KR20070015599A - 플라즈마 프로세싱을 위해 샤워헤드 전극 및 가열기를포함하는 장치 - Google Patents

플라즈마 프로세싱을 위해 샤워헤드 전극 및 가열기를포함하는 장치 Download PDF

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Abstract

플라즈마 프로세싱 장치 (100) 는, 샤워헤드 전극 (200) 과 열 접촉하는 가열기 (700), 및 가열기 (700) 와 열 접촉하는 온도 제어된 최상부 플레이트 (800) 를 포함하여 반도체 기판 프로세싱 동안에 샤워헤드 전극 (200) 의 원해진 온도를 유지한다. 가스 분배 부재 (500) 는 샤워헤드 전극 (200) 에 프로세스 가스와 무선 주파수 (RF) 전력을 공급한다.
진공 챔버, 샤워헤드 전극, 열 경로 부재, 가스 분배 부재, 반도체 기판

Description

플라즈마 프로세싱을 위해 샤워헤드 전극 및 가열기를 포함하는 장치{APPARATUS INCLUDING SHOWERHEAD ELECTRODE AND HEATER FOR PLASMA PROCESSING}
배경
에칭, 물리적 기상 증착 (PVD), 화학적 기상 증착 (CVD), 이온 주입, 및 애싱 또는 레지스트 제거를 포함한 기술에 의하여 기판을 프로세싱하기 위해 플라즈마 프로세싱 장치가 사용된다. 최근에, 피쳐 크기의 축소 및 새로운 재료의 구현으로 인해, 플라즈마 프로세싱의 조건을 제어하도록 플라즈마 프로세싱 장치가 요구되고 있다.
개요
샤워헤드 전극 및 그 샤워헤드 전극과 열 접촉하는 가열기를 포함한 플라즈마 프로세싱 장치가 제공되며, 가열기는, 샤워헤드 전극의 적어도 일부를 임계 온도보다 높은 온도로 가열하도록 동작한다. 부가적으로, 샤워헤드 전극의 온도를 제어하기 위해, 그리고, 그 샤워헤드 전극에 있어서 소정의 온도를 유지하도록 가열기와 공동 동작하기 위해, 장치 내에 최상부 플레이트를 더 제공할 수도 있다.
일 실시형태에서, 샤워헤드 전극 어셈블리는, 진공 챔버의 내부에 탑재되도록 구성된 샤워헤드 전극 및 그 샤워헤드 전극에 부착된 무선 주파수 (RF) 분배 부재를 포함하며, 그 RF 분배 부재는, 진공 챔버의 온도 제어된 최상부 벽의 개구로 축방향으로 연장하도록 구성된 제 1 부분을 포함하고, 또한, 그 RF 분배 부재는, 샤워헤드 전극의 위에서 측면으로 연장하고 RF 경로와 열 경로를 제공하는 제 2 부분; 및 RF 분배 부재에 부착되고 진공 챔버의 최상부 벽과 RF 분배 부재의 제 2 부분 사이의 열 경로를 샤워헤드 전극에 제공하도록 구성된 열 경로 부재를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, RF 분배 부재는, 샤워헤드 전극에 프로세스 가스를 공급하는 하나 이상의 가스 통로를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 샤워헤드 전극 어셈블리는, 진공 챔버의 내부에 탑재되도록 구성된 샤워헤드 전극; 그 샤워헤드 전극에 부착된 가스 분배 부재; 그 가스 분배 부재에 부착된 열 경로 부재; 및 그 열 경로 부재에 부착된 가열기를 포함하며, 가열기는, 가스 분배 부재와 열 경로 부재를 통해 샤워헤드 전극으로 열을 전달한다. 또 다른 실시형태에서, 가스 분배 부재는, 샤워헤드 전극에 RF 전력을 분배하는 전기 전도성 재료일 수 있다.
또한, 플라즈마 에칭 챔버 내의 가열기에 전력을 인가하는 단계; 가열기로부터 샤워헤드 전극으로 열 전도함으로써 소정의 온도로 플라즈마 에칭 챔버 내의 샤워헤드 전극의 적어도 일부를 가열하는 단계; 샤워헤드 전극을 통해 플라즈마 에칭 챔버에 프로세스 가스를 공급하는 단계; 및 샤워헤드 전극에 RF 전력을 인가하여 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징함으로써 플라즈마 에칭 챔버 내의 반도체 기판을 에칭하는 단계를 포함한, 플라즈마 에칭을 제어하는 방법이 제공되며, 가열기에 인가된 전력과 샤워헤드 전극에 인가된 전력은, 열 경로 부재에 의해 서로 전기 절연된다.
도면의 간단한 설명
도 1, 도 2, 도 4, 및 도 5 는, 샤워헤드 전극 어셈블리의 바람직한 실시형태를 나타낸 도면이다.
도 3 은, 샤워헤드 전극 어셈블리를 동작시키는 바람직한 방법을 나타낸 도면이다.
도 6 은, 바람직한 샤워헤드 전극 실시형태가 동작되는 온도를 나타낸 도면이다.
도 7 은, 일 예시적인 포토레지스트 에칭 레이트에 대한 샤워헤드 전극 온도의 효과를 나타낸 도면이다.
도 8 은, C4F6/O2 에칭 가스를 이용하는 예시적인 포토레지스트 에칭 레이트에 대한 샤워헤드 전극 온도의 효과를 나타낸 도면이다.
도 9a 내지 도 9d 는, 패터닝된 포토레지스트를 80,000 배 확대하여 획득한 현미경 사진이다.
도 10 및 도 11 은, 가스 분배 부재의 바람직한 실시형태를 나타낸 도면이다.
도 12 는, 서브어셈블리 부착물의 바람직한 실시형태를 나타낸 도면이다.
상세한 설명
플라즈마 프로세싱 결과를 바꾸기 위해, 플라즈마 화학제, 이온 에너지, 밀도와 분배, 전자 온도 등과 같은 플라즈마 파라미터를 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 이들 플라즈마 파라미터 제어 이외에, 플라즈마 화학제를 제어하고 그에 따 라 웨이퍼와 같은 반도체 기판에 대한 플라즈마 프로세싱 결과를 제어하기 위해서 플라즈마를 한정하는 플라즈마 챔버의 표면의 온도를 사용할 수도 있다.
(옥사이드 에칭과 같은) 플라즈마 에칭 프로세스에서 사용되는 샤워헤드 전극의 온도는 광범위하게 변화할 수 있다. 단일의 웨이퍼 플라즈마 에칭 챔버에서 일련의 웨이퍼를 에칭하는 경우, 무선 주파수 (RF) 전력공급된 샤워헤드 전극의 많은 부분의 온도가 시간에 대해 변화하고, RF 전력공급된 샤워헤드 전극에 의해 발생된 열에 의해 샤워헤드 전극의 중심 부분이 그 샤워헤드 전극의 에지 부분보다 더 가열될 수 있음이 관찰되고 있다. 예를 들면, 샤워헤드 전극의 중심과 에지 사이의 온도차는 약 100℃ 이상일 수 있다. 이런 온도 편차는, 전극을 더 높은 전력 레벨 (예를 들면, 3,000 내지 6,000 와트) 로 처리하는 경우에 더 분명하게 드러나며, 이는 플라즈마 에칭 시에 비-균일도를 초래할 수 있다. 따라서, RF 전력공급된 샤워헤드 전극의 온도 편차의 감소는, 생산 실행 동안 웨이퍼에 대해 보다 균일한 플라즈마 에칭을 제공할 수 있다. 또한, 생산 실행 동안에 RF 전력공급된 전극의 최소 온도를 유지하는 것은 포토레지스트 선택도를 향상시킬 수 있다.
사용 중에 발생된 열로부터의 RF 전력공급된 샤워헤드 전극의 온도 변동의 입장에서, RF 전력공급된 샤워헤드 전극의 중심 부분과 에지 부분을, 원해진 온도 범위내, 예를 들면, 중심에서 에지까지의 온도 편차를 50℃ 미만, 바람직하게는 25℃ 미만으로 유지하기 위해 가열기가 제공된다. 챔버의 최상부 벽 (최상부 플레이트) 과 같이 온도 제어된 부재의 냉각과 공동 동작하는 RF 전력공급된 샤워헤 드 전극의 가열에 의해, 플라즈마 프로세싱 장치의 동작 동안에는 RF 전력공급된 샤워헤드 전극에 바람직한 온도 분배를 제공할 수도 있다. 바람직한 일 실시형태에 의하면, 샤워헤드 전극의 중심 부분과 에지 부분 사이의 온도차는, 실리콘 옥사이드와 같은 유전 재료에 높은 애스펙트 비의 개구를 플라즈마 에칭하는 것과 같은 플라즈마 프로세싱의 균일도를 향상시키는데 효과적인 범위내에 유지될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 플라즈마 프로세싱 장치는, 가열기, 온도 제어된 열 싱크 및 RF 전력공급된 샤워헤드 전극을 포함한다. 이 실시형태의 플라즈마 프로세싱 장치는, 샤워헤드 전극의 능동 가열 (active heating) 및 능동 냉각 (active cooling) 에 의해 샤워헤드 전극의 온도를 제어하게 한다.
