KR0142055B1 - 정전 척 - Google Patents
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Abstract
면내 온도차를 최소화하며 반도체 웨이퍼를 정전기적으로 크램핑하는 정전 척은 금속판 위에 유전체층을 접합하여 이루어지고, 이 유전체층에 내부전극을 설치되어 있다. 유전체층(3)의 상면에는 돌기와 실질적으로 동일한 높이의 외주영역을 형성하고, 다시 내측을 크램핑영역으로 하며, 크램핑영역내에 다수의 돌기를 위치, 설치하고, 돌기의 상면을 반도체 웨이퍼와 직접 접촉하고 크램핑면으로 하고 있다. 유전체층(3)의 체적 고유저항을 109Ωm 이하로 하고, 돌기(5)의 크램핑면으로 되는 상면의 Rmax(최대높이)를 2.0㎛ 이하, 또는 Ra(중신선 평균 거칠음)을 0.25㎛로 한다. 또한, 돌기 상면의 합계면적의 유전체층의 상면에 대한 면적비율을 1% 이상 10% 미만이다.
Description
제1도는 본 발명에 관한 정전 척의 단면도이며
제2도는 제 1 도에 나타낸 정전 척의 평면도이며
제3도(a)는 돌기의 상부표면에 합계 면적에 대한 정전 척의 유전체층의 상부 표면의 합계 면적의 비율을 10% 미만으로 하여 제 1 도 및 제 2 도에 나타낸 정전처에 반도체 웨이퍼가 크램핑(clamping)되는 동안 플라스마 출력전압 450W에서 처리한 경우의 DC전압과 웨이퍼의 중앙부 및 주연부(c), (e)의 온도와의 관계를 나타낸 그래프이며,
제 3 도(b)는 돌기의 상부표면의 합계 면적에 대한 정전 척의 유전체층의 상부 표면에 합계 면적의 비율을 10% 미만으로 하여 제 1 도 및 제 2 도에 나타낸 정전척에 반도체 웨이퍼가 크램핑되는 동안 플라스마 출력전압 550W 에서 처리한 경우의 DC전압과 웨이퍼의 중앙부 및 주연부(c), (e)의 온도와의 관계를 나타낸 그래프이며
제 4 도(a)는 돌기의 상부표면의 합계 면적에 대한 정전 척의 유전체층의 상부 표면의 합계 면적의 비율을 75%로 하여 제 1 도 및 제 2 도에 나타낸 정전 척에 반도체 웨이퍼가 크램핑되는 동안 플라즈마 출력전압 450W에서 처리한 경우의 DC전압과 웨이퍼의 중앙부 및 주연부(c), (e)의 온도와의 관계를 나타낸 그래프이며
제 4 도(b)는 돌기의 상부표면의 합계 면적에 대한 정전 척의 유전체층의 상부표면에 합계 면적의 비율을 75%로 하여 제 1 도 및 제 2 도에 나타낸 정전 척에 반도체 웨이퍼가 크램핑되는 동안 플라스마 출력전압 550W에서 처리한 경우의 DC전압과 웨이퍼의 중앙부 및 주연부(c),(e)의 온도와의 관계를 나타낸 그래프이며
제 5 도는 돌기의 상부표면의 합계 면적에 대한 정전 척으 유전체층의 상부표면의 합계 면적의 비율을 10%로 하여 제 1 도 및 제 2 도에 나타낸 정전 척에 반도체 웨이퍼가 크램핑되는 동안 반도체 웨이퍼에 인가된 DC전압과 반도체 웨이퍼에 작용하는 크램핑력과의 나타낸 그래프이며
제 6 도는 돌기의 상부표면의 합계 면적에 대한 정전 척의 유전체층의 상부표면의 합계 면적의 비율을 10%로 하여 제 1 도 및 제 2 도에 나타낸 정전 척에 반도체 웨이퍼가 크램핑되는 동안 유전체층의 체적저항과 전압인가 시간 및 반도체 웨이퍼에 작용하는 크램핑력과의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 반도체 웨이퍼 등을 정전력으로 고정하는 정전 척(chuck)에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼에 플라스마 분위기하에서 에칭 등의 처리를 수행하는 경우에는 감압하, 즉 플라스마가 발생하기 쉬운 분위기중에서 수행할 필요가 있다.
낮은 압력하에서 반도체 웨이퍼를 고정하는 수단으로서는 일본국 특개평 1-313954호 공보 및 일본국 특개평 5-6933호 공보 및 일본국 특개평 3-73453호 공보에 개시된 정전 척이 알려져 있다.
