KR20120121164A - 반도체 기판 처리 장치용 척 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 승강 가능한 냉각 플레이트를 구비하여 척의 온도 조절을 가능하게 하는 반도체 기판 처리 장치용 척 조립체에 대한 것이다.
본 발명은, 척과 상기 척을 지지하는 메인 바디를 포함하는 척 조립체에 있어서, 상기 척의 하부에 구비되는 냉각 플레이트; 및 상기 냉각 플레이트를 승강시키는 냉각 플레이트 승강장치를 포함하는 척 조립체를 제공한다.

Description

반도체 기판 처리 장치용 척 조립체{Chuck Assembly for Semiconductor Substrate Processing Device}
본 발명은 반도체 기판 처리 장치용 척 조립체에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 승강 가능한 냉각 플레이트를 구비하여 척의 온도 조절을 가능하게 하는 반도체 기판 처리 장치용 척 조립체에 대한 것이다.
반도체 제조 공정에 있어서는 반도체 기판에 대한 증착이나 식각 공정 등을 통해 원하는 적층 구조 또는 패턴이 반도체 기판 상에 형성된다. 기판 상에 박막을 형성하거나 원하는 패턴으로 가공하기 위한 방법의 일례로서 플라즈마(Plasma)가 이용된다. 플라즈마를 이용한 기판 처리의 대표적인 예로는 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition : PECVD) 공정과 플라즈마 식각(Plasma Etching) 공정이 있다.
플라즈마 처리 장치는 플라즈마를 발생시키는 방법에 따라 용량결합형 플라즈마(Capacitive Coupled Plasma : CCP) 타입과 유도결합형 플라즈마(Inductive Coupled Plasma : ICP) 타입으로 구분될 수 있다. CCP 타입 플라즈마 처리 장치의 경우에는 플라즈마를 형성하기 위하여 반응 챔버의 상부에 상부 전극이 구비되고, 기판 또는 기판 트레이가 올려지는 척(chuck)의 하부에 하부 전극이 구비된다. 반면, ICP 타입 플라즈마 처리 장치의 경우에는 반응 챔버의 상부 또는 상부 둘레에 유도 코일이 구비되고, 척의 하부에 하부 전극이 구비된다. CCP 타입 및 ICP 타입 플라즈마 처리 장치는 상기 상부 전극과 하부 전극 또는 상기 유도 코일과 하부 전극에 RF 또는 DC 전원을 공급하여 반응 챔버 내에 플라즈마를 생성시킨다.
플라즈마 처리 장치는 상기한 바와 같은 반응 챔버와, 반응 챔버로 단일 기판 또는 다수의 기판을 적재한 기판 트레이를 전달하는 트랜스퍼 챔버(transfer chamber) 또는 로드락 챔버(loadlock chamber)를 추가로 구비한다. 다수의 반응 챔버를 포함하는 클러스터 타입의 플라즈마 처리 장치의 경우에는 로드락 챔버와 트랜스퍼 챔버를 구비하여 로드락 챔버에서 진공 처리된 기판 또는 기판 트레이가 트랜스퍼 챔버를 거쳐 반응 챔버로 전달된다. 반면 단일의 반응 챔버를 구비하는 경우에는 트랜스퍼 챔버를 구비하지 않고 로드락 챔버에서 반응 챔버로 기판 또는 기판 트레이가 바로 전달된다.
기판 또는 기판 트레이는 반응 챔버 내에 구비된 척에 안착된다. 척은 척 조립체의 상부에 구비되며, 일반적으로 척은 전기적으로 가열되는 가열 소자를 내장한다.
