KR20130051419A

KR20130051419A - 기판 적재 시스템, 기판 처리 장치, 정전 척 및 기판 냉각 방법

Info

Publication number: KR20130051419A
Application number: KR1020120125976A
Authority: KR
Inventors: 아츠키 후루야
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2013-05-20
Also published as: CN103107119A; JP5993568B2; TWI612575B; KR101432375B1; JP2013102076A; TW201334062A; CN103107119B

Abstract

대형의 글래스 기판 등의 체적 고유 저항값이 큰 기판이여도, 충분한 냉각 효과를 갖고, 또한 비용에 걸맞는 기판의 냉각 효과를 얻을 수 있는 기판 적재 시스템을 제공한다. 기판 처리 장치(10)의 기판 냉각 시스템에 있어서, 서셉터(12)는 기판(G)을 적재하고, 정전 척(14)은 서셉터(12)의 상부에 설치되어 기판(G)을 정전 흡착하고, 가스 유로(18) 및 온도 조정 가스 공급 장치(19)는 정전 흡착된 기판(G) 및 정전 척(14) 사이의 전열 공간(T)에 온도 조정 가스를 공급하고, 전열 공간(T)의 두께가 50㎛ 이하로 설정되고, 가스 유로(18) 및 온도 조정 가스 공급 장치(19)는 온도 조정 가스로서 질소 가스 또는 산소 가스를 3Torr(400Pa) 이하로 전열 공간(T)에 공급한다.

Description

기판 적재 시스템, 기판 처리 장치, 정전 척 및 기판 냉각 방법{SUBSTRATE LOADING SYSTEM, SUBSTRATE TREATMENT APPARATUS, ELECTROSTATIC CHUCK AND SUBSTRATE COOLING METHOD}

본 발명은 기판 적재대에 적재되는 비교적 대형의 기판을 냉각하는 기판 적재 시스템, 기판 처리 장치, 정전 척 및 기판 냉각 방법에 관한 것이다.

액정 표시 장치(LCD)를 비롯한 비교적 대형의 FPD(Flat Panel Display), 예를 들어 제7 세대 이후의 FPD의 제조 공정에 있어서, FPD용의 기판에 대하여 소정의 처리, 예를 들어 플라즈마 처리를 실시하는 기판 처리 장치가 알려져 있다.

이 기판 처리 장치는 처리실(이하, "챔버"라고 한다.) 내에서 기판을 적재하는 기판 적재대와, 상기 기판 적재대와 처리 공간을 이격해서 대향하도록 배치된 상부 전극을 갖는다. 기판 적재대에는 플라즈마 생성용의 고주파 전력(RF)이 공급되어 상기 기판 적재대가 하부 전극으로서 기능하고, 챔버내의 처리 공간에 도입된 처리 가스로부터 고주파 전력에 의해 플라즈마가 생성된다. 생성된 플라즈마는 기판 적재대에 적재되는 기판에 대하여 소정의 플라즈마 처리를 실시한다. 또한, 기판 적재대의 상부에는 정전 척이 설치되고, 기판에 소정의 플라즈마 처리가 실시되는 동안, 정전 척은 기판에 정전 흡착력을 작용시켜서 흡착한다.

소정의 플라즈마 처리가 실시된 기판은, 플라즈마 중의 양이온의 충돌 등에 의해 수열(受熱)되어 온도가 상승하기 때문에, 기판과 기판 적재대 사이에 온도 조정 가스를 흐르게 하고, 상기 온도 조정 가스에 의해 기판의 열을 기판 적재대로 절달함으로써, 기판의 온도를 소정의 온도로 유지한다.

이와 같은 온도 조정 가스를 기판의 이면 냉각(Back Cooling) 가스(이하, 단순히 "BC 가스"라함)라고 하지만, 통상 BC 가스로서는 불활성 가스이며 열전도율이 높은 헬륨(He) 가스가 사용되고 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

일본 특허 출원 공개 제2006-245563호 공보

그러나, FPD용의 기판은 글래스로 이루어지고, 체적 고유 저항값이 크기 때문에, 당해 기판에 작용하는 정전 흡착력은 존슨 라벡력이 아니라 쿨롱력이 된다. 통상, 쿨롱력은 존슨 라벡력보다도 약하기 때문에, 기판을 기판 적재대(정전 척)를 향해 강하게 흡착할 수 없어, 기판과 기판 적재대 사이의 He 가스의 압력을 높일 수 없다. 따라서, FPD용의 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 기판 처리 장치에서는, 기판과 기판 적재대 사이의 He 가스의 압력이 약 3Torr(400Pa) 이하로 설정된다.

He 가스의 압력이 약 3Torr 이하로 설정되면, He 가스의 흐름 상태가 점성류 영역으로부터 분자류 영역으로 이행해서 He 가스의 열유속이 대폭 저하된다. 또한, 일반적으로 He 가스는 고가이기 때문에, FPD용의 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 기판 처리 장치에 있어서 온도 조정 가스로서 He 가스를 사용하면, 비용에 걸맞는 기판의 냉각 효과를 얻을 수 없다.

