KR102453116B1 - 기판 고정구 및 기판 고정 디바이스 - Google Patents

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Abstract

기판 고정구는 절연 플레이트 및 상기 절연 플레이트에 임베드된 전극을 포함하는 단극형 척 본체; 상기 척 본체 상에 놓이고, 복수의 기판을 수용하기 위한 복수의 오목부가 형성된 상면을 갖고, 상기 절연 플레이트의 체적 저항률 이하의 체적 저항률을 갖는 절연체로 형성된 트레이; 및 상기 트레이의 상면에 형성된 산화이트륨층을 포함한다.

Description

기판 고정구 및 기판 고정 디바이스{SUBSTRATE FIXTURE AND SUBSTRATE FIXING DEVICE}
본 발명은 기판 고정구 및 기판 고정 디바이스에 관한 것이다.
LED(Light Emitting Diode) 등의 반도체 디바이스는, 절연 기판 또는 반도체 기판에 대해 드라이 에칭, CVD(Chemical Vapor Deposition) 등의 다양한 공정을 행함으로써 제조된다. 이러한 공정에서, 복수의 기판을 챔버 내에 고정하기 위한 기판 고정 디바이스를 사용하면서 복수의 기판이 동시에 처리된다.
기판 고정 디바이스의 일례로서, 정전 척을 사용한 기판 고정 디바이스가 알려져 있다. 정전 척은, 정전기력에 의해 기판을 고정하고 기판을 냉각시키는 기능을 갖는다. 이 냉각에 의해, 기판 표면에서의 에칭 속도 및 성막 속도가 균일해지기 때문에, 하나의 기판으로부터 절단되는 각 반도체 디바이스의 전기적 특성의 불균일을 억제할 수 있다.
일본 특허공개 제2013-45989호 공보 일본 특허공개 제2016-9715호 공보 일본 특허공개 제2013-201432호 공보 일본 특허공개 제2013-187477호 공보 일본 특허공개 제2013-161839 호 공보
그러나, 정전 척을 사용하는 기판 고정구는 제조 비용을 억제한다는 관점에서 개선의 여지가 있다.
본 발명의 실시예는, 제조 비용을 억제할 수 있는 기판 고정구 및 기판 고정 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 기판 고정구는,
절연 플레이트 및 상기 절연 플레이트에 임베드된 전극을 포함하는 단극형 척 본체;
상기 척 본체 상에 놓이고, 복수의 기판을 수용하기 위한 복수의 오목부가 형성된 상면을 갖고, 상기 절연 플레이트의 체적 저항률 이하의 체적 저항률을 갖는 절연체로 형성된 트레이; 및
상기 트레이의 상면에 형성된 산화이트륨층
을 포함한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 기판을 트레이의 오목부에 수용하기 때문에, 기판의 형상 및 크기를 변경했을 경우에도, 절연 플레이트를 재준비할 필요가 없기 때문에, 기판 고정구의 제조 비용을 억제할 수 있다.
또한, 트레이의 체적 저항률이 절연 플레이트의 체적 저항률과 같거나 낮으므로, 트레이에 대한 기판의 흡착력을 높일 수 있다.
또한, 산화이트륨층이 트레이의 상면에 형성되어, 트레이를 플라스마 분위기로부터 보호하므로, 트레이의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은 조사(investigation)에 사용된 반도체 제조 장치의 단면도.
도 2는 조사에 사용된 기판 고정 디바이스의 단면도(제1).
도 3은 리프트 핀이 들어 올려질 때의 기판 고정 디바이스의 단면도.
도 4a는 도 2의 예에 관한 절연 플레이트의 상면도이고, 도 4b는 도 2의 예에 관한 트레이의 상면도.
도 5는 조사에 사용된 기판 고정 디바이스의 단면도(제2).
도 6a는 도 5의 예에 관한 절연 플레이트의 상면도이고, 도 6b는 도 5의 예에 관한 트레이의 상면도.
도 7은 척 본체에 대한 트레이의 흡착력의 조사 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 8은 척 본체에 대한 트레이의 흡착력의 조사 결과를 설명하기 위한 도면.
도 9는 트레이에 대한 기판의 흡착력의 조사 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 10은 트레이에 대한 기판의 흡착력의 조사 결과를 설명하기 위한 도면.
도 11은 제1 실시예에 따른 기판 고정 디바이스의 단면도.
도 12는 리프트 핀이 들어 올려졌을 때의 제1 실시예에 따른 기판 고정 디바이스의 단면도.
도 13은 제1 실시예에 따른 척 본체의 상면도.
도 14는 제1 실시예에 따른 트레이의 상면도.
도 15는 제1 실시예에 따른 트레이의 저면도.
도 16은 제1 실시예에서 척 본체에 대한 트레이의 흡착력의 조사 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 17은 제1 실시예에서 트레이에 대한 기판의 흡착력의 조사 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 18은 제1 실시예에서 척 본체에 대한 트레이의 흡착력의 조사 결과, 및 트레이에 대한 기판의 흡착력의 조사 결과를 나타내는 도면.
도 19는 제1 실시예에서 흡착력이 높아지는 이유를 설명하기 위한 도식적 단면도.
도 20은 제2 실시예에 따른 트레이의 단면도.
도 21은 제3 실시예에 따른 트레이의 단면도.
도 22는 제3 실시예에서 상부 플레이트가 하부 플레이트로부터 분리될 때의 단면도.
도 23은 제3 실시예에 따른 하부 플레이트의 상면도.
도 24는 제3 실시예에 따른 상부 플레이트의 상면도.
도 25는 제3 실시예에서 상부 플레이트가 하부 플레이트에 장착될 때의 상면도.
도 26은 제4 실시예에 따른 트레이의 상면도.
예시적인 실시예를 설명하기에 앞서, 발명자의 조사 내용이 설명된다.
도 1은 조사에 사용된 반도체 제조 장치의 단면도이다.
반도체 제조 장치(1)는, 예를 들면 플라스마 에칭 장치이고, 챔버(2)와 그 내부에 수용된 기판 고정 디바이스(3)를 포함한다.
