KR20110064665A - Dipole type electrostatic chuck by using electric field gradient - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 정전척(Electrostatic chuck)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피흡착물을 흡착하는 정전 플레이트(Electrostatic plate)의 전극 구조가 개선된 정전척에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrostatic chuck, and more particularly, to an electrostatic chuck having an improved electrode structure of an electrostatic plate for adsorbing an adsorbate.
정전척은 정전기력을 이용하여 피흡착물을 흡착하는 기구로서 반도체 기판이나 디스플레이용 글라스 기판을 척킹(Chucking)하여 고정하거나 이동시키기 위한 용도로 널리 사용된다. 또한, 정전척은 플라즈마 가스를 이용하여 박막을 형성하거나 식각하는 플라즈마 처리장치에 적용되어 웨이퍼 온도 제어와 척킹 기능을 제공한다.An electrostatic chuck is a mechanism that adsorbs a substance to be adsorbed by using electrostatic force, and is widely used for fixing or moving a semiconductor substrate or a glass substrate for a display by chucking. In addition, the electrostatic chuck is applied to a plasma processing apparatus for forming or etching a thin film using plasma gas to provide wafer temperature control and chucking functions.
도 1은 일반적인 세라믹 정전척의 주요 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 정전척은 내부에 박판 형태의 금속 전극(13)이 마련된 정전 플레이트(Electrostatic plate)(10)를 구비한다.1 is a main configuration diagram of a general ceramic electrostatic chuck. As shown in FIG. 1, the electrostatic chuck has an
정전 플레이트(10)는 전극(13)을 기준으로 상/하부에 위치하는 유전체를 포함하고, 전극(13)에는 직류전원장치(20)가 연결된다. 여기서, 전극(13)을 기준으로 상/하부의 유전체는 보통 동일한 세라믹으로 형성된다.The
통상적으로 정전 플레이트(10)는 유전체 내에 고융점의 전극(13)을 삽입한 후 1500℃ 이상의 고온에서 세라믹 소결을 진행하는 공정을 통해 일체형으로 제작된다.Typically, the
상기와 같은 구성에 의하면, 피흡착물인 기판을 정전 플레이트(10)의 상면에 올려 놓고 고전압의 직류전원을 공급했을 때 유전체에서 분극이 일어나고, 이 과정에서 정전 플레이트(10)의 표면과 기판의 표면에 정전하가 유도되어 쿨롱력(Coulomb force)이나 존슨 라벡력(Johnsen-Rahbek force)에 의해 기판이 정전 플레이트(10)의 상면에 긴밀하게 흡착되어 고정된다.According to the above configuration, when the substrate to be adsorbed is placed on the top surface of the
정전 플레이트(10)는 금속재질의 베이스 부재(14) 상에 접합된 형태로 사용되는 것이 일반적이다. 정전척이 플라즈마 처리장치에 적용되는 경우, 정전 플레이트(10) 내부의 전극(13)과 베이스 부재(14)에는 각각 직류전원장치(20)와 플라즈마 발생용 고주파전원장치(30)가 연결된다. 이 경우 정전척은 기판을 긴밀히 고정하기 위한 정전기적 흡착력을 제공하고, 플라즈마의 발생을 위한 전극에 대향되는 바이어스 전극의 역할을 겸할 수 있다.The
상기와 같은 구성에 의하면, 피흡착물인 기판을 정전 플레이트(10)의 상면에 올려 놓고 고전압의 직류전원을 공급했을 때 유전체에서 분극이 일어나고, 이 과정에서 정전 플레이트(10)의 표면과 기판의 표면에 정전하가 유도되어 쿨롱력(Coulomb force)이나 존슨 라벡력(Johnsen-Rahbek force)에 의해 기판이 정전 플레이트(10)의 상면에 긴밀하게 흡착되어 고정된다.According to the above configuration, when the substrate to be adsorbed is placed on the top surface of the
쿨롱력을 이용하는 쿨롱형 정전척은 정전 플레이트(10)의 상하면에 존재하는 서로 다른 전하를 갖는 입자들 간의 정전기적 인력을 이용하여 웨이퍼를 고정한다. 일반적으로 쿨롱형 정전척은 정전 플레이트(10)의 체적 저항값이 1014Ωㆍcm 이상이 되도록 설계되며, 양호한 탈착 성능을 나타내지만 충분히 큰 정전 흡착력을 기판 전체에 균일하게 제공하기 위해서는 높은 전압을 인가해 주어야 하는 단점이 있다. 지나치게 높은 전압은 플라즈마 장치에서 잔류 전하 문제 등 여러가지 예기치 않은 문제점을 초래하게 된다.The coulomb type electrostatic chuck using the coulomb force fixes the wafer by using electrostatic attraction between particles having different charges on the upper and lower surfaces of the
