KR20070060079A - 표면파 플라즈마 소스와 플라즈마 공간 사이의 결합을향상시키기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

SWP(surface wave plasma) 소스와 플라즈마 공간 사이의 결합을 향상시키기 위한 방법 및 시스템이 설명된다. SWP 소스는, 공진기 플레이트를 가진 슬롯 안테나와 같은, EM(electromagnetic)파 론처를 구비하는데, 이 경우, 공진기 플레이트와 플라즈마 사이의 플라즈마 표면에서는, 모드 스크램블러가 이용되어 플라즈마로의 결합을 향상시킨다.
SWP, 결합, 플라즈마 프로세싱 시스템, 플라즈마 공간, 프로세스 공간, 공정 화학, 가스 주입 그리드, 모드 스크램블러, 공간 균일성

Description

표면파 플라즈마 소스와 플라즈마 공간 사이의 결합을 향상시키기 위한 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR IMPROVING COUPLING BETWEEN A SURFACE WAVE PLASMA SOURCE AND A PLASMA SPACE}
이 출원은, "Surface wave plasma processing system and method of using"이라는 명칭으로 이것과 함께 동일자로 출원된 계류 중인 미국특허출원 제 10/XXX,XXX호(Attorney docket no. YYYYYY); "Plasma processing system for treating a substrate and method of using"이라는 명칭으로 이것과 함께 동일자로 출원된 계류 중인 미국특허출원 제 10/XXX,XXX호(Attorney docket no. YYYYYY); 및 "Method and system for controlling uniformity in a surface wave plasma"라는 명칭으로 이것과 함께 동일자로 출원된 계류 중인 미국특허출원 제 10/XXX,XXX호(Attorney docket no. YYYYYY)와 관련이 있다. 그 출원들 모두의 전체 내용들은 전체로서 여기에 참고 문헌으로써 포함되어 있다.
본 발명은 표면파 플라즈마(SWP;surface wave plasma) 소스와 플라즈마 사이의 결합을 향상시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로는, 모드 스크램블러를 사용해, SWP 소스와 플라즈마 사이의 결합을 향상시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
통상적으로, 반도체 프로세싱 동안, (건식) 플라즈마 에칭 프로세스가 반도체 기판상에 패터닝된 파인 라인들(fine lines)을 따라 또는 비아들(vias)이나 컨택트들(contacts)내에서 재료를 제거하거나 에칭하는데 이용된다. 플라즈마 에칭 프로세스는 일반적으로, 위쪽에 놓인 패터닝된 보호층, 예를 들어, 포토레지스트층을 갖춘 반도체 기판을 프로세싱 챔버에 배치하는 단계를 수반한다. 일단 기판이 챔버내에 배치되고 나면, 진공 펌프가 스로틀링되어 주변 프로세스 압력을 실현하는 동안, 이온화 가능한 해리성 가스 혼합물이 소정 유속에서 챔버내로 도입된다. 그후, 활성화된 전자와의 충돌의 결과로서 현재의 가스 성분들 중 일부가 이온화될 때, 플라즈마가 형성된다. 더 나아가, 가열된 전자들은 가스 혼합물 성분들 중 일부 성분들을 해리하여 노출된 표면 에칭 화학 반응에 적합한 반응성 성분(들)을 생성하는 역할을 한다. 일단 플라즈마가 형성되고 나면, 기판의 노출된 임의 표면들이 플라즈마에 의해 에칭된다. 프로세스는, 기판의 노출된 영역들에서 다양한 사양들(예를 들어, 트렌치들, 비아들, 컨택트들 등)을 에칭하기에 적합한 소정 반응물 및 이온 개체군들의 적합한 농도를 포함하여, 최적 조건들을 실현하도록 조정된다. 에칭이 요구되는 그러한 기판 재료들로는, 예를 들어, 실리콘 다이옥사이드(SiO2), 폴리-실리콘 및 실리콘 나이트라이드를 들 수 있다.
전통적으로, 상술된 바와 같이, 가스를 반도체 장치 가공 동안의 기판 처리를 위한 플라즈마로 여기하기 위한 다양한 기술들이 구현되어 왔다. 특히, ("병렬 플레이트") CCP(capacitively coupled plasma) 프로세싱 시스템들 또는 ICP(inductively coupled plasma) 프로세싱 시스템들이 플라즈마 여기에 흔히 이용되어 왔다. 플라즈마 소스들의 다른 유형들 중에서도, (ECR(electron-cyclotron resonance)을 이용하는 플라즈마 소스들을 포함하는) 마이크로파 플라즈마 소스들, SWP(surface wave plasma) 소스들, 및 헬리콘 플라즈마 소스들이 존재한다. 그러나, 흔히 사용되는 플라즈마 프로세싱 시스템들 중 다수는, 공정 화학 제어(즉, 화학 해리의 제어), 활성화된 전자들과의 상호 작용으로 인한 기판 손상, 및 프로세스 균일성을 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아닌, 다수 결함들을 겪는다.
본 발명의 일 태양은 상술된 문제들 중 어느 하나 또는 전부를 감소시키거나 제거하는 것이다.
본 발명의 다른 태양은 SWP 소스와 플라즈마 사이의 결합을 향상시키기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 태양은 SWP 소스에서 소정 EM(electromagnetic)파 모드와 다른 EM파 모드 사이의 모드 건너뛰기들을 방지하기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
일 태양에 따르면, SWP 소스는 플라즈마에 인접한 플라즈마 표면에서 표면파를 발생시키는 것에 의해 소정 EM파 모드의 EM 에너지를 플라즈마에 결합하도록 구성된 EM파 론처; EM파 론처에 결합되어, 플라즈마를 형성하기 위해, EM파 론처에 EM 에너지를 제공하도록 구성된 전력 결합 시스템; 및 EM파 론처의 플라즈마 표면에 결합되어 플라즈마에서의 변화들로 인한 소정 EM파 모드와 다른 EM파 모드 사이의 모드 건너뛰기를 방지하도록 구성된 모드 스크램블러를 구비하는 것으로 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 프로세싱 시스템의 간략화된 개략적 표현을 제시하고;
도 2는 도 1에서 묘사된 플라즈마 프로세싱 시스템에서 사용될 수 있는 플라즈마 소스의 간략화된 개략적 표현을 제시하며;
도 3은 도 1에서 묘사된 플라즈마 프로세싱 시스템에서 사용될 수 있는 플라즈마 소스의 다른 간략화된 개략적 표현을 제시하고;
도 4는 도 1에서 묘사된 플라즈마 프로세싱 시스템에서 사용될 수 있는 플라즈마 소스의 또 다른 간략화된 개략적 표현을 제시하며;
도 5는 도 1에서 묘사된 플라즈마 프로세싱 시스템에서 사용될 수 있는 플라즈마 소스의 또 다른 간략화된 개략적 표현을 제시하고;
도 6은 도 1에서 묘사된 플라즈마 프로세싱 시스템에서 사용될 수 있는 플라즈마 소스의 또 다른 간략화된 개략적 표현을 제시하며;
도 7은 도 1에서 묘사된 플라즈마 프로세싱 시스템에서 사용될 수 있는 플라즈마 소스의 또 다른 간략화된 개략적 표현을 제시하고;
도 8은 도 1에서 묘사된 플라즈마 프로세싱 시스템에서 사용될 수 있는 플라즈마 소스의 또 다른 간략화된 개략적 표현을 제시하며;
도 9A 및 도 9B는 매체에서의 전자파 전파에 대한 개략적 표현들을 제공하 고;
도 10은 실시예에 따른 프로세싱 챔버 부분의 확대도를 제공하며;
도 11은 다른 실시예에 따른 프로세싱 챔버 부분의 확대도를 제공하고;
도 12는 또 다른 실시예에 따른 프로세싱 챔버 부분의 확대도를 제공하며;
도 13은 실시예에 따른 가스 주입 그리드의 상면도를 예시하고;
도 14는 다른 실시예에 따른 가스 주입 그리드의 상면도를 예시하며;
도 15는, 실시예에 따른, 플라즈마 프로세싱 시스템의 조작 방법을 제공하고;
도 16은, 실시예에 따른, 플라즈마 프로세싱 시스템에서의 균일성 제어 방법을 제공한다.
이하의 설명에서는, 본 발명의 완전한 이해를 용이하게 하기 위해 그리고 한정이 아닌 설명의 목적들을 위해, 플라즈마 프로세싱 시스템의 특정 지오메트리(geometry) 및 시스템 컴포넌트들의 다양한 설명들과 같은, 구체적 세부 사항들이 기술된다. 그러나, 본 발명이, 이러한 구체적 세부 사항들로부터 벗어나는 다른 실시예들로써 실시될 수도 있다는 것이 이해될 수 있어야 한다.
그러나, 일반적인 개념들의 발명 특징이 설명되고 있음에도 불구하고, 이 역시 발명 특징인 사양들이 이 설명내에 포함되어 있다는 것을 알 수 있어야 한다.
