JP2004531903A - Directed gas injection equipment for semiconductor processing - Google Patents

Abstract

【Task】
A method and system for utilizing orifices (eg, acoustic and simple orifices and divergent nozzles) molded into a gas injection system as part of a plasma processing system. By utilizing a shaped orifice, the directivity of the gas flow can be improved. This improvement is particularly useful in high aspect ratio processing.

Description

ここで、γは、ガスに対する比熱、Ｒは、気体定数、Ｐ_ｔは、全圧力、Ｔ_ｔは、全温度、そして、Ａは、最小断面（スロート）積（即ち、Ａ＝πｄ^２／４）である。Ｃ_Ｄ＜＜１のときには、オリフイス中の全圧力実収率はかなり減じられ、このために、オリフイスのフラックスの角度分布は、非常に広くなる。かくして、従来のガス射出システムのデザインの欠点は、比較的低いガス射出オリフイスの吐出係数である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
更に、従来のシステムは、ガス射出オリフイスの吐出係数の制御に対して欠点がある。多くの場合、ガス射出オリフイスは、腐食に曝され、このために、ガス射出特性は、基板対基板に対して、またバッチ対バッチに対して、処理時間と共に変化する。従来のシステムは、“消耗物品(consumable)”のガス射出システムの状態をモニターできないばかりか、“消耗物品”のガス射出システムの寿命を長くするように、ガス射出特性を制御しようとする試みもなかった。制御が不可能な吐出係数のガス射出オリフイスに加えて、従来のデザインは、更なる欠点がある。即ち、ガス射出オリフイスは、基板表面に対して部分的に均一で指向性のあるガス流を与えるように互いに関連して指向されていない。
【００１１】
本発明の目的は、各々がオリフイスの吐出係数を改善するように設定された１もしくは複数のガス射出オリフイスを有するガス射出システムデザインを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、各々がオリフイスの出口でのガス流の指向性を改善するように設定された１もしくは複数のガス射出オリフイスを有するガス射出システムデザインを提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、各々が基板表面に直交する化学種のフラックスを改善するように設定された１もしくは複数のガス射出オリフイスを有するガス射出システムデザインを提供することである。
【００１４】
本発明の目的は、基板表面に直交する化学種のフラックスの空間での均一性を改善するように設定された複数のガス射出オリフイスを有するガス射出システムデザインを提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、複数のガス射出オリフイスと、固有のガス射出パラメータをモニターするセンサーと、１もしくは複数のガス射出オリフイスの状態をモニターするために使用されるコントローラとを有するガス射出システムデザインを提供することである。ガス射出オリフイスの状態は、消耗部品の交換を決定するために使用され得る。
【００１６】
本発明の他の目的は、複数のガス射出オリフイスと、固有のガス射出パラメータをモニターするセンサーと、１もしくは複数のガス射出オリフイスの状態をモニターするために使用されるコントローラとを有するガス射出システムデザインを提供することである。ガス射出オリフイスの現在の使用状態は、現在の使用状態をデザイン状態に戻すように使用されることができて、ガス射出オリフイスを制御することと、消耗可能な部品の寿命を長くすることとができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
エッチングレートと、エッチング選択性と、エッチングのフュチャーの側壁プロファイルとを改善するために、本発明は、露出された基板表面に部分に対する化学種の輸送（ケミカルトランスポート）の改善を果たすために、材料処理装置で利用されるガス射出デザインを改善している。（ここで使用されているような“基板”は、これらに限定はされないが、半導体ウエハ並びに液晶ディスプレイパネルを含み、プラズマ雰囲気で処理される如何なるワークピースをも意味する）。露出された基板表面は、材料のエッチング工程か堆積工程かで処理される。これら工程の組み合わせは、露出された基板表面の材料成分並びに／もしくは表面形状を変える機能を果たす。材料処理装置が、処理プラズマを利用する場合には、化学種の輸送に対する改善は、解離化学特性に、かくしてラジカル濃度に影響すると共に、基板表面での高いアスペクト比のフュチャーの近くのラジカル輸送にも影響する。本発明は、ガス射出オリフイスの間隔とオリフイスの吐出係数とを最大にして、基板表面に対して直交した均一で指向性のあるガス流を与えるように、改良されたガス射出オリフイスデザインを利用している。
【００１８】
図４は、中に処理領域１２が形成された処理チャンバ１０を備えた材料処理システム１を概略的に示す。前記処理領域１２は、減圧されたガスとプラズマとを、好ましくは含む。材料の処理チャンバ１０は、更に上側ガス射出プレート２０を有し、このプレートを通して、処理ガスは、処理チャンバ１０の中に入る。更に、チャンバ１０内には、上に基板３５が載置される基板ホルダー３０が設けられている。この基板３５の上面は、前記処理領域１２に露出されている。前記基板ホルダー３０は、基板３５の露出面とガス射出プレート２０との間の間隔ｈが変えられ得るように、移送装置３６により垂直方向に移動され得る。前記処理領域１２から流れ出るガスは、チャンバポート３８を通って真空ポンプ４０へと排気される。材料処理装置１は、更に、質量流量（マスフロー）コントローラ４４と、圧力センサー４６と、真空ポンプ（ゲートバルブ等）４０と、チャンバ圧力センサー４９と、基板ホルダーの移送装置３６とに接続されたコントローラ４２を有する。ガス射出プレート２０のデザインに対する改良は、基板３５の材料処理での改善を促進する。これらのフュチャーは、以下に説明される。
【００１９】
図５の（Ａ），（ｂ），（Ｃ）は、本発明に係わるガス射出オリフイスの３つの例を示す。第１の断面図（図５（Ａ））は、開口径（スロート直径）ｄ（例えば、ｄは、０．０２５ないし０．５ｍｍのオーダである）スロート４５と、長さＬの第１の側壁５０とを有する音響(sonic)オリフイスと称されているものを示す。好ましくは、アスペクト比Ｌ／ｄは、１よりもかなり小さい（例えば、Ｌ／ｄ＜＜１）。吐出係数（上述した）は、最小領域の断面（例えば、スロート４５）に対する最小領域の断面（例えば、第１の側壁）の比に非常に関連している。一般的に、スロート４５の第１の側壁５０は、オリフイスの中心線５５と平行である。ガス射出オリフイスは、更に、このオリフイスのスロート４５にガスが入ることを可能にしている入口６５を有する。ガス射出オリフイスが形成される材料の厚さに対応して、オリフイスの入口６５は、所定の流入長と、スロート４５の断面積よりも実質的に大きい断面積とを有する第２の側壁７０を備えた流路を持っている。例えば、前記入口６５の断面積は、スロート４５の断面積よりも、好ましくは１０倍大きい。この入口６５のデザインは、ガスが前記スロート４５に入る前にスロート入口壁７５に達するまで、第２の側壁７０間を通るように、設定されている。一実施の形態（図示せず）では、スロート入口壁７５は、第１の側壁５０（ここからスロート４５の開口が始まる）に達するまで平坦(flat)に維持されている。
【００２０】
図５（Ａ）に示された図示の実施の形態においては、スロート入口壁７５は、このスロート入口壁７５とオリフイスの中心線５５との間の傾斜（図５（Ａ）で８０で示された角度αを有する）を有する（この結果、スロート４５への入口の所に円錐セクションを形成している）。この入口角度αは、好ましくは４５°であるが、スロート入口壁７５の入口角度８０は、上述したように３０ないし９０°の範囲で変更し得る（８０ないし９０°の入口角度８０は、上述したような“平坦”なスロート入口壁７５と等価である）。
【００２１】
