JP7366045B2

JP7366045B2 - 半導体デバイスの製造に使用される加工構成要素のセラミック表面のレーザ研磨

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Publication number: JP7366045B2
Application number: JP2020549778A
Authority: JP
Inventors: ガンググラントペン，; デーヴィッドダブリュー．グローチェル，; トゥチュアンファン，
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: KR20200124320A; CN111902917A; KR20230121932A; TW201944498A; US20190291214A1; JP2021518662A; WO2019183237A1

Description

［０００１］本開示の実施形態は、概して、半導体デバイス製造に関する。具体的には、本明細書の実施形態は、プラズマ処理チャンバと共に、又はプラズマ処理チャンバ内で使用される構成要素の表面をレーザ研磨することに関する。

［０００２］多くの場合、半導体デバイスマニフェスト機器（例えば、プラズマ支援処理チャンバ及びそれに関連する処理用構成要素）は、セラミック材料、又は保護セラミック材料コーティングが上部に堆積された基体から形成される。セラミック材料は、化学的腐食又はプラズマベースの腐食に対して所望の耐性をもたらす。セラミック材料が使用されない場合、化学的腐食又はプラズマベースの腐食は処理用構成要素の有効寿命を短くするであろう

［０００３］残念ながら、堆積されたセラミックコーティングは、そのセラミックコーティングが堆積された下層の構成要素材料に比べて、表面粗さ及び多孔度が所望するより大きいことが多い。表面粗さ及び多孔度が望ましくない程に高い保護セラミックコーティングは、亀裂や剥離が生じやすくなり、そのゆえ、粒子が使用される処理チャンバ内で粒子を生成すると、粒子は、処理チャンバ内に配置された基板のデバイス側表面に最終的に移動する場合がある。基板上のデバイスを製造する間、基板が粒子で汚染されると、デバイスが動作不能になることが多く、その結果、汚染された基板により、デバイスの歩留まりが抑制される。

［０００４］したがって、当技術分野では、セラミック処理用構成要素、及び処理用構成要素のセラミックコーティングされた表面の、改善された表面仕上げ方法が必要とされている。

［０００５］本開示の実施形態は、セラミック基体、又はセラミックコーティングされた基体のレーザ支援改質、すなわち、レーザ研磨を行い、基体の表面粗さ及び多孔度を望ましい程度に低減させる方法を提供する。

［０００６］一実施形態では、ワークピース表面をレーザ研磨する方法は、パルスレーザビームでワークピース表面の少なくとも一部を走査することを含む。レーザビームは、約５０ｋＨｚ以上のパルス周波数及び約１０ｍｍ^２以下のスポットサイズを有し、ワークピース表面は、セラミック材料を含む。

［０００７］一実施形態では、ワークピース表面をレーザ研磨する方法は、約５０ｋＨｚ以上のパルス周波数及び約１０ｍｍ以下のスポットサイズを有するパルスレーザビームでワークピース表面の少なくとも一部を走査することを含む。ここで、ワークピース表面は、セラミック材料を含み、ワークピースは、プラズマ処理チャンバと共に使用するための処理用構成要素であり、ガスインジェクタ、シャワーヘッド、基板支持体、支持シャフト、ドア、ライナー、シールド、又はロボットエンドエフェクタのうちの１つを含む。

［０００８］一実施形態では、ワークピース表面をレーザ研磨する方法は、約５０ｋＨｚ以上のパルス周波数及び約１０ｍｍ^２以下のスポットサイズを有するパルスレーザビームでワークピース表面の少なくとも一部を走査することを含む。ここで、ワークピース表面は、石英、又は、アルミニウム、チタン、タンタル若しくはイットリウムの、窒化物、フッ化物、酸化物、酸窒化物若しくは酸化フッ化物を含み、ワークピースは、プラズマ処理チャンバと共に使用するための処理用構成要素であり、ガスインジェクタ、シャワーヘッド、基板支持体、支持シャフト、ドア、ライナー、シールド、又はロボットエンドエフェクタのうちの１つを含む。

［０００９］本開示の上述の特徴を詳細に理解することができるように、上記で簡単に要約された本開示のより具体的な説明は、実施形態を参照することによって、得ることができる。そのうちの幾つかの実施形態は添付の図面で例示されている。しかし、添付図面は例示的な実施形態のみを示すものであり、したがって、本開示の範囲を限定すると見なすべきではなく、その他の等しく有効な実施形態も許容され得ることに留意されたい。

一実施形態に係る、本明細書に記載されたレーザ支援表面改質（レーザ研磨）方法を使用して研磨された１つ又は複数の処理用構成要素を有する処理チャンバの概略断面図である。一実施形態に係る、本明細書に記載されたレーザ研磨方法を使用して研磨された１つ又は複数の表面を有する基板支持体の概略等角図である。図２Ａに示す基板支持体の一部の近接等角断面図である。一実施形態に係る、本明細書に提示された方法を実施するために使用され得るレーザ研磨システムの概略図である。図３に記載されたレーザ研磨システムを使用して、ワークピース表面をレーザ研磨する方法を示す。

