KR102661687B1 - 수용된 플라즈마를 갖는 라디칼 소스 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 발생기에 의해 생성된 플라즈마를 수용하도록 설계된 플라즈마 공동을 포함하는 하우징을 갖는 라디칼 소스에 관련된 기술이 본원에 개시된다. 하우징은, 플라즈마 내로 공정 가스를 분사하도록 설계된 적어도 하나의 가스 분사기를 갖는다. 플라즈마는 플라즈마 내로 분사된 가스로부터 라디칼을 생성한다. 공동은, 공동으로부터 라디칼을 방출하는 배출구 또는 개구부가 그 안에 형성된다. 방출된 라디칼은 라디칼 소스 아래의 대상 웨이퍼 기판을 향해 지향될 수 있다. 본 요약서는 청구범위의 의미 또는 범위를 해석하거나 제한하기 위해 사용되지 않을 것이라는 조건으로 제출된다.
Description
관련 출원
본 출원은 "수용된 플라즈마를 갖는 라디칼 소스(Radical Source)"라는 명칭으로 2018년 5월 4일자로 출원된 미국 정규 특허출원 제15/971,778호의 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.
일 실시예의 반도체 웨이퍼 다이 제조 공정은 패턴 전사 동안의 막 에칭 공정을 포함한다. 이러한 공정은 웨이퍼 다이 수율, 생산성, 신뢰성, 및 비용에 영향을 주는 많은 문제를 겪을 수 있다. 패턴이 더 작아지고 공차가 더 제한됨에 따라, 이러한 문제는 더 확산될 수 있다.
플라즈마 제조 공정에서, 전반적인 플라즈마 불균일성으로 인해 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 에지보다는 웨이퍼 다이의 중심을 향하여 더 많은 플라즈마 균일성이 나타날 수 있다. 이는 웨이퍼 에지에서의 재료/전기적 불연속성으로 인해 기인할 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼 다이의 에지 근처의 영역은 라디칼 및 하전된 종(charged species)의 플럭스(flux)를 가질 수 있으며, 이는 웨이퍼 다이 중심에 있는 그러한 종의 플럭스와 크게 상이하다. 이는 웨이퍼 기판의 에지가 불연속적인 전기적 및 재료 경계를 나타내기 때문일 수 있다.
에칭 및/또는 증착 적용을 위한 반도체 기판을 처리하기 위해 사용되는 플라즈마 라디칼 소스 장치 및 작동 방법에 대한 실시형태가 본원에 개시된다. 라디칼 소스 장치는, 기판을 처리하기 위해 사용되는 플라즈마 챔버(예를 들어, 플라즈마를 수용하기 위한 플라즈마 공동(cavity)을 포함하는 하우징)에 전력을 인가하기 위한 플라즈마 발생기 또는 소스를 포함할 수 있다. 플라즈마 챔버는, 통상적인 수단(예를 들어, 가스 분사기(gas injector))을 사용하여 가스 흐름 및 압력을 제어하도록 구성된다. 그러나, 가스 흐름은, 전원, 가스 화학제, 및 압력과 조합하여 라디칼을 생성하기 위해 사용되는 새로운 가스 분사기를 통하여 유동한다. 라디칼은 플라즈마 챔버에 배치된 기판을 향해 노즐을 통하여 플라즈마 공동 내로 분사된다.
일 실시형태에서, 가스 분사기는, 플라즈마 공동에서 플라즈마의 와류(vortex)의 스핀을 촉진시키는 특정 방향으로 가스가 유동하게 하도록 설계될 수 있다. 구체적인 일 실시예에서, 공동은 원통형이며, 가스 분사기는 이에 접선 배향으로 원통형 공동의 에지에 가스를 분사하고, 공동의 배출구는 원통형 공동의 동축 중심에 위치되며, 노즐 또는 배출구는 수축-확산 드라발(converging-diverging de Laval) 노즐로 구성된다.
도 1은 본원에 설명된 기술에 따른 일 실시예의 플라즈마 공정 시스템(100)의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2a는 본원에 설명된 기술에 따른 예시적인 라디칼 소스의 단면을 도시한다.
도 2b는 도 2a의 예시적인 라디칼 소스의 다른 단면을 도시한다.
도 3a는 본원에 설명된 기술에 따른 예시적인 다른 라디칼 소스의 단면을 도시한다.
도 3b는 도 3a의 예시적인 라디칼 소스의 다른 단면을 도시한다.
도 3c는 도 3a의 예시적인 라디칼 소스의 또 다른 단면을 도시한다.
상세한 설명은 첨부된 도면을 참조한다. 도면에서, 참조 번호의 가장 왼쪽 숫자(들)는 참조 번호가 처음 나타나는 도면을 식별한다. 유사한 특징부 및 구성 요소를 참조하기 위해, 동일한 번호가 도면 전반에 걸쳐서 사용된다.
도 2a는 본원에 설명된 기술에 따른 예시적인 라디칼 소스의 단면을 도시한다.
도 2b는 도 2a의 예시적인 라디칼 소스의 다른 단면을 도시한다.
도 3a는 본원에 설명된 기술에 따른 예시적인 다른 라디칼 소스의 단면을 도시한다.
