KR101345904B1 - 플라즈마 프로세싱 장치용 샤워헤드 전극 어셈블리 - Google Patents

플라즈마 프로세싱 장치용 샤워헤드 전극 어셈블리 Download PDF

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Abstract

플라즈마 프로세싱 장치의 샤워헤드 전극 어셈블리 (10) 는, 샤워헤드 전극 (20) 에 부착된 열 제어 플레이트 (58), 및 열 제어 플레이트 (58) 에 부착된 최상부 플레이트 (80) 를 포함한다. 하나 이상의 열 브리지 (61) 는, 최상부 플레이트와 열 제어 플레이트의 대향면들 사이에 제공되어, 최상부 플레이트 (80) 와 열 제어 플레이트 (58) 사이에 전기 및 열 전도를 허용한다. 열 브리지 (61) 와 최상부 플레이트 (80) 사이의 윤활 재료 (90) 는, 최상부 플레이트 (80) 와 열 제어 플레이트 (58) 사이의 차분 열 팽창으로 인해, 대향 금속면의 마모를 최소화시킨다. 열 제어 플레이트 (58) 에 의해 지지되는 가열기는, 원하는 온도로 샤워헤드 전극을 유지하기 위해 온도-제어되는 최상부 플레이트 (80) 와 협동한다.
Figure R1020067014646
반도체 기판 프로세싱 장치, 외측부

Description

플라즈마 프로세싱 장치용 샤워헤드 전극 어셈블리{SHOWERHEAD ELECTRODE ASSEMBLY FOR PLASMA PROCESSING APPARATUSES}
배경
에칭, 물리 기상 증착 (PVD), 화학 기상 증착 (CVD), 이온 주입, 및 레지스트 제거를 포함하는 기술에 의해 기판을 프로세싱하기 위하여, 플라즈마 프로세싱 장치가 이용된다. 플라즈마 프로세싱에서 이용되는 한가지 유형의 플라즈마 프로세싱 장치는, 상부 전극 및 하부 전극을 포함하는 반응 챔버를 구비한다. 반응 챔버에서 기판을 프로세싱하기 위해, 전계가 그 전극들 사이에 확립되어, 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 여기시킨다.
요약
반도체 기판 프로세싱 장치의 샤워헤드 전극 어셈블리, 및 반도체 기판 프로세싱 챔버에서 샤워헤드 전극을 지지하는 열 제어 플레이트가 제공된다.
반도체 기판 프로세싱 챔버에서 샤워헤드 전극을 지지하는 열 제어 플레이트의 바람직한 실시형태는, 온도-제어되는 최상부 플레이트에 착탈식으로 부착가능한 금속 외측부, 및 샤워헤드 전극 및 최상부 플레이트에 착탈식으로 부착가능한 금속 내측부를 포함한다. 열 제어 플레이트의 내측부는, 최상부 플레이트와 샤워헤드 전극 사이에 열 및 전기 경로 (thermal and electrical path) 를 제공한다.
플라즈마 프로세싱 장치용 샤워헤드 전극 어셈블리의 바람직한 실시형태는, 최상부 플레이트, 샤워헤드 전극, 및 열 제어 플레이트를 포함한다. 열 제어 플레이트의 중심부가 최상부 플레이트에 대해 이동가능하도록, 열 제어 플레이트가 샤워헤드 전극과 최상부 플레이트에 부착된다. 하나 이상의 열 브리지 (thermal bridge) 가 최상부 플레이트와 열 제어 플레이트의 중심부 사이에 제공된다. 열 브리지는, 샤워헤드 전극과 최상부 플레이트 사이에 열 및 전기 경로를 제공한다.
열 브리지는, 열 제어 플레이트와 최상부 플레이트의 대향 면들 사이에, 열 및 전기 전도를 제공할 뿐만 아니라 슬라이딩을 허용하기 위해, 윤활 재료 (lubricating material) 를 포함하는 것이 바람직하다.
또 다른 바람직한 실시형태는, 반도체 기판 프로세싱 챔버에서 반도체 기판을 프로세싱하는 방법을 제공하며, 그 방법은, (a) 반도체 기판 프로세싱 장치의 플라즈마 챔버에서, 하부 전극을 포함하는 기판 지지체에 기판을 배치시키는 단계; (b) 바람직한 실시형태에 따른 샤워헤드 전극 어셈블리를 사용하여, 플라즈마 챔버에 프로세스 가스를 공급하는 단계; (c) 샤워헤드 전극 어셈블리와 기판 사이의 플라즈마 챔버에서 프로세스 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 단계; (d) 그 플라즈마를 사용하여 기판을 프로세싱하는 단계; (e) 플라즈마의 발생을 종료시키는 단계; 및 (f) 플라즈마 챔버로부터 기판을 제거하는 단계를 포함한다. 샤워헤드 전극 어셈블리는 가열기 (heater) 를 포함하는 것이 바람직하다. 또 다른 바람직한 실시형태에서, 그 방법은, 원하는 온도로 샤워헤드 전극을 유지하기 위해, 상기 샤워헤드 전극에 열을 가하도록 (e) 단계 이후에, 가열기를 활성화시키는 단계, 및/또는 (a) 단계 내지 (f) 단계 동안에, 샤워헤드 전극에 열을 가하도록 상기 가열기를 활성화시키는 단계를 포함한다.
도면의 간단한 설명
도 1 은, 플라즈마 프로세싱 장치용 샤워헤드 전극 어셈블리 및 기판 지지체의 바람직한 실시형태의 일부를 도시한 도면이다.
도 2 는, 최상부 플레이트가 없는 샤워헤드 전극 어셈블리의 바람직한 실시형태의 최상부의 투시도이다.
도 3 은, 샤워헤드 전극 어셈블리의 가열기와 전원 사이의 일 예시적인 전기 접속을 도시한 도면이다.
