KR100449919B1 - 정전척 - Google Patents

Abstract

본 발명은 챔버의 내부에 장착되어 웨이퍼의 파지 및 온도를 제어하는 정전척에 관한 것으로, 챔버의 내부에 장착되어 웨이퍼를 파지 및 온도 제어하는 정전척으로서, 반원형상을 가지며 동일 평면상에 지름부가 서로 대향하도록 배열되는 2개의 냉각부와, 상기 냉각부의 상부에 각 위치하고 반원형상을 가지며 동일 평면상에 지름부가 서로 대향하도록 배열되는 2개의 전극을 포함하는 정전척 몸체와; 상기 다수의 냉각부에 각각 냉각용매를 유입하고 유출하는 다수의 냉각용매 유입관 및 냉각용매 유출관과; 상기 다수의 전극에 각각 전압을 인가하는 다수의 전압봉과; 상기 정전척 몸체의 상단에 결합되어, 그 상면에 웨이퍼가 안착되는 상단정전척과; 상기 상단정전척으로 각각 헬륨을 유입 및 유출하는 헬륨 유입관 및 헬륨 유출관과; 각각 상기 헬륨유입관 및 헬륨유출관에 연결되어 상기 상단정전척의 상면으로 헬륨을 인출 및 배출하는 헬륨 유입포트 및 유출포트와; 상기 헬륨 유입포트와 상기 헬륨 유출포트를 연결하도록 상기 상단정전척의 상면에 형성된 그루브 패턴을 포함하는 정전척을 제공한다.

Description

정전척{electrostatic chuck}

본 발명은 반도체 제조장치에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 반도체 제조장치인 챔버 내에 장착되어 그 상면에 안착되는 웨이퍼의 파지 및 온도를 제어하는 정전척(electrostatic chuck)에 관한 것이다.

근래에 들어 과학이 발달함에 따라 새로운 물질의 개발 및 처리를 가능하게 하는 신소재 분야가 급속도로 발전하였고, 이러한 신소재 분야의 개발 성과물은 반도체 산업의 비약적인 발전 원동력이 되고 있다.

이러한 반도체 소자란, 웨이퍼의 상면에 수 차례에 걸친 박막의 증착 및 이의 패터닝 등의 처리공정을 통해 구현되는 고밀도 집적회로(LSI: Large Scale Integration)로서, 이러한 박막의 증착 및 패터닝 등의 공정은 통상 밀폐된 반응 용기인 챔버의 내부에서 진행된다.

이에 낱장으로 공급되는 웨이퍼를 고정하는 척(chuck)을 챔버의 내부에 설치하여 공정진행을 가능하게 하는데, 이러한 척은 그 중심부에서 진공을 웨이퍼에 가해 고정하는 배큠척(vacuum chuck)또는 직류전압을 인가하여 정전장을 형성하고, 이러한 정전장과 웨이퍼와의 정전상호 작용으로 이를 고정하는정전척(electrostatic chuck)등이 활용되고 있다.

이 중 특히 정전척은 다른 여타의 척에 비해 우수한 특징을 가지고 있어 현재 에칭장치 또는 화학적 기상증착장치 등에 널리 사용되고 있는데, 한편 전술한 챔버 내에서 진행되는 반도체 제조공정에 있어서 웨이퍼의 온도제어는 완성소자의 특성 즉, 반도체 소자의 균일도(Uniformity), 선폭(critical), 프로파일(profile) 및 재현성(repeatability) 등에 중요한 영향을 미치게 된다.

따라서 통상 정전척에는 그 상면에 안착되는 웨이퍼의 온도제어를 위한 다수의 장치가 부설되어 있는데, 이러한 일반적인 정전척의 구조를 도 1에 도시하였다.

도 1은 일반적인 정전척을 포함하는 웨이퍼 테이블(10)의 일부를 도시한 도면으로, 정전척(11)은 각각 그 내부에 냉각부(22)와 정전척 전극(18)이 설치된 정전척 몸체(16)와, 상기 정전척 몸체(16)의 상부에 결합되면서 그 상면에 웨이퍼(1)가 안착되는 상단정전척(12)으로 구분된다.

