WO2023043091A1 - 조립형 프로파일 상부 전극 및 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

조립형 프로파일 상부 전극 및 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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WO2023043091A1
WO2023043091A1 PCT/KR2022/012962 KR2022012962W WO2023043091A1 WO 2023043091 A1 WO2023043091 A1 WO 2023043091A1 KR 2022012962 W KR2022012962 W KR 2022012962W WO 2023043091 A1 WO2023043091 A1 WO 2023043091A1
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upper electrode
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profile
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PCT/KR2022/012962
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Inventor
박진경
Original Assignee
주식회사 티이엠
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    • 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

Definitions

  • This invention relates to a prefabricated upper electrode capable of changing the profile of an upper electrode in order to precisely control the uniformity of plasma generated in a plasma chamber in a plasma processing system.
  • the present invention relates to an upper electrode capable of changing the profile of the upper electrode in various ways and at the same time easy maintenance of the upper electrode, and a plasma processing apparatus including the same.
  • Substrate processing systems comprising the plasma processing apparatus according to the present invention may be used to process substrates such as semiconductor wafers.
  • Exemplary processes that may be performed on a substrate include chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), conductor etch, dielectric etch, rapid thermal processing (RTP), ion implantation, physical vapor deposition (PVD), and /or other etching processes, deposition processes or cleaning processes, but is not limited thereto.
  • CVD chemical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • RTP rapid thermal processing
  • PVD physical vapor deposition
  • other etching processes deposition processes or cleaning processes, but is not limited thereto.
  • a substrate may be placed on a substrate support such as a pedestal, electrostatic chuck (ESC), etc. in a processing chamber of a substrate processing system, and during processing, gas mixtures may be introduced into the processing chamber, where a plasma initiates and sustains chemical reactions. can be used to do
  • the processing chamber 10 includes a substrate support, a gas distribution device (eg, including a showerhead corresponding to the upper electrode 20), a plasma confinement shroud, and the like. It includes components and can be coupled through a coupling structure 21 such as a bush.
  • a gas distribution device eg, including a showerhead corresponding to the upper electrode 20
  • a plasma confinement shroud e.g., a plasma confinement shroud, and the like. It includes components and can be coupled through a coupling structure 21 such as a bush.
  • the substrate support may include a ceramic layer configured to support a wafer, for example, the wafer may be clamped to the ceramic layer during processing, and the substrate support may include around an outer portion of the substrate support (eg, outer and and/or adjacent to a boundary).
  • An edge ring may be provided to confine the plasma to a volume above the substrate, to optimize substrate edge processing performance, and to protect the substrate support from plasma and the like induced erosion.
  • a plasma confinement shroud may be disposed around each of the substrate support and showerhead to further confine the plasma within a volume above the substrate.
  • This invention is to provide a prefabricated upper electrode capable of changing the profile of the upper electrode in order to precisely control the uniformity of plasma generated in the plasma chamber in a plasma processing system, by prefabricating a specific area of the upper electrode
  • the present invention relates to an upper electrode and a plasma processing apparatus including the same, which can change the profile of the lower surface of the upper electrode in contact with plasma in various ways, and at the same time has the advantage of easy maintenance of the upper electrode.
  • the silver may include a fastening structure to be separated from the upper electrode.
  • the continuous surface that changes from the second area to the first area may have a tapered structure that slopes from the second thickness to the first thickness or a curved structure that gently changes from the second thickness to the first thickness.
  • a second thickness of the second region may be greater than a first thickness of the first region, and the second region may be located at a central portion of the upper electrode.
  • the second region may include a male screw thread
  • the fastening structure may be a screw thread fastening structure
  • the second region is a central region located at the center of the upper electrode
  • the first region is an outer region located radially outward from the second region
  • a second region located radially outward from the second region.
  • An outer area of 3 areas may be further included.
  • the lower surface has a continuous surface structure that changes from a second region having a second thickness as a central region through a first region as an outer region having a first thickness to a third region having a third thickness as an outer region. It is desirable to be
  • Each of the first region, the second region, and the third region constituting the lower surface may be independently radially flat or curved.
  • a plasma processing apparatus including an assembled upper electrode having such a profile may be mentioned.
  • the present invention is installed in a plasma chamber and includes a lower surface in contact with plasma and an upper surface in contact with an upper electrode fastening structure in the chamber, wherein the lower surface comprises a second area A2 and the second area A2. It includes a first region A1 of an outer periphery surrounding the region, the central thickness of the second region is the second thickness t2, the thickness of the second region continuously changes in the radial direction, and the upper portion in contact with the plasma
  • the lower surface of the electrode is formed as a continuous surface that changes from a second region to a first region, wherein the second region of the lower surface can be separated and replaced from the upper electrode, such as a replaceable upper electrode having a profile. there is.
  • the second region that can be separated and replaced from the upper electrode includes an auxiliary electrode, and the auxiliary electrode is preferably fastened to and separated from the upper electrode in a screw thread structure or one-touch method, and the one-touch type auxiliary electrode, It is more preferable that the one-touch coupling protrusion protrudes from the upper center and the one-touch coupling groove is formed concavely toward the inside of the second region of the upper electrode.
  • the one-touch coupling protrusion may have a pillar shape protruding from the center of an upper side surface of the auxiliary electrode.
  • the lower surface further includes a third area A3, which is an outer area of the upper electrode, and a first area, which is an outer area having a first thickness, from a second area having a second thickness at the center of the upper electrode. It is preferable to have a continuous surface structure that is changed to an outer region, which is a third region having a third thickness, and each of the first region, the second region, and the third region constituting the lower surface is independently radially flat or may be curved.
  • the first region and/or the third region may include an auxiliary electrode that may be separated from and replaced with an upper electrode.
  • This invention can provide a prefabricated upper electrode capable of changing the profile of the upper electrode in order to precisely control the uniformity of plasma generated in a plasma chamber in a plasma processing system.
  • an upper electrode and a plasma processing device including the same, which can change the profile of the upper electrode in various ways by replacing a specific area of the upper electrode with a prefabricated type, and at the same time has the advantage of easy maintenance of the upper electrode. there is.
  • FIG. 1 schematically shows a plasma processing apparatus including a conventional plasma chamber.
  • FIGS. 2(a) and 2(b) schematically show an upper electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4(a) and 4(b) schematically show an exploded view and a coupling view of this other embodiment.
  • FIG. 5 schematically shows a state in which an upper electrode according to another embodiment of the present invention is mounted in a plasma chamber.
  • 6(a) and 6(b) schematically show a bottom view and a cross-sectional view of an upper electrode according to another embodiment of the present invention, respectively.
  • processing chamber plasma chamber
  • 200 upper electrode
  • bush coupling structure 250 auxiliary electrode
  • a substrate processing system in which an etching process is performed may vary in output depending on characteristics such as substrate, gas mixtures, temperature, radio frequency (RF) and RF power.
  • the etch rate or etch uniformity of a substrate being processed varies depending on the dimensions of components within a processing chamber of a substrate processing system.
  • the etch rate across the substrate changes as the distance between the top surface of the substrate and the bottom surface of the gas distribution device increases, and the etch rate changes as the etch rate moves from the center of the substrate to the outer perimeter of the substrate. It can be.
  • sheath bending and ion incidence angle tilt may cause high aspect ratio contact (HARC) profile tilting, and plasma density reduction may reduce etching rate and etching depth.
  • plasma density reduction may reduce etching rate and etching depth.
  • chemical loading associated with reactive species eg, etchants and/or deposition precursors
  • CD feature critical dimension
  • material such as etch byproducts may be redeposited on the substrate, the etch rates being dependent on several other process parameters including RF and RF power, temperature, and gas flow rates across the top surface of the substrate. It can change.
  • Components that may affect the processing of the substrate include, but are not limited to, a substrate support including, but not limited to, a gas distribution device (e.g., a showerhead that is also an upper electrode), a plasma confinement shroud, and/or a baseplate; one or more edge rings, coupling rings, and the like.
  • a gas distribution device e.g., a showerhead that is also an upper electrode
  • a plasma confinement shroud e.g., a plasma confinement shroud, and/or a baseplate
  • edge rings e.g., a plasma confinement shroud
  • the conventional plasma etching process apparatus 10 uses an upper electrode 20 having a flat bottom surface facing the plasma.
  • High RF source power eg, RF source power provided at 60 MHz, 40 MHz, etc.
  • high bias power can induce a plasma density peak at the edge region of the substrate (eg, an edge peak between 80 and 150 mm from the center).
  • a plasma distribution including these center peaks and edge peaks may be defined as “W” shaped radial plasma non-uniformity.
  • Such non-uniform plasma distribution may cause non-uniform etching resulting in non-uniform processing, and in high aspect ratio etch processes, profile tilting in addition to etch non-uniformity due to radial plasma non-uniformity.