이제, 유사한 참조 번호들이 수개 도면들 전체에 걸쳐 동일한 또는 대응되는 부분들을 지시하는 도면들을 참조하면, 도 1은 실시예에 따른 플라즈마 프로세싱 시스템(100)을 예시한다. 플라즈마 프로세싱 시스템(100)은 플라즈마 공간(116)을 정의하도록 구성된 상위 챔버 부분(112) 및 프로세스 공간(118)을 정의하도록 구성된 하위 챔버 부분(114)을 가진 프로세싱 챔버(110)를 구비한다. 하위 챔버 부분(114)에서, 프로세싱 챔버(110)는 기판(125)을 지지하도록 구성된 기판 홀더(120)를 구비한다. 거기에서, 기판(125)은 프로세스 공간(118)의 공정 화학에 노출된다. 더 나아가, 플라즈마 프로세싱 시스템(100)은 상위 챔버 부분(112)에 결합되어 플라즈마 공간(116)에서 플라즈마를 형성하도록 구성된 플라즈마 소스(130)를 구비한다.
부가적으로, 플라즈마 프로세싱 시스템(100)은 상위 챔버 부분(112) 및 하위 챔버 부분(114)에 결합되어 플라즈마 공간(116)과 프로세스 공간(118) 사이에 배치되는 가스 주입 그리드(140)를 구비한다. 가스 주입 그리드(140)는 제 1 가스(142)를 플라즈마를 형성하기 위한 플라즈마 공간으로 도입하도록 그리고 제 2 가스(144)를 공정 화학을 형성하기 위한 프로세스 공간으로 도입하도록 구성된다. 제 1 가스 공급 시스템(150)이 가스 주입 그리드(140)에 결합되어, 제 1 가스(142)를 공급하도록 구성된다. 더 나아가, 제 2 가스 공급 시스템(160)이 가스 주입 그리드(140)에 결합되어, 제 2 가스(144)를 공급하도록 구성된다.
부가적으로, 가스 주입 그리드(140)의 온도는 온도 제어 시스템(170)을 사용해 제어될 수 있고, 가스 주입 그리드(140)의 전위(electric potential)는 전기 바이어스 제어 시스템(175)를 사용해 제어될 수 있다.
더 나아가, 플라즈마 프로세싱 시스템(100)은, 프로세싱 챔버(110)에 결합되 어 프로세싱 챔버(110)를 소개(evacuation)시킬 뿐만 아니라 프로세싱 챔버(110)내의 압력을 제어하도록 구성된 펌핑 시스템(180;pumping system)을 포함한다. 선택적으로, 플라즈마 프로세싱 시스템(100)은 프로세싱 챔버(110), 기판 홀더(120), 플라즈마 소스(130), 가스 주입 그리드(140), 제 1 가스 공급 시스템(150), 제 2 가스 공급 시스템(160), 온도 제어 시스템(170), 전기 바이어스 제어 시스템(175), 및 펌핑 시스템(180)에 결합되는 제어 시스템(190)을 더 포함한다. 제어 시스템(190)은 플라즈마 프로세싱 시스템(100)에서 에칭 프로세스 및 증착 프로세스 중 하나 이상을 수행하기 위한 프로세스 레시피를 실행하도록 구성될 수 있다.
여전히 도 1을 참조하면, 플라즈마 프로세싱 시스템(100)은 200 mm 기판들, 300 mm 기판들, 또는 좀더 큰 사이즈의 기판들을 프로세싱하도록 구성될 수 있다. 사실상, 당업자들이라면 알 수 있는 바와 같이, 플라즈마 프로세싱 시스템은 기판들, 웨이퍼들, 또는 LCD들을 그들의 사이즈에 상관없이 프로세싱하도록 구성될 수 있다는 것이 예상된다. 따라서, 본 발명의 태양들이 반도체 기판의 프로세싱과 관련하여 설명되기는 하겠지만, 본 발명이 그것만으로 제한되는 것은 아니다.
상술된 바와 같이, 프로세싱 챔버(110)는 플라즈마 공간(116)에서의 플라즈마 생성을 용이하게 하도록 그리고 기판(125) 표면에 인접한 프로세스 공간(118)에서 공정 화학을 발생시키도록 구성된다. 플라즈마 공간(116)으로 도입되는 제 1 가스(142)는 플라즈마 형성 가스, 이온화 가능 가스, 또는 가스들의 혼합물을 구비한다. 제 1 가스(142)는, 희 가스(Noble gas)와 같은, 비활성 가스(inert gas)를 포함할 수 있다. 프로세스 공간(118)으로 도입되는 제 2 가스(144)는 프로세스 가 스 또는 프로세스 가스들의 혼합물을 구비한다. 예를 들어, 에칭 프로세스에서, 프로세스 가스는, 해리될 때, 기판 표면에서 에칭되는 재료와 반응하는 분자 성분들을 포함할 수 있다. 일단 플라즈마 공간(116)에서 플라즈마가 형성되고 나면, 플라즈마 중 일부는 가스 주입 그리드(140)를 통해 프로세스 공간(118)으로 확산될 수 있다. 프로세스 공간(118)으로 확산된 가열된 전자들은 프로세스 가스의 분자들과 충돌하여, 예를 들어, 에칭 프로세스를 수행하기 위한 반응성 래디칼들의 해리 및 형성을 야기시킬 수 있다. 따라서, 상술된 바와 같은, 가스 주입 그리드(140)의 사용은, 예를 들어, 프로세스 공간(118)에서는 저온 플라즈마를 발생시키면서, 플라즈마 공간(116)에서는 고밀도, 고온(전자 온도 Te) 플라즈마를 형성할 수 있게 한다.
그렇게 하면서, 제 1 및 제 2 가스들을 위한 분할된 주입 방식은 공정 화학을 형성하는데 이용되는 제 2 가스에서의 분자 조성물의 해리를 감소시킬 수 있는다. 부가적으로, 예를 들어, 아르곤(Ar)과 같은, 비활성 가스(제 1 가스)가 플라즈마 공간(116)으로 도입됨에 따라, 플라즈마가 형성되고 중성 Ar 원자들이 가열된다. 가열된 Ar 중성 원자들은 가스 주입 그리드(140)를 통해 아래쪽으로 확산하여, 기판에 인접한 좀더 차가운 프로세스 공간으로 진입한다. 중성 가스의 이 확산은, 프로세스 가스(제 2 가스)에서의 분자 조성물의 역확산을 제거할 수 있다.
일례에서, 플라즈마 소스는 SWP 소스를 포함할 수 있다. 이제 도 2를 참조하면, 플라즈마 소스(230)는 내부 도체(240), 외부 도체(242), 및 절연체(241)를 가진 동축 피드(238;coaxial feed)를 갖춘, RLSA(radial line slot antenna)와 같은, 슬롯 안테나를 구비하는 것으로 예시된다. 부가적으로, 플라즈마 소스(230)는 저속파 플레이트(244), 슬롯들(248)을 가진 슬롯 안테나(246), 및 공진기 플레이트(250)를 구비하는 EM(electromagnetic)파 론처(243;launcher)를 포함한다. 슬롯들의 수, 슬롯들의 지오메트리, 슬롯들의 사이즈, 및 슬롯들의 분포 모두가, 플라즈마 공간(116)에서 형성되는 플라즈마의 공간 균일성(spatial uniformity)에 기여하는 팩터들이다. 예를 들어, 공진기 플레이트(250)의 정확한 치수들(즉, 두께 및 직경)은 수치적으로 계산될 수 있다.
파 론처(243;wave launcher)는 마이크로파 전력을 플라즈마 공간(116)으로 방사하도록 구성된 마이크로파 론처를 포함한다. 마이크로파 론처는, 2.45 GHz 마이크로파 전력 소스와 같은, 마이크로파 소스에 결합될 수 있는데, 이 경우, 마이크로파 전력은 동축 피드(238)를 경유하여 마이크로파 론처에 결합된다. 마이크로파 소스에 의해 발생되는 마이크로파 에너지는 (도시되어 있지 않은) 도파관을 통해, 마이크로파 발진기로 역반사되는 마이크로파 에너지를 흡수하기 위한 (도시되어 있지 않은) 아이솔레이터로 유도된 후, (도시되어 있지 않은) 동축 컨버터에 의해 동축 TEM 모드로 변환된다. 튜너가 임피던스 매칭 및 향상된 전력 전달을 위해 이용될 수 있다. 마이크로파 에너지는 동축 피드(238)를 경유하여 마이크로파 론처에 결합되는데, 여기에서, 동축 피드(238)에서의 TEM 모드로부터 TM 모드로의 또 한번의 모드 변화가 발생한다.
