KR20080076985A - 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법 - Google Patents
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Abstract
정전 척의 절연층의 메사 구성의 지면 밀도를 구성함으로써 정전 척의 열 전달 계수 프로파일을 변경하는 방법이 제공된다. 정전 척의 절연층의 메사 구성의 높이의 조절 또는 초기 제작에 의해 정전 척의 용량 프로파일을 변경하는 방법이 또한 제공된다. 주어진 사이트에서의 열 전달 계수는 열 플럭스 프로브를 사용하여 측정될 수 있는 반면, 주어진 사이트에서의 용량은 용량 프로브를 사용하여 측정될 수 있다. 프로브는 척의 절연 표면 상에 위치하고, 단일 측정에서 복수의 메사를 포함할 수도 있다. 척에 걸쳐 이루어지는 복수의 측정은 열 전달 계수 프로파일 또는 용량 프로파일을 제공하며, 이로부터 타겟 메사 지면 밀도 및 타겟 메사 높이가 결정된다. 타겟 밀도 및 높이는 기계적으로 달성되는데; 각각, 타겟 밀도는 종래 메사의 지면 밀도를 기계적으로 조절하면서, 타겟 높이는 계획된 메사 또는 종래 메사 주위의 낮은 영역을 깊게 하거나 생성함으로써 달성된다. 이는, X-Y 표에 대한 레이저 머시닝 또는 그리트 블라스트 머시닝과 같은 제어된 재료 제거에 대한 알려진 기술 중 임의의 것을 이용하여 달성될 수 있다.
정전 척, 메가 구성, 절연층, 열 플럭스 프로브, 용량 프로브
Description
배경기술
반도체 기술이 진보하면서, 트랜지스터 사이즈의 감소는 웨이퍼 프로세스 및 프로세스 장비에 있어서 매우 높은 정도의 정확도, 반복도 및 청정도를 요구한다. 플라즈마 에칭, 플라즈마-강화 화학 기상 증착 (PECVD) 및 레지스트 스트립 등의 플라즈마의 사용을 수반하는 애플리케이션을 포함하여, 반도체 프로세싱에 다양한 유형의 장비가 존재한다. 이들 프로세스에 요구되는 장비의 유형은 플라즈마 챔버 내에 배치되는 컴포넌트를 포함하고, 일관되고 적절히 기능하여야 한다. 비용면에서 효율적이기 위해서, 이러한 컴포넌트는 그 기능성 및 청정도를 유지하면서 종종 수백 또는 수천번의 웨이퍼 사이클을 견뎌야 한다. 이러한 하나의 컴포넌트, 정전 척은 프로세싱 중에 고정 포지션에 반도체 웨이퍼 또는 다른 워크피스를 유지하는데 이용된다. 정전 척은 기계적 클램핑을 채용하는 척보다 더 균일한 클램핑을 제공하고, 진공 척이 이용될 수 없는 진공 챔버 내에서 동작할 수 있다. 그러나, 클램핑의 양태의 변화는 웨이퍼 내의 바람직하지 않은 프로세스 변화를 야기할 수 있다.
개요
정전 척의 절연층의 메사 구성의 지면 밀도를 구성함으로써 정전 척의 열 전 달 계수 프로파일을 변경하는 방법이 제공된다. 주어진 사이트에서의 열 전도는 열 플럭스 프로브를 사용하여 측정될 수 있다. 프로브는 척의 절연 표면 상에 위치하고, 단일 측정에서 복수의 메사 위에 있다. 척 표면에 걸친 복수의 측정치는 타겟 메사 지면 밀도가 결정되는 열 전달 계수 프로파일을 제공한다. 타겟 지면 밀도를 이용하여, 척 상의 메사 구성의 하나 이상의 위치에 대해 기계적 보정이 이루어질 수 있다. 국소 측정 영역 내의 메사의 접촉 영역은 국소 메사 지면 밀도를 원하는 메사 지면 밀도로 변경하기에 충분한 양만큼 감소된다. 이는 X-Y 표에 대한 레이저 머시닝 또는 그리트 블라스트 머시닝 (grit blast machining) 과 같은 제어된 재료 제거에 대해 알려진 기술 중 임의의 것을 이용하여 달성될 수 있다.
정전 척의 절연층의 메사 구성의 높이의 조절 또는 초기 제작에 의해 정전 척의 용량 프로파일을 변경하는 방법이 또한 제공된다. 타겟 메사 높이는 용량 프로브를 이용하여 결정될 수 있다. 프로브는 척의 절연 표면 상에 위치하고, 단일 측정 사이트에서 복수의 메사 위에 있다. 타겟 메사 높이가 결정되는 용량 프로파일을 제공하기 위해 척 표면에 걸쳐 복수의 측정이 이루어질 수 있다. 타겟 높이를 이용하여, 측정 사이트 각각에서 기계적 제작 또는 보정이 발생할 수 있다. 이는 제어된 재료 제거에 관해 알려진 기술 중 임의의 것을 이용하여 달성될 수 있다. 또한, 상이한 높이의 부분들 사이의 천이가 원활할 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 전도성 기본층 및 절연층을 나타내는, 메사가 있는 예시적인 정전 척 의 단면도의 개략도를 도시한다.
도 2는 메사 구성 및 연속적인 에지 부분을 나타낸, 도 1의 척의 평면도이다.
도 3은 히터 블록, 힘을 가하는 메커니즘, HFT 및 실리콘 피스를 포함하는 예시적인 열 플럭스 프로브를 도시한다.
도 4는 도 1 의 정전 척 상에 위치한 도 3 의 열 플럭스 프로브 및 열 흐름을 도시한다.
