JP6936884B2 - 改良されたフロー均一性/ガスコンダクタンスを備えた可変処理容積に対処するための対称チャンバ本体設計アーキテクチャ - Google Patents

改良されたフロー均一性/ガスコンダクタンスを備えた可変処理容積に対処するための対称チャンバ本体設計アーキテクチャ Download PDF

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Description

背景
(分野)
本開示の実施形態は、半導体基板を処理するための装置及び方法に関する。より詳細には、本開示の実施形態は、可変処理容積及び改良されたフローコンダクタンス及び均一性を提供するモジュール設計を有する処理チャンバに関する。
(関連技術の説明)
電子デバイス(例えば、フラットパネルディスプレイ及び集積回路)は、一般的に、層が基板上に堆積され、堆積された材料が所望のパターンにエッチングされる一連の処理によって製造される。処理は、一般的に、物理蒸着(PVD)、化学蒸着(CVD)、プラズマ強化CVD(PECVD)、及び他のプラズマ処理を含む。具体的には、プラズマ処理は、真空チャンバに処理ガス混合物を供給し、処理ガスをプラズマ状態に励起させるために高周波電力(RF電力)を印加することを含む。プラズマは、所望の堆積又はエッチング処理を実行するイオン種にガス混合物を分解する。
プラズマ処理中に遭遇する1つの問題は、処理中に基板表面全域に亘って均一なプラズマ密度を確立することに伴う困難さであり、これは基板の中央領域とエッジ領域との間で不均一な処理につながる。均一なプラズマ密度を確立することの困難さは、物理的な処理チャンバ設計の非対称性に起因した、自然な電流、ガス流量、及び熱分布の中のスキュー(歪み)が寄与する可能性がある。このようなスキューは、不均一なプラズマ密度をもたらすだけでなく、中心からエッジまでのプラズマの均一性を制御するために、他の処理変数又は「ノブ」を使用することを困難にする。
最適な処理パラメータ(例えば、処理容積、基板とガス分配シャワーヘッドとの間の距離)は、異なる処理に対して、一般的に異なる。例えば、導体層をエッチングする、誘電体層をエッチング、又はフォトレジスト層を剥離する場合、異なる処理容積が望ましい。異なる処理を満たすために、複数の処理チャンバが必要となる可能性があり、これは所有コストを増大させる。
したがって、可変処理容積、改善されたフローコンダクタンス、及び改良された処理均一性を可能にする処理チャンバが必要とされている。
概要
本開示の実施形態は、可変処理容積、改善されたフローコンダクタンス、及び改良された処理均一性を提供するモジュール設計を有する処理チャンバに関する。
一実施形態は、基板を処理するための装置を提供する。本装置は、処理領域を囲む処理モジュールと、処理モジュールに取り付けられたフローモジュールを含む。フローモジュールは、排気チャネルと大気容積を画定する。排気チャネルは、処理モジュールの処理領域とフローモジュールに取り付けられた排気システムを接続する。本装置は、支持プレートとシャフトを含む基板支持アセンブリを更に含む。支持プレートは、内部で基板を支持するために処理領域内に配置され、シャフトは、処理モジュールの処理領域からフローモジュールの大気容積まで延びる。
別の一実施形態は、処理チャンバに対称な流路を提供するためのフローモジュールを提供する。フローモジュールは、処理チャンバのチャンバ本体と接続する形状の外壁と、内壁と、外壁と内壁との間に接続された2対以上の半径方向の壁と、底壁を含む。2以上の排気チャネルは、2対以上の半径方向の壁の内壁と外壁との間に画定される。底壁は、内壁及び2対以上の半径方向の壁に結合される。大気容積は、内壁、底壁、及び2対以上の半径方向の壁によって画定される。
別の一実施形態は、プラズマ処理チャンバを提供する。プラズマ処理チャンバは、処理領域を囲むチャンバ本体と、中心軸に沿って配置された基板支持アセンブリを含む処理モジュールを含む。プラズマ処理チャンバは、処理領域の上方のチャンバ本体上に配置されたソースモジュールを更に含む。ソースモジュールは、基板支持アセンブリに対向する上部電極を含む。プラズマ処理チャンバは、処理モジュールの下方に配置されたフローモジュールと、フローモジュールに取り付けられた排気モジュールを更に含む。フローモジュールは、排気チャネルと大気容積を画定する。排気チャネルは、処理モジュールの処理領域に接続する。大気容積は、基板支持アセンブリの軸を受け入れる。排気モジュールは、フローモジュールの排気チャネルと流体連通している。