본 발명의 목적은, 대형의 글래스 기판 등의 체적 고유 저항값이 큰 기판이라도, 충분한 냉각 효과를 갖고, 또한 비용에 걸맞는 기판의 냉각 효과를 얻을 수 있는 기판 적재 시스템, 기판 처리 장치, 정전 척 및 기판 냉각 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 청구항 1에 기재된 기판 냉각 시스템은, 기판을 적재하는 기판 적재대와, 상기 기판 적재대에 있어서의 상기 기판이 적재되는 면에 설치되어서 상기 기판을 정전 흡착하는 정전 척과, 상기 정전 흡착된 기판 및 상기 정전 척 사이의 전열 공간에 온도 조정 가스를 공급하는 가스 공급계를 구비하는 기판 냉각 시스템에 있어서, 상기 전열 공간의 두께가 50㎛ 이하로 설정되고, 상기 가스 공급계는 상기 온도 조정 가스로서 질소 가스 또는 산소 가스를 3Torr 이하로 상기 전열 공간에 공급하는 것을 특징으로 한다.

청구항 2에 기재된 기판 냉각 시스템은, 청구항 1에 기재된 기판 냉각 시스템에 있어서, 상기 전열 공간의 두께가 10㎛ 이하로 설정되는 것을 특징으로 한다.

청구항 3에 기재된 기판 냉각 시스템은, 청구항 1 또는 2에 기재된 기판 냉각 시스템에 있어서, 상기 정전 척에 있어서의 상기 기판의 흡착면에는 복수의 볼록부가 설치되는 것을 특징으로 한다.

청구항 4에 기재된 기판 냉각 시스템은, 청구항 1 또는 2에 기재된 기판 냉각 시스템에 있어서, 상기 정전 척에 있어서의 상기 기판의 흡착면은 평활하게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 청구항 5에 기재된 기판 처리 장치는, 기판을 수용하는 수용실과, 상기 수용실내에 배치되어 상기 기판을 적재하는 기판 적재대를 구비하고, 상기 기판 적재대는, 상기 기판 적재대에 있어서의 상기 기판이 적재되는 면에 설치되어서 상기 기판을 정전 흡착하는 정전 척과, 상기 정전 흡착된 기판 및 상기 정전 척 사이의 전열 공간에 온도 조정 가스를 공급하는 가스 공급계를 갖는 기판 처리 장치에 있어서, 상기 전열 공간의 두께가 50㎛ 이하로 설정되고, 상기 가스 공급계는 상기 온도 조정 가스로서 질소 가스 또는 산소 가스를 3Torr 이하로 상기 전열 공간에 공급하는 것을 특징으로 한다.

청구항 6에 기재된 기판 처리 장치는, 청구항 5에 기재된 기판 처리 장치에 있어서, 상기 전열 공간의 두께가 10㎛ 이하로 설정되는 것을 특징으로 한다.

청구항 7에 기재된 기판 처리 장치는, 청구항 5 또는 6 에 기재된 기판 처리 장치에 있어서, 상기 정전 척에 있어서의 상기 기판의 흡착면에는 복수의 볼록부가 설치되는 것을 특징으로 한다.

청구항 8에 기재된 기판 처리 장치는, 청구항 5 또는 6에 기재된 기판 처리 장치에 있어서, 상기 정전 척에 있어서의 상기 기판의 흡착면은 평활하게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 청구항 9에 기재된 정전 척은, 기판을 적재하는 기판 적재대에 있어서의 상기 기판이 적재되는 면에 설치되어서 상기 기판을 정전 흡착하는 정전 척에 있어서, 상기 정전 흡착된 기판과의 사이에 전열 공간을 형성하고, 상기 전열 공간의 두께가 50㎛ 이하로 설정되고, 질소 가스 또는 산소 가스가 3Torr 이하로 상기 전열 공간에 온도 조정 가스로서 공급되는 것을 특징으로 한다.

청구항 10에 기재된 정전 척은, 청구항 9에 기재된 정전 척에 있어서, 상기 전열 공간의 두께가 10㎛ 이하로 설정되는 것을 특징으로 한다.

청구항 11에 기재된 정전 척은, 청구항 9 또는 10에 기재된 정전 척에 있어서, 상기 기판의 흡착면에는 복수의 볼록부가 설치되는 것을 특징으로 한다.

청구항 12에 기재된 정전 척은, 청구항 9 또는 10에 기재된 정전 척에 있어서, 상기 기판의 흡착면은 평활하게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 청구항 13에 기재된 기판 냉각 방법은, 기판 적재대에 적재된 기판을 냉각하는 기판 냉각 방법이며, 상기 기판 적재대에 있어서의 상기 기판이 적재되는 면에 설치된 정전 척이 상기 기판을 정전 흡착하는 기판 흡착 스텝과, 상기 정전 흡착 스텝이 실행되는 동안, 상기 정전 흡착된 기판 및 상기 정전 척 사이의 전열 공간에 온도 조정 가스를 공급하는 가스 공급 스텝을 갖고, 상기 전열 공간의 두께가 50㎛ 이하로 설정되고, 상기 가스 공급 스텝에서는, 상기 온도 조정 가스로서 질소 가스 또는 산소 가스가 3Torr 이하로 상기 전열 공간에 공급되는 것을 특징으로 한다.