존슨 라벡력을 이용하는 존슨-라벡형 정전척은 쿨롱형 정전척에 비해 상대적으로 낮은 전압으로도 에어갭(Air gap) 원리에 의해 피흡착물을 척킹하기에 충분한 흡착력을 제공할 수 있다. 공지의 에어갭 원리에 의하면, 저저항의 정전 플레이트와 피흡착물이 접촉하는 접촉점 부분에서는 전류가 흘러 전위차가 0이 되고 접촉점들 사이에 형성된 공간에서는 전하의 이동이 차단되어 강한 정전기적 인력이 발생하므로 이 인력을 이용하여 흡착력을 얻을 수 있다. 존슨-라벡형 정전척에서는 정전 플레이트 자체의 커패시턴스보다는 에어갭의 커패시턴스에 의존하여 흡착력이 제공된다.Johnson-Label type electrostatic chuck using Johnson Lavec force can provide sufficient adsorption force to chuck the adsorbed material by air gap principle even at relatively low voltage compared to Coulomb type electrostatic chuck. According to the known air gap principle, since the electric current flows at the contact point portion where the low-resistance electrostatic plate and the adsorbed material come into contact with each other, the electric charge is blocked in the space formed between the contact points, thereby generating strong electrostatic attraction. The attraction force can be obtained by using this attraction force. In the Johnson-Lavec type electrostatic chuck, the attraction force is provided depending on the capacitance of the air gap rather than the capacitance of the electrostatic plate itself.
존슨-라벡형 정전척은 쿨롱형 정전척에 비해 상대적으로 동작 전압이 낮으므로 플라즈마 장치에서 고주파 전원에 의해 발생되는 바이어스 전압과 상호 교란작용이 적고 아킹(Arcking) 등이 발생할 가능성이 낮은 장점이 있다. 하지만, 존슨-라벡형 정전척은 정전 플레이트의 체적저항이 낮아 많은 전류가 피흡착물인 웨이퍼 쪽으로 흐르게 되어 웨이퍼에 전기적 데미지를 줄 우려가 있으므로 정전 플레이트의 체적저항을 109~1013Ωㆍcm 정도로 설계하는 것이 바람직하다.Johnson-Labeck type electrostatic chuck has lower operating voltage than Coulomb type electrostatic chuck, so it has less advantage of interfering with bias voltage generated by high frequency power in plasma device and less likely arcing. . However, Johnson-la bekhyeong electrostatic chuck is the volume resistivity of the electrostatic plate decreases much current flows toward the wafer absorbate complex because it may give an electrical damage to the wafer to the volume resistivity of the
상기와 같은 구조를 갖는 정전척의 원리는 커패시턴스 모델을 기반으로 하고 있으므로 직류전압이 인가되는 대향 전극 사이에 유전체가 위치해야 효과적으로 정전력이 발생하게 된다. 따라서, 정전척은 도전성을 갖는 반도체 웨이퍼나 한쪽면에 전극이 증착되는 기판에 매우 유용하게 적용될 수 있다.Since the principle of the electrostatic chuck having the above structure is based on the capacitance model, the electrostatic force is effectively generated only when the dielectric is placed between the counter electrodes to which the DC voltage is applied. Therefore, the electrostatic chuck can be very usefully applied to a conductive semiconductor wafer or a substrate on which electrodes are deposited on one side.
