KR20050069684A - 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치 및 온도조절방법 - Google Patents

반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치 및 온도조절방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치 및 온도조절방법에 관한 것으로, 반도체 제조를 위한 공정이 진행되는 동안 웨이퍼가 안착되어 고정되는 정적척에 있어서, 안착되는 웨이퍼가 과열되지 않도록 상기 정전척에 냉각가스인 헬륨가스를 공급하되 정전척의 중심과 가장자리에서 이중으로 공급함으로써, 웨이퍼의 전영역에서 동일한 온도를 유지할 수 있도록 한 특징이 있다.
이를 위한 본 발명은, 상면에 웨이퍼가 안착되는 정전척, 상기 정전척으로 헬륨가스를 공급하는 공급부, 상기 공급부와 정전척을 잇는 공급관을 포함하여 이루어지는 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치에 있어서, 상기 정전척의 중심과 가장자리에는 각각 온도센서가 설치되며, 상기 정전척의 중심과 가장자리에는 헬륨가스가 유입되는 각각의 유입공이 형성되고, 상기 정전척의 내부에는 상기 각각의 유입공으로 유입된 헬륨가스의 이동통로가 되는 각각의 유로부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치 및 온도조절방법{ Temperature control device for semiconductor wafer ESC and temperature control method }
본 발명은 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치 및 온도조절방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 웨이퍼에 박막을 증착하거나 웨이퍼상의 특정 영역을 제거해 내는 식각공정 등에 있어서 공정중 웨이퍼가 안착되는 정전척에 헬륨가스를 공급하여 안착되는 웨이퍼가 과열되지 않도록 방지하는 역할을 하는 반도체 웨이퍼용 정적척의 온도조절장치 및 온도조절방법에 관한 것이다.
현대 사회에는 라디오, 컴퓨터, 텔레비젼 등의 각종 전자 제품이 매우 다양하게 사용되고 있으며, 상기 전자 제품에는 필수적으로 다이오우드, 트랜지스터, 사이리스터등의 반도체 소자가 포함된다. 위와 같이 현대 사회의 필수품인 반도체 소자는, 산화실리콘(모래)에서 고순도의 실리콘을 추출한 것을 단결정으로 성장시키고 이를 원판 모양으로 잘라서 웨이퍼를 만드는 과정, 상기 웨이퍼의 전체 표면에 막을 형성하고 필요한 부분을 제거하여 일정한 패턴을 형성하는 과정, 형성된 패턴에 따라 불순물 이온을 도핑하고 금속배선을 통하여 최초 설계된 회로를 구현하며 필요한 소자로 만들기 위한 패키지 공정등이 포함된 일련의 웨이퍼 가공 과정을 통하여 제조된다.
위와 같은 반도체 제조 공정 중, 일부 공정은 필요한 장치가 구비된 반응챔버내에 공정 대상 웨이퍼가 반입되어 진행된다.
가령, 화학 반응을 이용하여 웨이퍼상에 박막을 형성하는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 공정 중 높은 에너지의 전자가 중성 상태의 가스 분자와 충돌하여 가스 분자를 분해하고 이 분해된 가스 원자가 웨이퍼에 부착되도록 하는 플라즈마 화학기상증착 공정(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 또는 웨이퍼 상의 특정 영역을 물질의 화학 반응을 통해 제거해 내는 식각 공정 중 플라즈마를 이용한 건식식각 공정은, 모두 반응챔버 내에 웨이퍼가 반입되어 공정이 진행되는 예이다.
위와 같이, 플라즈마를 이용한 공정을 수행하는 장비를 '고집적 플라즈마(HDP)' 설비라 하며, 일반적인 '고집적 플라즈마' 설비에는, 공정대상 웨이퍼가 안착되는 정전척(ESC, Electro Static Chuck)이 사용된다. 상기 정적척의 기능으로는, 크게 웨이퍼와 정전척 간의 정전효과를 통하여 웨이퍼를 고정시키는 수단으로서의 기능과, 상기 웨이퍼의 뒷면측에 헬륨가스를 공급하여 공정 중 웨이퍼의 표면온도를 일정하게 유지시키는 수단으로서의 기능 두 가지이다.
도 1은, 종래 정전척이 설치된 반응챔버를 개략적으로 도시한 도면으로, 반응챔버(1) 내부에 설치되는 정전척(3)은, 상부에 웨이퍼(5)가 고정되는데 이를 위해 DC 바이어스(bias)를 걸어주는 전극(미도시)이 형성되며, 하부로는 공정중에 웨이퍼의 온도를 일정하게 유지하는 냉각가스인 헬륨가스의 공급관(2)이 연결되고 아울러 헬륨가스에 의한 냉각효과를 극대화하기 위하여 웨이퍼(5)의 상면에서 웨이퍼(5)를 눌러서 정전척(3)에 밀착시키는 클램프링(4)이 구비된다.