이들 선행기술에 개시된 정전 척은 모두 상면을 크램핑면으로 한 유전체층내에 내부 전극을 설치하고, 이 내부전극에 전압을 인가함으로서 정전력을 발생시켜 반도체 웨이퍼를 크램핑하도록 한 것이다. 일본국 특개평 1-313954호 공보에 개시된 정전 척에 있어서는 유전체층 상면에 돌출부를 설치하여 반도체 웨이퍼에 대하여 중앙부에서 정전력이 강하고, 주연부에서 정전력이 약하게 작용하도록 하였으며, 일본국 실개평 3-73453호 공보에 개시된 정전 척에서는 유전체층상면에 요홈((凹溝)을 형성하고, 여기에 헬륨 등의 냉각 개스를 흘려 반도체 웨이퍼의 표면온도를 균일하게 하여 정전 유전체층에 크램핑한다. 또한, 일본국 특개평 5-6933 호 공보에 개시된 정전 척에 있어서는 유전체층 상면에 요부(凹部)와 철부(凸部)(접촉부)를 설치하고, 이 철부의 상면에 반도체 웨이퍼를 지지함으로서 먼지의 부착 등을 방지한 것이다.
플라스마 분위기에서 반도체 웨이퍼에 에칭 처리 등을 수행할 경우, 플라스마의 열에 의해 반도체 웨이퍼의 표면은 고온으로 된다. 반도체 웨이퍼의 표면온도가 증가할수록 표면의 레지스트막이 파열하는 등의 문제가 생긴다. 또한 면내(面內)온도차가 생기면 처리가 불균일하게 된다.
그리하여 일본국 실개평 3-73453 호 공보에 개시된 바와 같이 헬륨 등의 냉각 개스를 흘려 반도체 웨이퍼의 표면온도를 균일하게 하여 정전 척에 크램핑하고 있다. 냉각 효과를 높이기 위하여는 냉각개스와 웨이퍼의 접촉면적을 크게 하기 위하여, 유전체층의 상면이 합계면적에 대하여 크램핑면인 돌출부 상면의 합계면적을 가능한 한 적게 할 필요가 있다. 그러나, 반도체 웨이퍼를 크램핑하는 돌출부 상면의 합계면적을 적게 하면, 크램핑력이 적게되어, 처리시에 웨이퍼가 정전 척에서 고정위치에서 미끄러진다든지, 떨어질 우려가 있다.
이 때문에 일본국 특개평 5-6933호 공보에도 기재된 바와 같이 종래는 유전체층이 상면의 합계면적에 대한 반도체웨이퍼의 접촉 상면의 합계면적 비율을 최대 10∼30%로 하여 왔다. 그 결과, 냉각개스와 웨이퍼의 접촉면적을 실질적으로 증가시킬 수 없었다. 따라서, 반도체 웨이퍼를 충분히 냉각시킬 수 없고, 또한 반도체 웨이퍼의 면내 온도도 편차를 일으키기 쉽다.
또한, 냉각효과를 높이기 위하여는 반도체 웨이퍼에 접촉되는 냉각개스압을 높이면 좋으나, 단순히 개스압만을 높여도 웨이퍼의 크랙이 일어나거나, 고정위치에서 미끄러져 버린다.
본 발명의 목적은 전압을 인가하면 신속히 크램핑력이 포화하여 피흡착체를 정전기적으로 크램핑하고, 전압인가를 중지하면 곧 웨이퍼가 박리하도록 한 정전척에 관한 것이다.
본 발명에 관한 정전력하에 피흡착제를 크램핑하는 정전 척은 유전체층과 전압인가에 대응하여 정전력을 발생시키기 위하여 유전체층에 설치된 내부전극을 가지며, 유전체층의 체적저항을 109Ωm 이하로 하고, 또한 유전체층의 상면에 피흡착체를 크램핑하는 다수의 돌기가 설치되며, 이 돌기는 접촉하는 피흡착체를 크램핑하기 위해 각각의 크램핑면을 가지며, 또한 돌기의 상면의 합계면적의 유전체층의 상면에 대한 면적비율을 1% 이상 10% 미만으로 되도록 하고 있다. 이 돌기의 크램핑면으로 되는 상면의 최대높이 Rmax를 2.0㎛ 이하, 또는 중심선 평균 거칠음 Ra를 0.25㎛ 이하로 하고 있다. 각각의 돌기의 직경은 3㎜ 이하이며, 인접돌기와의 거리는 11㎜ 이하이다. 피흡착체가 클램핑면에 클램프될 때, 유전체층의 상면과 피흡착체 사이에 10torr 이상 100torr 이하의 압력으로 냉각개스를 도입하기 위해서 유전체층상면에 냉각개스 도입공과 선단 개구부를 갖는다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의해 설명한다.
