WO2023063474A1 - 극저온 정전척 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

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conduction control
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cryogenic
electrostatic chuck
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권기청
권희태
김지환
김우재
방인영
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광운대학교 산학협력단
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    • H02N13/00—Clutches or holding devices using electrostatic attraction, e.g. using Johnson-Rahbek effect

Definitions

  • the present invention relates to a cryogenic electrostatic chuck system and a control method thereof, and more particularly, to a system and a control method for an electrostatic chuck (ESC) used in a semiconductor manufacturing process.
  • ESC electrostatic chuck
  • an electrostatic chuck is used in semiconductor etching manufacturing process equipment.
  • the aspect ratio of the substrate in the semiconductor etching manufacturing process is steadily increasing to a high aspect ratio.
  • a conventional electrostatic chuck has a coefficient of thermal expansion (CTE) of about 8*10 -6 /°C of alumina (Alumina, Al 2 O 3 ) or a coefficient of thermal expansion of about 4*10 -6 Chuck Ceramic made of a dielectric material such as aluminum nitride (AlN) at /°C and a chuck body made of Aluminum (Al) with a thermal expansion coefficient of about 24*10 -6 /°C ) is composed of
  • the expansion/contraction rate of aluminum (Al) is about 3 times faster than that of alumina (Al 2 O 3 ), so breakage of the conventional electrostatic chuck occurs.
  • the conventional electrostatic chuck uses a device such as a cryogenic chiller to achieve temperature uniformity and temperature of the substrate and the electrostatic chuck in a cryogenic range. Even if a manufacturing process (eg, an etching process) is performed by achieving temperature and temperature uniformity of the substrate and the electrostatic chuck in the cryogenic range using a device such as a cryogenic chiller, the transfer or loading of the substrate for the next manufacturing process need. That is, when transferring the substrate, the temperature and temperature uniformity of the substrate and the electrostatic chuck in the cryogenic range should return to the normal temperature range.
  • a manufacturing process eg, an etching process
  • substrate transfer requires temperature control at a short distance from the electrostatic chuck rather than temperature control using an existing cryogenic chiller or the like located far from the electrostatic chuck.
  • problems such as bowing, clogging, and the like, etc., occur.
  • a cryogenic etch technology is currently being developed.
  • the thermal expansion coefficient of the chuck body is much higher than that of the chuck ceramic in the conventional electrostatic chuck composed of a chuck ceramic and a chuck body.
  • the electrostatic chuck is destroyed.
  • problems such as peeling off of the chuck ceramic from the chuck body and destruction of the chuck ceramic occur.
  • an electrostatic chuck technology capable of maintaining and controlling the cryogenic temperature and temperature uniformity of a substrate is required in order to perform a sound cryogenic etching process of an object to be etched.
  • An object of the present invention is to provide a cryogenic electrostatic chuck system and a control method thereof capable of performing a cryogenic process of a substrate, such as a cryogenic etching process and a cryogenic deposition process, even in a cryogenic range. there is.
  • a cryogenic electrostatic chuck device includes a substrate holding unit for fixing a substrate by electrostatic force; and a pressure formed from a thermal conduction regulating gas disposed under the substrate holding portion, made of a metal-based material determined based on a coefficient of thermal expansion (CTE) of the substrate holding portion, and supplied by a regulating gas supply portion.
  • the heat conduction control channel includes a plurality of heat conduction control sub-channels, and the heat conduction control gas is supplied to the plurality of heat conduction control sub-channels by the control gas supply unit, based on pressure formed by the heat conduction control gas. Thermal conductivity may be adjusted for each conduction control subchannel.
  • the heat conduction control channel may include the plurality of heat conduction control sub-channels spaced apart from each other through a barrier rib, and the heat conduction control gas may be supplied to each heat conduction control sub-channel by the control gas supply unit. .
  • the heat conduction control channel includes a first heat conduction control sub-channel and a second heat conduction control sub-channel spaced apart from each other through a barrier rib, wherein the first heat conduction control sub-channel has a donut shape,
  • the second heat conduction control subchannel may have a circular shape spaced apart from the inside of the first heat conduction control subchannel through the barrier rib.
  • the diameter of the first heat conduction control sub-channel may be between 200 mm and 330 mm
  • the diameter of the second heat conduction control sub-channel may be between 150 mm and 250 mm
  • the diameter of the barrier rib may be between 1 mm and 10 mm. there is.
  • the heat conduction control channel may include a plurality of heat conduction control sub-channels having different thicknesses.
  • the heat conduction control channel includes a first heat conduction control sub-channel and a second heat conduction control sub-channel spaced apart from each other through a barrier rib, wherein the first heat conduction control sub-channel has a donut shape,
  • the second heat conduction control sub-channel may have a thickness greater than that of the first heat conduction control sub-channel and have a circular shape spaced apart from the inside of the first heat conduction control sub-channel through the barrier rib.
  • the heat conduction control channel may include the plurality of heat conduction control sub-channels connected to each other through orifice-shaped connection tubes.
  • the heat conduction control channel may include a first heat conduction control sub-channel disposed above the refrigerant channel and a first heat conduction control sub-channel extending from an outer end of the first heat conduction control sub-channel in the direction of the refrigerant channel to be spaced apart from the outside of the refrigerant channel. 2 heat conduction control sub-channels may be included.
  • the diameter of the substrate holding part may be equal to or smaller than the diameter of the substrate, and the diameter of the body part may be equal to or larger than the diameter of the substrate.
  • an upper bonding portion positioned between the substrate holding portion and the body portion to bond the substrate holding portion and the body portion; and a lower bonding portion positioned below the body portion and joined to the body portion.
  • the metal-based material may be a metal matrix composite (MMC) that is one of Al-SiC and Al-Si.
  • MMC metal matrix composite
  • a control method of a cryogenic electrostatic chuck device includes a substrate holding unit for fixing a substrate by electrostatic force; and a pressure formed from a thermal conduction regulating gas disposed under the substrate holding portion, made of a metal-based material determined based on a coefficient of thermal expansion (CTE) of the substrate holding portion, and supplied by a regulating gas supply portion.
  • CTE coefficient of thermal expansion
  • a control method of a cryogenic electrostatic chuck device comprising: a body portion including a heat conduction control channel whose thermal conductivity is controlled based on a temperature of the substrate holding part, temperature uniformity of the substrate holding part, and measuring temperature and temperature uniformity over the heat conduction control channel; and adjusting the amount and/or pressure of the heat conduction control gas supplied to the heat conduction control channel by the control gas supply unit based on the pressure-dependent heat conductivity graph, the target temperature, and the target temperature uniformity. do.
  • substrate cryogenic processes such as a cryogenic etching process and a cryogenic deposition process can be performed even in a cryogenic temperature range.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a cryogenic electrostatic chuck system according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram for explaining detailed configurations of the cryogenic electrostatic chuck shown in FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a view for explaining a first embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a view for explaining a second embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2 .
  • FIG. 5 is a view for explaining a third embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2 .
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a fourth embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2 .
  • FIG. 7 is a view for explaining a fifth embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2 .
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a sixth embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2 .
  • FIG. 9 is a view for explaining a seventh embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2 .
  • FIG. 10 is a diagram for explaining another example of an RF power supply configuration of the cryogenic electrostatic chuck shown in FIG. 2 .
  • FIG. 11 is a diagram for explaining another example of an RF power supply configuration of the cryogenic electrostatic chuck shown in FIG. 2 .
  • FIG. 12 is a diagram for explaining another example of an RF power supply configuration of the cryogenic electrostatic chuck shown in FIG. 2 .
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a control method of a cryogenic electrostatic chuck device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • first and second are used to distinguish one component from another component, and the scope of rights should not be limited by these terms.
  • a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element.
  • identification codes eg, a, b, c, etc.
  • identification codes do not describe the order of each step, and each step is clearly Unless a specific order is specified, it may occur in a different order from the specified order. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
  • ' ⁇ unit' means software or a hardware component such as a field-programmable gate array (FPGA) or ASIC, and ' ⁇ unit' performs certain roles.
  • ' ⁇ part' is not limited to software or hardware.
  • ' ⁇ bu' may be configured to be in an addressable storage medium and may be configured to reproduce one or more processors. Therefore, as an example, ' ⁇ unit' refers to components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, properties, and procedures. , subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data structures and variables. Functions provided within components and ' ⁇ units' may be combined into smaller numbers of components and ' ⁇ units' or further separated into additional components and ' ⁇ units'.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a cryogenic electrostatic chuck system according to a preferred embodiment of the present invention.
  • a cryogenic electrostatic chuck system 10 can perform a cryogenic process of a substrate 200, such as a cryogenic etching process and a cryogenic deposition process, even in a cryogenic range. It is about an electrostatic chuck system that can be performed.
  • cryogenic range according to the present invention is -20 ° C to -150 ° C, preferably -40 ° C to -150 ° C.
  • the cryogenic electrostatic chuck system 10 is a conventional electrostatic chuck as a chuck body material for sound electrostatic chuck (ESC) operation (eg, prevention of electrostatic chuck destruction, etc.) in the cryogenic temperature range.
  • ESC sound electrostatic chuck
  • a low coefficient of thermal expansion e.g., close to or less than the coefficient of thermal expansion (CTE) of chuck ceramic, rather than aluminum (Al) used as the chuck body material.
  • CTE coefficient of thermal expansion
  • Al aluminum
  • cryogenic electrostatic chuck system 10 improves productivity (eg, substrate transfer, etc.) and performs a sound cryogenic etching process of a substrate temperature and temperature uniformity.
  • productivity eg, substrate transfer, etc.
  • a sound cryogenic etching process of a substrate temperature and temperature uniformity may include a heat conduction adjusting configuration made of a metal-based material in the chuck body to maintain and control.
  • a cryogenic process (eg, a cryogenic etching process, a cryogenic deposition process, etc.) may be performed on the substrate 200 in a semiconductor manufacturing process using the cryogenic electrostatic chuck system 10 according to the present invention.
  • a cryogenic etching process using the present invention, an ideal vertical etch profile can be implemented when etching an object to be etched with a high aspect ratio.
  • the cryogenic electrostatic chuck system 10 may include a cryogenic electrostatic chuck device 100 , a chamber 300 , a plasma supply device 400 and a processing gas supply device 500 .
  • the cryogenic electrostatic chuck device 100 may fix and support the position of the substrate 200 by electrostatic force and control the temperature and temperature uniformity of the substrate 200 .
  • the diameter of the substrate may be 200mm, 300mm, etc.
  • the substrate includes Wafer, Glass, and the like.
  • the cryogenic electrostatic chuck device 100 is a metal-based chuck body material having a low thermal expansion coefficient characteristic close to or less than that of the chuck ceramic for sound electrostatic chuck operation in the cryogenic temperature range. material is available.
  • cryogenic electrostatic chuck apparatus 100 can maintain and control the temperature and temperature uniformity of the substrate 200 in order to improve productivity and perform a cryogenic etching process on a sound object to be etched, so as to maintain and control a metal-based material in the chuck body. It may include a heat conduction control configuration consisting of.
  • the chamber 300 isolates the cryogenic electrostatic chuck device 100 from an external environment (eg, an atmospheric pressure environment) to create a vacuum (eg, 10 mTorr, 10 ⁇ 6 Torr, etc.) environment for the processing area 600 . can do.
  • an external environment eg, an atmospheric pressure environment
  • a vacuum eg, 10 mTorr, 10 ⁇ 6 Torr, etc.
  • the chamber 300 may include an opening formed at a portion coupled to the pumping connection 310 and the plasma supply device 400, which is a portion connected to a vacuum system (not shown). . Sizes of openings coupled to the pumping connector 310 and the plasma supply device 400 may be different from each other.
  • the vacuum system connected to the pumping connection 310 may include a high vacuum pump such as a turbo-molecular pump, a low vacuum pump such as a dry pump, and various valves.
  • a high vacuum pump such as a turbo-molecular pump
  • a low vacuum pump such as a dry pump
  • the plasma supply device 400 is coupled to an opening formed in the chamber 300, and a reactive ion etching (RIE) device such as a capacitively coupled plasma (CCP) source in the form of a plate, It may be an Inductively Coupled Plasma (ICP) source in the form of a coil-based antenna (Antenna), an Electron Cyclotron Resonance (ECR), or the like.
  • RIE reactive ion etching
  • the processing gas supply device 500 is combined with the plasma supply device 400 to inject processing gas or processing gas through an inlet formed in the form of a nozzle or a showerhead. .
  • the processing gas supply device 500 may be configured as a single zone or a multi-zone to uniformly inject the processing gas or process gas into the processing region 600 .
  • the process gas supply device 500 may be configured with a process gas such as a gas cylinder, a gas cabinet, or a source of process gas, an integrated gas system, and the like.
  • FIG. 2 is a block diagram for explaining detailed configurations of the cryogenic electrostatic chuck shown in FIG. 1 .
  • the cryogenic electrostatic chuck device 100 includes a substrate holding part 110, an upper junction part 130, a body part 140, a lower junction part 160, and a controller (shown). not) may be included.
  • the substrate holding unit 110 may fix the substrate 200 by electrostatic force.
  • the substrate holding unit 110 may fix the position of the substrate 200 and support the substrate 200 using electrical power, and at the same time control the temperature and temperature uniformity of the substrate 200 .
  • the substrate holding part 110 may be made of a dielectric material.
  • the dielectric material may be alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), or the like.
  • the electric force may be classified into Coulomb force, Johnson-Rahbek force, and the like according to the volume resistivity of the substrate holding part 110 made of a dielectric material.
