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KR102572569B1 - 열전달 구조물을 이용한 기판 처리 장치 및 온도 제어 방법 - Google Patents

열전달 구조물을 이용한 기판 처리 장치 및 온도 제어 방법 Download PDF

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KR102572569B1
KR102572569B1 KR1020210087365A KR20210087365A KR102572569B1 KR 102572569 B1 KR102572569 B1 KR 102572569B1 KR 1020210087365 A KR1020210087365 A KR 1020210087365A KR 20210087365 A KR20210087365 A KR 20210087365A KR 102572569 B1 KR102572569 B1 KR 102572569B1
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gas
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transfer control
substrate
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 실시예들은 냉매가 공급되는 베이스 구조물 및 기판 사이에 열전달 조절 구조물을 설치하여 열전달 가스의 압력 변화를 이용하여 기판 및 정전척과 베이스 구조물 사이 또는 특정 구조물들 사이에서 발생 가능한 열을 차단 또는 전달하여 공정 중 또는 공정 후 기판의 온도 조절을 용이하게 하는 기판 처리 장치 및 온도 제어 방법을 제공한다.

Description

열전달 구조물을 이용한 기판 처리 장치 및 온도 제어 방법 {SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS AND TEMPERATURE CONTROL METHOD USING HEAT TRANSFER STRUCTURE}
본 발명이 속하는 기술 분야는 기판 처리 장치 및 온도 제어 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
식각(Etching), 증착(Deposition) 등의 반도체 공정에서 정전척(Electrostatic Chuck, ESC) 상부에 위치한 기판은 공정 중 플라즈마(Plasma). 빛(Light), 히터(Heater) 등의 에너지에 의해 온도가 상승함을 방지하기 위해 정전척 하부 위치한 냉매 채널을 포함하고 RF(Radio Frequency) 전극으로 이용될 수 있는 베이스 구조물에 냉매(Coolant)를 공급하는 방식을 통해 온도가 조절될 수 있다.
기존 식각, 증착 등의 공정에서 공정 난이도가 높아짐에 따라 정전척 하부에 위치한 베이스 구조물은 필요에 따라 기판에 (i) 100 ℃이상 고온, (ii) -100 ℃이상에서 0 ℃이하의 저온, (iii) - 100 ℃이하 극저온(Cryogenic) 환경 조성이 필요한 공정 상황이 발생한다.
공정이 끝난 후에도 기판의 온도가 기판에 (i) 100 ℃이상 고온, (ii) -100 ℃이상에서 0 ℃이하의 저온, (iii) -100 ℃이하 극저온으로 경우가 발생한다. 기판이 -100 ℃이상에서 0 ℃이하의 저온 또는 -100 ℃이하 극저온의 온도에서 챔버(Chamber) 외부로 이송할 시 기판에 수증기에 의한 응결(Condensation), 파티클(Particle) 흡착 등의 문제가 발생할 수 있다.
공정 중 -100 ℃이상에서 0 ℃이하의 저온에서 -100 ℃이하의 극저온으로 또는 -100 ℃이하의 극저온에서 -100 ℃이상에서 0 ℃이하의 저온으로 기판 온도의 가변은 칠러에서 공급되는 냉매의 온도를 가변하기까지 비교적 긴 시간이 소요될 뿐만 아니라 -100 ℃이하의 극저온에서 0 ℃이상의 온도까지 넓은 범위의 온도 가변이 곤란한 문제가 있다.
한국공개특허공보 제10-2020-0096145호 (2020.08.11) 한국등록특허공보 제10-2106419호 (2020.04.24)
본 발명의 실시예들은 기판 처리 장치에서 냉매가 공급되는 베이스 구조물 및 기판 사이에 열전달 조절 구조물을 설치하여 열전달 가스의 압력 변화를 이용하여 기판 및 정전척과 베이스 구조물 사이 또는 특정 구조물들 사이에서 발생 가능한 열을 차단 또는 전달하여 공정 중 또는 공정 후 기판의 온도 조절을 용이하게 하는데 발명의 주된 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 기판 처리 장치에 있어서, 챔버; 상기 챔버의 내부에 위치하며 정전력을 이용하여 기판을 고정하는 정전척이 설치된 기판 홀더; 상기 챔버의 내부에 위치하며 채널이 형성된 베이스 구조물; 상기 기판 홀더 및 상기 베이스 구조물 사이에 위치하며 단일 내부 공간을 갖는 열전달 조절 구조물; 상기 기판 홀더에 연결되며 기판 후면에 가스를 공급하는 기판 가스 공급 장치; 상기 정전척에 연결되며 상기 정전척에 척킹 파워를 공급하는 척킹 파워 공급 장치; 상기 열전달 조절 구조물에 연결되며 열전달 가스를 공급하는 열전달 가스 제어 장치; 상기 베이스 구조물에 연결되며 고주파 파워를 공급하는 고주파 파워 공급 장치; 상기 채널에 연결되며 냉매를 공급하는 냉매 공급 장치를 포함하는 기판 처리 장치를 제공한다.
