DE60006933T2

DE60006933T2 - Herstellungsvorrichtung für halbleiter mit keramischer fliesenauskleidung

Info

Publication number: DE60006933T2
Application number: DE60006933T
Authority: DE
Inventors: S. William KENNEDY; A. Robert MARASCHIN; S. Jerome HUBACEK
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 1999-09-23
Filing date: 2000-09-11
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2020-09-12
Also published as: AU7477900A; CN1327612A; CN1215525C; WO2001022471A1; EP1138055B1; DE60006933D1; KR20010080529A; TW512452B; KR100731557B1; US6408786B1; JP2003510810A; CN1734710A; CN100392804C; JP4741129B2; EP1138055A1

Description

Sachgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Halbleiterverarbeitung und insbesondere auf eine keramische Auskleidung für eine Verarbeitungskammer wie z.B. eine Plasma-Ätzkammer.
Hintergrund der Erfindung
In der Halbleiterherstellung werden Vakuumkammern allgemein zum Ätzen und zur chemischen Dampfabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD) von Materialien auf Substraten eingesetzt, wobei der Vakuumkammer ein Ätz- oder Abscheidungsgas zugeführt und das Gas einem Hochfrequenzfeld ausgesetzt wird, dessen Energie das Gas in den Plasmazustand versetzt. Beispiele wie ein transformatorgekoppeltes Plasma (TCP^TM)mit Parallelplatten, das auch als induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) bezeichnet wird, sowie Elektron-Cyclotron-Resonanz-Reaktoren (ECR-Reaktoren) und Komponenten davon werden in den öffentlich zugänglichen US-Patenten Nr. 4,340,462; 4,948,458; 5,200,232 und 5,829,723 beschrieben. Wegen der korrosiven Wirkung des Plasmas in solchen Reaktoren und der Forderung einer möglichst geringen Partikel- und/oder Schwermetallverunreinigung ist eine hohe Korrosionsbeständigkeit der Komponenten solcher Anlagen höchst wünschenswert.
Während der Verarbeitung von Halbleitersubstraten werden diese typisch mit Hilfe von mechanischen Klemmen und elektrostatischen Klemmen (Electrostatic Clamps, ESCs) an ihrer Position auf Substrathaltern innerhalb der Vakuumkammer fixiert. Beispiele für solche Klemmsysteme und Komponenten davon sind in den öffentlich zugänglichen US-Patenten Nr. 5,262,029 und 5,838,529 zu finden. Die Prozessgase können der Kammer auf unterschiedliche Weise zugeführt werden, beispielsweise über Gasdüsen, Gasringe oder Gasverteilerplatten. Ein Beispiel für eine temperaturgeregelte Gasverteilerplatte in einem induktiv gekoppelten Plasmareaktor und Komponenten davon ist im öffentlich zugänglichen US-Patent Nr. 5,863,376 zu finden.
Als Werkstoff für die Wände von Plasmareaktoren werden im allgemeinen Aluminium oder Aluminiumlegierungen verwendet. Um eine Korrosion der Wände zu vermeiden, wurden verschiedene Techniken zum Beschichten der Aluminiumoberfläche mit unterschiedlichen Beschichtungen vorgeschlagen. So wurde beispielsweise im US-Patent Nr. 5,641,375 veröffentlicht, dass die Aluminiumwände der Kammern eloxiert wurden, um die Plasmaerosion und den Verschleiß der Wände zu verringern. Wie in diesem Patent '375 erwähnt wird, wird die eloxierte Schicht schließlich durch Sputtern behandelt oder weggeätzt, und die Kammer muss ausgewechselt werden. Im US-Patent Nr. 5,680,013 wird erwähnt, dass eine Technik zum Flammsprühen von Al₂O₃ auf die Metalloberflächen einer Ätzkammer im US-Patent Nr. 4,491,496 beschrieben wird. Im Patent '013 heißt es ferner, dass die Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Aluminium und keramischen Beschichtungen wie z.B. Aluminiumoxid wegen thermischer Zyklen zu Rissen in den Beschichtungen und letztlich zum Ausfall der Beschichtungen unter korrosiven Bedingungen führen. Im US-Patent Nr. 5,085,727 wird eine Kohlenstoffbeschichtung für die Wände einer Plasmakammer beschrieben, bei welcher die Beschichtung mit einem plasmagestützten CVD-Verfahren aufgebracht wird.
Zum Schutz der Kammerwände werden in den US-Patenten Nr. 5,366,585; 5,556,501; 5,788,799; 5,789,016 und 5,885,356 Auskleidungsanordnungen vorgeschlagen. So wird beispielsweise im Patent '585 eine freistehende Keramikauskleidung beschrieben, die eine Dicke von mindestens 0,005 Zoll hat und mechanisch aus Vollaluminium gefertigt ist. Im Patent '585 wird außerdem die Verwendung keramischer Schichten erwähnt, die aufgebracht werden, ohne das darunter liegende Aluminium anzugreifen, was durch flammgesprühtes oder plasmagesprühtes Aluminiumoxid bewerkstelligt werden kann. Im Patent '501 wird eine prozesstaugliche Auskleidung aus Polymer, Quarz oder Keramik beschrieben. Im Patent '799 wird eine temperaturgeregelte Keramikauskleidung beschrieben, in welche ein Heizwiderstand integriert ist, und wobei die Keramik aus Aluminium, Siliziumdioxid, Titan, Zirkon, Siliziumkarbid, Titankarbid, Zirkonkarbid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliziumnitrid und Titankarbid bestehen kann. Im Patent '016 wird eine Auskleidung aus Keramik, Aluminium, Stahl und/oder Quarz beschrieben, wobei Aluminium wegen seiner leichten Bearbeitungsfähigkeit bevorzugt wird und die Auskleidung eine Beschichtung aus Aluminiumoxid, Sc₂O₃ oder Y₂O₃, wobei Al₂O₃ für die Beschichtung von Aluminium zum Schutz des Aluminiums gegen das Plasma bevorzugt wird. Im Patent '356 werden eine Keramikauskleidung und eine aus Aluminiumnitrid bestehende Keramikabschirmung für den Wafersockel zur Verwendung in CVD-Kammern beschrieben. Im US-Patent Nr. 5,904,778 wird eine SiC-CVD-Beschichtung auf freistehendem SiC zur Verwendung als Kammerwand, als Kammerdach oder als Ring um den Wafer herum beschrieben. Im US-Patent Nr. 5,292,399 wird ein SiC-Ring beschrieben, der einen Wafersockel umgibt. Eine Technik zur Vorbereitung von gesintertem SiC wird im US-Patent Nr. 5,182,059 beschrieben.
