KR100959566B1 - 개선된 냉각 시스템을 갖는 정전척 및 정전척 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 제조에 사용되는 정전척에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 정전척의 온도 특성을 균일하게 유지할 수 있는 개선된 냉각 시스템을 갖는 정전척 관한 것이다.

본 발명의 구성은 정전척의 하부전극 내에 형성된 유로부에 냉매 공급홀과 냉매 배출구를 각각 2개 이상으로 구성하고, 유로부를 제1유로부와 제2유로부로 구성하여 이 사이에 경계벽을 설치하며, 상기 각각의 냉매 공급 및 배출을 개별적으로 제어할 수 있도록 하여, 정전척의 에지부와 중심부의 온도를 균일하게 실현시킴으로써 온도 불균형을 방지할 수 있는 정전척을 제공할 수 있다.

냉매 공급홀, 냉매 배출홀, 경계면.

Description

개선된 냉각 시스템을 갖는 정전척 및 정전척 시스템{Electrostatic Chuck System and Electrostatic Chuck having a improved cooling system}

도 1은 종래 기술에 따른 정전척의 하부 전극의 유로부를 도시하는 도면.

도 2는 도 1에 도시된 하부 전극의 단면도로서 상판과 하판을 포함하는 하부 전극을 도시하는 단면도.

도 3은 하부 전극 상에 장착된 정전시트를 도시하는 도면으로서 냉각 가스 그루브와 유로부가 도시된 일반적인 정전척의 부분 단면도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전척의 하부 전극의 하판과 상판 및 상기 하부 전극 상에 장착될 정전시트를 도시하는 도면.

도 5a는 도 4에 도시된 본 발명에 따른 일 실시예의 정전척의 하부 전극의 상판을 도시하는 평면도.

도 5b는 도 5a에 도시된 하부 전극의 상판 아래에 하판이 접착된 형태를 도시하는 단면도.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전척 시스템을 도시하는 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

513,515: 냉매 공급홀 512,514: 냉매 배출홀

527a, 527b: 열전달판 426,526: 경계면

630: 제어기 641: 제1 냉매 탱크

본 발명은 반도체 소자의 제조에 사용되는 정전척에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 정전척의 온도 특성을 균일하게 유지할 수 있는 개선된 냉각 시스템을 갖는 정전척 관한 것이다.

반도체 소자는 통상적으로 포토리소그래피 등을 이용하여 웨이퍼의 표면에 도전층과 절연층의 패터닝 공정에 의해 전자회로소자를 구현함으로써 얻어지고 웨이퍼 표면에 도전층과 절연층은 식각 또는 증착에 의해서 패터닝된다.

상기 식각 또는 증착은 반도체 기판(예컨대, 웨이퍼)을 정전척에 정전력으로 고정시킨 뒤, 공정 챔버 내에서 진행되며, 공정 챔버 내에서는 플라즈마 분위기를 유지하여 식각 또는 증착을 행하게 된다.

플라즈마 공정시에는 정전척을 플라즈마 발생용 전극으로도 사용하기 때문에, 플라즈마 히팅에 의해 정전척의 온도가 상승하게 된다. 다시 말하면, 플라즈마 등을 이용하는 건식 식각 공정 등에서 반도체 기판에는 음 바이어스 전압이 인가된다. 이에 따라, 반도체 기판 상에 입사되는 이온 등이 가속되어 물리적인 에칭 반응을 일으킨다. 이때, 상기 반도체 기판에 입사되는 이온 등의 운동에너지는 대부분 열 에너지로 전환되어 반도체 기판의 온도를 상승시키게 된다. 정전척의 온도가 상승하면 정전척의 상면에 고정된 웨이퍼에 열적 영향을 주게 된다.

이와 같이, 웨이퍼에 열적 변동이 발생하면 웨이퍼 내에서 한계 치수(CD:critical dimension)의 산포를 유발할 뿐만 아니라 웨이퍼들 사이의 한계 치수 변동을 유발시킨다.

또한, 웨이퍼의 온도는 에칭 속도, 막의 두께 및 균일도에 영향을 미치는 중요한 공정변수이므로, 반도체 소자 제조 공정에서는, 공정이 진행중인 챔버 내의 웨이퍼 온도제어가 중요한 요소로 대두된다.

따라서, 이러한 웨이퍼의 온도 불균형을 방지하기 위하여 통상적으로 정전척은 냉각 시스템을 갖도록 구성된다.

