KR19990014794A - 전극 클램핑 어셈블리 및 조립과 그 사용 방법 - Google Patents

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KR19990014794A
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밀러아이보에이.
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로브그렌 에이치. 리차드
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Abstract

단일 웨이퍼의 처리가 수행되는 플라즈마 반응챔버에 대한 전극 클램핑 어셈블리가 개시된다. 본 발명에 따른 전극 어셈블리는 지지부재(32)와, 균일한 두께를 갖는 디스크 형태의 실리콘 샤워헤드 전극과 같은 전극(30), 및 상기 샤워헤드 전극에 대하여 압축하여 탄력적인 클램핑력을 제공하는 클램핑 링(34)을 포함한다. 상기 클램핑 부재는 탄력적인 변형성 재료의 링일 수 있으며, 또한 상기 클램핑 부재는 상기 클램핑 부재가 압축됨으로써 웨이퍼의 처리 동안에 전극 어셈블리의 온도 싸이클링에 걸쳐 탄력적인 클램핑력을 제공하도록 탄성의 이격된 복수의 볼트들에 의하여 조여질 수도 있다. 샤워헤드 전극과 지지부재 사이에 형성된 틈을 통해 압력을 갖는 프로세스 가스를 공급함으로써 열전도성이 향상될 수도 있다. 또한, 상기 클램핑 부재는 상기 전극과 처리될 웨이퍼 사이의 영역내로 플라즈마를 속박시킨다.

Description

전극 클램핑 어셈블리 및 조립과 그 사용 방법
드라이플라즈마 에칭(dry plsma etching), 반응적 이온 에칭(reactive ion etching), 및 이온 밀링(ion milling) 기법들은 반도체 웨이퍼들의 화학적 에칭에 부수되는 많은 한계들을 극복하기 위하여 개발되었다. 특히, 플라즈마 에칭은 수평적 에칭률에 비하여 수직적 에칭률을 훨씬 크게 할 수 있음에 따라 결과적으로 에칭된 모양의 종횡비(결과적인 노치의 높이 대 폭 비율)를 적당하게 제어할 수 있다. 사실상, 플라즈마 에칭은 두께가 1 미크론에 이르는 막들에서 형성된 높은 종횡비를 갖는 매우 미세한 모양들을 가능하게 한다.
플라즈마 에칭 과정 동안에는 상대적으로 낮은 압력의 가스에 큰 에너지를 가하여 웨이퍼의 마스킹된 표면상에 플라즈마가 형성됨으로써 가스의 이온화를 초래한다. 에칭되는 기판의 이용인 포텐셜을 맞춤으로써 플라즈마내의 하전(荷電)된 핵종(核種)들이 마스킹되지 않은 영역들내의 물질들이 떨어져 나가게 되는 웨이퍼에 대체로 수직으로 충돌되도록 인도될 수 있다.
에칭 과정은 종종 에칭될 재료와 화학적으로 반응적인 가스들을 사용함으로써 보다 효율적으로 수행될 수 있다. 일명 반응적 이온 에칭(reactive ion etching)은 플라즈마의 활동적인 에칭 효과와 가스의 화학적인 에칭효과가 결합되어 있다 하지만, 많은 화학적인 반응제들(active agents)은 과도한 전극 마모를 초래한다는 것이 발견되었다.
웨이퍼의 전 영역에 걸쳐 고른 에칭률을 얻기 위하여 웨이퍼의 표면에 결쳐 플라즈마를 균등하게 분포시키는 것이 바람직하다. 예를들어, 미합중국 특허 제4,595,484호, 제4,792,378호, 제4,820,371호, 제4.960.488호에서는 전극들내의 많은 구멍들을 통하여 가스를 분포시키기 위한 샤워헤드(showerhead) 전극들을 개시하고 있다. 이러한 특허들은 일반적으로 반도체 웨이퍼상에 가스증기를 고른 분포로 제공하도록 되어 있는 구멍들의 배열을 포함하는 가스 산란 디스크들(gas dispersion disks)에 대하여 기술하고 있다.
반응적 이온에칭 시스템은 통상 에칭 챔버와, 상기 에칭 챔버내에 위치한 상부 전극 또는 애노우드, 및 하부 전극 또는 캐소우드로 구성된다. 캐소우드는 애노우드와 콘테이너 벽에 대하여 음으로 바이어싱된다. 에칭될 웨이퍼는 적절한 마스크로 덮여지고, 캐소우드상에 직접 놓여진다. CF4, CHF3, CClF3, 및 SF6또는 O2, N2, He, 또는 Ar과의 혼합물과 같은 화학적인 반응 가스가 에칭 챔버내로 유입되고, 통상 밀리토르(millitorr) 범위로 압력이 유지된다. 상부 전극은 가스가 전극을 통하여 챔버내로 균등하게 분산될 수 있도록 하는 가스 구멍들을 구비한다. 애노우드와 캐소우드 사이의 전기장은 플라즈마를 형성하는 반응가스를 분리한다. 웨이퍼의 표면은 활성이온들의 화학적 상호작용과, 웨이퍼 표면을 때리는 이온들의 운동량 전달에 의하여 에칭된다. 전극들에 의하여 발생된 전기장은 캐소우드로 상기 이온들을 끌어 당겨 상기 이온들이 현저하게 수직방향으로 표면을 때리도록 함으로써 상기 과정은 명확히 수직으로 에칭되는 측벽들(side walls)을 만들게 된다.