여전히 도 2를 참조하면, 플라즈마 소스(230)는 프로세싱 챔버(110)의 상위 챔버 부분(112)에 결합되는데, 이 경우, 밀봉 장치(254)를 사용해 상위 챔버 벽(252)과 플라즈마 소스(230) 사이에 진공 밀폐가 형성될 수 있다. 밀봉 장치(254)는 엘라스토머 오링(elastomer O-ring)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 동축 피드(238)의 내부 도체(240) 및 외부 도체(242)는, 금속과 같은, 전도성 재료를 구비하는 한편, 저속파 플레이트(244) 및 공진기 플레이트(250)는 유전체 재료를 구비한다. 후자에서, 저속파 플레이트(244) 및 공진기 플레이트(250)는 동일한 재료를 구비한다. 유전체 재료는, 예를 들어, 석영을 포함할 수 있다. 동축 피드 및 파 론처의 설계에 관한 추가적 세부 사항들은, "Plasma processing apparatus for etching, ashing, and film-formation"이라는 명칭의 미국특허 5,024,716호에서 찾아볼 수 있고; 그것의 내용들은 전체로서 여기에 참고 문헌으로써 포함되어 있다.
저속파 플레이트(244) 및 공진기 플레이트(250)의 가공을 위해 선택되는 재료는 전파되는 EM파 파장을 자유 공간 파장에 비해 감소시키도록 선택되고, 저속파 플레이트(244) 및 공진기 플레이트(250)의 치수들은 EM 에너지를 플라즈마 공간(116)으로 방사하는데 효과적인 정재파 형성을 보장하도록 선택된다.
저속파 플레이트(244) 및 공진기 플레이트(250)가 석영(실리콘 다이옥사이드)으로부터 가공되는 경우, 몇가지 쟁점들이 발생할 수 있는데, 특히, 플라즈마 프로세싱 시스템이 에칭 프로세스 애플리케이션들에 이용되는 경우에 그러하다. 첫번째, 석영의 선택은 대부분 에칭 프로세스와의 호환성을 위해 선택된다. 두번째, 석영 공진기 및 석영 저속파 플레이트의 임계 치수들은, 고비용 소모성 항목을 초래하므로, 아주 중요하다. 부가적으로, 정재파 전계의 시작은 저전력 플라즈마 프로세스들을 위해 석영-플라즈마 인터페이스와 인접한 상태를 유지해야 한다. 부가적으로, 플라즈마 파라미터들의 변경들은 석영 공진기에서의 감쇠 전계에 영향을 미친다. 유전체 공진기에서의 전계 강도가 플라즈마 파라미터들에서의 변경으로 인한 전계 변화보다 충분히 크지 않다면, 그러한 변경은 VSWR(voltage standing wave ratio) 건너뛰기 또는 정재파 모드 건너뛰기를 초래할 수 있다. 본 발명자는, 석영-플라즈마 인터페이스의 정재파에 석영 공진기 플레이트를 사용하는 것은 플라즈마 파라미터들이 변경됨에 따라 모드를 건너뛰는 경향이 있을 수 있다는 것을 관찰하였다. 또한, 석영을 공진기 플레이트 및 저속파 플레이트의 제조를 위한 재료로 사용하는 경우, 슬롯 안테나의 설계(즉, 슬롯들의 수, 그들의 사이즈, 지오메트리 및 분포)는 플라즈마 공간(116)에서 공간적으로 균일한 플라즈마를 발생시키는데 덜 효과적이다. 따라서, 균일한 플라즈마를 형성하기 위해 특수한 형태가 요구될 수도 있다.
또 다른 일례에서, 플라즈마 소스(231)는 도 3에서, 도 2에서 예시된 동일한 소자들 중 다수를 구비하는 것으로 묘사된다. 그러나, 플라즈마 소스(231)는 플라즈마 공간(116)에서 플라즈마의 공간 균일성을 향상시키도록 구성된 하나 이상의 동심 그루브들(260;concentric grooves)을 더 포함할 수 있다.
다른 방법으로, 저속파 플레이트(244) 및 공진기 플레이트(250)는 높은 유전 상수(높은-k) 재료로부터 가공될 수도 있다. 여기에서, 높은 유전 상수는, 실리콘 다이옥사이드의 유전 상수(약 3.9의 값) 이상의 유전 상수를 가진 재료들을 의미하 는데 이용될 수 있다. 높은-k 재료의 사용이, 예를 들어, 공정 화학에서의 분자 성분에 대한 감소된 해리, 플라즈마 파라미터들에서의 변경들로 인한 모드 건너뛰기의 감소된 위험, 및 플라즈마 공간(116)에서 형성되는 플라즈마의 공간 균일성 제어에 대한 향상된 효과성을 초래할 수 있다. 예를 들어, 높은-k 재료로는 진성 결정 실리콘(intrinsic crystal silicon), 알루미나 세라믹, 알루미늄 나이트라이드, 및 사파이어를 들 수 있다. 공진기 플레이트(250)가 진성 결정 실리콘으로부터 가공되는 경우, 플라즈마 주파수는 45C의 온도에서 2.45 GHz를 초과한다. 따라서, 진성 결정 실리콘은 저온(즉, 45C 미만의) 프로세스들에 적합하다. 좀더 고온 프로세스들의 경우, 공진기 플레이트(250)는 알루미나(Al2O3) 또는 사파이어로부터 가공될 수 있다.
그러나, 플라즈마 공간(116)에서의 플라즈마의 부식 특징 및 공진기 플레이트(250)의 임계 치수들을 유지하기 위한 요구 사항으로 인해, 커버 플레이트가 좀더 값비싼 공진기 플레이트(250)를 보호하는데 사용될 수 있다. 또 다른 일례에 따르면, 커버 플레이트(265)는, 도 4에서 예시된 바와 같이, 공진기 플레이트(250)의 하부면에 결합된다. 커버 플레이트 두께는, 그것의 내부에서 정재파 모드들을 지지하지 않도록, 충분히 얇게 선택되지만(즉, 두께가 전자기적으로는 중요하지 않지만); 기계적 안정성을 위해서는 충분히 두껍다. 예를 들어, 커버 플레이트(265)는 1 내지 5 mm 두께 또는 바람직스럽기로는 2 내지 3 mm 두께의 석영 커버 플레이트를 포함할 수 있다. 더 나아가, 공진기 플레이트(250)의 하부면(또는 접촉면) 및 커버 플레이트(265)의 상부면(또는 접촉면)은 공진기 플레이트(250)와 커버 플레이트(265) 사이의 양호한 접촉을 보장하도록 연마될 수 있다. 더 나아가, 공진기 플레이트(250)의 하부면에 박막이 증착되어, 양호한 접촉을 제공하기 위해, 연마될 수도 있다. 예를 들어, 박막은 SiO2의 박막을 포함할 수 있고, 2 미크론에 이르는 열적 SiO2 또는 6 미크론에 이르는 PVD(physical vapor deposition) SiO2를 포함할 수도 있다.
도 9A에서 묘사된 바와 같이, 공진기 플레이트(250) 및 커버 플레이트(265)를 위한, 무한 슬랩 모델과 같은, 간단한 지오메트릭 인터페이스를 가정하면, 전계 및 자계의 분석적 표현들은 헬름홀츠 동차 방정식, 즉, 다음의 수학식 1 내지 수학식 3을 사용해 판정될 수 있는데,
Figure 112007013169810-PCT00001
Figure 112007013169810-PCT00002
Figure 112007013169810-PCT00003
여기에서, x, y, 및 z는 도 9A에 도시된 바와 같은 데카르트 좌표이고, Ez는 z 방향의 전계이며, Ex는 x 방향의 전계이고, Hy는 y 방향의 자계이며, k250은 공진기 플레 이트에서의 차단 파수(cut-off wave number)이고, κ250은 공진기 플레이트 재료의 유전 상수이며, κ265는 커버 플레이트 재료의 유전 상수이고, β는 기본적인 분산 관계(basic dispersion relation;즉,
Figure 112007013169810-PCT00004
Figure 112007013169810-PCT00005
이고, 여기에서, k는 매체 파수(medium wave number)이며, kc는 매체의 차단 파수이고, h는 필드 감쇠 상수이며, k0는 진공 파수이고, k265=jh이다)로부터의 전파 상수이고, Y0는 진공파 어드미턴스(vacuum wave admittance;
Figure 112007013169810-PCT00006
)이다. 예를 들어, 공진기 플레이트는 진성 결정 실리콘으로부터 가공될 수 있고, 커버 플레이트는 실리콘 다이옥사이드로부터 가공될 수 있다. 따라서, 아래 첨자 "250"은 진성 결정 실리콘의 재료 특성들을 의미하고, 아래 첨자 "265"는 실리콘 다이옥사이드의 재료 특성들을 의미한다.
