KR20160047336A - 반도체 공정용 플라즈마 장치에 사용되는 외부 전극 및 상부 전극 어셈블리 - Google Patents
반도체 공정용 플라즈마 장치에 사용되는 외부 전극 및 상부 전극 어셈블리 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20160047336A KR20160047336A KR1020140143627A KR20140143627A KR20160047336A KR 20160047336 A KR20160047336 A KR 20160047336A KR 1020140143627 A KR1020140143627 A KR 1020140143627A KR 20140143627 A KR20140143627 A KR 20140143627A KR 20160047336 A KR20160047336 A KR 20160047336A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrode
- backing plate
- guard ring
- outer electrode
- plasma
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 51
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 32
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 68
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 56
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 45
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 11
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 8
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 8
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 8
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 claims description 7
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 claims description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 36
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 35
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract description 35
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 21
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 12
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 7
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 4
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- KYKAJFCTULSVSH-UHFFFAOYSA-N chloro(fluoro)methane Chemical compound F[C]Cl KYKAJFCTULSVSH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004148 unit process Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32431—Constructional details of the reactor
- H01J37/3244—Gas supply means
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32431—Constructional details of the reactor
- H01J37/32458—Vessel
- H01J37/32522—Temperature
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32431—Constructional details of the reactor
- H01J37/32532—Electrodes
- H01J37/32541—Shape
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32431—Constructional details of the reactor
- H01J37/32532—Electrodes
- H01J37/3255—Material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32431—Constructional details of the reactor
- H01J37/32532—Electrodes
- H01J37/32568—Relative arrangement or disposition of electrodes; moving means
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
- H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
- H01L21/306—Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
- H01L21/3065—Plasma etching; Reactive-ion etching
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
- H01J2237/32—Processing objects by plasma generation
- H01J2237/33—Processing objects by plasma generation characterised by the type of processing
- H01J2237/332—Coating
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
- H01J2237/32—Processing objects by plasma generation
- H01J2237/33—Processing objects by plasma generation characterised by the type of processing
- H01J2237/334—Etching
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Drying Of Semiconductors (AREA)
Abstract
본 발명은 반도체 플라즈마 공정용 반응 챔버에 사용되는 상부 전극 어셈블리 및 이에 포함되는 외부 전극에 관한 것으로, 상부 전극에 포함되는 내부 전극이 클램프 링에 실리콘 외부전극 및 백킹 플레이트에 고정되지 않고, 내부 전극의 외주부에 하나의 단차가 형성되어, 외부 전극과 밀착되어 기계적, 물리적으로 결합되고, 상기 단차의 위쪽 방향으로 내부 전극의 상부면 외주부를 따라 돌출부가 형성되어 백킹 플레이트와 결합 및 고정될 수 있는, 돌출부 일체형으로 형성된 내부 전극 구조와 외부 전극의 개선된 구조를 제공한다. 본 발명에서 제시하는 일체형 내부 전극과 개선된 구조를 갖는 상부 전극 어셈블리는, 기존의 내부 전극이 알루미늄 클램프 등에 의해 기계적으로 고정되는 것에 비해, 내부 전극의 측면 외주부에 형성된 하나의 단차에 의해 외부 전극과 결합되고, 상기 단차의 상부면에 형성된 돌출부에 의해 (클램프링을 사용하지 않고) 백킹 플레이트에 기계적으로 밀착되어 고정되는 구조와 개선된 외부 전극의 외주부 구조를 포함함으로써, 플라즈마 장치의 사용 과정 중이나 상부 전극의 교체 과정 중에 발생할 수 있는 파손을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조 공정 중에 사용되는 반도체 공정용 플라즈마 장치에 사용되는 상부 전극 어셈블리 및 상기 상부 전극 어셈블리에 포함되는 외부 전극에 관한 것이다.
집적 회로 칩의 제작에는 통상적으로 "웨이퍼" 라고 불리는 (실리콘 또는 게르마늄과 같은) 고순도, 단결정 반도체 재료 기판이 사용된다. 상기 웨이퍼 상에 다양한 회로 구조를 형성하는 물리적 및 화학적 공정 단계들이 수행되며, 각 공정 단계가 수행되는 동안 상기 웨이퍼 표면에는, 실리콘 이산화물막을 생성하기 위한 열 산화, 실리콘, 실리콘 이산화물 및 실리콘 질화물 막을 생성하기 위한 화학 기상 증착, 및 다른 금속 막들을 생성하기 위한 스퍼터링 (sputtering) 또는 다른 기술들과 같은 다양한 방법을 통해 여러 가지 종류의 얇은 막들이 증착된다.
반도체 웨이퍼 상에 막이 증착된 후에, "도핑"이라 불리는 단위 공정을 통해 선택된 불순물을 반도체 결정 격자 내에 도입함으로써, 반도체의 고유한 전기적 특성이 생성된다. 이러한 도핑 공정이 수행된 후, 도핑된 실리콘 웨이퍼에는 "레지스트" 라고 불리는, 감광성, 또는 감방사선성 재료의 얇은 층을 균일하게 코팅하여 "리소그래피(lithography)" 공정을 통해 집적 회로 내의 전자 경로를 결정하는 미세한 기하학적 패턴을 전사하고, 이러한 패턴을 따라 에칭 공정이 수행되어 웨이퍼 또는 적층된 얇은 막을 식각하여 미세 패터닝 공정이 완성된다.
이러한 증착 또는 에칭 공정에 사용되는 진공 반응 챔버는 일반적으로, 에칭 또는 증착 가스를 진공 챔버에 공급하고 그 가스에 무선 주파수 (RF) 필드를 인가하여 그 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징함으로써, 웨이퍼 기판상의 재료를 에칭(etching)하거나 화학 기상 증착(CVD) 공정을 수행하게 된다.
특히, 이러한 반응성 가스를 사용한 에칭 공정의 경우, 통상적으로 그 내부의 반응 챔버 내에 위치하는 상부 전극 또는 애노드(anode) 및 하부 전극 또는 캐소드(cathode)를 포함한다. 상기 캐소드는 애노드 및 컨테이너 벽에 대하여 네거티브로 바이어싱되며, 에칭될 웨이퍼는 적절한 마스크에 의해 커버되어 캐소드의 바로 위에 배치된다.
CF4, CHF3,CClF3, HBr, Cl2 및 SF6 또는 이들의 O2, N2, He 또는 Ar 과의 혼합물과 같은 화학적 반응성 가스가 에칭 챔버 내로 도입되는데, 통상적으로 mTorr 범위의 압력으로 유지된다. 상부 전극에는, 상부 전극을 통해 챔버 내로 가스가 균일하게 퍼지게 할 수 있는 가스 홀들이 제공된다. 상부 전극과 하부 전극의 사이에 발생되는 전계는 플라즈마를 형성하기 위해 상기 화학적 반응성 가스를 해리시키게 된다. 웨이퍼의 표면은, 활성 이온의 화학적 상호 작용과 웨이퍼의 표면에 부딪히는 이온들의 운동량 전달(momentum transfer)에 의해 에칭되며, 상기 전극들에 의해 생성되는 전계는 이온들을 캐소드로 끌어당겨, 그 이온들이 대부분 수직 방향으로 표면에 부딪치도록 함으로써, 명확하게(well-defined) 수직으로 에칭된 측벽을 생성한다.
이러한 에칭 반응기에 사용되는 전극은 종종 기계적 컴플라이언트 (compliant) 및/또는 열 전도성 접착제를 통해 서로 다른 2 개 이상의 부재들을 본딩함으로써 제작될 수도 있다.
도 1 은 이러한 플라스마 장치의 통상적인 상부 전극 어셈블리(100)의 일부분의 단면도를 도식적으로 나타낸 것이다(미국등록특허 제5,534,751호). 상기 도 1에 제시된 것처럼, 상부 전극 어셈블리(100)는 상부 전극(110), 백킹 플레이트(140) 및 가드 링(170)을 포함하고, 상기 상부 전극(110) 및 백킹 플레이트(140)의 외주부를 둘러싸는, 플라즈마 한정(confinement) 어셈블리(180)를 더욱 포함한다.
또한, 상기 상부 전극 어셈블리(100)는 열 제어 부재(102), 및 그 내부에 액체 흐름 채널을 포함하여 온도가 제어된 챔버 벽을 형성하는 상부 플레이트(104) 를 포함한다.
상기 상부 전극(110)은 내부 전극(120)과 외부 전극(130)을 포함하는 것이 일반적이며, 상기 내부 전극(120)은 원통형 플레이트 형태이며, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 실리콘 탄화물과 같은 전도성의 고순도 재료로 제조되는 것이 바람직하다.
그리고 백킹 플레이트(140)는 후술되는 기계적 방식의 부재를 통해 내부 전극 (120)과 외부 전극(130)에 기계적으로 고정되며, 상기 가드 링(170)은 백킹 플레이트(140)를 둘러싸고, 캠-로킹 부재와 연계된다.
통상적으로 상부 전극 어셈블리(100)는 상부 전극(110)의 아래쪽으로 1 내지 2 cm의 거리를 두고 웨이퍼를 지지하는, 편평한 하부 전극을 갖는 정전척 (electrostatic chuck)(미도시)으로도 사용된다. 이러한 척킹 장치는, 웨이퍼와 척 사이의 열 전달의 레이트를 제어하면서, 후면측의 헬륨(He) 압력을 유지함으로써, 웨이퍼의 온도를 제어하게 된다.
이러한 상부 전극(110)은 주기적으로 교체되어야 하는 소모성 부품에 해당하며, 웨이퍼와 상부 전극 사이의 갭(Gap)에 화학 반응 가스를 공급하기 위해, 상부 전극(110)에는 적합한 사이즈 및 분포를 갖는 가스 배출 통로(106)가 구비된다.
