KR20210111874A - 프로세싱 챔버를 위한 냉각 시스템 - Google Patents

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트래비스 벤츠
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Abstract

장치가 제공된다. 장치는 프로세싱 챔버를 포함한다. 기판 지지부가 프로세싱 챔버 내에 있고, 기판 지지부는 기판과 열적으로 콘택트한다. 냉각 시스템이 기판 지지부를 냉각한다. 냉각 시스템은 제 1 냉장 시스템을 포함한다. 제 1 냉장 시스템은, 냉각 시스템 외부의 제 1 냉매 소스로부터 제 1 냉매를 수용하기 위한 제 1 냉매 유입구―제 1 냉매는 제 1 압력으로 존재함―, 제 1 쓰로틀―제 1 쓰로틀은 제 1 냉매의 제어된 팽창을 허용하고, 제 1 냉매의 팽창은 제 1 냉매를 냉각함―, 열을 흡수하고 열을 냉각된 제 1 냉매로 전달하기 위한 제 1 열 전달 시스템, 및 제 1 냉장 시스템으로부터 제 1 냉매를 제 1 냉장 시스템으로부터 멀어지게 제 2 압력으로 지향시키기 위한 제 1 냉매 리턴부를 포함한다.

Description

프로세싱 챔버를 위한 냉각 시스템
본 개시는 반도체 웨이퍼 상에 반도체 디바이스들을 형성하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 플라즈마 또는 비플라즈마 프로세싱 반도체 디바이스들을 위한 시스템들에 관한 것이다.
반도체 디바이스들을 형성할 때, 스택들은 플라즈마 프로세싱 챔버에서 프로세싱된다. 이러한 프로세스들은 초저온 (ultralow temperature) 또는 극저온 (cryogenic temperature) 을 필요로 할 수도 있다.
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2019년 1월 31일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 62/799,597 호의 우선권의 이익을 주장하고, 이는 모든 목적들을 위해 참조로서 본 명세서에 인용된다.
본 개시의 목적에 따라 그리고 전술한 것을 달성하기 위해, 일 장치가 제공된다. 장치는 프로세싱 챔버를 포함한다. 기판 지지부가 프로세싱 챔버 내에 있고, 기판 지지부는 기판과의 열적 콘택트를 위한 것이다. 냉각 시스템이 기판 지지부를 냉각한다. 냉각 시스템은 제 1 냉장 (refrigeration) 시스템을 포함한다. 제 1 냉장 시스템은, 냉각 시스템 외부의 제 1 냉매 소스로부터 제 1 냉매를 수용하기 위한 제 1 냉매 유입구―제 1 냉매는 제 1 압력으로 존재함―, 제 1 쓰로틀―제 1 쓰로틀은 제 1 냉매의 제어된 팽창을 허용하고, 제 1 냉매의 팽창은 제 1 냉매를 냉각함―, 열을 흡수하고 열을 냉각된 제 1 냉매로 전달하기 위한 제 1 열 전달 시스템, 및 제 1 냉장 시스템으로부터 제 1 냉매를 제 1 냉장 시스템으로부터 멀어지게 제 2 압력으로 지향시키기 위한 제 1 냉매 리턴부를 포함한다.
또 다른 현상에서, 프로세싱 챔버 및 프로세스 모듈을 위한 지지 서브시스템들을 포함하는, 기판을 프로세싱하기 위한 장치가 제공된다. 기판 지지부가 프로세싱 챔버 내에 있다. 냉각 시스템이 적어도 20 ㎾의 냉각을 제공하고, 냉각 시스템은 프로세싱 챔버 또는 프로세싱 모듈의 풋프린트 (footprint) 보다 작거나 같은 치수들을 갖는 풋프린트를 갖는다.
또 다른 현상에서, 기판을 프로세싱하기 위한 장치가 프로세싱 챔버, 및 프로세스 모듈을 위한 지지 서브시스템들을 포함한다. 기판 지지부가 프로세싱 챔버 내에 있고, 기판 지지부는 다양한 컴포넌트들, 층들, 및 코팅들을 포함한다. 프로세스 모듈은 또한 프로세스가 발생하기 위해 필요한 프로세스 챔버에 또는 프로세스 챔버에 매우 근접하게 장착된 다른 인접한 서브시스템들을 포함한다. 이는 전력 박스들, RF 생성기들, 가스 박스들, 펌프들, 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 냉각 시스템이 일 온도 설정점으로부터 또 다른 온도 설정점으로 스위칭할 때, 특히 일 채널로부터 또 다른 채널로 냉각제 소스를 신속하게 스위칭할 때 발생하는 온도 변화들로 인해 기판 지지부에 손상 또는 열화가 발생하지 않도록, 기판 지지부를 냉각한다.
또 다른 현상에서, 기판을 프로세싱하기 위한 장치가 프로세싱 챔버, 및 프로세스 모듈을 위한 지지 서브시스템들을 포함한다. 기판 지지부가 프로세싱 챔버 내에 있다. 냉각 시스템이 기판 지지부를 냉각한다. 냉각 시스템은 이산화탄소 (CO2) 를 포함하는 제 1 냉매를 갖는 제 1 냉장 시스템을 포함한다. 냉각 시스템은, 제 1 냉매를 제 1 압력으로 압축하기 위한 제 1 압축기, 압축된 제 1 냉매로부터 열을 전달하기 위한 제 1 열 전달 디바이스, 제 1 쓰로틀―제 1 쓰로틀은 제 1 냉매의 제어된 팽창을 허용하고, 제 1 냉매의 팽창은 제 1 냉매를 냉각시킴―, 및 기판 지지부 내의 적어도 하나의 채널―제 1 냉매는 적어도 하나의 채널을 통해 흐름―을 포함한다.
본 개시의 이들 및 다른 특징들은 본 개시의 상세한 기술 (description) 및 이하의 도면들과 함께 아래에 보다 상세하게 기술될 것이다.
본 개시는 유사한 참조 번호들이 유사한 엘리먼트들을 참조하는 첨부된 도면들의 도면들에, 제한이 아니라 예로서 예시된다.
도 1은 일 실시 예의 냉각 시스템의 개략도이다.