도 1에는 단일 웨이퍼 에칭기용 샤워헤드 전극 어셈블리(10)를 도시하였다. 이러한 샤워헤드 전극(10)에는 8 인치 웨이퍼가 전극(10)밑에 1 내지 2 센티미터의 간격을 두고 지지될 수 있도록 통상 볼록한 하부 전극이 사용된다. 하부 전극의 볼록한 모양은 웨이퍼의 뒷면에 헬륨(He) 압력을 인가함에 따른 웨이퍼의 휘어짐을 보상하는데, 보상되지 않으면 중심부에서 플라즈마 필드가 약하고 열전도율이 보다 낮아지게 된다. 하부전극의 볼록도는 35에서 50 밀즈(mils)까지의 범위가 가능하며, 전극(10) 중심 밑에서 약해진 플라즈마 필드는 웨이퍼의 중심에 대한 RF 커플링을 증가시키기 위하여 웨이퍼의 뒷면에 인가되는 헬륨 압력을 낮춤으로써 추가적인 보상이 달성될 수 있다.
실리콘 전극(10)의 외단부의 상부 표면은 그라파이트 지지링(12, graphite supporting ring)에 인듐(In) 솔더에 의하여 야금적으로 본딩될 수 있다. 전극(10)은 중심에서 모서리까지 균일한 두께를 갖는 평판 디스크이다. 링(12)상의 외부 플랜지는 알루미늄 클램핑링(16)에 의하여 수냉각채널(13)을 포함하는 알루미늄 지지부재(14)에 클램핑된다. 테프론 지지링(18a, Teflon(:상표명) support ring)과 환상(環狀) 베스펄 인서트(18b, Vespel(:상표명) insert)로 구성된 플라즈마 속박링(18, plasma confinement ring)은 전극(10)의 외부 둘레를 감싸고 있다. 속박링(18)의 목적과 기능은 반응 챔버 벽과 플라즈마 사이의 이용 저항을 높임으로써 상부 및 하부 전극들 사이의 플라즈마를 속박시키는 것이다. 클램핑링(16)은 원주를 따라 서로 간격을 가지고 지지부재(14)에 끼워진 열 두 개의 스테인리스 스틸 볼트들(17)에 의하여 지지부재(14)에 부착되어 있으며, 플라즈마 속박링(18)은 원주를 따라 서로 간격을 가지고 클램핑링(16)에 끼워진 여섯 개의 볼트들(19)에 의하여 클램핑링(16)에 부착되어 있다. 방사상 안쪽으로 확장되는 클램핑링(16)의 플랜지는 그라파이트 지지링(12)을 체결한다. 즉, 클램핑 압력이 전극(10)의 노출된 표면에 대하여 직접 인가되지 않는다.
프로세스 가스는 지지부재(14)의 중심구멍(20)을 통하여 전극에 공급된다. 다음으로 상기 가스는 하나이상의 수직으로 이격된 정류판(baffle plate)을 통하여 분산되고, 프로세스 가스를 반응 챔버(24)에 균등하게 분산시키기 위한 전극(10)내의 가스 분산 구멍들(미도시)을 통하여 통과한다. 링(12)과 지지부재(14)사이의 열전도를 향상시키기 위하여 프로세스 가스의 일부는 지지부재(14)내의 작은 환상 그루브를 채우기 위한 가스통로(27)를 통하여 공급된다. 또한, 속박링(18)내의 가스통로(14)는 반응 챔버(24)내의 압력을 모니터링할 수 있도록 한다. 지지부재(14)와 링(12) 사이에서 프로세스 가스가 압력하 상태에 있도록 유지하기 위하여, 지지링(12)의 방사상으로 내부표면과 지지부재(14)의 방사상으로 외부 표면사이에 제1 오링씰(28, O-ring seal)을 구비하고 있으며, 링(12)의 상부표면의 외부과 지지부재(14)의 하부표면사이에 제2 오링씰(29)을 구비하고 있다.