Im Hinblick auf Plasmareaktor-Komponenten wie z.B. Showerhead-Gasverteilungssysteme wurden verschiedene Vorschläge bezüglich der Werkstoffe für den Showerhead (Gasauslass) gemacht. So wird beispielsweise im öffentlich zugänglichen US-Patent Nr. 5,569,356 ein Showerhead aus 'Silizium, Graphit oder Siliziumnitrid beschrieben. Im US-Patent Nr. 5,88,907 wird eine Showerhead-Elektrode aus amorphem Kohlenstoff, SiC oder Al beschrieben. In den US-Patenten Nr. wird eine Showerhead-Elektrode beschrieben, die entweder ganz aus SiC hergestellt ist oder aus einer Kohlenstoffbasis besteht, die im CVD-Verfahren mit SiC bedampft wurde, so dass eine Oberflächenschicht aus hochreinem SiC entsteht.
Angesichts der Forderung nach hoher Reinheit und Korrosionsbeständigkeit von Komponenten für Halbleiter-Verarbeitungsanlagen werden in diesem Bereich der Technik Verbesserungen bei den Werkstoffen und/oder Beschichtungen benötigt, die für solche Komponenten verwendet werden. Im Hinblick auf die Kammerwerkstoffe, wären überdies alle Werkstoffe, die zu einer Verlängerung der Nutzungslebensdauer einer Plasmareaktorkammer und somit zu einer Verringerung der Standzeiten der Apparatur führen, von Vorteil, was die Reduzierung der Kosten für die Verarbeitung der Halbleiter-Wafer betrifft.
Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung
Mit der Erfindung wird eine Kachelauskleidung für eine Plasmaverarbeitungskammer vorgeschlagen, in welcher Halbleitersubstrate verarbeitet werden können. Die Kachelauskleidung beinhaltet eine Baugruppe aus keramischen Kacheln, die auf der Innenseite einer Seitenwand der Kammer angeordnet sind. Die Plasmakammer kann einen Substratträger, eine Gaszuleitung und eine Energiequelle beinhalten. Der Substratträger, auf welchem ein oder mehrere Substrate verarbeitet werden können, ist im. Innenraum der Kammer angeordnet. Die Kammer-Seitenwand ist von einer Peripherie des Substratträgers aus nach außen gerichtet und in Abständen verteilt, und über die Gaszuleitung wird dem Innenraum Prozessgas zugeführt. Die Energiequelle führt dem im Innenraum befindlichen Prozessgas während der Verarbeitung des Substrats Energie zu.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Kachelauskleidung von einem nachgiebigen Stützelement wie zum Beispiel einem Elastomer-Verbindungsstück oder einem elastisch biegsamen Metallrahmen gehalten. Das nachgiebige Stützelement kann beispielsweise ein Elastomer-Verbindungsstück beinhalten, das jede der Keramikkacheln mit einem zugehörigen Metall-Stützelement verbindet. Die Metall-Stützelemente können auf einem elastisch biegsamen Metallrahmen montiert sein, welcher von einem temperaturgeregelten Element so getragen wird, dass Wärme von den Keramikkacheln über einen thermischen Pfad abgeführt werden kann, der durch das Elastomer-Verbindungsstück, die Metall-Stützelemente und den biegsamen Metallrahmen zum temperaturgeregelten Element verläuft. Alternativ dazu kann das biegsame Stützelement ein Elastomer-Verbindungsstück beinhalten, das zwischen den einzelnen Keramikkacheln und der Kammer-Seitenwand angeordnet ist.
Die Kacheln können aus einer Serie von ineinandergreifenden Keramikkacheln wie z.B. SiC-Kacheln bestehen. Der elastisch biegsame Metallrahmen kann ein inneres Rahmenelement und ein äußeres Rahmenelement beinhalten, wobei das innere Rahmenelement vom äußeren Rahmenelement und das äußere Rahmenelement von der Kammer gehalten wird. Das innere und das äußere Metallrahmenelement können so konfiguriert sein, dass Differenzen in den thermischen Spannungen, die auf die Kachelauskleidung und die Rahmenelemente wirken, während des Betriebs des Plasma-Verarbeitungssystems kompensiert werden. In einer solchen Anordnung kann ein oberer Teil des äußeren Rahmenelements von einem temperaturgeregelten Teil der Kammer gehalten werden, ein unterer Abschnitt des äußeren Rahmenelements mit einem unteren Abschnitt des inneren Rahmenelements verbunden sein und die Kachelauskleidung vom inneren Rahmenelement gehalten werden. Weiterhin kann der biegsame Metallrahmen einen durchgehenden oberen Abschnitt und einen segmentierten unteren Abschnitt beinhalten. So kann beispielsweise der biegsame Metallrahmen zylindrisch geformt sein und der segmentierte untere Abschnitt axial verlaufende Segmente beinhalten, die durch axial verlaufende Spalte voneinander getrennt sind. Wenn die innerem und äußeren Metallrahmenelemente zylindrisch geformt sind und durchgehende obere Abschnitte und segmentierte untere Abschnitte enthalten, beinhalten die segmentierten unteren Abschnitte axial verlaufende Segmente, die durch axial verlaufende Spalte voneinander getrennt sind.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung verläuft ein keramischer Plasmaschirm von einem unteren Abschnitt der Kachelauskleidung aus nach innen und weist Durchgänge auf, durch welche während der Verarbeitung eines Substrats Prozessgas und Reaktionsnebenprodukte aus dem Inneren der Kammer abgezogen werden. So kann der keramische Plasmaschirm beispielsweise mehrere einzelne Schirmsegmente beinhalten, die in einem ringförmigen Raum zwischen der Kammer-Seitenwand und dem Substratträger gehalten werden, wobei die Durchgänge Spalte beinhalten, die von der Kammer-Seitenwand aus radial nach innen verlaufen. Der keramische Plasmaschirm kann über ein elektrisch leitendes Elastomer-Verbindungsstück mit dem biegsamen Metallrahmen verbunden sein und über das Elastomer-Verbindungsstück zum biegsamen Metallrahmen hin elektrisch geerdet sein.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Plasmareaktionskammer gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei eine auf einem biegsamen Rahmen montierte Kachelauskleidung einen Substratträger umgibt.
