KR20060127041A - 플라즈마 반응기 에칭 레이트 드리프트를 감소시키는 온도제어된 핫 에지 링 어셈블리 - Google Patents

플라즈마 반응기 에칭 레이트 드리프트를 감소시키는 온도제어된 핫 에지 링 어셈블리 Download PDF

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Abstract

온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리는, 플라즈마 반응 챔버에서 기판 지지대를 둘러싸도록 구성된다. 그 어셈블리는, 도전성 하부 링, 세라믹 중간 링, 및 상부 링을 포함한다. 중간 링은, 하부 링 위에 놓이며 하부 링을 통해, RF 전극에 부착되도록 구성된다. 상부 링은 중간 링 위에 놓이며 플라즈마 반응 챔버의 내부에 노출된 상면을 갖는다.
플라즈마 반응 챔버, 상부 링, 중간 링, 하부 링

Description

플라즈마 반응기 에칭 레이트 드리프트를 감소시키는 온도 제어된 핫 에지 링 어셈블리{TEMPERATURE CONTROLLED HOT EDGE RING ASSEMBLY FOR REDUCING PLASMA REACTOR ETCH RATE DRIFT}
배경
1960 년대 중반이래, 반도체 집적 회로는 대부분의 전자 시스템의 주요 컴포넌트가 되었다. 이들 소형의 전자 디바이스는, 마이크로컴퓨터 중앙 프로세싱 유닛 및 다른 집적 회로의 메모리와 로직 서브시스템을 구성하는 수천 개의 트랜지스터 및 다른 회로를 포함할 수도 있다. 이들 칩의 저 비용, 고 신뢰도, 및 속도는, 칩으로 하여금 모뎀 디지털 전자공학의 유비쿼터스 특징을 이루게 하였다.
통상, 집적 회로 칩의 제작은, "웨이퍼" 라 지칭되는 (실리콘 또는 게르마늄과 같은) 고-순도, 단일-크리스탈 반도체 재료 기판의 얇게 연마된 슬라이스 (slice) 로 시작된다. 각각의 웨이퍼는, 그 웨이퍼 상에 다양한 회로 구조물을 형성하는 일련의 물리적 및 화학적 프로세싱 단계에 좌우된다. 제작 프로세스 동안에, 실리콘 다이옥사이드 막을 생성하기 위한 열 산화, 실리콘, 실리콘 다이옥사이드 및 실리콘 나이트라이드 막을 생성하기 위한 화학적 기상 증착, 및 다른 금속 막을 생성하기 위한 스퍼터링 또는 다른 기술과 같은 다양한 기술을 이용하여 웨이퍼 상에 다양한 유형의 박막이 증착될 수도 있다.
반도체 웨이퍼 상에 막을 증착시킨 후에, 도핑이라 지칭되는 프로세스를 이 용하여, 선택된 불순물을 반도체 크리스탈 래티스 (lattice) 에 대입 (substitute) 함으로써 반도체의 고유한 전기적 특성이 생성된다. 그 후, 도핑된 실리콘 웨이퍼는, "레지스트" 라 지칭되는 감광성, 또는 방사 민감성 (radiation sensitive) 재료의 박층 (thin layer) 으로 균일하게 코팅될 수도 있다. 그 후, 리소그래피라고 알려진 프로세스를 이용하여, 회로에 전자 경로를 한정하는 작은 기하학적 패턴이 레지스트 상에 전사 (transfer) 될 수도 있다. 리소그래피 프로세스 동안에, 집적 회로 패턴은, "마스크" 라 지칭되는 글라스 플레이트 (glass plate) 상에 묘화된 후, 광학적으로 저감 (reduce) 되고, 투영 (project) 되어, 감광성 코팅에 전사될 수도 있다.
그 후, 에칭으로서 공지된 프로세스를 통하여, 반도체 재료의 하위 결정성 표면 상에, 리소그래핑된 레지스트 패턴이 전사된다. 일반적으로, 에칭 또는 증착 가스를 진공 챔버에 공급함으로써 기판 상의 재료를 에칭 및 화학적 기상 증착 (CVD) 시키고, 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징하기 위해 무선 주파수 (RF) 필드를 가스에 인가하도록, 진공 프로세싱 챔버가 이용된다. 그러나, 웨이퍼의 플라즈마 프로세싱에서는, 프로세스 드리프트 (즉, 일정량의 시간 동안에 프로세스 성능의 변화) 가 발생할 수 있다. 따라서, 플라즈마 반응기 프로세싱에서 에칭 레이트 균일도를 향상시키기 위한 장치 및 방법이 필요하다.
요약
일 실시형태에 의하면, 플라즈마 반응 챔버에서 기판 지지대를 둘러싸도록 구성되는 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리는, 도전성 하부 링, 그 하부 링 위에 놓이며 하부 링을 통해 RF 전극에 부착되도록 구성된 세라믹 중간 링, 및 그 중간 링 위에 놓이며 플라즈마 반응 챔버의 내부에 노출된 상면을 갖는 상부 링을 포함한다.
