DE60131695T2

DE60131695T2 - Aktiv gekühlte Verteilungsplatte zur Temperaturreduzierung der reaktiven Gase in einem Plasmabehandlungssystem

Info

Publication number: DE60131695T2
Application number: DE60131695T
Authority: DE
Inventors: David William Olney Kinnard; Daniel Brian Westminster Richardson
Original assignee: Axcelis Technologies Inc
Current assignee: Axcelis Technologies Inc
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: DE60131695D1; EP1770753A3; TW490705B; KR100587628B1; KR20010098812A; JP2002033311A; US6635117B1; DE60143717D1; EP1770753B1; US20030205328A1; EP1150330B1; JP4793528B2; EP1150330A3; US6782843B2; EP1770753A2; EP1150330A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet von Halbleiter-Plasmaverarbeitungssystemen, wie etwa Photolackverascher und im Besonderen eine aktiv gekühlte Verteilungsplatte zur Temperaturreduzierung der reaktiven Gase zur Benutzung in derartigen Systemen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen werden Photolithographietechniken verwendet, um integrierte Schaltkreismuster auf einem Substrat, wie etwa einem Siliziumwafer, zu bilden. Normalerweise ist das Substrat mit einem Photolack beschichtet, von dem Bereiche durch eine Maske einer ultravioletten (UV) Strahlung ausgesetzt werden, um ein gewünschtes Schaltkreismuster auf dem Photolack abzubilden. Die Bereiche des Photolacks, die unbelichtet von der UV-Strahlung bleiben, werden durch eine Verarbeitungslösung entfernt, wobei nur noch die belichteten Bereiche auf dem Substrat zurück bleiben. Diese verbliebenen belichteten Bereiche werden während eines Photostabilisierungsprozesses gebacken, um zu ermöglichen, dass der Photolack dem nachfolgenden Verarbeiten standhält.
Nach einem derartigen Verarbeiten, in welchem die Bestandteile des integrierten Schaltkreises gebildet werden, ist es im Allgemeinen notwendig, den gebackenen Photolack von dem Wafer zu entfernen. Außerdem müssen Rückstände, die auf der Substratoberfläche durch Prozesse wie etwa Ätzen eingebracht wurden, entfernt werden. Normalerweise wird der Photolack „verascht" oder „verbrannt" und der veraschte oder verbrannte Photolack wird zusammen mit den Rückständen von der Oberfläche des Substrats „gestrippt" oder „abgeräumt".
Eine Art des Entfernens von Photolack und Rückständen geschieht durch schnelles Erwärmen des mit Photolack beschichteten Substrats durch Infrarotbestrahlung in einer Vakuumkammer auf eine vorgegebene Temperatur und Lenken eines durch Mikrowellen erregten reaktiven Plasmas gegen die erwärmte Substratoberfläche. In dem sich ergebenden Photolackveraschungsprozess, in welchem das reaktive Plasma mit dem Photolack reagiert, fügen die heißen reaktiven Gase durch Konvektion Wärme an die Oberfläche des Substrats hinzu. Wärmeenergie in der Größenordnung von 100 Milliwatt pro Quadratzentimer (mW/cm²) wird dem Wafer ebenfalls als Folge der Oberflächenreaktion hinzugefügt. Übermäßige Wärme auf der Oberfläche des Wafers kann Vorrichtungen oder Bereiche davon, die auf oder in dem Wafer gebildet wurden, beschädigen. Außerdem kann übermäßige Wärme auf der Oberfläche des Wafers ein Brechen des Photolacks, beispielsweise während Waferveraschungsprozessen durch hochdichte Ionenimplantation (HDII), verursachen.
Ein Reduzieren der Temperatur des Veraschungsprozesses in der Kammer wird die Reaktionsrate abschwächen und daher die dem Wafer durch die Oberflächenreaktion zugefügte Wärmemenge. Allerdings wird die Gastemperatur, die eine Funktion der Gasmischung und der aufgebrachten Mikrowellenleistung ist, von der reduzierten Prozesstemperatur unbeeinflusst bleiben. Das Problem wird erschwert, wenn der Prozess einen Reaktionskatalysator aufweist, wie etwa Tetrafluorkohlenstoff (CF₄), der dazu neigt, die Reaktionsrate aufgrund der erhöhten Produktion von atomarem Sauerstoff zu erhöhen. Als Folge davon führt der katalysatorunterstützte Prozess zu Gasen mit höheren Temperaturen, selbst bei niedrigeren Prozesstemperaturen.
Eine typische Plasmaverarbeitungsvorrichtung wird in der US-Patentschrift Nr. 5,449,410 von Chang et al. gezeigt, wobei eine Aluminium-Ablenkplatte oder ein Duschkopf zum Verteilen von Gas in einer Plasmakammer vorgesehen ist. Allerdings wird kein Mittel zum Steuern der Gastemperatur gezeigt. Demgemäß wird die Vorrichtung unter den nachteili gen Auswirkungen von Gasen mit hoher Temperatur leiden, wie oben beschrieben.