  • the resistivity value is 10 16 ⁇ cm or 10 14 ⁇ cm or more
  • direct current (DC) or alternating current (AC) power is applied to the chucking electrode 111 through the chucking power supply 112
  • the substrate holding unit 110 may fix the position of the substrate 200 and support the substrate 200 with Coulomb force generated due to a voltage drop in the dielectric material.
  • the surface roughness (Ra) of the surface of the substrate holding part 110 in contact with the substrate 200 is 10 12 ⁇ cm Or, it has a smaller value (eg, 0.3 ⁇ m, etc.) than the case of 10 10 ⁇ cm or less.
  • the resistivity value is less than 10 12 ⁇ cm or 10 10 ⁇ cm
  • the substrate holding unit 110 200 when DC or AC power is applied to the chucking electrode 111 through the chucking power supply 112, the substrate holding unit 110 200), the position of the substrate 200 may be fixed and the substrate 200 may be supported by the Johnson-Rabek force generated by the gap voltage except for the surface of the dielectric material in contact with the substrate 200.
  • the resistivity value is 10 12 ⁇ cm or less than 10 10 ⁇ cm
  • the surface roughness of the surface of the substrate holding part 110 in contact with the substrate 200 has a resistivity value of 10 16 ⁇ cm or 10 14 ⁇ cm. In the case of cm or more, it has a larger value (eg, 0.7 ⁇ m, etc.).
  • the resistivity value is between 10 16 ⁇ cm or 10 14 ⁇ cm and 10 12 ⁇ cm or 10 10 ⁇ cm, for fixing the position of the substrate 200 and supporting the substrate 200
  • the force is a mixture of the Coulomb force and the Johnson-Rabbek force described above.
  • the substrate holding unit 110 considers the change in resistivity of the substrate holding unit 110 when the temperature changes, so that the room temperature reference resistivity value is in the low resistance range (10 12 ⁇ cm). Or 10 10 ⁇ cm or less) may have a specific resistance value.
  • the diameter of the substrate holding part 110 may be equal to or smaller than the diameter of the substrate 200 .
  • the diameter of the substrate holding part 110 may be smaller than that of the substrate 200 .
  • the diameter of the substrate holding part 110 may be 300 mm or less (eg, 296 mm to 298 mm, etc.).
  • the substrate holding portion 110 may have a thickness of 0.3 mm to 10 mm, preferably 2.5 mm or 5 mm.
  • the substrate holding unit 110 may include a chucking electrode 111 and a heater electrode 113 .
  • the chucking electrode 111 is embedded in the substrate holding part 110 and may be electrically connected to the chucking power supply 112 composed of a filter, a DC or AC power supply, and the like.
  • the chucking electrode 111 is formed in a specific pattern (eg, circular shape, spiral shape, etc.) and may be mono-polar or bi-polar.
  • the chucking electrode 111 may be made of a material determined based on characteristics such as a thermal expansion coefficient in a cryogenic range and electrical conductivity.
  • the material may be a metal such as tungsten (W) or molybdenum (Mo) or an alloy including the metal.
  • the position of the chucking electrode 111 may be disposed above the heater electrode 113 .
  • the heater electrode 113 is embedded in the substrate holding unit 110 and may be electrically connected to the heater power supply unit 114 configured as a filter, DC or AC power supply, and the like.
  • the heater electrode 113 is formed in a specific pattern (eg, circular, spiral, etc.), and may be formed in a single area or multiple areas according to the specific pattern.
  • the heater electrode 113 may be made of a material determined based on characteristics such as a thermal expansion coefficient in a cryogenic range and electrical conductivity.
  • the material may be a metal such as tungsten (W) or molybdenum (Mo) or an alloy including the metal.
  • the location of the heater electrode 113 may be disposed below the chucking electrode 111 .
  • the substrate gas supply unit 120 is composed of a mass flow meter (MFM), a dumpline, and the like, and is in contact with the substrate holding unit 110 to control the temperature and temperature uniformity of the substrate 200 ( 200) and the surface of the substrate holding part 110 in contact with the substrate 200, substrate gas may be supplied under specific conditions (eg, pressure 50 Torr, leakage ⁇ 1 sccm).
  • MFM mass flow meter
  • dumpline dumpline
  • the substrate gas may be helium (He), argon (Argon, Ar), nitrogen (Nitrogen, N 2 ), etc., preferably helium (He).
  • the substrate gas supplied through the substrate gas supply unit 120 may be supplied through a gas flow path existing inside the cryogenic electrostatic chuck device 100, such as the substrate holding unit 110 and the body unit 140.
  • the pattern, number, etc. of the gas flow path may be determined based on the area configuration (single area or multiple areas) of the substrate holding unit 110 .
  • the upper bonding portion 130 may be positioned between the substrate holding portion 110 and the body portion 140 to bond the substrate holding portion 110 and the body portion 140 to each other.
  • the upper bonding portion 130 can electrically connect the substrate holding portion 110 and the body portion 140 to each other with low resistance, and mechanically bond the substrate holding portion 110 and the body portion 140 to each other. there is.
  • the upper junction 130 may include a first upper junction 131 , a second upper junction 132 , and a third upper junction 133 .
  • the first upper joint 131 and the third upper joint 133 of the upper joint 130 may be formed using vacuum brazing, epoxy, or the like.
  • the first upper junction 131 of the upper junction 130 and/or the third upper junction 133 are formed in the same manner as the method of forming the first lower junction 161 of the lower junction 160 to be described below. may be formed using
  • first upper junction 131 and the third upper junction 133 of the upper junction 130 may be made of a material such as an Al-based alloy (eg, Al-10Si-1.5Mg).
  • the second upper junction part 132 of the upper junction part 130 is located between the first upper junction part 131 and the third upper junction part 133 .
  • the second upper junction 132 is made of molybdenum (Mo), Kovar, zirconium (Zr), tungsten (W), like the second lower junction 162 of the lower junction 160 to be described below. It may be made of materials such as titanium (Ti), niobium (Nb), platinum (Pt), vanadium (V), and the like.
  • the diameter of the second upper junction part 132 may be the same as, smaller than, or larger than the diameter of the substrate holding part 110 .
  • the diameter of the second upper junction part 132 may be the same as that of the substrate holding part 110 .
  • the thickness of the second upper joint 132 may be determined based on economic feasibility, and may be, for example, 3 mm, 0.5 mm, or 0.05 mm.
  • the body portion 140 may be disposed under the substrate holding portion 110 .
  • the body portion 140 may be made of a metal-based material determined based on a coefficient of thermal expansion (CTE) of the substrate holding portion 110 .
  • the metal-based material may be a metal matrix composite (MMC) that is one of Al-SiC and Al-Si.
  • MMC metal matrix composite
  • the metal composite material may be Al-SiC, Al-Si, or the like.
  • the thermal expansion coefficient of metal composite material (MMC) generally has a characteristic that the thermal expansion coefficient of Al-SiC decreases as SiC wt% increases. That is, it means that the thermal expansion coefficient of the body part 140 made of Al-SiC can be matched with the thermal expansion coefficient of the substrate holding part 110 according to wt% SiC.
  • the SiC wt% range is generally composed of 15% to 85%, and in particular, in the case of the body portion 140 composed of Al-SiC, the substrate holding portion 110 bonded by the upper joint portion 130, and for sound operation of the cryogenic electrostatic chuck device 100 in the cryogenic range by considering thermal expansion coefficient matching between the lower junctions 160 and thermal conductivity, the wt% SiC of Al-SiC is 65% to 85% could be more appropriate.
  • the thermal expansion coefficient of alumina is about 7*10 -6 /°C ⁇ 8*10 -6 /°C
  • the thermal expansion of Al-70%SiC and Al-20%SiC is relatively more thermal expansion coefficient matching than Al-20%SiC.
  • the thermal expansion coefficient of Al-70%SiC is about 7*10 -6 /°C
  • the thermal expansion coefficient of Al-20%SiC is about 13*10 -6 /°C to 15*10 -6 /°C.
  • the metal composite material (MMC) is Al-Si, similar to the Al-SiC described above, the thermal expansion coefficient can be matched to the thermal expansion coefficient of the substrate holding part 110 according to the change in wt% Si, It can be used as a material for the body portion 140.
  • the body portion 140 may be made of a material such as a metal such as titanium (Ti) or molybdenum (Mo) or an alloy including the metal, rather than a metal composite material (MMC).
  • the body portion 140 may be manufactured using a method such as a casting method, an infiltration method, an additive manufacturing process, and the like using a metal composite material (MMC).
  • MMC metal composite material
  • the diameter of the body portion 140 may be equal to or greater than the diameter of the substrate 200 .
  • the diameter of the body portion 140 may be greater than that of the substrate 200 .
  • the diameter of the body portion 140 may be greater than or equal to 300 mm (eg, 310 mm to 340 mm).
  • the body portion 140 may include a heat conduction control channel 141 and a refrigerant channel 143 .
  • the thermal conductivity of the heat conduction control channel 141 may be adjusted based on the pressure formed by the heat conduction control gas supplied by the control gas supply unit 142 .
  • the thermal conduction control channel 141 is buried in the body 140 made of a metal composite material (MMC), and the temperature of the substrate holding unit 110, the temperature uniformity of the substrate holding unit 110, the substrate 200 )
  • MMC metal composite material
  • the control gas supply unit 142 composed of a mass flow meter (MFM), a dumpline, etc. It may include an inner space that
  • the heat conduction control gas may be helium (He), argon (Ar), nitrogen (N 2 ), etc., preferably helium (He).
  • the heat conduction control channel 141 determines the type of heat conduction control gas supplied through the control gas supply unit 142 and the pressure (e.g., For example, 1 mTorr or less, 10 mTorr, 20 mTorr, 500 mTorr, 300 Torr, 760 Torr, etc.), the thermal conductivity may be adjusted based on the flow rate of the heat conduction control gas.
  • the cryogenic electrostatic chuck device 100 measures the temperature of the substrate holding unit 110, the temperature uniformity of the substrate holding unit 110, the temperature of the substrate 200, the temperature uniformity of the substrate 200, and the like. You can control it.
  • the diameter of the heat conduction control channel 141 may be equal to, smaller than, or larger than the diameter of the substrate 200 .
  • the diameter of the heat conduction control channel 141 may be greater than that of the substrate 200 .
  • the diameter of the heat conduction control channel 141 may be greater than or equal to 300 mm (eg, 310 mm to 330 mm).
  • the thickness of the heat conduction control channel 141 may be 0.2 mm or smaller than 0.2 mm.
  • the thickness of the heat conduction control channel 141 may be 0.15 mm, 0.1 mm, 0.05 mm, or 0.03 mm.
  • the heat conduction control channel 141 is formed in a specific pattern, and may consist of a single area or multiple areas according to the specific pattern.
  • the heat conduction control channel 141 may also be composed of a single region, and if the heater electrode 113 is composed of a plurality of regions, the heat conduction control channel 141 may also be composed of a single region. It may consist of multiple areas.
  • the heat conduction control channel 141 includes a plurality of heat conduction control sub-channels, and the pressure formed by the heat conduction control gas supplied to the plurality of heat conduction control sub-channels by the control gas supply unit 142 is applied. Based on the heat conduction control sub-channel, the thermal conductivity can be adjusted.
  • the heat conduction control channel 141 includes a plurality of heat conduction control sub-channels spaced apart from each other through the barrier rib, and the heat conduction control gas may be supplied to each heat conduction control sub-channel by the control gas supply unit 142.
  • the heat conduction control channel 141 may include a first heat conduction control sub-channel and a second heat conduction control sub-channel spaced apart from each other through a barrier rib.
  • the first heat conduction control sub-channel may have a donut shape.
  • the second heat conduction control sub-channel may be formed in a circular shape spaced apart from the inside of the first heat conduction control sub-channel through a barrier rib.
  • the diameter of the substrate 200 is 300 mm
  • the diameter of the first heat conduction control sub-channel is between 200 mm and 330 mm
  • the diameter of the second heat conduction control sub-channel is between 150 mm and 250 mm
  • the diameter of the barrier rib is 1 mm. may be between 10 mm.
  • the heat conduction control channel 141 may include a plurality of heat conduction control sub-channels having different thicknesses.
  • the heat conduction control channel 141 may include a first heat conduction control sub-channel and a second heat conduction control sub-channel spaced apart from each other through a barrier rib.
  • the first heat conduction control sub-channel may have a donut shape.
  • the second heat conduction control sub-channel may have a thickness greater than that of the first heat conduction control sub-channel and may be formed in a circular shape spaced apart from the inside of the first heat conduction control sub-channel through a barrier rib.
  • the heat conduction control channel 141 may include a plurality of heat conduction control sub-channels connected to each other through orifice-shaped connection tubes.
  • the heat conduction control channel 141 is a first heat conduction control sub-channel disposed above the refrigerant channel 143 and the direction of the refrigerant channel 143 from the outer end of the first heat conduction control sub-channel in the direction of the refrigerant channel 143.
  • a second heat conduction control sub-channel extending to be spaced apart from the outside may be included.
  • the heat conduction control channel 141 is "a structure in which the heat conduction control channel 141 consists of a plurality of heat conduction control sub-channels", “a plurality of columns constituting the heat conduction control channel 141" A configuration in which the conduction control subchannels are spaced apart from each other through a barrier rib", "a configuration in which a plurality of heat conduction control subchannels constituting the heat conduction control channel 141 have different thicknesses", "a configuration in which the heat conduction control channel 141 is configured At least one of a configuration in which a plurality of heat conduction control sub-channels are connected to each other through an orifice-shaped connection tube” and a “configuration in which the heat conduction control channel 141 surrounds the outside of the refrigerant channel 143" It can be implemented in various forms through one configuration. An implementation example of the heat conduction control channel 141 according to the present invention will be described in detail below.
