KR20010080637A - 정전척의 표면 전위를 제어하는 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20010080637A
KR20010080637A KR1020017006788A KR20017006788A KR20010080637A KR 20010080637 A KR20010080637 A KR 20010080637A KR 1020017006788 A KR1020017006788 A KR 1020017006788A KR 20017006788 A KR20017006788 A KR 20017006788A KR 20010080637 A KR20010080637 A KR 20010080637A
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길버트 하우스만
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조셉 제이. 스위니
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Abstract

본 발명은 정전척의 표면 전위를 효과적으로 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 장치 및 방법은 센서와 제어 회로를 사용한다. 센서는 전계 효과 트랜지스터(FET)에 연결된 척 표면 상의 안테나를 포함한다. 센서는 정전척의 표면 전위와 같은 전기적 특성을 나타내는 신호를 생성한다. 센서 신호는 제어회로에 피드백을 제공한다. 제어 회로는 원하는 값의 표면 전위에 해당하는 예정된 세트포인트와 센서 신호를 비교한다. 제어 회로는 1개 이상의 척 전극에 연결된 전원장치에 제어 신호를 제공한다. 제어 신호는 전원 장치가 센서 신호와 세트포인트 사이의 차가 0이 되도록 표면 전위를 변화시켜 일정한 척 힘을 제공하도록 전극 전압을 변화시킨다.

Description

정전척의 표면 전위를 제어하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ACTIVELY CONTROLLING SURFACE POTENTIAL OF AN ELECTROSTATIC CHUCK}
정전 척은 컴퓨터 그래픽 플로터에서 용지를 보유하는 것에서부터 반도체 웨이퍼 처리 챔버 내에서 반도체 웨이퍼를 보유하는 것 까지 다양한 적용 범위에서 물품을 보유하는데 사용된다. 반도체 웨이퍼 처리 장치에서 정전척은 처리과정 동안 웨이퍼를 페데스탈에 고정시키는데 사용된다. 이러한 척은 에칭, 화학적 기상 증착(CVD), 및 물리적 기상 증착(PVD) 및 그밖의 분야에서 사용된다.
정전척은 물품과 척 사이에 정전 인력을 발생시킴으로써 물품을 보유한다. 물품과 전극에 각각 반대 극성의 전하를 유도하기 위해서 척내에 삽입된 1개 이상의 전극에 전압이 인가된다. 대립되는 전하는 척에 대해 물품을 끌어당겨 물품을 보유한다. 예를 들어, "단극성(monopolar)" 정전척의 경우에, 유전체 또는 반도체성 척 바디내에 삽입된 단일의 전도성 척에 전압이 인가된다. 척 전압의 크기는 접지 기준(reference)을 중심으로 한다. 전압이 인가될 때, 물품은 물품과의 전도성 연결부에 의해 전압원으로서 다시 동일한 기준 접지로 간주된다. 정전력은 고정되는 물품과 정전척 사이에서 발생한다. "양극성(bipolar)" 정전척은 일반적으로 단일 유전체 또는 반도체 척 바디 내에 삽입된 2개의 전극을 포함한다. 척전압이 2개 전극 사이에 인가될 때, 전극들 사이에는 작은 전류 물품을 통해 흐르고 반대 극성을 갖는 전하가 각각 웨이퍼의 후방과 척 바디의 표면 상에 축적된다. 이러한 전하는 척과 물품 사이에 존센-라벡(Johnsen-Rahbek) 효과를 통해 정전력을 형성한다.
어떤 형태의 정전척에서라도, 전압이 전극에 인가될 때는 전극 위의 유전체 상에 표면 전위가 나타난다. 표면 전위는 척력(chucking force)과 정비례한다. 이상적인 유전체에 대해, 표면 전위는 하부에 있는 척 전극 상에서의 전압과 크기가 같다. 충전 효과, 편광 및 다른 물질의 특정 현상은 하부에 있는 전극상의 전압과 유전체의 상부에 있는 표면 전위를 상이하게 할 수 있다. 결과적으로, 척의 성능(즉, 척력)이 영향을 받게 된다. 예를 들어, 일부 척은 척 전압이 척 전극에 인가된 후 초과 시간에 표면 전위의 성능 저하 현상(degradation)이 나타난다. 이는 척의 벌크 유전체 물질 내에 낮은 이동도의 전하 캐리어가 존재하기 때문인 것으로 여겨진다. 또다른 척은 척 전압이 중단될 때 일시적 반발력이 나타난다. 이는 척이 오프될 때 척 전극 상의 일시적 과전위(overpotential)에 의해 척 전극상에 유도된 같은 극성의 전하에 의해 웨이퍼 후방 상의 잔류 전하의 반발작용에 의한 것이다. 척 성능은 척과 척의 예측할 수 없는 형태에 따라 변한다. 또한, 주어진 척의 동작은 초과 시간에 예측할 수 없는 형태로 변한다.
