KR20140142177A - 온도 제어형 기판 지지 어셈블리 - Google Patents

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KR20140142177A
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앤서니 리치
헨리 포볼니
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램 리써치 코포레이션
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Abstract

반도체 프로세싱 장치의 진공 챔버에서 기판을 프로세싱하기 위한 온도 제어형 기판 지지 어셈블리 (temperature controlled substrate support assembly) 가 개시된다. 온도 제어형 기판 지지 어셈블리는 기판을 지지하기 위한 상단 플레이트를 포함한다. 베이스 플레이트가 상단 플레이트 아래에 배치되며, 베이스 플레이트는 베이스 플레이트의 상부 표면 내에 캐비티 (cavity) 를 포함한다. 커버 플레이트가 상단 플레이트와 베이스 플레이트 간에 배치된다. 적어도 하나의 열전 모듈 (thermoeletric module) 이 베이스 플레이트의 상부 표면 내의 캐비티 내에 있으며, 적어도 하나의 열전 모듈 (thermoeletric module) 은 상단 플레이트와 베이스 플레이트와 열적 접촉하며 적어도 하나의 열전 모듈 (thermoeletric module) 은 대기 압력으로 유지된다.

Description

온도 제어형 기판 지지 어셈블리{TEMPERATURE CONTROLLED SUBSTRATE SUPPORT ASSEMBLY}
본 발명은 플라즈마 프로세싱 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로 기판 지지 어셈블리의 온도 제어에 관한 것이다.
집적 회로들은 패터닝된 미세전자소자 층들이 그 위에 형성되는 웨이퍼 또는 반도체 기판으로부터 형성된다. 기판 프로세싱에서, 기판 상에 막을 증착하거나 이 막들의 목표된 부분들을 에칭하는데 플라즈마가 통상 사용된다. 차세대 미세전자소자 층들에서의 피처 크기 감소 및 새로운 재료 도입은 플라즈마 프로세싱 장비에 새로운 요구사항들을 부여하고 있다. 피처가 소형화되고 기판 크기가 커지고 새로운 프로세싱 기법들이 도입됨에 따라서 플라즈마 프로세싱의 조건들을 제어하는데 있어서 플라즈마 프로세싱 장치가 개선될 필요가 있다.
플라즈마 에칭 동안에, 에칭 레이트들 및 에칭 레이트 선택도들은 반도체 기판에 걸쳐서 변할 수 있다. 에칭 레이트들 및 에칭 레이트 선택도들은 온도에 의해 영향을 받기 때문에, 기판에 걸쳐서 공간적 온도 제어를 개선할 필요가 있다. 개선된 공간적 온도 제어 이외에, 반도체 기판을 프로세싱하는데 사용되는 온도 범위를 확대하는 것은 복잡한 재료 스택들을 포함하는 반도체 기판들이 프로세싱 동안에 사용될 수 있게 할 수 있다.
반도체 프로세싱 장치의 진공 챔버에서 기판을 프로세싱하기 위한 온도 제어형 기판 지지 어셈블리 (temperature controlled substrate support assembly) 가 본 명세서에서 개시된다. 온도 제어형 기판 지지 어셈블리는 기판을 지지하기 위한 상단 플레이트를 포함한다. 베이스 플레이트가 상단 플레이트 아래에 배치되며, 베이스 플레이트는 베이스 플레이트의 상부 표면 내에 캐비티 (cavity) 를 포함한다. 커버 플레이트가 상단 플레이트와 베이스 플레이트 간에 배치된다. 적어도 하나의 열전 모듈 (thermoeletric module) 이 베이스 플레이트의 상부 표면 내의 캐비티 내에 있으며, 적어도 하나의 열전 모듈 (thermoeletric module) 은 상단 플레이트와 베이스 플레이트와 열적 접촉하며 적어도 하나의 열전 모듈 (thermoeletric module) 은 대기 압력으로 유지된다.
또한, 플라즈마 프로세싱 동안에 기판의 온도를 제어하기 위한 기판 지지 어셈블리 (substrate support assembly) 를 제조하는 방법이 본 명세서에서 개시된다. 이 방법은 적어도 하나의 열전 모듈 (thermoeletric module) 의 하부 표면을 베이스 플레이트의 상부 표면 내의 캐비티 내의 표면에 본딩 (bonding) 하는 단계, 상기 적어도 하나의 열전 모듈의 상부 표면 상에 포함된 상부 전기 절연성 층의 하부 표면을 상기 베이스 플레이트의 상기 상부 표면 내의 상기 캐비티를 규정하는 원통형 벽에 그리고 상기 캐비티 내의 상향 연장된 보스들 (bosses) 에 본딩 (bonding) 하는 단계로서, 상기 상부 전기 절연성 층의 상기 본딩된 하부 표면은 상기 원통형 벽 및 상기 상향 연장된 보스들과 진공 시일 (vacuum seal) 을 형성하고, 상기 캐비티는 상기 베이스 플레이트의 상기 상부 표면 내의 상기 캐비티의 표면을 통해서 대기에 개방된, 상기 상부 전기 절연성 층의 하부 표면을 본딩하는 단계, 및 상기 상부 전기 절연성 층의 상부 표면을 커버 플레이트에 본딩하는 단계를 포함한다.
또한, 진공 프로세싱 챔버 내의 온도 제어형 기판 지지 어셈블리의 상단 플레이트 상에 기판이 지지되는 반도체 프로세싱 장치에서 기판을 프로세싱하는 방법이 본 명세서에서 개시된다. 이 방법은 상단 플레이트에 걸쳐서 하나 이상의 존들 (zones) 의 온도를 제어하도록 상기 상단 플레이트와 열 전달 접촉하는 적어도 하나의 각각의 열전 모듈에 전류를 공급하는 단계를 포함한다. 이 방법은 상기 상단 플레이의 표면의 온도를 설정하고 프로세싱 동안에 상기 기판에 걸친 목표 온도 분포를 제공하도록 상기 전류를 제어하는 단계를 더 포함한다.
도 1은 복수의 열전 모듈들을 포함하는 온도 제어형 기판 지지 어셈블리의 실시예를 예시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 명세서에서 개시된 온도 제어형 기판 지지 어셈블리들의 실시예들에 따라 사용될 수 있는 베이스 플레이트의 실시예를 예시한다.
도 3은 본 명세서에서 개시된 온도 제어형 기판 지지 어셈블리 내에 형성될 수 있는 온도 제어 존들의 실시예를 예시한다.
도 4는 베이스 플레이트와 커버 플레이트 간의 열전 모듈들에 대한 예시적인 본딩 구성의 단면을 예시한다.
도 5a 및 도 5b는 복수의 열전 모듈들을 포함하는 온도 제어형 기판 지지 어셈블리의 본 명세서에서 개시된 실시예에 의해서 발휘되는 온도 제어의 그래프를 각기 예시한다.
도 6a 내지 도 6d는 본 명세서에서 개시된 온도 제어형 기판 지지 어셈블리들의 실시예들에 따라 사용될 수 있는 베이스 플레이트의 다른 실시예들을 예시한다.
도 7은 본 명세서에서 개시된 실시예들에 따른 온도 제어형 기판 지지 어셈블리 상에서 지지된 기판의 기판 온도와 기판 온도 균일성 간의 관계의 그래프를 예시한다.
온도 제어형 기판 지지 어셈블리 (이하, "기판 지지 어셈블리") 가 본 명세서에서 개시되며, 이 기판 지지 어셈블리는 기판 지지 어셈블리의 상단 플레이트 (즉, 기판 지지부) 상에 지지된 기판을 가열 및/또는 냉각시키는 적어도 하나의 열전 모듈을 포함한다. 다음의 설명에서, 다수의 특정 세부사항들이 본 명세서에서 개시된 본 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나, 본 실시예들은 이러한 특정 세부사항들 전부 또는 일부 없이도 실시될 수 있음은 본 기술 분야의 당업자에게 자명할 것이다. 다른 실례들로서, 잘 알려진 프로세스 동작들은 본 실시예들을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 하기 위해서 세부적으로는 기술되지 않았다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "약"은 ± 10 퍼센트를 지칭한다.
