KR20120002497A - 플라즈마 프로세싱 챔버를 위한 가동 접지 링 - Google Patents

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Abstract

가동 기판 지지 어셈블리의 가동 접지 링이 설명된다. 가동 접지 링은 기판 지지 어셈블리에 지지되는 반도체 기판에 플라즈마 프로세싱이 가해지는 조절가능 갭 용량성 커플링된 플라즈마 프로세싱 챔버 내의 가동 기판 지지 어셈블리의 고정 접지 링 주위에 끼워지고 고정 접지 링으로 RF 귀환 경로를 제공하도록 구성되어 있다.

Description

플라즈마 프로세싱 챔버를 위한 가동 접지 링 {Movable Ground Ring for a Plasma Processing Chamber}
본 발명은 접지 링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 프로세싱 챔버를 위한 가동 접지 링에 관한 것이다.
반도체 기술의 각 후속 세대마다 웨이퍼 직경들은 증가하고 트랜지스터 크기들은 감소하는 경향이 있는데, 이는 기판 프로세싱에 있어 보다 높은 정확도 및 재현성이 필요하게 한다. 실리콘 웨이퍼들과 같은 반도체 기판 재료들은 일반적으로 플라즈마 프로세싱 챔버들을 사용하여 프로세싱된다. 플라즈마 프로세싱 기법들은 스퍼터 증착, 플라즈마 강화 화학기상증착 (PECVD), 레지스트 스트립, 및 플라즈마 에칭을 포함한다. 플라즈마는 플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 적합한 프로세스 가스들에 라디오 주파수 (RF) 전력을 가함으로써 생성할 수 있다. 플라즈마 프로세싱 챔버 내의 RF 전류의 흐름은 프로세싱에 영향을 미칠 수 있다.
플라즈마 프로세싱 챔버는 플라즈마를 생성함에 있어 유도 커플링 (트랜스포머 커플링), 헬리콘 (helicon), 전자 사이클로트론 공명 (electron cyclotron resonance), 용량성 커플링 (평행판) 등 다양한 메커니즘들에 의존할 수 있다. 예를 들어, 트랜스포머 커플드 플라즈마 (TCPTM) 프로세싱 챔버 내에서, 또는 전자 사이클로트론 공명 (ECR) 프로세싱 챔버 내에서 고밀도 플라즈마가 생산될 수 있다. RF 에너지가 유도적으로 (inductively) 챔버들 내로 커플링되는 트랜스포머 커플드 플라즈마 프로세싱 챔버들이 캘리포니아 프리몬트의 램 리서치 코포레이션에서 입수 가능하다. 고밀도 플라즈마를 제공할 수 있는 고유량 (high-flow) 플라즈마 프로세싱 챔버의 일 예가 출원인 소유의 미국특허 제 5,948,704 호에 개시되어 있으며, 그 개시는 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 출원인 소유의 미국특허 제 4,340,462 호, 제 4,948,458 호, 제 5,200,232 호, 및 제 5,820,723 호에는 평행판 (parallel plate) 플라즈마 프로세싱 챔버들, 전자 사이클로트론 공명 (ECR) 플라즈마 프로세싱 챔버들, 및 트랜스포머 커플드 플라즈마 (TCPTM) 프로세싱 챔버들이 개시되어 있으며, 이들의 개시는 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
예를 들어 보면, 참조에 의해 그 개시가 본 명세서에 포함되는 출원인 소유의 미국특허 제 6,090,304 호에 기재된 이중 주파수 (dual frequency) 플라즈마 에칭 챔버와 같은 평행판 프로세싱 챔버 내에서 플라즈마가 생산될 수 있다. 평행판 플라즈마 프로세싱 챔버로는 상부 샤워헤드 전극 및 기판 지지대를 포함하는 이중 주파수 용량성 커플링된 플라즈마 프로세싱 챔버가 바람직하다. 예시의 목적으로, 본 명세서에서 설명되는 실시예들은 평행판 형식의 플라즈마 프로세싱 챔버에 대하여 설명된다.
도 1 에는 플라즈마 에칭을 위한 평행판 플라즈마 프로세싱 챔버가 도시되어 있다. 플라즈마 프로세싱 챔버 (100) 는 챔버 (110), 유입구 로드락 (load lock) (112), 및 선택적인 유출구 로드락 (114) 을 포함하는데, 이들에 대한 부가의 세부 사항들은 출원인 소유의 미국특허 제 6,824,627 호에 설명되어 있으며, 이는 그 전부가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
유입구 로드락 (112) 및 (제공된 경우) 유출구 로드락 (114) 은 웨이퍼들과 같은 기판들을 웨이퍼 공급원 (162) 으로부터 챔버 (110) 를 통과하여 웨이퍼 수용기 (164) 로 이송하는 이송 디바이스들을 포함한다. 로드락 펌프 (176) 가 로드락 (112 및 114) 들 내에 원하는 진공 압력을 제공할 수 있다.
챔버 (110) 내에 원하는 압력을 유지하도록 터보 펌프와 같은 진공 펌프 (172) 가 적응된다. 플라즈마 에칭 중에 챔버 압력은 제어되고, 바람직하게는 플라즈마를 유지하기에 충분한 수준으로 유지된다. 너무 높은 챔버 압력은 에치 스탑 (etch stop) 에 불리하게 작용할 수 있고, 너무 낮은 챔버 압력은 플라즈마 소실로 이어질 수 있다. 평행판 플라즈마 프로세싱 챔버와 같은 중밀도 플라즈마 프로세싱 챔버에서는 챔버 압력이 바람직하게 약 200 mTorr 미만의 압력으로 (예컨대, 20 내지 50 mTorr 처럼 100 mTorr 미만으로) 유지된다 (여기에서 사용되는 "약" 이라 함은 ±10% 를 의미한다).