상기 기판 홀더는 상기 기판의 온도를 조절하는 히트 구조물을 포함하며, 상기 기판 처리 장치는 상기 히트 구조물에 히트 파워를 공급하는 히트 파워 공급 장치를 포함할 수 있다.
상기 열전달 조절 구조물은 상판, 하판, 측벽에 의해 상기 단일 내부 공간을 갖고, 상기 상판, 상기 하판, 상기 측벽, 또는 이들의 조합에 연결된 가스 포트를 통해 상기 열전달 가스가 유입 또는 유출될 수 있다.
상기 기판 처리 장치는, 상기 열전달 조절 구조물의 상기 상판에 연결되어 상판 온도를 측정하고, 상기 열전달 조절 구조물의 상기 하판에 연결되어 하판 온도를 측정하고, 상기 베이스 구조물에 연결되어 상기 베이스 구조물의 온도를 측정하는 온도 측정 장치를 포함할 수 있다.
상기 열전달 조절 구조물과 상기 베이스 구조물 간의 열팽창률이 ±50% 이내로 차이를 갖도록 설정될 수 있다.
상기 열전달 가스 제어 장치는 상기 온도 측정 장치와 데이터 통신하며 상기 상판 온도와 상기 하판 온도의 차이를 미리 설정된 범위 이내로 조절할 수 있다.
상기 열전달 조절 구조물의 상기 측벽은 곡선 구조로 형성될 수 있다.
상기 열전달 조절 구조물의 상기 상판 및 상기 하판 사이에 복수의 지지 기둥을 포함할 수 있다.
상기 열전달 조절 구조물의 상기 상판의 하면 및 상기 하판의 상면은 스파이크 구조로 형성될 수 있다.
상기 열전달 조절 구조물의 상기 상판의 하면 및 상기 하판의 상면은 핀 구조로 형성될 수 있다.
상기 열전달 조절 구조물의 상기 상판의 하면 및 상기 하판의 상면은 엠보싱 구조로 형성될 수 있다.
상기 열전달 가스 제어 장치는 시간적 분리 방식에 따라 단일 가스 포트를 통해 상기 열전달 조절 구조물에 상기 열전달 가스를 공급 또는 배기할 수 있다.
상기 열전달 가스 제어 장치는 공간적 분리 방식에 따라 분리된 설치된 복수의 가스 포트를 통해 상기 열전달 조절 구조물에 상기 열전달 가스를 공급 또는 배기할 수 있다.
상기 열전달 가스 제어 장치는 상기 열전달 가스의 압력을 조절하여 상기 열전달 조절 구조물의 단일 내부 공간의 온도 변화를 제어할 수 있다.
상기 열전달 조절 구조물은 상기 열전달 가스의 압력의 변화에 따라 상기 상판 및 상기 하판 사이의 열전달량을 가변시켜서 열전달 시간을 제어할 수 있다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 열전달 조절 구조물에 의한 온도 제어 방법에 있어서, 상기 열전달 조절 구조물을 열원 및 히트싱크 사이에 설치하는 단계; 상기 열전달 조절 구조물의 단일 내부 공간에 열전달 가스를 공급하는 단계; 상기 열전달 가스의 압력을 조절하는 단계; 상기 열전달 가스의 압력의 변화에 따라 상기 열원 및 상기 히트싱크 사이의 열전달량을 가변시켜서 열전달 시간을 제어하는 단계를 포함하는 온도 제어 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면 기판 처리 장치에서 냉매가 공급되는 베이스 구조물 및 기판 사이에 열전달 조절 구조물을 설치하여 열전달 가스의 압력 변화를 이용하여 기판 및 정전척과 베이스 구조물 사이 또는 특정 구조물들 사이에서 발생 가능한 열을 차단 또는 전달하여 공정 중 또는 공정 후 기판의 온도 조절을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 예시한 블록도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 장치의 구조를 예시한 도면이다.
도 4 내지 도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 장치의 열전달 조절 구조물을 예시한 도면이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 장치의 열전달 가스 제어 장치를 예시한 도면이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 온도 제어 방법을 예시한 흐름도이다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.
본 실시예들은 식각(Etching), 증착(Deposition) 등의 반도체 공정에서 이용되는 정전척(Electrostatic Chuck, ESC)이 포함된 기판 처리 장치물에서 열전달 조절 구조물의 열전달(Heat Transfer) 가스의 압력 변화를 이용해 열전달량을 가변 하여 기판의 온도를 조절한다.
