KR20140037582A - 반도체 프로세싱 챔버와 원격 플라즈마 발생기의 통합 시스템 - Google Patents

Abstract

소형이고 내장형인 원격 플라즈마 발생기가 통합된 기판 프로세싱 시스템을 형성하기 위하여 반도체 프로세싱 챔버의
리드에 장착된다. 원격 플라즈마 발생기가 챔버의 향상된 세정을 제공하며 인 시츄 플라즈마 세정 공정보다 낮은 퍼플
루오로카본 배출을 위한 세정 플라즈마 종을 발생시키기 위하여 세정 작동시 작동된다. 3방 밸브는 챔버로의 가스 유동
을 제어하기 위하여 조정된다. 세정 작동 동안, 3방 밸브는 제 1가스 라인으로부터 원격 플라즈마 발생기로 세정 플라
즈마 전구체를 보내어 세정 증착을 위해 챔버로 유동되는 세정 플라즈마 종을 발생시킨다. 증착 프로세스동안, 3방 밸
브는 제1 가스 라인으로부터 챔버로 제 1 프로세스 가스를 보내어 원격 플라즈마 발생기를 바이패싱한다. 제 1 프로세스 가스는 증착된 기판상에 층을 증착하기 위하여 챔버내로 들어가기 전에 혼합 장치내의 제 2가스 라인으로부터 공급
되는 제 2 프로세스 가스와 통상적으로 혼합된다.

Description

반도체 프로세싱 챔버와 원격 플라즈마 발생기의 통합 시스템{omited}

본 발명은 기판 프로세싱 장치, 특히 기판 프로세싱 시스템과 소형의 내장형 원격 플라즈마 발생기의 통합에 관한 것이다.

집적회로와 같은 반도체 제품의 제조에는 종종 실리콘 웨이퍼와 같은 기판상에 층들을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 층들이 종종 상이한 재료들을 포함하면서 증착프로세스과 관련된 다수의 기술들이 발전되어 왔다. 예를들어, 금속층이 도전성 상호접점을 형성하도록 증착 및 패턴화될 수 있으며, 또한 유전체 층이 하나의 도전성 층을 다른 층과 서로 전기적으로 절연시키도록 형성될 수 있다. 유전체 재료 층과 다른 재료 층을 형성하는데 사용되어온 몇몇 형태의 층 형성프로세스이 화학 증착(CVD) 프로세스이다.

CVD 프로세스은 전구체 가스 또는 증기가 기판의 가열된 표면과 응답하여 반응하는 열 증착프로세스과 전구체를 더욱 반응성을 갖는 플라즈마로 변환시키기 위해 적어도 하나의 전구체 가스 또는 증기에 전자기 에너지를 가하는 플라즈마-개선 CVD(" PECVD" )프로세스가 있다. 플라즈마를 형성하는 것에 의해 필름을 형성하는데 필요한 온도를 낮출 수 있으며 층 형성 속도를 증가시킬 수 있으며, 또한 이 두 가지를 모두 달성할 수 있다. 그러므로, 플라즈마-개선 프로세스이 여러 적용에 있어서 바람직하다.

하나의 층이 기판상에 형성될 때, 때때로 일부 재료가 잔류물로서 증착 시스템의 여러 부품과 증착 챔버의 벽에도 증착된다. 챔버의 벽에 있는 재료는 잔류물이 쌓여 미립자 오염원이 될 수 있으며 이는 웨이퍼의 불량을 초래하기 때문에 일

반적으로 바람직하지 않다. 따라서, 챔버의 내측으로부터 이러한 잔류물을 제거하기 위한 여러 세정프로세스이 발전되어 왔다. " 습식 세정법" 으로 알려진 하나의 세정프로세스은 증착챔버를 부분 분해하고 표면 바닥을 적절한 세정액으로 닦아냄으로써 수행된다. 다른 형태의 세정프로세스은 잔류물을 휘발성 물질로 변환시켜 챔버 배기시스템에 의해 제거하기 위해 플라즈마를 사용한다. 이러한 프로세스들은 " 건식 세정법" 으로 알려져 있다.

일반적으로 두 형태의 플라즈마 건식 세정프로세스이 있다. 한 형태는 프로세스 챔버의 내측, 또는 " 인 시츄(in situ)"에 플라즈마를 형성한다. 인 시츄 플라즈마 세정법의 예에서는 챔버 내측에 있는 잔류물을 제거하기 위한 자유 불소를

형성하기 위해 NF3 및 C2 F6 를 사용한다. 다른 형태는 원격 플라즈마 발생기 내에 플라즈마를 형성한 후에 프로세스 챔버의 내측으로 이온들이 흐르게 한다. 그러한 원격 플라즈마 세정프로세스은 인 시츄 플라즈마 시스템이 갖지 못하는 증착 시스템에 대한 건식 세정능력을 부여하는 것과 같은 여러 장점을 제공한다. 게다가, 원격 플라즈마 시스템은 전구체 가스 또는 증기를 플라즈마로 변환시키는데 더욱 효율적이며, 또한 플라즈마 가열 및 스퍼터링 효과와 같은 잠재적으로 바람직하지 않은 플라즈마 형성프로세스의 부산물로부터 챔버의 내측을 보호하기 위해서 챔버의 외측에 플라즈마를 형성하는데 더욱 효율적이다. 원격 플라즈마 시스템의 사용으로 퍼플루오로카본(PEC)의 방출도 감소시킨다.

