KR20100080056A - 정전척 및 상기 정전척을 이용한 기판의 바이어스 전압 측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 실시예에 따른 본 실시예에 따른 정전척은 기판을 지지하는 기저부; 상기 기저부의 상부에 형성되며, 유전체로 구성되는 유전층; 상기 기저부 및 유전층을 관통하여 형성되고, 상기 기판에 선택적으로 접촉할 수 있는 탐침부; 및 상기 탐침부로부터 상기 기판과 상기 탐침부 사이에 발생하는 전류를 제공받아 상기 기판의 바이어스 전압을 산출하는 전압산출부를 포함한다. 본 실시예에 따르면, 기판의 실제 바이어스 전압을 정확하게 측정할 수 있고, 기판에 축적되는 전하량이 아크의 발생에 의해 낮아진 상태인지 여부를 파악할 수 있다.

Description

정전척 및 상기 정전척을 이용한 기판의 바이어스 전압 측정방법{ElectroStatic Chuck and measuring method for bias voltage of the substrate}
본 발명은 정전척에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정전척에 부착되는 기판의 바이어스 전압을 측정할 수 있는 정전척과 상기 정전척을 이용하여 기판의 바이어스 전압을 측정하는 방법에 관한 것이다.
정전척(ElectroStatic Chuck, ESC)은 반도체나 LCD 기판 등의 제조공정 장치에 사용되는 것으로, 정전력을 이용해 기판 또는 웨이퍼를 고정시키는 부품이다. 상기 정전척은 크게 나누어보면, i) 기판을 지지하는 기저부와 상기 기저부의 상부에 형성되는 유전층을 포함하는 간단한 구조의 정전척(simplified ESC)과 ii) 기저부의 상부에 절연층을 형성하고 그 상부에 도전층을 형성한 후, 다시 그 위에 유전층을 형성하는 방식의 다층구조를 가지는 정전척이 있다.
상기 다층 구조의 정전척은 일반적으로 기저부 및 절연층을 관통하여 상기 도전층에 전원을 제공할 수 있는 전원선이 요구되며, 이러한 전원선이 상기 기저부 및 절연층을 관통하는 과정에서 절연이 유지되어야 하는데, 상기 절연이 유지되지 않으면 정전척의 성능과 내구성에 문제가 발생한다. 상기 간단한 구조의 정전척은 상기 다층구조의 정전척에 비해 제조단가가 싸고, 내구성이 뛰어난 장점이 있다.
상기 정전척은 하부전극이나 상부전극에 부착되어 사용되는 것이 일반적이다. 그런데, 정전척을 통해 기판을 흡착하는 경우, 전극에 가해지는 바이어스 전압과 정전척의 상부에 흡착되는 기판의 바이어스 전압이 동일하게 형성되지 않는다. 이것은 정전척 자체가 가지는 저항과 커패시턴스로 인해 상기 기판의 바이어스 전압이 전극에서 제공되는 바이어스 전압과 달라지기 때문이다.
기판의 바이어스 전압은 상기 기판의 플라즈마 처리 공정에서 매우 중요한 역할을 한다. 즉, 기판에 플라즈마 이온을 주입하는 공정을 예로 들어 살펴보면, 기판에 주입되는 이온의 에너지는 기판의 바이어스 전압과 플라즈마에 발생하는 전압과의 차이에 비례하여 결정된다.
따라서, 기판의 바이어스 전압이 정확하게 조절되지 않는 것은 상기 기판의 플라즈마 처리시에 너무 깊게 혹은 너무 얕게 이온 주입이 일어나는 결과가 발생할 수 있으며, 공정 불량의 원인이 되는 것이다. 이러한 문제는 비단 플라즈마 이온 주입 공정 뿐 아니라 다른 공정에서도 마찬가지이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기판의 바이어스 전압을 정확히 측정하는 것이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 기판을 간단한 구조의 정전척을 사용하여 흡착하는 경우에 상기 기판에 발생하게 되는 바이어스 전압을 정확하게 측정할 수 있는 정전척 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 실시예에 따른 정전척은 기판을 지지하는 기저부; 상기 기저부의 상부에 형성되며, 유전체로 구성되는 유전층; 상기 기저부 및 유전층을 관통하여 형성되고, 상기 기판에 선택적으로 접촉할 수 있는 탐침부; 및 상기 탐침부로부터 상기 기판과 상기 탐침부 사이에 발생하는 전류를 제공받아 상기 기판의 바이어스 전압을 산출하는 전압산출부를 포함한다.
상기 탐침부는 상기 기판과 접촉하는 접촉부; 상기 접촉부를 승강시킬 수 있는 승강부를 포함할 수 있다.
