KR20200030110A - 탄소 화합물들의 증착 또는 처리를 위한 마이크로파 반응기 - Google Patents
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Abstract
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기는 유전체 윈도우를 갖는 챔버, 챔버에 워크피스를 유지하기 위한 워크피스 지지부, 마이크로파 소스에 커플링되도록 구성된 고정 스테이지 및 회전 축을 갖는 회전가능 스테이지를 포함하는 회전식 커플링, 챔버의 유전체 윈도우 위에 놓인 마이크로파 안테나, 마이크로파 안테나를 회전시키기 위한 회전식 액추에이터, 및 워크피스 지지부를 둘러싸는 가스 분배 링을 포함하는 프로세스 가스 분배기를 포함한다. 마이크로파 안테나는 회전가능 스테이지에 커플링된 적어도 하나의 도관을 포함한다. 가스 분배 링은 챔버로부터 원형 도관을 분리하는 원통형 챔버 라이너 및 도관을 챔버에 연결하도록 라이너를 통해 반경방향으로 연장되는 복수의 애퍼처들을 포함한다.
Description
본 개시내용은, 마이크로파 전력을 사용하여 워크피스, 이를테면 반도체 웨이퍼를 프로세싱하기 위한 챔버 또는 반응기에 관한 것이다.
워크피스, 이를테면 반도체 웨이퍼의 프로세싱은 예컨대 전자기 에너지의 한 형태, 이를테면 RF 전력 또는 마이크로파 전력을 사용하여 수행될 수 있다. 전력은 예컨대 플라즈마-기반 프로세스, 이를테면 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD; plasma enhanced chemical vapor deposition) 또는 플라즈마 강화 반응성 이온 에칭(PERIE; plasma enhanced reactive ion etching)을 수행하기 위한 플라즈마를 생성하기 위해 사용될 수 있다.
2 개의 탄소-계 막들, 즉 다이아몬드 및 그래핀은 많은 적용들에 바람직한 기계적 및 전기적 특성들을 갖는다.
다이아몬드 막들은 극도의 경도, 높은 열 전도율, 우수한 광학 투명도 및 높은 전기 비저항을 가질 수 있다. 이들 특성들은 광학 코팅들과 같은 적용들에서 유용하다. 부가하여, 다이아몬드 막은 또한, 통상적인 PECVD에 의해 증착되는 다른 비정질 탄소 막들과 비교하여 자신의 우수한 에칭 선택도에 기인하여 반도체 산업에서 하드 마스크 재료로서 사용될 수 있다. 다이아몬드의 에칭 선택도는 높은 sp3 탄소 백분율에 기인하여 다른 비정질 탄소 막들보다 2 배 또는 3 배 더 높을 수 있다. 이러한 높은 에칭 선택도는 높은 이온 에너지 충격 에칭 동안 우수한 패턴 무결성을 유지하기 위하여 높은 종횡비 에칭에 바람직하다. 이는 더욱 중요해질 가능성이 있는데, 그 이유는 차세대 디바이스들의 경우 피처(feature) 크기들이 계속 줄어들기 때문이다.
단일 원자 층의 탄소 원자들이 6각형 격자로 배열된, 그래핀의 단층은 신종(exotic) 특성들 및 넓은 스펙트럼의 잠재적인 적용들을 갖는다. 그래핀의 높은 비표면적은 그래핀이 다른 탄소질 재료들보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있을 가능성이 있음을 표시한다. 부가하여, ~ 2 - 2.5 × 105 cm2/vs의 내재적 이동성을 이용하여 고속으로 이동하는, 그래핀 시트에서의 비편재화된(delocalized) 전자들이 전류를 효율적으로 수송하는 것을 돕는다. 금속 라인들의 두께 및 치수가 계속 줄어듦에 따라 이러한 금속 라인들의 저항이 더 높아지기 때문에, 그래핀은, 자신의 얇은 두께 및 높은 전자 이동성에 기인하여, 차세대 반도체 디바이스들에 대해 통상적인 금속 장벽 층들을 대체하는 데 사용될 수 있다. 그래핀은 또한, 높은 광학 투명도를 보여주며, 이는 플렉서블 전자장치(flexible electronics)에서, 예컨대 스마트 워치 적용들에서 사용될 수 있다. 화학 기상 증착(CVD; chemical vapor deposition)은 다이아몬드 막 및 그래핀 막 둘 모두를 성장시키기 위해 사용되어왔다.
일 양상에서, 워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기는 유전체 윈도우를 갖는 챔버, 챔버에 워크피스를 유지하기 위한 워크피스 지지부, 마이크로파 소스에 커플링되도록 구성된 고정 스테이지 및 회전 축을 갖는 회전가능 스테이지를 포함하는 회전식 커플링, 챔버의 유전체 윈도우 위에 놓인 마이크로파 안테나, 마이크로파 안테나를 회전시키기 위한 회전식 액추에이터, 및 워크피스 지지부를 둘러싸는 가스 분배 링을 포함하는 프로세스 가스 분배기를 포함한다. 마이크로파 안테나는 회전가능 스테이지에 커플링된 적어도 하나의 도관을 포함한다. 가스 분배 링은 챔버로부터 원형 도관을 분리하는 원통형 챔버 라이너 및 도관을 챔버에 연결하도록 라이너를 통해 반경방향으로 연장되는 복수의 애퍼처들을 포함한다.
