KR20140006037U - 플라즈마 처리 장치의 교체가능한 상부 체임버 부품 - Google Patents

플라즈마 처리 장치의 교체가능한 상부 체임버 부품 Download PDF

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Abstract

본 고안에 따른 플라즈마 반응 체임버의 상부 체임버 부는, 열전쌍 및 저항 온도 검출기의 수용을 위해 상부 표면에 블라인드 구멍들을 갖는 세라믹 윈도우, 윈도우의 바닥부에 대해서 진공 밀봉하는 상부 표면과 최상부 체임버 인터페이스의 측벽에 탑재되는 8개의 측면 주입기를 포함하는 가스 주입 시스템을 포함하는 최상부 체임버 인터페이스 및 단일 가스 피드 연결부로부터 8개의 주입기들로 대칭적인 가스 흐름을 제공하는 배관을 포함하는 가스 전달 시스템을 포함한다.

Description

플라즈마 처리 장치의 교체가능한 상부 체임버 부품{REPLACEABLE UPPER CHAMBER PARTS OF PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 출원은 2009년 9월 10일자로 출원되어 전체 내용이 참조에 의해 본 명세서에 통합된, 고안의 명칭이 "플라즈마 처리 장치의 교체가능한 상부 체임버 부품(REPLACEABLE UPPER CHAMBER PARTS OF PLASMA PROCESSING APPARATUS)"인 U.S. 가출원 제61/241,321호에 대하여 35 U.S.C§119 규정에 의거하여 우선권을 주장한다.
본 고안은 일반적으로 반도체 기판 제조 기법에 관한 것이고, 구체적으로 플라즈마 체임버의 상부 체임버 부의 교체 부품에 관한 것이다.
기판, 예를 들면 반도체 기판 또는 평판 디스플레이 제조에 사용되는 유리 패널의 처리시에, 플라즈마가 종종 사용된다. 기판 처리의 일부로서, 예를 들면 기판은 복수의 다이, 또는 정사각형 영역들로 분할되고, 이들 각각은 집적회로가 된다. 그 다음 기판은 일련의 단계들로 처리되는데, 이 일련의 단계들에 있어서 재료들은 선택적으로 제거 (에칭) 되고 퇴적 (증착) 되어서 기판상에 전기적인 구성요소를 형성하게 된다.
예시적인 플라즈마 공정에서, 기판은 에칭 전에 경화된 에멀전의 박막 (즉, 포토레지스트 마스크 등) 으로 피복된다. 그 다음 경화된 에멀전의 영역들을 선택적으로 제거하여, 아래 놓인 층의 구성요소들이 노출되게 한다. 그 다음 기판을 플라즈마 처리 체임버 내, 척 (chuck) 또는 페디스털 (pedestal) 로 불리는 단극성 또는 쌍극성 전극을 포함하는 기판 지지 구조물 상에 놓는다. 그 다음 적절한 에천트 소스가 체임버로 유입되고 점화되어 플라즈마를 형성함으로써 기판의 노출된 영역들을 에칭한다.
도 1을 참조하면, 유도 결합 플라즈마 처리 시스템 구성요소들의 개략도가 도시되어 있다. 일반적으로, 플라즈마 체임버 (이하 체임버) (202) 는 체임버의 측벽을 형성하는 바닥 체임버 부 (250), 또한 체임버의 측벽을 형성하는 상부 체임버 부 (244) 및 덮개 (252) 로 구성된다. 적절한 세트의 가스들이 가스 분배 시스템 (222) 으로부터 체임버 (202) 로 유입된다. 이들 플라즈마 처리 가스들은 이후에 이온화되어 플라즈마 (220) 를 형성하여, 정전기 척 (이하 척) (216) 상의 에지 링 (215) 에 의해 위치된, 반도체 기판 또는 유리 판과 같은, 기판 (224) 의 노출된 영역들을 처리 (예를 들면, 에칭 또는 증착) 한다. 가스 분배 시스템 (222) 은 플라즈마 처리 가스 (예를 들면, C4F8, C4F6, CHF3, CH2F3, CF4, HBr, CH3F, C2F4, N2, O2, Ar, Xe, He, H2, NH3, SF6, BCl3, Cl2 등) 를 함유하는 압축 가스 실린더 (미도시) 로 보통 구성된다.
