KR101492551B1 - 정전 척 - Google Patents

Abstract

본 발명은 높은 흡착력을 가지면서, 탈착 시간이 짧고, 제조시에 휨이 쉽게 발생하지 않고, 열 사이클 후의 기계적 강도의 열화가 적은 정전 척을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 세라믹스제의 정전 척은, 유전체층과, 그 유전체층의 이면에 접하는 지지체층을 구비하며, 정전 전극이 매설된 것이다. 유전체층은 표면에 웨이퍼를 배치할 수 있고, Sm을 포함하는 질화알루미늄 소결체로 이루어지며, 실온에서의 체적 저항률이 4×10⁹ Ω㎝∼4×10¹⁰ Ω㎝이다. 지지체층은 Sm과 Ce를 포함하는 질화알루미늄 소결체로 이루어지고, 실온에서의 체적 저항률은 1×10¹³ Ω㎝ 이상이다.

Description

정전 척{ELECTROSTATIC CHUCK}

본 발명은 정전 척에 관한 것이다.

반도체 제조 장치에 이용되는 세라믹스 정전 척이 있다. 세라믹스 정전 척은, 세라믹스 내에 금속 전극을 매설한 구성으로 되어 있고, 전극으로부터 웨이퍼측의 세라믹스 부분을 유전체층이라 하며, 그 반대측의 세라믹스를 지지체층이라 한다. 유전체층의 체적 저항률을 10⁸ Ω㎝∼10¹³ Ω㎝ 정도로 제어하면, 존슨ㆍ라벡형의 정전 척이 된다.

본 출원인은, 지지체층의 체적 저항률을 유전체층의 체적 저항률보다도 높게함으로써, 도전성 하부 고주파 전극에 정전 척을 접합한 경우라도 안정되게 흡착력을 발생시킬 수 있는 정전 척을 얻을 수 있는 것을 발명하였다(특허문헌 1 참조). 또한, 질화알루미늄을 주성분으로 하고, Sm을 첨가함으로써, 존슨ㆍ라벡 흡착력을 발생시키는 데에 효과적인 체적 저항률을 갖는 세라믹스 재료를 발명하였다(특허문헌 2 참조).

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2002-50676호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허 공개 제2005-294648호 공보

특허문헌 1, 특허문헌 2를 조합한 정전 척으로서, Sm을 포함하는 질화알루미늄을 유전체층으로 하고, 순도 99.9%의 질화알루미늄을 지지체층으로 하여 정전 척을 제작한 결과, 흡착력은 높지만, 전극으로의 고전압의 인가를 정지하고 나서 흡착된 웨이퍼가 떼어질 때까지의 시간(탈착 시간)이 길다고 하는 문제가 발생하였다. 이 시간이 길면, 웨이퍼의 처리 후에 쓸데없는 시간이 발생하기 때문에, 웨이퍼의 처리 속도를 높일 수 없다고 하는 문제가 있었다. 또한, 지지체층의 두께를 얇게 하면 제조 공정 중에 휨이 발생하기 때문에, 평면도를 유지하기 위해서는 수정 가공이 부득이하다고 하는 문제가 발생하였다. 또한, 그 정전 척을 고온과 저온의 사이클에 노출시킨 경우, 장시간의 사용으로 얇은 유전체층의 접합 강도가 열화한다고 하는 문제가 발생하였다. 기계적 강도의 열화는, 정전 척의 하면을 대기압으로 하고, 상면을 진공에 노출시킨 경우에 유전체층의 파손을 일으키게 할 가능성이 있어 문제였다.

본 발명은, 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 높은 흡착력을 가지면서, 탈착 시간이 짧아 제조시에 휨이 쉽게 발생하지 않고, 열 사이클 후의 기계적 강도의 열화가 적은 정전 척을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 정전 척은,

전극이 매설된 세라믹스제의 정전 척으로서,

표면에 웨이퍼를 배치할 수 있고, Sm을 포함하는 질화알루미늄 소결체로 이루어지며, 실온에서의 체적 저항률이 4×10⁹ Ω㎝∼4×10¹⁰ Ω㎝인 유전체층과,

이 유전체층의 이면에 접하고 있고, Sm과 Ce를 포함하는 질화알루미늄 소결체로 이루어지며, 실온에서의 체적 저항률은 1×10¹³ Ω㎝ 이상인 지지체층

을 포함한 것이다.