상단 플레이트 상에 지지된 기판의 온도를 제어하는 것은 다수의 변수들을 포함한다. 먼저, 기판 지지 어셈블리 내의 히트 싱크들 (heat sinks) 의 위치 및 기판 지지 어셈블리 내의 다양한 가열 및 냉각 요소들의 세부 구조와 같은 다수의 인자들이 열 전달에 영향을 준다. 둘째로, 열 전달은 동적 프로세스이다. 따라서, 해당 시스템이 열 평형 상태에 있지 않으면, 열 전달이 발생할 것이며 온도 프로파일 및 열 전달은 시간이 지남에 따라서 변할 것이다. 셋째로, 플라즈마 프로세싱 동안에 존재하는 플라즈마 밀도 프로파일 및 RF 전력 프로파일과 같은 비-평형 현상 (non-equilibrium phenomena) 이 임의의 실제적 플라즈마 프로세싱 장치의 열 전달 거동에 대한 이론적 예측을 어렵게하며 이로써 기판 온도 프로파일은 통상적으로 일정하지 않으며 제어하기 어렵다. 이러한 결점들은 전체 기판에 걸쳐서 프로세싱 레이트가 불균일하게 하며 기판 상의 디바이스 다이들의 임계 치수 (CD) 불균일성을 낳는다.
또한, 저항성 가열 요소들을 포함하는 상단 플레이트들은 동작 온도의 달성가능한 범위를 규정하기 위해서 전체 어셈블리의 고유 열적 저항에 의존한다. 예를 들어서, 고 열적 저항을 갖는 기판 지지 어셈블리들은 보다 높은 달성가능한 온도들을 가능하게 하는데 그 이유는 베이스 플레이트를 통과해서 흐르는 냉각제로의 열 전달이 작아지기 때문이다. 그러나, 고 열적 저항을 갖는 기판 지지 어셈블리들은 소정의 프로세스 히트 부하에 있어서 최소 달성가능한 온도를 제약한다. 이와 반대로, 저 열적 저항을 갖는 기판 지지 어셈블리들은 소정의 프로세스 히트 부하에 있어서 보다 낮은 달성가능한 온도들을 가능하게 하지만 최대 달성가능한 온도를 제약한다. 기판 지지 어셈블리의 동작 범위를 확장시키기 위해서, 냉각제 온도는 낮추어질 수 있으며 가열 전력이 증가할 수 있지만, 이는 상단 플레이트와 냉각제 간의 보다 큰 열적 차를 도입시키며, 이로써 열적 불균일성을 증가시킨다.
기판 온도를 제어하기 위해서, 플라즈마 에칭 시스템은 기판 지지 어셈블리 내에 배열된 적어도 하나의 열전 모듈 및 기판 지지 어셈블리 내에 배열된 열전 모듈들 각각을 통해서 흐르는 DC 전류를 제어하는 제어기 유닛을 가질 수 있다. 하나 이상의 열전 모듈들이 기판 지지 어셈블리의 동작 온도 범위를 확장하기 위해서 사용될 수 있는데, 각 열전 모듈이 그의 베이스 플레이트를 통해서 흐르는 냉각제의 온도보다 높은 온도 또는 이보다 낮은 온도로 설정될 수 있다. 각 열전 모듈은 교번하는 p 도핑된 반도체 소자와 n 도핑된 반도체 소자 (본 명세서에서는 "열전 쌍들"로서 사용됨) 로부터 형성되며, p 도핑된 반도체 소자와 n 도핑된 반도체 소자는 접합부 (junction) 에 의해서 열적으로 (thermally) 병렬로 그리고 전기적으로 직렬로 연결된다. 따라서, 전류가 이 2 개의 반도체 소자들의 접합부를 통과할 때에, 전류가 전류의 방향에 따라서 접합부를 냉각 또는 가열시키고, 이로써 각 열전 모듈이 기판 지지 어셈블리의 각각의 부분을 가열 또는 냉각할 수 있도록 각 열전 모듈의 고온 측 (hot side) 및 저온 측 (cool side) 을 형성할 수 있다. 각 열전 모듈은 바람직하게는 규정된 패턴으로 형성되는데, 열전 모듈 각각은 기판 지지 어셈블리 내의 각각의 온도 제어 존을 형성하도록 배열될 수 있다. 제어기 유닛의 제어 하에서 열전 모듈들 각각의 전력을 튜닝함으로써 그리고 기판 지지 어셈블리 내의 각 열전 모듈의 적합한 배열을 가짐으로써, 기판이 냉각 또는 가열될 수 있으며, 프로세싱 동안의 기판의 온도 프로파일은 동심형으로, 방사상으로, 그리고 방위각 방향으로 형상화될 수 있다. 또한, 기판 지지 어셈블리에 걸친 온도 구배는 기판 지지 어셈블리 내에서 열전 모듈 각각을 배열함으로써 프로세싱 동안에 기판에 걸친 목표 온도 분포를 유지하기 위해서 제어될 수 있다. 예를 들어서, 열전 모듈들의 직사각형 그리드 (grid), 육각형 그리드, 동심 원들, 하나 이상의 방사상 어레이들, 또는 다른 패턴이 형성되어서 온도 제어 존들을 형성할 수 있다. 기판 지지 어셈블리는 기판 온도를 제어하고 이로써 기판으로부터 디바이스들의 수율을 최대화하도록 각 디바이스 다이 위치에서의 플라즈마 에칭 레이트를 제어하도록 동작가능하다.
플라즈마 프로세싱 동안에, 기판 지지 어셈블리를 포함하는 진공 챔버는 0 내지 20 m Torr, 20 내지 50 m Torr 또는 50 내지 300 m Torr 와 같은 목표 압력으로 유지된다. 화학제들 및/또는 바람직하지 않는 글로우 방전로의 노출을 방지하기 위해서, 각 열전 모듈은 기판 지지 어셈블리 내에 위치하며 대기 압력 (약 1 atm) 으로 유지된다. 기판 지지 어셈블리 내에 어셈블리된 열전 모듈들은 능동 기판 냉각을 제공하고, 기판 지지 어셈블리의 온도 동작 윈도우들을 증가시키고, 기판의 저온 프로세싱을 지원할 수 있다. 열전 모듈들은 불균일한 열적 어레이들 또는 균일한 열적 어레이들과 같은, 기판의 더 광범위한 온도 제어를 제공할 수 있다. 예를 들어서, 기판 지지 어셈블리 내에 어셈블리된 독립적으로 제어가능한 열전 모듈들은 기판 지지 어셈블리의 상부 표면에 걸쳐서 약 0.1 ℃ 균일도를 달성할 수 있다.
도 1은 기판 지지 어셈블리 (100) 는 그 온도가 제어되며 본 명세서에서 개시된 방법들 및 구조들에 따라서 사용될 수 있는 반도체 프로세싱 시스템용 기판 지지 어셈블리 (100) 를 예시한다. 기판 지지 어셈블리 (100) 는 기판 지지 어셈블리 (100) 가 위치한 진공 챔버 내에서 기판 (미도시) 을 플라즈마 프로세싱하기 위해서 사용될 수 있다. 기판은 바람직하게는 기판 지지 어셈블리 (100) 의 상단 플레이트 (110) 에 의해서 지지된다. 기판은 예를 들어서 반도체 기판 또는 플랫 패널 디스플레이일 수 있다. 상단 플레이트 (110) 은 정전 척 (ESC) 을 포함할 수 있다. 기판 지지 어셈블리 (100) 는 또한 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 로부터 형성된 열전 온도 제어 시스템 ("열전 시스템") 및 무선 주파수 (RF) 전력 소스로의 인터페이스를 포함할 수도 있다. 기판은 기계적으로 또는 바람직하게는 상단 플레이트 (110) 내에 내장된 ESC 구조체에 의해서 상단 플레이트 (110) 로 클램핑될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 기판 지지 어셈블리는 그 내에 배치된 리프트 핀들 및 이와 연관된 작동 장비와 같은 기판 핸들링 시스템, 열 전달 가스를 기판의 후방측에 전달하는 전달부들, 온도 센서들, 전력 라인들 등과 같은 다른 특징부들을 포함할 수도 있다.
