KR20080102431A - 열 척 제조 방법 및 열 척 - Google Patents
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Abstract
반도체 기판을 처리하는 열 척은 선형 유동을 제공하는 냉각 통로를 포함한다. 열 척은 평면 지지 표면부와 하면부 중 선택된 하나의 내부로 냉각 통로를 형성하는 단계; 열 척 조립체를 형성하도록 하면부와 평면 지지 표면부 사이에 클래딩 재료를 삽입하는 단계; 및 하면부 및 평면 지지 표면부에 클래딩 재료를 융합시키기 위한 조건 하에서 소정의 온도로 상기 열 척을 가열하는 단계;에 의해 제조될 수 있으며, 상기 냉각 통로가 상기 하면부 및 평면 지지 표면부 안에 밀봉된다. 냉각 통로는 밀링 또는 주조될 수 있으며, 사행 형상을 형성하도록 인접한 선형 섹션들에 연결된 방사상 곡선형 섹션을 갖는다.
Description
본 발명은 일반적으로 반도체 처리에 사용되는 열 척 제조에 관한 것이며, 보다 상세하게는 내부에 형성된 냉각 통로를 갖는 열 척 및 냉각 통로를 구비한 열 척을 제조하는 방법에 관한 것이다.
열 척은 일반적으로 정해진 높이, 폭, 및 두께를 갖는 단일한 부재로 제조된다. 반도체 기판을 처리하기 위해, 열 척은 원형이며, 평면 지지 표면을 갖는다. 이들 열 척에 형성된 냉각 통로는 일반적으로 사행 형상을 가짐으로써 사용중에 제어 및 균일한 온도 조절을 제공한다. 냉각 통로의 사행 형상을 형성하기 위해, 종래 기술의 척은 척을 중심으로 방사상으로 배치되는 에지 위치에 드릴링된다. 각각의 선형 드릴링된 통로는 다른 드릴링된 통로와 교차하여 사행 형상을 형성한다. 유입구 및 유출구 개구가 사행 형상 냉각 통로의 열 단부(thermal ends)에 형성되며, 이러한 냉각 통로는 제조 과정중에 척의 하면을 통해 드릴링된다. 척의 방사상 에지 둘레의 드릴공 개구에는 그 후, 예를 들면 2편 마찰 잠금 플러그(two-piece friction lock plug)와 같은 플러그가 압입된다.
도 1은 사행 형상 냉각 통로를 포함하는 예시적인 열 척(10)을 도시한다. 도시된 열 척(10)은 처리중에 기판을 지지하는 평면 지지 표면(12)을 갖는 형상의 원형이다. 평면 지지 표면(12)에 동심 리세스(14)가 형성되어 진공 홀드다운 능력(vacuum hold down capabilities)을 제공할 수 있다. 이 예시적인 척에서, 11개의 통로(16)가 척의 방사상 에지(18)를 통해 드릴링되어, 집합적으로 사행 형상 냉각 통로를 형성한다. 사행 형상 냉각 통로에 대한 종단부 위치에서 척의 하면을 통하여 유입구 및 유출구 개구(20, 22)가 드릴링된다. 그 후, 방사상 에지(18) 둘레의 개구(24)에 2편 플러그(미도시)가 압입된다.
이러한 방식으로 냉각 통로를 제조하는 문제점 중 한가지는, 압입 플러그가 작동중에 고장나게 되어 사용중에 프로세스 챔버의 내부로 유체를 누출되게 할 수 있는 점이다. 압입 플러그는 일반적으로 열 척이 노출되는 작동 온도보다 상당히 낮은 온도로 규격이 정해진다. 그러나 실제로 척은 일상적으로 이들 온도를 초과하여 사용되며, 이는 플러그의 열 피로 및 고장을 일으킬 수 있다. 또한, 플러그를 개구 내부로 압입하는 과정은 평면 지지 표면(12)의 변형을 일으키며 척의 기계적 신뢰성에 악영향을 미친다. 이러한 변형은 일반적으로 초과의 재료를 변형된 표면으로부터 희망 평탄도 규격에 맞추어 밀링함으로써 해소될 수 있지만, 열 사이클링(thermal cycling)과 결부된 잔류 응력 집중이 균열을 야기할 수 있다.
