KR20230116776A - 정전 척을 위한 개선된 플라즈마 저항성 코팅 - Google Patents

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매튜 폴 커크
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오를리콘 서피스 솔루션스 아크티엔게젤샤프트, 페피콘
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Abstract

반도체 구성요소의 제조를 위해 플라즈마 에칭 챔버 내에서 사용되는 장치를 생산하는 방법은, 장치의 기재를 형성하는 본체를 제공하고, 본체의 표면에 제1 코팅을 적용하는 것을 포함하며, 제1 코팅은, 금속 코팅된 본체를 형성하기 위해 금속 및/또는 금속 합금 얇은 필름 코팅 층을 포함하고, 금속 코팅된 본체 상에 제2 코팅을 적용하며, 제2 코팅은 세라믹 코팅층을 포함하고, 제2 코팅은 제1 코팅과 적어도 부분적으로 중첩된다.

Description

정전 척을 위한 개선된 플라즈마 저항성 코팅
본 발명은 반도체 구성요소의 제조를 위해 플라즈마 에칭 챔버 내에서 사용되는 장치의 생산 방법 뿐만 아니라, 바람직하게는 이러한 방법에 의해 생산되는, 반도체 구성요소의 제조를 위해 플라즈마 에칭 챔버 내에서 사용되는 장치에 관한 것이다.
정전 척(electrostatic chucks)과 같은 장치는 일반적으로 반도체 기술에 사용된다. 정전 척(E-chuck)은 종종 반도체 장치 제조에 일반적으로 사용되는 세라믹 상 코팅(ceramic phase coatings)(산화물, 질화물, 붕소화물, 탄화물, 산질화물 등)을 포함하는 층 시스템(layer system)으로 코팅된다. 이러한 E-척은 반도체 에칭 챔버 내에 사용되며, 에칭 플라즈마에 노출된 E-척을 보호하기 위해 이온 충격 및 할로겐 가스에 의한 에칭에 저항하는 코팅으로 코팅되어야 한다.
플라즈마 저항성 E-척을 구성하기 위한 현재의 최신 기술은, 예컨대 실리콘 웨이퍼가 처리 중에 놓여지는 최소 접촉 면적(MCA) 메사 구조를 제작하는(fabricate) 방법이다. 이 메사 MCA 구조의 제작은 메사를 원하는 높이에 남겨두도록 적절한 양의 재료를 제거하기 위해 양의 하드 마스크(MCA 구조의 높은 지점으로 패턴을 변환)와 감산 제거 공정(subtractive ablation process)(종종 블라스팅 작업)을 이용한다. 이 공정은 미립자 오염과 관련하여 반도체 다이 수율 손실(semiconductor die yield loss)을 초래하는 특정한 단점을 가진다. 다른 단점으로는 일부 생산 사용 후 E-chucks를 개장(refurbish)하고 복원할 수 있는 기능을 제한한다. 최신 기술의 개장은 특정 양의 베이스 세라믹 재료를 제거하는 그라인딩/폴리싱 단계 및 앞서 언급된 MCA 패턴의 재생성을 포함한다. 베이스 세라믹의 유전 특성(dielectric properties)의 중요성으로 인해, 두께의 변화는 E- 척의 정전 성능에 해로운 영향을 미칠 수 있어 성능 저하로 인해 개장될 수 있는 횟수를 제한한다.
그러나 새로운 방법론에 따르면 MCA 패턴은 위에서 언급한 문제를 없애는 얇은 필름 증착을 통해 첨가 공정(additive process)에서 리버스 마스크(reverse mask)로 생성된다.
이러한 얇은 필름 증착 코팅은 일반적으로 PVD 및 스프레이 기술을 포함한 다양한 방법으로 적용되는 산화물(oxides), 산질화물(oxynitrides) 및 산불화물(oxyfluorides)로 구성된다. 이러한 코팅은 낮은 에칭률(etching rate)을 가지지만, 사용 또는 경우에 따라 기계적 마모로 인해 더 얇아지고 어느 시점에서 교체되어야 한다. 취급 중(예: 스크래치에 의한)에 손상이 발생할 경우 코팅의 교체가 필요할 수도 있다. 이는 일반적인 구성요소의 비용과 경우에 따라 코팅이 너무 얇아지면(예: 정전 척, E-척의 기능을 위해) 유전 특성을 유지해야 하는 필요성에 의해 동기가 부여된다. 따라서, 개장이 용이한 에칭-저항성 코팅(etch-resistant coatings)이 필요하다.
그릿 블라스팅(grit blasting) 또는 래핑과 같은 방법에 의해 코팅을 기계적으로 제거하는 것은 경우에 따라 실용적이지 않거나 적용할 때마다 구성요소를 손상시키는 단점이 있다. 이는 위에서 언급된 E- 척 상의 메사 구조와 같은 패턴 표면의 경우 특히 그렇다. 따라서 화학적 또는 전기 화학적 방법으로 코팅을 컨포멀 방식(conformal manner)으로 선택적으로 제거하는 것이 매우 유리할 것이다. 그러나 불행히도 이러한 방법은 대부분의 화학 물질에 대해 설계상 불활성인 에칭-저항성 코팅에는 그다지 효율적이지 않다. 이 문제는 에칭-저항성 코팅이 유사한 화학적 성질(즉, E-척의 Al2O3/AlON 표면 상에 Al2O3/AlON 코팅)의 기재 상에 적용되는 경우에 더욱 커진다.
US10497598 B2는 세라믹 구조 요소(ceramic structural element), 세라믹 구조 요소 상에 배치된 적어도 하나의 전극 및 적어도 하나의 전극 위에 배치된 표면 유전층을 포함하는 정전 척을 개시한다. 표면 유전층은 적어도 하나의 전극 바로 위에 배치된 5 미크론 미만의 두께의 비정질 알루미나(amorphous alumina)의 절연층, 및 산질화알루미늄(aluminum oxynitride)을 포함하는 적어도 하나의 유전층 및 적어도 하나의 산화규소 및 산질화규소(silicon oxynitride)를 포함하는 적어도 하나의 유전층을 포함하는, 절연체 위에 배치되는 유전층의 스택을 포함한다.
