척 (ESC) 세라믹들, 등을 포함한다. 다른 실시 예들에서, 다른 타입들의 플라즈마 프로세싱 시스템들이 사용될 수도 있다. 다양한 실시 예들은 플라즈마 프로세싱 챔버를 위한 컴포넌트, 예컨대 가스 주입기를 제공한다. 컴포넌트는 단일 결정 금속 옥사이드 바디를 포함한다. 컴포넌트는 또한 적어도 하나의 쓰루 홀 (through-hole) 을 가질 수도 있다. 다른 실시 예들에서, 플라즈마 프로세싱 챔버를 위한 컴포넌트를 형성하기 위한 방법이 제공된다. 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳이 제공된다. 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳은 컴포넌트를 형성하도록 머시닝된다. 적어도 하나의 쓰루 홀이 컴포넌트 내에 형성된다. 최소 일 쓰루 홀은 컴포넌트의 축에 평행할 수도 있다 (예를 들어, 도 2i의 회전축 점선). 부품은 표면 처리된다. 다른 실시 예들에서, 다른 단일 결정 금속 옥사이드들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 컴포넌트는 사파이어 (단일 결정 알루미늄 옥사이드 (Al2O3)), 스피넬, YAG, YAM, YAP (yttrium aluminum perovskite), 또는 YSZ (yttrium-stabilized zirconia) 로부터 형성될 수도 있다. 컴포넌트는 낮은 백분율의 첨가제 및 도펀트들을 가질 수 있는, 스피넬, YAG, 이트륨 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 또는 지르코늄 옥사이드의 변형들로부터 성장된 단일 결정 잉곳들로부터 형성될 수도 있다.
본 개시가 몇몇의 예시적인 실시 예들의 측면에서 기술되었지만, 본 개시의 범위 내에 속하는 변경들, 수정들, 치환들, 및 다양한 대체 등가물들이 있다. 또한 본 개시의 방법들 및 장치들을 구현하는 많은 대안적인 방식들이 있다는 것에 주의해야 한다. 따라서 이하의 첨부된 청구항들은 본 개시의 진정한 정신 및 범위 내에 속하는 이러한 변경들, 수정들, 치환들, 및 다양한 대체 등가물들을 모두 포함하는 것으로 해석되는 것이 의도된다.

Claims (26)

  1. 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트를 형성하는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳 (ingot) 을 제공하는 단계;
    컴포넌트를 형성하도록 상기 적어도 하나의 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳을 머시닝하는 단계; 및
    머시닝 후 상기 컴포넌트 상에 표면 처리를 수행하는 단계를 포함하는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    머시닝 전 상기 적어도 하나의 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳을 어닐링하는 단계를 더 포함하는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단일 결정 금속 옥사이드는 단일 결정 스피넬 (spinel) 인, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단일 결정 금속 옥사이드는 단일 결정 YAG인, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    머시닝하는 단계는 상기 컴포넌트에 홀을 드릴링하는 단계를 포함하는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    머시닝하는 단계는 상기 적어도 하나의 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳을 슬라이싱하는 단계를 포함하는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트 형성 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 가스 주입기인, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    머시닝 전 제 2 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳을 상기 적어도 하나의 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳에 본딩하는 단계를 더 포함하는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트 형성 방법.
  9. 제 1 항에 기재된 방법에 의해 형성된 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트.
  10. 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트에 있어서, 컴포넌트의 적어도 하나의 플라즈마 대면 표면은 단일 결정 금속 옥사이드 재료를 포함하는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 컴포넌트의 상기 적어도 하나의 플라즈마 대면 표면은 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳으로부터 머시닝되는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 플라즈마 대면 표면은 상기 컴포넌트의 바디에 본딩된 상기 단일 결정 금속 옥사이드 재료의 층을 포함하는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 단일 결정 금속 옥사이드 재료는 단일 결정 스피넬인, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 단일 결정 금속 옥사이드 재료는 단일 결정 YAG인, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 가스 주입기이고, 상기 가스 주입기의 노즈 (nose) 는 상기 단일 결정 금속 옥사이드 재료를 포함하고, 상기 노즈는 상기 플라즈마 프로세싱 챔버 내 플라즈마에 노출되는 상기 가스 주입기의 부분인, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 노즈는 상기 컴포넌트의 바디에 확산 본딩되고, 상기 바디는 상기 단일 금속 옥사이드 재료와 상이한 재료로 형성되는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 바디는 다결정 (polycrystalline) 재료로 형성되는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 컴포넌트.
  18. 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기에 있어서,
    바디; 및
    단일 결정 금속 옥사이드 재료를 포함하는 적어도 하나의 플라즈마 대면 표면을 포함하는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 단일 결정 금속 옥사이드 재료는 단일 결정 스피넬인, 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 단일 결정 금속 옥사이드 재료는 단일 결정 YAG인, 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 가스 주입기는 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳으로부터 머시닝되는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 단일 결정 금속 옥사이드 잉곳은 머시닝되기 전 어닐링되는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 플라즈마 대면 표면은 상기 바디에 본딩된 상기 단일 결정 금속 옥사이드 재료의 층을 포함하는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 바디를 관통하여 머시닝된 중앙 통로를 더 포함하는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 바디를 관통하여 머시닝된 복수의 보다 작은 통로들을 더 포함하고, 상기 복수의 보다 작은 통로들은 상기 중앙 통로를 둘러싸는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 복수의 보다 작은 통로들 각각은 측면 가스 주입기 홀 내로 피딩되고 그리고 상기 복수의 보다 작은 통로들 각각은 상기 측면 가스 주입기 홀 내로 피딩되도록 상기 가스 주입기 내에서 일 각도로 (at an angle) 배향되는 부분을 갖는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 가스 주입기.
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