KR100557515B1 - 플라즈마 처리시스템 - Google Patents

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KR100557515B1
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Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼와 같은 기판을 처리하기 위한 보다 청정하고 보다 제어된 환경을 만들 수 있는 플라즈마 처리시스템 및 방법을 제공한다. 상기 플라즈마 처리시스템은, 내벽 및 외벽을 포함하는 처리챔버, 상기 처리챔버의 내벽에 열적으로 결합된 가열 엘리먼트, 바이어스 쉴드 및 정전기 쉴드를 포함한다. 상기 처리시스템은, RF파워를 처리챔버 내부의 가스에 결합하기 위하여 처리챔버를 둘러싸는 유도성코일을 또한 포함함으로써, 플라즈마를 발생시킨다. RF파워는 또한 가열 또는 냉각될 수 있는 정전 척과 같은 웨이퍼홀더에 인가될 수 있다. 이와 같은 플라즈마 처리시스템를 청정하는 방법은, 상기 바이어스쉴드에 바이어스전압을 인가하는 단계, 상기 가열기 엘리먼트를 사용하여 처리챔버를 가열하는 단계, 가장 큰 표면에서 시작하여 가장 작은 표면으로 진행하여 그 내부면을 청정하는 단계를 포함한다.

Description

플라즈마 처리시스템{PLASMA PROCESSING SYSTEM}
[출원중인 출원에 대한 관련참조]
본 출원은 1997년 11월 14일에 출원된 미국 가출원번호 60/065,794 호에 대한 우선권을 주장하는 출원에 관련된 것이다. 그 가출원의 내용은 이하에 참조로서 편입된다.
본 발명은 개선된 플라즈마 처리시스템에 관한 것으로, 특히 시스템의 전체표면이 전기적으로 바이어스될 수 있고 및/또는 시스템의 전체 청정도를 개선하기 위하여 가열 또는 냉각될 수 있는 플라즈마 처리시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 실제적으로 공정을 달성할 수 있도록 장벽 코팅물질을 적절한 양이 되게 제어할 수 있다. 또한, 본 발명은 그러한 처리시스템의 청정공정에 관한 것이다.
고밀도플라즈마 처리시스템은 플라즈마 에칭 및/또는 박막을 증착하기 위하여 사용된다. 시스템의 플라즈마 소스의 다른 부분들은 플라즈마 에칭 및 증착 공정 동안 발생된 응축물질로 코팅된다. 소스의 여러 표면 위에 증착된 상기 응축물질은 다양한 방식으로 플라즈마 소스의 가스화학물질에 영향을 미친다. 예를 들면, 몇몇 증착물질은 플라즈마로부터 반응물질을 제거하여(즉, 가스로부터 제거), 에칭률 및 증착률을 낮춘다. 상기 물질들은 응축될 수 있는 반면, 소스 표면 상의 다른 물질들은 소스 표면으로부터 배출될 수 있을 정도의 충분히 높은 증기압을 가지고 있으므로, 이에 의하여 플라즈마의 가스 조성이 변화하게 된다. 장벽(wall)에 흡착되는 가스물질은 보통 라디칼이며, 이는 현존하는 장벽 코팅물질과 중합하여 아주 다른 증기압 및/또는 반응성을 가지는 물질들을 만들어낸다. 장벽 상에 응축된 가스물질은 또한, 플라즈마로부터 나온 전자, 이온 또는 광자 플럭스(photon flux)에 의하여 가교결합되어 아주 다른 증기압 및/또는 반응성을 가지는 물질을 생성한다. 게터링(gettering), 응축물질의 배출 또는 다른 수단에 의한 플라즈마의 가스 조성변화, 특히 정규적이지 않은 방식에 의한 가스 조성변화는, 전체 공정을 제어하는데 있어 손실을 초래한다. 이하에서는, 상기 공정들에 의한 가스 조성변화가, 대개 "처리 가스에 대한 장벽의 영향(wall contributions)"에 기인한 것이라는 것이 설명될 것이다.
