KR102299002B1 - 정전척 테스트 장치 - Google Patents

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김성만
이규영
이준호
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Abstract

기판 처리 중 흡착된 기판의 온도가 균일 제어되는지 여부를 테스트하기 위한 장치가 소개된다. 장치는 탑플레이트 상에 정전척이 놓이는 스테이지 및 탑플레이트 상에 설치된 제1 및 제2 가이드를 따라 승강 가능한 챔버 하우징을 구비한다. 스테이지와 챔버 하우징에 의해 챔버가 규정된다. 챔버 하우징 내에는 승강 가능하게 히터가 마련된다. 정전척에 의해 기판이 흡착되며, 기판 상의 복수 위치에 온도센서가 배치된다. 이 온도센서에 의해 측정된 온도값은 제어부로 송출되어, 히터에 의해 가열된 기판의 온도 분포가 분석된다.

Description

정전척 테스트 장치{APPARATUS FOR TESTING ELECTROSTATIC CHUCKS}
본 발명은 기판 처리 과정에 기판을 흡착하는 정전척을 테스트 하기 위한 장치에 관한 것이다.
정전척들은 웨이퍼, 유리, 디스플레이 패널 등과 같은 정전기적 인력에 의해 기판을 흡착한다. 정전척들은 물리적인 힘을 가하지 않고도 기판들을 고정할 수 있어 반도체나 디스플레이 제조공정들에서 널리 사용된다.
정전척은 기판 흡착용 전극이 엠베드된 유전체 플레이트와 바디를 구비한다.
유전체 플레이트의 전면에는 기판을 지지하는 돌기들이 마련되고, 유전체 플레이트의 두께 방향으로 유전체 플레이트를 관통하는 가스유로가 마련될 수 있다. 이 가스유로를 통해 기판의 이면에 기판 온도의 조절을 위한 냉각가스가 공급된다. 후면은 적절한 온도 조절수단을 갖는 바디에 접합된다.
바디는 알루미늄과 같은 열전도성이 우수한 금속 또는 세라믹으로 구성된다. 예로서 바디에는 온도 조절을 위한 보온채널, 유전체 플레이트의 가스유로와 연결되는 가스공급라인, 전극에 전압을 인가하기 위한 급전라인 등이 마련된다. 금속 바디의 표면은 절연을 위해 아노다이징 처리된다.
정전척들은 유전체 재료나 제조방법에 따라 세라믹 정전척, 폴리이미드 정전척, 용사코팅 정전척 등으로 구분될 수 있다. 또한 정전척들은 흡착력의 유도 특성에 따라 쿨롱 타입과 존슨-라벡 타입, 그리고 전극 개수 또는 구조에 따라 모노폴라 타입과 바이폴라 타입으로 구분될 수 있다.
정전척에서 흡착 전극 위의 유전층은 대략 300~1,000㎛ 정도의 얇은 두께로 형성된다. 이 유전층 두께는 쿨롱 타입 정전척보다 유전층 표면 측으로의 전하 이동이 있는 존슨-라벡 타입 정전척이 조금 더 두껍다. 정전척은 흡착 전극의 아래에 위치된 제2의 전극, 예로서 기판 온도의 조절을 위한 히터 전극을 가질 수 있다.
고순도 세라믹, 예를 들어 알루미나는 유전체 플레이트용 재료로 널리 사용되어 왔다. 높은 비저항에 기인하여 알루미나는 쿨롱 타입 정전척에 사용된다. 고순도, 예를 들어 99.7% 순도 이상의 알루미나 플레이트는 가압 및 열처리를 함께 수행할 수 있는 핫프레스 방식으로 제조되거나, 소결 세라믹을 접합하는 방식으로 제조된다.
반도체 제조과정에 증착, 노광, 이온주입, 에칭 등의 처리가 반복 수행된다. 하나의 예로서 에칭 공정에서, 기판은 감압 챔버 내에 배치된 정전척에 의해 흡착된다. 챔버 내 대향 배치된 상,하부 전극에 고주파 전압이 인가되고 이에 의해 발생된 플라즈마의 작용에 의해 기판 표면의 증착층이 에칭된다. 고밀도 플라즈마 환경에서 기판의 온도가 상승하기에, 타겟 범위 내에서 기판 온도를 제어하는 것이 필요하다.