기판 고정 디바이스(3)는 챔버(2) 내에 복수의 기판(S)을 고정하는데 사용된다. 이 예에서, 기판 고정 디바이스는 베이스 플레이트(4) 및 그 위에 고정된 기판 고정구(5)를 포함한다.
베이스 플레이트(4)는 하부 전극으로서도 기능하도록 구성된 도전성 플레이트이다. 본 실시예에서는, 베이스 플레이트(4)로서 알루미늄판을 사용하고, 베이스 플레이트(4)에 고주파 전원(9)이 접속되어 있다.
기판 고정구(5)는 복수의 기판(S)을 정전기력으로 고정하도록 구성된 트레이(7) 및 척 본체(6)를 포함하고, 기판(S)은 트레이(7)에 형성된 복수의 개구부(7a) 내에 각각 수용된다.
기판(S)의 재료는 특별히 제한되지 않는다. 사파이어 기판 등의 절연 기판 또는 실리콘 웨이퍼 등의 반도체 기판이 기판(S)으로서 사용될 수 있다. 또한, 기판(S)으로서 SAW(Surface Acoustic Wave) 디바이스용 LN(lithium niobate) 기판이 사용될 수 있다.
또한, 상부 전극(8)은 챔버(2)의 상부에서 기판 고정 디바이스(3)와 대향하도록 마련된다. 상부 전극(8)은 또한 챔버(2) 내에 에칭 가스(G)를 공급하기 위한 샤워 헤드로서 기능하도록 구성된다.
또한, 챔버(2)의 하부에 배출구(2a)가 마련되어, 배출구(2a)로부터 에칭 가스(G)가 배출된다.
실제 사용 시에, 상부 전극(8)을 접지 전위로 유지하면서 챔버(2)가 감압된 상태에서 고주파 전력이 베이스 플레이트(4)에 인가되어, 에칭 가스(G)로부터 플라스마가 생성되고, 이에 따라 기판(S)이 드라이 에칭된다.
도 2는 기판 고정 디바이스(3)의 단면도이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 베이스 플레이트(4)에는, 냉각수가 순환하는 유로(4a), 및 냉각용 헬륨 가스(C)가 아래로부터 공급되는 제1 가스 구멍(4b)이 마련되어 있다.
냉각수가 유로(4a) 내를 순환 가능하게 되어, 척 본체(6) 및 그 위에 마련된 트레이(7)가 냉각된다.
또한, 척 본체(6)는 알루미나 등의 세라믹 절연 플레이트(10), 및 이 절연 플레이트(10)에 임베드된 제1 및 제2 필름 형상의 전극(11, 12)을 구비한다.
절연 플레이트(10)는 실리콘 수지 접착제에 의해 베이스 플레이트(4)에 고정된다.
제1 전극(11)에 양의 전압을 인가하고 제2 전극(12)에 음의 전압을 인가하면, 정전기력이 각 전극으로부터 기판(S)에 작용해서 기판(S)이 척 본체(6)에 흡착된다. 이렇게 각 전극에 극성이 다른 전압을 인가하도록 구성된 정전 척은 바이폴라 정전 척이라고도 한다.
또한, 절연 플레이트(10)에는, 제1 가스 구멍(4b)에 연결되도록 구성된 제2 가스 구멍(10a)이 마련되어 있다. 제1 가스 구멍(4b)으로부터 공급된 헬륨 가스(C)는 제2 가스 구멍(10a)을 통과하고 기판(S)의 이면에 분사되어 기판(S)이 냉각된다.
또한, 점선의 원에 나타난 바와 같이, 절연 플레이트(10)의 표면에는, 블라스트 처리에 의해 미소한 요철(10y)이 마련되어 있다. 제2 가스 구멍(10a)으로부터의 헬륨 가스(C)는 요철(10y)의 갭을 통과하고 기판(S)의 이면 전체에 퍼져, 기판(S)을 균일하게 냉각한다.
이에 의해, 에칭 시의 기판(S) 표면의 온도 변화를 억제할 수 있어, 온도 변화에 기인해 야기되는 기판 표면의 에칭 속도의 불균일을 방지할 수 있다.
또한, 절연 플레이트(10)의 상면(10c)에는, 각 기판(S)에 대응하는 볼록부(10b)가 마련되고, 트레이(7)의 개구부(7a)는 볼록부(10b)에 끼워 맞춰진다.
절연 플레이트(10)의 외주면에는, 플라스마 분위기로부터 도전성 베이스 플레이트(4) 측으로 아크가 발생하는 것을 방지하기 위한 알루미나로 이루어진 포커스 링(9)이 장착된다.
또한, 베이스 플레이트(4) 및 절연 플레이트(10)에는 각각 구멍(13)이 형성되고, 구멍(13)에는 리프트 핀(15)이 상하로 자유롭게 이동 가능하게 삽입되어 있다.
도 3은 리프트 핀(15)이 들어 올려질 때의 기판 고정 디바이스(3)의 단면도이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 리프트 핀(15)이 들어 올려질 때, 트레이(7)는 리프트 핀(15)에 의해 아래로부터 상승된다.
이 때, 각 기판(S)은 개구부(7a)의 단차면(7b)에 지지된 상태에서 트레이(7)와 함께 상승된다. 이에 의해, 반송 로봇(18)이 진입하는 공간(R)이 절연 플레이트(10)와 트레이(7) 사이에 확보되어, 반송 로봇(18)이 복수의 기판(S)을 트레이(7)와 함께 일괄 반송할 수 있다.
도 4a는 절연 플레이트(10)의 상면도이고, 도 4b는 트레이(7)의 상면도이다.
도 4a에 나타난 바와 같이, 절연 플레이트(10)의 각 볼록부(10b)에는, 기판(S)의 오리엔테이션 플랫(OF)에 대응하는 평탄부(10x)가 마련된다.
또한, 도 4b에 나타난 바와 같이, 트레이(7)의 개구부(7a)에는, 기판(S)의 오리엔테이션 플랫(OF)에 대응하는 평탄부(7x)가 마련된다.