입자오염은, 집적회로의 복잡성이 증가하고, 이들 회로형상의 크기가 작아짐에 따라, 큰 문제가 되고 있다. 클린룸(cleanroom)이 대기압에 의한 오염을 크게 감소시킨다는 것이 이미 1990년까지 알려져 있었지만, 이 시점에는 이미 공정도구 및 그 공정자체가 입자오염의 주요 원인이라는 것이 일반적으로 인정되고 있었다(Selwyn et al., Appl. Phys. Lett, 57(18) 1876-8(1990년) 참조). 플라즈마 처리장치가, 주요 오염원이라는 것이 이미 확인된 것이다(Selwyn et al.,J. Vac. Sci. & technol. A, 7(4)2758-65(1989년); Selwyn et al.,1990; Selwyn et al.,J. Vac. Sci. & technol. A,9(5)2817-24(1991(a)); 및 Selwyn,J. Vac. Sci. & technol. A,9(6)3487-92(1991(b)) 참조). 1990년까지 이미, 에칭(Selwyn et al., 1989년 참조), 증착(Spears et al., IEEE Trans. Plasma Science, PS-14(2)179-87(1986년) 참조) 및 스퍼터링(Jellum et al., J. Appl. Phys.,67(10)6490-6(1990(a)) 참조)에 사용된 플라즈마의 플라즈마/외벽경계 (sheath boundary)에서 부유입자가 관찰되어왔다. 이들 부유입자는 플라즈마내에서 음으로 하전되고(Wu, et al., J.Appl. Phys., 67(2)1051-4(1990) 및 Nowlin, J. Vac.Sci. & Technol. A, 9(5)2825-33(1991년) 참조) 플라즈마/외벽경계(Selwyn et al.,1990 및 Carlie, Appl. Phys. Lett.,59(10)1167-9(1991년) 참조)에 잡혀져 있게(trapped) 된다.
플라즈마가 소멸된 때, 상기 입자들은 웨이퍼표면상에 떨어질 수 있으므로, 이에 의하여 웨이퍼가 오염된다. 1992년까지는, 전체 웨이퍼 오염의 70% 내지 80%가 디바이스 구조물에서 사용된 도구 및 공정에 의한 것이라고 여겨지게 되었고, 플라즈마 처리장치는 현대의 공정라인(fab line)에서 "가장 불결한" 도구의 하나로 간주되었다( Selwyn, J. Vac. Sci. & Technol. A, 10(4)1053-9(1992년) 참조).
결과적으로, 플라즈마 처리장치에 생성되는 입자를 제어하고, 그 반응로(reactor)를 청정하기 위하여 많은 주의가 기울어져 왔다. 그러나, 장벽 증착물질의 감소와 현장 반응로(in-situ reactor)의 청정화에 미치는 공정파라미터 및 챔버 설계의 영향이 고려되어 왔고(Vogt et al., Surface & Coatings Technol., 59(1-3)306-9(1993년) 참조); 또한, 자기청정(self-cleaning) 도구를 설계함으로써 입자 오염을 제어하는 것이 기술되어왔다(Selwyn et al.,1992년 참조). 최근에는 불소화 반응가스를 사용하여 현장 청정공정을 최적화하는 것이 고려되고 있다(Sobelewski et al.,J. Vac. Sci. & Technol. B, 16(1)173-82(1998년) ; Ino et al., Japanese J. appl. Phys. 33 Pt. 1(1B)505-9(1994년) 및 Ino et al., IEEE Trans. on Semicon. Mfg., 9(2)230-40(1996년) 참조).
