KR101131022B1 - 플라즈마 반응기 에칭 레이트 드리프트를 감소시키는 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

온도 제어 핫 에지 링 어셈블리는 플라즈마 반응 챔버에서 기판 지지대를 둘러싸도록 구성된다. 어셈블리는 도전성 하부 링, 세라믹 중간 링, 및 상부 링을 포함한다. 세라믹 중간 링은, 도전성 하부 링 위에 놓이며 도전성 하부 링을 통해, RF 전극에 부착되도록 구성된다. 상부 링은 세라믹 중간 링 위에 놓이며 플라즈마 반응 챔버의 내부에 노출된 상면을 갖는다.
플라즈마 반응 챔버, 상부 링, 중간 링, 하부 링

Description

플라즈마 반응기 에칭 레이트 드리프트를 감소시키는 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리{TEMPERATURE CONTROLLED HOT EDGE RING ASSEMBLY FOR REDUCING PLASMA REACTOR ETCH RATE DRIFT}
배경
1960 년대 중반이래, 반도체 집적 회로는 대부분의 전자 시스템의 주요 컴포넌트가 되었다. 이들 소형의 전자 디바이스는, 마이크로컴퓨터 중앙 프로세싱 유닛 및 다른 집적 회로의 메모리와 논리 서브시스템을 구성하는 수천 개의 트랜지스터 및 다른 회로들을 포함할 수도 있다. 이들 칩의 저 비용, 고 신뢰도, 및 속도는, 칩으로 하여금 모뎀 디지털 전자공학의 유비쿼터스 특징을 이루게 하였다.
통상, 집적 회로 칩의 제작은, "웨이퍼" 라 불리는 (실리콘 또는 게르마늄과 같은) 고순도, 단결정 반도체 재료 기판의 얇게 연마된 슬라이스 (slice) 로 시작된다. 각각의 웨이퍼는, 그 웨이퍼 상에 다양한 회로 구조물을 형성하는 일련의 물리적 및 화학적 처리 단계에 좌우된다. 제작 프로세스 동안에, 실리콘 다이옥사이드 막을 생성하기 위한 열 산화, 실리콘, 실리콘 다이옥사이드 및 실리콘 나이트라이드 막을 생성하기 위한 화학적 기상 증착, 및 다른 금속 막을 생성하기 위한 스퍼터링 또는 다른 기술과 같은 다양한 기술을 이용하여 웨이퍼 상에 다양한 유형의 박막이 증착될 수도 있다.
반도체 웨이퍼 상에 막을 증착시킨 후에, 도핑이라 불리는 프로세스를 이용하여, 선택된 불순물을 반도체 결정 격자와 치환함으로써 반도체의 고유한 전기적 특성이 생성된다. 그 후, 도핑된 실리콘 웨이퍼는, "레지스트" 라 불리는 감광성, 또는 감방사선성 (radiation sensitive) 재료의 박층 (thin layer) 으로 균일하게 코팅될 수도 있다. 그 후, 리소그래피라고 알려진 프로세스를 이용하여, 회로에 전자 경로를 정의하는 작은 기하학적 패턴이 레지스트 상에 전사될 수도 있다. 리소그래피 프로세스 중에, 집적 회로 패턴은, "마스크" 라 불리는 글라스 플레이트 (glass plate) 상에 묘화되고, 광학적으로 축소되고, 투영되어, 감광성 코팅에 전사될 수도 있다.
그 후, 에칭으로서 알려진 프로세스를 통하여, 반도체 재료의 하지 결정성 표면 상에, 리소그래핑된 레지스트 패턴이 전사된다. 일반적으로, 에칭 또는 증착 가스를 진공 챔버에 공급하고 가스에 무선 주파수 (RF) 를 인가하여 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징함으로써 기판상의 재료를 에칭하고 화학적 기상 증착 (CVD) 시키기 위해 진공 처리 챔버가 이용된다. 그러나, 웨이퍼의 플라즈마 처리에서는, 프로세스 드리프트 (process drift) (즉, 일정한 시간이 경과함에 따라 프로세스 성능의 변화) 가 발생할 수 있다. 따라서, 플라즈마 반응기 처리 내의 에칭 레이트 균일도를 개선시키기 위한 장치 및 방법이 필요하다.
요약
일 실시형태에 따르면, 플라즈마 반응 챔버에서 기판 지지대를 둘러싸도록 구성되는 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리는, 도전성 하부 링, 하부 링 위에 놓이며 하부 링을 통해 RF 전극에 부착되도록 구성된 세라믹 중간 링, 및 중간 링 위에 놓이며 플라즈마 반응 챔버의 내부에 노출된 상면을 갖는 상부 링을 포함한다.
또 다른 실시형태에 의하면, 플라즈마 프로세싱 장치는, 처리 챔버; 기판을 처리하기 위해 처리 챔버의 내부의 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징하는 전원; 처리 챔버의 내부에서 기판을 지지하는 기판 지지대; 도전성 하부 링; 하부 링 위에 놓이며 하부 링을 통해 RF 전극에 부착되도록 구성된 세라믹 중간 링; 및 중간 링 위에 놓이며 플라즈마 반응 챔버 내부에 노출된 상면을 갖는 상부 링을 포함한다.