이와 같이, CVD 시스템에 적합한 원격 플라즈마 시스템은 통상적으로 고가이고 부피가 크며 비실용적이고 비경제적이므로, 본 발명은 작동중지 시간을 줄일 수 있는 저가의 원격 플라즈마 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

예에서, 원격 플라즈마 발생기는 내부에 배열된 기판 홀더 위에 있는 프로세스 챔버의 리드에 장착된다. 가스 분배시스템은 세정 작동시 챔버를 세정하는 세정 플라즈마 종을 발생시키기 위해 세정 플라즈마 전구체를 원격 플라즈마 발생기를 통해 프로세스 챔버로 지향시키도록 제공된다. 증착 중에, 가스 분배시스템은 원격 플라즈마 발생기를 우회해서 프로세스 챔버 내측으로 하나 이상의 가스를 지향시킨다. 혼합 장치는 세정작동 중에 원격 플라즈마 발생기로부터 프로세스 챔버로 세정 플라즈마 종을 유동시키는 짧은 직통 유동 경로, 및 증착 프로세스중에 복수의 프로세스가스를 혼합하기 위한 길다란 혼합통로를 제공한다. 본 발명에 따른 통합에는 현 프로세스 챔버의 미소한 변경만을 필요로하며 최소 시스템 중단시간으로 인한 저비용으로 챔버를 개선하는데 특히 바람직하다. 또한, 상이한 챔버구조에도 상당히 자유롭

게 적용될 수 있다. PFC의 현저한 감소이외에도, 본 발명에 따른 통합 시스템은 세정시간의 감소에 따른 생산력의 증가

에 의해 낮은 작동비용만이 필요하다. 또한 통합 시스템은 인 시츄 세정프로세스에 의한 챔버 내측에의 유해 효과를 제

거함으로써 CVD 시스템의 수명을 연장시킬 수 있다.

본 발명은 작동중지 시간을 줄일 수 있는 저가의 원격 플라즈마 시스템을 제공하는 효과가 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 특정 실시예에 대하여 완전히 설명하였지만, 다양한 수정, 변화, 및 선택사항이 사용될 수도

있다. 예를 들어, 3방 밸브는 선택적인 유동 경로 사이로 가스 유동을 향하게 하는 다른 유동 제어 장치로 교체될 수도

있다. 혼합 장치는 다른 구성과 혼합 패턴을 가질 수도 있다. 다른 변화가 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 동등물과

선택사항은 본 발명의 사상 내에 포함된다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상술된 실시예에 제한되지 않지만, 다음의 청구

범위와 동등물의 모든 범위에 의해 한정된다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 화학 증착장치의 일실시예를 도시하는 수직 횡단면도.
도 1c 및 도 1d는 도 1a에 도시한 CVD 챔버의 부품들을 도시하는 분해 사시도.
도 1e는 하나 이상의 챔버를 포함하는 다중 시스템에 사용되는 시스템 모니터와 CVD 시스템의 단순 다이어그램.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도 1a의 CVD 챔버의 리드에 장착되는 원격 플라즈마 발생기의 사시도.
도 3은 도 2의 CVD 챔버의 리드에 원격 플라즈마 발생기를 장착하기 위한 장착 조립체의 일부를 도시하는 분해 사시도.
도 4는 도 1a의 CVD 챔버와 원격 플라즈마 발생기를 통해 흐르는 프로세스 가스의 유동을 도시하는 단순 개략 다이어
그램.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 혼합 삽입구의 평면도.
도 6은 도 1a의 CVD 챔버의 리드에 장착된 원격 플라즈마 발생기의 다른 사시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 처리들을 단순화한 플로우 차트.

Ⅰ.전형적 기판 프로세싱 시스템

본 발명의 방법으로 실행할 수 있는 적절한 하나의 기판 프로세싱 시스템이 도 1a와 도 1b에 도시된 바, 챔버 벽(15a)

과 챔버 리드 조립체(15b)를 포함하는 진공 또는 프로세스 챔버(15)가 구비된 CVD 시스템(10)의 절단면도이다. 챔

버 벽(15a)과 챔버 리드 조립체(15b)는 도 1c와 도 1d에서 분해사시도로 도시하였다.

A.프로세스 챔버

CVD 시스템(10)은 프로세스 챔버(15) 내측의 중앙에 있는 가열된 받침대(12)에 위치하는 기판(도시안됨)으로 프로

세스 가스를 분산시키기 위한 가스 분배 매니폴드(11)를 포함한다. 처리과정 동안, 기판(예컨대, 반도체 웨이퍼)은 받

침대(12)의 평평한(또는 다소 볼록한) 표면(12a)상에 위치한다. 받침대(12)는 하부 로딩/오프-로딩 위치(도 1a에도시됨)와 매니폴드(11)에 근접된 상부 프로세스 위치(도 1a에서 점선으로 표시되고 도 1b에 도시된) 사이에서 제어

가능하게 가동될 수 있다. 센터보드(도시안됨)는 웨이퍼의 위치에 대한 정보를 제공하기 위한 센서를 포함한다.

증착 및 캐리어 가스는 통상적으로 평평하며, 원형인 가스 분배 면판(13a)의 관통 홀(13b)을 통해 챔버(15)로 안내된

다. 보다 명확하게 설명하자면, 증착 프로세스 가스들은 유입 매니폴드(11; 도 1b에서 화살표로 표시됨)를 통하고, 통

상의 관통 블로커 판(42)을 통하며, 그 후에 가스 분배 면판(13a) 내의 홀(13b)들을 통해서 챔버로 유동된다.

매니폴드(11)에 도달하기 전에, 증착 및 캐리어 가스는 가스원(7)으로부터 가스 공급 라인(8;도 1b)을 통해 혼합 시

스템(9)로 투입되면서 가스들은 결합되어 매니폴드(11)로 보내진다. 일반적으로, 각각의 프로세스 가스에 대한 공급

라인은, (i) 챔버 내측으로 유동되는 프로세스 가스를 자동 또는 수동으로 차단하는데 사용될 수 있는 몇개의 안전 차단

밸브(도시안됨)와, (ii) 공급 라인을 통하는 가스 유동을 정량하는 질량 유동 조절기(도시안됨)를 포함한다. 유독성 가

스가 처리에 사용될 경우에는, 상기 몇개의 안전 차단 밸브가 통상적인 구성으로 각각의 가스 공급 라인상에 배치된다.

