KR100492135B1 - 페이스플레이트, 그 페이스플레이트를 포함하는 반응기 - Google Patents

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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 CVD 증착되는 웨이퍼에 면하고 웨이퍼를 향하여 처리 가스를 분사하기 위한 다수의 제트 구멍을 구비한 샤워헤드 전극을 갖추고 있는 플라즈마 화학기상 증착용 반응기에 관한 것이다. 두 개의 깊은 홈이 상기 제트 구멍을 포함하는 샤워헤드 영역 둘레에 형성된다. 이 홈들은 샤워헤드의 대향하는 양측 면으로부터 형성되고 서로 반경 방향으로 어긋나 있어, 상기 샤워헤드 본체 내에서 그들 사이에서 얇은 벽을 형성한다. 이 얇은 벽이 열 초크로서 작용하고, 이에 따라 샤워헤드 지지체로의 열 유동을 감소시키고, 샤워헤드 면에 걸쳐 온도 분포를 더 균일하게 한다. 상기 얇은 벽은 기계식 벨로우즈로도 작용하여 상기 샤워헤드와 그 지지체 사이에서 열 팽창의 차이를 수용한다.

Description

화학 증착 플라즈마 반응기 내 페이스플레이트 열 초크
본 발명은 반도체 집적회로와 같은 기판의 플라즈마 처리를 위한 장치, 특히 화학 기상 증착을 위한 플라즈마 반응기에서의 가스 유동에 관련된 구성요소에 관한 것이다.
화학 기상 증착(CVD)은 반도체 집적회로 및 기판 상에 형성되는 다른 층 구조물을 제조하는데 널리 공지된 방법이다. CVD에서, 반도체 웨이퍼 또는 기타 기판은 진공 챔버 내의 감소된 압력에서 선구 가스(precursor gas)에 노출된다. 선구 가스는 웨이퍼의 표면에서 반응하여 웨이퍼 상에 성분을 증착시킨다. 예를 들어 실란(SiH4)은 실리콘을 증착하기 위해 선구 가스로서 종종 사용되고, TEOS(테트라에틸올소실리케이트)는 실리콘 이산화물에 대해 종종 사용된다. 이 반응을 진행시키는데는 두 가지 중요한 방식이 있다. 만약 웨이퍼가 충분한 온도로 가열된다면, 반응은 열적으로 활성화된다. 그러나 많은 경우에 있어서, 효율적인 열 활성화에 필요한 온도는 매우 높은 것으로 고려된다. 다른 방법, 소위 플라즈마 CVD 즉 PECVD에서, 선구 가스를 플라즈마 여기시키는 데는 전기 수단이 사용된다. 플라즈마는 선구 가스 및 그 성분의 이온 및/또는 라디컬을 생성하며, 이들은 훨씬 용이하게 반응한다. 이에 따라 웨이퍼의 온도는 매우 낮게 유지될 수 있다.
PECVD 반응 챔버의 실례는 즈하오(Zhao) 등의 미국특허 제 5,587,171호에 기술되어 있다. 이 형태의 CVD 반응기는 DxZ 챔버란 이름으로 미국 캘리포니아 산타클라라에 있는 어플라이드 머티어리얼스 인코포레이티드에서 시판되고 있다. 이 특허의 CVD 반응기는 도 1에 단면도로 나타나 있다. 도시되지 않은 웨이퍼는 처리되는 동안 받침대(10) 상에서 지지되는데, 이 받침대는 하부 챔버 본체(14)와 하부 챔버 본체(14) 안의 세라믹 링(16) 내 슬릿 밸브 개구(12)를 통해 진공 챔버 안팎으로 웨이퍼를 장착 및 인출하기 위해 하강될 수 있다.
증착하는 동안, 선구 가스(18)는 웨이퍼를 덮고 있는 중앙 공급 분배 장치를 통해 유동되고 알루미늄과 같은 전도성 금속으로 구성된 페이스플레이트(22) 내의 다수(수천개)의 제트 구멍(20)을 통해 유동된다. 상기 가스 분배 장치는 쉬나이더(Schneider) 등의, 원뿔형 돔을 갖춘 유도식으로 연결된 평행판 플라즈마 반응기(INDUCTIVELY COUPLED PARALLEL-PLATE PLASMA REACTOR WITH A CONICAL DOME)란 명칭의 1996년 10월 18일자로 제출된 미국 특허출원에 기술되어 있다. 제트 구멍(20)을 포함하는 페이스플레이트(22)의 전면 부분은 샤워헤드(24)로 명명된다. 도시된 바와 같이, 처리하는 동안, 샤워헤드(24)는 웨이퍼에 대향하여 근접하고, 그 구멍 뚫린 영역은 실질적으로 웨이퍼의 면적과 동일하게 연장된다. 처리 가스는 샤워헤드 구멍(20)을 통하며, 웨이퍼를 거치고, 이어서 환형 펌핑 채널(26)로 대체로 변경방향 바깥쪽으로 유동되어, 처리 공정 동안 받침대(10)의 상부 에지를 전체적으로 에워싼다. 사용된 가스는 펌핑 채널(26) 내의 제한부(restriction, 28)를 통해 배기 매니폴드(29)로 배기된다. 밸브(30)는 배기가스를 위해 배출부(32)로의 통로를 제공하며, 이 가스는 예시되지 않은 진공 펌프 장치에 의해 펌핑된다.