도 2는 일 실시 예의 온도 제어 시스템의 개략도이다.
도 3은 일 실시 예의 프로세싱 툴의 개략도이다.
도 4는 또 다른 실시 예의 또 다른 냉각 시스템의 개략도이다.
본 개시는 첨부한 도면들에 예시된 바와 같이 개시의 일부 바람직한 실시 예들을 참조하여 이제 상세히 기술될 것이다. 이하의 기술에서, 본 개시의 완전한 이해를 제공하기 위해 수많은 구체적 상세들이 제시된다. 그러나, 본 개시가 이들 구체적인 상세들의 일부 또는 전부 없이 실시될 수도 있다는 것이 당업자들에게 명백할 것이다. 다른 예들에서, 공지된 프로세스 단계들 및/또는 구조체들은 본 개시를 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 상세히 기술되지 않았다.
반도체 디바이스 제조에서, 플라즈마가 플라즈마 강화된 증착에서와 같이 다양한 층들을 에칭하거나 층들을 증착하기 위해 사용될 수도 있다. 이러한 플라즈마 프로세싱 동안, 기판이 냉각되어야 할 수도 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 냉각을 위한 요건들은 -75 ℃ 이하의 온도 및 -70 ℃ 이하의 액체 냉각제 온도로 냉매를 제공하는 것이 필요할 수도 있다. 이러한 냉각 시스템들은 또한 고 냉각 용량들을 필요로 한다. 일부 시스템들은 -135 ℃ 이하의 온도로 냉매를 제공하는 것을 요구할 수도 있다. 플라즈마 프로세싱 시스템들에서, 냉장 (refrigeration) 시스템들은 통상적으로 플라즈마 프로세싱 시스템 위 또는 아래 층의 서브팹 (subfab) 에 위치되고, 냉장 시스템의 풋프린트 (footprint) 가 프로세스 모듈로 또한 지칭되는 플라즈마 프로세싱 시스템의 풋프린트 내에 피팅해야 (fit) 하도록, 플라즈마 프로세싱 시스템에 의해 제공된 공간 요건들 내에 피팅해야 한다. 표준 SEMI E:72는 프로세스 모듈의 크기에 대한 산업 표준들을 제공한다. 대안적으로, -80 ℃, -90 ℃, -100 ℃, -110 ℃, -120 ℃, -130 ℃, -150 ℃, -160 ℃ 및 -180 ℃만큼 낮은 냉매 온도들이 또한 유리할 것으로 예상된다.
도 1은 플라즈마 프로세싱 툴을 위한 냉각 시스템 (100) 의 실시 예의 개략도이다. 냉각 시스템 (100) 은 제조 설비 (108) 로부터 응결된 또는 초임계 제 1 냉매를 사용한다. 제조 설비 (108) 는 제 1 냉매를 압축하는 설비 압축기 (112) 를 갖는다. 이 예에서, 냉매는 CO2이다. CO2는 650 psi (pounds per square inch) (4x106 파스칼 (Pa)) 이상의 압력으로 압축된다. 압축된 CO2는 냉각기 (116) 에서 CO2가 응결되는 온도로 냉각된다. 650 psi 내지 1000 psi에서 CO2는 10 ℃ 내지 30 ℃의 온도들에서 액체이다. 냉각 시스템 (100) 은 고단 (high stage) (120) 및 저단 (low stage) (124) 을 갖는 캐스케이드 냉각 시스템이다. 고단 (120) 은 유입구 (128), 제 1 쓰로틀 (throttle) (132), 제 1 열 전달 시스템 (136), 및 냉매 리턴부 (140) 를 포함하는 냉장 시스템이다. 유입구 (128) 는 제조 설비 (108) 로부터 응결된 제 1 냉매를 수용한다. 제 1 쓰로틀 (132) 은 제 1 냉매의 제어된 팽창을 제공한다. CO2 냉매에 대해, 제 1 쓰로틀은 100 psi (7x105 Pa) 미만이고 CO2의 삼중점 (triple point) 이상의 압력을 제공한다. 대안적인 실시 예들에서, 제 1 쓰로틀은 100 psi (7x105 Pa), 300 psi (21x105 Pa), 500 psi (35x105 Pa) 중 하나보다 큰 압력으로 CO2 압력을 하강시킨다. 제 1 냉매의 제어된 팽창은 제 1 냉매로 하여금 냉각되게 한다. 제 1 쓰로틀 (132) 은 팽창된 제 1 냉매의 온도를 제어하는 것을 돕는다. 제 1 열 전달 시스템 (136) 은 열을 흡수한다. 흡수된 열은 제 1 냉매의 온도를 상승시킨다. 이어서 제 1 냉매는 냉매 리턴부 (140) 를 통해 제조 설비 (108) 로 다시 벤팅된다 (vent).