청구항 14 기재의 기판 냉각 방법은, 청구항 13 기재의 기판 냉각 방법에 있어서, 상기 전열 공간의 두께가 10㎛ 이하로 설정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 정전 흡착된 기판 및 정전 척 사이의 전열 공간의 두께가 50㎛ 이하로 설정되고, 온도 조정 가스가 3Torr 이하로 전열 공간에 공급되어서 온도 조정 가스의 상태는 분자류 영역으로 이행하지만, 온도 조정 가스로서 질소 가스 또는 산소 가스가 공급된다. 질소 가스 및 산소 가스의 분자류 영역에 있어서의 열유속은 헬륨 가스의 분자류 영역에 있어서의 열유속보다도 크다. 따라서, 질소 가스 및 산소 가스는 정전 흡착된 기판의 열을 헬륨 가스보다도 정전 척(나아가서는 기판 적재대)에 효율적으로 전달하는 것이 가능하다. 또한, 질소 가스 및 산소 가스는 헬륨 가스보다도 저렴하다. 그 결과, 대형의 글래스 기판 등의 체적 고유 저항값이 큰 기판이라도, 충분한 냉각 효과를 갖고, 또한 비용에 걸맞는 기판의 냉각 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 기판 적재 시스템이 적용되는 기판 처리 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도.
도 2는 도 1에 있어서의 정전 척의 흡착면에 있어서 개방하는 가스 유로 근방의 구성을 도시하는 확대 단면도.
도 3은 도 1에 있어서의 정전 척의 흡착면의 변형예를 도시하는 확대 단면도.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 기판 적재 시스템이 적용되는 기판 처리 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 이 기판 처리 장치는, 예를 들어 액정 표시 장치(LCD) 제조용의 글래스 기판에 소정의 플라즈마 처리를 실시한다.

도 1에 있어서, 기판 처리 장치(10)는, 예를 들어 1변이 수 m인 직사각형의 글래스 기판(이하, 단순히 "기판"이라고 한다.)(G)을 수용하는 처리실(챔버)(11)을 갖는다. 챔버(11)의 내부의 도면 중 하방에는 기판(G)을 적재하는 기판 적재대(서셉터)(12)가 배치되어 있다. 서셉터(12)는, 예를 들어 표면이 알루마이트 처리된 알루미늄이나 스테인리스 등으로 이루어지는 단면 볼록형의 기재(13)와, 상기 기재(13)의 상부에 배치된 정전 척(14)을 갖는다. 정전 척(14)은 기재(13)의 상부를 세라믹스 용사로 피복함으로써 형성되어 있고, 상기 세라믹스 용사로 형성된 유전체층의 내부에 있어서 상부 유전체층과 하부 유전체층 사이에 끼움 지지된 정전 전극판(15)을 갖는다.

정전 척(14)의 내부의 정전 전극판(15)에는 직류 전원(17)이 접속되어 있고, 정전 전극판(15)에 정의 직류 전압이 인가되면, 정전 전극판(15)에 의해 발생된 전계에 기인해서 정전 척(14)에 적재된 기판(G)이 분극할 때에 상기 기판(G)에 발생하는 전하를 중화하기 때문에, 기판(G)의 표면에 부전위가 발생하고, 다른 극성의 전위의 사이[기판(G)의 이면 및 정전 전극판(15) 사이]에 발생하는 쿨롱력에 의해, 기판(G)이 정전 척(14)에 정전 흡착된다. 이하, 본 실시형태에서는, 정전 척(14)에 있어서의 정전 흡착된 기판(G)이 대향하는 면을 흡착면(14a)이라 한다.

기재(13)의 하부에는, 기재(13) 및 정전 척(14)에 적재된 기판(G)의 온도를 조절하기 위한 냉매 유로(도시하지 않음)가 내부에 설치되어 있는 냉각판(36)이 배치된다. 이 냉매 유로에는, 예를 들어 냉각수나 갈덴(등록 상표) 등의 냉매가 순환 공급되고, 상기 냉매에 의해 서셉터(12)가 냉각된다.

또한, 기재(13)의 내부에는 온도 조정 가스가 흐르는 가스 유로(18)가 설치되고, 상기 가스 유로(18)는 챔버(11)의 외부에 설치되어 있는 온도 조정 가스 공급 장치(19)에 접속되는 한편, 정전 척(14)을 관통해서 흡착면(14a)의 복수 개소에서 개구된다. 온도 조정 가스 공급 장치(19)가 공급하는 온도 조정 가스는 가스 유로(18)(가스 공급계)를 통해서 정전 흡착된 기판(G) 및 정전 척(14) 사이의 전열 공간(T)(하기 도 2 참조)으로 공급된다. 전열 공간(T)에 공급된 온도 조정 가스는 소정의 플라즈마 처리가 실시되어 온도가 상승하고 있는 기판(G)의 열을 냉각되어 있는 서셉터(12)에 전달함으로써, 기판(G)의 온도를 소정의 온도로 유지한다.

도 2는 도 1에 있어서의 흡착면에 있어서 개구되는 가스 유로 근방의 구성을 도시하는 확대 단면도이다.

도 2에 있어서, 정전 척(14)의 흡착면(14a)에는 복수의 볼록부가 설치된다. 구체적으로는, 흡착면(14a)에 복수의 원기둥 형상의 돌기부(14b)가 설치되고, 기판(G)이 정전 흡착될 때, 각 돌기부(14b)는 기판(G)의 이면과 접촉한다. 각 가스 유로(18)는 각 돌기부(14b) 사이에 존재하는 비돌기면(14d)에 있어서 개구된다. 본 실시형태에서는, 기판(G)의 이면 및 비돌기면(14d) 사이의 공간을 전열 공간(T)이라 한다. 가스 유로(18)의 개구부(18a)로부터 흘러 나온 온도 조정 가스는 전열 공간(T)을 타고 확산하고, 이윽고 기판(G)의 이면 전체와 접촉한다. 전열 공간(T)의 도면 중 상하 방향에 관한 두께(t)는, 후술하는 이유에 의해, 50㎛ 이하, 바람직하게는 10㎛ 이하로 설정된다.