상세한 설명
도 1 은, 반도체 기판, 예를 들어, 실리콘 웨이퍼가 프로세싱되는 플라즈마 프로세싱 장치용 샤워헤드 전극 어셈블리 (10) 의 바람직한 실시형태를 도시한 것이다. 샤워헤드 전극 어셈블리 (10; 도 1 에는, 절반만 도시됨) 는, 최상부 전극 (20) 과 그 최상부 전극 (20) 에 고정된 옵션의 백킹 부재 (backing member; 40) 를 포함하는 샤워헤드 전극, 열 제어 플레이트 (58), 및 최상부 플레이트 (80) 를 포함한다. 최상부 플레이트 (80) 는, 플라즈마 에칭 챔버와 같은 플라즈마 프로세싱 장치의 착탈식 (removable) 최상부 벽을 형성할 수 있다.
하부 전극과 옵션의 정전기 클램핑 전극을 포함하는 기판 지지체 (15; 도 1 에는, 일부만 도시됨) 는, 플라즈마 프로세싱 장치의 진공 프로세싱 챔버내의 최상부 전극 (20) 바로 밑에 위치된다. 플라즈마 프로세싱되는 기판 (16) 은, 기판 지지체 (15) 의 상부 지지면 (17) 에, 기계적으로 또는 정전기적으로 클램핑된다.
샤워헤드 전극의 최상부 전극 (20) 은, 내측 전극 부재 (22), 및 옵션의 외측 전극 부재 (24) 를 포함하는 것이 바람직하다. 내측 전극 부재 (22) 는 원통형 플레이트 (예를 들어, 단결정 실리콘) 인 것이 바람직하다. 내측 전극 부재 (22) 는, 프로세싱될 웨이퍼보다 작거나, 같거나, 큰 직경을 가질 수 있으며, 예를 들어, 플레이트가 단결정 실리콘으로 제조되는 경우에는, 현재 이용가능한 단결정 실리콘 재료의 최대 직경인 12 인치 (300mm) 까지의 직경을 가질 수 있다. 300 mm 웨이퍼를 프로세싱하기 위하여, 최상부 전극 (20) 의 직경을, 약 15 인치에서 약 17 인치까지 확장하기 위해 외측 전극 부재 (24) 가 제공된다. 외측 전극 부재 (24) 는, 연속 부재 (예를 들어, 링과 같은 폴리-실리콘 부재), 또는 세그먼트화된 부재 (예를 들어, 단결정 실리콘의 세그먼트와 같이 링 구성으로 배열된 2 개 내지 6 개의 별개의 세그먼트) 일 수 있다. 다중 세그먼트의 외측 전극 부재 (24) 를 포함하는 최상부 전극 (20) 의 실시형태에서, 이 세그먼트는, 서로 중첩하여 플라즈마에 대한 노출로부터 하위 접착제 (bonding material) 를 보호하는 에지를 갖는 것이 바람직하다. 내측 전극 부재 (22) 는, 최상부 전극 (20) 과 하부 전극 (15) 사이의 플라즈마 반응 챔버의 공간 (space) 으로 프로세스 가스를 주입하기 위해 다수의 가스 통로 (23) 를 포함하는 것이 바람직하다.
단결정 실리콘은, 내측 전극 부재 (22) 와 외측 전극 부재 (24) 의 플라즈마 노출면을 위한 바람직한 재료이다. 고-순도의 단결정 실리콘은, 바람직하지 않은 원소를 오직 극소량만 반응 챔버에 도입하기 때문에, 플라즈마 프로세싱 동안에 기판의 오염을 최소화시키고, 또한, 플라즈마 프로세싱 동안에 평활하게 마멸시켜, 파티클을 최소화시킨다. 최상부 전극 (20) 의 플라즈마-노출면에 이용될 수 있는 다른 재료는, 예를 들어, SiC, SiN, AlN, 및 Al2O3 을 포함한다.
바람직한 실시형태에서, 샤워헤드 전극 어셈블리 (10) 는, 300mm 의 직경을 갖는 반도체 웨이퍼와 같은 대형 기판을 프로세싱하기에 충분히 크다. 300mm 웨이퍼에 있어서, 최상부 전극 (20) 의 직경은 300mm 이상이다. 그러나, 샤워헤드 전극 어셈블리는, 다른 웨이퍼 사이즈 또는 비-원형의 구성을 갖는 기판을 프로세싱하기 위해 사이징될 수 있다.
백킹 부재 (40) 는, 백킹 플레이트 (42) 와 백킹 링 (44) 을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 실시형태에서, 내측 전극 부재 (22) 는 백킹 플레이트 (42) 와 동연 (同延) 이고, 외측 전극 부재 (24) 는 둘러싼 백킹 링 (44) 과 동연이다. 그러나, 백킹 플레이트 (42) 는, 단일의 백킹 플레이트가 내측 전극 부재와 세그먼트화된 외측 전극 부재를 지지하는데 이용될 수 있도록 내측 전극 부재를 넘어 연장될 수 있다. 바람직하게, 내측 전극 부재 (22) 와 외측 전극 부재 (24) 는, 엘라스토머 접착제와 같은 접착제에 의해, 백킹 부재 (40) 에 부착된다. 백킹 플레이트 (42) 는, 플라즈마 프로세싱 챔버로 가스 흐름을 제공하기 위해, 내측 전극 부재 (22) 의 가스 통로 (23) 와 정렬된 가스 통로 (43) 를 포함한다. 통상, 가스 통로 (43) 는, 약 0.04 인치의 직경을 가질 수 있으며, 통상, 가스 통로 (23) 는, 약 0.025 인치의 직경을 가질 수 있다.