도 3b는 도 3a의 예시적인 라디칼 소스의 다른 단면을 도시한다.
도 3c는 도 3a의 예시적인 라디칼 소스의 또 다른 단면을 도시한다.
상세한 설명은 첨부된 도면을 참조한다. 도면에서, 참조 번호의 가장 왼쪽 숫자(들)는 참조 번호가 처음 나타나는 도면을 식별한다. 유사한 특징부 및 구성 요소를 참조하기 위해, 동일한 번호가 도면 전반에 걸쳐서 사용된다.
다이 제조 동안, 반도체 웨이퍼의 표면으로의 라디칼의 흐름을 두드러지게 하는 플라즈마 공정(예를 들어, 에칭 및 증착)에 관련된 기술이 본원에 개시된다. 본원에 사용되는 바와 같은 라디칼의 실시예는, 화학적으로 반응성인 중성 종(neutral species)(예를 들어, 산소 또는 질소의 원자), 충족되지 않은 결합을 갖는 분자 단편(예를 들어, 디플루오로메탄), 및 준안정 전자 또는 진동 여기된 종(예를 들어, 단일항 분자 산소)을 포함한다.
반도체 다이 제조 동안, 흔히, 이온 또는 전자와 같은 하전된 종의 낮은 플럭스를 사용하는 순수 라디칼 소스를 구비하는 것이 바람직하다. 본원에 설명된 기술은, 반도체 소자의 대량 제조를 위해 사용할 수 있는 플라즈마 공정의 일부로서, 공간적으로 그리고 시간적으로 제어 가능한 방식으로 라디칼의 플럭스를 생성하는 새로운 하드웨어를 포함한다.
본원에 개시된 기술은, 플라즈마 발생기에 의해 생성된 플라즈마를 수용하도록 설계된 플라즈마 공동을 포함하는 하우징을 갖는 예시적인 라디칼 소스를 포함한다. 하우징은, 공동에서 플라즈마의 스핀을 촉진시키는 그러한 방식으로 플라즈마 내로 공정 가스를 분사하도록 설계된 적어도 하나의 가스 분사기를 갖는다. 이와 같이 플라즈마 내로 가스를 분사함으로써, 공동에서 플라즈마의 와류를 생성한다. 플라즈마는 플라즈마 내로 분사된 가스로부터 라디칼을 생성한다. 공동은 공동으로부터 라디칼을 방출하는 배출구 또는 개구부가 그 안에 형성된다. 방출된 라디칼은 라디칼 소스 아래의 대상 웨이퍼 기판을 향해 지향될 수 있다.
도 1은 본원에 설명된 기술에 따른 일 실시예의 플라즈마 공정 시스템(100)의 개략적인 단면도를 도시한다. 구현예에 따라, 플라즈마 공정 시스템(100)은, 용량성 결합 플라즈마(CCP) 공정 장치, 또는 방사형 라인 슬롯 안테나(RLSA) 및 유도 결합 플라즈마(ICP) 공정 시스템으로 설명될 수 있다.
특정 구현예에서, 예시적인 플라즈마 공정 시스템(100)은 반도체 다이 제조 공정을 위해 사용된다. 예시적인 플라즈마 공정 시스템(100)은, 주 또는 전체 플라즈마 요소(150), 및 국부적 보조 플라즈마 요소(198)를 모두 포함한다. 그러나, 다른 변형예는 기판(예를 들어, 반도체 웨이퍼) 위의 전체 영역 또는 이의 일부를 커버하는 국부적 플라즈마 요소의 분산된 어레이를 사용할 수 있다.
플라즈마 요소는, 다이 제조 공정 동안 가스를 여기 및 해리시키고, 라디칼 및 이온을 생성하기 위해 사용된다. 본원에 사용된 바와 같은 플라즈마 요소는 플라즈마를 생성할 수 있는 요소이다. 플라즈마 요소의 일 실시예는, 예를 들어 통상적인 용량성 결합 시스템에서, 플라즈마에 노출된 전극을 포함한다. 플라즈마 요소의 다른 실시예는, 예를 들어, 유도 결합 시스템을 통해 시변 자기장을 생성하거나, 유전체를 통하여 플라즈마 영역에 진입하는 전파 전자기파를 생성하는 플라즈마 영역 외부의 금속 구조물을 포함한다.
플라즈마 요소는 단일형일 수 있거나, 웨이퍼의 위 및 아래에 위치될 수 있다. 경우에 따라, 다수의 플라즈마 요소가 어레이를 형성할 수 있다. 플라즈마 요소는 플라즈마 영역 전체에 걸쳐서 전체적으로 플라즈마를 생성할 수 있다. 경우에 따라, 플라즈마 요소는 그 요소에 인접하거나 국부적인 영역에서 플라즈마를 국부적으로 생성할 수 있다.
플라즈마 요소는 주 공정 챔버에서 플라즈마를 생성할 수 있다. 경우에 따라, 플라즈마 요소는 더 소형의 보조 챔버에서 플라즈마와 라디칼의 혼합물을 생성할 수 있으며, 그 다음, 혼합물이 주 챔버 내로 유동한다. 경우에 따라, 플라즈마 요소는 보조 챔버에서 플라즈마 생성하여 라디칼을 생성할 수 있으며, 그 다음, 라디칼이 주 챔버 내로 유동한다. 일반적으로, 웨이퍼 아래의 플라즈마 요소는, 웨이퍼를 향해 이온을 가속시키는 시스(sheath)를 웨이퍼 위에 제공하는 모놀리식(monolithic) 전극이다.