［００１５］理解しやすくするために、可能な場合には、図に共通する同一の要素を指し示すのに同一の参照番号を使用した。さらなる記載がなくても、ある実施形態の要素及び特徴を他の実施形態に有益に組み込むことができることが想定されている。

［００１６］本開示の実施形態は、セラミック基体、又はセラミックコーティングされた基体のレーザ支援改質、すなわち、レーザ研磨を行い、基体の表面粗さ及び多孔度を望ましい程度に低減させる方法を提供する。本明細書に記載されたレーザ研磨方法は、研磨されるべき表面領域に対して、精密なサブミリメートルスケールの研磨制御を可能にし、したがって、材料研磨が望まれる表面領域と、材料研磨が望まれない隣接して配置された表面領域との間、又はそこに形成された開口に望ましいほどに高い解像度をもたらす。幾つかの実施形態では、本明細書に記載された方法は、電子デバイス製造（例えば、半導体デバイス製造）の分野で使用され得る、セラミック処理チャンバ構成要素、又は処理チャンバ構成要素のセラミックコーティングされた表面を研磨するために使用される。本明細書に記載されたレーザ研磨方法にとって有益であり得る処理チャンバ構成要素の実施例は、図１、及び図２Ａから図２Ｂに図示かつ記載される。有益には、本明細書で提供されるレーザ研磨方法は、機械的研磨と異なり、研磨される表面から実質的に材料を除去することを必要としない。したがって、本明細書で提供される方法は、図２Ａ及び図２Ｂにさらに記載される基板支持体のパターン化された表面のように、パターン化された表面から***したフィーチャの望ましくない平坦化のリスクが生じることなく、パターン化された表面の凹状表面及び***したフィーチャの両方の表面改質を可能とする。

［００１７］図１は、一実施形態に係る、本明細書に記載されたレーザ支援表面改質（レーザ研磨）方法を使用して研磨された１つ又は複数の処理用構成要素を有する処理チャンバ１００の概略断面図である。図１に示される処理チャンバ１００は、プラズマ支援エッチングチャンバである。しかしながら、本明細書に記載されたレーザ研磨方法は、任意のプラズマ支援処理チャンバにおいて使用される処理用構成要素、又は高画像スキャナ３１０研磨が所望される任意の他のセラミック表面を研磨するために使用され得ると想定されている。

［００１８］処理チャンバ１００は、チャンバリッド１０１、１つ又は複数の側壁１０２、及びチャンバ基部１０３を含むチャンバ本体を特徴とする。ここで、処理チャンバは、基板支持体１１２及びシャワーヘッド１０７をさらに含む。これらは、１つ又は複数の側壁１０２と共に、集合的に処理空間１０４を画定する。通常、処理ガスは、チャンバリッド１０１を通して配置された注入口１０５を通して、１つ又は複数の側壁１０２を通して配置された１つ又は複数のガスインジェクタ１０６を通して、又はその両方を通して、処理空間１０４に送達される。貫通するように配置された複数の孔１０８を有するシャワーヘッド１０７は、処理ガスを処理空間１０４内に均一に分配するように使用される。通常、孔１０８の直径は、約３ｍｍ以下など、約５ｍｍ以下、例えば約１ｍｍ以下である。幾つかの実施形態では、シャワーヘッドのプラズマ対向面の複数の孔間に配置された材料の幅が約１０ｍｍ以下となるように、個々の孔１０８は離間されている。

［００１９］処理チャンバ１００は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を特徴としており、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）は、処理空間１０４の外側のチャンバリッド１０１に近接するように配置された１つ又は複数の誘導コイル１０９に交流周波数（例えば、ＲＦ周波数）を通過させることによって生成される。チャンバリッド１０１及びシャワーヘッド１０７は、石英のような誘電材料で形成されている。チャンバリッド１０１及びシャワーヘッド１０７は、誘電体ウィンドウを形成する。この誘電体ウィンドウを通して、誘導コイル１０９によって生成された電磁エネルギーが、処理空間１０４内のガスで形成されたプラズマ１１０と結合する。コイルの交流電力から処理空間１０４内のガスに印加される電磁場を使用して、プラズマ１１０が点火かつ維持される。このプラズマは、不活性ガスを使用し、場合によっては、処理体積１０４内の処理ガスを使用する。

［００２０］ここでは、処理空間１０４は、真空排出口１１１を介して、真空源（例えば、１つ又は複数の専用真空ポンプ）に流体連結される。真空排出口１１０は、処理空間１０４を準大気圧条件に維持し、そこから処理ガス及び他のガスを排出する。
処理空間１０４内に配置される基板支持体１１２は、例えば、チャンバ基部１０３の下方領域のベローズ（図示せず）によって囲まれる、チャンバ基部１０３を通って密封的に延在する可動支持シャフト１１３上に配置される。通常、基板支持体１１２は、その誘電材料内に埋め込まれたチャッキング電極（図示せず）を含み、チャッキング電極は、基板１１４とチャッキング電極との間に電位を与えることによって、基板１１４を基板支持体１１２に固定する。

