KR20030088641A - Thermocouple for measuring the temperature of a semiconductor substrate and apparatus for controlling the temperature of a semiconductor substrate having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 기판의 온도를 감지하기 위한 온도 센서와 이를 갖는 제어 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 반도체 기판의 온도를 감지하기 위한 열전대와 상기 열전대에 의해 측정된 반도체 기판의 온도에 따라 반도체 기판의 온도를 제어하는 반도체 기판 온도 제어 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a temperature sensor for sensing a temperature of a semiconductor substrate and a control device having the same. More specifically, the present invention relates to a thermocouple for sensing the temperature of the semiconductor substrate and a semiconductor substrate temperature control device for controlling the temperature of the semiconductor substrate in accordance with the temperature of the semiconductor substrate measured by the thermocouple.
근래에 반도체 장치의 미세화 및 대용량화에 따른 반도체 가공기술은 가공 반도체 기판의 대구경화, 반도체 공정장치의 매엽화 및 건식 공정으로 진행됨에 따라 반도체 기판 가공시 챔버 내에서 반도체 기판을 고정하는 방법도 크게 변하였다.In recent years, as semiconductor processing technology has progressed due to the miniaturization and large capacity of semiconductor devices, the process of fixing semiconductor substrates in a chamber during processing of semiconductor substrates has changed drastically due to the large diameter of the processed semiconductor substrate, the sheeting of the semiconductor processing equipment, and the dry process. It was.
이전까지는 클램프나 진공척으로 반도체 기판을 단순하게 고정하는 정도였으나, 근래에는 반도체 기판을 척에 밀착시켜 반도체 기판의 균일 온도 유지를 목적으로 척과 반도체 기판 사이에 헬륨을 제공할 수 있는 정전척이 적용되고 있다. 또한, 정전척의 사용범위는 식각 공정에서 화학기상증착 공정, 스퍼터링(sputtering) 공정, 이온 주입(ion implantation) 공정 등으로 확대되어 반도체 기판 가공 장치의 모든 분야에 적용되고 있다.Previously, clamping or vacuum chucks simply secured the semiconductor substrate, but in recent years, an electrostatic chuck that can provide helium between the chuck and the semiconductor substrate is applied to keep the semiconductor substrate in close contact with the chuck. It is becoming. In addition, the use range of the electrostatic chuck is extended to the chemical vapor deposition process, the sputtering process, the ion implantation (ion implantation) process, etc. in the etching process is applied to all fields of the semiconductor substrate processing apparatus.
상기 정전척의 상부면에는 반도체 기판의 가공 공정의 진행 도중에 반도체 기판의 온도를 균일하게 유지하기 위한 헬륨 가스가 제공되는 헬륨 가스 유동경로가 형성되어 있다. 상기 헬륨 가스는 반도체 기판의 이면과 접촉되어 반도체 기판의 온도를 균일하게 유지시킨다.An upper surface of the electrostatic chuck is provided with a helium gas flow path through which helium gas is provided to maintain a uniform temperature of the semiconductor substrate during the processing of the semiconductor substrate. The helium gas is in contact with the back surface of the semiconductor substrate to maintain a uniform temperature of the semiconductor substrate.
반도체 기판의 온도가 부위별로 불균일한 경우 메탈 에지(Metal Edge)공정의 경우 메탈 라인의 티닝(thinning) 등과 같은 현상이 발생하여 반도체 장치의 성능이 저하된다. 상기와 같은 반도체 기판의 온도 불균일 현상은 주로 반도체 기판의 에지 부위에서 발생하고 있으며, 이는 반도체 기판의 에지 부위와 접촉되는 헬륨의 공급 유량과 정전척 또는 그 하부의 캐소드 온도에 크게 영향을 받는다.In the case where the temperature of the semiconductor substrate is uneven for each part, in the metal edge process, a phenomenon such as thinning of the metal line occurs and the performance of the semiconductor device is degraded. The temperature non-uniformity phenomenon of the semiconductor substrate is mainly generated at the edge portion of the semiconductor substrate, which is greatly affected by the supply flow rate of helium in contact with the edge portion of the semiconductor substrate and the cathode temperature of the electrostatic chuck or lower portion thereof.