2 zeigt die Plasmareaktionskammer aus 1 unter Auslassung verschiedener Komponenten wie z.B. der Auskleidung.
3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, wobei die keramische Auskleidung eine Serie von Kacheln beinhaltet, die auf Verstärkungsplatten montiert sind.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Plasmareaktionskammer aus 3.
5 zeigt Details eines Wafer-Zuführschlitzes in der Plasmareaktionskammer aus 3.
6 zeigt das Ineinandergreifen der Kanten der Kacheln aus 3.
7 zeigt eine grafische Darstellung der Temperaturen des Heizelementeflansches, der Kachel und des unteren Flansches der in 3 gezeigten Anordnung im Verlauf einer Verarbeitung von 200 Wafern.
Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Erfindungsgemäß lassen sich mit einer aus einer Baugruppe von Keramikkacheln bestehenden Kachelauskleidung eines oder mehrere der folgenden Ziele erreichen: Aufrechterhaltung einer guten Plasmabildung durch Schaffung eines über die Auskleidung verlaufenden elektrischen Pfades zur Erde, Vermeidung von Prozessdriften durch thermisches Regulieren der Auskleidung, Kompensation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen von Keramik- und Metallkomponenten durch Anordnung eines nachgiebigen Auskleidungsträgers und Vermeidung einer Aluminium- ("Al"-) Kontamination durch Abschirmung der Al-Seitenwände und Komponenten vom verarbeiteten Substrat. Hinsichtlich der elektrischen Erdung der Auskleidung besteht die Keramikauskleidung aus einem elektrisch leitenden Werkstoff. Bevorzugte Keramikwerkstoffe sind Si oder SiC, also Materialien, die sich in hochreiner Form herstellen lassen und eine hohe Beständigkeit gegenüber Korrosionseinwirkungen gezeigt haben, die in Plasmareaktoren wie z.B. Plasma-Ätzkammern herrschen.
Mit der Erfindung wird eine Plasmakammer vorgeschlagen, in welcher verschiedene Komponenten einschließlich einer Keramikauskleidung aus Si oder SiC bestehen. Solche Werkstoffe halten den in einem Plasma herrschenden Bedingungen stand, da durch Plasmaerosion von Si oder SiC gasförmige Si- oder C-Verbindungen entstehen, die aus der Kammer abgezogen werden können, so dass es zu keiner Kontamination des Substrats mit Partikeln kommt. Im Hinblick auf die Temperaturregelung hat sich gezeigt, dass SiC eine außerordentlich hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass die Auskleidung während der Verarbeitung von Substraten wie z.B. Siliziumwafern auf eine gewünschte Temperatur aufgeheizt oder abgekühlt werden kann. Bezüglich der Kompensation unterschiedlicher Ausdehnungen ist der erfindungsgemäße nachgiebige Träger so ausgelegt, dass sich die keramische Auskleidung innerhalb der Kammer frei ausdehnen oder zusammenziehen kann. Hinsichtlich der Vermeidung einer Al-Kontamination begrenzt die Auskleidung das Plasma auf die Innenseite der Auskleidung, wodurch vermieden wird, dass die Al-Wände oder -Komponenten vom Plasma angegriffen werden.
Eine Vakuum-Verarbeitungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung kann für verschiedene Halbleiter-Plasmaverarbeitungsschritte wie etwa das Ätzen, das Abscheiden oder das Ablösen von Schutzschichten (Resists) verwendet werden. Ein Beispiel für eine Einzelwafer-Vakuumverarbeitungskammer 2 mit einer induktiv gekoppelten Plasmaquelle ist in 1 dargestellt, wobei der Verarbeitungskammer 2 mit einer (hier nicht abgebildeten) geeigneten Vorrichtung wie etwa Gasverteilerringen, einer Gasverteilerplatte oder Einspritzdüsen Prozessgas zugeführt und im Inneren 4 der Kammer mit einer geeigneten Vakuumpumpvorrichtung ein Vakuum aufrechterhalten wird. Das in der Kammer zu verarbeitende Substrat kann aus einem Silizium-Halbleiterwafer 6 bestehen, der auf einem Substratträger 8 ruht. Der Substratträger 8 kann eine elektrostatische Aufspannvorrichtung und einen Fokussierring 10 beinhalten. Die Vakuumpumpe kann an eine große Auslassöffnung 12 in einer Endwand wie etwa den Boden der Prozesskammer angeschlossen werden. Die Vakuum-Verarbeitungskammer kann ein dielektrisches Fenster 14 und eine Gasverteilerplatte 16 beinhalten und durch eine externe HF-Antenne wie z.B. eine außerhalb des dielektrischen Fensters 14 an einer Endwand wie etwa der Kammerdecke angeordnete Planarspule 18 mit Hochfrequenzenergie beaufschlagt werden. Als Plasmaquelle kann. gleichwohl jede Art von Plasmaerzeugungsgerät Verwendung finden, beispielsweise ein ECR-Reaktor, ein Parallelplattenreaktor, ein Helikonreaktor oder ein Helixresonator. Das Plasmaerzeugungsgerät kann an eine modulare Montageanordnung angeschlossen werden, beispielsweise einen ringförmigen Montageflansch, der herausnehmbar an der Endwand der Kammer montiert ist.
