KR19990006301U - Wafer stage with thermostat - Google Patents
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Abstract
본 고안은 웨이퍼 스테이지의 내측에 열전소자와 온도감지센서를 형성하고, 상기 열전소자와 온도감지센서에 각각 연결되는 제어기에 의하여 웨이퍼의 가공 적정온도를 조정하는 온도조절장치가 형성된 웨이퍼 스테이지에 관한 것으로 종래의 온도조절장치에 의한 웨이퍼의 적정온도 유지는 웨이퍼에서 냉각관을 거쳐 수온 조절기에 유입된 냉각수가 히터나 냉각기에 의하여 적정 온도로 조절된 후 다시 웨이퍼 스테이지의 수관으로 유입된 다음에야 웨이퍼의 온도가 적정온도로 조절되므로써 온도 보상에 소요되는 시간이 증대되고 다단계의 냉각수 이동에 의하여 열변화가 발생하므로 실제 웨이퍼의 온도와 수온 조절기에 의하여 조절된 냉각수에 의한 웨이퍼 조절온도 사이에는 온도의 편차가 발생하여 정밀한 온도의 제어가 불가능한 것은 물론 웨이퍼의 적정온도 유지율이 저하되는 문제점이 있던 바 본 고안은 웨이퍼의 온도 변화를 검측하는 온도감지센서와 웨이퍼의 온도를 상승 및 하강시키는 열전소자를 웨이퍼 스테이지에 직접 형성하여 즉각적인 온도 보상을 실현하므로써 온도 보상에 소요되는 시간을 단축함은 물론 온도 보상의 편차를 최소화하여 정밀한 온도 보정이 가능하도록 하므로써 웨이퍼의 적정온도를 균일하게 유지하는 효과가 있는 온도조절장치가 형성된 웨이퍼 스테이지이다.The present invention relates to a wafer stage in which a thermoelectric element and a temperature sensor are formed inside the wafer stage, and a temperature control device for adjusting an appropriate processing temperature of the wafer is formed by a controller connected to the thermoelectric element and the temperature sensor, respectively. In order to maintain the proper temperature of the wafer by a conventional temperature controller, the temperature of the wafer is only after the coolant flowing into the water temperature controller from the wafer through the cooling tube is adjusted to an appropriate temperature by a heater or a cooler and then introduced into the water pipe of the wafer stage The time required for temperature compensation is increased by adjusting the temperature to the proper temperature, and the thermal change occurs due to the multi-step cooling water movement. Therefore, the temperature deviation occurs between the actual wafer temperature and the wafer control temperature by the coolant controlled by the water temperature controller. Precise temperature control is impossible The problem is that the proper temperature maintenance rate of the wafer is lowered. The present invention provides an instant temperature compensation by directly forming a temperature sensor for detecting a change in the temperature of the wafer and a thermoelectric element that raises and lowers the temperature of the wafer directly on the wafer stage. It is a wafer stage in which a temperature control device having an effect of uniformly maintaining a proper temperature of a wafer is formed by shortening the time required for compensation and minimizing deviation of temperature compensation to enable precise temperature compensation.
Description
본 고안은 웨이퍼(wafer)의 식각 및 증착공정시 변화된 웨이퍼 온도를 적정온도로 직접 조절하는 온도조절장치가 형성된 웨이퍼 스테이지(wafer stage)에 관한 것으로, 특히, 웨이퍼 스테이지의 내측에 열전소자와 온도감지센서를 형성하고 상기 열전소자와 온도감지센서에 각각 연결되는 제어기에 의하여 웨이퍼의 가공 적정온도를 조정하는 온도조절장치가 형성된 웨이퍼 스테이지에 관한 것이다.The present invention relates to a wafer stage having a temperature control device that directly adjusts the changed wafer temperature to an appropriate temperature during the etching and deposition process of the wafer, and particularly, a thermoelectric element and a temperature sensing inside the wafer stage. The present invention relates to a wafer stage having a temperature controller configured to form a sensor and to adjust an appropriate temperature for processing a wafer by a controller connected to the thermoelectric element and the temperature sensor.