도 2는, 도 1에 도시된 정전척의 평면도로, 정전척의 중심에는, 헬륨가스가 공급되는 유입공(6)이 형성되며, 정전척에 안착되는 웨이퍼의 온도를 감지하는 온도센서(8)가 설치된다. 한편 상기 유입공(6)으로 유입된 헬륨가스는 정전척의 내부에 형성되는 유로부(7)를 따라 이동하는데, 상기 유로부(7)는 정전척의 중심에서 테두리로 방사형으로 분배되는 다수개의 유로(7a,7b)로 이루어지므로, 냉각가스인 헬륨가스가 정전척의 중심에서 전영역으로 퍼지게 된다. 상기 정전척의 상면에는 전영역에 걸쳐 균일하게 다수개의 엠보싱(9)이 형성되는데, 유입공(6)으로 유입되어 유로부(7)를 따라 이동하던 헬륨가스가 일정량을 초과하면 유로부(7)를 벗어나서 개개의 엠보싱(9)으로 전달되므로 상기 엠보싱(9)은 실질적으로 웨이퍼와 접촉하여 이를 냉각시키는 역할을 수행한다.
그러나, 상기와 같이 구성되는 정전척은 다음과 같은 몇 가지 문제가 있다. 상기 정전척의 중심에 설치되는 온도센서는 자동온도조절장치(ATC, Auto temperature controller)와 연결되며, 상기 자동온도조절장치는 온도센서에서 감지되는 온도에 따라 유입되는 헬륨가스를 조절함으로써, 웨이퍼의 온도를 유지한다. 그러나 정전척의 중심으로 유입되는 헬륨가스의 양과 테두리로 퍼져서 도달하는 헬륨가스의 양은 차이가 있으므로 웨이퍼의 중심과 테두리간에는 온도차가 발생되고, 상기 온도센서에서 감지되는 웨이퍼의 온도는 중심에서의 온도일 뿐이므로 자동온도조절장치에서는 상기 웨이퍼의 영역간의 차이를 적절하게 조절할 수 있는 수단이 없다. 따라서 웨이퍼의 중심과 테두리 사이에는 계속적으로 온도차가 생기고, 그에 따라 반응챔버 내에서 진행되는 해당 공정에 악영향을 미치게 된다. 가령 해당 공정이 플라즈마를 이용한 화학기상증착 공정인 경우에는, 웨이퍼의 중심과 테두리에 형성되는 막의 두께가 달라지게 되는데, 온도차가 심할 경우에는 웨이퍼의 테두리 부분의 금속 라인이 녹아버리게 되어 반도체 제품에 치명적인 결함을 유발하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 발명된 것으로, 종래 정전척의 중심으로만 냉각가스인 헬륨가스가 공급되었던 구조를 개선하여, 정전척에 안착되는 웨이퍼의 중심과 테두리 사이에 온도차가 발생되었던 문제점을 해소할 수 있는 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치 및 온도조절방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치는, 상면에 웨이퍼가 안착되는 정전척, 상기 정전척으로 헬륨가스를 공급하는 공급부, 상기 공급부와 정전척을 잇는 공급관을 포함하여 이루어지는 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치에 있어서, 상기 정전척의 중심과 가장자리에는 각각 온도센서가 설치되며, 상기 정전척의 중심과 가장자리에는 헬륨가스가 유입되는 각각의 유입공이 형성되고, 상기 정전척의 내부에는 상기 각각의 유입공으로 유입된 헬륨가스의 이동통로가 되는 각각의 유로부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절방법은, 상면에 웨이퍼가 안착되는 정전척, 상기 정전척으로 헬륨가스를 공급하는 공급부, 상기 공급부와 정전척을 잇는 공급관을 포함하여 이루어지는 반도체 웨이퍼용 정전척에 있어서, 상기 정전척의 중심과 가장자리에 각각 설치되는 온도센서를 통하여 감지되는 상기 웨이퍼의 중심과 가장자리의 온도에 따라서, 상기 정전척의 중심과 가장자리에 각각 형성되는 유입공으로 헬륨가스를 공급하고, 상기 정전척의 내부에 상기 각각의 유입공에 연결되어 형성되는 각각의 유로부로 상기 헬륨가스가 이동할 수 있도록 함으로써, 상기 정전척에 안착되는 웨이퍼의 전영역에서 동일한 온도가 유지될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 일실시예에 따른 구성 및 작용을 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 사용되는 정전척의 평면도이다.