CVD 시스템(10)내에서 실행되는 증착 프로세스는 열적 프로세스 또는 플라즈마-강화 프로세스일 수 있다. 플라즈마

-강화 프로세스에서, RF 전력 공급원(44)은 프로세스 가스 혼합물을 여기시키도록 가스 분배 면판(13a)과 받침대(1

2) 사이에 전력을 인가하여 면판(13a)과 받침대(12) 사이의 원통 영역내에 플라즈마를 형성한다.(이러한 영역은 이후 "

반응 영역" 이라 칭할 것임). 플라즈마 반응의 조성물은 받침대(12)상에 지지된 반도체 웨이퍼의 표면상에 원하는 박

막을 증착한다. RF 전력 공급원(44)은 혼합된 주파수 RF 전력 공급원이며 진공 챔버(15)내로 안내되는 반응성 성분

의 분해를 강화시키도록 통상적으로 13.56㎒의 높은 RF주파수(RF1)와 360㎑의 낮은 RF주파수(RF2)에 전력를 공급

한다. 열적 프로세스에서, RF 전력 공급원(44)는 유용치 못할 것이고, 프로세스 가스 혼합물은 열적으로 반응하여 받

침대(12)상에 지지된 반도체 웨이퍼의 표면에 원하는 박막을 증착하고, 가열되어 반응을 위한 열 에너지를 제공한다.

플라즈마-강화 증착 프로세스동안, 플라즈마는, 배출 통로(23)를 둘러싸는 챔버 바디(15a)와 차단 밸브(24)를 포함

한 프로세스 챔버(10) 전체를 가열한다. 플라즈마가 활성화되지 못한 때이거나 열적 증착 프로세스동안, 챔버를 상승

된 온도로 유지하도록 고열 액체는 프로세스 챔버(15)의 벽(15a)을 통해 순환된다. 챔버(15)의 리드 조립체(15b)내

의 이러한 열 교환 통로(18)의 일부가 도 1b에 도시된다. 챔버 벽(15a)의 통로 나머지는 도시되지 않았다. 챔버 벽(1

5a)을 가열하는데 사용되는 유체는 통상적인 유체 종류, 즉, 물이 기초된 에틸렌 글리콜이나 오일이 기초된 열 전달 유

체를 포함한다. 이러한 가열(" 열 교환기" 에 의한 가열이라고 언급된)은 바람직하지 못한 반응 생성물의 응축을 유익

하게 감소시키거나 제거시키고 처리가스의 불안정한 생성물과 냉각 진공 경로의 벽에서 응축되어 가스 유동이 없는 과

정동안 프로세스 챔버내로 되돌아와서 처리를 오염시킬 수 있는 다른 오염물의 감소를 개선한다.

반응 부산물을 포함한, 층에 증착되지 않는 가스 혼합물의 나머지는 진공 펌프(도시안됨)에 의하여 챔버(15)로부터 배

출된다. 특히, 가스는 반응 영역을 둘러쌓는 환형의, 슬롯 오리피스(16)를 통해 환형 배출 플레넘(plenum; 17)으로 배

출된다. 환형 슬롯(16)과 플레넘(17)은 챔버의 원통형 측벽(15a; 벽의 상부 유전체 내층(19)을 포함한)과 원형 챔버

리드(20)의 바닥 사이의 간극에 의해 형성된다. 슬롯 오리피스(16)와 플레넘(17)의 360°원형 대칭성 및 균일성은

웨이퍼상에서 균일한 박막을 증착하기 위한 웨이퍼위에서의 처리가스의 균일한 유동을 달성하는데 중요하다.

배출 플레넘(17)으로부터, 가스는 배출 플레넘(17)의 측방 팽창부(21) 아래로 흐르고, 조망 포트(도시안됨)를 지나,

하방-팽창 가스 통로(23)를 통과하여, 진공 차단 밸브(24; 몸체는 하부 챔버 벽(15a)에 통합됨)를 지나서 전방라인

(도시안됨)을 통해 외부 진공 펌프(도시안됨)로 연결되는 배출 유출구(25)로 흐른다.

받침대(12; 바람직하게는 알루미늄, 세라믹, 또는 그것의 조합체)의 웨이퍼 지지 플래터(platter)는 평행 동심형 원의

형태에서 완전히 회전하도록 구성되어 가열 부재에 내장된 내장형 단일-루프를 이용하여 저항에 의하여 가열된다. 가

열 부재의 외측부는 지지 플래터의 외주면 주변에 놓여지는 반면에, 내측부는 작은 반경을 갖는 동심형 원의 경로상에

놓여진다. 가열 부재의 배선은 받침대(12)의 스템을 통과한다.

통상적으로, 어떤 또는 모든 챔버 라이닝과, 유입 매니폴드 면판과, 다양한 다른 반응기 하드웨어들은 알루미늄, 산화

피막처리된 알루미늄, 또는 세라믹같은 재질로 만들어진다. 이러한 CVD 장치의 일례는 즈하오(Zhao) 등에게 허여된

미국 특허 제5,558,717호의 " CVD 프로세스 챔버" 라는 명칭의 발명에서 설명하고 있다. 상기 특허 제 5,558,717호

특허는 본 출원인인 어플라이드 머티어리얼스사에게 양도되었으며, 이 특허는 여기에 참고로 사용되어 있다.

리프트 메카니즘과 모터(32; 도 1a)는 히터 받침대 조립체(12)를 올리고 내리며 웨이퍼 리프트 핀(12b)은 로봇 블레

이드(도시안됨)을 사용하여 챔버(10) 내측의 삽입/제거 개구부(26)를 통해 웨이퍼를 챔버(15)의 몸체 안이나 바깥으

로 전달한다. 모터(32)는 프로세스 위치(14)와 하부의 웨이퍼-로딩 위치 사이에서 받침대(12)를 올리거나 내린다.

