KR101132632B1 - 정전척 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정전척에 관한 것으로, 몸체와,상기 몸체 상부 표면에 형성된 냉각 유로와, 상기 몸체의 측면과 상부 표면과 상기 냉각 유로 위에 형성된 세라믹 코팅막과, 상기 냉각 유로에 냉각 가스를 공급하기 위한 가스 유입관과, 상기 가스 유입관 내측벽에 장착된 절연파이프 및 상기 절연 파이프를 관통하는 절연봉을 포함하는 정전척을 제공한다.
이로써, 냉각 가스가 공급되는 가스 유입관 내에 절연파이프를 장착하여 유로 전체에 플라즈마 발생이나 아킹의 발생을 방지할 수 있고, 절연 파이프 내에 소정의 절연봉을 두어, 절연 파이프의 관통구멍을 미세하게 가공하지 않고도, 냉각 가스가 공급되는 가스유로의 관통구멍을 작게 할 수 있다.
정전척, 기판, 냉각 가스, 가스 유입관, 절연파이프, 절연봉

Description

정전척{Electrostatic chuck}
도 1은 종래의 정전척을 설명하기 위한 평면도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ‘ 선상의 단면도.
도 3은 도 2의 A영역의 확대 단면도.
도 4는 절연 파이프의 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 정전척의 평면도.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ’ 선상의 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 정전척의 냉각 동작을 설명하기 위한 개념 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 정전척 10, 110 : 몸체
15 : 냉각유체유로 20 : 분배 유로
25 : 가스 유입관 30 : 가스 분출구멍
35, 170 : 세라믹 코팅막 40, 140 : 절연파이프
50, 160 : 리프트핀홀
120 : 냉각유로 125 : 가스 유입관
142 : 실리콘 본드 144 : 볼트
146 : 와셔 150 : 절연봉
본 발명은 기판 처리용 정전척에 관한 것으로, 특히 세라믹 코팅 방식의 정전척에 관한 것이다.
반도체 소자 제조나 액정표시장치 제조 등에 사용되는 정전척(Electrostatic Chuck)은 정전기력을 이용하여 기판을 파지하고(chucking) 동시에 냉각을 하는 역할을 한다. 기판이 정전척 위에 올려지고, 직류 전원이 정전척에 인가되면, 정전척과 기판 사이에 정전기력이 유발되어 기판이 정전척에 밀착되게 하는데, 이것은 기판과 정전척 사이에 열전달을 위한 냉각 가스를 유통시킬 때 발생하는 기판의 이탈을 방지하기 위함이다.
도 1은 종래의 정전척을 설명하기 위한 평면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ‘ 선상의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 정전척(1)은 철(凸)자 형상의 몸체(10)와, 몸체(10) 내에는 냉각유체유로(15)와 분배유로(20)가 형성되어 있다. 도시되어 있지는 않으나, 냉각유체유로(15)에는 외부로부터 냉각유체가 공급되어 냉각유체유로(15)를 따라 흐른뒤 다시 외부로 빠져나가면서 몸체(10)를 냉각한다. 분배유로(20) 는 냉각 가스가 외부로부터 주입되어 흐르는 가스 유입관(25)이 연결되고, 상부로 관통되어 정전척(1) 상부 표면으로 균일하게 냉각 가스를 분출하는 다수의 가스 분출구멍(30)과 연결된다.
도 1에서와 같이 종래의 가스 분출구멍(30)은 정전척(1)의 가장자리 영역에 그 원주에 따라 균일하게 분포되어 있다. 이는 분배 유로(20)가 정전척(1)의 가장자리에 원형 관 형상으로 형성되어 있기 때문이다. 또한, 몸체 내에는 별도의 리프트핀(미도시)이 통과할 수 있는 리프트핀 홀(50)이 형성될 수도 있다.
도 3은 도 2의 A영역의 확대 단면도이고, 도 4는 절연 파이프의 사시도이다.
도 3과 같이 종래의 분배 유로(20)는 사각 관통형상으로 형성되어 있고, 분배 유로(20)는 정전척(1)의 상부로부터 관통된 가스 분출구멍(30)에 연결된다. 또한, 정전척(1)의 표면은 세라믹 코팅막(35)이 형성되어 있으며, 가스 분출구멍(30)내에는 미세 절연 파이프(40)가 장착되어 있다.
상술한 구조를 갖는 종래의 정전척의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
가스 유입관(25)를 통해 냉각 가스가 유입된다. 일반적으로 냉각 가스로 He가스를 사용한다. 가스 유입관(25)를 통해 유입된 냉각 가스는 몸체(10)를 거쳐 상단으로 이동하여 분배유로(20)를 통하여 정전척(1)의 상부 표면 전체로 유통된다. 이때, 분배유로(20)를 관통하여 형성된 다수의 가스 분출 구멍(30)을 통해 정전척(1)의 상부 표면으로 균일하게 냉각 가스가 분출된다.
