KR20200105847A

KR20200105847A - 능동 온도 제어를 갖는 증착 처리 시스템 및 관련 방법

Info

Publication number: KR20200105847A
Application number: KR1020207020465A
Authority: KR
Inventors: 앵거스 맥페이든; 제이슨 라이트
Original assignee: 테크네틱스 그룹, 엘엘씨
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2020-09-09
Also published as: US20190185989A1; US20220259721A1; CN111511959A; TWI795492B; TW201936962A; EP3728686A4; IL275149A; WO2019126066A1; EP3728686A1; US11332821B2; SG11202005615TA; JP2021508775A; CN111511959B

Abstract

본 기술의 여러 실시예는 재료 또는 박막의 제조 중에 챔버 내의 기판의 온도를 능동적으로 제어하는 것에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 방법은 기판을 목표 범위 내의 온도를 갖도록 냉각 또는 가열하는 단계, 기판의 표면 위에 재료를 증착하는 단계, 및 재료가 증착되는 동안 기판의 온도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 기판의 온도를 제어하는 단계는 증착 프로세스 내내 기판의 온도를 목표 범위 내로 유지하기 위해 기판 위로 유체를 인도함으로써 기판으로부터 열에너지를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

능동 온도 제어를 갖는 증착 처리 시스템 및 관련 방법

본 개시내용은 능동 온도 제어를 갖는 증착 처리 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 챔버 부품 및 관련 시스템의 능동 온도 제어에 의한 증착 재료의 열응력 관리에 관한 것이다.

다양한 표면 상에 재료를 증착하는데 사용하기에 적합한 프로세스 챔버는 관련 기술분야에 주지되어 있다. 하나의 특정 예에서, 프로세스 챔버는 반도체 처리 시스템에 사용된다. 반도체 처리 시스템의 프로세스 챔버는 예를 들어 정전 척(electrostatic chuck: ESC), 챔버 실드, 샤워헤드, 및 반도체 재료(예를 들어, 박막)를 형성하는데 사용되는 유사하게 배치된 챔버 부품을 포함할 수 있다. 작동 중에, 개별 부품은 부식성 플라즈마 조건에 기인하는 극한 환경에 노출되어 침식될 수 있다. 이러한 조건에 노출된 챔버 부품을 보호하기 위해 내식성 코팅이 종종 사용된다. 작동 중에 발생된 고온 및 예를 들어 ESC와 그 위에 증착된 박막 사이의 열팽창계수(coefficient of thermal expansion: CTE) 불일치는 약간의 변형을 초래한다. 예를 들어, 박막 코팅의 개발 중에, 재료는 ESC 위에 증착되며, 증착된 재료와 관련된 열에너지는 ESC 및 기타 챔버 부품을 급속히 가열할 수 있다. 각각의 챔버 부품의 열 질량이 상이하면, 증착된 재료와 관련된 열에너지는 챔버 내에 CTE 불일치를 생성할 수 있고 이는 뒤틀림 및 변형을 초래할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 챔버 부품(20)(예를 들어, 고정 기판 또는 ESC) 및 피가공재(30)(예를 들어, 반도체 재료, 절연 재료, 박막 등)의 개략 단면도이며 CTE 불일치의 영향을 도시하기 위한 것이다. 도 1a는 부품(20)과 피가공재(30)가 오목한 형상으로 뒤틀린 후를 도시하며, 도 1b는 부품(20)과 피가공재(30)가 볼록한 형상으로 뒤틀린 후를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 1a 및 도 1b는 부품(20)에 의해 상정되는 오목한 또는 볼록한 형상이 결함을 초래할 수 있고 이 결함은 나중에 그 위에 형성된 피가공재(30)로 옮겨갈 수 있음을 도시한다.

CTE 불일치 문제를 완화시키기 위해 종래 사용되는 한 가지 방법은 챔버 부품을 프로세스 챔버의 가혹한 환경으로부터 보호하기 위해 열 코팅(예를 들어, 플라즈마 스프레이)으로 커버하는 것이었다. 그러나, 시간이 지남에 따라, 열 코팅 자체는 여전히 CTE 불일치(및/또는 열 불균일)에 노출될 수 있고, 박막의 변형, 박리 및 오염에 기인하는 입자 생성 및 생산 수율 저하를 초래할 수 있다. 입자 생성(및 오염) 문제는 반도체 부품 구조가 더 작아질 것이 지속적으로 요구됨에 따라 점점 더 일반적인 문제가 되었다. 따라서, 챔버 내의 부품의 CTE 불일치를 제한하기 위한 다른 접근법이 필요하다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 증착 처리 시스템의 챔버 부품의 개략 단면도이다.
도 2는 본 기술의 실시예에 따른 반도체 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 기술의 실시예에 따른 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 4는 본 기술의 실시예에 따른 실시예의 시뮬레이션을 나타내는 플롯이다.