그러나, 디스플레이나 발광 다이오드 제조공정에 사용되는 글라스 기판이나 사파이어 기판과 같은 각종 절연성 기판의 경우에는 1014Ωㆍcm 이상의 높은 체적저항을 갖는 부도체 물질로 이루어짐으로 인해 정전력이 거의 발생하지 않는다. 이에 따라, 일반적인 발광 다이오드 제조공정에서는 소정의 클램프 링을 이용하여 기판의 외곽을 기계적으로 눌러주는 방식이 널리 사용되고 있는데, 이러한 방법은 기판의 외곽에서 치핑(Chipping) 문제가 지속적으로 발생하고 기계적으로 눌린 부분은 양품으로 사용할 수가 없어 수율 저하의 원인이 되고 있다.However, in the case of various insulating substrates such as glass substrates and sapphire substrates used in display or light emitting diode manufacturing processes, electrostatic power is hardly generated due to the nonconductive material having a high volume resistance of 10 14 Ω · cm or more. Accordingly, in a general light emitting diode manufacturing process, a method of mechanically pressing an outer surface of a substrate using a predetermined clamp ring is widely used. In this method, a chipping problem is continuously generated at the outer surface of the substrate and mechanically pressed. The part cannot be used as a good product, which causes a decrease in yield.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 절연성 기판에 대한 척킹이 가능하도록 정전 플레이트 상에서 전기장 구배(Gradient)를 형성할 수 있는 전극 구조를 가진 쌍극형 정전척을 제공하는 데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a bipolar electrostatic chuck having an electrode structure capable of forming an electric field gradient on an electrostatic plate to enable chucking of an insulating substrate. .
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 유전체 플레이트에 쌍극형 전극이 구비된 구조를 가진 쌍극형 정전척을 개시한다.In order to achieve the above object, the present invention discloses a bipolar electrostatic chuck having a structure having a bipolar electrode on a dielectric plate.
즉, 본 발명은 피흡착물을 정전기력을 이용하여 흡착하기 위한 정전척에 있어서, 유전체 플레이트; 및 상기 유전체 플레이트의 내부 또는 일면에 위치하고, 상호 이격되게 배치되어 서로 다른 전기적 극성이 부여되는 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 쌍극형 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.That is, the present invention provides an electrostatic chuck for adsorbing an adsorbate using electrostatic force, comprising: a dielectric plate; And a bipolar electrode disposed on the inside or one surface of the dielectric plate and spaced apart from each other and having a first electrode and a second electrode provided with different electrical polarities.
바람직하게, 상기 쌍극형 전극은 상기 유전체 플레이트의 폭 방향으로 복수개가 배열되고, 상기 제1 전극과 제2 전극은 교호적으로 배치될 수 있다.Preferably, the plurality of bipolar electrodes may be arranged in a width direction of the dielectric plate, and the first electrode and the second electrode may be alternately disposed.
상기 유전체 플레이트의 체적저항 및 표면저항은 1011Ωㆍ㎝ 이하인 것이 바람직하다.The volume resistance and surface resistance of the dielectric plate is preferably 10 11 Ω · cm or less.
상기 유전체 플레이트의 두께는 0.8㎜ 이하이고, 상기 제1 전극 및 제2 전극의 전극폭과 전극간격은 0.5㎜ 이상인 것이 바람직하다.The thickness of the dielectric plate is 0.8 mm or less, and the electrode width and the electrode spacing of the first electrode and the second electrode are preferably 0.5 mm or more.
상기 유전체 플레이트는 10㎛ 이하의 입자들로 이루어진 세라믹에 의해 형성될 수 있다.The dielectric plate may be formed of a ceramic made of particles of 10 μm or less.
쌍극형 정전척은 상기 유전체 플레이트에 접합된 금속 지지대;를 더 포함할 수 있다.The bipolar electrostatic chuck may further include a metal support bonded to the dielectric plate.
본 발명에 따른 정전척은 쌍극형 전극에 의해 정전 플레이트(유전체 플레이트) 상에 전기장이 불균일하게 형성되어 전기장 구배를 발생시킴으로써 예컨대, 사 파이어 기판과 같은 절연성 기판을 강한 정전력으로 척킹할 수 있다.The electrostatic chuck according to the present invention can chuck an insulating substrate such as, for example, a sapphire substrate with a strong electrostatic force by generating an electric field gradient by forming an uneven electric field on an electrostatic plate (dielectric plate) by a bipolar electrode.