기판 지지 어셈블리 (100) 는 플라즈마 챔버 내의 하부 전극 역할을 하며 프로세싱을 받고 있는 기판 상에 RF 바이어스를 제공하도록 RF 구동되는 베이스 플레이트 (170) 를 더 포함한다. 베이스 플레이트 (170) 는 알루미늄, 구리, 또는 다른 고 열전도성 재료로부터 형성될 수 있다. 베이스 플레이트 (170) 는 알루미늄, 구리, 은, 알루미늄 내에 봉입된 열분해 흑연 (pyrolytic graphite) 또는 다른 고 열전도성 재료로부터 형성된 상부 표면을 포함하며, 이 상부 표면 상에 열전 모듈들이 부착된다. 알루미늄 또는 알루미늄 내에 봉입된 열분해 흑연을 사용하는 것은 베이스 플레이트 (170) 가 브레이징 (brazing) 을 사용하여서 형성될 수 있게 한다. 베이스 플레이트 (170) 는 상단 플레이트 (110) 아래에 배치되며 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 을 하우징하도록 베이스 플레이트 (170) 의 상부 표면 내의 캐비티 (142) 를 포함한다. 바람직하게는, 캐비티 (142) 는 베이스 플레이트 (170) 의 외연 (outer periphery) 근방에 위치한 원통형 벽 (50) 에 의해서 규정된다. 베이스 플레이트 (170) 는 열 전달 매체 (예를 들어서, 냉각제) 를 베이스 플레이트 (170) 내의 유체 채널들 (171) 을 통해서 일정한 온도로 순환시킴으로써 열 싱크 역할을 할 수 있으며 기판의 국부화된 온도들이 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 에 의해서 제어된다. 유체 채널들 (171) 은 바람직하게는 베이스 플레이트 (170) 가 열 싱크로서 동작하도록 냉각제 또는 온도 제어형 가스를 공급하도록 구성된다. 예를 들어서, 베이스 플레이트 (170) 는 공기, He, N2 등과 같은 가스 또는 탈이온수 (DI), 플루오린어트 (Fluorinert) 와 같은 유전체 액체 등으로 냉각된 액체를 사용하여서 냉각될 수 있다. 바람직하게는, 베이스 플레이트 (170) 는 열전 제어 시스템의 상부 측에 대한 히트 부하를 제어하도록 전력 요구치에 대한 절감을 지원한다.
바람직한 실시예에서, 2 개 이상의 열전 모듈 (140) 이 각 열전 모듈이 기판 지지 어셈블리 (100) 내의 온도 제어 존을 형성하도록 베이스 플레이트 (170) 의 상부 표면 내의 단일 캐비티 (142) 내에 배열될 수 있다. 각 열전 모듈 (140) 에 의해서 형성된 온도 제어 존들은 중앙 온도 제어 존 및 하나 이상의 주변 온도 제어 존들을 갖는 임의의 목표 구성으로 배열될 수 있으며, 상기 주변 온도 제어 존들은 환상 형상, 그리드 형상, 방사상 형상, 방위각 형상, 극상 형상 (polar formation), 비극상 형상 (non-polar formation) 을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상향 연장된 보스들 (bosses) (55) 이 베이스 플레이트 (170) 의 상부 표면 내의 단일 캐비티 (142) 내에서 위치한다. 얇은 상부 전기 절연성 층 (153b) 및 하부 전기 절연성 층 (153a) 이 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 의 상부 표면 및 하부 표면 상에 더 포함하며, 열전 모듈 (140) 은 접착제를 사용하여서 얇은 상부 전기 절연성 층 (153b) 및 하부 전기 절연성 층 (153a) 에 부착된다. 얇은 상부 전기 절연성 층 (153b) 및 하부 전기 절연성 층 (153a) 은 바람직하게는 세라믹 층 또는 유연성 폴리이미드 층이며 약 0.004 내지 0.02 인치의 두께를 가질 수 있다. 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 의 하부 표면 상의 절연성 층 (153a) 은 캐비티 (142) 내의 베이스 플레이트 (170) 의 상부 표면에 접착제 (154) 를 사용하여서 본딩되며, 접착제는 바람직하게는 에폭시이다. 이와 달리, 베이스 플레이트 (170) 의 상부 표면이 아노다이징, 스프레이-코팅된 알루미늄 산화물, Teflon® 등과 같은 전기 절연 재료의 코팅을 포함한다면, 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 의 하부 표면은 캐비티 (142) 내의 베이스 플레이트 (170) 의 상부 표면에 솔더 또는 저융점 합금을 사용하여서 직접적으로 본딩될 수 있다. 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 의 상부 표면 상의 절연성 층 (153b) 은 바람직하게는 접착제 (154) 를 사용하여서 커버 플레이트 (160) 에 본딩되며, 접착제는 바람직하게는 실리콘이다. 커버 플레이트 (160) 는 상단 플레이트 (110) 와 베이스 플레이트 (170) 간에 배치된다. 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 의 상부 표면 상의 절연성 층 (153b) 은 베이스 플레이트 (170) 의 상부 표면 내의 캐비티 (142) 를 규정하는 원통형 벽 (50) 및 베이스 플레이트 (170) 의 캐비티 (142) 내에 위치한 상향 연장된 보스들 (55) 에도 본딩된다. 절연성 층 (153b) 은 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 이 진공 챔버 내의 진공 분위기에 노출되지 않지만 대신에 베이스 플레이트 (170) 의 캐비티 (142) 내의 대기 압력에서 유지될 수 있도록 베이스 플레이트 (170) 의 원통형 벽 (50) 및 상향 연장된 보스들 (55) 와 진공 시일을 형성한다.
커버 플레이트 (160) 는 바람직하게는 알루미늄, 구리, 열분해 흑연, 또는 알루미늄 코팅된 열분해 흑연과 같이 베이스 플레이트 (170) 와 동일한 재료로부터 형성될 수 있다. 커버 플레이트 (160) 는 바람직하게는 하향 연장된 보스들 (161) 을 포함하며, 보스들 (161) 은 캐비티 (142) 내에 위치한 상향 연장된 보스들 (55) 에 대응하도록 배열된다. 상향 연장된 보스들 (55) 및 하향 연장된 보스들 (161) 은 상단 플레이트 (110) 와 정렬된 개구들 (165) 을 가지며, 이 정렬된 개구들 (165) 은 리프트 핀들을 수용하고/하거나 기판 지지 어셈블리 (100) 의 상부 표면으로 후방측 헬륨을 전달하도록 구성된다. 상향 연장된 보스들 (55) 및 이에 대응하는 하향 연장된 보스들 (161) 은 열전 모듈들 (140) 을 통한 RF 투과를 감소시키기 위해서 기판 지지 어셈블리 (100) 내의 RF 전류 경로를 제공하도록 배열될 수 있다. 하향 연장된 보스들 (161) 은 바람직하게는 RF 전류 경로를 여전히 제공하면서 베이스 플레이트 (170) 와 커버 플레이트 (160) 간의 열 전도를 최소화시킬 수 있도록 챔퍼링될 수 있다 (chamfered). 또한, 커버 플레이트 (160) 는 선택적으로 열전 모듈들 (140) 각각 과 상단 플레이트 (110) 간의 우수한 열적 전도를 제공하면서 RF 전압 구배들로부터 열전 모듈들 (140) 을 전기적으로 차폐하도록 RF 분리 판 역할을 할 수 있다.
기판 프로세싱 동안에, 기판은 진공 챔버 내로 전달되고 상단 플레이트 상으로 로딩된다. 진공 챔버는 플라즈마 에칭, 증착, 집적된 칩들 등의 생성에 관여하는 다른 프로세스와 같은 프로세싱을 수행하기 위한 프로세스 분위기를 제공한다. 전체 기판 프로세싱 시스템의 일부인 기판 핸들링 시스템은 진공 챔버로/로부터 기판을 로딩/언로딩하는데 사용된다. 기판을 삽입, 프로세싱 및 분리하는 단계들은 복수의 기판에 대해서 순차적으로 반복될 수 있다.
프로세싱 동안에 상단 플레이트 (110) 에 걸친 온도를 제어하기 위한 열전 온도 제어 시스템이 상단 플레이트 (110) 아래에 배치되며, 각 열전 모듈은 기판 지지 어셈블리 (100) 내의 캐비티 (142) 내에 위치하며, 캐비티 (142) 는 대기 압력으로 유지된다. 열전 시스템은 바람직하게는 2 개 이상의 열전 모듈 (140) 을 포함한다. 열전 모듈 각각 (140) 은 상단 플레이트 (110) 에 걸친 온도들을 제어하며, 이로써 기판 지지 어셈블리 (100) 내의 전력 피드쓰루 (feedthrough) 를 통해서 전원 (180) 에 의해서 구동되는 전류에 응답하여서, 프로세싱 동안에 기판에 걸친 온도들을 제어한다.
전원 (180) 은 통상적인 전원으로 형성될 수 있다. 전원은 예를 들어서 단일 전력 소스, 각 열전 모듈에 대해서 하나인 복수의 개별 전력 소스, 또는 복수의 전력 소스들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 전력 소스(들)은 직류 전류 (DC) 를 제공하며, DC 전류는 기판 지지 어셈블리 (100) 의 베이스 플레이트 (170) 내의 구멍들 (166) 내에서 지지될 수 있는 단자(들) (미도시) 를 통해서 열전 모듈(들) (140) 에 전기적으로 접속된다 (도 2a 참조). 전원에 의해서 공급되는 전류의 범위는 반도체 프로세싱 시스템의 히트 부하에 따라서 예를 들어서 0 내지 25 암페어 간에서 제어될 수 있다. 열전 시스템에 대한 예시적인 회로 구성은 공동으로 양도된 미국 특허 번호 7,206,184에 발견되며, 이는 본 명세서에서 그 전체 내용이 참조로서 인용된다.
