KR20040101330A - 반도체 공정 장치용의 저오염 구성부품 및 상기 구성부품제조 방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 공정 장치의 부품이 적어도 부분적으로 내침식성, 내부식성 및/또는 내부식-침식성 세라믹 재료로 형성된다. 예시적인 세라믹 재료는 적어도 하나의 하프늄, 스트론튬, 란탄 산화물 및/또는 디스프로슘의 산화물, 질화물, 붕소화물, 탄화물 및/또는 플루오르화물을 포함한다. 세라믹 재료는 복합 부품을 형성하기 위하여 기판상의 코팅으로 적용될 수 있거나, 단일체로 형성될 수 있다. 코팅은 물리적 및/또는 화학적 공격으로부터 기판을 보호할 수 있다. 연장된 서비스 생명을 제공하기 위하여 세라믹 재료가 반도체 공정 장치의 플라즈마 노출된 부품을 형성하기 위하여 사용될 수 있다.
Description
반도체 재료 공정의 분야에서, 진공 공정 챔버가 기판상의 물질의 식각(etching) 및 화학 기상 증착(CVD:chemical vapor deposition)을 위하여 사용된다. 공정 가스(process gas)의 플라즈마를 발생시키기 위하여 라디오 주파수(Radio Frequency)장이 공정 가스에 적용되는 동안, 공정 가스는 공정 챔버 내로 유입된다. 플라즈마는 웨이퍼 상의 선택된 재료의 소망하는 식각 또는 증착을 수행한다. 평행판(parallel plate), 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma:ICP)이라고도 불리는 트랜스포머 결합 플라즈마(transformer coupled plasma:TCPTM), 전자 싸이클로트론 공명(electron-cyclotron resonance:ECR) 반응기 및 부품이 공동으로 소유된 미국 특허 번호 4,340,462; 4,948,458; 5,200,232 및 5,820,723에 개시되었다.
반도체 기판의 공정 중에, 예컨대 미국 특허 번호 5,262,029 및 5,838,529에서 개시된 바와 같이 기판은 통상적으로 기판 홀더에 의하여 진공 챔버 내에 정위치된다. 공정 가스는 여러 가지 가스 공급 시스템에 의하여 챔버로 공급된다.
플라즈마 챔버 장비 외에, 반도체 기판의 공정에 사용되는 다른 장비는 수송 기구, 라이너, 리프트 기구, 로드 락(load lock), 도어 기구, 로봇 아암, 파스너(fastener) 등을 포함한다.
플라즈마는 식각에 의하여 재료를 제거하기 위하여 또는 기판상의 재료의 증착을 위하여 사용된다. 플라즈마 식각 조건은 플라즈마에 노출된 공정 챔버의 표면의 상당한 이온 포격(ion bombardment)을 생성할 수 있다. 이 이온 포격은, 플라즈마 화학물 및/또는 식각 부산물과 결합하여, 처리 챔버의 플라즈마 노출된 표면의 상당한 침식, 부식 및 부식-침식을 생성한다. 결과적으로, 표면 재료는, 침식, 부식 및/또는 부식 침식을 포함하는 물리적 및/또는 화학적 공격에 의하여 제거된다. 이 공격은 짧은 부품 수명, 증가된 소모품 비용, 미립자 오염, 웨이퍼상 전이 금속 오염 및 공정 드리프트(process drift)등을 포함한 문제를 야기한다.
이러한 문제점의 관점에서, 플라즈마 공정 챔버는 플라즈마를 처리되고 있는 웨이퍼상에 제한하는 디스크, 링 및 실린더 등과 같은 부품을 포함하도록 설계되어 왔다. 그러나, 이러한 부품들은 플라즈마에 의하여 계속적으로 공격받으며, 결과적으로 결국에는 침식되거나 중합체 누적을 축적한다. 결국에는, 이러한 부품은 더 이상 사용될 수 없을 정도로 마모를 겪는다. 상대적으로 짧은 수명을 가지는 그러한 부품들은 일반적으로 "소모품"라고 지칭된다. 소모품 부품의 수명이 짧다면, 소유의 비용은 높다. 소모품 및 다른 부품들의 침식은 플라즈마 공정 챔버에서 오염을 발생시킨다.
그러한 반응기 안에서의 플라즈마 환경의 부식적이고 침식적인 성질 때문에, 그리고 입자 및/또는 금속 오염을 최소화할 필요성 때문에, 소모품 및 다른 부품을 포함하는 그러한 장비의 구성부품이 적절하게 높은 내침식성 및 내부식성을 갖는 것이 바람직하다. 공지의 부품은 알류미늄계 재료(aluminum-based materials)로 형성된다. 그러나, 플라즈마에 의한 높은 이온 폭격은 이러한 재료를 침식 또는 부식시켜 불만족스러운 오염 수준(예컨대, 미립자 오염 및 금속 불순 오염)을 생성할 수 있다.
반도체 재료 공정을 위한 높은 순도의 필요조건의 관점에서, 반도체 공정 장치의 구성부품은, 그 공정중의 반도체 재료의 관련된 오염을 최소화하기 위하여 침식, 부식 및/또는 침식-부식을 포함하는 화학적 및 물리적 공격에 대한 개선된 저항성을 제공하는 재료로 구성될 필요가 있다. 장비의 구성부품의 기능 수명을 증가시킬 수 있으며 따라서 장치의 중단 시간을 감소시킬 수 있는 재료는 반도체 재료 공정의 비용을 절감시키는데 기여할 것이다.
본 발명은 반도체 재료 공정 장비를 위한 부품에 관한 것이다. 부품은 반도체 재료 공정중에 오염을 감소시킬 수 있는 재료로 형성된다. 본 발명은 상기 부품의 제조 방법에도 역시 관계된다.
본 발명은 첨부된 도면과 결합하여 다음의 상세한 설명에 의하여 충분히 이해될 것이다.
도 1은 종래의 플라즈마 분사 공정을 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 플라즈마 식각 장치을 위한 가스 링(gas ring)의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 구성부품의 예시적인 구현예를 포함하는 식각 챔버를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 구성부품의 예시적인 구현예를 포함하는 또 다른 식각 챔버를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 보호 세라믹 코팅의 예시적인 구현예를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 보호 세라믹 코팅의 또 다른 예시적인 구현예를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 단일체의 구성부품의 예시적인 구현예를 도시한다.
본 발명은, 플라즈마 공정 환경 안에서의 침식, 부식 및/또는 부식-침식에 대한 개선된 내마모성을 제공하는 세라믹 재료로 구성된 반도체 공정 장치의 구성부품을 제공하는 것에 의하여, 다른 요구와 더불어 전술된 요구를 만족시킬 수 있다. 상기 구성부품은 금속 및 미립자에 대하여 낮은 오염을 제공할 수 있다.