또 다른 실시형태에 의하면, 플라즈마 처리 시스템에서 복수의 기판들에 대한 프로세스 드리프트 (process drift) 를 감소시키는 방법으로서, 처리 챔버; 기판을 처리하기 위해 처리 챔버의 내부의 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징하는 전원; 처리 챔버의 내부에 기판을 지지하며 상면을 갖는 기판 지지대; 및 에지 링 어셈블리를 포함하는 플라즈마 처리 장치에 기판을 위치시키는 단계로서, 에지 링 어셈블리는, 도전성 하부 링, 하부 링 위에 놓이며 하부 링을 통해 전원에 부착되도록 구성된 세라믹 중간 링, 및 중간 링 위에 놓이며 처리 챔버의 내부에 노출된 상면을 갖는 상부 링을 포함하는, 기판을 위치시키는 단계; 챔버에 프로세스 가스를 공급하는 단계; 기판 지지대의 상면에 인접하게 플라즈마를 형성하는 단계; 및 플라즈마 처리 장치에서 복수의 기판을 순차적으로 처리하는 단계를 포함하며, 상부 링의 온도는, 제 1 기판이 기판 지지대로부터 제거된 이후, 및 후속 기판이 기판 지지대 상에 배치되기 이전에, 실질적으로 초기 온도로 냉각되어 프로세스 드리프트를 감소시킨다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 핫 에지 링 및 석영 커플링 링을 갖는 진공 처리 챔버의 일부의 단면도를 나타낸다.
도 2 는 도 1 의 구성 (arrangement) 에서 예상되는 바와 같이, 커플링 링 및 핫 에지 링을 갖는 복수의 웨이퍼들에 대한 프로세스 드리프트를 도시한 그래프이다.
도 3 은 일 실시형태에 따른 에지 링 어셈블리의 단면도를 나타낸다.
도 4 는 커플링 링이 도전성 하부 링을 통해 RF 전극에 열적으로 커플링되는 위치에서, 도 3 에 따른 진공 처리 챔버의 일부의 단면도를 나타낸다.
도 5 는 도 3 및 도 4 의 배열에서 예상되는 바와 같이, 중간 링 및 핫 에지 링을 갖는 복수의 웨이퍼에 대한 프로세스 드리프트를 도시한 그래프이다.
도 6 은 도 3 및 도 4 의 핫 에지 링에 대해 도 1 의 핫 에지 링을 비교하여, 복수의 웨이퍼에 대한 프로세스 드리프트를 도시한 그래프이다.
도 7 은 도 3 및 도 4 의 에지 링 어셈블리를 포함한 플라즈마 처리 장치의 단면도를 나타낸다.
상세한 설명
본 명세서에 개시되는 바와 같은 핫 에지 링 어셈블리는 웨이퍼 (예를 들어, 실리콘 또는 갈륨-비소 (GaAs)), 평판 디스플레이 기판 등과 같은 반도체 기판의 플라즈마 처리 중에 웨이퍼의 에지에서의 균일도를 향상시키고 에칭 레이트 드리프트를 감소시키는 새로운 구성을 제공한다. 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리는 향상된 플라즈마 처리를 달성할 수 있다. 온도 제어 핫 에지 어셈블리는 플라즈마 처리 챔버에 대한 노출면을 갖는 상부 링과 기판 지지대에 포함된 온도 제어 무선 주파수 (RF) 전극 간에 열 접촉을 증가시킨다. 따라서, 열 접촉을 증가시킴으로써, 핫 에지 링 어셈블리는 처리 에칭 레이트 드리프트를 감소시킬 수 있다.
기판을 처리하는데 있어서, 프로세스 엔지니어는 프로세스 균일도를 향상시키려고 노력한다. 본 명세서에서 사용된 용어로서, 프로세스 균일도는, 기판의 표면에 걸친 플라즈마 에칭과 같은, 전체 프로세스의 균일도를 지칭한다. 예를 들어, 프로세스가 매우 균일하다면, 기판 상의 상이한 포인트에서의 프로세스 레이트가 실질적으로 동일한 경향이 있는 것으로 예상된다.
웨이퍼와 같은 반도체 기판 상의 에칭 레이트 균일도의 제어를 위해, 특히, 웨이퍼의 중앙에서의 에칭 레이트를 웨이퍼 에지에서의 에칭 레이트와 매칭시키기 위해, 웨이퍼 에지의 화학 약품 노출, 프로세스 압력, 및 RF 필드 강도에 관해, 웨이퍼 전반의 연속성을 보장하기 위해 웨이퍼 경계 조건이 설계되는 것이 바람직하다. 현재의 설계에서, 웨이퍼의 둘레에 적절한 에지 링이 구현되었다. 웨이퍼 오염을 최소화시키기 위하여, 에지 링은, 웨이퍼 자신과 양립가능한 재료로 제작된다. 일례로서, 통상의 에지 링 재료는, 실리콘, 그래파이트, 실리콘 카바이드 (silicon carbide) 등을 포함할 수 있다.
