KR20050044685A

KR20050044685A - 정전 척 모듈 및 냉각 시스템

Info

Publication number: KR20050044685A
Application number: KR1020047008569A
Authority: KR
Inventors: 노리아키 타테노; 준 미야지; 유스미 사고; 마사요시 이케다; 카즈아키 카네코; 토미오 타카무라; 타다시 히라야마; 요시유키 이케무라; 마사히코 타마루
Original assignee: 도토기키 가부시키가이샤; 아네르바 가부시키가이샤; 쵸슈 산교 가부시키가이샤
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2005-05-12
Also published as: JP4493251B2; WO2003049180A1; CN1599953A; US7615133B2; JP2003174079A; TWI298524B; US20050127619A1; AU2002349752A1; TW200301001A; CN1299345C

Abstract

관통 누출이 없는 반도체 제조 장치용의 수냉(水冷) 가능한 고정도(高精度) 정전 척(chuck) 모듈을 제공한다. Cu계 복합 재료에 있어서 열 팽창률이 큰 Cu 및 Ni와 열 팽창률이 작은 W, Mo를 적절한 조성비로 함으로써, 정전 척용 알루미나 소재와 열 팽창률이 일치하는 고열전도 소재가 얻어진다. 이 복합 재료는 관통 누출이 있어, 진공 장치에는 사용되지 않지만, 단조 가공을 함으로써 관통 누출을 방지할 수 있고, 또한 수냉(水冷) 플레이트로 사용하기 위해서는 물에 대한 내식성(耐蝕性)이 중요하지만, 이것은 도금, 스퍼터링 등에 의해, Ni, Cr, Cu 박막을 붙임으로써 개선할 수 있다.

Description

정전 척 모듈 및 냉각 시스템{Electrostatic clampless holder module and cooling system}

본 발명은 반도체 제조 장치의 플라즈마 CVD, 에쳐(etcher) 등에 사용되는 웨이퍼(wafer) 보유용의 세라믹제 정전(靜電) 척(chuck)에 관한 기술로, 특히 냉매가 물인 정전 척 모듈에 관한 것이다.

플라즈마 CVD, 에쳐 등의 반도체 제조 장치에서는 진공 중에서 가스를 흘려 보내면서 고주파를 인가하여 반응을 진행시킨다. 그 때문에 정전 척으로 흡착한 웨이퍼에 열이 들어가기 때문에, 입열분(入熱分)을 냉각하지 않으면 웨이퍼의 온도가 변화하여 균일한 처리가 불가능하게 된다. 때문에 정전 척과 냉각 플레이트를 접합하여 웨이퍼의 온도가 일정하게 되도록 냉각을 행하고 있다.

정전 척 모듈의 냉각 플레이트로서는 종래 알루미늄이 사용되어 왔다. 이 경우 냉매는 Fluorinert^TM 등이 사용된다. 그러나 Fluorinert^TM는 비용이 높고 냉각 효율이 나쁘다는 문제가 있다. 그래서 냉매를 Fluorinert^TM에서 물로 바꾸면, 알루미늄은 물에 대한 내식성(耐蝕性)이 나쁘기 때문에, 수로가 막히거나 냉각 플레이트가 부식하여 구멍이 생기는 일이 발생하게 된다. 이것을 해소하기 위해, 냉각 플레이트의 재료로서 Cu(순동, 청동 등)를 사용하는 것을 고안하였다.

냉각 플레이트의 소재로서는 열전도율이 높은 것이 요구되며, 이상의 요구를 만족시키는 소재로서 Cu를 포함하는 복합 재료가 최적이다. 그러나, 실제로 냉각 플레이트를 Cu-W, Cu-W-Ni, Cu-Mo, Cu-Mo-Ni로 제작하여 누출(leak) 시험을 한 결과, 소재 자체의 관통 누출이 발생하였다.

정전 척은 진공 중에서 사용할 수 있다는 점이 가장 큰 특징이지만, 관통 누출이 있는 경우에는 진공 중에서 사용할 수 없게 된다.

