KR20110134292A - 적응형 열전도체를 갖는 플라즈마 프로세싱 챔버 컴포넌트 - Google Patents

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KR20110134292A
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램 리써치 코포레이션
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Abstract

어셈블리는 플라즈마 프로세스 챔버의 컴포넌트, 열 소스 및 높은 열 전도도 페이즈와 낮은 열 전도도 페이즈 간의 페이즈 전이를 나타내는 챔버와 열 소스 사이의 폴리머 복합재를 포함한다. 온도 유도된 페이즈 변화 폴리머는 멀티-스텝 플라즈마 에칭 프로세스 동안 높은 또는 낮은 온도에서 컴포넌트의 온도를 유지하도록 사용될 수 있다.

Description

적응형 열전도체를 갖는 플라즈마 프로세싱 챔버 컴포넌트{PLASMA PROCESSING CHAMBER COMPONENT HAVING ADAPTIVE THERMAL CONDUCTOR}
본 발명은 플라즈마 프로세스 챔버의 컴포넌트와 열 소스 사이에 샌드위치된 폴리머 복합재를 포함하는 어셈블리, 및 이를 포함하는 플라즈마 프로세스 챔버 내에서 기판을 플라즈마 에칭하는 방법에 관한 것이다.
반도체 기술 세대를 거듭할수록, 웨이퍼 직경이 증가하는 경향이 있고 트랜지스터 크기가 감소하므로, 웨이퍼 프로세싱에서 매우 높은 정도의 정확도 및 반복성에 대한 필요성을 초래한다. 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판 재료들은 진공 챔버의 사용을 포함하는 테크닉에 의해 프로세싱된다. 이들 기술은 전자 빔 증착과 같은 넌 플라즈마 애플리케이션 뿐만 아니라, 스퍼터 증착, 플라즈마 강화된 화학적 기상 증착 (PECVD), 레지스트 박리, 및 플라즈마 에칭과 같은 플라즈마 애플리케이션을 포함한다.
오늘날 사용 가능한 플라즈마 프로세싱 시스템들은 향상된 정확도, 반복성 및 효율성의 증가하는 필요성에 대상이 되는 이들 반도체 제조 도구들 중 하나이다. 플라즈마 프로세싱 시스템에 대한 성공적인 메트릭은 스루풋 및 기판 온도 안정성을 포함한다. 기판 온도는 기판 상에 제조된 디바이스들의 임계 치수들에 영향을 주고, 따라서 예를 들어 프로세싱 레시피의 단계 내에서 안정한 기판 온도가 필요할 때 현저하게 떨어지지 않아야 한다.
예를 들어, 폴리-실리콘 게이트 에칭은 점점 작아지는 임계 치수 균일도 (CDU) 를 향해 나아가, 약 300 mm 직경의 기판 전체에서 달성된다. 이러한 변화는 에지 근처의 기판 온도, 플라즈마 화학물질 또는 밀도, 오버행 에지 링에서 방사상의 변화, 또는 다른 제약들 때문일 수도 있다. CDU 요건은 노드 크기에서의 계속되는 감소로 더욱 엄중해지도록 기대된다.
통상적으로, 집적 회로 칩의 제조는 얇은, 고 순도의 폴리싱된 슬라이스의, 단결정 반도체 재료 기판 (예컨대, 실리콘 또는 게르마늄) 으로 시작된다. 각각의 기판은 기판 상의 각종 회로 구조체들을 형성하는 물리적 및 화학적 프로세싱 단계들의 시퀀스의 대상이 된다. 제조 프로세스 동안, 실리콘 다이옥사이드 막을 생성하기 위한 열적 산화, 실리콘, 실리콘 다이옥사이드, 및 실리콘 나이트라이드 막을 생성하기 위한 화학적 기상 증착, 및 다른 금속 막들을 생성하기 위한 스퍼터링 또는 다른 기술들과 같은 각종 테크닉들을 사용하여, 기판 상에 각종 유형의 박막들이 성막될 수 있다.
반도체 기판 상에 막을 성막한 후에, 반도체들의 고유한 전기적 특성들은, 도핑으로 지칭된 프로세스를 사용하여, 반도체 결정 래티스 안에 선택된 불순물들을 대체함으로써 생성된다. 그 다음에, 도핑된 실리콘 기판은 얇은 감광성 층, 또는 "레지스트" 로 지칭된 방사선 감지 재료 (radiation sensitive material) 로 균일하게 코팅될 수도 있다. 그 다음에, 회로 내에 전자 경로들을 정의하는 작은 기하학적 패턴들이 리소그래피로 알려진 프로세스를 사용하여 레지스트 위에 전사될 수도 있다. 리소그래피 프로세스 동안, 집적 회로 패턴은 "마스크" 로 지칭된 유리 플레이트 상에 드로잉될 수도 있고, 그 다음에 광학적으로 바뀌고, 투영되며, 감광성 코팅 위에 전사될 수도 있다.
그 다음에, 리소그래피 레지스트 패턴은 에칭으로서 알려진 프로세스를 통해 기판의 밑에 있는 결정 면 위에 전사된다. 일반적으로, 플라즈마 프로세스 챔버는 프로세스 가스를 플라즈마 프로세스 챔버에 공급하고 프로세스 가스에 무선 주파수 (RF) 를 인가하여 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징함으로써, 기판을 에칭하는데 사용된다.