고체 상태 열전 모듈 (140) 은 기판 지지 어셈블리 (100) 의 국부적 온도들을 제어하며, 이로써 프로세싱 동안에 기판에 걸친 온도 분포를 제어한다. 예를 들어서, 전력 및 열전 모듈 (140) 로의 전류의 방향을 제어함으로써, 목표 온도 분포가 프로세싱 동안에 기판에 걸친 목표 프로세싱 조건들을 제공하도록 상단 플레이트 (110) 에 걸쳐서 확립될 수 있다. 이로써, 균일한 또는 불균일한 온도 분포가 프로세싱 동안에 기판에 걸쳐서 유지될 수 있다.
전원은 기판 아래의 온도 제어 존에서 목표 온도를 달성하는데 충분한 레벨에서 그리고 일정 기간 동안에 전류를 공급하도록 제어될 수 있다. 예를 들어서, 전원은 기판 아래의 하나 이상의 온도 제어 존들 내의 모든 열전 모듈들로 동일한 값을 갖는 전류들을 공급할 수 있다. 이와 달리, 열전 모듈 각각에 공급된 전류들은 상이한 값들을 가지며, 이로써 기판 아래의 온도 제어 존들의 동적 온도 제어를 가능하게 하며, 각 온도 제어 존은 각각의 열전 모듈에 의해서 형성된다. 예를 들어서, 기판 표면이 중앙 영역과 에지 영역 간에서 상이한 양들만큼 냉각 또는 가열되도록, 상단 플레이트 (110) 의 중앙 아래에 배열된 열전 모듈에 공급된 전류는 상단 플레이트 (110) 의 외측 (에지) 영역 아래의 환상 존으로 배열된 열전 모듈에 공급된 전류와 상이할 수 있다. 이러한 동적 온도 제어는 반도체 프로세싱 (예를 들어서, 플라즈마 균일성 및 RF 균일성) 으로 인한 중앙 영역과 에지 영역에서의 기판 표면의 온도 차를 보상하며, 이로써 기판 표면에 걸친 목표 온도 분포가 프로세싱 동안에 유지될 수 있다. 기판을 냉각시켜서 이로써 기판 표면을 냉각시킬 수 있는 열전 모듈의 능력은 기판의 프로세싱 동안에 일정하게 유지될 수 있는 기판에 걸친 프로세싱 온도의 범위를 확장시킬 수 있다 (즉, 0.5 ℃ 이하의 온도 범위). 베이스 플레이트 (170) 와 상단 플레이트 (110) 간의 온도 차가 증가하면, 기판에 걸친 열적 불균일성이 증가한다. 이는 열 플럭스 (heat flux) 가 완전히 균일하다고 하여도 열 플럭스가 불균일한 두께를 갖는 기판 지지 어셈블리 (100) 내에 포함된 재료 층들을 통과하기 때문이다. 예를 들어서, 도 7에 예시된 바와 같이, 저항성 가열 요소들을 사용하여서 기판의 온도를 제어하는 것은 기판의 온도가 증가함에 따라서 기판의 온도 불균일성에서의 선형 증가를 보이며, 또한 저항성 가열 요소들은 베이스 플레이트의 온도 아래의 온도에서는 동작할 수 없다 (라인 701). 반면에, 열전 모듈을 사용하여서 온도를 제어하는 것은 베이스 플레이트 온도 위의 온도 및 아래의 온도에서의 동작들을 가능하게 하며, 기판에 걸친 온도들은 균일하게 유지되며, 이로써 상단 플레이트의 유용한 온도 범위를 확장시킨다 (라인 702).
이로써, 각 열전 모듈 (140) 근방의 상단 플레이트 (110) 의 국부화된 온도가 제어되며, 이로써 기판 표면 상의 온도가 균일하게 유지될 수 있게 한다. 전자들이 p-타입 반도체 소자 및 n-타입 반도체 소자를 통해서 신속하게 이동할 수 있기 때문에, 가열 동작 및 냉각 동작은 신속하게 수행될 수 있으며, 가스 압력, 대용량 히트 싱크, 저항 가열 플레이트 등을 사용하는 기판 지지 어셈블리보다 신속한 반응 시간 및 보다 균일한 온도 제어를 제공할 수 있다. 또한, 펠티에 효과로 인해서, 기판들은 베이스 플레이트 (170) 의 온도 아래의 온도로 냉각될 수 있다.
각 열전 모듈의 온도를 동적으로 제어함으로써, 기판 지지 어셈블리는 다수의 온도 제어 존들로 분할될 수 있다 (즉, 다중존 기판 지지 어셈블리가 달성됨). 이러한 온도 제어 존들은 이들이 동심형 존들, 방사상 존들, 환상 존들 및/또는 방위각상 정렬된 존들을 형성하도록 배열될 수 있다.
바람직하게는, 기판 지지 어셈블리 (100) 는 3 개의 온도 제어 존들이 중앙 온도 제어 존을 둘러서 동심으로 배열되는 4 개의 온도 제어 존들을 포함한다. 예를 들어서, 도 3에 예시된 바와 같이, 기판 지지 어셈블리 (100) 제 1 중앙 존 (105) 이 3 개의 외측 환상 온도 존들 (106,107,108) 에 의해서 둘러싸이는 4 개의 온도 제어 존들로 형성될 수 있다. 이와 달리, 기판 지지 어셈블리는 사분원호들 (quadrants) 로 배열된 4 개의 내측 존들이 사분원호들 (quadrants) 로 배열된 4 개의 외측 존들에 의해서 둘러싸이는 8 개의 온도 제어 존들을 포함할 수 있다. 예시적인 온도 제어 존 형성들의 실례들이 공동 양도된 미국 특허 번호 8,216,486, 7,718,932, 및 7,161,121에서 기술되며, 이들은 본 명세서에서 그 전체 내용이 참조로서 인용된다.
도 2a 및 도 2b는 기판 지지 어셈블리 (100) 의 베이스 플레이트 (170) 의 실시예를 예시하며, 도 2a는 베이스 플레이트 (170) 의 단면을 예시하며, 도 2b는 베이스 플레이트 (170) 의 일부의 위에서 아래로 본 도면을 예시한다. 베이스 플레이트 (170) 는 바람직하게는 알루미늄으로 형성되고 중앙 보어 (bore) (172) 를 갖는다. 중앙 보어 (172) 는 베이스 플레이트 (170) 가 기판의 프로세싱 동안에 기판 지지 어셈블리 (100) 의 상단 플레이트 (110) 상에서 지지된 기판 상에 RF 바이어스를 제공할 수 있도록 RF 전력 접속부를 수용한다. 이와 달리, RF 전력이 필요한 RF 전류를 반송하는데 적합한 전기적 피드쓰루를 통해서 상단 플레이트 (110) 내에 내장된 도전성 층에 또는 커버 플레이트 (160) 로 공급될 수 있다. 베이스 플레이트 (170) 는 바람직하게는 전기 도전성 지지 플레이트 (170a), 전기 도전성 지지 플레이트 (170a) 위에 배치된 유체 채널들 (171) 을 포함하는 전기 도전성 냉각 플레이트 (170b) 및 전기 도전성 냉각 플레이트 (170b) 위에 배치된 전기 도전성 열전 플레이트 (thermoelectric plate) (170c) 를 포함한다. 전기 도전성 열전 플레이트 (thermoelectric plate) (170c) 를 포함한다. 전기 도전성 열전 플레이트 (thermoelectric plate) (170c) 는 단일 캐비티 (142) 를 포함하며, 단일 캐비티 (142) 는 대기 압력에서 유지된다. 캐비티 (142) 는 바람직하게는 전기 도전성 열전 플레이트 (thermoelectric plate) (170c) 의 외연 근방에 위치한 원통형 벽 (50) 에 의해서 규정된다. 바람직하게는, 상향 연장된 보스들 (55) 이 캐비티 (142) 내에 배치되며, 상부 절연성 층이 상향 연장된 보스들 (55) 및 원통형 벽 (50) 에 의해서 지지되며 이로써 그 상에 진공 시일을 형성한다. 바람직하게는, 상향 연장된 보스들 (55) 은 리프트 핀들을 지지하고/하거나 후방측 헬륨 가스 공급을 위해서 구성되는 개구들 (165) 을 갖는다. 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 이 전기 도전성 열전 플레이트 (thermoelectric plate) (170c) 의 상부 표면 내의 캐비티 (142) 내에 배열되며, 캐비티 (142) 는 대기에 개방된다. 전기 도전성 열전 플레이트 (thermoelectric plate) (170c) 내에 형성된 구멍들 (166) 은 온도 프로브들 또는 전기적 피드쓰루들을 하우징하도록 구성될 수 있으며, 구멍들 (166) 은 캐비티 (142) 가 대기 압력에서 유지될 수 있도록 캐비티 (142) 를 대기에 노출시킬 수 있다.
