KR20050016238A - 다중 ｒｆ 소오스 주파수들을 갖는 플라즈마 챔버 - Google Patents
다중 ｒｆ 소오스 주파수들을 갖는 플라즈마 챔버Info
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Abstract
반도체 기판을 가공하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 플라즈마 반응기는 복수개의 파워 소오스들에 의해 구동되는 용량 전극을 가지며, 위 전극 커패시턴스는 원하는 플라즈마 밀도 및 RF 소오스 주파수에서 플라즈마의 음의 커패시턴스에 매칭되어 상기 플라즈마가 유지될 수 있는 넓은 공정 윈도우를 지지하는 전극 플라즈마 공진을 제공한다.
Description
본 발명은 일반적으로 플라즈마 강화 반도체 기판 공정 장비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 고주파(radio frequency; RF) 소오스들 및 공통 매칭회로를 이용하여 반도체 기판들을 가공하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
RF 플라즈마 반응기는 미세전자 회로들을 생산하기 위해 반도체 기판들을 가공하는 데 사용된다. 상기 반응기는 가공된 기판을 포함하는 챔버 내에 플라즈마를 형성한다. 상기 플라즈마는 상기 챔버 내에 유도 또는 용량 결합된 RF 플라즈마 소오스 파워의 인가에 의해 형성되고 유지된다. 상기 챔버 내에 RF 소오스 파워를 용량 결합하기 위해, 상부 전극(상기 기판에 대향하는)이 RF 소오스 파워 발생기에 의해 전력을 공급받는다.
플라즈마에 용량 결합된 파워를 최적화하기 위해, 전형적으로 50Ω인 RF 발생기의 출력 임피던스가 상기 전극과 플라즈마의 조합에 의해 존재하는 부하 임피던스에 매칭되어야 한다. 그렇지 않으면, 플라즈마 챔버에 전달되는 RF 파워의 양이 상기 플라즈마 부하 임피던스의 변동에 따라 변동하여, 어떤 공정 파라미터들, 예컨대 플라즈마 밀도가 요구되는 한계들 내에 유지될 수 없다. 상기 플라즈마 부하 임피던스는 공정이 진행됨에 따라 동적으로 변하기 쉬운 반응기 챔버 내부의 조건들에 의존하기 때문에 공정 동안 변동한다. 유전체 또는 금속 식각 공정들을 위한 최적 플라즈마 밀도에서, 상기 부하 임피던스는 상기 RF 발생기의 출력 임피던스에 비하여 매우 적으며, 상기 기판을 가공하는 동안 상당히 변할 수 있다. 따라서, 임피던스 매치 회로가 상기 발생기와 상기 부하 사이에서 임피던스 매치를 능동적으로 유지하기 위해 채택되어야 한다. 그러한 능동 임피던스 매칭은 가변 리액턴스(즉, 회로 성분의 값들을 물리적으로 튜닝) 및/또는 가변 주파수(즉, 주파수가 매치 대역폭 내의 중앙에 오도록 입력 주파수를 튜닝)를 사용한다. 그러한 임피던스 매치 회로들에서 하나의 문제는 회로들이 충분히 기민하여 상기 플라즈마 부하 임피던스의 빠른 변화들을 따라야 하며, 따라서 상대적으로 고가이고, 회로들의 복잡성에 기인하여 시스템 신뢰성을 감소시킬 수 있다는 것이다.
또 다른 문제는 상기 매치 회로가 임피던스 매치를 제공할 수 있는 부하 임피던스의 범위("매치 공간"(match space))가 제한된다는 것이다. 상기 매치 공간은 시스템 Q에 관련되며, 여기서 Q = Δf/f 이고, f는 시스템의 공진주파수이며, Δf는 공진 진폭이 f에서의 피크 공진 진폭의 6dB 내에 있는 f의 양측 상의 대역폭이다. 전형적인 RF 발생기는, 상기 플라즈마 임피던스가 변동함에 따라 더 많은 RF 파워가 상기 발생기에 되반사될 때, 전방 파워(forward power)를 거의 일정한 수준에 유지하는 데 제한된 능력을 갖는다. 전형적으로, 이는 전방 파워 수준을 조정함으로써 발생기에 의해 달성되며, 임피던스 불일치가 증가함에 따라(따라서 반사 파워가 증가함에 따라), 상기 발생기는 전방 파워 수준을 증가시킨다. 물론, 이 능력은 상기 발생기가 생성할 수 있는 최대 전방 파워에 의해 제한된다. 전형적으로, 상기 발생기는 3:1 이하의 전방 정상파 전압 대 반사파 전압(즉, 전압 정상파 비; voltage standing wave ratio; VSWR)의 최대 비를 다룰 수 있다. 상기 VSWR이 3:1을 초과하도록 임피던스들에서 차이가 증가하면(예컨대, 공정 진행 동안 플라즈마 임피던스 변동에 기인하여), 상기 RF 발생기는 더 이상 전달된 파워를 제어할 수 없으며, 상기 플라즈마에 대한 제어는 상실된다. 그 결과, 상기 공정은 실패한다. 그러므로, 적어도 근사적인 임피던스 매치가 전극과 챔버의 조합에 의해 존재하는 부하와 상기 RF 발생기 사이에서 유지되어야 한다. 이 근사적인 임피던스 매치는 발생기 출력단에서 상기 VSWR을 플라즈마 임피던스 변동의 전체 예상되는 범위에 걸쳐 3:1 VSWR 한계 내에 유지하도록 충분해야 한다. 상기 임피던스 매치 공간은 전형적으로 상기 매치회로가 상기 발생기 출력단에서 VSWR을 3:1에 또는 그 아래에 유지할 수 있는 부하 임피던스들의 범위이다.
관련된 문제는 상기 부하 임피던스 자체가 공정 파라미터들, 예컨대 챔버 압력, 소오스 파워 수준, 소오스 파워 주파수 및 플라즈마 밀도에 매우 민감하다는 것이다. 이는 허용할 수 없는 임피던스 불일치를 회피하도록 또는 부하 임피던스를 매치 공간의 밖으로 나가게 하는 변동을 회피하도록 플라즈마 반응기가 작동되어야 하는 공정 파라미터들의 범위("공정 윈도우")를 제한한다. 마찬가지로, 상대적으로 좁은 공정 윈도우에서 작동될 수 있는 반응기, 또는 많은 응용 공정들을 취급할 수 있는 반응기를 제공하는 것은 어렵다.
또 다른 관련 문제는 상기 부하 임피던스가 또한 반응기 자체의 배열, 예컨대 반응기 내의 특정 기계 부품들의 크기들 및 특정 물질들의 전도율 또는 유전상수에 의해 영향을 받는 것이다. 그러한 배열 문제들은 반응기의 전기적 특성들, 예컨대 스트레이(stray) 커패시턴스에 영향을 미치며, 이는 차례로 부하 임피던스에 영향을 미친다. 이는 제조 허용오차 및 물질들의 편차에 기인하여 동일하게 설계된 반응기들에서 균일성을 유지하는 것을 어렵게 만든다. 그 결과, 높은 시스템 Q 및 이에 따른 작은 임피던스 매치 공간을 구비하면서, 동일한 공정 윈도우를 나타내거나 동일한 수행능력을 제공하는 동일하게 설계된 두개의 반응기를 생산하는 것이 어렵다.
또 다른 문제는 상기 RF 파워 소오스의 비효율적인 사용이다. 플라즈마 반응기들은, 플라즈마에 전달된 파워의 양이 RF 발생기에 의해 생성된 파워 보다 상당히 적다는 점에서 비효율적인 것으로 알려져 있다. 그 결과, 플라즈마에 전달되는 데 실재로 필요한 양을 초과하는 파워를 생성하기 위해서 발생기 용량에서 추가적인 비용과 신뢰성에 대한 트레이드오프(trade-off)가 초래된다.
