KR100920399B1 - 냉각블럭 및 이를 포함하는 기판처리장치 - Google Patents

Abstract

기판처리장치는 챔버의 내부에 제공되어 챔버의 내부에 전계를 형성하는 하부전극을 포함하며, 하부전극은 하부전극의 온도를 조절하기 위한 냉각 플레이트를 포함한다. 냉각 플레이트의 내부에는 냉매가 유출입되는 유입구 및 유출구와, 상기 유입구 및 상기 유출구와 통하여 냉매가 흐르는 복수의 냉매유로들이 형성된다. 냉각 플레이트의 온도는 냉각부재에 의해 조절되며, 냉각부재는 복수의 열전소자들을 포함한다.

하부전극, 냉매, 냉매유로, 열전소자

Description

냉각블럭 및 이를 포함하는 기판처리장치{cooling block and substrate processing apparatus including the cooling block}

본 발명은 냉각블럭 및 이를 포함하는 기판처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전소자를 포함하는 냉각블럭 및 이를 포함하는 기판처리장치에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼 또는 액정 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 과정을 설명하면 우선, 기판 수납 장치(이하 "카세트"라 칭함)에 다수 적재된 반도체 웨이퍼 또는 액정기판(이하 "기판"이라 칭함)을 운송 로봇에 의해 반입 또는 반출시키되 진공과 대기압을 순환하는 로드락 챔버(Load Lock Chamber) 내로 반입시키고 상기 로드락 챔버의 내부가 진공상태가 되도록 펌핑(Pumping)을 실시하여 진공으로 만들고 난 다음, 이송수단을 작동시켜 기판을 반송 챔버(Transfer Chamber)로 이동시킨다.

기판이 이송된 반송 챔버는 진공 상태를 유지하는 다수의 공정 챔버(Process Chamber)와 연통되어 있고, 상기 반송 챔버는 각각의 공정 챔버로 이송수단을 통해 반입, 반출을 실시하며, 여기서 각각의 공정 챔버로 반입된 기판은 하부 전극의 상부에 위치된 적재대 상에 놓이게 되며, 상부 전극 하부에 형성된 미세 구멍을 통해 공정 가스가 유입되고, 유입된 가스로 외부의 전원을 인가 받은 상, 하부 전극에 의해 전기 방전을 일으켜 기판의 표면에 플라즈마 공정을 진행하는 것이다.

여기서, 상술한 공정 챔버내에서 플라즈마 공정 처리시 기판이 안착된 하부전극 및 플라즈마에 직접 노출되는 상부전극의 온도가 상승하므로, 이에 대한 대책이 필요하다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 챔버 내부의 온도를 정확하게 조절할 수 있는 냉각블럭 및 이를 포함하는 기판처리장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상부전극 또는 하부전극의 온도를 정확하게 조절할 수 있는 냉각블럭 및 이를 포함하는 기판처리장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상부전극 또는 하부전극의 온도분포를 균일하게 할 수 있는 냉각블럭 및 이를 포함하는 기판처리장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.

본 발명에 의하면, 냉각블럭은 냉매가 유출입되는 유입구 및 유출구와, 상기 유입구 및 상기 유출구와 통하는 복수의 냉매유로들이 형성되는 냉각 플레이트; 그리고 복수의 열전소자들을 포함하며, 상기 냉각 플레이트의 온도를 조절하는 냉각부재를 포함한다.

상기 냉각부재는 상기 냉매유로의 외측에 제공되어 상기 냉매유로와 열접촉(thermal contact)할 수 있다.

본 발명에 의하면, 기판처리장치는 기판에 대한 공정이 이루어지는 내부공간을 제공하는 챔버; 상기 챔버 내의 상부에 제공되는 상부전극; 그리고 상기 상부전 극과 대향되도록 상기 챔버의 내부에 배치되어 상기 기판이 놓여지며, 상기 상부전극과 함께 상기 챔버의 내부에 전계를 형성하는 하부전극을 포함하되, 상기 하부전극은 냉매가 유출입되는 유입구 및 유출구와, 상기 유입구 및 상기 유출구와 통하는 복수의 냉매유로들이 형성되는 냉각 플레이트; 그리고 복수의 열전소자들을 포함하며, 상기 냉각 플레이트의 온도를 조절하는 냉각부재를 포함한다.

