KR20130028070A - 반응성 이온 에칭을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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프레디 루제붐
아드리안 마리누스 란크호르스트
파우루스 빌리브로르두스 게오르그 푸드트
노르베르투스 베네딕투스 코스테르
게라르두스 요한 조제프 위난드스
아드리아누스 요하네스 페트루스 마리아 베르메르
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네덜란제 오르가니자티에 포오르 토에게파스트-나투우르베텐샤펠리즈크 온데르조에크 테엔오
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Abstract

본 발명은 에칭 가스 공급부를 포함하고 플라즈마를 점화하기 위한 플라즈마 발생 구조를 구비하여 배치되며 기판의 표면상에 이온을 가하도록 기판 부분을 향해 에칭 플라즈마를 촉진시키기 위해 전극 구조를 포함하는 플라즈마 에칭 구역; 보호막 가스 공급부와 제공되는 공동을 포함하는 보호막 구역, 상기 공급부는 보호막 가스 흐름을 공급부로부터 공동으로 제공하기 위해 배치되며, 공동은 사용중에 인젝터 헤드 및 기판 표면에 의해 구획됨; 및 상기 에칭 구역 및 보호막 구역 사이에 배치되는 가스 배출구를 포함하는 가스 퍼지 구조, 가스 퍼지 구조는 에칭 및 보호막 구역들의 공간적인 분리를 형성함;를 포함하는, 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치에 관련된다.

Description

반응성 이온 에칭을 위한 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR REACTIVE ION ETCHING}
본 발명은 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치에 관련된다. 본 발명은 더 나아가 기판의 (심층) 반응성 이온 에칭을 위한 방법에 관련된다.
실리콘의 높은 종횡비 외관들의 심층 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etching; DRIE)에서 오늘날 많이 이용되는 방법은 특히 US5,498,312호에 설명되는 소위 보슈 공정(Bosch process)이다. 이 공정은 실리콘 미세기계가공 기술의 가장 대중적인 선택이며,
1) 웨이퍼들 및 다이들의 3D 적층을 위한 실리콘 관통 전극(TSVs), 및
2) 마이크로 전기기계 시스템들(MEMS, 즉 센서들 및 액츄에이터들)
를 포함하는 거대한 신흥시장들을 제공할 뿐만 아니라
3) DRAM 트렌치 에칭, 얕은 트렌치 격리 에칭
에서 더 큰 충분히 발달한 시장들을 제공한다.
보슈 공정은 또한 심층 반응성 이온 에칭으로서 언급되며, 이어서 에칭 및 보호막 공정이 필수적이다. 원래, 보슈 공정은 가스상의 SiFx 에칭 제품들을 형성하기 위해 Ar에서 SF6 또는 NF3과 Si-에칭, 및 외관의 바닥 및 측벽들 상에 보호하는 탄화플루오르 폴리머 증착을 형성하기 위해 Ar에서 CHF3 또는 CF4와 보호막의 교대하는 사이클들에 기반된다. 에칭 및 보호막 사이클들의 시간 척도는 일반적으로 (예를 들어) 3-5초의 사이클들로 가진다.
일 측에 따라, 에칭 공정 및 장치는 빠른 에칭 공정을 제공하도록 의도되고, 물질들은 효율적으로 사용되며 보호막의 대체의 형상들은 가능할 수 있다.
일 측에서 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치는, 에칭 가스 공급부를 포함하고 플라즈마를 점화하기 위한 플라즈마 발생 구조를 구비하고 기판의 표면상에 이온을 가하도록 기판 부분을 향해 에칭 플라즈마를 촉진시키기 위해 전극 구조를 더 포함하는 플라즈마 에칭 구역; 보호막 가스 공급부가 제공되는 공동을 포함하는 보호막 구역, 상기 공급부는 보호막 가스 흐름을 공급부로부터 공동으로 제공하기 위해 배치되고, 공동은 사용 중에 인젝터 헤드 및 기판 표면에 의해 구획됨; 및 상기 에칭 구역 및 보호막 구역 사이에 배치된 가스 배출구를 포함하는 가스 퍼지 구조, 가스 퍼지 구조는 에칭 및 보호막 구역들의 공간적인 분리를 형성함; 를 포함하여 제공된다.
다른 측에 따라, 본 발명은 인젝터 헤드를 포함하는 장치를 이용하여 기판의 표면상에 반응성 이온 에칭을 위한 방법을 제공하며, 인젝터 헤드는 에칭 가스 공급부를 포함하고 플라즈마를 점화하기 위한 플라즈마 발생 구조를 구비하여 배치되는 플라즈마 에칭 구역; 보호막 가스 공급부가 제공되는 공동을 포함하는 보호막 구역, 상기 공급부 및 배수부는 보호막 가스 흐름을 공급부로부터 공동을 거쳐 배수부로 제공하기 위해 배치되며, 공동은 사용 중에 인젝터 헤드 및 기판 표면 가스에 의해 구획됨; 및 에칭 구역 및 보호막 구역들 사이에 가스 퍼지 구조, 가스 퍼지 구조는 에칭 및 보호막 구역들의 공간적인 분리를 형성함; 를 포함하고, 에칭 구역들 및 보호막 구역들을 공간적으로 분리시키면서,
a) 기판 부분 위에 플라즈마 에칭 구역에 인젝터의 헤드를 위치시키는 단계, 상기 기판 부분은 에칭 플라즈마에 민감한 하위 부분들을 구비함;
b) 하위 부분들의 에칭을 위해 기판의 표면상에 이온들을 가하도록 기판 부분을 향해 전극 구조에 의해 에칭 플라즈마를 촉진시키는 단계 및 에칭 플라즈마를 공급하는 단계;
c) 기판 부분 위에 보호막 구역을 위치시키기 위해, 기판에 대해 인젝터 헤드를 이동시키는 단계; 및
d) 보호막 가스 공급부로부터 공동 내에 보호막 가스를 제공하는 것에 의해, 기판 부분 위에 보호막 층을 공급하는 단계;
의 순환 단계들을 포함한다.
공간적인 분리 동안 에칭 속도는 퍼지/펌프 순환들 및 가스 전환을 제거하는 것에 의해 상당히 증가될 수 있다.
장치는 공동 압력 제어기를 포함할 수 있다. 공동 내의 압력은 공동 외부 압력과 다르게 및/또는 관계없이 제어될 수 있다. 이런 식으로, 공동 내의 미리 결정된 압력은, 처리 가스들의 기판을 향하는 측면 흐름 속도를 최적화하고, 개별적인 공정 단계에 전용되는 개별적인 공동 내에 처리 가스들의 확산의 평균 자유 경로를 최적화하기 위해 바람직하게 전용되도록 설정될 수 있다.
장치의 이용 중에, 공동은 기판 표면에 의해 구획된다. 이런 식으로 기판이 처리 가스들을 한정하는 것을 돕는다는 것은 명백할 수 있다. 기판 표면의 평면 내에서 기판 및 공동 사이에 상대적인 움직임의 결합, 및 공동에 주입된 처리 가스의 한정은 처리 가스의 더 효율적인 사용을 가능하게 한다. 이런 식으로, 처리 가스의 부피는 기판 표면 위에 효율적으로 분포될 수 있어, 그것이 공동 내에 주입된 후에 처리 가스 분자의 기판 표면에 대한 부착 가능성을 향상시킨다.
본 명세서 내에 포함되어 있음.