US 6,217,703 B offenbart eine Plasmaverarbeitungsvorrichtung, die ein gekühltes Metallelement mit Öffnungen, durch welche Teilchen des Plasmas durchgehen, aufweist. WO 96/13621 offenbart eine Plasmavorrichtung, deren Wände mit Kühlmitteldurchgängen vorgesehen sind.
Außerdem, da einzelne Wafer in einer serienmäßigen Weise durch bekannte Einzelwafer-Verarbeitungskammern verarbeitet werden, weisen Systeme, wie das in der US-Patentschrift Nr. 5,449,410 gezeigte, ein Phänomen auf, das als der „erster-Wafer-Effekt" bekannt ist, der sich auf ein zusätzliches Erwärmen von Wafern, das indirekt durch das Erwärmen des erstverarbeiteten Wafers verursacht wird, bezieht. Insbesondere strahlen nach Beendigung des Verarbeitens des ersten Wafers die erwärmten verarbeiteten Wafer und die Seitenwände der Verarbeitungskammern Wärme in Richtung der Gasverteilungsablenkplatte ab (normalerweise aus Quarz hergestellt). Die erwärmte Quarzplatte sorgt dann indirekt für einen zusätzlichen Erwärmungsmechanismus für nachfolgende Wafer, die in der Kammer verarbeitet werden. Als Folge davon weisen der erste und die nachfolgenden durch das System verarbeitete Wafer Prozessungleichmäßigkeiten auf.
Noch ein weiteres Problem mit bekannten Ablenkplatten ist, dass sich Wärmegefälle über die Oberfläche der Ablenkplatte hinweg entwickeln. Da solche Ablenkplatten normalerweise aus Quarz hergestellt sind und aufgrund ihrer Fähigkeit, hohen Prozesstemperaturen standzuhalten, neigen sie dazu schlechte Wärmeleitfähigkeit sowie unerwünschte Charakteristiken zur Aufnahme von infraroten (IR) Wellenlängen aufzuweisen. Außerdem kann es schwierig sein, die Temperatur der Ablenkplatte ohne Mittel zum Senken oder Ableiten der aufgenommenen Strahlungsenergie zu steuern. Als Folge davon werden Prozessgleichmäßigkeit und Systemdurchsatzleistung nachteilig beeinträchtigt.
Es ist daher wünschenswert einen Mechanismus zum Reduzieren der in dem Waferverarbeitungssystem verwendeten Gase, wie etwa einen Photolackverascher, vorzusehen, um eine Beschädigung des Wafers während des Veraschungsprozesses zu vermeiden. Es ist weiterhin wünschenswert, die Temperatur der erforderlichen reaktiven Gase durch Niedertemperaturprozesse zu reduzieren, indem darin ein Kühlungsmittel in eine Gasverteilungs- oder Ablenkplatte aufgenommen wird. Es ist ebenfalls wünschenswert, die Prozessgleichmäßigkeit von Wafer zu Wafer in solchen Prozessen zu verbessern, indem durch den „erster-Wafer-Effekt" verursachtes zusätzliches Erwärmen ausgeschlossen wird. Es ist wünschenswert einen Mechanismus zum Vorsehen eines relativ flachen Temperaturprofils über die Oberfläche der Gasverteilungs- oder Ablenkplatte vorzusehen, um dadurch eine Prozessgleichmäßigkeit für sowohl hohe als auch niedrige Temperaturen innerhalb des Wafers zu verbessern.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Plasmaverarbeitungssystem vorgesehen, das umfasst: (i) einen Plasma-Generator; (ii) eine Verarbeitungskammer, die einen inneren Verarbeitungshohlraum aufweist, die mit dem Plasma-Generator derart in Verbindung ist, dass Plasma innerhalb des Generators in den Hohlraum übergehen und mit der Oberfläche eines sich darin befindlichen Substrats reagieren kann; wobei die Verarbeitungskammer Wände umfasst, welche mindestens teilweise den Hohlraum definieren, wobei die Wände mit ersten Kühlmitteldurchgängen zum Reduzieren einer dortigen Betriebstemperatur versehen sind, wobei die Verarbeitungskammer eine untere Ablenkplatte und eine im Allgemeinen ebene, obere Ablenkplatte, die an der unteren Ablenkplatte befestigt und von ihr beabstandet ist, umfasst, wobei die obere Ablenkplatte mit Öffnungen versehen ist, und umfassend eine ungelochte Platte, die auf den Öffnungen in einem Mittenbereich der oberen Ablenkplatte aufliegt und sie abdeckt; (iii) einen Kühlmediumeinlass und einen Kühlmediumauslass, die mit den ersten Kühlmitteldurchgängen verbunden sind, um den Kreislauf eines Kühlmediums durch die ersten Kühldurchgänge zu erlauben; und (iv) eine Wärmestrahleranordnung zum Erwärmen des Substrats, wobei sich die ersten Kühlmitteldurchgänge im Innern der Wände befinden, und wobei die untere Ablenkplatte umfasst: (a) Öffnungen darin, um dem Plasma zu erlauben, dort durchzugehen; (b) zweite Kühlmitteldurchgänge zum Aufnehmen eines Flusses eines Kühlmediums, um eine Betriebstemperatur der unterer Ablenkplatte zu reduzieren; und (c) einen Kühlmediumeinlass und einen Kühlmediumauslass, die mit den zweiten Kühlmitteldurchgängen verbunden sind, um dort hindurch den Kreislauf eines Kühlmittels zu erlauben.