저단 (124) 은 저단 압축기 (144), 저단 열 출력 열 교환기 (148), 저단 쓰로틀 (152), 및 저단 열 흡수 열 교환기 (156) 를 포함한다. 저단 압축기 (144) 는 제 2 냉매를 압축한다. 제 2 냉매는 제 1 냉매와 동일한 종류의 냉매일 수도 있고 또는 상이한 냉매일 수도 있다. 이 예에서, 제 2 냉매는 -10 ℃ 내지 -100 ℃의 기준 비등점 (normal boiling point) 을 갖는다. 바람직하게 냉매는 하이드로플루오로카본 (HFC) (예를 들어, R-134a, R-32, 또는 R-23), 플루오로카본 (FC) (예를 들어, R-218, R-116, 또는 R-14), 하이드로플루오로올레핀 (HFO) (예를 들어, R-1234yf 또는 R-1234ze), 또는 이들 화합물들의 유형들을 포함하는 상이한 분자들의 혼합물로 구성된다. 대안적으로, 하이드로카본들 (HC들) (예를 들어, n-부탄, 이소-부탄, 프로판, 또는 에탄) 이 사용될 수도 있다. 그러나 바람직하게, 발생되는 혼합물은 불연성이고, 낮은 지구 온난화 지수 (Global Warming Potential; GWP) 를 갖는다. 제논 또는 크립톤을 단독으로 또는 혼합물로 사용하는 것은 또한 -100 ℃ 이하의 온도들을 달성할 가능성이 있다. 저단 압축기 (144) 는 제 2 냉매를 100 psi (689 kiloPa) 이상의 압력으로 압축한다. 저단 열 출력 열 교환기 (148) 는 제 2 냉매로부터 제 1 냉매로 열을 전달한다. 열 교환은 제 2 냉매를 냉각한다. 제 2 냉매가 응결된다. 저단 쓰로틀 (152) 은 제 2 냉매의 제어된 팽창을 제공한다. 제 2 냉매의 제어된 팽창은 제 2 냉매로 하여금 냉각되게 한다. 저단 쓰로틀 (152) 은 팽창된 제 2 냉매의 온도를 제어하는 것을 돕는다. 저단 열 흡수 열 교환기 (156) 는 열을 흡수한다. 이 예에서, 저단 열 흡수 열 교환기 (156) 는 정전 척 (electrostatic chuck; ESC) (160) 으로부터 열을 흡수한다. 툴 냉각 시스템 (164) 또는 다른 열 전달 장치가 저단 열 흡수 열 교환기 (156) 와 ESC (160) 사이에 배치될 수도 있다. 이 실시 예에서, 냉각제 열 교환기 (168) 가 저단 열 흡수 열 교환기 (156) 에 인접하게 배치된다. 냉각제 열 교환기 (168) 와 ESC (160) 사이에서 냉각제가 순환된다. 종래의 -40 ℃ 이하의 액체 냉각제들의 사용은 본 개시에 기술된 매우 낮은 온도들에서 발생될 수 있는 매우 높은 점도들로 인해 어려울 수 있다. 부가적인 실시 예들에서, 400 psi, 1500 psi, 15,000 psi, 또는 150,000 psi의 압력들의, 초고압의 가스가 효과적인 열 전달을 이행하고 통상적인 액체 냉각제들과 연관된 고점도 문제들을 방지하기 위해, 액체 냉각제들 대신 ESC (160) 의 온도를 조절하도록 재순환된다. 헬륨, 네온, 질소, 아르곤, 크립톤 및 제논과 같은 가스들은 이 실시 예를 위한 예시적인 가스들이다. 재순환된 액체 냉각제, 또는 초고압 가스의 예에서, 툴 냉각 시스템 (164) 에 도시된 루프의 유체를 강제하기 위해 원동기 (prime mover) (명확성을 위해 미도시) 가 필요하다. 대안적으로, 이로 제한되는 것은 아니지만, 전도성 엘리먼트, 초전도 엘리먼트, 열 파이프, 또는 ESC (160) 로부터의 액체 유체가 끓고, 저단 열 흡수 열 교환기 (156) 에서 응결되고 중력 또는 액체 펌프에 의해 ESC (160) 로 다시 피딩되는 (fed), 열 사이펀 (thermo-siphon) 으로 공지된 보다 덜 제한된 버전의 열 파이프와 같은 다른 열 전달 수단이 가능하다.
툴 냉각 시스템 (164) 은 저단 (124), 유입구 (128) 와 제 1 쓰로틀 (132), 제 1 열 전달 시스템 (136), 및 고단 (120) 의 냉매 리턴부 (140) 를 포함한다. 툴 냉각 시스템 (164) 이 설비 압축기 (112) 및 냉각기 (116) 를 포함하지 않고 사용하기 때문에, 툴 냉각 시스템 (164) 의 볼륨 및 풋프린트가 최소화될 수도 있다. 그 결과, 툴 냉각 시스템 (164) 은 툴 내의 할당된 공간 내에 피팅될 수 있다.
일 실시 예에서, 툴 냉각 시스템 (164) 은 2000 ㎜ 이하의 높이를 갖는 584 ㎜ x 1435 ㎜의 풋프린트에 피팅될 수 있다. 이 실시 예는 -70 ℃ 이하의 온도의 냉각제에서 적어도 11 ㎾의 냉각을 ESC (160) 에 제공할 수 있다. 이 실시 예에서, ESC (160) 는 기판 지지부이다. 실시 예는 적어도 분 당 7 리터의 최소 냉각제 플로우 레이트를 가질 수 있다. 실시 예는 1 ℃의 정확도로 냉각제의 온도 제어를 제공할 수 있다.
도 2는 또 다른 실시 예의 개략적인 예시이다. 툴 온도 제어 시스템 (200) 이 툴 냉각 시스템 (164), 툴 가열 시스템 (204), 및 상단 플레이트 채널 (208) 을 포함할 수도 있다. 툴 온도 제어 시스템 (200) 은 단일 챔버, 또는 프로세스 모듈 (Process Module; PM) 에 대해 584 ㎜ x 1435 ㎜의 할당된 풋프린트 또는 0.79 ㎡의 할당된 풋프린트에 피팅될 수 있다. 대안적인 실시 예에서, 툴 온도 제어 시스템 (200) 은 단일 챔버, 또는 프로세스 모듈 (PM) 에 대해 2000 ㎜ 이하의 높이를 갖는 584 ㎜ x 1435 ㎜의 할당된 풋프린트 또는 0.79 ㎡의 할당된 풋프린트에 피팅될 수 있다. 일부 경우들에서, 복수의 PM들을 위한 냉각 장치 (chiller) 솔루션들이 결합된다. 이들 예들에서, 냉각 장치 풋프린트는 냉각 장치에 의해 서비스되는 PM들의 수에 기초하여 증가된다. 따라서 예로서, 2 개의 PM을 제공하는 냉각 장치의 냉각 장치 풋프린트는 단일 PM 솔루션보다 2 배만큼 커질 것이다 (예: 1168 ㎜ x 1435 ㎜). 