실리콘 전극(10)을 지지링(12)에 본딩시키는 공정은 실리콘 전극(10)과 그라파이트 링(12)의 다른 열팽창계수들에 기인한 전극의 휨이나 균열을 초래할 수도 있는 본딩 온도까지 전극의 가열을 필요로 한다. 또한, 전극(10)과 링(12) 사이의 조인트 또는 링(12) 자체로부터 나오는 증기화 솔더 입자들 또는 솔더 오염물로 인하여 웨이퍼들의 오염을 초래할 수 있다. 전극의 온도는 솔더를 녹이기에 충분한 온도까지도 상승함으로써, 전극의 일부 또는 전부가 링(12)으로부터 분리될 수 있다. 하지만, 게다가 전극(10)이 링(12)으로부터 부분적으로 분리된다고 하더라도, 링(12)과 전극(10)사이의 이용 및 열적 전력 전달의 국부적인 변화는 전극(10)하에서 플라즈마 농도를 균일하지 않게 할 수 있다.
본 발명은 반도체 웨이퍼의 플라즈마 처리장치에 관한 것으로, 특히 전극이 지지부에 탄력적으로 클램핑된 전극 어셈블리에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전극을 조립하는 방법과 상기 전극 어셈블리로써 웨이퍼를 에칭하는 방법에 관한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 단일 웨이퍼 처리를 위한 샤워헤드 전극 어셈블리의 측단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 샤워헤드 전극 어셈블리의 측단면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 샤워헤드 전극의 고압 가스 공급부를 확대 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 전극 어셈블리를 이용하는 플라즈마 에칭 챔버의 무선 주파수(RF: Radio Frequency) 동작시간에 대한 중심 및 모서리의 임계치수(CD: Critical Dimension) 라인 데이터의 그래프를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 전극 어셈블리를 이용하는 플라즈마 에칭 챔버의 무선 주파수 동작시간에 대한 실리콘 다이옥사이드의 에칭률 및 에칭 균일도의 그래프를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 전극 어셈블리를 이용하는 플라즈마 에칭 챔버의 무선 주파수 동작시간에 대한 에칭을 통한 포토 레지스트 에칭률의 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 전극 어셈블리를 이용하는 플라즈마 에칭 챔버의 무선 주파수 동작시간에 대한 보로포스포실리케이트 글라스(BPSG: borophosphosilicate glass)의 에칭률 및 에칭 균일도의 그래프를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 전극 어셈블리를 이용하는 플라즈마 에칭 챔버의 무선 주파수 동작시간에 대한 접촉 에칭 처리 동안의 포토 레지스트 에칭률의 그래프를 도시한 도면이다.
본 발명은 웨이퍼 처리를 위한 플라즈마 반응 챔버의 전극 어셈블리를 제공한다. 상기 전극 어셈블리는 반응 챔버내에서 처리되는 웨이퍼와 마주보는 하부표면을 갖는 지지부재, 전극 및 클램핑 부재를 포함한다. 상기 전극은 웨이퍼를 마주보는 하부 표면을 구비하며, 전극의 외부 모서리의 상부 표면은 지지부재의 하부표면을 마주 본다. 클램핑부재는 전극의 외부 모서리와 체결되고, 지지부재에 대하여 전극에 압력을 가함으로써 탄력적인 클램핑력을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 전극은 샤워헤드 전극을 포함하고 상기 지지부재는 프로세스 가스를 전극의 상부표면에 공급하는 가스통로를 포함한다. 이 경우에 상기 지지부재는 선택적으로 하나의 공극(cavity)과 상기 공극상에 위치한 하나이상의 정류판(baffle plate)을 포함할 수 있으며, 이로써 가스통로가 제1 압력으로 지지부재의 하부표면과 최상부 정류판의 상부표면 사이의 공간에 프로세스 가스를 공급하도록 한다. 또한, 지지부재는 상기 제1 압력보다 높은 제2 압력의 프로세스 가스를 전극의 상부 표면과 지지부재의 하부표면 사이의 틈(gap)으로 공급하기 위한 제한부(a restriction)를 포함하는 가스통로를 포함할 수 있다. 상기 틈의 마주보는 면들상의 오링씰과 같은 한 쌍의 씰들이 전극과 지지부재 사이에 위치할 수 있음으로써 상기 씰들이 전극의 외부 모서리를 따라서 확장된다. 상기 전극은 균일하거나 균일하지 않은 두께의 실리콘 디스크를 포함할 수 있으며. 상기 클램핑 부재는 전극의 노출된 표면을 바깥부에 대하여 압력을 가하도록 방사상 안쪽으로 확장되는 플랜지를 구비하는 유전체 재료로 된 하나의 링을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 클램핑 부재는 전극의 외부 모서리와 접촉되어 방사상 안쪽으로 확장되며, 지지부재의 하부표면에 대하여 전극의 외부 모서리에 압력을 가하는 링을 포함한다. 상기 클램핑 부재는 전극의 노출된 표면에 인접한 영역 내의 가스 압력을 모니터링하기 위한 가스통로를 포함할 수 있다. 클램핑 부재와 지지부재 사이에는 클램핑 부재 내의 가스통로를 감싸도록 오링과 같은 씰이 위치할 수 있다. 탄력적인 클램핑력을 제공하기 위하여 상기 클램핑 부재는 플라즈마 반응 챔버의 플라즈마 환경내에서 안정적인 압축성의 합성 수지재료로 되어질 수 있다. 대신에 상기 클램핑 부재는 압축성 합성 수지 재료로 된 복수의 볼트들과 같은 압축성 부재에 의하여 지지부재에 부착된 비압축성 재료일 수도 있다.
