KR100939594B1 - 플라즈마 챔버에서의 기판 클램핑을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

플라즈마 챔버에서의 기판 클램핑을 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일반적으로 플라즈마 반응기에서 기판의 평탄성을 모니터링하고 유지시키기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명의 특정 실시예들은, 정전 척상에 기판을 위치시키는 단계, 정전 척 상에 병렬로 배치된 카운터 전극과 정전 척의 전극 사이에 RF 전력을 인가하는 단계, 정전 척상에 기판을 클램핑하기 위하여 정전 척의 전극에 DC 바이어스를 인가하는 단계, 및 정전 척의 가상 임피던스를 측정하는 단계를 포함하는 기판 처리 방법을 제공한다.

Description

플라즈마 챔버에서의 기판 클램핑을 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SUBSTRATE CLAMPING IN A PLASMA CHAMBER}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 반도체 기판을 처리하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명의 실시예들은 플라즈마 챔버에서 사용되는 정전 척(electrostatic chuck)에 관한 것이다.
플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 공정, 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착(HDPCVD) 공정, 플라즈마 이머전(immersion) 이온 주입 공정(P3I) 및 플라즈마 에칭 공정과 같은 플라즈마 강화 공정들은 반도체 처리 분야에서 필수적인 것이 되었다.
플라즈마는 반도체 소자 제작에 있어서 다수의 장점들을 제공한다. 예를 들어, 플라즈마의 사용은 낮아진 공정 온도로 인하여 광범위한 애플리케이션을 가능하게 하고, 플라즈마 강화 증착은 높은 종횡비(aspect ratio) 갭(gap)들을 위한 우수한 갭-충전(gap-fill) 및 높은 증착 속도를 갖는다.
플라즈마 처리 동안 발생하는 하나의 문제점은 특히 소자 기판, 즉, 패터닝되는 기판에 대한, 처리되는 기판의 변형이다. 반도체 소자들은 반도체 기판상의 특정 패턴에 의하여 물질층들을 적층함으로써 형성된다. 패터닝된 기판은 특히 기 판이 가열되고 있는 경우, 상이한 물질층들 사이의 열 팽창에서의 차이로 인하여 공정 동안에 "구부러질(bow)" 수 있다. 기판의 구부러짐은 공정 기판의 불균일성을 초래할 수 있다. 플라즈마 처리를 위한 선구물질은 일반적으로 매우 비싼데, 구부러진 기판의 측면들 및 후면은 공정 물질을 소비할 뿐만 아니라, 후속 공정 단계들에 대한 오염 및 다른 문제점들을 야기하도록 처리될 수 있다.
도 1(종래 기술)은 플라즈마 공정 동안 기판 구부러짐의 개요를 개략적으로 도시한다. 플라즈마 반응기(10)는 임피던스 매칭 회로(16)를 통해 무선 주파수(RF) 전력(17)에 접속된 전극(12)을 포함한다. 접지된 전극(11)은 그 위에 기판(13)을 지지하도록 구성된다. 전극(12) 및 접지된 전극(11)은 용량성 플라즈마 발생기를 형성한다. 적절한 RF 전력이 전극(12)에 부가될 때, 플라즈마(15)는 기판(13)을 처리하기 위하여 전극(12)과 접지된 전극(11) 사이에 공급된 임의의 선구물질 기체로부터 발생될 수 있다. 기판(13)은 접지된 전극(11)에 내장된 히터(18)에 의해 가열될 수 있다. 플라즈마(15)는 또한 공정 동안 기판(13)을 가열한다. 플라즈마 처리 온도는 약 250℃ 내지 약 450℃ 사이일 수 있다. 기판(13)는 온도가 상승함에 따라 구부러질 수 있다. 몇몇 경우, 300mm 기판은 0.4mm만큼 구부러질 수 있다. 구부러진 기판은 때때로 높은 곡률(curvature)을 갖는 기판으로서 참조된다.
기판의 구부러짐은 피쳐(feature) 크기가 수축됨에 따라 더욱 중대해지는 기판(13)의 소자 측면(14)상의 공정 균일성을 위한 도전을 제시한다. 정전 척 또는 진공 척과 같은 외부적 수단들이 공정 동안에 기판의 평탄함을 유지시키기 위하여 사용된다. 그러나, 척킹된(chucked) 기판은 프라즈마에 의해 방산된 열로 인하여 플라즈마 공정 동안 여전히 변경될 수 있다.
따라서, 플라즈마 공정 동안에 기판의 평탄성을 유지시키면서 기판을 클램핑하기 위한 장치 및 방법이 요구된다.