Vorzugsweise bestehen die Kammerwände und die Gasverteilungs- oder Ablenkplatte aus Aluminium und die Kühlmitteldurchgänge sind direkt darin eingearbeitet. Das Kühlmedium kann entweder eine Flüssigkeit (z. B. Wasser) oder ein Gas (z. B. Helium oder Stickstoff) sein.
Die Ablenkplatte umfasst einen im Allgemeinen ebenen, gelochten Gasverteilungs-Mittenbereich, der von einem Flansch umgeben ist, wobei sich die Kühlmitteldurchgänge in beide erstrecken können. Die Kühlmitteldurchgänge in den Kammerwänden sowie diejenigen in der Gasverteilungs- oder Ablenkplatte können miteinander in Verbindung stehen, um ihnen zu erlauben, ein einzelnes Kühlmittelkreislaufsystem zu teilen. Alternativ können die Kühlmitteldurchgänge in den Kammerwänden und diejenigen in den Gasverteilungs- oder Ablenkungsplatten nicht miteinander in Verbindung stehen, um so für beide unabhängige Kreislaufsysteme (Gas oder Flüssigkeit) vorzusehen, wodurch deren unabhängige Temperatursteuerung und getrennte Flusssteuerung ermöglicht wird.
Im Betrieb wird das Kühlmedium in den Kühlmitteldurchgängen der Kammerwand innerhalb des Bereichs von 15°C bis 80°C gehalten.
Damit die vorliegende Erfindung leichter verstanden wird, werden bestimmte Ausführungsformen davon nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht eines Photolackveraschers, in welchem als ein Beispiel eine Ablenkplatte aufgenommen ist;
2 ist eine teilweise ausgeschnittene, perspektivische Ansicht des Beispiels der Ablenkplatte von 1;
3 ist eine teilweise ausgeschnittene, perspektivische Ansicht einer Kammeranordnung eines Photolackveraschers, in welcher eine Ausführungsform einer Ablenkplattenanordnung aufgenommen ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
4 ist eine teilweise ausgeschnittene, perspektivische Ansicht einer unteren Ablenkplatte der Ausführungsform der Ablenkplattenanordnung von 3;
5 ist eine Draufsicht der in 3 gezeigten Ablenkplattenanordnung,
6 ist eine Schnittansicht der Ablenkplattenanordnung von 5 entlang der Schnittlinie 6-6; und
7 ist eine Schnittansicht der Ablenkplattenanordnung von 6 entlang der Schnittlinie 7-7.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug nun auf die Zeichnungen offenbart 1 einen Photolackverascher 10 des Stands der Technik, der einen Gasbehälter 12, eine Mikrowellen-Plasmageneratoranordnung 14, eine Verarbeitungskammer 16, die einen inneren Hohlraum definiert, in dem ein Halbleitersubstrat, wie etwa ein Wafer 18, erwärmt wird, und eine am Boden der Verarbeitungskammer befindliche Wärmestrahleranordnung 20 zum Erwärmen des Wafers 18 umfasst. Ein Temperaturfühler 24, wie etwa ein Thermoelement, wird verwendet, um die Temperatur des Wafers 18 zu überwachen. Eine Vakuumpumpe 26 wird verwendet, um die Verarbeitungskammer 16 für Prozesse, die Vakuumbedingungen erfordern, auszupumpen.
Ein Monochromator 28 wird verwendet, um die optischen Emissionscharakteristiken der Gase innerhalb der Kammer zu überwachen, um bei der Bestimmung des Prozessendpunkts zu helfen. Der Wafer 18 wird über einen geeigneten Ladeschleusenmechanismus (nicht gezeigt) durch den Eingangs/Ausgangsdurchgang 30 in die Verarbeitungskammer eingeführt und aus ihr entnommen. Obwohl die vorliegende Erfindung so gezeigt wird, dass sie innerhalb eines Photolackveraschers eingesetzt wird, kann sie ebenfalls in anderen Einrichtungen der Halbleiterherstellung verwendet werden, wie etwa für die Entfernung von Rückständen und bei Reinigungsprozessen.
Im Betrieb wird ein gewünschtes Gasgemisch von einem Gasbehälter 12 durch eine Einlassleitung 34 in ein Plasmarohr 32 eingeführt. Das Plasmarohr 32 ist aus Aluminiumoxid oder Saphir hergestellt, um Fluorchemikalien ohne Verätzung oder Zerfall aufnehmen zu können. Die Gase, die das gewünschte Gemisch bilden, werden in getrennten Bevorratungen (nicht gezeigt) gelagert und in dem Glasbehälter 12 durch die Ventile 36 und Verrohrung 38 gemischt. Ein Beispiel einer gewünschten Gasmischung ist das Bilden von Gas (vorrangig Stickstoff mit einem kleinen Prozentsatz an Wasserstoff) und Sauerstoff. Ein Fluor enthaltendes Gas, wie etwa Fluorkohlenwasserstoff (CF₄) kann zu dem Gasgemisch hinzu gegeben werden, um die Veraschungsraten für bestimmte Prozesse zu erhöhen.