따라서, 종래기술과는 달리 세라믹 클램프 링을 이용하여 절연성 기판을 기계적으로 눌러주는 작업이 필요치 않으므로 절연성 기판의 외곽에 발생하던 치핑 문제를 해소할 수 있는 이점이 있다.Therefore, unlike the prior art, there is no need to mechanically press the insulating substrate by using the ceramic clamp ring, and thus there is an advantage of eliminating the chipping problem that occurred at the outside of the insulating substrate.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전척의 주요 구성을 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing the main configuration of the electrostatic chuck according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전척은 유전체 플레이트(101)와, 유전체 플레이트(101) 내에 마련되고 서로 다른 전기적 극성이 부여되는 제1 전극(102a) 및 제2 전극(102b)으로 이루어진 쌍극형 전극(102)을 포함한다.Referring to FIG. 2, an electrostatic chuck according to an embodiment of the present invention may include a
유전체 플레이트(101)는 유전체 세라믹의 소결체 형태로 구성된다. 여기서, 유전체 세라믹으로는 유전특성이 우수한 알루미나(Al2O3), 이트리아(Y2O3), 질화 알루미늄(AlN) 등이 채용되는 것이 바람직하다.The
정전척과 피흡착물 사이의 접촉면적은 정전력 및 디척킹(Dechucking) 시간에 영향을 주고 정척척과 피흡착물 사이에 흐르는 냉각 가스의 흐름에도 영향을 미치므로 유전체 플레이트(101)는 필요에 따라 상부 표면이 엠보싱(Embossing) 처리되는 것이 바람직하다.The area of contact between the electrostatic chuck and the adsorbate affects the electrostatic force and dechucking time and also affects the flow of cooling gas between the dechuck and the adsorbate, so that the
글라스 기판이나 사파이어 기판과 같은 절연성 기판의 척킹시에도 1kgf/㎠ 이상 정도되는 충분한 정전력을 발생시키기 위해 유전체 플레이트(101)의 체적저항 및 표면저항은 1011Ωㆍ㎝ 이하의 값을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이 낮은 저항값을 갖는 세라믹 유전체는 과다한 누설전류에 의해 정전력이 저하될 우려가 있으므로 유전체 플레이트(101)는 10㎛ 이하의 입자들로 구성되어 누설전류가 최소화되는 것이 바람직하다.In order to generate sufficient electrostatic force of about 1 kgf / cm 2 or more even when chucking an insulating substrate such as a glass substrate or a sapphire substrate, the volume resistance and the surface resistance of the
쌍극형 전극(102)은 유전체 플레이트(101)의 내부 또는 일면에 상호 이격되게 배치된 제1 전극(102a)과 제2 전극(102b)으로 구성된다. 제1 전극(102a)에는 직류전원장치(200)의 '+'단자가 연결되고, 제2 전극(102b)에는 직류전원장치의 '-'단자가 연결됨으로써 제1 전극(102a)과 제2 전극(102b)은 서로 다른 전기적 극성이 부여되는 전극쌍을 이루게 된다. 이러한 구조에 의하면 제1 전극(102a)으로부터 제2 전극(102b)으로 향하는 전기장이 국지적으로 형성되므로 유전체 플레이트(101) 상에는 전기장의 구배가 발생하게 된다.The
유전체 플레이트(101) 내에서 폭 방향으로 복수개의 쌍극형 전극(102)이 배열되는 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 전극(102a)과 제2 전극(102b)이 교호적으로 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 전극 배치 구조에 의하면 유전체 플레이트(101)의 전면에 걸쳐 전기장의 불균일한 구배가 발생하게 되므로 안정적이고 강력한 흡착력으로 글라스 기판이나 사파이어 기판과 같은 절연성 기판(1)을 척킹하는 것이 가능하다.When the plurality of
도 4를 참조할 때, 제1 전극(102a) 및 제2 전극(102b)의 전극폭(W)과 전극간격(G)은 각각 0.5㎜ 이상의 범위에서 미세하게 설계하고, 유전체 플레이트(101)의 두께는 0.8㎜ 이하로 얇게 설계하는 것이 정전력 발생 측면에서 효과적이다. 도 4에 도시된 바와 같이 2개의 쌍극형 전극(102)이 배치된 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이 전기력선(150)이 분포된다.Referring to FIG. 4, the electrode width W and the electrode gap G of the
쌍극형 전극(102)을 구성하는 금속재료로는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo)이나 이들 중 둘 이상의 합금이 채용될 수 있다.As a metal material constituting the
쌍극형 전극(102)이 유전체 플레이트(101) 내부에 삽입된 형태로 구성되는 경우, 쌍극형 전극(102)을 기준으로 상/하부 유전체 세라믹은 동시에 소결될 수 있다. 대안으로, 상/하부 유전체 세라믹이 독립적인 물성을 갖는 경우에는 상/하부 유전체 세라믹이 하이브리드(Hybrid)형으로 접합된 형태로 구성될 수도 있다.When the