상세한 설명
실리콘 웨이퍼 등의 반도체 기판용 플라즈마 프로세싱 장치는 반도체, 금속 및 유전체와 같은 재료를 에칭하기 위해 반도체 디바이스 제조 프로세스에 이용되는 플라즈마 에칭 챔버를 포함한다. 플라즈마 프로세싱 장치의 컴포넌트는 프로세싱 동안 고정 포지션에 반도체 웨이퍼 또는 다른 워크피스를 유지하는데 이용되는 정전 척을 포함한다. 정전 척 (ESC; electrostatic chuck) 은 기계 척보다 더 균일한 클램핑 및 더 우수한 웨이퍼의 표면 이용을 제공하고, 진공 척이 이용될 수 없는 진공 챔버에서 동작할 수 있다. 일반적으로, 정전 척은, 척킹 전압이 인가된 하나 이상의 전극과 전기 접촉하는 전도체 상의 전기 절연층을 포함한다. 웨이퍼는 쿨롱 인력에 의해 절연층에 반대되는 포지션에서 지탱된다. 척의 형상은 플라즈마 에칭 시스템에서 보통 이용되는 종래의 디스크를 포함할 수도 있고, 척은 캔틸레버를 이용하는 것과 같이, 다양한 배열에 의해 챔버 내에서 지지될 수도 있다. 절연층은 그루브, 메사, 개구, 오목부, 및 유사한 피처들을 가질 수도 있다.
웨이퍼 균일성 등의 프로세스 산출물에 대한 요구가 증가하면서, 웨이퍼 척은 더 높은 성능을 주도록 요구된다. 예를 들어, 중요한 에칭 애플리케이션에서의 프로세스 제어 문제는 개선된 온도 제어 및 웨이퍼 전면의 용량을 요구한다. 몇몇 에칭 프로세스에서 측면 치수의 정확도의 오차는 온도에 민감할 수 있고 +/- 1 nm/℃ 까지일 수 있다. 따라서, 1-2 nm의 측면 피처의 바람직한 제어는 1℃ 미만의 반복도 및 온도 균일성을 요구한다. 정전 척의 몇몇 유형은 각각 임의의 오차를 도입하는 다수의 컴포넌트부를 포함한다. 예를 들어, 조정가능한 (tunable) 정전 척은 ESC 세라믹, 알루미늄판에의 결합, 박막 히터, 기초판 (baseplate) 에의 결합, 및 기초판 자체를 수반하는 복합 구성이다. 구조의 각 컴포넌트의 균일성의 편차는 더 큰 전체 편차에 기여할 수도 있다. 다수의 컴포넌트를 포함할 수도 있는 정전 척에 적용된 제조 프로세서에서의 자연적 변화의 보상이 유리하다.
메사 구성의 척 (21) 을 제조하는데 있어서, 제작 프로세스는 일반적으로 작은 영역 피처 ("메사") 가 웨이퍼 (11) 를 지지하게 남겨지도록, 절연층의 표면에서 약 5㎛ 내지 약 40㎛의 깊이로 재료를 제거하는 것을 포함한다. 메사는 가상으로 임의의 사이즈, 형상 및 배열일 수 있다. 예를 들어, 메사는 타원형, 다각형, 또는 환상형일 수 있고, 수직벽 또는 경사벽을 가질 수 있으며, 상부 표면은 오목면, 평탄면, 또는 볼록면일 수 있고, 그 코너는 날카롭거나 또는 둥글 수 있다. 메사는 "범프" 형상을 취할 수 있으며, 여기서 부분 구형 형상은 평탄한 표면으로부터 나타난다. 바람직한 메사 형상, 사이즈 및 배열은 각각 수직벽을 갖는 원형이고, 약 1mm의 직경, 약 5mm의 간격을 가지며, 실질적으로 ESC 표면을 커버한다 (21). 연속적인 실링 높은 영역 (12, 22) 은 열전도도를 향상시키는데 이용되는 헬륨과 같은 열 전달 가스의 압력을 지속하도록 웨이퍼 에지 가까이 또는 그 곳에서 종종 유지된다. 이러한 구성에서, 통상적으로 척 표면의 약 3% 내지 약 10% 는 메사 및 에지에서의 실링 영역이다. 유리하게는, 메사 설계는 후면의 입자 감소를 용이하게 하고 디척킹 (dechucking) 을 개선한다.
메사 및 실링 영역은 일반적으로 전기 절연 재료의 하나 이상의 층으로부터 형성된다. 이러한 절연 재료의 예는 실리콘 질화물, 실리콘 이산화물, 알루미나, 탄탈륨 오산화물 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
도 1 및 도 2는 메사를 이용한 정전 척 어셈블리의 버전을 도시한다. 정전 척 어셈블리 (10) 는 도전성 지지체 (18), 전기 절연층 (19), 전기 절연층의 높은 영역 (13, 23), 및 전기 절연층의 낮은 영역 (14, 24) 을 포함한다. 알루미늄과 같은 전도성 금속으로 형성된 도전성 지지체 (18) 는 200 mm 또는 300 mm 웨이퍼와 같이, 워크피스를 플라즈마 프로세싱하기 위한 플라즈마 프로세싱 장치 (미도시) 의 RF 회로에 전기적으로 접속된다. 도 1의 정전 척 어셈블리 (10) 에서, 절연층 (19) 의 하부 표면 (15) 은 도전성 지지체 (18) 와 접촉한다. 절연층 (19) 의 높은 영역 (13) 은 반도체 기판 (미도시) 을 지지한다. 열전대 (thermocouple; 105) 는 온도 측정용 도전성 지지체 (18) 에 통합된다. 냉각 채널 (17) 은 온도 제어 유체 또는 가스의 공급을 위해 도전성 지지체 (18) 에 제 공된다. 특히, 도전성 지지체 (18) 는 바람직하게는 온도 제어 유닛, 즉 재순환 루프 (recirculation loop) 를 통해 흐르는 유체를 이용하여 원하는 온도로 도전성 지지체의 온도를 유지할 수 있는 TCU (미도시) 를 수용하도록 구성된다.