또 다른 실시형태에 의하면, 플라즈마 프로세싱 장치는, 프로세싱 챔버, 기판을 프로세싱하기 위해 프로세싱 챔버의 내부에서 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징하는 전원, 프로세싱 챔버의 내부 내에서 기판을 지지하는 기판 지지대, 도전성 하부 링, 그 하부 링 위에 놓이며 하부 링을 통해 RF 전극에 부착되도록 구성된 세라믹 중간 링, 및 그 중간 링 위에 놓이며 플라즈마 반응 챔버의 내부에 노출된 상면을 갖는 상부 링을 포함한다.
또 다른 실시형태에 의하면, 플라즈마 프로세싱 시스템에서 복수의 기판에 대한 프로세스 드리프트를 감소시키는 방법으로서, 프로세싱 챔버; 기판을 프로세싱하기 위해 프로세싱 챔버의 내부에서 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징하는 전원; 프로세싱 챔버의 내부 내에서 기판을 지지하며 상면을 갖는 기판 지지대; 및 도전성 하부 링, 그 하부 링 위에 놓이며 그 하부 링을 통해 전원에 부착되도록 구성된 세라믹 중간 링, 및 그 중간 링 위에 놓이며 프로세싱 챔버의 내부에 노출된 상면을 갖는 상부 링을 포함하는 에지 링 어셈블리를 포함하는 플라즈마 프로세싱 장치에 기판을 위치시키는 단계; 프로세스 가스를 챔버에 공급하는 단계; 기판 지지대의 상면에 인접한 플라즈마를 형성하는 단계; 및 플라즈마 프로세싱 장치에서 복수의 기판을 순차적으로 프로세싱하는 단계를 포함하며, 상부 링의 온도는, 제 1 기판이 기판 지지대로부터 제거된 이후 및 후속 기판이 기판 지지대 상에 배치되기 이전에, 실질적으로 초기 온도로 냉각되어 프로세스 드리프트를 감소시킨다.
도면의 간단한 설명
도 1 은, 핫 에지 링 및 석영 커플링 링을 갖는 진공 프로세싱 챔버의 일부를 도시한 단면도이다.
도 2 는, 도 1 의 배열 (arrangement) 에서 설명된 바와 같이, 커플링 링 및 핫 에지 링을 갖는 복수의 웨이퍼에 대한 프로세스 드리프트를 도시한 그래프이다.
도 3 은, 일 실시형태에 따른 에지 링 어셈블리를 도시한 단면도이다.
도 4 는, 커플링 링이 도전성 하부 링을 통해 RF 전극에 열적으로 커플링되는 위치에서, 도 3 에 따른 진공 프로세싱 챔버의 일부를 도시한 단면도이다.
도 5 는, 도 3 및 도 4 의 배열에서 설명된 바와 같이, 중간 링 및 핫 에지 링을 갖는 복수의 웨이퍼에 대한 프로세스 드리프트를 도시한 그래프이다.
도 6 은, 도 3 및 도 4 의 핫 에지 링에 대해 도 1 의 핫 에지 링을 비교하여, 복수의 웨이퍼에 대한 프로세스 드리프트를 도시한 그래프이다.
도 7 은, 도 3 및 도 4 의 에지 링 어셈블리를 포함한 플라즈마 프로세싱 장치를 도시한 단면도이다.
상세한 설명
여기에 개시된 핫 에지 링 어셈블리는, 웨이퍼 (예를 들어, 실리콘 또는 갈륨-비소 (GaAs)), 평판 디스플레이 기판 등과 같은 반도체 기판의 플라즈마 프로세싱 동안에 웨이퍼의 에지에서의 균일도를 향상시키고 에칭 레이트 드리프트를 감소 시키는 새로운 배열을 제공한다. 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리는 향상된 플라즈마 프로세싱을 달성할 수 있다. 온도-제어된 핫 에지 어셈블리는, 플라즈마 프로세싱 챔버에 대한 노출면을 갖는 상부 링과 기판 지지대에 포함된 온도 제어된 무선 주파수 (RF) 전극과의 사이에 열 접촉을 증가시킨다. 따라서, 열 접촉을 증가시킴으로써, 핫 에지 링 어셈블리는 프로세싱 에칭 레이트 드리프트를 감소시킬 수 있다.
기판을 프로세싱하는데 있어서, 프로세스 엔지니어는 프로세스 균일도를 향상시키려고 노력한다. 여기에 사용된 용어로서, 프로세스 균일도는, 기판의 표면에 걸친 플라즈마 에칭과 같은, 전체 프로세스의 균일도를 지칭한다. 예를 들어, 프로세스가 매우 균일하다면, 기판 상의 상이한 포인트에서의 프로세스 레이트가 실질적으로 동일한 경향이 있는 것으로 기대된다.
웨이퍼와 같은 반도체 기판 상의 에칭 레이트 균일도의 제어를 위해, 특히, 웨이퍼의 중심에서의 에칭 레이트를 웨이퍼 에지에서의 에칭 레이트와 매칭시키기 위해, 웨이퍼 에지의 화학적 노출, 프로세스 압력, 및 RF 필드 강도에 관하여, 웨이퍼에 걸쳐 연속성을 보장하기 위해 웨이퍼 경계 조건이 설계되는 것이 바람직하다. 현재의 설계에서, 웨이퍼의 둘레에 꼭 맞는 에지 링이 구현되었다. 웨이퍼 오염을 최소화시키기 위하여, 에지 링은, 웨이퍼 자신과 호환가능한 재료로 제작된다. 일 예로서, 통상의 에지 링 재료는, 실리콘, 그래파이트, 실리콘 카바이드 (silicon carbide) 등을 포함할 수 있다.