본 실시예들에 의하면 플라즈마(Plasma), 히터(Heater) 등이 이용되는 반도체 공정 중 또는 공정 후 기판 처리 장치 내부 칠러(Chiller)에 의해 공급된 냉매(Coolant)를 포함하는 베이스(Base) 구조물과 기판 및 정전척 사이 또는 특정 구조물들 사이 위치한 열전달 조절 구조물을 통해 기판 및 정전척과 베이스 구조물 사이 또는 특정 구조물들 사이 발생 가능한 열을 전달 또는 차단할 수 있다.
열전달 조절 구조물은 기판 처리 장치 또는 단일 구조물 또는 복수개의 구조물 사이에 제작 또는 삽입되어 열원(Heat Source)과 히트 싱크(Heat Sink) 사이 온도 차이로부터 발생 가능한 열전달(Heat Transfer)을 제어할 수 있다. 열원 또는 히트 싱크의 온도가 -100 ℃이하의 극저온, -100 ℃이상 0 ℃이하의 저온 또는 0 ℃이상의 온도에서도 사용이 가능하다.
열전달 조절 구조물은 기판 처리 장치 외에도 특정 구조물 간의 열전달 조절이 필요한 다양한 기술 분야에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 예시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 열전달 공간을 갖는 기판 처리 장치의 구조를 예시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티존 열전달 공간을 갖는 기판 처리 장치의 구조를 예시한 도면이다.
기판 처리 장치를 예로 들어 설명하면, 기판 처리 장치(10)는 기판 홀더(300), 열전달 조절 구조물(500), 베이스 구조물(700)을 포함한다.
기판 처리 장치(10)는 챔버(100) 내부에 위치할 수 있으며, 챔버(100) 내부는 대기압 또는 진공 시스템에 의해 진공 상태로 유지될 수 있다.
기판 홀더(300)는 챔버의 내부에 위치하며 정전력을 이용하여 기판을 고정하는 정전척(400)이 설치되어 있다. 기판 가스 공급 장치(350)는 기판 홀더에 연결되며 기판 후면에 가스를 공급한다. 척킹 파워 공급 장치(450)는 정전척에 연결되며 정전척에 척킹 파워를 공급한다.
기판 홀더(300)는 기판의 온도를 조절하는 히트 구조물(900)을 포함할 수 있다. 기판 처리 장치(10)는 히트 구조물에 히트 파워를 공급하는 히트 파워 공급 장치(950)를 포함할 수 있다.
열전달 조절 구조물(500)은 기판 홀더(300) 및 베이스 구조물(700) 사이에 위치하며 단일 내부 공간을 갖는다. 열전달 조절 구조물(500)은 복수의 내부 공간을 가질 수 있다. 열전달 가스 제어 장치(600)는 열전달 조절 구조물에 연결되며 열전달 가스를 공급한다.
베이스 구조물(700)은 챔버의 내부에 위치하며 채널(800)이 형성된다. 고주파 파워 공급 장치(750)는 베이스 구조물에 연결되며 고주파 파워를 공급한다. 냉매 공급 장치(850)는 채널에 연결되며 냉매를 공급한다.
정전척은 기판에 형성된 공간 내 전기적 힘(예컨대, 쿨롱 힘(Coulomb Force), 존슨-라벡 힘(Jonhsen-Rabek Force))을 발생시켜 기판 위치를 고정시킨다. 형성된 공간 내 기판 가스 공급 장치에 의해 공급되는 기판 후면 가스로 기판 온도 및 온도 균일도를 제어한다.
기판 후면 가스는 예를 들어 열 전도도를 갖는 가스인 헬륨, 질소, 아르곤 등이 될 수 있다. 헬륨의 열전도도가 가장 우수하므로 헬륨을 이용하는 것이 바람직하다.
정전척은 주로 유전물질(Dielectric Material)로 구성되고 척킹 전극(Chucking Electrode)이 매립되어 있다. 유전물질은 대표적 예로서 Al2O3, Doped-Al2O3, AlN 등이 될 수 있으며, 유전물질의 비저항 (Volume resistivity)은 10~10 옴*cm이 될 수 있다. 척킹 전극은 단일전극 (Mono-polar Electrode) 혹은 양 전극(Bi-polar Electrode)이 될 수 있으며 금속물질(예. Mo, W, 등)로 구현될 수 있다.
