KR20130025142A - 정전 척 및 이를 포함하는 기판 처리 장치 - Google Patents

정전 척 및 이를 포함하는 기판 처리 장치 Download PDF

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Abstract

정전 척이 개시된다. 정전 척은 기판이 놓이며, 상기 기판의 저면으로 열전달 매체를 공급하는 제1공급 유로가 형성된 유전판; 상기 유전판 내부에 제공되며, 외부에서 인가된 전류에 의해 정전기력을 발생시켜 상기 기판을 상기 유전판에 흡착시키는 전극; 및 상기 유전판을 지지하며, 상기 열전달 매체가 순환하는 제1순환 유로가 형성된 제1영역과, 냉각 유체가 순환하는 제2순환 유로가 형성된 제2영역을 가지는 지지판을 포함하되, 상기 제2영역은 상기 제1영역의 상부에 위치하고, 상기 지지판에는 상기 제1공급 유로와 상기 제1순환 유로를 연결하는 제2공급 유로가 형성된다.

Description

정전 척 및 이를 포함하는 기판 처리 장치{ELECTROSTATIC CHUCK AND SUBSTRATE TREATING APPARATUS FOR INCLUDING THE CHUCK}
본 발명은 기판 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정전 척을 포함하는 기판 처리 장치에 관한 것이다.
플라스마는 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계(RF Electromagnetic Fields)에 의해 생성된 이온이나 전자, 라디칼등으로 이루어진 이온화된 가스 상태를 말한다. 반도체 소자 제조 공정은 플라스마를 사용하여 식각 공정을 수행한다.
식각 공정은 플라스마에 함유된 이온 입자들이 기판과 충돌함으로써 패턴을 형성한다. 이온 입자들이 기판과 충돌하는 과정에서 이온 입자들의 에너지가 기판에 전달되어 기판이 가열된다.
식각 공정에서는 기판이 소정 온도로 유지될 것이 요구되므로, 가열되는 기판의 냉각이 요구된다.
선행기술 1. 한국공개특허 10-2010-0085907
본 발명은 기판을 효율적으로 냉각할 수 있는 정전척을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 정전 척 내에 형성된 유로에서 아크 방전 발생을 최소화할 수 있는 정전척을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전 척은 기판이 놓이며, 상기 기판의 저면으로 열전달 매체를 공급하는 제1공급 유로가 형성된 유전판; 상기 유전판 내부에 제공되며, 외부에서 인가된 전류에 의해 정전기력을 발생시켜 상기 기판을 상기 유전판에 흡착시키는 전극; 및 상기 유전판을 지지하며, 상기 열전달 매체가 순환하는 제1순환 유로가 형성된 제1영역과, 냉각 유체가 순환하는 제2순환 유로가 형성된 제2영역을 가지는 지지판을 포함하되, 상기 제2영역은 상기 제1영역의 상부에 위치하고, 상기 지지판에는 상기 제1공급 유로와 상기 제1순환 유로를 연결하는 제2공급 유로가 형성된다.
또한, 상기 제2공급 유로는 상기 제1순환 유로로부터 상부로 연장되며, 인접한 상기 제1순환 유로들 사이 영역을 가로질러 상기 제1공급 유로와 연결될 수 있다.
또한, 상기 제2순환 유로의 단면적은 상기 제1순환 유로의 단면적보다 클 수 있다.
또한, 일부가 상기 제1공급 유로 내에 위치하고, 나머지 일부가 상기 제2공급 유로 내에 위치하는, 그리고 그 길이방향을 따라 홀이 형성된 절연 재질의 부싱을 더 포함하되, 상기 제1순환 유로에서 순환하는 열전달 매체는 상기 홀을 따라 상기 기판 저면으로 공급될 수 있다.
또한, 상기 유전판에 매설되며, 상기 유전판을 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치는 내부에 공간이 형성된 공정 챔버; 상기 공정 챔버의 내부에 위치하며, 정전기력에 의해 기판을 흡착하는 정전 척; 상기 공정 챔버 내부에 공정가스를 공급하는 가스 공급부; 및 상기 정전 척의 상부에 위치하며, 상기 공정가스에 고주파 전력을 인가하는 상부 전극을 포함하되, 상기 정전 척은 상기 기판이 놓이며, 내부에 하부 전극이 제공된 유전판; 상기 유전판을 지지하며, 열전달 매체가 순환하는 제1순환 유로와 냉각 유체가 순환하는 제2순환유로가 형성된 지지판을 포함하되, 상기 제2순환 유로는 상기 제1순환 유로보다 상기 유전판에 인접하여 위치하고, 상기 정전 척에는 상기 제1순환 유로로부터 상기 유전판의 상면으로 연장되며 상기 기판의 저면으로 상기 열전달 유체를 공급하는 공급 유로가 형성된다.
