KR100951613B1 - 하부전극의 상면에 돌출부들과 세라믹 판의 하부면에홈들을 갖는 정전척 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정전척에 관한 것으로, 세라믹 판과 상기 세라믹 판의 하면에 형성된 하부전극을 접착시킬 때 그 정열을 정확하게 할 수 있는 정전척에 관한 것이다. 본 발명에 따른 정전척은, 하부전극 상에 돌출부들을 가지며 세라믹 판의 하면에 상기 돌출부들과 실질적으로 대응하는 홈들을 가지며, 접착제를 이용하여 상기 세라믹 판과 하부전극을 접착시킬 때, 상기 돌출부와 홈들을 끼워 맞춤으로써 그 정열을 용이하고도 정확하게 할 수 있다. 또한, 상기 돌출부가 실리콘 접착제가 도포되는 부분보다 더 높게 형성되기 때문에, 접착시 실리콘 접착제가 상기 돌출부에 형성된 냉각가스 구멍 등에 스며들 염려가 없다.

세라믹 판, 하부전극, 돌출부.

Description

하부전극의 상면에 돌출부들과 세라믹 판의 하부면에 홈들을 갖는 정전척{The Electrostatic Chuck having grooves on the lower side of a ceramic plate and projecting portions on the upper side of a lower electrode}

도 1은 종래의 정전척 구조를 도시하는 단면도.

도 2는 다른 종래의 정전척 구조를 도시하는 단면도.

도 3은 또 다른 종래의 정전척 구조를 도시하는 단면도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전척 구조를 도시하는 단면도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부전극에 형성된 홈을 도시하는 평면도.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하부전극에 형성된 홈을 도시하는 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명 *

403: 세라믹 판 404: 하부전극

410: 실리콘 접착제 411: 상판

412: 하판 413: 전극

본 발명은 반도체 제조 장치 중 전공정 장비인 식각 또는 증착 장비에 사용되는 정전척(Electrostatic Chuck) 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 하부전극의 상면에 세라믹 판(Sheet)과 직접적으로 접촉되는 다수의 돌출부들 갖는 정전척 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 플라즈마 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 프로세스 챔버(101)가 있고, 이 챔버는 공정진행시에는 진공펌프(109)에 의해 매우 낮은 압력으로 유지된다. 반송 시스템에 의해 웨이퍼(102)가 정전척(103) 상에 놓이게 되고 고주파 전원(106)이 챔버의 상부측 또는 하부측에 전기적으로 연결되어 플라즈마 발생원으로 작용한다. 웨이퍼의 균일한 식각이나 증착이 필요한 에치 공정 및 증착공정에서는 웨이퍼의 온도 제어를 위해 웨이퍼 배면에 냉각가스가 흐를 수 있도록 설계되며 이 냉각가스의 압력을 견디도록 웨이퍼를 기계적으로 또는 전기적으로 흡착시킨다.

이 처럼, 웨이퍼를 흡착시키기 위해, 여러가지 방식이 실현되고 있는데, 종래에는 기계적으로 웨이퍼를 지지하는 기계적 클램핑 타입이었으며, 근래에는 정전력을 이용한 정전척 방식이 실현되고 있다. 정전력 방식에는 폴리이미드와 같은 고분자 중합체를 압착하여 적용하는 방식과 알루미늄인 하부전극을 양극산화시켜 그 피막을 유전체로 사용하는 방법이 있다. 이 방식 중 폴리이미드 필름을 이용하는 적층방식은 내전압 측면에서는 우수한 성능을 발휘하고 있으나 산소 플라즈마에 취 약하고 열전도도가 좋지 않은 문제점이 있다. 이로 인해, 웨이퍼의 온도 균일성 측면에서 결정적인 취약점이 있다. 또한, 양극산화된 피막 또는 피막 자체가 조밀하지 못하기 때문에 공정 진행중에 발생하는 반응생성물이 유전층에 고착될 수 있다. 이러한 반응생성물이 유전층에 고착되면, 유전층의 유전율을 변동시켜 흡착력이 쉽게 변하는 문제점이 있다.

이에, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 현재, 알루미나 또는 질화 알루미늄 같은 세라믹층의 유전체를 사용하는 정전척이 실현되고 있다.

