KR102364449B1 - 하부 전극 어셈블리용 에지 시일 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 반도체 기판을 지지하는데 사용되는 하부 전극 어셈블리는 상부 플레이트, 온도 제어형 (temperature controlled) 하부 베이스 플레이트, 본딩 층을 둘러싸는 장착 홈, 장착 홈 내에 압축된 링을 포함하는 에지 시일 (edge seal) 을 포함한다. 가스 소스가 비활성 가스를 홈으로 공급하고 홈 내에서 100 mTorr 내지 100 Torr의 압력으로 비활성 가스를 유지한다.

Description

하부 전극 어셈블리용 에지 시일{EDGE SEAL FOR LOWER ELECTRODE ASSEMBLY}
본원은 2011년 10월 20일자에 출원된 미국 특허 출원 번호 13/277,873 "Edge Seal for Lower Electrode Assembly" 및 2012년 6월 20일자에 출원된 미국 특허 출원 번호 13/528,194 "Edge Seal for Lower Electrode Assembly" 와 관련되며, 이 특허 문헌들의 전체 내용은 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
본 발명은 플라즈마 에칭 반응기들과 같은 플라즈마 프로세싱 챔버들에서 사용되는 하부 전극 어셈블리용 에지 시일 개선에 관한 것이다.
반도체 집적 회로들은 대부분의 전자 시스템들의 주요한 컴포넌트들이 되었다. 이러한 소형 전자 디바이스들은 마이크로컴퓨터 중앙 프로세싱 유닛들의 메모리 및 로직 서브시스템들 및 다른 집적 회로들을 구성하는 수천 개의 트랜지스터들 및 다른 회로들을 포함할 수 있다. 이러한 회로들의 저 비용, 고 신뢰성 및 속도는 이들이 현대의 디지털 전자 장치들의 보편적인 특징이 되게 하였다.
반도체 집적 회로들의 제조는 통상적으로 병렬 플레이트 반응기 또는 유도 결합형 플라즈마 반응기와 같은 반응성 이온 에칭 시스템에서 이루어진다. 반응성 이온 에칭 시스템은 에칭 챔버 및 이 챔버 내에 포함된 상부 전극 또는 애노드 및 하부 전극 또는 캐소드로 구성될 수 있다. 캐소드는 애노드 및 컨테이너 벽들에 대해서 음으로 (negatively) 바이어스된다. 에칭될 웨이퍼는 적합한 마스크에 의해서 피복되며 캐소드 상에 직접적으로 배치된다. CF4, CHF3, CClF3, HBr, Cl2 및 SF6 또는 이들의 혼합물들과 같은 화학적 반응 가스가 O2, N2, He 또는 Ar와 함께 에칭 챔버 내로 도입되고 통상적으로 밀리토르 범위에 있는 압력에서 유지된다. 상부 전극에는 가스가 이 전극을 통해서 챔버 내로 균일하게 분산되도록 하는 가스 구멍(들)이 제공된다. 애노드와 캐소드 간에 확립된 전계는 반응성 가스를 해리시켜서 플라즈마를 형성할 것이다. 웨이퍼의 표면은 활성 이온들과의 화학적 상호작용 및 웨이퍼의 표면을 때리는 이온들의 모멘텀 전달 (momentum transfer) 에 의해서 에칭된다. 전극들에 의해서 생성된 전계가 이온들을 캐소드로 끌어당기고 이로써 프로세스가 양호하게 규정된 수직형 에칭된 측벽들을 생성하도록 실질적으로 (predominately) 수직인 방향으로 이온들이 표면을 때리도록 한다.
플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 반도체 기판을 지지하는데 사용되는 하부 전극 어셈블리는 상부 플레이트, 온도 제어형 (temperature controlled) 하부 베이스 플레이트, 및 하부 전극 어셈블리 내의 본딩 층을 둘러싸는 장착 홈, 장착 홈 내에 압축된 링을 포함하는 에지 시일 (edge seal), 및 장착 홈과 유체적으로 연통하는 가스 통로를 포함한다. 가스 통로는 비활성 가스를 홈으로 공급하고 링과 홈의 벽들 간의 환상 공간 내에서 100 mTorr 내지 100 Torr의 압력으로 비활성 가스를 유지하는데 사용될 수 있다.
도 1은 반도체 기판들을 플라즈마 에칭하는데 적합한 프로세싱 챔버의 단면도를 도시한다.
도 2는 전극 어셈블리의 상부 세라믹 층과 하부 베이스 플레이트 간에 장착 홈 (mounting groove) 을 갖는 상부 세라믹 층과 하부 베이스 플레이트의 단면도를 도시한다.
도 3은 전극 어셈블리의 상부 세라믹 층과 하부 베이스 플레이트 간의 장착 홈 내에 배치된 직사각형 탄성체성 밴드 (elastomeric band) 의 단면도를 도시한다.
도 4는 폴리싱된 표면들 및 도브테일 피처 (dovetail feature) 를 갖는 장착 홈 내에 TEFLON 캡슐화된 O-링을 갖는 하부 전극 어셈블리의 단면도이다.
도 5는 TEFLON 캡슐화된 O-링에 대한, 설치 압축도 (%) 대 팝-아웃 압력 (pop-out pressure) (psi) 의 그래프이다.
도 6은 장착 홈의 벽들과 TEFLON 코팅된 O-링 간의 백킹 시일 (backing seal) 을 갖는 하부 전극 어셈블리의 단면도이다.
도 7은 비활성 가스를 장착 홈 내로 전달하는 가스 통로를 갖는 하부 전극 어셈블리의 단면도이다.