챔버 내의 압력을 제어하기 위해, 진공 펌프 (172) 가 챔버 (110) 의 벽에 있는 유출구에 연결될 수 있으며 밸브 (173) 에 의해 스로틀 (throttled) 될 수 있다. 바람직하게, 진공 펌프는 챔버 (110) 내로 에칭 가스들이 유동되는 중에 챔버 (110) 내의 압력을 200 mTorr 미만으로 유지할 수 있다.
챔버 (110) 는 상부 전극 (125) (예컨대, 샤워헤드 전극) 을 포함하는 상부 전극 어셈블리 (120) 및 기판 지지대 (150) 를 포함한다. 상부 전극 어셈블리 (120) 는 상부 하우징 (130) 내에 장착된다. 상부 하우징 (130) 은 메커니즘 (132) 에 의해 수직으로 이동되어 상부 전극 (125) 과 기판 지지대 (150) 사이의 갭을 조절하도록 할 수 있다.
하우징 (130) 에는 프로세스 가스 소스 (170) 가 연결되어 하나 이상의 가스들을 포함하는 프로세스 가스를 상부 전극 어셈블리 (120) 에 인가할 수 있다. 바람직한 플라즈마 프로세싱 챔버에서, 상부 전극 어셈블리는 가스 분배 시스템을 포함하는데, 이는 기판의 표면에 근접한 영역으로 프로세스 가스를 인가하는 데 사용될 수 있다. 하나 이상의 가스 링들, 주입기들 및/또는 샤워헤드들 (예컨대, 샤워헤드 전극들) 을 포함할 수 있는 가스 분배 시스템들이 출원인 소유의 미국특허 제 6,333,272 호, 제 6,230,651 호, 제 6,013,155 호 및 제 5,824,605 호에 개시되어 있으며, 이들의 개시는 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
상부 전극 (125) 은 바람직하게는 샤워헤드 전극을 포함하는데, 이는 가스 홀들 (미도시) 을 포함하여 이들을 통해 프로세스 가스를 분배할 수 있다. 가스 홀들은 0.02 내지 0.2 인치의 직경을 가질 수 있다. 샤워헤드 전극은 프로세스 가스의 원하는 분배를 촉진시킬 수 있는 하나 이상의 수직으로 이격된 배플판들 (baffle plates) 을 포함할 수 있다. 상부 전극 및 기판 지지대는 그래파이트 (graphite), 실리콘 (silicon), 탄화 규소 (silicon carbide), 알루미늄 (예컨대, 양극산화 알루미늄), 또는 그 조합들과 같은 어떠한 적합한 재료로 형성될 수 있다. 열전달 액체 소스 (174) 가 상부 전극 어셈블리 (120) 에 연결될 수 있으며, 또 다른 열전달 액체 소스가 기판 지지대 (150) 에 연결될 수 있다.
기판 지지대 (150) 는, 정전기적으로 기판을 기판 지지대 (150) 의 상부 표면 (155) (지지 표면) 상에 클램핑하기 위한 하나 이상의 내장 (embedded) 클램핑 전극들을 가질 수 있다. 기판 지지대 (150) 는 RF 소스와, RF 매칭 회로와 같은 수반되는 회로 (미도시) 에 의해 전력이 공급될 수 있다. 기판 지지대 (150) 는 바람직하게는 온도 제어되며, 선택적으로 가열 장치 (미도시) 를 포함할 수 있다. 가열 장치들의 예들이 출원인에게 양도된 미국특허 제 6,847,014 호 및 제 7,161,121 호에 개시되어 있으며, 이들의 개시는 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 기판 지지대 (150) 는 지지 표면 (155) 에 평판 패널 또는 200 mm 혹은 300 mm 웨이퍼와 같은 반도체 기판을 지지할 수 있다.
기판 지지대 (150) 는 바람직하게는 지지 표면 (155) 에 지지되는 기판 아래로 헬륨과 같은 열전달 가스를 공급하기 위한 통로들을 포함하여 플라즈마 프로세싱 중에 기판 온도를 제어한다. 예를 들어, 헬륨 후면 냉각은 기판 상의 포토레지스트의 연소를 방지할 정도의 충분히 낮은 웨이퍼 온도를 유지할 수 있다. 기판과 기판 지지 표면 사이의 공간 내로 가압 가스를 도입하여 기판의 온도를 제어하는 방법이 출원인 소유의 미국특허 제 6,140,612 호에 개시되어 있으며, 그 개시는 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
기판 지지대 (150) 는 부상핀 홀들 (미도시) 을 포함할 수 있는데, 이 홀들을 통하여 부상핀들이 적합한 메커니즘들에 의해 수직으로 작동되어 챔버 (110) 내 및 외로 이송하기 위해 기판을 지지 표면 (155) 으로부터 들어올릴 수 있다. 부상핀 홀들은 약 0.08 인치의 직경을 가질 수 있다. 부상핀 홀들의 세부 사항들은 출원인 소유의 미국특허 제 5,885,423 호 및 제 5,796,066 호에 개시되어 있으며, 이들의 개시는 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
도 2 는 용량성 커플링된 플라즈마 프로세싱 챔버 (200) 의 블록도로서 그 내부의 RF 전류의 흐름 경로를 도시한다. 프로세싱 챔버 (200) 내에서 기판 (206) 이 프로세싱되고 있다. 기판 (206) 을 에칭하기 위해 플라즈마를 점화시키도록, 챔버 (200) 내의 프로세스 가스에 RF 전력이 가해진다. 기판 프로세싱 중에 RF 전류는 RF 공급원 (222) 으로부터 케이블 (224) 을 따라 RF 매치 네트워크 (220) 를 통하여 프로세싱 챔버 (200) 내로 흐를 수 있다. RF 전류는 경로 (240) 를 따라 이동하고 프로세스 가스와 커플링하여 하부 전극 (204) 위에 위치하는 기판 (206) 을 프로세싱하기 위한 한정된 챔버 부피 (210) 내에 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
플라즈마 형성을 제어하고 프로세싱 챔버 벽체들을 보호하기 위해 한정 링 (212) 이 이용될 수 있다. 예시적인 한정 링의 세부 사항들이 모두 2009년 8월 31일에 출원한, 출원인 소유의 미국 가특허 출원 제 61/238656 호, 제 61/238665 호, 제 61/238670 호, 및 미국특허출원 공개번호 제 2008/0149596 호에 설명되어 있으며, 이들의 개시는 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 한정 링 (212) 은 실리콘, 폴리실리콘, 탄화 규소, 탄화 보론, 세라믹, 알루미늄 등과 같은 전도성 재료로 만들어질 수 있다. 일반적으로, 한정 링 (212) 은 플라즈마가 형성될 한정된 챔버 부피 (210) 의 외주부 (periphery) 를 에워싸도록 구성될 수 있다. 한정 링 (212) 에 더하여, 한정된 챔버 부피 (210) 외주부는 상부 전극 (202), 하부 전극 (204), 216 및 218 과 같은 하나 이상의 절연 링들, 에지 링 (214) 및 하부 전극 지지 구조 (228) 에 의해서도 정의될 수 있다.