통상, 에지 링은, 석영으로 제조된 링 (즉, 석영 커플링 링) 상에 상주하고 있으며, RF 전극의 외연 상에 배치된다. 자신의 낮은 유전 상수로 인해, 통상, 석영은, 에칭 레이트 균일도를 향상시키도록, 웨이퍼의 에지에서의 RF 필드 강도를 테이퍼링하기 위해 선택된다. 한편, 석영은, 또한, 불충분한 열 도체 (thermal conductor) 인 것으로 공지된다. 결과로서, 석영 커플링 링 위에 놓이는 에지 링은 열적으로 절연된다. 따라서, 플라즈마가 에지 링 주변에 있기 때문에, 플라즈마가 에지 링을 가열하고, 에지 링을 과열시켜, 기판 또는 웨이퍼에 프로세싱 문제를 야기할 수도 있다. RF 플라즈마와 같은 열원에 노출될 때, 에지 링은 적절하게 냉각될 수 없어, 자신의 온도의 지속적 상승 (steady rise) 을 야기한다. 이러한 온도 상승은, 다중의 웨이퍼가 매우 연속적으로 프로세싱될 경우에, 웨이퍼의 에지에서의 에칭 레이트의 프로세스 드리프트 (즉, 프로세스 비-균일도) 를 야기할 수 있다. 따라서, 다중의 웨이퍼의 프로세싱 동안의 에지 링의 온도의 지속적 증가에 의해 프로세스 드리프트가 야기될 수 있기 때문에, 그 다음의 기판이 프로세싱되기 이전에 에지 링의 냉각을 향상시켜, 에칭 레이트 드리프트를 감소시키는 핫 에지 링 어셈블리가 필요하다.
에지 링 어셈블리는, 평행한 플레이트 플라즈마 반응 챔버 내에서 웨이퍼의 에지 근처의 플라즈마의 밀도를 향상시키기 위해 플라즈마 에칭 프로세스에 적용되어, 기판에 걸쳐 보다 균일한 에칭 레이트를 생성할 수도 있다. 핫 에지 링 어셈블리가 플라즈마 에칭에 대해 유리한 것으로 설명되겠지만, 그 핫 에지 링 어셈블리는, 또한, 플라즈마 강화 화학적 기상 증착 (PE-CVD) 및 플라즈마 클리닝과 같이 균일한 밀도를 갖는 플라즈마를 요구할 수도 있는 다른 애플리케이션에 대해서 도 유용하다.
에지 링의 충분한 냉각을 고려하기 위해 석영 커플링 링과 에지 링을 변경함으로써, 웨이퍼의 에칭 근처의 에칭 레이트가 제어될 수 있다. 바람직한 실시형태에 의하면, 에지 링 어셈블리는 온도 제어된 RF 전극으로 열 싱킹 (heat sink) 된다. 일 실시형태에서, 열적 도전성 엘라스토머 (elastomer) 는 에지 링을 커플링 링에 접착시킨다.
통상, 플라즈마 에칭 프로세스 동안에, 에지 링의 온도는 플라즈마의 효과로 인해 상승한다. RF 전력 레벨 및 챔버 압력에 의존하여, 온도 상승이 상당할 수 있고 종종 섭씨 수십 도를 초과할 수 있다. 플라즈마 에칭-프로세싱 단계가 완료된 이후에, RF 전극으로부터 웨이퍼가 제거되고 기판 지지대 상에 그 다음의 웨이퍼가 배치된다. 일 배치의 웨이퍼가 순차적으로 에칭되는 프로세스 실행 동안에, 에지 링 온도가 너무 많이 증가하면, 에칭 레이트가 프로세스 윈도우 외부에서 드리프팅할 수 있고 결점이 있는 웨이퍼를 야기할 수 있다. 또 다른 웨이퍼가 기판 지지대에 추가되기 이전에, 에지 링을 충분한 열 싱킹시켜, 그 이전의 웨이퍼를 프로세싱하기 위해 이용된 온도 범위로 에지 링을 복귀시키는 것이 바람직하다. 그러나, 이것은 종종 발생하지 않아서, 복수의 웨이퍼의 프로세싱 동안에 에칭 레이트 드리프트를 야기한다.
도 1 은, 표준의 진공-프로세싱 챔버 (10) 의 웨이퍼 에지 영역을 도시한 단면도이다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 바람직하게 그 안에 정전 척을 포함하는 기판 지지대 (12) 상에, 기판 또는 웨이퍼가 실장된다. 통상, 웨이퍼 에지 링 어셈블리는 에지 링 (20) 및 커플링 링 (30) 을 포함한다. 에지 링 (20) 은 커플링 링 (30) 에 접착될 수 있고, 또는, 커플링 링 (30) 과 동일 평면에 상주할 수 있다. 또한, 진공-프로세싱 챔버 (10) 는, 기판 지지대 아래에, 무선 주파수 에너지를 기판 지지대 상에 지지된 기판에 제공하는 무선 주파수 (RF) 전력공급 전극 (powered electrode; 40) 을 포함한다.