통상, 에지 링은, 석영으로 제조된 링 (즉, 석영 커플링 링) 상에 상주하고 있으며, RF 전극의 외연 상에 배치된다. 자신의 낮은 유전 상수로 인해, 통상, 석영은, 에칭 레이트 균일도를 향상시키도록, 웨이퍼의 에지에서의 RF 필드 강도를 테이퍼링하기 위해 선택된다. 한편, 석영은, 또한, 불량한 열 전도체인 것으로 알려져 있다. 결과로서, 석영 커플링 링 위에 놓이는 에지 링은 열적으로 절연된다. 따라서, 플라즈마가 에지 링 주변에 있기 때문에, 플라즈마가 에지 링을 가열하고 에지 링을 과열시켜, 기판 또는 웨이퍼에 대한 처리 문제가 될 수도 있다. 에지 링은 RF 플라즈마와 같은 열원에 노출될 때, 적절하게 냉각될 수 없어, 자신의 온도의 지속적 상승 (steady rise) 을 야기한다. 이러한 온도 상승은, 다수의 웨이퍼들이 매우 연속적으로 처리될 경우에, 웨이퍼의 에지에서의 에칭 레이트의 프로세스 드리프트 (즉, 프로세스 비-균일도) 를 야기할 수 있다. 따라서, 다수의 웨이퍼들의 처리 동안의 에지 링의 온도의 지속적 상승에 의해 프로세스 드리프트가 야기될 수 있기 때문에, 다음번 기판이 처리되기 이전에 에지 링의 냉각을 향상시켜, 에칭 레이트 드리프트를 감소시키는 핫 에지 링 어셈블리가 필요하다.
에지 링 어셈블리는, 평행판 플라즈마 반응 챔버 내에서 웨이퍼의 에지 근처의 플라즈마의 밀도를 강화하기 위해 플라즈마 에칭 프로세스에 적용되어, 기판 전역에 보다 균일한 에칭 레이트를 생성할 수도 있다. 핫 에지 링 어셈블리는 플라즈마 에칭에 대해서 유리한 것으로 설명되겠지만, 그 핫 에지 링 어셈블리는, 또한, 플라즈마 강화 화학적 기상 증착 (PE-CVD) 및 플라즈마 세정과 같이 균일한 밀도를 갖는 플라즈마를 요구할 수도 있는 다른 애플리케이션에 대해서도 유용하다.
에지 링의 충분한 냉각을 고려하기 위해 석영 커플링 링과 에지 링을 변경함으로써, 웨이퍼의 에지 근처의 에칭 레이트가 제어될 수 있다. 바람직한 실시형태에 의하면, 에지 링 어셈블리는 온도 제어 RF 전극으로 열 싱킹 (heat sink) 된다. 일 실시형태에서, 열 전도성 엘라스토머 (elastomer) 는 에지 링을 커플링 링에 본딩시킨다.
통상, 플라즈마 에칭 프로세스 동안, 에지 링의 온도는 플라즈마의 효과로 인해 상승한다. RF 전력 레벨 및 챔버 압력에 따라, 온도 상승은 상당할 수 있고 종종 섭씨 수십 도를 초과할 수 있다. 플라즈마 에칭 처리 단계가 완료된 이후에, RF 전극으로부터 웨이퍼가 제거되고 기판 지지대 상에 다음번 웨이퍼가 배치된다. 한 배치 (batch) 의 웨이퍼들이 순차적으로 에칭되는 프로세스 실행 동안, 에지 링 온도가 너무 많이 증가하면, 에칭 레이트가 프로세스 윈도우 외부에서 드리프팅할 수 있고 결점이 있는 웨이퍼를 야기할 수 있다. 또다른 웨이퍼가 기판 지지대에 추가되기 이전에, 에지 링을 충분한 열 싱킹시켜, 이전의 웨이퍼를 처리하기 위해 이용되는 것과 같은 온도 범위로 에지 링을 복귀시키는 것이 바람직하다. 그러나, 이것은 종종 일어나지 않아서, 복수의 웨이퍼의 처리 동안에 에칭 레이트 드리프트를 야기한다.
도 1 은, 표준의 진공 처리 챔버 (10) 의 웨이퍼 에지 영역의 단면도를 나타낸다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 바람직하게 그 안에 정전 척을 포함하는 기판 지지대 (12) 상에, 기판 또는 웨이퍼가 배치된다. 통상, 웨이퍼 에지 링 어셈블리는 에지 링 (20) 및 커플링 링 (30) 을 포함한다. 에지 링 (20) 은 커플링 링 (30) 에 본딩될 수 있고, 또는, 커플링 링 (30) 과 동일 평면에 상주할 수 있다. 또한, 진공 처리 챔버 (10) 는, 기판 지지대 아래에, 무선 주파수 에너지를 기판 지지대 상에 지지된 기판에 제공하는 무선 주파수 (RF) 전력 공급 전극 (powered electrode; 40) 을 포함한다.