그러므로, 넓은 공정 윈도우를 제공하는 것 뿐만 아니라, 플라즈마 반응기 내의 플라즈마에 RF 파워를 효율적으로 결합시키는 기술에 대한 요구가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 넓은 공정 윈도우를 제공함과 아울러, 플라즈마 반응기 내의 플라즈마에 RF 파워를 효율적으로 결합시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 복수개의 RF 파워 소오스들에 의해 구동되는 용량 전극을 갖는 플라즈마 반응기이고, 상기 전극 커패시턴스는 원하는 플라즈마 밀도 및 RF 소오스 주파수에서 상기 플라즈마의 음의 커패시턴스에 매칭되어, 전극 플라즈마 공진 및 상기 플라즈마가 유지될 수 있는 넓은 공정 윈도우를 제공한다. 각 RF 파워 소오스는 양 소오스들에 대해 공통의 고정된 매칭회로를 형성하는 동축 스텁(stub)에 결합된다.
본 발명의 구체예에서, 복수개의 RF 소오스들은 전극의 일 단부에 연결된 튜닝 스텁(tuning stub)을 통해 전극-플라즈마 부하 임피던스에 각각 임피던스 매치된다. 상기 스텁은 상기 RF 소오스들의 주파수 및/또는 상기 전극-플라즈마 조합의 공진 주파수에서 또는 그 근처에서 공진을 제공하는 길이를 갖는다. 각 RF 발생기는 입력 임피던스가 상기 RF 소오스 임피던스에 매치하는 상기 스텁의 위치에서 또는 그 근처에서 상기 스텁에 결합된다. 즉, 제1 소오스는 제1 주파수에서 단락점으로부터 약 λ/4 인 동축 위치에 결합되고, 제2 주파수를 갖는 제2 소오스는 제2 주파수에서 단락점으로부터 λ/4 인 동축 위치에 결합된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 첨부된 도면들은 단지 본 발명의 전형적인 실시예들을 도시하고, 따라서 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 고려되지 않는다. 본 발명은 다른 동등하게 효과적인 실시예들을 허용할 수 있다.
도 1은 본 발명을 구체화하는 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 반응기는 바닥에 반도체 기판(110)을 지지하는 기판 지지부(105)를 구비하는 반응 챔버(100)를 포함한다. 반도체 링(115)이 기판(110)을 둘러싼다. 반도체 링(115)은 접지된 챔버 본체(127) 상에서 유전체(석영(quartz)) 링(120)에 의해 지지된다. 일 실시예에서, 링(120)은 두께 10mm 및 유전상수 4를 갖는다. 챔버(100)는 상단에서, 접지된 챔버 본체(127) 상에서 유전체(석영) 밀봉체에 의해 기판(110) 상부의 미리 정해진 간격 거리에 지지되는, 원반(disc) 모양의 상부 알루미늄 전극에 접한다. 상부전극(overhead electrode, 125)은 또한 내면이 반-금속(semi-metal,예컨대, Si 또는 SiC)으로 덮여진 금속(예컨대, 알루미늄)이거나, 그것 자체가 반-금속 물질일 수 있다. 제1 주파수를 갖는 제1 RF 발생기(150) 및 제2 주파수를 갖는 제2 RF 발생기(220)가 RF 파워를 전극(125)에 인가한다. 양 발생기(150, 220)로부터의 RF 파워는 발생기(150)에 매칭된 동축 케이블(162)를 통해 그리고 전극(125)에 연결된 동축 스텁(135)으로 결합된다. 스텁(135)은 특성 임피던스 및 공진 주파수를 가지며, 아래에 더 자세히 설명되는 바와 같이, 전극(125)와 RF 파워 발생기(150, 220) 사이에서 임피던스 매치를 제공한다. 상기 챔버 본체는 RF 발생기들(150, 220)의 RF 귀로(RF return, 즉 RF 접지)에 연결된다. 상부전극(125)에서 RF 접지까지의 RF 경로는 반도체 링(115), 유전체 링(120) 및 유전체 밀봉체(130)에 의해 영향을 받는다. 기판 지지부(105), 기판(110) 및 반도체 링(115)은 전극(125)에 인가되는 RF 파워에 대해 주 RF 귀로 경로를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, RF 귀로 또는 접지에 대해 측정되는 상부전극 어셈블리(126)의 커패시턴스(capacitance)는, 전극(125), 유전체 링(120) 및 유전체 밀봉체(130)를 포함하여 약 180 ㎊이다. 상기 전극 어셈블리 커패시턴스는 전극 면적, 간격 거리(기판지지부와 상부전극 사이의 거리)에 의해 그리고 스트레이 커패시턴스들(stray capacitances)에 영향을 미치는 요인들, 특히 밀봉체(130) 및 유전체 링(120)의 유전값들에 의해 영향을 받으며, 이들 유전값들은 다시 채택되는 물질들의 유전 상수들 및 두께들에 의해 영향을 받는다. 더 일반적으로, 상기 전극 어셈블리의 커패시턴스(무부호 수 또는 스칼라)는 크기가, 아래에서 논의되는 바와 같이, 특정 소오스 파워 주파수, 플라즈마 밀도 및 동작 압력에서 상기 플라즈마의 음의 커패시턴스(복소수)와 동일 또는 거의 동일하다.
앞의 관련성에 영향을 미치는 많은 상기 요인들은, 상기 반응기에 의해 수행되기 위해 필요한 요구사항들, 기판 크기, 및 상기 기판 전반에 걸쳐 공정이 균일하게 수행되어야 하는 요구사항들의 현실에 기인하여 많은 부분에서 미리 정해진다. 따라서, 상기 플라즈마 커패시턴스는 플라즈마 밀도 및 소오스 파워 주파수의 함수이다. 반면에, 전극 커패시턴스는 기판 지지부 대 전극의 간격(높이), 전극 직경, 및 상기 어셈블리 절연체들의 유전값들의 함수이다. 플라즈마 밀도, 동작 압력, 간격, 및 전극 직경은 상기 반응기에 의해 수행될 플라즈마 공정의 요구사항들을 충족해야 한다. 특히, 이온 밀도는 소정 범위 내에 있어야 한다. 예를 들어, 실리콘 및 유전체 플라즈마 식각 공정들은 일반적으로 109-1012 이온/cc 범위 내에 있는 플라즈마 이온 밀도를 필요로 한다. 상기 기판 대 전극 간격은, 예컨대 상기 간격이 약 2 인치일 때, 8인치 기판들에 대해 최적의 플라즈마 이온 분포를 제공한다. 전극 직경은 일반적으로, 기판의 직경 보다 더 크지 않다면, 적어도 그것 만큼 크다. 동작 압력들은 전형적인 식각 및 다른 플라즈마 공정들을 위한 실질적인 범위들을 유사하게 갖는다.
위의 관련성을 달성하기 위해 선택될 수 있는 다른 요인들이 알려져 있으며, 특히 소오스 주파수의 선택 및 상부 전극 어셈블리(126)에 대한 커패시턴스들의 선택이다. 소오스 파워 주파수가 초단파(VHF) 주파수가 되도록 선택되고 전극 어셈블리(126)의 절연체 성분들의 유전값들이 적당히 선택된다면, 앞서 언급된 전극에 부과된 크기 제한들 및 플라즈마에 부과된 제한들(예컨대, 밀도 범위) 내에서, 전극 커패시턴스는 상기 플라즈마의 음의 커패시턴스의 크기에 매칭될 수 있다. 그러한 선택은 소오스 파워 주파수와 플라즈마 전극 공진 주파수 사이에서 매치 또는 근사 매치를 달성하게 할 수 있다.