이 정전 척에 따르면, 웨이퍼를 배치한 상태에서 전극에 고전압을 인가했을 때의 웨이퍼 흡착력이 높아 제조시에 휨이 쉽게 발생하지 않고, 전극으로의 고전압의 인가를 정지하고 나서 웨이퍼가 떼어질 때까지의 시간(탈착 시간)이 짧아 열 사이클 후의 기계적 강도의 열화가 적다.

본 발명의 정전 척에 있어서, 상기 유전체층은, Al-Sm-O 화합물을 포함하고, Sm을 Sm₂O₃ 환산으로 1.2 wt%∼4 wt% 포함하며, Al 및 Sm을 각각 Al₂O₃ 및 Sm₂O₃로 환산했을 때의 Al₂O₃/Sm₂O₃의 중량비는 0.8∼1.5인 질화알루미늄 소결체이며, 상기 지지체층은, Sm 및 Ce의 산화물을 포함하고, Sm을 Sm₂O₃ 환산으로 0.96 wt%∼2.2 wt%, Ce를 CeO₂ 환산으로 0.2 wt%∼0.5 wt% 포함하는 질화알루미늄 소결체인 것이 바람직하다. 이 경우, 본 발명의 효과, 즉 흡착력이 높아 탈착 시간이 짧고, 열 사이클 후의 강도 열화가 적다고 하는 효과를 확실하게 얻을 수 있다.

본 발명의 정전 척에 있어서, 상기 전극은, 몰리브덴 금속 또는 몰리브덴 합금으로 형성되며, 상기 유전체층의 내부, 상기 지지체층의 내부, 또는 상기 유전체층과 상기 지지체층의 계면 부분에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 몰리브덴 금속 또는 몰리브덴 합금으로 형성된 전극의 경우, 특허문헌 1(일본 특허 공개 제2002-50676호 공보)에 기재되어 있는 바와 같이, 전극의 주위에 고저항 영역이 발생하기 쉬워, 흡착력이 저하하기 쉬운 경향이 있기 때문에, 본 발명을 적용하는 의의가 크다.

본 발명의 정전 척에 있어서, 상기 지지체층은, 저항 발열체(히터)를 내장하고 있어도 좋다. 지지체층은 체적 저항률이 높기 때문에, 여기에 저항 발열체를 매설함으로써 웨이퍼를 흡착하면서 효율적으로 접촉 열전도 가열을 할 수 있다.

도 1은 도 2의 SEM 사진을 촬영한 부분을 나타낸 설명도이다.
도 2는 실시예 1과 비교예 1의 미시 구조를 나타낸 SEM 사진이다.

실시예

[일반적 제조 절차]

지지체층으로서 이용하는 질화알루미늄 소결체를 준비하였다. 이 질화알루미늄 소결체는, Sm₂O₃ 및 CeO₂를 포함하는 질화알루미늄 분말을 성형하고, 핫 프레스법으로 소성함으로써 제조하였다. 이 때의 핫 프레스 하중은 50 ㎏/㎠, 소성 온도는 1800℃∼2100℃, 소성 시간은 4시간 이하로 하였다. 다음에, 지지체층의 상면을 연삭하여 평면을 형성한 곳에 금속 메쉬로 이루어진 정전 전극을 설치하였다. 다음에, 상기 정전 전극 상에, 유전체층의 원료 분말을 두어 프레스 성형하고, 지지체층을 포함하는 성형체로 하였다. 이 원료 분말은, Sm₂O₃ 및 Al₂O₃을 포함하는 질화알루미늄 분체로 하였다. 그리고, 얻어진 성형체를 핫 프레스법으로 소성함으로써, 정전 척을 얻었다. 이 때의 핫 프레스 하중은 70 ㎏/㎠, 소성 온도는 1800℃∼2100℃, 소성 시간은 4시간 이하로 하였다.