바람직하게는, 알루미늄 지지체 (18) 는 약 1.5 인치 두께이다. 지지체는 웨이퍼 아래에 있도록 설계된 보스 (boss; 16) 를 갖고, 약 0.5 인치의 높이를 가진다. 예를 들어, 200mm 이하의 직경 웨이퍼를 지지하기 위해, 보스는 200mm 직경의 원형인 것이 바람직하다. 절연층 (19) 은 바람직하게는 약 5 mm 미만의 두께, 더 바람직하게는 약 1 mm 두께의 알루미나 또는 AlN 등의 세라믹인 것이 바람직하다. 유전층은 플라즈마 스프레이 재료, 예를 들어, 알루미늄 기판 상의 알루미나일 수 있다. 알루미나의 두께는 바람직하게는 약 25 밀 (635㎛) 이고, 임의의 경우에서, 제조 프로세스 중이거나 또는 사용 중에 물리 또는 전기적 무결성 (integrity) 을 잃지 않고 200 ㎛ 만큼 높은 메사의 생성을 허용하기 충분하게 두꺼워야 한다.
바람직한 실시형태는 웨이퍼 표면에 걸친 타겟 에칭 프로파일을 달성하기 위해 ESC의 메사 구성의 변형을 수반한다. 메사 구성은 2 개의 주요 치수: 메사 높이 및 메사 크기를 이용하여 설명할 수 있다. 실시형태에서, 메사 크기의 제어는 온도를 제어하는 메커니즘으로서 이용되고, 메사 높이의 제어는 용량을 제어하는 메커니즘으로서 이용된다. 각 메커니즘의 평가는 별개로 이루어진다. 메사 크기의 조절을 통해 온도를 제어하는 방법의 바람직한 실시형태는 실시예 1로 주어지고, 메사 높이의 초기 제작 또는 조절을 통해 용량을 제어하는 방법의 바람 직한 실시형태는 실시예 2 및 실시예 3으로 주어진다. 실시예들은 제외할 목적이라기 보다는 예시를 목적으로 한다.
실시예 1:
플라즈마 에칭과 같은 표준 플라즈마 프로세싱 중에, 플라즈마는 웨이퍼를 가열하도록 작용한다. 따라서, 웨이퍼의 온도 변동은 웨이퍼로부터의 열 흐름의 함수이다. 열 흐름의 원리에 따르면, 열 전달은 3가지 방식: 전도, 대류, 방사선의 복사로 발생할 수 있다. 다음의 평가의 경우에, 방사선의 복사는 무시된다. 열 전달 계수 K는 2 개의 물체 사이의 온도 차이의 단위 당 열 흐름으로서 정의된다. 메사로 된 척 상의 웨이퍼의 K는 2 개의 경우, 즉 1) 낮은 영역에 걸쳐 발생하는 열 전달, 및 2) 높은 영역 (메사) 에 걸쳐 발생하는 열 전달로서 높은 영역 및 낮은 영역을 허용함으로써 결정될 수 있다. 낮은 영역의 경우에, 열 전달은 높은 온도의 웨이퍼로부터 가스로의 에너지 전이, 그리고 가스로부터 세라믹층으로의 에너지 전이의 메커니즘을 통해 발생한다. 가스가 자유 분자 흐름 부분 (용기 사이즈보다 매우 큰 평균 자유 경로) 에 있을 수 있더라도, 본 평가의 경우, 열 전달의 본 메커니즘은 대류로 분류된다. 메사의 경우에, 세라믹의 표면 거칠기로 인해, 세라믹과 웨이퍼 사이의 직접적인 접촉은 명목상 접촉 영역 (높은 영역) 보다 더 작은 영역에 걸쳐 발생한다. 가스는 접촉점의 격자 사이에 있고, 대류를 통해 열 전달에 기여한다. 따라서, 메사 상에 발생하는 열 전달은 접촉 (전도) 및 가스 통과 (대류) 모두에 의한다. 가스가 존재하는지 여부에 따라 접촉으로 인한 전도가 존재하지만, 대류는 가스가 존재하지 않는 경우에 낮은 영역에서는 발생하지 않는다. 가스가 존재하는 경우, 두 메커니즘 모두는 높은 영역에 존재하며, 높은 영역이 증가하면서 열 전달이 증가한다는 것을 제시한다. 따라서, 국소 열 전달률은 메사 영역을 국소적으로 변경함으로써 조절가능한데, 즉, 메사 영역의 비율을 증가시키면 열 전달률이 증가하는 반면, 메사 영역의 비율을 감소시키면 열 전달률이 감소한다.
열 플럭스 프로브 (heat flux probe) 는 열 플럭스와 국소 웨이퍼 온도 모두를 측정하는데 이용될 수 있다. 본 평가의 경우, 열 플럭스 프로브의 동작은 2 가지, 즉 1) 주어진 열 플럭스에서 웨이퍼 온도를 측정하거나; 또는 2) 원하는 웨이퍼 온도, 예를 들어, 균일한 온도를 달성하도록 요구되는 온도로 열 플럭스를 조절하는 것 중 하나로 수행될 수 있다. 두 가지 경우에, 통상적으로, 척을 전체적으로 커버하는 정돈된 그리드 패턴으로 복수의 사이트가 배열되도록, 사이트에서 측정이 발생한다. 바람직하게는, 적어도 10 개의 메사가 각 단일 측정에 포함되고, 더 바람직하게는 적어도 30 개의 메사가 포함된다. 처음의 경우에는, 온도 프로파일이 발생하고, 두번째 경우에는 열 플럭스 프로파일이 발생한다.
바람직한 실시형태에서, 온도 프로파일이 발생하고, 정보가 열 전달 계수 (HTC; heat transfer coeffecient) 프로파일을 발생시키는데 이용된다. HTC 프로파일은 웨이퍼에 걸친 열 플럭스의 교체를 초래하기 위해 이후 절연층을 교체하는데 이용된다. 예를 들어, 절연층이 교체되어 온도 프로파일의 관찰된 변화를 보충할 수 있다. 다른 실시형태에서, 절연층이 교체되어 반도체 웨이퍼의 에칭 프로파일의 관찰된 변경을 보충할 수 있다.