본 발명의 특징은, 종래 정전척의 중심으로만 공급되었던 헬륨가스를 중심과 가장자리로 나누어서 공급한다는 점이다. 따라서 도면에 도시된 것과 같이, 정전척의 중심에 헬륨가스가 유입되는 유입공(11)이 형성될 뿐만 아니라, 정전척의 가장자리에도 헬륨가스가 유입되는 유입공(21)이 형성되어 있다. 상기 유입공(11,21)은 각각 별도의 유로부(13, 23)와 연결되고, 상기 각각의 유로부(13, 23)는 정적척상의 특정지점에서 경계를 이루게된다. 상기 유로부(13, 23)의 전체적인 형상은 종래 기술의 정적척과 마찬가지로 중심에서 테두리로 분배되는 방사형의 다수개의 유로(13a, 13b, 23a, 23b)로 된 형상이라는 점에서 동일하다. 그러나 정전척의 가장자리에 형성되는 유입공(21)에 연결되는 유로부(23)의 경우에는 헬륨가스의 이동경로가 정전척의 가장자리에서 중심방향으로 향하게 된다는 점과, 상기 각각의 유로부(13, 23)는 정전척의 특정지점에서 경계를 이루게 된다는 점이 다르다. 따라서 종래의 정전척과 마찬가지로, 각각의 유입공(11,21)으로 유입된 헬륨가스는 각각의 유로부(13, 23)를 구성하는 다수개의 유로(13a, 13b, 23a, 23b)를 따라 이동하며, 실질적으로는 정전척에 형성된 엠보싱(30)을 통하여 정전척에 안착되는 웨이퍼를 냉각시키는 역할을 수행하게 된다.
상기 유로부(13, 23)의 경계를 이루는 지점은 여러가지 변수를 고려하여 적절하게 선택할 수 있으며, 그 중 하나로 정전척 반경의 절반이 되는 지점을 선택할 수 있다. 왜냐하면, 가령 상기 유로부(13, 23)의 경계가 되는 지점이 지나치게 정전척의 가장자리 쪽으로 치우치게 되는 경우, 웨이퍼의 중심과 가장자리에서의 온도차를 줄이고자 하는 본 발명의 목적과 달리, 웨이퍼의 중심과 상기 유로부의 경계가 되는 지점까지 온도차가 발생될 가능성이 높기 때문이다.
한편 정전척의 가장자리에도 유입공(21)이 형성됨에 따라, 유입되는 헬륨가스의 양을 조절하는데 필요한 정보를 얻기 위하여, 정전척의 중심에 온도감지센서(12)가 설치되는 것 이외에 정전척의 가장자리에도 온도감지센서(22)가 설치된다. 상기 온도감지센서(12, 22)는, 기본적으로 현재 웨이퍼의 온도를 파악한 후 지나치게 높거나 낮은 경우에 유입되는 헬륨가스를 조절하여 웨이퍼의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 설치되나, 본 발명과 같이 온도센서(12, 22)가 설치된 경우에는, 온도센서(12, 22)에서 감지되는 온도를 비교함으로써 웨이퍼의 각 부위별로 온도차가 발생되지 않도록 제어하는 수단으로도 활용될 수 있는 것이다. 즉, 종래의 장치에서 웨이퍼의 온도를 조절하는데 사용되었던 자동온도조절장치와 같이 전체 장치의 동작을 제어할 수 있는 제어부(200)를 구비하고, 상기 제어부(200)에서는 온도센서(12, 22)에서 감지된 온도를 수신하여 비교한 후, 웨이퍼의 중심과 가장자리에서의 온도차가 있는 경우에는 상기 유입공(11, 21)으로 공급되는 헬륨가스의 유량과 압력이 서로 달라자도록 제어함으로써 항상 웨이퍼의 중심과 가장자리의 온도가 같아지도록 할 수 있게 되는 것이다.