또한, 본 발명은 플라즈마 반응챔버의 샤워헤드 전극 어셈블리를 조립하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 지지부재의 하부표면과 샤워헤드 전극 외부 모서리의 상부 표면이 지지부재의 하부표면과 마주보도록, 지지부재의 하부표면과 외부 모서리를 구비하는 상기 샤워헤드 전극에 프로세스 가스를 공급하는 가스통로를 구비하는 지지부재를 배치하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 클램핑 부재를 샤웨헤드 전극의 외부 모서리와 체결하는 단계와, 상기 클램핑 부재가 상기 샤워헤드 전극에 대하여 압력을 가함으로써 탄력적인 클램핑력을 제공할 수 있도록 샤워헤드 전극을 지지부재에 부착하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명은 플라즈마 반응 챔버내에서 웨이퍼를 처리하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 플라즈마 반응챔버로 웨이퍼를 공급하는 단계, 및 프로세스 가스가 지지부재의 하부표면을 빠져나와 샤워헤드 전극의 노출된 하부표면을 통과하도록 상기 플라즈마 반응챔버내에 장작된 상기 지지부재내의 가스통로로 상기 프로세스 가스를 공급하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 전력이 전극 외부 모서리의 상부 표면과 지지부재의 하부표면 사이의 환상접촉영역을 통과하여 상기 전력으로 프로세스 가스가 웨이퍼의 상부표면에 접하는 플라즈마를 형성하도록 상기 전력을 인가하는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 방법은 샤워헤드 전극의 외부 모서리를 체결하고 상기 샤워헤드 전극을 지지부재에 부착하며, 웨이퍼의 처리동안 샤워헤드 전극에 대하여 압력을 가하는 탄력적 클램핑력을 제공하는 클램핑 부재로써 웨이퍼 상의 영역내에 플라즈마를 속박하는 단계를 포함한다.
본 발명의 전극 어셈블리는 도 1에 도시한 종래 기술의 전극 어셈블리가 갖는 단점들을 보다 균일한 전극의 냉각, 향상된 플라즈마 속박, 저비용의 생산 및 전극 어셈블리, 및 규정된 한계들내 임계치수(CD: Critical Dimension) 라인들을 유지하면서 전극의 중심에서 외부 둘레까지의 높은 평면도(flatness)로써 극복한다. 상기 전극 어셈블리는 특히 웨이퍼 에칭에 유용하지만 SiO2와 같은 막들을 증착하는데에도 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 전극 구성요소들의 열팽창계수들의 불일치로 인한 전극 어셈블리 내의 응력(stress)을 감소시킨다.
도 2와 도 3에는 본 발명에 따른 샤워헤드 전극 어셈블리를 도시하였다. 상기 어셈블리는 전극(30), 지지부재(32), 및 전극(30)을 지지부재(32)에 클램핑시키기 위한 플라즈마 속박링(34)을 포함한다. 링(34)은 원주를 따라 서로 간격을 가지고 지지부재(32)에 끼워진 열 두 개의 볼트들(35)에 의하여 지지부재(32)에 부착되어 있다. 즉, 본 발명은 도 1에 도시한 배치에 관하여 상술한 각종 단점들을 유발할 수 있는 전극(30)을 그라파이트 지지링에 솔더 본딩해야 할 필요가 없도록 한다. 플라즈마 속박에 관하여, 도 1에서의 링(18)에 비하여 링(34)은 전극의 외부 둘레를 감싸는 접지까지의 경로를 증가시킴으로써 플라즈마 속박을 향상시킨다.
지지부재(32)에는 프로세스 가스(예, 웨이퍼상의 실리콘다이옥사이드 또는 다른 물질의 막들을 에칭하기 위하여 적합한 플라즈마 에칭 가스)를 지지부재(32)의 하부표면에 공급하는 가스통로(36)가 구비된다. 다음으로 상기 프로세스 가스는 전극(30)을 통하여 처리될 웨이퍼 상에 분포된다. 또한, 지지부재(32)는 세 개의 이격된 샤워헤드 정류판(40)들이 끼워지는 하부함몰부(38, lower recess)가 형성되어 있다. 프로세스 가스는 가스통로(36)와 정류판(40)을 통하여 전극(30)에 전달된다. 또한, 지지부재(32)에는 전극(30)을 체결하기 위한 방사상 안쪽의 하부표면(32a)과 속박링(34)에 근접하게 유지되는 방사상 바깥쪽의 하부표면(32b)이 구비된다. 지지부재(32)의 하부표면(32a)은 전극(30)의 상부 표면과 접촉하고, 전극(30)에 전력을 공급한다.