표면 전위의 효과적 제어는 웨이퍼를 처리하는 과정 동안 인슈트 상태에서의표면 전위 측정이 요구된다. 또한, 표면 전위의 신뢰성 있는 측정 및 효과적 제어는 초과 시간이 걸린 표면 전위 측정치와 비교하기 위해 척 표면 상에서 고정된 위치에서 표면 전위를 측정하는 것이 요구된다. 종래 기술에서, 정전 프로브 및 미터가 정전척의 표면 전위를 측정하는데 사용되었다. 불행히도, 이러한 측정에 사용되는 프로브는 챔버가 사용중인 경우에 반도체 웨이퍼 처리 챔버 안쪽에 존재하는 엄격한 분위기에 대해 적합하지 않다. 결과적으로, 이러한 프로브 측정은 챔버가 동작하는 동안에는 수행되지 않고 따라서 챔버가 개방되거나 또는 척이 웨이퍼로부터 제거되는 경우 공기중에서 행해져야 한다.
따라서, 웨이퍼를 처리하는 동안 정전척 표면 전위를 신뢰성있게 측정하고 효과적으로 제어하기 위한 장치 및 방법이 기술상 요구된다.
본 발명은 정전척에 관한 것이며, 특히 본 발명은 정전척의 표면 상에서 전위를 인슈트(in-situ) 측정 및 제어하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 장치를 사용하는 양극성 척을 갖는 반도체 웨이퍼 처리 시스템의 개략도;
도 2는 본 발명에 따른 표면 전위 센서의 상세도.
종래 기술과 관련된 문제점은 정전척의 표면 전위를 제어하는 장치 및 방법의 본 발명에 의해 해결된다. 장치 및 방법은 표면 전위 센서와 제어 회로를 사용한다. 센서는 정전척의 표면 전위와 같은 전기적 특성을 나타내는 신호를 형성한다. 센서 신호는 제어 회로에 피드백을 제공한다. 제어 회로는 척 전압이 측정된 표면 전위에 응답하여 동력학적으로 변경될 수 있도록 척 내에 1개 이상의 전극과 연결된 고전압 전원 장치를 제어한다.
센서는 척 표면상에 장착된 안테나와 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함한다. 안테나는 표면 전류에서의 변화가 FET의 소스와 드레인 사이에 전류를 제어하도록 FET의 게이트에 연결된다. 소스-드레인 전류는 제어 회로에 연결된 센서 신호를 제공한다. 제어 회로는 센서 신호와 원하는 값의 표면 전위에 해당하는 예정된 세트포인트를 비교한다. 센서 신호에 응답하여, 제어 회로는 표면 전위의 변화가 센서 신호와 세트포인트 사이의 차가 0이 되도록 전극 전압을 변화시키도록 척 전원 장치를 변화시키는 전원 장치에 제어 신호를 제공한다.
표면 전위의 효과적 제어는 보다 신뢰성있고 생산성 있는 척력을 제공한다. 본 발명은 임의의 수의 전극 및/또는 임의의 형태의 척 바디 물질을 갖는 척 상에서 표면 전위를 제어하는데 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명을 포함하는 반도체 처리 시스템(100)의 개략도이다. 일반적으로 시스템(100)은 페데스탈(116)을 둘러싸는 처리 챔버(110)를 포함하며, 페데스탈(116)은 페데스탈 베이스(117) 및 정전척(120)을 포함한다. 정전척(120)은 정전척(120)의 표면 전위를 효과적으로 제어하기 위한 장치(102)와 연결된다. 처리 챔버(110)는 벽(111), 플로어(112) 및 볼륨(114)을 한정하는 리드(113)를 포함한다. 페데스탈(116)은 챔버(110) 내에서 중앙에 배치된다. 배기 시스템(115)은 반도체 웨이퍼 처리를 위해 적절한 환경을 제공하기 위해 볼륨(114)을 배기시킨다. 챔버(110)는 정전척을 요구하는 임의의 공정에 대한 임의의 적합한 챔버일 수 있다. 이러한 챔버는 에칭, 화학적 기상 증착(CVD), 물리적 기상 증착(PVD), 이온 주입, 예비 세정 및 쿨다운 챔버에 사용되는 것을 포함한다. 예로서, 챔버(110)는 캘리포니아 산타 클라라의 Applied Materials에 의해 제조된 예비세정 IIe 챔버이다.