적합한 RF 임피던스 매칭 회로는, 고밀도 플라즈마를 제공하기 위하여, 전력 공급 전극 (40) 을 통해 RF 전력을 챔버 (10) 에 용량성으로 커플링한다. 원한다면, 다른 플라즈마 발생원 (예를 들어, 유도 커플링 코일, 전자 사이클로트론 공명 (ECR), 헬트론 또는 마그네트론 유형) 이 사용될 수 있다. 또한, 챔버 (10) 는, 원하는 압력 (예를 들어, 50 mTorr 에서, 통상은, 30 내지 1000 mTorr) 으로 챔버의 내부를 유지시키기 위해 적합한 진공 펌핑 장치를 포함한다. 통상, 샤워헤드라 불리는 가스 분배 플레이트가 제공될 수도 있으며, 가스 공급부에 의해 공급된 프로세스 가스를 처리 챔버 (10) 에 전달하기 위한 원형 홀 (미도시) 과 같은 복수의 개구를 포함할 수도 있다. 그러나, 가스 분배 플레이트는 생략될 수 있으며, 프로세스 가스는 가스 링 등과 같은 다른 장치에 의해 챔버에 공급될 수 있다.
보통 플라즈마 처리 기술의 당업자에게 공지된 바와 같이, 핫 에지 링 (20) 및 커플링 링 (30) 을 포함하는, 기판 지지대를 둘러싸는 링들은, RF 유도 플라즈마 영역으로부터의 이온을 기판의 표면 상에 집중하게 도와, 특히, 기판의 에지에서의 프로세스 균일도를 향상시킨다. 전력이 기판 및 정전 척에 공급될 경우에, 등전위 필드 라인 (equipotential field line) 은 기판 위에 및 전극 아래에 설정된다. 이들 필드 라인들은 정적이지 않고 RF 사이클 동안에 변한다. 시간 평균 필드 (time averaged field) 는, 플라즈마의 대부분이 양극으로 되고 기판의 표면과 정전 척이 음극으로 된다. 기하학 요인으로 인해, 필드 라인들은 기판의 에지에서 균일하지 않다. 플라즈마 챔버에서, 커플링 링 및 핫 에지 링은, 플라즈마와 전력 공급 전극 사이에 캐패시터로서 역할함으로써 기판을 통해 RF 커플링 대부분을 그 위에 놓인 플라즈마로 향하게 돕는다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 에지 링 (20) 은, 기판 지지대 (12) 를 둘러싸는 희생 링이다. 에지 링 (20) 은, 교체가능한 컴포넌트이며, 기판의 처리 중에 뜨겁게 되는 경향이 있어 핫 에지 링 (HER: hot edge ring) 이라 불린다. 핫 에지 링 (20) 은, 실리콘 카바이드 (SiC) 및 실리콘 (Si) 과 같은 도전성 전극 재료 또는 석영과 같은 유전체 재료로부터 제조될 수 있다. 에지 링의 바로 근처의 화학적 작용을 시프팅하는 것 이외에, 에지 링 재료를 변경함으로써, 플라즈마를 통한 커플링 정도가, 처리되고 있는 기판의 외측부에서 원하는 국소화 "에지" 에칭 레이트를 제공하도록 맞춰질 수 있음을 나타냈다. 보다 낮은 용량성 임피던스를 갖는 실리콘 카바이드는, 일반적으로, 실리콘 옥사이드보다 빠른 에지 에칭 레이트를 생성할 것이다. 석영 및 낮은 유전 상수를 갖는 다른 유전체들은 웨이퍼 에지에서의 RF 커플링의 감소로 인해, 에지 에칭 레이트를 낮추기 쉬울 것이다. 통상, 커플링 링 (30) 은, 석영, 실리콘, 실리콘 카바이드 또는 알루미늄 옥사이드와 같은 유전체 반도체 재료 (dielectric semiconductive material) 로 제조된다.
도 2 는, 듀얼 주파수 전원을 갖는 평행판 구성을 이용한 블랭킷 (blanket) 옥사이드 에칭에서의 에칭 레이트 프로파일을 도시한 그래프이다. 17 개의 웨이퍼가 연속 처리되었다. 실리콘 에지 링 (20) 과 석영 커플링 링 (30) 이 사용되었으며, 에칭은 27 ㎒ 에서의 2000 와트 RF 전력, 2 ㎒ 에서의 2000 와트 RF 전력, 웨이퍼보다 위의 150 mTorr 챔버 압력, 400 sccm 아르곤 가스, 80 sccm C4F8 가스, 8 sccm O2 가스, 및 60 초 프로세스 시간 하에서 수행되었다.
그래프는, 웨이퍼의 중앙으로부터 측정된 웨이퍼 표면 상의 위치 함수로서 옹스트롬/분 단위의 포토레지스트 에칭 레이트를 도시한 것이다. 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 웨이퍼의 에지에서의 에칭 레이트는, 웨이퍼마다 실질적으로 변한다. 에칭 레이트 균일도는,
[(Max-Min)/2*Average]*100%
에 의해 계산되며, 여기서, Max 는, 에칭 레이트의 최대값이고, Min 은, 에칭 레이트의 최소값이다. 에칭 레이트는, 상업상 이용가능한 박막 계측 시스템을 이용하여 에칭하기 전후에, 웨이퍼 최상부의 포토레지스트 층의 두께를 측정함으로써 결정되었다.