本開示の上述した構成を詳細に理解することができるように、上記に簡単に要約した本開示のより具体的な説明を、実施形態を参照して行う。実施形態のいくつかは添付図面に示されている。しかしながら、添付図面は本開示の典型的な実施形態を示しているに過ぎず、したがってこの範囲を制限していると解釈されるべきではなく、本開示は他の等しく有効な実施形態を含み得ることに留意すべきである。
本開示の一実施形態に係るプラズマ処理チャンバの概略断面図である。 処理モジュール及びフローモジュールを示す図1Aのプラズマ処理チャンバの概略部分分解図である。 基板支持アセンブリを除去した処理モジュール及びフローモジュールの概略上面図である。 本開示の一実施形態に係るフローモジュールの概略斜視上面図である。 図2Aのフローモジュールの概略斜視底面図である。 本開示の一実施形態に係るシャーシの概略斜視図である。 本開示の実施形態に係る様々なモジュールから組み立てられた処理チャンバの概略断面図である。
理解を促進するために、図面に共通する同一の要素を示す際には可能な限り同一の参照番号を使用している。一実施形態で開示された要素を、特に説明することなく、他の実施形態で有益に利用してもよいと理解される。
詳細な説明
本開示は、概して、可変処理容積、改善されたフローコンダクタンス、及び/又は処理均一性を提供するモジュール設計を有する処理チャンバに関する。本開示に係るモジュール設計は、簡略化されたチャンバ構造を有する改良された処理均一性及び対称性を実現する。モジュール設計は、モジュール式処理チャンバの1以上のモジュールを交換することによって、様々な処理を実行する又は様々なサイズの基板を処理するための柔軟性を更に与える。
図1Aは、本開示の一実施形態に係るプラズマ処理チャンバ100の概略断面図である。プラズマ処理チャンバ100は、プラズマエッチングチャンバ、プラズマ強化化学気相堆積チャンバ、物理気相堆積チャンバ、プラズマ処理チャンバ、イオン注入チャンバ、又は他の適切な真空処理チャンバとすることができる。
プラズマ処理チャンバ100は、複数のモジュールから組み立てることができる。モジュール設計は、プラズマ処理チャンバ100が様々な処理要件を満たすことを可能にする。図1Aに示されるように、プラズマ処理チャンバ100は、ソースモジュール102、処理モジュール104、フローモジュール106、及び排気モジュール108を含む。ソースモジュール102、処理モジュール104、及びフローモジュール106は、処理領域112を集合的に囲む。動作中に、基板116は、基板支持アセンブリ118上に配置され、処理環境(例えば、処理領域112内で生成されたプラズマ)に曝される。プラズマ処理チャンバ100内で実行することができる例示的な処理は、エッチング、化学蒸着、物理蒸着、注入、プラズマアニーリング、プラズマ処理、除害(軽減)、又は他のプラズマ処理を含むことができる。真空は、排気モジュール108からフローモジュール106によって画定された排気チャネル114を介して吸引することにより、処理領域112内で維持することができる。
処理領域112及び排気チャネル114は、中心軸110の周りに実質的に対称的であり、これによって均一な処理条件を確立するための対称的な電流、ガス流、熱流を提供する。
一実施形態では、図1Aに示されるように、ソースモジュール102は、容量結合プラズマ源とすることができる。ソースモジュール102は、アイソレータ122によって処理モジュール104から隔離され、かつ処理モジュール104によって支持される上部電極120(又はアノード)を含むことができる。上部電極120は、熱伝達プレート130に取り付けられたシャワーヘッドプレート128を含むことができる。上部電極120は、ガス導入管126を介してガス供給源132に接続することができる。シャワーヘッドプレート128、熱伝達プレート130、及びガス導入管126はすべて、高周波(RF)導電性材料(例えば、アルミニウム又はステンレス鋼)から製造することができる。上部電極120は、導電性ガス導入管126を介してRF電源124に結合することができる。導電性ガス導入管126は、RF電力及び処理ガスの両方が対称的に提供されるように、プラズマ処理チャンバ100の中心軸110と同軸とすることができる。
