KR200468262Y1 - 센터링 피쳐를 갖는 샤워헤드 전극 - Google Patents

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Abstract

샤워헤드 전극은 그 외주에 안쪽 스텝 및 바깥쪽 스텝을 포함하고, 바깥쪽 스텝은, 그 전극을 배킹판에 기계적으로 부착시키는 클램프 링과 협력한다.

Description

센터링 피쳐를 갖는 샤워헤드 전극{SHOWERHEAD ELECTRODE WITH CENTERING FEATURE}
본 발명은, 반도체 컴포넌트들이 제조될 수 있는 플라즈마 처리 챔버에서 상부 전극으로서 이용되는 샤워헤드 전극에 관련된다. 샤워헤드 전극은, 2008 년 7 월 7 일 출원되고 발명의 명칭이 "클램핑된 샤워헤드 전극 어셈블리 (Clamped Showerhead Electrode Assembly)" 이며 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 통합된 미국 출원 제 12/216,526 호에 개시된 바와 같은 클램프 링으로 배킹판에 클램핑될 수 있다.
용량적으로 커플링된 플라즈마 처리 챔버의 상부 전극으로서 이용되는 샤워헤드 전극은, 하부면 상의 플라즈마 노출 표면 및 상부면 상의 탑재 표면을 갖는 원형판을 포함한다. 하부면은 그 판의 외주에 안쪽 및 바깥쪽 스텝을 포함한다. 안쪽 스텝은 바깥쪽 스텝보다 작은 직경을 갖고, 바깥쪽 스텝은 안쪽 스텝과 탑재 표면 사이에 위치된다. 바깥쪽 스텝은 클램프 링의 안쪽으로 연장된 플랜지와 메이팅되도록 구성되고, 안쪽 스텝은, 샤워헤드 전극을 둘러싸는 외부 전극의 안쪽 스텝과 메이팅되도록 구성되어, 외부 전극의 안쪽의 테이퍼링된 (tapered) 표면은 플라즈마 노출 표면의 바깥쪽 에지로부터 연장된다. 탑재 표면은, 센터링 링을 수용하도록 구성된 환형 채널, 및 클램프 링에 의해 원형판이 홀딩되는 배킹판의 정렬 핀 홀들에 매칭하는 패턴으로 배열된 정렬 핀을 수용하도록 구성되는 복수의 정렬 핀 리세스를 포함하고, 원형판은 배킹판의 가스 공급 홀에 매칭하는 패턴으로 배열되는 처리 가스 출구를 포함한다.
본 발명에 따르면, 센터링 링의 내벽의 상부가 배킹판의 채널의 내벽과 마찰 결합되면서 센터링 링의 내벽의 하부가 상기 샤워헤드 전극의 채널의 내벽으로부터 결합해제되어, 샤워헤드 전극 및 배킹판의 가스 홀의 정렬을 유지할 수 있다.
도 1a 는 13 행의 가스 홀, 환형 채널 (522) 및 5 개의 핀 홀 (520) 을 갖는 상부 표면 (522) 의 전면 평면도.
도 1b 는 중심 가스 홀 및 13 행의 가스 홀을 갖는 전극 (504) 의 플라즈마 노출 표면을 도시하는 전면 평면도.
도 1c 는 플라즈마 노출 표면에 가장 근접한 안쪽 스텝 및 전극의 상부면에 가장 근접한 바깥쪽 스텝을 갖는 측면도.
도 1d 는 도 1c 의 D 부분에 대한 확대도.
도 1e 는 정렬 핀 리세스 (520) 를 나타내는 전극의 외주 근처의 단면도.
도 1f 는 정렬 핀 리세스 (520) 를 나타내는 전극의 안쪽 부분에서의 단면도.
도 1g 는 중심 가스 홀과 가스 홀들 (미도시) 의 제 1 행 사이에 위치된 환형 채널 (522) 을 나타내는 전극의 중심에서의 단면도.
도 2 는 배킹판 (300) 과 샤워헤드 전극 (504) 을 정렬하는데 이용될 수 있는 센터링 링 (200; 도 3 의 H 부분) 의 사시도.
