KR20080090981A - 집적 샤워헤드 간격 측정 장치를 구비한 반도체 공정시스템 - Google Patents

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Abstract

반도체 공정 시스템의 샤워헤드와 기판 지지 페디스털 사이의 거리를 결정하는 시스템이 제공된다. 시스템은 반응 가스가 배출되는 샤워헤드 표면을 구비한 샤워헤드 및 샤워헤드 표면에 대향하는 페디스털 표면을 구비한 페디스털을 포함한다. 제1 축전판은 페디스털 표면상에 배치된다. 제2 축전판은 샤워헤드 표면상에 배치된다. 제3 축전판은 샤워헤드 표면 및 페디스털 표면 중 하나에 배치되고, 제1 축전판 및 제2 축전판으로부터 이격된다. 정전용량 측정 회로는 제1 축전판, 제2 축전판 및 제3 축전판에 동작가능하게 결합된다.
샤워헤드, 기판 지지 페디스털, 축전판, 정전용량 측정 회로, 반도체 공정 시스템

Description

집적 샤워헤드 간격 측정 장치를 구비한 반도체 공정 시스템{SEMICONDUCTOR PROCESSING SYSTEM WITH INTEGRATED SHOWERHEAD DISTANCE MEASURING DEVICE}
본 발명은 집적 샤워헤드 간격 측정 장치를 구비한 반도체 공정 시스템에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 명세서는 2007년 4월 5일자로 출원된 미국 가특허출원(provisional patent applicatin) 번호 제60/921,977호에 기초하고 그리고 그에 대한 이익을 주장하며, 그 전문을 여기에 참고로서 삽입하였다.
저작권 유보
본 특허 출원의 명세서 일부는 저작권 보호를 필요로 하는 물질을 포함한다. 저작권 보유자는 특허상표청 특허 파일 또는 기록에서 나타나는 것처럼, 본 특허 출원 또는 그 개시로부터 누군가에 의한 복제물에 대해서는 이의가 없지만, 만약 그렇지 않다면 무엇이든지 간에 모든 저작권 권리를 유보한다.
반도체 웨이퍼 공정은 다양한 웨이퍼 및/또는 기판이 처리되어 집적회로, LCD 평판 디스플레이 및 다른 전자 장치로 되는 정밀하고 정확한 기술이다. 반도체 공정에서, 현재의 기술 상태는 최신의 리소그라피(lithography) 기술을 45 나노미터(nanometer) 크기에 이르고 있는 현재의 상업적 이용으로 새로운 한계에 직면하고 있으며, 여전히 무어의 법칙(Moore's Law)에 영향을 받고 있다. 따라서, 현재의 반도체 공정은 공정 장치의 매우 엄격한 공정 제어를 요구한다.
흔히, 반도체 공정 증착(semiconductor processing deposition) 또는 식각 공정 챔버(etch processing chamber)는 "샤워헤드(showerhead)"로 알려진 장치를 이용하여 반응 가스(reactive gas)를 기판으로 도입한다. 상기 장치는 그것이 일반적으로 원형이고, 반응 가스가 기판 상으로 배출되는 다수의 구멍(apertures)을 가지는 샤워헤드를 막연히 닮았다는 점에서 "샤워헤드"로 불린다.
반도체 제조 분야에서, 이러한 증착 또는 식각 공정 챔버에서 샤워헤드와 기판 지지 페디스털(pedestal) 사이의 거리의 정확하고 정밀한 측정 및 조절은 공정 과정을 효과적으로 제어하기 위해서 필요하다. 만일 샤워헤드와 기판 지지 페디스털 사이의 간격의 거리가 정확하게 알려지지 않으면, 증착 또는 식각이 일어나는 곳에서의 비 (rate)는 공칭정격(nominal rate)으로부터 바람직하기 않게 바뀔 것이다. 더욱이, 만일 상기 페디스털이 샤워헤드에 대하여 어느 정도 기울어졌다면, 기판의 일 부분이 증착 또는 식각 공정을 통하여 처리되는 곳에서의 비는 다른 부분이 처리되는 곳의 비와 비교하여 다를 것이다. 따라서, 반도체 공정에서 상기 간격의 거리 및 샤워헤드에 대한 기판 지지 페디스털의 경사 모두를 정확히 결정하는 것은 필수적이다.
본 발명은 반도체 공정 시스템의 샤워헤드와 기판 지지 페디스털 사이의 거리를 결정하는 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
반도체 공정 시스템은 반응 가스가 배출되는 샤워헤드 표면을 갖는 샤워헤드 및 상기 샤워헤드 표면과 대향하는 페디스털 표면을 갖는 페디스털을 포함한다. 제1 축전판(capacitive plate)이 상기 페디스털 표면상에 배치된다. 제2 축전판이 상기 샤워헤드 표면상에 배치된다. 제3 축전판이 상기 샤워헤드 표면 및 페디스털 표면 중의 하나에 배치되며, 그러나 상기 제1 및 제2 축전판으로부터 이격된다. 정전용량 측정 회로(capacitance measurement circuitry)는 상기 제1, 제2 및 제3 축전판에 동작가능하게 결합된다.
