KR20020073273A - 진공 응용을 위한 기체 냉각 정전기 핀 척 - Google Patents

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Abstract

정전기 핀 척은, 척의 주변부 쪽으로 위치된 기체 도입구들의 환형 어레이로 이루어지며, 척에 의해 유지된 웨이퍼에 냉각 기체를 균일하게 분배한다. 이러한 균일한 냉각 기체의 분배에 의해, 웨이퍼로부터 척으로 열이 균일하게 이동된다. 척의 외측 주변부 쪽으로 위치되고 다기관(manifold)을 통해 진공펌프에 접속된 진공 배출구들의 환형 어레이에 의해 분리된 2개의 환형 림이 기체 베어링 밀봉으로서 작용함으로써 냉각기체의 누출을 방지한다. 내측 림과 외측 림의 환형 두께, 진공 펌프 압력, 및 웨이퍼와 척 사이의 공간을 모두 변화시킴으로써, 척으로부터의 냉각 기체의 누출속도에 영향을 준다.

Description

진공 응용을 위한 기체 냉각 정전기 핀 척{A GAS COOLED ELECTROSTATIC PIN CHUCK FOR VACUUM APPLICATIONS}
본 발명은 반도체 프로세싱 동안 기판을 유지하는데 사용되는 척에 관한 것으로, 보다 상세하게는 척과 기판 사이의 냉각 기체의 압력을 조정함으로써 기판의 온도를 균일하게 제어하고 유지하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
반도체 집적회로, 전자부품 및 디바이스를 제조하는 공정에서는, 다양한 지지 시스템이 사용되어 웨이퍼의 프로세싱 동안 실리콘 웨이퍼와 같은 기판을 지지한다. 리소그래피와 같은 공정에서는, 이미지 품질을 고려할 때, 웨이퍼는, 그의 노광면이 평평하고, 이미지 정렬불량을 초래할 수 있는 왜곡(distortion)이 없도록 척에 의해 수평으로 유지되어야 한다.
한 종류의 지지 시스템은 웨이퍼의 주변부를 따라 연장하는 페리미터-클램핑 링(perimeter-clamping ring)을 사용하여 웨이퍼를 적소에 유지한다. 링 아래의 웨이퍼의 일부분이 지지부재에 대하여 강하게 클램프된다. 이러한 시스템에서는, 클램프 링에 의해 웨이퍼의 주변 에지가 대개 커버되기 때문에, 회로 형성을 위한 활용가능한 전체 영역이 감소된다. 또한, 웨이퍼와 지지부재 사이에 포획되는 입자들로부터 기인하여 웨이퍼 표면의 왜곡이 발생한다.
다른 종류의 지지 시스템은 진공을 사용하여 척에 대하여 웨이퍼를 유지한다. 진공 지지 시스템에서, 웨이퍼는 진공 펌프를 사용하여 척에 대해 유지되며, 진공 펌프는 척과 웨이퍼 사이의 공간내의 내부 압력을 지지 시스템이 동작하는 챔버 환경의 외부 기체 압력보다 낮은 포인트까지 낮춘다. 플라즈마 에칭과 같은 많은 반도체 생산 공정이 고압 챔버 환경(10-3Torr 이하)에서 수행된다. 진공 지지 시스템은 통상적으로 그러한 고압 챔버 환경에서 잘 동작할 수 없는데, 그 이유는 진공 지지 시스템이, 척에 대하여 웨이퍼를 아래로 유지하기 위해 챔버 환경이 지지 시스템의 내부보다 높은 압력을 가질 것을 요구하기 때문이다.
다른 종류의 지지 시스템은 정전기력을 사용하여 웨이퍼를 지지면에 클램프한다. 통상적으로, 이러한 시스템에서, 웨이퍼의 거의 모든 또는 모든 표면적이 프로세싱용으로 활용가능하고 척은 고압의 외부 환경에서 효과적으로 사용될 수 있다. 통상적인 정전기 척은, 웨이퍼가 지지되는 표면을 갖는 베이스 및 전기적인 포텐셜에 의해 웨이퍼에 대하여 정전기적으로 바이어스되어 있는 정전기 부재를 포함한다. 웨이퍼는 정전기력에 의해 척의 지지면에 대하여 적소에 유지되어 있다.