사행 냉각 통로의 제조 방법이 갖는 다른 문제점은 냉각 통로가 형성되는 방식이 갖는 냉각제의 변동류/난류이다. 사행 통로는 각각의 통로 섹션이 방사상 에지 위치로부터 선형으로 드릴링될 것을 요구하기 때문에, 교차하는 통로 섹션은, 예를 들면 도시된 바와 같이 직각으로 서로 각도를 이룬다. 통로 내부의 유체의 결과적인 변동류/난류는 온도 균일성에 악영항을 미치며 척에 기계적 응력을 크게 가할 수 있다. 또한, 마찰 조립된 플러그는 제한된 길이를 가지며, 교차 지점에서 항상 종결되는 것이 아니어서 사행 냉각 통로 내에 막힌 단부를 초래한다. 또한, 냉각 통로가 가압된 공기로 퍼지될 때 이러한 막힌 단부 부분에 액체가 갇힌다. 이 액체는 열 척이 재가열될 때 증발되어 냉각 통로 내에 과도한 압력을 야기한다.
따라서 종래 기술에서 주목된 문제점을 극복할 수 있는 열 척 및 향상된 제조 방법에 대한 요구가 존재한다.
본 명세서에는 내부에 기계가공된 냉각 통로를 갖는 열 척 및 이 열 척을 제조하는 방법이 개시된다. 일 실시예에서, 열 척을 제조하는 방법은, 하면부 및 평면 지지 표면부 중 선택된 하나의 내부로 냉각 통로를 형성하는 단계, 상기 열 척을 형성하도록 상기 하면부와 평면 지지 표면부 사이에 클래딩 재료를 삽입하는 단계, 및 상기 하면부 및 평면 지지 표면부에 상기 클래딩 재료를 융합시키기 위한 조건 하에서 소정의 온도로 상기 열 척을 가열하는 단계를 포함하며, 상기 냉각 통로는 상기 하면부 및 평면 지지 표면부 안에 밀봉된다.
다른 실시예에서, 열 척 제조 방법은, 하면부 및 평면 지지 표면부 중 선택된 하나의 내부로 냉각 통로를 형성하는 단계, 열 척 조립체를 형성하도록 상기 하면부와 평면 지지 표면부 사이에 클래딩 재료를 삽입하는 단계, 및 일체형 구조물을 형성하도록 상기 하면부, 상기 클래딩 재료 및 상기 평면 지지 표면부를 진공 브레이징하는 단계를 포함하며, 상기 냉각 통로는 상기 일체형 구조물 내에 밀봉된다.
반도체 기판을 처리하는 열 척은, 기판을 지지하는 평면 상부 표면, 상기 평면 상부 표면 아래에서 신장하는(spanning) 냉각 통로로서, 복수의 선형 섹션 및 상기 복수의 선형 섹션 중 섹션들을 연결하는 하나 이상의 방사상 곡선형 섹션, 제 1 단부, 및 제 2 단부를 포함하는 냉각 통로, 및 내부에 상기 제 1 단부에 유동적으로(fludly) 연결되는 유입구 개구 및 상기 제 2 단부에 유동적으로 연결되는 유출구 개구를 구비하는 바닥 표면을 포함하며, 상기 냉각 통로는 상기 평면 상부 표면과 바닥 표면 사이에 삽입된다.
전술된 특징 및 다른 특징이 하기의 도면 및 상세한 설명에 의해 예시된다.
이제, 예시적인 실시예이며 동일한 요소가 같은 번호로 지시된 도면이 참조된다.
도 1은 종래 기술의 열 척(thermal chuck)의 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 척의 분해 사시도이며,
도 3은 기판을 지지하기 위한 평면 지지 표면을 세부 묘사하는, 도 2의 열 척의 사시도이며,
도 4는 일 실시예에 따른 사행 형상(serpentine-like) 냉각 통로의 평면도이다.
냉각 통로를 포함하는 열 척 및 종래 기술에서 주목된 문제점을 극복하는 상 기 열 척을 제조하는 방법이 개시된다. 이 제조 방법은 열 척을 형성하도록 평면 지지 표면부를 하면부에 진공 브레이징(vacuum brazing)하는 단계를 포함하며, 이때 냉각 통로는 진공 브레이징 이전에 하면부 및 평면 지지 표면부 중 선택된 하나의 내부로 밀링된다. 그 결과, 진공 브레이징될 때, 2개의 구성요소가 함께 연결되어 밀링된 냉각 통로를 밀봉한다. 이에 따라, 플러그가 사용되지 않으며, 밀링된 패턴이 막힌 단부(dead ends)없이 냉각 통로를 통해 층류(laminar flow)를 제공하도록 만들어질 수 있다.