도 1 은, 가열기와 상부 샤워헤드 전극 온도 제어 시스템을 포함하는, 제 1 실시형태에 따른 플라즈마 프로세싱 장치 (100) 의 단면도를 나타낸 것이다. 도 1 에서, 플라즈마 프로세싱 장치 (100) 에는, 진공 챔버 (150) 내의 가열기 (700) 및 온도 제어기 (900) 가 제공된다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 플라즈마 에칭 챔버와 같은 진공 챔버 (150) 는, 그 내부에, 상부 샤워헤드 전극 (200) 과 기판 지지대 (300) 를 포함하며, 상부 샤워헤드 전극 (200) 과 기판 지지대 (300) 는, 기판이 프로세싱되는 갭 (400) 만큼 분리된다. 상부 샤워헤드 전극 (200) 은, 기판의 노출면 위에 반응 가스를 분배하기 위해, 구멍이 나거나 다공질의 평면 또는 비-평면의 표면을 포함한다. 상부 샤워헤드 전극 (200) 위에는 가스 분배 부재 (500) 가 제공되며, 그 가스 분 배 부재 (500) 는, 진공 챔버 (150) 외부의 가스 공급기 (550) 로부터 상부 샤워헤드 전극 (200) 으로 프로세스 가스를 공급한다. 또한, 가스 분배 부재 (500) 는, 전기 전도성이 있으며 진공 챔버 (150) 외부의 RF 전원 (570) 으로부터 상부 샤워헤드 전극 (200) 으로 RF 전력을 분배한다.
또한, 도 1 에 도시된 바와 같이, 가스 분배 부재 (500) 의 수평으로 연장하는 부분 위에 가열기 (700) 가 위치되며, 그 가열기 (700) 는, 가스 분배 부재 (500) 와 열 전도성 절연체 (600) 를 통해 상부 샤워헤드 전극 (200) 에 열을 제공하고, 그 절연체 (600) 는, 가열기 (700) 와 가스 분배 부재 (500) 사이에 제공된다. 절연체 (600) 는, 가열기 (700) 로부터의 열을 가스 분배 부재 (500) 로 전도하면서, 가스 분배 부재 (500) 로부터 가열기 (700) 를 전기 절연시키도록 기능하는 열 전도성의 전기 절연체이다. 따라서, 가스 분배 부재 (500) 를 통해 전달된 RF 전력은, 가열기 (700) 와 상부 샤워헤드 전극 (200) 사이에서의 열 전도를 여전히 허용하면서, 가열기 (700) 로 공급된 전력으로부터 전기 절연된다.
상부 샤워헤드 전극 (200) 의 온도를 제어하기 위하여, 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 온도 (T) 를 측정하기 위해 하나 이상의 온도 센서 (950) 와 같은 임의의 적절한 온도 모니터링 장치를 이용하는 온도 제어기 (900) 가 제공된다. 온도 센서 (950) 는, 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 이면에 아주 근접하게 위치된 광섬유 온도 센싱 엘리먼트를 포함할 수 있으며, 또는, 온도 센서 (950) 는 상부 샤워헤드 전극 (200) 에 열적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 1 에 도시된 바와 같이, 온도 센서 (950) 는, 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 에지 부분 근처에 위치된 다. 온도 제어기 (900) 는, 온도 센서 (950) 에 의해 제공된 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 온도 (T) 를 나타내는 데이터/신호에 기초하여, 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 온도가 소정의 온도 (Tp) 까지 증가되어야 하는지 여부를 판정하기 위해 사용될 수 있다. T 가 Tp 보다 작으면, 온도 제어기 (900) 는, 가열기 (700) 에 전력을 제공하는 전원 (550) 을 활성화시키도록 동작하며, 이로써 가열기 (700) 의 온도를 증가시킨 후, 차례로, 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 온도를 증가시킨다.
가열기 (700) 는 교류 (AC) 또는 직류 (DC) 전원 (250) 에 의해 전력공급될 수도 있으며, 상술된 바와 같이, AC 또는 DC 전원 (250) 은 온도 제어기 (900) 에 의해 제어된다.
또한, 도 1 에 도시된 바와 같이, 가열기 (700) 는, 챔버의 진공 밀봉된 상부벽을 형성하는 온도 제어된 최상부 플레이트 (800) 에 의해 지지된다. 최상부 플레이트 (800) 는, 전기 접지되고 유체 제어 장치 (850) 를 포함할 수 있으며, 그 유체 제어 장치 (850) 는, 또한, 온도 제어기 (900) 에 의해 제어되며 최상부 플레이트 (800) 를 통해 흐르는 유체를 냉각시키는 온도 냉각장치 (chiller) 를 포함할 수 있다. 대안으로, 최상부 플레이트 (800) 는, 유체 제어 장치 (850) 없이 연속적이거나 비연속적인 방식으로 냉각될 수 있다. 예를 들어, 유체 제어 장치 (850) 를 사용하지 않고 최상부 플레이트 (800) 를 통해 연속적으로 물이 흐르게 할 수도 있다.
온도 제어기 (900) 가 사용되면, 최상부 플레이트의 온도가 원하는 대로 조정될 수 있다. 예를 들어, 이하에 논의된 바와 같이, T 가 Tp 보다 크면, 온도 제어기 (900) 는, 유체 제어 장치 (850) 로 하여금 최상부 플레이트 (800) 를 통해 냉각 유체를 흐르게 하여 가열기 (700) 를 냉각시킬 수 있으며, 여기서, 그 최상부 플레이트 (800) 는, 상부 샤워헤드 전극 (200) 에 대한 열 싱크로서 작동함으로써 상부 샤워헤드 전극 (200) 을 냉각시킨다. 그러나, 최상부 플레이트 (800) 를 통해 통과하는 유체는 연속적으로 순환될 수 있으며, 유체의 온도는 옵션으로 상승되거나 하강될 수 있으며/또는, 유체의 유량은 온도 제어기 (900) 로부터의 명령에 기초하여 증가되거나 감소될 수 있다.
부가적으로, 도 1 에 도시된 바와 같이, 상부 전기 절연체 (630) 는 가스 분배 부재 (500) 로부터 최상부 플레이트 (800) 를 전기 절연시키기 위해 사용된다. 또한, 상부 샤워헤드 전극 (200) 과 가스 분배 부재 (500) 를 둘러싸는 측면의 전기 절연체 (620, 640) 는, 가열기 (700) 로부터 상부 샤워헤드 전극 (200) 을 전기 절연시키기 위해 사용된다.
기판 지지대 (300) 는, 장치 (100) 내의 상부 샤워헤드 전극 (200) 으로부터 대향하는 기판 지지대의 상면에 옵션의 정전척 (ESC) 및 하부 전극을 포함한다. 따라서, 플라즈마 프로세싱되는 기판은, 기판 지지대 (300) 의 상면에 기계적으로나 정전기적으로 클램핑되거나 또는 기계적으로나 정전기적으로 클램핑됨 없이 지지될 수도 있다.
제 2 실시형태에서, 장치 (100) 는, 가열기 (700) 없는 가스 분배 부재 (500) 를 포함시킬 수 있으며, 가스 분배 부재 (500) 는 플라즈마 에칭 챔버 내의 다른 부분들과 장치 (100) 내에서 RF 절연될 수 있다. 이 실시형태에서, 가스 분배 부재 (500) 는, RF 를 가스 분배 부재 (500) 를 통해 관통시키길 소망함에 따라, 절연체 (600) 및/또는 다른 절연 부재를 이용하여 RF 절연될 수 있다.
또한, 제 2 실시형태에서, 가스 분배 부재 (500) 는 플레이트 (505) 및 축방향으로 연장하는 부재 (508) 를 포함하며, 그 축방향으로 연장하는 부재 (508) 는 RF 연결부를 포함하여 RF 전원 (570) 에 전기적으로 연결되는 케이블을 수용한다. 따라서, 그 부재 (508) 는, RF 전력을, RF 전원 (570) 으로부터 플레이트 (505) 로 분배한 후, 플레이트 (505) 와 상부 샤워헤드 전극 (200) 사이의 접촉 포인트를 통해 상부 샤워헤드 전극 (200) 으로 분배하기 위해 사용된다. 예를 들면, 플레이트 (505) 는 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 이면과 접촉하고 있는 복수의 고리 모양의 돌출부를 포함할 수 있다.