웨이퍼 프로세싱 동안, 열이 자주 발생되고, 웨이퍼의 최대 온도 상승을 제한할 필요가 있다. 또한, 웨이퍼 표면에 걸쳐 온도를 균일하게 유지하는 것도 중요하다. 웨이퍼 표면상에 지나친 온도 변동(불량 및/또는 비균일 열이동에 의함)이 있으면, 웨이퍼가 왜곡될 수 있다. 진공 환경에서 웨이퍼 외부로의 열이동은 덜 효과적인데, 그 이유는 열이동이 주로 복사에 의해 수행되기 때문이다. 지지 시스템은 종종 웨이퍼 온도를 거의 일정하게 유지하려는 시도로 웨이퍼를 냉각하는 방법을 제공한다. 척과 웨이퍼 사이의 접촉면이 매끄럽고, 접촉 면적이 충분하고, 척의 열전도성이 높다면, 상당량의 열이 열교환기를 통해 웨이퍼로부터 척으로 이동될 수 있다. 웨이퍼 또는 척의 접촉면이 거칠고 또는 접촉 면적이 한정되어 있으면, 척을 통한 열이동은 상당히 감소될 수 있다. 척과 웨이퍼 사이의 밀접한 접촉을 달성하는 것은 어렵다. 게다가, 이러한 조건은, 척과 웨이퍼 사이에 입자가 포획되어, 웨이퍼 왜곡을 발생시킬 수 있기 때문에 보통은 회피된다. 이러한 상황에서 헬륨 (He) 과 같은 비활성 기체가 웨이퍼와 척 사이의 공간을 채우는 열전도체로서 사용되어 웨이퍼의 바닥면을 통해 웨이퍼 밖으로 열이 전도될 수 있다. 유체는 또한 웨이퍼를 대류로 냉각시키기 위해 웨이퍼와 척 기판 사이에서 유동될 수도 있다. 그러나, 충분한 클램핑 힘을 유지하고 또한 주변 진공으로의 심각한 누출을 회피하는 것은 어려울 것이다.
미국 특허 제4,565,601호는 소정 온도의 진공에서 처리되고 있는 웨이퍼의 온도를 제어하는 정전기 척 및 방법을 개시하고 있다. 정전기 척은 웨이퍼의 주변부 및 내부 포인트 양쪽에서 웨이퍼를 클램프하여 지지한다. 냉각 기체가 척 상부와 웨이퍼 하부 사이의 갭으로 공급된다. 주변부에서의 클래핑 영역은 기체가 진공 챔버 내부로 유동하는 것을 방지하기 위해 밀봉되어 있다. 그러나, 예를 들어, 척과 웨이퍼 사이에 포획된 입자 또는 평평하지 않은 웨이퍼의 표면에 의해, 주변부 접촉 영역과 웨이퍼의 뒷부분이 불량 접촉되면, 챔버 내부로의 누출이 발생할 것이다. 또한, 상술된 특허에 따르면, 냉각 기체가 주변의 진공 내부로 유동하는 것을 방지하는 밀봉을 제공하기 위해, 주변부에서 척과 웨이퍼를 클램핑하는 것을 필요로 한다. 밀봉이 유효하기 위해서는, 상당한 클램핑 압력이 가해져야 하고, 이것이 잠재적으로 웨이퍼를 왜곡시킬 수 있다.
Electrogrip Inc. 는 200 mm 웨이퍼와 10 Torr 의 기체압력에 대해, 0.5 - 1.0 sccm 의 누출속도를 갖는 헬륨 냉각 정전기 척을 제조한다. 이것은 대기압 760 Torr 에서 약 0.013 Torr-ℓ/sec 의 처리량과 등가이다. 이러한 누출속도를 갖는 통상적인 에칭 시스템의, 1 mTorr 의 챔버 압력을 유지하기 위해, 0.013 Torr-ℓ/sec/10-3Torr = 13 ℓ/sec 의 펌핑 스피드가 요구될 것이다. 이러한 펌핑 스피드를 달성하는 것은 어렵지 않다. 그러나, 전자빔 리소그래피와 같은 다른 응용에 있어서는, 10-6내지 10-7Torr 이상의 챔버 압력이 요구된다. 그러한 척 누출 속도와 함께 이들 진공 레벨을 유지하기 위해서는, 103내지 104배 이상의 펌핑 속도를 필요로 하므로, 더 이상 가능하지 않다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 핀 척의 상면도;
도 2 는 도 1 에서의 라인 2-2 를 따라 절취한 웨이퍼 핀 척의 단면도;
도 3 은 단일의 중심 기체 도입구를 갖는 척과 기체 도입구들의 환형 어레이를 갖는 척의 웨이퍼 아래의 헬륨 압력을 비교하는 그래프;
도 4 는 상이한 림 두께, 웨이퍼-척 사이의 갭, 및 진공 펌프 압력을 갖는 웨이퍼 척으로부터의 헬륨 누출을 비교하는 그래프;
도 5 는 본 발명의 원리에 따른 핀 척 시스템을 포함하는 통상의 전자빔 리소그래피 시스템을 나타내는 개략도;
도 6 은 반도체 장치의 통상적인 제조공정을 나타내는 블럭도; 및
도 7 은 반도체 장치를 제조하는 상세 블럭도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
4 : 내측 림 6 : 진공 배출구
10 : 지지 핀 16 : 웨이퍼
18 : 갭 24 : 외측 림
30 : 베이스 34 : 베이스 캐비티
웨이퍼의 전체 작업 영역에 걸쳐 균일한 열이동을 제공하고, 동작 환경 내부로의 냉각 기체의 누출을 최소화하고, 또한 왜곡없이 웨이퍼를 유지하는 정전기 척에 대한 필요성이 존재한다.
