KR20150065616A - 정전기적 클램핑 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 처리 동안에, 처리 테이블(3)에 유전체 웨이퍼(30)의 정전기적 클램핑 방법에 관한 것으로,
상기 테이블(3)은 이에 매립된 맞물린 전극들(26, 28)을 가지고 있고,
대향하는 제1 및 제2 극성들의 전압을 인접하는 전극들(26, 28)에 인가하는 단계를 포함하고,
분극 전하는 반대 극성을 갖는 웨이퍼(30)에서 각각의 하부 전극들에 유도되고 이에 의해 상기 테이블에 웨이퍼가 정전기적 클램핑되고,
예정된 시간(ton) 후, 상기 분극 전하 및 전정기 클램핑이 계속되도록 상기 전압들의 극성은 반전되고,
i) 상기 제1 및 제2 전극들 각각의 온 타임(ton)은,
a) 상기 웨이퍼가 클램핑 전압의 철회(withdrawing) 이후 적어도 2초 동안 필요한 압력으로 유지되도록 상기 웨이퍼에 충분한 분극 전하를 생성하는데 필요한 시간(T1)보다 크고,
b) 플라즈마 및 정상 전압이 존재하는 동안 제1 예정된 양에 의해 상기 테이블로부터 웨이퍼가 분리되기 위한 시간(T2)보다 작고,
c) 인가 전업이 인가된 이후, 플라즈마 부재 하에서 제2 예정된 양에 의해 기재로부터 웨이퍼가 분리되기 위한 시간(T3)보다 작은,
시간으로 미리 선택되고,
ii) 제 1 및 제2 극성들의 사이에서 스위칭되는 시간(ts)는 시간(T1) 미만이고, 2 초 미만인 것을 특징으로 하는, 방법.

Description

정전기적 클램핑 방법 및 장치{ELECTROSTATIC CLAMPING METHOD AND APPARATUS}
본 발명은, 전형적으로 플라즈마 처리 장치에 사용을 위한, 처리 테이블에 유전체 웨이퍼(워크 피스)를 정전기적(electrostatically) 클램핑을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
플라즈마 에칭 및 증착 공정은 허용된 범위 내에서 웨이퍼 온도의 유지에 의존한다. 웨이퍼 온도 제어는, 냉각 유체 사용에 의해 온도가 유지되는, 서포트 테이블에 웨이퍼를 클램핑하는 것에 의해 달성된다. 증착 공정은 전형적으로 50 ~ 500 ℃ 범위의 웨이퍼 온도를 사용하고, 에칭 공정은 전형적으로 -100 내지 +250 ℃를 사용한다. 온도를 안정화하고, 타겟 온도의 몇도 이내에서 웨이퍼를 유지하는 것이 요구된다. 공정 과정에서, 특히 에칭 공정의 경우, 화학 반응 및/또는 이온 충격의 형태로 플라즈마 처리가 진행되는 것에 의해 웨이퍼의 앞 표면에 에너지가 적용된다. 공정 중에, 열은 테이블로부터 웨이퍼로, 또는 웨이퍼로부터 테이블 가운데 하나로 유동(flow) 가능하고, 에칭에서 웨이퍼 냉각은 보다 일반적이며, 증착 공정에서 웨이퍼 히팅도 일반적이다. 테이블과 웨이퍼 사이의 열접촉의 개선은 온도 안정화 시간을 감소시키고 주어진 최대 웨이퍼 온도에 대해 테이블의 최대 열 유량(flux)를 증가시킨다. 이러한 효과 모두 웨이퍼 처리량을 향상시키는데 도움이 된다. 더 나은 열 접촉 또한 프로세스 반복성을 개선시키는 경향으로, 다른 공정 변동에 의한 웨이퍼 온도의 변동을 감소한다.
이들 공정은 전형적으로 플라즈마 에칭에서는 0.1 ~ 100Pa, 플라즈마 증착에서는 100 ~ 1000 Pa의 갑압(reduced pressure)에서 동작한다. 기재와 서포트 테이블 사이의 열 전달은 일반적으로 수학식 1에서 설명하는 바와 같이, 전도 및 복사에 의한 것을 특징으로 한다.
H = h(Twafer - Ttable) + e12ssb(Twafer 4 - Ttable 4) W m-2 (1)
여기서
H W m-2 은 웨이퍼와 테이블 사이의 열 유량
Twafer K 는 웨이퍼 온도
Ttable K 는 테이블 온도
h W m-2 K-1 는 선형 전도 열전달 계수
e12 는 복사 열 전달 표면의 한 쌍의 유효 방사율
ssb W m-2 K-4 는 스테판-볼츠만 상수이다.
열전달 계수는 표면들 사이의 갭, 표면들 사이의 가스의 압력 및 성질(nature), 및 적응계수(accommodation coefficient)에 따르고, 이는 각 표면과 접촉할 가스 입자들의 정도가 그 표면과 열 평형에 온다는 것을 설명하는 것이 알려져 있다. 열전달 계수를 증가시키는 것은 일반적으로 테이블에 웨이퍼를 클램핑하고, 웨이퍼 및 테이블 사이 압력을 증가시키는 것에 의해 얻어진다. 반도체 처리공정에서 열전달을 위해 웨이퍼 뒤에 100~3000 Pa의 범위의 헬륨 가스 압력의 사용은, 일반적으로 ‘헬륨 백사이드 냉각(helium backside cooling)’으로 알려져 있다.
백사이드 압력이 공정 압력 이상이 될 때, 테이블에 웨이퍼를 클램핑하는 것은 필수적이다. 기계적 클램핑은 가능하지만, 기재 앞면에 접촉 허용 면적 및 기판의 유연성에 의해 한정된다. 또한, 입자 발생에 취약하여 대량 생산에 적합하지 않다. 반도체 웨이퍼의 정전기적 클램핑은 특히 플라즈마 에칭에서 보다 종래의 기술이 되고 있다. 상기 기술은 예로서 example US 5,103,367; G A Wardly Rev Sci Instruments 44 (10) pp 1506-1509 (1973); US 6,297,274와 같은 다수의 문헌에서 개시되었다. 정전기적 클램프 또는 ‘척’은 종종 ESC로 축약된다.