［００２１］基板支持体１１２は、基板支持体１１２の誘電材料と基板支持体１１２上に配置された基板１１４との間の熱伝達によって、基板１１４を所望の温度又は所望の温度範囲内に維持するように使用されることが多い。例えば、幾つかの実施態様では、基板支持体１１２は、その誘電材料内に埋め込まれた加熱素子（図示せず）を含む。この加熱素子を使用して、基板支持体１１２、ひいては基板１１４を処理前に所望の温度に加熱し、処理中に基板１１４を所望の温度に維持する。他の半導体製造処理の場合、基板１１４を処理中に冷却することが望ましく、基板支持体１１２は、典型的に、冷却流体が通流する１つ又は複数の冷却チャネルを含む冷却基部（図示せず）に熱的に連結される。場合によっては、基板支持体１１２は、基板支持体１１２の温度の微調整を促進する加熱素子と冷却チャネルの両方を含む。

［００２２］典型的には、処理チャンバの処理空間１０４内の低圧雰囲気により、基板支持体１１２の誘電材料と基板１１４との間の熱伝導が不十分となり、基板１１４を加熱又は冷却する基板支持体の効果性が低下する。したがって、一部の処理では、熱伝導性の不活性ガス、典型的にはヘリウムが、基板１１４のデバイス側ではない表面と基板支持体１１２との間に配置された背面空間（図示せず）に導入され、それらの間の熱伝達が改善される。背面空間は、基板支持体１１２のパターン化された表面（例えば、図２Ａから図２Ｂに記載されたパターン化された表面２０１）における１つ又は複数の凹状表面、及びその上に配置された基板１１４によって画定される。幾つかの実施形態では、基板支持体１１２のパターン化された表面２０１の少なくとも一部が、本明細書に記載された方法を使用してレーザ研磨される。

［００２３］ここで、処理チャンバ１００は、１つ又は複数の側壁１０２のうちの１つにおける開口１１５を介して、基板１１４を基板支持体１１２へと移送し、基板支持体１１２から基板１１４を移送すること容易にするように構成されている。基板処理中、開口１１５は、ドア１１６又はバルブで封止されている。例えば、幾つかの実施形態では、複数のリフトピン（図示せず）が、基板支持体１１２を貫通するように形成された対応するリフトピン開口２２１（図２Ａ及び２Ｂに図示）を通して移動可能に配置され、基板１１４を基板支持体１１２へと移送し、基板支持体１１２から基板１１４を移送することを容易にする。複数のリフトピンが上昇位置にあると、基板１１４が基板支持体１１２から持ち上げられ、ロボットハンドラが基板１１４にアクセスすることが可能になる。複数のリフトピンが下降位置にあると、リフトピンの上面は、基板支持体１１２の表面と同一面上にあるか、又はその下方にあり、基板支持体１１２上に基板が置かれる。

［００２４］ここで、処理チャンバ１００は、チャンバ本体の１つ又は複数の内部表面１１８に配置され、そこから径方向内側に配置された１つ又は複数の取り外し可能なライナー１１７を含む。処理チャンバ１００は、１つ又は複数のシールド（例えば、基板支持体１１２及び支持シャフト１１３を囲む第１のシールド１１９、並びに１つ又は複数の側壁１０２から径方向内側に配置された第２のシールド１２０）をさらに含む。ここでは、シールド１１９及び１２０を使用して、プラズマ１１０を処理空間１０４内の所望の領域に閉じ込め、処理空間１０４内のガスのための流路を画定し、チャンバ壁を処理ガス及び堆積生成物、若しくはエッチャント、又はこれらの組み合わせから保護する。幾つかの実施形態では、基板１１４は、ロボットエンドエフェクタ（例えば、ロボット真空杖１２１）を使用して、処理空間の内外に移送される。

［００２５］本明細書の実施形態では、上述の処理用構成要素のうちの１つ又は複数の表面は、セラミック材料で形成されるか、その上に保護セラミック材料コーティングが配置されるか、又はその両方である。処理構成要素又は処理構成要素のための保護コーティングとしての使用に適したセラミックの例には、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、石英、又はＩＩＩ族、ＩＶ族、ランタニド系列元素のフッ化物、酸化物、酸化フッ化物、窒化物、及び酸窒化物、並びにこれらの組み合わせが含まれる。例えば、幾つかの実施形態では、上述の処理用構成要素のうちの１つ又は複数の表面は、石英、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、窒化タンタル（ＴａＮ）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、フッ化イットリウム（ＹＦ_３）、オキシフッ化イットリウム（ＹＯＦ）、又はイットリウム安定化ジルコニアから形成される。