반도체 제조공정들에서 기판 온도의 균일 제어는 필수이다. 가스유로를 통해 기판 이면으로 공급되는 He 가스 및 바디의 보온채널에 공급되는 온도조절용 매체는 공정 처리 중 기판을 목표로 하는 온도로 유지할 수 있게 한다. 기판 중심으로부터 반경 방향의 에지부에 이르기까지 기판 전체 면적에 대한 균일한 온도 제어는 공정 품질 및 임계치수(Critical Dimension)의 균일성을 좌우한다.
반도체 공정의 극미세화에 따라 소자들의 사이즈가 더욱 작아지고 있다. 하나의 웨이퍼에서 제조되는 소자들의 크기가 큰 경우, 에지부에서 버려지는 웨이퍼 조작들로 인한 손실은 상대적으로 미미하게 여겨질 수 있다. 하지만 소자들의 사이즈들이 상당할 정도로 작아진 최근, 웨이퍼 에지부에서의 생산 수율은 원가 경쟁력에 매우 큰 영향을 미친다. 웨이퍼 처리 중 에지부에서 핫스팟들이 자주 발생되며, 이들 핫스팟의 온도 제어가 필요하다.
세라믹 정전척들, 특히 반도체 공정에서 사용되는 고순도의 세라믹 정전척들은 높은 진입 장벽으로 인해 국내에서의 개발이 어려워 매우 고가에 전량 수입되고 있는 실정이다. 최근 세라믹 정전척의 국산화 기술개발이 추진되고 이루어고 있는데, 이를 위해서는 기판 처리 중 개발된 정전척에 의해 기판 온도가 균일하게 제어되는지 여부를 테스트할 장비가 요구된다.
본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로, 기판 처리 중 정전척이 타겟으로 하는 바에 따라 제대로 작동하는지 여부를 테스트하기 위한 장치를 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 기판 처리 중 흡착된 기판의 온도가 균일 제어되는지 여부를 테스트하기 위한 장치를 제공하고자 한다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항에 의해서도 이해될 수 있을 것이다.
위 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 정전척 테스트 장치는 정전척이 놓이는 스테이지, 여기서 정전척 둘레에 하부 링이 배치됨; 스테이지가 장착되는 탑플레이트를 구비하는 프레임; 정전척을 사이에 두고 서로 마주보도록 탑플레이트 상에 설치된 제1 및 제2 가이드; 제1 및 제2 가이드를 따라 승강 가능하게 설치되고, 탑면과 둘레면을 갖는 챔버 하우징, 여기서 챔버 하우징이 하강하여 둘레면의 하단이 하부 링에 밀착됨에 의해 스테이지와 챔버 하우징에 의해 규정되는 밀폐된 챔버가 제공됨; 탑면에 수직하게 배치된 로드 및 로드의 하부에 마련된 히터를 구비하는 히터 어셈블리, 여기서 탑면에는 로드를 사이에 두고 서로 마주보게 배치된 제3 및 제4 가이드가 마련되며, 히터 어셈블리는 제3 및 제4 가이드를 따라 승강 가능하게 설치됨; 및 정전척 상에 로딩되며, 복수 위치에 제1 온도센서가 배치된 기판을 포함한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 기판 처리 중 정전척이 목표로 하는 기준 및 타겟 범위 내에서 작동하는지 여부를 테스트할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 기판 처리 중 흡착된 기판의 온도가 균일 제어되는지 여부를 테스트할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정전척 테스트 장치를 보여준다.
도 2는 도 1에 도시된 챔버 하우징을 보여준다.
도 3은 도 2에 도시된 챔버 하우징의 단면을 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 히터 어셈블리를 보여준다.
도 5는 도 4에 도시된 히터 어셈블리의 부분 확대도이다.
도 6은 도 4에 도시된 히터 어셈블리의 저면을 개략적으로 보여준다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정전척을 보여준다.
도 8은 도 7에 도시된 정전척의 후면을 보여준다.
도 9는 도 7에 도시된 정전척의 단면을 보여준다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 테스트용 기판을 보여준다.
