KR100479766B1 - Dynamic feed white electrostatic wafer chuck - Google Patents

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KR100479766B1
KR100479766B1 KR10-1998-0707739A KR19980707739A KR100479766B1 KR 100479766 B1 KR100479766 B1 KR 100479766B1 KR 19980707739 A KR19980707739 A KR 19980707739A KR 100479766 B1 KR100479766 B1 KR 100479766B1
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필립 엘. 존스
테라니 세이드 야파르 야파리안
보리스 브이. 아틀라스
리우 데이비드 알. 첸
켄 이. 토구나가
칭화 첸
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Abstract

정전기 척(302)의 표면에 웨이퍼(108)를 고정 유지하는 정전기 척 시스템은 제 1 부위에서 교류 신호를 감지하기 위해 정전기 척의 제 1 부위에 연결되는 웨이퍼 바이어스 센서(400)를 포함한다. 이 센서는 교류신호에 응답하여 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨을 나타내는 직류 전압 레벨을 출력하고 정전기 척의 제 1 부위에 제 1 전위레벨을 제공하는 가변 전력 공급원(410)에 연결된다. 제 1 전위레벨은 직류전압 레벨에 응답하여 변경되어서 웨이퍼의 직류 바이어스 크기에 관계없이 정전기 척의 제 1 부위와 제 1 부위 위에 놓이는 웨이퍼의 제 1 지역간에 사전한정된 제 1 전위차를 유지시킨다.The electrostatic chuck system holding the wafer 108 on the surface of the electrostatic chuck 302 includes a wafer bias sensor 400 coupled to the first portion of the electrostatic chuck to sense an alternating current signal at the first portion. The sensor is coupled to a variable power supply 410 that outputs a DC voltage level indicative of the DC bias level of the wafer in response to an AC signal and provides a first potential level to the first portion of the electrostatic chuck. The first potential level is changed in response to the DC voltage level to maintain a first predetermined potential difference between the first region of the electrostatic chuck and the first region of the wafer overlying the first region, regardless of the DC bias magnitude of the wafer.

Description

동적 피이드백 정전기 웨이퍼 척Dynamic Feedback Electrostatic Wafer Chuck

본 발명은 반도체 디바이스의 제조에 관계한다. 특히, 본 발명은 웨이퍼 가공동안 플라즈마 가공챔버의 정전기(ESC)척상에 반도체 웨이퍼를 고정시키는 방법 및 장치에 관계한다.The present invention relates to the manufacture of semiconductor devices. In particular, the present invention relates to a method and apparatus for securing a semiconductor wafer on an electrostatic (ESC) chuck of a plasma processing chamber during wafer processing.

에칭, 산화, 양극처리, 화학 증착(CVD)하기 위한 플라즈마 증진 반도체 공정은 공지이다. 예컨대 도 1a 는 플라즈마 가공챔버(102)를 갖는 대표적인 플라즈마 가공 시스템(100)을 보여준다. 챔버(102)위에는 도 1 의 실시예에서 코일에 의해 구현되는 전극(103)이 배치된다. 코일(103)은 부합 네트워크(도 1a 에 도시안된)를 통해 RF발생기(105)에 의해 여자된다.Plasma enhanced semiconductor processes for etching, oxidation, anodization, chemical vapor deposition (CVD) are well known. For example, FIG. 1A shows a representative plasma processing system 100 having a plasma processing chamber 102. Above the chamber 102 is arranged an electrode 103 embodied by a coil in the embodiment of FIG. 1. Coil 103 is excited by RF generator 105 through a matching network (not shown in FIG. 1A).

챔버(102)내에는 가스원 물질을 자체와 웨이퍼(108)간의 RF유도 플라즈마 지역에 방출시키기 위한 복수의 구멍을 포함하는 샤워헤드(104)가 제공된다. 한 구체예에서, 샤워헤드(104)는 석영으로 제조되지만 그 밖의 적당한 재료로 제조될 수 있으며 전기적으로 부동하거나 접지된다. 웨이퍼(108)는 제 2 전극으로 작용하며 고주파 발생기(120)(부합 네트워크를 통해)에 의해 바이어스되는 척(110)상에 배치된다.Within the chamber 102 a showerhead 104 is provided that includes a plurality of holes for releasing a gas source material into the RF induced plasma region between itself and the wafer 108. In one embodiment, the showerhead 104 is made of quartz but may be made of other suitable materials and is electrically floating or grounded. Wafer 108 acts as a second electrode and is disposed on chuck 110 biased by high frequency generator 120 (via a mating network).

도 1a 는 본 발명의 배경기술을 도입할 목적으로 포함된 단순화된 플라즈마 증진 가공 시스템이다. 당해분야 숙련자에게 공지된 바와 같이 플라즈마 가공 시스템 디자인의 변경이 가능하다. 예컨대, 도 1b 는 도 1a 의 플라즈마 가공시스템의 변형예로서, 단일 RF발생기(150)가 RF전력을 척(110) 또는 샤워헤드(104)에 공급하는데 (전환 스위치(152)를 통해) 사용된다. 도 1b 의 경우에 코일이 사용되지 않으며 RF발생기(150)에 의해 여자될 때 샤워헤드(104)가 전극으로 작용한다.1A is a simplified plasma enhanced processing system included for the purpose of introducing the background of the present invention. As is known to those skilled in the art, modifications to the plasma processing system design are possible. For example, FIG. 1B is a variation of the plasma processing system of FIG. 1A, where a single RF generator 150 is used (via changeover switch 152) to supply RF power to chuck 110 or showerhead 104. . In the case of FIG. 1B the coil is not used and the showerhead 104 acts as an electrode when excited by the RF generator 150.

물질의 균일하고 반복적인 에칭 및 침적을 보장하기 위해서 플라즈마 가공동안 웨이퍼(108)의 온도가 정확히 조절되는 것이 바람직하다. 웨이퍼 온도의 제어는 헬륨과 같은 불활성 가스중 하나인 열교환 가스를 웨이퍼 아래의 웨이퍼/척 인터페이스에 도입함으로써 수행된다. 도 1a 및 도 1b 의 플라즈마 가공시스템에서 헬륨은 포트(112)를 통해 웨이퍼(108)와 척(110)사이 지역에 도입된다.It is desirable that the temperature of the wafer 108 be precisely controlled during plasma processing to ensure uniform and repeatable etching and deposition of the material. Control of the wafer temperature is performed by introducing a heat exchange gas, one of an inert gas such as helium, into the wafer / chuck interface below the wafer. In the plasma processing system of FIGS. 1A and 1B, helium is introduced into the region between wafer 108 and chuck 110 through port 112.

웨이퍼와 척사이에 적절한 열전달 매체를 제공하기 위해서 5-15토르의 헬륨압력이 필요하다. 챔버(102)내의 압력은 비교적 낮기 때문에 (대체로 5밀리토르-500밀리토르(mT)), 척(110)상에 웨이퍼(108)를 고정시키는데 고정장치가 필요하다. 고정은 웨이퍼 하부주위에 헬륨 누출을 최소화시켜서 허용가능한 헬륨압력을 유지시키고 만족스러운 열전달을 달성시킨다.A helium pressure of 5-15 torr is required to provide a suitable heat transfer medium between the wafer and the chuck. Since the pressure in chamber 102 is relatively low (usually 5 millitorr-500 millitorr (mT)), a fixture is required to secure wafer 108 on chuck 110. Fixation minimizes helium leakage around the bottom of the wafer to maintain acceptable helium pressure and achieve satisfactory heat transfer.

척상에 웨이퍼를 고정시키기 위한 공지방법중 하나는 정전기 고정이다. 정전기 고정에서 정전기 척은 웨이퍼에 대해 전기적으로 바이어스 되어서 척과 웨이퍼간에 정전기력을 발생시킨다. 정전기력은 웨이퍼를 척에 대해 고정시켜서 헬륨누출을 최소화하고 열전달을 향상시킨다.One known method for fixing a wafer on a chuck is electrostatic fixing. In electrostatic fixation, the electrostatic chuck is electrically biased against the wafer to generate electrostatic forces between the chuck and the wafer. Electrostatic forces hold the wafer against the chuck to minimize helium leakage and improve heat transfer.

도 2 는 단극 정전기 척(200)을 보여준다. 도 2 의 정전기 척은 사용동안 단일 극성, 즉 양 또는 음으로 바이어스 되므로 단극 척이라 불린다. 폴리머 또는 세라믹과 같은 적당한 유전재료로 제조된 유전층(202)이 단극 척(200)위에 배치되며 단일유닛으로서 척(200)과 함께 제공된다. 가공동안 웨이퍼(108)는 척(200) 상부에 배치되며 유전층(202)에 의해 분리된다.2 shows a monopolar electrostatic chuck 200. The electrostatic chuck of FIG. 2 is called a monopolar chuck since it is biased with a single polarity, ie positive or negative, during use. A dielectric layer 202 made of a suitable dielectric material, such as a polymer or ceramic, is disposed over the monopolar chuck 200 and provided with the chuck 200 as a single unit. During processing, the wafer 108 is disposed over the chuck 200 and separated by the dielectric layer 202.