이와 같이 정전척(1) 상부 표면으로 분출된 냉각 가스는 정전척(1) 위에 올려진 기판과 정전척(1) 표면 사이를 유통하여 정전척(1)의 가장자리로 흘러가면서 기판의 열이 정전척(1)에 전달되어 기판이 냉각되도록 한다. 기판의 온도 조절은 유입되는 냉각 가스의 유량이나 압력을 변화시켜 조절한다.
일반적으로 정전척(1)은 척 내부에 설치된 전극의 전압차를 이용하여 기판을 고정, 지지하기 때문에 그 몸체는 금속과 같은 전도성 재질을 사용한다. 하지만, 몸체(10)에 고전압의 전원이 연결되고, 가스 분출구멍(30)을 통해 냉각 가스가 흐르게 되면, 공정 조건에 따라 냉각 가스가 흐르는 몸체 내부에서 플라즈마가 발생하거나, 아킹(arcing)이 발생할 수 있다. 특히 이러한 현상은 가스 분출구멍(30) 부위에서 발생하기 쉽다. 가스 분출구멍(30)에서 플라즈마가 발생하거나 아킹이 발생하면 기판의 하부면에 이상증착면이 형성되거나, 기판이 파손되거나, 정전척(1)이 파손되는 문제가 발생하였다.
이에 종래에는 가스 분출구멍(30)에서 플라즈마나 아킹이 발생하지 않도록 하기 위해 도 4에 도시된 절연파이프(40)를 가스 분출구멍(30) 내에 삽입하였다. 절연파이프(40)는 절연파괴전압(Breakdown voltage)을 높여주는 효과가 있기 때문에 플라즈마나 아킹 발생을 줄일 수 있다.
이러한, 절연파이프(40)를 사용할 경우, 가스 분출구멍(30)이 미세하기 때문에 절연파이프(40)의 관통구멍의 지름을 극히 미세하게 제어하여야 한다. 이는 가스 분출구멍(30)이 넓게 되면 가스들이 서로 반응하게 되었기 때문이다. 즉, 통상 도 4에서 보는 바와 같이 미세 절연파이프(40)의 관통구멍인 T가 약 0.3mm정도로 제작된다. 하지만, 미세한 관통구멍을 갖는 미세 절연파이프(40)의 제작이 매우 어려운 문제점이 있다.
또한, 가스 분출구멍 하부에 연통된 분배유로나 가스 유입구에서의 플라즈마나 아킹이 발생할 수 있는 문제점들을 내포하고 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 가스 분출구멍에서 플라즈마나 아킹이 발생하는 현상을 방지하여 기판 하부면의 이상증착, 기판의 손상 및 정전척이 파손되는 문제를 방지할 수 있고, 가스 분출구멍 뿐만 아니라 몸체 내부에 냉각 가스가 유통되는 유로 전체에서 플라즈마나 아킹의 발생을 방지하는 정전척을 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 몸체와, 상기 몸체 상부 표면에 형성된 냉각가스유로와, 상기 몸체 측면과 상부 표면과 상기 냉각가스유로 위에 형성된 세라믹 코팅막과, 상기 몸체를 관통하여 형성되고, 상기 냉각가스유로에 냉각가스를 공급하기 위한 냉각가스 유입관과, 상기 냉각가스 유입관의 내측벽에 장착되는 절연파이프 및 상기 절연파이프를 관통하는 절연봉을 포함하는 정전척을 제공한다.
여기서, 상기 냉각가스 유입관은 상기 몸체의 중심부를 관통하는 것이 바람직하다. 상기의 절연파이프와 상기 절연봉은 세라믹 계열의 재질인 것이 효과적이다. 이때, 상기 절연파이프는 상기 냉각가스 유입관의 입구에서 출구까지 장착되는 것이 효과적이다. 상기 몸체의 상기 냉각가스 유입관과 상기 절연파이프는 실리콘본드에 의해 결합하는 것이 바람직하다. 상기 몸체와 상기 냉각가스 유입관과 상기 절연파이프 사이에 진공 실링 수단이 더 포함될 수 있다. 그리고, 상기 절연파이프는 하부에 플랜지부를 포함하고, 상기 플랜지부와 상기 몸체와 결합하는 것이 효과적이다. 또한, 상기 절연파이프 및/또는 상기 절연봉의 직경을 조절하여 상기 절연파이프 및 상기 절연봉 사이의 간격을 조절하므로써 상기 냉각가스 유입관으로 공급되는 냉각가스 유로의 직경을 조절하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 5는 본 발명에 따른 정전척의 평면도이고, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ’ 선상의 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 정전척은 몸체(110)와, 몸체(110) 상부 표면에 형성된 냉각 유로(120)와, 냉각 유로(120)에 냉각 가스를 공급하기 위한 가스 유입관(125)와, 가스 유입관(125) 내측벽에 장착된 절연 파이프(140)를 포함한다. 또한 절연 파이프(140) 내에 형성된 절연봉(150)을 더 포함할 수 있다.