図５（Ｂ）は、射出オリフイスの第２の実施の形態、即ち発散(divergent)ノズルの断面を示す。この発散ノズルは、直径ｄ（例えば、ｄは、０．０２５ないし０．５ｍｍのオーダである）と対応したアスペクト比Ｌ／ｄ＜＜１（例えば、Ｌ／ｄ＜０．５）とを有するスロート４５を具備している。ノズルのスロートを超えて、直径ｄのスロート４５から直径ｄ_ｅの出口８５に向かって直径が大きくなる円錐形の発散セクションが位置されている。この直径比ｄ_ｅ／ｄは、４のオーダである。前記円錐形の目的は、ガスが低圧雰囲気へと広がるレートを規制することである。一般的に、図５（Ｂ）で９０として示されている角度βは、径方向の流のロスを最小にすると共にノズルの壁からの流の分離を可能な限り抑制するために、約１８°を超えないことが望ましい。また、小さい角度は、摩擦ロスが大きくなると共に、所定の面積比に対してノズル長が長くなる。従って、角度９０は、好ましくは、５＜β＜２０°、そして、より好ましくは、１５＜β＜２０°である。前記円錐形のセクションは、凹んだセクション、特に、機械特性（即ち、“パーフェクトノズル(perfect nozzle)”もしくは(“最小長さノズル”(minimum-length nozzle))の方法を使用してデザインされる円滑壁外形状に変更され得る。例えば、基板表面で感じられる平均(特別)圧力を最大にすることを望むのであれば、Ｋｎ＞０．００５の場合には、音響オリフイスを選定すれば良く、また、Ｋｎ＜０．００５のときには、発散オリフイスを選定すれば良い。可変ハードスヘア（ＶＨＳ）モデル;Bird,G.A.,Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flows,Clarendon Press,Oxford(1994)を使用して予測される平均自由行程の見積りから導かれるクヌーセン数Ｋｎを想定している。
【００２２】
図３（Ｃ）に示された第３の実施の形態において、入口６５と、壁７０を備えた入口領域と、スロートル入口壁７５とは除去されており、ガス射出オリフイスは、壁５０の(即ち、スロート４５の)長さＬに等しい厚さの１枚の材料内に形成されている。図５（Ｃ）に示された実施の形態は、ここでは単純オリフイスと称されている。
【００２３】
要約すると、（１）シヤワーヘッドオリフイスと（２）成形オリフイスもしくはノズル（例えば、音響オリフイスもしくは発散ノズル）との間のガスオリフイスの幾何学形状での相違は、非常に異なる流れ状態を生じさせる。
【００２４】
図６は、オリフイスのクヌーセン数Ｋｎに対する測定された吐出係数を示す。このオリフイスのクヌーセン数は、スロートの直径ｄに対する全（即ち、停滞）状態での平均自由行程を表す。Ｋｎ＜０．０１は、連続したレシピを表し、０．０１＜Ｋｎ＜１は、遷移レシピを表し、そして、Ｋｎ＞１は、自由分子流レシピを表していることに注意せよ。明らかに、吐出係数は、広い範囲のＫｎのに対しては、アスペクト比Ｌ／ｄ＝２０に対してよりもアスペクト比Ｌ／ｄ＝０．５に対しての方がかなり大きい（４ないし５倍）
前記音響オリフイスに対する吐出係数は、オリフイスのフラックスの角度分布を狭くすることができる。換言すれば、射出全圧力の増加（即ち、クネーセン数の減少）並びに／もしくは吐出係数の増大により、高精度で指向されたガスジェットを発生させることができる。
【００２５】
図５の（Ａ）ないし（Ｃ）の連続した参照によれば、ガス射出オリフイスデザインは、吐出係数Ｃ_Ｄ(図６に示される)を大きくもしくは最大にするように記載されている。しかし、より一般的には、オリフイスに部分的なガス射出動作と２つの部分的に規定されたパラメータ、即ち、オリフイスのアスペクト比Ｌ／ｄとオリフイスのクネーセン数Ｋｎとの関係が、確立されている。かくして、パラメータΠ_１、例えば、吐出係数Ｃ_Ｄのような測定可能なパラメータが、前記２つのパラメータ、即ち、ＣＤ＝ＣＤ（Ｌ／ｄ，Ｋｎ）により表され得る。例えば、非ディメンション的な解析のルールを使用することにより、上記パラメータは、互いに交換可能とされ得るし、また、上記式をΠ_１＝Π_１（ＣＤ，Ｌ／ｄ）のように書き換えられることができる。実験によれば、上述したガス射出オリフイスデザインは、基板３５の露出面近くの数密度に影響し、次に、後述する入射角（基板の表面での）の可能性分布関数に影響する。
【００２６】
図４を参照すると、処理ガス２５は、ガス射出プレート２０を通って処理領域１２に入る。ここで、このガス射出プレート２０の表面２２は、基板３５の露出面に対してほぼ平行である。例えば、処理ガス２５は、基板３５の表面にほぼ垂直な方向に射出される。基板３５の表面での表面基準ベクトルに対して、表面ガス速度角(gas velocity angle)の例示的な可能性分布関数（ＰＤＦ）χは、ガス射出プレート２０のガス射出オリフイスの直下の場所については図７に示されている。かくして、この場所では、原子／分子が、基板３５の表面に直交するように（３００として図７で示された角度で当たる）動く可能性が高い（しかし、ガス射出オリフイスに対して直接的に“インライン(in-line)の場所から横方向に動くときには、この観察は正しくない）。前記ＰＤＥの“狭さ(narrowness)”もしくは“広さ(broadness)”は、バックグラウンドの圧力と、ガス射出プレート２０の表面２０と基板３５の露出面との間の間隔ｈとに高く依存する。更に、入射角ＰＤＦ（χ）の可能性分布関数は、基板３５の露出面とガス射出プレート２０との間の間隔Ｈに対するガス射出プレート２０のガス射出オリフイスΔｓの間隔に強く影響される。
【００２７】
基板３５の露出面（もしくは、エッチング又は堆積フュチャーへの入口領域）の近くでの質量輸送(mass transport)での変化に影響を及ぼすために、上述した２つの独立したパラメータが利用できる。上記エッチング又は堆積フュチャーへのマスのフラックスは、（１）基板３５の露出面の近くの気体数密度(gas number density)と、（２）直交入射とほぼ等しい角度で表面に原子／分子が衝突する可能性とに、依存している。上記説明を考察すると、第２の可能性Π_２は、吐出係数Ｃ_Ｄと、オリフイスアスペクト比Ｌ／ｄと、ガス射出プレート２０での相対的ガス射出オリフイス間隔Δｓ／ｈ（ここで、Δｓは、ガス射出プレート２０でのガス射出オリフイス間隔であり、また、ｈは、ガス射出プレート２０と基板３５の露出面との間の間隔(即ち、距離)である）と、チャンバクネーセン数Ｋｎ_ｃの関数として、即ち、Π_２＝Π_２（Ｃ_Ｄ，Ｌ／ｄ，Δｓ／ｈ，Ｋｎ_ｃ）として表わされる。最初の２つの従属変数（Ｃ_Ｄ並びにＬ／ｄ）は、図５（Ａ）ないし（Ｃ）を参照して説明したように、ガス射出オリフイスのデザインに関係付けられている。このガス射出オリフイスのデザインは、基板３５の露出面の近くの気体数密度に強く影響を及ぼし、また、程度は低いが、入射角の可能性分布関数にも影響を及ぼす。第３の変数は、ガス射出プレート２０でのガス射出オリフイスの相対間隔に関係しており、基板３５の露出面を横切る入射角の可能性に強く影響を及ぼす。
【００２８】
前記Δｓ／ｈの好ましい選定が以下に論じられる。最後に、第４の変数は、チヤンバの状態もしくはバックグラウンド圧力に基づくクネーセン数、即ち、Ｋｎ_ｃ＝λ_ｃ／ｈである。ここで、λ_ｃは（バックグラウンド）チャンバ圧力を使用して規定される平均自由行程である。例えば、Ｋｎ_ｃが大きい場合には、ＰＤＦ（χ）は狭く、Ｋｎ_ｃが小さい場合には、ＰＤＦ（χ）は広い。
【００２９】
基板３５の近くの輸送特性の変化に影響を及ぼすために、上記（ガス射出オリフイスデザインに関連した）第１の従属変数（即ち、吐出係数Ｃ_Ｄは、基板処理の間に、そして基板毎に調節可能である。また、第２の従属変数、即ち、オリフイスアスペクト比Ｌ／ｄは、アブリオリでザデインされ得る。換言すると、アスペクト比（オリフイスのプラズマ腐食により処理中に変化するけれども）は、単一のウエハの処理の間では一般的に制御が不可能である。Ｃ_Ｄに対する変化は、射出全圧力（質量流量）に対する変化によってなされ得る。例えば、射出全圧力の増加（即ち、質量流量の増加）は、吐出係数を増加させ得る。Ｃ_Ｄの調節は、以下に詳細に説明される。
【００３０】
基板３５の近くの輸送特性の変化に影響を及ぼすために、第３の変数、即ち、相対間隔Δｓ／ｈは、基板の処理の間に、そして、移送装置３６を使用した基板ホルダー３０の垂直方向の移動に従って基板毎にｈに対する変化によって調節され得る。
【００３１】
基板３５の近くの輸送特性の変化に影響を及ぼすために、第４の変数、即ち、（バックグラウンド）チャンバのクネーセン数Ｋｎ_ｃは、基板処理の間に、そして、基板毎に調節され得る。Ｋｎ_ｃに対する変化は、移送装置３６による間隔ｈ並びに／もしくは（バックグラウンド）チヤンバ圧力と、質量流量並びに／もしくはチヤンバ圧力センサー４９に接続された真空ポンプのスロットルバルブのセッテングとの変化により、夫々影響され得る。
【００３２】
更に、図７を参照すると、基板３５の表面にほぼ直交する方向に動く、もしくは特定の角度範囲内での原子／分子を見る可能性を最大にするために、ガス射出オリフイスの間隔は、以下の式に従って決定される。