Das gewünschte Gasgemisch wird durch eine Mikrowellen-Plasmageneratoranordnung 14 erregt, um ein reaktives Plasma zu bilden, das den Photolack auf dem Wafer 18 in der Verarbeitungskammer 16 veraschen wird, wenn er durch die Wärmestrahleranordnung 20 erwärmt wird. Eine Magnetfeldröhre 40 erzeugt Mikrowellenenergie, die mit einem Wellenleiter 42 gekoppelt ist. Mikrowellenenergie wird von dem Wellenleiter durch Öffnungen in das Mikrowellengehäuse 44, welches das Plasmarohr 32 umgibt, zugeführt.
Ein äußeres Quartz-Kühlrohr 46 umgibt, etwas abgetrennt davon, das Plasmarohr 32. Druckluft wird in den Spalt zwischen den Rohren 32 und 46 zugeführt, um während des Betriebs das Rohr 32 wirkungsvoll zu kühlen. Das Mikrowellengehäuse 44 ist in Abschnitte aufgeteilt, die durch die strichpunktierten Linien 45 angezeigt werden. Die Aufteilung des Gehäuses 44 erlaubt eine gleichmäßige Verteilung der Mikrowellenleistung über die Länge des Aluminiumoxid- oder Saphir-Plasmarohrs hinweg und schützt es vor Überhitzung, indem das Entwickeln eines unzumutbar hohes Wärmegefälles entlang seiner axialen Länge vermieden wird, wenn eine geeignete Eingangsleistung vorgesehen ist. Jeder Abschnitt des Gehäuses 44 wird getrennt mit Mikrowellenenergie, die durch das Quarzrohr 46 und das dort durchlaufende Aluminiumoxid- oder Saphirrohr 32 durchgeht, versorgt.
Das Gasgemisch innerhalb des Plasmarohrs 32 ist erregt, um ein Plasma zu erzeugen. Mikrowellenfallen 48 und 50 sind an den Enden des Mikrowellengehäuses 44 vorgesehen, um eine Leckage von Mikrowellen zu vermeiden. Erregtes Plasma (das normalerweise eine Temperatur von ungefähr 150°C aufweist) tritt in die Verarbeitungskammer 16 durch eine Öffnung 51 in deren oberster Wand 52 ein.
Zwischen der obersten Wand 52 der Plasmakammer 16 und dem zu verarbeitenden Wafer 18 ist ein Beispiel einer Gasverteilungs(oder Ablenk)-Platte 54 positioniert. Obwohl sie als eine einteilige Ablenkplatte gezeigt wird, ist in Betracht gezogen, dass die Ablenkplatte gemäß der vorliegenden Erfindung die Form einer zweischichtigen Ablenkplattenanordnung 154 (3 bis 7), die eine untere und eine obere Ablenkplatte umfasst, annimmt. In jeder Ausführungsform verteilen die Ablenkplatte 54 (1 bis 2) und die Ablenkplattenanordnung 154 (3 bis 7) das reaktive Plasma gleichmäßig über die Oberfläche des zu verarbeitenden Wafers 18 und sehen Mittel zum Kühlen der Gase innerhalb des Plasmas vor, um die gewünschten Prozessergebnisse zu erreichen.
Mit Bezug nochmals auf 1 geht das reaktive Plasma während des Betriebs durch die Ablenkplatte 54 und verascht den Photolack auf dem Wafer 18. Die Wärmestrahleranordnung 20 umfasst mehrere Wolfram-Halogenlampen 58, die sich in einem Reflektor 56 befinden, der die durch die Lampen erzeugte Wärme reflektiert und in Richtung der Rückseite des Wafers 18, der innerhalb der Verarbeitungskammer 16 auf Quarz- oder Keramikstiften 68 positioniert ist, umleitet. Einer oder mehrere Temperaturfühler 72, wie etwa Thermoelemente, sind auf der Innenseite der Seitenwände 53 der Verarbeitungskammer montiert, um eine Anzeige der Wandtemperatur vorzusehen.
Die in dem Photolackverascher 10 von 1 gezeigte Ablenkplatte 54, die für den Einsatz in einem 200 Millimeter (mm) Waferverarbeitungssystem entworfen ist, wird ausführlicher in 2 gezeigt. Die Ablenkplatte 54 umfasst einen im Allgemeinen ebenen Gasverteilungs-Mitten bereich 74, der in sich die Öffnungen 76 aufweist und der von einem Flansch umgeben ist. Der Flansch 78 umgibt den Mittenbereich und sitzt zwischen der Seitenwand 53 der Verarbeitungskammer und der obersten Wand 52 (siehe 1). Die Dichtungen 79, beziehungsweise 81, sehen luftdichte Verbindungen zwischen dem Flansch 78 und der Seitenwand 53 vor, sowie zwischen dem Flansch 78 und der obersten Wand 52. Die Dichtungen 79 und 81 befinden sich in den Nuten 83 beziehungsweise 85, die in dem Flansch 78 (siehe 2) angeordnet sind. Der Flansch 78 sieht ebenfalls Montagelöcher 84 zum Montieren an die oberste Wand 52 und die Seitenwand 53 vor.
