KR100631822B1 - 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스퍼터링 챔버와 같은 고온 플라즈마 공정챔버의 초전도 금속막의 물리적 특성의 저하와 포토레지스터층의 열손상을 방지하도록 더 양호한 열적접촉 및 효율적인 열전달을 위한 기판냉각 장치 및 냉각방법에 관한 것으로서, 플라즈마 공정챔버의의 기판냉각장치에 있어서, 일측에 게이트 밸브를 통해 로드락 챔버가 장착된 메인챔버; 메인챔버의 내측 소정 높이에 가로방향으로 고정설치된 냉각판; 메인챔버의 저면 소정위치에 형성된 밀봉대를 통해 수직이동되는 승강장치; 메인챔버 내측에 위치하고 승강장치의 상부에 고정연결된 기판 탑재판; 및 기판 탑재판 상부에 구비된 기판홀더;를 포함하며, 기판 탑재판의 상부면에는 기판홀더와 반도체 웨이퍼가 순차적으로 탑재되고, 메인챔버의 내측 상단 소정위치에 스퍼터링 타겟이 설치된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 기판은 부드러운 동판으로 제조된 기판홀더위에 고정되며, 기판홀더는 막증착을 위해 챔버내에 로드되고, 로드된 후에 기판홀더는 챔버내에 설치된 냉매가 순환되는 냉각판의 바닥면에 밀착접촉되도록 상승된다. 기판냉각장치는 단일기판을 가진 챔버 뿐만 아니라 다중기판이 포함되고 제어회전부가 기판의 선택에 사용되는 챔버에도 적용될 수 있다.
메인챔버, 게이트 밸브, 로드락 챔버, 밀봉대, 냉각판, 승강장치, 벨로우즈, 기판 탑재판, 제어회전부, 기판홀더, 기판커버, 반도체 웨이퍼, 스퍼터링 타겟

Description

플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치 및 방법{A SUBSTRATE COOLING APPARATUS AND METHOD THEREOF IN PLASMA PROCESSING CHAMBER}
도 1은 종래기술을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 단일기판이 사용된 챔버 조립체에 대한 일 실시예를 도시한 단면도.
도 3은 도 2의 벨로우즈 타입의 승강장치에 대한 확대단면도.
도 4는 본 발명에 따른 다수 기판이 사용된 챔버 조립체에 대한 다른 실시예를 도시한 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 단일기판이 사용된 챔버 조립체에 대한 일 실시예가 작동되는 단계를 도시한 도면.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
100,200,300: 반도체 웨이퍼 110,210,310: 기판홀더
120,220,320: 기판탑재판 170,270: 로드락챔버
171,271: 게이트밸브 180,280,380: 스퍼터링 타겟
190,290,390: 메인챔버 211,311: 기판커버
212: 기판커버 림 250,350: 승강장치
251,351: 수직이동대 252,2511,2561,2562: 진공경로
253,340,353: 진공밀봉부 254,354: 제 1 벨로우즈
255: 진공밸브 256,356: 진공밸브 하우징
260,360: 냉각판 261,361: 냉각판 하부면
262,362: 냉각판의 구멍 292,392,391: 밀봉대
330: 제어회전부 331: 회전판의 구멍
332: 회전판 333: 중심축
본 발명은 반도체 웨이퍼 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초전도 집적회로 제조동안 고온처리된 반도체 웨이퍼를 효율적으로 냉각시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 웨이퍼가 스퍼터링에 의한 막 증착과 같은 고온 플라즈마공정을 거치는 동안 기판의 온도는 상승된다. 이러한 온도상승은 증착된 막의 품질과 공정특성에 상당하게 영향을 끼친다. 특히, 소형 챔버내에서 초전도 Nb 막 증착을 위한 스퍼터링 동안 발생된 열은 기판의 온도를 급격하게 상승시켜, 증착된 막의 초전도 특성을 손상시키게 된다. 뿐만 아니라 이러한 불필요한 열은 포토레지스터의 특성을 변화시킬 수도 있으며, 역으로 포토레지스터 특성을 변경시켜 증착 후 상기 레지스터를 제거할 수 없도록 한다.
반도체 웨이퍼 공정기술에 있어서, 사용되는 챔버크기와 기판홀더의 열량에 따라, 기판의 온도는 열적으로 지체되고 분배된다. 그러나, 스퍼터링 동안 발생된 열은 계속해서 기판온도를 흡열량과 발열량이 동일한 높은 레벨까지 상승시키게 되며, 기판홀더의 열량이 충분히 크지 않거나 증착시간이 충분하지 않을 때는, 온도가 플라즈마 공정의 허용한계를 넘게 된다.
도 1에 반도체 웨이퍼 처리장치에 대한 종래기술의 일 예가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 반도체 웨이퍼 처리장치는 메인 챔버(190), 메인챔버(190)의 저면에 위치한 기판 탑재판(120)과 순차적으로 그 위에 위치한 기판 홀더(110), 기판홀더(110)내에 구비된 반도체 웨이퍼(100), 메인챔버(190)내의 상부 소정의 위치에 구비된 스퍼터링 타겟(180) 및 메인챔버(190)의 일측면에 게이트 밸브(171)에 의해 연결 설치되어 있는 로드락 챔버(170)로 구성된다. 메인챔버(190)내에서의 증착을 위해, 웨이퍼(100)와 기판홀더(110)는 게이트 밸브(171)를 통해 로드락 챔버(170)로부터 이송된다.