한정 영역 (한정된 챔버 부피 (210)) 으로부터 중성 가스종들을 배기하기 위하여, 한정 링들 (212) 은 (슬롯 (226a, 226b, 226c) 과 같은) 복수의 슬롯들을 포함할 수 있다. 중성 가스종들은 한정된 챔버 부피 (210) 으로부터 프로세싱 챔버 (200) 의 외부 영역 (232) (외부 챔버 부피) 으로 가로지른 후 터보 펌프 (234) 를 통해 프로세싱 챔버 (200) 밖으로 펌핑될 수 있다.
기판 프로세싱 중 형성된 플라즈마는 한정된 챔버 부피 (210) 내로 유지되어야 할 것이다. 그러나 특정 조건들 하에서는, 플라즈마가 한정된 챔버 부피 (210) 밖에서 점화될 수 있다. 일 예에서는, 고압의 환경이 주어진 경우 (한정된 챔버 부피 (210) 로부터 프로세싱 챔버 (200) 의 외부 영역 (232) 으로 배기되고 있는) 중성 가스종들이 RF 장 (RF field) 을 만날 수 있다. 외측 챔버 내 RF 장들의 존재는 한정되지 않은 플라즈마 (250) 의 형성을 야기할 수 있다.
통상적인 프로세싱 환경에서, RF 전류는 RF 생성기로부터 한정된 챔버 부피 (210) 내로 흐르고 다시 전기 접지로 흐른다. 챔버 부피 (210) 로부터 전기 접지로의 RF 전류의 흐름 경로는 RF 귀환 경로로 지칭된다. 도 2 를 참조하면, RF 귀환 경로 (242) 는 일 세트의 한정 링들 (212) 내부를 따라 흐르는 RF 귀환 전류를 포함할 수 있다. 지점 (252) 에서, RF 귀환 전류는 한정 링들 (212) 의 외부를 따라 흘러 프로세싱 챔버 (200) 의 내벽 표면과 이어질 수 있다. 챔버 벽체로부터 RF 귀환 전류는 일 세트의 스트랩들 (230) 을 따라 하부 전극 지지 구조 (228) 로 이어질 수 있다. 하부 전극 지지 구조 (228) 의 표면으로부터 RF 귀환 전류는 RF 매치 (220) 를 통해 다시 RF 소스 (222) 로 흐를 수 있다.
전술한 내용에서 알 수 있듯이, 경로 (242) 를 따름으로써, RF 전류는 전기 접지로 향하는 중에 한정된 챔버 부피 (210) 의 외부로 흐른다. 그 결과, 외부 챔버 영역에서 RF 장이 생성될 수 있다. 이러한 RF 장의 존재는 프로세싱 챔버 (200) 의 외부 영역 (232) 에서 한정되지 않은 플라즈마 (250) 가 형성되게 할 수 있다.
이에 따라, 짧은 RF 귀환 경로를 제공하고 한정되지 않은 플라즈마의 점화를 방지하는 마련이 요구된다.
본 명세서에는 가동 기판 지지 어셈블리에 지지되는 반도체 기판에 플라즈마 프로세싱이 가해지는 조절가능 갭 용량성 커플링된 (adjustable gap capacitively-coupled) 플라즈마 프로세싱 챔버 내의 가동 기판 지지 어셈블리의 가동 접지 링으로서, 가동 기판 지지 어셈블리의 고정 접지 링 주위에 끼워지고 가동 기판 지지 어셈블리의 고정 접지 링으로 RF 귀환 경로를 제공하도록 구성된 가동 접지 링이 설명된다. 가동 접지 링은: 하측 표면에 복수의 센터링 슬롯들을 가지는 환형 하벽 (annular bottom wall); 및 하벽의 내주부로부터 상향으로 연장되는 측벽으로서, 가동 접지 링이 고정 접지 링에 대하여 수직으로 이동 가능하도록 고정 접지 링의 외주부를 에워싸도록 구성된 내측 표면을 가지는 측벽을 포함한다.
본 발명에 따른 가동 접지 링은 한정 링 (305) 을 통하는 웨이퍼 포트를 불필요함으로써 플라즈마 에칭 비균일성 및 플라즈마 비한정의 초래를 방지할 수 있다.