축방향으로 연장하는 부재 (508) 는, 가스 공급기 (550) 로부터, 플레이트 (505) 와 상부 샤워헤드 전극 (200) 사이의 하나 이상의 플리넘 (plenum) 으로 프로세스 가스를 분배하도록 기능한다. 이와 같이, RF 전력과 프로세스 가스 모두는 가스 분배 부재 (500) 를 통해 상부 샤워헤드 전극 (200) 으로 공급된다. 가스 분배 부재 (500) 를 통해 RF 전력을 공급함으로써, 상부 샤워헤드 전극 (200) 위에 보다 균일하게 RF 전력을 공급하여, 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 노출면에 걸쳐 중심에서 에지까지의 온도 편차를 감소시킬 수 있다. 또한, 그 부재 (500) 를 통해 프로세스 가스를 공급함으로써, 원해진 유량으로 프로세스 가스를 챔버 내의 하나 이상의 구역으로 전달하는 것이 가능하다.
도 3 에는, 제 3 바람직한 실시형태의 장치 (100) 를 동작시키는 바람직한 방법을 도시한다. 도 3 에 나타낸 바와 같이, 그 방법은, 웨이퍼를 지지대 (300) 상에 삽입하는 단계 1100 부터 시작한다. 그 다음에, 단계 1200 에서, 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 온도 센서 (950) 가 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 온도를 측정한다.
그 다음에, 단계 1300 에서, 온도 제어기 (900) 는, 측정된 온도 (T) 를 소정의 온도 범위 (Tp) 와 비교하며, 그 소정의 온도 범위는 상부 샤워헤드 전극 (200) 에 대해 원해진 온도에 대응한다. T 가 Tp 보다 작으면, 단계 1320 에서, 상부 샤워헤드 전극 (200) 을 가열하기 위하여 소정의 양의 전력을 가열기에 제공한 후, 단계 1200 을 반복하여 그 가열기 (700) 에 공급된 전력의 양이 적절하였음을 판정한다. T 가 Tp 보다 크면, 단계 1340 에서, 최상부 플레이트를 통해 냉각 유체를 흐르게 하고, 단계 1200 을 반복하여 최상부 플레이트 (800) 를 통해 흐르는 냉각 유체의 양이 적절하였음을 판정한다. T 가 Tp 와 거의 동일하면, 단계 1400 에서 웨이퍼를 프로세싱하고 단계 1600 에서 또 다른 웨이퍼를 프로세싱할지 여부를 판정하기 이전에 단계 1500 에서 그 웨이퍼를 제거한다. 프로세싱될 다른 웨이퍼가 없다면, 단계 1700 에서 프로세스가 종결되지만, 프로세싱될 또 다른 웨이퍼가 있다면, 프로세스는 반복되며 단계 1100 에서 웨이퍼가 삽입된다.
온도 제어기는 자립형 컴퓨터 또는 내부 로직 스위치와 같이, 임의의 유형의 정보 프로세서일 수 있음을 알 수 있다.
또한, 제공된 냉각 유체와 전력 양은, 프로세스와 동작 조건에 의존하여 소 망하는 대로 변화될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들면, T 가 Tp 보다 훨씬 작으면, 단계 1320 에서는, T 가 Tp 보다 약간 작은 경우보다 가열기 (700) 에 더 많은 전력을 제공할 수 있다.
도 4 에는 제 3 실시형태를 도시하고 있다. 도 4 에서, 제 1 실시형태의 컴포넌트 이외에, 상부 샤워헤드 전극 (200) 을 (전극 (200) 에 본딩된 그래파이트 플레이트 엘라스토머와 같은) 백킹 부재 (220; backing member) 와 함께 도시하고 있으며, 가스 분배 부재 (500) 는 백킹 부재 (220) 에 부착된다 (예를 들어, 부재 (500) 는 볼트 또는 다른 패스너에 의해 부재 (220) 에 패스닝될 수 있다). 예를 들어, 백킹 부재 (220) 는, 전극 (200) 의 구조적 지지를 강화시키기 위해 제공될 수도 있고 또한 접촉 볼트 (225) 를 사용하여 가스 분배 부재 (500) 에 부착될 수 있으며, 이는 이하에 논의된다. 부가적으로, 상술된 상부 및 측면 전기 절연체 (630, 640) 이외에, 전기 절연중인 제 2 의 절연체 (650) 는, 축방향으로 연장하는 부재 (508) 의 외측면 영역 및 히터 (700) 와 최상부 플레이트 (800) 의 내측면 영역 상에 제공된다.
제 3 실시형태에서, 백킹 부재 (220) 는, 엘라스토머 본딩에 의해 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 이면에 부착되는 것이 바람직하다 (예를 들면, 여기에 참조로서 전부 포함되며 공동-양도된 미국 특허 번호 제 6,194,322 B1 호 및 제 6,073,577 호 참조). 그 부재 (220) 는, 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 가스 통로 (206) 와 정렬된 가스 통로 (226) 를 포함하여, 갭 (400) 으로의 가스 흐름을 제공한다. 최상부 플레이트 (800) 는, 장치 (100) 의 착탈식 진공 밀봉된 최상 부벽을 형성하며, 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 온도를 제어하기 위해 가열기 (700) 와 공동 동작하는 열 싱크로서 기능한다.
백킹 부재 (220) 는, 플라즈마 프로세싱 챔버 내의 반도체 기판을 프로세싱하기 위해 사용되는 프로세스 가스와 화학적으로 호환가능한 재료로 제조되는 것이 바람직하고, 전극 재료의 열 팽창 계수와 밀접하게 매칭하는 열 팽창 계수를 가지며, 또한 전기 및 열 전도성이 있다. 백킹 부재 (220) 를 제조하기 위해 사용될 수 있는 바람직한 재료는, 제한하려는 것은 아니지만, 그래파이트와 실리콘 카바이드 (SiC) 를 포함한다.
또한, 제 3 실시형태는, 전극 (200) 을 둘러싸는 접지 전극 (250) 을 특징으로 한다. 이 외부 전극 부재 (250) 는 300mm 웨이퍼와 같은 더 큰 웨이퍼를 프로세싱하는데 유용하며, 외부 전극 부재 (250) 에는 또한, 절연체 (600) 와 측면 전기 절연체 (640) 에 인접한 외부 전극 부재 (250) 상에 위치된 전기적으로 접지된 링 (270) 과 백킹 링 (260) 이 제공된다. 또한, 이 전극 장치의 상세한 설명은 공동-양도된 미국 특허 출원 번호 제 10/645,665 호에서 알 수 있으며, 이들의 제시된 문제는 여기에 참조로 포함된다. 원한다면, 챔버는 갭 (400) 을 둘러싸는 플라즈마 한정 장치를 포함할 수 있으며, 이들의 상세한 설명은, 여기에 참조로서 전부 포함되며 공동-양도된 미국 특허 번호 제 6,602,381 B1 호 및 미국 특허 번호 제 5,534,751 호에서 알 수 있다.
또한, 도 4 의 일부를 확대한 도면인 도 5 에 도시된 바와 같이, 백킹 부재 (220) 와 가스 분배 부재 (500) 사이의 접촉 포인트 (520) 는, 상부 샤워헤드 전극 (200) 과 백킹 부재 (220) 를 향한 가스 분배 부재 (500) 로부터의 돌출부로서 도시되어 있다. 접촉 포인트 (520) 는 도 5 의 단면에 동심 (同心) 링으로서 도시되며, 그 접촉 포인트 (520) 는 가스 분배 부재 (500) 로부터 돌출한다. 그러나, 접촉 포인트 (520) 는, 연속적이거나 비연속적인 링, 이격된 개별 포인트들 또는 RF 전력을 송신할 수 있고 열을 전도할 수 있는 임의의 다른 형상의 부재일 수도 있다. 연속적인 접촉 포인트 링이 사용되면, 샤워헤드 전극의 이면과 링 사이에 형성된 플리넘들 사이의 가스의 소통을 허용하기 위하여 링에 채널이 제공될 수 있다. 한편, 상호 소통 (cross communication) 을 원하지 않고 그 결과 접촉 포인트 링의 일면의 가스를 링의 타면의 가스로부터 절연시키도록 의도하는 경우에는 채널을 생략할 수도 있다. 예를 들면, 도 4 에 도시된 바와 같이, 가스 분배 부재 (500) 와 상부 샤워헤드 전극 (200) 사이에는 3 개의 동심 링이 제공된다.
가스 분배 부재 (500) 의 각각의 접촉 포인트 (520) 는, 원해진 RF 의 양과 열 전도율에 의존하는 접촉 면적을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 가스 분배 부재 (500) 로부터 상부 샤워헤드 전극 (200) 으로 가스를 공급하기 위해 원해진 면적을 가질 수 있다. 예를 들면, 도 5 에 도시된 바와 같이, 가스 분배 부재 (500) 와 백킹 부재 (220) 사이의 플리넘은 그들 사이에 가스 통로를 허용하며 접촉 포인트 (520) 는 RF 와 열 전도율을 고려한다.
바람직하게는, 가스 분배 부재 (500) 와 상부 샤워헤드 전극 (200) 사이의 접촉 포인트 (520) 에 의해 제공된 접촉 면적은, 가스 분배 부재 (500) 의 총 표면 적의 약 0.1% 내지 99.9%, 예를 들면, 1 내지 5%, 5 내지 15%, 15 내지 30%, 30 내지 45%, 45 내지 60%, 60 내지 75%, 75 내지 90%, 또는 90 내지 99.9 % 이다.