US9761417 B2는 약 1 미크론 내지 약 10 미크론의 두께를 갖으며 기재를 보호하기 위해 기재 상에 직접 놓이는 AlON의 플라즈마-저항성 층으로 만들어진 이중층 코팅 및, AlON 층 바로 접하여 놓이는 약 1 미크론 내지 약 10 미크론의 두께의 이트리아 코팅(yttria coating)의 최외측 플라즈마-저항성 층을 개시한다. 보호를 위한 플라즈마-저항성 층은 반도체 제조 시스템의 구성 요소인 기재(substrate) 상에 직접 증착되며 석영, 알루미나, 알루미늄, 강철, 금속 또는 합금일 수 있다. AlON 및 이트리아 층은 모두 펄스 반응성 물리 기상 증착에 의해 반도체 제조 동안 플라즈마 노출로부터 기재를 보호하기 위해 기재 상에 증착된다.
US10020218 B2는 내장된 전극을 포함하는 AlN 또는 Al2O3 로 만들어진 세라믹 본체를 포함하는 정전 척을 개시하는데; 세라믹 본체의 표면 상에 직접 증착된 제1 세라믹 코팅, Al2O3, AlN, Y2O3, Y2Al5O12 (YAG) 및 AlON로 이루어진 그룹으로부터의 재료를 포함하고 약 5-30μm의 두께를 가지며 상기 제1 세라믹 코팅 상의 제2 세라믹 코팅, 및 약 0.5-2.0 mm의 직경 및 약 2-20 미크론의 두께를 가지며 제2 세라믹 코팅 상의 복수의 타원형 메사를 개시한다.
US8206829 B2는 플라즈마-저항성 코팅 및 정전 척과 같은 플라즈마 챔버 구성요소 상에 이러한 코팅을 형성하는 방법을 개시하는데, 여기서 플라즈마-저항성 코팅은 기재에 고유하지 않은 결정질 세라믹을 포함하며, 이트륨, 이리듐(Ir), 로듐(Rh)의 산화물, 질화물, 붕소화물, 탄화물 또는 할로겐화물, 또는 에르븀과 같은 란탄족(lanthanoid) 중 적어도 하나를 포함하며 1% 미만의 다공성을 포함하는 방식으로 형성된다. 플라즈마-저항성 코팅은 기재와 플라즈마-저항성 코팅 사이에 배치되는 중간층을 통해 기재의 적어도 일부분 위에 증착되며, 여기서 중간층은 플라즈마 저항성 코팅의 주요 성분 요소 이외의 요소의 산화물, 질화물 또는 탄화물을 포함한다.
US9633884 B2 는 플라즈마 강화 물리 기상 증착에 의해 증착된 Y2O3/Al2O3 또는 YF3/Al2O3 의 혼합물로 이루어지는 플라즈마 처리 챔버용 정전 척 어셈블리를 덮는 플라즈마-저항성 코팅을 개시한다. 저자는 또한 보호하기 위해 E-척과 Y2O3 및 Al2O3중 적어도 하나를 포함하고 표준 플라즈마 스프레이를 사용하여 형성된 플라즈마 -저항성 코팅 사이에 제공되는 언더코트 층을 개시한다.
US7732056 B2 는 알루미늄 구성요소의 표면을 양극 산화처리하여(anodizing) 양극 산화처리된 알루미늄 산화물 층 및 양극산화 처리된 알루미늄 산화물 층 상에 직접 증착된 알루미늄 산화물을 포함하는 스퍼터링된 층을 형성하는 것을 포함하는, 알루미늄 구성요소의 표면 상에 플라즈마-저항성 코팅을 제공하는 방법을 개시한다.
US20190067069 A1 은 세라믹 베이스 내의 전극 및 표면층을 포함하는 정전 척을 개시하는데, 표면층은 다수의 돌기를 포함하며, 돌기는 그 형태(morphology)가 원주형 또는 과립형인 조성을 포함한다. 돌기를 형성하는 재료는 전체적으로 물리적으로 증착된 산질화알루미늄(AlON)으로 만들어 질 수 있거나 알루미나와 같은 하부에 놓인 세라믹 위에 산질화알루미늄 코팅이 될 수 있다. 돌기에 사용될 수 있는 다른 재료의 실례로는 이트리아(Y2O3), 이트륨 알루미늄 가넷(YAG), 알루미나(Al2O3) 또는 산질화알루미늄을 포함할 수 있다.
위에서 언급된 모든 특허는 기능성 세라믹 얇은 필름을 베이스 세라믹의 표면에 직접 증착하는 것에 기초한 솔루션을 개시한다. 따라서 E-척의 신뢰성과 성능은 베이스 세라믹 구성요소에 잘 부착되는 세라믹 층의 탄력성(resilience)과 본질적으로 연결된다. 그러나 세라믹 코팅은 깨지기 쉬운 기계적 거동으로 인해 기계적 권유(mechanical solicitations) 중에 균열이 발생하기 쉽다는 것은 잘 알려져 있다. 약하고 불안정한 코팅 무결성(coating integrity)은 정상보다 이른 코팅 실패와 치명적인 필름 박리(delamination)를 초래하여 E-척의 수명과 성능을 저해할 수 있다.