이러한 냉각 시스템은, 웨이퍼의 표면온도를 조절하기 위해, 웨이퍼가 적재되는 정전척의 상면(즉, 웨이퍼의 배면)에 헬륨 등의 냉각 가스를 공급하여 웨이퍼의 배면을 냉각시키는 것이다.

그러나, 웨이퍼 배면을 냉각 가스만으로 냉각시키는 것이 충분하지 못하여 정전척의 하부전극(또는 플라즈마 발생용 전극 또는 바디(body)이라고도 칭함)을 알루미늄 등의 재질로 제작하여 이 알루미늄 내부에 냉매가 흐를 수 있는 유로부를 제작함으로써, 정전척의 하부전극을 냉각시킨다.

그러나, 근래, 웨이퍼의 직경이 6인지 또는 8인치에서 12인치로 대체되어짐에 따라 상술한 종래 기술은 웨이퍼의 냉각효율이 에지부 또는 중심부에서 급격히 감소하여 공정 중 웨이퍼 에지부의 온도와 웨이퍼 중심부의 온도 사이에 온도차가 발생하게 된다.

이하, 종래의 정전척의 구조를 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명하면, 도 1은 종래의 웨이퍼 고정용 정전척 하부전극의 유로부(104)를 도시하는 평면도이고, 도 2는 도 1의 유로부에 대한 단면도로서 하부전극의 상판(221) 아래에 하판(211)이 부착된 상태를 도시한다.

종래의 정전척의 하부전극(200) 내부에 형성된 유로부(104)는 단 1개의 냉매 공급홀(102)와 1개의 냉매 배출구(103)만을 갖도록 구성된다.

1개의 냉매 공급홀(102)로 공급된 냉매는 유로부(104)를 따라 흘러 하부전극의 온도를 낮추고 1개의 냉매 배출구(103)를 통해 배출되기 때문에 상대적으로 긴 유로부(104)를 흐르는 동안 냉매의 온도가 상승하여 중심부와 에지부에서 온도 불균형이 생긴다. 특히 12인치의 대직경 웨이퍼 식각에서는 온도 불균형이 더욱 심화된다.

계속해서 도 3를 참조하면, 참조번호 301은 웨이퍼이고, 304는 유로부, 305는 냉각 가스 그루브(groove), 306은 정전 흡착용 전극, 307은 정전시트, 308은 하부전극(플라즈마 발생용 전극), 311은 하부전극의 하판, 321은 하부전극의 상판을 나타낸다.

도 3은 웨이퍼(301)가 정전시트(307) 상에 고정된 상태를 나타내는 정전척의 부분 단면도로서, 1차적으로 하부전극(308)의 유로부(304) 내부에 냉매를 흘려보내서 냉각시키고 추가로 냉각 가스 그루브(305)를 통해 헬륨 등의 냉각 가스를 흘림으로서 웨이퍼를 냉각시키는 것을 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 정전척은 통상적으로 냉각 가스 그루브(305)와 유 로부(304)를 이용하여 웨이퍼의 온도를 제어한다. 그러나 앞서 말한 바와 같이, 도 1에 도시된 종래의 정전척의 유로부는 단 1개의 냉매 공급홀(102)과 단 1개의 냉매 배출홀(103) 만으로 구성되어 있기 때문에, 웨이퍼의 균일한 온도 제어가 불가능하게 됨을 알 수 있다.

여기서, 본원에서 사용되는 용어에 대하여 간단히 정의 하면, 정전척은 정전시트와 하부 전극으로 이루어진 웨이퍼 고정 장치를 말하며, 정전시트는 하부 전극 상에 접착되는 유전체-전극-유전체의 구조로 이루어진 시트를 말하거나, 또는 하부전극 상에 형성된 아노다이징 피막을 말하고, 하부 전극이라 함은 정전시트 하면에 부착되는 알루미늄 재질의 플라즈마 발생용 전극을 말한다. 또한, 하부 전극을 통상적으로 본 업계에서는 바디(Body)라고도 칭함을 알아야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결 또는 경감하고자 하는 것으로, 유로부의 냉매 공급홀와 냉매 배출구를 각각 2개 이상으로 구성하고, 유로부를 제1유로부와 제2유로부로 구분하여 이 사이에 경계벽을 설치하여 정전척의 에지부와 중심부의 온도를 균일하게 유지할 수 있는 정전척을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기 유로부의 제1유로부와 제2유로부를 개별적으로 제어할 수 있는 제어기를 추가함으로써, 각각의 냉매 공급 및 배출을 개별적으로 제어할 수 있는 정전척 시스템을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일견지에 따른 하부전극을 포함하는 정전척은, 상기 하부전극 내부에 냉매가 흐를 수 있는 유로부와,

