KR101718378B1

KR101718378B1 - 기판 재치 장치의 평가 장치 및 그 평가 방법, 그리고 이에 이용되는 평가용 기판

Info

Publication number: KR101718378B1
Application number: KR1020110007187A
Authority: KR
Inventors: 야스하루 사사키
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2017-03-21
Also published as: JP2011155140A; JP5459907B2; US8823404B2; KR20110088409A; US20110181313A1

Abstract

기판 재치 장치의 온도 조절 기능 등을 평가하고자 하는 조건 또는 상황에 따라 간편하게 평가 가능한 기판 재치 장치의 평가 장치 및 그 평가 방법, 그리고 이에 이용하는 평가용 기판을 제공한다. 재치면에 놓인 피처리 기판을 고정 및 온도 제어하는 기판 재치 장치의 평가 장치로서, 상기 기판 재치 장치를 내부에 설치하는 감압 가능한 기밀 챔버와, 상기 피처리 기판 대신에 상기 재치면에 재치되며, 자기 발열시키는 저항 가열체를 구비한 평가용 기판과, 상기 평가용 기판의 온도를 측정하는 온도 측정 수단을 구비한다.

Description

기판 재치 장치의 평가 장치 및 그 평가 방법, 그리고 이에 이용되는 평가용 기판{EVALUATION DEVICE AND EVALUATION METHOD FOR SUBSTRATE MOUNTING APPARATUS AND EVALUATION SUBSTRATE USED FOR THE SAME}

본 발명은 반도체 프로세스에서의 실리콘 웨이퍼 등의 피처리 기판의 고정 및 온도 제어 등에 사용되는 기판 재치 장치의 평가 장치 및 평가 방법에 관한 것이며, 플라즈마 처리 프로세스 등에서 피처리 기판이 외부로부터 열을 받는 경우의 기판 재치 장치의 기능, 특히 온도 조절 기능을 간편하게 평가하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

반도체의 제조 분야에서는 실리콘 웨이퍼 등의 피처리 기판(이하, 기판이라고도 함)에 플라즈마를 작용시켜 에칭 처리 또는 성막 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치가 다용되고 있다. 이러한 플라즈마 처리는 감압 하에서 행해지기 때문에, 기판의 보지(保持)에 진공 척을 이용할 수 없어, 메카니컬 클램프 또는 정전력을 이용하는 정전 척 등의 기판 재치 장치가 일반적으로 이용된다.

정전 척은, 기판 재치면을 절연체로 구성하고, 이 절연체 중에 매립된 면 형상 전극에 고전위를 인가하여, 절연체에 분포된 정전기와 기판에 분극(分極) 대전된 전하에 의한 정전기의 쿨롱력 또는 존슨·라벡력에 의해 기판을 기판 재치면에 고정시키게 된다.

이 정전 척의 기본적 기능은 기판을 흡착에 의해 고정시키는 것이지만, 근래에는 실리콘 웨이퍼와 정전 척과의 사이에 헬륨 등의 불활성 가스를 흐르게 하여 실리콘 웨이퍼를 냉각시키거나, 히터와 조합하여 실리콘 웨이퍼를 가열하는 등 가공 프로세스 중의 실리콘 웨이퍼 온도를 제어하는 목적과 조합하여 사용하는 케이스가 일반적이다. 이는 에칭 처리 또는 성막의 처리 스피드, 처리 결과의 품질 등과 기판 온도가 극히 밀접하게 관계되기 때문이다.

이 때문에, 정전 척의 평가에서는 기계적 특성, 파티클의 저감, 순도의 향상, 내플라즈마성, 내약품성에 추가로 실리콘 웨이퍼의 성막·에칭 시의 실리콘 웨이퍼의 온도 조절 기능 및 온도 분포의 균일성이 극히 중요한 평가 항목으로 되고 있다.

일반적으로, 플라즈마 처리 중의 기판의 온도는 기판 또는 재치대로의 외부로부터의 열 입력에 의존한다. 따라서, 기판 재치 장치의 온도 조절 기능도 외부로부터의 열 입력에 영향을 받게 된다.

따라서, 플라즈마 처리 장치에서 사용되는 정전 척의 성능 평가는 플라즈마로부터 기판 또는 재치대로의 열 입력을 고려한 조건에서 행해져야 하며, 열 입력 조건이 상이하면 실제의 사용 조건 하에서의 결과와는 동떨어지게 된다.

플라즈마 처리 장치를 사용하여 실제의 에칭 등의 프로세스와 동일한 조건에서 정전 척의 특성을 측정하면 정확한 성능 평가를 행하는 것이 가능하다. 그러나, 이 평가만을 위하여 고가이며 조작이 복잡한 플라즈마 처리 장치를 사용하는 것은 비용이 든다. 또한, 평가에 필요로 하는 수고와 시간이 증가한다고 하는 문제가 있다.

이 때문에, 하기 특허 문헌 1에는 진공 배기 가능한 밀폐 챔버 내에 정전 척을 설치하고, 정전 척 상방에 배치한 램프 가열 수단에서 기판을 가열하여, 플라즈마 처리 장치 내의 열적 조건을 모의하여 정전 척의 평가를 행하는 ‘정전 척의 평가 장치 및 정전 척의 평가 방법’이 개시되어 있다.

한편, 하기 특허 문헌 2에는 실제의 플라즈마 처리 장치와 대응되는 열적 상태를 모의적으로 만들어 간편하게 기판 재치 장치의 평가를 행하는 ‘기판 재치 장치의 평가 장치 및 그 평가 방법’이 개시되어 있다.