일반적으로 식각(etching) 또는 증착공정을 수행하는 반도체 제조장치에서 반도체의 원재료인 웨이퍼에 가해지는 특정의 가스성분 또는 압력 및 플라즈마(plazma) 발생에 작용하는 힘 그리고 온도의 조건변화에 따라 반도체의 특성이 변화한다.In general, in semiconductor manufacturing apparatus performing etching or deposition process, the characteristics of semiconductors are changed depending on the specific gas component or pressure applied to the wafer, which is the raw material of semiconductor, and the force acting on plasma generation and the condition of temperature. This changes.
특히 반도체의 고집적화 및 저온 공정의 개발에 따라 보다 넓은 온도범위 내에서 각각의 온도에 따라 특정한 성질을 갖는 반도체를 생산하여야 하는 필요성이 증대되는 추세이다.In particular, with the high integration of semiconductors and the development of low temperature processes, the necessity of producing semiconductors having specific properties according to respective temperatures within a wider temperature range is increasing.
이에 따라, 특정 온도하에서 반도체 제조 공정을 수행하기 위해 선행되어야 하는 조건 가운데에 웨이퍼의 적정온도를 유지하는 것이 필수적이고 식각 또는 증착공정시 웨이퍼에서 발생하는 열에 의한 온도변화를 적정온도로 조정하는 온도조절장치가 반도체 제조장치의 웨이퍼 스테이지에 부설되어 전술한 온도유지기능을 수행한다.Accordingly, it is essential to maintain the proper temperature of the wafer among the conditions that must be preceded in order to perform the semiconductor manufacturing process under a specific temperature, and to adjust the temperature change due to heat generated in the wafer during the etching or deposition process to an appropriate temperature. An apparatus is attached to the wafer stage of the semiconductor manufacturing apparatus to perform the above-described temperature holding function.
도 1은 종래의 온도조절장치가 형성된 웨이퍼 스테이지를 개략적으로 도시한 사용상태도이다.1 is a state diagram schematically showing a wafer stage on which a conventional temperature controller is formed.
종래의 온도조절장치는 진공펌프(102)가 일측에 연결되어 진공상태를 조성하는 챔버(100)와, 상기 챔버(100)의 내측에 웨이퍼(104)가 안착되는 웨이퍼 스테이지(106)를 형성하여 웨이퍼(104)의 식각 및 증착공정을 수행하는 반도체 제조장치에 있어서, 상기 웨이퍼 스테이지(106)의 내측에 지그재그로 설치되는 수관(108)과, 상기 수관(108)의 양측끝단과 연통되어 냉각수를 순환시키는 수온 조절기(110)와, 웨이퍼(104)와 웨이퍼 스테이지(106)가 상호 면접되는 부위에 냉매가스를 공급하여 온도를 조절하는 냉각 가스관(112)으로 구성된다.The conventional temperature control device forms a chamber 100 in which a vacuum pump 102 is connected to one side to create a vacuum state, and a wafer stage 106 in which the wafer 104 is seated inside the chamber 100. In the semiconductor manufacturing apparatus that performs the etching and deposition process of the wafer 104, the water pipe 108 is provided in a zigzag inside the wafer stage 106 and the both ends of the water pipe 108 in communication with the coolant The water temperature regulator 110 to circulate, and the cooling gas pipe 112 which adjusts a temperature by supplying refrigerant gas to the site where the wafer 104 and the wafer stage 106 interview each other, are comprised.
미설명 부호 114는 공정가스를 유입하는 공정가스 공급관이다.Reference numeral 114 is a process gas supply pipe for introducing the process gas.
이하 종래의 온도 조절장치에 의하여 온도가 유지되는 과정을 상술한다.Hereinafter, a process of maintaining the temperature by the conventional temperature controller will be described in detail.
웨이퍼(104)의 식각 및 증착공정을 수행하는 반도체 제조장치의 챔버(100) 내부에는 웨이퍼(104)를 설치하는 웨이퍼 스테이지(106)가 형성된다.A wafer stage 106 is installed in the chamber 100 of the semiconductor manufacturing apparatus that performs the etching and deposition process of the wafer 104.
