KR102493393B1 - 기판 온도 제어 장치, 그를 포함하는 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 - Google Patents

기판 온도 제어 장치, 그를 포함하는 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 Download PDF

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Abstract

기판 처리 장치가 개시된다. 기판 처리 장치는, 내부에 기판을 처리하는 공간을 갖는 챔버, 챔버 내에 위치하며, 기판을 지지하는 지지판을 포함하는 기판 지지 어셈블리, 챔버 내부로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛, 챔버 내의 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 플라즈마 발생 유닛 및 기판의 온도를 제어하는 온도 제어 유닛을 포함하되, 온도 제어 유닛은, 지지판의 복수의 영역에 설치되어 기판을 가열하는 복수의 가열 유닛, 복수의 영역의 온도를 각각 측정하는 복수의 온도 센서 및 복수의 가열 유닛의 출력을 제어하는 제어부를 포함하며, 제어부는, 복수의 온도 센서에서 측정되는 온도, 복수의 영역 중 하나의 영역과 다른 영역 사이의 관계를 나타내는 상관 계수 및 외부의 환경에 관한 외란 계수에 기초하여, 복수의 가열 유닛 각각의 출력을 결정한다.

Description

기판 온도 제어 장치, 그를 포함하는 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING TEMPERATURE OF SUBSTRATE, APPARATUS FOR TREATING SUBSTRATE INCLUDING THE SAME AND METHOD FOR TREATING SUBSTRATE}
본 발명은 기판 온도 제어 장치, 그를 포함하는 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판의 온도를 균일하게 제어하는 기판 온도 제어 장치, 그를 포함하는 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 관한 것이다.
종래 반도체 제조 설비(예를 들어, 화학 기상 증착 설비(CVD), 식각 설비(Etcher) 등)에서 제조 공정을 위하여 기판을 가열하는 경우, 기판의 복수의 영역마다 개별적으로 PID 제어기의 이득(gain)을 설정하는 방식으로 제어기를 설계하였다. 그러나 종래의 PID 제어 방식은 무공정 상태에서 제어기를 설계하여, 공정 상태의 플랜트 변화가 고려되지 않았으며, 기판의 복수의 영역들 간의 영향(interconnection)을 고려하지 못하는 문제가 있었다. 또한, 공정의 각 단계에서의 외란(disturbance)이나 히터의 특성을 고려하지 못하였으므로, 기판의 온도를 보다 더 정확하게 제어하는데 어려움이 있었다.
즉, 종래의 PID 제어를 통한 기판 온도 제어 방식은 기판의 복수의 영역마다 PID 제어기가 개별적으로 설계되어 상호 영향을 반영할 수 없었고, 각 공정 단계에서의 외란을 고려하지 못하여, 실제 공정이 수행되는 환경에서 기판의 온도 제어시 오차가 발생하는 문제가 있었다.
이에 따라, 실제 공정 환경에서 다양한 환경 변화나 외란을 고려하여 기판의 온도를 제어할 수 있는 기술에 대한 필요성이 대두되었다.
본 발명의 목적은 기판의 복수의 영역별 상호간의 영향 및 환경 변화를 고려하여 기판의 온도를 제어할 수 있는 기판 온도 제어 장치, 그를 포함하는 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치는, 기판을 처리하는 장치에 있어서, 내부에 기판을 처리하는 공간을 갖는 챔버, 상기 챔버 내에 위치하며, 상기 기판을 지지하는 지지판을 포함하는 기판 지지 어셈블리, 상기 챔버 내부로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛, 상기 챔버 내의 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 플라즈마 발생 유닛 및 상기 기판의 온도를 제어하는 온도 제어 유닛을 포함하되, 상기 온도 제어 유닛은, 상기 지지판의 복수의 영역에 설치되어 기판을 가열하는 복수의 가열 유닛, 상기 복수의 영역의 온도를 각각 측정하는 복수의 온도 센서 및 상기 복수의 가열 유닛의 출력을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 복수의 온도 센서에서 측정되는 온도, 상기 복수의 영역 중 하나의 영역과 다른 영역 사이의 관계를 나타내는 상관 계수 및 외부의 환경에 관한 외란(disturbance) 계수에 기초하여, 상기 복수의 가열 유닛 각각의 출력을 결정한다.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 기판의 복수의 영역에서의 상호간의 영향 및 기판에 수행되는 공정에 따른 외란을 고려하여 기판의 온도를 보다 정확하게 제어할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 온도 제어 장치가 기판의 온도를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판의 복수의 영역을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 1을 참조하면, 기판 처리 장치(10)는 플라즈마를 이용하여 기판(W)을 처리한다. 예를 들어, 기판 처리 장치(10)는 기판(W)에 대하여 식각 공정을 수행할 수 있다. 기판 처리 장치(10)는 챔버(620), 기판 지지 어셈블리(200), 샤워 헤드(300), 가스 공급 유닛(400), 배플 유닛(500) 그리고 플라즈마 발생 유닛(600)을 포함할 수 있다.
