KR20120043574A - 반도체 제조설비의 정전척 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 제조에 이용되는 웨이퍼 고정용 정전척(Electrode Static Chuck;ESC)에 관한 것이다.
본 발명은 웨이퍼의 에지부분과 근접되어 있는 포커스링측으로 냉각매체를 공급하는 방식으로 웨이퍼 에지부분을 냉각하여 웨이퍼의 중앙부분과 에지부분의 온도편차를 줄일 수 있는 새로운 형태의 냉각 시스템을 구현함으로써, 웨이퍼 전반에 걸쳐 균일한 온도 분포를 유지할 수 있고, 이에 따라 웨이퍼 수율 향상을 기대할 수 있는 반도체 제조설비의 정전척을 제공한다.

Description

반도체 제조설비의 정전척{ESC for semiconductor equipment}
본 발명은 반도체 제조설비의 정전척에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 소자의 제조에 이용되는 웨이퍼 고정용 정전척(Electrode Static Chuck;ESC)에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자는 통상적으로 포토리소그래피 등을 이용하여 웨이퍼의 표면에 도전층과 절연층의 패터닝 공정에 의해 전자회로소자를 구현함으로써 얻어지고 웨이퍼 표면에 도전층과 절연층은 식각 또는 증착에 의해서 패터닝된다.
상기 식각 또는 증착은 웨이퍼를 정전척에 정전력으로 고정시킨 후, 공정 챔버 내에서 진행되며, 공정 챔버 내에서는 플라즈마 분위기를 유지하여 식각 또는 증착을 행하게 된다.
플라즈마 공정시에는 정전척을 플라즈마 발생용 전극으로도 사용하기 때문에, 플라즈마 히팅에 의해 정전척의 온도가 상승하게 된다.
다시 말해, 플라즈마 등을 이용하는 건식 식각 공정 등에서 반도체 기판에는 음 바이어스 전압이 인가된다.
이에 따라, 반도체 기판상에 입사되는 이온 등이 가속되어 물리적인 에칭 반응을 일으키게 되고, 이때 반도체 기판에 입사되는 이온 등의 운동에너지는 대부분 열 에너지로 전환되어 반도체 기판의 온도를 상승시키게 된다.
정전척의 온도가 상승하면 정전척의 상면에 고정된 웨이퍼에 열적 영향을 주게 되고, 이렇게 웨이퍼에 열적 변동이 발생하면 웨이퍼 내에서 한계 치수의 산포를 유발할 뿐만 아니라, 웨이퍼들 사이의 한계 치수 변동을 유발시킨다.
또한, 웨이퍼의 온도는 에칭 속도, 막의 두께 및 균일도에 영향을 미치는 중요한 공정변수이므로, 반도체 소자의 제조공정에서는 공정이 진행중인 챔버 내의 웨이퍼의 온도제어가 중요한 요소가 된다.
따라서, 이러한 웨이퍼의 온도 불균형을 방지하기 위하여 통상적으로 정전척은 냉각 시스템을 갖도록 구성되며, 이러한 냉각 시스템으로는 웨이퍼의 표면온도를 조절하기 위해 웨이퍼가 놓여지는 정전척의 내부에 마련되는 냉각수단(Coolant) 등이 적용된다.
도 1과 도 2는 종래의 정전척 구조를 나타내는 사시도와 단면도이다.
도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 베이스(10)의 상부에 정전척 본체(11)가 조립되는 동시에 상기 베이스(10)의 저부로는 절연역할을 하는 절연블럭(22)이 배치되고, 상기 정전척 본체(11)와 베이스(10)의 가장자리 둘레를 따라 포커스링(12)이 배치되는 동시에 이때의 포커스링(12)의 고정을 위한 고정링(13) 및 고정블럭(14)이 배치되며, 상기 고정링(13) 및 고정블럭(14)의 가장자리 둘레에는 플라즈마 침투를 방지하기 위한 커버링(15)이 결합된다.
여기서, 미설명 부호 16은 쿨런트이고, 17은 웨이퍼를 나타낸다.
그러나, 종래의 정전척에서는 웨이퍼의 냉각효율이 에지부에서 급격히 감소하는 문제점이 있다.