스퍼터링 동안 진공챔버에서의 냉각은 진공의 특성상 다음의 두 단계 열전달을 모두 통과해야만 가능하다. 1단계는 웨이퍼(100)와 기판홀더(110) 사이의 유효접촉면을 통한 열전달이며, 다음 2단계는 기판홀더(110)와 메인챔버(190)의 저면 사이에 형성된 유효접촉영역을 통한 열전달이다. 그러나, 이러한 종래 방식의 자체하중에 의해 행해지는 접촉은 접촉력이 매우 작아 밀접 접촉에 충분하지 않으며, 그 결과 유효접촉영역은 가시(apparent)접촉영역보다 훨씬 작다. 그러므로, 종래의 처리장치에서 온도를 서서히 증가시키기 위해서는, 즉 웨이퍼의 온도가 플라즈마의 에너지에 의해 급격히 상승하는 것을 막기 위해서는 기판홀더, 기판탑재판등 구성요소들이 큰 열용량을 가져야 한다. 더욱이, 소형 챔버가 사용되거나 스퍼터링 공정을 통해 초전도 Nb막을 증착시키는 동안에는 스퍼터링 에너지가 높아지게 된다. 이때, 기판과 기판홀더 사이 또는 기판홀더와 메인챔버의 저면 사이의 열접촉이 저조하면, 과잉 상승된 온도는 고온 플라즈마 공정시 증착 막 위에 영향을 주게 된다. 즉, 한계고온까지 급격하게 증가된 온도에 의해 증착된 막의 품질저하 및 포토레지스터의 변형이 발생하는 등 열손상이 발생한다.
이와 같이, 종래장치는 고온처리된 반도체 웨이퍼를 냉각시키기 위한 양호한 열적 접촉과 효율적으로 열전달을 하지 못하는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고온 플라즈마 공정챔버의 발생된 열에 의해, 반도체 웨이퍼 상의 초전도 금속막의 물리적 특성의 저하와 포토레지스터층의 열손상을 방지할 수 있도록, 냉각판 및 수직이동 가능한 승강장치를 포함한 기판냉각장치를 제공함으로써 자체하중뿐만 아니라 외부에서 인가한 강력한 접촉력에 의하여 열전달 접촉을 획기적으로 향상시키는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 고온 플라즈마 공정챔버의, 냉각판 및 수직이동 가능한 승강장치, 뿐만 아니라 다수의 기판을 포함할 수 있고 기판을 선택할 수 있는 제어회전부를 더 포함하는 기판냉각장치를 제공하는데 있다.
이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 기판냉각장치는 플라즈마 공정챔버의의 기판냉각장치에 있어서, 일측에 게이트 밸브를 통해 로드락 챔버가 장착된 메인챔버; 메인챔버의 내측 소정 높이에 가로방향으로 고정설치된 냉각판; 메인챔버의 저면 소정위치에 형성된 밀봉대를 통해 수직이동되는 승강장치; 메인챔버 내측에 위치하고 승강장치의 상부에 고정연결된 기판 탑재판; 및 기판 탑재판 상부에 구비된 기판홀더;를 포함하며, 기판 탑재판의 상부면에는 기판홀 더와 반도체 웨이퍼가 순차적으로 탑재되고, 메인챔버의 내측 상단 소정위치에 스퍼터링 타겟이 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 승강장치는 일측이 밀폐되고 타측이 개봉된 제 1 벨로우즈와, 제 1 벨로우즈의 밀폐된 일측면 내부에 고정결합된 진공밸브 하우징와, 진공밸브 하우징 상부에 고정설치되며, 내부에 축상으로 진공경로를 구비한 수직이동대, 및 수직이동대의 상부에 고정설치된 기판탑재판을 포함하며, 제 1 벨로우즈의 개봉된 타측이 메인챔버 저면 외부에 고정 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 진공밸브 하우징는 내부에 진공밸브를 구비하며, 진공밸브는 승강장치
의 저면 외측에 구비된 진공밸브 제어장치와 결합되어, 진공경로를 개폐함에 따라 메인챔버와 벨로우즈의 내부공간 사이의 진공상태를 제어하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 승강장치는 상기 제 1 벨로우즈 내외부의 압력차에 의해 수직이동 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 냉각판은 승강장치가 설치된 지점과 대향하는 위치에 상기 반도체 웨이퍼 형상에 맞추어 구멍이 형성되고, 내부에는 냉매가 순환되는 것을 특징으로 한다.