일 실시예에서, 기판 지지 어셈블리 (100) 는 대략 1.5 인치의 두께를 가질 수 있다. 베이스 플레이트 컴포넌트들 (170a,170b,170c) 은 약 1.2 내지 1.3 인치의 결합된 두께를 가질 수 있다. 바람직하게는, 전기 도전성 열전 플레이트 (thermoelectric plate) (170c) 은 외연 주변에 단차를 형성하며, 단차는 약 0.3 인치의 높이를 갖는다. 300 mm 직경 기판을 프로세싱하기 위해서, 베이스 플레이트 (170) 는 바람직하게는 전기 도전성 열전 플레이트 (thermoelectric plate) (170c) 내에 형성된 단차 아래에서 약 12 내지 13 인치의 외경을 가지며, 전기 도전성 열전 플레이트 (thermoelectric plate) (170c) 내에 형성된 단차 위의 외경은 12 인치보다 작으며, 바람직하게는 약 11.7 인치이다. 적어도 하나의 열전 모듈 (미도시) 이 전기 도전성 열전 플레이트 (thermoelectric plate) (170c) 의 캐비티 (142) 내에 배열되며, 전기 도전성 열전 플레이트 (170c) 은 약 0.3 내지 0.4 인치의 두께를 가지며, 전기 도전성 열전 플레이트 (170c) 의 상부 표면 내의 캐비티 (142) 는 약 0.15 인치의 깊이를 갖는다. 냉각 플레이트 (170b) 는 바람직하게는 약 0.5 내지 0.6 인치의 두께를 가지며, 지지 플레이트 (170a) 는 바람직하게는 약 0.3 내지 0.4 인치의 두께를 갖는다. 바람직하게는, 냉각 플레이트 (170b) 및 지지 플레이트 (170a) 각각 약 12.6 인치의 외경을 갖는다.
도 1로 다시 돌아가면, 바람직한 실시예에서, 커버 플레이트 (160) 는 바람직하게는 내측 커버 (160a) 및 외측 커버 (160b) 로부터 형성될 수 있다. 바람직하게는, 커버 플레이트 (160) 는 약 0.12 인치의 두께를 가지며, 내측 커버 (160a) 는 약 9.8 인치의 외경을 가지며, 외측 커버 (160b) 는 약 11.7 인치의 외경을 갖는다. 상단 플레이트 (110) 는 바람직하게는 유전체 재료 층 내에 적어도 하나의 정전 클램핑 전극을 포함하며 약 0.1 인치의 두께를 가지며 약 11.7 인치의 직경을 갖는다. 절연성 층 (153a) 및 절연성 층 (153b) 은 바람직하게는 약 0.004 내지 0.02 인치의 두께를 가지며, 예를 들어서 유연성 폴리이미드 층들은 약 0.004 인치의 두께를 가질 수 있는 한편, 세라믹 층들이 약 0.02 인치의 두께를 가질 수 있다.
도 4는 베이스 플레이트 (170) 와 커버 플레이트 (160) 간에 배치된 열전 모듈 (140) (펠티에 디바이스) 의 단면의 예시적인 실시예를 예시한다. 바람직하게는, 열전 모듈 (140) 의 교번하는 p 타입 반도체 소자와 n 타입 반도체 소자를 연결하는 접합부들 (152) 가 접착제를 사용하여서 절연성 층 (153a) 및 절연성 층 (153b) 에 부착된다. 바람직하게는, 접합부들 (152) 는 알루미늄 또는 구리와 같은 전기 도전성 재료로부터 형성된다. 바람직하게는, 절연성 층 (153a) 및 절연성 층 (153b) 은 열전 모듈 (140) 의 상부 표면 및 하부 표면 상의 우수한 열 전도도, 강도 및 충격 내성, 크리프 저항 (creep resistacne), 수치적 안정성 (dimensional stability), 방사선 저항성 (radiation resistance), 및 화학적 내성과 같은 프로세싱 특성들을 갖는 유연성 폴리이미드 재료로 구성된다. 바람직하게는, 절연성 층 (153a) 및 절연성 층 (153b) 은 폴리이미드 재료로부터 형성되지만, 이와 달리 절연성 층 (153a) 및 절연성 층 (153b) 은 유연성 폴리아미드 재료로부터 형성될 수 있거나 세라믹이다. 바람직하게는, 폴리이미드 층들 (153a, 153b) 은 전기적 격리를 제공하며 온도 변화에 의해서 유발되는 열전 모듈 (150) 상의 변형을 흡수하도록 유연성이 있는 기지 표면을 제공한다. 절연성 층 (153a) 및 절연성 층 (153b) 을 포함하는 열전 모듈들 (140) 은 접착제 층들 (154) 을 사용하여서 베이스 플레이트 (170) 및 커버 플레이트 (160) 에 부착된다. 바람직하게는, 절연성 층 (153a) 을 베이스 플레이트 (170) 에 부착시키는 접착제는 에폭시이며, 절연성 층 (153b) 을 커버 플레이트 (160) 에 부착시키는 접착제는 실리콘이다. 상부 폴리이미드 막 및 하부 폴리이미드 막을 갖는 예시적인 열전 모듈은 Komatsu Ltd가 완전하게 소유한 계열사인 KELK Ltd.에 의해서 제조되며 미국 특허 공개 번호 2013/0098068에 기술되며, 이 문헌은 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
도 5a는 점선들 (600) 로 표시된, 열전 모듈들을 포함하는 다중존 기판 지지 어셈블리와, 실선들 (605) 로 표시된 일정한 온도로 유지되는 베이스 플레이트에 걸친 다중존 저항 가열기들을 갖는 비교성의 다중존 기판 지지 어셈블리에 대한 시간 대 온도에 대한 그래프를 예시한다. 각 온도 존에서 2000 W의 전력이 인가된 열전 모듈들을 포함하는 다중존 기판 지지 어셈블리는 각 온도 존에서 2500 W의 전력이 인가된 비교성의 다중존 기판 지지 어셈블리와 유사한 결과들을 달성할 수 있다. 예를 들어서, 열전 모듈들을 포함하는 다중존 기판 지지 어셈블리는 지지 표면의 온도 및 이로써 기판의 온도를 약 60초 내에서 약 30 ℃에서 약 80 ℃로 증가시킬 수 있다. 또한, 열전 모듈들을 포함하는 다중존 기판 지지 어셈블리는 초당 약 1.3 ℃의 기판 천이 레이트를 가지며 약 90 ℃의 최대 온도에 도달할 수 있다. 또한, 열전 모듈들을 포함하는 다중존 기판 지지 어셈블리는 보다 큰 냉각 온도 범위들을 달성할 수 있다. 예를 들어서, 도 5b에 예시된 바와 같이, 열전 모듈들을 포함하는 다중존 기판 지지 어셈블리의 냉각 기능은 약 1000 W 히트 부하를 사용하여서 약 - 20 ℃의 온도를 유지하고 (베이스 플레이트는 약 - 10 ℃에서 유지됨), 약 2500 W 히트 부하를 사용하여서 약 40 ℃의 온도를 유지할 수 있다. 이에 반하여, 비교성의 다중존 기판 지지 어셈블리는 약 1000 W 히트 부하를 사용하여서 약 20 ℃의 온도에서 동작하고 약 2500 W 히트 부하를 사용하여서 약 70 ℃의 온도에서 동작한다.