이러한 웨이퍼 스테이지(106)의 내측에는 지그재그로 수관(108)이 설치되고 그 양끝단은 챔버(100) 외부에 형성된 수온 조절기(110)와 연결된다.The inside of the wafer stage 106 is provided with a zigzag water pipe 108 and both ends thereof are connected to the water temperature controller 110 formed outside the chamber 100.
따라서 상기 반도체 제조장치내에서 식각 또는 증착공정이 수행되면 챔버(100)내에 충만된 가스가 플라즈마화되어 웨이퍼(104)에 충돌되므로써 웨이퍼(104) 자체에 열이 발생한다.Therefore, when the etching or deposition process is performed in the semiconductor manufacturing apparatus, the gas filled in the chamber 100 becomes plasma and impinges on the wafer 104, thereby generating heat in the wafer 104 itself.
상기 웨이퍼(104)의 열에 의하여 웨이퍼(104)의 온도가 변화되면 반도체의 특성도 변화되므로 각 공정에 적절하게 설정된 초기 웨이퍼(104)의 적정온도를 유지하기 위해서는 웨이퍼(104)의 열을 제거하여야 하며 이를 위해 웨이퍼 스테이지(106)의 내측에 설치된 수관(108)의 냉각수가 상기 웨이퍼(104)의 열을 흡수하여 수온조절기(110)측으로 이송된다.When the temperature of the wafer 104 is changed by the heat of the wafer 104, the characteristics of the semiconductor are also changed. Therefore, in order to maintain the proper temperature of the initial wafer 104 properly set for each process, the heat of the wafer 104 must be removed. To this end, the coolant of the water pipe 108 installed inside the wafer stage 106 absorbs the heat of the wafer 104 and is transferred to the water temperature controller 110.
이렇게 온도가 상승한 냉각수는 수온 조절기(110)에 유입되어 웨이퍼(104)를 적절한 온도로 유지하도록 냉각된 후 웨이퍼 스테이지(106)의 수관(108)에 재유입되므로써 웨이퍼(104)의 냉각과정이 순환된다.The cooling water having the elevated temperature is introduced into the water temperature controller 110, cooled to maintain the wafer 104 at an appropriate temperature, and then re-introduced into the water pipe 108 of the wafer stage 106 so that the cooling process of the wafer 104 is circulated. do.
즉 웨이퍼(104)의 적정온도 유지는 플라즈마 상태의 가스에 의하여 임의온도로 상승한 웨이퍼(104)에서 냉각수가 열을 흡수한 후 수온 조절기(110)로 냉각수가 이송되어 여기에서 제작하고자 하는 반도체의 특성에 적합하게 설정된 웨이퍼(104)의 적정온도를 유지하도록 냉각수의 온도가 조절되어 웨이퍼 스테이지(106)의 수관(108)에 재공급되므로써 수행된다.That is, to maintain the proper temperature of the wafer 104, the cooling water absorbs heat from the wafer 104, which rises to an arbitrary temperature by the gas in the plasma state, and then the cooling water is transferred to the water temperature controller 110, whereby the characteristics of the semiconductor to be fabricated here. The temperature of the coolant is adjusted so as to maintain the proper temperature of the wafer 104 set appropriately for the < Desc / Clms Page number 5 >
상기 수온 조절기(110) 내에는 냉각수온을 웨이퍼(104)의 적정온도 유지에 적합하도록 상승 또는 하강시키는 히터(미도시)와 냉각기(미도시)가 형성된다.In the water temperature controller 110, a heater (not shown) and a cooler (not shown) are formed to raise or lower the cooling water temperature so as to be suitable for maintaining an appropriate temperature of the wafer 104.
그러나 상기와 같은 종래의 온도조절장치에 의한 웨이퍼의 적정온도 유지는 웨이퍼에서 냉각관을 거쳐 수은 조절기에 유입된 냉각수가 히터나 냉각기에 의하여 적정 온도로 조절된 후 다시 웨이퍼 스테이지의 수관으로 유입된 다음에야 웨이퍼의 온도가 적정온도로 조절되므로써 온도 보상에 소요되는 시간이 증대되는 문제점이 발생된다.However, to maintain the proper temperature of the wafer by the conventional temperature control device as described above, after the cooling water introduced into the mercury regulator through the cooling tube in the wafer is adjusted to an appropriate temperature by a heater or a cooler, the wafer is introduced into the water pipe of the wafer stage. As the temperature of the wafer is adjusted to an appropriate temperature, a problem arises in that the time required for temperature compensation is increased.