모터, 밸브 또는 유동 조절기는 공급 라인(8), 가스 배분 시스템, 쓰로틀 밸브, RF 전력 공급원(44), 그리고 챔버에 연

결되며 기판 가열 시스템은 제어 라인(36)상에서 시스템 제어기(34;도 1b)에 의해 모두 제어되며, 이중 일부만 도시되

었다. 제어기(34)는 광학센서로부터의 피드백에 의존하여 제어기(34)의 제어상태하에서 전용 모터에 의해 움직이는

쓰로틀 밸브와 유전분극기와 같은 가동 메카니컬 조립체들의 위치를 결정한다.

도 1b에 도시된 전형적인 실시예에서, 시스템 제어기는 하드 디스크 드라이브(메모리;38), 플로피 디스크 드라이브 및

프로세서(37)를 포함한다. 프로세서는 싱글-보드 컴퓨터(Single Board Computer;SBC), 아나로그 및 디지털 입출력

보드, 인터페이스 보드 그리고 스테퍼 모터 제어 보드를 포함한다. 다양한 CVD 시스템(10)의 부품은 보드, 카드 케이

지 그리고 커넥터 치수와 형태를 규정하는 Versa Modular European(VME) 표준에 따른다. 상기 VME 표준은 또한

버스 구조를 16비트 데어터 버스와 24비트 어드레스 버스를 가지게 것으로 규정한다.

시스템 제어기(34)는 CVD 머신의 모든 작동을 제어한다. 이러한 시스템 제어기는 메모리(38)와 같은 컴퓨터 판독 가

능 매체에 저장되어 있는 컴퓨터 프로그램인 시스템 제어 소프트웨어를 실행시킨다. 메모리(38)는 하드 디스크 드라이

브가 바람직하지만 다른 유형의 메모리도 가능하다. 컴퓨터 프로그램은 타이밍, 가스의 혼합, 챔버 압력, 챔버 온도, R

F 전력 레벨, 서셉터 위치, 및 이외의 특수 프로세스의 파라미터를 지시하는 여러 세트의 명령어를 포함한다. 제어기(

34)를 작동하기 위해, 예컨대 플로피 디스크 또는 다른 적절한 드라이브를 포함하는 다른 메모리 장치에 저장된 다른

컴퓨터 프로그램을 이용할 수도 있다.

제어기(34)에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 제조물을 이용하여 기판상에 박막을 형성하는 프로세스 또는 챔버(15)

를 세정하는 프로세스를 실행할 수 있다. 예컨대, 68000 조립체 랭귀지, C, C++, 파스칼, 포트란 등과 같은 종래의 임

의의 컴퓨터 판독가능 프로그래밍 언어로 컴퓨터 프로그램 코드를 작성할 수 있다. 종래의 텍스트 편집기를 이용하여

적합한 프로그램 코드를 단일 파일, 또는 복수 파일에 입력하고, 컴퓨터의 메모리 시스템과 같은 컴퓨터 이용가능 매체

내에 이러한 프로그램 코드를 저장하거나 구현한다. 입력된 코드 텍스트가 고급 언어라면, 코드가 컴파일되어 생성된

컴파일러 코드는 사전컴파일된 윈도우즈TM 라이브러리 루틴(WindowsTM library routines)의 목적 코드와 링크된다.

컴파일되고 링크된 목적 코드를 실행하기 위해 시스템 사용자는 목적 코드를 인보크(invoke)하고, 컴퓨터 시스템이 메

모리에 코드를 로드하게 한다.

사용자와 제어기(34) 사이의 인터페이스는 도 1e에 도시된 CRT 모니터(50a)와 라이트 펜(50b)을 경유하고 있으며,

도 1e는 기판 프로세싱 시스템의 시스템 모니터와 CVD 시스템(10)의 단순도이고 기판 프로세싱 시스템은 하나 이상

의 챔버를 포함할 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 2개의 모니터(50a)가 사용되는데, 이들 모니터 중 하나는 오퍼레이터를 위해 세정실 벽에 장착되며, 다른 하나는 서비스 기술자를 위해 벽뒤에 장착된다. 모니터(50a)는 동일 정보를 동

시에 디스플레이하지만, 하나의 라이트 펜(50b)만이 이용가능하다. 라이트 펜(50b)의 팁(tip)내에 위치하는 광센서는

CRT 디스플레이에 의해 발산되는 빛을 검지한다. 특수 스크린 또는 특수 기능을 선택하기 위해, 오퍼레이터는 디스플

레이 스크린의 지정된 영역을 터치하여 펜(50b)상의 버튼을 민다. 터치된 영역은 가장 밝은 색으로 변하거나, 새로운

메뉴 또는 스크린이 디스플레이되어 라이트 펜과 디스플레이 스크린 사이의 커뮤니케이션을 확인한다. 사용자가 제어기

(34)와 소통할 수 있도록 라이트 펜(50b) 대신에, 또는 라이트 펜(50b)에 추가하여, 키보드, 마우스, 또는 포인팅(po

inting) 또는 커뮤니케이션 장치와 같은 다른 장치를 이용할 수도 있다.