Der gelochte Mittenbereich 74 der Ablenkplatte 54 ist mit inneren Kühlmitteldurchgängen 80 vorgesehen, die mit dem Kühlmitteleinlass 82 und -auslass 86 verbunden sind. Die Kühlmitteldurchgänge 80 reduzieren die Betriebstemperatur der Ablenkplatte 54 und erstrecken sich um deren Mittenbereich 74 in einer Anordnung, die eine Überschneidung mit jeglichen Öffnungen 76 vermeidet. Es wird Wasser als das Kühlmedium verwendet, obwohl andere Flüssigkeiten (z. B. Öl) oder Gase (z. B. Helium oder Stickstoff) mit einer hohen Wärmekapazität in Betracht gezogen werden. Wenn Gase durch die Öffnungen 76 durchgehen wirkt die gekühlte Ablenkplatte als ein Wärmetauscher, um Wärme von den reaktiven Gasen abzuführen und dadurch deren Temperatur zu reduzieren. Die Ablenkplatte 54 minimiert ebenfalls mobile Innenverunreinigung, die möglicherweise eine Beschädigung der Wafervorrichtung verursachen kann, wie beispielsweise ein Abschwächen der dielektrischen Stärke von Gateoxiden.
Die Ablenkplatte kann aus einem einzelnen Stück von niedrig legiertem, eloxierten Aluminium (z. B. Alcoa Typ C-276) gebildet werden, welches die Wärmeübertragungscharakteristiken der Ablenkplatte gegenüber bekannten Quarz-Ablenkplatten beträchtlich verbessert. Die Verwendung von Aluminium lässt ebenfalls zu, dass die Kühlmitteldurchgänge direkt darin gebohrt oder eingearbeitet werden können. Dies macht die Ablenkplatte weniger empfindlich gegen Unregelmäßigkeiten im Reflektorheizsystem und schädliche Erwärmung durch den Wafer und erlaubt einen Betrieb bei einer im Wesentlichen gleichmäßigen Temperatur.
Die Verwendung von Aluminium blockiert ebenfalls einen hohen Prozentsatz von ultravioletter (UV) Energie, die von dem Plasmarohr ausgeht und die ansonsten die Temperatursteuerung schwieriger machen würde und möglicherweise Beschädigung der Wafervorrichtung verursachen könnte. Ein Betreiben bei einer gleichmäßigen Oberflächentemperatur und das Minimieren des Einwirkens einer UV-Strahlung sorgt gegenüber bekannten Quarz-Ablenkplatten für eine beträchtliche Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Reaktionsrate über die Oberfläche des Wafers hinweg. Außerdem schließt das Erhalten einer gleichbleibenden Ablenkplattentemperatur die „erster-Wafer-Effekte" aufgrund von schädlicher Erwärmung der Ablenkplatte aus, wenn nachfolgende Wafer in der Verarbeitungskammer untergebracht werden und durch das Wärmestrahlersystem auf Prozesstemperatur erwärmt werden.
3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher die Ablenkplatte die Form der Ablenkplattenanordnung 154 einnimmt, welche für den Einsatz in einem 300 Millimeter (mm) Waferverarbeitungssystem entworfen ist. 3 ist eine teilweise ausgeschnittene, perspektivische Ansicht einer 300 mm Photolackverascher-Kammeranordnung 100 (gezeigt mit einer zugehörigen Wärmestrahleranordnung), in welcher diese Ablenkplattenanordnung 154 eingesetzt ist. Die Ablenkplattenanordnung 154 umfasst eine im Allgemeinen ebene obere Ablenkplatte 155 und eine untere Ablenkplatte 157, die im Allgemeinen parallel zueinander und getrennt voneinander positioniert sind. Die Anordnung 154 wird befestigt an der 300 mm Verarbeitungskammer 116 gezeigt. Die obere und untere Ablenkplatte 155, beziehungsweise 157, sind mit Öffnungen 175 und 176 versehen. Die Öffnungen 175 in der oberen Ablenkplatte sind etwas größer als die Öffnungen 176 in der unteren Ablenkplatte. Eine Anschlussöffnung 128 der Verarbeitungskammer ist für entweder eine Vakuumpumpe oder einen Monochromator vorgesehen.
In dieser Ausführungsform der Erfindung können sowohl die Ablenkplattenanordnung 154 als auch die Verarbeitungskammer 116 mit einem aktiven Kühlungsmechanismus vorgesehen werden. In Bezug auf die Verarbeitungskammer sind innere Kühlmittelkanäle 156 in deren Seitenwände 153 vorgesehen. Die Kühlmediumeinlässe 158, beziehungsweise 160, sind vorgesehen, um Eintritt eines Kühlmediums, wie etwa Wasser, und Austritt aus den Kühlmittelkanälen zuzulassen. Die Kammerseitenwände 153 sind vorzugsweise aus einem niedrig legierten, eloxierten Aluminium (z. B. Alcoa Typ C-276) gebildet, welches zulässt, dass die Kühlmitteldurchgänge 156 direkt darin gebohrt oder eingearbeitet werden können, wodurch die Seitenwände weniger empfindlich gegen Unregelmäßigkeiten in dem Reflektorheizsystem gemacht werden und einen Betrieb bei einer im Wesentlichen gleichmäßigen Prozesstemperatur erlauben.