어셈블리는 플라즈마 프로세스 챔버의 컴포넌트, 열 소스 및 컴포넌트와 열 소스 사이에 샌드위치된 폴리머 복합재를 포함하고, 컴포넌트는 온도 제어된 면을 갖고, 폴리머 복합재는 높은 열 전도도를 갖는 페이즈와 낮은 열 전도도를 갖는 페이즈 간의 온도 유도된 페이즈 전이 (phase transition) 를 보인다.
높은 열 전도도를 갖는 페이즈와 낮은 열 전도도를 갖는 페이즈 간의 온도 유도된 페이즈 전이를 나타내는 폴리머 복합재를 이용하는, 반도체 기판이 프로세싱되는 플라즈마 프로세스 챔버의 컴포넌트의 온도를 제어하는 방법에서, 컴포넌트는 온도 제어된 면을 갖고, 폴리머 복합재는 컴포넌트와 열 소스 사이에 샌드위치되며, 상기 방법은, 컴포넌트를 열 소스로부터 열적으로 고립시키거나 컴포넌트를 열 소스에 열적으로 커플링하기 위해 폴리머 복합재의 페이즈 전이를 유도하는 단계를 포함한다.
어셈블리를 포함하는 플라즈마 프로세스 챔버에서 기판을 에칭하는 방법에서, 상기 방법은, 제 1 온도 및 제 1 플라즈마 전력에서 기판을 에칭하는 단계; 폴리머 복합재의 온도 유도된 페이즈 전이를 유도하는 단계; 제 2 온도 및 제 2 플라즈마 전력에서 기판을 에칭하는 단계를 포함하고, 제 1 온도는 제 2 온도보다 높고 제 1 플라즈마 전력은 제 2 플라즈마 전력보다 낮고, 또는 제 1 온도는 제 2 온도보다 낮고 제 1 플라즈마 전력은 제 2 플라즈마 전력보다 높다.
도 1a 는 예시적인 PPTC (polymeric positive temperature coefficient) 복합재의 열 전도도의 온도 의존도를 나타낸다.
도 1b 는 예시적인 PNTC (polymeric negative temperature coefficient) 복합재의 열 전도도의 온도 의존도를 나타낸다
도 2a 는 특성 온도 T0 미만에서 예시적인 PNTC 복합재의 구조의 도면을 나타낸다.
도 2b 는 특성 온도 T0 위에서 예시적인 PNTC 복합재의 구조의 도면을 나타낸다.
도 2c 는 특성 온도 T0 미만에서 예시적인 PPTC 복합재의 구조의 도면을 나타낸다.
도 2d 는 특성 온도 T0 위에서 예시적인 PPTC 복합재의 구조의 도면을 나타낸다.
도 3a 는 PNTC 복합재의 사용의 도면이다.
도 3b 는 PPTC 복합재의 사용의 도면이다.
도 3c 는 PNTC 복합재의 다른 사용의 도면이다.
도 4 는 PPTC 복합재가 사용되고, 반도체 기판이 프로세싱되는 플라즈마 프로세스 챔버의 에지 링 어셈블리의 단면도를 나타낸다.
도 5 는 PPTC 복합재가 사용되고, 반도체 기판이 프로세싱되는 플라즈마 프로세스 챔버의 상부 전극 어셈블리의 단면도를 나타낸다.
도 6 은 PNTC 복합재가 사용되고, 반도체 기판이 프로세싱되는 플라즈마 프로세스 챔버의 기판 지지 어셈블리의 단면도를 나타낸다.
플라즈마 프로세스 챔버는 상부 전극 어셈블리 및 기판 지지 어셈블리를 갖는 진공 챔버를 포함할 수 있다. 처리될 반도체 기판은 적절한 마스크에 의해 커버되고 기판 지지 어셈블리 상에 바로 배치된다. CF4, CHF3, CClF3, HBr, Cl2, SF6 또는 이들의 혼합물과 같은 프로세스 가스는 O2, N2, He, Ar 또는 이들의 혼합물과 같은 가스들과 함께 챔버 안으로 유입된다. 통상적으로, 챔버는 밀리토르 범위 내의 압력에서 유지된다. 상부 전극 어셈블리에는 가스 주입 홀(들)이 제공되는데, 이 가스 주입 홀들은 가스가 상부 전극 어셈블리를 통해 챔버 안으로 균일하게 분산되는 것을 허용한다. 하나 이상의 무선 주파수 (RF) 전원은 RF 전력을 진공 챔버 안으로 송신하고, 중성의 프로세스 가스 분자들을 플라즈마로 분리한다. 플라즈마 내의 고 반응성 라디컬 (highly reactive radical) 들은 상부 전극과 기판 지지 어셈블리 사이의 전계에 의해 기판 표면을 향하게 된다. 기판의 표면은 라디컬들을 사용하여 화학 반응에 의해 에칭된다.