도 6에 도시된 바와 같이 유전체 플레이트(101) 상에서 쌍극형 전극(102)은 다양한 패턴으로 형성될 수 있다. 도 6에는 지그재그 형태로 배열된 절연패턴(103)을 경계로 하여 제1 전극(102a)의 영역과 제2 전극(102b)의 영역이 교호적으로 형 성된 전극 구조가 도시되어 있다.As shown in FIG. 6, the
바람직하게, 유전체 플레이트(101)의 하부에는 금속 지지대(100)가 접합된다. 금속 지지대(100)는 그 몸체의 온도를 유전체 플레이트(101) 위에 놓여지는 피흡착물에 효과적으로 전달해 줄 수 있도록 알루미늄과 같이 열전도도가 상대적으로 높은 금속체로 이루어지는 것이 바람직하다. 대안으로, 금속 지지대(100)는 열팽창 계수가 13×10-6/℃ 이하로 유지될 수 있는 스테인레스 계열이나 티타늄 계열의 금속체로 이루어질 수도 있다.Preferably, the
쌍극형 정전척이 플라즈마 처리장치에 적용되는 경우, 유전체 플레이트(101)에 형성된 쌍극형 전극(102)과 금속 지지대(100)에는 각각 직류전원장치(200)와 플라즈마 발생용 고주파전원장치(300)가 연결된다. 이 경우 쌍극형 정전척은 절연성 기판(1)을 긴밀히 고정하기 위한 정전기적 흡착력을 제공하고, 플라즈마의 발생을 위한 전극에 대향되는 바이어스 전극의 역할을 겸할 수 있다.When the bipolar electrostatic chuck is applied to the plasma processing apparatus, the
상기와 같은 구성을 갖는 쌍극형 정전척은 유전체 플레이트(101) 내에 배치된 쌍극형 전극(102)에 의해 전기장 구배를 발생시키도록 동작되므로 피흡착물이 절연성 기판이라도 강한 정전기적 흡착력으로 척킹할 수 있다. 실제로, 직류전원장치(200)에서 쌍극형 전극(102)에 500V를 인가하는 경우에는 사파이어 기판과 같이 체적저항이 1014Ωㆍ㎝ 이상인 기판을 흡착하는 것이 가능하다.Since the bipolar electrostatic chuck having the above configuration is operated to generate an electric field gradient by the
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described above by means of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and will be described below by the person skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of the claims.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.The following drawings, which are attached to this specification, illustrate preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the present invention serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention includes matters described in such drawings. It should not be construed as limited to.
도 1은 종래기술에 따른 세라믹 정전척의 주요 구성을 도시한 단면도,1 is a cross-sectional view showing the main configuration of a ceramic electrostatic chuck according to the prior art,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 쌍극형 정전척의 주요 구성을 도시한 단면도,2 is a cross-sectional view showing the main configuration of a bipolar electrostatic chuck according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명에 따라 유전체 플레이트에 형성되는 전기장 구배를 도시한 모식도,3 is a schematic diagram showing an electric field gradient formed on the dielectric plate according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따라 제공되는 쌍극형 전극의 배치 구조를 도시한 모식도,4 is a schematic diagram showing an arrangement structure of a bipolar electrode provided according to the present invention;
도 5는 도 4에서 전기력선의 분포를 도시한 모식도,FIG. 5 is a schematic diagram showing a distribution of electric force lines in FIG. 4;
도 6은 본 발명에 따라 실제 제작된 정전척의 외관을 나타내는 사진이다.6 is a photograph showing the appearance of an electrostatic chuck actually manufactured according to the present invention.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS OF THE DRAWINGS
100: 금속 지지대 101: 유전체 플레이트100: metal support 101: dielectric plate
102: 쌍극형 전극 102a: 제1 전극102:
102b: 제2 전극 150: 자기력선102b: second electrode 150: magnetic field lines
200: 직류전원장치 300: 고주파전원장치200: DC power supply device 300: high frequency power supply device
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