KR20010027640A - 헬륨 가스를 이용한 웨이퍼 배면 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

헬륨 가스를 이용한 웨이퍼 배면 냉각 시스템은 배관 파이프 경로상에 밸브와 압력조절기(UPC)가 설치된 공급측 배관, 상기 공급측과 연결되며 식각 챔버의 하부 전극 및 정전척에 형성된 홀과 상기 홀과 연결되며 웨이퍼 배면과 닿아 헬륨 가스의 통로를 이루도록 상기 정전척 상면에 형성된 홈을 구비하여 이루어지는 설비측 배관, 상기 공급측과 상기 설비측이 연결되는 지점에서 분기되며 배관 파이프상에 개폐식 밸브와 압력조절용 니들 밸브 혹은 레귤레이터 (regulator)를 구비하여 이루어지는 배출측 배관을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

헬륨 가스를 이용한 웨이퍼 배면 냉각 시스템 {Wafer cooling system using helium gas applied to wafer back side}

본 발명은 건식 식각장치에 사용되는 헬륨 가스를 이용한 웨이퍼 배면 냉각 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 건식 식각장치에 냉각용 헬륨을 공급하는 배관 시스템의 구성에 관한 것이다.

웨이퍼의 가공은 엄격하게 통제되는 조건하에서 일정 시간에 걸쳐 이루어지는 공정들이 연속되어 이루어진다. 웨이퍼 가공 공정들 가운데 가장 빈번하고 또 중요한 공정의 하나가 식각 공정이다. 식각공정은 특정 막 위에 일정 패턴의 식각 마스크를 대개는 노광공정을 통해 형성하고 식각 마스크로 보호되지 않는 노출된 부분을 식각성 물질을 작용시켜 제거하여 결국 식각 마스크와 동일한 패턴을 특정막으로 구현하는 공정을 의미한다.

다른 공정과 마찬가지로 에칭도 주로 화학적인 반응에 의해 이루어지는 것이므로 공정환경의 압력과 온도가 공정의 진행에 큰 영향을 미치게 된다. 건식 식각공정에서 웨이퍼가 대개 하부 전극 위에 설치된 정전척에 놓여서 공정이 진행된다. 그리고, 공정의 반응은 웨이퍼상에서 이루어지게 되므로 웨이퍼 자체의 온도가 공정 온도 관리의 포인트가 된다. 이런 이유로 대개의 건식 식각장치에서 웨이퍼의 온도조절은 웨이퍼가 놓이는 척에 형성된 냉각용 헬륨 라인을 흐르는 헬륨 가스가 웨이퍼에 직접 작용함으로써 이루어진다. 이때 헬륨은 불활성 가스로 누출이 생기는 경우에도 공정 가스와 부반응을 일으킬 염려가 없고, 분자량이 작아 확산이 빠르고 따라서 열전달율이 높기 때문에 사용된다.

건식 식각장비에서 대개는 식각성 물질의 플라즈마를 형성시켜 식각반응의 효율을 높이고 있다. 플라즈마는 저압이나 높은 온도를 가지며 공정 웨이퍼는 이 플라즈마에 노출되어 있으므로 과도하게 온도가 높아질 위험이 있다. 따라서 웨이퍼가 지나치게 고온이 되는 것을 방지하기 위해 웨이퍼를 냉각시킬 필요성이 있고, 효율적으로 웨이퍼에 직접 작용하여 냉각기능을 하는 것이 헬륨 가스를 이용한 웨이퍼 배면 냉각 시스템이다.

도1은 종래의 건식 식각장비에 설치된 헬륨 가스를 이용한 웨이퍼 배면 냉각시스템을 나타내기 위한 배관 구성도이다. 도면과 같은 웨이퍼 배면 냉각 시스템은 3 부분으로 나누어 볼 수 있는데, 하나는 공급측이고 다른 하나는 설비측이며 나머지는 배출측이다. 그 구분은 설비측으로 공급되는 배관에서 배출측으로 가지가 갈라지는 분기점(15)이 중심이 된다. 공급측 배관은 배관 파이프 상에 밸브(18) 및 압력 조절기(UPC: Unit Pressure Controler:17)를 구비하여 이루어진다. 설비측은 분기점에서부터 하부 전극에 이르는 배관 파이프 및 하부 전극 및 정전척(13) 내부에 형성된 가스 공급용 홀(hole)과 상기 홀과 연결되는 정전척(13) 상면의 홈으로 이루어진다. 정전척(13) 상면의 홈은 웨이퍼(11)가 정전척(13)에 놓일 때 웨이퍼(13) 배면으로 덮여 헬륨 가스의 통로를 형성하게 된다. 그리고 배출측은 분기점(15)에서 펌프(23)를 거쳐 배출구까지이며, 그 사이에 펌프(23) 전 위치에는 밸브(20)와 오리피스(19)를 가진 제 1지로 및 제 1 지로에 병렬로 연결되는 밸브(21)를 가진 제 2 지로로 구분되는 분리부가 있다.