바람직한 열 플럭스 측정용 프로브 (31) 의 예시적인 실시형태가 도 3 에 도시된다. 프로브의 단면 형상이 원형으로 제한되지 않더라도, 프로브는 약 1″직경의 수직 실린더 스택으로 구성된다. 프로브의 단면적은 정사각형, 직사각형, 삼각형 또는 임의의 다각형 형상일 수 있다. 스택의 상부에, 히터 블록 (32) 이 위치하고, 히터 블록은 내장형의 조절가능한 소형 히터 및 열전대 (33) 를 포함하고, 히터는 약 50 와트의 최대 전력 출력을 가진다. ¼″직경, 0.25 mm 두께, 279232 CIR-1016 120V 50W 카트리지 히터 등의 예시적인 히터는 펜실베니아, 피츠버그의 Chromalox, Inc.로부터 이용가능하다. 제어되는 열저항 재료로 된 얇은 시트를 포함하는 HFT (Heat Flux Transducer; 34) 가 히터 블록 아래에 근접하여 부착된다. 온도 센서 (35) 는 서모파일을 형성하고, HFT의 상하부 표면에 부착된다. 도 3에 도시된 것과 같은 HFT, 예를 들어, 버지니아, Christiansburg의 Vetell Corp로부터의 모델 BF-04 HFT가 시판된다. HFT는 상이한 사이즈로 이용가능하고, 하부 센서 온도뿐만 아니라, 플럭스의 판독을, 예를 들어, mV/(W/cm2) 로 제공한다. Vatell로부터의 AMP-12 등의 증폭기 (미도시) 가 HFT와 협력하여 이용된다.
실리콘 웨이퍼의 측정을 시뮬레이션하기 위해, HFT와 대략적으로 동일한 영역에 있는 실리콘 웨이퍼 (36) 의 피스가 HFT 아래에 근접하게 부착된다. 따라서, 하부 센서로부터의 온도 측정치는 웨이퍼 온도의 측정치이다. HFT에의 부착 모두는 높은 열도전도 결합 재료로 이루어진다. 접촉을 용이하게 하기 위해 프로브에 하향 힘이 적용될 수 있다. 예를 들어, ESC 클램핑 힘의 양, 예를 들어, 40 Torr로 근사하도록 힘의 양이 이용될 수 도 있다. 프로브 (31) 에서, 하향힘은 데드웨이트 (deadweight; 37) 및 하향힘을 공평하게 분배하는 메커니즘 (38) 으로 나타내지만, 힘을 적용 및 분배하는 다른 메커니즘도 이용될 수 있다. 추가적으로, 척 온도는 측정 중에 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
예시적인 척 상에 배치된 예시적인 프로브에 대한 묘사가 도 4 에 도시된다. 열 플럭스 Q (41) 는 웨이퍼 피스를 통해 히터 블록으로부터 프로브 영역 Ap 상의 척으로 흐른다. Q 및 Ap 모두는 이러한 평가를 목적으로 상수로서 취급된다. 도전성 지지체와 웨이퍼 사이의 온도 차이 (42) 는 ΔT로 표시하고, 프로브 영역 내의 유효 열 전달 계수는 Keff로 표시한다. Keff는 접촉을 통한 전도 및 가스를 통한 대류를 개별적으로 취급함으로써 결정될 수 있다. 각각 접촉 및 가스를 지칭하는 아래첨자 "c" 및 "g"를 이용하면, Kc는 접촉으로 인한 열 전달 계수이고, Kg는 가스로 인한 열 전달 계수이다. 초기 메사 영역 밀도 αi=Ai/Ap는 웨이퍼 피스와 명목상 접촉하는 상승된 표면을 갖는 프로브 영역 내의 척의 절연층의 초기 분수이고, αf는 바람직한 조절이 이루어진 후에 웨이퍼 피스와 명목상 접촉하는 상승된 표면을 갖는 최종 메사 영역 밀도이다. 명목상이란 상부에서의 메사의 평면에 상당하는 표면을 의미하는데 이용되고, 여기서 메사는 웨이퍼를 지지한다. 즉, 거칠기 및 비평행성을 무시하면, α는 웨이퍼의 지지 표면에서의 프로 브 영역 Ap 내의 메사의 총단면적이다. 따라서, 상이한 세부적인 기하하적 메사 구조, 예를 들어, 사각단면 대 원형 단면 또는 수직벽 대 경사벽은 상이한 α를 가질 필요가 없다. 소정의 프로브 측정의 경우, 타겟 높은 영역, 따라서 프로브 아래의 높은 영역이 원하는 온도 분포를 달성하기 위해 감소되어야 하는 양을 결정하도록 αf가 구해진다. 소정의 프로브 측정 영역에 αf를 제공하는 수학식은 다음과 같이 결정된다.
바람직한 실시형태에서, 메사 구성의 국소화된 영역의 타겟 HTC는 재료의 제거에 의해 달성된다. 상술한 논의에 따르면, 재료의 제거는 웨이퍼로부터의 열 플럭스의 감소를 발생시켜 웨이퍼 온도를 증가시킨다. 따라서, 재료 제거만을 이용하여, 적어도 측정된 ΔT 중에서 가장 높은 것과 같은 타겟 ΔT를 선택함으로써 원하는 웨이퍼 온도가 달성될 수 있다. 척에 걸친 모든 사이트에 대한 타겟 ΔT는 이와 같이 선택되고 ΔT0으로 표시되며, 일반적으로 ε로 표시된 양만큼, 측정된 ΔT, 개별적으로는 ΔTm으로 표시된 것과 상이하며,
이다.
조절의 목적은 이후 ε를 0으로 가져가는 것이다. q를 단위 면적 당 열 플럭스로 정의하면, 일반 열 전달 수학식은
과 같이 주어진다.