일본특허공개공보 2006-86301호 일본특허공개공보 2008-108938호

특허 문헌 1과 같이, 외부 열원으로서의 램프 가열 수단(할로겐 램프)을 이용하여 플라즈마로부터의 열 입력을 모의한 모의 평가 장치에서 행하는 정전 척의 평가 방법은 극히 간편하게 정전 척의 성능 평가를 행할 수 있다고 하는 점에서 바람직한 방법이다.

그러나, 본 발명자들이 검토한 결과에 따르면, 특허 문헌 1이 개시하는 정전 척의 평가 방법으로는 플라즈마로부터의 열 입력을 모의하기 어렵다는 것이 지견되었다.

그 이유는, 플라즈마로부터의 전열과 통상적인 가열 램프 또는 가열 히터로부터의 전열과의 전열 기구의 차이에 있다. 일반적으로, 고온의 플라즈마로부터의 전열은 플라즈마화된 분자의 접촉 전열이 주체라고 생각된다.

이에 반해, 가열 램프로부터의 전열은 열원으로부터 조사된 적외광이 기판에서 공진 흡수되고, 이 에너지가 분자의 운동(진동)을 유발시켜, 진동된 물질 간의 마찰에 의해 가열되는 것이다.

여기서, 가열 램프로부터 조사되는 적외광은 주로 근적외선(0.78 μm ~ 2 μm)과 적외선(2 μm ~ 4 μm)이다. 한편, 기판인 실리콘 웨이퍼는 1 μm 전후 ~ 5 μm의 파장 영역의 적외선(적외광)을 거의 투과시킨다. 이 때문에, 적외선 램프로 실리콘 웨이퍼를 가열하고자 해도 거의 가열되지 않고, 적외광은 실리콘 웨이퍼를 투과하여 그 하측의 정전 척의 표면(재치면)을 전적으로 가열하게 된다.

여기서, 정전 척도 실리콘 웨이퍼도 미시적으로 보면 그 표면에는 변형(freak)이 있다. 이 때문에, 정전 척과 실리콘 웨이퍼의 접촉면은 밀착되어 있는 개소와 공극이 생기는 개소가 발생한다. 이러한 상태에서, 적외선 램프로부터의 조사광(적외광)은 실리콘 웨이퍼를 거의 투과한다. 이 때문에, 공극이 있는 곳에서는 정전 척의 표면이 가열되고, 밀착되어 있는 개소에서는 정전 척과의 접촉면이 가열되게 된다. 이 결과, 밀착 부분에서는 정전 척의 온도(재치 기판의 온도)가 충분히 열전도 되지만, 공극이 있는 곳(비밀착 부분)에서는 충분히 열전도 되지 않는 상황이 발생한다.

한편, 플라즈마를 사용한 실제 프로세스에서는 고온으로 플라즈마화된 분자가 실리콘 웨이퍼와 접촉함으로써 가열되는 접촉 전열이 주체라고 생각된다. 이 때문에, 실리콘 웨이퍼는 그 전체 면에서 균일하게 가열되게 된다.

따라서, 정전 척 및 실리콘 웨이퍼의 열적 상태는 적외광을 사용하여 모의하는 모의 평가 장치를 사용한 경우와 실제의 플라즈마 처리 장치에서의 경우와는 동떨어진 것이 되는 것으로 생각된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 특허 문헌 2에서는 적외선 히터를 열원으로서 이용한 기판 재치 장치의 성능을 평가하는 모의 평가 장치에서, 실제의 플라즈마 처리 장치와 대응되는 열적 상태를 만들어내는 것을 가능하게 하기 위하여, 실리콘을 재질로 하는 기판 대신에 적외광을 흡수하는 탄화 규소를 재질로 하는 기판을 이용함으로써 플라즈마 처리 장치의 열적 상태를 간편하게 모의할 수 있는 기판 재치 장치의 평가 장치를 개시하고 있다.

그러나, 특허 문헌 2가 개시하는 평가 장치도, 특허 문헌 1이 개시하는 평가 장치와 마찬가지로 열원으로서 적외선 히터 또는 램프 등을 별도로 구비할 필요가 있다. 이 때문에, 평가 장치가 대형화되고 장치가 고가가 된다고 하는 문제가 있다.

또한, 기판의 상부에 적외선 히터 등의 열원이 있기 때문에, 예를 들면 방사 온도계와 같은 비접촉으로 기판 전체의 온도 분포를 측정하고자 해도 적외선 히터 등의 열원이 방해가 되어 이를 행할 수 없다. 한편, 열전대 소자의 온도 측정자를 이용하면 불가능한 것은 아니지만, 기판 전체에 열전대 소자의 온도 측정자를 배치하는 것은 극히 어렵다. 또한, 열전대 소자의 온도 측정자를 배치하는 경우, 이를 배치한 개소는 열적으로 특이부가 된다. 이 때문에, 이러한 특이부가 평가용 기판에 다수 존재하게 되면 실제의 열적 상태와 상이한 것이 된다. 이러한 이유에 의해, 특허 문헌 1, 특허 문헌 2가 개시하는 기술로는 간편하게 정전 척의 성능을 그 전체 면에 걸쳐 고정밀도로 평가할 수 없다고 하는 문제가 있다.

한편, 기판 재치대인 정전 척의 온도 조절 기능의 평가 시에는 반드시 기판 재치면의 전체 면에 대하여 일률적으로 이를 행할 필요는 없다. 발명자의 지금까지의 검토에 의하면, 정전 척의 특성을 평가하는데 있어서 제외해서는 안되는 개소를 특정할 수 있다고 하는 지견을 얻었다. 예를 들면, 정전 척의 내부에는 온도 제어를 행하기 위한 냉매의 유로가 형성되어 있는데, 그곳에는 냉매의 유입·유출을 통하여 냉매가 유통한다. 이 때문에, 냉매 유로의 입출구의 온도는 다른 부분과 비교했을 때 온도 제어가 어렵다. 또한, 냉매 유로를 형성할 수 없는 고전압 급전부 혹은 기판을 승강시키는 리프트핀의 근방 개소에 대해서도 동일한 문제가 있다. 또한, 기판의 둘레 방향 외주부는 플라즈마 밀도 분포 또는 전계 분포의 문제가 있어 다른 부분보다 더 섬세한 온도 제어가 필요해지는 개소이다.