상기 하부전극 내부에 냉매를 공급 및 배출하는 냉매 공급홀과 냉매 배출홀을 포함하며, 상기 유로부는 2개 이상의 유로부로 구성되고, 상기 2개 이상의 유로부에는 상기 유로부들을 분할하는 경계면이 설치되고, 상기 냉매 공급홀은 2개 이상이고 상기 냉매 배출홀은 2개 이상으로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유로부들에는 2개 이상의 열전달판이 설치된다.

또한, 본 발명의 다른 견지에 따른 하부전극을 갖는 정전척 시스템은, 상기 하부전극 내부에 냉매가 흐를 수 있는 유로부와, 상기 하부전극에 냉매를 공급 및 배출하는 냉매 공급홀 및 냉매 배출홀과, 제1 냉매 공급밸브 및 제2 냉매 공급밸브와, 제1 냉매 탱크 및 제2 냉매 탱크와, 제1 센서 및 제2 센서와, 제어부를 포함하며, 상기 유로부는 2개 이상의 유로부로 구성되고, 상기 2개 이상의 유로부에는 상기 유로부들을 분할하는 경계면이 설치되고, 상기 냉매 공급홀은 2개 이상이고 상기 냉매 배출홀은 2개 이상으로 구성되고, 상기 제어부는 냉매 공급 및 냉매 배출을 개별적으로 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유로부에는 2개 이상의 열전달판이 설치된다.

(실시예)

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들로 인해 한정되도록 해석되어서는 안된다. 또한, 본 발 명의 실시예들은 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자들에게 본 발명을 보다 완전하게 이해시키기 위해 제공되어진 것일 뿐이다. 따라서, 도면에 도시된 형상들은 설명의 단순화 및 강조를 위해 과장되게 도시되었고 설명에 불필요한 부분들은 생략되어졌음을 알아야 한다. 또한, 본 실시예들에서는 유로부를 제1 및 제2 유로부로 구성하여 2개를 도시하고 있지만, 이는 설명의 단순화를 위한 것으로 본 발명의 통상의 지식을 가진자들은 제1, 제2, 제3 유로부 등 2개 이상의 복수의 유로부들로 구성될 수 있음을 알아야 한다.

(실시예1)

먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전척은 하부전극의 하판(411)을 포함하며, 상기 하판(411) 상에는 하부전극의 상판(421)이 접착되고 상기 상판(421) 상에는 그 내부에 전극을 포함하는 정전시트(407)가 접착제에 의해 접착된다. 여기서, 하부전극(420)은 플라즈마 발생용 전극으로서 열전달 효율이 뛰어난 알루미늄 계통의 재질을 사용하였다.

상기 정전시트(407)와 하부전극의 상판(421) 사이에는 두께가 5~50um의 열가소성 폴리이미드계 접착제(도시하지 않음)를 사용하여 접착하며, 접착은 가열온도 100~250℃에서 저온압착처리하여 접착한다. 접착제에 대한 상세한 설명은 한국공개특허공보 제2002-14722호에 자세히 개시되어 있기에 본원에서는 구체적인 사항은 생략한다.

계속해서, 본원에 따른 정전척의 구성을 설명하면, 하부전극의 하판(411)에는 2개 이상의 냉매 공급홀(413,415)과 2개 이상의 냉매 배출홀(412,414)을 갖는 다. 또한, 하부전극 상판(421)의 내부에는 복수의 작은 열전달판들(427)을 가지며, 2개 이상의 유로부 즉, 제1유로부(431)와 제2유로부(432)를 포함하고, 이들을 구분짓는 경계면(426)을 갖는다. 그리고, 하부전극의 상판(421) 상에는 정전시트(407)가 접착된다. 도면에는 도시하지 않았지만, 정전시트(407) 상에는 처리될 웨이퍼가 탑재된다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 냉매 공급홀들(513,515) 및 냉매 배출홀들(512,514)의 홀은 열전달판들(527a,527b)사이를 통과하는 각각의 냉매의 유로부보다 크게 구성된다. 여기서, 도 5b에 도시된 열전달판들(427a,427b)은 유로부 내에 형성된 3개의 기둥으로 표시되어 있지만, 본 발명의 통상의 지식을 가진자들은 상기 열전달판들은 2개 이상의 복수개로 형성될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