본 발명의 예시적인 구현예에 따르면, 세라믹 재료는 반도체 재료 공정 장비에서 사용되는 구성부품안에서 기판의 표면상의 코팅으로서 적용될 수 있다. 예를 들어, 구성부품은 플라즈마 공정 챔버에서 사용될 수 있다. 코팅된 구성부품은, 공정 중에 플라즈마에 노출되는 때에, 침식, 부식 및/또는 침식-부식에 대하여 향상된 저항성을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 구현예에 따르면, 그러한 구성부품은 오르지 보호 재료로 형성된 벌크 파트(bulk part)일 수 있다. 즉, 구성부품은 단일체일 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 공정 장치의 구성부품을 제조하는 공정의 예시적인 구현예는, 그러한 장비의 구성부품의 적어도 일 부분을 세라믹 재료로 형성하는 것을 구비한다. 상기 부분은 구성부품의 최외측 표면을 구비한다. 세라믹 재료는 (ii) 스트론튬, 란탄 및 디스프로슘의 (i)적어도 하나의 산화물, 질화물, 붕소화물, 탄화물 및/또는 플로오르화물, 및/또는 하프늄의 적어도 하나의 질화물, 붕소화물, 탄화물 및/또는 플루오르화물을 구비한다. 바람직하게는, 세라믹 재료는 스트론튬 산화물, 디스프로슘 산화물 및 란탄 산화물의 하나를 세라믹 재료 코팅의 유일한 최대 성분으로서 구비한다. 세라믹 재료는 코팅으로 적용될 수 있으며, 또는 단일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 구현예는, 반도체 공정 장치의 구성부품의 금속 함유 또는 폴리머 표면상에 세라믹 재료의 코팅을 적용하는 것을 포함한다. 세라믹재료는 세라믹 재료 코팅의 유일한 최대 성분으로서 하프늄 산화물, 하프늄 질화물, 하프늄 붕소화물, 하프늄 탄화물 또는 하프늄 플루오르화물을 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 다른 예시적인 구현예는 단일체의 형태로 반도체 공정 장치의 구성부분을 형성하는 것을 포함한다. 구성부분은 유일한 최대 성분으로서 하프늄 산화물, 하프늄 질화물, 하프늄 붕소화물, 하프늄 탄화물 또는 하프늄 플루오르화물을 구비한다.
본 발명에 따른 반도체 공정 장치의 구성부분을 제조하는 공정의 예시적인 구현예는, (ii) 스트론튬, 란탄 및 디스프로슘의 (i)적어도 하나의 산화물, 질화물, 붕소화물, 탄화물 및/또는 플로오르화물, 및/또는 하프늄의 적어도 하나의 질화물, 붕소화물, 탄화물 및/또는 플루오르화물을 단일한 최대 구성성분으로 구비하는 슬러리를 준비하는 것; 슬러리로부터 소망하는 형태로 그린 컴팩트(green compact)를 형성하는 것; 및, 구성부품을 형성하기 위하여 그린 컴팩트를 소결하는 것;을 포함한다. 세라믹 재료는 하프늄 산화물, 스트론튬 산화물, 란탄 산화물 및 디스프로슘 산화물의 하나를 그 단일한 최대의 구성성분으로 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 공정은 단일체의 구성부품을 형성하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 공정 장치의 구성부품의 예시적이 구현예는 세라믹 재료를 구비하는 적어도 일 부분을 구비한다. 상기 부분은 구성부품의 최외측 표면을 구비한다. 세라믹 재료는 (ii) 스트론튬, 란탄 및 디스프로슘의 (i)적어도 하나의 산화물, 질화물, 붕소화물, 탄화물 및/또는 플로오르화물, 및/또는 하프늄의 적어도 하나의 질화물, 붕소화물, 탄화물 및/또는 플루오르화물을 단일한 최대 구성성분으로 구비한다.
본 발명에 따른 반도체 공정 장치의 구성부품의 또 다른 예시적인 구현예는, 금속 포함 또는 폴리머 표면을 가지는 기판; 및 기판상의 세라믹 재료를 구비하며, 상기 세라믹 재료는 하프늄 산화물, 하프늄 질화물, 하프늄 붕소화물, 하프늄 탄화물 또는 하프늄 플루오르화물을 세라믹 재료 코팅의 단일한 최대 구성성분으로 구비한다.
본 발명에 따른 반도체 공정 장치의 구성부품의 또 다른 예시적인 구현예는, 하프늄 산화물, 하프늄 질화물, 하프늄 붕소화물, 하프늄 탄화물 또는 하프늄 플루오르화물을 세라믹 재료 코팅의 단일한 최대 구성성분으로 구비하는 단일체를 구비한다.
본 발명은 또한 내마모성을 제공하기 위하여 적어도 하나의 전술된 구성부품을 포함하는 반도체 공정 장치를 제공한다.
본 발명은, 반도체 공정 장치에서 발생된 플라즈마에 의한 물리적 및 화학적 공격에 대하여 내마모성을 가진 구성부품을 제공한다. 여기서 사용될 "내마모성"이란 용어는 침식, 부식 및/또는 부식-침식을 포함하지만 그에 제한되는 것은 아니다. 구성부품은 내마모성 세라믹 재료로 구성된다.
일부 구현예에서, 구성부품은 기판 상에 형성된 내침식성 세라믹 재료로 구성된 코팅을 구비한다. 예를 들어, 구성부품은 기판 및 상기 기판에 형성된 하나 또는 그 이상의 내침식성 코팅을 구비한다. 코팅은 침식에 내성이 있으며, 비금속 재료이기 때문에, 부식 및/또는 부식-침식에 역시 내성이 있다.
본 발명의 다른 예시적인 구현예에서, 구성부품은 본질적으로 내마모성 세라믹 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 구성부품은 반도체 재료 공정 장치의 벌크 파트일 수 있다.
본 발명에 따르면, 내마모성 세라믹 재료로 구성된 구성부품은 반도체 공정을 위한 장치의 구성부품일 수 있다.
본 발명은 적어도 부분적으로 내마모성 재료로 구성된 하나 또는 그 이상의 구성부품을 구비하는 반도체 공정 장치를 또한 제공한다.
또한, 본 발명은 적어도 부분적인 내마모성 재료의 구성부품을 제조하는 방법을 제공한다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 구성부품의 어떠한 적절한 형식에도 적용 가능하다. 본 발명은 반도체 재료 공정 장치의 구성부품의 표면에 효과적인 내마모성을 제공한다. 당업자는, 본 발명에 따른 내마모성 재료가 상이한 반도체 재료를 처리하기 유용한 상이한 공정 장치에 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 내마모성 재료는 공정 장치의 상이한 구성부품에 적용될 수 있다. 그러한 예시적인 구성부품은, 챔버 벽, 기판 지지체, 예컨대 샤워헤드(showerheads), 배플(baffles), 링, 노즐 등을 구비하는 가스 분배 시스템, 파스너(fastener), 가열 요소, 플라즈마 스크린, 라이너, 투명 모듈 구성부품 등과, 로봇 아암, 파스너, 내측 및 외측 챔버 벽과 같은 플라즈마 및/또는 진공 챔버를 구비하며, 그러나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면, 내마모성 재료는, 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄 중의 적어도 하나를 구비할 수 있다. 이러한 요소는 상대적으로 큰 분자량을 가지며, 플라즈마 환경에서 감소된 침식률을 제공한다고 생각되는 통상적인 식각 화학물에 관하여 상대적으로 불활성이다. 바람직하게는, 내마모성 재료는 세라믹 재료의 단일한 최대 구성성분으로서 하프늄, 산화물, 스트론튬, 산화물, 디스프로슘 산화물 또는 란탄 산화물 중의 하나를 구비한다. 세라믹 재료의 예시적인 구현예는이러한 산화물의 하나 또는 그 이상을 구비할 수 있다. 세라믹 재료에 포함될 수 있는 다른 구성성분은 상세하게 후술된다.
본 발명에 따른 하프늄 코팅된 세라믹 재료는 단일한 최대 구성성분으로 하프늄 산화물(hafnia)을 포함하는 것이 바람직하다. 일부 구현예에서는, 하프늄을 포함하는 세라믹 재료는 적어도 하나의 하프늄 붕소화물, 하프늄 플루오르화물, 하프늄 질화물 및/또는 하프늄 탄화물 또는 그 혼합물을 포함하지만 그러나 그에 제한되지는 않는 산화물 외에 하프늄을 포함하는 다른 세라믹 재료를 또한 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하프늄을 포함하는 세라믹 재료는, 전술된 하프늄 산화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물 재료 외에 또는 그에 부가하여 다른 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 이 다른 세라믹 재료는 주기율표(periodic table)의 IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB 및 VB 족에서 선택된 요소중의 적어도 하나의 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및/또는 탄화물; 및/또는 악티니드 계열(actinide series)의 요소(예컨대, 원자 번호 58 내지 71을 가진 요소)의 하나의 또는 그 이상의 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 또는 탄화물을 포함할 수 있으나, 그러나 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 하프늄을 포함하는 세라믹 재료(또한 후술될 스트론튬, 디스프로슘, 란탄을 포함하는 재료)는 이트륨 산화물(yttria), 지르코늄 산화물(zirconia), 알루미늄 산화물(alumina) 및/또는 세륨 산화물(ceria)과 혼합될 수 있다.