백킹 플레이트 (42) 와 백킹 링 (44) 은, 플라즈마 프로세싱 챔버에서 반도체 기판의 프로세싱용으로 이용되는 프로세스 가스와 화학적으로 융화성이며, 전극 재료의 열 팽창 계수와 밀접하게 매칭하는 열 팽창 계수를 가지며/가지거나, 전기적으로 및 열적으로 도전성이 있는 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 백킹 부재 (40) 를 제조하는데 이용될 수 있는 바람직한 재료는, 그래파이트 및 SiC 를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
최상부 전극 (20) 은, 열 응력을 수용 (accommodate) 하고 최상부 전극 (20) 과 백킹 플레이트 (42) 와 백킹 링 (44) 사이에 열 및 전기 에너지를 전달하는 열적 및 전기적 전도성 엘라스토머 접착제를 사용하여, 백킹 플레이트 (42) 와 백킹 링 (44) 에 부착될 수 있다. 전극 어셈블리의 표면과 함께 접착하기 위한 엘라스토머의 이용은, 예를 들어, 여기에 완전히 참조로서 포함되며 공동으로 소유된 미국 특허 제 6,073,577 호에서 설명된다.
바람직하게, 백킹 플레이트 (42) 와 백킹 링 (44) 은, 나사형 볼트, 스크류 등일 수 있는 적절한 패스너 (fastener) 를 사용하여, 열 제어 플레이트 (58) 에 부착된다. 예를 들어, 볼트 (미도시됨) 는, 열 제어 플레이트 (58) 의 홀 (hole) 에 삽입되어, 백킹 부재 (40) 의 나사형 개구로 스크류될 수 있다.
도 1 및 도 2 를 참조하면, 열 제어 플레이트 (58) 는, 상면 (60) 을 갖는 콘투어드 플레이트 (contoured plate; 59) 를 포함하는 금속성 내측부, 및 그 상면에, 제 1 열 전달면 (62) 을 갖는 제 1 돌출부 (61) 와 제 2 열 전달면 (64) 을 갖는 제 2 돌출부 (63) 를 포함한다. 다른 바람직한 실시형태에서, 열 제어 플레이트 (58) 는, 2 개보다 많은 돌출부, 예를 들어, 3 개 이상의 돌출부를 포함할 수 있다. 열 제어 플레이트 (58) 는, 최상부 플레이트의 오버사이징된 개구 (미도시됨) 를 통해, 제 1 돌출부 (61) 의 제 1 열 전달면 (62) 과 제 2 돌출부 (63) 의 제 2 열 전달면 (64) 의 나사형 개구 (65) 로 연장되는 패스너를 사용하여 최상부 플레이트 (80) 에 부착된다 (도 2). 또한, 열 제어 플레이트 (58) 는, 백킹 플레이트 (42) 에 열 제어 플레이트 (58) 를 착탈식으로 부착하기 위해 패스너를 수용하는 나사형 개구 (117) 를 포함한다. 최상부 플레이트 (80) 의 오버사이징된 개구는, 최상부 플레이트에 대한 열 제어 플레이트의 열 팽창에 있어서 미스매치를 수용하기 위해 열 제어 플레이트 (58) 가 최상부 플레이트에 대하여 슬라이딩할 수 있도록, 패스너 둘레에 클리어런스 (clearance) 를 제공한다.
또한, 열 제어 플레이트 (58) 는, 내측부를 외측부에 접속시키고, 최상부 플레이트 (80) 의 대향면에 대해 홀드된 상면 (70) 을 갖는 플랜지 (68) 를 포함하는 플렉서부 (flexure portion; 66) 를 포함한다. 제 1 열 전달면 (62) 과 제 2 열 전달면 (64) 은, 환형 (annular) 의 구성을 갖는 것이 바람직하다. 제 1 돌출부 (61) 와 제 2 돌출부 (63) 는, 약 0.25 인치 내지 약 0.75 인치의 높이, 및 약 0.75 인치 내지 약 1.25 인치의 폭을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 제 1 돌출부 (61) 및/또는 제 2 돌출부 (63) 는, 비-환형의 구성, 예를 들어, 아치형 세그먼트, 다면체, 원형, 타원형 또는 다른 구성을 가질 수 있다.
열 제어 플레이트 (58) 는, 알루미늄, 알루미늄 합금 등과 같은 금속성 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 열 제어 플레이트 (58) 는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속성 재료의 기계가공된 피스 (machined piece) 인 것이 바람직하다. 최상부 플레이트 (80) 는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되는 것이 바람직하다. 최상부 플레이트 (80) 는, 온도-제어되는 유체, 바람직하게는, 액체가 원하는 온도로 최상부 플레이트를 유지하기 위해 순환될 수 있는 하나 이상의 흐름 통로 (88) 를 포함하는 것이 바람직하다.
프로세싱 챔버에서 반도체 기판을 프로세싱하는 동안에, 제 1 열 전달면 (62), 제 2 열 전달면 (64) 으로부터 상면 (70) 을 통한 열 전도에 의해, 내측 전극 부재 (22) 와 외측 전극 부재 (24) 와 백킹 플레이트 (42) 와 백킹 링 (44) 으로부터 최상부 플레이트 (80) 의 하면 (82) 까지 열이 전달된다. 즉, 제 1 돌출부 (61) 와 제 2 돌출부 (63) 는, 또한, 최상부 플레이트 (80) 에 대해 내측 전극 부재 (22), 외측 전극 부재 (24), 백킹 플레이트 (42) 와, 백킹 링 (44) 사이의 열 브리지를 제공한다. 열 제어 플레이트 (58) 에 걸쳐 이격된 위치에서의 이런 향상된 열 전달은, 최상부 전극 (20) 에 걸쳐 방사상으로 실질적으로 균일한 온도 분배를 달성할 수 있다.
샤워헤드 전극 어셈블리 (10) 의 동작 동안에, 열 제어 플레이트 (58) 와 최상부 플레이트 (80) 는 가열되어 열적으로 팽창한다. 그 결과, 최상부 플레이트 (80) 와 열 제어 플레이트 (58) 는 서로에 대하여 슬라이딩할 수 있다. 이 슬라이딩은, 서로 접촉하는 최상부 플레이트 (80) 및/또는 열 제어 플레이트 (58) 의 표면들 (예를 들어, 열 제어 플레이트 (58) 의 중심부의 하나 이상의 표면들) 을 마모시킬 수 있고, 알루미늄 입자와 같은 입자가 접촉면으로부터 제거되게 할 수 있다. 흩어진 (loose) 입자들은, 반응 챔버에서의 기판을 오염시켜, 그에 따라 프로세스 수율을 감소시킬 수도 있다.