본 발명은 일반적으로 플라즈마 반응기에서 기판의 평탄성을 모니터링하고 유지시키기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 특정 실시예들은, 정전 척상에 기판을 위치시키는 단계, 정전 척의 전극과 정전 척에 평행하게 위치된 카운터 전극 사이에 RF 전력을 인가하는 단계, 정전 척상에 기판을 클램핑하기 위하여 정전 척의 전극에 DC 바이어스(bias)를 인가하는 단계 및 정전 척의 가상(imaginary) 임피던스를 측정하는 단계를 포함하는, 기판을 처리하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 특정 실시예들은, 제1 및 제2 평행 전극을 갖는 플라즈마 발생기에서 기판을 위치시키는 단계 - 기판은 제1 및 제2 평행 전극 사이에서 실질적으로 제1 및 제2 평행 전극에 평행하기 위치됨 -, 플라즈마 발생기의 제1 전극과 제2 전극 사이에 RF 전력을 인가하는 단계 및 플라즈마 발생기의 특성을 측정함으로써 기판을 모니터링하는 단계를 포함하는, 플라즈마 공정 동안 기판을 모니터링하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 특정 실시예들은, DC 전력 공급부와 접속된 제1 전극을 포함하는 정전 척 - 정전 척은 그 위에 기판을 지지하도록 구성된 지지 표면을 가짐 -, 정전 척의 지지 표면에 실질적으로 평행하기 위치된 카운터 전극 - 카운터 전극은 정전 척으로부터 이격되어 위치되고 기판은 정전 척과 카운터 전극 사이에 위치되도록 구성됨 -, 제1 전극과 카운터 전극 사이에 RF 전력을 인가하도록 구성된 RF 전력 공급부 및 정전 척의 특성을 측정하도록 구성된 센서를 포함하는, 기판을 처리하기 위한 장치를 제공한다.
본 발명의 상기 기술된 특징들이 상세하게 이해될 수 있도록, 상기 간략히 요약된 본 발명의 보다 상세한 설명이 실시예들을 참조로 하여 이루어질 것이며, 실시예들 중 일부는 첨부 도면에 개시된다. 그러나, 첨부 도면들은 단지 본 발명의 전형적인 실시예들을 도시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니며, 본 발명은 다른 동등한 효과적인 실시예들을 포함할 수 있다.
도 1(종래기술)은 플라즈마 공정 동안 기판 구부러짐의 개요를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 PECVD 시스템의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 정전 척을 갖는 플라즈마 공정 챔버의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 정전 척 클램핑 설계를 개략적으로 도시한다.
도 5는 가상 챔버 임피던스를 보여주는 그래프이다.
도 6은 실제 챔버 임피던스를 보여주는 그래프이다.
도 7은 정전 척의 가상 임피던스와 정전 척상에 위치되는 기판의 평탄성 사이의 코디네이션(coordination)을 보여주는 챠트를 개략적으로 도시한다.
도 8은 가상 임피던스의 측정값들 및 정전 척의 측정된 가상 임피던스의 계산된 경사도를 보여주는 챠트를 개략적으로 도시한다.
이해를 용이하게 하기 위하여, 도면들에 공통적인 동일한 구성을 지시하기 위하여 가능한 부분들에는 동일한 참조 번호들이 사용된다. 또한 일실시예에 개시된 구성들은 특별히 상술하지 않아도 다른 실시예들에서도 유용하게 이용될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명은 일반적으로 평행 전극들을 구비하는 플라즈마 발생기를 갖는 플라즈마 반응기에서 처리되는 기판의 평탄성을 모니터링하고 충분한 평탄성을 유지시키기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
도 2는 본 발명에 따른 PECVD 시스템(100)의 단면도를 도시한다. PECVD 시스템들에 대한 설명은 미국 특허 제5,855,681호, 제6,495,233호 및 제6,364,954호에서 볼 수 있다.
PECVD 시스템(100)은 일반적으로 힌지(hinge)에 의해 챔버 몸체(102)에 부착될 수 있는 챔버 리드(lid)(104)를 지지하는 챔버 몸체(102)를 포함한다. 챔버 몸체(102)는 처리 영역(120)을 한정하는 하부 벽(116) 및 측벽들(112)을 포함한다. 챔버 리드(104)는 반응물 및 세정 기체를 처리 영역(120)으로 전달하도록 배치되는 하나 이상의 기체 분배 시스템들(108)을 포함할 수 있다. 펌핑 시스템(164)에 결합되며 측벽들(112)에 형성되는 주변 펌핑 채널(125)은 처리 영역(120)으로부터 기체를 배출시키고 처리 영역(120)내에 압력을 제어하도록 구성된다. 두 개의 통로들(112 및 124)이 하부 벽(116)에 형성된다. 정전 척의 스템(stem)(126)은 통로(122)를 통과한다. 기판 리프트(lift) 핀들(161)을 활성화시키도록 구성된 로드(rod)(130)는 통로(124)를 통과한다.
바람직하게는 세라믹 등으로 만들어지는 챔버 라이너(127)는 부식성 처리 환경으로부터 측벽들(112)을 보호하기 위하여 처리 영역(120)에 배치된다. 챔버 라이너(127)는 측벽들(112)에 형성되는 선반(ledge)(129)에 의해 지지될 수 있다. 복수의 배출 포트들(141)이 챔버 라이너(127)상에 형성될 수 있다. 복수의 배출 포트들(131)은 처리 영역(120)을 펌핑 채널(125)에 접속하도록 구성된다.
기체 분배 시스템(108)은 반응물 및 세정 기체를 운반하도록 구성되며, 기체들을 처리 영역(120)으로 운반하기 위하여 챔버 리드(104)을 통해 배치된다. 기체 분배 시스템(108)은 가스를 샤워 헤드 어셈블리(142)로 운반하는 기체 유입 통로를 포함한다. 샤워헤드 어셈블리(142)는 면판(faceplate)(146)의 중간에 배치되는 차단(blocker) 플레이트(144)를 갖는 환형의(annular) 바닥판(148)으로 구성된다.
냉각 채널(147)은 동작 동안에 바닥판(148)을 냉각시키기 위해 기체 분배 시스템(108)의 바닥판(148)에 형성된다. 냉각 유입구(145)는 물 등과 같은 냉각제 유체를 냉각 채널(147)로 운반한다. 냉각제 유체는 냉각제 유출구(149)를 통해 냉각 채널(147)을 빠져나간다.