도 1 은 예시적 플라즈마 프로세싱 챔버의 개략도이다.
도 2 는 용량성 커플링된 플라즈마 프로세싱 챔버 및 그 내부의 RF 귀환 경로의 블록도이다.
도 3a 는 예시적인 조절가능 갭 용량성 커플링된 플라즈마 프로세싱 챔버에서 가동 기판 지지 어셈블리가 상부 위치에 있을 때의 부분 단면도이다.
도 3b 는 도 3a 의 예시적인 조절가능 갭 용량성 커플링된 플라즈마 프로세싱 챔버로서, 가동 기판 지지 어셈블리가 하부 위치에 있을 때의 부분 단면도이다.
도 3c 는 도 3a 의 예시적인 조절가능 갭 용량성 커플링된 플라즈마 프로세싱 챔버로서, 가동 기판 지지 어셈블리가 하부 위치에 있을 때의 부분 사시도이다.
도 4a 내지 도 4i 는 일 실시예에 따른 가동 기판 지지 어셈블리의 가동 접지 링의 상세도이다.
도 5a 는 가동 접지 링을 지지하는 침하 가능한 플런저의 단면도이다.
도 5b 는 고정된 접지 링에 장착된 침하 가능한 플런저의 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c 는 가동 접지 링의 상부 내측 모서리 상에 장착하는 복수의 홈들을 가진 석영 링의 상세도이다.
본 명세서에는 조절가능 갭 용량성 커플링된 플라즈마 프로세싱 챔버 내의 가동 기판 지지 어셈블리의 고정 접지 링 주위에 끼워지고 가동 기판 지지 어셈블리의 고정 접지 링으로 RF 귀환 경로를 제공하도록 구성된 가동 접지 링이 설명된다. 도 3a 및 도 3b 는 예시적인 조절가능 갭 용량성 커플링된 플라즈마 프로세싱 챔버 (300) 의 부분 단면도이다. 챔버 (300) 는 가동 기판 지지 어셈블리 (310), 중앙 전극판 (303) 과 환형 외측 전극 (304) 을 포함하는 상부 전극, 및 환형 외측 전극 (304) 으로부터 외향으로 연장되는 전기 전도성 한정 링 (305) 을 포함하는데, 한정 링 (305) 은 상측 수평 섹션 (305a), 상측 수평 섹션 (305a) 의 외단 (outer end) 으로부터 하향으로 연장되는 수직 섹션 (305b), 및 수직 섹션 (305b) 의 하단으로부터 내향으로 연장되는 하측 수평 섹션 (305c) 을 포함하고, 하측 수평 섹션 (305c) 은 프로세스 가스 및 반응 부산물들이 통과하여 플라즈마 프로세싱 챔버 (300) 밖으로 펌핑되는 방사형으로 연장된 슬롯들을 포함한다. 하측 수평 섹션 (305c) 의 내단 (inner end) 의 하측 표면은, 도 3a 에서와 같이 가동 기판 지지 어셈블리 (310) 가 상부 위치에 있을 때, 가동 접지 링 (400) 의 상단과 전기적 접촉을 제공한다. 하측 수평 섹션 (305c) 의 내단의 하측 표면은 바람직하게는 가동 접지 링 (400) 과의 전기적 접촉을 향상시키도록 구성된 전기 전도성 코팅을 포함한다. 가동 기판 지지 어셈블리 (310) 에 지지되는 반도체 기판의 플라즈마 프로세싱은 가동 기판 지지 어셈블리 (310) 이 상부 위치에 있을 때 수행된다. 한정 링 (305) 은 하측 수평 섹션 (305c) 아래에 적어도 하나의 슬롯팅된 링 (307) 을 포함할 수 있는데, 슬롯팅된 링 (307) 은 방사형으로 연장되는 슬롯들을 통한 가스 유량을 조절하도록 하측 수평 섹션 (305c) 에 대하여 회전 가능하고 수직으로 이동 가능하다. 도 3b 는, 반도체 기판이 가동 기판 지지 어셈블리 (310) 상으로 이송될 수 있는, 가동 기판 지지 어셈블리 (310) 의 하부 위치를 도시한다.
가동 기판 지지 어셈블리 (310) 는 가동 접지 링 (400), 하부 전극 (317), 반도체 기판이 정전기적으로 클램핑되는 정전기 척 (electrostatic chuck, ESC) (312), ESC (312) 를 에워싸는 플라즈마 노출 표면을 가진 에지 링 (311), 에지 링 (311) 을 에워싸는 플라즈마 노출 표면을 가진 유전체 링 (306), 에지 링 (311) 아래에 있는 적어도 하나의 절연 링 (315), 및 유전체 링 (306) 아래에 있고 절연 링을 에워싸는 전기 전도성 재료의 고정 접지 링 (340) 을 포함한다. 가동 접지 링 (400) 은 고정 접지 링 (340) 에 지지되는 침하가능 (depressible) 플런저들 (350) 에 지지된다. 가동 접지 링 (400) 은 가동 기판 지지 어셈블리 (310) 가 상부 위치로 이동될 때 한정 링 (305) 과 전기적으로 접촉하도록 고정 접지 링 (340) 에 대하여 수직으로 이동 가능하다. 가동 기판 지지 어셈블리 (310) 는 전기적으로 접지된 바이어스 하우징 (bias housing) (360) 에 지지될 수 있다.