[실시예 1∼8, 비교예 1∼5]

실시예 1∼8, 비교예 1∼5의 정전 척을, 하기 표 1에 나타내는 조성을 갖도록 상기 일반적 제조 절차에 따라 제작하였다. 각 정전 척은, 직경 298 ㎜, 지지체층 두께 3 ㎜, 유전체층 두께 1.0 ㎜이며, 쌍극형의 정전 전극(전극 재료는 Mo 메쉬)을 구비한 것으로 하였다. 또한, 유전체층 상의 웨이퍼 배치면에는 직경 1 ㎜, 높이 8 ㎛의 원 형상의 돌기를 웨이퍼 배치면 상에 거의 균등하게 분포하도록 형성하고, 이 웨이퍼 배치면의 외주를 따라 폭 1 ㎜의 환상 돌기를 높이 8 ㎛가 되도록 형성하였다. 웨이퍼 배치면에는 가스를 도입하는 직경 1 ㎜의 가스 구멍을 관통시켰다. 지지체층 쪽에는 내부의 정전 전극에 도달하는 카운터싱크 홀(countersink hole)을 개구하고, 급전 단자를 정전 전극에 납땜하였다. 다음에, 이 세라믹스 정전 척을 Al제의 냉각판(하부 RF 전극을 겸하고 있음)에 접착제로 접합하였다. 또한, 표 1에 나타내는 각 조성은, 이하와 같이 하여 측정하였다. 즉, Sm 및 Ce에 대해서는 AlN 소결체를 용해하여 용해액으로 한 후에 ICP(유도 결합 플라즈마) 원자 발광 분석법에 의해 측정하였다. 산소에 대해서는 불활성 가스 융해-적외선 흡수법에 의해 측정하였다. 측정된 Sm, Ce량으로부터, Sm₂O₃, CeO₂의 환산량을 산출하였다. Sm₂O₃과 CeO₂의 환산량으로부터, 이들에 포함되는 산소량을 산출하고, 실측된 산소량과의 차분(差分)으로부터 Al₂O₃량을 산출하였다.

이상과 같이 하여 제작한 정전 척을 이하와 같이 평가하였다. 평가 결과를 표 2에 정리하였다.

<평가 방법>

- 흡착력의 측정 방법:

정전 척의 웨이퍼 배치면에 직경 2 ㎝의 Si제의 원기둥(Si 프로브)을 놓고, 정전 전극에 전압 200 V를 인가한 후, 인장 하중 측정기에 의해 Si 프로브를 수직 상방으로 끌어올려, Si 프로브가 정전 척으로부터 떨어질 때의 하중을 측정하고, 흡착력을 측정하였다.

- 탈착 시간의 측정 방법:

정전 척을 진공 용기 내에 설치하고, 10 Pa 이하의 압력으로, Si 웨이퍼를 정전 전극으로의 인가 전압 +/- 300 V로 흡착하며, 1분간 유지한 후, 웨이퍼의 백사이드(정전 척 표면과 웨이퍼 사이에 생기는 공간)에 압력 600 Pa의 He 가스를 도입하고 나서, 인가 전압을 0으로 하고, 그 다음에, 백사이드의 He 가스 압력이 급격히 낮아질 때까지의 시간을 계측하여 탈착 시간으로 하였다. 웨이퍼가 정전 척으로부터 떼어지면, 백사이드 가스가 진공 용기 내로 빠지기 때문에, He 가스 압력이 급격히 낮아지는 것을 이용하여, 정전 척의 흡착력이 충분히 낮아질 때까지의 시간을 알 수 있다.

- 휨의 측정 방법

소성한 소성체를 조(粗)가공하여 두께를 약 8 ㎜로 하였다. 이 시점에서, 지지체층 쪽의 두께는 6 ㎜이고 유전체층 쪽의 두께는 2 ㎜였다. 지지체층이 되는 쪽을 평면 지그에 접착하여, 유전체층 쪽을 1 ㎜ 연삭함으로써 전체의 두께를 7 ㎜로 하였다. 다음에 유전체층 쪽을 평면 지그에 접착하여, 지지체층 쪽을 2 ㎜ 연삭함으로써 전체의 두께를 5 ㎜로 하였다. 전부 3 ㎜ 깎아낸 후, 소성체를 평면 지그로부터 떼어 내면, 소성체의 잔존 내재 응력에 의해, 소성체가 휘었다. 이 때의 휨을 3차원 측정 장치로 측정하였다.

