KR19980063620A - 반도체 웨이퍼 공정 처리 시스템내의 받침대에 웨이퍼를기계적 및 정전기적으로 크램핑하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼 공정 처리 시스템의 공정처리실내에서 소재를 유지시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 받침대에 소재의 외주부를 크램핑하는 기계적 크램프와, 상기 받침대에 소재의 중앙부를 크램핑하는 정전기적 크램프를 구비한다.

Description

반도체 웨이퍼 공정 처리 시스템내의 받침대에 웨이퍼를 기계적 및 정전기적으로 크램핑하는 방법 및 장치
본 발명은 일반적으로 웨이퍼를 유지하는 척에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨이퍼의 외주부를 크램핑하는 기계적 크램프와 웨이퍼의 중앙부를 크램핑하는 정전기적 크램프를 구비하는, 큰 직경(300mm 이상)의 웨이퍼를 크램핑하는 개선된 척에 관한 것이다.
기계적 또는 전기적 척은 반도체 웨이퍼 공정 챔버내에서 웨이퍼를 유지하기 위해 컴퓨터 그래픽 플로터(plotter) 내의 페이퍼를 유지하는 것으로부터 반도체 웨이퍼 처리실내에 반도체 웨이퍼를 유지하는 것까지 다양한 범위에서 소재를 유지하는데 사용된다. 기계적 척은 웨이퍼 외주부에 위치한 크램핑 링 또는 칼리퍼(caliper)에 물리적 유지력을 가하여, 소재 즉 반도체 웨이퍼를 척에 고정시킨다. 물리적인 힘이 소멸되고, 크램핑 링 또는 칼리퍼가 되돌아갈 때까지, 상기 소재는 유지된다. 정전기적인 척은 웨이퍼와 척 사이에 정전기력을 발생시킴으로서 소재를 고정시킨다. 전압이 척에서 하나 이상의 전극에 인가되어, 소재와 전극 각각에 반대의 분극전하를 유도한다. 반대의 분극전하는 척에 대항하여 소재를 당기게 되며, 이에 의해 소재가 유지된다.
200mm의 직경을 갖는 반도체 웨이퍼는 산업 표준으로 인정된다. 반도체 웨이퍼 처리 장치에서, 기계적 척 또는 정전기적 척 어느 것이든 공정을 행하는 동안 200mm 웨이퍼를 받침대에 크램핑하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 물리기상증착(이하 PVD라 함)챔버에서, 200mm 웨이퍼는 받침대에 기계적으로 크램프되어, 공정을 행하는 동안 웨이퍼는 확실히 고정된다. PVD 공정을 강화시키기 위해, 받침대를 소정의 온도로 가열하여 웨이퍼를 가열시킴으로서, 효과적인 공정을 얻을 수 있다. 200mm 웨이퍼에 대한 수요가 증가함에 따라 이러한 크기의 기판을 처리하기 위한 척의 구성 및 특징이 개선되었다. 이에 의해, 수율이 향상되었으며, 온도 제어와 제품의 질을 향상시켰다.
최근에 탄생한 반도체 웨이퍼는 300mm의 직경을 가지며, 이는 단일 웨이퍼상에 보다 많은 집적 회로소자를 제조할 수 있도록 한다. 불행하게도, 상기 큰 웨이퍼는 생산시에 많은 문제점을 가지게 된다. 예컨대, 후방측부 가스가 웨이퍼 하부와 받침대 상부의 영역으로 도입될 때, 이러한 웨이퍼를 위한 척의 초기 시험구성은 웨이퍼의 중앙부에서 굽혀질 수 있어야 한다. 상기 영역으로 후방측부 가스를 주입하는 것은 처리될 웨이퍼로부터 받침대로 또는 받침대로부터 처리될 웨이퍼로 열을 전달시키기 위한 효율적인 방법이다. 보다 작은 웨이퍼는 가스에 의해 발생된 압력에 기인하여 중앙부에서 약간 굽혀진다. 통상적으로, 200mm 웨이퍼에서, 상기 굽힘 현상은 확인되지 않으며, 웨이퍼에 걸친 온도 균일성은 크게 변하지 않는다. 그렇지만, 300mm 웨이퍼에서, 웨이퍼 굽힘현상은 실제로 발생될 수 있다다. 이러한 굽힘현상은 웨이퍼 공정을 지연시키고, 웨이퍼를 손상시킬 수 있다.