본 발명에 따른 스트론튬을 포함하는 세라믹 재료는 단일한 최대 구성성분으로 스트론튬 산화물(stronia)을 포함하는 것이 바람직하다. 일부 구현예에서, 스트론튬을 포함하는 세라믹 재료는, 적어도 하나의 스트론튬 붕소화물, 스트론튬 플루오르화물, 스트론튬 질화물, 스트론튬 탄화물 또는 그 혼합물을 포함하지만 그러나 이에 제한되지는 않는 산화물 외에 다른 스트론튬을 포함하는 세라믹 재료를 역시 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 스트론튬을 포함하는 세라믹 재료는, 전술된 스트론튬 산화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물 재료 외에 또는 그에 부가하여 다른 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 전술된 바와 같이, 이 다른 세라믹 재료는 주기율표의 IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB 및 VB 족에서 선택된 요소중의 적어도 하나의 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및/또는 탄화물; 및/또는 악티니드의 요소의 하나의 또는 그 이상의 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 또는 탄화물을 포함할 수 있으나, 그러나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 디스프로슘을 포함하는 세라믹 재료는 단일한 최대 구성성분으로 디스프로슘 산화물(dysprosia)을 포함하는 것이 바람직하다. 일부 구현예에서, 디스프로슘을 포함하는 세라믹 재료는, 적어도 하나의 디스프로슘 붕소화물, 디스프로슘 플루오르화물, 디스프로슘 질화물, 디스프로슘 탄화물 또는 그 혼합물을 포함하지만 그러나 이에 제한되지는 않는 산화물 외에 다른 디스프로슘을 포함하는 세라믹 재료를 역시 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 디스프로슘을 포함하는 세라믹 재료는, 전술된 디스프로슘 산화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물 재료 외에 또는 그에 부가하여 다른세라믹 재료를 포함할 수 있다. 전술된 바와 같이, 이 다른 세라믹 재료는 주기율표의 IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB 및 VB 족에서 선택된 요소중의 적어도 하나의 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및/또는 탄화물; 및/또는 악티니드의 요소의 하나의 또는 그 이상의 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 또는 탄화물을 포함할 수 있으나, 그러나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 란탄을 포함하는 세라믹 재료는 단일한 최대 구성성분으로 란탄 산화물(lanthana)을 포함하는 것이 바람직하다. 일부 구현예에서, 란탄을 포함하는 세라믹 재료는, 적어도 하나의 란탄 붕소화물, 란탄 플루오르화물, 란탄 질화물, 란탄 탄화물 또는 그 혼합물을 포함하지만 그러나 이에 제한되지는 않는 산화물 외에 다른 란탄을 포함하는 세라믹 재료를 역시 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 란탄을 포함하는 세라믹 재료는, 전술된 란탄 산화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물 재료 외에 또는 그에 부가하여 다른 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 전술된 바와 같이, 이 다른 세라믹 재료는 주기율표의 IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB 및 VB 족에서 선택된 요소중의 적어도 하나의 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및/또는 탄화물; 및/또는 악티니드 계열의 어떠한 요소의 적어도 하나의 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및/또는 탄화물을 포함할 수 있으나, 그러나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면, 세라믹 재료는 전술된 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및란탄을 포함하는 재료들의 혼합물을 구비할 수 있다. 또한, 세라믹 재료는 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및/또는 란탄을 포함하는 재료 그리고 IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB 및 VB 족에서 선택된 요소중의 하나 또는 그 이상의 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물; 및/또는 전술된 악티니드의 요소중 하나의 또는 그 이상의 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 또는 탄화물을 포함하면서 그러나 이에 제한되는 것은 아닌 부가적인 재료의 혼합물을 구비할 수 있다.
본 발명에 따라 하나 또는 그 이상의 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및/또는 란탄을 포함하는 구성요소를 포함하는 장비에서 진행되는 전자 재료의 오염을 최소화하기 위하여, 세라믹 재료는. 예컨대 전이 금속, 알카리 금속 등과 같은 잠재적으로 오염시키는 요소의 최소한의 양을 포함하는 최대한 순도가 높은 것이 바람직하다. 예컨대, 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료는 1010atoms/cm2또는 그 이상, 바람직하게는 105atoms/cm2또 그 이상의 웨이퍼상 오염을 피하기 위하여 충분히 순도를 높게 할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 세라믹 재료는 적어도 약 99%, 더욱 바람직하게는 약99.99% 내지 약 100%의 순도를 가진다.
또한, 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료는 평탄한 표면 처리를 가진다. 바람직하게는, 이러한 재료는, 코팅으로 적용되거나 단일체의 구성부품으로 형성되는 경우, 약 5 내지 약 400 μinch, 더욱 바람직하게는 약 200μinch이하의 표면 조도(RA)를 가진다.
본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료는 기저 기판에 높은 결합력을 제공할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 재료는, 코팅으로 적용되는 경우, 약 200psi 내지 약 7000psi의 인장 결합 강도를 가진다.
또한, 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료는 낮은 기공도(porosity level)를 제공할 수 있으며, 이는 공격적인 분위기(예컨대, HCI를 포함하는 분위기)의 기저 기판과의 접촉, 상기 공격적인 분위기에 의한 후속되는 기판의 부식, 침식 및/또는 부식-침식을 최소화시키는데 유리하다. 바람직하게는, 세라믹 재료는 체적상 15%이하, 보다 바람직하게는 체적상 3%이하의 기공도를 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료는 침식에 내성이 있는 높은 경도를 제공할 수 있다. 바람직하게는, 세라믹 재료는 약 200 내지 약 800의 경도(HVO3)를 갖는다.
전술된 세라믹 재료는, 예컨대 플라즈마 식각 챔버등과 같은 반도체 공정 장치에서의 사용을 위하여 바람직한 내마모성 특성을 제공할 수 있다. 특히, 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료는 플라즈마 반응 챔버 안에서의 이온에 의해 유도된 침식 및 관련된 미립자 오염의 정도를 감소시킬 수 있는 표면을 제공할 수 있다. 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료는 플라즈마에 의한 물리적 공격 및 화학적 공격의 양자에 대하여 기저 기판을 또한 보호할 수 있다.
본 발명에 따른 내마모성 세라믹 재료는 다른 사용뿐만 아니라 식각 및 증착 응용을 위한 여러 가지 상이한 플라즈마 분위기에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 통상적인 식각 화학물은, 예컨대 Cl2, HCL 및 BCL3를 포함하는 그러나 이제 제한되지는 않는 염소을 포함하는 가스; 브롬 및 HBr을 포함하는 그러나 이제 제한되지는 않는 브롬을 포함하는 가스; O2, H2O 및 SO2를 포함하는 그러나 이에 제한되지는 않는 산소를 포함하는 가스; CF4,CH2F2, NF3, CH3F, CHF3및 SF6를 포함하는 그러나 이제 제한되지는 않는 플루오르를 포함하는 가스; 및 He, Ar 및 N2를 포함하는 그러나 이에 제한되지는 않는 불활성 및 다른 가스;를 포함하며 그러나 이에 제한되지는 않는다. 이러한 가스 및 다른 가스들이 소망하는 플라즈마에 따라 어떤 적절한 조합으로 사용될 수 있다. 예시적인 플라즈마 반응기 식각 작업 조건은 다음과 같다: 약 25℃ 내지 약 90℃의 온도, 약 9mTorr 내지 약 100 mTorr의 압력, 약 10sccm 내지 약 1000sccm의 가스 유동률; 및 약 0 Watts 내지 약 1500 Watts의 플라즈마 power.