도 1로 돌아가서, 기재(13)에는, 정전 척(14)의 주위를 둘러싸도록 링 형상 실드 부재로서의 실드 링(16)이 설치되어 있고, 실드 링(16)은, 예를 들어 알루미나 등의 절연성 세라믹스로 구성된 복수의 장척체를 조합해서 구성된다.

기재(13)의 측면에는, 상기 측면을 덮도록 사이드 링 형상 실드 부재로서의 절연 링(34)이 배치되어 있다. 절연 링(34)은 절연성의 세라믹스, 예를 들어 알루미나로 구성되어 있다. 또한, 기재(13)의 하방에서는, 절연체(35)가 냉각판(36)과 챔버(11)의 저면 사이에 개재되도록 배치되어 있다.

서셉터(12)의 기재(13)에는, 고주파 전력을 공급하기 위한 고주파 전원(20)이 정합기(21)를 통해서 접속되어 있다. 고주파 전원(20)으로부터는 고주파 전력이 기재(13)에 공급되어 서셉터(12)는 하부 전극으로서 기능한다. 정합기(21)는, 서셉터(12)로부터의 고주파 전력의 반사를 저감해서 고주파 전력의 서셉터(12)로의 공급 효율을 최대로 한다.

기판 처리 장치(10)에서는, 챔버(11)의 내측벽과 서셉터(12)의 측면에 의해 측방 배기로(22)가 형성된다. 이 측방 배기로(22)는 배기관(23)을 통해서 배기 장치(24)에 접속되어 있다. 배기 장치(24)로서의 TMP(Turbo Molecular Pump), DP(Dry Pump)나 MBP(Mechanical Booster Pump)는 챔버(11) 내를 진공화해서 감압한다. 구체적으로는, DP 또는 MBP는 챔버(11) 내를 대기압으로부터 중진공 상태[예를 들어, 1.3×10Pa(0.1Torr) 이하]까지 감압하고, TMP는 DP 또는 MBP와 협동해서 챔버(11) 내를 중진공 상태보다 낮은 압력인 고진공 상태[예를 들어, 1.3×10^-3Pa(1.0×10^-5Torr) 이하]까지 감압한다. 또한, 챔버(11) 내의 압력은 APC 밸브(도시하지 않음)에 의해 제어된다.

챔버(11)의 천장 부분에는, 서셉터(12)와 대향하도록 샤워 헤드(25)가 배치되어 있다. 샤워 헤드(25)는 내부 공간(26)을 갖는 동시에, 서셉터(12)와의 사이의 처리 공간(S)에 처리 가스를 토출하는 복수의 가스 구멍(27)을 갖는다. 샤워 헤드(25)는 접지되어 있고, 하부 전극으로서 기능하는 서셉터(12)와 함께 한쌍의 평행 평판 전극을 구성한다.

또한, 샤워 헤드(25)는 가스 공급관(28)을 통해서 처리 가스 공급 장치(29)에 접속되어 있다. 가스 공급관(28)에는, 개폐 밸브(30) 및 매스 플로우 컨트롤러(31)가 설치되어 있다. 또한, 챔버(11)의 측벽에는 기판 반출입구(32)가 설치되어 있고, 이 기판 반출입구(32)는 게이트 밸브(33)에 의해 개폐 가능하게 구성되고, 상기 게이트 밸브(33)를 통해서 기판(G)이 반출입된다.

기판 처리 장치(10)에서는, 처리 가스 공급 장치(29)로부터 가스 공급관(28)을 통해 처리 가스가 공급된다. 공급된 처리 가스는, 샤워 헤드(25)의 내부 공간(26) 및 가스 구멍(27)을 통해 챔버(11)의 처리 공간(S)에 도입되고, 상기 도입된 처리 가스는 고주파 전원(20)으로부터 서셉터(12)를 통해 처리 공간(S)에 공급되는 플라즈마 생성용의 고주파 전력에 의해 여기되어 플라즈마가 된다. 플라즈마 중의 양이온은 기판(G)을 향해서 인입되고, 기판(G)에 대하여 소정의 플라즈마 처리를 실시한다.

기판 처리 장치(10)의 각 구성 부품의 동작은, 기판 처리 장치(10)가 구비하는 제어부(도시하지 않음)의 CPU가 소정의 플라즈마 처리에 대응하는 프로그램에 따라서 제어한다.

또한, 기판 처리 장치(10)에서는, 서셉터(12), 정전 척(14) 및 가스 유로(18)가 기판 처리 시스템을 구성한다.

그런데, 기판(G)인 글래스 기판은 체적 고유 저항값이 크기 때문에, 기판(G)에 작용하는 정전 흡착력은 존슨 라벡력이 아니라 쿨롱력이 된다. 통상, 쿨롱력은 존슨 라벡력보다도 약하기 때문에, 기판(G)을 강하게 정전 흡착할 수 없다. 그 결과, 기판(G)의 정전 척(14)으로부터의 부상을 방지하기 위해, 도 1의 기판 처리 장치(10)에서는, 전열 공간(T)에 공급되는 온도 조정 가스의 압력이 비교적 낮게, 구체적으로는, 약 3Torr 이하로 설정된다.