지지부재(32)는 전극 어셈블리를 단일 웨이퍼 플라즈마 에칭에 사용되는 형식과 같은 플라즈마 반응챔버의 내부에 부착시키기 위한 그것의 상부 모서리상의 방사상 바깥쪽으로 확장되는 플렌지(46)를 포함한다. 어셈블링된 상태에서 지지부재(32)의 상부 표면내에 있는 동심(同心)의 냉각채널들(52)은 전극 어셈블리의 수냉각을 제공한다.
전극(30)은 중심으로부터 그것의 외부 모서리까지 균일한 두께를 갖는 평면 실리콘(예, 단결정 실리콘), 그라파이트, 또는 실리콘 카바이드 전극 디스크와 같은 전기적으로 도전성의 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 하지만, 불균일한 두께, 다른 재료들을 가지거나, 프로세스 가스 분산구멍들이 없는 전극들이 본 발명에 따른 전극 어셈블리에 사용될 수도 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 전극은 전극에 의하여 활성화 되어지고 전극하부의 반응 챔버내에서 플라즈마를 형성하는 프로세스 가스를 공급하기 위하여 적절한 사이즈 및 분포로 된 복수의 이격된 가스 방출 통로(미도시)를 구비하는 샤워헤드 전극인 것이 바람직하다.
플라즈마 속박링(34)은 전극(30)의 노출된 표면의 외부 부분에 대하여 탄력적 클램핑력을 제공하는 상부 표면이 포함된 방사상 안쪽으로 확장되는 플렌지(50)를 구비한다. 상기 속박링(34)은 플라즈마 환경에서 안정적인 내열성의 열경화성 플라스틱(예, 듀폰(Dupont)사에서 만든 베스펄(Vespel:상표명))과 같은 유전물질로 제작된 것이 바람직하다. 하지만, 링(34)으로써 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia), 티타니아(titania), 실리콘카바이드(silicon carbide), 등과 같은 세라믹 물질들 또는 유전 코팅된 금속이 사용될 수도 있다.
플라즈마 속박링(34)은 전극(30)이 링(34)과 지지부재(32)사이를 탄력적으로 클램핑할 수 있도록 지지부재(32)에 속박시키는 것이 바람직하다. 이를테면, 링(34)이 베스펄(Vespel:상표명)로 만들어져 있는 것이라면 볼트들(35)는 상온에서 링(34)을 탄력적으로 압축하기에 충분한 정도로 조여질 수 있다. 웨이퍼의 처리 동안에 링(34), 전극(30), 및 지지부재(32)는 가열되어 각기 다른 열팽창을 겪을 수 있다. 하지만, 링(34)이 탄력적으로 압축되어 있기 때문에, 링(34)은 웨이퍼들의 처리시 이러한 구성요소들에서 나타내어지는 온도 사이클에 걸쳐 지속적으로 전극(30)을 지지부재(22)에 대하여 압축하는 탄력적인 클램핑력을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 링(34)과 볼트들(35)은 베스펄(Vespel:상표명)과 같은 탄력적인 변형성 물질로 되어 있다. 하지만, 링(34)은 볼트들(35)이 탄력적인 변형성 물질로 구성되면 비탄력적 물질로 이루어 질 수 있으며, 그 역도 성립한다. 이러한 배치로써 링(34)과 볼트들(35)의 탄력적 변형은 이러한 구성요소들내에 에너지를 저장하고, 전극(30), 지지부재(22), 속박링(34), 및 볼트들(35)의 열팽장과 축소하에서 링(34)이 충분한 클램핑력을 유지할 수 있도록 한다. 링(34) 및 긴 볼트들(35)로서 비교적 부드럽고, 압축성있는 물질을 사용하면 전극(30)에 부드러운 접촉을 유지하는 동안 이러한 구성요소들이 크게 변형될 수 있도록 함으로써, 전극(30)에 손상을 주지 않도록 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 베스펄(Vespel:상표명) 볼트들(35)은 1/4-20 크기이며, 조여지면 각 볼트들(35)은 대략 100 파운드(lbs.)의 부하를 겪게된다. 다시말하면, 각 볼트는 그 궁극적인 항장력((抗張力), 12,500 psi)의 약 1/4 정도로 압축된다. 그 부하에서 볼트들은 탄력적으로 대략 0.020 인치(inch)가 변형되고, 링(34)은 탄력적으로 약 0.012 인치가 변형됨으로써 총 0.032 인치의 휘어짐이 발생한다. 전체 링/볼트 시스템은 그 선형 탄성 범위내로 유지되기 때문에 Si 디스크 또는 링/볼트 시스템의 열팽창 또는 축소동안에 링(34)은 Si 디스크 전극에 대하여 충분한 클램핑력을 유지하게 된다.