たとえ、容量型プラズマ源が上述されていても、ソースモジュール102は、処理要件に応じて任意の適切なガス/プラズマ源とすることができる。例えば、ソースモジュール102は、誘導結合プラズマ源、リモートプラズマ源、又はマイクロ波プラズマ源であってもよい。
処理モジュール104は、ソースモジュール102に結合される。処理モジュール104は、処理領域112を取り囲むチャンバ本体140を含むことができる。チャンバ本体140は、処理環境に耐性のある導電性材料(例えば、アルミニウム又はステンレス鋼)から製造することができる。基板支持アセンブリ118は、チャンバ本体140内に中央配置され、中心軸110の周りに対称的な処理領域112内で基板116を支持するように配置することができる。
スリットバルブ開口部142は、基板116の通過を可能にするためにチャンバ本体140を貫通して形成することができる。スリットバルブ144は、スリットバルブ開口部142を選択的に開閉するために、チャンバ本体140の外側に配置することができる。
一実施形態では、上部ライナアセンブリ146は、チャンバ本体140の上部内に配置され、処理環境からチャンバ本体140を遮蔽することができる。上部ライナアセンブリ146は、チャンバ本体140内に形成されたスリットバルブ開口部142に対応する開口部148を含むことができる。一実施形態では、上部ライナアセンブリ146は、中心軸110の周りに対称的に形成された2以上の開口部148を含み、これによってスリットバルブ開口部142に起因するチャンバ本体140の非対称性を補償し、こうしてプラズマ処理チャンバ100内の処理領域112における対称性を生成することができる。例えば、上部ライナアセンブリ146は、互いに120度離間して形成された3つの同一の開口部148を有する円筒壁とすることができる。上部ライナアセンブリ146は、導電性処理適合性材料(例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、及び/又はイットリア(例えば、イットリアコーティングされたアルミニウム))から構成することができる。
一実施形態では、冷却チャネル150がチャンバ本体140内に形成され、これによってチャンバ本体140及び上部ライナアセンブリ146に温度制御を提供し、プラズマ処理チャンバ100内の熱的対称性及び処理領域112内に提供されるプラズマの対称性を向上させることができる。
フローモジュール106は、処理モジュール104に取り付けられる。フローモジュール106は、処理モジュール104内に画定された処理領域112と排気モジュール108との間に流路を提供する。フローモジュール106はまた、基板支持アセンブリ118とプラズマ処理チャンバ100の外部の大気環境との間のインターフェースを提供する。
図1Bは、処理モジュール104及びフローモジュール106の組み立てを示すプラズマ処理チャンバ100の概略部分分解図である。図1Cは、基板支持アセンブリ118を除去した、処理モジュール104及びフローモジュール106の概略上面図である。フローモジュール106は、高さ107を有する。高さ107は、処理要件によって決まる垂直方向の移動量又は可変容積の度合いに応じて選択することができる。したがって、特定の処理のために処理チャンバを構築する際に、適切な高さを有するフローモジュールが、処理要件を満たすように選択することができる。異なる処理に対して処理チャンバを構成する場合、フローモジュールは、異なる高さを有する別のフローモジュールと交換することができる。
フローモジュール106は、外壁160、内壁162、内壁162と外壁160との間を接続する2対以上の半径方向の壁164、及び内壁162及び2対以上の半径方向の壁164に取り付けられた底壁166を含む。外壁160は、半径方向の壁164の各対間に形成された2以上の貫通孔170を含むことができる。シャーシ154は、内壁162及び2対以上の半径方向の壁164の上に密封して配置することができる。貫通孔170は、内壁162によって画定された大気容積106を外部環境に接続し、こうしてユーティリティ接続(例えば、電気接続、ガス接続、冷却流体接続)を収容する。シャーシ154は、基板支持アセンブリ118を受け入れるための中央開口部158を含むことができる。