도 3 은 배킹판의 반대 채널에 위치된 센터링 링 및 샤워헤드 전극을 갖는 샤워헤드 전극 어셈블리 (500) 의 단면의 사시도.
집적 회로 칩의 제조는 통상적으로 "웨이퍼"로 지칭되는 고순도의 (실리콘 또는 게르마늄과 같은) 단결정 반도체 재료 기판의 얇고 연마된 슬라이스에서 시작한다. 각각의 웨이퍼는, 웨이퍼 상에 다양한 회로 구조들을 형성하는 물리적 및 화학적 처리 단계들의 시퀀스를 겪는다. 제조 프로세스 동안, 실리콘 다이옥사이드 막을 생성하기 위한 열산화, 실리콘, 실리콘 다이옥사이드 및 실리콘 나이트라이드 막을 생성하기 위한 화학 기상 증착, 및 기타 금속막을 생성하기 위한 스퍼터링 또는 다른 기술들과 같은 다양한 기술들을 이용하여, 웨이퍼 상에 다양한 타입의 박막이 증착될 수도 있다.
반도체 웨이퍼 상에 막을 증착한 이후, 도핑으로 지칭되는 처리를 이용하여 반도체 결정 격자에서 선택된 불순물을 대용함으로써 반도체의 고유한 전기 특성이 생성된다. 그 후, 반도체 실리콘 웨이퍼는 "레지스트"로 지칭되는 감광성 또는 감방사선성 재료의 박막층으로 균일하게 코팅될 수도 있다. 그 후, 리소그래피로 공지된 처리를 이용하여, 회로의 전자 경로를 규정하는 작은 기하학적 패턴들이 레지스트 상으로 전달될 수도 있다. 리소그래피 처리 동안, "마스크"로 지칭되는 집적 회로 패턴이 유리판 상에 묘화될 수도 있고, 그 후, 광학적으로 축소되어, 감광성 코팅 상에 투사 및 전달될 수도 있다.
그 후, 리소그래피된 레지스트 패턴은 에칭으로 공지된 처리를 통해 반도체 재료의 하부 결정 표면 상에 전달된다. 진공 챔버에 에칭 또는 증착 가스를 공급하고 그 가스에 에너지를 가하여 플라즈마 상태로 만들기 위해 가스에 무선 주파수 (RF) 필드를 인가함으로써, 재료의 에칭 및 화학 기상 증착 (CVD) 을 위해 일반적으로 진공 처리 챔버가 이용된다.
반응성 이온 에칭 시스템은 통상적으로, 상부 전극 또는 애노드 및 하부 전극 또는 캐소드를 갖는 에칭 챔버로 구성된다. 캐소드는 애노드 및 컨테이너 벽에 대해 네거티브로 바이어스된다. 에칭될 웨이퍼는 적절한 마스크에 의해 커버되어 캐소드 상에 직접 배치된다. CF4, CHF3, CClF3, HBr, Cl2 및 SF6 과 같은 화학적 반응성 가스 또는 이들과 O2, N2, He 또는 Ar 과의 혼합물이 에칭 챔버로 도입되어, 통상적으로 밀리토르 범위인 압력으로 유지된다. 상부 전극에는 가스 홀(들)이 제공되어, 가스가 전극을 통해 챔버 내로 균일하게 확산되게 한다. 애노드와 캐소드 사이에 확립된 전계는 반응성 가스 형성 플라즈마를 분리시킬 것이다. 웨이퍼의 표면은 반응성 이온과의 화학 반응 및 웨이퍼의 표면에 충돌하는 이온의 운동량 전달에 의해 에칭된다. 전극에 의해 발생된 전계는 이온을 캐소드로 끌어당겨, 이 처리가 양호하게 규정된 수직 에칭 측벽을 생성하도록 이온들이 대부분 수직 방향에서 표면에 충돌하게 할 것이다. 에칭 반응기 전극들은 종종, 다수의 기능을 허용하도록, 2 이상의 상이한 부재들을 기계적 순응성 및/또는 열적 전도성의 접착제로 결합함으로써 제조될 수도 있다.