반도체 웨이퍼가 홀딩되는 기판홀더의 직경은 냉각판에 형성된 구멍의 직경보다 크며, 기판홀더 림의 높이는 홀딩되는 반도체 웨이퍼의 두께보다 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 밀봉대는 수직이동대를 지지하도록 소정의 길이를 가지며, 밀봉대 사이의 대향면에 진공밀봉부가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 기판냉각장치는 플라즈마 공정챔버의의 기판냉각장치에 있어서, 일측에 게이트 밸브를 통해 로드락 챔버가 장착되고, 저면에 적어도 2개의 밀봉대가 구비된 메인챔버; 메인챔버의 내측 소정 높이에 가로방향으로 고정설치된 냉각판; 메인챔버의 저면 일측에 형성된 하나의 밀봉대를 통해 수직이동되는 승강장치; 메인챔버 내측에 위치하고, 승강장치의 상부에 고정연결된 기판 탑재판; 메인챔버의 내측 저면과 냉각판 사이에 회전할 수 있도록 구비되며, 회전판과 중심에 회전축을 구비한 제어회전부; 및 제어회전부의 회전판에 형성된 다수의 구멍 위치에 탑재되는 기판홀더; 를 포함하며, 기판홀더에는 반도체 웨이퍼가 탑재되고, 메인챔버의 내측 상단 소정위치에 스퍼터링 타겟이 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 제어회전부의 회전판에 형성된 구멍의 직경은 기판탑재판의 직경보다 크고 탑재되는 기판홀더의 직경보다 작게 형성되며, 제어회전부의 중심축은 메인챔버의 저면에 형성된 다른 하나의 밀봉대를 통해 외부회전장치와 연결되는 것을 특징으로 한다.
냉각판은 승강장치가 설치된 지점과 대향하는 위치에 반도체 웨이퍼 형상에 맞추어 구멍이 형성되고, 내부에는 냉매 순환관이 형성되는 것을 특징으로 한다. 메인챔버의 저면에 형성된 밀봉대들은 제어회전부의 중심축과 수직이동대를 각각 지지하도록 소정의 길이를 가지며, 각 밀봉대 사이의 대향면에는 진공밀봉부가 더 구비된다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 플라즈마 공정챔버에서의 기판냉각방 법은 반도체 웨이퍼를 기판홀더에 탑재하여 고정한 후 로드락 챔버내로 삽입하는 단계; 기판홀더가 메인챔버내로 로드되어 기판탑재판에 탑재되는 단계; 미리 설정된 온도로 유지된 냉각판 내부에 외부 냉방장치를 이용하여 냉매를 순환시키는 단계; 메인챔버 및 제 1 벨로우즈 내부공간을 진공처리하는 단계; 제 1 벨로우즈 내외부의 압력차를 이용하여 승강장치를 연직방향으로 수직이동하는 단계; 기판 탑재판에 탑재된 반도체 웨이퍼를 홀딩한 기판홀더를 냉각판에 밀착접촉시키는 단계; 플라즈마 공정이 반도체 웨이퍼에 실행되는 단계; 냉각판 내부의 냉매 순환장치내에서 순차적으로 열교환이 이루어지는 단계; 반도체 웨이퍼가 냉각된 후 제 1 벨로우즈내에 기체를 첨가하여 제 1 벨로우즈 내외부의 압력차를 해소시키는 단계; 및 승강장치가 서서히 하방이동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 플라즈마 공정챔버에서의 반도체 기판을 냉각하는 방법은 반도체 웨이퍼를 기판홀더에 탑재하여 고정한 후 로드락 챔버내로 삽입하는 단계; 다수개의 기판홀더가 메인챔버내로 로드되어 제어회전부에 탑재되는 단계; 미리 설정된 온도로 유지된 냉각판 내부에 외부 냉방장치를 이용하여 냉매를 순환시키는 단계; 제어회전부를 회전시켜 반도체 웨이퍼를 스퍼터링 타겟에 대향하도록 위치시키는 단계; 메인챔버 및 제 1 벨로우즈 내부공간을 진공처리하는 단계; 제 1 벨로우즈 내외부의 압력차를 이용하여 승강장치를 연직방향으로 수직이동하는 단계; 기판탑재판에 탑재된 반도체 웨이퍼를 홀딩한 기판홀더를 냉각판에 밀착접촉시키는 단계; 플라즈마 공정이 각각의 반도체 웨이퍼에 순차적으로 실행되는 단계; 냉각판 내부의 냉매 순환장치내에서 순차적으로 열교환이 이루어지는 단계; 반도체 웨이퍼가 냉각된 후 제 1 벨로우즈내에 기체를 첨가하여 제 1 벨로우즈 내외부의 압력차를 해소시키는 단계; 및 승강장치의 하방이동에 의해 처리된 기판홀더가 기판 회전판 위로 이동되는 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 제 1 벨로우즈 내외부의 압력차를 제어할 수 있도록, 제 1 벨로우즈의 내부로부터 외부까지 안내된 벤팅튜브 말단에 벤팅밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 밴팅밸브를 통해 제 1 벨로우즈내에 무수성 기체인 N2 또는 Ar 기체 등을 첨가하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 구성에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 단일기판이 사용된 챔버 조립체에 대한 일 실시예를 도시한 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 기판냉각장치는 일측에 게이트 밸브(271)를 통해 로드락 챔버(270)가 장착된 메인챔버(290), 스퍼터링 타겟(280), 냉각판(260), 승강장치(250), 기판 탑재판(220), 기판홀더(210) 및 반도체 웨이퍼(200)를 포함하고 있다.
메인챔버(290)는 소정 두께를 가진 챔버로서, 측단면이 사각형상이고 저면에는 진공밀봉부(253)를 구비한 제 1 밀봉대(292)가 형성되어 있으며, 일측에 게이트 밸브(271)를 통해 로드락 챔버(270)가 장착된다.