다시 도 1로 돌아가면, 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 이 베이스 플레이트 (170) 의 상부 표면 내의 캐비티 (142) 내에 배열되며 커버 플레이트 (160) 에 의해서 베이스 플레이트 (170) 의 캐비티 (142) 내에 봉입되며, 커버 플레이트 (160) 에 본딩된 절연성 층 (153b) 은 베이스 플레이트 (170) 와 진공 시일을 형성한다. 바람직하게는, 베이스 플레이트 (170) 의 캐비티 (142) 내에 적어도 4 개의 열전 모듈들이 존재하며, 상기 적어도 4 개의 열전 모듈들은 기판 지지 어셈블리 (100) 내의 4 개의 온도 제어 존들을 형성하도록 배열된다. 예를 들어서, 제 1 열전 모듈은 각각의 제 1 원형 존을 형성하도록 배열되고, 제 2 열전 모듈은 각각의 제 2 환상 존을 형성하도록 배열되고, 제 3 열전 모듈은 각각의 제 3 환상 존을 형성하도록 배열되고, 제 4 열전 모듈은 각각의 제 4 환상 존을 형성하도록 배열될 수 있다.
기판 지지 어셈블리 (100) 의 베이스 플레이트 (170) 와 커버 플레이트 (160) 간의 내부 공간 내의 적어도 하나의 열전 모듈을 대기 압력으로 유지하는 것은 기생 플라즈마 방전 및 아크 현상 위험을 줄일 수 있는데, 그 이유는 열전 쌍들 간의 물리적 갭들의 수직 크기 및 수평 크기는 플라즈마 프로세싱의 동작 압력들에서 글로우 방전을 위해서 이상적이기 때문이다. 또한, 열전 모듈들을 포함하는 캐비티를 대기 압력으로 유지하는 것은 플라즈마 프로세싱 장치의 동작 동안에 챔버 압력을 빼는데 요구되는 추가 펌핑 시설들로 인한 동작 비용들을 줄일 수 있다. 그러나, 플라즈마 프로세싱 챔버의 진공 챔버가 동작하는 동안에 열전 모듈 캐비티를 대기 압력으로 유지하는 것은 커버 플레이트 (160) 의 보우 현상 (bowing) 으로 이어지며, 이는 또한 상단 플레이트 (110) 의 보우 현상으로 이어진다. 따라서, 커버 플레이트 (160) 는 기판 지지 어셈블리 (100) 의 내부 공간 및 진공 챔버 분위기에서 발견되는 압력 차를 감당하기에 충분하게 두꺼워야 한다. 바람직하게는, 커버 플레이트 (160) 는 약 0.5 내지 4 mm의 두께를 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 커버 플레이트 (160) 는 2 개의 부분으로 분할되는 것이 바람직하는데, 즉 내측 커버 플레이트 (160a) 및 외측 환상 커버 링 (160b) 으로 분할되어서, 열적 팽창 및 수축으로 인한 변형이 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 과 같은 그 아래에 놓인 기판 지지 어셈블리 (100) 구성 요소들에 있어서 감소될 수 있다.
기판 지지 어셈블리 (100) 내에서의 열전 모듈들의 배향 및 열전 모듈들의 개수는 기판에 걸친 목표 온도 분포를 달성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어서, 기판을 처리하여서 매우 않은 개수의 소형 디바이스 다이들을 얻고자 할 때에는, 많은 개수의 열전 모듈들이 이 열전 모듈들에 의해서 생성되는 온도 제어 존들에 걸쳐서 매우 균일한 온도를 달성하도록 사용될 수 있다. 열전 모듈의 개수는 예를 들어서 1 내지 1000 개의 범위 내에 있을 수 있거나, 기판 크기들이 커짐에 따라서 보다 더 많을 수도 있다. 바람직하게는, 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 을 차지하는 반도체 소자들은 약 2.5 내지 4.5 mm의 높이, 보다 바람직하게는 약 3.0 내지 3.5 mm의 높이를 가지며, p 타입 반도체 소자와 n 타입 반도체 소자 간의 이격 거리는 약 1.0 내지 2.0 밀리미터 범위에 있으며 보다 바람직하게는 약 1.5 mm이다.
도 6a 및 도 6b는 온도 제어형 기판 지지 어셈블리 (100) 의 베이스 플레이트 (170) 의 다른 실시예들을 예시한다. 베이스 플레이트 (170) 는 알루미늄, 구리, 알루미늄 내에 봉입된 열분해 흑연 (pyrolytic graphite) 또는 다른 고 열전도성 재료로부터 형성될 수 있으며, 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 을 하우징하도록 베이스 플레이트 (170) 의 상부 표면 내의 단일 캐비티 (142) 를 포함한다. 바람직하게는, 캐비티 (142) 는 베이스 플레이트 (170) 의 외연 근방에 위치한 원통형 벽 (50) 에 의해서 규정된다. 베이스 플레이트 (170) 는 베이스 플레이트 (170) 내의 유체 채널들 (171) 을 통해서 일정한 온도로 열 전달 매체를 순환시킴으로써 히트 싱크 역할을 하며 기판의 국부화된 온도들이 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 에 의해서 제어된다. 유체 채널들 (171) 은 바람직하게는 베이스 플레이트 (170) 가 히트 싱크로 작용할 수 있도록 냉각제 또는 온도 제어형 가스를 공급하도록 구성된다. 예를 들어서, 베이스 플레이트 (170) 는 공기, He, N2 등과 같은 가스 또는 탈이온수 (DI), 플루오린어트 (Fluorinert) 와 같은 유전체 액체 등으로 냉각된 액체를 사용하여서 냉각될 수 있다.
일 실시예에서, 베이스 플레이트 (170) 는 열 전달 파이프들 (173) 을 포함하며, 수직 구멍들이 캐비티 (142) 의 하부 표면 내로 드릴링되며 열 전달 파이프들 (173) 이 열 전달 파이프들 (173) 각각의 상부 표면이 캐비티 (142) 내의 베이스 플레이트 (170) 의 상부 표면과 동일한 면에 있도록 삽입된다. 관형 열 파이프로 사용될 수 있는 예시적인 열 전달 파이프는 영국의 Hadston 소재의 CRS Engineering Limited로부터 상업적으로 입수가능하다. 열 전달 파이프들 (173) 은 베이스 플레이트 (170) 의 유체 채널들 (171) 과 캐비티 (142) 내의 적어도 하나의 열전 모듈 간의 열 전달을 증진하여서, 기판 지지 어셈블리 (100) 의 냉각 능력을 개선하는데 사용될 수 있다. 열 전달 파이프들 (173) 은 바람직하게는 주석, 니켈, 브래스 (brass), 은, 크롬 또는 금의 도금 또는 플레인 (plain) 구리 표면 마감부를 갖는 또는 가지지 않는 스테인레스 스틸 또는 고순도 구리와 같은 금속으로부터 형성되며 약 1 내지 12 mm의 외경을 가지며 바람직하게는 약 1 내지 3 mm의 외경을 갖는다. 열 전달 파이프들 (173) 은 약 7 내지 20 mm의 길이를 가지며 보다 바람직하게는 약 10 내지 15 mm의 길이를 갖는다. 열 전달 파이프들 (173) 각각은 반중력 위킹 시스템 (anti-gravity wicking system) 을 사용하여서 동작하는데, 이 시스템에서 액체는 관의 제 1 단부에서 기화되고 관의 제 2 단부에서 액체로 응축되며 기공성 라이닝 (porous lining) 내에서의 모세관 작용을 통해서 제 1 단부로 돌아간다. 열 전달 파이프들 (173) 각각은 그의 하부 단부가 응축 측이 되고 그의 상부 단부가 기화 측이 되도록 베이스 플레이트 내에 장착된다. 열 전달 파이프들 (173) 내에서의 유체의 기화 및 응축은 유체이 중력 성향을 극복하도록 모세관 작용을 통해서 동작하며 이로써 베이스 플레이트 (170) 의 상부 표면 내의 적어도 하나의 열전 모듈과 유체 채널들 (171) 간의 열 전달을 증가시킨다. 유체는 베이스 플레이트 (170) 가 대기 온도에서 동작하고 있을 때에는 물 등이며, 또는 유체는 베이스 플레이트 (170) 가 약 0 ℃ 보다 낮은 온도에서 동작하고 있을 때에는 암모니아, 에탄올 등일 수 있다. 열 전달 파이프의 세부사항은 미국 특허 공개 번호 2006/0207750에 기술되며, 이는 본 명세서에서 참조로서 인용된다. 바람직하게는, 베이스 플레이트 (170) 는 열 전달 파이프들 (173) 의 어레이를 포함하며, 열 전달 파이프들 (173) 의 개수 및 배열은 열 전달 파이프들 (173) 각각의 개별 냉각 능력에 기초한다. 도 6a에 예시된 바와 같이, 열 전달 파이프들 (173) 은 유체 채널들 (171) 간에 배치되며, 열 전달 파이프들 (173) 의 각 응축 측 (173a) 은 각 유체 채널 (171) 의 약 중간 지점에 위치한다. 도 6b에 예시된 바와 같은 다른 실시예에서, 열 전달 파이프들 (173) 은 유체 채널들 (171) 위에 배치된다. 바람직하게는, 베이스 플레이트 (170) 는 열전 제어 시스템의 상부 측 상의 히트 부하를 제어하도록 전력 요구치에 대한 절감을 지원한다.