또한, 상기 지지판은 상기 제1순환 유로가 형성된 제1영역; 및 상기 제1영역의 하부에 위치하며, 상기 제2순환 유로가 형성된 제2영역을 가질 수 있다.
또한, 상기 제2순환 유로의 단면적은 상기 제1순환 유로의 단면적보다 클 수 있다.
본 발명에 의하면, 냉각 유체의 열이 기판으로 효과적으로 전달되어 기판이 소정 온도로 냉각될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 정전 척 내에 형성된 유로와 기판과의 거리가 증가하여 아크 방전 발생 확률이 낮아질 수 있다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 정전 척을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 일부 영역을 나타내는 확대도이다.
도 4는 파센 법칙에 따른 그래프를 나타낸다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 1를 참조하면, 기판 처리 장치(10)는 플라스마를 생성하여 기판을 처리한다. 기판 처리 장치(10)는 공정 챔버(100), 정전 척(200), 가스 공급부(300), 그리고 플라스마 생성부(400)을 포함한다.
공정 챔버(100)는 내부에 공간(101)이 형성된다. 내부공간(101)은 기판(W)에 대한 플라스마 처리를 수행하는 공간으로 제공된다. 기판(W)에 대한 플라스마 처리는 식각 공정을 포함한다. 공정 챔버(100)의 바닥면에는 배기홀(102)이 형성된다. 배기홀(102)은 배기 라인(121)과 연결된다. 공정 과정에서 발생한 반응 부산물 및 공정 챔버(100) 내부에 머무르는 가스는 배기 라인(121)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 또한, 배기 과정에 의해 공정 챔버(100)의 내부공간(101)은 소정 압력으로 감압된다.
공정 챔버(100)의 내부에는 정전척(200)이 위치한다. 정전 척(200)은 정전기력을 이용하여 기판(W)을 흡착 고정한다.
도 2는 도 1의 정전 척을 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 정전 척(200)은 유전판(210), 하부 전극(220), 지지판(240), 그리고 절연판(270)을 포함한다.
유전판(210)은 정전 척(200)의 상단부에 위치한다. 유전판(210)은 원판 형상의 유전체(dielectric substance)로 제공된다. 유전판(210)의 상면에는 기판(W)이 놓인다. 유전판(210))의 상면은 기판(W)보다 작은 반경을 갖는다. 때문에, 기판(W) 가장자리영역은 유전판(210)의 외측에 위치한다. 유전판(210)에는 제1공급 유로(211)가 형성된다. 제1공급 유로(211)는 유전판(210)의 상면으로부터 저면으로 제공된다. 제1공급 유로(211)는 서로 이격하여 복수개 형성되며, 기판(W)의 저면으로 열전달 매체가 공급되는 통로로 제공된다.
유전판(210)의 내부에는 하부 전극(220)이 매설된다. 하부 전극(220)은 제1전원(221)과 전기적으로 접속된다. 제1전원(221)은 직류 전원을 포함한다. 하부 전극(220)과 제1전원(221) 사이에는 스위치(222)가 설치된다. 하부 전극(220)은 스위치(222)의 온/오프(ON/OFF)에 의해 제1전원(221)과 전기적으로 연결될 수 있다. 스위치(222)가 온(ON) 되면, 하부 전극(220)에는 직류 전류가 인가된다. 하부 전극(220)에 인가된 전류에 의해 하부 전극(220)과 기판(W) 사이에는 전기력이 작용하며, 전기력에 의해 기판(W)은 유전판(210)에 흡착된다.
유전판(210)의 하부에는 지지판(240)이 위치한다. 유전판(210)의 저면과 지지판(240)의 상면은 접착제(236)에 의해 접착될 수 있다. 지지판(240)은 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 지지판(240)의 상면은 중심 영역이 가장자리영역보다 높게 위치되도록 단차질 수 있다. 지지판(240)의 상면 중심 영역은 유전판(210)의 저면에 상응하는 면적을 가지며, 유전판(210)의 저면과 접착된다. 지지판(240)에는 제1순환 유로(241), 제2순환 유로(242), 그리고 제2공급 유로(243)가 형성된다.
