JP2010507232A - 石英ガードリング - Google Patents
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Abstract
半導体基板処理に使用されるプラズマ反応チャンバのための電極組立体は、上部電極、該上部電極の上面に取り付け可能な裏当て部材、及び外側リングを含む。該外側リングは該裏当て部材の外側面を囲み、該上部電極の上面の上に配置される。
Description
１つの実施形態によると、半導体基板処理工程において使用されるプラズマ反応チャンバのための電極組立体は、上部電極と、前記上部電極の上面に取り付け可能な裏当て部材と、前記裏当て部材の外側面を囲み、前記上部電極の上面の上に配置された外側リングとを備える。
更なる実施形態によると、半導体基板処理において使用されるプラズマ反応チャンバの電極組立体に使われるガードリングであって、前記電極組立体は裏当て部材に結合されたシャワーヘッド電極と、前記電極組立体を囲む閉じ込めリング組立体とを含み、前記ガードリングは、前記裏当て部材の外周と前記閉じ込めリング組立体の内周との間に収められるガードリングを備え、前記ガードリングは、前記上部電極の前記上面の上を横たわるように構成された下面を有することを特徴とする。
他の実施形態によると、上部電極と、前記上部電極の上面に取り付け可能な裏当て部材と、前記裏当て部材の外側面を囲み前記上部電極の上面の上に配置された外側リングと含む電極組立体を備えるプラズマチャンバにおいて半導体を処理する方法であって、前記プラズマチャンバの中で、上部電極からギャップを持って離れている下部電極の上に半導体基板を支持し、処理ガスを前記ギャップに供給し、前記処理ガスにエネルギーを与えてプラズマにし、前記プラズマで半導体基板を処理する。
集積回路チップの製造は、一般的に、“ウエハー”と呼ばれる、薄い研磨された高純度の単一結晶半導体素材基板（例えばシリコン又はゲルマニウム）から始まる。夫々のウエハーには、複数の物理的及び化学的処理工程を経て様々な回路構造が形成される。製造工程においては、二酸化シリコン膜を形成するための熱酸化技術と、シリコン、二酸化シリコン及び窒化シリコン膜を形成するための化学気相成長技術と、その他の金属膜を形成するためのスパッタリング技術又は他の技術といった、様々な技術を用いて様々な薄膜ウエハー上に堆積させることができる。
半導体ウエハーの上に薄膜を堆積させた後、ドーピングと呼ばれる工程を用いて、半導体結晶格子の中に選択された不純物を添加することによって、半導体独特の電気的性質がつくり出される。ドーピングされたシリコンウエハーは、「レジスト」という感光性又は放射線感応性材料の薄層で均等に覆われ得る。その後、回路の電子経路を規定する小さい幾何学パターンがリソグラフィーとして知られている工程を用いてレジストに転写される。リソグラフィー工程において、「マスク」と呼ばれるガラス板に集積回路パターンが描かれて、光学的に縮小投影し、感光性薄層に転写される。
リソグラフィー工程によって形成されたレジストパターンは、エッチングとして知られる工程を経て、その下にある半導体材料の結晶表面に転写される。一般的に、真空処理チャンバは、真空チャンバにエッチングガス又は堆積ガスを供給し該ガスにエネルギーを与えてプラズマにすることによるエッチングや基板に材料を堆積させる化学気相堆積（ＣＶＤ）のために使われる。
反応性イオン・エッチングシステムは、一般的に、上部電極又は陽極と、下部電極又は陰極とを内部に有するエッチングチャンバからなる。陽極は、陰極及び容器壁に対して負にバイアスされる。エッチングされるウエハーは適切なマスクで覆われ、陰極の上に直接置かれる。ＣＦ４，ＣＨＦ３，ＣＣｌＦ３，ＨＢｒ，Ｃｌ２及びＳＦ６又はそれらの混合のような化学反応性が高いガス、又はそのようなガスとＯ２，Ｎ２，Ｈｅ又はＡｒとの混合物がエッチングチャンバに導入され、ミリトール範囲の圧力に維持される。上部電極にはガス孔が設けられており、これらのガス孔は、該電極を介してエッチングチャンバ内にガスが均一に分散されることを可能にする。陽極と陰極との間に形成される電界は、プラズマを形成する反応性ガスを分離させる。ウエハーの表面は、活性イオンとの化学的相互作用と、ウエハーに衝突するイオンの運動量移動とによってエッチングされる。これらの電極によって形成される電界は陰極にイオンを引き付ける一方、明確に規定された縦方向にエッチングされた側壁が処理工程によって形成されるようにウエハー表面に対するイオンの衝突方向を縦方向が支配的なものとする。エッチング反応チャンバの電極は、その多くが、２つ以上の異なる部材を、少なくとも物理的に柔軟であり及び／又は熱伝導性を有する接着剤で結合させて製造されているため、複数の機能を可能とする。