스퍼터링 타겟(280)은 반도체 웨이퍼(200)상에 금속의 얇은 막을 형성하는데 사용되는 재료로서, 일반적으로 원형의 모양을 가진다. 메인챔버의 내측 상단 중심위치에 구비되며, 본 발명에서는 반도체 웨이퍼(200)상에 초전도 Nb막을 증착시킨다.
냉각판(260)은 소정 두께의 판형상으로 중심위치에 소정 직경의 구멍(262)이 형성되며, 저면(261)은 평편면으로 거울과 같이 매끈하게 마무리된다. 냉각판 내부 또는 윗면에는 냉각수 순환관(미도시)이 형성되며, 메인챔버(290)의 내측 상단 소정위치에 가로방향으로 고정설치된다.
승강장치(250)는 일측이 밀폐되고 타측이 개봉된 제 1 벨로우즈(254)와, 진공밸브 하우징(256), 수직이동대(251)를 포함할 수 있다. 제 1 벨로우즈(254)의 개봉된 타측은 원주면을 따라 외부로 절곡되어, 메인챔버(290) 저면 외부에 고정 설치된다. 제 1 벨로우즈(254)의 내부 일측 저면에는 기둥형상의 진공밸브 하우징(256)가 고정결합되고, 진공밸브 하우징(256) 상부에는 소정 길이와 소정 폭으로 구성된 수직이동대(251)가 구비된다. 수직이동대(251)는 메인챔버(290) 저면에 형성된 제 1 밀봉대(292)를 통해 메인챔버(290) 내부와 제1 벨로우즈(254) 내부를 관통한다.
기판 탑재판(220)은 소정 두께의 원판형상으로 수직이동대(251)의 상부에 고정결합된다. 이와 같은 고정결합수단으로는 나사산 결합, 용접 등 다양한 방법으로 체결될 수 있다.
기판홀더(210)는 소정 높이의 림(212)이 원주면을 따라 형성된 소정 두께의 원판형 오목받침대로서, 오목부분에 반도체 웨이퍼(200)를 안전하게 고정시킨다. 기판홀더(210)의 직경은 냉각판(260)의 구멍(262)의 직경보다 크며, 림(212)의 상부면은 평편면으로 형성되며 거울과 같이 매끈하게 마무리된다. 기판홀더(210)는 높은 열전도성을 가진 부드러운 금속으로 제조되며, 동(copper)이 적절하다. 기판홀더(210)는 기판탑재판(220)상에 위치된다.
기판커버(211)는 소정 두께의 구멍 뚫린 원판형상으로, 기판홀더(210)의 오목부위에 적합한 소정 직경을 가진다. 이 구멍을 통해서 반도체 웨이퍼(200) 위에 얇은 막이 형성되며 구멍의 형상은 원형, 사각형, 다각형 등이 될 수 있다.
도 3은 도 2의 벨로우즈 타입의 승강장치에 대한 확대도면을 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 승강장치(250)는 일측이 밀폐되고 타측이 개봉된 제 1 벨로우즈(254)와, 진공밸브 하우징(256), 수직이동대(251)를 포함하며, 제 1 벨로우즈(254)의 개봉된 타측은 메인챔버(290) 저면 외부에 고정 설치된다. 제 1 벨로우즈(254)의 밀폐된 일측에는 진공밸브 하우징(256)가 고정결합되고, 진공밸브 하우징(256) 상부에는 수직이동대(251)가 구비된다.
진공밸브 하우징(256)는 내부에 공간이 형성된 소정 두께의 밀폐된 입면체로서, 저면에는 너트형상의 결합구멍이 형성되며, 일측면 하부에는 미세한 진공경로(2561)가 횡방향으로 형성된다. 그리고, 상부면 중심에는 미세한 진공경로(2562)가 축방향으로 형성된다. 내부 공간에는 진공밸브(255)를 구비한다.
진공밸브(255)는 일측이 밀폐된 제 2 벨로우즈 형상을 가지며, 개봉된 타측은 원주면을 따라 외부로 절곡되어 진공밸브 하우징(256)의 내부 저면에 고정된다. 밀폐된 일측면은 제 1 벨로우즈(254)의 저면의 결합구멍을 통해 진공밸브 제어장치(257)와 연결된다.
진공밸브 제어장치(257)는 손잡이가 있는 나사모양으로서, 제 1 벨로우즈(254)의 저면의 결합구멍을 통해 진공밸브(255)와 연결되어 진공경로(2561,2562)의 개폐를 조절한다.
수직이동대(251)는 소정 직경 및 소정 길이로 구성된 기둥형상으로, 내부중심에는 축방향으로 진공경로(2511)를 구비하며, 일측 상부에는 미세진공경로(252)가 횡방향으로 형성되어 진공경로(2511)와 연결된다. 수직이동대(251) 상부는 메인챔버(290)의 내부에 위치하고 기판탑재판(220)이 고정결합되어 있으며, 하부는 메인챔버(290)의 외부에 위치한 제 1 벨로우즈(254) 내부에 위치하고 진공밸브 하우징(256) 상부면에 각각의 진공경로가 정렬되도록 구비된다.
