KR102627348B1 - 기판 재치대 및 이를 구비하는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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KR102627348B1
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Abstract

챔버(11) 내의 온도 등의 외부 요인의 영향을 경감할 수 있는 기판 재치대(15)를 제공한다. 플라즈마 처리 장치(1)에서의 챔버(11) 내에 배치된 기판 재치대(15)는 정전 척 (61)과 냉각 재킷(62)을 구비하며, 정전 척(61)은 정전 흡착용 전극(71)을 내장하는 상측 원반부(61a)와 상측 원반부(61a)보다 큰 직경을 가지며, 히터(72)를 내장하는 하측 원반부(61b)로 구성되어 있다. 상측 원반부(61a)의 직경 방향 바깥쪽에 배치되어 하측 원반부(61b)의 상면을 덮는 포커스 링(64)과 냉각 자켓(62)의 적어도 일부 및 하측 원반부(61b)를 둘러싸는 단열용 상측 환상 커버(65)와 상측 환상 커버(65)로 냉각 재킷(62)을 협지하는 단열용 하측 환상 커버(66)가 세라믹제이다.

Description

기판 재치대 및 이를 구비하는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법
본 발명은, 챔버 내에서 플라즈마 에칭 처리 등이 실시되는 기판, 예를 들어, 반도체용 웨이퍼를 정전 흡착 상태에서 탑재하는 기판 재치대 및 이를 구비하는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
종래, 챔버 내에 배치된 기판 재치대에, 피처리 작업으로서 반도체용 기판을 탑재하고, 챔버 내에 소정의 가스를 공급하여 플라즈마화시키며, 플라즈마화한 처리가스에 의해 기판에 에칭 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치가 알려져 있다. 또한, 플라즈마 처리에 적합한 기판 재치대로서, 정전 흡착용 전극 및 기판 가열용 히터를 내장하는 정전 척과 정전 척의 하측에 배치된 냉각 재킷을 구비한 것이 개발되어 있다(특허 문헌 1 및 특허 문헌 2). 이러한 종류의 기판 재치대는 정전 흡착용 전극에 전압을 인가함으로써, 전극 표면에서 정전 척 상단 척 면에 걸친 유전층에서 유전 분극을 일으키고, 기판 사이에서 발생하는 정전력에 의해 기판을 척 면에 흡착 유지한다. 또한, 처리 중에는 히터 및 냉각 재킷에 의한 온도 제어에 의해 기판을 소정 온도로 유지한 상태로 하여 기판에 에칭 처리 등이 실시된다.
특허 문헌 1: 일본 공개특허 특개 2001-68538호 공보 특허 문헌 2: 일본 공개특허 특개 2006-237348호 공보
그러나, 히터 및 냉각 재킷에 의한 정전 척 및 기판의 온도 제어에 대하여, 기판 재치대의 주위 환경, 예를 들어 챔버 내 온도의 영향으로 정전 척 및 기판의 적절한 온도 제어가 어려워지는 문제가 있다. 예를 들어, 기판을 탑재하지 않은 비처리 상태에서의 초기 승온 시나 소정 온도에서의 대기 시에는, 가열되는 정전 척의 열은 하측의 냉각 재킷을 통해 다량으로 외부로 빠져나간다. 이로 인하여, 큰 히터 용량이 요구되어 불필요한 전력 소비의 요인이 된다. 한편, 기판을 탑재하여 에칭 처리 등을 행하는 처리 중에는 온도 상승한 기판에서 정전 척으로 많은 열이 연속적으로 전달되므로 큰 발열량이 요구된다. 구체적으로 설명하면, 비처리 상태에서의 정전 척의 승온 공정 및 소정의 온도, 예를 들어, 200℃에서의 대기 시(일정 온도 공정)에서는 히터에 의한 열이 외부로 빠져나가지 않도록 하여 정전 척을 효율적으로 승온시키거나, 정전 척을 일정 온도로 유지할 필요가 있다. 한편, 기판 처리 중, 예를 들어 플라즈마 에칭 처리중에는 기판이 필요 이상으로 고온이 되지 않도록 기판의 열을 효율적으로 정전 척을 통해 발열할 필요가 있다.
본 발명의 목적은, 이상의 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 챔버 내 온도 등의 외부 요인이 정전 척 및 냉각 재킷에 미치는 영향을 경감하고, 기판 및 정전 척 온도 제어를 용이하게 하는 것이 가능한 기판 재치대 및 이를 구비한 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법의 제공을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,
피처리용 기판을 정전 흡착하는 기판 재치대에 있어서,
상기 기판을 정전 흡착하는 전극을 내장하는 상측 원반부 및 상기 상측 원반부의 하측에 상기 상측 원반부보다 큰 직경을 갖는 동시에 히터를 내장하는 하측 원반부로 이루어진 정전 척,
상기 하측 원반부의 하측에 배치되고, 상기 정전 척을 냉각하는 냉각 재킷,
상기 상측 원반부의 직경 방향 바깥쪽에 배치되어, 상기 하측 원반부의 상면을 덮는 포커스 링,
상기 냉각 재킷의 적어도 일부 및 상기 하측 원반부를 둘러싸는 단열용 상측 환상 커버, 그리고
상기 상측 환상 커버로 상기 냉각 재킷을 협지하는 단열용 하측 환상 커버를 구비하며,
상기 포커스 링, 상기 상측 환상 커버 및 상기 하측 환상 커버는 세라믹제인 기판 재치대에 관한 것이다.