도 1은 제 1 실시예의 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치의 측면을 개략적인 사시도로 도시한다;
도 2는 제 2 실시예의 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치의 개략적인 측면도를 도시한다;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인젝터 헤드의 저면도이다;
도 4는 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치의 다른 개략적인 사시도이다;
도 5는 공정 윈도우(W)로 설명되는 차트를 도시한다;
도 6은 다른 실시예의 추가의 개략적인 측면도를 도시한다;
도 7은 에칭 하위 사이클들 사이에 마련된, ALD 보호막 사이클들의 개략적인 시간 차트를 도시한다;
도 8은 회전하는 인젝터 헤드를 포함하는 대체의 실시예를 도시한다;
도 9는 플라즈마를 제공하기 위한 많은 전극 구성들을 도시한다; 및
도 10은 대체의 ALD 보호막을 가지는 에칭/보호막 공정을 개략적으로 도시한다.
달리 언급되지 않는다면, 같은 참조 번호들은 도면들 어디서나 유사한 구성요소들을 언급한다.
도 1은 일 실시예의 기판(substrate; 5)의 반응성 이온 에칭(reactive ion etching)을 위한 장치의 측면을 개략적인 사시도로 도시한다. 도면은 다른 가스 입구 공동들(cavities)(또는 '포켓들(pockets)')의 바람직한 높이들(He, Hp), 플라즈마 에칭 구역(plasma etching zone) 및 보호막 구역(passivation zone)을 한정하기 위한 측면 전진 연장들(L), 및 압력 및 흐름 범위들에 관하여 어떠한 제 1 원칙들의 설계 고려사항들을 나타낸다. 여기에서 주된 고려사항은 채널(channel) 위로 압력 감소가 높이의 세제곱(H3)에, (그리고 L 및 유량에 선형으로) 비례하고, H는 원하는 압력들을 얻기 위한 편리한 설계 변수라는 것이다.
설계는 필수적으로 퍼지 가스 제한부(purge gas restriction)에 의해 임의로 분리되는 보호막 구역 및 플라즈마 에칭 구역을 포함하는 것으로 도시된다. 보호막 구역은 그것의 가장 간단한 형태로 종래의 C4F8-기반의 증착일 수 있다.
따라서, 기판(5)의 반응성 이온 에칭을 위한 장치(1)는 에칭 가스 공급부(etch gas supply; 40)를 포함하고 플라즈마(4)를 점화하기 위한 플라즈마 발생 구조(plasma generating structure; 22)(도 2를 보시오)를 구비하여 배치되는 플라즈마 에칭 구역(2)을 포함하는 것으로 도시된다. 플라즈마는 종래 기술인, 원격형(remote type)일 수 있다. 플라즈마 발생 구조(22)는 예를 들어, 에칭 가스 공급부(40) 내에 공동(20) 가까이에 배치되는, 공지된 RF-코일 및/또는 전극들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 플라즈마 발생 구조(22)는 기판의 표면상에 이온을 가하도록 기판 부분을 향해 에칭 플라즈마를 촉진시키기 위한 전극 구조(도 2를 보시오)를 포함한다. 보호막 구역(3)은 (임의로 플라즈마에게 도움을 주는) 보호막 가스 공급부(41)가 제공되는 공동(8)을 포함하고, 상기 공급부(41)는 공급부(41)로부터 공동(8)을 거쳐 배수부(drain; 6)로 보호막 가스 흐름을 제공하기 위해 배치되며, 공동(8)은 사용 중에 인젝터 헤드(injector head; 1) 및 기판 표면(50)에 의해 구획되고, 가스 퍼지 구조(7)는 에칭 구역(2) 및 보호막 구역(3) 사이에 배치된 가스 배출구(gas exhaust; 6)를 포함하고, 따라서 가스 퍼지 구조(6)는 에칭 및 보호막 구역들(2 및 3)의 공간적인 분배를 형성한다.
일반적으로 및 바람직하게 반응 단계들(에칭, 보호막, 임의적인 퍼지)은 실내 온도에서 수행되며, (반응 구획들 내에 압력들의 크기들 (Pe 및 Pp) 및 가스 흐름들에 의해 실현되는) 최적의 압력들은 다음과 같은 예시에 의해 제공된다.
압력(파스칼, Pa): 유량(표준의 분당 세제곱센티미터,
sccm):		 치수 (mm):
Pe = 5-50 Pa
바람직하게 Pe ~ 13 Pa		 Φe = 50-500 sccm
바람직하게 Φe ~ 150 sccm		 Le = 3-10 mm
바람직하게 Le ~ 5 mm
Pp = 100-500 Pa
바람직하게 Pp ~ 133 Pa		 Φe = 50-500 sccm
바람직하게 Φp ~ 250 sccm		 Lp = 3-10 mm
바람직하게 Lp ~ 5 mm
Ppu = 5-50 Pa
바람직하게 Ppu ~ 12 Pa		 Φg= 500-3000 sccm He = 3-10 mm
바람직하게 He ~ 5 mm
ΔPe = Pe―Ppu = 0.5 5 Pa
바람직하게 ΔPe~1Pa		 Hp = 0.3―3 mm
바람직하게 Hp ~ 0.7 mm
ΔPp = Pp―Ppu = 100―500 Pa
바람직하게 ΔPp ~ 121 Pa
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 개략적인 측면도이다. 예시와 같이, 인젝터 헤드(1)는 가스 베어링 영역(gas bearing region; 70)에 의해 분리된 두 개의 증착 공동들(20, 30)을 구비하는 것으로 도시된다. 보호막 단계는 물질 증착과의 관련을 요구할 수 있다. 그러한 물질 증착은 보호막 가스 공급부(41)가 제공되는 공동(30) 내에서 수행될 수 있다. 따라서, 이 실시예에서 인젝터 헤드는 보호막 공급부(41)가 제공되는 공동(30)을 포함하고, 공동(30)은 사용 중에 가스 베어링(70)에 의해 구획되는 것으로 도시된다. 에칭 가스 공급부(40)는 바람직하게 플라즈마 증착을 고려하도록 실질적인 흐름 제한부들(flow restrictions) 없이 설계된다. 따라서, 기판 표면(50)을 향해, 플라즈마 흐름은 어떠한 흐름 제한부들에 의해 방해받지 않는다.
이 실시예에서, 처리 가스는 기판 표면(50)을 따른 흐름으로 공동(20) 안으로 공급된다. 가스 흐름은 에칭 가스 공급부(40)로부터 공동(20)을 거쳐 배수부(60)로 제공된다. 사용 중에 공동(20)은 인젝터 헤드(1) 및 기판 표면(50)에 의해 구획된다. 인젝터 헤드(1) 및 기판 표면(50) 사이에 베어링 가스를 주입하기 위해, 가스 베어링들(70)에는 공동(20) 근처에 배치된 베어링 가스 인젝터(bearing gas injector; 73)가 제공되고, 베어링 가스는 공동(20)으로 주입된 처리 가스를 한정하는 동안 가스-베어링을 형성한다. 배수부(60)는 공동(20, 30) 안으로 베어링 가스의 흐름을 방지하는 베어링 가스를 배출시키는 기능을 추가적으로 할 수 있다.
일 측에 따라, 실시예가 같은 높이들을 구비하는 공동들(20, 30)을 도시하는 반면에, 바람직하게, 플라즈마 에칭 구역은 보호막 구역(30) 내의 기판 표면(50) 대한 공동 높이(Hp) 보다 큰 기판 표면(50)에 대한 공동 높이(He)를 구비하는 에칭 공동(20)을 포함한다.