도 8은 가스 소스가 도 7에 예시된 가스 통로로 가스를 공급하는 때의 하부 전극 어셈블리의 단면도이다.
하부 전극 어셈블리는 웨이퍼가 플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 프로세싱 동안에 클램프되는 (clamped) 정전 클램핑 층을 통상적으로 포함한다. 하부 전극 어셈블리는 또한 온도 제어형 베이스 플레이트에 본딩되는 다양한 층들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어서, 어셈블리는 가열기 플레이트의 상부 측에 접착 방식으로 본딩된 하나 이상의 정전 전극들을 포함하는 상부 세라믹 층, 가열기 플레이트의 하단에 접착 방식으로 본딩된 하나 이상의 가열기들, 및 가열기들 및 가열기 플레이트에 접착 방식으로 본딩된 베이스 플레이트를 포함할 수 있다. 노출된 접착성 본드 층들을 보호하기 위해서, 가열기 플레이트는 상부 세라믹 층 및 베이스 플레이트보다 작은 직경을 가지며 탄성체성 재료의 에지 시일 (edge seal) 이 상부 세라믹 층과 베이스 플레이트 간의 장착 홈 내에 위치한다. 효과적인 시일을 제공하기 위해서, 에지 시일은 장착 홈을 완전하게 채우도록 1 내지 20 %, 바람직하게는 약 5 % 만큼 축방향으로 압축된다. 에지 시일은 압축 동안에 주변 에지 링과 접촉하지 않고 외측으로 삐져나오는 오목 외측 표면부를 갖는 직사각형 단면과 같은 비원형 단면을 갖는 O-링 또는 링의 형태로 될 수 있다.
이러한 링들이 갖는 문제점은 예를 들어서 챔버가 전극 어셈블리 상에 지지된 반도체 기판들의 프로세싱 동안에 펌프 다운되는 때와 같이 진공 조건들에 노출되는 때에, 설치 이후의 홈 내에 트랩된 공기가 빠져나가는 것이다. 다른 문제점은 실링 표면을 지나서 반응성 화학적 종들이 누설되는 것에 의해서 발생하며, 이는 본딩 층을 열화시키고 진공 누설 또는 헬륨 냉각제 누설 또는 허용가능하지 않는 온도 균일성 변화 및 올바르게 동작해야 할 ESC의 결과적인 고장을 초래할 수 있다는 것이다. 위의 문제점들을 피하기 위해서, 가스 통로가 하부 전극 어셈블리 내에 제공되어서 비활성 가스를 홈의 벽들과 링 간의 환상 공간으로 전달한다. 챔버 내의 진공에 대하여 양의 압력 (positive pressure) 으로 비활성 가스를 유지함으로써, 비활성 가스는 화학적 종들이 챔버로부터 링을 지나서 환상 공간으로 누설되는 것을 방지하며 이로써 이러한 화학적 종들로부터의 공격으로부터 본딩 층을 보호할 수 있다. 비활성 가스는 가스 통로를 통해서 흐르고 홈을 따라서 배열된 다수의 가스 유출구들을 통해서 환상 공간 내로 들어간다. 바람직한 비활성 가스는 아르곤 또는 헬륨이지만 질소와 같은 다른 가스가 사용될 수도 있다. 가스 압력은 바람직하게는 화학적 종들이 링을 지나서 유입되는 것을 방지하도록 충분하게 높지만 챔버 내부로 유동하는 비활성 가스가 챔버 내에서 실행되는 프로세스에 영향을 주지 않도록 충분하게 낮아야 한다. 환상 공간 내에서의 바람직한 프로세스 가스 압력은 1 내지 20 Torr이며 비활성 가스의 챔버 내로의 바람직한 플로우 레이트는 20 sccm보다 낮다.
도 1은 기판들을 에칭하기 위한 예시적인 플라즈마 반응기 (10) 의 단면도를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 반응기 (10) 는 플라즈마 프로세싱 챔버 (12), 및 플라즈마를 생성하도록 챔버 (12) 위에 배치되며 평면형 코일 (16) 에 의해서 구현되는 안테나를 포함한다. RF 코일 (16) 은 통상적으로 매칭 네트워크 (미도시) 를 통해서 RF 생성기 (18) 에 의해서 에너자이징된다. 이러한 챔버들은 유도 결합형 플라즈마 (ICP) 챔버들로 지칭된다. 프로세스 가스를 챔버 (12) 내부로 공급하기 위해서, 가스 분배 플레이트 또는 샤워헤드 (14) 가 존재하며, 이는 바람직하게는 예를 들어서 에천트 소스 가스들과 같은 가스성 소스 재료들을 하부 전극 어셈블리 (28) 상에 지지된 반도체 기판 또는 웨이퍼 (30) 와 샤워헤드 (14) 간의 RF-유도된 플라즈마 영역 내로 배출하기 위한 다수의 구멍들을 포함한다. 유도 결합형 플라즈마 반응기가 도 1에 도시되었지만, 플라즈마 반응기 (10) 는 용량 결합형 플라즈마 (CCP) 반응기, 마이크로웨이브 반응기, 마그네트론 반응기, 헬리콘 반응기, 또는 다른 적합한 플라즈마 생성 장비와 같은 다른 플라즈마 생성 소스를 포함할 수 있으며, 이 경우에는 안테나는 없다.