다른 양상에서, 워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기는 유전체 윈도우를 갖는 챔버, 챔버에 워크피스를 유지하기 위한 워크피스 지지부, 마이크로파 소스에 커플링되도록 구성된 고정 스테이지 및 회전 축을 갖는 회전가능 스테이지를 포함하는 회전식 커플링, 챔버의 유전체 윈도우 위에 놓인 마이크로파 안테나, 마이크로파 안테나를 회전시키기 위한 회전식 액추에이터, 탄화수소 가스를 제공하기 위한 제1 가스 공급부, 불활성 가스를 제공하기 위한 제2 가스 공급부, 탄화수소 가스 및 불활성 가스를 챔버에 전달하기 위한 가스 분배기, 챔버를 진공배기하도록 챔버에 커플링된 진공 펌프, 및 워크피스 상에 탄소 동소체를 증착하기 위해 마이크로파 소스, 가스 분배기 및 진공 펌프를 동작시키도록 구성된 제어기를 포함한다.
고품질 그래핀 막들은 대개, 금속 촉매들을 이용하여 고온 화학 기상 증착(CVD; chemical vapor deposition)에 의해 합성된다. 그러나, 성장 온도는 800-1100 ℃이며, 이는 대부분의 반도체 디바이스들의 열 버짓(budget)보다 훨씬 더 높다. 게다가, 그래핀을 전자 디바이스들에 통합시키기 위하여, 금속 기판들로부터 타겟 기판들로의 전사 프로세스가 필요하다. 본 개시내용에서, 마이크로파 표면파 플라즈마는, 금속 촉매들을 사용하지 않고 훨씬 낮은 온도(예컨대, 800 ℃ 미만)에서 그래핀 핵 생성 및 성장을 가능하게 하는 고밀도의 활성 라디칼들을 제공한다. 더 낮은 온도에서의 임의의 기판들 상의 직접 성장은 다양한 적용들에 대해 상당한 장점일 수 있다.
일부 구현들은 다음의 장점들 중 하나 이상을 제공할 수 있다. 마이크로파 플라즈마 프로세싱은, 자신의 높은 라디칼 밀도 및 낮은 에너지 때문에, 저온 증착을 제공할 수 있다. 마이크로파 플라즈마 프로세싱은 빠른 증착을 위해 고밀도의 탄화수소 종(species)을 제공할 뿐만 아니라, 훨씬 더 낮은 프로세스 온도에서 비정질 탄소 상(phase)을 에칭할 수 있는 고밀도의 수소 라디칼들도 제공할 수 있다. 결과적으로, 감소된 프로세스 온도들에서 고품질 막들의 빠른 증착이 달성될 수 있다. 그러므로, 마이크로파 플라즈마-기반 증착은 금속 기판 상에서 뿐만 아니라 유전체 기판 상에서도 대량 제조에 적절한 고품질 다이아몬드 및 그래핀 막들을 산출할 수 있다.
하나 이상의 구현들의 세부사항들은 아래의 상세한 설명 및 첨부된 도면들에서 제시된다. 다른 잠재적인 특징들, 양상들 및 장점들은 상세한 설명, 도면들 및 청구항들로부터 자명해질 것이다.
도 1a는 프로세싱 반응기의 개략적인 측단면도이다.
도 1b는 도 1a의 반응기로부터의 마이크로파 안테나의 개략적인 확대도이다.
도 2는 도 1b의 라인(2-2)을 따라 절취된 개략적인 단면도(cross-sectional plan)이다.
도 3은 마이크로파 안테나의 실시예의 개략적인 평면도이다.
도 4는 마이크로파 안테나의 개략적인 단면 사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 가스 분배 플레이트의 개략적인 측면도들이다.
도 6a 및 도 6b는 가스 분배 링의 개략적인 평면도들이다.
다양한 도면들에서 유사한 참조 번호들 및 표기들은 유사한 엘리먼트들을 표시한다.
일 실시예의 엘리먼트들 및 특징들이 추가적인 언급 없이 다른 실시예들에 유익하게 통합될 수 있다는 것이 고려된다. 그러나, 도면들이 본 발명의 예시적인 실시예들만을 예시하며, 그러므로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 주목되어야 하는데, 이는 본 발명이 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
도 1b는 도 1a의 반응기로부터의 마이크로파 안테나의 개략적인 확대도이다.
도 2는 도 1b의 라인(2-2)을 따라 절취된 개략적인 단면도(cross-sectional plan)이다.
도 3은 마이크로파 안테나의 실시예의 개략적인 평면도이다.
도 4는 마이크로파 안테나의 개략적인 단면 사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 가스 분배 플레이트의 개략적인 측면도들이다.
도 6a 및 도 6b는 가스 분배 링의 개략적인 평면도들이다.
다양한 도면들에서 유사한 참조 번호들 및 표기들은 유사한 엘리먼트들을 표시한다.
