KR19980033001A - 화학 증착 플라즈마 반응기에서의 면판 열 초크 - Google Patents

화학 증착 플라즈마 반응기에서의 면판 열 초크 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 보강 화학 증기 증착용 반응기에 관한것으로서, 이것은 CVD 증착되는 웨이퍼에 면하고 웨이퍼를 향한 제트 처리 가스를 위한 다수의 제트 홀을 구비한 샤워헤드 전극을 갖추고 있으며, 2개의 깊은 그루브가 상기 제트 홀을 포함하는 샤워헤드의 면적 둘레에서 형성되고, 이 그루브들이 샤워헤드의 대향 측면으로부터 형성되고 그리고 서로로부터 반경방향으로 오프셋되어 있어서, 상기 샤워헤드의 본체내에서 그루브들사이에서 얇은 벽을 형성하고, 얇은 벽이 열 초크로서 작용하여, 이에따라 샤워헤드의 지지체에 대해 열 유동이 감소되고, 그리고 또한 상기 샤워헤드의 면을 가로질러 온도 분포를 더 균일하게 하며, 상기 얇은 벽은 기계식 벨로우즈로서 작용하여 상기 샤워헤드와 그 지지체사이에서 열 팽창차이를 수용한다.

Description

화학 증착 플라즈마 반응기에서의 면판 열 초크
본 발명은 반도체 직접 회로와 같은 기판의 플라즈마 처리를 위한 장치, 특히, 화학 증기 증착을 위한 플라즈마 반응기에서의 가스 유동내에 포함된 성분에 관한 것이다.
화학 증기 증착(CVD)은 반도체 집적 회로 및 기판상에 형성된 다른 층 구조물을 제조하는데 널리 공지된 방법이다. CVD에서, 반도체 웨이퍼 또는 다른 기판은 진공 챔버 내면에서 감소된 압력에서 선구 가스에 노출된다. 선구 가스는 웨이퍼의 표면에서 반응하고 그리고 웨이퍼상에 성분을 증착시킨다. 예를들어, 실란(SiH4)은 실리콘을 증착하기 위해 선구 가스로서 종종 사용되고 그리고 TEOS(테트라에틸올소실리케이트)가 실리콘 이산화물에 대해 종종 사용된다. 이 반응을 진행시키는데는 2개의 주요한 방법이 있다. 만약 웨이퍼가 충분한 온도로 가열된다면, 반응은 열적으로 활성화된다. 그러나, 많은 경우에 있어서, 열 활성화의 효율에 대해 필요한 온도는 매우 높은 것으로 고려되고 있다. 다른 방법, 소위 플라즈마 보강된 CVD 또는 PECVD에서, 선구 가스를 플라즈마 여기시키는데는 전기 수단이 사용된다. 플라즈마는 선구 가스 및 그 성분의 이온 및/또는 라디컬을 생성하고 그리고 이들은 매우 용이하게 반응한다. 이에따라, 웨이퍼의 온도는 매우 낮게 유지될 수 있다.
PECVD 반응 챔버의 실례는 본원에 참조된 즈하오(Zhao)등의 미국특허 제 5,587,171호에 기술되어있다. 이 타입의 CVD반응기는 DxZ 챔버란 이름으로 미국, 캘리포니아, 산타클라라, 어플라이드 머티어리얼스 인코포레이티드에서 시판되고 있다. 이 특허의 CVD반응기는 도 1에 단면도로 예시하였다. 예시되지 않은 웨이퍼는 받침대(10)상에서 처리하는 동안 지지되는데, 이 받침대는 하부 챔버 본체(14)와 하부 챔버 본체(14)의 내측의 세라믹 링(16)에서 슬릿 밸브 개구(12)를 통해 진공 챔버 안팎으로 웨이퍼를 장착하고 그리고 인출하도록 하강시킬수 있다.