다양한 실시 예들에서, 툴 냉각 시스템 (164) 의 풋프린트는 툴 냉각 시스템 (164) 에 대해 할당된 풋프린트의 110 ％, 90 ％, 80 ％, 또는 70 ％ 중 하나보다 작다. 이 실시 예에서, 툴 냉각 시스템 (164) 은 -70 ℃ 내지 20 ℃의 온도 범위의 냉각제에서 적어도 11 ㎾의 냉각을 제공할 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 툴 냉각 시스템 (164) 은 -90 ℃ 내지 40 ℃의 온도 범위의 냉각제를 ESC에 제공할 수 있다. 툴 가열 시스템 (204) 은 -10 ℃ 내지 80 ℃의 온도 범위의 적어도 8 ㎾의 가열을 제공할 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 툴 가열 시스템 (204) 은 -40 ℃ 내지 80 ℃의 온도 범위의 냉각제를 ESC (160) 에 제공할 수 있다. 상단 플레이트 채널 (208) 은 10 ℃ 내지 55 ℃의 온도 범위를 제공할 수 있다. 상단 플레이트 채널 (208) 은 상단 플레이트 (216) 에 온도 제어를 제공한다. 툴 냉각 시스템 (164) 은 밸브 매니폴드 (220) 로의 저온 루프 (cold loop) 를 제공한다. 툴 가열 시스템 (204) 은 밸브 매니폴드 (220) 로의 고온 루프 (hot loop) 를 제공한다. 밸브 매니폴드 (220) 는 ESC (160) 로의 온도 제어 루프를 제공한다. 실시 예는 적어도 분 당 7 리터의 냉각제 플로우 레이트를 가질 수 있다. 대안적인 실시 예에서, 유출구 냉각제 온도가 최소로 유지되도록 적어도 분 당 17 리터, 분 당 25 리터 또는 분 당 35 리터의 냉각제 플로우 레이트들이 제공된다. 실시 예는 1 ℃의 정확도로 냉각제의 온도 제어를 제공할 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 온도 제어 시스템 (200) 은 -80 ℃ 내지 40 ℃ 범위의 온도들을 제공할 수도 있다. 다른 실시 예들에서, 온도 제어 시스템 (200) 은 -40 ℃ 내지 100 ℃ 범위의 온도들을 제공한다. 다른 실시 예들에서, 온도 제어 시스템 (200) 은 -90 ℃ 내지 100 ℃ 범위의 온도들을 제공한다. 다른 실시 예들에서, 온도 제어 범위는 -60 ℃ 내지 160 ℃, -70 ℃ 내지 160 ℃, -90 ℃ 내지 120 ℃, -90 ℃ 내지 140 ℃ 또는 -100 ℃ 내지 160 ℃이다.
이 실시 예는 3 채널 시스템을 제공한다. 3 채널 시스템에서, 채널 각각은 명시된 온도 제어 범위를 갖는다. 도 2에 도시된 3 채널 시스템에서, ESC (160) 는 채널 1을 사용함으로써 냉각될 수 있다. 채널 1은 채널 2를 사용함으로써 툴 냉각 시스템 (164) 과 열 교환되는 냉각제를 순환시킨다. 채널 2는 툴 가열 시스템 (204) 과 열 교환기 내에 있는 냉각제를 순환시킨다. 일 실시 예에서, 일 채널만이 주어진 시간에 ESC (160) 로 플로우를 순환시킨다. 다른 채널은 ESC (160) 로 지향되지 않고 재순환된다. 밸브 매니폴드 (220) 는 이들 냉각제 스트림들 중 어느 것이 ESC (160) 로 전달되는지를 선택한다.
대안적인 실시 예에서, 밸브 매니폴드 (220) 는 채널 1 및 채널 2로부터 냉각제를 선택적으로 혼합할 수 있고 이들 스트림의 전부 또는 일부를 ESC (160) 로 전달할 수 있고, 그리고 툴 냉각 시스템 (164) 및 툴 가열 시스템 (204) 으로 다시 흐르는 채널 1 및 채널 2의 일부 또는 전부를 선택적으로 우회시킬 수 있다. 실제 필요에 앞서 ESC (160) 를 사전 조정하기 위해 시간 오프셋을 사용하는 것, 또는 과도한 열적 응력으로부터 ESC (160) 를 보호하기 위해 또는 목표된 프로세스 프로파일을 달성하기 위해 시간이 흐름에 따라 툴 냉각 시스템 (164) 또는 툴 가열 시스템 (204) 의 설정점들을 변화시키는 것을 포함하는, 부가적인 변동들이 예상된다. 일반적으로, 채널 각각은 별도의 냉장 솔루션을 필요로 할 수도 있다. 그러나, 일부 경우들에서, 특정한 온도에 대해 필요한 온도에 따라, 제 1 냉장 시스템 또는 제 2 냉장 시스템의 냉장 용량은 복수의 채널들 사이에서 공유될 수도 있다. 일부 경우들에서, 능동 냉장이 필요하지 않고 열 제거가 정상적인 설비-제공된 냉각수에 의해 달성될 수 있다면, 특정한 채널이 설비 냉각수를 사용하여 냉각될 수도 있다.
선택된 프로세스 단계들 동안, 밸브 매니폴드는 어느 채널의 플로우가 ESC (160) 로 전달되고 어느 채널의 플로우가 우회되고 냉각 장치로 리턴되는지를 변경하도록 스위칭된다. 또 다른 실시 예들에서, 밸브 매니폴드 (220) 는 ESC (160) 온도를 조절하기 위해 선택된 양의 제 1 저온 채널과 보다 따뜻한 제 2 채널을 혼합하고, 이 구성에서, 하나의 채널 또는 두 채널들의 일부는 ESC (160) 를 우회하고, 냉각 장치로 리턴된다. 당업자는 이들 다양한 실시 예들이 ESC (160) 온도를 조절하도록 그리고 다양한 웨이퍼 프로세싱 단계들을 지원하는 방식으로 그렇게 하도록 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 일부 예들에서, ESC (160) 온도의 일 온도로부터 또 다른 온도로의 스위칭에 필요한 레이트는 매우 빠르고, 5 분, 3 분, 1 분 이하만큼 짧을 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 이들 2 개의 온도들 사이의 차는 적어도 60 ℃ 또는 80 ℃ 또는 100 ℃이다. 일부 예들에서, ESC (160) 에서 필요한 일 온도와 다른 온도 사이의 차의 양은 매우 커서, 빠른 변화와 결합될 때, ESC (160) 에 대한 손상이 발생할 수도 있다. 이러한 경우들에서, 변화 레이트는 스위칭 프로세스에 더하여 시간이 흐름에 따라 하나의 채널 또는 두 채널들의 공급 온도를 변경함으로써 조절된다.