고정 접지 링 (340) 은 하벽 (340a) 및 하벽 (340a) 의 내주부로부터 상향으로 연장되는 측벽 (340b) 을 포함할 수 있다. 측벽 (340b) 은 유전체 링 (306) 의 외부 직경보다 크지 않은 외부 직경을 가진다. 도 3c 에 도시된 바와 같이, 고정 접지 링 (340) 의 하벽 (340a) 은 바람직하게는, 고정 접지 링 (340) 과 가동 접지 링 (400) 사이에 RF 귀환 경로들을 제공하는 고정 접지 링 (340) 과 가동 접지 링 (400) 사이의 연성 (flexible) RF 귀환 스트랩들 (390) 을 위한, 원주 방향으로 이격된 8 개의 RF 귀환 스트랩 연결들 (340c) 을 포함한다. 가동 접지 링 (400) 과 고정 접지 링 (340) 사이에 스트랩들 (390) 대신 RF 개스킷을 사용하여 RF 귀환 경로들의 일부로서 슬라이딩하는 RF 접촉을 만들 수 있다.
고정 접지 링 (340) 은 하벽의 외측 부분에 원주 방향으로 이격된 3 개의 플런저 지지 구멍들 (bores) 을 포함할 수 있고, 각 플런저 지지 구멍은, 침하가능 핀들의 상단들이 하벽의 상측 표면 위로 연장되도록, 침하가능 핀들을 담는 플런저 지지 하우징과 결합 (engaging) 할 수 있다.
도 4a 내지 도 4i 는 일 실시예에 따른 가동 기판 지지 어셈블리의 가동 접지 링 (400) 의 상세도이다. 가동 접지 링 (400) 은 환형 하벽 (402) 및 하벽 (402) 의 내주부로부터 상향으로 연장되는 측벽 (401) 을 포함한다. 측벽 (401) 은 가동 접지 링 (400) 이 고정 접지 링 (340) 에 대하여 수직으로 이동 가능하도록 고정 접지 링 (340) 의 외주부를 에워싸도록 구성된 내측 표면 (401a) 을 가진다. 내측 표면 (401a) 은 고정 접지 링 (340) 의 측벽의 외부 직경보다 0.04 인치까지 더 큰, 바람직하게는 0.03 인치 더 큰, 직경을 가진다.
가동 접지 링 (400) 은 그 하측 표면 (402a) 에 복수의 센터링 슬롯들 (403) 을 가진다 (도 4c). 슬롯들 (403) 은 방위 방향으로 (azimuthally) 이격되어 있다. 바람직하게는, 가동 접지 링 (400) 이 120˚ 이격된 3 개의 센터링 슬롯들 (403) 을 가진다. 바람직하게는, 센터링 슬롯들 (403) 이 가동 접지 링 (400) 의 중심축을 통과하는 방사형 직선들을 따라 신장되며 V 형상의 단면을 가진다. 도 4d 는 슬롯들 (403) 중 하나의 평면도이다. 도 4e 는 슬롯들 (403) 중 하나의 방사형 직선을 따른 단면도이다. 도 4f 는 슬롯들 (403) 중 하나의 방사형 직선에 직각인 단면도이다. 슬롯들 (403) 은 바람직하게는 45 내지 90˚ 의 개구 각도들을 가지며, 바람직하게는 모든 방향으로 약 60˚ 의 개구 각도들을 가진다.
가동 접지 링 (400) 은 복수의 RF 귀환 스트랩 연결들을 가진다. RF 귀환 스트랩들 (390) 은 RF 귀환 스트랩 연결들에 부착되어 가동 접지 링 (400) 을 고정 접지 링 (340) 에 전기 접지시킬 수 있다. 바람직하게는, RF 귀환 스트랩 연결들이 하벽 (402) 의 외주부에 방사형으로 외향 연장되는 8 개의 돌출부들 (488) 을 포함한다.
가동 접지 링 (400) 은 측벽 (401) 의 상측 표면 (401b) 내로 수직 연장되는 환형 홈 (415) 을 가질 수 있다 (도 4g). 홈 (415) 은 RF 개스킷을 수용하도록 구성되어 있다. 대안적으로는, 가동 접지 링 (400) 이 홈 (415) 을 가지지 않고, 대신 측벽 (401) 의 상단이 측벽 (401) 의 외측 표면 (401c) 으로 연장되는 환형 슬롯 (420) 을 포함하여, 수직으로 연장되는 얇은 벽체 섹션 (430a) 및 얇은 벽체 섹션 (430a) 의 상단으로부터 방사형으로 외향 연장되는 변형가능 환형 섹션 (430b) 을 포함하는 변형부 (flexure) (430) 를 형성한다 (도 4i). RF 개스킷 또는 변형부 (430) 는 측벽 (401) 의 상측 외주부 전체를 따라 한정 링 (305) 과 탄력적으로 결합하는 역할을 한다. RF 개스킷 및 변형부는 가동 접지 링 (400) 과 한정 링 (305) 사이의 비평면성 (unplanarity) 을 수용 (accommodate) 하고 이들 사이에 외주부 전체를 따라 전기적 접촉을 보장하는 역할을 한다.
도 4b 에 도시된 바와 같이, 가동 접지 링 (400) 은 바람직하게는 내측 표면 (401a) 에 측벽 (401) 의 상측 표면 (401b) 으로부터 연장되는 수직 표면 (440a) 및 내측 표면 (401a) 과 수직 표면 (440a) 사이에 연장되는 수평 표면 (440b) 에 의해 형성되는 단차 (step) (440) 가 형성된다. 도 4h 에 도시된 바와 같이, 수평 표면 (440b) 은 가동 기판 지지 어셈블리 (310) 가 하부 위치에 있을 때 측벽 (401) 의 상단을 유전체 링 (306) 으로부터 분리시키도록 구성된 소모성 석영 링 (320) (도 4h 에는 미도시, 도 3a 내지 도 3c 에 도시됨) 의 하측 표면 내의 정렬 홀들에 치합 (mate) 하는 수직 핀들 (499) 을 수용하도록 구성된 복수의 막힌 (blind) 홀들 (440h) 을 포함한다.