본 발명의 예시적이며 바람직한 구현예에서, 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료는 가판상의 코팅으로서 제공된다. 이러한 코팅은 당업계에서 공지된 방법에 의하여 적용된다. 바람직한 코팅 방법은 용사(thermal spray)(예컨대, 플라즈마 용사)다. 이 방법에서, 세라믹 분말은 용융되고 가스 유동 안에 내포되며, 이는 용사 코팅되는 구성부품으로 향해진다. 용사 기술의 장점은, 구성부품이 용사 건(spray gun)을 대향하는 측면상에만 코팅되며, 다른 지역을 보호하기 위하여 마스킹(masking)이 이용될 수 있다는 것이다. 플라즈마 용사를 포함하여 종래의 용사 기술이 Pawlowski저(John Wiley사,1995)의 "The Science and Engineering of Thermal Spray Coating"에 기술되어 있다. 이 기술은 그 전체가 여기에서 참조로서 포함된다.
특히 바람직한 용사 방법은 플라즈마 용사이다. 플라즈마 용사는 챔버 및 다른 챔버 구성부품의 복잡한 내부 표면이라도 코팅하는데 사용될 수 있다. 도 1은 통상적인 플라즈마 용사 공정을 도시한다. 코팅 재료는, 통상적으로 분말의 형태로, 통상적으로 외측 분말 포트(132)를 통하여 고온 플라즈마 화염(114)안으로 주입된다. 분말은 급속히 가열되며 높은 속도로 가속된다. 고온 재료는 기판 표면(116)상에 충격을 가하며 코팅(118)을 형성하기 위하여 급속히 냉각된다.
플라즈마 용사 건(plasma spray gun:120)은 양극(122) 및 음극(124)을 구비하며, 양자 모두는 수냉된다. 플라즈마 가스(126)(예컨대, 아르곤, 질소, 수소, 헬륨)는 전체적으로 화살표(128)에 의해 지시된 방향으로 음극 주위 및 양극의 제한된 노즐을 통하여 흐른다. 플라즈마는 고압 방전에 의해 개시되고, 이는 국부화된 이온화 및 음극(124)와 양극(122)사이에 형성되는 DC 아크를 위한 전도성 경로(conductive path)를 야기한다. 아크로부터의 저항 가열(resistance heating)은 가스가 플라즈마를 형성하게 한다. 플라즈마는 자유로운 또는 중성의 플라즈마 화염(전류를 지니지 않는 플라즈마)으로서 양극 노즐 부분으로부터 나온다. 플라즈마가 안정화되어 분사 준비되면, 전기 아크는 노즐 밑으로 연장된다. 분말(112)은 매우 급속히 가열되고 가속되기 때문에 노즐 선단과 기판 표면 사이의 용사 거리(136)는125 내지 150mm에 근사할 수 있다. 플라즈마 용사된 코팅은 기판 표면(116)상에 충돌되도록 된 용융된 또는 열 가소화된 입자에 의해 생성된다.
본 발명에 따르면, 세정 및 입자 블래스팅(blasting)과 같은 표면 처리가 결합을 위하여 더욱 화학적 및 물리적으로 활성화된 표면을 제공하는데 사용될 수 있다. 코팅 전에, 기판의 표면은 산화물 또는 그리스 등의 바람직하지 못한 표면 물질을 제거하기 위하여 완전하게 세정되는 것이 바람직하다. 기판은 또한 코팅 전에 그리트 블라스팅(grit blasting)과 같은 적절한 방법에 의하여 거칠게 될 수 있다. 이 러프닝(roughening)은 결합에 이용 가능한 표면적을 증가시키며, 이는 코팅 결합력을 증가시킨다. 거친 표면 형상은 또한 코팅의 기판과의 기계적 키 삽입(keying) 또는 맞물림을 촉진시킬 수 있다.
알루미늄 반응기 구성요소를 위하여, 코팅 전에 코팅될 구성부품의 표면을 양극화시키고, 그러나 양극화시킨 표면을 거칠게 하지 않는 것이 바람직하다. 양극화시킨 층은, 코팅에 의해 제공된 보호에 부가하여 기저 알루미늄의 부식적 공격에 대한 부가적인 장벽을 제공한다. 6061-T6 알루미늄과 같이 알루미늄 기판상에 형성된 양극화시킨 알루미늄 층은 어떠한 적절한 두께도 가질 수 있다. 예를 들어, 두께는 통상 약 2mil 내지 약 10mil일 수 있다. 양극화시킨 표면은 어떠한 적절한 마무리 처리도 가질 수 있다. 예를 들어, 표면 처리는 약 20μinch 내지 약 100 μinch의 RA 값을 가질 수 있다. 양극화시킨 층은 탈이온수(deionized water)를 사용하는 것 등에 의하여 어떠한 적절한 기술로서도 밀봉될 수 있다.
본 발명에 따른 하프늄 산화물, 스트론튬 산화물, 디스프로슘 산화물 및/또는 란탄 산화물을 포함하는 세라믹 재료는 플라즈마 용사 공정을 사용하여 적용되는 것이 바람직하다. 그러나, 세라믹 재료와 사용되기에 적절한 어떤 다른 코팅 방법도 역시 채용될 수 있다. 예컨대, 하프늄 산화물, 스트론튬 산화물, 디스프로슘 산화물 및 란탄 산화물을 포함하는 세라믹 재료는 스퍼터링(sputtering), 스퍼터 증착, 침적 도장(immersion coating), 화학 증기 기상(CVD), (전자 빔 증발 법및 응축법을 포함한) 증발법(evaporation) 및 응축법(condensation), 물리 기상 증착(physical vapor deposition), 컴팩팅(compacting) 및 소결(sintering) 및 용사(thermal spray) 등에 의하여 또한 적용될 수 있다.
본 발명의 일부 바람직한 구현예에서, 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및/또는 란탄을 포함하는 세라믹 구성부품이 고밀도 플라즈마 반응기에서 사용된다. 이런 형식의 예시적인 반응기는, California, Fremont의 Lam Research Corporation에서 취득 가능한 TCP 9400TM플라즈마 식각 반응기이다. TCP 9400TM반응기에서, (cl2, HBr, CF4, CH2F2, O2,N2,Ar,SF6및 NF3와 같은 )공정 가스가 식각 챔버의 하부에 위치된 가스 링안으로 유도되며 그 후 가스 홀을 통하여 반응기 챔버안으로 안내된다. 도 2는 TCP 9400TM식각 반응기의 가스 링을 도시한다. 도 2에서 도시된 바와 같이, 가스 링(40)의 주 몸체는 기판 지지체(44)를 둘러싼다. 가스 링(40)의 하부면은 링 형상의 가스를 안내하는 트렌치(trench:60)를 포함한다. 전술된 가스 홀(50)은 가스 안내 트렌치(60)안으로 연장된다.
가스 링(40)은 통상적으로 알루미늄으로 구성된다. 가스 링의 상부면은 플라즈마에 직접적으로 노출되며 따라서 침식, 부식 및 부식-침식에 취약하다. 이러한 표면을 보호하기 위하여, 가스 링은 통상적으로 알루미늄 산화물 층으로 덮혀있다. 이 층은, 그러나, 상대적으로 취성(brittle)이며, 사용중에 반응기의 반복적인 열적 싸이클 동안 균열이 생길 수 있다. 양극화시킨 층에 형성된 균열은 침식성의 공정 가스가 기저 알루미늄 층을 공격하여, 부품 수명을 감소시키며 웨이퍼, 평판 표시 장치 기판 등과 같은 공정 기판의 금속적 및 분자 오염에 기여하게 할 수 있다.