채널 리드(104)은 원격 플라즈마 소스(162)를 통해 하나 이상의 기체 유입구들(168, 163, 169)로부터 챔버 리드(104)의 상부상에 배치된 기체 유입 다면체(manifold)들(167)로 기체를 운반하기 위해 매칭 통로를 갖는다. PECVD 시스템(100)은 캐리어 기체 및/또는 선구물질 기체를 제공하도록 구성된 하나 이상의 기체 소스들(172) 및 하나 이상의 액체 운반 소스들(150)을 포함할 수 있다.
정전 척(128)은 처리되는 기판을 지지하고 고정시키도록 구성된다. 일실시예에서, 정전 척(128)은 전압이 정전기적으로 기판을 고정하도록 인가되는 적어도 하나의 전극(123)을 포함할 수 있다. 전극(123)은 로우 패스 필터(177)를 통해 전극(123)에 접속되는 직류(DC) 전력 공급부(176)에 의해 전력이 공급된다.
단극(monopolar) DC 척이 아래에 도시되고 논의되나, 본 발명은 정전 척의 임피던스의 측정을 허용하는 임의의 형태의 전극 구조물 및 구동 전압 결합을 사용하여 동작할 수 있다. 정전 척(128)은 양극형, 3극형, DC형, 맞물림형(interdigitated), 띠 형상(zonal) 등일 수 있다.
일실시예에서, 정전 척(128)은 스텝(126)에 결합된 구동 시스템(103)에 의해 구동되는 처리 영역(120)에 이동가능하게 배치된다. 정전 척(128)은 원하는 공정 온도로 정전 척 위에 배치된 기판을 가열하기 위하여 예를 들어, 저항성 엘리먼트와 같은 가열 엘리먼트를 포함할 수 있다. 대안적으로, 정전 척(128)은 램프 어셈블리와 같은 외부 가열 엘리먼트에 의해 가열될 수 있다. 구동 시스템(103)은 처리 영역(120)내에 정전 척(128)을 내리거나 올리기 위해 선형 액츄에이터(actuator)들 또는 모터 및 감속 기어(reduction gearing) 어셈블리를 포함할 수 있다.
RF 소스(165)는 임피던스 매칭 회로(173)를 통해 샤워 헤드 어셈블리(142)에 결합된다. 캐패시터(178)와 같은 하이 패스 필터를 통해 접지될 수 있는 전극(123) 및 샤워헤드 어셈블리(142)의 면판(146)은 용량성 플라즈마 발생기를 형성한다. RF 소스(165)는 샤워헤드 어셈블리(142)의 면판(146)과 정전 척(128) 사이의 용량성 플라즈마의 발생을 용이하게 하기 위하여 샤워헤드 어셈블리(146)에 RF 에너지를 제공한다. 따라서, 전극(123)은 기판의 정전 클램핑을 가능하게 하기 위하여 RF 소스(165) DC 소스(176)로부터의 전극 바이어스를 제공한다.
RF 소스(165)는 예컨대, 13.56 MHz RF 발생기와 같은 고주파 무선 주파수(HRFR: high frequency radio frequency) 전력 소스 및 예컨대, 300 kHz RF 발생기와 같은 저주파 무선 주파수(LFRF: low frequency radio requency) 전력 소스를 포함할 수 있다. LFRF 전력 소스는 저주파수 발생 및 고정된 매칭 엘리먼트 모두를 제공한다. HFRF 전력 소스는 고정된 매칭과 함께 사용하도록 설계되고, 부하로 전달되는 전력을 조정하며, 전방(forward) 및 반사된 전력에 관한 문제를 제거한다.
특정 실시예들에서, 정전 척(128)상에 고정된 기판의 속성들은 플라즈마 공정 동안 모니터링될 수 있다. 특정 실시예들에서, 정전 척(128)상에 고정된 기판의 평탄성은 플라즈마 공정 동안 모니터링될 수 있다. 일실시예에서, 정전 척(128)상에 고정된 기판의 평탄성은 정전 척에 고정된 기판을 갖는 정전 척(128)의 특성을 측정함으로써 모니터링될 수 있다. 일실시예에서, 정전 척(128)의 임피 던스가 정전 척에 고정된 기판의 평탄성을 모니터링하기 위하여 측정될 수 있다.
일실시예에서, 정전 척(128)의 임피던스는 면판(146)과 접속되는 센서(174)에 의해 측정된다. 일실시예에서, 센서(174)는 면판(146)과 임피던스 매칭 회로(173) 사이에 접속된 전압 및 전류(VI) 프로브(probe)일 수 있다. 센서(174)는 면판(146) 및 전극(123)에 의해 형성된 캐패시터의 전류 및 전압을 측정함으로써 정전 척(174)의 임피던스를 측정하도록 구성될 수 있다.
면판(146)과 전극(123) 사이의 캐패시턴스가 면판(146)과 전극(123) 사이에 위치된 기판(121)의 평탄성에 의해 달성됨을 관찰할 수 있다. 정전 척(128)과 같은 정전 척은 정전 척에 배치된 기판이 덜 평탄해질 때 증가된 용량성 리액턴스를 갖는다. 기판이 평탄하지 않을 때, 예를 들어, 플라즈마의 열에 의해 변형될 때, 기판과 정전 척(128) 사이에는 불균일한 공기 갭의 분포가 나타난다. 따라서, 정전 척에서 기판의 평탄성은 플라즈마 반응기의 캐패시턴스의 변동을 초래하며, 이러한 변동은 정전 척의 가상 임피던스의 변동에 의해 측정될 수 있다.