예를 들며, 정전척 본체(11)에 놓여져 있는 웨이퍼(17)의 경우, 2?3mm 정도의 에지부분의 웨이퍼는 정전척 본체(11)에서의 쿨런트(16)의 영향을 전혀 받지 못해 냉각효율이 떨어지게 되고, 이로 인해 공정 중의 플라즈마에 의한 온도상승이 발생하게 되며, 결국 이러한 온도편차로 인한 오버에치(Over-Etch), 언에치(Un-Etch) 등으로 수율에 심각한 영향을 끼치는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 웨이퍼의 에지부분과 근접되어 있는 포커스링측으로 냉각매체를 공급하는 방식으로 웨이퍼 에지부분을 냉각하여 웨이퍼의 중앙부분과 에지부분의 온도편차를 줄일 수 있는 새로운 형태의 냉각 시스템을 구현함으로써, 웨이퍼 전반에 걸쳐 균일한 온도 분포를 유지할 수 있고, 이에 따라 웨이퍼 수율 향상을 기대할 수 있는 반도체 제조설비의 정전척을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 반도체 제조설비의 정전척은 상하 결합되는 정전척 본체 및 베이스와, 상기 정전척 본체의 가장자리 둘레를 따라 배치되는 포커스링 및 이 포커스링을 고정하기 위한 고정링과 고정블럭을 포함하는 한편, 상기 포커스링의 저면을 받쳐주고 있는 고정블럭에는 베이스를 거쳐 내부 상단측까지 연장되는 냉각통로를 형성하는 동시에 이 냉각통로에 냉각매체를 공급함으로써, 공정 중 포커스링의 온도를 조절하여 웨이퍼 에지부분의 온도를 조절할 수 있도록 한 것이 특징이다.
여기서, 상기 고정블럭은 상단을 통해 포커스링의 저면과 접하는 동시에 하단을 통해 베이스의 상면과 접하는 구조로 배치되도록 하고, 상기 냉각통로는 베이스의 내부를 가로지르는 수평구간과, 상기 수평구간과 연결되면서 고정블럭의 내부로 수직 연장되는 블럭측 수직구간과, 상기 수직구간의 상단과 연결되면서 고정블럭의 내부 상단측에서 수평 연장되는 동시에 포커스링의 저면과 나란하게 배치되는 블럭측 수평구간으로 이어지는 형태로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 고정블럭과 포커스링 간의 열전달 효율을 높이기 위한 방법으로는 고정블럭을 메탈 재질로 제작하거나, 고정블럭과 포커스링 간의 접촉부위에 접착제를 도포하여 고정블럭측에서 포커스링으로 전해지는 열전달 효과를 높일 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제공하는 반도체 제조설비의 정전척은 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 웨이퍼의 에지부분에 근접되어 있는 포커스링측으로 냉각매체를 공급하여 웨이퍼의 에지부분을 냉각시킴으로써, 웨이퍼의 중앙부분과 에지부분의 온도편차를 줄일 수 있으며, 이에 따라 웨이퍼 전반에 걸쳐 균일한 온도 분포를 유지할 수 있는 등 웨이퍼 수율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
둘째, 포커스링을 받쳐주는 고정블럭의 재질로 메탈 재질, 예를 들면 알루미늄 재질을 적용함으로써, 온도전달을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
셋째, 포커스링과 고정블럭 사이에 접착제를 개재한 구조를 적용함으로써, 온도전달을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
넷째, 절연역할을 하는 절연블럭을 일부 분리형 구조로 개선함으로써, 절연효과 향상과 더불어 조립성 향상을 도모할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 정전척 구조를 나타내는 사시도
도 2는 종래의 정전척 구조를 나타내는 단면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전척 구조를 나타내는 사시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전척 구조를 나타내는 단면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전척 구조에서 웨이퍼 온도조절상태를 나타내는 단면도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3과 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전척 구조를 나타내는 사시도와 단면도이다.