발명의 요약
본 발명은, 정전기 척의 주변부 쪽으로 기체 도입구들의 환형 어레이를 부가하여 기판에 냉각 기체를 균일하게 분배하고, 웨이퍼의 주변부에 기체 베어링 밀봉을 제공함으로써 종래 기술의 문제점을 극복한다. 하나의 특정한 실시예에서,본 발명은 척의 주변부에서 기체 배출구들의 환형 어레이 내에 위치되는 기체 도입구들의 환형 어레이를 갖는 정전기 핀 척에 의해 유지된 웨이퍼에 기체를 균일하게 분배한다. 기체 도입구들의 환형 어레이로부터 도입되는 기체에 의해 척 캐비티내의 냉각 기체 압력을 균등화한다. 기체의 균일한 분포에 의해 웨이퍼로부터 열이 균일하게 이동된다. 척의 외측 주변부를 향하는 기체 배출구들의 환형 어레이를 둘러싸는 2개의 환형 림이 기체 베어링 밀봉으로서 기능함으로써 기체가 진공 내부로 누출되는 것을 방지한다.
기체는, 기체 배출구에서의 기체의 손실에도 불구하고, 웨이퍼와 기판 사이에서 거의 일정한 기체 압력이 유지되는 충분한 사이즈의 저장소로부터 공급된다.
본 발명은 다음의 도면을 참조하는 다음의 상세한 설명에서 바람직한 실시예로 설명된다. 본 발명은 본 발명의 목적을 달성하는 최선의 모드로 설명되지만, 본 발명의 정신 또는 범위에서 범위나지 않고 이들 교훈의 관점에서 변형될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도면을 참조하면, 도 1 및 도 2 는 300 mm 직경의 웨이퍼를 지지하는 기체 냉각 정전기 핀 척을 나타내는 상이한 도면이다. 핀 척의 외형은 지지되는 기판의 외형과 맞아야 한다. 본 실시예에 설명되는 핀 척은 둥근 실리콘 웨이퍼 (16) 용이고, 그러므로 베이스 (30) 는 대략 원통형이다. 베이스 (30) 의 높이 또는 두께는 진공 또는 비진공 환경에서의 정전기 동작하에서 단단함을 유지할 수 있을 만큼 충분하다. 척(도시하지 않음)으로부터의 열을 제거하는 냉각 유체 또는 기체용 통로를 제공하도록 베이스 930) 내에 채널이 형성되어도 된다. 웨이퍼 (16) 아래의 베이스 캐비티 (34) 에는, 규칙적인 간격으로 지지핀 (10) 들의 어레이가 존재한다. 지지핀 (10) 의 개수 및 직경은, 지지핀 (10) 과 지지된 웨이퍼 (10) 사이의 먼지 입자를 웨이퍼 (16) 가 포획되지 않고, 될 수 있는 한 웨이퍼 (10) 를 왜곡하지 않도록 선택된다. 핀들에 의해 접촉되는 웨이퍼의 전체 비율은 약 5 - 10 % 미만이어야 한다.
정전기 척은 캐패시터의 2 개의 플레이트 사이의 인력을 활용하여 웨이퍼를 적소에 유지한다. 만일 웨이퍼가 유전상수 ε과 두께 d 의 절연체에 의해 척으로부터 분리되고, 전압 V 가 그들 사이에 인가되면, 다음과 같은 인력 F 가 그들 사이에 발생된다:
F = (εV2/2d2)A,
여기서, A 는 웨이퍼와 척 전극의 공통 면적이다. 분명히, 주어진 전압에 대해 큰 인력을 얻으려면, 웨이퍼와 척을 분리하는 거리 d 가 최소화되어야 한다. 또한, 유전상수가 높은 것도 유리하다. 저압 기체 또는 진공으로 채워져 있는 웨이퍼와 척 사이의 갭이 존재한다면, 유전상수는 거의 자유공간의 유전상수 ε0이다.
핀 척에 대해, 웨이퍼가 절연핀 상에 지지된다. 핀들이 웨이퍼 면적의 비율 f 를 나타내면, 척의 유효 유전상수는 fε+ (1-f)ε0로 되고, 여기서 ε은 핀 재료의 유전상수이다. 만일 f 가 작으면, 유전상수는 ε0이다.
웨이퍼와 척 사이의 공간 내부에 도입되는 기체는 웨이퍼 온도를 제어하기위해 충분한 열적인 열이동을 제공해야 한다. 동시에, 웨이퍼를 척에 유지하는 인력이 상당히 감소되지 않도록 갭 압력이 충분히 낮아야 한다. 주지와 같이, 기체의 열도전성은, 기체 분자의 평균자유경로가 시스템 디멘젼에 비해 작기만 하면 기체 압력에 거의 무관하다. 이러한 사실에 의해 열이동에 대한 영향없이 척 내부에 상대적으로 저압인 기체를 사용할 수 있다. 이러한 주제는 미국 특허출원 09/266,705호에 보다 상세하게 개시되어 있다.