일 실시예에서 각각의 흐름 방벽은 가스 베어링(70)으로서 치수화 되나, 원칙적으로, 이것은 필수적이지 않다. 예를 들어, 증착 공동들(20, 30)을 분리하는 흐름 방벽(flow barrier; 71)은 효율적인 흐름 방벽이 제공되는 한 가스 베어링으로서 치수화될 필요가 없다. 대체적으로, 흐름 방벽(71)은 간격 높이보다 큰 간격 높이를 구비할 수 있으며, 가스 베어링(70)이 효율적이다. 실제적인 예시들에서, 가스 베어링은 5―100 마이크로미터로부터의 간격 높이 범위들에서 작동되며, 흐름 방벽은 그러한 값들 위로, 예를 들어, 500 마이크로미터까지 여전히 효율적일 수 있다. 또한, 가스 베어링들(70)은 기판(5)의 존재 시 흐름 방벽(또는 그러한 문제를 위한 가스 베어링)으로써만 효율적일 수 있으며, 반면, 흐름 방벽들은 기판(5)의 존재에 관계없이 활성화되도록 설계되거나 설계되지 않을 수 있다. 중요하게, 증착 공동들(20, 30) 사이에 활성화된 물질들의 흐름은 오염을 피하기 위해 언제라도 흐름 방벽들에 의해 방지된다. 이러한 흐름 방벽들은 가스 베어링들(70)로서 설계되거나 설계되지 않을 수 있다.
도 2가 이송 시스템(conveying system)을 구체적으로 도시하지 않음에도, 기판(5)은 공동들(20 및 3) 내에 연속적인 공정 단계들을 수용하기 위해, 인젝터 헤드(1)에 대해 이동될 수 있다. 인젝터 헤드(1)에 대한 기판(5)의 왕복 움직임에 의해, 공정 단계들의 수는 제어될 수 있다. 따라서, 인젝터 헤드는 평면으로뿐만 아니라, 이송 평면으로부터 멀리 그리고 이송 평면을 향해 이동될 수 있다.
특히, 에칭/보호막/에칭/보호막/ 등을 위한 다수의 구역들 아래 기판 유지기(즉, 특정 전압으로 편향될 수 있는 척)를 이동 또는 왕복 운동시키는 것에 의해, 당업자들에게 일반적으로 알려진 단단한 마스크 설계(hard mask design)에 의해 정의될 때 기판 또는 웨이퍼(5) 내의 외관들은 예를 들어, SiO₂층으로 에칭될 수 있다. 웨이퍼(5) 같은 기판의 움직임은, 많은 반복된 평행 에칭(20)/보호막(30) 구역들 위로 가로지르는, 하나 이상의 길이방향으로 가로지르는 횡단들(trajets) 내에 있을 수 있거나, 하나의 에칭 또는 하나의 보호막 영역 아래에서 전후진하는, 왕복 움직임(P, Q)일 수 있다(도 9를 보시오). 이 방법은 매우 균일한 에칭 결과물을 보증한다.
지지부(support part; 10)는 기판(5)을 위해 지지대(support)를 제공하는 것으로 제공된다. 지지부(10)는 인젝터 헤드의 반대 방향으로 배치된다. 지지대는 부유형(floating type)으로 될 수 있는 반면, 전극 장치(electrode device; 22)는 기판(5)의 표면(50) 상에 이온을 가하도록 기판 부분을 향해 에칭 플라즈마를 촉진시키기 위해 배치된다. 예를 들어, 이것은 에칭 공정 단계에서 기판(5)을 바이어싱(biasing) 하는 것에 의해 될 수 있다. 어떠한 기계적인 지지대의 부재에 의해, 그러한 지지대의 오염에 대한 위험은 방지되며 기판(5)에 대한 인젝터 헤드(1)의 최적의 작동 높이를 확보하는 데 매우 효율적이다. 게다가, 시스템의 적은 정지 시간(down time)은 세정 목적들을 위해 필요하다. 반면, 지지대와 열적/기계적 접촉은 예를 들어 SF6 +Si → SiF↑ +SF₂같은, 발열 에칭 공정을 위해 이롭다. 기계적인 지지대의 부재에 의해, 시스템의 열용량은 감소 될 수 있으며, 처리 온도로 기판들의 빠른 가열 응답을 초래하며, 처리량을 현저히 증가시킬 수 있다.
이 점에서, 에칭 공동(20)은 분자의/변화하는 흐름 조건들을 위해 배치되는 기판 표면에 대한 공동 높이(He)를 정의하고, 공급부(40) 및 배수부(60)를 포함한다. 가스 방벽으로써 기능하는, 가스 베어링(71)은 기판(5)을 향하는 베어링 면(bearing face; 72) 부분 내에 배치되는 베어링 가스 인젝터(73)를 포함하고, 베어링 면(72) 부분은, 기판에 대하여, 공동 높이(Hp)보다 작은 간격 거리(Hg)를 정의한다.
게다가, 베어링 가스 인젝터(73)는 가스 베어링의 기계적 강성(stiffness)을 정의하는 흐름 제한부(projecting portions; 74)를 포함한다. 베어링 면(72)은 베어링 가스 인젝터(73)를 포함하는 돌출부들(110)에 의해 형성될 수 있다. 가스 베어링 층은 사용 중에 예를 들어 표면(50) 및 가스 베어링 면(72) 사이에 형성될 수 있다. 배수부들(60) 사이에 거리(C1)는 보통 공동(2, 3)의 대표적인 폭인, 1 내지 10 밀리미터의 범위 내에 있을 수 있다. Hg에 의해 가리켜지는 가스-베어링 층의 일반적인 두께는 3 내지 15 마이크로미터 범위 내에 있을 수 있다. 돌출부(110)의 대표적인 폭(C2)은 1 내지 30 밀리미터 범위 내에 있을 수 있다. 기판(5)의 평면에서 에칭 공동(20)의 대표적인 두께(He)는 바람직하게 5밀리미터인, 3 내지 10밀리미터 범위 내에 있을 수 있다.
따라서 가스-베어링 층(7)의 두께(Hg)는 일반적으로 기판 표면(50)에서 평면 내에서 측정되는, 공동(20)의 두께(He)보다 작을 수 있다는 것은 인정될 것이다.
따라서, 사용 중에, 공동(20) 내의 전체 가스 압력은 추가적인 공동(30) 내의 전체 가스 압력과 다를 수 있다. 에칭 공동(20) 내의 전체 가스 압력은 분자의/변화하는(molecular/transitional) 흐름 상황(flow regime)(5-50 Pa로부터의 범위 내에, 바람직하게 ~13 Pa) 내에 있을 수 있으며, 및/또는 보호막 공동(30) 내의 전체 가스 압력은 연속적인 흐름 상황 (50-500 Pa로부터의 범위 내에, 바람직하게 ~133 Pa) 내에 있을 수 있다. 그러한 압력 값들은 보호막 가스의 실질적인 특성들, 실질적인 유량들 및 실질적인 치수들에 기초하여 선택될 수 있다.
압력 제어기(미도시)는 공동들(20, 30) 내의 압력을 조절하기 위해 공동 압력을 제어할 수 있다. 게다가, 제어기는 가스-베어링 층(70) 내의 가스-베어링 층 압력을 제어한다.
도 3은 기판 표면에 수직한 방향에서 보여지는 인젝터 헤드(1)를 위한 물결 모양의(undulate) 형상의 개략적인 예시를 도시한다. 일반적으로, 구부러진 형상(curved shape)은 기판(2)의 1차 굽힘 모드들을 방지할 수 있다. 따라서, 가스 베어링(70) 및 공동들(20 및 30)이, 시트 기판의 1차 굽힘 모드들을 방지하기 위해 물결 모양들로서 기판 표면에 대해 수직한 방향에서 보여지는 것과 같이, 형성될 수 있다는 것을 알 수 있다. 게다가, 일반적으로, 증착 공동들(20, 30)의 형상은 컴팩트한(compact) 인젝터 헤드 구조를 허용하기 위해 가스 베어링 슬릿들(gas bearing slits; 70)의 형상을 따를 수 있다. 이러한 변형들은 기판 표면상에 압력 분포의 최적화를 허용한다. 그러한 최적화는 부서지기 쉬운 또는 유연한 기판들을 위해 중요할 수 있다.