절연층의 표면 상 전하 축적 또는 ESC 내의 전하 마이그레이션에 의한 것으로 여겨지는, ESC 클램핑력의 감소는, 일반적으로 정전기적 클램핑의 상단에 발견되는 경향이 있다. 전압 반전 동안 웨이퍼를 유지하는 수단이 제공되는, 공정 동안 클램핑 전압의 반전에 의해 또는 웨이퍼로부터 웨이퍼로 충전 전압을 반전시키는 것에 의해 처리되는 것이 일반적이다. 이러한 방법 가운데 하나는, 전압 반전의 소멸 시점으로서 웨이퍼의 관성을 이용하는, 켈레만(US6947274B2)에 의해 제안되고 있다: 상기 전압은 웨이퍼의 백사이드 압력이 다시 되찾기가 너무 멀어지게 가속되는 것에 의해 발생되기 전에 재적용된다. 이것은 상대적으로 빠른 전환을 요구하는 단점이 있고, 스위치 전환에서 웨이퍼가 터지는 위험이 증가한다. 한 영역이 스위치되면 어떤 영역이 웨이퍼를 유지하도록, 독립 전압 제어를 갖는 멀티 영역을 사용하는 다른 방법이 있다. 이것은 다수의 전원 공급 장치와 전압 피드-쓰루가 요구되는 단점이 있다.
절연 물질의 클램핑은 반도체 또는 도체보다 더 어렵다. 이는, 절연 매개체(US5838529)에서 매립된 ‘맞물린’ 또는 근접하게 이격된 도체 전극들을 사용하여, 웨이퍼의 유전 물질의 분극을 유도하는 것에 의존한다. 웨이퍼 클램프 필요한 전압은 비 절연성 웨이퍼보다 전형적으로 실질적으로 높은 반면, 클램프 력은 보다 제한된다. 정전기적 클램프 도체는 대개 전기 분해에 취약할 수 있는 절연층으로 커버된다. 이들 최대 압력 제한은 함께, 열전달의 촉진을 위해 웨이퍼 아래에 사용될 수 있다.
절연 웨이퍼 상에 비절연층을 에칭할 때 문제가 있다. 비절연층이 존재할 때, 단지 분극(polarisation) 전하 분리에서 얻을 수 있는 힘에 비해 클램핑력을 향상시킬 수 있는, 정전기적 클램프 전극들에 의해 그 내부에서 변위가 될 수 있다. 층이 에칭됨에 따라, 추가적 클램프력은 손실되고, 열전달이 감소 또는 정전기적 클램핑이 완전히 소실되는 것 중에 하나가 된다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 플라즈마 처리 동안에, 처리 테이블에 유전체 웨이퍼의 정전기적 클램핑 방법에 관한 것으로, 상기 테이블은 이에 매립된 맞물린 전극들을 가지고 있고, 대향하는 제1 및 제2 극성들의 전압을 인접하는 전극들에 인가하는 단계를 포함하고, 분극 전하는 반대 극성을 갖는 웨이퍼에서 각각의 하부 전극들에 유도되고 이에 의해 상기 테이블에 웨이퍼가 정전기적 클램핑되고, 예정된 시간(ton) 후, 상기 분극 전하 및 전정기 클램핑이 계속되도록 상기 전압들의 극성은 반전되고,
i) 상기 제1 및 제2 전극들 각각의 온 타임(ton)은,
a) 상기 웨이퍼가 클램핑 전압의 철회(withdrawing) 이후 적어도 2초 동안 필요한 압력으로 유지되도록 상기 웨이퍼에 충분한 분극 전하를 생성하는데 필요한 시간(T1)보다 크고,
b) 플라즈마 및 정상 전압이 존재하는 동안 제1 예정된 양에 의해 상기 테이블로부터 웨이퍼가 분리되기 위한 시간(T2)보다 작고,
c) 인가 전업이 인가된 이후, 플라즈마 부재 하에서 제2 예정된 양에 의해 기재로부터 웨이퍼가 분리되기 위한 시간(T3)보다 작은,
시간으로 미리 선택되고,
ii) 제 1 및 제2 극성들의 사이에서 스위칭되는 시간(ts)는 시간(T1) 미만이고, 2 초 미만인 것을 특징으로 하는 방법이다.
또한, 사용 중에 유전체 웨이퍼가 위치되고, 맞물린 전극들이 매립된 처리 테이블 내부의 플라즈마 발생 챔버; 상기 맞물린 전극들과 결합되는 전압원; 및 인접한 전극들에 대향된 제1 및 제2 극성의 각각 전압들을 인가하기 위해 상기 전압원을 제어하도록 프로그램되어 있는 제어 시스템을 포함하는 플라즈마 처리 장치이고,
분극 전하는 반대 극성을 갖는 웨이퍼에서 각각의 하부 전극들에 유도되고 이에 의해 상기 테이블에 웨이퍼가 정전기적 클램핑되고; 예정된 시간(ton) 후, 상기 분극 전하 및 전정기 클램핑이 계속되도록 상기 전압들의 극성은 반전되고,
i) 상기 제1 및 제2 전극들 각각의 온 타임(ton)은,
a) 상기 웨이퍼가 클램핑 전압의 철회(withdrawing) 이후 적어도 2초 동안 필요한 압력으로 유지되도록 상기 웨이퍼에 충분한 분극 전하를 생성하는데 필요한 시간(T1)보다 크고,
b) 플라즈마 및 정상 전압이 존재하는 동안 제1 예정된 양에 의해 상기 테이블로부터 웨이퍼가 분리되기 위한 시간(T2)보다 작고,
c) 인가 전업이 인가된 이후, 플라즈마 부재 하에서 제2 예정된 양에 의해 기재로부터 웨이퍼가 분리되기 위한 시간(T3)보다 작은,
시간으로 미리 선택되고,
ii) 제 1 및 제2 극성들의 사이에서 스위칭되는 시간(ts)는 시간(T1) 미만이고, 2 초 미만인 것을 특징으로 하는, 장치를 제공한다.