일 실시예의 엘리먼트들 및 특징들이 추가적인 언급 없이 다른 실시예들에 유익하게 통합될 수 있다는 것이 고려된다. 그러나, 도면들이 본 발명의 예시적인 실시예들만을 예시하며, 그러므로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 주목되어야 하는데, 이는 본 발명이 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
다이아몬드 및 그래핀 막들이 CVD 성장에 의해 증착되었지만, 그러한 프로세스들은 높은 성장 온도들, 통상적으로는 800-1000 ℃를 필요로 한다. 불행하게도, 그러한 온도들은 반도체 산업에서 현재 통합 프로세스 흐름들과 양립가능하지 않은데, 그 이유는 디바이스 웨이퍼들 상의 로우(low) k 막들 및 금속 라인들이 고온을 견딜 수 없기 때문이다. 부가하여, 고온 CVD에 의해 증착된 그래핀은 이 그래핀이 증착되어 있는 두꺼운 금속 포일로부터 전사될 필요가 있다.
부가하여, 극도로 고밀도이지만 비-평형인 플라즈마들을 이용한 프로세싱에 의해 탄소 화합물 재료들의 품질이 개선될 수 있다. 마이크로파 반응기는 고품질 다이아몬드 및 그래핀 막들에 필요한 저온 및 고밀도 비-평형 플라즈마를 모두 제공할 수 있다.
그러나, 챔버 및 슬롯 레이아웃에 의해 유발되는, 마이크로파 방출의 불-균일성을 보상하기 위해 회전 소스를 이용하더라도, 일부 마이크로파 반응기들은 워크피스에 걸친 분산에 요구되는 증착 레이트(rate) 또는 에칭 레이트의 엄격한 균일성을 충족시키지 않는다. 최소 균일성은 1% 미만의, 300 mm 직경의 워크피스에 걸친 프로세스 레이트 변동(variation)에 대응할 수 있다.
불행하게도, 일부 반응기들 또는 프로세스들의 경우, 샤워헤드는 샤워헤드 내부에 이를 증착하는 데 사용될 수 없다. 그러나, 펌핑 라이너는 펌핑 포트 흐름의 스큐(skew)에 사용될 수 있다. 프로세스 균일성은 추가로, 페데스털 포지션 및 프로세스 압력을 조정함으로써 제어될 수 있다.
이제 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 워크피스 프로세싱 반응기(100)는 워크피스 지지부(102)를 포함한 챔버(101)를 포함한다. 챔버(101)는 마이크로파들에 불투명한 재료, 예컨대 전도체로 형성된 측벽(104) 및 마이크로파 투명 재료, 예컨대 유전체 재료로 형성된 천장(106)에 의해 에워싸인다. 일 실시예에서, 천장(106)은 디스크의 형상으로 형성된 유전체 윈도우(108)로서 구현될 수 있다. 유전체 윈도우(108)는 마이크로파 공급 어셈블리(110)를 갖는 윈도우 위의 구역을, 챔버(101)로부터 유체적으로 밀봉할 수 있다. 일부 구현들에서, 유전체 윈도우(108)는 천공들을 포함한다. 예컨대, 가스 분배 플레이트(142)는 윈도우(108)의 일부를 형성할 수 있다(이 경우, 천공들은 윈도우 안으로 부분적으로 연장됨).
워크피스 지지부(102)는 챔버(101) 내부에서 워크피스(10)를 지지하기 위한 상단 표면(102a)을 갖는 페데스털일 수 있다. 일부 구현들에서, 온도 제어 시스템(103)이 페데스털의 온도를 제어할 수 있다. 예컨대, 온도 제어 시스템(103)은 워크피스 지지부(102)에 내장되거나 또는 이러한 워크피스 지지부(102)의 표면 상에 배치된 저항성 히터(103a), 및 히터(103a)에 전기적으로 커플링된 전력원(103b)을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 부가하여, 냉각제 채널들(103c)이 페데스털에 형성될 수 있고, 냉각제 공급부(103d)로부터의 냉각제가 채널들(103c)을 통해 흐를 수 있는데, 예컨대 펌핑될 수 있다.
일부 구현들에서, 워크피스 지지부(102)는 모터에 커플링되고, 모터에 의해 챔버(101) 내부에서 회전가능하다. 일부 구현들에서, 워크피스 지지부(102)의 수직 포지션은 예컨대 수직 액추에이터에 의해 조정가능하다.
챔버(101)를 진공배기시키기 위해, 예컨대 페데스털(102) 아래의 구역에 개구를 갖는 통로에 의해, 챔버(101)에 진공 펌프(105)가 커플링된다. 진공 펌프들의 예들은 스로틀 밸브 또는 격리 밸브를 갖는 배기 펌프, 건식 펌프 및 터보 펌프를 포함한다.
마이크로파 공급 어셈블리(110)는 마이크로파 방사선을 챔버(100)에 공급한다. 마이크로파 공급 어셈블리(110)는 유전체 윈도우(108) 위에 놓인 회전 마이크로파 안테나(114)를 포함한다. 안테나(114)는 윈도우(108)가 고정 상태로 유지되는 동안 회전할 수 있고; 안테나(114)는 윈도우(108)로부터 약간 분리되거나 또는 윈도우(108)와 슬라이딩 접촉 상태로 있을 수 있다. 마이크로파 안테나(114)는 원통형 측벽(124) 및 디스크-형상의 캡(126)을 포함하는 전도성 실드(122)에 의해 에워싸인다. 도 4에서 도시된 구현에서, 마이크로파 안테나(114)는 디스크-형상이다.