최상부 플레이트 (80) 및/또는 열 제어 플레이트 (58) 의 대향면의 마모가,그 대향면들 사이에 윤활성을 갖는 재료를 배치함으로써 최소화될 수 있다고 결정되었다. 바람직한 실시형태에서, 윤활 재료 (90) 의 하나 이상의 층은, 열 제어 플레이트 (58) 의 제 1 열 전달면 (62) 및 제 2 열 전달면 (64) 과 최상부 플레이트 (80) 의 하면 (82) 사이에 배치된다.
윤활 재료 (90) 는, 충분한 열 및 전기 전도성을 가져, 제 1 열 전달면 (62) 및 제 2 열 전달면 (64) 으로부터 최상부 플레이트 (80) 까지 충분한 열 전달 및 전기 전도를 제공한다. 이런 특성들을 제공하는 바람직한 재료에는, 오하이오주, 클리블랜드의 UCAR Carbon Co., Inc. 로부터 상업적으로 입수가능한 "GRAFOIL" 과 같은 탄성 변형가능한 그래파이트 재료가 있다. 윤활 재료 (90) 는, 약 0.010 인치 내지 약 0.030 인치의 바람직한 두께를 갖는, 더 바람직하게는, 약 0.015 인치의 두께를 갖는 개스킷 (gasket) 인 것이 바람직하다. 그 윤활 재료 (90) 는 링 형상 개스킷인 것이 바람직하며, 각각의 개스킷은 제 1 열 전달면 (62) 과 제 2 열 전달면 (64) 각각에 형성된 개개의 환형의 리세스 (recess) 에 유지된다.
윤활 재료 (90) 는, 반응 챔버에서의 플라즈마 노출로부터 보호되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시형태에서, 그 윤활 재료 (90) 는, 진공 실 (seal) 들, 예를 들어, 열 제어 플레이트 (58) 의 제 1 열 전달면 (62) 과 제 2 열 전달면 (64) 의 이격된 환형의 홈 (groove; 105) 에 유지된 한쌍의 옵션의 오-링 (O-ring; 104) 사이에 배치된다. 오-링 (104) 은, 윤활 재료 (90) 를, 플라즈마 챔버의 진공 환경으로부터 고립시켜, 윤활 재료를 플라즈마 노출로부터 보호한다. 제 1 열 전달면 (62) 또는 제 2 열 전달면 (64) 을 따라서 금속-대-금속 슬라이딩 접촉이 없도록, 제 1 열 전달면 (62) 과 제 2 열 전달면 (64) 이 그 윤활 재료 (90) 에 의해 충분한 거리만큼, 최상부 플레이트 (80) 의 하면 (82) 으로부터 이격된다.
열 제어 플레이트 (58) 는, 최상부 전극 (20) 의 온도를 제어하기 위해, 온도-제어되는 최상부 플레이트 (80) 와 협동하여 동작가능한 하나 이상의 가열기를 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 바람직한 실시형태에서, 가열기는, 열 제어 플레이트 (58) 의 상면에 제공되며, 제 1 돌출부 (61) 에 의해 둘러싸인 제 1 가열기 구역 (heater zone; 72), 제 1 돌출부 (61) 와 제 2 돌출부 (63) 사이의 제 2 가열기 구역 (74), 및 제 2 돌출부 (63) 와 플렉서부 (66) 사이의 제 3 가열기 구역 (76) 을 포함한다. 가열기 구역의 개수는 변할 수 있으며, 예를 들어, 다른 실시형태에서는, 가열기가 단일의 가열기 구역, 2 개의 가열기 구역, 또는 3 개보다 많은 가열기 구역을 포함할 수 있다. 또 다른 방법으로는, 가열기가 열 제어 플레이트 (58) 의 저면에 제공될 수 있다.
바람직하게, 가열기는, 가열기에 의해 도달된 동작 온도를 견딜 수 있는 폴리머 재료의 대향층들 사이에 배치된 저항성 가열 재료 (resistively heated material) 를 포함하는 라미네이트 (laminate) 를 포함한다. 사용될 수 있는 예시적인 폴리머 재료에는, E.I. du Pont de Nemours and Company 로부터 상업적으로 입수가능한 상표 Kapton? 하에 판매되는 폴리이미드가 있다. 또 다른 방법으로, 가열기는, 열 제어 플레이트에 임베딩된 저항성 가열기 (예를 들어, 캐스트 열 제어 플레이트의 가열 엘리먼트 또는, 열 제어 플레이트에 형성된 채널에 위치된 가열 엘리먼트) 일 수 있다. 가열기의 또 다른 실시형태는, 열 제어 플레이트의 상면 및/또는 하면에 실장된 저항성 가열 엘리먼트를 포함한다. 열 제어 플레이트의 가열은, 전도 및/또는 방사에 의해 달성될 수 있다.
가열기 재료는, 제 1 가열기 구역 (72), 제 2 가열기 구역 (74) 및 제 3 가열기 구역 (76) 의 열적으로 균일한 가열을 제공하는 임의의 적절한 패턴을 가질 수 있다. 예를 들어, 라미네이트 가열기는, 지그-재그, S-곡선, 또는 동심원 패턴과 같은 규칙적이거나 비-규칙적인 패턴의 저항성 가열 라인을 가질 수 있다. 열 제어 플레이트 (58) 를 가열기로 가열함으로써, 온도-제어되는 최상부 플레이트 (80) 의 동작과 협동하여, 샤워헤드 전극 어셈블리 (10) 의 동작 동안에, 원하는 온도 분배가 최상부 전극 (20) 에 걸쳐 제공될 수 있다.