페이스플레이트(22) 및 관련 부품은 뚜껑 구조물(lid frame, 34)에서 유지되며, 뚜껑 구조물은 O링(36)에 의해 하부 챔버 본체(14)에 밀봉된다. 뚜껑 구조물(34)은, 사용자들이 챔버 내부를 수리할 수 있도록, 도시되지 않은 수평 힌지 둘레를 선회하고 따라서 하부 챔버 본체(14)로부터 상승될 수 있다. 도시된 바와 같이, 펌핑 채널(26)은 뚜껑 구조물(34), 하부 챔버 본체(14), 및 챔버 본체(14) 상의 제 1 세라믹 링(16)을 통해 지지되는 제 2 세라믹 링(38) 사이에서 형성되지만, 주로 뚜껑을 따라 연장된다.
도시된 반응기는 플라즈마 반응기로서 사용된다. 받침대(10)는 접지되는 것이 보통이며, 한편 페이스플레이트(22)에 전기적 및 기계적으로 고정되는 커버(40)는 RF 동력 공급부(42)에 연결된다. 이에 따라, 처리 공간(44)은 샤워헤드(24)와 받침대(10)로 구성되는 RF 피구동 전극에 의해 에워싸여진다. 충분한 RF동력이 인가되어, 샤워헤드(24)와 받침대(10) 사이 처리 공간(44) 내의 처리 가스가 플라즈마 내로 여기되어 웨이퍼 표면 상에서 CVD 반응을 활성화시킨다. 이에 따라, 상대적으로 낮은 온도에서 반응이 수행될 수 있어서, 형성되는 집적회로의 열수지에 대한 영향을 적게 한다.
하부 챔버 본체(14)는 통상 알루미늄과 같은 금속으로 제조되며, 안전을 위해 전기적으로 접지된다. 환형 절연체(annular isolator, 46)는, 전기적으로 연결되는 하부 챔버 본체(14) 및 뚜껑 구조물(34)로부터 RF 피구동 페이스플레이트(24)를 전기적으로 절연시킨다. 절연체(46)는 알루미나와 같은 세라믹 재료 또는 테프론과 같은 강한 플라스틱으로 형성되는데, 이들은 모두 전기 절연성이 우수하다.
도 1의 챔버는 200mm(8인치)의 웨이퍼에 대해 디자인되었다. 이들 챔버를 300mm(12인치)에 적합하도록 확대시킨다면, 기본 디자인의 개선 기회가 될 뿐만 아니라 다른 문제를 발생시키기도 한다.
도 1의 반응기에서는 페이스플레이트(22)와 그 샤워헤드(24)의 온도가 정확하게 제어되지 않는다. 받침대(10)는 저항 코일에 의해 활성적으로 가열되지만, 페이스플레이트(22)는 활성적으로 가열되거나 냉각되지 않는다. 샤워헤드(24)의 온도는 플라즈마에 의한 충돌 가열 및 받침대(10)에 의한 복사 가열 때문에 약 200℃인 것으로 산정된다. 받침대(10)와 샤워헤드(24) 사이의 온도는 균형을 유지하려는 경향이 있지만, 샤워헤드 열의 일부는 페이스플레이트(22)의 외부와 상부를 통해 뚜껑 구조물(34), 그리고 결국에는 하부 챔버 본체(14), 또 주위에 부착된 다른 부품으로도 이동(sink)된다.
이러한 온도는 한계치가 아니더라도, 페이스플레이트(22), 뚜껑 구조물(34), 챔버 본체(14) 및 다른 부품을 밀봉하는 O 링 시일 내의 수명 및 신뢰성에 문제를 일으킨다. 이에 따라 페이스플레이트(22) 뒷면의 온도를 감소시키는 것이 바람직하다.