도 6c는 온도 제어형 기판 지지 어셈블리 (100) 의 베이스 플레이트 (170) 의 다른 실시예를 예시한다. 베이스 플레이트 (170) 는 바람직하게는 유체 채널들 (171) 및 열 전달 파이프들 (173) 을 포함하는 전기 도전성 냉각 플레이트 (185a) 를 포함하며, 열 전달 파이프들 (173) 각각의 상부 표면은 전기 도전성 냉각 플레이트 (185a) 의 상부 표면과 동일한 면에 있다. 전기 도전성 가열 플레이트 (185b) 가 전기 도전성 냉각 플레이트 (185a) 위에 배치되며, 전기 도전성 열전 플레이트 (185c) 가 전기 도전성 가열 플레이트 (185b) 위에 배치된다. 전기 도전성 가열 플레이트 (185b) 는 바람직하게는 알루미늄 또는 유사 재료로부터 형성되며 전기 도전성 냉각 플레이트 (185a) 와 전기 도전성 열전 플레이트 (185c) 간의 열을 균일하게 분배하도록 구성된다. 전기 도전성 열전 플레이트 (185c) 는 단일 캐비티 (142) 내에 배치되며 캐비티 (142) 는 대기 압력으로 유지된다. 캐비티 (142) 는 바람직하게는 전기 도전성 열전 플레이트 (185c) 의 외연 근방에 위치한 원통형 벽 (50) 에 의해서 규정된다. 바람직하게는, 상향 연장된 보스들 (55) 이 캐비티 (142) 내에 위치하며, 상부 절연성 층이 상기 상향 연장된 보스들 (55) 및 원통형 벽 (50) 에 의해서 지지되며 이로써 그 상에 진공 시일을 형성하게 된다. 바람직하게는, 상향 연장된 보스들 (55) 은 리프트 핀들을 지지하고/하거나 후방측 헬륨 가스 공급을 위해서 구성되는 개구들 (165) 을 갖는다. 적어도 하나의 열전 모듈 (140) 이 전기 도전성 열전 플레이트 (thermoelectric plate) (185c) 의 상부 표면 내의 캐비티 (142) 내에 배열되며, 캐비티 (142) 는 전기 도전성 열전 플레이트 (thermoelectric plate) (185c) 의 하단에 형성된 개구를 통해서 대기에 개방된다.
도 6d는 온도 제어형 기판 지지 어셈블리 (100) 의 베이스 플레이트 (170) 의 다른 실시예들을 예시하며, 여기서 베이스 플레이트 (170) 는 열 전달 파이프들 (173) 을 포함한다. 베이스 플레이트 (170) 는 열전 모듈 (140) 을 하우징하도록 그의 상부 표면 내에 단일 캐비티 (142) 를 포함하며, 캐비티 (142) 는 베이스 플레이트 (170) 의 외연 근방에 위치한 원통형 벽 (50) 에 의해서 규정된다. 열 전달 시트 (508) 가 캐비티 (142) 의 하부 표면 상에 위치한다. 각 열 전달 파이프 (173) 의 각 기화 측은 열 전달 시트 (508) 에 부착되며, 열 전달 시트 (508) 는 각 열 전달 파이프 (173) 의 유효 표면적을 확장시키고 이로써 열전 모듈 (140) 과 유체 채널 (171) 간의 열 전달을 증진시킨다. 열 전달 시트 (508) 는 고 열 전도도를 가지며 바람직하게는 알루미늄, 구리, 열분해 흑연, 또는 알루미늄 코팅된 열분해 흑연으로부터 형성된다. 일 실시예에서, 열 전달 시트 (508) 는, 열 전달 시트 (508) 의 각 세그먼트가 각각의 열 전달 파이프 (173) 에 부착되거나 이와 달리 열 전달 시트 (508) 의 각 세그먼트가 열 전달 파이프들 (173) 의 그룹에 부착되게, 세그먼트화될 수 있다.
제어기 (195) 는 전원 (180) 에 의해서 공급되는 전류들을 제어하는데 사용된다. 제어기는 기판의 온도 분포에 관한 통계적 데이터에 기초하여서 전류들을 제어한다. 이 경우에, 제어기는 미리 설정된 일정한 전류들을 공급하게 전류를 제어한다. 이와 달리, 제어기는 기판의 프로세싱 동안에 획득된 감지된 온도 정보에 응답하여서 전류들을 제어할 수 있다. 감지된 온도 정보는 하나 이상의 써모커플들 또는 적외선 카메라와 같은 센서 (190) 로부터 획득된다. 센서들 (190) 은 프로세싱 동안에 기판 표면에 걸쳐서 온도를 감지한다. 감지된 온도 정보에 기초하여서, 제어기 (195) 는 전원에 의해서 열전 모듈 (140) 에 공급된 전류의 전력 및 방향을 조절하며 이로써 실시간 기판 온도 제어를 제공한다.
본 명세서에서 반도체 프로세싱 장치에서 기판을 프로세싱하는 방법이 더 개시되며, 기판은 진공 프로세싱 챔버 내의 온도 제어형 기판 지지 어셈블리의 상단 플레이트 상에서 지지된다. 이 방법은 기판을 프로세싱하는 동안에 상기 상단 플레이트와 열 전달 접촉하는 상기 적어도 하나의 열전 모듈에 전류를 공급함으로써 상단 플레이트의 각각의 부분들의 온도들을 제어하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 프로세스는 상기 상단 플레이의 표면에 걸쳐서 온도를 제어하고 상기 기판에 걸친 목표 온도 분포를 제공하도록 상기 적어도 하나의 열전 모듈에 공급된 상기 전류를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명은 본 발명의 사상 또는 본질적 특성을 벗어나지 않고서 다른 특정 형태로 실현될 수 있음이 본 기술 분야의 당업자에게 이해될 것이다. 따라서, 본 개시된 실시예들은 예시적으로 해석되어야지 한정적으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 범위는 전술한 설명보다는 다음의 청구항들에 의해서 표시되며, 이러한 의미에 속하는 모든 변경들 및 이의 균등 범위들은 본 발명의 범위 내에 포함되어야 한다.