제1순환 유로(241)는 열전달 매체가 순환하는 통로로 제공된다. 제1순환 유로(241)는 지지판(240) 내부에 나선 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 제1순환 유로(241)는 서로 상이한 반경을 갖는 링 형상의 유로들이 동일한 중심을 갖도록 배치될 수 있다. 각각의 제1순환 유로(241)들은 서로 연통될 수 있다. 제1순환 유로(241)들은 동일한 높이에 형성된다. 이하, 제1순환 유로(241)들이 형성된 지지판(210) 영역을 제1영역(240a)이라 한다. 제1영역(240a)은 대체로 지지판(240)의 저면에 인접하여 위치한다.
제2순환 유로(242)는 냉각 유체가 순환하는 통로로 제공된다. 제2순환 유로(242)는 지지판(240) 내부에 나선 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 제2순환 유로(242)는 서로 상이한 반경을 갖는 링 형상의 유로들이 동일한 중심을 갖도록 배치될 수 있다. 각각의 제2순환 유로(242)들은 서로 연통될 수 있다. 제2순환 유로(242)는 제1순환 유로(241)보다 큰 단면적을 가질 수 있다. 제2순환 유로(242)들은 동일한 높이에 형성된다. 이하, 제2순환 유로(242)들이 형성된 지지판(240) 영역을 제2영역(240b)이라 한다. 제2영역(240b)은 제1영역(240a)의 상부에 위치하며, 제1영역(240a)보다 유전판(210)에 인접하여 위치한다.
제2공급 유로(243)는 제1순환 유로(241)부터 상부로 연장되며, 지지판(240)의 상면으로 제공된다. 제2공급 유로(243)는 제1공급 유로(211)에 대응하는 개수로 제공되며, 제1순환 유로(241)와 제1공급 유로(211)를 연결한다. 제2공급 유로(243)는 제2영역(240b)에서 인접한 제1순환 유로(242)들 사이 영역에 형성된다.
제1공급 유로(241)와 제2공급 유로(243)에는 도 3과 같이 부싱(245) 및 필터(미도시)가 삽입될 수 있다. 부싱(246)은 일부가 제1공급 유로(211) 내부에 위치하고, 나머지 영역이 제2공급 유로(243) 내부에 위치한다. 부싱(245)은 원통 형상으로 제공되며, 외측면이 제1공급 유(211)로의 내측면과 제2공급 유로(243)의 내측면과 접촉된다. 부싱(245)에는 홀(245a)이 형성된다. 홀(245a)은 부싱(245)의 상면으로부터 저면으로 제공된다. 부싱(245)은 절연 재질로 제공될 수 있다. 부싱(245)은 세라믹 재질로 제공될 수 있다.
제1순환 유로(241)는 열전달 매체 공급라인(251)을 통해 열전달 매체 저장부(252)와 연결된다. 열전달 매체 저장부(252)에는 열전달 매체가 저장된다. 열전달 매체는 불활성 가스를 포함한다. 실시예에 의하면, 열전달 매체는 헬륨(He) 가스를 포함한다. 헬륨 가스는 공급 라인(251)을 통해 제1순환 유로(241)에 공급되며, 부싱 홀(245a)을 통해 기판(W) 저면으로 공급된다. 헬륨 가스는 플라스마에서 기판(W)으로 전달된 열이 정전 척(200)으로 전달되는 매개체 역할을 한다. 플라스마에 함유된 이온 입자들은 정전 척(200)에 형성된 전기력에 끌려 정전 척(200)으로 이동하며, 이동하는 과정에서 기판(W)과 충돌하여 식각 공정을 수행한다. 이온 입자들이 기판(W)에 충돌하는 과정에서 기판(W)에는 열이 발생한다. 기판(W)에서 발생된 열은 기판(W) 저면과 유전판(210)의 상면 사이 공간에 공급된 헬륨 가스를 통해 정전 척(200)으로 전달된다. 이에 의해, 기판(W)은 설정온도로 유지될 수 있다.
제2순환 유로(242)는 냉각 유체 공급라인(261)을 통해 냉각 유체 저장부(262)와 연결된다. 냉각 유체 저장부(262)에는 냉각 유체가 저장된다. 냉각 유체 저장부(262) 내에는 냉각기(263)가 제공될 수 있다. 냉각기(263)는 냉각 유체를 소정 온도로 냉각시킨다. 이와 달리, 냉각기(263)는 냉각 유체 공급 라인(261) 상에 설치될 수 있다. 냉각 유체 공급 라인(261)을 통해 제2순환 유로(242)에 공급된 냉각 유체는 제2순환 유로(242)를 따라 순환하며 지지판(240)을 냉각한다. 지지판(240)의 냉각은 유전판(210)dhk 기판(W)을 함께 냉각시켜 기판(W)을 소정 온도로 유지시킨다.