또한 웨이퍼 스테이지의 온도는 냉각수에 의하여 제어되고 이러한 냉각수의 온도는 수온 조절기에서 제어되나 냉각수가 수관을 거쳐 수온 조절기로 유입되는 다단계의 냉각수의 이동에 의하여 열변화가 발생하므로 실제 웨이퍼의 온도와 수온 조절기에 의하여 조절된 냉각수에 의한 웨이퍼 조절온도 사이에는 온도의 편차가 발생하여 정밀한 온도의 제어가 불가능한 것은 물론 웨이퍼의 적정온도 유지율이 저하되는 문제점이 발생된다.In addition, the temperature of the wafer stage is controlled by the coolant, and the temperature of the coolant is controlled by the water temperature controller, but since the change of heat occurs due to the movement of the multi-level coolant flowing into the water temperature controller through the water pipe, the actual temperature of the wafer and the temperature controller The temperature variation occurs between the wafer control temperature by the cooling water controlled by the temperature, which makes it impossible to precisely control the temperature, as well as the problem that the proper temperature retention rate of the wafer is lowered.
본 고안이 목적은 웨이퍼의 온도 변화를 검측하는 온도감지센서와 웨이퍼의 온도를 상승 및 하강시키는 열전소자를 웨이퍼 스테이지에 직접 형성하여 즉각적인 온도 보상을 실현하므로써 온도 보상에 소요되는 시간을 단축할 수 있는 온도조절장치가 형성된 웨이퍼 스테이지를 제공함에 있다.The object of the present invention is to form a temperature sensor that detects the temperature change of the wafer and a thermoelectric element that raises and lowers the temperature of the wafer directly on the wafer stage to realize immediate temperature compensation, thereby reducing the time required for temperature compensation. The present invention provides a wafer stage having a temperature controller.
본 고안의 다른 목적은 온도 보상의 편차를 최소화하여 정밀한 온도 보정이 가능하도록 하여 웨이퍼의 적정온도를 균일하게 유지할 수 있는 온도조절장치가 형성된 웨이퍼 스테이지를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a wafer stage having a temperature control device capable of maintaining a proper temperature uniformly by minimizing deviation of temperature compensation to enable accurate temperature correction.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 고안에 따른 온도조절장치가 형성된 웨이퍼 스테이지는 진공펌프가 일측에 연결되어 진공상태를 조성하는 챔버와, 상기 챔버의 내측에 웨이퍼가 안착되는 웨이퍼 스테이지를 형성하여 웨이퍼의 식각 및 증착공정을 수행하는 반도체 제조장치에 있어서, 상기 웨이퍼 스페이지의 웨이퍼 접촉면에 형성되어 웨이퍼의 온도를 감지하는 온도감지센서와, 상기 웨이퍼 스테이지의 내측에 형성되어 웨이퍼의 온도를 조절하는 열전소자와, 상기 온도감지센서와 열전소자에 각각 연결되어 온도감지센서로부터의 온도 데이타를 설정온도와 비교하여 웨이퍼의 온도를 설정온도로 유지하도록 열전소자를 발열 및 흡열반응시키는 제어기로 구성된다.In order to achieve the above objects, a wafer stage having a temperature control device according to the present invention includes a chamber in which a vacuum pump is connected to one side to form a vacuum state, and a wafer stage on which a wafer is seated is formed inside the chamber to etch the wafer. And a semiconductor manufacturing apparatus for performing a deposition process, comprising: a temperature sensing sensor formed on a wafer contact surface of the wafer page to sense a temperature of a wafer, and a thermoelectric element formed inside the wafer stage to control a temperature of the wafer; And a controller connected to the temperature sensing sensor and the thermoelectric element, respectively, to generate heat and endothermic reaction of the thermoelectric element to maintain the temperature of the wafer at the set temperature by comparing the temperature data from the temperature sensor with the set temperature.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래의 온도 조절장치가 형성된 웨이퍼 스테이지를 개략적으로 도시한 사용상태도이고,1 is a use state diagram schematically showing a wafer stage on which a conventional temperature controller is formed,
도 2는 본 고안의 온도 조절장치가 형성된 웨이퍼 스테이지를 개략적으로 도시한 사용상태도이다.2 is a state diagram schematically showing a wafer stage on which a temperature controller of the present invention is formed.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
100,200:챔버102:진공펌프100,200: Chamber 102: Vacuum pump
104:웨이퍼106,202:웨이퍼 스테이지104: wafer 106, 202: wafer stage
108:수관204:열전소자108: water pipe 204: thermoelectric element
206:제어기208:온도감지센서206: controller 208: temperature sensor
도 2는 본 고안의 온도 조절장치가 형성된 웨이퍼 스테이지를 개략적으로 도시한 사용상태도이다.2 is a state diagram schematically showing a wafer stage on which a temperature controller of the present invention is formed.