기판 지지 어셈블리는 기판 지지 플레이트, 기판 지지 플레이트와 (예를 들어, 임베딩되거나 부착되어) 직접 열 접촉하는 전기 히터를 포함할 수 있다. 유체 냉각된 플레이트가 기판 지지 플레이트의 바닥에 부착될 수 있다. 유체 냉각된 플레이트 내의 채널들에서 유체 순환은 열을 기판 지지 어셈블리로부터 멀리 이송한다. 예시적인 기판 지지 어셈블리는, 참조로서 포함되는, 공동으로 양도된 미국 특허 제 6,847,014 호 및 제 6,921,724 호에 설명된다.
상부 전극 어셈블리는 백킹 플레이트 (backing plate) 에 부착된 상부 전극을 포함할 수 있다. 예시적인 상부 전극 어셈블리는, 각각이 참조로서 본원에 포함되는, 공동으로 양도된 미국 특허출원 제 2008/0308228 호, 제 2008/0090417 호, 제 2008/0308229 호, 제 2009/0305509 호 및 제 2009/0081878 호, 및 미국특허 제 7,645,341 호에서 알 수 있다. 백킹 플레이트는 유체 냉각된 상부 플레이트에 부착된다. 상부 전극은 상부 전극 어셈블리 내에 임베딩된 플라즈마 및/또는 히터 장치에 의해 가열될 수 있다.
열 관리는 반도체 기판을 처리하기 위해 고 전력의 (high-powered) 플라즈마가 사용되는 플라즈마 프로세스 챔버에서의 과제이다. 예를 들어, 메모리 칩들을 제조하기 위한 프로세스에서, 유전체 에칭 챔버에 필요한 플라즈마 전력은 6 킬로와트를 초과할 수 있다. 열 관리는, 상이한 프로세싱 단계들 사이에서 상대적으로 안정한 챔버 컴포넌트들 (예를 들어, 전극들, 백킹 플레이트, 에지 링, 챔버 벽 등) 의 온도를 유지하면서 플라즈마 전력 및 기판 온도를 극적으로 변경해야 하는 필요성에 의해 더욱 복잡해진다.
예를 들어, 고 종횡비 피처들이 에칭되는 예시적인 플라즈마 에칭 프로세스는, 반도체 기판이 에칭되는 메인 에칭 단계, 및 마스크의 일부가 에칭되는 마스크 오프닝 단계를 포함한다. 메인 에칭 단계는, 기판 안에 높은 열 플럭스 (예를 들어, 약 4000 W) 를 야기할 수 있는 고 플라즈마 전력, 및 원하는 피처 프로파일을 생성하기 위한 낮은 기판 온도 (약 20-40 ℃) 를 필요로 하는 한편, 마스크 오프닝 단계들은, 기판 안에 낮은 열 플럭스 (예를 들어, 약 400 W) 를 야기할 수 있는 저 플라즈마 전력, 및 높은 기판 온도 (약 70-110 ℃) 를 필요로 한다. 원하는 웨이퍼 온도를 달성하기 위해, 저 전력 스텝에서는 높은 웨이퍼 온도를 유지하도록 온도 제어된 냉각 플레이트 위에 높은 와트 밀도의 히터들이 사용되고, 고 전력 스텝에서는 냉각 플레이트에 의해 웨이퍼가 냉각되는 것을 허용하도록 히터들이 턴오프되거나 낮은 전력에서 가동된다. 에지 링 및/또는 상부 전극의 온도는 바람직하게, 상이한 단계들 동안 상이한 플라즈마 전력 설정들에 의해 야기된 열이 변하는 전체 프로세스 성막 동안 안정하게 유지된다.
메인 에칭 단계는 기판을 요구된 낮은 온도로 냉각시키기 위해 유체 냉각된 플레이트로부터 높은 냉각 전력을 필요로 하는 한편, 마스크 오프닝 단계에서는 요구된 높은 기판 온도를 획득하기 위해서 유체 냉각된 플레이트로부터의 냉각 전력이 낮은 것이 바람직하다. 그러나, 종래의 플라즈마 프로세스 챔버에서는, 유체 냉각된 플레이트에서 순환하는 유체의 볼륨이 크고, 따라서 유체 온도 또는 냉각 전력을 변경하는 것이 에칭 단계들의 시간 스케일과 비교하여 매우 느리다. 그 결과, 마스크 오프닝 단계에서, 기판을 요구된 높은 온도로 가열하기 위해서 유체 냉각된 플레이트의 높은 냉각 전력을 보상하기에 충분한 히팅 전력을 출력하는데 전통적으로 전기 히터 장치가 사용된다. 따라서, 히터는 매우 높은 전력 (예를 들어, 5000 W 이상) 을 가져야 하고, 이는 온도 비-균일성을 야기할 수 있고, 이러한 높은 전력 히터들은 척 제조에 가변성을 추가한다. 다른 종래의 접근법은 기판 지지부를 통해 필요에 따라 더운 또는 차가운 유체를 선택적으로 펌핑하기 위해 2 개의 온도 제어 유닛을 사용하는 것이다. 그러나, 이러한 접근법은 기판 지지부 설계에 복잡성을 추가한다.