상기 접촉부는 2개의 얇은 도전체막과 상기 도전체막 사이에 유전체를 포함하는 형상일 수 있다.
상기 전압산출부는 상기 접촉부를 통해 흐르는 변위전류로부터 상기 기판의 바이어스 전압을 산출하는 것일 수 있다.
또한, 상기 탐침부는 도전체로 구성된 핀(pin)형태로 구성될 수 있다.
상기 정전척을 포함하는 플라즈마 처리장치에서 기판의 바이어스 전압을 측 정하는 방법은 상기 정전척에 전원을 가하여 유전층에 상기 기판을 흡착하는 단계; 상기 플라즈마 처리장치의 챔버 내에 플라즈마를 형성하는 단계; 상기 정전척의 탐침부를 상기 기판에 접촉시키는 단계; 및 상기 탐침부로부터 상기 기판과 상기 탐침부 사이에 발생하는 전류를 제공받아 상기 기판의 바이어스 전압을 산출하는 단계를 포함한다.
본 실시예에 따른 정전척 및 상기 정전척을 이용한 기판의 바이어스 전압 측정 방법에 의하면, 기판의 실제 바이어스 전압을 정확하게 측정할 수 있고, 기판에 축적되는 전하량이 아크의 발생에 의해 낮아진 상태인지 여부를 파악할 수 있다.
이하에서는 본 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 각 도면에 도시된 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일부재를 가리킨다.
도 1은 본 실시예에 따른 정전척을 포함하는 플라즈마 처리장치의 일 예를 도시한 도면이다. 상기 플라즈마 처리장치는 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP), 축전결합 플라즈마 (Capacitively Coupled Plasma, CCP), 글로우 방전(glow discharges) 등과 같이 다양한 타입의 플라즈마 처리장치일 수 있다. 이하의 본 실시예에서는 축전결합 플라즈마를 이용하는 처리장치를 예로 들어 설명한다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 처리장치는 플라즈마 챔버(100)와 챔버(100) 내부에 위치하며 정전척(130)을 포함하는 하부전극(120), 상부전극(110)을 구비한다.
챔버(100)는 상부챔버(101)와 하부챔버(102)로 구성된다. 상부챔버(101)와 하부챔버(102)는 하나로 구성될 수도 있고, 별개로 구성되어 결합함으로써 폐공간을 형성할 수도 있다. 상부챔버(101)의 루프(roof)에는 공정 가스가 유입되는 가스 유입구(미도시)가 형성될 수 있다.
상부챔버(101)의 내부 상측에는 상부전극(110)이 구비된다. 상부전극(110)은 플라즈마를 발생시키기 위해 전압이 인가되는 전극(electrode)으로 RF(Radio Frequency)범위의 주파수를 가지는 전원이 연결될 수 있다.
하부전극(120)은 상부챔버의 상부전극(110)과 이격되어 대향하는 곳에 위치한다. 하부전극(120)에는 음의 직류(negative DC)전압(140)과 RF주파수를 가지는 RF전원(150)이 연결될 수 있다. 하부전극(120)은 전원(140, 150)에 연결되어, 기판(S)에 바이어스 전압을 제공한다.
하부전극(120)의 상부에는 기판(S)을 정전력으로 클램핑하는 정전척(ESC : Electro Static Chuck, 130)이 마련된다. 기판(S)은 상기 정전척(130)의 상부에 안착된다. 정전척(130)은 별도의 전원을 통해 전압을 제공받을 수 있는데, 상기 정전척(130)에 전압이 공급되면 상기 정전척(130)의 유전층과 상기 기판(S)이 유전분극현상에 의해 발생하는 전하들의 인력으로 흡착되게 된다.
상기 정전척(130)은 기판(S)과 접촉하여 기판(S)의 바이어스 전압을 측정할 수 있다. 이하에서 본 실시예에 따른 정전척(130)을 설명한다.
도 2는 본 실시예에 따른 정전척(130)의 단면을 나타내는 단면도로 접촉부(240)가 기판(S)과 이격된 상태를 나타낸 도면이다. 도 3은 본 실시예에 따른 정전척(130)의 단면을 나타내는 단면도로 접촉부(240)가 기판(S)에 접촉된 상태를 나타낸 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 정전척(130)은 기저부(220), 유전층(210), 탐침부(280), 전압산출부(250)를 포함한다.
상기 기저부(220)는 정전척(130)의 몸체를 구성하는 부분으로 기판(S)을 지지하는 역할을 하며, 알루미늄으로 구성될 수 있다. 상기 기저부(220)의 상부에는 기판(S)과 접촉할 수 있는 유전층(210)이 형성된다. 상기 유전층(210)은 산화티타늄, 질화알루미늄, 산화크롬으로 도핑된 알루미나(Al2O3), 질화붕소 또는 그 외의 다른 유전물질로 구성될 수 있다.