도 1a에서 도시된 바와 같이, 마이크로파 안테나(114)는 축방향 도파관(116)에 의해 피딩된다. 축 도파관(116)은, 위에 놓인 회전식 마이크로파 커플링(118)을 통해 고정 마이크로파 피드(120)에 커플링된다. 원격 마이크로파 소스 또는 생성기(132)가 마이크로파 피드(120)에 의해 회전식 커플링(118)에 커플링된다.
회전식 커플링(118)은 고정 스테이지(118-1) 및 회전가능 스테이지(118-2)를 포함한다. 고정 스테이지(118-1)는 챔버(100)에 대해 고정 상태이고, 마이크로파 피드(120)에 연결된다. 회전가능 스테이지(118-2)는 축방향 도파관(116)에 연결되고, 마이크로파 안테나(114)의 대칭 축(114a)과 일치하는 회전 축을 갖는다. 회전식 마이크로파 커플링(118)은, 무시할 수 있는 손실 또는 누설로, 마이크로파 에너지가 고정 스테이지(118-1)로부터 회전가능 스테이지(118-2)로 흐를 수 있게 한다. 하나의 가능한 예로서, 슬립-링 RF 시일(slip-ring RF seal)(도시되지 않음)이 고정 스테이지(118-1)와 회전가능 스테이지(118-2) 사이의 인터페이스에 배치될 수 있다. 안테나(114), 회전식 커플링(118) 및 축방향 도파관(116)은 마이크로파 공급 어셈블리(110)를 제공할 수 있다.
회전 액추에이터(130)는 챔버(101)에 대해 고정 상태이고, 모터(130-1)를 포함한다. 일부 구현들에서, 회전 액추에이터(130)는 벨트(130-3)를 구동하는 구동 샤프트(130-2)를 포함한다. 벨트(130-3)가 마이크로파 공급 어셈블리(110)의 회전가능 부분 주위에 감겨서, 벨트(130-3)를 구동하는 것은 안테나(114)를 회전시킨다. 예컨대, 벨트(130-3)는 회전가능 스테이지(118-2) 주위에 감겨지고 이러한 회전가능 스테이지(118-2)를 구동할 수 있다. 벨트(130-2)는 톱니형 벨트일 수 있고, 회전가능 스테이지(118-2) 및 모터(130-1)로부터의 구동 샤프트의 톱니형 외부 표면들과 체결될 수 있다. 다른 구현들에서, 구동 기어(130-2)의 톱니형 외부 표면은 회전가능 어셈블리(118-2) 상에 형성된 피동 기어와 직접적으로 체결된다. 예컨대, 피동 기어는 회전가능 스테이지(118-2)의 바닥 표면 상에 톱니의 원형 어레이로서 구현될 수 있다.
워크피스 프로세싱 반응기(100)는 프로세스 가스 분배기(140)를 포함한다.
일부 구현들에서, 프로세스 가스 분배기(140)는 천장(106) 아래에 배치되거나 또는 이러한 천장(106)을 형성하는 가스 분배 플레이트(GDP; gas distribution plate)(142)를 포함한다. 가스 분배 플레이트(142)는 이러한 가스 분배 플레이트(142)를 통해 축방향으로 연장되는 가스 분사 오리피스들(144)의 어레이를 갖는다. 가스 분배 플레이트(142)는 프로세스 가스 공급부(146)로부터 프로세스 가스를 수용한다. 가스 분배 플레이트는 석영으로 형성될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 일부 구현들에서, 가스 분배 플레이트(142)는 2 개의 상이한 프로세스 가스들을 공급하도록 구성된 이중 채널 샤워헤드이다. 예컨대, 가스 분배 플레이트는 하부 플레이트(170)를 포함할 수 있고, 이러한 하부 플레이트(170)를 통해, 복수의 축방향 애퍼처들(170a 및 170b)이 형성된다. 가스 분배 플레이트는 또한, 중간 플레이트(172)를 포함할 수 있고, 이러한 중간 플레이트(172)를 통해, 복수의 축방향 애퍼처들(172a)이 형성된다. 중간 플레이트(172)는 하부 플레이트(170) 위로 연장되고, 하부 플레이트(170)와 중간 플레이트(172) 사이의 갭은 하부 플리넘(174)을 제공하며, 제1 프로세스 가스가 제1 프로세스 가스 공급부(146a)로부터 이러한 하부 플리넘(174)에 흐를 수 있다. 그런 다음, 이러한 제1 프로세스 가스는 제1 복수의 애퍼처들(170a)을 통해 챔버(101)에 흐를 수 있다.
중간 플레이트(170) 위로 상부 플레이트(176)가 연장될 수 있고, 중간 플레이트(172)와 상부 플레이트(176) 사이의 갭은 상부 플리넘(176)을 제공하며, 제2 프로세스 가스가 제2 프로세스 가스 공급부(146b)로부터 이러한 상부 플리넘(176)에 흐를 수 있다. 상부 플레이트는 유전체 윈도우(108), 예컨대 석영 윈도우에 의해 제공될 수 있다.