플라즈마 가공챔버에서 플라즈마가 발생될 때 웨이퍼(108)는 플라즈마에 의해 음으로 대전된다. 척(200)과 음으로 대전된 웨이퍼 사이에 전위차를 발생시키도록 전력공급(201)을 함으로써, 즉 척을 양으로 바이어스 시킴으로써 정전기력이 발생되어 웨이퍼(108)를 척(200)상에 고정시키게 된다.When plasma is generated in the plasma processing chamber, the wafer 108 is negatively charged by the plasma. By supplying power 201 to generate a potential difference between the chuck 200 and the negatively charged wafer, i.e., biasing the chuck positively, an electrostatic force is generated to fix the wafer 108 on the chuck 200. .

도 3a 는 쌍극 정전기 척의 단면도를 보여준다. 도 3a 의 쌍극 정전기 척(302)은 두 개의 극을 가진다: 양극(304)과 음극(306). 쌍극 척(302)은 "도너츠-베이스"라 공지된 구성으로 배열된다. 이러한 구성은 도 3b 에 더 명백히 도시된다. 그러나, 본 발명은 이러한 구성에 제한되지 않으며 공지되거나 적당한 모든 쌍극 척 구성에 적용된다.3A shows a cross-sectional view of a bipolar electrostatic chuck. The dipole electrostatic chuck 302 of FIG. 3A has two poles: an anode 304 and a cathode 306. The dipole chuck 302 is arranged in a configuration known as a "donut-base". This configuration is more clearly shown in Figure 3b. However, the present invention is not limited to this configuration and applies to all known or suitable bipolar chuck configurations.

쌍극 정전기 척의 극위에 세라믹 또는 폴리머와 같은 적당한 재료를 제조될 수 있는 유전층(202)이 배치된다. 이후에 웨이퍼(108)가 가공을 위해 쌍극 ESC척의 유전층(202) 상부에 위치된다.A dielectric layer 202 is disposed on top of the bipolar electrostatic chuck from which a suitable material such as ceramic or polymer can be made. The wafer 108 is then placed over the dielectric layer 202 of the bipolar ESC chuck for processing.

전력 공급원(310)이 켜질 때 음극(306)은 전력공급원(310)에 의해 공통기준전위레벨에 대해 음으로 바이어스 된다. 전력 공급원(310)은 또한 공통 기준 전위 레벨에 대해 양극(304)을 양으로 바이어스 시킨다. p형 반도체 웨이퍼의 경우에, 음극(306)상의 음의 전위 존재는 웨이퍼(108)에 양의 전하 또는 정공을 정전기적으로 유도하여 음극(306) 웨이퍼 지역쪽으로 이동시킨다. 역으로 n형 반도체 웨이퍼의 경우에, 웨이퍼(108)의 전자는 양극(304) 웨이퍼 지역 쪽으로 이동한다. 결과적으로 극과 웨이퍼지역간의 정전기력이 생성되어서 가공동안 웨이퍼(108)를 쌍극 정전기 척(302)에 고정시키는데 필요한 고정력을 제공한다.The cathode 306 is negatively biased by the power supply 310 to the common reference potential level when the power supply 310 is turned on. The power supply 310 also positively biases the anode 304 with respect to the common reference potential level. In the case of a p-type semiconductor wafer, the presence of a negative potential on the cathode 306 electrostatically induces a positive charge or hole in the wafer 108 and moves it towards the cathode 306 wafer region. Conversely, in the case of an n-type semiconductor wafer, electrons in the wafer 108 move toward the anode 304 wafer region. As a result, electrostatic forces between the pole and the wafer region are generated to provide the necessary clamping force for securing the wafer 108 to the bipolar electrostatic chuck 302 during processing.

만약 극이 공통 기준 전압레벨에 대해 반대극성을 가지게 동일하게 바이어스 된다면, 플라즈마가 발생되어서 웨이퍼가 음으로 바이어스 될 때 극위의 정전기력의 불균형이 일어날 수 있다. 이러한 조건을 설명하기 위해서 전력 공급원(310)이 공통 기준 전압레벨에 대해 양극을 +350V 로 바이어스 시키고 음극(306)을 -350V로 바이어스 시키는 경우를 고려하자. 플라즈마가 소멸될 때 웨이퍼 전위는 공통 기준 전압레벨에 대해서 0V이고 쌍극 척(302)의 극과 웨이퍼 지역간의 전위차는 각각 +350V와 -350V이다.If the poles are biased equally with opposite polarity with respect to the common reference voltage level, an imbalance of extreme electrostatic forces can occur when a plasma is generated and the wafer is negatively biased. To illustrate this condition, consider the case where the power supply 310 biases the positive electrode to + 350V and the negative electrode 306 to -350V with respect to the common reference voltage level. When the plasma is extinguished, the wafer potential is 0V with respect to the common reference voltage level and the potential difference between the pole of the bipolar chuck 302 and the wafer region is + 350V and -350V, respectively.

그러나 플라즈마의 존재로 인하여 웨이퍼(108)가 음으로 대전될 때 웨이퍼와 쌍극 정전기 척의 두 극간의 전위차는 비대칭이 된다. 예컨대, 플라즈마가 발생될 때 웨이퍼 바이어스 전압은 -100V일 수 있다. 이 경우에 양극과 음으로 바이어스된 웨이퍼간의 전위차는 +450V로 증가된다(즉, +350V -(-100V)). 그러나, 음극과 음으로 바이어스된 웨이퍼간의 전위차는 -250V로 감소된다(즉, -350V -(-100V)). 따라서 음극과 웨이퍼간의 정전기적 고정력은 약화된다. 결과적으로 일부 열교환가스가 탈출할 수 있어서 온도제어 또는 공정변수가 부정확해진다.However, due to the presence of the plasma, when the wafer 108 is negatively charged, the potential difference between the two poles of the wafer and the bipolar electrostatic chuck becomes asymmetric. For example, the wafer bias voltage can be -100V when the plasma is generated. In this case, the potential difference between the anode and the negatively biased wafer is increased to + 450V (i.e., + 350V-(-100V)). However, the potential difference between the cathode and the negatively biased wafer is reduced to -250V (ie -350V-(-100V)). Thus, the electrostatic holding force between the cathode and the wafer is weakened. As a result, some heat exchange gases may escape, resulting in inaccurate temperature control or process variables.

게다가, 플라즈마 유도된 음의 웨이퍼 바이어스는 음으로 바이어스된 웨이퍼와 쌍극 척의 양극간에 전위차를 부당하게 증가시킬 수 있다. 과도하게 높은 전위차는 웨이퍼의 하부면과 척의 상부면 사이에 스파크를 일으킬 수 있어서 피트 마크 손상을 가져온다. 시간이 지나면 열교환 가스를 밀봉유지시키기가 불가능할 정도까지 척의 표면이 손상될 수 있다. 이러한 스파크 문제는 단극척과 음으로 바이어스된 웨이퍼간의 전위차가 과도하게 클 경우에 단극 척 시스템에서 발생할 수도 있다.In addition, plasma induced negative wafer bias can unduly increase the potential difference between the negatively biased wafer and the anode of the bipolar chuck. An excessively high potential difference can cause a spark between the bottom face of the wafer and the top face of the chuck, resulting in pit mark damage. Over time, the surface of the chuck may be damaged to such an extent that it is impossible to seal the heat exchange gas. This spark problem may occur in a monopolar chuck system if the potential difference between the monopolar chuck and the negatively biased wafer is excessively large.

만약 직류 바이어스 전위가 플라즈마 가공동안 일정하다면 척에 공급되는 전압레벨을 정적인 방식으로 적절하게 변형함으로써 이러한 불균형을 보상할 수 있다. 예컨대, 쌍극 척의 양극이 공통 기준 전압레벨에 대해서 덜 음으로 바이어스 된다면 위에서 언급된 정전기력 불균형을 상당히 제거하여서 정전기적 스파크 위험을 감소시킬 수 있다. 척에 공급되는 전압레벨을 변형시키는 기술은 "음의 오프셋 쌍극 정전기 척"이란 명칭의 미국특허출원 제 08/550,510 (10/30/95 출원, 대리인 문헌 번호 P168/LAM1P004)에 발표된다. 단극 시스템, 예컨대 도 2 에 도시된 시스템에서 전체 척은 플라즈마가 존재할 경우 웨이퍼의 음의 바이어스 레벨을 상쇄하도록 덜 양으로 바이어스될 수 있다.If the DC bias potential is constant during plasma processing, this imbalance can be compensated by appropriately modifying the voltage level supplied to the chuck in a static manner. For example, if the anode of the bipolar chuck is less negatively biased to a common reference voltage level, the electrostatic force imbalance mentioned above can be significantly removed to reduce the risk of electrostatic sparks. Techniques for modifying the voltage level supplied to the chuck are disclosed in US patent application Ser. No. 08 / 550,510, filed 10/30/95, Representative Document No. P168 / LAM1P004, entitled "Negative Offset Bipolar Electrostatic Chuck." In unipolar systems, such as the system shown in FIG. 2, the entire chuck can be biased less positively to offset the negative bias level of the wafer in the presence of plasma.