상술한 바를 고려하면, 웨이퍼와 척 표면 사이의 갭은 최소로 유지되어야 한다. 바람직한 실시예에서, 그리고 모델링 계산에서, 이러한 갭은 10 미크론으로 유지되었다. 이러한 갭에 대해, 10 Torr 압력 상태의 He 기체의 열이동은 1 기압 760 Torr 에서의 열이동값과 현저하게 다르지 않다.
베이스 (30) 의 외부 에지 상에 환형의 외측 림(24)이 있고, 그 내부에 진공 배출구들 (6) 의 환형 어레이포함하는 환형의 채널 (20) 이 위치되어 있다. 이 진공 배출구 (6) 는 다기관과 호스(도시하지 않음)에 의해 진공 펌프 (31) 에 접속되어 있다. 환형의 내측 림 (4) 이 환형의 채널 (20) 이웃에 위치되어 있다. 환형의 내측 림 (4) 과 환형의 외측 림 (24) 의 폭은 수 밀리미터이고, 각 림의 높이는 지지핀 (10) 의 높이보다 작은 수 미크론이므로, 웨이퍼 (16) 와 2 개의 림 (4, 24) 사이에 갭 (18) 이 생긴다. 웨이퍼 (16) 가 각 림 (4, 24) 에 접촉되는 것을 방지하므로, 이러한 갭 (18) 은 중요하다. 이 갭은 반도체 프로세싱 시스템에서 통상적인 입자에 기대되는 사이즈보다 크다. 따라서, 이러한 구조는 입자에 의해 유도되는 웨이퍼의 왜곡의 가능성을 감소시킨다. 또한, 주변부에서웨이퍼 (16) 에 대한 림 (4, 24) 의 클램핑(clamping)이 없기 때문에, 이들 구조물에 가해지는 밀봉 또는 클램핑 압력에 의해 발생되는 왜곡도 없다. 다른 한편으로, 내측 림 (4) 과 외측 림(24) 은 냉각 기체가 베이스 캐비티 (34) 를 통해 유동하고 있을 때 기체 베어링 밀봉으로서 기능할 수 있으므로, 실질적으로 주위 환경으로의 기체 누출을 감소시킨다.
냉각 기체는 내측 림 (4) 으로부터 거의 15 mm 이하에 위치된 환형의 그루브 (14) 내에 배열된 도입구 (22) 의 어레이를 통해 압력 제어된 기체 소스 (32) 로부터 도입된다. 도입구 (22) 는 다기관 및 호스 (도시되지 않음) 에 의해 진공 펌프 (31) 에 접속되어 있다. 중심 기체 도입구 (8) 가 또한 부가적으로 사용되어, 웨이퍼 아래의 기체 압력을 보다 빠르게 평형시켜도 된다. 웨이퍼가 척으로부터 막 제거될 때 웨이퍼 프로세싱의 막바지에서 기체의 제거를 촉진할 수도 있다. 웨이퍼와 척 사이에 작은 갭이 주어지면, 이러한 목적을 위해 부가적인 포트가 요구될 수도 있다.
동작시, 밸브 (33a, 33b 및 33c) 는 초기에 닫혀 있다. 웨이퍼가 척에 클램프되고, 밸브 (33a 및 33c) 가 개방된다. 헬륨과 같은 냉각 기체가 웨이퍼 (16) 의 하면과 핀 척 표면으로 정의된 베이스 캐비티 (34) 내부로 원형 압력 분배 그루브 (14) 를 통해 중심 기체 도입구 (8) 및 기체 도입구 (22) 구멍으로부터 도입된다. 압력이 웨이퍼 (16) 의 표면에서 내측 림 (4) 쪽을 제외하고 전체적으로 균일하게 분포되며, 내측 림 쪽으로 압력 구배가 발생한다. 이 압력 구배가 발생하는 이유는 진공 배출구 (6) 에서의 압력이 웨이퍼 중심에 보다 가까운 지점에서의 압력보다 낮기 때문이다. 내측 림 (4) 과 외측 림 (24) 은 기체가 베이스 캐비티 (34)를 통해 유동할 때 기체 베어링 밀봉으로서 기능한다. 프로세싱의 막바지에서, 밸브 (33a) 는 닫히고 밸브 (33b) 가 개방된다. 냉각 기체가 배출되고, 밸브 (33b 및 33c) 가 닫히고, 웨이퍼가 척으로부터 제거된다.