상기 냉매유로들은 일단은 상기 유입구와 연결되고 타단은 상기 유출구와 연결된 복수의 냉각라인들을 포함하며, 상기 장치는 각각의 상기 냉각라인 상에 설치된 유량조절밸브; 그리고 상기 유량조절밸브에 연결되어 상기 냉각 플레이트의 온도에 따라 상기 유량조절밸브를 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.

또한, 상기 유입구 상에는 매쉬(mesh)가 제공될 수 있다.

본 발명에 의하면 챔버 내부의 온도를 정확하게 조절할 수 있다. 특히, 상부전극 또는 하부전극의 온도를 정확하게 조절할 수 있다. 또한, 상부전극 또는 하부전극의 온도분포를 균일하게 할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 도 3을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요 소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.

한편, 이하에서는 플라스마를 이용하는 공정을 예로 들어 설명하나, 본 발명의 기술적 사상과 범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 챔버 내부의 온도를 조절할 필요가 있는 다양한 반도체 제조장치에 응용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 기판처리장치를 개략적으로 나타내는 정면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 기판처리장치는 내부에서 공정 처리가 이루어지는 공정챔버(10)와, 상술한 공정챔버(10) 내의 상부에 마련되어 공정 가스가 유입되는 상부전극(20)과, 상부전극(20)과 대향된 하측에 마련되어 기판(도시안됨)이 놓여지는 하부전극(30)을 포함한다.

하부전극(30)은 최하부에 위치된 베이스 플레이트(32)와, 상기 베이스 플레이트 상면에 적재된 절연판(34)과, 상술한 절연판 상면에 적재된 냉각블럭(40)과, 상술한 냉각블럭(40)의 상면에 적재된 전극(36)으로 이루어지며, 상술한 하부전극(30)의 외벽과 상부 영역에 플라즈마로부터 보호하는 절연체가 각각 감싸고 있다. 여기서, 상술한 냉각블럭(40)은 전극(36)을 일정한 온도로 유지할 수 있게 온도를 낮추는 기능을 한다.

도 2는 도 1의 냉각블럭(40)을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 냉각블럭(40)은 냉각 플레이트(42) 및 냉각 플레이트(42)에 형성된 냉매유로를 포함한다. 냉매유로의 일단은 공급유닛(50)에 연결되며, 공급유닛(50) 은 냉매유로의 일단을 통해 냉각 플레이트(42)의 내부에 냉매를 공급한다. 냉매는 냉매유로의 일단을 통해 냉각 플레이트(42)의 내부로 유입되며, 냉매유로의 타단을 통해 냉각 플레이트(42)의 외부로 유출된다.

공급유닛(50)은 칠러(chiller)에 연결된 공급라인(52) 및 공급라인(52) 상에 형성된 메쉬(mesh)(54)를 포함한다. 공급라인(52)은 냉매유로의 일단에 연결되어 기설정된 온도로 냉각된 냉매를 냉매유로에 공급하며, 메쉬(54)는 공급라인(52)의 내부를 흐르는 냉매의 유동을 돕는다.

한편, 냉매유로는 공급라인(52)과 연결된 냉매유로의 일단으로부터 냉매유로의 타단에 이르기까지 연장된 복수의 냉각라인들(44)을 포함한다. 냉각라인들(44)은 냉각 플레이트(42)의 내부에 서로 나란하게 배치되며, 냉각라인들(44)의 내부에는 냉매가 흐른다. 냉각라인들(44)은 내부의 냉매를 통해 냉각 플레이트(42)의 온도를 조절한다.