- 열 사이클 후의 강도의 측정 방법

상기한 정전 척의 제작 방법과 마찬가지로 하여, 지지체층 쪽 5 ㎜, 유전체층 쪽 5 ㎜의 소성체를 얻은 후, 이것을 열 사이클 시험기에 넣고, 공기 중에서 300℃와 실온(약 25℃) 사이를 5000 사이클 가열 냉각하였다. 그 후, 한 변이 5 ㎜이고 두께가 10 ㎜인 시료를 10개 잘라내고, 한 변이 5 ㎜이며 깊이가 5 ㎜인 오목부를 갖는 강철 지그에 지지체층 쪽과 유전체층 쪽을 각각 끼워 넣으며, 전극 접합 계면의 전단 방향으로 하중을 걸어 파손되었을 때의 하중으로부터 전단 강도를 측정하였다.

표 2로부터 밝혀지는 바와 같이, 실시예 1 내지 8에 따르면, 탈착 시간이 짧아 휨이 적고, 장기간 열 사이클 후에도 강도가 높은 정전 척을 얻을 수 있다.

다음에, 각 정전 척에 대해, 유전체층 쪽에 도전성 고무 시트로 이루어진 평면 전극을 배치하고, 이 평면 전극과 정전 전극 사이에 전압을 인가하여 유전체층의 체적 저항률을 측정하였다. 또한, 지지체층 쪽에 동일한 평면 전극을 배치하고, 이 평면 전극과 정전 전극 사이에 전압을 인가하여 지지체층의 체적 저항률을 측정하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다. 실시예 1 내지 실시예 8의 정전 척의 유전체층은, 모두 존슨ㆍ라벡력을 발생시키는 체적 저항률을 갖고 있었다(4×10⁹ Ω㎝∼4×10¹⁰ Ω ㎝). 또한, 실시예 1 내지 실시예 8의 정전 척의 지지체층은, 유전체층에 비하여 절연성이 높았다(2×10¹³ Ω㎝). 한편, 비교예 1 내지 5의 정전 척에서는, 존슨ㆍ라벡력을 발생시키기에는 유전체층의 체적 저항률이 너무 높거나 너무 낮거나 한 경우가 있고, 지지체층의 절연성도 충분히 높지 않은 경우가 있었다.

또한, 각 정전 척의 누설 전류를 측정하였다. 누설 전류는 다음과 같이 하여 측정하였다. 즉, 우선, 정전 척 상에 실리콘 웨이퍼를 배치하고, 실리콘 웨이퍼를 전기적으로 접지함으로써 실리콘 웨이퍼와 정전 전극 사이에 회로를 형성하였다. 그리고, 정전 전극에 300 V의 직류 전압을 인가하여 실리콘 웨이퍼를 유전체층의 표면에 흡착시켰을 때에, 정전 전극으로부터 실리콘 웨이퍼로 흐르는 누설 전류를 측정하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다. 누설 전류가 너무 크면, 장치로서 누전 상태가 될 뿐만 아니라, 실리콘 웨이퍼 상의 디바이스를 파괴하는 경우가 있기 때문에, 누설 전류는 1000 μA 이하로 억제할 필요가 있다. 각 실시예의 정전 척은, 모두 누설 전류가 1000 μA 이하, 특히 150 μA 이하이기 때문에, 누전이나 디바이스 파괴 등의 우려가 없다.