본 발명의 제3실시예에 따르면, 플라즈마 처리 장치의 제어 시스템에 의해, 사용을 위한 기록 매체에 대한 지시를 저장하고 생성하는 방법에 있어서, 대향하는 제1 및 제2 극성들의 전압을 인접하는 전극들에 인가하는 단계를 포함하고, 분극 전하는 반대 극성을 갖는 웨이퍼에서 각각의 하부 전극들에 유도되고 이에 의해 상기 테이블에 웨이퍼가 정전기적 클램핑되고, 예정된 시간(ton) 후, 상기 분극 전하 및 전정기 클램핑이 계속되도록 상기 전압들의 극성은 반전되고,
i) 상기 제1 및 제2 전극들 각각의 온 타임(ton)은,
a) 상기 웨이퍼가 클램핑 전압의 철회(withdrawing) 이후 적어도 2초 동안 필요한 압력으로 유지되도록 상기 웨이퍼에 충분한 분극 전하를 생성하는데 필요한 시간(T1)보다 크고,
b) 플라즈마 및 정상 전압이 존재하는 동안 제1 예정된 양에 의해 상기 테이블로부터 웨이퍼가 분리되기 위한 시간(T2)보다 작고,
c) 인가 전업이 인가된 이후, 플라즈마 부재 하에서 제2 예정된 양에 의해 기재로부터 웨이퍼가 분리되기 위한 시간(T3)보다 작은,
시간으로 미리 선택되고,
ii) 제 1 및 제2 극성들의 사이에서 스위칭되는 시간(ts)는 시간(T1) 미만이고, 2 초 미만인 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.
정전기적 척(테이블)의 표면 및 웨이퍼의 배면 사이의 계면에서 전기적 전하 이동의 관리에 상대적으로 적은 관심이 든다. 본 발명은 극성 전환시 웨이퍼 클램핑을 유지하기 위해 이들 전하를 사용한다. 우리는, 플라즈마 공정 중에 절연 웨이퍼의 정상 클램핑이, 주기적으로 맞물린 정전기적 클램프의 클램핑 전압을 반전시킴에 의해 가능하다는 것을 발견하였다. 매 2 ~ 300 초 전압을 반전시키는 것에 의해, 클램핑 력은 실제로 사용되는 어떤 공정보다도, 긴 시간동안 유지될 수 있다. 전압 반전 시, 후면 냉각 압력을 감소시킬 필요는 없다: 헬륨 누설 플로우는 웨이퍼 전에 순간적으로 5%까지 증가되고, 다만 상기 웨이퍼는 빠지지 않는다. 척 표면(테이블)과 웨이퍼 사이의 전기장은, 플라즈마로부터 전하 침투에 기인하여 중심으로부터 서로 다른 전하 분포를 갖는 에지 영역을 갖는, 전체 영역에 걸쳐 균일하게 전환되지 않는다. 전압이 반전됨으로써, 하나의 위치로부터 다른 위치로 마이그레이션되는 표면 전하에 따라 클램프력을 갖는 일부 영역이 항상 존재하게 된다. 전환 시간 간격은 계면에서 이동 전기 전하의 마이그레이션율에 의존한다. 정전기적 척은 접지에 대해 양 또는 음 가운데 하나의 맞물린 두 개의 전극의 각 측을 구동할 수 있는, 오직 하나의 전원을 필요로 한다. 비록 이러한 설계에 기술이 동일하게 적용될 수 있지만, 멀티 영역의 독립 제어는 필요치 않다.
백그라운드 압력은 통상적으로 헬륨과 같은 불활성 가스가 사용된다.
전압 스위칭 이벤트 사이 필요한 최소 시간이, 특정 플라즈마 처리로 서비스에 ESC를 적용하기 전에 측정이 되는 각각의, 몇 시간 상수에 의존한다.
이들은:
T1 : 웨이퍼 클램핑 전압을 뺀(withdrawing) 이후 적어도 2 초의 필요 (배면) 압력으로 유지되도록 웨이퍼에 충분한 분극 전하를 생성하는 데 필요한 시간.
T2 : 일정한 전압을 이용한 플라즈마를 갖는(에지 전하 이동의 특성) 클램핑의 손실에 대한 시간
T3 : ESC 전압을인가 한 후, 플라즈마의 부재 하에서 클램핑의 손실 시간. (ESC 전극을 둘러싸고 있는 ESC 유전체 내의 전하 이동의 특성)
제1 및 제2예정된 양만큼 클램핑의 각 손실의 경우 동일한 압력을 유지하기 위해 배면의 플로우에 대응하는 증가에 의해 결정된다. 이는 클램핑의 느린 손실을 나타낸, 점진적일 수 있고, 이 경우 우리는, 가스 플로우에서, 즉, 20 ~ 25 % 증가와 같이 일정 비율의 증가로 클램핑 손실을 정의할 수 있다. 또한 클램핑의 완전한 소실(‘팝 오프’ 이벤트)를 나타내는 급격하게 될 수도 있다.
T1은 아래와 같이 결정된다.
1. 웨이퍼는 플라즈마 부재 상태의 일정 전압 하에서 클램프되고, (후면) 가스 압력은, 바람직하게는 낮은 가스 리크 플로우(gas leak flow)(바람직하게는 2 sccm 보다 적은)와 함께 5~15 토르(Torr)에서 설정되고,
2. 시간 간격 이후, 클램프 전압은 제로화되고, 가스 누설 플로우는 다음 분(next minute)에서 관찰되고,
3. 상기 클램프 전압이 제거된 후, 가스 플로우가 2초에서 20%를 넘지 않도록 증가하는 최소 클램핑 전압이 설정될 때까지, 상기 시간 간격은 반복된 클램핑 이벤트로 변화된다. 이는, 충분한 분극 전하가 전압 스위칭 동안 고정하여 웨이퍼에 존재하는 시간을 정의한다. 플라즈마 사용시 클램핑 동안 전압 반전 클램핑 사이 주기는 동일하거나 또는 이 기간 보다 길다.
