(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体処理のための耐プラズマ性パーツの表面をイットリウム材料で構成するにあたり、良好な厚膜を得るための装置及び方法を提供する。【解決手段】イットリウム、酸化物、およびフッ化物を含む焼結ナノ結晶セラミック材料で形成することにより耐プラズマ性パーツを作成する。こうして作成されるパーツとして、窓、エッジリングまたは注入器が挙げられる。パーツは、アルミナと共焼結されるイットリアであってよく、これは、透明でありえる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作モードにある間にプラズマを発生させるように構成されたプラズマ処理チャンバでの使用に適応された耐プラズマ性パーツであって、
前記プラズマチャンバが前記動作モードにあるときに前記プラズマに対向するように構成されたプラズマ対向表面を備え、
前記表面は、酸化物および／またはフッ化物に加えてイットリウムを含む焼結ナノ結晶セラミック材料で形成される、耐プラズマ性パーツ。
【請求項２】
請求項１に記載の耐プラズマ性パーツであって、
前記セラミック材料は、Ｙ2Ｏ3を含む、耐プラズマ性パーツ。
【請求項３】
請求項１に記載の耐プラズマ性パーツであって、
前記セラミック材料は、ＹＦ3またはＹＯＦを含む、耐プラズマ性パーツ。
【請求項４】
請求項１に記載の耐プラズマ性パーツであって、
エッジリングである耐プラズマ性パーツ。
【請求項５】
請求項１に記載の耐プラズマ性パーツであって、
ガス注入器である耐プラズマ性パーツ。
【請求項６】
請求項１に記載の耐プラズマ性パーツであって、さらに、
ともに共焼結される第１の層と第２の層とを備え、
前記プラズマ対向表面は、前記第２の層の一部であり、
前記第２の層は、ナノ結晶セラミック材料である、耐プラズマ性パーツ。
【請求項７】
請求項６に記載の耐プラズマ性パーツであって、
前記第１の層は、ミクロ結晶セラミック材料である、耐プラズマ性パーツ。
【請求項８】
請求項７に記載の耐プラズマ性パーツであって、
前記第１の層は、アルミナを含む、耐プラズマ性パーツ。
【請求項９】
請求項７に記載の耐プラズマ性パーツであって、
窓である耐プラズマ性パーツ。
【請求項１０】
請求項１の耐プラズマ性パーツを備えるプラズマ処理装置であって、さらに、
前記プラズマ処理チャンバと、
基板サポートと、を備え、
前記耐プラズマ性パーツは、前記プラズマチャンバがその動作モードにあるときにそのプラズマ対向表面が前記プラズマに対向するように、前記プラズマ処理チャンバ内に配される、プラズマ処理装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載のプラズマ処理装置であって、さらに、
ともに共焼結される第１の層と第２の層とを備え、
前記プラズマ対向表面は、前記第２の層の一部であり、
前記第２の層は、ナノ結晶セラミック材料であり、
前記第１の層は、ミクロ結晶セラミック材料である、プラズマ処理装置。
【請求項１２】
共焼結ナノ結晶パーツを形成する方法であって、
第１のセラミック材料の第１の圧粉体を形成することと、
酸化物および／またはフッ化物に加えてイットリウムを含む第２のセラミック材料のナノ結晶の第２の圧粉体を形成することと、
前記第１の圧粉体および前記第２の圧粉体を共焼結することと、
を備える方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、
前記第１のセラミック材料は、アルミナである、方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法であって、
前記第１の圧粉体は、前記第１のセラミック材料のナノ結晶で形成される、方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法であって、さらに、