［００２６］多くの場合、セラミックコーティングは、処理用構成要素の少なくともプラズマ対向面に堆積され、下層の構成要素材料を化学的腐食及びプラズマ由来の腐食から保護する。セラミックコーティングは、溶射法（例えば、プラズマ溶射）などの任意の適切なコーティング法を使用して堆積され、セラミックコーティング材料は、溶解状態又は可塑化状態まで加熱されて、処理用構成要素の表面に溶射される。例えば、幾つかの実施形態では、処理用構成要素は、石英基体から形成され、イットリウムベースのセラミックコーティングが少なくともプラズマ対向面に堆積されたシャワーヘッド（例えば、シャワーヘッド１０７）である。幾つかの実施形態では、シャワーヘッド１０７のプラズマ対向面は石英で形成され、本明細書に記載されたレーザ研磨方法は、プラズマにより誘起された腐食を修復するために使用され、それゆえにシャワーヘッド１０７の有効寿命を延ばす。

［００２７］幾つかの実施形態では、シャワーヘッドは、アルミニウムなどの導電性材料から形成され、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）が、シャワーヘッドと、チャンバ壁又は基板支持体１１２との間で維持される。幾つかの実施形態では、マイクロ波源を使用して、不活性ガス、及び場合によっては処理ガスを使用する処理空間内にプラズマを生成する。幾つかの実施形態では、遠隔プラズマ源（図示せず）を使用して、処理空間１０４から遠隔でガスプラズマが生成され、その後に処理空間１０４に供給される。

［００２８］図２Ａは、本明細書に記載されたレーザ研磨方法を使用して研磨された１つ又は複数のセラミック表面を特徴とする基板支持体１１２の概略等角図である。図２Ｂは、図２Ａに示す基板支持体１１２の一部の近接等角断面図である。

［００２９］ここでは、基板支持体１１２は、１つ又は複数の凹状表面２１６から延在する複数の***したフィーチャを有するパターン化された表面２０１を特徴とする。***したフィーチャには、複数の突出部２１７、１つ又は複数の外側密封バンド（例えば、第２の外側密封バンド２１５、及び第１の外側密封バンド２１３）、及び複数の内側密封バンド２１９が含まれる。第１の外側密封バンド２１３は、パターン化された表面２０１の中心の周りで、その外周に近接して同心円状に配置され、第２の外側密封バンド２１５は、パターン化された表面２０１の中心の周りで、第１の外側密封バンド２１３に近接して、第１の外側密封バンド２１３の径方向内側に同心円状に配置される。各々の内側密封バンド２１９は、基板支持体１１２を貫通して形成されたそれぞれのリフトピン開口２２１の周りに同軸上に配置される。***したフィーチャ、及び１つ又は複数の凹状表面２１６、並びに基板１１４のデバイス側ではない表面（図１に図示）は、基板１１４が基板支持体１１２に吸引されるときの背面空間の境界面を画定する。

［００３０］図示のように、複数の突起２１７は、実質的に円筒形状であり、約５００μｍから約５ｍｍの平均直径Ｄ１、約５ｍｍから約２０ｍｍの中心間（ＣＴＣ）間隔Ｄ２、及び約３μｍから約７００μｍの高さＨを有する。他の実施形態では、複数の突出部２１７は、基板１１４を支持するために凹状面２１６を越えて延在する、正方形又は長方形のブロック、円錐、楔、ピラミッド、ポスト、円筒形マウンド、若しくは様々なサイズの他の突出部、又はこれらの組合せなどの任意の他の適切な形状を備え、任意の適切な方法を使用して形成される。

［００３１］ここで、第１の外側密封バンド２１３及び第２の外側密封バンド２１５は、実質的に長方形の断面形状を有し、高さＨと幅が、約５００μｍから約５ｍｍである。複数の内側密封バンド２１９は、それぞれ各リフトピン開口を囲んでおり、典型的に、その内径と外径との間に実質的に長方形の断面形状を有し、高さＨと幅Ｗとを有する。複数の突出部２１７は、基板１１４が基板支持体１１２に吸引されているときに、少なくとも、基板１１４を凹状表面２１６から離間されるように保持し、これにより、熱伝導性の不活性ガス（ここではヘリウム）が、ガス注入口から、基板１１４と基板支持体１１２との間の背面空間全面にわたって流れることが可能になる。密封バンド２１３、２１５、及び２１９は、基板１１４が基板支持体１１２（図１に図示）に吸引されたときに、ガスが背面空間から処理チャンバ１００の処理空間１０４内に流れるのを防止するか、又は大幅に低減する。

［００３２］他の実施形態では、複数の突出部２１７は、基板１１４を支持するために凹状面２１６を越えて延在する、正方形又は長方形のブロック、円錐、楔、ピラミッド、ポスト、円筒形マウンド、若しくは様々なサイズの他の突出部、又はこれらの組合せなどの任意の他の適切な形状を備え、任意の適切な方法を使用して形成される。幾つかの実施形態では、基板支持体１１２の基板接触面２２９とその上に配置された基板のデバイス側ではない表面との間の接触面積は、約２０％未満、約１５％未満、約１０％未満、約５％未満など、約３０％未満、例えば、約３％未満である。