하기 설명에서는, 본 기술의 실시예에 대한 철저하고 가능한 설명을 제공하기 위해 여러가지 특정 세부 사항이 논의된다. 그러나, 관련 기술분야의 통상의 기술자는 본 개시내용이 하나 이상의 특정 세부 사항 없이 실시될 수 있음을 알 것이다. 다른 예에서는, 본 기술의 다른 태양을 불명료하게 만들지 않기 위해, 반도체 장치와 흔히 관련된 주지의 구조 또는 동작은 도시되지 않거나 상세하게 설명되지 않는다. 일반적으로, 본 명세서에 개시된 특정 실시예에 추가적으로 다양한 다른 장치, 시스템 및 방법이 본 기술의 범위 내에 있을 수 있음을 알아야 한다.

전술했듯이, 증착 처리 시스템 내의 부품의 CTE 불일치를 제어할 필요가 있다. 따라서, 본 기술에 따른 시스템의 일부 실시예는 챔버 내의 부품 또는 기판(예를 들어, 고정 기판 또는 가동 기판)에 열에너지를 공급하거나 그로부터 열에너지를 제거하기 위한 가열/냉각 기구를 포함한다. 기판에 대한 온도 측정뿐 아니라 챔버의 온도 측정 및/또는 재료의 증착에 기초하여, 상기 기구는 기판의 온도를 목표 범위 내에서 유지되도록 조절하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 기구는 또한 재료의 증착 온도에 근접하도록 기판의 온도를 조절하기 위해 사용될 수 있다. 이들 실시예 각각에서는, 기판의 CTE 및 기판과 다른 챔버 부품(예를 들어, 박막) 사이의 CTE 차이가 제어될 수 있다. 이와 같이, 본 기술은 예를 들어 박막의 변형 및 오염을 감소시킴으로써 재료의 생산 수율을 증가시키는 능력을 제공한다.

도 2는 증착 처리 시스템(200)["시스템(200)"]의 개략도이다. 시스템(200)은 챔버(202), 기판(204), 상기 기판(204) 위에 증착 재료(208)를 증착하기 위한 증착 기구(206), 가열 및/또는 냉각 기구(210), 및 상기 기구(210)에 작동 가능하게 결합되는 컨트롤러(212)를 포함한다. 챔버(202)는 진공 하에서 및 대략 -30℃ 내지 대략 300℃ 범위의 온도 사이에서 작동할 수 있다. 기판(204)은 얇은 세라믹을 포함하는 재료로 형성된 정전 척(ESC)을 포함할 수 있으며, 5mm보다 두껍거나 대략 1mm 이하인 두께를 가질 수 있다. 기판(204)은 회전 가능한 지지체(207)를 거쳐서 챔버(202)의 하우징에 기계적으로 결합될 수 있다. 회전 가능한 지지체는 재료가 기판(204) 상에 증착되는 입사 각도를 형성하기 위해 기판(204)[및 그 위의 재료(208)]을 회전 및 조절하도록 작동 가능할 수 있다. 기판(204)은 그 위에 배치된 증착 재료(208)를 지지하기 위해 대체로 평탄한 외표면(205)을 포함한다. 증착 기구(206)는 증발 소스 재료 및 이온 소스와 같은, 박막을 증착하기 위해 보통 사용되는 다수의 장치를 포함할 수 있다. 증착 기구(206)는 관련 기술분야에서 일반적으로 사용되거나 공지된 다른 증착 기술 중에서 물리 기상 증착(PVD), 열 증발, 전자 빔 증발, 이온 빔 스퍼터링, 및 음극 아크를 수행할 수 있다. 증착 기구(206)는 또한 증기 플럭스 소스를 이온 빔 소스와 조합하는 이온 빔 지원 증착(ion beam assisted deposition: IBAD) 시스템을 포함할 수 있다. 증착 재료(208)는 이트륨 산화물(Y₂O₃), 이트륨 불화물(YF₃) 및/또는 이트륨 옥시불화물(YOF)뿐만 아니라, 관련 기술분야에서 일반적으로 사용되거나 공지된 다른 절연 또는 반도체 재료를 포함할 수 있다.