챔버(620)는 내부에 기판 처리 공정이 수행되는 처리 공간을 제공할 수 있다. 챔버(620)는 내부에 처리 공간을 가지고, 밀폐된 형상으로 제공될 수 있다. 챔버(620)는 금속 재질로 제공될 수 있다. 챔버(620)는 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 챔버(620)는 접지될 수 있다. 챔버(620)의 바닥면에는 배기홀(102)이 형성될 수 있다. 배기홀(102)은 배기 라인(151)과 연결될 수 있다. 공정 과정에서 발생한 반응 부산물 및 챔버의 내부 공간에 머무르는 가스는 배기 라인(151)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 배기 과정에 의해 챔버(620)의 내부는 소정 압력으로 감압될 수 있다.
일 예에 의하면, 챔버(620) 내부에는 라이너(130)가 제공될 수 있다. 라이너(130)는 상면 및 하면이 개방된 원통 형상을 가질 수 있다. 라이너(130)는 챔버(620)의 내측면과 접촉하도록 제공될 수 있다. 라이너(130)는 챔버(620)의 내측벽을 보호하여 챔버(620)의 내측벽이 아크 방전으로 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 기판 처리 공정 중에 발생한 불순물이 챔버(620)의 내측벽에 증착되는 것을 방지할 수 있다. 선택적으로, 라이너(130)는 제공되지 않을 수도 있다.
챔버(620)의 내부에는 기판 지지 어셈블리(200)가 위치할 수 있다. 기판 지지 어셈블리(200)는 기판(W)을 지지할 수 있다. 기판 지지 어셈블리(200)는 정전기력을 이용하여 기판(W)을 흡착하는 정전 척(210)을 포함할 수 있다. 이와 달리, 기판 지지 어셈블리(200)는 기계적 클램핑과 같은 다양한 방식으로 기판(W)을 지지할 수도 있다. 이하에서는 정전 척(210)을 포함하는 기판 지지 어셈블리(200)에 대하여 설명한다.
기판 지지 어셈블리(200)는 정전 척(210), 하부 커버(250) 그리고 플레이트(270)를 포함할 수 있다. 기판 지지 어셈블리(200)는 챔버(620) 내부에서 챔버(620)의 바닥면에서 상부로 이격되어 위치할 수 있다. 기판 지지 어셈블리(200)는 지지판으로 제공될 수 있다.
정전 척(210)은 유전판(220), 몸체(230) 그리고 포커스 링(240)을 포함할 수 있다. 정전 척(210)은 기판(W)을 지지할 수 있다. 유전판(220)은 정전 척(210)의 상단에 위치할 수 있다. 유전판(220)은 원판 형상의 유전체(dielectric substance)로 제공될 수 있다. 유전판(220)의 상면에는 기판(W)이 놓일 수 있다. 유전판(220)의 상면은 기판(W)보다 작은 반경을 가질 수 있다. 때문에, 기판(W)의 가장자리 영역은 유전판(220)의 외측에 위치할 수 있다.
유전판(220)은 내부에 제1 전극(223), 가열 유닛(225) 그리고 제1 공급 유로(221)를 포함할 수 있다. 제1 공급 유로(221)는 유전판(210)의 상면으로부터 저면으로 제공될 수 있다. 제1 공급 유로(221)는 서로 이격되어 복수 개 형성되며, 기판(W)의 저면으로 열전달 매체가 공급되는 통로로 제공될 수 있다.
제1 전극(223)은 제1 전원(223a)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전원(223a)은 직류 전원을 포함할 수 있다. 제1 전극(223)과 제1 전원(223a) 사이에는 스위치(223b)가 설치될 수 있다. 제1 전극(223)은 스위치(223b)의 온/오프(ON/OFF)에 의해 제1 전원(223a)과 전기적으로 연결될 수 있다. 스위치(223b)가 온(ON)되면, 제1 전극(223)에는 직류 전류가 인가될 수 있다. 제1 전극(223)에 인가된 전류에 의해 제1 전극(223)과 기판(W) 사이에는 정전기력이 작용하며, 정전기력에 의해 기판(W)은 유전판(220)에 흡착될 수 있다.
가열 유닛(225)는 제1 전극(223)의 하부에 위치할 수 있다. 가열 유닛(225)는 제2 전원(225a)과 전기적으로 연결될 수 있다. 가열 유닛(225)는 제2 전원(225a)에서 인가된 전류에 저항함으로써 열을 발생시킬 수 있다. 발생한 열은 유전판(220)을 통해 기판(W)으로 전달될 수 있다. 가열 유닛(225)에서 발생한 열에 의해 기판(W)은 소정 온도로 유지될 수 있다. 가열 유닛(225)는 나선 형상의 코일을 포함할 수 있다.