예시적인 플라즈마 공정 시스템(100)은, 애싱(ashing), 에칭, 증착, 세척, 플라즈마 중합, 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD), 플라즈마 강화 원자층 증착(PEALD) 등을 포함하는 다수의 작업을 위해 사용될 수 있다. 플라즈마 공정은, 알루미늄 또는 스테인리스 강과 같은 금속으로 제조된 진공 챔버일 수 있는 공정 챔버(102) 내에서 수행될 수 있다.
공정 챔버(102)는, 애싱, 에칭, 증착, 적층, 세척, 플라즈마 중합, PECVD, PEALD 등과 같은 작업을 위한 공정 공간(PS)(106)을 제공하는 공정 용기를 한정한다. 에칭의 경우, 공정 챔버(102)는 에칭 챔버로 지칭될 수 있다. 공정 챔버(102)의 내벽은 알루미나, 이트리아(yttria), 또는 다른 보호제로 코팅될 수 있다. 공정 챔버(102)는 원통형 형상일 수 있거나, 다른 기하학적 구성을 가질 수 있다.
주 플라즈마 요소를 사용하는 통상적인 플라즈마 공정에서, 상부 전극 조립체(150) 또는 애노드, 그리고 하부 전극 조립체(116) 또는 캐소드가 그 내부에 위치될 수 있다. 캐소드는 애노드 및 챔버 벽에 대하여 음으로 바이어스된다. 상부 전극 조립체는, 튜브(166)를 통하여 공정 가스 공급 시스템(164)에 의해 공급되는 가스가 플리넘(plenum)(150a)으로부터 전달될 수 있는 플라즈마-대향 플라즈마 요소(150b)로 구성된다. 또한, 상부 전극 조립체는, 국부적 플라즈마를 생성하는 플라즈마 요소(198)를 포함할 수 있다; 이들은 또한 설명될 바와 같은 국부적 라디칼 소스를 생성할 수 있다.
특정 구현예에서, 주 플라즈마를 지속시키는 플라즈마 요소는 단일형일 수 있거나, 아래에 설명되는 바와 같이, 다수의 요소의 어레이가 있을 수 있다. 이러한 요소는 고주파 전압에 의해 전력 공급될 수 있다.
이러한 고주파 전압은, VHF 대역(30 MHz 내지 300 MHz), UHF 대역(300 MHz 내지 1 GHz), L 대역(1 내지 2 GHz), S-대역(2 GHz 내지 4 GHz), 또는 C 대역(4 GHz 내지 8 GHz) 또는 X 대역(8 GHz 내지 12 GHz)으로 제공될 수 있다. 플라즈마 요소를 위한 고주파 전압은, RF 또는 마이크로파 전력(도시되지 않음)을 통해 공정 챔버(102)에 제공될 수 있다.
서셉터(susceptor)(108)를 통과하는 가스 공급 라인(140)은, 서셉터의 상부 표면에 열 전달 가스를 공급하도록 구성된다. 헬륨(He)과 같은 열 전달 가스(후면 가스로도 알려짐)는, 기판(W)(110)을 가열하는 것을 보조하기 위해 가스 공급 라인(140)을 통해 기판(W)(110)에 공급될 수 있다.
공정 가스 공급 시스템(164)으로부터의 공정 가스는 상부 전극 조립체(150)에 가스를 공급한다. 공정 가스 공급 시스템(164)은, 막 형성, 에칭 등과 같은 특정 공정을 기판(W)(110) 상에 수행하기 위한 공정 가스를 공급하도록 구성될 수 있다. 공정 가스 공급 시스템(164)은 공정 가스 공급 경로를 형성하는 가스 공급 라인(166)에 연결된다. 가스 공급 라인(166)은 주 플라즈마 요소(150b) 및/또는 국부적 플라즈마 요소(198)에 가스를 공급한다.
국부적 플라즈마 요소의 경우, 별도의 가스 배출구 구멍이 국부적 플라즈마 요소에 국부적일 수 있다. 특정 실시형태에서, 어레이는 웨이퍼를 수용하도록 설계된 영역의 둘레에 배치된다.
국부적 플라즈마 요소는 개별적으로 제어되지만, 급전선(power feeder)(174), 상부 급전 막대(176), 및 정합 장치(178)를 통해 고주파 전원(172)(제1 고주파 전원)과 전기적으로 연결된다.
고주파 전원(172)은, 13 MHz(메가헤르츠) 이상의 주파수(예를 들어, 60 MHz)를 갖는 고주파 전압을 출력할 수 있거나, 30 내지 300 MHz의 주파수를 갖는 초단파(VHF) 전압을 출력할 수 있다. 이러한 전원(172)은 바이어스 전원 공급기와 비교하여, 주 전원 공급기로 지칭될 수 있다. 급전선(174)은 예를 들어, 개방된 하부 표면을 갖는 실질적으로 원통형 형상으로 형성될 수 있다. 정합 장치(178)는 고주파 전원(172)에 연결되며, 부하 임피던스를 고주파 전원(172)의 내부 임피던스와 정합시킬 수 있다.