시스템(200)은 기판(204)의 온도를 측정하기 위한 제1 온도 측정 장치(220a), 챔버(202) 내부의 온도를 측정하기 위한 제2 온도 측정 장치(220b), 및 증착 장치(206)의 온도를 측정하기 위한 제3 온도 측정 장치(220c)를 포함하는 다수의 온도 측정 장치(220)[예를 들어, 열전쌍, 저항 온도 검출기(RTD), 광학 고온계 등]를 추가로 포함할 수 있다. 제3 온도 측정 장치(220c)는 예를 들어 재료가 챔버(202) 내에 또는 기판(204) 상에 증착되는 온도에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 재료가 증착되는 온도는 제2 및 제3 온도 측정 장치(220b, 220c)와 같은 복수 열전쌍의 조합에 기초하여 계산될 수 있다. 예를 들어, 재료가 증착되는 계산된 온도는 제2 및 제3 온도 측정 장치(220b, 220c)의 측정치 사이에 있는 가중 평균치일 수 있다. 컨트롤러(212)에 대한 설명을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명하듯이, 재료가 증착되는 온도는 기판(204)이 조절되는 온도를 결정하는데 사용될 수 있다. 온도 측정 장치(220a-220c)의 각각은 컨트롤러(212)에 작동적으로 결합되며 컨트롤러(212)에 대한 입력으로서 작용할 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는 온도 측정 장치(220a-220c) 각각이 (예를 들어, 중복성의 목적으로) 복수의 열전쌍에 대응할 수 있음을 이해할 것이다.

가열/냉각 기구(210)는 (a) 가열 요소, 적외선 램프, 또는 관련 기술분야에 공지된 다른 수단에 의해 기판을 목표 온도로 가열하거나 및/또는 (b) 기판(204)을 냉각(예를 들어, 기판으로부터 열에너지를 제거)하기 위한 유체를 제공하고 이후 그 유체(예를 들어, 제거된 열에너지를 갖는)를 기판(204)으로부터 수용하도록 구성되는 하나 이상의 열교환 장치를 포함할 수 있다. 기판(204)에 제공된 유체는 대류 수단(예를 들어, 냉각 팬), 냉각기, 냉매, 및 관련 기술분야에 공지된 다른 방법을 통해서 냉각될 수 있다. 대안적으로, 유체는 기판(204)을 가열(예를 들어, 기판에 열에너지를 추가)하기 위해 제공될 수도 있다. 일부 실시예에서, 기판(204)은 유체가 기판(204)으로부터 열에너지를 제거하기 위해 통과 유동할 수 있는 하나 이상의 채널을 포함한다. 다른 실시예에서, 유체는 기판(204)과 직접 접촉하는 플레이트 재료의 채널을 통해서 유동할 수 있으며, 따라서 유체는 플레이트 재료를 냉각시키고, 플레이트 재료는 이어서 전도에 의해 기판(204)을 냉각시킨다. 일부 실시예에서, 플레이트 또는 기판(204)을 통과하는 채널은 (a) 기판(204)의 상이한 영역 및 기판(204)의 표면에 대응하는 다수의 섹션, 및 (b) 상이한 섹션을 통한 유체의 유동을 제어하도록 작동 가능한 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 플레이트 또는 고정 기판을 통한 유체의 유동은 각각의 개별 섹션에 대한 목표 온도에 기초할 수 있다. 예를 들어, 필름의 상이한 섹션과 관련된 열응력을 조절하기 위해 부품은 제1 온도의 제1 섹션 및 제1 온도보다 높은 제2 온도의 제2 섹션을 갖는 것이 유익할 수 있다.

기구(210)는 기판(204)[또는 기판(204)의 섹션]의 온도를 목표 범위 내에서 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 기구(210)는 기판(204)의 온도를 대략 -30℃ 내지 대략 300℃, 대략 -10℃ 내지 대략 180℃, 또는 대략 20℃ 내지 약 150℃의 범위 내에 있도록 조절할 수 있다. 일부 실시예에서, 목표 범위는 기판(204) 위에 증착되는 재료(208), 및 최종 제품의 소망 품질에 기초할 수 있다. 예를 들어, 목표 범위는 재료(208)의 특정 열응력에 대응하는 증착 온도의 플러스 또는 마이너스 10℃일 수 있다. 일부 실시예에서, 목표 범위는 그 위에 재료(208)가 증착되는 외표면(205)이 증착 프로세스 중에 대체로 평탄하고 그 상태로 유지되도록 보장하기 위해 기판(204) 자체(예를 들어, 기판의 세라믹 재료)에 기초할 수 있다.