제 1도에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 정전 척(1)은 금속판(2), 금속판(2)위에 접합되는유전체층(3) 및 이 유전체층(3)내에 매설 또는 협지된 내부전극(4)으로 이루어진다.
유전체층(3)의 상면에는 헬륨가스가 누출되지 않도록 1∼5㎜ 폭의 외주영역(3a)이 배치된다. 유전체층(3)의 상면에는 돌기(5)와 실질적으로 동일한 높이의 외주영역(3a)으로 하고, 그 내측을 크램핑영역(3b)으로 하며, 크램핑영역(3b)내에 다수의 돌기(5)를 배치한다. 이 돌기(5)의 상면을 반도체 웨이퍼와 직접 접촉하는 크램핑면으로 한다. 제 2도에 도시한 바와 같이, 이 돌기(5)는 동심원 패턴의 외측으로 외주영역(3a)이 배치되고, 유전체층(3)의 상부표면 중심 주위에 크램핑영역(3b)이 배치된 다수의 동심원 패턴으로 돌기(5)가 배열되어 있다. 그러나, 이 돌기(5)는 다른 패턴으로 배열되어도 좋다.
이 정전 척(1)에는 금속판(2)과 상단에 개구부를 갖는 유전체층(3)을 관통하는 한쌍의 대칭 냉각개스 도입공(6)이 형성되며, 이냉각개스 도입공(6)을 통하여 유전체층(3) 상면과, 외주영역(3a)와 돌기(5)가 위치한 반도체 웨이퍼W의 하면(下面) 사이로 헬륨 등의 냉각개스가 공급된다. 또한 금속판(2) 내부에는 정전 척(1)을 냉각하기 위한 냉매가 흐르는 한쌍의 유로(流路)(12)가 설치되어 있다.
또한 상기 내부전극(4)에는 직류전원(7)이 접속되며, 유전체층(3) 하면의 도체부(8)에는 고주파전원(9)이 접속되어 있다. 또한, 직류전원(7)은 금속판(2)에 접속되고, 고주파 전원(9)은 내부전극(4)에 접속되어도 좋다. 또, 플라스마 처리장치에서 정전척(1) 상방에는 접지된 대향전극(10)이 위치되어 있다.
작동시, 정전 척(1)에 반도체 웨이퍼 W를 놓고, 내부전극(4)에 직류전원(7)에 직류전압을 인가함으로서 정전력이 발생하여 웨이퍼 W는 유전체층(3), 구체적으로는 돌기(5)의 상면에 크램핑된다. 또한, 고주파전원(9)에 의해 고주파를 인가함으로써 반도체 웨이퍼W와 대향전극(10) 사이에 활성인 래디칼(11)이 발생하여 웨이퍼 표면에 실리콘 산화막 등이 에칭된다.
본 발명에 있어서는 유전체층(3)이 크램핑영역(3b)의 면적에 대한 돌기(5) 상면의 합계면적이 비율을 1% 이상 10% 미만으로 하고 있다. 1% 이상으로 하는 것은 필요한 크램핑력을 확보하기 위한 것이며, 10% 미만으로 하는 것은 제 3 도(a), 제 3 도(b), 제 4 도(a) 및 제 4 도(b)에 의하여 설명한다.
제 3 도(a) 및 제 3 도(b)는 면적비율을 10% 미만으로 하여 상이한 플라스마의 출력전압에서 처리한 경우의 DC 전압과 웨이퍼 온도와의 관계를 나타낸 그래프이고, 제 4 도(a) 및 제 4 도(b)는 면적비율 75%로 하여 상이한 플라스마의 출력전압에서 처리한 경우의 DC 전압과 웨이퍼 온도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
제 3 도(a) 및 제 3 도(b)로부터 명백한 바와 같이, 면적비율을 10% 미만으로 한 경우에는 웨이퍼 W의 중앙부의 온도(선분 c로 나타낸다)와 주연부의 온도(선분 e로 나타낸다)가 거의 같음을 알 수 있다. 또한, 제 4 도(a) 및 제 4 도(b)로부터 명백한 바와 같이, 면적비율을 75%로 한 경우에는 웨이퍼 W는 중앙부의 온도와 주연부의 온도가 크게 다르고, 면내(面內)온도가 불균일함을 알 수 있다.