정전척(120)은 페데스탈 베이스(116)에 의해 챔버(100)에서 지지된다. 정전척(120)은 일반적으로 지지면(122)을 갖는 유전체(또는 반도체) 바디(121)를 포함한다. 지지면(122)은 처리과정 동안 반도체 웨이퍼(101)를 지지한다. 정전척(120)은 임의의 형태의 척일 수 있다. 예를 들어 척(120)은
유전체 또는 반도체 척 바디(121)에 삽입된 2개의 척 전극(124A, 124B)를 포함하는 양극성 척이다. 2개의 전극(124A, 124B)을 갖는 양극성 척(120)을 도시했지만, 반도체 처리 시스템(100)은 임의의 수의 척 전극 및 단극성, 양극성, 3극성, 서로 맞물린 띠모양 등을 포함하는 임의의 형태의 척 전극 구조를 갖는 척(120)을 사용할 수 있다. 척 바디(121)는 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질화물과 같은 폴리이미드 또는 세라믹 물질과 같은 폴리머 물질로 제조된다.
전극 전원 장치(150)는 각각의 전극(124A, 124B)에 전압을 제공한다. 바람직하게 전극 전원 장치(150)는 각각의 척 전극(124A, 124B)에 반대 극성의 DC 전압을 인가하는 전압 유도 양극성 전원 장치이다. 전극 전원 장치(150)는 한 쌍의 전압원(152A, 152B)을 포함한다. 전압원(152A, 152B)은 공통 센터 트랩(154)을 참조한다. 또한, 전원 장치(150)는 전압 제어 전원 장치로, 전압원(152A, 152B)은 제어 회로(140A, 140B)로부터 신호(CA, CB)를 제어하도록 응답한다.
정전척(120)의 표면 전위를 제어하는 장치(102)는 센서(130A, 130B) 및 양극성 전극 전원장치(150)를 통해 전극(124A, 124B)에 연결된 제어 회로(140A, 140B)를 포함한다. 센서(130A, 130B)는 척 표면의 전기적 특성을 측정하고 센서 신호(SA, SB)를 형성한다. 센서 신호(SA, SB)는 제어 회로(140A, 140B)에 피드백을 제공한다. 제어 회로(140A, 140B)는 전원 장치(150)의 전압원(152A, 152B)을 제어한다. 센서(130A, 130B)는 웨이퍼(101) 상에 가해지는 척력과 관련된 척 표면(122)에서 전기적 특성을 측정하는 임의의 형태의 센서일 수 있다. 적합한 전기적 특성은 표면 전위, 전계 세기 및 전계 밀도를 포함한다. 예로서, 센서(130A, 130B)는 척(120)의 표면 전위에 비례하는 신호 전압(SA, SB)을 형성하는 표면 전위 센서이다.
센서 중 하나(130A)의 상세한 설명을 도 2에 도시한다. 각각의 센서(130A, 130B)는 척 전극(124)중 하나 위에 정전척(120)의 표면(122)에 장착된 전도성 안테나(131)를 포함한다. 바람직하게, 안테나(131)는 마스크 등을 통한 스퍼터링에 의해 척 표면(122) 상에 증착되는 알루미늄 또는 티타늄과 같은 물질로 구성된다. 전도성인 안테나(131)는 등전위 프로브로서의 역할을 한다, 즉 안테나 상의 전위(전압)이 안테나(131) 하부에 있는 척 표면(122)상의 표면 전위와 같다. 안테나(131)는 안테나 신호를 증폭시키기 위해 전계 효과 트랜지스터(FET)(134)와 같은 전기 장치로 배선된다. 이러한 FET는 증가형 모드 및 공핍형 모드 TFT를 포함한다. 어떠한 전계효과 트랜지스터 또는 유사한 장치라도 안테나(131)로부터 신호를 증폭시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 안테나로부터의 전류가 충분히 큰 경우, 양극성 트랜지스터가 FET(134) 위치에 사용될 수 있다. FET(134)가 척(120)의 표면(122)에 형성된 함몰부(123) 속에 삽입되거나 퍼티(putty) 또는 아교와 같은 접착제 또는 나사와 같은 기계적 파스너에 의해 고정될 수 있다. FET(134)는 기술상 공지된 수단에 의해 집적 회로 칩으로서 제조될 수 있다. 선택적으로, FET(134)는 표면 마운트(mount) 기술을 사용하여 척 표면(122) 상에 제조될 수 있다.