  • the chucking electrode 111 embedded in the substrate holding part 110 and the heater embedded in the substrate holding part 110 may be formed in plurality to correspond to each of the plurality of heat conduction control sub-channels.
  • the chucking electrode 111 includes a plurality of chucking sub-electrodes corresponding to each of a plurality of heat conduction control sub-channels constituting the heat conduction control channel 141, and the chucking power supply unit 112 provides power for each chucking sub-electrode. can be authorized.
  • the heater electrode 113 includes a plurality of heater sub-electrodes corresponding to each of the plurality of heat conduction control sub-channels constituting the heat conduction control channel 141, and the heater power supply unit 114 provides power for each heater sub-electrode. can be authorized.
  • the refrigerant channel 143 includes a plurality of refrigerant sub-channels corresponding to each of the plurality of heat conduction control sub-channels constituting the heat conduction control channel 141, and the refrigerant supply unit 144 supplies the refrigerant for each refrigerant sub-channel. can supply
  • the refrigerant channel 143 is buried in the body 140 made of metal composite material (MMC), and the temperature of the substrate holding unit 110, the temperature uniformity of the substrate holding unit 110, the temperature of the substrate 200, In order to control the temperature uniformity of the substrate 200, an internal space in which the refrigerant supplied through the refrigerant supply unit 144 composed of a cryogenic chiller, LN 2 Dewar, LN 2 circulation supply system, etc. flows may be included. there is.
  • the refrigerant may be Galden, liquid nitrogen (LN 2 ), or the like, and may be supplied to the inner space of the refrigerant channel 143 through the refrigerant supply unit 144 .
  • the refrigerant channel 143 may be formed in a specific pattern (eg, spiral, series, parallel, etc.).
  • the location of the refrigerant channel 143 may be disposed below the heat conduction control channel 141 .
  • the lower junction part 160 is located below the body part 140 and is joined to the body part 140 .
  • the lower junction part 160 is electrically connected to the body part 140 with low resistance and is mechanically bonded to the body part 140 .
  • the lower joint 160 may include a first lower joint 161 and a second lower joint 162 .
  • the first lower joint 161 of the lower joint 160 may be formed using vacuum brazing, epoxy, or the like.
  • the first lower junction 161 of the lower junction 160 uses the same method as the method of forming the first upper junction 131 or/and the third upper junction 133 of the upper junction 130 described above. may be formed.
  • the first lower joint 161 may be made of a material such as an Al-based alloy (eg, Al-10Si-1.5Mg).
  • the second lower junction part 162 may be disposed under the first lower junction part 161, and is electrically connected to the body part 140 with low resistance by the first lower junction part 161, and mechanically bonded. .
  • the second lower joint 162 is made of molybdenum (Mo), Kovar, zirconium (Zr), tungsten (W), titanium (Ti), niobium (Nb), platinum , Pt), vanadium (Vanadium, V), and the like.
  • the diameter of the second lower joint 162 may be the same as, smaller than, or larger than the diameter of the body 140 .
  • the diameter of the second lower junction part 162 may be the same as that of the body part 140 .
  • the thickness of the second lower joint 162 may be determined based on economic feasibility, and may be, for example, 3 mm, 0.5 mm, or 0.05 mm.
  • the RF power supply unit 190 and the RF power matching unit 180 may be electrically connected to the body 140 made of a metal composite material (MMC).
  • MMC metal composite material
  • the RF power supply unit 190 and the RF power matching unit 180 may generate plasma in the processing region 600 .
  • the number of RF power supply units 190 may be two or more.
  • the first RF power supply unit 190-1 of 13.56 MHz or more (eg, 27.12 MHz, 40 MHz, 60 MHz, etc.) and less than 13.56 MHz (eg, 2 MHz) , 400 kHz, etc.) of the second RF power supply unit 190-2.
  • a plurality of RF power matching units 180 may also be provided.
  • the temperature measurement unit 150 measures the temperature of the substrate holding unit 110, the temperature uniformity of the substrate holding unit 110, the temperature of the heat conduction control channel 141 buried in the body unit 140, and the body unit 140.
  • the temperature and temperature uniformity of the substrate 200 may be measured by measuring the temperature uniformity on the heat conduction control channel 141 buried in the substrate 200 .
  • the temperature measuring unit 150 may be composed of a fluorescent thermometer or a thermocouple (TC) configured with a filter, a control module (eg, PID, etc.), and the like.
  • TC thermocouple
  • control module eg, PID, etc.
  • a corresponding temperature measurement location may be a single area or a plurality of areas.
  • the temperature measurement position may be determined based on a single region or a plurality of regions of the heater electrode 113 buried in the substrate holding unit 110 .
  • the temperature measurement location may be determined based on a single region or multiple regions of the heat conduction control channel 141 buried in the body portion 140 .
  • the controller may control the temperature of the substrate 200 and the temperature uniformity of the substrate 200 .
  • control unit measures the temperature of the substrate holding unit 110, the temperature uniformity of the substrate holding unit 110, the temperature on the heat conduction control channel 141, and the temperature on the heat conduction control channel 141 through the temperature measuring unit 150.
  • temperature uniformity can be measured.
  • control unit controls the measured temperature information (temperature of the substrate holding unit 110, temperature uniformity of the substrate holding unit 110, temperature on the heat conduction control channel 141 and temperature uniformity on the heat conduction control channel 141). ), by adjusting the amount or / and pressure of the heat conduction control gas supplied to the heat conduction control channel 141 by the control gas supply unit 142 based on the thermal conductivity graph according to pressure, the target temperature, and the target temperature uniformity. , the temperature of the substrate 200 and the temperature uniformity of the substrate 200 can be controlled.
  • the pressure-dependent thermal conductivity graph represents the thermal conductivity of the thermal conduction control channel 141 that is changed according to the pressure change in the internal space of the heat conduction control channel 141, and may be obtained and stored in advance.
  • a graph of thermal conductivity according to pressure consists of an S-shaped curve in which the thermal conductivity is close to 0 when the pressure is 0 and the thermal conductivity increases as the pressure increases.
  • the pressure-dependent thermal conductivity graph is changed according to the thickness of the heat conduction control channel 141, and the smaller the thickness, the higher the thermal conductivity at the same pressure.
  • control unit controls the temperature of the substrate 200 and the temperature uniformity of the substrate 200, the heater power supply unit 114 connected to the heater electrode 113, and the control gas supply unit connected to the heat conduction control channel 141 ( 142), the chucking power supply 112 connected to the chucking electrode 111, the substrate gas supply 120, the refrigerant supply 144 connected to the refrigerant channel 143, the RF power supply 190 and the RF power matching unit 180 ) can be additionally controlled based on the target temperature and target temperature uniformity.
  • the flow path, the heat conduction control gas flow path in the body part 140 of the heat conduction control gas supplied to the heat conduction control channel 141 by the control gas supply unit 142, the temperature is measured by the temperature measuring unit 150 location and area, a vacuum system connected to the pumping connection 310 of the chamber 300, a source of processing gas, a lift pin for transferring the substrate 200, an edge ring, and an EMI gasket ( Gasket), O-ring, etc. detailed descriptions are omitted.
  • FIG. 3 is a view for explaining a first embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2 .
  • the heat conduction control channel 141 may be buried in the body portion 140 .
  • the thermal conductivity of the heat conduction control channel 141 may be adjusted based on the pressure formed by the heat conduction control gas supplied by the control gas supply unit 142 .
  • the control unit controls the measured temperature information (temperature of the substrate holding unit 110, temperature uniformity of the substrate holding unit 110, temperature on the heat conduction control channel 141, and temperature uniformity on the heat conduction control channel 141). ), by adjusting the amount or / and pressure of the heat conduction control gas supplied to the heat conduction control channel 141 by the control gas supply unit 142 based on the thermal conductivity graph according to pressure, the target temperature, and the target temperature uniformity.
  • the temperature of the substrate 200 and the temperature uniformity of the substrate 200 may be ultimately controlled by adjusting the thermal conductivity of the thermal conduction control channel 141 .
  • FIG. 4 is a view for explaining a second embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2 .
  • the heat conduction control channel 141 according to the second embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device 100 according to the present invention includes a first heat conduction control sub-channel and a second heat conduction control channel spaced apart from each other through a partition wall.
  • a control subchannel may be included.
  • the diameter of the substrate 200 is 300 mm, and the diameter of the barrier rib may be between 1 mm and 10 mm.
  • the first heat conduction control sub-channel is formed in a donut shape and may have a diameter between 200 mm and 330 mm.
  • the second heat conduction control sub-channel is formed in a circular shape spaced apart from the inside of the first heat conduction control sub-channel through a barrier rib, and may have a diameter of 150 mm to 250 mm.
  • the thermal conductivity of the heat conduction control channel 141 may be adjusted for each of the first heat conduction control sub-channel and the second heat conduction control sub-channel.
  • the control gas supply unit 142 may adjust the amount and/or pressure of the heat conduction control gas supplied to each of the first heat conduction control subchannel and the second heat conduction control subchannel.
  • the control unit provides two temperature information (temperature of the substrate holding unit 110, temperature uniformity of the substrate holding unit 110) measured at positions corresponding to the first heat conduction control subchannel and the second heat conduction control subchannel, respectively. , temperature over the heat conduction control channel 141 and temperature uniformity over the heat conduction control channel 141), based on the pressure-dependent thermal conductivity graph, the target temperature and the target temperature uniformity, by the control gas supply unit 142 .
  • the thermal conductivity of the heat conduction control channel 141 is adjusted by adjusting the amount and/or pressure of the heat conduction control gas supplied to the heat conduction control channel 141 for each of the first heat conduction control sub-channel and the second heat conduction control sub-channel.
  • the temperature of the substrate 200 and the temperature uniformity of the substrate 200 may be ultimately controlled by adjusting the first heat conduction control subchannel and the second heat conduction control subchannel separately.
  • the heat conduction control channel 141 is provided in the second channel corresponding to the central region of the substrate 200, as in the present embodiment. It is composed of a heat conduction control sub-channel and a first heat conduction control sub-channel corresponding to the edge region of the substrate 200, so that the thermal conductivity can be controlled for each of the first heat conduction control sub-channel and the second heat conduction control sub-channel. .
  • FIG. 5 is a view for explaining a third embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2 .
  • the heat conduction control channel 141 according to the third embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device 100 according to the present invention controls heat conduction according to the second embodiment (see FIG. 4) of the cryogenic electrostatic chuck device 100 described above. It is substantially the same as the channel 141, and only the differences are described.
  • the second heat conduction control subchannel has a thickness greater than that of the first heat conduction control subchannel.
  • the thickness of the first heat conduction control sub-channel may be 0.05 mm.
  • the thickness of the second heat conduction control sub-channel may be 0.1 mm.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a fourth embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2 .
  • the heat conduction control channel 141 according to the fourth embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device 100 according to the present invention controls heat conduction according to the third embodiment (see FIG. 5) of the cryogenic electrostatic chuck device 100 described above. It is substantially the same as the channel 141, and only the differences are described.
  • the first heat conduction control subchannel and the second heat conduction control subchannel may be connected to each other through an orifice-shaped connection tube.
  • the orifice-shaped connection pipe has a smaller thickness than the thickness of the first heat conduction control subchannel.
  • the first heat conduction control sub-channel and the second heat conduction control sub-channel may be connected through an orifice-shaped connection pipe.
  • FIG. 7 is a view for explaining a fifth embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2 .
  • the heat conduction control channel 141 according to the fifth embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device 100 according to the present invention controls heat conduction according to the first embodiment (see FIG. 3) of the cryogenic electrostatic chuck device 100 described above. It is substantially the same as the channel 141, and only the differences are described.
  • the heat conduction control channel 141 does not have a uniform thickness as in the first embodiment shown in FIG. It has a thicker shape.
  • the pressure-dependent thermal conductivity graph changes according to the thickness of the thermal conduction control channel 141, and corresponds to the central region of the substrate 200 using the fact that the smaller the thickness, the higher the thermal conductivity at the same pressure.
  • the thickness of the central region of the heat conduction control channel 141 may be formed to be thicker than the thickness of the edge region of the heat conduction control channel 141 corresponding to the edge region of the substrate 200 .
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a sixth embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2 .
  • the heat conduction control channel 141 according to the sixth embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device 100 according to the present invention controls heat conduction according to the first embodiment (see FIG. 3) of the cryogenic electrostatic chuck device 100 described above. It is substantially the same as the channel 141, and only the differences are described.
  • the heat conduction control channel 141 includes a first heat conduction control subchannel and a first heat conduction control channel 141 according to the first embodiment shown in FIG. 3 .
  • a second heat conduction control sub-channel extending from an outer end of the control sub-channel may be included.
  • the first heat conduction control sub-channel may be disposed above the refrigerant channel 143 .
  • the second heat conduction control sub-channel may extend from an outer end of the first heat conduction control sub-channel in the direction of the refrigerant channel 143 to be spaced apart from the outside of the refrigerant channel 143 .
  • an internal barrier rib and an orifice-shaped connection pipe are formed at a portion where the first heat conduction control sub-channel and the second heat conduction control sub-channel are connected to each other, so that the first heat conduction control sub-channel and the second heat conduction control sub-channel are connected to each other.
  • the flow of the heat conduction control gas between the conduction control sub-channels may be prevented.