따라서, 일 실시예에 있어서, 8인치 기판에 대해, 상부전극 직경이 대략 11인치이고, 간격이 약 2인치이고, 상기 플라즈마 밀도 및 동작 압력이 상술한 바와 같이 식각 공정들에 대해 전형적인 값이고, 밀봉체(130)에 대한 유전물질이 약 9의 유전상수 및 1인치 정도(order)의 두께를 가지고, 링(115)이 10 인치를 약간 초과하는 내경을 가지고, 링(120)이 약 4의 유전상수 및 10mm 정도(order)의 두께를 가지고, 상기 VHF 소오스 파워 주파수들이 162MHz 및 215MHz(비록 다른 VHF 주파수들이 동등하게 효과적일 수 있지만)이며, 양 소오스 파워 주파수들에 대해, 상기 플라즈마 공진 주파수 및 상기 스텁 공진 주파수는 모두 매칭되거나 거의 매칭된다.
더욱 상세하게는, 일 실시예에 있어서, 이들 주파수들은, 상기 소오스 파워 주파수들이 162MHz 및 215MHz로, 서로로부터 약간 오프셋(offset)되며, 이에 따른 전극-플라즈마 공진 주파수 및 상기 스텁 주파수는, 시스템 Q를 유익하게 감소시키는 디튜닝(de-tuning) 효과를 달성하기 위해서, 상기 소오스 주파수들 사이, 예컨대 약 188MHz가 되도록 선택된다. 시스템 Q에서 그러한 감소는 반응기 성능을 상기 챔버 내부의 조건들 변화에 덜 민감하게 하여, 전체 공정이 훨씬 더 안정하고 훨씬 더 넓은 공정 윈도우에서 수행될 수 있다.
상기 동축스텁(135)은, 다른 가치있는 장점들 뿐만 아니라, 전 시스템 안정성, 넓은 공정 윈도우 성능에 더 기여하는 특별히 배열된 설계품이다. 그것은 내부의 원통 모양 도전체(140) 및 외부의 동심 원통 모양의 도전체(145)를 포함한다. 약 1의 상대적인 유전상수를 갖는 절연체(147, 사교 평행선의 음영으로 표시됨)가 내부 및 외부 도전체들(140, 145) 사이의 공간을 채운다. 내부 및 외부 도전체들(140, 145)은 니켈 코팅된 알루미늄으로 형성된다. 일 실시예에서, 외부 도전체(145)는 4.32인치의 직경을 가지며, 내부 도전체(140)는 약 1.5인치의 직경을 갖는다. 상기 스텁 특성 임피던스는 내부 및 외부 도전체들(140, 145)의 반경들 및 절연체(147)의 유전상수에 의해 결정된다. 위에 서술된 실시예의 스텁(135)은 65Ω의 특성 임피던스를 갖는다. 더욱 일반적으로는, 상기 스텁 특성 임피던스는 소오스(150, 220)의 파워 출력 임피던스를 약 20%-40% 초과하며, 일 실시예에서는 약 30% 초과한다. 스텁(135)은 상기 VHF 소오스 파워 주파수들 162MHz와 215MHz 사이의 주파수인 188MHz 근처에서 공진을 갖기 위해 약 39인치의 축길이-188MHz에서 반파장-를 갖는다.
아래에서 논의되는 바와 같이, RF 발생기들(150, 220)로부터 스텁(135)에 RF 파워를 인가하기 위해 스텁(135)의 축 길이를 따라 특정한 지점들에 탭들(160, 230)이 마련된다. 발생기들(150, 220)의 RF 파워 단자들(150a, 220a) 및 RF 귀로 단자들(150b, 220b)이 스텁(135) 상의 탭들(160, 230)에서 내부 및 외부 동축 스텁 도전체들(140, 145)에 각각 연결된다. 이들 연결들은 공지의 방식으로 발생기(150, 220)의 출력 임피던스(전형적으로, 50Ω)를 매칭하는 특성 임피던스를 갖는 발생기-스텁 간 동축 케이블(162, 232)를 통해 이루어진다. 스텁(135)의 먼쪽 단부(135a)에서 종단 도전체(165)가 내부 및 외부 도전체들(140, 145)을 함께 단락시키어, 스텁(135)이 그것의 먼쪽 단부(135a)에서 단락된다.
스텁(135)의 가까운쪽 단부(135b, 비단락 단부)에서, 외부 도전체(145)가 환상의(annular) 도전성 하우징 또는 지지부(175)를 통해 챔버 본체에 연결되는 반면, 내부 도전체(140)는 도전성 실린더 또는 지지부(176)를 통해 전극(125)의 중앙에 연결된다. 유전체 링(180)이, 일 실시예에서는 약 1.3인치의 두께 및 약 9의 유전상수를 가지며, 도전성 실린더(176)과 전극(125) 사이에 개재되어 이들을 분리한다.
내부 도전체(140)는 일반적으로 공정 가스들 및 냉각제와 같은 유틸리티들을 위한 도관을 제공한다. 이 형상의 주요한 장점은, 전형적인 플라즈마 반응기들과 달리, 가스 라인(170) 및 냉각제 라인(173)이 큰 전기적 전위 차이들을 교차시키지 않는 것이다. 그러므로, 그것들은 비용이 적고 그러한 목적에 더 신뢰성 있는 물질인 금속으로 형성될 수 있다. 금속 가스 라인(170)은 상부전극(125) 내의 또는 그것에 인접한 가스 입구들(172)에 가스들을 공급하고, 금속 냉각제 라인(173)은 상부전극(125) 내의 냉각제 통로들 또는 재킷들(jackets, 174)에 냉각제를 공급한다.
따라서, RF 발생기들(150, 220), 및 상부전극 어셈블리(126)와 공정 플라즈마 부하 사이에서 이러한 특별히 배열된 스텁 매치에 의해 능동적인 공진 임피던스 변환이 제공되어, 반사된 파워를 최소화하고 부하 임피던스의 넓은 변화들을 수용하는 매우 넓은 임피던스 매치 공간을 제공한다. 결과적으로, 넓은 공정 윈도우들 및 공정 적응성이, 파워 사용에서 이전에는 얻을 수 없던 효율과 함께 제공되며, 전형적인 임피던스 매치 장치에 대한 요구를 최소화하거나 피하게 한다. 위에서 언급된 바와 같이, 상기 스텁 공진 주파수는 또한 이상적인 매치에서 벗어나 전 시스템 Q, 시스템 안정성, 및 공정 윈도우들과 다중-공정(multi-process) 가능성을 더욱 강화한다.