요네다(미국특허번호 4,430,547호)에서는, 매립형(embedded) 저항가열기 또는 순환가열유체에 의해 그 내부의 전극이 가열되는 현장 자기청정 평행판 플라즈마 장치가 설명되어 있다. 벤징(미국특허번호 4,657,616호) 및 쿠루코스키(미국특허번호 4,786,392호)에서는, 청정이 필요한 경우에는 처리챔버내에 위치되며, 청정이 완전히 끝났을 경우에는 그로부터 제거되는 제거가능하지만 불편한 설치물 세트가 설명되고 있다. 벤징(미국특허번호 4,786,352호)에서는, 유전체 처리챔버의 외부표면 상에 2 이상의 전극을 구비하며, 상기 2 이상의 전극사이에 RF 전압을 인가함으로써, 챔버내에 현장 청정화를 위한 플라즈마가 만들어진다. 헤이즈(미국특허번호 4,795,880호)에서는, 반응로 내에 청정 플라즈마를 만드는 유도성 가열 엘리먼트로서 반응로(tube furnace)의 가열코일을 사용한다. 청정은 노(furnace)의 작동온도에서 수행된다. 로우(LAW, 미국특허번호 4,960,488호)에서는, 챔버를 국부적으로 또 넓은 영역에 대해서 자기에칭(self-etch)할 수 있는 단일웨이퍼 처리챔버가 기술되어 있다. 상기 양 에칭은, 챔버가 작동될 수 있는 압력범위가 넓고 전극 간격이 변화될 수 있기 때문에 가능한 것이다. 아오이(미국특허번호 5,084,125호)에서는, 처리부와 청정부를 가지는 처리챔버가 기술되어 있다. 상기 처리부와 청정부 사이에 이동 가능한 장벽이 위치된다. 상기 장치에서는, 청정작업을 위하여 챔버를 분해하거나 공정을 중단할 필요가 없다. 모슬히(미국특허번호 5,252,178호 및 5,464,499호)에는, 멀티존(multizone) 및 다전극 플라즈마 처리시스템이 기술되어 있다. 상기 장치는 연속방식 또는 복합방식으로 다수의 플라즈마 전극을 활성화시킬 수 있다. 공정가스의 흐름은 간헐적으로 중지될 수 있으며, 청정가스가 도입되어 현장(in-situ) 청정처리가 이루어진다. 세키야(미국특허번호 5,269,881호)에서는, 서로 절연된 다중 전도전극을 구비한 평행판 처리챔버의 내부표면을 나타내고 있다. 이 장치에서는, 다양한 전기적장치의 전극 사이에 연속적으로 고주파수 전기장을 인가함으로써, 현장 청정작업을 달성한다. 블락록(미국특허번호 5,514,246호 및 5,647,913호)에서는, 용량성결합(capacitive coupling) 전극을 포함하는 유도적으로(inductively) 결합된 플라즈마 반응기가 기술되어 있으며, 상기 용량성결합 전극은 플라즈마를 여기하기 위하여 사용되는 유도코일과 챔버 벽의 외부표면 사이에 위치된다. 상기 챔버 내의 용량성결합 전극과 컨덕터(conductor) 사이에 생성되는 RF 필드(field)는 청정플라즈마(cleaning plasma)를 발생시킨다. 산두(미국특허번호 5,523,261호 및 5,599,396호)에서도, 블락록 특허에서와 같이, 청정을 촉진하기 위한 용량성 결합 전극이 사용된 유도적으로 결합된 플라즈마 반응기가 기술되어 있다. 그러나, 블락록의 특허와 비교하여, 상기 전극은, 처리챔버의 내벽과 외벽 사이의 공간에 채워지고 단지 챔버를 청정하는 동안에만 활성화되는 전도성 액체 또는 전도성의 폴리머를 포함하고 있다.
그루왈(미국특허번호 5,597,438호)에서는, 3개의 독립적으로 제어되는 전극을 구비한 에칭 챔버가 기술되어 있다. 유도성 결합전극 및 용량성 결합전극의 양자가 모두 사용된다. 우사미(미국특허번호 2,308,231호)는 카운터전극이 평면형태로 되어 있지 않은, 용량적으로 여기(excited)된 반응기가 기술되어 있다. 상기 반응기는, 파워가 공급되거나 접지된 전극 중의 어느 하나인 샘플 홀더로 청정 플라즈마를 여기시킴으로써 청정될 수 있다. 일 실시예에서는, 상기 청정공정 중에 두 주파수를 가지는 파워가 사용된다.
플라즈마 에칭과정 동안, 공정가스에 대한 장벽의 영향으로 인하여, 에칭률은 제어되지 않은 방식으로 변화하고, 에칭의 균일성은 크게 감소할 수 있다. 플라즈마 증착과정 동안, 공정가스에 대한 장벽의 영향으로 인하여, 증착률, 증착피막 조성 및 피막증착의 균일성은, 균일하지 않고 제어되지 않은 방식으로 영향을 받는다. 결국, 이들 소스들 표면의 화학물질이 사전에 제어될 수 없기 때문에, 상기 소스들을 사용하여 수행되는 전체 공정도 제어할 수 없게 된다. 공정가스에 대한 챔버 벽의 영향으로 인한 변화는, 단일의 웨이퍼 처리과정 동안 변하거나, 또는 웨이퍼에서 웨이퍼로 그러한 변화가 생기는 보다 긴 시간에 걸쳐서 변할 수 있다.