유전판(220)의 하부에는 몸체(230)가 위치할 수 있다. 유전판(220)의 저면과 몸체(230)의 상면은 접착제(236)에 의해 접착될 수 있다. 몸체(230)는 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 몸체(230)의 상면은 중심 영역이 가장자리 영역보다 높게 위치되도록 위치할 수 있다. 몸체(230)의 상면 중심 영역은 유전판(220)의 저면에 상응하는 면적을 가지며, 유전판(220)의 저면과 접착될 수 있다. 몸체(230)는 내부에 제1 순환 유로(231), 제2 순환 유로(232) 그리고 제2 공급 유로(233)가 형성될 수 있다.
제1 순환 유로(231)는 열전달 매체가 순환하는 통로로 제공될 수 있다. 제1 순환 유로(231)는 몸체(230) 내부에 나선 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 제1 순환 유로(231)는 서로 상이한 반경을 갖는 링 형상의 유로들이 동일한 중심을 갖도록 배치될 수 있다. 각각의 제1 순환 유로(231)들은 서로 연통될 수 있다. 제1 순환 유로(231)들은 동일한 높이에 형성될 수 있다.
제2 순환 유로(232)는 냉각 유체가 순환하는 통로로 제공될 수 있다. 제2 순환 유로(232)는 몸체(230) 내부에 나선 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 제2 순환 유로(232)는 서로 상이한 반경을 갖는 링 형상의 유로들이 동일한 중심을 갖도록 배치될 수 있다. 각각의 제2 순환 유로(232)들은 서로 연통될 수 있다. 제2 순환 유로(232)는 제1 순환 유로(231)보다 큰 단면적을 가질 수 있다. 제2 순환 유로(232)들은 동일한 높이에 형성될 수 있다. 제2 순환 유로(232)는 제1 순환 유로(231)의 하부에 위치될 수 있다.
제2 공급 유로(233)는 제1 순환 유로(231)부터 상부로 연장되며, 몸체(230)의 상면으로 제공될 수 있다. 제2 공급 유로(243)는 제1 공급 유로(221)에 대응하는 개수로 제공되며, 제1 순환 유로(231)와 제1 공급 유로(221)를 연결할 수 있다.
제1 순환 유로(231)는 열전달 매체 공급라인(231b)을 통해 열전달 매체 저장부(231a)와 연결될 수 있다. 열전달 매체 저장부(231a)에는 열전달 매체가 저장될 수 있다. 열전달 매체는 불활성 가스를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 열전달 매체는 헬륨(He) 가스를 포함할 수 있다. 헬륨 가스는 공급 라인(231b)을 통해 제1 순환 유로(231)에 공급되며, 제2 공급 유로(233)와 제1 공급 유로(221)를 순차적으로 거쳐 기판(W) 저면으로 공급될 수 있다. 헬륨 가스는 플라즈마에서 기판(W)으로 전달된 열이 정전 척(210)으로 전달되는 매개체 역할을 할 수 있다.
제2 순환 유로(232)는 냉각 유체 공급 라인(232c)을 통해 냉각 유체 저장부(232a)와 연결될 수 있다. 냉각 유체 저장부(232a)에는 냉각 유체가 저장될 수 있다. 냉각 유체 저장부(232a) 내에는 냉각기(232b)가 제공될 수 있다. 냉각기(232b)는 냉각 유체를 소정 온도로 냉각시킬 수 있다. 이와 달리, 냉각기(232b)는 냉각 유체 공급 라인(232c) 상에 설치될 수 있다. 냉각 유체 공급 라인(232c)을 통해 제2 순환 유로(232)에 공급된 냉각 유체는 제2 순환 유로(232)를 따라 순환하며 몸체(230)를 냉각할 수 있다. 몸체(230)는 냉각되면서 유전판(220)과 기판(W)을 함께 냉각시켜 기판(W)을 소정 온도로 유지시킬 수 있다.
몸체(230)는 금속판을 포함할 수 있다. 일 예에 의하면, 몸체(230) 전체가 금속판으로 제공될 수 있다.
포커스 링(240)은 정전 척(210)의 가장자리 영역에 배치될 수 있다. 포커스 링(240)은 링 형상을 가지며, 유전판(220)의 둘레를 따라 배치될 수 있다. 포커스 링(240)의 상면은 외측부(240a)가 내측부(240b)보다 높도록 위치할 수 있다. 포커스 링(240)의 상면 내측부(240b)는 유전판(220)의 상면과 동일 높이에 위치될 수 있다. 포커스 링(240)의 상면 내측부(240b)는 유전판(220)의 외측에 위치된 기판(W)의 가장자리 영역을 지지할 수 있다. 포커스 링(240)의 외측부(240a)는 기판(W)의 가장자리 영역을 둘러싸도록 제공될 수 있다. 포커스 링(240)은 기판(W)의 전체 영역에서 플라즈마의 밀도가 균일하게 분포하도록 전자기장을 제어할 수 있다. 이에 의해, 기판(W)의 전체 영역에 걸쳐 플라즈마가 균일하게 형성되어 기판(W)의 각 영역이 균일하게 식각될 수 있다.