예컨대, 도 1은 300mm 반도체 웨이퍼를 처리하는 종래의 PVD 챔버(100)를 도시한다. 상기 웨이퍼(102)는 받침대(104)의 지지면(105)상에 놓이게 된다. 상기 받침대(104)는 원격제어 전원(도시되지 않음)으로부터 받침대(104)내의 가열소자(도시되지 않음)로 전력을 공급하는 배선을 포함하는 받침대 베이스(106)에 의해 지지된다. 상기 웨이퍼(102)는 외주부 크램핑 링(108)에 의해 받침대(104)에 기계적으로 크램프된다. 수직축(114)에 연결된 플랫포옴(112)상에 장착된 리프트 핀(lift pin, 110)들은 공정이 끝난 후 받침대 지지면(105)으로부터 웨이퍼(102)를 상승시키는 역할을 한다. 일단 웨이퍼(102)가 크램프되면, 열전달에 대한 최적의 압력에 도달할 때까지, 열전달가스가 웨이퍼(102)와 지지면(105) 사이로 주입된다. 후방측부 가스압력에 기인한 웨이퍼의 굽힘현상은 도 1의 원부분에서 볼 수 있다. 이러한 상태는 웨이퍼와 받침대 사이의 콘택영역의 손실 뿐만 아니라 열전달가스의 뷸균일한 분포를 야기한다. 다시 말하면, 상기 상태는 웨이퍼에 걸친 불균일한 온도분포를 제공하며, 또한 기판 재료의 응력파괴를 야기할 수도 있다. 웨이퍼에 걸친 균일한 온도분포는 필수적이며, 완제품의 성능과 수율을 향상시키기 위한 매우 중요한 요소이다. 결과적으로, 이러한 상태하에서의 300mm 웨이퍼의 처리공정은 불규칙하게 될 수도 있으며, 웨이퍼를 손상시킬 수도 있다.
따라서, 웨이퍼의 중앙부에서의 굽힘현상을 감소시키고, 웨이퍼에 보다 균일한 온도분포를 제공하는 개선된 척을 요구하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 반도체 웨이퍼 공정 처리 시스템내에 웨이퍼를 유지시키는 개선된 척을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 척은 받침대에 큰 직경의 웨이퍼를 고정시키기 위해, 기계적 및 정전기적 척기술을 조합한 것이다.
도 1은 PVD 챔버 내부에 설치된 종래의 기계적 크램핑척의 단면도.
도 2는 기계적 및 정전기적 크램핑 특성을 갖는 PVD 챔버 내부의 본 발명에 따른 척의 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 척의 원형부분 3-3 의 상세도.
도 4는 본 발명에 따른 척의 받침대의 상부평면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100, 200 : PVD 챔버 102, 202 : 웨이퍼
104, 204 : 받침대 105, 205 : 받침대 지지면
106,114,206,214 : 수직축 108,208 : 크램핑 링
110, 210 : 리프트 핀 112, 212 : 플랫포옴
216 : 정전기적 척 조립체 218 : 열전달가스 분포 그루브
402 : 전극 404 : 유전체
405 : 리셋스부 406 : 배선
408 : 환형 크램프 409 : 입구
410 : 립 412 : 볼트
특히, 본 발명의 장치는 웨이퍼를 지지하는 받침대와, 웨이퍼의 외주부를 기계적으로 크램핑하는 기계적 크램핑부와, 웨이퍼의 중앙부를 정전기적으로 크램핑하는 정전기적 크램핑부로 구성된다. 상기 기계적 크램핑부는 받침대의 외주부 위에 위치한 크램핑 링일 수 있으며, 또는 웨이퍼의 외주 에지부를 기계적으로 크램핑하는 다른 장치일 수 있다. 정전기적 크램핑부는 유전체로 둘러싸이고 받침대 지지면의 대략 중앙에 위치한 하나 이상의 전극을 포함한다. 바람직하게는, 상기 받침대 지지면은 정전기적 크램핑부가 위치한 중앙부에 형성된 리셋스를 포함한다. 미니(mini)정전기적 척은 받침대에 볼트고정된 환형 크램핑 링에 의해 리셋스에 고정된다. 전극의 바닥부는 노출되어 있어, 전극의 전기적 연결을 용이하게 한다.
상기 장치는 또한 열전달가스 분포를 위한 그루브들을 포함한다. 이들 그루브는 척의 외주부 주위에 위치하며, 내부를 향해 방사형으로 연장하며, 정전기적 크램핑부에서 멈추게 된다. 이들 그루브는 받침대를 통해 연장하는 도관을 경유하여 열전달가스를 공급한다.
작동시에, 웨이퍼는 종래의 로봇형 웨이퍼 이송 장치에 의해 받침대상에 놓이게 된다. 상기 웨이퍼는 먼저 그의 외주부가 받침대에 기계적으로 크램프되며, 이어서 웨이퍼의 중앙부가 받침대에 정전기적으로 크램프된다. 일단 크램프되면, 본 발명에서는 웨이퍼와 받침대 사이에 열전달가스를 공급한다.