도 4는 보호막 구역(3) 내에 C4F8 벽 보호막 하위 사이클(ubcycle)을 구비하는 기판(5)의 반응성 이온 에칭을 위한 장치(100)의 다른 개략적인 사시도이다. 예시에서, 플라즈마 발생 구조(220)는 보호막 가스 플라즈마를 제공하도록 제공된다. 이러한 구조는 적합한 보호막 가스 플라즈마를 발생시키기 위해 종래 기술로 알려진 RF-코일 및/또는 전극들을 포함할 수 있다. 상세 설명을 통해 보호막 가스들 또는 보호막 플라즈마는 경우에 따라 고려된다. 지지부(10)는 기판(5)을 위한 지지대를 제공하는 것으로 제공된다. 공정은 특히 보호막 단계에서 압력이 증가할 때 일반적으로 더 빨라질 것인데, 외관의 바닥 부분을 개방하고 추가적으로 에칭하기 위해 에너지가 크고 에칭하는 종들(etching species)을 전달하는 것보다 완전히 덮이는 바닥 영역 및 측벽 영역을 가지는 외관 내부에 보호막 형성을 위해 충분한 분자들을 전달/에칭하는 데 상당히 많은 시간이 소요되기 때문이다.
1. 랭뮤어 에칭 시간(Langmuir etch time)은 외관의 깊이 대 폭 종횡비인, A(에칭된 외관의 바닥을 위해서만, 즉 {¾·A + 1} 비율로)에 비례하여 증가한다.
2. 랭뮤어 증착 시간(Langmuir deposition time)은 (에칭된 외관의 측벽들 및 바닥에 대해, 즉 {3/2·A² + 19/4·A + 1} 비율로) A의 제곱, A²에 비례하여 증가한다.
그러나, 에칭 구역(2)에서 에칭 단계를 위해, 더 높은 압력에서, 내부-분자 충돌들의 증가된 수준은 악화된 단일-방향의 에칭 특성들을 이끌 것이다. 그러므로, 에칭 단계는 0.1―1.0 Torr(~ 0.1―1 mbar 또는 10―100 Pa), 더 바람직하게 10-100 Pa(~0.1―1 Torr)로부터의 범위에서, 분자의/변화하는 흐름 상황 내의 낮은 압력에서 수행될 수 있다. 내부-분자의 충돌들이 방향성 에칭을 가능하게 하는 것을 되도록 피해야 하므로 이러한 낮은 압력들이 요구된다.
구역(3) 내에서 보호막 단계를 위해, 연속적인 흐름 조건들을 향하는 압력을 예를 들어 100 Pa 내지 1000 Pa(~1―10 Torr)의 범위 내에서 증가시키는 것 및 증착을 위한 랭뮤어 기간이 10배로 감소되는, 그와 같은 유량들을 유지하는 것은 매우 유익하다. 압력의 추가적인 증가는 증착 시 감소된 증착 시간을 이끌지 않으며 공급이 제한된다. 더 높은 압력에서 CVD 기반의 보호막 단계를 위해, 외관들의 코팅의 불-균일성은 (특히 높은 A에서) 위험이다. 증가된 접착 가능성에 의해, 전구체(precursor)는 외관의 입구 가까이에서 열화될 것이며, 코팅이 안된 외관의 바닥을 떠난다. 퍼지 영역들(71)은 가스 베어링들로써 형성될 수 있으며, 적어도 외주는 가스 베어링(70)에 의해 형성된다.
도 5는 SAM.24로 공지된 실리콘 전구체 H2Si[N(C2H5)2]2를 위해 온도들을 작동하는 것 및 적합한 압력들을 공정 윈도우(process window; W)로 설명하는 차트를 도시한다. 이 전구체가 TMA로 공지된 종래의 알루미늄 전구체보다 낮은 보통 ~10 x 증기 압력을 구비할지라도, 증기 압력은 보호막을 위해 적절히 높은 압력 상황 내에 있다. 25―75℃의 온도 범위를 위해 SAM.24의 부분적인 압력은 0.1―10 Torr의 범위에 있다.
도 6은 다른 실시예의 개략적인 측면도를 도시하며, 원자층 증착(ALD) 유형의 보호막 단계는 바람직하게 실내 온도(room temperature)에서, ALD-기반의 SiO₂ 보호막을 구비하여 제공된다. ALD 처리 가스들이 종래의 C4F8 보호막 단계와 비교해 친환경적이라는 것은 알려져 있다. 따라서, 보호막 구역은 다수의 공급부들(31, 32)을 포함하며, 적어도 하나의 공급부(31)는 원자층 증착 공정에서 전구체 가스를 공급하기 위해 배치되고, 추가적인 공급부는 반응제 공급부(32)로 제공되고, 추가적인 공급부는 사용 중에 흐름 방벽에 의해 구획된다. 도면들이 공급부들이 단일의 공동(30) 내에 배치되는 것으로 개략적으로 도시되는 반면, 일반적으로, 각각의 공급부(31, 32)가 흐름 방벽(71)에 의해 구획되는, 개별적인 공동 내에, 개별적인 배수부를 구비하여 포함될 수 있으며, 및/또는 가스 베어링(70)은 공동을 한정한다. 다른 ALD 보호막 물질들 및 사이클링 계획들(cycling schemes)은 또한 Al2O3과 함께 실행할 수 있다. (예를 들어, 원격 ICP 플라즈마 공급원과 함께) 플라즈마 강화에 대한 확대 또한 여기에서 가능하다. ALD는 ALD 공정의 고유의 자기-제한(self-limiting) 본질에 의해, 외관들의 입구 근처에 비-등각의(non-conformal) 성장에 대한 결점을 가지지 않고, 코팅은 외관의 입구로부터 외관의 바닥을 향해 진행된다. 따라서, ALD는 압력 및 층 성장 속도를 증가시키는 것에 대한 가능성을 열어둔다. ALD는 높은 성장 속도의 원자 층상 제어를 필요로 할 수 있어서 순차적이고, 자기-제한 표면 반응들을 이용하여 단계-등각(step-conformal) 증착을 필요로 할 수 있다.
대부분의 ALD 공정들은 2개의 반응 시퀀스들(sequences)을 바탕으로 하며 두 개의 표면 반응들은 2원 화합물 필름(binary compound film)에서 일어나고 증착된다. 한정된 수의 표면 장소들만 있으므로, 반응들은 한정된 수의 표면 종류들만 증착할 수 있다. 두 개의 표면 반응들 각각은 자기제한하므로, 두 개의 반응들은 원자층 제어로 얇은 필름을 증착하기 위해 순차적인 방식으로 진행될 수 있다.
ALD의 이점은 옹스트롬(Ångstrom) 또는 단분자층(monolayer) 수준에서 정밀한 두께 제어이다. ALD의 자기제한 측면은 높은 종횡비 구조들 상에 등각 증착 및 우수한 단계 범위를 이끈다.
보호막을 위한 효율적인 2원 화합물 필름은 SiO₂일 수 있으며, ALD와 함께, 특히 ALD를 돕는 플라즈마는 산소 전구체 또는 플라즈마 산소와 결합하여 특정한 유기 금속(organometallic) Si-전구체들을 이용하여, 실내 온도 아래로, 알맞은 온도들에서 증착될 수 있다. SiO₂는 Si-웨이퍼들의 2D-표면상에 가해질 단단한 마스크 물질의 바람직한 선택이다. 그것은 에칭 속도 선택도 S (SiO₂/Si) > 80 : 1 내지 200 : 1을 가지는 매우 효율적인 마스크 물질이다.
ALD에서 하나의 단분자층만 (또는 더 적게) 증착될 때, 적합한 보호막 특성들을 위해, (10차의) 다양한 ALD 단계들이 하나의 층, 또는 더 적은 (예를 들어 ~5까지) 나노미터를 획득하는 데 요구될 수 있다.