계속해서, 본원에 따른 정전척의 동작에 대해 설명한다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 냉매 공급홀(513)을 통해 들어온 냉매는 경계면(526) 내부에 있는 제1유로부를 따라 흐르면서 복수의 열전달판들(527a)의 열을 빼았는다. 이렇게 온도가 상승한 냉매는 제1 냉매 배출홀(512)을 통해 배출된다. 또한, 제2 냉매 공급홀(515)을 통해 들어온 냉매는 경계면(526) 외부에 있는 제2유로부를 따라 흐르면서 복수의 열전달판들(527b)의 열을 빼았는다. 이렇게 온도가 증가된 냉매는 제2 냉매 배출홀(514)을 통해 배출된다.

따라서, 웨이퍼의 에지부와 중심부의 온도를 균일하게 유지할 수 있게 된다.

(실시예2)

본 실시예에서는 실시예1에서 설명한 부분과 동일한 구성 요소는 설명을 생략하고, 단지 다른 구성 부분이나 추가된 부분만을 설명한다.

본 발명의 실시예2에 따른 정전척 시스템에서, 하부전극(200)의 구조는 동일하며, 단지 하부 전극의 제1유로부와 제2유로부를 개별적으로 제어할 수 있는 제어기(630), 냉매 공급밸브들, 냉매 배출밸브들에 접속된 제1센서(661) 및 제2센서(662), 상기 제어부(630)에 공통으로 접속되는 제1 냉매 탱크(641) 및 제2 냉매 탱크(642)를 추가로 포함한다.

도 6을 참조하여 구체적으로 설명하면, 제1 냉매 공급홀(613)에는 제1 냉매 공급밸브(653)가 접속되며, 제1 냉매 공급밸브(653)는 제1 냉매 탱크(641)에 접속되어 제1 유로부(도 4;431)에 냉매를 공급하는 열할을 한다. 또한, 제1 냉매 배출홀(612)에는 제1 냉매 배출밸브(652)가 접속되고 상기 냉매 배출밸브(652)는 제1센서(661) 및 제1 냉매 탱크(641)에 접속된다. 상기 제1센서(661)는 제어기(630)에 접속된다.

제2 냉매 공급홀(615)에는 제2 냉매 공급밸브(655)가 접속되며, 제2 냉매 공급밸브(655)는 제2 냉매 탱크(642)에 접속되어 제2 유로부(도 4:432)에 냉매를 공급하는 역할을 한다. 또한, 제2 냉매 배출홀(614)에는 제2 냉매 배출밸브(654)가 접속되고 상기 냉매 배출밸브(654)에는 제2 센서(662) 및 제2 냉매 탱크(642)가 접속된다. 상기 제2센서(662)는 제어기(630)에 접속된다.

이때, 상기 제1 및 제2 센서들(661,662)은 각각 제1 및 제2 냉매 배출홀들(614,612)에 가능한 근접하게 배치된다. 그 이유는 냉매가 상기 배출홀들을 따라 냉매 배출밸브로 이동할 때 냉매온도가 변할 수 있기 때문에 가능한 냉매 배출홀들에 근접하게 설치하는 것이다.

계속해서, 실시예2에 의한 정전척 시스템의 동작을 설명하면, 제1 및 제2 냉매 탱크들(641,642)에 각각 접속된 제1 및 제2 냉매 공급밸브들(653,655)을 통해 냉매가 제1 및 제2 유로부들(431,432)에 각각 공급된다. 냉매는 제1 및 제2 유로부들(도 4;431,432) 내부에 형성된 열전달판들(도 5:527a,527b)의 열을 빼앗고 열로 인해 온도가 상승된 냉매는 각각 제1 및 제2 냉매 배출구들(612,614)을 통해 각각 제1 및 제2 냉매 배출밸브(652,654)를 경유하여 제1 및 제2 냉매 탱크들(641,642)로 복귀하게 된다. 이때, 제1 및 제2 냉매 배출밸브들(652,654)에 각각 연결된 제1 및 제2 센서들(661,662)이 냉매 탱크들로 복귀되는 냉매의 온도를 검출하여 제1 유로부(431)와 제2 유로부(432)를 통과한 냉매의 온도 차가 발생할 경우, 제어기(630)가 냉매 탱크들(641,642)에 개별적으로 지시하여 냉매의 흐름과 량을 조절한다.