도 5a 및 도 5b 에 도시된 바와 같이, 침하가능 플런저들 (350) 각각은 하우징 (351), 하우징 (351) 의 하단을 봉입하는 캡 (352), 및 하우징 (351) 내의 스프링 바이어싱된 핀 (353) 을 포함하는데, 핀 (353) 은 하우징 (351) 의 상단 (351a) 밖으로 연장되는 상측 부분 (353a) 을 포함하고 가동 접지 링 (400) 내의 센터링 슬롯들 (403) 중 대응하는 하나에 결합하도록 구성되고, 핀 (353) 은 핀의 상향 운동을 제한하는 플랜지 (353b) 를 포함하며, 플랜지 (353b) 는 핀 (353) 을 상향으로 바이어싱시키는 스프링 (354) 과 결합하고, 핀 (353) 은 가동 접지 링 (400) 의 상단이 한정 링 (350) 과 전기적으로 접촉할 때 기판 지지 어셈블리 (310) 의 상향 이동 중 침하 가능하다. 가동 기판 지지 어셈블리 (310) 가 상부 위치에 있을 때, 핀 (353) 은 바람직하게는 스프링 (354) 에 의해 30 lb 이상의 힘으로 눌려져 가동 접지 링 (400) 과 한정 링 (305) 사이에 신뢰성 있는 전기 연결을 보장한다.
도 5b 에 도시된 바와 같이, 하우징 (351) 의 상단 (351a) 은 고정 접지 링 (340) 내의 나사형 개구부에 결합하는 작은 직경의 나사형 섹션 및 고정 접지 링 (340) 내의 치합하는 개구부에 수용되는 더 큰 직경의 섹션 (351b) 을 포함한다. 핀 (353) 의 상단 (353a) 은 바람직하게는 하우징 (351) 의 상단 (351a) 에 대하여 적어도 0.5 인치 침하 가능하다.
도 3a, 도 3b, 및 도 4h 에 도시된 바와 같이, 석영 링 (320) 은 그 하측 표면에 복수의 센터링 홈들 (321) 을 포함한다. 홈들 (321) 은 단 (440) 의 수평 표면 (440b) 내의 막힌 홀들 (440h) 로부터 연장되는 수직 핀들 (499) 을 수용하도록 구성되어 있고, 각각의 수직 핀들 (499) 은 센터링 홈들 (321) 중 대응하는 하나에 위치한다.
일 실시예에서는, 도 6a 내지 도 6c 에 도시된 바와 같이, 석영 링 (320) 이 직사각형의 단면을 가지며, 내부 직경이 약 14.8 인치, 외부 직경이 약 15.1 인치, 그리고 높이가 약 0.3 인치이다. 석영 링 (320) 의 하부 외측 모서리에는 방위 방향으로 120˚ 이격된 3 개의 홈들 (321) 이 배치되어 있다. 각 홈 (321) 에는 약 0.1 인치의 직경을 가진 반원기둥형 부분 (321a) 이 있다. 반원기둥형 부분 (321a) 의 중심축은 석영 링 (320) 의 중심축으로부터 약 7.5 인치의 반경에 위치한다. 반원기둥형 부분 (321a) 은 석영 링 (320) 의 외측 표면에 개방된 직선 부분 (321b) 과 연결되어 있다. 직선 부분 (321b) 는 반원기둥형 부분 (321a) 의 직경과 동일한 폭을 가진다. 홈 (321) 은 약 0.09 인치의 깊이를 가진다. 홈 (321) 의 모든 에지들은 바람직하게는 약 0.02 인치 폭의 45˚ 챔퍼 (chamfer) 를 가진다. 홈들 (321) 은 석영 링 (320) 과 바람직하게는 알루미늄으로 만들어진 가동 접지 링 (400) 사이의 열팽창 계수 차이를 수용하고, 이들이 노출되는 온도 범위 내에서 석영 링 (320) 을 가동 접지 링 (400) 에 중앙 정렬시키도록 구성되어 있다.
조절가능 갭 플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 반도체 기판을 프로세싱하는 방법은 가동 기판 지지 어셈블리 (310) 를 하부 위치로 이동시키는 단계, 반도체 기판을 ESC (312) 상으로 이송하는 단계, 가동 기판 지지 어셈블리 (310) 를 상부 위치로 이동시키는 단계, 상부 전극 (303 및 304) 과 ESC (312) 사이의 갭에 프로세스 가스를 공급하는 단계, 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징 (energize) 하도록 상부 및 하부 전극들 중 적어도 하나에 RF 에너지를 공급하는 단계, 및 플라즈마로 반도체 기판을 프로세싱 (예컨대, 플라즈마 에칭) 하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 가동 기판 지지 어셈블리 (310) 를 하부 위치로부터 상부 위치로 이동시키는 중에, 가동 접지 링 (400) 은 그 상단이 한정 링 (305) 의 하측 수평 섹션 (305c) 과 전기적으로 접촉할 때까지 수직으로 이동하며, 그 후 가동 접지 링 (400) 은 가동 기판 지지 어셈블리 (310) 가 상부 위치에 도달할 때까지 고정 접지 링 (340) 에 지지되는 침하가능 플런저들 (350) 을 침하시켜 원하는 갭 폭을 제공한다.
가동 접지 링은 한정 링 (305) 을 통하는 웨이퍼 포트를 불필요하게 한다. 이러한 웨이퍼 포트는 플라즈마 에칭 비균일성 및 플라즈마 비한정을 초래할 수 있다.