본 발명은 척에 큰 직경의 웨이퍼를 효과적으로 크램핑할 수 있고, 작은 직경의 웨이퍼를 처리하는 반도체 웨이퍼 공정 처리 시스템에서 발견되는 특성과 유사한 열전달 특성을 제공할 수 있는 방법 및 장치에 대한 오랜 요구를 충족시켜준다.
이하에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 2는 반도체 웨이퍼 시스템, 즉 PVD 시스템내의 공정처리실(200)내의 받침대(204)에 웨이퍼(202)를 기계적 및 정전기적으로 크램핑하기 위해 적용된 본 발명에 따른 척의 단면도이다. PVD 반응실과 웨이퍼를 처리하는 그의 작동을 상세하게 이해하기 위해, 1993년 7월 20일에 출원된 특허 제 5,228,501호에 개시된 도면과 상세한 설명을 참조하자. 상기 특허에는 미국 캘리포니아 산타 클라라에 소재한 어플라이드 머티어리얼스사에 의해 제조된 PVD 챔버내에서 사용되는 웨이퍼 지지 조립체가 개시되어 있다.
웨이퍼(202)를 처리하기 위해 필요로 하는 모든 요소들은 종래 기술에서 기술된 요소들과 동일하게 작동하며, 받침대 베이스(206), 웨이퍼 크램핑 링(208), 및 수직축(214)에 연결된 플랫포옴(212)상에 장착된 리프트 핀(210)을 포함한다. 바람직하게는, 받침대(204)는 열전도성 금속, 즉 스테인레스강 또는 구리로 구성된다.
본 발명에 따르면, 상기 받침대(204)의 중앙부에는 2극형 정전기적 척 조립체(216)가 제공되어 있다. 상기 정전기적 척 조립체(216)는 받침대 지지면(205)과 실질적으로 동일한 높이에 위치하는 웨이퍼 지지면을 구비한다. 정전기적 척 조립체(216)는 받침대(204)의 중앙부에서 전기장을 형성하며, 이는 300mm 웨이퍼의 중앙부를 받침대 지지면(205)을 향해 당김으로써, 웨이퍼의 굽힘현상을 제거한다.
특히, 도 3에서, 정전기적 척 조립체(216)은 유전체(404)로 구성된 원형 슬래브로 둘러싸인 두 개의 전극(402)(일반적으로 한쌍의 반달형의 동일평면상의 도전체)을 포함한다. 상기 유전체로는 바람직하게는 세라믹이 사용된다. 상기 정전기적 척 조립체(216)는 받침대 지지면(205)의 리셋스부(405)내측에 놓인다. 상기 받침대(204)는 2극형 전극(402) 각각의 바닥부에 접촉하는 두 개의 배선(406)이 제공되어 있다. 상기 배선은 원격제어 전압원(도시되지 않음)으로부터 받침대 베이스(206)를 통해 2극형 전극(402)으로 전압을 통전한다. 크램핑이 용이하도록, 양전압이 한전극에 인가되고, 음전압은 다른 전극에 인가된다.
리셋스부(405)내에 정전기적 척 조립체(216)를 유지시키기 위해, 환형 크램프(408)가 정전기적 척 조립체(216)의 립(410)과 결합하기 위해 제공된다. 크램프(408)에 의해 고정된 정전기적 척 조립체(216)와 원격제어 전압원으로부터 2극형 전극(402)에 인가된 전압에 의해, 국부적 전기장이 받침대(204)의 중앙부에 형성된다. 특히, 전기장은 전극들 사이에 형성되고, 웨이퍼의 하측에 연결된다. 전하가 웨이퍼의 하측에 축적됨에 따라, 전기장은 웨이퍼(202)를 받침대 지지면(205)를 향해 끌어당기며, 받침대 지지면과 접촉을 증가시킨다. 이러한 웨이퍼-받침대 접촉은 상기 웨이퍼와 받침대 사이의 열전도를 증가시킨다. 이러한 열전도를 강화시키기 위해, 열전달가스가 웨이퍼(202)와 받침대 지지면(205) 사이의 침입형 공간내로 주입된다. 상기 가스는 입구(409)를 통해 웨이퍼 아래로 주입된다. 가스분포 그루브(218)가 받침대 지지면내에 형성되어 입구와 연결된다. 다양한 형태의 그루브가 사용될 수도 있지만, 도시된 바와 같이, 상기 그루브는 4곳의 균일하게 이격된 위치에서 크램프(408)로부터 외부를 향해 방사형으로 연장한다. 가스분포 그루브는 또한 받침대(204)의 외주부에 제공되어, 방사형으로 연장하는 각각의 그루브와 연결된다.