그러나, 주어진 웨이퍼의 직류 바이어스 전위는 가공동안 일정하게 유지될 수 없으며 사실상 공정단계마다 변할 수 있다. 결과적으로, 웨이퍼와 척간의 전위차와 발생된 정전기력의 변화는 정적인 방식으로 척의 전력공급을 바이어스 시킴으로써 제거될 수 없다.However, the direct current bias potential of a given wafer may not remain constant during processing and may actually vary from process to process. As a result, the potential difference between the wafer and the chuck and the change in the generated electrostatic force cannot be eliminated by biasing the chuck's power supply in a static manner.

상기에 비추어서 필요한 것은 플라즈마 가공동안 정전기 척에 웨이퍼를 고정시키는 개선된 방법 및 장치로서, 이러한 장치와 방법은 플라즈마 가공의 동적 성질에 대해서 실시간 방식으로 대응할 수 있어야 한다.In light of the above, what is needed is an improved method and apparatus for securing a wafer to an electrostatic chuck during plasma processing, which apparatus and method should be able to respond in real time to the dynamic nature of plasma processing.

도 1a 및 1b 는 공지기술의 플라즈마 증진 가공 시스템을 보여준다.1a and 1b show known plasma enhanced processing systems.

도 2 는 단극 정전기 척을 보여준다.2 shows a monopolar electrostatic chuck.

도 3a 는 쌍극 정전기 척의 단면도이다.3A is a cross-sectional view of a bipolar electrostatic chuck.

도 3b 는 쌍극 정전기 척의 도너츠-베이스 구성을 보여준다.3B shows the donut-base configuration of a bipolar electrostatic chuck.

도 4 는 본 발명의 한 측면에 따라서 동적 피이드백 쌍극 정전기(ESC) 척 시스템의 구체예를 보여준다.4 shows an embodiment of a dynamic feedback bipolar electrostatic (ESC) chuck system in accordance with an aspect of the present invention.

도 5a 는 웨이퍼 바이어스 센서의 일례를 보여준다.5A shows an example of a wafer bias sensor.

도 5b 는 웨이퍼 바이어스 센서의 또다른 예를 보여준다.5B shows another example of a wafer bias sensor.

도 6a, 6b, 7 및 8 은 도 5a 의 웨이퍼 바이어스 센서에서 상이한 지점에서 측정된 신호를 보여주는 그래프이다.6A, 6B, 7 and 8 are graphs showing signals measured at different points in the wafer bias sensor of FIG. 5A.

도 9 는 본 발명의 한 측면에 따라서 동적 피이드백 단극 정전기(ESC) 척 시스템의 구체예를 보여준다.9 shows an embodiment of a dynamic feedback monopole electrostatic (ESC) chuck system in accordance with an aspect of the present invention.

* 부호설명* Code Description

100 ... 플라즈마 가공 시스템 102 ... 플라즈마 가공 챔버100 ... plasma processing system 102 ... plasma processing chamber

103 ... 코일 104 ... 샤워 헤드103 ... coil 104 ... shower head

108 ... 웨이퍼 110 ... 척108 ... Wafer 110 ... Chuck

112 ... 포트 120 ... 고주파 발생기112 ... port 120 ... high frequency generator

150 ... RF 발생기 152 ... 전환회로150 ... RF generator 152 ... Switching circuit

200 ... 척 202 ... 유전층200 ... Chuck 202 ... Dielectric Layer

302 ... 척 304 ... 양극302 ... Chuck 304 ... Anode

306 ... 음극 310 ... 전력공급원306 ... cathode 310 ... power supply

400 ... 웨이퍼 바이어스 센서 402 ... 측정점400 ... wafer bias sensor 402 ... measuring point

403 ... 도체 410 ... 브리지403 ... conductor 410 ... bridge

417,418 ... RF필터 420 ... RF발생기417,418 ... RF filter 420 ... RF generator

421,422 ... 블로킹 축전기 424 ... RF 부합회로421,422 ... blocking capacitors 424 ... RF compliant circuit

502,504,508 ... 도체 506 ... 블로킹 축전기502,504,508 ... conductor 506 ... blocking capacitor

510 ... 다이오드 모듈 512,514 ... 레지스터510 ... Diode Modules 512,514 ... Resistors

516 ... 축전기 518 ... 노드516 ... Capacitors 518 ... Nodes

520 ... RC 네트워크 550,552,554,556 ... 회로블럭520 ... RC network 550,552,554,556 ... circuit block

551a,551b ... 축전기 560,562 ... 다이오드551a, 551b ... capacitor 560,562 ... diode

564 ... 레지스터 570 ... 버퍼회로564 ... Register 570 ... Buffer Circuit

572 ... 전력공급원 574 ... 레지스터572 ... power supply 574 ... resistor

본 발명은 정전기 척의 표면상에 웨이퍼를 고정시키기 위한 정전기 척을 가지는 정전기 척 시스템에 관계한다. 이 정전기 척 시스템은 교류 신호를 감지하기 위한 정전기 척의 제 1 부위에 연결된 웨이퍼 바이어스 센서를 포함한다. 웨이퍼 바이어스 센서는 교류신호에 응답하여 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨을 나타내는 직류 전압 레벨을 출력한다.The present invention relates to an electrostatic chuck system having an electrostatic chuck for securing a wafer on the surface of the electrostatic chuck. The electrostatic chuck system includes a wafer bias sensor coupled to a first portion of the electrostatic chuck for sensing an alternating signal. The wafer bias sensor outputs a DC voltage level indicating the DC bias level of the wafer in response to the AC signal.

정전기 척 시스템은 웨이퍼 바이어스 센서에 연결된 가변 정전기 척 전력 공급원을 포함한다. 가변 정전기 척 전력 공급원은 정전기 척의 제 1 부위에 제 1 전위 레벨을 제공한다. 제 1 전위 레벨은 크기에 직류 전압레벨에 응답하여 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨의 무관하게 정전기 척의 제 1 부위와 제 1 부위를 덮는 웨이퍼의 제 1 지역간에 제 1 사전한정된 전위차를 유지시키도록 변경된다.The electrostatic chuck system includes a variable electrostatic chuck power supply coupled to a wafer bias sensor. The variable electrostatic chuck power source provides a first potential level at the first portion of the electrostatic chuck. The first potential level is varied in size to maintain a first predefined potential difference between the first portion of the electrostatic chuck and the first region of the wafer covering the first portion regardless of the direct current bias level of the wafer.

또다른 구체예에서, 본 발명은 정전기 척의 표면에 웨이퍼를 고정시키는 방법에 관계한다. 이 방법은 정전기 척의 제 1 부위에서 제 1 교류신호를 감지하고 제 1 교류신호에 응답하여 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨을 나타내는 직류 전압 레벨을 유도하는 단계를 포함한다. 게다가, 본 방법은 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨의 크기에 무관하게 정전기 척의 제 1 부위와 제 1 부위를 덮는 웨이퍼의 제 1 지역간에 사전한정된 전위차를 유지시키도록 직류 전압레벨에 응답하여 직류 전력 공급원에 의해 정전기 척의 제 1 부위에 공급된 제 1 전위레벨을 변경하는 단계를 포함한다.In another embodiment, the present invention relates to a method of securing a wafer to the surface of an electrostatic chuck. The method includes sensing a first AC signal at a first portion of the electrostatic chuck and inducing a DC voltage level indicative of the DC bias level of the wafer in response to the first AC signal. In addition, the method is controlled by a DC power supply in response to a DC voltage level in order to maintain a predetermined potential difference between the first region of the electrostatic chuck and the first region of the wafer covering the first region, regardless of the magnitude of the DC bias level of the wafer. Changing the first potential level supplied to the first portion of the electrostatic chuck.

웨이퍼 직류 바이어스 레벨을 동적으로 추론하며 추론된 웨이퍼 직류 바이어스 레벨에 응답하여 정전기 척(ESC) 전력공급원에 의해 ESC척의 극에 공급되는 전위레벨을 변경하는 발명이 발표된다.An invention is disclosed which dynamically infers a wafer direct current bias level and changes the potential level supplied to the pole of an ESC chuck by an electrostatic chuck (ESC) power supply in response to the inferred wafer direct current bias level.

도 4 는 본 발명의 한 측면에 따라서 동적 피이드백 정전기(ESC)척 시스템의 구체예를 보여준다. 도 4 의 ESC 척 시스템은 웨이퍼 직류 바이어스 레벨이 동적으로 추론되어서 ESC 전력공급원에 의해 ESC 척의 극에 공급된 전위레벨을 변경하는데 사용되기 때문에 동적 피이드백 구성이라고 불린다. 쌍극 ESC 척이 도시될지라도 후속의 도 9 에서 동적 피이드백 개념이 단극 ESC척에도 적용된다.4 shows an embodiment of a dynamic feedback electrostatic (ESC) chuck system in accordance with an aspect of the present invention. The ESC chuck system of FIG. 4 is called a dynamic feedback configuration because the wafer DC bias level is dynamically inferred and used to change the potential level supplied to the poles of the ESC chuck by the ESC power supply. Although a bipolar ESC chuck is shown, the dynamic feedback concept in the subsequent FIG. 9 also applies to a unipolar ESC chuck.