유도 코일 (231) 은 체임버의 상부 벽을 형성하는 유전체 윈도우 (204) 에 의해 플라즈마로부터 분리되고, 일반적으로 시간에 따라 변화하는 전류를 플라즈마 처리 가스에 유도하여 플라즈마 (220) 를 생성한다. 그 윈도우는 플라즈마 (220) 로부터 유도 코일을 보호하고, 발생된 RF 필드 (208) 가 유도 전류 (211) 를 플라즈마 처리 체임버 내에 발생하도록 한다. 매칭 네트워크 (matching network) (232) 가 유도 코일 (231) 에 부가적으로 결합되고, 이 매칭 네트워크 (232) 는 RF 발생기 (234) 에 부가적으로 결합될 수 있다. 매칭 네트워크 (232) 는 통상적으로 약 13.56㎒ 및 약 50오옴에서 작동하는 RF 발생기 (234) 의 임피던스를 플라즈마 (220) 의 임피던스로 매칭하게 된다. 추가적으로, 제2 RF 에너지 소스 (238) 가 또한 매칭 네트워크 (236) 를 통해 기판 (224) 에 결합되어 플라즈마에 대한 바이어스를 발생시키고 플라즈마를 플라즈마 처리 시스템 내의 구조물로부터 멀리 기판 쪽을 향하게 할 수 있다. 가스 및 부산물들은 펌프 (220) 에 의해 체임버로부터 제거된다.
일반적으로, 일종의 냉각 시스템 (240) 이 척 (216) 에 결합되어, 일단 플라즈마가 점화되면 열 평형을 이루게 된다. 냉각 시스템 자체는 보통 척 내부의 공동 (cavities) 을 통해 냉매를 펌핑하는 칠러 (chiller), 그리고 척과 기판 사이에서 펌핑되는 헬륨 가스로 구성된다. 발생된 열의 제거 이외에, 헬륨 가스는 또한 냉각 시스템이 열 소산을 급히 제어할 수 있도록 한다. 즉, 헬륨 압력을 증가시키면 열 전달률이 증가한다. 대부분의 플라즈마 처리 시스템들은 또한 작동 소프트웨어 프로그램을 포함하는 복잡한 컴퓨터들에 의해 제어된다. 예시적인 작동 환경하에서, 제조 공정 파라미터 (예를 들면, 전압, 가스 흐름 혼합, 가스 흐름 속도, 압력 등) 은 일반적으로 특정 플라즈마 처리 시스템 및 특정 레시피에 대해 구성된다.
부가적으로, 가열 및 냉각 장치 (246) 는 플라즈마 처리 장치 (202) 의 상부 체임버 부 (244) 의 온도를 제어하도록 작동되어, 작동하는 동안 플라즈마에 노출되는, 상부 체임버 부 (244) 의 내부 표면이 제어 온도로 유지될 수 있도록 한다. 가열 및 냉각 장치 (246) 은 수개의 상이한 재료 층들에 의해 형성되어 가열 및 냉각 작동 양쪽 모두를 제공한다.
상부 체임버 부는 그 자체가 보통 플라즈마 저항성 재료들로 구성되고, 이 플라즈마 저항성 재료들은 플라즈마 처리 시스템 내에서 발생된 RF 필드를 접지하거나 투과시키게 된다 (예를 들면, 코팅 또는 미코팅 알루미늄, 세라믹 등).
예를 들면, 상부 체임버 부는 가공된 알루미늄 편일 수 있고, 이 알루미늄 편은 세정 또는 교체를 위해서 제거될 수 있다. 바람직하게는 상부 체임버 부의 내부 표면은 열 분무 이트륨 산화물 코팅과 같은 플라즈마 저항성 재료들로 코팅된다. 세정은 이러한 유형의 세라믹 코팅이 쉽게 손상되는 점에서 문제가 있고, 몇몇 플라즈마 공정의 민감한 처리로 인하여, 때로는 상부 체임버 부를 교체하는 것이 세정을 위해 제거하는 것보다 더 바람직하다.
부가적으로, 유지보수후 상부 체임버 부를 정확히 재장착하는 것이 종종 곤란한데, 왜냐하면 상부 체임버 부가 바닥 체임버 부와 적절히 배열되어서 가스켓의 세트가 상부 체임버 부 둘레를 적절히 밀봉하도록 해야 하기 때문이다. 약간의 배열 불일치가 있어도 적절한 탑재 배열이 방해된다.
또한 상부 체임버 영역에 있는 재료들의 체적은 실질적인 열질량부 (thermal mass) 를 플라즈마 처리 시스템에 추가하는 경향이 있다. 열질량부는 장기간 동안 열 에너지를 저장할 용량을 갖는 재료들을 지칭한다. 일반적으로 플라즈마 처리는 온도 변화에 매우 민감한 경향이 있다. 예를 들면, 확립된 처리 윈도우 밖의 온도 변화는, 기판 표면 상의, 폴리-플루오로카본과 같은 중합체 막의 에칭률 또는 증착률에 직접 영향을 미칠 수 있다. 기판 사이의 온도 재현성이 종종 요망되는데, 왜냐하면 다수의 플라즈마 처리 레시피는 또한 온도 변화가 십분의 수 도씨 정도일 필요가 있을 수 있기 때문이다. 이 때문에, 실질적으로 플라즈마 처리를 확립된 파라미터들 내에 유지하기 위해 상부 체임버 부가 종종 가열되거나 냉각된다.