각각의 냉각라인(44) 상에는 열전모듈(46) 및 유량조절밸브(48)가 설치된다. 각각의 유량조절밸브(48)는 냉각라인(44)을 흐르는 냉매의 유량을 조절한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 복수의 냉각라인들(44)은 공급라인(52)과 연결되는 냉각 플레이트(42)의 중앙으로부터 상하로 등간격을 이루도록 배치된다. 이때, 냉각 플레이트(42)의 중앙에 배치된 냉각라인(44)은 공급라인(52)과 가깝게 배치되므로, 상대적으로 높은 압력에 의해 냉매가 공급되며, 냉각 플레이트(42)의 중앙은 냉각효율이 높다. 그러나, 냉각 플레이트(42)의 가장자리에 배치된 냉각라인(44)은 공급 라인(52)과 멀리 배치되므로, 상대적으로 낮은 압력에 의해 냉매가 공급되며, 냉각 플레이트(42)의 가장자리는 냉각효율이 낮다. 따라서, 이를 보완하기 위하여 냉각 플레이트(42)의 중앙에 배치된 냉각라인(44)의 유량을 증가시키고, 냉각 플레이트(42)의 가장자리에 배치된 냉각라인(44)의 유량을 감소시킬 수 있으며, 이는 유량조절밸브(48)의 조절을 통해 제어할 수 있다.

즉, 냉각 플레이트(42)의 위치에 따른 온도편차를 감지하고(냉각 플레이트(42) 상에 별도의 센서 설치하여), 감지된 온도에 따라 유량조절밸브(48)를 조절할 수 있으며, 이를 통해 냉각 플레이트(42)의 온도편차를 균일하게 조절할 수 있다. 또한, 위와 같은 제어를 위한 제어기(도시안됨)를 더 구비할 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 냉매가 흐르는 냉각라인(44)의 내경이 각각 균일한 것으로 도시하고 있으나, 냉각라인(44)의 내경을 서로 다르게 변경하여 냉매의 유량을 조절할 수 있다.

도 3은 도 2의 열전모듈(46)을 개략적으로 나타내는 도면이다. 열전모듈(46)은 냉각 플레이트(42)의 내부에 설치되며, 냉각라인(44)의 외주면과 접하여 냉각라인(44)의 내부를 흐르는 냉매의 온도를 조절한다.

열전모듈(46)은 복수의 열전소자들(N,P)을 포함한다. 열전소자들(N,P)은 펠티에 효과(Peltier effect)에 의해 가열 또는 냉각된다. 펠티에 효과란, 2개의 서로 다른 금속으로 된 회로에 전류가 흐를 때 한쪽 접합부는 냉각되고 다른 부위는 가열되는 현상을 의미하며, 이때 전류의 방향을 바꾸면 냉각과 가열이 바뀐다. 열 전소자들(N,P)은 상하에 서로 나란하게 배치된 절연판(16,18)과 나란한 방향으로 배열되며, N형 소자(N)와 P형 소자(P)가 교대로 배치된다. N형 소자(N)와 P형 소자(P)는 제1 전열판(12) 및 제2 전열판(14)을 통해 서로 연결된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 제1 전열판(12)은 열전소자들(N,P)의 상측에 연결되며, 제2 전열판(14)은 열전소자들(N,P)의 하측에 연결된다. 제1 전열판(12)의 일측에는 N형 소자(N)의 상단이 연결되며, 제1 전열판(12)의 타측에는 P형 소자(P)의 상단이 연결된다. 제1 전열판(12)의 타측에 연결된 P형 소자(P)의 하단은 제2 전열판(14)의 일측에 연결되며, 제2 전열판(14)의 타측에는 새로운 N형 소자(N)가 연결된다. 절연판(16,18)과 나란한 방향으로 교대로 배열된 열전소자들(N,P)은 제1 전열판(12) 및 제2 전열판(14)의 반복에 의하여 서로 연결된다.