［００３３］典型的には、基板支持体１１２のパターン化された表面２０１は、付加製造プロセス、除去製造プロセス（subtractive manufacturing process）、又はこれらの組み合わせを使用して形成される。典型的な付加製造プロセスでは、***したフィーチャが、対応する開口が貫通するマスクを介して、基板支持体１１２のあらかじめパターン化された表面に堆積される。基板支持体１１２の凹状表面２１６を形成することになるあらかじめパターン化された表面は、通常、***したフィーチャが堆積される前に、平坦化されるか、又はさもなければ所望の表面仕上がりとなるように加工される。しかしながら、***した表面の基板接触フィーチャは、望ましくないほど高い表面粗さを有することが多く、それゆえに、幾つかの実施形態では、本明細書に記載された方法を使用してレーザ研磨される。

［００３４］典型的な除去製造プロセスでは、形成されるべき凹領域からの材料は、例えば、ビードブラストによって、上部に配置されたものを貫通するように形成された対応する開口を通して、基板支持体のあらかじめパターン化された表面から除去される。付加製造プロセスと同様に、基板接触表面を形成することになるあらかじめパターン化された表面は、典型的に、形成される凹領域から材料を除去する前に、平坦化されるか、又はさもなければ所望の表面仕上げに加工される。しかしながら、凹領域における表面２１６は、望ましくないほど高い表面粗さを有することが多く、それゆえに、幾つかの実施形態では、本明細書に記載された方法を使用してレーザ研磨される。

［００３５］図３は、一実施形態に係る、本明細書に提示された方法を実施するために使用され得るレーザ研磨システム３００の概略図である。レーザ研磨システム３００は、上に配置されたワークピース３０４を支持かつ位置決めするための並進運動ステージ３０２、及び走査レーザ源３０６を特徴とする。ここで、走査レーザ源３０６は、ステージ３０２の上方に配置され、パルスレーザビーム３０８を、研磨されるワークピース３０４の表面に向けるために、ステージ３０２に対向する。幾つかの実施形態では、レーザ源３０６は、ステージ３０２の上方に配置されず、レーザ研磨システム３００は、レーザ源３０６からのレーザビーム３０８をワークピース３０４の表面の所望のスポットに方向付けるために使用される１つ又は複数のミラー（図示せず）を含む。

［００３６］幾つかの実施形態では、レーザ研磨システム３００は、３Ｄスキャナなどの画像センサ３１０をさらに含む。画像センサ３１０は、ワークピース３０４の表面をマッピングし、その３Ｄ画像を生成するために使用される。幾つかの実施形態では、画像スキャナ３１０は、基板支持体の基板接触面、基板支持体の凹状面、又はそのプラズマ対向面を貫通するように形成された複数の孔の間に配置されたシャワーヘッドの材料面をマッピングするために使用される。画像マップは、システムコントローラに伝達される。システムコントローラは、ステージ３０２の移動及びレーザ源３０６の動作を含む、レーザ研磨システムの動作を制御する。レーザ研磨が望まれない表面間の箇所をレーザビームに曝露することなく、ワークピースの所望の表面を選択的にレーザ研磨するために、画像マップがシステムコントローラによって使用される。

［００３７］ここで、レーザ源は、スポットサイズ（すなわち、ビームの断面領域）を有するパルスレーザビームを供給する。このパルスレーザビームは、本明細書に記載された処理構成要素の、又は当該処理構成要素のうちの１つ又は複数のフィーチャ間の高解像度研磨に適している。ここでは、スポットの直径は、約５ｍｍ以下など、約１０ｍｍ以下であり、又は例えば、約１ｍｍ以下である。幾つかの実施形態では、スポットサイズは、約１５０ｍｍ^２以下など、約５００ｍｍ^２以下であり、又は約１００ｍｍ^２以下である。幾つかの実施形態では、スポットサイズは、約０．００１ｍｍ^２から約５ｍｍ^２、約０．００１ｍｍ^２から約１ｍｍ^２、約０．００１ｍｍ^２から約０．５ｍｍ^２など、約０．００１ｍｍ^２から約１０ｍｍ^２であり、例えば、約０．００１ｍｍ^２から約０．１ｍｍ^２である。幾つかの実施形態では、ビームのスポットサイズは、５ｍｍ^２以下、２．５ｍｍ^２以下、１ｍｍ^２以下、０．５ｍｍ^２以下、０．１ｍｍ^２以下、０．５ｍｍ^２以下など、約１０ｍｍ^２以下であり、又は例えば、約０．０１ｍｍ^２以下である。