이러한 종래의 헬륨 가스를 이용한 웨이퍼 배면 냉각 시스템은 설비측에 별도의 헬륨 가스 배출구를 가지고 있지 않기 때문에 일종의 닫힌 시스템이라 할 수 있으나, 배출측으로는 헬륨 가스의 배출이 이루어질 수 있으므로 완전히 닫힌 시스템은 아니다. 공급측에서 헬륨 가스가 설비측으로 공급되면 헬륨 가스는 하부 전극 및 정전척에 형성된 통로를 따라 헬륨이 유동되지만 배출구가 없어서 계속 유입되어 흐르지 못하고 설비측의 헬륨 가스압은 일정 수준에 달하게 된다. 그리고 헬륨 가스는 배출구와 배출펌프가 형성되는 배출측으로 가서 외부로 빠져나가게 된다. 그 과정에서 분기점에서는 동적인 평형상태가 이루어지는데 공급측에서 오는 헬륨의 일부는 새롭게 설비측으로 들어가고 일부는 배출측으로 바로 빠져나가게 되며, 설비측에서는 헬륨이 유입되는 만큼 배출되어 배출측으로 흐르고 외부로 배출된다. 따라서 설비측의 헬륨 가스는 웨이퍼 배면에서 전해지는 열을 받아 온도가 계속 오르지 않고 일정 온도를 유지하게 된다. 이런 균형에 작용하는 것이 공급측의 압력조절기(UPC)와 배출측의 오리피스이다. 오리피스는 노즐의 반대로 작용하는 부분이며 압력을 조절하는 역할을 한다.

그런데 이러한 종래의 시스템에서는 시간의 경과에 따라 오리피스 가스켓에 형성된 구멍이 가스의 흐름에 따라 마모되어 조금씩 커지고 따라서 설계된 일정 압력을 유지하지 못하게 되는 현상이 발생한다. 압력의 변화는 헬륨 가스의 흐름을 변화시키고 따라서 동적 균형점을 변화시켜 설비측 내부의 헬륨 가스 온도를 변화시키며 이는 헬륨 가스와 닿아 있는 웨이퍼의 온도 변화를 가져와서 웨이퍼 식각 공정에서 불량 요인이 생기게 된다.

본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 종래의 시스템과 같은 배출측 오리피스 압력의 변화가 없도록 새로운 압력조절 수단을 갖춘, 헬륨 가스를 이용한 웨이퍼 배면 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 종래의 건식 식각장비에 설치된 헬륨 가스를 이용한 웨이퍼 배면 냉각시스템을 나타내기 위한 배관 구성도이다.

도2는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 배관 구성도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 식각 챔버 11: 웨이퍼

13: 정전척 15: 분기점

17: 압력조절기(UPC) 18,20,21: 밸브

19: 오리피스(orifice) 23: 펌프

29: 레귤레이터(regulator)

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 헬륨 가스를 이용한 웨이퍼 배면 냉각 시스템은 배관 파이프 경로상에 밸브와 압력조절기(UPC)가 설치된 공급측 배관, 상기 공급측과 연결되며 식각 챔버의 하부 전극 및 정전척에 형성된 홀과 상기 홀과 연결되며 웨이퍼 배면과 닿아 헬륨 가스의 통로를 이루도록 상기 정전척 상면에 형성된 홈을 구비하여 이루어지는 설비측 배관, 상기 공급측과 상기 설비측이 연결되는 지점에서 분기되며 배관 파이프상에 개폐식 밸브와 압력조절용 니들 밸브 혹은 레귤레이터 (regulator)를 구비하여 이루어지는 배출측 배관을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 공급측의 설비측과 연결된 단부의 반대편에 있는 단부는 헬륨가스 탱크가 연결되어 있으며, 밸브는 하나 이상의 개폐밸브 및 조절밸브를 포함하는 것이다. 설비측에서는 웨이퍼가 정전척 위에 놓여있는 경우에만 홈과 닿아 헬륨 가스의 통로를 만들기 때문에 웨이퍼도 시스템의 일부를 구성한다고 볼 수도 있다.이때 홈은 정전척 전면에 고르게 분포하여 웨이퍼 전면의 온도를 일정하게 하도록 한다.