【００３３】
Δｓ＝２ｈｔａｎ（φ） （２）
ここで、Δｓは、図８で４００により示されたようなガス射出オリフイス間隔、φは、図８で４１０で示されるような、正常の入射からの許容可能な角偏差（半角）、そして、ｈは、図８で４２０で示されるような、ガス射出プレート２０と基板３５の露出面との間の間隔（即ち、距離）である。エッチングもしくは堆積プロファイル中への質量輸送を最適化するために、半角φは、フュチャー許容半角φ_ｆ＝ｔａｎ^-1（ｄ_ｆ／２ｌ_ｆ）と一致するべきである。ここで、ｄ_ｆはフュチャー直径（即ち、横方向長さスケール）、そして、ｌ_ｆはフュチャー長さ(即ち、長手方向長さスケール)であり、これに関しては図２に示している。換言すれば、φ≦φ_ｆ、即ち、相対ガス射出オリフイス間隔ｈ／Δｓの逆数がフュチャーのアスペクト比ＡＲ＝ｌ_ｆ／ｄ_ｆと一致すべきである。即ち、ｈ／Δｓ≧ＡＲ。
【００３４】
図９は、中を処理ガス２５が流れる複数のガス射出オリフイスを有するガス射出プレート２０を示す平面図である。ここでは、これらオリフイスは、如何なる所望のオリフイスとこれに隣接した（囲んだ）オリフイスとの間の間隔(Δｓ)４００が同じなように好ましくは六角形のパターンに配設されている。
【００３５】
最後に、前記（バックグラウンド）チャンバのクネーセン数Ｋｎ_ｃは、ＰＤＦ（χ）の全幅半値最大δ_FWHMが、エッチングもしくは堆積フュチャーの中へ質量輸送の効率を最大にするために、フュチャー許容半角２φ_ｆの２倍にほぼ等しいように、好ましくは選定される。例えば、ｈ＝２５ｍｍで、ＡＲ＝１０（：１）の場合には、（バックグラウンド）チャンバ圧力は、上記条件を満たすためには、約２ないし５ｍＴｏｒｒである。ガス射出オリフイス間隔と、パターンと、チャンバ状態と、オリフイス断面（即ち、図５（Ａ）ないし（Ｃ））に対するデザイン規格を組合わせると、ガス射出プレート２０のデザインは、プラスもしくはマイナスの角度範囲３１０内で、基板３５の表面にほぼ直交して動く原子／分子の数を均一に最大にすることができる。例えば、基板３５の表面の部分での原子／分子の数と、基板３５の表面にほぼ直交する方向に動く原子／電子を見る可能性との両者を最大にすることにより、プラズマ処理は最適にされ得る。
【００３６】
例えば、酸化エッチングにおいて、ガス射出オリフイスのアレイが、不活性ガス（例えば、アルゴン）で希釈された処理ガス（即ち、Ｃ_４Ｆ_８）を処理領域１２の中へと連続的に射出する。ガス種の処理レシピの一例は、３００ｓｃｃｍのアルゴンと、５ｓｃｃｍのＣ_４Ｆ_８と、１０ｓｃｃｍの酸素とを含むことができる。このような流量に対して、射出全圧力は、３６０００個の射出オリフイス（ｄ＝０．０５ｍｍ，Ｌ＝０．０２５ｍｍ）のアレイと、４００ｓｃｃｍのアルゴンの質量流量との場合には、約５Ｔｏｒｒである。このようなデザインにおいて、ガス射出オリフイスは、（１）六角形のパターンで各々１ミリメートル離間されており、かくして、基準の入射に対して±１°（例えば、１°は、１２：１のアスペクト比のフュチャーのエッチングもしくは堆積に適した要求よりも小さい）の最適化された基板３５の表面の近くでの均一かつ指向性のある流れを可能にしている。ガス射出オリフイス間隔(Δｓ)４００は、ガス射出プレート２０と基板３５の露出面間の距離ｈが２５ｍｍには、１ｍｍとなるように、決定される。
【００３７】
図５（Ａ）ないし（Ｃ）に示されているような、音響オリフイス、発散ノズル、もしくは、単純オリフイスは、ステンレススチール、アルミニウム、アルミナ、シリコン、石英、シリコンカーバイト、カーボン等、幅広い材料で製造され得る。アルミニウムにより形成された場合には、オリフイス／ノズルは、プラズマによる腐食を防ぐために、陽極酸化され得る。更に、ガス射出オリフイスは、保護バリアを
形成するように、Ｙ_２Ｏ_３でスプレイコーテングされ得る。音響オリフイスもしくは発散ノズルは、ダイアモンドバイト切削加工、超音波ミリング、レーザカッテング等の幅広い種々の機械加工技術を使用して製造され得る。また、ある種の適用においては、オリフイスの製造は、エッチングを使用できる。実際、オリフイス／ノズルが製造される材料の全厚さがミリメートルのオーダの場合には、オリフイスのエッチングは、通常実施されているエッチングレートと道理に適った処理時間とによりなされる。
【００３８】
例えば、図１０並びに１１に従って、プレート用基板(即ち、７５０ミクロンの厚さの多結晶シリコンウエハ)に１もしくは複数のガス射出オリフイスを製造する方法が説明される。図１０には、製造工程が示され、その処理は、図１１に示された工程のリストに反映されている。製造プロセスは、工程５００でスタートされる。工程５１０は、プレート用基板５１２の第１の表面にホトレジストフイルム５１４を形成し、パターンがホトレジストフイルムにホトリソグラフ技術により転写される。パターンニングされたフュチャーの幅は、約１４００ミクロンで良い。
【００３９】
工程５２０で、フュチャー５２２が、約７００ミクロンもしくはこれ以上の深さに（異方性）フュチャー５２２をエッチングするのに必要な時間により定められた所定の時間、ＫＯＨ／アルコール液中にプレート用基板５１２を浸漬することにより、プレート用基板５１２にウエットエッチングされる。このウエットエッチングが完了した後に、ホトレジストマスク５１４は、除去される。
【００４０】
工程５３０で、プレート用基板５１２は、反転され、第２のホトレジストフイルム５３２が、プレート用基板５１２の第２の(反対の)表面に塗布され、そして、パターン５３４が、ホトリソグラフ技術によりホトレジストフイルム５３２に転写される。このパターンニングされたフュチャーの幅は、約５０ミクロンで良い。
【００４１】
工程５４０で、プレート用基板５１２は、この分野で良く知られているプラズマ処理装置内でＳＦ_６／Ｏ_２（／Ｃ_４Ｆ_８）もしくはＣｌ_２組成を利用してドライエッチングされて、ガス射出オリフイス（ｄ＝０．０５０ｍｍ，Ｌ≦０．０５０ｍｍ）が形成され得る。代表的なエッチングレートは、５０ミクロン／分であり、かくして、ガス射出オリフイスの製造を果たすためのドライエッチング時間は、１分よりも短くなることが期待される。エッチングが終了すると、ホトレジスト５３２が剥離される。このプロセスは、工程５５０で終了される。
【００４２】
シリコンを使用した製造は、腐食剤(フッ素)として、酸化エッチングプロセスで有用であるから、さらなる効果があるけれども、これは、時間と共に消耗されてオリフイスの腐食となる。もし、そうであれば、ガス射出オリフイスの動作は、圧力センサー４６（図４）を使用して、射出全圧力をモニターすることにより、観察できる。この射出全圧力の低下は、ガス射出オリフイスの腐食（即ち、ガス射出オリフイスの開口、もしくは最小断面領域Ａの増加、もしくは長さＬの減少）を意味することができる。この情報は、消耗可能なガス射出プレート２０の交換寿命を決定することができる。
【００４３】
図４を参照すると、処理ガスの流れをモニターし、調節するマスフローコントローラ４４に接続されたガス供給源４８を出た処理ガスは、ガス射出プレート２０を通って処理領域１２に入り、真空ポンプ４０により排出される。このガス射出システムのモニターと制御とは、コントローラ４２によりなされる。このコントローラ４２は、ガス供給源と、マスフローコントローラ４４と、圧力センサー４６と、チャンバ圧力センサー４９と、基板ホルダーの移送装置３６と、真空ポンプ４０とに接続されている。時間の関数として、コントローラ４２は、圧力センサー４６を介して射出全圧力をモニターし、また、圧力の例示的なトレースが、図１２に示されている。
【００４４】
図５（Ａ）ないし（Ｃ）に示されているようなオリフイスがガス射出オリフイスの一側に存在するプラズマにより腐食されるときに、プラズマがガス射出オリフイスの長さＬの全長に渡って腐食させると、前記ガス射出オリフイスの長さＬは、時間と共に減少し、ガス射出オリフイスのスロート領域は広がる。ガス射出オリフイスのプラズマ腐食の例が、図１３に示されている。図１３には、図３に示されているのと類似したガス射出オリフイスの（裂けた）断面が、示されている。ここで、オリフイスの左端が腐食されている。オリフイスの長さＬの減少は、吐出係数の増加となるオリフイスのアスペクト比Ｌ／ｄに対応する。そして、この吐出係数の増加は、有効スロート面積の増加となり、図１２（領域６００）に示されるような射出全圧力の減少へと変換される。しかし、長さＬとスロートの直径ｄとが変化する異なるレートにより、前者並びに後者の腐食レジメは、図１２の圧力トレースの傾斜の変化により区別され得る。
【００４５】
図１２に示されるように、射出全圧力が閾値以下になると、コントローラ４２は、ガス射出システムの部品（消耗物品）の交換を予定するように警告を発することができる。また、このコントローラ４２は、ガス射出オリフイスの吐出係数の変化を補うように、処理ガスの流れの性質を変更することにより、ガス射出システムの劣化を無効にすることができ、かくして、消耗部品の寿命を延ばすことができる。