웨이퍼(104)를 식각 및 증착하기 위한 반도체 제조장치에는 진공펌프(102)에 의하여 내부공간이 진공상태를 유지하는 챔버(200)가 형성되고 그 내측에는 웨이퍼(104)를 안착하는 웨이퍼 스테이지(202)가 형성된다.In the semiconductor manufacturing apparatus for etching and depositing the wafer 104, a chamber 200 is formed by a vacuum pump 102 to maintain an internal space in a vacuum state, and a wafer stage 202 for seating the wafer 104 therein. ) Is formed.
상기 웨이퍼 스테이지(202)가 웨이퍼(104)와 상호 면접촉되는 일측의 임의지점에는 웨이퍼(104)의 온도를 감지하는 온도감지센서(208)가 형성되어 웨이퍼(104)에 온도변화가 발생하면 이를 감지한다.At any point on the side where the wafer stage 202 is in surface contact with the wafer 104, a temperature sensor 208 for sensing the temperature of the wafer 104 is formed and a temperature change occurs in the wafer 104. Detect.
또한 상기 웨이퍼 스테이지(202)의 내부에는 웨이퍼(104)의 온도를 상승 및 하강시키는 열전소자(204)가 형성된다.In addition, a thermoelectric element 204 is formed inside the wafer stage 202 to raise and lower the temperature of the wafer 104.
이러한 온도감지센서(208)와 열전소자(204)는 각각 초기온도 설정치가 입력된 제어기(206)와 연결되고 상기 제어기(206)는 온도감지센서(202)에서 검출된 온도변화량을 설정치와 비교하여 변화량에 따라 열전소자(204)의 전류량과 전류방향을 제어한다.The temperature sensor 208 and the thermoelectric element 204 are respectively connected to the controller 206 to which the initial temperature set value is input, and the controller 206 compares the amount of temperature change detected by the temperature sensor 202 with the set value. The amount and current direction of the thermoelectric element 204 are controlled according to the amount of change.
이하, 본 고안의 온도조절장치에 의한 웨이퍼의 적정온도 조절과정을 상술한다.Hereinafter, the process of adjusting the temperature of the wafer by the temperature controller of the present invention will be described in detail.
도 2를 참조하면 진공상태의 챔버(200) 내에서 웨이퍼 스테이지(202)에 설치된 웨이퍼(104)가 식각 또는 증착공정시 플라즈마화된 가스와의 충격력에 의한 열발생으로 자체 온도가 상승한다.Referring to FIG. 2, the temperature of the wafer 104 installed in the wafer stage 202 in the vacuum chamber 200 increases due to heat generated by the impact force of the plasma gas during the etching or deposition process.
이러한 상태에서 웨이퍼 스테이지(202)의 웨이퍼(104) 접촉면에 형성된 온도감지센서(208)에서 웨이퍼(104)의 온도상승이 감지되고 이러한 검출온도에 대한 자료는 제어기(206)로 전송된다.In this state, the temperature rise of the wafer 104 is detected by the temperature sensor 208 formed on the contact surface of the wafer 104 of the wafer stage 202, and the data on the detected temperature is transmitted to the controller 206.