응축현상을 최소화하기 위하여 에칭 또는 증착과정 동안 증착 및 에칭처리챔버 벽을 가열하는 방법이 알려져 있다. 증착반응기에서 화학반응을 일으키기에 충분히 뜨겁게 표면을 가열하면 증착을 원하는 재료의 증착률은 향상되지만, 화학반응 초기의 불충분한 온도에서의 가열로 인하여, 유출물의 배출이 촉진된다. 그러나, 플라즈마 물질로 반응기의 전체 표면에 충격을 주어 원하지 않는 벽 흡착물질을 휘발성 화합물로 형성하면서, 반응기의 전체 표면을 가열하는 것은, 이전의 우리의 지식으로는 설명된 바가 없었다. 더구나, 이러한 작업은 ESRF 소스와는 다른 반응기에서는 이제까지 가능하지 않았던 것이었다.
캘리포니아(CA) 산타클라라의 어플라이드 머트리얼사(Applied Materials)는,불소화학물질을 사용하고, 반응기의 청정공정이 아니라 에칭반응중에 불소 라디칼 (F*)을 불소분자(F2)로 바꾸는 가열된 실리콘 상부판(top plate)이 채용된 에칭 반응기를 판매하고 있다. 다른 어떤 공지된 시스템들에서는, 처리과정 동안 각 표면상의 화학변화를 제어하기 위한 시도가 행해져 왔는데, 그러한 시도로서 발명의 명칭이 "건식에칭"인 일본출원 61-289634호에서는 전극의 외부표면상에 알루미나 링을 부착함으로써 전극상에 폴리머가 형성되는 것을 방지하는 기술이 개시되어 있고; 발명의 명칭이 "에칭디바이스"인 일본출원 62-324404호에서는 고온 수계(水系) 가열기가 실리카 챔버에 부착되어 에칭 성능을 개선하는 기술이 개시되어 있으며; 발명의 명칭이 "에칭디바이스"인 일본 출원 63-165812호에서는 전기가열기가 챔버에 부착되어 반응물이 챔버 표면에 부착되는 것을 방지하는 기술이 개시되어 있다. 상기 출원의 각 내용들은, 참조를 위하여 본 명세서에 편입된다. 그러나, 단지 선택된 표면들만이 제어된 화학물질을 가지게 된다면, 덜 확실하게 제어된 나머지 표면들에 대해서는, 이후 그 시스템 내로 도입되는 공정가스에 대한 챔버 벽의 영향을 제어하여야 할 것이다.
공지된 시스템에 수반된 또 다른 문제점은 플라즈마 에칭을 사용하는 소스내에서 표면의 청정이 느리다는 것이다. 사실, 많은 반응기에서 청정시간은 공정시간을 크게 초과하며, 특히 두껍게 증착된 재료에 대해서는 더욱 그러하다. 그러한 반응기는 비용면에서 비효율적이 될 수밖에 없다.
어떤 공지된 시스템들에서는, 청정과정 동안 각 구성요소의 전기적 바이어스를 활용하였는데, 이러한 기술로서는, 발명의 명칭이 "플라즈마 처리장치 및 플라즈마 청정방법"인 미국특허번호 5,269,881호에서는, 청정과정 동안 전기적으로 고립된 3개의 전도성 블록의 각각에 고전압을 인가하는 기술이 개시되어 있으며; 발명의 명칭이 "평행한 플랫보드형 건식에칭 디바이스"인 일본출원 57-42131호에서는 전극의 극성(polarity)이 스퍼터링 및 청정공정 사이에서 역전된 기술이 개시되어 있으며; 발명의 명칭이 "건식에칭방법"인 일본출원 60-59739호에서는 고주파수 파워가 기판 전극과 청정 전극 사이에 인가되어 실리콘막을 제거하는 기술이 개시되어 있으며; 또한 발명의 명칭이 "반도체제조장치"인 일본출원 61-10239호에서는 플라즈마 에칭/청정 공정동안, 양극판(anode plate)의 접지 자기바이어스(self-bias)가 제거되는 기술이 개시되어 있다. 이들 출원의 각각의 내용은 참조를 위하여 본 명세서에 편입된다. 그러나, 표면상의 화학물질 제어의 관점에서는 상술한 바와 같이, 단지 선택된 표면만이 청정된다면, 덜 확실하게 청정된 나머지 표면들에 대해서는, 이후 그 시스템 내의 모든 불순물들을 제어해야만 한다.