실제 사용 시에, 기판(S)의 오리엔테이션 플랫(OF)은 각 평탄부(7x, 10x)와 매칭되어, 오리엔테이션 플랫(OF)이 소정의 방향을 향한 상태에서 기판(S)을 건식 에칭할 수 있다.
기판 고정 디바이스(3)에 따르면, 도 3에 나타난 바와 같이, 트레이(7)에 의해 복수의 기판(S)을 일괄해서 반송할 수 있으므로, 반도체 디바이스의 제조 공정의 스루풋을 향상시킬 수 있다.
그러나, 기판(S)의 오리엔테이션 플랫(OF)에 대응하는 평탄부(10x)가 볼록부(10b)에 마련될 때, 도 4a에 나타난 바와 같이, 오리엔테이션 플랫(OF)의 형상 또는 기판(S)의 직경이 변경되면 절연 플레이트(10)를 재준비할 필요가 있다. 오리엔테이션 플랫(OF)의 형상 또는 기판(S)의 직경은 의도하는 반도체 디바이스의 종류에 따라 변경될 수 있으므로, 재준비로 인해 기판 고정 디바이스(3)의 제조 비용이 증가되고, 또한 반도체 디바이스의 비용이 증가된다.
특히, 볼록부(10b)를 갖는 절연 플레이트(10)를 형성하기 위해서는, 기계 가공에 의해 볼록부(10b)를 제외한 절연 플레이트(10)의 표면을 장시간 가공할 필요가 있기 때문에, 볼록부(10b)를 형성하는 비용이 증가된다. 이 때문에, 반도체 장치의 종류마다의 절연 플레이트(10)의 제조는 피하는 것이 비용면에서 바람직하다.
상기 문제를 피하기 위해서, 본 발명자는 다음의 기판 고정 디바이스를 조사했다.
도 5는 조사에 사용된 기판 고정 디바이스(20)의 단면도이다.
한편, 도 5에 있어서, 도 1 내지 도 4b와 동일 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.
도 5에 나타난 바와 같이, 이 예에서, 절연 플레이트(10)의 상면(10c)은 평탄면으로 구성되고, 절연 플레이트(10)에는 도 2에 나타난 바와 같은 볼록부(10b)는 마련되지 않는다.
또한, 트레이(7)에는 바닥이 있는 복수의 오목부(7c)가 마련되고, 복수의 기판(S)이 오목부(7c) 내에 각각 수용된다.
이 구조에 따르면, 정전기력이 각 전극으로부터 트레이(7) 및 기판(S)에 각각 인가되고, 정전기력에 의해 트레이(7)가 절연 플레이트(10)에 흡착되고, 기판(S)이 트레이(7)에 흡착된다.
또한, 트레이(7)는 제2 가스 구멍(10a)으로부터 공급된 헬륨 가스(C)에 의해 아래로부터 냉각되기 때문에, 트레이(7)를 통해 기판(S)을 냉각할 수 있다.
도 6a는 도 5의 예에 관한 절연 플레이트(10)의 상면도이고, 도 6b는 이 예에 관한 트레이(7)의 상면도이다.
도 6a에 나타난 바와 같이, 절연 플레이트(10)의 상면(10c)은 평탄면이고, 제2 가스 구멍(10a) 및 구멍(13)은 평탄면에 노출되어 있다.
또한, 도 6b에 나타난 바와 같이, 트레이(7)의 오목부(7c)에는 기판(S)의 오리엔테이션 플랫(OF)에 대응하는 평탄부(7x)가 마련된다. 오리엔테이션 플랫(OF)은 평탄부(7x)와 매칭되어, 기판(S)은, 오리엔테이션 플랫(OF)이 소정의 방향을 향한 상태에서 드라이 에칭될 수 있다.
기판 고정 디바이스(20)에 따르면, 도 2의 예와는 반대로, 절연 플레이트(10)에는 기판(S)의 형상을 따르는 볼록부(10b)가 마련되지 않고, 절연 플레이트(10)의 상면(10c)은 평탄면으로서 구성된다.
따라서, 기판(S)의 직경 또는 오리엔테이션 플랫(OF)이 변경될 경우에도, 변경에 대응해서 트레이(7)만 재준비하면 된다. 또한, 절연 플레이트(10)를 재준비할 필요가 없기 때문에, 절연 플레이트(10)의 제조 비용을 절감할 수 있다.
그러나, 이하의 조사 결과에서 설명한 바와 같이, 기판(S)이 트레이(7)에 흡착되는 흡착력은 트레이(7) 및 절연 플레이트(10)의 재료의 조합에 따라 매우 약하기 때문에, 흡착력은 실제 사용에 견딜 수 없게 된다.
도 7은 흡착력의 조사 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7에 나타난 바와 같이, 조사에 있어서, 트레이(7)의 양면은 평탄면으로서 구성되었다.
또한, 각 전극(11, 12)에 전압을 인가하고나서 10초 후에 트레이(7)를 인장 게이지로 횡 방향(D)으로 당겼고, 트레이(7)가 횡 방향(D)으로 움직이기 시작한 힘을 척 본체(6)에 대한 트레이(7)의 흡착력으로서 설정했다.
한편, 척 본체(6) 및 트레이(7)의 직경은 모두 8인치였다.
또한, 절연 플레이트(10)에는, 체적 저항률이 1×1012Ω㎝인 알루미나를 채택했다. 한편, 알루미나의 체적 저항률은, 알루미나에 티타늄 또는 크롬을 첨가하여 그 농도를 조정함으로써 제어될 수 있다.
흡착력의 조사 결과를 도 8에 나타낸다.
조사에 있어서, 각 전극에 인가하는 인가 전압을 변화시키면서 흡착력을 측정했다.
도 8에서, 횡축은 인가 전압을 나타내고, 종축은 흡착력을 나타낸다. 한편, 횡축에 + 기호가 부여된 인가 전압은 제1 전극(11)에 인가되는 양의 전압을 나타내며, - 기호가 부여된 인가 전압은 제2 전극(12)에 인가되는 음의 전압을 나타낸다. 또한, 기호가 부여되지 않은 전압은 각 전극(11, 12)간의 전압을 나타낸다.