일 예시적인 실시형태에서, 접촉 포인트 (520) 는, 일체식으로 형성된 4 개의 연속적인 링으로서 제공되며, 이들 각각의 폭은 0.5 인치이다. 이 실시형태에서, 약 12.2" 의 외경을 가지는 가스 분배 부재 (500) 에 대해, 제 1 링은 약 2.5" 의 내경과 3" 의 외경을 가지고, 제 2 링은 약 5" 의 내경과 5.5" 의 외경을 가지며, 제 3 링은 약 8" 의 내경과 8.5" 의 외경을 가지며, 또한, 제 4 링은 약 11" 의 내경과 11.5" 의 외경을 가지며, 상부 샤워헤드 전극 (200) 은 가스 분배 부재 (500) 와 거의 동일한 직경을 가진다. 이 실시형태에서, 접촉 면적은, 가스 분배 부재 (500) 의 총 면적의 15% 내지 20% 이다.
부가적으로, 상부 샤워헤드 전극 (200) 은, 반응기 및/또는 그 반응기 내부에서 수행되는 프로세스에 의존하여 임의의 원해진 디멘젼 또는 구성으로 이루어진 몇몇 가스 통로 또는 다수의 가스 통로를 가질 수 있으며, 갭 (400) 은 임의의 원해진 간격, 예를 들면, 1" 내지 10", 2" 내지 5", 또는 3" 내지 6" 일 수 있다. 예를 들어, 갭이 크면, 예를 들어, 약 6cm 이상이면, 예를 들어, 가스 분배 부재 (500) 와 상부 샤워헤드 전극 (200) 사이에 약 99% 와 같이, 90% 이상의 높은 접촉 면적을 제공하면서, 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 중심에 오직 몇몇 가스 아웃렛만을 제공할 수 있다.
부가적으로, 접촉 볼트 (225) 를 또한 설명하고 있으며, 그 접촉 볼트 (225) 는 상부 샤워헤드 전극 (200) 과 백킹 부재 (220) 를 가스 분배 부재 (500) 에 고 정시키며, 가스 분배 부재 (500) 는 백킹 부재 (220) 와 상부 샤워헤드 전극 (200) 을 지지한다. 예를 들어, 그 부재 (500) 를 통해 통과하는 접촉 볼트 (225) 는 부재 (220) 의 나사형 홀에 끼워질 (thread) 수 있다.
전극 (200) 의 온도는, 또한, 가열기 (700), 최상부 플레이트 (800), 온도 센서 (950), 전원 및 온도 제어기 (900) 를 이용하는 것 이외에, 가열기 (900) 와 최상부 플레이트 (800) 사이의 온도 전도를 또한 제어함으로써 제어될 수 있다.
예를 들어, 도 5 에 도시된 바와 같이, 가열기 (700) 는 열 초크 (750) 를 형성하는 돌출부를 포함할 수도 있으며, 또는 장치 (100) 가 가열기 (700) 로부터 분리된 열 초크 (750) 를 포함할 수도 있고, 그 열 초크는 초크 링인 것이 바람직하다. 어느 형태의 열 초크 (750) 이든지 열 흐름에 저항을 제공하여 가열기 (700) 와 최상부 플레이트 (800) 사이의 열 전도를 억제하며, 그 열 흐름을 제어하기 위하여 열 초크 (750) 의 재료와 크기를 조정할 수 있다. 예를 들면, 열 흐름을 더 적게 하길 원하는 경우, 열 초크 (750) 는 더 협폭일 수 있고 또는 낮은 열 전도성 재료로 제조될 수 있다.
바람직하게는, 열 전도율을 제어하기 위해 열 초크 (750) 가 크기조정될 수 있으며, 열 초크 (750) 와 가열기 (700) 사이의 접촉 면적은, 가열기의 면적의 1% 내지 100% 의 범위, 예를 들면, 1% 내지 5%, 5% 내지 15%, 15% 내지 30%, 30% 내지 45%, 45% 내지 60%, 60% 내지 75%, 75% 내지 90% 또는 90% 내지 100% 의 범위에 있을 수 있다.
일 예시적인 실시형태에서, 열 초크 (750) 는 3 개의 별도의 연속적인 링으 로 제공되며, 이들 각각의 폭은 1 인치이다. 이 실시형태에서, 3" 의 내경과 16.7" 의 외경을 가지는 가열기 (700) 에 대하여, 제 1 링은 3" 의 내경과 4" 의 외경을 가지고, 제 2 링은 10.5" 의 내경과 11.5" 의 외경을 가지며, 제 3 링은 약 15.6" 의 내경과 16.6" 의 외경을 가진다. 이 실시형태에서, 열 초크 (750) 와 가열기 (700) 사이의 접촉 면적은, 가열기 (700) 의 총 면적의 20% 내지 25% 의 범위에 있다.
열 초크 (750) 가 임의의 재료로 제조될 수 있지만, 가열기 (700) 및/또는 최상부 플레이트 (800) 용으로 사용되는 재료와 동일하거나 더 낮은 열 전도율의 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 열 초크 (750) 가 알루미늄 또는 스테인레스 스틸로 제조될 수 있지만, 가열기 (700) 와 최상부 플레이트 (800) 가 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 제조되는 경우에는 더 낮은 열 전도율을 갖는 스테인레스 스틸로 제조되는 것이 바람직하다.
또한, 가열기 (700) 는, 열 초크 (750) 가 가열기 (700) 와 일체형인 경우에, 최상부 플레이트 (800) 의 특대의 개구 (미도시) 를 통해 열 초크 (750) 의 표면의 나사형 개구로 연장할 수도 있는 패스너를 사용하여 최상부 플레이트 (800) 에 부착될 수도 있다. 열 초크 (750) 가 가열기 (700) 로부터 분리된 피스인 경우에는, 상술된 바와 같이 열 초크 (750) 가 최상부 플레이트 (800) 에 부착될 수 있으며 또한 열 초크 (750) 의 개구를 통해 통과하는 부가적인 볼트가 가열기 (700) 의 나사형 개구에 끼워질 수 있다.
부착 볼트를 최상부 플레이트의 외부에 대해 밀봉하지 않는 경우에, 열 초 크, 가열기와 샤워헤드 어셈블리와의 부착 포인트를 진공 밀봉된 영역으로 한정시킬 수 있다. 예를 들어, 도 5 에 도시된 바와 같이, 오-링 (95) 에 의해 가열기 (700) 와 최상부 플레이트 (800) 사이에 이러한 진공 밀봉된 영역이 제공될 수도 있다. 오-링은 또한 다양한 컴포넌트들 사이에 위치될 수 있다. 예를 들면, 오-링 (95) 은, 최상부 플레이트 (800) 와 가열기 (700), 가열기 (700) 와 절연체 (600), 절연체 (600) 와 가스 분배 부재 (500), 및/또는 가열기 (700) 와 전기 접지된 링 (270) 사이에 진공 밀봉된 영역을 생성하기 위해 사용될 수도 있다.
또한, 상술된 바와 같이, 상부 샤워헤드 전극 (200) 은 RF 전력공급되는 것이 바람직하다. 그러나, 상부 샤워헤드 전극 (200; 및 하부 전극) 은 전기 접지되거나 전력공급될 수도 있으며, 무선-주파수 (RF) 또는 직류 (DC) 전원에 의해 전력이 바람직하게 제공된다. 바람직하게는, 플라즈마 프로세싱을 위해, 하나의 전극은 2 개 이상의 주파수 (예를 들면, 2MHz 및 27MHz) 에서 RF 전력으로 RF 전력공급되며 다른 전극은 접지된다. 예를 들면, 여기에 참조로 포함되며 공동-양도된 미국 특허 번호 제 6,391,787 호를 참조하자.
제 4 실시형태에서는, 실리콘 옥사이드와 같은 층의 에칭 피쳐, 예를 들면, HARC (High Aspect Ratio Contact) 와 같은 피쳐에 사용되는 패터닝된 포토레지스트 (PR) 의 개구에 형성되는 스트라이에이션 (striation) 을 최소화하기 위해 상부 샤워헤드 전극의 온도를 제어한다. 폭이 좁은 피쳐의 에칭시에 발생하는 한가지 문제점은, 스트라이에이션이 중복의 PR 측벽에 발생할 수도 있다는 것이다. 스트라이에이션은, 거친 PR 측벽을 초래하는 수직으로 연장하는 불규칙도이다. PR 이 에칭시에 마스크로서 사용되고 있기 때문에, 이러한 불규칙도는 하위 층으로 전달된다. 실리콘 옥사이드와 같은, 하위층의 스트라이에이션은 금속과 같은 재료를 에칭된 피쳐로 충진하기 어렵게 하고 불규칙적인 형상의 피쳐로 인해 신뢰도 문제와 성능 문제를 가져올 수도 있다. 이들 이유로 인해, 포토레지스트에 대해 선택적이고, 에칭 정지 (etch stop) 를 야기하지 않으며, 스트라이에이션의 발생을 감소시키는 옥사이드 에칭 프로세스를 제공하는 것이 바람직하다.