Zur Aufrechterhaltung eines vakuumdichten Abschlusses zwischen dem Montageflansch und der Kammer 2 können geeignete O-Ring-Dichtungen in Nuten innerhalb der Endwand der Kammer 2 eingelegt werden und die Vakuumdichtungen von HF-Abschirmelementen umgeben sein. Wenn die Vakuumpumpe einen hohen Unterdruck aufbaut, kann auf Befestigungselemente zur Anbringung des Montageflansches an der Endwand der Kammer 2 verzichtet werden. Statt dessen kann der Montageflansch einfach auf der Endwand der Kammer 2 aufliegen. Falls gewünscht, kann der Montageflansch oder ein anderer Teil des Plasmaerzeugungsgeräts schwenkbar an der Kammer 2 befestigt werden, so dass das Plasmaerzeugungsgerät durch Schwenken beispielsweise vertikal ausgerichtet werden kann, damit es auf den Innenraum 4 der Kammer 2 wirkt.
Die Kammer beinhaltet eine aus Keramikkacheln bestehende Auskleidung 20. Ein Plasmaschirm 22 zur Begrenzung des Plasmas auf den Raum um den Wafer 6 herum verläuft vom unteren Ende der Auskleidung 20 aus nach innen.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird die Auskleidung 20 von einem elastisch biegsamen Metallrahmen gehalten, zu dem ein innerer Trägerrahmen 24 und ein äußerer Trägerrahmen 26 gehören. Um die Auskleidung während der Verarbeitung eines Substrats auf einer gewünschten Temperatur zu halten, ist oben am inneren Trägerrahmen 24 ein Heizelement 28 angeordnet. Im Betrieb heizt das Heizelement 28 die Auskleidung 20 auf, während das Abführen der Wärme von der Auskleidung 20 mit einem temperaturgeregelten Element 30 bewerkstelligt werden kann, das der Auskleidung durch den inneren und den äußeren Rahmen Wärme entzieht. Andere Heizanordnungen wie z.B. ein in die Auskleidung eingebettetes Heizelement oder geeignete Strahlungsheizanordnungen können ebenfalls verwendet werden.
Wie in 2 gezeigt, kann die Kammer modular aufgebaut sein,. so dass darin verschiedene Quellen zur Plasmaerzeugung montiert werden können. Weiterhin kann der Substratträger 8 an einem Ende eines einseitig eingespannten Trägerarmes unterstützt werden, so dass die gesamte Baugruppe aus Substratträger und Trägerarm durch eine Öffnung 32 in der Kammerseitenwand hindurch aus der Kammer entnommen werden kann. Die Kammer kann aus jedem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein und besteht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einem einzigen Teil aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Plasmakammerauskleidung 20 ineinandergreifende keramische Auskleidungselemente, etwa in Form von flachen Kacheln 34, wie sie in den 3 und 4 dargestellt sind. Damit für das Plasma ein elektrischer Erdungspfad vorhanden ist, bestehen die Kacheln 34 vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material wie z.B. Silizium oder Siliziumkarbid. Ein solches Material bietet den zusätzlichen Vorteil, dass es kein Aluminium enthält und somit die Al-Kontamination der verarbeiteten Substrate reduziert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind SiC-Kacheln fest mit einer Aluminium-Verstärkungsplatte 36 verbunden. Ein bevorzugtes Verbindungsmaterial ist ein elektrisch leitendes Elastomer 38, das seitliche mechanische Spannungen absorbieren kann, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von SiC und Al verursacht werden. Jede einzelne Kachel-Verstärkungsplatten-Baugruppe kann mit einem elastisch biegsamen Rahmen 40, der aus einem Innenrahmen 42 und einem Außenrahmen 44 besteht, an der Kammerwand angebracht werden. Die Temperaturregelung der Auskleidung wird mit einem Heizelement 48, dem über die elektrischen Leitungen 49 Energie zugeführt wird, sowie einem temperaturgeregelten Element 50 bewerkstelligt.
Das Elastomer-Verbindungsstück kann aus jedem beliebigen geeigneten Elastomerverkstoff bestehen, beispielsweise aus einem Polymermaterial, das Vakuumbedingungen standhält und keine Beeinträchtigungen seiner Eigenschaften bei hohen Temperaturen auch über 200°C zeigt. Der Elastomerwerkstoff kann optional ein Füllmaterial aus elektrisch und/oder thermisch leitenden Partikeln oder ein anderes geformtes Füllmaterial wie etwa ein Drahtgitter oder einen leitfähigen Gewebe- oder Vliesstoff aufweisen. Polymermateralien, die unter Plasmabedingungen oberhalb von 160°C verwendet werden können, sind unter anderem Polyimid, Polyketon, Polyetherketon, Polyethersulfon, Polyethylenterephthalat, Fluoroethylen-Propylen-Kopolymere, Zellulose, Triazetate, Silikon und Gummi. Beispiele für hochreine Elastomerwerkstoffe sind bei Zimmertemperatur aushärtende Einkomponentenkleber, die von General Electric unter der Produktbezeichnung RTV 133 und RTV 167 vertrieben werden, ein unter Wärmeeinwirkung (z.B. über 100°C) aushärtender, fließfähiger Einkomponentenkleber, der bei General Electric unter der Produktbezeichnung TSE 3221 erhältlich ist, und ein durch Addition aushärtendes Zweikomponenten-Elastomer, das Dow Corning unter der Bezeichnung "SILASTIC" herstellt. Ein besonders bevorzugtes Elastomer ist ein polydimethylsiloxanhaltiges Elastomer wie das unter Einwirkung eines Katalysators (beispielsweise Pt) aushärtende Elastomer V217 von Rhodia, das auch noch bei Temperaturen von 250°C und darüber stabil ist. Sofern das Elastomer elektrisch leitend ist, kann das elektrisch leitende Füllmaterial Partikel eines elektrisch leitenden Metalls oder einer elektrisch leitenden Metalllegierung beinhalten. Ein bevorzugtes Metall für die Verwendung in der verunreinigungsempfindlichen Betriebsumgebung einer Plasmareaktionskammer ist eine Aluminiumlegierung wie z.B. eine Legierung auf Aluminiumbasis mit einem Siliziumanteil von 5–20 Gewichts-%. Die Aluminiumlegierung kann beispielsweise 15 Gewichts-% Silizium enthalten. Gleichwohl können aber auch Silizium- oder Siliziumkarbid-Füllpartikel verwendet werden.