앞서 본 바와 같이, 제1 전열판(12) 및 제2 전열판(14)은 펠티에 효과에 의해 냉각되거나 가열된다. 이때, 제1 전열판(12) 및 제2 전열판(14)이 쉽게 냉각되거나 가열되기 위해서는 열전달계수(heat transfer coeffcient)가 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 좌측 끝단에 위치하는 N형 소자(N)의 하단은 좌측 단자(14a)에 연결되며, 우측 끝단에 위치하는 P형 소자(P)의 하단은 우측 단자(14b)에 연결된다. 좌측 단자(14a) 및 우측 단자(14b)에는 전원(19)이 연결된다. 따라서, 열전소자들(N,P)과 제1 및 제2 전열판(12, 14), 그리고 전원(19)은 하나의 폐회로를 형성한다. 이때, 전원(19)은 일방향으로 전류를 인가하는 직류(DC) 전원이 바람직하며, 전원(19)에 연결된 별도의 제어기(도시안됨)는 전원(19)으로부터 인가되는 전류의 방 향을 시계방향 또는 반시계방향으로 전환할 수 있다.

상부 절연판(16)은 제1 전열판(12)의 상부에 제공되며, 하부 절연판(18)은 제2 전열판(14)의 하부에 제공된다. 상부 절연판(16) 및 하부 절연판(18) 중 어느 하나는 냉각라인(44)과 접하며, 냉각라인(44)의 내부를 흐르는 냉매의 온도를 조절한다. 상부 절연판(16)과 하부 절연판(18)은 절연 재질이다.

한편, 열전모듈(46)은 상부 절연판(16) 및 하부 절연판(18)을 통하여 열전달이 이루어지므로, 상부 절연판(16) 및 하부 절연판(18)은 절연 재질임과 동시에 열전달계수가 높은 재질인 것이 바람직하다.

이하, 열전모듈(46)을 통해 냉각라인(44) 내의 냉매의 온도를 조절하는 방법을 살펴보기로 한다. 이하에서는 제1 전열판(12)이 냉각라인(44)과 접하고 있는 것으로 설명한다.

먼저, 전원(19)으로부터 시계방향(실선방향)으로 전류를 인가하면, 인가된 전류는 좌측 단자(14a)를 통하여 N형 소자(N)에 인가되고, 제1 전열판(12)을 통하여 P형 소자(P)에 인가되며, 제2 전열판(14)을 통하여 N형 소자(N)에 인가된다. 이와 같은 일련의 동작을 통하여 전류는 흐른다.

제1 전열판(12)을 기준으로 볼 때, 전류는 N형 소자(N)로부터 P형 소자(P)로 흐르며, 펠티에 효과에 의해 제1 전열판(12)은 냉각된다. 제2 전열판(14)을 기준으로 볼 때, 전류는 P형 소자(P)로부터 N형 소자(N)로 흐르며, 펠티에 효과에 의해 제2 전열판(14)은 가열된다. 따라서, 제1 전열판(12)은 냉각라인(44)의 열을 상부 절연판(16)을 통하여 흡수하며(실선방향), 제2 전열판(14)은 열을 하부 절연판(18)을 통하여 냉각 플레이트(42)의 외부로 방출한다(실선방향). 따라서, 냉각라인(44)의 내부를 흐르는 냉매는 냉각된다.

한편, 앞서 살펴본 바와 같이, 냉각 플레이트(42)의 중앙은 냉각효율이 높은 반면, 냉각 플레이트(42)의 가장자리는 냉각효율이 낮다. 따라서, 열전모듈(46)을 이용하여 이를 보완할 수 있다. 즉, 냉각 플레이트(42)의 가장자리는 냉각 플레이트(42)의 중앙에 비해 냉각효율이 상대적으로 낮으므로, 냉각 플레이트(42)의 가장자리에 배치된 냉각라인(44)을 냉각 플레이트(42)의 중앙에 배치된 냉각라인(44)보다 낮은 온도로 냉각시켜 냉각 플레이트(42)의 가장자리에 해당하는 냉각효율을 높일 수 있다. 이는 열전달률은 온도 차이에 비례하기 때문이다.

