KR20190020572A - 다공성 레이어가 구비된 정전척 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉각수단으로서 다공성 레이어가 구비된 정전척에 관한 것이다. 상기 정전척은 유전체 본체; 본체 내부에 매립되는 패턴 전극을 포함한다. 이 경우 상기 정전척 상부 표면에 수평하게 배치되어 본체 내부에 매립되는 다공성 레이어를 더 포함하고, 상기 다공성 레이어로 냉매가스의 출입을 위한 제1 통기관이 구비된 것을 특징으로 한다. 상기 정전척은, 정전척 내부에 설치되는 다공성 레이어를 통해 냉매가스를 균일하게 공급하여 정전척 본체를 사전 냉각을 별도로 수행함으로써, 웨이퍼에 대한 냉각 효율 및 균일도가 향상되고, 저전압 운전이 가능하여 수명이 연장될 수 있고, 별도 냉각 장치를 수반하지 않음으로써 장치의 소형화에 유리하다.

Description

다공성 레이어가 구비된 정전척{ELECTROSTATIC CHUCK PROVIDED WITH POROUS LAYER}
본 발명은 전극패턴에 전압을 인가하여 발생되는 정전기력을 이용하여 웨이퍼 또는 기판 등의 피흡착체를 흡착하는 정전척에 관한 것이며, 특히 정전척의 냉각 방식에 관한 것이다.
반도체 제조공정 중 회로의 고집적화 또는 미세가공화 측면에서 패터닝시 웨이퍼 또는 기판 등(이하, '웨이퍼'라 함)의 피흡착체가 정해진 위치에 흡착고정되어 위치결정 정밀도를 향상시키는 것이 중요하고, 웨이퍼에 대한 흡착고정수단으로서 정전기력(electrostatic force)을 이용한 정전척이 채택되고 있다. 이러한 정전척에는 전극타입에 따라 자체에 하나의 전극이 구비된 유니폴라(uni-polar) 정전척과 두 개의 전극을 구비한 바이폴라(bi-polar) 정전척으로 구분될 수 있다.
일반적으로 식각 또는 증착과 같은 반도체 제조공정시 히팅에 의하거나 또는 이온과 같은 반응 입자의 운동에너지가 열에너지로 전환됨으로써 웨이퍼의 온도가 상승되며, 이 경우 웨이퍼의 온도는 공정 속도, 성막 두께 및 균일도 등의 품질과 그에 따른 제품 수율에 영향을 미치는 중요한 공정변수이기 때문에, 웨이퍼의 온도 제어가 필요하다. 이에 따라, 정전척에는 반도체 제조공정 전후에서 웨이퍼의 온도를 낮추기 위한 냉각시스템이 구비되어 있다.
종래 정전척에서, 상부 표면으로 연통되도록 정전척 내부에 냉각 유로를 제공하고, 해당 냉각 유로를 통해 헬륨(He)과 같은 냉매가스를 상부 표면에 장착된 웨퍼의 배면 측으로 단순 도입하여 냉각하는 방식이 알려져 있다. 그러나, 이러한 냉각 방식의 경우 웨이퍼에 대한 충분한 냉각을 위해서는 냉매가스의 유속을 증가시켜 공급되는 냉매가스의 양을 증가시켜야 하지만, 정전기력에 의한 척력 또한 웨이퍼 배면측에 대한 냉매가스 압력의 증분보다 커지도록 고전압을 인가해야 하기 때문에 정전척의 수명이 저하되는 문제가 있다. 또한 냉매가스의 유속이 증가할수록, 증가된 유속 또는 압력 대비 웨이퍼 배면측에서의 냉매가스의 균일한 확산에 필요한 충분한 시간이 확보되기 어려워 웨이퍼 배면에서의 냉각 온도가 불균일해짐으로써 국부 냉각에 따른 또 다른 문제가 발생할 수 있다.
한편 대한민국 공개특허 제10-2005-0021596호에는 정전척 하부에 설치되어 정전척에 가해지는 열부하를 제어할 수 있는 정전척 냉각 베이스에 대해 개시하고 있으나, 냉각 베이스와 같은 별도 장치의 수반하기 때문에 전체 장치가 커지고 과도한 비용은 물론 균일 냉각을 위한 베이스 내 유로 설계가 곤란한 한계가 있다.