상술한 바와 같이, 유효 열 전달 계수 Keff는 2 개의 성분: 낮은 부분에서의 대류만의 열 전달, 및 높은 부분에서의 전도 더하기 대류의 열 전달로 구성된다. 접촉 영역이 (접촉하고 있지 않은 높은 영역과 낮은 영역 모두를 포함하는) 비접촉 영역보다 매우 작은 경우에, 타겟 구성에 대한 Keff는 Kg + αfKc로 표현될 수 있다. 프로브 히터 전력을 변화시키고, 척 상의 모든 곳에서 명확한 판독을 야기하는 값, 및 상이한 메사 지면 밀도 (Mesa Areal Density) 를 갖는 부분 사이의 명확한 차이를 보이는 값을 선택함으로써 원하는 열 플럭스 Q가 선택된다. 예시적인 열 플럭스는 약 0.2 내지 약 2.0 W/cm2이고, 히터의 온도는 열 플럭스에 의해 결정된다.
초기 유효 열 전달 계수를 Ki=q/ΔTm으로 표시하고, q/ΔT0의 Keff의 타겟 값을 이용하면, 수학식 1은 수학식 2를 이용하여
와 같이 다시 기재될 수 있다.
γ를 Kg/Kc로 정의하고, 수학식 3를 재배열하면,
이다.
각 Ki의 x-y 좌표와 함께, 복수의 측정 사이트에 대해 결정된 Ki 세트는 HTC 프로파일을 결정하는데 이용될 수 있다. 추가적으로, 수학식 3을 이용하여, ε 세트와 함께 취해진 Ki 세트는 타겟 구성에 대한 Keff, 따라서 타겟 HTC 프로파일을 결정하는데 이용될 수 있다. 유사하게, 각 αf의 x-y 좌표와 함께 복수의 측정 사이트에 대해 결정된 αf 세트는 타겟 메사 구성의 지면 컴포넌트를 결정한다.
소정의 척의 경우, γ는 일정한 것으로 가정된다. 이는 Kc에 고유한 1차 팩터가 명백히 재료 자체 및 재료의 표면 마무리이기 때문이고, 이들 모두는 척 상의 임의의 곳에서 이루어진 측정에 대해 일정한 것이 바람직하다. Kg는 이용된 재료와 가스압의 함수이고, 이는 또한 일정하다고 가정된다. 또한, γ는 상이하고 알려진 메사 지면 밀도로 상이한 위치에서 K를 측정하고, Kg 및 Kc에 대해 독립적으로 해결함으로써 결정가능하다. 따라서, 이러한 평가의 경우, γ는, 알려지고 일정한 것으로 가정된다.
원하는 테스트 조건을 가능하게 할 뿐만 아니라 척의 지지를 허용하는 장치에서 테스팅이 수행될 수 있다. 적절한 장치는 설정 온도로 척을 유지하도록 구성되고 열 전도 가스의 백필링 (backfill) 할 수 있는 진공 테스트 챔버를 포함 한다. 장치는 프로브의 접촉력을 척에 적용할 수 있을 뿐 아니라 열 플럭스 프로브의 x-y 포지셔닝을 수치 제어하고 지지할 수 있는 것이 바람직하다. 장치는 또한 데이터로부터 타겟 메사 구성을 전자적으로 결정할 뿐만 아니라, 프로브로부터의 측정 데이터 신호를 기록 및 등록할 수 있는 것이 바람직하다.
측정 영역은 오버랩될 수 있거나 또는 일정 거리만큼 분리될 수 있다. 측정 영역들 사이의 부분은 밀도, 요컨대 HTC에서의 갑작스런 변화가 발생하지 않도록 보간된 지면 밀도 또는 점진적 천이 밀도로 조절될 수 있다. 예를 들어, 2 개의 상이한 밀도 사이에서 선형적으로 지면 밀도를 변경함으로써, 보간 (interpolation) 을 초래할 수 있다. 일반적으로, 사이트에서 사이트로의 밀도 천이가 너무 갑작스러우면, 더 정확한 측정 그리드 및/또는 작은 프로브 직경이 요구될 수도 있다. 몇몇 측정 사이트가 생략되게 하거나 또는 불규칙한 패턴으로 측정함으로써 적절한 판독이 획득될 수도 있다.
αf를 결정하는데 필요한 모든 팩터가 이와 같이 결정된다. 모든 이전 논의에 기초하여, 척 상에 위치한 웨이퍼에 걸친 타겟 HTC 프로파일을 달성하기 위해 ESC의 국소화된 메사 영역을 감소시키는 것을 수반하는 프로세스의 바람직한 실시형태는 다음의 실험적인 절차를 포함한다.
1. ESC 클램핑힘의 질량, 예를 들어, 40 Torr로 근사하게 ESC에 힘의 질량이 발생하도록 열 플럭스 프로브를 사이즈화.
2. TCU를 채용함으로써 도전성 지지체의 온도를 일정하게 유지하면서, 진공 챔버 내에서 테스트되도록 ESC를 위치시킴.
3. 척 표면 상의 측정 사이트에 프로브를 포지셔닝.
4. 챔버를 비우고 원하는 헬륨 압력, 예를 들어, 20 Torr로 백필링함.
5. 원하는 열 플럭스 Q를 선택.
6. 알려진 Ap를 이용하여 Q로부터 q를 계산.
7. 결과로서 생긴 웨이퍼 피스 온도 및 도전성 지지체 온도를 측정, 및 기록하여, 그리드 상의 모든 사이트에 대해 Ki=q/ΔTm을 결정.
8. 타겟 ΔT = ΔT0를 선택하고 각 사이트에 대한 ε를 결정.
9. 수학식 4를 이용하여 그리드 상의 모든 사이트에 대해 αf를 결정. αf가 항상 αi 미만인지를 체크.