샤워헤드 원주의 열싱크는 적어도 두 가지 관련 문제를 발생시킨다. 실질적으로, 열 생성은 샤워헤드 면적에 대해 거의 균일하며, 열은 열 전도 조건이 거위 균일한 통로를 거쳐 더 낮은 온도의 원주 영역으로 유동한다. 그 결과, 샤워헤드(24)의 중앙은 원주에 인접한 부분보다 온도가 높다. 반경 방향 온도가 불균일하면 증착 속도의 균일성에 영향을 미치고, 또 샤워헤드(24)에 열 응력을 도입시킨다. 열 응력은 샤워헤드(24)가 구부러지게 하고, 그 결과로 생기는 처리 공간의 가변 갭 크기는, 증착에 있어 플라즈마를 불균일하게 하거나, 다른 불균일성 발생원을 도입시킨다. 이러한 온도 불균일성은 웨이퍼가 크면 더 악화된다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제를 해결하기 위한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 통상 다수의 가스 제트 구멍을 포함하여 샤워헤드를 형성하는 페이스플레이트의 중앙 영역을 에워싸는 2개의 외주 홈을 가지는 플라즈마 반응기용 페이스플레이트를 제공한다. 홈은 페이스플레이트의 대향면으로부터 형성되고, 측면의 평면 방향으로 서로 어긋나 있고, 자신들 사이에 얇은 벽을 생성하기에 충분히 깊도록 형성된다. 이 벽은 열 초크로서 작용하여, 지지체와 진공 시일로부터 샤워헤드를 열적으로 더욱 효과적으로 절연하도록 한다. 또한 열 팽창을 수용하기 위한 기계적 벨로우즈로도 작용한다.
본 발명은 페이스플레이트의 샤워헤드 부분을 위한 열 초크 및 기계 벨로우즈를 제공하여, 샤워헤드를 낮은 온도의 지지체로부터 더욱 우수하게 열적으로 절연하고 열팽창의 차이를 수용한다. 도시된 반응기는 300mm의 웨이퍼를 위해 디자인하였지만, 도 1의 200mm 챔버의 많은 특징이 채용되어 있다.
본 발명의 신규한 페이스플레이트(100) 한 측면에 대한 도 2의 단면도에 도시된 바와 같이, 샤워헤드(102)는 다수의 제트 구멍(jetting holes; 104)을 포함하는데, 몇 개만이 개략적으로 도시되어 있다. 샤워헤드(102)는 처리 영역(108)을 가로질러 받침대(106)와 면한다. 도시되지는 않은 웨이퍼는, 구멍(104)을 통해 처리 면적(108)으로 분사되는 처리 가스에 의한 CVD증착을 위해, 받침대(106)의 리세스(110) 내에 지지된다. 도시되지 않은 전열기가 웨이퍼를 최적 증착 온도로 가열하도록 받침대(106) 내에 유지된다.
샤워헤드(102)를 포함하는 페이스플레이트(100)는, 샤워헤드(102)의 뒷면 및 반경방향 바깥쪽으로 연장되는 페이스플레이트 플랜지(116)를 통해 뚜껑 구조물(114) 위에 지지된다. L자 모양의 환형 절연체(118)는, 접지된 뚜껑 구조물(114)로부터 전기적으로 바이어스된 페이스플레이트(100)를 전기적으로 절연시키도록, 플레임 뚜껑(114)과 페이스플레이트 플랜지(116) 사이에 배치된다. O링은 페이스플레이트 플랜지(116), 절연체(118) 및 뚜껑 구조물(114)을 진공 밀봉하도록 2개의 O링 홈(120, 122)에 맞추어진다. 가스 유입 매니폴드를 위한 커버(124)는 페이스플레이트 플랜지(116)의 상부 측면 상에 지지되고 O링 홈(126)에서 O링에 의해 밀봉된다. 커버(124)는 페이스플레이트에 전기적 및 기계적으로 고정되고, RF 전원에 의해 선택적으로 전기적으로 바이어스된다. 뚜껑 구조물(114)은 O링 홈(128) 내의 O링에 의해 바닥 챔버 본체(14)에 대해 밀봉된다. 상술한 바와 같이, 이들 O링이 노출되는 온도를 감소시키는 것이 바람직하다.
원통형 행거 벽(130)은 샤워헤드(102)와 페이스플레이트(116) 사이에서 수직으로 연장되며, 샤워헤드(102)보다 얇으며 수평으로 연장되는 림(132)을 통해 샤워헤드(102)에 연결된다. 림(132)의 수평 범위는 도 1의 반응기의 대응부보다 얇은 행거 벽(130)에 의해 수용된다.