Obwohl die untere Ablenkplatte 157 mit aktiver Kühlung vorgesehen ist, wie weiter unten erklärt, ist die obere Ablenkplatte 155 nicht mit einem aktiven Kühlungsmechanismus vorgesehen. Die obere Ablenkplatte 155 umfasst lediglich eine solide gelochte Quarzplatte, die an der unteren Platte durch Stifte 161 an den Befestigungspunkten 159 (siehe 4 und 6) befestigt ist. Die obere Ablenkplatte, die saphirbeschichtet sein kann, wirkt, um einen Teil des gasförmigen Plasmas, der nicht durch ihre Öffnungen 175 radial nach außen durchgeht, abzulenken, um so den radial nach innen gerichtet Teil des zu verarbeitenden Wafers 18 vor dem Überhitzen zu bewahren und eine Gleichmäßigkeit der Reaktionsrate zu fördern. Eine ungelochte Saphirplatte 177 (5 und 6) bedeckt den Mittenbereich der oberen Ablenkplatte 155.
Der durch die untere Ablenkplatte 157 vorgesehene aktive Kühlungsmechanismus wird deutlicher in seiner teilweise ausgeschnittenen, perspektivischen Ansicht in 4 gezeigt. Die untere Ablenkplatte 157 umfasst einen im Allgemeinen ebenen Gasverteilungs-Mittenbereich 174, der darin die Öffnungen 176 aufweist und von einem Flansch umgeben ist. Der Flansch 178 sieht die Oberfläche vor, an der eine oberste Wand 181 der Verarbeitungskammer 116 unter Verwendung der Montagelöcher 184 befestigt werden kann. Die Dichtung 179 sieht eine luftdichte Verbindung zwischen dem Flansch 178 und der Seitenwand 153 (3) vor. Die Dichtung 179 befindet sich in einer Nut 183 im Flansch 178 (4).
Der gelochte Mittenbereich 174 der Ablenkplatte 157 ist mit inneren Kühlmitteldurchgängen 180 vorgesehen, die mit dem Kühlmediumeinlass 182 und -auslass 186 (3) verbunden sind. Wie in den 4 und 6 gezeigt, können sich die Kühlmitteldurchgänge 180 von dem Flansch 178 in und um den Mittenbereich 174 in einer Anordnung erstrecken, die eine Überschneidung mit jeglichen Öffnungen 176 vermeidet. Eine der bevorzugten Anordnungen wird in 7 gezeigt.
Weiterhin können sich die Kühlmittelkanäle ebenfalls in die oberste Wand der Verarbeitungskammer erstrecken. Diese getrennten Kühlungsuntersysteme dieser strukturellen Bauteile (d. h. Ablenkplatte, Seitenwände und oberste Wand) wirken, um deren Betriebstemperaturen zu reduzieren. Die Kühlungsuntersysteme können entweder ein einzelnes Gas- oder Flüssigkeitskühlmittel-Kreislaufsystem teilen oder können mit unabhängigen Kreislaufsystemen (Gas oder Flüssigkeit) vorgesehen werden, um so dafür eine unabhängige Temperatursteuerung und getrennte Flusssteuerung vorzusehen. Zudem, in Ausführungsformen der Erfindung, in denen ebenfalls aktive Kühlung der Seitenwände und der obersten Wand vorgesehen sind, können die Wafer durch Konstanthalten dieser Kammeroberflächen bei zwischen 15°C bis 30°C (gerade über dem Taupunkt) ausreichend kühl gehalten werden, um ein Brechen des Photolacks, beispielsweise während der Waferveraschungsprozesse durch hochdichte Ionenimplantation (HDII), zu verhindern.
Die Kühlmitteldurchgänge minimieren das räumliche Temperaturgefälle über die Oberfläche der unteren Ablenkplatte 157 hinweg und halten die gesamte Oberfläche der Ablenkplatte auf einer gleichmäßigen Temperatur. Das Kühlmedium, wie etwa Wasser, (gehalten auf z. B. 15°C bis 80°C) fließt über die Einlässe 182 in die Kanäle 180 und fließt über die Auslässe 186 (5 und 7) aus, wobei ein Umlaufsystem für entionisiertes Wasser, das eine Luftkühlanordnung aufweist, verwendet wird. Die Kühlanordnung weist eine Wärmeabfuhrkapazität auf, die selbst während einer schnellen Erwärmung des Wafers größer ist als die Wärmeerzeugungsrate der Verarbeitungskammer.
Obwohl in der bevorzugten Ausführungsform Wasser als das Kühlmedium verwendet wird, können abhängig von der erforderlichen Betriebstemperatur der unteren Ablenkplatte andere Flüssigkeiten oder Gase mit hoher Wärmekapazität verwendet werden. Die untere Ablenkplatte kann beispielsweise bei bis zu 250°C betrieben werden, um Prozessrückstände von der Oberfläche der Platte zu entfernen. Diese Rückstände können sich ansonsten verdichten und auf der Oberfläche der unteren Ablenkplatte verbleiben, wenn sie nicht regelmäßig höheren Temperaturen während der Waferverarbeitung ausgesetzt werden. Bei niedrigeren Betriebstemperaturen (z. B. 15°C bis 80°C), wenn die reaktiven Gase durch die Öffnungen 176 durchgehen, wirkt die untere Ablenkplatte 157 als Wärmetauscher, um Wärme von den reaktiven Gasen abzuführen und dabei deren Temperatur zu reduzieren.