플라즈마 공정 동안, 정전 척상에 위치되는 기판은 가열로 인한 변형, 증가된 증착 막 두께, 척킹 전력의 손실 또는 이들의 혼합으로 인해 곡률을 증가시킬 수 있다. 기판의 변형은 공정의 불균일성을 증가시킬 수 있다. 일실시예에서, 처리되는 기판의 평탄성은 기판을 고정시키는 정전 척의 가상 임피던스를 측정함으로써 모니터링될 수 있다. 일실시예에서, 정전 척의 척킹 전압은 기판 변형을 정정하기 위하여 조정될 수 있다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 센서(174)는 시스템 제어부(175)에 접속될 수 있다. 시스템 제어부(175)는 PECVD 시스템(100)에서 처리되는 기판(121)의 평탄성을 계산하고 조정하도록 구성될 수 있다. 일실시예에서, 시스템 제어부(175)는 정전 척(128)의 가상 임피던스를 모니터링함으로써 기판(121)의 척킹 상태 및 평탄성을 계산할 수 있다. 가상 임피던스의 측정이 기판(121)의 평탄성 감소를 나타낼 때, 시스템 제어부(175)는 DC 소스(176)를 조정함으로써 척킹 전력을 증가시킬 수 있다. 일실시예에서, 기판(121)의 감소된 평탄성은 정전 척(128)의 네거티브 증가 가상 임피던스에 의해 나타날 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기판 지지부(210)를 갖는 플라즈마 처리 챔버(200)의 개략적 측면도이다.
플라즈마 처리 챔버(200)는 내부 체적(220)을 형성하기 위하여 측벽들(202), 하부(203) 및 리드(204)를 포함한다. 내부 체적(220)은 진공 시스템(264)과 유체 통신한다. 공정 기체를 공급하기 위해 기판(221) 및 면판(246) 또는 샤워헤드를 지지하기 위한 기판 지지부(210)는 내부 체적(220)에 배치된다.
RF 소스(265)는 임피던스 매칭 회로(273)를 통해 면판(246)에 결합된다. 캐패시터와 같은 하이 패스 필터를 통해 접지될 수 있는 면판(246) 및 전극(223)은 용량성 플라즈마 발생기를 형성한다. RF 소스(265)는 면판(246)과 기판 지지부(210) 사이에 용량성 플라즈마의 발생을 용이하게 하기 위하여 면판(246)에 RF 에너지를 제공한다.
RF 소스(265)는 예컨대, 13.56 MHz RF 발생기와 같은 고주파 무선 주파수(HRFR: high frequency radio frequency) 전력 소스 및 예컨대, 300 kHz RF 발생 기와 같은 저주파 무선 주파수(LFRF: low frequency radio requency) 전력 소스를 포함할 수 있다. LFRF 전력 소스는 저주파수 발생 및 고정된 매칭 엘리먼트 모두를 제공한다. HFRF 전력 소스는 고정된 매칭과 함께 사용하도록 설계되고, 부하로 전달되는 전력을 조정하며, 전방(forward) 및 반사된 전력에 관한 문제를 제거한다.
본 실시예에서, 기판 지지부(210)는 처리 동안에 기판(221)에 지지 및 고정을 제공하기 위한 정전 척이며, 일실시예에서, 정전 척은 단극 정전 척이다. 기판 지지부(210)는 지지 스템(226)에 결합된 몸체(228)를 포함한다. 몸체(228)는 알루미늄 산화물(Al2O3), 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 이산화물(SiO2) 또는 다른 세라믹 물질과 같은 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 일실시예에서, 기판 지지부(210)의 몸체(228)는 약 섭씨 -20도 내지 약 섭씨 700도 범위의 온도에서 사용되도록 구성된다.
몸체(228)는 또한 유전체층(222)에 배치되거나 또는 유전체 층(222)으로 코팅될 수 있다. 몸체(228)는 또한 몸체(228)에 열을 제공하기 위하여 저항성 히터, 카트리지 히터 등일 수 있는 내장 히터(288)를 포함한다. 히터(288)로부터의 열은 그 후, 증착 공정과 같은 제작 공정을 강화시키기 위하여 기판(221)으로 전달된다. 히터(288)는 히터(288)에 전력을 공급하기 위하여 스템(226)을 통해 전력 소스(283)에 결합된다. 히터(288)는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 또는 몸체(228)를 포함하는 세라믹 물질의 팽창 계수와 실질적으로 유사한 팽창 계수를 갖는 다른 물질로 만들어진 물질의 천공된(perforated) 시트 또는 메쉬(mesh)일 수 있다. 온도 센서(285)는 몸체(228)에 내장된다. 일실시예에서, 온도 센서(285)는 열 쌍(thermal couple)일 수 있다. 온도 센서(285)는 몸체(228)의 온도를 제어하기 위하여 전력 소스(283)에 제어 신호를 제공하는 온도 제어부(284)에 접속될 수 있다.
기판 지지부(210)의 몸체(228)는 적어도 무선 주파수(RF) 전력에 대한 접지에 통로를 제공할 수 있는 전극(223)을 더 포함한다. 몇몇 상업적으로 사용되는 기판 지지부들은 기판 지지부들의 몸체(미도시)에 내장되거나 매치되는 바이어싱 전극을 갖는다. 바이어싱 전극은 기판의 정전 클램핑을 증진 또는 강화시키기 위하여 기판에 전기 바이어스를 제공하도록 기능한다. 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 바이어싱 전극은 전극(223)에 의해 교체되고, 전극(223)은 RF 전력에 대한 접지 통로를 제공하며, 기판의 정전 클램핑을 가능하게 하도록 기판(221)에 전기 바이어스를 더 제공한다.