종래와 같이, 기판 재치대의 전체 면의 온도 특성을 한번에 측정 평가할 수 있는 것은 바람직한 것이지만, 한편으로 기판 전체를 균일하게 가열하는 것은 매우 어렵다. 또한, 이를 행하는 데는 많은 비용이 든다.

이러한 과제에 대하여, 발명자는 기판 재치 장치, 예를 들면 정전 척의 특성을 평가하는 전용의 기판(이하, 평가용 기판이라고 함)으로서 자기(自己) 발열형의 평가용 기판을 이용하는 것에 착안하였다. 이에 따르면, 예를 들어 적외광을 투과시키는 실리콘을 재질로 하는 것이어도 정전 척의 성능 평가를 행할 수 있다. 또한, 자기 발열형의 평가용 기판이라면 적외선 히터 등의 가열원이 불필요해져 비접촉의 온도계를 그 상부에 배치할 수 있다. 그렇게 되면, 평가용 기판 전체의 온도 분포를 고정밀도로 측정할 수 있다. 발명자는 이러한 관점에 착안하여 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 과제는 기판 재치 장치의 온도 조절 기능 등을 평가하고자 하는 조건 또는 상황에 따라 간편하게 평가 가능한 기판 재치 장치의 평가 장치 및 그 평가 방법, 그리고 이에 이용하는 평가용 기판을 제공하는 것에 있다.

청구항 1에 기재된 발명은, 재치면에 놓인 피처리 기판을 고정 및 온도 제어하는 기판 재치 장치의 평가 장치로서, 상기 기판 재치 장치를 내부에 설치하는 감압 가능한 기밀 챔버와, 상기 피처리 기판 대신에 상기 재치면에 재치되며, 자기 발열시키는 저항 가열체를 구비한 평가용 기판과, 상기 평가용 기판의 온도를 측정하는 온도 측정 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

청구항 2에 기재된 발명은, 청구항 1에 기재된 기판 재치 장치의 평가 장치로서, 상기 저항 가열체는 상기 평가용 기판의 내부 또는 표면의 전체 면 또는 일부에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 3에 기재된 발명은, 청구항 1 또는 2에 기재된 기판 재치 장치의 평가 장치로서, 상기 평가용 기판은 상기 피처리 기판과 실질적으로 동일한 크기 및 형상인 것을 특징으로 한다.

청구항 4에 기재된 발명은, 청구항 1 또는 2에 기재된 기판 재치 장치의 평가 장치로서, 상기 평가용 기판은 상기 재치면의 원하는 측정 대상 부위에 대하여 온도를 측정하기에 충분한 크기인 것을 특징으로 한다.

청구항 5에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 기판 재치 장치의 평가 장치로서, 상기 온도 측정 수단은 열전대 소자의 온도 측정자인 것을 특징으로 한다.

청구항 6에 기재된 발명은, 청구항 5에 기재된 기판 재치 장치의 평가 장치로서, 상기 열전대 소자의 온도 측정자는 상기 저항 가열체에 형성된 개구부에 상기 평가용 기판과 접촉하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 7에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 기판 재치 장치의 평가 장치로서, 상기 온도 측정 수단은 상기 평가용 기판에 비접촉의 온도 측정기인 것을 특징으로 한다.

청구항 8에 기재된 발명은, 청구항 7에 기재된 기판 재치 장치의 평가 장치로서, 상기 저항 가열체에는 상기 평가용 기판의 적외광을 방사하는 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 9에 기재된 발명은, 청구항 7 또는 8에 기재된 기판 재치 장치의 평가 장치로서, 상기 비접촉의 온도 측정기는 상기 기밀 챔버에 설치된 관측창을 통하여 상기 기밀 챔버 외부에서 상기 적외광을 수광 가능한 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 10에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 기재된 기판 재치 장치의 평가 장치로서, 상기 기판 재치 장치가 정전 척인 것을 특징으로 한다.

청구항 11에 기재된 발명은, 평가용 기판으로서, 재치면에 놓인 피처리 기판을 고정 및 온도 제어하는 기판 재치 장치의 평가 장치에 이용되는 평가용 기판으로서, 실질적으로 균일하게 상기 평가용 기판의 전체를 원하는 온도로 상승시키는 저항 가열체와, 상기 평가용 기판의 온도를 측정하는 온도 측정 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

청구항 12에 기재된 발명은, 청구항 11에 기재된 평가용 기판으로서, 상기 피처리 기판과 실질적으로 동일한 크기 및 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

청구항 13에 기재된 발명은, 청구항 11에 기재된 평가용 기판으로서, 상기 재치면의 원하는 측정 대상 부위에 대하여 온도를 측정하기에 충분한 크기인 것을 특징으로 한다.

청구항 14에 기재된 발명은, 청구항 11 내지 13 중 어느 한 항에 기재된 평가용 기판으로서, 상기 저항 가열체는 상기 평가용 기판의 전부 또는 일부에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 15에 기재된 발명은, 청구항 11 내지 14 중 어느 한 항에 기재된 평가용 기판으로서, 상기 온도 측정 수단은 열전대 소자의 온도 측정자인 것을 특징으로 한다.

