KR20110056712A - 정전 척 - Google Patents

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박명수
김수홍
정화준
조성근
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Abstract

공정 불량률을 낮추고 생산 비용을 절감시킬 수 있는 정전 척(Electrostatic Chuck:ESC)을 개시한다.
정전 척(ESC)은 지지대와 지지대의 상부에 위치하여 피처리 대상물을 지지하는 절연층과 지지대의 내부에 삽입되는 적어도 하나 이상의 절연부재와 적어도 하나 이상의 절연부재에 의해 형성되는 냉각가스 공급유로를 포함하고, 냉각가스 공급유로는 지지대 및 피처리 대상물 사이에 형성되는 전기장의 방향과 다른 방향을 가진 유로구간을 포함으로써, 냉각가스 공급유로의 주위 또는 내부에서 발생하는 플라즈마(plasma) 방전을 방지하게 된다.

Description

정전 척{ELECTROSTATIC CHUCK}
본 발명은 정전 척(Electrostatic Chuck:ESC)의 보호 구조에 관한 것이다.
최근에 플라즈마(Plasma)를 사용하여 원하는 화학적 반응(성막, 에칭 등)을 가속화 시키는 시스템이 반도체, LCD, LED 등의 산업에서 다양하게 이용되고 있다.
플라즈마(Plasma)를 이용하는 시스템은 일반적으로 공정이 수행되는 챔버(Chamber), 플라즈마(Plasma)를 발생시키는 소스(Source), 챔버(Chamber) 내부의 고진공을 유지시키기 위한 펌프 및 압력 제어 시스템, 그리고 피처리 대상물을 지지, 고정시키면서 피처리 대상물의 온도 및 플라즈마(Plasma) 에너지를 조절하기 위한 정전 척(Electrostatic Chuck:ESC)으로 구성된다.
특히, 정전 척(ESC)은 플라즈마(Plasma)를 이용하는 시스템의 핵심 요소로써 그 구조는 일반적으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 금속으로 형성된 지지대와 정전 흡착용 전극을 매설한 판 형상의 절연체와 상기 지지대와 상기 절연체를 서로 연결하여 접합시키기 위한 접착층과 피처리 대상물과 정전 척(ESC) 표면 사이의 열전달 효율을 올리기 위해 사용되는 헬륨(He), 아르곤(Ar)등의 냉각가스를 공급하기 위한 냉각가스 공급유로 등으로 구성된다.
이러한 정전 척(ESC)은 지지대 내부 또는 지지대 외부 즉, 챔버 상부에 정전 흡착용 전극을 배치하여, 이 정전 흡착용 전극에 전압을 인가함으로써 존슨-라벡(Johnson-Rabeck)력이나 쿨롬(Cloumb)력과 같은 정전기적인 흡착력을 발생시켜서 피처리 대상물인 웨이퍼 등을 처리 과정에서 견고하게 유지, 고정시키게 된다.
그런데, 상기와 같은 플라즈마(Plasma)를 이용한 처리 과정에서 피처리 대상물과 정전 척(ESC) 사이에는 강한 전기장이 형성된다. 이 때 헬륨(He), 아르곤(Ar)등의 냉각가스의 압력이 특정 압력 이하로 떨어져 충분한 평균 자유 충돌 거리(mean free path)를 가지게 될 경우, 플라즈마(Plasma) 방전이 발생하게 된다. 이러한 플라즈마(Plasma)가 발생하게 되면 피처리 대상물과 정전 척(ESC) 사이에 형성된 전기장을 따라 순간적으로 높은 전류가 흐르게 되는데, 이는 수천도 이상의 열을 발생시켜 정전 척(ESC)을 포함한 설비 및 피처리 대상물의 손상을 초래한다.
특히, 냉각가스 공급 홀 주위 및 내부는 강한 전기장이 형성될 뿐만 아니라, 냉각가스를 이루는 입자들(He, Ar등)이 전기장의 방향으로 쉽게 가속될 수 있어, 플라즈마(Plasma) 방전이 가장 빈번히 발생한다.
본 발명의 일 측면은 피처리 대상물 및 정전 척의 손상을 방지하기 위해, 냉각가스 공급 유로 주위 또는 내부에서 발생할 수 있는 플라즈마(Plasma) 방전의 발생을 억제하는 구조 및 장치를 제공한다.