도 2 및 도 3은 일 실시예에 따른 열 척(100)의 분해도를 도시한다. 일반적으로 열 척(100)은 평면 지지 표면부(102) 및 하면부(104)를 포함하며, 선택된 구성요소(102 또는 104) 중 하나는 그 내부로 밀링된 냉각 통로 패턴(106)을 포함한다. 바람직하게 평면 지지 표면부(102) 및 하면부(104)는 열 척이 사용되는 환경에 의한 부식에 대한 내성이 있는 금속, 예를 들면 열처리 가능한 알루미늄 합금, 양극 산화 알루미늄 코팅(anodized aluminum oxide coating)된 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등으로 제조된다.
평면 지지 표면부(102)는 처리중에 상부에 기판이 배치되는 평면 상부 표면(108)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 평면 지지 표면부(102)의 바닥 표면(110)은 원하는 냉각 통로 패턴(106)으로 밀링된다. 사행 냉각 통로 패턴(serpentine-like cooling passage pattern)이 도시되어 있지만, 임의의 패턴이 내부에 밀링될 수 있음이 당업자에게 이해되어야 한다. 이 때문에, 본 발명은 도시된 특정한 패턴에 제한되지 않을 것이다. 또한, 하나 보다 많은 통로(하나보다 많은 유입구 및 유출구)가 제공될 수 있음이 이해되어야 한다. 또한, 밀링이 언급되었지만, 냉각 통로를 형성하는 다른 방법, 예를 들면 주조가 사용될 수 있다.
평면 지지 표면부(102)는 반도체 웨이퍼를 처리하기 위해 사용되는 열 척에서 일반적으로 볼 수 있는 피처(feature)를 또한 포함할 수 있다. 예를 들면 도시된 바와 같이, 평면 상부 표면(106)은 중심 축선(114)을 중심으로 하는 복수의 동심 환형 리세스(concentric annular recesses; 112)를 포함할 수 있다. 또한, 평면 지지 표면부(102)는 경계 핀(perimeter pins), 가열 요소, 가스 이송공, 열전쌍 등의 결합을 위한 개구(116)를 선택적으로 포함할 수 있다. 원하는 적용에 따라, 개구(116)는 동심 환형 리세스(112)와 함께 기판의 탄성 변형에 의해서와 같이, 평면 상부 표면(106)과 기판의 바닥 표면 사이의 접촉점의 개수를 증가시키기 위해 기판의 배면에 진공을 제공하도록 사용될 수도 있다. 진공 홀드다운이 활용되면, 진공으로 인한 평면 상부 표면(106)과 기판 사이의 접촉점의 증가된 개수는 기판이 처리 온도에 이르는 속도를 증가시킬 수 있다. 이 경우, 진공 홀드다운 개구 및/또는 진공 통로(미도시)는 바람직하게 진공 라인에 연결되며, 진공 라인은 또한 프로세스 챔버 차단 밸브, 유동 제어 밸브 등(미도시)의 하류에 연결된다.
하면부(104)는 상부 표면(120) 및 바닥 표면(122)을 포함한다. 상부 표면은 평면 지지 표면부(102)의 바닥 표면(122)과 동일 평면에 있으며 교합된다. 냉각 통로(106)에 대한 유입구(124) 및 유출구(126)는 하면부(104)를 관통하여 드릴링될 수 있다. 하면부(104)는 평면 지지 표면부(102) 내의 개구 또는 리세스(132)와 동축으로 정렬되는 하나 또는 그보다 많은 플러그 개구(128)를 더 포함할 수 있다. 진공 브레이징 이전에, 플러그(132)는 개구(128, 130) 내부로 리밍되어(reamed) 하면부(104)와 평면 지지 표면부(102)의 적절한 정렬을 제공한다. 하면부(104)는 평면 지지 표면부(102)의 개구(116)와 동축이며 상보적인 개구(134)를 더 포함한다. 이에 따라, 열 척(100)은 열전쌍, 경계 핀 등을 이용하여 열 척에 대해 의도된 적용에 바람직할 수 있는 바대로 조립될 수 있다. 처리 온도를 상승시킬 수 있는 저항 가열 요소가 하면부(104)에 주조될 수도 있으며, 이는 벌크 포토레지스트 스트립(bulk photoresist strip) 또는 식각 프로세스를 실행할 때와 같이 증가된 툴 수율을 위해 활용될 수 있다. 환형 플랜지(136)가 바닥 표면(122)을 둘러싸서 열 척을 프로세스 챔버에 고정시키는 수단을 제공한다. 개구는 진공 브레이징 프로세스가 완료되기 전 또는 완료된 후에 드릴링될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 열 척의 작동 온도는 바람직하게 가열 및 냉각 능력을 갖는 비례 적분 미분(proportional integral derivative; PID) 제어기를 사용하는 폐루프 제어 시스템 또는 피드백을 통하여 변화될 수 있다. 대안적으로 제어기는 필요에 따라 통로(106)에 냉각 유체(공기 또는 물)를 또는 가열 요소에 전류를 공급할 것이다. PID 제어기에 대한 피드백은 평면 지지 표면부(102) 내에 장착되는 스프링 작동된 열전쌍과 같은 온도 측정 장치를 사용하는 프로세스 중에 기판의 온도를 측정함으로써 제공될 것이다. 예를 들면, 스프링은 열전쌍과 함께 작동 가능하여서, 열전쌍은 기판의 배면과의 접촉을 유지한다. 대안적으로 열 척(100)의 온도는, 프로세스의 적절한 시점에서 통로(106)를 통해 유체 유동(공기 또는 물)을 허용하고 가열 요소에 공급되는 전류를 조정함으로써, 개방 루프 프로세스를 이용 하여(즉, 피드백 장치 없이) 제어될 수 있다. 바람직하게 지지부(22)는, 예를 들면 양극 산화 알루미늄 코팅된 알루미늄과 같이, 프로세스 가스에 의한 부식에 내성이 있는 금속으로 제조된다.