일반적으로 반도체 기판이 놓여지는 정전척의 하부에는 캐소드가 구비되어 있고, 헬륨 가스는 캐소드와 정전척을 통해 정전척의 상부면에 형성된 헬륨 가스 유동경로로 공급된다. 헬륨 가스 유동경로는 정전척의 상부면 중앙 부위로부터 에지 부위를 전체적으로 연결하며, 헬륨 가스는 반도체 기판의 이면과 접촉되어 반도체 기판을 냉각시킨다.In general, a cathode is provided below the electrostatic chuck on which the semiconductor substrate is placed, and helium gas is supplied to the helium gas flow path formed on the upper surface of the electrostatic chuck through the cathode and the electrostatic chuck. The helium gas flow path entirely connects the edge portion from the center portion of the upper surface of the electrostatic chuck, and the helium gas is in contact with the back surface of the semiconductor substrate to cool the semiconductor substrate.
상기와 같은 방법으로 반도체 기판의 온도를 제어하는 장치의 일 예는 미합중국 특허 제5,937,541호(issued to Weigand, et al)에 개시되어 있으며, 대한민국 특허공개 제2001-0027640호와 대한민국 특허공개 제 2000-0021299호에 개시되어 있다. 상기 미합중국 특허에 의하면, 척을 통해 반도체 기판과 척의 상부면 사이에 헬륨 가스가 제공되며, 반도체 기판의 온도는 상기 헬륨 가스의 유량 및 압력의 제어에 의해 일정하게 유지된다.An example of an apparatus for controlling the temperature of a semiconductor substrate in the above manner is disclosed in US Patent No. 5,937,541 (issued to Weigand, et al), and Korean Patent Publication No. 2001-0027640 and Korean Patent Publication No. 2000- 0021299. According to the above-mentioned US patent, helium gas is provided between the semiconductor substrate and the upper surface of the chuck through the chuck, and the temperature of the semiconductor substrate is kept constant by the control of the flow rate and pressure of the helium gas.
도 1은 종래의 정전척을 설명하기 위한 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 정전척에 반도체 기판이 고정된 상태를 나타내는 단면도이다.1 is a plan view for explaining a conventional electrostatic chuck, Figure 2 is a cross-sectional view showing a state in which a semiconductor substrate is fixed to the electrostatic chuck shown in FIG.
도 1 및 도 2를 참조하면, 반도체 기판(10)이 놓여지는 정전척(100)의 상부면 중앙 부위에는 헬륨 가스가 공급되는 제1홀(102)이 형성되어 있고, 에지 부위에는 헬륨 가스가 공급되는 다수개의 제2홀(104)들이 형성되어 있다. 제1홀(102)과 제2홀(104)들은 정전척(100)의 상부면에 형성된 유동경로(106)에 의해 서로 연결되며, 유동경로(106)는 그루브(groove) 형상으로 형성된다. 반도체 기판(10)이 정전척(100)에 놓여지게 되면, 반도체 기판(10)의 이면과 유동경로(106)는 헬륨 가스의 유동 라인으로 형성되며, 제1홀(102)과 제2홀(104)들을 통해 헬륨 가스가 공급된다. 이때, 제2홀(104)들을 통해 공급되는 헬륨 가스의 유량은 제1홀(102)을 통해 공급되는 헬륨 가스의 유량보다 작다. 이는 제2홀(104)들과 연결되는 헬륨 공급 라인(108b)의 길이가 제1홀(102)과 연결되는 헬륨 공급 라인(108a)보다 길기 때문이다. 이에 따라, 반도체 기판(10)의 온도는 중앙 부위가 에지 부위보다 놓게 형성되며, 이는 반도체 기판(10)의 가공 공정 에러를 발생시킨다.1 and 2, a first hole 102 through which helium gas is supplied is formed in a central portion of the upper surface of the electrostatic chuck 100 on which the semiconductor substrate 10 is placed. A plurality of second holes 104 to be supplied are formed. The first hole 102 and the second hole 104 are connected to each other by a flow path 106 formed on the upper surface of the electrostatic chuck 100, the flow path 106 is formed in a groove (groove) shape. When the semiconductor substrate 10 is placed on the electrostatic chuck 100, the back surface and the flow path 106 of the semiconductor substrate 10 are formed as a flow line of helium gas, and the first hole 102 and the second hole ( Helium gas is supplied via 104. In this case, the flow rate of helium gas supplied through the second holes 104 is smaller than the flow rate of helium gas supplied through the first hole 102. This is because the length of the helium supply line 108b connected to the second holes 104 is longer than the helium supply line 108a connected to the first hole 102. As a result, the temperature of the semiconductor substrate 10 is formed so that the central portion of the semiconductor substrate 10 is larger than the edge portion, which causes a machining process error of the semiconductor substrate 10.