하부 플레이트(170) 또는 중간 플레이트(172) 중 하나 또는 둘 모두는 하부 플리넘(174)을 통해 개개의 플레이트의 주요 바디로부터 축방향으로 연장되는 환형 돌출부들(170c)을 포함할 수 있다. 환형 돌출부들(170c)을 통해 복수의 애퍼처들(170d)이 형성되고, 그런 다음, 애퍼처들(170b, 170d, 172a)은, 제2 프로세스 가스가 상부 플리넘(178)으로부터 이 애퍼처들을 통해 챔버(101)에 흐를 수 있도록 정렬된다. 따라서, 제1 프로세스 가스와 제2 프로세스 가스는 챔버(101) 내부 때까지 혼합되지 않는다.
도 5b를 참조하면, 일부 구현들에서, 하부 플리넘(174), 상부 플리넘(178) 또는 둘 모두는 펌프(179)에 연결되고, 이 펌프(179)는 개개의 플리넘(174 또는 178)을 통해 제1 프로세스 가스 또는 제2 프로세스 가스를 끌어당긴다. 이는 플리넘을 통해 가스의 교차-흐름(cross-flow)을 생성하고; 가스의 일부가 애퍼처들을 통해 챔버(101)에 탈출할 것이다.
프로세스 가스 분배기(140)는 또한, 워크피스 지지부(102)를 둘러싸는 가스 분배 링(150)을 포함할 수 있다. 도 1a 및 도 6a를 참조하면, 가스 분배 링(150)은 챔버(101)를 위한 라이너를 제공하는 내벽(154)을 갖는 채널(152)을 포함할 수 있다. 가스 분배 링(150)은 프로세스 가스 공급부(146)로부터 프로세스 가스를 수용한다. 복수의 애퍼처들(156), 예컨대 6 개 내지 100 개의 애퍼처들이 내벽(154)을 통해 반경방향으로 형성된다. 애퍼처들(156)은 대칭 축(114a) 주위에 등각 간격(uniform angular spacing)으로 배열되어서, 각도로(angularly) 균일한 가스 흐름을 챔버(101)에 제공할 수 있다. 일부 구현들에서, 애퍼처들(156)은 전부 동일한 크기 및 형상을 갖는다. 일부 구현들에서, 애퍼처들(156)은 워크피스가 받쳐질 워크피스 지지부(102)의 상단 표면(102a)에 의해 정의된 평면 아래에 포지셔닝된다. 일부 구현들에서, 가스 분배 플레이트는 사용되지 않으며; 프로세스 가스 분배기(140)는 단지, 챔버(140)의 측벽들로부터 가스를 분사한다. 가스 분배 링(150) 및 라이너는 알루미늄(예컨대, 양극처리된 알루미늄) 또는 세라믹 재료로 제조될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 일부 구현들에서, 가스 분배 링(150)은 2 개의 반경방향 아크(arc)들(150a, 150b)로 분할된다. 제1 반경방향 아크(150a)에 있는 제1 채널(152a)이 프로세스 가스 소스(146)에 연결된다. 제2 아크(150b)에 있는 제2 채널(152b)이 진공 펌프(158)에 연결된다. 제1 채널(152a)과 제2 채널(152b)은 장벽(152c)에 의해 분리될 수 있다. 따라서, 프로세스 가스는, 제2 채널(152b)에 끌어당겨지기 전에, 제1 채널(152a)로부터 챔버(101)로 배출되어야 한다. 2 개의 반경방향 아크들(150a, 150b)은 실질적으로 동일한 아크 길이를 가질 수 있고, 대칭 축(114a)의 대향 측들에 포지셔닝된다.
애퍼처들(156)은 워크피스가 받쳐질 워크피스 지지부(102)의 상단 표면(102a)에 의해 정의된 평면보다 약간 위에 포지셔닝될 수 있다. 프로세스 가스는 제1 반경방향 아크(150a)에 있는 애퍼처들(156a)로부터 나오고 제2 반경방향 아크(150b)에 있는 애퍼처들(156b)로 끌어당겨져서, 워크피스 지지부(102) 상의 워크피스(10)를 가로지르는 프로세스 가스의 교차-흐름이 생성된다.
마이크로파 안테나(114)는 도 1b 내지 도 4에서 상세하게 도시되며, 안테나 플로어(floor)(160), 안테나 천장(162), 및 플로어(160)와 천장(162) 사이에서 연장되는 한 쌍의 평행한 나선형 도파관 측벽들(164, 166)을 포함한다. 한 쌍의 평행한 나선형 도파관 측벽들(164, 166)은 한 쌍의 평행한 나선형 도파관 캐비티들(168, 169)을 형성한다. 예시된 실시예에서, 한 쌍의 평행한 나선형 도파관 캐비티들(168, 169)은 아르키메데스의 나선들을 형성하며, 여기서, 각각의 나선의 반경은 회전 각도에 따라 증가한다.