가동 접지 링, 가동 기판 지지 어셈블리, 및 조절가능 갭 용량성 커플링된 플라즈마 프로세싱 챔버가 특정 실시예들에 대하여 상세히 설명되었으나, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 청구범위에서 벗어나지 않고도 다양한 변경 및 수정이 가해질 수 있고 균등물이 이용될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 가동 기판 지지 어셈블리에 지지되는 반도체 기판에 플라즈마 프로세싱이 가해지는 조절가능 갭 용량성 커플링된 (adjustable gap capacitively-coupled) 플라즈마 프로세싱 챔버 내의 상기 가동 기판 지지 어셈블리의 고정 접지 링 주위에 끼워 맞춰지고 상기 고정 접지 링으로 RF 귀환 경로를 제공하도록 구성된, 상기 가동 기판 지지 어셈블리의 가동 접지 링으로서,
    하측 표면에 복수의 센터링 슬롯들을 가지는 환형 하벽 (annular bottom wall); 및
    상기 하벽의 내주부로부터 상향으로 연장되는 측벽으로서, 상기 가동 접지 링이 상기 고정 접지 링에 대하여 수직으로 이동 가능하도록 상기 고정 접지 링의 외주부를 에워싸도록 구성된 내측 표면을 가지는 상기 측벽을 포함하는, 가동 접지 링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 센터링 슬롯들은 각각 상기 가동 접지 링의 중심축을 통과하는 방사형 직선을 따라 연장되는 3 개의 신장된 V 형상 슬롯들을 포함하는, 가동 접지 링.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하벽 상에 복수의 RF 귀환 스트랩 연결들을 더 포함하며,
    상기 복수의 RF 귀환 스트랩 연결들은 상기 하벽의 외주부에 방사형으로 외향 연장되는 8 개의 돌출부들을 포함하는, 가동 접지 링.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 측벽의 상측 표면은 RF 개스킷을 수용하도록 구성된 환형 홈을 포함하는, 가동 접지 링.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 측벽의 상단은 상기 측벽의 외측 표면 내로 연장되는 환형 슬롯을 포함하여, 수직으로 연장되는 얇은 벽체 섹션 및 상기 얇은 벽체 섹션의 상단으로부터 방사형으로 외향 연장되는 변형가능 환형 섹션을 포함하는 변형부 (flexure) 를 형성하는, 가동 접지 링.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 내측 표면은 상기 측벽의 상기 상측 표면으로부터 연장되는 수직 표면 및 상기 내측 표면과 상기 수직 표면 사이에 연장되는 수평 표면에 의해 형성되는 단차 (step) 를 포함하며,
    상기 수평 표면은 상기 측벽의 상기 상단을 상기 기판 지지 어셈블리의 외측 상단의 유전체 링으로부터 분리시키도록 구성된 석영 링의 하측 표면 내의 정렬 홀들에 치합 (mate) 하는 핀들을 수용하도록 구성된 복수의 막힌 (blind) 홀들을 포함하는, 가동 접지 링.
  7. 제 1 항에 따른 가동 접지 링을 포함하는 기판 지지 어셈블리로서,
    상기 기판 지지 어셈블리는 하부 전극, 반도체 기판이 정전기적으로 클램핑되는 ESC, 상기 ESC 를 에워싸는 플라즈마 노출 표면을 가지는 에지 링, 상기 에지 링을 에워싸는 플라즈마 노출 표면을 가지는 유전체 링, 상기 에지 링 아래에 있는 적어도 하나의 절연 링, 및 상기 유전체 링 아래에 있고 상기 절연 링을 에워싸는 전기 전도성 재료의 고정 접지 링을 포함하며,
    상기 측벽의 상기 내측 표면은 상기 고정 접지 링의 측벽의 외부 직경보다 0.04 인치까지 더 큰 직경을 가지며,
    상기 가동 접지 링은 상기 고정 접지 링에 지지되는 침하가능 (depressible) 플런저들에 지지되며,
    상기 가동 접지 링은, 상기 반도체 기판이 플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 프로세싱되는 상부 위치로 상기 기판 지지 어셈블리가 이동될 때 플라즈마 한정 존 (zone) 의 내벽을 형성하는 한정 링과 전기적으로 접촉하도록 상기 고정 접지 링에 대하여 수직으로 이동 가능한, 기판 지지 어셈블리.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 침하가능 플런저들의 각각은 하우징, 상기 하우징의 하단을 봉입하는 캡, 및 상기 하우징 내의 스프링 바이어싱된 핀을 포함하며,
    상기 핀은 상기 하우징의 상단 밖으로 연장되는 상측 부분을 포함하고 상기 가동 접지 링 내의 상기 센터링 슬롯들 중 대응하는 센터링 슬롯에 결합 (engage) 하도록 구성되며,
    상기 핀은 상기 핀의 상향 이동을 제한하는 플랜지를 포함하고 상기 플랜지는 상기 핀을 상향으로 바이어싱하는 스프링과 결합하며,
    상기 핀은 상기 가동 접지 링의 상기 상단이 상기 한정 링과 전기적으로 접촉할 때 침하 가능한, 기판 지지 어셈블리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 하우징의 상기 상단은 상기 고정 접지 링 내의 나사형 개구부에 결합하는 작은 직경의 나사형 섹션 및 상기 고정 접지 링 내의 치합하는 개구부에 수용되는 더 큰 직경의 섹션을 포함하는, 기판 지지 어셈블리.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 핀들의 상단들은 상기 하우징의 상기 상단에 대하여 적어도 0.5 인치 이동 가능한, 기판 지지 어셈블리.