도 3과 도 4에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(17)가 세팅되는 정전척 본체(11)는 베이스(10)의 상부에 적층 결합되고, 이때의 정전척 본체(11)의 내부에는 쿨런트(16)가 마련되어 척에 대한 온도조절이 이루어질 수 있게 된다.
상기 정전척 본체(11)의 외주부 상단 둘레에는 플라즈마를 웨이퍼(17)측으로 고르게 형성시켜주는 등의 역할을 하는 포커스링(12)이 배치되며, 상기 포커스링(12)은 저면부에 배치되는 고정블럭(14)과 바깥둘레에 배치되는 고정링(13)에 의해 고정되는 구조로 결합된다.
또한, 상기 정전척 본체(11)를 가운데 두고 조립되어 있는 고정링(13) 및 고정블럭(14), 그리고 베이스(10)의 바깥쪽 둘레는 플라즈마의 내부 침입을 방지하는 역할을 수행하는 커버링(15)에 의해 마감되며, 정전척 본체(11)를 포함하여 베이스(10) 및 커버링(15) 전체는 하부의 절연블럭(22)에 의해 지지된다.
그리고, 상기 절연블럭(22)의 경우, 베이스(10)의 하단 모서리 부위를 포함하여 저면 가장자리 부분과 측면 가장자리 부분을 안착시키는 구조로 받쳐주는 보조 절연블럭(20)을 포함하며, 이렇게 베이스(10)측을 받쳐주는 블럭 부분을 종전과 같이 일체형으로 구성하지 않고 분리형으로 조립되는 보조 절연블럭(20)을 적용함으로써, 조립성을 향상시킬 수 있고 절연효과 또한 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
특히, 본 발명에서는 정전척 본체(11)에 웨이퍼(17)가 안착된 상태에서 웨이퍼 에지 부분이 접하게 되는 포커스링(12)의 온도를 효과적으로 조절할 수 있는 수단을 제공한다.
즉, 정전척의 냉각장치가 포함된 에지링(Edge ring), 다시 말해 포커스링(12)에 대한 온도조절을 수행함으로써, 웨이퍼 에지부분에 대한 온도를 효과적으로 조절할 수 있게 된다.
이를 위하여, 상기 포커스링(12)의 저면을 받쳐주고 있는 고정블럭(14)에는 베이스(10)를 거쳐 블럭 내부 상단측까지 연장되는 냉각통로(18)가 조성되며, 이때의 냉각통로(18)를 통해 냉각수 등과 같은 냉각매체가 공급되므로서, 고정블럭(14)과 접해 있는 포커스링(12)의 온도를 조절할 수 있고, 결국 공정 중 이러한 포커스링(12)의 온도 조절을 통해 웨이퍼 에지부분의 온도를 조절할 수 있게 된다.
상기 포커스링(12)과의 온도전달을 위한 고정블럭(14)은 그 상단을 통해 포커스링(12)의 저면과 접하게 되고, 그 하단을 통해서는 베이스(10)의 상면과 접하게 되며, 이렇게 베이스(10)와 고정블럭(14) 간의 직접 맞닿아 있는 경계부분을 통해 블럭 내측으로 냉각통로(18)가 형성될 수 있게 된다.
물론, 상기 베이스(10)와 고정블럭(14) 간의 경계부분에서 연통되는 냉각통로(18)의 가장자리 주변은 O-링(23)이 개재되어 기밀성을 확보할 수 있게 된다.
여기서, 상기 냉각통로(18)는 베이스(10)와 고정블럭(14)에 걸쳐 형성되는데, 예를 들면 베이스(10)의 저면을 통해 도입되는 냉각통로(18)는 베이스(10)의 내부를 가로지르는 수평구간(18a)으로 이어지고, 계속해서 상기 수평구간(18a)과 연결되면서 고정블럭(14)의 내부를 향해 수직 연장되는 블럭측 수직구간(18b) 및 이 블럭측 수직구간(18b)의 상단과 연결되면서 고정블럭(14)의 내부 상단측에서 수평 연장되는 블럭측 수평구간(18c)으로 이루어지는 구조로 형성된다.
이때, 상기 블럭측 수평구간(18c)의 경우 포커스링(12)의 저면 바로 밑에서 이와 나란하게 배치되는 구조로 이루어지게 된다.