증착하는 동안, 선구 가스(18)는 중앙 공급 분배 장치를 통해 웨이퍼를 덮도록 유동되고 그리고 알루미늄과 같은 전도성 금속으로 구성된 면판(22)내의 다수(수천개)의 제트 홀(20)을 통해 유동된다. 상기 가스 분배 장치는 쉬나이더(Schneider)등의, 원뿔형 돔을 갖춘 유도되게 연결된 평행판 플라즈마 반응기란 명칭의 1996년 10월 18일자로 제출된 미국 특허에 기술되어있다. 제트 홀(20)을 포함하는 면판(22)의 전면 부분은 샤워헤드(24)로 명명된다. 예시된 바와 같이, 처리하는 동안, 샤워헤드(24)는 웨이퍼에 접하여 대향되고 그리고 그것의 구멍이 뚫린 면적은 실질적으로 웨이퍼의 면적과 동일 공간으로 연장된다. 처리 가스는 샤워헤드 홀(20)을 통해, 웨이퍼를 거쳐, 그리고 이어서 일반적으로 반경방향으로 외향되어 환형 펌핑 채널(26)로 유동되어, 일반적으로 처리하는 동안 받침대(10)의 상부 에지를 에워싼다. 소모 가스는 펌핑 채널(26)내의 제한부(28)를 통해 배기 매니폴드(29)로 배기된다. 밸브(30)는 예시되지 않은 진공 펌프 장치에 의해 펌핑된 배출부(32)로 배출물을 위한 통로를 제공한다.
면판(22)과 관련 부품은 O링(36)에 의해 하부 챔버 본체(14)에 대해 밀봉된 뚜껑 구조물(34)에서 유지된다. 뚜껑 구조물(34)은 사용자들이 챔버 내부를 수리할수 있도록 예시되지 않은 수평 힌지둘레로 피봇팅시키고 그리고 이에따라 하부 챔버 본체(14)로부터 떨어져서 상승시킬 수 있다. 도시된바와 같이, 펌핑 채널(26)은 뚜껑 구조물(34), 하부 챔버 본체(14), 및 챔버 본체(14)상의 제 1 세라믹 링(16)을 통해 지지된 제 2 세라믹 링(38)사이에서 형성되지만, 펌핑 채널(26)은 주로 뚜껑으로 연장된다.
예시된 반응기는 플라즈마 반응기로서 사용된다. 받침대(10)는 전형적으로 접지되는 한편 면판(22)에 전기적으로 그리고 기계적으로 고정된 커버(40)는 RF동력 공급부(42)에 연결된다. 이에따라, 처리 공간(44)은 샤워헤드(24)와 받침대(10)으로 구성되는 RF 피구동 전극에 의해 에워싸여진다. 충분한 RF동력은 샤워헤드(24)와 받침대(10)사이의 처리 공간(44)내에 처리 가스가 웨이퍼 표면상에서 CVD반응을 활성화하기 위해 플라즈마에 대해 여기되도록 가해진다. 이에따라, 반응은 상대적으로 낮은 온도에서 수행될수있어서, 집적회로의 열에 대해 영향을 적게 형성한다.
하부 챔버 본체(14)는 통상적으로 알루미늄과 같은 금속으로 제조되지만, 안전을 이유로, 전기적으로 접지된다. 환형 절연체(46)는 전기적으로 접속되는, 하부 챔버 본체(14) 및 뚜껑 구조물(34)로부터 RF 피구동 면판(24)을 전기적으로 절연시킨다. 절연체(46)는 알루미나와 같은 세라믹 재료 또는 테프론과 같은 강한 플라스틱으로 형성되는데, 이들은 모두 우수한 전기 절연성을 제공한다.
도 1의 챔버는 200mm(8인치)의 웨이퍼에 대해 디자인되었다. 이들 챔버를 300mm(12인치)에 적합하도록 확대시킬 경우, 기초적인 디자인을 개선시켜야 할뿐만아니라 다른 문제를 발생시킨다.
도 1의 반응기에서는, 면판(22)과 그것의 샤워헤드(24)의 온도가 정확하게 제어되지 않는다. 받침대(10)는 저항 코일에 의해 유효하게 가열되지만, 그러나 면판(22)은 유효하게 가열되거나 또는 냉각되지 않는다. 샤워헤드(24)의 온도는 플라즈마에 의한 충돌 가열 및 받침대(10)에 의한 복사 가열 때문에, 약 200℃인 것으로 평가되었다. 온도는 받침대(10)와 샤워헤드(24)사이에서 균형을 유지하도록 하지만, 샤워헤드의 일부의 열은 면판(22)의 외부와 상부 부분을 통해 뚜껑 구조물(34)과 결국에는 하부 챔버 본체(14)로, 뿐만아니라 다른 주위에 부착된 부품으로 이동(sink)된다.
이러한 온도는 한계치가 아니더라도, 그러나, 그들은 면판(22), 뚜껑 구조물(34), 챔버 본체(14) 및 다른 부품을 밀봉하는 O 링 시일내에서 수명 및 신뢰성의 문제를 일으킨다. 이에따라 바람직하게는, 면판(22)의 뒷면에서 온도를 감소시킨다.