Ein Plasmaschirm 52 verläuft von einer Unterkante der Kacheln 34 aus nach innen. Der Plasmaschirm 52 besteht vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Keramikwerkstoff wie z.B. Silizium oder Siliziumkarbid und enthält Öffnungen 54, die klein genug sind, um das Plasma zu begrenzen, aber andererseits durchlässig für das Prozessgas und Prozessnebenprodukte sind, die mit der Vakuumpumpe abgezogen werden sollen.
Das Heizelement 48 kann ein in ein Aluminiumgehäuse eingebettetes Heizwiderstandselement beinhalten. Somit wird immer dann, wenn ein elektrischer Strom durch das Heizelement geleitet wird, dem Aluminiumgehäuse Wärme zugeführt, das seinerseits Wärme an den Innenrahmen 42, die Aluminium-Verstärkungsplatten 36 und das elektrisch leitende Elastomer 38 sowie in die Kacheln 34 leitet. Beim Aufheizen und Abkühlen des Aluminiumgehäuses des Heizelements dehnt sich das Heizelement stärker aus als die durch die Kacheln 34 gebildete Auskleidung. Um diese Expansions- und Kontraktionseffekte zu kompensieren, sind der innere und der äußere Trägerrahmen elastisch biegsam ausgelegt. So können ,die Rahmen beispielsweise so segmentiert sein, dass ihre axial verlaufenden unteren Abschnitte durch axial verlaufende Schlitze getrennt sind. Außerdem können der innere und der äußere Rahmen so konfiguriert werden, dass sie einen bestimmten gewünschten Wärmeleitfähigkeitsbetrag aufweisen. So kann beispielsweise der Außenrahmen 44 aus einem Metall wie z.B. Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, wobei ein unterer Abschnitt des Außenrahmens eine Dicke aufweist, die groß genug ist, um der Auskleidung Wärme zu entziehen, während ein dünner oberer Abschnitt eine passende Durchbiegung des äußeren Rahmens aufgrund von thermischen Spannungen während der Verarbeitung eines Halbleitersubstrats gestattet.
5 zeigt einen Bereich der Kammerwand, in welchem ein Substrat wie z.B. ein Wafer durch einen Transportschlitz 55 in die Kammer eingebracht und aus dieser entnommen werden kann. In der in 5 gezeigten Anordnung sind einige der Kacheln in der Nähe des Schlitzes 55 in axialer Richtung kürzer. Der Schlitz 55 kann aus einem integralen Stück von keramischem Material oder anderem Material wie z.B. eloxiertem Aluminium bestehen. So kann beispielsweise das keramische Material, in welchem sich der Schlitz 55 befindet, aus jedem beliebigen geeigneten Material wie z.B. schlickergegossenem SiC bestehen, das mit CVD-SiC, Substrat-CVD-SiC, gesintertem SiC mit oder ohne CVD-SiC-Beschichtung, reaktionsgebundenem SiC, durch Graphitumwandlung gewonnenem SiC oder ähnlichen Substanzen beschichtet ist. 5 zeigt im Detail, wie der innere Trägerrahmen um den Schlitz 55 herum angeordnet werden kann. Der (hier nicht dargestellte) äußere Trägerrahmen kann in ähnlicher Weise konfiguriert werden.
Damit keine Sichtlinie zwischen dem Wafer 6 und der Kammerwand 46 entsteht, kann jede Kachel 34 mit Kanten 56 versehen sein, die in zugehörige Kanten der benachbarten Kacheln greifen, wie in 6 gezeigt. Wie diese alternative Ausführungsform zeigt, kann die Kammer 58 polygonale Innenflächen 60 aufweisen, in welchen die Kacheln über ein elektrisch und thermisch leitendes Elastomer direkt mit den ebenen Oberflächen 60 der Kammer verbunden sind. Eine solche Anordnung bietet den Vorteil, dass sie aus weniger Teilen als die Kachel-Grundplatten-Anordnung besteht und ein schnelleres Entnehmen der Auskleidung zu Reinigungs- und Austauschzwecken gestattet.
In den vorgenannten Ausführungsformen kann das Plasma durch die Si- oder SiC-Oberflächen der Gasverteilerplatte, die Auskleidung, den Plasmaschirm und den durch die Innenperipherie des Plasmaschirmes nach oben verlaufenden Substratträger begrenzt werden. Da die Si- und SiC-Oberflächen zwischen dem Plasma und den Aluminiumoberflächen der Kammer angeordnet sind, wird das Sputtern der Al-Oberflächen durch das Plasma minimiert und eine Kontamination verarbeiteter Wafer mit Al im Vergleich zu Kammern, bei denen eine Sichtlinie zwischen den Al-Oberflächen und dem verarbeiteten Wafer besteht, reduziert.