적절한 RF 임피던스 매칭 회로는, 고-밀도 플라즈마를 제공하기 위하여, 전력공급 전극 (40) 을 통해 RF 전력을 챔버 (10) 에 용량성으로 커플링한다. 원한다면, 다른 플라즈마 발생원 (예를 들어, 유도적-커플링 코일, 전자 사이클로트론 공명 (ECR), 헬트론 또는 마그네트론 유형) 이 사용될 수 있다. 또한, 챔버 (10) 는, 원하는 압력 (예를 들어, 50 mTorr 에서, 통상은, 30 내지 1000 mTorr) 으로 챔버의 내부를 유지하기 위한 적절한 진공 펌핑 장치를 포함한다. 통상, 샤워헤드라 지칭되는 가스 분산 플레이트가 제공될 수도 있으며, 가스 공급원 (supply) 에 의해 공급된 프로세스 가스를 프로세싱 챔버 (10) 에 전달하기 위한 원형 홀 (미도시됨) 과 같은 복수의 개구를 포함할 수도 있다. 그러나, 가스 분산 플레이트는 생략될 수 있으며, 프로세스 가스는 가스 링 등과 같은 다른 배열에 의해 챔버에 공급될 수 있다.
보통 플라즈마 프로세싱 기술에 공지된 바와 같이, 핫 에지 링 (20) 및 커플링 링 (30) 을 포함하는, 기판 지지대를 둘러싸는 링들은, 기판의 표면 상의 RF 유도 플라즈마 영역으로부터 이온의 초점을 맞추게 하여, 특히, 기판의 에지에서의 프로세스 균일도를 향상시킨다. 전력이 기판 및 정전 척에 공급될 경우에, 등 전위 필드 라인 (equipotential field line) 이 기판 위에 및 전극 아래에 셋업된다. 이들 필드 라인은 정적이지 않고 RF 사이클 동안에 변경된다. 시 평균 필드 (time averaged field) 는, 대량의 (bulk) 플라즈마를 양극으로 발생시키고 기판의 표면과 정전 척을 음극으로 발생시킨다. 기하학 요인으로 인해, 필드 라인은 기판의 에지에서 균일하지 않다. 플라즈마 챔버에서, 커플링 링 및 핫 에지 링은, 플라즈마와 전력 공급 전극과의 사이에 캐패시터로서 기능함으로써, 기판을 통한 대부분의 RF 커플링을 그 위에 놓인 플라즈마로 향하게 한다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 에지 링 (20) 은, 기판 지지대 (12) 를 둘러싸는 희생 링이다. 에지 링 (20) 은, 기판의 프로세싱 동안에 뜨겁게 되는 경향이 있어 핫 에지 링 (HER) 이라 지칭되는 교체가능 컴포넌트이다. 핫 에지 링 (20) 은, 실리콘 카바이드 (SiC) 및 실리콘 (Si) 과 같은 도전성 전극 재료 또는 석영과 같은 유전체 재료로부터 제조될 수 있다. 에지 링의 바로 근처의 화학적 성질을 시프팅하는 것 이외에, 에지 링 재료를 변경함으로써, 플라즈마를 통한 커플링 정도 (degree) 가, 프로세싱되고 있는 기판의 외측부에서 원하는 국소화 "에지" 에칭 레이트를 제공할 수 있도록 맞춰지게 될 수 있음을 알 수 있다. 더 낮은 용량성 임피던스를 갖는 실리콘 카바이드는, 일반적으로, 실리콘 옥사이드보다 더 빠른 에지 에칭 레이트를 생성할 것이다. 석영 및 낮은 유전 상수를 갖는 다른 유전체는 웨이퍼 에지에서의 RF 커플링의 감소로 인해, 에지 에칭 레이트를 낮추기 쉽다. 통상, 커플링 링 (30) 은, 석영, 실리콘, 실리콘 카바이드 또는 알루미늄 옥사이드와 같은 유전체 반도체 재료 (dielectric semiconductive material) 로 제조된다.
도 2 는, 듀얼 주파수 전원을 갖는 평행한 플레이트 배열을 이용한 블랭킷 (blanket) 옥사이드 에칭에서의 에칭 레이트 프로파일을 도시한 그래프이다. 연속 17 개의 웨이퍼가 프로세싱되었다. 실리콘 에지 링 (20) 과 석영 커플링 링 (30) 이 사용되었으며, 에칭은 다음의 조건, 즉, 27MHz 에서의 2000 와트 RF 전력, 2 MHz 에서의 2000 와트 RF 전력, 웨이퍼보다 위의 150 mTorr 챔버 압력, 400 sccm 아르곤 가스, 80 sccm C4F8 가스, 8 sccm O2 가스, 및 60 초 프로세스 시간하에서 수행되었다.