PR 의 에칭 레이트를 최소화시켜 그로 인해 PR 의 손실 및 PR 시의 스트라이에이션의 정도를 최소화시키기 위해 상승된 온도 (elevated temperature) 로 상부 샤워헤드 전극의 온도를 유지할 수 있다. 예를 들어, 도 7 에 도시된 바와 같이, 상부 샤워헤드 전극 (200) 과 결합한 가열기 (700) 를 이용함으로써, 예시적인 상부 샤워헤드 전극의 약 75℃ 에서 약 225℃ 로의 온도 증가는, PR 위에 중합체와 중합체 빌드업 (buildup) 의 증착을 안내하며, 즉, 약 20Å/min 내지 약 -540Å/min 까지의 에칭 레이트의 감소를 안내하며, 여기서 음 (negative) 의 에칭 레이트는, PR 상의 중합체와 중합체 빌드업의 증착에 대응한다.
이것은 또한 도 8 에 도시되며, 대응하는 PR 에칭 레이트에 대한 예시적인 상부 샤워헤드 전극 온도의 효과가 묘사된다. 도 8 에서, 패터닝된 PR 의 개구를 통해 실리콘 옥사이드 층에 피쳐를 에칭하기 위해 C4F6/O2 에칭 가스가 공급되며, 상부 샤워헤드 전극은, 20℃ 내지 80℃ 의 범위의 온도를 가지며 그 샤워헤드 온도는 샤워헤드의 에지에서 측정되었다. 도 8 에는, 80℃ 의 샤워헤드 전극을 이용하면 에칭 레이트가 -1000Å/min 가 되기 때문에, PR 에칭 레이트가 20℃ 의 샤워헤드 전극을 이용하여 250Å/min 에서 음의 에칭 레이트 (즉, 중합체 빌드업) 까지 감소함을 나타내고 있다.
또한, 도 9a 내지 도 9d 는, 에칭 동안에 야기된 스트라이에이션에 대한 상부 샤워헤드 전극 효과의 실시예 (도 9a 에서는 70℃, 도 9b 에서는 90℃, 도 9c 에서는 105℃ 및 도 9d 에서는 130℃) 를 설명하는 현미경 사진이다. 90℃ 로 실시예에서 2 번째로 가장 낮은 온도인 도 9b 에 비해, 70℃ 로 실시예에서 가장 낮은 온도인 도 9a 에서, 더 높은 샤워헤드 전극 온도에서 PR 의 개구의 원주 둘레의 스트라이에이션이 감소된다. 이것은 도 9c 와 도 9d 에 추가로 도시되며, 이 도 9c 와 도 9d 는, 각각 105℃ 와 130℃ 로 온도를 점진적으로 증가시켜 증가된 상부 샤워헤드 전극 온도로 인한 PR 의 개구의 원주 둘레의 스트라이에이션의 감소를 나타내고 있다.
따라서, 상승된 온도로 인해 상부 샤워헤드 전극은, 플라즈마 에칭 동안에 PR 에 형성되는 스트라이에이션을 감소시킬 수 있다.
A. 가열기
가열기 (700) 는 임의의 유형의 능동 가열기를 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 가열기 (700) 는 하나 이상의 저항 가열 엘리먼트를 가진 금속 플레이트를 포함하며, 그 저항 가열 엘리먼트는 상부 샤워헤드 전극 (200) 에 대해 균일한 가열을 제공하기 위해 플레이트를 가열한다. 임의의 가열기 구성이 사용될 수 도 있지만, 저항 가열 엘리먼트는 열 전도성 플레이트와 결합하는 것이 바람직하며, 그 플레이트는 알루미늄, 알루미늄 합금 등과 같은 금속성 재료로 제조되는 것이 바람직하고 또한 상부 샤워헤드 전극 (200) 과 호환가능한 형상으로 만들어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 가열기 (700) 는, 주조된 알루미늄 합금의 플레이트에 하나 이상의 저항 가열 엘리먼트를 포함할 수 있다.
바람직한 실시형태에 의하면, 온도 제어기 (900) 가 전원 (250) 을 동작시켜 가열기 (700) 에 전력을 전달하는 경우에 가열기 (700) 는 열을 제공하며, 그 온도 제어기는 전원 (250) 의 제어를 통해 가열기 사이클 시간과 가열 상태를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 가열기 (700) 는, 상부 샤워헤드 전극 (200) 에 걸쳐, 80℃ 내지 200℃, 예를 들면, 100℃ 내지 120℃, 120℃ 내지 140℃, 140℃ 내지 160℃, 또는 160℃ 내지 180℃ 의 임계 온도를 유지하기 위해 10 또는 12 초 펄스 사이클에 따라 최대 약 7000 와트까지 전력공급될 수 있다.
가열기 (700) 는, 소정의 열 인터페이스 특성에 따라 최상부 플레이트 (800) 와 열 접촉하는 것이 바람직하다 (즉, 가열기는 최상부 플레이트와 직접 접촉하거나 하나 이상의 열 전도성 재료가 가열기와 최상부 플레이트 사이에 개재될 수 있다). 이들 열 인터페이스 특성은, 최상부 플레이트 (800) 와 결합하여, 가열기 (700) 로 하여금 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 온도를 제어하게 한다. 가열기는 필요에 따라 상부 샤워헤드 전극 (200) 으로부터 열을 제거하기 위해 열 경로의 일부로서 사용될 수도 있으며, 가열기 (700) 는 차례로, 최상부 플레이트 (800) 에 의해 냉각될 수 있다. 가열기 (700) 는 또한, 최상부 플레이트 (800) 가 가열 기 (700) 를 지지하기 위하여, 최상부 플레이트 (800) 의 개구 (미도시) 를 통해 챔버 외부로부터 연장할 수도 있는 패스너를 사용하여 최상부 플레이트 (800) 에 부착될 수도 있다.
가열기 (700) 는, 또한, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안, 즉, 상부 샤워헤드 전극 (200) 과 하부 전극 사이에 플라즈마가 발생되는 경우에 활성화될 수도 있다. 예를 들면, 플라즈마를 발생시키기 위해 비교적 낮은 레벨의 인가 전력을 이용하는 플라즈마 프로세싱 동작 중에, 가열기 (700) 는 원해진 온도 범위 내에서 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 온도를 유지하기 위해 활성화될 수도 있다. 유전 재료의 에칭 프로세스와 같이 비교적 높은 전력 레벨을 이용하는 다른 플라즈마 프로세싱 동작 중에는, 상부 샤워헤드 전극 (200) 온도가 연속적인 실행들 사이에 충분히 높게 유지할 수도 있으며, 이로써, 상부 샤워헤드 전극 (200) 을 최소 또는 임계 온도 아래로 떨어뜨리지 않게 하기 위해 가열기 (700) 를 활성화시킬 필요가 없다.
플라즈마 프로세싱 장치 내의 RF 전력공급된 상부 샤워헤드 전극 (200) 에 의해 발생된 열은 가열기의 이용 없이 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 온도를 변화시킬 수도 있다. 상부 샤워헤드 전극 (200) 을 소정의 온도보다 높은 임계 온도로, 예를 들면, 상부 샤워헤드 전극 (200) 에 의해 발생된 열의 양과 플라즈마 프로세싱 요구조건에 따라, 80℃ 이상으로, 100℃ 이상으로, 또는 150℃ 이상으로 유지하기 위해 바람직한 플라즈마 프로세싱 장치에서는 그 가열기 (700) 와 최상부 플레이트 (800) 의 결합체가 사용될 수도 있다. 바람직하게는, 가열기 (700) 와 최상부 플레이트 (800) 의 결합체는, 생산 실행의 초기 웨이퍼의 프로세싱 동안 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 임계 온도를 달성 및 유지하기 위해 사용될 수 있고, 또는, 일 배치 (batch) 의 웨이퍼가 챔버에서 하나씩 프로세싱되는 생산 실행 동안에 프로세싱되는 각각의 웨이퍼를 위해 임계 샤워헤드 전극 온도를 유지하기 위해 사용될 수 있다.
시차열 팽창으로 인한 가열기 (700) 와 최상부 플레이트 (800) 사이의 대향면의 마모 (galling) 를 최소화시키기 위하여, 가열기 (700) 와 최상부 플레이트 (800) 의 대향면 사이에는 윤활 재료 (760) 가 제공될 수 있다. 대안으로, 윤활 재료는, 열 초크 (750) 와 가열기 (700) 의 대향면 사이, 그리고 열 초크 (750) 와 최상부 플레이트 (800) 사이의 대향면 사이에 제공될 수 있다. 예를 들면, 도 5 에 도시된 바와 같이, 윤활 재료 (760) 층은, 가열기 (700) 의 상면과 최상부 플레이트 (800) 의 하면 사이에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 윤활 재료는, 오-링 밀봉에 의해 한정된 진공 밀봉의 대기측 상에 배치된다.