In der Ausführungsform, in der die Auskleidung Si- oder SiC-Kacheln beinhaltet, die über ein elektrisch und/oder thermisch leitendes Elastomer-Verbindungsmaterial mit einer Aluminium-Verstärkungsplatte verbunden sind, können die Kacheln so dimensioniert und/oder konfiguriert werden, dass sie so ineinander passen, dass der gesamte Umfang einer Innenwand der Plasmakammer abgedeckt ist. Für die Kammerwand kann jede gewünschte Konfiguration (zylindrisch, polygonal usw.) gewählt werden. Eine geeignete Zugangsöffnung gestattet das Einbringen und Herausnehmen einzelner Wafer in die bzw. aus der Kammer, und es können zusätzliche Öffnungen vorgesehen werden, die es gestatten, mit herkömmlichem Zubehör wie z.B.
Prozessüberwachungsanlagen verschiedene Messungen vorzunehmen. Die Kacheln können eine flache rechteckige Oberfläche aufweisen, die zum Inneren der Kammer ausgerichtet sind. Alternativ dazu können die den Kammerbedingungen ausgesetzten Oberflächen auch so gekrümmt sein, dass die Kacheln eine zylindrische Innenwand der Kammer bilden.
In der Ausführungsform, in der die Kachel-Verstärkungsplatten-Baugruppen mit einem inneren Al-Trägerrahmen verschraubt sind, der um die Innenwand der Kammer herum verläuft, können die bei der Inbetriebnahme, im Betrieb und beim Herunterfahren der Plasmakammer entstehenden thermischen Spannungen kompensiert werden. Die Zahl der Kacheln lässt sich so wählen, dass ein gewünschter Grenzwert der mechanischen Spannung erreicht wird, die sich aufgrund der in der Plasmakammer auftretenden thermischen Kräfte aufbaut und auf ein Bauteil und/oder eine Verbindung wirkt.
In der Ausführungsform, in der ein unterer Flansch des inneren Trägerrahmens mit der unteren Kante eines äußeren Al-Trägerrahmens und ein Flansch an der oberen Kante des äußeren Trägerrahmens mit einer oberen Platte auf der Oberseite der Kammer verschraubt ist, ist der äußere Träger in vertikal verlaufende Platten segmentiert, die durch Schlitze voneinander getrennt sind, welche vom unteren Ende des äußeren Trägerrahmens zum oberen Flansch verlaufen. Um eine Temperaturregelung der mit SiC ausgekleideten Oberfläche zu bewerkstelligen, kann ein über dem oberen Flansch des inneren Trägerrahmens angeordnetes Heizelement mit dem inneren Rahmen verschraubt werden. In einer solchen Anordnung kann das Heizelement Wärme erzeugen, die durch Wärmeleitung vom inneren Trägerrahmen auf die Grundplatte und die SiC-Kachel übergeht. Das Heizelement kann einen einzelnen Heizwiderstand beinhalten, der ganz um die Innenwand der Kammer herum verläuft. Alternativ dazu kann das Heizelement auch aus einer beliebigen anderen geeigneten Heizelementanordnung bestehen, mit der die gewünschte Temperaturregelung der Auskleidung bewerkstelligt werden kann, also etwa aus einer Anordnung, mit der die Innenfläche der Auskleidung während des Plasmaätzens von dielektrischen Werkstoffen wie Siliziumoxid auf der gewünschten Temperatur, beispielsweise im Bereich von 80°C bis 160°C, gehalten wird.
Die Kammer kann einen Plasmaschirm beinhalten, der den Substratträger umgibt. Der ringförmige Schirm kann mit jeder beliebigen geeigneten Technik mit einem Trägerring verbunden werden. So kann der Schirm beispielsweise durch eine Klebung mit dem bereits erläuterten Elastromer-Verbindungsmaterial mit dem Trägerring verbunden werden. Darüber hinaus kann der Trägerring mit einem unteren Flansch auf dem inneren Rahmen so verschraubt werden, dass der Schirm zwischen Trägerring und Flansch eingespannt ist. Der Schirm kann aus jedem beliebigen geeigneten Material bestehen, das den Bedingungen eines zur Halbleiterproduktion verwendeten Plasmas standhält. Ein bevorzugter Werkstoff für den Schirm ist Siliziumkarbid. Der Schirm kann aus einem einzelnen Ring, aber auch aus mehreren gegeneinander versetzten Ringsegmenten bestehen. Beispielsweise kann der Schirm aus Ringsegmenten bestehen, die über den Umfang versetzt sind.
In den Ausführungsformen, in denen ein Wafer durch einen Transportschlitz in die Kammer eingebracht und aus dieser entnommen wird, weisen der innere und der äußere Rahmen Ausschnitte darin auf, und die den Schlitz umgebenden Kacheln sind so angeordnet, dass sich unter dem Schlitz kleinere und über dem Schlitz größere Kacheln befinden. Das Innere des Schlitzes kann durch einen Einsatz für die Waferzuführung gebildet werden. Ein bevorzugter Werkstoff für diesen Einsatz ist Siliziumkarbid. Der Einsatz kann aus einem einzelnen Werkstück, aber auch aus mehreren Werkstücken bestehen. Die mittelhohen und die kurzen Kacheln werden vorzugsweise durch Verkleben mit dem Elastomer mit ähnlich dimensionierten Grundplatten verbunden, die ihrerseits mit dem inneren Rahmen verschraubt sind.
Gemäß der Ausführungsform der Erfindung, in welcher Sichtlinien-Oberflächen von Aluminiumkomponenten vermieden werden, indem die Oberflächen mit den SiC-Kacheln ausgekleidet werden, sind die Kanten der Kacheln vorzugsweise so ausgelegt, dass sie sich überlappen. So können die Kacheln beispielsweise Passkanten aufweisen, wobei das Relief einer Kachel der Formgebung einer zugehörigen Vertiefung einer benachbarten Kachel entspricht. Dieser Effekt lässt sich durch jede beliebige Kantenform erreichen, bei der kein geradliniger Pfad zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der Kachel vorhanden ist. Somit kann eine gekrümmte Passkante oder eine mehrseitige Kantenoberfläche wie z.B. eine Kante in V-Form, U-Form, W-Form, Nutform, Kerbform oder Versatzform die gewünschte Passkante der Kachel bilden.