상기와 같이 반도체 기판의 온도 불균일을 방지하기 위해 최근에는 반도체 기판의 중앙 부위와 에지 부위를 구분하여 헬륨 가스를 공급하고, 헬륨 가스의 공급 유량을 각각 조절하는 듀얼 타입의 온도 제어 방법이 적용되고 있다. 그러나, 근본적으로 급변하는 챔버 내부의 온도 변화에 따라 불균일하게 형성되는 반도체 기판의 온도를 균일하게 유지하는 것은 매우 어렵다.In order to prevent temperature unevenness of the semiconductor substrate as described above, in recent years, a dual type temperature control method for supplying helium gas by dividing the central portion and the edge portion of the semiconductor substrate and adjusting the supply flow rate of the helium gas has been applied. . However, it is very difficult to maintain uniformly the temperature of the semiconductor substrate which is formed non-uniformly with the temperature change inside the radically changing chamber.
또한, 반도체 기판 가공 장치에서 모니터링하는 온도는 반도체 기판의 온도가 아니라 하부 캐소드를 통하여 온도를 조절하는 칠러(Chiller)의 온도를 측정하는 것이므로, 칠러의 온도를 모니터링하는 방법으로는 급격하게 변화하는 플라즈마 챔버에서 반도체 기판의 온도를 전체적으로 균일하게 유지하는 것은 매우 어렵다.In addition, since the temperature monitored by the semiconductor substrate processing apparatus is not the temperature of the semiconductor substrate, but the temperature of the chiller that adjusts the temperature through the lower cathode, the rapidly changing plasma is monitored by the method of monitoring the chiller temperature. It is very difficult to maintain a uniform temperature throughout the semiconductor substrate in the chamber.
한편, 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 최근 칠러의 온도가 아닌 정전척에 온도센서를 삽입하여 상기 조건을 조절하고 있다. 그 예로 증착 공정 진행 시 반도체 기판의 온도를 파이로미터(Pyrometer)라는 온도센서를 이용하여 측정하고 있다. 상기 파이로미터라는 온도센서는 일반적으로 정전척의 중앙 하부에 존재하며, 정전척의 중앙을 관통한 통로를 통하여 광을 조사하여 반도체 기판의 온도를 측정하는 장치이다. 그러나, 상기 파이로미터는 일반적으로 매우 고온에서는 정확한 온도측정이 가능하나 몇 백℃ 정도의 범위에서는 그 정도가 정확하지 못하여 오차가 큰 단점이 있다.On the other hand, in order to solve such a problem, the temperature is inserted into the electrostatic chuck rather than the temperature of the chiller recently to adjust the above conditions. For example, during the deposition process, the temperature of a semiconductor substrate is measured using a temperature sensor called a pyrometer. The temperature sensor, called a pyrometer, is generally located below the center of the electrostatic chuck, and is a device for measuring the temperature of the semiconductor substrate by irradiating light through a passage passing through the center of the electrostatic chuck. However, the pyrometer is generally capable of accurate temperature measurement at a very high temperature, but in the range of about several hundred degrees Celsius, the degree is not accurate and has a large error.
도 3은 종래의 정전척에 안착된 반도체 기판의 온도제어장치를 설명하기 위한 단면도이다.3 is a cross-sectional view for explaining a temperature control apparatus of a semiconductor substrate mounted on a conventional electrostatic chuck.
도 3을 참조하면, 정전척(200)을 구성하는 알루미늄 베이스(210)에 온도센서(220)를 위치시켜 알루미늄 베이스(210)의 온도를 측정하는 온도제어장치가 도시되어 있다. 그러나 알루미늄 베이스(210)의 온도측정만으로는 반도체 기판(10)상에서 변하고 있는 온도의 변화를 모니터링하는 것은 불가능하다.Referring to FIG. 3, there is shown a temperature control device for measuring the temperature of the aluminum base 210 by placing the temperature sensor 220 on the aluminum base 210 constituting the electrostatic chuck 200. However, it is impossible to monitor the change in temperature on the semiconductor substrate 10 only by measuring the temperature of the aluminum base 210.