컨트롤러(212)(예를 들어, 제어 시스템)는 가열/냉각 기구(210)를 제어하고 그로 인해 기판(204)의 온도를 제어하기 위해 부분적으로 사용된다. 작동 시에, 컨트롤러(212)는 가열/냉각 기구(210)의 작동에 영향을 미치고 목표 범위 내에서 기판(204)의 소망 온도를 얻기 위해 입력[예를 들어, 온도 측정 장치(220a-220c)로부터의 측정치 및 목표 설정점 온도 및/또는 범위]을 수취한다. 보다 구체적으로, 목표 온도에 따라서, 컨트롤러(212)는 예를 들어, 기판(204)(또는 플레이트)으로 향하는 유체의 양 및/또는 유체의 유동을 제어하도록 작동 가능한 밸브의 작동을 제어할 수 있다. 컨트롤러(212)는 비례-적분-미분(PID) 제어를 사용하여 폐쇄 피드백 루프 시스템에 따라 작동할 수 있다. 컨트롤러(212)의 많은 실시예는 프로그래밍 가능한 컴퓨터에 의해 실행되는 루틴을 포함하는, 컴퓨터-실행 가능한 명령의 형태를 취할 수 있다. 컨트롤러(212)는 예를 들어, 감시 제어 및 데이터 취득(supervisory control and data acquisition: SCADA) 시스템, 분산 제어 시스템(distributed control systems: DCS), 프로그래머블 로직 컨트롤러(programmable logic controller: PLC), 제어 장치, 및 컴퓨터-실행 가능한 명령을 처리하도록 구성되는 프로세서의 조합을 추가로 포함할 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는 본 기술이 관련 기술분야에서 일반적으로 알려진 컴퓨터 시스템에서 실시될 수 있음을 알 것이다. 본 기술은 후술되는 컴퓨터-실행 가능한 명령 중 하나 이상을 수행하도록 구체적으로 프로그래밍, 구성 또는 구축된 전용 컴퓨터 또는 데이터 프로세서로 구체화될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 일반적으로 사용되는 용어 "컨트롤러"는 임의의 데이터 프로세서를 지칭할 수 있다.

본 기술의 하나의 이점은 기판의 온도 및 온도 변화 속도를 능동적으로 제어하는 능력이다. 따라서, 기판과 증착된 재료 사이의 CTE 불일치로 인해 열응력이 발생하기 쉬운 종래의 방법과 달리, 본 기술은 기판을 목표 온도 범위 내에 있도록 능동적으로 냉각 또는 가열함으로써 일체의 이러한 응력을 제어(예를 들어, 제한 또는 과장)하는 능력을 제공한다. 본 기술의 다른 이점은 기판의 온도뿐 아니라 온도 변화 속도를 다른 부품과 무관하게 변화시키는 능력이다. 따라서, 작동 시에, 본 기술은, 예를 들어 초기 가열 프로세스 중에 기판 외표면의 변형이 감소되거나 없도록 보장하기 위해 기판이 보다 느린 속도로 가열되게 할 수 있다. 본 기술의 또 다른 이점은 하나의 변수(즉, 기판의 온도)만 변경함으로써 기판과 그 위에 증착된 재료 사이의 CTE 불일치를 제어하는 능력이다. 예를 들어, 기판의 온도는 챔버와 관련된 다른 변수(예를 들어, 챔버 온도, 증착 재료, 증착 온도 등)와 무관하게 조절될 수 있기 때문에, 조작자는 다른 증착 태양과 관련된 조작을 변경할 필요가 없다.

도 3은 본 기술의 실시예에 따른 프로세스(300)를 도시하는 흐름도이다. 프로세스(300)는 일반적으로 증착 처리 시스템[예를 들어, 시스템(200)]의 챔버[예를 들어, 챔버(202)]) 내의 고정 부품[예를 들어, 기판(204)]의 온도를 제어하는 것과 관련된다. 프로세스 부분(302)은 기판을 목표 범위의 온도를 갖도록 가열 및/또는 냉각하는 것을 포함한다. 전술한 바와 같이, 기판을 가열하는 것은 가열 요소, 적외선 램프 및/또는 관련 기술분야에 공지된 다른 수단에 의해 이루어질 수 있다. 가열 단계는 기판의 온도를 증착이 발생할 것으로 예상되는 목표 범위 내의 온도로 상승시키기 위해 증착 전에 사용될 수 있다. 예를 들어, 증착이 120℃ 내지 150℃의 온도 범위 내에서 이루어질 것으로 예상되면, 기판은 증착 전에 이 범위 내의 온도로 가열될 수 있다. 기판을 냉각시키는 것은 도 2를 참조하여 전술했듯이 냉각 기구[예를 들어, 기구(210)]로부터의 유체를 기판으로 인도하고 이 유체를 통해서 열을 제거함으로써 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각 단계는 기판 가열 이후, 증착이 처음에 시작된 후, 및/또는 증착 프로세스 내내 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 냉각 단계는 제1 필름이 증착된 후 제2 필름이 증착되기 전에 수행될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 냉각 단계는 재료 또는 그 결과적인 박막의 기계적 특성을 제어하기 위해 동일한 필름[예를 들어 재료(208)]의 제1 층과 제2 층의 증착 사이에서 수행될 수 있다. 재료의 증착 전에 기판을 가열 및/또는 냉각시키는 것의 이점은 CTE에 의해 초래되는 기판의 변형이 발생하지 않도록 보장하기 위해 온도 상승 또는 저하 속도를 제어(예를 들어, 제한)하는 능력이다. 증착 전에 기판을 가열 및/또는 냉각시키는 것의 다른 이점은 일단 증착이 시작되면 기판이 증착으로 인한 급속한 온도 상승을 겪지 않는다는 것이다. 다시, 이것은 CTE에 의해 초래되는 기판의 기계적 손상이 발생하지 않도록 보장하는데 도움을 줄 수 있다.