벤트튜브(258)는 관형상으로, 일단은 제 1 벨로우즈(254) 내부에 타단은 제 1 벨로우즈(254) 외부에 위치하며, 외부관 소정위치에 밴팅밸브(259)가 구비된다. 타단을 통해 기체등이 투입되어 제 1 벨로우즈(254) 내외부의 압력을 조절한다. 투입되는 기체는 N2 또는 Ar 등으로서 고온의 반도체 웨이퍼와 반응하지 않는 무수성 기체이다.
도 4는 본 발명에 따른 다수 기판이 사용된 챔버 조립체에 대한 일 실시예를 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 기판냉각장치는 메인챔버(390), 스퍼터링 타겟(380), 냉각판(360), 승강장치(350), 기판 탑재판(320), 기판홀더(310) 및 반도체 웨이퍼(300)에 제어회전부(330)를 더 포함하여 구성된다.
메인챔버(390)의 저면에는 진공밀봉부(340,353)를 각각 구비한 제 1 밀봉대(392)와 제 2 밀봉대(394)가 형성된다.
냉각판(360)에 형성된 구멍(362)과 스퍼터링 타겟(380)의 설치위치와 승강장치(350)가 부착되는 메인챔버(390)의 저면 위치는 상호 대응하는 위치이다.
제어회전부(330)는 다수의 소정 직경을 가진 구멍(331)이 소정 간격으로 형성된 원형 회전판(332)과 그 중심에 회전축(333)을 구비한 형상으로, 회전축(333)은 메인챔버(390)의 내측 저면 중심에 형성된 제 2 밀봉대(394) 사이의 구멍을 통해 외부와 연결된다. 회전판(332)의 구멍(331) 위에는 구멍(331)의 직경보다 큰 직경을 가진 기판홀더(310)가 오목부내에 반도체 웨이퍼(300)를 홀딩한 채 탑재된다.
기판홀더(310)는 소정 두께의 원판형 오목받침대로서, 오목부분에 반도체 웨이퍼(300)가 고정되며, 소정 직경을 가진 링형상의 기판커버(311)가 기판홀더(310)의 오목부위에 적합하도록 구비되며, 스크류 세트 또는 다른 체결수단에 의해 반도체 웨이퍼를 기판홀더(310)에 밀착시킨다.
기판홀더(310)의 직경은 냉각판(360)의 구멍(362)의 직경보다 크며, 냉각판(360) 저면(361)에 밀착하여 접촉하도록 기판홀더(310)의 상부면은 평편면으로 형성되며 거울과 같이 매끈하게 마무리된다. 기판홀더(310)는 동(copper)과 같은 높은 열전도성을 가진 부드러운 금속으로 제조된다.
승강장치(350)의 수직이동대(351) 상부에 고정설치된 기판 탑재판(320)의 직경은 제어회전부(330)의 구멍(331)의 직경보다 작게 형성되어, 구멍(331)을 통해 상하이동을 할 수 있도록 구성된다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치의 작동시스템을 설명하면 다음과 같다. 우선, 도 2 및 도 3과 관련하여 도 5의 흐름 단계에 따라 본 발명에 따른 단일기판이 사용된 챔버 조립체의 작동을 설명한다.
먼저 로드락 챔버(270)내에 삽입되기 전에, 반도체 웨이퍼(200)인 기판은 링형상의 커버(211)와 나사 또는 다른 체결수단에 의해 기판홀더(210) 위에 고정한다. 이후 메인 챔버 및 로드락 챔버의 내부공간을 진공처리한 다음 기판홀더(210)는 막 증착을 위해 메인챔버(290) 내로 로드되어 기판탑재판(220)에 탑재된다. 메인챔버(290)내에 설치된 냉각판(260)을, 미리 설정된 온도로 유지하기 위해 외부 냉방장치를 이용하여 냉각판(260) 내부에 냉매를 순환시킨다.
상술한 기판홀더(210)가 메인챔버(290)내로 이송된 후에도 챔버(290)를 진공으로 유지한다. 챔버(290)가 진공처리될 때, 진공밸브 하우징(256) 내부의 진공밸브(255)를 진공밸브 제어장치(257)로 제어하여 밀폐되어 있던 수직이동대(251) 내부의 진공경로(252, 2511)가 개방되도록 한다. 또한, 벤팅밸브(259)는 계속하여 제 1 벨로우즈(254) 내부공간도 진공처리 되도록 밀폐시킨다. 제 1 벨로우즈(254) 내부를 진공상태로 만듦에 따라 제 1 벨로우즈(254) 내부와 외부 사이에 압력차가 발생된다. 발생된 압력차는 제 1 벨로우즈(254)를 수축시키게 되고 그럼으로써 승강장치(250)는 연직방향으로 수직이동된다. 즉, 수직이동대(251)가 연직방향으로 이동되고, 그에 따라 기판탑재판(220)도 이동되며, 기판탑재판(220)에 탑재된 반도체 웨이퍼(200)를 홀딩한 기판홀더(210)는 림(212)의 상부면이 냉각판(260)의 저면(261)에 밀착접촉할 때까지 상승된다. 접촉영역의 양 표면은 큰 유효접촉영역을 가지도록 평편면으로 형성되며 거울과 같이 매끈하게 마무리된다.