도 4 에서 도너츠 부위(304)와 베이스 부위(306)를 포함한 쌍극 ESC척(302)이 도시된다. 쌍극 ESC척(302)은 RF 발생기(420)로 부터 플라즈마로의 전력 전달을 최대화시키는 역할을 하는 부합회로(424)를 통해 RF발생기(420)에 의해 여자된다. RF 피크대 피크 전압(V피크-피크)은 웨이퍼 바이어스 센서(WBS)(400)에 의해 ESC척상의 사전 한정된 측정점(402)에서 도체(403)를 통해 감지된다. 측정점(402)은 쌍극 ESC척(302)의 베이스 부위(306)에 위치되지만 척상의 모든 지점, 예컨대 도너츠 부위(304)에 위치될 수도 있다. 특히 측정점(402)은 플라즈마 환경에 노출되지 않는 척지점에 위치된다. 이러한 방식으로 고반응성 플라즈마 환경에 노출시키지 않음으로써 도체(403)의 장기간 존속성을 위태롭게 하지 않고 RF 피크대 피크 전압이 감지될 수 있다. 플라즈마 가공챔버로 부터 웨이퍼 바이어스 센서 접촉, 즉 도체(403)의 부재는 오염 가능성을 최소화 한다.In FIG. 4 a bipolar ESC chuck 302 is shown comprising a donut portion 304 and a base portion 306. The bipolar ESC chuck 302 is excited by the RF generator 420 through a matching circuit 424 which serves to maximize power transfer from the RF generator 420 to the plasma. The RF peak-to-peak voltage (V peak-peak ) is sensed through the conductor 403 by a wafer bias sensor (WBS) 400 at a predefined measurement point 402 on the ESC chuck. The measuring point 402 is located at the base portion 306 of the bipolar ESC chuck 302 but may be located at any point on the chuck, such as the donut portion 304. In particular, the measuring point 402 is located at a chuck point that is not exposed to the plasma environment. By not exposing to a highly reactive plasma environment in this manner, RF peak-to-peak voltage can be sensed without jeopardizing the long term persistence of the conductor 403. Wafer bias sensor contact from the plasma processing chamber, ie the absence of conductor 403, minimizes the possibility of contamination.

본 발명의 한 측면에 따라서 교류신호인 측정된 RF 피크대 피크 전압은 이후에 웨이퍼 바이어스 센서(400)에 의해서 직류 전압 레벨로 전환된다. 웨이퍼의 직류 바이어스 전압(VDC-W)은 다음 수학식 1 에 따라 ESC척에 의해 측정된 피크대 피크 전압(V피크-피크)에 관계된다:According to one aspect of the invention, the measured RF peak-to-peak voltage, which is an alternating signal, is then converted by the wafer bias sensor 400 to a direct current voltage level. The direct current bias voltage (V DC-W ) of the wafer is related to the peak- to-peak voltage (V peak-peak ) measured by the ESC chuck according to the following equation:

[수학식 1][Equation 1]

여기서, VPL 은 플라즈마 전압을 나타내며 VDC-W 는 RF전력이 척에 공급되고 플라즈마가 플라즈마 가공챔버에 존재할 때 웨이퍼의 직류 바이어스 전압을 나타낸다.Here, V PL represents the plasma voltage and V DC-W represents the DC bias voltage of the wafer when RF power is supplied to the chuck and the plasma is present in the plasma processing chamber.

전형적인 플라즈마 가공환경에서 플라즈마 전압(VPL)은 20-70볼트이다. 이에 반하여 RF원에 의해 척에 공급되는 피크대 피크 전압(VPK-PK)은 최대 2000볼트, 특히 300-1500볼트이다. 플라즈마 전압(VPL)은 척상에서 측정된 피크대 피크 전압(VPK-PK)보다 훨씬 작기 때문에 근사화된 웨이퍼의 직류 바이어스 전압은 플라즈마 전압(VPL)이 무시된 다음 수학식 2 나타낼 수 있다.In a typical plasma processing environment, the plasma voltage (V PL ) is 20-70 volts. In contrast, the peak-to-peak voltage (V PK-PK ) supplied to the chuck by the RF source is at most 2000 volts, in particular 300-1500 volts. Since the plasma voltage V PL is much smaller than the peak-to-peak voltage V PK-PK measured on the chuck, the DC bias voltage of the approximated wafer may be represented by Equation 2 after the plasma voltage V PL is ignored.

[수학식 2][Equation 2]

수학식 2 에서 웨이퍼의 직류 바이어스 전압 근사치 (VDC-WA)는 척의 측정된 피크대 피크 전압 (VPK-PK)으로 부터 직접적이고 정확하게 추론될 수 있다.In Equation 2, the DC bias voltage approximation (V DC-WA ) of the wafer can be directly and accurately inferred from the measured peak-to-peak voltage (V PK-PK ) of the chuck.

웨이퍼 바이어스 센서(WBS)(400)의 기능은 ESC 척상에서 측정된 RF 피크대 피크 전압으로 부터 근사화된 웨이퍼 직류 바이어스 전압 (VDC-WA)을 도출하는 것이다. 이러한 웨이퍼 직류 전압 (VDC-WA)은 이후에 가변 ESC 전력공급원(412)으로의 피이드백 전압으로서 사용되어서 두 개의 극(쌍극 ESC 척의 극(304, 306))에 공급된 전위레벨을 변경한다.The function of the wafer bias sensor (WBS) 400 is to derive an approximated wafer DC bias voltage (V DC-WA ) from the RF peak-to-peak voltage measured on the ESC chuck. This wafer DC voltage V DC-WA is then used as a feedback voltage to the variable ESC power supply 412 to change the potential level supplied to the two poles (poles 304 and 306 of the bipolar ESC chuck). .

도 4 의 예에서 근사화된 웨이퍼 직류 바이어스 전압(VDC-WA)은 가변 ESC 전력공급원(412)의 브리지(410)에 공급되어서 베이스 부위(306)와 도너츠 부위(304)(각각 도체(414, 416)를 통해서)에 공급되는 전위 레벨을 조절한다. 브리지(410)는 직렬로 연결된 두 개의 저항(R1, R2)을 포함하며 노드(430, 432)에서 전위레벨을 변경시키는데 사용된다. 이러한 방식으로, 쌍극 ESC 척의 극에 공급된 전위 레벨은 근사화된 웨이퍼 직류 바이어스 전압 (VDC-WA)에 대해서 조절된다.In the example of FIG. 4, the approximated wafer DC bias voltage (V DC -WA ) is supplied to the bridge 410 of the variable ESC power supply 412 to provide a base portion 306 and a donut portion 304 (conductors 414, respectively). Control the potential level. Bridge 410 includes two resistors R1 and R2 connected in series and is used to change the potential level at nodes 430 and 432. In this way, the potential level supplied to the pole of the bipolar ESC chuck is adjusted for an approximated wafer direct current bias voltage (V DC -WA ).

예컨대, 근사화된 웨이퍼 직류 바이어스 전압 (VDC-WA)이 -100볼트 부근에 있다면 직류 전압 소스(VS)에 의해 쌍극 ESC 척(302)의 음극 및 양극(즉, 도 4 에서 베이스 부위(306)와 도너츠 부위(304))에 공급되는 전위 레벨은 동일한 크기, 즉 100볼트 감소된다. 따라서, 극과 웨이퍼 지역간의 전위차는 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨에 관계없이 불변한다.For example, if the approximated wafer DC bias voltage (V DC -WA ) is around -100 volts, the cathode and anode of the bipolar ESC chuck 302 by the DC voltage source (V S ) (ie, base region 306 in FIG. 4). ) And the donut site 304) are reduced by the same size, ie 100 volts. Thus, the potential difference between the pole and the wafer region is constant regardless of the direct current bias level of the wafer.

가변 ESC 전력 공급원(412)이 직류 공급 소스와 직렬 연결된 브리지에 의해 구현되지만 직류입력신호에 대해 출력을 변경할 수 있는 다른 종래의 가변 직류 전력공급원이 사용될 수 있다.Although a variable ESC power source 412 is implemented by a bridge connected in series with a DC supply source, other conventional variable DC power sources that can change the output for a DC input signal can be used.

또다른 구성에서, 브리지(410)를 형성하는 저항, 예컨대 도 4 의 저항(R1, R2)은 균형이 잡히지 않아서 척의 극에 극성이 반대이며 크기가 동일하지 않은 전위레벨을 공급할 수 있다. 척의 극에 공급되는 전위 레벨을 변경하는 능력은 필요한 웨이퍼 고정력을 얻기 위해 조절될 수 있는 또다른 변수이다.In another configuration, the resistors forming bridge 410, such as resistors R1 and R2 of FIG. 4, may be unbalanced to supply potential levels of opposite polarity and not equal size to the poles of the chuck. The ability to change the potential level supplied to the pole of the chuck is another variable that can be adjusted to obtain the required wafer holding force.