히터(288)는 전극(223) 아래 위치에 보여지나, 전극은 히터(288)와 동일한 평면을 따라, 또는 히터(288) 아래에 배치될 수 있다. 전극(223)은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 또는 몸체(228)를 포함하는 세라믹 물질의 팽창 계수와 실질적으로 유사한 팽창 계수를 갖는 다른 물질로 만들어진 물질의 천공된 시트 또는 메쉬일 수 있다.
전극(223)은 전도성 부재(286)에 결합된다. 전도성 부재(286)는 로드, 튜브, 와이어 등일 수 있으며, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 또는 기판 지지부(210)를 포함하는 다른 물질들의 팽창 계수와 실질적으로 유사한 팽창 계수를 갖는 다른 물질 로 만들어질 수 있다. 도 2의 전극(123)과 유사하게, 전극(223)은 기판의 정전 클램핑을 가능하게 하기 위하여 RF 소스(265)를 위한 접지 통로 및 전기 바이어스 모두를 제공한다. 기판(221)에 전기적 바이어스를 제공하기 위하여, 전극(223)은 전극(223)에 바이어싱 전압을 공급하는 전력 공급 시스템(280)과 전기적으로 통한다. CD 전력 공급부(280)는 전극(223)에 DC 신호를 공급하기 위한 직류(DC) 전력 소스일 수 있는 전력 소스(276)를 포함한다. 일실시예에서, 전력 소스(276)는 24 볼트 DC 전력 공급부이며, 전기 신호는 포지티브 또는 네거티브 바이어스를 제공할 수 있다.
전력 소스(276)는 전력 소스(276)로부터의 전기 신호를 증폭하기 위하여 증폭기(279)에 결합될 수 있다. 증폭된 전기 신호는 커넥터(282)에 의해 전도성 부재(286)로 이동하며, 전력 공급 시스템(280)으로부터의 바이어싱 전압으로부터의 임의의 RF 전류를 제거하고/제거하거나 노이즈를 제거하기 위하여 증폭된 신호를 필터링하도록 필터(277)를 통해 이동할 수 있다. 증폭되고 필터링된 전기 신호는 기판(221)의 정전 클램핑을 가능하게 하도록 전극(223) 및 기판(221)에 제공된다.
전극(223)은 또한 RF 접지로서 기능하며, RF 전력은 커넥터(281)에 의해 접지에 결합된다. 캐패시터(278)는 또한 바이어싱 전압이 접지로 가는 것을 방지하기 위하여 접지 통로에 결합될 수 있다. 일실시예에서, 캐패시터(278)는 약 2000 볼트에서 10.054 마이크로 패럿(㎌), 0-15 암페어일 수 있다. 이와 같이, 전극(223)은 기판 바이어싱 전극 및 RF 리턴 전극으로서 기능한다.
일실시예에서, 기판 지지부(210)에 대한 기판의 포지티브 클램핑을 모니터링하기 위하여 챔버 임피던스가 계산되고 모니터링된다. 임피던스는 전류/전압 프로브인, 상표명 Z-SCAN ™으로 판매되는 프로브 등을 사용하여 RF 매칭을 모니터링하는 것과 같은 RF 진단 루틴에 의해 모니터링될 수 있다. 일실시예에서, 챔버의 임피던스는 면판(246)과 접속되는 센서(274)에 의해 측정된다. 일실시예에서, 센서(274)는 면판(146)과 임피던스 매칭 회로(273) 사이에 접속되는 전압 및 전류 프로브일 수 있다. 센서(274)는 면판(246) 및 전극(223)에 의해 형성되는 캐패시터의 전류 및 전압을 측정함으로써 정전 척(210)의 임피던스를 측정하도록 구성될 수 있다.
면판(246)과 전극(223) 사이의 캐패시턴스는 면판(246)과 전극(223) 사이에 위치되는 기판(221)의 평탄성에 의해 달성된다는 것이 관찰되었다. 기판 지지부(210)와 같은 정전 척은 지지부 위에 배치되는 기판이 덜 평탄해질 때 증가된 용량성 리액턴스를 갖는다. 기판이 평탄하지 않을 때, 예를 들어, 플라즈마의 열에 의해 변형될 때 기판과 기판 지지부(210) 사이의 공기 갭은 불균일하게 분포된다. 따라서, 정전 척에서 기판의 평탄성의 변화는 플라즈마 반응기의 캐패시턴스의 변화를 초래하며, 이는 정전 척의 가상 임피던스 변화에 의해 측정될 수 있다.