플라즈마가 점화될 때, 기판은 열 에너지를 흡수하고, 이 열에너지는 나중에 측정되고 그 다음 냉각 시스템을 통해 제거된다. 마찬가지로, 상부 체임버 부가 열적으로 제어될 수 있다. 하지만, 플라즈마 처리는 다단계 처리 동안 온도 변화를 필요로 할 수 있고 상부 체임버 부를 100℃ 보다 높은 온도, 예를 들면 120, 130, 140, 150 또는 160℃ 또는 이들 사이의 임의의 온도로 가열할 필요가 있을 수 있는 반면에 종래의 상부 체임버 부들은 60℃ 정도의 훨씬 낮은 온도에서 가동되었다. 온도가 보다 높아지면 바닥 체임버 부과 같은 인접 구성요소들의 바람직하지 못한 온도 증가가 야기될 수 있다. 예를 들면, 상부 체임버 부 및 위에 놓인 유전체 윈도우를 130 내지 150℃의 정도의 온도에서 가동하고 바닥 체임버 부를 약 30℃의 주위 온도에서 가동하고자 할 경우, 훨씬 뜨거운 상부 체임버 부로부터 열이 바닥 체임버 부로 흐를 수 있고 반도체 기판에 의해 확인되는 플라즈마 처리 상태에 영향을 끼칠 정도로 바닥 체임버 부의 온도가 상승될 수 있다. 따라서, 상부 체임버 부로부터 유래하는 열 흐름 변화로 인해 기판 온도가 좁은 레시피 파라미터들 범위 밖으로 변경될 수 있다.
전술한 사항들에 비추어, 플라즈마 처리 시스템에서의 플라즈마 처리를 최적화하는데 기여할 수 있는 바람직한 특징들을 갖는 교체가능한 상부 체임버 부품들이 요망된다.
바람직한 실시 형태에 있어서, 반도체 기판들이 처리될 수 있는 플라즈마 반응 체임버의 상부 체임버 부의 교체가능한 최상부 체임버 인터페이스는, 균일한 직경의 내부 표면, 내부 표면으로부터 멀리 수평으로 연장되는 상부 진공 밀봉 표면 및 내부 표면으로부터 멀리 수평으로 연장되는 하부 진공 밀봉 표면을 갖는 모놀리식 금속 실린더; 플라즈마 체임버의 유전체 윈도우에 대해서 밀봉하도록 구성된 상부 환형 진공 밀봉 표면; 플라즈마 체임버의 바닥부에 대해서 밀봉하도록 구성된 하부 환형 진공 밀봉 표면; 실린더의 상부 부분의 열질량부로서, 이 열질량부는 내부 표면과 상부 플랜지로부터 수직으로 연장되는 외부 표면 사이의 실린더의 보다 넓은 부분에 의해 정의되며, 이 열질량부 내부 표면의 방위각상 온도 균일성 (azimuthal temperature uniformity) 을 제공하는데 유효한 열질량부, 및 하부 진공 밀봉 표면에 걸쳐 열의 전달을 최소화하는데 유효한 실린더의 하부 부분의 열초크로서, 이 열초크는 0.25인치 미만의 두께를 갖고 내부 표면의 길이의 적어도 25% 연장되는 얇은 금속 구역에 의해 정의되는 열초크를 포함한다.
또 하나의 실시 형태에 있어서, 반도체 기판들이 처리될 수 있는 플라즈마 반응 체임버의 상부 체임버 부의 교체가능한 윈도우는, 균일한 두께를 갖는 세라믹 디스크, 온도 모니터링 센서를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 블라인드 홀, 최상부 체임버 인터페이스의 상부 진공 밀봉 표면에 대해서 밀봉하도록 구성된 진공 밀봉 표면, 및 처리 가스를 체임버의 중심로 전달하는 최상부 가스 주입기를 수용하도록 구성된 중앙 구멍을 포함한다.