예시적인 플라즈마 공정 시스템(100)의 구성 요소들은 제어 장치(192)에 연결되어 제어 장치(192)에 의해 제어될 수 있으며, 제어 장치(192)는 해당 저장 장치(194) 및 사용자 인터페이스(196)에 차례로 연결될 수 있다. 다양한 플라즈마 공정 작업이 사용자 인터페이스(196)를 통해 실행될 수 있으며, 다양한 플라즈마 공정 방식 및 작업은 저장 장치(194)에 저장될 수 있다.
따라서, 주어진 기판은 다양한 미세 가공 기술로 공정 챔버 내에서 처리될 수 있다. 플라즈마 에칭, 화학 기상 증착, 유리 재료의 처리, 및 박막 태양 전지, 다른 광전지, 및 평판 디스플레이를 위한 유기/무기 플레이트와 같은 대형 패널의 처리 등과 같은 다양한 유형의 처리 시에, 타겟 기판(예를 들어, 기판(W)(110) 또는 처리될 임의의 재료)을 처리하기 위해 사용되는 플라즈마가 발생된다.
제어 장치(192)는 하나 이상의 프로세서, 마이크로컴퓨터, 컴퓨팅 장치 등을 포함할 수 있다. 저장 장치(194)는 메모리를 포함할 수 있으며, 본원에 설명되는 다양한 기능을 수행하기 위해, 제어 장치(192)에 의해 실행되는 명령을 저장하기 위한 일 실시예의 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체이다. 예를 들어, 저장 장치(194)는 일반적으로 휘발성 메모리 및 비-휘발성 메모리(예를 들어, RAM, ROM 등)를 모두 포함할 수 있다.
메모리는 본원에서 메모리 또는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로 지칭될 수 있다. 메모리는, 본원의 구현예에서 설명되는 작업 및 기능을 수행하도록 구성된 특정 기계로서 제어 장치(190)에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드로서, 컴퓨터 판독 가능, 프로세서 실행 가능 프로그램 명령을 저장할 수 있다.
메모리는 하나 이상의 애플리케이션(도시되지 않음)을 추가로 저장할 수 있다. 애플리케이션은 사전 구성된/설치된 그리고 다운로드 가능한 애플리케이션을 포함할 수 있다.
특정 구현예에서, 국부적(또는 심지어 초-국부적(ultra-localized)) 플라즈마 요소(198)의 어레이가 사용된다. 이러한 국부적 플라즈마 요소(198)는 기판(W)(110)의 에지를 향해 배치될 수 있다. 특히, 국부적 플라즈마 소스(198) 또는 그러한 구조물의 어레이는, 플라즈마 공정 시스템(100)의 웨이퍼 다이 플랫폼의 에지에 위치된다. 예를 들어, 국부적 플라즈마 소스(198) 또는 그러한 구조물의 어레이는, 웨이퍼(W)(110) 에지 위의 좁은 갭 반응기에 그러한 국부적 플라즈마 소스(198)를 위치시킴으로써, 플라즈마의 극단 에지에 영향을 줄 수 있다. 특정 구현예에서, 플라즈마 소스(198)의 반경 방향 방사 선형 또는 원주 방향 어레이는, 전체 웨이퍼(W)(110)에 걸쳐서 공간적으로 제어 가능한 플라즈마를 생성하기 위해 사용될 수 있다.
도 2a는 예시적인 라디칼 소스(200)의 단면을 도시한다. 도 2b는 예시적인 라디칼 소스(200)의 다른 단면을 도시한다. 도 2b의 단면은 도 2a에 도시된 바와 같은 B-B 라인을 따른다.
도 1에 도시된 하나 이상의 국부적 플라즈마 요소(198)는 예시적인 라디칼 소스(200)일 수 있다. 화학적으로, 라디칼은 예를 들어, 화학적으로 반응성인 중성 종, 충족되지 않은 결합을 가진 분자 단편, 또는 준안정 전자 또는 진동 여기된 종이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 예시적인 라디칼 소스(200)는, 하우징(210), 플라즈마 발생기(220), 플라즈마 공동(230), 가스 분사기(240), 공동 배출구 또는 개구부(250), 및 노즐(252)을 포함한다.
하우징(210)은 내열성 및 화학적-반응 내성 재료의 블록이다. 그러한 비-반응성 재료의 실시예는 세라믹, 예를 들어 알루미나 및 이트리아를 포함한다. 하우징(210)은 플라즈마(222)를 수용하도록 그 안에 형성된 플라즈마 공동(230)을 갖는다. 플라즈마 공동(230) 내의 중립 압력은 주 공정 챔버 내의 중립 압력보다 더 크므로, 가스가 플라즈마 공동(230)로부터 주 챔버로 유동할 것이다. 플라즈마 공동(230) 내의 압력은 150 mtorr 내지 50 torr로 확장될 수 있다.