도 3 은, 일 실시형태에 따라 기판 지지대를 둘러싸도록 구성된 온도 제어된 에지 링 어셈블리 (110) 를 갖는 평행판 플라즈마 장치 (100) 의 웨이퍼 에지 영역의 단면을 도시한 것이다. 에지 링 어셈블리 (110) 는, 상부 에지 링 (120), 세라믹 중간 링 (130), 및 도전성 하부 링 (140) 을 포함한다. 중간 링 (130) 은 상면 (132) 과 하면 (134) 을 가지며, 중간 링 (130) 의 하면 (134) 은, 하부 링 (140) 을 통해 무선 주파수 (RF) 전극 (150) 에 열적으로 커플링된다.
상부 에지 링 (120) 은, 실리콘, 카본 (예를 들어, 그래파이트), 실리콘 카바이드 등과 같은 열 및 전기 전도성 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 상부 에지 링 (120) 의 하면 (128) 은, 열 전도성 엘라스토머에 의해 중간 링 (130) 의 상면 (132) 에 본딩되는 것이 바람직하다. 적절한 엘라스토머의 상세한 설명은, 본 명세서에 참조로서 포함된 미국 특허 제 6,073,577 호에 기재되어 있다.
일 실시형태에서, 상부 에지 링 (120) 의 상면의 내측면 (126) 은, 정전 척 (112) 에 수직인 면과 소정의 각을 이루도록 베벨링되어 있다. 상부 에지 링 (120) 의 베벨링된 내측면 (126) 은, 기판이 기판 지지대 상에 위치될 경우에, 상부 에지 링 (120) 의 일부로 하여금 기판 아래로 연장하게 한다. 상부 에지 링 (120) 은, 베벨링된 내측면 (126) 을 제외하고는, 실질적으로 직사각형 단면을 갖는 것이 바람직하다. 상부 에지 링 (120) 은 다른 단면 설계 또는 형상을 가질 수 있음을 알 수 있다.
원한다면, 유전체 외측 링 (138) 은 상부 에지 링 (120) 을 둘러쌀 수 있다. 유전체 외측 링 (138) 은, 알루미늄 옥사이드 (Al2O3), 실리콘 옥사이드 (석영), 실리콘 나이트라이드, 실리콘 카바이드 또는 다른 적절한 재료로 형성될 수 있으며, 플라즈마 반응기 챔버의 보호를 강화한다.
중간 링 (130) 은, 실질적으로 직사각형 단면을 갖고, 높은 열 전도도 및 상부 에지 링 (120) 이 제조된 재료와 유사한 열 팽창 계수를 갖는 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 상부 에지 링 (120) 이 실리콘으로 제조되면, 이러한 재료들은, 알루미늄 옥사이드 (세라믹), 실리콘, 실리콘 카바이드, 또는 알루미늄 나이트라이드일 수도 있다. 일 실시형태에서, 중간 링 (130) 은 알루미나로 제조된다. 중간 링 (130) 은 하부 링 (140) 위에 놓이며 하부 링 (140) 을 통해 RF 전극 (150) 에 볼트로 고정되는 것이 바람직하다.
도전성 하부 링 (140) 은, 알루미늄, 알루미늄 합금, 황동, 구리, 구리 합금 또는 스테인레스 스틸과 같은 도전성 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 일 실시형태에서, 하부 링 (140) 은, 실질적으로 L-형상 단면을 가지며, 알루미늄으로 제조된다. 그러나, 하부 링 (140) 이 실질적으로 직사각형 단면 또는 다른 단면 형상을 가질 수 있음을 알 수 있다.
도 4 는, 하부 링 (140) 을 통해 중간 링 (130) 이 RF 전극 (150) 에 볼트로 고정되는 도 3 의 에지 링 어셈블리 (110) 의 단면이다. 하부 링 (140) 의 복수의 홀들을 통해 연장하는 일 세트의 볼트 (제 1 볼트 (160) 및 제 2 볼트 (170)) 를 이용하여, 에지 링 어셈블리 (110) 의 복수의 위치에서, RF 전극 (150) 과 중간 링 (130) 의 볼트로의 고정이 수행되는 것이 바람직하다.
도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 도전성 하부 링 (140) 은, 하부 링 (140) 을 RF 전극 (150) 과 볼트로 고정하기 위한 제 1 복수의 홀 (142) 들 및 중간 링 (130) 을 하부 링 (140) 과 볼트로 고정하기 위한 제 2 복수의 나사형 홀 (144) 들을 갖는 L-형상의 단면인 것이 바람직하다. 제 1 복수의 홀 (142) 들은, 하부 링 (140) 의 내측부에 위치되는 것이 바람직하지만, 홀 (144) 들은, 하부 링 (140) 의 외측부에 위치된다.