가능하게, 반응성 이온 에칭 시스템의 적합한 설계와 함께 (다른 노즐 대 기판 치수들 및 p3 > p2 > p1인 다른 압력들을 가지는 예시가 도면에 도시된다), 에칭 단계는 보호막 단계(들)보다 10-100배 낮은 압력에서 작동될 수 있다. 대기의 주변 내에 전체 유닛의 작동을 허용하기 위해, 에칭 및 보호막 부분들(2, 3)은 100 마이크로미터의 정도의 간격 높이를 가지는 대기 보호 구역(ambient guarding zone; 7)에 의해 둘러싸일 수 있다. 대기의 주변으로부터 약 10% 산소(O2)의 추가는 유리하게 배수 라인들의 고장을 막을 수 있는 SF6 에칭 가스의 경우에 허용된다는 것이 주의된다. O2는 가스 베어링 공급부를 거쳐, 누출 또는 고의의 추가를 통하여 추가될 수 있다.
도 7은 에칭 하위 사이클들(etching subcycles; 200) 사이에 마련된 ALD 보호막 사이클들(300)의 개략적인 시간 차트를 도시한다. 보호막 단계(300)에서, SiO2 ALD 증착은 O-전구체(H2O, O3 또는 O2 플라즈마) 및 Si-전구체(예를 들어 아미노실란)의 보호막 사이클들에 의해 제공되며, 동시에 보호막 공동 내에 카운터 바이어스 전극(counter bias electrode)에 의해 배치된 카운터 바이어스 전압에 의한 기판의 전극 바이어스를 바람직하게 상쇄시킬 수 있다. 에칭 단계(200)에서, 바이어스는 하위 부분들을 에칭하기 위해 기판의 표면상에 이온들을 가하도록 기판 부분을 향해 에칭 플라즈마(4)를 촉진시키기 위해 제공된다. 다른 산화물들은 바람직하게 플루오르 환경 내에서 휘발성이 있는 유형인, 게르마늄 산화물 또는 텅스텐 산화물을 포함할 수 있다.
이방성의, 높은 종횡비 에칭 프로파일들(etch profiles)은 에칭 단계(200)에서 방향성 영향의 안내에 의해 획득되며, 기판 바이어싱과 컴팩트한 (마이크로) 플라즈마 배열 공급원의 결합에 의해 제공될 수 있다는 것은 주의된다. 이것은 전도성의 기판 유지기(10) 상에 전압 바이어스(DC 또는 RF)를 설정하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이것은 이온들이 SF6 플라즈마 구역으로부터 추출되도록 전체의 기판상에 전압을 발생시킬 것이다. 이러한 이온들은 트렌치(trench) 바닥에 보호막을 우선적으로 에칭할 것이며, 방향성 에칭을 유지할 것이다. 바이어스 전압은 플라즈마에서 반응물(reagent) 가스 압력이 더 높은 C4F8 보호막 구역(들) 내에서, 또는 가스 압력이 플라즈마 모드에서 유사하거나 순수 열적 모드에서 더 높은 ALD SiO2 보호막 구역(들)에서 상당히 적은 영향을 가져서, 대부분의 방향성을 억제한다. 양자택일적으로 또는 추가적으로 보호막 공동들 상에 국부적인 바이어스는, 인젝터 헤드의 에칭 공동들 내에 생성된 이온들의 방향성을 유지하기에 최적인, 전체적인 기판 척 상에 미리 설정된 바이어스를 상쇄시키도록, 예를 들어 공동 내에 배치된 카운터 바이어스 전극에 의해 설정될 수 있다.
도 8은 회전하는 인젝터 헤드(101)를 포함하는 대체의 실시예를 도시한다. 도 8A는 SF6 구역들(20) 및 C4F8 구역들(30)이 배출구 구역들(71) 및 가스 베어링 평면들(70)에 의해 둘러싸이는 입구들 안으로 통합되는, 공간적인 RIE 반응기 헤드의 바닥 측을 도시한다. 여기에서, 웨이퍼(5)는 SF6 플라즈마 에칭 및 C4F8 (또는 SiO2 ALD) 보호막 가스들을 위한 입구들(40, 41), 및 가스 베어링(예를 들어, N2) 출구들(70, 71)을 구비하는 공동들을 포함하는 반응기 헤드(101) 아래에 축(11) 상에서 회전하는 기판 유지기(10) 위로 고정될 수 있다. 웨이퍼(5)가 반응 구역들(20, 30) 아래로 지나가는 실질적인 속도는 웨이퍼(5) 너머 방사상으로, 웨이퍼(5)의 중심으로부터 더 멀리 높은 속도들로, 따라서 더 짧은 노출 시간들로 변화한다는 것을 주의하라. 가스 출구들의 같은 크기 및 형상들을 구비하여, 이것은 웨이퍼 중심으로부터 더 멀리 더 얕은 트렌치들로 전체 웨이퍼(5)를 가로질러 이종의 가스 투여를 초래한다. 이것은 출구 밀도를 변화시키는 것에 의해 또는 웨이퍼 가장자리를 향해 더 멀리 더 큰 출구 직경들을 삽입하는 것에 의해 보충될 수 있으며, 동종의 가스 투여가 달성되도록 한다. 웨이퍼 바이어싱은 전도성 기판 테이블의 DC 또는 RF 바이어싱에 의해 수행될 수 있다. 기판 유지기(10)는 구동 축에 의해 연결된 서보 모터(servo motor)에 의해 회전된다. 처리- 및 폐가스 라인들(40, 41, 70, 71)은 오븐(oven)의 상부를 통해 개방에 의해 반응기 헤드(101)에 연결된다. 기판 바이어싱은 연속적일 수 있다.
도 9는 플라즈마를 제공하기에 적합한 많은 전극 구성들을 도시한다. 예를 들어 고-밀도의 (~10^13 species/㎤) 플라즈마의 배열 또는 마이크로플라즈마 공급원들은 약간의 추가 여유를 가지고, 길이들 위로 길이방향 플라즈마 공급원 (원격 ICP 플라즈마, 마이크로파) 또는 흐르는 가스 플라즈마의 근사 직선 공급원을 형성하는 마이크로미터 내지 [서브]밀리미터 범위의 마이크로스케일 플라즈마들을 구비하여 제공된다.
작은 치수들(서브밀리미터)에 의해 그러한 마이크로 플라즈마들은 일반적으로 더 높은 압력들에서 작동될 수 있으며, 더 낮은 압력 영역들에서 종래의 플라즈마들과 다른 특성들을 나타낼 수 있다. 따라서 더 높은 플라즈마 밀도들 (~10^13 species/㎤)은 치수들이 가스 종류들의 평균 자유 경로(mean free path)와 비간섭적으로 감소된다면 더 가능할 수 있다.
도 9A에 도시된 예시와 같이, 중공의 음극 방전 형태의 플라즈마 발생 구조(22)는 도면에서 자석들 N/S 사이에 유지된, 기판(5)상에 길이를 구비하여 고밀도의 에칭 가스 공급부(40)로부터 선형 아크 플라즈마(4)를 생산하는 것으로 알려져 있다. 대체로 선형 아크 방전(LAD)은 두 개의 평행 평판들(221) 사이에 RF-발생되는 중공의 음극 방전을 바탕으로 나타내진다. 플라즈마 공급원(22)은 인젝터 헤드(1)(도 1을 보시오)의 에칭 구역(20)과 함께 안에 포함될 수 있다 (또는 미세 기계 가공으로 통합될 수 있다). 원칙적으로 플라즈마 공급원(22)은 높이 H = 5 밀리미터, 및 Le ≥ 5 밀리미터(도 9에서 x-방향으로)의 대표적인 측면 치수들을 위해 반도체 기판(5) 위로 연장한다. 대표적인 폭은 동질의 플라즈마 농도가 전체 웨이퍼 크기 위에 획득될 수 있도록, 최소한 정규의 반도체 공정에서 300 내지 450 밀리미터의 표준으로 및 태양 전지 공정에서 ≥ 156 밀리미터, 그러나 더 일반적으로 1 미터까지 너무 크게, 그 이상으로 선택될 수 있다.