フローモジュール106の外壁160は、処理モジュール104のチャンバ本体140と一致するように成形される。一実施形態では、外壁160は、チャンバ本体140のフランジ134に対応するフランジ136を含むことができる。複数のボルト138は、フローモジュール106を処理モジュール104に結合するために、フランジ134とフランジ136を固定するために使用することができる。一実施形態では、シール152は、チャンバ本体140のフランジ134と外側壁160のフランジ136との間に配置され、これによって、それらの間に真空シールを形成することができる。シール152は、Oリング又は他のタイプのシールとすることができる。一実施形態では、RF接地ガスケット172が、フローモジュール106と処理モジュール104との間に配置され、これによって均一で対称なRF接地リターンパスのための固体接触をそれらの間に提供することができる。
内壁162、底壁166、半径方向の壁164、及びシャーシ154は、外壁160内の容積を排気チャネル114と大気容積168に分割する。排気チャネル114は、処理モジュール104の処理領域112と接続する。シャーシ154の下面154aは、内壁160及び2対以上の半径方向の壁164の上面164aの上に形成された(図1Cに示される)溝164bに一致する溝154bを含むことができる。シール156は、溝154b、164b内に配置され、これによって排気チャネル114と大気容積168との間に真空シールを提供することができる。シール156は、Oリング又は他のタイプのシールとすることができる。
外壁160及び内壁162は、同心円状に配置された円筒状の壁とすることができる。組み立てたときに、外壁160と内壁162の中心軸は、プラズマ処理チャンバ100の中心軸110と一致する。2対以上の半径方向の壁164は、内壁162と外壁160との間に配置され、これによってそれらの間の空間を排気チャネル114及び貫通孔170に分割する。一実施形態では、2対以上の半径方向の壁164は、排気チャネル114が中心軸110の周りに対称的となるように配置される。図1Cに示されるように、フローモジュール106は、互いに120度離間して配置された3対の半径方向の壁164を含み、中心軸110に対称的な排気チャネル114を形成することができる。排出チャネル114の対称的な配置は、処理領域112からのガスの対称的な除去を促進し、基板116全域に亘るガスの対称的な流れをもたらす。また、排気チャネル114と半径方向の壁164の対称的な配置は、プラズマ処理チャンバ100内の熱分布及び電気伝導度の対称性を促進する。
排気モジュール108は、対称的なフローバルブ180と、対称的なフローバルブ180に取り付けられた真空ポンプ182を含む。対称的なフローバルブ180は、排気チャネル114に接続され、これによってプラズマ処理チャンバ100内に対称かつ均一な流れを提供する。
基板支持アセンブリ118は、基板116を中心軸110の周りに対称的に配置するために、中心軸110に沿って配置される。基板支持アセンブリ118は、シャーシ154によって支持される。基板支持アセンブリ118は、支持プレート174、処理領域112内に配置されたベースプレート176、及びシャーシ154の中央開口部158を通って配置された中空シャフト178を含む。ベローズ184が、ベースプレート176とシャーシ154との間を接続し、中空シャフト178を囲む。ベローズ184は、基板支持アセンブリ118が、中心軸110に沿って上下動することを可能にし、フローモジュール106内の大気容積168と処理モジュール104内の処理領域112との間に真空シールを提供する。
支持プレート174は、チャッキング電極186を有する静電チャックとすることができる。支持プレート174はまた、処理中に基板116を加熱するための加熱素子188を含むことができる。ベースプレート176は、内部に形成された冷却チャネル190を含むことができる。チャッキング電極186は、中空シャフト178と、大気容積168と、貫通孔170のうちの1つとを介して、バイアス電源187に接続することができる。加熱素子188は、中空シャフト178と、大気容積168と、貫通孔170のうちの1つとを介して、加熱電源189に接続することができる。冷却チャネル190は、中空シャフト178と、大気容積168と、貫通孔170のうちの1つとを介して、冷却流体供給源191に接続することができる。