이 후, 스퍼터링 타겟(280) 또는 다른 플라즈마 공정이 반도체 웨이퍼(200)에 실행됨에 따라, 반도체 웨이퍼(200)는 가열된다. 가열된 반도체 웨이퍼(200)로부터 기판홀더(210)로 전달된 열은 냉각판(260)의 저면(261)에 접촉된 기판홀더(210)의 림(212)을 통해 냉각판(260) 내부의 냉매에 전송되어 냉매순환장치내에서 순차적으로 열교환이 이루어진다. 냉매는 외부 순환장치에 의해 냉각판내를 순환하며, 냉각판(260) 온도는 외부 순환냉방장치의 냉매온도를 설정함으로써 제어된다.
소기의 플라즈마 공정이 완료된 후 진공밸브 하우징(256) 내부의 진공밸브(255)를 진공밸브 제어장치(257)로 제어하여 수직이동대(251) 내부의 진공경로(252, 2511)가 밀폐되도록 하고 제 1 벨로우즈(254)내에 기체를 첨가하여 제 1 벨로우즈(254) 내외부의 압력차를 해소시킨다. 해소된 압력차 및 중력에 의해 승강장치(250)가 서서히 자체 하강운동하여 기판홀더(210)는 로드락 챔버(270)와 같은 외부장치로 이송되기에 적합한 위치에 놓인다. 이 때, 첨가되는 기체는 고온의 반도체 웨이퍼와 반응하지 않는 무수성 기체로 N2 또는 Ar 등을 사용한다.
도 4는 다수 기판이 사용된 본 발명의 또 다른 실시예로서, 작동방법을 설명하면 다음과 같다. 냉각 메커니즘은 다수의 기판이 공정되는 것을 제외하고는 도 2와 동일하다. 본 실시예의 기판냉각장치는 메인챔버(390), 반도체 웨이퍼(300), 기 판홀더(310), 기판 탑재판(320), 수직이동 승강장치(350), 냉각판(360) 및 기판 회전부(330)를 포함한다. 반도체 웨이퍼(300)가 고정된 기판홀더(310)는, 로드락 챔버(미도시)와 같은 외부장치로부터 메인챔버(390)내로 이동될 때, 기판 탑재판(320) 대신에 회전판(332) 위에 위치된다.
다수의 기판홀더(310)가 제어회전부(330)의 구멍(331) 위치에 탑재된 후, 제어회전부(330)를 회전시켜 플라즈마 스퍼터링 타겟(380)에 대응하는 위치에 반도체 웨이퍼(300)를 위치시킨다. 그 이후 제어회전부(330)의 구멍(331) 아래쪽에 위치한 기판 탑재판(320)이 승강장치(350)의 작동에 의해 구멍(331)에 탑재되어 있는 기판홀더(310)를 상승시켜 기판홀더(310)의 림 상부면을 냉각판(360)의 저면(361)에 밀착접촉 시킨다. 접촉영역의 양 표면은 큰 유효접촉영역을 가지도록 평편면으로 형성되며 거울과 같이 매끈하게 마무리된다.
냉매 또는 냉각수는 외부순환장치(미도시)와 냉각판(360) 내부의 경로를 따른 한쌍(입구와 출구)의 튜브(미도시)에 의해 챔버로 유도된다. 메인챔버(390)의 내외부 사이의 압력차는 기판 탑재판(320)에 접촉력을 만들어 탑재판이 냉각판(360)에 밀접 접촉할 수 있게 한다. 필요한 플라즈마 공정이 하나의 웨이퍼에 대해 완료된 후, 처리된 기판홀더(320)는 승강장치(350)의 작동에 의해 제어회전부(330)위로 하방이동된다. 순차적으로, 다른 웨이퍼가 상술한 절차에 따라 동일하게 플라즈마 공정 처리된다.
기판 제어회전부(330)의 중심축(333)은 메인챔버(390) 저면 중심에 위치한 밀봉대(394) 사이에 위치되어 균형을 이루며, 회전시 메인챔버(390) 내부의 진공상 태를 유지할 수 있도록 진공밀봉부(340)에 의해 밀봉된다. 모든 반도체 웨이퍼에 필요한 플라즈마 공정이 완수된 후에, 기판 탑재판(320)은 승강장치(350)에 의해 하방으로 수직이동되고, 기판홀더(310)는 로드락 챔버(미도시)와 같은 외부장치로 이송된다.
본 발명은 진공상태와 대기사이의 압력차에 의한 자연력을 이용하여 기판홀더(210. 310)와 냉각판(260, 360) 사이에 밀착접촉을 제공하며, 이러한 밀착접촉은 기판홀더(210. 310)와 냉각판(260, 360) 사이에 열적접촉 및 열전달을 개선시킨다.
비록 본 발명의 바람직한 실시예가 기술되었으나, 당업자들에게 명백한 다양한 변형과 수정이 가능하며, 이것은 청구범위를 벗어나지 않는 변형으로 본 발명의 범위내에 속한다.