상술한 기판 재치대에 의하면, 정전 척 및 냉각 재킷의 상면 및 직경 방향의 바깥쪽을 둘러싸는 포커스 링, 단열용 상하 환상 커버를 세라믹제로 형성하므로, 정전 척 및 냉각 재킷에 대한 외부 영향을 경감할 수 있고, 정전 척 및 기판에 대해 효율적인 온도 제어가 가능해 진다.
또한, 상기 기판 재치대에 있어서, 상기 히터의 배치 영역은 상기 기판의 직경보다 큰 직경을 갖고 있는 것이 바람직하다.
상술한 기판 재치대에 의하면, 히터의 배치 영역이 기판의 직경보다 큰 직경으로 설정되어 있으므로, 정전 척 상의 온도 분포를 기판의 중심에서 외주 단부까지 균일한 분포로 할 수 있다.
또한, 상기 기판 재치대에 있어서,
상기 냉각 재킷의 직경 방향 외주면에 외향 플랜지부가 일체로 형성되고,
상기 플랜지부는 상기 상측 환상 커버와 상기 하측 환상 커버에 의해 상하에서 협지되어 있는 것이 바람직하다.
상술한 기판 재치대에 의하면, 상하의 세라믹제 환상 커버로 냉각 재킷의 외향 플랜지를 협지하므로, 상하 순환 커버를, 정전 척 및 냉각 재킷에 대한 단열 기능과 더불어 냉각 재킷의 유지 부재로도 이용할 수 있다.
또한, 상기 기판 재치대에 있어서,
상기 정전 척과 상기 냉각 재킷 사이에는 상기 히터의 배치 영역의 전역으로 연장함과 동시에 외부로부터 밀봉된 미소 간극이 형성되고,
상기 미소 간극은 헬륨 가스 공급부 및 진공 펌프로 전환 자유롭게 접속됨으로써, 헬륨 가스 충전 상태와 진공 상태 사이에서 변경 자유롭게 되도록 구성되는 것이 바람직하다.
상술한 기판 재치대에 의하면, 비처리 상태에서의 초기 승온 시, 일정 온도에서의 대기 시에는 미소 간극을 진공 상태로 한다. 따라서, 정전 척의 열이 아래쪽의 냉각 재킷으로 빠져나가는 것을 차단하고, 효율적인 초기 승온 및 소정 온도에서의 대기 상태를 유지할 수 있다. 한편, 플라즈마 처리 중에는 미소 간극을 헬륨 가스 충전 상태로 함으로써, 고온의 기판의 열을 열전달성이 좋은 헬륨 가스를 통해 신속하게 냉각 재킷으로 빠져나가게 하여 효율적인 발열을 행할 수 있다.
또한, 상기 기판 재치대에 있어서, 상기 정전 척은 질화 알루미늄제인 것이 바람직하다.
상술한 기판 재치대에 의하면, 정전 척으로써 고열 전도성의 질화 알루미늄을 이용하므로, 산화 알루미늄보다 양호한 온도 분포를 기대할 수 있고 정전 척 열응력에 의한 균열을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 기판 재치대가 챔버 내에 내장되어 있는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
상술한 플라즈마 처리 장치에 의하면, 기판 및 정전 척 온도제어를 용이하게 하는 기판 재치대를 구비하고 있으므로, 기판 처리 중에서의 온도 관리를 용이하게 실시할 수 있다. 따라서, 불안정 또는 불균일한 웨이퍼 온도에 기인하는 재현성을 얻을 수 없는 불균일한 처리 결과를 회피할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 기판 처리 방법도 제공하며, 상기 기판 재치대와 상기 냉각 재킷 사이에 미소 간극을 갖는 기판 재치대에 있어서, 기판 비처리 상태에서의 초기 승온 시 또는 대기 시에는 상기 미소 간극을 진공 상태로 하고, 기판 처리 중에는 상기 미소 간극을 헬륨 가스 충전 상태로 한다.
상술한 방법에 의하면, 비처리 중에는 정전 척의 열이 아래쪽의 냉각 재킷으로 빠져나가는 것을 차단하고, 효율적인 초기 승온 및 소정 온도에서의 대기 상태를 유지할 수 있다. 한편, 기판 처리 중에는 고온의 기판의 열을 열전달성이 좋은 헬륨 가스를 통해 신속하게 냉각 재킷으로 빠져나가게 하여 효율적인 발열을 행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 기판 재치대 또는 처리 방법에 의하면, 챔버 내 온도 등의 외부 요인이 정전 척 및 냉각 재킷에 미치는 영향을 경감하고, 기판 및 정전 척의 온도 제어를 용이하게 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에 의하면, 불안정 또는 불균일한 웨이퍼 온도에 기인하는 재현성을 얻을 수 없는 불균일한 처리 결과를 회피할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2는 도 1의 기판 재치대의 종단면 확대도이다.
도 3은 도 2의 냉각 재킷의 평면도이다.
도 4는 승온 시 또는 대기 시에 미소 간극을 진공 상태로 하고 있을 때의 작용 설명도이다.
도 5는 기판을 탑재한 처리시에 미소 간극을 헬륨 가스 충전 상태로 있을 때의 작용 설명도이다.