프로세스 부분(304)은 기판의 표면 위에 재료를 증착하는 것을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 기판 상의 재료 증착은 기판이 목표 범위 내의 온도를 갖도록 냉각 또는 가열된 후에 이루어진다. 재료의 증착은 도 2를 참조하여 전술한 증착 방법 중 임의의 것, 또는 관련 기술분야에서 공지되거나 사용되는 다른 증착 방법을 사용하여 수행될 수 있다.

프로세스 부분(306)은 기판의 온도를 목표 범위 내에 있도록 제어하는 것을 포함한다. 기판 상의 재료 증착은 기판에 열에너지(예를 들어, 열)를 추가하는 것을 본질적으로 포함할 것이다. 따라서, 기판을 목표 범위 내의 온도로 유지하기 위해, 시스템은 재료가 증착되어 감에 따라 추가된 열을 제거할 필요가 있다. 도 2를 참조하여 이전에 개시된 바와 같이, 유체를 기판 쪽으로 이동시켜서 증착 프로세스에 의해 추가되는 열을 흡수함으로써 기판으로부터 열이 제거될 수 있다. 온도 제어는 온도를 모니터링하고 목표 범위 내로 유지하기 위해 컨트롤러[예를 들어, 컨트롤러(212)]를 사용하여 제어될 수 있다. 따라서, 프로세스(300)는 앞에서 개략 설명한 동작을 반복적으로 수행하는 제어 루프 피드백 기구(예를 들어, PID 제어)에 따라 작동할 수 있다.

도 4는 여러 실시예의 시뮬레이션을 도시한 플롯(400)이다. 플롯(400)은 온도(T_s) 또는 기판에 대응하는 y축, 및 시간에 대응하는 x축을 포함한다. 플롯(400)은 종래 기술의 실시예에 따른 시뮬레이션에 대응하는 제1 라인(402) 및 본 기술의 실시예에 따른 시뮬레이션에 대응하는 제2 라인(404)을 추가로 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 플롯(400)은 재료 증착이 시작되는 시간에 대응하는 제1 평면(A) 및 재료 증착이 종료되는 시간에 대응하는 제2 평면(B)을 추가로 포함한다. 먼저 종래 기술의 실시예에 따라 구성되는 라인(402)을 참조하면, 기판의 온도 프로파일은 실온에서 시작하고 평형 온도에 도달하기 전에 제1 속도로 증가한다. 평형 온도는 증착이 평면(B)에서 완료되거나 중지될 때까지 유지되며, 증착 완료 또는 중지 시점에서 T_s는 다시 떨어져 실온에 근접한다. 라인(402)으로 도시된 바와 같이, 기판의 온도는 증착을 통해서 챔버에 추가되는 열과 관련한 급격한 온도 상승, 및 증착을 통해서 추가되는 열의 중지와 관련된 급격한 온도 저하를 겪을 수 있다. 따라서, 기판은 이들 기간 동안에 특히 열응력을 받기 쉽다. 응력은 그 위에 증착되는 재료에 전달될 수 있으며, 특히 입자 오염, 박리 및 변형을 초래할 수 있다.

다음으로 본 기술의 실시예에 따라 구성되는 라인(404)을 참조하면, 기판의 온도 프로파일은 평면(A)에서의 증착 온도까지 안정적인 상승을 포함하며, 평면(A)에서의 증착 온도 시점에서 증착이 시작된다. 재료가 기판 상에 증착됨에 따라, 기판의 온도 프로파일은 증착이 평면(B)에서 완료되거나 중지될 때까지 대체로 안정적으로 유지된다. 그 후, 라인(404)의 온도 저하는 실온으로 안정적으로 복귀하도록 제어된다.

라인(402, 404)의 비교에 의해 나타나듯이, 본 기술은 종래 기술에 비해 많은 장점을 나타낸다. 예를 들어, 종래 기술이 증착 초기 단계 중의 급격한 온도 상승 및 증착 최종 단계 이후의 급격한 온도 저하를 포함할 수 있는 것과 달리, 본 기술에서의 대응 증착 단계는 제어되고 덜 극단적이다. 따라서, 본 기술은 오염, 박리 및 변형에 기인하는 생산 손실 가능성을 감소시킨다.