예를 들어, 온도 조정 가스로서 He 가스를 사용하고, 상기 He 가스의 공급 압력을 3Torr로 했을 경우, 압력에 의해 변화되는 평균 자유 행정(λ)은 헬륨 분자에 있어서 6.08×10^-5m로 되고, 전열 공간(T)의 두께(t)를 50㎛로 하면, He 가스의 흐름 상태의 지표인 하기 수학식 1로 나타내는 크누센수(K)는 1.216이 된다. 또한, 하기 수학식 1의 d는 전열 공간(T)의 두께(t)이다.

일반적으로, 크누센수(K)가 0.01보다도 작으면, 가스의 흐름 상태는 점성류 영역에 있고, 크누센수(K)가 0.3보다도 크면, 가스의 흐름 상태는 분자류 영역, 크누센수(K)가 0.01 내지 0.3인 영역에서는, 가스의 흐름 상태가 중간류 영역에 있다고 생각할 수 있다. 따라서, 전열 공간(T)의 두께(t)가 50㎛이며, 공급 압력이 3Torr인 경우, He 가스의 흐름 상태는 분자류 영역에 있다고 생각할 수 있다. 또한, 상기 크누센수의 경계값을 경계로 명확하게 가스의 흐름 상태가 나누어지는 것은 아니고, 가스의 흐름 상태는 상기 경계값의 근방에서 점성류 영역, 중간류 영역, 분자류 영역으로 연속적으로 변화되어 간다. 따라서, 가스의 흐름 상태는 크누센수가 0.3을 초과하면 모든 가스 분자가 균일하게 같은 분자류 영역에 있는 것은 아니라, 크누센수가 커짐에 따라, 보다 분자류 영역으로서의 성질이 강해져 간다고 하는 것이다.

또한, He 가스 이외의 불활성 가스, 예를 들어, 산소(O₂) 가스, 질소(N₂) 가스, 크세논(Xe) 가스 및 크립톤(Kr) 가스의 공급 압력이 3Torr인 경우에 있어서의 각 가스 분자의 평균 자유 행정은 하기 표 1에 나타내는 바와 같다.

상기 수학식 1에 의거해서 구해지는 전열 공간(T)의 두께(t)가 50㎛인 경우에 있어서의 각 가스의 크누센수(K)는 하기 표 2에 나타내는 바와 같으며, 0.3보다도 크거나, 대략 0.3 근방이다. 따라서, 전열 공간(T)의 두께(t)가 50㎛이며, 공급 압력이 3Torr인 경우, O₂ 가스, N₂ 가스, Xe 가스 및 Kr 가스 모두, 흐름 상태는 분자류 영역의 성질이 강한 상태에 있는 것으로 생가할 수 있다.

가스의 흐름 상태가 점성류 영역으로부터 분자류 영역으로 이행함에 따라 기판(G)으로부터 정전 척(14)으로의 당해 가스에 의해 전달되는 열의 이동량인 열유속이 저하하지만, 분자류 영역에 있어서는 가스의 열유속(q)은 하기 수학식 2로 나타낸다.

여기서, α는 열적 적응 계수, Λ는 자유 분자열 전달률, p는 가스의 공급 압력, T는 표면 온도[본 실시형태에서는 흡착면(14a)의 온도이다], To는 가스 분자 온도[본 실시형태에서는 기판(G)에 의해 가열된 온도 조정 가스의 온도이다]를 나타내고, 특히 자유 분자열 전달률(Λ)은 하기 수학식 3으로 나타낸다.

여기서, γ은 비열비, k는 기체 상수, m은 분자량, T'=(T+To)/2이다.

열적 적응 계수(α)는 각 가스의 열교환 효율의 지표이며, 가스 분자 및 상기 가스 분자가 충돌하는 물체 표면[본 실시형태에서는 흡착면(14a)이다]의 상태에 따라 상이하고, 실험을 통해서 얻을 수 있지만, 구체적으로는 하기 표 3에 나타내는 바와 같다[쇼유가보우, 물리학선서(11) "진공의 물리와 응용", 쿠마카이 히로오, 토미나가 고로, 쯔지 유타카, 호리코시 겐이찌 공저에서 발췌했다].

또한, 표면 온도(T)는 20℃, 가스 분자 온도(To)는 60℃, 가스의 공급 압력(p)은 3Torr로 하면, 각 가스의 비열비(γ), 분자량(m)은 하기 표 4에 나타내는 바와 같다. 또한, 기체 상수(k)는 가스 종류에 의존하지 않고 일정값이고, 그 값은 8.31[J/k·mol]이다.

이상과 같이, 상기 수학식 2 및 수학식 3에 의거해서 구해지는 전열 공간(T)의 두께(t)가 50㎛이며, 공급 압력이 3Torr인 경우의 각 가스의 열유속 W/m²는 하기 표 5에 나타내는 바와 같다.

또한, 전열 공간(T)의 두께(t)가 10㎛이며, 공급 압력이 3Torr인 경우에 있어서의 각 가스의 크누센수(K)는 하기 표 6에 나타내는 바와 같으며, 모든 가스의 흐름 상태가 분자류 영역에 있다고 생각할 수 있지만, 상기 수학식 2 및 수학식 3에 나타낸 바와 같이, 가스의 열유속(q)이나 가스의 자유 분자열 전달률(Λ)을 구할 때에, 전열 공간(T)의 두께(t)가 변수로서 사용되지 않기 때문에, 공급 압력이 3Torr이며, 각 가스의 흐름 상태가 분자류 영역에 있으면, 각 가스의 열유속은 상기 표 5에 나타낸 열유속과 동일하다.