샤워헤드의 원주에서의 열 싱크는 적어도 2개의 연관된 문제를 야기시킨다. 실질적으로, 열 생성은 샤워헤드의 면적에 대해 균일하고 그리고 실질적으로 균일한 열 전도성을 갖는 통로를 거쳐 더 저온의 원주 면적으로 유동한다. 이 결과에 따라, 샤워헤드(24)의 중앙은 원주에 인접한 샤워헤드 부분에서 보다 온도가 더 높다. 반경 방향에서의 온도의 불균일성은 증착 속도의 균일성에 영향을 미치고 그리고 또한 열 응력을 샤워헤드(24)에 도입한다. 열 응력은 샤워헤드(24)가 굽혀지게 하고 그리고 처리 공간의 결과된 가변 갭 크기는 증착하는 동안 비 균일 플라즈마, 또는 비균일성의 다른 원을 도입한다. 이들 온도 불균일성은 보다 큰 웨이퍼 크기에서 악화된다.
본 발명은 통상적으로 다수의 가스 제트 홀을 포함하여 샤워헤드를 형성하는 면판의 중앙 면적을 에워싸는 2개의 외주 그루브를 갖추고 있는 플라즈마 반응기를 위한 면판을 제공한다. 그루브는 면판의 대향 면으로부터 형성되고, 측면의 평판에서 서로 오프셋되고 그리고 상기 그루브들사이에서 얇은 벽을 생성하도록 충분히 깊게 형성된다. 이 벽은 열 초크로서 작용하여, 지지체와 진공 시일로부터 샤워헤드를 보다 효과적으로 열적으로 절연하도록 한다. 또한 열 팽창을 수용하도록 기계적 벨로우즈로서 작용한다.
도 1은 종래기술의 CVD반응기의 단면도.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 CVD반응기의 일부분을 도시한 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 면판 102 : 샤워헤드
104 : 제트 홀 106 : 받침대
114 : 뚜껑 구조물 116 : 면판 플랜지
118 : L 형 환형 절연체 120, 122, 132, 134 : O 링 그루브
130 : 림
본 발명은 그것의 냉각기 지지체로부터 샤워헤드를 보다 우수하게 열적으로 절연하고 차이를 나타내는 열팽창을 수용하도록 면판의 샤워헤드 부분을 위한 열 초크 및 기계 벨로우즈를 제공한다. 예시된 반응기는 300mm의 웨이퍼를 위해 디자인하였지만, 도 1의 200mm 챔버의 많은 특징을 결합하고 있다.
신규한 면판(100)이 측면의 도 2이 단면도에 예시한바와 같이, 샤워헤드(102)는 단지 수개만을 개략적으로 예시한 다수의 제트 홀(104)을 포함한다. 샤워헤드(102)는 처리 면적(108)을 가로질러 받침대(106)와 면한다. 예시되지는 않았지만, 웨이퍼는 홀(104)을 통해 처리 면적(108)으로 분사된 처리 가스로부터 CVD증착을 위해 받침대(106)의 리세스(110)내에 지지된다. 예시되지는 않았지만, 전기 가열기가 웨이퍼를 최적 증착 온도로 가열하도록 받침대(106)내에 유지된다.
샤워헤드(102)를 포함하는 면판(100)은 샤워헤드(102)의 뒷면으로 반경방향으로 외향되어 연장되는 면판 플랜지(116)를 통해 뚜껑 구조물(114)상에서 지지된다. L형 환형 절연체(118)는 접지된 뚜껑 구조물(114)로부터 전기적으로 바이어스된 면판(100)을 전기적으로 절연시키도록 플레임 뚜껑(114)과 면판 플랜지(116) 사이에서 배치된다. O 링은 면판 플랜지(116), 절연체(116) 및 뚜껑 구조물(114)을 진공 밀봉하도록 2개의 O링 그루브(120, 122)에 맞추어진다. 가스 유입 매니폴드에 대한 커버(124)는 면판 플랜지(116)의 상부 측면상에 지지되고 그리고 O 링 그루브(126)에서의 O링에 의해 밀봉된다. 커버(124)는 면판에 전기적으로 그리고 기계적으로 고정되고 그리고 선택적으로는 RF 동력 공급부에 의해 전기적으로 바이어스된다. 뚜껑 구조물(114)은 O 링 그루브(128)내의 O 링에 의해 바닥 챔버 본체(14)에 대해 밀봉된다. 상술한바와 같이, 이들 O 링이 노출되는 온도를 감소시키는 것이 바람직하다.