본 발명에 따르면, 고온 플라즈마 공정챔버에서, 냉각판 및 수직이동 가능한 승강장치, 뿐만 아니라 다수의 기판을 포함할 수 있고 기판을 선택할 수 있는 제어회전부를 더 포함하는 기판냉각장치를 제공하므로서, 반도체 웨이퍼를 탑재한 부드러운 동판으로 제조된 기판홀더는 막증착을 위해 챔버내에 로드된 후에 챔버내에 설치된 냉매가 순환되는 냉각판의 바닥면에 수직이동 가능한 승강장치에 의해 밀착접촉되도록 상승된다. 그럼으로서, 발생된 열을 효율적으로 냉각되며, 반도체 웨이퍼 상의 초전도 금속막의 물리적 특성의 저하와 포토레지스터층의 열손상을 방지할 수 있다. 이러한 기판냉각장치는 단일기판을 가진 챔버 뿐만 아니라 다중기판이 포함되고 제어회전부가 기판의 선택에 사용되는 챔버에도 적용될 수 있다.

Claims (19)

  1. 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치에 있어서,
    일측에 게이트 밸브(271)를 통해 로드락 챔버(270)가 장착된 메인챔버(290);
    상기 메인챔버(290)의 내측 소정 높이에 가로방향으로 고정설치된 냉각판(260);
    상기 메인챔버(290)의 저면 소정위치에 형성된 제 1 밀봉대(292)를 통해 수직이동되는 승강장치(250);
    상기 메인챔버(290) 내측에 위치하고 상기 승강장치(250)의 상부에 고정연결된 기판 탑재판(220); 및
    상기 기판 탑재판(220) 상부에 구비된 기판홀더(210);를 포함하며,
    상기 기판 탑재판(220)의 상부면에는 상기 기판홀더(210)와 반도체 웨이퍼(200)가 순차적으로 탑재되고, 상기 메인챔버(290)의 내측 상단 소정위치에 스퍼터링 타겟(280)이 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 승강장치(250)는
    일측이 밀폐되고 타측이 개봉된 제 1 벨로우즈(254);
    상기 제 1 벨로우즈(254)의 밀폐된 일측면 내부에 고정결합된 진공밸브 하우징(256);
    상기 진공밸브 하우징(256) 상부에 고정설치되며, 내부에 축상으로 진공경로 를 구비한 수직이동대(251); 및
    상기 수직이동대(251)의 상부에 고정설치된 상기 기판탑재판(220);을 포함하며,
    상기 제 1 벨로우즈(254)의 개봉된 타측은 상기 메인챔버(290) 저면 외부에 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 진공밸브 하우징(256)은 내부에 진공밸브(255)를 구비하며, 상기 진공밸브(255)는 상기 승강장치(250)의 저면 외측에 구비된 진공밸브 제어장치(257)와 결합되어, 상기 진공경로를 개폐함에 따라 상기 메인챔버(290)와 상기 제 1 벨로우즈(254)의 내부공간 사이의 진공상태를 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 승강장치(250)는 상기 제 1 벨로우즈(254) 내외부의 압력차에 의해 수직이동 되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각판(260)은 상기 승강장치(250)가 설치된 지점과 대향하는 위치에 상기 반도체 웨이퍼(200) 형상에 맞추어 구멍이 형성되고, 내부에는 냉매순환관이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판홀더(210)의 직경은 상기 냉각판(260)에 형성된 구멍(262)의 직경보다 크며, 상기 기판홀더 림(212)의 높이는 오목부에 홀딩되는 반도체 웨이퍼(200)의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 밀봉대(292)는 상기 수직이동대(251)를 지지하도록 소정의 길이를 가지며, 상기 제 1 밀봉대(292) 사이의 대향면에 진공밀봉부(253)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  8. 플라즈마 공정챔버에서의 기판냉각장치에 있어서,
    일측에 게이트 밸브를 통해 로드락 챔버가 장착되고, 저면에 적어도 2개의 밀봉대(392,394)가 구비된 메인챔버(390);
    상기 메인챔버(390)의 내측 소정 높이에 가로방향으로 고정설치된 냉각판(360);
    상기 메인챔버(390)의 저면 일측에 형성된 하나의 밀봉대를 통해 수직이동되는 승강장치(350);
    상기 메인챔버(390) 내측에 위치하고, 상기 승강장치(350)의 상부에 고정연 결된 기판 탑재판(320); 및
    상기 메인챔버(390)의 내측 저면과 상기 냉각판(360) 사이에 회전할 수 있도록 구비되며, 회전판(332)과 중심에 회전축(333)을 구비한 제어회전부(330); 및
    상기 제어회전부(330)의 회전판(332)에 형성된 다수의 구멍(331) 위치에 탑재되는 기판홀더(310); 를 포함하며,
    상기 기판홀더(310)에는 반도체 웨이퍼(300)가 탑재되고, 상기 메인챔버(390)의 내측 상단 소정위치에 스퍼터링 타겟(380)이 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 승강장치(350)는 일측이 밀폐되고 타측이 개봉된 제 1 벨로우즈(354);
    상기 제 1 벨로우즈(354)의 밀폐된 일측면 내부에 고정결합된 진공밸브 하우징(356);
    상기 진공밸브 하우징(356) 상부에 고정설치되며, 내부에 축상으로 진공경로를 구비한 수직이동대(351); 및
    상기 수직이동대(351)의 상부에 고정설치된 상기 기판탑재판(320);을 포함하며,