  • control gas supply unit 142 may supply the heat conduction control gas to the first heat conduction control subchannel and not supply the heat conduction control gas to the second heat conduction control subchannel.
  • the outside of the refrigerant channel 143 can be insulated.
  • FIG. 9 is a view for explaining a seventh embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2 .
  • the heat conduction control channel 141 according to the seventh embodiment of the cryogenic electrostatic chuck device 100 according to the present invention controls heat conduction according to the second embodiment (see FIG. 4) of the cryogenic electrostatic chuck device 100 described above. It is substantially the same as the channel 141, and only the differences are described.
  • the heat conduction control channel 141 may include a first heat conduction control sub-channel and a second heat conduction control sub-channel spaced apart from each other through a barrier rib.
  • the first heat conduction control sub-channel and the second heat conduction control sub-channel have a semicircular shape.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining another example of RF power supply configuration of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG. 2, and FIG. 11 describes another example of RF power supply configuration of the cryogenic electrostatic chuck device shown in FIG.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining another example of a configuration for supplying RF power to the cryogenic electrostatic chuck shown in FIG. 2 .
  • the RF power supply unit 190 and the RF power matching unit 180 according to the present invention may be electrically connected to the body unit 140 made of a metal composite material (MMC).
  • MMC metal composite material
  • the RF power supply unit 190 and the RF power matching unit 180 according to the present invention may be electrically connected to the body unit 140 as shown in FIG. 3 .
  • the RF power supply unit 190 and the RF power matching unit 180 according to the present invention may be electrically connected to the lower junction unit 160 as shown in FIG. 10 .
  • the RF power supply unit 190 and the RF power matching unit 180 according to the present invention may be electrically connected to the chucking electrode 111 as shown in FIG. 11 .
  • the RF power supply unit 190 and the RF power matching unit 180 are composed of two, respectively, and the second RF power supply unit 190-2 and the second RF power matching unit 180-2 It is electrically connected to the body part 140, and the first RF power supply unit 190-1 and the first RF power matching unit 180-1 may be electrically connected to the plasma supply device 400.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a control method of a cryogenic electrostatic chuck device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the control unit of the cryogenic electrostatic chuck device 100 controls the temperature of the substrate holding unit 110, the temperature uniformity of the substrate holding unit 110, and the heat conduction control channel 141. It is possible to measure the temperature uniformity on the temperature and heat conduction control channel 141 above (S110).
  • the control unit of the cryogenic electrostatic chuck device 100 controls the measured temperature information (temperature of the substrate holding unit 110, temperature uniformity of the substrate holding unit 110, temperature and heat conduction above the heat conduction control channel 141).
  • the heat conduction control gas supplied to the heat conduction control channel 141 by the control gas supplier 142 based on the temperature uniformity above the control channel 141, the thermal conductivity graph according to pressure, the target temperature, and the target temperature uniformity. It is possible to adjust the amount or / and pressure of (S120).
  • the pressure-dependent thermal conductivity graph represents the thermal conductivity of the thermal conduction control channel 141 that is changed according to the pressure change in the internal space of the heat conduction control channel 141, and may be obtained and stored in advance.
  • a graph of thermal conductivity according to pressure consists of an S-shaped curve in which the thermal conductivity is close to 0 when the pressure is 0 and the thermal conductivity increases as the pressure increases.
  • the pressure-dependent thermal conductivity graph is changed according to the thickness of the heat conduction control channel 141, and the smaller the thickness, the higher the thermal conductivity at the same pressure.
  • control unit controls the temperature of the substrate 200 and the temperature uniformity of the substrate 200, the heater power supply unit 114 connected to the heater electrode 113, and the control gas supply unit connected to the heat conduction control channel 141 ( 142), the chucking power supply 112 connected to the chucking electrode 111, the substrate gas supply 120, the refrigerant supply 144 connected to the refrigerant channel 143, the RF power supply 190 and the RF power matching unit 180 ) can be additionally controlled based on the target temperature and target temperature uniformity.
  • cryogenic electrostatic chuck system 100: cryogenic electrostatic chuck device

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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 정전척 시스템 및 이의 제어 방법은, 극저온 범위에서도 극저온 식각(Cryogenic Etch) 공정, 극저온 증착(Cryogenic Deposition) 공정 등과 같은 기판의 극저온 공정을 수행할 수 있고, 고 종횡비(High Aspect Ratio)로 피식각체(Feature) 식각 시 이상적인 수직 식각 프로파일(Vertical Etch Profile)을 구현할 수 있다.

Description

극저온 정전척 시스템 및 이의 제어 방법
본 발명은 극저온 정전척 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 제조 공정에서 이용되는 정전척(Electrostatic Chuck, ESC)에 대한, 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
본 연구는 2020~2022년도 산업통상자원부의 재원으로 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아 광운대학교 주관으로 수행된 절연체 식각 공정용 극저온 장치 기술에 관한 연구(No. 1415173011)와 관련된다.
웨이퍼(wafer) 등과 같은 반도체 제조 공정용 기판(Substrate)의 지지(Holding), 온도(Temperature) 및 온도 균일도(Temperature Uniformity) 달성을 위해 그리고 기판에 존재하는 피식각체(Feature)를 식각(Etch)하기 위해 반도체 식각 제조 공정 장치 내 정전척(Electrostatic Chuck, ESC)이 사용된다. 3D NAND, DRAM 등 반도체 디바이스 성능 향상으로 해당 반도체 식각 제조 공정 내 기판에 존재하는 피식각체 종횡비(Aspect Ratio)는 고 종횡비(High Aspect Ratio)로 꾸준히 증가하고 있다.
하지만, 종래의 정전척은 주로 상온 범위(예를 들어, 40 ℃, 60 ℃ 등)에서 작동 가능하도록 제작되어왔다. 예를 들어, 종래의 정전척은 열 팽창 계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)가 약 8*10-6/℃인 알루미나(Alumina, Al2O3) 혹은 열 팽창 계수가 약 4*10-6/℃인 질화 알루미늄(Aluminum Nitride, AlN) 등의 유전 물질로 이루어지는 척 세라믹(Chuck Ceramic)과 열 팽창 계수가 약 24*10-6/℃인 알루미늄(Aluminum, Al)으로 이루어지는 척 바디(Chuck Body)로 구성된다. 종래의 정전척을 극저온 범위에서 동작 시킬 경우, 알루미나(Al2O3) 대비 알루미늄(Al)의 팽창/수축률이 약 3배 정도 빠르므로 종래의 정전척의 파괴(Break)가 발생한다. 더불어, 종래의 정전척은 극저온 범위에서 기판과 정전척의 온도 및 온도 균일도를 달성하기 위해 극저온 칠러(Chiller) 등의 장치를 사용하고 있다. 극저온 칠러 등의 장치를 이용하여 극저온 범위에서 기판과 정전척의 온도 및 온도 균일도 달성을 통해 제조 공정(예를 들어, 식각 공정)을 수행한다 하더라도, 다음 제조 공정을 위한 기판 이송(Transfer or Loading)이 필요하다. 즉, 기판 이송 시 극저온 범위에서 기판과 정전척의 온도 및 온도 균일도는 다시 상온 범위가 되어야한다. 결국, 기판 이송은 생산성과 관련된 요소 중 한가지로서 정전척으로부터 원거리에 위치한 기존 극저온 칠러 등의 장치를 사용한 온도 제어보다 정전척으로부터 단거리에 위치한 상태에서 온도 제어가 필요하다. 뿐만 아니라, 종래 상온 범위에서 정전척을 사용한 고 종횡비 식각 시, 보우(Bowing), 클로깅(Clogging) 등과 같은 피식각체의 식각 프로파일 저하 문제가 발생하고 있다.
이와 같은 문제를 극복하기 위한 방안으로 현재 극저온 식각(Cryogenic Etch) 기술이 개발되고 있다. 그러나, 현재 상온 범위에서 작동 가능하도록 제작된 종래의 정전척을 이용해 극저온 식각을 위한 극저온 범위에서 운전 시 척 세라믹과 척 바디로 구성된 종래의 정전척에서 척 세라믹 대비 척 바디의 열 팽창 계수가 월등히 큼으로 정전척의 파괴가 발생한다. 예를 들어, 척 바디로부터 척 세라믹 필링 오프(Peeling off), 척 세라믹 파괴 등의 문제가 발생한다. 이와 함께, 건전한 피식각체 극저온 식각 공정 수행을 위해 기판의 극저온 온도 및 온도 균일도 유지 및 제어가 가능한 정전척 기술이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 목적은, 극저온 범위에서도 극저온 식각(Cryogenic Etch) 공정, 극저온 증착(Cryogenic Deposition) 공정 등과 같은 기판의 극저온 공정을 수행할 수 있는, 극저온 정전척 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 정전척 장치는, 정전력에 의해 기판을 고정하는 기판 홀딩부; 및 상기 기판 홀딩부의 아래에 배치되고, 상기 기판 홀딩부의 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion, CTE)를 기반으로 결정된 금속 기반 재료로 이루어지며, 조절 가스 공급부에 의해 공급되는 열 전도 조절 가스로 형성된 압력을 기반으로 열 전도도가 조절되는 열 전도 조절 채널을 포함하는 몸체부;를 포함한다.
여기서, 상기 열 전도 조절 채널은, 복수개의 열 전도 조절 서브 채널을 포함하고, 상기 조절 가스 공급부에 의해 상기 복수개의 열 전도 조절 서브 채널에 공급되는 상기 열 전도 조절 가스로 형성된 압력을 기반으로 상기 열 전도 조절 서브 채널별로 열 전도도가 조절될 수 있다.
여기서, 상기 열 전도 조절 채널은, 격벽을 통해 서로 이격된 상기 복수개의 열 전도 조절 서브 채널을 포함하고, 상기 조절 가스 공급부에 의해 상기 열 전도 조절 서브 채널별로 상기 열 전도 조절 가스가 공급될 수 있다.
여기서, 상기 열 전도 조절 채널은, 격벽을 통해 서로 이격된 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널을 포함하며, 상기 제1 열 전도 조절 서브 채널은, 도넛 형상으로 이루어지고, 상기 제2 열 전도 조절 서브 채널은, 상기 제1 열 전도 조절 서브 채널의 내측에서 상기 격벽을 통해 이격된 원 형상으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제1 열 전도 조절 서브 채널의 직경은, 200mm에서 330mm 사이이고, 상기 제2 열 전도 조절 서브 채널의 직경은, 150mm에서 250mm 사이이며, 상기 격벽의 직경은, 1mm에서 10mm 사이일 수 있다.
여기서, 상기 열 전도 조절 채널은, 두께가 서로 상이한 복수개의 열 전도 조절 서브 채널을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 열 전도 조절 채널은, 격벽을 통해 서로 이격된 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널을 포함하며, 상기 제1 열 전도 조절 서브 채널은, 도넛 형상으로 이루어지고, 상기 제2 열 전도 조절 서브 채널은, 상기 제1 열 전도 조절 서브 채널의 두께보다 더 큰 두께를 가지고, 상기 제1 열 전도 조절 서브 채널의 내측에서 상기 격벽을 통해 이격된 원 형상으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 열 전도 조절 채널은, 오리피스(orifice) 형태의 연결 관을 통해 서로 연결된 상기 복수개의 열 전도 조절 서브 채널을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 열 전도 조절 채널은, 냉매 채널 위에 배치된 제1 열 전도 조절 서브 채널 및 상기 제1 열 전도 조절 서브 채널의 외측 끝에서 상기 냉매 채널 방향으로 상기 냉매 채널의 외측과 이격되게 연장된 제2 열 전도 조절 서브 채널을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기판 홀딩부의 직경은, 상기 기판의 직경과 동일하거나 상기 기판의 직경보다 작고, 상기 몸체부의 직경은, 상기 기판의 직경과 동일하거나 상기 기판의 직경보다 클 수 있다.
여기서, 상기 기판 홀딩부와 상기 몸체부의 사이에 위치하여, 상기 기판 홀딩부와 상기 몸체부를 접합하는 상부 접합부; 및 상기 몸체부의 아래에 위치하여 상기 몸체부와 접합하는 하부 접합부;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 금속 기반 재료는, Al-SiC 및 Al-Si 중 하나인 금속 복합 재료(metal matrix composite, MMC)일 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 정전척 장치의 제어 방법은, 정전력에 의해 기판을 고정하는 기판 홀딩부; 및 상기 기판 홀딩부의 아래에 배치되고, 상기 기판 홀딩부의 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion, CTE)를 기반으로 결정된 금속 기반 재료로 이루어지며, 조절 가스 공급부에 의해 공급되는 열 전도 조절 가스로 형성된 압력을 기반으로 열 전도도가 조절되는 열 전도 조절 채널을 포함하는 몸체부;를 포함하는 극저온 정전척 장치의 제어 방법으로서, 상기 기판 홀딩부의 온도, 상기 기판 홀딩부의 온도 균일도, 상기 열 전도 조절 채널 위의 온도 및 상기 열 전도 조절 채널 위의 온도 균일도를 측정하는 단계; 및 압력에 따른 열 전도도 그래프, 목표 온도 및 목표 온도 균일도를 기반으로, 상기 조절 가스 공급부에 의해 상기 열 전도 조절 채널에 공급되는 상기 열 전도 조절 가스의 양 혹은/그리고 압력을 조절하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 정전척 시스템 및 이의 제어 방법에 의하면, 극저온 범위에서도 극저온 식각(Cryogenic Etch) 공정, 극저온 증착(Cryogenic Deposition) 공정 등과 같은 기판의 극저온 공정을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 고 종횡비(High Aspect Ratio)로 피식각체(Feature) 식각 시 이상적인 수직 식각 프로파일(Vertical Etch Profile)을 구현할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 정전척 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 극저온 정전척 장치의 세부 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 제1 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 제2 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 제3 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 제4 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 제5 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 제6 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 제7 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 RF 파워 공급 구성의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 RF 파워 공급 구성의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 RF 파워 공급 구성의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 정전척 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 명세서에서 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 명세서에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다" 또는 "포함할 수 있다"등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에 기재된 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터 구조들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다.