세라믹 유전층을 제조하기 위해서는 도 2에 도시된 바와 같이, 통상적으로 파우더 형태의 분말에 필요한 성분을 혼합하여 전도성을 향상시키거나 분말의 결합력을 강화시키는 등의 방법으로 소결하여 제조되며, 이 소결체의 중간에는 전기적으로 전극의 역할을 하는 전도성 전극(213)이 삽입된다. 전도성 전극은 얇은 판을 압착하거나 도체 분말을 이용하여 스크린 프린팅 방법으로 인쇄하는 방법 등이 사용된다.

또 다른 방법으로는, 파우더 형태의 분말을 얇은 박판 형태로 소성하여 여러개의 박판을 적층하고 그 중간에 상기와 같은 방법으로 전극을 삽입한다. 그 다음, 압착 및 소결하여 만드는 테이프 캐스팅(tape casting)방법 등이 사용되고 있다.

중간에 삽입되는 전극(213)은 외부에 노출되지 않도록 상부(211) 및 하부(212) 세라믹 내에 밀봉된다. 세라믹 판(203)의 하부에는 전기 접촉을 위해 구멍을 내고 납땜 등의 방법으로 세라믹 판(203) 밖으로 도선을 빼내는 도선 연결부(214)로 구성된다.

완성된 세라믹 판(203)은 이 판을 지지해 주는 하부전극(도 2에서는 도시 하지 않음)과 접합을 하게 되는데 보통은 세라믹 판(203)과 하부전극 사이에 실리콘 계통의 접착제를 사용하여 열 압착을 통해 접착 하게 된다. 세라믹 판(203)에는 냉각가스 등이 원활하게 흐를 수 있도록 다수의 구멍 및 가스 통로(215)를 상하 좌우에 기하학적으로 설계한다.

계속해서 종래의 기술을 도 3을 참조하여 설명한다.

완성된 세라믹 판(303)을 하부전극(304)과 접착시키기 위해 실리콘 계통의 접착제(310)를 경화제와 일정비율로 혼합하여 바르고 특정 압력 및 온도에서 공정을 진행하여 붙이게 된다. 참고로, 접착제(310)는 세라믹 판(303)의 열 팽창계수 및 이 세라믹 판(303)을 고정시키고 지지해주는 하부전극(304)의 열 팽창 계수의 차이를 완화해 줄 수 있는 점성 및 열전도율을 가진다.

하부전극(304)에는 통상적으로 냉각가스의 흐름을 위해 구멍(318)을 뚫거나 원형 모양의 홈(groove;317)을 파며, 세라믹 판(303)을 하부전극(304)에 접착할 때 이 구멍(318)이나 홈(317)에 실리콘 접착제(310)가 스며들어가는 것을 방지하기 위해 하부전극(304)의 상면에 실리콘 접착제(310)와 유사한 유전율을 가진 필름(316)으로 덮어주어야 하는 공정이 추가되어야 하며, 상기 필름(316)의 두께만큼의 평탄도를 맞추는 문제가 생긴다.

이때, 상기 절연 필름(316)으로는 폴리이미드 계통의 고분자 중합체가 이용되는데, 그 이유는, 세라믹 판(303)과 하부전극(304)의 접착이 완료된 이후, 절연 필름(316)을 핀 등을 이용하여 원하는 치수만큼 타공함에 있어서 상기 고분자 중합 체가 제작 및 타공 측면에서 유리하기 때문이다.

또한, 세라믹 판(303)에 형성된 다수의 구멍들(315)과 하부전극(304)에 형성된 구멍들(318)의 정열을 정확하게 맞추어 접착해야 하는 어려움이 있다. 조금이라도 정렬의 오차기 생기면 냉각가스의 통로(317,318)가 어긋나서 냉각가스의 흐름 변화가 생기게 되어 불균일한 온도 분포가 발생된다. 이로 인해, 프로세스 챔버내에서 공정이 진행되면 웨이퍼(302)의 온도가 불균일해지며, 정전력 또한 불균일하게 되는 문제점이 있다.

이러한 상술한 종래 기술의 문제점을 정리하면 다음과 같다.

1. 폴리이미드 필름은 압축이 거의 되지 않기 때문에 필름이 있는 부분과 없는 부분의 접착층이 불균일한 형상이 된다.

2. 하부전극의 홈 부분이나 구멍에 실리콘 접착제가 유입되지 않도록 절연 필름을 부분적으로 막아주어야 하는 문제가 있어 제조 공정이 복잡해 지고 오염 문제가 발생한다.

3. 상술한 문제점 2에서 처럼, 절연 필름을 적층하게 되면 접착층의 전체 면적에서 불균일한 층이 생기게 되어 부분적으로 기공이 생긴다(도 3의 참조번호 X, X1참조).