［００３８］ここで、パルス繰り返し率、すなわち、レーザビームのパルス周波数は、約１ｋＨｚ以上、約５ｋＨｚ以上、約１０ｋＨｚ以上、約１００ｋＨｚ以上、約５００ｋＨｚ以上など、約５００Ｈｚ以上であり、例えば、例えば約１ＭＨｚ以上である。幾つかの実施形態では、スポットサイズが約０．００１ｍｍ^２から約０．０１ｍｍ^２の間のパルス周波数は、約１００ｋＨｚ以上、例えば、約５００ｋＨｚ以上である。幾つかの実施形態では、スポットサイズが約０．０１ｍｍ^２から約０．１ｍｍ^２の間のパルス周波数は、約１００ｋＨｚ以上など、約１０ｋＨｚ以上である。幾つかの実施形態では、スポットサイズが約０．１ｍｍ^２から約１ｍｍ^２の間のパルス周波数は、約１ｋＨｚ以上である。幾つかの実施形態では、スポットサイズが約１ｍｍ^２を超えるパルス周波数は、約１ｋＨｚ以上である。幾つかの実施形態では、平均パルス持続時間は、約１μｓ以下、約０．５μｓ以下など、約１０μｓ以下であり、又は例えば約０．１μｓ以下である。典型的には、パルスビームのオンタイムデューティサイクルは、約４０％以下、約３０％以下、約２０％以下など、約５０％以下であり、又は例えば約１０％以下である。幾つかの実施形態では、各レーザパルスのピークエネルギーは、約４μＪから約５００μＪであり、又は例えば、例えば約５０μＪ超、又は約１００μＪ超など、約１μＪ超、約１０μＪ超である。幾つかの実施形態では、レーザビームのパルスエネルギー密度は、約１０００ｍＷ／ｃｍ^２以下、約５００ｍＷ／ｃｍ^２以下、約２５０ｍＷ／ｃｍ^２以下、約１００ｍＷ／ｃｍ^２以下、約５０ｍＷ／ｃｍ^２以下など、約６０００ｍＷ／ｃｍ^２以下であり、又は例えば約１０ｍＷ／ｃｍ^２以下である。例えば、幾つかの実施形態では、本明細書に記載されたスポットサイズ若しくは直径、又はスポットサイズ若しくは直径の範囲のいずれか１つのパルス周波数は、約５０ｋＨｚから約２５０ｋＨｚの間など、約１０ｋＨｚから約５００ｋＨｚの間であり、各層パルスのピークエネルギーは、約５０μＪから２５０μＪの間であり、パルスエネルギー密度は、約５０ｍＷ／ｃｍ^２以下など、約１００ｍＷ／ｃｍ^２以下であり、例えば、約２５ｍＷ／ｃｍ^２以下である。

［００３９］ここで、レーザビーム３０８及びステージ３０２の一方又は両方が、ｘ及びｙ方向に移動させられ、ワークピース３０４のレーザ研磨を容易にするために、ワークピース３０４の表面にわたってレーザビーム３０８の走査がもたらされる。レーザビーム３０８とワークピース３０４との間の相対運動を制御することにより、研磨される表面の各点が、３以上のレーザパルス（レーザショット）（又は例えば、約３から約３００のレーザショット）に曝露される。

［００４０］図４は、図３に記載されたレーザ研磨システムを使用して、ワークピースをレーザ研磨する方法を示す。作業４０１では、方法４００は、約５００ｋＨｚ以上のパルス周波数及び約１０ｍｍ^２以下のスポットサイズを有するパルスレーザビームでワークピース表面の少なくとも一部を（例えば、ラスタパターンで）走査することを含む。ここで、ワークピース表面は、セラミック材料を含む。典型的には、ワークピースの表面にわたってパルスレーザビームを走査することにより、レーザビームが方向付けられたセラミック材料の表面が、材料の融点よりも高いが材料の蒸発点よりも低い温度まで加熱される。したがって、ワークピース表面の少なくとも一部にわたってレーザビームを走査することは、望ましくは、セラミック材料を再び流動させて、その表面粗さと多孔性を減少させる。

［００４１］幾つかの実施形態では、本明細書に記載されたレーザ研磨方法は、セラミックコーティングの表面粗さ（Ｒａ）を約１０％超（例えば約２０％超）低減する。幾つかの実施形態では、研磨方法は、セラミックコーティングの多孔性を、約４０％超など、約３０％超、例えば、約５０％超減少させる。幾つかの実施形態では、セラミックコーティングは、イットリウムを含み、本明細書に記載されたレーザ研磨方法は、イットリウムをベースとしたコーティングの表面粗さ（Ｒａ）を約２０％以上低減し、その多孔性を約５０％以上低減する。