또한, 조사에 있어서, 트레이(7)의 재료인 알루미나에 티타늄을 불순물로서 첨가하고 티타늄의 농도를 조정함으로써, 체적 저항률이 1×1011Ω㎝, 1×1012Ω㎝, 및 1×1017Ω㎝인 3가지 종류의 트레이(7)를 제조했다.
도 8에 나타난 바와 같이, 동일한 인가 전압에 의한 비교에 따르면, 트레이(7)의 체적 저항률이 가장 작은 1×1011Ω㎝였을 때, 흡착력이 가장 강했고, 트레이(7)의 체적 저항률이 높아짐에 따라 흡착력이 약해짐을 알 수 있다.
경험적으로, 2kgf 이상의 흡착력은 실제 사용에 견딜 수 있다. 그러나, 도 8의 결과에 따르면, 체적 저항률이 1×1017Ω㎝인 세라믹 트레이(7)일지라도 인가 전압을 4000V로 설정했을 경우 약 2kgf의 흡착력을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이 결과로부터, 척 본체(6)에 대한 트레이(7)의 흡착력에 대해 실제 사용에 견딜 수 있는 값을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
다음으로, 본 발명자는 트레이(7)에 대한 기판(S)의 흡착력을 조사했다.
도 9는 기판(S)의 흡착력의 조사 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
한편, 도 9에 있어서, 도 7과 동일한 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
도 9에 나타난 바와 같이, 이 조사에서, 도 7의 조사에서 사용된 트레이(7) 상에 기판(S)으로서 직경이 4인치인 실리콘 웨이퍼를 놓았다.
그리고, 각 전극에 전압을 인가하고나서 10초 후에, 기판(S)을 인장 게이지로 횡 방향(D)으로 당겼고, 기판(S)이 횡 방향(D)으로 이동하기 시작한 힘을 트레이(7)에 대한 기판(S)의 흡착력으로 설정했다.
도 7의 조사와 마찬가지로, 척 본체(6) 및 트레이(7)의 직경은 모두 8인치였고, 체적 저항률이 1×1012Ω㎝인 알루미나가 절연 플레이트(10)의 재료로서 채택되었다.
또한, 트레이(7)의 재료로서는, 티타늄에 의해 체적 저항률이 조정된 알루미나를 채택했다. 도 8과 마찬가지로, 티타늄의 농도를 조정해서 체적 저항률이 1×1011Ω㎝, 1×1012Ω㎝, 및 1×1017Ω㎝인 3가지 종류의 트레이(7)를 제작했고, 각 트레이(7)에 대한 기판(S)의 흡착력을 조사했다.
흡착력의 조사 결과를 도 10에 나타낸다.
한편, 도 8과 마찬가지로, 도 10의 횡축은 각 전극에 인가되는 인가 전압을 나타낸다.
또한, 도 10에서, 비교를 위해 도 8의 각각의 그래프도 나타낸다.
도 10에 나타난 바와 같이, 트레이(7)의 체적 저항률이 각각 1×1012Ω㎝ 및 1×1017Ω㎝였을 경우, 인가 전압을 증가시켰어도, 기판(S)의 흡착력은 매우 약했다. 또한, 트레이(7)의 체적 저항률이 1×1011Ω㎝였을 경우, 인가 전압을 6000V로 상승시켜도 트레이(7)의 흡착력은 약 0.54kgf 정도로 낮았다. 이러한 흡착력은 실제 사용에 견딜 수 없다.
이 결과로부터, 도 5의 예와 마찬가지로, 바이폴라 척 본체(6) 상에 트레이(7)가 놓이고 기판(S)이 트레이(7)에 흡착되는 구조에서, 기판(S)의 흡착력은 매우 낮음을 명확히 알 수 있다.
이와 같이, 흡착력이 약하면 트레이(7)와 기판(S) 사이의 밀착성이 악화되어, 트레이(7)로 기판(S)을 균일하게 냉각하는 것이 곤란하다. 그 결과, 기판(S)의 표면에는 온도차가 일어나, 기판(S)의 표면에서의 에칭 속도도 불균일하게 된다.
한편, 트레이(7)에 대한 기판(S)의 흡착력을 높이기 위해서, 트레이(7)를 얇게 함으로써 각 전극(11, 12)과 기판(S) 사이의 거리를 짧게 하는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 트레이(7)가 플라스마 분위기에 직접 노출되면 심하게 침식된다. 따라서, 트레이(7)가 얇아지면, 트레이(7)의 수명이 단축된다.
하기에서, 흡착력을 저하시키지 않으며 수명을 단축시키지 않고 기판 고정 디바이스의 비용을 절감할 수 있는 각각의 실시예를 설명한다.
(제1 실시예)
도 11은 제1 실시예에 따른 기판 고정 디바이스의 단면도이다.
한편, 도 11에 있어서, 도 1 내지 도 6b와 동일한 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
기판 고정 디바이스(30)는, 예를 들면, 도 1의 챔버(2) 내에 기판(S)을 고정하는데 사용되고, 베이스 플레이트(4)와 그 위에 고정된 기판 고정구(21)를 포함한다. 기판 고정 디바이스(30)가 사용되는 공정은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 기판 고정 디바이스(30)는 건식 에칭, CVD 등과 같은 공정에 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 베이스 플레이트(4)는 하부 전극으로서도 기능하도록 구성된 도전성 플레이트이다. 제1 실시예에서, 베이스 플레이트로서 약 20mm 내지 40mm의 두께를 갖는 알루미늄 플레이트가 사용된다.
한편, 기판 고정구(21)는 척 본체(33)와 그 위에 배치된 트레이(7)를 포함한다.
척 본체(33)는 정전기력에 의해 트레이(7) 및 기판(S)을 흡착하도록 구성된 JR(Johnsen-Rahbek)형 정전 척이며, 절연 플레이트(10) 및 절연 플레이트 내에 임베드된 필름 형상의 전극(32)을 포함한다.