본 기술의 다른 이점은 대체로 균일한 온도(예를 들어, 10℃의 범위 내)에서 박막의 전체 증착을 수행하는 능력이다. 라인(402)에 의해 도시되어 있듯이, 기판이 그 평형 온도에 도달하기 전에 증착의 대략 1/3이 이루어진다. 라인(402)과 대조적으로, 라인(404)의 증착은 대략 균일한 온도에서 이루어지며, 따라서 보다 균일한 특성을 갖는 필름이 얻어진다. 본 기술의 이러한 이점은 코팅 프로세스의 주목할 만한 기간일 수 있는 증착 시작 시기에 훨씬 더 중요할 수 있다. 증착의 시작은 코팅과 기판 사이의 계면이 형성될 때이며 접착 및 다른 기계적 특성에 크게 영향을 미칠 수 있다. 증착이 시작되는 동안 제어된 및/또는 균일한 온도를 유지하는 능력은 보다 균일한 특성뿐만 아니라 개선된 접착 및 기계적 인성을 갖는 필름을 초래할 것이다.

본 기술의 또 다른 이점은 목표 CTE 값을 갖는 바람직한 온도에서 증착 온도를 제어하는 능력이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 라인(402)에서의 증착 도중의 기판 온도는 라인(404)에서의 증착 도중의 기판 온도보다 높으며, 이는 CTE 불일치를 제한하는 최적 온도를 구체화하는 것을 의미한다. 수학식 1에 나타나 있듯이, 필름에 대한 CTE와 관련된 열응력(σ_FILM)은 필름과 관련된 고유 응력(σ_INT) 및 필름의 증착과 관련된 CTE 응력(σ_CTE)의 조합에 부분적으로 기인한다. 본 기술에 따른 것과 같은 필름 용도의 경우에, 고유 응력은 증착 방법(예를 들어, IBAD, CVD, 스퍼터링, 증발, 음극 아크 등)에 부분적으로 기초할 수 있다. CTE 응력은 증착 온도와 기판의 사용 온도 사이의 차이에 기초할 수 있다. 보다 구체적으로, 수학식 2에 나타나 있듯이, CTE 응력은 필름의 탄성 계수(E _FILM ), 필름의 포아송 비(ν _FILM ), 차등 CTE 상수(Δα= α _FILM -α _SUBSTRATE ), 및 필름의 온도 변화(ΔT)에 기초한다. 일부 실시예에서, ΔT는 증착 온도와 베이스 기판의 온도 사이의 온도 차이에 해당된다.

따라서, 필름 재료가 증착되는 온도와 기판의 온도 사이의 임의의 차이를 감소시키는 것은 필름의 전체 열응력을 감소시킬 수 있다.

본 기술의 또 다른 이점은 (a) 기판의 온도와 CTE 불일치 및 (b) 각각의 필름과 관련된 이온 에너지를 독립적으로 제어하는 능력이다. 달리 말하면, 본 기술은 박막 제작자가 고유 응력 및 CTE 응력 중 하나 또는 둘 다를 변경함으로써 필름 응력을 제어할 수 있게 한다. 전술했듯이, 고유 응력은 기판 상에 필름을 증착하기 위해 사용되는 증착 방법(예를 들어, IBAD, CVD, 스퍼터링, 증발, 음극 아크 등)에 기초할 수 있다. 각각의 증착 방법은 그와 관련된 상이한 레벨의 이온 에너지를 가지며, 따라서 필름이 가질 상이한 레벨의 고유 응력을 초래한다. 예를 들어, 증발 방법을 사용하여 증착된 필름은 낮은 이온 에너지를 가질 수 있으며, 필름 내에서 보다 낮은 입자 밀도 및 보다 많은 공극을 초래하고, 따라서 보다 큰 인장 응력을 초래한다. 다른 예로서, 음극 아크 증착 방법을 사용하여 증착된 필름은 높은 이온 에너지를 가질 수 있으며, 보다 높은 입자 밀도 및 보다 적은 공극을 초래하고, 따라서 보다 큰 압축 응력을 초래한다. 인장 응력, 압축 응력 및 기타 응력은 필름이 사용되는 용도에 따라서 장점과 단점을 가질 수 있다. 예를 들어, 보다 높은 응력은 내마모성 또는 내식성과 같은 필름의 기계적 인성 특성을 향상시키는데 유익할 수 있다. 또한, 특정 층(예를 들어, 외층)만 기계적 인성 특성을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 본 기술은 특정 응력을 얻도록 조절될 수 있는 여러가지 변수를 제공한다. 예를 들어, 사용자는 기판의 온도, 이온-빔 에너지, 플럭스, 챔버 가스의 종류(예를 들어, 아르곤, 붕소, 질소 등), 입사각, 챔버 압력, 듀티 사이클, 기판 회전 및 기타 특성을 조절할 수 있으며, 이들은 모두 필름의 열응력을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 또한, 이들 변수는 서로 독립적으로 조절될 수 있기 때문에, 기판의 온도 및 증착 방법은 열응력의 영향을 과장하거나 최소화하기 위해 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 증착이 시작될 때, 이온-빔 에너지는 코팅/기판 계면에서의 충격 혼합을 통해서 접착을 촉진하기 위해 증가될 수 있다. 다른 예로서, 이온-빔 특성은, 결함 전파를 억제하고 입자 생성을 감소시키는 교호적인 고응력층 및 저응력층을 갖는 다층 필름 구조를 생성하도록 변조될 수 있다.