一実施形態では、アクチュエータアセンブリ192は、垂直方向に基板支持アセンブリ118を移動させるために、中空シャフト178に結合することができる。アクチュエータアセンブリ192は、大気容積168内に配置することができる。リフトピンアクチュエータ194は、リフトピン196を移動させるために、大気容積168内に配置することができる。
プラズマスクリーン198は、処理領域112内にプラズマを閉じ込めるために、処理領域112と排気チャネル114の間に配置することができる。基板支持ライナー199は、基板支持アセンブリ118を処理化学から遮蔽するために、基板支持アセンブリ118の周りに配置することができる。
動作中、ガス供給源132から1以上の処理ガスが、シャワーヘッドプレート128を通して処理領域112に入ることができる。RF電力は、処理領域112内の1以上の処理ガスを発火させ維持するために、上部電極120と基板支持アセンブリ118との間に印加することができる。基板支持アセンブリ118上に配置された基板116は、プラズマによって処理される。1以上の処理ガスは、処理領域112に連続的に供給することができ、真空ポンプ182は、基板116上に対称かつ均一なガス流を生成するために、対称的なフローバルブ180とフローモジュール106を介して動作する。
分離したモジュール内に処理領域112及び排気チャネル114を画定することによって、本開示の実施形態は、単純化されたチャンバ構造によって均一かつ対称な処理環境を提供し、こうして製造コストを削減する。
図2Aは、本開示の一実施形態に係るフローモジュール106の概略的な斜視上面図である。図2Bは、フローモジュール106の概略斜視底面図である。外壁160は、上端部に処理モジュール104と接続するためのフランジ136と、下端に排気モジュール108と接続するためのフランジ202を含むことができる。位置合わせ穴204、206は、処理モジュール及び排気モジュールとそれぞれ位置合わせするために、フランジ136及びフランジ202に沿って均等に分布させることができる。溝208は、シールを受けるためにフランジ136上に形成することができる。1以上の位置合わせ穴210を、シャーシ(例えば、シャーシ154)と位置合わせするために上面164a上に形成してもよい。
図3は、本開示の一実施形態に係るシャーシ154の概略斜視図である。シャーシ154は、フローモジュール(例えば、フローモジュール106)と基板支持アセンブリ(例えば、基板アセンブリ118)との間にインターフェースを提供する。シャーシ154は、外方に延びる翼304を有するディスク状本体302を含むことができる。シャーシ154は、フローモジュール(例えば、フローモジュール106)に結合され、これによってフローモジュールを排気用フローチャネルと外部環境に接続された大気容積に分割することができる。ディスク状本体302は、基板支持アセンブリ(例えば、基板支持アセンブリ118)を収容するための中央開口部158を含む。段差308が、中央開口部158の下端に形成されてもよい。ベローズは、段差308に固定され、これによって中央開口部158の周りに真空シールを達成することができる。ディスク状本体302は、フローモジュール106の内壁162の外径に対応する外径を有する。翼306は、対の半径方向の壁164に対応する。一実施形態では、3つの翼306を、120度に離間して配置することができる。リフトピン孔306は、内部に基板リフトピンを受け入れるために各翼306を貫通して形成することができる。位置合わせ穴310は、フローモジュール106の位置合わせ穴210と位置合わせするように、各翼306を貫通して形成することができる。
処理の対称性と均一性を改善することに加えて、本開示の実施形態はまた、柔軟性を提供する。例えば、1以上のモジュールを変えることによって、プラズマ処理チャンバは、各種の処理を実行する、又は様々なサイズの基板を処理するように構成することができる。
図4A〜図4Cは、本開示の実施形態に係る様々なモジュールから組み立てられたチャンバアセンブリの概略断面図である。チャンバセンブリは、様々なプラズマモジュール及び排気モジュールと組み合わせて、様々な処理チャンバを形成することができる。
図4Aでは、チャンバセンブリ400は、処理モジュール402とフローモジュール404を含む。処理モジュール402は、上述した処理モジュール104と同様とすることができる。フローモジュール404は、上述したフローモジュール106と同様とすることができる。処理モジュール402は、直径408を有する基板を支持するように設計された基板支持アセンブリ403を含むことができる。フローモジュール404は、処理要求に応じて、基板の垂直運動の範囲又は処理モジュール402内に処理容積の変化の度合いを満たす高さ406を有することができる。