[발명의 요약]
본 발명의 제 1목적은 공지된 플라즈마 처리시스템의 적어도 하나의 단점을 처리하기 위한 것이다.
본 발명의 제 2목적은 고밀도 플라즈마 소스의 전체 표면에서 화학물질을 제어하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 제 3목적은 플라즈마 소스의 청정시간을 감소할 수 있는 플라즈마 처리시스템을 청정하는 개선된 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이러한 목적 및 그외의 목적들은, 소스의 각 표면에 대하여 온도및 전기적인 바이어스를 조절하는 능력을 부여함으로써 달성될 것이다. 이러한 조절은, 소스의 각 표면에서 일어나는 화학반응의 제어에 도움이 되는 재료들을 소스의 전체 표면에 대하여 사용함으로써 가능하게 된다.
이하의 첨부도면과 함께 발명의 상세한 설명을 참조하면, 본 발명 및 그에 수반되는 많은 장점들을 보다 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 플라즈마 처리챔버의 측면도이다;
도 1b는 본 발명에 따른 플라즈마 처리챔버의 평면도이다;
도 1c는 상부에서 바닥까지 잘리워진 본 발명에 따른 플라즈마 처리챔버의 단면도이다;
도 1d는 챔버의 상부 및 바닥에 평행하게 잘리워진 본 발명에 따른 플라즈마 처리챔버의 단면도이다;
도 1e는 유도성 RF파워소스를 포함하는 플라즈마 처리챔버의 단면도이다;
도 2는 도 1c에 나타난 처리챔버의 벽의 확대도이다;
도 3a는 처리챔버를 둘러싸는 가열 엘리먼트의 개략도이다;
도 3b는 도 3a의 가열 엘리먼트의 부분도이고; 또한
도 4는 본 발명에 따른 청정 공정의 작업공정도이다.
[바람직한 실시예의 상세한 설명]
여러 도면에 대해서, 동일하거나 대응되는 부분에 대해서는 동일한 참조번호가 지정되며, 도 1a는 플라즈마를 사용하여 기판을 처리하기 위한 원뿔형 처리챔버의 개략도이다. 처리챔버는 실질적으로 높이(tall)보다 큰 폭을 가질 수 있으며, 상기 도면에서는 외벽의 일부가 노출되어 외벽과 내벽 사이에 놓여진 가열엘리먼트의 지그재그 코일(110)이 나타나도록 처리챔버가 도시되어 있다. 도 1b는 그 외벽이 모두 제거됨으로써, 가열엘리먼트의 모든 지그재그 코일(110)이 드러난 상기 처리챔버가 도시되어 있다. 지그재그 코일(110)은 챔버 벽에 직접 접촉되어 있다. 상기 가열엘리먼트의 형상은 많은 원주방향의 전류통로를 막을 수 있도록 챔버 벽 상하로 연장되는 지그재그의 코일(110)이 되도록 구성된다. 이는 상기 가열엘리먼트가 플라즈마에 인가되는 유도성 RF 파워를 차단하지 못하도록 하기 위해 중요하다. 이 처리챔버는 도 1e에 나타낸 바와 같이 ESRF 소스 내에 편입된다.
도 1c는 처리챔버의 단면도로서 외벽(100)과 내벽(105)이 도시되어 있다. 내벽(105)은 도시된 형상과 같이 임의의 유전체 재료로 만들어질 수 있다. 상기 형상은 반드시 원뿔형일 필요는 없고 돔형, 직선형, 원통형 등일 수 있다. 일반적으로 바람직한 재료는 용융된(fused) 석영(SiO2) 및 알루미나(Al2O3)이다. 처리챔버 내부는 진공의 플라즈마 영역(107)이다. 상기 처리챔버는 또한 정전 척(electrostatic chuck)(120)을 포함하며, 상기 정전 척은 그 척(120)의 온도를 조절하기 위하여 가열 및 냉각장치(125)에 연결된다. 상기 가열 및 냉각장치(125)는 가열 또는 냉각될 수 있고, 처리과정 동안 기판의 뒷측에서 빠르게 흐르는 헬륨가스의 소스일 수 있다. 청정을 위해서는, 상기 헬륨이 척(120) 상의 기판 사이에 열적 전도성을 제공한다면 충분하다. 그러나, 처리를 위해서는, 상기 척(120)이 RF 파워소스(도시하지 않음)로부터 RF 파워를 받는 RF 파워결합 엘리먼트(123)에 부착된다. 그러므로, 척은 모든 작동과정 중에 바이어스 및/또는 온도제어될 수 있다. 유사하게, 용량적으로 결합된 RF파워가 챔버 상부의 둥근 가스분사판(도시하지 않음)에 인가될 수 있고, 상기 분사판은 가열기를 구비할 수 있다. 따라서, 상기 용기의 원통부분의 내벽(105) 또는 상기 척(120)은 유사하게 청정 및/또는 온도제어될 수 있다.