도 1a 내지 도 1d 는 샤워헤드 전극 (504) 의 세부사항을 도시한다. 전극 (504) 은, 정렬 핀 (미도시) 을 수용하는 상부면 (탑재 표면; 522) 의 정렬 핀 홀 (520), 및 클램프 링 (미도시) 및 외부 전극 (미도시) 의 내부 립과 메이팅하는 바깥쪽 에지 (526) 의 스텝을 갖는, 고순도 (10 ppm 미만의 불순물) 저 저항성 (0.005 내지 0.02 Ω-cm) 단일 결정 실리콘의 판인 것이 바람직하다. 적절한 직경 및/또는 구성의 가스 홀 (528; 예를 들어, 0.017 인치 직경 홀) 은 상부면으로부터 하부면 (530; 플라즈마 노출 표면) 으로 연장되고, 임의의 적절한 패턴으로 배열될 수 있다. 도시된 실시형태에서는, 하나의 가스 홀이 전극의 중심에 위치되고, 나머지 가스 홀들은 13 개의 동심의 행에서 원주방향으로 균등하게 이격되고, 제 1 행의 10 개의 가스 홀은 전극의 중심으로부터 약 0.5 인치에 위치되고, 제 2 행의 18 개의 가스 홀은 중심으로부터 약 1 인치에 위치되고, 제 3 행의 28 개의 가스 홀은 중심으로부터 약 1.4 인치에 위치되고, 제 4 행의 38 개의 가스 홀은 중심으로부터 약 1.8 인치에 위치되고, 제 5 행의 46 개의 가스 홀은 중심으로부터 약 2.3 인치에 위치되고, 제 6 행의 56 개의 가스 홀은 중심으로부터 약 2.7 인치에 위치되고, 제 7 행의 66 개의 가스 홀은 중심으로부터 약 3.2 인치에 위치되고, 제 8 행의 74 개의 가스 홀은 중심으로부터 약 3.6 인치에 위치되고, 제 9 행의 84 개의 가스 홀은 중심으로부터 약 4.1 인치에 위치되고, 제 10 행의 94 개의 가스 홀은 중심으로부터 약 4.6 인치에 위치되고, 제 11 행의 104 개의 가스 홀은 중심으로부터 약 5.1 인치에 위치되고, 제 12 행의 110 개의 가스 홀은 중심으로부터 약 5.4 인치에 위치되고, 제 13 행의 120 개의 홀은 중심으로부터 약 5.7 인치에 위치된다.
바람직한 가스 홀 배열은, 가스 홀의 40 내지 80%, 바람직하게는 약 60% 를 안쪽 영역에 갖고, 가스 홀의 20 내지 60%, 바람직하게는 약 40% 를, O-링과 같은 가스 밀봉에 의해 안쪽 영역으로부터 분리된 바깥쪽 영역에 갖는다. 따라서, 플라즈마 에칭을 겪는 웨이퍼 위의 안쪽 영역 및 바깥쪽 영역에는 동일하거나 상이한 유량으로 동일하거나 상이한 에칭 가스가 피딩되어, 에칭 균일성을 최적화할 수 있다.
전극의 상부면은, 2 개의 핀 홀은 중심 근처에 있고, 3 개의 핀 홀은 전극의 바깥쪽 에지 근처에 있는 5 개의 정렬 핀 홀 (520) 을 갖는다. 핀 홀들은 약 0.116 인치의 직경을 가질 수 있다. 2 개의 중심의 핀 홀은 방사상으로 정렬되고, 가스 홀의 제 3 행과 제 4 행 사이의 위치에서 중심으로부터 약 1.6 인치인 곳에 위치되어 약 0.200 인치의 깊이이다. 바깥쪽 핀 홀들은 약 0.100 인치의 깊이이고, 중심으로부터 약 6 인치인 곳에서 중심 핀 홀들과 방사상으로 정렬된 하나의 핀 홀 및 그 핀 홀로부터 97.5° 및 170°오프셋된 다른 2 개의 핀 홀을 포함하고, 그 두번째 및 세번째 바깥쪽 핀 홀은 중심으로부터 동일한 거리이고 서로 92.5°오프셋된다.