도 3 은 각각이 그것의 외형(geometry) 과 국소적인 기체압력으로 정의되는 특성을 갖는 유한 개의 도전(conductance) 서브시스템에 의해 시스템을 대표함으로써 척과 웨이퍼 사이의 기체 유동을 수치적으로 모델링하여 얻어지는 결과를 나타낸다. 상기 기체 유동은 회로이론으로부터의 키르히호프 방정식에 기초한 일련의 도전 방정식으로부터 결정된다. 그래프는 2 개의 상이하게 구성된 척에 대한 웨이퍼 아래의 헬륨 압력의 수치적인 모델링 결과를 비교하며, 여기서 2개의 척 중 하나는 단일 중심 기체 도입구를 갖고, 다른 하나는 림 (4) 이 내부에 위치되는 기체 도입구 (즉, 도입구 (14)) 들의 환형 어레이를 갖는다. 헬륨 압력 (Torr) 은 세로축에 나타내고, 웨이퍼 척의 반경 (m) 은 가로축에 나타낸다. 모델링용 입력 파라미터는 다음과 같다, 단일 기체 도입구를 갖는 척에 대한 도입구 압력은 46 Torr, 0.120 m 의 반경에 위치되는 도입구들의 환형 어레이를 갖는 척에 대해서는 11.2 Torr, 호스와 다기관을 통해 배출구 (6) 에 접속된 진공펌프 (31) 에서의 압력은 0.01 Torr 이다. 척을 둘러싸는 진공 챔버가 1000 ℓ/sec 의 펌핑 스피드를 갖는 진공펌프에 부착되어 있다. 도 3 에서, 웨이퍼 바닥과 내부의 환형 밀봉 (4) 사이의 2 미크론의 갭이 가정되었다. 단일 중심 기체 도입구를 포함하는 척으로 유지된 웨이퍼 아래의 헬륨 압력 분포 (50) 는 균일하지 않다.중심 기체 도입구 쪽으로 압력이 더 높고, 외측 주변부 쪽으로 더 낮으며, 각각 46 Torr 와 10 Torr 의 압력이다. 이러한 불균일한 압력분포는 웨이퍼를 가로지르는 열이동의 불균일을 초래한다 (2개의 파라미터 사이에 직접적인 관계가 존재한다). 그 결과, 웨이퍼가 불균일하게 냉각된다.
기체 도입구 (14) 들의 환형 어레이를 갖는 웨이퍼 척에 있어서, 헬륨 압력 분포는, 웨이퍼의 중심으로부터 에지쪽으로 측정할 때, 거의 0.135 m 의 거리에서, 웨이퍼의 중심으로부터 내측 림 (4) 까지 거의 균일하다. 거의 0.135 m 를 넘어서, 헬륨 압력은 서서히 진공 배출구 (6) 에서의 압력까지 감소한다. 예시된 바와 같이, 부가적인 기체 도입구들의 환형 어레이에 의해 척은 대부분의 웨이퍼 표면을 가로질러 균일한 압력의 헬륨 기체를 제공할 수 있으며, 이것은 차례로 균일하게 열을 이동시킨다. 열이동은 환형의 기체 도입구 (14) 의 반경보다 큰 반경에 대해 감소하기 시작하며, 그렇게 영향을 받는 웨이퍼의 영역은 겨우 전체의 몇 퍼센트 정도이다. 이것은 도입구 (14) 들의 환형 어레이 및 내측 림 (4) 을 웨이퍼의 에지에 가능한 한 가깝게 위치시킴으로써 더욱 감소될 수 있다.
도 4 는 각각이 그것의 외형과 국소적인 기체압력으로 정의되는 특성을 갖는 유한 개의 도전 서브시스템에 의해 시스템을 대표함으로써 다양한 외형 및 동작 압력 조건에서의 척을 수치적으로 모델링하여 얻어지는 결과를 나타낸다. 기체 유동은 키르히호프 방정식에 기초한 일련의 방정식으로부터 결정된다. 그래프는 에어 베어링 갭, 내측/외측 환형 림 반경방향의 두께, 및 웨이퍼 척의 환형 배출구에 대한 펌프 압력을 변화시키는 상황들에 대한 진공 챔버 내부로의 냉각 기체의누출의 결과를 나타낸다. 웨이퍼 척은 1000 ℓ/sec 펌프에 의해 펌프된 진공 챔버내에 놓였다. 헬륨 압력은 10 Torr 로 설정되었고, 내측 및 외측 환형 두께는 1 mm 또는 5 mm 로 설정되었다. 웨이퍼 하부와 척 사이의 갭 (미크론) 은 가로축에 나타내고, 얻어지는 챔버 압력 (Torr) 은 세로축에 나타낸다. 플롯 46은, 5 mm 의 림 두께 및 진공펌프에서의 0.01 Torr 의 헬륨 배출 압력에 있어서, 웨이퍼와 림 사이의 갭이 1 ㎛ 에서 5 ㎛ 로 증가함에 따라, 진공 챔버 압력이 1.0 ×10-8Torr 미만에서 1.0 ×10-6Torr 이상으로 증가함을 도시하며, 진공 챔버 내부로의 보다 높은 냉각 기체 누출을 나타내고 있다. 데이터 포인트 48 은, 5 ㎛ 의 웨이퍼 갭에서 림 두께는 동일하고, 진공 펌프가 없을 때, 챔버 압력이 1.0 ×10-3Torr 이상으로 증가함을 도시하며, 이것은 배출구가 사용될 때보다 챔버 내부로의 보다 높은 누출속도를 나타낸다. 환형 림 두께가 1 mm 로 줄어들고, 배출 압력이 0.01 Torr 로 설정되었을 때, 챔버 압력은 1 ㎛ 갭에서 약 1.0 ×10-7Torr 이고, 갭이 증가함에 따라 챔버 압력이 증가한다(플롯 42 참조). 림 두께가 여전히 1 mm 이고, 배출구가 없고, 웨이퍼 갭이 1 ㎛ 일 때, 챔버 압력은 거의 4.0 ×10-6Torr 까지 증가한다(데이터 포인트 40 참조). 림 두께가 1 mm 이고, 배출압력이 0.001 Torr 이고, 갭이 2.1 ㎛ 일 때, 챔버 압력은 거의 1.6 ×10-6Torr 이다(플롯 44 참조). 보다 낮은 배출 압력은 챔버 압력에 거의 영향을 주지 않는다(플롯 42 와 비교).