Claims (20)

  1. 반도체 프로세싱 장치의 진공 챔버에서 기판을 프로세싱하기 위한 온도 제어형 기판 지지 어셈블리 (temperature controlled substrate support assembly) 로서,
    상기 기판을 지지하도록 구성된 상단 플레이트;
    상기 상단 플레이트 아래에 배치된 베이스 플레이트로서, 상기 베이스 플레이트는 상기 베이스 플레이트의 상부 표면 내에 캐비티 (cavity) 를 포함하는, 상기 베이스 플레이트;
    상기 캐비티를 봉입하며 (enclosing) 상기 상단 플레이트와 상기 베이스 플레이트 간에 배치된 커버 플레이트; 및
    상기 베이스 플레이트의 상기 상부 표면 내의 상기 캐비티 내에 있는 적어도 하나의 열전 모듈 (thermoeletric module) 로서, 상기 적어도 하나의 열전 모듈은 상기 상단 플레이트와 상기 베이스 플레이트와 열적 접촉하며 상기 적어도 하나의 열전 모듈은 대기 압력으로 유지되는, 상기 적어도 하나의 열전 모듈을 포함하는,
    기판 지지 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (a) 상기 적어도 하나의 열전 모듈은 전기적으로 접촉하며 펠티에 효과 (Peltier effect) 에 따라서 동작하는 교번하는 p-타입 반도체 소자와 n-타입 반도체 소자를 포함하며;
    (b) 상향 연장된 보스들 (bosses) 이 상기 베이스 플레이트의 상기 상부 표면 내의 상기 캐비티 내에 위치하며; 및/또는
    (c) 전기 절연성 층들이 상기 적어도 하나의 열전 모듈의 각각의 상부 표면 및 하부 표면을 피복하는,
    기판 지지 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    (a) 상기 적어도 하나의 열전 모듈의 상부 표면 및 하부 표면 상의 상기 전기 절연성 층들은 상기 커버 플레이트 및 상기 베이스 플레이트에 접착제를 사용하여서 본딩되며,
    (b) 상기 적어도 하나의 열전 모듈의 상기 상부 표면 상의 상기 전기 절연성 층은 상기 상향 연장된 보스들 및 상기 베이스 플레이트의 상부 표면 상의 외측 벽과 진공 시일 (seal) 을 형성하고; 및/또는
    (c) 상기 베이스 플레이트의 각 상향 연장 보스는 리프트 핀을 수용하고/하거나 상기 상단 플레이트의 표면으로 후방측 헬륨 가스를 전달하도록 구성된 수직 연장된 구멍을 포함하는,
    기판 지지 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    (a) 상기 상단 플레이트는 유전체 재료 층 내에 내장된 적어도 하나의 정전 전극을 갖는 정전 척을 포함하며; 및/또는
    (b) 상기 베이스 플레이트는 온도 제어형 유체가 순환하는 유체 채널들을 포함하는,
    기판 지지 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열전 모듈의 하부 표면은 솔더 또는 저융점 합금을 사용하여서 상기 베이스 플레이트 내의 상기 캐비티의 상부 표면에 본딩되는,
    기판 지지 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    적어도 2 개의 열전 모듈들이 상기 캐비티 내의 각 열전 모듈이 상기 상단 플레이트 상의 각각의 온도 제어 존을 형성하도록 상기 캐비티 내에 배열되는,
    기판 지지 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서,
    각 열전 모듈은 상기 상단 플레이트 상의 각각의 온도 제어 존을 형성하며,
    상기 온도 제어 존은 환상 형상, 그리드 형상, 방사상 형상, 방위각 형상, 극상 형상 (polar formation), 또는 비극상 형상 (non-polar formation) 을 형성하는, 하나 이상의 주변 온도 제어 존들을 갖는 중앙 온도 제어 존을 포함하는,
    기판 지지 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 상단 플레이트에 걸친 온도 제어 존들에 대응하는 복수의 센서들을 더 포함하며,
    각 센서는 각각의 온도 제어 존의 온도를 나타내는 신호를 출력하도록 동작가능한,
    기판 지지 어셈블리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    각 센서로부터 신호를 수신하고 각 온도 제어 존에 대한 피드백 제어 루프 또는 설정 포인트에 기초하여서 각 온도 제어 존의 각 열전 모듈에 전달되는 전력을 조절하기 위한 제어기를 더 포함하는,
    기판 지지 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서,
    (a) 상기 커버 플레이트는 내측 커버 플레이트 및 외측 환상 커버 플레이트를 포함하며; 및/또는
    (b) 상기 커버 플레이트는 알루미늄, 구리, 열분해 흑연, 세라믹 재료 또는 알루미늄 코팅된 열분해 흑연으로부터 형성되는,
    기판 지지 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트는 약 0.5 내지 4 밀리미터의 두께를 갖는,
    기판 지지 어셈블리.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트는 상기 베이스 플레이트의 상기 상향 연장된 보스들에 대응하는 하향 연장된 보스들을 포함하며,
    상기 하향 연장된 보스들 및 상기 상향 연장된 보스들은 리프트 핀들을 수용하고/하거나 후방측 헬륨 가스를 전달하도록 구성된 정렬된 구멍들을 가지며,
    상기 상향 연장된 보스들 및 이에 대응하는 상기 하향 연장된 보스들은 상기 온도 제어형 기판 지지 어셈블리 내의 RF 전류 경로를 제공하도록 구성되는,
    기판 지지 어셈블리.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트는 상기 캐비티 내의 상기 적어도 하나의 열전 모듈과 온도 제어형 유체가 순환하는 상기 베이스 플레이트 내의 유체 채널들 간의 열적 전도를 증가시키도록 구성된 열 전달 파이프들을 포함하며,
    (a) 상기 베이스 플레이트는 상기 열 전달 파이프들 위에 그리고 상기 적어도 하나의 열전 모듈 아래에 배치된 열 전달 플레이트를 포함하고; 및/또는
    (b) 상기 베이스 플레이트는 상기 캐비티 내에 배치된 열 전달 시트를 포함하고, 각 열 전달 파이프는 상기 열 전달 시트에 부착된,
    기판 지지 어셈블리.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 열 전달 파이프들은 물, 암모니아 및 에탄올로 구성된 그룹으로부터 선택된 유체를 포함하는,
    기판 지지 어셈블리.
  15. 제 13 항에 있어서,
    (a) 상기 열 전달 플레이트는 구리로 형성되며; 및/또는
    (b) 상기 열 전달 시트는 알루미늄, 구리, 열분해 흑연, 또는 알루미늄 코팅된 열분해 흑연으로 형성된,
    기판 지지 어셈블리.
  16. 플라즈마 프로세싱 동안에 기판의 온도를 제어하기 위한 기판 지지 어셈블리 (substrate support assembly) 를 제조하는 방법으로서,
    적어도 하나의 열전 모듈 (thermoeletric module) 의 하부 표면을 베이스 플레이트의 상부 표면 내의 캐비티 내의 표면에 본딩 (bonding) 하는 단계;
    상기 적어도 하나의 열전 모듈의 상부 표면 상에 포함된 상부 전기 절연성 층의 하부 표면을 상기 베이스 플레이트의 상기 상부 표면 내의 상기 캐비티를 규정하는 원통형 벽에 그리고 상기 캐비티 내의 상향 연장된 보스들 (bosses) 에 본딩 (bonding) 하는 단계로서, 상기 상부 전기 절연성 층의 상기 본딩된 하부 표면은 상기 원통형 벽 및 상기 상향 연장된 보스들과 진공 시일 (vacuum seal) 을 형성하고, 상기 캐비티는 상기 베이스 플레이트의 상기 상부 표면 내의 상기 캐비티의 표면을 통해서 대기에 개방된, 상기 상부 전기 절연성 층의 하부 표면을 본딩하는 단계; 및
    상기 상부 전기 절연성 층의 상부 표면을 커버 플레이트에 본딩하는 단계를 포함하는,
    기판 지지 어셈블리 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    (a) 상기 적어도 하나의 열전 모듈의 하부 표면은 솔더 또는 저융점 합금을 사용하여서 상기 베이스 플레이트의 상부 표면 내의 캐비티 내의 표면에 본딩되며; 및/또는
    (b) 상기 적어도 하나의 열전 모듈의 하부 표면은 하부 전기 절연성 층에 본딩되며, 상기 하부 전기 절연성 층의 하부 표면은 상기 베이스 플레이트의 상부 표면 내의 캐비티 내의 표면에 본딩되는,
    기판 지지 어셈블리 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    (a) 상기 베이스 플레이트의 표면에 수직 구멍들을 드릴링 (driliing) 하며, 상기 베이스 플레이트 내의 각 드릴링된 구멍 내에 열 전달 파이프를 삽입하는 단계로서, 각 열 전달 파이프의 상부 표면이 각 홀이 드릴링된 상기 베이스 플레이트의 상기 표면과 동일한 면에 있는, 상기 드릴링 및 삽입 단계; 및/또는
    (b) 상기 기판 지지 어셈블리 내에 열 전달 플레이트를 설치하는 단계로서, 상기 열 전달 플레이트는 상기 열 전달 파이프들 위에 그리고 상기 적어도 하나의 열전 모듈 아래에 배치되고, 상기 열 전달 플레이트는 복수의 열전 디바이스들 및 상기 열 전달 파이프들 중에 열을 균일하게 분배하도록 구성된, 상기 열 전달 플레이트 설치 단계를 더 포함하는,
    기판 지지 어셈블리 제조 방법.
  19. 제 1 항의 상기 온도 제어형 기판 지지 어셈블리 및 상기 기판 지지 어셈블리를 봉입하는 진공 프로세싱 챔버를 포함하는 반도체 프로세싱 시스템에서 기판을 프로세싱하는 방법으로서,
    상기 상단 플레이트의 표면에 걸쳐서 하나 이상의 존들 (zones) 의 온도를 제어하도록 상기 상단 플레이트와 열 전달 접촉하는 상기 적어도 하나의 열전 모듈에 전류를 공급하는 단계; 및
    상기 상단 플레이의 표면에 걸쳐서 온도를 제어하고 상기 기판의 프로세싱 동안에 상기 기판에 걸친 목표 온도 분포를 제공하도록 상기 적어도 하나의 열전 모듈에 공급된 상기 전류를 제어하는 단계를 포함하는,
    기판 프로세싱 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 상단 플레이트는 상기 상단 플레이트 내에 내장된 적어도 하나의 정전 전극을 더 포함하며,
    상기 기판은 웨이퍼를 포함하며,
    상기 프로세싱은 플라즈마 에칭 또는 화학 기상 증착을 포함하는,
    기판 프로세싱 방법.
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