도 9A에 도시된 바와 같이, 공진기 플레이트와 커버 플레이트 인터페이스 사이에 일차 표면파가 존재하고, 지수감쇠적(evanescent) 전계의 시작이 이 인터페이스에서 발생한다. k1 및 k2로써 표현되는 전자기파들이 도 9A에서의 2개의 예시적 모드들로서 묘사된다. 파들(k1,2 및 k2,2)은, 진성 결정 실리콘의 위상 속도(예를 들어, κ~12 및 λsi~1 cm)와 실리콘 다이옥사이드의 위상 속도(κ~4 및 λSiO2~3 cm) 사이의 위상 속도에서 이동하는, 이 인터페이스에서의 표면파들을 표현한다. 커버 플레이트의 두께가 EM파의 파장보다 훨씬 크다면, x>s를 위한 무한 슬랩 모델의 필드 솔루션들은 다음의 수학식 4 내지 수학식 6과 같은데,
Figure 112007013169810-PCT00007
Figure 112007013169810-PCT00008
Figure 112007013169810-PCT00009
(여기에서, 진공일 때는, kY=k0Y0이고; 커버 플레이트의 표면파에 대해서는, kY=κ265k0Y0이다). 그러나, 커버 플레이트의 두께는 파장의 일부 및 그에 따른 전계 감쇠 깊이의 더 작은 일부일 뿐이므로, 솔루션들의 상기 세트는 불완전하다. 예를 들어, 커버 플레이트와 플라즈마 사이의 인터페이스에서 추가적인 반사가 발생할 것이고, x>q를 위한 상이한 감쇠 상수가 존재할 것이다. 전파 상수는 공진기 플레이트, 커버 플레이트, 및 플라즈마를 위해 동일해야 할 것이므로, 새로운 β가 존재할 것이다. 좀더 중요하게, 새로운 β는 공진기 플레이트, 커버 플레이트, 및 플라즈마에서 새로운 위상 속도 스트래들링(phase velocity straddling)을 초래한다. 따라서, 커버 플레이트의 결과로서, 플라즈마 불안정성이 플라즈마 파라미터들에서의 변경의 결과로서 발생할 수 있다. 플라즈마를 위한 유전 상수가 광범위한 플라즈마 파라미터들을 위해 거의 1의 값이지만, EM파 분산은 전자 밀도(ne), 전자 온도(Te) 등에 의해 크게 영향을 받는다. 플라즈마에서 분산 관계가 변화할 때, 표면파 전파 상수가 변화한다. 그에 따라, 필드 솔루션들이 변화한다. 중간 결과는 VSWR에서의 증가 및 가능 모드 건너뛰기(possible mode jump)를 포함할 수 있다.
따라서, 모드 건너뛰기의 효과들을 약화시키기 위해, 모드 스크램블러(mode scrambler)가 플라즈마 소스에 결합될 수 있다. 파 론처(243)에서의 공동 모드는 파 론처 공동의 지오메트리 뿐만 아니라 파 론처 공동의 재료 특성들에도 의존할 수 있고, 그것은 플라즈마 파라미터들에도 의존할 수 있다. 모드 스크램블러의 사용은 결과적인 공동 모드에 대한 플라즈마 파라미터들에서의 변화들의 효과를 감소시킨다. 또 다른 일례에 따라, 도 5에서는, 공진기 플레이트의 하부면에 결합된 모드 스크램블러(270)가 예시된다. 여기에서, 모드 스크램블러(270)는 하나 이상의 가스 플레넘들(272;gas plenums)에 결합된 하나 이상의 가스 홀들(274)을 구비한다. 하나 이상의 가스 플레넘들(272) 및 하나 이상의 가스 홀들(274)은, 제 1 가스 또는 비활성 가스와 같은, 가스를 도입하도록 구성된다. 하나 이상의 가스 홀들(274)이 가스를 도입하도록 구성된 하나 이상의 가스 플레넘들(272)에 결합되는 것으로 도시되어 있지만, 하나 이상의 가스 홀들(274) 중 하나 이상은 하나 이상의 가스 플레넘(272)들 중 하나 이상에 결합되지 않아도 된다. 다른 방법으로, 하나 이상의 가스 홀들(274) 중 하나 이상은 소개될 수도 있다.
여전히 도 5를 참조하면, 플라즈마 소스(233)는 프로세싱 챔버(110)의 상위 챔버 부분(116)에 결합되는데, 이 경우, 밀봉 장치(254)를 사용해 상위 챔버 벽(252)과 플라즈마 소스(230) 사이에서 진공 밀폐가 형성될 수 있다. 밀봉 장 치(254)는 엘라스토머 오링을 포함할 수 있다. 더 나아가, 제 2 및 제 3 밀봉 장치(255A 및 255B)가 이용되어 동축 피드(238)에 진공 밀폐를 제공할 수도 있다.
또 다른 일례에 따라, 도 6에서는, 플라즈마 소스(234)에서의 공진기 플레이트(250)의 하부면에 결합된 모드 스크램블러(270)가 예시된다. 여기에서, 모드 스크램블러(270)는 하나 이상의 블라인드 홀들(276)을 구비한다. 도 9B에 예시된 바와 같이, k1, k2, 및 k3로써 표현되는 전자기파들은 3가지 예시적 모드들로서 묘사된다. 표면파들(k1,2(k1,3) 및 k2,2(k2,3))은 플라즈마 공간(116)에서의 플라즈마로의 효과적인 에너지 결합을 표현한다. 그러나, 파(k3)는 플라즈마 가열에 기여하지 않으며, 플라즈마에 의해 반사된다.
하나 이상의 블라인드 홀들(276)의 수, 지오메트리, 분포, 및 사이즈는 플라즈마 공간(116)에서 균일한 플라즈마를 제공하기 위해 선택될 수 있다. 추가적으로, 하나 이상의 블라인드 홀들(276)이 플라즈마에 개방될 수 있다. 그러나, 각 홀의 직경과 같은, 블라인드 홀 각각의 사이즈는 홀에서의 플라즈마 형성을 방지하도록 충분히 작아야 한다. 예를 들어, 블라인드 홀 각각의 직경은 100 mTorr 미만의 프로세스 압력들을 위해 2 mm 이하일 수 있다. 압력이 증가됨에 따라, 블라인드 홀의 사이즈는, 거기에서의 플라즈마 형성을 방지하기 위해, 감소되어야 한다(예를 들어, p=200 mTorr일 경우, 직경은 1 mm 이하여야 한다). 부가적으로, 예를 들어, 1 mm 미만의 블라인드 홀 직경이 λsi~1 cm를 위한 공동 모드들의 스크램블링에 효과적일 수 있다.
하나 이상의 블라인드 홀들이 드릴링(drilling)이나 밀링(milling) 기술들, 음파 밀링, 레이저 밀링, 에칭 프로세스들, 또는 그것에 관한 임의 조합을 사용해 가공될 수 있다. 에칭 프로세스들은, 공진기 플레이트(250)에 블라인드 홀을 형성하는데 이용될 수 있는 건식 또는 습식 에칭 프로세스들을 포함할 수 있다. 부가적으로, 2 미크론의 열적 SiO2층 또는 6 미크론의 PVD SiO2층과 같은, 얇은 SiO2층이 공진기 플레이트(250)의 하부면에 증착될 수 있다. 그후, 얇은 SiO2층은, 예를 들어, 에칭 프로세스를 사용해 패터닝될 수 있고, 패턴은 에칭 프로세스를 사용해 공진기 플레이트(250)로 전달될 수 있으며, 그것에 의해, 얇은 SiO2층은 하드 마스크로서 기능하여 하나 이상의 블라인드 홀들의 지오메트리를 정의한다. 더 나아가, 나머지 얇은 SiO2층은 공진기 플레이트(250)와 커버 플레이트(265) 사이에서 양호한 인터페이스를 보장하는 기능을 할 수 있다.