그 그래프는, 웨이퍼의 중심으로부터 측정된 웨이퍼 표면 상의 위치 함수로서 옹스트롬/분 단위의 포토레지스트 에칭 레이트를 도시한 것이다. 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 웨이퍼의 에지에서의 에칭 레이트는, 기판에 걸쳐 실질적으로 변한다. 에칭 레이트 균일도는, 다음의 수식, 즉,
[(Max-Min)/2*Average]*100%
에 의해 계산되며, 여기서, Max 는, 에칭 레이트의 최대 값이고, Min 은, 에칭 레이트의 최소 값이다. 에칭 레이트는, 상업상 이용가능한 박막 도량형 시스템을 이용하여 에칭하기 이전 및 이후에, 웨이퍼 최상부의 포토레지스트 층의 두께를 측정함으로써 결정되었다.
도 3 은, 일 실시형태에 따라 기판 지지대를 둘러싸도록 구성된 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리 (110) 를 갖는 평행한 플레이트 플라즈마 장치 (100) 의 웨이퍼 에지 영역의 단면을 도시한 것이다. 에지 링 어셈블리 (110) 는, 상부 핫 에지 링 (120), 세라믹 중간 링 (130), 및 도전성 하부 링 (140) 을 포함한다. 중간 링 (130) 은 상면 (132) 과 하면 (134) 을 가지며, 중간 (130) 의 하면 (134) 은, 하부 링 (140) 을 통해 무선 주파수 (RF) 전극 (150) 에 열적으로 커플링된다.
상부 링 (120) 은, 실리콘, 카본 (예를 들어, 그래파이트), 실리콘 카바이드 등과 같은 열적 및 전기적 도전성 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 상부 링 (120) 의 하면 (128) 은, 열적 도전성 엘라스토머에 의해 중간 링 (130) 의 상면 (132) 에 접착되는 것이 바람직하다. 적절한 엘라스토머의 상세한 설명은, 여기에 참조로서 통합된 미국 특허 제 6,073,577 호에 설명된다.
일 실시형태에서, 상부 링 (120) 의 상면 (126) 의 내측부는, 정전 척 (112) 에 수직인 평면과 각을 이루도록 경사져 있다. 상부 링 (120) 의 경사진 내측면 (126) 은, 기판이 기판 지지대 상에 위치될 경우에, 상부 링 (120) 의 일부로 하여금 기판 아래로 연장하게 한다. 상부 링 (120) 은, 경사진 내측면 (126) 을 제외하고는, 실질적으로 직사각형의 단면을 갖는 것이 바람직하다. 상부 링 (120) 은 다른 단면 설계 또는 형상을 가질 수 있음을 알 수 있다.
원한다면, 유전체 외측 링 (138) 은 상부 링 (120) 을 둘러쌀 수 있다. 유전체 외측 링 (138) 은, 알루미늄 옥사이드 (Al2O3), 실리콘 옥사이드 (석영), 실 리콘 나이트라이드, 실리콘 카바이드 또는 다른 적절한 재료로 형성될 수 있으며, 추가적인 보호물 (protection) 을 플라즈마 반응기 챔버에 제공한다.
중간 링 (130) 은, 실질적으로 직사각형 단면을 가지며, 높은 열 도전성을 갖는 재료로 제조되며, 그 재료 링 (120) 이 제조된 것과 유사한 열 팽창 계수로 제조되는 것이 바람직하다. 링 (120) 이 실리콘으로 제조되면, 이러한 재료들은, 알루미늄 옥사이드 (세라믹), 실리콘, 실리콘 카바이드, 또는 알루미늄 나이트라이드일 수도 있다. 일 실시형태에서, 중간 링 (130) 은 알루미나로 제조된다. 중간 링 (130) 은 하부 링 (140) 위에 놓이며 그 하부 링 (140) 을 통해 RF 전극 (150) 에 볼팅 (bolt) 되는 것이 바람직하다.
도전성 하부 링 (140) 은, 알루미늄, 알루미늄 합금, 황동 (brass), 구리 (copper), 구리 합금 또는 스테인레스 스틸과 같은 도전성 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 일 실시형태에서, 하부 링 (140) 은, 실질적으로 L-형상 단면을 가지며, 알루미늄으로 제조된다. 그러나, 하부 링 (140) 이 실질적으로 직사각형 단면 또는 다른-단면 형상을 가질 수 있음을 알 수 있다.
도 4 는, 하부 링 (140) 을 통해 중간 링 (130) 이 RF 전극 (150) 에 볼팅되는 도 3 의 에지 링 어셈블리 (110) 의 단면을 도시한 것이다. 하부 링 (140) 의 복수의 홀을 통해 연장하는 일 세트의 볼트 (제 1 볼트 (160) 및 제 2 볼트 (170)) 를 이용하여, 에지 링 어셈블리 (110) 의 복수의 위치에서, RF 전극 (150) 과 중간 링 (130) 의 볼팅이 수행되는 것이 바람직하다.
도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 도전성 하부 링 (140) 은, 그 하부 링 (140) 을 RF 전극 (150) 과 볼팅하기 위한 제 1 복수의 홀 (142) 및 중간 링 (130) 을 하부 링 (140) 과 볼팅하기 위한 제 2 복수의 나사산된 홀 (144) 을 갖는 L-형상의 단면인 것이 바람직하다. 제 1 복수의 홀 (142) 은, 하부 링 (140) 의 내측부에 위치되는 것이 바람직하지만, 홀 (144) 은, 하부 링 (140) 의 외측부에 위치된다.