원통형 행거 벽(130)은 샤워헤드(102)와 면판(116)사이에서 수직으로 연장되고 그리고 샤워헤드(102)보다 적은 두께를 갖는 수평으로 연장된 림(132)을 통해 샤워헤드(102)에 연결된다. 림(132)의 수평 범위는 도 1의 대응 부분보다 더 얇은 행거 벽(130)에 의해 수용된다.
열 초크와 팽창 벨로우즈는 제팅 홀(104)의 면적 외면에서 면판(100)의 림(130)에 형성된 2개의 깊은 원주 그루브(140, 142)에 의해 작동된다. 그루브(140, 142)는 서로로부터 반경방향으로 오프셋되고 그리고 림(130)의 대향면으로부터 림(130)의 두께의 반이상인 깊이로 기계 가공된다. 이 결과에 따라, 얇은 환형 벽(146)은 그루브(132, 134)사이에서 형성된다. 구조물의 기계 강도는 면판 림(132)와 외부 그루브(142)의 상단으로부터 바닥으로 내부 그루브(140)를 기계가공함에 의해 얇은 벽(146)을 응력상태에서 유지함에 의해 증가된다. 본 발명의 특정 실시예에 있어서, 그루브(140, 142)는 그들의 각각의 측면으로부터 림(132)을 통해 통로의 약 2/3까지 연장되고, 80밀(2mm)의 폭을 가지며, 그리고 얇은 벽(146)내에서 80밀(2mm)의 두께를 생성하도록 반경방향으로 오프셋된다. 그루브와 벽 폭에 대한 크기의 범위는 바람직하게는 40밀 내지 160밀(1 내지 4mm)이다.
이 구조는 열 초크와 팽창 벨로우즈에 의해 적어도 2개의 바람직한 작용을 달성한다. 샤워헤드(102)로부터 행거 벽(130)과 면판 플랜지(116)으로의 열 경로는 실질적으로 기계적 지지에 요구되는 면판(116)의 다른 부분의 두께보다 더 얇은 얇은 벽(146)을 통해 통과된다. 얇은 벽(146)을 통한 적은 열 통로는 이 얇은 벽(146)에서의 열 저항성이 크도록 하는데, 열 저항성은 샤워헤드(102)와 행거 벽(130) 및 면판 플랜지(116)보다 더 크다. 이 결과에 따라, 샤워헤드(102) 또는 행거 벽(146)과 면판 플랜지(116)의 조합물을 가로지르는 것보다 얇은 벽(146)을 가로지르는 것이 열 차이가 더 크게 개선된다. 이에따라, 샤워헤드(102)는 증착의 균일성을 촉진시키는 상대적으로 균일한 온도 분포를 개선시킨다. 또한, 보다 더 낮은 온도로 열 싱크된, 행거 벽(146)과 면판 플랜지(116)를 가로지르는 대응된 더 작은 온도 강하는 그루브(120, 122, 126, 및 128)에서의 O링이 샤워헤드(102)의 200℃이하의 온도에 노출되어 있다는 것을 의미한다.
샤워헤드(102)내의 더 균일한 온도 분포는 열 응력 차이가 더 작고 그리고 굽혀짐이 더 작다는 것을 의미한다. 굽혀짐은 웨이퍼를 가로지르는 증착의 불균일성의 다른 원인이 된다.
그루브(140, 142)둘레의 금속 면판(100)의 연속성은 용이한 핸들 부재를 제공하고 그리고 또한 처리 면적(108)내에서 플라즈마를 여기시키기 위해 RF동력이 가해지도록 면판 플랜지(116)로부터 샤워헤드(102)로의 전기 접촉을 위해 제공된다.
깊은 그루브(140, 142) 및 관련된 얇은 벽(146)에 의한 열 초크를 가로지르는 큰 온도 차이로 인해, 고온의 샤워헤드(102)는 냉각기 행거 벽(130)과 연관되어 팽창될 것이다. 그러나, 얇은 벽(146)은 그것의 두께 보다 더 긴 길이를 갖는다. 이에따라, 그것은 면판(100)의 반경 방향으로 휘어지고 굽혀져서, 열변형을 수용함과 동시에 샤워헤드(102)의 위치에 최소한으로 영향을 미친다. 즉, 2개의 그루브(140, 142)는 수직 지지 및 진공 밀봉을 제공할 뿐만아니라 수평 운동을 허용하도록 하는 기계 벨로우즈로서 작용한다. 열 응력하에서 샤워헤드(102)의 개선된 기계적 안정성은 플라즈마 및 증착 불균일성을 개선시킨다.