작은 슬롯들(175), 또는 안테나 플로어(160)를 통한 개구들은, 마이크로파 방사 포트들로서의 역할을 하며, 각각의 나선형 도파관 캐비티(168, 169)의 길이를 따라 주기적으로 이격된 위치들에 배치된다. 슬롯들(175)은 임의의 적절한 형상일 수 있고, 개구 크기를 가질 수 있는데, 일 실시예에서, 마이크로파 생성기(132)의 파장의 작은 분율(fraction)(예컨대, 10 분의 1 이하)을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 나선형 도관(168, 169)의 길이를 따른 이웃 슬롯들(175) 사이의 거리(S)는 마이크로파 소스(132)의 파장의 분율(예컨대, 약 1/2)이다. 마이크로파 에너지는 슬롯들(175)을 통해 챔버(100)에 방사된다.
천장(162)에 있는 한 쌍의 피드 개구들(180, 182)은 대칭 축(114a)의 대향 측들에 배치되며, 나선형 도파관 캐비티들(168, 169)의 개개의 주변(반경방향 외향) 개방 단부들(168a, 169a)에 피딩될 마이크로파 에너지를 위한 개개의 경로들을 제공한다. 주변 개방 단부들(168a, 169a)은 마이크로파 안테나(114)의 주변부를 따라 180도의 각도만큼 서로 변위된다. 마찬가지로, 한 쌍의 피드 개구들(180, 182)은 마이크로파 안테나(114)의 주변부를 따라 180도의 각도만큼 서로 변위된다.
도 3 및 도 4에서 도시된 분배기 도파관(200)은 천장(162) 위에 놓이고, 축방향 도파관(116)으로부터 한 쌍의 피드 개구들(180, 182)로 마이크로파 에너지를 분배한다. 분배기 도파관(200)은 천장(162) 위에 놓여 이 천장(162)을 향하는 도파관 상단(202), 및 이러한 도파관 상단(202)과 천장(162) 사이에서 연장되는 한 쌍의 경사(slanted) 단부 벽들(204, 206)을 포함한다. 한 쌍의 경사 단부 벽들(204, 206)은, 각각, 피드 개구들(180, 182)로 축방향으로 흐르도록, 분배기 도파관(200) 내에서 반경방향으로 흐르는 마이크로파 에너지를 반사한다. 피드 개구(180)와 정합된 제1 경사 반사기 표면(184)이 대칭 축(114a)에 대해 일정 각도(예컨대, 45 도)로 배치된다. 피드 개구(182)와 정합된 제2 경사 반사기 표면(186)이 대칭 축(114a)에 대해 일정 각도(예컨대, 45 도)로 배치된다. 제1 경사 반사기 표면(184) 및 제2 경사 반사기 표면(186)은, 각각, 나선형 도파관 캐비티들(168, 169)을 통해 방위각으로 흐르도록, 피드 개구들(180, 182)로부터 축방향으로 흐르는 마이크로파 에너지를 반사한다. 일 실시예에서, 파동 전파 방향을 따른 경사 표면들(184, 186, 204, 206) 각각의 길이는 마이크로파 생성기(132)의 1/4 파장이다. 경사 표면들(184, 186, 204, 206)은 반사성 표면들로 지칭될 수 있다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에서, 분배기 도파관(200)은 챔버(100)의 직경에 대응하는 길이(L)와 몇 인치의 폭(W)을 갖는다. 길이(L)를 따른 축방향의 평평한 측벽들(200-1, 200-2)이 분배기 도파관(200)의 내부를 에워싼다. 측벽들(200-1, 200-2)의 높이는 천장(162)과 도파관 상단(202) 사이의 거리에 대응한다. 일 실시예에서, 이 거리는 대략 1 인치 또는 수 인치일 수 있다. 선택적으로, 복수의 마이크로파 정합 동조기(stub tuner)들(300)이 분배기 도파관(200)의 길이를 따라 주기적인 위치들에 배치된다.
도 1b-도 4의 실시예들의 장점은, 슬롯들(175)의 주기적인 위치들에 대응하여 균일하게 분산된 간격들로 방사하기 위하여, 마이크로파 에너지가 각각의 나선형 도파관 캐비티(168, 169)의 길이들을 따라 균일하게 분산된다는 것이다. 추가적인 장점은, 한 쌍의 나선형 도파관 캐비티들(168, 169) 사이의 전력 분배가 복수의 정합 동조기들(300)의 조정에 의해 균형이 이루어질 수 있다는 것이다.
다이아몬드 또는
그래핀의
증착
플라즈마 반응기(100)는 탄소 화합물, 예컨대 탄소 동소체, 예컨대 다이아몬드 또는 그래핀의 증착을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 일 예에서, 워크피스(111)는 탄소 동소체의 막이 증착될, 패터닝된 유전체 층(예컨대, 실리콘 산화물)을 포함한다. 예컨대, 가능한 적용은, 비트라인들에서 텅스텐 층을 대체하기 위해 얇은 그래핀 층을 사용하는 것인데, 그 이유는 얇은 금속 층의 저항은 금속 두께가 떨어짐에 따라 상당히 증가하는 반면, 얇은 그래핀 층은 계속해서 높은 전기 이동성을 나타낼 수 있기 때문이다.