表面粗度（Ｒａ）が増加して０．０２〜１μｍの範囲に入るように前記表面を酸に曝すことを備える方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の方法であって、さらに、
動作モードにある間にプラズマを発生させるように構成されたプラズマ処理チャンバでの使用に前記パーツを適応させることを備え、
前記パーツは、前記パーツが前記チャンバ内に位置付けられて前記チャンバが前記動作モードにあるときに前記プラズマに対向するプラズマ対向側を有する、方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、
前記パーツは、透明な窓である、方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法であって、
前記パーツは、エッジリングである、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
この開示は、半導体処理のためのプラズマチャンバ内での焼結ナノ結晶粒化部材の使用および製造に関する。
【０００２】
イットリア（Ｙ2Ｏ3）などの先進のコーティングが、最先端のプラズマエッチングチャンバに必要不可欠である。Ｙ2Ｏ3は、プラズマ内でのその化学的不活性および低腐食率ゆえに広範に使用されているプラズマ対向材料である。しかしながら、先進のＹ2Ｏ3コーティングで全ての用途をカバーすることはできない。例えば、プラズマ処理チャンバ内での高バイアスエッチングプロセスは、厚さ１ｍｍものＹ2Ｏ3コーティングを伴うエッジリングを必要とするだろう。これは、非経済的である恐れがあり、また、このような厚いコーティングを非実用的にする工学的な制約もあるだろう。例えば、厚いコーティングは、高い応力を受けると、チャンバの補修前にでも剥離する恐れがある。したがって、より有用なエッジリングとして、固形Ｙ2Ｏ3で作成された焼結リングが考えられる。
【０００３】
しかしながら、ミクロメートルスケールのＹ2Ｏ3粉末を使用している従来の固形焼結Ｙ2Ｏ3エッジリングの使用には、大きな問題がある。無孔の純Ｙ2Ｏ3固体面を得るには、基本的な技術的困難がある。例えば、Ｙ2Ｏ3は、融点が非常に高く、したがって、純なＹ2Ｏ3の無孔焼結は、非常に困難である。また、ミクロサイズのＹ2Ｏ3粉末は、易焼結性に乏しく、それゆえに、高温での焼結プロセスが長引く。この長引く焼結プロセスは、結晶粒の成長を制御不能にする恐れがあり、これは、さらに、焼結Ｙ2Ｏ3成形体の機械的性能を低下させるだろう。Ｙ2Ｏ3セラミックは、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や、プラズマチャンバ内で代替として使用されえるサファイア、アルミニウム酸窒化物（ＡｌＯＮ）、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）、またはスピネル等のその他の一般的なセラミック材料と比べて、曲げ強度および破壊靭性の両方の点で本質的に弱い。関連のイットリウム含有材料も、同様な困難を見せるだろう。
【０００４】
図１は、粒径がおおよそ５〜１０μｍである焼結Ｙ2Ｏ3エッジリング１００の代表的な表面形態を示している。幾つかの表面ピット１０１が、はっきり見えている。いかなる特定の理論にも制限されず、これらの欠陥は、Ｙ2Ｏ3内の多孔性、または機械的強度の弱さゆえの機械加工時における結晶粒のプルアウトが原因で発生する可能性がある。これらの表面欠陥は、なかでも特に、擦れまたは激しい取り扱いを受ける境界面で、表面のＹ2Ｏ3粒子が緩む可能性があるという問題を招く恐れがある。他の状況では、焼結密度を増加させるおよび焼結温度を低下させる手法の１つとして、融解温度が低いＭｇ／Ｓｉ／Ｃａ酸化物などの焼結補助剤を添加することがありえる。プラズマ処理の状況では、しかしながら、この方策は、金属汚染の問題を招く恐れがある。