상부 전극 어셈블리(100)는 또한 상기 내부 전극(120)과 외부 전극(130) 및 백킹 플레이트(140)의 외주부를 둘러싸는 플라즈마 한정 어셈블리(180)를 포함하는데, 이러한 플라즈마 한정 어셈블리(180)는, 내부 전극(120)과 외부 전극(130) 및 백킹 플레이트(140)의 외주부를 둘러싸는 복수 개의 이격된 한정 링(190)을 포함할 수 있다. 플라즈마 반응이 진행되는 동안 상기 플라즈마 한정 어셈블리(180)는 반응 구역 내에 압력차를 야기하고, 반응 챔버 벽과 플라즈마 사이의 전기 저항을 증가시켜, 상부 전극(110)과 하부 전극(미도시) 사이의 플라즈마를 제어하게 된다.
도 2에는 플라즈마 반응 장치에서 소모품으로 사용되는 상부 전극(110)을 형성하는 기존의 내부 전극(120)과 외부 전극(130)은 구조적인 특징에 기인하여 여러 문제점을 일으키게 됨을 도식적으로 나타내었다.
먼저, 기존의 내부 전극(120)은, 플라즈마 챔버의 상부 전극의 일부를 구성하는데, 내부 전극(120)의 하부면 상의 플라즈마 노출 표면 및 내부 전극(120)의 상부면 상의 장착 표면을 포함한다. 상기 하부면은 플레이트의 외주에 내측 단차(B)와 외측 단차(A)를 포함하는데, 상부면과 하부면 사이의 두께는 통상적으로 0.5 인치 이하이다.
내측 단차(B)는 외측 단차(A)보다 작은 직경을 갖고, 외측 단차는 내측 단차와 장착 표면 사이에 위치하며, 외측 단차(A)는 클램프 링(44)의 내부로 연장되는 플랜지와 결합하도록 구성되고, 내측 단차(B)는 상부 전극을 둘러싸는 외부 전극의 내측 단차와 결합하도록 구성되어, 외부 전극(130)의 내부의 테이퍼링된 표면이 플라즈마 노출 표면의 외측 에지로부터 연장된다.
상기 장착 표면의 외주부 아래쪽으로는, 클램프 링에 의해 백킹 플레이트에에 고정될 수 있도록 외측 단차(A)가 존재하고, 외주부를 따라 고정되는 백킹 플레이트에 형성된 정렬 핀 홀에 매칭하는 패턴으로 배열된 정렬 핀을 수용하도록 구성된 복수의 정렬 핀 리세스(recess)를 포함하고, 내부 전극(120) 플레이트는 백킹 플레이트에서 가스 공급 홀에 매칭하는 패턴으로 배열된 프로세스 가스 홀을 포함한다.
하지만, 이러한 내부 전극(120)은 플라즈마 장치가 사용됨에 따라 주기적으로 교체를 해주어야 하는 소모품으로, 정기적으로 플라즈마 장치에서 교체가 이루어져야 하는데, 교체 과정 또는 사용 중에, 도 2에 제시된 것처럼 클램프링과의 기계적 결합에 의해 외측 단차 영역이 파손되는 현상이 빈번하게 발생하는 문제점이 존재한다.
또한, 외부 전극(130) 역시 가드링과 기계적으로 접하게 되는 상부 외부 단차(C) 부근이 교체 과정 또는 사용 중에 응력이 집중되어 파손되는 현상이 자주 발생하게된다.
따라서 이러한 상부 전극(110)의 교체 또는 사용 과정 중에서, 내부 전극(120)과 외부 전극(130)에 존재하는 단차 영역에 국부적으로 응력이 집중되어 파손되는 현상을 감소시키기 위해, 상기 상부 전극과 외부 전극 및 이들을 포함하는 상부 전극 어셈블리의 구조를 개선할 필요성이 요구된다.
본 발명에서는 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상부 전극에 포함되는 내부 전극이 클램프 링에 실리콘 외부전극 및 백킹 플레이트에 고정되지 않고, 내부 전극의 외주부에 하나의 단차가 형성되어, 외부 전극과 밀착되어 기계적, 물리적으로 결합되고, 상기 단차의 위쪽 방향으로 내부 전극의 상부면 외주부를 따라 돌출부가 형성되어 백킹 플레이트와 결합 및 고정될 수 있는, 돌출부 일체형으로 형성된 내부 전극 구조와 외부 전극의 개선된 구조를 제공한다.
본 발명에서 제시하는 일체형 내부 전극과 개선된 구조를 갖는 상부 전극 어셈블리는, 기존의 내부 전극이 알루미늄 클램프 등에 의해 기계적으로 고정되는 것에 비해, 내부 전극의 측면 외주부에 형성된 하나의 단차에 의해 외부 전극과 결합되고, 상기 단차의 상부면에 형성된 돌출부에 의해 (클램프링을 사용하지 않고) 백킹 플레이트에 기계적으로 밀착되어 고정되는 구조와 개선된 외부 전극의 외주부 구조를 포함함으로써, 플라즈마 장치의 사용 과정 중이나 상부 전극의 교체 과정 중에 발생할 수 있는 파손을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상부 전극의 재질로 결정 방위가 <111>인 단결정 실리콘을 사용함으로써, 내구성을 더욱 향상시켜 교체 주기를 늘려 플라즈마 공정 비용을 감소시키는 것을 또 다른 발명의 목적으로 하고 있다.
이와 같이 종래 기술의 문제점을 해결하고, 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 반도체 플라즈마 공정용 반응 챔버의 상부 전극 어셈블리와 이에 사용되는 외부 전극을 제시하고자 한다.
상기 외부 전극의 하부면은 플라즈마에 노출되는 플라즈마 노출면이고, 상부면은 백킹 플레이트와 체결되는 체결면이며, 내부 전극을 둘러싸는 환상 플레이트의 형태이고, 상기 상부면은, 내부 전극과 기계적으로 밀착되는 상부 내부 단차를 포함하고, 상기 상부 내부 단차와 외부 전극의 외주부 사이에 위치하는 상부 평면 환상면을 포함하고, 상기 하부면은 내부 경사면 및 외부 경사면을 포함하며, 상기 상부 평면 환상면 내에는, 원주방향으로 이격된 복수 개의 포켓들이 존재하고, 상기 포켓들 내부에 상기 외부 전극을 상기 백킹 플레이트에 클램핑 되도록 로킹 핀들이 수용되며, 상기 외부 전극은 결정방위가 <100> 또는 <111>인 단결정 실리콘인 것이 바람직하다.
본 발명의 상부 전극 어셈블리에는 상기 외부 전극의 상부면에 접하여 기계적으로 밀착되는 백킹 플레이트가 존재하고, 상기 백킹 플레이트의 내부로 연장되는 정렬 핀들을 수용할 수 있도록 정렬 핀 보어가 형성된 백킹 플레이트를 지지하는 가드링의 외부면이, 상기 외부 전극의 상부면의 상부 평면 환상면에 의해 지지되며, 상기 상부면의 상부 평면 환상면은 가드 링의 외부면이 상기 외부 전극의 외부면과 동일면이 되도록 상기 가드 링을 지지할 수 있다.
선택적으로, 본 발명의 상부 전극 어셈블리에는 상기 외부 전극의 상부면에 접하여 기계적으로 밀착되는 백킹 플레이트가 존재하고, 상기 백킹 플레이트의 내부로 연장되는 정렬 핀들을 수용할 수 있도록 정렬 핀 보어가 형성된 백킹 플레이트를 지지하는 가드링의 외부면이, 상기 외부 전극의 상부면의 외주부에 형성된 상부 외부 단차에 의해 지지되며, 상기 가드링의 외부면을 지지하도록 형성된 상부 외부 단차가 형성된 외부 전극의 외부면이 가드링의 외부면 보다 멀리 돌출될 수 있다.
상기 플라즈마 노출면 내에는 가스 홀들을 더 포함되고, 상기 가스 홀들은 상기 반응 챔버의 진공 압력을 측정하는데 사용되며, 상기 플라즈마 노출면의 내부 경사면과 외부 경사면 사이에는 하부 평면 환상면이 형성되어, 외부 경사면은 상기 하부 평면 환상면과 30°보다 작은 각도를 형성하며, 상기 내부 경사면은 상기 평면 환상면과 30°보다 큰 각도를 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 형태로 반도체 플라즈마 공정용 반응 챔버에 사용되는 상부 전극 어셈블리를 들 수 있는데, 본 발명의 상부 전극 어셈블리는, 플라즈마 공정용 반응 챔버에서 공정이 진행되는 웨이퍼보다 큰 직경을 갖고, 상기 열 제어 플레이트의 하부면에 적어도 하나의 가스 플레넘을 포함할 수 있으며, 상기 플라즈마 공정용 반응 챔버의 온도 제어된 최상부 벽에 의해 지지 되는 열 제어 플레이트; 상기 열 제어 플레이트에 의해 지지되고, 열 제어 플레이트보다 작은 직경을 가지며, 플라즈마 반응 가스 통로가 내부를 관통하고, 캠 록(cam lock)이 수평으로 연장되어 내부에서 회전 가능한 보어(bore)를 포함하는 백킹 플레이트; 상기 백킹 플레이트를 둘러싸며, 내부를 통과하여 수평으로 연장되는 적어도 하나의 액세스 보어를 포함하고, 상기 액세스 보어가 적어도 하나의 상기 캠 록과 정렬될 수 있도록 상기 백킹 플레이트 주위로 회전 가능한, 가드 링; 수직으로 관통되어, 상기 백킹 플레이트 내의 상기 플라즈마 반응 가스 통로들과 소통하는 가스 통로들을 갖고, 외주부에는 하나의 단차가 형성되며, 상부면의 외주부를 따라 상기 백킹 플레리트와 기계적으로 밀착하여 결합되는 돌출부를 포함하며, 상기 하나의 단차가 외부 전극과 기계적으로 밀착하여 결합되는 내부 전극; 및 상기 내부 전극을 둘러싸고 상기 캠 록과 맞물리고 수직으로 연장하는 로킹 핀들을 포함하며, 상기 가드 링을 지지하고 상기 로킹 핀들을 상기 캠 록들로부터 릴리징함으로써 제거될 수 있는 외부 전극;을 포함한다.