센서(274)는 시스템 제어부(275)에 접속될 수 있다. 시스템 제어부(275)는 플라즈마 처리 챔버(200)에서 처리되는 기판(221)의 평탄성을 계산하고 조정하도록 구성될 수 있다. 일실시예에서, 시스템 제어부(275)는 가상 임피던스를 모니터링함으로써 기판(221)의 평탄성 또는 척킹 상태를 계산할 수 있다. 가상 임피던스의 측정값이 기판의 평탄성이 감소하는 것을 나타낼 때, 시스템 제어부(275)는 전력 소스(276)를 조정함으로써 척킹 전력을 증가시킬 수 있다. 일실시예에서, 기 판(221)의 감소된 평탄성은 기판 지지부(210)의 네거티브적으로 증가된 가상 임피던스로 나타날 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 정전 척 클램프 설계의 분해도를 개략적으로 도시한다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 기판 지지부(210)의 전극(223)은 플라즈마 발생을 위한 RF 에너지를 제공하는 RF소스(265)를 위한 리턴 통로를 제공하기 위하여 접지에 접속되고, 또한 기판(221)을 정전기적으로 클램핑하기 위해 바이어스를 제공하도록 전력 공급 시스템(280)에 접속된다. 전극(223)은 지지 스템(226)을 통해 연장하는 전도성 부재(286)에 결합된다. 연장된 클램프(291)는 전도성 부재(286)에 클램핑된다. 다중-접촉 커넥터(292)는 연장된 클램프(291)에 결합된다. 일실시예에서, 다중-접촉 커넥터(292)는 연장된 클램프(291)에 은납땜된다(silver brazed). 다중-접촉 커넥터(292)는 하나 이상의 전기 접속을 제공하도록 구성된 RF 바(293)로 삽입된다. 예시적인 다중-접촉 커넥터(292)는 스위스, 바젤, 멀티-컨택트(Multi-Contact) AG로부터 이용가능하다. 일실시예에서, 각각 전력 공급 시스템(280) 및 RF 소스(265)의 리턴 통로와 전기적으로 통하는 커넥터(281, 282)는 RF 바(293)를 통해 전도성 부재(286)에 접속될 수 있다.
도 5는 챔버의 가상 임피던스를 보여주는 그래프이며, 한편, 도 6은 전극(223) 및 전력 공급 시스템(280)이 사용될 때 실제 챔버 임피던스를 보여준다. 도시된 결과에 대하여, 베어(bare) 실리콘 기판 웨이퍼가 사용되며, 웨이퍼가 평면으로부터 약 10 미크론만큼, 평면으로부터 약 300 미크론만큼, 평면으로부터 약 400 미크론만큼 구부러지게 하는, 그 위에 증착된 물질들의 막 또는 층들을 갖는 웨이퍼들이 사용된다. 그래프들은 시간에 따라 바이어싱 전압을 증가시킴으로써 웨이퍼들의 평탄화 및 포지티브 클램핑을 보여준다. 웨이퍼들의 척킹은 챔버 임피던스를 모니터링함으로써 관찰된다. 웨이퍼들의 포지티브 척킹은 챔버의 임피던스가 일정할 때 관찰된다.
전극(223) 및 전력 공급 시스템(280)을 갖는 기판 지지부(210)는 반도체 기판들의 플라즈마 처리에 대한 다양한 이득을 가능하게 한다. 전력 조정 및 포지티브 클램핑은 비평면 기판에 의해 생성될 수 있는 불리한 효과들을 제거하거나 최소화시킴으로써 작업 처리량을 증가시킨다. 예를 들어, 볼록한 또는 오목한 기판과 같은 비평면 기판이 기판 지지부(210)에 제공될 때, 전력 소스(276)로부터의 전기 신호는 필요에 따라 기판의 중앙 또는 에지를 기판 지지부(210)의 수용 표면과 접촉시키기 위하여 천천히 증가될 수 있다. 중앙 또는 에지가 척킹되면, 기판은 평탄해지고, 기판 지지부와 보다 균일하게 통하며, 이는 증착된 물질들의 전체 두께 균일성을 증가시킨다. 또한 구부러짐의 변화 정도로 기판들이 챔버에서 챔버로 운반됨에 따라, 챔버들 사이의 표준화는 향상될 수 있다. 전극(223)에 의해 제공되는 기판의 포지티브 클램핑은 또한 기판과 히터(288) 사이의 열 통신을 개선함으로써 플라즈마 안정성을 향상시킨다.
도 7은 정전 척상에 위치되는 기판의 평탄성과 정전 척의 가상 임피던스 사이의 코디네이션을 보여주는 챠트를 개략적으로 도시한다. 도 7의 x 축은 시간을 나타낸다. 도 3의 y 축은 플라즈마 반응기에서 정전 척의 가상 임피던스를 나타내며, 정전 척은 플라즈마 반응기의 용량성 플라즈마 발생기의 전극으로서 기능한다. 정전 척의 가상 임피던스는 RF 전력이 용량성 플라즈마 발생기에 인가될 때 전압 및 전류 프로브에 의해 측정될 수 있다. 전압 및 전류 프로브는 전압 및 전류를 측정할 수 있으며, 임피던스는 옴의 법칙(Ohm's Law)을 사용하여 계산될 수 있다.
도 7의 곡선(1)은 정전 척상에 위치되는 기판이 평탄할 때 정전 척의 가상 임피던스 측정값을 개략적으로 도시한다. 기판의 평탄성은 기판이 베어 실리콘 웨이퍼이거나 또는 기판이 정전 척에 의해 충분히 척킹되지 않는 한, 일반적으로 처리 동안에 변경된다. 곡선(1)의 가상 임피던스는 전체 포지티브 경사를 갖는다.
도 7의 곡선(2)은 정전 척상에 배치되는 기판이 구부러지고 정전 척킹이 기판에 인가되지 않을 때, 정전 척의 가상 임피던스 측정값을 개략적으로 도시한다. 곡선(2)의 가상 임피던스는 전체 네거티브 경사를 갖는다.