도 5a 는 도 4 의 웨이퍼 바이어스 센서(400)의 일례를 보여주며, 쌍극 ESC 척(302)상에서 수득된 교류 신호에 대해 음의 피크 탐지를 수행하여서 웨이퍼 직류 바이어스 전압을 추론한다. 도 5 에 도시된 예는 단지 설명을 위함이며 유사한 음의 피크 탐지 업무를 수행하는 종래의 회로가 존재한다. 웨이퍼 바이어스 센서(400)는 교류 RF 신호에서 음의 피크 탐지를 수행하도록 설계되므로 이의 성분은 측정된 고전압, 고주파 교류 신호를 취급하도록 선택된다.5A shows an example of the wafer bias sensor 400 of FIG. 4, inferring the wafer DC bias voltage by performing negative peak detection on the alternating current signal obtained on the bipolar ESC chuck 302. The example shown in FIG. 5 is for illustration only and there is a conventional circuit that performs a similar negative peak detection task. Since the wafer bias sensor 400 is designed to perform negative peak detection on the AC RF signal, its components are selected to handle the measured high voltage, high frequency AC signal.

도 5a 에서, 웨이퍼 바이어스 센서(400)는 도체(502)를 통해서 척상에서 측정된 RF 피크대 피크 교류 신호(VPK-PK)를 수신하고 도체(504)를 통해 가변 정전기 척 전력 공급원에 근사화된 웨이퍼 직류 바이어스 전압(VDC-WA)을 출력한다. 직류차단 축전기(506)는 도체(502)상의 직류 전압레벨을 도체(508)로 부터 차단한다.In FIG. 5A, wafer bias sensor 400 receives an RF peak-to-peak alternating signal (V PK-PK ) measured on the chuck via conductor 502 and approximates a variable electrostatic chuck power supply through conductor 504. The wafer DC bias voltage V DC-WA is output. The DC blocking capacitor 506 cuts off the DC voltage level on the conductor 502 from the conductor 508.

도체(502)상에 알려진 피크대 피크 정보는 노드(508)에서도 존재한다. 그러나, 도체(502)상의 파형에 비해서 노드(508)에서의 파형은 RF 피크 전압의 크기(즉 RF 피크대 피크 전압의 1/2) 빼기 다이오드 모듈(510)의 전방 바이어스 전압과 동일한 값만큼 하향으로 이동된다. 예컨대, RF 피크대 피크 전압이 700볼트이고 다이오드 모듈(510)의 전방 바이어스 전압이 약 30 볼트이면 하향 이동 크기는 약 320볼트이다(700볼트/2 -30볼트).The peak-to-peak information known on conductor 502 is also present at node 508. However, compared to the waveform on the conductor 502, the waveform at the node 508 is downward by the same value as the front bias voltage of the diode module 510 minus the magnitude of the RF peak voltage (i.e., half of the RF peak-to-peak voltage). Is moved to. For example, if the RF peak-to-peak voltage is 700 volts and the front bias voltage of the diode module 510 is about 30 volts, the downward travel magnitude is about 320 volts (700 volts / 2-30 volts).

다이오드 모듈(510)은 RC 회로(518)와 병렬연결되고 직렬로 연결된 복수의 다이오드를 나타내며, 이의 집합 전방 바이어스 전압은 플라즈마 전위(VPL)와 유사하다. 다중 다이오드를 직렬로 사용하는 것은 다이오드 모듈(510)이 노드(508)에 존재하는 고전압 피크를 견딜 수 있게 하는데 유용하다. 한 실시예에서, 이러한 집합 전방 바이어스 전압은 제 1 차까지 플라즈마 전압(VPL)과 근사한 약 30볼트이다. 다이오드 모듈(510)내의 다이오드는 용량성 전압 분할회로의 형성을 방지하며 노드(508)에서 교류 신호의 정확한 피크 탐지를 보장하도록 정전 용량이 낮게 선택된다. 한 구체예에서, 다이오드 모듈(510)은 직렬연결로 약 42개의 다이오드를 포함하며, 각 다이오드는 약 2-4PF의 정전용량값을 가진다. 특히, 다이오드 모듈(510)은 4PF 미만, 특히 약 0.5PF의 집합 정전용량값을 가진다. 게다가, 다이오드 모듈(510)은 피크 탐지회로에 에러를 도입하는 노드(508)에서 교류신호의 위상이동을 최소화하기 위해서 15나노세컨드(nanosecond) 미만의 응답시간을 가진다. 추가로, 다이오드 모듈의 각 다이오드는 탄소 조성물을 포함한 전압균형 저항과 병렬 연결된다. 게다가, 전압균형저항은 2PF미만의 낮은 기생정전용량과 30-50nH 미만의 낮은 기생 인덕턴스를 가진다. 다이오드 모듈에서 다이오드가 직렬 연결될 경우 전압 균형 저항은 직렬로 연결되어서 과도한 역전압으로 인한 다이오드 역전 파괴를 막기 위해서 다이오드의 역전압을 균일하게 분배시킨다.The diode module 510 represents a plurality of diodes connected in series and in series with the RC circuit 518, whose aggregate front bias voltage is similar to the plasma potential V PL . Using multiple diodes in series is useful to allow diode module 510 to withstand the high voltage peaks present at node 508. In one embodiment, this aggregate front bias voltage is about 30 volts close to the plasma voltage V PL up to the first order. The diodes in diode module 510 are selected with low capacitance to prevent the formation of capacitive voltage divider circuits and to ensure accurate peak detection of the alternating signal at node 508. In one embodiment, diode module 510 includes about 42 diodes in series, each diode having a capacitance value of about 2-4 PF. In particular, diode module 510 has an aggregate capacitance value of less than 4 PF, in particular about 0.5 PF. In addition, the diode module 510 has a response time of less than 15 nanoseconds to minimize the phase shift of the AC signal at the node 508 which introduces an error in the peak detection circuit. In addition, each diode of the diode module is connected in parallel with a voltage balancing resistor including the carbon composition. In addition, the voltage balancing resistance has a low parasitic capacitance of less than 2 PF and a low parasitic inductance of less than 30-50 nH. In diode modules, when the diodes are connected in series, the voltage balancing resistors are connected in series to evenly distribute the reverse voltage of the diode to prevent diode reverse destruction caused by excessive reverse voltage.

저항(512)이 다이오드 모듈(510) 사이에 연결되고 다이오드 모듈(510)로의 전류서지를 제한하기 위해서 접지되며 축전기(506) 충전에 일정한 시간을 제공한다. 한 구체예에서 저항(512)은 축전기(506)가 800나노세컨드내에 충전될 수 있도록 선택된다.A resistor 512 is connected between the diode modules 510 and grounded to limit the current surge to the diode module 510 and provides a constant time for charging the capacitor 506. In one embodiment, resistor 512 is selected such that capacitor 506 can be charged within 800 nanoseconds.

노드(508)에 제시된 파형으로 부터 직류 정보를 획득하기 위해서 저역필터가 사용된다. 선호된 구체예에서 저역필터는 저항(514)과 축전기(516)를 포함하는 RC 네트워크(520)에 의해 구현된다. 노드(508)에서의 신호는 비교적 높은 전압의 교류신호이므로 저항(514)은 병렬공명을 막고 전력 분산을 최소화하도록 낮은 임피던스의 저항이 선호된다. 한 구체예에서 저항(514) 약 50nH 미만의 인덕턴스를 가진다.A low pass filter is used to obtain direct current information from the waveform presented at node 508. In a preferred embodiment the low pass filter is implemented by an RC network 520 comprising a resistor 514 and a capacitor 516. Since the signal at node 508 is a relatively high voltage alternating current signal, resistor 514 is preferably a low impedance resistor to prevent parallel resonance and minimize power dissipation. In one embodiment, resistance 514 has an inductance of less than about 50 nH.

게다가, 저항(514)은 노드(508)에서 완전 피크대 피크 전압을 견디기 위해서 고전압, 고전력 저항이 선호된다. 예컨대, 3K볼트, 특히 6K볼트의 정격전압을 가지는 저항이 적합하다. 이러한 저항(514)의 정격 전력은 약 15와트이다.In addition, resistor 514 is preferably a high voltage, high power resistor to withstand full peak to peak voltage at node 508. For example, resistors having a rated voltage of 3K Volts, in particular 6K Volts, are suitable. The rated power of this resistor 514 is about 15 watts.

저항(514)과 축전기(516) 사이에서 노드(518)는 도체(504)에 연결되어서 웨이퍼 직류 바이어스 전압을 근사시키는 음의 직류전압(VDC-WA)을 가변 ESC 척 전력공급원, 즉 도 4 의 ESC 전력공급원(412)의 브리지(410)에 제공한다.Between resistor 514 and capacitor 516, node 518 is connected to conductor 504 to convert a negative DC voltage (V DC-WA ) that approximates the wafer DC bias voltage, which is a variable ESC chuck power supply, i. To the bridge 410 of the ESC power supply 412.

이러한 방식으로, 본 발명은 ESC 척으로 부터 RF 피크대 피크 전압을 탐지해서 이로 부터 웨이퍼의 직류 바이어스 근사 레벨을 추론한다. 추론된 근사 직류 바이어스 레벨은 이후에 상이한 플라즈마 조건하에서 웨이퍼의 직류전압레벨의 플라즈마 유도 변화를 동적으로 처리하기 위해서 가변 ESC 척 전력공급원에 의해 공급되는 전위 레벨을 변경하는 피이드백 전압으로 사용된다.In this way, the present invention detects the RF peak-to-peak voltage from the ESC chuck and infers the DC bias approximation level of the wafer from it. The inferred approximated direct current bias level is then used as the feedback voltage to change the potential level supplied by the variable ESC chuck power supply to dynamically process the plasma induced change in the direct current voltage level of the wafer under different plasma conditions.