B.원격 플라즈마 발생기의 통합원격 플라즈마 발생기의 통합

도 1a 및 도 2에는, 가스 분포 면판(gas distribution faceplate)(13a) 및 가스 분포 매니폴드를 포함하는 프로세스

챔버(15)의 리드 조립체(lid assembly)(15b)상에 장착된 원격 플라즈마 발생기(60)가 도시되어 있다. 도 1a 및 도

3에 가장 잘 도시되어 있듯이, 장착 어댑터(mounting adaptor)(64)는 리드 조립체(15b)상에 원격 플라즈마 발생기

(60)를 장착시킨다. 이러한 어댑터(64)는 전형적으로 금속으로 이루어진다. 가스 분포 매니폴드(11)의 상류측에는 혼

합 장치(70)가 연결되어 있다(도 1a). 이러한 혼합 장치(70)는 프로세스 가스를 혼합하기 위해 혼합 블록(76)의 슬롯

(74) 내부에 배치된 혼합 삽입구(72)를 포함한다(도 3). 장착 어댑터(64)와 혼합 장치(70) 사이에는 세라믹 절연체

(66)가 위치한다(도 1a 및 도 3). 이러한 세라믹 절연체(66)는 산화알루미늄(Al 2 O3 )(순도 99%), 텔프론(Teflon)

TM 등과 같은 세라믹 물질로 이루어진다. 설치되는 경우, 혼합 장치(70)와 세라믹 절연체(66)는 리드 조립체(15b)의

부분을 형성한다. 절연체(66)는 아래에 보다 상세히 설명하듯이, 리드 조립체(15b)내에 형성되는 2차 플라즈마용 포

텐셜을 최소화시키기 위해 혼합 장치(70) 및 가스 분포 매니폴드(11)로부터 금속 어댑터(64)를 절연시킨다. 도 2에

도시한 바와 같이, 3방 밸브(77)는 원격 플라즈마 발생기(60) 곧바로 또는 원격 플라즈마 발생기(60)를 통하여 중 어

느 하나로 프로세스 가스가 프로세스 챔버로 유동하는 것을 제어한다.

원격 플라즈마 발생기(60)는 리드 조립체(15b)상에 편리하게 장착될 수 있으며 비용과 시간 소비의 변경없이 현존 챔

버상에서 장치를 용이하게 개장할 수 있는 소형 자장식 유닛(self-contained unit)인 것이 바람직하다. 한가지 적합한

유닛은 매사추세츠 우번 소재의 어플라이드 사이언스 앤드 테크놀로지(Applied Science and Technology)가 제조하

는 아스트론(ASTRON)TM 발생기이다. 아스트론TX 발생기는 프로세스 가스를 분리하도록 저분야 토로이달(low-fie

ld toroidal)(LFT TM ) 플라즈마를 이용한다. 일실시예에서, 프로세스 챔버(15)내의 박막 증착을 세정하는데 이용되

는 프리 불소를 발생시키기 위해 플라즈마는 NF3 와 같은 불소 함유 가스와 아르곤과 같은 캐리어 가스를 포함하는 프

로세스 가스를 분리시킨다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 혼합 블록(76)은 내부에서 혼합되도록 프로세스 가스를 수용하는 입구(78,80)와,

가스 혼합물이 통해서 나가는 바닥에 위치한 출구(81)를 포함한다. 냉각용 혼합 블록(76)을 통하여 냉각제를 순환시

키기 위해 냉각제 입구(82) 및 냉각제 출구(84)가 제공된다(도 3). 프로세스 가스의 혼합은 혼합 삽입구(72)에서 발

생한다.

도 4는 CVD 시스템(10)을 통하여 유동하는 가스를 개략적으로 도시한다. 제 1 가스 라인(90)으로부터의 제 1 프로세

스 가스는 입구(91)에 있는 3방 밸브(77)에 유입되어 제 1 출구(92) 또는 제 2 출구(93) 중 어느 하나를 통하여 유

출된다. 이러한 제 1 출구(92)는 원격 플라즈마 발생기(60)를 통하여 중간 도관(94)으로 이어져 혼합 블록(76)의 상

부 입구(98)에 연결된 상부 도관(95)으로 이어져 있다. 이러한 발생기(60)내의 플라즈마는 상부 도관(95), 혼합 장치

(70), 및 가스 분포 매니폴드(11)를 통하여 챔버(15)로 유동하게 되는 제 1 프로세스 가스로부터의 플라즈마 종(spe

cies)을 생성시킨다. 도 1a에 도시한 바와 같이, 세라믹 삽입구(66)와 장착 어댑터(64)를 통과하는 도관은 원격 플라

즈마 발생기(60)와 혼합 장치(70) 사이에 유체적으로 연결된 상부 도관(95)을 형성한다.

도 4를 참조하면, 제 2 출구(93)는 입구 도관(96)을 경유하고 원격 플라즈마 발생기(60)를 우회하여 혼합 장치(70)

의 혼합 블록(76)의 측면 입구(78)에 바로 이어져 있다. 제 1 프로세스 가스는 제 2 가스 라인(100)을 통하여 측면입구(80)에 있는 혼합 블록(76)에 유입된다. 구체적인 실시예에서, 제 2 가스 라인(100)으로 공급된 액체 전구체(li

quid precursor)를 기화시키기 위해 기화기(101)가 제 2 가스 라인(100)과 연결되어 있다. 프로세스 가스는 혼합 장

치(70)의 혼합 삽입구(72)에서 혼합된다. 가스 혼합물은 혼합 블록(76)의 출구(81)에서 유출되어 가스 분포 매니폴

드(11)를 통하여 챔버(15)로 유입된다. 배출 가스는 배출 출구(25)를 통하여 챔버(15)에서 유출된다.

도 5a의 정면도 도 5b 및 도 5c의 측면도에서 가장 잘 알 수 있듯이, 혼합 삽입구(72)는 복수의 유동 경로를 포함한다.