다른 실시 예들은 단일 단계가 -20 ℃보다 훨씬 낮게 실행되고, 제 2 단계가 +20 ℃보다 훨씬 높은 온도에 민감한 프로세스를 포함한다. 다른 실시 예들은 ESC (160) 의 후면 세라믹 온도에 기초하여 피드백을 사용하는 온도 제어 루프를 포함한다. 다른 실시 예들은 냉각 장치에 의해 냉각되거나 가열되며 ESC (160) 에 전달되고 ESC (160) 로 열 전도도 및 효과적인 열 전달을 제공하는, 열 전달 유체들의 사용을 포함한다.
또 다른 실시 예에서, 툴 냉각 시스템 (164) 은 설비 압축기 (112) 및 냉각기 (116) 를 사용하는 단일 압축 사이클일 수도 있다. 제 1 냉매는 바람직하게 +30 ℃ 내지 -60 ℃의 기준 비등점을 갖는다. 바람직하게 냉매는 하이드로플루오로카본 (HFC) (예를 들어, R-245fa, R-236fa, R-134a, R-125, 또는 R-32), 플루오로카본 (FC) (예를 들어, R-218), 하이드로플루오로올레핀 (HFO) (즉 예를 들어, R-1234yf, -1233zd(E) -1234ze(E), -1234ze(Z), 또는 HFO-1336mzz(Z)), 또는 이들 타입들의 화합물들을 포함하는 상이한 분자들의 혼합물로 구성된다. 대안적으로, 하이드로카본들 (HC들) (예를 들어, n-부탄, 이소-부탄, 프로판, 또는 에탄) 이 사용될 수도 있지만, 바람직하게 발생되는 혼합물은 불연성이고 낮은 GWP를 갖는다. 또 다른 실시 예에서, 제 1 냉매는 HFO들 또는 저 GWP HFC들과 같은 저 GWP 냉매들, 천연 무기 유체들 (예를 들어 이산화탄소, 암모니아, 아르곤, 질소, 크립톤, 또는 제논), 중 하나 이상일 수도 있고, 이들 자체 또는 혼합물이 또한 가능하다. 다른 실시 예들에서, 제 1 냉매 또는 제 2 냉매는 상기 냉매들의 혼합물일 수도 있다. 이러한 혼합물은 혼합 가스 증기 압축 시스템을 제공한다.
다양한 실시 예들에서, 제 1 쓰로틀 (132) 은 제 2 압력이 제 1 냉매의 삼중점 이상이도록 압력을 제어한다. 다른 실시 예들에서, 툴 냉각 시스템 (164) 은 적어도 20 ㎾의 냉각을 제공할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 툴 냉각 시스템 (164) 은 Edwards Vacuum, Polycold PFC-552 HC 제품, Polycold MaxCool 2500L, Polycold MaxCool 4000H와 같은 자동 캐스케이드 시스템, 열전 시스템, 또는 Edward's Vacuum Polycold PCC 제품과 같은 혼합 가스 냉장 시스템을 사용한다.
도 3은 일 실시 예에서 사용될 수도 있는 프로세싱 툴 (300) 의 개략도이다. 하나 이상의 실시 예들에서, 프로세싱 툴 (300) 이 챔버 벽 (303) 에 의해 인클로징된 (enclose) 챔버 (302) 내에, 가스 유입구를 제공하는 가스 분배 플레이트 (306) 및 ESC (160) 를 포함한다. 프로세싱 챔버 (302) 내에서, ESC (160) 가 기판 지지부이도록 기판 (304) 이 ESC (160) 의 상단부 상에 위치된다. ESC (160) 는 ESC 소스 (348) 로부터 바이어스를 제공할 수도 있다. 가스 소스 (310) 가 가스 분배 플레이트 (306) 를 통해 프로세싱 챔버 (302) 에 연결된다. 툴 온도 제어 시스템 (200) 은 ESC (160) 에 연결되고, ESC (160) 의 온도 제어를 제공한다. 툴 온도 제어 시스템 (200) 과 ESC (160) 사이에 하나 이상의 유체 연결부들 (314), 채널들이 있다. 일부 실시 예들에서, 툴 온도 제어 시스템 (200) 은 ESC (160) 에 직접 연결된 부가적인 열 교환 시스템을 포함할 수도 있다.
무선 주파수 (Radio Frequency; RF) 소스 (330) 가 ESC (160) 에 RF 전력을 제공한다. 바람직한 실시 예에서, 2 ㎒ (megahertz), 60 ㎒, 및 선택 가능하게 27 ㎒ 전력 소스들이 RF 소스 (330) 및 ESC 소스 (348) 를 구성한다. 이 실시 예에서, 일 생성기가 주파수 각각에 대해 제공된다. 다른 실시 예들에서, 생성기들은 개별적인 RF 소스들 내에 있을 수도 있고, 또는 개별적인 RF 생성기들이 상이한 전극들에 연결될 수도 있다. 예를 들어, 상부 전극은 상이한 RF 소스들에 연결된 내측 전극 및 외측 전극을 가질 수도 있다. 이 예에서, 가스 분배 플레이트 (306) 는 가스 분배 플레이트 (306) 내로 통합된 접지된 상부 전극 또는 상단 플레이트이다. RF 소스들 및 전극들의 다른 구성들이 다른 실시 예들에서 사용될 수도 있다. 제어기 (335) 가 RF 소스 (330), ESC 소스 (348), 배기 펌프 (320), 온도 제어 시스템 (200), 및 가스 소스 (310) 에 제어 가능하게 연결된다. 이러한 에칭 챔버의 일 예는 CA, Fremont 소재의 Lam Research Corporation에 의해 제작된 Exelan FlexTM 에칭 시스템이다. 프로세스 모듈 또는 플라즈마 프로세싱 시스템이 프로세싱 챔버 (302), 가스 소스 (310), 배기 펌프 (320), RF 소스 (330), ESC 소스 (348), 제어기 (335), 및 프로세싱 툴 (300) 의 다른 컴포넌트들을 포함할 수도 있다. 프로세스 챔버는 CCP (Capacitively Coupled Plasma) 반응기 또는 ICP (Inductively Coupled Plasma) 반응기일 수 있다.