도 6은 비처리 상태에서의 정전 척 온도, 발열량 및 헬륨 가스 압력의 시간적 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 비처리 상태에서의 정전 척 온도 및 히터 부하율의 시간적 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
실시예
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 개략적인 구성을 나타내는 종단면도이다. 도 1의 플라즈마 처리 장치(1)는 폐쇄 공간을 갖는 챔버(11), 이러한 챔버(11) 내에 승강 실린더(도시되지 않음)에 의해 승강 자유롭게 배치되고, 웨이퍼 등의 피처리용 기판(K)이 탑재되는 기판 재치대(15), 상기 기판 재치대(15) 내에서 웨이퍼 리프터를 승강시키는 승강 실린더(19), 챔버(11) 내에 에칭 가스, 보호막 형성 가스 및 불활성 가스를 공급하는 가스 공급 장치(20), 챔버(11) 내에 공급된 에칭 가스, 보호막 형성 가스 및 불활성 가스를 플라즈마화하는 플라즈마 생성 장치(30), 챔버(11) 내의 압력을 감압하는 배기 장치(40), 기판 재치대(15)에 플라즈마 처리용의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원(35),그리고 기판 재치대(15)에 정전 흡착용의 전압을 인가하는 정전 흡착용 전원(36)을 구비하여 구성된다. 또한, 기판 재치대(15) 및 기판(K)의 온도를 조정하기 위한 각종 장치로 이루어지는 온도 조정 시스템(50)을 구비한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 챔버(11)는, 서로 연통한 내부 공간을 갖는 상챔버(12) 및 하챔버(13)로 구성되며, 상챔버(12)는 하챔버(13)보다 그 내경이 소경이 되도록 형성되어 있다. 상챔버(12)의 천판의 내부에는 상챔버 히터(도시되지 않음)가 설치되는 한편, 하챔버의 측벽의 내부에는 하챔버 히터가 블록 히터로서 구비되어 있다. 이러한 블록 히터는, 예를 들면, 알루미늄으로 이루어지는 블록체에 발열체를 추가시킴으로써 형성된다.
가스 공급 장치(20)는, 에칭 가스로서, SF6 가스를 공급하는 SF6 가스 공급부(21), 보호막 형성 가스로서, SiF4 가스 및 O2 가스를 각각 공급하는 SiF4 가스 공급부(22) 및 O2 가스 공급부(23), 그리고 불활성 가스로서, 예를 들어, Ar 가스 등을 공급하는 불활성 가스 공급부(24)를 구비한다. 가스용 공급관(25)은 일단이 상챔버(12)의 상면에 접속되고, 타단이 분기하여 SF6 가스 공급부(21), SiF4 가스 공급부(22), O2 가스 공급부(23) 및 불활성 가스 공급부(24)에 각각 접속되어 있다. SF6 가스 공급부(21), SiF4 가스 공급부(22), O2 가스 공급부(23) 및 불활성 가스 공급부(24)로부터 공급관(25)을 통해 챔버(11) 내에 SF6 가스, SiF4 가스, O2 가스 및 불활성 가스를 공급한다. 또한, 본 실시예에서는, 상술한 가스들을 사용했지만, 에칭하는 대상에 따라서는, 예를 들어, HBr, Cl2, SF6, O2, Ar, N2 등의 가스를 이용해도 된다.
플라즈마 생성 장치(30)는 유도결합 플라즈마(ICP)를 생성하는 장치로서, 상챔버(12)에 배치된 나선상(환상)의 코일(31) 및 이러한 코일(31)에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원(32)으로 구성되어 있다. 고주파 전원(32)에 의해 코일(31)에 고주파 전력을 공급함으로써 상챔버(12) 내에 공급된 SF6 가스, SiF4 가스, O2 가스 및 불활성 가스를 플라즈마화한다.
기판 재치대(15)에 접속되는 고주파 전원(35)은 기판 재치대(15)의 정전 척(61)에 고주파 전력을 공급함으로써, 정전 척(61)과 플라즈마 사이에 바이어스 전위를 부여하고, SF6 가스, SiF4 가스, O2 가스 및 불활성 가스의 플라즈마화에 의해 생성된 이온을 기판 재치대(15) 상에 탑재된 기판(K)에 입사시킨다. 또한, 본 실시예에서는, 플라즈마화함에 있어서, SF6 가스, SiF4 가스, O2 가스 등을 이용하지만, 에칭하는 대상에 따라서는, 예를 들어, HBr, Cl2, SF6, O2, Ar, N2 등의 가스를 이용해도 된다.
배기 장치(40)는 챔버(11)내의 기체를 흡인하고, 배기하는 진공 펌프(41) 및 배기관(42)으로 구성되어 있으며, 이러한 배기관(42)은 일단이 진공 펌프(41)에 접속하고, 타단이 하챔버(13)의 측면에 접속되어 있다. 이러한 배기관(42)을 통해 진공 펌프(41)가 챔버(11) 내의 기체를 흡인하고, 챔버(11) 내부를 진공 상태로 한다.
온도 조정 시스템(50)은 기판 재치대(15) 내의 가열용 히터(72)에 전력을 공급하는 히터용 전원(53), 기판 재치대(15)에 냉각용 냉매를 공급하는 칠러 유닛(51), 열전달성이 좋은 헬륨 가스(이하, He 가스라 함)를 기판 재치대(15)에 공급하는 헬륨 가스 공급부(52), 그리고 기판 재치대(15) 내에 단열용 진공층(후술하는 도 2의 미소 간극(80))을 형성하기 위한 진공 펌프(54)를 구비하여 구성된다. 이러한 진공 펌프(54)는 상술한 챔버용 진공 펌프(41)를 이용할 수도 있다.