FET(134)는 절연층(138A)에 의해 채널(137)로부터 절연되는 게이트 전극(138) 및 채널(137)에 의해 연결되는 도핑된 소스(136A) 및 드레인(136B) 영역을 갖는 반도체 벌크층(135)을 포함한다. 채널(137)에서의 횡전계(transverse electric field)는 소스(136A)와 드레인(136B) 사이의 전류를 제어한다. 안테나(131)는 전압 분배 회로(139)를 통해 게이트 전극(138)과 벌크층(135)에 연결된다. 전압 분배 회로(139)는 척(120)의 표면(122) 내에 삽입되고 FET(134)를 고정시키는데 사용되는 것과 유사한 수단에 의해 고정된다. 예를 들어, 전압 분배 회로는 접착제에 의해 표면(122)에 함몰부(도시되지 않음) 내에 고정될 수 있다. 벌크층(135)은 전극 전원 장치(150)의 센터 트랩(154)처럼 편의상 기준 전압에 연결된다. 센서 전원장치(133)는 소스(136A)와 드레인(136B) 사이에 전압을 제공하기 위해 FET(134)와 연결된다. 소스(136A)와 드레인(136B) 사이에 전압이 일정한 경우, 채널(137)에서의 횡전계, 및 소스-드레인 전류는 게이트(138)와 벌크층(135) 사이의 전압을 따른다. 정전척(120)의 표면(122) 상에 표면 전위는 게이트(138)와소스 드레인 전류를 변조시키는 벌크층(135) 사이의 전압을 유도한다. 전압 분배 회로(139)는 FET(134)를 제어하는데 적합한 레벨, 전형적으로 1 내지 100볼트로 상기 전압을 감소시킨다. 따라서, 표면 전위가 변할 때, 게이트(138)와 벌크층(135) 사이의 전압이 변하여 소스(136A)와 드레인(136B) 사이의 전류가 제어된다. 소스-드레인 전류는 도 1에 도시된 것처럼 접지로 레지스터(141)를 통해 흐른다. 적절한 기능을 위해, 소스(136A) 또는 드레인(136B)은 접지로 연결된다. 부가적 전압이 제어 회로(140A)에 연결된 센서 신호(SA)를 공급한다.
도 1을 참조로, 제어 회로(140A, 140B)는 비교기(142A, 142B) 및 세트포인트 전원 장치(144A, 144B)를 포함한다. 비교기(142A, 142B)는 세트포인트 전원 장치(144A, 144B)에 연결된 제 1 입력(143A,143B), 및 센서 신호(132A, 132B)에 연결된 제 2 입력(145A, 145B)(예를 들어, 센서 전원 장치(133A)와 부하 레지스터(141A) 사이에 연결된) 및 전극 전원장치(150)의 전압원(152A, 또는 152B)중 하나에 연결된 출력(146A, 146B)을 포함한다. 세트포인트 전원장치(144A, 144B)는 접지를 기준으로, 원하는 표면 전위와 관련된 예정된 세트포인트 전압(VA, VB)를 설정한다. 예를 들어, 비교기(142A, 142B)는 연산 증폭기이다. 비교기(142A, 142B)는 센서 신호(SA, SB)와 예정된 세트포인트 전압(VA, VB)를 비교하고 출력(146A, 146B)에서 제어 신호(CA, CB)를 형성한다. 제어 신호(CA, CB)는 전압원(152A, 152B)이 해당 전극(124A, 또는 124B)에 인가된 전압 변화를 야기시켜센서 신호(SA, SB)와 세트포인트 전압(VA, VB) 사이의 차가 0이 되게 하는 방식으로 표면 전위를 변화시킨다. 비례 적분 미분(PID)와 같은 보다 복잡한 회로가 전원 장치(150)의 전압원(152)을 제어하는데 활용될 수 있다.