US7077918 는 세라믹 또는 금속 공작물에서 코팅을 박리하는 방법을 기술한다. 박리를 용이하게 하기 위해 적어도 제1 크롬 및 알루미늄을 함유한 코팅이 가공물에 직접 적용된다. 코팅 위에는 큰 기공 구조로 알려진 AlCr의 질화물로 만들어진 기능 층이 증착된다. 그 다음 과망간산염 용액으로 박리가 수행된다. 이 용액은 AlCr의 질화물을 침범하지 않지만 큰 기공을 통해 AlCr 층은 예상대로 침범을 받는다. 그러나 플라즈마 에칭 공정에 비해 더 미세한 기공과 더 나은 보호 기능을 가진 세라믹 층을 사용함으로써 세라믹 층 아래에 위치한 금속 층을 파괴할 것으로 예상되지 않는다.
본 발명의 목적은 종래 기술과 관련된 하나 이상의 어려움을 완화하거나 극복하는 것이다. 특히 본 빌명의 목적은 플라즈마 에칭 공정에서 높은 표면 저항을 가지며 필요에 따라 쉽고 빠르게 표면을 갱신할 수 있고, 코팅 재료 선택에 있어서큰 유연성을 제공하는 장치(device) 및 장치의 생산 방법을 제공하는 것이다.
이러한 문제를 극복하기 위해, 반도체 구성요소(semiconductor components)를 제조하기 위해 플라즈마 에칭 챔버 내에서 사용되는 장치를 생산하는 방법이 발명되었다.
따라서, 본 발명의 제1 양태에서 반도체 구성요소를 제조하기 위해 플라즈마 에칭 챔버 내에서 사용될 장치를 생산하기 위한 방법이 개시되는데, 상기 방법은 다음을 포함한다;
- 장치의 기재를 형성하는 본체를 제공,
- 본체 표면 상에 제1 코팅을 적용,- 금속 코팅된 본체를 형성하기 위해 상기 제1 코팅은 금속 및/또는 금속합금 얇은 필름 코팅 층을 포함함-
- 금속 코팅된 본체 상에 제2 코팅을 적용,-제2 코팅은 세라믹 코팅 층을 포함하고, 상기 제2 코팅은 상기 제1 코팅과 적어도 부분적으로 중첩함-
이에 의해, 상기 장치는 바람직하게는 정전 척으로 설계될 수 있다. 또한 제1 및/또는 제2 코팅은 장치 본체의 표면에 적어도 부분적으로 적용될 수 있다. 제2 코팅이 제1 코팅과 적어도 부분적으로 중첩된다는 용어는 바람직하게는 제2 코팅이, 제1 코팅과 제2 코팅 사이의 간접 연결뿐만 아니라 직접 연결을 포함하는 제1 코팅 위에 적어도 부분적으로 적용될 수 있다는 점에서 이해될 수 있다.
제1 양태의 또 다른 실례에서, 방법은 본체를 제조하는 것을 포함할 수 있고, 여기서 제조는 바람직하게는 본체의 표면을 폴리싱 및 세정함으로서 본체를 코팅 해제(uncoating)하는 것을 포함할 수 있으며, 특히 플라즈마 방법 및/또는 이온 충격(ion bombardment)은 표면을 세정 및/또는 활성화(activating)시키기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 점증적으로, 제조는 본체 표면으로부터 기존 코팅을 용해시키기 위해 알칼리성 또는 산화성 물질로 본체를 처리하는 것을 포함할 수 있다.
제1 양태의 다른 실례에서, 금속 및 세라믹 구성요소(ceramic components)를 포함하는 중간 코팅이 제1 코팅 및 제2 코팅 사이에 적용될 수 있으며, 여기서 중간 코팅은, 바람직하게는 제1 코팅에 대한 인터페이스에서 더 많은 양의 금속 화합물로 시작하여 제2 코팅에 대한 인터페이스에서 더 적은 양의 금속 화합물로 종료하는 중간 코팅 내에서 금속 구성요소의 구배(gradient)를 생성하도록 금속 구성요소의 첨가를 연속적으로 감소시키면서 세라믹 구성요소를 형성하는 반응성 가스의 제어된 공급을 사용함으로써 적용될 수 있으며, 특히 세라믹 구성요소를 형성하는 반응성 가스의 공급 및/또는 금속 화합물의 첨가는 적어도 부분적으로 단계적으로 및/또는 적어도 부분적으로 연속적으로 변화될 수 있다. 다시말해, 원자 조성(atomic composition)은 제1 층에 대한 인터페이스 근처의 적어도 거의 금속으로부터 제2 코팅에 대한 인터페이스 근처에 적어도 거의 세라믹까지 깊이에 따라 변할 수 있고, 이러한 변화는 적어도 부분적으로 단계적 및/또는 적어도 부분적으로 연속적일 수 있으며, 이에 의해 구배를 형성한다.
따라서 본 발명에서는, 본 발명의 문제점을 해결하기 위해 전용 베이스(dedicated base) 또는 중간층을 사용하는 특별한 코팅 아키텍처가 제안된다. 중간층의 특성은 습식 화학적 방법으로 효율적인 코팅 제거를 허용하도록 선택된다. 습식 화학적 방법의 실례에는 알칼리성 또는 산화성 용액이 포함될 수 있다. 용액은 중간층 용해시키거나 산화시켜서 에칭-저항성 층의 리프트-오프(lift-off) 또는 제거를 초래한다.
중간층은 또한 구성요소의 표면에 에칭-저항성 층의 접착(adhesion)을 촉진하는 기능을 갖는다.
여기에는 E-척용의 상이한 기재 재료에 대해 진공 증착된 세라믹 코팅의 접착 강도를 증가시키는 방법이 또한 개시된다. 이러한 재료에는 알루미늄, 스테인리스 스틸 및 Al2O3, 석영, Al2O3/AlON 및 ALN과 같은 다양한 유형의 세라믹이 포함될 수 있다. 본 발명에 따르면 이는 얇고 순수한 금속층을 증착한 후 순수한 금속상(metal phase)으로부터 세라믹상(ceramic phase) 코팅으로의 점진적인 전이에 의해 수행될 수 있다. 향상된 접착력을 통해 상부 기능성 층은 이러한 중간층 구조를 갖지 않는 약하게 결합된 균질한 필름들을 적극적으로 적용하기 위해 보다 견고한 표면을 제공할 수 있다.