상기와 같이 정전척의 알루미늄 베이스의 온도를 측정하여 반도체 기판의 온도를 조절하는 방법은 칠러의 온도를 측정하여 반도체 기판의 온도를 조절하는 것보다는 온도 조정 능력이 우수하지만, 실질적으로 알루미늄 베이스의 온도 변화를측정하여 반도체 기판의 온도를 균일하게 유지하는 것은 불가능한 실정이다. 즉, 급변하는 반도체 기판의 온도를 실시간으로 측정하지 못한다는 문제점은 반도체 기판의 온도를 균일하게 유지하지 못한다는 문제점을 이어진다.As described above, the method of controlling the temperature of the semiconductor substrate by measuring the temperature of the aluminum base of the electrostatic chuck has better temperature control ability than measuring the temperature of the semiconductor substrate by measuring the temperature of the chiller, but substantially changes in the temperature of the aluminum base. It is impossible to keep the temperature of the semiconductor substrate uniform by measuring the temperature. That is, the problem that the temperature of the rapidly changing semiconductor substrate cannot be measured in real time leads to the problem of not maintaining the temperature of the semiconductor substrate uniformly.
상기와 같이 반도체 기판의 온도가 불균일한 경우, 증착 공정에서 반도체 기판에 형성되는 막의 특성이 불균일해지는 문제점, 식각 공정에서 반도체 기판의 부위별 식각량이 상이하게 나타난다는 문제점 등을 발생시킨다.As described above, when the temperature of the semiconductor substrate is nonuniform, there is a problem in that the characteristics of the film formed on the semiconductor substrate in the deposition process are uneven, and the etching amount for each part of the semiconductor substrate is different in the etching process.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1목적은 반도체 기판의 온도를 실시간으로 측정할 수 있는 열전대를 제공하는데 있다.A first object of the present invention for solving the above problems is to provide a thermocouple capable of measuring the temperature of the semiconductor substrate in real time.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제2목적은 반도체 기판의 온도를 실시간으로 측정하고, 이에 따라 반도체 기판의 온도를 균일하게 제어하는 반도체 기판 온도 제어 장치를 제공하는데 있다.A second object of the present invention for solving the above problems is to provide a semiconductor substrate temperature control device for measuring the temperature of the semiconductor substrate in real time, thereby uniformly controlling the temperature of the semiconductor substrate.
도 1은 종래 정전척의 정면도이다.1 is a front view of a conventional electrostatic chuck.
도 2는 상기 도 1에 도시된 정전척에 반도체 기판이 고정된 상태를 나타내는 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a state in which a semiconductor substrate is fixed to the electrostatic chuck illustrated in FIG. 1.
도 3은 종래의 다른 정전척의 온도제어장치의 구성을 나타내는 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing the configuration of another conventional temperature control device of an electrostatic chuck.
도 4는 본 발명에 바람직한 실시예에 따른 온도감지장치를 나타낸 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing a temperature sensing device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 기판의 온도제어장치를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining a temperature control device of a semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
300 : 반도체 기판 온도 제어 장치300: semiconductor substrate temperature control device
310 : 정전척312 : 온도조절가스 유동 경로310: electrostatic chuck 312: temperature control gas flow path
314 : 알루미늄 베이스316 : 세라믹 플레이트314: aluminum base 316: ceramic plate
320 : 열전대322 : 측온 접점320: thermocouple 322: temperature contact
324 : 코팅층326 : 고정 부재324: coating layer 326: fixing member
330 : 온도 제어부340 : 온도조절가스 제공부330: temperature control unit 340: temperature control gas providing unit
350 : 밀봉 부재350: sealing member
상기 제1목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the first object,
반도체 기판의 온도를 측정하기 위한 열전대(thermocouple)에 있어서,In a thermocouple for measuring the temperature of a semiconductor substrate,
상기 열전대의 측온접점 부위에는 상기 반도체 기판과 접촉되며, 탄소 결정체로 이루어지는 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 기판의 온도를 측정하기 위한 열전대를 제공한다.The thermocouple for measuring the temperature of the semiconductor substrate, characterized in that the coating layer made of carbon crystals in contact with the semiconductor substrate at the temperature-contacting portion of the thermocouple.
상기 제2목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the second object,
반도체 기판이 놓여지고, 상기 반도체 기판이 놓여지는 일면에는 상기 반도체 기판의 온도를 조절하기 위한 온도조절가스의 유동경로가 형성되어 있는 척과,A chuck, on which a semiconductor substrate is placed, on which one surface on which the semiconductor substrate is placed is formed a flow path of a temperature regulating gas for controlling the temperature of the semiconductor substrate;
상기 척에 놓여진 반도체 기판과 접촉되도록 상기 척을 관통하여 설치되는 열전대와,A thermocouple installed through the chuck to be in contact with the semiconductor substrate placed on the chuck;
상기 열전대로부터 측정된 상기 반도체 기판의 온도에 따라 상기 온도조절가스의 공급량을 제어하는 온도 제어부를 포함하며,It includes a temperature control unit for controlling the supply amount of the temperature control gas in accordance with the temperature of the semiconductor substrate measured from the thermocouple,
상기 열전대의 측온접점 부위에는 상기 반도체 기판과 접촉되며, 탄소 결정체로 이루어지는 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 기판 온도 제어 장치를 제공한다.Provided is a semiconductor substrate temperature control device, wherein the thermocouple is in contact with the semiconductor substrate, and a coating layer made of carbon crystals is formed in the thermocouple contact portion.