본 발명의 예시적인 구현예에 따르면, 가스 링의 노출된 표면은 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료의 코팅(42)으로 덮여질 수 있다. 세라믹 재료는 (원 산화물 표면 필륨과 같이 또는 없는 상태로) 피복없는 알루미늄 층 또는 알루미늄 산화물 층(예컨대, 양극화시킨 표면을 가지는 알루미늄)상에 코팅될 수 있다. 가스 링을 코팅할 때, 코팅은 그 내측 벽을 코팅하고 보호하기 위하여, 개구를 방해하지 않고, 가스 홀을 부분적으로 관통하도록 허용될 수 있다. 예컨대, 가스 홀은 코팅 공정중에 플러그 또는 마스크될 수 있다.
공정중에 플라즈마에 노출되는 TCP 9400TM식각 반응기의 다른 구성부품도 역시 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료로 코팅될 수 있다. 이러한 구성부품은, 예컨대, 챔버 벽, 챔버 라이너, 척 장치(chucking device) 및 기판 반대의 유전 창(dielectric window) 등을 포함한다. 정전 척과 같은 척 장치의 상부면에 본 발명에 따른 코팅을 제공하는 것은, 웨이퍼가존재하지 않고 따라서 척의 상부면이 플라즈마에 직접 노출되는 세정 싸이클 동안에 척에 대한 부가적인 보호를 제공한다.
본 발명에 따라 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료를 포함하는 또 다른 예시적인 폴리실리콘 식각 반응기는 도 3에서 도시된 바와 같은 California, Fremont의 Lam Research Corporation에서 역시 취득 가능한 VersysTMPolysilicon Etcher 또는 2300TM식각기이다. 반응기는 그 위에 장착된 기판(미도시)에 클램프 력(clamping force)를 제공하는 정전 척(154)을 구비하는 기판 지지체(152)를 구비하는 반응기 챔버(150)를 구비한다. 포커스 링(focus ring:170)은 정전척(electrostatic chuck:154) 둘레의 기판 지지체(152)상에 장착된다. 기판 지지체(152)는 또한 기판에 RF 바이어스(bias)를 적용하기 위하여 사용된다. 기판은 또한 헬륨과 같은 열전달 가스를 사용하여 후방 냉각(back-cooled)될 수 있다. 2300TM식각기에서, 처리 가스(예컨대, cl2, HBr, CF4, CH2F2, O2,N2,Ar,SF6및 NF3)가 챔버(150)의 상부에 위치되며 가스 공급부(156)에 연결된 가스 주입부(168)를 통하여 챔버(150)안으로 안내된다. 가스 주입기(168)는 통상적으로 석영 또는 알루미늄과 같은 세라믹 재료로 제조된다. 도시된 바와 같이, 유도 코일(158)이 고밀도(예컨대, 1011내지 1012ions/cm3) 플라즈마를 제공하기 위하여 적절한 RF 소스(RF source:미도시)에 의하여 전압 공급될 수 있다. 유도 코일(158)은 RF 에너지를 유전 창(160)을 통하여 챔버(150)의 내부로 커플한다. 유전 창(160)은 통상적으로 석영 또는 알루미늄과 같은 세라믹 재료로 제조된다. 유전 창(160)이 고리형 부재(162)상에 장착된 것이 도시되어 있다. 고리형 부재(162)는 유전 창(160)을 챔버(150)의 상부로부터 이격시키며, "가스 분배판(gas distribution plate)"이라 불려진다. 챔버 라이너(164)는 기판 지지체(152)를 둘러싼다. 챔버(150)는 또한 소망하는 압력에서 챔버의 내부를 유지하는 적절한 진공 펌프 장치(미도시)를 구비한다.
도 3에서, 고리형 부재(162), 유전 창(160), 기판 지지체(152), 챔버 라이너(164), 가스 주입기(168), 포커스 링(170) 및 정전척(154)과 같은 반응기 구성부품의 선택된 내부 표면이, 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료의 코팅(166)으로 코팅되어 있는 것이 도시되어 있다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 챔버(150)의 선택된 내부 표면과 챔버 라이너(164) 밑의 기판 지지체(152)도 역시 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료의 코팅(166)이 제공된다. 내측 반응기 표면와 더불어, 어떤 또는 모든 이러한 표면은, 본 발명에 따른 코팅이 제공될 수 있다. 후술되는 바와 같이, 어떤 또는 모든 이러한 구성부품들은 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료의 단일체로부터 선택적으로 제조될 수 있다.
본 발명에 따르면, 구성부품은 고밀도 산화물 식각 공정에서 사용될 수 있다. 예시적인 산화물 식각 반응기는 California, Fremont의 Lam ResearchCorporation에서 역시 취득 가능한 TCP 9100TM플라즈마 식각 반응기이다. TCP 9100TM반응기에서, 가스 분배판은 TCPTM바로 밑에 위치된 원형 판이며, 이는 또한 반도체 웨이퍼의 상부 또는 이와 평행한 평면안의 반응기의 상부의 진공 밀폐 표면이다. 가스 분배판은, 상기 가스 분배판의 주위에 위치된 가스 분배 링에 밀폐되어 있다. 가스 분배 링은 공급부로부터의 가스를, 가스 분배판, RF 에너지를 반응기안으로 공급하는 평판 나선(flat spiral) 형태의 안테나를 기저하는 창의 내부 표면 및 가스 분배링에 의하여 한정된 체적안으로 공급한다. 가스 분배판은 판을 통하여 연장되는 지정된 직경의 홀들을 포함한다. 가스 분배판을 관통하는 홀들의 공간적 분배는, 예컨대 웨이퍼상의 포토레지스트 층(photoresist layer), 실리콘 이산화물 층 및 기저층 재료등의 식각되는 층들의 식각 불균일을 최적화시키길 수 있도록 변화될 수 있다. 가스 분배판의 단면 형상은 RF 전원을 반응기안의 플라즈마안으로 조정하기 위하여 변화될 수 있다. 가스 분배판은 이 RF 전원을 가스 분배판을 통하여 반응기안으로 커플링하게 하는 유전체이다. 또한, 가스 분배판의 재료는, 고장과 그와 연결되는 결과적인 입자 발생을 회피하기 위하여, 산소 또는 수소화불화탄소(hydrofluorocarbon) 가스 플라즈마와 같은 화학 스퍼터 -식각에 높은 내성을 지니는 것이 바람직하다.
도 4는 전술한 형태의 플라즈마 반응기를 도시한다. 반응기는 반응기 챔버(10)를 구비한다. 기판 홀더(12)는 정전척(34)을 구비하며, 이는 기판에 클램프 력 및 RF 바이어스를 제공한다. 기판은 헬륨과 같은 열전달 가스를 사용하여 후방 냉각될 수 있다. 포커스 링(14)은 플라즈마를 기판 상부의 영역에 한정시킨다. 고밀도 플라즈마를 제공하기 위하여 적절한 RF 소스에 의하여 전원공급되는 안테나(18)와 같은 챔버내의 고밀도(예컨대, 1010내지 1012ions/cm3)의 플라즈마를 유지하기 위한 에너지의 공급원은 반응기 챔버(10)의 상부에 위치되어 있다. 반응기 챔버는 챔버의 내부를 소망하는 압력(예컨대 50mTorr, 통상적으로 1 내지 20 mTorr)으로 유지시키기 위하여 진공 펌프 장치를 구비한다.
실질적으로 평면인 유전체의 창(20)이 안테나(18)와 공정 챔버(10)의 내부와의 사이에 제공되며, 공정 챔버(10)의 상부에 진공 벽을 형성한다. 가스 분배판(22)은 창(20)하부에 제공되며 가스 공급부(23)로부터의 처리 가스를 챔버(10)안으로 실어 나르기 위한 개구부를 구비한다. 원뿔체의 라이너(30)는 가스 분배판(22)으로부터 연장되며, 기판 홀더(12)를 둘러싼다. 안테나(18)에는 그를 통해 온도 조절 유체가 입구 및 출구 도관(25,26)을 지나 유동하는 채널(4)이 제공된다. 그러나, 안테나 및/또는 창(20)은 냉각될 필요 없거나, 가스를 안테나 및 창 위로날리거나, 창 및/또는 가스 분배판 등을 통하여 또는 이와 열전달 접촉하는 냉각 유체를 통과시키는 것 등에 의해 다른 적절한 기술로서 냉각될 수 있다.