비록 본 발명의 바람직한 실시예가 받침대의 지지면 내의 오목부내에 2극형 정전기적 척 조립체를 포함하고 있지만, 정전기적 척 조립체는 어떠한 형태의 정전기적 척일 수 있다. 예컨대, 상기 정전기적 척 조립체는 단일 전극을 갖는 단일 분극일 수 있다. 또한, 정전기적 척 조립체는 받침대의 리셋스 영역내에 위치해서는 안된다. 예컨대, 정전기적 척은 한쌍의 유전층(즉, 폴리이미드 층) 사이에 끼워진 하나 이상의 전극을 갖는 가요성 회로판 형태의 척일 수 있다. 가요성 조립체는 접착제를 사용하여 받침대 지지면의 중앙부 부근에 접착된다.
도 4는 받침대(204)의 바람직한 실시예의 상부평면도이다. 특히, 정전기적 척 조립체(216)는 원형이며, 그의 외주부를 둘러싸는 환형 크램프(408)를 구비한다. 상기 크램프는 받침대 지지면(205)의 나사형 보어(도시되지 않음)에 끼워맞춤되는 볼트(412)에 의해 4곳이 고정된다. 상술한 바와 같이, 가스분포 그루브(218)는 전체가 받침대의 중앙부로 연장하지 않는다. 따라서, 소량의 가스가 중앙부에 주입되어, 웨이퍼의 굽힘현상을 감소시킨다. 상기 장치는 매우 효과적이며, 추가적인 크램핑이 요구되는 지점, 즉 웨이퍼의 중앙부에서의 굽힘현상을 감소시킨다. 추가적으로, 상기 장치의 단순한 구성은 제조비용을 저렴하게 한다.
본 발명의 개념과 관련한 다양한 실시예가 기술되었지만, 당업자들은 본 발명의 범위내에서 다양한 형태로 개조할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은 기계적 및 정전기적 척기술을 조합한 척을 제공하여, 반도체 웨이퍼 공정 처리 시스템 내의 공정처리실내에 보다 큰 직경의 웨이퍼를 유지시킬 수 있으며, 웨이퍼의 중앙부에서 발생하는 굽힘현상을 제거할 수 있는 잇점이 있다.

Claims (12)

  1. 반도체 웨이퍼 공정 처리 시스템의 공정처리실내에서 소재를 유지시키는 장치에 있어서,
    웨이퍼 지지면을 갖는 받침대와,
    상기 받침대의 웨이퍼 지지면에 상기 소재의 외주부를 크램핑하는 기계적 크램프와,
    상기 받침대의 중앙부에 매우 인접하게 위치하며, 상기 소재의 중앙부에서 상기 받침대에 상기 소재를 크램핑하는 정전기적 크램프를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기계적 크램프는 웨이퍼 크램핑 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 정전기적 크램프는 유전체로 둘러싸인 한세트의 2극형 전극을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 유전체는 외주 립을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 받침대는 상기 정전기적 크램프가 위치하는 리셋스된 중앙부를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 정전기적 크램프는 상기 받침대의 리셋스된 중앙부에 정전기적 크램프를 부착하는 고정수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 고정수단은 상기 유전체의 외주 립에서 받침대에 부착된 환형 크램핑 링인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 받침대와 상기 소재 사이에 열전달가스를 분포시키는 열전달가스 분포 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 열전달가스 분포수단은 상기 받침대의 외주부 주위에 위치한 하나 이상의 그루브와, 상기 받침대의 외주부로부터 상기 정전기적 크램프를 향해 방사형으로 연장하는 하나 이상의 그루브를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 반도체 웨이퍼 공정 처리 시스템의 공정처리실내에서 소재를 유지시키는 장치에 있어서,
    중앙부, 외주부, 상기 외주부에 위치한 열전달가스 분포 그루브, 및 상기 외주부 주위에서 균일하게 이격되어 상기 중앙부를 향해 방사형으로 연장하는 다수의 열전달가스 분포 그루브를 갖는 받침대와,
    상기 받침대의 외주부에 위치하고, 상기 받침대에 상기 소재의 외주부를 크램핑하는 기계적 크램핑 링과,
    환형 크램핑 링에 의해 상기 받침대 중앙부의 리셋스에 고정되고, 상기 환형 크램핑 링이 외주부를 에워싸고, 상기 소재의 중앙부를 정전기적으로 크램핑하는 2극형 정전기적 척을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 반도체 웨이퍼 공정 처리 시스템의 공정처리실내에 소재를 유지시키는 방법에 있어서,
    받침대에 상기 소재의 외주부를 기계적으로 크램핑하는 단계와,
    상기 받침대에 상기 소재의 중앙부를 정전기적으로 크램핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 소재와 상기 받침대 사이에 열전달가스를 주입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1019970063305A 1996-12-04 1997-11-27 반도체 웨이퍼 공정 처리 시스템내의 받침대에 웨이퍼를기계적 및 정전기적으로 크램핑하는 방법 및 장치 KR19980063620A (ko)

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