기판 지지 어셈블리, 상부 전극 어셈블리, 에지 링, 에지 링 어셈블리 또는 플라즈마 프로세스 챔버 내의 다른 챔버 컴포넌트들과 같이, 플라즈마 프로세스 챔버의 내부에 바람직하게 노출된 온도 제어된 면을 갖는 플라즈마 챔버 컴포넌트들에 대한 전열 매체로서, 높은 열 전도도를 갖는 페이즈와 낮은 열 전도도를 갖는 페이즈 간의 온도 유도된 페이즈 전이를 나타내는 폴리머 기반 복합재를 포함하는 어셈블리가 본원에 설명된다. 저항 히터를 갖는 기판 지지부 내에 통합될 때, 감소하는 전력 소비 및 감소하는 제조 가변성 면에서 바람직한 히터 전력 밀도를 증가시키지 않고 프로세스 창을 증가시키는 것이 가능하다.
폴리머-기반 복합재들의 그룹은 좁은 온도 범위에 걸쳐 열 전도도에서 극적인 증가 또는 감소 (즉, 페이즈 전이) 를 보인다. 도 1a 는 예시적인 폴리머-기반 복합재의 온도 (T) 의 함수로서 열 전도도 (λ) 를 나타낸다. 특성 온도 T0 미만에서, λ 는 비교적 작다. T 가 T0 부근의 좁은 온도 범위에 걸쳐 증가될 때, λ 는 수배 만큼 또는 심지어 자릿수 만큼 급격한 증가를 보인다. T0 부근의 좁은 온도 범위 이후에 T 가 증가될 때, λ 는 비교적 큰 값에서 안정된다. 이러한 복합재는 폴리머 포지티브 온도 계수 복합재, 또는 PPTC 복합재로서 지칭된다.
도 1b 는 다른 예시적인 폴리머-기반 복합재의 온도 (T) 의 함수로서 열 전도도 (λ) 를 나타낸다. 특성 온도 T0 미만에서, λ 는 비교적 크다. T 가 T0 부근의 좁은 온도 범위에 걸쳐 증가될 때, λ 는 수배 만큼 또는 심지어 자릿수 만큼 급격한 감소를 보인다. T0 부근의 좁은 온도 범위 이후에 T 가 증가될 때, λ 는 비교적 낮은 값에서 안정된다. 이러한 복합재는 폴리머 네거티브 온도 계수 복합재, 또는 PNTC 복합재로서 지칭된다.
PPTC 복합재 및 PNTC 복합재는 임의의 적절한 방법들에 의해 준비될 수도 있다. 일 실시형태는 섬유 또는 파우더 형태로 높은 λ 를 갖는 필러 재료 (예를 들어, 금속, 탄소 등) 를 낮은 λ 를 갖는 폴리머 매트릭스 안에 혼합하는 것이다.
구체적으로, PNTC 복합재를 구현하기 위해, 낮은 λ 를 갖고 T 가 증가함에 따라 확대되는 폴리머 매트릭스 (210) 가 사용될 수 있다. 도 2a 및 도 2b 를 참조하자. 높은 λ 를 갖는 적절한 양의 필러 재료 (220) 안에 폴리머 매트릭스 (210) 로 완전히 혼합되므로, 필러 재료 (220) 의 로딩 레벨 (loading level) 은 T0 미만의 온도에서 퍼컬레이션 임계 (percolation threshold) 위이고, 필러 재료 (220) 의 높은 λ 는 복합재의 전체 λ 를 차지한다; 그리고, T 가 증가하고 T0 에 접근함에 따라, 폴리머 매트릭스 (210) 의 확대는 로딩 레벨을 효과적으로 감소시킨다; 그리고 T 가 T0 이후로 증가함에 따라, 로딩 레벨은 퍼컬레이션 임계 미만으로 떨어지고 폴리머 매트릭스 (210) 의 낮은 λ 는 복합재의 전체 λ 를 차지한다. 폴리머 매트릭스 (210) 는, 참조로서 포함된 미국 특허 제 3,994,867 호에 설명된 바와 같은, 모노머 분자당 2 이상의 복합 아세틸렌 그룹들을 함유하는 순환 또는 비순환 아세틸렌 모노머의 고체-상태 중합에 의해 획득된 임의의 적절한 폴리머, 예를 들어 높은 체인 정렬된 폴리아세틸렌들일 수 있다.
PPTC 복합재를 구현하기 위해, 낮은 λ 를 갖고 T 가 증가함에 따라 확대되는 폴리머 매트릭스 (230) 가 사용될 수 있다. 도 2c 및 도 2d 를 참조하자, 높은 λ 를 갖는 적절한 양의 필러 재료 (240) 는 폴리머 매트릭스 (230) 안에 완전히 혼합되므로, 필러 재료 (240) 의 로딩 레벨은 T0 초과의 온도에서 퍼컬레이션 임계 위이고, 필러 재료 (240) 의 높은 λ 는 복합재의 전체 λ 를 차지한다; 그리고 T 가 감소하여 T0 에 접근할 때, 폴리머 매트릭스 (230) 의 확대는 로딩 레벨은 효과적으로 감소시킨다; 그리고 T 가 T0 이후로 감소할 때, 로딩 레벨은 퍼컬레이션 임계 미만으로 떨어지고, 폴리머 매트릭스 (230) 의 낮은 λ 는 복합재의 전체 λ 를 차지한다. 폴리머 매트릭스 (230) 는 임의의 적절한 폴리머, 예를 들어 Dow Corning Sylgard® 184 실리콘 엘라스토머일 수 있다.