4. 일반적으로 폴리이미드 필름의 열전도도는 0.16W/m.C이고 실리콘 접착제는 1.26.W/m.C의 열전도도를 갖는 바와 같이, 폴리이미드 절연 필름은 열전도성이 실리콘 만큼 우수하지 못하기 때문에 열 완충 작용면에서 불리하다.

5. 세라믹 판과 하부전극을 정확히 정렬하여 접착시키기 위해서는 열전도율 및 압착 상태, 공정 온도 등의 여러가지 변수를 전부 고려하여야 하고 별도의 정열 지그 등이 필요하다.

6. 정렬하여야 하는 구멍이나 홈이 많은 경우에는 더욱 더 정렬에서 불량이 날 확률이 높아지고 실리콘 접착제의 냉각가스 구멍 및 홈으로의 유입때문에 오염 문제가 발생한다.

7. 세라믹 판 내의 도선 연결부도 실리콘 접착제에 의해 오염이 되면 전극 연결이 잘 안되므로 전기적으로 단선의 염려가 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점들을 해결 또는 경감시키고자 하는 것이다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 본 발명에 따른 정전척은, 하부전극 및 상기 하부전극 상에 접착된 세라믹 판으로 구성되며, 상기 세라믹 판 내부에 판형상의 전극을 포함하는 정전척으로서, 상기 하부전극의 상면에 형성된 돌출부들과, 상기 세라믹 판의 하면에 형성된 홈들을 포함하며, 상기 돌출부들은 상기 홈들에 정확하게 끼워지는 질 수 있는 크기 및 형상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 돌출부들은 디스크 형태의 원통(예컨대, 618)형이거나 상기 하부전극의 원형을 따라 형성된 원형상(예컨대, 722)이며, 상기 홈부들은 상기 돌출부들에 형성된 원통 및 원형상과 동일한 크기 및 형상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면,상기 하부전극의 돌출부들과 세라믹 판의 하면에 형성된 홈들에는 접착제가 도포되지 않는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 하부전극과 세라믹 판의 접착은 실리콘 계통의 접착제를 이용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 다르면, 상기 세라믹 판의 하면에 형성된 홈은 가공 분말을 이용한 블라스트 방법을 채용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전극은 텅스텐 또는 몰리브덴 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 다르면, 상기 전극은 알루미나 질화물이 5~20% 함유된 몰리브덴인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 구성을 도면을 참조하여 설명한다.

먼저 도 4를 참조하면, 세라믹 판(403)을 정전척으로 사용하는 본 발명에 따른 정전척은 정전척을 지지하고 고정시키는 하부전극(404)이 있으며, 그 위에 세라믹 판(403)이 놓여진다. 종래의 기술과 마찬가지로 세라믹 판(303) 내부에는 전도성 전극(313)이 중간에 삽입되어 있다. 여기서, 전도성 전극(313)의 모양은 사용하고자 하는 정전척(303)의 기능 및 냉각 가스의 흐름에 따라 여러가지 형태로 제작될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 전도성 전극(513)의 모양은 스크린 프린팅 방식을 이용하여 제작한다. 전극의 재질로는 바람직하게는 스크린 프린팅이 가능한 텅스텐 또는 몰리브덴 중 어느 하나이며, 전극으로 몰리브덴을 사용할 경우 알루미나 질화 물이 5~20% 함유된 몰리브덴을 사용한다. 전극을 선택할 때에는 선택된 세라믹과의 열팽창 계수, 선팽창 계수 및 수축율 등을 고려하여 선택하여야 한다. 그렇지 않으면 세라믹 판 제작 시 소결작업 동안 균열 및 파손의 우려가 상당히 존재하여 불량율을 증가시키는 원인이 된다. 특히, 100℃ 이상의 고온에서 적용하는 정전척이나 -30℃이하의 저온에서 적용하는 정전척에 있어서는 사용상 심각한 문제 발생의 소지가 있다. 또한, 반복적인 열수축 및 팽창에 따른 스트레스에 의해 정전척의 수명이 단축되는 문제도 안고 있다.