청구항 16에 기재된 발명은, 청구항 15에 기재된 평가용 기판으로서, 상기 열전대 소자의 온도 측정자는 상기 저항 가열체에 형성된 개구부에 상기 평가용 기판과 접촉하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 17에 기재된 발명은, 청구항 11 내지 14 중 어느 한 항에 기재된 평가용 기판으로서, 상기 온도 측정 수단은 상기 평가용 기판에 비접촉의 온도 측정기인 것을 특징으로 한다.

청구항 18에 기재된 발명은, 청구항 17에 기재된 평가용 기판으로서, 표면에 설치된 상기 저항 가열체에는 상기 평가용 기판의 적외광을 방사하는 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 19에 기재된 발명은, 기판 재치 장치의 평가 방법으로서, 감압 가능한 기밀 챔버 내에, 재치면에 놓인 피처리 기판을 고정 및 온도 제어하는 온도 제어 수단을 구비한 기판 재치 장치를 설치하고, 상기 기판 재치 장치 상에 자기 발열시키는 저항 가열체를 구비한 평가용 기판을 재치하고, 상기 온도 제어 수단과 상기 저항 가열체에 의해 상기 평가용 기판을 원하는 온도가 되도록 하여 상기 평가용 기판의 온도 분포를 측정하여, 적어도 상기 평가용 기판의 온도 분포로부터 상기 기판 재치 장치의 기능을 평가하는 것을 특징으로 한다.

청구항 20에 기재된 발명은, 청구항 19에 기재된 기판 재치 장치의 평가 방법으로서, 상기 평가용 기판의 내부 또는 표면의 전체 면 또는 일부에 설치한 상기 저항 가열체에 의해 상기 평가용 기판을 자기 발열시키는 것을 특징으로 한다.

청구항 21에 기재된 발명은, 청구항 19 또는 20에 기재된 기판 재치 장치의 평가 방법으로서, 상기 피처리 기판과 실질적으로 동일한 크기 및 형상의 상기 평가용 기판을 이용하여 상기 기판 재치 장치의 기능을 평가하는 것을 특징으로 한다.

청구항 22에 기재된 발명은, 청구항 19 또는 20에 기재된 기판 재치 장치의 평가 방법으로서, 상기 재치면의 원하는 측정 대상 부위에 대하여 온도를 측정하기에 충분한 크기의 상기 평가용 기판을 이용하여 부위마다 특성을 평가하는 것을 특징으로 한다.

청구항 23에 기재된 발명은, 청구항 19 내지 22 중 어느 한 항에 기재된 기판 재치 장치의 평가 방법으로서, 열전대 소자의 온도 측정자에 의해 상기 평가용 기판의 온도 분포를 측정하는 것을 특징으로 한다.

청구항 24에 기재된 발명은, 상기 평가용 기판과 접촉하도록 상기 열전대 소자의 온도 측정자를 설치하는 것을 특징으로 하는 청구항 23에 기재된 기판 재치 장치의 평가 방법.

청구항 25에 기재된 발명은, 청구항 19 내지 22 중 어느 한 항에 기재된 기판 재치 장치의 평가 방법으로서, 상기 평가용 기판에 비접촉의 온도 측정기에 의해 상기 평가용 기판의 온도 분포를 측정하는 것을 특징으로 한다.

청구항 26에 기재된 발명은, 청구항 25에 기재된 기판 재치 장치의 평가 방법으로서, 상기 저항 가열체에 상기 평가용 기판으로부터의 적외광을 방사하는 개구를 형성하여 상기 평가용 기판의 온도 분포를 측정하는 것을 특징으로 한다.

청구항 27에 기재된 발명은, 청구항 25 또는 26에 기재된 기판 재치 장치의 평가 방법으로서, 상기 기밀 챔버에 설치된 관측창을 통하여 상기 기밀 챔버 외부로부터 상기 평가용 기판의 온도 분포를 측정하는 것을 특징으로 한다.

청구항 28에 기재된 발명은, 청구항 19 내지 27 중 어느 한 항에 기재된 기판 재치 장치의 평가 방법으로서, 상기 기판 재치 장치가 정전 척인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라, 기판 재치 장치의 온도 조절 기능 등의 특성을 평가하고자 하는 조건 또는 상황에 따라 간편하게 평가 가능한 기판 재치 장치의 평가 장치 및 그 평가 방법, 그리고 이에 이용하는 평가용 기판을 제공하는 것이 가능해졌다.

도 1은 본 발명의 기판 재치 장치의 평가 장치의 일 실시예인 평가 장치의 단면 개요도이다.
도 2는 칩형의 평가용 기판의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 칩형의 평가용 기판의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 방사 온도계에 의해 측정하는 경우의 기판 재치 장치의 평가 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 방사 온도계에 의해 측정하는 경우의 기판 재치 장치의 평가 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 열전대 소자의 온도 측정자를 둘러싸도록 저항 가열체를 배치한 평가용 기판의 평면도이다.
도 7은 클립 형상의 저항 가열체의 내부에 열전대 소자의 온도 측정자를 설치한 평가용 기판의 평면도이다.
도 8은 웨이퍼의 둘레 방향 외주부에 대해서도 평가 가능한 평가용 기판의 다른 실시예인 평가용 기판의 평면도이다.
도 9는 클립 형상의 저항 가열체의 내부에 개구를 형성한 평가용 기판의 평면도이다.
도 10은 열전대 소자의 온도 측정자를 제거하고 이곳을 개구로 한 평가용 기판의 평면도이다.
도 11은 둘레 방향 외주부에 링 형상으로 저항 가열체를 설치하고, 저항 가열체에 복수의 개구를 형성한 평가용 기판의 평면도이다.
도 12는 저항 가열체를 모기향 형상으로 배치하고, 저항 가열체에 복수의 개구를 형성한 평가용 기판의 평면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여, 이하 도면을 참조하여 상세하게 설명하는데, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 도 1은 본 발명의 기판 재치 장치의 평가 장치의 일 실시예인 평가 장치의 단면 개요도이다. 이 장치는 기밀한 챔버(1), 챔버(1) 내를 진공으로 흡인하는 진공 펌프(6), 챔버(1)의 내부에 장착된 정전 척(2), 정전 척(2)의 재치면(3) 상에 재치된 평가용 기판(4), 평가용 기판(4)에 형성된 자기 발열용의 저항 가열체(5)(도 2 참조), 저항 가열체(5)로 전력을 공급하는 교류 전원(13), 평가용 기판(4)에 매립된 열전대 소자의 온도 측정자(14), 이에 접속하는 열전대계 본체(15) 등으로 구성되어 있다.