추가의 실시 형태에 있어서, 최상부 체임버 인터페이스의 측벽에 탑재된 측면 주입기에 가스를 공급하도록 구성된 가스 전달 시스템은 2 분지의 가스 라인들을 포함하고, 이 가스 라인들은 공통 피드와 가스 관들로부터 튜닝 가스를 수용하고 이 가스 관들은 이 공통 피드로부터 주입기까지 등거리로 튜닝 가스를 흐르게 하도록 배열된다. 측면 주입기는 최상부 체임버 인터페이스 둘레에 대칭적으로 배열된 8개의 주입기를 포함할 수 있고 가스 라인들은 8개의 가스 라인들을 포함할 수 있는데, 그 중 동일한 길이의 2개의 1차 가스 라인들은 공통 피드로부터 연장되고, 동일한 길이의 2개의 2차 가스 라인들은 1차 가스 라인들의 출구로부터 연장되고, 동일한 길이의 4개의 3차 가스 라인들은 2차 가스 라인의 출구로부터 연장된다. 1차 가스 라인들은 2차 가스 라인들보다 더 길고 2차 가스 라인들은 3차 가스 라인들보다 더 길다. 1차 가스 라인들은 2차 가스 라인들의 중간 지점에 연결되고 2차 가스 라인들은 3차 가스 라인들의 중간 지점에 연결된다. 가스 전달 시스템은 최상부 체임버 인터페이스의 외부 표면에 있는 환형 리세스에 의해 정의되는 작은 체적내에 끼워 맞추어지도록 설계된다.
도 1은 플라즈마 처리 시스템의 개략도이다;
도 2는 본 명세서에서 설명되는 윈도우, 최상부 체임버 인터페이스 및 측면 주입기 가스 공급 시스템을 포함할 수 있는 예시적인 플라즈마 체임버의 사시도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 명세서에 기재된 최상부 체임버 인터페이스의 상세도이다.
도 4a 내지 도 4h는 본 명세서에 기재된 세라믹 윈도우의 상세도이다.
도 5a 내지 도 5k는 본 명세서에 기재된 측면 가스 주입 전달 시스템의 상세도이다.
도 6a 내지 도 6b는 최상부 체임버 인터페이스의 측벽에 있는 개구에 탑재되고 측면 가스 주입 시스템에 의해 가스가 공급되는 가스 주입기의 상세도이다.
이하에서는 첨부도면에 예시된 본 고안의 몇몇 바람직한 실시 형태를 참조하여 본 고안을 상세히 설명한다. 다음의 상세한 설명에서, 다수의 특정 세부사항들은 본 고안을 완전히 이해하기 위해서 제시된다. 하지만, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 라면 본 고안이 이들 특정 세부사항들의 일부 또는 전부 없이도 실시될 수 있음은 자명할 것이다. 기타의 경우, 본 고안을 불필요하게 불분명하게 하지 않기 위해서 주지된 처리 단계 및/또는 구조들은 자세히 설명하지 않았다. 본 명세서에서 사용된, 용어 "약"은 기재된 값들의 위나 아래로 10%까지의 값들을 포함하는 것으로 해석되야 한다.
도 2에 예시된 바와 같은 플라즈마 체임버의 상부 체임버 부의 교체가능한 부품들을 여기서 설명한다. 이 부품들은 세라믹 윈도우, 최상부 체임버 인터페이스 및 측면 가스 주입 전달 시스템을 포함한다.
도 2에 도시된 플라즈마 시스템은 체임버 (10) 를 포함하고, 이 체임버 (10) 는 하부 체임버 (12) 와 상부 체임버 (14) 를 포함한다. 상부 체임버 (14) 는 최상부 체임버 인터페이스 (15) 를 포함하고, 이 최상부 체임버 인터페이스 (15) 는 유전체 윈도우 (16) 를 지지한다. RF 코일 (18) 이 윈도우 위에 놓이고, 처리 가스를 체임버 내부에서 플라즈마 상태가 되도록 에너지를 가하기 위해 RF 파워를 공급한다. 최상부 가스 주입기는 가스 공급 라인 (20) 으로부터 처리 가스를 전달하기 위해 윈도우의 중심에 탑재된다.
도 3a 내지 도 3d는 최상부 체임버 인터페이스 (15) 를 상세히 나타낸다. 도 3a는 최상부 체임버 인터페이스 (15) 의 평면도이고, 도 3b는 두꺼운 벽부 (15a), 얇은 벽부 (15b), 상부 진공 밀봉 표면 (15c), 하부 진공 밀봉 표면 (15d) 및 측벽 (15f) 에 있는 측면 주입 포트 (15e) 를 예시하는 측면 횡 단면도이다. 도 3c는 상부 진공 밀봉 표면 (15c) 을 상세히 나타내고 여기서 O-링의 수용을 위한 다양한 치수의 표면 및 홈부 (15g) 가 제시되어 있다. 도 3d는 외벽 (15i) 에 있는 환형 리세스 (15h) 에 있는 측면 가스 주입기의 위치를 나타내는 사시도이다.