또한, 상기 블럭측 수평구간(18c)과 베이스(10)에 있는 수평구간(18a)을 연결하는 블럭측 수직구간(18b)은 평면에서 봤을 때 블럭 원주방향을 따라 가면서 일정간격으로 배치되는 복수 개로 구비되며, 이에 따라 수평구간(18a)측 냉각수가 블럭측 수평구간(18c)측으로 원활하게 보내질 수 있게 된다.
그리고, 상기 고정블럭(14)의 상단부분은 조립가능한 블럭 커버(21)로 이루어지며, 이때의 블럭 커버(21)는 브레이징 용접 등으로 고정블럭 본체와 결합되어 기밀성을 확보할 수 있도록 해주게 된다.
따라서, 외부의 냉각매체 공급수단(미도시)으로부터 공급되는 냉각매체는 베이스(10)의 수평구간(18a)과 고정블럭(14)의 블럭측 수직구간(18b) 및 블럭측 수평구간(18c)으로 보내지게 되고, 이때의 냉각매체에 의한 고정블럭(14)의 온도조절이 이루어지면서 이와 함께 고정블럭(14)과 포커스링(12) 간의 온도전달에 의해 결국에는 포커스링(12)의 온도 또한 조절이 가능하게 되는 것이다.
또한, 본 발명에서는 고정블럭(14)의 온도전달을 극대화하기 위한 일 예로서, 고정블럭(14)의 재질로 메탈, 예를 들면 알루미늄을 적용함으로써, 포커스링(12)측으로의 온도전달을 높일 수 있게 된다.
다른 예로서, 상기 고정블럭(14)과 포커스링(12) 간의 접촉부위에 접착제(19)를 도포함으로써, 고정블럭(14)측에서 포커스링(12)으로 전해지는 열전달 효과를 극대화할 수 있게 된다.
여기서, 정전척을 구성하는 각 부품들의 재질의 경우, 고정링(13), 절연블럭(22) 및 보조 절연블럭(20)은 세라믹(Al2O3)을 적용하는 것이 바람직하고, 열전단 효과를 최대한 높이기 위하여 고정블럭(14)과 베이스(10)는 알루미늄을 적용하는 것이 바람직하며, 정전척 외곽을 둘러싸는 커버링(15)의 경우에는 쿼츠(Quartz) 재질을 적용할 수 있다.
한편, 상기 포커스링(12)의 온도조절을 위한 냉각매체가 공급되는 냉각통로(18)가 베이스(10)의 내부를 거쳐 상면 가장자리에서 맞닿아 있는 고정블럭(14)으로 직접 연통되는 구조로 형성되므로서, 조립성 측면에서 이점을 도모할 수 있게 된다.
예를 들면, 종래의 구조와 같이 베이스(10)와 고정블럭(14)이 이격되어 있고 그 사이에 커버링(15)이 배치되어 있는 구조에서는 고정블럭(14)이 있는 위치까지 냉각통로를 형성하기 위해서는 베이스-커버링-고정블럭으로 이어지는 경로를 확보해야 하고, 이 경우 각 부품들 간의 조립시 기밀성을 확보하기 매우 까다로운 단점이 있다.
하지만, 본 발명에서는 고정블럭(14)을 아래로 연장하여 베이스(10)측과 직접 접할 수 있도록 함으로써, 즉 베이스(10)의 상면 가장자리를 따라 고정블럭(14)의 저면이 접하면서 조립될 수 있도록 함으로써, 베이스(10)와 고정블럭(14)을 선(先) 조립할 수 있고, 이렇게 선(先) 조립한 후에 현장에서 다른 부품들과 조립할 수 있게 되므로서, 고정블럭(14)과 베이스(10)가 갖고 있는 냉각통로(18)의 기밀성을 충분히 확보하면서도 조립성을 향상시킬 수 있는 이점을 얻을 수 있게 된다.