또한 Cu는 열 팽창률이 세라믹과 다르기 때문에, 금속과 세라믹 접합 방법으로 하여 In(인듐) 본딩(bonding)이 사용되는데, 정전 척의 온도가 변화하면 정전 척 표면의 평면도(平面度)가 변화한다는 문제가 있다. 또한 알루미늄을 사용한 경우에도 마찬가지로 온도 변화에 의해 평면도가 변화한다. 이것은 정전 척의 알루미나세라믹과 금속인 알루미늄이나 구리의 열 팽창률이 크게 다르기 때문에, 온도 변화하면 In이 소성(塑性) 변형하기 때문이다.

특히 웨이퍼의 사이즈가 12인치로 대형화되면, 표면의 평면도가 변화하는 문제는 보다 큰 문제가 된다.

또한 Cu계 합성 재료에 대해서는 물에 대한 부식 대책(전압이 인가되어, 전기에 의한 부식이 일어나는 것도 포함하여)도 필요하다.

도 1(a)는 단조 전의 Cu계 복합 재료의 조직의 모식도, 도 1(b)는 단조 전의 Cu계 복합 재료의 조직의 모식도이고,

도 2는 평면도를 설명한 도면이고,

도 3(a) ∼ 도 3(d)는 본 발명에 관한 정전 척 모듈을 조합한 플라즈마 처리 장치의 단면도이고,

도 4는 동(同) 정전 척 모듈의 단면도이고,

도 5는 도 4의 요부(要部) 확대도이고,

도 6은 알루미나와 Cu계 복합 재료의 열 팽창률을 비교한 그래프이다.

본 발명은 상기 과제 중 관통 누출의 과제를 해결하기 위해, 알루미나제 정전 척 플레이트와 냉각 플레이트를 접합하여 구성되는 정전 척 모듈에 있어서, 상기 냉각 플레이트를 Cu-W, Cu-W-Ni, Cu-Mo, Cu-Mo-Ni 등의 Cu계 복합 재료를 단조(鍛造) 가공한 것으로 하였다.

단조 가공이 Cu 복합 재료의 관통 누출 불량에 효과가 있는 이유는 단조 전에는 도 1(a)에 도시하는 바와 같이, Cu부와 W, Mo부의 계면에 가늘게 연속한 간극이 존재하고, 이것이 관통 누출의 원인이 되고 있지만, 단조 가공에 의해 한 방향으로부터 힘을 가하여 변형시킬 때, 계면의 연속한 간극이 도 1(b)에 도시한 바와 같이 절단되어 불연속하게 되기 때문이라고 생각된다.

덧붙여 HIP(Hot isostatic pressing) 처리를 한 결과, 재료는 종횡 균등하게 압축되기 때문에 연속한 간극은 절단되지 않고 남게되어 누출이 발생하였다.

또한 단조 가공으로 연속한 간극을 완전히 없애기 위해서는 이론(理論) 밀도비(密度比) 97% 이상으로 단조비(鍛造比) 5% 이상의 단조 가공을 실시해야 한다. 여기에서 단조비란 도 1을 예로 들어 본다면 100(T1 - T2)/T1을 말한다.

또한 누출을 제어하면서 평면도의 변화를 작게 하기 위해, 본 발명은 냉각 플레이트의 열 팽창률과 알루미나제 정전 척 플레이트의 열 팽창률의 차(差)가 2 × 10^-6/℃ 이하가 되도록 하였다.

또한 상기에 더하여 내식성(耐蝕性)을 향상시키기 위해, 본 발명은 냉각 플레이트의 수로 표면에 도금, PVD, CVD 등의 방법에 의해 Ni, Cu, Cr, Ti 또는 Sn의 박막을 형성하였다.

또한 본 발명에 관한 정전 척 모듈은 상기 냉각 플레이트와 알루미나제 정전 척 플레이트와 접합한 후에 평면도 5㎛ 이하가 될 때까지 정전 척 플레이트 표면을 고정도(高精度) 가공하였다.

여기에서 평면도란 도 2에 도시하는 바와 같이 정전 척 플레이트의 표면 중 가장 높은 부분과 낮은 부분의 차를 말한다.