그런데, 종래에는 반도체 기판에 대한 공정에 있어서는 고온용 반도체 기판 처리 장치와 저온용 반도체 기판 처리 장치를 각각 구비하고 고온에서의 공정과 저온에서의 공정을 수행하였다. 이에 따라 사용자는 고온 공정과 저온 공정을 수행하기 위해 별도의 반응 챔버를 사용하거나 고온용 척을 저온용 척으로 변경하여야 한다. 이러한 요구는 공정 시간을 증가시키고, 추가적인 장비 또는 척을 구비함에 따라 비용을 증가시켜야 하는 등의 문제를 발생시킨다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 척 조립체 내부에 승강 가능한 냉각 플레이트를 구비하여 척의 온도를 조절함으로써 단일 반응 챔버에서 고온 공정과 저온 공정을 동시에 수행하도록 하는 반도체 기판 처리 장치용 척 조립체를 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 척을 포함하는 척 조립체에 있어서, 상기 척의 하부에 구비되는 냉각 플레이트; 및 상기 냉각 플레이트를 승강시키는 냉각 플레이트 승강장치를 포함하는 척 조립체를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 냉각 플레이트 승강장치는, 상기 척의 냉각이 필요할 때 상기 척과 상기 냉각 플레이트 간 열전달이 가능한 위치까지 상기 냉각 플레이트를 상승시키는 것을 특징으로 한다. 이 경우 상기 냉각 플레이트 승강장치는 상기 냉각 플레이트와 상기 척이 접촉하도록 상기 냉각 플레이트를 상승시킬 수 있다.
또한, 상기 냉각 플레이트 승강장치는, 상기 척의 하부에 결합하는 구동축과, 상기 구동축을 상하 구동하는 구동부를 포함하여 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 구동부는, 상기 구동축과 결합하는 피스톤, 상기 피스톤을 수용하며 상기 피스톤의 일측면에 공압이 공급되는 공압 실린더, 및 상기 공압에 따른 이동 방향과 반대 방향으로 상기 피스톤을 지지하는 지지 스프링을 포함한다.
바람직하게는, 상기 구동축에는 절연체로 이루어진 결합 블록이 구비되고, 상기 결합 블록이 상기 척에 결합한다. 한편, 상기 냉각 플레이트 승강장치는 적어도 두 개 구비되며, 상기 척의 하부면에 원주 방향으로 등각도를 이루며 배치되도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 척에는 제 1 열전달용 기체 통로가 형성되고 상기 냉각 플레이트에는 제 2 열전달용 기체 통로가 형성되어, 상기 척의 상부로 열전달용 기체가 공급됨으로써 상기 척에 로딩되는 기판과 상기 척 사이의 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 기판에 대한 처리 공정에 있어서 기판을 가열 공정을 위한 반응 챔버와 냉각 공정을 위한 반응 챔버를 별도로 구비하거나, 개별적인 척 조립체를 구비하지 않고서 단일 척 조립체를 이용하여 가열 공정과 냉각 공정을 모두 수행할 수 있는 장점이 있다.
이에 따라 본 발명에 따르면, 장비를 소형화하고 장비 비용을 절감하며, 기판에 대한 처리 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 기판 처리 장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 척 조립체의 단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 척 조립체에 있어서 공압 방식의 구동부를 포함한 냉각 플레이트 승강장치를 도시한 단면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 척 조립체를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 척 조립체를 포함하는 반도체 기판 처리 장치의 구성도이다.
반도체 기판 처리 장치(1)는, 반응 챔버(3)와, 상기 반응 챔버(3) 내에 구비되는 척 조립체(10)를 포함한다. 도 1에 도시된 반도체 기판 처리 장치(1)의 경우 ICP 방식으로 플라즈마를 발생시키기 위하여 유도 코일(5)이 반응 챔버(3)의 상부에 구비되는 것으로 도시하였다. 그러나 본 발명에 있어서 반도체 기판 처리 장치(1)는 ICP 방식의 플라즈마 처리 장치에 한정되는 것은 아니며 CCP 방식의 플라즈마 처리 장치일 수도 있다. CCP 방식의 반도체 기판 처리 장치의 경우 반응 챔버(3)에 유도 코일(5)이 구비되지 않고 CCP 방식으로 플라즈마를 발생시키기 위한 상부 전극이 반응 챔버(3)의 상부에 구비된다. 또한, 플라즈마를 사용하지 않는 다른 형태의 반도체 기판 처리 장치의 경우에도 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 한 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1에 도시된 반도체 기판 처리 장치(1)의 경우, 척 조립체(10)는 캔틸레버 척(cantilever chuck) 방식으로 지지되는 것으로 도시되었다. 캔틸레버 척 방식으로 지지되는 척 조립체(10)는 모듈러 마운팅 배열(7)에 의해 반응 챔버(3)의 측벽에 형성된 개구부를 통해 이동 가능도록 지지된다. 캔틸레버 척 방식의 경우 반응 챔버(3) 내에서 공정 가스의 흐름이 전체적으로 대칭으로 유지될 수 있는 장점이 있다. 그러나, 본 발명의 실시에 있어서 척 조립체(10)는 캔틸레버 척 방식으로 지지되는 것 이외에도 반응 챔버(3)의 하부로부터 스템(stem) 방식으로 지지되는 것도 가능함은 물론이다.