위에서 개략적으로 서술된 바와 같이, 주요한 특징은, 전극-플라즈마 공진 주파수에서 상기 플라즈마와의 공진을 위해 그리고 상기 소오스 파워 주파수와 상기 전극-플라즈마 주파수의 매칭(또는 근사적인 매칭)을 위해 상부전극 어셈블리(126)을 배치하는 것이다. 전극 어셈블리(126)는 지배적으로 용량성 커패시턴스를 갖는 반면 상기 플라즈마 리액턴스는 주파수, 플라즈마 밀도 및 다른 파라미터들의 복소함수이다.(아래에서 매우 상세하게 서술되는 바와 같이, 플라즈마는 허수부와 관련된 복소함수이며 일반적으로 음의 커패시턴스에 대응하는 리액턴스의 항으로 분석된다.) 전극-플라즈마 공진 주파수는 (커패시터/인덕터 공진 회로가 커패시터 및 인덕터의 리액턴스들에 의해 결정되는 것과 유사하게) 전극 어셈블리(126) 및 플라즈마의 상기 리액턴스들에 의해 결정된다. 따라서, 전극-플라즈마 공진 주파수들은 상기 소오스 파워 주파수들 중 어느 하나일 필요는 없으며, 실제로는 상기 플라즈마 밀도에 의존한다. 그러므로, 본 발명을 수행하는 데 있어서, 플라즈마 밀도의 특정 범위 및 전극 크기들에 실질적으로 국한하는 제한들 하에서, 상기 전극-플라즈마 공진 주파수가 상기 소오스 파워 주파수들 모두와 동등하거나 거의 동등하도록 상기 플라즈마 리액턴스가 있는 소오스 파워 주파수들을 찾는 것이 문제이다. 상기 플라즈마 밀도(플라즈마 리액턴스에 영향을 미침) 및 전극 크기들(전극 커패시턴스에 영향을 미침)이 소정의 공정 제한들을 충족시켜야 하기 때문에, 상기 문제는 훨씬 더 어렵다. 특히, 유전체 및 금속 플라즈마 식각 공정들에 대해서, 상기 플라즈마 밀도는 109-1012 이온/cc의 범위 내에 있어야 하며, 이는 상기 플라즈마 리액턴스에 대한 제한이다. 더욱이, 예컨대 8인치 직경의 기판들을 가공하기 위한 더 균일한 플라즈마 이온 밀도 분포는, 약 2인치의 기판 대 전극간 간격 혹은 높이와 기판 직경 정도의 또는 더 큰 전극 직경에 의해 실현되며, 이는 전극 커패시턴스에 대한 제한이다.
전극 커패시턴스를 상기 플라즈마의 음의 커패시턴스 크기에 매칭(또는 근사 매칭)함으로써, 상기 전극-플라즈마 공진 주파수 및 양 소오스 파워 주파수들이 적어도 근사적으로 매치된다. 위에 열거된 일반적인 금속 및 유전체 식각 공정 조건들(즉, 109-1012 이온/cc의 플라즈마 밀도, 2인치 간격 및 대략 11인치 정도의 전극 직경)에 대해서, 상기 소오스 파워 주파수들이 VHF, 주파수 대역 내에 있으면 매치가 가능하다. 다른 조건들(예컨대, 다른 기판 직경들, 다른 플라즈마 밀도들 등)은 본 발명의 이러한 양태를 수행함에 있어서 그러한 매치를 실현하기 위해 다른 주파수 범위를 지정할 수 있다. 아래에 상세하게 설명되는 바와 같이, 유전체와 금속 플라즈마 식각 및 화학기상증착을 포함하는 몇몇 주요한 응용예들에 있어서 8인치 기판들을 가공하기 위한 선호되는 플라즈마 공정 조건들 하에서, 위에 설정된 플라즈마 밀도를 갖는 하나의 전형적인 실험예에서 상기 플라즈마 커패시턴스는 -50과 -400㎊ 사이였다. 이 실시예에서, 11인치의 전극 직경, 대략 2인치의 간격 거리(전극 대 페데스탈의 간격)를 사용하고, 9의 유전상수 및 1인치 정도의 두께를 갖는 밀봉체(130)를 위한 유전물질 및 4의 유전상수 및 10mm 정도의 두께를 갖는 링(120)을 위한 유전물질을 선택함으로써, 상부전극 어셈블리(126)의 상기 커패시턴스가 상기 음의 플라즈마 커패시턴스의 크기에 매치되었다.
위에서 설명한 바와 같이 그들 주파수들의 매칭으로 가정하면, 전극 어셈블리(126) 및 플라즈마의 조합은 상기 파워 주파수들 사이에 들어오는 전극-플라즈마 공진 주파수에서 공진한다. 선호되는 식각 플라즈마 공정 레서피들, 환경들 및 플라즈마들에 대해, 이 전극-플라즈마 공진 주파수 및 소오스 파워 주파수들은 VHF 주파수들에서 매치 또는 거의 매치될 수 있으며, 그러한 주파수 매치 또는 근사 매치가 구현되는 것은 큰 장점이다. 소오스 파워 주파수들은 162MHz 및 215MHz이며, 상기 공진 주파수는 상기 두개의 소오스 주파수들 사이내에 들어온다. 일 실시예에서, 앞선 플라즈마의 음의 커패시턴스 값들에 대응하는 전극-플라즈마 공진 주파수는 대략 188MHz이다.
상기 플라즈마 커패시턴스는 다른 것들 가운데 플라즈마 전자 밀도의 함수이다. 이것을 플라즈마 이온 밀도와 관련되며, 플라즈마 이온 밀도는, 양호한 플라즈마 공정 조건들을 제공하기 위해, 일반적으로 109-1012 이온/cc의 범위내에 유지될 필요가 있다. 이 밀도는, 소오스 파워 주파수들 및 다른 파라미터들과 함께, 상기 플라즈마의 음의 커패시턴스를 결정하는 데, 따라서 플라즈마 공정 조건들을 최적화하기 위한 필요에 의해 선택이 제한되며, 이에 대해 아래에서 더 자세하게 설명된다. 그러나, 상기 상부전극 어셈블리 커패시턴스는 많은 물리적 요인들, 예컨대 간격거리(전극(125)와 기판의 간격); 전극(125)의 면적; 전극(125)와 접지된 챔버 본체(127) 사이의 유전체 밀봉체(130)의 유전상수의 선택; 반도체 링(115) 및 상기 챔버 본체 사이의 유전체 링(120)에 대한 유전상수의 선택; 밀봉체(130)와 링(120)구조체들의 두께, 및 링(180)의 두께 및 유전상수에 의해 영향을 받는다. 이는 상기 상부전극 커패시턴스에 영향을 미치는 이들 및 다른 물리적 요인들 가운데에서 적절한 선택을 통해 상기 전극 어셈블리 커패시턴스의 약간의 조정을 허용한다. 이 범위의 조정은 상기 상부전극 어셈블리 커패시턴스를 상기 음의 플라즈마 커패시턴스의 크기에 매칭하는 데 필요한 정도를 달성하기에 충분하다. 특히, 밀봉체(130) 및 링(120)에 대한 유전물질들 및 크기들은 원하는 유전상수들 및 결과적인 유전값들을 제공하기 위해 선택된다. 이때, 전극 커패시턴스에 영향을 미치는 몇 개의 동일한 물리적 요인들, 특히 간격거리가 다음의 실지 상황들, 즉 큰 직경의 기판들을 취급할 필요성; 상기 기판의 전체 직경에 걸쳐 플라즈마 이온 밀도 분포의 양호한 균일성으로 기판들을 취급할 필요성; 및 이온 밀도 대 이온 에너지를 양호하게 제어할 필요성에 의해 지정되거나 제한된다는 사실에 불구하고, 전극 커패시턴스와 플라즈마 커패시턴스를 매칭하는 것은 달성될 수 있다.
위에서 설정된 바와 같이 플라즈마 식각 공정들에 선호되는 플라즈마 이온 밀도 범위에 대해서, 그리고 8인치 기판을 가공하기에 적합한 챔버 크기들에 대해서, 11인치의 전극 직경, 대략 2인치의 간격 거리, 및 약 9의 유전상수를 갖는 밀봉체(130) 물질 및 약 4의 유전상수를 갖는 링(120)에 대한 물질을 사용함으로써, -50 내지 -400㎊의 플라즈마 커패시턴스를 매칭하는 전극 어셈블리(126)에 대한 커패시턴스가 달성되었다.
주어진 상기 플라즈마 커패시턴스에 대한 앞의 범위 및 상기 매칭하는 상부전극 커패시턴스에 대해서, 전극-플라즈마 공진 주파수는 대략 소오스 파워 주파수들 162MHz 및 215MHz의 사이에 있었다.