일 실시형태에서, 제 1 복수의 홀 (142) 들은, 제 1 볼트 (160) 의 테이퍼 헤드를 수용하기 위한 테이퍼 (162) 를 갖는다. 볼트 (160) 는, 하부 링 (140) 을 통해 하부 링 (140) 의 상면으로부터 RF 전극 (150) 으로 연장한다. 바람직하게, 볼트 (160) 는, 일단에 테이퍼링된 헤드 (162) 를 가지며, 타단에 나사산 (screw thread) (164) 을 갖는다. RF 전극 (150) 은, 나사형 홀 (152) 에, 볼트 (160) 의 나사산 (164) 을 수용한다. 볼트 (160) 는, 스테인레스 스틸인 것이 바람직하지만, 제 1 볼트가 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 황동, 구리, 구리 합금 또는 다른 적합한 재료일 수 있음을 알 수 있다.
중간 링 (130) 의 제 2 복수의 홀 (144) 들을 통해, 하부 링 (140) 과 중간 링 (130) 의 볼트로의 고정이 수행되는 것이 바람직하다. 제 2 복수의 홀 (144) 은, 하부 링 (140) 의 외측부로 연장하는 것이 바람직하다. 일 실시형태에서, 중간 링 (130) 은, 도전성 와셔 (conductive washer; 180) 및 제 2 볼트 (170) 를 수용하기 위한 복수의 볼트 수용 홀 (133) 들을 갖는다. 볼트 (170) 는, 일단에 헤드 (172) 및 타단에 나사산 (174) 을 갖는다. 도전성 와셔 (180) 는, 볼트 (170) 의 헤드 (172) 및 볼트 (170) 그 자신을 수용하도록 구성된 카운터 싱크형 홀 (counter-sunk hole; 182) 을 포함한다. 도전성 와셔 (180) 는, 복수의 볼트 수용 홀 (133) 내에 의지되는 것이 바람직하다. 또한, 도전성 와셔 (180) 가 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 황동, 구리, 구리 합금, 스테인레스 스틸 또는 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있음을 알 수 있다.
제 2 볼트 (170) 의 헤드 (172) 는, 도전성 와셔 (180) 내에 위치되며, 중간 링 (130) 을 통해 하부 링 (140) 으로 연장된다. 또한, 제 2 볼트 (170) 가 스테인레스 스틸인 것이 바람직하지만, 볼트 (170) 가 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 황동, 구리, 구리 합금 또는 임의의 적합한 재료일 수 있음을 알 수 있다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 상부 에지 링 (120) 은, 에지 링 캡 (124) 을 수용하기 위한 복수의 홀 (122) 들을 갖는다. 에지 링 캡 (124) 은, 에지 링 어셈블리 (110) 의 압력을 벤팅하기 위한 벤트 홀 (vent hole; 126) 을 포함한다. 에지 링 캡 (124) 은, 볼트 (170) 의 최상부를 접촉시키지 않고도 홀 (122) 의 립 (lip) 상에 놓이는 것이 바람직하다. 에지 링 캡 (124) 은, 상부 에지 링 (120) 과 동일한 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 따라서, 에지 링 캡 (124) 은, 실리콘, 그래파이트, 실리콘 카바이드 및 임의의 다른 적합한 재료로 제조될 수 있다. 다른 방법으로, 에지 링 캡 (124) 은 석영으로 제조될 수 있다.
에지 링 어셈블리 (110) 가 플라즈마 반응기에서 기판을 둘러싸기 때문에, RF 전극 (150) 과 하부 링 (140) 의 볼트로의 고정은 에지 링 어셈블리 (110) 의 복수의 위치들에서 수행되는 것이 바람직하다. 일 실시형태에서, 에지 링 어셈블리 (110) 의 사이즈에 따라, 홀 (144, 152) 들의 개수는 약 6 개 내지 18 개이다. 예를 들어, 8 인치 (200 mm) 의 직경을 갖는 웨이퍼를 처리하는 플라즈마 처리 챔버는, 12 인치 (300 mm) 의 직경을 갖는 처리된 웨이퍼와 상이한 개수의 홀 (144, 152) 을 가질 수도 있다. 임의의 개수의 제 1 볼트 (160), 제 2 볼트 (170), 및 에지 링 캡 (124) 이 에지 링 어셈블리 (110) 를 RF 전극 (150) 에 고정시키도록 사용될 수 있음을 알 수 있다.
도 5 는, 도 3 및 도 4 에 도시된 실시형태에 대한 에지 링 어셈블리 (110) 의 효과를 도시한 그래프이다. 도 2 에 도시된 바와 동일한 프로세스 조건이 사용되었으며, 27 ㎒ 에서의 2000 와트 RF 전력, 2 ㎒z 에서의 2000 와트 RF 전력, 웨이퍼 위의 150 mTorr 챔버 압력, 400 sccm 아르곤 가스, 80 sccm C4F8 가스, 8 sccm O2 가스, 및 60 초 프로세스 시간과 같다.
도 5 에 도시된 바와 같이, 에지 링 어셈블리 (110) 는 웨이퍼 에지 근처의 에칭 레이트 드리프트를 크게 감소시킨다. 웨이퍼의 카세트의 프로세스 실행 동안, 웨이퍼 번호 1, 2, 5 및 17 은, 도 2 에 도시된 바와 같이 웨이퍼의 에지에서의 상당히 큰 에칭 레이트 드리프트를 발생시키는 도 1 에 도시된 표준의 핫 에지 링을 이용한 결과에 비해, 웨이퍼의 외측부에서의 에칭 레이트의 매우 작은 변화를 나타냈다.