절연 플레이트(10)의 재료는 특별히 한정되지 않는다. 제1 실시예에서, 1×1012Ω㎝의 체적 저항률을 갖는 알루미나가 채택된다. 상술한 바와 같이, 알루미나의 체적 저항률은 알루미나에 첨가되는 티타늄 또는 크롬의 불순물 농도를 조정함으로써 제어될 수 있다.
한편, 불순물 농도가 너무 높으면, 불소 및 염소 등의 할로겐을 함유하는 에칭 가스로 인해 알루미나가 침식되기 쉽다. 따라서, 침식을 억제하기 위해서, 불순물 농도를 가능한 한 낮게 조정해서 알루미나의 체적 저항률을 크게 하는 것이 바람직하다.
또한, 절연 플레이트(10)는, 예를 들면, 실리콘 수지 접착제에 의해 베이스 플레이트(4)에 고정된다.
또한, 전극(32)은 텅스텐막 등의 고융점 금속막이고, 직류 전원(35)의 양의 전압만 인가됨으로써 정전기력을 발생시키도록 구성된다. 이와 같이, 직류 전원(35)의 각 전극의 하나의 전압만을 전극(32)에 인가해서 정전기력을 발생시키도록 구성된 정전 척을, 단극형 정전 척이라고도 한다.
또한, 절연 플레이트(10)의 제조 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 알루미나의 복수의 그린 시트를 적층, 가열 및 소결함으로써 두께가 3mm 내지 5mm인 절연 플레이트(10)를 제조할 수 있다. 이 때, 미리 복수의 그린 시트 중 하나 상에 텅스텐막의 패턴이 형성되면, 전술한 바와 같이 텅스텐 전극(32)이 임베드된 절연 플레이트(10)를 얻을 수 있다.
또한, 절연 플레이트(10)에는 냉각용 헬륨 가스(C)가 흐르는 제2 가스 구멍(10a)이 마련된다. 가스 구멍(10a)은, 예를 들면 레이저 가공에 의해 절연 플레이트(10)를 관통하도록 형성된다.
한편, 가스 구멍(10a)에는 절연 플레이트(10)의 도중의 깊이에서 횡 방향으로 분기된 분기 유로(10d)가 마련된다. 분기 유로(10d)는, 알루미나의 그린 시트의 일 부분에 분기 유로(10d)의 형상에 대응하는 홈을 형성함으로써 형성될 수 있다.
한편, 트레이(7)는 복수의 기판(S)을 일괄 반송하기 위한 두께가 약 0.5mm~3.0mm 정도의 절연 플레이트이며, 기판(S)에 대응하는 오목부(7c)가 그 상면(7e)에 형성되어 있다.
오목부(7c)는, 예를 들면, 기계 가공 또는 샌드 블라스트(sand blast)에 의해 약 0.1mm 내지 1.5mm의 깊이를 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 오목부(7c)에는, 레이저 가공에 의해 절연 플레이트(10)의 제2 가스 구멍(10a)에 연결되도록 구성된 제3 가스 구멍(7h)이 형성되어 있다. 제3 가스 구멍(7h)은, 제2 가스 구멍(10a)으로부터 공급된 냉각용 헬륨 가스(C)를 기판(S)의 이면에 직접 분출해서 기판(S)을 냉각할 수 있도록 구성되어 있다.
한편, 트레이(7)의 하면은 절연 플레이트(10)의 상면과 접촉하도록 배치된다.
또한, 트레이(7)의 하면에는, 복수의 제3 가스 구멍(7h)에 연결되도록 구성된 홈(7f)이 형성되어 있다. 이에 의해, 헬륨 가스(C)가 홈(7f)을 통과해서 복수의 제3 가스 구멍(7h)의 각각으로부터 기판(S)의 이면과 균일하게 충돌함으로써, 기판(S)의 표면의 온도의 불균일을 억제할 수 있다.
특히, 제1 실시예에서, 점선의 원에 나타난 바와 같이, 절연 플레이트(10)의 표면에는, 블라스트 처리에 의해 미세한 요철(10y)이 마련된다. 요철부(10y)는 헬륨 가스(C)의 흐름을 균일하게 하도록 작용한다. 따라서, 복수의 제3 가스 구멍(7h)의 각각에 헬륨 가스(C)가 균일하게 분포되어, 기판(S)의 이면과 충돌하는 헬륨 가스(C)의 양을 더 균일하게 할 수 있다.
또한, 트레이(7)의 재료로서는, 절연성 세라믹을 채택할 수 있다. 세라믹으로서는, 알루미나를 들 수 있다. 제1 실시예에서, 트레이(7)는 불순물로서 티타늄이 첨가된 알루미나로 형성되고, 트레이(7)의 체적 저항률은 티타늄의 농도를 높임으로써 절연 플레이트(10)의 체적 저항률 이하로 설정된다.
한편, 불순물로서, 티타늄 대신에 크롬을 트레이(7)에 첨가해도 된다.
이와 같이, 트레이(7)의 체적 저항률을 절연 플레이트(10)의 체적 저항률 이하로 설정하여, 후술한 바와 같이 트레이(7)에 대한 기판(S)의 흡착력을 높일 수 있다.
고농도의 불순물이 첨가된 알루미나는 고순도의 알루미나에 비해 플라스마 분위기에서 침식되기 쉽다.
따라서, 제1 실시예에서, 트레이(7)의 상면(7e)에는, 플라스마 분위기로부터 트레이(7)를 보호하기 위해, 열분사에 의해, 약 50㎛ 내지 500㎛의 두께를 갖는 이트리아(Y2O3) 등의 산화이트륨층(36)이 형성된다.
이트리아는, 티타늄 또는 크롬이 첨가된 알루미나로 형성된 트레이(7)와 비교해서, 불소 및 염소 등의 할로겐을 함유하는 플라스마 분위기에서 침식되기 어렵다. 이러한 이유로, 트레이(7)가 산화이트륨층(36)에 의해 플라스마 분위기에서 침식되는 것을 방지할 수 있어서, 트레이(7)의 수명을 연장시킬 수 있다.