열 초크와 팽창 벨로우즈는, 제트 구멍(104) 영역 바깥쪽 페이스플레이트(100)의 림(132) 내에 형성된 2개의 깊은 원주 홈(140, 142)에 의해 작동된다. 홈(140, 142)은 서로 반경방향으로 어긋나고, 림(132)의 대향면으로부터 림(132) 두께의 거의 반 이상인 깊이로 가공된다. 그 결과, 얇은 환형 벽(146)이 홈(132, 134) 사이에 형성된다. 구조물의 기계 강도는 페이스플레이트 림(132)의 상부로부터 내측 홈(140)을 가공하고 바닥으로부터 외측 홈(142)을 가공함으로써 얇은 벽(146)을 인장 상태(in tension)로 유지함에 따라 증가된다. 본 발명의 특정 실시예에서, 홈(140, 142)은 림(132)의 각 측면을 통해 림의 약 2/3까지 연장되고, 폭이 80밀(2mm)이며, 얇은 벽(146)내에 80밀(2mm)의 두께를 형성하도록 반경방향으로 치우친다. 홈과 벽 폭에 대한 크기의 범위는 40∼160밀(1∼4mm)이 바람직하다.
이 구조는 열 초크 및 팽창 벨로우즈로서의 적어도 두 가지 바람직한 기능을 달성한다. 샤워헤드(102)로부터 행거 벽(130)과 페이스플레이트 플랜지(116)로의 열 경로는 얇은 벽(146)을 통하는데, 이 벽은 기계적 지지에 요구되는 페이스플레이트(116)의 다른 부분보다 더 얇다. 얇은 벽(146)을 통한 열 경로가 얇기 때문에, 이 얇은 벽(146)에서의 열 저항이 커지는데, 이 열 저항은 샤워헤드(102) 및 행거 벽(130)과 페이스플레이트 플랜지(116)의 저항보다 크다. 그 결과, 샤워헤드(102) 또는 행거 벽(130)과 페이스플레이트 플랜지(116)의 조합에 걸친 온도차보다 얇은 벽(146)에 걸친 온도차가 더 크게 된다. 이에 따라, 샤워헤드(102)는 온도 분포를 상대적으로 균일하여, 증착의 균일성을 촉진시킨다. 또 보다 낮은 온도로의 열싱크인, 페이스플레이트 플랜지(116)와 행거 벽(146)을 가로지르는 대응되는 더 작은 온도 강하는, 홈(120, 122, 126, 128) 내의 O링이 샤워헤드(102)의 온도인 200℃보다 훨씬 낮은 온도에 노출되어 있음을 의미한다.
샤워헤드(102) 내의 온도 분포가 보다 균일하다는 것은 열 응력 차이 및 그에 기인하는 굽혀짐(bowing)이 더 적음을 의미한다. 굽혀짐은 웨이퍼 전체에 걸친 증착 불균일성의 또 하나의 원인이다.
홈(140, 142) 주변의 금속 페이스플레이트(100)의 연속성은, 용이한 핸들 부재를 제공하고 또 처리 영역(108) 내에서 플라즈마를 여기시키기 위해 인가되는 RF 전력을 위해 페이스플레이트 플랜지(116)로부터 샤워헤드(102)로의 전기 접촉을 제공한다.
깊은 홈(140, 142) 및 관련된 얇은 벽(146)에 의한 열 초크에 걸친 큰 온도 차이로 인해, 고온의 샤워헤드(102)는 보다 차가운 행거 벽(130)에 대해 팽창될 것이다. 그러나 얇은 벽(146)은 두께보다 길이가 훨씬 더 길다. 이에 따라 상기 벽은 페이스플레이트(100)의 반경 방향으로 휘어지고 굽혀져서, 열변형을 수용하면서, 샤워헤드(102)의 위치에 미치는 영향을 최소로 한다. 즉 2개의 홈(140, 142)은 수직 지지 및 진공 밀봉을 제공하는 한편 수평 운동을 허용하는 기계 벨로우즈로서 작용한다. 열 응력 하에서 샤워헤드(102)의 기계적 안정성이 개선되어 플라즈마 및 증착 균일성을 향상시킨다.
펌핑 채널(150)은 예를 들어 절연체(122)의 뒷면에서 뚜껑 구조물(118), 하부 챔버 벽(14) 및 세라믹 링(16)에 의해 형성된다. 채널 라이너(channel liners)는 펌핑 채널(150)의 벽 상에 배치될 수 있고, 그 정확한 배치는 증착 공정 및 가스 유동을 최적화시킬 수 있다.
