KR100490894B1 - Wafer Fixed Electrostatic Chuck - Google Patents
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Abstract
본 발명은 웨이퍼 고정용 정전척에 관한 것이다.The present invention relates to an electrostatic chuck for wafer holding.
본 발명은 표면에 다수의 구멍이 형성되어 있는 정전척 플레이트; 상기 정전척 플레이트 하부에 위치하는 냉각수 챔버; 및 상기 냉각수 챔버 내부를 통과하며 상기 정전척 플레이트 표면의 구멍에 연결되는 냉각가스 공급관을 구비하여 이루어진다.The present invention provides an electrostatic chuck plate having a plurality of holes formed on its surface; A coolant chamber positioned below the electrostatic chuck plate; And a cooling gas supply pipe passing through the cooling water chamber and connected to a hole in the surface of the electrostatic chuck plate.
상기 냉각수 챔버 내를 통과하는 부분의 상기 냉각가스 공급관은 스프링 형태인 것을 특징으로 하고 있다.The cooling gas supply pipe of the portion passing through the cooling water chamber is characterized in that the spring form.
따라서, 정전척 자체를 냉각하기 위한 정전척 내부의 냉각수 챔버 내로 웨이퍼을 냉각시키기 위한 냉각가스 공급관을 통과시키므로써 본래의 냉각가스보다 온도를 낮추어줌으로써 종래의 냉각가스 용량으로도 향상된 냉각효과를 발휘할 수 있는 효과가 있다. Therefore, the cooling gas supply pipe for cooling the wafer passes through the cooling water chamber inside the electrostatic chuck for cooling the electrostatic chuck itself, thereby lowering the temperature than the original cooling gas, thereby improving the cooling effect even with the conventional cooling gas capacity. It works.
Description
본 발명은 웨이퍼 고정용 정전척에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각수 챔버 내로 냉각가스 공급관이 통과함으로써 상기 냉각가스에 의한 냉각효율이 향상된 웨이퍼 고정용 정전척에 관한 것이다. The present invention relates to an electrostatic chuck for wafer holding, and more particularly, to an electrostatic chuck for wafer holding in which a cooling gas supply pipe passes through a cooling water chamber to improve cooling efficiency by the cooling gas.
반도체소자 제조공정에는 공정챔버에서 공정 수행중인 웨이퍼의 온도제어가 중요한 요소이다. Temperature control of the wafer being processed in the process chamber is an important factor in the semiconductor device manufacturing process.
공정중 웨이퍼의 온도는 상기 반도체소자의 균일도(Uniformity), 선폭(Critical Dimension), 프로파일(Profile) 및 재현성(Repeatability)에 중요한 영향을 미친다. 그러므로 상기 웨이퍼의 온도를 조절하기 위하여, 상기 웨이퍼의 뒷면(Backside)의 온도를 조절하는 방법이 사용되고 있다. 따라서 상기 웨이퍼이 고정되는 척(Chuck)은 중요한 부분이다. The temperature of the wafer during the process has an important influence on the uniformity, critical dimension, profile and repeatability of the semiconductor device. Therefore, in order to control the temperature of the wafer, a method of controlling the temperature of the backside of the wafer is used. Therefore, the chuck to which the wafer is fixed is an important part.
종래의 척은 기계적인 고정방식으로 상기 웨이퍼의 에지(Edge)를 고정쇠를 사용하여 고정하도록 하고 있다. 그러나 상기의 척은 상기 웨이퍼의 에지로부터 5mm 정도를 상기 고정쇠에 의해 커버(Cover)시키므로 수율이 저하되며, 상기 웨이퍼의 휨현상이 발생한다. 또한 상기 고정쇠의 그림자 효과(Shadow Effect)가 발생되며, 온도제어의 균일성 및 재현성이 부족하고 기계적 사용에 따른 파티클이 발생되며, 공정시간의 지연 및 에지패턴의 리프팅(Lifting), 상기 웨이퍼의 파손 등의 문제점이 있다.Conventional chucks are intended to fix the edge of the wafer by means of mechanical fastening by mechanical fastening. However, since the chuck covers 5 mm from the edge of the wafer with the clamp, the yield decreases, and the warpage of the wafer occurs. In addition, the shadow effect of the fasteners (Shadow Effect) is generated, uniformity and reproducibility of temperature control is insufficient, particles are generated according to the mechanical use, delay of the process time, lifting of the edge pattern (Lifting), breakage of the wafer There is such a problem.
전술한 문제점을 개선한 척이 정전척(ESC : Electro Stack Chuck)이다.An electrostatic chuck (ESC) is an chuck that improves the above problems.