図１は、基板をエッチングするためのプラズマ処理システムのシャワーヘッド電極組立体１００の一部の断面図である。図１に示されているように、シャワーヘッド電極組立体１００は、上部電極１１０、裏当て部材１４０及びガードリング（又は外側リング）１７０を含む。シャワーヘッド電極組立体１００は、上部電極１１０と裏当て部材１４０の外周を囲むプラズマ閉じ込め組立体（又はウエハー領域圧力（ＷＡＰ）組立体）１８０を更に含む。ガードリング１７０は、裏当て部材１４０を囲み、好ましくは、プラズマ処理システムの熱サイクリング中にガードリング１７０と閉じ込め組立体１８０との間に生じる半径方向ギャップを最小限に抑えるように、裏当て部材１４０周りに位置決め又はセンタリングされる。外側リング又はガードリング１７０は、反応性イオン・エッチングシッステムと併せて示されているが、ガードリング及びセンタリングの特徴は、例えば浄化・エッチシステム又はドライエッチングシステムなど、如何なる適切なシステムとも共に使用できるものとして理解されうる。
組立体１００は、熱制御部材１０２及び上部板１０４を更に含む。上部電極１１０は、好ましくは内側電極１２０、及び、オプションの外側電極１３０を含む。内側電極１２０は、好ましくは円筒型の板であり、単結晶シリコンで作られ得る。裏当て部材１４０は、エラストマー（弾性）材料を用いて内側電極１２０及び外側電極１３０に固定される。裏当て部材１４０は、内側裏当て部材１５０、及び、オプションの外側裏当て部材１６０を含み得る。保持部材１４０が単一の円筒型板で構成される場合は、ガードリング１７０は裏当て部材１４０を囲む。あるいは、裏当て部材１４０が内側裏当て部材１５０及び外側裏当て部材１６０を含んで構成される場合は、ガードリング１７０は外側裏当て部材１６０を囲むように構成される。
図１に示されているようなシャワーヘッド電極組立体１００は、一般的には、その上にウエハーが支持された平らな下部電極を有する静電チャック（不図示）と共に使用される。ここで、ウエハーは、上部電極１１０から１〜２ｃｍほど下に離れた位置に支持される。このようなプラズマ処理システムとしては、例えばラムリサーチ（Ｌａｍ ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｆｒｅｍｏｎｔ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）によって製造されるＥｘｅｌａｎ（登録商標）誘電体エッチングシステムのような平行平板型反応装置がある。そのようなチャック構成は、ウエハーの背面にヘリウム（Ｈｅ）圧力を供給（これは、ウエハーとチャックの間の熱移動の率を制御する）することによるウエハーの温度制御を提供する。
上部電極１１０は、定期的に交換を必要とする消耗品である。好ましい実施形態では、上部電極１１０は、間隔をおいて配置された複数のガス放出通路１０６が設けられたシャワーヘッド電極であり、ガス放出通路１０６は、電極によってエネルギーが与えられて上部電極１１０の下にある反応領域でプラズマを形成する処理ガスを供給するために適切なサイズと分布で形成されている。
シャワーヘッド組立体１００は、上部電極１１０及び裏当て部材１４０の外周を囲むプラズマ閉じ込め組立体（又は、ウエハー領域プラズマ（ＷＡＰ）組立体）１８０を更に含む。プラズマ閉じ込め組立体１８０は、好ましくは、積み重ねられた又は複数の間隔をもって配置された石英リング１９０を含んで構成される。ここで、石英リング１９０は上部電極１１０及び裏当て部材１４０の外周を囲む。プラズマ閉じ込め組立体１８０は、処理中に反応領域において圧力差をもたらし、プラズマと反応チャンバの壁との間の電気抵抗を増加させ、結果としてプラズマを上部電極１１０と下部電極（不図示）との間に閉じ込める。