도 9B는 유전체 방벽 플라즈마 공급원들, 특히 기판(5)상에 플라즈마(4)를 발생하는 유전체들(dielectrics; 223)을 구비하여 공기 중에서 13.56 MHz에서 작동되는 방벽 플라즈마 공급원을 포함하는 다른 실시예(22')를 도시한다. 슬롯 안테아(SLAN) 공급원 같은 다른 플라즈마 공급원들(22)은 당업자들에게 공지되어 있는 것과 같이 사용될 수 있다. 이온들을 플라즈마(4)로부터 기판 표면(5)으로 충분히 추출 및 촉진시키도록 바람직하게 플라즈마 및 기판 사이에 소위 어두운 공간은 (적어도 약간 100마이크로미터로) 충분히 크다.
도 10은 전술한 공동들(31, 32)을 구비하는 ALD 프린트헤드(101)를 사용하는 양자택일적인 ALD 보호막 단계(310)와 함께 여기에 나타내진 에칭/보호막(200/300) 공정을 개략적으로 도시한다. 제 1 단계(900)에서 기판(5)은 기판(5)의 잔여부분을 보호하는 패턴화된 단단한 마스크 부분(51) 또는 포토레지스트(photoresist), 및 플라즈마에 민감한 하위 부분들(50)을 구비하여 제공된다.
SF6와 함께 에칭 단계(200) 실질적으로 등방성(isotropic)이다. 중단 없이 그것은 비-방향성 중립 종류들(F를 포함하는 라디칼들)에 의해 주로 진행될 것이다. 이러한 측면 에칭 구성 요소를 최소화하기 위해 에칭 단계들은 다음의 벽 보호막 단계(300)에 의해 빨리 중단된다. 각각의 에칭 단계 동안 바이어스 전압은 기판 척(5)에 가해진다. 이것은 외관의 바닥 부분에서만 폴리머를 분해하는 기판(5) 위에 플라즈마로부터 방향성의 물리적 이온 충격을 유발하며, 심층 외관 에칭을 가능하게 한다. 공정은 포토레지스트 마스크 물질 및/또는 단단한 산화물 (보통 SiO2) 마스크에 대항하여 비교적 높은 에칭 속도들 및 선택도들(~ 200 : 1까지)을 가지고 실리콘 내에서 심층 수직 마이크로구조들(microstructures; 55)의 건식 에칭을 가능하게 한다. 따라서 방법은
e) 기판 부분(5) 위에 플라즈마 에칭 구역(20)에 인젝터의 헤드(1)를 위치시키는 단계(단계 900), 상기 기판 부분은 예를 들어 SF6같은 에칭 플라즈마(4)에 민감한 하위 부분들(50)을 구비함;
f) 하위 부분들의 에칭을 위해 기판(5)의 표면(50)상에 이온들을 가하도록 기판 부분을 향해 에칭 플라즈마(4)를 촉진시키는 단계 및 에칭 플라즈마(4)를 공급하는 단계(단계 200);
g) 기판 부분(50) 위에 보호막 구역(30)을 위치시키기 위해, 기판(5)에 대해 인젝터 헤드(1)를 이동시키는 단계(단계 300); 및
h) 공동(30) 내에 보호막 가스를 제공하는 것에 의해, 기판 부분(50) 위에 보호막 층(52)을 공급하는 단계;
의 순환 단계들을 포함한다.
순환 단계들은 인젝터 헤드(1)의 왕복 움직임(reciprocating motion; P, Q)에 의해 실행될 수 있다. 양자택일적으로, 이것은 도 8에 도시된 인젝터 헤드(101)의 회전 운동에 의해 실행될 수 있다.
대체의 원자층 보호막 단계(310)에서, 보호막 구역은 다수의 공급부들(31, 32)을 포함하며, 상기 보호막 층의 공급은 제 1 공동(31) 내에 전구체 가스를 공급하는 것에 의해 원자층 증착 공정 내에 제공되며, 반응제 공급부는 반응제 공급부와 제공되는 추가적인 공동(32) 내에 제공되며, 추가적인 공동은 사용 중에 흐름 방벽에 의해 구획된다. 선택적으로 인젝터 헤드(1, 101)는 가스 베어링 구조에 의해 기판과 접촉하는 가스 베어링 내에 위치될 수 있다.
가스-베어링 층은 사용 중에 일반적으로 기판 표면을 향해 인젝터 헤드의 가까운 접근의 결과로써 가스-베어링 층 내에 압력의 큰 증가를 나타낸다. 예를 들어, 인젝터 헤드가 기판에 2배 더 가까이 이동할 때, 예를 들어 기판 표면에서 50마이크로미터 위치로부터 기판 표면에서 25 마이크로미터 위치로 이동할 때, 다른 조건이 같다면, 예를 들어 사용 중에 가스-베어링 층 내의 압력은 적어도 두 배, 예를 들어 일반적으로 8배 증가한다. 바람직하게, 가스-베어링 층의 강성은 사용 중에 103 및 1010 N/m 사이이나, 또한 이 범위의 밖일 수도 있다. 그러한 증가된 가스 압력들은 예를 들어 1.2에서 20bar 범위 내에, 특히 3에서 8bar 범위 내에 있을 수 있다. 더 강한 흐름 방벽은 일반적으로 더 높이 증가된 압력들을 이끈다. 증가된 처리 가스 압력은 기판 표면상에 처리 가스의 증착 속도를 증가시킨다. 처리 가스의 증착은 종종 반응성 이온 에칭의 중요한 속도-제어 공정 단계를 형성하므로, 이 실시예는 반응성 이온 에칭의 속도의 증가를 허용한다.
일 실시예에서, 장치는 방향(P)을 따라 기판 표면을 향해 향해진 인젝터 헤드 상에 초기응력(pre-stressing force)을 가하도록 배치된다. 가스 인젝터는 가스-베어링 층 내의 압력을 제어하는 것에 의해 초기응력에 대응하도록 배치될 수 있다. 사용 중에, 초기응력은 가스-베어링 층 내의 강성을 증가시킨다. 그러한 증가된 강성은 기판 표면의 평면 밖으로 바람직하지 않은 이동을 감소시킨다. 결과적으로, 인젝터 헤드는 기판 표면의 접촉 없이, 기판 표면에 더 가까이 작동될 수 있다.
양자택일적으로 또는 추가적으로, 초기응력은 초기응력을 생성하기 위해 자기적으로, 및/또는 인젝터 헤드에 중량을 추가하는 것에 의해 중력으로 형성될 수 있다. 양자택일적으로 또는 추가적으로, 초기응력은 스프링 또는 다른 탄성 요소에 의해 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 프린트 헤드 공급부들(print head supplies; 31, 32)은 공동의 길이방향에 횡단하는 방향으로 처리 가스의 흐름을 위해 배치된다. 일 실시예에서, 전구체 공급부는 적어도 하나의 전구체 공급 슬릿(slit)에 의해 형성되며, 공동의 길이방향은 적어도 하나의 전구체 공급 슬릿을 따라 향해진다. 바람직하게, 인젝터 헤드는 적어도 하나의 전구체 공급 슬릿의 길이방향에 횡단하는 방향으로 처리 가스의 흐름을 위해 배치된다. 이것은 공급 슬릿을 따라 실질적으로 일정할 처리 가스의 농도를 가능하게 하며, 농도 기울기는 기판 표면에 처리 가스의 부착의 결과로써 확립될 수 없기 때문이다. 처리 가스의 농도는 바람직하게 반응성 이온 에칭을 위해 요구되는 최소한의 농도보다 약간 위에서 선택된다. 이것은 처리 가스의 효율적인 사용을 위해 추가된다. 바람직하게, 기판 표면의 평면 내에서 기판 및 공동 사이에 상대적인 움직임은, 적어도 하나의 전구체 공급 슬릿의 길이방향에 횡단한다. 따라서, 전구체 배수부는 기판의 이송 방향과 정렬되는 처리 가스 흐름을 정의하기 위해, 전구체 공급부 가까이에 제공된다.