다른 방법으로, 또 다른 일례에 따르면, 하나 이상의 블라인드 홀들(276)을 가진, 도 6에서 묘사된 모드 스크램블러(270)는 플라즈마 형성을 방지하기 위해 재료로 채워질 수 있다. 예를 들어, 도 7을 참조하면, 하나 이상의 블라인드 홀들(276)을 채우기 위해, 공진기 플레이트(250)의 하부면에 코팅(278)이 도포될 수 있다. 코팅(278)은 공진기 플레이트(250)의 유전 상수 미만의 유전 상수를 가진 재료를 구비한다. 예를 들어, 코팅(278)은 약 4의 유전 상수를 가진 SiO2를 포함할 수 있다. 다른 방법으로, 코팅은 SiO2의 유전 상수 미만의 유전 상수를 가진 저유 전 상수(낮은-k) 재료를 포함할 수 있다. 다른 방법으로, 코팅(278)은 공진기 플레이트를 위한 확장 계수와 필적할 만한 열 확장 계수를 가진 낮은-k 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 낮은-k 재료는 유기, 무기, 및 무기-유기 혼성 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 더 나아가, 낮은-k 재료는 다공성(porous) 또는 비다공성 코팅을 포함할 수 있다. 추가적으로, 예를 들어, 코팅(278)은, CVD 기술들을 사용해 증착된, 산화된 유기 실란(organosilane)(또는 유기 실록산)과 같은, 무기, 실리케이트-기반 재료를 포함할 수도 있다. 그러한 코팅들의 일례들로는 Applied Materials, Inc.로부터 구입 가능한 Black DiamondTM CVD OSG(organosilicate glass)막들 또는 Novellus Systems로부터 구입 가능한 CoralTM CVD막들을 들 수 있다. 부가적으로, 예를 들어, 코팅(278)은 경화 프로세스(curing process) 동안 분해되어 작은 공간들(또는 구멍들)을 생성하는 CH3 결합들을 가진 실리콘 옥사이드-기반 행렬과 같은, 단상(single-phase) 재료들을 포함할 수 있다. 부가적으로, 예를 들어, 코팅(278)은 경화 프로세스 동안 기화되는 유기 재료(예를 들어, 포로젠(porogen))의 구멍들을 가진 실리콘 옥사이드-기반 행렬과 같은 이상(dual-phase) 재료들을 포함할 수 있다. 다른 방법으로, 코팅(278)은, SOD 기술들을 사용해 증착된, HSQ(hydrogen silsesquioxane) 또는 MSQ(methyl silsesquioxane)와 같은, 무기, 실리케이트-기반 재료를 포함할 수도 있다. 그러한 코팅들의 일례들로는 Dow Corning으로부터 구입 가능한 FOx HSQ, Dow Corning으로부터 구입 가능한 XLK porous HSQ, 및 JSR Microelectronics로부터 구입 가능한 JSR LKD-5109를 들 수있다. 또 다른 방법으로, 코팅(278)은 SOD 기술들을 사용해 증착된 유기 재료를 포함할 수 있다. 그러한 코팅들의 일례들로는 Dow Chemical로부터 구입 가능한 SiLK-I, SiLK-J, SiLK-H, SiLK-D, 및 다공성 SiLK 반도체 유전체 수지들, FLARETM, 및 Honeywell로부터 구입 가능한 Nano-glass를 들 수 있다.
부가적으로, 예를 들어, 코팅(278)은 CVD(chemical vapor deposition) 기술들 또는, TEL(Tokyo Electron Limited)로부터 구입 가능한 Clean Track ACT 8 SOD 및 ACT 12 SOD 코팅 시스템들에서 제공되는 것들과 같은, SOD(spin-on dielectric) 기술들을 사용해 형성될 수 있다. Clean Track ACT 8(200 mm) 및 ACT 12(300 mm) 코팅 시스템들은 SOD 재료들을 위한 코팅, 베이킹, 및 경화 도구들을 제공한다. 100 mm, 200 mm, 300 mm, 및 그 이상의 기판 사이즈들을 프로세싱하기 위한 트랙 시스템이 구성될 수 있다. 기판상에 코팅을 형성하기 위한 다른 시스템들 및 방법들이 스핀-온(spin-on) 기술 및 기상 증착 기술 모두의 당업자들에게 널리 공지되어 있다. 일단 코팅(278)이 도포되고 나면, 코팅(278)은, 예를 들어, 커버 플레이트(265)와의 향상된 인터페이스를 제공하기 위해 연마될 수 있다. 연마 프로세스는, 예를 들어, CMP(chemical-mechanical polishing)를 포함할 수 있다.
다른 방법으로, 또 다른 일례에 따르면, 하나 이상의 블라인드 홀들(276)을 가진, 도 6에서 묘사된, 모드 스크램블러(270)는 플라즈마 형성을 방지하기 위해 플라즈마 어레스터(plasma arrester)로 채워질 수 있다. 예를 들어, 도 8을 참조하면, 하나 이상의 블라인드 홀들(276)이 구형 펠릿(280;spherical pellet)으로 채 워져 있다. 구형 펠릿들(280)은, 예를 들어, SiO2 또는, 상술된 바와 같은, 낮은-k 재료를 구비할 수 있다. 일단 하나 이상의 블라인드 홀들에 구형 펠릿들(280)이 로딩되고 나면, 각각의 펠릿은, 각각의 펠릿을 각각의 블라인드 홀로 끼워 넣기하는 것에 의해 또는 커버 플레이트(265)를 공진기 플레이트(250)에 결합하는 것에 의해 각각의 펠릿을 블라인드 홀내에 배치하는 것에 의해, 고정된다. 펠릿의 물리적 존재는 가속화된 자유 전자 경로를 감속시키고(전자들이 펠릿과 충돌하고), 그에 따라, 애벌런치 이온화(avalanche ionization)를 방지한다. 일례에서, 각각의 블라인드 홀(276)은 2mm 직경 × 2mm 깊이를 포함할 수 있고, 각각의 펠릿(280)은 (그것이 블라인드 홀내에 적합하도록 충분히 작은) 2 mm 미만의 직경을 가질 수 있다. 추가적으로, 공진기 플레이트(250)와 커버 플레이트(265) 사이의 양호한 인터페이스를 보장하기 위해, 2 미크론의 열적 SiO2층 또는 6 미크론의 PVD SiO2층과 같은, 얇은 SiO2층이 공진기 플레이트(250)의 접촉면들에 증착될 수 있다.
이제 도 10을 참조하면, 프로세싱 시스템의 일부분이 예시된다. 프로세싱 챔버(310)는 플라즈마 공간(316)을 둘러싸는 상위 챔버 부분(312) 및 프로세스 영역(318)을 둘러싸는 하위 챔버 부분(314)을 구비하는 것으로 묘사된다. 상술된 표면파 플라즈마 소스와 같은, 플라즈마 소스(330)가 상위 챔버 부분(312)에 결합되어 플라즈마 공간(315)에서 플라즈마를 형성하도록 구성된다. 가스 주입 그리드(340)가 상위 챔버 부분(312)에 결합되어, 플라즈마 공간(316)과 프로세스 공간(318) 사이에 배치된다. 도 10에 예시된 바와 같이, 가스 주입 그리드(340)는 상위 챔버 부분(312)에 결합되고, 엘라스토머 오링과 같은, 상위 밀봉 장치(344)를 사용해, 진공에서의 사용을 위해 밀봉된다. 이 또한, 도 10에 예시되어 있는 바와 같이, 가스 주입 그리드(340)는 하위 챔버 부분(314)에 결합되고, 엘라스토머 오링과 같은, 하위 밀봉 장치(346)를 사용해, 진공에서의 사용을 위해 밀봉된다.
가스 주입 그리드(340)는, 플라즈마 공간(316)을 프로세스 공간(318)에 결합하는 하나 이상의 통로들(342)을 구비한다. 부가적으로, 가스 주입 그리드(340)는, 제 1 가스 채널 어레이(356)에 결합되는 (도시되어 있지 않은) 하나 이상의 가스 주입 오리피스들(gas injection orifices)을 통해 플라즈마 공간(316)으로 제 1 가스를 도입하도록 구성된다. 제 1 가스 채널 어레이(356)는 제 1 가스 공급 시스템에 결합되는 하나의 가스 채널 또는, 독립적으로 제 1 가스 공급 시스템에 결합되는, 가스 주입 그리드(340)의 다수 영역들을 형성하는 복수개 가스 채널들을 포함할 수 있다. 후자의 경우, 제 1 가스의 조성, 제 1 가스의 유속, 또는 양자 모두가 가스 채널마다 달라질 수도 있다. 부가적으로, 가스 주입 그리드(340)는 제 2 가스 채널 어레이(366)에 결합되는 (도시되어 있지 않은) 하나 이상의 가스 주입 오리피스들을 통해 프로세스 공간(318)으로 제 2 가스를 도입하도록 구성된다. 제 2 가스 채널 어레이(366)는 제 2 가스 공급 시스템에 결합되는 하나의 가스 채널 또는 독립적으로 제 2 가스 공급 시스템에 결합되는 복수개 가스 채널들을 포함할 수 있다. 후자의 경우, 제 2 가스의 조성, 제 2 가스의 유속, 또는 양자 모두는 가스 채널마다 달라질 수도 있다. 부가적으로, 가스 주입 그리드(340)의 온도는, 냉각시에는 가스 주입 그리드(340)로부터 (도시되어 있지 않은) 열 교환기로 열을 전달하기 위해 또는 가열시에는 열 교환기로부터 가스 주입 그리드(340)로 열을 전달하기 위해, 유체 채널 어레이(376)를 통해 열 전달 유체를 순환시키는 것에 의해 제어될 수 있다. 유체 채널 어레이(376)는 온도 제어 시스템에 결합되는 하나의 유체 채널 또는 독립적으로 온도 제어 시스템에 결합되는 복수개 유체 채널들을 포함할 수 있다. 후자의 경우, 열 전달 유체의 조성, 열 전달 유체의 온도, 열 전달 유체의 유속, 또는 그것에 관한 임의 조합은 유체 채널마다 달라질 수도 있다.