図4Bでは、チャンバセンブリ410は、処理モジュール402及びフローモジュール412から組み立てられる。フローモジュール412は、チャンバセンブリ400のフローモジュール404の高さ406よりも短い高さ414を有する。処理が基板の垂直運動のより短い高さを必要とする場合、又は基板が垂直方向に移動しない場合に、より短い高さを有するフローモジュール412を使用することができる。より短い高さを有するフローモジュール412は、より少ないスペースを占め、こうして技術的利点を提供する。基板の垂直方向の動きのないフローモジュール412は、システムの複雑性を大幅に低減し、したがって、製造コスト及び保守コストを削減することができる。
図4Cでは、チャンバセンブリ420は、処理モジュール422及びフローモジュール412から組み立てられる。処理モジュール422は、直径424を有する基板を支持するように設計された基板支持アセンブリ426を含む。直径424は、処理モジュール402の直径408よりも大きい。よい大きな基板用に設計された処理モジュールを選択することにより、チャンバセンブリ420は、他のモジュールの直径を大きくする必要なしに、より大きな基板を処理するために使用することができる。これは、より大きな基板に対して比較的小さな容積を使用することを可能にし、チャンバコストを削減するだけでなく、ポンプのサイズ要件を低減し、より高い基板スループットが可能となるポンピング時間を減少させることができる。
本開示の実施形態は、容量結合プラズマチャンバに関連して記載されているが、本開示の実施形態は、任意の処理チャンバ内で、対称性を向上させ、スキューを低減するために使用することができる。
上記は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の他の及び更なる実施形態は本開示の基本的範囲を逸脱することなく創作することができ、その範囲は以下の特許請求の範囲に基づいて定められる。

Claims (9)

  1. 処理チャンバに対称な流路を提供するためのフローモジュールであって、フローモジュールは、
    処理チャンバのチャンバ本体と接続するように形作られた外壁と、
    内壁と、
    外壁及び内壁を接続する2対以上の半径方向の壁であって、2つ以上の排気チャネルは、2対以上の半径方向の壁によって内壁と外壁との間に画定されている半径方向の壁と、
    シャーシであって、
    シャーシは、フローモジュールの内壁に気密に結合され、
    外方に延びる翼を有するディスク状本体を含んでいるシャーシと、
    内壁及び2対以上の半径方向の壁に結合された底壁であって、大気容積が、内壁、底壁、及び2対以上の半径方向の壁によって画定されている底壁とを含んでいるフローモジュール。
  2. 外壁は、2つ以上の貫通孔を含み、
    各貫通孔は、1対の半径方向の壁間に配置されている、請求項1に記載のフローモジュール。
  3. 外壁及び内壁は、中心軸の周りに同心である、請求項1に記載のフローモジュール。
  4. 外壁及び内壁は実質的に円筒形である、請求項1に記載のフローモジュール。
  5. 2対以上の半径方向の壁があり、
    2対以上の半径方向の壁は、内壁と外壁の間に均等に分布しており、
    排気チャネルは、中心軸の周りに対称である、請求項1に記載のフローモジュール。
  6. シャーシは、基板支持アセンブリのシャフトを受け入れるように構成された中央開口部を含んでいる、請求項1に記載のフローモジュール。
  7. 外方に延びる翼の各翼は、2対以上の半径方向の壁のうちの1対の半径方向の壁に取り付けられている、請求項6に記載のフローモジュール。
  8. シャーシには、リフトピン孔が貫通して形成され、リフトピン孔は、リフトピンを受け入れるように構成されている、請求項1に記載のフローモジュール。
  9. 外壁は上部フランジと下部フランジとを含み、フローモジュールは上部フランジでチャンバ本体に取り付けられている、請求項1に記載のフローモジュール。
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