도 1d는 처리챔버의 제 2 횡단면도로서, 내벽(105) 및 외벽(110) 사이에 끼워진 챔버의 다른 구성요소를 나타낸다. 가열 엘리먼트(115)의 지그재그 코일(110)은 내벽(105)과 바이어스 쉴드(shield) 사이에 있다. 슬롯 모양(Slotted)의 바이어스 쉴드의 바이어스 쉴드 엘리먼트(130)는 제어 가능하게 접지되고 RF 파워소스(도시하지 않음)에 연결된다. 이들 쉴드 엘리먼트(130)는, 플라즈마 시스템이 처리모드로 작동될 때 접지된다. 그러나, 바이어스 쉴드 엘리먼트(130)가 RF 파워공급원에 연결되는 청정과정 동안에는, RF파워가 상기 소스의 유전체 벽을 통하여 용량적으로 연결되어 상기 내벽(105) 상에 맥동하는(pulsating) 음(negative)의 DC 바이어스를 발생시킨다. 이 바이어스는 상기 내벽(105)으로 많은 양의 반응성 이온을 유도하기 위해 사용될 수 있다. 사용될 가스물질 및 이온 물질을 주의 깊게 선택함으로써, 상기 내벽(105) 상에 존재하는 임의의 응축물을 제거할 수 있다.
또, 정전쉴드 엘리먼트(135)는 바이어스 쉴드 엘리먼트(130)와 외벽(100) 사이에 끼여있다. 상기 정전쉴드 엘리먼트(135), 바이어스 쉴드 엘리먼트(130) 및 지그재그 코일(110)은 도시된 바와 같이 유도플라즈마 디바이스 필드에 미치는 그들의 효과를 최소화할 수 있도록 배치된다. 상기 바이어스 쉴드 엘리먼트(130)는 또한 가열 또는 냉각될 수 있는 유체에 담겨질 수 있다. 응축물 배출을 촉진하기를 원한다면, 상기 유체는 가열될 수 있다. 한편, 상기 내벽과 이온, 라디칼, 또는 다른 물질과의 반응을 촉진 및/또는 많은 양의 파워를 방산하기를 원하는 경우에는, 상기 유체는 냉각될 수 있다. 1993년 8월 10일에 웨인 엘. 존슨(본원의 발명자)에게 발행된 미국특허번호 5,234,529호의 주제인 정전기적으로 쉴드된 무선주파수(ESRF) 소스는, 공지된 고밀도 플라즈마 소스이며, 상기 소스는 가열 또는 냉각할 수 있는 능력 및/또는 상기 소스의 전체 표면에 음으로 바이어스를 걸 수 있는 능력이 부가될 수 있다. 상기 특허의 내용은 참조를 위하여 본 명세서에 편입된다.
또, 정전 쉴드 엘리먼트는 1997년 10월 15일에 출원된, 대리인 사건번호 2312-544-6 PROV, 출원번호 60/061,856호의 발명의 명칭이 "플라즈마의 밀도분포를 조절하기 위한 방법 및 장치"; 및 1997년 10월 15일에 출원된 대리인 사건번호 2312-547-6 PROV, 출원번호 60/061,857호의 발명의 명칭이 "입자의 흐름을 발생하기 위하여 플라즈마 밀도 구배를 이용하는 방법 및 장치"의 가출원들에 개시되어 있다. 이들 가출원의 내용도 참조를 위하여 본 명세서에 편입된다. 또한, 대리인 사건번호 2312-756-6YA WO 및 2312-757-6YA WO로서 1998년 10월 15일에 출원된 대응하는 PCT 출원도 참조를 위하여 본 명세서에 편입된다.
