KR200367950Y1 - 정전척 - Google Patents

Abstract

본 고안은 정전척(Electrostatic Chuck: ESC)에 관한 것으로, 웨이퍼 에칭 시 플라즈마 가스에 의해 플레이트와 몸체 사이의 접착제가 침식됨으로 인하여 플레이트가 몸체 상면으로부터 들뜨지 않도록 한, 개선된 구조의 정전척을 제공함을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 정전척은, 상면에 웨이퍼가 안착되며 외부의 직류전원이 공급되는 내부전원이 내부에 형성되고 테두리를 따라 돌출부가 하방수직하게 연장형성되는 캡형의 플레이트와, 캡이 씌워지듯이 상기 플레이트가 상부에 얹혀져 고정될 수 있도록 상부 테두리를 따라 상기 돌출부에 대응하는 단턱이 형성된 몸체를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

정전척{Electrostratic Chuck}

본 고안은 정전척(Electrostatic Chuck: ESC)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에칭공정의 플라즈마 소스 챔버(Plasma Source Chamber)와 같은 반도체소자 제조공정의 챔버 내부 중앙에 설치되어 웨이퍼를 효과적으로 척킹(Chucking)하기 위하여 사용되는 정전척의 구조개선에 관한 것이다.

일반적으로 반도체소자는 화학기상증착, 스퍼터링, 포토리소그라피, 에칭, 이온주입 등 수많은 단위 공정들이 순차적으로 또는 반복적으로 수행되며 가공되는데, 이러한 공정을 진행하기 위해서는 웨이퍼를 챔버 내부의 웨이퍼 지지대에 고정 또는 척킹시켜서 웨이퍼를 가공한 후, 다음 단계의 가공을 위해 디척킹하는 과정을 여러번 반복하게 된다.

정전척(ESC)은 젠센-라벡효과(A. Jehnson & K. Rahbek's Force)에 의한 정전기력을 이용하여 웨이퍼를 고정시키는 웨이퍼 지지대로서, 건식가공 공정이 일반화되어가는 최근의 반도체소자 제조기술의 추세에 부응하여 진공척이나 기계식 척을 대체하여 반도체소자 제조공정 전반에 걸쳐 사용되고 있는 장치이며, 특히 플라즈마를 이용하는 드라이 에칭공정에서는, 챔버 상부에 설치되는 RF 상부전극에 대한 하부전극의 역할을 하며, 고온(약 150∼200℃로 추정)가공되는 웨이퍼의 배면측에 헬륨을 공급하거나 별도의 수냉부재가 설치되어 웨이퍼의 온도가 일정하게 유지될수 있도록 하는 기능을 수행한다.

도 1에는 이러한 종래 정전척의 일례를 나타내었다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이 정전척은, 챔버(미도시) 내에서 하부전극의 역할을 하며 원판형으로서 계단식으로 형성된 알루미늄 재질의 몸체(4)와, 접착제(5)에 의해 몸체 상면에 고정되며 내부에는 내부전극(2)이 형성된 원판형의 플레이트(1)로 구성된다. 플레이트는 전기절연성, 내식성, 내플라즈마 부식성이 우수한 세라믹 재질로 이루어져 있으며, 밀봉을 위해 몸체(4)와의 접착면 둘레는 엑폭시수지(6)로 마감된다.

그리고, 에칭공정 시 몸체를 플라즈마로부터 보호하고 열을 차단하기 위하여 몸체(4) 주변은 환상의 절연링(7)에 의해 둘러싸여지며, 몸체와 절연링 사이의 미세한 틈새에서 발생될 수 있는 미세 플라즈마 아킹현상을 방지하기 위하여 몸체(4)의 표면은 아노다이징 처리된다. 부호 3은 헬륨공(미도시)을 통해 공급되는 헬륨이 웨이퍼(WF)의 배면 전체에 고루 분산될 수 있도록 플레이트(1) 상면에 소정의 패턴으로 형성되는 헬륨유로인 그루브를 나타낸 것으로, 플레이트(1)의 최외곽 가장자리에 형성되는 그루브를 도시한 것이다.

