KR100469908B1 - 기재 지지수단 상의 폴리머 증착을 감소시키는 장치 - Google Patents
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Abstract
반도체 웨이퍼와 같은 기재를 처리하기 위한 플라스마 처리 시스템에 있어서, 플라스마 처리챔버내의 포커스 링(16)과 정전기적 척(14) 사이의 영역(30)에 폴리머가 증착되는 것을 상기 척과 포커스 링 사이의 갭에 클리어런스 기체를 제공함으로써 감소시킨다. 일련의 채널은 클리어런스 기체를 기재 지지수단의 외면과 기재 지지수단을 포위하는 포커스 링의 내면 사이의 환형 갭으로 운반한다. 환형 갭에 공급된 클리어런스 기체는 헬륨과 같이 웨이퍼 처리 공정에 영향을 미치지 않는 기체가 바람직하다. 플라스마 에칭의 경우, 클리어런스 기체는 공정기체 및 이들의 휘발성 부산물이 상기 환형 갭으로 이동하는 것을 차단할 수 있도록 충분히 높으면서 에지 에칭 성능에는 악영향을 미치지 않는 유속으로 공급된다.
Description
진공 처리 챔버는 일반적으로 공정기체를 상기 챔버내에 공급하여 기재상의 재료를 화학증착(CVD) 및 에칭하고 상기 기체에 RF장을 인가하는데 사용된다. 평행판, 트랜스결합 플라스마(transformer coupled plasma; TCP(등록상표), ICP라고도 함) 및 전자-사이클로트론 공진(electron-cyclotron resonance;ECR) 반응기의 예는 본 출원인의 미국 특허 제4,340,462호, 제4,948,458호 및 제5,200,232호에 개시되어 있다. 기재는 처리시에 기재홀더에 의해 진공 챔버내의 제위치에 유지된다. 통상의 기재홀더로는 기계적 클램프와 정전기적 클램프(electrostatic clamp; ESC)가 포함된다. 기계적 클램프와 정전기적 홀더의 예는 본 출원인의 미국특허 제5,262,029호와 1995년 3월10일자로 출원된 미국출원 08/401,524호에 기재되어 있다. 미국특허 제4,579,618호에 개시된 바와 같이, 전극형태의 기재홀더는 챔버에무선주파수(RF) 파워를 공급할 수 있다.
산화물 에칭 공정에서 에칭되는 기재는 일반적으로 하지층, 에칭되는 산화물층 및 상기 산화물층 위에 형성되는 포토레지스트층을 포함한다. 산화물층은 SiO2, BPSG, PSG 또는 기타 산화물 재료중 어느 하나일 수 있다. 상기 하지층은 Si, TiN, 규화물 또는 기타 하지층 또는 기재 재료일 수 있다. 기재처리시, 챔버의 표면상에 바람직하지 못한 폴리머 증착이 일어날 수 있다. 예를 들어, 산화물 에칭시 챔버가 80℃ 이상으로 가열되면, CF3가 CF2및 HF를 형성하는 반응이 일어날 수 있다. CF2형성은 챔버 내부 표면상에 폴리머 증착을 증대시킨다. 상기 증착물은 웨이퍼의 일관된 처리를 위하여 연속적인 웨이퍼 처리공정 사이에 제거될 수 있다.
반도체 웨치퍼와 같은 기재를 플라스마 반응기내에서 에칭하는 동안, 정전기적 척(chuck)과 같은 기재 지지수단의 노출표면 및 상기 기재 지지수단을 포위하는 유전성 환형 캡/포커스 링과 같은 기타 표면을 포함하는 챔버의 냉각된 노출표면 상에 폴리머가 축적될 수 있다. 이러한 축적물이 떨어져 나가 정전기적 척의 상부 표면에 붙게 되면 문제를 야기할 수 있다. 척의 상부 표면에 놓인 오염물은 척이 웨이퍼를 단단하게 지지하도록 적절하게 작동되는 것을 방해할 수 있다. 또한, 상기 오염물은 냉각매체로서 웨이퍼 아래로 공급되는 헬륨 기체가 웨이퍼 아래로부터 누출되도록 하여 웨이퍼 냉각성능을 저하시킨다. 또한, 상기 오염물은 웨이퍼 자체에도 증착되어 악영향을 미칠 수 있다. 폴리머 축적물은 연속적인 웨이퍼 처리공정 사이에 실시되는 세정단계에 의해 제거될 수 있다. 일반적으로, 세정단계는 챔버에산소를 주입하고, 플라스마를 점화시켜 증착된 폴리머와 산소를 반응시키는, 처리 챔버의 공격적인 산소 세정방법에 의해 실시될 수 있다.