그 온도가 제어되는 플라즈마 챔버 컴포넌트와 히트 소스 및/또는 히트 싱크와 같은 열 소스 사이에 전열 매체 (예를 들어, 열 가스켓) 로서 PPTC 복합재 또는 PNTC 복합재가 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 3a 에 나타난 바와 같이, PNTC 복합재 층 (310) 은 컴포넌트 (300) 와 히트 소스 (350) 사이에 샌드위치된다. PNTC 복합재 층 (310) 은, PNTC 복합재 층 (310) 의 온도가 T0 초과일 때 컴포넌트 (300) 가 히트 소스 (350) 로부터 실질적으로 열적으로 고립되는, 온도 제한기 (temperature limiter) 로서 기능한다. PNTC 복합재 층 (310) 의 온도는 히트 소스 (350) 및/또는 컴포넌트 (300) 를 통한 열 플럭스에 의해 제어될 수 있다. 이 구성에서 PNTC 복합재 층 (310) 은 컴포넌트 (300) 가 과가열되는 것을 보호하기 위해 사용될 수 있다.
유사하게, 도 3b 에 나타난 바와 같이, PPTC 복합재 층 (320) 은 컴포넌트 (300) 와 히트 싱크 (360) 사이에 샌드위치된다. PPTC 복합재 층 (320) 은, 복합재 층 (320) 의 온도가 T0 미만일 때 컴포넌트 (300) 가 히트 싱크 (360) 로부터 실질적으로 열적으로 고립되는, 온도 제한기로서 기능한다. PPTC 복합재 층 (320) 의 온도는 히트 싱크 (360) 및/또는 컴포넌트 (300) 를 통한 열 플럭스에 의해 제어될 수 있다. 이 구성에서 PPTC 복합재 층 (320) 은 컴포넌트 (300) 가 과냉각되는 것을 보호하기 위해 사용될 수 있다.
열 소스는 저항 히터 또는 히터들 및/또는 흐름 채널들 내의 액체를 순환시키는 하나 이상의 온도 제어 유닛 (TCU) 일 수 있다. 예를 들어, PPTC 또는 PNTC 폴리머의 온도를 올리거나 내리기 위해, 2 개의 TCU 의 순환하는 더운 (예를 들어, 70 ℃) 및 차가운 (예를 들어, -20 ℃) 액체가 있는 듀얼 칠러 접근이 사용될 수 있다.
몇몇 애플리케이션들은 상위 온도 TH 와 하위 온도 TL 사이에 샌드위치된 컴포넌트 (300) 의 온도를 필요로 한다. 이는, 히트 싱크 (360) 상에 히트 소스 (350) 를 적층하고 히트 소스 (350) 와 직접 열접촉하는 컴포넌트 (300) 를 위치시킴으로써 달성될 수 있다. 히트 소스 (350) 는 전기 히터일 수 있고, 히트 싱크 (360) 는 온도 제어된 액체가 순환되는 냉각 플레이트일 수 있다. PNTC 복합재 층이 히트 소스 (350) 와 히트 싱크 (360) 사이에서 사용되지 않는다면, 히트 소스 (350) 는 컴포넌트 (300) 를 TH 에서 유지하기 위해서 히트 싱크 (360) 에 대한 열 손실 및 환경에 대한 열 손실을 보상하기에 충분한 히팅 전력을 출력해야 한다. 도 3c 에 나타난 바와 같이, PNTC 복합재 층 (310) 이 히트 소스 (350) 와 히트 싱크 (360) 사이에 샌드위치되면, 여기서 PNTC 복합재 층 (310) 의 λ 는 TH 에서 낮고, TL 에서 높으며, 히트 싱크 (360) 는 컴포넌트 (300) 의 온도가 TH 에 있을 때 컴포넌트 (300) 및 히트 소트 (350) 로부터 실질적으로 열적으로 고립되므로, 히트 소스 (350) 는 주로 환경에 대한 열 손실을 보상하기에 충분한 히팅 전력을 출력한다.