상기 코팅층은 400[W/(mㆍK)] 이상의 열전도율을 갖는 디엘씨(DLC ; Diamond Like Carbon) 또는 화학기상증착 다이아몬드로 이루어지는 것이 바람직하다. 따라서, 반도체 기판의 온도 측정이 실시간으로 수행되며, 상기 측정된 반도체 기판의 온도에 따라 온도조절가스의 유량을 제어함으로서 반도체 기판의 온도를 균일하게 유지할 수 있다.The coating layer is preferably made of Diamond Like Carbon (DLC) or chemical vapor deposition diamond having a thermal conductivity of 400 [W / (m · K)] or more. Therefore, the temperature measurement of the semiconductor substrate is performed in real time, and the temperature of the semiconductor substrate can be maintained uniformly by controlling the flow rate of the temperature regulating gas according to the measured temperature of the semiconductor substrate.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라서 더욱 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열전대를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.4 is a schematic diagram illustrating a thermocouple according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 도시된 열전대(320)의 측온접점(322) 부위에는 탄소 결정체로 이루어지는 코팅층(324)이 형성되어 있다. 코팅층(324)은 반도체 기판과 접촉되어 반도체 기판의 온도를 실시간으로 열전대(320)의 측온접점(322) 부위로 전달한다. 코팅층(324)은 디엘씨 또는 화학기상증착 다이아몬드로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 디엘씨 또는 화학기상증착 다이아몬드에 대하여는 이후에 상세히 설명하기로 한다.Referring to FIG. 4, a coating layer 324 made of carbon crystals is formed at a portion of the temperature contact point 322 of the thermocouple 320. The coating layer 324 is in contact with the semiconductor substrate to transfer the temperature of the semiconductor substrate to the temperature-contacting point 322 of the thermocouple 320 in real time. The coating layer 324 is preferably made of DLC or chemical vapor deposition diamond. The DL or chemical vapor deposition diamond will be described later in detail.
일반적으로 열전대(320)는 온도를 측정하기 위한 온도계의 일종이며, 두 종류의 서로 다른 금속선의 한끝을 용접하여 개회로를 만들고 그 접합부의 접속단을 측온접점(322), 도선 또는 계기와의 접속단을 기준접점(미도시)이라 한다.In general, the thermocouple 320 is a kind of thermometer for measuring temperature. The thermocouple 320 is welded at one end of two different metal wires to make an open circuit, and the connection end of the junction is connected to the temperature measuring contact 322, the conducting wire, or the instrument. The stage is called a reference point (not shown).
열전대(320)는 고정 부재(326)에 의해 반도체 기판을 지지하는 정전척에 고정되며, 도시된 바에 의하면, 고정 부재(326)는 원통 형상을 갖고, 내부에 열전대(320)가 내장된다. 코팅층(326)은 내장된 열전대(320)의 측온접점(322) 부위와 고정 부재(326)의 일측 단부에 형성된다.The thermocouple 320 is fixed to the electrostatic chuck supporting the semiconductor substrate by the fixing member 326. As shown, the fixing member 326 has a cylindrical shape, and the thermocouple 320 is embedded therein. The coating layer 326 is formed at a portion of the temperature contact point 322 of the embedded thermocouple 320 and one end of the fixing member 326.
이하, 상기 디엘씨와 화학기상증착 다이아몬드에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the DL and the chemical vapor deposition diamond will be described in detail.
표 1은 디엘씨와 화학기상증착 다이아몬드의 열전도율을 알루미늄 203(Al203)과 알루미늄 나이트라이드(Aluminum Nitride ; AlN)의 열전도율과 비교한 데이터이다.Table 1 compares the thermal conductivity of DLC and chemical vapor deposition diamond with those of aluminum 203 (Al203) and aluminum nitride (AlN).
[표 1]TABLE 1
표 1에서, 열전도율의 단위 W/(mㆍK)의 W는 와트(Watt), m은 미터(meter), 그리고 K는 켈빈 온도를 의미한다. 또한 RT는 실내온도(Room Temperature)를 의미한다.In Table 1, W in units of thermal conductivity W / (m · K) is Watt, Watt is m, and K is Kelvin. In addition, RT means room temperature.