가스성 소스 재료들은 또한 챔버 (12) 의 상단 벽을 통과하여서 연장된 하나 이상의 가스 주입기들 및/또는 챔버 (12) 의 벽들 내에 형성된 가스 배출 포트들과 같은 다른 구성부들에 의해서 챔버 (12) 내로 유도될 수도 있다. 에천트 소스 화학물질들은 예를 들어서 알루미늄 또는 그의 합금들 중 하나를 관통 에칭할 때에 Cl2 또는 BCl3 와 같은 할로겐들을 포함한다. 다른 에천트 화학물질들 (예를 들어, CH4, HBr, HCl, CHCl3) 및 에칭된 피처들의 측벽 패시베이션을 위한 하이드로카본들, 플루오로카본들, 및 하이드로-플루오로카본들과 같은 폴리머 형성 종들이 또한 사용될 수도 있다. 이러한 가스들은 선택적 불활성 및/또는 비반응성 가스들과 함께 채용될 수도 있다.
사용 시에, 웨이퍼 (30) 는 챔버 벽들 (32) 에 의해서 규정된 챔버 (12) 내로 도입되고 하부 전극 어셈블리 (28) 상에 배치된다. 웨이퍼 (30) 는 바람직하게는 (또한 통상적으로 매칭 네트워크를 통해서) 무선 주파수 생성기 (24) 에 의해서 바이어스된다. 웨이퍼 (30) 는 그 상에 제조된 복수의 집적 회로들 (ICs) 을 포함할 수 있다. IC들은 예를 들어서 PLA들, FPGA들 및 ASIC들과 같은 로직 디바이스들 또는 RAM들 (random access memories), DRAM들 (dynamic RAMs) SDRAM들 (synchronous DRAMs), 또는 ROM들 (read only memories) 과 같은 메모리 디바이스들을 포함할 수 있다. RF 전력이 인가된 때에, (소스 가스로부터 형성된) 반응성 종들이 웨이퍼 (30) 의 노출된 표면들을 에칭한다. 이어서, 휘발성일 수 있는 부산물들이 배기 포트 (26) 를 통해서 배출된다. 프로세싱이 완료된 후에, 웨이퍼 (30) 는 다른 프로세싱을 받으며 종국에는 IC들을 개별 칩들로 분할하도록 다이싱된다.
임의의 플라즈마 한정 장치 (미도시), 챔버 벽 (32), 챔버 라이너 (미도시) 및/또는 샤워헤드 (14) 의 플라즈마 노출된 표면들에는 폴리머 접착을 증진시키는 표면 거칠기 특성을 갖는 플라즈마 스프레이된 코팅 (20) 이 제공된다. 또한, 기판 지지부 (28) 의 플라즈마 노출된 표면들도 플라즈마 스프레이된 코팅 (미도시) 이 제공될 수 있다. 이로써, 플라즈마를 한정하는 실질적으로 모든 표면들이 폴리머 접착을 증진시키는 표면 거칠기 특성을 가질 것이다. 이로써, 반응기 내의 입자성 오염이 실질적으로 저감될 수 있다.
또한, 반응기 (10) 는 금속 에칭 프로세스, 유전체 에칭 프로세스 및 다른 에칭 프로세스에서 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 플라즈마 에칭 프로세싱에서, 가스 분배 플레이트는 ICP 반응기에서 유전체 윈도우 바로 아래에 위치한 원형 플레이트이거나 평행 플레이트 반응기로서 지칭되는 CCP 반응기에서 상부 전극 어셈블리의 일부를 형성하며, 이 CCP 반응기에서 가스 분배 플레이트는 반도체 기판 또는 웨이퍼 (30) 에 대해서 평행하게 배향된 샤워헤드 전극이다. 가스 분배 플레이트/샤워헤드 전극은 예를 들어서 웨이퍼 상의 포토레지스트 층, 실리콘 이산화물 층 및 하층 (underlayer) 재료와 같은 에칭될 층들의 에칭 균일성을 최적화하도록 특정화된 직경 및 공간적 분포를 갖는 구멍들의 어레이를 포함한다.
사용될 수 있는 예시적인 평행 플레이트 플라즈마 반응기는 이중 주파수 플라즈마 에칭 반응기 (예를 들어서, 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 인용되는 공동 소유된 미국 특허 번호 6,090,304 참조) 일 수 있다. 이러한 반응기들에서, 에칭 가스는 가스 공급부로부터 샤워헤드 전극으로 공급될 수 있으며, 2 개의 RF 소스들로부터의 상이한 주파수들을 갖는 RF 에너지를 샤워헤드 전극 및/또는 하단 전극에 공급함으로써 반응기 내에서 플라즈마가 생성된다. 이와 달리, 샤워헤드 전극은 전기적으로 접지되고 2 개의 상이한 주파수를 갖는 RF 에너지가 하단 전극으로 공급될 수 있다.