따라서, 상기와 같은 구성에 의하면, 제1 유로부와 제2 유로부를 흐르는 냉매의 온도를 검출하여 제어기에서 개별적으로 제어함으로써, 웨이퍼의 직경이 12인치가 되더라도 웨이퍼의 에지부와 중심부의 온도를 균일하게 제어할 수 있게 된다.

이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 정전척의 하부전극 내부에 형성된 유로부를 제1 및 제2 유로부를 구성하고 상기 제1 유로부와 제2 유로부의 사이를 구분 짓는 경계면을 형성함으로써, 하부전극 내부의 유로부를 흐르는 냉매의 온도를 중심부와 에지부에서 변화량이 극히 미비하도록 할 수 있다.

또한, 정전척의 하부전극 내부에 형성된 제1 유로부와 제2 유로부를 흐르는 냉매의 온도를 센서에 의해 각각 검출하여 제어기에서 개별적으로 제어함으로써, 웨이퍼의 직경이 대구경화 되더라도 웨이퍼의 에지부와 중심부의 온도를 균일하게 제어할 수 있게 된다.

이로 인해, 궁극적으로, 반도체 소자의 제조 불량율을 최소화하고 반도체 소자 제조 장치의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 상판 및 상기 상판과 접착된 하판으로 이루어진 하부 전극을 포함하는 정전척에 있어서,

   상기 상판에는 동심원 형태로 배치된 중앙의 제1 유로부와 가장자리의 제2 유로부가 경계면에 의해 서로 분할되도록 구비되며, 상기 하판에는 상기 제1 및 제2 유로부들과 연결된 냉매 공급홀들 및 냉매 배출홀들이 구비되며,

   각각의 제1 및 제2 유로부는 알파벳 ‘C’자 형태를 각각 갖는 외측 유로부와 내측 유로부를 포함하고, 상기 외측 및 내측 유로부의 중앙 부위들은 상기 냉매 공급홀과 냉매 배출홀에 각각 연결되고, 상기 외측 및 내측 유로부들의 일측 단부들이 서로 연결되며, 상기 외측 및 내측 유로부들의 타측 단부들이 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 정전척.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유로부들 각각의 내부에는 2개 이상의 열전달판이 설치되는 것을 특징으로 하는 정전척.
3. 정전척, 제1 냉매 공급밸브, 제2 냉매 공급밸브, 제1 냉매 탱크, 제2 냉매 탱크, 제1 센서, 제2 센서 및 제어부를 포함하는 정전척 시스템에 있어서,

   상기 정전척은 상판 및 상기 상판과 접착된 하판으로 이루어진 하부 전극을 포함하고,

   상기 상판에는 동심원 형태로 배치된 중앙의 제1 유로부와 가장자리의 제2 유로부가 경계면에 의해 서로 분할되도록 구비되며, 상기 하판에는 상기 제1 및 제2 유로부들과 연결된 냉매 공급홀들 및 냉매 배출홀들이 구비되고,

   각각의 제1 및 제2 유로부는 알파벳 ‘C’자 형태를 각각 갖는 외측 유로부와 내측 유로부를 포함하고, 상기 외측 및 내측 유로부의 중앙 부위들은 상기 냉매 공급홀과 냉매 배출홀에 각각 연결되고, 상기 외측 및 내측 유로부들의 일측 단부들이 서로 연결되며, 상기 외측 및 내측 유로부들의 타측 단부들이 서로 연결되고,

   상기 제1 및 제2 냉매 탱크들은 상기 냉매 공급홀들 및 냉매 배출홀들을 통해 상기 제1 및 제2 유로부들과 각각 연결되고,

   상기 제1 및 제2 센서들은 상기 냉매 배출홀들에 인접하도록 배치되며,

   상기 제어부는 상기 제1 및 제2 센서들에 의해 검출된 온도에 따라 냉매의 유량을 개별적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 정전척 시스템.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유로부들 각각의 내부에는 2개 이상의 열전달판이 설치되는 것을 특징으로 하는 정전척 시스템.

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