Die untere Ablenkplatte 157 ist vorzugsweise aus einem einzelnen Stück aus niedrig legiertem, eloxierten Aluminium (z. B. Alcoa Typ C-276) gebildet, welches die Wärmeübertragungscharakteristiken der Ablenkplatte gegenüber bekannten Quarz-Ablenkplatten verbessert. Die Verwendung von Aluminium lässt ebenfalls zu, dass die Kühlmitteldurchgänge direkt darin gebohrt oder eingearbeitet werden können. Dies macht die Ablenkplatte weniger empfindlich gegen Unregelmäßigkeiten in dem Reflektorheizsystem und schädliche Erwärmung durch den Wafer und erlaubt einen Betrieb bei einer im Wesentlichen gleichmäßigen Temperatur.
Die Verwendung von Aluminium blockiert ebenfalls einen hohen Prozentsatz von ultravioletter (UV) Energie, die von dem Plasmarohr ausgeht, die ansonsten die Temperatursteuerung schwieriger machen würde und möglicherweise eine Beschädigung der Wafervorrichtung verursachen könnte. Ein Betreiben bei einer gleichmäßigen Oberflächentemperatur und das Minimieren des Einwirkens einer UV-Strahlung sorgt gegenüber bekannten Quarz-Ablenkplatten für eine beträchtliche Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Reaktionsrate über die Oberfläche des Wafers hinweg. Außerdem schließt das Erhalten einer gleichbleibenden Ablenkplattentemperatur die „erster-Wafer-Effekte" aufgrund von schädlicher Erwärmung der Ablenkplatte aus, wenn nachfolgende Wafer in der Verarbeitungskammer untergebracht werden und durch das Wärmestrahlersystem auf Prozesstemperatur erwärmt werden.
Ein Druckabfall über die untere Ablenkplatte 157 hinweg verteilt, zusätzlich zu dem Erhöhen der Wärmeübergangsrate zwischen dem Gas und den Plattenoberflächen, den Gasfluss über die obere Oberfläche der Platte hinweg. Diese selbe Wirkung reduziert in Kombination mit der oberen Quarzplatte 155 die mobile Innenverunreinigung, die möglicherweise eine Beschädigung der Vorrichtung, wie ein Abschwächen der dielektrischen Stärke von Gateoxiden, verursachen kann. Die Kombination der oberen Quarzplatte 155 und der unteren Aluminiumplatte 157 in der zweischichtigen Ablenkplattenanordnung 154 hat sich als geeignet für eine Verwendung in den korrosiven Bedingungen, wie sie in einer Verarbeitungskammer für die Entfernung von Photolack vorgefunden werden, herausgestellt, selbst wenn Gase, die korrosive Elemente erzeugen, wie etwa CF₄, eingesetzt werden.
Im Betrieb sind die Systeme 10 (200 mm) und 100 (300 mm) betrieben worden, indem die wassergekühlte Ablenkplatte 157, beziehungsweise die Ablenkplattenanordnung 154, bei maximaler Mikrowellenleistung betrieben wurden, wobei unter diesen Bedingungen die Gastemperaturen auf unterhalb der minimalen erwarteten Prozesstemperatur, normalerweise 80°C, reduziert wurden. Außerdem war es möglich, während des Verarbeitens ein relativ flaches Temperaturprofil über die Oberfläche des Wafers hinweg zu erhalten, was zu einer reduzierten Prozessungleichmäßigkeit aufgrund der Kühlwirkungen des Gases und der Abstrahlung der gekühlten unteren Ablenkplatte führt. Aktives Kühlen der unteren Ablenkplatte reduziert ebenfalls die Wärmebelastung der Ablenkplatte durch den zuerst verarbeiteten Wafer, um die Wafer-zu-Wafer-Prozessgleichmäßigkeit zu verbessern.
In einem Beispiel wurde ein Veraschungsprozess bei 270°C durchgeführt, während Wasser bei 30°C durch die untere Ablenkplatte 157 bei einer Durchflussrate von 1,5 Litern pro Minute (0,4 Gallonen pro Minute) floss. Eine Veraschungsrate von 5,59 Mikrometern pro Minute mit einer Ungleichmäßigkeit der Veraschungsrate von 2,25% wurde erreicht. Eine Veraschungsrate von 5,66 Mikrometern pro Minute mit einer Ungleichmäßigkeit der Veraschungsrate von 6,2% über den Wafer hinweg wurde mit einer bekannten nichtaktiv gekühlten Quarz-Ablenkplatte erhalten. Diese Testergebnisse zeigen, dass das Verwenden einer aktiv gekühlten Ablenkplatte für beträchtliche Verbesserungen im Bereich der Prozessgleichmäßigkeit mit minimaler Auswirkung auf Veraschungsraten sorgt.