使用中に、閉じ込めリング１９０は、プラズマを反応チャンバの体積内に閉じ込め、反応チャンバ内のプラズマ圧力を制御する。反応チャンバ内にプラズマを閉じ込めることは、ＲＦ電源のレベル及び周波数のほか、閉じ込めリング１９０間の間隔、反応チャンバ内における閉じ込めリングより外側及びプラズマ内の圧力、ガスの種類と流速などを含む様々な要因によって変化する。効果的にプラズマを閉じ込めるためには、閉じ込めリング１９０の外側の圧力をできるだけ低くすべきであり、３０ミリトール以下に抑えることが好ましい。プラズマの閉じ込めは、閉じ込めリング１９０間の間隔が小さければより簡単に可能になる。典型的に、プラズマを閉じ込めるためには、間隔は０．１５インチ（約３．８１ｍｍ）以下にすることが要求される。しかし、閉じ込めリング１９０間の間隔はプラズマの圧力を決定するものでもあり、プラズマを維持しながら最適な処理性能のための圧力を得ることができるように間隔を調整できることが望ましい。ガス供給部からの処理ガスは、上部板１０４の１つ以上の通路を介して電極１１０に供給される。ガスは、その後、縦方向に間隔を置いて配置された１以上のバッフル板を通って分布され、電極１１０のガス分配孔１０６を通して、反応領域１０２へ均一に分布される。
内側電極１２０は、好ましくは、中央（不図示）から外周端まで均一な厚さを持つ平面ディスク又は平面板である。内側電極１２０は、処理されるウエハーより小さい直径、ウエハーと同じ直径、又はウエハーより大きい直径を有し得る（例えば、板が単結晶シリコンで構成される場合は、現在入手できる単結晶シリコン材料の最大直径である３００ｍｍ）。３００ｍｍのウエハーを処理するためには、外側電極１３０は、上部電極１１０の直径を約１５インチ（約３８ｃｍ）から約１７インチ（約４３ｃｍ）に拡大するように構成される。外側電極１３０は、連続的な部材（例えば、リングのようなポリシリコン部材）、又は分割された部材（単結晶シリコンのセグメントなどように、例えば２〜６に分割りされ、リングの形状に配置されたセグメント）であり得る。内側電極１２０は、好ましくは、処理ガスをプラズマ反応チャンバ内の上部電極１１０の下にある空間に注入するための複数の気体通路１０６を持つ。
単結晶シリコンは、内側電極１２０及び外側電極１３０のプラズマに露出される表面の材料として好ましい。高純度の単結晶シリコンは、プラズマ処理中に基板の汚染を最小限に抑えるが、それは単結晶シリコンによって生じる好ましくない成分の量が最小限であることと、緩やかに磨耗するためパーティクルの発生を最小限に抑えるからである。上部電極１１０のプラズマに露出する表面材料の代替材料としては、例えば、ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＡｌＮがある。
構成において、シャワーヘッド電極組立体１００は、例えば３００ｍｍの直径を有する半導体ウエハーのような大きい基板を処理するために充分なサイズである。３００ｍｍのウエハーのためには、上部電極１１０は少なくとも３００ｍｍの直径を持つ。しかし、シャワーヘッド電極組立体１００は、異なる大きさのウエハー又は非円形の形状を有する基板を処理することができるようにそのサイズが決められうる。
図２は、図１のシャワーヘッド電極組立体の一部の断面を示す図である。図２に示されているように、シャワーヘッド電極組立体１００は、内側電極１２０、外側電極１３０、内側裏当て部材１５０、外側裏当て部材１６０、外側又はガードリング１７０、及びプラズマ閉じ込めリング１９０を含む。このような構成において、内側電極１２０は、好ましくは、内側裏当て部材１５０と同一の広がりを有し、外側裏当て部材１３０は周囲裏当て部材１６０と同一の広がりを有する。しかし、内側裏当て部材１５０は、裏当て部材１４０（図３）が内側電極１２０及び外側電極１３０を支持する１つのディスク又は板でありうるように、内側電極１２０を超えるように広がっていてもよい。内側電極１２０及び外側電極１３０は、好ましくは、内側裏当て部材１５０及び外側裏当て部材１６０にエラストマー結合材料を用いて取り付けられる。内側裏当て部材１５０は、プラズマ処理室に気体の流れを提供するように、内側電極１２０の気体通路１０６に整列した気体通路１０８を含む。内側裏当て部材１５０の気体通路１０８は、一般的に、約０．０４インチ（約１ｍｍ）の直径を有し、内側電極１２０の気体通路１０６は、一般的に約０．０２５インチ（約０．６４ｍｍ）の直径を有する。
好ましくは、内側裏当て部材１５０及び外側裏当て部材１６０は、プラズマ処理チャンバの中で半導体基板を処理するために使用されるプラズマに対して化学的に適合する材料、電極材料とごく近い熱膨張係数を有する材料、及び／又は、電気的及び熱的な伝導性を有する材料で形成される。内側裏当て部材１５０及び外側裏当て部材１６０を含む裏当て部材１４０を形成するための好ましい材料は、グラファイト、ＳｉＣ，アルミニウム（Ａｌ）または他の適切な材料を含みうるが、これらに限られるものではない。