전술했듯이, 본 명세서에 기재된 능동 온도 제어를 갖는 증착 처리 시스템은 반도체 처리 시스템에서 사용하기에 매우 적합하다. 그러나, 본 명세서에 기재된 증착 처리 시스템은 많은 다른 상황에서 사용될 수 있으며 반도체 처리 시스템에서의 사용으로 제한되지 않는다. 일반적으로 말해서, 본 명세서에 기재된 증착 처리 시스템은 표면 상의 재료 증착이 요구되는 일체의 상황에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기재된 증착 시스템은 표면 상의 재료 증착이 요구되는 평탄 패널 제조 시스템에 사용하기에 적합하다.

본 개시내용은 포괄적이거나 또는 본 기술을 본 명세서에 개시된 정확한 형태로 제한하도록 의도된 것이 아니다. 특정 실시예가 예시적인 목적으로 본 명세서에 개시되었지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자라면 알 수 있듯이 본 기술을 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 등가의 수정예가 있을 수 있다. 일부 경우에, 본 기술의 실시예의 설명을 불필요하게 모호하게 만들지 않기 위해, 주지의 구조 및 기능은 상세하게 도시하거나 설명하지 않았다. 본 명세서에서는 방법의 여러 단계가 특정 순서로 제시될 수 있지만, 대체 실시예는 이들 단계를 다른 순서로 수행할 수 있다. 마찬가지로, 특정 실시예와 관련하여 개시된 본 기술의 특정 태양이 다른 실시예에서 조합되거나 제거될 수 있다. 또한, 본 기술의 특정 실시예와 관련된 장점이 이들 실시예와 관련하여 개시되었을 수도 있지만, 다른 실시예도 그러한 장점을 나타낼 수 있으며, 모든 실시예가 이러한 장점 또는 본 기술의 범위에 포함되는 것으로 본 명세서에 개시된 다른 장점을 반드시 나타낼 필요는 없다. 따라서, 본 개시내용 및 관련 기술은 본 명세서에 명시적으로 도시되거나 기재되지 않은 다른 실시예를 망라할 수 있으며, 본 발명은 첨부된 청구범위 이외의 것에 의해서는 제한되지 않는다.

본 개시내용 전체에 걸쳐서, 단수 용어인 관사 및 정관사는 문맥상 명백하게 달리 언급되지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다. 마찬가지로, "또는"이라는 단어가 두 개 이상 항목의 목록과 관련하여 다른 항목으로부터 배타적인 단일 항목만을 의미하는 것으로 명시적으로 제한되지 않는 한, 이러한 목록에서의 "또는"의 사용은 (a) 목록 내의 임의의 단일 항목, (b) 목록 내의 모든 항목, 또는 (c) 목록 내의 항목들의 임의의 조합을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, "포함하는(comprising)", "포함하는(including)" 및 "갖는"이라는 용어는 더 많은 개수의 동일한 특징부 및/또는 추가 형태의 다른 특징부가 배제되지 않도록 적어도 언급된 특징부를 포함함을 의미하는 것으로 내내 사용된다. 본 명세서에서 "일 실시예", "실시예" 또는 유사한 표현에 대한 언급은 실시예와 관련하여 기재된 특정한 특징부, 구조, 작동 또는 특성이 본 기술의 하나 이상의 실시예에 포함될 수 있음을 의미한다. 따라서, 본 명세서에서 이러한 문구 또는 표현의 출현이 반드시 모두 동일한 실시예를 언급하는 것은 아니다. 또한, 다양한 특정한 특징부, 구조, 동작 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.