도 2는 탄성체성 밴드를 포함하는 에지 시일을 수용하도록 구성된 장착 홈 내에 위치한 노출된 본드 층들과 함께 본딩된 다양한 층들을 갖는 하부 전극 어셈블리 (150) 의 단면도를 도시한다. 하부 전극 어셈블리 (150) 는 정전 클램핑 전극을 포함하며 온도 제어형 베이스 플레이트와 같은 하부 부재 (100) 에 부착된 상부 세라믹 부재 (180) 를 포함한다. 상부 부재 (180) 와 하부 부재 (100) 간에는, 금속 또는 세라믹 플레이트를 포함하는 가열기 플레이트 (140) 및 가열기 플레이트의 바닥에 결합된 막 가열기와 같은 하나 이상의 가열기들이 배치된다. 접착성 본딩 층 (120) 은 하부 부재 (100) 와 가열기 플레이트 (140) 간에 배치되어서 하부 부재 (100) 를 가열기 플레이트 (140) 에 본딩시킨다. 접착성 본딩 층 (160) 은 상부 부재 (180) 와 가열기 플레이트 (140) 간에 배치되어서 상부 부재 (180) 를 가열기 플레이트 (140) 에 본딩시킨다. 상부 부재 (180) 및 하부 부재 (100) 는 환형 홈 (190) 을 형성하도록 가열기 플레이트 (140) 및 본딩 층들 (120,160) 을 넘어서 연장된다. 가열기 플레이트 (140) 및 본딩 층들 (120,160) 의 외주들 (outer peripheries) (145, 125, 165) 은 서로에 대해 실질적으로 정렬된다. 상부 부재 (180) 및 하부 부재 (100) 의 외주들 (185, 105) 은 수직으로 정렬되거나 정렬되지 않을 수 있으며 추가 층들이 상부 부재와 하부 부재 간에 포함될 수도 있다.
상부 부재 (180) 는 바람직하게는 W, Mo 등과 같은 금속성 재료로 구성된 세라믹 재료의 내장된 전극의 정전 클램핑 층이다. 또한, 상부 부재 (180) 는 그의 중앙에서 외측 에지까지 또는 그의 직경에 걸쳐서 균일한 두께를 갖는다. 상부 부재 (180) 는 바람직하게는 200 mm 직경 웨이퍼, 300 mm 직경 웨이퍼 또는 450 mm 직경 웨이퍼를 지지하는데 적합한 얇은 원형 플레이트이다. 상부 정전 클램핑 층, 가열기 층 및 본딩 층들을 갖는 하부 전극 어셈블리의 세부사항들은 공동 소유된 미국 공개된 특허 출원 2006/0144516에 개시되며, 여기서 상부 정전 클램핑 층은 약 0.04 인치의 두께를 가지며, 상부 본딩 층은 약 0.004 인치의 두께를 가지며, 가열기 플레이트는 약 0.04 인치 두께의 금속 또는 세라믹 플레이트 및 약 0.01 인치 두께의 가열기 막을 포함하며, 하부 본딩 층은 약 0.013 내지 0.04 인치의 두께를 갖는다. 상부 클램핑 층과 베이스 플레이트 간의 직사각형 장착 홈은 적어도 약 0.03 내지 0.15 인치의 높이 및 약 0.03 내지 0.15 인치의 폭을 갖는다. 300 mm 웨이퍼들을 프로세싱하기 위한 바람직한 실시예에서, 홈은 적어도 약 0.07 인치의 높이 및 약 0.035 인치의 폭을 가질 수 있다. 에지 시일이 홈 내에 삽입된 때에, 에지 시일은 바람직하게는 홈 내에 타이트하게 (tightly) 끼어지도록 방사상으로 확장되고 수직으로 압축된다. 그러나, 에지 시일이 직사각형 단면을 가지면, 에지 시일은 외측으로 돌출되며 주변의 에지 링과 접촉하고/하거나 에지 시일의 외측 표면에 대한 인장 응력 (tensile stress) 이 불소 플라즈마 또는 산소 플라즈마에 노출된 때에 크랙을 유발할 수 있다.
하부 베이스 플레이트 (100) 는 바람직하게는 상부 표면 및 하부 표면을 갖는 원형 플레이트이다. 일 실시예에서, 하부 부재 (100) 는 온도 제어되는 액체가 그를 통해서 전극 어셈블리 (150) 로 순환할 수 있도록 하는 유체 채널들 (미도시) 을 그 내에 포함함으로써 온도 제어를 제공하도록 구성될 수 있다. 전극 어셈블리 (150) 에서, 하부 부재 (100) 는 통상적으로 플라즈마 챔버 내에서 하부 RF 전극으로서 기능하는 금속 베이스 플레이트이다. 하부 부재 (100) 는 바람직하게는 아노다이징된 (anodized) 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함한다. 그러나, 금속성 재료, 세라믹 재료, 전기 도전성 재료 및 유전체 재료를 포함하는 임의의 적합한 재료가 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 일 실시예에서, 하부 부재 (100) 는 아노다이징된 머시닝된 (machined) 알루미늄 블록으로부터 형성된다. 이와 달리, 하부 부재 (100) 는 그 내에 및/또는 그의 상부 표면 상에 위치하는 하나 이상의 전극들을 갖는 세라믹 재료로 될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본드 층 (120) 은 하부 부재 (100) 를 가열기 플레이트 (140) 에 본딩시킨다. 본드 층 (160) 은 상부 부재 (180) 를 가열기 플레이트 (140) 에 본딩시킨다. 본드 층들 (120,160) 은 바람직하게는 탄성체성 실리콘 또는 실리콘 고무 재료와 같은 저 모듈러스 (low modulus) 재료로 형성된다. 그러나, 임의의 적합한 본딩 재료가 사용될 수 있다. 본드 층들 (120,160) 의 두께는 목표 열 전달 계수에 따라서 변할 수 있다. 이로써, 그의 두께는 본드 층들의 제조 공차 (tolerance) 에 기초하여서 목표 열 전달 계수를 제공하도록 구성된다. 통상적으로, 본드 층들 (120,160) 은 ± 특정 변수만큼 그의 도포된 면적 위에서 변할 것이다. 통상적으로, 본드 층 두께가 1.5 퍼센트보다 많이 변하지 않는다면, 상부 부재 (180) 와 하부 부재 (100) 간의 열 전달 계수는 실질적으로 일정하게 될 수 있다.