척 조립체(10)의 상부에는 기판 또는 기판 조립체(W, 이하 '기판'으로 칭함)가 로딩된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 척 조립체의 단면도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 척 조립체(10)는, 기판이 로딩되는 척(14)과, 상기 척(14)의 하부에 구비되며 승강 구동되는 냉각 플레이트(18), 및 냉각 플레이트를 승강시키는 냉각 플레이트 승강장치(24)를 포함한다.
척(14)은 메인 바디(12)에 의해 지지되며, 척(14)의 내부에는 가열 소자(16)가 구비된다. 가열 소자(16)는 전기 저항이 있어 전력을 공급하는 경우 발열함으로써 척(16)을 가열시킨다.
냉각 플레이트(18)는 내부에 냉각 유체가 흐르는 냉각유체 유동관(20)이 구비되어 냉각 기능을 수행한다. 냉각 유체는 열용량이 큰 것이 바람직하며, 일반적으로 물을 냉각 유체로 사용할 수 있으나, 기름 또는 공기와 같은 기체를 사용하는 것도 가능하다.
냉각 플레이트 승강장치(24)는 냉각 플레이트(18)를 상승시키거나 하강시킨다. 냉각 플레이트 승강장치(24)는 1개로 구비되어 냉각 플레이트(18)의 중앙부를 지지하면서 냉각 플레이트(18)를 승강시키도록 구성될 수 있다. 다만, 도 2에서는 냉각 플레이트 승강장치(24)가 적어도 2개 구비되는 것으로 도시하였다. 이 경우 냉각 플레이트 승강장치(24)는 냉각 플레이트(18)의 하부면 바깥쪽을 지지하도록 구성될 수 있다. 냉각 플레이트 승강장치(24)가 복수 개 구비되는 경우 냉각 플레이트 승강장치(24)는 냉각 플레이트(18)의 하부면에서 원주 방향으로 등각도를 이루며 배치되는 것이 바람직하다.
일 실시예에 있어서, 냉각 플레이트 승강장치(24)는 승강장치 지지판(22)에 의해 지지될 수 있다. 도 2에 있어서 승강장치 지지판(22)은 메인 바디(12)와 척(14)의 결합면 사이에 장착되는 것으로 도시되었다. 이 경우, 승강장치 지지판(22)을 절연성 재질로 형성하여 척(14)과 메인 바디(12) 간의 전기적 절연이 가능하도록 구성될 수 있다.
냉각 플레이트 승강장치(24)는 냉각 플레이트(18)와 결합되는 구동축(26)과 상기 구동축(26)을 상하 구동시키는 구동부(30)를 포함한다. 상기 구동축(26)은 냉각 플레이트(18)의 하부에 결합된다. 일 실시예에 있어서, 상기 구동축(26)의 상부에는 결합 블록(28)이 구비되고, 상기 결합 블록(28)이 냉각 플레이트(18)의 하부에 결합하도록 구성될 수 있다. 이 경우 결합 블록(28)은 절연성 재질로 이루어져 냉각 플레이트(18)와의 전기적 절연이 가능하도록 구성될 수 있다.
상기 구동부(30)는 리니어 모터일 수 있다. 또한 구동부(30)는 일반적인 전기 모터와 피니언-랙 기어의 조합으로 구성되어 구동축을 상하 구동하는 방식으로 구성될 수 있다. 또한, 구동부(30)는 고온 환경에서의 영향을 최소화하기 위하여 공압 방식으로 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 척 조립체에 있어서 공압 방식의 구동부를 포함한 냉각 플레이트 승강장치를 도시한 단면도이다.