内側電極１２０及び外側電極１３０は、夫々内側裏当て部材１５０及び外側裏当て部材１６０に対して、熱的及び電気的に伝導性を有するエラストマー結合材料（不図示）を用いて取り付けられうる。該エラストマー結合材料は、熱サイクルに起因する熱応力によって上部電極１１０と裏当て部材１４０との間において相対移動が起こることを可能にする。結合材料は、更に、内側電極１２０および外側電極１３０と、内側裏当て部材１５０とおよび外側裏当て部材１６０の間で熱及び電気エネルギーを伝導する。電極組立体１００複数の表面を相互に結合するためにエラストマー結合材料を用いることは、例えば本件と同一出願人に帰属する米国特許第６０７３５７７号に記載されており、この参照によってその内容全体が本明細書に組み困れる。
好ましくは、内側裏当て部材１５０及び外側裏当て部材１６０は、ネジボルト、スクリュー、又はそのような適切な締め付け具を用いて熱制御部材１０２に取り付けられる。例えば、熱制御部材１０２の穴にボルト（不図示）を挿入し、裏当て部材１４０にあるネジ穴に締め付けることができる。熱制御部材１０２は屈曲部材１８４を含み、好ましくはアルミニウム又はアルミ合金のような金属材料を機械加工して作られる。上部板１０４は、好ましくはアルミニウム又はアルミ合金で作られる。プラズマ閉じ込め組立体（又はウエハー領域プラズマ組立体（ＷＡＰ））１８０は、シャワーヘッド電極組立体１００より外側に向けて配置されている。縦方向に調整可能な複数のプラズマ閉じ込めリング１９０を含む適切なプラズマ閉じ込め組立体１８０が同一出願人に帰属する米国特許第５５３４７５１号に記載されており、この参照によってその内容全体が本明細書に組み込まれる。
図３は、内側電極１２０と外側電極１３０を有する上部電極１１０と、単一のディスク又は板を含んで構成された裏当て部材１４０と、ガードリング１７０とを備えた図２のシャワーヘッド電極組立体の一部の断面を示す図である。図３に示されているように、単一の裏当て部材１４０が図２に示された内側裏当て部材１５０及び外側裏当て部材１６０の代わりに使用されるように、裏当て部材１４０は、内側電極１２０の外周端１２１を超えて広がっていてもよい。内側電極１２０の外周端１２１は、図３に示されているように一般的に垂直である。しかし、内側電極１２０の外周端１２１が垂直でない構成も可能であると理解されうる。
図３に示されているように、外側電極１３０の内周端および外周端は、外側電極の下面に向かって傾斜した内側面及び外側面を含み得る。外側電極１３０の下面を有する該内側面と該外側面及び下面は、内側電極１２０に比べ、領域１０２のより深部まで伸びることができる。外側電極１３０の内側面は、同一出願人に帰属する米国特許第６８２４６２７号に記載されたステップ１１１として記述することもでき、この参照によって米国特許第６８２４６２７号の内容全体が本明細書に組み込まれる。ステップ１１１は、プラズマ処理中に露出する下面付近に形成されるプラズマの密度を制御するために設けられている。好ましくは、ステップ１１１は、下部電極（不図示）のエッジリングの上に位置が合わせられ、ウエハーのエッジのすぐ外側に配置される。内側面及び外側面の角度は、好ましくは１５〜８５°の範囲内である。
１つの実施形態によると、外側電極１３０は、好ましくは複数のセグメントで構成されており、該複数のセグメントはお互いにエラストマー結合材料を用いて取り付けられている。複数のセグメントは、処理領域１０２における半導体基板の処理中に、外側電極１３０が膨張することを可能とする。処理中は、内側電極１２０及び外側電極１３０から、内側裏当て部材１５０、外側裏当て部材１６０及びガードリング、そして上部板１０４へと、熱伝導によって熱が伝わる。
図４は、１つの実施形態に従うガードリング１７０の上面図である。図４に示されているように、ガードリング１７０は、好ましくは、内側直径１７１及び外側直径１７３を有する円形である（図５）。
図５は、図４に示されたガードリング１７０の線５−５に沿った断面図である。図５に示されているように、ガードリング１７０は、内側直径１７１及び外側直径１７３を有する円形である。１つの実施形態によると、約１６．６２０〜１６．６６０インチ（４２２．１５〜４２３．１６ｍｍ）の外側直径を有する上部裏当て部材の場合、ガードリング１７０の内側直径１７１は、好ましくは１６．６９５〜１６．７２５インチ（４２４．０５〜４２４．８２ｍｍ）であり、更に好ましくは約１６．０７５〜１６．７１５インチ（約４０８．３１〜４２４．５６ｍｍ）であり、最も好ましくは約１６．７１０インチ（４２４．４３ｍｍ）である。約１６．６２０〜１６．６６０インチ（４２２．１５〜４２３．１６ｍｍ）の外側直径を有する上部裏当て部材の場合、ガードリングの外側直径は、好ましくは１６．９８０〜１７．０２０インチ（４３１．２９〜４３１．３１ｍｍ）、更に好ましくは約１６．９９０〜１７．０１０インチ（４３１．５５〜４３２．０５ｍｍ）、最も好ましくは約１７．０００インチ（４３１．８０ｍｍ）である。ガードリング１７０の内側直径１７１及び外側直径１７３は、外側裏当て部材１６０の外側直径を含む裏当て部材１４０の外側直径に依存して変更されるものと理解されうる。