예를 들어서, 반도체 산업에서 사용되는 전극 어셈블리 (150) 에서, 본드 층들 (120, 160) 은 바람직하게는 넓은 온도 범위를 견딜 수 있는 화학적 구조를 갖는다. 이로써, 저 모듈러스 재료는 고온 (예를 들어서, 500 ℃에 달함) 에서 열적 열화 (thermal degradation) 에 내성을 가지며 진공 분위기와 양립적인 (compatible) 폴리머성 재료와 같은 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. 일 실시예에서, 본드 층들 (120, 160) 은 실리콘을 포함할 수도 있으며 0.001 인치 내지 약 0.12 인치 두께일 수 있으며 보다 바람직하게는 0.003인치 내지 약 0.030 인치 두께일 수 있다.
가열기 플레이트 (140) 는 상부 부재 (180) 의 하부 표면에 본딩된 라미네이트 (laminate) 를 포함할 수 있다. 예를 들어서, 가열기 플레이트 (140) 는 금속 또는 세라믹 플레이트의 하단에 결합된 막 가열기를 갖는 상기 금속 또는 세라믹 플레이트의 형태로 될 수 있다. 가열기 막은 제 1 절연 층 (예를 들어서, 유전체 층), 가열 층 (예를 들어서, 전기 저항성 재료의 하나 이상의 스트립들) 및 제 2 절연 층 (예를 들어서, 유전체 층) 을 포함하는 포일 라미네이트 (foil laminate) (미도시) 일 수 있다. 절연 층들은 바람직하게는 Kapton 또는 다른 적합한 폴리이미드 막들과 같은, 플라즈마 분위기 내의 부식성 가스들에 대한 내성을 포함하는, 넓은 온도 범위에 걸쳐서 물리적 특성, 전기적 특성 및 기계적 특성을 유지할 수 있는 재료들로 구성된다. 가열기 요소(들) 는 바람직하게는 Inconel 또는 임의의 다른 적합한 합금과 같은 고강도 합금, 부식 방지 재료 및 저항성 가열 재료로 구성된다. 통상적으로, 막 가열기는 Kapton의 라미네이트 형태로 되며, Inconel 및 Kapton은 약 0.005 인치 내지 약 0.009 인치의 총 두께를 가지며 보다 바람직하게는 약 0.007 인치 두께를 갖는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 하부 부재 (100) 및 상부 부재 (180) 의 외주들 (outer peripheries) (105,185) 이 가열 플레이트 (140) 및 본드 층들 (120,160) 의 외주들 (145, 125, 165) 을 넘어서 연장되며, 이로써 전극 어셈블리 (150) 내의 장착 홈 (190) 을 형성한다. 본드 층들 (120,160) 의 재료(들)는 통상적으로 반도체 플라즈마 프로세싱 반응기들의 반응성 에칭 화학물질들에 대해서 내성을 가지지 않으며 따라서 유용한 동작 수명을 달성하도록 보호되어야 한다. 본드 층들 (120,160) 을 보호하기 위해서, 반도체 플라즈마 프로세싱 반응기들의 부식성 가스들의 침투를 방지하는 기밀 시일을 형성하도록 탄성체성 밴드의 형태의 에지 시일 (edge seal) 을 홈 (190) 내에 배치하는 것이 제안되었다. 예를 들어서 공동 소유된 미국 특허 출원 공개 2009/0290145 및 2010/0078899 및 2013/0097840 참조.
도 3은 환상 탄성체성 밴드 (annular elastomeric band) (200) 를 포함하는 전극 어셈블리 (150) 의 단면 프로파일을 도시한다. 밴드 (200) 가 홈 (190) 내에 배치되는 때에, 밴드 (200) 는 적어도 5 퍼센트 및 바람직하게는 적어도 10 내지 20 퍼센트 또는 그 이상으로 축 방향으로 압축된다. 밴드는 수직 내측 표면부, 수평 상부 표면부, 수평 하부 표면부 및 오목 외측 표면부를 갖는 직사각형 밴드와 같은 비원형 단면을 갖는 O-링 또는 링일 수 있다. 밴드는 실리콘 러버 또는 바람직하게는 PERLAST (FFKM 엘라스토머) 와 같은 침식 방지 엘라스토머 재료와 같은 단일 재료 또는 실리콘 코어 및 TEFLON과 같은 플루오로폴리머의 코팅과 같은 복합 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어서, TEFLON 캡슐화된 O-링은 실리콘 코어에 0.010 인치의 TEFLON (PTFE의 PFA) 캡슐화 층을 포함할 수 있다. 이 O-링 구성은 표준 엘라스토머 O-링의 압축 설정 내성 (compression set resistance) 을 TEFLON의 우수한 화학적 내성에 결합시켜서, 이러한 실링 애플리케이션에서 이상적인 선택이 되게 한다. TEFLON 캡슐화된 O-링은 M-Cor Inc., Row Inc 및 Creavy Seal Co와 같은 회사로부터 입수가능하다. TEFLON 캡슐화된 O-링은 단점은 통상적인 엘라스토머 O-링에 비해서 실링 성능이 약하다는 것이다. TEFLON 캡슐화된 O-링은 통상적으로 충분한 실링을 보장하기 위해서 고 압축도 (20 퍼센트 +) 로 설치된다. 그러나, TEFLON 캡슐화된 O-링이 엘라스토머 밴드 (200) 로서 사용되는 때에, 20 퍼센트보다 매우 낮은 압축도로 해서 충분한 실링을 생성할 수 있다.