도 7의 곡선(3)은 정전 척상에 배치되는 기판이 구부러질 때, 정전 척의 가상 임피던스 측정을 개략적으로 도시한다. 정전 척킹은 시간 T까지 기판에 인가된다. 시간 T에서 기판은 척킹되지 않는다. 곡선(3)의 가상 임피던스는 기판이 척킹될 때, 시간 T 이전에 포지티브 경사를 갖는다. 곡선(3)은 기판이 척킹되지 않을 때 네거티브 경사를 갖는다.
도 7의 곡선(4)은 정전기상이 배치되는 기판이 구부러질 때 정전 척의 가상 임피던스 측정값을 개략적으로 도시한다. 정전 척킹은 시간 T까지 기판에 인가되지 않는다. 시간 T에서, 기판은 척킹된다. 곡선(4)의 가상 임피던스는 기판이 척킹되지 않을 때, 시간 T 이전에 네거티브 경사를 갖는다. 곡선(4)은 기판이 척킹된 후 곧 포지티브 경사를 갖는다.
일실시예에서, 플라즈마 공정 동안 정전 척상에 위치되는 기판의 평탄성은 정전 척의 가상 임피던스의 경사를 계산함으로써 모니터링될 수 있다.
도 8은 정전 척의 가상 임피던스의 측정값들 및 가상 임피던스의 예측 경사 사이의 코디네이션을 보여주는 챠트를 개략적으로 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 정전 척의 가상 임피던스는 플라즈마 공정 동안 정전 척 상에 척킹되는 기판의 평탄성과 상관(correlate)된다.
도 8의 곡선들(m1, m2, m3)는 정전 척의 가상 임피던스의 센서 측정값들을 개략적으로 도시한다. 일실시예에서, 가상 임피던스는 주기적으로 측정될 수 있으며, 경사는 측정값들로부터 노이즈를 감소시키기 위하여 시간 주기에 따른 측정값들로부터 계산될 수 있다. 일실시예에서, 경사는 경사 선형 회기 분석(Slope Linear Regression)을 사용하여 계산될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 곡선들(m1, m2, m3)의 측정값들은 직선들(S1, S2, S3)에 끼워맞춰질 수 있다. 직선들(S1, S2, S3)의 경사는 일반적으로 정전 척상에 배치되는 기판의 평탄성을 제공한다. 직선(S1)은 기판이 적절한 척킹으로부터 상대적으로 평탄할 것임을 나타내는 포지티브 경사를 갖는다. 직선(S2)은 기판의 평탄성이 경계선에 있다는 것을 나타내는 작은 네거티브 경사를 갖는다. 척킹 전압의 증가는 기판 변형을 감소시키기 위해 필요할 것이다. 직선(S3)은 정전 척으로부터의 불충분한 척킹으로 인하여 기판이 구부러질 것임을 나타내는 큰 네거티브 경사를 갖는다.
가상 임피던스의 경사는 적절한 필터들 및 다른 다수의 방법들을 포함하는 임의의 적절한 방법들을 사용하여 획득될 수 있음에 유념해야 한다.
본 명세서에 개시된 정전 척은 플라즈마 발생기를 위한 접지된 전극의 역할을 하지만, 다른 회로 또한 적용가능하다. 본 기술 분야의 당업자들은 정전 척의 전기적 특성들을 측정하기 위하여 필터들의 회로들, 임피던스 매칭 네트워크 및/또는 센서들을 조정할 수 있다.
PECVD 시스템이 본 명세서에 개시되었으나, 본 발명의 장치 및 방법은 임의의 적절한 플라즈마 공정에도 적용할 수 있다.
전술한 내용은 본 발명의 실시예들을 목적으로 한 것이며, 본 발명의 근본적인 범위를 벗어나지 않는 범위에서 본 발명의 다른 추가의 실시예들이 고안될 수 있고, 그 범위는 다음의 청구항들에 의해 판단된다.

Claims (24)

  1. 기판 처리 방법으로서,
    정전 척상에 기판을 위치시키는 단계;
    상기 정전 척에 대하여 병렬로 위치된 카운터 전극과 상기 정전 척의 전극 사이에 RF 전력을 인가하는 단계;
    상기 정전 척상에 상기 기판을 클램핑하기 위하여 상기 정전 척의 상기 전극에 DC 바이어스를 인가하는 단계;
    상기 정전 척의 가상 임피던스를 측정하는 단계; 및
    상기 가상 임피던스를 측정하는 단계 이후에, 상기 정전 척의 상기 가상 임피던스를 상기 기판의 평탄성과 상관시키는 단계
    를 포함하는, 기판 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가상 임피던스를 측정하는 단계 이후에, 상기 정전 척의 상기 측정된 가상 임피던스에 따라 상기 정전 척의 상기 전극에 인가된 상기 DC 바이어스를 조정하는 단계를 더 포함하는, 기판 처리 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가상 임피던스를 측정하는 단계 이후에, 시간 주기에 따른 상기 가상 임피던스의 경사를 계산하는 단계를 더 포함하는, 기판 처리 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가상 임피던스의 경사를 계산하는 단계 이후에, 상기 가상 임피던스의 경사가 네거티브일 때 상기 정전 척에 인가된 상기 DC 바이어스를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 기판 처리 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가상 임피던스를 측정하는 단계는 상기 정전 척의 전류 및 전압을 측정하는 단계를 포함하는, 기판 처리 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전압 및 전류는 상기 카운터 전극에 접속된 전압 및 전류 프로브를 사용하여 측정되는, 기판 처리 방법.