図６は、他の実施形態に従うガードリング１７０の断面図である。図６に示されているように、ガードリング１７０は、好ましくは内周端１７２、外周端１７４、下面１７６及び上面１７８で構成された長方形の断面を有する。内周端１７２及び外周端１７４は、好ましくは０．３８０〜０．３９４インチ（９．６５〜１０．０ｍｍ）、更に好ましくは約０．３８４〜０．３９０インチ（約９．７５〜９．９１ｍｍ）、最も好ましくは約０．３８７インチ（約９．８３ｍｍ）の高さ１７７を有し、並びに０．１４０〜０．１５０インチ（３．５６〜３．８１ｍｍ）、更に好ましくは約０．１４２〜０．１４７インチ（３．６１〜３．７３ｍｍ）、最も好ましくは約０．１４５インチ（３．６８ｍｍ）の幅１７９を持つ。１つの実施形態によると、内周端１７２と外周端１７４と下面１７６と上面１７８との間にある角部は、好ましくは丸くなっており、０．０２５〜０．０１０インチ（０．６４〜０．２５ｍｍ）の半径を持つ。ガードリング１７０の高さ１７７及び幅１７９は、外側裏当て部材の高さ及び幅を含む裏当て部材１４０の高さ及び幅に応じて変更されるものとして理解されうる。
図７は、１つの実施形態に従う、外側裏当て部材１６０を囲むガードリング１７０を有する裏当て部材１４０及び外側電極１１０の一部の断面図である。図７に示されているように、ガードリング１７０は、外側裏当て部材１６０を囲み、好ましくは外側裏当て部材１６０の外周端１６４と同心になるように位置決め又はセンタリングされる。ガードリング１７０は、内周端１７２、外周端１７４、下面１７６、及び上面１７８を有する。外側裏当て部材１６０の外周端１６４とガードリング１７０の内周端１７２との間には、内側ギャップ２００が存在する。ガードリング１７０は、センタリング要素２１０を用いて、外側裏当て部材１６０の外周端１６４の周りでセンタリングされる。
ガードリング１７０がバネ、バネのような装置、又は他の弾性要素２２０を持つ適切なセンタリング要素２１０を用いて外側裏当て部材１４０の外周端１６４の周りでセンタリングされてもよいと理解されうる。図７に示すように、外側裏当て部材１６０は、好ましくは複数の穴又は空洞２１２を有し、これらは、外側裏当て部材１６０の外周端１６４とガードリング１７０の内周端１７２との間の内側ギャップ２００を形成するセンタリング要素２１０を受け入れるように構成されている。穴又は空洞２１２は、直径２１４を有し、直径２１４は、センタリング要素２１０の外側直径よりもわずかに大きい。センタリング要素２１０は、上部電極１１０、裏当て部材１４０及びガードリング１７０に生じる熱膨張及び／又は熱収縮の際、外側裏当て部材１６０の外周端１６４とガードリング１７０の内周端１７２との間の距離を制御するように構成されている。更に、ガードリング１７０の外周端１７４と、プラズマ閉じ込め組立体１８０の内周端１８２との間には、上部半径方向ギャップ（又は外側ギャップ）２４４がある。
図７に示されているように、ガードリング１７０は、外側電極１３０の上面１３８の上に直接に配置されることができ、センタリング要素２１０を介して裏当て部材１４０を囲み、裏当て部材１４０と同心となるようにセンタリングされうる。ガードリング１７０の外周端１７４とプラズマ閉じ込め組立体１８０の内周端１８２との間にある半径方向ギャップ２４４は、一定の距離に保たれることが好ましく、これは、システム１００が広い温度範囲において動作することを可能にし、均一なガス特性を使用中に提供し、改善されたシステム１００の性能を提供する。
１つの実施形態によると、外側半径方向ギャップ２４０は下部半径方向ギャップ２４２及び上部半径方向ギャップ２４４を含み得る。下部半径方向ギャップ２４２は、外側電極１３０の外周端１３４と、閉じ込め組立体１８０の内周端１８２との間である。上部半径方向ギャップ２４４は、ガードリング１７０の外周端１７４と、閉じ込め組立体１８０の内周端１８２との間である。３００ｍｍの上部電極組立体のための上部半径方向ギャップ２４４は、使用中における電極組立体１００の膨張又は収縮の前の状態において、好ましくは０．０３２５〜０．０３７５インチ（０．８２６〜０．９５３ｍｍ）、更に好ましくは約０．０３５インチ（０．８８９ｍｍ）の上部半径方向ギャップ２４４を有する。下部半径方向ギャップ２４２は、好ましくは約０．０５８〜０．０６０インチ（１．４７〜１．５２ｍｍ）であり、更に好ましくは約０．０５９インチ（１．５０ｍｍ）である。