또한 방전 및 오염을 방지하는 구성으로서 상기 알루미나제 정전 척 플레이트 외주 하단을 언더 컷(under-cut)하고, 이 언더 컷한 부분에 연속하도록 냉각 플레이트의 외측면을 알루미나막으로 덮도록 하여도 좋다.

아래에 본 발명의 실시 형태를 첨부 도면에 기초하여 설명한다. 도 3(a) ∼ 도 3(d)는 본 발명에 관한 정전 척 모듈을 조합한 플라즈마 처리 장치의 단면도, 도 4는 동(同) 정전 척 모듈의 단면도, 도 5는 도 4의 요부 확대도이다.

도 3(a) ∼ 도 3(d)에 도시한 각 플라즈마 처리 장치는 체임버(1) 내의 상부에 상부 전극(2)을 배치함과 동시에 하부에 정전 척 모듈(3)을 배치하고 있다. 그리고 각 플라즈마 처리 장치의 작용은 아래와 같다.

도 3(a)에 도시한 플라즈마 처리 장치에서는 도시하지 않은 가스 도입부로부터 소정의 가스를 소정의 유량으로 도입하고, 도시하지 않은 압력 제어부에서 처리실 내를 소정의 압력으로 제어하여, 상부 전극(2)에 예를 들면 13.56MHz의 고주파를 인가하여 플라즈마를 발생시키고, 정전 척 모듈(3) 상에 배치한 기판에 대하여 생성한 플라즈마로 에칭, 성막, 데포짓(deposit) 박리, 레지스트(resist) 박리 등의 처리를 행한다. 이 때, 하부 전극에는 직류 전압을 인가하여 정전 척 모듈(3)로 기판을 흡착하고 있다. 도 3(a)는 단극(單極) 타입의 정전 척이지만 양극 타입의 정전 척도 성립된다.

도 3(b)에 도시한 플라즈마 처리 장치에 있어서는 도시하지 않은 가스 도입부로부터 소정의 가스를 소정의 유량으로 도입하고, 도시하지 않은 압력 제어부에서 처리실 내를 소정의 압력으로 제어하고, 하부 전극에 예를 들면 13.56MHz의 고주파를 인가하여 플라즈마를 발생시키고, 정전 척 모듈(3) 상에 배치한 기판에 대하여 생성한 플라즈마로 에칭, 성막, 데포짓 박리, 레지스트 박리 등의 처리를 한다. 이 때, 하부 전극에는 직류 전압을 인가하여 정전 척 모듈(3)로 기판을 흡착하고 있다. 도 3(b)는 단극 타입의 정전 척이지만 양극 타입의 정전 척도 성립된다.

도 3(c)에 도시한 플라즈마 처리 장치에 있어서는 도시하지 않은 가스 도입부로부터 소정의 가스를 소정의 유량으로 도입하고, 도시하지 않은 압력 제어부에서 처리실 내를 소정의 압력으로 제어하고, 도시하지 않은 가열 기구로 반응종(反應種)을 생성하고, 정전 척 모듈(3) 상에 배치한 기판에 대하여 생성한 반응종으로 에칭, 성막, 데포짓 박리, 레지스트 박리 등의 처리를 행한다. 이 때, 하부 전극에는 직류 전압을 인가하여 정전 척 모듈(3)로 기판을 흡착하고 있다. 도 3(c)은 양극 타입의 정전 척이고 단극 타입의 정전 척은 성립하지 않는다.

도 3(d)에 도시한 플라즈마 처리 장치에 있어서는 도시하지 않은 가스 도입부로부터 소정의 가스를 소정의 유량으로 도입하여, 도시하지 않은 압력 제어부에서 처리실 내를 소정의 압력으로 제어하고, 상부 전극에 예를 들면 60MHz의 고주파, 하부 전극에 1.6MHz의 고주파를 인가하여 플라즈마를 발생시키고, 정전 척 모듈(3) 상에 배치한 기판에 대하여 생성한 플라즈마로 에칭, 성막, 데포짓 박리, 레지스트 박리 등의 처리를 행한다. 이 때, 하부 전극에는 직류 전압을 인가하여 정전 척 모듈(3)로 기판을 흡착하고 있다. 도 3(d)는 단극 타입의 정전 척이지만 양극의 정전 척인 경우에도 성립된다.