제 1 가열기 구역 (72), 제 2 가열기 구역 (74), 및 제 3 가열기 구역 (76) 에 위치된 가열기 섹션은, 임의의 적절한 기술, 예를 들어, 패스너, 점착제, 열과 압력의 적용 등에 의해 열 제어 플레이트 (58) 에 고정될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 제 1 가열기 구역 (72), 제 2 가열기 구역 (74), 및 제 3 가열기 구역 (76) 은, 전기 커넥터 (77) 를 통해 직렬로 전기적으로 상호접속된다. 바람직한 실시형태에서, 가열기는, 제 1 위상에서 AC 전류를 수용하도록 구성된 제 1 저항성 가열 전도체, 제 2 위상에서 AC 전류를 수용하도록 구성된 제 2 저항성 가열 전도체, 및 제 3 위상에서 AC 전류를 수용하도록 구성된 제 3 저항성 가열 전도체를 포함하는 3 개의 회로를 포함하며, 여기서 제 1 위상, 제 2 위상 및 제 3 위상은 서로 120°만큼 위상이 다르다 (out of phase).
도 3 에 도시된 바와 같이, 가열기는, 단일의 전원 (110) 으로부터 전력을 수용할 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 전원 (110) 은, 열 제어 플레이트 (58) 의 플랜지 (68) 의 개구 (93) 에 수용된 포스트 (post; 95) 와 같은, 3 개의 원주상으로 이격된 포스트에 전기적으로 접속된다. 포스트 (95) 는, 플랜지 (68) 를 통해 부트 (boot; 79) 로 연장되고, 제 3 가열기 구역 (76) 에 위치된 3-위상 가열기의 개개의 위상을 전기적으로 접촉시키는 전기 전도체 (97) 에 각각 접속된다. 제 3 가열기 구역 (76) 의 3-위상은, 커넥션 (77) 을 통해 제 2 가열기의 대응하는 3-위상에 전기적으로 접속되며, 제 2 가열기의 3-위상은, 커넥션 (77) 에 의해 제 1 가열기의 3-위상에 전기적으로 접속된다.
열 제어 플레이트 (58) 는, 제 1 가열기 구역 (72) 보다 위의 플리넘 (plenum) 으로부터 제 2 가열기 구역 (74) 보다 위의 플리넘까지 그리고 제 2 가열기 구역 (74) 보다 위의 플리넘으로부터 제 3 가열기 구역 (76) 보다 위의 플리넘까지 측방향으로 프로세스 가스 흐름을 허용하기 위해 측방향 가스 통로 (75) 를 포함하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시형태에서, 복수의 가스 통로 (75) 는, 제 1 돌출부 (61) 와 제 2 돌출부 (63) 를 통해 연장된다. 가스 통로 (75) 는, 전기 커넥터 (77) 로 하여금 가스 통로 (75) 를 통해 연장되게 하여, 제 1 가열기 구역 (72), 제 2 가열기 구역 (74), 및 제 3 가열기 구역 (76) 을 전기적으로 접속시키도록 사이징된다. 바람직하게는, 가스 통로 (75) 는, 열 제어 플레이트와 백킹 부재 (40) 사이의 플리넘과 연통하는 개구 (78) 를 통과하는 가스의 실질적으로 균일한 압력 분배를 제공하기 위하여, 열 제어 플레이트 (58) 의 상면에 걸쳐 프로세스 가스가 분배되도록 하기에 충분히 크다.
최상부 전극 (20) 은, 전기적으로 접지될 수 있고, 또는 다른 방법으로는, 바람직하게는 무선-주파수 (RF) 전류원에 의해 전력공급될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 최상부 전극 (20) 이 접지되고, 플라즈마 프로세싱 챔버에서 플라즈마를 발생시키기 위해 하나 이상의 주파수에서의 전력이 하부 전극에 인가된다. 예를 들어, 2 개의 독립적으로 제어되는 무선 주파수 전력원에 의해 2 MHz 및 27 MHz 의 주파수로 하부 전극이 전력공급될 수 있다. 기판이 프로세싱된 이후 (예를 들어, 반도체 기판이 플라즈마 에칭된 이후) 에, 하부 전극으로의 전력 공급이 차단되어, 플라즈마 발생을 종료시킨다. 프로세싱된 기판이 플라즈마 프로세싱 챔버로부터 제거되고, 다른 기판이 플라즈마 프로세싱을 위해 기판 지지체 (15) 에 배치된다. 바람직한 실시형태에서, 하부 전극으로의 전력이 차단될 때, 열 제어 플레이트 (58) 와 최상부 전극 (20) 을 차례로 가열하도록 가열기가 활성화된다. 그 결과, 바람직하게, 최상부 전극 (20) 온도는, 원하는 최소 온도 미만으로 감소하지 못하게 된다. 바람직하게, 최상부 전극 (20) 온도가 연속적인 기판 프로세싱 실행들 사이에 대략 일정한 온도로 유지되어서, 기판이 보다 균일하게 프로세싱됨으로써, 프로세스 수율을 향상시킨다. 바람직하게, 전원 (110) 은, 최상부 전극 (20) 의 원하는 온도와 실제 온도에 기초하여, 원하는 레벨 및 레이트로 가열기에 전력을 공급하도록 제어가능하다.
샤워헤드 전극 어셈블리 (10) 는, 열전대 (thermocouple) 와 같은 하나 이상의 온도 센서를 포함하여, 최상부 전극 (20) 온도를 모니터링할 수 있다. 바람직하게, 온도 센서는, 전원 (110) 으로부터 가열기로의 전력 공급을 제어하는 제어기에 의해 모니터링된다. 최상부 전극 (20) 온도가 소정의 온도 미만임을 온도 센서에 의해 제공된 데이터가 나타낼 때, 소정의 온도 이상으로 최상부 전극 (20) 을 유지하기 위하여 가열기에 전력을 공급하도록 제어기에 의해 전원 (110) 이 활성화될 수 있다.