하부 커버(250)는 기판 지지 어셈블리(200)의 하단부에 위치할 수 있다. 하부 커버(250)는 챔버(620)의 바닥면에서 상부로 이격하여 위치할 수 있다. 하부 커버(250)는 상면이 개방된 공간(255)이 내부에 형성될 수 있다. 하부 커버(250)의 외부 반경은 몸체(230)의 외부 반경과 동일한 길이로 제공될 수 있다. 하부 커버(250)의 내부 공간(255)에는 반송되는 기판(W)을 외부의 반송 부재로부터 정전 척(210)으로 이동시키는 리프트 핀 모듈(미도시) 등이 위치할 수 있다. 리프트 핀 모듈(미도시)은 하부 커버(250)로부터 일정 간격 이격하여 위치할 수 있다. 하부 커버(250)의 저면은 금속 재질로 제공될 수 있다. 하부 커버(250)의 내부 공간(255)은 공기가 제공될 수 있다. 공기는 절연체보다 유전율이 낮으므로 기판 지지 어셈블리(200) 내부의 전자기장을 감소시키는 역할을 할 수 있다.
하부 커버(250)는 연결 부재(253)를 가질 수 있다. 연결 부재(253)는 하부 커버(250)의 외측면과 챔버(620)의 내측벽을 연결할 수 있다. 연결 부재(253)는 하부 커버(250)의 외측면에 일정한 간격으로 복수 개 제공될 수 있다. 연결 부재(253)는 기판 지지 어셈블리(200)를 챔버(620) 내부에서 지지할 수 있다. 또한, 연결 부재(253)는 챔버(620)의 내측벽과 연결됨으로써 하부 커버(250)가 전기적으로 접지되도록 할 수 있다. 제1 전원(223a)과 연결되는 제1 전원라인(223c), 제2 전원(225a)과 연결되는 제2 전원라인(225c), 열전달 매체 저장부(231a)와 연결된 열전달 매체 공급라인(231b) 그리고 냉각 유체 저장부(232a)와 연결된 냉각 유체 공급 라인(232c) 등은 연결 부재(253)의 내부 공간(255)을 통해 하부 커버(250) 내부로 연장될 수 있다.
정전 척(210)과 하부 커버(250)의 사이에는 플레이트(270)가 위치할 수 있다. 플레이트(270)는 하부 커버(250)의 상면을 덮을 수 있다. 플레이트(270)는 몸체(230)에 상응하는 단면적으로 제공될 수 있다. 플레이트(270)는 절연체를 포함할 수 있다. 일 예에 의하면, 플레이트(270)는 하나 또는 복수 개가 제공될 수 있다. 플레이트(270)는 몸체(230)와 하부 커버(250)의 전기적 거리를 증가시키는 역할을 할 수 있다.
샤워 헤드(300)는 챔버(620) 내부에서 기판 지지 어셈블리(200)의 상부에 위치할 수 있다. 샤워 헤드(300)는 기판 지지 어셈블리(200)와 대향하게 위치할 수 있다.
샤워 헤드(300)는 가스 분산판(310)과 지지부(330)를 포함할 수 있다. 가스 분산판(310)은 챔버(620)의 상면에서 하부로 일정거리 이격되어 위치할 수 있다. 가스 분산판(310)과 챔버(620)의 상면은 그 사이에 일정한 공간이 형성될 수 있다. 가스 분산판(310)은 두께가 일정한 판 형상으로 제공될 수 있다. 가스 분산판(310)의 저면은 플라즈마에 의한 아크 발생을 방지하기 위하여 그 표면이 양극화 처리될 수 있다. 가스 분산판(310)의 단면은 기판 지지 어셈블리(200)와 동일한 형상과 단면적을 가지도록 제공될 수 있다. 가스 분산판(310)은 복수 개의 분사홀(311)을 포함할 수 있다. 분사홀(311)은 가스 분산판(310)의 상면과 하면을 수직 방향으로 관통할 수 있다. 가스 분산판(310)은 금속 재질을 포함할 수 있다.
지지부(330)는 가스 분산판(310)의 측부를 지지할 수 있다. 지지부(330)는 상단이 챔버(620)의 상면과 연결되고, 하단이 가스 분산판(310)의 측부와 연결될 수 있다. 지지부(330)는 비금속 재질을 포함할 수 있다.