    상기 제 1 벨로우즈(354)의 개봉된 타측은 상기 메인챔버(390) 저면 외부에 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 진공밸브 하우징(356)은 내부에 진공밸브를 구비하며,
    상기 진공밸브는 상기 승강장치(350)의 저면 외측에 구비된 진공밸브 제어장치와 결합되어, 상기 진공경로를 개폐함에 따라 상기 메인챔버(390)와 상기 제 1 벨로우즈(354)의 내부공간 사이의 진공상태를 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 승강장치(350)는 상기 제 1 벨로우즈(354) 내외부의 압력차에 의해 수직이동 되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어회전부(330)의 회전판(332)에 형성된 구멍(331)의 직경은 상기 기판탑재판(320)의 직경보다는 크고 탑재되는 기판홀더(310)의 직경보다는 작은 직경으로 구성되며, 상기 제어회전부(330)의 중심 회전축(333)은 상기 메인챔버(390)의 저면에 형성된 다른 하나의 밀봉대(394)를 통해 외부회전장치와 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 냉각판(360)은 상기 승강장치(350)가 설치된 지점과 대향하는 위치에 상기 반도체 웨이퍼(300) 형상에 맞추어 소정 직경의 구멍(362)이 형성되고, 내부에는 냉매가 순환되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 기판홀더(310)의 직경은 상기 냉각판(360)에 형성된 구멍(362)의 직경보다 크며, 상기 기판홀더 림의 높이는 오목부에 홀딩되는 반도체 웨이퍼(300)의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 밀봉대(392,394)는 상기 제어회전부(330)의 중심 회전축(333)과 상기 수직이동대(351)를 각각 지지하도록 소정의 길이를 가지며, 각 밀봉대(392,394) 사이의 대향면에 진공밀봉부(353,340)가 구비된 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각장치.
  16. 플라즈마 공정챔버에서의 기판냉각방법에 있어서,
    반도체 웨이퍼(200)를 기판홀더(210)에 탑재하여 고정한 후 로드락 챔버(270)내로 삽입하는 단계;
    상기 기판홀더(210)가 메인챔버(290)내로 로드되어 기판탑재판(220)에 탑재되는 단계;
    미리 설정된 온도로 유지된 냉각판(260) 내부에 외부 냉방장치를 이용하여 냉매를 순환시키는 단계;
    상기 메인챔버(290) 및 제 1 벨로우즈(254) 내부공간을 진공처리하는 단계;
    상기 제 1 벨로우즈(254) 내외부의 압력차를 이용하여 승강장치(250)를 연직방향으로 수직이동하는 단계;
    상기 기판탑재판(220)에 탑재된 반도체 웨이퍼(200)를 홀딩한 상기 기판홀더(210)를 상기 냉각판(260)에 밀착접촉시키는 단계;
    플라즈마 공정이 반도체 웨이퍼(200)에 실행되는 단계;
    냉각판(260) 내부의 냉매순환장치내에서 순차적으로 열교환이 이루어지는 단계;
    반도체 웨이퍼(200)가 냉각된 후 상기 제 1 벨로우즈(254)내에 기체를 첨가하여 제 1 벨로우즈(254) 내외부의 압력차를 해소시키는 단계; 및
    상기 승강장치(250)가 하방이동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각방법.
  17. 플라즈마 공정챔버에서의 기판냉각방법에 있어서,
    반도체 웨이퍼(300)를 기판홀더(310)에 탑재하여 고정한 후 로드락 챔버내로 삽입하는 단계;
    다수개의 기판홀더(310)가 메인챔버(390)내로 로드되어 기판 회전판(332)에 탑재되는 단계;
    미리 설정된 온도로 유지된 냉각판(360) 내부에 외부 냉방장치를 이용하여 냉매를 순환시키는 단계;
    제어회전부(330)를 회전시켜 반도체웨이퍼(300)를 스퍼터링 타겟(380)에 대향하도록 위치시키는 단계;
    메인챔버(390) 및 제 1 벨로우즈(354) 내부공간을 진공처리하는 단계;
    상기 제 1 벨로우즈(354) 내외부의 압력차를 이용하여 승강장치(350)를 연직방향으로 수직이동하는 단계;
    기판탑재판(320)에 탑재된 반도체 웨이퍼(300)를 홀딩한 기판홀더(310)를 상기 냉각판(360)에 밀착접촉시키는 단계;
    플라즈마 공정이 각각의 반도체 웨이퍼(300)에 순차적으로 실행되는 단계;
    상기 냉각판(360) 내부의 냉매순환장치내에서 순차적으로 열교환이 이루어지는 단계;
    반도체 웨이퍼(300)가 냉각된 후 상기 제 1 벨로우즈(354)내에 기체를 첨가하여 제 1 벨로우즈(354) 내외부의 압력차를 해소시키는 단계; 및
    상기 승강장치(350)의 하방이동에 의해 상기 기판홀더(310)가 기판 회전판(332) 위로 이동되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 벨로우즈(354) 내외부의 압력차를 제어할 수 있도록, 상기 제 1 벨로우즈(354)의 내부로부터 외부까지 안내된 벤팅튜브(258) 말단에 벤팅밸브(259) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 밴팅밸브(259)를 통해 상기 제 1 벨로우즈(354)내에 첨가되는 기체는 N2 또는 Ar 기체인 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정챔버의 기판냉각방법.
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