이 방식으로 전극 어셈블리(126)의 커패시턴스를 선택하고, 이어서 결과적인 전극-플라즈마 공진 주파수와 소오스 파워 주파수들을 매칭시키는 커다란 장점은, 상기 두개의 소오스 파워 주파수들 사이의 전극과 플라즈마의 공진은 넓은 임피던스 매치 및 넓은 공정 윈도우를 제공하고, 결과적으로 공정 조건들의 변화에 매우 큰 이뮤니티(immunity)를 제공하며, 따라서 매우 큰 성능 안정성을 제공한다는 점이다. 전 공정 시스템은 동작 조건들의 편차들, 예컨대 플라즈마 임피던스의 변동에 덜 민감하게 되며, 따라서 보다 큰 범위의 공정 적응성과 함께 더 신뢰할 수 있게 된다. 뒤에 논의되는 바와 같이, 이 장점은 전극-플라즈마 공진 주파수와 소오스 파워 주파수 사이의 작은 오프셋(offset)에 의해 더 강화된다.
스텁(135)은 RF 발생기들(150, 230)의 출력 임피던스 50Ω과 전극 어셈블리(126)와 챔버 내 플라즈마의 조합에 의해 발생된 부하 임피던스 사이에서 임피던스 변환을 제공한다. 그러한 임피던스 매치 때문에, 발생기-스텁 연결부 및 스텁-전극 연결부에서 RF 파워가 거의 또는 전혀 반사되지 않는다. (적어도 RF 발생기들(150, 230)의 VSWR 한계를 초과하는 반사는 없다.) 이것이 성취되는 방법이 이제 설명된다.
발생기들(150, 230)의 원하는 VHF 주파수들에 가까운 주파수(즉, 188MHz)와 플라즈마 식각 공정들에 유리한 플라즈마 밀도 및 챔버 압력(즉, 각각 109-1012 이온/㎤ 및 10mT-200mT)에서, 상기 플라즈마 자체의 임피던스는 약 0.3+(i)7 Ω이고, 여기서 0.3은 플라즈마 임피던스의 실수부이고, i=(-1)1/2, 7은 플라즈마 임피던스의 허수부이다. 전극-플라즈마 조합에 의해 발생된 부하 임피던스는 이 플라즈마 임피던스와 전극 어셈블리(126)의 커패시턴스의 함수이다. 위의 실험예에서 설명된 바와 같이, 전극 어셈블리(126)의 커패시턴스는 전극 어셈블리(126)와 상기 플라즈마 사이에서 전극-플라즈마 공진 주파수 약 188MHz로 공진하도록 선택된다. 스텁-전극 계면에서 RF 파워의 반사는 최소화되거나 회피되는 데, 이는 스텁(135)의 공진 주파수가 상기 전극-플라즈마 공진 주파수에 또는 공진 주파수 가까이에 있도록 설정되어 상기 둘이 적어도 거의 함께 공진하기 때문이다.
동시에, 발생기-스텁 계면에서 RF 파워의 반사는 최소화되거나 회피되는데, 이는 탭들(tabs, 160, 230)에서 스텁(135) 내의 정상파(standing wave) 전압 대 정상파 전류의 비가 발생기들(150, 220)의 출력 임피던스 또는 케이블(162)의 특성 임피던스(양자 모두 약 50Ω)에 가깝도록, 스텁(135)의 축 길이를 따라 탭들(160, 230)이 위치하기 때문이다. 탭들(160, 230)이 이것을 달성하기 위해 어떻게 위치하는지에 대해 설명한다.
동축 스텁(135)의 축길이는, 위에서 언급된 바와 같이 전극-플라즈마 공진 주파수에 가까운 "스텁" 주파수(예컨대, 188MHz)의 1/4 파장의 배수이다. 본 발명의 일 실시예에서, 이 배수는 2이며, 따라서 상기 동축 스텁 길이는 상기 "스텁" 주파수의 약 반파장 또는 약 31인치이다.
하나의 주파수 소오스를 채택하는 시스템의 매치에 대해서는, 탭(160)이 스텁(135)의 길이를 따라 특정한 축 위치에 있다. 이 위치에서, 발생기(150)의 출력 주파수에서 RF 신호의 정상파 전압과 정상파 전류의 진폭 비는 RF 발생기의 출력 임피던스(예컨대, 50Ω)를 매칭시키는 입력 임피던스에 대응한다. 이것이 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있으며, 여기서 스텁(135) 내의 전압 및 전류 정상파들은 단락된 외부 스텁의 단부(135a)에서 각각 영 및 피크를 갖는다. 탭(160)의 바람직한 위치는 상기 단락된 단부로부터 내부로 향해 거리 A이며, 여기서 정상파 전압과 전류의 비가 50Ω에 대응한다. 이 위치는 정상파 비가 50 Ω인 위치를 실험적으로 결정함으로써 숙력된 실험자에 의해 즉시 발견될 수 있다. RF 발생기 출력 임피던스(50Ω)에 매치를 제공하는 탭(160)의 거리 또는 위치 A는, 뒤에 설명되는 바와 같이, 스텁(135)의 특성 임피던스 함수이다. 탭(160)이 거리 A에 정확하게 위치할 때, 임피던스 매치 공간은, 상기 RF 발생기가 3:1 전압 정상파 비(voltage standing wave ratio; VSWR)에 걸쳐 일정한 전달 파워를 유질할 수 있다면, 부하 임피던스의 실수부에서의 9:1 변화를 수용한다.
두개의 RF 파워 소오스들을 구비하는 실시예에서, 임피던스 매치 공간은 부하 임피던스의 실수부에서 거의 60:1의 변화를 수용하도록 크게 확장된다. 이 극적인 결과는 상기 탭(160, 230)을 근사적인 50Ω 위치에서 약간 이동시킴으로써 달성된다. 더 높은 소오스 주파수를 위한 탭(160)은 동축 스텁(135)의 단락된 외부 단부(135a)에 더 가깝게 위치하며, 더 낮은 소오스 주파수를 위한 탭은 동축 스텁(135a)의 단락된 외부 단부(135a)로부터 더 멀리 떨어져서 그리고 상기 근사적인 50Ω 위치를 지나서 위치한다. 이들 이동된 탭 위치들에서, 탭들(160, 230)에서의 RF 전류 기여는 스텁 내부의 전류에서 빼지거나 더해져, 적당하든 아니든 플라즈마 부하 임피던스의 변동을 보상한다. 이 보상은 부하 임피던스의 실수부에서의 9:1 변동을 수용하는 것으로부터 60:1 변동을 수용하는 것까지 매치공간을 증가시키기에 충분하다.
이러한 거동은, 탭 지점이 A에서의 "매치" 위치로부터 이동함에 따라, 스텁(135) 내 정상파 전류의 위상이 상기 전극-플라즈마 부하 임피던스와의 임피던스 불일치(mismatch)에 더 민감해지는 경향에 기인하는 것으로 사료된다. 상술한 바와 같이, 전극 어셈블리(126)는 공칭(nominal) 동작 조건하에서 플라즈마의 음의 커패시턴스에 매치된다. 이 커패시턴스는 VHF 소오스 파워 주파수들(162MHz 및 215MHz)에 가가운 주파수에서 -50 내지 -400 ㎊이다. 이 커패시턴스에서, 상기 플라즈마는 플라즈마 임피던수 약 0.3+(i)7 Ω을 보인다. 따라서, 0.3Ω이 시스템이 튜닝되기 위한 플라즈마 임피던스의 실수부이다. 플라즈마 조건들이 변동함에 따라, 상기 플라즈마 커패시턴스 및 임피던스는 그들의 공칭 값들로부터 변동한다. 플라즈마 커패시턴스가 전극(125)이 매치된 값으로부터 변동함에 따라, 전극-플라즈마 공진의 위상이 변하며, 이는 스텁(135) 내의 전류의 위상에 영향을 미친다. 스텁의 정상파 전류의 위상이 변위함에 따라, 탭들(160, 230)에 공급되는 RF 발생기 전류들이, 위상 변위의 방향에 의존하여, 상기 스텁 정상파 전류에 더해지거나 그것으로부터 빼진다. 탭들(160, 230)은 근사적인 50Ω 위치로부터 옮겨진다.