이때 정전척 몸체(16)에 내장된 냉각부(22)에는 각각 냉각용매를 유입하는 냉각용매 유입관(23a)과, 순환된 냉각용매를 유출하는 냉각용매 유출관(23b)이 연결되어 있어 냉각용매를 저장 및 순환함으로써 웨이퍼(1)의 온도를 제어하고, 정전척 전극(18)에는 외부로부터 전압이 인가되는 전극봉(19)이 연결되어 웨이퍼(1)의 파지를 위한 정전장을 형성하게 된다.

또한 이러한 정전척 몸체(16)의 상부에 결합되는 상단 정전척(12)에는, 그 상면에 안착되는 웨이퍼(1)의 온도제어를 보조하기 위하여 상기 상단정전척(12)과 웨이퍼(1)의 배면 사이에 헬륨가스를 순환시키게 되는데, 이에 상기 상단정전척(12)의 상면에는 각각 헬륨이 유입되는 헬륨 유입포트(13a-1)와, 순환된 헬륨이 유출되는 헬륨 유출포트(13b-1)를 가지고 있으며, 이러한 헬륨 유입포트(13a-1)와 헬륨 유출포트(13b-1)는 각각 외부로부터 헬륨가스를 인입하는 헬륨 공급관(13a)과, 이를 유출하는 헬륨 유출관(13b)이 연결되어 있다.

이러한 구성을 가지는 정전척(11)은, 챔버의 일면을 관통하여 승강 가능하도록 설치된 벨로우즈(30) 및 블록(28)의 상단에 결합되는데, 참고로 전술한 블록(28)의 내부에는 리프트 핀 구동시스템(미도시) 등이 부설되어 웨이퍼(1)의 처리, 가공공정을 원활하게 진행할 수 있도록 한다.

또한 정전척(11)은 그 종류에 따라 전술한 헬륨 유입관(13a) 및 헬륨 유출관(13b)과, 냉각용매 유입관(23a) 및 유출관(23b)과, 정전척 전극(18) 및 전극봉(19)의 위치나 배열순서에 일정정도의 차이가 있을 수 있으나 통상 유사한 구조를 가지고 있고, 따라서 이러한 정전척(11)의 상면은 도 2에 도시한 바와 같이, 각각 헬륨 유입관(13a)의 말단과 헬륨 유출관(13b)의 말단이 연결되는 유입포트(13a-1) 및 유출포트(13b-1)가 노출되어 있으며, 이들 유입포트(13a-1) 및 유출포트(13b-1)는 소정의 깊이를 가지는 그루브 패턴(미도시)으로 연결되어 있다.

그러나 이러한 구성을 가지는 일반적인 정전척(11)은 사용상에 있어서 몇 가지 치명적인 문제점을 나타내고 있는데, 이는 특히 처리대상물인 웨이퍼의 직경이 300mm 이상의 대형 웨이퍼일 경우에 더욱 심각하게 나타난다. 즉, 최근에 들어 보다 높은 생산성을 위하여, 웨이퍼의 사이즈를 종래의 200mm 보다 큰 300mm 이상의 직경을 가지도록 대형화하는 방법이 개발되어 널리 활용되고 있는데, 이러한 300mm이상의 직경을 가지는 대형 웨이퍼를 통해 반도체 소자를 제조함에 있어서, 전술한 일반적인 정전척(11)을 사용할 경우에 웨이퍼(1)의 위치에 따라 국부적인 파지력 부족 및 불균일 냉각 현상이 빈번하게 나타나고 있다.