대향면들 사이에서의 움직임에 의해 야기되는 마모를 최소화시키기 위하여, 윤활 재료 (760) 는 낮은 레벨의 접촉 저항을 갖는 것이 바람직하다. 부가적으로, 윤활 재료 (760) 는, 가열기 (700) 로부터 최상부 플레이트 (800) 및/또는 열 초크 (750) 로 충분한 열 전달을 제공하기 위하여 충분한 열 전도율을 갖는 것이 바람직하다. 윤활 재료 (760) 는 또한, 가열기 (700) 와 절연체 (600) 의 대향면 사이 및/또는 가스 분배 부재 (500) 와 상부 샤워헤드 전극 (200) 사이와 같이 다른 컴포넌트 표면 위에서 사용될 수 있다.
이들 특성을 제공하는 바람직한 재료는 "GRAFOIL" 과 같은 그래파이트 재료 이며, 이는, 오하이오주의 클리블랜드의 UCAR Carbon Co., Inc. 에서 상업상 입수가능하다. 윤활 재료 (760) 는, 약 0.01 인치 내지 약 0.06 인치의 바람직한 두께, 더 바람직하게는 약 0.03 인치의 두께를 가진 개스킷인 것이 바람직하다. 윤활 재료 (760) 는, 예를 들어, 가열기 (700) 와 열 초크 (750) 사이, 및/또는 열 초크 (750) 와 최상부 플레이트 (800) 사이와 같이 컴포넌트의 표면 상에 형성된 고리 모양의 리세스에 유지되는 링 형상 개스킷인 것이 바람직하다.
가열기 (700) 는 가열 엘리먼트를 포함하며, 그 가열 엘리먼트는, 중합체 재료의 대향 층들 사이에 배치된 저항성으로 가열된 재료를 가진 적층체 또는 금속성 가열 엘리먼트인 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 금속성 가열 엘리먼트는, 주조된 금속 가열기 경우의 가열 엘리먼트 또는 가열기 내에 형성된 채널에 위치되는 가열 엘리먼트일 수도 있다. 대안으로, 적층 가열 엘리먼트가 사용되면, 가열기 (700) 에 의해 최대 200℃ 까지 도달되는 동작 온도를 견딜 수 있을 것이다. 적층 가열 엘리먼트가 사용되면, 적층 가열 엘리먼트의 적층 재료가 전기 절연체로서 동작할 수도 있기 때문에 절연체 (600) 는 옵션일 수도 있다. 적층체에 사용될 수도 있는 일 예시적인 중합체 재료는, Kapton® 상표 하에서 판매된 폴리이미드이며, 이는 E.I. du Pont de Nemours and Company 에서 상업적으로 입수가능하다.
가열기 (700) 는, 상부 샤워헤드 전극 (200) 에 걸쳐 열적으로 균일하게 가열하기 위해 제공하는 임의의 적절한 패턴으로 배열된 하나 이상의 가열 엘리먼트 를 가질 수도 있다. 예를 들어, 가열기 (700) 는, 지그-재그, 구불구불하거나 동심의 패턴과 같이 규칙적이거나 비-규칙적인 저항성 가열 라인의 패턴을 가질 수도 있다.
B. 최상부 플레이트
최상부 플레이트 (800) 는, 바람직하게는 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 온도를 제어하기 위해 가열기 (700) 와 결합하여 작동하며, 그 최상부 플레이트 (800) 는, 가열기 (700) 를 통해 통과하는 열 경로에 의해 상부 샤워헤드 전극 (200) 및/또는 가열기 (700) 를 냉각시키기 위해 사용될 수도 있다. 임의의 열 전도성 재료가 사용될 수도 있지만, 바람직하게는, 최상부 플레이트 (800) 는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조될 수도 있다. 설치되는 경우, 바람직하게는, 샤워헤드 어셈블리는 챔버 내부의 최상부 플레이트 (800) 의 하부면을 커버한다.
최상부 플레이트 (800) 는, 온도 제어된 유체가 순환될 수도 있는 하나 이상의 흐름 통로를 포함한다. 바람직하게는, 온도 제어된 유체는, 예를 들어, 탈이온수와 같이, 열 전달 유체 (액체 또는 가스) 이다. 부가적으로, 최상부 플레이트 (800) 는, 바람직하게는, 요구될 수도 있는 바와 같이, 장치 (100), 가열기 (700) 및/또는 상부 샤워헤드 전극 (200) 에 대한 전기 접지뿐만 아니라 열 싱크로서 기능한다.
C. 온도 센서
장치 (100) 는, 열전지 또는 광섬유 장치와 같이 하나 이상의 온도 센서 (950) 를 포함하여 상부 샤워헤드 전극 (200) 온도를 모니터링할 수도 있다. 바람직한 실시형태에서, 온도 센서 (950) 는 온도 제어기 (900) 에 의해 모니터링되며, 그 온도 제어기 (900) 는, 전원 (250) 으로부터 가열기 (700) 로의 전력을 제어하고/제어하거나 모니터링된 온도의 기능으로서 최상부 플레이트 (800) 를 통해 유체 제어 (850) 로부터의 유체 흐름을 제어한다. 따라서, 온도 센서 (950) 에 의해 온도 제어기 (900) 로 제공된 데이터는, 전원 (250) 또는 유체 제어부 (850) 를 온도 제어기 (900) 에 의해 활성화시켜 소정의 온도나 온도 범위로 또는 그 주변으로 상부 샤워헤드 전극 (200) 을 각각, 가열, 냉각 또는 유지시키기 위하여 연속적이거나 간헐적인 방식으로 가열기 (700) 및/또는 최상부 플레이트 (800) 에 전력 또는 냉각 유체를 공급한다. 능동 가열 및/또는 냉각의 결과로서, 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 온도가, 미리 설정된 최소 온도 또는 임계 온도 이하로 감소하는 것을 방지할 수도 있고 또는 미리 설정된 최대 온도보다 높히 증가하는 것을 방지할 수도 있으며, 또는 소정의 온도로 또는 그 주변으로 고정시킬 수도 있다.
D. 가스 분배 부재
상술된 바와 같이, 장치 (100) 는, 상부 샤워헤드 전극 (200) 위에 위치되어 그 상부 샤워헤드 전극 (200) 과 유체 소통하는 가스 분배 부재 (500) 를 더 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 가스 분배 부재 (500) 와 결합한 상부 샤워헤드 전극 (200) 을 이용함으로써, 기판 위의 하나 이상의 가스 분배 구역으로 전달되는 프로세스 가스가 프로세싱된다. 더욱이, 가스 분배 부재 (500) 는, 가스 흐름을 제어하는 배플 (baffle) 을 요구하지 않으면서, 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 이면으로 가스를 분배하기 위해 사용될 수 있다. 여기에 참조로서 전부 포함되며 챔버내의 구역으로 혼합된 가스를 전달하는 복수의 가스 공급기 및 가스 공급 라인을 포함한 반도체 기판을 프로세싱하기 위한 가스 분배 시스템을 개시하는 공동-양도된 미국 특허 번호 제 6,508,913 호를 참조한다.
가스 분배 부재 (500) 의 바람직한 실시형태가 도 10 에 도시되며, 가스 분배 부재 (500) 는, 알루미늄으로 제조되는 것이 바람직하고 접촉 면적 (170) 에 동축으로 정렬되는 방사상으로나 측면으로 연장하는 원형 금속 플레이트 (505) 및 축방향으로 연장하는 실린더형 허브 (508) 모두를 포함하여, 축방향으로 연장하는 허브 (508) 에 제공된 가스가 금속 플레이트 (505) 를 통해 샤워헤드 전극 (200) 의 이면의 하나 이상의 플리넘으로 통과할 수 있다. 허브 (508) 및 플레이트 (505) 는 단일의 피스의 재료 또는 다수의 피스의 재료로부터 형성되며, 이는 함께 본딩되거나 함께 기계적으로 패스닝될 수 있다. 도 4 에 도시되는 바와 같이, 축방향으로 연장하는 허브 (508) 및 금속 플레이트 (505) 는 하나의 피스의 재료일 수 있다. 대안으로, 플레이트 (505) 는, 함께 본딩되거나 함께 기계적으로 패스닝되는 2 개의 중첩 플레이트를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 또 다른 금속 플레이트 (106) 가 도 4 에 도시되는 바와 같이, 플레이트 (106) 의 아웃렛을 통해 금속 플레이트 (106) 와 전극 (200) 사이의 일 플리넘 또는 플리넘들로 프로세스 가스를 공급하는 가스 채널을 가진 플레이트 (505) 의 하면에 부착될 수 있다. 대안으로, 축방향으로 연장하는 허브 (508) 및 분리된 금속 플레이트 (505) 는, 도 1 및 도 2 에 도시되는 바와 같이, 가스 분배 플레이트 (500) 를 포함할 수 있다.