한편, 플레이트 상에 웨이퍼(WF)를 올려 놓고서, 내부전극(2)에 직류전원을 인가하면 플레이트(1)를 사이에 두고 웨이퍼와 몸체 사이에 정전기력이 발생되어 웨이퍼가 플레이트 상에 척킹되며, 이때 플라즈마 챔버(미도시) 안에 공정가스(예: 불소가스)를 투입함과 아울러 플라즈마 상부전극(미도시)에 RF 전력을 인가하면 챔버 내부에는 플라즈마가 발생되는데, 이러한 플라즈마 가스가 웨이퍼(WF)에 수직하게 충돌하여 웨이퍼 상의 포토레지스트가 에칭된다.

이러한 종래의 정전척을 사용하여 에칭공정을 진행하는 경우에 발생하는 문제점을 도 2를 참조하여 살펴본다.

도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 플레이트(1)는 평평한 원판 형상일 뿐만 아니라 그 두께가 얇기 때문에, 플레이트와 몸체 상면 간의 접착면을 마감한 에폭시수지(6)는 플레이트(1)와 절연링(7) 사이의 틈새를 통하여 플라즈마에 쉽게 노출될 수 있는 구조가 된다. 즉, 에칭시 플라즈마 가스는 플레이트와 절연링 사이의 틈새로 들어가 에폭시수지(6)를 침식시키게 되며, 에폭시수지가 깍여져 나간 후에는 계속해서 안쪽의 접착제(5)를 침식시킴으로써 플레이트(1)가 몸체(4) 상면으로부터 들뜨게 만든다. 이러한 들뜸현상은 결국 웨이퍼 에치부가 정밀하게 제어되지 못하여 웨이퍼의 균등 에칭이 되지 못하게 할 뿐만 아니라, 헬륨가스의 누출 및 아크를 발생시킬 수 있다.

또한, 내부전극(2)은 그 단면이 외부에 노출되지 않도록 세라믹 플레이트(1)의 직경 보다 5mm 이상 작은 크기으로 형성되며 에칭공정에서의 플레이트는 통상적으로 웨이퍼의 크기 보다 1∼3mm 정도 작게 구성되기 때문에, 내부전극에 의한 정전기력이 직접적으로 미치지 않는 웨이퍼 에치부는 정전기력을 직접적으로 받는 부분(예를들어 웨이퍼 중심부) 보다 상측으로 들려진 상태로 플레이트에 고정된다. 도 2에는 종래 정전척에 의한 웨이퍼 에치부의 고정상태가 다소 과장되게 표현되어 있는데, 이러한 불균등한 고정상태로 인하여 웨이퍼 에치부에는 에칭시 에러가 발생하게 되는 문제가 있었다.

본 고안은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 에칭 시 플라즈마 가스에 의해 플레이트와 몸체 사이의 접착제가 침식됨으로 인하여 플레이트가 몸체 상면으로부터 들뜨지 않도록 한, 개선된 구조의 정전척을 제공함을 목적으로 한다.

또한, 젠센-라백효과에 의한 정전기력에 의해 웨이퍼가 플레이트에 척킹되는 경우에, 웨이퍼의 에치부가 들려진 상태로 플레이트에 고정됨으로 인하여, 에칭시 웨이퍼 에치부에 에러가 발생하지 않도록 한 정전척을 제공함을 목적으로 한다.

도 1은 웨이퍼 및 절연링이 장착된 상태의 종래 정전척을 간략하게 나타낸 측단면도이며, 동그라미 안은 확대도이다.

도 2는 종래 정전척을 사용하여 웨이퍼를 에칭가공하는 경우에 발생하는 결함의 예를 간략하게 나타낸 간략한 도면이다.

도 3은 본 고안의 일실시예에 따른 정전척을 간략하게 나타낸 측단면도이며, 동그라미 안은 확대도이다.

도 4는 본 고안의 일실시예에 따른 플레이트의 상측면을 간략하게 나타낸 평면도이다.

도 5는 도 4에 도시된 플레이트의 하측면을 간략하게 나타낸 저면도이다.