한편 제어기(206)에는 초기 적정온도가 설정되어 상기 온도감지센서(208)에서 전송된 측정온도와 적정온도와의 변화치를 상호 비교한 후 웨이퍼(104)를 적정온도로 조절하기 위한 전류량 및 전류방향을 산출하여 열전소자(204)의 온도를 상승 또는 하강하도록 열전소자(204)를 제어한다.On the other hand, the controller 206 is initially set to an appropriate titration temperature and compares the change between the measured temperature and the appropriate temperature transmitted from the temperature sensor 208, and then the current amount and current direction for adjusting the wafer 104 to the proper temperature The thermoelectric element 204 is controlled to raise or lower the temperature of the thermoelectric element 204 by calculating.
이때 상기 열전소자(204)의 온도는 다른 종류의 도체 또는 반도체 접점에 전류를 흘리면 일측 도체에는 발열반응이, 타측 도체에는 흡열반응이 일어나는 펠티어 효과(Peltier effect)에 의하여 제어된다.At this time, the temperature of the thermoelectric element 204 is controlled by a Peltier effect in which an exothermic reaction occurs on one conductor and an endothermic reaction on the other conductor when a current flows through a different kind of conductor or semiconductor contact.
따라서 웨이퍼(104)의 온도를 상승시키고자 하면 웨이퍼(104)와 접촉되는 측의 도체가 발열반응되도록 열전소자(204)에 작용하는 전류의 방향을 선정하는 동시에 변화시키고자 하는 온도만큼 전류량을 제어하여 웨이퍼(104)에 전달되는 열을 조절한다.Therefore, if the temperature of the wafer 104 is to be raised, the direction of the current acting on the thermoelectric element 204 is selected so that the conductor on the side in contact with the wafer 104 generates heat reaction, and the amount of current is controlled by the temperature to be changed. To regulate the heat transferred to the wafer 104.
또한 이와는 반대로 웨이퍼(104)의 온도를 하강사키고자 한다면 상술한 바와는 반대로 웨이퍼(104)와의 접촉면을 흡열반응시키고 타측면을 발열반응시켜야 함은 물론이다.On the contrary, if the temperature of the wafer 104 is to be lowered, it is a matter of course that the contact surface with the wafer 104 is endothermic and the other side is exothermic.
이러한 열전소자(204)에서의 온도 상승 및 하강은 웨이퍼(104)가 적정온도가 될때까지 반복되며 이루어진다.The temperature rise and fall in the thermoelectric element 204 is repeated until the wafer 104 is at an appropriate temperature.
이렇게 발열반응 및 흡열반응된 열전소자(204)의 열변화량은 웨이퍼 스테이지(202)의 웨이퍼(104) 접촉면을 통하여 웨이퍼(104)에 직접 전달되므로써 웨이퍼(104)가 적정온도를 유지하도록 한다.The heat change amount of the thermoelectric element 204 subjected to the exothermic reaction and the endothermic reaction is transferred directly to the wafer 104 through the wafer 104 contact surface of the wafer stage 202 so that the wafer 104 maintains an appropriate temperature.
본 고안은 웨이퍼를 식각 및 증착하는 반도체 제조장치의 웨이퍼 스테이지에 온도감지센서와 열전소자를 형성하고 웨이퍼를 적정온도로 유지하도록 열전소자를 작동시켜 웨이퍼의 온도를 직접적으로 조절하므로써 온도 보정시 소요되는 시간을 단축함은 물론 적정온도로 발열 및 흡열하도록 열전소자의 전류량과 전류의 방향이 산출되어 정밀한 온도제어를 가능케하며 열전달이 직접적으로 이루어져 열손실을 최소화하므로써 웨이퍼에 대한 온도조절효율이 향상되는 이점이 있다.The present invention forms a temperature sensor and a thermoelectric element on a wafer stage of a semiconductor manufacturing apparatus for etching and depositing a wafer and operates the thermoelectric element to maintain the wafer at an appropriate temperature, thereby directly adjusting the temperature of the wafer. In addition to shortening the time, the amount of current and the direction of the current are calculated to generate heat and endotherm at an appropriate temperature, enabling precise temperature control. The heat transfer is directly performed, thereby minimizing heat loss. There is this.
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