T2는 웨이퍼-테이블 계면으로 마이그레이션된 플라즈마 전하에 따라 클램핑되지 않은 시간에 대한 실험으로, 아래와 같이 설정된다.
1. 웨이퍼는 정상 전압 하에서 클램프되고 플라즈마는 강타된다(plasma is struck). 클램핑의 손실 시간이 기록된다.
2. 극성이 반전되고 테스트가 반복된다. 시간이 다시 기록된다.
3. 사용되는 스위칭 시간은 두 개 시간에서 낮은 (T2)보다 적게 선택된다.
T3는, 플라즈마의 부재 중에, 예로서, 10 토르(Torr)의 가스(후면) 압력을 갖는 일정한 클램핑 압력을 적용하고, 상기 테이블로부터 웨이퍼가 분리되기 전에 가스 플로우를 모니터링하는 단계에 의한 구체적 한 예로 결정된다.
우리가 지금까지 테스트한 조건에서, T1은 몇 초가 될 수 있고, T2는 5초에서 10분이 될 수 있고, T3는 한 시간 이상이 될 수 있다.
플라즈마 사용 클램핑 동안 전압 반전 이벤트 사이 주기(ton)는, ESC 유전체( T3 내의 전하 마이그레이션으로부터 또는, 플라즈마 전하 마이그레이션 (T2)으로부터 클램핑의 손실 시간 보다 적고, 웨이퍼 분극 전하(T3) 설정 시간보다는 크다.
다른 (전압 반전 시간 ts) 하나의 극성으로부터 전환되는 시간은, 켈러만 (US 6947274)의 방법에 개시된 바와 같이, 웨이퍼 탈출 시간 또는 웨이퍼 충격 시간보다, 길 수 있다. 스위칭 시간 주기 또한, 켈러만 또는 호비츠 및 보론카이 (US 6103167)의 교류 전압 방법에 개시된 것 보다 실질적으로 길고, 이에 따라 본 발명에 따른 방법에서 대부분의 시간은 일정한 클램프 전압을 갖는다. 전압 반전 시간 ts는 T1 또는 T2 중 하나보다 짧아야 하고 바람직하게는 이들 중 짧은 것보다 더욱 짧아야 한다.
절연 웨이퍼 상에 비절연층을 에칭할 때, 상기 층이 거의 에칭 완료할 때까지, 일정한 전압이 사용될 수 있음을 발견했고, 그것은 전압 반전을 사용하는 것이 필요함을 발견했다. 웨이퍼 이면으로부터 헬륨 누설율은 전환점의 민간한 지표로서 사용될 수 있고, 왜냐하면 비절연층을 지움에 따라 10%까지 올라가기 때문이다. 광학 방출 분광법, 반사율, 분광 반사율, 또는 간섭계와 같은 광학 기술은 또한 지표로서 사용될 수 있다. 전압 반전을 채용하지 않으면, 기재는 비교적 낮은 배면 압력(< 400㎩)에서 조차 팝 오프 될 수 있다.
상기 전압들은 일정한 방식으로 전환될 수 있으나 이는 참고로 필수적 사항은 아니고, 실제로는 바람직하지만 두 극성이 동일한 시간에 적용될 필요는 없다.
플라즈마의 정류 특성에 따라, 상기 웨이퍼 표면은 DC 오프셋 전압을 취득하게 된다.
예로서 도체 테스트 웨이퍼를 사용하여, ESC 볼트를 유사한 양에 의해 접지로부터 오프셋 될 수 있는, 측정 또는 추정하는 수단이 존재한다.
우리는 또한 웨이퍼를 절연하기 위한 기계적 및 정전기적 클램핑의 결합에 대한 일부 장점을 보았다. 기계적인 클램프는 1000 ~ 2000 Pa 범위에서, 증가된 열전달을 위한 증가된 백사이드 가스 압력을 허용하는 반면, 정전기적 클램프 력은 테이블에 대한 웨이퍼를 평평하게 하는 경향이 있다. 이는 웨이퍼 아래 갭을 더 균일하게 하고, 열전달을 웨이퍼의 전영역에 걸쳐 더욱 균일하게 한다.
웨이퍼 척 계면에서 마이그레이션되는 표면 전하의 중요성은 웨이퍼 주위의 엣지 링의 선택적 사용에 의해 강조되고, 바람직하게는 0.5 ~ 3mm 웨이퍼의 표면으로부터 돌출된다. 상기 링이 사용될 때, 스위칭 이벤트 사이 시간이 연장될 수 있고, 적어도 일정 전하들은 웨이퍼 엣지로 도입된다.
여기에 기술된 방법은 다수의 웨이퍼를 유지할 수 있는 등가 ESC 설계에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 일부 플라즈마 처리 장치 및 방법의 예는 이제 첨부 된 도면을 참조하여 설명될 것이다:-
도 1은 정전기 클램핑 테이블을 포함하는 플라즈마 처리 장치의 개략도이다.
도 2는 보다 상세하게는 정전기 클램핑 테이블의 구조를 도시한다.
도 3a는 일반적인 인가 전압 파형을 도시 한 도면이다.
도 3b 및 3c 플라즈마 주기 동안 플라즈마 DC 바이어스를 보상하기 위해 수정된 정전기 클램핑 전압들을 나타내는 각 전극 세트에 인가된 전압 파형의 한 쌍의 제 1 예를 도시한다.
도 3d는 다른 하나에 대해 전압의 변화를 지연시키는 추가적인 위상 시프트와 전극의 각 세트에 인가된 전압 파형의 한 쌍의 제 2 예를 도시한다.
도 4 ~ 8은 웨이퍼를 지지하고 여러 단계의 프로세스에 전형적인 클램핑 전하의 위치를 나타내는 ESC의 개략도들이다.
도 9 및 도 10은 소정의 전압 파형의 판정 시간 동안 헬륨 플로우를 도시한다.