도 6은 본 고안의 일실시예에 따른 정전척을 사용한 웨이퍼 에칭가공의 실시효과를 간략하게 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1, 10: 플레이트 1, 12: 내부전극

11: 돌출부 3, 13: 외측 그루브

4, 20: 몸체 5, 14: 접착제

6: 에폭시수지 7: 절연링

15: 폴리머 21: 단턱

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 정전척은, 상면에 웨이퍼가 안착되며 외부의 직류전원이 공급되는 내부전원이 내부에 형성되고 테두리를 따라 돌출부가 하방수직하게 연장형성되는 캡형의 플레이트와, 캡이 씌워지듯이 상기 플레이트가 상부에 얹혀져 고정될 수 있도록 상부 테두리를 따라 상기 돌출부에 대응하는 단턱이 형성된 몸체를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 플레이트 내부에 형성된 내부전극은, 플레이트 보다 직경이 4∼4.5mm 정도 작은 크기로 형성되도록 하며, 플레이트의 상면에 형성되는 그루브 패턴 중 플레이트 중심으로부터 최외곽에 배치되는 외측 그루브 보다 직경이 1∼1.5mm 작게 형성되도록 함이 바람직하다.

본 설명에서 공정챔버는, 에칭공정의 플라즈마 소스 챔버(Plasma Source Chamber)와 같이, 반도체소자 제조공정의 진행이 외부와 공간적으로 차단된 상태에서 진행될 수 있도록 하기 위한 장치를 말한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 정전척에 대하여 살펴본다. 별도의 구분이 없는 한, 동일한 명칭은 동일 또는 그에 상당하는 부재를 지칭하며 또한 동일부재에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다.

도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 고안에 따른 정전척은 종래의 정전척과 마찬가지로, 상면에는 웨이퍼가 안착되며 웨이퍼의 배면에 헬륨을 공급하기 위한 그루브 패턴(13)이 형성되고 내부에는 내부전극(11)이 형성된 세라믹 재질의 원판형 플레이트(10)와, 이 플레이트가 상면에 고정되며 공정챔버(미도시) 상부에 설치되는 RF 상부전극(미도시)에 대한 RF 하부전극으로 기능하는 아노다이징 처리된 알루미늄 몸체(20)로 구성된다.

이러한 정전척의 내부전극에는 젠센-라백효과에 의한 정전기력이 발생할 수 있도록 외부 직류전원이 인가되며, 플라즈마 가스의 발생을 위해 RF 상부전극에 전력을 인가하는 경우 플라즈마 가스가 더 큰 운동량으로 웨이퍼에 충돌할 수 있도록 몸체의 RF 하부전극에도 외부의 RF 전력이 공급된다.

도 3 내지 도 5을 참조하여 플레이트와 몸체의 특징적인 구조를 구체적으로 살펴본다.

도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 원판형 플레이트(10)의 테두리를 따라서는 돌출부(11)가 연속형성되는데, 이 돌출부는 플레이트의 테두리로부터 하방수직하게 연장형성되어 플레이트(10)의 전체적인 형상은 캡(Cap)형이 되며, 이러한 플레이트의 돌출부(11)는 종래의 평판형 플레이트의 저면을 정밀 기계가공함을 통해 얻어질 수 있다. 본 실시예에 따른 플레이트(10)는, 대략 1.5mm 두께로 제조되는 종래 플레이트 보다 두꺼운 2mm 두께의 플레이트를 제조한 후, 플레이트의 둘레를 따라 가장자리 부분을 폭 1mm 정도 남기고 저면을 1∼1.05mm 정도 깍아냄으로써 돌출부(11)가 형성되도록 하였다.

몸체(20)의 테두리를 따라서는 플레이트의 돌출부(11)에 대응한 단턱(21)이 형성된다. 이러한 단턱(21)은 플레이트의 돌출부(11)가 밀착되는 부분으로 통상적인 정전척 몸체의 상면 테두리를 가공함을 통해 얻어지며, 단턱(21)으로 인해 플레이트(10)는 몸체(20)의 상면에 캡이 씌워지듯이 안착된다. 몸체(20) 상면에 안착된 플레이트는 접착제(24)에 의해 고정되는데, 돌출부(11) 내측은 접착제에 의해 몸체에 접착될 필요는 없다.

도 4는 내부전극(12)의 배치상태를 설명하기 위하여 플레이트(10)의 상측면을 나타낸 도면으로, 관계가 없는 부분들은 생략되어져 있다. 구체적으로 살펴보면, 플레이트(10) 상측면의 테두리로부터 2.03mm 이격된 위치에는 폭 1.02mm 정도의 외측 그루브(플레이트의 상면에 형성되는 그루브 패턴 중 플레이트 중심으로부터 최외곽에 배치되는 그루브)(13)가 형성되고, 이 그루브(13)의 1.01mm 안쪽으로는 가상선으로 표시된 내부전극(12)이 형성되어 있다. 따라서, 내부전극은(12) 그 직경이 플레이트의 직경 보다 4.06mm 정도 작다.