플라즈마 발생기(220)는 하우징(210)에 내장된다. 그 명칭이 암시하는 바와 같이, 플라즈마 발생기는 플라즈마(222)를 발생시킨다. 그리고, 이는 플라즈마 공동(230) 내부에 플라즈마(222)를 발생시킨다. 플라즈마 발생기(220)는, 플라즈마(222)를 발생시키기 위해, 예를 들어, 무선 주파수(RF) 소스, 마이크로파 전력, 또는 전류원에 의해 구동되는 공진 요소(224)를 포함한다.
도시된 바와 같이, 공진 요소(224)는 사중극(quadrupole) 대칭을 갖는다. 공진 요소(224)는, LC 회로를 형성하는 용량성 구성 요소 및 이들의 대응하는 유도성 구성 요소를 갖는다. 이러한 공진 회로에서, 저장 에너지는 공진 주파수에서 커패시터와 인덕터 간에 교환된다.
패러데이의 법칙에 의해 공진 요소로부터 플라즈마 공동으로 확장되는 변동 자기장은 변동 전기장을 유도하며, 이러한 변동 전기장은 플라즈마의 전자에 전력을 결합함으로써, 플라즈마가 생성되어 지속될 수 있게 한다. 공진 구조물들의 기하학적 크기는, 공진 주파수의 전자기 방사선의 자유 공간 파장과 같거나 그보다 상당히 더 작을 수 있다.
공진 요소를 사용함으로써, 공동에 수용된 플라즈마가 압축될 수 있다. 일부 구현예에서, 라디칼 소스는 상부 전극의 웨이퍼 위에 어레이로 배치될 수 있다. 내부 플라즈마 영역은, 라디칼 플럭스의 공간적 제어를 제공하기 위해 개별적으로 제어될 수 있다. 이러한 제어는, 어레이의 특정 구성 요소를 통해 선택적으로 공진하도록 여기 마이크로파 전력의 주파수 성분을 선택함으로써 수행될 수 있거나, 개별 저전력 마이크로파 발생기가 각각의 소스에 개별적으로 전력을 공급하는 "위상 어레이" 구성으로 수행될 수 있다.
가스 분사기(240)는 공동(230)의 플라즈마(222) 내로 공정 가스를 분사한다. 가스 분사기(240)는 다수의 분사 포트를 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 가스 분사기(240)는 2개의 포트(포트(242) 및 포트(246))를 갖는다. 공정 가스는 가스 통로(260)를 통해 포트(242)에 도달한다. 공정 가스는 가스 통로(262)를 통해 포트(246)에 도달한다.
포트(242)가 플라즈마(222) 내로 공정 가스(243)를 분사함으로써, 플라즈마는 분사된 가스(244)를 해리시켜서 라디칼(245)을 생성한다. 유사하게, 포트(246)가 플라즈마(222) 내로 공정 가스(247)를 분사함으로써, 플라즈마는 분사된 가스(248)로부터 라디칼(249)을 생성한다. 이러한 방식으로, 가스 분사기(240)는 분사된 모든 가스가 플라즈마(222)를 통과하도록 가스를 분사한다. 이는 라디칼 생성의 높은 효율을 유발한다.
가스는 공동의 외부에서 시작하여 중앙 배출구 개구(예를 들어, 공동 배출구 또는 개구부(250))를 향하여 선회하는 나선형 경로로 통과한다. 플라즈마는 공진 요소의 형상으로 인해 링 형상이기 때문에, 이러한 경로는 가스의 최대 체류 시간을 가능하게 하며, 대부분의 가스가 플라즈마에서 동일한 체류 시간을 갖도록 보장함으로써, 라디칼 생성 시에 더 높은 효율을 달성하고, 생성되는 다양한 종을 한정할 수 있다.
도시된 바와 같이, 플라즈마 공동(230)은 원통형 형상이다. 포트(예를 들어, 포트(242) 및 포트(246))는 이에 접선 배향으로 원통형 형상의 공동(230)의 에지에 배치된다. 이러한 방식으로, 공동에 수용된 플라즈마 내로 가스가 분사됨으로써, 그 공동에서 플라즈마의 스핀을 유도한다. 그러한 스핀은 플라즈마의 와류를 형성한다. 즉, 스핀은 플라즈마 와류를 형성한다.
가스는 접선 배향으로 공동의 에지에 분사되며, 중앙의 좁은 원형 개구부를 통하여 공동에서 배출된다. 좁은 배출구 개구부 아래의 확장된 영역과 조합되는 이러한 형상은 수축-확산 드라발 노즐을 유발하므로, 확산 영역의 배출구에서 초음속 흐름을 제공한다. 라디칼 흐름(254)은 초음속 흐름으로 방출되는 라디칼을 나타낸다. 라디칼을 웨이퍼 표면으로 효율적으로 이송하기 위해, 라디칼 소스로부터의 급속한 그리고 방향성 흐름을 갖는 것이 바람직하다.
공동 배출구 또는 개구부(250)는 원통형 형상의 공동(230)의 바닥 또는 기저부에 위치되며, 그 공동의 동축 중심에 위치된다. 노즐(252)이 공동 배출구(250)에 부착된다. 노즐(252)은 수축-확산 노즐일 수 있다. 노즐(252)은 드라발 노즐일 수 있다.