도 2는 도 1의 기판 재치대(15)의 종단면 확대도이다. 도 2의 기판 재치대(15)는 질화 알루미늄제의 정전 척(61), 이러한 정전 척(61)의 하측에 배치된 알루미늄제의 냉각 재킷(62), 이러한 냉각 재킷(62)의 하측에 연결되고, 승강 실린더(19)가 구동하는 웨이퍼 리프터의 승강 공간을 형성하는 브래킷(63), 그리고 정전 척(61)의 상측에 배치된 포커스 링(64)을 구비하여 구성된다. 또한, 정전 척(61)은 정전흡착용 전극(71)을 내장하는 상측 원반부(61a) 및 이러한 상측 원반부(61a)보다 큰 직경을 가지며, 가열용 히터(72)를 내장하는 하측 원반부(61b)로 구성되어 있다. 여기서, 정전 척(61)은 상측 원반부(61a) 및 하측 원반부(61b)로 일체로 형성되어 있다.
또한, 도 2의 기판 재치대(15)는, 냉각 재킷(62)의 적어도 일부 및 하측 원반부(61b)를 둘러싸는 단열용의 상측 환상 커버(65), 브래킷(63)의 직경 방향의 바깥쪽을 둘러싸는 단열용의 하측 환상 커버(66), 상측 환상 커버(65) 및 하측 환상 커버(66)의 직경 방향의 외주를 둘러싸는 외곽 케이스(68), 그리고 이러한 외곽 케이스(68)의 하면에 연결되고, 기판 재치대(15)의 전체를 지지하는 재치대 지지 부재(69)를 구비하여 구성된다. 여기서, 상측 환상 커버(65)와 하측 환상 커버(66)로 냉각 재킷(62)을 협지한다.
정전 흡착용 전극(71)은 정전 흡착용 전원(36)에 접속되고, 가열용 히터(72)는 온도 조정 시스템(50)의 히터용 전원(53)에 접속되어 있다. 상측 원반부(61a)는 상면에 탑재되는 기판(K)과 거의 동일한 평면 형상 및 동일한 넓이로 형성되어 있다. 정전 흡착용 전극(71)에 정전 흡착용 전원(36)에 의한 전압을 인가하면, 정전 유도에 의해 기판(K)이 상측 원반부(61a)의 상단 척 면에 흡착 유지된다. 가열용 히터(72)는 하측 원반부(61b) 내에서 기판(K)의 직경보다 큰 직경의 범위로 연장되어 있다.
냉각 재킷(62)은 상측의 재킷 본체(62a)와 하측의 저부(62b)로 구성되어 있다. 재킷 본체(62a)는 복수의 볼트(73)에 의해 정전 척(61)의 하면에 결합되어 있다. 저부(62b)는 재킷 본체(62a)의 하측 오목부에 감합하고, 용접 등에 의해 재킷 본체(62a)에 고착되어 있다. 재킷 본체(62a)의 하면의 홈과 저부(62b)의 상면으로 냉각용 냉매 유로(74)를 형성하고 있다. 복수의 볼트(73)는 재치대 축심(Ｏ1)을 중심으로 하는 하나의 원주 상에 배열되어 있다. 냉매 유로(74)는, 예를 들어, 평면에서 보아 나선상으로 형성되어 있으며, 칠러 유닛(51)으로부터 공급되는 냉매(가르덴(등록상표))가 냉각 재킷(62)의 하면에 설치된 접속구를 통해 냉매 유로(74)를 순환함으로써, 웨이퍼의 열을 빼앗은 냉매를 칠러 유닛(51) 내로 돌아가도록 구성되어 있다. 칠러 유닛(51)에서, 냉매는 냉각되고, 다시 냉매 유로(74)에 되돌려진다. 여기서 발열이란 웨이퍼의 열을 냉매 및 냉각 재킷(61)의 저부(62b) 표면을 통해 밖으로 빠져나가게 하는 것을 말한다. 또한, 웨이퍼의 열의 대부분은 냉매를 통해 밖으로 빠져나가며, 웨이퍼의 열의 일부는 냉각 재킷(61)의 저부(62b) 표면에서 방열된다. 이에 따라, 웨이퍼 자신의 온도를 낮춘다. 또한, 냉각 재킷(62)의 저부(62b)와 재치대 지지 부재(69)로 둘러싸인 공간은 대기압 상태이다. 또한, 웨이퍼의 열을 빼앗아 고온이 된 냉매는 칠러 유닛(51) 내에서 냉각된다.
재킷 본체(62a)의 직경 방향 외주단의 하단부에는 바깥쪽의 플랜지부(62c)가 일체로 형성되어 있으며, 이러한 플랜지부(62c)는 단열용 세라믹제의 상측 환상 커버(65)와 하측 환상 커버(66)에 의해 상하에서 협지되어 있다.
상측 환상 커버(65)의 상단부에는 환상의 노치(65a)가 형성되어 있고, 이러한 노치(65a)에는 외곽 케이스(68)에 형성된 내향 플랜지부(68a)가 걸어 맞추어져 있다. 하측 환상 커버(66)의 상단면은 Ｏ링(75)을 통해 플랜지부(62c)의 하면에 맞닿고, 하측 환상 커버(66)의 하단면은 Ｏ링(76)을 통해 재치대 지지 부재(69)의 상면에 맞닿아 있다. 외곽 케이스(68)의 외주 단부의 볼트 삽통공에 삽입 관통한 볼트(77)를 재치대 지지 부재(69)의 암나사 구멍에 나착(螺着)함으로써, 상측 환상 커버(65) 및 하측 환상 커버(66)를 상하에서 조이고 있다. 이러한 구성에 의해, 상하의 환상 커버(65, 66) 및 냉각 재킷(62)의 플랜지부(62c)를 상하에서 고정하며, 하측 환상 커버(66)의 상하의 양쪽 Ｏ링(75, 76)을 압축함으로써, 하챔버(13)를 밀봉하고 있다. 또한, 냉각 재킷(62)과 재치대 지지 부재(69)로 둘러싸인 공간은 대기압 상태이다.