발명의 의도는 균질한 세라믹 필름을 기재로 개장할 때 접착력이 부족하고 쉽게 코팅 제거(de-coating)되는 문제점을 해결하기 위한 것이다. 접착 강도를 향상시키고 기능성 에칭-저항성 코팅의 코팅 제거를 용이하게 하기 위해, 균질한 세라믹 층이 증착되기 전에 금속 얇은 필름 층 또는 층 시스템의 사용이 제안된다.
바람직한 실시예에 따르면, 금속 베이스 코팅으로부터 세라믹 베이스 코팅으로의 점진적인 전이(transition)가 실현될 수 있다. 증착 방법에 따라, 금속으로부터 세라믹 베이스 코팅으로의 점진적인 전이를 통해 공정 안정성 및 재현 가능성(repeatability)이 향상된다. 공정 조건의 급격한 변화 대신에, 코팅을 보다 구조적으로 견고하고 반복 가능하게 만들기 위해 느린 전이가 사용될 수 있다.
놀랍게도 E-척에 사용되는 매우 조밀한 세라믹 층에서도 밝혀진 바와 같이 중간 금속 층은 박리 방법을 용이하게 한다. 한가지 가능한 설명은 세라믹 층이 플라즈마가 들어갈 수 없을 정도로 작지만 박리 용액이 들어가 하부(underlying) 금속 베이스 코팅을 공격할 만큼 충분히 큰 기공을 포함할 수 있다는 것이다.
이러한 설명에 기초하여 그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 에칭 챔버에서 사용되는 장치를 형성하는 본체는, 장치의 본체 상의 금속 코팅에 대한 박리제의 접근(access)을 더욱 향상시키기 위해 마이크로- 및/또는 나노구조화될 수 있다. 이는 코팅되지 않은 본체를 구조화함으로써 이루어질 수 있다. 그 후 얇은 필름 코팅의 상부 층이 구조의 하부 영역과 특정 범위 또는 특정 양까지만 접촉하게 될 것이다..
다른 면에서, 용제 작용제(solvent agent)가 본체의 홈에 쉽게 들어갈 수 있으면, 금속 코팅이 효과적으로 용해되어 결과적으로 리프트 오프(lift off) 효과가 발생하고 세라믹 층도 제거된다.
이에 기초하여, 제1 양태의 추가 실례에서 방법은 장치를 마이크로- 및/또는 나노구조화하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 마이크로 및/또는 나노구조화에 의해 도입되는 구조는 격자 구조의 형태로 만들어질 수 있으며, 특히 장치의 본체에 도입될 수 있다.
방금 설명된 바와 같이(그리고 위에 주어진 실례에 제한되지 않음), 구성요소 레벨 개장을 위한 코팅 제거의 용이성은 이 접착층 구조의 사용에 의해 더 쉬워진다. 화학적 박리 방법은 금속 베이스 층의 화학적 공격으로 인해 세라믹 코팅을 다소 쉽게 제거하는 데 사용될 수 있다. 이는 단순히 기재 표면으로부터 필름이 분리(detachment)를 초래하는 세라믹 필름의 언더컷팅에 의해 작동한다. 금속층이 없는 균질한 세라믹 코팅의 경우 화학 물질이 공격할 층이 없다. 따라서 이러한 유형의 코팅을 박리하는 것은 훨씬 더 어렵다.
이 향상된 박리(stripping)가 적용될 수 있는 하나의 특정 영역은 하드 섀도우 마스킹으로부터 증착된 세라믹 코팅을 제거하는 것이다. 예를 들어, 이 마스킹이 정전 척에 피쳐(features)를 증착하는데 사용되는 경우 마스킹을 주기적으로 세정해야 한다. 마스크의 이러한 일상적인 박리는, 코팅에서 입자를 초래할 수 있는, 두꺼운 코팅 형성으로 인한 가능한 벗겨짐(flaking)을 방지한다. 마스킹이 Al2O3와 같은 세라믹 재료인 경우, 금속 층을 사용하면 마스크의 박리를 보다 효율적이고 반복 가능하게 할 수 있다.
정확하고 표적화된 층 형성(build up)을 보장하기 위해, 제1 코팅 및/또는 제2 코팅 및/또는 중간 코팅을 적용하기 위한 진공 코팅 방법이 사용될 수 있는데, 바람직하게는 CVD- 또는 PVD-기술, 특히 마그네트론 스퍼터링 기술이 사용될 수 있다.
층 형성과 관련하여, 제1 코팅으로서 순수 금속층 및/또는 순수 금속 합금이 본체의 표면에 적용될 수 있으며, 금속층 및/또는 금속 합금은 다음의 금속들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다 : Al, V, Ti, Hf, Y, Er, Sc, Ce, La.
또한 제2 코팅으로서의 층 형성과 관련하여, 순수 세라믹 층이 본체의 표면에 적용될 수 있으며, 바람직하게는 세라믹 층은 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 산화물(oxides), 질화물, 산질화물(oxynitrides), 규산염(silicates), 불화물, 탄화물, 산불화물(oxyfluorides), 여기서 특히 상기 세라믹을 형성하기 위한 반응성 가스는 천천히 공급되어 램핑될 수(ramped) 있다.