상기 외부 전극의 하부면은 플라즈마에 노출되는 플라즈마 노출면이고, 외부 전극의 상부면은 백킹 플레이트와 체결되는 체결면이며, 내부 전극을 둘러싸는 환상 플레이트의 형태를 갖는데, 상기 외부 전극의 상부면에는 내부 전극과 기계적으로 밀착되는 상부 내부 단차가 형성되고, 상기 상부 내부 단차와 외부 전극의 외주부 사이에 위치하는 상부 평면 환상면을 포함하며, 상기 상부 평면 환상면 내에는 원주방향으로 이격된 복수 개의 포켓들이 존재하고, 상기 포켓들 내부에 상기 외부 전극을 상기 백킹 플레이트에 클램핑 되도록 로킹 핀들이 수용된다.
상기 내부 전극과 외부 전극은 단결정 실리콘 재질을 사용하여 제조되는 것이 바람직한데, 더욱 바람직하게는 결정방위가 <111>인 단결정 실리콘을 사용하는 것이 바람직하지만, 다른 방향의 결정방위를 갖는 단결정 실리콘을 배제하는 것은 아니다.
본 발명의 상부 전극 어셈블리는, 상기 외부 전극의 상부면에 접하여 기계적으로 밀착되는 백킹 플레이트를 포함하는데, 상기 백킹 플레이트의 내부로 연장되는 정렬 핀들을 수용할 수 있도록 정렬 핀 보어가 형성된 백킹 플레이트를 지지하는 가드링의 외부면이, 상기 외부 전극의 상부면의 상부 평면 환상면에 의해 지지되고, 상기 상부면의 상부 평면 환상면은 가드 링의 외부면이 상기 외부 전극의 외부면과 동일면이 되도록 상기 가드 링을 지지하는 구조를 갖는다.
또한 선택적으로 본 발명의 상부 전극 어셈블리는, 상기 외부 전극의 상부면에 접하여 기계적으로 밀착되는 백킹 플레이트가 존재하고, 상기 백킹 플레이트의 내부로 연장되는 정렬 핀들을 수용할 수 있도록 정렬 핀 보어가 형성된 백킹 플레이트를 지지하는 가드링의 외부면이, 상기 외부 전극의 상부면의 외주부에 형성된 상부 외부 단차에 의해 지지되며, 상기 가드링의 외부면을 지지하도록 형성된 상부 외부 단차가 형성된 외부 전극의 외부면이 가드링의 외부면 보다 멀리 돌출되는 것을 특징으로 한다.
상기 내부 전극의 플라즈마 노출면 내에는 가스 홀들을 더 포함되고, 상기 가스 홀들은 상기 반응 챔버의 진공 압력을 측정하는데 사용되며, 상기 플라즈마 노출면의 내부 경사면과 외부 경사면 사이에는 하부 평면 환상면이 형성되어, 외부 경사면은 상기 하부 평면 환상면과 30°보다 작은 각도를 형성하며, 상기 내부 경사면은 상기 평면 환상면과 30°보다 큰 각도를 형성한다.
본 발명의 상부 전극 어셈블리에 포함되는 일체형 내부 전극과 개선된 구조를 갖는 외부 전극은 단결정 실리콘의 재질로 형성되는 것이 바람직하고, [100] 또는 [111] 결정 구조를 갖는 단결정 실리콘 재질을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 상부 전극 어셈블리에 포함되는 일체형 상부 전극과 개선된 구조의 외부 전극은 <111> 결정 방향을 갖는 단결정 실리콘을 사용하여 일체 구조로 제조되어, 웨이퍼 제조 공정 또는 유지 보수 과정 중에서 발생할 수 있는 파손이나 손상 및 오염을 방지할 수 있어, 안정적인 반도체 제조 공정을 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 상부 전극 어셈블리를 사용함으로써, 상부 전극의 내구성을 더욱 향상시키고, 교체 주기를 늘려 플라즈마 공정 비용이 감소하고 수율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1 은 종래의 플라즈마 장치의 상부 전극 어셈블리의 단면도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 기존의 상부 전극 어셈블리 구조에서 응력 집중으로 인한 파손이 발생되는 영역을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3a와 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 전극 어셈블리의 단면을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일체형 내부 전극과 개선된 구조의 외부 전극의 재료가 되는 <111> 방향의 단결정 실리콘을 제조하는 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 개선된 외부 전극 구조를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일체형 내부 전극과 개선된 구조의 외부 전극의 제조에 사용되는 <111> 방향의 단결정 실리콘의 제조 공정 변수에 따른 구조 변화를 관찰한 결과이다.
도 7과 도 8은 각각 본 발명의 개선된 구조의 외부 전극과 일체형 내부 전극의 에칭 속도를 측정한 실험 결과이다.
도 2는 기존의 상부 전극 어셈블리 구조에서 응력 집중으로 인한 파손이 발생되는 영역을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3a와 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 전극 어셈블리의 단면을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일체형 내부 전극과 개선된 구조의 외부 전극의 재료가 되는 <111> 방향의 단결정 실리콘을 제조하는 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 개선된 외부 전극 구조를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일체형 내부 전극과 개선된 구조의 외부 전극의 제조에 사용되는 <111> 방향의 단결정 실리콘의 제조 공정 변수에 따른 구조 변화를 관찰한 결과이다.
도 7과 도 8은 각각 본 발명의 개선된 구조의 외부 전극과 일체형 내부 전극의 에칭 속도를 측정한 실험 결과이다.
이하에서는 본 발명의 상부 전극 어셈블리(100)와 상기 상부 전극(110)을 이루는 내부 전극(120) 및 외부 전극(130)의 구조와 다른 구성 요소와의 결합관계를 더욱 상세히 설명하고자 한다.
내부 전극(120)은, 중심(미도시)으로부터 외부 에지까지 균일한 두께를 갖는, 평면 디스크 또는 플레이트로 사용되는 것이 일반적이나, 본 발명에서는 내부 전극의 상부면의 외주부를 따라 돌출부(60)가 형성되는 것이 바람직하다.
상기 내부 전극(120)은, 그 플레이트가 단결정 실리콘인 경우에, 프로세싱될 웨이퍼보다 작거나 같을 수 있으며, 필요에 따라 클 수도 있는데, 예를 들면, 100, 200, 300 또는 450 mm까지의 직경을 가질 수 있는데, 이는 현재 상용화되거나 상용화 예정인 실리콘 웨이퍼에 대응하여 사용될 수 있는 단결정 실리콘 물질의 직경에 해당한다. 예를 들어 300mm 웨이퍼를 프로세싱하기 위해, 외부 전극(130)을 포함하는 상부 전극(110)의 직경은 약 15 인치 내지 약 17 인치의 크기로 사용될 수 있다.
외부 전극(130)은 연속적인 부재(링 형태의 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 실리콘 탄화물 등)또는 분할된 부재(단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 실리콘 탄화물 등이 링 형태로 배열된 2 내지 6 개로 분리된 조각)일 수 있으며, 내부 전극(120)은, 프로세스 가스가 상부 전극(110) 하방의 플라즈마 반응 챔버 내의 공간으로 주입되기 위해 다수의 가스 홀(106)들을 포함하는 것이 바람직하다.
단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘은 내부 전극(120) 및 외부 전극(130)의 플라즈마 노출면에 대해 바람직하게 사용될 수 있는 재료이다. 고순도의 단결정 실리콘은, 최소량의 바람직하지 않은 엘리먼트들만을 반응 챔버 내로 도입하기 때문에 플라즈마 프로세싱 동안 기판의 오염을 최소화시키며, 또한 플라즈마 프로세싱 동안 느리게 마모되어, 입자의 발생을 최소화할 수 있다. 상부 전극(110)의 플라즈마 노출면을 위해 사용될 수 있는 다른 재료로는 SiC, SiN 또는 AlN를 들 수 있다.
기존의 가장 바람직한 단결정 실리콘으로는 결정 방향이 [100]인 단결정 실리콘이 널리 사용되고 있으며, 본 발명에서는 이러한 결정 방향이 [100]인 단결정 실리콘외에도 결정 방향이 [111]인 단결정 실리콘이 사용되는 경우 역시 포함한다.
도 3(a)와 3(b)에는 본 발명의 상부 전극을 구성하는 일체형 내부 전극과 개선된 외부 전극의 구조가 도식적으로 제시되어 있는데, 본 발명에서 사용되는 일체형 내부 전극은, 기존의 클램프링에 의해 기계적으로 결합되는 구조와는 달리, 외주부에 하나의 단차(B) 및 상부면의 외주부에 돌출부(60)가 형성된 일체형 내부 전극(120) 구조를 갖는다.
상기 일체형 내부 전극(120)은 정렬 핀을 수용하는 상부면(장착 표면;125)의 정렬 핀 홀(120), 및 실리콘 외부전극(130)의 내측 연장부(135)와 기계적으로 밀착하여 결합되는 하나의 단차(B)를 갖고, 상기 상부 전극의 상부면의 외주부를 따라 돌출부(60)가 형성되어 상기 백킹 플레이드에 형성된 오목부와 기계적으로 밀착되어 고정된다.