화살표 106으로 표시된 바와 같은 제 1 유동 경로는 삽입구(72)의 중심선을 통하여 일반적으로 직선으로 연장되며(도

5b 및 도 5c), 혼합 블록(76)의 상부 입구(98)와 출구(81) 사이에 유체적으로 연결된다(도 4). 화살표 108로 표시된

바와 같은 제 2 유동 경로는 일반적으로 삽입구(72)의 오른쪽을 통하여 굽이쳐 흐르며(도 5a 및 도 5c) 혼합 블록(7

6)의 측면 입구(78)와 출구(81) 사이에 유체적으로 연결되어 있다(도 4). 화살표 110으로 표시된 바와 같은 제 3 유

동 경로는 일반적으로 삽입구(72)의 좌측을 통하여 굽이쳐 흐르며(도 5a 및 도 5b), 혼합 블록(76)의 측면 출구(80)

와 입구(81) 사이에 유체적으로 연결되어 있다(도 4). 도 5a에 도시된 바와 같이, 제 2 유동 경로(108) 및 제 3 유동

경로(110)는 복수의 위치에서 부분적으로 중첩되며, 완전한 혼합을 유도하도록 가스의 헤드 온 혼합(head-on mixin

g)을 제공하기 위해 급격한 회전(turns)이 바람직하다. 삽입구(72)의 바닥 근처에, 유동 경로(108,110)는 구멍(114,

116)(도 5a 및 도 5b)을 각각 통과하여 중심에서 합쳐지며, 혼합 블록(76)의 출구(81)와 유체적으로 연결되는 공통

출구로 제 1 유동 경로(106)의 후부가 이어진다(도 4). 제 2 유동 경로(108) 및 제 3 유동 경로(110)는 제 1 유동

경로(106)보다 대체로 길며 입구(78,80)로부터 제 1 프로세스 가스 및 제 2 프로세스 가스의 완전한 혼합을 용이하게

하도록 난류를 발생시키는 복수의 회전을 포함한다. 원격 플라즈마 발생기(60)에서 생성된 플라즈마 종의 재혼합을 최

소화하도록 제 1 유동 경로(106)는 짧고 곧은 것이 바람직하다. 일실시예에서, 제 1 유동 경로(106)는 길이가 약 1.5

인치이며, 제 2 유동 경로(108) 및 제 3 유동 경로(110)의 길이는 약 7.5인치이다.

3방 밸브(77)는 도 6에 가장 잘 도시한 바와 같이 원격 플라즈마 발생기(60)의 측면에 장착되어 있다. 이러한 3방 밸

브(77)는 전형적으로 공기압식으로 작동되며, 입구(91)와 제 1 출구(92) 사이에 연결되는 제 1 압력과, 입구(91)와

제 2 출구(93) 사이에 연결되는 제 2 압력(122)을 포함한다. 밸브(77)의 입구(91)는 제 1 가스 라인(90)과 연결되

어 있다. 밸브(77)의 제 1 출구(92)는 원격 플라즈마 발생기(60)에 연결되는 중간 도관(94)과 연결되어 있다. 밸브(

77)의 제 2 출구(93)는 챔버(15)로 이어지는 입구 도관(96)과 연결되어 있다. 입구(91)로부터 제 1 출구(92)로의

유동을 차단하기 위해 제 1 압력 스위치(120)는 정상적으로 폐쇄되어 있는 한편, 입구(91)로부터 제 2 출구(93)로의

유동을 허용하기 위해 제 2 압력 스위치(122)는 정상적으로 개방되어 있다. 이러한 모드에서, 제 1 프로세스 가스는

입구 도관(96)을 경유하며 원격 플라즈마 발생기(60)를 우회하여 챔버(15)로 유동한다. 밸브(77)가 다른 모드로 변

환되는 경우, 제 1 압력 스위치(120)는 개방되고 제 2 압력 스위치(122)는 폐쇄되어, 챔버(15)에 들어가기 전에 중간

도관(94)을 통하여 원격 플라즈마 발생기(60)로 제 1 프로세스 가스를 인도한다.

원격 플라즈마 발생기(60)에 의해 분리되는 가스만이 발생기를 통하여 유동하게 하는 것을 3방 밸브(77)가 보장하게

한다는 장점이 있다. 플라즈마가 꺼진 상태에서 발생기(60)를 통하여 오존과 같은 다른 가스가 유동할 수 있지만, 이러

한 실행의 롱텀 효과(long-term effect)는 알려지지 않는다. 3방 밸브(77)의 이용은 임의의 포텐셜 문제를 극복한다.

또한, 밸브(77)의 이용은, 원격 플라즈마 발생기(60)로 가스를 인도함으로써 또는 원하는 대로 원격 플라즈마 발생기

(60)를 우회시킴으로써 상이한 프로세스용 챔버(15) 안으로 상이한 가스들을 유동시키기 위해 동일 가스 라인(90)을

이용할 수 있게 한다. 이러한 구성은 필요한 가스 라인의 수를 최소화시키며, 시스템(10)의 신뢰도를 향상시키고, 현존

챔버를 개장하도록 가스 전달 시스템에 행해지는 변경의 수를 감소시킨다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 커넥터(123)는 제 1 가스 라인(90)의 상부 및 하부 부재를 서로 결합시키며 제 2 커넥

터(124)는 입구 도관(96)의 상부 및 하부 부재를 서로 결합시킨다. 제 1 가스 라인(90)과 입구 도관(96)의 상부는 원격 플라즈마 발생기(60)에 부착되어 있으며, 제 1 가스 라인(90)과 입구 도관(96)의 하부는 챔버(15)의 측면에 부착

되어 있다. 제 1 커넥터(123)에 있는 제 1 가스 라인(90)의 상부와 제 2 커넥터(124)에 있는 입구 도관(96)의 상부

의 단절은 리드 조립체(15b)를 용이하고 신속하게 제거한다. 3방 밸브(77)는 리드 조립체(15b) 상에 장착된 원격 플

라즈마 발생기(60)에 부착된다. 밸브(77), 발생기(60), 및 리드 조립체(15b)는 분해 없이 용이하게 제거되고 재조립

될 수 있다.

도 6은 입구 영역에서의 압력을 모니터하기 위해 3방 밸브(77)에 있는 제 1 가스 라인(90)과 결합된 안전 압력 스위

치(126)를 도시한다. 압력이 소정의 정도를 나타내면, 안전 압력 스위치(126)는 초과 압력의 축적과 누설을 방지하기

위해 입구 가스 유동을 중지시키는 신호를 표시한다. 이것은 특히 NF3 와 같은 유독성 또는 위험한 프로세스 가스에 있

어서 중요하다. 또한 도 6은 발생기(60)를 냉각시키는 냉각제를 전달하기 위해 원격 발생기(60)에 연결된 냉각 라인

(128)을 도시한다.