PNTC 복합재 층 (310) 의 페이즈는 히트 소스 (350), 히트 싱크 (360) 및/또는 컴포넌트 (300) 를 통한 열 플럭스에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, (a) 컴포넌트 (300) 의 온도가 TL 로부터 TH 로 상승된다면, 먼저 히트 소스 (350) 는 히트 싱크 (360) 에 대한 열 손실을 극복하도록 높은 히팅 전력을 출력할 수 있고, PNTC 복합재 층 (310) 을 페이즈 전이를 통해 히트 싱크 (360) 로부터 히트 소스 (350) 와 컴포넌트 (300) 를 열적으로 고립시키는 낮은 열 전도도 페이즈로 유도할 수 있다. 히트 소스 (350) 는 그 다음에, 컴포넌트 (300) 를 TH 에서 유지하도록 그 히팅 전력을 감소시킬 수 있다; (b) 컴포넌트 (300) 의 온도가 TH 로부터 TL 로 내려간다면, 히트 소스 (350) 가 턴 오프될 수 있고, PNTC 복합재 층 (310) 을 냉각시킬 수 있다. 일단 PNTC 복합재 층 (310) 이 페이즈 전이를 통해 높은 열 전도도 페이즈로 가면, 히트 싱크 (360) 는 그 다음에, 컴포넌트 (300) 로부터 열을 신속하게 드로잉할 수 있고, 컴포넌트 (300) 의 온도를 TL 로 감소시킬 수 있다. 다르게는, 히트 싱크 (360) 는 먼저, PNTC 복합재 층 (310) 의 페이즈 전이를 그 높은 열 전도도 페이즈로 유도하기 위해 히트 싱크를 통해서 더 차가운 냉각수를 가동함으로써 그 온도를 TL 미만으로 낮출 수 있고, 히트 싱크 (360) 는 그 다음에, 그 온도를 조정하여 컴포넌트 (300) 를 TL 에서 유지할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c 에 도시된 구성은 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
도 4 는 에지 링 (410) 을 포함하는 컴포넌트와 지지 링 (430) 사이의 PPTC 복합재 층 (420) 의 예시적인 사용을 나타내고, 두 링들은 플라즈마 프로세스 챔버 내의 기판 지지 어셈블리 (440) 를 둘러싸도록 구성된다. 에지 링 (410) 은 바람직하게, 에칭 프로세스 동안 일정한 온도로 유지된다. 에지 링 (410) 은 사용 동안 플라즈마 프로세스 챔버 내의 플라즈마에 의해 가열된다. 지지 링 (430) 은 히트 싱크로서 기능하고 에지 링 (410) 으로부터 열을 제거하도록 구성된다. 상이한 에칭 단계들에 필요한 플라즈마 전력의 변화는 에지 링 (410) 상에 히팅 전력의 변화를 야기할 수 있다. 플라즈마 전력이 높을 때, 에지 링 (410) 과 지지 링 (430) 사이에 샌드위치된 PPTC 복합재 층 (420) 은 에지 링 (410) 을 통해 플라즈마로부터의 열 플럭스에 의해 그 높은 열 전도도 상태로 가열될 수 있고, 그 다음에 열은 에지 링 (410) 으로부터 PPTC 복합재 층 (420) 을 통해 지지 링 (430) 으로 효과적으로 제거된다. 따라서, 에지 링 (410) 이 과가열로부터 보호된다. 플라즈마 전력이 낮을 때, PPTC 복합재 층 (420) 은 지지 링 (430) 에 의해 그 낮은 열 전도도 상태로 냉각될 수 있고, 에지 링 (410) 을 지지 링 (430) 으로부터 열적으로 고립시킬 수 있다. 따라서, 에지 링 (410) 이 과냉각으로부터 보호된다. 에지 링 (410) 과 지지 링 (430) 사이의 PPTC 복합재 만큼 열 전도도가 상당히 변화하지 않는 재료를 사용하는 것과 비교해서, 플라즈마 히팅 전력의 변화에 의해 야기된 에지 링 (410) 의 온도 변화가 감소될 수 있다. 다르게는, 에지 링 (410) 은 에지 링 및 에지 링과 직접 열 접촉하는 히터 링을 포함하는 에지 링 어셈블리일 수 있다.
도 5 는 플라즈마 프로세스 챔버 내의 상부 전극 어셈블리의 PPTC 복합재 층 (520) 의 다른 예시적인 사용을 나타내고, 여기서 컴포넌트는 백킹 플레이트 (530) 에 부착된 상부 전극 (510) 을 포함한다. 백킹 플레이트 (530) 는 유체 냉각된 플레이트 (540) 에 부착되고, PPTC 복합재 층 (520) 은 백킹 플레이트와 유체 냉각된 플레이트 사이에 샌드위치된다. 유체 냉각된 플레이트 (540) 는 냉각 유체가 순환하고 상부 전극 어셈블리로부터 멀리 열을 이송하는 채널들 (550) 을 갖는다. 상부 전극 (510) 은 바람직하게, 전체 에칭 프로세스 동안 일정한 온도에서 유지된다. 그러나, 상부 전극 (510) 은 플라즈마 프로세스 챔버 내의 플라즈마 및/또는 사용 동안 상부 전극 어셈블리 내에 임베딩된 히터 (미도시) 에 의해 가열될 수 있다. 상이한 에칭 단계들에 필요한 플라즈마 전력의 변화는 상부 전극 (510) 에 의해 수신된 열의 변화를 야기할 수 있다. 플라즈마 전력이 높을 때, 백킹 플레이트 (530) 와 유체 냉각된 플레이트 (540) 사이에 샌드위치된 PPTC 복합재 층 (520) 은 높은 열 전도도를 갖고, 열은 상부 전극 (510) 으로부터 백킹 플레이트 (530) 및 PPTC 복합재 층 (520) 을 통해 유체 냉각된 플레이트 (540) 로 효과적으로 이송된다. 따라서, 상부 전극 (510) 이 과가열로부터 보호된다. PPTC 복합재 (520) 은, 플라즈마 전력이 낮고 백킹 플레이트 (530) 가 PPTC 복합재 층 (520) 에 의해 유체 냉각된 플레이트 (540) 로부터 실질적으로 열적으로 고립될 때, 낮은 열 전도도를 갖는다. 따라서, 상부 전극 (510) 이 과냉각으로부터 보호된다. 다르게는, PPTC 복합재 층 (520) 의 페이즈 및 열 전도도가 상부 전극 어셈블리 내에 임베딩된 히터와 같은 열 소스에 의해 제어될 수 있다. 페이즈 전이 없는 재료를 사용하는 것과 비교해서, 백킹 플레이트 (530) 와 유체 냉각된 플레이트 (540) 사이의 PPTC 복합재는 플라즈마 전력의 변화에 의해 야기된 온도 변화를 감소시킬 수 있다.