본 발명의 제2 양태는 반도체 구성요소의 제조를 위한 플라즈마 에칭 챔버 내에서 사용되는 장치로써, 바람직하게는 이전 청구항 중 하나에 따른 방법에 의해 생산되고, 장치의 기재를 형성하는 본체, 본체의 표면 상에 적용되는 제1 코팅 -상기 제1 코팅은 금속 및/또는 금속 합금 얇은 필름 코팅 층을 포함함-, 금속 코팅된 본체 상에 적용되는 제2 코팅을 포함하며- 상기 제2 코팅은 세라믹 코팅층을 포함함-, 제2 코팅은 제1 코팅과 적어도 부분적으로 중첩한다. 장치의 기재를 형성하는 본체는 알루미늄, 스테인리스 스틸 및/또는 Al2O3, 석영, Al2O3/AlON 또는 ALN과 같은 다양한 유형의 세라믹을 포함할 수 있다.
제2 양태의 다른 실례에서, 장치는 제1 코팅과 제2 코팅 사이에 위치되는 중간 코팅을 더 포함할 수 있고, 여기서 중간 코팅은 층 내에 바람직하게는 불균질하게 분포될 수 있는 금속 및 세라믹 구성요소를 포함한다.
중간 코팅과 관련하여, 중간 코팅 내의 금속 부분은 중간 코팅과 제1 코팅 사이의 인터페이스로부터 시작하여 중간 코팅과 제2 코팅 사이의 인터페이스까지 연속적으로 감소할 수 있고, 동시에 층 내의 세라믹 부분은 중간 코팅과 제1 코팅 사이의 인터페이스로부터 시작하여 중간 코팅과 제2 코팅 사이의 인터페이스까지 연속적으로 증가할 수 있으며, 금속 구성요소 및 세라믹 구성요소의 서로에 대한 비율은 바람직하게는 적어도 부분적으로 단계적으로 및/또는 적어도 연속적으로 변화될 수 있다.
쉽고 빠르게 표면을 갱신할 수 있는 능력과 결합된 플라즈마 에칭 공정에서 높은 표면 저항성을 보장하기 위해, 제2 코팅 및 주어진 경우 중간 코팅은 기공을 포함할 수 있으며, 기공은 바람직하게는 기공 입구 및 기공 출구에서 상이한 기공 직경을 가질 수 있고, 제2 코팅에 인접한 기공 입구에서의 기공의 직경은 특히 제1 코팅에 인접한 기공 출구에서의 기공 직경보다 작을 수 있다.
특히 장치의 기공을 포함하는 코팅은 플라즈마 에칭 공정에서 플라즈마가 제2 코팅에 들어갈 수 없도록 설계될 수 있지만, 코팅은 특히 박리제가 코팅에 들어가서 제1 코팅을 용해시킬 수 있도록 충분히 큰 기공이 되게끔 설계될 수 있다.
제2 양태의 추가 실례에서, 장치는 마이크로- 및/또는 나노구조화된 부분을 포함할 수 있고, 여기서 마이크로- 및/또는 나노구조화된 부분은 바람직하게는 격자 구조의 형태일 수 있고, 특히 장치 본체에 도입될 수 있다.
마이크로- 및/또는 나노구조화된 부분과 관련하여, 격자 구조는 돌출부 및 2개의 인접한 돌출부 사이에 배치되는 구멍(apertures)을 포함할 수 있으며, 구멍은 바람직하게는 제2 코팅에 인접한 2개의 인접한 돌출부 사이에 배치된 협착부(constriction)를 포함할 수 있으며, 특히 구멍의 직경은 구멍 내의 협착부로부터 격자의 바닥까지 연속적으로 증가할 수 있다.
이로써, 세라믹 상부층은 바람직하게는 구멍 내의 격자의 바닥까지 연장되지 않을 수 있으며, 여기서 격자의 바닥은 금속 코팅으로만 코팅될 수 있다.
층 형성과 관련하여, 제1 코팅은 순수 금속 및/또는 금속 합금 얇은 필름일 수 있으며, 바람직하게는 다음의 금속들 중 적어도 하나를 포함한다: Al, V, Ti, Hf, Y, Er, Sc, Ce, La.
층 형성과 관련하여, 제2 코팅은 순수 세라믹 층일 수 있으며, 바람직하게는 다음 중 적어도 하나를 포함한다: 산화물, 질화물, 산질화물, 규산염, 불화물, 탄화물, 산불화물.
이로써, 마이크로- 및/또는 나노구조화된 부분은 주기적인 격자 구조의 형태로 설계될 수 있으며, 여기서 2개의 인접한 돌출부 사이의 거리는 바람직하게는 폭이 적어도 200 nm, 특히 폭이 적어도 400 nm 일 수 있다. 특히 바람직한 실시예에 따르면, 2개의 인접한 돌출부 사이의 거리는 또한 폭이 500nm 보다 클 수 있다.
제2 양태의 또 다른 실례에서, 장치는 그 표면을 따라 불균질하게 코팅될 수 있으며, 여기서 제1 및/또는 제2 코팅 및/또는 중간 코팅의 층 두께는 그 표면의 일부 지점에서 다른 지점보다 더 얇을 수 있다.
바람직하게는, 격자 구조를 갖는 장치의 실시예에, 코팅(제1 및/또는 제2 및/또는 중간 코팅)은 그 표면을 따라 불균질하게 분포될 수 있으며, 여기서 코팅(제1 및/또는 제2 코팅 및/또는 또는 중간 코팅)은 바람직하게는 구멍 내의 바닥 영역의 코팅보다 돌출부에서의 격자의 상부 측에서 더 두껍다.
바람직한 실시예에 따르면, 장치는 정전 척 또는 하드 섀도우 마스킹 장치일 수 있다.
본 발명은 정전 척으로 사용될 수 있지만, 본 발명의 개념은 반도체 가공 산업 내에서 뿐만 아니라 다른 산업 내에서도 더 넓은 적용성을 갖도록 의도된다.
균질한 세라믹 층으로 전이 층이 뒤따르는 금속 접착 촉진 층의 이용은 최상의 접착 결과를 초래하는 것으로 밝혀졌다. 이 층 구조는 또한 필요에 따라 코팅의 화학적 박리의 용이성을 향상시킨다.