이와 같이, 내부전극(12)이 형성된 범위가 플레이트의 가장자리 부분에까지 최대한 확장될 수 있도록 함으로써 플레이트의 상면에 고정되는 웨이퍼의 에치부가 중앙부에 비하여 상측으로 들려지는 것이 방지할 수 있게 된다. 그리고, 본 실시예에서와 같이 내부전극(12)이 플레이트(10) 가장자리 측으로 확장되어도, 에칭가공시 내부전극이 플라즈마에 노출되는 문제는 발생하지 않았다.

도 5는 플레이트(10)의 하측면을 도시한 것으로, 플레이트의 테두리를 따라서 1mm 폭의 돌출부(11)가 형성되어 있으며, 내측으로는 내부전극(12)이 가상선으로 표시되어 있다.

이하에서는, 도 6을 참조하여 상기한 바와 같은 구조를 갖는 정전척을 사용하여 웨이퍼를 에칭가공하는 경우에 얻게 되는 작용효과에 대하여 살펴본다.

정전척의 플레이트(10) 위에 척킹된 웨이퍼(WF)는, 내부전극(12)의 직경이 커짐에 따라, 웨이퍼 에치부가 플레이트(10) 상면으로부터 들려지지 않고 대체로 균일한 상태로 고정됨은 앞서 설명한 바와 같다.

또한, 웨이퍼(WF) 에칭공정의 진행에 따라 플레이트의 돌출부(11)와 몸체의 단턱(21) 사이의 틈새에는, 종래의 정전척에 의한 경우와는 달리, 플라즈마 가스에 의한 침식작용이 발생하기 보다는 오히려 공정 부산물인 폴리머(15)가 들러붙으며 틈새가 실링되는 현상이 발생하게 된다. 이는 돌출부(11)와 단턱(21)으로 인하여 몸체와 플레이트 간의 접착면이 플라즈마 가스에 덜 노출되는 구조가 됨에 따른 것이다.

본 설명에서는, 본 고안에 따른 정전척이 웨이퍼의 건식 에칭공정에 적용된 예를 위주로 하여 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 정전척에 따르면, 에칭공정시 돌출부와 단턱 사이의 틈새가 폴리머에 의해 실링이 되므로 플라즈마 가스에 의해 접착제가침식되어 플레이트가 몸체로부터 들뜨게 되는 문제점이 방지되며, 플레이트와 몸체 사이의 접착면이 200℃에 달하는 공정열로부터 보호된다.

또한, 내부전극의 반경방향 길이가 플레이트의 테두리 부근으로 길이짐에 따라, 플레이트 상면에 척킹되는 웨이퍼 에치부가 타 부분에 비하여 상대적으로 들리게 되는 현상이 현저하게 방지될 수 있다.

Claims (3)

1. 공정챔버 내부에 설치되어 상기 공정챔버 상부에 설치되는 RF 상부전극에 대한 RF 하부전극으로 기능하며, 상면에 안착된 웨이퍼를 정전기력에 의해 척킹시키는 정전척에 있어서,

   상면에 웨이퍼가 안착되며, 외부의 직류전원이 공급되는 내부전원이 내부에 형성되고, 테두리를 따라 돌출부가 하방수직하게 연장형성되는 캡형의 플레이트와,

   캡이 씌워지듯이 상기 플레이트가 상부에 얹혀져 고정될 수 있도록, 상부 테두리를 따라 상기 돌출부에 대응하는 단턱이 형성된 몸체를 구비하는 정전척.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 플레이트의 내부에 형성된 내부전극은, 그 직경이 상기 플레이트의 직경 보다 4∼4.5mm 작게 형성되도록 한 정전척.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 내부전극은, 그 직경이 상기 플레이트의 상면에 형성되는 그루브 패턴 중 상기 플레이트의 최외곽에 배치되는 외측 그루브의 직경 보다 1∼1.5mm 작게 형성되도록 한 정전척.