도 11 ~ 14는 종래 기술의 문제와 본 발명의 실시 예에 따른 클램핑 시간 동안 가스 플로우와 온도의 변화를 도시한다.
도 15 및 16은 에지 링을 포함하는 플라즈마 처리 장치의 두 가지 예를 도시하고, 도 2와 유사한 도면이다.
도 1은 공정 테이블(3)이 장착된 내부의 밀폐 하우징(2)을 포함하는 플라즈마 처리 챔버(1)의 주요 구성을 도시한다. 가스는 하우징(2)의 상부 벽(4)을 통해 공급되고, 유도 코일(5)이 하우징(2)의 상부 일부를 둘러싸고, 전원(6)과 연결되는 것을 통해 플라즈마로 전환된다.
플라즈마 가스는상기 하우징(2)의 하부 벽에 개구부(7)를 통해 펌프 작용에 의해 추출된다.
상기 테이블(3)은 전형적으로 13. 56 MHz의, RF 전원(8)과 연결되고, ESC 클램핑 전압과 웨이퍼 백사이드 열전달을 공급하는 가스를 제공한다.(도 1에 미도시되어 있으나 후술함)
전원(6, 8)은 제어 시스템(10)과 연결된다.
사용시, 웨이퍼(미도시)는 테이블(3)에 위치한다.
플라즈마 소스를 통한 공정 가스 플로우는 이온화되고 해리하고, 출구 포트(7)에 테이블(3) 상의 웨이퍼와 접촉을 통해 통과한다. 테이블은 종종 13.56MHz의 통상 RF 전력으로 구동되고, 웨이퍼 백사이드 열전달을 위해 공급한 가스와 ESC 클램핑 전압을 제공한다.
도 2에는 ESC 테이블이 보다 구체적으로 도시되어 있다. 이는 절연층(24), 상부 유전체 및 냉각 채널(22)이 매립된 종래 RF 구동 테이블(20)을 포함한다. 이 층은 통상 알루미나, 석영, 폴리이미드 또는 이와 유사한 물질로 만들어진다. 두 개의 맞물린 전극들(26, 28)의 세트는 상기 층(24)에 매립되어 있다. (전극들(26, 28) 의 일부가 표시되어 있음)
유전체 웨이퍼(30)는 개폐식 리프팅 핀(미도시)을 사용하여 층 상에 위치되어 있는 절연층(24) 상에 도시된다. 상기 전극들(26, 28)은, 기본 베이스(20)로부터 전극들이 절연된 층(24)의 절연 물질에 의해 웨이퍼(30)로부터 분리된다. ESC 전극들(26, 28)은, 전기적 피드-쓰루(대쉬 라인으로 도시)를 통한 하나 이상의 전원(34, 32)에 연결되고, 전원은 제어 시스템(10)(도 1)에 의해 차례로 제어된다. 반대 전위 또는 극성에서 통상 인접 컨덕팅 트랙을 갖는, ESC 전극들의 전원 세트(26, 28)가 독립적으로 존재한다. 그러나, 접지에 대해 포지티브 또는 네거티브일 수 있는 각 터미널인 싱글 전원은 옵션이다.
웨이퍼 백사이드 압력 유지를 위해 테이블(20) 및 층(24)을 통해 연장되는 공급 파이프(23)를 통한 층(24) 및 웨이퍼(30)의 사이 영역으로 헬륨 가스가 공급된다.
사용시, 전압은 상호 연결된 한 세트(예, 26)에 인가되고, 그 전압의 극성은 도 3A에 도시된 바와 같이 주기적으로 (+V 및 -V의 사이에서) 반전된다. 동시에, 또 다른 전압은 상호 연결된 전극들의 다른 세트(28)에 인가된다. 각 전극(28)에 인가된 전압은 대개 동일한 크기를 갖지만 각 전극(26)에 대해 반대의 극성을 갖는다. 쉽게 설명하면, 정상 상태 전압이 인가되는 시간 동안 ton으로 표시되고, 전압이 하나의 극성에서 다른 극성으로 스위치될 때 시간 동안은 ts로 표시된다.
전극(26, 28)의 각 세트들에 인가된 대향 전압 파형의 쌍의 구체예는 도 3B 및 3C에 도시되어 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 상기 전압은 위상이 정확하게 변하지만, +3000 V 및 -3000 V 사이의 대향 센스로 변화한다. 플라즈마 주기 동안 DC 바이어스의 보상도 또한 묘사된다.
전압이 초기에 음극 전위 -V의 전극 (28) 및 양극 전위 + V 전극 (26)을 갖는, 인접 전극 (26, 28) (도 4) 사이에 인가 될 때, 분극 전하는, 네거티브 ESC 전극(28) 근처 포지티브 면 전하 및 그 반대, 웨이퍼의 하부면(30)에 나타난다. 이는 클램핑 력을 생성한다. 이러한 초기 클램핑을 확립하는 시간은 기재 재료의 특성에 지배되는, 몇 초 정도이다.
일반적으로 10 ~ 100 초 범위의 시간 주기 동안, 전하들은 플라즈마로부터 웨이퍼(30) 및 ESC(24) (도 5) 사이의 계면으로 이주(migrate)하기 시작한다. 포지티브 이온은 보다 네거티브 ESC 전극(28)들을 향하고, 전자들은 보다 포지티브 전극(26)을 향한다. 침투 전하들은 보다 전자(e-)와 같고, 보다 더 이동하고, 이는 전자 침투 지배 가정하에 묘사된다. 두 극성에 여기 아규먼트가 적용된다. 이들 침투 전하는 ESC 전기장을 스크린하는 경향이 있어, 웨이퍼(30)에 분극 전하를 더 이상 생성하지 않고, 충분한 스크린이 발생하면 클램핑은 소실된다.
전압 반전의 순간(전압이 제로일 때 순간에서 도 6에 도시된 ts ), 분극 전하 및 침투 엣지 전하 모두는 스위칭 동안 적어도 부분적으로 이들의 위치를 유지한다. 에지 영역은 클램핑 비활성을 유지하고, 매립 전극의 전하 상태의 변화를 지연하는 웨이퍼 분극화(polarisation)에 의해 중심 영역에서 클램프 력은 실질적으로 유지된다.