또한, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안에, 즉, 샤워헤드 전극 어셈블리 (10) 와 하부 전극 사이에서 플라즈마가 발생될 때에 가열기가 활성화될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마를 발생시키기 위해 비교적 낮은 레벨의 인가된 전력을 이용하는 플라즈마 프로세싱 동작 동안에, 최상부 전극 (20) 의 온도를 원하는 온도 범위내로 유지하도록 가열기가 활성화될 수 있다. 유전체 재료 에칭 프로세스와 같이, 비교적 높은 전력 레벨을 이용하는 다른 플라즈마 프로세싱 동작 동안에, 통상, 최상부 전극 (20) 온도가 연속적인 실행들 사이에서 충분히 높게 유지되어서, 최상부 전극이 최소 온도 미만으로 떨어지지 못하도록, 가열기가 활성화될 필요가 없다.
도 3 에 도시된 실시형태에서, 열 제어 플레이트 (58) 의 플렉서부 (66) 는, 플랜지 (68) 로 연장되는 원통형 벽을 포함한다. 플랜지 (68) 는, 최상부 플레이트 (80) 와 플랜지 (68) 각각의 정렬된 개구 (84, 86) 로 삽입되는 패스너 (예를 들어, 나사형 볼트, 스크류 등) 에 의한 것과 같이 최상부 플레이트 (80) 에 부착된다 (도 1). 플랜지 (68) 는 환형의 구성을 갖는 것이 바람직하다. 플렉서부 (66) 는, 최상부 플레이트 (80) 에 대한 열 제어 플레이트 (58) 의 열 팽창 및 수축을 수용할 수 있는 구성을 갖는다. 즉, 플렉서부 (66) 는, 최상부 플레이트 (80) 와 열 제어 플레이트 (58) 의 중심부들 사이의 측방향 및 축 이동을 수용하고, 열 제어 플레이트 (58) 에 대한 관련 손상을 방지하기 위해 최적화된 길이 대 두께 비율을 갖는 것이 바람직하다. 측방향 슬라이딩 이동 동안에, 윤활 재료 (90) 는, 열 제어 플레이트 (58) 의 열 전달면 (62 및 64) 과 최상부 플레이트 (80) 의 하면 (82) 의 마모를 방지한다. 플렉서부 (66) 를 제공함으로써, 플랜지 (68) 의 상면 (70) 과 최상부 플레이트 (80) 의 하면 (82) 사이에서 윤활 재료가 생략될 수 있다.
최상부 플레이트 (80) 의 개구 (84) 를 통해 플랜지 (68) 에 형성된 개구 (86) 로 연장되는 적절한 패스너를 사용하여, 열 제어 플레이트 (58) 가 최상부 플레이트 (80) 에 착탈식으로 부착된다. 일 실시형태에서, 샤워헤드 전극 어셈블리 (10) 는, 최상부 플레이트 (80) 의 최상 측 (122) 에 부착된 커버 플레이트 (120) 를 포함한다. 커버 플레이트 (120) 가 최상부 플레이트 (80) 의 개구의 최상단을 실링하여서, 이들 개구의 패스너는 프로세싱 장치에서 진공 압력으로 존재한다. 그러나, 개구 (86) 둘레에 진공 실을 제공함으로써 커버 플레이트가 생략될 수 있다 (예를 들어, 오-링 (104) 이 개구 (86) 를 포함하는 섹션 둘레에 제공될 수 있다). 도 2 에서, 3 개의 오-링은 6 개의 이격된 개구 (84) 를 각각 포함하는 3 개의 진공 실링 섹션을 제공한다.
제 1 돌출부 (61) 와 제 2 돌출부 (63) 각각이 오-링 (104) 을 포함하여, 열 제어 플레이트 (58) 와 최상부 플레이트 (80) 사이에 진공 실링 영역을 제공하는 열 제어 플레이트 (58) 의 실시형태에서, 열 제어 플레이트 (58) 에 최상부 플레이트 (80) 를 부착시키는 패스너는, 볼트의 최상부가 실링되지 않는 경우에, 프로세싱 장치에서 대기 압력에 노출될 수 있다.
복수의 원주상으로 이격된 정렬 핀 (106) 은, 열 제어 플레이트 (58) 의 플랜지 (68) 에 옵션으로 제공된다. 최상부 플레이트 (80) 의 정렬 개구 (미도시됨) 에 끼워맞춰져, 최상부 플레이트 (80) 에 대해 열 제어 플레이트 (58) 를 원주상으로 및 방사상으로 정렬시키도록 정렬 핀 (106) 이 사이징된다.
최상부 플레이트 (80) 는, 최상부 플레이트 (80) 와 열 제어 플레이트 (58) 사이의 하나 이상의 개방 공간 (플리넘) 으로 프로세스 가스를 도입하기 위한 하나 이상의 가스 흐름 통로를 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 프로세스 가스는, 제 1 가열기보다 위의 제어 플리넘으로만 공급될 수 있으며, 통로 (75) 를 통해 다른 플리넘으로 분배될 수 있다. 프로세스 가스는, 통로 (78) 를 통해, 상부 플리넘으로부터 하부 플리넘으로 흐르게 된 후, 백킹 플레이트 (42) 의 가스 통로 (43) 및 내부 전극 부재 (22) 의 가스 통로 (23) 를 통해 흐르게 된다. 가스 통로 (78) 는, 열 제어 플레이트 (58) 를 통해, 원하는 압력 강하를 제공하도록 사이징된다. 가스 통로 (78) 는, 통상, 약 0.3 인치의 직경을 가질 수 있다. 바람직하게, 가스 통로 (78) 의 개수 및 배열은, 플라즈마 챔버로의 균일한 가스 분배 압력을 제공하기 위해, 최상부 전극 (20) 에 걸쳐 최상부 전극 (20) 위에서 균일한 가스를 달성하도록 선택된다. 샤워헤드 전극 어셈블리 (10) 는, 상부 및/또는 하부 플리넘에 배플 (baffle) 을 옵션으로 포함하여, 가스 흐름의 균일도를 제어할 수 있다.