도 4a는 윈도우 (16) 를 상세히 나타내고, 이 윈도우 (16) 는 최상부 주입기의 수용을 위한 중앙 개구 (16a), 온도 센서의 수용을 위한 상부 표면 (16c) 에 있는 블라인드 홀 (16b), 그리고 외측 표면 (16f) 의 바닥 플랜지 (16e) 에 있는 클로킹 피처 (clocking feature) (16d) 를 포함한다. 도 4b는 도 4A에 도시된 윈도우의 측면도이다. 도 4c는 플라즈마 분무 이트륨 산화물과 같은 세라믹 코팅으로 코팅된 리세스된 표면의 외측의 진공 밀봉 표면 (16g) 을 상세히 나타낸다. 도 4d는 윈도우의 외주부의 단면을 나타내고 여기서 둥글게 만들어진 리세스 (16i) 는 측벽 (16f) 으로 연장된다. 도 4e는 블라인드 구멍 (blind bore) (16b) 들 중 하나의 상세도 및 치수를 나타낸다. 도 4f는 클로킹 피처 (16d) 를 상세히 그리고 그의 치수들을 나타내고, 이 클로킹 피처 (16d) 는 단일 위치에서 윈도우의 측면으로 연장되는 0.625인치 반경을 갖는 리세스이고 이 리세스의 에지들은 반경 중심과 90°의 각도를 이룬다. 도 4g는 윈도우의 상세 그리고 그 치수들을 나타내고 도 4h는 블라인드 구멍의 상대적인 깊이를 예시하는 윈도우의 단면도를 나타낸다.
도 5a는 체임버의 평면도를 나타내고 여기서 실린더형의 최상부 체임버 인터페이스 (15) 는 상부 체임버 (14) 의 정방형 하우징 내부에 위치된다. 도 5b는 도 5A의 상부 좌측 코너부의 확대도로서 최상부 체임버 인터페이스를 지지하기 위한 브래킷 장치를 예시한다. 도 5c는 측면 주입 가스 공급 시스템 (50) 을 예시하고, 이 측면 주입 가스 공급 시스템 (50) 은 공통 가스 공급 피드 (50a), 2개의 동일한 길이의 1차 가스 라인 (50b), 2개의 동일한 길이의 2차 가스 라인 (50c), 4개의 동일한 길이의 3차 가스 라인 (50d) 및 8개의 연결부 (50e) 를 포함하고 이 8개의 연결부 (50e) 는 튜닝 가스를 8개의 측면 주입기 위치들로 전달한다. 도 5d는 가스 주입 시스템 (50) (여기서 튜닝 가스는 공통 피드 (50a)로부터 각각의 측면 주입기까지 동일한 거리를 이동한다) 이 최상부 체임버 인터페이스 (15) 의 외부 표면에 있는 환형의 리세스에 의해 정의되는 작은 체적내에 어떻게 끼워 맞추어지는 지를 나타낸다. 도 5e는 공통 가스 피드 (50a) 와 2개의 1차 가스 라인 (50b) 을 상세히 나타내고, 이 2개의 가스 라인 (50b) 은 연결부 (50f) 에서 종결된다. 도 5f는 가스 연결부 (50g) (이는 가스 연결부 (50f) 에 연결된다) 에 의해 2 분지로 나뉘는 2차 가스 라인 (50c) 들 중의 하나를 상세히 나타내고 2차 가스 라인들 (50c) 의 단부에 연결되는 연결부 (50h) 에 의해 2 분지로 나뉘는 2개의 3차 가스 라인 (50d) 을 상세히 나타낸다. 도 5g는 최상부 체임버 인터페이스 (15) 의 측벽에 탑재된 측면 가스 주입기 (50i) 를 상세히 나타낸다. 도 5h는 최상부 체임버 인터페이스 (15) 의 측벽에 있는 환형 리세스 내에 1차 가스 라인 (50b) 이 어떻게 끼워 맞추어지는지를 상세히 나타낸다. 도 5i는 가스 주입 시스템이 가스를 측면 주입기 (50i) 들 중 하나에 어떻게 전달하는지를 상세히 나타낸다. 도 5j는 측면 가스 주입기 (50i) 를 나타내고 도 5k는 워셔 (washer) (50j) 를 나타내고 이 워셔 (50j) 는 측면 가스 주입기 (50i) 의 표면과, 최상부 체임버 인터페이스 (15) 의 측면 주입 포트 (15e) 에 있는 대향 표면 사이에 끼워 맞추어진다.
바람직한 실시 형태에서, 최상부 체임버 인터페이스는 경성의 양극처리된 알루미늄 실린더이고 이 알루미늄 실린더는 프로세스 지원 하드웨어 (RF 입력 코일, 온도 제어형 윈도우, 배열 피처, 체임버 온도 제어 하드웨어, 측면 가스 주입기, 가스 전달 배관 등) 의 탑재, 진공 밀봉, 그리고 전류를 부품 외부로 전도하기 위한 피처들을 갖는다. 바람직하게는 진공 실 (vacuum seal) 은 실린더의 최상부 및 바닥부에 있는 하나 이상의 O-링들이다. 바람직하게는 전기 전도는 금속 스프링 RF 가스켓을 사용하여 확립되고 이 RF 가스켓은 실린더 상의 홈부에 끼워 맞추어지고 인접 구성요소 상의 베어 금속 스트립 (bare metal strip) 에 접촉하게 된다. 실린더의 상부 부분에서의 중량 및 열질량부를 증가시켜 원하는 온도 균일성을 이루게 된다. 내부 플라즈마에 의해 노출된 표면은 플라즈마 분무 이트륨 산화물과 같은 세라믹 재료들로 코팅될 수 있다.