동적 피이드백 특징 때문에 비교적 일정한 전위차가 가공중 ESC 척의 극과 웨이퍼지역간에 유지된다. 따라서, 척과 웨이퍼간의 고정력은 아아크발생 또는 디처킹(dechucking) 가능성을 감소시키도록 공차내에 있어야 한다.Due to the dynamic feedback feature, a relatively constant potential difference is maintained between the pole of the ESC chuck and the wafer region during processing. Therefore, the holding force between the chuck and the wafer should be within tolerances to reduce the likelihood of arcing or dechucking.

도 5b 는 도 4 의 웨이퍼 바이어스 센서(400)의 또다른 구체예를 보여준다. 도체(502)는 척상에서 측정된 RF 피크대 피크 교류 신호(VPK-PK)를 도 5b 의 웨이퍼 바이어스 센서에 공급한다. 근사화된 웨이퍼 직류 전압(VDC-WA)이 도체(504)를 통해 가변 정전기 척 전력 공급원, 즉 도 4 의 가변 정전기 척 전력공급원(412)에 출력된다.5B shows another embodiment of the wafer bias sensor 400 of FIG. 4. Conductor 502 supplies the RF peak-to-peak alternating signal (V PK-PK ) measured on the chuck to the wafer bias sensor of FIG. 5B. The approximated wafer direct current voltage (V DC -WA ) is output through the conductor 504 to the variable electrostatic chuck power supply, that is, the variable electrostatic chuck power supply 412 of FIG. 4.

도 5b 의 웨이퍼 바이어스 센서에서 회로블럭(550)은 RF 신호 축소 블럭, 특히 축전기(551b)의 값의 99배인 축전기(551a)의 값을 갖는 100:1 용량성 분할 회로이다. 회로블럭(552)은 두 개의 고속 다이오드(560, 562)와 저항(504)을 포함하는 음의 피크 탐지기 회로를 나타낸다. 회로블럭(554)은 회로블럭(552)의 음의 피크 탐지기 회로의 출력으로 부터 직류 신호를 획득하는 필터이다. 도 5b 의 구체예에서 회로 블럭(554)은 RC 필터에 의해 구현된다.The circuit block 550 in the wafer bias sensor of FIG. 5B is a 100: 1 capacitive splitting circuit with the value of the capacitor 551a which is 99 times the value of the RF signal reduction block, particularly the capacitor 551b. Circuit block 552 represents a negative peak detector circuit comprising two fast diodes 560, 562 and a resistor 504. The circuit block 554 is a filter that obtains a direct current signal from the output of the negative peak detector circuit of the circuit block 552. In the embodiment of FIG. 5B, circuit block 554 is implemented by an RC filter.

회로블럭(556)은 회로블럭(554)의 필터에 의해 출력된 작은 직류신호를 증폭시키는 신호증폭 회로이다. 이 구체예에서, 회로블럭(556)은 100:1의 이득율을 제공하며 고전압 가변 부동 전력 공급원(572)과 직렬 연결된 버퍼 회로(570)를 포함한다. 회로 블럭(550)의 축소값과 회로블럭(556)의 증폭값은 변화될 수 있다. 고전압 가변 부동 전력 공급원(572)의 양의 단자는 직접 접지되거나 누출전류를 제한시키기 위해 저항(574)을 통해 접지된다. 이후에 회로블럭(556)의 출력은 도체(504)를 통해 가변 정전기 척 전력공급원, 예컨대 도 4 의 전력공급원(412)에 제공된다.The circuit block 556 is a signal amplifying circuit that amplifies a small DC signal output by the filter of the circuit block 554. In this embodiment, circuit block 556 includes a buffer circuit 570 that provides a gain ratio of 100: 1 and is connected in series with a high voltage variable floating power supply 572. The reduced value of the circuit block 550 and the amplified value of the circuit block 556 may be changed. The positive terminal of high voltage variable floating power supply 572 is either directly grounded or grounded through resistor 574 to limit leakage current. The output of the circuit block 556 is then provided via a conductor 504 to a variable electrostatic chuck power supply, such as the power supply 412 of FIG. 4.

도 6a 는 도 4 의 측정점(423)에서 측정된 교류 RF 신호를 보여주는 그래프이다. 피크대 피크 정보가 파형에 포함되며 도 5a 에서 VPK-PK 로 표기된다. 직류 성분은 직류 차단 축전기, 예컨대 도 4 의 축전기(421, 422)에 의해 제거되므로 파형은 전압축의 수평 0볼트 라인 주위로 대칭적이다. 도 6b 는 ESC 척상에서, 예컨대 도 4 의 측정점(402)에서 측정된 교류 RF 신호를 보여주는 그래프이다. 도 6b 에 도시된 파형은 공급 전압(VS)의 절반 더하기 웨이퍼 직류 바이어스 크기만큼 하향이동, 즉 VS/2 + |VDC-W|만큼 하향이동 되는 점을 제외하면 도 6 과 동일한 모양과 피크대 피크 전압(VPK-PK)을 가진다.FIG. 6A is a graph illustrating an AC RF signal measured at the measuring point 423 of FIG. 4. Peak-to-peak information is included in the waveform and denoted V PK-PK in FIG. 5A. The DC component is removed by a DC blocking capacitor, such as capacitors 421 and 422 in FIG. 4 so that the waveform is symmetrical around the horizontal zero volt line of the voltage axis. FIG. 6B is a graph showing an AC RF signal measured on an ESC chuck, eg, at measurement point 402 of FIG. 4. The waveform shown in FIG. 6B is the same as that of FIG. 6 except that it is shifted downward by half the supply voltage (V S ) plus the wafer DC bias magnitude, ie, downward by V S / 2 + | V DC-W | It has a peak-to-peak voltage (V PK-PK ).

도 7 은 도 5a 의 음의 피크 탐지기의 노드(508)에서 수득된 교류 RF 신호를 보여주는 그래프이다. 도 7 에 도시된 파형은 피크 전압값(즉, RF 피크대 피크 전압의 1/2) 빼기 다이오드 모듈의 전방 바이어스 전압 크기(VD)만큼 하향 이동된 점을 제외하면 도 6 과 동일한 모양과 피크대 피크 전압(VPK-PK)을 가진다. 따라서, 0볼트 위의 파형부위는 다이오드 모듈의 전방 바이어스 전압을 나타내며 도 7 에서 VD 로 표기된다. 한 구체예에서, 다이오드 모듈(510)의 전방 바이어스 전압은 플라즈마 전압(VPL)에 근사하도록, 예컨대 30볼트가 되도록 선택된다.FIG. 7 is a graph showing an alternating RF signal obtained at node 508 of the negative peak detector of FIG. 5A. The waveform shown in FIG. 7 is the same shape and peak as in FIG. 6 except that the peak voltage value (ie, half of the RF peak-to-peak voltage) is subtracted downward by the front bias voltage magnitude (V D ) of the diode module. It has a large peak voltage (V PK-PK ). Thus, the waveform portion above 0 volts represents the front bias voltage of the diode module and is denoted V D in FIG. 7. In one embodiment, the front bias voltage of diode module 510 is selected to be close to the plasma voltage V PL , such as 30 volts.

도 8 은 도 5a 의 도체(504)상에서 웨이퍼 바이어스 센서에 의해 출력된 직류 피이드백 신호를 보여준다. 이러한 직류 바이어스는 웨이퍼의 동적으로 추론된 직류 바이어스를 나타내는 음의 값이다. 이러한 직류 피이드백 신호는 정전기 척의 극에 공급되는 전위 레벨을 변경시키는데 사용되는 신호이다.FIG. 8 shows the direct current feedback signal output by the wafer bias sensor on the conductor 504 of FIG. 5A. This direct current bias is a negative value representing the dynamically inferred direct current bias of the wafer. This DC feedback signal is a signal used to change the potential level supplied to the pole of the electrostatic chuck.

도 9 는 본 발명의 동적 피이드백 기술을 사용하는 단일극 척 시스템을 보여준다. 도 9 에서 단일극 척(200)은 음으로 바이어스 될 수 있을지라도 필요한 고정력을 제공하기 위해서 양으로 바이어스 된다. 음으로 바이어스된 단일극 척에 대해서 동적 감지를 위해서 도 9 의 회로를 변경할 수 있다.9 shows a single pole chuck system using the dynamic feedback technique of the present invention. In Fig. 9, the monopole chuck 200 is positively biased to provide the necessary clamping force, although it may be negatively biased. The circuit of FIG. 9 can be modified for dynamic sensing for a negatively biased monopole chuck.