따라서, 이와 같이 구성되는 정전척에서 포커스링(12)의 온도조절을 이용하여 웨이퍼(17)의 온도를 제어하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전척 구조에서 웨이퍼 온도조절상태를 나타내는 단면도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 반도체 제조공정시, 예를 들면 플라즈마 공정시 정전척 본체(11)에 웨이퍼(17)가 안착되고, 플라즈마 히팅에 의해 정전척의 온도가 상승하게 된다.
이렇게 정전척(11)의 온도가 상승하면 정전척 본체(11)의 상면에 고정된 웨이퍼(17) 또한 열적 영향을 받게 되고, 이때 웨이퍼(17)의 온도제어를 위하여 쿨런트(16)를 통한 온도제어가 진행된다.
이와 함께, 웨이퍼(17)의 에지부분에 대한 온도조절을 위하여 베이스(10) 및 고정블럭(14)에 형성되어 있는 냉각통로(18)를 통해 냉각매체, 예를 들면 냉각수가 공급되며, 이렇게 공급되는 냉각수를 이용한 고정블럭(14)의 온도 조절을 통해 포커스링(12)의 온도를 조절하여, 웨이퍼 에지부분의 온도를 조절할 수 있게 된다.
따라서, 공정 중 포커스링(12)측과의 온도전달을 통해 웨이퍼 에지부분을 냉각시키면서 그 온도를 조절할 수 있으므로, 웨이퍼 에지부분에서의 온도편차를 최대한 줄일 수 있고, 결국 웨이퍼 제조와 관련한 수율을 높일 수 있게 된다.
10 : 베이스 11 : 정전척 본체
12 : 포커스링 13 : 고정링
14 : 고정블럭 15 : 커버링
16 : 쿨런트 17 : 웨이퍼
18 : 냉각통로 18a : 수평구간
18b : 블럭측 수직구간 18c : 블럭측 수평구간
19 : 접착제 20 : 보조 절연블럭
21 : 블럭 커버 22 : 절연블럭
23 : O-링

Claims (6)

  1. 상하 결합되는 정전척 본체(11) 및 베이스(10)와, 상기 정전척 본체(11)의 가장자리 둘레를 따라 배치되는 포커스링(12) 및 이 포커스링(12)을 고정하기 위한 고정링(13)과 고정블럭(14)을 포함하는 반도체 제조설비의 정전척에 있어서,
    상기 포커스링(12)의 저면을 받쳐주고 있는 고정블럭(14)에는 베이스(10)를 거쳐 내부 상단측까지 연장되는 냉각통로(18)를 형성하는 동시에 이 냉각통로(18)에 냉각매체를 공급함으로써, 공정 중 포커스링(12)의 온도를 조절하여 웨이퍼 에지부분의 온도를 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 정전척.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 고정블럭(14)은 상단을 통해 포커스링(12)의 저면과 접하는 동시에 하단을 통해 베이스(10)의 상면과 접하는 구조로 배치되고, 상기 냉각통로(18)는 베이스(10)의 내부를 가로지르는 수평구간(18a)과, 상기 수평구간(18a)과 연결되면서 고정블럭(14)의 내부로 수직 연장되는 블럭측 수직구간(18b)과, 상기 수직구간(18b)의 상단과 연결되면서 고정블럭(14)의 내부 상단측에서 수평 연장되는 동시에 포커스링(12)의 저면과 나란하게 배치되는 블럭측 수평구간(18c)으로 이어지는 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 정전척.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 고정블럭(14)은 메탈 재질로 이루어져 포커스링(12)측으로의 온도전달을 높일 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 정전척.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 고정블럭(14)과 포커스링(12) 간의 접촉부위에는 접착제(19)를 도포하여 고정블럭(14)측에서 포커스링(12)으로 전해지는 열전달 효과를 높일 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 정전척.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 베이스(10)와 고정블럭(14)은 베이스(10)의 상면 가장자리를 따라 고정블럭(14)의 저면이 접하는 구조로 이루어져, 선(先) 조립된 후에 현장에서 조립할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 정전척.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 절연블럭(12)는 조립성 향상 및 절연효과 향상을 위하여 베이스(10)의 하단 모서리 부위를 포함하여 저면 가장자리 부분과 측면 가장자리 부분을 받쳐주는 보조 절연블럭(12)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 정전척.
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