High-volume thermal atomic layer deposition of plasma-resistant yttrium oxide thin films for industrial protective coating applications

Abstract

The rapidly advancing semiconductor industry presents ongoing challenges for manufacturing tools that are regularly exposed to corrosive substances. Protecting the equipment from these substances is essential to ensure high production quality and efficient processing. Extensive research has been conducted on various protective coating materials and methods, including the use of atomic layer deposited (ALD) yttrium oxide. Modern high-volume ALD reactors have made it possible to utilize ALD for large-scale protective coatings. These reactors are capable of uniformly coating large and complex 3D structures with nanometer-scale control. Yttrium oxide is a highly suitable protective coating material due to its exceptional properties, including high thermal and chemical stability, as well as its resistance to fluorine plasmas commonly used in the semiconductor industry.

Scaling up ALD processes is not always straightforward, and it brings forth new challenges as processing volumes increase. In this thesis, high-volume atomic layer deposition of Y2O3 was studied. The existing ALD process involving Y(MeCp)3 and water was investigated through a series of experimental runs combined with a statistical approach to gain a deeper understanding of the factors influencing the process quality. The process is particularly challenging due to the spontaneous adsorption of water into the yttrium oxide thin film, which is problematic especially in high-volume processing. By identifying the main factors affecting the deposition quality, the process was further optimized for high-volume ALD.

To address the issue of water adsorption, the thesis also investigated an entirely new atomic layer deposition process using Y(MeCp)3 and ethanol. Drastic temperature shift in the process was observed, which should be further studied. The ethanol process below the temperature shift resulted in highly uniform thin films with enhanced process conformality. However, further analysis of the samples revealed some undesired contamination in the thin films. Additional research should be conducted on the plasma resistivity of the deposited thin films and the possibility of removing the impurities by post-processing.

Nopeasti kehittyvä puolijohdeteollisuus asettaa jatkuvasti uusia vaatimuksia tuotantolaitteistoille, jotka altistuvat toistuvasti erilaisille syövyttäville aineille. Laitteiden suojaaminen näiltä aineilta on ensisijaisen tärkeää, että voidaan varmistaa korkealaatuinen ja tehokas tuotanto. Erilaisia suojaavia pinnoitemateriaaleja ja menetelmiä on tutkittu laajasti, mukaan lukien atomikerroskasvatetun (ALD) yttriumoksidin käyttö. Nykyaikaiset suuren tilavuuden ALD-reaktorit ovat mahdollistaneet ALD:n hyödyntämisen suuren kokoluokan suojapinnoitteissa. Kyseisillä reaktoreilla pystytään pinnoittamaan suuria ja monimutkaisia 3D-rakenteita tasaisesti aina nanometritasolle asti. Yttriumoksidi soveltuu hyvin suojapinnoitemateriaaliksi sen erinomaisten kemiallisten ja fysikaalisten ominaisuuksien vuoksi. Tämän lisäksi yttriumoksidilla on kyky vastustaa puolijohdeteollisuuden prosesseissa yleisesti käytettyjä fluoriplasmoja.

ALD-prosessien kokoluokan skaalaaminen ei ole aina yksinkertaista, ja se tuo mukanaan uusia haasteita prosessitilavuuksien kasvaessa. Tässä diplomityössä tutkittiin Y2O3:n suuren tilavuuden atomikerroskasvatusta. Yleisesti käytössä olevaa ALD-prosessia Y(MeCp)3:n ja veden välillä tutkittiin soveltamalla tilastollisia menetelmiä kokeellisesti kerätyn datan analysointiin, tavoitteena saavuttaa kokonaisvaltainen ymmärrys prosessin laatuun vaikuttavista tekijöistä. Kyseinen prosessi on erityisen haastava, johtuen veden spontaanista adsorboitumisesta yttriumoksidi-ohutkalvoon, mikä on ongelmallista erityisesti suuren tilavuuden ALD-prosessoinnissa. Tunnistamalla tärkeimmät ohutkalvon laatuun vaikuttavat tekijät, prosessia optimoitiin paremmin soveltuvaksi suuren tilavuuden ALD-prosessointiin.

Veden adsorptio-ongelman ratkaisemiseksi diplomityössä tutkittiin myös täysin uutta ALD-prosessia Y(MeCp)3:n ja etanolin välillä. Prosessissa havaittiin tapahtuvan merkittäviä muutoksia tietyn lämpötilan ylittyessä. Tämän lämpötilan alapuolella etanoliprosessi tuotti erittäin yhtenäisiä ohutkalvoja, huomattavasti parantuneella 3D-pinnoituskyvyllä. Näytteiden tarkempi analysointi paljasti kuitenkin ei-toivottua kontaminaatiota ohutkalvoissa. Lisätutkimuksia kasvatettujen ohutkalvojen plasmankestävyydestä ja mahdollisuudesta vähentää muodostuneita epäpuhtauksia jälkikäsittelyllä tulee suorittaa.