처리 챔버내에서 폴리머의 증착이 일어날 수 있는 영역중 하나는 웨이퍼가 지지되는 정전기적 척과 정전기적 척을 포위하는 포커스 링 사이의 협소한 갭(gap)이다. 상기 갭은 척과 포커스 링의 제조 허용차 및 열팽창률의 차이에 연유한 것이다. 그러나, 챔버내의 공정 기체 및 휘발성 부산물은 상기 갭으로 이동하여 바람직하지 못한 폴리머 증착을 야기할 수 있으며, 이들은 떨어져 나가 웨이퍼 및/또는 챔버의 오염을 야기할 수 있다.
처리 챔버의 공격적인 산소 세정방법은 웨이퍼 사이클 주기를 증가시키고 시스템의 처리량을 감소시키기 때문에 바람직하지 못하다. 또한, 공격적인 산소 세정방법은 이온 충돌로 인하여 정전기적 클램프와 포커스 링을 포함하는 처리 챔버내 부재의 수명을 단축시킨다. 따라서, 기재 처리는 공격적인 산소 세정단계를 거치지 않고 실시되어, 사이클 주기를 단축시키고 챔버 부재의 수명을 연장시킬 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명은 플라스마 처리 챔버내에서 폴리머 축적을 감소시키는 장치 및 방법, 보다 상세하게는 기재홀더 내의 갭으로 클리어런스(clearance) 기체를 공급하여 기재홀더의 노출 표면상에 폴리머가 증착되는 것을 방지하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하는데, 동일한 요소에는 동일한 참조번호를 사용하였다.
도 1은 진공 처리챔버의 횡단면도이다.
도 2는 정전기적 척과 포커스 링 사이의 공간을 보여주기 위한 도 1의 부분 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 확대 단면도이다.
본 발명은 기재 지지수단 상에 폴리머 축적을 감소시키는 클리어런스 기체 스트림을 제공함으로써 플라스마 처리 챔버내의 폴리머 증착 문제를 해결하고자 한다.
본 발명의 일면에 의하면, 플라스마 처리 장치는 처리챔버, 외면을 갖는 기재 지지수단, 상기 외면을 포위하면서 그 위에 지지되는 포커스 링과 같은 부재 및클리어런스 기체 공급수단을 포함하며, 상기 부재는 상기 기재 지지수단의 외면과 함께 협소한 갭을 형성하는 내면을 가지고, 상기 갭은 처리 챔버의 내부와 유통(fluid communication)되며, 상기 클리어런스 기체 공급수단은 상기 갭과 유통되어 클리어런스 기체를 상기 갭에 공급함으로써 공정기체나 이들의 휘발성 부산물이 상기 갭내로 이동하는 것을 차단한다.
본 발명의 다른 면에 의하면, 기재를 처리챔버내의 기재홀더 상에 배치하는 단계 및 상기 기재홀더와 기재홀더를 포위하는 부재 사이의 갭에, 처리챔버내의 공정기체가 상기 갭내로 흐르는 것을 방지하기에 충분한 유속으로 클리어런스 기체를 공급하는 단계를 포함하는, 플라스마 처리챔버 내에서 폴리머 증착을 조절하는 방법이 제공된다. 기재의 에칭시 상기 클리어런스 기체의 유속은 에지(edge) 에칭 성능에 악영향을 미치는 수준에 도달하지 않도록 유지된다.
본 발명의 일실시예에 의한 진공 처리챔버가 도 1에 도시되어 있다. 진공 처리 챔버(10)는 그 위에 지지된 기재에 RF 바이어스를 인가하기 위한 전극을 포함하는 기재홀더(12)를 포함하고 있다. 기재홀더(12)는 기재를 클램핑하기 위한 정전기적 클램프(14)를 포함하고 있다. 정전기적 클램프 위에 놓인 기재는 기재와 정전기적 클램프 사이에 제공되는 헬륨 백쿨링(미도시)에 의해 냉각되는 것이 바람직하다. 세라믹 포커스 링(16)은 정전기적 클램프(14)를 포위하다.