이에 따라, 종래 냉각 방식의 경우 별도 장치를 수반하지 않고 정전척 수명을 유지하면서 충분한 냉각 기능을 수행하기에는 한계가 있고, 불충분한 냉각에 따른 웨이퍼 버닝 또는 불균일한 냉각에 따른 열응력으로 인해 웨이퍼가 손상될 수 있어 이에 대한 개선이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2005-0021596호
본 발명의 목적은, 소형 제작이 가능하고, 저전압으로 동작하여 수명이 연장되면서도, 웨이퍼에 대해 균일하고도 충분한 냉각 효율을 도모할 수 있는 정전척을 제공하는 것이다.
본 발명자 등은, 상기 해결과제와 관련된 새로운 구조의 정전척을 개발하는 과정에서, 종래 정전척 냉각시스템에서 불충분한 냉각의 원인이 가열된 정전척 표면이 배출되는 냉매가스를 가열함으로써 냉매가스의 초기 저온 상태가 유지되지 않는 것에 근본적인 원인이 있음을 발견하고, 가열된 정전척 본체에 대한 별도의 추가적인 냉각이 필요함을 지견하였다. 이러한 지견 하에, 별도 부수장치를 수반하지 않고 정전척 본체 내부에서 정전척의 표면에 수평하게 배치되어 제공되는 다공성 레이어를 통해 냉매가스를 균일하게 공급시키는 방안에 착안하고, 이에 관한 기구적 설계를 더욱 구체화함으로써 본 발명에 도달하게 되었다. 상기한 해결과제에 대한 인식 및 지견에 기초한 본 발명의 요지는 아래와 같다.
(1) 유전체 본체; 본체 내부에 매립되는 패턴 전극을 포함하는 정전척에 있어서, 상기 본체 하부에서 상부 표면에 평행하게 배치되어 결합되는 다공성 레이어를 더 포함하고, 상기 다공성 레이어로 냉매가스의 출입을 위한 제1 통기관이 구비된 것을 특징으로 하는 정전척.
(2) 제1항에 있어서, 상기 유전체 본체 하부에 배치되는 베이스를 더 포함하고, 상기 다공성 레이어는 상기 유전체 본체와 베이스 사이에 배치되는 본딩 결합되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 정전척.
(3) 상기 정전척 상부 표면에 냉매가스의 유로를 위한 메사 패턴이 구비되고, 상기 본체 내부를 통과하여 상기 메사 패턴으로 연통되는 제2 통기관이 구비된 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 정전척.
(4) 상기 제2 통기관은 상기 다공성 레이어를 관통하도록 형성되되, 상기 다공성 레이어외 제2 통기관은 차폐되는 것을 특징으로 하는 상기 (3)의 정전척.
(5) 상기 다공성 레이어를 통과하는 제2 통기관 부분에 차폐용 관체가 제공되는 것을 특징으로 하는 상기 (4)의 정전척.
(6) 상기 다공성 레이어를 통과하는 제2 통기관 부분의 내측에 차폐용 박막이 형성된 것을 특징으로 하는 상기 (4)의 정전척.
(7) 상기 다공성 레이어를 통과하는 제2 통기관 부분에 차폐용 본드가 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 (4)의 정전척.
(8) 상기 다공성 레이어는 금속산화물 또는 세라믹인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 정전척.
(9) 상기 다공성 레이어의 기공률은 40 ~ 50 %인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 정전척.
본 발명에 따르면, 정전척 내부에 설치되는 다공성 레이어를 통해 냉매가스를 균일하게 공급하여 정전척 본체에 대해 사전 냉각을 별도로 수행함으로써, 웨이퍼에 대한 냉각 효율 및 균일도가 향상되고, 저전압 운전이 가능하여 수명이 연장될 수 있고, 별도 냉각 장치를 수반하지 않음으로써 장치의 소형화에 유리한 정전척을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 정전척 냉각 시스템의 단면 구조도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 레이어와 차폐용 관체의 분리 사시도.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 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 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에서 설명의 편의 또는 본 발명의 용이한 이해를 위해, 정전척 및 그 구성부품의 형상이나 구조 또는 배치에 대해서는 필요에 따라 과장 또는 확대하여 도시하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정전척(10)의 단면 구조도를 나타낸다. 도 1에서 정전척(10)을 구성하는 부품 요소로서 유전체 본체(100), 다공성 레이어(300 및 베이스(120)은 설명의 편의상 분리되어 도시되었다.