  • the profile of the upper electrode may be changed to control the radial plasma distribution and uniformity. It is preferable that the lower surface of the upper electrode in contact with the plasma is formed to have a tapered surface, and more specifically, is angled, sloped, tilted, or curved ( An upper electrode having a plasma-facing lower surface, such as curved, shaped, or the like, is used.
  • the upper electrode according to the present invention tapers from the center in a radial direction towards the outer periphery of the upper electrode, but in some variations, the tapering may not extend to the outer periphery of the upper electrode but instead a certain distance radially inward of the outer periphery. It is also possible to stop with . In other examples, the tapering may extend to the outer periphery of the upper electrode. Accordingly, the thickness of the upper electrode can be varied based on the radial distance from the center of the upper electrode.
  • the upper electrode extends from the center of the upper electrode to a point a certain distance apart (for example, the radius R from the center of the upper electrode to the end of the second region).
  • the thickness of the upper electrode may be tapered so as to decrease uniformly, or the thickness of the upper electrode may be reduced in a manner that gradually decreases in a gentle curved surface from the center to the outer periphery of the upper electrode, as shown in FIG. 3(b).
  • the dimensions of the tapering (eg, the thickness of each section of the upper electrode according to the radial distance of the upper electrode, the radius length or slope of the tapering, etc.) can be appropriately selected according to the desired radial plasma distribution, and the tapering of the electrode
  • the thickness or profile of the lower surface of the electrode may be determined according to the peak plasma density at the center of the upper electrode.
  • the radius or length of the tapering can be determined along the length scale of the radial plasma density gradient, and the thickness at the center of the upper electrode is chosen to reduce and eliminate the peak plasma density at the center of the processing volume.
  • the radius or length of the tapering may be selected to reduce or minimize plasma non-uniformity in the radial direction. Accordingly, profile tilting and etching non-uniformity caused by plasma non-uniformity may be minimized during high aspect ratio etching.
  • the electrode thickness t1 which varies according to the electrode thickness t2 at the center of the surface and the radius of the first region A1, the radius or length of the tapering is selected to reduce or minimize plasma non-uniformity in the radial direction
  • profile tilting and etching non-uniformity that may be caused by plasma non-uniformity during high aspect ratio etching can be minimized.
  • the upper electrode has a second region A2 having a different thickness and including a fastening part that can be separated and replaced, and a tapered or gently curved surface with a thickness in the radial direction. It can be divided into a first area A1 that changes to . Accordingly, the lower surface of the upper electrode 200 may have a plasma-facing lower surface formed as a tapered or gently curved surface as will be described later.
  • the upper electrode 200 may be made of a single structure or may have a combined structure in which an inner electrode and an outer electrode are coupled.
  • the inner electrode and the outer electrode may correspond to a disk and an annular ring, respectively ( That is, the outer electrode surrounds the outer edge of the inner electrode).
  • the upper electrode 200 including both the inner electrode and the outer electrode it will be referred to as the upper electrode 200 including both the inner electrode and the outer electrode.
  • the processing chamber 10 may include a plasma confinement shroud disposed around an upper electrode 200, the upper electrode 200, the substrate support, the edge ring, and the plasma confinement shroud
  • a processing volume, which is a plasma region, may be included on the semiconductor substrate.
  • the lower surface of the conventional upper electrode comes into contact with plasma substantially flat, resulting in non-uniform plasma having a center-peak in the lower plasma formation space of the upper electrode 20 having a flat lower surface. form a density distribution. That is, a non-uniform central peak is formed in the plasma distribution in the processing volume, which is a plasma formation space, and decreases in a radial direction.
  • This non-uniform plasma distribution may further include an outer peak that is radially outward in addition to the central region of the upper electrode, and may be related to profile tilting of the substrate (e.g., in the mid-radius region of the substrate) and etching non-uniformity. The same processing inhomogeneity will occur.
  • the second region is the thickness of the first region in the second thickness t2, which is the height (or thickness) from the center of the lower surface of the upper electrode as the radius R (distance from the center) increases. It is reduced to 1 thickness t1.
  • This decrease in thickness may be uniformly reduced (ie, have a constant gradient or slope) as shown in FIG. 3(a), or may have a curved surface as shown in FIG. 3(b). That is, the thickness of the lower surface of the second region may decrease with a constant gradient in a radial direction from the center of the upper electrode, or may decrease in thickness in a curved shape.
  • the lower surface of the second region may be formed to include an auxiliary electrode 250 having a fastening structure that can be separated from the upper electrode.
  • the profile of the lower surface of the auxiliary electrode 250 having a fastening structure so as to be fastened and separated from the upper electrode may be variously changed (a straight line, an oblique line, a curved surface, an ellipse, etc.).
  • the etching rate or etching uniformity of the substrate to be processed is changed according to the dimensions of the components in the plasma chamber of the substrate processing system, the lower part of the auxiliary electrode coupled to the second region according to the changes in the dimensions of the components in the chamber.
  • the surface profile can also be chosen appropriately. Accordingly, the uniformity of plasma distribution in the plasma chamber can be improved, and thus the etching or etching uniformity of the substrate to be processed can also be increased.
  • auxiliary electrode 250 is coupled to and separated from the upper electrode in a screw thread structure.
  • An example is shown in which a male screw thread is formed on the upper part of the auxiliary electrode 250 and a female screw thread is formed inside the second region of the upper electrode 200, but on the contrary, a female screw thread is formed on the inside of the upper part of the auxiliary electrode, and a male screw thread is formed on the upper electrode It is also possible that acids are formed.
  • various types of fastening structures may be used, including a one-touch type fastening structure to be described later, in addition to the screw thread fastening structure.
  • auxiliary electrode 250 which is another embodiment of the present invention, is combined with the upper electrode 200 in a one-touch fastening structure.
  • a one-touch coupling protrusion 250a protrudes from the upper center of the auxiliary electrode 250, and a one-touch coupling groove 200a is formed concavely inside the second area of the upper electrode 200. do.
  • the one-touch coupling protrusion 250a has a columnar shape protruding from the center of the upper side of the auxiliary electrode 250 .
  • the one-touch coupling protrusion 250a includes one or more stoppers 251 protruding outward from the side surface and a receiving groove 252 concavely formed in the inner center of the auxiliary electrode 250.
  • the stopper 251 is fixed to the locking portion 202a formed inside the one-touch coupling groove 200a, thereby preventing the one-touch coupling projection 250a from leaving And, because of this, the auxiliary electrode 250 can be simply fastened with the upper electrode 200.
  • a slit (not shown) may be formed through the side of the one-touch coupling protrusion 250a, and the slit extends from the end of the one-touch coupling protrusion to a predetermined length, so that the end of the one-touch coupling protrusion It may have an incised shape.
  • the one-touch coupling groove 200a includes a first receiving groove 201 concavely formed so that the upper portion of the auxiliary electrode 250 can be accommodated; a second accommodating groove 202 further concavely formed at the center of the bottom surface of the first accommodating groove 201 to accommodate the one-touch coupling protrusion 250a of the auxiliary electrode 250; a fixed shaft 203 formed on the bottom of the second receiving groove 202; a spring 204 penetrating the fixed shaft; and a locking portion 202a concavely formed in a shape complementary to the stopper on the inner surface of the second receiving groove 202.
  • One end of the spring 204 comes into contact with the bottom surface of the second receiving groove 202, and the other end comes into contact with the bottom surface of the receiving groove 252 of the auxiliary electrode 250.
  • a more detailed explanation of the fastening state of the auxiliary electrode 250 and the upper electrode 200 according to this structure is that when the auxiliary electrode 250 is pressed upward, the spring is contracted and the auxiliary electrode 250 moves upward. move in the direction Subsequently, the auxiliary electrode 250 is pushed downward again by the elastic restoring force of the spring 204, and at the same time, the stopper 251 is positioned at the hooking part 202a, so that the position of the auxiliary electrode 250 is fixed. , At this time, the lower surface of the auxiliary electrode 250 is provided to be continuous with the lower surface of the upper electrode 200.
  • the one-touch coupling protrusion 250a is formed so that the side is tapered, so that the one-touch coupling protrusion 250a is formed in the one-touch coupling groove 200a.
  • the one-touch coupling protrusion 250a is aligned in the center to prevent a gap between the auxiliary electrode and the upper electrode.
  • the upper electrode including the auxiliary electrode 250 of FIGS. 2 and 4, which can be separated from the upper electrode and replaced appropriately, is a continuous surface whose lower surface changes from the second area A2 to the first area A1.
  • the second thickness t2 and the first thickness t1 may be selected to be different from each other, and the continuous surface that changes from the second area to the first area is inclined from the second thickness to the first thickness. It may be formed to have a tapered structure or to have a curved structure that gently changes from the second thickness to the first thickness.