도 10에서 예시된 바와 같이, 제 1 가스는 가스 라인들의 제 1 어레이(354)를 경유하여 제 1 가스 채널 어레이(356)에 결합된다. 제 1 가스는, 도 1에서 묘사된 제 1 가스 공급 시스템(150)과 같은, 제 1 가스 공급 시스템을 결합하기 위한 포인트를 허용하는 가스 피팅들(gas fittings)의 제 1 어레이(352)를 통해 가스 라인들의 제 1 어레이(354)에 결합된다. 예를 들어, 가스 피팅들의 제 1 어레이(352)는 상위 챔버 부분(312)에 배치될 수 있고, 가스 라인들의 제 1 어레이(354)는 상위 챔버 부분(312)을 통해 가스 주입 그리드(340)로 통과될 수 있으므로, 가스 밀봉 장치들의 제 1 어레이(358)가 이용되어 제 1 가스의 누설을 방지한다. 예를 들어, 가스 밀봉 장치들의 제 1 어레이(358)는 하나 이상의 엘라스토머 오링들을 포함할 수 있다.
도 11에서 예시된 바와 같이, 제 2 가스는 가스 라인들의 제 2 어레이(364)를 통해 제 2 가스 채널 어레이(366)에 결합된다. 제 2 가스는, 도 1에서 묘사된 제 2 가스 공급 시스템(160)과 같은, 제 2 가스 공급 시스템을 결합하기 위한 포인트를 허용하는 가스 피팅들의 제 2 어레이(362)를 통해 가스 라인들의 제 2 어레 이(364)에 결합된다. 예를 들어, 가스 피팅들의 제 2 어레이(362)는 상위 챔버 부분(312)에 배치될 수 있고, 가스 라인들의 제 2 어레이(364)는 상위 챔버 부분(312)을 통해 가스 주입 그리드(340)로 통과될 수 있으므로, 가스 밀봉 장치들의 제 2 어레이(368)가 이용되어 제 2 가스의 누설을 방지한다. 예를 들어, 가스 밀봉 장치들의 제 1 어레이(368)는 하나 이상의 엘라스토머 오링들을 포함할 수 있다.
부가적으로, 도 12에서 예시된 바와 같이, 열 전달 유체는 유체 라인들의 어레이(374)를 경유하여 유체 채널 어레이(376)에 결합된다. 열 전달 유체는, 도 1에서 묘사된 온도 제어 시스템(170)과 같은, 온도 제어 시스템을 결합하기 위한 포인트를 허용하는 유체 피팅들의 어레이(372)를 통해 유체 라인들의 어레이(374)에 결합된다. 예를 들어, 유체 피팅들의 어레이(372)가 상위 챔버 부분(312)에 배치될 수 있고, 유체 라인들의 어레이(374)는 상위 챔버 부분(312)을 통해 가스 주입 그리드(340)로 통과될 수 있으므로, 유체 밀봉 장치들의 어레이(378)가 이용되어 열 전달 유체의 누설을 방지한다. 예를 들어, 유체 밀봉 장치들의 어레이(378)는 하나 이상의 엘라스토머 오링들을 포함할 수 있다.
이제 도 13 및 도 14를 참조하면, 가스 주입 그리드의 상면도가 도시된다. 도 13에서는, 통로들(342A)의 직사각형 분포를 구비하는 가스 주입 그리드(340A)가 묘사된다. 예를 들어, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 가스는 3개의 별도 가스 라인들(354A, 354B, 및 354C)을 통해 3개의 가스 채널들(356A, 356B, 및 356C)에 결합된다. 도시되어 있지는 않지만, 별도의 질량 흐름 컨트롤러(mass flow controller) 또는 질량 흐름 컨트롤러들의 별도 어레이가 가스 라인 각각에 결합될 수 있다.
도 14에서는, 가스 주입 그리드가 통로들(342B)의 원형 분포를 구비하는 가스 주입 그리드(340B)가 묘사된다. 예를 들어, 도 14에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 가스는 3개의 별도 가스 라인들(354A, 354B, 및 354C)을 통해 독립적으로 3개의 가스 채널들(356A, 356B, 및 356C)에 결합된다. 도시되어 있지는 않지만, 별도의 질량 흐름 컨트롤러(mass flow controller) 또는 질량 흐름 컨트롤러들의 별도 어레이가 가스 라인 각각에 결합될 수 있다.
제 1 가스는 플라즈마 형성 가스 또는 이온화 가능 가스를 구비한다. 예를 들어, 제 1 가스는, 희 가스(즉, 헬륨, 아르곤, 제논, 크립톤, 네온)와 같은, 비활성 가스를 포함할 수 있다. 제 2 가스는 프로세스 가스를 구비한다. 예를 들어, 제 2 가스는, Cl2, HBr, SF6, NF3 등과 같은, 할로겐 함유 가스를 포함할 수 있다. 부가적으로, 예를 들어, 제 2 가스는, CF4, C4F6, C4F8, C5F8과 같은, CxFy 함유 가스를 포함할 수 있는데, 여기에서, x 및 y는 1 이상의 정수들이다.
도 10 내지 도 14에서 묘사된 가스 주입 그리드(340;340A, 340B)는 알루미늄과 같은, 금속 또는, 알루미나와 같은, 세라믹으로부터 가공될 수 있다. 다른 방법으로, 가스 주입 그리드(340)는 석영, 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 또는 카본으로부터 가공될 수도 있다. 부가적으로, 가스 주입 그리드(340)는 코팅으로 보호될 수도 있다. 예를 들어, 코팅은 표 면 양극산화(anodization), 플라즈마 전해 산화를 사용해 형성되는 코팅, 또는 열적 스프레이 코팅과 같은 스프레이 코팅 중 하나를 구비할 수 있다. 일례에서, 코팅은 Al2O3 및 Y2O3 중 하나 이상을 구비할 수 있다. 다른 일례에서, 코팅은 Ⅲ-주기 원소(주기율표의 Ⅲ-주기) 및 란탄족 원소 중 하나 이상을 구비한다. 다른 일례에서, Ⅲ-주기 원소는 이트륨, 스칸듐, 및 란타늄 중 하나 이상을 구비한다. 다른 일례에서, 란탄족 원소는 세륨, 디스프로슘, 및 유러퓸 중 하나 이상을 구비한다. 다른 실시예에서, 코팅을 형성하는 화합물은 Y2O3(Yttria), Sc2O3, Sc2F3, YF3, La2O3, CeO2, Eu2O3, 및 DyO3 중 하나 이상을 구비한다. 다른 일례에서, 코팅은 Keronite(Keronite Limited, Advanced Surface Technology, PO Box 700, Granta Park, Great Abington, Cambridge CB1 6ZY, UK로부터 구입 가능한 표면 코팅 처리)를 구비할 수도 있다. 다른 일례에서, 코팅은 실리콘, 실리콘 카바이드, 알루미나, 테플론(Teflon), 베스펠(Vespel), 또는 캡톤(Kapton) 중 하나 이상을 구비할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 기판(125)은 기계적 클램핑 시스템 또는, 정전기적 클램핑 시스템과 같은, 전기적 클램핑 시스템에 의해 기판 홀더(120)에 부착될 수 있다. 더 나아가, 기판 홀더(120)는 기판 홀더(120)로부터 열을 수신하고 열을 (도시되어 있지 않은) 열 교환기 시스템으로 전달하거나, 가열할 때는, 열 교환기 시스템으로부터 열을 전달하는 재순환 냉매 흐름을 포함하는 냉각 시스템을 더 포함할 수 있다. 더 나아가, 가스는 후면 가스 시스템에 의해 기판(125)의 후면으로 전달되어 기판(125)과 기판 홀더(120) 사이의 가스-갭 열전도율(gas-gap thermal conductance)을 향상시킬 수 있다. 그러한 시스템은, 상승되거나 감소된 온도들에서 기판의 온도 제어가 요구될 때 이용될 수 있다. 예를 들어, 후면 가스 시스템은 투 존 가스 분배 시스템(two-zone gas distribution system)을 구비할 수 있는데, 이 경우, 헬륨 가스 갭 압력은 기판(125)의 중앙과 에지 사이에서 독립적으로 변경될 수 있다. 다른 실시예들에서, 저항성 가열 소자들과 같은, 가열/냉각 소자들 또는 열전(thermo-electric) 히터들/쿨러들이 기판 홀더(120) 뿐만 아니라 프로세싱 챔버(110)의 챔버 벽 및 플라즈마 프로세싱 시스템(100)내의 임의의 다른 컴포넌트에 포함될 수 있다.
더 나아가, 기판 홀더(120)는, 그를 통해, RF(radio frequency) 전력이 프로세스 공간(118)의 프로세싱 플라즈마에 결합되는 전극을 구비할 수 있다. 예를 들어, 기판 홀더(120)는, (도시되어 있지 않은) RF 발생기로부터 (도시되어 있지 않은) 임피던스 정합 네트워크를 통한 기판 홀더(120)로의 RF 전력 전송에 의해, RF 전압에서 전기적으로 바이어스될 수 있다. RF 바이어스를 위한 통상적인 주파수는 약 0.1 MHz에서 약 100 MHz의 범위에 해당될 수 있다. 플라즈마 프로세싱을 위한 RF 바이어스 시스템들은 당업자들에게 널리 공지되어 있다.