진공 처리챔버는 챔버 상부에 위치하며 적합한 RF원에 의하여 파워를 공급받는 안테나(18)(평판형 나선 코일 또는 기타 적합한 형상을 가진)와 같이, 챔버내에 고밀도(예를 들면, 1011-1012이온/cm3) 플라스마를 유지하기 위한 에너지원을 포함하고 있다. 적합한 RF 임피던스 정합회로는 RF 에너지를 챔버(10)내로 유도결합시켜 고밀도 플라스마를 제공한다. 챔버(10)는 또한 챔버의 내부를 소정 압력(예를 들어, 50 mTorr 미만, 일반적으로 1-20 mTorr)으로 유지하기 위한 진공 펌프 장치를 포함한다. 유전창(20)(석영, 알루미나, 질화규소 등으로 이루어진 균일한 두꼐의 평판형 쉬트와 같은)은 안테나(18)와 처리 챔버(10)의 내부 사이에 제공되어 처리 챔버(10)의 정상부에 진공 챔버 벽을 형성한다. 일반적으로 샤워헤드(22)라 불리는 유전성 기체 분배판이 상기 창(20) 아래에 제공될 수 있으며, 상기 분배판은 기체 공급수단에 의해 공급되는 공정기체를 처리챔버(10)내로 운반하기 위한 원형구멍(미도시)과 같은 개구부를 복수개 포함한다. 그러나, 상기 기체 분배판(22)은 생략될 수 있으며, 공정기체는 기체 링 등과 같은 다른 설비에 의해 챔버로 공급될 수 있다.
도 2는 정전기적 척(14)의 외측부와 포커스 링(16)의 확대 단면도로서, 상기두 부재 사이에 제공되는 협소한 공간(30)(예를 들면, 1/4인치 미만)을 보여준다. 상기 환형 공간(30)은 포커스 링의 내면(46)과 정전기적 척(14)의 외면(48)사이에 클리어런스를 제공하여 상기 요소들의 제조허용차 및 열팽창륭의 차이가 허용되도록 한다. 반도체 웨이퍼(32)와 같은 형태의 기재는 정전기적 척(14) 위에 배치되며 적합한 정전기적 클램핑 힘에 의해 제위치에 유지된다. 작은 수직 클리어런스 공간(34)은 웨이퍼의 돌출 에지(edge)와 포커스 링(16)의 에지에 제공된 홈(36) 사이에 제공된다. 상기 수직 클리어런스 공간(34)은 웨이퍼(32)의 돌출 에지가 들리지 않도록 함으로써 정전기적 척에 의해 인가되는 클램핑 힘이 감소되는 것을 방지한다.
본 발명에 의하면, 클리어런스 기체 공급원(50)으로부터 공급되는 헬륨 기체와 같은 클리어런스 기체 흐름을 환형 공간(30)에 제공함으로써 공정기체 및 이들의 휘발성 부산물이 수직 클리어런스 공간(34)을 통해 환형 공간(30)에 유입되는 것을 방지한다. 클리어런스 기체 흐름은, 처리시에 떨어져 나가 척 표면 위에 또는 기재 위에 붙을 수 있는 폴리머가 환형 공간(30) 내에 증착되는 것을 최소화한다. 상기 실시예에 있어서, 클리어런스 기체의 흐름은 정전기적 척(14) 내에 방사상으로 뻗어 있는 일련의 채널(38)에 의해 제공된다. 상기 채널(38)은 정전기적 척(14)의 원주를 따라 이격배치되어 클리어런스 기체를 환형공간(30)에 제공하는 오리피스(40)를 가진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 채널(38)은 클리어런스 기체가 이를 통해 운반되며 축상으로 뻗어 있는 중앙통로(54)에 연결될 수 있다. 도 1에는 방사상으로 뻗어 있는 일련의 클리어런스 기체 공급채널만 도시되어 있지만, 기타 임의의 클리어런스 기체 운반 설비도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어져야 할 것이다.
예를 들면, 클리어런스 기체는 8개의 방사상으로 뻗어 있는 채널(38)을 통해 환형 공간(30)에 제공될 수 있다. 그러나, 정전기적 척(14) 내의 임의의 개수의 채널 또는 임의의 배열을 가진 채널 역시 클리어런스 기체를 환형 공간(30)으로 운반하는데 사용될 수 있다. 또한, 하나 이상의 클리어런스 기체 운반 채널을 포커스 링에 형성하여 클리어런스 기체를 환형 공간(30)으로 운반하는데 사용하거나 척(14)및 링(16)내의 공급통로를 통해 헬륨을 상기 공간(30)으로 공급할 수 있다.