부하 임피던스의 실수부에서 60:1의 변동을 수용하는 매치공간의 이러한 확장은 공정 윈도우 및 반응기의 신뢰성을 강화한다. 이는, 특정한 공정 또는 응용 동안 동작 조건들이 이동함에 따라, 또는 상기 반응가가 다른 응용들을 위해 다른 동작 레서피들과 함께 동작됨에 따라, 상기 플라즈마 임피던스, 특히 상기 임피던스의 실수부가 변하기 때문이다. 종래기술에 있어서는, 그러한 변화는 곧 시스템에 채택된 종래의 매치 회로의 범위를 초과할 수 있으며, 전달된 파워는 더 이상 실행 가능한 공정을 지탱하도록 충분히 제어될 수 없고, 공정은 실패할 수 있다. 본 발명에 있어서는, 전달된 파워가 원하는 수준에 유지될 수 있는 부하 임피던스의 실수부 범위가 상당히 증가되어, 종래에는 공정실패를 유발할 수 있는 플라즈마 임피던스의 변화들이 본 발명의 태양을 구현하는 반응기에 영향을 거의 또는 전혀 미치지 않는다. 따라서, 본 발명은 특정한 공정 또는 응용 동안 동작 조건들의 상당히 큰 변화들에 상기 반응기가 대응할 수 있게 한다. 택일적으로, 본 발명은 공정 조건들의 더 넓은 범위와 관련된 많은 다른 응용들에 상기 반응기가 사용되도록 할 수 있으며, 이는 상당한 장점이다.
또 다른 장점으로써, 이러한 넓어진 임피던스 매치를 제공하는 동축 스텁(135)은 종래의 임피던스 매치 장치에 전형적인 가변 커패시터/서보 또는 가변 주파수/서보와 같은 "이동 부품들"을 구비하지 않는 단순한 수동 소자이다. 따라서, 그것은 비용이 적게 들고 그것이 대체하는 임피던스 매치 장치보다 훨씬 더 신뢰할 수 있다.
근사적인 50Ω 위치에서 공진 주파수를 생성하는 두개의 소오스 주파수들을 사용함으로써, 시스템은 다소 "디튜닝" 되었다. 그러므로, 그것은 더 낮은 "Q"를 갖는다. 두개의 소오스 파워 주파수들의 사용은 비례적으로 또한 (식각에 맞는 동작 조건들 하에서 전극과 플라즈마 커패시턴스들의 매칭을 돕는 것에 더하여) Q를 감소시킨다.
시스템 Q를 감소시키는 것은 시스템의 임피던스 매치 공간을 넓혀서, 그것의 성능이 플라즈마 조건들의 변화 또는 제조 허용치로부터의 이탈에 민감하지 않게 된다. 예를 들어, 전극-플라즈마 공진은 플라즈마 조건들의 변동들에 기인하여 변동할 수 있다. 더 작은 Q를 구비함으로써, (앞서 설명한 바와 같이) 임피던스 매치를 위해 필요한 스텁(135)과 전극-플라즈마 조합 사이의 공진은 주어진 플라즈마-전극 공진의 변화에 비해 적게 변한다. 그 결과, 플라즈마 조건들의 변동은 상기 임피던스 매치에 적게 영향을 미친다. 특히, 플라즈마 동작 조건들에서의 주어진 이탈은 RF 발생기들(150, 220)의 출력에서 VSWR의 더 작은 증가를 생성한다. 따라서, 상기 반응기는 플라즈마 공정 조건들(압력, 소오스 파워 수준, 소오스 파워 주파수, 플라즈마 밀도 등)의 더 넓은 윈도우에서 동작될 수 있다. 더욱이, 제조 허용치들이 완화되어 비용을 절감할 수 있고, 동일한 모델로 설계된 반응기들에서 더 균일한 성능이 달성될 수 있으며, 이는 상당히 큰 장점이다. 관련 장점은 동일한 반응기가 다른 공정 레서피들 및 다른 응용들, 예컨대 금속 식각, 유전체 식각 및/또는 화학기상증착에 유용하도록 충분히 넓은 공정 윈도우를 가질 수 있다는 점이다.
튜닝 공간을 넓히거나 시스템 Q를 감소시키는 다른 선택은 스텁(135)의 특성 임피던스를 감소시키는 것이다. 그러나, 스텁 특성 임피던스는, 적당한 매치 공간을 보존하기 위해, 발생기 출력 임피던스를 초과한다. 그러므로, 일 실시예에서, 시스템 Q가 감소되기는 하나, 스텁(135)의 특성 임피던스가 신호 발생기들(150, 220)의 출력 임피던스를 초과하는 양까지 특성 임피던스를 감소시키는 정도 까지만 이다.
동축 스텁(135)의 특성 임피던스는 내부와 외부 도전체들(140, 145)의 반경들 및 그들 사이의 절연체(147)의 유전상수의 함수이다. 상기 스텁 특성 임피던스는 플라즈마 파워 소오스들(150, 220)의 출력 임피던스와 전극(135)에서의 입력 임피던스 사이에서 필수적인 임피던스 변환을 제공하기 위해 선택된다. 이 특성 임피던스는 최소 특성 임피던스와 최대 특성 임피던스 사이에 위치한다. 스텁(135)의 특성 임피던스를 변화시키면, 도 2의 파형들이 변하며 따라서 탭들(160, 230)의 바람직한 위치(즉, 스텁(135)의 먼 쪽 단부로부터 그것의 변위 A)가 변한다.
기판 표면에서 이온 에너지는 플라즈마 밀도/상부전극 파워와 독립적으로 제어될 수 있다. 이온 에너지의 그러한 독립적인 제어는 상기 기판에 HF 주파수 바이어스 파워 소오스를 인가함으로써 달성된다. 이 주파수(전형적으로 13.56MHz)는 플라즈마 밀도를 제어하는 상부전극에 인가되는 VHF 파워 주파수 보다 상당히 낮다. 바이어스 파워는 종래의 임피던스 매치 회로(210)를 통해 기판 지지부(105)에 결합된 바이어스 파워 HF 신호 발생기(200)에 의해 상기 기판에 인가된다. 바이어스 발생기(200)의 파워 수준은 기판 표면 근처의 이온 에너지를 제어하며, 일반적으로 플라즈마 소오스 파워 발생기(150)의 파워 수준의 일부분이다.
위에서 참조된 바와 같이, 동축 스텁(135)은 내부와 외부 동축 스텁 도전체들(140, 145) 사이에서 단락 회로를 제공하는 단락 도전체(165)를 외부 스텁 단부에 포함한다. 단락 도전체(165)는, 도 2b에 도시된 바와 같이, VHF 정상파 전류 피크 및 VHF 정상파 전압 영(null)의 위치를 정한다. 그러나, 단락 도전체(165)는, 양자 모두 VHF 소오스 파워 주파수들 사이에 있는 스텁 공진과 플라즈마/전극 공진 때문에, 상기 VHF 인가 파워를 단락시키지 않는다. 그러나, 상기 도전체(165)는 다른 주파수들, 예컨대 기판에 인가된 HF 바이어스 파워 소오스(HF 바이어스 발생기(200)에서 출력된)를 위해 접지하는 직접 단락으로써 등장한다. 그것은 또한 플라즈마 쉬스(sheath) 내에서 발생되는 VHF 소오스 파워 주파수의 고조파와 같은 더 높은 주파수들을 접지시키기 위해 단락한다.