도 6 은 PNTC 복합재 층 (620) 의 예시적인 사용을 나타내고, 여기서 컴포넌트는 플라즈마 프로세스 챔버 내의 기판 지지 어셈블리 (600) 를 포함한다. 기판 지지 어셈블리 (600) 는 기판 지지 층 (610) 을 포함할 수 있고, 기판 지지 층 (610) 의 상부 면 상에 기판을 정전기적으로 클램핑하기 위해 기판 지지 어셈블리 안에 전극 (630) 이 임베딩된다. 기판 지지 어셈블리 (600) 는 그 안에 임베딩되거나 이에 부착된 히터 플레이트 (660) 를 더 가질 수 있다. 기판 지지 어셈블리 (600) 는 유체 냉각된 플레이트 (640) 에 부착되고, PNTC 복합재 층 (620) 이 기판 지지 어셈블리와 유체 냉각된 플레이트 사이에 샌드위치된다. 유체 냉각된 플레이트 (640) 는, 냉각 유체가 순환하고 열을 기판 지지 어셈블리로부터 멀리 이송하는 채널들 (650) 을 갖는다. 높은 기판 온도가 요구되는 에칭 단계에서, 히터 플레이트 (660) 는 기판 및 PNTC 복합재 층 (620) 을 가열한다. PNTC 복합재 층 (620) 의 온도가 T0 위로 증가할 때, PNTC 복합재 층 (620) 의 λ 가 급격히 떨어지고, 이는 기판 지지 층 (610) 을 유체 냉각된 플레이트 (640) 로부터 실질적으로 열적으로 고립시킨다. 히터 플레이트 (660) 의 히팅 전력은 그 다음에, 높은 기판 온도를 유지하도록 감소될 수 있다. 낮은 기판 온도가 바람직한 에칭 단계에서, 히터 플레이트 (660) 는 차단되고 기판 및 PNTC 복합재 층 (620) 의 온도는 감소된다. PNTC 복합재 층 (620) 의 온도가 T0 미만으로 감소할 때, PNTC 복합재 층 (620) 의 λ 는 급격히 상승하고, 이는 기판 지지 층 (610) 을 효과적인 냉각을 위한 유체 냉각된 플레이트 (640) 에 실질적으로 열적으로 커플링한다. 다르게는, 유체 냉각된 플레이트 (640) 의 온도가 2 개의 재순환 장치로부터 채널들 (645) 을 통해 T0 미만의 유체를 또는 T0 초과의 유체를 유동시킴으로써 PNTC 복합재 층 (620) 의 페이즈를 제어하는데 사용될 수 있다.
PPTC 및 PNTC 복합재 층들은 바람직하게 0.2 mm 에서 2 mm 두께이다.
예로서, 두 단계의 플라즈마 에칭은 히터 플레이트와 냉각 플레이트 사이의 접착 층과 같은 웨이퍼 척 내의 페이즈 변화 폴리머를 사용할 수 있다. 제 1 단계는, 냉각 플레이트가 -20 ℃ 에서 유지되는 높은 전력 단계일 수 있고, 히터는 턴 오프되며, 8000 W 의 총 전력을 사용하여 플라즈마 생성된다. 제 2 단계는, 냉각 플레이트가 20 ℃ 에서 유지되는 낮은 전력 단계일 수 있고, 히터는 3000 W 에서 가동되며, 400 W 를 사용하여 플라즈마가 생성된다. 폴리머는 높은 전력 단계 동안 높은 열 전도도 상태에 있어서 웨이퍼의 냉각을 강화시킬 수 있고, 낮은 전력 단계 동안 낮은 열 전도도 상태에 있어서 웨이퍼의 가열을 강화할 수 있다.
PNTC 및 PPTC 복합재의 사용이 특정 실시형태들을 참조하여 상세히 설명되었으나, 첨부된 청구범위의 범위를 벗어남 없이 각종 변경 및 변형이 이루어질 수 있고, 등가물이 채용될 수 있다는 것이 당업자에게 자명하다.