【０００５】
したがって、プラズマチャンバ内でＹ2Ｏ3および関連のイットリウム材料の性質を活用する新しいやり方が必要とされている。
【発明の概要】
【０００６】
本明細書で開示されるのは、動作モードにある間にプラズマを発生させるように構成されたプラズマ処理チャンバでの使用に適応された耐プラズマ性パーツを提供する様々な実施形態である。このパーツは、プラズマチャンバが動作モードにあるときにプラズマに対向するように構成されたプラズマ対向表面を含み、この表面は、酸化物および／またはフッ化物に加えてイットリウムを含む焼結ナノ結晶セラミック材料で形成される。
【０００７】
別の一顕現形態では、一実施形態は、共焼結ナノ結晶パーツを形成する方法を提供する。第１のセラミック材料から、第１の圧粉体が形成される。酸化物および／またはフッ化物に加えてイットリウムを含む第２のセラミック材料のナノ結晶から、第２の圧粉体が形成される。第１の圧粉体および第２の圧粉体は、共焼結される。
【０００８】
本発明のこれらのおよびその他の特徴が、詳細な説明のなかで、下記の図面と併せてさらに詳しく後述される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
開示される発明は、添付の図面のなかで、限定的なものではなく例示的なものとして示され、図中、類似の参照符号は、同様の要素を指すものとする。
【００１０】
【図１】粒径が約５〜１０μｍである焼結Ｙ2Ｏ3表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【００１１】
【図２】プラズマチャンバ内でプラズマに対向している２層共焼結構造を示した概略断面図である。
【００１２】
【図３】一実施形態で使用されえるプラズマ処理チャンバの一例を図式化した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
添付の図面に例示されるような幾つかの実施形態を参照にして、発明が詳細に説明される。以下の説明では、本発明の完全な理解を与えるために、具体的詳細が特定されている。しかしながら、本発明は、これらの具体的詳細の一部または全部を伴わずに実施されてもよく、開示内容は、この技術分野内で一般的に得られる知識にしたがってなされえる変更形態も範囲に含む。本開示内容を不必要に不明瞭にしないために、周知のプロセス工程および／または構造の詳細な説明は省略される。
【００１４】
本明細書で使用される「ナノ結晶粒化」または「ナノ結晶」という用語は、ナノメートルサイズ領域内の結晶粒または結晶で形成された材料を指し、１ミクロンよりも小さいことを意味する。ナノメートル領域内のサイズとして、例えば、５００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍ、２０ｎｍ、またはそれ未満が挙げられる。「ミクロ結晶」という用語は、ミクロンサイズ領域内の結晶粒または結晶で形成された材料を指し、少なくとも１ミクロンであることを意味する。
【００１５】
Ｙ2Ｏ3などのナノ結晶粒化イットリウム含有セラミックが、プラズマチャンバ部材の製作に使用されてよい。このような部材は、強力なエッチング条件下での寿命が長いなどのメリットを有するだろう。このようなセラミックは、焼結によって、密にかつ純に作成することができる。
【００１６】
ナノ結晶粒化イットリウム含有セラミックは、プラズマ処理の状況下で多くの利点を有するだろう。これらの利点として、粒径に反比例する機械的強度、粒子の剥離に対する抵抗、耐プラズマ性、および長寿命化が挙げられる。また、機械的洗浄または研磨などの強力な洗浄方法を使用することが可能だろうゆえに、洗浄がより容易になるだろう。また、表面が普通に反応性成分のための溜まり場である場合は、ナノ結晶粒化セラミック表面がテクスチャ加工されてよく、これは、表面積を増加させ、エッチング副生成物の接着を促すだろう。一例では、Ｙ2Ｏ3ナノ粉末の均質な圧粉体から開始し、先進の焼結方法を経て、強度が向上された純でかつ密な固形Ｙ2Ｏ3の塊を合成することができる。このような高品質Ｙ2Ｏ3セラミックは、独立型プラズマチャンバ部材を作成するために、さらに精密機械加工することができる。一例では、これらは、プラズマ対向「皮膜」としてＹ2Ｏ3を有する混成部材を形成することができる。これは、例えば、接合、または未焼結状態での共焼結を通じて生じえる。