일 실시형태에서, 제 1 복수의 홀 (142) 은, 제 1 볼트 (160) 의 테이퍼링 헤드를 수용하기 위한 테이퍼 (162) 를 갖는다. 볼트 (160) 는, 하부 링 (140) 을 통해 하부 링 (140) 의 상면으로부터 RF 전극 (150) 으로 연장한다. 바람직하게는, 볼트 (160) 는, 일단에 테이퍼링 헤드 (162) 를 가지며, 타단에 나사 (screw thread) (164) 를 갖는다. RF 전극 (150) 은, 나사산된 홀 (152) 에, 볼트 (160) 의 나사 (164) 를 수용한다. 볼트 (160) 는, 스테인레스 스틸인 것이 바람직하지만, 제 1 볼트가 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 황동, 구리, 구리 합금 또는 다른 적절한 재료일 수 있음을 알 수 있다.
중간 링 (130) 의 제 2 복수의 홀 (144) 을 통해, 하부 링 (140) 과 중간 링 (130) 의 볼팅이 수행되는 것이 바람직하다. 제 2 복수의 홀 (144) 은, 하부 링 (140) 의 외측부로 연장하는 것이 바람직하다. 일 실시형태에서, 중간 링 (130) 은, 도전성 와셔 (conductive washer; 180) 및 제 2 볼트 (170) 를 수용하기 위한 복수의 볼트 수용 홀 (133) 을 갖는다. 볼트 (170) 는, 일단에 헤드 (172) 및 타단에 나사 (174) 를 갖는다. 도전성 와셔 (180) 는, 볼트 (170) 의 헤드 (172) 및 볼트 (170) 그 자신을 수용하도록 구성된 카운터-싱킹 홀 (counter- sunk hole; 182) 을 포함한다. 도전성 와셔 (180) 는, 복수의 볼트 수용 홀 (133) 내에 상주하는 것이 바람직하다. 또한, 도전성 와셔 (180) 가 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 황동, 구리, 구리 합금, 스테인레스 스틸 또는 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있음을 알 수 있다.
제 2 볼트 (170) 의 헤드 (172) 는, 도전성 와셔 (180) 내에 위치되며, 중간 링 (130) 을 통해 하부 링 (140) 으로 연장한다. 또한, 제 2 볼트 (170) 는 스테인레스 스틸인 것이 바람직하지만, 그 볼트 (170) 가 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 황동, 구리, 구리 합금 또는 임의의 적절한 재료일 수 있음을 알 수 있다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 상부 링 (120) 은, 에지 링 캡 (124) 을 수용하기 위한 복수의 홀 (122) 을 갖는다. 에지 링 캡 (124) 은, 에지 링 어셈블리 (110) 의 압력을 벤팅하기 위한 벤트 홀 (vent hole; 126) 을 포함한다. 에지 링 캡 (124) 은, 볼트 (170) 의 최상부를 접촉시키지 않고도 홀 (122) 의 립 (lip) 상에 상주하는 것이 바람직하다. 에지 링 캡 (124) 은, 상부 링 (120) 과 동일한 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 따라서, 에지 링 캡 (124) 은, 실리콘, 그래파이트, 실리콘 카바이드 및 임의의 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다. 다른 방법으로, 에지 링 캡 (124) 은 석영으로 제조될 수 있다.
에지 링 어셈블리 (110) 가 플라즈마 반응기에서 기판을 둘러싸기 때문에, 에지 링 어셈블리 (110) 의 복수의 위치에서 RF 전극 (150) 과 하부 링 (140) 의 볼팅이 수행되는 것이 바람직하다. 일 실시형태에서, 에지 링 어셈블리 (110) 의 사이즈에 의존하여, 홀 (144, 152) 의 개수는 약 6 개 내지 18 개이다. 예 를 들어, 8 인치 (200 mm) 의 직경을 갖는 웨이퍼를 프로세싱하기 위한 플라즈마 프로세싱 챔버는, 12 인치 (300 mm) 의 직경을 갖는 프로세싱 웨이퍼와 상이한 개수의 홀 (144, 152) 을 가질 수도 있다. 임의의 개수의 제 1 볼트 (160), 제 2 볼트 (170), 및 에지 링 캡 (124) 이 에지 링 어셈블리 (110) 를 RF 전극 (150) 에 고정시키기 위해 사용될 수 있음을 알 수 있다.
도 5 는, 도 3 및 도 4 에 도시된 실시형태에 대한 핫 에지 링 (110) 의 효과를 도시한 그래프이다. 도 2 에 도시된 바와 동일한 프로세스 조건이 사용되었으며, 즉, 27 MHz 에서의 2000 와트 RF 전력, 2 MHz 에서의 2000 와트 RF 전력, 웨이퍼보다 위의 150 mTorr 챔버 압력, 400 sccm 아르곤 가스, 80 sccm C4F8 가스, 8 sccm O2 가스, 및 60 초 프로세스 시간과 같다.