다시 말해 일반적인 정전척(11)의 경우에 정전척 전극(18)이나 냉각부(22) 등의 온도의 제어를 위한 요소들이 정전척(11)의 중심에서부터 가장자리로 확장되는 구조를 가지고 있으므로, 중심부분의 전압 및 냉각효율은 가장자리로 갈수록 떨어지게 되고, 이에 그 상면에 안착되는 웨이퍼(1)의 파지력 및 온도 또한 위치에 따라 서로 다르게 나타난다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 헬륨 인입포트(13a-1)로 유입되는 헬륨의 압력을 높이는 방법을 사용하기도 하는데, 이와 같이 헬륨의 유입압력을 지나치게 높일 경우에 적지 않은 양의 헬륨이 웨이퍼(1)와 정전척(11)의 틈새를 통해 챔버의 내부로 누설되고, 이는 결국 챔버 내의 공정가스와 혼합되어 공정불량의 원인이 되며, 이때 상대적으로 약해지는 파지력을 보완하기 위하여 정전척 전극(19)에 인입되는 전압을 높여야 하므로 정전척의 수명을 단축시키는 문제점을 가지고 있다.

따라서 정전척(11)과 웨이퍼(1) 사이로 유입되는 헬륨에 한정적인 압력을 부여할 수밖에 없고, 이 경우에 발생되는 여러 가지 문제, 즉 위치에 따른 파지력 및 냉각용매와 헬륨에 의한 냉각효율의 차이는 결국 완성소자의 균일도나 선폭, 프로파일 또는 재현성 등을 저하시키게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 300mm 이상의 대형웨이퍼를 처리 가공함에 있어서, 보다 균일한 파지력 및 냉각효율을 가지는 정전척을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 일반적인 정전척의 구조를 도시한 단면도

도 2는 일반적인 정전척의 평면도

도 3은 본 발명에 따른 정전척의 구조를 도시한 단면도

도 4는 본 발명에 따른 정전척의 평면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

5 : 웨이퍼 100 : 웨이퍼테이블

101 : 정전척 120 : 상단정전척

122a, 122b : 헬륨 유입관 및 유출관

123a, 123b : 헬륨 유입포트 및 헬륨 유출포트

130 : 벨로우즈 160 : 정전척몸체

180a, 180b : 제 1 및 제 2 정전척 전극

184a, 184b : 제 1 및 제 2 전극봉

220a, 220b : 제 1 및 제 2 냉각부

222a-1, 222b-1 : 제 1 및 제 2 냉각용매 유입관

222a-2, 222b-2 : 제 1 및 제 2 냉각용매 유출관

280 : 블록

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 챔버의 내부에 장착되어 웨이퍼를 파지 및 온도 제어하는 정전척으로서, 반원형상을 가지며 동일 평면상에 지름부가 서로 대향하도록 배열되는 2개의 냉각부와, 상기 냉각부의 상부에 각 위치하고 반원형상을 가지며 동일 평면상에 지름부가 서로 대향하도록 배열되는 2개의 전극을 포함하는 정전척 몸체와; 상기 다수의 냉각부에 각각 냉각용매를 유입하고 유출하는 다수의 냉각용매 유입관 및 냉각용매 유출관과; 상기 다수의 전극에 각각 전압을 인가하는 다수의 전압봉과; 상기 정전척 몸체의 상단에 결합되어, 그 상면에 웨이퍼가 안착되는 상단정전척과; 상기 상단정전척으로 각각 헬륨을 유입 및 유출하는 헬륨 유입관 및 헬륨 유출관과; 각각 상기 헬륨유입관 및 헬륨유출관에 연결되어 상기 상단정전척의 상면으로 헬륨을 인출 및 배출하는 헬륨 유입포트 및 유출포트와; 상기 헬륨 유입포트와 상기 헬륨 유출포트를 연결하도록 상기 상단정전척의 상면에 형성된 그루브 패턴을 포함하는 정전척을 제공한다.

이때 특히 상기 정전척은 그 직경이 300mm 이상이 대형 웨이퍼의 처리를 위한 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 대한 올바른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 정전척은 그 내부에 2개의 냉각부 및 정전척 전극이 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 바, 이러한 본 발명에 따른 정전척의 단면을 도 3에 도시하였다. 이때 도 3은 본 발명에 따른 정전척(101)의 구조를 설명하기 위한 웨이퍼 테이블(100)의 일부 단면도로서, 이는 챔버의 일면을 관통하여 승강 가능하도록 구성되는 벨로우즈(130)와, 웨이퍼(5)의 처리, 가공공정을 원활하게 진행할 수 있도록 하기 위하여 그 내부에 리프트 핀 구동시스템(미도시) 등이 부설된 상태에서 전술한 벨로우즈(130)의 상단에 결합되는 블록(280)과, 상기 블록(280)의 상단에 결합되는 본 발명에 따른 정전척(101)을 포함하고 있다.