Die ineinandergreifenden Kachel-Verbindungselemente eliminieren eine Sichtlinie zu Aluminiumkomponenten und gleichen unterschiedliche thermische Expansionen und Kontraktionen der Auskleidungskomponenten während der Inbetriebnahme, des Betriebs und/oder des Herunterfahrens des Plasmareaktors aus. So wird beispielsweise Energie vom Heizelement und/oder thermische Plasmaionenenergie, die sich auf den Kacheln ansammelt, per Wärmeleitung über den inneren Rahmen, durch die Elastomerverbindung, über den äußeren Rahmen und in die obere Kammerplatte übertragen. Durch die Wasserkühlung, die in der oberen Platte mit Hilfe von Kühlkanälen bewerkstelligt wird, wird die durch den äußeren Rahmen übertragene Wärme aus der Kammer abgeführt.
Während der Verarbeitung von Halbleitersubstraten können die Kacheln mit dem Heizelement vorgeheizt werden, bevor das Plasma in der Kammer erzeugt wird. Beispielsweise können die Kacheln mit dem Heizelement auf eine gewünschte Temperatur gebracht werden, und mit einem Temperaturregelsystem kann die dem Heizelement zugeführte Energie so reguliert werden, dass die Kacheln auf der gewünschten Temperatur gehalten werden. Weiterhin lassen sich die Wärmewiderstände des inneren und/oder äußeren Rahmens so regulieren, dass der gewünschte Kachel-Betriebstemperaturbereich erreicht und die Maximaltemperatur des Heizelements begrenzt wird.
7 zeigt Temperaturen, die am Heizelementeflansch des inneren Trägers, am unteren Flansch des inneren Trägers und an der Kachel-Verstärkungsplatte während des Plasmaätzens einer Charge von Halbleiterwafern gemessen wurden. Die Oszillation der Temperatur um 2°C resultierte aus Schwankungen der Plasmaionenenergie während eines Ätzzyklus'. Der Sollwert der Temperatur für den unteren Flansch betrug 100°C.
Um während der Verarbeitung von Halbleitersubstraten wie z.B. beim Plasmaätzen von Siliziumwafern eine Minimierung von Polymerablagerungen aus gasförmigen Nebenprodukten zu erzielen, die während des Ätzvorgangs entstehen, ist es wünschenswert, die dem Plasma ausgesetzten Kammeroberflächen auf Temperaturen von etwa 80°C bis etwa 160°C und vorzugsweise im Bereich von 110°C bis 150°C zu halten. Außerdem bewirkt eine Temperaturregelung dieser Oberflächen eine Reduktion der Prozessdrift während der sequentiellen Verarbeitung einzelner Wafer. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der in den 1-7 gezeigten Anordnungen heizt ein Heizwiderstand die Keramikauskleidung vor der Beaufschlagung mit einem Plasma in der Kammer durch Wärmeleitung auf, d.h. die vom Heizelement erzeugte Wärme geht über einen biegsamen Al-Rahmen auf die Keramikauskleidung über. In einer solchen Anordnung können sich das Heizelement und ein Teil des mit ihm in Berührung stehenden Al-Rahmens auf rund 300°C erwärmen, damit die Keramikauskleidung auf eine Temperatur von etwa 150°C aufgeheizt wird. Der aus dem inneren und dem äußeren Rahmen bestehende nachgiebige Al-Rahmen ermöglicht es dem mit dem Heizelement in Berührung stehenden Teil des Al-Rahmens, sich relativ zum Anteil des mit dem Heizelement in Berührung stehenden Abschnitts des Al-Rahmens auszudehnen und kompensiert auf diese Weise alle auf den mittleren Teil des Al-Rahmens wirkenden Biegespannungen.
Zur Realisierung hochreiner und/oder thermisch gut leitender SiC-Komponenten können diese aus CVD-SiC hergestellt werden. Das CVD-SiC kann auf einem Substrat wie z.B. Graphit abgeschieden und auf die gewünschte Dicke gezüchtet werden, woraufhin das Substrat beispielsweise durch mechanische Bearbeitung entfernt wird. Im Fall einer zylindrischen Auskleidung beispielsweise kann CVD-SiC auf eine gewünschte Dicke auf einem Graphitzylinder abgeschieden werden, der später mechanisch entfernt wird, so dass die Zylinderauskleidung aus CVD-SiC zurückbleibt. Zu den Vorteilen von CVD-SiC gehören hohe Wärmeleitfähigkeit (CVD-SiC hat beispielsweise eine doppelt so hohe Wärmeleitfähigkeit wie gesintertes SiC) und eine ein weiten Grenzen einstellbare elektrische Leitfähigkeit (die Leitfähigkeit von CVD-SiC kann zwischen elektrisch leitend bis halbleitend eingestellt werden). Ein Vorteil von CVD-SiC für die Reaktorkomponenten besteht darin, dass sich mit diesem Werkstoff eine hochgradig gleichförmige Temperaturverteilung über der Oberfläche der Komponenten im Reaktorinneren erzielen lässt. Im Falle von Verarbeitungsprozessen, in denen die Komponente auf einer Temperatur gehalten wird, die hoch genug ist, um eine Polymeransammlung auf den der Reaktoratmosphäre ausgesetzten Oberflächen der Komponenten zu minimieren, ist die Verwendung von CVD-SiC unter dem Aspekt der Temperaturregelung und der Minimierung der Partikelerzeugung besonders vorteilhaft.
In den vorangegangenen Ausführungen wurden die Prinzipien, die bevorzugten Ausführungsformen und die Betriebsarten der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Erfindung sollte jedoch nicht ausgelegt werden, als gelte sie lediglich für die hier erläuterten Ausführungsformen.