작동중, 반도체 웨이퍼등과 같은 기판은 기판 홀더(12)상에 위치되며, 정전척(34)에 의하여 제 위치에 고정된다. 그러나, 기계적인 클램프 기구와 같은 다른 클램프 수단도 사용될 수 있다. 또한, 기판과 척 사이의 열전달을 개선시키기 위하여 헬륨 후방 냉각이 채용될 수 있다. 처리 가스는 그 다음, 창(20)과 가스 분배판(22)사이의 갭(gap)을 통하여 처리 가스를 통과시킴으로서 진공 공정 챔버(10)로 공급된다. 적절한 가스 분배판 배치(즉, 샤워헤드)가 공동으로 소유된 U.S 특허 번호 5,824,605, 6,048,798 및 5,863,376에 개시되어 있으며, 그 각각이 전부로서 여기에 참조로서 포함된다. 고밀도 플라즈마는 적절한 RF 파워를 안테나(18)로 공급함으로써 기판과 창사이의 공간 안에서 점화된다.
]도 4에서, 가스 분배판(22), 챔버 라이너(30), 정전척(34) 및 포커스 링(14)와 같은 반응기 구성부품의 내부 표면은 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료의 코팅(32)으로 코팅된다. 그러나, 이러한 표면들 및/또는 다른 표면들중의 선택된 것들만이 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료로 코팅될 수 있다.
당업자는 전술된 고밀도 폴리실리콘 및 유전체 식각 챔버는 본 발명에 따른 구성부품을 포함할 수 있는 플라즈마 식각 반응기의 예시적인 구현예에 불과하다는 것을 이해할 것이다. 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료를 포함하는 구성부품은, 플라즈마에 의해 유도된 침식, 부식 및/또는 부식-침식의 감소 및 관련된 오염의 감소가 바람직한 어떠한 식각 반응기(예컨대, 금속 식각 반응기) 또는 다른 형식의 반도체 공정 장비에서 사용될 수 있다.
예컨대, 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료의 코팅이 제공될 수 있는 다른 구성부품은, 챔버 벽, 기판 홀더, 파스너 등을 포함하지만, 그러나 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 부품은 통상적으로 금속(예컨대, 알루미늄) 또는 세라믹(예컨대, 산화 알루미늄)로부터 제조된다. 이러한 금속 플라즈마 반응기 구성부품은 통상적으로 플라즈마에 노출되어 있으며, 가끔 침식, 부식 및 부식-침식의 징후를 나타낸다. 본 발명에 따라 코팅될 수 있는 다른 부품은 플라즈마에 직접적으로 노출될 필요 없고, 그러나 가공된 웨이퍼 등으로부터 방사된 가스와 같은 부식성 가스에 노출될 수 있다. 따라서, 반도체 기판을 가공하는데 사용되는 다른 장비에도 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료가 제공될 수 있다. 그러한 장비는 수송 기구, 가스 공급 시스템, 라이너, 리프트 기구, 로드 락, 도어 기구, 로봇 아암, 파스너 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료로 코팅될 수 있는 금속 재료의 예들은, 예컨대 6061-T6 알루미늄과 304 및 316 스텐레스 강등의 알류미늄 및 알루미늄 합금, 스텐레스 강 및 내화성 금속을 포함한다. 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료가 구성부품상에 내마모성 코팅을 형성하기 때문에, 기저 구성부품은 플라즈마에의 직접 노출로부터 보호된다. 따라서, 금속 기판은 플라즈마에 의한 침식, 부식 및/또는 부식-침식 공격으로부터 보호될 수 있다. 따라서, 알루미늄 합금과 같은 금속 재료는 합금 첨가물, 그레인 구조(grain structure) 또는 표면 조건에 관계없이 사용될 수 있다.
또한, 다양한 세라믹 또는 폴리머 재료가 또한 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료로 코팅될 수 있다. 특히, 반응기 구성부품이 산화 알루미늄(Al2O3), 실리콘 탄화물(SiC), 실리콘 질화물(Si3N4), 붕소 탄화물(B4C) 및/또는 붕소 질화물(BN)을 포함하는 그러나 이에 제한되지는 않는 세라믹 재료로부터 제작될 수 있다. 코팅될 수 있는 폴리머 재료는 플라즈마 반응기안에 존재하는 높은 온도 조건을 견딜 수 있는 것들이 바람직하다.
바람직하다면, 코팅되는 기판의 표면과 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료 코팅과의 사이에 하나 또는 그 이상의 재료의 중간층이 제공될 수 있다. 도 5는, 본 발명의 예시적인 바람직한 구현예에 따른 코팅된 구성부품을 도시한다. 제 1 중간층(80)은 종래의 기술에 의하여 기판(70)상에 선택적으로 코팅되어 있다. 선택적인 제 1 중간충(80)은 충분히 두꺼워서, 기판에 접착하고 선택적인 제 2 중간층(90) 또는 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료 코팅(100)을 형성하기 전에 가공될 수 있도록 허용한다. 제 1 중간 코팅(80) 및 제 2 중간 코팅(90)은 이러한 소망하는 특성을 제공하는 적절한 두께를 가질 수 있다. 이러한 코팅은 적어도 약 0.001 inch, 바람직하게는 약 0.001 내지 약 0.25 inch, 보다 바람직하게는 약 0.001 내지 약 0.15 inch, 가장 바람직하게는 약 0.001 inch 내지 약 0.05 inch의 두께를 가질 수 있다.
선택적인 제 1 중간 코팅(80)을 반응기 구성부품(70)상에 증착시킨 후, 제 1 중간 코팅은, 어떠한 적절한 기술을 사용하여 러프닝(roughening)등에 의하여 처리될 수 있고, 그 뒤 선택적인 제 2 중간 코팅(90), 또는 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료 코팅(100)으로 코팅될 수 있다. 거칠게 된제 1 중간 코팅(80)은 수반되어 적용되는 코팅에 특히 좋은 결합를 제공할 수 있다. 바람직하게는, 제 2 중간 코팅(90)은 높은 기계적 압축 강도를 제 1 중간 코팅(80)으로 전해주며 제 2 중간 코팅(90)안의 균열의 형성을 감소시킨다.
제 2 중간 코팅(90)은 충분히 두꺼워서, 제 1 중간 코팅(80)에 접착하고 어떠한 부가적인 중간 코팅 또는 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료 코팅(100)을 형성하기 전에 가공될 수 있도록 허용한다. 제 2 중간 코팅(90)도 역시 러프닝(roughening)과 같은 것으로 처리될 수 있다. 제 2 중간 코팅(90)은, 적어도 약 0.001 inch, 바람직하게는 약 0.001 내지 약 0.25 inch, 보다 바람직하게는 약 0.001 내지 약 0.15 inch, 가장 바람직하게는 약 0.001 inch 내지 약 0.05 inch의 두께와 같이 이러한 소망하는 특성을 제공하는 적절한 두께를 가질 수 있다.
제 1 및 제 2 중간 코팅은 반도체 플라즈마 공정 챔버에서 사용되기에 적절한 어떠한 금속, 세라믹 및 폴리머 재료로 만들어질 수 있다. 사용될 수 있는 특별히 바람직한 금속은 높은 공정 온도를 견딜 수 있는 내화성의 재료를 포함하지만 그러나 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직한 세라믹은 사플루오르화에틸렌수지(PTFE:polytetrafluoroethylene) 및 폴리이미드(polyimides)와 같은 플루오르 폴리머(fluoropolymers)를 포함하지만 그러나 이에 제한되는 것은 아니다.