또한, 도 2 및 도 5 에 도시되는 바와 같이, 가스 분배 부재 (500) 는, RF 전원 (570) 으로부터 상부 샤워헤드 전극 (200) 으로 RF 전력을 전달하기 위해 사용될 수 있으며, 예를 들면, RF 발생기로부터의 RF 전력은, RF 전력이 축방향으로 연장하는 허브 (508) 와 금속 플레이트 (505) 를 통해, 그리고 상부 샤워헤드 전극 (200) 에 걸쳐서 공급될 수도 있도록 허브 (508) 를 통한 RF 입력 연결부에 부착되는 케이블을 통하여 공급될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 금속 플레이트 (505) 는, 고리 모양의 분배 도관 (151), 도관 (151) 과 유체 소통하는 방사상으로 연장하는 가스 통로 (160) 및 통로 (160) 와 유체 소통하는 축방향으로 연장하는 가스 아웃렛 (115, 122, 125) 을 형성하기 위하여, 자신의 벌크를 통해 크로스-보어 (cross-bore) 를 포함한다. 예를 들어, 도 10 및 도 11 을 참조한다. 마찬가지로, 축방향으로 연장하는 허브 (508) 는, 또한, 도 10 에 도시되는 바와 같이, 하나 이상의 축방향으로 연장하는 가스 피드 (110, 120) 를 형성하기 위해 자신의 벌크를 통해 바람직하게 보링된다. 가스 피드 (110, 120), 도관 (151), 가스 통로 (160) 및 아웃렛 (115, 122, 125) 의 이용으로, 가스 분배 부재 (500) 는 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 이면의 하나 이상의 플리넘으로 가스 분배를 제공할 수도 있으며, 가스 통로 (160) 는, 도 10 에 도시되는 바와 같이, 도관 (151) 을 통해 축방향으로 연장하는 허브 (508) 의 하나 이상의 가스 피드 (110, 120) 에 연결된다. 따라서, 상이한 프로세스 가스 화학제 및/유량은, 프로세싱되는 기판에 걸쳐 하나 이상의 구역에 인가될 수 있다.
일 실시형태에서, 가스 흐름의 분배가 배플의 이용 없이 달성될 수 있기 때문에, 예를 들어, 장치 (100) 는, 가스 공급기 (550) 로부터 아웃렛 (115, 122, 125) 으로의 가스의 흐름을 제어하기 위해 제어 포인트 (128) 를 포함할 수도 있다. 이들 제어 포인트 (128) 는, 도 10 에 도시된 바와 같이, 제어 포인트 (128) 를 통해 아웃렛 (115, 122, 125) 으로 흐르는 가스의 양을 제어할 수 있는 콘스트릭터 플레이트 (constrictor plate) 인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 가스 분배 부재 (500) 는, 가스 통로를 통해 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 이면의 하나 이상의 플리넘으로 가스를 전달하기 위하여, 상부 샤워헤드 전극 (200) 과 접촉하는 하나 이상의 가스 밀봉부 또는 장벽을 포함한다. 예를 들어, 도 10 에 도시되는 바와 같이, 금속 플레이트 (505) 의 하부면과 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 이면 사이의 오-링 장벽 (180) 이 금속 플레이트 (505) 와 상부 샤워헤드 전극 (200) 사이에 플리넘들, 예를 들면, 중심 플리넘 (190) 과 외부 플리넘 (195) 을 확립하기 위해 사용될 수 있다.
가스 공급기 (550) 는, 샤워헤드 전극 (200) 의 이면의 각각의 플리넘으로 하나 이상의 개별 가스 또는 가스 혼합물을 제공할 수 있다. 예를 들어, 내부 및 외부 플리넘은, 반도체 기판의 프로세싱 동안에 갭 (400) 에 원해진 프로세스 가스 분배를 달성하기 위해 동일한 프로세스 가스 및/또는 상이한 가스 또는 가스 혼합물의 상이한 유량으로 공급될 수 있다.
E. 절연체
장치는 또한 절연체 (600) 를 포함할 수도 있으며, 그 절연체 (600) 는, 바 람직하게는, 열 전도성이 있지만 전기 절연체이며, 또한, 더 바람직하게는, 알루미늄 나이트라이드 또는 보론 나이트라이드와 같이, 세라믹이다. 이 절연체 (600) 는, 가열기 (700) 와 같이, 다른 전력 소스 및 다른 전력 소스와 관련된 다른 전기 전도성이 있는 부분으로부터 상부 샤워헤드 전극 (200) 에 인가되는 RF 전력을 절연시키는데 유용하다. 따라서, 절연체 (600) 는, 가열기 (700) 를 전기 절연시킬 수 있지만, 상부 샤워헤드 전극 (200) 과 열 접촉으로 배치될 수 있어, 상부 샤워헤드 전극 (200) 의 RF 전력과 가열기의 AC 또는 DC 전력 사이의 감소된 전기 간섭으로 인해 상부 샤워헤드 전극 (200) 이 가열될 수 있다.
절연체 (600) 는, 가스 분배 부재 (500) 와 가열기 (700) 사이의 영역을 실질적으로 충진하기 위해 바람직하게 사이징되지만, 또한 가스 분배 부재 (500) 의 외부 에지 영역을 전기 절연시키는 제 2 부분 (620) 을 포함하도록 형상화될 수 있다. 그러나, 절연체 (600) 는, 상부 샤워헤드 전극 (200) 및 그것과 관련된 전기 전도성이 있는 RF 공급 경로 (예를 들면, 가스 분배 부재 (500)) 에 인가된 RF 전력으로부터, 가열기 (700) 및 다른 전기 전도성이 있는 부분 (예를 들면, 최상부 플레이트 (800)) 를 전기 절연시키도록 형상화되는 것이 가장 바람직하다.
부가적으로, 절연체는, 소정의 전력 레벨에 대한 소정의 전기 절연 레벨을 제공하도록 바람직하게 사이징된다. 예를 들어, 본 출원의 양수인인 램 리서치 코포레이션에 의해 제작된, 2300 ExelanTM 플라즈마 챔버에 제공되는 절연체 층 (600) 은, 0.2 내지 1.0 인치, 더 바람직하게는, 0.3 내지 0.8 인치, 예를 들어 0.5 내지 0.75 인치의 두께로 사이징될 수 있다.
F. 서브어셈블
장치 (100) 의 컴포넌트를 구조적으로 지지하기 위하여, 기계적 패스너는, 서로 관계가 있는 위치에 컴포넌트를 고정시키기 위해 사용된다. 바람직하게 금속 볼트는 기계적 패스너로서 사용되며, 그 볼트는 장치 (100) 내의 컴포넌트들 각각을 부착시키기 위해 사용된다. 바람직하게, 2 개의 분리된 서브 어셈블리들은 장치 (100) 의 어셈블리를 단순화시킬 뿐만 아니라, 장치 (100) 내의 컴포넌트의 유지 및 교체를 용이하게 하기 위해 사용된다.
제 1 서브 어셈블리를 형성하기 위하여, 상부 샤워헤드 전극 (200) 은, 가스 분배 부재 (500) 를 통해 샤워헤드 전극 (200) 의 이면의 나사형 개구 또는 나사형 삽입부로 통과하는 볼트에 의해 가스 분배 부재 (500) 와 부착되며, 차례로, 절연체 (600) 를 통해 가스 분배 부재 (500) 의 이면의 나사형 개구 또는 나사형 삽입부로 통과하는 볼트에 의해 절연체 (600) 와 부착된다. 제 2 서브 어셈블리를 형성하기 위하여, 열 초크 (750) 는, 최상부 플레이트 (800) 를 통해 열 초크 (750) 의 이면의 나사형 개구 또는 나사형 삽입부로 통과하는 볼트에 의해 최상부 플레이트 (800) 와 볼팅되며, 최상부 플레이트 (800) 는, 가열기 (700) 의 이면의 나사형 개구 또는 나사형 삽입부로 볼트에 의해 가열기 (700) 와 볼팅된다. 그 후, 제 1 서브어셈블리는, 최상부 플레이트 (800) 와 가열기 (700) 를 통해 절연체 (600) 의 이면의 나사형 개구 또는 나사형 삽입부로 통과하는 볼트에 의해 제 2 서브어셈블리와 부착될 수 있다. 일반적으로, 제 2 서브어셈블리는 제 1 서브어 셈블리보다 더 긴 주기 동안 사용되도록 의도되며, 즉, 제 1 서브어셈블리는, 제 2 서브어셈블리가 장치내에 유지되는 동안 교체될 수 있다.
부가적으로, 상술된 바와 같이, 윤활 재료는, 장치 (100) 의 다양한 컴포넌트의 대향면들 사이의 진공 밀봉가능한 영역에 제공되는 것이 바람직하며 이로써 마모를 최소화시킨다.