반응챔버내의 압력은 적절한 방법에 의하여 지지부재(32)의 뒷면에 박히는 오목형 볼트(hollow bolt)로 연결되어 적절한 압력센서와 교통하는 플라즈마 속박링(34)내의 가스통로(54)를 통하여 모니터링될 수 있다. 가스통로(54)를 감싸는 오링(44)은 지지부재(32)와 플라즈마 속박링(34) 사이의 씰을 제공한다. 전극(30)과 지지부재(32) 사이의 열전도를 향상시키기 위하여 프로세스 가스는 가스통로(55)를 통하여 공급되며, 전극(30)과 지지부재(32) 사이의 틈을 형성하는 지지부재(32) 내의 환상채널(미도시)에서 압력하 상태가 유지된다. 상기 틈에서 상기 가스가 압력하 상태를 유지하기 위하여 내부 및 외부 오링씰(42,43)이 가스통로(55)의 마주보는 면들상에 동심원상으로 배치되어 있다.
동작중에는 통상 CF4, CHF3, Ar 및 N2를 포함하는 플루오로카본의 혼합물인 플라즈마 에칭 가스가 지지부재(32) 내의 가스통로(36)와 또한 가스통로(35)로 전달된다. 지지부재(32) 내의 가스통로(36)를 통하여 전달된 프로세스 가스는 지지부재와 정류판(40) 사이의 공간내에서 확산된다. 상기 가스는 상부 정류판내에 있는 일련의 구멍들(미도시)을 통과하고, 다음으로 중앙 정류판과 하부 정류판을 통과하여, 마지막으로 전극(30)내에 구비된 가스 확산 구멍(미도시)을 통과한다. 이러한 방법으로 프로세스 가스는 처리되는 웨이퍼에 걸쳐 고르게 확산됨으로써 웨이퍼의 균일한 에칭을 구현한다.
본 발명에 따르면 플라즈마 속박링(34) 및/또는 볼트들(35)을 위한 압축성 재료는 전극(30) 파괴 가능성의 감소, 전극(30)의 온도 사이클링 동안에 전극(30)과 지지부재(32) 사이의 열전도 향상, 및 전극(30)과 지지부재(32) 사이의 양호한 전기적 접촉을 유지시킴에 따른 전극(30)에의 전기적 전력 공급 향상의 관점에서 이점들을 제공한다. 세라믹 또는 금속링(34)과 전극(30) 사이에 압축성 재료의 링을 삽입시키거나 세라믹 또는 금속링(34)을 유전성의 압축성 재료로 코팅시킴으로써 유사한 효과들을 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 복수 또는 단일 웨이퍼 처리의 플라즈마 에칭, 증착, 등과 같은 웨이퍼 처리에 유용하다. 이를테면, 상기 장치는 BPSG와, 열적 실리콘 다이옥사이드 또는 파이로리틱 옥사이드(pyrolytic oxide)와 같은 옥사이드들 및 포토 레지스트 재료들의 에칭 또는 증착에 사용될 수 있다. 도 2에 도시한 상기 장치는 서브미크론의 접촉윤곽(contact profile), 임계치수(CDs) 및 입자 오염을 관리한다. BPSG의 에칭에 대해서는 약 13,500 Å/분의 에칭률을 얻을 수 있으며, 도 1에 도시한 전극 어셈블리는 2,400 RF 분(RF minutes) 이전에 교체가 필요할 수 있는 반면에 9,000 RF 분을 초과하는 웨이퍼 처리를 한 경우에 대하여 에칭 균일도를 5 % 부근으로 유지할 수 있다. 실리콘 다이옥사이드를 약 7,000 Å/분으로 에칭할 때, 포토레지스트 에칭률은 약 350 Å/분이 유지될 수 있다. 에칭 프로세스를 경유하는 동안에 레지스트 에칭률은 6,500 RF 분까지 꾸준하게 유지될 수 있으며 이후에는 꾸준히 감소된다. CD 라인 측정에 대해서는 실리콘 다이옥사이드내에서 바이어스(vias)를 제공하기 위하여 200 초 동안 에칭된 웨이퍼의 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)에 의한 측정에 의하여 약 0.02 미크론씩 증가하는 중앙 CD와 시작에서 종료까지 약 0.03 미크론씩 감소하는 모서리 CD가 제공될 수 있다. 본 발명에 따른 전극 어셈블리에서 얻을 수 있는 성능 특성을 도 4 내지 도 8에 도시하였다. 특히, 도 4는 무선주파수에서의 반응기(reacter) 동작시간(RF minutes)인 동작의 분(minuites)에 대한 접촉 에칭 프로세스에서의 레지스트 에칭률을 도시하고 있으며, 도 5는 RF 분(RF minutes)에 대한 BPSG 에칭률을 도시하고 있다. 도 6은 RF 분에 대한 에칭 처리를 거치는 동안의 레지스트 에칭률을 도시하고 있고, 도 7은 RF 분에 대한 실리콘 다이옥사이드 에칭률 및 균일도(uniformity)를 도시하고 있으며, 도 8은 RF 분에 대한 CD 모서리 및 중심 범위를 도시하고 있다.