최상부 플레이트 (80) 의 온도는, 흐름 통로(들) (88) 을 통해 열 전달 유체 (액체 또는 가스) 를 흐르게 함으로써 제어되는 것이 바람직하다. 최상부 플레이트 (80) 는, 샤워헤드 전극 어셈블리 (10) 에, 열 싱크뿐만 아니라 전기 접지를 제공하는 것이 바람직하다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 샤워헤드 전극 어셈블리 (10) 의 외부에 제공될 수 있는 플라즈마 한정 (confinement) 어셈블리의 제어 로드의 통로에 대해 열 제어 플레이트 (58) 의 플랜지 (68) 에 개구 (114) 가 제공된다. 수직으로-조정가능한 플라즈마 한정 링 어셈블리를 포함하는 적절한 플라즈마 한정 어셈블리는, 여기에 완전히 참조로서 포함되며 공동으로-소유된 미국 특허 제 5,534,751 호에서 설명된다.
본 발명이 본 발명의 특정 실시형태를 참조하여 상세히 설명되었지만, 당업 자는, 첨부된 청구항의 범위로부터 벗어남 없이, 다양한 변경 및 변형이 행해질 수 있고, 균등물이 사용될 수 있음을 알 수 있다.

Claims (32)

  1. 반도체 기판 프로세싱 챔버에서 샤워헤드 전극을 지지하기 위한 열 제어 플레이트로서,
    온도-제어되는 최상부 플레이트에 착탈식으로 부착가능하도록 구성된, 환형의 플랜지를 포함하는 금속 외측부;
    상기 샤워헤드 전극과 상기 최상부 플레이트에 착탈식으로 부착가능하도록 구성되며, 상기 최상부 플레이트와 상기 샤워헤드 전극 사이에 열 및 전기 경로를 제공하는, 콘투어드 플레이트 (contoured plate) 를 포함하는 금속 내측부; 및
    상기 환형의 플랜지로부터 상기 내측부로 연장되는 원통형 벽을 포함하여 상기 외측부를 상기 내측부로 접속시키는 금속 플렉서부 (flexure portion) 로서, 상기 플렉서부는 상기 최상부 플레이트 및 상기 열 제어 플레이트 사이의 열 팽창의 차이를 수용하고 열 및 전기 전도를 제공하도록 구성되어 있는, 상기 금속 플렉서부를 포함하는, 열 제어 플레이트.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 콘투어드 플레이트는, 상면 및 상기 상면 상에 환형의 제 1 돌출부를 포함하며,
    상기 제 1 돌출부는, 상기 최상부 플레이트에 열을 전달하도록 구성된 제 1 열 전달면, 및 상기 최상부 플레이트와 상기 제 1 열 전달면 사이에 오-링을 각각 수용하도록 구성된 이격된 환형의 홈들을 포함하는, 열 제어 플레이트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 콘투어드 플레이트는, 상기 상면상에, 상기 제 1 돌출부로부터 방사상으로 이격된 환형의 제 2 돌출부를 포함하며,
    상기 제 2 돌출부는, 상기 최상부 플레이트에 열을 전달하도록 구성된 제 2 열 전달면, 및 상기 최상부 플레이트와 상기 제 2 열 전달면 사이에 오-링을 각각 수용하도록 구성된 이격된 환형의 홈들을 포함하는, 열 제어 플레이트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 내측부는, 상기 최상부 플레이트와 상기 샤워헤드 전극 사이에 열 및 전기 경로를 제공하는 하나 이상의 열 브리지를 포함하는, 열 제어 플레이트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 외측부는, 상기 최상부 플레이트의 정렬 개구에 끼워 맞춰지도록 구성되어 상기 열 제어 플레이트와 상기 최상부 플레이트 사이에 원주상 및 방사상 정렬을 제공하는 정렬 핀, 상기 최상부 플레이트의 저부 측을 통해 연장되는 볼트를 수용하도록 구성된 나사형 개구, 및 상기 최상부 플레이트와 상기 열 제어 플레이트 사이에 오-링을 각각 수용하도록 구성된 홈들을 포함하는, 열 제어 플레이트.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 전극에 열을 공급하도록 동작가능한 하나 이상의 가열기를 더 포함하는, 열 제어 플레이트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가열기는, 상기 콘투어드 플레이트의 중심 구역의 내측 가열기 섹션 및 상기 콘투어드 플레이트의 상기 중심 구역으로부터의 외측의 하나 이상의 외측 가열기 섹션을 포함하며,
    상기 내측 가열기 섹션과 상기 외측 가열기 섹션은 하나 이상의 전기 커넥터에 의해 상호 접속되는, 열 제어 플레이트.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 가열기는, 유전체 층들 사이에 저항성 가열 재료를 포함한 라미네이트를 포함하는, 열 제어 플레이트.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 가열기는 3-위상 가열기를 포함하는, 열 제어 플레이트.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 가열기는, 제 1 위상에서 AC 전류를 수용하도록 구성된 제 1 저항성 가열 전도체, 제 2 위상에서 AC 전류를 수용하도록 구성된 제 2 저항성 가열 전도체, 및 제 3 위상에서 AC 전류를 수용하도록 구성된 제 3 저항성 가열 전도체를 포함하는 3 개의 회로를 포함하며,
    상기 제 1 위상, 상기 제 2 위상, 및 상기 제 3 위상은, 서로 120°만큼 위상이 다른, 열 제어 플레이트.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 내측부의 대향측들 사이에서 연장되는 가스 통로를 더 포함하는, 열 제어 플레이트.