배출측 배관의 니들 밸브와 레귤레이터는 사용에 따른 압력의 변화로 공정상 웨이퍼의 온도가 변화되지 않도록 이루어진 압력조절수단을 뜻하는 것이며, 이 외에도 가능한 다른 수단을 사용할 수 있다. 니들 밸브는 마모로 압력이 변할 경우 밸브를 조절하여 압력을 보정할 수 있으며 레귤레이터는 자체가 압력 조절작용을 하게 된다. 그리고 압력조절용 배관 요소에는 바이 패스를 설치하고 그 경로상에 밸브를 설치할 수 있다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 설명하기로 한다.

도2는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 배관도이다.

종래의 웨이퍼 배면 냉각 시스템의 배관과 같이 공급측, 설비측, 배출측 배관으로 분기점(15)을 중심으로 나눌 수 있으며, 공급측 배관에는 여러 밸브(18)들로 이루어진 밸브 어셈블리와 압력 조절기(UPC:17))가 있고, 설비측 배관도 변화가 없다. 그러나 배출측 배관에는 배출 펌프(23) 전단에 배관이 분리된 부분에서 종래의 오리피스가 압력조절용 레귤레이터(Regulator:29)로 대체되어 있다. 따라서 오리피스에서는 있을 수 있었던, 공기 유통에 따른 마모에 의한 통로 확대나 이물질 부착으로 인한 통로 협착을 상당부분 방지할 수 있고, 통로의 확대나 협착으로 인한 압력의 변화 및 헬륨과 웨이퍼의 온도변화 가능성을 줄일 수 있다. 레귤레이터에 대용하여 니들 밸브를 채택할 수도 있으며 이 경우에는 압력을 주기적으로 측정하여 니들 밸브를 조절해 주어야 한다.

설비로 헬륨 가스를 공급할 필요가 없는 경우에는 공급측의 밸브를 닫거나, 배출측에서 바이 패스의 밸브를 열고, 펌프를 가동시켜 헬륨 가스가 배출측 배관으로 흐르도록 하면 된다.

본 발명에 따르면, 헬륨 가스를 이용하는 식각 장비의 웨이퍼 배면 냉각 시스템에서 배관상의 압력조절작용을 하는 부분에서 공정에 따른 변화가 생겨서 시스템 내의 압력과 온도가 변화하고 결국 공정 웨이퍼의 온도가 변하여 불량이 발생할 가능성을 줄여나갈 수 있다.

Claims (3)

1. 배관 파이프 경로상에 밸브와 압력조절기(UPC)가 설치된 공급측 배관, 상기 공급측과 연결되며 식각 챔버의 하부 전극 및 정전척에 형성된 홀과 상기 홀과 연결되며 웨이퍼 배면과 닿아 헬륨 가스의 통로를 이루도록 상기 정전척 상면에 형성된 홈을 구비하여 이루어지는 설비측 배관, 상기 공급측과 상기 설비측이 연결되는 지점에서 분기되며 배관 파이프상에 개폐식 밸브와 압력조절용 니들 밸브 및 배출 펌프를 구비하여 이루어지는 배출측 배관을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 헬륨 가스를 이용한 웨이퍼 배면 냉각 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 니들 밸브를 대신하여 압력 레귤레이터를 사용하는 것을 특징으로 하는 헬륨 가스를 이용한 웨이퍼 배면 냉각 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 배출측 배관에서 상기 니들 밸브나 상기 압력 레귤레이터가 부착된 부분에는 밸브를 구비한 바이 패스 라인이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 헬륨 가스를 이용한 웨이퍼 배면 냉각 시스템.