이렇게 기존의 내부 전극이 알루미늄 클램프에 의해 기계적으로 고정되는 것과는 달리, 본 발명의 일체형 내부 전극은, 외주부의 하나의 단차(B)와 상부면에 형성된 돌출부(60)에 의해 실리콘 외부전극과 백킹 플레이트에 기계적으로 밀착되어 고정됨으로써, 플라즈마 장치의 사용 과정 중이나 상부 전극의 교체 과정 중에 발생될 수 있는 파손 발생 빈도를 줄일 수 있다.
상기 일체형 내부 전극은, 10 ppm이하의 불순물 농도와 0.005 내지 0.02 ohm-cm의 저저항률을 갖는 고순도의 단결정 실리콘이고, 결정방위가 <100> 또는 <111>인 단결정 실리콘 플레이트이며, 적절한 직경 및/또는 구성의 가스 홀(106)(예를 들어, 0.017 인치 직경의 홀)은 상부면으로부터 하부면(플라즈마 노출 표면;115) 으로 연장되고, 임의의 적절한 패턴으로 배열될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 일체형 내부 전극의 재질로 사용되는 단결정 실리콘은 결정방위가 <111>인 단결정 실리콘일 수 있는데, 이러한 상기 단결정 실리콘의 [111]면은 상기 [100]면에 비해 낮은 표면에너지와 높은 원자밀도 및 유효 결합 밀도를 포함하기 때문에 상부 전극의 사용 수명 또는 내구 연한을 증가시키는 효과를 기대할 수 있다.
이러한 [111] 방향의 결정면을 갖도록 성장된 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법은 다음과 같다. 결정 방위가 종결정의 축방향과 일치하도록, 종결정을 인상할 때에는 종결정(seed crystal)을 실리콘 용융액 내에 착액시킨 후에 단결정 실리콘의 직경을 서서히 줄이는 네킹(necking)부 처리를 실시한다. 이때, 상기 종결정을 끌러올리는 이동 속도와 상기 네킹부와 단결정 실리콘 잉곳과 연결되는 숄더부의 내각(Crown angle)의 크기를 조절함으로써, 미끄럼 전위를 단결정 실리콘으로부터 용이하게 제거하여 고품질의 단결정 실리콘을 제조할 수 있다.
도 4를 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하면, 본 발명의 단결정 성장장치(15)는 실리콘 단결정이 성장되는 성장로(16) 안의 실리콘 용융액(5)을 인상로(17)로 끌어올리는 방식을 포함하는데, 상부 인상로(17) 위에는 실리콘 단결정을 성장시킬 때 사용되는 시드(seed)인 종결정(a)을 회전시키기 위한 상부 회전부(18)에 연결된 케이블(19) 선단에 종결정 홀더(20)가 있다. 필요에 따라 상기 인상로(17)에는 직경 감지 센서(14)를 구비할 수도 있다.
성장로(16) 내부에는 실리콘 용융액(5)이 담긴 석영 도가니(11)가 있고, 그 둘레에는 고온의 실리콘 용융액(5)에 의해 형태가 변할 수 있는 석영 도가니(11)를 지지하기 위한 흑연 도가니(12)로 구성되어 있다. 그 하부에는 흑연 도가니(12)를 받치고 있는 흑연 도가니 지지축(21)을 승하강 및 회전시킬 수 있도록 하부구동부(13) 및 하부 회전부(22)가 있으며, 그 둘레에는 실리콘을 녹이고 공정 중에 열을 공급하기 위한 히터(7)가 설치되어있다. 성장로(16) 내의 단열을 위해 히터(7)의 바깥쪽에는 상부 단열재(8), 측면 단열재(9) 및 하부 단열재(10)가 구성되어 있다.
또한, 고온에서 상온으로 될 때까지 성장로(16) 내의 구조물의 산화를 방지할 목적으로 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 흘려보내기 위해 인상로(17)에 불활성 기체의 유량을 조절할 수 있는 불활성 기체 유입 조절장치(23)가 있고, 성장로(16) 내부의 압력을 조절하기 위한 압력 조절장치(24)가 하부 단열재(10) 아래에 구성되어져있다. 이러한 결정방위가 <111>인 단결정 실리콘 잉곳의 성장 장치(15)를 이용한 실리콘 단결정 성장 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 원료인 다결정 실리콘을 석영 도가니(11)에 넣은 다음 히터(7)를 발열시켜 다결정 실리콘을 용융하여 실리콘 용융액(5)을 만든다. 다결정 실리콘이 융해되어 실리콘 용융액(5)으로 될 때, 실리콘 용융액을 실리콘 단결정 성장이 가능한 온도로 낮추어 일정 시간 동안 온도 안정화를 실시한다.
실리콘이 용융액으로 유지되기 위해서 그 주위를 둘러싸고 있는 히터(7)에 의해 지속적인 열 에너지를 받게 되고, 이로 인해 실리콘 용융액(5)은 열대류를 가지게 되어 끊임없이 온도가 미묘하게 변하게 된다. 열대류에 의한 온도 변화가 너무 크면, 실리콘 용융액의 온도에 맞추어 종결정을 가온하여 착액시켜도, 종결정의 선단부에 열충격이 가해져 슬립전위가 발생할 수도 있으며, 종결정의 선단부를 실리콘 용융액 중에 담가 넣어도, 선단부를 담가넣는 과정에서 종결정 부근의 실리콘 용융액온도가 크게 변화하면, 종결정과 용융액온도의 온도차에 의해 종결정에 열적인 변형이 생기고, 슬립 전위가 종결정으로 도입되어 무전위 실리콘 단결정을 성장시키는 것이 곤란하게 된다.
특히, <111> 결정방위의 실리콘 단결정처럼 일단 슬립 전위가 발생하면 전위 소멸이 어려워지게 되는 경우에는 종결정과 용융액 온도의 온도 차이에 의해 종결정의 열적 변형이 발생하게 되어 슬립 전위가 종결정 내로 쉽게 들어와서 결국에는 실리콘 단결정 성장 가능성을 저하시키는 원인이 된다. 이러한 이유로 네킹 형성 단계에서 주요 공정 변수를 제어하여 슬립 전위를 제거하는 것이 매우 중요하다.
본 발명에서는 종결정(1)을 종결정 홀더(20)에 결합한 후에는 상부 회전부(18)에 연결된 케이블(19)을 내려, 종결정(1)을 용융액면(6)으로부터 일정 거리에서 일정 시간 동안 예열을 하여 용융액 온도와의 차이에 의한 열충격을 최소화한다. 이후에는, 종결정(1) 선단의 일정 길이만큼 용융액면(6) 아래로 침지하고, 용융액 온도와 비슷해 질 시점에 종결정(1)을 석영 도가니(11) 회전방향과 반대방향으로 회전시켜가며 4~6 mm/min의 속도로 상승시킴으로써 슬립 전위가 제거된 네킹(nedcking)부를 형성한다.
상기 네킹부 형성 단계에서는 종결정(1)의 인상 속도를 조정하여 최종적으로 약 3~6 mm 직경의 네킹부(2)을 형성하여 슬립전위를 제거하게 되는데, 본 발명에서는 최종 네킹 직경의 1.5배 이상의 직경이 될 때까지 상승 속도를 4~6 mm/min의 속도로 제어하면서 3~6 mm의 일정한 최종 네킹부 직경으로 가늘게 성장시키는데, 이러한 방법을 통해 네킹부의 직경을 서서히 감소시키는 종래의 대쉬 네킹법에 비하여 슬립 전위를 보다 빠르게 제거할 수 있다.
네킹부의 형성이 완료되면, 일정한 직경으로 수평방향 성장을 시켜 숄더부(3)를 형성한 후에 <111> 결정방위로 몸통(4)을 만들어 무전위 실리콘 단결정을 성장시키게 된다. 이때 상기 네킹부와 연결되는 숄더부의 내각(θ)의 크기를 80~140 °의 범위로 유지시킴으로써, 고품질의 단결정 실리콘을 제조할 수 있으며, 본 발명에서는 이러한 방법으로 제조된 <111> 결정방위를 갖는 단결정 실리콘 잉곳을 사용하여 일체형 내부 전극을 제조할 수 있으며, 후술되는 외부 전극 역시 동일하게 이러한 방법으로 제조된 <111> 결정방위를 갖는 단결정 실리콘 잉곳을 사용하여 제조될 수 있다.
본 발명의 상부 전극 어셈블리(100)는 300 mm의 직경을 갖는 반도체 웨이퍼와 같은 큰 기판을 프로세싱하기에 충분히 클 수 있으며, 처리되는 웨이퍼의 크기에 따라 그 사이즈가 조절되는 것이 바람직하다.
백킹 플레이트(140)는, 플라즈마 프로세싱 챔버에서 반도체 기판을 프로세싱하는데 이용되는 프로세스 가스와 화학적으로 양립 가능한 재료 중에서 선택되는 것이 바람직하고, 전극 재료의 열팽창 계수와 근접하게 매칭하는 열팽창 계수를 갖고, 전기 및 열 전도성이 있는 것이 바람직하다. 상기 백킹 플레이트(140)를 제조하는데 사용될 수 있는 바람직한 재료로는 그래파이트, SiC 또는 알루미늄(Al) 등을 들 수 있지만, 특별히 이들로 제한되는 것은 아니다.
상부 전극(110)을 구성하는 본 발명의 일체형 내부 전극(120) 및 외부 전극(130)은, 전극과 백킹 플레이트 사이에 임의의 접착제 본딩 없이 백킹 플레이트(140)에 기계적으로 부착되는 것이 바람직한데, 열 및 전기 전도성 엘라스토머 본딩 재료를 사용하여 전극을 백킹 플레이트에 부착시키는 것은 바람직하지 않다.