  13. 반도체 기판 프로세싱 장치의 샤워헤드 전극 어셈블리로서,
    최상부 플레이트;
    샤워헤드 전극;
    제 1 항에 기재된 상기 열 제어 플레이트의 중심부가 상기 최상부 플레이트에 대하여 이동가능하도록, 상기 샤워헤드 전극과 상기 최상부 플레이트에 부착되는 상기 열 제어 플레이트; 및
    상기 샤워헤드 전극과 상기 최상부 플레이트 사이에 열 및 전기 경로를 제공하며, 상기 열 제어 플레이트의 중심부와 상기 최상부 플레이트 사이의 하나 이상의 열 브리지를 포함하는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  14. 제 13 항에 있어서,
    2 개 이상의 측방향으로 이격된 열 브리지를 포함하는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 열 브리지 각각은, 상기 열 제어 플레이트와 상기 최상부 플레이트 사이에 열 및 전기 전도성을 제공하는 윤활 재료의 층을 포함하며,
    상기 윤활 재료는, 하나 이상의 오-링을 포함하는 진공 실 (seal) 내에 위치되는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 윤활 재료의 층 각각은, 환형의 구성을 가지며 0.75 인치에서 1.25 인치까지의 폭을 갖는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 열 제어 플레이트를 가열하도록 구성된 가열기를 더 포함하는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 가열기는 3-위상 가열기인, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 가열기는, 유전체 재료의 대향 층들 사이에 저항성 가열 재료를 포함한 라미네이트를 포함하는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 최상부 플레이트는, 상기 최상부 플레이트의 온도를 제어하기 위해 열 전달 유체가 흐르게 되는 하나 이상의 흐름 통로를 포함하는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  21. 삭제
  22. 제 13 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 전극은, 엘라스토머 접착제에 의해 실리콘 플레이트의 상면에 접착되는 백킹 플레이트를 포함하는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 백킹 플레이트는 그래파이트 백킹 플레이트인, 샤워헤드 전극 어셈블 리.
  24. 제 13 항에 있어서,
    상기 열 제어 플레이트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 기계가공된 피스인, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  25. 제 13 항에 있어서,
    상기 최상부 플레이트는, 상기 최상부 플레이트의 개구를 통해 연장되는 패스너를 사용하여 상기 열 제어 플레이트에 부착되며,
    상기 샤워헤드 전극 어셈블리는, 상기 패스너가 상기 반도체 기판 프로세싱 장치에서 진공 압력에 노출되도록, 상기 개구를 실링하고 상기 최상부 플레이트의 최상 측에 부착된 커버 플레이트를 포함하는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  26. 제 13 항에 있어서,
    상기 최상부 플레이트는, 상기 최상부 플레이트의 오버사이징된 (oversized) 개구를 통해 연장되고 상기 하나 이상의 열 브리지의 나사형 개구로 스크류되는 패스너를 사용하여 상기 열 제어 플레이트에 부착되며,
    상기 하나 이상의 열 브리지 각각은, 상기 패스너가 상기 반도체 기판 프로세싱 장치에서 대기 압력에 노출되도록, 상기 열 제어 플레이트와 상기 최상부 플레이트 사이에 진공 실을 제공하는 하나 이상의 오-링을 포함하는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  27. 제 13 항에 있어서,
    상기 최상부 플레이트는, 상기 최상부 플레이트의 개구를 통해 연장되는 패스너를 사용하여 상기 열 제어 플레이트에 부착되며,
    상기 개구는, 상기 최상부 플레이트와 상기 열 제어 플레이트 사이의 차분 열 팽창을 수용하기 위해 상기 패스너의 직경보다 더 큰 직경을 갖는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  28. 제 13 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 열 브리지는, 상기 열 제어 플레이트 상에 2 개의 이격된 환형의 돌출부를 포함하고,
    상기 최상부 플레이트는, 상기 최상부 플레이트의 오버사이징된 개구를 통해 상기 하나 이상의 열 브리지 각각으로 연장되는 패스너를 사용하여 상기 열 제어 플레이트에 부착되며,
    상기 열 제어 플레이트는, 상기 돌출부를 통해 측방향-연장되는 가스 통로, 및 상기 열 브리지의 내부 및 외부에 측방향으로 위치된 상기 열 제어 플레이트의 대향 면들 사이의 축방향-연장되는 가스 통로를 포함하는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  29. 반도체 기판 프로세싱 챔버에서 반도체 기판을 프로세싱하는 방법으로서,
    a) 반도체 기판 프로세싱 장치의 플라즈마 챔버내의 기판 지지체 상에 기판을 배치시키는 단계로서, 상기 기판 지지체는 하부 전극을 포함하는, 상기 배치 단계;
    b) 제 13 항에 기재된 샤워헤드 전극 어셈블리를 사용하여 상기 플라즈마 챔버에 프로세스 가스를 공급하는 단계;
    c) 상기 샤워헤드 전극 어셈블리와 상기 기판 사이의 상기 플라즈마 챔버에서 상기 프로세스 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 단계;
    d) 상기 플라즈마를 사용하여 상기 기판을 프로세싱하는 단계;
    e) 상기 플라즈마의 발생을 종료시키는 단계; 및
    f) 상기 플라즈마 챔버로부터 상기 기판을 제거하는 단계를 포함하는, 반도체 기판의 프로세싱 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 전극 어셈블리는 가열기를 더 포함하며,
    상기 반도체 기판의 프로세싱 방법은 원하는 온도로 상기 샤워헤드 전극을 유지하기 위해, 상기 샤워헤드 전극에 열을 가하도록 e) 단계 이후에 상기 가열기를 활성화시키는 단계를 더 포함하는, 반도체 기판의 프로세싱 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    a) 단계 내지 f) 단계 동안에, 상기 샤워헤드 전극에 열을 가하도록 상기 가열기를 활성화시키는 단계를 더 포함하는, 반도체 기판의 프로세싱 방법.
  32. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 제어 플레이트는 금속성 재료의 단일 피스인, 열 제어 플레이트.
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