도 6 은, 도 1 에 도시되는 바와 같은 표준의 석영 커플링 링을, 일 실시형태에 따르고 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같은 온도 제어 에지 링과 비교하여, 웨이퍼 번호에 대한 웨이퍼의 에지에서의 에칭 레이트를 그래프로 나타낸 것이다. 표준의 핫 에지 링이 웨이퍼 번호 1 내지 5 에 대해 에칭 레이트가 현저히 저하되고, 웨이퍼 6 내지 17 에 대해 에칭 레이트가 낮게 되었지만, 열 싱크 핫 에지 링은 웨이퍼의 전체 배치 (batch) 에 대해 실질적으로 매우 높은 에칭 레이트로 일정하게 되었다. 따라서, 열 싱크 핫 에지 링은, 표준의 핫 에지 링에 의해 도시된 에칭 레이트의 프로세스 드리프트를 제거하였다.
에지 링 어셈블리 (110) 가 새로운 진공 처리 챔버에 설치되거나 기존의 진공 처리 챔버들을 개장하여, 상부 에지 링 (120) 의 조절능력 (adjustability) 을 제공하기 위해 이용될 수 있음을 알 수 있다.
특정 시스템에서, 상부 에지 링 (120), 중간 링 (130), 및 하부 링 (140) 의 특정 형상이 척, 기판 등의 구성에 따라 변화할 수도 있음을 알 수 있다. 따라서, 도 3 및 도 4 의 척을 둘러싸는 링들의 정확한 형상은 오직 예시를 목적으로 도시되며, 임의의 방식으로 한정하고 있지 않다.
도 7 은, 일 실시형태에 따른 에지 링 어셈블리 (110) 를 포함하는 평행판 플라즈마 처리 장치 (200) 를 도시한다. 플라즈마 처리 장치 (200) 는 상부 전극 (220), 및 기판 (S) 을 클램핑하기 위한 정전 척 (240) 을 갖는 기판 지지대 (230) 에 포함된, 하부의 온도 제어된 RF 전극 (150) 을 갖는 처리 챔버 (210) 를 형성한다. RF 전극 (150) 은, 기판 (S) 을 처리하기 위해, 처리 챔버 (210) 의 내부의 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징한다. 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 상부 에지 링 (120), 세라믹 중간 링 (130) 및 도전성 하부 링 (140) 을 포함하는 에지 링 어셈블리 (110) 는 기판 지지대 (230) 를 둘러싼다. 에지 링 어셈블리 (110) 를 포함한 바람직한 플라즈마 반응 챔버는 반도체 플라즈마 에칭 장치이다.
동작시에, 플라즈마 처리 장치 (200) 에서 복수의 기판을 순차적으로 처리할 경우, 제 1 기판이 전극으로부터 제거된 이후 및 후속 기판이 그 전극 상에 배치되기 이전에, 에지 링 어셈블리 (110) 의 온도는 실질적으로 초기 온도로 냉각된다. 도 3, 도 4, 및 도 7 에 도시된 바와 같이, 상부 에지 링 (120), 세라믹 중간 링 (130) 및 도전성 하부 링 (140) 을 포함하는 에지 링 어셈블리 (110) 는, 상부 에지 링 (120) 과 RF 전극 (150) 사이에 개선된 열 경로를 제공한다. 따라서, 에지 링 어셈블리 (110) 를 초기 온도로 냉각시킴으로써, 에지 링 어셈블리 (110) 가 프로세스 드리프트를 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
본 발명이 본 발명의 바람직한 실시형태와 관련하여 설명되었지만, 특히, 설명되지 않은 추가, 삭제, 변경, 및 대체가 첨부된 청구항에 한정된 바와 같이 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어남 없이 행해질 수 있음을 당업자는 알 수 있다.

Claims (25)

  1. 플라즈마 반응 챔버에서 반도체 기판 지지대를 둘러싸도록 구성된 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리로서,
    전기적 도전성 재료로 제조된 하부 링;
    열 전도성을 갖는 유전체, 반도전성(semi-conductive) 재료로 된 중간 링으로서, 상기 중간 링은 상기 하부 링 위에 놓이며, 상기 하부 링을 통해 상기 기판 지지대에 포함된 온도 제어 RF 전극에 부착되도록 구성된, 상기 중간 링; 및
    상기 중간 링 위에 놓이며, 플라즈마 반응 챔버의 내부에 노출된 상면을 갖고, 기판이 상기 기판 지지대 상에 배치될 경우에 상기 기판 아래로 연장되는 부분을 갖는 상부 링을 포함하고, 상기 하부 링은 상기 RF 전극과 직접 접촉하는, 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간 링은 알루미늄 옥사이드로 제조되는, 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간 링은, 석영, 실리콘, 실리콘 카바이드, 알루미늄 옥사이드, 또는 알루미늄 나이트라이드로 제조되는, 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 링은, 알루미늄 또는 알루미늄의 합금으로 제조되는, 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 링은, 알루미늄, 알루미늄 합금, 황동 (brass), 구리, 구리 합금 또는 스테인레스 스틸로 제조되는, 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 링의 하면은, 열 전도성 엘라스토머 (elastomer) 를 통해 상기 중간 링의 상면에 본딩되는, 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 링은, 상기 하부 링을 상기 RF 전극에 볼트로 고정하도록 구성된 복수의 홀을 갖는, 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 링 및 상기 중간 링은, 상기 중간 링을 상기 하부 링에 볼트로 고정하도록 구성된 복수의 홀을 갖는, 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 링은, 실질적으로 L-형상 단면을 갖는, 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리.