펌핑 채널(150)은 예를들어 절연체(122)의 뒷면에서 뚜껑 구조물(118), 하부 챔버 벽(14), 및 세라믹 링(16)에 의해 형성된다. 채널 라이너는 펌핑 채널(150)의 벽상에 배치될수 있어서, 이것의 정확한 배치는 증착 공정 및 가스 유동에 대해 최적화될수도 있다.
본 발명은 CVD반응기와 관련하여 기술하였지만, 면판의 유사한 디자인은 에칭 반응기, 특히 플라즈마 보강 에칭기에 적용될 수 있다.
이에따라, 본 발명은 열 구배와 기계적 변형을 완화함에 의해 증착을 더 균일하며, 기존 디자인을 간단히 변형시켜서 개선될 수 있다.

Claims (11)

  1. a) 원형 판과,
    b) 상기 원형 판의 중앙 원형 부분내로 상기 원형 판을 수직으로 통과하는 다수의 홀과, 그리고
    c), 상기 원형 부분을 에워싸는 제 1 및 제 2 원형 그루브로서, 서로 반경방향으로 오프셋되어 있고 그리고 상기 제 1 및 제 2 그루브 사이로 상기 원형 판내의 벽을 형성하도록 상기 원형 판을 통해 각각 절반이상을 관통하고 있는 제 1 및 제 2 원형 그루브를 포함하는 가스 면판.
  2. 제 1 항에 있어서, 환형 플랜지 및 상기 원형 판의 제 1 측면에 상기 플랜지를 연결시키는 벽을 더 포함하고, 상기 제 1 그루브는 상기 원형 판의 상기 제 1 측면상에 형성되고 그리고 반경방향으로 상기 제 2 그루브의 내부에 있는 가스 면판.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 그루브의 폭의 범위가 1 내지 4mm인 가스 면판.
  4. a) 진공 챔버와,
    b) 기판을 상기 진공 챔버내에 고정하는 받침대와,
    c) 상기 챔버의 한 측면상에 배치되고, 처리 가스가 받침대를 향하도록 관통되어 형성된 다수의 제트 홀을 갖추고 있는 가스 면판과, 그리고
    d) 상기 처리 가스를 가스 면판의 뒷면에 공급하도록 상기 받침대로부터 벗어나서 상기 면판의 측면상에 배치된 가스 분배 시스템을 포함하고,
    상기 가스면판은 적어도 2개의 그루브를 구비하는데, 이 그루브는 그들의 대향 측면에서 형성되고, 상기 면판의 평면내에서 서로로부터 오프셋되고, 그리고 상기 그루브의 길이를 따라 연장되는 상기 그루브들사이에서 벽을 형성하도록 상기 판을 통해 각각 충분한 거리로 연장되는 기판 처리 반응기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 그루브들중 제 1 그루브는 상기 면판의 뒷면에 형성되고 그리고 상기 그루브들중 제 2 그루브와 상기 제트 홀사이에 배치되는 기판 처리 반응기.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 진공 챔버가 챔버 본체와 이 챔버 본체에 대해 해체가능하고 밀봉가능한 뚜껑을 구비하고, 그리고
    상기 면판이 상기 뚜껑에 부착되는 기판 처리 반응기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 면판이 상기 뚜껑에 부착가능한 플랜지 및 상기 뚜껑에서 벗어나서 상기 플랜지로부터 상기 그루브와 상기 제트 홀을 구비하는 상기 면판의 일부분을 향해 연장되는 벽을 구비하는 기판 처리 반응기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 그루브들 중 제 1 그루브가 상기 면판의 뒷면에 형성되고 그리고 상기 그루브들중 제 2 그루브와 상기 제트 홀사이에 형성된 기판 처리 반응기.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 제트 홀을 구비하는 상기 면판의 일부 면적과 상기 받침대사이의 처리 공간에서 플라즈마를 형성하도록 상기 면판과 상기 받침대사이를 연결할수 있는 RF동력 원을 더 포함하는 기판 처리 반응기.
  10. 제 4 항에 있어서, 상기 반응기가 플라즈마 보강 화학 증기 증착을 위해 배치되는 기판 처리 반응기.
  11. 제 4 항에 있어서, 상기 그루브와 상기 벽의 폭의 범위가 1 내지 4mm인 기판 처리 반응기.
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