다시 도 4를 참조하면, 전도성 전극(413)을 세라믹 판(403) 사이에 샌드위치 형태로 삽입하기 위하여, 세라믹 판(403)의 상판(411) 및 하판(412)을 스프레이 드라이 방식과 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 제작한다. 즉, 스프레이 드라이 방식 및 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 상판(411) 및 하판(412)을 제조하고, 하판(412) 상에 전도성 전극(413)을 형성시킨 다음 상판(411)을 그 위에 형성하여 샌드위치 형태로 제조한다. 이렇게 제조된 세라픽 판(403)은 하부전극(404)과 접착하게 되는데, 상기 세라믹 판(403)과 하부전극(404)를 접착하는 접착제로는 실리콘 계통의 접착제(410)를 사용한다. 실리콘 계통의 접착제를 사용한 이유는 열팽창 계수 및 수축율이 다른 2개의 다른 물질 사이에서 열적 스트레스 완충 역할을 하여야 하기 때문이다.

계속해서 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 세라믹 판 타입의 정전척은 하부전극(404)의 상면의 일부가 돌출되어 있는 구조로 되어 있다. 즉, 본 발명에서는 실리콘 접착제(410)가 냉각가스 구멍(418)이나 홈(317; 도 3참조)에 침투되는 것을 근본적으로 제거하기 위해 하부전극(404)의 냉각가스 구멍부(418)를 위로 돌출시켜 하부전극 돌출부(419)를 제작한다. 돌출부(419)는 하부전극(404)과 일체형으로 제작하며, 세라믹 판(403)의 하부에는 하부전극의 돌출부와 대응하도록 적정한 크기 및 깊이로 가공한다. 세라믹 판(403)의 가공 방법은 일종의 스퍼터(sputter) 에치 방식인 알루미나 분말을 이용한 블라스트(blaster)방법을 사용한다. 하부전극 돌출부(419)의 모서리는 작업의 용이성 및 끼워맞춤시의 정열을 위해 라운딩을 주어 가공한다. 또한, 하부전극 돌출부들(419,420)은 실리콘 접착제가 도포되는 부분보다 더 높게 구성된다. 즉, 하부전극의 돌출부들과 세라믹 판의 하면에 형성된 홈들에는 접착제가 도포되지 않도록 구성한다. 그 이유는, 실리콘 접착제가 냉각가스 구멍 및 홈 내부에 들어가 오염문제를 발생시키는 것을 방지하도록 하기 위해서이다.

세라믹 판(403)의 내부에 삽입되어 있는 전도성 전극(413)과 도선을 연결하기 위한 도선연결 돌출부(420)를 형성하여, 실리콘 접착제(410)의 오염을 방지하도록 하였다. 또한, 세라믹 판(403)의 하부면에는 하부전극의 돌출부들(419,420)과 일치하도록 홈을 형성한다.

도 4에는, 하부전극 돌출부(419)와 도선연결 돌출부(420)가 하부전극(404)의 가장자리에 형성되어 있지만, 상기 돌출부들(419,420)은 필요에 따라 위치를 바꾸어 가공하는 것이 가능하다는 것은 본 발명의 통상의 지식을 가진자들에게 명백할 것이다. 여기서, 상기 하부전극 돌출부(419)는 주로 냉각가스의 통로로 사용된다.

상기 하부전극 돌출부(419)의 모양은 도 5에 도시된 바와 같이, 보통 디스크 형태의 원통(518)으로 제작한다. 다른 실시예에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 하 부전극(604)의 원을 따라 홈을 파는 경우는 그 홈을 따라 원형상(622)으로 돌출시킨다. 상술한 실시예들에 따라, 세라믹 판(403)에서는 냉각가스 통로를 하부전극(504) 상면의 다수의 홈들(518) 또는 하부전극(604)의 테두리 홈들(622) 및 직선 홈들(623)과 일치하도록 구멍을 뚫어 제작한다.

계속해서 도 4를 참조하여, 본 발명에 대해 더 구체적으로 설명한다.

세라믹 판(403)은 세라믹 파우더를 이용하여 구성되고, 그 성분으로는 알루미나 또는 질화 알루미늄 또는 단결정의 사파이어 등을 사용하여 제작된다. 전도성 전극(413)의 위치는 세라믹 판(403)의 상판(411)과 하판(412)의 중간에 삽입한다. 그 이유는, 일반적으로 정전력은 세라믹 유전층의 유전상수 및 대향면적에 비례하며, 인가접압에는 자승만큼 비례하는 것으로 알려져 있지만, 인가전압을 너무 높히면 세라믹 유전층이 파괴되는 우려가 있기 때문이다.

전극이 삽입되고 그 하면에 홈이 형성된 세라믹 판(403)과 하부전극(404)을 정렬시키는 방법은, 하부전극 돌출부(419)와 도선연결 돌출부(420)를 세라믹 판(403)의 하면에 형성된 홈들과 일치하도록 정렬시키기만 하면 된다.