도 1a 및 도 6에 도시된 실험적인 실시예는 원격 플라즈마 발생기(60)로부터 챔버(15) 내로 가스의 유동 경로(106)

를 제공하고 혼합 장치(70)를 갖는 가스 전달 시스템을 갖는다. 또한 혼합 장치(70)는 두 개의 입구 가스 라인(96, 1

00)으로부터 프로세스 가스를 혼합하고 혼합물을 챔버(15)로 전달하는 두 개의 부분적으로 겹처진 유동 경로(108, 1

10)를 포함한다(도 5a 내지 도 5c). 가스 전달 시스템은 일반적으로 두 개의 모델 중 한 모델로 작동한다. 증착 모드에

서, 제 1 프로세스 가스는 3방 밸브(77)와 입구 도관(96)을 통해서 제 1 가스 라인(90)으로부터 혼합 장치(70)로 유

동하고 제 2 가스 프로세스 가스는 제 2 가스 라인(100)으로부터 혼합 장치(70)로 유동한다(도 4). 혼합 장치(70)는

기판 상에 층을 증착시키기 위해 제 1 및 제 2 프로세스 가스를 혼합하여 혼합물을 챔버(15)로 전달한다. 세정 모드에

서, 제 2 프로세스 가스를 위한 공급원은 차단된다. 제 1 프로세스 가스는 세정 플라즈마 전구체이며 3방 밸브(77)와

중간 도관(94)을 통해 제 1 가스 라인(90)으로부터 원격 플라즈마 발생기(60)로 유동한다(도 4). 발생기(60)는 플라

즈마를 형성하여 세정 플라즈마 종(plasma species)내의 전구체를 분해하며 플라즈마 종을 챔버(15) 내의 증착물을

세정하기 위해 도관(95)과 혼합 장치(70)를 통해 챔버(15)로 운반한다. 물론, 다른 작동 방법이 수행될 수 있다. 예를

들어, 또다른 모드는 제 1 프로세스 가스를 제 1 가스 라인(90)으로부터 원격 플라즈마 발생기(60)를 통해 챔버(15)

로 유동시키고 제 2 프로세스 가스를 제 2 가스 라인(100)을 통해 챔버(15)로 직접 유동시키는 것에 관계된다.

가스 프로세스 시스템은 모델 구조 때문에 상대적으로 용이하게 수정될 수 있다고 예상된다. 예를 들어, 도 3과 도 5a

내지 도 5c의 혼합물 삽입구(72)는, 예를 들어 상이한 혼합 구조를 갖는 삽입구로 교체될 수 있다. 혼합 블록(76)은

두 개 이상의 가스 라인으로부터 가스를 수용하는 부가적인 입구를 갖는 블록에 의해 교체될 수 있다. 이러한 수정은 상

이한 프로세스를 수행하기 위해 가스 혼합과 챔버(15)로의 운반의 부가적인 모드를 수행하는 가스 유동 옵션을 제공한

다.

도 1a와 도 3에 도시된 세라믹 절연체(66)의 사용으로 리드 조립체(15b) 내에 2차 플라즈마의 잠재적인 형성에 의해

야기되는 불안정을 제거한다. 도 1a에 도시된 시스템의 구성에서, 프로세스 가스는 장착 어댑터(64)를 통해 도관에 의

해 형성된 상부 도관(95)과 세라믹 삽입구(66)를 통해 백스트림으로 흐른다. 플라즈마가 챔버(15) 내에 형성될 때,

가스 분배 매니폴드(11)와 혼합 장치(70)는 고온 RF이다. 금속 장착 어댑터(64)는 일반적으로 접지된다. 헬륨과 같

은 플라즈마를 가격할 수 있는 가스가 고온 RF 매니폴드(11)와 접지된 어댑터(64) 사이의 도관(95) 내에 존재한다면,

2차 플라즈마가 상부 도관(95) 내에 형성된다. 2차 플라즈마는 챔버(15) 내의 플라즈마의 불안정성을 야기하여, 다공

성 적층 박막과 같은 불량한 박막의 증착을 야기한다. 예를 들어, PE(플라즈마 향상) 박막의 증착과 인-시츄 적층 박

막의 형성에서 SA(하부 대기압) 박막의 증착 사이에 공통된 기판의 N2 프로세싱 중에 상부 도관(95) 내에 헬륨과 같

은 가스가 존재할 수 있다. N2 프로세싱은 일반적으로 헬륨과 질소 가스를 사용하여 챔버(15) 내의 플라즈마를 가격하

는 플라즈마 프로세싱이다. 헬륨은 N2 프로세싱 중에 상부 도관(95) 내로 백스트림한다. 가스 분배 매니폴드(11)와 혼

합 장치(70)는 고온 RF이며 장착 어댑터(64)는 접지되기 때문에, 매니폴드(11)와 어댑터(64) 사이의 상부 도관(95)

내에 헬륨의 존재는 도관(95) 내에 형성하는 2차 플라즈마를 유도하여 챔버(15) 내의 플라즈마 불안정성을 야기한다.

금속 어댑터(64)를 혼합 장치(70)와 가스 분배 매니폴드(11)로부터절연시킴으로써, 세라믹 절연체(66)는 상부 도관

(95) 내에 2차 플라즈마를 형성하는 포텐셜을 최소화한다.

2차 플라즈마는 인-시츄 플라즈마 프로세스가 챔버 내에서 수행될 때 잠재적인 문제점이라고 예상된다. N2 와 헬륨에

대한 이온화 포텐셜이 모든 가스 중 가장 높기 때문에 2차 플라즈마가 N2 프로세스에서 발생할 가능성이 크다.