ESC 극성이 완전히 반전하면(도 7), 엣지와 중앙 영역의 역할은 클램프 력에 관해 반전된다. 중앙 영역에서, 잔류 분극 전하는 로컬 ESC 전극의 효율성을 감소시키는 경향이 있고, 클램프 력은 감소된다. 엣지에서는, 그러나, 침투 전하가 ESC 전압을 강화시키는 경향이 있고, 웨이퍼 내의 분극을 향상시키고, 클램핑 력을 가속화하는 경향이 확립된다.
상기 시간 이후(도 8), 엣지 침투 전하들은 변경된 ESC 극성에 의해 구동될 것이고, 분극은, 극성이 반대이지만, 초기 클램핑 후 것과 유사한 조건을 설정하는, 중앙에 반전된다.
ESC 전압이 순간적으로 제거되고 충분한 웨이퍼 분극이 충분한 클램프력을 유지한 이후에, 엣지 전하 침투 또는 디-클램핑에 따른 계속된 벌크 전하 마이그레이션 가운데 하나의 이전에 극성을 반전할 필요가 있다.헬륨 백사이드 가스의 누설의 증가는 전극 스위치가 필요한 신호로 사용될 수 있다. 극성 반전의 기간은, 엣지 전하 또는 웨이퍼 분극 특성 시간 상수 가운데 짧은 것과 비교하여 더 짧아야 한다.
상기 설명을 감안할 때, 상기 전압 파형의 형태의 형태가 결정되는 것이 남아 있다. 실제로, 이는 테스트 웨이퍼, 다음 필요한 파형을 생성하는 전압원을 제어 할 수있는 제어 시스템에 의해 저장된ton 및 ts 결과 값의 이용으로 결정된다.
ts 및 ton은 T1, T2, 및 T3의 결정 이후 세팅된다.
T1을 결정하기 위해, 바람직한 실시예는 하기의 스텝에 따라 수행된다.
1. 웨이퍼는 플라즈마 부재 상태의 일정 전압 하에서 클램프되고, (후면) 가스 압력은, 바람직하게는 낮은 가스 리크 플로우(gas leak flow)(바람직하게는 2 sccm 보다 적은)와 함께 5~15 토르(Torr)에서 설정되고,
2. 시간 간격 이후, 클램프 전압은 제로화되고, 가스 누설 플로우는 다음 분(next minute)에서 관찰되고,
3. 상기 클램프 전압이 제거된 후, 가스 플로우가 2초에서 20%를 넘지 않도록 증가하는 최소 클램핑 전압이 설정될 때까지, 상기 시간 간격은 반복된 클램핑 이벤트로 변화된다. 이는, 충분한 분극 전하가 전압 스위칭 동안 고정하여 웨이퍼에 존재하는 시간을 정의한다. 플라즈마 사용시 클램핑 동안 전압 반전 클램핑 사이 주기는 동일하거나 또는 이 기간 보다 길다.
정상 클램프 전압은 플라즈마 없이 5초 인가되었고 클램프 전압을 제로로 하였다. (시간 = 도 10에서 제로) 클램핑은 2초에서 소실되었다.
T2를 결정하기 위해, 바람직한 실시예에서 하기의 스텝으로 수행된다.
1. 웨이퍼는 정상 전압 하에서 클램프되고, 플라즈마가 강타된다. 헬륨 플로우는 급격히 상승 또는 20% 이상으로 플로우가 증가하기 전에 관찰된다: 시간은 기록된다
2. 상기 테스트는 극성이 반전되고 반복된다. 시간이 다시 기록된다. 계면에서 이동 전하 침투가 반발 또는 끌리는 경향이 있는 극성을 가질 수 있는 엣지에서, 정전기적 척 전극의 다른 부분으로 인해 이들은 다를 수 있다. 사용되는 스위칭 시간은 두 개의 시간 가운데 적은 것 보다 적게 선택된다.
도 9의 예시는 Ar 플라즈마(50 sccm Ar, 3 mTorr, 2000 W ICP, 100 W RIE)에 관한 것이다. 헬륨 압력은 10 토르이다. 이 경우 플로우는 200 초에서 25% 증가하였다.
T3를 결정하기 위해, 플라즈마의 부재 중에, 예로서, 10 토르(Torr)의 가스(후면) 압력을 갖는 일정한 클램핑 압력을 적용한다. 이 경우 스위칭 시간을 제한하지 않는 ESC 내부의 전하 마이그레이션 및, T3는 한 시간 이상인 경우를 지시하는, 헬륨 유속에서 큰 변화없이 관찰되었다.
이 특정 예에서, 전압 스위칭 간의 시간(ton)은 200 초(클램핑의 부분적 손실)보다 적은 T2이어야 하고 바람직하게는 40초(이 때 20%) 미만이고, 다만 5초 이상이어야 한다.(분극 전하 확립 시간 T1 ) 엣지 전하 마이그레이션 시간 상수는 이 경우 절연체의 벌크에서 수평 전하 마이그레이션에 의해 클램핑의 손실에 대한 시간 상수(> 1시간)보다 짧다.
하나의 극성에서 다른 하나로 스위치되는 시간 (ts)은 2초(웨이퍼 분극 전하의 손실)보다 적고 바람직하게는 0.4초(20% 일때) 미만이다. 엣지 전하 마이그레이션은 이 경우 시간 상수보다 길고, 전압 반전의 주기에 제한되지 않는다.
도 3b 및 3c에 도시 된 바와 같이 서로 정확하게 다를 전압 파형의 쌍을 사용하여, 웨이퍼 엣지에서 전하 누설의 제한이 있다면, 어떤 문제가 야기될 수 있다. 이 문제를 완화하기 위해, 두 개의 파형 사이에 도입되는 위상 쉬프트인, 변형된 한 쌍의 파형을 사용하는 것을 개발했다. 이것은 도 3D에서 도시된다. 이것의 장점은 하나의 채널이 전환될 때 다른 것이 아닌, 즉 단극 클램핑 력이 스위칭 공정동안 존재하는 것이다. 스위칭 시간보다 긴 위상 쉬프트가 바람직하다. 예로서, 20초의 총 사이클에서 3초 위상을 사용하였고, 스위칭 시간은 0.5 초보다 적다.