가스 공급 유닛(400)은 챔버(620) 내부에 공정 가스를 공급할 수 있다. 가스 공급 유닛(400)은 가스 공급 노즐(410), 가스 공급 라인(420), 그리고 가스 저장부(430)를 포함할 수 있다. 가스 공급 노즐(410)은 챔버(620)의 상면 중앙부에 설치될 수 있다. 가스 공급 노즐(410)의 저면에는 분사구가 형성될 수 있다. 분사구는 챔버(620) 내부로 공정 가스를 공급할 수 있다. 가스 공급 라인(420)은 가스 공급 노즐(410)과 가스 저장부(430)를 연결할 수 있다. 가스 공급 라인(420)은 가스 저장부(430)에 저장된 공정 가스를 가스 공급 노즐(410)에 공급할 수 있다. 가스 공급 라인(420)에는 밸브(421)가 설치될 수 있다. 밸브(421)는 가스 공급 라인(420)을 개폐하며, 가스 공급 라인(420)을 통해 공급되는 공정 가스의 유량을 조절할 수 있다.
배플 유닛(500)은 챔버(620)의 내측벽과 기판 지지 어셈블리(200)의 사이에 위치될 수 있다. 배플(510)은 환형의 링 형상으로 제공될 수 있다. 배플(510)에는 복수의 관통홀(511)들이 형성될 수 있다. 챔버(620) 내에 제공된 공정 가스는 배플(510)의 관통홀(511)들을 통과하여 배기홀(102)로 배기될 수 있다. 배플(510)의 형상 및 관통홀(511)들의 형상에 따라 공정 가스의 흐름이 제어될 수 있다.
플라즈마 발생 유닛(600)은 챔버(620) 내 공정 가스를 플라즈마 상태로 여기시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 플라즈마 발생 유닛(600)은 유도 결합형 플라즈마(ICP: inductively coupled plasma) 타입으로 구성될 수 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 발생 유닛(600)은 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원(610), 고주파 전원에 전기적으로 연결되어 고주파 전력을 인가받는 제1 코일(621) 및 제2 코일(622)을 포함할 수 있다.
제1 코일(621) 및 제2 코일(622)은 기판(W)에 대향하는 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 코일(621) 및 제2 코일(622)은 챔버(620)의 상부에 설치될 수 있다. 제1 코일(621)의 직경은 제2 코일(622)의 직경보다 작아 챔버(620) 상부의 안쪽에 위치하고, 제2 코일(622)은 챔버(620) 상부의 바깥쪽에 위치할 수 있다. 제1 코일(621) 및 제2 코일(622)은 고주파 전원(610)으로부터 고주파 전력을 인가받아 챔버에 시변 자기장을 유도할 수 있으며, 그에 따라 챔버(620)에 공급된 공정 가스는 플라즈마로 여기될 수 있다.
이하, 상술한 기판 처리 장치를 이용하여 기판을 처리하는 과정을 설명하도록 한다.
기판 지지 어셈블리(200)에 기판(W)이 놓이면, 제1 전원(223a)으로부터 제1 전극(223)에 직류 전류가 인가될 수 있다. 제1 전극(223)에 인가된 직류 전류에 의해 제1 전극(223)과 기판(W) 사이에는 정전기력이 작용하며, 정전기력에 의해 기판(W)은 정전 척(210)에 흡착될 수 있다.
기판(W)이 정전 척(210)에 흡착되면, 가스 공급 노즐(410)을 통하여 챔버(620) 내부에 공정 가스가 공급될 수 있다. 공정 가스는 샤워 헤드(300)의 분사홀(311)을 통하여 챔버(620)의 내부 영역으로 균일하게 분사될 수 있다. 고주파 전원에서 생성된 고주파 전력은 플라즈마 소스에 인가될 수 있으며, 그로 인해 챔버(620) 내에 전자기력이 발생할 수 있다. 전자기력은 기판 지지 어셈블리(200)와 샤워 헤드(300) 사이의 공정 가스를 플라즈마로 여기시킬 수 있다. 플라즈마는 기판(W)으로 제공되어 기판(W)을 처리할 수 있다. 플라즈마는 식각 공정을 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 온도 제어 장치가 기판의 온도를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치(10)는 기판의 온도를 제어하는 온도 제어 유닛(700)을 포함할 수 있으며, 온도 제어 유닛(700)은 복수의 가열 유닛(225), 복수의 온도 센서(710) 및 제어부(720)로 구성될 수 있다.
복수의 온도 센서(710)는 지지판(200)의 복수의 영역에 각각 배치되어, 기판(W)의 복수의 영역의 온도를 측정할 수 있다. 일 예로, 기판(W)의 복수의 영역은 도 3과 같이 4개의 영역(A1, A2, A3, A4)으로 제공될 수 있으며, 지지판(200)의 내부에는 복수의 온도 센서(710)가 기판(W)의 복수의 영역(A1, A2, A3, A4)에 대응되는 위치에 각각 배치되어, 기판(W)의 복수의 영역(A1, A2, A3, A4)의 온도를 측정할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 제어 유닛(700)은 기판(W)이 4개의 영역(A1, A2, A3, A4)으로 구분되는 경우에 기판(W)의 온도를 제어하는 방법을 설명한다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 기판(W)은 2개, 3개 또는 5개 이상의 영역으로 구분되어 각각의 영역에 대응되는 위치에 배치되는 복수의 온도 센서(710)가 제공될 수 있다.