본 발명은 이제 실례들에 기초하여 그리고 도면들의 도움으로 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 최신 기술 솔루션의 단면을 보여준다.
(1)기재(Substrate)
(2)세라믹 베이스 단층(Ceramic based monolayer)
도 2는 본 발명의 실시예의 단면을 보여주며 그리고 필름 스택을 생성하기 위해 만들어진 층들을 보여준다.
(1)기재
(2)순수 금속층
(3)전이층(순수 금속에서 세라믹으로)
(4)세라믹 베이스 층
도 3은 기재 상에 직접 코팅된 ALON 단층 코팅에 대한 스크래치 테스트를 보여준다. 기재 재료는 Al2O3 이고, 코팅 두께는 ~21μm 이다. 테스트에서 Lc2 오류가 34N 부하에서 감지된 것으로 나타났다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 순수 알루미늄 부착층 및 ALON 기능 층으로의 전이를 갖는 코팅에 대한 스크래치 테스트를 보여준다. 기재 재료는 Al2O3 이고, 코팅 두께는 ~23μm 이다. 테스트에서 Lc2 오류가 50N 부하에서 감지된 것으로 나타났다.
도 5는 장치의 본체에 도입된 주기적인 직사각형 격자 구조의 실례를 보여준다.
도 6은 박리 전에 Al2O3 기재 상에 직접 코팅된 AlON 필름을 지닌 샘플을 보준다.
도 7은 박리 후에 도 6에 따른 AlON 필름을 지닌 샘플을 보여준다.
도 8은 박리 전에 기재 상에 직접 코팅된 금속 중간층에 코팅된 AlON 필름을 지닌 샘플을 보여준다.
도 9는 박리 후에 도 8에 따른 금속 중간층에 코팅된 AlON 필름을 지닌 샘플을 보여준다.
세라믹 코팅을 위한 향상된 접착층 구조를 생성하기 위해, 진공 증착 소스는 순수 금속층을 E-척의 깨끗한 기재 표면 상에 증착시키기 위해 사용된다. 코팅은 Al, V Ti Zr, Hf, Y, Er, Sc, Ce, La 및 AlON 과 같은 부류의 재료뿐만 아니라 산화물, 질화물, 붕소화물, 탄화물, 산불화물(oxyfluorides)을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 기재 표면은 금속의 증착 전에 플라즈마 세정 또는 이온 충격에 의해 세정 또는 활성화될 수 있다. 순수 금속층의 특정 두께가 증착된 후, 반응성 가스(예: O2 및/또는 N2 및/또는 불소 함유 가스)가 천천히 도입되고 완전한 화학양론적 세라믹 코팅이 실현될 때까지 몇 분의 기간에 걸쳐 램핑(ramped)된다. 이 시점에서 증착은 기능층이 증착되는 동안 일정 시간 계속된다.
보다 상세한 실례가 하기에 주어진다.
이 실례의 경우, ALON(산질화알루미늄,Aluminum Oxynitride) 코팅이 마그네트론 반응성 스퍼터링을 사용하여 증착된다. 기능성 ALON이 증착되기 전에 금속 베이스 접착층 및 전이가 생성된다. 이런 필름을 생성하기 위해 다음 단계가 수행된다:
1, E-척의 폴리싱된(4μm Ra) 산화알루미늄 표면이 솔벤트 세정되고 E-척이 스테인리스 스틸 증착 시스템 내부의 2축 회전 유성 시스템 상에 로드된다.
2. 챔버는 낮은 10E-05 mbar 범위로 비워진다(evacuated).
3. 기재의 아르곤 플라즈마 에칭은 DC 필라멘트 방전 및 펄스 DC 기재 바이어싱을 사용하여 7분 동안 수행된다.
4. 작동 압력은 180sccm로 조절된 아르곤 흐름과 함께 터보 펌프 속도 조절을 통해 4.5E-3mbar로 조정된다.
5. 펄스 DC 전력은 50 % 전력 설정에서 시작하여 1 분 안에 6 kW까지 램핑하면서 균형잡힌 φ8" 원형 평면 알루미늄 타겟 (순도 99 %)으로 전달된다.
6. 순수한 알루미늄 접착층을 생성하기 위해 6kW에서 스퍼터링이 10분 동안 지속된다.
7. 스퍼터링 타겟의 작동 음극 전압(operating cathode voltage)은 순수 금속 모드에서 ~565V인 것으로 나타난다.
8. 반응성 가스 O2 및 N2 의 폐쇄 루프 제어는 방전 전압 조절 장치에 의한 반응성 공정 제어를 사용하여 순수 알루미늄으로부터 산질화알루미늄의로의 전이를 생성하는 데 사용된다. 이 장치의 소프트웨어 제어는 사용자가 반응성 가스의 마스터/슬레이브 제어(master/ slave control)를 이용하면서 램핑 기능을 프로그래밍할 수 있게 한다. 이 경우 N2 채널은 마스터이고 O2는 슬레이브이다. O와 N의 비율은 3.5:6.5의 비율로 설정된다. 반응성 가스는 20분의 기간에 걸쳐 이 설정된 비율로 서서히 램핑되어 음극 전압이 565V(순수 금속 필름)에서 400V(완전히 산-질화 필름,oxy-nitrided film)까지의 최종 설정점까지 꾸준히 감소된다. 이 시점에서 O/N 비율은 여전히 고정되며, 증착 기간 동안 스퍼터링 음극에서 400V 작동 설정점을 유지하기 위해 조절 장치에 의해 가스 흐름의 약간의 조정이 이루어진다.
9. 코팅의 기능성 상부층에 대해 원하는 두께에 도달할 때까지 조건이 일정하게 유지된다.