【００４６】
式（１）を使用すると、測定される射出全圧力は、“理論的な”（もしくは等エントロピーの）質量流速に関係付けられ得る。質量流量コントローラ４４により、(実際の)質量流量を更に記録することにより、当エントロピーの質量流量に対する実際の質量流量の比は、ガス射出システムに対する平均吐出係数を与える。ガス射出オリフイスが腐食されると(図１３)、オリフイスのアスペクト比Ｌ／ｄは減少する。このために、射出全圧力が減少すると(図１２)、オリフイスのクネーセン数Ｋｎは大きくなる。減少するアスペクト比Ｌ／ｄと増加するクネーセン数Ｋｎとにより、図６を参照して説明されたように、吐出係数は、アスペクト比Ｌ／ｄとクネーセン数Ｋｎとの関数なので、吐出係数は変化する。このような吐出係数の変化は、図１４に示された特性曲線（７００並びに７１０）の移動として観察され得る。図１４において、ガス射出システムは、第１の特性曲線７００上の第１のポイント７２０で動作するようにデザインされている。吐出係数が変化し、また処理ガスの質量流量が一定に維持される（質量流量コントローラによって）のに従って、動作ポイントは、第１の特性曲線７００上の第１のポイントから第２の特性曲線７１０上の第２のポイント７３０へとシフトする。オリフイスのアスペクト比Ｌ／ｄとクネーセン数Ｋｎに対する吐出係数の依存性に応じて、前記第２のポイント７３０は、第１のポイント７２０の吐出係数よりも大きいか（図１４に示されるように）、または小さい吐出係数を有することができる。図１４の場合には、射出全圧力をさらに減じるように質量流量を減じることにより、コントローラ４２は、第２の特性曲線７１０上の第２のポイント７３０から第２の特性曲線７１０上の第３のポイント７４０へと動作ポイントを移動させ、また、（短い）破線７５０により示された値のデザイン吐出係数に戻る。論じたような制御シーケンスに従うことにより、ガス射出システムの吐出係数は、一定に保たれる。かくして、材料処理システム１は、交換の前のガス射出消耗部品の使用期間を長くすることができる（処理の質量流量が処理のレシピのために設定された制御限界を超えるように実質的に変化しない限り）。
【００４７】
上述し図示された例示的な実施の形態は、本発明の好ましい実施の形態を説明しており、請求項の範囲を限定することは意味していないことが判るであろう。本発明の種々の変更並びに変形は、上記技術に照らして可能である。かくして、請求項の範囲内で、本発明は、特にここに説明した以外でも実施され得ることは理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】過フッ化炭化水素のプラズマによりエッチングされている高いアスペクト比のフュチャーの断面図である。
【図２】アルゴンのプラズマの存在下でのエッチングされている高いアスペクト比のフュチャーの断面図である。
【図３】シャワーヘッド射出オリフイスの拡大された断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係わる材料処理システムの概略的な断面図である。
【図５】（Ａ）は、本発明の第１の態様に係わる音波オリフイスを示し、（Ｂ）は、本発明の第２の態様に係わる発散ノズルを示し、そして、（Ｃ）は、本発明の第３の態様に係わるシンプルなオリフイスを示す。
【図６】オリフイスのクネーセン数Ｋｎと、オリフイスのアスペクト比と、吐出係数との関係を示すグラフである。
【図７】基板表面に対しての部分的なガス速度角度の可能な分布関数を概略的に示す図である。
【図８】ガス射出オリフイスの間隔に関する一例の概略的な断面図である。
【図９】ガス射出オリフイスの間隔に関する一例の概略的な平面図である。
【図１０】ガス射出オリフイスを形成するための方法を示す概略的な図である。
【図１１】ガス射出オリフイスを形成するための方法の過程を示す図である。
【図１２】ガス射出オリフイスの腐食の間の射出全圧力を概略的に示す図である。
【図１３】プラズマ腐食に曝されたガス射出オリフイスを写真で示す図である。
【図１４】吐出係数を調節するための制御路の一例を示す図である。【Technical field】
[0001]
This application is filed on March 2, 2001, entitled "SHOWER-HEAD GAS INJECTION APPARATUS WITH SECONDARY HIGH PRESSURE PULSED GAS UNJECTION". No. 60/272, 452, and “DIRECTED GAS INJECTION APPARATUS FOR SEMICONDUCTOR PROCESSING”, filed on June 29, 2001 and filed in the prior application No. 60 / 310,436. This application is also based on the prior application No. 60/301, 413. The contents of these applications are hereby incorporated by reference.
[0002]
The present invention is directed to a method and apparatus for using a shaped orifice or nozzle in a plasma processing system.
[Background Art]
[0003]
In the manufacture of integrated circuits (ICs), a common approach to oxide etching is to use a process gas containing argon, C _x F _y (eg, C ₄ F ₈ ), and O ₂ to form a plasma. A capacitively coupled plasma (CCP) introduced into a low-pressure atmosphere is used. From here, the properties of plasma dissociation chemistry are directed to the material of the substrate surface to be etched (ie, CF ₂ for selective oxidation etching) and the optimal product of the chemical reaction suitable for the chemical reaction. Further, the plasma generates a number of positively charged ions (eg, simply charged Ar ⁺ ) that are suitable for energizing the substrate surface to perform the etch chemistry. In general, a substrate RF bias applies ion energy to the substrate surface to attract ions to the substrate surface in a controllable and directional manner to effect an anisotropic etch for a desired feature sidewall profile. Has been used for.
[0004]
Due to the different behavior of atoms, molecules, and ionized species in the plasma, oxidative etching appears to have two unique methods. First, electrons are heated in the plasma and dissociated by collisions with fluorocarbon species to form radical species, for example, CF ₃ , CF ₂ , CF, and the like. The second, electrons are heated to sufficient energy to ionize the argon atoms, the resulting ion is to be utilized to the CFx / SiO ₂ reaction by exciting the substrate surface.