이하 본 발명의 여러 특징적인 측면들을 이해할 수 있도록 실시예들을 들어 보다 구체적으로 살펴본다. 도면들에서 동일 또는 동등한 구성요소들은 동일한 참조부호로 표시될 수 있고, 도면들은 본 발명의 특징들에 대한 직관적인 이해를 위해 과장되거나 개략적으로 도시될 수 있다.
본 문서에서, 별도 한정이 없거나 본질적으로 허용될 수 없는 것이 아닌 한, 두 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 표현들, 예로서 '상', '연결'과 같은 표현들은 두 요소가 서로 직접 접촉하는 것은 물론 제1 및 제2 요소의 요소 사이에 제3의 요소가 개재되는 것을 허용한다. 전후, 좌우 또는 상하 등의 방향 표시는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니다.
도 1에 실시예에 따른 테스트 장치가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 테스트 장치는 하부의 스테이지(10), 상부의 챔버 하우징(20) 및 이들의 설치를 위한 프레임(30)을 포함한다.
스테이지(10)에 정전척(11,12)이 놓인다. 정전척(11,12)은 지지대(41)에 마운팅되며, 지지대(41) 둘레에 하부 링(42)이 배치된다.
챔버 하우징(20)은 스테이지(10) 바로 위에서 승강 가능하게 마련된다. 챔버 하우징(20)은 탑면(21)과 둘레면(22)을 가지며, 탑면(21)과 둘레면(22)에는 보온채널(24)이 지그재그를 그리며 연장 형성된다. 챔버 하우징(20) 및 그 내부의 세밀한 온도 조절이 필요할 경우, 보온채널(24)을 통해 온수가 공급된다. 챔버 하우징(20)의 내부 온도는 200~300℃ 정도로, 챔버 내부의 열을 빼앗이는 것을 방지하기 위하여 50~100℃의 온수가 보온채널(24)에 공급된다.
프레임(30)은 단칸 수납장 형태의 챔버부(31)와 다단 서랍장 형태의 타워부(32)로 구성된다. 챔버부(31)는 스테이지(10)가 장착되는 탑플레이트(33)를 구비한다. 챔버부(31)의 전면에 도어가 마련되고, 그 내부에는 정전척(11,12)에 냉각수를 공급하거나 챔버 내 진공압을 제공하는 등의 용도에 사용되는 부품들이 배치된다. 타워부(32)에는 컴퓨터(34c), 키보드(34b), 디스플레이(34a), 정전척용 전원장치 등의 설치를 위한 공간이 마련된다.
도 2에는 실시예에 따른 챔버 하우징(20)이 도시되어 있다. 도 3에는 챔버 하우징(20)의 단면이 도시되어 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 챔버 하우징(20)이 완전히 하강하면 둘레면(22)의 하단(23)이 하부 링(42)에 밀착되고, 이로써 스테이지(10)와 챔버 하우징(20)해 규정되는 밀폐된 챔버가 제공된다. 이 밀폐된 챔버 내부는 반도체 공정 챔버의 플라즈마 식각 분위기와 유사하게 조성된다.
탑플레이트(33)에는 정전척(11,12)을 사이에 두고 서로 마주하도록 제1 가이드(51a) 및 제2 가이드(51b)가 수직하게 설치된다. 제1 및 제2 가이드(51a,51b)는 챔버 하우징(20)의 승강 이동을 가이드한다. 제1 및 제2 가이드(51a,51b) 각각에 축이 마련되고 이들 축을 따라 챔버 하우징(20)이 승강하도록 구성되거나, 기타 다양한 방식으로 제1 및 제2 가이드(51a,51b)에 의해 챔버 하우징(20)의 승강 이동이 가이드되도록 할 수 있다. 컴퓨터로부터의 제어 신호에 의해 챔버 하우징(20)이 승강 이동한다.
챔버 하우징(20)에는 히터 어셈블리(60)가 설치된다. 히터 어셈블리(60)는 챔버 하우징(20)의 탑면(21)에 대해 수직하게 배치된 로드(69) 및 로드(69)의 하부에 마련된 히터(61)를 구비한다. 히터 어셈블리(60)는 승강 가능하다.