특히, 제1 실시예에서, 산화이트륨층(36)은 상면(7e)에만 형성된다. 이에 의해, 오목부(7c) 및 트레이(7)의 외주면(7d)에 산화이트륨층(36)을 형성하는 수고를 경감할 수 있어, 트레이(7)의 제조 공정을 간소화할 수 있다.
한편, 상면(7e)에만 산화이트륨층(36)을 형성하기 위해서, 폴리이미드 수지와 같은 마스크재 등에 의해 오목부(7c)의 내부 및 트레이(7)의 외주면(7d)을 덮고 이트리아를 트레이(7)에 열용사하는 것이 바람직하다.
또한, 산화이트륨층(36) 대신, 염소 및 불소 등의 할로겐을 함유하는 플라스마 분위기에 의해 침식되기 어려운 고순도 알루미나막을 형성해도 된다.
도 12는 리프트 핀(15)이 들어 올려질 때의 기판 고정 디바이스(30)의 단면도이다.
도 12에 나타난 바와 같이, 리프트 핀(15)이 들어 올려져 트레이(7)가 아래로부터 상승된다. 이에 의해, 척 본체(33)와 트레이(7) 사이에 반송 로봇(18)이 진입하는 공간(R)이 확보되어, 반송 로봇(18)은 트레이(7)와 함께 복수의 기판(S)을 일괄 반송할 수 있다.
도 13은 제1 실시예에 따른 척 본체(33)의 상면도이다.
도 13에 나타난 바와 같이, 절연 플레이트(10)는 위에서 볼 때 실질적으로 원형이며, 그 직경은 예를 들면 12인치이다.
절연 플레이트(10)의 상면(10c)은 평탄면이고, 제2 가스 구멍(10a) 및 구멍(13)은 상면(10c)에 노출된다.
또한, 전극(32)은 위에서 볼 때 복수의 부분으로 분리되지 않은 단일 막이다.
도 14는 제1 실시예에 따른 트레이(7)의 상면도이다.
도 14에 나타난 바와 같이, 오목부(7c)를 제외하고 트레이(7)의 상면의 표면 전체에 산화이트륨층(36)이 형성된다.
또한, 각각의 오목부(7c)에는, 기판(S)의 오리엔테이션 플랫(OF)에 대응하는 평탄부(7x)가 마련되고, 기판(S)은, 오리엔테이션 플랫(OF)이 평탄부(7x)와 끼워 맞춰지도록 각 오목부(7c) 내에 수용된다.
트레이(7)의 형상 및 크기는 특별히 제한되지 않는다. 제1 실시예에서, 절연 플레이트(10)와 마찬가지로, 트레이(7)는 실질적으로 원형이고 직경이 12인치이다. 각 기판(S)의 직경은 4인치이고, 이에 대응해 오목부(7c)의 직경은 약 4인치이다. 이러한 구성에 따르면, 7개의 기판(S)을 하나의 트레이(7)로 일괄 반송할 수 있다.
도 15는 트레이(7)의 저면도이다.
도 15에 나타난 바와 같이, 트레이(7)의 하면(7k)에는, 홈(7f)이 형성되어 있다. 홈(7f)은 각 기판(S)에 대응하는 실질적인 링 형상을 갖고, 각 기판(S)에 대응하는 복수의 제3 가스 구멍(7h)을 연결하도록 구성된다.
본 발명자는, 제1 실시예의 척 본체(33)에 대한 트레이(7)의 흡착력 및 트레이(7)에 대한 기판(S)의 흡착력을 조사했다.
도 16은 척 본체(33)에 대한 트레이(7)의 흡착력의 조사 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
조사에 있어서, 트레이(7)는 두 개의 평탄면을 갖는다.
또한, 직류 전원(35)으로부터 양의 전압을 전극(32)에 인가하고나서 10초 후에 트레이(7)를 인장 게이지로 횡 방향(D)으로 당겼고, 트레이(7)가 횡 방향(D)으로 이동하기 시작한 힘을 척 본체(33)에 대한 트레이(7)의 흡착력으로서 설정했다.
한편, 척 본체(33) 및 트레이(7)의 직경은 모두 8인치였다.
또한, 척 본체(33)의 절연 플레이트(10)의 재료로서 티타늄을 첨가한 알루미나를 사용했고, 티타늄의 농도를 조정함으로써 절연 플레이트(10)의 체적 저항률을 1×1012Ω㎝로 설정했다.
도 17은 트레이(7)에 대한 기판(S)의 흡착력의 조사 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 17에 나타난 바와 같이, 이 조사에서는, 기판(S)으로서, 직경이 4인치인 실리콘 웨이퍼를 도 16의 트레이(7) 상에 놓았다.
도 16과 마찬가지로, 직류 전원(35)로부터 양의 전압을 전극(32)에 인가하고나서 10초 후에, 기판(S)을 인장 게이지로 횡 방향(D)으로 당겼고, 기판(S)이 횡 방향(D)으로 이동하기 시작한 힘을 트레이(7)에 대한 기판(S)의 흡착력으로서 설정했다.
흡착력의 조사 결과를 도 18에 나타낸다.
도 18에서, 횡축은 직류 전원(35)로부터 전극(32)에 인가되는 양의 전압을 나타내고, 종축은 흡착력을 나타낸다.
이 조사에서, 트레이(7)의 재료인 알루미나에 티타늄을 불순물로서 첨가하고 티타늄의 농도를 조정함으로써, 체적 저항률이 1×1011Ω㎝, 1×1012Ω㎝, 및 1×1017Ω㎝인 3가지 종류의 트레이(7)를 제조했다.
도 18에 나타난 바와 같이, 척 본체(33)에 대한 트레이(7)의 흡착력과 관련하여, 1×1011Ω㎝, 1×1012Ω㎝, 및 1×1017Ω㎝인 트레이(7)의 체적 저항률의 모든 경우에서 인가 전압을 증가시킴으로써 실제 사용에 견딜 수 있는 2kgf 이상의 값이 얻어졌음을 알 수 있다.