가스가 플라즈마 내로 분사된 경우, 이온이 생성된다. 그러나, 이러한 이온들은 노즐로부터 방출되기 전에 재결합한다. 공진 요소(220)에 의해 생성되는 플라즈마(222)는 하전된 입자인 이온 및 전자로 구성된다. 이러한 입자들은, 분사된 중성 가스를 이온화시키기에 충분한 에너지를 가질 때까지 전자를 가열하는 공진 요소로부터의 전기장에 의해 생성되며, 이들은 이온과 전자의 체적 재결합에 의해, 또는 플라즈마 공동(230)의 벽 상에서의 중화에 의해 파괴된다. 재료 벽에 충돌하는 이온은 단위 확률로 중화될 것이다. 이온은 중성 입자보다 더 높은 무작위 속도를 갖기 때문에, 이들이 중화되는 공동 벽으로 빠르게 확산된다. 이는 중성자, 이온, 및 전자의 신생 혼합물이 재료 표면 벽에 가장 가깝게 통과하는 노즐 영역(250)에서 특히 그러하다.
예시적인 라디칼 소스(200)는 웨이퍼를 홀딩하도록 구성된 영역 위에 위치됨으로써, 그러한 웨이퍼가 그 영역 상에 있는 경우, (라디칼 흐름(254)으로 나타낸 바와 같이) 웨이퍼를 향해 라디칼이 방출된다.
도 3a는 예시적인 다른 라디칼 소스(300)의 단면을 도시한다. 도 3b는 예시적인 라디칼 소스(300)의 단면을 도시한다. 도 3b의 단면은 도 3a에 도시된 바와 같은 B-B 라인을 따른다. 도 3c는 예시적인 라디칼 소스(300)의 다른 단면을 도시한다. 도 3c의 단면은 도 3a에 도시된 바와 같은 C-C 라인을 따른다.
도 1에 도시된 하나 이상의 국부적 플라즈마 요소(198)는 예시적인 라디칼 소스(300)일 수 있다. 예시적인 라디칼 소스(300)는, 예시적인 라디칼 소스(300)가 예시적인 라디칼 소스로부터 방출되는 라디칼을 집속하여 지향시키는 추가적인 특징을 도입한다는 점을 제외하고는, 예시적인 라디칼 소스(200)와 유사하다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 예시적인 라디칼 소스(300)는, 하우징(310), 플라즈마 발생기(320), 플라즈마 공동(330), 가스 분사기(340), 공동 배출구 또는 개구부(350), 및 가스 커튼 분사구(gas-curtain jet)(380)를 포함한다.
하우징(310)은 내열성 및 화학적-반응 내성 재료의 블록이다. 하우징(310)은, 압축된 플라즈마(322)를 그 안에 수용하도록 그 내부에 형성된 플라즈마 공동(330)을 갖는다.
도시된 바와 같이, 플라즈마 공동(330)은 원통형 형상이다. 플라즈마 공동(330)은, 원통형 형상의 공동(330)의 바닥 또는 기저부에 위치되고 그 공동의 동축 중심에 위치되는 배출구 또는 개구부(350)를 갖는다. 하우징(310)은 배출구(350)의 둘레에 원통형 축대칭 가스 커튼 개구부(390)를 형성한다. 경우에 따라, 배출구(350)는 가스 커튼 개구부(390)를 통하여 적어도 부분적으로 튜브를 형성할 수 있다.
플라즈마 발생기(320)는 하우징(310)에 내장된다. 그 명칭이 암시하는 바와 같이, 플라즈마 발생기는 플라즈마(322)를 발생시킨다. 공진 요소를 사용함으로써, 공동에 수용된 플라즈마가 압축될 수 있다. 일부 구현예에서, 라디칼 소스는 상부 전극의 웨이퍼 위에 어레이로 배치될 수 있다.
가스 분사기(340)는 공동(330)의 플라즈마(322) 내로 공정 가스를 분사한다. 가스 분사기(340)는 다수의 분사 포트를 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 가스 분사기(340)는 2개의 포트(포트(342) 및 포트(346))를 갖는다. 공정 가스는 가스 통로(360)를 통해 포트(342)에 도달한다. 공정 가스는 가스 통로(362)를 통해 포트(346)에 도달한다.
포트(342)가 플라즈마(322) 내로 공정 가스(도시되지 않음)를 분사함으로써, 플라즈마는 분사된 가스(344)를 해리시켜서 라디칼(345)을 생성한다. 유사하게, 포트(346)가 플라즈마(322) 내로 공정 가스(347)를 분사함으로써, 플라즈마는 분사된 가스(348)로부터 라디칼(349)을 생성한다. 이러한 방식으로, 가스 분사기(340)는 분사된 모든 가스가 플라즈마(322)를 통과하도록 가스를 분사한다. 이는 라디칼 생성의 높은 효율을 유발한다.
가스는 접선 배향으로 공동의 에지에 분사되며, 중앙의 좁은 원형 개구부(350)를 통하여 공동에서 배출된다. 좁은 배출구 개구부 아래의 확장된 영역과 조합되는 이러한 형상은 수축-확산 드라발 노즐을 유발하므로, 확산 영역의 배출구에서 초음속 흐름을 제공한다. 라디칼 흐름(354)은 초음속 흐름으로 방출되는 라디칼을 나타낸다.