제어부(720)는 복수의 온도 센서(710)에서 측정되는 온도, 기판(W)의 복수의 영역(A1, A2, A3, A4) 중 하나의 영역과 다른 영역 사이의 관계를 나타내는 상관 계수 및 외부의 환경에 대한 외란 계수에 기초하여 복수의 가열 유닛(225) 각각의 출력을 결정한다. 여기서, 상관 계수 및 외란 계수는 기저장된 값이거나, 또는 사용자로부터 입력된 값일 수 있다. 또한, 제어부(720)는 상관 계수 및 외란 계수를 고려하여 피드백 이득을 산출하는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 제어기를 포함할 수 있다.
또한, 복수의 온도 센서(710)가 배치되는 지지판(200)의 복수의 영역은 지지판(200)의 중앙에 위치하는 제1 영역, 지지판(200)의 가장자리에 위치하는 제2 영역 및 제1 영역과 제2 영역 사이에 위치하는 제3 영역을 포함할 수 있다. 이 경우, 상관 계수는 제1 영역과 제2 영역 사이의 관계를 나타내는 제1 상관 계수, 제1 영역과 제3 영역 사이의 관계를 나타내는 제2 상관 계수 및 제2 영역과 제3 영역 사이의 관계를 나타내는 제3 상관 계수를 포함할 수 있고, 외란 계수는, 제1 영역에 대한 외부 환경 영향을 나타내는 제1 외란 계수, 제2 영역에 대한 외부 환경 영향을 나타내는 제2 외란 계수 및 제3 영역에 대한 외부 환경 영향을 나타내는 제3 외란 계수를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판(W)의 복수의 영역이 4개의 영역(A1, A2, A3, A4)으로 제공되는 경우, 이에 대응되도록 지지판(200)에서 복수의 온도 센서(710)가 배치되는 영역이 4개의 영역(제1 영역 내지 제4 영역)으로 제공될 수 있으며, 상관 계수는 제1 영역과 제2 영역 사이의 관계를 나타내는 제1 상관 계수, 제1 영역과 제3 영역 사이의 관계를 나타내는 제2 상관 계수, 제1 영역과 제4 영역 사이의 관계를 나타내는 제3 상관 계수, 제2 영역과 제3 영역 사이의 관계를 나타내는 제4 상관 계수, 제2 영역과 제4 영역 사이의 관계를 나타내는 제5 상관 계수 및 제3 영역과 제4 영역 사이의 관계를 나타내는 제6 상관 계수가 제공될 수 있다. 마찬가지로, 외란 계수는, 제1 내지 제4 외란 계수가 제공될 수 있다. 또한, 이에 한정되지 않고, 다수의 상관 계수 및 외란 계수가 제공되어 기판(W)의 온도 제어에 이용될 수 있다. 이에 따라, 기판(W)의 복수의 영역 상호간의 영향 및 외란의 영향을 고려하여 기판(W)의 온도를 제어함으로써, 보다 정확하게 기판의 온도를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(720)는 플랜트 제어를 위한 제어 알고리즘으로 MIMO 제어기를 포함한다. MIMO 제어기는 플랜트의 출력값을 온도 조절을 위한 목표치에 수렴하기 위하여 상태 공간 상에 아래의 수학식 1과 같은 수학식을 이용할 수 있다.
Figure 112020125705411-pat00001
여기서, Sys1 내지 Sys4는 MIMO 제어기,
Figure 112022013595933-pat00006
i 는 상태 변수,
Figure 112022013595933-pat00007
i 는 상태 변수의 시간에 따른 변화율, ui, yi는 각 영역별 입출력, wi는 외란, aij는 i 영역에 대한 j 영역의 영향에 대한 상관 계수, bi는 입력 계수, cij, di는 출력 계수, gi는 외란 계수이다(i,j=1,2,3,4).