본 발명에서 평가의 대상이 되는 정전 척(2)의 형식은 특별히 한정을 필요로 하지 않는다. 예를 들면, 절연 기체(基體)(7)는 용사 혹은 소결(燒結)에 의해 형성되는 세라믹 기체 또는 폴리이미드막 등의 절연 수지 기체 중 어느 하나여도 좋다. 전극(8)은 피처리 기판 전체 면에 대략 균등하게 전압을 인가할 수 있는 것이면 되며, 막 형상, 판상(板狀), 나선 코일 형상 등 중 어느 한 구조여도 좋다.

정전 척(2)은 재치면(3)을 구성하는 절연 기체(7)의 내부에 전극(8)이 매립된 구조를 가지며, 절연 기체(7)는 냉각반(冷却盤)(9) 상에 고정되어 있다. 냉각반(9) 내에는 냉매의 유로가 형성되어, 냉매의 유입·유출관을 통하여 냉매가 유통한다. 또한, 전극(8)에는 직류 전원(10)으로부터 고전압이 인가된다.

챔버(1)의 천장에는 단열 기둥(11)을 개재하여 천장의 과열을 방지하기 위하여 단열판(12)이 설치되어 있다. 또한, 저항 가열체(5)에 의해 상승시키는 온도의 상한치에 따라 단열판(12)은 반드시 필요한 것은 아니다. 저항 가열체(5)에는 챔버(1)의 외부의 교류 전원(13)으로부터 전력이 공급되고, 이에 따라 평가용 기판(4)이 자기 발열하도록 구성되어 있다. 공급 전력은 제어 장치(도시하지 않음)에 의해 적정한 값으로 제어된다.

또한, 냉각반(9)과 절연 기체(7)는 열전도를 좋게 하기 위하여 일체로 접착되어 있는 것이 바람직하고, 냉각반(9)을 열전도성이 높은 재질로 구성하는 것도 바람직하다.

또한, 평가용 기판(4)과 절연 기체(7)와의 사이에 He 가스 등의 냉각 매체를 흐르게 하여, 이에 의해 평가용 기판(4)을 직접 냉각하는 방식이어도 좋다. 또한, 냉각반(9) 내에 히터를 설치하여, 냉각반(9)을 히트 싱크가 아니라 히트 소스로서 이용해도 좋다.

챔버(1)는 진공 펌프(6)에 의해 진공 흡인하여 수 Torr 이하, 구체적으로는 각종 플라즈마 처리 장치와 동일한 정도의 진공을 유지할 수 있는 것인 것이 바람직하지만, 평가용 기판(4)을 주위와 단열적으로 유지시키는 상태가 되면 된다. 또한, 기류, 대류 등이 발생하지 않는 환경이면 대기 중이어도 좋다.

여기서, 본 발명의 특징으로 하는 바는 평가용 기판(4)에 저항 가열체(5)(도 2 등 참조)가 형성되어 있다는 것이다. 평가용 기판(4)에 저항 가열체(5)를 형성함으로써 직접 열을 평가용 기판(4)으로 전달할 수 있다. 이 때문에, 적외선 램프 또는 적외선 히터에서는 적외광의 투과에 의해 가열되지 않는 재료여도 발열시킬 수 있다. 또한, 평가용 기판(4)을 자기 발열시킴으로써 적외선 히터 또는 램프 등의 외부 열원이 불필요해진다.

여기서, 저항 가열체(5)를 구비한 평가용 기판(4)의 크기에 대하여 설명한다. 발명자의 지금까지의 지견에 따르면, 전술한 바와 같이 정전 척(2)의 성능 평가를 행할 때에는 반드시 그 전체 면의 온도 분포를 한번에 측정할 필요성은 없다. 이는, 정전 척의 온도 조절 기능의 평가를 행한 후에 측정해야 할 개소를 특정할 수 있기 때문이다. 예를 들면, 냉매 유로의 입출구, 고전압 급전부, 리프트 핀의 근방 개소, 그리고 피처리 기판의 둘레 방향 외주부 등과 대응되는 개소가 평가를 함에 있어서 중요한 개소가 된다.

이러한 관점에서, 평가용 기판(4)의 크기를, 평가하는 부위가 온도를 측정하기에 충분한 크기로 하는 것이 바람직하며, 이러한 평가용 기판을 여기서는 칩형의 평가용 기판이라고 칭한다. 저항 가열체(5)가 설치된 칩형의 평가용 기판(4)은 전체의 균일 가열이 용이하다. 물론, 저항 가열체(5)의 배치 방법에 따라, 실제의 피처리 기판인, 예를 들면 300 φ의 실리콘 웨이퍼를 평가용 기판(4)의 사이즈·형상으로 해도 좋다.