상기 정전척(10)은 유전체 본체(100)와, 본체(100) 내부에 매립되는 패턴 전극(200)을 기본 구성으로 포함하고, 상기 전극(200)에는 외부로부터 전압이 인가된다. 상기 본체(100)를 이루는 유전체는 패턴 전극(200)을 매립 수용함과 동시에 외부 전압 인가에 따라 분극된 각각의 전극(200)을 전기적으로 절연하는 역할을 한다. 이 경우, 상기 유전체의 두께는 전기적 절연을 위한 최소한의 두께를 만족하고 내부 패턴 전극(200)의 원활한 형성과 유전을 유지하기 위해 예컨대 0.2 ~ 0.5 mm인 것이 바람직하다. 이러한 전극(200) 타입은 하나의 전극(200)으로 구성된 유니폴라 타입이거나 (+/-) 두 개의 전극(200)으로 구성된 바이폴라 타입일 수 있다. 상기 유전체 본체(100) 위에 웨이퍼(W)와 같은 피흡착체가 놓여진 상태에서 전압 인가시 정전기력에 따른 척킹력을 제공한다.
본 발명은 상기 웨이퍼(W)에 대한 직·간접적인 냉각을 위해 본체(100) 자체를 사전 냉각하는 것을 특징으로 하며, 이를 위해 상기 정전척(10) 내부에 제공되는 다공성 레이어(300)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 다공성 레이어(300)는 정전척(10)의 반경에 대체로 일치하는 판형을 이루며, 상기 패턴 전극(200)이 매립된 유전체 본체(100)의 하부에서 상부 표면에 평행하게 배치된다.
상기 정전척(10) 내부에 다공성 레이어(300)를 제공하는 형태는, 제작 및 유지보수를 용이하게 하기 위해, 베이스(120)를 더 포함하여 정전척(10)을 구성하고, 다공성 레이어(300)을 유전체 본체(100)와 베이스(120) 사이에 배치한 후 접합력 및 기체 기밀성을 갖는 ESC 실리콘 본드(도면 미도시)를 이용하여 결합되는 것일 수 있다.
상기 다공성 레이어(300)는 다공성 세라믹 등을 이용하여 핫프레스(Hot Press) 또는 고온에서 소결하여 플레이트 형상으로 제조하는 방식 등으로 이루어질 수 있다. 제조된 플레이트 형상의 다공성 레이어(300)에 후술하는 차폐용 관체(620)를 삽입할 수 있도록 홀(310)을 가공한 형태일 수 있고, 차폐용 관체(620)가 홀(310) 내부로 삽입 조립된 상태에서 플레이트 형상의 다공성 레이어(300)를 상하면을 연마 및 평탄화 작업하여 마무리한다.
상기 다공성 레이어(300)의 재질은, 예컨대 알루미나, 이트리아(Y2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화지르코늄 (ZrO2) 등의 다공성 금속산화물 또는 세라믹 재질로부터 선택될 수 있다. 이러한 다공성 금속산화물 또는 세라믹은 템플레이트법, 복제법, 발포법 등을 이용하여 제조될 수 있으며, 그 기공율은 기공 형성제를 첨가하거나 온도를 조절하여 제어될 수 있다.
상기 다공성 레이어(300) 내부의 기공률은 저항에 영향을 미치며, 기공률에 따라 저항이 증가됨으로써 정전척(10) 동작시 누설전류로부터 발생하는 아킹으로 인해 웨이퍼(W)에 대한 손상이 방지될 수 있다. 한편, 기공률이 클수로 유동 저항이 줄어들어 냉매가스의 신속하고 원활한 확산을 도모할 수 있으나, 기공률이 과도하게 크면 다공성 레이어(300) 기계적 강도가 떨어질 수 있어 바람직하지 않다. 이러한 측면에서 다공성 레이어(300)의 기공률은 정전척(10)의 저항 수준인 106~108 Ω을 고려하여 40 ~ 50 %가 바람직하다.
상기 다공성 레이어(300)로 냉매가스의 출입을 위한 제1 통기관(400)이 제공되며, 본체(100) 내부에서의 제1 통기관(400)은 본체(100) 자체를 가공하는 형태로 제공될 수 있다. 제1 통기관(400)은 급기관(401) 및 배기관(402) 형태로 제공되어 상기 다공성 레이어(300)에만 연통되도록 구성되며, 실시예에서와 같이 제1 통기관(400)이 본체(100) 하부로부터 도입되는 경우 다공성 레이어(300) 하단에서 제1 통기관(400)의 입구 및 출구가 형성된다. 이러한 제1 통기관(400)의 급기관(401) 및 배기관(402)은 다공성 레이어(300) 내부에서 냉각가스의 신속하고 균일한 확산을 위해 복수로 제공될 수 있다. 도면 도시에 불구하고 제1 통기관(400)과 다공성 레이어(300)를 통한 냉매가스는 순환방식으로 제어될 수 있다. 제1 통기관(400)으로의 냉매가스의 급기 및 배기 제어는 유량조절기(700A)에 의해 수행된다.