적어도 테이블 주위 엣지 링을 제공하는 것에 의해 시간 T2의 연장 및 변화가 가능하고 바람직하게는 웨이퍼는 플라즈마 손상으로부터 처리 테이블(20)을 보호한다. 이들 엣지 링의 두 개의 예가 도 15 및 16에 각각 도시된다. 도 15에는, 엣지 링(40)이 절연층(24) 및 테이블(20)의 그루브(41) 주위로 연장되고, 절연 층 (24)의 상면 (43)과 상면 (42) 평면을 갖는다. 웨이퍼(30)는 엣지 링(40)의 일부 위로 연장하는 동안 엣지 링(40)은 절연 층 (24)에 대해 장착되어있다.
도 16에 도시된 예에서, 엣지 링(42)은 상부 링(46)을 가지고 제공되고 바람직하게는 0.5 ~ 3 mm의 양으로 웨이퍼(30)의 레벨 이상으로 돌출된다. 엣지 링의 형태는 도 15에 도시된 바와 같이 버전에 대해 4배까지 시간 T2를 연장할 수 있다. 엣지 링은 웨이퍼 엣지에서 전하의 유입을 감소시킨다.
과도한 엣지 링 높이가 웨이퍼 엣지에서의 에칭 속도를 억제하기 때문에, 시간 연장은, 실제로, 웨이퍼 엣지에 에칭의 균일성을 갖는 균형을 이루어야 한다.
엣지 링은 전도성이거나 유전체일 수 있다.
도 11은 10 토르 He 백 압력을 갖는 종래기술을 이용하여 문제를 도시한 그래프이다.
초기에 높은 He 플로우가 공정 시작 부분에 보인다. 하우징 웨이퍼 리프팅 메커니즘을 위한 처리 테이블의 아래 부피의 충전에 기인한다. 이는 웨이퍼 클램핑과 관련이 없다. 초기 He 플로우 피크 이후, 클램핑이 만족되는 동안 정상 상태가 얻어진다. 정상 상태에서의 시간 이후, He 유속은 증가가 시작된다. 이 시간은 He 누설(리크) 시간으로 도 11에서 정의된다. 웨이퍼는 결국 250 초 근방에서 추후 팝 오프된다.
본 발명의 접근법을 이용하여, 클램핑 동작의 시간 동안 웨이퍼의 유지를 성공적으로 할 수 있다. 도 12는, 10 토르의 백 사이드 압력을 갖는 사파이어 웨이퍼의 30분 공정 동안의 압력 및 He 플로우를 도시한 것이다.
클램프의 신뢰성이 또한 60 RF 시간 동안 750 웨이퍼의 마라톤 실행으로 테스트되었다. 웨이퍼 당 평균 He 플로우는 마라톤 과정에서 샘플로 도 13에 플롯되어 있다.
He플로우는 테스트 내내 2 sccm 아래를 유지하는 것을 볼 수 있다.
도 14는 처리 시간의 함수로서 사파이어 웨이퍼 온도를 나타내는 데이터 도면이다. 이는 웨이퍼와 ESC 사이의 온도 차이가 정상 상태에 도달 한 후 실질적으로 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다.

Claims (18)

  1. 플라즈마 처리 동안에, 처리 테이블에 유전체 웨이퍼의 정전기적 클램핑 방법에 관한 것으로,
    상기 테이블은 이에 매립된 맞물린 전극들을 가지고 있고,
    대향하는 제1 및 제2 극성들의 전압을 인접하는 전극들에 인가하는 단계를 포함하고,
    분극 전하는 반대 극성을 갖는 웨이퍼에서 각각의 하부 전극들에 유도되고 이에 의해 상기 테이블에 웨이퍼가 정전기적 클램핑되고,
    예정된 시간(ton) 후, 상기 분극 전하 및 전정기 클램핑이 계속되도록 상기 전압들의 극성은 반전되고,

    i) 상기 제1 및 제2 전극들 각각의 온 타임(ton)은,
    a) 상기 웨이퍼가 클램핑 전압의 철회(withdrawing) 이후 적어도 2초 동안 필요한 압력으로 유지되도록 상기 웨이퍼에 충분한 분극 전하를 생성하는데 필요한 시간(T1)보다 크고,
    b) 플라즈마 및 정상 전압이 존재하는 동안 제1 예정된 양에 의해 상기 테이블로부터 웨이퍼가 분리되기 위한 시간(T2)보다 작고,
    c) 인가 전업이 인가된 이후, 플라즈마 부재 하에서 제2 예정된 양에 의해 기재로부터 웨이퍼가 분리되기 위한 시간(T3)보다 작은,
    시간으로 미리 선택되고,

    ii) 제 1 및 제2 극성들의 사이에서 스위칭되는 시간(ts)는 시간(T1) 미만이고, 2 초 미만인 것을 특징으로 하는,
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 예정된 양은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는,
    방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 시간 T2 및 T3는 테스트 웨이퍼의 실험에 의한 것을 특징으로 하는,
    방법.