실리콘 접착제(410)를 하부전극(404) 상에 도포하는 방법은 스크린 프린팅 방식을 이용하며, 실리콘 접착제(401)의 열전달을 좋게 하기 위해 실리콘 내부에는 금속성의 작은 알갱이 필러(filler)를 집어 넣어 비열을 향상시키는 것을 사용한다. 이 때, 하부전극 돌출부(419) 및 도선연결 돌출부(420) 내에 실리콘 접착제(410)가 들어가지 않도록 도포한다.

도선 연결선(421)과 전도성 전극(413)을 전기적으로 연결하는 방법은 전도성 전극판(413)과 도선 연결선(412)을 용접 또는 납땜 방식을 이용하는 방법이 있다. 이렇게 연결한 다음, 이 상태에서 일정한 압력을 세라믹 정전척(403)에 가한 상태에서 온도를 이용해 실리콘 접착제(410)를 응고시킨다. 응고시 온도는 100~150℃ 를 사용하며 분위기는 기포 등을 원활히 제거하고 오염을 방지하도록 진공상태로 유지한다. 이렇게 함으로써, 전체 접착면에 대해 균일한 층이 형성되며 정확한 정렬이 이루어진다.

상술한 구성에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

1. 열과 압력에 의해 실리콘 접착제를 응고시킬 때, 세라믹 판의 홈들과 하부전극의 돌출부들을 기계적으로 정확하게 끼워 맞출 수 있기 때문에, 세라믹 판과 하부전극의 정렬이 완벽하게 된다.

2. 종래 기술에서 행하던, 하부전극의 홈 부분이나 구멍에 실리콘 접착제의 유입을 방지하기 위해 절연 필름을 사용하던 방식을 사용하지 않기 때문에, 접착층 내의 불균일한 형상을 방지하고 부분적 기공도 발생되지 않는다.

3. 하부전극 돌출부들이 실리콘 접착제가 도포되는 부분부다 더 높기 때문에, 실리콘 접착제에 의한 냉각가스 구멍 및 홈 내부의 오염 문제가 해결된다.

4. 열 완충 작용 및 접착성을 위해 금속 필러가 함유된 실리콘 접착제만 사용하므로 양호하고 균일한 열전도성을 유지하는 것이 가능하다.

5. 세라믹 판과 하부전극을 정확히 정렬시키기 위해 별도의 지그가 필요 없으므로 제조 공법이 단순하다.

6. 세라믹 판 내의 도선 연결부도 실리콘 접착제에 의해 오염이 없으므로 접촉 불량 및 납땜 불량에 의한 단선의 우려가 없다.

Claims (7)

1. 하부전극(404) 및 상기 하부전극(404) 상에 접착되며 웨이퍼를 지지하는 세라믹 판(403)으로 구성된 정전척으로서 상기 세라믹 판(403)이 그 내부에 판형상의 전극(413)을 포함하는 정전척에 있어서,

   상기 하부 전극(404)의 상면에는 돌출부들(419,420)이 형성되어 있고, 상기 세라믹 판(403)의 하면에는 상기 돌출부들(419,420)이 삽입되는 홈들이 형성되어 있으며,

   상기 하부 전극(404)과 상기 세라믹 판(403)은 상기 돌출부들(419,420)과 상기 홈들을 제외한 상기 하부 전극(404)의 상면과 상기 세라믹 판(403)의 하면 사이에 개재된 접착제(410)에 의해 접착되고,

   상기 돌출부들(419,420)과 상기 홈들을 통하여 상기 웨이퍼의 하면으로 냉각 가스를 제공하기 위한 냉각가스 구멍(418)과 상기 전극(413)과 연결되는 도선(421)이 통과하는 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전척.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 돌출부들(419,420)은 디스크 형태의 원통(518)형이거나 상기 하부전극(404)의 원형을 따라 형성된 원형상(622)이며,

   상기 홈들은 상기 돌출부들(419,420)에 형성된 원통 및 원형상과 동일한 크기 및 형상인 것을 특징으로 하는 정전척.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 접착제(410)는 금속필러가 함유된 실리콘 계통의 접착제인 것을 특징으로 하는 정전척.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 홈들은 가공 분말을 이용한 블라스트 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 정전척.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극(413)은 텅스텐 또는 몰리브덴 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 정전척.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 전극(413)은 알루미나 질화물이 5~20% 함유된 몰리브덴으로 이루어진 것을 특징으로 하는 정전척.

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