도 3(a) ∼ 도 3(d)는 평행 평판형의 기판 처리 장치에 대하여 설명하고 있지만, 정전 척이 온도 변화하는 것과 같은 처리 장치라면, 본 발명은 어떠한 구조·기구를 가지는 처리 장치라도 적용가능하다.

정전 척 모듈(3)은 도 4에 도시하는 바와 같이, Cu계 복합 재료로 된 냉각 플레이트(4)에 알루미늄제 정전 척 플레이트(5)를 접합하여 이루어지고, 냉각 플레이트(4) 상하의 반체(半體)(4a, 4b)로 이루어지고, 이들 반체(4a, 4b)를 접합한 상태로 냉각수(냉매) 통로(6)가 형성되고, 또한 정전 척 플레이트(5) 내에는 내부 전극(7)이 형성되어 있다. 또한 단극식인 경우 내부 전극(7)은 하나, 양극식인 경우 내부 전극(7)은 한쌍 형성된다.

이상의 정전 척 모듈(3)을 구성하기 위해서는 알루미나제 정전 척 플레이트(5)와 냉각 플레이트(4)를 구성하는 상하 반체(4a, 4b)를 준비한다. 반체(4a, 4b)의 재료로서는 Cu계 복합 재료를 사용한다. 도 6은 알루미나와 Cu계 복합 재료의 열 팽창률을 비교한 그래프이고, Cu계 복합 재료로서는 12% Cu - 88% W, 15% Cu - 85% Mo, 14% Cu - 2% Ni - 84% Mo등을 들 수 있다. 이 중에서 14% Cu - 2% Ni - 84% Mo가 알루미나와 열 팽창률이 가장 가깝고 최적이다.

또한 상기 반체(4a, 4b)에 대해서는 5% 이상의 단조 가공이 실시되어, 결정계면에는 연속한 간극이 실질적으로 존재하지 않는 상태가 되어 있다.

상기 반체(4a, 4b)의 수로(6)를 형성하는 측의 표면에 도금, PVD, CVD 등의 방법에 의해 Ni, Cu, Cr, Ti 또는 Sn의 박막을 형성하고, 이 후, 납땜, 경납땜에 의해 반체(4a, 4b)를 접합하고, 냉각 플레이트(4)를 제작한다.

그리고, 냉각 플레이트(4)와 정전 척 플레이트(5)를 금속화한 후, In 접합, 납땜, 은 경납땜(은 경납의 경우, Cu 복합 재료 - Cu 복합 재료 - 정전 척의 동시 접합이 가능)을 한다. 접합 후는, 정전 척 플레이트(5)의 표면을 평면도 5㎛ 이하가 될 때까지 고정도 가공하고, 또한 외주부를 냉각 플레이트와 정전 척을 동시 가공하여, 정전 척 플레이트(5)의 외주단 하면에 언더 컷 형상을 만들고, 용사(溶射)에 의해 냉각 플레이트(4)의 외주면에 알루미나 박막(8)을 형성하여 절연성을 확보한다. 또한 도면 중 부호 9는 리프트 핀(lift pin)이 삽입되어 통과하는 슬리브(sleeve)이다.

이어서 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

[실시예 1]

15% Cu - 85% Mo 복합 재료와 15% Cu - 85% Mo 복합 재료(각각 소성 후, 40% 단조 가공을 함)를 금속 플레이트용으로 가공한 후, 무전해 Ni 도금 - 신터(sinter) - 전해 Ni 도금을 하고, BAg(8)에서 진공 경납땜하여 냉각 플레이트를 제작하였다.

PVD법으로 알루미나제 정전 척과 Cu계 복합 재료의 냉각 플레이트를 금속화한 후에 납땜하였다.