본 발명에 의하면, 클리어런스 기체 유속은 공정기체 및 이들의 휘발성 부산물이 처리 챔버로부터 환형 공간(30)으로 이동하는 것을 차단하기에 충분할 정도로 높다. 그러나, 플라스마 에칭의 경우 상기 기체의 유속은, 기재의 가장자리에 기체 팽창기둥(expansion plume)이 존재함으로 인하여 에지(edge) 에칭 성능에 악영향을 미칠 수 있을 정도로 높지 않은 것이 바람직하다. 산화물 에칭시 적합한 헬륨 기체 유속을 예로 들면, 40 내지 120 표준 입방센티미터/분(SCCM), 바람직하게는 60 내지 100 SCCM, 더욱 바람직하게는 약 75 내지 85 SCCM이며, 특정 처리챔버의 특정 크기 및 용도에 의존한다. 본 발명자가 실험한 처리챔버에 있어서는 200cm의 웨이퍼를 산화물 에칭하면서 80 SCCM의 헬륨 기체를 사용한 결과 웨이퍼의 처리를 방해하지 않으면서 원하는 공정기체 배제 효과를 얻을 수 있었다.
도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 의하면, 클리어런스 기체의 흐름이 고정 압력 클리어런스 기체 공급원(50)에 의하여 제공된다. 상기 기체의 유속은 오리피스(40) 내에 중공(hollow) 스크류(42)를 삽임함으로써 조절할 수 있다. 예를 들어, 중공 스크류에는 환형 공간으로 유입되는 소정의 기체 유속을 얻기 위하여 소정 직경의 개구부를 가진 보석(jewel) 오리피스 판(44)이 제공될 수 있다. 소정의 유속을 얻기위하여 선택되는 상기 오리피스 판의 개구부 직경은 실시하고자 하는 처리의 종류(에칭, 증착, 포토레지스트 스트리핑 등), 클리어런스 기체 공급원의 압력, 환형 공간의 크기 및 채널(38)의 개수와 같은 다양한 공정 조건에 의존한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 도 3에 도시된 바와 같이 채널(38)에 공급되는 기체 유속을 변화시킬 수 있도록 유량 조절기(52)가 클리어런스 기체 공급원(50)에 연결되어 있다. 본 실시예에서는, 유량조절기에 의하여 유속을 수동 또는 자동으로 용이하게 조절할 수 있기 때문에 보석 오리피스 판(44)을 구비한 중공 스크류(42)는 생략될 수 있다. 상기 실시예에서, 오리피스(40)는 일정한 직경을 갖는다.
본 발명은 공정기체가 환형 공간(30)으로 들어가는 것을 방지하기 위하여 헬륨 기체를 사용하는 경우에 대해서만 설명하였지만, 헬륨 기체는 예를 든 것에 불과하다. 처리 챔버내에서 실시되는 웨이퍼 처리 공정에 영향을 미치지 않는 다른 기체 역시 사용할 수 있다.
이상에서는 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 서술하였지만, 당업자들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변형물 및 균등물을 생각해 낼 수 있을 것이다.
Claims (20)
- 처리 챔버;기재를 처리하기 위하여 상기 처리 챔버의 내부에서 공정기체를 플라스마 상태로 에너지화하는 파워 공급원;기재를 처리 챔버의 내부에 지지하며, 외면을 가진 기재 지지수단으로서, 상기 기재 지지수단은 상기 기재를 자신으로부터 돌출되도록 지지하는 기재 지지수단;상기 기재 지지수단을 포위하며, 상기 기재 지지수단의 외면과의 사이에, 처리 챔버의 내부와 유통(fluid communication)되는 갭을 형성하는 내면을 가지는 포커스 링으로서, 상기 기재는 상기 포커스 링의 적어도 일부분 상으로 뻗어 있어 상기 포커스 링의 내면이 상기 기재의 외주부의 안에 위치하는 포커스 링; 및상기 갭과 유통되며, 기재처리시 공정기체 및 이들의 휘발성 부산물이 상기 갭내로 이동하는 것을 차단하기 위하여 클리어런스 기체를 상기 갭에 공급하는 클리어런스 기체 공급수단으로서, 상기 클리어런스 기체 공급수단은 상기 갭으로의 출구를 구비하고, 방사상으로 뻗어 있는 복수개의 기체 통로를 포함하는 클리어런스 기체 공급수단;을 포함하는 플라스마 처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 파워 공급원이 유전창을 통해 RF 파워를 유도 결합시키고, 상기 처리 챔버 내에 고밀도 플라즈마를 형성하는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 클리어런스 기체 공급수단은 헬륨을 상기 갭에 공급하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 클리어런스 기체 공급수단은 클리어런스 기체를 60 내지 100 sccm의 유속으로 공급하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 클리어런스 기체 공급수단은 상기 갭으로의 출구를 구비한, 방사상으로 뻗어 있는 8개의 기체 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 클리어런스 기체 통로에는 클리어런스 기체의 유속을 조절하기 위한 유량 제한부가 제공되는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 클리어런스 기체 통로가 기재 지지수단에 제공된 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 부재는 세라믹 포커스 링을 포함하며, 상기 갭은 상기 내면 및 외면 사이가 1/4인치 미만인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 기재 지지수단은 정전기적 척을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