상기 표 5에 나타낸 바와 같이, 분자류 영역에 있어서의 N₂ 가스 및 O₂ 가스의 열유속은 분자류 영역에 있어서의 He 가스, Xe 가스 및 Kr 가스의 열유속보다도 크다. 공급 압력이 보다 작아지면, 일반적으로 가스 분자의 평균 자유 행정(λ)은 크게 되어서, 크누센수(K)도 커지므로, 가스의 흐름 상태는 분자류 영역으로 이행하기 쉬워진다. 또한, 전열 공간(T)의 두께(t)가 작아지면, 크누센수(K)가 커지므로, 가스의 흐름 상태는 분자류 영역으로 이행하기 쉬워진다.

따라서, 전열 공간(T)의 두께(t)가 50㎛ 이하이며, 공급 압력이 3Torr 이하이면, N₂ 가스 및 O₂ 가스의 열유속은 He 가스, Xe 가스 및 Kr 가스의 열유속보다도 크다고 말할 수 있다. 본 발명은 상기 발견에 의거한 것이다.

도 1의 기판 처리 장치(10)에 있어서, 기판(G)에 소정의 플라즈마 처리, 예를 들어, 플라즈마 에칭 처리를 기판(G)에 실시할 경우, 우선 챔버(11) 내를 고진공 상태까지 감압하고, 기판(G)을 서셉터(12)의 정전 척(14)에 적재하는 동시에, 샤워 헤드(25)로부터 챔버(11)의 처리 공간(S)에 처리 가스를 공급하고, APC 밸브에서 처리 공간(S)의 압력을 소정의 압력으로 제어하고, 또한 정전 흡착시킨다(기판 흡착 스텝). 이때, 전열 공간(T)에 가스 유로(18)로부터 온도 조정 가스로서 N₂ 가스 또는 O₂ 가스를 3Torr 이하로 공급한다(가스 공급 스텝). 전열 공간(T)의 두께(t)는 각 돌기부(14b)에 의해 50㎛ 이하로 설정된다.

계속해서, 고주파 전원(20)으로부터 서셉터(12)를 통해서 처리 공간(S)에 고주파 전력을 공급한다. 이에 의해, 처리 가스로부터 플라즈마가 생성되고, 상기 플라즈마 중의 양이온이나 라디칼에 의해 기판(G)에 원하는 플라즈마 에칭 처리가 실시된다. 플라즈마 에칭 처리가 실시되는 동안, 전열 공간(T)에 공급된 N₂ 가스 또는 O₂ 가스에 의해 기판(G)의 열이 서셉터(12)에 전달되고, 이에 의해 기판(G)의 온도가 소정의 온도 이하로 유지된다.

계속해서, 플라즈마 에칭 처리가 종료한 후, 전열 공간(T)으로의 N₂ 가스 또는 O₂ 가스의 공급을 정지하고, 또한 정전 척(14)에 의한 기판(G)의 정전 흡착을 정지해서 본 처리를 종료한다.

본 실시형태에 관한 기판 처리 장치에 따르면, 정전 흡착된 기판(G) 및 정전 척(14) 사이의 전열 공간(T)의 두께(t)가 50㎛ 이하로 설정되고, 온도 조정 가스가 3Torr 이하로 전열 공간(T)에 공급되어서 온도 조정 가스의 상태는 분자류 영역으로 이행하지만, 온도 조정 가스로서 N₂ 가스 또는 O₂ 가스가 공급된다. 전열 공간(T)의 두께(t)가 50㎛ 이하이며, 공급 압력이 3Torr 이하이면, N₂ 가스 또는 O₂ 가스의 열유속은 He 가스의 열유속보다도 크다. 따라서, N₂ 가스 또는 O₂ 가스는 정전 흡착된 기판(G)의 열을 정전 척(14)[나아가서는 서셉터(12)]에 He 가스보다도 효율적으로 전달할 수 있다. 또한, N₂ 가스 및 O₂ 가스는 He 가스보다도 저렴하다. 그 결과, 대형의 글래스 기판 등의 체적 고유 저항값이 큰 기판이어도, 충분한 냉각 효과를 갖고, 또한 비용에 걸맞는 기판(G)의 냉각 효과를 얻을 수 있다.

또한, 기판 처리 장치(10)에서는, 정전 척(14)에 있어서의 흡착면(14a)에는 복수의 돌기부(14b)가 설치되므로, N₂ 가스 또는 O₂ 가스가 각 돌기부(14b) 사이에 존재하는 전열 공간(T)을 통해 흡착면(14a)의 전체면에 용이하게 확산한다. 그 결과, 기판(G)의 전체면을 확실하고 균일하게 냉각할 수 있다.