  8. 플라즈마 공정 동안에 기판을 모니터링하기 위한 방법으로서,
    실질적으로 평행한 제1 및 제2 전극을 갖는 플라즈마 발생기에 상기 기판을 위치시키는 단계;
    상기 플라즈마 발생기의 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 RF 전력을 인가하는 단계; 및
    상기 플라즈마 발생기의 특성을 측정함으로써 상기 기판을 모니터링하는 단계
    를 포함하며, 상기 기판은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치되며 실질적으로 상기 제1 및 제2 평행 전극에 평행하고, 상기 기판을 모니터링하는 단계는 상기 플라즈마 발생기의 측정된 가상 임피던스를 상기 기판의 평탄성과 상관시키는 단계를 포함하는, 기판 모니터링 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생기에 상기 기판을 위치시키는 단계는, 상기 기판을 상기 제1 전극상에 직접적으로 또는 간접적으로 고정하기 위하여 DC 바이어스를 상기 제1 전극에 인가하는 단계를 포함하는, 기판 모니터링 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 특성은 임피던스인, 기판 모니터링 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 임피던스는 상기 플라즈마 발생기에 접속된 전압 및 전류 프로브를 사용하여 측정되는, 기판 모니터링 방법.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 기판을 모니터링하는 단계는, 시간 주기에 따라 상기 측정된 가상 임피던스의 경사를 계산하는 단계를 포함하고, 네거티브 경사는 상기 기판의 평탄성 감소를 나타내는, 기판 모니터링 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    시간 주기에 따라 상기 측정된 가상 임피던스의 경사를 계산하는 단계 이후에, 상기 기판의 원하는 평탄성을 획득하기 위해 상기 제1 전극에 충분한 척킹 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는, 기판 모니터링 방법.
  15. 기판을 처리하기 위한 장치로서,
    DC 전력 공급부와 접속된 제1 전극을 포함하며, 상부에 상기 기판을 지지하도록 구성된 지지 표면을 갖는 정전 척;
    상기 정전 척의 상기 지지 표면에 실질적으로 평행하도록, 상기 정전 척으로부터 이격되게 위치되는 카운터 전극;
    상기 제1 전극과 상기 카운터 전극 사이에 RF 전력을 인가하도록 구성된 RF 전력 공급부;
    상기 정전 척의 특성을 측정하도록 구성된 센서; 및
    상기 센서로부터 입력을 수신하고, 상기 정전 척의 상기 측정된 특성을 상기 기판의 평탄성과 상관시키도록 구성되는 시스템 제어부
    를 포함하며, 상기 기판은 상기 정전 척과 상기 카운터 전극 사이에 위치되도록 구성되는, 기판 처리 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 전극과 접지 사이에 접속된 캐패시터; 및
    상기 제1 전극과 상기 DC 전력 공급부 사이에 접속된 필터
    를 더 포함하며, 상기 RF 전력은 매칭 네트워크를 통해 상기 카운터 전극에 접속되고 상기 제1 전극 및 상기 캐패시터는 상기 RF 전력에 리턴 통로를 제공하고, 상기 필터는 상기 DC 전력 공급부로부터의 바이어싱 전압으로부터 노이즈 및/또는 임의의 RF 전류를 제거하도록 구성되는, 기판 처리 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 센서는 상기 카운터 전극에 접속된 전압 및 전류 프로브인, 기판 처리 장치.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제15항에 있어서,
    상기 시스템 제어부는 상기 정전 척의 가상 임피던스의 경사에 따라 상기 DC 전력 공급부를 조정하도록 구성되는, 기판 처리 장치.
  21. 기판 처리 방법으로서,
    정전 척상에 기판을 위치시키는 단계;
    상기 정전 척에 대하여 병렬로 위치된 카운터 전극과 상기 정전 척의 전극 사이에 RF 전력을 인가하는 단계;
    상기 정전 척상에 상기 기판을 클램핑하기 위하여 상기 정전 척의 상기 전극에 DC 바이어스를 인가하는 단계;
    상기 정전 척의 가상 임피던스를 측정하는 단계; 및
    상기 가상 임피던스를 측정하는 단계 이후에, 시간 주기에 따른 상기 가상 임피던스의 경사를 계산하는 단계
    를 포함하는, 기판 처리 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 가상 임피던스의 경사를 계산하는 단계 이후에, 상기 가상 임피던스의 경사가 네거티브일 때 상기 정전 척에 인가된 상기 DC 바이어스를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 기판 처리 방법.
  23. 플라즈마 공정 동안에 기판을 모니터링하기 위한 방법으로서,
    실질적으로 평행한 제1 및 제2 전극을 갖는 플라즈마 발생기에 상기 기판을 위치시키는 단계;
    상기 플라즈마 발생기의 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 RF 전력을 인가하는 단계; 및
    상기 플라즈마 발생기의 특성을 측정함으로써 상기 기판을 모니터링하는 단계
    를 포함하며, 상기 기판은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치되며 실질적으로 상기 제1 및 제2 평행 전극에 평행하고, 상기 기판을 모니터링하는 단계는 시간 주기에 따라 상기 측정된 가상 임피던스의 경사를 계산하는 단계를 포함하고, 네거티브 경사는 상기 기판의 평탄성 감소를 나타내는, 기판 모니터링 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    시간 주기에 따라 상기 측정된 가상 임피던스의 경사를 계산하는 단계 이후에, 상기 기판의 원하는 평탄성을 획득하기 위해 상기 제1 전극에 충분한 척킹 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는, 기판 모니터링 방법.
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