예시적인 라디칼 소스(300)는 웨이퍼를 홀딩하도록 구성된 영역 위에 위치됨으로써, 그러한 웨이퍼가 그 영역 상에 있는 경우, (라디칼 흐름(354)으로 나타낸 바와 같이) 웨이퍼를 향해 라디칼이 방출된다.
라디칼 흐름(354)은, 좁은 원형 개구부(350)로부터 방출되기 때문에 좁은 기둥 또는 스트림이다. 그러나, 라디칼 흐름(354)이 개구부(350)로부터 이격되어 (예를 들어, 하향하게) 이동함에 따라, 스트림은 확대되거나 확산되는 경향이 있다. 그렇게 됨으로써, 흐름(354)의 라디칼은, 이들이 아래의 웨이퍼와 접촉될 때 더 넓은 영역에 걸쳐서 전개된다.
경우에 따라, 흐름(354)의 라디칼이 더 넓은 영역에서 웨이퍼와 부딪치는 것은 바람직하지 않다. 즉, 라디칼 흐름(354)이 더 집속되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이는 웨이퍼의 에지에서 특히 유용하다.
가스 커튼 분사구(380)는 라디칼 흐름(354)의 집속을 촉진시키기 위해 예시적인 라디칼 소스(300)에 포함된다. 즉, 가스 커튼 분사구(380)는, 라디칼 흐름(354)이 개구부(350)에서 배출된 후에 라디칼 흐름(354)의 확산을 억제시킨다. 가스 커튼 분사구(380)는 예시적인 라디칼 소스(300)로부터 원형 가스 커튼(394)을 분사한다. 원형 가스 커튼은, 개구부(350)로부터 방출되는 라디칼 흐름(354)에 대해 축대칭이고 동심이다.
예시적인 라디칼 소스(300)는 가스 커튼을 형성하기 위한 제2 가스를 포함한다. 가스 커튼 분사구(380)는 제1 가스를 위한 가장 좁은 개구부(예를 들어, 배출구(350)) 아래로 제2 가스를 분사한다. 이러한 제2 가스는 축대칭 가스 커튼을 생성하기 위해 와류 형상으로 분사된다.
라디칼 기둥(plume)의 운동 에너지 및 압력의 총합은 가스 커튼의 국부적 압력보다 더 크지만, 분사 지점에서의 커튼 가스의 국부적 압력은, 이러한 지점에서의 주 분사 라디칼 기둥의 국부적 압력보다 더 높다. 이는 커튼 가스가 라디칼 기둥을 막지 않도록 보장하면서, 커튼 가스의 더 높은 압력으로 인해, 분사된 가스 기둥이 반경 방향으로 압축됨으로써, 작은 점유 공간으로 웨이퍼 상에 충돌하는 좁은 분사물을 생성한다.
특히, 도 3c는 가스 커튼 분사구(380)의 단면을 도시한다. 가스 커튼 개구부(390)는, 배출구(350)의 둘레 또는 배출구(350)와 실질적으로 비대칭으로 정렬되는 개구부 및 원통형 공동이다. 경우에 따라, 배출구(350)는 가스 커튼 개구부(390)에 의해 형성된 체적을 통하여 적어도 부분적으로 튜브를 형성할 수 있다.
가스 커튼 분사구(380)에 의해 분사된 가스는, 분사기(340)에 의해 플라즈마(222) 내로 분사된 가스와 화학적으로 상이하다. 가스 커튼 분사구(380)는 그러한 가스의 공급물로부터 불활성 가스를 흡입한다. 불활성인 가스는, 플라즈마, 기판, 라디칼, 또는 다른 것들과 (예를 들어, 화학적으로 또는 다른 방식으로) 상호 작용하도록 의도되지 않는다.
포트(382)는 가스 커튼 개구부(390) 내로 불활성 가스(383)를 분사한다. 유사하게, 포트(386)는 가스 커튼 개구부(390) 내로 공정 가스(387)를 분사한다. 가스 공급 라인(370 및 372)은 포트(382 및 386)에 불활성 가스를 각각 공급한다.
불활성 가스는 접선 배향으로 가스 커튼 개구부(390)의 에지에 분사되며, 바닥을 통하여 그리고 배출구(350)를 비대칭으로 둘러싸는 원형으로 가스 커튼 개구부(390)에서 배출된다. 라디칼 흐름(354)은 배출구(350)로부터 초음속 흐름으로 방출되는 라디칼을 나타내며, 가스 커튼 흐름(394)은 방출된 라디칼을 둘러싸는 불활성 가스의 스피닝 중공 기둥을 나타낸다.