【００１７】
別の一例では、このようなセラミックは、広範囲の長さスケールで表面をテクスチャ加工されてよい。一例では、これは、ＨＣｌなどの粗化希酸を使用して、ナノ結晶粒化Ｙ2Ｏ3固体に対して行われてよい。
【００１８】
密な固形のナノ結晶粒化Ｙ2Ｏ3から作成されたチャンバ部材は、エッチングチャンバ内での何らかの極めて挑戦的な用途のもとで、生産性の面で独自の利点を提供するはずである。
【００１９】
一例では、エッチングチャンバ用途のための密でかつ純なナノ結晶粒化Ｙ2Ｏ3を合成するために、ナノメートルサイズの非凝集Ｙ2Ｏ3粉末が使用されてよい。これは、最終的な焼結生成物においてサブミクロン（または５００ｎｍ未満、２００ｎｍ未満、または尚もさらに小さい領域）の粒径を実現しえる。その後に続く焼結の緻密化として、結晶粒の粗大化を伴わない焼結方策が選ばれてよい。粒子の凝集体を伴わない圧粉体が使用されてもよい。（例えば、当該分野で知られる燃焼方法を通じた）大規模でかつコスト効果の高いＹ2Ｏ3ナノ粒子合成、および新規の焼結方法（例えば、２段階焼結、熱間等方圧プレス（ＨＩＰ）、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）等）は、比較的サイズが大きいドーム状の透明なＹ2Ｏ3セラミック光学、および非常に強い鋼板様材料の製作を可能にしえる。
【００２０】
プラズマチャンバ用途で使用される場合、透明な多結晶セラミックは、高い密度および高い純度、優れた機械的耐久性、ならびにナノメートル領域の小さい結晶粒を示すだろう。ナノサイズのＹ2Ｏ3粉末は、Ｙ2Ｏ3素地の易焼結性を大幅に向上させ、低い温度および短縮された時間での純で密な成形体の焼結を可能にするだろう。粒径の縮小は、機械的強度が粒径の平方根に比例するという周知の関係にしたがって、材料強度を大幅に向上させる。粒径がさらにナノメートルスケール（例えば２００ｎｍ未満）まで縮小すると、ナノ結晶粒化Ｙ2Ｏ3の曲げ強度は、Ａｌ2Ｏ3セラミックと同程度に強くなりえる。これは、特定の用途では、一般に約３００〜４００ＭＰａの範囲内にあるだろう。
【００２１】
ナノ結晶粒化Ｙ2Ｏ3が有する数々の独自のメリットのおかげで、エッチングチャンバ内での用途の幾つかが容易に想起可能である。先ず、優れた粒子性能ゆえに、ナノ結晶粒化Ｙ2Ｏ3から固形Ｙ2Ｏ3エッジリングまたは固形Ｙ2Ｏ3注入器が精密に機械加工されえる。欠陥要件が厳しい一部の用途での粒子問題ゆえに、粒径が大きい場合に固形Ｙ2Ｏ3をエッジリングまたは注入器のために使用することは望ましくなかった。
【００２２】
第２の実施形態では、積層ＴＣＰ窓を構築するために、Ａｌ2Ｏ3セラミック窓にナノ結晶粒化Ｙ2Ｏ3シートが共焼成または接合されてよい。例えば、Ｙ2Ｏ3がプラズマに暴露される混成構造を形成するために、ナノサイズのＹ2Ｏ3粉末からなる未焼結シートを、Ａｌ2Ｏ3未焼結シートと共焼結させることができる。或いは、十分に焼結されたナノ結晶粒化Ｙ2Ｏ3シートが、（例えば、ガラスフリットまたはポリマ接着剤による接合を通じて）Ａｌ2Ｏ3窓に接合されてよい。一実施形態では、接合層は、真空の外側にあるように設計されてよい。このような混成物は、Ａｌ2Ｏ3セラミックのメリット（例えば、高抵抗性、低損失正接、低コスト、および／または優れた熱伝導性）を、プラズマに対向するナノ結晶粒化Ｙ2Ｏ3セラミックシートのメリット（例えば、純度、密度、相対的厚さ）と組み合わせられるだろう。厚いＹ2Ｏ3積層体は、一実施形態では、一部の非常に「汚れた」エッチングプロセスのために、さらに強力な洗浄化学剤およびさらに強力な磨き直しプロセスを使用するという選択肢を与える。