  • auxiliary electrode 250 can be replaced, only a part of the upper electrode 200 can be selectively replaced as needed during the maintenance process of the plasma chamber, thereby reducing the maintenance cost of the plasma processing device. can save
  • the second thickness t2 of the second region A2 located at the center of the upper electrode and having the largest thickness is located radially outward from the center of the upper electrode, not the central region of the upper electrode. It is also possible to be located in the outer region located radially outside the region or the outer region, and it is also possible to form a plurality of regions (see FIGS. 6, 9 and 10).
  • the lower surface of the upper electrode includes a second region A2, which is a central region located at the center of the upper electrode, and a first region, which is an outer region located radially outward from the second region ( A1) and a third area A3 which is an outer area positioned radially outward from the first area.
  • the lower surface of the upper electrode is formed from a second area A2, which is a central area having a second thickness t2 at the center of the upper electrode, to a first area, which is an outer area having a variable first thickness t2 ( Through A1), a continuous surface structure that changes to a third area A3, which is an outer area having a third thickness t3, may be formed.
  • each of the first region, the second region, and the third region constituting the lower surface may be independently radially flat or curved (see FIGS. 8 to 13 ).
  • a plasma processing apparatus including an assembled upper electrode having such a profile may be mentioned.
  • FIG. 5 shows schematically another embodiment of this invention.
  • the upper electrode 200 shown in FIG. 5 can change the profile of the lower surface through the combination of the auxiliary electrode 250, as in the case of FIG. 2 or 3, and the lower part of the auxiliary electrode 250 Faces can be deformed into various shapes and shapes.
  • a separate bolt 260 and a washer 270 may be further included on the upper part of the auxiliary electrode 250. It is also possible to form a step 280 at the outermost part of the upper electrode so that it can be supported.
  • the auxiliary electrode 250 shown in FIG. 5 has a female thread formed upward from the inside, and is coupled to a bolt 260, which is a separate fastening member, through the female thread formed in the auxiliary electrode 250.
  • the bolt 260 may be fixed to the upper electrode 200 through a step formed inside the upper electrode 200 .
  • a washer 270 is additionally positioned between the step of the upper electrode 200 and the bolt 260 .
  • the fastening structure of the auxiliary electrode 250 by the bolt 260 allows the auxiliary electrode 250 to be separated or coupled from the upper electrode 200 more easily, so that the lower surface profile of the upper electrode 200 can be quickly changed. And it has the advantage that the maintenance process is easier.
  • the description has been centered on an example in which the second region is located in the central region of the upper electrode 200, but the second region does not necessarily have to exist in the central region of the upper electrode 200. .
  • the second region may be formed at an arbitrary position of the upper electrode 200, which is to minimize the region in which the plasma 372 formed in the plasma chamber is non-uniformly formed.
  • it can be formed at various locations, and the lower surface profile of the upper electrode can be changed through the arrangement of the auxiliary electrode 250 located in the second region.
  • a stepped 280 may be formed at the outermost part of the upper electrode 200 to fix the upper electrode 200, and this may be equally applied to various modifications described below.
  • FIG. 7 shows an upper electrode 500 in which the lower profile of the auxiliary electrode 250, which can be replaced with the upper electrode 500, is stepped or stepped.
  • the auxiliary electrode 250 located in the central area of the lower surface of the upper electrode 500 is stepped or staired, so that the outer area of the second area A2, which is the central area of the upper electrode, is formed.
  • the first area A1 may be formed to have a thickness that decreases in a stepwise manner in a radial direction.
  • FIGS. 8(a) and (b) an example in which the lower profile of the auxiliary electrode 250 that can be replaced with the upper electrode 500 is variously changed is presented.
  • the replaceable auxiliary electrode 250 has a tapered profile in the second area A2, which is the central area of the upper electrode 500, and A third area A3 may be formed with a profile in which the thickness decreases in a gently curved surface, and between the third area A3 and the second area A2, the first area ( A1) is formed.
  • the thickness of the upper electrode (including the auxiliary electrode) of the second area A2, which is the center area, is preferably larger than the thicknesses of the third area and the first area, and the upper electrode thickness of the third area is the second area. It is more preferable to be small compared to the area.
  • the same auxiliary electrode is formed in the second region, but the profile of the third region, which is the outer region of the upper electrode, has a tapered shape with a constant thickness similar to the second region. It may be a structure, and the first region, which is an area between them, may be formed to have a curved profile.
  • each of the first region, the second region, and the third region constituting the lower surface of the upper electrode is independently radial Since it can be formed as a flat, curved or tapered surface, upper electrodes with various profile combinations can be included.
  • FIGS. 9 and 10 show an example in which a plurality of assembly-type auxiliary electrodes 250 are positioned on the upper electrode, respectively, and the lower surface profiles of the upper electrode are the first region, the second region, and the third region as described above. It can independently have various profiles, and replaceable auxiliary electrodes 250 can be disposed in each of these regions as needed. At this time, a tapered surface or a curved surface having a certain gradient may be selectively applied to the lower surface profile of the auxiliary electrode 250 disposed thereon.
  • FIG. 11 shows a modified example of the lower profile of the auxiliary electrode 250 .
  • the lower surface of the central portion C1 of the auxiliary electrode 250 formed in the second region may be formed as a plane.
  • the outer portion C2 of the auxiliary electrode 250 radially surrounding the central portion C1 It is also possible to have a profile formed in a curved surface or a tapered surface.
  • FIG. 12 is a modified example of the upper electrode profile to which the auxiliary electrode 250 shown in FIG. 11 is applied.
  • the profile of the first area A1 of the upper electrode shown in FIG. 11 has a curved or tapered surface continuous from the second area A2, but as shown in FIG. 12, the profile of the first area A1 of the upper electrode has a thickness It is also possible that is formed in a certain plane shape. That is, the upper electrode 500 may have a lower surface profile formed flat from the end of the outer portion C2 of the auxiliary electrode to the first area A1 of the upper electrode without changing its thickness.
  • FIG. 13 is a modified example of the lower surface profile of the upper electrode 500 to which the auxiliary electrode 250 according to an example is applied.
  • the lower surfaces of the first region, the second region, and the third region of the upper electrode have a flat shape, but each region may be connected to form a continuous surface, and the thickness of each region is different or the same. can do.
  • the second area A2 located in the central area of the upper electrode protrudes from the lower surface in a columnar shape and is combined with the auxiliary electrode 250 to form the thickest upper electrode thickness, and the auxiliary electrode ( 250) can be easily performed.
  • the auxiliary electrode 250 having a flat bottom surface profile is coupled to the second area A2 of the upper electrode as shown in FIG. 13, the second area A2 protrudes most from the lower surface of the upper electrode. You can have a profile.
  • the profile may be formed in a flat shape (see Fig. 13), but it may also be tapered or curved.
  • FIG. 14 is a modified example of a lower surface profile of an upper electrode according to another embodiment. 7 to 13 shown above, various embodiments having an auxiliary electrode 250 that can be separated and combined with the upper electrode are shown, but this is an assembled profile upper electrode according to another embodiment of the present invention, FIG. 14, the upper electrode 200 is formed in a laminated structure so as to be separated into a first upper electrode 200-1 and a second upper electrode 200-2, and then screwed together as shown in FIG. Alternatively, it has a structure that can be fastened or separated through the one-touch coupling structure shown in FIGS. 2 and 4 .
  • auxiliary electrode 250 that replaces/combines a part of the lower surface of the upper electrode 200
  • by adopting the entire lower surface of the upper electrode 200 in contact with plasma as a bonding structure By selectively replacing only the second upper electrode 200 - 2 corresponding to the lower surface area of the upper electrode 200 where the deterioration or damage has occurred, there is an effect of reducing operation and maintenance costs.
  • the lower surface profile of the selectively replaced second upper electrode 200-2 may have a curved structure in which the thickness gently changes as shown in FIG. 14 or may be formed in an inclined taper structure. It is also possible that the profile presented in is applied.
  • This invention is to provide a prefabricated upper electrode capable of changing the profile of the upper electrode in order to precisely control the uniformity of plasma generated in the plasma chamber in a plasma processing system, by prefabricating a specific area of the upper electrode Accordingly, the profile of the lower surface of the upper electrode in contact with the plasma can be variously changed, and at the same time, the upper electrode can be easily maintained, so there is industrial applicability.

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Abstract

이건 발명은 교체형 프로파일 상부 전극 및 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 상기 상부 전극은, 플라즈마와 접하는 하부 표면을 포함하되, 제1 영역과 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 제2 영역은 각각 제1 두께와 제2 두께를 가지며, 플라즈마와 접하는 상부 전극의 하부 표면은 제2 영역에서 제1 영역으로 변화되는 연속 표면으로 형성되되, 상기 제2 영역은, 상부 전극으로부터 분리될 수 있도록 체결 구조를 포함함으로써, 플라즈마 처리 장치의 내부에 형성되는 플라즈마의 균일도를 향상시카면서 동시에 상부 전극의 교체 주기를 증가시킬 수 있는 장점이 존재한다.