반도체소자 제조 공정중 증착공정에서 스퍼터링에 의한 이온 충격에 의하여 다량의 열이 웨이퍼로 전달되는 고밀도플라즈마 화학기상증착법(High Density Plasma Chemical Vapour Deposition; 이하 HDP-CVD 라 함) 시스템에 있어서 웨이퍼의 가열보다는 냉각이 훨씬 중요하다. 고밀도 플라즈마원을 사용한 HDP-CVD의 경우 Ar 스퍼터링에 의하여 다량의 열이 발생하므로 웨이퍼의 냉각은 필수적이다.In the high density plasma chemical vapor deposition (HDP-CVD) system in which a large amount of heat is transferred to the wafer by ion bombardment by sputtering in the deposition process during the semiconductor device manufacturing process, rather than heating the wafer. Cooling is much more important. In the case of HDP-CVD using a high density plasma source, since a large amount of heat is generated by Ar sputtering, cooling of the wafer is essential.
도1은 종래의 방법에 의한 웨이퍼 고정용 정전척을 나타내는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing an electrostatic chuck for wafer fixing by a conventional method.
도1에서 보는 바와 같이 정전척(2)은 플레이트 표면에 다수의 냉각가스 공급구멍(6) 및 상기 냉각가스 공급관(10)을 갖는다. 처음 정전척(2)의 플레이트 상에 웨이퍼(4)를 위치시키고 다음 공정챔버 내부에 반응가스를 주입함과 동시에 고주파 전압(RF : Radio Frequency)을 인가하게 되면, 상기 공정챔버 내에 플라즈마가 생성되고, 상기 플라즈마는 정전척(2)에 의해 웨이퍼로 유도됨으로써 건식각 또는 화학기상증착 공정을 수행하게 된다. 상기 공정 진행시 상기 정전척 자체를 냉각시키기 위한 냉각수는 냉각수 유입구(12)를 통해 냉각수 챔버(8)을 지나 냉각수 배기구(14)를 통해 항상 흐르고 있다.As shown in Fig. 1, the electrostatic chuck 2 has a plurality of cooling gas supply holes 6 and the cooling gas supply pipe 10 on the plate surface. When the wafer 4 is first placed on the plate of the electrostatic chuck 2 and the reaction gas is injected into the next process chamber and a high frequency voltage (RF) is applied, plasma is generated in the process chamber. The plasma is guided to the wafer by the electrostatic chuck 2 to perform a dry etching or chemical vapor deposition process. During the process, the cooling water for cooling the electrostatic chuck itself always flows through the cooling water chamber 8 through the cooling water inlet 12 through the cooling water inlet 12.
상기와 같은 가스냉각방식의 정전척은 웨이퍼의 열을 플레이트에 전달시키기 위해 플레이트 표면에 다수의 구멍을 형성시켜 냉각가스를 흘려보낸다. 그러나 상기 냉각가스 공급량이 충분치 않아 열전달매체로서 역할을 제대로 할 수 없었다. 즉, 정전척의 웨이퍼를 고정시키는 힘이 충분하지 않아 상기 냉각가스량을 늘리면 상기 웨이퍼가 상기 정전척 플레이트에서 미끄러져 나갈 염려가 있다. 이와는 반대로 상기 정전척의 웨이퍼를 고정시키는 힘을 늘리면 그 만큼의 파워 공급시스템을 증강시켜야 하는 문제점이 있다. The gas-cooled electrostatic chuck as described above forms a plurality of holes in the surface of the plate to transfer the heat of the wafer to the plate to flow the cooling gas. However, the supply amount of the cooling gas was not enough to properly serve as a heat transfer medium. That is, there is a concern that the wafer may slide out of the electrostatic chuck plate when the amount of cooling gas is increased due to insufficient force for fixing the wafer of the electrostatic chuck. On the contrary, if the force for fixing the wafer of the electrostatic chuck is increased, there is a problem that the power supply system must be increased.
또한 상기의 가스냉각방식의 정전척은 상기 정전척 플레이트 자체의 냉각과 상기 웨이퍼의 냉각매체인 냉각가스가 각각 독립적으로 역할이 한정되어 있었다. 따라서 정전척 자체의 냉각은 충분한 수준이나 상기 웨이퍼의 냉각매체인 냉각가스의 온도는 고려되지 않았다. 그러므로 한정된 냉각가스로 최상의 냉각효과를 발휘하지 못하는 문제점이 있다.In addition, in the gas-cooled electrostatic chuck, the role of the cooling of the electrostatic chuck plate itself and the cooling gas which is a cooling medium of the wafer is independently limited. Thus, the cooling of the electrostatic chuck itself is sufficient, but the temperature of the cooling gas, which is the cooling medium of the wafer, is not taken into account. Therefore, there is a problem that does not exhibit the best cooling effect with a limited cooling gas.