본 발명의 사상에 따른 정전 척(ESC)은 지지대;와 상기 지지대의 상부에 위치하여 피처리 대상물을 지지하는 절연층;과 상기 지지대의 내부에 삽입되는 적어도 하나 이상의 절연부재;와 상기 적어도 하나 이상의 절연부재에 의해 형성되는 냉각가스 공급유로;를 포함하고, 상기 냉각가스 공급유로는 상기 지지대 및 피처리 대상물 사이에 형성되는 전기장의 방향과 다른 방향을 가진 유로구간을 포함한다.
상기 냉각가스 공급유로는 계단형의 유로구간을 포함할 수 있다.
상기 냉각가스 공급유로는 나선형의 유로구간을 포함할 수 있다.
상기 냉각가스 공급유로는 톱니형의 유로구간을 포함할 수 있다.
상기 냉각가스 공급유로는 헬리컬형의 유로구간을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 냉각가스 공급유로 주위 또는 내부에서 발생할 수 있는 플라즈마(Plasma) 방전의 발생을 차단함으로써, 피처리 대상물 및 정전 척의 손상을 방지할 수 있게 된다.
또한, 상기와 같이 피처리 대상물 및 정전 척의 손상을 방지할 수 있게 됨으로써, 공정 불량률이 낮아지고 생산성이 향상된다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명 한다.
먼저 일반적인 정전 척(ESC)에서의 냉각가스 공급유로(40) 주위 또는 그 내부에서 플라즈마(Plasma) 방전이 빈번히 일어나게 되는 이유를 도 1을 참조하여 살펴보고, 본 발명의 실시예들에 따라 정전 척(ESC)(1,2,3,4)에 삽입되는 제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)에 의해 형성되는 냉각가스 공급유로(400)의 형상 및 냉각가스 공급유로(400)의 주위 또는 내부에서 발생할 수 있는 플라즈마(Plasma) 방전의 발생을 차단하게 되는 원리 및 효과에 대해 자세히 설명한다.
도 1은 일반적인 정전 척(ESC)을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 정전 척(ESC)은 정전 척(ESC)의 전체적인 구조를 형성하며 RF파워 전극의 역할을 수행하는 지지대(60)와 그 상부에서 웨이퍼, 피처리 대상물 등 피처리 대상물(10)을 지지하는 절연층(30)과 지지대(60) 및 절연층(30)을 연결하여 고정시키는 접착층(미도시)과 지지대(60) 및 절연층(30)을 관통하여 형성되는 냉각가스 공급유로(40)와, 지지대(60)의 내부에 형성되어 냉각가스로부터 전달되어 온 열을 정전 척(ESC)(10)의 외부로 배출하는 유체가 흐르는 공간인 플래넘(plenum)(50)으로 구성된다.
피처리 대상물(10)과 절연층(30) 사이에는 냉각가스 공급유로(40)를 통해 공급된 냉각가스(He, Ar등)가 피처리 대상물(10)의 온도를 제어하기 위한 공간(20)이 형성된다.
플라즈마(Plasma)를 이용하여 피처리 대상물(10)에 대한 처리가 진행되는 과정에서 챔버(Chamber) 내부는 고온으로 가열되고 이러한 고온에 피처리 대상물(10) 이 장기간 노출될 경우 손상이 발생하기 때문에 피처리 대상물(10)의 온도를 낮추는 것이 필수적이다.
이를 위해 일반적으로 냉각가스 공급유로(40)를 지지대(60) 및 절연층(30)을 관통시켜 형성함으로써, 냉각가스 공급유로(40)를 통과한 냉각가스(Ar, He등)가 피처리 대상물(10)의 온도를 제어하기 위한 공간(20)으로 공급되어 직접 피처리 대상물(10)의 하부에 접촉하여 피처리 대상물(10)의 열을 흡수하게 만들고, 흡수된 열은 지지대에 전달되어 지지대(60)의 내부에 형성된 플래넘(planum)(50)의 유체가 정전 척(ESC)(10)의 외부로 배출하게 된다.
그런데 상기와 같은 과정에서 지지대(60)는 피처리 대상물(10)에 대한 처리를 위해 플라즈마(plasma) 발생을 위한 RF파워 전극의 역할을 하게 되므로, 도 1에 도시된 바와 같이, 화살표 방향으로 피처리 대상물(10)과 지지대(60)의 상부 사이에 강한 전기장이 형성된다.
이 경우, 피처리 대상물(10)의 온도를 제어하기 위한 공간(20)에 위치한 냉각가스(He, Ar등)를 이루는 입자는 전기장의 영향을 받아 전기장의 방향으로 가속될 수 있는데, 일반적으로는 피처리 대상물(10)과 절연체(30)가 이루는 공간(20), 즉 피처리 대상물(10)의 온도를 제어하기 위한 공간(20)의 폭이 매우 좁아 입자들간의 충분한 평균 자유 충돌 거리(mean free path)를 갖지 못하므로 플라즈마(Plasma) 방전이 발생하지 않는다.