이것은 면적비율을 10% 미만으로 함으로서 냉각개스가 직접접촉하는 반도체 웨이퍼 W의 면적을 크게 할 수 있고, 내악효과를 높일 수 있기 때문이다.
또한 아래 표 1은 냉각개스의 압력과 면적비율과의 관계를 나타내는 것이며, 면적비율을 10% 미만으로 함으로써 냉각효과가 높음을 알 수 있다.
플라스마 출력 : 450W
냉매온도 : 80℃
CI 원자함유 개스 : 0.15torr
또한, 하기 표 2는 면적비율을 10%로 고정하고, 이 상태에서 돌기간의 간격(또는 돌기의 직경)과 냉매개스 압력과의 관계를 반도체 웨이퍼의 크램핑이 양호한 것인가와 웨이퍼의 파손 또는 이탈의 점에서 실험한 결과를 나타낸 것이다.
제 2도로부터 돌기(5)간의 간격을 좁게 하는, 즉 돌기(5)의 직경을 작게 함으로써 고압의 냉각개스를 흐르게 함을 알 수 있다. 정전 척(1)에서 예시한 바와 같이, 각 돌기(5)의 직경을 3㎜이하, 돌기(5) 사이의 거리를 11㎜이하로 하는 것이 바람직하다.
O : 반도체 웨이퍼 크램핑 양호
X : 반도체 웨이퍼 파손 또는 이탈
제 5도는 본 발명에 관한 정전 척(1)의 크램핑력과 반도체 웨이퍼W에 실온에서 인가된 전압의 관계를 나타내 그래프이다. 제 5도로부터 명백한 바와 같이 본 발명에 관한 정전 척(1)에서는 면적비율이 10% 미만임에도 불구하고, 충분한 크램핑력을 발휘하고 있음을 알 수 있다. 그 이유를 제 6 도 및 하기 식(1)에 의해 설명한다.
제 6 도는 유전체층(3)의 체적저항과 반도체 웨이퍼W에 실온에서 전압이 인가된 시간 및 반도체 웨이퍼W에 실온에서 작용하는 클램핑력과의 관계를 나타내는 그래프이며, 제 6도로부터 체적저항이 10 Ωm 이하인 것이 전압인가에 의해 곧 크팸핑력이 포화하는 조건임을 알 수 있다.
또한, 하기 식(1)은 크램핑력(F)과 크램핑면의 최대높이(Rmax) 사이의 관계를 나타낸 것이다.
F = ε·V /2δ
식중, F : 크램핑력 ;
ε: 진공의 유전율
V : 정전 척과 반도체 웨이퍼 사이의 전위차
δ : 정전 척과 반도체 웨이퍼의 표면 거칠음(최대 거칠음 Rmax)의 평균치
상기 식(1)로부터 크램핑력의 Rmax(최대높이)를 2.0㎛ 또는 Ra(중심선 평균 거칠음)을 0.25㎛ 이하로 하는 것이 충분한 크램핑력F을 발휘하는데 필요로 함을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 정전 척(1)이 실온에서 사용될 때, 유전체층(3)의 체적저항을 10 Ωm 이하, 크램핑면의 Rmax(최대높이)를 2.0㎛ 또는 Ra(중심선 평균 거칠음)을 0.25㎛ 이하로 하는 것이 면적비율을 10% 미만으로 하기 위한 필요조건이다.
전술한 바와 같이 본 발명에 관한 정전 척은 내부전극(4)을 매설 또는 협지하 유전체층(3)의 체적 고유저항을 10 Ωm 이하로 하고, 또한 유전체층(3)의 상면에 다수의 돌기가 설치되며, 이 돌기의 크램핑면으로 되는 상면이 Rmax(최대높이)를 2.0㎛ 이하 또는 Ra(중심선 평균 거칠음)을 0.25㎛로 하고, 또한 돌기 상면의 합계면적의 유전체층(3)의 상면에 대한 면적비율을 1% 이상 10%미만으로 되도록 한 것이어서 크램핑력이 크고, 전압인가 즉시 크램핑력이 포화하고, 전압인가 중지 즉시 웨이퍼가 박리하도록 한 정전 척이 얻어질 수 있다.