표 1에서 알 수 있듯이 디엘씨 또는 화학기상증착 다이아몬드는 알루미늄 203 또는 알루미늄 나이트라이드보다 수 내지 수십 배 우수한 열전도율을 갖는다. 디엘씨 또는 화학기상증착 다이아몬드는 구조가 천연 다이아몬드와 유사하며, 화학기상증착에 의해 수십 ㎛까지 증착이 가능하다.As can be seen in Table 1, DLC or chemical vapor deposition diamond has a thermal conductivity several to tens of times better than aluminum 203 or aluminum nitride. DLC or chemical vapor deposition diamonds are similar in structure to natural diamond, and can be deposited to several tens of micrometers by chemical vapor deposition.
상기 화학기상증착 다이아몬드는 수소 및 메탄 등의 기체를 이용하여 고온에서 플라즈마와 같은 열원을 통해 합성해내는 다결정 다이아몬드를 말한다. 화학기상증착 소결 다이아몬드와는 다르게 100% 다이아몬드 구조를 갖고 있어 천연 다이아몬드와 유사한 물성을 갖는다.The chemical vapor deposition diamond refers to a polycrystalline diamond synthesized through a heat source such as plasma at a high temperature using a gas such as hydrogen and methane. Unlike chemical vapor deposition sintered diamond, it has a 100% diamond structure and has properties similar to that of natural diamond.
디엘씨는 탄소의 최외각 전자 4개가 sp3 결합을 갖는 다이아몬드와 sp2 결합을 갖는 흑연의 결합들이 무작위로 섞여있는 물질을 말한다. 즉, 탄소로 이루어져 있되, 결합 방식은 sp3과 sp2 결합이 혼재 되어있다. 따라서 다이아몬드의 성질과 흑연의 성질이 섞여 있어, 다이아몬드의 경도, 열전도율, 화학적 안정성을 갖고, 흑연의 미끌미끌한 성질을 함께 갖는다.DL says that four outermost electrons of carbon are randomly mixed bonds of diamond with sp3 and graphite with sp2. That is, it consists of carbon, but the bonding method is a mixture of sp3 and sp2 bonds. Therefore, the properties of diamond and graphite are mixed to have the hardness, thermal conductivity and chemical stability of diamond, and to have the slippery properties of graphite.
한편, 디엘씨는 제조 방식에 따라서 sp3과 sp2의 결합 분율을 조절할 수 있다. 따라서 다이아몬드에 가까운 디엘씨를 만들 수도 있고, 흑연에 가까운 디엘씨를 만들 수도 있다.Meanwhile, DL may adjust the binding fraction of sp3 and sp2 according to the manufacturing method. So you can make a diamond closer to diamond, or you can make a diamond closer to graphite.
열전대(320)는 도 4에 도시된 바와 같이 고정 부재(326)의 내부에 열전대(320)의 측온접점(322) 부위가 노출되도록 장착된다. 그리고, 열전대(320)의 측온접점(322) 부위 및 측온접점(322)과 인접하는 고정 부재(326)의 일측 단부에화학기상증착 다이아몬드 또는 디엘씨가 코팅된다. 이때, 고정 부재(326)와 화학기상증착 다이아몬드 또는 디엘씨의 결합력을 향상시키기 위하여 화학기상증착 다이아몬드 또는 디엘씨 코팅 전 중간층으로 열전도율이 빠른 금속층을 입힌 후 화학기상증착 다이아몬드 또는 디엘씨를 코팅하는 것도 가능하다.As shown in FIG. 4, the thermocouple 320 is mounted in the fixing member 326 such that the portion of the thermocouple 320 of the thermocouple 320 is exposed. Then, chemical vapor deposition diamond or DLC is coated on one side end portion of the fixing member 326 adjacent to the temperature-contacting point 322 and the temperature-contacting point 322 of the thermocouple 320. In this case, in order to improve the bonding force between the fixing member 326 and the chemical vapor deposition diamond or DLC, the chemical vapor deposition diamond or DLC is coated after a metal layer having a high thermal conductivity is applied to the intermediate layer before the chemical vapor deposition diamond or DLC coating. It is possible.
도 5는 도 4에 도시한 열전대를 갖는 반도체 기판 온도 제어 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a semiconductor substrate temperature control device having a thermocouple shown in FIG. 4.