여기서, 본 발명에서의 평가용 기판(4)을 이용한 열 유량 측정의 원리에 대하여 설명한다. 미리 평가용 기판(4)을 단열적인 상태로 유지된 환경 하, 예를 들면 진공 챔버(1)의 진공도를 1 Pa ~ 100 Pa로 하고, 저항 가열체(5)에 소정의 전류를 흐르게 한다. 저항 가열체에 인가하는 전력으로는 1 kW / m² ~ 100 kW / m², 보다 바람직하게는 20 kW / m² ~40 kW / m²이다. 예를 들면, 실리콘을 기재(基材)로 하는 300 φ의 평가용 기판이라면, 그 온도를 상온에서부터 100℃ 정도까지 가열하기 때문에, 약 2 kW ~ 약 4 kW의 전력을 인가하는 것이 바람직하다.

이 경우, 인가 전압이 100 V이면 저항치는 약 2 Ω ~ 약 5 Ω이고, 인가 전압이 200 V이면 약 10 Ω ~ 약 20 Ω이 된다. 그리고, 이러한 전력을 저항 가열체(5)에 인가한 경우의 시간마다의 평가용 기판(4)의 온도 변화를 기준 온도 특성으로 한다.

이어서, 정전 척(2)에 평가용 기판(4)을 재치하고, 동일한 전력을 저항 가열체(5)에 인가하고, 정전 척(2)에 의해 온도 제어된 평가용 기판(4)의 온도를 시간마다 측정한다. 이는 정전 척(2)과 평가용 기판(4)의 접촉 부분에서의 열 손실(평가용 기판(4)이 빼앗은 열량)을 측정하는 것과 동의(同義)이다. 그리고, 측정한 열 손실치와 이론치인 열 손실치를 비교함으로써 정전 척(2)의 기능 평가를 행한다.

여기서, 평가용 기판(4)의 온도 측정은, 예를 들어 열전대 소자의 온도 측정자(14)에 의해 직접 평가용 기판(4)의 온도를 측정하는 방법과, 비접촉의 온도 측정기인 예를 들면 방사 온도계에 의해 평가용 기판(4)의 온도를 측정하는 방법이 있다. 이하, 각각의 온도 측정 방법에 관하여, 칩형의 평가용 기판(4)의 경우와 피처리 기판과 동일한 크기·형상의 평가용 기판(4)의 경우에 대하여 설명한다.

도 2는 정전 척의 특성 평가를 부위마다 행하는 칩형의 평가용 기판(4)의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도 2의 (a)는 사시도, 도 2의 (b)는 단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 평가용 기판(4)의 표면에는 저항 가열체(5)가, 예를 들면 접착제에 의해 접착층(43)을 개재하여 형성되어 있다. 평가용 기판(4)으로의 저항 가열체(5)의 형성은 접착제에 의한 것 외에 열 압착에 의한 점착, 증착, 용사, 도금, 인쇄 등에 의해 형성해도 좋다.

또한, 여기서는 평가용 기판(4)의 표면, 즉 기재(41)에 저항 가열체(5)를 형성하였으나, 기재(41)의 내부에 저항 가열체(5)를 만들도록 해도 좋다. 예를 들면, 저항 가열체(5)를 기재(41)로 샌드위치하는 샌드위치 구조로 해도 좋다. 또한, 평가용 기판(4)의 제작 시에 저항 가열체(5)를 매립하여 성형해도 좋다.

저항 가열체(5)의 재료는 특별히 한정을 필요로 하지 않지만, 일반적으로는 금속 발열선, 흑연 또는 도전제 세라믹 등 전류가 흐름으로써 발열하는 것이면 된다. 또한, 저항 가열체(5)의 배치·형상 등에 따라 평가용 기판(4)의 전체를 균등하게 가열 가능한 것으로 하는 것이 바람직하다.

도 2에 도시한 바와 같이, 저항 가열체(5)에는 복수의 열전대 소자의 온도 측정자(14)가 장착되어 있다. 이들 열전대 소자의 온도 측정자(14)로부터 얻어지는 기전력은, 챔버(1)의 내벽에 설치한 접속 단자를 거쳐 외부의 열전대계 본체(15)로 전달되어 평가용 기판(4)의 온도가 측정된다.

열전대 소자의 온도 측정자(14)의 선단부는 접착제 등에 의해 평가용 기판(4)에 밀착·고정되게 되는데, 선단부를 덮는 접착제의 총량을 균일화하고 또한 접촉 계면에 공간이 발생하지 않도록, 또한 기포 등이 유입되지 않도록 하는 것이 중요하다.

평가용 기판(4)의 온도를 열전대 소자의 온도 측정자(14) 대신에 비접촉의 온도계, 예를 들면 방사 온도계에 의해 측정해도 좋다. 도 3은 칩형의 평가용 기판(4)의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 도 2에 도시한 평가용 기판(4)의 저항 가열체(5)에 매립된 열전대 소자의 온도 측정자(14)가 제거되어 있다. 그리고, 열전대 소자의 온도 측정자(14)를 장착하고 있던 개구(42)로부터 기재(41)의 표면이 보이고 있다.

이러한 구조로 함으로써, 저항 가열체(5)의 개구부로부터 방사되는 적외광을 측정할 수 있고, 이 적외광을 측정함으로써 평가용 기판(4)의 온도를 측정할 수 있다.

여기서, 방사 온도계를 이용한 평가용 기판(4)의 온도 측정 방법에 대하여 설명한다. 전술한 바와 같이, 평가용 기판(4)의 재질로서 다양한 것이 고려된다. 이 경우, 평가용 기판(4)의 재질에 따라 그 방사율이 상이하기 때문에, 방사 온도계의 표시 온도가 그 영향을 받게 된다. 따라서, 미리 예를 들면 항온로(恒溫爐) 등을 이용하고, 항온로의 온도(= 평가용 기판(4)의 온도)와 방사 온도계의 표시 온도와의 차에 대하여 교정을 행해 둔다. 이러한 교정을 미리 행해 둠으로써, 평가용 기판(4)의 재질에 관계 없이 평가용 기판(4)의 온도를 고정밀도로 측정할 수 있다.