이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 극저온 정전척 시스템 및 이의 제어 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 정전척 시스템에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 정전척 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 정전척 시스템(10)은 극저온 범위에서도 극저온 식각(Cryogenic Etch) 공정, 극저온 증착(Cryogenic Deposition) 공정 등과 같은 기판(200)의 극저온 공정을 수행할 수 있는 정전척 시스템에 대한 것이다.
여기서, 본 발명에 따른 극저온 범위는 -20℃ ~ -150℃이며, 바람직하게 -40℃ ~ -150℃이다.
즉, 극저온 정전척 시스템(10)은 극저온 범위에서 건전한 정전척(Electrostatic Chuck, ESC) 동작(예를 들어, 정전척 파괴 방지 등)을 위해, 척 바디(Chuck Body)의 재료로 종래의 정전척의 척 바디(Chuck Body) 재료로 사용되는 알루미늄(Aluminum, Al)이 아닌, 척 세라믹(Chuck Ceramic)의 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion, CTE)와 근접하거나 차이가 적은 저 열 팽창 계수(예를 들어, 7*10-6/℃ 등) 특성을 가지는 금속 기반 재료를 이용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 극저온 정전척 시스템(10)은 생산성(예를 들어, 기판 이송 등) 향상 및 건전한 피식각체(Feature) 극저온 식각 공정 수행을 위해 기판의 온도(Temperature) 및 온도 균일도(Temperature Uniformity)를 유지 및 제어할 수 있도록 척 바디 내에 금속 기반 재료로 이루어지는 열 전도 조절 구성을 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 극저온 정전척 시스템(10)을 이용하여 반도체 제조 공정 내 기판(200)에 대한 극저온 공정(예를 들어, 극저온 식각 공정, 극저온 증착 공정 등)을 수행할 수 있다. 본 발명을 이용하여 극저온 식각 공정을 수행하는 경우, 고 종횡비(High Aspect Ratio)로 피식각체 식각 시 이상적인 수직 식각 프로파일(Vertical Etch Profile)을 구현할 수 있다.
이를 위해, 극저온 정전척 시스템(10)은 극저온 정전척 장치(100), 챔버(300), 플라즈마 공급 장치(400) 및 처리 가스 공급 장치(500)를 포함할 수 있다.
극저온 정전척 장치(100)는 정전력에 의해 기판(200)의 위치를 고정 및 지지하고, 기판(200)의 온도 및 온도 균일도를 제어할 수 있다.
여기서, 기판의 직경은 200mm, 300mm 등일 수 있으며, 기판에는 Wafer, Glass 등이 있다.
특히, 본 발명에 따른 극저온 정전척 장치(100)는 극저온 범위에서 건전한 정전척 동작을 위해, 척 바디의 재료로 척 세라믹의 열 팽창 계수와 근접하거나 차이가 적은 저 열 팽창 계수 특성을 가지는 금속 기반 재료를 이용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 극저온 정전척 장치(100)는 생산성 향상 및 건전한 피식각체에 대한 극저온 식각 공정 수행을 위해 기판(200)의 온도 및 온도 균일도를 유지 및 제어할 수 있도록 척 바디 내에 금속 기반 재료로 이루어지는 열 전도 조절 구성을 포함할 수 있다.
챔버(300)는 극저온 정전척 장치(100)를 외부 환경(예를 들어, 대기압 환경 등)과 격리시켜 처리 영역(600)을 진공(예를 들어, 10mTorr, 10-6Torr 등) 환경으로 조성할 수 있다.
그리고, 챔버(300)는 진공 시스템(Vacuum System)(도시하지 않음)과 연결되는 부분인 펌핑 연결부(310) 및 플라즈마 공급 장치(400)와 결합하는 부분에 형성된 개구(Opening)을 포함할 수 있다. 펌핑 연결부(310) 및 플라즈마 공급 장치(400)와 결합되는 개구 각각의 크기는 서로 상이할 수 있다.
그리고, 펌핑 연결부(310)와 연결되는 진공 시스템은 터보-분자 펌프(Turbo-Molecular Pump) 등과 같은 고 진공 펌프, 드라이 펌프(Dry Pump) 등과 같은 저 진공 펌프, 각종 밸브(Valve) 등을 포함할 수 있다.
플라즈마 공급 장치(400)는 챔버(300)에 형성된 개구 부분에 결합되며, 평판 형태인 용량 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 소스(Source) 등과 같은 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etch, RIE) 장치, 코일 기반 안테나(Antenna) 형태로 이루어진 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 소스(Source), 전자 싸이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance, ECR) 등일 수 있다.
처리 가스 공급 장치(500)는 플라즈마 공급 장치(400)와 결합되어, 노즐(Nozzle) 혹은 샤워헤드(Showerhead) 등의 형태로 이루어진 주입구를 통해 처리 가스(Processing Gas) 혹은 공정 가스를 주입할 수 있다.
이때, 처리 가스 공급 장치(500)는 처리 가스 혹은 공정 가스의 처리 영역(600)으로의 균일한 주입을 위해 단일 영역(Single Zone)이나 복수 영역(Multi Zone)으로 구성될 수 있다. 그리고, 처리 가스 공급 장치(500)는 가스 실린더(Gas Cylinder), 가스 캐비넷(Gas Cabinet) 등과 같은 처리 가스 혹은 공정 가스의 공급원, 통합 가스 시스템(Integrated Gas System) 등과 함께 구성될 수 있다.
그러면, 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 정전척 장치에 대하여 보다 자세히 설명한다.
도 2는 도 1에 도시한 극저온 정전척 장치의 세부 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 정전척 장치(100)는 기판 홀딩부(110), 상부 접합부(130), 몸체부(140), 하부 접합부(160) 및 제어부(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
기판 홀딩부(110)는 정전력에 의해 기판(200)을 고정할 수 있다.
즉, 기판 홀딩부(110)는 전기적 힘을 이용해 기판(200)의 위치를 고정 및 기판(200)을 지지하고, 이와 동시에 기판(200)의 온도 및 온도 균일도를 제어할 수 있다.
이때, 기판 홀딩부(110)는 유전 물질로 이루어질 수 있다. 유전 물질은 알루미나(Alumina, Al2O3), 질화 알루미늄(Aluminum Nitride, AlN) 등일 수 있다.
여기서, 전기적 힘은 유전 물질(Dielectric Material)로 구성된 기판 홀딩부(110)의 비저항(Volume Resistivity)에 따라 쿨롱 힘(Coulomb Force), 존슨-라벡 힘(Johnsen-Rahbek Force) 등으로 분류될 수 있다. 예컨대, 비저항 값이 1016Ω·cm 혹은 1014Ω·cm 이상인 경우, 척킹 파워 공급부(112)를 통해 척킹 전극(111)에 직류(Direct Current, DC) 혹은 교류(Alternative Current, AC) 전원 인가 시, 기판 홀딩부(110)는 유전 물질 내 전압 강하로 인해 발생되는 쿨롱 힘으로 기판(200)의 위치를 고정 및 기판(200)을 지지할 수 있다. 또한, 비저항 값이 1016Ω·cm 혹은 1014Ω·cm 이상인 경우, 기판(200)과 접하는 기판 홀딩부(110) 표면의 표면 조도(Surface Roughness, Ra)는 비저항 값이 1012Ω·cm 혹은 1010Ω·cm 이하인 경우 보다 더 작은 값(예를 들어, 0.3μm 등)을 가지게 된다. 이에 반면, 비저항 값이 1012Ω·cm 혹은 1010Ω·cm 이하인 경우, 척킹 파워 공급부(112)를 통해 척킹 전극(111)에 직류 혹은 교류 전원 인가 시, 기판 홀딩부(110)는 기판(200)과 접하는 유전 물질의 표면을 제외한 간극 전압으로 인해 발생되는 존슨-라벡 힘으로 기판(200)의 위치를 고정 및 기판(200)을 지지할 수 있다. 또한, 비저항 값이 1012Ω·cm 혹은 1010Ω·cm 이하인 경우, 기판(200)과 접하는 기판 홀딩부(110)의 표면의 표면 조도는 비저항 값이 1016Ω·cm 혹은 1014Ω·cm 이상인 경우 보다 더 큰 값(예를 들어, 0.7 μm 등)을 가지게 된다. 이에 반면, 비저항 값이 1016Ω·cm 혹은 1014Ω·cm와 1012Ω·cm 혹은 1010Ω·cm 사이인 경우, 기판(200)의 위치를 고정 및 기판(200)을 지지하기 위한 힘은 위에서 설명한 쿨롱 힘과 존슨-라벡 힘이 혼재한 형태이다.
또한, 기판 홀딩부(110)는 극저온 범위 상태의 기판(200)를 달성하기 위해, 온도 변화 시 기판 홀딩부(110)의 비저항 변화를 고려해 상온 기준 비저항 값이 저저항 범위(1012Ω·cm 혹은 1010Ω·cm 이하)의 비저항 값을 가질 수 있다.
또한, 기판 홀딩부(110)의 직경은 기판(200)의 직경과 동일하거나 기판(200)의 직경보다 작을 수 있다. 바람직하게는, 기판 홀딩부(110)의 직경은 기판(200)의 직경보다 작을 수 있다. 예컨대, 기판(200)의 직경이 300mm 일 경우, 기판 홀딩부(110)의 직경은 300mm 이하의 크기(예를 들어, 296 mm ~ 298 mm 등)가 될 수 있다.
또한, 기판 홀딩부(110)의 두께는 0.3mm ~ 10mm일 수 있으며, 바람직하게 2.5mm, 5mm 등일 수 있다.
이를 위해, 기판 홀딩부(110)는 척킹 전극(111) 및 히터 전극(113)을 포함할 수 있다.
척킹 전극(111)은 기판 홀딩부(110) 내에 매립되어 있으며, 필터(Filter), 직류 혹은 교류 전원 공급 장치(Power Supply) 등으로 구성된 척킹 파워 공급부(112)와 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 척킹 전극(111)은 특정 패턴(예를 들어, 원형, 나선형 등) 형태로 형성되며, 단극(Mono-polar) 혹은 양극(Bi-polar)으로 이루어질 수 있다.
또한, 척킹 전극(111)은 극저온 범위의 열 팽창 계수, 전기 전도도(Electrical Conductivity) 등의 특성을 기반으로 결정된 재료로 이루어질 수 있다. 재료는 텅스텐(Tungsten, W), 몰리브덴(Molybdenum, Mo) 등과 같은 금속, 금속을 포함하는 합금(Alloy) 등일 수 있다.
또한, 척킹 전극(111)의 위치는 히터 전극(113) 보다 위에 배치될 수 있다.
히터 전극(113)은 기판 홀딩부(110) 내에 매립되어 있으며, 필터, 직류 혹은 교류 전원 공급 장치 등으로 구성된 히터 파워 공급부(114)와 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 히터 전극(113)은 특정 패턴(예를 들어, 원형, 나선형 등) 형태로 형성되며, 특정 패턴에 따라 단일 영역 혹은 복수 영역으로 이루어질 수 있다.
또한, 히터 전극(113)은 극저온 범위의 열 팽창 계수, 전기 전도도 등의 특성을 기반으로 결정된 재료로 이루어질 수 있다. 재료는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등과 같은 금속, 금속을 포함하는 합금(Alloy) 등일 수 있다.
또한, 히터 전극(113)의 위치는 척킹 전극(111) 보다 아래에 배치될 수 있다.
기판 가스 공급부(120)는 질량 유량계(Mass Flow Meter, MFM), 덤프라인(Dumpline) 등으로 구성되며, 기판(200)의 온도 및 온도 균일도를 제어하기 위해 기판 홀딩부(110)와 접한 기판(200)의 표면과 기판(200)과 접한 기판 홀딩부(110)의 표면 사이 빈 공간으로 특정 조건(예를 들어, Pressure 50Torr, Leakage <1 sccm)에서 기판 가스를 공급할 수 있다.
여기서, 기판 가스는 헬륨(Helium, He), 아르곤(Argon, Ar), 질소(Nitrogen, N2) 등일 수 있으며, 바람직하게 헬륨(He)일 수 있다
이때, 기판 가스 공급부(120)를 통해 공급되는 기판 가스는 기판 홀딩부(110), 몸체부(140) 등 극저온 정전척 장치(100) 내부에 존재하는 가스 유동 경로를 통해 공급될 수 있다. 가스 유동 경로의 패턴, 개수 등은 기판 홀딩부(110) 내부의 영역 구성(단일 영역 혹은 복수 영역)을 기반으로 결정될 수 있다.
상부 접합부(130)는 기판 홀딩부(110)와 몸체부(140)의 사이에 위치하여, 기판 홀딩부(110)와 몸체부(140)를 서로 접합할 수 있다.
즉, 상부 접합부(130)는 기판 홀딩부(110)와 몸체부(140)를 서로 전기적으로 저저항으로 연결하고, 기구적으로 기판 홀딩부(110)와 몸체부(140)를 서로 접합할 수 있다.