그러나 도 1에 도시된 바와 같이, 지지대(60) 및 절연층(30)을 관통하여 형성된 냉각가스 공급유로(40)의 주위 및 그 내부는 절연층(30)에 의한 전기장의 강 도가 감소되지 않고, 또한 냉각가스 공급유로(40)의 내부에 형성된 전기장의 방향으로 입자가 가속될 수 있는 충분한 거리가 확보되므로, 가속에 의한 에너지를 가진 입자들 간의 충돌이 활발해져 플라즈마(Plasma) 방전이 발생할 확률이 높다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 척(ESC)(1)을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 척(ESC)(1)은 정전 척(ESC)(1)의 전체적인 구조를 형성하며 RF파워 전극의 역할을 수행하는 지지대(600)와 그 상부에서 웨이퍼, 피처리 대상물 등 피처리 대상물(100)을 지지하는 절연층(300)과 지지대(600) 및 절연층(300)을 연결하여 고정시키는 접착층(미도시)과 지지대(600)의 내부에 삽입되는 제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)로 구성된다.
제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)는 전기적인 절연 기능을 수행할 수 있도록 플라스틱, 세라믹 등의 전기적 부도체로 구성된다.
피처리 대상물(100)과 절연층(300) 사이에는 냉각가스 공급유로(400)를 통해 공급된 냉각가스(He, Ar등)가 피처리 대상물(100)의 온도를 제어하기 위한 공간(200)이 형성된다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각가스 공급유로(400)는 제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)에 의해 피처리 대상물(100)과 지지대(600) 사이에 발생하는 전기장의 영향이 최소화될 수 있도록 계단형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)에 의해 형성되는 냉각가스 공급유로(400)의 직경은 피처리 대상물(100)의 온도 제어에 적당하게 0.1 ~ 2mm 정도인 것이 바람직하다.
본 발명의 제 1 실시예에 따라 정전 척(ESC)(1)의 지지대(600)에 삽입되는 제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)는 피처리 대상물(100)과 정전 척(ESC)(1) 사이에 형성되는 전기장의 영향, 즉 전기장의 강도를 완화하게 되고, 제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)에 의해 계단형으로 형성된 냉각가스 공급유로(400)는 냉각가스(He, Ar등) 입자가 전기장에 의해 가속될 수 있는 거리를 단축시키는 효과를 가진다. 즉, 냉각가스(He, Ar등) 입자는 전기장의 방향(또는 입자의 가속방향)과 다른 방향의 유로구간(계단이 형성되는 부분)을 만나게 되어 가속에너지를 대부분 상실하게 된다.
결국 냉각가스(He, Ar등) 입자는 상대적으로 약해진 전기장의 영향을 받게 되고, 또한 충분한 가속거리가 주어지지 않으므로 플라즈마(Plasma) 방전을 발생시킬 만한 충분한 충돌 에너지를 갖지 못하게 되는 것이다.
상기와 같이 냉각가스 공급유로(400)의 주위 또는 내부에서 발생할 수 있는 플라즈마(Plasma) 방전의 발생을 차단함으로써, 피처리 대상물(100) 및 정전 척(ESC)(1)의 손상을 방지할 수 있게 되어 공정 불량률이 낮아지고 생산성이 향상되는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 척(ESC)(2)을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 척(ESC)(2)은 상기 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예와 그 구성 및 결합관계는 동일하되, 제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)에 의해 형성되는 냉각가스 공급유로(400)가 나선형으로 형성된 것이 특징이다.
이 경우, 피처리 대상물(100)과 정전 척(ESC)(2) 사이에 형성되는 전기장에 의해 가속된 냉각가스(He, Ar등) 입자는 전기장의 방향(또는 입자의 가속방향)과 다른 방향의 유로구간(나선형으로 꺽이는 부분)을 만나게 되어 가속에너지를 대부분 상실하게 된다. 즉, 냉각가스(He, Ar등) 입자가 전기장에 의해 가속될 수 있는 거리가 실질적으로 단축된다.