챔버 하우징(20)의 탑면(21)에는 로드(69)를 사이에 두고 서로 마주보게 배치된 제3 가이드(54a) 및 제4 가이드(54b)가 마련되며, 히터 어셈블리(60)는 제3 및 제4 가이드(54a,54b)를 따라 승강 가능하게 설치된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제3 가이드(54a)는 리니어 가이드로 구성되며, 제4 가이드(54b)는 가이드 축(57)을 구비한다. 로드(69)의 상단에는 슬라이더(55)가 결합된다. 슬라이더(55)의 일측은 제3 가이드(54a)에 끼워지며, 타측에는 가이드 축(57)이 관통하여 끼워진다. 컴퓨터로부터의 제어 신호에 의해 슬라이더(55)가 이동하며, 이에 의해 히터 어셈블리(60)가 승강한다. 제4 가이드(54b)에는 슬라이더(55)의 높이 확인 및 상승 높이의 제한을 위한 스토퍼가 마련된다.
도 4 내지 도 6에 실시예에 따른 히터 어셈블리(60)가 도시되어 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 히터(61)는 균일 가열을 위해 로드(69)를 중심으로 동심원을 그리며 반경방향으로 이격 배열된 할로겐 램프들(61a,61b,61c,61d,61e)로 구성된다. 이들 할로겐 램프(61) 사이에는 램프(61)와 이격되게 램프용 온도센서(6)가 복수개 배치된다. 온도센서(6)는 그 선단이 스테이지(10)를 향해 히터(61)보다 돌출되게 배치되며, 히터(61)에 의해 가열되는 히터(61) 주변의 온도를 측정한다. 온도센서(6)는 스테이지(10)와 챔버 하우징(20)해 규정되는 밀폐된 챔버 내부가 반도체 공정 챔버의 플라즈마 식각 분위기와 유사하게 조성될 수 있도록 할로겐 램프(61)의 발열을 조절 또는 보정하는데 사용된다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 할로겐 램프들(61a,61b,61c,61d,61e)은 중심에서 방사방향으로 배치된 브래킷(67)에 의해 위치 고정된다. 브래킷(67)은 원주방향으로 복수개 배열된다.
도 7 내지 도 9에는 실시예에 따른 정전척이 도시되어 있다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 정전척은 기판 흡착용 전극(미도시)이 엠베드된 유전체 플레이트(11)와 바디(12)를 구비한다. 유전체 플레이트(11)는 바디(12)에 견고하게 체결되거나, 실제 정전척과 마찬가지로 실리콘계 접착제로 바디(12)에 접합된다. 바디(12)의 저면(14)에는 바디(12)의 보온채널에 냉각수를 공급하기 위한 터미널들(15a,15b), 가스 유로를 통해 유전체 플레이트(11)로 He 가스를 공급하기 위한 커넥터들(16a,16b)이 마련된다.
도 10에는 실시예에 따른 테스트용 기판(1)이 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 기판(1)은 유전체 플레이트(11) 상에 로딩 및 흡착되며, 기판(1)의 중앙을 포함하여 복수 위치에 기판 온도센서(2)가 배치된다. 예로서 이 온도센서(2)는 열전대로서, 고내열성과 열전도율이 우수한 접착제를 이용하여 기판(1)에 마련된 홈에 설치된다.
열전대의 온도 센싱 데이터 전달을 위해서는 와이어가 필요하다. 그러나 와이어는 할로겐 램프(61)의 열을 차단하여 유전체 플레이트(11)에 열이 균일하게 전달되는 것을 방해하는 요소가 된다. 실시예에 의하면 온도 센싱 데이터의 전달을 위해 쿼츠, 폴리이미드 수지 등으로 제작된 와이어가 사용된다.
유전체 플레이트(11)가 새로이 개발되거나, 유전체 플레이트(11)는 물론 바디(12)를 포함한 정전척(11,12)이 새로이 개발된 경우, 위에서 설명된 테스트 장치를 이용하여 기판 처리 조건에서 유전체 플레이트(11)나 정전척(11,12)이 제대로 작동하는지 검사할 수 있다.