기판과 기판 지지부(105)의 조합, 임피던스 매치 회로(210) 및 그것에 연결된 HF 바이어스 파워 소오스(200)는 매우 낮은 임피던스 또는 상기 상부전극에 인가되는 VHF 파워를 위해 접지하는 근사적인 단락(near short)을 제공한다. 그 결과, 시스템은 교차 접지되어, HF 바이어스 신호는 상부전극(125) 및 단락된 동축 스텁(135)를 통해 접지로 회귀되고, 상부전극(125) 상의 VHF 파워 신호는 기판, HF 바이어스 임피던스 매치(210) 및 HF 바이어스 파워 발생기(200)를 통한 매우 낮은 임피던스 경로(VHF에 대해서)를 통해 접지로 회귀된다.
상기 기판의 평면과 상부전극(125)의 평면 사이에 있는 챔버 측벽의 노출부는, 전극(125)의 넓은 면적 및 상대적으로 짧은 전극-기판 간격 때문에, 상부전극(125)에 인가된 VHF 파워에 대해 직접적인 귀로 경로로서의 역할을 거의 또는 전혀 하지 않는다. 실제로, 챔버 측벽은 자기 분리 또는 유전체 코팅이나 환상의 유전체 삽입체 또는 제거 가능한 라이너를 사용하여 상기 플라즈마로부터 분리될 수 있다.
상부전극(125)으로부터 나오는 VHF 플라즈마 소오스 파워의 전류 흐름을 수직의 전극-페데스탈 경로 내에 그리고 측벽과 같은 챔버(100)의 다른 부분들로 부터 떨어져서 한정하기 위해, 기판(110) 평면에서의 유효 접지 또는 귀로 전극 면적은 상기 기판 또는 기판 지지부(105)의 물리적인 면적을 초과하여 확장되어, 상부 전극(125)의 면적을 초과한다. 이것은 일반적으로 기판(110)과 동일평면 상에 있으며 상기 기판(110)을 둘러싸는 환상의 반도체 링(115)을 제공함으로써 달성된다. 반도체 링(115)은 상기 접지된 챔버 본체에 스트레이 커패시턴스를 제공하고, 그것에 의해 상기 상부전극에 인가된 VHF 파워에 대해 기판(110)의 평면에서 "귀로" 전극의 유효 반경을 확장한다. 반도체 링(115)은 유전체 링(120)에 의해 상기 접지된 챔버 본체로부터 절연된다. 링(120)의 두께 및 유전상수는 기판(110) 및 반도체 링(115)을 통한 VHF 접지 전류들의 바람직한 비를 달성하도록 선택된다. 일 실시예에서, 유전체 링(120)은 유전상수 9를 가지며 두께가 10mm인 석영(quartz)이다.
바이어스 발생기(200)에서 출력된 HF 플라즈마 바이어스 파워의 전류흐름을 기판 표면과 전극(125) 사이의 수직 경로 내에 한정하고 챔버의 다른 부분들(예컨대, 측벽)로의 전류흐름을 피하기 위해, 상부전극(125)은 기판 또는 기판 지지부(105) 보다 상당히 큰 유효 HF 귀로 전극 면적을 제공한다. 기판 지지부(105) 평면의 반도체 링(115)은 상기 HF 바이어스 파워를 상기 챔버내로 결합시키는 데 있어서 큰 역할을 하지 않으며, 상기 HF 바이어스 파워를 결합시키기 위한 상기 유효 전극 면적은 본질적으로 기판 및 기판 지지부(105)의 면적에 한정된다.
일 실시예에 있어서, 스텁(135)의 배후에서 내부 및 외부 스텁 도전체들(140, 145)을 가로질러 연결된 단락 도전체(165)에 결합된 상기 플라즈마의 D.C. 결합을 제거함으로써, 플라즈마 안정성이 강화된다. 이것은 동축 스텁 내부 도전체(140)와 전극(125) 사이에 얇은 용량성 링(180)을 제공함으로써 달성된다. 도 1의 실시예에서, 링(180)은 하부의 전극(125)과 도전 환상의 내부 하우징 지지부(176) 사이에 개재된다. 여기서 설명된 대표적인 실시예들에 있어서, 용량성 링(180)은 선택된 바이어스 주파수 약 13MHz에 의존하여, 약 180㎊의 커패시턴스를 가졌다. 그러한 커패시턴스 값을 구비하여, 용량성 링(180)은 위에서 설명된 교차 접지 특성을 방해하지 않는다. 상기 교차 접지 특성에 있어서, 상기 기판 페데스탈 상의 HF 바이어스 신호는 스텁(135)을 통해 VHF 바이어스 발생기들(150, 220)의 RF 귀로 단자들에 회귀되고, 전극(125)으로부터 나온 VHF 소오스 파워 신호는 상기 기판 페데스탈을 통해 HF 소오스 파워 발생기(200)의 RF 귀로 단자에 회귀된다.
또 다른 실시예에서, 단일 스텁이, 다른 주파수를 더하기 위한 1/4 파장 요구사항을 이용하여, 길이 N(λ/2)로 배치되며, 여기서 N은 양의 정수이다. 예를 들어, 160MHz 및 320MHz 신호가 챔버 내부의 가스를 활성화시키기 위해 스텁에 인가될 수 있으나, 플라즈마 결합 규칙은 상기 큰 주파수를 250MHz가 되게 할 것이다.
여기서 상세하게 설명된 본 발명의 실시예들은 실리콘 및 금속 식각에 적합하나, 본 발명은 또한 위에서 설명된 것들과 다른 플라즈마 동작 조건들의 선택을 위해서도 유익하며, 이것은 다른 이온 밀도들, 다른 플라즈마 소오스 파워 수준들, 다른 챔버 압력들을 포함한다. 본 발명의 개시로부터 두개 이상의 VHF 발생기들이 추가적인 소오스들을 수용하기 위해 스텁(135)에 더해진 추가적인 탭들과 함께 이용될 수 있음이 또한 분명하다. 이들 변화들은 다른 플라즈마 커패시턴스들을 생성할 것이며, 다른 전극 커패시턴스들 및 다른 전극-플라즈마 공진 주파수들을 필요로 하며, 따라서 위에서 설명된 것들과 다른 플라즈마 소오스 파워 주파수들 및 스텁 공진 주파수들을 필요로 할 것이다. 또한, 다른 기판 직경들 및 화학기상증착과 같은 다른 플라즈마 공정들은 소오스 파워 및 챔버 압력에 대해 다른 동작 영역들을 가질 수 있다. 그러나, 이들 다양한 응용들 하에서도, 위에서 설명된 실시예에서 처럼, 본 발명은 일반적으로 공정 윈도우 및 안정성을 강화할 것이다.
앞의 설명이 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하나, 본 발명의 다른 또는 더 많은 실시예들이 본 발명의 기본적인 범위를 벗어나지 않으면서 고안될 수 있으며, 상기 범위는 다음의 청구범위에 의해 결정된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 넓은 공정 윈도우를 제공함과 아울러, 플라즈마 반응기 내의 플라즈마에 RF 파워를 효율적으로 결합시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명을 구체화하는 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 도 1의 동축 스텁(stub) 및 상기 동축 스텁의 위치의 함수로써 전압과 전류 정상파 진폭들을 도시한다.