Claims (15)

  1. 플라즈마 프로세스 챔버의 컴포넌트, 열 소스, 및 상기 컴포넌트와 상기 열 소스 사이에 샌드위치된 폴리머 복합재를 포함하는 어셈블리로서,
    상기 컴포넌트는 온도 제어된 면을 갖고,
    상기 폴리머 복합재는 높은 열 전도도 페이즈 (phase) 와 낮은 열 전도도 페이즈 간의 온도 유도된 페이즈 전이를 나타내는, 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 소스는 히트 소스인, 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 소스는 히트 싱크인, 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머 복합재는, 상기 폴리머 복합재의 온도가 전이 온도 위로 증가하는 경우 상기 낮은 열 전도도 페이즈로부터 상기 높은 열 전도도 페이즈로 온도 유도된 페이즈 전이를 나타내는, 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머 복합재는, 상기 폴리머 복합재의 온도가 전이 온도 미만으로 감소하는 경우 상기 낮은 열 전도도 페이즈로부터 상기 높은 열 전도도 페이즈로 온도 유도된 페이즈 전이를 나타내는, 어셈블리.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 컴포넌트는, 상부 전극, 백킹 플레이트, 챔버 벽, 에지 링 및 기판 지지 플레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 어셈블리.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 컴포넌트는, 상부 전극, 백킹 플레이트, 챔버 벽, 에지 링, 기판 지지 플레이트, 기판 지지 플레이트 및 상기 기판 지지 플레이트와 직접 열 접촉하는 전기 히터를 포함하는 기판 지지 어셈블리, 및 에지 링 및 상기 에지 링과 직접 열 접촉하는 히터 링을 포함하는 에지 링 어셈블리로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 소스는 유체 냉각된 플레이트 또는 전기 히터인, 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머 복합재는, 상기 폴리머 복합재가 상기 낮은 열 전도도 페이즈에 있는 경우 상기 열 소스로부터 상기 컴포넌트를 실질적으로 열적으로 고립시키고, 상기 폴리머 복합재가 상기 높은 열 전도도 페이즈에 있는 경우 상기 컴포넌트를 상기 열 소스에 실질적으로 열적으로 커플링하도록 구성되는, 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 제어된 면은 상기 플라즈마 프로세스 챔버의 내부에서 노출되는, 어셈블리.
  11. 제 1 항에 기재된 어셈블리를 제조하는 방법으로서,
    상기 컴포넌트의 상기 온도 제어된 면과 상기 열 소스 사이에 상기 폴리머 복합재를 샌드위치시키는 단계를 포함하는, 어셈블리 제조 방법.
  12. 제 1 항에 기재된 어셈블리를 포함하는 플라즈마 프로세스 챔버 내에서 기판을 플라즈마 에칭하는 방법으로서,
    (a) 상기 기판을 제 1 온도 및 제 1 플라즈마 전력에서 에칭하는 단계;
    (b) 상기 폴리머 복합재의 페이즈 (phase) 전이를 상기 낮은 열 전도도 페이즈로부터 상기 높은 열 전도도 페이즈로, 또는 상기 높은 열 전도도 페이즈로부터 상기 낮은 열 전도도 페이즈로 유도하는 단계; 및
    (c) 상기 기판을 제 2 온도 및 제 2 플라즈마 전력에서 에칭하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 온도는 상기 제 2 온도보다 높고 상기 제 1 플라즈마 전력은 상기 제 2 플라즈마 전력보다 낮고, 또는 상기 제 1 온도는 상기 제 2 온도보다 낮고 상기 제 1 플라즈마 전력은 상기 제 2 플라즈마 전력보다 높은, 플라즈마 에칭 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 에칭 동안 상기 기판이 지지되는 기판 지지 층, 및 상기 기판 지지 층과 직접 열 접촉하는 전기 히터를 포함하는 기판 지지 어셈블리이고;
    상기 열 소스는 히트 싱크이고;
    상기 단계 (a) 동안, 상기 전기 히터는 상기 기판 지지 층을 가열하고, 상기 폴리머 복합재를 전이 온도 위에서 그리고 상기 낮은 열 전도도 페이즈에서 유지하고;
    상기 단계 (b) 동안, 상기 전기 히터는 오프되고, 상기 히트 싱크는 상기 폴리머 복합재를 상기 전이 온도 미만으로 냉각시키며;
    상기 단계 (c) 동안, 상기 히트 싱크는 상기 폴리머 복합재를 상기 전이 온도 미만으로 그리고 상기 높은 열 전도도 페이즈에서 유지하는, 플라즈마 에칭 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 에지 링 및 상기 에지 링과 직접 열 접촉하는 히터 링을 포함하는 에지 링 어셈블리이고;
    상기 열 소스는 히트 싱크이고;
    상기 단계 (a) 동안, 상기 히터 링은 상기 에지 링을 가열하고, 상기 폴리머 복합재를 전이 온도 위에서 그리고 상기 낮은 열 전도도 페이즈에서 유지하고;
    상기 단계 (b) 동안, 상기 히터 링은 오프되고, 상기 히트 싱크는 상기 폴리머 복합재를 상기 전이 온도 미만으로 냉각시키며;
    상기 단계 (c) 동안, 상기 히트 싱크는 상기 에지 링을 냉각시키고, 상기 폴리머 복합재를 상기 전이 온도 미만으로 그리고 상기 높은 열 전도도 페이즈에서 유지하는, 플라즈마 에칭 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 상부 전극, 백킹 플레이트, 챔버 벽, 에지 링 및 기판 지지 층인, 플라즈마 에칭 방법.
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