이러한 수치적인 모델링으로부터의 데이터는, 다른 파라미터가 상수일 때, 웨이퍼와 내측/외측 림 사이의 갭이 증가함에 따라, 헬륨 기체 누출도 증가함을 나타낸다. 이것은 갭이 클수록 기체가 빠져나가는 단면적이 커지는 결과이다. 두번째로, 림의 환형 두께가 증가함에 따라, 누출이 증가하는데, 그 이유는 기체 베어링 밀봉으로서 기능하는 림 표면적이 증가하기 때문이다. 마지막으로, 배출압력의 감소는 헬륨 누출을 감소시키는데, 그 이유는 대응하여 감소된 환형 채널 (20) 내의 압력이 환형 채널 (20) 로부터 밀봉 (24) 을 가로질러 챔버로의 기체의 유동을 감소시키기 때문이다. 이들 상이한 요소들이 특별한 응용을 위한 최적의 척 구성을 설계할 때 참고로 사용될 수 있다.
배출구 (6) 에 부착되는 진공 펌프 (31) 에 대한 필요조건은 거의 요구되지 않는다. 도 3 에 나타낸 조건하에서 펌프로의 기체 처리량(throughput)은 0.0056 Torr-ℓ/sec 이다. 펌프의 입구에서의 압력을 0.01 Torr 로 유지하기 위해, 대략 0.0056/0.01 = 0.56 ℓ/sec 의 펌프 스피드가 요구된다. 이 스피드는 상업용 펌프에 의해 용이하게 달성된다.
배출구 (6) 및 진공 챔버로 빠져나가는 기체는 소스(source)로 치환되어야 하며, 그렇지 않으면 척내의 기체 압력 및 열전도성이 시간에 따라 감소될 것이다. 척 (Pchuck) 내의 기체 압력이 진공펌프 압력보다 훨씬 크다고 가정하면, 척으로부터의 기체 유동은 CPchuck 에 의해 근사될 수 있으며, 여기서 C 는 내측 환형 밀봉 (4) 의 컨덕턴스이다. V 가 웨이퍼 하부와 척의 상부 사이의 He 기체의 부피라면, 기체 소스의 부재시, 기체압력이 시간 t 따라 exp[-Ct/V] 로 감소될 것이다.이러한 관계식은 예를 들어, John F. O'Hanlon 의 "A User's Guide to Vacuum Technology" 에 기재되어 있다. 도 3 에 나타낸 조건하에서, 컨덕턴스는 거의 0.00057 ℓ/sec 이고, 부피는 거의 0.00057 ℓ이다. 결국 압력이 초기값의 e-1까지 감소하는데 걸리는 시간인 시간 상수 V/C 는 겨우 1 초이다. 이것은 프로세싱 동작을 위한 시간으로 너무 짧고, 그래서 압력을 일정하게 유지하기 위해 기체 소스가 요구된다.
요약하면, 본 발명은, 기체 도입구들의 어레이를 포함하는 압력 분배 그루브를 사용함으로써, 정전기 척에 의해 유지된 웨이퍼에 균일한 압력의 냉각 기체를 공급하는 방법을 제공한다. 균일한 압력의 냉각 기체에 의해 웨이퍼가 균일하게 냉각되고, 이것은 웨이퍼 프로세싱 단계에서 중요하다. 웨이퍼 온도를 균일하게 함으로써, 웨이퍼 상에 형성된 형상물의 왜곡이 감소될 수 있다. 진공 배출구와 관련되는 내측 림 및 외측 림에 의해 냉각 기체의 누출을 감소시킬 수 있고, 이것은 10-6Torr 이하의 진공압력을 요구하는 챔버 조건에서 척이 효과적으로 동작할 수 있게 한다.