도 9 에서 웨이퍼(108)는 단일극 척(200)의 유전층(202) 상부에 배치된다. 척의 피크대 피크 전압이 척상의 측정점(902)에서 탐지되고 웨이퍼 바이어스 센서(WBS)(400)에 의해 처리되어서 근사화된 웨이퍼 직류 바이어스 전압을 추론한다. 도 4 의 측정점(402)과 유사하게 측정점(902)은 센서 존속성을 최대화하고 웨이퍼 가공챔버를 오염시킬 가능성을 최소화하도록 플라즈마 환경에 노출되지 않은 척지점에 위치된다.In FIG. 9, the wafer 108 is disposed over the dielectric layer 202 of the monopole chuck 200. The peak-to-peak voltage of the chuck is detected at measurement point 902 on the chuck and processed by wafer bias sensor (WBS) 400 to infer an approximated wafer direct current bias voltage. Similar to the measurement point 402 of FIG. 4, the measurement point 902 is located at a chuck point not exposed to the plasma environment to maximize sensor persistence and minimize the possibility of contaminating the wafer processing chamber.

한 구체예에서, 웨이퍼 바이어스 센서(400)는 도 5a 의 음의 피크 탐지 회로에 의해 구현된다. 웨이퍼 바이어스 센서(400)에 의해 출력된 추론된 웨이퍼 직류 바이어스 전압은 이후에 직류 전압원(904)에 의해 단일극 척(200)에 공급되는 전위레벨을 변경하는 피이드백 전압으로서 사용된다. 예컨대, 웨이퍼가 더욱 음으로 바이어스 될수록 웨이퍼 바이어스 센서(400)에 의해 출력된 추론된 웨이퍼 직류 바이어스 전압은 더욱 음이 된다. 이러한 추론된 직류 바이어스 전압에 응답하여 직류 전압원(904)은 척(200)에 공급되는 양의 직류 전위레벨을 감소시킨다. RF 필터(417), RF 발생기(422), RF 부합회로(424) 및 직류 차단 축전기는 도 4 와 관련하여 설명되었다.In one embodiment, wafer bias sensor 400 is implemented by the negative peak detection circuit of FIG. 5A. The inferred wafer DC bias voltage output by the wafer bias sensor 400 is then used as a feedback voltage that changes the potential level supplied by the DC voltage source 904 to the monopole chuck 200. For example, as the wafer becomes more negatively biased, the inferred wafer DC bias voltage output by the wafer bias sensor 400 becomes more negative. In response to this inferred DC bias voltage, the DC voltage source 904 reduces the positive DC potential level supplied to the chuck 200. The RF filter 417, the RF generator 422, the RF conforming circuit 424, and the direct current blocking capacitor have been described with reference to FIG. 4.

동적 피이드백 특징은 단일극 척과 웨이퍼간의 전위차를 전체 공정단계에서 불변으로 유지한다. 결과적으로, 웨이퍼와 단일극 척간에 과도하게 높은 전위차를 생성시킬 가능성이 최소화됨으로써 유전층(202)의 파괴 손상이나 척 또는 웨이퍼 상부면의 피트 마크 손상(아아크로 인한)을 야기시킬 가능성이 감소된다.The dynamic feedback feature keeps the potential difference between the monopole chuck and the wafer constant throughout the process. As a result, the possibility of creating an excessively high potential difference between the wafer and the monopole chuck is minimized, thereby reducing the likelihood of causing breakage damage of the dielectric layer 202 or pit mark damage (due to arc) on the chuck or wafer top surface.

Claims (23)