포커스 링(64)은 정전 척(61)의 상측 원반부(61a) 직경 방향의 바깥쪽에서 하측 원반부(61b)의 상면을 덮고 있다. 상측 원반부(61a)의 상단 척 면에 탑재되는 기판(K)은 포커스 링(64)의 상면과 거의 동일한 높이에 위치하고 있다.
냉각 재킷(62)의 재킷 본체(62a)의 상면과 정전 척(61)의 하면 사이에는 재킷 본체(62a)의 상면의 면 조도를 크게 함으로써, 미소 간극(80)이 형성되어 있다. 재킷 본체(62a)의 상면에는 정전 척 고정용의 복수의 볼트(73)로 구성하는 원주의 내측에 Ｏ링(81) 또는 환상 메탈 시일이 배치되어 있으며, 이러한 Ｏ링(81)에 의해 미소 간극(80)을 평면에서 보아 밀봉 상태의 원형으로 구성하고 있다. 또한, 재킷 본체(62a)의 상면에는 축심(Ｏ１) 부분의 중앙 가스 통로(82)에 연통하는 가스 통로망(83)이 형성되어 있다. 중앙 가스 통로(82)는 저부(62b)에 형성된 가스 통로(84)를 통해 브래킷(63)에 나착된 이음구(85)에 연통되어 있다.
이음구(85)는 흡입관을 겸하는 가스관(86) 및 전환 밸브(87)를 통해 상술한 온도 조절 시스템(50)의 진공 펌프(54) 및 헬륨 가스 공급부(52)로 전환 자유롭게 연통되어 있다.
또한, 헬륨 가스 공급부(52)는 브래킷(63)에 나착된 이음구(98) 및 가스 통로를 통해 상측 원반부(61a)의 상면(척 면)에 연통되어 있으며, 기판(K)의 이면에 He 가스를 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
도 3은 도 2의 냉각 재킷(62)의 평면도이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, Ｏ링(81)으로 둘러싸인 원형의 미소 간극(80)에 형성된 가스 통로망(83)은 외측 환상 통로(83a), 내측 환상 통로(83b), 양 환상 통로(83a, 83b)를 상호 연통하는 Y자형 통로(83c), 내측 환상 통로(83b)를 중앙 가스 통로(82)에 연통하는 통로(83d) 등을 가지고 있으며, 중앙 가스 통로(82)에서 공급되는 He 가스를 원형의 미소 간극(80)의 전체에 균등하게 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 냉각 재킷(62)에는 각 전원용의 배선을 통과하는 구멍이 복수로 설치되어 있다. 구체적으로는, 정전 척 전원용의 배선을 통과하는 구멍(90, 96), 히터 전원용 배선을 통과하는 구멍(93, 94), 온도 모니터 센서용 구멍(89, 97) 및 재치대의 전극에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원용의 배선을 통과하는 구멍(92)이 설치되어 있다. 또한, 기판(K)의 이면을 들어올리는 리프터용의 구멍(88, 91, 95)이 설치되어 있다.
도 4는 승온 시 또는 대기 시에 미소 간극(80)을 진공 상태로 하고 있을 때의 작용 설명도이고, 도 5는 기판(K)을 탑재한 처리 시에 있어서 미소 간극(80)을 He 가스 충전 상태로 하고 있을 때의 작용 설명도이다. 여기서, 도 4 및 도 5는 미소 간극(80) 내의 상태의 변화를 나타내는 작용 설명도이고, 실선의 화살표는 열의 전달 상태를 나타내며, 흰색 화살표는 He 가스의 이동 상태를 나타내고, 점선의 화살표는 단열 상태를 나타낸다. 또한, 도면 중에, 미소 간극(80)은 실제로는 수 ㎛ 내지 수십 ㎛의 두께이지만, 크게 과장된 상태로 표현되어 있다. 도 4와 같이 미소간극(80)을 진공 펌프(54)에 접속하고, 미소간극(80) 내의 He 가스를 흡인함으로써, 미소 간극(80) 내를 진공 상태로 할 수 있다. 따라서, 미소 간극(80)은 단열층의 역할을 하며, 히터(72)로부터 열이 냉각 재킷(62) 측으로 빠져나가는 것을 저지할 수 있게 된다.
한편, 도 5와 같이, 미소 간극(80)을 헬륨 가스 공급부(52)에 접속하면, 미소 간극(80)에는 열전달성이 좋은 He 가스가 공급되는 동시에 압력도 상승하고, He 가스 충전 상태가 된다. 여기서, He 가스는 정전 척(61)의 이면의 열을 냉각 재킷(62) 표면으로 열이동시킨다. 이로 인하여, 냉각 재킷(62)의 열은 냉매를 통해 외부로 방출된다. 이와 같이, 처리중에 발열하는 기판(K)의 열은 미소 간극(80)을 신속하게 통과하여 냉각 재킷(62)에 도달할 수 있으므로 기판(K)의 열을 신속하게 발열할 수 있게 된다.
이하, 본 실시예의 기판 재치대(15) 및 플라즈마 처리 장치(1)의 작용 효과를 설명한다.