본 발명이 배치될 수 있는 다양한 종류의 리소그래피 장치가 있다. 도 5 를 참조하면, 리소그래피 장치의 일례로서, 전자총 (50), 조명계 (54), 레티클 스테이지 (58), 웨이퍼 스테이지 (70) 및 투영계 (60) 를 구비하는 전자빔 리소그래피 장치가 있다. 조명광학계 (54) 가, 하전조명빔 (52) 으로, 기판 (66) 에 전사될 패턴을 정의하는 레티클 (56) 의 영역을 조명하도록 위치되어 있다. 레티클 스테이지 (58) 는 조명빔 (52) 의 경로에서 레티클 (56) 을 유지하여 이동시키도록 위치되어 있다(레티클을 통과하는 조명빔은 조명된 영역의 이미지를 운반한다). 웨이퍼 스테이지 (70) 는 본 발명에 따른 기체 냉각 정전기 핀 척 (예시된 실시예에서의 핀 척 (68)) 을 지지하며, 조명빔 (52) 에 의한 레티클 패턴을 갖는 노광용 기판 (66) 을 유지하여 이동시키도록 위치되어 있다. 핀 척 (68) 은 도 2 에 개략적으로 나타낸 적절한 연추(plumbing) 와 밸브에 의해 기체 소스 (32) 와 진공 펌프 (31) 에 접속되어 있다. 조명계 (60) 는 레티클 스테이지 (58) 와 웨이퍼 스테이지 (70) 사이에 위치되며, 레티클의 이미지를 기판 (66) 의 노광면에 투영한다. 투영계 (60) 는, 빔을 편향시켜 노광면 상의 패턴화된 빔에 의해 노광되는 영역을 증가시키도록 위치된 전자기 편향기 (2 개의 축으로 빔 편향을 제어하는 복수의 편향기 플레이트를 포함) 를 구비한다. 투영계 (60) 는 또한, 웨이퍼 스테이지 (70) 또는 레티클 스테이지 (58) 또는 양쪽 스테이지의 위치 에러를 수정하기 위해 패턴화된 빔을 충분히 편향시키고, 그럼으로써 노광면 상의 패턴 전사 위치를 조정하는 정전기 편향기 (64) 도 포함한다. 상기 장치는 또한, 조명계 (54), 투영계 (60), 레티클 스테이지 (58), 웨이퍼 스테이지 (70), 전자기 편향기 (62), 정전기 편향기 (64), 진공 펌프 (31) 및 기체 소스 (32) 와 관련된 밸브들의 동작을 제어하는 제어기 (72) 도 포함한다.
제어기 (72) 는, 기판 (66) 의 표면 상에 패턴화된 빔을 노광 샷하는 동안 끊임없이 웨이퍼 스테이지 (70) 를 이동시키고, 노광 샷 동안의 패턴 전사 위치를 수정하기 위해 노광 샷 동안 정전기 편향기 (64) 에 에너지를 가한다. 비록 설명된 본 발명이 상술된 전자빔 리소그래피 장치와 같은 진공 프로세싱 시스템용 기체 냉각 척에 초점을 맞추었지만, 상기 척은 비진공 프로세싱 시스템에도 사용될 수 있다.
또한, 도 6 에 일반적으로 도시된 프로세스에 의해, 상술된 시스템을 사용하여 반도체 장치들이 제조될 수 있다. 단계 701 에서, 장치의 기능 및 성능 특성이 설계된다. 다음으로, 단계 702 에서, 패턴을 갖는 마스크 (레티클) 이 이전의 설계 단계에 따라 설계되고, 병렬 단계 703 에서, 실리콘 재료로부터 웨이퍼가 만들어진다. 단계 702 에서 설계된 마스크 패턴이, 단계 704 에서, 본 발명에 따라 상술된 리소그래피 시스템에 의해 단계 703 으로부터의 웨이퍼 상에 노광된다. 단계 705 에서, 반도체 장치가 조립되고(다이싱 공정, 본딩 공정 및 패키징 공정을 포함), 그 후 최종적으로 단계 706 에서 장치가 검사된다.
도 7 은 반도체 장치를 제조하는 경우에 상술된 단계 704 의 상세한 플로우 차트 예를 나타낸다. 도 7 에 있어서, 단계 711 (산화 단계)에서, 웨이퍼 표면이 산화된다. 단계 712 (CVD 단계) 에서, 절연막이 웨이퍼 표면 상에 형성된다. 단계 713 (전극 형성 단계)에서, 기상증착에 의해 웨이퍼 상에 전극들이 형성된다. 단계 714 (이온 주입 단계) 에서, 이온들이 웨이퍼 내에 주입된다. 상술된 단계 711 - 714 는 웨이퍼 프로세싱 동안 웨이퍼에 대한 전처리 단계를 형성하고, 프로세싱 요구에 따라 각 단계가 선택된다.