Claims

챔버 처리 시스템 내의 기판의 온도를 제어하기 위한 방법이며,
기판의 표면 위에 재료를 증착하는 단계, 및
재료의 적어도 일부를 증착하는 동안 기판의 온도를 목표 범위 내에 있도록 제어하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 재료를 증착하기 전에, 가열 장치에 의해 기판을 목표 범위 내의 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함하며,
기판의 온도를 목표 범위 내에 있도록 제어하는 단계는 유체를 기판 위에서 이동시켜 그로부터 열에너지를 제거함으로써 기판의 온도를 목표 범위 내에 있도록 유지하는 단계를 포함하는 방법.
제2항에 있어서, 유체를 기판 위에서 이동시키는 단계는 유체를 적어도 부분적으로 기판의 채널을 통해서 이동시키는 단계를 포함하고, 기판에서 유체로 열이 전달되는 방법.
제2항에 있어서, 유체를 기판 위에서 이동시키는 단계는 유체를 적어도 부분적으로 기판과 직접 접촉하는 플레이트를 통해서 이동시키는 단계를 포함하고, 기판에서 플레이트로 열이 전달되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 목표 범위는 (a) 대략 -30℃ 내지 대략 300℃이며 (b) 증착되는 재료에 부분적으로 기초하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 재료를 증착하는 단계는 증착 장치에 의해 이온 보조 빔 증착을 사용하여 박막을 증착하는 단계를 포함하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 박막은 대략 40 나노미터 이하의 두께를 갖는 방법.
제6항에 있어서, 상기 박막은 약 100 옹스트롬 내지 약 25 미크론의 두께를 갖는 방법.
제1항에 있어서, 상기 목표 범위는 증착되는 재료에 기초하며, 상기 재료는 이트륨 산화물(Y₂O₃), 이트륨 불화물(YF₃) 및/또는 이트륨 옥시불화물(YOF)을 포함하는 방법.
반도체 처리 시스템이며,
대체로 평탄한 표면을 갖는 기판을 갖는 챔버로서, 기판은 온도를 갖는, 챔버;
기판의 대체로 평탄한 표면 상에 재료를 증착하도록 구성되는 증착 장치; 및
기판과 열 접촉하는 기구로서, 재료가 증착되는 동안 기판의 온도를 능동적으로 제어하도록 구성되는 기구를 포함하는 반도체 처리 시스템.
제10항에 있어서, 상기 기구는 기판과 열 접촉하는 채널을 포함하며, 상기 채널은 기판으로부터 열에너지를 제거하기 위해 내부에 유체를 갖는 반도체 처리 시스템.
제11항에 있어서, 상기 기구에 전기적으로 결합되고 상기 채널을 통한 유체의 유동을 제어하도록 구성되는 컨트롤러;
기판과 관련된 온도를 측정하고 컨트롤러에 작동적으로 결합되는 제1 열 측정 요소;
증착 장치와 관련된 온도를 측정하고 컨트롤러에 작동적으로 결합되는 제2 열 측정 요소; 및
챔버와 관련된 온도를 측정하고 컨트롤러에 작동적으로 결합되는 제3 열 측정 요소를 추가로 포함하며;
상기 컨트롤러는 제2 또는 제3 온도에 기초한 온도 범위 내에서 기판의 온도를 제어하도록 구성되는 반도체 처리 시스템.
제12항에 있어서, 상기 온도 범위는 대략 -30℃에서 대략 300℃까지 변화하는 반도체 처리 시스템.
제12항에 있어서, 상기 온도 범위는 대략 120℃에서 대략 180℃까지 변화하는 반도체 처리 시스템.
제10항에 있어서, 상기 증착 장치는 이온 빔 증착 장치를 포함하는 반도체 처리 시스템.
박막을 제조하는 방법이며,
챔버, 챔버 내의 기판, 및 기판 상에 재료를 증착하기 위한 증착 장치를 제공하는 단계;
기판 상의 재료 증착과 관련된 제1 온도를 측정하는 단계;
기판이 목표 범위 내의 제2 온도를 능동적으로 갖거나 유지하게 하는 단계를 포함하고,
상기 목표 범위는 제1 온도 또는 재료 중 적어도 하나에 부분적으로 기초하는 박막 제조 방법.
제16항에 있어서, 상기 기판이 제2 온도를 능동적으로 갖거나 유지하게 하는 단계는 기판 상에 재료의 적어도 일부를 증착하는 동안 기판이 제2 온도를 능동적으로 갖거나 유지하게 하는 단계를 포함하는 박막 제조 방법.
제17항에 있어서, 상기 재료는 제1 온도에서 제1 열응력을 갖고 제2 온도에서 제2 열응력을 가지며, 제2 열응력은 제1 열응력보다 작은 박막 제조 방법.
제16항에 있어서, 능동적으로 냉각하는 단계는 냉각 유체를 통해서 기판으로부터 열을 제거하는 단계를 포함하며, 열의 적어도 일부는 재료의 증착을 통해서 기판에 도입되는 박막 제조 방법.
제19항에 있어서, 능동적으로 냉각하는 단계는 기판으로부터 열을 제거하기 전에 기판을 대략 제2 온도로 능동적으로 가열하는 단계를 추가로 포함하는 박막 제조 방법.
제20항에 있어서, 증착이 완료된 후, 기판이 냉각되는 속도를 제한하는 단계를 추가로 포함하는 박막 제조 방법.