【００２３】
本明細書で説明されるようなナノ結晶層の形成は、プラズマ溶射などの、空隙および孔が夥しく、均一性に欠け、強度および耐性が損なわれたふわふわした構造の形成に終わるだろうプラズマ溶射などのその他の手段による同様な層の形成に勝る利点を有する。
【００２４】
図２は、プラズマチャンバのための混成パーツの断面を図式化したものである。この例では、層２０１は、Ａｌ2Ｏ3窓であり、プラズマ２０４に対向するナノ結晶Ｙ2Ｏ3層２０２に接合される。この混成構造は、プラズマチャンバへガスを注入するための注入器穴２０３を含んでいてよい。これらの穴は、一実施形態では、焼結もしくは共焼結前の（１つ以上の）未焼結パーツの一部であってよい、または別の一実施形態では、焼結後のパーツに機械加工されてよい。この実施形態では、層２０１および２０２は、それぞれ、幅が約１〜１０ミリメートル程度であってよく、用途次第では、さらに小さくてまたは大きくてよく、もし、パーツが焼結されるならば、当該分野で知られる方法によって焼結製品を形成するために必要とされる最小厚さであってよい。同様の２層構造を持つ、プラズマ処理チャンバのその他の混成パーツも形成されてよい。
【００２５】
第３の実施形態は、耐プラズマ性ビューポートであり、これは、光領域または紫外線領域などの関心領域内で透明でありえる。耐プラズマ性の透明な単結晶Ｙ2Ｏ3は、深紫外線透過物質である。ナノ結晶粒化Ｙ2Ｏ3は、一実施形態では、強力なプラズマエッチング条件下にある発光分析器（ＯＥＳ）などの終点センサのための、耐プラズマ性に優れた窓材料を提供しえる。透明な多結晶Ｙ2Ｏ3ビューポートは、単結晶サファイア窓と同様に、そのサイズおよび幾何学形状に制限がなくてよい。
【００２６】
その他の実施形態では、もし、対象とされるナノサイズ粉末が容易に入手可能であるならば、その他の耐プラズマ性モノリシックセラミック部材も焼結されえる。このような材料候補として、（防弾鋼板用に市販されている）ＡｌＯＮ、ＹＦ3、ＺｒＯ2、ＹＡＧ、ＹＯＦ等が挙げられる。
【００２７】
その他の実施形態では、ナノ結晶セラミック部材は、その粗度および表面積を増加させることによってテクスチャ加工されてよい。ミクロ結晶粒化セラミック材料は、５〜１０ミクロンなどの領域内の結晶粒を有するだろうゆえに、そのスケールでまたはそのスケール未満で表面特徴を形成することは、実現困難になる。特定の一実施形態で、粒径が２０〜１００ｎｍの領域内（例えば５０ｎｍ付近）である場合は、表面粗度特徴および隆起が同様のサイズ領域になり、その結果、きめ細かい表面が得られるだろう。
【００２８】
発明者らは、粒界へのＨＣｌ酸浸透を、特定のタイプのナノ結晶Ｙ2Ｏ3のための主要な粗化メカニズムの１つであると決定した。理論に縛られることなく、この粗化メカニズムは、焼結ナノ結晶粒化モノリシックＹ2Ｏ3に適用可能でありえる。
【００２９】
例えば、ナノ結晶セラミック部材は、ＨＣｌなどの希酸を使用し、制御方式で、０．０２〜０．１μｍ領域の表面粗度（Ｒａ）にテクスチャ加工することができる。高度な制御方式による表面テクスチャ加工は、ドリフトを生じない（non-drift）エッチングプロセス、ならびにプレコーティングおよび／または副生成物の優れた接着を保証するために重要だろう。
【００３０】