다양한 실시 예들에서, 툴 온도 제어 시스템 (200) 은 10 ℃ 내지 80 ℃의 온도 범위의 냉각제를 상단 플레이트에 제공할 수 있다. 대안적인 실시 예들에서, 상단 플레이트로 전달된 냉각제는 10 ℃ 내지 80 ℃, 10 ℃ 내지 100 ℃, 10 ℃ 내지 120 ℃, 10 ℃ 내지 140 ℃ 또는 10 ℃ 내지 160 ℃의 온도 범위 내에 있다. 다양한 실시 예들에서, 툴 온도 제어 시스템 (200) 은 프로세싱 챔버 (302) 의 풋프린트보다 작거나 같은 풋프린트를 갖는다. 다양한 실시 예들에서, 툴 온도 제어 시스템 (200) 은 프로세싱 챔버 (302) 의 풋프린트의 25 ％보다 작거나 같은 풋프린트를 갖는다.
동작 시, 기판 (304) 이 ESC (160) 상에 장착된다. 툴 온도 제어 시스템 (200) 은 ESC (160) 에서 -90 ℃ 내지 +100 ℃의 냉매 온도를 제공할 것이다. 통상적으로, 웨이퍼 상에서 발생하는 프로세스를 위한 특정한 프로세스 단계를 위해 특정한 온도가 필요하다. 상이한 프로세스 단계들은 상이한 온도들을 필요로 할 수도 있다. 이들 상이한 온도들을 달성하는 것은 목표된 냉각제 온도를 발생시키도록 냉장 온도 설정점을 변화시킴으로써 가능하다. 일부 실시 예들에서, 툴 온도 제어 시스템 (200) 은 도 2에 도시된 바와 같다. 이들 실시 예들에서, 툴 냉각 시스템 (164) 및/또는 툴 가열 시스템 (204) 의 온도 설정점은 필요에 따라 변화된다. 대안적으로, ESC (160) 온도는 툴 냉각 시스템 (164) 및 툴 가열 시스템 (204) 으로부터 냉각제의 일부 또는 전부를 선택적으로 혼합함으로써 달성될 수 있다. 툴 냉각 시스템 (164) 은 제 1 냉각 장치이다. 가열 또는 냉각을 제공할 수 있는 툴 가열 시스템은 제 2 냉각 장치이다.
웨이퍼 프로세싱의 종료 시, 웨이퍼를 세정하기 위한 선택 가능한 단계가 있다. 이를 WAC (Waferless Auto Clean) 프로세스라고 지칭한다. WAC 프로세스를 위해, 밸브 매니폴드 (220) 는 툴 냉각 시스템 (164) 을 통해 웨이퍼를 냉각하는 것으로부터 툴 가열 시스템 (204) 을 통해 웨이퍼를 가열하는 것으로 스위칭하도록 사용된다. ESC (160) 의 통상적인 구성은 금속 컴포넌트들, 세라믹 컴포넌트들, 히터들, 접착 층들, 다양한 코팅들, 등과 같은 컴포넌트들 및 엘리먼트들의 복수의 층들을 포함한다. 이들 층들의 조합은 우수한 열 전달, 우수한 온도 균일도, RF 플라즈마 분위기에서 목표된 성능, 및 화학적으로 공격적인 프로세스 분위기에서 부식을 견디는 능력에 대한 요구들의 균형을 추구한다. ESC를 신속하게 냉각하고 가열하기 위한 냉각 장치들의 사용은, 통상적으로 상이한 내부 엘리먼트들 및/또는 코팅들 사이의 인터페이싱 실패로 인해 ESC에 손상을 발생시킬 수 있다. 따라서, 바람직한 실시 예는 ESC 및 ESC를 구성하는 내부 컴포넌트들, 층들 및 코팅들의 고장 또는 열화 없이, 낮은 범위로부터 높은 범위로 그리고 다시 역으로 온도들의 변화를 견딜 수 있는 ESC 구성이다. 이에 더하여, 온도 스위치가 저온 냉각제로부터 고온 냉각제로 (또는 그 반대로) 이루어질 때, 냉장 시스템들이 프로세스 모듈의 활용을 최대화하기 위해 2 분 내에 필요한 냉각제 온도를 제공하는 것이 중요하다. 예를 들어, ESC에서의 저온 동작으로부터 ESC (160) 에서의 고온 동작으로의 스위칭이 이루어질 때 채널 1이 -70 ℃에서 정상적으로 동작하고 채널 2가 +40 ℃에서 동작하면, +40 ℃의 ESC 설정점은 2 분 내에 +/-1 ℃를 달성해야 한다. 유사하게, ESC (160) 에서의 고온 동작으로부터 ESC (160) 에서의 저온 동작으로의 스위칭이 이루어질 때, -70 ℃의 ESC 설정점은 2 분 내에 +/-1 ℃를 달성해야 한다. 대안적인 실시 예들에서, 설정점은 5 분 이내, 또는 3 분 이내 또는 1 분 이내에 +/-1 ℃ 내에 도달한다.
도 4는 냉매에 의해 직접적인 ESC (160) 냉각을 제공하는 또 다른 실시 예의 개략적인 예시이다. 실시 예는 압축기 (444), 열 출력 열 교환기 (448), 쓰로틀 (452), 및 직접적인 ESC 열 흡수 열 교환기 (456) 를 포함한다. 이 실시 예에서, 냉매는 ESC (160) 내로 통과한다. 이 실시 예에서, 냉매는 CO2이다. 또 다른 실시 예에서, 압축된 CO2가 제조 설비로부터 공급될 수도 있다. 또 다른 실시 예에서, 압축된 CO2는 복수의 플라즈마 프로세스 시스템들을 제공하는 시스템으로부터 공급된다. 또 다른 실시 예에서, 중간 냉매 회로는 냉각기 (116) 또는 열 교환기 (448) 및 제 1 쓰로틀 (132 또는 452) 후에 CO2를 예냉하도록 (precool) 사용된다. 이는 전체 시스템의 에너지 효율을 인에이블하기 (enable) 위해 필요한 압축기 압력을 낮추는데 유리할 수 있다. 다른 경우들에서, 이는 냉각기 (116) 또는 열 교환기 (448) 를 위한 냉각 매체가 목표된 것보다 높을 때 목표된 냉각 용량을 달성하도록 표준 CO2 압축 시스템들을 인에이블하기 위해 필요할 수도 있다. 다른 실시 예들에서, 액체 펌프가 냉각 효과를 더 개선하기 위해 액화된 CO2의 압력을 상승시키도록 사용된다. 대안적인 실시 예는 냉매 리턴부 (140) 에서 리턴 냉매를 취하고 제조 설비 (108) 의 CO2 압축 시스템의 압력과 매칭하도록 압력을 상승시키기 위한 부스터 압축기를 포함한다. 복수의 플라즈마 프로세스 시스템들이 이 중앙 압축 시스템을 활용한다면, 이러한 국부화된 중간 압축기는 일부 상황들에서 유리할 것으로 예상된다.