본 발명의 시스템에 의하면, 샤워헤드와 페디스털 사이의 간격은 절연된 다양한 표면 영역에 해당하는 샤워헤드 상의 다양한 지점에서 결정될 수 있다. 또한 본 발명은 조절되어야 하는 간격을 측정함으로써 샤워헤드 상의 각 지점에서 원하는 간격 설정을 얻을 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예는 일반적으로 샤워헤드 및/또는 기판 지지 페디스털 상의 하나 또는 그 이상의 도전 영역(conductive regions)을 이용하여 캐패시터 (capacitor)를 형성하고, 상기 캐패시터의 정전용량은 두 도전 표면 사이의 거리에 따라 변화한다. 상기 샤워헤드의 표면 영역은 서로 절연(isolated)되는 것이 바람직하며, 각 표면은 하부 전극 또는 다른 전극을 형성하는 페디스털을 구비한 캐패시터의 일 극판(plate)을 형성한다. 따라서, 다양한 캐패시터 쌍(pairs)이 샤워헤드 및 페디스털 사이에 존재한다. 각 쌍의 정전용량은 그 지점에서 샤워헤드 및 페디스털 사이의 거리에 의존한다. 측정장치는 정전용량 측정 회로 또는 장치를 이용하여 각 캐패시터 극판 쌍(capacitor plate pair)으로 이루어진다. 각 극판 쌍 사이의 간격은 측정된 정전용량으로부터 결정된다.
이러한 기술에 의하여, 샤워헤드와 페디스털 사이의 간격은 절연된 다양한 표면 영역에 해당하는 샤워헤드 상의 다양한 지점에서 결정될 수 있다. 이것은 조절되어야 하는 간격을 측정함으로써 샤워헤드 상의 각 지점에서 원하는 간격 설정을 얻을 수 있도록 한다. 전체 간격 및 간격의 모양 및 경사의 결정과 함께 다양한 지점에서 간격을 측정하기 위하여 두 개 또는 그 이상의 캐패시터 극판 쌍을 사용하는 것이 바람직하다.
어떤 경우에 있어서, 플라즈마 화학 기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition: PECVD) 공정 챔버의 경우와 같이, 샤워헤드는 또한 웨이퍼 처리 공정 동안 플라즈마를 형성하는 단계에서 전극으로서의 기능을 하여야 한다. 캐패시터 극판 쌍의 일 부분으로 작용하는 샤워헤드 표면상의 동일한 극판은 이 경우에 플라즈마 형성 전극으로서 함께 이용된다. 즉, 상기 극판은 정전용량 측정을 위하여 서로 전기적으로 절연되지만, 그러나 플라즈마 형성 전극으로서의 역할을 할 때는 전기적으로 함께 연결된다.
도 1은 본 발명의 실시예가 특히 적용가능한 반도체 공정 챔버의 개략적 도면이다. 공정 챔버(100)는 페디스털(104) 상에 배치되거나 또는 적어도 페디스털(104)로부터 이격된 샤워헤드(102)를 포함한다. 일반적으로, 웨이퍼 또는 기판은 공정 챔버(100) 내에서 처리되는 동안 페디스털(104) 상에 얹혀 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 무선 주파수(radio frequency: RF) 에너지의 소스(source)(106)는 각각의 컨덕터(conductors)(108, 110)을 통하여 샤워헤드(102) 및 페디스털(104)에 전기적으로 연결된다. 무선 주파수 에너지를 샤워헤드(102) 및 페디스털(104)에 제공함으로써, 샤워헤드(102)로부터 도입된 반응 가스는 웨이퍼 또는 반도체 기판을 처리하기 위하여 페디스털(104) 및 샤워헤드(102) 사이의 영역(102)에서 플라즈마를 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 공정 챔버의 개략적 도면이다. 챔버(200)는 챔버(100)과 다소의 유사점을 보이고 있으며, 동일한 구성 부품은 동일한 참조 번호가 부여되었다. 공정 챔버(200)는, 바람직하게는 둘 다 비-전도체인, 페디스털(204) 및 샤워헤드(202)를 포함한다. 페디스털(204)은 샤워헤드(202)와 대향하는 페디스털(204)의 표면상에 배열되는 도전층 또는 도전판(206)을 포함한다.