탄소 동소체의 증착을 위한 프로세스에서, 공급원료 가스가 프로세스 가스 분배기(140)에 의해 챔버(100)에 공급된다. 공급원료 가스는 적어도, 탄화수소 화합물, 예컨대 CH4, C2H2, C2H4 또는 C3H6 등을 포함한다.
불활성 가스, 예컨대 아르곤 또는 헬륨이 또한, 챔버(100)에 공급될 수 있다. 불활성 가스는 공급원료 가스를 희석하기 위해 사용될 수 있고; 이는 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 가스 공급부(146)는 20 mTorr 내지 20 Torr의 총 압력(공급원료 및 불활성 가스)을 설정할 수 있다. 불활성 가스 대 공급원료 가스의 비는 1:20 내지 20:1, 예컨대 20:1 내지 1:1의 범위일 수 있다.
불활성 가스는 챔버(100)에 전달되기 전에 공급원료 가스와 혼합될 수 있거나, 또는 불활성 가스는 별개의 노즐들에 의해 전달되어 챔버에서 혼합될 수 있다. 일부 구현들에서, 불활성 가스는 가스 분배 플레이트(142)를 통해 공급되고, 공급원료 가스는 가스 분배 링(150)을 통해 공급된다. 일부 구현들에서, 불활성 가스는 가스 분배 링(150)을 통해 공급되고, 공급원료 가스는 가스 분배 플레이트(142)를 통해 공급된다.
마이크로파 소스(132)는 915 MHz 내지 2.45 GHz의 주파수, 예컨대 2.45 GHz의 주파수로 마이크로파 전력을 공급한다. 마이크로파 소스(132)는 2 kW 내지 15 kW, 예컨대 15 kW의 연속 전력, 또는 8 kW 내지 50 kW, 예컨대 50 kW의 펄싱 전력을 인가할 수 있다. 펄싱 전력의 펄스들은 10 Hz 내지 2500 Hz의 주파수 및 10% 내지 100%, 예컨대 50%의 듀티 사이클을 갖는다.
적절한 주파수 및 전력에서의 마이크로파 전력의 인가는 챔버(100)에서 플라즈마를 점화시킬 것이다. 플라즈마의 단순한 존재는, 탄소 화합물의 층을 성장시키도록 워크피스 상에 증착될 수 있는 일부 탄소 이온들 및 라디칼들(뿐만 아니라 불활성 가스의 이온들 및 라디칼들)을 생성할 것이다. 마이크로파 플라즈마는 고밀도의 수소 라디칼들을 생성할 수 있으며, 이러한 고밀도의 수소 라디칼들은, 높은 백분율의 sp3 다이아몬드 상 성장을 돕도록, 느슨하게 연결된 탄화수소들 및 sp2 탄소를 에칭할 수 있다. 다이아몬드 성장을 위해, 다이아몬드 시드(seed)들이, 시드로부터의 성장을 촉진시키기 위해 증착 프로세스 전에 표면 상에 준비될 수 있다.
임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 마이크로파 플라즈마는 고밀도의 수소 라디칼들을 생성하며, 이러한 고밀도의 수소 라디칼들이 임의의 비정질 탄소 상 재료를 에칭하여서, 더 낮은 프로세스 온도에서 더 높은 품질의 탄소 동소체가 남겨질 수 있다.
이러한 증착 프로세스는 비교적 낮은 온도, 예컨대 25-800 ℃에서 워크피스에 대해 수행될 수 있다. 결과적으로, 워크피스(10)를 지지하는 페데스털(102)은 가열될 필요가 없다. 일부 구현들에서, 페데스털(102)은 예컨대 통로들(103c)을 통해 흐르는 냉각제에 의해 냉각된다. 일부 구현들에서, 냉각제 가스, 예컨대 헬륨이 워크피스(10)와 페데스털(102) 사이의 열 전달을 개선시키기 위해 페데스털(102)과 워크피스(10)의 후면 사이에서 흐를 수 있다. 워크피스(10)는, 예컨대 페데스털에 내장된 전극으로의 척킹 전압의 인가에 의해, 페데스털(102)에 정전기적으로 클램핑될 수 있다.
증착 프로세스는 예컨대 15-1800 초 동안 진행될 수 있다.
특정 구현들이 설명되었지만, 본 개시내용의 기본 범위를 벗어나지 않고, 다른 그리고 추가적인 구현들이 고안될 수 있다. 예컨대,
·
단일 워크피스 지지부가 아니라, 챔버(101)는 다수의 워크피스들이 동시에 프로세싱될 수 있도록 다수의 지지부들을 포함할 수 있다.
·
반응기가 가스 분배 플레이트를 포함하는 것으로서 설명되지만, 일부 구현들에서, 가스 분배 플레이트는 생략되고; 프로세스 가스는 가스 분배 링(150)을 통해서만 공급될 수 있다.
·
가스 분배 플레이트는, 천장에 통합되는 대신에, 별개의 샤워헤드로서 천장 아래에 매달릴 수 있다.
본 발명의 범위는 다음의 청구항들에 의해 결정된다.