지지판(240)의 하부에는 절연판(270)이 제공된다. 절연판(270)은 지지판(240)에 상응하는 크기로 제공된다. 절연판(270)은 지지판(240)과 챔버(100)의 바닥면 사이에 위치한다. 절연판(270)은 절연 재질로 제공되며, 지지판(240)과 챔버(100)를 전기적으로 절연시킨다.
포커스 링(280)은 정전 척(200)의 가장자리 영역에 배치된다. 포커스 링(200)은 링 형상을 가지며, 유전판(210)의 둘레를 따라 배치된다. 포커스 링(280)의 상면은 외측부(280a)가 내측부(280b)보다 높게 위치하도록 단차질 수 있다. 포커스 링(280)의 상면 내측부(280b)는 유전판(210)의 상면과 동일 높이에 위치된다. 포커스 링(280)의 상면 내측부(280b)는 유전판(210)의 외측에 위치된 기판(W)의 가장자리영역을 지지한다. 포커스 링(280)의 외측부(280a)는 기판(W) 가장자리영역을 둘러싸도록 제공된다. 포커스 링(280)은 플라스마가 형성되는 영역의 중심에 기판(W)이 위치하도록 전기장 형성 영역을 확장시킨다. 이에 의해, 기판(W)의 전체 영역에 걸쳐 플라스마가 균일하게 형성되어 기판(W)의 각 영역이 균일하게 식각될 수 있다.
가스 공급부(300)은 공정 챔버(100) 내부로 공정가스를 공급한다. 가스 공급 부(300)은 가스 저장부(310), 가스 공급 라인(320), 그리고 가스 유입 포트(330)를 포함한다. 가스 공급 라인(320)은 가스 저장부(310)와 가스 유입 포트(330)를 연결하며, 가스 저장부(310)에 저장된 공정 가스를 가스 유입 포트(330)에 공급한다. 가스 유입 포트(330)는 상부 전극(410)에 형성된 가스 공급홀(412)들과 연결되며, 가스 공급홀(412)들에 공정 가스를 공급한다.
플라스마 생성부(400)은 공정 챔버(100) 내부에 머무르는 공정 가스를 여기시킨다. 플라스마 발생부(400)은 상부 전극(410), 가스 분배판(420), 샤워 헤드(430), 그리고 전력 공급부(440)를 포함한다.
상부 전극(410)은 원판 형상으로 제공되며, 정전 척(200)의 상부에 위치한다. 상부 전극(410)은 전력 공급부(440)와 전기적으로 연결된다. 상부 전극(410)은 전력 공급부(440)에서 공급된 고주파 전력을 공정 챔버(100) 내부에 머무르는 공정 가스에 인가하여 공정 가스를 여기시킨다. 공정 가스는 여기되어 플라스마로 상태 변환된다. 상부 전극(410)의 중심영역에는 가스 공급홀(412)들이 형성된다. 가스 공급홀(412)들은 가스 유입 포트(330)와 연결되며, 상부 전극(410)의 하부에 위치된 버퍼 공간(415)으로 가스를 공급한다.
상부 전극(410)의 하부에는 가스 분배판(420)이 위치한다. 가스 분배판(420)은 원판 형상으로 제공되며, 상부 전극(410)에 대응하는 크기를 가진다. 가스 분배판(420)의 상면은 중심영역이 가장자리영역보다 낮게 위치하도록 단차진다. 가스 분배판(420)의 상면과 상부 전극(410)의 저면은 서로 조합되어 버퍼 공간(415)을 형성한다. 버퍼 공간(415)은 가스 공급홀(412)들을 통해 공급된 가스가 공정 챔버(100) 내부 공간(101)으로 공급되기 전에 일시적으로 머무르는 공간으로 제공된다. 가스 분배판(420)의 중심영역에는 제1분배홀(421)이 형성된다. 제1분배홀(421)은 가스 분배판(420)의 상면으로부터 하면으로 제공된다. 제1분배홀(421)들은 일정 간격 이격되어 복수개 형성된다. 제1분배홀(421)들은 버퍼 공간(415)과 연결된다.
가스 분배판(420)의 하부에는 샤워 헤드(430)가 위치한다. 샤워 헤드(430)는 원판 형상으로 제공된다. 샤워 헤드(430)에는 제2분배홀(431)들이 형성된다. 제2분배홀(431)들은 샤워 헤드(430)의 상면으로부터 하면으로 제공된다. 제2분배홀(431)들은 일정 간격 이격되어 복수개 형성된다. 제2분배홀(431)들은 제1분배홀(421)에 대응하는 개수로 제공되며, 제1분배홀(421)들에 대응하여 위치된다. 제2분배홀(431)들은 각각 제1분배홀(421)과 연결된다. 버퍼공간(415)에 머무르는 공정 가스는 제1분배홀(421)들과 제2분배홀(431)들을 통해 공정 챔버(100) 내부로 균일하게 공급된다.