도 2는 도 1c에 나타낸 처리챔버의 챔버 벽의 확대도이다. 플라즈마영역(107)은 처리챔버 벽의 엘리먼트 내부에 있으며 설명을 위하여 도시되어 있다. 이하에서는, 각 층들이 처리챔버의 내부측으로부터 출발하여 설명될 것이다. 세라믹 튜브(140)에는 지그재그 코일(110)이 넣어진 홈(groove)이 구비되어 있다. 상기 지그재그 코일(110)은 보호세라믹 포팅(potting;145)으로 덮여있다. 유기열배리어(organic thermal barrier;150)는 상기 세라믹 포팅 (145) 및 가열된 챔버를 유도코일을 둘러싸는 외부의 유전체인 냉각유체(160)로부터 격리한다. 상기 유기열배리어(150)는 냉매에 대하여 저항성이 있어야 한다. 예를 들면, 바람직한 냉각유체(160)는 플루오르이너트(fluorinert)이고, 그래서 배리어(150)는 내플루오르이너트재료(fluorinert-resistant material)이어야만 한다.
도 3a는 전체 처리챔버를 둘러싸도록 구성될 수 있는 가열 엘리먼트(115)의 지그재그 코일(110)를 나타낸다. 상기 가열 엘리먼트는 일련의 서브(sub)엘리먼트-예를 들면, 도 3b에 나타낸 바와 같은 3개의 서브엘리먼트로 분리될 수 있다. 이들 서브엘리먼트는 처리단계 또는 청정과정 동안 모두 사용될 수 있다. 상기 가열 엘리먼트는 파워공급에 더 잘 조화되며, 더 나은 가열 균일성을 제공한다. 일반적으로 각 서브엘리먼트는 동일한 것이다. 보다 나은 열전달을 위해 고저항을 가지도록 가열 엘리먼트를 제작하는 것이 또한 중요하다. 또, 온도에 의존하는 저항을 가지는 재료가 사용되는 경우에는, 가열 엘리먼트의 저항을 측정함으로써 상기 가열 엘리먼트의 온도는 쉽게 결정될 수 있다. 가열 엘리먼트는 별도로 제작되어 상술한 바와 같이 홈내에 위치되거나, 스퍼터 또는 증착피막을 사용하여 챔버상에 바로 만들어질 수 있다. 다른 실시예에서, 처리챔버를 균일하게 가열할 수 있는 것이 중요하다.
그러므로, 플라즈마 증착 또는 에칭반응기의 전체 내부표면은 온도제어(가열 또는 냉각) 및/또는 챔버의 내부표면에 RF파워를 용량성 결합시키는 것에 의해 바이어스제어 될 수 있다는 것을 알 수 있다. 이는 다른 공지된 고밀도소스(전자 사이클로트론 공명, 헬리콘, 변압기결합 파워 등)의 어떤 형태에서도 가능하지 않다. 상기 경우의 어떤 예에서도, 처리챔버 영역을 청정하기 위하여 처리챔버의 원통형 벽을 통하여 파워가 용량적으로 연결될 수 없다. 몇몇 경우에 있어서, 원통형 챔버의 내벽에 파워를 연결하기 위하여 RF전극에 의해 차지되어야 할 공간을 차지하는 자기장코일이 필수적으로 존재하는 경우가 있다. 다른 경우에 챔버의 원통형 벽은 RF파워가 연결될 수 없는 금속(일반적으로 접지된)이다. 동일한 이유 때문에, ESRF 고밀도 소스를 제외하고는, 챔버의 원통형 부분의 내벽을 가열 또는 냉각하는 것이 가능하지 않거나 아주 어렵다. 이 점에 관하여, 본 발명의 우수한 점은, 유전체 벽, 상기 내벽에 바이어스가능한 쉴드를 조합하고, 상기 벽의 외부표면은 쉽게 가열 또는 냉각될 수 있다는 사실에 있다. 내부가열엘리먼트를 사용함으로써, 공정가스에 미치는 다수의 폴리마이드(polymide) 벽의 영향은 감소되고, 따라서 더 청정한 공정이 가능하다. 더 청정한 처리로 인하여 보수유지관리의 빈도가 감소된다.