Claims (15)
- 워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기로서,
유전체 윈도우를 갖는 챔버;
상기 챔버에 워크피스를 유지하기 위한 워크피스 지지부;
마이크로파 소스에 커플링되도록 구성된 고정 스테이지 및 회전 축을 갖는 회전가능 스테이지를 포함하는 회전식 커플링;
상기 챔버의 상기 유전체 윈도우 위에 놓인 마이크로파 안테나 ―상기 마이크로파 안테나는 상기 회전가능 스테이지에 커플링된 적어도 하나의 도관을 포함함―;
상기 마이크로파 안테나를 회전시키기 위한 회전식 액추에이터; 및
상기 워크피스 지지부를 둘러싸는 가스 분배 링을 포함하는 프로세스 가스 분배기
를 포함하고,
상기 가스 분배 링은 상기 챔버로부터 원형 도관을 분리하는 원통형 챔버 라이너 및 상기 도관을 상기 챔버에 연결하도록 상기 라이너를 통해 반경방향으로 연장되는 복수의 애퍼처들을 포함하는,
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 애퍼처들은 상기 원통형 챔버 라이너 주위에 등각 간격(uniform angular spacing)으로 분산되는,
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기. - 제1 항에 있어서,
상기 원형 도관은 상기 원통형 챔버 라이너 주위에 중단되지 않는 상태로 연장되는,
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기. - 제1 항에 있어서,
상기 원형 도관에 커플링된 진공 펌프를 포함하는,
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기. - 제4 항에 있어서,
상기 원형 도관은 프로세스 가스 공급부에 커플링된 제1 아크(arc), 상기 진공 펌프에 커플링된 제2 아크, 및 상기 제1 아크와 상기 제2 아크 사이의 직접 유체 흐름을 방지하는 장벽을 포함하는,
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기. - 제5 항에 있어서,
상기 제1 아크와 상기 제2 아크는 실질적으로 동일한 아크 길이를 갖는,
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 애퍼처들은 상기 워크피스 지지부의 상단 표면에 의해 정의된 평면 아래에 있도록 포지셔닝되는,
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기. - 제1 항에 있어서,
상기 챔버의 천장 상에 가스 분배 플레이트를 포함하는,
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기. - 제8 항에 있어서,
상기 유전체 윈도우는 상기 가스 분배 플레이트를 제공하는,
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기. - 제1 항에 있어서,
상기 가스 분배 링은 6 개 내지 100 개의 애퍼처들을 갖는,
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기. - 워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기로서,
유전체 윈도우를 갖는 챔버;
상기 챔버에 워크피스를 유지하기 위한 워크피스 지지부;
마이크로파 소스에 커플링되도록 구성된 고정 스테이지 및 회전 축을 갖는 회전가능 스테이지를 포함하는 회전식 커플링;
상기 챔버의 상기 유전체 윈도우 위에 놓인 마이크로파 안테나;
상기 마이크로파 안테나를 회전시키기 위한 회전식 액추에이터; 및
탄화수소 가스를 제공하기 위한 제1 가스 공급부;
불활성 가스를 제공하기 위한 제2 가스 공급부;
상기 탄화수소 가스 및 상기 불활성 가스를 상기 챔버에 전달하기 위한 가스 분배기;
상기 챔버를 진공배기하도록 상기 챔버에 커플링된 진공 펌프; 및
상기 워크피스 상에 탄소 동소체를 증착하기 위해 상기 마이크로파 소스, 상기 가스 분배기 및 상기 진공 펌프를 동작시키도록 구성된 제어기
를 포함하는,
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기. - 제11 항에 있어서,
상기 가스 분배기는 상기 워크피스 지지부를 둘러싸는 가스 분배 링을 포함하고, 상기 가스 분배 링은 상기 챔버로부터 원형 도관을 분리하는 원통형 챔버 라이너 및 상기 도관을 상기 챔버에 연결하도록 상기 라이너를 통해 반경방향으로 연장되는 복수의 애퍼처들을 포함하는,
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기. - 제11 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 제1 가스 공급부 및 상기 제2 가스 공급부로 하여금 20 mTorr 내지 20 Torr의 총 압력을 설정하게 하도록 구성되는,
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기. - 제11 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 제1 가스 공급부 및 상기 제2 가스 공급부로 하여금 0.05 내지 1의, 탄화수소 가스 대 불활성 가스의 상대 유량을 설정하게 하도록 구성되는,
워크피스를 프로세싱하기 위한 플라즈마 반응기. - 워크피스를 프로세싱하는 방법으로서,
챔버에서 워크피스 지지부 상에 워크피스를 배치하는 단계;
상기 챔버를 진공배기하는 단계;
상기 워크피스 지지부를 둘러싸는 가스 분배 링의 라이너를 통해 반경방향으로 연장되는 복수의 애퍼처들을 통해 탄화수소 가스를 공급하는 단계;
상기 챔버에 불활성 가스를 공급하는 단계; 및
상기 챔버에서 플라즈마를 생성하고 상기 워크피스 상에 탄소 동소체를 증착하기 위하여, 마이크로파 안테나를 회전시키면서, 상기 마이크로파 안테나로부터 유전체 윈도우를 통해 마이크로파 방사선을 적용하는 단계
를 포함하는,
워크피스를 프로세싱하는 방법.
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