상기 다공성 레이어(300)와 제1 통기관(400)에 의한 냉매가스 순환계는 본체(100)에 대한 냉각을 수행하며, 이러한 본체(100) 냉각에 의해 정전척(10) 상부 표면에 장착된 웨이퍼(W)를 직접적으로 냉각함과 동시에 후술하는 바와 같이 웨이퍼(W) 배면측으로 도입되는 냉매가스의 초기 저온 상태를 유지토록 하여 웨이퍼(W) 냉각 효율을 전체적으로 극대화하는 역할을 한다.
상기 웨이퍼(W)에 대한 또 다른 직접적인 냉각 수단으로서, 상기 정전척(10) 상부 표면에 냉매가스의 유로를 형성하기 위한 메사 패턴(500)이 구비되고, 메사 패턴(500)의 골(510) 바닥부에는 상기 본체(100) 내부를 통과하여 연통되는 제2 통기관(600)이 구비된다. 이 경우, 본체(100) 내부에서의 제2 통기관(600)은 상기 제1 통기관(400)과 마찬가지로 본체(100) 자체를 가공하는 형태로 제공될 수 있다.
상기 메사 패턴(500)은 정전척(10) 표면에서 골(510) 형상으로 가공되며 연속되어 있다. 메사 패턴(500)의 개방부가 장착된 웨이퍼(W)의 하부면으로 커버됨으로써 메사 패턴(500)의 골(510) 사이로 연속된 유로가 형성되고, 제2 통기관(600)을 통해 공급된 냉각가스는 유로를 따라 웨이퍼(W)의 배면 측으로 확산 접촉하게 된다. 냉각과정에서 제2 통기관(600)을 통해 공급되는 냉매가스의 압력은 패턴 전극(200)의 웨이퍼(W)에 대한 정전기적 척력을 초과하지 않는 범위 내에서 선택된다. 이에 따라 저전압 운전시 정전기적 척력이 작기 때문에 제2 통기관(600)을 통한 냉매가스의 유속도 낮게 하여야 한다. 제2 통기관(600)으로의 냉매가스의 급기 제어는 유량조절기(700B)에 의해 수행된다.
한편, 상기 제2 통기관(600)을 통해 메사 패턴(500)으로 공급되는 냉매가스는 상기 제1 통기관(400)을 통해 다공성 레이어(300)로 공급되는 냉매가스와는 별도로 제공되며, 양자간 냉매가스의 순환계는 서로 독립적이고 분리되어야 한다. 특히, 제2 통기관(600)이 본체(100) 하부로부터 도입되는 경우 제2 통기관(600)은 판상의 다공성 레이어(300)를 관통해야 하기 때문에 제2 통기관(600)으로부터 냉매가스가 다공성 레이어(300)로 확산되어 압력 손실이 발생함으로써 메사 패턴(500)의 유로로 충분한 냉각가스가 공급되지 않는 것을 방지하기 위해서는, 제2 통기관(600)과 다공성 레이어(300) 상호간에는 기체 기밀이 이루어져야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 레이어(300)와 차폐용 관체(620)의 분리 사시도를 나타낸다. 다공성 레이어(300)의 소정 부위에는 본체(100) 내부에 형성되는 제2 통기관(600)과 연통되어 냉매가스의 유로를 형성하는 홀(310)이 가공되어 있다. 이 경우 홀(310)은 상기 다공성 레이어(300)를 통과하는 제2 통기관(600)의 일부로 볼 수 있다. 홀(310) 내부에는 차폐용 관체(620)가 제공되며, 차폐용 관체(620)는 제2 통기관(600)을 통해 공급되는 냉매가스가 다공성 레이어(300)로 확산하는 것을 방지한다. 차폐용 관체(620)는 기체 배리어성을 갖는다면 그 재질은 특별히 제한되지 않는다. 차폐용 관체(620)와 다공성 레이어(300)의 홀(310) 내부에서의 견고한 고정을 위해 필요시 상기 차폐용 관체(620)는 ESC 실리콘 본드를 사용하여 접합될 수 있다.