도 4는 탄성체성 밴드 (200) 를 포함하는 수정된 에지 시일 및 전극 어셈블리 (150) 의 단면도를 도시한다. 도 4의 전극 어셈블리 (150) 는 도 2 및 도 3의 전극 어셈블리와 동일하지만, 밴드 (200) 는 홈의 상부 및/또는 하부 벽을 따르는 단차에 의해서 형성된 도브테일 피처 (dovetail feature) 및 폴리싱된 표면들을 갖는 홈 내에서 유지된다. 시일을 개선하기 위한 일 방식은 홈 (190) 의 표면들을 폴리싱하는 것이다. 예를 들어서, 32 마이크로인치 Ra에 이르는 적합한 표면 거칠기 (roughness) 로 세라믹 폴리싱된다. 바람직하게는, 홈은 4 마이크로인치 Ra (미러형) 표면 거칠기로 폴리싱되며, 이러한 거칠기는 그라운드 12 마이크로인치 Ra 표면 거칠기와 같은 표준 거칠기를 갖는 세라믹보다 30 배 양호한 시일을 달성할 수 있다. 또한, 밴드의 팝-아웃을 방지하기 위해서, 홈 (190) 에는 도브테일 피처가 제공될 수 있다. O-링 팝-아웃은 엘라스토머 밴드 (200) 의 설계에서 극복해야할 주요한 과제일 수 있다. 프로세스 챔버가 진공으로 펌프 다운되는 때에, O-링 후방에 트랩된 공기가 O-링을 일부 수단에 의해서 고정되기까지 외부로 밀어버린다. 스트레치 방식으로 O-링을 설치하는 것은 불충분하다. TEFLON 코팅된 O-링을 사용하면, TEFLON 캡슐화 층이 크리프 변형 (creep deformation) 에 매우 민감할 수 있다. 상승된 온도에서 (ESC는 175 ℃까지 동작할 수 있음), TEFLON 재료는 크리프되며 이는 완화로 이어지고 이 완화는 O-링 스트레치 부하 (stretch load) 를 제거한다. 이러한 이유로 해서, 도브테일 피처가 요구된다. 테스트를 통해서, 0.002 인치 또는 그 이상의 높이의 단차를 갖는 도브테일 피처가 팝-아웃 저항과 O-링 설치의 용이성 간의 균형을 제공한다고 결정되었다. 도 5는 0.004 인치 단차를 갖는 홈 밖으로 O-링을 팝아웃하는데 요구되는 공기 압력인 O-링 압축도의 범위의 도시한다. 모든 값들이 대기 압력 (14.7 psi) 보다 높기 때문에, O-링 팝-아웃 위험은 낮다. 그러나, 이 데이터는 또한 설치 시에 최소 8 퍼센트의 O-링 압축도가 팝-아웃을 피하기 위해서 요구된다는 것을 보인다.
탄성체성 밴드 (200) 는 임의의 적합한 반도체 프로세싱 양립성 재료로부터 구성될 수 있다. 예를 들어서, 플루오로엘라스토머 (fluoroelastomer) 를 형성하도록 경화될 수 있는 플루오로엘라스토머릭 플루오로폴리머들 (fluoroelastomeric fluoropolymers) (FKM) 또는 경화가능한 퍼플루오로엘라스토머릭 퍼플루오로폴리머들 (curable perfluoroelastomeric perfluoropolymers) (FFKM) 이 사용될 수 있다. 탄성체성 밴드 (200) 는 바람직하게는 테프론 (Teflon) (PTFE -PolyTetraFluoroEthylene, DuPont 사에 의해서 제조됨) 와 같은 플루오로카본 폴리머 재료와 같은 폴리머로 구성된다. 그러나, 플라스틱들, 폴리머성 재료들, PFA (Perfluoroalkoxy), 불소화된 폴리머들 (fluorinated polymers), 및 폴리이미드들이 사용될 수 있다. 탄성체성 밴드 (200) 는 바람직하게는 고 화학적 내성 특성, 저 및 고 온도 능력 특성, 플라즈마 반응기 내의 플라즈마 침식에 대한 내성 특성, 저 마찰 특성, 및 전기 절연 특성 및 단열 특성을 갖는 재료로 구성된다. 바람직한 재료는 Perlast Ltd사로부터 입수가능한 PERLAST와 같은 1.9 내지 2.1의 비중 및 60 내지 75의 쇼어 A 경도 (Shore A hardness) 를 갖는 퍼플루오로엘라스토머이다. 다른 밴드 재료는 DuPont Performance Elastomers로부터 입수가능한 KALREZ이다. PERLAST 및 KALREZ은 FFKM 엘라스토머들이다.
바람직하게는, 탄성체성 밴드 (200) 는 고 화학적 내성 특성, 저 및 고 온도 능력 특성, 플라즈마 반응기 내의 플라즈마 침식에 대한 내성 특성, 저 마찰 특성, 85 미만의 쇼어 A 경도 특성, 보다 바람직하게는 75 미만의 쇼어 A 경도 특성, 및 전기 절연 특성 및 단열 특성을 갖는 재료로 구성된다. 가장 바람직하게는, 탄성체 내의 금속들이 동작 동안에 입자 생성 및 반도체 기판들 상의 금속 오염을 야기할 수 있기 때문에, 탄성체성 밴드는 비충진된 엘라스토머이며 각 모든 금속 원소에 대하여서 5000 ppb (parts per billion) 미만의 금속성 함량을 갖는다.