도 4는 사행 냉각 통로 패턴(110)의 평면도를 도시한다. 도시된 패턴에서는 실질적으로 선형인 통로 섹션을 연결하는 방사상 곡선이 두드러진다. 이에 따라 냉각 통로(110)를 통하는 층류가 획득될 수 있다.
진공 브레이징 프로세스는 적절히 특성에 맞춰지는 연결 프로세스이며, 이러한 프로세스에 따라 비철 충전재 금속(non-ferrous filler metal) 및 합금은 진공하에서 용융 온도(450℃ 이상)로 가열되며 모세관 작용에 의해 둘 또는 그보다 많은 억지끼워맞춤 부분들 사이에 분배된다. 액체 온도에서, 용융된 충전재 금속은 입자 구조의 상호작용으로 인해 이례적으로 강하게 밀봉된 조인트(joint)를 형성하도록 냉각시키는, 모재 금속(base metal)의 박층과 상호작용한다. 브레이징된 조인트는 각각 야금학적으로 서로 연결되는 샌드위치 층(sandwich of layers)이 된다. 적절하게 작업하기 위해, 구성요소(102, 104)는 억지 끼워맞춤되어야 하며, 모재 금속은 브레이징된 조인트에 대한 최대 강도를 얻기 위해 이례적으로 순수하고 산화물이 없어야 한다. 모세관 작용이 유효하도록 하기 위해, 0.002 내지 0.006 인치(50 내지 150㎛)의 조인트 틈새(joint clearance)가 통상적으로 추천된다. 일반적으로 진공 브레이징 프로세스는 예열 단계, 일련의 브레이징 가열 단계, 및 그 후 냉각 단계를 포함한다. 진공 챔버는 일반적으로 1×10-3 파스칼(Pa) 또는 그 미만의 진공 레벨에서 유지된다.
평면 지지 표면부(102) 및 하면부(104)와 같은 알루미늄계 재료를 연결할 때, 통상적으로 클래딩 층(cladding layer)은 주요 구성요소로서 알루미늄을 포함한다. 다른 재료가 클래딩 재료에 첨가되어 그 용융점을 연결될 부품(pieces)의 용융점 이하로 낮춘다. 따라서, 진공 브레이징 프로세스 중에 클래딩 재료는 용융되고 부품 사이로 유동된 후, 냉각될 때 고체 조인트를 형성한다. 예를 들면, 실리콘이 클래딩 재료에 포함되어 용융점을 낮출 수 있다. 또한, 통상적으로 클래딩 재료는 추가된 마그네슘(added magnesium)을 포함한다. 마그네슘은 브레이징 프로세스 중에 확산되어, 표면 침윤제(surface wetting agent) 역할을 하는 외부 산화 알루미늄 층을 파괴한다. 파그네슘의 확산 또는 탈가스(out-gassing)는 클래딩 재료가 알루미늄 편들 사이에서 유동하게 하여 브레이즈 조인트를 형성한다. 따라서, 통상적으로 마그네슘이 이러한 기능을 위해 클래딩 재료에 추가된다. 클래딩 재료는 종종 다른 구성요소를 포함하며, 이러한 구성요소의 선택은 당업자의 권한이다.
본 발명은 예시적 실시예를 참고로 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다양한 변형예를 구성할 수 있으며 균등물이 그 요소를 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 다수의 변형예는 본 발명의 본질적인 범주를 벗어나지 않고 본 발명의 개념에 대해 특정한 상태 또는 재료를 채용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 실행하도록 예측된 최적 실시예대로 개시된 특정 실시예에 제한되지 않을 것이며, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 속하는 모든 실시예를 포함할 것이다.