도 6a는 8개의 측면 가스 주입기 (50i) 들 중에서 하나의 근위단 (proximal end) 의 단면도를 나타내고, 도 6b는 도 6a의 라인 A-A을 따라 취해진 주입기 (50i) 의 단면도를 나타낸다. 주입기 (50i) 는 주입기 몸체 (60) 를 포함하고, 이 주입기 몸체 (60) 는 주입기 몸체 (60) 의 근위단 표면 및 원위단 (distal end) 표면을 통해 축방향으로 연장되는 0.038 내지 0.042인치, 바람직하게는 0.040인치의 균일한 직경의 중앙 구멍 (61) 을 갖는다. 주입기 몸체 (60) 는 전체 길이가 0.52 내지 0.53, 바람직하게는 0.526인치이고, 0.275 내지 0.285, 바람직하게는 0.278인치 연장되는 상류부 (62) 에서의 외경은 0.2 내지 0.3, 바람직하게는 0.25인치이고, 0.245 내지 0.250, 바람직하게는 0.248인치의 길이를 갖는 하류부 (63) 에서의 외경은 0.12 내지 0.13, 바람직하게는 0.125인치이다. 중앙 구멍은 적어도 10, 바람직하게는 13 내지 14의 종횡비를 갖는다. 이 종횡비의 구멍은 주입기로의 역확산을 제어하여 스테인레스 강 가스 피드 라인의 부식을 방지할 수 있다. 하류부 (63) 의 원위단 (64) 은 0.005 내지 0.015, 바람직하게는 0.01인치 폭의 환형 표면 (65) 을 형성하는 45° (±10°) 챔퍼를 포함한다. 하류부 (63) 의 외부 표면과, 상류부 및 하류부의 외부 표면들 사이에서 이 상류부 및 하류부의 외부 표면들과 수직하게 연장되는 표면 (67) 사이의 코너 (66) 는 0.005 내지 0.015, 바람직하게는 0.01인치의 반경을 갖도록 둥글게 만들어진다. 표면 (67) 은 도 5k에 도시된 워셔 (50j) 에 대해 지탱한다. 상류부 (62) 의 근위단 표면 (68) 은 도 5i에 도시된 연결부 (50e) 의 출구를 둘러싸는 또 다른 워셔에 대해 지탱한다. 도 5i에 도시된 바로부터 알 수 있듯이, 주입기 (50i) 의 원위단은 측벽을 넘어 돌출된다. 바람직하게는 주입기 (50i) 의 원위단은 0.05 내지 0.2, 보다 바람직하게는 약 0.1인치 체임버로 연장된다.
바람직한 실시 형태에 따르면, 윈도우는 세라믹 가스 주입기와 인터페이싱하는 중심에 구멍이 구비된 세라믹 디스크이다. 이는 또한 약 0.008인치의 융기된 랜딩 패드 (raised landing pad) 를 갖고 이 랜딩 패드는 최상부 체임버 인터페이스와 인터페이싱하는 바닥부 외경 (OD) 상의 외주로부터 약 0.5인치 연장된다. 윈도우와 최상부 체임버 인터페이스 사이의 인터페이스에는 O-링 실이 존재한다. 세라믹 디스크는 약 1인치 두께이고 알루미나와 같은 저손실 탄젠트 고순도 세라믹 재료들로부터 제조되며 플라즈마 저항을 위해 이트륨 산화물로 바닥부의 리세스된 표면상에 코팅된다. 디스크는 최상부 표면상에 2개의 블라인드 구멍을 갖고 이들 블라인드 구멍은 열전쌍 (TC) 과 저항 온도 검출기 (RTD) 를 수용한다. TC 및 RTD의 위치 및 깊이는 원하는 처리 온도 모니터링을 이루고 윈도우에 대한 손상을 피하도록 선택된다. TC 및 RTD 홀들의 바닥부는 홀의 응력 집중을 감소시키도록 하는 구형 반경 (spherical radius) 을 갖는다.
최상부 체임버 인터페이스와 윈도우 사이의 접촉 영역은 이들 2개 구성요소들 사이에서 전달되는 열량을 결정한다. 플라즈마 처리 동안에는, 윈도우의 중심가 뜨거워서, 접촉 영역이 열을 윈도우의 가장자리로 전도하여 OD의 온도를 중심의 온도에 가깝게 하는 것을 돕는 것이 바람직하다. 아이들 시에는 (체임버 내에 플라즈마가 발생되지 않을 때), 윈도우의 중심가 차가워서, 접촉 영역이 열을 윈도우로 전도하지 않고 윈도우의 중심의 온도와 매칭하게 된다.