이하, 척에 걸쳐 더 균일한 열전도도를 달성하기 위해 척에 대해 기계적 보정을 할 수 있다. 측정 영역 내의 메사 지면 밀도는 국소 αi를 αf로 변경하기에 충분한 양만큼 접촉 영역을 감소시키도록 조절된다. 이는, 예를 들어, 라우팅, 레이저 머시닝 또는 그리트 블라스트 머시닝에 의해 제거가 발생하고, X-Y 표의 사용에 의해 좌표 제어가 발생하는, 좌표 제어된 재료 제거에 대해 알려진 기술 중 임의의 것을 이용하여 편리하게 달성될 수 있다. 측정 영역 내의 임의의 수의 메사의 영역을 감소시키거나 또는 몇몇 메사를 완전히 제거하거나, 또는 그 임의의 조합에 의해 영역 감소가 수행될 수 있다. 영역 감소 프로세스는 각 프로 브 측정 사이트에 대해 반복된다.
기계적 보정의 완료 및 모든 측정된 사이트에서 αf를 달성한 후에, 전체 프로세스는 ΔT0 주위의 소정의 허용 대역으로 컴플라이언스를 달성하기 위해 반복될 수 있다. 로봇 공학 및 머신 제어 컴퓨터는 이러한 절차를 자동화하는데 이용될 수 있다는 것을 인식한다.
플라즈마 에칭 챔버에서, 바이어스 RF 전력은 정전 척 전극에 부착된 전압 프로브 측정에 기초하여 조절될 수 있다. 전압 측정시 오차는 에칭 프로세스에 영향을 미칠 수도 있다. 또한, 웨이퍼에 대한 전극의 토포그래피 (topography) 변화는 국소 시스 (sheath) 전위의 변화로 이어지고, 결과적으로 에칭 프로세서 성능의 변화로 이어질 수도 있다. 플라즈마 반응기에서, ESC는 용량성 회로의 일부를 포함하도록 고려될 수도 있으며, 여기서 플라즈마는 제 1 도체이고, ESC의 절연층은 유전체이며, ESC의 전도체는 제 2 도체이다. 바람직한 실시형태는 웨이퍼 표면에 걸쳐 더 균일한 에칭 조건을 달성하기 위해 ESC의 메사 구성의 국소 변경을 수반한다. 국소 변경은 용량을 제어하기 위한 메사 높이의 조절이다. 다른 바람직한 실시형태는 웨이퍼 표면에 걸쳐 균일한 에칭 조건을 달성하기 위해 ESC의 메사 구성의 초기 제작을 수반한다.
용량 프로브는 프로브 헤드와 전도체 사이의 용량을 측정하기 위해 ESC 상에서 이용되는 것이 바람직하다. 뉴저지, Freehold의 Testextra LLC로부터 이용가능한 Protek CM110 과 같이, +/-1 pF 이상의 충분한 정확도의 용량 미터가 이용 될 수 있다. 미터는 직경이 약 1˝인 것이 바람직한 프로브와 함께 이용되고, 상부로부터 연장되는 플라스틱 핸들을 갖는 금속 실린더를 포함한다. 용량 프로브를 이용하여, ESC 상의 미리 선택된 포인트에서 측정이 이루어진다. 바람직하게는, 미리 선택된 포인트는 용량 프로파일의 결정, 즉, 척에 걸친 용량의 프로파일을 허용하며, 규칙적인 그리드 패턴을 형성한다. 복수의 메사가 측정에 포함된다고 가정하면, 메사 어레이의 높은 영역 및 낮은 영역은 측정된 용량 판독에 다르게 기여한다.
실시예 2:
이 실시예는 메사의 초기 제작에 대한 것이고, 여기서 메사가 제작되기 전에, 즉, 절연층의 표면이 평면인 때에 초기 용량 측정이 이루어진다. 메사가 없는 영역으로부터 재료를 제거함으로써 메사가 제작된다. 메사 영역이 되는 영역은 접촉되지 않은 상태로 유지되고, 웨이퍼가 지지되는 높은 영역을 제공한다. (상기의 논의에서 제공된) 메사 지면 밀도가 알려진 절차에 따라 깊이의 결정이 진행되고, 메사는 일정한 높이로 제작될 것이지만, 아직 제작되지 않았다. 메사 영역이 Ap와 비교하여 작다고 가정하면, 낮은 영역에만 관련된 용량 수학식을 기록한다. 갭 (메사가 형성되는 경우에 메사 사이에 있는 영역) 으로 인한 용량에 대한 기호 Cg, 및 갭 아래의 절연층의 용량에 대한 기호 Ci를 이용하면, 타겟 용량 CT (즉, 원하는 메사 높이에서 달성된 메사들 사이의 영역의 용량) 는
와 같이 표현될 수 있다. C = εA/d로부터,
이며, 여기서 εi는 절연층의 유전 상수이고, di는 갭 아래의 절연층의 두께이며, dg는 갭의 높이이다. 절차의 착수시, 표면을 평탄하게 하면서 용량을 측정하며, Cm, 측정된 용량은
로 주어진다. dg에 대해 수학식 6 및 수학식 7을 풀면,
이 주어진다.
이와 같이, 수학식 8은 제작 전에 메사가 존재하지 않은 경우, Cm이 결정되는 각 측정 영역 내의 원하는 메사 높이를 제공한다. 각 CT의 x-y 좌표와 함께, 복수의 측정 사이트에 대해 결정된 CT 세트는 타겟 용량 프로파일을 결정하는데 이 용될 수 있다. 추가적으로, 각 dg의 x-y 좌표와 함께 복수의 측정 사이트에 대해 결정된 dg 세트는 타겟 메사 구성의 높이 성분을 결정한다.
이하, 척에 걸쳐 원하는 용량 프로파일을 달성하기 위해 척 상에 기계적 제작이 수행될 수 있다. 바람직하게는, 이후, 국소 Cm을 CT 로 변경하기에 충분한 깊이로 메사 주위의 낮은 영역이 되는 영역에서 재료를 제거함으로써 측정 사이트 내에서 메사가 생성된다. 재료 제거의 깊이는 바람직하게는 5㎛ 내지 40㎛이고, 더 바람직하게는 5㎛ 내지 20㎛이다. 이는, 예를 들어, 라우팅, 레이저 머시닝 또는 그리트 블라스트 머시닝에 의해 제거가 발생하고, X-Y 표의 사용에 의해 좌표 제어가 발생하는, 좌표 제어된 재료 제거에 대해 알려진 기술 중 임의의 것을 이용하여 편리하게 달성될 수 있다. 머시닝 프로세스는 각 프로브 측정 사이트에 대해 반복된다.