즉, 냉각 플레이트(42)의 위치에 따른 온도편차를 감지하고(냉각 플레이트(42) 상에 별도의 센서 설치하여), 감지된 온도에 따라 냉각라인(44)의 냉각온도를 조절할 수 있으며, 이를 통해 냉각 플레이트(42)의 온도편차를 균일하게 조절할 수 있다. 또한, 위와 같은 제어를 위한 제어기(도시안됨)를 더 구비할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 냉각라인(44) 내의 냉매를 냉각하는 경우만을 설명하고 있으나, 필요에 따라서는 냉각 플레이트(42)를 가열할 필요가 있다. 이 경우, 전원(19)으로부터 반시계방향(점선방향)으로 전류를 인가하면, 제1 전열판(12)을 기준으로 볼 때, 전류는 P형 소자(P)로부터 N형 소자(N)로 흐르며, 펠티에 효과에 의해 제1 전열판(12)은 가열된다. 제2 전열판(14)을 기준으로 볼 때, 전류는 N형 소자(N)로부터 P형 소자(P)로 흐르며, 펠티에 효과에 의해 제2 전열판(14)은 냉각 된다. 따라서, 제2 전열판은 하부 절연판(18)을 통하여 외부의 열을 흡수하며(점선방향), 제1 전열판(12)은 열을 상부 절연판(16)을 통하여 냉각라인(44)에 전달한다(점선방향). 따라서, 냉각라인(44)의 내부를 흐르는 냉매는 가열된다.

본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 기판처리장치를 개략적으로 나타내는 정면도이다.

도 2는 도 1의 냉각블럭을 개략적으로 나타내는 평면도이다.

도 3은 도 2의 열전소자를 개략적으로 나타내는 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 공정챔버 20 : 상부전극

30 : 하부전극 32 : 베이스 플레이트

34 : 절연판 36 : 전극

40 : 냉각블럭 42 : 냉각 플레이트

44 : 냉각라인 46 : 열전모듈

48 : 유량조절밸브 50 : 공급유닛

52 : 공급라인 54 : 메쉬

Claims (6)

1. 냉매가 유출입되는 유입구 및 유출구와, 상기 유입구 및 상기 유출구와 각각 통하여 냉매가 흐르는 복수의 냉매유로들이 형성되는 냉각 플레이트; 및

   상기 냉각 플레이트의 내부에 삽입설치되며, 각각의 상기 냉매유로와 열접촉(thermal contact)하여 각각의 상기 냉매유로의 내부를 흐르는 상기 냉매를 냉각하도록 상기 냉매유로의 외측에 설치되는 복수의 열전소자들을 구비하는 냉각부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 블록.
2. 삭제
3. 기판에 대한 공정이 이루어지는 내부공간을 제공하는 챔버;

   상기 챔버 내의 상부에 제공되는 상부전극; 및

   상기 상부전극과 대향되도록 상기 챔버의 내부에 배치되어 상기 기판이 놓여지며, 상기 상부전극과 함께 상기 챔버의 내부에 전계를 형성하는 하부전극을 포함하되,

   상기 하부전극은,

   냉매가 유출입되는 유입구 및 유출구와, 상기 유입구 및 상기 유출구와 각각 통하여 냉매가 흐르는 복수의 냉매유로들이 형성되는 냉각 플레이트; 및

   상기 냉각 플레이트의 내부에 삽입설치되며, 각각의 상기 냉매유로와 열접촉(thermal contact)하여 각각의 상기 냉매유로의 내부를 흐르는 상기 냉매를 냉각하도록 상기 냉매유로의 외측에 설치되는 복수의 열전소자들을 구비하는 냉각부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서,

   상기 냉매유로들은 일단은 상기 유입구와 연결되고 타단은 상기 유출구와 연결된 복수의 냉각라인들을 포함하며,

   상기 기판처리장치는,

   각각의 상기 냉각라인 상에 설치된 유량조절밸브; 및

   상기 유량조절밸브에 연결되어 상기 냉각 플레이트의 온도에 따라 상기 유량조절밸브를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
6. 제3항에 있어서,

   상기 유입구 상에는 매쉬(mesh)가 제공되는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.

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