다른 실시예들에서, 시일은 0-링 (200a) 및 백킹 시일 (200b) 을 포함한다. 도 6은 본원에서 채용될 수 있는 "백킹 시일"을 예시한다. 이 백킹 시일은 PERLAST 재료 또는 일부 다른 적합한 고성능 엘라스토머로 이루어질 수 있다. 백킹 시일은 1) 캡슐화된 TEFLON O-링 후방에서 체적의 대부분을 채움으로써 팝-아웃을 억제하는 것을 지원한다. 이는 트랩된 공기의 체적을 줄이며 이로써 팝-아웃의 위험을 줄인다. 트랩된 체적을 줄임으로써, 팝-아웃의 위험이 감소된다. 백킹 시일을 또한 (2) 시일에 걸쳐서 누설되는 레이트를 크게 줄이며 이로써 ESC 본딩에 개선된 보호를 제공한다. 보다 연성의 엘라스토머 시일 (예를 들어서, PERLSAT) 은 TEFLON보다 매우 양호한 실링 성능을 갖는다. 백킹 시일을 TEFLON 캡슐화된 O-링에 의해서 실링 표면들에 대항하여서 푸시될 것이며, 이로써 단독으로 사용되는 엘라스토머보다 높은 시일 압력을 생성할 것이다. 또한, 적합한 실링 성능이 홈 내의 폴리싱된 접촉 표면들 없이도 달성될 수 있다. TEFLON 캡슐화된 O-링 및 백킹 시일을 사용하는 결합된 혼성 시일의 이점은 시일이 여전히 "영구적"이다는 것이다. 노출된 표면은 여전히 TEFLON이며 매우 느리게 침식되는 것으로 예상된다. PERLAST 백킹 시일은 덜 침식에 민감한 PERLAST 재료로 이루어지지만 충분하게 보호된다.
예시적인 실시예에서, 압축 후의 O-링의 높이는 약 0.118 인치 ± 0.005 인치일 수 있다. 홈은 바람직하게는 홈의 하부 벽으로부터 상향으로 연장하는 0.004 인치 단차를 가지며 이에 대항하여서 0-링이 홈 내에서 압축되는 때에 O-링의 외측 표면이 피팅된다. 비활성 가스를 O-링과 홈의 수직 벽 간의 환상 공간으로 전달하는 가스 통로는 베이스 플레이트 및 본딩 층을 통해서 연장될 수 있다. 예를 들어서, 하나 이상의 가스 통로들은 베이스 플레이트 내에서 수직으로 연장할 수 있으며 방사상으로 연장하는 가스 통로들은 수직 가스 통로들로부터 연장하여서 비활성 가스를 다수의 가스 유출구들을 통해서 홈을 따라서 전달한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 하부 전극 어셈블리는 베이스 플레이트 (100) 내에 가스 통로 (100a) 를 포함할 수 있으며, 이 가스 통로는 비활성 가스를 홈의 벽들과 O-링 (200) 간의 환상 공간 (190a) 로 전달한다. 도 8은 비활성 가스를 가스 소스 (100c) 로부터 홈 (190) 으로 전달하는 수직 가스 통로 (100b) 및 수평 가스 통로 (100a) 를 갖는 하부 전극 어셈블리 (150) 를 도시한다.
에지 시일은 가열기 플레이트를 포함하지 않는 다른 하부 전극 어셈블리 내에 장착될 수 있다. 예를 들어서, 탄성체성 밴드는 상부 플레이트 및 온도 제어된 하부 베이스 플레이트를 갖는 하부 전극 어셈블리에서 본딩 층을 둘러싸는 장착 홈 내에 장착될 수 있으며, 이 경우에 밴드가 압축되도록 홈 내에서 장착되고 비활성 가스가 밴드와 홈의 내측 벽들 간의 체적으로 압력 하에서 공급된다.
사용 시에, 하부 전극 어셈블리는 플라즈마 에칭 챔버의 내부 내에 장착되며 하부 전극 어셈블리의 상부 층은 정전 척 (ESC) 을 포함할 수 있다.
하부 전극 어셈블리 상에 장착된 반도체 기판은 하부 전극 어셈블리를 포함하는 챔버 내로 프로세스 가스를 도입시키고 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징하고 비활성 가스를 환상 공간으로 공급하고 비활성 가스를 환상 공간 내에서 1 내지 20 Torr의 압력으로 유지하면서 반도체 기판을 플라즈마 에칭함으로써 플라즈마 에칭될 수 있다.
플라즈마 에칭 프로세스는 비활성 가스의 환상 공간 내로의 플로우 레이트를 모니터링하고 이 플로우 레이트가 임계치를 초과하면 링에 의한 부적합한 실링을 표시하는 알람을 발행하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 치수들에 대해서 사용된 용어 "약"은 해당 치수의 ± 10 퍼센트를 의미한다.
본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예들과 관련하여서 기술되었지만, 구체적으로 기술되지 않은 추가, 삭제, 수정 및 치환이 첨부된 청구항들에서 규정된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있음은 본 기술 분야의 당업자에 의해서 이해될 것이다.