Description

조립형 프로파일 상부 전극 및 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치
이건 발명은 플라즈마 프로세싱 시스템에서, 플라즈마 쳄버 내에 생성되는 플라즈마의 균일도를 정밀하게 제어하기 위해, 상부 전극의 프로파일을 변화시킬 수 있는 조립식 상부 전극에 관한 것으로, 상부 전극의 특정 영역을 조립식으로 교체함에 따라 상부 전극의 프로파일을 다양하게 변화시킬 수 있으면서, 동시에 상부 전극의 유지 보수가 용이한 장점이 있는 상부 전극 및 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
이건 발명의 명세서에 제공된 배경기술은, 일반적으로 이건 발명의 완성 이전의 종래 기술 혹은 배경 기술에 관한 문제점을 제공하기 위한 것이나, 명확하게 공지되었다는 점이 입증되지 않는 이상 공지된 기술로 간주될 수 없음은 당연하게 인식될 수 있다.
이건 발명에 따른 플라즈마 처리 장치를 포함하는 기판 프로세싱 시스템들은 반도체 웨이퍼와 같은 기판들을 처리하는데 사용될 수 있다. 기판 상에서 수행될 수 있는 예시적인 프로세스들은, CVD(chemical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition), 도전체 에칭, 유전체 에칭, RTP(rapid thermal processing), 이온 주입, PVD(physical vapor deposition), 및/또는 다른 에칭 프로세스, 증착 프로세스 또는 세정 프로세스를 포함할 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다.
기판은 기판 프로세싱 시스템의 프로세싱 챔버 내 페데스탈, ESC (electrostatic chuck), 등과 같은 기판 지지부 상에 배치될 수 있으며, 프로세싱 동안, 가스 혼합물들이 프로세싱 챔버 내로 도입될 수도 있고, 플라즈마가 화학 반응들을 개시하고 지속시키기 위해 사용될 수 있다.
도 1에 제시되어 있듯이, 프로세싱 챔버(10)는, 기판 지지부, 가스 분배 디바이스(예를 들어, 상부 전극(20)에 대응되는 샤워헤드를 포함), 플라즈마 한정 슈라우드 (plasma confinement shroud) 등의 다양한 컴포넌트들을 포함하며, 부시 등의 결합구조체(21)를 통해 결합될 수 있다.
기판 지지부는 웨이퍼를 지지하도록 구성된 세라믹층을 포함할 수 있는데, 예를 들어 웨이퍼는 프로세싱 동안 세라믹층에 클램핑(clamp) 될 수도 있으며, 기판 지지부는 기판 지지부의 외측 부분 둘레(예를 들어, 외측 및/또는 경계에 인접)에 배치된 에지 링을 포함할 수 있다. 에지 링은 기판 위의 볼륨에 플라즈마를 한정하고, 기판 에지 프로세싱 퍼포먼스를 최적화하고, 플라즈마 등에 의해 유발되는 부식으로부터 기판 지지부를 보호하도록 제공될 수 있다.
플라즈마 한정 슈라우드는 기판 위의 볼륨 내에 플라즈마를 더 한정하기 위해 기판 지지부 및 샤워헤드 각각의 둘레로 배치될 수 있다.
이건 발명은 플라즈마 프로세싱 시스템에서, 플라즈마 쳄버 내에 생성되는 플라즈마의 균일도를 정밀하게 제어하기 위해 상부 전극의 프로파일을 변화시킬 수 있는 조립식 상부 전극을 제공하기 위한 것으로, 상부 전극의 특정 영역을 조립식으로 교체함에 따라 상부 전극이 플라즈마와 접하는 하부 표면의 프로파일을 다양하게 변화시킬 수 있으면서, 동시에 상부 전극의 유지 보수가 용이한 장점이 있는 상부 전극 및 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
이건 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 챔버에 설치되는 조립형 상부 전극은, 플라즈마와 접하는 하부 표면을 포함하되, 제1 영역과 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 제2 영역은 각각 제1 두께와 제2 두께를 가지며, 플라즈마와 접하는 상부 전극의 하부 표면은 제2 영역에서 제1 영역으로 변화되는 연속 표면으로 형성되되, 상기 제2 두께와 제1 두께는 상이하고, 상기 제2 영역은, 상부 전극으로부터 분리될 수 있도록 체결 구조를 포함할 수 있다.
상기 제2 영역에서 제1 영역으로 변화되는 연속 표면은, 제2 두께로부터 제1 두께로 기울어지는 테이퍼 구조 혹은, 제2 두께로부터 제1 두께로 완만하게 변화되는 곡면 구조일 수 있다.
상기 제2 영역의 제2 두께는, 상기 제1 영역의 제1 두께보다 크며, 상기 제2 영역은 상기 상부 전극의 중심부에 위치하는 것도 가능하다.
상기 제2 영역은 숫나사산을 포함하여, 상기 체결 구조는 나사산 체결 구조일 수 있다.
또한, 상기 제2영역은 상부 전극의 중심부에 위치하는 중심 영역이고, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역에서 방사상으로 바깥쪽에 위치하는 바깥 영역이며, 상기 제2 영역에서 방사상으로 바깥쪽에 위치하는 제3 영역인 외곽 영역을 더 포함할 수 있다.
이때 상기 하부 표면은, 제2 두께를 갖는 중심 영역인 제2 영역으로부터, 제1 두께를 갖는 바깥 영역인 제1 영역을 거쳐, 제3 두께를 갖는 제3 영역인 외곽 영역으로 변화되는 연속 표면 구조인 것이 바람직하다.
상기 하부 표면을 구성하는 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역 각각은 독립적으로, 방사상으로 편평하거나 곡선일 수 있다.
이건 발명의 다른 실시 형태로, 이러한 프로파일을 갖는 조립형 상부 전극을 포함하는 플라즈마 처리 장치를 들 수 있다.
이건 발명의 또 다른 실시 형태로, 플라즈마 챔버에 설치되고, 플라즈마와 접하는 하부 표면과 챔버 내 상부 전극 체결 구조와 접하는 상부 표면을 포함하되, 상기 하부 표면은, 제2 영역(A2)과 상기 제2 영역을 둘러싸는 외주부의 제1 영역(A1)을 포함하고, 상기 제2 영역의 중심 두께는 제2 두께(t2)이고, 반경 방향으로 제2 영역의 두께는 연속적으로 변화하며, 플라즈마와 접하는 상부 전극의 하부 표면은 제2 영역에서 제1 영역으로 변화되는 연속 표면으로 형성되되, 상기 하부 표면의 제2 영역은, 상부 전극으로부터 분리 및 교체될 수 있으며, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극을 들 수 있다.
상부 전극으로부터 분리 및 교체될 수 있는 상기 제2 영역은 보조 전극을 포함하되, 상기 보조 전극은, 상부 전극으로부터 나사산 구조 혹은 원터치 방식으로 체결 및 분리되는 것이 바람직하고, 원터지 방식의 보조 전극은, 상부 중앙에 원터치 결합돌기가 돌출 형성되고, 상부 전극의 제2 영역의 안쪽으로 원터치 결합홈이 오목하게 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 원터치 결합돌기는 보조 전극의 상측면 중앙에서 돌출된 기둥 형상을 가질 수 있다.
또한 상기 하부 표면은, 상부 전극의 외곽영역인 제3영역(A3)을 더 포함하고, 상부 전극의 중심에서 제2 두께를 갖는 제2 영역으로부터, 제1 두께를 갖는 바깥 영역인 제1 영역을 거쳐, 제3 두께를 갖는 제3 영역인 외곽 영역으로 변화되는 연속 표면 구조인 것이 바람직하며, 상기 하부 표면을 구성하는 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역 각각은 독립적으로, 방사상으로 편평하거나 곡선일 수 있다.
상기 제1 영역 및/또는 제3 영역은, 상부 전극으로부터 분리 및 교체될 수 있는 보조 전극을 포함할 수 있다.
이건 발명은 플라즈마 프로세싱 시스템에서, 플라즈마 쳄버 내에 생성되는 플라즈마의 균일도를 정밀하게 제어하기 위해 상부 전극의 프로파일을 변화시킬 수 있는 조립식 상부 전극을 제공할 수 있다.
또한, 상부 전극의 특정 영역을 조립식으로 교체함에 따라 상부 전극의 프로파일을 다양하게 변화시킬 수 있으면서, 동시에 상부 전극의 유지 보수가 용이한 장점이 있는 상부 전극 및 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 기존의 플라즈마 챔버를 포함하는 플라즈마 처리 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2(a)와 2(b)는 이건 발명의 일 실시 형태에 따른 상부 전극을 도시적으로 나타낸 것이다.