- 처리 챔버 및 기재의 처리를 위하여 상기 처리 챔버의 내부에서 공정기체를 플라스마 상태로 에너지화하는 파워 공급원을 포함하는 플라스마 처리 장치용 기재 지지수단에 있어서,기재를 상기 처리 챔버의 내부에 지지하며, 외면을 가지는 기재 지지 표면으로서, 상기 기재 지지 표면은 상기 기재를 자신으로부터 돌출되도록 지지하는 기재 지지 표면;상기 기재 지지 표면을 포위하면서 그 위에 지지되며, 상기 기재 지지표면의 외면과의 사이에, 기재 지지수단이 처리 챔버내에 장착될 때 처리챔버와 유통하게 되는 갭을 형성하는 내면을 가지는 포커스 링으로서, 상기 기재는 상기 포커스 링의 적어도 일부분 상으로 뻗어 있어 상기 포커스 링의 내면이 상기 기재의 외주부의 안에 위치하는 포커스 링; 및상기 갭과 유통되며, 상기 기재 지지 표면상에 지지된 기재의 처리시 공정기체 및 이들의 휘발성 부산물이 상기 갭내로 이동하는 것을 차단하기에 충분한 유속으로 클리어런스 기체를 상기 갭으로 공급할 수 있는 구조로 되어 있는 클리어런스 기체 공급수단으로서, 상기 클리어런스 기체 공급수단은 상기 갭으로의 출구를 구비하고, 방사상으로 뻗어 있는 복수개의 기체 통로를 포함하는 클리어런스 기체 공급수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 기재 지지수단.
- 제10항에 있어서, 상기 기재 지지수단은 정전기적 척을 포함하고, 상기 포커스 링은 세라믹 포커스 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 기재 지지수단.
- 제10항에 있어서, 상기 클리어런스 기체 공급수단은 상기 갭으로의 출구를 구비한, 방사상으로 뻗은 8개의 기체 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 기재 지지수단.
- 제12항에 있어서, 상기 클리어런스 기체 통로에는 클리어런스 기체의 유속을 조절하기 위한 유량 제한부가 제공되는 것을 특징으로 하는 기재 지지수단.
- 제12항에 있어서, 상기 클리어런스 기체 통로가 기재 지지수단에 제공되는 것을 특징으로 하는 기재 지지수단.
- 기재를 처리 챔버내의 기재 홀더상에 배치하는 단계;기재의 처리를 위하여 처리 챔버의 내부에서 공정기체를 플라스마 상태로 에너지화하는 단계; 및상기 기재홀더와 기재홀더를 포위하면서 기재홀더에 의해 지지되는 포커스 링 사이의 갭에 클리어런스 기체 공급원에 의하여 공급되는 클리어런스 기체를 도입하는 단계로서, 상기 기재는 상기 포커스 링의 적어도 일부분 상으로 뻗어 있어 상기 포커스 링의 내면이 상기 기재의 외주부의 안에 위치하고, 상기 클리어런스 기체는 공정기체 및 이들의 휘발성 부산물이 상기 갭내로 이동하는 것을 최소화하기에 충분한 유속으로 공급되고, 상기 클리어런스 기체 공급수단은 상기 갭으로의 출구를 구비하고, 방사상으로 뻗어 있는 복수개의 기체 통로를 포함하는 단계;를 포함하는 플라스마 처리 챔버내에서 폴리머 증착을 조절하는 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 기재는 정전기적 척에 의해 처리 챔버내의 제위치에 유지되며, 상기 공정기체는, 유전창을 통해 처리 챔버내로 RF 파워를 유도결합시키는 코일에 RF 파워를 공급하는 파워 공급원에 의해 에너지화되어 플라스마 상태의 고밀도 플라즈마를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 갭내로 도입되는 클리어런스 기체가 헬륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 클리어런스 기체는 60 내지 100 sccm의 유속으로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제15항에 있어서, 사이 클리어런스 기체는 상기 갭으로의 출구를 구비한, 방사상으로 뻗은 8개의 통로를 통해 상기 갭으로 흘러 들어가는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 기재는 공정기체에 의해 에칭되며, 상기 클리어런스 기체는 에지 에칭 성능에 악영향을 미치지 않는 유속으로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
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