상술한 기판 처리 장치(10)에서는, 전열 공간(T)의 두께(t)가 50㎛ 이하로 설정되지만, 바람직하게는 두께(t)가 10㎛ 이하로 설정되는 것이 좋다. 전열 공간(T)의 두께(t)가 10㎛인 경우의 기판(G)에 작용하는 쿨롱력은 전열 공간(T)의 두께(t)가 50㎛인 경우의 쿨롱력의 약 1.5배로 되기 때문에, 정전 척(14)에 의한 기판(G)의 흡착력을 향상시킬 수 있고, 또한 전열 공간(T)에 공급되는 N₂ 가스 또는 O₂ 가스의 압력에 의해 기판(G)이 부분적으로 부상되어 휘는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 전열 공간(T)의 두께를 기판(G)의 전체면에 걸쳐 균일하게 유지할 수 있다. 전열 공간(T)에 공급하는 가스가 He 가스인 경우이여도 두께(t)를 10㎛ 이하로 하면 동일한 흡착력을 얻을 수는 있지만, 표 2와 표 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 두께(t)가 10㎛에 있어서의 He 가스의 크누센수는 다른 가스의 크누센수보다도 커져서 He 가스에서는 분자류 영역의 성질이 보다 현저하게 강해지기 때문에, 전열 효과가 나빠지는 성질도 보다 현저하게 나타나는 것이 예상된다. 따라서, He 가스의 경우에는, 예를 들어 정전 척(14)에 의한 기판(G)의 흡착력이 향상했다고 해도, 기판(G)의 온도 조정이라고 하는 관점으로부터는 바람직하다고는 말할 수 없다.

또한, 전열 공간(T)의 두께(t)는, 본 발명의 본질에 감안했을 경우, 0보다도 큰 수치면 좋지만, 현실적인 장치의 가공 기술상의 제약이 존재하기 때문에, 소정의 수치 이상으로 될 수 밖에 없다.

또한, 상술한 기판 처리 장치(10)에서는, 온도 조정 가스로서 질소 가스 또는 산소 가스를 사용할 경우에 대해서 설명했지만, 미량이라도 누설된 온도 조정 가스가 기판(G)의 처리에 영향을 줄 우려가 있을 경우에는, 기판(G)의 처리에 대하여 보다 영향이 낮은 질소 가스를 온도 조정 가스로서 사용하는 것이 바람직하다.

이상, 본 발명에 대해서, 상기 실시형태를 사용해서 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다.

상술한 기판 처리 장치(10)에 있어서의 정전 척(14)의 흡착면(14a)에는 복수의 볼록부가 설치되었지만, 도 3에 도시한 바와 같이, 정전 척(14)의 흡착면(14a)을 평활하게 형성해도 좋다. 이 경우, 흡착면(14a) 및 기판(G)의 이면의 사이의 일부에 스페이서(예를 들어, 두께가 50㎛ 이하의 스페이서) 등을 개재시켜서 흡착면(14a) 및 기판(G)의 이면의 사이에 두께(t)의 전열 공간(T)을 형성할 필요가 있지만, 정전 척(14)의 형성을 용이하게 행할 수 있어 정전 척(14)의 제조 비용을 억제할 수 있다.

또한, 상술한 기판 처리 장치(10)는 기판(G)에 소정의 플라즈마 처리를 실시하지만, 본 발명을 적용 가능한 장치는 플라즈마 처리 장치에 한정되지 않고, 예를 들어 기판(G)에 열처리 등의 다른 처리를 실시하는 장치이여도, 기판(G)을 정전 흡착해 또한 냉각하는 장치이면, 본 발명을 적용할 수 있다.

실시예

다음에, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.

우선, 실시예 1로서, 흡착면(14a)에 복수의 돌기부(14b)를 갖는 기판 처리 장치(10)에 있어서 온도 조정 가스로서 N₂ 가스를 사용하고, 전열 공간(T)의 두께(t)를 50㎛, 전열 공간(T)으로의 N₂ 가스의 공급 압력을 2Torr(267Pa)로 설정하고, 처리 가스로서 O₂ 가스를 처리 공간(S)에 도입하고, 처리 공간(S)의 압력을 50mTorr(6.7Pa)로 조정하고, 고주파 전원(20)으로부터 4500W의 고주파 전력을 처리 공간(S)에 120초에 걸쳐 공급해서 기판(G)에 플라즈마 에칭 처리를 실시했을 경우에 있어서의 기판(G)의 중심부, 주연부의 온도를 계측하고, 하기 표 7에 나타냈다.

또한, 실시예 2로서, 전열 공간(T)으로의 N₂ 가스의 공급 압력을 3Torr로 설정한 이외는, 실시예 1과 동일 조건에서 기판(G)에 플라즈마 에칭 처리를 실시했을 경우에 있어서의 기판(G)의 중심부, 주연부의 온도를 계측하고, 또한 전열 공간(T)으로부터 처리 공간(S)으로의 N₂ 가스의 누설량도 계측해서 하기 표 7에 나타냈다.

또한, 비교예 1로서, 온도 조정 가스로서 He 가스를 사용한 이외는, 실시예 1과 동일 조건에서 기판(G)에 플라즈마 에칭 처리를 실시했을 경우에 있어서의 기판(G)의 중심부, 주연부의 온도를 계측하고, 하기 표 7에 나타냈다.

또한, 비교예 2로서, 온도 조정 가스로서 He 가스를 사용하고, 또한 전열 공간(T)에의 He 가스의 공급 압력을 3Torr로 설정한 이외는, 실시예 1과 동일 조건에서 기판(G)에 플라즈마 에칭 처리를 실시했을 경우에 있어서의 기판(G)의 중심부, 주연부의 온도를 계측하고, 또한 전열 공간(T)으로부터 처리 공간(S)으로의 N₂ 가스의 누설량도 계측해서 하기 표 7에 나타냈다.