上部電極１１０、裏当て部材１４０及びガードリング１７０のために異なる材料が使用される場合には、その結果として上部半径方向ギャップ２４４及び下部半径方向ギャップ２４２は、作動中に変化し得るものとして理解されうる。しかし、ガードリング１７０を加えることによって、その変化を制御でき、システムは広い作動温度の範囲において改善された性能を提供できるようになることは明らかである。
ガードリング１７０は、好ましくは、隣接するウエハー領域プラズマ（ＷＡＰ）閉じ込め組立体１８０と同じ材料（例えば、石英）で形成されるものと理解されうる。図７に示されたように、閉じ込め組立体１８０は、ガードリング１７０の外周端１７３より大きい直径を持っている。プラズマチャンバの使用中又は作動中において、ガードリング１７０は、複数の閉じ込めリング１９０（不図示）を含む閉じ込め組立体１８０と類似した変化率で膨張及び／又は収縮する。従って、ガードリング１７０と、複数の閉じ込めリング１９０を含む閉じ込め組立体１８０との間に、広い温度範囲にわたって一定の半径方向ギャップ２４０が維持され、安定したガスの流れの性能が提供される。
１つの実施形態によると、ガードリング１７０は低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を持ち、広い温度範囲を渡って安定した形態を保つ素材で形成されるものと理解されうる。或いは、ガードリング１７０及び閉じ込め組立体１８０（複数の閉じ込めリング１９０を含む）は、異なるＣＴＥを持ち、電気絶縁性又は誘電材料の性質を持つ、異なる材料で作られ得る。使用されるときは、ガードリング１７０は、ガードリング１７０と、閉じ込め組立体１８０（複数の閉じ込めリング１９０を含む）との間にある半径方向ギャップ２４４の変動を、反応チャンバ内の変動する作動状況において最小限に抑える。
他の実施形態によると、ワーストケースの製造工程公差とワーストケースの位置決め誤差との組合せにおいても、ガードリング１７０及び閉じ込め組立体１８０（複数の閉じ込めリング１９０を含む）が互いに半径方向に接触が発生しないことを確実にするように、半径方向ギャップ２４４が充分な大きさを持つ。更に、半径方向ギャップ２４４は、好ましくは最小のギャップを維持し、これは、最適な反応チャンバ性能のために処理ガス流路における当該領域におけるガスのコンダクタンスを可能な限り小さく保つ。
更に、ガードリング１７０と上電極裏当て部材１４０との間にある半径方向隙間２００は、公差がより正確に制御されて、最小限に抑えられうる。上記のように、好ましくは、内側ギャップ１４０は、使用中にガードリング１７０と上裏当て部材１４０とが半径方向に接触しないように構成されている。外側裏当て部材１６０の外周端１６４とガードリング１７０の内周端１７２との間にある内側ギャップ２００を維持することによって、ワーストケースの製造工程公差とワーストケースの位置決め誤差とを含む様々な組み合わせ状況において、接触を防ぐことが可能になることが理解されうる。加えて、システム作動範囲の全域において、上部電極裏当て部材１４０が熱膨張しているときも、裏当て部材１４０とガードリングとの接触を防ぐことができる。更に、ガードリング１７０は、プラズマのラジカルとイオン衝撃への上部電極裏当て部材１４０の外側円形面の露出（ｖｉｅｗ ｆａｃｔｏｒ ｅｘｐｏｓｕｒｅ）を最小化する。１つの実施形態によると、アルミニウムで構成される裏当て部材１４０は、その表面上へのフッ化アルミニウムの形成を排除及び／又は最低限に抑えることができる。
ガードリング１７０は、ガードリング１７０と支持上部電極のシリコン表面との間の軸方向のギャップを最低限に抑えるか又は排除するように構成され、その結果、ガードリング１７０は、シリコン上部電極１１０と裏当て板または部材１４０との間の露出した結合線をプラズマのラジカル及びイオン衝撃による腐食効果から保護できる。更に、反応チャンバの性能を最適化するために、ガードリング１７０が、露出した結合線を通して処理ガスが流れることを最小化し又は排除することが理解されうる。
他の実施形態によると、ガードリング１７０は、更に、ガードリング１７０と熱制御部材１０２との間にある軸方向のギャップを最小化することができる。ガードリング１７０によって、熱制御部材１０２の表面がプラズマのラジカル及びイオン衝撃に露出することを最小化しうることが理解されうる。