본 발명의 목적은, 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 정전척 플레이트 하부의 냉각수 챔버 내로 냉각가스 공급관을 통과시켜 상기 냉각수로 상기 냉각가스의 온도를 낮추어 흘려보냄으로써 상기 냉각가스에 의한 웨이퍼의 냉각효율을 향상시키는 데 있다. An object of the present invention is to solve the problems of the prior art by passing a cooling gas supply pipe into the cooling water chamber below the electrostatic chuck plate to lower the temperature of the cooling gas to the cooling water to flow the wafer by the cooling gas. It is to improve the cooling efficiency.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 웨이퍼 고정용 정전척은 표면에 다수의 구멍이 형성되어 있는 정전척 플레이트, 상기 정전척 플레이트 하부에 위치하는 냉각수 챔버 및 상기 냉각수 챔버 내부를 통과하며 상기 정전척 플레이트 표면의 구멍에 연결되는 냉각가스 공급관을 구비하여 이루어진다.The electrostatic chuck for wafer fixing according to the present invention for achieving the above object is passed through an electrostatic chuck plate having a plurality of holes formed on a surface thereof, a coolant chamber positioned below the electrostatic chuck plate, and an inside of the coolant chamber. It is provided with a cooling gas supply pipe connected to the hole of the plate surface.
상기 냉각가스는 에어로 할 수 있다.The cooling gas may be air.
상기 정전척 플레이트 표면에는 다수의 냉각가스 배출구멍이 원형형태로 형성될 수 있다. A plurality of cooling gas discharge holes may be formed in a circular shape on the surface of the electrostatic chuck plate.
상기 냉각수 챔버 내를 통과하는 부분의 상기 냉각가스 공급관은 스프링 형태이며, 상기 냉각수 챔버 내를 통과하기 전단의 상기 가스 공급관에는 상기 냉각가스가 상기 플레이트에 도달하는 시간지연을 조절하는 솔레노이드 밸브가 개재될 수 있으며, 상기 밸브와 냉각가스 공급원 사이에는 가스건조기가 개재될 수 있다.The cooling gas supply pipe of the portion passing through the cooling water chamber is in the form of a spring, the solenoid valve for adjusting the time delay for the cooling gas to reach the plate in the gas supply pipe of the front end to pass through the cooling water chamber. In addition, a gas dryer may be interposed between the valve and the cooling gas supply source.
이하, 본 발명의 구체적인 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings a specific embodiment of the present invention will be described in detail.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 고정용 정전척을 나타내는 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing an electrostatic chuck for wafer fixing according to an embodiment of the present invention.
도2에서 보는 바와 같이 초기 상온 상태의 웨이퍼(22)를 HDP-CVD의 공정챔버 내에 구비된 정전척(20)의 플레이트에 올려 놓은 다음 Ar 플라즈마를 발생시키고, 정전척의 플레이트에 높은 파워의 RF를 인가하여 바이어스 볼테이지(Bias Voltage)가 생기도록 한다. 플라즈마 상태에서 발생한 Ar 이온이 정전척(20)에 걸린 바이어스에 의하여 강한 운동에너지를 가지고 웨이퍼(22)에 충돌하며 이때 운동에너지의 대부분이 다량의 열에너지로 변환된다.As shown in Fig. 2, the wafer 22 in the initial room temperature state is placed on a plate of the electrostatic chuck 20 provided in the process chamber of HDP-CVD, and then an Ar plasma is generated, and a high power RF is applied to the plate of the electrostatic chuck. It is applied to generate bias voltage. Ar ions generated in the plasma state collide with the wafer 22 with a strong kinetic energy by a bias applied to the electrostatic chuck 20, and most of the kinetic energy is converted into a large amount of thermal energy.
따라서 상기 웨이퍼(22)의 온도가 일정온도로 상승되면 상기 웨이퍼(22) 뒷면에 에어 공급관(28)을 통하여 상기 정전척(20)의 플레이트에 형성된 구멍(24)을 통하여 에어를 흘려주어 상기 웨이퍼(22)의 뒷면을 냉각시키므로써 시간에 따라 일정한 온도가 유지되도록 한다.Therefore, when the temperature of the wafer 22 rises to a predetermined temperature, air is flowed through the hole 24 formed in the plate of the electrostatic chuck 20 through the air supply pipe 28 on the back surface of the wafer 22 to allow the wafer to flow. Cool the back of (22) to maintain a constant temperature over time.
도3는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 고정용 정전척의 평면도이다.3 is a plan view of an electrostatic chuck for wafer fixing according to an embodiment of the present invention.