이상에서 본 발명의 주제, 바람직한 실시예들, 및 동작 모드들을 기술하였다. 하지만, 본 발명은 상술한 실시예에 제한한 것으로 국한되지 않는다. 즉, 상술한 실시예들은 본 발명을 한정하는 것 보다는 본 발명을 설명하기 위한 것으로 간주되어야 하며, 다음의 청구항들에서 정의하는 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 당업자에 의하여 변형된 실시예들이 만들어 질 수 있다는 것이 인정되어야 한다.

Claims (29)

  1. 반응 챔버내에서 처리되어질 웨이퍼와 마주보는 하부표면을 구비하는 지지부재;
    상기 웨이퍼를 마주보는 하부표면과, 상기 지지부재의 상기 하부표면을 마주 보는 외부 모서리의 상부 표면을 구비하는 전극; 및
    상기 전극의 상기 외부 모서리와 체결되고, 상기 지지부재에 대하여 상기 전극에 탄력적으로 압력을 가하는 클램핑부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리를 위한 플라즈마 반응챔버의 전극 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극은 샤워헤드 전극을 포함하고, 상기 지지부재는 프로세스 가스를 상기 전극의 상기 상부표면에 공급하는 가스통로를 구비하는 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서, 상기 지지부재는 하나의 공극과 상기 공극상에 위치한 하나이상의 정류판을 포함하고,
    상기 가스통로는 지지부재의 하부표면과 그에 인접한 상기 정류판의 상부표면 사이의 공간에 프로세스 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 클램핑 부재는,
    상기 지지부재와 마주보는 주요부를 구비하는 링; 및
    상기 전극의 외부 모서리와 접촉되어 안쪽으로 확장되는 플렌지를 구비하고,
    상기 지지부재의 하부 표면에 대하여 상기 전극의 상부 표면을 압축하는 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서, 상기 클램핑 부재의 상기 플렌지는 상기 클램핑 부재의 상기 주요부에 대하여 선대칭으로 변위되는 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 지지부재는
    상기 전극의 상기 상부 표면의 바깥부와 상기 지지부재의 상기 하부 표면 사이의 공간에 프로세스 가스를 공급하는 가스통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서, 상기 공간 내의 상기 프로세스 가스는 상기 반응챔버내의 상기 프로세스 가스에 비하여 압력이 더 높으며, 상기 전극을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서, 상기 클램핑 부재는 상기 전극의 노출된 표면에 인접한 영역 내의 가스 압력을 모니터링하기 위한 가스통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서, 상기 클램핑 부재는 탄력적인 변형성 재료로 되어진 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서, 상기 클램핑 부재는 세라믹, 금속, 서밋, 및 복합 재료들로 구성된 군으로부터 선택된 비탄력적 재료로 되어진 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리.
  11. 제1항에 있어서, 상기 클램핑 부재는 복수의 탄력적 볼트들에 의하여 상기 지지부재에 끼워지는 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리.
  12. 제1항에 있어서, 상기 전극은, 열적 및 전기적으로 도전성인 디스크를 포함하며, 상기 클램핑 부재는 상부 표면이 상기 전극의 노출된 표면의 바깥부에 접촉하며 안쪽으로 확장되는 플렌지를 구비한 유전성 재료의 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리.
  13. 제12항에 있어서, 상기 디스크는 단결정 실리콘, 그라파이트, 또는 실리콘 카바이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리.
  14. 제8항에 있어서, 상기 전극과 상기 지지부재 사이에 상기 전극의 상기 외부 모서리 주위로 확장되는 제1 탄성씰이 위치하고, 상기 크램핑 부재와 상기 지지부재 사이에 상기 클램핑 부재내의 상기 가스통로를 감싸는 제2 탄성씰이 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 어셈블리.