다른 실시 예들에서, 적용된 웨이퍼 프로세스는 깊은 종횡비들 및/또는 평행한 비아 벽들과 같은 목표된 기하학적 속성들을 지원하기 위해 웨이퍼 상의 디바이스들의 복수의 층들을 에칭 스루하도록 (etch through) 사용된다. 다른 실시 예들에서, 웨이퍼 프로세스들은 증착 및 에칭 모두인 반응들을 포함하는 유전체 에칭, 온도 종속적인 프로세스를 포함하는 반도체 프로세스, 유전체 막 에칭, 또는 3D 메모리 디바이스들을 형성하기 위한 프로세스일 수도 있다. 다른 실시 예들에서, 웨이퍼 프로세스는 플라즈마-강화된 (plasma-enhanced) 증착에서와 같이 층들을 증착할 수도 있다.
상기 많은 실시 예들이 ESC로 전달되는 냉각제에 온도 제어를 제공하기 위한 냉각 루프의 사용에 관한 것이지만, 대안적인 실시 예들은 상기 언급된 냉매들 또는 냉장 사이클들 중 하나 이상을 사용하여 ESC의 직접적인 냉각 또는 가열을 사용한다. 이들 실시 예들에서, 일 온도로부터 다른 온도로의 스위칭은 ESC에 가깝게 위치된 밸브 매니폴드 (220) 에 의해 또는 ESC로 전달된 냉매 온도를 조절하기 위해 냉장 유닛에서 대안적인 제어 밸브들을 가짐으로써 달성된다. 다양한 실시 예들에서, 냉각 시스템은 단일 스테이지 증기 압축 시스템, 캐스케이드 냉장 시스템, 자동 캐스케이드 시스템, 열전 시스템, 혼합 가스 냉매 시스템, 또는 스털링 (Stirling) 냉장 사이클, 브레이튼 (Brayton) 냉장 사이클, 기포드 맥마흔 (Gifford McMahon) 냉장 사이클 또는 펄스 튜브 냉장 사이클 중 적어도 하나일 수도 있다.
본 개시가 몇몇의 바람직한 실시 예들의 측면에서 기술되었지만, 본 개시의 범위 내에 속하는 변경들, 수정들, 치환들, 및 다양한 대체 등가물들이 있다. 또한 본 개시의 방법들 및 장치들을 구현하는 많은 대안적인 방식들이 있다는 것에 유의해야 한다. 따라서 이하의 첨부된 청구항들은 본 개시의 진정한 정신 및 범위 내에 속하는 이러한 변경들, 수정들, 치환들, 및 다양한 대체 등가물들을 모두 포함하는 것으로 해석되는 것이 의도된다.

Claims (22)

  1. 프로세싱 챔버;
    상기 프로세싱 챔버 내의 기판 지지부로서, 상기 기판 지지부는 기판과의 열적 콘택트를 위한 것인, 상기 기판 지지부; 및
    상기 기판 지지부를 냉각하기 위한 냉각 시스템을 포함하고, 상기 냉각 시스템은,
    제 1 냉장 (refrigeration) 시스템으로서,
    상기 제 1 냉각 시스템 외부의 제 1 냉매 소스로부터 제 1 냉매를 수용하기 위한 제 1 냉매 유입구로서, 상기 제 1 냉매는 제 1 압력으로 존재하는, 상기 제 1 냉매 유입구;
    제 1 쓰로틀 (throttle) 로서, 상기 제 1 쓰로틀은 상기 제 1 냉매의 제어된 팽창을 허용하고, 상기 제 1 냉매의 팽창은 상기 제 1 냉매를 냉각시키는, 상기 제 1 쓰로틀;
    열을 흡수하고 상기 냉각된 제 1 냉매로 열을 전달하기 위한 제 1 열 전달 시스템; 및
    상기 제 1 냉장 시스템으로부터 상기 제 1 냉매를 상기 제 1 냉장 시스템으로부터 멀어지게 제 2 압력으로 지향시키기 위한 제 1 냉매 리턴부를 포함하는, 상기 제 1 냉장 시스템을 포함하는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 냉매는 이산화탄소인, 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 압력은 650 psi (pounds per square inch) 보다 큰, 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 압력은 CO2의 삼중점 (triple point) 이상이고 100 psi 이하인, 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 열 전달 시스템은 상기 기판 지지부 내에 적어도 하나의 채널을 포함하고, 상기 제 1 냉매는 상기 적어도 하나의 채널을 통해 흐르는, 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제 2 냉매를 사용하는 제 2 냉장 시스템을 더 포함하고, 상기 제 2 냉장 시스템은,
    제 2 냉장 열 출력 열 교환기;
    상기 제 2 냉매를 가압하기 위한 제 2 냉매 압축기;
    제 2 쓰로틀로서, 상기 제 2 쓰로틀은 상기 제 2 냉매의 제어된 팽창을 허용하고, 상기 제 2 냉매의 팽창은 상기 제 2 냉매를 냉각시키는, 상기 제 2 쓰로틀; 및
    상기 기판으로부터 열을 흡수하기 위한 제 2 냉장 열 흡수 열 교환기를 포함하는, 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 냉장 시스템은 혼합 가스 냉장 시스템인, 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 냉매는 이산화탄소, 저 지구 온난화 지수 (Global Warming Potential; GWP) 냉매, 및 천연 유체 중 적어도 하나인, 장치.