  4. 전술한 청구항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 예정된 양들은, 상기 테이블 및 웨이퍼 또는 테스트 웨이퍼 사이의 일정 압력 하에서 가스의 주입에 의해 정의되고,
    가스 플로우는 예로서 20 ~ 25%인, 각각 예정된 양 또는 양만큼 증가할 때, 제1 및 제2 예정된 양들은 상기 조건에 대응되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  5. 제4항에 있어서,
    가스 플로우의 양이 비교된 초기 조건은
    5~15 토르(Torr) 범위의 가스 압력 및 2 SCCM 미만의 가스 플로우를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 가스는 헬륨을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  7. 전술한 청구항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 시간(T1)은,
    i) 웨이퍼는 플라즈마 부재 상태의 일정 전압 하에서 클램프되고, (후면) 가스 압력은, 바람직하게는 낮은 가스 리크 플로우(gas leak flow)(바람직하게는 2 sccm 보다 적은)와 함께 5~15 토르(Torr)에서 설정되고,
    ii) 시간 간격 이후, 클램프 전압은 제로화되고, 가스 누설 플로우는 다음 분(next minute)에서 관찰되고,
    iii) 상기 클램프 전압이 제거된 후, 가스 플로우가 2초에서 20%를 넘지 않도록 증가하는 최소 클램핑 전압이 설정될 때까지, 상기 시간 간격은 반복된 클램핑 이벤트로 변화되는,
    단계에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  8. 전술한 청구항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 시간(T2)는,
    i) 일정 전압 하에서 테스트 웨이퍼 또는 웨이퍼를 클램핑하고, 플라즈마를 스트라이크하고(striking), 제1 예정된 양만큼 기재로부터 웨이퍼를 분리하기 위해 제1시간을 노트하고(noting);
    ii) 반대 극적 전압을 가지면서, i) 단계를 반복하고, 제1예정된 양만큼 기재로부터 웨이퍼를 분리하기 위해 제2시간을 노트하는 단계; 및
    iii) 제1 및 제2 시간들보다 작게 T2를 선택하는 단계;
    에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  9. 전술한 청구항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    시간(T3)은,
    플라즈마의 부재 중에, 예로서, 10 토르(Torr)의 가스(후면) 압력을 갖는 일정한 클램핑 압력을 적용하고, 상기 테이블로부터 웨이퍼가 분리되기 전에 가스 플로우를 모니터링하는 단계에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  10. 전술한 청구항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압의 극성들은 오프셋 위상(phase offset) 반전되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  11. 전술한 청구항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 베이스 물질은 사파이어, 쿼츠, 글라스 또는 실리콘 카바이드를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  12. 전술한 청구항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 절연 베이스 상에 비절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  13. 전술한 청구항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    웨이퍼의 주위에 에지 링을 제공하고, 바람직하게는 웨이퍼 표면 위로 돌출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  14. 전술한 청구항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼에 취득된 DC 오프셋 전압을 측정 및 결정하고, 오프셋 전압에 의한 접지(ground)로부터 전극에 인가된 전압을 오프셋하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  15. 사용 중에 유전체 웨이퍼가 위치되고, 맞물린 전극들이 매립된 처리 테이블 내부의 플라즈마 발생 챔버;
    상기 맞물린 전극들과 결합되는 전압원; 및
    인접한 전극들에 대향된 제1 및 제2 극성의 각각 전압들을 인가하기 위해 상기 전압원을 제어하도록 프로그램되어 있는 제어 시스템을 포함하는 플라즈마 처리 장치이고,

    분극 전하는 반대 극성을 갖는 웨이퍼에서 각각의 하부 전극들에 유도되고 이에 의해 상기 테이블에 웨이퍼가 정전기적 클램핑되고;
    예정된 시간(ton) 후, 상기 분극 전하 및 전정기 클램핑이 계속되도록 상기 전압들의 극성은 반전되고,

    i) 상기 제1 및 제2 전극들 각각의 온 타임(ton)은,
    a) 상기 웨이퍼가 클램핑 전압의 철회(withdrawing) 이후 적어도 2초 동안 필요한 압력으로 유지되도록 상기 웨이퍼에 충분한 분극 전하를 생성하는데 필요한 시간(T1)보다 크고,
    b) 플라즈마 및 정상 전압이 존재하는 동안 제1 예정된 양에 의해 상기 테이블로부터 웨이퍼가 분리되기 위한 시간(T2)보다 작고,
    c) 인가 전업이 인가된 이후, 플라즈마 부재 하에서 제2 예정된 양에 의해 기재로부터 웨이퍼가 분리되기 위한 시간(T3)보다 작은,
    시간으로 미리 선택되고,

    ii) 제 1 및 제2 극성들의 사이에서 스위칭되는 시간(ts)는 시간(T1) 미만이고, 2 초 미만인 것을 특징으로 하는,
    장치.
  16. 제15항에 있어서,
    제1항 내지 제14항 가운데 임의의 방법을 수행하는 장치.
  17. 제15항 또는 제16항에 따른 플라즈마 처리 장치의 제어 시스템에 의해, 사용을 위한 기록 매체에 대한 지시를 저장하고 생성하는 방법에 있어서,
    대향하는 제1 및 제2 극성들의 전압을 인접하는 전극들에 인가하는 단계를 포함하고,
    분극 전하는 반대 극성을 갖는 웨이퍼에서 각각의 하부 전극들에 유도되고 이에 의해 상기 테이블에 웨이퍼가 정전기적 클램핑되고,
    예정된 시간(ton) 후, 상기 분극 전하 및 전정기 클램핑이 계속되도록 상기 전압들의 극성은 반전되고,

    i) 상기 제1 및 제2 전극들 각각의 온 타임(ton)은,
    a) 상기 웨이퍼가 클램핑 전압의 철회(withdrawing) 이후 적어도 2초 동안 필요한 압력으로 유지되도록 상기 웨이퍼에 충분한 분극 전하를 생성하는데 필요한 시간(T1)보다 크고,
    b) 플라즈마 및 정상 전압이 존재하는 동안 제1 예정된 양에 의해 상기 테이블로부터 웨이퍼가 분리되기 위한 시간(T2)보다 작고,
    c) 인가 전업이 인가된 이후, 플라즈마 부재 하에서 제2 예정된 양에 의해 기재로부터 웨이퍼가 분리되기 위한 시간(T3)보다 작은,
    시간으로 미리 선택되고,

    ii) 제 1 및 제2 극성들의 사이에서 스위칭되는 시간(ts)는 시간(T1) 미만이고, 2 초 미만인 것을 특징으로 하는,
    방법.
  18. 제17항에 따른 방법에 의해 생성된 지시들을 저장하는 기록 매체.
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