도 3은 이건 발명의 다른 실시 형태에 따른 상부 전극을 도식적으로 나타낸 것이고, 도 4(a)와 도 4(b)는 이러한 다른 실시 형태의 분해도 및 결합도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 이건 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 상부 전극이 플라즈마 챔버 내에 장착된 상태를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 6(a)와 도 6(b)는 각각 이건 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 상부 전극의 저면도와 단면도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 14는 각각 이건 발명의 다양한 변형 실시 형태를 도식적으로 나타낸 것이다.
[부호의 설명]
10 : 프로세싱 챔버(플라즈마 챔버) 20, 200 : 상부 전극
21 : 부시 결합 구조 250 : 보조 전극
260 : 고정 볼트 270 : 와셔
일반적으로, 에칭 프로세스가 수행되는 기판 프로세싱 시스템은, 기판, 가스 혼합물들, 온도, RF(radio frequency) 및 RF 전력 등의 특성들에 따라 그 결과물이 변화될 수 있다. 예를 들어, 처리 대상인 기판의 에칭 속도 혹은 에칭 균일도는 기판 프로세싱 시스템의 프로세싱 챔버 내의 컴포넌트들의 치수들에 따라 변화된다. 예를 들어, 기판 전체의 에칭 속도는 기판의 상부 표면과 가스 분배 디바이스의 하단 표면 사이의 거리가 증가함에 따라 변화되며, 에칭 속도는 기판의 중심부로부터 기판의 외주부(outer perimeter)로 이동함에 따라 변화될 수 있다.
또한, 기판의 외주부에서, 시스 벤딩(sheath bending) 및 이온 입사 각도 틸팅(ion incidence angle tilt)이 HARC(high aspect ratio contact) 프로파일 틸팅을 유발할 수 있고, 플라즈마 밀도 감소는 에칭 속도 및 에칭 깊이 감소를 유발할 수 있으며, 반응성 종(예를 들어, 에천트들 및/또는 증착 전구체들)과 관련되는 화학적 로딩(chemical loading)은 피처 CD(critical dimension)의 불균일성을 유발할 수 있다. 한편, 에칭 부산물들과 같은 재료가 기판 상에 재증착될 수 있으며, 에칭 속도들은, RF 및 RF 전력, 온도, 및 기판의 상부 표면을 가로지르는 가스 플로우 속도들을 포함하는 다른 여러 프로세스 파라미터들에 따라 변화될 수 있다.
기판의 프로세싱에 영향을 줄 수도 있는 컴포넌트들은 이로 제한되는 것은 아니지만, 가스 분배 디바이스(예를 들어, 또한 상부 전극에 해당하는 샤워헤드), 플라즈마 한정 슈라우드, 및/또는 베이스플레이트를 포함하는 기판 지지부, 하나 이상의 에지 링, 커플링 링 등을 포함한다. 앞서 도 1에서 언급되었듯이, 기존의 플라즈마 에칭 프로세스 장치(10)는 플라즈마 대면 편평한 하단 표면을 갖는 상부 전극(20)을 사용하게 된다.
고 RF 소스 전력(예를 들어, 60 ㎒, 40 ㎒, 등으로 제공된 RF 소스 전력)은 기판 위의 프로세싱 볼륨 내에서 중심-피크된 (center-peaked) 플라즈마 분포를 유발할 수 있으며, 고 바이어스 전력(예를 들어, 400㎑, 2 ㎒, 등으로 제공된 바이어스 전력)은 기판의 에지 영역(예를 들어, 중심으로부터 80 내지 150 ㎜의 에지 피크)에 플라즈마 밀도 피크를 유발할 수 있다. 이러한 중심 피크 및 에지 피크를 포함하는 플라즈마 분포는 "W" 형상 방사상 플라즈마 불균일도로 정의될 수 있다.
이러한 불균일 플라즈마 분포는 불균일한 프로세싱 결과인 불균일한 에칭을 유발할 수도 있으며, 고 종횡비 에칭 공정에서 방사상 플라즈마 불균일도에 기인한 에칭 불균일도에 더하여 프로파일 틸팅을 발생시키게 된다.
이건 발명에 따른 상부 전극과 플라즈마 처리 장치는, 이러한 방사상 플라즈마 분포 및 균일도를 제어하기 위해 상부 전극의 프로파일이 변경될 수 있다. 플라즈마와 접하는 상부 전극의 하부 표면이, 테이퍼링된(tapered) 표면을 갖도록 형성되는 것이 바람직하며, 좀 더 구체적으로, 비스듬하거나(angled), 기울어지거나(sloped), 틸팅되거나(tilted), 커브되거나(curved), 성형되는(shaped) 등의 플라즈마-대면 하부 표면을 갖는 상부 전극이 사용된다.
이건 발명에 따른 상부 전극은 방사상 방향의 중심으로부터 상부 전극의 외주부를 향해 테이퍼링되는 것이 바람직한데, 일부 변형예들에서, 테이퍼링은 상부 전극의 외주부로 연장되지 않을 수도 있고 대신 외주부의 방사상 내측에서 일정 거리를 두고 중단되는 것도 가능하다. 다른 예들에서, 테이퍼링은 상부 전극의 외주부로 연장될 수도 있다. 이에 따라, 상부 전극의 두께는 상부 전극의 중심으로부터 방사상 거리에 기초하여 가변될 수 있다.
도 3을 참조하여 설명하면, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 상부 전극의 중심에서 일정거리 떨어진 지점(예를 들어 상부 전극의 중심으로부터 제2 영역의 끝부분인 반경 R)까지 상부전극의 두께가 일정하게 감소하도록 테이퍼링되거나, 도 3(b)에 도시된 것처럼, 상부 전극의 중심으로부터 외주부로 완만한 곡면으로 점진적으로 감소하는 방식으로 상부 전극의 두께가 감소될 수 있다.
테이퍼링의 치수들(예를 들어, 상부 전극의 방사상 거리에 따른 상부 전극 단면 각각의 두께, 테이퍼링의 반경 길이 또는 기울기 등)은 목표된 방사상 플라즈마 분포에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 테이퍼링에 전극의 두께 혹은 전극 하부 표면의 프로파일은 상부 전극의 중심에서 피크 플라즈마 밀도에 따라 결정될 수도 있다.
또한, 테이퍼링의 반경 또는 길이는 방사상 플라즈마 밀도 변화도(gradient)의 길이 스케일(scale)에 따라 결정될 수 있으며, 상부 전극의 중심에서의 두께는 프로세싱 볼륨의 중심에서 피크 플라즈마 밀도를 감소시키고 제거하도록 선택되는 한편, 테이퍼링의 반경 또는 길이는 방사상 방향에서 플라즈마 불균일도를 감소시키거나, 최소화하도록 선택될 수 있다. 이로 인해 고 종횡비 에칭시 플라즈마 불균일도에 의해 유발되는 프로파일 틸팅 및 에칭 불균일도가 최소화될 수 있다.
따라서, 상부전극의 하부 표면의 중심 영역에 위치하는 제2 영역(A2)과 제2 영역의 외주부에 위치하는 제1 영역(A1)의 폭과 제2 영역(A2)의 중심인 상부전극의 하부 표면의 중심위치의 전극 두께(t2) 및 제1 영역(A1)의 반경에 따라 가변되는 전극 두께(t1)는, 테이퍼링의 반경 또는 길이는 방사상 방향에서 플라즈마 불균일도를 감소시키거나, 최소화하도록 선택되어, 고 종횡비 에칭시 플라즈마 불균일도에 의해 유발될 수 있는 프로파일 틸팅 및 에칭 불균일도를 최소화시킬 수 있다.
도 2을 참조하면, 이건 발명의 일 실시 예에 따른 상부 전극은 두께가 상이하고, 분리 및 교체될 수 있는 체결부가 포함된 제2 영역(A2)과, 테이퍼링되거나 완만한 곡면으로 두께가 반경 방향으로 변화되는 제1 영역(A1)으로 구분될 수 있다. 따라서 상부 전극(200)의 하부 표면은, 후술되는 바와 같이 테이퍼링되거나 완만한 곡면으로 형성되는 플라즈마-대면 하부 표면을 가질 수 있다.
한편, 상부 전극(200)은, 단일구조의 일체형으로 이루어지거나, 내측 전극 및 외측 전극이 결합된 결합 구조를 갖는 것도 가능한데, 이때 내측 전극 및 외측 전극은 각각 디스크 및 환형 링에 대응될 수 있다(즉, 외측 전극이 내측 전극의 외측 에지를 둘러싼다). 간략한 설명을 위해 이건 발명의 명세서에서는, 내측 전극 및 외측 전극을 모두 포함하여 상부 전극(200)으로 부르기로 한다.
반도체 기판의 플라즈마 처리 장치에서, 프로세싱 챔버(10)는 상부 전극(200)의 둘레에 배치되는 플라즈마 한정 슈라우드를 포함할 수도 있으며, 상부 전극(200), 기판 지지부, 에지 링, 및 플라즈마 한정 슈라우드는 반도체 기판 위에 플라즈마 영역인 프로세싱 볼륨을 포함할 수 있다.