바람직하게는, 도 12 에 도시된 바와 같이, 제 1 서브어셈블리 (1000) 는, 가스 분배 부재 (500) 와 상부 샤워헤드 전극 (200) 을 패스닝하는 볼트 (225), 및 절연체 (600) 와 가스 분배 부재 (500) 를 패스닝하는 볼트 (930) 를 포함한다. 또한, 제 2 서브어셈블리 (1100) 는 바람직하게는, 열 초크 (750) 와 최상부 플레이트 (800) 를 패스닝하는 볼트 (940) 및 가열기 (700) 와 최상부 플레이트 (800) 를 패스닝하는 볼트 (910) 를 포함한다. 대안으로, 열 초크 (750) 는, 열 초크 (750) 를 최상부 플레이트 (800) 와 볼팅하기 이전에, 볼트 (950) 에 의해 가열기 (700) 와 볼팅될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 도 12 에 도시된 바와 같이, 서브어셈블리 (1000, 1100) 의 부분들은, 중첩 부분들로부터의 볼트를 정렬된 홀 및 나사를 통해 패스너로 통과시키기 위해 그 부분들의 하면의 스테핑 개구에 위치된 패스너 (900) 를 포함한다. 이러한 패스너에 대한 상세한 설명은, 공동-양도된 미국 특허 출원 번호 제 10/623,540 호에 제공되며, 이에 대한 전체 제시된 모든 문제는 여기에 참조로서 포함된다.
본 발명이 여기에 특정 실시형태를 참조하여 보다 상세히 설명되고 있지만, 첨부된 청구항의 범위로부터 벗어남 없이, 다양한 변경 및 변형이 행해질 수도 있고 등가물이 사용될 수도 있음을 당업자는 알 것이다.

Claims (24)

  1. 진공 챔버의 내부에 탑재되도록 구성되고 또한 반도체 기판이 지지되는 저부 전극과 샤워헤드 전극 사이의 갭으로 프로세스 가스를 공급하도록 구성되는 샤워헤드 전극;
    상기 샤워헤드 전극에 부착된 가스 분배 부재;
    상기 가스 분배 부재에 부착된 열 경로 부재; 및
    상기 열 경로 부재에 부착된 가열기를 포함하며,
    상기 가열기는, 상기 가스 분배 부재와 상기 열 경로 부재를 포함한 열 경로를 통해 상기 샤워헤드 전극으로 열을 전달하는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 경로 부재는, 열 전도성이 있는 전기 절연체를 포함하는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 경로 부재는 나이트라이드 재료를 포함하는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 경로 부재는 알루미늄 나이트라이드 또는 보론 나이트라이드를 포함하는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  5. 제 1 항에 기재된 샤워헤드 전극 어셈블리를 포함하는 진공 챔버로서,
    가스 분배 부재의 제 1 부분은 온도 제어된 최상부 벽의 개구로 연장하고, 상기 가스 분배 부재의 제 2 부분은 상기 샤워헤드 전극 위로 완전히 연장하는, 진공 챔버.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 진공 챔버의 상기 온도 제어된 최상부 벽은 가열기, 열 경로 부재, 상기 가스 분배 부재 및 상기 샤워헤드 전극을 통해 통과하는 열 경로에 의해 상기 샤워헤드 전극으로부터 열을 제거하는, 진공 챔버.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 전극은 RF 전력공급된 전극이고,
    상기 가스 분배 부재는, 상기 RF 전력을 상기 가스 분배 부재의 상기 제 1 부분으로부터 상기 가스 분배 부재의 상기 제 2 부분으로 분배한 후, 상기 샤워헤드 전극으로 분배하는 전기 전도성 재료로 제조되는, 진공 챔버.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스 분배 부재는, 상기 샤워헤드 전극의 이면의 단면적의 0.1% 내지 99.9% 접촉하는, 진공 챔버.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 전극을 둘러싸고 상기 갭에 대면하는 노출면을 포함하는 접지 전극을 더 포함하며,
    절연체가 상기 접지 전극의 내부 주연 (periphery) 과 상기 샤워헤드 전극의 외부 주연 사이에 위치되는, 샤워헤드 전극 어셈블리.
  10. 플라즈마 에칭 챔버내의 가열기에 전력을 인가하는 단계;
    상기 가열기로부터 샤워헤드 전극으로 열을 전도함으로써 소정의 온도로 상기 플라즈마 에칭 챔버 내의 샤워헤드 전극의 적어도 일부를 가열하는 단계;
    상기 샤워헤드 전극을 통해 상기 플라즈마 에칭 챔버로 프로세스 가스를 공급하는 단계로서, 상기 프로세스 가스는, 반도체 기판이 지지되는 저부 전극과 상기 샤워헤드 전극 사이의 갭으로 흐르는, 상기 프로세스 가스의 공급 단계; 및
    상기 샤워헤드 전극에 RF 전력을 인가하고 상기 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징함으로써 상기 플라즈마 에칭 챔버내의 반도체 기판을 에칭하는 단계를 포함하며,
    상기 가열기에 인가된 상기 전력과 상기 샤워헤드 전극에 인가된 상기 전력은 열 경로 부재에 의해 서로 전기 절연되는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 전극을 가열하는 단계는, 적어도 80℃ 의 온도로 상기 샤워헤드 전극의 적어도 일부를 가열 및 유지하는 단계를 포함하는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 전극을 가열하는 단계는, 적어도 100℃ 의 온도로 상기 샤워헤드 전극의 적어도 일부를 가열 및 유지하는 단계를 포함하는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 전극을 가열하는 단계는, 적어도 150℃ 의 온도로 상기 샤워헤드 전극의 적어도 일부를 가열 및 유지하는 단계를 포함하는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 전극을 가열하는 단계는 상기 반도체 기판을 에칭하는 단계 이전에 발생하는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 에칭하는 단계는, 상기 반도체 기판 상의 옥사이드 층에 개구를 에칭하는 단계를 포함하며,
    상기 개구는 패터닝된 포토레지스트에 의해 한정되는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 프로세스 가스는 플루오로카본 및/또는 하이드로플루오로카본 가스를 포함하며,
    상기 샤워헤드 전극을 가열하는 단계는, 상기 프로세스 가스의 플루오르 래디컬 밀도 (fluorine radical density) 를 제어함으로써 상기 포토레지스트 상의 스트라이에이션을 감소시키는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 에칭하는 단계는, 실리콘 옥사이드 층에 높은 애스펙트 비의 접촉 개구를 형성하는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 전극으로부터 가스 분배 부재, 상기 열 경로 부재, 상기 가열기, 하나 이상의 열 초크 및 최상부 벽으로 연장하는 열 경로를 따라 열을 전도함 으로써 상기 샤워헤드 전극을 냉각시키는 단계를 더 포함하는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 전극에 전력을 인가하는 단계는, 상기 가스 분배 부재를 통해, 그리고, 상기 가스 분배 부재와 상기 샤워헤드 전극 사이의 다수의 접촉 포인트를 통해, 상기 플라즈마 에칭 챔버 외부의 RF 소스로부터 상기 가스 분배 부재에 위치된 RF 입력부로 RF 전력을 공급하는 단계를 포함하는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 가스를 공급하는 단계는, 상기 가스 분배 부재로부터 상기 샤워헤드 전극의 상기 이면의 하나 이상의 플리넘으로 가스를 공급하는 단계를 포함하는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
  21. 제 10 항에 있어서,
    상기 가스를 공급하는 단계는, 상기 기판과 상기 샤워헤드 전극 사이의 상기 갭의 중심 구역으로 제 1 가스 혼합물을 공급하고, 상기 중심 구역을 둘러싸는 상기 갭의 고리 모양의 구역으로 제 2 가스 혼합물을 공급하는 단계를 포함하며,
    상기 제 2 가스 혼합물은 상기 제 1 가스 혼합물과 다르며, 또는 상기 제 2 가스 혼합물은, 상기 제 1 가스 혼합물과 동일하지만 상기 제 1 가스 혼합물과 다른 유량으로 공급되는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
  22. 제 10 항에 있어서,
    상기 플라즈마 에칭 챔버내에서 일 배치 (batch) 의 웨이퍼를 하나씩 에칭하는 단계를 포함하며,
    상기 샤워헤드 전극은, 상기 배치의 웨이퍼의 프로세싱 동안 실질적으로 균일한 온도로 유지되는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
  23. 제 10 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 전극을 가열하는 단계는, 상기 샤워헤드 전극의 중심 부분과 에지 부분 사이의 온도 차가 50℃ 미만이 되도록, 상기 샤워헤드 전극의 상기 중심 부분과 상기 에지 부분을 가열하는 단계를 포함하는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
  24. 제 10 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 전극을 가열하는 단계는, 상기 샤워헤드 전극의 중심 부분과 에지 부분 사이의 온도 차가 25℃ 미만이 되도록, 상기 샤워헤드 전극의 상기 중심 부분과 상기 에지 부분을 가열하는 단계를 포함하는, 플라즈마 에칭의 제어 방법.
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