한편, 트레이(7)에 대한 기판(S)의 흡착력과 관련하여, 트레이(7)의 체적 저항률이 절연 플레이트(10)의 체적 저항률보다 큰 1×1017Ω㎝였을 경우에는, 인가 전압을 높게 하여도 실제 사용에 견딜 수 있는 2kgf 이상의 흡착력이 얻어지지 않았다.
그러나, 트레이(7)의 체적 저항률이 절연 플레이트(10)의 체적 저항률 이하인 1×1011Ω㎝ 및 1×1012Ω㎝였을 경우에, 약 1000V의 인가 전압으로도 2kgf 이상의 흡착력이 얻어졌음을 알 수 있었다.
이상의 결과로부터, 트레이(7)에 대한 기판(S)의 흡착력을 실제 사용에 견딜 수 있는 값으로 높이고자 할 경우, 단극형 정전 척의 트레이(7)의 체적 저항률을, 절연 플레이트(10)의 체적 저항률 이하로 설정하는 것이 효과적임을 명확히 알 수 있다.
도 19는 흡착력이 높아지는 이유를 설명하기 위한 도식적 단면도이다.
도 19에 나타난 바와 같이, 양의 전압이 직류 전원(35)으로부터 전극(32)에 인가되면, 절연 플레이트(10)에 유전 분극이 발생해서, 절연 플레이트(10)의 상면(10c)에 양의 전하가 유도된다.
이에 따라, 유전 분극이 트레이(7)에서 발생해서, 트레이(7)의 하면(7k) 및 상면(7e)에 각각 음의 전하 및 양전하가 유도된다. 상면(7e)에 유도되는 양의 전하에 의해, 유전 분극이 또한 기판(S)에서 발생해서, 기판(S)의 이면에서 음의 전하가 발생한다.
그 결과, 절연 플레이트(10)와 트레이(7) 사이에 발생하는 정전기력(f1)에 의해 트레이(7)가 절연 플레이트(10)에 흡착되고, 트레이(7)와 기판(S) 사이에 발생하는 정전기력(f2)에 의해 기판(S)이 트레이(7)에 흡착된다.
본 발명자는, 트레이(7)의 체적 저항률을 적절하게 낮추면, 트레이(7)가 분극화되기 쉽고, 상면(7e)에 유도되는 양의 전하량이 증가한다고 생각했다. 이에 의해, 정전기력(f2)이 커지고, 이에 따라 트레이(7)에 대한 기판(S)의 흡착력이 높아진 것으로 생각된다.
제1 실시예에 따르면, 단극형 정전 척의 트레이(7)의 체적 저항률을 절연 플레이트(10)의 체적 저항률 이하로 설정하면, 충분한 흡착력으로 트레이(7)에 기판(S)을 흡착할 수 있다.
이에 의해, 절연 플레이트(10)에 직접 기판(S)을 흡착할 필요가 없기 때문에, 도 2와 마찬가지로 절연 플레이트(10)에 기판(S)을 흡착하기 위한 볼록부(10b)를 마련할 필요가 없다. 따라서, 기판(S)의 오리엔테이션 플랫(OF)의 형상 또는 기판(S)의 직경이 변경될 때, 새로운 기판(S)에 맞춰 트레이(7)만 재준비하면 되고, 절연 플레이트(10)는 재준비할 필요가 없다. 그 결과, 절연 플레이트(10)에 대한 트레이(7)의 흡착력을 저하시키지 않고 기판 고정구(21)(도 11 참조) 및 기판 고정 디바이스(30)의 비용을 저감할 수 있다.
또한, 트레이(7)에 대한 기판(S)의 흡착력이 커지므로, 제3 가스 구멍(7h)(도 11 참조)으로부터 공급되는 헬륨 가스(C)의 압력에 의해 기판(S)을 트레이(7)로부터 분리하기 어렵다. 그 결과, 기판(S)을 트레이(7)에 확실하게 흡착시키면서 헬륨 가스(C)에 의해 기판(S)을 균일하게 냉각할 수 있다. 또한, 기판(S)의 표면에서의 온도의 불균일로 인해 야기되는 기판 표면의 에칭 속도의 불균일을 억제할 수 있다.
또한, 기판(S)의 흡착력을 높이기 위해 트레이(7)에 특별한 구조를 마련할 필요가 없기 때문에, 트레이(7)는 알루미나 등의 절연체로 형성될 수 있어, 트레이(7)의 제조 비용을 억제할 수 있다.
트레이(7)의 상면(7e) 상에 형성된 산화이트륨층(36)에 의해 트레이(7)를 플라스마 분위기로부터 보호할 수 있기 때문에, 트레이(7)의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 장시간의 사용으로 인해 산화이트륨층(36)이 에칭되어 얇게 되면, 산화이트륨층(36)만을 다시 형성해도 되어, 트레이(7)를 교체할 필요가 없다. 따라서, 트레이(7)의 운용 비용을 절감할 수 있다.
(제2 실시예)
제2 실시예에서는, 제1 실시예와 비교해서, 산화이트륨층(36)이 형성되는 범위가 확장된다.
도 20은 제2 실시예에 따른 트레이(7)의 단면도이다.
도 20에서, 제1 실시예와 동일한 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
도 20에 나타난 바와 같이, 제2 실시예에서, 산화이트륨층(36)은, 트레이(7)의 상면(7e)뿐만 아니라 트레이(7)의 외주면(7d) 및 오목부(7c)의 측면(7m)에도 형성된다. 또한, 오목부(7c)의 바닥면(7g)의 기판(S) 주위의 부분에 산화이트륨층(36)이 형성된다.
이에 의해, 제1 실시예와 비교해서, 산화이트륨층(36)에 의해 덮이는 트레이(7)의 표면이 확장되므로, 제1 실시예보다 넓은 범위에 걸쳐 트레이(7)를 플라스마 분위기로부터 보호할 수 있다.
(제3 실시예)
제3 실시예에서, 제1 실시예보다 용이하게 제조될 수 있는 트레이를 설명한다.