그 후, 정전 척 표면을 평면도 5㎛ 이하로 고정도 가공하여, 외주부를 언더 컷 형상으로 가공한 후, 순도 99% 알루미나를 용사, SiO₂막을 함침(含浸)한 후, 용사막과 알루미나제 정전 척의 외주부를 동시에 연삭(硏削)하였다.

[실시예 2]

13.5% Cu - 2.0% Ni - 84.5% Mo 합금과 13.5% Cu - 2.0% Ni - 84.5% Mo 합금 표면(각각 20% 단조 가공을 함)에 Ti막을 PVD법으로 형성하고, 금속화한 알루미나제 정전 척 3장을 BAg(8)에서 진공 경납땜하였다(Cu 복합 재료 - Cu 복합 재료 사이, Cu 복합 재료 - 금속화한 정전 척 사이에 은 경납을 하여 동시에 접합을 실시함).

그 후, 정전 척 표면을 평면도 5㎛ 이하로 고정도 가공하고, 외주부를 언더 컷 형상으로 가공한 후, 순도 99% 알루미나를 용사, 알루미나 용사막과 알루미나제 정전 척의 외주부를 동시에 연삭하였다.

[실시예 3]

14.5% Cu - 1.0% Ni - 84.5% Mo 합금과 14.5% Cu - 1.0% Ni - 84.5% Mo 합금(각각 40% 단조 가공을 함)에 PVD법으로 Sn을 성막하고, 납땜을 실시하여 냉각 플레이트를 제작하였다. 알루미나제 정전 척도 마찬가지로 PVD법으로 Sn을 성막한 후, 납땜하였다. 그 후, 정전 척 표면을 평면도 5㎛ 이하로 고정도 가공하고, 외주부를 언터 컷 형상으로 가공한 후, 순도 99% 알루미나를 용사하여, SiO₂막을 함침(含浸)한 후, 용사막과 알루미나제 정전 척의 외주부를 동시에 연삭하였다.

[비교예]

두장의 알루미늄제 금속 플레이트를 알루미늄 경납땜에 의해 접합하고, 냉각 플레이트를 제작하였다. 그리고, 알루마이트(alumite) 처리하여, 알루미늄 절연막을 형성하였다. 정전 척과 알루미늄제 냉각 플레이트의 접합면에 Ti, Cu를 스퍼터링하여, In 본딩을 행하였다. 그 후, 정전 척 표면을 가공하여, 고정도 가공하였다.

이상의 실시예 1 ∼ 실시예 3과 비교예에 대하여 소정의 온도 사이클 조건에서 시험을 행한 후의 평면도에 대한 결과를 아래의 표 1에 나타낸다. 표 1에서 Cu계 복합 재료를 냉각 플레이트로서 사용한 경우에 평면도는 5㎛ 이하로 제어할 수 있었지만, 알루미늄제 금속 플레이트를 사용한 경우에는 평면도를 10㎛ 이하로 완성할 수 없었다. 또한 온도 변화에 의해 30㎛ 평면도가 변화하였다.

[표 1]

No	테스트명	온도 사이클조건	평가 결과
No	테스트명	온도 사이클조건	평면도-시험전	평면도-시험후	용사막의 박리
1	실시예1	상온→120℃ 5hr→상온50사이클 분위기 대기중	3㎛凸	1㎛凸	박리 없음
2	실시예1	상온→80℃ 5hr→상온100사이클 분위기 대기중	1㎛凹	2㎛凸	박리 없음
3	실시예2	상온→120℃ 5hr→상온50사이클 분위기 대기중	4㎛凸	5㎛凸	박리 없음
4	실시예3	상온→120℃ 5hr→상온100사이클 분위기 대기중	2㎛凹	4㎛凹	박리 없음
비교예	비교예	상온→120℃ 5hr→상온50사이클 분위기 대기중	20㎛凸	50㎛凸	-

또한 아래의 표 2는 상대 밀도와 단조 비율을 변화시켜 누출량을 조사한 결과를 나타낸 것으로, 비교예⑥에서 단조비율을 높이더라도 상대 밀도가 95%까지 저하되면 누출량이 많아지고, 비교예⑤, ⑦에서 상대 밀도를 높이더라도 단조 비율이 낮으면 누출량이 많아지는 것을 알 수 있다.