탐침부(280)는 기판(S)과 접촉하여 기판(S)의 전하량을 측정할 수 있는 부분으로, 접촉부(240) 및 승강부(270)로 구성될 수 있다. 상기 탐침부(280)는 상기 기저부(220)와 유전층(210)을 관통할 수 있는 구조로 형성되며, 상기 탐침부(280)의 끝단에는 접촉부(240)가 구비되어 기판(S)과 접촉한다. 그리고, 상기 탐침부(280)는 상기 기저부(220)와 상기 유전층(210)을 관통하는 부분에서는 절연층(230)으로 피복된다. 상기 절연층(230)은 2중으로 구성될 수 있다.
상기 탐침부(280)의 끝단(즉, 기판(S)과 직접 접촉하는 부분)인 접촉부(240)는 알루미늄 코팅 막 사이에 실리콘과 같은 유전체를 포함하는 형태로 구성될 수 있다. 상기 실리콘 층 역시 매우 얇은 층으로 형성되며, 이러한 접촉부(240)는 일 종의 얇은 커패시터와 같은 형태로 구성될 수 있다.
이러한 접촉부(240)는 기판(S)과 접촉하여 기판(S)에 축적된 전하량에 의해 발생하는 변위전류(displacement current)가 흐르게 하는 역할을 한다. 즉, 기판(S)에 축전된 음전하들에 의해 상기 접촉부(240)의 알루미늄 코팅막에는 음전하가 모이게 되고, 그 결과 상기 알루미늄 코팅 막 사이에 전기력선의 변화가 생긴다. 그러면, 상기 접촉부(240)에는 상기 전기력선의 단위면적당 변화량에 상기 유전체의 유전율을 곱한 양 만큼의 변위전류가 흐르게 된다.
상기 접촉부(240)는 승강부(270)와 연결되어 소정 거리 승강할 수 있다. 승강부(270)는 리니어모터로 구현이 가능하다. 이러한 승강부(270)는 도 2에서는 정전척(130)의 외부에 도시하였지만, 이는 이해를 돕기 위한 것이고 정전척(130)의 내부에 구비되어도 무방하다.
전압산출부(250)는 상기 접촉부(240)와 전기적으로 연결되는데, 상기 변위전류를 제공받아 적분하는 연산을 통해 기판(S)의 전하량 또는 바이어스 전압을 산출하는 부분이다. 이 경우, 전압산출부(250)는 이미 상기 접촉부(240)의 커패시턴스 값은 알고 있는 상태이다. 이러한 전압산출부(250)에는 상기 변위전류 값이 급격히 변하는 경우를 대비한 아크(arc)방지회로를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 전압산출부(250)에는 플라즈마 처리장치의 사용자에게 기판(S)의 전하량 또는 바이어스 전압을 표시하는 디스플레이부(260)가 추가적으로 더 연결될 수 있다.
상기 탐침부(280) 및 상기 전압산출부(250)는 상기 정전척(130)에 다수개 배 치될 수 있으며 이러한 경우 기판(S)의 어느 부위에서 아크가 발생하여 전하량이 줄어들었는지도 알 수 있다. 기판(S)에 축적되는 음전하가 소정 한계치를 넘어서는 경우, 상기 기판(S)에는 아크(arc)가 발생하여 기판(S)에 축적된 음전하가 방전되게 된다. 이러한 경우에는 기판(S)에 음전하의 양이 줄어들게 되므로, 접촉부(240)가 접촉하여 측정되는 전류값이 작아지게 될 것이다.
상술한 본 실시예와 달리, 다른 실시예에 따른 정전척에서는 상기 탐침부(280)가 알루미늄과 같은 도전체를 이용하여 리프트핀 형태로 단순하게 구성될 수도 있다. 이러한 경우 상기 승강부(270)에 의해 상기 탐침부(280)가 상승하여 기판(S)에 접촉하게 된다. 그러면, 기판(S)에 축적된 전하가 상기 탐침부(280)를 통해 흐르게 되며, 이러한 전하의 흐름에 의한 전류가 상기 전압산출부(250)로 제공된다. 그러면, 전압산출부(250)는 이러한 전류를 적분하는 연산을 통해 상기 기판(S)에 축적된 전하량을 알 수 있으며, 상기 기판(S)의 커패시턴스를 미리 알고 있으므로 상기 기판(S)의 바이어스 전압을 산출할 수 있다.
이하에서는 본 실시예에 따른 정전척(130)을 사용하여 기판(S)의 바이어스 전압을 측정하는 방법에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정전척(130)을 사용하여 기판(S)의 바이어스 전압을 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 먼저, 기판(S)을 로봇팔과 같은 기판(S) 반송 수단에 의해 플라즈마 처리장치의 챔버 내부로 반입한 후, 하부전극(120) 상에 있는 정전척(130)에 안착한다. 상기 정전척(130)에 안착된 기판(S)은 정렬과정을 거쳐 미리 정해진 소정의 위치에 위치하게 되면, 정전척(130)에 전원을 인가하여 상기 기판(S)을 흡착한다(S41).
이 과정에서 상기 정전척(130)의 탐침부(280)(좀 더 엄밀하게는 상기 정전척(130)의 접촉부(240))는 상기 기판(S)과 소정 간격 이격된 상태이며, 상기 기판(S)은 상기 정전척(130)의 유전층(210)과 접촉되어 있는 상태이다.
그리고 챔버 내부를 해당 공정에 적합한 진공상태로 형성한다. 챔버 내부가 소정의 진공상태로 형성되면, 이후 챔버 내부로 플라즈마를 형성하기 위한 이온화 가능 가스를 주입한다. 이 이온화 가능 가스는 예컨대, BF3, N2, AR, PH3, SiH4 또는 B2H6 등 일 수 있다.
이온화 가능 가스가 챔버 내에 유입 완료되면, 상부전극(110)에 RF 소스로부터 고압 펄스가 인가된다. 이에 따라 플라즈마가 챔버 내부에 형성된다(S42).
그리고 하부전극(120)에는 DC 전원 및 RF전원이 인가되며, 이러한 DC 전원 및 RF전원에 의하여 기판(S)은 음의 전위를 가지는 바이어스 전압을 가지게 된다. 이에 따라 상기 플라즈마는 양의 전위를 가지는 부분과 상기 양의 전위를 가지는 부분에 비해 상대적으로 낮은 음전위를 가지는 쉬스(sheath)부분이 형성된다.
이 때, 상기 정전척(130)의 탐침부(280)가 승강부(270)에 의해 상승되고, 상기 탐침부(280)의 접촉부(240)가 기판(S)과 접촉하게 된다(S43). 기판(S)과 접촉한 접촉부(240)는 커패시터와 같은 역할을 하게 되어 접촉부(240)를 통해 변위전류가 흐르게 된다. 이러한 변위전류를 통해 상기 기판(S)에 축적된 전하량을 알 수 있 다. 그리고, 상기 변위전류는 전압산출부(250)로 제공되어 전압산출부(250)에서 기판(S)의 실제 바이어스 전압 또는 기판(S)의 전하량이 얼마인지를 산출한다(S44).
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 특허청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 실시예에 따른 정전척을 포함하는 플라즈마 처리장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 정전척의 단면을 나타내는 단면도로 접촉부가 기판과 이격된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 정전척의 단면을 나타내는 단면도로 접촉부가 기판에 접촉된 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정전척을 사용하여 기판의 바이어스 전압을 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
130 : 정전척
210 : 유전층
220 : 기저부
240 : 접촉부
250 : 전압 측정부

Claims (6)

  1. 기판을 지지하는 기저부;
    상기 기저부의 상부에 형성되며, 유전체로 구성되는 유전층;
    상기 기저부 및 유전층을 관통하여 형성되고, 상기 기판에 선택적으로 접촉할 수 있는 탐침부; 및
    상기 탐침부로부터 상기 기판과 상기 탐침부 사이에 발생하는 전류를 제공받아 상기 기판의 바이어스 전압을 산출하는 전압산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전척.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침부는 상기 기판과 접촉하는 접촉부;
    상기 접촉부를 승강시킬 수 있는 승강부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전척.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉부는 2개의 얇은 도전체막과 상기 도전체막 사이에 유전체를 포함하는 형상인 것을 특징으로 하는 정전척.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전압산출부는 상기 접촉부를 통해 흐르는 변위전류로부터 상기 기판의 바이어스 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 정전척.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침부는 도전체로 구성된 핀(pin)형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 정전척.
  6. 제 1 항의 정전척을 포함하는 플라즈마 처리장치에서 기판의 바이어스 전압을 측정하는 방법에 있어서,
    상기 정전척에 전원을 가하여 유전층에 상기 기판을 흡착하는 단계;
    상기 플라즈마 처리장치의 챔버 내에 플라즈마를 형성하는 단계;
    상기 정전척의 탐침부를 상기 기판에 접촉시키는 단계; 및
    상기 탐침부로부터 상기 기판과 상기 탐침부 사이에 발생하는 전류를 제공받아 상기 기판의 바이어스 전압을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 바이어스 전압 측정방법.
KR1020080138674A 2008-12-31 2008-12-31 정전척 및 상기 정전척을 이용한 기판의 바이어스 전압 측정방법 KR101045621B1 (ko)

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