정전 척(ESC)(2)의 지지대(600)에 삽입되는 제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)에 의해 피처리 대상물(100)과 정전 척(ESC)(2) 사이에 형성되는 전기장의 강도가 완화되는 효과는 상기 제1 실시예에서 설명된 바와 같다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 척(ESC)(3)을 개략적으로 도시한 단면도.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 척(ESC)(3)은 상기 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예와 그 구성 및 결합관계는 동일하되, 제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)에 의해 형성되는 냉각가스 공급유로(400)가 톱니형으로 형성된 것이 특징이다.
이 경우, 피처리 대상물(100)과 정전 척(ESC)(3) 사이에 형성되는 전기장에 의해 가속된 냉각가스(He, Ar등) 입자는 전기장의 방향(또는 입자의 가속방향)과 다른 방향의 유로구간(톱니형으로 꺽이는 부분)을 만나게 되어 가속에너지를 대부분 상실하게 된다. 즉, 냉각가스(He, Ar등) 입자가 전기장에 의해 가속될 수 있는 거리가 실질적으로 단축된다.
정전 척(ESC)(3)의 지지대(600)에 삽입되는 제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)에 의해 피처리 대상물(100)과 정전 척(ESC)(3) 사이에 형성되는 전기장의 강도가 완화되는 효과는 상기 제1 실시예에서 설명된 바와 같다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 척(ESC)(4)을 개략적으로 도시한 단면도.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 척(ESC)(4)은 상기 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예와 그 구성 및 결합관계는 동일하되, 제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)에 의해 형성되는 냉각가스 공급유로(400)가 헬리컬형으로 형성된 것이 특징이다.
이 경우, 피처리 대상물(100)과 정전 척(ESC)(4) 사이에 형성되는 전기장에 의해 가속된 냉각가스(He, Ar등) 입자는 전기장의 방향(또는 입자의 가속방향)과 다른 방향의 유로구간(헬리컬형으로 꺽이는 부분)을 만나게 되어 가속에너지를 대부분 상실하게 된다. 즉, 냉각가스(He, Ar등) 입자가 전기장에 의해 가속될 수 있는 거리가 실질적으로 단축된다.
정전 척(ESC)(4)의 지지대(600)에 삽입되는 제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)에 의해 피처리 대상물(100)과 정전 척(ESC)(4) 사이에 형성되는 전기장의 강도가 완화되는 효과는 상기 제1 실시예에서 설명된 바와 같다.
상기의 본 발명에 따른 제1 실시예 내지 제4 실시예의 냉각가스 공급유로(400)를 형성하는 제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)는 복수로 형성되지 않을 수도 있다. 즉, 단일의 절연부재에 상기 제1 실시예 내지 제4 실시예와 동일한 형상의 냉각가스 공급유로(400)를 형성하여 지지대(600)에 삽입하여 사용할 수도 있고, 셋 이상의 절연부재를 사용하여 동일한 효과를 얻을 수도 있다.
또한, 제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)의 형상 및 냉각가스 공급유로(400)의 형상은 상황에 따라 효율성을 위해 얼마든지 다른 형상으로 변형되어 실시될 수 있음은 자명하다. 즉, 플라즈마(Plasma) 방전이 발생되는 것이 방지되도록 하는 제1절연부재(700) 및 제2절연부재(800)의 형상 및 냉각가스 공급유로(400)의 형상이라면 모두 적용이 가능하다.
도 1은 일반적인 정전 척(ESC)을 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 척(ESC)을 개략적으로 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 척(ESC)을 개략적으로 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전 척(ESC)을 개략적으로 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 척(ESC)을 개략적으로 도시한 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
1~4 : 본 발명의 제1 실시예 내지 제4 실시예에 따른 정전 척(ESC)
100 : 피처리 대상물 200 : 피처리 대상물의 온도를 제어하기 위한 공간
300 : 절연층 400 : 냉각가스 공급유로
600 : 지지대 700 : 제1절연부재
800 : 제2절연부재

Claims (5)

  1. 지지대;
    상기 지지대의 상부에 위치하여 피처리 대상물을 지지하는 절연층;
    상기 지지대의 내부에 삽입되는 적어도 하나 이상의 절연부재;
    상기 적어도 하나 이상의 절연부재에 의해 형성되는 냉각가스 공급유로;를 포함하고,
    상기 냉각가스 공급유로는 상기 지지대 및 피처리 대상물 사이에 형성되는 전기장의 방향과 다른 방향을 가진 유로구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 척.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각가스 공급유로는 계단형의 유로구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 척.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각가스 공급유로는 나선형의 유로구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 척.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각가스 공급유로는 톱니형의 유로구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 척.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각가스 공급유로는 헬리컬형의 유로구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 척.
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