Demgemäß wurde eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens und Systems zum Kühlen der reaktiven Gase in einem Plasmaverarbeitungssystem sowie des zu verarbeitenden Wafers beschrieben. Mit der vorangehenden Beschreibung im Blick versteht es sich allerdings, dass diese Beschreibung lediglich beispielhaft ausgeführt wurde, dass die Erfindung nicht auf die hierin beschriebenen, besonderen Ausführungsformen beschränkt ist und dass verschiedene Neuanordnungen, Abänderungen und Austauschungen in Bezug auf die vorangehende Beschreibung durchgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung, wie durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente definiert, abzuweichen.

Claims

Plasmaverarbeitungssystem (10), umfassend: (i) einen Plasma-Generator (14); (ii) eine Verarbeitungskammer (16), die einen inneren Verarbeitungshohlraum aufweist, die mit dem Plasma-Generator (14) derart in Verbindung ist, dass Plasma innerhalb des Generators in den Hohlraum übergehen und mit der Oberfläche eines sich darin befindlichen Substrats (18) reagieren kann; wobei die Verarbeitungskammer Wände (153) umfasst, welche mindestens teilweise den Hohlraum definieren, wobei die Wände mit ersten Kühlmitteldurchgängen (156) zum Reduzieren einer dortigen Betriebstemperatur versehen sind, wobei die Verarbeitungskammer eine untere Ablenkplatte (157) und eine im Allgemeinen ebene, obere Ablenkplatte (155), die an der unteren Ablenkplatte (157) befestigt und von ihr beabstandet ist, umfasst, wobei die obere Ablenkplatte mit Öffnungen (175) versehen ist, und umfassend eine ungelochte Platte (177), die auf den Öffnungen in einem Mittenbereich der oberen Ablenkplatte (155) aufliegt und sie abdeckt; (iii) einen Kühlmediumeinlass (158) und einen Kühlmediumauslass (160), die mit den ersten Kühlmitteldurchgängen (156) verbunden sind, um den Kreislauf eines Kühlmediums durch die ersten Kühldurchgänge zu erlauben; und (iv) eine Wärmestrahleranordnung (20) zum Erwärmen des Substrats (18), wobei sich die ersten Kühlmitteldurchgänge (156) im Innern der Wände (153) befinden, und wobei die untere Ablenkplatte (157) umfasst: (a) Öffnungen (176) darin, um dem Plasma zu erlauben, dort durchzugehen; (b) zweite Kühlmitteldurchgänge (180) zum Aufnehmen eines Flusses eines Kühlmediums, um eine Betriebstemperatur der unterer Ablenkplatte (157) zu reduzieren; und (c) einen Kühlmediumeinlass (182) und einen Kühlmediumauslass (186), die mit den zweiten Kühlmitteldurchgängen (80) verbunden sind, um dort hindurch den Kreislauf eines Kühlmittels zu erlauben.
Plasmaverarbeitungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Wände (153) aus niedrig legiertem, eloxiertem Aluminium bestehen und die ersten Kühlmitteldurchgänge (156) in die Wände eingearbeitet sind.
Plasmaverarbeitungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Kühlmedium eine Flüssigkeit ist.
Plasmaverarbeitungssystem (10) nach Anspruch 3, wobei das Kühlmedium Wasser ist.
Plasmaverarbeitungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Kühlmedium ein Gas ist.
Plasmaverarbeitungssystem (10) nach Anspruch 5, wobei das Kühlmedium Helium oder Stickstoff ist.
Plasmaverarbeitungssytem (10) nach Anspruch 1, wobei der Mittenbereich der unteren Ablenkplatte (157) einen im Allgemeinen ebenen, gelochten Gasverteilungs-Mittenbereich (174) umfasst, der von einem Flansch (178) umgeben ist, wobei sich die Kühlmitteldurchgänge von dem Flansch aus in den gelochten Mittenbereich erstrecken.
Plasmaverarbeitungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die ersten Kühlmitteldurchgänge (156) und die zweiten Kühlmitteldurchgänge (180) miteinander in Verbindung sind, um ihnen zu erlauben, ein einzelnes Kühlmittelkreislaufsystem zu teilen.
Plasmaverarbeitungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die ersten Kühlmitteldurchgänge (156) und zweiten Kühlmitteldurchgänge (180) nicht in Verbindung miteinander sind.
Plasmaverarbeitungssystem (10) nach Anspruch 9, derart angeordnet, dass, während der Benutzung, das Kühlmedium in den ersten Kühlmitteldurchgängen (156) betreibbar ist, um ungefähr innerhalb des Bereichs von 15°C bis 30°C gehalten zu sein, und das Kühlmedium in den zweiten Kühlmitteldurchgängen (180) ist ungefähr innerhalb des Bereichs von 15°C bis 80°C gehalten.
Plasmaverarbeitungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die untere Ablenkplatte (157) aus niedrig legiertem, eloxiertem Aluminium besteht und die zweiten Kühlmitteldurchgänge (180) darin eingearbeitet sind.
Plasmaverarbeitungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die ersten Kühlmitteldurchgänge (156) ein Kühlmedium enthalten und die untere Ablenkplatte (157) in sich Öffnungen umfasst.