다른 방법으로, RF 전력은 다수 주파수들에서 기판 홀더 전극에 인가된다. 더 나아가, 임피던스 정합 네트워크는, 반사되는 전력을 감소시키는 것에 의해, 플라즈마 프로세싱 챔버(10)에서 플라즈마로의 RF 전력 전송을 향상시키는 기능을 한다. 정합 네트워크 토폴로지들(예를 들어, L-형, π-형, T-형 등) 및 자동 제어 방법들이 당업자들에게 널리 공지되어 있다.
온도 제어 시스템(170)은 가스 주입 그리드(130)의 온도를 제어하는데 필요한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 온도 제어 시스템(170)은 열 전달 유체의 온도를 제어하기 위한 열 교환기, 열 전달 유체를 가스 주입 그리드(130)의 하나 이상의 채널들로 전달하고 열 전달 유체의 유속을 제어하기 위한 펌프 및 질량 흐름 컨트롤러, 온도 감지 장치들, 컨트롤러 등을 포함할 수 있다.
전기 바이어스 제어 시스템(175)은 가스 주입 그리드(130)를 전기적으로 바이어스하는데 필요한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 전기 바이어스는 DC(direct current) 전기 바이어스, AC(alternating current) 전기 바이어스, 또는 그것에 관한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기 바이어스는 RF 전기 바이어스를 포함할 수 있다. 전기 바이어스 제어 시스템(175)은 전압/전류 소스 또는 전력 소스, 전압, 전류 또는 임피던스 측정 장치들, 컨트롤러 등을 포함할 수 있다.
예시적인 도 1의 펌핑 시스템(180)은 약 5000 리터/초(및 그 이상)까지의 펌핑 속도가 가능한 TMP(turbo-molecular vacuum pump) 및 챔버 압력을 스로틀링하기 위한 게이트 밸브를 포함할 수 있다. 건식 플라즈마 에칭에 이용되는 전통적인 플라즈마 프로세싱 장치들에서는, 일반적으로 1000 내지 3000 리터/초의 TMP가 이용된다. 더 나아가, (도시되어 있지 않은) 챔버 압력을 모니터링하기 위한 장치가 프로세싱 챔버(110)에 결합될 수 있다. 압력 측정 장치는, 예를 들어, MKS Instruments, Inc.(Andover, MA)로부터 구입 가능한 Type 628B Baratron 앱솔루트 캐패시턴스 마노미터(absolute capacitance manometer)일 수 있다.
여전히 도 1을 참조하면, 제어 시스템(190)은 마이크로프로세서, 메모리 및, 플라즈마 프로세싱 시스템(100)으로 입력들을 전달하고 그 입력들을 활성화하기에 충분한 제어 전압들을 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라 플라즈마 프로세싱 시스템(100)으로부터의 출력들을 모니터링할 수 있는 디지털 I/O 포트를 구비할 수 있다. 더 나아가, 컨트롤러(190)는 프로세싱 챔버(110), 기판 홀더(120), 플라즈마 소스(130), 가스 주입 그리드(140), 제 1 가스 공급(150), 제 2 가스 공급(160), 온도 제어 시스템(170), 전기 바이어스 제어 시스템(175), 및 펌핑 시스템(180)에 결합될 수 있고 그들과 정보를 교환할 수 있다. 예를 들어, 메모리에 저장된 프로그램은, 에칭 프로세스 또는 증착 프로세스를 수행하기 위해, 프로세스 레시피에 따라 플라즈마 프로세싱 시스템(100)의 상기 컴포넌트들로의 입력들을 활성화하는데 이용될 수 있다. 컨트롤러(190)의 일례는 Dell Corporation, Austin, Texas로부터 구입 가능한 DELL PRECISION WORKSTATION 610TM이다.
컨트롤러(190)는 플라즈마 프로세싱 시스템(100)과 관련하여 국지적으로 배치될 수 있거나, 플라즈마 프로세싱 시스템(100)과 관련하여 원격적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(190)는 직접 접속, 인트라넷, 인터넷 및 무선 접속 중 하나 이상을 사용해 플라즈마 프로세싱 시스템(100)과 데이터를 교환할 수 있다. 컨트롤러(190)는, 예를 들어, 고객 위치(즉, 장치 제작자 등)에서 인트라넷에 결합될 수 있거나, 예를 들어, 벤더 위치(즉, 장비 제조자 등)에서 인트라넷에 결합될 수 있다. 추가적으로, 예를 들어, 컨트롤러(190)는 인터넷에 결합될 수도 있다. 더 나아가, 다른 컴퓨터(즉, 컨트롤러, 서버 등)가, 예를 들어, 컨트롤러(190)에 액세스하여 직접 접속, 인트라넷, 및 인터넷 중 하나 이상을 통해 데이터를 교환할 수도 있다. 당업자들이라면 알 수 있는 바와 같이, 컨트롤러(190)는 무선 접속을 통해 플라즈마 프로세싱 시스템(100)과 데이터를 교환할 수도 있다.
이제 도 15를 참조하면, 플라즈마 프로세싱 시스템의 조작 방법이 설명된다. 본 방법은 도 1 내지 도 14의 어떤 것에서 설명된 플라즈마 프로세싱 시스템과 같은, 플라즈마 프로세싱 시스템에 기판을 배치하는 단계 510에서 시작하는 흐름도(500)를 포함한다. 예를 들어, 기판은 플라즈마 공간을 정의하도록 구성된 상위 챔버 부분 및 프로세스 공간을 정의하도록 구성된 하위 챔버 부분을 가진 프로세싱 챔버에 배치될 수 있다.
520에서는, 제 1 가스가 상위 챔버 부분과 하위 챔버 부분 사이에 배치된 가스 주입 그리드로부터 플라즈마 공간으로 도입된다. 530에서는, 제 2 가스가 가스 주입 그리드로부터 프로세스 공간으로 도입된다.
540에서는, 상위 챔버 공간에 결합된 플라즈마 소스를 사용해 제 1 가스로부터 플라즈마 공간에서 플라즈마가 형성된다. 550에서는, 가스 주입 그리드를 통해 프로세스 공간을 플라즈마 공간에 결합하는 것에 의해 프로세스 공간에서 기판을 처리하기 위한 공정 화학이 형성된다.
이제 도 16을 참조하면, 실시예에 따른, 플라즈마 프로세싱 시스템에서 균일성을 제어하는 방법이 제공된다. 본 방법은 기판을, 도 1 내지 도 14의 어떤 것에서 설명된 플라즈마 프로세싱 시스템과 같은, 플라즈마 프로세싱 시스템에 배치하 는 단계 610으로 시작하는 흐름도(600)를 구비한다. 예를 들어, 기판은 플라즈마 공간을 정의하도록 구성된 상위 챔버 부분 및 프로세스 공간을 정의하도록 구성된 하위 챔버 부분을 가진 프로세싱 챔버에 배치될 수 있다.
620에서는, 제 1 가스가 상위 챔버 부분과 하위 챔버 부분 사이에 배치된 가스 주입 그리드로부터 플라즈마 공간으로 도입된다. 플라즈마 공간으로의 제 1 가스 도입은 상술된 바와 같이 가스 주입 그리드에 형성된 다수 영역들로부터 발생한다. 제 1 가스를 도입하기 위한 영역 각각은 하나 이상의 주입 오리피스들을 가진 가스 주입 그리드에 형성된 가스 채널을 포함하고, 가스 채널은 제 1 가스 공급 시스템에 독립적으로 결합된다. 각각의 영역은, 예를 들어, 도 13 및 도 14에서 예시된 바와 같이, 방사 방향들로 형성될 수 있다.
630에서는, 제 2 가스가 가스 주입 그리드로부터 프로세스 공간으로 도입된다. 선택적으로, 플라즈마 공간으로의 제 2 가스 도입은 상술된 바와 같이 가스 주입 그리드에 형성된 다수 영역들로부터 발생한다. 제 2 가스를 도입하기 위한 영역 각각은 하나 이상의 주입 오리피스들을 가진 가스 주입 그리드에 형성된 가스 채널을 포함하고, 가스 채널은 제 2 가스 공급 시스템에 독립적으로 결합된다. 각 영역은, 예를 들어, 도 13 및 도 14에서 제 1 가스를 위해 예시된 방식과 유사하게, 방사 방향들로 형성될 수 있다.
640에서는, 기판의 프로세싱에 대한 공간 제어를 제공하기 위해, 플라즈마 공간으로의 제 1 가스 흐름이 조정된다. 플라즈마 공간으로의 제 1 가스의 국지적 유속은 국지적 플라즈마 밀도를 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 플라 즈마 소스의 고전력 동작 동안, 뜨거운 플라즈마가 과열될 수 있고, 그에 따라, 유속의 증가는 제 1 가스의 지나친 이온화를 초래할 수 있다(즉, 플라즈마 밀도가 증가한다). 다른 방법으로, 예를 들어, 플라즈마 소스의 저전력 동작 동안, 뜨거운 플라즈마는 그 상태를 유지하고, 유속의 증가는 전자 온도의 억제(즉, 중성자들과 전자들 사이의 충돌들의 억제)를 초래함으로써, 플라즈마 밀도의 감소를 초래할 수 있다. 일례에서, 가스 주입 그리드는, 상술된 바와 같이, 플라즈마 공간으로 제 1 가스를 도입하기 위한 다수 영역들을 포함할 수 있다. 영역 각각을 위한 유속은, 플라즈마 공간에서 특정 프로세스를 위한 플라즈마 밀도의 최적 공간 분포를 실현하기 위해, 에칭 또는 증착 프로세스를 위한 프로세스 레시피내에서 이용될 수 있다. 예를 들어, DOE(design of experiment)가 수행되어 최적 결과들을 발생시키기 위한 영역들 각각을 위한 유속들의 최적 세트를 판정할 수 있다.