Claims (23)
- 챔버 벽을 가지며 반도체 대상물(workpiece)을 지지하기 위한 대상물 지지부를 포함하는 반응 챔버;상기 대상물 지지부 상부에 위치하되, 상기 챔버 벽의 일부를 포함하는 상부 전극;각각이 하나의 주파수로 파워를 상기 상부전극에 공급하는 복수개의 RF 파워 발생기들; 및상기 복수개의 발생기들과 상기 상부전극 사이에 연결된 고정된 임피던스 매칭 요소를 포함하되,상기 상부전극은 상기 복수개의 발생기들 각각의 주파수에 가까운 전극-플라즈마 공진 주파수에서 플라즈마와 공진을 형성하는 리액턴스를 갖는 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 1 항에 있어서,상기 전극-플라즈마 공진 주파수는 제1 RF 발생기의 제1 주파수와 제2 RF 발생기의 제2 주파수 사이에 있는 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 1 항에 있어서,상기 복수개의 RF 파워 발생기들의 주파수들과 상기 전극-플라즈마 공진 주파수는 VHF 주파수들인 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 1 항에 있어서,상기 고정된 임피던스 매치 요소는 매치 요소 공진 주파수를 갖는 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 4 항에 있어서,상기 매치 요소 공진 주파수는 제1 RF 발생기의 제1 주파수와 제2 RF 발생기의 제2 주파수 사이에 있는 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 4 항에 있어서,상기 복수개의 발생기들의 각각의 주파수, 상기 대응하는 플라즈마 주파수들 및 상기 대응하는 매치 요소 공진 주파수들은 모두 VHF 주파수들인 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 4 항에 있어서,상기 고정된 임피던스 매치 요소는상기 복수개의 RF 파워 발생기들에서 출력된 파워를 상기 상부전극에 결합하기 위해 상기 상부전극에 인접한 가까운쪽 단부를 가지며 그들 사이에 임피던스 변환을 제공하는 동축 스텁을 포함하되,상기 동축스텁은상기 가까운쪽 단부에서 상기 상부전극에 연결된 내부 도전체;상기 내부 도전체와 이격되어 상기 내부 도전체를 둘러싸고, 상기 가까운쪽 단부에서 상기 복수개의 RF 파워 발생기들의 RF 귀로(return) 전위에 연결된 외부 도전체; 및상기 스텁의 축 길이를 따라 선택된 위치들에 있으며, 상기 내부 도전체와 상기 복수개의 RF 파워 발생기들의 출력단자 사이의 연결부를 포함한는 복수개의 탭들을 포함하는 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 7 항에 있어서,상기 가까운쪽 단부에 대향하는 상기 스텁의 먼쪽 단부에서 상기 내부 및 외부 도전체들에 연결된 단락 도전체를 더 포함하되, 그것에 의해 상기 스텁의 먼쪽 단부가 전기적으로 단락되는 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 7 항에 있어서,상기 가까운쪽 및 먼쪽 단부들 사이의 상기 스텁의 길이는 상기 스텁의 상기 매치 요소 공진 주파수의 1/4 파장의 배수와 동일한 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 9 항에 있어서,상기 매치 요소 공진 주파수는 제1 RF 발생기의 제1 주파수 및 제2 RF 발생기의 제2 주파수 사이에 있는 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 7 항에 있어서,상기 선택된 위치는 상기 스텁의 길이를 따라서, 상기 스텁 내에서 정상파 전압과 정상파 전류의 비가 적어도 상기 복수개의 RF 파워 발생기들의 출력 임피던스와 거의 동일한 위치인 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 플라즈마 반응 챔버에서 반도체 기판을 가공하는 방법에 있어서,전극 커패시턴스를 갖는 상부전극 및 복수개의 VHF 파워 발생기들을 마련하고,VHF 스텁 주파수의 약 1/4의 배수인 길이를 가지며 한 쪽 단부에서 상기 상부전극에 연결되고 복수개의 탭 위치에서 상기 복수개의 VHF 파워 발생기들 각각에 대응하여 연결된 임피던스 매칭 스텁을 통해, 상기 복수개의 VHF 파워 발생기들을 상기 상부전극에 결합하고,상기 복수개의 VHF 파워 발생기들로부터 상기 상부 전극에 파워량을 인가하여 상기 플라즈마 및 전극이 함께 상기 복수개의 VHF 파워 발생기들 각각의 VHF 주파수 사이의 VHF 주파수에서 공진하기 쉬운 플라즈마 밀도를 유지하는 것을 포함하는 반도체 기판 가공 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 복수개의 탭들을 상기 스텁의 길이를 따라, 정상파 전압과 정상파 전류 사이의 비가 상기 VHF 발생기의 출력 임피던스와 동일한 축 위치 가까이에 위치시키는 것을 더 포함하는 반도체 기판 가공 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 플라즈마 VHF 주파수 및 상기 스텁 VHF 주파수는 상기 복수개의 VHF 발생기들에 의해 발생된 VHF 주파수들 사이에 있는 반도체 기판 가공 방법.
- 챔버 벽을 가지며 반도체 대상물(workpiece)을 지지하기 위한 대상물 지지부를 포함하는 반응 챔버;상기 대상물 지지부를 적어도 전체적으로 마주보는 평면 전극; 및상기 상부전극에 인접한 가까운쪽 단부를 가지고, 상기 평면 전극과의 계면에서 상기 평면 전극의 평면에 전체적으로 비평행(non-parallel)인 원통모양의 대칭 축을 갖는 동축 스텁을 포함하되, 상기 동축 스텁은상기 가까운쪽 단부에서 상기 상부전극에 연결된 내부 도전체;상기 내부 도전체에서 이격되어 상기 내부 도전체를 둘러싸는 외부 도전체; 및상기 내부 및 외부 도전체들을 가로질러 연결된 복수개의 RF 발생기들을 포함하는 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 15 항에 있어서,상기 외부 도전체 및 상기 대상물 지지부는 상기 복수개의 RF 발생기들 각각의 RF 귀로 전위에 연결된 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 16 항에 있어서,상기 동축 스텁과 상기 복수개의 RF 발생기들 사이를 연결하는 복수개의 동축 케이블들을 더 포함하되,상기 동축 케이블들은 일 단부에서 상기 RF 발생기들 각각의 RF 출력 단자에 연결되고, 타 단부에서 상기 전극에 연결된 중앙 도전체를 가지고,상기 동축 케이블들 각각은 일 단부에서 상기 복수개의 RF 발생기들 각각의 RF 귀로 전위에 연결되고, 타단부에서 상기 대상물 지지부에 전기적으로 연결된 상기 챔버 부분들에 결합된 외부 도전체를 더 갖는 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 17 항에 있어서,상기 동축 스텁의 내부 도전체 및 상기 동축 케이블들 사이의 연결부들은 상기 동축 스텁의 길이를 따라, 상기 스텁 내에서 정상파 전압과 전류의 비가 상기 케이블의 특성 임피던스와 적어도 거의 동일한, 탭 위치들에 있는 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 18 항에 있어서,상기 전극으로부터 상기 스텁의 먼쪽 단부에서 상기 내부 및 외부 도전체들 사이에 연결된 단락 도전체를 더 포함하는 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 19 항에 있어서,상기 가까운쪽 및 먼쪽 단부들 사이의 상기 스텁의 길이는 상기 복수개의 RF 발생기들 각각의 주파수들 사이에 있는 스텁 공진 주파수의 1/4 파장의 배수와 동일한 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 20 항에 있어서,상기 가까운쪽 및 먼쪽 단부들 사이의 상기 스텁의 길이는 상기 스텁 공진 주파수의 반파장과 동일한 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 20 항에 있어서,상기 복수개의 RF 파워 발생기들 각각은 VHF 주파수에서 VHF 파워 신호를 생성하되,상기 스텁 공진 주파수는 상기 복수개의 발생기들의 VHF 주파수들 사이의 VHF 주파수인 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
- 제 22 항에 있어서,상기 상부 전극과 상기 챔버 내에 형성된 플라즈마는 VHF 전극-플라즈마 공진 주파수에서 함께 공진하되, 상기 VHF 전극-플라즈마 공진 주파수는 상기 복수개의 발생기들의 VHF 주파수들 사이에 있는 반도체 대상물을 가공하기 위한 플라즈마 반응기.
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