상기의 몸체(110)는 파지되는 기판의 형상과 동일한 형상인 것이 바람직하고, 이에 한정되지 않고 기판의 파지를 위한 다양한 형상이 가능하다. 몸체(110)의 중심부에는 냉각 가스가 공급되는 가스 유입관(125)이 형성되어 있고, 가스 유입관(125)을 중심으로 냉각 유로(120)가 방사상 형태로 뻗어 있고, 이러한 냉각유로(120)의 각 외향단부들을 서로 연결하기 위해 몸체(110)의 가장자리 영역에는 원형 띠 형태의 또 다른 냉각유로(120)가 형성되어 있다. 또한, 몸체(110)의 표면은 세라믹 코팅막(170)이 형성되어 있다. 또한, 기판의 이송을 위한 리프트 핀 홀(160)과, 정전척의 온도를 모니터링하기 위한 온도 모니터링용 홀(미도시)을 더 포함할 수 있다. 리프트 핀홀(160)의 위치 및 개수는 임으로 구성이 가능하다. 본 실시예에서는 3개의 핀홀을 원형의 정전척 내부의 무게중심을 고려하여 형성하는 것이 효과적이다. 또한, 몸체(110)의 내부에는 소정의 내부 전극(미도시)이 형성되어 있다. 이 뿐만 아니라 내부 직류 전극을 사용하지 않고 고주파 전원 및/또는 직류전원을 몸체(110)에 직접 인가할 수도 있다.
몸체(110)의 표면에 형성된 냉각유로(120)는 몸체(110) 표면을 연마/가공하여 그 일부를 제거하여 소정의 리세스(recess) 형상으로 제작할 수 있다. 몸체(110) 상부에 세라믹 코팅막(170)을 형성하고, 몸체 상부 표면에 균일하게 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 세라믹 코팅막(170)에 의해 기 형성된 냉각 유로(120)가 매립되는 현상을 방지하는 것이 효과적이다. 물론 이에 한정되지 않고, 미리 세라믹 코팅막(170)이 코팅된 몸체(110)를 사용하여 그 표면에 냉각유로(120)를 형성할 수도 있다.
상기의 가스 유입관(125)은 몸체(110)를 상하로 관통한다. 또한, 그 하부에는 소정의 굴절영역이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
절연 파이프(140)는 상기 가스 유입관(125)의 하부에 형성된 굴절영역에 대응되도록 하부에 플랜지(Flange)가 형성된 파이프 형상인 것이 바람직하다. 즉, 철(凸)자 형상의 절연 파이프(140)를 사용하는 것이 바람직하다. 절연 파이프(140)는 몸체(110)의 관통구멍의 하부에서 상부방향으로 삽입되며, 절연 파이프(140)와 냉각몸체 사이에는 결합수단으로 실리콘본드(142)가 사용된다. 도 6에서와 같이 절연 파이프(140)의 파이프 영역(수직방향)에 실리콘 본드(142)가 위치하여 절연 파이프(140)와 몸체(110)의 체결을 하는 동시에 결합부분에서 발생할 수 있는 몸체(110)의 노출을 방지할 수 있다. 또한, 정전척의 상하부에 압력차이가 발생하는 경우에는 절연 파이프(140)와 몸체(110) 사이에 실리콘 본드(142) 외에 진공 실링수단이 추가될 수 있다. 진공실링을 위한 수단으로는 오링(O-ring)을 사용한다. 절연 파이프(140)의 플랜지와 몸체(110)의 하부를 볼트(144)로 결합한다. 볼트(144)가 절연 파이프(140)의 외부로 노출되는 것을 방지하기 위한 오목한 공간이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 볼트 결합시 체결을 단단히 하기 위해 소정의 와셔(146)를 이용할 수 있다. 체결이 끝나면 볼트(144)의 모리 부분 홈에 실리콘이나 기타 물질을 이용하여 도포함으로써 볼트(144)가 풀리지 않도록 할 수 있다. 즉, 상기의 움푹 파인 공간 내부를 실리콘으로 매립하여 볼트(144)의 머리 영역이 움직이지 않도록 할 수 있다.