일 실시예에서, 가스-베어링 층은 한정하는 구조, 특히 흐름 방향을 형성한다. 이 실시예에서, 외부 흐름 경로는 적어도 가스-베어링 층을 통해 일부 이끌 수 있다. 가스-베어링 층은 한정하는 구조 및/또는 흐름 방벽의 더 효율적인 형태를 형성하므로, 외부 흐름 경로를 거치는 처리 가스의 손실은 방지될 수 있다.
일 실시예에서, 흐름 방벽은 외부 흐름 경로 내의 한정하는 가스 압력 및/또는 한정하는 가스 커튼(gas curtain)에 의해 형성된다. 이것들은 흐름 방벽을 형성하기 위해 신뢰할 수 있고 다양한 선택사항들을 형성한다. 한정하는 가스 커튼 및/또는 압력을 형성하는 가스는 또한 적어도 가스-베어링 층의 일부를 형성할 수 있다. 양자택일적으로 또는 추가적으로, 흐름 방벽은 인젝터 헤드에 부착되는 유체 구조에 의해 형성된다. 바람직하게, 그러한 유체 구조는 80℃, 200℃, 400℃, 및 600℃ 중 하나에까지 온도들을 유지할 수 있는 유체로 만들어진다. 그러한 유체들은 당업자들에게 알려져 있다.
일 실시예에서, 흐름 방벽은 기판 표면의 평면 내에서 기판 표면으로부터 연장하는 기판 및 인젝터 헤드 사이에 및/또는 기판 표면 및 인젝터 헤드 사이에 흐름 간격에 의해 형성되며, 외부 흐름 경로를 따르는 흐름 간격의 두께 및 길이는 주입된 처리 가스의 용적 측정의 유량에 비해 외부 흐름 경로를 따르는 처리 가스의 용적 측정 유량을 실질적으로 방해하도록 맞춰진다. 바람직하게, 그러한 흐름 간격은 동시에, 적어도 외부 흐름 경로의 일부를 형성한다. 바람직하게, 흐름 간격의 두께는 가스-베어링 층에 의해 결정된다. 이 실시예에서 처리가스의 적은 양이 외부 흐름 경로를 따라 공동의 밖으로 흐를 수 있음에도, 흐름 방벽을 형성하기 위해 더 단순하지만 효율적인 선택사항을 가능하게 한다.
일 실시예에서, 공동들(20, 30)은 기판 표면의 평면 내에서 길쭉한 형상을 구비한다. 기판 표면에 횡단하는 공동의 치수는, 예를 들어 적어도 5배 또는 적어도 50배 같이, 기판 표면의 평면 내의 공동의 하나 이상의 치수들보다 현저하게 작을 수 있다. 길쭉한 형상은 평면이거나 구부러질 수 있다. 그러한 길쭉한 형상은 공동 내에 주입될 필요가 있는 처리 가스의 부피를 줄여서 주입된 가스의 효율성을 향상시킨다. 또한 공동의 채움 및 비움을 위한 시간을 더 짧게 할 수 있으며, 따라서 전체적인 반응성 이온 에칭 처리의 속도를 증가시킨다.
보호막 층을 형성하기 위한 적합한 원자층 증착 가스들 또는 증기들, 바람직하게 SiO2는, 산소/산소 플라즈마와 함께 실내 온도에서 바람직하게 반응하는, 예를 들어 특별한 유기 금속 Si-전구체들(예를 들어 실라네디아민 N, N, N', N'- 테트라에틸(H2Si[N(C2H5)2]2) 같은 아미노실란)을 포함할 수 있다. 처리 가스는 질소 가스 또는 아르곤 가스 같은, 운반 가스와 함께 주입될 수 있다. 운반 가스 내에서 처리 가스의 농도는 일반적으로 0.01 내지 1부피 퍼센트 범위일 수 있다. 사용 중에, 공동(14) 내에서 처리 가스 압력은 일반적으로 0.1 내지 1 밀리바 범위일 수 있으나, 또한 대기압 가까이 또는 대기압보다 현저히 위에 있을 수 있다. 인젝터 헤드에는 바람직하게 -20℃내지 +40℃ 또는 -20℃ 내지 +50℃ 사이에 범위로 공동 내의 온도를 확립하기 위해 온도 제어부가 제공된다.
적절하게, 공동 벽들은 임의로 세라믹 코팅이 제공되는, 스테인리스 강으로 형성된다.
여기에 설명된 현재의 공간적인 심층 반응성 이온 에칭 방법은 ~10배로 현재의 최신식을 초과할 수 있는 비용 효율이 높은 에칭 속도를 가능하게 할 수 있다. 게다가, 반응성 이온 에칭에 기초하는 가스-베어링의 이점은 다음을 포함할 수 있다.
­더 작은 반응기 챔버 치수들: 개선된 일방향성 에칭, 및 에칭된 프로파일들 및 깊이들의 더 나은 균일성을 이끄는 플라즈마에서 외관까지 경로 상에서 더 작은 분자 사이의 충돌들.
­에칭 단계 중에 거의 없는 보호막 가스 상호 작용 및 반대로, 반응기 벽들 상에 증착들을 감소 또는 방지.
­훨씬 더 안정적인 공정, 훨씬 긴 기계 가동 시간 및 훨씬 덜 요구되는 반응기 세정 및 재조절.
­벽들을 거쳐 더 매끄럽게 만드는 것 및 덜 뚜렷한 물결모양들/잔물결들을 이끄는, (플러싱(flushing) 없이) 가능한 더 짧은 맥동들.
­비용 효율이 높은 화학품들의 사용을 이끄는 더 높은 반응 효율.
­TSV 공정 흐름들, 또는 광학 상호연결들을 위한 광학 코팅들 내에서 코팅([TaN, Cu] 같은) 근원/방벽 층들의 ALD/CVD로 결합되는, SiO2 절연 등)을 거쳐 (맥동되는 PECVD SiOx TSV 같은) 처리를 촉진시키기 위해 가능한 연장/전환과 함께, 에칭 및 증착의 결합을 제공하는 공간적인 처리를 위한 플랫폼.
­보호막 화학품들을 포함하는 플루오르는 ALD 보호막의 경우에 (친환경적으로) 방출될 수 있다.
­ 레이저들(VCSEL들, 수직-공동 표면-발사 레이저들), UV 공급원들, 등 같은 인젝터 헤드 어셈블리의 미세 공동들 내에 통합되는 국부적인 반응물 활성화를 위한 다른 물리적인 자극들의 선택사항들.
따라서, 비용 효율성이 높은 DRIE 에칭을 위해 초고속의 그리고 임의로 운반 없는 건식 에칭을 위한 장치 및 심층 반응성 이온 에칭(DRIE)에 기초하는 새로운, 컴팩트한 가스-베어링은 3D-적층 다이 및 웨이퍼 수준 패키징 기술 (예를 들어, 적층 메모리들, 및 이질적인 3D-증착된 패키지형 시스템(SIP) 제품들) 및 미세기계 시스템들(MEMS)에서 실리콘 관통전극(TSV) 상호연결들뿐만 아니라 실리콘 기반의 광전지 웨이퍼 관통 상호연결들 또한 같은 높은 종횡비 외관들로 나타내진다.
명시적으로 도시되지 않았음에도, 일 실시예에 따른 장치는 다른 실시예의 장치의 특징들을 구비할 수 있다.