상부 접합부(130)는 제1 상부 접합부(131), 제2 상부 접합부(132) 및 제3 상부 접합부(133)로 구성될 수 있다. 이때, 상부 접합부(130)의 제1 상부 접합부(131) 및 제3 상부 접합부(133)는 진공 브레이징(Vacuum Brazing), 에폭시(Epoxy) 등을 이용하여 형성될 수 있다. 물론, 상부 접합부(130)의 제1 상부 접합부(131) 혹은/그리고 제3 상부 접합부(133)은 아래에서 설명할 하부 접합부(160)의 제1 하부 접합부(161)을 형성하는 방법과 동일한 방법을 이용하여 형성될 수도 있다.
또한, 상부 접합부(130)의 제1 상부 접합부(131) 및 제3 상부 접합부(133)는 Al 계열 합금(예를 들어, Al-10Si-1.5Mg 등) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다.
상부 접합부(130)의 제2 상부 접합부(132)는 제1 상부 접합부(131)와 제3 상부 접합부(133) 사이에 위치한다.
여기서, 제2 상부 접합부(132)는 아래에서 설명할 하부 접합부(160)의 제2 하부 접합부(162)처럼 몰리브덴(Mo), 코바(Kovar), 지르코늄(Zrconium, Zr), 텅스텐(W), 티타늄(Titanium, Ti), 니오비움(Niobium, Nb), 백금(Platinum, Pt), 바나듐(Vanadium, V) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 제2 상부 접합부(132)의 직경은 기판 홀딩부(110)의 직경과 동일하거나, 기판 홀딩부(110)의 직경보다 작거나, 기판 홀딩부(110)의 직경보다 클 수 있다. 바람직하게는 제2 상부 접합부(132)의 직경은 기판 홀딩부(110)의 직경과 동일할 수 있다.
또한, 제2 상부 접합부(132)의 두께는 경제성 등을 기반으로 결정될 수 있으며, 예컨대, 3mm, 0.5mm, 0.05mm 등일 수 있다.
몸체부(140)는 기판 홀딩부(110)의 아래에 배치될 수 있다.
이때, 몸체부(140)는 기판 홀딩부(110)의 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion, CTE)를 기반으로 결정된 금속 기반 재료로 이루어질 수 있다. 금속 기반 재료는 Al-SiC 및 Al-Si 중 하나인 금속 복합 재료(metal matrix composite, MMC)일 수 있다. 금속 복합 재료는 Al-SiC, Al-Si 등일 수 있다. 예컨대, Al-SiC의 경우, 금속 복합 재료(MMC)의 열 팽창 계수는 일반적으로 SiC wt% 증가에 따라 Al-SiC의 열 팽창 계수가 감소하는 특징을 가진다. 즉, Al-SiC로 구성된 몸체부(140)의 열 팽창 계수가 wt% SiC에 따라 기판 홀딩부(110)의 열 팽창 계수에 열 팽창 계수 정합(Match) 가능함을 의미한다. 통상적으로 SiC wt% 범위는 15% ~ 85% 범위로 구성하는 것이 일반적이며, 특히 Al-SiC로 구성된 몸체부(140)의 경우, 상부 접합부(130)에 의해 접합된 기판 홀딩부(110) 및 하부 접합부(160) 간의 열 팽창 계수 정합, 열 전도도(Thermal Conductivity) 등을 고려하여 극저온 범위에서 극저온 정전척 장치(100)의 건전한 동작을 위해 Al-SiC의 wt% SiC는 65% ~ 85%가 보다 더 적절할 수 있다. 예를 들어, 알루미나(Al2O3)의 열 팽창 계수가 약 7*10-6/℃ ~ 8*10-6/℃임을 고려 시, Al-70%SiC와 Al-20%SiC의 열 팽창 계수 정합 비교 시, Al-70%SiC가 Al-20%SiC 보다 상대적으로 열 팽창 계수 정합이 된다. Al-70%SiC의 열 팽창 계수는 약 7*10-6/℃이며, Al-20%SiC의 열 팽창 계수는 약 13*10-6/℃ ~ 15*10-6/℃이다. 이에 반면, 금속 복합 재료(MMC)가 Al-Si의 경우, 위에서 설명한 Al-SiC와 유사하게 wt% Si 변화에 따라 기판 홀딩부(110)의 열 팽창 계수에 열 팽창 계수 정합이 될 수 있으므로, 몸체부(140)의 재료로 이용될 수 있다. 물론, 몸체부(140)는 금속 복합 재료(MMC)가 아닌, 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo) 등과 같은 금속 혹은 상기 금속을 포함하는 합금 등과 같은 재료로 이루어질 수도 있다.
또한, 몸체부(140)는 금속 복합 재료(MMC)를 이용하여 주조법(Casting), 침투법(Infilteration), 적층 제조 공정(Additive manufacturing process) 등과 같은 방법을 이용하여 제작될 수 있다.
여기서, 몸체부(140)의 직경은 기판(200)의 직경과 동일하거나 기판(200)의 직경보다 클 수 있다. 바람직하게는, 몸체부(140)의 직경은 기판(200)의 직경보다 클 수 있다. 예컨대, 기판(200)의 직경이 300mm 일 경우, 몸체부(140)의 직경은 300mm 이상의 크기(예를 들어, 310mm ~ 340mm 등)가 될 수 있다.
이를 위해, 몸체부(140)는 열 전도 조절 채널(141) 및 냉매 채널(143)을 포함할 수 있다.
열 전도 조절 채널(141)은 조절 가스 공급부(142)에 의해 공급되는 열 전도 조절 가스로 형성된 압력을 기반으로 열 전도도가 조절될 수 있다.
즉, 열 전도 조절 채널(141)은 금속 복합 재료(MMC)로 이루어진 몸체부(140) 내에 매립되어 있으며, 기판 홀딩부(110)의 온도, 기판 홀딩부(110)의 온도 균일도, 기판(200)의 온도, 기판(200)의 온도 균일도 등을 제어하기 위해, 질량 유량계(Mass Flow Meter, MFM), 덤프라인(Dumpline) 등으로 구성된 조절 가스 공급부(142)로부터 공급되는 열 전도 조절 가스가 존재하는 내부 공간을 포함할 수 있다.
여기서, 열 전도 조절 가스는 헬륨(He), 아르곤(Ar), 질소(N2) 등일 수 있으며, 바람직하게 헬륨(He)일 수 있다
또한, 열 전도 조절 채널(141)은 조절 가스 공급부(142)를 통해 공급되는 열 전도 조절 가스의 종류, 조절 가스 공급부(142)를 통해 공급되는 열 전도 조절 가스가 존재하는 내부 공간의 압력(예를 들어, 1mTorr 이하, 10mTorr, 20mTorr, 500mTorr, 300Torr, 760Torr 등), 열 전도 조절 가스의 유량 등을 기반으로 열 전도도가 조절될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 극저온 정전척 장치(100)는 기판 홀딩부(110)의 온도, 기판 홀딩부(110)의 온도 균일도, 기판(200)의 온도, 기판(200)의 온도 균일도 등을 제어할 수 있다.
또한, 열 전도 조절 채널(141)의 직경은 기판(200)의 직경과 동일하거나, 기판(200)의 직경보다 작거나, 기판(200)의 직경보다 클 수 있다. 바람직하게는, 열 전도 조절 채널(141)의 직경은 기판(200)의 직경보다 클 수 있다. 예컨대, 기판(200)의 직경이 300mm 일 경우, 열 전도 조절 채널(141)의 직경은 300mm 이상의 크기(예를 들어, 310mm ~ 330mm 등)가 될 수 있다.
또한, 열 전도 조절 채널(141)의 두께는 0.2mm이거나 0.2mm보다 작을 수 있다. 예컨대, 열 전도 조절 채널(141)의 두께는 0.15mm, 0.1mm, 0.05mm, 0.03mm 등일 수 있다.
또한, 열 전도 조절 채널(141)은 특정 패턴 형태로 형성되며, 특정 패턴에 따라 단일 영역 혹은 복수 영역으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 히터 전극(113)이 단일 영역으로 구성되어 있으면 열 전도 조절 채널(141)도 단일 영역으로 구성될 수 있고, 히터 전극(113)이 복수 영역으로 구성되어 있으면 열 전도 조절 채널(141)도 복수 영역으로 구성될 수 있다.
보다 자세히 설명하면, 열 전도 조절 채널(141)은 복수개의 열 전도 조절 서브 채널을 포함하고, 조절 가스 공급부(142)에 의해 복수개의 열 전도 조절 서브 채널에 공급되는 열 전도 조절 가스로 형성된 압력을 기반으로 열 전도 조절 서브 채널별로 열 전도도가 조절될 수 있다.
또한, 열 전도 조절 채널(141)은 격벽을 통해 서로 이격된 복수개의 열 전도 조절 서브 채널을 포함하고, 조절 가스 공급부(142)에 의해 열 전도 조절 서브 채널별로 열 전도 조절 가스가 공급될 수 있다. 예컨대, 열 전도 조절 채널(141)은 격벽을 통해 서로 이격된 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 열 전도 조절 서브 채널은 도넛 형상으로 이루어질 수 있다. 그리고, 제2 열 전도 조절 서브 채널은 제1 열 전도 조절 서브 채널의 내측에서 격벽을 통해 이격된 원 형상으로 이루어질 수 있다. 그리고, 기판(200)의 직경이 300mm 일 경우, 제1 열 전도 조절 서브 채널의 직경은 200mm에서 330mm 사이이고, 제2 열 전도 조절 서브 채널의 직경은 150mm에서 250mm 사이이며, 격벽의 직경은 1mm에서 10mm 사이일 수 있다.
또한, 열 전도 조절 채널(141)은 두께가 서로 상이한 복수개의 열 전도 조절 서브 채널을 포함할 수 있다. 예컨대, 열 전도 조절 채널(141)은 격벽을 통해 서로 이격된 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 열 전도 조절 서브 채널은 도넛 형상으로 이루어질 수 있다. 그리고, 제2 열 전도 조절 서브 채널은 제1 열 전도 조절 서브 채널의 두께보다 더 큰 두께를 가지고, 제1 열 전도 조절 서브 채널의 내측에서 격벽을 통해 이격된 원 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 열 전도 조절 채널(141)은 오리피스(orifice) 형태의 연결 관을 통해 서로 연결된 복수개의 열 전도 조절 서브 채널을 포함할 수 있다.
또한, 열 전도 조절 채널(141)은 냉매 채널(143) 위에 배치된 제1 열 전도 조절 서브 채널 및 제1 열 전도 조절 서브 채널의 외측 끝에서 냉매 채널(143) 방향으로 냉매 채널(143)의 외측과 이격되게 연장된 제2 열 전도 조절 서브 채널을 포함할 수 있다.
정리하면, 본 발명에 따른 열 전도 조절 채널(141)은 "열 전도 조절 채널(141)이 복수개의 열 전도 조절 서브 채널로 이루어지는 구성", "열 전도 조절 채널(141)을 구성하는 복수개의 열 전도 조절 서브 채널이 격벽을 통해 서로 이격되는 구성", "열 전도 조절 채널(141)을 구성하는 복수개의 열 전도 조절 서브 채널의 두께가 서로 상이한 구성", "열 전도 조절 채널(141)을 구성하는 복수개의 열 전도 조절 서브 채널이 오리피스(orifice) 형태의 연결 관을 통해 서로 연결되는 구성" 및 "열 전도 조절 채널(141)이 냉매 채널(143)의 외측을 감싸는 형태로 이루어지는 구성" 중의 적어도 하나의 구성을 통해 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 열 전도 조절 채널(141)의 구현 일례에 대해서는 이하 자세하게 설명한다.
한편, 본 발명에 따른 열 전도 조절 채널(141)이 복수개의 열 전도 조절 서브 채널로 이루어진 경우, 기판 홀딩부(110)에 매립된 척킹 전극(111), 기판 홀딩부(110)에 매립된 히터 전극(113) 및 몸체부(140)에 매립된 냉매 채널(143) 각각도 복수개의 열 전도 조절 서브 채널 각각에 대응되게 복수개로 이루어질 수 있다. 예컨대, 척킹 전극(111)은 열 전도 조절 채널(141)을 구성하는 복수개의 열 전도 조절 서브 채널 각각에 대응되는 복수개의 척킹 서브 전극을 포함하며, 척킹 파워 공급부(112)는 척킹 서브 전극별로 전원을 인가할 수 있다. 그리고, 히터 전극(113)은 열 전도 조절 채널(141)을 구성하는 복수개의 열 전도 조절 서브 채널 각각에 대응되는 복수개의 히터 서브 전극을 포함하며, 히터 파워 공급부(114)는 히터 서브 전극별로 전원을 인가할 수 있다. 그리고, 냉매 채널(143)은 열 전도 조절 채널(141)을 구성하는 복수개의 열 전도 조절 서브 채널 각각에 대응되는 복수개의 냉매 서브 채널을 포함하며, 냉매 공급부(144)는 냉매 서브 채널별로 냉매를 공급할 수 있다.
냉매 채널(143)은 금속 복합 재료(MMC)로 이루어진 몸체부(140) 내에 매립되어 있으며, 기판 홀딩부(110)의 온도, 기판 홀딩부(110)의 온도 균일도, 기판(200)의 온도, 기판(200)의 온도 균일도 등을 제어하기 위해, 극저온 칠러(Chiller), LN2 Dewar, LN2 순환 공급 시스템 등으로 구성된 냉매 공급부(144)를 통해 공급되는 냉매가 유동하는 내부 공간을 포함할 수 있다. 냉매는 갈덴(Galden), 액체 질소(Liquid Nitrogen, LN2) 등일 수 있으며, 냉매 공급부(144)를 통해 냉매 채널(143)의 내부 공간으로 공급될 수 있다.