도 3에 도시된 공압 방식의 구동부(30)는 공압이 공급되는 공압 실린더(32)와, 공압 실린더(32)에 공급되는 공압에 의해 상승하는 피스톤(34)을 포함한다. 피스톤(34)의 외주면에는 오링(O-ring)과 같은 실링부재(36)가 구비되는 것이 바람직하다. 피스톤(34)에는 구동축(26)이 결합되며, 피스톤(34)을 공압 공급에 따른 이동방향과 반대 방향으로 지지하는 지지 스프링(38)이 실린더(32)에 추가로 구비된다.
지지 스프링(38)에 의해 피스톤(34)에 가해지는 탄성력보다 큰 힘이 피스톤(34)에 가해지도록 공압 실린더(32)에 공압이 공급되면, 피스톤(34)은 상승되어 구동축(26)과 연결된 냉각 플레이트(18)가 상승된다. 공압 실린더(32)에 공급되는 공압을 조절하면 피스톤(34)의 상승 높이의 조절이 가능하며, 공압을 제거하면 피스톤(34)은 하강함에 따라 냉각 플레이트(18)도 하강한다.
도 3에 도시된 것은 공압 방식을 적용한 구동부(30)의 일례에 불과하다. 경우에 따라서는 피스톤(34)의 양측면에 각각 공압이 적용되도록 공압 실린더를 구성하고 피스톤(34)의 일측면에 가해지는 공압과 타측면에 가해지는 공압을 조절하여 피스톤(34)의 상승 및 하강을 제어하는 것도 가능하다.
한편, 공압 방식의 구동부(30)를 포함한 냉각 플레이트 승강장치(24)가 2개 이상 구비되는 경우, 각각의 구동부(30)의 공압 실린더(32)에 공급되는 공압 라인을 개별적으로 구비하도록 구성하는 것을 고려할 수 있다. 또한, 1개의 공압 라인을 공압 실린더(32) 개수만큼 분기시켜 각 구동부(30)의 공압 실린더(32)로 연결하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 척 조립체(10)는 반도체 기판에 대한 처리 공정에 있어서 가열 공정과 냉각 공정을 모두 수행할 수 있는 장점이 있다.
반도체 기판에 대한 처리 공정에 있어서 기판의 가열이 필요한 가열 공정에 있어서는 냉각 플레이트(18)를 하강시킨 상태에서 가열 소자(16)를 발열시켜 척(14)을 가열한다. 이 경우에 있어서, 냉각 플레이트(18)의 냉각은 필요에 따라 조절할 수 있다. 냉각 플레이트(18)를 하강시킨 상태에서 냉각 유체를 냉각 플레이트(18)에 공급하면 가열 소자(16)에 의해 발생하는 열에 의해 척 조립체(10) 내부의 부품들이 손상되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
반도체 기판에 대한 처리 공정에 있어서 기판의 냉각이 필요한 냉각 공정에 있어서는 냉각 플레이트(18)를 상승시켜 냉각 플레이트(18)가 척(14)의 하부면과 열전달이 이루어질 수 있도록 한다. 일 실시예에 있어서, 냉각 플레이트(18)는 척(14)의 하부면과 접촉하도록 위치 설정될 수 있다. 냉각 플레이트(18)에 냉각 유체를 공급하고 냉각 플레이트(18)와 척(14) 사이에 열전달이 이루어지도록 하면 척(14)을 냉각시켜 기판에 대한 냉각 공정이 가능하게 된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 척 조립체를 도시한 단면도이다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 척 조립체(10)는 도 2에 도시된 척 조립체(10)의 구성에 포커스 링(40)과 클램프(42)를 추가하고, 기판(W)의 하부에 헬륨과 같은 열전달용 기체를 공급하는 것을 특징으로 한다.
포커스 링(40)은 척(14)의 외주연에 구비된다. 포커스 링(40)은 기판(W)의 처리 공정 중에 플라즈마를 사용하는 경우 플라즈마로 인해 척(14)이 손상되는 것을 방지하고 플라즈마가 기판(W)에 집중되도록 한다.