플라즈마 에칭 처리의 전공정에 있어서, 도 1의 승강 실린더(19)를 하강시키고 기판 재치대(15)에 기판(웨이퍼)(K)을 싣고, 정전 척(61)에 의해 흡착 유지한다. 이때, 챔버(11) 내는, 예를 들어 120℃로 가열되고, 기판(K)은 정전 척(61)의 히터(72)에 의해 200℃로 가열된다.
플라즈마 생성 장치(30)에 있어서, 고주파 전원(32)에 의해 코일(31)에 고주파 전력을 공급함으로써, 가스 공급 장치(20)에서 상챔버(12) 내로 공급된 SF6 가스, SiF4 가스, O2 가스 및 불활성 가스 등을 플라즈마화한다. 한편, 정전 척(61)에도 고주파 전원(35)에서 고주파 전압을 인가한다. 이로 인하여, 정전 척(61)과 챔버(11) 내의 플라즈마 사이에서 전위차가 생기고, 이러한 전위차에 의해 플라즈마 중의 이온이 정전 척(61)을 향해 이동하고, 기판(K)의 표면에 충돌함으로써, 기판(K)의 표면에 에칭 처리가 실시된다. 또한, 본 실시예에서는, 플라즈마화함에 있어서, SF6 가스, SiF4 가스, O2 가스 등을 이용했지만, 에칭하는 대상에 따라서는, 예를 들어 HBr, Cl2, SF6, O2, Ar, N2 등의 가스를 이용해도 된다.
도 4의 비처리 상태에 있어서, 히터(72)에 의한 기판 재치대(15)의 승온 시 또는 200℃를 유지한 상태의 대기 시에는, 미소 간극(80)은 He 가스를 진공 펌프(54)로 흡인함으로써, 진공 상태로 되어있다. 이로 인하여, 미소 간극(80)은 단열층의 역할을 하고, 히터(72)로부터의 열이 냉각 재킷(62) 측으로 빠지는 것을 저지하며, 열이 위쪽으로 빠지는 것을 포커스 링(64)에 의해 저지한다. 또한, 열이 바깥쪽으로 빠지는 것을 상측 환상 커버(65)에 의해 저지한다. 이로 인하여, 히터(72)로부터의 열을 중앙의 상측 원반부(61)로 모을 수 있다. 즉, 히터(62)의 열을 효율적으로 상측 원반부(61)에 모을 수 있게 된다. 따라서, 효율적인 승온을 달성할 수 있고, 히터(72)의 소비 전력을 경감할 수 있으며, 에너지 절약을 달성할 수 있다.
도 5의 처리 상태에 있어서, 미소 간극(80)은 He 가스 충전 상태로 되어 있다. 처리 중에는 기판(K)의 발열량이 크고, 소정의 온도 200℃보다 높아지려고 한다. 그런데, 미소 간극(80)에는 열전달성이 좋은 He 가스가 충전되어 있으므로 기판(K)의 열은 미소 간극(80)을 신속하게 통과하여 냉각 재킷(62)에 도달할(빠져나가게 할) 수 있다. 따라서, 기판(K)의 열을 신속하게 발열하고, 기판(K)을 냉각할 수 있다. 즉, 기판(K)의 효율적인 발열이 가능해 진다. 또한, 기판(K)의 이면에 열전달성이 좋은 He 가스가 충전되어 있으므로, 기판(K)의 표면의 온도 분포를 균일화할 수 있게 된다. 따라서, 기판(K)의 표면의 온도 분포의 편차에 의한 에칭 형상이나 에칭 속도 등의 편차를 억제할 수 있게 된다.
도 2의 정전 척(61) 및 냉각 재킷(62)은 기판(K)의 재치 영역을 제외한 상면 전역 및 냉각 재킷(62)의 직경 방향의 바깥쪽 전역이 단열성이 높은 세라믹제의 포커스 링(64) 및 세라믹제의 상하 환상 커버(65, 66)에 의해 덮여있다. 이러한 세라믹 재질로서, 예를 들면, 산화 알루미늄(알루미나), 이트리아, 석영을 들 수 있다. 이와 같은 구성에 의해, 냉각 재킷(62)으로의 열방사나 열전도에 의한 외란(外亂)의 입열을 감소시킬 수 있고 챔버(11) 내 온도가 기판 재치대(15)의 내부에 영향을 미치는 것을 저지할 수 있다. 따라서, 효율적으로 기판 재치대(15) 내의 온도조절을 행할 수 있게 된다. 예를 들어, 챔버(11) 내의 온도 120℃에 대해, 냉각 재킷(62)을 용이하게 70℃ 정도로 유지할 수 있게 된다. 이로 인하여, 200℃의 정전 척(62) 사이에서 큰 온도 구배를 형성할 수 있고, 냉각 재킷 (62)에 의한 냉각 작용을 정전 척(61)에 집중시킬 수 있으며, 기판(K)의 온도 상승을 억제할 수 있게 된다. 또한, 냉각 재킷(62)의 하면은 대기압 상태이지만, 하측 환상 커버(66) 및 재치대 지지 부재(69)로 둘러싸여 있기 때문에, 대류에 의한 냉각 재킷(62)으로부터의 방열량은 극히 소량이다.