웨이퍼 프로세싱의 각 단계에서, 상술된 전처리 단계들이 완료되면, 다음의 후처리 단계들이 실시된다. 후처리 동안, 먼저, 단계 715 (포토레지스트 형성단계)에서, 포토레지스트가 웨이퍼 상에 도포된다. 다음으로, 단계 716 (노광 단계)에서, 상술된 노광장치가 사용되어 마스크 (레티클) 의 회로 패턴을 웨이퍼로 전사한다. 그 다음에, 단계 717 (현상 단계)에서, 노광된 웨이퍼가 형성되고, 단계 718 (에칭 단계)에서, 잔류하는 포토레지스트 (노광된 재료 표면) 이외의 부분이 에칭에 의해 제거된다. 단계 719 (포토레지스트 제거 단계)에서, 에칭 후에 남는 불필요한 포토레지스트가 제거된다.
이들 전처리 단계와 후처리 단계를 반복함으로써 다중 회로 패턴이 형성된다.
본 발명의 범위와 정신에서 벗어남이 없이, 포토레지스트 시스템은 여기에 도시된 것과 상이할 수도 있고, 다른 종류의 노광장치가 본 발명의 핀 척으로 구현될 수도 있다.
비록 본 발명이 바람직한 실시예에 따라 설명되었지만, 당업자에게 본 발명의 범위와 정신에서 벗어남이 없이 다양한 변형 및 개선이 이루어질 수 있음은 자명하다. 따라서, 설명된 발명은 단지 예시적인 것으로 간주되며, 첨부된 청구범위에 기재된 범위에만 한정된다.
상술에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 기체 도입구들의 어레이를 포함하는 압력 분배 그루브를 사용함으로써, 정전기 척에 의해 유지된 웨이퍼에 균일한 압력의 냉각 기체를 공급하는 방법을 제공한다. 균일한 압력의 냉각 기체에 의해 웨이퍼가 균일하게 냉각되므로, 웨이퍼 상에 형성된 형상물의 왜곡을 감소시킬수 있다. 또한, 내측 림 및 외측 림에 의해 냉각 기체의 누출을 감소시킬 수 있으므로, 10-6Torr 이하의 진공압력을 요구하는 챔버 조건에서 척을 효과적으로 동작시킬 수 있다.

Claims (13)

  1. 프로세싱용 기판을 지지하는 척으로서,
    상부면을 갖는 베이스;
    상기 상부면으로부터 연장하며 상기 기판을 지지하는 복수의 지지핀;
    상기 기판 아래의 상기 베이스의 중심부 또는 근방에 위치된 기체 도입구; 및
    상기 베이스의 상기 중심부 둘레와 상기 베이스의 상기 상부면 상에 위치된 기체 도입구들의 환형 어레이를 구비하며,
    상기 환형 어레이의 위치는 상기 기체 도입구를 통과하는 기체의 분포가 상기 기판 아래에 상대적으로 균일한 기체압력을 생성하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 척.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 어레이가 위치되는 상기 베이스내에 정의된 그루브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 척.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스의 주변부 쪽으로 위치된 오프닝들의 환형 세트를 더 구비하며;
    상기 기체는 상기 상부면과 상기 기판과의 사이의 공간으로부터 오프닝들의상기 환형 세트를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 척.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 베이스의 상기 주변부 쪽으로 위치된 환형 림을 더 구비하며,
    상기 림의 높이는 상기 지지핀의 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 척.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 환형 림은 상기 환형 어레이의 외부를 제외하고 상기 베이스의 상기 주변부 쪽으로 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 척.
  6. 프로세싱 동안 척에 의해 지지되는 기판의 온도를 제어하는 방법으로서,
    상기 기판 아래의 상기 척의 중심부 또는 근방에 기체를 주입하는 단계; 및
    상기 기판 아래의 상기 척의 중심부 둘레에 위치된 기체 도입구들의 환형 어레이를 통해 상기 기체를 주입하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 기판의 온도 제어방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 척의 주변부에서 상기 기체를 배출하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기판의 온도 제어방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 척 상의 핀 구조물 상에 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 기판의 온도 제어방법.
  9. 프로세싱용 기판을 지지하는 척으로서, 상부면을 갖는 베이스; 상기 상부면으로부터 연장하며 상기 기판을 지지하는 복수의 지지핀; 상기 기판 아래의 상기 베이스의 중심부 또는 근방에 위치된 기체 도입구; 및 상기 베이스의 상기 중심부 둘레와 상기 베이스의 상기 상부면 상에 위치된 기체 도입구들의 환형 어레이를 구비하며, 상기 기체 도입구를 통과하는 기체의 분포가 상기 기판 아래에 상대적으로 균일한 기체압력을 생성하도록 상기 환형 어레이의 위치가 선택되는, 상기 척;
    상기 척에 접속되어 상기 척을 이동시키는 모터; 및
    상기 모터의 움직임을 제어하는 제어계를 구비하는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치.
  10. 복사 에너지를 조사하는 조명계; 및
    상기 복사 에너지의 경로 상에 배치된 기판을 이동시키는, 제 9 항에 기재된 스테이지 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 조명계는 하전빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 하전빔은 전자빔인 것을 특징으로 하는 리소그래피 시스템.
  13. 제 10 항에 기재된 리소그래피 시스템에 의해 이미지가 형성되는 있는 디바이스.
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