마찬가지로, 샤워헤드(202)는 다수의 도전층 또는 도전 표면(208, 210, 212)을 포함하는 것이 바람직하다. 각각의 전극(208, 210, 212)은 도전판(206)과 더불어 각각의 캐패시터를 형성한다. 각 캐피시터의 정전용량은 샤워헤드(202) 상의 각 축전판과 페디스털(204) 상의 도전판(206) 사이의 거리와 관계가 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 시스템은 무선 주파수 에너지 소스(106) 뿐만 아니라 다양한 스위치들에 의하여 극판(208, 210, 212)에 선택적으로 연결될 수 있는 정전용량 측정 회로(214)를 포함한다. 변하는 정전용량을 측정하기 위한 회로는 잘 알려져 있다. 이와 같은 회로는 적절한 여기(excitation) 및/또는 구동 회로뿐만 아니라 잘 알려진 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converters)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 각각의 무선 주파수 에너지 소스(106) 및 정전용량 측정 회로(214)는 에너지 소스(106) 및 정전용량 측정 회로(214)가 동시에 축전판에 연결되지 않도록 각각의 스위치(4, 5)에 연결된다. 따라서, 통상의 공정 동안에, 스위치(5)는 열리고 스위치(4)는 닫혀서 무선 주파수 에너지 소스(106)를 공정 챔버와 연결한다. 더욱이, 통상의 공정 동안에, 모든 스위치(1, 2, 3)는 무선 주파수 에너지 소스(106)가 모든 극판(208, 210, 212)에 동시에 연결되도록 닫힌다. 간격 측정 동안, 스위치(4)는 열리고 스위치(5)는 닫힌다. 더욱이, 스위치(1, 2, 3) 중 단지 하나만 다른 스위치가 열림과 동시에 닫힌다. 이것은 극판(208, 210, 212)과 같은 특정 정전용량 극판과 도전판(206) 사이의 정전용량이 측정되어 각각의 축전판의 위치에서 샤워헤드(202)와 페디스틸(204) 사이의 거리를 결정하도록 한다.
도 2에 더욱 자세히 도시한 바와 같이, 제어기(230)는 참조 번호 232로 나타낸 바와 같이 스위치 1 내지 5에 연결되고, 또한 무선 주파수 에너지 소스(106) 및 정전용량 측정 회로(214)에 연결되는 것이 바람직하다. 이런 방식으로, 제어기(230)는 다양한 스위치(1-5)를 적절하게 동작시키며, 무선 주파수 에너지 소스(106) 또는 정전용량 측정 회로(214)를 제어한다. 더욱이, 정전용량 측정 회로(214)는 다양한 정전용량 측정치를, 예를 들어 디지털 통신을 이용하여 제어기로 보고할 수 있다.
제어기(230)는 작업자의 사용을 위한 간격 및/또는 평행 관계(parallelism)를 나타내기 위하여 또한 모니터, 디스플레이 패널, 또는 일련의 표시등(indicator lights)과 같은 적절한 디스플레이 장치(미 도시)에 연결될 수 있다. 더욱이, 제어기(230)는 페디스털(204) 및 샤워헤드(202) 사이의 상대운동(relative movement)을 생성시킬 수 있는 다양한 구동장치(actuators)(미 도시)에 직접 연결될 수 있다. 이런 식으로, 제어기(23)는 현저한 사용자 대화방식 없이 간격 및/또는 평행 관계를 역동적으로(dynamically) 조절할 수 있다.
도 2는 비록 3개의 별개의 변경가능한 캐패시터를 포함하는 공정 챔버(200)를 나타내지만, 임의의 적당한 수의 캐패시터가 사용될 수 있다. 더욱이, 비록 도 2가 실질적으로 동일한 크기를 가지는 3개의 변경가능한 캐패시터 극판(208, 210, 212)을 나타내지만, 상대 크기는 변경될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 적절한 샤워헤드의 구성을 보여주는 저면도이다. 각각의 분리 영역(separate area)(208, 210, 212, 222)은 다른 영역으로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 각각의 분리 영역(208, 210, 212, 222)은 극판, 즉, 정전용량이 그 지점에서의 샤워헤드(202)와 페디스털(204) 사이의 간격에 의존하는 캐패시터를 도전판(206)과 더불어 형성하는 극판을 포함한다(정전용량은 또한 극판의 면적을 포함하는 다른 요인(factor)에 의존하고, 다른 요인은 알려진 상수 (known constants)로서 고려되고, 상기 간격의 계산에서 보상될 수 있다). 정전용량을 측정함으로써, 각각의 영역에서의 간격은 결정될 수 있다. 상기 간격의 측정치에 기초하여 간격은 조절될 수 있다.