Claims (15)
- 라디칼 소스로서,
플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생기;
상기 플라즈마 발생기 및 상기 발생된 플라즈마를 그 안에 수용하기 위한 플라즈마 공동을 포함하는 하우징으로서, 상기 플라즈마 발생기는 상기 하우징 내에서 상기 플라즈마 공동 위에 위치되는, 하우징;
상기 플라즈마 발생기 아래의 위치에 있는 상기 플라즈마 공동 내로 가스를 분사하기 위한 가스 분사기로서, (i) 제1 가스 통로와 제2 가스 통로, 및 (ii) 상기 플라즈마 공동의 반대측에 위치된 제1 포트와 제2 포트를 포함하고, 상기 제1 포트 및 상기 제2 포트는 상기 제1 가스 통로 및 상기 제2 가스 통로 각각에 연결되며, 상기 플라즈마는 상기 가스로부터 라디칼을 생성하는, 가스 분사기; 및
상기 하우징에 부착되거나 상기 하우징에 형성된 노즐을 포함하며,
상기 노즐은 상기 플라즈마 공동의 배출구를 제공하여 이로부터 상기 라디칼을 방출하는,
라디칼 소스. - 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 내로 가스를 분사하기 위해 상기 가스 분사기에 의해 상기 플라즈마 공동 내로 분사된 상기 가스는, 상기 플라즈마 공동의 동축 주위에서 상기 플라즈마의 와류의 스핀을 촉진시키는, 라디칼 소스. - 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 발생기는, 상기 플라즈마를 발생시키기 위해, 무선 주파수(RF), 마이크로파 전력, 또는 전류원에 의해 구동되는 공진 요소를 포함하는, 라디칼 소스. - 제1항에 있어서,
상기 노즐은 수축-확산 드라발 노즐을 포함하는, 라디칼 소스. - 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 공동은 원통형이며, 상기 가스 분사기의 제1 포트는 이에 접선 배향으로 상기 플라즈마 공동의 에지에 상기 가스를 분사하고, 상기 가스 분사기의 제2 포트는 이에 접선 배향으로 상기 플라즈마 공동의 에지에 상기 가스를 분사하며, 상기 플라즈마 공동의 상기 배출구는 상기 플라즈마 공동의 동축 중심에 위치되는, 라디칼 소스. - 제1항에 있어서,
상기 라디칼은 초음속으로 상기 노즐로부터 방출되는, 라디칼 소스. - 제1항에 있어서,
상기 라디칼 소스로부터 원형 가스 커튼을 분사하기 위한 가스 커튼 분사구를 더 포함하며,
상기 원형 가스 커튼은 상기 노즐로부터 방출되는 상기 라디칼에 대해 축대칭인, 라디칼 소스. - 제7항에 있어서,
상기 가스 커튼 분사구에 의해 분사된 상기 가스는, 상기 플라즈마 내로 분사된 상기 가스와 화학적으로 상이한, 라디칼 소스. - 제1항에 있어서,
상기 라디칼 소스는, 세라믹, 알루미나, 또는 이트리아를 포함하는 그룹으로부터 선택된 내열성 및 화학적 내성 재료에 내장되는, 라디칼 소스. - 플라즈마 공정 시스템으로서,
제1항에 따른 라디칼 소스의 어레이를 포함하며,
상기 라디칼 소스의 어레이는, 웨이퍼를 홀딩하도록 구성된 영역 위에 위치됨으로써 상기 라디칼이 상기 영역을 향해 방출되도록 하는,
플라즈마 공정 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 노즐은 상기 플라즈마 공동의 동축 중심을 통해 상기 플라즈마 공동에 연결되는, 라디칼 소스.
- 라디칼 소스로서,
플라즈마 발생기에 의해 발생된 플라즈마를 수용하기 위한 플라즈마 공동을 포함하는 하우징;
가스 분사기로서, 상기 가스 분사기가 상기 플라즈마 공동 내로 가스를 분사함으로써 상기 가스 분사기에 의해 상기 플라즈마 공동 내로 분사된 가스가 상기 플라즈마 공동의 동축 주위에서 상기 플라즈마의 와류의 스핀을 촉진시키는, 가스 분사기; 및
상기 플라즈마 공동으로부터 상기 가스를 방출하기 위해 그 안에 형성된 배출구 노즐을 포함하는,
라디칼 소스. - 제12항에 있어서,
상기 플라즈마 공동은 원통형이며, 상기 가스 분사기는 이에 접선 배향으로 상기 플라즈마 공동의 에지에 가스를 분사하고, 상기 플라즈마 공동의 상기 배출구는 상기 플라즈마 공동의 동축 중심에 위치되는, 라디칼 소스. - 플라즈마 공정 시스템으로서,
다수의 라디칼 소스의 어레이를 포함하며,
상기 다수의 라디칼 소스의 어레이는, 웨이퍼 홀더 위에 위치됨으로써 상기 라디칼 소스로부터의 라디칼이 웨이퍼를 홀딩하도록 구성된 영역을 향해 방출되도록 하고,
각각의 라디칼 소스는,
압력 하에서 발생되는 플라즈마를 수용하기 위한 플라즈마 공동을 포함하는 하우징;
가스 분사기로서, 상기 가스 분사기가 상기 플라즈마 공동 내로 가스를 분사함으로써 상기 가스 분사기에 의해 상기 플라즈마 공동 내로 분사된 가스가 상기 플라즈마 공동의 동축 주위에서 상기 플라즈마의 와류의 스핀을 촉진시키며, 상기 플라즈마는 상기 가스로부터 라디칼을 생성하는, 가스 분사기; 및
상기 플라즈마 공동으로부터 방출 시에 상기 라디칼의 가속을 촉진시키기 위한 배출구 주위의 노즐을 포함하는,
플라즈마 공정 시스템. - 삭제
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