상기 백킹 플레이트(140)는, 접착제와 같은 화학물질을 사용하지 않고 나사산이 있는 볼트, 스크류 등일 수 있는 적절한 기계적 패스너를 이용하여 열 제어부재에 부착되는 것이 바람직한데, 예를 들면, 볼트(미도시)는 열 제어 부재 내의 홀들 내에 삽입될 수 있으며 백킹 플레이트(140) 내의 나사산이 형성된 개구 내로 스크류될 수 있으며, 내부 전극과 외부 전극에 적절한 단차를 형성하여 기계적으로 밀착시켜 고정하는 것도 가능하다.
상기 열 제어 부재는 굴곡부(flexure portion)를 포함하고, 알루미늄, 알루미늄 합금 등과 같은 머시닝된(machined) 금속성 재료로 제조되는 것이 바람직하고. 온도 제어되는 상부 플레이트(104)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되는 것이 바람직하며, 플라즈마 한정 어셈블리는 상부 전극 어셈블리(100)의 외부에 위치한다. 복수 개의 수직방향으로 조절할 수 있는 플라즈마 한정 링을 포함하는 상기 플라즈마 한정 어셈블리는 배경이 되는 기술문헌으로 언급된 미국 등록 특허 제5,534,751호에 제시된 것과 동일하다.
또한, 본 발명의 상부 전극 어셈블리의 외부 전극은 미국 미국공개특허 제2012-0258603호에 제시된 캠 록 메커니즘에 의해 백킹 플레이트에 기계적으로 부착될 수 있으며, 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.
본 발명에서 사용되는 상부 전극(110)은, 예를 들면, 실리콘(Si), 실리콘 탄화물(SiC), 또는 폴리실리콘을 포함하는 다양한 재료를 포함할 수도 있으나, [100] 또는 [111] 방향의 단결정 구조를 갖는 단결정 실리콘이 바람직하며, 백킹 플레이트는 대개 알루미늄 또는 다른 적합한 재료를 포함할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 캠-로킹된 비-본딩 외부 전극(130); (b) 비-본딩 일체형 내부 전극(120); (c) 백킹 플레이트(140); 및 (d)외부 전극을 백킹 플레이트(140)에 유지하는 캠 록에 액세스를 허용하는 가드 링(170)을 포함하는 본 발명의 상부 전극 어셈블리(100)를 나타내며, 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상부 전극 어셈블리(100)를 나타낸 것이다.
본 발명의 상부 전극 어셈블리(100)에 포함되는 외부 전극은, 전술한 캠 록에 의해 백킹 플레이트에 릴리징할 수 있도록 부착되며, 일체형 내부 전극은 외주부에 형성된 하나의 단차와 돌출부에 의해 백킹 플레이트(140)와 기계적으로 결합된다.
상기 도 3a와 도 3b에는 본 발명의 일체형 내부 전극의 상세도가 도식적으로 제시되어 있는데, 일체형 내부 전극(120)은 정렬 핀을 수용하는 상부면(장착 표면;125)의 정렬 핀 홀, 및 실리콘 외부전극(130)의 내측 연장부(135)와 기계적으로 밀착하여 결합되는 하나의 단차(B)를 갖고, 상기 내부 전극(120)의 상부면의 외주부를 따라 돌출부(60)가 형성되어 상기 백킹 플레이드에 형성된 오목부와 기계적으로 밀착되어 고정된다.
이렇게 기존의 내부 전극이 알루미늄 클램프에 의해 기계적으로 고정되는 것과는 달리, 본 발명의 일체형 내부 전극은, 외주부의 하나의 단차(B)와 상부면에 형성된 돌출부에 의해 실리콘 외부전극과 백킹 플레이트에 기계적으로 밀착되어 고정됨으로써, 플라즈마 장치의 사용 과정 중이나 상부 전극의 교체 과정 중에 발생될 수 있는 파손 발생 빈도를 줄일 수 있다.
상기 일체형 내부 전극은, 10 ppm이하의 불순물 농도와 0.005 내지 0.02 ohm-cm의 저저항률을 갖는 고순도의 단결정 실리콘이며, 결정방위가 <100> 또는 <111>인 단결정 실리콘 플레이트를 사용하는 것이 바람직하다. 적절한 직경 및/또는 구성의 가스 홀(106)(예를 들어, 0.017 인치 직경의 홀)은 상부면으로부터 하부면(플라즈마 노출 표면;115)으로 연장되고, 임의의 적절한 패턴으로 배열될 수 있다.
바람직하게는, 상기 가스 홀은 13 개의 원주 방향으로 연장된 열로 배열되는데, 여기서 전극의 중심으로부터 약 0.25 인치에 위치한 제 1 열에는 4 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 0.7 인치에 위치한 제 2 열에는 10 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 1.25 인치에 위치한 제 3 열에는 20 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 1.95 인치에 위치한 제 4 열에는 26개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 2.3 인치에 위치한 제 5 열에는 30 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 2.7 인치에 위치한 제 6 열에는 36 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 3.05 인치에 위치한 제 7 열에는 40 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 3.75 인치에 위치한 제 8 열에는 52 개의 가스 홀이 있고, 중심으로 부터 약 4.1 인치에 위치한 제 9 열에는 58 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 4.5 인치에 위치한 제 10 열에는 62 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 5.2 인치에 위치한 제 11 열에는 70 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 제 5.45 인치에 위치한 제 12 열에는 74 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 5.75 인치에 위치한 제 13 열에는 80 개의 가스 홀이 존재할 수 있다.
내부 전극의 상부면(125)에는 다수개의 정렬 핀 홀이 포함될 수 있는데, 그 중에서 일부의 핀 홀은 중심 가까이에 있고, 나머지의 핀 홀은 전극의 외측 에지 가까이에 있을 수 있으며, 각각의 핀 홀은 약 0.116 인치의 직경을 가질 수 있다.
중심 가까이에 있는 중심 핀 홀은 방사상으로 정렬될 수 있고, 전극의 중심에 약 0.160 인치 깊이의 1 개의 핀 홀, 및 가스 홀의 제 3 열과 제4 열 사이의 위치에서 중심 핀 홀로부터 약 1.6 인치에 위치한 약 0.200 인치 깊이의 2 개의 핀 홀을 포함할 수도 있다.
외측 에지 가까이에 존재하는 핀 홀은 약 0.100 인치의 깊이이며, 중심 핀 홀로부터 약 6 인치로 중심 핀 홀과 방사상으로 정렬된 1개의 핀 홀, 및 이 핀 홀로부터 97.5°와 170°로 오프셋된 2 개의 다른 핀 홀을 포함할 수 있는데, 제 2 외측 핀 홀 및 제 3 외측 핀 홀은 중심 핀 홀로부터 동일한 거리만큼 떨어져 있거나 서로 92.5°오프셋되어 있을 수 있다.
본 발명의 일체형 내부 전극(120)에 포함되는 단차(B)는, 실리콘 플레이트 주변에 완전히 연장되도록 실리콘 플레이트로 기계 가공된(machined) 단차이고, 바람직한 실시 형태로 일체형 내부 전극은 약 0.400 인치의 두께와 약 12.560 인치의 외경을 가질 수 있으며, 상기 단차(B)는 플라즈마 노출 표면(115)으로 소정 거리 연장될 수도 있다. 또한, 본 발명의 내부 전극의 상부면(125)의 외주부를 따라 돌출부(60)가 형성되어 상기 백킹 플레이드에 형성된 오목부와 기계적으로 밀착되어 고정된다.
이렇게 하나의 단차(B)와 외주부를 따라 형성된 돌출부(60)를 포함하는 본 발명의 일체형 상부 전극은, 클램프 링과 같은 별도의 결합 보조 수단이 존재하지 아니하여도, 백킹 플레이트와 실리콘 외부전극의 일부와 기계적으로 밀착되어 결합할 수 있으며, 이로 인해 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
바람직한 실시형태로 본 발명의 상부 전극 어셈블리(100)의 외부 전극(130) 은, (a) 가드 링(170)을, 그 가드 링 내의 4개의 홀을 백킹 플레이트의 외부 부분에 간격을 두고 배치된 위치에 위치하는 4 개의 캠 록과 정렬시키는 제 1 위치로 회전시킴으로써; (b) 가드 링 내의 각 홀을 통하여 앨렌 렌치(allen wrench)를 삽입하고 각각의 캠 록에서 수직으로 연장하는 로킹 핀을 릴리징하기 위해 각 캠 록을 회전시킴으로써; (c) 가드 링을, 그 가드 링 내의 4 개의 홀을 다른 4 개의 캠 록과 정렬시키는 제 2 위치로 90°회전시킴으로써; 및 (d)가드 링 내의 각 홀을 통하여 앨렌 렌치를 삽입하고 각각의 캠 록의 로킹 핀을 릴리징하기 위해 각각의 캠 록을 회전시킴으로써 분해될 수 있으며; 이로써 외부 전극(130)은 플라즈마 챔버로부터 하강 및 제거될 수 있다.
또한 상기 회전가능한 캠 록은 백킹 플레이트(140)의 외부 부분 내의 수평으로 연장하는 보어 내에 위치될 수 있으며, 원통형 캠 록은 앨렌 렌치와 같은 툴에 의해 로킹 핀의 확장 단이 그 로킹 핀의 확장 헤드를 리프팅하는 캠 록의 캠 표면에 의해 맞물리게 되는 록 위치로 또는 로킹 핀이 캠 록에 의해 맞물리게 되지 않는 릴리즈 위치로 회전 가능하다. 백킹 플레이트는 수직으로 연장하는 보어를 포함하며, 그 보어를 통하여 로킹 핀이 삽입되어 캠록과 맞물리게 한다.