TC 및 RTD의 깊이는 윈도우의 중립 축 (무 응력 라인, 이는 인장 응력과 압축 응력을 나눈다) 이 어디에 있는 지를 결정하고, 홀의 바닥부를 그 축 위에 유지함으로써 설정된다. 또한 분석에 의해 측정 지점과 관심 지점에서 온도 차이가 얼마인지를 결정할 수 있다. 이 차이는 분석을 수행하는데 사용되는 소프트웨어에서 계산될 수 있다.
TC 및 RTD의 위치는 소프트웨어에서 오프셋이 계산될 필요가 있는지를 결정하도록 분석된다. 윈도우의 응력은 윈도우의 중심와 OD 사이의 온도차와 상관될 수 있다. 이 분석은 윈도우의 중심의 온도와 측정 지점의 온도를 상관시키는데, 왜냐하면 윈도우의 중심의 온도가 최상부 가스 주입기의 존재로 인해 측정될 수 없기 때문이다.
홀의 바닥부가 구형 반경을 갖지 않으면, 홀들이 위치된 윈도우는 높은 응력 집중을 받게될 수 있다. 윈도우의 내부가 체임버 내 진공 압력을 받기 때문에, 윈도우는 홀들의 바닥부가 둥글게 만들어지지 않으면 윈도우의 중심으로부터 에지까지 열구배가 생길 때 윈도우가 파괴될 수 있다. 홀의 바닥부에 구형 반경을 추가하면 뾰족한 에지가 제거되어서 응력 및 파괴 가능성이 감소된다.
세라믹 윈도우는 교체, 수리, 유지보수될 수 있고 용이하게 제조가능하다. 바람직하게는 윈도우는 두께가 약 1 인치이고 직경이 22인치이다. TC 및 RTD를 위한 구멍의 바람직한 치수들은 이트륨 코팅 표면으로부터 0.494±0.009인치이고 구멍은 윈도우의 중심으로부터 약 5.6인치의 반경 상에서 180°떨어져 있다. 구멍들은 약 0.5인치의 전체 깊이를 갖고 구멍 (16b) 의 입구는 구멍의 입구에서 0.390인치의 직경을 갖고 45°로 테이퍼링 된다. 구멍의 바닥부는 약 0.130인치의 직경을 갖는다.
측면 주입 시스템은 튜닝 가스를 전달할 수 있고 이 시스템은 제거가능형, 수리가능형, 유지보수가능형, 제조가능형, 누출 방지형, 플라즈마 저항형, 대칭 공급 8포트형 가스 주입 시스템으로 설계된다. 이 가스 주입 시스템은 20℃-120℃의 온도 범위에서 작동할 수 있고 1/4인치 스테인레스 강 배관 및 맞춤 설계의, 저-프로파일의 진공 밀봉 인터페이스를 사용한다. 측면 가스 주입 시스템에 있는 거의 모든 표면은 폭이 0.750인치이고 높이가 1.612인치인 직사각형 단면을 갖는 공간 내에 끼워 맞추어지고, 동시에, 거의 모든 표면은 22.5인치의 직경을 벗어나 연장되지 않는다.
측면 가스 주입 시스템의 기능은 튜닝 가스를 플라즈마에 일정하게 제공하는 것이다. 측면 가스 주입 시스템의 흐름 속도 (flow rate) 및 흐름 균일도 (flow uniformity) 는 주로, 고체 이트륨 산화물로 구성된 8개 측면 가스 주입기의 내부 구멍 직경, 가스 전달 시스템의 전체 체적, 및 단수의 가스 피드 위치로부터 모든 주입기 위치까지의 대칭적 경로의 함수이다. 가스 주입 시스템의 치수들은, 각각의 고체 이트륨 주입기의 내부 구멍 직경:0.040±0.002인치, VCR 피팅 (VCR fitting) 으로부터의 가스 주입 시스템의 체적 (공통 피드 (50a) 의 상류 단부의 가스 피팅) : 2.922 입방인치, VCR 피팅으로부터의 각가의 주입기로의 가스 이동 경로 길이: 37.426인치일 수 있다.
진공 피팅 인터페이스는, 예를 들면, K1S 피팅 보다 작고, 플라즈마에 직접 노출되는 시스템의 유일한 부분인, 이트륨 산화물 측면 가스 주입기는 크기가 최소화될 수 있고 훨씬 더 비싼 스테인레스 강 용접물을 교체할 필요 없이 소모시 교체될 수 있다.