앞서 종래의 기술에서 언급되었던 기존의 상부 전극의 하부 표면은, 실질적으로 편평하게 플라즈마를 접하게 되어, 편평한 하부 표면을 갖는 상부 전극(20)의 아래쪽 플라즈마 형성 공간 내에서 중심-피크를 갖는 불균일한 플라즈마 밀도 분포를 형성하게 된다. 즉, 플라즈마 형성 공간인 프로세싱 볼륨 내의 플라즈마 분포는 불균일한 중심 피크가 형성되고, 방사상 방향으로 감소하게 된다. 이러한 불균일한 플라즈마 분포는 상부 전극의 중심 영역 외에도 방사상 방향의 바깥쪽인 외측 피크를 추가로 더 포함할 수도 있으며, 기판의 프로파일 틸팅(예를들어, 기판의 중간-반경 영역에서) 및 에칭 불균일도와 같은 프로세싱 불균일도들을 발생시키게 된다.
반면, 도 2와 도 3에 제시된 것처럼, 상부 전극(200)의 플라즈마-대면인 하부 표면이 테이퍼링되어, 제1 두께를 갖는 제1 영역과 제2 두께를 갖는 제2 영역으로 구성될 경우에는, 이러한 에칭 불균일도 혹은 프로세싱 불균일도가 효과적으로 감소될 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 제2 영역은 반경 R(중심으로부터의 거리)이 증가함에 따라 상부전극의 하부 표면 중심에서의 높이(혹은 두께)인 제2 두께 t2에서 제 1영역의 두께인 제1 두께 t1으로 감소된다. 이러한 두께의 감소는 도 3(a)에 제시된 것처럼 일정하게 감소하거나(즉, 일정한 구배 혹은 기울기를 갖거나), 도 3(b)에 제시된 것처럼 곡면을 갖는 것도 가능하다. 즉, 제2 영역의 하부 표면은, 상부 전극의 중심에서 반경 방향으로 일정한 기울기를 갖고 두께가 감소하거나, 곡면 형태로 두께가 감소될 수 있다.
이렇게 테이퍼링되거나 가변하는 두께를 갖는 상부 전극의 하부 표면으로 인해, 상부 전극이 포함된 플라즈마 챔버 내에서 생성되는 플라즈마 분포의 중심 피크가 억제될 수 있다.
이때 제2 영역의 하부 표면은, 도 2와 도 3에 도시된 것처럼, 상부 전극으로부터 분리될 수 있는 체결 구조를 갖는 보조 전극(250)을 포함하도록 형성될 수 있다. 상부 전극과 체결 및 분리될 수 있도록 체결 구조를 갖는 보조 전극(250)의 하부 표면의 프로파일은 앞서 설명한 것처럼 다양하게 변화(직선, 사선, 곡면, 타원 등)될 수 있다. 다양한 종류의 보조 전극(250)들 중에서 선택하여 상부전극에 결함시킴으로써, 이건 발명의 일 실시예에 따른 조립형 상부 전극의 하부 표면 프로파일이 보다 다양하게 여러 형태로 변화될 수 있으며, 상부 전극의 사용 과정에서 ㅅ쉽게 유지 및 보수가 가능하다는 장점을 갖는다.
앞서 언급된 것처럼, 처리 대상인 기판의 에칭 속도 혹은 에칭 균일도는 기판 프로세싱 시스템의 플라즈마 챔버 내의 컴포넌트들의 치수들에 따라 변화되므로, 이러한 챔버 내의 컴포넌트들의 치수 변화에 따라 제2 영역에 결합되는 보조 전극의 하부 표면 프로파일 역시 적절하게 선택될 수 있다. 이로인해 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 분포의 균일도를 향상시킬 수 있고, 이로 인해 피처리 기판의 식각 혹은 에칭 균일도 역시 증가시킬 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 이러한 보조 전극(250)이 상부 전극과 나사산 구조로 체결 및 분리되는 예가 제시되어 있다. 보조 전극(250)의 상부에 숫나사산이 형성되고, 상부 전극(200)의 제2 영역의 안쪽으로 암나사산이 형성되는 예가 도시되어 있으나, 반대로 보조 전극의 상부 안쪽으로 암나사산이 형성되고, 상부 전극에 숫나사산이 형성되는 것도 가능하다. 또한, 이러한 나사산 체결 구조 외에 후술되는 원 터치 방식의 체결 구조 등을 포함하는 다양한 체결 구조 형태가 사용될 수 있다.
도 2와 도 4에는, 이건 발명의 다른 실시 형태인 보조 전극(250)이 상부 전극(200)과 원 터치 방식의 체결구조로 결합되는 예가 제시되어 있다. 상기 도 4를 참조하면, 보조 전극(250)의 상부 중앙에는 원터치결합돌기(250a)가 돌출 형성되고, 상기 상부 전극(200)의 제2 영역의 안쪽으로 원터치결합홈(200a)이 오목하게 형성된다. 상기 원터치결합돌기(250a)는 보조 전극(250)의 상측면 중앙에서 돌출된 기둥형상을 갖는다.
또한, 상기 원터치결합돌기(250a)는 측면에서 외측방향을 향해 돌출 형성된 하나 이상의 스토퍼(251)와, 보조 전극(250)의 내부 중심에 오목하게 형성되는 수납홈(252)을 포함한다. 원터치결합홈(200a)에 원터치결합돌기(250a)가 수용되었을 때 상기 스토퍼(251)가 원터치결합홈(200a) 내부에 형성된 걸림부(202a)에 고정됨으로써 원터치결합돌기(250a)의 이탈이 방지되며, 이로 인해 보조 전극(250)이 상부 전극(200)과 간편하게 체결될 수 있다.
실시예에 따르면 상기 원터치결합돌기(250a)의 측면에는 슬릿(미도시)이 관통 형성될 수 있으며, 상기 슬릿은 원터치 결합돌기의 단부에서부터 소정 길이를 가지도록 연장형성되어, 원터치결합돌기의 단부가 절개된 형상을 가질수도 있다.
일례로, 상기 원터치결합홈(200a)은, 보조 전극(250)의 상부가 수용될 수 있도록 오목하게 형성된 제1수용홈(201); 상기 보조 전극(250)의 원터치결합돌기(250a)가 수용되도록 상기 제1수용홈(201)의 저면 중앙에서 추가로 더 오목하게 형성된 제2수용홈(202); 상기 제2수용홈(202)에 저면에 형성되는 고정축(203); 상기 고정축에 관통되는 스프링(204); 및 제2수용홈(202)의 내측면에서 스토퍼와 상보하는 형상으로 오목하게 형성된 걸림부(202a);를 포함한다. 상기 스프링(204)의 일단은 제2수용홈(202)의 저면과 맞닿고, 타단은 보조 전극(250)의 수납홈(252)의 저면과 맞닿도록 구비된다.
이러한 구조에 따른 상기 보조 전극(250)과 상부 전극(200)의 체결 상태를 좀 더 상세히 설명하면, 상기 보조 전극(250)을 상측방향으로 가압할 경우 스프링이 수축되며 보조 전극(250)이 상측 방향으로 이동한다. 이어서, 스프링(204)의 탄성복원력에 의해 보조전극(250)이 다시 하측방향으로 밀려 이동하면서 동시에 상기 스토퍼(251)가 걸림부(202a)에 위치하게 되어 보조 전극(250)의 위치가 고정되며, 이때 보조 전극(250)의 하부 표면이 상기 상부 전극(200)의 하부표면과 연속되도록 구비된다.
또한, 원터치결합돌기(250a)의 외경이 점진적으로 감소하면서 돌출 형성되는 것이 바람직한데, 원터치결합돌기(250a)는 측면이 테이퍼지도록 형성됨으로써, 원터치결합홈(200a)에 원터치결합돌기(250a)가 수용될 때, 원터치결합돌기(250a)가 중앙 정렬되어 보조 전극과 상부 전극 사이에 유격이 발생하는 현상을 방지할 수 있다.
상부 전극으로부터 분리되어 적절히 교체될 수 있는 도 2와 도 4의 보조 전극(250)이 포함된 상부 전극은, 하부 표면이 제2 영역(A2)에서 제1 영역(A1)으로 변화되는 연속 표면으로 형성되되, 상기 제2 두께(t2)와 제1 두께(t1)는 서로 상이하도록 선택될 수 있으며, 제2 영역에서 제1 영역으로 변화되는 연속 표면은, 제2 두께로부터 제1 두께로 기울어지는 테이퍼 구조로 형성되거나, 제2 두께로부터 제1 두께로 완만하게 변화되는 곡면 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
아울러, 이러한 보조 전극(250)의 교체가 가능해짐으로 인해, 플라즈마 챔버의 유지 보수 과정에서, 필요한 부분만 선택적으로 상부 전극(200)의 일부 영역만을 교체할 수 있어, 플라즈마 처리 장치의 유지 보수 비용을 절감할 수 있다.