센터링 링의 수용을 위해, 환형 채널 (522) 은 중심 가스 홀과 가스 홀의 제 1 행 사이에 위치된다. 채널은 바람직하게는 약 0.24 인치의 안쪽 직경, 약 0.44 인치의 바깥쪽 직경 및 약 0.100 인치의 깊이를 갖고, 채널의 입구에서 아웃워드 테이퍼 및 채널의 바닥에서 인워드 테이퍼를 갖는다.
바깥쪽 스텝들은, 실리콘 판 주위에 완전하게 연장되도록 실리콘 판으로 머시닝된 바깥쪽 스텝 (534) 및 안쪽 스텝 (532) 을 포함한다. 바람직한 실시형태에서, 실리콘 판은 약 0.400 인치의 두께 및 약 12.560 인치의 바깥쪽 직경을 갖고, 안쪽 스텝 (532) 은 약 12.004 인치의 안쪽 직경, 약 12.135 인치의 바깥쪽 직경을 가지며 플라즈마 노출 표면 (530) 으로 약 0.13 인치 연장되고, 바깥쪽 스텝 (534) 은 약 12.135 인치의 안쪽 직경 및 약 12.560 인치의 바깥쪽 직경을 가지며 플라즈마 노출 표면 (530) 으로 약 0.24 인치 연장된다. 안쪽 스텝 (532) 은 약 0.13 인치 길이의 수직 표면 (532a) 및 약 0.065 인치 길이의 수평 표면 (532b) 을 갖고, 바깥쪽 스텝 (534) 은 약 0.11 인치 길이의 수직 표면 (534a) 및 약 0.218 인치 길이의 수평 표면 (534b) 을 갖는다.
도 1b 는 13 행의 가스 홀을 갖는 전극 (504) 의 플라즈마 노출 표면 (530) 을 나타내는 전면 평면도를 도시한다. 도 1a 는 13 행의 가스 홀 및 6 개의 핀 홀 (520) 을 갖는 상부면 (523) 의 전면 평면도를 도시한다. 도 1c 는 플라즈마 노출 표면에 가장 근접한 안쪽 스텝 및 전극의 상부면에 가장 근접한 바깥쪽 스텝을 갖는 측면도를 도시한다. 도 1d 는 도 1c 의 D 부분에 대한 확대도를 도시하며, 상부면 (523) 의 바깥쪽 에지에 제공된 6 개의 라운드된 코너들, 즉, 하부면 (530) 의 바깥쪽 에지, 및 상부면 및 하부면 (522, 530) 과 서로의 코너에서 수평 표면과 수직 표면 사이의 전이부 (532a, 532b, 534a, 534b) (예를 들어, 0.025 인치 반경으로 라운드됨) 를 갖는 안쪽 및 바깥쪽 스텝을 도시한다.
도 1e, 1f 및 1g 는 샤워헤드 전극의 외주 (도 1e), 안쪽 영역 (도 1f) 및 중심 (도 1g) 에서 샤워헤드 전극 (504) 의 단면도를 도시한다. 도 1e 에 도시된 바와 같이, 정렬 핀 리세스 (520) 는 안쪽 스텝 (532) 과 정렬된다. 도 1f 의 정렬 핀 리세스 (520) 는 도 1e 에서의 핀 리세스보다 더 깊고, 가스 출구의 제 3 행과 제 4 행 사이에 위치된다. 도 1g 에 도시된 바와 같이, 환형 채널 (522) 은 바깥쪽 핀 리세스 (520) 와 동일한 깊이를 갖고, 채널 (522) 은 중심 가스 출구 (528) 와 동심원이다.
도 2 는 배킹판 (300) 과 샤워헤드 전극 (504) 을 정렬하는데 이용될 수 있는 센터링 링 (200; 도 3 의 H 부분) 의 확대도이다. 링 (200) 은, 배킹판 (300) 에서 링 (200) 의 내벽이 채널 (522) 의 내벽과 마찰 피트를 제공하고 링 (200) 의 외벽이 채널 (302) 의 외벽과 마찰 피트를 제공하도록 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 링은 전극 (504) 과 배킹판 (300) 사이에 가스 밀봉을 제공할 수도 있다.