[0005]
For example, FIG. 1 shows an exploded view of a feature of etching in an oxide layer. In the plasma, radicals of the fluorocarbon are formed. After this, these radicals diffuse into the substrate and deposit on the surface of the etched future. Preferably, some effects are obtained by increasing the local concentration of CF ₂ radicals on the wafer surface (Nakagawa et al. 1998, Booth 1998, Kiss et al. 1992, Butterbaugh et al. 1991, Tatsumi et al. 1998). Particularly, CF by forming the _x polymer layer, to protect the resist during the etching process to improve the etch selectivity of SiO ₂ to the resist onto photoresist which is (1) patterning. (2) By forming a _CFx polymer layer along the side wall, improved etching anisotropy can be protected. (3) By forming CFx at the bottom of the feature, it produces volatile products, ie, the selectivity of the oxide over silicon, where one of many chemical reactions can be 2CF ₂ + SiO ₂ → SiF ₄ + 2CO. An etching reaction suitable for etching can be caused. Thus, as shown in FIG. 2, anisotropic etching occurs due to the directivity of ion bombardment on the substrate surface. Here, the energy of the argon ions is sufficient to produce the etch chemistry at the etch feature.
[0006]
To improve high aspect ratio contact etching on oxides (eg, etch rate, sidewall profile, selectivity, etc.), one technique proposed in the above-cited references is to form CF ₂ radicals. It is recommended that plasma chemistry be optimized. In practicing this, fluorocarbon, in particular, of CF ₂ concentrations are known to be very relevant to _{τn e <σγ> (Tatsumi et} al.1998). Here, tau gas duration, n _e is the electron density, sigma dissociation collision cross section, gamma is the electron velocity, and, <σγ> is the integral value of the product Shigumaganma in electron energy distribution function is normalized is there. Thus, typical practices require adjusting the plasma density to optimize the preferred concentration of etching radicals to achieve the conditions listed above. Generally, this limits the maximum etch rate in oxidative etching. This drawback is often compensated for by tailoring the etch selectivity or sidewall profile specifications. For example, the etch rate is almost proportional to the plasma density (the ion density is equal to the electron density for a quasi-neutral plasma, both of which are commonly referred to as the plasma density). On the other hand, the etch selectivity is inversely proportional to the plasma density if the plasma density is high enough to produce a high concentration of dissociated radicals (ie, a high concentration of fluorine radicals for oxidative etching in the chemistry of CxFy processing). Proportional. In addition, inappropriate chemical properties due to excessively high dissociation rates cause inadequate protection of future sidewalls. Thus, it compromises the sidewall profile that causes isotropic etching. Finally, insufficient plasma density and low dissociation (ie, high concentrations of CF ₃ , CF _2, etc.) cause an etch stop due to the material (ie, C) that collects at the bottom of the etch feature. For this reason, the close relationship between the plasma density and the preferred radical concentration makes it possible to achieve very acceptable operating specifications for the etch rate, the etch selectivity, and the side wall profile (or anisotropy). Parameter space. This is a major drawback, especially for common hardware and processing practices, as the etching requirements change during the etching of deep, high aspect ratio contacts.
[0007]
In a typical showerhead gas injection system utilized in conventional semiconductor processing equipment, the injection plate typically has an array of hundreds (hundreds to thousands) of injection orifices. Through these orifices, gas is introduced into the processing area at a flow rate equal to 100-1000 sccm argon. Further, each injection orifice is characterized by a length L and a diameter d where the ratio L / d of the length of the orifice to the diameter of the orifice is greater than 10 (ie, L / d >> 1). 3 is a circular orifice. For example, a typical orifice diameter is 0.5 mm, and a typical orifice length is 1 cm, thus having an aspect ratio L / d = 20.
[0008]
According to this design, gas is emitted from the orifice outlet with a very wide angular distribution of low discharge coefficient orifices. Discharge coefficient C _D of the orifice is given by the ratio of the actual mass flow rate to mass flow rate of the isentropic. This isentropic mass flow rate can be derived from the Euler's equation (or Navier-Stoke's equation) for a pseudo-one-dimensional frictionless and adiabatic flow as follows:
(Equation 1)
[0009]

Here, gamma is the specific heat to the gas, R represents gas constant, is _{P t,} the total pressure, _{T t} is total temperature and,, A is the minimum cross-section (throat) product (i.e., A = πd ^2/4 ). When C _D << 1, the actual total pressure yield in the orifice is significantly reduced, which leads to a very wide angular distribution of orifice flux. Thus, a disadvantage of the design of conventional gas injection systems is the relatively low gas injection orifice discharge coefficient.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0010]
Further, conventional systems have drawbacks for controlling the discharge coefficient of the gas injection orifice. In many cases, gas injection orifices are subject to corrosion, which causes the gas injection characteristics to change with processing time, from substrate to substrate and from batch to batch. Conventional systems not only cannot monitor the status of the "consumable" gas injection system, but also attempt to control the gas injection characteristics so as to extend the life of the "consumable" gas injection system. Did not. In addition to gas injection orifices with uncontrolled discharge coefficients, conventional designs have additional disadvantages. That is, the gas injection orifices are not oriented relative to each other to provide a partially uniform and directional gas flow over the substrate surface.
[0011]
It is an object of the present invention to provide a gas injection system design having one or more gas injection orifices, each configured to improve the discharge coefficient of the orifice.
[0012]
It is another object of the present invention to provide a gas injection system design having one or more gas injection orifices each configured to improve the directivity of the gas flow at the outlet of the orifice.
[0013]
It is another object of the present invention to provide a gas injection system design having one or more gas injection orifices each configured to improve the flux of a species orthogonal to the substrate surface.
[0014]
It is an object of the present invention to provide a gas injection system design having a plurality of gas injection orifices configured to improve the spatial uniformity of flux of a species orthogonal to the substrate surface.
[0015]
Another object of the present invention is a gas injection system having a plurality of gas injection orifices, a sensor for monitoring unique gas injection parameters, and a controller used to monitor the status of one or more gas injection orifices. Is to provide design. The status of the gas injection orifice can be used to determine replacement of consumable parts.
[0016]
Another object of the present invention is a gas injection system having a plurality of gas injection orifices, a sensor for monitoring unique gas injection parameters, and a controller used to monitor the status of one or more gas injection orifices. Is to provide design. The current use state of the gas injection orifice can be used to return the current use state to the design state, controlling the gas injection orifice and extending the life of consumable parts. it can.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0017]
In order to improve the etch rate, the etch selectivity, and the sidewall profile of the etch features, the present invention provides a method for improving the transport of chemical species to parts on exposed substrate surfaces (chemical transport). Improve the gas injection design used in material processing equipment. (A "substrate," as used herein, refers to any workpiece processed in a plasma atmosphere, including, but not limited to, semiconductor wafers and liquid crystal display panels.) The exposed substrate surface is treated in a material etching or deposition process. The combination of these steps serves to change the material composition and / or surface shape of the exposed substrate surface. If the material processing equipment utilizes a processing plasma, improvements to the transport of the species will affect the dissociation chemistry, and thus the radical concentration, as well as the radical transport near the high aspect ratio features at the substrate surface. Also affect. The present invention utilizes an improved gas injection orifice design to maximize the spacing of the gas injection orifices and the discharge coefficient of the orifice to provide a uniform, directional gas flow orthogonal to the substrate surface. ing.
[0018]
FIG. 4 schematically illustrates a material processing system 1 including a processing chamber 10 having a processing region 12 formed therein. The processing region 12 preferably contains a decompressed gas and a plasma. The material processing chamber 10 further has an upper gas injection plate 20 through which processing gas enters the processing chamber 10. Further, a substrate holder 30 on which the substrate 35 is placed is provided in the chamber 10. The upper surface of the substrate 35 is exposed to the processing region 12. The substrate holder 30 can be moved vertically by the transfer device 36 so that the distance h between the exposed surface of the substrate 35 and the gas injection plate 20 can be changed. Gas flowing out of the processing region 12 is exhausted to a vacuum pump 40 through a chamber port 38. The material processing apparatus 1 further includes a controller connected to a mass flow (mass flow) controller 44, a pressure sensor 46, a vacuum pump (eg, a gate valve) 40, a chamber pressure sensor 49, and a substrate holder transfer device 36. 42. Improvements to the design of the gas injection plate 20 facilitate improvements in substrate 35 material processing. These features are described below.