중간 코팅은 도금(예컨대, 무전해 도금(electroless plating) 또는 전해도금(electroplating)), 스퍼터링, 침적 도장, 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 전기영동 증착(electrophoretic deposition), 열간 정수압 프레스(hot isostaticpressing), 냉간 정수압 프레스(cold isostatic pressing), 압축 성형(compression molding), 주조, 컴팩팅(compacting), 소결, 및 용사(예컨대, 플라즈마 용사)와 같은 적절한 증착 기술에 의하여 적용될 수 있다.
선택적 제 1 중간 코팅(80) 및 제 2 중간 코팅(90)은 그 소망되는 특성에 따라서 서로 동일한 또는 상이한 배합을 가질 수 있다. 바람직하다면, 동일한 또는 상이한 재료의 제 3, 제 4 또는 제 5의 중간 코팅과 같은 부가적인 중간 코팅도 역시 코팅과 기판 사이에 제공될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료 의 또 다른 예시적인 구현예를 도시한다. 코팅(100)은 구성부품(70)의 외측 표면인 기판상에 직접 증착될 수 있다. 코팅은 구성부품에 소망하는 정도의 내마모성을 제공하는 적절한 두께를 가질 수 있다. 특히, 코팅(100)은 적어도 약 0.001 inch 내지 약 1 inch, 가장 바람직하게는 약 0.001 내지 약 0.5 inch, 보다 바람직하게는 약 0.001 내지 약 0.05 inch의 범위의 두께를 가질 수 있다. 세라믹 층의 두께는 반응기(예컨대, 식각, CVD 등)에서 부닺히는 플라즈마 환경과 호환성있게 선택될 수 있다.
전술된 바와 같이, 용사는 본 발명에 따른 코팅 표면을 갖는 구성부품을 제공하는 바람직한 방법이다. 그러나, 예컨대, 스퍼터링, 침적 도장(immersion coating), 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 전기영동 증착(electrophoretic deposition), 열간 정수압 프레스(hot isostatic pressing), 냉간 정수압 프레스(cold isostatic pressing), 압축 성형(compression molding), 주조, 컴팩팅(compacting), 소결과 같은 다른 코팅 방법도 역시 사용될 수 있다.
전술된 바와 같이, 반도체 공정 장치의 구성부품은 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료로부터 단일체로 또한 제조될 수 있다. 이러한 단일체는 별개의 몸체이거나 다른 구성부품을 위한 피복일 수 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료는 라이너와 같이 반응기 구성부품의 노출된 표면을 덮기 위하여 구성된 피복이 형성될 수 있다. 이러한 피복은, 예컨대, 접착 결합(adhesive bonding)을 포함하는 어떠한 적절한 파스닝(fastening) 기술 또는 기계적인 파스너에 의하여 반응기 챔버안의 표면에 접착될 수 있다. 파스너가 사용될 때에, 파스너 자체가, 만일 플라즈마에 노출된다면, 그 기능 수명을 향상시키기 위하여 역시 내침식 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 부가적으로, 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료 피복이 기저 반응기 구성부품과 맞물리도록 구성될 수 있다. 단일체의 피복은 예컨대 벽 및 다른 표면상의 어떠한 적절한 기판상에 제공될 수 있다.
하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료로부터 단일체를 제조하는 예시적인 방법은 예컨대 하프늄 산화물, 스트론튬 산화물, 디스프로슘 산화물 및/또는 란탄 산화물을 포함하는 슬러리를 준비하고; 슬러리로부터 소망하는 형태와 크기로 그린 컴팩트를 형성하고; 소결된 몸체를 형성하기 위하여 컴팩트를 소결하는 것;을 포함할 수 있다. 그린 컴팩트는 어떠한 소망하는 플라즈마 반응기 구성부품의 형상으로 형성될 수 있다. 세라믹 공정 기술에 대한 상세한 것은 W.D. Kingery, H.K. Bowen 및 D.R. Uhlmann저 (J. Wiley & Sons사, 1976)"Introduction to Ceramics, 제 2 판"에서 주어진다. 이 기술은 그 전체로서 여기에 참조로서 포함된다.
단일체의 구성부품은 플라즈마 반응기의 플라즈마 노출된 구성부품인 것이 바람직하다. 적절한 구성부품은 예컨대, 로봇 아암, 파스너, 내측 및 외측 챔버 벽 등과 같은 챔버 벽, 기판 지지체, 샤워헤드를 구비하는 가스 분배 시스템, 배플, 링, 노즐, 파스너, 가열 요소, 플라즈마 스크린, 라이너, 수송 모듈 구성부품을 포함할 수 있다. 그러한 구성부품의 특정한 예가 도 7에 도시된 반응기 구성부품(110)이다. 반응기 구성부품(110)은 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료로 제조된 단일체이다.
하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 재료는 반응기 챔버 및 구성부품의 모든 또는 일부에 제공될 수 있다. 바람직한 구현예에서, 코팅 또는 단일체는 플라즈마와 직접 접촉하는 부품 또는 챔버 구성부품(예컨대, 라이너) 후방에 위치된 부품과 같이 플라즈마 환경에 노출된 반응기 챔버의 영역에 제공된다. 부가적으로, 하프늄 산화물, 스트론튬 산화물, 디스프로슘 산화물 및/또는 란탄을 포함하는 코팅 또는 단일체가, 상대적으로 높은 바이어스 볼트(즉, 상대적으로 높은 스퍼터 이온 에너지)에 취약한 반응기 챔버의 영역에 제공되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라, 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 코팅 또는 피복 적용하는 것 또는 단일체의 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및/또는 란탄을 포함하는 세라믹 구성부품을 구성하는 것에 의하여 장점이 실현된다. 즉,플라즈마 반응기에서 낮은 침식률이 달성된다. 따라서, 본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 코팅, 피복및 구성부품은 금속 및 입자 오염의 정도를 감소시키고, 소모품의 수명을 증가시킴으로써 비용을 절감하며, 공정 드리프트를 줄이며 챔버 부품 및 기판의 부식 정도를 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 하프늄, 스트론튬, 디스프로슘 및 란탄을 포함하는 세라믹 코팅, 피복 및 구성부품은 극히 단단하고 내마모성의 표면을 제공할 수 있다. 그러한 코팅 또는 구성부품은 공정 챔버 가스와 반응하는 물질이 바람직하게 존재하지 않고, 화학적으로 불활성이어서, 입자 오염, 부식, 금속 오염 및/또는 휘발성의 식각 제품이 낮거나 또는 전혀 없게된다.
비록 본 발명이 그 특정한 구현예에 관하여 상세하게 기술되었지만, 첨부된 특허 청구 범위의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변화 및 변형이 만들어 질 수 있으면, 균등물이 채용될 수 있다는 것이 당업자에게 분명할 것이다.
Claims (40)
- 반도체 공정 장치의 구성부품으로서, 세라믹 재료를 구비한 적어도 하나의 부분을 구비하며, 상기 부분은 구성부품의 최외측 표면을 구비하며, 상기 세라믹 재료는 하프늄 질화물, 하프늄 붕소화물, 하프늄 탄화물, 하프늄 플루오르화물, 스트론튬 산화물, 스트론튬 질화물, 스트론튬 붕소화물, 스트론튬 탄화물, 스트론튬 플루오르화물, 란탄 산화물, 란탄 질화물, 란탄 붕소화물, 란탄 탄화물, 란탄 플루오르화물, 디스프로슘 산화물, 디스프로슘 질화물, 디스프로슘 붕소화물, 디스프로슘 탄화물 및 디스프로슘 플루오르화물로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 재료를 세라믹 재료 코팅의 단일한 최대 구성성분으로 구비하는 것을 특징으로 하는 구성부품.
- 제 1항에 있어서,세라믹 재료는 스트론튬 산화물 및 디스프로슘 산화물의 하나를 단일한 최대 구성성분으로 구비하는 것을 특징으로 하는 구성부품.