도 5 에 도시된 바와 같이, 온도-제어된 핫 에지 링 어세블리 (110) 는 웨이퍼 에지 근처의 에칭 레이트 드리프트를 크게 감소시킨다. 웨이퍼의 카세트의 프로세스 실행 동안에, 웨이퍼 개수 1, 2, 5 및 17 은, 도 2 에 도시된 바와 같이, 웨이퍼의 에지에서의 상당히 큰 에칭 레이트 드리프트를 발생시키는 도 1 에 도시된 표준의 핫 에지 링을 이용한 결과에 비해, 웨이퍼의 외측부에서의 에칭 레이트의 분산이 매우 작음을 관측하였다.
도 6 은, 도 1 에 도시된 표준의 석영 커플링 링을, 일 실시형태에 따르고 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같은 온도 제어된 에지 링과 비교하여, 웨이퍼 개수에 대한 웨이퍼의 에지에서의 에칭 레이트를 그래프로 나타낸 것이다. 표준의 핫 에지 링이 웨이퍼 개수 1 내지 5 에 대해 에칭 레이트의 상당한 저하를 발생시켰고, 웨이퍼 6 개 내지 17 개에 대해 낮은 에칭 레이트를 발생시켰지만, 열 싱킹 핫 에지 링은, 전체 배치의 웨이퍼에 대해 실질적으로 일정하고 보다 더 높은 에칭 레이트를 발생시켰다. 따라서, 열 싱킹 핫 에지 링은, 표준의 핫 에지 링에 의해 도시된 에칭 레이트의 프로세스 드리프트를 제거하였다.
온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리 (110) 가 새로운 진공 프로세싱 챔버에 설치될 수 있고, 또는 기존의 진공 프로세싱 챔버를 갱신하여, 상부 링 (120) 의 조절능력 (adjustability) 을 제공하기 위해 이용될 수 있음을 알 수 있다.
특정 시스템에서, 상부 링 (120), 중간 링 (130), 및 하부 링 (140) 의 특정 형상이 척, 기판 등의 배열에 의존하여 변할 수도 있음을 알 수 있다. 따라서, 도 3 및 도 4 의 척을 둘러싸는 정확한 (exact) 형상의 링이 오직 예시를 목적으로 도시되며, 임의의 방식으로 제한하고 있지 않다.
도 7 은, 일 실시형태에 따른 에지 링 어셈블리 (110) 를 포함하는 평행한 플레이트 플라즈마 프로세싱 장치 (200) 를 도시한 것이다. 플라즈마 프로세싱 장치 (200) 는, 최상부 전극 (220), 및 기판 (S) 을 클램핑하기 위한 정전 척 (240) 을 갖는 기판 지지대 (230) 에 포함된 온도 제어된 하부 전극 (150) 을 갖는 프로세싱 챔버 (210) 를 형성한다. RF 전극 (150) 은, 기판 (S) 을 프로세싱하기 위해, 프로세싱 챔버 (210) 의 내부에서 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징한다. 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 상부 링 (120), 세라믹 중간 링 (130) 및 도전성 하부 링 (140) 을 포함하는 에지 링 어셈블리 (110) 는 기판 지지대 (240) 를 둘러싼다. 에지 링 어셈블리 (110) 를 포함하는 바람직한 플라즈마 반응 챔버는 반도체 플라즈마 에칭 장치이다.
동작시에, 플라즈마 프로세싱 장치 (200) 에서 복수의 기판을 순차적으로 프로세싱할 경우, 제 1 기판이 전극으로부터 제거된 이후 및 후속 기판이 그 전극 상에 배치되기 이전에, 에지 링 어셈블리 (110) 의 온도는 실질적으로 초기 온도로 냉각된다. 도 3, 도 4, 및 도 7 에 도시된 바와 같이, 상부 링 (120), 세라믹 중간 링 (130) 및 도전성 하부 링 (140) 을 포함하는 에지 링 어셈블리 (110) 는, 상부 링 (120) 과 온도-제어된 RF 전극 (150) 과의 사이에 향상된 열 경로를 제공한다. 따라서, 에지 링 어셈블리 (110) 를 초기 온도로 냉각시킴으로써, 에지 링 어셈블리 (110) 가 프로세스 드리프트를 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
본 발명이 본 발명의 바람직한 실시형태와 관련하여 설명되었지만, 특히, 설명되지 않은 추가, 삭제, 변경, 및 대체가 첨부된 청구항에 한정된 바와 같이 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어남 없이 행해질 수 있음을 당업자는 알 수 있다.

Claims (24)

  1. 플라즈마 반응 챔버에서 반도체 기판 지지대를 둘러싸도록 구성된 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리로서,
    도전성 하부 링;
    상기 하부 링 위에 놓이며 상기 하부 링을 통해 RF 전극에 부착되도록 구성된 세라믹 중간 링; 및
    상기 중간 링 위에 놓이며 플라즈마 반응 챔버의 내부에 노출된 상면을 갖는 상부 링을 포함하는, 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간 링은 알루미늄 옥사이드로 제조되는, 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간 링은, 석영, 실리콘, 실리콘 카바이드 또는 알루미늄 옥사이드로 제조되는, 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 링은, 알루미늄 또는 알루미늄의 합금으로 제조되는, 온도-제어 된 핫 에지 링 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 링은, 알루미늄, 알루미늄 합금, 황동 (brass), 구리, 구리 합금 또는 스테인레스 스틸로 제조되는, 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 링의 하면은, 열적 도전성 엘라스토머를 통해 상기 중간 링의 상면에 접착되는, 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 링은, 상기 도전성 링을 상기 RF 전극에 볼팅 (bolt) 하도록 구성된 복수의 홀을 갖는, 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 링 및 상기 중간 링은, 상기 중간 링을 상기 도전성 링에 볼팅하도록 구성된 복수의 홀을 갖는, 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 링은, 실질적으로 L-형상 단면을 갖는, 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리.