생성된 코팅은 ~.8미크론 두께의 순수 알루미늄 층, ~.8미크론 두께의 전이 구배층 및 ~21미크론의 기능성 상부층으로 구성된다. 200μ 반경의 원추형 다이아몬드 팁 스크래치 테스터를 사용하여 두 코팅 사이의 접착 강도가 비교된다. 3mm 길이 스크래치는 Lc2 접착 실패가 달성될 때까지 2N 부하 증분(load increments)으로 수행된다(도 3,4). 접착층이 없는 동일한 조건에서 증착된 단층 ALON 코팅과 비교하여 이 중간층 구조의 사용으로 접착 값이 상당히 향상된다.
순수 금속층은 기재 재료에 대한 상부층의 결합을 향상시킨다. 금속으로부터 세라믹 층으로의 전이는 금속층과 상부 기능층 사이에 우수한 결합을 제공한다. 전이층은, 더 부드러운 순수 금속층과 더 단단한 기능층 사이에 놓인 경도와 영률(Young's modulus)을 갖는 중간층으로서 역할을 한다. 이 구조는 기능층에서 발생할 수 있는 임의의 힘이나 응력을 더 잘 견딜 수 있는 보다 견고한 코팅을 제공한다.
도 5는 장치의 본체(101)에 도입된 코팅된 주기적인 직사각형 격자 구조의 실례를 보여준다. 도 5에서 알 수 있듯이, 구조화된 본체(101)는 주기적인 직사각형 격자 구조를 포함한다(500nm의 격자 주기 및 0.5의 충전율을 가짐). 본체는 금속 코팅(103)으로 코팅된다. 음영 효과(shadowing effects)로 인해 격자 상부의 코팅 두께는 홈 영역의 금속 코팅과 비교하여 더 두껍다. 도 5에서 볼수 있듯이, 격자의 개구는 코팅으로 인해 좁아진다. 이는 세라믹 오버코트(105)(교차 영역으로 도 5에 도시됨)가 홈의 바닥에 도달하지 않는 효과를 갖는다. 실제로 도 5에서 hm으로 표시된 깊이 영역에서만 금속 코팅이 존재한다. 홈에 대한 개구는 "d"로 좁아진다. 이는 에칭 플라즈마가 홈으로 들어가는 것을 방지하고 세라믹 코팅(105)은 장치를 완전히 보호할 것이다. 추가적인 효과로서, 구조화로 인해 구조화된 본체(101)에 대한 코팅의 접착력이 증가된다.
코팅의 화학적 제거는 종래 기술에서 다루는 균질한 유형의 세라믹 필름과 비교하여 더 용이하다. 이것은 주로 박리 화학 물질이 코팅을 통해 금속 접착층을 공격하여 코팅 분리를 일으키는 능력 때문이다.
금속 중간층이 적용될 때 박리의 긍정적인 효과를 입증하기 위해, 두 개의 Al2O3 기재가 원형 형태의 AlON 세라믹 필름으로 코팅된다. 하나의 기재 상에, 두꺼운 AlON 세라믹 필름이 세라믹 기재 Al2O3상에 직접 증착되고, 한편으로 다른 샘플 상에서는 먼저 금속층이 샘플상에 증착된 다음 전이 구배층이 이어지고, 마지막으로 전술한 바와 같은 두꺼운 세라믹 AlON 필름이 증착된다.
코팅 증착 후, 실온에서 90분 동안 10% NaOH 알칼리성 용액의 도움으로 세라믹 필름의 박리가 시도된다. 도 6은 AlON 필름이 기재 상에 직접 코팅된 박리 전의 샘플을 나타내고, 도 7은 박리 후의 샘플을 나타낸다. 도 7에서 볼 수 있듯이, 원형 세라믹 필름이 공격을 받았지만 완전히 제거되지는 않는다. 도 8은 AlON 필름이 금속 중간층에 코팅된 샘플을 보여주고, 도 9는 박리 후 샘플을 보여준다. 보여진 바와 같이, 원형 세라믹 필름이 완전히 제거된다. 매우 흥미롭게도, 박리 후 새롭게 코팅되지 않은 Al2O3 기재의 표면에서 손상(피팅, 크랙)이 관찰되지 않는다.
박리를 위해 다른 솔루션이 사용될 수 있다. 예컨대 KOH 솔루션도 잘 작동할 것으로 예상된다.

Claims (20)

  1. 반도체 구성요소의 제조를 위해 플라즈마 에칭 챔버 내에서 사용되는 장치를 생산하는 방법에 있어서, 상기 방법은
    - 장치의 기재를 형성하는 본체를 제공하고,
    - 본체의 표면에 제1 코팅을 적용하며, 상기 제1 코팅은 금속 코팅된 본체를 형성하기 위해 금속 및/또는 금속 합금 얇은 필름 코팅층을 포함하고.