Ⅱ.실험적인 프로세스 유동

단순화된 도 7은 증착과 세정 프로세스를 수행하는 도 1a 내지 도 7의 CVD 시스템(10)의 사용을 설명한다. 프로세스

의 초기 단계(200)에서, 프로세스 모드가 선택된다. 증착 모드(단계 202)에서, 기판이 챔버(15) 내에 제공된다(단계

204). 3방 밸브(77)는 단계(206)에서 원격 플라즈마 발생기(60, 도 4)를 바이패스하도록 스위치된다. 제 1 프로세스

가스는 세 방향 벨브(77)와 입구 도관(96)을 통해 제 1 입구 라인(90)을 통해 혼합 장치(70)로 향해진다(단계 208).

단계(210)에서, 제 2 프로세스 가스는 제 2 입구 라인(100)을 통해 혼합 장치(70)로 유동된다(도 4). 혼합 장치(77,

도 5a 내지 도 5c)는 단계(212)에서 제 1 및 제 2 프로세스 가스를 혼합한다. 가스 혼합물은 기판 상에 층을 증착하기

위해 챔버(15) 내로 유동된다(단계 214). 본 발명에 따른 일 실시예에서, 제 1 프로세스 가스는 오존을 포함하며, 제

2 프로세스 가스는 TEOS를 포함한다.

도 7의 세정 모드(단계 216)에서, 3방 밸브(77, 도 4)는 단계(218)에서 원격 플라즈마 발생기(60)로 유동이 향하도

록 스위치된다. 세정 플라즈마 전구체(60)는 제 1 입구 라인(90)으로부터 3방 밸브(77)를 통해 전구체를 분해하여 세

정 플라즈마 종을 생성하는 발생기(60)로 유동된다. 플라즈마 종은 단계(222)에서 챔버(15, 도 4)를 세정하기 위해

원격 플라즈마 발생기(60)로부터 혼합 장치(70)를 통해 챔버(15)로 유동된다. 본 발명에 따른 일 실시예에서, 세정

플라즈마 전구체는 NF3 와 아르곤과 같은 플루오르 함유 가스를 포함한다. 발생기(60) 내의 플라즈마는 프로세스 챔버

(15) 내의 증착물을 세정하기 위해 NF3 를 분해하여 자유 플르오르를 생성한다.

세정 시간은 원격 플라즈마 발생기(60)가 챔버(15) 내의 압력 보다 높고, 바람직하게 실질적으로 높다면, 일반적으로

감소될 수 있다고 공지되어 있다. 예를 들어, 원격 플라즈마 발생기(60) 내의 압력은 바람직하게 챔버(15) 내의 압력

의 약 10 배 이상, 보다 바람직하게 약 30 배 이상이다. 본 발명에 따른 특정 실시예에서, 챔버(15) 내의 압력은 약 0.

25 토르이며, 원격 플라즈마 발생기(60) 내의 압력은 약 8 토르이다. 시스템 제어기(34)는 챔버(15) 내의 압력 뿐만

아니라 원격 플라즈마 발생기(60) 내의 압력을 제어하는데 사용될 수 있다.

7 : 가스원8 : 가스 공급 라인
9 : 혼합 시스템10 : CVD 시스템
11 : 가스 분배 매니폴드12 : 받침대
13a : 가스 분배 면판13b : 관통 홀
15 : 프로세스 챔버15a : 챔버 벽
15b : 리드 조립체16 : 슬롯 오리피스
17 : 배출 플레넘18 : 열 교환 통로
20 : 원형 챔버 리드23 : 배출 통로
24 : 차단 밸브34 : 제어기
37 : 프로세서38 : 메모리
42 : 블로커 판44 : RF 파워 공급원
50a : CRT 모니터50b : 라이트 펜
60 : 원격 플라즈마 발생기64 : 장착 어댑터
70 : 혼합 장치72 : 혼합 삽입구
74 : 슬롯76 : 혼합 블록
77 : 3방 밸브78, 80 : 입구
81 : 출구82 : 냉각제 입구
84 : 냉각제 출구90 : 제 1 가스 라인
92 : 제 1 출구93 : 제 2 출구
94 : 중간 도관95 : 상부 도관
100 : 제 2 가스 라인101 : 기화기
106 : 제 1 유동 경로108 : 제 2 유동 경로
110 : 제 3 유동 경로114, 116 : 구멍
120 : 제 1 압력 스위치122 : 제 2 압력 스위치
123 : 제 1 커넥터124 : 제 2 커넥터
126 : 안전 압력 스위치128 : 냉각 라인

Claims (1)

1. 기판 프로세싱 시스템으로서,
   프로세스 챔버를 이루는 하우징과,
   상기 프로세스 챔버내에서 기판을 프로세싱하는 동안 기판을 지지하기 위한 기판 지지체와,
   입구 및 출구를 가진 원격 플라즈마 발생기와,그리고
   상기 프로세스 챔버로 가스들을 유입하기 위한 가스 운반 시스템을 포함하며,
   상기 가스 운반 시스템은, 밸브 입구, 제 1밸브 출구와 제 2 밸브 출구를 가지며, 상기 밸브 입구로부터 상기 제 1밸브
   출구까지의 제 1밸브 경로와 상기 밸브 입구로부터 상기 제 2밸브 출구까지의 제 2밸브 경로 사이의 유동을 전환하도록
   조정가능한 3방 밸브와,
   상기 프로세스 챔버와 상기 원격 플라즈마 발생기의 상기 출구사이에 결합된 제 1 입구 유동 도관과,
   상기 3방 밸브의 제 1밸브 출구와 상기 원격 플라즈마 발생기의 상기 입구사이에 결합된 원격 플라즈마 도관과, 그리고
   상기 3방 밸브의 제 2 밸브 출구와 상기 프로세스 챔버 사이에 결합된 제 2 입구 유동 도관을 포함하는 기판 프로세싱
   시스템.

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