여기서, 냉매 채널(143)은 특정 패턴(예를 들어, 나선형, 직렬, 병렬 등) 형태로 형성될 수 있다.
또한, 냉매 채널(143)의 위치는 열 전도 조절 채널(141) 보다 아래에 배치될 수 있다.
하부 접합부(160)는 몸체부(140) 아래에 위치하여 몸체부(140)와 접합된다.
즉, 하부 접합부(160)는 몸체부(140)와 서로 전기적으로 저저항으로 연결되며, 기구적으로 몸체부(140)와 접합된다.
하부 접합부(160)는 제1 하부 접합부(161) 및 제2 하부 접합부(162)로 구성될 수 있다. 이때, 하부 접합부(160)의 제1 하부 접합부(161)는 진공 브레이징(Vacuum Brazing), 에폭시(Epoxy) 등을 이용하여 형성될 수 있다. 물론, 하부 접합부(160)의 제1 하부 접합부(161)는 위에서 설명한 상부 접합부(130)의 제1 상부 접합부(131) 혹은/그리고 제3 상부 접합부(133)를 형성하는 방법과 동일한 방법을 이용하여 형성될 수도 있다.
또한, 제1 하부 접합부(161)는 Al 계열 합금(예를 들어, Al-10Si-1.5Mg 등) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다.
제2 하부 접합부(162)는 제1 하부 접합부(161) 아래에 배치될 수 있으며, 제1 하부 접합부(161)에 의해 몸체부(140)와 전기적으로 저저항으로 연결되며, 기구적으로 접합된다.
여기서, 제2 하부 접합부(162)는 몰리브덴(Mo), 코바(Kovar), 지르코늄(Zrconium, Zr), 텅스텐(W), 티타늄(Titanium, Ti), 니오비움(Niobium, Nb), 백금(Platinum, Pt), 바나듐(Vanadium, V) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 제2 하부 접합부(162)의 직경은 몸체부(140)의 직경과 동일하거나, 몸체부(140)의 직경보다 작거나, 몸체부(140)의 직경보다 클 수 있다. 바람직하게는 제2 하부 접합부(162)의 직경은 몸체부(140)의 직경과 동일할 수 있다.
또한, 제2 하부 접합부(162)의 두께는 경제성 등을 기반으로 결정될 수 있으며, 예컨대, 3mm, 0.5mm, 0.05mm 등일 수 있다.
RF 파워 공급부(190) 및 RF 파워 정합부(180)는 금속 복합 재료(MMC)로 이루어진 몸체부(140)와 전기적으로 연결될 수 있다.
즉, RF 파워 공급부(190) 및 RF 파워 정합부(180)는 처리 영역(600)에 플라즈마(Plasma)를 발생시킬 수 있다.
여기서, 바람직한 기판(200)의 처리(예를 들어, 식각 등)를 위해, RF 파워 공급부(190)는 2개 이상인 복수개로 이루어질 수 있다. 예컨대, RF 파워 공급부(190)가 2개인 경우, 13.56MHz 이상(예를 들어, 27.12MHz, 40MHz, 60MHz 등)의 제1 RF 파워 공급부(190-1)와 13.56MHz 미만(예를 들어, 2MHz, 400kHz 등)의 제2 RF 파워 공급부(190-2)로 구성될 수 있다. RF 파워 공급부(190)가 복수개인 경우, 이에 대응하여 RF 파워 정합부(180)도 복수개로 이루어질 수 있다.
온도 측정부(150)는 기판 홀딩부(110)의 온도, 기판 홀딩부(110)의 온도 균일도, 몸체부(140) 내에 매립된 열 전도 조절 채널(141) 위의 온도 및 몸체부(140) 내에 매립된 열 전도 조절 채널(141) 위의 온도 균일도를 측정하여, 기판(200)의 온도 및 온도 균일도를 측정할 수 있다.
여기서, 온도 측정부(150)는 형광 온도계(Fluoroptic thermometry) 혹은 필터와 함께 구성된 열전대(Thermocouple, TC), 제어 모듈(예를 들어, PID 등) 등으로 구성될 수 있다.
또한, 온도 측정부(150)를 이용하여 온도 및 온도 균일도를 측정하는 경우, 해당 온도 측정 위치는 단일 영역 혹은 복수 영역이 될 수 있다. 온도 측정 위치는 기판 홀딩부(110) 내에 매립된 히터 전극(113)의 단일 영역 혹은 복수 영역을 기반으로 결정될 수 있다. 또한, 온도 측정 위치는 몸체부(140) 내에 매립된 열 전도 조절 채널(141)의 단일 영역 혹은 복수 영역을 기반으로 결정될 수 있다.
제어부는 기판(200)의 온도 및 기판(200)의 온도 균일도를 제어할 수 있다.
즉, 제어부는 온도 측정부(150)를 통해 기판 홀딩부(110)의 온도, 기판 홀딩부(110)의 온도 균일도, 열 전도 조절 채널(141) 위의 온도 및 열 전도 조절 채널(141) 위의 온도 균일도를 측정할 수 있다.
그리고, 제어부는 측정된 온도 정보(기판 홀딩부(110)의 온도, 기판 홀딩부(110)의 온도 균일도, 열 전도 조절 채널(141) 위의 온도 및 열 전도 조절 채널(141) 위의 온도 균일도), 압력에 따른 열 전도도 그래프, 목표 온도 및 목표 온도 균일도를 기반으로, 조절 가스 공급부(142)에 의해 열 전도 조절 채널(141)에 공급되는 열 전도 조절 가스의 양 혹은/그리고 압력을 조절하여, 기판(200)의 온도 및 기판(200)의 온도 균일도를 제어할 수 있다.
여기서, 압력에 따른 열 전도도 그래프는 열 전도 조절 채널(141)의 내부 공간의 압력 변화에 따라 변화되는 열 전도 조절 채널(141)의 열전도도를 나타내는 것으로, 미리 획득되어 저장될 수 있다. 예컨대, 압력에 따른 열 전도도 그래프는 압력이 0인 경우 열전도도는 0에 가까우며, 압력이 증가할수록 열전도도가 증가하는 S자 형태의 커브로 이루어져 있다. 이때, 열 전도 조절 채널(141)의 두께에 따라 압력에 따른 열 전도도 그래프는 변경되며, 두께가 작을수록 동일 압력에서 더 높은 열 전도도를 나타내게 된다.
이때, 제어부는 기판(200)의 온도 및 기판(200)의 온도 균일도를 제어하기 위해, 히터 전극(113)과 연결된 히터 파워 공급부(114), 열 전도 조절 채널(141)과 연결된 조절 가스 공급부(142), 척킹 전극(111)과 연결된 척킹 파워 공급부(112), 기판 가스 공급부(120), 냉매 채널(143)과 연결된 냉매 공급부(144), RF 파워 공급부(190)과 RF 파워 정합부(180) 중 적어도 하나를 목표 온도 및 목표 온도 균일도를 기반으로 추가적으로 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 설명의 편의를 위해, 종래에 널리 알려진 척킹 전극(111)과 척킹 파워 공급부(112)의 접속부, 히터 전극(113)과 히터 파워 공급부(114)의 접속부, 기판 가스 공급부(120)에 의해 기판 홀딩부(110) 및 기판(200) 사이의 빈 공간으로 공급되는 기판 가스의 기판 홀딩부(110)와 몸체부(140) 내의 기판 가스 유동 경로, 몸체부(140) 내의 냉매의 유동 경로, 조절 가스 공급부(142)에 의해 열 전도 조절 채널(141)로 공급되는 열 전도 조절 가스의 몸체부(140) 내의 열 전도 조절 가스 유동 경로, 온도 측정부(150)에 의해 온도가 측정되는 위치 및 영역, 챔버(300)의 펌핑 연결부(310)에 접속되는 진공 시스템, 처리 가스의 공급원, 기판(200) 이송을 위한 리프트 핀(Lift Pin), 에지 링(Edge Ring), EMI 가스킷(Gasket), 오-링(O-ring) 등에 대한 상세한 설명은 생략한다.
그러면, 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 전도 조절 구성의 구현 일례에 대하여 설명한다.
도 3은 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 제1 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 극저온 정전척 장치(100)의 제1 실시예에 따른 열 전도 조절 채널(141)은 몸체부(140) 내에 매립되어 있을 수 있다. 열 전도 조절 채널(141)은 조절 가스 공급부(142)에 의해 공급되는 열 전도 조절 가스로 형성된 압력을 기반으로 열 전도도가 조절될 수 있다.
이때, 제어부는 측정된 온도 정보(기판 홀딩부(110)의 온도, 기판 홀딩부(110)의 온도 균일도, 열 전도 조절 채널(141) 위의 온도 및 열 전도 조절 채널(141) 위의 온도 균일도), 압력에 따른 열 전도도 그래프, 목표 온도 및 목표 온도 균일도를 기반으로, 조절 가스 공급부(142)에 의해 열 전도 조절 채널(141)에 공급되는 열 전도 조절 가스의 양 혹은/그리고 압력을 조절하여 열 전도 조절 채널(141)의 열 전도도를 조절하여, 종국적으로 기판(200)의 온도 및 기판(200)의 온도 균일도를 제어할 수 있다.
도 4는 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 제2 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 극저온 정전척 장치(100)의 제2 실시예에 따른 열 전도 조절 채널(141)은 격벽을 통해 서로 이격된 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널을 포함할 수 있다.
여기서, 기판(200)의 직경은 300mm이고, 격벽의 직경은 1mm에서 10mm 사이일 수 있다.
그리고, 제1 열 전도 조절 서브 채널은 도넛 형상으로 이루어지며, 직경이 200mm에서 330mm 사이일 수 있다.
그리고, 제2 열 전도 조절 서브 채널은 제1 열 전도 조절 서브 채널의 내측에서 격벽을 통해 이격된 원 형상으로 이루어지며, 직경이 150mm에서 250mm 사이일 수 있다.
그리고, 열 전도 조절 채널(141)은 제1 열 전도 조절 서브 채널 및 제2 열 전도 조절 서브 채널별로 열 전도도가 조절될 수 있다. 조절 가스 공급부(142)는 제1 열 전도 조절 서브 채널 및 제2 열 전도 조절 서브 채널별로 공급되는 열 전도 조절 가스의 양 혹은/그리고 압력을 조절할 수 있다.
이때, 제어부는 제1 열 전도 조절 서브 채널 및 제2 열 전도 조절 서브 채널 각각에 대응되는 위치에서 측정된 2개의 온도 정보(기판 홀딩부(110)의 온도, 기판 홀딩부(110)의 온도 균일도, 열 전도 조절 채널(141) 위의 온도 및 열 전도 조절 채널(141) 위의 온도 균일도), 압력에 따른 열 전도도 그래프, 목표 온도 및 목표 온도 균일도를 기반으로, 조절 가스 공급부(142)에 의해 열 전도 조절 채널(141)에 공급되는 열 전도 조절 가스의 양 혹은/그리고 압력을 제1 열 전도 조절 서브 채널 및 제2 열 전도 조절 서브 채널별로 조절하여 열 전도 조절 채널(141)의 열 전도도를 제1 열 전도 조절 서브 채널 및 제2 열 전도 조절 서브 채널별로 조절하여, 종국적으로 기판(200)의 온도 및 기판(200)의 온도 균일도를 제어할 수 있다.
즉, 기판(200)의 식각 공정 등을 수행하는 경우, 기판(200)의 중심 영역보다 에지 영역이 온도가 더 높게 된다. 따라서, 기판(200)의 중심 영역과 에지 영역의 온도 및 온도 균일도 제어를 개별적으로 수행하기 위해, 본 실시예와 같이 열 전도 조절 채널(141)을 기판(200)의 중심 영역에 대응되는 제2 열 전도 조절 서브 채널과 기판(200)의 에지 영역에 대응되는 제1 열 전도 조절 서브 채널로 구성하여, 제1 열 전도 조절 서브 채널 및 제2 열 전도 조절 서브 채널별로 열 전도도를 제어할 수 있다.
도 5는 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 제3 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 극저온 정전척 장치(100)의 제3 실시예에 따른 열 전도 조절 채널(141)은 위에서 설명한 극저온 정전척 장치(100)의 제2 실시예(도 4 참조)에 따른 열 전도 조절 채널(141)과 실질적으로 동일하며, 차이가 있는 부분에 대해서만 설명한다.
도 5를 참조하면, 제2 열 전도 조절 서브 채널은 제1 열 전도 조절 서브 채널의 두께보다 더 큰 두께를 가지고 있다.
여기서, 제1 열 전도 조절 서브 채널의 두께는 0.05mm일 수 있다.
그리고, 제2 열 전도 조절 서브 채널의 두께는 0.1mm일 수 있다.
도 6은 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 제4 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 극저온 정전척 장치(100)의 제4 실시예에 따른 열 전도 조절 채널(141)은 위에서 설명한 극저온 정전척 장치(100)의 제3 실시예(도 5 참조)에 따른 열 전도 조절 채널(141)과 실질적으로 동일하며, 차이가 있는 부분에 대해서만 설명한다.
도 6을 참조하면, 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널은 오리피스(orifice) 형태의 연결 관을 통해 서로 연결될 수 있다.
여기서, 오리피스(orifice) 형태의 연결 관의 두께는 제1 열 전도 조절 서브 채널의 두께보다 더 작은 두께를 가지고 있다.