상술한 기판 처리 장치(10)를 이용하여 공정을 수행할 경우, 기판(W) 온도가 효과적으로 냉각될 수 있다. 식각 공정의 경우, 플라스마에 함유된 이온 입자들이 정전 척(200)에 형성된 전기력에 끌려 기판(W)과 충돌한다. 이러한 충돌에 의해 기판(W)에는 열이 발생한다. 기판(W)에 발생된 열은 제2순환 유로(242)를 순환하는 냉각 유체에서 전달된 열에 의해 냉각된다. 본 발명은 제2순환 유로(242)가 제1순환 유로(241)보다 기판(W)에 인접하여 형성되므로, 냉각 유체의 열이 기판(W)으로 전달되는 과정에서 열손실이 최소화될 수 있다. 또한, 제2순환 유로(242)가 제1순환 유로(241)보다 큰 단면적을 가지므로, 제2순환 유로(242)를 순환하는 냉각유체의 유량이 증가되어 기판(W)의 온도가 효과적으로 냉각될 수 있다.
또한, 제1순환 유로(241)가 제1영역(240a)에 위치됨으로써, 제2영역(240b)에 위치되는 경우보다 기판(W)과의 거리가 증가한다. 이로 인하여, 공급 유로(211, 243) 내의 아크(Arc) 방전 발생이 예방될 수 있다.
도 4는 파센 법칙에 따른 그래프를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 파센 법칙(Paschen's Law)에 따라 아크 방전은 포텐셜 에너지(potential energy) 값이 파센 곡선(Paschen's Curve, C)에 대응하거나 파센 곡선(C)의 상부영역에 위치되는 경우 발생한다. 공급 유로(211, 243) 내의 아크 방전의 경우, 제1순환 유로(241)의 포텐셜 에너지(V)는 발생된 플라스마와 기판(W)의 포텐셜 에너지 차(Vdc)와 지지판의 포텐셜 어네지(Vp)의 차이라고 볼 수 있다. 즉, V=P·d=Vdc-Vp로 정리될 수 있다. 이때, 지지판(240)이 접지된 것으로 가정할 경우, 공급 유로(211, 243)들은 부싱(245) 및 필터에 의해 절연되므로 제1순환 유로가(241) 접지 역할을 한다. 따라서, 파센 곡선에 따라 거리(d)가 증가하면 공급 유로(211, 243) 내에 아크 방전이 발생될 확률이 줄어들 수 있음을 알 수 있다. 본 발명은 제1순환 유로(241)가 제1영역(240a)에 위치됨으로써, 제2영역(240b)에 위치되는 경우보다 기판(W)과의 거리가 증가된다. 이로 인해, 공급 유로(211, 243) 내 아크 방전 발생 확률이 줄어든다.
상기 실시예들과 달리, 유전판(210)의 내부에는 히터(미도시)가 매설될 수 있다. 히터는 외부 전원에서 인가된 전류에 저항함으로써 열을 발생하며, 발생된 열은 유전판(210)을 통해 기판(W)으로 전달된다. 히터는 램프 다운 속도(ramp down velocity)를 향상시켜 기판 처리 생산성을 높인다.
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 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 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.
100: 공정 챔버 200: 정전 척
210: 유전판 220: 하부 전극
240: 지지판 270: 절연판
300: 가스 공급부 40: 플라스마 생성부

Claims (2)

  1. 기판이 놓이며, 상기 기판의 저면으로 열전달 매체를 공급하는 제1공급 유로가 형성된 유전판;
    상기 유전판 내부에 제공되며, 외부에서 인가된 전류에 의해 정전기력을 발생시켜 상기 기판을 상기 유전판에 흡착시키는 전극; 및
    상기 유전판을 지지하며, 상기 열전달 매체가 순환하는 제1순환 유로가 형성된 제1영역과, 냉각 유체가 순환하는 제2순환 유로가 형성된 제2영역을 가지는 지지판을 포함하되,
    상기 제2영역은 상기 제1영역의 상부에 위치하고,
    상기 지지판에는 상기 제1공급 유로와 상기 제1순환 유로를 연결하는 제2공급 유로가 형성된 정전 척.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2공급 유로는
    상기 제1순환 유로로부터 상부로 연장되며, 인접한 상기 제1순환 유로들 사이 영역을 가로질러 상기 제1공급 유로와 연결되는 정전 척.
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