  10. 제 7 항에 있어서,
    일단에 테이퍼링 헤드 및 타단에 나사를 가지며, 상기 도전성 링을 상기 RF 전극에 볼팅하도록 구성된 제 1 볼트를 더 포함하는, 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리.
  11. 제 8 항에 있어서,
    일단에 헤드 및 타단에 나사를 가지며, 상기 중간 링을 상기 도전성 링에 볼팅하도록 구성된 제 2 볼트를 더 포함하는, 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리.
  12. 제 1 항에 있어서,
    일단에 헤드 및 타단에 나사를 갖는 볼트를 수용하도록 구성되며, 상기 상부 링과 상기 중간 링 사이에 위치되는 도전성 와셔를 더 포함하는, 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 상부 링 내에, 상기 에지 링 어셈블리내로부터 압력을 방출 (release) 하도록 구성된 벤트 홀 (vent hole) 을 갖는 캡을 수용하는 복수의 홀을 더 포함하는, 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 링은, 실리콘, 카본, 그래파이트, 또는 실리콘 카바이드로 제조되는, 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 링은, 상기 기판이 상기 기판 지지대 상에 배치될 경우에, 기판 아래로 연장하는 부분을 갖는, 온도-제어된 핫 에지 링 어셈블리.
  16. 프로세싱 챔버;
    기판을 프로세싱하기 위해 상기 프로세싱 챔버의 내부에서 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징하는 전원;
    상기 프로세싱 챔버의 상기 내부 내에서 기판을 지지하는 기판 지지대;
    도전성 하부 링;
    상기 하부 링 위에 놓이며 상기 하부 링을 통해 RF 전극에 부착되도록 구성된 세라믹 중간 링; 및
    상기 중간 링 위에 놓이며 플라즈마 반응 챔버 내부에 노출된 상면을 갖는 상부 링을 포함하는, 플라즈마 프로세싱 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 상부 링은, 열적 도전성 엘라스토머에 의해 상기 중간 링에 접착되는, 플라즈마 프로세싱 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 하부 링은, 알루미늄 또는 알루미늄의 합금으로 제조되는, 플라즈마 프로세싱 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 중간 링은 알루미늄 옥사이드로 제조되는, 플라즈마 프로세싱 장치.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 상부 링은, 석영, 실리콘, 실리콘 카바이드, 그래파이트 및 알루미늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로부터 제조되는, 플라즈마 프로세싱 장치.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버는 반도체 플라즈마 에칭 장치인, 플라즈마 프로세싱 장치.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 상부 링, 상기 중간 링, 상기 하부 링 및 상기 RF 전극을 둘러싸는 석 영 외측 링을 더 포함하는, 플라즈마 프로세싱 장치
  23. 플라즈마 프로세싱 시스템에서 복수의 기판에 대한 프로세스 드리프트를 감소시키는 방법으로서,
    프로세싱 챔버; 기판을 프로세싱하기 위해 상기 프로세싱 챔버의 내부의 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징하는 전원; 상기 프로세싱 챔버의 내부 내에서 기판을 지지하며 상면을 갖는 기판 지지대; 및 에지 링 어셈블리를 포함하는 플라즈마 프로세싱 장치에 기판을 위치시키는 단계로서, 상기 에지 링 어셈블리는, 도전성 하부 링, 상기 하부 링 위에 놓이며 상기 하부 링을 통해 상기 전원에 부착되도록 구성된 세라믹 중간 링, 및 상기 중간 링 위에 놓이며 상기 프로세싱 챔버의 내부에 노출된 상면을 갖는 상부 링을 포함하는, 상기 기판을 위치시키는 단계;
    상기 챔버에 프로세스 가스를 공급하는 단계;
    상기 기판 지지대의 상기 상면에 인접한 플라즈마를 형성하는 단계; 및
    상기 플라즈마 프로세싱 장치에서 복수의 기판을 순차적으로 프로세싱하는 단계를 포함하며,
    상기 상부 링의 온도는, 제 1 기판이 상기 기판 지지대로부터 제거된 이후, 및 후속 기판이 상기 기판 지지대 상에 배치되기 이전에, 실질적으로 초기 온도로 냉각되어 프로세스 드리프트를 감소시키는, 프로세스 드리프트의 감소 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 기판은 반도체 웨이퍼를 포함하며,
    상기 프로세싱 단계는 상기 반도체 웨이퍼를 상기 플라즈마로 에칭하는 단계를 포함하는, 프로세스 드리프트의 감소 방법.
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