도 6은 비처리 상태에서의 정전 척 온도, 방열량 및 He 가스 압력의 시간적 변화를 나타내는 그래프이다. 도 6은 정전 척(61)의 가열 공정(T1)으로부터 정전 척(61)이 온도 200℃로 유지되는 일정 온도 공정(T2)을 거쳐 냉각 재킷(62)에 의한 냉각 공정(T3)으로 이어지는 비처리 상태에서의 시간 경과에 있어서, 정전 척 온도(℃)의 변화를 실선의 곡선(S1)으로 나타내고, 미소 간극(80) 내의 He 가스 압력(Pa)의 변화를 점선의 곡선(S2)으로 나타내며, 발열량(W)(S3)의 변화를 이점 쇄선의 곡선(S3)으로 나타낸다.
가열 공정(T1) 및 일정 온도 공정(T2)에서는, 미소 간극(80)의 He 가스 압력(Pa)은 절대 진공에 가까운 100Pa 정도까지 저하된다. 이로 인하여, 미소 간극(80)은 단열층으로서 기능하고, 도 4와 같이 냉각 재킷(62)으로의 발열을 극력 억제할 수 있다. 실제로 시험을 실시한 결과, 가열 공정(T1)에서 정전 척(61)의 온도가 50℃에서 200℃로 도달하는 승온 시간은 약 17분이었다. 이러한 가열 공정(T1)에서는 He 가스 압력(Pa)을 저하시킴으로써 발열량(W)을 삭감할 수 있었다.
냉각 공정(T3)에서는, 도 2의 히터(72)를 중지하고, 도 6과 같이, 미소 간극(80)을 약 1000Pa의 He 가스 충전 상태로 하고 있다. 이로 인하여, 냉각 재킷(62)으로의 발열량 (W)은 최대 P1까지 올라간다.
도 7은 비처리 상태에서의 정전 척 온도 및 히터 부하율의 시간적 변화를 나타내는 그래프이다. 도 7은 도 6과 마찬가지로 가열 공정(T1)으로부터 정전 척(61)이 온도 200℃로 유지되는 일정 온도 공정(T2)을 거쳐 냉각 재킷(62)에 의한 냉각 공정(T3)으로 이어지는 비처리 상태에서의 시간 경과에 있어서, 정전 척 온도(℃)와, 히터(72)의 부하율(%)의 변화를 나타낸다. 정전 척 온도의 변화를 실선의 곡선(S1)으로 나타내고, 히터(72)의 부하율(%)의 변화를 실선의 곡선(S4)으로 나타내고 있다. 현상태의 히터 상한이 1kW인 것에 있어서, 승온 공정(T1)의 최대 부하율이 40% 정도로 억제되어 있고, 히터(72)의 소용량화가 가능해진다는 것을 이해할 수 있다.
본 실시예에 따른 효과를 간단하게 정리하면 다음과 같다.
(1) 도 2에 있어서, 정전 척(61) 및 냉각 재킷(62)의 상면 및 직경 방향 바깥쪽을 둘러싸는 포커스 링(64) 및 단열용의 상하의 환상 커버(65, 66)가 세라믹으로 되어 있으므로, 정전 척(61) 및 냉각 재킷(62)에 대한 재킷(11) 내의 온도 등의 외부 영향을 경감시킬 수 있고, 정전 척(61) 및 기판(K)에 대하여 효율적인 온도 제어가 가능해진다.
(2) 도 2에 있어서, 히터(72)의 배치 영역이 기판(K)의 직경보다 큰 직경으로 설정되어 있으므로, 정전 척(61) 상의 온도 분포를 기판(K)의 중심부에서 외주 단부까지 균일한 분포로 할 수 있다.
(3) 도 4에 있어서, 상하의 세라믹제 환상 커버(65, 66)에서, 냉각 재킷(62)의 외향 플랜지부(62c)를 협지하고 있으므로, 상하의 환상 커버(65, 66)를 정전 척(61) 및 냉각 재킷(62)에 대한 외부에서의 단열 기능과 더불어 냉각 재킷(62)의 유지 부재로서의 역할도 담당하고 있다.
(4) He 가스 충전 상태와 진공 상태로 전환 자유로운 미소 간극(80)을 정전 척(61)의 하면과 냉각 재킷(62)의 상면의 접합부에 형성하고 있으므로, 도 4에 나타내는 비처리 상태에서의 초기 승온 시, 일정 온도에서의 대기 시 등에는, 미소 간극(80)를 진공 상태로 함으로써, 정전 척(61)의 열이 아래쪽 냉각 재킷(62)으로 빠져나가는 것을 차단하고, 효율적인 초기 승온 및 소정 온도에서의 대기 상태를 유지할 수 있다. 한편, 플라즈마 처리 중에는 미소 간극(80)을 He 가스 충전 상태로 함으로써, 고온의 기판(K)의 열을 열전달성이 좋은 He 가스를 통해 신속하게 냉각 재킷(62)으로 빠져나가게 하여 효율적인 발열을 행할 수 있게 된다.
(5) 정전 척(61)으로서, 고열 전도성의 질화알루미늄을 이용하고 있으므로, 산화 알루미늄보다 양호한 온도 분포를 기대할 수 있고 정전 척(61)의 열응력에 의한 균열을 방지 할 수 있다.