도 4는 본 발명 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치의 구성도이다. 도면을 참고로 정전척으로 헬륨가스가 공급되어 웨이퍼의 온도가 조절되는 동작을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 있어서는, 정전척의 중심과 가장자리로 각각 헬륨가스가 공급되므로 두 개의 공급부(40)가 구비되며, 각각의 공급부(40)에서는 동일한 과정으로 반응챔버(1)내의 정전척에 헬륨가스를 공급한다. 가령 정적척의 중심으로 헬륨가스를 공급하는 경우에는, 상기 공급부(40)와 유입공을 잇는 공급관(80)에는 유량조절기(MFC, mass flow controller)(50)와 압력조절기(UPC :unit pressure controller)(60)가 설치되어 공급되는 헬륨가스의 유량, 압력을 조절하며 또한 공급에어밸브(70)를 통하여 헬륨가스의 공급을 제어한다. 상기 공급관(80)을 살펴보면, 중간에 일부가 분기되어 헬륨가스가 배출되는 배출관(100)과 연결되어 있는데 이는 역류를 방지하고 헬륨가스가 과다하게 공급되어 공급관(80)이 고압상태가 되는 등의 비정상적인 상황에서 헬륨가스를 배출시키기 위함이다. 위와 같이 공급부(40)와 유입공을 잇는 공급라인은 다른 유입공에 대해서도 동일하게 구비되며, 상기 유입공으로 각각 공급되는 헬륨가스는 배기관(100)을 따라 이동하면서 배출된다. 상기 배기관(100)에는 배기관(100)을 개폐시켜서 헬륨가스의 배기를 조절하는 배기에어밸브(90)가 설치된다.
본 발명 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치에 대한 기술사상을 예시도면에 의거하여 살펴보았지만, 본 발명은 특정한 장치에 한정되지 않고, 이중으로 헬륨가스를 공급함으로써 웨이퍼의 전영역에 있어서 동일한 온도가 유지될 수 있는 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절방법에 관한 기술사상으로서, 해당 기술분야의 통상 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양하게 변형하거나 모방하여 사용할 수 있음은 자명하다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치 및 온도조절방법에 의하면, 웨이퍼가 안착되는 정전척의 중심과 가장자리에서 이중으로 온도를 감지하여 헬륨가스가 공급되므로, 웨이퍼의 온도가 전체적으로 항상 일정하게 유지될 수 있는 효과가 있다.
도 1은, 종래 정전척이 설치된 반응챔버를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는, 도 1에 도시된 정전척의 평면도,
도 3은 본 발명에 사용되는 정전척의 평면도,
도 4는 본 발명 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치의 구성도이다.
♧ 도면의 주요부분에 대한 설명 ♧
1 -- 반응챔버 11,21 -- 유입공
12,22 -- 온도센서 13,23 -- 유로부
30 -- 엠보싱 40 -- 공급부
50 -- 유량조절기 60 -- 압력조절기
70 -- 공급에어밸브 80 -- 공급관
90 -- 배출에어밸브 100 -- 배출관
200 -- 제어부

Claims (5)

  1. 상면에 웨이퍼가 안착되는 정전척, 상기 정전척으로 헬륨가스를 공급하는 공급부, 상기 공급부와 정전척을 잇는 공급관을 포함하여 이루어지는 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치에 있어서,
    상기 정전척의 중심과 가장자리에는 각각 온도센서가 설치되며, 상기 정전척의 중심과 가장자리에는 헬륨가스가 유입되는 각각의 유입공이 형성되고, 상기 정전척의 내부에는 상기 각각의 유입공으로 유입된 헬륨가스의 이동통로가 되는 각각의 유로부가 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치.
  2. 제 1항에 있어서, 각각의 유로부는 정전척의 중심에서 테두리로 일정각도로 이격되어 분배되는 다수개의 유로와 정전척의 테두리에서 중심으로 일정각도로 이격되어 분배되는 다수개의 유로로 이루어지며, 상기 각각의 유로부는 정전척상의 특정지점에서 경계를 이루는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 각각의 유로부의 경계를 이루는 정전척상의 특정지점은, 정전척 반경의 절반이 되는 지점인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 각각의 온도센서에서 감지되는 온도신호를 수신하고, 감지되는 온도가 차이나는 경우에는 온도가 같아지도록 상기 각각의 유입공으로 공급되는 헬륨가스의 유량과 압력이 서로 달라지도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절장치.
  5. 상면에 웨이퍼가 안착되는 정전척, 상기 정전척으로 헬륨가스를 공급하는 공급부, 상기 공급부와 정전척을 잇는 공급관을 포함하여 이루어지는 반도체 웨이퍼용 정전척에 있어서,
    상기 정전척의 중심과 가장자리에 각각 설치되는 온도센서를 통하여 감지되는 상기 웨이퍼의 중심과 가장자리의 온도에 따라서, 상기 정전척의 중심과 가장자리에 각각 형성되는 유입공으로 헬륨가스를 공급하고, 상기 정전척의 내부에 상기 각각의 유입공에 연결되어 형성되는 각각의 유로부로 상기 헬륨가스가 이동할 수 있도록 함으로써, 상기 정전척에 안착되는 웨이퍼의 전영역에서 동일한 온도가 유지될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼용 정전척의 온도조절방법.
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