선택적으로, 프로세스 공간으로의 제 2 가스 흐름은 기판의 공간적으로 균일한 프로세싱을 제공하기 위해 조정된다.
650에서는, 상위 챔버 부분에 결합된 플라즈마 소스를 사용해 제 1 가스로부터 플라즈마 공간에서 플라즈마가 형성된다. 660에서는, 가스 주입 그리드를 통해 프로세스 공간을 플라즈마 공간에 결합하는 것에 의해, 프로세스 공간에서 공정 화학이 형성된다.
이상에서는 이 발명에 대한 소정의 예시적 실시예들만이 상세하게 설명되었지만, 당업자들이라면, 이 발명의 신규한 교수들 및 이점들을 벗어나지 않으면서, 예시적 실시예들에서의 다수 변경들이 가능하다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 변경들 모두는 이 발명의 범위내에 포함되는 것이다.

Claims (28)

  1. SWP(surface wave plasma) 소스로서,
    EM(electromagnetic)파 론처로서, 플라즈마에 인접한 상기 EM파 론처의 플라즈마 표면에서 표면파를 발생시킴으로써, 원하는 EM파 모드의 EM 에너지를 상기 플라즈마에 결합하도록 구성된, 상기 EM파 론처;
    상기 EM파 론처에 결합되어, 상기 플라즈마를 형성하기 위해 상기 EM 에너지를 상기 EM파 론처에 제공하도록 구성된 전력 결합 시스템; 및
    상기 EM파 론처의 상기 플라즈마 표면에 결합되어, 상기 소정 EM파 모드와 다른 EM파 모드 사이의 모드 건너뛰기를 감소시키도록 구성된 모드 스크램블러
    를 포함하는 SWP 소스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 EM파 론처는 상기 소정 EM파 모드를 TMO1 모드로서 결합하도록 구성된 것인, SWP 소스.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 모드 스크램블러는 상기 EM파 론처의 상기 플라즈마 표면에 결합된 하나 이상의 홀들을 포함하는 것인, SWP 소스.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 하나 이상의 홀들은, 가스가 흐르도록 구성된 하나 이상의 가스 홀들을 포함하는 것인, SWP 소스.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 하나 이상의 홀들은 하나 이상의 블라인드 홀들을 포함하는 것인, SWP 소스.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 하나 이상의 블라인드 홀들의 사이즈, 지오메트리, 수, 또는 분포 중 하나 이상은 공간 제어형 플라즈마(spatially controlled plasma)를 발생시키도록 선택되는 것인, SWP 소스.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 하나 이상의 블라인드 홀들은 폭 및 깊이를 특징으로 하는 것인, SWP 소스.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 하나 이상의 블라인드 홀들의 상기 폭 및 상기 하나 이상의 블라인드 홀들의 상기 깊이는 실질적으로 동일한 것인, SWP 소스.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 하나 이상의 블라인드 홀들의 상기 폭 및 상기 하나 이상의 블라인드 홀들의 상기 깊이는 1 mm 이하인 것인, SWP 소스.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 하나 이상의 블라인드 홀들은 SiO2를 포함하는 재료 로 채워지는 것인, SWP 소스.
  11. 제 5 항에 있어서, 상기 하나 이상의 블라인드 홀들은 SiO2보다 작은 유전 상수를 갖는 저 유전 상수 재료를 포함하는 재료로 채워지는 것인, SWP 소스.
  12. 제 5 항에 있어서, 상기 하나 이상의 블라인드 홀들은 플라즈마 어레스터(plasma arrestor)로 채워지는 것인, SWP 소스.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 플라즈마 어레스터는 구형 펠릿을 포함하는 것인, SWP 소스.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 구형 펠릿은 SiO2 또는 SiO2보다 작은 유전 상수를 갖는 저유전 상수 재료를 포함하는 것인, SWP 소스.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전력 결합 시스템은 RF(radio frequency) 전력 결합 시스템을 포함하는 것인, SWP 소스.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전력 결합 시스템은 마이크로파 전력 결합 시스템을 포함하는 것인, SWP 소스.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 마이크로파 전력 결합 시스템은,
    2.45 GHz에서 마이크로파 에너지를 발생시키도록 구성된 마이크로파 소스;
    상기 마이크로파 소스의 출구에 결합된 도파관;
    상기 도파관에 결합되어, 상기 마이크로파 에너지가 상기 마이크로파 소스로 되전파하는 것을 방지하도록 구성된 아이솔레이터; 및
    상기 아이솔레이터에 결합되어, 상기 마이크로파 에너지를 동축 피드(coaxial feed)에 결합하도록 구성된 동축 컨버터로서, 상기 동축 피드는 부가적으로 상기 EM파 론처에도 결합되는 것인, 상기 동축 컨버터
    를 포함하는 것인, SWP 소스.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 전력 결합 시스템은 EM 에너지를 상기 EM파 론처에 결합하기 위한 동축 피드를 포함하고,
    상기 EM파 론처는 슬롯 안테나를 포함하고, 상기 슬롯 안테나의 일단(one end)은 상기 동축 피드의 내부 도체에 결합되고 타단(another end)은 상기 동축 피드의 외부 도체에 결합되며,
    상기 슬롯 안테나는, 상기 EM 에너지를, 상기 내부 도체와 상기 외부 도체 사이의 상기 슬롯 안테나 위쪽의 제 1 영역으로부터, 상기 슬롯 안테나 아래쪽의 제 2 영역으로 결합하도록 구성된 하나 이상의 슬롯들을 포함하는 것인, SWP 소스.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 EM파 론처는,
    상기 제 1 영역에 배치되어 상기 EM 에너지의 실효 파장(effective wavelength)을 자유 공간에서의 파장에 비해 감소시키도록 구성된 저속파 플레이트; 및
    상기 제 2 영역에 배치되며 상기 EM파 론처의 상기 플라즈마 표면을 포함하는 하부면을 가진 공진기 플레이트를 더 포함하는 것인, SWP 소스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 저속파 플레이트 및 상기 공진기 플레이트는 실질적으로 동일한 재료 조성을 포함하는 것인, SWP 소스.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 저속파 플레이트 및 상기 공진기 플레이트는 상이한 재료 조성들을 포함하는 것인, SWP 소스.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 저속파 플레이트 및 상기 공진기 플레이트는 본질적으로 석영으로 이루어진 것인, SWP 소스.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 공진기 플레이트는, 플라즈마의 공간적 균일성을 향상시키도록 구성된 하나 이상의 동심 그루브를 포함하는 것인, SWP 소스.
  24. 제 19 항에 있어서, 상기 공진기 플레이트는 높은 유전 상수(높은-k) 재료를 포함하고, 상기 높은 유전 상수 재료는 4의 값보다 큰 유전 상수를 갖는 것인, SWP 소스.
  25. 제 19 항에 있어서, 상기 공진기 플레이트는 석영, 진성 결정 실리콘, 알루미나, 및 사파이어 중 하나 이상을 포함하는 것인, SWP 소스.
  26. 제 1 항에 있어서, 상기 EM파 론처에 결합되어 상기 SWP 소스를 상기 플라즈마로부터 보호하도록 구성된 커버 플레이트를 더 포함하는 SWP 소스.
  27. SWP(surface wave plasma) 소스로서,
    EM(electromagnetic)파 론처로서, 플라즈마에 인접한 상기 EM파 론처의 플라즈마 표면에서 표면파를 발생시킴으로써, 원하는 EM파 모드의 EM 에너지를 상기 플라즈마에 결합하도록 구성된, 상기 EM파 론처;
    상기 EM파 론처에 결합되어, 상기 플라즈마를 형성하기 위해 상기 EM 에너지를 상기 EM파 론처에 제공하도록 구성된 전력 결합 시스템; 및
    상기 소정 EM파 모드와 다른 EM파 모드 사이에서 모드 건너뛰기를 감소시키기 위한 수단
    을 포함하는 SWP 소스.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 EM파 론처에 부착되어, 상기 SWP 소스의 부식을 감 소시키기 위한 수단을 더 포함하는 SWP 소스.
KR1020077003455A 2004-09-30 2005-08-10 표면파 플라즈마 소스와 플라즈마 공간 사이의 결합을향상시키기 위한 방법 및 시스템 KR101185682B1 (ko)

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