제어부(720)는 상관 계수 및 외란 계수에 최적 제어(Optimal Control)를 적용하여 복수의 가열 유닛(225) 각각의 출력을 결정할 수 있다. 또한, 제어부(720)는 상관 계수 및 외란 계수에 로버스트 제어(Robust Control)를 적용하여 복수의 가열 유닛(225) 각각의 출력을 결정할 수 있다. 여기서, 최적 제어 또는 로버스트 제어의 구체적인 내용은 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 기술이므로, 자세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 제어 유닛(700)은 지지판(220)의 복수의 영역에 대한 외란을 측정하는 외란 센서(730)를 포함할 수 있다. 외란 센서(730)는 챔버(620) 내의 고주파(RF)나 공정 가스를 측정하여 제어부(720)에 제공할 수 있으며, 제어부(720)는 외란 센서(730)의 측정값에 기초하여 지지판(220)의 복수의 영역에 대응되는 외란 계수를 설정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 제어 유닛(700)은 상관 계수 및 외란 계수를 저장하는 저장부(740)를 포함할 수 있다. 제어부(720)는 저장부(740)에 저장된 상관 계수 및 외란 계수를 이용하여 복수의 가열 유닛(225) 각각의 출력을 결정할 수 있다. 온도 제어 유닛(700)은 상관 계수 및 외란 계수를 사용자로부터 입력받는 입력부(750)를 포함할 수 있으며, 입력부(750)에 상관 계수 및 외란 계수 중 적어도 하나가 입력되면, 저장부(740)에 저장된 상관 계수 및 외란 계수 중 적어도 하나를 입력부(750)에 입력된 값으로 변경할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 우선, 지지판의 복수의 영역에서 온도를 측정한다(S410).
이어서, 복수의 영역에서 측정된 온도, 기저장된 상관 계수 및 외란 계수에 기초하여 복수의 가열 유닛의 출력을 결정한다(S420). S420 단계에서, 상관 계수 및 외란 계수에 로버스트 제어를 적용하여 복수의 가열 유닛의 출력을 결정하거나, 또는, 상관 계수 및 외란 계수에 최적 제어를 적용하여 복수의 가열 유닛 각각의 출력을 결정할 수 있다. 여기서, 상관 계수 및 외란 계수는 기저장된 값일 수 있으나, 상관 계수 및 외란 계수 중 적어도 하나가 입력되면, 기저장된 상관 계수 및 외란 계수 중 적어도 하나는 입력된 값으로 변경될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 기판의 복수의 영역에서의 상호간의 영향 및 기판에 수행되는 공정에 따른 외란을 고려하여 기판의 온도를 보다 정확하게 제어할 수 있다.
본 명세서에 있어서 설명되는 플라즈마 발생 유닛(600)은 유도 결합형 플라즈마(ICP: inductively coupled plasma) 타입으로 설명되었으나, 이에 제한되지 않으며 용량 결합형 플라즈마(CCP: Capacitively coupled plasma) 타입으로 구성될 수도 있다.
상술한 기판 처리 방법은 컴퓨터로 실행될 수 있는 프로그램으로 구현되어 어플리케이션 형태로 실행될 수 있고, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 저장될 수 있다. 여기서, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 SRAM(Static RAM), DRAM(Dynamic RAM), SDRAM(Synchronous DRAM) 등과 같은 휘발성 메모리, ROM(Read Only Memory), PROM(Programmable ROM), EPROM(Electrically Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM), 플래시 메모리 장치, PRAM(Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM), RRAM(Resistive RAM), FRAM(Ferroelectric RAM) 등과 같은 불휘발성 메모리, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 광학적 판독 매체(예를 들어, 시디롬, 디브이디 등과 같은 형태의 저장매체)일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 도시된 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 반대로 여러 개로 분산된 구성 요소들은 결합 되어 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
10: 기판 처리 장치 200: 기판 지지 어셈블리
225: 가열 유닛 700: 온도 제어 유닛
710: 온도 센서 720: 제어부

Claims (14)

  1. 기판을 처리하는 장치에 있어서,
    내부에 처리 공간을 가지는 챔버;
    상기 챔버 내에서 기판을 지지하는 기판 지지 어셈블리 - 상기 기판 지지 어셈블리는 기판을 지지하는 지지판을 포함함 - ;
    상기 챔버 내부로 가스를 공급하는 가스 공급 유닛;
    상기 가스 공급 유닛이 공급하는 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 플라즈마 발생 유닛; 및
    상기 기판 지지 어셈블리에 놓인 기판의 온도를 제어하는 온도 제어 유닛을 포함하고,
    상기 온도 제어 유닛은,
    상기 지지판의 복수의 영역에 설치되어 기판의 서로 상이한 영역을 가열하는 복수의 가열 유닛;
    상기 복수의 영역의 온도를 각각 측정하는 복수의 온도 센서;
    상기 복수의 가열 유닛의 출력을 제어하는 제어부; 및