링 (200) 은, 반도체 처리 환경에서의 상승된 온도 및 고순도 요건에 호환가능한 "TORLON 5030" 과 같은 유전체 재료인 것이 바람직하다. 링 (200) 은, (a) 알루미늄 배킹판 (300) 에서 환형 채널 (302) 의 외벽에 대해 센터링되고, (b) 실리콘 전극에서 환형 채널 (522) 의 내벽에 대해 센터링되도록 구성되는 것이 바람직하다. 플라즈마 에칭과 같은 웨이퍼 처리 동안, 전극 (504) 및 배킹판 (300) 이 가열되고, 차등 열 팽창이 링 (200) 에 높은 부하를 가한다. 열 응력을 수용하기 위해, 링 (200) 은 상단 및 바닥에서 테이퍼링되고, 채널 (522, 302) 은, 링의 테이퍼와 메이팅하는 유사한 테이퍼를 포함한다. 주위 온도에서, 링 (200) 은 채널 (522) 의 내벽 및 채널 (302) 의 외벽에 대해 베어링되고, 채널 (522) 의 외벽은 링의 외벽에 마찰 결합될 필요가 없고, 채널 (302) 의 내벽은 링 (200) 의 내벽에 마찰 결합될 필요가 없다. 그러나, 실리콘 전극 (504) 및 알루미늄 배킹판이 가열됨에 따라, 링은 채널 (522) 의 내벽과 결합해제되고, 대신에 배킹판에서 채널 (302) 의 내벽에 대해 베어링된다. 따라서, 샤워헤드 전극 내의 가스 홀과 배킹판의 가스 출구와의 정렬은 유지될 수 있다.
본 발명을 특정 실시형태를 참조하여 상세히 설명했지만, 첨부된 청구항의 범주를 벗어나지 않으면서, 다양한 변경예 및 변형예가 가능하고 균등물이 이용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

Claims (13)

  1. 용량적으로 커플링된 플라즈마 처리 챔버의 상부 전극으로서 이용하기 위한 샤워헤드 전극으로서,
    하부면 상에 플라즈마 노출 표면 및 상부면 상에 탑재 표면을 갖는 원형판으로서, 상기 하부면은 상기 원형판의 외주에 안쪽 스텝 및 바깥쪽 스텝을 포함하는, 상기 원형판을 포함하며;
    상기 안쪽 스텝은 상기 바깥쪽 스텝보다 작은 직경을 갖고 상기 바깥쪽 스텝은 상기 안쪽 스텝과 상기 탑재 표면 사이에 위치되고, 상기 바깥쪽 스텝은 클램프 링의 안쪽으로 연장된 플랜지와 메이팅되도록 구성되고, 상기 안쪽 스텝은, 상기 샤워헤드 전극을 둘러싸는 외부 전극의 일부와 메이팅되어, 상기 외부 전극의 안쪽의 테이퍼링된 (tapered) 표면이 상기 플라즈마 노출 표면의 바깥쪽 에지로부터 연장되도록 구성되고;
    상기 탑재 표면은, 센터링 링을 수용하도록 구성된 환형 채널, 및 상기 클램프 링에 의해 상기 원형판이 홀딩되는 배킹판의 정렬 핀 홀들에 매칭하는 패턴으로 배열된 정렬 핀을 수용하도록 구성되는 복수의 정렬 핀 리세스를 포함하고;
    상기 원형판은 상기 배킹판 내의 가스 공급 홀에 매칭하는 패턴으로 배열된 처리 가스 출구를 포함하고, 상기 처리 가스 출구는 상기 상부면과 상기 하부면 사이에 연장된 가스 통로와 연결되는, 샤워헤드 전극.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 채널은, 상기 원형판의 중심에 있는 중심 가스 출구와 원주방향으로 이격된 가스 출구들의 행 사이에 위치되고, 상기 정렬 핀 리세스는, 상기 환형 채널의 반대쪽에 있는 적어도 하나의 중간 핀 리세스, 및 상기 안쪽 스텝과 상기 바깥쪽 스텝 위의 상기 상부면의 바깥쪽 영역에서 원주방향으로 이격된 복수의 핀 리세스를 포함하는, 샤워헤드 전극.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 원형판은 단결정 실리콘인, 샤워헤드 전극.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 출구는, 상기 가스 출구와 상기 안쪽 스텝 사이에 13 개의 원주방향 행의 패턴을 포함하는, 샤워헤드 전극.