도 4는 평가용 기판(4)의 온도 측정을 방사 온도계에 의해 측정하는 경우의 기판 재치 장치의 평가 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도 4와 같이 방사 온도계를 기밀 챔버 내에 넣어도 좋다.

도 4에 도시한 평가 장치에서는 방사 온도계(16)가 기밀 챔버(1) 내의 단열 기둥(11)을 개재하여 천장의 과열을 방지하기 위해 단열판(12)에 장착되어 있다. 이러한 방사 온도계(16)에 의해, 평가용 기판(4)의 개구(42)로부터 방사되는 적외광에 의해 온도 측정을 행할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 단일의 방사 온도계(16)에 의해 평가용 기판(4)의 전체 면의 온도 분포를 측정하도록 구성하고 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 예를 들면 평가용 기판(4)의 둘레 방향 외주부의 온도 측정을 행하기 위한 방사 온도계(16)를 별도로 설치해도 좋다.

도 5는 기밀 챔버(1) 외부에 방사 온도계(16)를 설치한 평가 장치를 도시한 도면이다. 기밀 챔버(1)의 외부에 방사 온도계(16)를 설치하는 경우에는 챔버(1)의 상부에 관측창(18)을 설치하고, 단열판(12)에 관측창(18)과 대응되는 위치에 홀을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 관측창(18)을 통하여, 평가용 기판(4)의 개구(42)로부터 방사되는 적외광을 측정함으로써 평가용 기판(4)의 온도를 측정한다. 기밀 챔버(1)의 외부에 방사 온도계(16)를 설치함으로써 평가 장치의 구성의 자유도가 보다 커진다.

이어서, 피처리 기판과 동일한 크기·사이즈의 평가용 기판(4)의 실시예에 대하여 이하 설명한다. 도 6은 실제의 플라즈마 처리에서 사용되는 실리콘 웨이퍼를 기재(41)로 하고, 그 표면 중심부에 열전대 소자의 온도 측정자(14)를 매립하고, 열전대 소자의 온도 측정자(14)를 둘러싸도록 저항 가열체(5)를 배치한 평가용 기판(4-1)의 평면도이다.

전술한 바와 같이, 정전 척(2)의 중심부에는 전극(8)으로 고전압을 공급하기 위한 급전부가 있기 때문에 냉각 유로를 형성할 수 없다. 이 때문에, 중심부에서의 온도 평가는 매우 중요하며, 평가용 기판(4-1)은 이를 위한 것이다.

도 7은 마찬가지로 실리콘 웨이퍼를 기재(41)로 하고, 그 둘레 방향 외주부에 8 개소, 클립 형상의 저항 가열체(5)를 설치하고, 그 내부에 열전대 소자의 온도 측정자(14)를 설치한 평가용 기판(4-2)의 평면을 도시한 도면이다. 전술한 바와 같이, 플라즈마 처리 시의 웨이퍼의 둘레 방향 외주부는 플라즈마의 밀도 분포 또는 전계 분포의 불균일성의 문제가 발생한다. 이 때문에, 정전 척(2)의 기능 평가를 행함에 있어서 매우 중요한 부위이다. 따라서, 중심부와 함께 웨이퍼의 둘레 방향 외주부에 대해서도 평가 가능한 평가용 기판의 일 실시예를 도시한 것이 평가용 기판(4-2)이다.

도 8은 도 7의 변형예이며, 중심부의 온도 측정과 함께 웨이퍼의 둘레 방향 외주부에 대해서도 평가 가능한 평가용 기판의 다른 실시예인 평가용 기판(4-3)의 평면을 도시한 도면이다. 도 7에 도시한 평가용 기판(4-2)은 저항 가열체(5)에 둘러싸인 부위가 가열되고 이 부위의 온도를 열전대 소자의 온도 측정자(14)에 의해 측정하는데 반해, 도 8에 도시한 평가용 기판(4-3)은 웨이퍼 전체를 균일하게 가열하는 중에 둘레 방향 외주부와 중심부의 온도에 대하여 측정을 행할 수 있다.

이어서, 평가용 기판(4)의 온도를 측정하는데 방사 온도계(16)를 이용한 경우의 실시예에 대하여 설명한다. 도 9는 실리콘 웨이퍼를 기재(41)로 하고, 그 둘레 방향 외주부에 8 개소, 클립 형상의 저항 가열체(5)를 설치하여, 그 내부에 개구(42)를 형성한 평가용 기판(4-4)의 평면을 도시한 도면이다. 개구(42)로부터의 적외광을 방사 온도계(16)에 의해 측정함으로써, 평가용 기판(4)의 웨이퍼 둘레 방향 외주부의 온도에 대하여 측정할 수 있다.

도 10은 도 8에 도시한 평가용 기판(4-3)에 설치되어 있는 열전대 소자의 온도 측정자(14)를 제거하고 이 곳을 개구(42)로 한 평가용 기판(4-5)의 평면을 도시한 도면이다. 개구(42)로부터의 적외광을 방사 온도계(16)에 의해 측정함으로써, 평가용 기판(4)의 웨이퍼 둘레 방향 외주부와 중심부의 온도에 대하여 측정을 행할 수 있다.