에칭 및 증착시스템 양자에서의 청정 과정은 기본적으로 동일하다. 물론 사용된 가스는 내부표면으로부터 어떠한 재료가 제거되느냐에 따라 다를 것이다. 일반적으로 상기 청정 과정은 도 4의 플로우챠트에 따라 행해진다. 청정의 제 1 단계에서, 바이어스 전압이 바이어스 쉴드에 인가된다. 사용된 바이어스전압은 표면의 물리적 스퍼터링을 야기할 만큼 높아서는 안된다. 스퍼터링은 벽 재료를 재분배하여 벽이 청정화될 때 상기 벽 재료로 챔버를 오염시키게 된다. 모든 제거는 화학적으로 일어나야 한다. 화학적 청정은 오염물질이 배기흐름에 의하여 챔버로부터 제거되는 것을 의미한다. 이는 청정을 위해서는, 사용된 가스압이 높아야(＞100mTorr) 한다는 것을 의미한다.
둘째로, 모든 내부 챔버표면은 재응축을 최소화하기 위하여 가열되어야만 한다. 또한, 상기 표면들은 가열됨으로써, 하나의 표면으로부터 제거된 응축물이 다른 표면에 재증착되는 기회를 줄이게 한다. 폐기물(filth) 보존법칙은: "더러운 어떤 다른 것을 얻는 것 없이 깨끗한 어떤 것을 얻을 수 없다; 그러나 깨끗한 어떤 것을 얻는 것 없이 더러운 모든 것을 얻을 수 있다."고 서술한다. 본 발명은 상기 법칙을 응용한 것이다.
다음에 표면은 실제적으로 청정된다. 청정의 순서는 중요하다. 가장 넓은 표면은 먼저 청정되어야만 한다. 일반적으로 이는 원통형 진공용기의 내벽(105)이다. 이후 다음으로 큰 표면이 처리된다. 일반적으로 이는 가스분사판이다. 청정공정은 모든 표면이 청정될 때까지 점차 더 작은 표면을 향하여 계속 진행된다. 이러한 사이클은 청정 정밀도를 개선하기 위하여 반복될 수 있다. 일반적으로 상기 청정 공정은 기판 척(chuck)이 청정될 때 끝난다.
표면을 가열하여도, 어떤 경우에는 재응축이 잘 발생할 수 있다. 이런 경우에는, 다른 표면의 반복청정이 필요할 수 있다. 반복청정이 필요한 경우에는, 동일한 순서-즉, 가장 큰 표면으로부터 가장 작은 표면의 순으로 표면을 청정하여야만 할 것이다.
챔버 벽과 가스분사판의 구성재료도 또한 중요하다. 예를 들면, 용융된 석영 벽은 불소라디칼 및 이온과 반응한다. 예컨대 에칭공정에서 사용되는 반응성 가스가 F2 라면, 불소라디칼 또는 이온의 반응은 가스화학조성을 변화시킬수 있다. 이는 바람직하거나 바람직하지 않을 수 있다. 바람직하지 않다면, 불화물질과 반응하지 않는 알루미나 관이 사용되어야 한다. 상기 재료는 챔버 벽에서 발생하는 바람직한 화학반응에 기초하여 선택된다.
상기 벽에서 화학조성이 조절되는 것은 이하의 3가지 효과의 조합에 의한 것이라고 생각된다: (1) 촉매적으로 향상된 반응; (2) 이온, 라디칼, 활성 중성자에 의한 충돌; 및 (3) 펌핑(pumping) 또는 게터링(gettering)을 통한 벽 재료물질에 의한 흡착. 이러한 효과들을 조절함에 의해서, 전체 공정에 걸쳐서 제어를 보다 용이하게 할 수 있다.
분명히, 상술한 개시사항을 참조함으로써, 본 발명에 대하여 많은 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로, 첨부된 특허청구범위의 범위 내에서, 본 명세서에 특정하게 설명된 것 외에도 본 발명이 변형되어 실시될 수 있다는 것도 이해되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 내벽 및 외벽을 포함하는 처리챔버와;
    상기 처리챔버의 내벽에 열적으로 결합된 가열 엘리먼트와;
    정전기적 쉴드(electrostatic shield); 및
    상기 정전기적 쉴드와 가열 엘리먼트 사이에 개재된 바이어스 쉴드(bias shield);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, RF 파워를 상기 처리챔버 내의 가스에 유도적으로(inductively) 결합하여 플라즈마를 발생시키는 유도성결합 엘리먼트를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 유도성결합 엘리먼트는 나선형(helical) 코일인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 가열 엘리먼트는 상기 유도성결합 엘리먼트에 의해 인가되는 RF파워가 차단되는 것을 막기 위한 지그재그(serpentine) 가열 엘리먼트인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 온도 제어되고 전기적으로 바이어스된 기판 홀더를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리시스템.
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