이 중 특히 본 발명에 따른 정전척(101)은 그 내부에 각각 2개의 냉각부 및 정전척 전극이 설치된 상태에서, 상기 블록(280)의 상단에 결합되는 정전척 몸체(160)와, 상기 정전척 몸체(160)의 상단에 결합된 상태에서 그 상면에 웨이퍼(1)가 안착되는 상단 정전척(120)으로 구분되는데, 이와 같이 본 발명은 정전척 몸체(160)의 내부에 설치되는 냉각부 및 정전척 전극이 2개인 것을 특징으로 하는 바, 바람직하게는 실질적으로 동일 평면상에 배열되는 2개의 냉각부와, 이의 상부로 동일 평면상에 위치하는 2개의 정전척 전극으로 이루어진다. 또한 상기 냉각부와 전극의 평면은 반원형상을 가지면서, 서로 지름부가 대향하여, 전체적으로는 원형의 평면을 가지도록 배치하는 것이 바람직하다.

따라서 이하 본 발명에 따른 정전척 몸체(160)의 내부에 설치되는 두 개의 냉각부를 각각 제 1 및 제 2 냉각부(220a, 220b)로, 두 개의 정전척 전극 또한 각각 제 1 및 제 2 정전척(180a, 180b)으로 구분하여 설명하며, 이에 전술한 본 발명에 따른 정전척(101)은 그 내부에 각각 냉각용매를 저장, 순환함으로써 웨이퍼(1)의 온도를 제어하는 제 1 및 제 2 냉각부(220a, 220b)와, 외부에서 인가되는 전압을 통하여 웨이퍼(1)를 파지할 수 있도록 정전장을 형성하는 제 1 및 제 2 정전척 전극(180a, 180b)이 설치되어 있다.

또한 이러한 제 1 및 제 2 냉각부(220a, 220b)에는 각각 외부에서 냉각용매를 유입하는 제 1 및 제 2 냉각용매 유입관(222a-1, 222b-1)과, 순환된 냉각용매를 유출하는 제 1 및 제 2 냉각용매 유출관(222a-2, 222b-2)이 연결되어 있고, 제 1 및 제 2 정전척 전극(180a, 180b)에도 외부로부터 전압을 인가하는 제 1 및 제 2 전극봉(184a, 184b)이 연결되어 있다.

그리고 전술한 구성을 가지는 정전척 몸체(160)의 상단에 결합되어 그 상면에 웨이퍼(5)가 안착되는 상단정전척(120)은, 상기 상단정전척(120)의 상면과 웨이퍼(5)의 배면 사이에 헬륨을 순환시킴으로써 웨이퍼의 온도제어를 보조하게 되는데, 이를 위하여 각각 상단정전척(120)을 관통하도록 설치된 헬륨가스 인입포트(123a)와, 헬륨가스 인출포트(123b)를 가지고 있으며, 이들은 각각 외부로부터 헬륨가스가 공급되는 헬륨가스 인입관(122a) 및 헬륨가스를 유출하는 헬륨가스 유출관(122b)의 말단에 연결되어 있다.