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 13 개의 원주방향 행은, 3 개의 바깥쪽 행을 분리시키는 거리보다 더 큰 거리만큼 동일한 간격으로 이격된 10 개의 안쪽 행을 포함하는, 샤워헤드 전극.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 바깥쪽 스텝은 상기 외주로부터 제 1 거리만큼 안쪽으로 연장된 수평 표면을 포함하고, 상기 안쪽 스텝은 상기 바깥쪽 스텝으로부터 제 2 거리만큼 안쪽으로 연장된 수평 표면을 포함하고, 상기 제 1 거리는 상기 제 2 거리보다 적어도 2 배 더 큰, 샤워헤드 전극.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 원형판은 상기 상부면과 상기 하부면 사이의 두께가 0.5 인치 이하인 평행한 상기 상부면 및 상기 하부면을 갖고, 상기 바깥쪽 스텝의 수평 표면은 상기 상부면으로부터 제 1 수직 거리만큼 이격되고, 상기 안쪽 스텝의 수평 표면은 상기 하부면으로부터 제 2 수직 거리만큼 이격되고, 상기 상부 스텝의 수평 표면은 상기 하부 스텝의 수평 표면으로부터 제 3 거리만큼 분리되고, 상기 제 1 수직 거리는 상기 제 2 수직 거리보다 크고, 상기 제 2 수직 거리는 상기 제 3 수직 거리보다 큰, 샤워헤드 전극.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 채널은 0.24 인치의 안쪽 직경, 0.44 인치의 바깥쪽 직경 및 0.1 인치의 깊이를 갖는, 샤워헤드 전극.
  9. 제 1 항에 기재된 샤워헤드 전극, 배킹판 및 센터링 링을 포함하는 샤워헤드 전극 어셈블리로서,
    상기 배킹판은 상기 센터링 링을 수용하도록 구성된 환형 채널을 포함하고, 상기 센터링 링의 내벽은 상기 샤워헤드 전극에서 환형 채널의 내벽과 마찰 결합되고, 상기 센터링 링의 외벽은 주위 온도에서 상기 배킹판의 환형 채널의 외벽과 마찰 결합되는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 전극은 실리콘이고, 상기 배킹판은 알루미늄이고, 상기 샤워헤드 전극 어셈블리는 20 내지 200 ℃ 의 온도에서 동작가능하고, 상기 센터링 링은, 상기 센터링 링의 내벽의 상부가 상기 배킹판의 채널의 내벽과 마찰 결합되면서 상기 센터링 링의 내벽의 하부가 상기 샤워헤드 전극의 채널의 내벽으로부터 결합해제되어, 상기 샤워헤드 전극 및 상기 배킹판의 가스 홀의 정렬을 유지하도록 상기 실리콘보다 더 연장되는 재료인, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  11. 배킹판을 샤워헤드 전극에 마찰적으로 홀딩하도록 동작할 수 있는 센터링 링으로서,
    상기 센터링 링은 0.3 인치의 높이, 0.24 인치의 안쪽 직경 및 0.44 인치의 바깥쪽 직경을 갖는 폴리머 재료인, 센터링 링.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 센터링 링의 내벽은 상기 샤워헤드 전극의 환형 채널의 내벽에 마찰 결합하도록 동작가능하고, 상기 센터링 링의 외벽은 주위 온도에서 상기 배킹판의 환형 채널의 외벽에 마찰 결합하도록 동작가능한, 센터링 링.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 센터링 링은, 상기 센터링 링의 내벽의 상부가 상기 배킹판의 채널의 내벽과 마찰 결합되면서 상기 센터링 링의 내벽의 하부가 상기 샤워헤드 전극의 채널의 내벽으로부터 결합해제되도록 상기 샤워헤드 전극보다 더 연장되는 재료인, 센터링 링.
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