[0019]
FIGS. 5A, 5B and 5C show three examples of gas injection orifices according to the present invention. The first cross-sectional view (FIG. 5A) shows a throat 45 having an opening diameter (throat diameter) d (for example, d is on the order of 0.025 to 0.5 mm) and a first throat L having a length L. Shown is what is referred to as a sonic orifice having a side wall 50. Preferably, the aspect ratio L / d is much smaller than 1 (eg, L / d << 1). Discharge coefficient (as described above) is highly related to the ratio of the cross-section of the smallest area (eg, the first sidewall) to the cross-section of the smallest area (eg, throat 45). Generally, the first side wall 50 of the throat 45 is parallel to the center line 55 of the orifice. The gas injection orifice further has an inlet 65 which allows gas to enter the throat 45 of the orifice. Corresponding to the thickness of the material from which the gas injection orifice is formed, the orifice inlet 65 defines a second side wall 70 having a predetermined inflow length and a cross-sectional area substantially greater than the cross-sectional area of the throat 45. It has a provided flow path. For example, the cross-sectional area of the inlet 65 is preferably ten times larger than the cross-sectional area of the throat 45. The design of this inlet 65 is such that the gas passes between the second side walls 70 until it reaches the throat inlet wall 75 before entering the throat 45. In one embodiment (not shown), the throat inlet wall 75 is kept flat until it reaches the first side wall 50, from which the opening of the throat 45 begins.
[0020]
In the illustrated embodiment shown in FIG. 5A, the throat inlet wall 75 is inclined (shown at 80 in FIG. 5A) between the throat inlet wall 75 and the center line 55 of the orifice. (Which results in a conical section at the entrance to the throat 45). This inlet angle α is preferably 45 °, but the inlet angle 80 of the throat inlet wall 75 can be varied in the range of 30 to 90 ° as described above (the inlet angle 80 of 80 to 90 ° is (Equivalent to a "flat" throat inlet wall 75).
[0021]
FIG. 5B shows a second embodiment of the injection orifice, a cross section of a divergent nozzle. The divergent nozzle has a diameter d (eg, d is on the order of 0.025 to 0.5 mm) and a corresponding aspect ratio L / d << 1 (eg, L / d <0.5). A throat 45 is provided. Beyond the throat of the nozzle, it is positioned divergent section of the conical diameter increases toward the outlet 85 of diameter d _e from the throat 45 of diameter d. The diameter ratio _d e / d is the fourth order. The purpose of the cone is to regulate the rate at which the gas spreads into the low pressure atmosphere. Generally, the angle β, shown as 90 in FIG. 5B, is about 18 to minimize radial flow loss and to minimize flow separation from the nozzle wall. It is desirable not to exceed °. In addition, the smaller the angle, the larger the friction loss, and the longer the nozzle length for a predetermined area ratio. Thus, angle 90 is preferably 5 <β <20 °, and more preferably 15 <β <20 °. The conical section is designed in a concave section, in particular using the method of mechanical properties (ie "perfect nozzle" or ("minimum-length nozzle"). For example, if it is desired to maximize the average (special) pressure perceived on the substrate surface, if Kn> 0.005, then an acoustic orifice may be selected, When Kn <0.005, a divergent orifice may be selected using a variable hard hair (VHS) model: Bird, GA, Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flows, Clarendon Press, Oxford (1994). The Knudsen number Kn derived from the estimation of the mean free path predicted by the calculation is assumed.
[0022]
In the third embodiment shown in FIG. 3C, the inlet 65, the inlet area with the wall 70, and the throttle inlet wall 75 have been removed, and the gas injection orifice has been removed from the wall 50 by the ( That is, it is formed in one piece of material having a thickness equal to the length L (of the throat 45). The embodiment shown in FIG. 5 (C) is referred to herein as a simple orifice.
[0023]
In summary, differences in the geometry of the gas orifice between (1) the showerhead orifice and (2) the shaped orifice or nozzle (eg, an acoustic orifice or divergent nozzle) result in very different flow conditions.
[0024]
FIG. 6 shows the measured discharge coefficient for the Knudsen number Kn of the orifice. The Knudsen number of this orifice represents the mean free path in full (ie, stagnant) state for the throat diameter d. Note that Kn <0.01 represents a continuous recipe, 0.01 <Kn <1 represents a transition recipe, and Kn> 1 represents a free molecular flow recipe. Clearly, the discharge coefficient is much higher for aspect ratio L / d = 0.5 than for aspect ratio L / d = 20 for a wide range of Kn (4-5). Times)
The discharge coefficient for the acoustic orifice can narrow the angular distribution of the orifice flux. In other words, an increase in the total injection pressure (i.e., a decrease in the Knessen number) and / or an increase in the discharge coefficient can generate a highly accurate directed gas jet.
[0025]
With reference to FIGS. 5A-5C, the gas injection orifice design is described to maximize or maximize the discharge coefficient C _D (shown in FIG. 6). More generally, however, a partial gas injection operation at the orifice and a relationship between two partially defined parameters, namely the orifice aspect ratio L / d and the orifice Knessen number Kn, have been established. I have. Thus, the parameter [pi _1, for example, measurable parameters such as the discharge coefficient _{C D} is, the two parameters, i.e., can be represented by CD = CD (L / d, Kn). For example, by using non-dimensional analysis rules, the above parameters can be made interchangeable and the above equation can be rewritten as Π ₁ = Π ₁ (CD, L / d). Can be. Experiments have shown that the gas injection orifice design described above affects the number density near the exposed surface of the substrate 35, and in turn affects the probability distribution function of the angle of incidence (at the surface of the substrate) described below.
[0026]
Referring to FIG. 4, the processing gas 25 enters the processing area 12 through the gas injection plate 20. Here, the surface 22 of the gas injection plate 20 is substantially parallel to the exposed surface of the substrate 35. For example, the processing gas 25 is injected in a direction substantially perpendicular to the surface of the substrate 35. For a surface reference vector at the surface of the substrate 35, an exemplary likelihood distribution function (PDF) 表面 of the surface gas velocity angle is given by the location of the gas injection plate 20 just below the gas injection orifice. This is shown in FIG. Thus, at this location, the atoms / molecules are likely to move perpendicular to the surface of the substrate 35 (hit at the angle shown in FIG. 7 as 300) (but directly with respect to the gas injection orifice). “When moving laterally from an in-line location, this observation is not correct.) The“ narrowness ”or“ broadness ”of the PDE is determined by the background pressure and gas pressure. It is highly dependent on the distance h between the surface 20 of the injection plate 20 and the exposed surface of the substrate 35. Furthermore, the probability distribution function of the incident angle PDF (χ) depends on the distance between the exposed surface of the substrate 35 and the gas injection plate 20. Is strongly influenced by the interval of the gas injection orifice Δs of the gas injection plate 20 with respect to the interval H between the two.
[0027]
The two independent parameters described above are available to affect changes in mass transport near the exposed surface of the substrate 35 (or the entrance area to the etch or deposition features). The mass flux to the etch or deposition feature is such that atoms / molecules impinge on the surface at (1) a gas number density near the exposed surface of the substrate 35 and (2) at an angle approximately equal to orthogonal incidence. Depends on the possibility of doing. Considering the above description, the second possibility [pi ₂ has a discharge coefficient C _D, and orifice aspect ratio L / d, the relative gas injection orifice spacing Delta] s / h (where the gas injection plate 20, Delta] s is , The gas injection orifice interval at the gas injection plate 20, h is the interval (ie, distance) between the gas injection plate 20 and the exposed surface of the substrate 35, and the chamber Knessen number Kn. _It is expressed as a function of _c , that is, Π ₂ = Π ₂ (C _D , L / d, Δs / h, Kn _c ). The first two dependent variables (C _D and L / d), as described with reference to FIG. 5 (A) without a (C), has been implicated in the design of the gas injection orifice. The design of this gas ejection orifice strongly affects the gas number density near the exposed surface of the substrate 35 and, to a lesser extent, the probability distribution function of the angle of incidence. The third variable is related to the relative spacing of the gas injection orifices at the gas injection plate 20 and strongly affects the possibility of the angle of incidence across the exposed surface of the substrate 35.
[0028]
The preferred choice of Δs / h is discussed below. Finally, the fourth variable is the Knessen number based on the chamber state or background pressure, ie Kn _c = λ _c / h. Where λ _c is the mean free path defined using the (background) chamber pressure. For example, when Kn _c is large, PDF (χ) is narrow, and when Kn _c is small, PDF (χ) is wide.
[0029]
To affect the change near transport properties of the substrate 35, the (associated with the gas injection orifice design) first dependent variable (i.e., the discharge coefficient C _D is between the substrate processing, and for each substrate Also, the second dependent variable, the orifice aspect ratio L / d, can be Zadein 'in aerioli, in other words, the aspect ratio (although it changes during processing due to plasma erosion of the orifice) is simply changes to .C _D is generally controlled impossible during the processing of one wafer can be made by changes to the injection total pressure (mass flow rate). for example, an increase in the injection total pressure (i.e., the mass flow rate increases), the regulation of .C _D which may increase the discharge coefficient is described in detail below.