정전기 척의 제 1 부위에서 교류 신호를 감지하기 위하여 정전기 척의 제 1 부위에 결합되며 상기 교류 신호에 응답하여 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨을 나타내는 직류 전압레벨을 출력하는 웨이퍼 바이어스 센서;A wafer bias sensor coupled to the first portion of the electrostatic chuck to sense an alternating current signal at the first portion of the electrostatic chuck and outputting a direct current voltage level indicative of the direct current bias level of the wafer in response to the alternating current signal; 상기 웨이퍼 바이어스 센서에 연결되며 상기 정전기 척의 제 1 부위에 제 1 전위 레벨을 제공하며 상기 직류 전압레벨에 응답하여 상기 제 1 전위레벨이 변경되어서 상기 정전기 척의 제 1 부위와 상기 제 1 부위 위에 놓이는 상기 웨이퍼의 제 1 지역간의 제 1 사전한정된 전위차를 상기 웨이퍼의 상기 직류 바이어스 레벨의 크기에 관계없이 유지시키는 가변 정전기척의 전력 공급원을 포함하는 정전기 척 표면상에 웨이퍼를 고정시키는 정전기 척을 가지는 정전기 척 시스템.A first potential level coupled to the wafer bias sensor and providing a first potential level to the first portion of the electrostatic chuck, the first potential level being changed in response to the direct current voltage level so as to overlie the first portion and the first portion of the electrostatic chuck; An electrostatic chuck system having an electrostatic chuck holding the wafer on a surface of the electrostatic chuck comprising a power supply of a variable electrostatic chuck that maintains a first predefined potential difference between the first region of the wafer regardless of the magnitude of the direct current bias level of the wafer. . 제 1 항에 있어서, 상기 정전기 척이 상기 제 1 부위로 부터 절연되며 상기 제 1 전위레벨과 차이가 나는 제 2 전위레벨을 수신하기 위해 상기 가변 정전기척의 전력에 연결되는 제 2 부위를 더욱 포함하며 상기 제 2 전위 레벨이 상기 웨이퍼 바이어스 센서에서 나오는 상기 직류 전압 레벨에 응답하여 조절되어서 상기 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨의 크기에 관계없이 상기 정전기척의 제 2 부위가 상기 제 2 부위 위에 놓이는 상기 웨이퍼의 제 2 지역간에 제 2 사전한정된 전위차를 유지시킴을 특징으로 하는 시스템.2. The apparatus of claim 1, further comprising a second portion of the electrostatic chuck insulated from the first portion and coupled to the power of the variable electrostatic chuck to receive a second potential level that is different from the first potential level. The second potential level of the wafer on which the second portion of the electrostatic chuck rests on the second portion irrespective of the magnitude of the DC bias level of the wafer so that the second potential level is adjusted in response to the DC voltage level coming from the wafer bias sensor. And maintain a second predefined potential difference between the regions. 제 2 항에 있어서, 상기 가변 정전기 척의 전력공급원이 상기 직류 전압 레벨을 수신하기 위한 브리지를 포함하며 상기 브리지는 직류 전력공급원과 병렬 연결되며 제 2 저항과 직렬연결된 제 1 저항을 포함함을 특징으로 하는 시스템.The power supply of the variable electrostatic chuck comprises a bridge for receiving the DC voltage level, the bridge comprising a first resistor connected in parallel with the DC power supply and in series with a second resistor. System. 제 3 항에 있어서, 상기 브리지의 제 1 저항과 제 2 저항이 값이 다르게 선택됨을 특징으로 하는 시스템.4. The system of claim 3, wherein the first and second resistors of the bridge are selected differently in value. 제 1 항에 있어서, 상기 직류 전압 레벨이 상기 웨이퍼의 상기 직류 바이어스 레벨의 동적 근사치임을 특징으로 하는 시스템.2. The system of claim 1, wherein the direct current voltage level is a dynamic approximation of the direct current bias level of the wafer. 제 5 항에 있어서, 상기 가변 정전기 척의 전력 공급원이 제 1 공급노드와 제 2 공급노드를 가지는 직류 전압원이며 상기 제 1 공급노드가 직류 전압레벨을 수신하기 위해 상기 웨이퍼 바이어스 센서에 연결되며 상기 제 2 공급노드는 상기 정전기 척의 제 1 부위에 연결됨을 특징으로 하는 시스템.6. The method of claim 5, wherein the power supply of the variable electrostatic chuck is a direct current voltage source having a first supply node and a second supply node and the first supply node is connected to the wafer bias sensor to receive a direct current voltage level and the second supply node. And a supply node is connected to the first portion of the electrostatic chuck. 정전기 척의 제 1 부위에서 제 1 교류 신호를 감지하고;Sense a first alternating current signal at a first portion of the electrostatic chuck; 상기 제 1 교류신호에 응답하여 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨을 나타내는 직류 전압 레벨을 도출하고;Derive a DC voltage level representing a DC bias level of a wafer in response to the first AC signal; 직류 전력 공급원에 의해 정전기 척의 제 1 부위에 공급되는 제 1 전위레벨을 상기 직류 전압레벨에 따라 동적 방식으로 변경시켜서 상기 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨의 크기에 관계없이 정전기 척의 제 1 부위와 제 1 부위 위에 놓이는 웨이퍼의 제 1 지역간에 사전한정된 전위차를 유지시키는 단계를 포함하는 정전기 척의 표면상에 웨이퍼를 고정하는 방법.The first potential level supplied by the DC power supply to the first portion of the electrostatic chuck is dynamically changed in accordance with the DC voltage level so as to be placed on the first portion and the first portion of the electrostatic chuck irrespective of the magnitude of the DC bias level of the wafer. Maintaining a predetermined potential difference between the first region of the wafer to be placed. 제 7 항에 있어서, 상기 직류 전압 레벨에 응답하여 상기 직류 전력 공급원에 의해 정전기 척의 제 2 부위에 공급되는 제 2 전위 레벨을 변경시키며, 이때, 상기 제 2 부위를 상기 제 1 부위로 부터 절연시키고 상기 제 2 전위 레벨을 상기 제 1 전위 레벨과 차이가 나게 하며, 상기 제 2 전위 레벨 변경에 따라, 상기 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨의 크기에 관계없이 상기 정전기척의 제 2 부위와 웨이퍼의 제 2 지역간에 사전한정된 제 2 전위차를 유지시키는 단계를 더욱 포함하는 방법.8. The method of claim 7, wherein the second potential level supplied by the DC power supply to the second portion of the electrostatic chuck is changed in response to the DC voltage level, wherein the second portion is insulated from the first portion. Cause the second potential level to differ from the first potential level, and as the second potential level changes, between the second portion of the electrostatic chuck and the second region of the wafer, regardless of the magnitude of the direct current bias level of the wafer. Maintaining a predefined second potential difference. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 전위 레벨을 변경하는 단계가 브리지를 사용하여 직류 전압 레벨을 수신하는 단계를 포함하고 상기 브리지가 직류 전력 공급원과 병렬연결되며 제 2 저항과 직렬 연결되는 제 1 저항을 포함함을 특징으로 하는 방법.8. The first resistor of claim 7, wherein the step of changing the first potential level comprises receiving a DC voltage level using a bridge, the bridge being connected in series with a DC power supply and in series with a second resistor. Method comprising a. 제 9 항에 있어서, 상기 브리지의 상기 제 1 저항과 제 2 저항이 값이 다르게 선택됨을 특징으로 하는 방법.10. The method of claim 9, wherein the first and second resistors of the bridge are selected differently in value. 제 7 항에 있어서, 상기 직류 전압레벨이 상기 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨의 동적 근사치임을 특징으로 하는 방법.8. The method of claim 7, wherein the direct current voltage level is a dynamic approximation of the direct current bias level of the wafer. 제 11 항에 있어서, 변경단계가 상기 직류 전력공급원의 제 1 공급노드에 직류 전압레벨을 공급하여 상기 직류 전력공급원의 제 2 공급노드에서 상기 제 1 전위 레벨을 변경시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.12. The method of claim 11, wherein the changing step includes supplying a DC voltage level to the first supply node of the DC power supply source to change the first potential level at the second supply node of the DC power supply source. How to. 정전기 척의 제 1 부위에서 제 1 교류 신호를 동적으로 감지하는 수단;Means for dynamically sensing a first alternating current signal at a first portion of the electrostatic chuck; 상기 제 1 교류 신호에 응답하여 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨을 나타내는 직류 전압 레벨을 도출하는 수단;Means for deriving a direct current voltage level indicative of a direct current bias level of a wafer in response to said first alternating signal; 직류 전력 공급원에 의해 정전기 척의 제 1 부위에 공급되는 제 1 전위레벨을 상기 직류 전압 레벨에 따라 동적 방식으로 변경시켜서 상기 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨의 크기에 관계없이 정전기 척의 제 1 부위와 제 1 부위 위에 놓이는 웨이퍼의 제 1 지역간에 사전한정된 전위차를 유지시키는 수단을 포함하는 정전기 척의 표면상에 웨이퍼를 고정하기 위하여 정전기 척을 가지는 정전기 척 시스템.The first potential level supplied by the DC power supply to the first portion of the electrostatic chuck is dynamically changed in accordance with the DC voltage level so as to be placed on the first portion and the first portion of the electrostatic chuck regardless of the magnitude of the DC bias level of the wafer. An electrostatic chuck system having an electrostatic chuck to secure the wafer on the surface of the electrostatic chuck comprising means for maintaining a predetermined potential difference between the first region of the wafer to be placed. 제 13 항에 있어서, 상기 변경수단이 상기 직류 전압 레벨에 응답하여 상기 직류 전력 공급원에 의해 정전기 척의 제 2 부위에 공급되는 제 2 전위 레벨을 변경시키며, 이때, 상기 제 2 부위를 상기 제 1 부위로 부터 절연시키며 상기 제 2 전위 레벨을 상기 제 1 전위 레벨과 차이가 나게 하며, 상기 제 2 전위 레벨 변경에 따라, 상기 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨의 크기에 관계없이 상기 정전기척의 제 2 부위와 웨이퍼의 제 2 지역간에 사전한정된 제 2 전위차를 유지시킴을 특징으로 하는 시스템.14. The apparatus of claim 13, wherein the changing means changes a second potential level supplied to the second portion of the electrostatic chuck by the DC power supply in response to the DC voltage level, wherein the second portion is changed to the first portion. The second potential level is different from the first potential level, and according to the second potential level change, irrespective of the magnitude of the DC bias level of the wafer, And maintain a second predetermined potential difference between the second zones. 제 13 항에 있어서, 상기 변경수단이 상기 직류 전압 레벨을 수신하기 위해 상기 도출수단에 연결된 브리지를 포함하며 상기 브리지가 직류 전력 공급원과 병렬 연결되며 제 2 저항과 직렬 연결되는 제 1 저항을 포함함을 특징으로 하는 시스템.14. The apparatus of claim 13, wherein said changing means comprises a bridge connected to said derivation means for receiving said direct current voltage level and said bridge includes a first resistor connected in parallel with a direct current power supply and in series with a second resistor. System characterized in that. 제 15 항에 있어서, 상기 브리지의 상기 제 1 저항과 제 2 저항이 값이 다르게 선택됨을 특징으로 하는 시스템.16. The system of claim 15, wherein the first and second resistors of the bridge are selected differently in value. 제 13 항에 있어서, 상기 직류 전압 레벨이 상기 웨이퍼의 직류 바이어스 레벨의 동적 근사치임을 특징으로 하는 시스템.14. The system of claim 13, wherein the direct current voltage level is a dynamic approximation of the direct current bias level of the wafer. 제 17 항에 있어서, 변경 수단이 상기 도출 수단과 직류 전력 공급원의 제 1 공급노드 사이에 직접 연결부를 포함하여서 직류 전력 공급원의 제 2 공급노드에서 제 1 전위레벨을 변경함을 특징으로 하는 시스템.18. The system of claim 17, wherein said changing means comprises a direct connection between said derivation means and a first supply node of a direct current power source to change a first potential level at a second supply node of a direct current power source. 제 1 항에 있어서, 상기 정전기척 시스템에서 이용하는 플라즈마 가공 챔버의 플라즈마에 상기 웨이퍼 바이어스 센서를 노출시키지 않도록 상기 웨이퍼 바이어스 센서의 위치가 정해지는 것을 특징으로 하는 정전기 척.The electrostatic chuck of claim 1, wherein the wafer bias sensor is positioned so as not to expose the wafer bias sensor to a plasma of a plasma processing chamber used in the electrostatic chuck system. 제 5 항에 있어서, 상기 정전기척 시스템에서 이용하는 플라즈마 가공 챔버의 플라즈마에 상기 웨이퍼 바이어스 센서를 노출시키지 않도록 상기 웨이퍼 바이어스 센서의 위치가 정해지는 것을 특징으로 하는 정전기 척.6. The electrostatic chuck of claim 5, wherein the wafer bias sensor is positioned so as not to expose the wafer bias sensor to the plasma of the plasma processing chamber used in the electrostatic chuck system. 플라즈마 가공 챔버 내 정전기 척의 표면에서 기판을 조이는 방법으로서, 상기 방법은,A method of tightening a substrate on the surface of an electrostatic chuck in a plasma processing chamber, the method comprising: - 상기 정전기 척 상의 제 1 위치에서 제 1 교류 신호를 동적으로 감지하고,이때 기판 처리 중 상기 플라즈마 가공 챔버의 플라즈마에 상기 동적 감지에 사용되는 센서가 노출되지 않도록 상기 제 1 위치가 결정되며,-Dynamically detecting a first alternating current signal at a first position on said electrostatic chuck, wherein said first position is determined so that a sensor used for said dynamic sensing is not exposed to plasma of said plasma processing chamber during substrate processing, - 상기 기판 처리 중 상기 기판의 직류 바이어스 레벨에 근사하는 직류 전압레벨을 상기 제 1 교류 신호에 따라 도출하며,Derive a DC voltage level approximating a DC bias level of the substrate during the substrate processing in accordance with the first AC signal, - 상기 정전기 척의 제 1 부분과, 상기 기판 처리 중 상기 기판의 상기 직류바이어스 레벨 크기에 상관없이 상기 제 1 부분 위에 놓이는 상기 기판의 제 1 영역 사이에 원하는 전위차를 얻기 위해, 가변 직류 전원 공급 장치에 의해 상기 정전기 척에 공급되는 제 1 전위 레벨을 상기 직류 전압 레벨에 따라 동적 방식으로 수정시키는,In order to obtain a desired potential difference between the first portion of the electrostatic chuck and the first region of the substrate overlying the first portion regardless of the magnitude of the DC bias level of the substrate during the substrate processing. Modifying the first potential level supplied to the electrostatic chuck in a dynamic manner according to the direct current voltage level, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법Method comprising the above steps 제 21 항에 있어서, 상기 정전기 척이 쌍극성 정전기 척을 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.22. The method of claim 21, wherein said electrostatic chuck represents a bipolar electrostatic chuck. 제 21 항에 있어서, 상기 플라즈마 가공 챔버가 플라즈마 에칭용으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.22. The method of claim 21, wherein the plasma processing chamber is configured for plasma etching.
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