도 3a와 3b는 가드 링(170)의 액세스 개구부(174)를 채우고 가드링이 회전하는 것을 방지하기 위해 백킹 플레이트 내의 나사산이 있는 홀을 관통하는 삽입물 (171)을 통과하는 위치에서의 상부 전극 어셈블리의 단면도를 더욱 구체적으로 도시하고 있다. 바람직하게는, 백킹 플레이트(140)내의 나사산이 있는 개구부를 관통하는 삽입물(171)은 폴리머 또는 세라믹 스크류인 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 반도체 플라즈마 공정용 반응 챔버에 사용되는 상부 전극 어셈블리는, 플라즈마 공정용 반응 챔버에서 공정이 진행되는 웨이퍼보다 큰 직경을 갖고, 상기 열 제어 플레이트의 하부면에 적어도 하나의 가스 플레넘을 포함하며, 상기 플라즈마 공정용 반응 챔버의 온도 제어된 최상부 벽에 의해 지지 되는 열 제어 플레이트; 상기 열 제어 플레이트에 의해 지지되고, 열 제어 플레이트보다 작은 직경을 가지며, 플라즈마 반응 가스 통로가 내부를 관통하고, 캠 록(cam lock)이 수평으로 연장되어 내부에서 회전 가능한 보어(bore)를 포함하는 백킹 플레이트; 상기 백킹 플레이트를 둘러싸며, 내부를 통과하여 수평으로 연장되는 적어도 하나의 액세스 보어를 포함하고, 상기 액세스 보어가 적어도 하나의 상기 캠 록과 정렬될 수 있도록 상기 백킹 플레이트 주위로 회전 가능한, 가드 링; 수직으로 관통되어, 상기 백킹 플레이트 내의 상기 플라즈마 반응 가스 통로들과 소통하는 가스 통로들을 갖고, 외주부에는 하나의 단차가 형성되며, 상부면의 외주부를 따라 상기 백킹 플레리트와 기계적으로 밀착하여 결합되는 돌출부를 포함하며, 상기 하나의 단차가 외부 전극과 기계적으로 밀착하여 결합되는 내부 전극; 및 상기 내부 전극을 둘러싸고 상기 캠 록과 맞물리고 수직으로 연장하는 로킹 핀들을 포함하고, 상기 가드 링을 지지하고 상기 로킹 핀들을 상기 캠 록들로부터 릴리징함으로써 제거될 수 있는 외부 전극;을 포함한다.
또한, 본 발명의 상부 전극 어셈블리에 포함되는 상기 외부 전극의 하부면은 플라즈마에 노출되는 플라즈마 노출면이고, 상부면은 백킹 플레이트와 체결되는 체결면이며, 내부 전극을 둘러싸는 환상 플레이트의 형태이고, 상기 상부면은, 내부 전극과 기계적으로 밀착되는 상부 내부 단차를 포함하고, 상기 상부 내부 단차와 외부 전극의 외주부 사이에 위치하는 상부 평면 환상면을 포함하고, 상기 하부면은 내부 경사면 및 외부 경사면을 포함하며, 상기 상부 평면 환상면 내에는, 원주방향으로 이격된 복수 개의 포켓들이 존재하고, 상기 포켓들 내부에 상기 외부 전극을 상기 백킹 플레이트에 클램핑 되도록 로킹 핀들이 수용되며, 상기 내부 전극과 외부 전극의 재질은 단결정 실리콘인 것이 바람직하다.
상기 외부 전극의 구조는 사용 중 또는 교체 과정에서의 파손을 최소화하기 위해 두 가지의 형태로 변형이 가능하다.
첫 번째로, 외부 전극이 가드 링과 기계적으로 밀착되어 결합할 수 있도록 외부 단차가 존재하여 가드 링 상의 결합 단차와 맞물리고, 백킹 플레이트(140)의 외주부와 가드 링(170)의 내주부 사이의 환상 갭(174)을 유지한다. 또한, 가드 링의 결합 단차와 맞물린 상태에서 외부 전극의 외주면이 링의 외부면과 동일면을 형성하지 않도록 돌출된 구조를 유지함으로써, 상기 단차부에 집중될 수 있는 응력을 완화(release)할 수 있다(도 3a 참조).
즉, 상기 외부 전극의 상부면에 접하여 기계적으로 밀착되는 백킹 플레이트가 존재하고, 상기 백킹 플레이트의 내부로 연장되는 정렬 핀들을 수용할 수 있도록 정렬 핀 보어가 형성된 백킹 플레이트를 지지하는 가드링의 외부면이, 상기 외부 전극의 상부면의 외주부에 형성된 상부 외부 단차에 의해 지지되며, 상기 가드링의 외부면을 지지하도록 형성된 상부 외부 단차가 형성된 외부 전극의 외부면이 가드링의 외부면 보다 멀리 돌출되는 것을 특징으로 한다.
두 번째의 외부 전극 구조의 변형 예로, 상기 가드 링과의 결합되는 단차를 외주부에서 제거함으로써, 응력이 집중될 수 있는 물리적 취약 부위를 없애는 구조를 들 수 있다. 이렇게 가드링과의 결합 단차를 제거하여 외부 전극의 외주면의 단차를 제거할 수 있다. 이러한 결합구조에서는 상기 가드링은 백킹 플레이트 내의 나사산이 있는 홀을 관통하는 삽입물(171)을 통해서 결합되고, 상기 백킹 플레이트가 일체형 내부 전극 및 외부 전극과 기계적 또는 캠록 형태로 결합되며, 상기 가드링과 외부 전극은 평면으로 밀착 형태를 유지하기 때문에 결합력 측면에서는 크게 문제가 발생하지 않는 구조이다(도 3b 참조).
즉, 상기 외부 전극의 상부면에 접하여 기계적으로 밀착되는 백킹 플레이트가 존재하고, 상기 백킹 플레이트의 내부로 연장되는 정렬 핀들을 수용할 수 있도록 정렬 핀 보어가 형성된 백킹 플레이트를 지지하는 가드링의 외부면이, 상기 외부 전극의 상부면의 상부 평면 환상면에 의해 지지되고, 상기 상부면의 상부 평면 환상면은 가드 링의 외부면이 상기 외부 전극의 외부면과 동일면이 되도록 상기 가드 링을 지지하는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명의 개선된 외부 전극(130)의 구조를 구체적으로 도시한 것으로, 본 발명의 개선된 구조의 외부 전극은 내부 및 외부 테이퍼링면(548, 544) 및 그 사이에서 플라즈마 노출면(542)을 형성하는 수평면(546)을 갖는 환상 링의 구조를 갖는다.
일반적으로 앞서 언급하였던 것처럼, 외부 전극은 고순도 저저항률 단결정 실리콘 또는 고순도 다결정 실리콘의 단일조각인 것이 바람직하고, 선택적으로 고순도 단결정 또는 다결정 실리콘의 조각으로 구성될 수도 있다.
바람직한 실시형태로, 외부 전극은 약 17 인치의 외부 직경 및 약 12.024 인치의 내부 직경을 가질 수 있고, 수평면(546)은 약 12.552 인치의 내부 직경으로부터 약 15.97 인치의 외부 직경으로 방사형으로 약 1.709 인치 연장될 수 있다. 외부 전극의 상부면은 내부 단차(538)를 가지며, 선택적으로 외부 단차(536)를 가질 수 있다. 선택적으로 외부 단차(536)를 포함할 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 외부 직경이 추후 결합되는 가드 링의 직경보다 커서 외부로 돌출되는 구조가 바람직하며, 외부 단차(536)를 갖지 않고 평면 구조로 가드링과 밀착될 경우에는 외부 직경이 가드 링의 직경과 일치하여 동일 평면으로 외부면을 형성하여도 무방하다.
상기 외부 단차(536)(또는 외주면)와 내부 단차(538) 사이에 연장되는 평면 환상 수평 탑재면(552)을 갖는데, 탑재면(552) 은 약 13.655 인치의 내부 직경 및 약 16.752 인치의 외부 직경을 갖는다. 상기 도 5에는 외부 전극(130) 상의 내부 및 외부 테이퍼링면(548, 544) 및 내부 및 외부 단차(538, 536)의 바람직한 실시형태가 상세히 도시되어 있는데, 테이퍼링면은 수평 플라즈마 노출면과 20°내지 40°의 각도를 형성하는 것이 바람직하다.
이하에서는 고품질 단결정 실리콘의 제조 방법와 이렇게 제조된 단결정 실리콘을 재질로 사용하여 제조된 [111] 방향의 단결정 실리콘 전극판의 내구성에 대하여 실시예와 비교예를 통해 구체적으로 설명하고자 한다.
[
실시예
1] (111) 단결정 실리콘의 제조
주면의 면방위가 (111)인 고품질의 단결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위해, 결정방위가 <111>인 종결정을 사용하여 단결정 실리콘 잉곳을 제조하였으며, 상기 종결정의 상승속도와 네킹부와 연결되는 숄더부의 내각의 크기를 변화시켜 제조된 단결정 실리콘 잉곳의 품질을 확인하기 위해 광학현미경을 사용하여 단결정 실리콘의 표면을 관찰하였다.