(6) 또한, 플라즈마 처리 장치(1)는 기판(K) 및 정전 척(61)의 온도 제어를 용이하게 하는 기판 재치대(15)를 구비하고 있으므로, 기판(K)의 처리 중에서의 온도 관리를 용이하게 실시할 수 있다. 따라서, 불안정 또는 불균일한 웨이퍼 온도에 기인한 재현성을 얻을 수 없는 불균일한 처리 결과를 회피할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에서는, 정전 척의 하면과 냉각 재킷을 직접 접합하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 냉각 재킷과 정전 척 사이에 열전도성이 낮은 단열판(예를 들어, 석영판)을 배치하고, 단열판의 상면과 정전 척의 하면 사이, 단열판의 하면과 냉각 재킷의 상면 사이에 각각 미소 간극을 형성하도록 구성되어도 된다. 이 경우에도 본 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 미소 간극(80)의 직경 방향의 외주 단부분을 O링으로 실링하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 미소간극(80)의 직경 방향의 외주 단부분을 열에 강한 메탈 시일로 실링하도록 구성되어도 된다. 이 경우에도 본 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 실시예에서는, 상측 환상 커버(65)와 하측 환상 커버(66)가 별체로 형성되었지만, 이들이 일체로 형성되도록 구성되어도 된다. 이 경우에도 본 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 실시예에서는, 에칭 처리에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, CVD법(화학 기상 증착법) 등을 이용한 성막 처리에도 이용하는 것이 가능하다. 이러한 성막 처리에서도 반응열이 발생할 수 있으며, 특히, 성막 처리의 저온 영역인 100~300℃ 정도의 온도에서, 정확한 온도제어가 필요한 경우에 유용하다.
상술한 실시예는 예시에 불과하며, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 각종 변형이 가능하다.
1: 플라즈마 처리 장치
15: 기판 재치대
50: 온도 조정 시스템
52: 헬륨 가스 공급부
54: 진공 펌프
61: 정전 척
61a: 상측 원반부
61b: 하측 원반부
62: 냉각 재킷
62c: 플랜지부
64: 포커스 링
65: 상측 환상 커버
66: 하측 환상 커버
71: 정전 흡착용 전극
72: 히터
74: 냉매 유로
80: 미소 간극
81: Ｏ링

Claims (7)

  1. 피처리용 기판을 정전 흡착하는 기판 재치대에 있어서,
    상기 기판을 정전 흡착하는 전극을 내장하는 상측 원반부 및 상기 상측 원반부의 하측에 배치되고, 상기 상측 원반부보다 큰 직경을 갖는 동시에 히터를 내장하는 하측 원반부로 이루어지는 정전 척,
    상기 하측 원반부의 하측에 배치되고, 상기 정전 척을 냉각하는 냉각 재킷,
    상기 상측 원반부의 직경 방향 바깥쪽에 배치되고, 상기 하측 원반부의 상면을 덮는 포커스 링,
    상기 냉각 재킷의 적어도 일부 및 상기 하측 원반부를 둘러싸는 단열용의 상측 환상 커버, 그리고
    상기 상측 환상 커버로 상기 냉각 재킷을 협지하는 단열용 하측 환상 커버를 구비하며,
    상기 포커스 링, 상기 상측 환상 커버 및 상기 하측 환상 커버는 세라믹제인 것을 특징으로 하는 기판 재치대.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 히터의 배치 영역은 상기 기판의 직경보다 큰 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 기판 재치대.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 재킷의 직경 방향 외주면에 외향 플랜지부가 일체로 형성되며,
    상기 플랜지부는 상기 상측 환상 커버와 상기 하측 환상 커버에 의해 상하에서 협지되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 재치대.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 정전 척과 상기 냉각 재킷 사이에는 상기 히터의 배치 영역의 전역으로 연장함과 동시에 외부로부터 밀봉된 미소 간극이 형성되고,
    상기 미소 간극은 헬륨가스 공급부 및 진공 펌프로 전환 자유롭게 접속됨으로써, 헬륨 가스 충진 상태와 진공 상태 사이에서 변경 자유롭게 되는 것을 특징으로 하는 기판 재치대.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 정전 척은 질화 알루미늄제인 것을 특징으로 하는 기판 재치대.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 기판 재치대를 챔버 내에 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 피처리용의 기판을 정전 흡착하는 전극이 내장되는 상측 원반부 및 상기 상측 원반부의 하측에 배치되고 상기 상측 원반부보다 큰 직경을 가지며 히터가 내장된 하측 원반부를 포함하고, 상기 히터에 의해 상기 기판을 가열하는 정전 척 및 상기 하측 원반부의 하측에 배치되고, 상기 정전 척을 냉각하는 냉각 재킷을 구비하고, 상기 정전 척과 상기 냉각 재킷 사이에는 외부로부터 밀봉된 미소 간극이 형성된 플라즈마 처리 장치에서의 플라즈마 처리 방법에 있어서,
    상기 상측 원반부의 바깥쪽을 둘러싸고 상기 하측 원반부의 상면을 덮는 단열용의 포커스 링, 상기 냉각 재킷의 적어도 일부 및 상기 하측 원반부를 둘러싸는 단열용의 상측 환상 커버, 그리고 상기 상측 환상 커버로 상기 냉각 재킷을 협지하는 단열용의 하측 환상 커버를 마련하여, 상기 포커스 링, 상기 상측 환상 커버 및 상기 하측 환상 커버에 의해 상기 하측 원반부 및 상기 냉각 재킷과 외부 사이의 열 교환을 억제하며, 동시에
    상기 기판을 상기 히터에 의해 가열할 때, 상기 정전 척과 상기 냉각 재킷 사이의 미소 간극을 진공 상태로 하고,
    가열되어 고온이 된 상기 기판을 에칭할 때, 상기 정전 척과 상기 냉각 재킷 사이의 미소 간극에 헬륨 가스를 충전시킴으로써 상기 기판의 열을 상기 냉각 재킷으로 빠져나가게 하여 상기 기판을 냉각하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
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