  15. 지지부재의 하부표면에 프로세스 가스를 공급하는 가스통로를 구비하는 상기 지지부재와, 샤워헤드 전극의 외부 모서리의 상부표면이 상기 지지부재의 하부표면을 마주보도록 외부 모서리를 구비하는 상기 샤워헤드 전극을 배치하는 단계; 및
    상기 샤워헤드 전극의 상기 외부 모서리를 갖는 클램핑 부재를 체결하고, 상기 클램핑 부재가 상기 샤워헤드 전극에 대하여 압축하는 탄력적인 클램핑력을 제공하도록 상기 샤워헤드 전극을 상기 지지부재에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응챔버의 샤워헤드 전극 어셈블리의 어셈블링 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 샤워헤드 전극은 상기 샤워헤드 전극과 상기 지지부재 사이의 열을 전도시키는 상기 프로세스 가스가 상기 지지부재의 하부표면과 상기 샤워헤드 전극의 상부표면 사이의 공간에 공급되도록 상기 지지부재에 부착되는 것을 특징으로 하는 샤워헤드 전극 어셈블리의 어셈블링 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 클램핑 부재는 안쪽으로 확장되는 플렌지를 구비하는 탄력적인 변형성 링을 포함하고, 상기 샤워헤드 전극의 외부 모서리가 상기 지지부재의 하부 표면에 대하여 압축되도록 상기 샤워헤드 전극의 외부 모서리에 접촉하여 상기 플렌지를 배치하고, 상기 링을 탄력적으로 변형시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 샤워헤드 전극 어셈블리의 어셈블링 방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 지지부재는 공극을 포함하고, 상기 가스통로가 상기 지지부재의 하부표면과 그것에 인접한 상기 정류판의 상부표면사이의 공간내에 프로세스 가스를 공급하도록 상기 공극내에 하나 이상의 정류판을 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 샤워헤드 전극 어셈블리의 어셈블링 방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 클램핑 부재는 탄력적인 변형성 재료로 이루어지고,
    상기 클램핑 부재를 복수의 이격된 볼트들을 갖는 상기 지지부재에 장착하는 단계와 상기 클램핑 부재가 상기 샤워헤드 전극에 대하여 탄력적으로 압축되도록 상기 볼트들을 조이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 샤워헤드 전극 어셈블리의 어셈블링 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 볼트들은 탄력적인 변형성 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 샤워헤드 전극 어셈블리의 어셈블링 방법.
  21. 제15항에 있어서, 상기 샤워헤드 전극은 균일한 두께의 디스크를 포함하고, 상기 클램핑 부재는 안쪽으로 확장되는 플렌지를 구비하는 링을 포함하며, 상기 샤워헤드 전극의 노출된 표면의 바깥부에 접촉되어 상기 플렌지의 상부 표면을 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 샤워헤드 전극 어셈블리의 어셈블링 방법.
  22. 제15항에 있어서, 상기 클램핑 부재는 탄력적인 변형성 재료의 이격된 복수의 볼트들에 의하여 상기 지지부재에 부착되고, 상기 볼트들이 탄력적으로 변형되어, 상기 지지부재에 대하여 상기 샤워헤드 전극을 탄력적으로 클램핑하도록 상기 볼트들을 조이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 샤워헤드 전극 어셈블리의 어셈블링 방법.
  23. 제15항에 있어서, 상기 클램핑 부재는 비탄력적 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 샤워헤드 전극 어셈블리의 어셈블링 방법.
  24. 플라즈마 반응챔버내에 웨이퍼를 공급하는 단계;
    프로세스 가스가 상기 지지부재의 하부표면을 빠져 나와 샤워헤드 전극의 노출된 하부표면을 통과하도록 플라즈마 반응챔버내에 장착된 상기 지지부재 내의 가스통로에 상기 프로세스 가스를 공급하는 단계;
    상기 프로세스 가스가 상기 웨이퍼의 상부 표면에 접하여 플라즈마를 형성하도록 하는 전력이 상기 전극의 외부 모서리의 상부표면과 상기 지지부재의 하부표면 사이의 접촉 영역을 통과하도록 샤워헤드 전극에 전력을 공급하는 단계; 및
    웨이퍼가 처리되는 동안에 상기 샤워헤드 전극에 대하여 압축하는 탄력적인 클램핑력을 제공하며, 상기 샤워헤드 전극의 외부 모서리를 체결하여 상기 샤워헤드 전극을 상기 지지부재에 부착시키는 클램핑 부재를 구비하는 웨이퍼 상부의 영역에 상기 플라즈마를 속박시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응챔버 내에서의 웨이퍼 처리 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 지지부재는 하나의 공극과 상기 공극내에 위치한 하나이상의 정류판을 포함하고, 또한 상기 지지부재는 프로세스 가스를 공급하는 가스통로를 포함하며,
    상기 가스통로가 상기 지지부재의 하부표면과 그것에 인접한 상기 정류판의 하부표면사이의 공간내에 프로세스 가스를 공급하는 단계와, 상기 가스통로를 통하여 상기 샤워헤드 전극의 상부표면의 바깥부와 상기 지지부재의 하부표면 사이의 틈에 상기 프로세스 가스를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 클램핑 부재내의 가스통로를 통하여 상기 샤워헤드 전극의 노출된 표면에 인접한 영역내에서의 가스 압력을 모니터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 웨이퍼상의 물질 층을 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 웨이퍼상의 실리콘 다이옥사이드층을 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 방법.
  29. 제24항에 있어서, 상기 웨이퍼상에 물질 층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 방법.
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