Claims

Plasma-Verarbeitungssystem zur Verarbeitung von Halbleitersubstraten, beinhaltend eine Plasmaverarbeitungskammer mit einem durch eine Kammer-Seitenwand abgegrenzten Innenraum, einen Substratträger, auf welchem ein Substrat im Innenraum verarbeitet wird, wobei die Kammer-Seitenwand von einer Peripherie des Substratträgers aus nach außen gerichtet in Abständen verteilt ist, eine Gaszuleitung, durch welche dem Innenraum während der Verarbeitung des Substrats Prozessgas zugeführt werden kann, eine Energiequelle, die das im Innenraum befindliche Prozessgas während der Verarbeitung des Substrats durch Zufuhr von Energie in den Plasmazustand versetzen kann, und eine keramische Auskleidung, die zwischen der Kammer-Seitenwand und der Peripherie des Substratträgers gehalten wird und aus einer Anordnung von Keramikkacheln besteht.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 1, bei welchem die keramische Auskleidung von einem elastischen Unterstützungselement getragen wird, das aus einem biegsamen Metallrahmen besteht.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 1, bei welchem die Keramikkacheln ineinandergreifende Kanten aufweisen.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 1, bei welchem die einzelnen Keramikkacheln über ein Elastomer-Verbindungsstück mit einem zugehörigen Metall-Stützelement verbunden sind.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 1, bei welchem die Metall-Stützelemente auf einem biegsamen Metallrahmen montiert sind und der biegsame Metallrahmen von einem thermisch geregelten Element so getragen wird, dass Wärme von den Keramikkacheln über einen thermischen Pfad abgeführt werden kann, der durch das Elastomer-Verbindungsstück, die Metall-Stützelemente und den biegsamen Metallrahmen zum thermisch geregelten Element verläuft.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 1, bei welchem die Keramikkacheln über ein Elastomer-Verbindungsstück, das zwischen den einzelnen Keramikkacheln und der Kammer-Seitenwand angeordnet ist, mit der Kammer-Seitenwand verbunden sind.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 1, bei welchem die keramische Auskleidung auf einem elastischen Unterstützungselement ruht, das aus einem biegsamen Metallrahmen besteht, und der biegsame Metallrahmen so auf einem thermisch geregelten Element angeordnet ist, dass Wärme von der keramischen Auskleidung über einen thermischen Pfad abgeführt werden kann, der durch den biegsamen Metallrahmen zum thermisch geregelten Element verläuft.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 7, ferner beinhaltend ein Heizelement, welches so auf dem biegsamen Metallrahmen angeordnet ist, dass es die keramische Auskleidung aufheizen kann.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 7, bei welchem der biegsame Metallrahmen ein segmentiertes inneres Rahmenelement und ein segmentiertes äußeres Rahmenelement beinhaltet, ein Elastomer-Verbindungsstück die einzelnen Keramikkacheln mit einem zugehörigen Segment des inneren Rahmenelements verbindet, und bei welchem das innere Rahmenelement vom äußeren Rahmenelement und das äußere Rahmenelement von der Kammer getragen wird.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 1, bei welchem die Keramikkacheln im wesentlichen aus CVD-SiC bestehen.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 1, bei welchem die Keramikkacheln im wesentlichen aus mit CVD-SiC beschichtetem gesintertem SiC bestehen.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 1, bei welchem die keramische Auskleidung von einem elastischen Unterstützungselement getragen wird, das aus inneren und äußeren Elementen eines biegsamen Metallrahmens besteht, die so konfiguriert sind, dass Differenzen in den thermischen Spannungen, die auf die keramische Auskleidung und die Rahmenelemente wirken, während des Betriebs des Plasma-Verarbeitungssystems kompensiert werden.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 12, bei welchem ein oberer Teil des äußeren Rahmenelements von einem thermisch geregelten Teil der Kammer getragen wird, ein unterer Teil des äußeren Rahmenelements mit einem unteren Teil des inneren Rahmenelements verbunden ist und die keramische Auskleidung vom inneren Rahmenelement getragen wird.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 1, bei welchem sich in der keramischen Auskleidung ein Spalt befindet, durch den das Substrat in die Kammer ein- und aus dieser austreten kann.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 14, bei welchem die Kacheln oberhalb und unterhalb des Spaltes angeordnet sind, der Spalt sich in einem an der Auskleidung befestigten Einsatz zur Waferzuführung befindet und sowohl Kacheln als auch Einsatz aus SiC bestehen.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 12, bei welchem das innere und äußere Metallrahmenelement zylindrisch geformt sind und durchgehende Oberteile und segmentierte Unterteile beinhalten, von denen die segmentierten Unterteile axial verlaufende Segmente beinhalten, die durch axial verlaufende Spalte voneinander getrennt sind.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 1, ferner beinhaltend einen keramischen Plasmaschirm, der von einem Unterteil der keramischen Auskleidung nach innen verläuft und Durchgänge aufweist, durch welche während der Verarbeitung eines Substrats Prozessgas und Reaktionsnebenprodukte aus dem Inneren der Kammer abgezogen werden.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 17, bei welchem der keramische Plasmaschirm aus SiC besteht und mehrere Segmente beinhaltet, die in einem ringförmigen Raum zwischen der Kammer-Seitenwand und dem Substratträger gehalten werden, wobei die Durchgänge Spalte beinhalten, die von der Kammer-Seitenwand aus radial nach innen verlaufen.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 17, bei welchem der keramische Plasmaschirm über ein elektrisch leitendes ElastomerVerbindungsstück mit einem elastischen Unterstützungselement verbunden ist, das elastische Unterstützungselement einen biegsamen Metallrahmen beinhaltet und der Plasmaschirm über das Elastomer-Verbindungsstück zum biegsamen Metallrahmen hin elektrisch geerdet ist.
Plasma-Verarbeitungssystem gemäß Anspruch 1, bei welchem ein einzelnes auf dem Substratträger aufliegendes Substrat mit Plasma geätzt wird, das in der Kammer erzeugt wird.