도3에서 보는 바와 같이 상기 플레이트(40)에는 다수의 에어 배출구멍(24)이 원형형태로 가장자리에 형성되어 있다. 상기 구멍(24) 하부에는 상기 스프링 형태의 에어 공급관(28)이 형성되어 있다. As shown in Fig. 3, the plate 40 has a plurality of air discharge holes 24 formed at the edges in a circular shape. The air supply pipe 28 in the form of a spring is formed below the hole 24.
상기 정전척(20) 자체는 상기 플레이트(40) 하부에 냉각수 챔버(34)에 항시 탈이온수가 냉각수 유입구(26)를 통하여 냉각수 배기구(32)로 흐르고 있어 상기 정전척(20) 자체를 냉각한다. 상기 에어 공급관(28)은 상기 냉각수 챔버 내를 스프링 형태로 통과하고 있어 상기 에어는 상기 냉각수에 의해 더 낮은 온도로 상기 웨이퍼를 냉각시킬 수 있다.The electrostatic chuck 20 itself flows into the coolant exhaust port 32 through the coolant inlet 26 at all times in the coolant chamber 34 under the plate 40 to cool the electrostatic chuck 20 itself. . The air supply pipe 28 is passed through the cooling water chamber in the form of a spring so that the air can cool the wafer to a lower temperature by the cooling water.
또한 솔레노이드 밸브(36)를 상기 냉각수 챔버 내를 통과하기 전단의 상기 에어 공급관(28)에 개재하여 공정 시작 전에 상기 솔레노이드 밸브(36)를 오픈시켜 충분히 상기 에어 공급관(28)에 상기 에어가 공급되도록 하므로써 상기 에어의 상기 플레이트(40) 표면의 도달 시간지연을 줄여 상기의 방법으로 상기 에어를 냉각할 때 상기 에어가 상기 플레이트(40) 표면까지의 거리가 멀어 동작시 민첩성이 떨어질 가능성을 없도록 하였다. 또한, 상기 에어의 수분함유량이 많을 경우 냉각에 의한 이슬점(Dew Point) 이하 상태에서 일어날 수 있는 수분응축에 의한 상기 정전척 플레이트(40)의 표면 및 웨이퍼 뒷면의 오염을 방지하기 위하여 상기 솔레노이드 밸브(36) 다음에 가스건조기(38)를 부착하여 상기 에어를 건조시켜 공급한다.In addition, the solenoid valve 36 is interposed in the air supply pipe 28 before passing through the cooling water chamber to open the solenoid valve 36 before the start of the process so that the air is sufficiently supplied to the air supply pipe 28. As a result, the time delay of reaching the surface of the plate 40 of the air is reduced, so that the air is far from the surface of the plate 40 when cooling the air by the above method, so that there is no possibility of deterioration of agility during operation. In addition, in order to prevent contamination of the surface of the electrostatic chuck plate 40 and the back surface of the wafer due to moisture condensation, which may occur at a dew point lower than cooling when the air content is large, 36) Next, a gas dryer 38 is attached to dry the air.
따라서, 본 발명에 의하면 상술한 바와 같이 정전척 자체를 냉각하기 위한 정전척 내부의 냉각수 챔버 내로 웨이퍼를 냉각시키기 위한 냉각가스 공급관을 스프링 형태로 통과시키므로써 본래의 냉각가스보다 온도를 낮추어줌으로써 종래의 냉각가스 용량으로도 향상된 냉각효과를 발휘할 수 있는 효과가 있다.Therefore, according to the present invention, as described above, the cooling gas supply pipe for cooling the wafer into the cooling water chamber inside the electrostatic chuck for cooling the electrostatic chuck itself is passed in a spring form to lower the temperature than the original cooling gas. Cooling gas capacity also has an effect that can exhibit an improved cooling effect.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the present invention has been described in detail only with respect to the described embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the technical scope of the present invention, and such modifications and modifications are within the scope of the appended claims.
도1은 종래의 방법에 의한 웨이퍼 고정용 정전척을 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an electrostatic chuck for wafer fixing by a conventional method.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 고정용 정전척을 나타내는 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing an electrostatic chuck for wafer fixing according to an embodiment of the present invention.
도3는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 고정용 정전척의 평면도이다.3 is a plan view of an electrostatic chuck for wafer fixing according to an embodiment of the present invention.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of symbols for main parts of drawing
20 ; 정전척 22 ; 웨이퍼20; Electrostatic chuck 22; wafer
24 ; 에어 배출구멍 26 ; 냉각수 유입구24; Air outlet holes 26; Cooling water inlet
28 ; 에어 공급관 32 ; 냉각수 배기구28; Air supply line 32; Cooling water exhaust
34 ;냉각수 챔버 36 ; 솔레노이드 밸브34; cooling water chamber 36; Solenoid valve
38 ; 가스건조기38; Gas dryer
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