［００４２］ワークピースは、図１に記載された処理チャンバなどのプラズマ処理チャンバと共に又はプラズマ処理チャンバ内で使用される処理用構成要素である。幾つかの実施形態では、ワークピースは、ガスインジェクタ、シャワーヘッド、基板支持体、支持シャフト、ドア、ライナー、シールド、又はロボットエンドエフェクタのうちの１つを含む。幾つかの実施形態では、セラミック材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又はＩＩＩ族、ＩＶ族、ランタニド系列元素のフッ化物、酸化物、酸化フッ化物、窒化物、若しくは酸窒化物のうちの１つ又はこれらの組み合わせを含む。幾つかの実施形態では、処理用構成要素は、プラズマ処理チャンバ内で以前に使用されたものであり、本明細書で提示されたレーザ研磨方法は、処理用構成要素の表面修復に使用され、その化学的腐食又はプラズマにより誘起された腐食損傷を修復する。

［００４３］幾つかの実施形態では、処理用構成要素は、石英基体から形成されたシャワーヘッドを備えており、このシャワーヘッドは、そのプラズマ対向面に配置されたイットリウムをベースとした保護コーティングをさらに含む。イットリウムをベースとした保護コーティングは、複数の孔が石英基体を通して形成される前に、石英基体の表面に堆積される。したがって、孔の内表面は露出した石英を含む。ここで、シャワーヘッドをレーザ研磨することは、複数の孔の個々の間に配置されたイットリウムをベースとした保護コーティングにわたってパルスレーザビームを走査することを含む。幾つかの実施形態では、レーザ研磨される表面は、保護コーティングの有無に関わらず、石英シャワーヘッドのプラズマ対向面を含み、レーザ研磨を使用して、シャワーヘッドの表面のプラズマ誘起侵食損傷が修復される。有益には、本明細書に記載された方法と共に使用されるレーザスポットサイズは、レーザビームが孔の中に移動することなく、複数の孔の縁部までレーザ研磨するのに十分な解像度をもたらす。この比較的高い解像度により、孔の内側の露出した石英表面に望ましくない損傷若しくは望ましくない再流動を引き起こすことなく、又は孔の中へのイットリウムベースのコーティング若しくは石英表面の再流動を引き起こすことなく、シャワーヘッドのプラズマ対向面を実質的に完全にレーザ研磨することが可能になる。

［００４４］幾つかの実施形態では、処理用構成要素のレーザ研磨されるべき表面は、図２Ａ及び図２Ｂに記載された基板支持体などの基板支持体のパターン化された表面を含む。幾つかの実施形態では、基板支持体のパターン化された表面の研磨は、***した領域の基板接触面又はそれらの間に配置された凹領域の両方ではなく、そのうちの一方をレーザ研磨することを含む。

［００４５］本明細書に記載された実施形態で使用され得る例示的なレーザ研磨パラメータは、表１の列Ａ、Ｂ、及びＣに提示されている。列Ａの例では、当該方法は、５ｍＷ／ｃｍ^２から２５ｍＷ／ｃｍ^２のレーザビームパルスエネルギー密度を提供する。列Ｂの例では、当該方法は、５０ｍＷ／ｃｍ^２から２５０ｍＷ／ｃｍ^２のレーザビームパルスエネルギー密度を提供する。列Ｃの例では、当該方法は、１５００ｍＷ／ｃｍ^２から６０００ｍＷ／ｃｍ^２のレーザビームパルスエネルギー密度を提供する。

［００４６］以上の記述は、本開示の実施形態を対象としているが、本開示の基本的な範囲から逸脱しない限り、本開示の他の実施形態及びさらなる実施形態を考案してもよい。本開示の範囲は、下記の特許請求の範囲によって決定される。