즉, 와류를 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널별로 발생시켜 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널의 압력을 서로 다르게 조절하기 위해, 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널을 오리피스(orifice) 형태의 연결 관을 통해 연결할 수 있다.
도 7은 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 제5 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 극저온 정전척 장치(100)의 제5 실시예에 따른 열 전도 조절 채널(141)은 위에서 설명한 극저온 정전척 장치(100)의 제1 실시예(도 3 참조)에 따른 열 전도 조절 채널(141)과 실질적으로 동일하며, 차이가 있는 부분에 대해서만 설명한다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 열 전도 조절 채널(141)은 두께가 도 3에 도시한 제1 실시예와 같이 균일한 형상으로 이루어져 있지 않고, 중심 영역의 두께가 에지 영역의 두께보다 더 두꺼운 형상으로 이루어져 있다.
즉, 열 전도 조절 채널(141)의 두께에 따라 압력에 따른 열 전도도 그래프는 변경되며, 두께가 작을수록 동일 압력에서 더 높은 열 전도도를 나타내는 점을 이용하여, 기판(200)의 중심 영역에 대응되는 열 전도 조절 채널(141)의 중심 영역의 두께를 기판(200)의 에지 영역에 대응되는 열 전도 조절 채널(141)의 에지 영역의 두께보다 더 두꺼운 형상으로 형성할 수 있다.
도 8은 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 제6 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 극저온 정전척 장치(100)의 제6 실시예에 따른 열 전도 조절 채널(141)은 위에서 설명한 극저온 정전척 장치(100)의 제1 실시예(도 3 참조)에 따른 열 전도 조절 채널(141)과 실질적으로 동일하며, 차이가 있는 부분에 대해서만 설명한다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 열 전도 조절 채널(141)은 도 3에 도시한 제1 실시예에 따른 열 전도 조절 채널(141)인 제1 열 전도 조절 서브 채널 및 제1 열 전도 조절 서브 채널의 외측 끝에서 연장된 제2 열 전도 조절 서브 채널을 포함할 수 있다.
여기서, 제1 열 전도 조절 서브 채널은 냉매 채널(143) 위에 배치될 수 있다.
그리고, 제2 열 전도 조절 서브 채널은 제1 열 전도 조절 서브 채널의 외측 끝에서 냉매 채널(143) 방향으로 냉매 채널(143)의 외측과 이격되게 연장될 수 있다.
그리고, 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널이 서로 연결되는 부분에는 내부 격벽, 오리피스(orifice) 형태의 연결 관 등이 형성되어, 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널 간의 열 전도 조절 가스의 유동을 방지할 수 있다.
이때, 조절 가스 공급부(142)는 제1 열 전도 조절 서브 채널에는 열 전도 조절 가스를 공급하고, 제2 열 전도 조절 서브 채널에는 열 전도 조절 가스를 공급하지 않을 수 있다.
즉, 제2 열 전도 조절 서브 채널에는 열 전도 조절 가스가 공급되지 않아, 제2 열 전도 조절 서브 채널의 압력은 0이 되고, 이로 인해 제2 열 전도 조절 서브 채널의 열전도도는 0에 가깝게 된다. 이에 따라, 냉매 채널(143)의 외측을 절연시킬 수 있다.
도 9는 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 제7 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 극저온 정전척 장치(100)의 제7 실시예에 따른 열 전도 조절 채널(141)은 위에서 설명한 극저온 정전척 장치(100)의 제2 실시예(도 4 참조)에 따른 열 전도 조절 채널(141)과 실질적으로 동일하며, 차이가 있는 부분에 대해서만 설명한다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 열 전도 조절 채널(141)은 격벽을 통해 서로 이격된 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널을 포함할 수 있다.
여기서, 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널은 반원 형상으로 이루어져 있다.
그러면, 도 10 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 RF 파워 공급 구성의 구현 일례에 대하여 설명한다.
도 10은 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 RF 파워 공급 구성의 다른 예를 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 RF 파워 공급 구성의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이며, 도 12는 도 2에 도시한 극저온 정전척 장치의 RF 파워 공급 구성의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 RF 파워 공급부(190) 및 RF 파워 정합부(180)는 금속 복합 재료(MMC)로 이루어진 몸체부(140)와 전기적으로 연결될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 RF 파워 공급부(190) 및 RF 파워 정합부(180)는 도 3에 도시된 바와 같이 몸체부(140)와 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 RF 파워 공급부(190) 및 RF 파워 정합부(180)는 도 10에 도시된 바와 같이 하부 접합부(160)와 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 RF 파워 공급부(190) 및 RF 파워 정합부(180)는 도 11에 도시된 바와 같이 척킹 전극(111)과 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 RF 파워 공급부(190) 및 RF 파워 정합부(180)는 각각 2개로 이루어지며, 제2 RF 파워 공급부(190-2) 및 제2 RF 파워 정합부(180-2)는 몸체부(140)와 전기적으로 연결되고, 제1 RF 파워 공급부(190-1) 및 제1 RF 파워 정합부(180-1)는 플라즈마 공급 장치(400)와 전기적으로 연결될 수 있다.
그러면, 도 13을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 정전척 장치의 제어 방법에 대하여 설명한다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 정전척 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 정전척 장치(100)의 제어부는 기판 홀딩부(110)의 온도, 기판 홀딩부(110)의 온도 균일도, 열 전도 조절 채널(141) 위의 온도 및 열 전도 조절 채널(141) 위의 온도 균일도를 측정할 수 있다(S110).
그런 다음, 극저온 정전척 장치(100)의 제어부는 측정된 온도 정보(기판 홀딩부(110)의 온도, 기판 홀딩부(110)의 온도 균일도, 열 전도 조절 채널(141) 위의 온도 및 열 전도 조절 채널(141) 위의 온도 균일도), 압력에 따른 열 전도도 그래프, 목표 온도 및 목표 온도 균일도를 기반으로, 조절 가스 공급부(142)에 의해 열 전도 조절 채널(141)에 공급되는 열 전도 조절 가스의 양 혹은/그리고 압력을 조절할 수 있다(S120).
여기서, 압력에 따른 열 전도도 그래프는 열 전도 조절 채널(141)의 내부 공간의 압력 변화에 따라 변화되는 열 전도 조절 채널(141)의 열전도도를 나타내는 것으로, 미리 획득되어 저장될 수 있다. 예컨대, 압력에 따른 열 전도도 그래프는 압력이 0인 경우 열전도도는 0에 가까우며, 압력이 증가할수록 열전도도가 증가하는 S자 형태의 커브로 이루어져 있다. 이때, 열 전도 조절 채널(141)의 두께에 따라 압력에 따른 열 전도도 그래프는 변경되며, 두께가 작을수록 동일 압력에서 더 높은 열 전도도를 나타내게 된다.
이때, 제어부는 기판(200)의 온도 및 기판(200)의 온도 균일도를 제어하기 위해, 히터 전극(113)과 연결된 히터 파워 공급부(114), 열 전도 조절 채널(141)과 연결된 조절 가스 공급부(142), 척킹 전극(111)과 연결된 척킹 파워 공급부(112), 기판 가스 공급부(120), 냉매 채널(143)과 연결된 냉매 공급부(144), RF 파워 공급부(190)과 RF 파워 정합부(180) 중 적어도 하나를 목표 온도 및 목표 온도 균일도를 기반으로 추가적으로 제어할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록 매체로서는 자기기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.
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.
< 부호의 설명 >
10 : 극저온 정전척 시스템, 100 : 극저온 정전척 장치,
110 : 기판 홀딩부, 111 : 척킹 전극,
112 : 척킹 파워 공급부, 113 : 히터 전극,
114 : 히터 파워 공급부, 120 : 기판 가스 공급부,
130 : 상부 접합부, 131 : 제1 상부 접합부,
132 : 제2 상부 접합부, 133 : 제3 상부 접합부,
140 : 몸체부, 141 : 열 전도 조절 채널,
142 : 조절 가스 공급부, 143 : 냉매 채널,
144 : 냉매 공급부, 150 : 온도 측정부,
160 : 하부 접합부, 161 : 제1 하부 접합부,
162 : 제2 하부 접합부, 180 : RF 파워 정합부,
190 : RF 파워 공급부, 200 : 기판,
300 : 챔버, 310 : 펌핑 연결부,
400 : 플라즈마 공급 장치, 500 : 처리 가스 공급 장치,
600 : 처리 영역

Claims (13)

  1. 정전력에 의해 기판을 고정하는 기판 홀딩부; 및
    상기 기판 홀딩부의 아래에 배치되고, 상기 기판 홀딩부의 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion, CTE)를 기반으로 결정된 금속 기반 재료로 이루어지며, 조절 가스 공급부에 의해 공급되는 열 전도 조절 가스로 형성된 압력을 기반으로 열 전도도가 조절되는 열 전도 조절 채널을 포함하는 몸체부;
    를 포함하는 극저온 정전척 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 열 전도 조절 채널은,
    복수개의 열 전도 조절 서브 채널을 포함하고, 상기 조절 가스 공급부에 의해 상기 복수개의 열 전도 조절 서브 채널에 공급되는 상기 열 전도 조절 가스로 형성된 압력을 기반으로 상기 열 전도 조절 서브 채널별로 열 전도도가 조절되는,
    극저온 정전척 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 열 전도 조절 채널은,
    격벽을 통해 서로 이격된 상기 복수개의 열 전도 조절 서브 채널을 포함하고, 상기 조절 가스 공급부에 의해 상기 열 전도 조절 서브 채널별로 상기 열 전도 조절 가스가 공급되는,
    극저온 정전척 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 열 전도 조절 채널은, 격벽을 통해 서로 이격된 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널을 포함하며,
    상기 제1 열 전도 조절 서브 채널은, 도넛 형상으로 이루어지고,
    상기 제2 열 전도 조절 서브 채널은, 상기 제1 열 전도 조절 서브 채널의 내측에서 상기 격벽을 통해 이격된 원 형상으로 이루어지는,
    극저온 정전척 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 열 전도 조절 서브 채널의 직경은, 200mm에서 330mm 사이이고,
    상기 제2 열 전도 조절 서브 채널의 직경은, 150mm에서 250mm 사이이며,
    상기 격벽의 직경은, 1mm에서 10mm 사이인,
    극저온 정전척 장치.
  6. 제2항에서,
    상기 열 전도 조절 채널은,
    두께가 서로 상이한 복수개의 열 전도 조절 서브 채널을 포함하는,
    극저온 정전척 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 열 전도 조절 채널은, 격벽을 통해 서로 이격된 제1 열 전도 조절 서브 채널과 제2 열 전도 조절 서브 채널을 포함하며,
    상기 제1 열 전도 조절 서브 채널은, 도넛 형상으로 이루어지고,
    상기 제2 열 전도 조절 서브 채널은, 상기 제1 열 전도 조절 서브 채널의 두께보다 더 큰 두께를 가지고, 상기 제1 열 전도 조절 서브 채널의 내측에서 상기 격벽을 통해 이격된 원 형상으로 이루어지는,
    극저온 정전척 장치.
  8. 제2항에서,
    상기 열 전도 조절 채널은,
    오리피스(orifice) 형태의 연결 관을 통해 서로 연결된 상기 복수개의 열 전도 조절 서브 채널을 포함하는,
    극저온 정전척 장치.
  9. 제2항에서,
    상기 열 전도 조절 채널은,
    냉매 채널 위에 배치된 제1 열 전도 조절 서브 채널 및 상기 제1 열 전도 조절 서브 채널의 외측 끝에서 상기 냉매 채널 방향으로 상기 냉매 채널의 외측과 이격되게 연장된 제2 열 전도 조절 서브 채널을 포함하는,
    극저온 정전척 장치.
  10. 제1항에서,
    상기 기판 홀딩부의 직경은, 상기 기판의 직경과 동일하거나 상기 기판의 직경보다 작고,
    상기 몸체부의 직경은, 상기 기판의 직경과 동일하거나 상기 기판의 직경보다 큰,
    극저온 정전척 장치.
  11. 제1항에서,
    상기 기판 홀딩부와 상기 몸체부의 사이에 위치하여, 상기 기판 홀딩부와 상기 몸체부를 접합하는 상부 접합부; 및
    상기 몸체부의 아래에 위치하여 상기 몸체부와 접합하는 하부 접합부;
    를 더 포함하는 극저온 정전척 장치.
  12. 제1항에서,
    상기 금속 기반 재료는,
    Al-SiC 및 Al-Si 중 하나인 금속 복합 재료(metal matrix composite, MMC)인,
    극저온 정전척 장치.
  13. 정전력에 의해 기판을 고정하는 기판 홀딩부; 및 상기 기판 홀딩부의 아래에 배치되고, 상기 기판 홀딩부의 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion, CTE)를 기반으로 결정된 금속 기반 재료로 이루어지며, 조절 가스 공급부에 의해 공급되는 열 전도 조절 가스로 형성된 압력을 기반으로 열 전도도가 조절되는 열 전도 조절 채널을 포함하는 몸체부;를 포함하는 극저온 정전척 장치의 제어 방법으로서,
    상기 기판 홀딩부의 온도, 상기 기판 홀딩부의 온도 균일도, 상기 열 전도 조절 채널 위의 온도 및 상기 열 전도 조절 채널 위의 온도 균일도를 측정하는 단계; 및
    압력에 따른 열 전도도 그래프, 목표 온도 및 목표 온도 균일도를 기반으로, 상기 조절 가스 공급부에 의해 상기 열 전도 조절 채널에 공급되는 상기 열 전도 조절 가스의 양 혹은/그리고 압력을 조절하는 단계;
    를 포함하는 극저온 정전척 장치의 제어 방법.
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