    상기 챔버 내의 고주파(RF)나 공정 가스를 측정하여 상기 제어부에 제공하는 외란 센서를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 영역 중 하나의 영역과 다른 영역 사이의 관계를 나타내는 상관 계수, 외부 환경에 관한 외란 계수 및 상기 복수의 온도 센서에 의해 측정되는 온도에 기초하여 상기 복수의 가열 유닛 각각의 출력을 결정하고,
    상기 외란 센서의 측정값에 기초하여 상기 지지판의 상기 복수의 영역에 대응되는 외란 계수를 설정하고,
    상기 상관 계수 및 상기 외란 계수를 고려하여 피드백 이득(feedback gain)을 산출하는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 제어기를 포함하는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 영역은,
    제1영역, 상부에서 바라볼 때 상기 제1영역과 상이한 영역인 제2영역, 상부에서 바라볼 때 상기 제1영역 및 제2영역과 상이한 영역인 제3영역을 포함하고,
    상기 상관 계수는,
    상기 제1영역과 상기 제2영역 사이의 관계를 나타내는 제1 상관 계수, 상기 제1영역과 상기 제3영역 사이의 관계를 나타내는 제2 상관 계수 및 상기 제2영역과 상기 제3영역 사이의 관계를 나타내는 제3 상관 계수를 포함하며,
    상기 외란 계수는,
    상기 제1영역에 대한 외부 환경 영향을 나타내는 제1 외란 계수, 상기 제2영역에 대한 외부 환경 영향을 나타내는 제2 외란 계수 및 상기 제3영역에 대한 외부 환경 영향을 나타내는 제3 외란 계수를 포함하는 기판 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1영역은, 상기 지지판의 중앙에 위치하고,
    상기 제2영역은, 상기 지지판의 가장자리에 위치하고,
    상기 제3영역은 상기 제1영역 및 상기 제2영역 사이에 위치하는, 기판 처리 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 상관 계수 및 상기 외란 계수에 로버스트 제어(Robust Control)를 적용하여 상기 복수의 가열 유닛 각각의 출력을 결정하는 기판 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 상관 계수 및 상기 외란 계수에 최적 제어(Optimal Control)를 적용하여 상기 복수의 가열 유닛 각각의 출력을 결정하는 기판 처리 장치
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상관 계수 및 상기 외란 계수를 저장하는 저장부를 더 포함하는 기판 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상관 계수 및/또는 상기 외란 계수를 입력받는 입력부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 입력부에 상기 상관 계수 및 상기 외란 계수 중 적어도 하나가 입력되면, 상기 저장부에 저장된 상기 상관 계수 및 상기 외란 계수 중 적어도 하나를 상기 입력부에 입력된 값으로 변경하는 기판 처리 장치.
  9. 기판을 처리하는 방법에 있어서,
    상기 기판을 지지하는 지지판의 복수의 영역의 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 복수의 영역의 온도, 상기 복수의 영역 중 하나의 영역과 다른 영역 사이의 관계를 나타내는 상관 계수 및 외부 환경에 관한 외란 계수에 기초하여 상기 지지판을 가열하는 복수의 가열 유닛의 출력을 조절하는 단계를 포함하고,
    상기 외란 계수는 외란 센서가 상기 기판이 처리되는 챔버 내의 고주파나 공정 가스를 측정하고, 상기 외란 센서의 측정값에 기초하여 상기 지지판의 복수의 영역에 대응되는 외란 계수를 설정하고,
    상기 복수의 가열 유닛의 출력을 조절하는 단계는,
    상기 상관 계수 및 상기 외란 계수를 고려하여 피드백 이득을 산출하는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 제어기를 이용하여 수행되는 기판 처리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 영역은,
    제1영역, 상부에서 바라볼 때 상기 제1영역과 상이한 영역인 제2영역, 상부에서 바라볼 때 상기 제1영역 및 제2영역과 상이한 영역인 제3영역을 포함하고,
    상기 상관 계수는,
    상기 제1영역과 상기 제2영역 사이의 관계를 나타내는 제1 상관 계수, 상기 제1영역과 상기 제3영역 사이의 관계를 나타내는 제2 상관 계수 및 상기 제2영역과 상기 제3영역 사이의 관계를 나타내는 제3 상관 계수를 포함하며,
    상기 외란 계수는,
    상기 제1영역에 대한 외부 환경 영향을 나타내는 제1 외란 계수, 상기 제2영역에 대한 외부 환경 영향을 나타내는 제2 외란 계수 및 상기 제3영역에 대한 외부 환경 영향을 나타내는 제3 외란 계수를 포함하는 기판 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1영역은, 상기 지지판의 중앙에 위치하고,
    상기 제2영역은, 상기 지지판의 가장자리에 위치하고,
    상기 제3영역은 상기 제1영역 및 상기 제2영역 사이에 위치하는, 기판 처리 방법.
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 가열 유닛의 출력을 조절하는 단계는,
    상기 상관 계수 및 상기 외란 계수에 로버스트 제어(Robust Control)를 적용하여 상기 복수의 가열 유닛 각각의 출력을 결정하는 단계를 포함하는 기판 처리 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 가열 유닛의 출력을 조절하는 단계는,
    상기 상관 계수 및 상기 외란 계수에 최적 제어(Optimal Control)를 적용하여 상기 복수의 가열 유닛 각각의 출력을 결정하는 단계를 포함하는 기판 처리 방법.
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