그리고 실시예 ①∼⑥으로 부터는 누출량을 10^-9 대까지 낮추기 위해서 상대 밀도 97%이상, 단조 비율 5%를 동시에 만족시켜야 한다는 것을 알 수 있다.

[표 2]

		시험품명칭	상대밀도	단조비율	누출량(Pa·㎥/sec)	평가결과	비고
비교예	①	12%Cu-88%W	96%	0	1.0*10-7이상	NG
	②	10%Cu-3%Ni-87%W	96%	0	4.3*10-7이상	NG
	③	14%Cu-86%W	98.7%	0	2.0*10-8이상	NG
	④	10%Cu-3%Ni-85%Mo	95%	0	7.8*10-7이상	NG
	⑤	10%Cu-3%Ni-87%W	99.2%	0	8.3*10-8이상	NG	HIP처리(HIP전의 상대밀도 96%)
	⑥	12%Cu-88%W	95%	30%	6.2*10-7이상	NG
	⑦	12%Cu-3%Ni-85%Mo	99%	3%	5.0*10-8이상	NG
본발명	①	12%Cu-88%W	99%	20%	5.4*10-10이하	OK
	②	10%Cu-3%Ni-87%W	99.3%	30%	2.0*10-9이하	OK
	③	12%Cu-3%Ni-85%Mo	97.0%	10%	7.5*10-9이하	OK
	④	15%Cu-85%Mo	99.9%	50%	1.0*10-10이하	OK
	⑤	10%Cu-3%Ni-85%Mo	98.3%	5%	7.5*10-9이하	OK
	⑥	10%Cu-3%Ni-85%Mo	99.8%	40%	2.1*10-9이하	OK

단조 비율 = (단조 전의 두께 - 단조 후의 두께)/단조전의 두께 * 100

*시험 방법 : 후드법

*합격 레벨 : 1.0*10-8(Pa·㎥/sec)이하

이상에 설명한 바와 같이 본 발명에 관한 정전 척 모듈에 의하면, 냉각 플레이트의 재료로서 단조한 Cu계 복합 재료를 사용하였으므로, 냉각 효과가 높고, 표면의 평면도 변화가 작고, 순수(純水)의 통수(通水) 시험에 의하여도 부식하지 않고, 또한 관통 누출이 없는 정전 척 모듈을 얻을 수 있다.

Claims

알루미나제 정전 척 플레이트와 냉각 플레이트를 접합하여 이루어지는 정전 척 모듈에 있어서, 상기 냉각 플레이트의 소재는 Cu-W, Cu-W-Ni, Cu-Mo, Cu-Mo-Ni 등의 Cu계 복합 재료를 단조(鍛造) 가공한 것인 것을 특징으로 하는 정전 척 모듈.
제 1 항에 있어서, 상기 Cu계 복합 재료를 단조 가공한 냉각 플레이트는 이론(理論) 밀도비(密度比) 97% 이상으로, 제조 공정에서 5% 이상의 단조 가공이 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 척 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 냉각 플레이트의 열 팽창률과 알루미나제 정전 척 플레이트의 열 팽창률의 차가 2 × 10^-6/℃ 이하인 것을 특징으로 하는 정전 척 모듈.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 플레이트의 통수로(通水路) 표면에는 도금, PVD, CVD 등의 방법에 의해, Ni, Cu, Cr, Ti 또는 Sn의 박막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 척 모듈.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 플레이트와 알루미나제 정전 척 플레이트를 접합한 후에 평면도 5㎛ 이하가 될 때까지 정전 척 플레이트 표면이 고정도(高精度) 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 척 모듈.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미나제 정전 척 플레이트 외주 하단은 언더 컷(under-cut)되고, 이 언더 컷된 부분에 연속하도록 냉각 플레이트의 외주면을 덮는 알루미나막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 척 모듈.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 정전 척 모듈에서 냉매로서 순수(純水)를 사용하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.