理解を促すために、図３は、一実施形態で使用されえるプラズマ処理チャンバ３００の一例を図式化している。プラズマ処理チャンバ３００は、プラズマ処理閉じ込めチャンバ３０４を中に有するプラズマリアクタ３０２を含む。誘導結合電力を提供することによってプラズマ処理閉じ込めチャンバ３０４内でプラズマを形成するために、整合回路網３０８によって調節されるプラズマ電力供給部３０６が、電力窓３１２の近くに位置付けられたＴＣＰコイル３１０に電力を供給する。ＴＣＰコイル（上部電力源）３１０は、プラズマ処理閉じ込めチャンバ３０４内に均一な拡散プロフィールを生じさせるように構成されてよい。例えば、ＴＣＰコイル３１０は、プラズマ３１４内にトロイダル電力分布を生成するように構成されてよい。電力窓３１２は、ＴＣＰコイル３１０からプラズマ処理閉じ込めチャンバ３０４にエネルギが通されることを可能にしつつＴＣＰコイル３１０をプラズマ処理閉じ込めチャンバ３０４から分離するために提供される。電極３２０によって支持される基板３６４にかかるバイアス電圧を設定するために、整合回路網３１８によって調節されるウエハバイアス電圧電力供給部３１６が、電極３２０に電力を提供する。コントローラ３２４が、プラズマ電力供給部３０６、ガス源／ガス供給メカニズム３３０、およびウエハバイアス電圧電力供給部３１６のためのポイント設定を行う。
【００３１】
プラズマ電力供給部３０６およびウエハバイアス電圧電力供給部３１６は、例えば、３３．５６ＭＨｚ、２７ＭＨｚ、２ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、４００ｋＨｚ、２．５４ＧＨｚ、またはこれらの組み合わせなどの、特定の無線周波数で動作するように構成されてよい。プラズマ電力供給部３０６およびウエハバイアス電圧電力供給部３１６は、一定の範囲の電力を供給して所望のプロセス性能を実現するように、適切にサイズ決定されてよい。例えば、本発明の一実施形態では、プラズマ電力供給部３０６は、５０〜５０００ワットの範囲の電力を供給してよく、ウエハバイアス電圧電力供給部３１６は、２０〜２０００Ｖの範囲のバイアス電圧を供給してよい。また、ＴＣＰコイル３１０および／または電極３２０は、２つ以上のサブコイルまたはサブ電極で構成されてよく、これらは、１つの電力供給部によってまたは複数の電力供給部によって通電されてよい。
【００３２】
図３に示されるように、プラズマ処理チャンバ３００は、さらに、ガス源／ガス供給メカニズム３３０を含む。ガス源３３０は、ガス注入器３４０などのガス入口を通じてプラズマ処理閉じ込めチャンバ３０４と流体接続している。ガス注入器３４０は、プラズマ処理閉じ込めチャンバ３０４内で任意の有利な位置に位置付けられてよく、ガスを注入するための任意の形態をとりえる。プロセスガスおよび副生成物は、圧力制御弁３４２およびポンプ３４４を通じてプラズマ処理閉じ込めチャンバ３０４から取り除かれ、圧力制御弁３４２およびポンプ３４４は、また、プラズマ処理閉じ込めチャンバ３０４内を特定の圧力に維持する働きもする。圧力制御弁３４２は、処理時に圧力を１トール未満に維持することができる。ウエハ３６４の周囲には、エッジリング３６０が配置される。ガス源／ガス供給メカニズム３３０は、コントローラ３２４によって制御される。プラズマリアクタ３０２は、耐プラズマ性のビューポート３５７を有していてよい。カリフォルニア州フリーモントのＬａｍ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｒｐ．によるＫｉｙｏが、一実施形態を実施するために使用されてよい。
【００３３】
幾つかの好ましい実施形態の観点から発明が説明されてきたが、本発明の範囲内に入るものとして代替形態、置換形態、および代わりとなる様々な等価形態がある。本明細書で開示される方法および装置を実現するには、多くの代替のやり方がある。したがって、以下の添付の特許請求の範囲は、このような代替形態、置換形態、および代わりとなる様々な等価形態の全てを本発明の真の趣旨および範囲に入るものとして含むと解釈されることを意図する。
【図２】
2017028268.tif 000003
【図３】
2017028268.tif 000004
【図１】
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【外国語明細書】
2017028268000001.pdf