전술한 본 발명에 따른 정전척(101)은 그 목적 또는 용도에 따라 이를 구성하는 정전척 전극, 전극봉, 헬륨가스 인입포트 및 헬륨가스 유출포트나, 이러한 각각의 요소에 필요물질을 공급하는 헬륨 유입관 및 헬륨 유출관, 냉각용매 유입관 및 유출관의 위치나 배열순서에 일정정도의 차이가 있을 수 있지만, 전술한 바와 같이 정전척 몸체(160) 내에 설치되는 냉각부와 전극이 각각 다수, 바람직하게는 두 개씩인 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 정전척(101)의 평면도를 도시한 도 4를 참조하면, 헬륨가스 유입관(122a) 및 헬륨가스 유출관(122b)의 말단이 각각 연결되는 헬륨 유입포트(123a)와 헬륨 유출포트(123b)가 상단정전척(120)의 상면에 노출되어 있고, 이의 상부로는 웨이퍼가 안착되는 바, 전술한 헬륨가스 유입포트(123a)를 통하여 유입된 헬륨가스는 상기 상단정전척(120)의 상면과 웨이퍼의 사이를 순환한 후 헬륨가스 유출포트(123b)를 통하여 배출된다.

이에 이러한 상단 정전척(120)의 상면에는 상기 헬륨 유입포트(123a)와 헬륨 유출포트(123b)를 이어지도록 소정의 깊이로 설치된 그루브 패턴(124)이 형성되어 있어, 헬륨 유입포트(123a)를 통하여 유입된 헬륨은 이를 따라 순환된 후 헬륨 유출포트(123b)를 통하여 외부로 유출됨으로써 웨이퍼의 보조적인 온도제어를 하게된다.

또한 이러한 상단 정전척(120)의 하부에 위치하는 정전척 몸체(160)에는 각각 동일 평면상에 대응되도록 배치되는 제 1 및 제 2 냉각부(220a, 220b)와, 제 1 및 제 2 정전척 전극(180a, 180b)이 설치되므로, 점선으로 표시한 A 또는 B 영역 중 하나에는 제 1 전극(180a) 및 제 1 냉각부(220a)가 위치하게 되고, 다른 또 하나의 영역에는 제 2 전극(180b) 및 제 2 냉각부(220b)가 위치함을 알 수 있다.(도 3 참조)

이때 바람직하게는 상기 제 1 및 제 2 냉각부와, 제 1 및 제 2 전극은 각각 반원형상으로 가지면서 직선부분이 서로 대응되어 있는 것이 파지력 및 온도제어에 있어서 효율적이다.

이상에서 설명한 구조를 가지는 본 발명에 따른 정전척(101)의 동작을 도 3과 도 4를 통하여 설명하면, 먼저 챔버 내에 설치된 정전척(101)의 상면에 웨이퍼(5)를 안착하고, 제 1 및 제 2 전극봉(184a, 184b)을 통해 전압을 인가함으로써 정전척 몸체(160) 내부의 제 1 및 제 2 정전척 전극(180a, 180b)을 구동하게 된다.

이때 발생되는 정전력은 웨이퍼(5)를 정전척(101)의 상면에 밀착시켜 긴밀하게 고정하게 되고, 이후 챔버의 내부로 공정가스가 공급되어 반응이 진행되는데, 이러한 공정 진행 중에 웨이퍼(5)의 온도가 지나치게 고온 과열되어 손상되는 것을 방지하기 위하여, 공정의 진행과 동시에 정전척 몸체(160)에 각각 내장된 제 1 및 제 2 냉각부(220a, 220b)를 구동하게 된다.

이는 각각 제 1 냉각용매 유입관(222a-1) 및 제 2 냉각용매 유입관(222b-1)을 통하여 제 1 및 제 2 냉각부(220a, 220b)에 냉각용매를 공급한 후, 제 2 냉각용매 유출관(222a-2) 및 제 2 냉각용매 유출관(222b-2)을 통하여 냉각용매를 유출시키는 과정을 연속적으로 반복하여 각각의 냉각부(220a, 220b)에 냉각용매를 순환시키게 되고, 이때 또한 웨이퍼(5)의 냉각을 보조하기 위하여 상단정전척(120)의 상면과 웨이퍼(5)의 배면사이에 헬륨가스를 순환시키게 되는 바, 이는 헬륨 유입포트(123a)에 연결된 헬륨 유입관(122a)을 통하여 헬륨을 유입시키고, 헬륨 유출포트(123b)에 연결된 헬륨 유출관(122b)을 통하여 헬륨을 뽑아냄으로서 이들을 잇는 그루브 패턴(124)을 따라 헬륨을 순환시키게 된다.