슬립 전위의 발생으로 인한 네킹부의 파단 정도 및 결정 낙하 정도를 세가지 단계로 구분(X: 불량 3곳 이상, ○: 불량 3곳 미만, ◎: 불량 1곳 이하)하여 실험 조건별로 관찰한 결과는 다음의 표 1 및 표2와 같다.
| 종결정 상승속도 [mm/min] | 크라운 앵글 [°] | 네킹부 파단 또는 결정 낙하 정도 |
| 3 | 90 | X |
| 4 | 90 | ○ |
| 5 | 90 | ◎ |
| 6 | 90 | ○ |
| 7 | 90 | X |
| 종결정 상승속도 [mm/min] | 크라운 앵글 [°] | 네킹부 파단 또는 결정 낙하 정도 |
| 5 | 75 | X |
| 5 | 80 | ○ |
| 5 | 90 | ◎ |
| 5 | 140 | ○ |
| 5 | 145 | X |
상기 표 1과 표 2의 결과에서 확인할 수 있듯이, 종결정의 상승 속도는 4~6 mm/min의 범위가 바람직하고, 네킹부와 연결되는 숄더부의 내각의 크기인 크라운 앵글의 범위는 80~140°의 범위를 갖도록 결정 성장 조건을 제어하는 것이 주면의 면방위가 (111)인 고품질의 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는데 바람직함을 알 수 있었다.
실제 종결정 상승속도를 3 mm/min 또는 4 mm/min으로 고정한 후, 크라운 앵글의 크기를 각각 75, 90, 145°로 변화시켜 제조한 주면의 면방위가 (111)인 고품질의 단결정 실리콘을 관찰한 결과는 도 6과 같다.
[
실시예
2] 에칭
식각량의
측정
지금까지 설명한 본 발명의 상부 전극 어셈블리를, 일체형 내부 전극과 외부 전극을 사용하여 제조하였다.
본 실시예에서 사용된 상부 전극 어셈블리는 일체형 내부 전극과 개선된 구조의 외부 전극을 포함하고, 상기 일체형 내부 전극은, 외주부에 단차가 하나 형성되고, 상부 외주면을 따라 돌출부가 형성된 개선된 구조이고, 상기 개선된 외부 전극은 가드링과 평면으로 밀착되는 외부 단차가 존재하지 않는 구조(도 3b 참조)이며, 가드링과 외부 전극의 외주면은 동일 평면을 형성한다.
비교예로써 사용된 종래의 상부 전극 어셈블리는, 외주부에 2개의 단차(내부 단차 및 외부 단차)가 형성된 내부 전극과 가드링과 결합되도록 외부 단차가 존재하는 외부 전극을 사용하였다.
이렇게 제조된 본 발명의 상부 전극 어셈블리의 내부 전극과 외부 전극은, 앞서 실시예 1에서 제조된 [111] 방향의 단결정 실리콘을 사용하여 제조하였으며, 종래의 상부 전극 어셈블리의 내부 전극과 외부 전극은 기존의 [100] 방향의 단결정 실리콘을 사용하였다.
이러한 각각의 상부 전극 어셈블리를 플라즈마 처리 장치에 장착하고, 45 mTorr, 800 W의 RF power 및 20 W의 BAIS 조건에서 운전한 후, 단위 시간당 상기 일체형 내부 전극과 외부 전극의 식각량을 측정하였다.
외부 전극의 외주 방향으로 21 point에 대하여 측정하여, 본 발명의 [111] 방향의 단결정 외부 전극과 [100] 방향의 단결정 외부 전극의 단위 시간당 식각량의 측정 결과를 아래의 도 7에 나타내었다. 이때 측정된 단결정 외부 전극의 단위시간당 식각량의 단위는 mm/hr이다.
상기 단결정 외부 전극의 측정 방법과 동일하게 [111] 방향의 단결정 일체형 내부 전극에 대해서도 동일한 실험을 진행하였으며, 일체형 내부 전극의 지름을 따라 41point에 대해서 기존의 [100] 방향의 내부 전극의 식각량을 비교하여 측정하였다. 이때의 식각량의 단위는 mm이고, 150시간의 공정 진행 후 측정된 식각량의 값을 의미한다. 그 결과를 도 8에 나타내었다.
상기 도 7과 도 8의 측정 결과에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 제조 방법으로 제조된 [111] 방향의 단결정 실리콘으로 제조된 일체형 상부 전극과 외부 전극으로 플라즈마 설비용 단결정 실리콘 링과 실리콘 상부 전극은 기존의 [100] 방향의 단결정 실리콘 제품에 비해 단위 시간당 식각량이 약 30% 감소 되었으며, 이에 따라 사용 수명 및 내구 연한이 적어도 30% 이상 연장되는 효과가 있음을 확인할 수 있다.
[
실시예
3] 개선된 상부 전극 어셈블리 구조의 파손 빈도 확인(1)
앞서 실시예 2에서 제조한 본 발명의 상부 전극 어셈블리와 기존의 상부 전극 어셈블리에 대해서 교체 횟수(100회)에 따른 파손 빈도를 확인하였으며, 그 결과는 표 3과 같다.
| 내부 전극 파손 횟수 | 외부 전극 파손 횟수 | |
| 본 발명의 개선된 상부 전극 어셈블리 | 1 | 1 |
| 종래의 상부 전극 어셈블리 | 9 | 10 |
상기 표 3의 결과에서 확인할 수 있듯이 총 100회의 상부 전극 어셈블리의 교체 과정 중에서, 본 발명의 상부 전극 어셈블리의 내부 전극 및 외부 전극의 파손 횟수가 현저하게 감소함을 확인할 수 있었다.
[
실시예
4] 개선된 상부 전극 어셈블리 구조의 파손 빈도 확인(2)
앞서 실시예 2에서 제조한 본 발명의 상부 전극 어셈블리와 기존의 상부 전극 어셈블리에 대해서 교체 횟수(100회)에 따른 파손 빈도를 확인하였다. 본 실시예에서는 상기 실시예 3과 동일한 구조의 일체형 내부 전극을 사용하였고, 개선된 구조의 외부 전극은 가드링과 외부 단차를 통해 밀착된 구조를 사용하였다. 이때 외부 전극의 상부 평면 환상면은 상기 외부 단차를 통해 가드 링과 밀착되고, 상기 가드링의 외주면보다 상기 외부 전극의 외부면이 돌출되도록 형성되어 상기 가드 링을 지지하는 구조를 갖는다.
비교예로 사용된 종래의 상부 전극 어셈블리는 앞서 실시예 3과 동일한 것을 사용하였다.
| 내부 전극 파손 횟수 | 외부 전극 파손 횟수 | |
| 본 발명의 개선된 상부 전극 어셈블리 | 1 | 2 |
| 종래의 상부 전극 어셈블리 | 9 | 10 |
상기 표 4의 결과에서 확인할 수 있듯이, 앞선 실시예 3의 결과와 유사하게, 총 100회의 상부 전극 어셈블리의 교체 과정 중에서, 본 발명의 상부 전극 어셈블리의 내부 전극 및 외부 전극의 파손 횟수가 현저하게 감소함을 확인할 수 있었다.
본 실시예의 제작 방법에 따라 제조된 일체형 내부 전극과 개선된 외부 전극을 포함하는 상부 전극 어셈블리는, 상술한 식각 장치에 한정되지 않고 다양한 플라즈마 처리 장치에 적용될 수 있으며, 상기에서 서술된 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 즉, 상기의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다.