클램프(42)는 척(14)의 상부에 로딩된 기판(W)의 외측을 가압함으로써 기판(W)이 척(14)의 상부면에 밀착하도록 한다. 클램프(42)는 일반적으로 기판을 척(14)에 로딩하는 경우 척(14)의 상부로 상승되었다가 기판(W)이 척(14)에 로딩된 이후에 하강하여 기판(W)의 바깥쪽을 가압한다.
척(14)에는 상하부를 관통되는 제 1 열전달용 기체 통로(44)가 형성되어 헬륨(He)과 같은 열전달용 기체가 척(14)의 하부로부터 상부로 공급되도록 한다. 척(14)은 상부면 외곽에 실링부재 장착홈(46)이 형성되고, 실링부재 장착홈(46)에는 척상부 실링부재(48)가 구비된다. 척상부 실링부재(48)는 오링(O-ring)이나 립실(lip seal)을 이용할 수 있다. 척상부 실링부재(48)는 기판(W)이 척(14)의 상부에 안착된 후 처리 공정이 수행될 때, 열전달용 기체가 반응 챔버로 누설되는 것을 방지한다. 제 1 열전달용 기체 통로(44)를 통해 공급되는 열전달용 기체는 척(14)과 기판(W) 사이에 충진되고 상기 척상부 실링부재(48)에 의해 상기 열전달용 기체가 반응 챔버로 누설되는 것이 최소화된다.
만약, 도 4에 도시된 척(14)이 정전척으로서 기판(W)을 하방으로 고정하는 것이 가능한 경우에는 척 조립체(10)에 클램프(42)가 구비되지 않을 수 있다.
한편, 냉각 플레이트(18)에는 제 2 열전달용 기체 통로(50)가 형성되고, 제 2 열전달용 기체 통로(50)에는 척(14)에 구비된 제 1 열전달용 기체 통로(44)와 연결되는 열전달용 기체 공급관(52)이 위치한다. 열전달용 기체 공급관(52)에는 열전달용 기체가 공급된다. 열전달용 기체는 별도의 장치(미도시)에 의해 상기 열전달용 기체 공급관(52)으로 공급되는데, 도 4에 있어서는 편의상 열전달용 기체를 공급하는 구성에 대해서는 생략하였다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 반도체 기판 처리 장치 10 : 척 조립체
12 : 메인 바디 14 : 척
16 : 가열 소자 18 : 냉각 플레이트
20 : 냉각유체 유동관 22 : 승강장치 지지판
24 : 냉각 플레이트 승강장치 26 : 구동축
28 : 결합 블록 30 : 구동부
32 : 공압 실린더 34 : 피스톤
38 : 지지 스프링 40 : 포커스 링
42 : 클램프

Claims (7)

  1. 척을 포함하는 척 조립체에 있어서,
    상기 척의 하부에 구비되는 냉각 플레이트; 및
    상기 냉각 플레이트를 승강시키는 냉각 플레이트 승강장치
    를 포함하는 척 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트 승강장치는, 상기 척의 냉각이 필요할 때 상기 척과 상기 냉각 플레이트 간 열전달이 가능한 위치까지 상기 냉각 플레이트를 상승시키는 것을 특징으로 하는 척 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트 승강장치는 상기 냉각 플레이트가 상기 척에 접촉되도록 상기 냉각 플레이트를 상승시키는 것을 특징으로 하는 척 조립체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트 승강장치는,
    상기 척의 하부에 결합하는 구동축과, 상기 구동축을 상하 구동하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 척 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 구동축과 결합하는 피스톤, 상기 피스톤을 수용하며 상기 피스톤의 일측면에 공압이 공급되는 공압 실린더, 및 상기 공압에 따른 이동 방향과 반대 방향으로 상기 피스톤을 지지하는 지지 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 척 조립체.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 구동축에는 절연체로 이루어진 결합 블록이 구비되고, 상기 결합 블록이 상기 척에 결합하는 것을 특징으로 하는 척 조립체.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 척에는 제 1 열전달용 기체 통로가 형성되고 상기 냉각 플레이트에는 제 2 열전달용 기체 통로가 형성되어, 상기 척의 상부로 열전달용 기체가 공급되는 것을 특징으로 하는 척 조립체.
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