  9. 기판을 프로세싱하기 위한 장치에 있어서,
    플라즈마 프로세싱 시스템으로서, 상기 플라즈마 프로세싱 시스템은 프로세싱 챔버를 포함하는, 상기 플라즈마 프로세싱 시스템;
    상기 프로세싱 챔버 내의 기판 지지부; 및
    적어도 20 ㎾의 냉각을 제공하는 냉각 시스템으로서, 상기 냉각 시스템은 상기 플라즈마 프로세싱 시스템의 풋프린트 (footprint) 보다 작거나 같은 치수들을 갖는 풋프린트를 갖는, 상기 냉각 시스템을 포함하는, 기판 프로세싱 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은 단일 스테이지 증기 압축 시스템, 캐스케이드 냉장 시스템, 자동 캐스케이드 시스템, 열전 시스템, 혼합 가스 냉매 시스템, 또는 스털링 (Stirling) 냉장 사이클, 브레이튼 (Brayton) 냉장 사이클, 기포드 맥마흔 (Gifford McMahon) 냉장 사이클 또는 펄스 튜브 냉장 사이클 중 적어도 하나인, 기판 프로세싱 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은,
    제 1 냉각 장치; 및
    제 2 냉각 장치를 포함하는, 기판 프로세싱 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 냉각 장치는 제 1 냉각 채널을 포함하고, 상기 제 1 냉각 채널은 상기 기판 지지부에 -90 ℃ 내지 40 ℃ 범위의 냉각제를 제공하고, 그리고 상기 제 2 냉각 장치는 제 2 냉각 채널을 포함하고, 상기 제 2 냉각 채널은 상기 기판 지지부에 -40 ℃ 내지 100 ℃ 범위의 냉각제를 제공하는, 기판 프로세싱 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상단 플레이트를 더 포함하고, 그리고 상기 냉각 시스템은 상단 플레이트 채널을 포함하는 상단 플레이트 냉각 장치를 더 포함하고, 상기 상단 플레이트 채널은 상기 상단 플레이트에 냉각제를 제공하고, 상기 냉각제는 10 ℃ 내지 100 ℃의 온도 범위로 제공되는, 기판 프로세싱 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉각 시스템의 상기 풋프린트는 상기 플라즈마 프로세싱 시스템의 상기 풋프린트의 25 ％보다 작은, 기판 프로세싱 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉각 시스템의 상기 풋프린트는 상기 플라즈마 프로세싱 시스템 당 584 ㎜ x 1435 ㎜, 또는 0.79 m2 중 하나보다 작은, 기판 프로세싱 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 냉각 시스템의 상기 풋프린트는 2000 ㎜ 이하의 높이를 갖는, 기판 프로세싱 장치.
  17. 기판을 프로세싱하기 위한 장치에 있어서,
    프로세싱 챔버;
    상기 프로세싱 챔버 내의 기판 지지부로서, 상기 기판 지지부는 다양한 컴포넌트들, 층들 및 코팅들을 포함하는, 상기 기판 지지부; 및
    온도 제어 시스템을 포함하고, 상기 온도 제어 시스템은,
    툴 냉각 시스템;
    툴 가열 시스템; 및
    복수의 채널들로서, 상기 온도 제어 시스템은 일 온도 설정점으로부터 또 다른 온도 설정점으로 스위칭할 때, 특히 상기 복수의 채널들 중 일 채널로부터 또 다른 채널로 상기 온도 제어 시스템을 신속하게 스위칭할 때 발생하는 온도 변화들로 인해 상기 기판 지지부에 손상 또는 열화가 발생하지 않도록 상기 기판 지지부를 냉각하기 위한 것인, 상기 복수의 채널들을 포함하는, 기판 프로세싱 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 온도 제어 시스템은 -70 ℃ 내지 +40 ℃의 제 1 온도 범위 및 -40 ℃ 내지 +100 ℃의 제 2 온도 범위의 냉각을 제공하도록 구성되는, 기판 프로세싱 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 툴 냉각 시스템은 상기 기판 지지부에 제공되는 채널을 위한 냉각제의 온도가 1 ℃ 이내이도록, 상기 툴 냉각 시스템으로부터 상기 툴 가열 시스템으로 스위칭한 후 2 분 내에 회복될 수 있는 냉각 장치 (chiller) 를 포함하는, 기판 프로세싱 장치.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 온도 제어 시스템은 -180 ℃ 내지 +40 ℃의 제 1 온도 범위 및 -40 ℃ 내지 +100 ℃의 제 2 온도 범위의 냉각을 제공하도록 구성되고, 그리고 상기 온도 제어 시스템은 상기 기판에 열 전달을 제공하기 위해 상기 기판 지지부의 채널들에 초고압 가스를 전달하는, 기판 프로세싱 장치.
  21. 기판을 프로세싱하기 위한 장치에 있어서,
    프로세싱 챔버;
    상기 프로세싱 챔버 내의 기판 지지부; 및
    상기 기판 지지부를 냉각하기 위한 냉각 시스템을 포함하고, 상기 냉각 시스템은,
    CO2를 포함하는 제 1 냉매를 갖는 제 1 냉장 시스템으로서,
    상기 제 1 냉매를 제 1 압력으로 압축하기 위한 제 1 압축기;
    상기 압축된 제 1 냉매로부터 열을 전달하기 위한 제 1 열 전달 디바이스;
    제 1 쓰로틀로서, 상기 제 1 쓰로틀은 상기 제 1 냉매의 제어된 팽창을 허용하고, 상기 제 1 냉매의 제어된 팽창은 상기 제 1 냉매를 냉각시키는, 상기 제 1 쓰로틀; 및
    상기 기판 지지부 내의 적어도 하나의 채널로서, 상기 제 1 냉매가 상기 적어도 하나의 채널을 통해 흐르는, 상기 적어도 하나의 채널을 포함하는, 상기 제 1 냉장 시스템을 포함하는, 기판 프로세싱 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 압력은 650 psi보다 큰, 기판 프로세싱 장치.
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