도 5를 참조하면, 도시된 반도체 기판 온도 제어 장치(300)는 온도조절가스가 제공되는 유동경로(312)가 형성된 정전척(310)과, 반도체 기판(10)의 온도를 감지하기 위한 열전대(320), 열전대(320)로부터 측정된 반도체 기판(10)의 온도에 따라 온도조절가스의 공급량을 제어하는 온도 제어부(330)를 구비한다.Referring to FIG. 5, the apparatus 300 for controlling temperature of a semiconductor substrate includes an electrostatic chuck 310 having a flow path 312 provided with a temperature regulating gas, and a thermocouple for sensing a temperature of the semiconductor substrate 10. 320, a temperature controller 330 for controlling the supply amount of the temperature regulating gas according to the temperature of the semiconductor substrate 10 measured from the thermocouple 320.
반도체 기판(10)을 지지하는 정전척(310)의 상부면에는 반도체 기판(10)을 냉각시키기 위한 온도조절가스가 제공되는 온도조절가스 유동경로(312)가 형성되어 있으며, 열전대(320)를 고정하기 위한 고정부재(326)가 결합되는 홀이 형성되어 있다. 여기서, 온도조절가스로는 헬륨 가스가 사용될 수 있다. 상기 홀은 알루미늄 베이스(314)로부터 세라믹 플레이트(316)를 통해 형성되어 있으며, 고정부재(326) 및 상기 홀에는 결합을 위해 서로 대응하는 나사산이 각각 형성되어 있다.On the upper surface of the electrostatic chuck 310 supporting the semiconductor substrate 10 is formed a temperature control gas flow path 312 is provided with a temperature control gas for cooling the semiconductor substrate 10, the thermocouple 320 A hole to which the fixing member 326 for fixing is coupled is formed. Here, helium gas may be used as the temperature control gas. The hole is formed through the ceramic plate 316 from the aluminum base 314, the fixing member 326 and the hole is formed with a thread corresponding to each other for coupling.
상기와 같이 열전대(320)가 고정부재(326)에 의해 정전척(310)에 결합되면, 정전척(310)의 상부면과 열전대(320)의 코팅층(324) 상부면은 동일한 평면 상에 위치된다. 즉, 반도체 기판(10)이 정전척(310)에 놓여지면, 반도체 기판(10)의 이면과 열전대(320)의 코팅층(324)이 접촉하게 되며, 반도체 기판(10)의 온도가 실시간으로 코팅층(324)을 통해 열전대(320)의 측온접점(322)으로 전달된다.When the thermocouple 320 is coupled to the electrostatic chuck 310 by the fixing member 326 as described above, the upper surface of the electrostatic chuck 310 and the upper surface of the coating layer 324 of the thermocouple 320 are located on the same plane. do. That is, when the semiconductor substrate 10 is placed on the electrostatic chuck 310, the back surface of the semiconductor substrate 10 comes into contact with the coating layer 324 of the thermocouple 320, and the temperature of the semiconductor substrate 10 is in real time coated layer. It is transmitted to the temperature contact 322 of the thermocouple 320 through the (324).
도시된 바에 의하면, 열전대(320)는 반도체 기판(10)의 중앙 부위 및 에지 부위에 각각 장착되며, 온도 제어부(330)와 각각 연결된다. 이는 반도체 기판(10)의 중앙 부위와 에지 부위의 온도를 직접적으로 측정하고, 변화하는 온도에 즉각적으로 대응하기 위함이다. 온도 제어부(330)는 온도조절가스 제공부(340)와 연결되어 있고, 온도조절가스의 공급 유량을 제어한다. 즉, 열전대(320)로부터 제공되는 반도체 기판(10)의 온도에 따라 온도조절가스의 공급 유량을 제어함으로서 반도체 기판(10)의 온도를 균일하게 유지할 수 있다.As illustrated, the thermocouple 320 is mounted at the center portion and the edge portion of the semiconductor substrate 10, respectively, and is connected to the temperature controller 330, respectively. This is to directly measure the temperature of the center portion and the edge portion of the semiconductor substrate 10, and to respond immediately to the changing temperature. The temperature control unit 330 is connected to the temperature control gas providing unit 340 and controls the supply flow rate of the temperature control gas. That is, the temperature of the semiconductor substrate 10 can be maintained uniformly by controlling the supply flow rate of the temperature regulating gas in accordance with the temperature of the semiconductor substrate 10 provided from the thermocouple 320.