표 7에 나타낸 바와 같이, 온도 조정 가스로서 N₂ 가스를 사용했을 경우(실시예 1, 2)와, He 가스를 사용했을 경우(비교예 1, 2)에 있어서, 공급 압력이 동일하면, 기판(G)의 온도는 거의 동일하지만, 오히려 N₂ 가스를 사용했을 경우 쪽이 낮은 것을 알았다. 특히, 더욱 분자류 영역의 성질이 강하게 되는, 압력이 낮은 경우(2Torr로 실시된 실시예 1과 비교예 1)의 비교에 있어서는 N₂ 가스 쪽이 현저하게 냉각 효과가 높은 것을 알았다. 이에 의해, 온도 조정 가스로서 N₂ 가스를 사용하면, 비용에 걸맞는 기판(G)의 냉각 효과를 얻을 수 있는 것을 알았다.

또한, 누설량은 He 가스보다도 N₂ 가스 쪽이 적다. 누설량이 적으면, 전열 공간(T)에 있어서의 온도 조정 가스의 압력 분포가 안정되고, 기판(G)을 전체면에 걸쳐 균일하게 냉각할 수 있다. N₂ 가스의 누설량이 적은 것은, N₂ 분자의 분자 직경이 He 분자의 분자 직경보다도 크고, 전열 공간(T)의 주위에 존재하는 미소 간극으로부터 N₂ 분자가 흘러 나오기 어렵기 때문으로 추측되었다. 이 점으로부터도, 온도 조정 가스로서 He 가스보다 N₂ 가스를 사용하는 것이 바람직한 것을 알았다.

G : 기판
T : 전열 공간
10 : 기판 처리 장치
11 : 챔버
12 : 서셉터
14 : 정전 척
14a : 흡착면
14b : 돌기부
18 : 가스 유로

Claims

기판을 적재하는 기판 적재대와, 상기 기판 적재대에 있어서의 상기 기판이 적재되는 면에 설치되어 상기 기판을 정전 흡착하는 정전 척과, 상기 정전 흡착된 기판 및 상기 정전 척 사이의 전열 공간에 온도 조정 가스를 공급하는 가스 공급계를 구비하는 기판 냉각 시스템에 있어서,
상기 전열 공간의 두께가 50㎛ 이하로 설정되고,
상기 가스 공급계는 상기 온도 조정 가스로서 질소 가스 또는 산소 가스를 3Torr(400Pa) 이하로 상기 전열 공간에 공급하는 것을 특징으로 하는, 기판 냉각 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전열 공간의 두께가 10㎛ 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는, 기판 냉각 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정전 척에 있어서의 상기 기판의 흡착면에는 복수의 볼록부가 설치되는 것을 특징으로 하는, 기판 냉각 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정전 척에 있어서의 상기 기판의 흡착면은 평활하게 형성되는 것을 특징으로 하는, 기판 냉각 시스템.
기판을 수용하는 수용실과, 상기 수용실내에 배치되어 상기 기판을 적재하는 기판 적재대를 구비하고, 상기 기판 적재대는, 상기 기판 적재대에 있어서의 상기 기판이 적재되는 면에 설치되어 상기 기판을 정전 흡착하는 정전 척과, 상기 정전 흡착된 기판 및 상기 정전 척 사이의 전열 공간에 온도 조정 가스를 공급하는 가스 공급계를 갖는 기판 처리 장치에 있어서,
상기 전열 공간의 두께가 50㎛ 이하로 설정되고,
상기 가스 공급계는 상기 온도 조정 가스로서 질소 가스 또는 산소 가스를 3Torr 이하로 상기 전열 공간에 공급하는 것을 특징으로 하는, 기판 처리 장치.
제5항에 있어서, 상기 전열 공간의 두께가 10㎛ 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는, 기판 처리 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 정전 척에 있어서의 상기 기판의 흡착면에는 복수의 볼록부가 설치되는 것을 특징으로 하는, 기판 처리 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 정전 척에 있어서의 상기 기판의 흡착면은 평활하게 형성되는 것을 특징으로 하는, 기판 처리 장치.
기판을 적재하는 기판 적재대에 있어서의 상기 기판이 적재되는 면에 설치되어서 상기 기판을 정전 흡착하는 정전 척에 있어서,
상기 정전 흡착된 기판과의 사이에 전열 공간을 형성하고,
상기 전열 공간의 두께가 50㎛ 이하로 설정되고,
질소 가스 또는 산소 가스가 3Torr 이하로 상기 전열 공간에 온도 조정 가스로서 공급되는 것을 특징으로 하는, 정전 척.
제9항에 있어서, 상기 전열 공간의 두께가 10㎛ 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는, 정전 척.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 기판의 흡착면에는 복수의 볼록부가 설치되는 것을 특징으로 하는, 정전 척.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 기판의 흡착면은 평활하게 형성되는 것을 특징으로 하는, 정전 척.
기판 적재대에 적재된 기판을 냉각하는 기판 냉각 방법이며,
상기 기판 적재대에 있어서의 상기 기판이 적재되는 면에 설치된 정전 척이 상기 기판을 정전 흡착하는 기판 흡착 스텝과,
상기 정전 흡착 스텝이 실행되는 동안, 상기 정전 흡착된 기판 및 상기 정전 척 사이의 전열 공간에 온도 조정 가스를 공급하는 가스 공급 스텝을 갖고,
상기 전열 공간의 두께가 50㎛ 이하로 설정되고,
상기 가스 공급 스텝에서는, 상기 온도 조정 가스로서 질소 가스 또는 산소 가스가 3Torr 이하로 상기 전열 공간에 공급되는 것을 특징으로 하는, 기판 냉각 방법.
제13항에 있어서, 상기 전열 공간의 두께가 10㎛ 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는, 기판 냉각 방법.