최상부 체임버 인터페이스는 양극처리 및 세라믹-코팅된 알루미늄 실린더이며 이 알루미늄 실린더는 최상부와 바닥부상에 O-링 실이 구비되고 세라믹 윈도우와 맞물리는 최상부 접촉 표면이 구비된다. 최상부 체임버는 적극적으로 가열되고 재현가능한 웨이퍼 처리를 위해 일정한 온도로 유지된다.
윈도우 에지의 온도는 대개 최상부 체임버에 대한 인터페이스에 의해 제어된다. 체임버 인터페이스는 대개 윈도우의 에지로 들어가거나 이로부터 제거되는 열 량을 제어한다. 따라서, 에지를 아이들 상태 동안은 차갑게 유지하고 웨이퍼를 처리하는 동안은 뜨겁게 유지할 목적으로, 아이들 상태 또는 처리하는 동안은 온도 구배를 작게 유지하여 인터페이스를 가로질러 최적의 열 흐름이 제공되게 하는 것이 바람직하다. 아이들 상태 동안 너무 많은 열이 흐르면 에지가 너무 뜨겁게 되어 윈도우가 파괴된다. 웨이퍼를 처리하는 동안 너무 적은 열이 흐르게 되면 에지가 너무 차갑게 되어 파괴에 이르게 된다. 대개 인터페이스를 가로지르는 열 흐름을 제어하는 인터페이스의 피처는 공기중 윈도우에 대한 체임버의 접촉 표면 영역이다. 공기중 접촉 영역은 O-링 홈부의 외경으로부터 체임버의 외경까지이고 여기서 윈도우가 체임버와 접촉한다. 이들 치수들은 아이들 상태 및 웨이퍼 처리 상태 동안의 열 흐름에 대한 분석 및 시험에 의해 최적화될 수 있다.
부가적으로, 인터페이스의 평탄도는 열 전달에 중요하고 유지되야만 한다. 다양한 원하는 치수들은 외부의 O-링 홈부 직경 Φ1=21.290±0.007인치, 체임버 접촉 영역 외부 직경 Φ2=22.00±0.005인치, 체임버 접촉 영역 평탄도 0.002인치를 포함한다.
예시적인 실시 형태와 최적의 실시 형태를 개시하였지만, 다음의 특허청구범위에 의해 정의되는 본 고안의 요지 및 사상의 범위 내에서 라면 개시된 실시 형태에 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

Claims (8)

  1. 반도체 기판들이 처리될 수 있는 플라즈마 반응 체임버의 최상부 체임버 인터페이스의 측벽에 8개의 대칭 배열된 가스 주입기 탑재 홀들 중 어느 하나에 탑재되도록 구성되는 세라믹 측면 가스 주입기로서,
    상기 세라믹 측면 가스 주입기는 단차가 형성된 실린더형 세라믹 몸체로 이루어지고, 상기 단차가 형성된 실린더형 세라믹 몸체는 하류부보다 더 큰 직경의 상류부를 갖고 상기 주입기의 몸체의 축 단부 표면을 통해 축 방향으로 연장되는 균일한 직경의 중앙 구멍을 갖는, 세라믹 측면 가스 주입기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙 구멍은 0.038 내지 0.042인치의 직경과 0.52 내지 0.53인치의 길이를 갖는, 세라믹 측면 가스 주입기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 몸체는 전체가 이트륨 산화물로 이루어지는, 세라믹 측면 가스 주입기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상류부는 상기 가스 주입기 탑재 홀의 보다 넓은 부분에 끼워 맞추어지는 크기를 갖고 상기 하류부는 상기 최상부 체임버 인터페이스의 상기 측벽의 플라즈마 노출 표면에 있는 개구에 끼워 맞추어지는 크기를 가져서, 상기 주입기의 원위단이 상기 플라즈마 노출 표면을 넘어 0.05 내지 0.2 인치 돌출되도록 하는, 세라믹 측면 가스 주입기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 몸체는 상기 상류부의 상기 축 단부 표면 상에 제1 워셔 맞물림 표면을 포함하고 상기 상류부와 상기 하류부 사이에 수직으로 연장되는 제2 워셔 맞물림 표면을 포함하는, 세라믹 측면 가스 주입기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙 구멍은 13 내지 14의 종횡비를 갖는, 세라믹 측면 가스 주입기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 주입기의 몸체는 0.52 내지 0.53인치의 길이를 갖고, 상기 상류부에서는 0.2 내지 0.3인치의 직경을 갖고, 상기 하류부에서는 0.12 내지 0.13인치의 직경을 갖는, 세라믹 측면 가스 주입기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 상류부는 0.27 내지 0.28인치의 길이를 갖고, 상기 하류부는 0.24 내지 0.25인치의 길이를 갖는, 세라믹 측면 가스 주입기.
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