본 발명을 CVD 반응기와 관련하여 설명하였지만, 유사한 페이스플레이트의 디자인이 에칭 반응기 특히 플라즈마 에칭기에도 적용될 수 있다.
전술한 구성의 본 발명에 의하면, 열 구배와 기계적 변형을 완화함으로써 증착을 더 균일하게 하며, 이러한 개선은 기존 디자인의 간단한 변형에 의해 이룰 수 있다.
도 1은 종래 기술의 CVD 반응기의 단면도,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 CVD 반응기의 일부분을 도시한 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 페이스플레이트(faceplate) 102: 샤워헤드
104: 제트 구멍 106: 받침대(pedestal)
114: 뚜껑 구조물 116: 페이스플레이트 플랜지
118: L 형 환형 절연체 120, 122, 132, 134: O링 홈
130: 림

Claims (11)

  1. 대체로 원형인 판;
    상기 원형 판의 중앙 원형 부분 내에서 상기 원형 판을 거의 수직으로 통과하는 다수의 구멍; 및
    상기 중앙의 원형 부분을 둘러싸는 제 1 및 제 2 원형 홈으로서, 반경방향으로 서로 어긋나 있고, 각각 상기 원행 판을 반을 넘게 관통하여, 상기 원형 판 내에서 자신들 사이에 벽을 형성하는 제 1 및 제 2 원형 홈을 포함하는 가스 페이스 플레이트.
  2. 제 1 항에 있어서, 환형 플랜지 및 상기 원형 판의 제 1 측면에 상기 플랜지를 연결시키는 벽을 더 포함하고, 상기 제 1 홈이 상기 원형 판의 제 1 측면에 형성되며 상기 제 2 홈의 반경방향 안쪽에 있는 가스 페이스플레이트.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 홈의 폭이 1∼4mm 범위인 가스 페이스플레이트.
  4. 진공 챔버;
    기판을 상기 진공 챔버 내에 고정하는 받침대;
    상기 챔버의 한쪽 면에 배치되고, 처리 가스가 받침대를 향하게 하기 위해 다수의 제트 구멍이 안에 관통되어 형성되어 있는 가스 페이스플레이트; 및
    상기 처리 가스를 가스 페이스플레이트의 뒷면에 공급하기 위해, 상기 페이스플레이트의 상기 받침대로부터 먼 쪽 면에 배치되는 가스 분배 시스템을 포함하고,
    상기 가스 페이스플레이트의 양쪽에는 2개 이상의 홈이 형성되며, 이들 홈은 상기 제트 구멍을 둘러싸며, 상기 페이스플레이트 면 내에서 서로 어긋나 있고, 상기 페이스플레이트를 통해 각각 충분한 거리로 연장되어 그들 사이에서 그들의 깊이를 따라 연장되는 벽을 형성하는 기판 처리 반응기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 홈들 중 제 1 홈이, 상기 페이스플레이트의 뒷면에 형성되며 상기 홈들 중 제 2 홈과 상기 제트 구멍 사이에 배치되는 기판 처리 반응기.
  6. 제 4 항에 있어서, 챔버 본체 및 이 챔버 본체에 대해 해체와 밀봉이 가능한 뚜껑을 상기 진공 챔버가 구비하고,
    상기 페이스플레이트가 상기 뚜껑에 부착되는 기판 처리 반응기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 뚜껑에 부착 가능한 플랜지, 및 상기 뚜껑에서 벗어나서 상기 플랜지로부터, 상기 홈과 상기 제트 구멍을 구비하는 상기 페이스플레이트의 일부를 향해 연장되는 벽을 상기 페이스플레이트가 구비하는 기판 처리 반응기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 홈들 중 제 1 홈은, 상기 페이스플레이트의 뒷면에 형성되며, 상기 홈들 중 제 2 홈과 상기 제트 구멍 사이에 형성되는 기판 처리 반응기.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 제트 구멍을 포함하는 상기 페이스플레이트의 일부 영역과 상기 받침대 사이의 처리 공간에서 플라즈마를 형성하도록, 상기 페이스플레이트와 상기 받침대 사이를 연결할 수 있는 RF 전원을 더 포함하는 기판 처리 반응기.
  10. 제 4 항에 있어서, 상기 반응기가 플라즈마 화학 기상 증착용으로 구성되는 기판 처리 반응기.
  11. 제 4 항에 있어서, 상기 홈과 상기 벽의 폭이 1∼4mm 범위인 기판 처리 반응기.
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