선택적으로, 제2 통기관(600)과 다공성 레이어(300) 상호간의 기체 기밀은 별도 부재로서 차폐용 관체(620)를 설치하는 대신에, 도 2의 다공성 레이어(300)의 홀(310) 내부에 차폐용 박막(도면 미도시)을 형성하거나 또는 ESC 실리콘 본드와 같은 차폐용 본드(도면 미도시)만으로 피복 마감하여 기체 배리어성을 부여할 수 있다. 차폐용 박막의 경우 다공성 배리어의 홀(310) 내벽면을 부분 멜팅 후 응고하여 유리막을 형성하거나 또는 다른 재질의 박막층을 도금 등으로 형성하는 방식일 수 있다.
한편, 상기 다공성 레이어(300)의 측면이 노출되는 경우, 그 노출된 측면은 ESC 실리콘 본드와 같은 측면 차폐수단(630)을 이용하여 차폐함으로써, 상기 제1 통기관(400)을 통해 유입된 냉매가스가 외부로 누설되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 정전척(10) 내부에 설치되는 다공성 레이어(300)를 통해 냉매가스를 균일하게 공급하여 본체(100)를 냉각을 사전에 별도로 수행함으로써, 웨이퍼(W)에 대한 냉각 효율 및 균일도가 향상될 수 있다. 또한 본체(100)에 대한 사전 냉각을 통해 웨이퍼(W) 배면측으로 직접 도입되는 냉매가스를 상대적으로 저압으로 하여도 충분한 냉각이 가능하기 때문에, 정전기력에 의한 웨이퍼(W) 척력 유지에 필요한 전압도 상대적으로 낮게 유지함으로써 정전척(10) 수명이 연장될 수 있고, 별도 냉각 장치를 수반하지 않음으로써 장치의 소형화에 유리하다.
결과적으로, 정전척(10)이 별도 냉각 장치를 수반하지 않고 저전압으로 운전되어 웨이퍼(W) 배면 측으로 소량의 냉매가스가 공급되는 경우라도, 냉각된 본체(100)에 의한 웨이퍼(W) 냉각과 함께 웨이퍼(W) 배면으로 공급되는 냉매가스의 초기 저온 상태가 효과적으로 유지되어 냉각 효율이 향상될 수 있고, 웨이퍼(W) 배면 측으로 냉매가스의 저속 유입이 가능하여 확산에 필요한 충분한 시간이 확보될 수 있어 냉각 균일도도 동시에 향상될 수 있다.
이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항으로서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.
10: 정전척
100: 유전체 본체 120: 베이스
200: 전극 300: 다공성 레이어
310: 홀
400, 401, 402: 제1 통기관
500: 메사 패턴 510: 골
600: 제2 통기관 620: 차폐용 관체
630: 측면 차폐수단
700A, 700B: 유량 조절기
W: 웨이퍼

Claims (9)

  1. 유전체 본체; 본체 내부에 매립되는 패턴 전극을 포함하는 정전척에 있어서, 상기 본체 하부에서 상부 표면에 평행하게 배치되어 결합되는 다공성 레이어를 더 포함하고, 상기 다공성 레이어로 냉매가스의 출입을 위한 제1 통기관이 구비된 것을 특징으로 하는 정전척.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유전체 본체 하부에 배치되는 베이스를 더 포함하고, 상기 다공성 레이어는 상기 유전체 본체와 베이스 사이에 배치되는 본딩 결합되는 것을 특징으로 하는 정전척.
  3. 제1항에 있어서, 상기 정전척 상부 표면에 냉매가스의 유로를 위한 메사 패턴이 구비되고, 상기 본체 내부를 통과하여 상기 메사 패턴으로 연통되는 제2 통기관이 구비된 것을 특징으로 하는 정전척.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 통기관은 상기 다공성 레이어를 관통하도록 형성되되, 상기 다공성 레이어외 제2 통기관은 차폐되는 것을 특징으로 하는 정전척.
  5. 제4항에 있어서, 상기 다공성 레이어를 통과하는 제2 통기관 부분에 차폐용 관체가 제공되는 것을 특징으로 하는 정전척.
  6. 제4항에 있어서, 상기 다공성 레이어를 통과하는 제2 통기관 부분의 내측에 차폐용 박막이 형성된 것을 특징으로 하는 정전척.
  7. 제4항에 있어서, 상기 다공성 레이어를 통과하는 제2 통기관 부분에 차폐용 본드가 형성되는 것을 특징으로 하는 정전척.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 다공성 레이어는 금속산화물 또는 세라믹인 것을 특징으로 하는 정전척.
  9. 제1항에 있어서, 상기 다공성 레이어의 기공률은 40 ~ 50 %인 것을 특징으로 하는 정전척.
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