다양한 지점에서의 간격의 비교(comparison)는 샤워헤드(202)와 페디스털 (204) 사이의 평행관계에 상당(equivalent)하는 상대 간격(relative gaps)을 조절할 수 있다. 중심 간격(center gap)(B)에 대한 외부 간격(outer gaps)(A, C, D)의 비교는 샤워헤드의 형상이 평평한지(flat), 왕관 모양인지(crowned), 또는 접시 모양인지(dished)를 측정 및 평가하기 위한 방법을 제공한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 샤워헤드(302)의 구성을 보여주는 개략적 평면도이다. 이 실시예에서, 몇몇의 작은 영역이 존재하고, 그들의 각각은 간격 측정을 제공할 수 있다. 이것은 샤워헤드 형상을 더욱 자세하게 판단할 수 있게 한다. 또한, 하나 또는 그 이상의 인접한 영역이 하나의 측정을 위하여 결합될 수 있고, 도 2 및 도 3에서 보여진 샤워헤드(202)에 의하여 제공되었던 것과 같이 동일한 방법의 측정을 가능하게 한다.
비록 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 본 발명이 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 비록 본 발명의 실시예가 샤워헤드 상의 다양한 전극과 관련하여 일반적으로 서술되었지만, 페디스털은 추가적으로 또는 선택적으로 다양한 전극을 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예가 특히 적용가능한 반도체 공정 챔버의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 공정 챔버의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 적절한 샤워헤드의 구성을 나타내는 저면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대체 샤워헤드의 구성을 나타내는 개략 평면도이다.

Claims (17)

  1. 반응 가스가 배출되는 샤워헤드 표면을 구비한 샤워헤드;
    상기 샤워헤드 표면에 대향하는 페디스털 표면을 구비한 페디스털;
    상기 페디스털 표면상에 배치되는 제1 축전판;
    상기 샤워헤드 표면상에 배치되는 제2 축전판;
    상기 샤워헤드 표면 및 페디스털 표면 중 하나에 배치되고, 제1 축전판 및 제2 축전판으로부터 이격된 제3 축전판; 및
    상기 제1 축전판, 제2 축전판 및 제3 축전판에 동작가능하게 결합되는 정전용량 측정 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 시스템의 샤워헤드와 기판 지지 페디스털 사이의 거리를 결정하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제3 축전판은 샤워헤드 표면상에 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 샤워헤드는 원형이고, 그리고 제2 축전판 및 제3 축전판 중 적어도 하나도 또한 원형인 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 정전용량 측정 회로는 제1 축전판 및 제2 축전판 사이, 그리고 제1 축전판 및 제3 축전판 사이의 정전용량의 표시(indication)를 제공 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    제어기;
    무선 주파수 에너지 소스;
    상기 무선 주파수 에너지 소스를 기판 지지 페디스털 및 샤워헤드 중 하나에 결합하는 제1 스위치;
    상기 정전용량 측정 회로를 기판 지지 페디스털 및 샤워헤드 중 하나에 결합하는 제2 스위치를 더 포함하고; 그리고
    상기 제어기는 무선 주파수 에너지 소스, 정전용량 측정 회로, 제1 스위치 및 제2 스위치에 결합하여, 무선 주파수 에너지 소스를 제어하고, 통상적인 동작 모드 동안 제1 스위치를 닫으며, 정전용량 측정 회로를 제어하고, 측정 모드 동안 제2 스위치를 닫는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 제1 스위치가 닫혔을 때 제2 스위치는 열리고, 그리고 제2 스위치가 닫혔을 때 제1 스위치가 열리도록 서로 반대로 동작하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제2 축전판을 제1 스위치 및 제2 스위치에 동작가능하게 결합하는 제3 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제3 축전판을 제1 스위치 및 제2 스위치에 동작가능하게 결합하는 제4 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제1 표면 및 제2 표면 중 하나에 서로 이격되고 절연된 제1 축전판 및 제2 축전판을 제공하는 단계;
    상기 제1 표면 및 제2 표면 중 다른 하나에 제3 축전판을 제공하는 단계; 및
    상기 제1 축전판 및 제3 축전판 사이의 정전용량을 측정하고, 상기 제2 축전판 및 제3 축전판 사이의 정전용량을 측정하고, 그리고 상기 측정된 정전용량에 기초하여 간격의 표시를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제1 표면 및 제2 표면을 구비하고 그들 사이에서 반도체가 처리되는 반도체 공정 챔버에서 전극 간격을 측정하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 간격의 표시는 제1 표면 및 제2 표면 사이의 전체 간격의 표시인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 간격의 표시는 간격을 조절하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 간격의 표시는 평행 관계의 표시를 제공하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 평행 관계 표시에 근거하여 서로에 대한 표면의 평행 관계를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 간격의 표시는 전극 형상의 측정치를 제공하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 각 영역이 다른 영역으로부터 전기적으로 절연된 다수의 도전 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 시스템용 샤워헤드.
  16. 제15항에 있어서, 상기 다수의 도전 영역은 실질적으로 동일 평면상에 존재하는 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
  17. 제15항에 있어서, 각각의 도전 영역에 동작가능하게 결합된 정전용량 측정 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
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