Claims (17)
- 열 척 제조 방법으로서,하면부 및 평면 지지 표면부 중 선택된 하나의 내부로 냉각 통로를 형성하는 단계,상기 열 척을 형성하도록 상기 하면부와 평면 지지 표면부 사이에 클래딩 재료를 삽입하는 단계, 및상기 하면부 및 평면 지지 표면부에 상기 클래딩 재료를 융합시키기 위한 조건 하에서 소정의 온도로 상기 열 척을 가열하는 단계를 포함하며, 상기 냉각 통로가 상기 하면부와 평면 지지 표면부 안에 밀봉되는열 척 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 열 척을 가열하는 단계가 진공하에서 이루어지는열 척 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 클래딩 재료가 포일(foil)인열 척 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 가열이 상기 클래딩 재료의 용융점보다 더 높은 온도에서 이루어지는열 척 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 냉각 통로를 형성하는 단계가 상기 하면부 및 평면 지지 표면부 중 선택된 하나의 내부로 상기 냉각 통로를 주조하는 단계를 포함하는열 척 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 냉각 통로를 형성하는 단계가 상기 하면부 및 평면 지지 표면부 중 선택된 하나의 내부로 상기 냉각 통로를 밀링하는 단계를 포함하는열 척 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 냉각 통로를 형성하는 단계가 상기 평면 지지 표면부의 바닥 표면에 사행 형상 패턴을 형성하는 단계를 포함하며,상기 사행 형상 패턴이 연속적인 통로를 형성하도록 곡선형 섹션에 의해 연결된 복수의 선형 섹션을 포함하는열 척 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 평면 지지 표면부 및 하면부가 알루미늄 합금으로 형성되는열 척 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 냉각 통로를 형성하는 단계가 상기 냉각 통로를 통하여 유체의 선형 유동을 제공하는데 효과적인열 척 제조 방법.
- 열 척 제조 방법으로서,하면부 및 평면 지지 표면부 중 선택된 하나의 내부로 냉각 통로를 형성하는 단계,열 척 조립체를 형성하도록 상기 하면부와 평면 지지 표면부 사이에 클래딩 재료를 삽입하는 단계, 및일체형 구조물을 형성하도록 상기 하면부, 상기 클래딩 재료 및 상기 평면 지지 표면부를 진공 브레이징하는 단계를 포함하며,상기 냉각 통로가 상기 일체형 구조물 내에 밀봉되는열 척 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 평면 지지 표면부 및 하면부가 알루미늄 합금으로 형성되는열 척 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 냉각 통로를 형성하는 단계가 상기 하면부 및 평면 지지 표면부 중 선택된 하나의 내부로 상기 냉각 통로를 주조하는 단계를 포함하는열 척 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 냉각 통로를 형성하는 단계가 상기 하면부 및 평면 지지 표면부 중 선택된 하나의 내부로 상기 냉각 통로를 밀링하는 단계를 포함하는열 척 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 냉각 통로를 형성하는 단계가 상기 평면 지지 표면부의 바닥 표면에 사행 형상 패턴을 형성하는 단계를 포함하며,상기 사행 형상 패턴이 연속적인 통로를 형성하도록 곡선형 섹션에 의해 연결된 복수의 선형 섹션을 포함하는열 척 제조 방법.
- 반도체 기판을 처리하는 열 척으로서,기판을 지지하는 평면 상부 표면,상기 평면 상부 표면 아래에서 신장하는 냉각 통로로서, 복수의 선형 섹션 및 상기 복수의 선형 섹션 중 인접하는 섹션들을 연결하는 하나 이상의 방사상 곡선형 섹션, 제 1 단부, 및 제 2 단부를 포함하는 냉각 통로, 및내부에 상기 제 1 단부에 유동적으로(fludly) 연결되는 유입구 개구 및 상기 제 2 단부에 유동적으로 연결되는 유출구 개구를 구비하는 바닥 표면을 포함하며,상기 냉각 통로가 상기 평면 상부 표면과 바닥 표면 사이에 삽입되는반도체 기판을 처리하는 열 척.
- 제 15 항에 있어서,상기 냉각 통로가 상기 유입구 개구로부터 상기 유출구 개구로의 하나의 연속적인 통로이며 임의의 막힌 단부가 없는반도체 기판을 처리하는 열 척.
- 제 15 항에 있어서,상기 냉각 통로가 사행 형상을 형성하는반도체 기판을 처리하는 열 척.
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