측정 영역은 오버랩될 수 있거나 또는 일정 거리만큼 분리될 수 있다. 측정 영역들 사이의 부분은 깊이, 요컨대 용량의 갑작스런 변화가 발생하지 않도록 보간된 깊이 또는 점진적 천이 깊이로 제작될 수 있다. 예를 들어, 2 개의 상이한 깊이 사이에서 선형적으로 깊이를 변경함으로써, 보간을 초래할 수 있다. 일반적으로, 사이트에서 사이트로의 깊이 천이가 너무 갑작스러우면, 더 정확한 측정 그리드 및/또는 작은 프로브 직경이 요구될 수도 있다. 몇몇 측정 사이트가 생략되게 하거나 또는 불규칙한 패턴으로 측정함으로써 적절한 판독이 획득될 수도 있다.
dg를 결정하는데 필요한 모든 팩터가 이와 같이 결정된다. 상기 논의에 기초하여, 척 상에 위치한 웨이퍼에 걸친 용량 변화를 감소시키기 위해 ESC의 메사 높이를 초기에 제작하는 것을 수반하는 프로세스의 바람직한 실시형태는 다음의 절차를 포함한다.
1. 메사 제작 바로 전까지 ESC를 제작.
2. Cm 세트를 결정하기 위해 미리 정의된 측정 그리드 상의 적절한 프로브를 이용하여 표면에서부터 전도체까지의 용량을 측정.
3. 미리 정의된 타겟 용량 CT를 결정.
4. 수학식 8을 이용하여 dg 세트, 각 측정 사이트에서의 타겟 깊이를 결정.
5. 머시닝에 의해 각 사이트에서 메사를 생성.
6. 원하는 국소 메사 높이를 달성하기 위해, 연속적인 방식으로 머시닝 프로세싱을 조절하여 사이트에서 사이트로 서서히 천이시킴.
실시예 3:
메사가 이미 척 상에 존재하는 경우에, 원하는 용량 프로파일을 달성하기 위한 메사 높이의 조절이 필요할 수도 있다. 일 실시형태에서, CT는 타겟 용량 프로파일이 척에 걸쳐 균일하도록 선택된다. 최종 균일 용량을 가장 효율적으로 달성하기 위해, 재료 제거와 용량 사이의 관계를 결정하는 것이 유용하다. 상기 수학식 6으로부터, 낮은 영역으로 인한 용량은 ε0Ap/(dg + di/εi)로 주어진다. di와 dg의 합이 일정하므로, 용량은 εiε0Ap/[(dg(εi-1) + h)로 재기재될 수 있으며, 여기서 h=di+dg이다. 유전체 재료의 경우, εi는 1 보다 커서, εi-1은 양의 수다. 따라서, 갭 깊이의 증가는 용량을 감소시키는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 바람직한 실시형태에서, 재료가 제거되기만 하는 경우에, 용량이 오직 감소될 수 있다. 따라서, 이러한 경우에 CT의 선택은 모든 선택된 사이트로부터 가장 낮게 측정된 용량 이하인 것이 바람직하다.
이하, 척에 걸쳐 원하는 용량 프로파일을 달성하기 위해 척에 대해 기계적 보정을 할 수 있다. 바람직하게는, 이후, 국소 Cm를 CT로 변경하기에 충분한 깊이로 메사 주위의 재료를 깊게 함으로써 측정 사이트 내에서 메사가 조절된다. 이는, 예를 들어, 라우팅, 레이저 머시닝 또는 그리트 블라스트 머시닝에 의해 제거가 발생하고, X-Y 표의 사용에 의해 좌표 제어가 발생하는, 좌표 제어된 재료 제거에 대해 알려진 기술 중 임의의 것을 이용하여 편리하게 달성될 수 있다. 머시닝 프로세스는 각 프로브 측정 사이트에 대해 반복된다.
측정 영역은 오버랩될 수 있거나 또는 일정 거리만큼 분리될 수 있다. 측정 영역들 사이의 부분은 깊이, 요컨대 용량의 갑작스런 변화가 발생하지 않도록 보간된 깊이 또는 점진적 천이 깊이로 조절될 수 있다. 예를 들어, 2 개의 상이한 깊이 사이에서 선형적으로 깊이를 변경함으로써, 보간을 초래할 수 있다. 일반적으로, 사이트에서 사이트로의 밀도 천이가 너무 갑작스러우면, 더 정확한 측정 그리드 및/또는 작은 프로브 직경이 요구될 수도 있다. 몇몇 측정 사이트가 생략되게 하거나 또는 불규칙한 패턴으로 측정함으로써 적절한 판독이 획득될 수도 있다.
상기 논의에 기초하여, 척 상에 위치한 웨이퍼에 걸친 용량 변화를 감소시키기 위해 ESC의 메사 높이를 조절하는 것을 수반하는 프로세스의 바람직한 실시형태는 다음의 절차를 포함한다.
1. 미리 정의된 측정 그리드 상의 적절한 프로브를 이용하여 표면에서부터 전도체까지의 용량을 측정.
2. 미리 정의된 타겟 용량 CT를 결정.
3. 깊이가 각 그리드 사이트에 대해 증가 또는 감소될 필요가 있는지 여부를 결정.
4. Cm이 CT에 접근하도록 머시닝에 의해 각 사이트에서의 메사 높이를 조절.
5. 모든 사이트가 CT의 원하는 오차 내에 있을 때까지 필요한 프로세스를 반복.
6. 원하는 국소 메사 높이를 달성하기 위해, 연속적인 방식으로 머시닝 프로세싱을 조절하여 사이트에서 사이트로 원활하게 천이시킴.
상술한 방법으로, 타겟 열 전달 계수 또는 용량 프로파일을 달성할 목적으로 정전 척의 전기 및 열적 특성의 커스터마이제이션을 제공하는 것이 가능하다.