    - 금속 코팅된 본체 상에 제2 코팅을 적용하고, 상기 제2 코팅은 세라믹 코팅층을 포함하는데, 제2 코팅은 제1 코팅과 적어도 부분적으로 중첩되는,
    것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    방법은 본체를 제조하는 것을 포함하는데, 상기 제조는 바람직하게는 본체 표면을 폴리싱 및 세정함으로써 본체를 코팅 해제하는 것을 포함하며, 특정 플라즈마 방법 및/또는 이온 충격이 표면을 세정 및/또는 활성화하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제조는 본체를 알칼리성 또는 산화성 물질로 처리하여 본체 표면으로부터 기존 코팅을 용해시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 전술한 항중 어느 한항에 있어서,
    금속 및 세라믹 구성요소를 포함하는 중간 코팅이 제1 코팅과 제2 코팅 사이에 적용되는데, 중간 코팅은, 바람직하게는 제1 코팅에 대한 인터페이스에서 더 많은 양의 금속 화합물로 시작하여 제2 코팅에 대한 인터페이스에서 더 적은 양의 금속 화합물로 종료하는 중간 코팅 내에서 금속 구성요소의 구배(gradient)를 생성하도록 금속 구성요소의 첨가를 연속적으로 감소시키면서 세라믹 구성요소를 형성하는 반응성 가스의 제어된 공급을 사용함으로써 적용되며, 특히 세라믹 구성요소를 형성하는 반응성 가스의 공급 및/또는 금속 화합물의 첨가는 적어도 부분적으로 단계적으로 및/또는 적어도 부분적으로 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 전술한 항중 어느 한항에 있어서,
    방법은 장치를 마이크로 및/또는 나노 구조화하는 단계를 포함하는데, 마이크로 및/또는 나노구조화에 의해 도입되는 구조는 바람직하게는 격자 구조의 형태로 만들어지며, 특히 장치의 본체에 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 전술한 항중 어느 한항에 있어서,
    제1 코팅 및/또는 제2 코팅 및/또는 중간 코팅을 적용하기 위해 진공 코팅 방법이 사용되며, 바람직하게는 CVD- 또는 PVD-기술, 특히 마그네트론 스퍼터링 기술이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법,
  7. 전술한 항중 어는 한항에 있어서,
    제1 코팅으로서 순수 금속층 및/또는 순수 금속 합금이 본체의 표면에 적용되고, 금속층 및/또는 금속 합금은 Al, V, Ti, Hf, Y, Er, Sc, Ce, La 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 전술한 항중 어느 한항에 있어서,
    제2 코팅으로서 순수 세라믹 층이 본체의 표면에 적용되며, 세라믹 층은 바람직하게는 산화물(oxides), 질화물, 산질화물(oxynitrides), 규산염(silicates), 불화물, 탄화물, 산불화물(oxyfluorides) 중 적어도 하나를 포함하며, 반응성 가스는 세라믹 층을 형성하기 위해 특히 천천히 공급되어 램핑되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 이전 청구항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 생산된 반도체 구성요소의 제조를 위해 플라즈마 에칭 챔버 내에서 사용되는 장치에 있어서,
    - 장치의 기재를 형성하는 본체,
    - 본체의 표면에 도는 제1 코팅,- 제1 코팅은 금속 및/또는 금속 합금 얇은 필름 코팅층을 포함함-
    - 금속 코팅된 본체 상의 제2 코팅,- 제2 코팅은 세라믹 코팅층을 포함하고, 제2 코팅은 적어도 부분적으로 제1 코팅과 중첩됨- 을 포함하는 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    장치는 추가적으로 중간 코팅을 포함하며, 중간 코팅은 바람직하게는 층 내에 불균질하게 분포된 금속 및 세라믹 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    중간 코팅 내의 금속 부분은 중간 코팅과 제1 코팅 사이의 인터페이스로부터 시작하여 중간 코팅과 제2 코팅 사이의 인터페이스까지 연속적으로 감소하며, 동시에 층 내의 세라믹 부분은 중간 코팅과 제1 코팅 사이의 인터페이스로부터 시작하여 중간 코팅과 제2 코팅 사이의 인터페이스까지 연속적으로 증가하고, 금속 구성요소 및 세라믹 구성요소의 서로에 대한 비율은 바람직하게는 적어도 부분적으로 단계적으로 및/또는 적어도 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한항에 있어서,
    제2 코팅 및 주어진 경우 중간 코팅은 기공을 포함할 수 있으며, 기공은 바람직하게는 기공 입구 및 기공 출구에서 상이한 기공 직경을 가질 수 있고, 제2 코팅에 인접한 기공 입구에서의 기공의 직경은 특히 제1 코팅에 인접한 기공 출구에서의 기공 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한항에 있어서,
    장치는 마이크로 및/또는 나노구조화된 부품을 포함하고, 마이크로 및/또는 나노구조화된 부품은 바람직하게는 격자 구조의 형태로 만들어지며, 특히 장치 본체에 도입되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    격자 구조는 돌출부, 및 2개의 인접한 돌출부 사이에 배치된 구멍(apertures)을 포함하며, 구멍은 바람직하게는 제2 코팅에 인접한 2개의 인접한 돌출부 사이에 배치된 협착부를 포함하고, 구멍의 직경은 특히 구멍 내에서 협착부로부터 격자의 바닥까지 연속해서 증가하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    세라믹 상부층은 본체의 표면 상에 부분적으로 적용되며, 세라믹 상부층은 바람직하게는 구멍 내에서 격자의 바닥까지 연장되지 않고, 격자의 바닥은 금속 코팅으로만 코팅되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제9항 내지 제15항 중 어느 한항에 있어서,
    제1 코팅은 순수 금속 및/또는 금속 합금 얇은 필름이며, 바람직하게는 Al, V, Ti, Hf, Y, Er, Sc, Ce, La 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제9항 내지 제16항 중 어느 한항에 있어서,
    제2 코팅은 순수 세라믹층이며, 바람직하게는 산화물(oxides), 질화물, 산질화물(oxynitrides), 규산염(silicates), 불화물, 탄화물, 산불화물(oxyfluorides) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제9항 내지 제17항 중 어느 한항에 있어서,
    마이크로 및/또는 나노구조화 부분은 주기적 격자 구조의 형태로 설계되고, 2개의 인접 돌출부 사이의 거리는 폭이 적어도 200nm, 특히 폭이 적어도 400nm 인 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제9항 내지 제18항 중 어느 한항에 있어서,
    장치는 그 표면을 따라 불균질하게 코팅되며, 제1 및/또는 제2 코팅 및/또는 중간 코팅의 층 두께는 표면의 일부 지점에서 다른 지점 보다 얇은 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제9항 내지 제19항 중 어느 한항에 있어서,
    장치는 정전 척 또는 하드 섀도우 마스킹 장치 인 것을 특징으로 하는 장치.
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