Claims

ワークピース表面をレーザ研磨する方法であって、
５０ｋＨｚ以上のパルス周波数及び１０ｍｍ^２以下のスポットサイズを有するパルスレーザビームで、プラズマにより誘起された腐食を有する前記ワークピース表面の少なくとも一部を走査することを含み、前記ワークピース表面が、表面粗さと多孔度とを有するセラミック材料を含み、
前記パルスレーザビームが前記ワークピース表面の少なくとも一部を前記セラミック材料の融点よりも高い温度に加熱して、前記セラミック材料を再び流動させて、その表面粗さと多孔度とを減少させ、
前記ワークピースは、プラズマ処理チャンバと共に使用するための処理用構成要素である、方法。
前記ワークピースが、ガスインジェクタ、シャワーヘッド、基板支持体、支持シャフト、ドア、ライナー、シールド、又はロボットエンドエフェクタのうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
前記ワークピース表面が、基板支持体のパターン化された表面であり、前記パターン化された表面が、１つ又は複数の凹領域から延在する複数の***したフィーチャを含む、請求項１に記載の方法。
前記パターン化された表面の基板接触表面領域が、前記基板支持体上に配置される基板のデバイス側ではない表面領域の３０％未満である、請求項３に記載の方法。
前記ワークピースが、石英又はイットリウムベース保護コーティングを含むプラズマ対向面を有する、石英シャワーヘッドを含み、
前記ワークピース表面をレーザ研磨することが、前記プラズマ対向面において形成された複数の孔の間に配置された前記石英又はイットリウムベースコーティングにわたって前記パルスレーザビームを走査することを含む、請求項２に記載の方法。
前記ワークピース表面をレーザ研磨することが、前記プラズマ対向面において形成された前記複数の孔にわたって前記パルスレーザビームを走査することを含まない、請求項５に記載の方法。
前記レーザの前記スポットサイズが、１ｍｍ^２以下である、請求項６に記載の方法。
ワークピース表面をレーザ研磨する方法であって、
５０ｋＨｚ以上のパルス周波数及び１０ｍｍ^２以下のスポットサイズを有するパルスレーザビームでプラズマにより誘起された腐食を有する前記ワークピース表面の少なくとも一部を走査することを含み、
前記ワークピース表面が、表面粗さと多孔度とを有するセラミック材料を含み、
前記パルスレーザビームが前記ワークピース表面の少なくとも一部を前記セラミック材料の融点よりも高い温度に加熱して、前記セラミック材料を再び流動させて、その表面粗さと多孔度とを減少させ、
前記ワークピースが、プラズマ処理チャンバと共に使用するための処理用構成要素であり、ガスインジェクタ、シャワーヘッド、基板支持体、支持シャフト、ドア、ライナー、シールド、又はロボットエンドエフェクタのうちの１つを含む、方法。
前記処理用構成要素が、石英又はイットリウムベース保護コーティングを含むプラズマ対向面を有する、石英シャワーヘッドを含み、
前記ワークピース表面をレーザ研磨することが、前記プラズマ対向面において形成された複数の孔の間に配置された前記石英又はイットリウムベースコーティングにわたって前記パルスレーザビームを走査することを含む、請求項８に記載の方法。
前記ワークピース表面が、基板支持体のパターン化された表面であり、前記パターン化された表面が、１つ又は複数の凹領域から延在する複数の***したフィーチャを含む、請求項８に記載の方法。
前記パターン化された表面の基板接触表面領域が、前記基板支持体上に配置される基板のデバイス側ではない表面領域の３０％未満である、請求項１０に記載の方法。
ワークピース表面をレーザ研磨する方法であって、
５０ｋＨｚ以上のパルス周波数及び１０ｍｍ^２以下のスポットサイズを有するパルスレーザビームでプラズマにより誘起された腐食を有する前記ワークピース表面の少なくとも一部を走査することを含み、
前記ワークピース表面が、表面粗さと多孔度とを有するアルミニウム、チタン又はイットリウム材料の、窒化物、フッ化物、酸化物、酸窒化物又は酸化フッ化物を含み、
前記パルスレーザビームが前記ワークピース表面の少なくとも一部を前記材料の融点よりも高い温度に加熱して、前記材料を再び流動させて、その表面粗さと多孔度とを減少させ、
前記ワークピースが、プラズマ処理チャンバと共に使用するための処理用構成要素であり、ガスインジェクタ、シャワーヘッド、基板支持体、支持シャフト、ドア、ライナー、シールド、又はロボットエンドエフェクタのうちの１つを含む、方法。
前記処理用構成要素が、石英又はイットリウムをベースとした保護コーティングを含むプラズマ対向面を有する、石英シャワーヘッドを含み、
前記ワークピース表面をレーザ研磨することが、前記プラズマ対向面において形成された複数の孔の間に配置された前記石英又はイットリウムベースコーティングにわたって前記パルスレーザビームを走査することを含む、請求項１２に記載の方法。
前記ワークピース表面が、基板支持体のパターン化された表面であり、前記パターン化された表面が、１つ又は複数の凹領域から延在する複数の***したフィーチャを含む、請求項１２に記載の方法。
前記パターン化された表面の基板接触表面領域が、前記基板支持体上に配置される基板のデバイス側ではない表面領域の３０％未満である、請求項１４に記載の方法。
前記ワークピースが、プラズマ処理チャンバと共に使用するための処理用構成要素である、請求項１に記載の方法。
前記セラミック材料が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、石英、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、フッ化イットリウム（ＹＦ_３）、オキシフッ化イットリウム（ＹＯＦ）、又はイットリウム安定化ジルコニアを含む、請求項２に記載の方法。
前記セラミック材料が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、石英、又はＩＩＩ族、ＩＶ族、若しくはランタニド系列元素のフッ化物、酸化物、酸化フッ化物、窒化物、若しくは酸窒化物のうちの１つ又はこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
前記セラミック材料が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、石英、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、フッ化イットリウム（ＹＦ_３）、オキシフッ化イットリウム（ＹＯＦ）、又はイットリウム安定化ジルコニアを含む、請求項１８に記載の方法。
前記セラミック材料が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、石英、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、フッ化イットリウム（ＹＦ_３）、オキシフッ化イットリウム（ＹＯＦ）、又はイットリウム安定化ジルコニアを含む、請求項８に記載の方法。