- 제 1항에 있어서,구성부품은 기판을 구비하며, 세라믹 재료는 기판상의 코팅인 것을 특징으로 하는 구성부품.
- 제 3항에 있어서,코팅은 약 0.01 in. 내지 약 0.050 in.의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 구성부품.
- 제 3항에 있어서,코팅은 실질적으로 세라믹 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 구성부품.
- 제 3항에 있어서,기판상의 적어도 하나의 중간 층;을 더 구비하며, 코팅은 적어도 하나의 중간 층상에 있는 것을 특징으로 하는 구성부품.
- 제 1항에 있어서,세라믹 재료는(i)주기율표의 IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB 및 VB 족의 원소중 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물, 및(ii)주기율표의 악티니드 계열의 원소중 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 구성부품.
- 제 1항에 있어서,상기 구성부품은, 챔버 벽, 챔버 라이너, 가스 분배판, 가스 링, 주춧대, 유전체 창, 정전척 및, 플라즈마 포커스 링 으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 구성부품.
- 제 1항에 따른 적어도 하나의 구성부품을 구비하는 플라즈마 식각 반응기
- 제 1항에 따른 반도체 공정 장치의 구성부품을 제조하는 과정으로서,기판상에 코팅으로서 세라믹 재료를 적용하는 단계를 구비하며, 상기 코팅은 구성부품의 최외층 표면을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 장치의 구성부품의 제조 과정.
- 제 10항에 있어서,세라믹 재료는 단일한 최대 구성성분으로서 스트론튬 산화물, 디스프로슘 산화물 및 란탄 산화물의 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 10항에 있어서,기판의 표면을 러프닝(roughening)하는 단계와, 세라믹 재료의 기판상의 점착을 향상시키기 위하여 러프닝된 표면상에 세라믹 재료를 적용하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 10항에 있어서,코팅은 본질적으로 세라믹 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 10항에 있어서,기판상에 적어도 하나의 중간 층을 적용하며; 그리고,적어도 하나의 중간 층상에 코팅을 적용하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 14항에 있어서,기판상에 적어도 하나의 중간 층의 접착을 향상시키기 위하여 적어도 하나의 중간층을 적용하기 전에 기판을 처리하며; 그리고,적어도 하나의 중간 층상에 세라믹 재료의 접착을 향상시키기 위하여 세라믹 재료를 적용시키기 전에 적어도 하나의 중간 층을 처리하는 것;의 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 10항에 있어서,세라믹 재료는 용사에 의해 기판상에 적용되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 10항에 있어서,세라믹 재료는,(i)주기율표의 IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB 및 VB 족의 원소중 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물, 및(ii)주기율표의 악티니드 계열의 원소중 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 1항에 따른 반도체 공정 장치의 구성부품을 제조하는 공정으로서,본질적으로 세라믹 재료로 구성된 단일체의 부품으로 구성부품을 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 반도체 공정 장치의 구성부품으로서,(a)세라믹 재료의 단일한 최대 구성성분으로서 하프늄 산화물, 하프늄 질화물, 하프늄 붕소화물, 하프늄 탄화물 및 하프늄 플루오르화물의 하나를 구비하는 세라믹 재료로 전부 구성된 단일체의 부분;(b)금속을 포함하는 또는 폴리머 기판, 그리고 구성부품의 최외측 표면을 형성하는 상기 기판상의 세라믹 재료의 코팅을 구비하는 복합 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 구성부품.
- 제 19항에 있어서,세라믹 재료는 본질적으로 하프늄 산화물로 구성되는 것을 특징으로 하는 구성부품.
- 제 19항에 있어서,세라믹 재료는,(i)주기율표의 IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB 및 VB 족의 원소중 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물, 및(ii)주기율표의 악티니드 계열의 원소중 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 구성부품.
- 제 19항에 있어서,복합 부분은,기판상의 적어도 하나의 중간 층; 및,적어도 하나의 중간 층상의 세라믹 재료 코팅;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 구성부품.
- 제 19항에 있어서,상기 구성부품은, 챔버 벽, 가스 분배판, 가스 링, 주춧대, 유전체 창, 정전척 및 플라즈마 포커스 링 으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 구성부품.
- 제 19항에 있어서,단일체의 부분과 코팅은 본질적으로 세라믹 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 구성부품.
- 제 19항에 따른 적어도 하나의 구성부품을 구비하는 반도체 공정 장치.
- 제 19항에 따른 반도체 공정 장치의 구성부품을 제조하는 공정으로서,(a)단일체의 부분을 오르지 세라믹 재료로 형성하는 것; 또는(b)코팅이 복합 부분의 최외층 표면을 형성하도록 기판상에 세라믹 재료의 코팅을 적용하는 것;을 구비하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 26항에 있어서,코팅은 약 0.01 in. 내지 약 0.050 in.의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 26항에 있어서,기판상에 적어도 하나의 중간 층을 적용하는 것; 및적어도 하나의 중간 코팅상에 코팅을 적용하는 것;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 28항에 있어서,기판은, 금속 기판이며; 그리고,공정은,기판상에 적어도 하나의 중간 층의 접착을 향상시키기 위하여 적어도 하나의 중간층을 적용하기 전에 기판을 처리하는 것; 그리고,적어도 하나의 중간 층상에 세라믹 재료의 접착을 향상시키기 위하여 세라믹 재료를 적용시키기 전에 적어도 하나의 중간 층을 처리하는 것;의 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 26항에 있어서,기판은 금속 기판이며; 그리고코팅은 기판상에 용사에 의해 적용되는 것;을 특징으로 하는 공정.
- 제 26항에 있어서,세라믹 재료는,(i)주기율표의 IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB 및 VB 족의 원소중 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물, 및(ii)주기율표의 악티니드 계열의 원소중 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 26항에 있어서,상기 구성부품은, 챔버 벽, 가스 분배판, 가스 링, 주축대, 유전체 창, 정전척 및 플라즈마 포커스 링 으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 26항의 공정에 의하여 제조된 플라즈마 반응기의 구성부품.
- 반도체 공정 장치의 구성부품을 제조하는 공정으로서,하프늄 산화물, 하프늄 질화물, 하프늄 붕소화물, 하프늄 탄화물, 하프늄 플루오르화물, 스트론튬 산화물, 스트론튬 질화물, 스트론튬 붕소화물, 스트론튬 탄화물, 스트론튬 플루오르화물, 란탄 산화물, 란탄 질화물, 란탄 붕소화물, 란탄 탄화물, 란탄 플루오르화물, 디스프로슘 산화물, 디스프로슘 질화물, 디스프로슘 붕소화물, 디스프로슘 탄화물 및 디스프로슘 플루오르화물로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 세라믹 재료를 슬러리의 단일한 최대 구성성분으로 구비하는 슬러리를 준비하는 것;슬러리로부터 그린 컴팩트(green compact)를 형성하는 것; 및구성부품을 형성하기 위하여 그린 컴팩트를 소결(sinter)하는 것;을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 34항에 있어서,슬러리는 하프늄 산화물, 스트론튬 산화물, 란탄 산화물 및 디스프로슘 산화물의 하나를 슬러리의 단일한 최대의 구성성분으로 구비하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 34항에 있어서,구성부품은 오로지 적어도 하나의 세라믹 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 34항에 있어서,구성부품은 단일한 최대 구성성분으로 하프늄 산화물을 구비하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 34항에 있어서,세라믹 재료는,(i)주기율표의 IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB 및 VB 족의 원소중 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물, 및(ii)주기율표의 악티니드 계열의 원소중 산화물, 질화물, 붕소화물, 플루오르화물 및 탄화물로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 34항에 있어서,상기 구성부품은, 챔버 벽, 가스 분배판, 가스 링, 주춧대, 유전체 창, 정전척 및 플라즈마 포커스 링 으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 공정.
- 제 34항의 공정에 의하여 제조된 플라즈마 식각 반응기의 구성부품.
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