신규의 정전척이 개발되면, 검사를 위해 정전척을 스테이지(10)에 장착시킨다. 스테이지(10)에는 정전척의 흡착전극에 전압을 인가하거나, He 가스를 공급하거나, 챔버 내부를 진공으로 하기 위한 부품들 및 구조 등이 마련된다.
스테이지(10)에 정전척이 장착되면, 정전척 위에 온도센서(2) 구비하는 테스트용 기판(1)이 로딩된다. 로딩된 기판(1)은 정전척에 의해 정전기적으로 흡착된다. 프레임(30)의 탑플레이트(33) 상에는 거치대(39)가 마련되고, 이 거치대(39)에 기판(1)이 보관된다.
챔버 하우징(20)이 하강하여 둘레면(22)의 하단(23)이 하부 링(42)에 밀착되며, 이후 챔버 내의 감압 및 진공을 위해 스테이지(10)를 통해 챔버의 공기가 배출된다. 테스트 장치에는 챔버 내 진공압의 설정을 위한 진공펌프가 마련될 수 있다. 챔버 하우징(20)의 승강, 진공펌프의 작동 등은 컴퓨터로부터의 제어신호에 의한다.
챔버 내의 진공이 세팅되면, 기판 처리 조건의 온도에 이르도록 전원장치로부터 히터(61)에 전력이 공급된다. 램프용 온도센서(6) 및 기판 온도센서(2)에서 측정되는 온도값들은 컴퓨터로 전송되며, 측정된 온도값들 및 기판(1)의 온도분포가 미리 설정된 기준에 부합하는 여부가 판정된다.
이상 본 발명의 실시예들이 설명되었고, 이들 실시예는 본 발명의 다양한 측면들과 특징들을 이해하는데 도움이 될 것이다. 이 실시예들에서 제시된 요소들은 서로들 간에 선택적으로 조합될 수 있고, 이러한 조합에 의해 본 문서에서는 미처 설명되지 못한 또 다른 실시예가 제시될 수 있다.
이하 본 발명의 권리범위를 정하기 위한 청구항들이 기재된다. 청구항에 기재된 요소(들)은, 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않으면서, 다양하게 변경 및 수정되고 등가물로 대체될 수 있다. 청구항들에 기재된 도면부호들은, 만일 기재되어 있다면, 청구된 발명들이나 그 요소들에 대한 쉽고 그리고 직관적인 이해를 돕기 위한 것일 뿐 청구된 발명들의 권리범위를 한정하지 않는다.
10: 스테이지 11: 유전체 플레이트
12: 바디 20: 챔버 하우징
24: 보온채널 30: 프레임
51a,51b: 가이드 60: 히터 어셈블리
61: 히터 로드

Claims (2)

  1. 정전척이 놓이는 스테이지, 여기서 정전척 둘레에 하부 링이 배치됨;
    상기 스테이지가 장착되는 탑플레이트를 구비하는 프레임;
    상기 정전척을 사이에 두고 서로 마주보도록 탑플레이트 상에 설치된 제1 및 제2 가이드;
    상기 제1 및 제2 가이드를 따라 승강 가능하게 설치되고, 탑면과 둘레면을 갖는 챔버 하우징, 여기서 챔버 하우징이 하강하여 둘레면의 하단이 하부 링에 밀착됨에 의해 스테이지와 챔버 하우징에 의해 규정되는 밀폐된 챔버가 제공됨;
    상기 탑면에 수직하게 배치된 로드 및 로드의 하부에 마련된 히터를 구비하는 히터 어셈블리, 여기서 탑면에는 로드를 사이에 두고 서로 마주보게 배치된 제3 및 제4 가이드가 마련되며, 히터 어셈블리는 제3 및 제4 가이드를 따라 승강 가능하게 설치됨; 및
    상기 정전척 상에 로딩되며, 복수 위치에 제1 온도센서가 배치된 기판을 포함하는 정전척 테스트 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 히터는 로드를 중심으로 동심원을 그리며 반경방향으로 이격 배열된 할로겐 램프들로 구성되며, 할로겐 램프들 사이에 제2 온도센서가 배치되고,
    상기 탑면과 둘레면을 따라 보온채널이 연장 형성된 정전척 테스트 장치.
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