[0030]
To affect the change in transport properties near the substrate 35, a third variable, the relative spacing Δs / h, is set during processing of the substrate and in the vertical direction of the substrate holder 30 using the transfer device 36. It can be adjusted by the change to h for each substrate as the direction moves.
[0031]
To affect the change near transport properties of the substrate 35, a fourth variable, i.e., the Kunesen number Kn _c of (background) chamber during substrate processing, and may be adjusted for each substrate. Changes to Kn _c is a distance h and / or (background) Chiyanba pressure by the transfer device 36, the change in mass flow and / or Chiyanba of the throttle valve of a vacuum pump connected to the pressure sensor 49 Settengu, each affected Can be done.
[0032]
Still referring to FIG. 7, in order to maximize the likelihood of moving atoms / molecules in a direction substantially orthogonal to the surface of the substrate 35, or within a particular angular range, the spacing of the gas ejection orifices is: Is determined according to the following equation.
[0033]
Δs = 2htan (φ) (2)
Where Δs is the gas injection orifice spacing as indicated by 400 in FIG. 8, φ is the allowable angular deviation (normal angle) from normal incidence as indicated by 410 in FIG. h is the distance (ie, distance) between the gas injection plate 20 and the exposed surface of the substrate 35, as indicated by 420 in FIG. In order to optimize the mass transport into the etching or deposition profile, the phi-byte should match the Fuyucha allowable byte ^{_{φ f = tan -1 (d f}} / 2l f). Here, d _f is Fuyucha diameter (i.e., the lateral length scale), and, l _f is the Fuyucha length (i.e., longitudinal length scale) is shown in FIG. 2 in this regard. In other words, phi ≦ phi _f, i.e., the inverse of the relative gas injection orifice spacing h / Delta] s should be consistent with the aspect ratio AR = l _{f /} d f of Fuyucha. That is, h / Δs ≧ AR.
[0034]
FIG. 9 is a plan view showing a gas injection plate 20 having a plurality of gas injection orifices through which a processing gas 25 flows. Here, the orifices are preferably arranged in a hexagonal pattern such that the spacing (Δs) 400 between any desired orifice and the adjacent (enclosed) orifice is the same.
[0035]
Finally, the Knessen number Kn _c of the (background) chamber is determined by the fact that the full width half maximum δ _FWHM of the PDF (χ) is 2φ in the feature allowable half angle in order to maximize the efficiency of mass transport into the etched or deposited features. It is preferably chosen to be approximately equal to twice _f . For example, if h = 25 mm and AR = 10 (: 1), the (background) chamber pressure is about 2-5 mTorr to satisfy the above conditions. Combining the gas injection orifice spacing, pattern, chamber conditions, and design specifications for the orifice cross-section (ie, FIGS. 5A-5C), the design of the gas injection plate 20 can be in the plus or minus angular range. Within 310, the number of atoms / molecules moving substantially orthogonal to the surface of substrate 35 can be uniformly maximized. For example, by maximizing both the number of atoms / molecules at portions of the surface of the substrate 35 and the possibility of seeing atoms / electrons moving in a direction substantially perpendicular to the surface of the substrate 35, plasma processing is optimal Can be done.
[0036]
For example, in an oxidative etch, an array of gas ejection orifices continuously ejects a process gas (ie, C ₄ F ₈ ) diluted with an inert gas (eg, argon) into the process region 12. An example of a gas species of the process recipe can include a 300sccm of argon, and _C 4 _{F 8} of 5 sccm, and 10sccm of oxygen. For such a flow rate, the total injection pressure is about 5 Torr for an array of 36000 injection orifices (d = 0.05 mm, L = 0.025 mm) and a mass flow rate of 400 sccm of argon. is there. In such a design, the gas injection orifices are (1) each 1 mm apart in a hexagonal pattern, thus ± 1 ° relative to a reference incidence (eg, 1 ° is a 12: 1 aspect ratio). (Less than the requirements suitable for etching or depositing a ratio feature) allows for a uniform and directional flow near the surface of the optimized substrate 35. The gas injection orifice interval (Δs) 400 is determined so that the distance h between the gas injection plate 20 and the exposed surface of the substrate 35 is 1 mm when the distance h is 25 mm.
[0037]
Acoustic orifices, divergent nozzles, or simple orifices, as shown in FIGS. 5A-5C, can be made of a wide variety of materials such as stainless steel, aluminum, alumina, silicon, quartz, silicon carbide, carbon, and the like. Can be manufactured. When formed from aluminum, the orifice / nozzle can be anodized to prevent plasma attack. Further, the gas injection orifice can be spray coated with Y ₂ O ₃ to form a protective barrier. The acoustic orifice or diverging nozzle can be manufactured using a wide variety of machining techniques such as diamond cutting, ultrasonic milling, laser cutting, and the like. Also, in some applications, the manufacture of the orifice can use etching. Indeed, if the total thickness of the material from which the orifice / nozzle is made is on the order of millimeters, the etching of the orifice will be done with the commonly performed etching rates and reasonable processing times.
[0038]
For example, referring to FIGS. 10 and 11, a method for fabricating one or more gas injection orifices on a plate substrate (ie, a 750 micron thick polycrystalline silicon wafer) is described. FIG. 10 shows the manufacturing process, and the processing is reflected in the list of processes shown in FIG. The manufacturing process starts at step 500. Step 510 forms a photoresist film 514 on the first surface of the plate substrate 512 and the pattern is transferred to the photoresist film by photolithographic techniques. The width of the patterned feature may be about 1400 microns.
[0039]
In step 520, the feature 522 is placed in a KOH / alcohol solution for a predetermined time determined by the time required to etch the (anisotropic) feature 522 to a depth of about 700 microns or greater. By immersing 512, wet etching is performed on the plate substrate 512. After the completion of the wet etching, the photoresist mask 514 is removed.
[0040]
At step 530, the plate substrate 512 is inverted, a second photoresist film 532 is applied to the second (opposite) surface of the plate substrate 512, and a pattern 534 is formed by photolithographic techniques. 532. The width of this patterned feature may be about 50 microns.
[0041]
In step 540, the plate substrate 512 is dry-etched using a SF ₆ / O ₂ (/ C ₄ F ₈ ) or Cl ₂ composition in a plasma processing apparatus well known in the art, and gas injection is performed. An orifice (d = 0.050 mm, L ≦ 0.050 mm) can be formed. A typical etch rate is 50 microns / minute, and thus dry etching times to accomplish gas injection orifice fabrication are expected to be less than one minute. When the etching is completed, the photoresist 532 is stripped. The process ends at step 550.
[0042]
Although production using silicon is useful in an oxidative etching process as a corrosive (fluorine) as a corrosive (fluorine), it is depleted over time leading to corrosion of the orifice. If so, the operation of the gas injection orifice can be observed by monitoring the total injection pressure using the pressure sensor 46 (FIG. 4). This drop in injection total pressure can mean corrosion of the gas injection orifice (i.e., opening of the gas injection orifice or increasing the minimum cross-sectional area A or decreasing the length L). This information can determine the replacement life of the consumable gas injection plate 20.
[0043]
Referring to FIG. 4, process gas exiting a gas supply 48 connected to a mass flow controller 44 that monitors and regulates the flow of the process gas enters the process area 12 through the gas injection plate 20 and a vacuum pump 40. Is discharged by The monitoring and control of the gas injection system are performed by the controller 42. The controller 42 is connected to a gas supply source, a mass flow controller 44, a pressure sensor 46, a chamber pressure sensor 49, a substrate holder transfer device 36, and a vacuum pump 40. As a function of time, controller 42 monitors the total injection pressure via pressure sensor 46, and an exemplary trace of the pressure is shown in FIG.
[0044]
When an orifice as shown in FIGS. 5A-5C is corroded by a plasma present on one side of the gas injection orifice, the plasma is corroded over the entire length L of the gas injection orifice. Then, the length L of the gas injection orifice decreases with time, and the throat area of the gas injection orifice increases. An example of plasma erosion of a gas injection orifice is shown in FIG. FIG. 13 shows a (tear) cross section of a gas injection orifice similar to that shown in FIG. Here, the left end of the orifice is corroded. The decrease in the length L of the orifice corresponds to the aspect ratio L / d of the orifice at which the discharge coefficient increases. Then, this increase in the discharge coefficient results in an increase in the effective throat area, which is converted into a decrease in the total injection pressure as shown in FIG. 12 (region 600). However, due to the different rates at which the length L and the throat diameter d change, the former as well as the latter corrosion regime can be distinguished by a change in the slope of the pressure trace in FIG.