更に他の実施形態によると、プラズマエッチングチャンバおよび裏当て部材１４０にガードリングを加え、上記の全ての要素を制御することによって、上部電極裏当て部材１４０と閉じ込めリング１９０との間において、電気アーク又はプラズマの発生を排除できる。
図８は、他の実施形態に従うガードリングの断面図である。図８に示されているように、ガードリング１７０は、内周端１７２から下面１７６に延びた傾斜した下面（又は、面取りされた表面）１７５を有する。内周端１７２及び外周端１７４の高さ１７７は、好ましくは０．３３２〜０．３７２インチ（８．４３〜９．４５ｍｍ）、更に好ましくは約０．３４２〜０．３６２インチ（８．６９〜９．１９ｍｍ）、最も好ましくは約０．３３２インチ（８．４３ｍｍ）であり、その幅１７９は、好ましくは０．１４０〜０．１５０インチ（３．５６〜３．８１ｍｍ）、更に好ましくは約０．１４２〜０．１４７インチ（３．６１〜３．７３ｍｍ）、最も好ましくは約０．１４５インチ（３．６８ｍｍ）である。傾斜した下面１７５は、内周端１７２から外周端１７４に向けて延びており、その長さは約０．０９０〜０．１１０インチ、より好ましくは約０．１００インチであり、内周端１７２と形成する角度は約５０〜７０°、より好ましくは約６０°である。１つの実施形態によると、内周端１７２、外周端１７４、下面１７６、上面１７８、及び傾斜した下面１７５の間にあるそれぞれの角部は、好ましくは、約０．０２５〜０．０１０インチ（０．６３５〜０．２５４ｍｍ）の半径をもって丸まっている。内周端１７２と下面１７５とが形成する角に、最大０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）のエッジブレーク（ｅｄｇｅ ｂｒｅａｋ）を含まれうるものと理解されうる。
図９は、他の実施形態に従う、上部電極１１０の一部と、上部外側裏当て部材１６０を囲むガードリング１７０を有する裏当て部材１４０との一部を示す断面図である。図９に示されているように、システムは、内周端１７２から下面１７６まで延びる傾斜した下面（又は、面取りされた表面）１７５を有するガードリング１７０を含む。円形リング２３０の形状を有するセンタリング要素２１０は、外側電極１６０の外周端１６４と、ガードリング１７０の傾斜した下面１７５との間に配置され、外側電極１３０の上面１３８の上に位置する。円形リング２３０は、好ましくはテフロン（登録商標）（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））、フッ素重合体材料、ベスペル（登録商標）のようなポリイミド、又は他の重合体又は重合体のような材料で作られた空洞リングである。他の要因によってＰＤＦＥ素材が適用できない場合は、摩擦係数の最も低い素材を適用することが好ましいことが理解されうる。円形リング２３０は、外側裏当て部材とガードリング１７０との間に、稼働中に発生する裏当て部材とガードリングの熱膨張および熱収縮の際にガードリング１７０の円周全域にわたって均等な隙間２００を保つ。
図９に示された実施形態によると、ガードリング１７０は、好ましくは上部電極１１０及び外側電極１３０のいずれかの上面１３８の上に載るものではない。面１７２と面１７５が作る角度、及び面１７６と面１３８との間ギャップの距離は、面１７６が全ての熱条件及び許可範囲の条件において接触されないように最適化されている。さらに円形リング２３０は、上部電極および外側円錐面への如何なる経路（遮られていない直線）或いは気体流路も遮断でき、結果として上部電極をプラズマのラジカル及びイオン衝撃による腐食から守る。さらに、これによって上部電極裏当て板の外側表面をプラズマのラジカル及びイオン衝撃及びそれによるフッ化アルミニウム形成から保護する。
本発明は、好ましい実施形態を用いて詳細に説明されているが、発明の意図を逸脱せずに様々な変更、改造及び同等物の使用が可能であることは当業者にとって明らかであろう。好ましい実施形態は説明のためのものであり、如何なる意味においても本発明を限定するものではない。本発明の範囲は、上記の説明ではなく、添付される請求項によって定められ、請求項の範囲に含まれる全ての変形物及び同等物は、尊重されるべきである。
Claims (19)
- 半導体基板処理において使用されるプラズマ反応チャンバのための電極組立体であって、
上部電極と、
前記上部電極の上面に取り付け可能な裏当て部材と、
前記裏当て部材の外側面を囲み、前記上部電極の上面の上に配置された外側リングと、
を備えることを特徴とする電極組立体。 - （ａ）前記外側リングは石英からなる、
（ｂ）前記裏当て部材はアルミニウム又はアルミニウム合金からなる、