본 실시형태는 바람직한 실시형태를 참조하여 설명하였다. 그러나, 당업자에게는, 실시형태의 사상을 벗어나지 않고 상술한 것 이외의 특정한 형태로 발명 을 구현하는 것이 가능하다는 것이 자명하다. 바람직한 실시형태는 예시적이며 어떠한 경우에도 제한적으로 간주되어서는 안된다. 실시형태의 범위는 전술한 설명보다는 첨부된 청구범위에 의해 주어지며, 청구항의 범위 내에 있는 모든 변형 및 균등물을 포함하도록 의도된다.
Claims (29)
- 정전 척의 타겟 메사 구성을 결정하는 방법으로서,상기 정전 척의 절연층의 노출된 표면 상의 복수의 위치에서 복수의 국소화된 측정을 하는 단계; 및상기 측정을 이용하여 상기 타겟 메사 구성을 결정하는 단계를 포함하는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 타겟 메사 구성은 타겟 열 전달 계수 프로파일로부터 결정되는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 타겟 메사 구성은 상기 위치 중 하나 이상에서 메사 접촉 영역을 감소시킴으로써 달성되는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 측정은 열 플럭스 프로브를 이용하여 이루어지는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 타겟 메사 구성은 타겟 용량 프로파일로부터 결정되는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 메사 높이가 상기 타겟 메사 구성에 대응하도록 상기 절연층의 상기 노출된 표면에서 메사 패턴을 제작하는 단계를 더 포함하는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 타겟 용량 프로파일은 메사 구성의 높이를 증가시킴으로써 달성되는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 측정은 용량 프로브를 이용하여 이루어지는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 절연층의 상기 노출된 표면은 메사 패턴을 포함하고,상기 방법은, 상기 타겟 메사 구성에 대응하는 메사 접촉 영역을 달성하기 위해 절연 재료를 제거하는 단계를 더 포함하는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 절연층의 노출된 표면은 메사 패턴을 포함하고,상기 열 플럭스 프로브 측정에 적어도 1 개, 적어도 3 개, 적어도 5 개, 또는 적어도 10 개의 메사가 포함되는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 타겟 메사 구성은 타원형, 도넛형 또는 다각형 단면 형상인 메사를 포함하는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 타겟 메사 구성은 약 0.1 mm 내지 약 10 mm인 단면의 최대 치수를 갖는 메사를 포함하는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 타겟 메사 구성은 약 0.5 mm 내지 약 5 mm인 메사들 사이의 간격을 포함하는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 측정은 그리드 패턴으로 배열된 복수의 위치에서 취해지는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 정전 척은 상기 정전 척의 온도를 조절하기 위해 온도 제어 유닛과 협력하도록 구성된 유체 채널을 포함하는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 정전 척의 상기 절연층은 5 mm 두께 미만인, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 열 플럭스 프로브는 상기 절연층의 노출된 표면에 10 Torr 내지 100 Torr의 힘을 가하는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 복수의 측정은 2 Torr 내지 200 Torr의 압력에서 헬륨으로 백필링된 (backfilled) 진공 챔버에서 수행되는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 18 항에 있어서,상기 프로브는 상기 정전 척의 표면의 열 전달 계수 프로파일을 획득하도록 수치 제어되는 포지셔닝 장치에 의해 이동되는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 타겟 메사 구성은 라우팅, 레이저 머시닝 및/또는 그리트 블라스팅 (grit blasting) 에 의해 제작되는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,라우팅, 레이저 머시닝 및/또는 그리트 블라스팅에 의해 상기 타겟 메사 구성에 대응시키기 위해 이미 존재하는 메사 패턴을 커스터마이징하는 단계를 더 포함하는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 21 항에 기재된 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법이 복수회 적용되는, 소정의 열 전달 계수 오차에 대한 컴플라이언스 달성 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 절연층의 노출된 표면에서의 측정 영역들 사이 부분의 깊이 천이는 점진적인, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 절연층의 표면은 메사 패턴을 포함하고,상기 용량 프로브 측정에 적어도 1 개, 적어도 3 개, 적어도 5 개, 또는 적어도 10 개의 메사가 포함되는, 정전 척의 타겟 메사 구성의 결정 방법.
- 제 3 항에 기재된 정전 척으로서,상기 정전 척은 플라즈마 프로세싱 챔버의 내부에 위치하는, 정전 척.
- 제 6 항에 기재된 정전 척을 이용하여 반도체 웨이퍼를 프로세싱하는 방법으로서,상기 정전 척 상에 상기 반도체 웨이퍼를 클램핑하는 단계와 상기 반도체 웨이퍼를 플라즈마 프로세싱하는 단계를 포함하는, 반도체 웨이퍼의 프로세싱 방법.
- 타겟 메사 구성을 결정하는데 유용한 장치로서,진공 챔버,정전 척을 유지하는 지지체,상기 정전 척에 프로브의 접촉력을 가할 수 있는 수치 제어되는 포지셔닝 부재,상기 포지셔닝 부재에 의해 지지되는 프로브,상기 포지셔닝 부재를 상기 정전 척의 표면 상의 다양한 위치로 이동하도록 동작가능한 제어기, 및상기 프로브로부터의 측정 데이터 신호를 등록 및 기록하고, 상기 측정 데이터 신호로부터 상기 타겟 메사 구성을 전자적으로 결정하여, 상기 타겟 메사 구성을 결정할 수 있는 유닛을 포함하는, 타겟 메사 구성을 결정하는데 유용한 장치.
- 제 27 항에 있어서,상기 프로브는 열 플럭스 프로브 또는 용량 프로브인, 타겟 메사 구성을 결정하는데 유용한 장치.
- 히터, 열 플럭스 트랜스듀서 및 실리콘 피스를 포함하는 프로브로서,상기 프로브의 단면적의 근사 최대 치수는 0.5″, 1.0″, 1.5″, 또는 2.0″인, 프로브.
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