선택적으로, 상부 전극의 중심에 위치하여 가장 두꺼운 두께를 갖는 제2 영역(A2)의 제2 두께(t2)가, 상부 전극의 중심 영역이 아닌, 상부전극의 중심부로부터 방사상으로 바깥쪽에 위치하는 바깥 영역 혹은 바깥 영역으로부터 방사상으로 바깥쪽에 위치하는 외곽 영역에 위치하는 것도 가능하며, 복수 개의 영역으로 형성되는 것도 가능하다(도 6, 도 9 및 도 10 참조).
이건 발명의 다른 실시 형태로, 상부 전극의 하부 표면은, 상부 전극의 중심부에 위치하는 중심 영역인 제2 영역(A2), 상기 제2 영역에서 방사상으로 바깥쪽에 위치하는 바깥 영역인 제1 영역(A1) 및 상기 제1 영역에서 방사상으로 바깥쪽에 위치하는 외곽 영역인 제3 영역(A3)을 포함할 수 있다. 이때 상기 상부 전극의 하부 표면은, 상부 전극의 중심에서 제2 두께(t2)를 갖는 중심 영역인 제2 영역(A2)으로부터, 가변하는 제1 두께(t2)를 갖는 바깥 영역인 제1 영역(A1)을 거쳐, 제3 두께(t3)를 갖는 외곽 영역인 제3 영역(A3)으로 변화되는 연속 표면 구조를 형성할 수 있다. 이때 하부 표면을 구성하는 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역 각각은 독립적으로, 방사상으로 편평하거나 곡선일 수 있다(도 8 내지 도 13 참조).
이건 발명의 다른 실시 형태로, 이러한 프로파일을 갖는 조립형 상부 전극을 포함하는 플라즈마 처리 장치를 들 수 있다.
도 5에는 이건 발명의 또 다른 실시 형태가 도식적으로 제시되어 있다. 상기 도 5에 제시된 상부 전극(200)은, 앞서 도 2 혹은 도 3에서 살펴본 것과 마찬가지로, 보조 전극(250)의 결합을 통해 하부 표면의 프로파일을 변경시킬 수 있으며, 상기 보조 전극(250)의 하부 면은 다양한 형태와 모양으로 변형될 수 있다. 다만, 이러한 보조 건극(250)의 상부에는, 단순히 나사산 형태의 체결 구조를 갖는 도 3의 경우와는 달리, 별도의 볼트(260)와 와셔(270)를 더 포함할 수 있다. 또한 상부 전극의 최외곽에 단턱(280)을 형성하여 지지될 수 있도록 하는 것도 가능하다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 도 5에 제시된 보조 전극(250)은 내부에서 위쪽으로 암나사산이 형성되어 있고, 이러한 보조 전극(250)에 형성된 암나사산을 통해별도의 체결 부재인 볼트(260)와 결합될 수 있으며, 볼트(260)는 상부 전극(200) 내부에 형성된 단턱을 통해 상부 전극(200)에 고정될 수 있다. 이때, 상부 전극(200)의 단턱과 볼트(260)의 사이에는 추가로 와셔(270)가 위치하는 것이 바람직하다.
이러한 볼트(260)에 의한 보조 전극(250)의 체결 구조는, 보다 손쉽게 상부 전극(200)에서 보조 전극(250)이 분리 혹은 결합될 수 있어, 상부 전극(200)의 하부 표면 프로파일의 신속한 변경 및 유지 보수 과정을 보다 용이하다는 장점을 갖는다.
앞서 살펴본 도 2 내지 도 5에서는, 제2 영역이 상부 전극(200)의 중심 영역에 위치하는 예를 중심으로 설명하였으나, 반드시 제2 영역이 상부 전극(200)의 중심 영역에 존재하여야 하는 것은 아니다. 도 6에 제시된 것처럼 제2 영역은 상부 전극(200)의 임의의 위치에 형성되는 것도 가능한데, 이는 플라즈마 챔버 내에 형성되는 플라즈마(372)가 불균일하게 형성되는 영역을 최소화시키기 위해 상부 전극(200)의 하부 표면 프로파일을 변형시키기 위해서라면 다양한 위치에 형성되는 것이 가능하며, 제2 영역에 위치하는 보조 전극(250)의 배치를 통해 상부전극의 하부 표면 프로파일의 변경이 가능해진다.
또한, 상부 전극(200)의 고정을 위해 상부 전극(200)의 최외곽에는 단턱(280)이 형성될 수 있으며, 이는 이후 후술되는 다양한 변형예들에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
도 7 내지 도 14에는 이러한 상부 전극(200) 하부 프로파일의 다양한 변형예들이 도시되어 있다.
특히 도 7에는, 상부 전극(500)의 교체 될 수 있는 보조 전극(250)의 하부 프로파일이 단차지거나(stepped) 계단형(staired)으로 형성된 상부 전극(500)이 제시되어 있다. 상부 전극(500)의 하부 표면 중에서 중심 영역에 위치하는 보조 전극(250)이 단차지거나 (stepped) 계단형(staired)으로 형성됨으로써, 상부전극의 중심 영역인 제2 영역(A2)에서 바깥 영역인 제1 영역(A1)으로 반경 방향을 때라 계단식(stepwise) 방식으로 감소하는 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
한편 도 8(a)와 (b)에는 상부 전극(500)의 교체 될 수 있는 보조 전극(250)의 하부 프로파일이 다양하게 변화되는 예가 제시되어 있다. 도 8(a)에 제시된 상부 전극(500)은, 상부 전극(500)의 중심 영역인 제2 영역(A2)에는 교체 가능한 보조 전극(250)이 테이퍼 형태의 프로파일을 갖고, 상부 전극의 외곽에는 완만하게 곡면으로 두께가 감소하는 프로파일을 갖는 제3 영역(A3)이 형성될 수 있으며, 이들 제3 영역(A3)과 제2 영역(A2)의 사이에는 두께가 일정한 평면 형태의 제1 영역(A1)이 형성된다. 이때 중심 영역인 제2 영역(A2)의 (보조 전극을 포함한) 상부 전극의 두께는, 제3 영역 및 제1 영역의 두께에 비해 더 큰 것이 바람직하고, 제3 영역의 상부 전극 두께는 제2 영역에 비해 작은 것이 더욱 바람직하다.
도 8(b)의 경우에는 동일한 보조 전극이 제2 영역에 형성되지만, 상부 전극의 외곽 영역인 제3 영역의 프로파일은 제2 영역과 유사하게 일정하게 두께가 감소하는 테이퍼 형태로 두께가 감소하는 구조일 수 있으며, 이들 사이의 영역인 제1 영역은 곡면 형태의 프로파일을 갖도록 형성될 수 있다.
이러한 도 8(a)와 (b)에는 예시적인 상부 전극 프로파일이 도시된 것으로, 앞서 언급하였듯이, 상부 전극의 하부 표면을 구성하는 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역 각각은 독립적으로, 방사상으로 편평하거나 곡선면 혹은 테이퍼면으로 형성될 수 있으므로, 다양한 프로파일 조합을 갖는 상부 전극이 포함될 수 있다.
도 9 및 도 10에는, 각각 복수의 조립형 보조 전극(250)들이 상부 전극에 위치하는 예를 나타낸 것으로, 상부 전극의 하부 표면 프로파일은 앞서 언급된 것처럼 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역이 독립적으로 다양한 프로파일을 가질 수 있으며, 이들 각 영역에 필요에 따라 교체 가능한 보조 전극(250)이 배치될 수 있다. 이때 배치되는 보조 전극(250)의 하부 표면 프로파일 역시 일정한 구배를 갖는 테이퍼진 면 혹은 곡면이 선택적으로 적용될 수 있다.
특히, 도 10(a)에 제시되어 있듯이, 상부 전극(500)의 외곽 영역(A3)의 최외곽 부분에는 라운드 처리된 최외곽면(616)이 형성되는 것도 가능하다.
한편 도 11은, 보조전극(250)의 하부 프로파일의 일 변형 예를 제시하고 있다. 제2 영역에 형성되는 보조전극(250)의 중심부위(C1)의 하부 표면이 평면으로 형성될 수 있다, 상기 중심부위(C1)를 방사상으로 둘러싸는 보조전극(250)의 외측부위(C2)는 곡면으로 형성되거나, 테이퍼면으로 형성되는 프로파일을 갖는 것도 가능하다.
도 12는, 상기 도 11에서 제시된 보조전극(250)이 적용된 상부 전극 프로파일의 변형 예이다. 도 11에 제시된 상부전극의 제1 영역(A1)의 프로파일은, 제2 영역(A2)으로부터 연속되는 곡면 또는 테이퍼면을 갖지만, 도 12에 제시된 것처럼 상부전극 제1영역(A1)의 프로파일은 두께가 일정한 평면 형태로 형성되는 것도 가능하다. 즉, 상부전극(500)은 하부 표면 프로파일은 보조전극의 외측부위(C2) 끝단으로부터, 상부전극의 제1영역(A1)으로 두께가 변화되지않고 편평하게 형성되는 하부 표면 프로파일을 가질 수 있다.