[0045]
As shown in FIG. 12, when the total injection pressure falls below the threshold, the controller 42 can issue a warning to schedule replacement of a component (consumable) of the gas injection system. The controller 42 can also negate the degradation of the gas injection system by changing the nature of the process gas flow to compensate for changes in the discharge coefficient of the gas injection orifice, thus eliminating consumable component waste. Life can be extended.
[0046]
Using equation (1), the measured injection total pressure can be related to the "theoretical" (or isentropic) mass flow rate. By further recording the (actual) mass flow by the mass flow controller 44, the ratio of the actual mass flow to the entropy mass flow gives the average discharge coefficient for the gas injection system. As the gas injection orifice erodes (FIG. 13), the aspect ratio L / d of the orifice decreases. For this reason, when the total injection pressure decreases (FIG. 12), the Knesen number Kn of the orifice increases. Due to the decreasing aspect ratio L / d and the increasing Knessen number Kn, as described with reference to FIG. 6, since the discharge coefficient is a function of the aspect ratio L / d and the Knessen number Kn, the discharge coefficient varies. I do. Such a change in the discharge coefficient can be observed as a shift of the characteristic curves (700 and 710) shown in FIG. In FIG. 14, the gas injection system is designed to operate at a first point 720 on a first characteristic curve 700. As the discharge coefficient changes and the mass flow rate of the process gas is kept constant (by the mass flow controller), the operating point is shifted from the first point on the first characteristic curve 700 to the second characteristic curve 710. Shift to the second point 730 above. Depending on the aspect ratio L / d of the orifice and the dependence of the discharge coefficient on the Knessen number Kn, is the second point 730 greater than the discharge coefficient of the first point 720 (as shown in FIG. 14)? , Or a small discharge coefficient. In the case of FIG. 14, by reducing the mass flow rate so as to further reduce the injection total pressure, the controller 42 causes the controller 42 to move from the second point 730 on the second characteristic curve 710 to the third point on the second characteristic curve 710. The operating point is moved to the point 740, and returns to the design discharge coefficient of the value indicated by the (short) broken line 750. By following the control sequence as discussed, the discharge coefficient of the gas injection system is kept constant. Thus, the material processing system 1 can extend the life of the gas injection consumable before replacement (substantially vary such that the process mass flow exceeds the control limits set for the process recipe). As long as you do not).
[0047]
It will be appreciated that the above-described and illustrated exemplary embodiments describe preferred embodiments of the present invention and are not meant to limit the scope of the claims. Various modifications and variations of the present invention are possible in light of the above teachings. Thus, it will be understood that, within the scope of the appended claims, the invention may be practiced other than as specifically described herein.
[Brief description of the drawings]
[0048]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a high aspect ratio feature being etched by a fluorocarbon plasma.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a high aspect ratio feature being etched in the presence of an argon plasma.
FIG. 3 is an enlarged sectional view of a showerhead injection orifice.
FIG. 4 is a schematic sectional view of a material processing system according to an embodiment of the present invention.
5A shows a sonic orifice according to the first embodiment of the present invention, FIG. 5B shows a diverging nozzle according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows a simple orifice according to a third aspect of the invention.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the Knessen number Kn of the orifice, the aspect ratio of the orifice, and the discharge coefficient.
FIG. 7 schematically illustrates a possible distribution function of a partial gas velocity angle with respect to the substrate surface.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of a space between gas injection orifices;
FIG. 9 is a schematic plan view showing an example of a space between gas injection orifices.
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a method for forming a gas injection orifice.
FIG. 11 illustrates the steps of a method for forming a gas injection orifice.
FIG. 12 schematically illustrates the total injection pressure during corrosion of a gas injection orifice.
FIG. 13 is a photograph showing a gas ejection orifice exposed to plasma corrosion.
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a control path for adjusting a discharge coefficient.

Claims (29)

A processing chamber;
A vacuum pump connected to the processing chamber;
A gas injection system comprising a gas injection plate having a plurality of shaped gas injection orifices for injecting gas into the processing chamber to be substantially perpendicular to one surface of the substrate;
Controlling the processing of the substrate by maximizing the number of particles near the surface of the substrate that move in a direction substantially orthogonal to the surface of the substrate to the processing chamber, vacuum pump, and gas injection system A material processing system for processing a substrate, the material processing system comprising: Each of the shaped gas injection orifices has a probability distribution function (PDF) associated therewith, the PDF being a function of a gas velocity angle with respect to a surface reference vector at the surface of the substrate. 1. Material processing system. 3. The material processing system of claim 2, wherein the gas velocity incident angle is dependent on an allowable angle for a high aspect ratio feature on the substrate. The material processing system of claim 1, wherein at least one of the plurality of shaped gas injection orifices is a divergent nozzle. The material processing system of claim 1, wherein at least one of the plurality of shaped gas injection orifices is an acoustic orifice. The material processing system of claim 1, wherein at least one of the plurality of shaped gas injection orifices is a simple orifice. The material processing system of claim 1, wherein a discharge coefficient is established for each of the shaped gas injection orifices to maximize a number density near the surface of the substrate. The material processing system of claim 1, wherein the gas injection plate is located a first distance from the surface of the substrate. The material processing system of claim 1, wherein the plurality of shaped gas injection orifices are formed using at least one etching step. The material processing system of claim 1, wherein the plurality of shaped gas injection orifices are formed using at least one deposition step. The material processing system according to claim 1, wherein the gas injection plate is formed of silicon. The material processing system according to claim 1, wherein the gas injection plate is detachably provided in the processing chamber. The material processing system of claim 1, wherein the gas injection system has a plurality of gas distribution manifolds, and wherein the gas injection plate is connected to at least one of the plurality of gas distribution manifolds. The material processing system of claim 1, wherein the gas injection plate is process dependent. The material processing system of claim 1, wherein the gas injection plate has a process dependent doping profile. The material processing system of claim 1, wherein the gas injection plate has a process dependent orifice pattern. The material processing system of claim 1, wherein the separation distance between the shaped gas injection orifices is constant. The material processing system of claim 1, wherein an isolation distance between the shaped gas injection orifices is process dependent. The material processing system of claim 1, wherein the processing controller determines a distance between the gas injection plate and the surface of a substrate. The apparatus further comprises a pressure gauge for monitoring the pressure of the injected gas as the injected gas enters the plasma processing chamber, and the processing controller further comprises: Monitoring the pressure of the injected gas below a threshold according to the above, and if the pressure is below the threshold, identify whether the gas injection plate needs to be replaced. . Positioning the gas injection plate at a predetermined distance from the upper surface of the substrate,
Driving the process gas through a plurality of shaped gas injection units in the gas injection plate;
Applying RF power to a process gas driven through the plurality of shaped gas injection units to form a plasma;
Performing at least one of etching and deposition on a substrate. A method of processing a substrate in a plasma processing atmosphere. 22. The method of claim 21, wherein the act of actuating comprises actuating a process gas via an acoustic orifice. 22. The method of claim 21, wherein the step of driving includes driving a process gas through a diverging nozzle. 22. The method of claim 21, further comprising determining whether an operating point of the gas injection plate is below a threshold, and modifying at least one processing parameter to move to an operating point above the threshold. . The step of determining whether the operating point is below a threshold determines whether the pressure of the process gas is below the threshold as the process gas is driven through the plurality of shaped gas injection units. 25. The method of claim 24, further comprising: Etching a plurality of first features on a first surface of the plate substrate;
Etching a plurality of second features through the plate substrate, wherein the gas injection orifice comprises a first feature having a depth at least half the thickness of the plate substrate; A second feature having a through-hole from the surface of the first feature to the first feature, and a gas injection orifice formed by the method. 27. A method for manufacturing a gas injection plate having a plurality of gas injection orifices as defined in claim 26, comprising forming a first photoresist film on a first surface of the plate substrate;
The method further comprising transferring a first pattern to the photoresist film by photolithographic techniques and removing the photoresist mask, wherein the width of the patterned features is at least 100 microns. 27. A method for manufacturing a gas injection plate having a plurality of gas injection orifices as defined in claim 26, comprising forming a second photoresist film on a second surface of the plate substrate;
The method further comprising transferring a second pattern to the second photoresist film by photolithographic techniques and removing the photoresist mask, wherein the width of the patterned features is at least 50 microns. 27. A method for manufacturing a gas injection plate having a plurality of gas injection orifices as defined in claim 26, wherein the plate substrate is formed of silicon.

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