본 발명은 임의의 수의 센서를 사용하여 실시될 수 있다. 예를 들어, 다수의 센서가 다수의 척 영역을 제공하는 다수의 전극과 척의 표면 사이에 분포될 수 있다. 각각의 센서는 척 표면 상의 국부적 척 영역에 척력의 약화와 관련된 물질을 극복하기 위해 해당 전극에 대해 전원을 제어하도록 피드백을 제공한다. 또한 삽입된 센서는 챔버내의 엄격한 환경으로부터 보호된다. 본 발명의 장치는 표면 전위에서의 변화에 응답하는 척력의 효과적 제어를 위한 것이다. 결과적으로, 웨이퍼는 보다 신뢰성있고 반복성이 있는 척을 사용한다. 따라서 보다 균일한 웨이퍼 처리 및 웨이퍼 결함이 적어진다. 보다 적은 결함의 웨이퍼는 웨이퍼 당 낮은 비용 및 증가된 생산성을 의미한다.
본 발명의 내용을 포함하는 다양한 실시예를 도시하고 설명했지만, 당업자는 본 발명의 내용을 포함하는 또다른 다양한 변형예를 쉽게 고안해 낼 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 물품을 지지하기 위한 표면을 갖춘 정전척;
    상기 표면의 전기적 특성을 측정하기 위해 상기 표면 상에 위치되는 센서 부재를 갖춘 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품 보유 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 부재는 표면 상에 장착된 안테나인 것을 특징으로 하는 물품 보유 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 센서는 상기 표면 부근에 배치되된 전계 효과 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물품 보유 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 부재는 상기 표면의 정전위를 측정하는 것을 특징으로 하는 물품 보유 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 센서는 정전척의 표면에 삽입되는 것을 특징으로 하는 물품 보유 장치.
  6. 1개 이상의 전극을 갖춘 정전척의 표면상에서 표면 전위를 효과적으로 제어하는 장치로서,
    상기 표면의 전기적 특성을 나타내는 센서 신호를 형성하는 센서;
    상기 센서 신호에 응답하는 제어 신호를 형성하는 제어 회로;
    상기 제어 신호에 응답하며, 상기 1개 이상의 전극에 연결되는 전압을 발생시키는 전원 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 센서는 상기 정전척의 정전 표면 전위를 측정하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 센서는 상기 표면에 장착된 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 센서는 상기 안테나에 연결된 게이트 전극을 갖는 전계 효과 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 센서 및 상기 1개 이상의 전극에 연결된 비교기를 포함하며, 상기 비교기로부터의 신호는 상기 전원장치의 전압 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  11. 정전척의 표면상에서 표면 전위를 효과적으로 제어하는 방법으로서,
    상기 표면에서 전기적 특성을 측정하는 단계;
    상기 전기적 특성을 나타내는 신호를 발생시키는 단계;
    상기 신호에 응답하여 상기 정전척 내에서 1개 이상의 전극과 연결된 전압을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 전기적 특성은 정전 표면 전위인 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  13. 처리 챔버;
    상기 챔버내에 배치되고, 표면 및 1개 이상의 전극을 갖춘 정전 척;
    상기 1개 이상의 전극에 연결된 전원 장치;
    상기 표면의 정전 표면 전위를 측정하는 1개 이상의 센서; 및
    상기 전원 장치에 연결된 1개 이상의 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 센서는 상기 표면에 장착된 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 센서는 게이트, 소스, 및 드레인 전극을 갖는 전계 효과 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 게이트 전극은 상기 안테나에 연결되고 상기 소스와 드레인 전극 사이의 전류는 상기 표면 전위와 비례하는 것을 특징으로 하는반도체 웨이퍼 처리 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제어 회로는 제 1 및 제 2 입력을 갖는 비교기를 포함하며, 상기 제 1 입력은 세트포인트 전원 장치에 연결되며, 상기 제 2 입력은 상기 소스 및 상기 드레인중 적어도 하나와 연결되고 상기 출력은 상기 전원장치에 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 시스템.
KR1020017006788A 1998-12-10 1999-12-03 정전척의 표면 전위를 제어하는 장치 및 방법 KR20010080637A (ko)

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