도시되지는 않았으나, 온도조절가스 제공부(340)에는 유량 조절 밸브와 같은 유량 제어부가 구비되고, 제공되는 온도조절가스의 유량을 측정하는 유량 센서가 구비될 수 있다.Although not shown, the temperature control gas providing unit 340 may be provided with a flow control unit such as a flow control valve, and may be provided with a flow sensor for measuring the flow rate of the provided temperature control gas.
다시 말해, 열전대(320)로부터 측정된 반도체 기판(10)의 온도가 온도 제어부(330)의 설정온도의 상한선을 넘어설 때는 온도조절가스 제공부(340)가 연동하여 온도조절가스로 사용되는 헬륨 가스의 공급 유량 또는 공급 압력을 증가시키도록 하고, 열전대(320)로부터 측정된 반도체 기판(10)의 온도가 설정온도의 하한선을 넘어설 때는 온도조절가스 제공부(340)가 연동하여 헬륨 가스의 공급 유량 또는 공급 압력을 감소시키도록 한다.In other words, when the temperature of the semiconductor substrate 10 measured from the thermocouple 320 exceeds the upper limit of the set temperature of the temperature control unit 330, the temperature control gas providing unit 340 is used in conjunction with the temperature control gas helium When the supply flow rate or supply pressure of the gas is increased, and the temperature of the semiconductor substrate 10 measured from the thermocouple 320 exceeds the lower limit of the set temperature, the temperature regulating gas providing unit 340 interlocks with each other to provide helium gas. Reduce the feed flow rate or feed pressure.
또한, 반도체 기판(10)의 중앙 부위와 에지 부위에 대하여 각각 독립적으로 온도 제어를 수행하므로 보다 균일하게 반도체 기판(10)의 온도를 기설정된 온도로 유지할 수 있다.In addition, since the temperature control is independently performed on the center portion and the edge portion of the semiconductor substrate 10, the temperature of the semiconductor substrate 10 may be maintained at a predetermined temperature more uniformly.
한편, 고정 부재(326)와 정전척(310) 사이에는 밀봉 부재(350)가 구비된다. 밀봉 부재(350)로는 일반적인 오 링 또는 다양한 형상의 패킹이 사용될 수 있으며, 반도체 기판(10)의 이면과 접촉되는 헬륨 가스가 반도체 기판(10)과 정전척(310)의 상부면 사이의 틈 및 정전척(310)에 형성된 홀과 고정 부재(326) 사이의 틈을 통해 누설되는 것을 방지한다. 또한, 외부로부터 이물질이 침투하는 것을 방지한다.Meanwhile, a sealing member 350 is provided between the fixing member 326 and the electrostatic chuck 310. As the sealing member 350, a general O-ring or various shapes of packings may be used, and a helium gas contacting the back surface of the semiconductor substrate 10 may have a gap between the semiconductor substrate 10 and the upper surface of the electrostatic chuck 310. Leakage is prevented through a gap between the hole formed in the electrostatic chuck 310 and the fixing member 326. It also prevents foreign matter from penetrating from the outside.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 반도체 기판의 온도를 측정하기 위한 열전대의 측온접점 부위에는 탄소 결정체로 이루어지는 코팅층이 형성되어 있고, 상기 코팅층이 반도체 기판의 표면과 접촉되도록 열전대가 고정된다. 상기 코팅층은 400[W/(mㆍK)] 이상의 열전도율을 갖고 있으므로 반도체 기판의 온도 변화를 실시간으로 측정할 수 있다.According to the present invention as described above, a coating layer made of carbon crystals is formed at the temperature-contacting portion of the thermocouple for measuring the temperature of the semiconductor substrate, and the thermocouple is fixed so that the coating layer is in contact with the surface of the semiconductor substrate. Since the coating layer has a thermal conductivity of 400 [W / (m · K)] or more, the temperature change of the semiconductor substrate can be measured in real time.
상기와 같은 열전대를 통한 반도체 기판의 온도를 측정하고, 이를 이용하여 반도체 기판의 이면으로 제공되는 온도조절가스의 공급 유량을 제어함으로서 반도체 기판의 온도를 항상 균일하게 유지할 수 있다.By measuring the temperature of the semiconductor substrate through the thermocouple as described above, it is possible to maintain a uniform temperature at all times by controlling the supply flow rate of the temperature control gas provided to the rear surface of the semiconductor substrate using this.
따라서, 반도체 기판의 가공 공정 도중에 발생하는 공정 에러를 방지할 수 있고, 반도체 장치의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있다.Therefore, the process error which arises during the process of processing a semiconductor substrate can be prevented, and the quality and productivity of a semiconductor device can be improved.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to the embodiments, those skilled in the art can be variously modified and changed within the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. I can understand.
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