도 13은 일 예에 따른 보조전극(250)이 적용된 상부전극(500)의 하부 표면 프로파일의 변형 예 이다. 도 13에서는 상부전극의 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역의 하부 표면은 편평한 형상을 가지되, 각각의 영역은 연결되어 연속표면으로 형성될 수 있으며, 각 영역의 두께는 서로 상이하거나 동일할 수 있다.
또한, 상부전극은 중심 영역에 위치하는 제2 영역(A2)은 원주 형태로 하부 표면으로부터 돌출되어, 보조 전극(250)과 결합됨으로써, 가장 두까운 상부 전극 두께를 형성할 수 있으며, 보조 전극(250)의 탈착과 결합이 용이하게 수행될 수 있다. 이때 상부전극의 제2영역(A2)에는 도 13에 도시된 것처럼 평편한 하부 표면 프로파일을 갖는 보조전극(250)이 결합됨에 따라, 상부전극의 하부 표면에서 제2영역(A2)이 가장 돌출된 프로파일을 가질 수 있다.
상기 제2 영역(A2)에 결합되는 보조 전극(250)의 하부 표면 프로파일과 제3 영역(A3) 및 (제2 영역과 제3 영역의 사이에 위치하는) 제1 영역(A1)의 하부 표면 프로파일은 평면 형태로 형성될 수 있으나(도 13 참조), 테이퍼지거나 곡면으로 형성되는 것도 가능하다.
도 14는 또다른 실시 형태에 따른, 상부전극 하부 표면 프로파일의 변형예이다. 앞서 살펴본 도 7 내지 도 13에는 상부전극과 분리, 결합될 수 있는 보조전극(250)이 구비된 다양한 실시예들가 도시되어 있으나, 이건 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 조립형 프로파일 상부 전극은, 도 14에 도시된 바와 같이, 상부 전극(200)을 제1 상부 전극(200-1)과 제2 상부 전극(200-2)로 분리 구성되도록 적층 구조로 형성한 후, 이들을 도 3에 제시된 나사 결합 혹은 도 2와 도 4에 제시된 원터치 방식의 결합 구조를 통해 체결 혹은 분리될 수 있는 구조를 갖는다.
상부 전극(200)의 하부 표면의 일부를 교체/결합하는 보조 전극(250)과는 달리, 플라즈마와 접하는 상부 전극(200)의 하부 표면 전체를 결합 구조로 채택함으로써, 장시간 플라즈마 챔버의 운전에 따라 열화 혹은 손상이 발생된 상부 전극(200)의 하부 표면 영역에 해당하는 제2 상부 전극(200-2)만을 선택적으로 교체함으로써, 운전 및 유지 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 존재한다.
이때 선택적으로 교체되는 제2 상부 전극(200-2)의 하부 표면 프로파일은 도 14와 같이 두께가 완만하게 변화되는 곡면 구조를 가지거나, 기울어지는 테이퍼 구조로 형성될 수 있으며, 앞서 살펴본 다른 실시 형태에 제시된 프로파일이 적용되는 것도 가능하다.
이상과 같이 이건 발명에 따른 반도체 플라즈마 챔버에 설치되는 다양한 형태의 상부 전극에 대하여 설명하였다. 하지만, 이러한 상부 전극은 상술한 특정의 실시예 및 변형예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에 기재된 발명으로부터 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 추가적인 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형 역시 이건 발명의 보호 범위 내에 속하게 된다.
이건 발명은 플라즈마 프로세싱 시스템에서, 플라즈마 쳄버 내에 생성되는 플라즈마의 균일도를 정밀하게 제어하기 위해 상부 전극의 프로파일을 변화시킬 수 있는 조립식 상부 전극을 제공하기 위한 것으로, 상부 전극의 특정 영역을 조립식으로 교체함에 따라 상부 전극이 플라즈마와 접하는 하부 표면의 프로파일을 다양하게 변화시킬 수 있으면서, 동시에 상부 전극의 유지 보수가 용이한 장점이 있으므로, 산업상 이용가능성이 존재한다.

Claims (19)

  1. 플라즈마 챔버에 설치되는 상부 전극에 있어서,
    상기 상부 전극은, 플라즈마와 접하는 하부 표면과 챔버 내 상부 전극 체결 구조와 접하는 상부 표면을 포함하되,
    상기 하부 표면은, 상부 전극의 중심부에 위치하는 제2 영역(A2)과 상기 제2 영역을 둘러싸는 외주부의 제1 영역(A1)을 포함하고,
    상기 상부 전극의 중심의 제2 영역 두께는 제2 두께(t2)이고, 반경 방향으로 제2 영역의 두께는 연속적으로 변화하며,
    플라즈마와 접하는 상부 전극의 하부 표면은 제2 영역에서 제1 영역으로 변화되는 연속 표면으로 형성되되,
    상기 제2 영역은, 상부 전극으로부터 분리 및 교체될 수 있는 체결 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역에서 제1 영역으로 변화되는 연속 표면은, 단차지거나(stepped), 계단 형태(stair shaped), 곡선(curvilinear) 방식 또는 구간적으로(piecewise) 선형 방식으로 기울어지거나 비스듬한, 테이퍼 구조인 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역에서 제1 영역으로 변화되는 연속 표면은, 상부 전극 중심의 제2 두께로부터 제1영역의 제1 두께로 완만하게 변화되는 곡면 구조인 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극의 중심 영역인 제2 영역의 중심 두께인 제2 두께는, 바깥 영역인 제1 영역의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역은, 나사산이 형성된 보조 전극을 포함하고, 상기 체결 구조는 나사산 체결 구조인 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역을 둘러싸는 바깥 영역인 제1 영역은 반경 방향으로 두께가 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 영역의 방사상으로 바깥쪽에 위치하는 외곽 영역인 제3 영역(A3)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하부 표면은, 상부 전극의 외곽영역인 제3영역(A3)을 더 포함하고,
    상부 전극의 중심에서 제2 두께를 갖는 제2 영역으로부터, 제1 두께를 갖는 바깥 영역인 제1 영역을 거쳐, 제3 두께를 갖는 제3 영역인 외곽 영역으로 변화되는 연속 표면 구조인 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하부 표면을 구성하는 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역 각각은 독립적으로, 방사상으로 편평하거나 곡선인 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 영역 및/또는 제3 영역에 상부 전극으로부터 분리 및 교체될 수 있는 체결 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극을 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  12. 플라즈마 챔버에 설치되는 상부 전극에 있어서,
    상기 상부 전극은, 플라즈마와 접하는 하부 표면과 챔버 내 상부 전극 체결 구조와 접하는 상부 표면을 포함하되,
    상기 하부 표면은, 제2 영역(A2)과 상기 제2 영역을 둘러싸는 외주부의 제1 영역(A1)을 포함하고,
    상기 제2 영역의 중심 두께는 제2 두께(t2)이고, 반경 방향으로 제2 영역의 두께는 연속적으로 변화하며,
    플라즈마와 접하는 상부 전극의 하부 표면은 제2 영역에서 제1 영역으로 변화되는 연속 표면으로 형성되되,
    상기 하부 표면의 제2 영역은, 상부 전극으로부터 분리 및 교체될 수 있는 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  13. 제12항에 있어서,
    상부 전극으로부터 분리 및 교체될 수 있는 상기 제2 영역은 보조 전극을 포함하되,
    상기 보조 전극은, 상부 전극으로부터 나사산 구조 혹은 원터치 방식으로 체결 및 분리되는 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  14. 제13항에 있어서,
    원터지 방식의 보조 전극은, 상부 중앙에 원터치 결합돌기가 돌출 형성되고, 상부 전극의 제2 영역의 안쪽으로 원터치 결합홈이 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 원터치 결합돌기는 보조 전극의 상측면 중앙에서 돌출된 기둥 형상을 갖는 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 하부 표면은, 상부 전극의 외곽영역인 제3영역(A3)을 더 포함하고,
    상부 전극의 중심에서 제2 두께를 갖는 제2 영역으로부터, 제1 두께를 갖는 바깥 영역인 제1 영역을 거쳐, 제3 두께를 갖는 제3 영역인 외곽 영역으로 변화되는 연속 표면 구조인 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 하부 표면을 구성하는 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역 각각은 독립적으로, 방사상으로 편평하거나 곡선인 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 영역 및/또는 제3 영역은, 상부 전극으로부터 분리 및 교체될 수 있는 보조 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는, 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극.
  19. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 기재된 프로파일을 갖는 교체형 상부 전극을 포함하는 플라즈마 처리 장치.
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