Claims (18)

  1. 플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 반도체 기판을 지지하는데 유용한 하부 전극 어셈블리로서, 상기 전극 어셈블리는,
    온도 제어된 (temperature controlled) 베이스 플레이트, 상기 베이스 플레이트 위의 상부 플레이트, 및 상기 베이스 플레이트와 상기 상부 플레이트 간에 위치한 본딩 층을 둘러싸는 장착 홈 (mounting groove);
    압축가능한 링을 포함하는 에지 시일 (edge seal) 로서, 상기 압축가능한 링은 상기 상부 플레이트와 상기 베이스 플레이트 사이에서 축방향으로 압축되도록 상기 장착 홈 내에 장착된, 상기 에지 시일; 및
    상기 압축가능한 링과 상기 장착 홈의 내측 벽 간의 환상 공간 (annular space) 과 유체적으로 연통하는 적어도 하나의 가스 통로로서, 상기 적어도 하나의 가스 통로는 상기 환상 공간에 압력을 가하도록 (pressurize) 가스 소스로부터 상기 베이스 플레이트를 통해 상기 환상 공간으로 연장하고 상기 환상 공간과 유체적으로 연통하는 적어도 하나의 유출구를 포함하는, 상기 적어도 하나의 가스 통로를 포함하는, 하부 전극 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가스 통로는 상기 환상 공간과 유체적으로 연통하는 다수의 유출구들을 포함하는, 하부 전극 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축가능한 링은 실리콘 코어 (core) 및 플루오로폴리머 코팅을 포함하는, 하부 전극 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축가능한 링은 비원형 단면을 갖는 엘라스토머 밴드 또는 O-링인, 하부 전극 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 장착 홈은 단면상 직사각형이며, 상기 직사각형 단면의 높이는 상기 베이스 플레이트와 상기 상부 플레이트 간에서 연장하며 0.15 인치보다 작은, 하부 전극 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 플레이트는 그 내에 내장된 적어도 하나의 정전 클램핑 전극을 갖는 세라믹 재료를 포함하는, 하부 전극 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트는 상기 베이스 플레이트를 일정한 온도로 유지시키기 위해서 냉각제가 순환하는 유체 채널들을 상기 베이스 플레이트 내에 포함하는, 하부 전극 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    비활성 가스를 상기 가스 통로로 공급하고 상기 환상 공간 내에서 상기 비활성 가스를 100 mTorr 내지 100 Torr의 압력으로 유지하는 가스 소스를 더 포함하는, 하부 전극 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 전극 어셈블리는 하나 이상의 공간적으로 분포된 가열기들을 갖는 금속 또는 세라믹 플레이트를 포함하는 가열기 플레이트를 더 포함하며,
    상기 본딩 층은 상기 베이스 플레이트를 상기 가열기 플레이트로 부착하는 제 1 접착 층 및 상기 가열기 플레이트를 상기 상부 플레이트로 부착하는 제 2 접착 층을 포함하며,
    상기 장착 홈의 내측 벽은 상기 가열기 플레이트의 외측 표면들 및 상기 접착 층들에 의해서 형성되며,
    상기 장착 홈의 상부 벽 및 하부 벽은 상기 상부 플레이트와 상기 베이스 플레이트의 대향하는 표면들에 의해서 형성되는, 하부 전극 어셈블리.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 환상 공간 내의 압력을 모니터링하고 상기 환상 공간으로의 가스 플로우가 임계 플로우 레이트를 초과할 때에 상기 압축가능한 링에 의한 부적합한 실링을 표시하는 알람을 발행하는 압력 모니터를 더 포함하는, 하부 전극 어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 장착 홈은 상기 장착 홈의 상부 벽을 따르는 단차, 상기 장착 홈의 하부 벽을 따르는 단차 또는 상기 장착 홈의 상부 벽 및 하부 벽을 따르는 단차들을 포함하는, 하부 전극 어셈블리.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 O-링과 상기 장착 홈의 내측 벽 간에 위치한 백킹 시일 (backing seal) 을 더 포함하며,
    상기 백킹 시일은 수직 내측 표면, 수평 상부 표면, 수평 하부 표면 및 상기 O-링에 대항하여 피팅된 (fitted) 오목 외측 표면을 갖는, 하부 전극 어셈블리.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 장착 홈의 표면들은 32 마이크로인치 이하의 미러-유사 (mirror-like) 표면 거칠기 Ra로 폴리싱되는, 하부 전극 어셈블리.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 장착 홈은 상기 압축가능한 링의 외측에 위치한 적어도 하나의 단차를 포함하며,
    상기 단차는 적어도 약 0.002 인치의 높이를 갖는, 하부 전극 어셈블리.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축가능한 링은 상기 압축가능한 링 내에 포함된 모든 매 금속 요소가 5000 미만의 ppb (parts per billon) 금속성 함량을 갖는, 하부 전극 어셈블리.
  16. 플라즈마 에칭 챔버로서,
    제 1 항에 기재된 하부 전극 어셈블리가 상기 플라즈마 에칭 챔버의 내부에 장착되고,
    상기 하부 전극 어셈블리의 상부 층은 정전 척 (ESC) 을 포함하는, 플라즈마 에칭 챔버.
  17. 제 1 항에 기재된 하부 전극 어셈블리 상에 장착된 반도체 기판을 플라즈마 에칭하는 방법으로서,
    상기 하부 전극 어셈블리를 포함하는 챔버 내로 프로세스 가스를 도입시키는 단계;
    상기 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징하는 단계; 및
    비활성 가스를 상기 환상 공간으로 공급하고 상기 비활성 가스를 상기 환상 공간 내에서 100 mTorr 내지 100 Torr의 압력으로 유지하면서 상기 플라즈마로 상기 반도체 기판을 플라즈마 에칭하는 단계를 포함하는, 플라즈마 에칭 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 비활성 가스의 상기 환상 공간으로의 플로우 레이트를 모니터링하는 단계; 및
    상기 플로우 레이트가 임계치를 초과하면 상기 압축가능한 링에 의한 부적합한 실링을 표시하는 알람을 발행하는 단계를 더 포함하는, 플라즈마 에칭 방법.
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