도 21은 제3 실시예에 따른 트레이(7)의 단면도이다.
도 21에서, 제1 실시예 및 제2 실시예와 동일한 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
도 21에 나타난 바와 같이, 제3 실시예의 트레이(7)는 하부 플레이트(41) 및 상부 플레이트(42)를 포함한다.
하부 플레이트(41) 및 상부 플레이트(42) 모두는 티타늄을 불순물로서 첨가한 알루미나 플레이트이고, 제1 실시예와 마찬가지로, 그 각각의 체적 저항률은, 티타늄의 농도를 증가시킴으로써, 절연 플레이트(10)(도 11 참조)의 체적 저항률 이하로 설정된다.
또한, 상부 플레이트(42)는 하부 플레이트(41)의 상면(41a)에 착탈 가능하게 장착될 수 있으며, 복수의 개구부(42a)를 갖는다. 개구부(42a) 및 상면(41a)에 의해, 오목부(7c)가 구획된다.
또한, 예를 들면, 기판(S)의 직경이 변경될 경우, 새로운 기판(S)에 맞춰 상부 플레이트(42)만 재준비하면 되고, 하부 플레이트(41)는 재준비될 필요가 없다. 그 결과, 트레이(7) 전체를 재준비하는 구성과 비교해서, 재준비에 관련된 비용을 절감할 수 있다.
도 22는 상부 플레이트(42)가 하부 플레이트(41)로부터 분리될 때의 단면도이다.
플라스마 분위기에 노출되는 것은 주로 상부 플레이트(42)이므로, 제3 실시예에서, 트레이(7)를 플라스마 분위기로부터 보호하기 위한 산화이트륨층(36)은 상부 플레이트(42) 상에만 형성되고, 하부 플레이트(41)에는 산화이트륨층(36)이 형성되지 않는다.
도 23은 하부 플레이트(41)의 상면도이다.
도 23에 나타난 바와 같이, 하부 플레이트(41)는 실질적으로 원형이고, 상부 플레이트(42)와의 위치 조정에 사용되는 핀(45)은 하부 플레이트의 에지 부분에서 세워 마련된다.
또한, 기판(S)의 이면에 냉각용 헬륨 가스(C)를 공급하기 위한 복수의 제3 가스 구멍(7h)은 하부 플레이트(41)의 상면(41a)에 노출된다.
도 24는 상부 플레이트(42)의 상면도이다.
도 24에 나타난 바와 같이, 하부 플레이트(41)와 마찬가지로, 상부 플레이트(42)도 실질적으로 원형이고 그 에지 부분에서 노치부(46)가 마련된다.
도 25는 상부 플레이트(42)가 하부 플레이트(41)에 장착될 때의 상면도이다.
도 25에 나타난 바와 같이, 제3 실시예에서, 핀(45)은 노치부(46)에 끼워 맞춰져, 하부 플레이트(41)와 상부 플레이트(42)가 위치 조정된다. 이에 의해, 하부 플레이트(41)의 제3 가스 구멍(7h)이 상부 플레이트(42)로 덮이지 않고, 제3 가스 구멍(7h)을 개구부(42a)에 노출시킬 수 있다.
(제4 실시예)
제1 내지 제3 실시예에서, 트레이(7)에 의해 반송될 수 있는 기판(S)의 수는 7개이다. 그러나, 기판(S)의 수는 이에 한정되지 않는다.
도 26은 제4 실시예에 따른 트레이(7)의 상면도이다.
도 26에서, 제1 내지 제3 실시예와 동일한 요소에는, 제1 내지 제3 실시예와 동일한 참조 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.
제4 실시예의 트레이(7)는 위에서 보았을 때 직경이 약 12인치인 실질적인 원형이고, 직경이 6인치인 3개의 기판(S)을 수용하도록 구성된다.
제1 내지 제3 실시예와 마찬가지로, 트레이(7)의 표면에 산화이트륨층(36)을 형성해서, 트레이(7)를 에칭 분위기로부터 보호한다.

Claims (6)

  1. 절연 플레이트 및 상기 절연 플레이트에 임베드된 전극을 포함하는 단극형 척 본체;
    상기 척 본체 상에 놓이고, 복수의 기판을 수용하기 위한 복수의 오목부가 형성된 상면을 갖고, 상기 절연 플레이트의 체적 저항률 이하의 체적 저항률을 갖는 절연체로 형성된 트레이; 및
    상기 트레이의 상면과 외측면, 상기 오목부의 측면, 및 상기 오목부의 바닥면의 외주 부분에 형성된 산화이트륨층
    을 포함하는 기판 고정구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트레이의 오목부에는, 상기 기판의 이면에 공급되는 냉각 가스가 통과되는 관통 구멍이 형성된 기판 고정구.
  3. 제2항에 있어서,
    복수의 상기 관통 구멍이 마련되고, 상기 트레이의 하면에는, 상기 복수의 관통 구멍을 연결하도록 구성된 홈이 형성된 기판 고정구.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 트레이는,
    하부 플레이트; 및
    상기 하부 플레이트의 상면에 착탈 가능하게 장착되도록 구성되고 상기 복수의 오목부에 대응하는 개구부를 갖는 상부 플레이트
    를 포함하고,
    상기 복수의 오목부 각각은 상기 상부 플레이트의 복수의 개구부 및 상기 하부 플레이트의 상면에 의해 구획되는 기판 고정구.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 트레이는 상기 절연체로만 형성된 기판 고정구.
  6. 도전성 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트 상에 고정된 절연 플레이트 및 상기 절연 플레이트에 임베드된 전극을 포함하는 단극형 척 본체;
    상기 척 본체 상에 놓이고, 복수의 기판을 수용하기 위한 복수의 오목부가 형성된 상면을 갖고, 상기 절연 플레이트의 체적 저항률 이하의 체적 저항률을 갖는 절연체로 형성된 트레이; 및
    상기 트레이의 상면과 외측면, 상기 오목부의 측면, 및 상기 오목부의 바닥면의 외주 부분에 형성된 산화이트륨층
    을 포함하는 기판 고정 디바이스.
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