상술한 플랜지부의 형상은 도면에 도시된 형상 및 상기에서 설명한 형상에 한정되지 않고 다양한 형상이 가능하다. 바람직하게는, 정전척 몸체(110)의 내부 냉각 가스의 유로를 단순하게 하고, 유로 전체의 측벽을 보호하기 위한 절연파이프 (140)를 두어서 유로에서 발생하였던 플라즈마 발생이나 아킹의 발생을 보호할 수 있다.
상기의 절연파이프(140)의 중앙에는 세라믹 계열(알루미나; Al2O3, 실리콘 나이트라이드; Si3N4, 사파이어 등)의 절연봉(150)을 삽입하여 냉각가스 유입구의 개구부를 미세하게 할 수 있다. 이때 절연봉(150)의 고정은 도시 되지 않은 정전척 하부 부품에 의한다. 또한 절연봉(150)에 의해 절연파이프(140)와 절연봉(150)간의 간격을 0.3mm이하로 할 수 있다. 또한, 절연봉(150)의 크기에 따라 냉각가스가 나오는 유로의 지름을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 절연 파이프(140)의 관통구멍의 지름 또한 다양하게 할 수 있다. 즉, 절연 파이프(140)의 관통구멍의 지름을 0.3mm보다 크게 제작할 수 있다. 이로써, 종래의 절연파이프(140)의 내경을 0.3mm이하로 가공하던 것을 대체할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 정전척의 냉각 동작을 설명하기 위한 개념 단면도이다.
도 7을 참조하면, 그 표면에 냉각유로(120)가 형성되고, 표면에 세라믹 코팅된 몸체(110)와, 몸체(110)의 중심부에 이를 수직으로 관통하는 가스 유입관(125)과, 가스 유입관(125)에 삽입 장착된 절연파이프(140)와, 절연파이프(140)의 중심부에 형성된 절연봉(150)을 포함한다.
또한, 도 7의 점선은 가상의 기판을 지칭한다. 이와 같이 기판이 정전척 상에 파지되면 정전척의 몸체(110)와 기판 사이에 소정의 공간을 갖는 냉각유로(120)가 형성된다. 이때, 외부의 냉각가스 주입 장비를 통해 가스 유입관(125)내에 냉각 가스가 유입되면, 절연 파이프(140)내를 통해 냉각 가스가 정전척의 표면으로 상승한다. 이때, 절연봉(150)이 삽입되어 있어 가스의 분출구멍의 크기를 줄일 수 있고 이러한 냉각 가스 분출구멍에 의한 반응 문제를 줄일 수 있다. 이후, 몸체(110)의 상부로 분출된 냉각가스는 기판 하부 즉, 정전척의 표면에 형성된 냉각유로(120)를 통해 이동한다. 이로써, 냉각유로(120)를 이동하는 냉각가스에 의해 기판의 열을 냉각시킴을 물론, 열을 하부의 냉각 몸체로 효과적으로 이동할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 냉각 가스가 공급되는 가스 유입관내에 절연파이프를 장착하여 유로 전체에 플라즈마 발생이나 아킹의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 절연 파이프 내에 소정의 절연봉을 두어, 절연 파이프의 관통구멍을 미세하게 가공하지 않고도, 냉각 가스가 공급되는 가스유로의 관통구멍을 작게 할 수 있다.

Claims (9)

  1. 몸체;
    상기 몸체 상부 표면에 형성된 냉각가스유로;
    상기 몸체 측면과 상부 표면과 상기 냉각가스유로 위에 형성된 세라믹 코팅막;
    상기 몸체를 관통하여 형성되고, 상기 냉각가스유로에 냉각가스를 공급하기 위한 냉각가스 유입관;
    상기 냉각가스 유입관의 내측벽에 장착되는 절연파이프; 및
    상기 절연파이프를 관통하는 절연봉을 포함하는 정전척.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각가스 유입관은 상기 몸체의 중심부를 관통하는 정전척.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연파이프와 상기 절연봉은 세라믹 계열의 재질인 정전척.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연파이프는 상기 냉각가스 유입관의 입구에서 출구까지 장착되는 정전척.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체의 상기 냉각가스 유입관과 상기 절연파이프는 실리콘본드에 의해 결합하는 정전척.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체와 상기 냉각가스 유입관과 상기 절연파이프 사이에 진공 실링 수단이 더 포함되는 정전척
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연파이프는 하부에 플랜지부를 포함하고, 상기 플랜지부와 상기 몸체와 결합하는 정전척.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연파이프 또는 상기 절연봉의 직경을 조절하여 상기 절연파이프 및 상기 절연봉 사이의 간격을 조절하므로써
    상기 냉각가스 유입관으로 공급되는 냉각가스 유로의 직경을 조절하는 정전척.
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