이와 같은 특성의 정전 척(1)을 이용함에 있어서 반도체 웨이퍼 W와 접촉하는 유전체층(2)의 크램핑 영역(3b)의 면적 비율이 10%미만의 정전 척(1)으로 할 수 있다. 그 결과, 상기 정전 척(1)을 이용하는 반도체 웨이퍼 W의 처리방법으로서 유전체층(3)과 반도체 웨이퍼 W의 사이로 10torr 이상 100torr 이하의 압력으로 냉가가 개스를 흘려 보내는 것이 가능하게 되어 냉각 효과가 높게 되고, 반도체 웨이퍼 W의 면내 온도차를 적게 할 수 있기 때문에, 반도체 웨이퍼 W를 플라스마 처리장치를 이용하여 에칭하는 경우 등에서 처리가 균일하게 된다.
전술한 것은 본 발명의 바람직한 실시예이나, 본 발명이 그의 실체를 일탈하지 않고다른 측정형태로 구체화될 수 있음이 이해되어야 한다. 본 발명의 실시예는 예시하는 것이지 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 전술한 기재사항에 의해서 보다는 첨부된 청구범위에 의해 정하여져야 한다.
Claims (12)
- 유전체층; 전압을 인가에 대응하여 정전력을 발행하는 유전체층에 설치된 내부전극; 체적 고유저항이 109Ωm이고, 또한 유전체층의 상며네는 피흡착체를 크램핑하기 위한 다수의 돌기가 설치되며, 이 돌기는 접촉하여 피흡착체를 크램핑하기 위한 크램핑상면을 가지며, 이 크램핑상면은 합계의 유전체층의 상면에 대한 면적비율이 1% 이상 10% 미만인 유전체층으로 구성된 정전력하에서 피흡착체를 크램핑하기 위한 정전 척.
- 제 1 항에 있어서, 크램핑면으로 되는 상면의 최대높이 Ramx가 2.0㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 정전 척.
- 제 1 항에 있어서, 크램핑면으로 되는 상면의 중심선 평균 거칠음이 0.25㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 정전 척.
- 제 2 항에 또는 제 3 항에 있어서, 상기 돌기의 직경이 3mm 이하이고, 돌기사이의 간격이 11mm 이하인 것을 특징으로 하는 정전 척.
- 제 4 항에 있어서, 상기 유전체층은 피흡착체가 크램핑상면에 크램핑될 때 유전체층의 상면과 피흡착체 사이에 10torr 이상 100torr 이하의 압력으로 냉각개스를 흐르게 하기 위한 냉각개스 도입공과 상면에 선단개구를 갖는 것이 특징인 정전 척.
- 금속판; 체적저항이 109Ωm이며 상기 금속판에 배설된 유전체층; 상기 유전체응에 배설된 내부전극; 피흡착제를 크램핑하기 위하여 상면에 배설된 다수의 돌기를 가지며, 이 돌기는 피흡착체를 접촉하여 크램핑하는 크램핑상면을 가지며, 동기의 상면이 합계면적의 유전체층의 상면에 대한 면적비율이 1% 이상 10% 미만인 유전체층으로 구성된 것을 정전 척.
- 제 6 항에 있어서, 크램핑면으로 되는 상면의 최대높이 Ram가 2.0㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 정전 척.
- 제 6 항에 있어서, 크램핑면으로 되는 상면의 중심선 평균 거칠음이 0.25㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 정전 척.
- 제 7 항에 또는 제 8 항에 있어서, 상기 돌기의 직경이 3mm 이하이고, 돌기사이의 간격이 11mm 이하인 것을 특징으로 하는 정전 척.
- 제 9 항에 있어서, 상기 유전체층의 상면에 돌기와 실질적으로 동이한 높이를 가지며 주연부를 따라 배치된 외주영역을 형성하며, 전기 돌기는 외주영역의 내측으로 위치된 정전 척.
- 제 10항에 있어서, 유전체층의 상부 표면중심주위에 다수의 돌기를 동심원 패턴으로 배열되고, 상기 외주영역은 돌기의 동심원 패턴의 외측으로 배치된 정전 측.
- 제 11항에 있어서, 피크램핑제가 크램핑표면에 크램핑될 때 유전체층의 상면과 피흡착제 사이로 10torr 내지 100torr의 압력으로 냉각개스가 도입될 수 있도록 유전체층상면에 냉각개스 도입공과 선단개구를 갖는 것이 특징인 정전 척.
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