  10. 제 7 항에 있어서,
    일단에 테이퍼링된 헤드 및 타단에 나사산 (screw thread) 을 가지며, 상기 하부 링을 상기 RF 전극에 볼트로 고정하도록 구성된 제 1 볼트를 더 포함하는, 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    일단에 헤드 및 타단에 나사산을 가지며, 상기 중간 링을 상기 하부 링에 볼트로 고정하도록 구성된 제 2 볼트를 더 포함하는, 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리.
  12. 제 1 항에 있어서,
    일단에 헤드 및 타단에 나사산을 갖는 볼트를 수용하도록 구성되며, 상기 상부 링과 상기 중간 링 사이에 위치되는 도전성 와셔를 더 포함하는, 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 상부 링 내에, 상기 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리 내로부터 압력을 방출 (release) 하도록 구성된 벤트 홀 (vent hole) 을 갖는 캡을 수용하는 복수의 홀들을 더 포함하는, 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 링은, 실리콘, 카본, 그래파이트, 또는 실리콘 카바이드로 제조되는, 온도 제어 핫 에지 링 어셈블리.
  15. 삭제
  16. 반도체 기판을 처리하도록 구성된 처리 챔버;
    상기 기판을 처리하기 위해 상기 처리 챔버의 내부의 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징하는 전원;
    상기 처리 챔버의 상기 내부에서 상기 기판을 지지하고, 온도 제어 RF 전극을 포함하는 기판 지지대;
    전기적 도전성 재료로 제조된 하부 링;
    유전체의 반도전성 (semi-conductive) 재료로 된 중간 링으로서, 상기 중간 링은 상기 하부 링 위에 놓이며, 상기 하부 링을 통해 상기 RF 전극에 부착되도록 구성되고, 상기 하부 링은 상기 RF 전극과 직접 접촉된, 상기 중간 링; 및
    상기 기판을 둘러싸도록 구성되고, 상기 중간 링 위에 놓이며, 상기 처리 챔버 내부에 노출된 상면을 갖고, 기판이 상기 기판 지지대 상에 배치될 경우에 상기 기판 아래로 연장되는 부분을 갖는 상부 링을 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 상부 링은, 열 전도성 엘라스토머에 의해 상기 중간 링에 본딩되는, 플라즈마 처리 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 하부 링은, 알루미늄 또는 알루미늄의 합금으로 제조되는, 플라즈마 처리 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 중간 링은 알루미늄 옥사이드로 제조되는, 플라즈마 처리 장치.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 상부 링은, 실리콘, 카본, 실리콘 카바이드 및 그래파이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로부터 제조되는, 플라즈마 처리 장치.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 처리 챔버는 반도체 플라즈마 에칭 장치인, 플라즈마 처리 장치.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 상부 링, 상기 중간 링, 상기 하부 링 및 상기 RF 전극을 둘러싸는 석영 외측 링을 더 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  23. 플라즈마 처리 시스템에서 복수의 기판들에 대한 프로세스 드리프트 (process drift) 를 감소시키는 방법으로서,
    제 16 항의 플라즈마 처리 장치에 기판을 위치시키는 단계;
    상기 챔버에 처리 가스를 공급하는 단계;
    상기 기판 지지대의 상면에 인접하게 플라즈마를 형성하는 단계; 및
    상기 플라즈마 처리 장치에서 복수의 기판들을 순차적으로 처리하는 단계로서, 제 1 기판이 상기 기판 지지대로부터 제거된 이후 및 후속 기판이 상기 기판 지지대 상에 배치되기 이전에, 상기 상부 링의 온도는 실질적으로 초기 온도로 냉각되어 프로세스 드리프트를 감소시키는, 상기 복수의 기판들을 순차적으로 처리하는 단계를 포함하는, 프로세스 드리프트의 감소 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 기판은 반도체 웨이퍼를 포함하며,
    상기 복수의 기판들을 순차적으로 처리하는 단계는 상기 반도체 웨이퍼를 상기 플라즈마로 에칭하는 단계를 포함하는, 프로세스 드리프트의 감소 방법.
  25. 제 16 항에 있어서,
    상기 하부 링은 알루미늄, 알루미늄 합금, 황동, 구리, 구리 합금 또는 스테인레스 스틸로 제조되고 상기 중간 링은 수정, 석영, 실리콘 카바이드, 알루미늄 옥사이드 또는 알루미늄 나이트라이드로 제조된, 플라즈마 처리 장치.
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