  11. 제 7 항에 따른 기판 지지 어셈블리를 포함하는 조절가능 갭 플라즈마 프로세싱 챔버로서,
    상기 기판 지지 어셈블리는 반도체 기판이 상기 ESC 의 상측 표면 상으로 이송될 수 있는 하부 위치로부터 상기 반도체 기판의 플라즈마 프로세싱이 수행되는 상부 위치로 이동 가능하며,
    상기 플라즈마 프로세싱 챔버는 상부 전극 및 상기 상부 전극으로부터 외향으로 연장되는 전기 전도성 한정 링을 포함하며,
    상기 한정 링은 상측 수평 섹션, 상기 상측 수평 섹션의 외단 (outer end) 으로부터 하향으로 연장되는 수직 섹션, 및 상기 수직 섹션의 하단으로부터 내향으로 연장되는 하측 수평 섹션을 포함하며,
    상기 하측 수평 섹션은 프로세스 가스 및 반응 부산물들이 플라즈마 한정 존 밖으로 펌핑되는 방사형으로 연장되는 슬롯들을 포함하며,
    상기 하측 수평 섹션의 내단 (inner end) 의 하측 표면은, 상기 기판 지지 어셈블리가 상기 상부 및 하부 전극들 사이의 갭을 조절하기 위해 상기 상부 위치에 있을 때, 상기 가동 접지 링의 상기 상단과의 전기적 접촉을 제공하는, 조절가능 갭 플라즈마 프로세싱 챔버.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 한정 링의 상기 하측 수평 섹션의 상기 내단의 상기 하측 표면은 상기 가동 접지 링과의 전기적 접촉을 향상시키도록 구성된 전기 전도성 코팅을 포함하는, 조절가능 갭 플라즈마 프로세싱 챔버.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 가동 접지 링과 상기 고정 접지 링 사이에 복수의 연성 (flexible) RF 귀환 스트랩들이 연장되는, 조절가능 갭 플라즈마 프로세싱 챔버.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 가동 접지 링의 상기 측벽의 상기 상측 표면으로부터 연장되는 수직 표면 및 상기 내측 표면과 상기 수직 표면 사이에 연장되는 수평 표면에 의해 형성되는 단차에 석영 링이 위치되며,
    상기 석영 링은 그 하측 표면에 복수의 센터링 홈들을 포함하며,
    상기 가동 접지 링은 상기 단차의 상기 수평 표면 내의 막힌 홀들로부터 연장되는 복수의 수직 핀들을 포함하며,
    상기 수직 핀들 각각은 상기 센터링 홈들 중 대응하는 센터링 홈에 위치하는, 조절가능 갭 플라즈마 프로세싱 챔버.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 가동 접지 링의 상기 측벽의 상단 내의 환형 홈에 RF 개스킷이 위치하는, 조절가능 갭 플라즈마 프로세싱 챔버.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 한정 링은 상기 하측 수평 섹션 아래에 슬롯팅된 (slotted) 링을 포함하며, 상기 슬롯팅된 링은 상기 하측 수평 섹션 및 상기 슬롯팅된 링의 방사형으로 연장되는 정렬된 슬롯들을 통한 가스 유량을 조절하도록 상기 하측 수평 섹션에 대하여 회전 가능하고 수직으로 이동 가능한, 조절가능 갭 플라즈마 프로세싱 챔버.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 고정 접지 링은 하벽 및 상기 하벽의 내주부로부터 상향으로 연장되는 측벽을 포함하며,
    상기 고정 지지 링의 상기 측벽은 상기 유전체 링의 외부 직경보다 크지 않은 외부 직경을 가지며,
    상기 고정 접지 링의 상기 하벽은 원주 방향으로 이격된 8 개의 RF 귀환 스트랩 연결들을 포함하며,
    상기 가동 접지 링은 원주 방향으로 이격된 8 개의 RF 귀환 스트랩 연결들을 포함하며,
    상기 가동 접지 링과 상기 고정 접지 링의 상기 RF 귀환 스트랩 연결들 사이에 8 개의 연성 RF 귀환 스트랩들이 전기적 귀환 경로들을 제공하는, 조절가능 갭 플라즈마 프로세싱 챔버.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 고정 접지 링은 상기 하벽의 외측 부분에 원주 방향으로 이격된 3 개의 플런저 지지 구멍들 (bores) 을 포함하며,
    상기 플런저 지지 구멍들 각각은, 침하가능 핀들의 상단들이 상기 하벽의 상측 표면 위로 연장되도록, 상기 침하가능 핀들을 담는 플런저 지지 하우징을 치합하는, 조절가능 갭 플라즈마 프로세싱 챔버.
  19. 제 11 항에 따른 조절가능 갭 플라즈마 프로세싱 챔버에서 반도체 기판을 프로세싱하는 방법으로서,
    상기 기판 지지 어셈블리를 상기 하부 위치로 이동시키는 단계;
    반도체 기판을 상기 ESC 상으로 이송하는 단계;
    상기 기판 지지 어셈블리를 상기 상부 위치로 이동시키는 단계;
    상기 상부 전극과 상기 ESC 사이의 상기 갭에 프로세스 가스를 공급하는 단계;
    상기 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징 (energize) 하도록 상기 상부 및 하부 전극들 중 적어도 하나에 RF 에너지를 공급하는 단계; 및
    상기 플라즈마로 상기 반도체 기판을 프로세싱하는 단계를 포함하는, 반도체 기판 프로세싱 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 기판 지지 어셈블리를 상기 하부 위치로부터 상기 상부 위치로 이동시키는 중에, 상기 가동 접지 링은 그 상단이 상기 한정 링의 상기 하측 수평 섹션과 전기적으로 접촉할 때까지 수직으로 이동하며, 그 후 상기 가동 접지 링은 상기 기판 지지 어셈블리가 상기 상부 위치에 도달할 때까지 상기 고정 접지 링에 지지되는 상기 침하가능 플런저들을 침하시키는, 반도체 기판 프로세싱 방법.
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