도 11은 실리콘 웨이퍼를 기재(41)로 하고, 그 둘레 방향 외주부에 링 형상으로 저항 가열체(5)를 설치하고, 저항 가열체(5)에 복수의 개구(42)를 형성한 평가용 기판(4-6)의 평면을 도시한 도면이다. 또한, 도 12는 마찬가지로 실리콘 웨이퍼를 기재(41)로 하고, 기재(41) 전체를 균일하게 가열시키기 위하여 저항 가열체(5)를 모기향 형상으로 배치하고, 저항 가열체(5)에 복수의 개구(42)를 형성한 평가용 기판(4-7)의 평면을 도시한 도면이다. 평가용 기판(4-6)에 의해, 웨이퍼 둘레 방향 외주부의 온도를 개구(42)로부터의 적외광을 측정함으로써 측정할 수 있다. 또한, 평가용 기판(4-7)에 의해 웨이퍼 전체의 온도 분포를 측정할 수 있다.

1 : 챔버
2 : 정전 척
3 : 재치면
4 : 평가용 기판
5 : 저항 가열체
6 : 진공 펌프
7 : 절연 기체
8 : 전극
9 : 냉각반
10 : 직류 전원
11 : 단열 기둥
12 : 단열판
13 : 교류 전원
14 : 열전대 소자의 온도 측정자
15 : 열전대계 본체
16 : 방사 온도계
18 : 관측창
41 : 기재
42 : 개구
43 : 접착층

Claims

재치면에 놓인 피처리 기판을 고정 및 온도 제어하는 기판 재치 장치의 평가 장치로서,
상기 기판 재치 장치를 내부에 설치하는 감압 가능한 기밀 챔버와,
상기 피처리 기판 대신에 상기 재치면에 재치되며, 자기 발열시키는 저항 가열체를 구비한 평가용 기판과,
상기 평가용 기판의 온도를 측정하는 온도 측정 수단
을 구비하고,
상기 온도 측정 수단은, 상기 평가용 기판에 비접촉의 온도 측정기이고,
상기 저항 가열체에는 상기 평가용 기판의 적외광을 방사하는 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 재치 장치의 평가 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 저항 가열체는, 상기 평가용 기판의 내부 또는 표면의 전체 면 또는 일부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 재치 장치의 평가 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 평가용 기판은, 상기 피처리 기판과 동일한 크기 및 형상인 것을 특징으로 하는 기판 재치 장치의 평가 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 평가용 기판은, 상기 재치면의 원하는 측정 대상 부위에 대하여 온도를 측정할 수 있는 크기인 것을 특징으로 하는 기판 재치 장치의 평가 장치.
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제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 비접촉의 온도 측정기는, 상기 기밀 챔버에 설치된 관측창을 통하여 상기 기밀 챔버 외부에서 상기 적외광을 수광 가능한 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 재치 장치의 평가 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 기판 재치 장치는 정전 척인 것을 특징으로 하는 기판 재치 장치의 평가 장치.
재치면에 놓인 피처리 기판을 고정 및 온도 제어하는 기판 재치 장치의 평가 장치에 이용되는 평가용 기판으로서,
균일하게 상기 평가용 기판의 전체를 원하는 온도로 상승시키는 저항 가열체와,
상기 평가용 기판의 온도를 측정하는 온도 측정 수단
을 구비하고,
상기 온도 측정 수단은, 상기 평가용 기판에 비접촉의 온도 측정기이고,
표면에 설치된 상기 저항 가열체에는 상기 평가용 기판의 적외광을 방사하는 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평가용 기판.
제 11 항에 있어서,
상기 피처리 기판과 동일한 크기 및 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 평가용 기판.
제 11 항에 있어서,
상기 재치면의 원하는 측정 대상 부위에 대하여 온도를 측정할 수 있는 크기인 것을 특징으로 하는 평가용 기판.
제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저항 가열체는, 상기 평가용 기판의 전부 또는 일부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 평가용 기판.
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감압 가능한 기밀 챔버 내에, 재치면에 놓인 피처리 기판을 고정 및 온도 제어하는 온도 제어 수단을 구비한 기판 재치 장치를 설치하고,
상기 기판 재치 장치 상에 자기 발열시키는 저항 가열체를 구비한 평가용 기판을 재치하고,
상기 온도 제어 수단과 상기 저항 가열체에 의해 상기 평가용 기판을 원하는 온도가 되도록 하여 상기 평가용 기판의 온도 분포를 측정하여,
적어도 상기 평가용 기판의 온도 분포로부터 상기 기판 재치 장치의 기능을 평가하되,
상기 평가용 기판에 비접촉의 온도 측정기에 의해 상기 평가용 기판의 온도 분포를 측정하고,
상기 저항 가열체에 상기 평가용 기판으로부터의 적외광을 방사하는 개구를 형성하여 상기 평가용 기판의 온도 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 기판 재치 장치의 평가 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 평가용 기판의 내부 또는 표면의 전체 면 또는 일부에 설치한 상기 저항 가열체에 의해 상기 평가용 기판을 자기 발열시키는 것을 특징으로 하는 기판 재치 장치의 평가 방법.
제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
상기 피처리 기판과 동일한 크기 및 형상의 상기 평가용 기판을 이용하여 상기 기판 재치 장치의 기능을 평가하는 것을 특징으로 하는 기판 재치 장치의 평가 방법.
제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
상기 재치면의 원하는 측정 대상 부위에 대하여 온도를 측정할 수 있는 크기의 상기 평가용 기판을 이용하여 부위마다 특성을 평가하는 것을 특징으로 하는 기판 재치 장치의 평가 방법.
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제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
상기 기밀 챔버에 설치된 관측창을 통하여, 상기 기밀 챔버 외부로부터 상기 평가용 기판의 온도 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 기판 재치 장치의 평가 방법.
제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
상기 기판 재치 장치가 정전 척인 것을 특징으로 하는 기판 재치 장치의 평가 방법.