100 : 상부 전극 어셈블리
102 : 열 제어 부재
104 : 상부 플레이트 106 : 가스 배출 통로(가스 홀)
110 : 상부 전극 120 : 내부 전극
130 : 외부 전극 140 : 백킹 플레이트
170 : 가드 링 180 : 플라즈마 한정 어셈블리
190 : 한정 링
104 : 상부 플레이트 106 : 가스 배출 통로(가스 홀)
110 : 상부 전극 120 : 내부 전극
130 : 외부 전극 140 : 백킹 플레이트
170 : 가드 링 180 : 플라즈마 한정 어셈블리
190 : 한정 링
Claims (10)
- 반도체 플라즈마 공정용 반응 챔버의 상부 전극 어셈블리에 사용되는 외부 전극에 있어서,
상기 외부 전극의 하부면은 플라즈마에 노출되는 플라즈마 노출면이고, 상부면은 백킹 플레이트와 체결되는 체결면이며, 내부 전극을 둘러싸는 환상 플레이트의 형태이고,
상기 상부면은, 내부 전극과 기계적으로 밀착되는 상부 내부 단차를 포함하고, 상기 상부 내부 단차와 외부 전극의 외주부 사이에 위치하는 상부 평면 환상면을 포함하고,
상기 하부면은 내부 경사면 및 외부 경사면을 포함하며,
상기 상부 평면 환상면 내에는, 원주방향으로 이격된 복수 개의 포켓들이 존재하여, 상기 포켓들 내부에 상기 외부 전극을 상기 백킹 플레이트에 클램핑 되도록 로킹 핀들이 수용되고,
상기 외부 전극은 단결정 실리콘 재질인 것을 특징으로 하는, 반도체 플라즈마 공정용 외부 전극. - 제1항에 있어서,
상기 외부 전극의 상부면에 접하여 기계적으로 밀착되는 백킹 플레이트가 존재하고, 상기 백킹 플레이트의 내부로 연장되는 정렬 핀들을 수용할 수 있도록 정렬 핀 보어가 형성된 백킹 플레이트를 지지하는 가드링의 외부면이, 상기 외부 전극의 상부면의 상부 평면 환상면에 의해 지지되고,
상기 상부면의 상부 평면 환상면은 가드 링의 외부면이 상기 외부 전극의 외부면과 동일면이 되도록 상기 가드 링을 지지하는 것을 특징으로 하는, 반도체 플라즈마 공정용 외부 전극. - 제1항에 있어서,
상기 외부 전극의 상부면에 접하여 기계적으로 밀착되는 백킹 플레이트가 존재하고, 상기 백킹 플레이트의 내부로 연장되는 정렬 핀들을 수용할 수 있도록 정렬 핀 보어가 형성된 백킹 플레이트를 지지하는 가드링의 외부면이, 상기 외부 전극의 상부면의 외주부에 형성된 상부 외부 단차에 의해 지지되며,
상기 가드링의 외부면을 지지하도록 형성된 상부 외부 단차가 형성된 외부 전극의 외부면이 가드링의 외부면 보다 멀리 돌출되는 것을 특징으로 하는, 반도체 플라즈마 공정용 외부 전극. - 제 1 항에 있어서,
상기 플라즈마 노출면 내에는 가스 홀들을 더 포함되고, 상기 가스 홀들은 상기 반응 챔버의 진공 압력을 측정하는데 사용되며, 상기 플라즈마 노출면의 내부 경사면과 외부 경사면 사이에는 하부 평면 환상면이 형성되어, 외부 경사면은 상기 하부 평면 환상면과 30°보다 작은 각도를 형성하며, 상기 내부 경사면은 상기 평면 환상면과 30°보다 큰 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는, 반도체 플라즈마 공정용 외부 전극. - 제1항에 있어서,
상기 외부 전극의 재질인 단결정 실리콘은 결정방위가 <111>인 단결정 실리콘인 것을 특징으로 하는, 반도체 플라즈마 공정용 외부 전극. - 반도체 플라즈마 공정용 반응 챔버에 사용되는 상부 전극 어셈블리에 있어서,
상기 플라즈마 공정용 반응 챔버의 온도 제어된 최상부 벽에 의해 지지 되는 열 제어 플레이트;
상기 열 제어 플레이트에 의해 지지되고, 열 제어 플레이트보다 작은 직경을 가지며, 플라즈마 반응 가스 통로가 내부를 관통하고, 캠 록(cam lock)이 수평으로 연장되어 내부에서 회전 가능한 보어(bore)를 포함하는 백킹 플레이트;
상기 백킹 플레이트를 둘러싸며, 내부를 통과하여 수평으로 연장되는 적어도 하나의 액세스 보어를 포함하고, 상기 액세스 보어가 적어도 하나의 상기 캠 록과 정렬될 수 있도록 상기 백킹 플레이트 주위로 회전 가능한, 가드 링;
수직으로 관통되어, 상기 백킹 플레이트 내의 상기 플라즈마 반응 가스 통로들과 소통하는 가스 통로들을 갖고, 외주부에는 하나의 단차가 형성되며, 상부면의 외주부를 따라 상기 백킹 플레리트와 기계적으로 밀착하여 결합되는 돌출부를 포함하며, 상기 하나의 단차가 외부 전극과 기계적으로 밀착하여 결합되는 내부 전극; 및
상기 내부 전극을 둘러싸고 상기 캠 록과 맞물리고 수직으로 연장하는 로킹 핀들을 포함하고, 상기 가드 링을 지지하고 상기 로킹 핀들을 상기 캠 록들로부터 릴리징함으로써 제거될 수 있는 외부 전극;을 포함하며,
상기 외부 전극의 하부면은 플라즈마에 노출되는 플라즈마 노출면이고, 상부면은 백킹 플레이트와 체결되는 체결면이며, 내부 전극을 둘러싸는 환상 플레이트의 형태이고,
상기 외부 전극의 상부면은, 내부 전극과 기계적으로 밀착되는 상부 내부 단차를 포함하고, 상기 상부 내부 단차와 외부 전극의 외주부 사이에 위치하는 상부 평면 환상면을 포함하고,
상기 외부 전극의 하부면은 내부 경사면 및 외부 경사면을 포함하며,
상기 상부 평면 환상면 내에는, 원주방향으로 이격된 복수 개의 포켓들이 존재하여, 상기 포켓들 내부에 상기 외부 전극을 상기 백킹 플레이트에 클램핑 되도록 로킹 핀들이 수용되는,
상기 내부 전극과 외부 전극의 재질은 단결정 실리콘인, 상부 전극 어셈블리. - 제6항에 있어서,
상기 외부 전극의 상부면에 접하여 기계적으로 밀착되는 백킹 플레이트가 존재하고, 상기 백킹 플레이트의 내부로 연장되는 정렬 핀들을 수용할 수 있도록 정렬 핀 보어가 형성된 백킹 플레이트를 지지하는 가드링의 외부면이, 상기 외부 전극의 상부면의 상부 평면 환상면에 의해 지지되고,
상기 상부면의 상부 평면 환상면은 가드 링의 외부면이 상기 외부 전극의 외부면과 동일면이 되도록 상기 가드 링을 지지하는 것을 특징으로 하는, 상부 전극 어셈블리. - 제6항에 있어서,
상기 외부 전극의 상부면에 접하여 기계적으로 밀착되는 백킹 플레이트가 존재하고, 상기 백킹 플레이트의 내부로 연장되는 정렬 핀들을 수용할 수 있도록 정렬 핀 보어가 형성된 백킹 플레이트를 지지하는 가드링의 외부면이, 상기 외부 전극의 상부면의 외주부에 형성된 상부 외부 단차에 의해 지지되며,
상기 가드링의 외부면을 지지하도록 형성된 상부 외부 단차가 형성된 외부 전극의 외부면이 가드링의 외부면 보다 멀리 돌출되는 것을 특징으로 하는, 상부 전극 어셈블리. - 제6항에 있어서,
상기 플라즈마 노출면 내에는 가스 홀들을 더 포함되고, 상기 가스 홀들은 상기 반응 챔버의 진공 압력을 측정하는데 사용되며, 상기 플라즈마 노출면의 내부 경사면과 외부 경사면 사이에는 하부 평면 환상면이 형성되어, 외부 경사면은 상기 하부 평면 환상면과 30°보다 작은 각도를 형성하며, 상기 내부 경사면은 상기 평면 환상면과 30°보다 큰 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는, 상부 전극 어셈블리. - 제6항에 있어서,
상기 내부 전극과 외부 전극의 재질인 단결정 실리콘은 결정방위가 <111>인 단결정 실리콘인 것을 특징으로 하는, 상부 전극 어셈블리.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140143627A KR20160047336A (ko) | 2014-10-22 | 2014-10-22 | 반도체 공정용 플라즈마 장치에 사용되는 외부 전극 및 상부 전극 어셈블리 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140143627A KR20160047336A (ko) | 2014-10-22 | 2014-10-22 | 반도체 공정용 플라즈마 장치에 사용되는 외부 전극 및 상부 전극 어셈블리 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20160047336A true KR20160047336A (ko) | 2016-05-02 |
Family
ID=56021602
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140143627A KR20160047336A (ko) | 2014-10-22 | 2014-10-22 | 반도체 공정용 플라즈마 장치에 사용되는 외부 전극 및 상부 전극 어셈블리 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20160047336A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220154559A (ko) * | 2021-05-13 | 2022-11-22 | 플라텍(주) | 체결용 조립체 |
| KR20220154560A (ko) * | 2021-05-13 | 2022-11-22 | 플라텍(주) | 체결용 조립체 |
-
2014
- 2014-10-22 KR KR1020140143627A patent/KR20160047336A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220154559A (ko) * | 2021-05-13 | 2022-11-22 | 플라텍(주) | 체결용 조립체 |
| KR20220154560A (ko) * | 2021-05-13 | 2022-11-22 | 플라텍(주) | 체결용 조립체 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8402918B2 (en) | Showerhead electrode with centering feature | |
| KR100733109B1 (ko) | 실리콘 포커스링 및 그 제조방법 | |
| KR200476554Y1 (ko) | 경사진 상부면을 가진 고온 에지 링 | |
| US7482550B2 (en) | Quartz guard ring | |
| EP3171393B1 (en) | Sealed elastomer bonded si electrodes and the like for reduced particle contamination in dielectric etch and method of manufacturing such electrodes | |
| EP0863545A2 (en) | Monocrystalline ceramic electrostatic chuck | |
| EP0953659B1 (en) | Apparatus for thin film growth | |
| US20070119367A1 (en) | Method for producing silicon epitaxial wafer and silicon epitaxial wafer | |
| EP1205583B1 (en) | Manufacturing method for producing silicon carbide crystal using source gases and apparatus for the same | |
| WO2005038081A2 (en) | Substrate heater assembly | |
| US11486037B2 (en) | Synthesis of thick single crystal diamond material via chemical vapour deposition | |
| KR20040111691A (ko) | 반도체 공정용 플라즈마 반응기를 위한 다중부재 전극 및다중부재 전극의 일부를 교체하는 방법 | |
| KR100637915B1 (ko) | 실리콘 전극판 | |
| US8241424B2 (en) | Single crystal semiconductor manufacturing apparatus and manufacturing method | |
| US20030155078A1 (en) | Plasma processing apparatus, and electrode plate, electrode supporting body, and shield ring thereof | |
| KR20160047336A (ko) | 반도체 공정용 플라즈마 장치에 사용되는 외부 전극 및 상부 전극 어셈블리 | |
| KR102159224B1 (ko) | 포커스 링, 그 제조 방법, 및 기판 처리 장치 | |
| KR101447006B1 (ko) | 플라즈마 처리장치의 실리콘 카바이드 구조물 | |
| US9187844B2 (en) | Single crystal manufacturing apparatus | |
| KR20090127295A (ko) | 단결정의 성장방법 및 단결정의 인상장치 | |
| KR102133963B1 (ko) | 다음극 직류전원 플라즈마 화학 증착 장치를 이용한 다이아몬드 단결정 성장 방법 | |
| KR20150071850A (ko) | 가스배출관 및 이를 포함하는 잉곳성장장치 | |
| JP2006169060A (ja) | 単結晶製造装置及び単結晶製造方法 | |
| KR101984223B1 (ko) | 반도체 공정용 플라즈마 장치의 일체형 상부 전극 및 이의 제조 방법 | |
| US9472380B2 (en) | Silicon part for plasma etching apparatus and method of producing the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |