KR20110038015A - 개선된 다층 정전 척 웨이퍼 플래튼 - Google Patents

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KR20110038015A
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로저 비. 피쉬
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베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
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Abstract

이 층상 구조 어셈블리는 전기적 비도전성 층 및 열 도전성 층을 갖는 2편(two-piece) 구성을 이용한다. 금속을 이용하는 것이 아니라, 열 도전성 층은 금속 및 CTE 조절제를 모두 갖는 합성 물질로 이루어진다. 이 합성 물질은 비도전성 층의 열 팽창 계수에 근접하거나 이와 동일한 열 팽창 계수를 가질 수 있으며, 이에 따라, 종래 기술의 다수의 단점들을 제거한다. 하나의 실시예에서, 합성 물질은 알루미늄 및 탄소(또는 흑연) 섬유의 혼합물이다. 추가적인 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 유체 도관(fluid conduit)들은 층이 주조되기 전에 금형(mold)에 배치된다. 이 도관들은 정전 척에서 유체 통로들로서 작용한다. 또 다른 실시예에서, 합성 물질은 실리콘과 같은 반도체 물질 및 알루미늄의 혼합물이고, 도관들은 가공 및 접합에 의해 형성된다.

Description

개선된 다층 정전 척 웨이퍼 플래튼{IMPROVED MULTILAYER ELECTROSTATIC CHUCK WAFER PLATEN}
이온 주입기들은 반도체 웨이퍼의 제조 시에 주로 이용된다. 이온 소스는 이온 빔을 생성하기 위해 이용되고, 이온 빔은 그 이후에 웨이퍼를 향해 보내진다. 이온들이 웨이퍼를 타격할 때, 이온들은 웨이퍼의 특정 영역을 도핑시킨다. 도핑된 영역들의 구성은 그 기능을 정의하고, 도전성 상호접속들의 이용을 통해 이 웨이퍼들은 복잡한 회로로 변환될 수 있다.
대표적인 이온 주입기(100)의 블럭도가 도 1에 도시되어 있다. 이온 소스(110)는 희망하는 종(species)의 이온들을 발생한다. 일부 실시예들에서, 이들 종은 원자 이온들이고, 높은 주입 에너지에 가장 적합할 수 있다. 다른 실시예들에서, 이 이온들은 분자 이온들이고, 낮은 주입 에너지에 더욱 적합할 수 있다. 이 이온들은 빔으로 형성되고, 그 이후에 소스 필터(120)를 통과한다. 소스 필터는 이온 소스 근처에 위치되는 것이 바람직하다. 빔 내의 이온들은 컬럼(130)에서 희망하는 에너지 레벨로 가속/감속된다. 개구(145)를 갖는 질량 분석기 자석(140)은 이온 빔으로부터 원하지 않는 성분들을 제거하기 위해 이용되어, 이온 빔(150)은 희망하는 에너지를 가지게 되고, 질량 특징들은 분해 개구(145)를 통과하게 된다.
특정 실시예들에서, 이온 빔(150)은 스폿 빔(spot beam)이다. 이 시나리오에서는, 이온 빔이 스캐너(160)를 통과하고, 이 스캐너(160)는 정전(electrostatic) 스캐너 또는 자기(magnetic) 스캐너 중 어느 하나 일 수 있고, 이온 빔(150)을 편향시켜서 스캐닝된 빔(155-157)을 생성한다. 특정 실시예들에서, 스캐너(160)는 스캔 발생기와 연통하는 분리된 스캔 판(scan plate)들을 포함한다. 스캔 발생기는 진폭 및 주파수 성분들을 갖는 사인(sine), 톱니(sawtooth) 또는 삼각형 파형과 같은 스캔 전압 파형을 생성하고, 이 스캔 전압 파형은 스캔 판들에 인가된다. 바람직한 실시예에서, 스캐닝 파형은 거의 동일한 시간량 동안 모든 위치에서 스캔된 빔을 남기도록, 전형적으로 삼각파(일정한 기울기)에 매우 근접해 있다. 삼각형으로부터의 편차들은 빔을 균일하게 만들기 위해 이용된다. 결과적인 전기장은 이온 빔이 도 1에 도시된 바와 같이 발산하도록 한다.
대안적인 실시예에서, 이온 빔(150)은 리본 빔(ribbon beam)이다. 이러한 실시예에서는, 스캐너가 필요하지 않으며, 리본 빔은 이미 적절하게 성형되어 있다.
각도 보정기(170)는 발산 이온 빔렛(beamlet)들(155-157)을 실질적으로 평행한 궤도들을 갖는 빔렛들의 집합(set)으로 편향시키도록 구성되어 있다. 바람직하게, 각도 보정기(170)는 자석 코일(magnet coil)과, 서로 이격되어 이온 빔렛들이 통과하는 간격(gap)을 형성하는 자극 편(magnetic pole piece)들을 포함한다. 코일은 급전되어 간격 내에 자기장을 생성하고, 이 자기장은 인가된 자기장의 강도 및 방향에 따라 이온 빔렛들을 편향시킨다. 자기장은 자석 코일을 통해 전류를 변동시킴으로써 조정된다. 대안적으로, 평행화 렌즈(parallelizing lens)들과 같은 다른 구조들이 이 기능을 수행하기 위해 사용될 수도 있다.
각도 보정기(170) 이후에, 스캔된 빔은 작업물(175)을 향해 겨냥된다. 작업물은 작업물 지지체에 부착된다. 작업물 지지체는 다양한 이동도(degree of movement)를 제공한다.
작업물 지지체는 웨이퍼를 제 위치에 유지하는 것과, 이온 빔에 의해 적절하게 주입되도록 웨이퍼의 방위를 정하는 것 모두를 위해 이용된다. 웨이퍼를 효율적으로 제 위치에 유지하기 위하여, 대부분의 작업물 지지체들은 전형적으로 정전력(electrostatic force)을 이용한다. 정전 척(electrostatic chuck)으로도 알려져 있는 지지체의 상부 측 위에 강한 정전기력을 생성함으로써, 웨이퍼는 임의의 기계적 고정 디바이스들 없이 제 위치에 유지될 수 있다. 이것은 오염을 최소화하고, 웨이퍼가 주입된 후에 웨이퍼는 고정되지 않은 상태로 있을 필요가 없으므로, 사이클 시간(cycle time)을 또한 향상시킨다. 이 척들은 웨이퍼를 제 위치에 유지하기 위하여 전형적으로 2가지 유형의 힘 중에서 하나, 쿨롱 힘(coulombic force) 또는 존센-라벡의 힘(Johnsen-Rahbeck force)을 이용한다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 이 척(200)은 전통적으로 2개의 층(layer)들로 구성된다. 웨이퍼와 접촉하는 제 1 층 또는 상부 층(210)은 단락 회로를 생성하지 않으면서 정전기장(electrostatic field)을 생성해야 하므로, 알루미나(alumina)와 같은, 전기적 절연(insulating) 물질 또는 반도전(semiconducting) 물질로 이루어진다. 이 정전기장을 생성하는 방법들은 당업자들에게 알려져 있으며, 여기서는 설명되지 않을 것이다. 쿨롱 힘을 이용하는 이러한 실시예들에 대하여, 결정질 및 비정질 유전체 물질들을 이용하여 전형적으로 형성된 상부 층의 비저항(resistivity)은 전형적으로 1014 Ω㎝ 보다 크다. 존센-라벡의 힘을 이용하는 이러한 실시예들에 대하여, 반도전 물질로 형성되는 상부 층의 체적 비저항(volume resistivity)은 전형적으로 1010 내지 1012 Ω㎝의 범위에 있다. 용어 "비도전성(non-conductive)"은 이 범위들 중의 어느 하나에 있는 물질들을 설명하기 위해 이용될 것이고, 어느 하나의 유형의 힘을 생성하기에 적합할 것이다. 쿨롱 힘은 교류 전압(AC) 또는 직류 전압(DC) 공급에 의해 발생될 수 있다.
제 2 층 또는 하부 층(220)은 척의 전체 온도를 수용가능한 범위 내에서 유지하기 위한 높은 열 도전성을 갖는 금속 또는 금속 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다. 여러 응용들에서는, 알루미늄이 하부 층으로 이용된다. 일부 실시예들에서, 이 하부 층은 2개의 분리된 알루미늄 부분들을 가진다. 하부 부분은 두껍고 유체 통로들을 포함한다. 전형적으로, 알루미늄 블럭의 상부 표면은 냉각제가 통과되는 채널들(230)을 도입하도록 가공되어 있다. 냉각제는 물(water) 및 탈이온수(deionized water)를 포함하는 임의의 적당한 유체일 수 있다. 더욱 얇은 제 2 알루미늄 판은 이 더 두꺼운 알루미늄 블럭을 위한 뚜껑으로서 작동하도록 형성되어, 이 가공된 통로들을 위한 커버(cover)를 제공한다. 이 두 알루미늄 부분들은 함께 접합되어 정전 척의 열 도전성 하부 층을 형성한다. 이 층 및 이전에 설명된 전기적 비도전성 층은 그 다음으로 예를 들어, 에폭시(epoxy), 납땜 물질(brazing material) 또는 다른 접착 기술(240)에 의해 기계적으로 함께 부착된다.
이 구성은 약간의 시간 동안 이용되었지만, 그와 관련된 다수의 단점들이 존재한다. 우선, 하부 층의 알루미늄은 그것을 통과하는 냉각제와의 상호작용으로 인해 부식되는 경향이 있다. 둘째, 척의 상부 및 하부 층들의 열 팽창 계수(CTE : coefficient of thermal expansion)들은 동일하지 않다. 알루미나, Al2O3는 25 ℃에서 대략 5.5의 CTE를 가지는 반면, 알루미늄은 약 23의 CTE를 가진다. 게다가, 알루미나의 CTE는 또한 +/- 200 ℃의 범위에 걸쳐 0.6으로부터 8.0까지 변동된다. 이것은 척의 온도가 층들이 조립될 때에 이용되는 것으로부터 벗어날 때의 문제점들에 이르게 된다.
예를 들어, 실온에서 에폭시와 같은 접착제를 이용하여 척의 알루미늄 및 알루미나가 서로 부착된다고 가정한다. 이 온도에서, 2개의 층들은 각각 어떤 체적 및 표면적을 가진다. 그러나, 척의 온도가 실온으로부터 벗어남에 따라, 각각은 상이한 속도로 팽창 및 수축하며, 알루미늄 층은 알루미나 층보다 더욱 빠르게 팽창 및 수축한다. 이것은 계면이 큰 응력 하의 층들 사이에 있게 한다.
온도가 증가함에 따라, 알루미늄 또는 금속 물질은 알루미나 또는 다른 비도전성 물질의 속도보다 대략 3배의 속도로 팽창한다. 그 결과, 도 3에 도시된 바와 같이, 알루미늄 층(220)은 알루미나 층(210)보다 더 많이 팽창하고, 척이 내부를 향해 구부러지게 하고, 오목한 작업 표면(250)을 생성한다. 반대로, 온도가 감소함에 따라, 알루미늄(220)은 알루미나(210)의 속도보다 더 빠른 속도로 수축한다. 그 결과, 도 4에 도시된 바와 같이, 척은 외부를 향해 구부러지고, 볼록한 작업 표면(250)을 생성한다.
두 층들 간의 이 장력(tension)은 접착 물질 또는 에폭시가 시간에 걸쳐 끊어지게 하고, 척을 사용할 수 없게 한다. 바꾸어 말하면, 접합 층에서 생성된 열 응력(thermal stress)은 그 접합 물질의 최대 강도보다 더 크다. 다른 경우에 있어서, 굴곡(flexing)은 상부 층에서 이용된 깨지기 쉬운 비도전성 물질이 조각나도록 하고, 척을 다시 파괴한다.
그 결과, 대부분의 정적 척들은 온도에 대해 매우 좁은 동작 범위들을 가진다. 이것은 명백히 이 척들의 유용성을 제한한다. 이 문제를 더욱 악화시키면, 주변보다 상당히 상이한 온도들을 이용하는 새로운 주입 기술들이 연구될 가능성이 높다. 이 새로운 주입 기술들과 관련된 극단의 온도 범위들은 위에서 설명된 CTE 불연속 문제를 악화시킬 것이다.
결과적으로, 임의의 나쁜 효과들 없이 폭 넓은 온도들의 범위를 용인할 수 있는 층상 구조 어셈블리(layered assembly)가 유리할 것이다. 부가적으로, 부식 없이 다양한 냉각제들을 이용할 수 있는 정적 척이 또한 바람직하다.
종래 기술의 문제점들은 본 개시 내용에서 설명된 층상 구조 어셈블리에 의해 해소된다. 이 어셈블리는 전기적 비도전성 층 및 열 도전성 층을 포함하는 다편 구성(multiple-piece construction)을 이용한다. 금속을 이용하는 것이 아니라, 열 도전성 층은 금속 및 CTE 조절제를 모두 갖는 합성 물질로 이루어진다. 이 합성 물질은 비도전성 층의 열 팽창 계수에 근접하거나 이와 동일한 열 팽창 계수를 가질 수 있으며, 이에 따라, 종래 기술의 다수의 단점들을 제거한다.
하나의 실시예에서, 합성 물질은 알루미늄 및 탄소(또는 흑연) 섬유의 혼합물이다. 이 물질은 금속의 여러 특성들을 가지며, 알루미늄 층들이 현재 제조되는 것과 거의 유사한 방식으로 주조되도록 한다. 추가적인 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 유체 도관(fluid conduit)들은 층이 주조되기 전에 금형(mold)에 배치된다. 이 도관들은 정전 척에서 유체 통로들로서 작용한다.
또 다른 실시예에서, 합성 물질은 실리콘과 같은 반도체 물질 및 알루미늄의 혼합물이다. 실리콘은 알루미나보다 훨씬 낮은 약 2.3의 CTE를 가진다. 알루미늄 농도는 그 CTE 뿐만 아니라 물질의 열 도전성도 증가시킨다. 그러나, 이 물질은 주로 실리콘이므로, 금속과 같이 가공될 수 없다. 오히려, 그 제조 처리는 세라믹에 대해 이용된 처리와 유사하다.
도 1은 전통적인 이온 주입기를 나타낸다.
도 2는 종래 기술의 정전 척을 나타낸다.
도 3은 상승된 온도에서 도 2의 척을 나타낸다.
도 4는 낮은 온도에서 도 2의 척을 나타낸다.
도 5는 이 개시 내용에서 설명된 척의 제 1 실시예를 나타낸다.
도 6은 도 5의 척의 확대도를 나타낸다.
도 7은 도 6에서 이용된 도관의 말단들을 나타낸다.
상기 설명된 바와 같이, 정전 척(ESC : electrostatic chuck)들은 2개의 부분들, 전기적 비도전성 상부 층 및 열 도전성 하부 층을 포함한다. 이 층상 구조 어셈블리들을 제조하기 위하여, 알루미나(알루미늄 옥사이드, Al2O3) 등과 같은 절연체들 또는 반도체들이 통상적으로 이용되어 상부 층을 형성한다. 열 도전성 층은 알루미늄과 같은 금속으로 제조되는 것이 바람직하다. 위에서 서술된 바와 같이, 이 2개의 층들에 대한 열 팽창 계수(CTE)들은 매우 상이하고, ESC의 온도가 그 좁은 동작 범위 외부에 있을 경우에 상당한 문제들을 발생시킨다. 기존의 ESC들은 상이한 층들 사이의 계면에서 발생된 응력들에 의해 그 동작 범위에 있어서 제한되며, 이것은 그 차이가 열 팽창 계수들이기 때문이다. 예를 들어, 알루미늄 베이스를 알루미나 절연체에 에폭시로 접합함으로써 형성되는 기존의 ESC는 -20 ℃ 내지 +60 ℃의 작동 온도 범위를 가진다. 접합 층에서의 응력은 이 범위 외부의 온도들에서 상부 층 및 하부 층이 분리되도록 한다. 이 고장을 치유하기 위하여 더 강한 에폭시들 또는 더 높은 강도의 접합 기술들이 이용될 수는 없다. 동일한 ESC가 -80 ℃와 같이 제조 온도보다 상당히 낮은 온도에서 더 강한 접합제를 이용하여 형성되는 경우, 알루미나 층은 그 최대 강도를 초과하는 응력들로 인해 부러질 것이다.
이 문제점들을 완화하기 위하여, 하부 층은 합성 물질로 제조된다. 알루미늄과 같은 금속을 탄소, 실리콘, 또는 실리콘 카바이드(silicon carbide)와 같은 CTE 조절제와 합성함으로써, 궁극적인 합성물의 열 팽창 계수는 예를 들어, 50 % 이내 또는 그보다 많이 상부 층의 열 팽창 계수와 일치하도록 조절될 수 있다. 2개의 층들의 CTE를 일치시킴으로써, 열 팽창에 의해 발생되는 응력들은 +/- 100 ℃ 또는 그 이상과 같이 더 넓은 온도 범위에 걸쳐 접합 물질의 최대 강도 미만으로 유지될 수 있다. 부가적으로, 합성물에서의 금속의 이용은 하부 층이 그 열 도전성 및 열 커패시턴스(thermal capacitance)의 대부분을 유지하도록 한다. 따라서, 합리적인 열 특성들과 상부 층과 일치하는 CTE를 갖는 임의의 합성 물질이 이용될 수 있다.
CTE 조절제의 양은 하부 층의 CTE가 상부 층에 얼마나 근접하게 일치되는지를 제어한다. 사용하기 위한 CTE 조절제의 양과, 이에 따른 하부 합성 층의 최종 CTE를 결정하기 위해 이용될 수 있는 하나의 인자는 층상 구조 어셈블리의 희망하는 동작 온도 범위이다. 특정 실시예들에서, 상부 층 및 하부 층의 CTE는 약 50% 이내에서 일치되며, +/- 200 ℃ 또는 그 이상의 동작 범위를 가진다. 다른 실시예들에서, 이들은 약 25% 이내에서 일치되며, +/- 250 ℃ 또는 그 이상의 동작 범위를 가진다. 다른 실시예들에서, 이들은 약 10% 이내에서 일치되며, +/- 270 ℃의 동작 범위를 가진다. 최종적으로, CTE들이 2의 팩터(factor of 2)(즉, +/- 100%) 이내인 실시예들이 고려될 수도 있고, +/- 150 ℃의 동작 온도를 산출한다. 상기한 바로부터 명백한 바와 같이, 본 명세서에서 이용되는 바와 같은 용어 "일치", "일치하는" 또는 "일치되는"은 CTE에서의 정확한 대응관계로 제한되지 않는다.
2개의 층들의 CTE들 사이의 관계는 어셈블리의 동작 온도 범위를 결정한다. CTE들이 발산함에 따라, 동작 온도 범위가 축소된다. 반대로, CTE들이 서로 근접함에 따라, 동작 범위가 증가한다. 컴퓨터 시뮬레이션 및 다른 도구들을 통해, 당업자들은 희망하는 동작 범위를 보증하기 위하여 상부 층 및 하부 층의 CTE 사이의 요구되는 관계를 결정할 수 있다. 또한, 위에서 설명된 값들은 고장 모드가 접합 물질과 관련되지 않는다는 것을 가정한 것이다. 위에서 언급한 바와 같이, 높은 강도의 접합 물질들 및 기술들이 이용될 수 있어서, 층들 사이의 접합은 고장나지 않는다. 그러므로, 이 시나리오들에서는, 상부 층과 하부 층이 상이한 속도로 팽창 또는 수축하므로, 동작 온도 범위가 상부 층의 장력에 있어서의 강도에 의해 결정된다.
하나의 실시예에서, 하부 층은 실리콘 및 알루미늄으로 이루어진 합성 물질로 구성되고, 최종 물질의 약 70 %는 실리콘이다. 이러한 하나의 물질은 Sandvik Osprey, Ltd.로부터 입수가능하고, 합성 물질을 생성하기 위하여 플라즈마 분사 기술을 이용한다. 이 실시예에서, 하부 층은 종래 기술에서 행해지는 바와 같이 2개의 조각으로 형성된다. 하부 부분의 상부 표면은 유체 냉각제를 위해 필요한 통로들을 도입하도록 가공된다. 상부 부분은 주로 뚜껑으로서 작용하고, 하부 층을 생성하기 위하여 하부 부분의 상부 표면에 접합된다. 다음으로, 이와 같이 조립된 하부 층은 예를 들어, 에폭시에 의해 상부 층에 부착된다. 개시 내용은 Sandvik Osprey, Ltd.로부터의 합성 물질들을 열거하지만, ESC는 이 제조업체로부터의 제품들에만 제한되지는 않는다. 요구되는 열 도전성 및 CTE 특성들을 보여주는 임의의 합성 물질이 이용될 수 있다. 예를 들어, CPS Technologies Corp.로부터의 합성 물질들 및 3M 알루미늄 매트릭스 합성물(aluminum matrix composite)들도 개시 내용의 범위 내에 있다.
제 2 실시예에서, 금속 매트릭스 주조 합성물(metal matrix cast composite)은 하부 층을 생성하기 위해 이용된다. 이 실시예에서, 흑연 또는 탄소 섬유는 주물(casting) 내에 배치된다. 다음으로, 용융된 알루미늄이 금형(mold)에 추가되고, 섬유들에 의해 점유되지 않은 체적을 채운다. 섬유들은 알루미늄 층의 팽창을 그 장축(major axis)들(즉, 상부 층에 접합되어야 하는 표면에 평행한 축들)을 따라 강제되도록 그 방위가 정해진다. 따라서, 이 알루미늄 합성물은 알루미나의 열 팽창 계수와 매우 유사한 열 팽창 계수를 공유한다. 위에서 설명된 금속 매트릭스는 Massachusetts의 Waltham에 위치된 Metal Matrix Cast Composites로부터 입수가능하다.
이 실시예에 대한 추가적인 개량이 도 5에 도시되어 있다. 이 시나리오에서, 유체 도관(510)은 주조 처리 중에 하부 층(500)으로 금형 제조된다. 동작 시에, 스테인리스 스틸, INVAR 또는 몰리브덴(molybdenum)과 같이, 주조 온도보다 더 높은 용융점(melting point)을 갖는 물질로 이루어진 도관(510)이 이용된다. 전형적인 주조 온도들은 대략 750 ℃이다. 주조 온도를 초과하는 용융점을 갖는 다른 물질들도 개시 내용의 범위 내에 있다. 도관은 탄소 또는 흑연 섬유들을 갖는 금형 내에 배치된다. 그 다음으로, 용융된 알루미늄은 하부 층(500)을 생성하기 위하여 높은 압력에서 금형으로 주입된다. 다음으로, 하부 층(500)은 상부 층(520)에 부착된다.
도 6은 도 5의 플래튼의 확대도를 도시한다. 이 예의 도관(510)은 하나의 입구(540) 및 출구(550)를 가지며, 반대 방향으로 흐르는 패턴으로 구성된다. 그러나, 개시 내용은 다른 패턴들도 고려한다. 유사하게, 온도 균일성 및 조절을 개선시키기 위하여, 하나를 초과하는 도관이 주물 내에 배치될 수 있다. 다수의 도관들은 또한 상이한 가열용 유체 및/또는 냉각용 유체가 동시에 이용되도록 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 도관(510)은 밀봉된 단부들에 의해 만들어지고, 각각은 작은 접합 박스(700)에서 종단되는 것이 바람직하다. 접합 박스는 충분히 커서, 주조 후에, 합성 물질을 관통하여 그리고 접합 박스 내부로 하부 층의 외부로부터 도관으로의 액세스가 가능하도록 구멍이 천공될 수 있다. 다음으로, 드릴(drill)과 같은 도구는 하부 층의 하부 표면에서 구멍을 만들고 이 접합 박스를 깨뜨려 열기 위해 이용됨으로써, 유체가 외부 환경과 연통하도록 한다. 하부 층에 금형 제조된 각각의 도관에 대하여, 이 처리는 도관의 입구 및 출구 모두에 대해 반복된다. 개구들은 하부 층의 하부 표면 위에 생성된다. 이 유체 도관들을 하부 층 내부에 통합시킴으로써, 냉각제는 알루미늄으로부터 격리되고, 이것은 현재의 시스템들에서 흔한 부식의 가능성을 제거한다.
제 2 실시예에서, 접합 박스들은 주물의 표면 위에 노출된다. 그 다음으로, 이들은 유체 연결들을 위하여 짝을 이룬 표면들로 가공된다.
그 다음으로, 스테인리스 스틸 튜브들과 같은 외부 도관들은 이 개구들에 부착됨으로써 하부 층을 관통하는 밀봉된 유체 경로를 생성한다. 이전에 설명된 바와 같이, 물, 탈이온수, 질소 기체, 헬륨 기체, 또는 공업용 냉각제들 및 냉동제들과 같은 유체들이 통상적으로 이용된다.
여러 이온 주입 시스템들이 실온에서 또는 실온 근처에서 동작하지만, 웨이퍼가 -40 ℃ 및 -200 ℃ 사이의 온도에서 유지되는 극저온 주입에 대해 현재 연구되고 있다. 이 시나리오에서는, 본 개시 내용의 층상 구조 어셈블리가 유익하게 이용될 수 있다. 상기 설명된 바와 같이, 알루미나의 상부 층 및 알루미늄 합성물의 하부 층의 CTE가 일치되므로, 열 수축으로 인한 손상의 위험이 거의 존재하지 않는다. 부가적으로, 웨이퍼를 희망하는 온도에서 유지하기 위하여, 유체 도관은 액체 질소, 기체 질소 또는 다른 적당한 유체들과 같은 냉동제를 전달하기 위해 이용될 수 있다.
또 다른 극저온 실시예에서, 위에서 설명된 플래튼을 충분히 차가운 기판과 주기적으로 접촉시킴으로써 상기 플래튼은 희망하는 온도에서 유지된다. 바꾸어 말하면, 플래튼은 하나 또는 그 이상의 주입들을 위해 이용된다. 이 주입들은 플래튼의 온도가 증가하도록 한다. 이것을 방해하기 위하여, 냉각된 알루미늄과 같은 냉각 물질이 플래튼의 열 도전성 층과 일시적으로 물리적으로 접촉된다. 플래튼에 존재하는 열은 차가운 기판에 전달되고, 플래튼은 다시 사용을 위해 준비된다. 하나의 실시예에서, 냉각 물질은 플래튼의 노출된 하부 표면과 접촉하게 되는 2개의 냉각된 알루미늄 패드들로 구성된다. 패드들은 액체 또는 기체 질소 같은 것에 의해 대략 -180 ℃의 온도로 냉각된다. 패드의 표면 위에서의 작은 기체 배기(gas bleed)는 도전(conduction)을 향상시킨다. 플래튼은 동작 온도에 있고 그 다음으로 패드들이 멀어지도록 이동할 때까지, 플래튼은 패드들 위에 놓인다. 웨이퍼는 차가운 온도에서 주입되고, 냉각 처리는 주입물들의 열 부하(heat load)에 따라 필요한 대로 반복된다.
이전의 단락은 극저온 주입의 이용을 설명하고 있지만, 본 명세서에서 개시된 시스템 및 방법은 실온 또는 상승된 온도들에서도 마찬가지로 행해지는 주입들을 위해 이용될 수 있다.
더 큰 온도 동작 범위의 장점들에 부가하여, 본 개시 내용의 ESC는 또한 이온 주입 시스템이 전체 작업 표면(250)에 걸쳐 주입 각도 변동을 최소화하도록 한다. 도 3을 참조하면, 빔이 웨이퍼의 중심으로부터 멀어지도록 이동함에 따라 주입 각도가 변화한다는 것을 알 수 있다. 이온 빔(280)이 작업 표면(250)의 중심(270)을 수직으로 타격하는 것으로 가정되는 경우, 작업 표면의 단부들에서의 주입 각도들이 더 이상 수직이 아니라는 점이 명백하다. 이러한 편차는 기하 구조(geometry)들이 계속 축소될수록 더욱더 중요해진다. 층들 사이의 열 팽창에 있어서의 차이들로 인해 척의 편향이 거의 없거나 전혀 없기 때문에, 본 개시 내용에서 설명된 ESC는 희망하는 주입 각도를 더욱 빈틈없게 유지할 수 있다.
이 개시 내용은 층상 구조 어셈블리의 이용을 주로 이온 주입 응용들에서의 정전 척으로서 설명하고 있지만, 개시 내용은 이 응용에만 제한되지 않는다. 디바이스가 웨이퍼를 제 위치에 유지하는 것을 요구하는 임의의 반도체 처리는 이 어셈블리를 이용할 수 있다. 게다가, 유사하지 않은 CTE들을 갖는 2개의 층들을 갖는 어셈블리를 요구하는 임의의 응용은 본 명세서에서 개시된 층상 구조 어셈블리를 포함할 수 있다.

Claims (22)

  1. 제 1 열 팽창 계수를 갖는 제 1 전기적 비도전성 층;
    상기 제 1 층에 접합되고, 금속 및 CTE 조절제를 포함하며, 제 2 열 팽창 계수를 갖는 제 2 열 도전성 층을 포함하는, 층상 구조 어셈블리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 열 팽창 계수들은 서로의 100 % 이내인, 층상 구조 어셈블리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 열 팽창 계수들은 +/- 100 ℃의 동작 범위를 산출하도록 선택되는, 층상 구조 어셈블리.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 비도전성 층은 알루미나(alumina)를 포함하는, 층상 구조 어셈블리.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 층의 상기 금속은 알루미늄을 포함하는, 층상 구조 어셈블리.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 CTE 조절제는 탄소 또는 흑연 섬유를 포함하는, 층상 구조 어셈블리.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 CTE 조절제는 실리콘을 포함하는, 층상 구조 어셈블리.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 층상 구조 어셈블리는 정전 척(electrostatic chuck)을 포함하는, 층상 구조 어셈블리.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 층 내의 유체 도관을 더 포함하는, 층상 구조 어셈블리.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 비도전성 층은 알루미나를 포함하는, 층상 구조 어셈블리.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 도관은 상기 제 2 층보다 높은 용융점을 갖는 튜브를 포함하는, 층상 구조 어셈블리.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 튜브는 INVAR, 몰리브덴, 및 스테인리스 스틸로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는, 층상 구조 어셈블리.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 2 층은 알루미늄과, 흑연 또는 탄소 섬유들을 포함하는, 층상 구조 어셈블리.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 어셈블리는 정전 척을 포함하는, 층상 구조 어셈블리.
  15. 이온 소스를 포함하는 이온 주입 시스템을 제공하는 단계;
    제 1 열 팽창 계수를 갖는 제 1 전기적 비도전성 층, 상기 제 1 층에 접합되고 제 2 열 팽창 계수를 갖는 제 2 열 도전성 층, 및 상기 제 2 층 내의 유체 도관을 포함하는 정전 척을 제공하는 단계;
    상기 척을 요구되는 온도로 유지하기 위하여 상기 도관에 유체를 통과시키는 단계;
    웨이퍼를 상기 정전 척으로 지지하는 단계; 및
    이온들을 상기 이온 소스로부터 상기 웨이퍼에 주입하는 단계를 포함하는, 웨이퍼의 이온 주입 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제 1 비도전성 층은 알루미나를 포함하는, 웨이퍼의 이온 주입 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 도관은 상기 제 2 층보다 높은 용융점을 갖는 튜브를 포함하는, 웨이퍼의 이온 주입 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 튜브는 INVAR, 몰리브덴 및 스테인리스 스틸로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는, 웨이퍼의 이온 주입 방법.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 제 2 층은 알루미늄과, 흑연 또는 탄소 섬유들을 포함하는, 웨이퍼의 이온 주입 방법.
  20. 청구항 15에 있어서,
    상기 유체는 질소를 포함하는, 웨이퍼의 이온 주입 방법.
  21. 청구항 15에 있어서,
    상기 웨이퍼를 -100 ℃ 및 100 ℃ 사이의 온도로 유지하는 단계를 더 포함하는, 웨이퍼의 이온 주입 방법.
  22. 이온들이 주입될 웨이퍼를 지지하기 위한 정전 척의 제조 방법으로서,
    상기 웨이퍼를 주입하기 위한 동작 온도 범위를 결정하는 단계;
    웨이퍼와 접촉하고 웨이퍼를 정전기에 의해 지지하기 위한 상기 척의 제 1 층으로서, 전기적 비도전성인 상기 제 1 층을 제공하는 단계;
    상기 제 1 층의 열 팽창 계수를 결정하는 단계;
    열 도전성인 상기 척의 제 2 층을 제공하는 단계;
    상기 제 2 층의 열 팽창 계수를 결정하는 단계;
    상기 희망하는 동작 온도 범위에 걸쳐 상기 정전 척이 동작 가능한 열 팽창 계수를 갖는 합성 제 2 층을 형성하기에 유효한 양의 CTE 조절제를 상기 제 2 층에 추가함으로써 상기 제 2 층의 열 팽창 계수를 조절하는 단계; 및
    상기 제 2 합성 층을 상기 제 1 층에 접합하는 단계를 포함하는, 정전 척의 제조 방법.
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