（ｃ）前記上部電極は単結晶シリコンからなる、及び／又は、
（ｄ）前記上部電極は内側電極及び外側電極を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の組立体。 - 前記外側電極は、外側電極リングを形成する複数のセグメントを含み、前記複数のセグメントの各々のインターフェースにおいて重なり合う表面を持つことを特徴とする請求項２に記載の組立体。
- （ａ）前記裏当て部材は内側裏当て部材及び外側裏当て部材を含む、
（ｂ）結合材料が前記上部電極の前記上面を前記裏当て部材に取り付ける、及び／又は、
（ｃ）前記上部電極は単結晶シリコンからなる、
ことを特徴とする請求項１に記載の組立体。 - 前記外側リングは長方形の断面を有することを特徴とする請求項１に記載の組立体。
- 前記外側リングは、上部垂直面及び下部傾斜面を含む内周面を有することを特徴とする請求項１に記載の組立体。
- 前記外側リングの下面は、前記上部電極の前記上面の外側に伸びていることを特徴とする請求項１に記載の組立体。
- （ａ）前記外側リングは長方形状の断面を有する、
（ｂ）前記裏当て部材はアルミニウム又はアルミニウム合金からなる、
（ｃ）前記上部電極は単結晶シリコンからなる、及び／又は、
（ｄ）前記外側リングは石英からなる、
ことを特徴とする請求項７に記載の組立体。 - 半導体基板処理において使用されるプラズマ反応チャンバの電極組立体に使われるガードリングであって、前記電極組立体は、裏当て部材に結合されたシャワーヘッド電極を含み、閉じ込めリングが前記電極組立体を囲んでいて、前記ガードリングは、
前記裏当て部材の外周と前記閉じ込めリング組立体の内周との間に収められたガードリングを備え、前記ガードリングは前記上部電極の前記上面の上に横たわるように構成された下面を有することを特徴とするガードリング。 - 前記ガードリングは石英製であり、その内周にオプションでコーティングを含むことを特徴とする請求項９に記載のガードリング。
- 電極組立体の裏当て部材の周りにおいてガードリングをセンタリングする方法であって、前記裏当て部材は、半導体基板処理において使用されるプラズマ反応チャンバにおいてプラズマを生成するために使用される電極に結合されていて、前記方法は、
前記ガードリングの底面が上部電極の上面の上に横たわるように、前記ガードリングを前記裏当て部材の外側面の周りに配置する工程を含むことを特徴とする方法。 - 前記プラズマチャンバの中に前記電極組立体を設置する工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
- 請求項１に記載の前記電極組立体を含むプラズマチャンバにおいて半導体基板を処理する方法であって、
前記プラズマチャンバの中であって上部電極からギャップをもって離れている下部電極の上に半導体基板を支持する工程と、
処理ガスを前記ギャップの中に供給し、前記処理ガスにエネルギーを与えてプラズマにする工程と、
前記プラズマで半導体基板を処理する工程と、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記プラズマはプラズマ閉じ込めリング組立体によって前記ギャップの中に閉じ込められ、処理中に前記電極組立体と前記プラズマ閉じ込めリング組立体との距離が前記外側リングによって所定の距離に維持されることを特徴とする請求項１３記載の方法。
- 前記外側リングは、前記裏当て部材と前記上部電極との間の結合を前記プラズマが攻撃することを防ぐことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
- 前記処理はプラズマエッチングを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
- 前記処理中に、ＲＦバイアスが前記半導体基板に印加されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
- 前記処理中に、前記外側リングは、前記プラズマ閉じ込めリング組立体と同じ膨張率で熱膨張することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
- 前記外側リング及び前記プラズマ閉じ込めリング組立体は石英製であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
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