각 실시예의 정전 척과 각 비교예의 정전 척에서, 어떻게 상기와 같은 차이가 발생하는 것인지를, 실시예 1과 비교예 1의 유전체층의 미시 구조를 관찰하여 고찰하였다(도 1 및 도 2 참조). 도 1의 부분 P의 미시 구조를 도 2에 2가지 배율(250배, 1500배)로 나타낸다. 도 2에 있어서, 흰 부분이 Sm이 많은 곳이다. 도 2로부터, 비교예 1 쪽은 전극에 가까운 부분의 유전체층에서 Sm을 포함하는 입계상(粒界相)(Sm-Al-O상)이 실시예 1에 비하여 적고, Sm이 유전체층으로부터 지지체층으로 확산되고 있는 것을 알 수 있었다. Sm은 비교적 저저항이기 때문에 도전 패스로 되어 있다고 고려되지만, 비교예 1에서는 유전체층 내의 Sm이 실시예 1에 비하여 적기 때문에, 유전체층의 체적 저항률이 부분적으로 상승할 것 같은 것을 알 수 있다. 그리고, 그 체적 저항률이 상승한 부분에 전하가 트랩되기 때문에, 유전체층의 전하가 빠져나가기 어렵고, 유전체층에 전하가 잠시 잔존하기 때문에, 전압 인가 제거 후에도 흡착력이 바로 소실되지 않을 것으로 고려된다. 또한, 비교예 1에서는, Sm의 확산에 따른 물질 이동으로, 유전체층의 전극 계면 부근의 강도가 고려된다.

[실시예 9]

실시예 1의 정전 척에 대해서, 지지체층에 Mo로 이루어진 저항 발열체, 즉 히터를 매설한 정전 척을 제작하고, 정전 척 자체를 저항 발열체에 의해 60℃로 유지하면서, 상기와 동일한 평가를 행하였다. 그 결과, 흡착력은 4000(Pa), 탈착 시간은 1(초), 휨은 0.01(㎜), 열 사이클 후의 강도는 240(Pa), 유전체층의 체적 저항률 2×10^-10(Ω㎝), 지지체층의 체적 저항률 2×10^-13(Ω㎝), 누설 전류 130(μA)이며, 정전 척으로서 양호한 성능을 발휘하고, 정전 전극으로부터 저항 발열체로의 누설 전류도 작아, 히터 전원 등에 이상 전류가 흐르지 않게 가열할 수 있었다. 이러한 것으로부터, 본 발명의 정전 척의 구성에 따르면, 지지체층의 체적 저항률이 높기 때문에, 여기에 저항 발열체를 직접 매설할 수 있고, 웨이퍼를 흡착시키면서 효율적으로 접촉 열전도 가열을 행할 수 있다.

본 발명은, 예컨대 실리콘 웨이퍼를 가공하는 반도체 제조 장치에 이용할 수 있다.

Claims (4)

1. 전극이 매설된 세라믹스제의 정전 척으로서,
   표면에 웨이퍼를 배치할 수 있고, Sm을 포함하는 질화알루미늄 소결체로 이루어지며, 실온에서의 체적 저항률이 4×10⁹ Ω㎝∼4×10¹⁰ Ω㎝인 유전체층과,
   이 유전체층의 이면에 접하고 있고, Sm과 Ce를 포함하는 질화알루미늄 소결체로 이루어지는 지지체층
   을 포함하며,
   상기 유전체층은, Al-Sm-O 화합물을 포함하고, Sm을 Sm₂O₃ 환산으로 1.2 wt%∼4 wt% 포함하며, Al 및 Sm을 각각 Al₂O₃ 및 Sm₂O₃로 환산했을 때의 Al₂O₃/Sm₂O₃의 중량비는 0.8∼1.5인 질화알루미늄 소결체이고,
   상기 지지체층은, Sm 및 Ce의 산화물을 포함하며, Sm을 Sm₂O₃ 환산으로 0.96 wt%∼2.2 wt%, Ce를 CeO₂ 환산으로 0.2 wt%∼0.5 wt% 포함하는 질화알루미늄 소결체인 것인 정전 척.
2. 제1항에 있어서, 상기 전극은, 몰리브덴 금속 또는 몰리브덴 합금으로 형성되며, 상기 유전체층의 내부, 상기 지지체층의 내부, 또는 상기 유전체층과 상기 지지체층의 계면 부분에 배치되어 있는 것인 정전 척.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지체층은, 저항 발열체를 내장하고 있는 정전 척.
4. 삭제

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