본 발명은 여기에 설명된 실시예에 한정되지 아니하며, 당업자의 견지 내에서, 변형들은 첨부된 청구항들의 범위 내에서 고려될 수 있다. 마찬가지로 모든 운동학적 전환들은 내재적으로 설명되고 본 발명의 범위 내에 있도록 고려된다. "바람직하게(preferably)", "특히(in particular)", "일반적으로(typically)", 등 같은 표현들의 사용은 본 발명을 한정하도록 의도되지 않는다. 부정 관사 "하나의(a)" 또는 "하나의(an)"은 다수를 제한하지 않는다. 구체적으로 또는 명시적으로 설명되거나 주장되지 않은 특징들은 그것의 범위로부터 제외되지 않고 본 발명에 따른 구조 내에 추가적으로 포함될 수 있다.
1, 100: 반응성 이온 에칭을 위한 장치
2: 플라즈마 에칭 구역
3: 보호막 구역
4: 플라즈마
5: 기판
6: 가스 배출구
7: 가스 퍼지 구조
8: 공동
10: 지지부
20, 30: 공동
22, 220: 플라즈마 발생 구조
31, 32: 공급부
40: 에칭 가스 공급부
41: 보호막 가스 공급부
50: 기판 표면
60: 배수부
70: 가스 베어링
71: 흐름 방벽
72: 베어링 면
73: 베어링 가스 인젝터
74: 흐름 제한부
101: 인젝터 헤드
110: 돌출부
200: 에칭 단계
221: 평행 평판
223: 유전체
300: 보호막 단계

Claims (15)

  1. 인젝터 헤드를 포함하고,
    상기 인젝터 헤드는,
    에칭 가스 공급부를 포함하고 플라즈마를 점화하기 위한 플라즈마 발생 구조를 구비하여 배치되며 기판의 표면상에 이온을 가하도록 기판 부분을 향해 에칭 플라즈마를 촉진시키기 위해 배치된 전극 구조를 더 포함하는 플라즈마 에칭 구역;
    보호막 가스 공급부가 제공되는 공동을 포함하는 보호막 구역, 상기 공급부는 보호막 가스 흐름을 상기 공급부로부터 상기 공동으로 제공하기 위해 배치되며, 상기 공동은 사용 중에 상기 인젝터 헤드 및 기판 표면에 의해 구획됨; 및
    상기 에칭 구역 및 보호막 구역 사이에 배치되는 가스 배출구를 포함하는 가스 퍼지 구조, 상기 가스 퍼지 구조는 상기 에칭 및 보호막 구역들의 공간적인 분리를 형성함;
    를 포함하는, 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인젝터 헤드 및 상기 기판 표면 사이에 베어링 가스를 주입하기 위해 배치되는 베어링 가스 인젝터를 포함하는 가스 베어링 구조를 더 포함하고, 상기 베어링 가스는 가스-베어링을 형성하며, 상기 가스 베어링은 적어도 상기 에칭 및 보호막 구역들의 외주를 한정하는, 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보호막 구역 내의 공동은 공동 공급부 및 배수부를 구비하는 기판 표면에 대해 공동 높이(Hp)를 정의하며, 상기 베어링 가스 인젝터는 상기 기판을 향하는 베어링 면 부분 내에 배치되고, 상기 베어링 면 부분은 기판에 대해, 상기 공동 높이(Hp)보다 작은 간격 거리(Hg)를 정의하는, 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 베어링 가스 인젝터는 상기 가스 베어링의 기계적 강성을 정의하는 흐름 제한부를 포함하는, 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 기판 표면에 수직한 방향에서 볼 때, 상기 가스 베어링은 시트 기판의 1차 굽힘 모드들을 방지하기 위해 물결 모양의 형상들로 형성되는, 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 에칭 구역은 상기 보호막 구역 내의 기판 표면에 대한 공동 높이(Hp)보다 큰 기판 표면에 대한 공동 높이(He)를 구비하는 에칭 공동을 포함하는, 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보호막 구역은 다수의 공급부들을 포함하고, 적어도 하나의 공급부는 원자층 증착 공정 단계에서 전구체 가스를 공급하기 위해 배치되고, 추가적인 공급부에는 반응제 공급부가 제공되며, 상기 추가적인 공급부는 사용 중에 흐름 방벽에 의해 구획되는, 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공급부는 상기 공동을 한정하는 배수부를 포함하는 개별적인 공동 내에 제공되는, 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가스 베어링 구조에 의해 유지될 기판을 지지하기 위해 상기 인젝터 헤드의 반대편에 배치되는 지지부를 더 포함하며, 상기 지지부는 상기 기판을 향해 상기 에칭 플라즈마를 향하게 하기 위한 전극을 포함하는, 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 인젝터 헤드는 이송 평면으로부터 멀리 그리고 이송 평면을 향해 이동 가능한, 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    -20℃ 내지 +75℃ 사이의 범위에서 상기 공동 온도를 유지하도록 배치된, 온도 제어부를 더 포함하는, 기판의 반응성 이온 에칭을 위한 장치.
  12. 인젝터 헤드를 포함하는 장치를 이용하여 기판의 표면상에 반응성 이온 에칭을 위한 방법에 있어서,
    상기 인젝터 헤드는, 에칭 가스 공급부를 포함하고 플라즈마를 점화하기 위한 플라즈마 발생 구조를 구비하여 배치되는 플라즈마 에칭 구역; 보호막 가스 공급부가 제공되는 공동을 포함하는 보호막 구역, 상기 공급부 및 배수부는 상기 공급부로부터 상기 공동을 거쳐 상기 배수부로 보호막 가스 흐름을 제공하기 위해 배치되고, 상기 공동은 사용 중에 상기 인젝터 헤드 및 상기 기판 표면 가스에 의해 구획됨; 및 상기 에칭 구역 및 보호막 구역들 사이에 배치된 가스 배출구를 포함하는 가스 퍼지 구조, 상기 가스 퍼지 구조는 상기 에칭 및 보호막 구역들의 공간적인 분리를 형성함;을 포함하고,
    상기 에칭 구역들 및 상기 보호막 구역들이 공간적으로 분리시키면서,
    기판 부분 위에 플라즈마 에칭 구역에 상기 인젝터의 헤드를 위치시키는 단계, 상기 기판 부분은 에칭 플라즈마에 민감한 하위 부분들을 구비함;
    상기 하위 부분들의 에칭을 위해 상기 기판의 상기 표면 상에 이온들을 가하도록 상기 기판 부분을 향해 전극 구조에 의해 상기 에칭 플라즈마를 촉진시키는 단계 및 상기 에칭 플라즈마를 공급하는 단계;
    상기 기판 부분 위에 상기 보호막 구역을 위치시키기 위해, 상기 기판에 대해 상기 인젝터 헤드를 이동시키는 단계; 및
    상기 보호막 가스 공급부로부터 상기 공동 내에 보호막 가스를 제공하는 것에 의해, 상기 기판 부분 위에 보호막 층을 공급하는 단계;
    의 순환 단계들을 포함하는, 반응성 이온 에칭을 위한 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 보호막 구역은 다수의 공급부들을 포함하며, 상기 보호막 층의 공급은 제1 공동 내에 전구체 가스를 공급하는 것에 의해 원자층 증착 공정 단계 내에 제공되고, 반응제 공급부는 반응제 공급부가 제공되는 추가적인 공동 내에 제공되며, 상기 추가적인 공동은 사용 중에 흐름 방벽에 의해 구획되는 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    가스 베어링 구조에 의해 상기 기판과 접촉하는 가스 베어링 내에 상기 인젝터 헤드를 위치시키는 단계를 더 포함하는 단계.
  15. 제12항에 있어서,
    -20℃ 내지 +75℃ 사이의 범위에서 상기 공동 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
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