이와 같은 과정을 통하여 하나의 웨이퍼(5)에 대한 공정이 완료되면, 정전척(101)의 구동을 중단하고 웨이퍼를 교체한 후 전술한 과정을 반복함으로써 웨이퍼의 처리가공을 진행하게 되는데, 이러한 제 1 및 제 2 냉각부(220a, 220b)와 제 1 및 제 2 정전척 전극(180a, 180b)은 미도시된 제어부에 의하여 각각 제어되도록 구성할 수 있음은 당업자에게는 자명한 사실일 것이며, 따라서 목적에 따라 도 4의 A, B 영역에 각각 부여되는 파지력 및 온도를 적절하게 조절할 수 있을 것이다.

본 발명은 정전척의 내부에 각각 2개의 냉각부와 2개의 전극을 설치하고 이들을 목적에 따라 적절히 조절 구동시킴으로써 일반적인 정전척에서 흔히 발생할 수 있는 위치에 따른 파지력 및 냉각효율의 불균일 현상을 효과적으로 방지할 수 있는 잇점을 가지고 있다.

이때 세 개 이상의 냉각부 및 전극을 설치하거나 또는 다수의 헬륨 유입 포트 및 헬륨 유출포트와, 이들을 이어지도록 하는 하나 이상의 그루브 패턴을 형성함으로써 보다 개선된 효과를 얻을 수도 있을 것이나, 이 경우 정전척의 구성이 지나치게 복잡해질 우려가 있으므로, 바람직하게는 전술한 바와 같이 각각 두 개의 냉각부와 정전척 전극을 설치하는 것이 유리하다.

이때 이러한 두 개의 정전척 전극을 통하여 웨이퍼의 파지력을 크게 할 수 있으므로 전술한 바와 같이 각각 하나의 헬륨 유출 포트 및 유입포트 및 이들을 이어지도록 하는 그루브 패턴을 형성하고, 여기에 순환되는 헬륨가스의 압력을 충분히 높임으로써 세 개 이상의 냉각부 및 전극이 설치된 경우와 유사한 효과를 얻을 수 있다.

따라서 이러한 본 발명에 따른 정전척을 사용하여 반도체 소자를 제조할 경우에 웨이퍼의 전면적에 걸쳐 고른 파지력 및 냉각효율을 부여 할 수 있으므로 보다 신뢰성 있는 소자를 제조할 수 있는 장점을 가지고 있고 이러한 본 발명에 따른 효과는 300mm 이상의 대형 웨이퍼에 적용될 경우에 더욱 유리하다.

Claims (3)

1. 챔버의 내부에 장착되어 웨이퍼를 파지 및 온도 제어하는 정전척으로서,

   반원형상을 가지며 동일 평면상에 지름부가 서로 대향하도록 배열되는 2개의 냉각부와, 상기 냉각부의 상부에 각 위치하고 반원형상을 가지며 동일 평면상에 지름부가 서로 대향하도록 배열되는 2개의 전극을 포함하는 정전척 몸체와;

   상기 다수의 냉각부에 각각 냉각용매를 유입하고 유출하는 다수의 냉각용매 유입관 및 냉각용매 유출관과;

   상기 다수의 전극에 각각 전압을 인가하는 다수의 전압봉과;

   상기 정전척 몸체의 상단에 결합되어, 그 상면에 웨이퍼가 안착되는 상단정전척과;

   상기 상단정전척으로 각각 헬륨을 유입 및 유출하는 헬륨 유입관 및 헬륨 유출관과;

   각각 상기 헬륨유입관 및 헬륨유출관에 연결되어 상기 상단정전척의 상면으로 헬륨을 인출 및 배출하는 헬륨 유입포트 및 유출포트와;

   상기 헬륨 유입포트와 상기 헬륨 유출포트를 연결하도록 상기 상단정전척의 상면에 형성된 그루브 패턴

   을 포함하는 정전척
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 정전척은 그 직경이 300mm 이상이 대형 웨이퍼의 처리를 위한 정전척
3. 삭제