척킹 파워 공급 장치는 필터(Filter) 및 직류(Direct Current, DC) 전원 공급 장치 혹은 교류(Alternating current, AC) 전원 공급 장치 등으로 구현될 수 있다. 예를 들면, 비저항 범위(<1013 옴*cm)의 유전물질로 구성된 정전척 및 정전척 위 위치한 기판 간 형성된 공간 내 척킹 파워 공급 장치를 이용해 공간 내 전압(Voltage)을 발생시켜 전기적 힘을 이용해 기판 위치가 정전척 위에 고정될 수 있다. 전기적 힘은 존슨-라벡 힘이 될 수 있다. 존슨-라벡 힘은 정전척의 온도에 의존하므로 정전척 온도 변화 시 존슨-라벡 힘 또는 쿨롱 힘이 될 수 있다. 예를 들면 비저항 범위 (1013 옴*cm>)의 유전물질로 구성된 정전척 및 정전척 위 위치한 기판 위치를 고정 시키기 위해 척킹 파워 공급 시스템 (g)을 이용할 수 있다. 척킹 파워 공급 장치에 의해 정전척에 전압(Voltage)을 발생시켜 전기적 힘을 이용해 기판 위치가 정전척 위에 고정될 수 있다. 전기적 힘은 쿨롱 힘이 될 수 있다. 쿨롱 힘은 정전척의 온도에 의존하므로 정전척 온도 변화 시 쿨롱 힘 혹은 존슨-라벡 힘이 될 수 있다.
기판 직경은 300 mm, 200 mm 등이 될 수 있으며, 정전척의 직경은 기판의 직경 이하 혹은 직경에 해당하는 직경을 가질 수 있다. 정전척 내 척킹 전극 외 기판 후면 가스 공급 라인(예, 미세 홀)을 가질 수 있다. 정전척의 표면 조도(Surface roughness, Ra)는 예컨대 ≤0.3 범위를 가질 수 있다. 정전척은 히터 구조물과 한 몸체 (One-body)로 제작 될 수 있다.
기판 가스 공급 장치는 필요에 따라 다수의 가스 라인이 포함되는 가스 공급으로 제어될 수 있다.
기판 처리 장치의 유전체, 금속재로 이루어진 구조물들 사이 열팽창률은 ±50% 이내로 차이가 날수록 구조물 간의 결합 시 온도 변화에 의한 충격이 적을 수 있다. 예를 들어 정전척의 유전물질인 Al2O3의 열팽창률이 약 10*10-6/k이고, 정전척의 유전물질 Al2O3와 결합된 구조물의 열팽창률은 5*10-6/k ~ 15*10-6/k 사이의 값을 갖는게 바람직하다.
히터 구조물은 정전척에 의해 고정된 위치 상태인 기판의 온도 및 온도 균일도를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 히터 구조물은 유전물질(Dielectric Material)로 구성될 수 있으며 유전물질 내 발열 전극(Heating Electrode)이 매립될 수 있다. 기판의 온도 및 온도 균일도를 제어하기 위해 매립된 발열 전극은 한 개 혹은 복수 개가 될 수 있으며 적정 발열 전극 패턴(Pattern)을 지닐 수 있다. 유전물질은 AlN, 등이 될 수 있으며, 발열 전극 구성 물질은 SiC, W 등이 될 수 있다.
히터 파워 공급 장치는 필터(Filter) 및 직류(Direct Current, DC) 전원 공급 장치 혹은 교류(Alternating current, AC) 전원 공급 장치 등으로 구현될 수 있다. 예를 들면, 히터 파워 공급 장치를 이용해 발열전극에 파워 (Power, P=I2R) 공급 시, 히터 온도 및 온도 균일도가 제어되어 기판의 온도 및 온도 균일도가 제어된다. 히터 구조물은 정전척과 한 몸체 (One-body)가 될 수 있다.
베이스 구조물은 외부 RF(Radio Frequency) 파워 공급원을 포함하는 RF 파워 공급 장치에서 커넥터를 통해 RF 정합 시스템을 거친 파워를 공급받아 전극으로 이용될 수 있고 이를 통해 플라즈마를 발생할 수 있으며 금속 재질이다. 예를 들어, 알루미늄, 티타늄 합금 등의 금속이 될 수 있다. 장치는 반응성 이온 에칭(RIE, Reactive Ion Etching) 반응기 등에 응용될 수 있다. 베이스 구조물에는 복수 개의 홀들이 베이스 구조물을 관통 할 수 있다. 복수 개의 홀은 베이스 구조물 상부에 가스 공급, 온도 측정 기구 또는 커넥터를 관통시켜 온도 측정 및 파워 공급에 이용될 수 있다. 커넥터들은 베이스 구조물을 관통하여 상부 척킹 전극, 히터 등의 구조물에 연결 될 수 있다.
베이스 구조물은 고온으로 가열된 정전척, 기판의 냉각을 위해 이용될 수 있다. 플라즈마를 이용한 공정에서 플라즈마에 기판이 노출될 시 기판에 이온충격(Ion Bombardment) 또는 복사(Radiation)과 같은 에너지 공급에 의해 기판의 온도가 상승될 수 있다. 기판의 온도가 상승할 경우 기판의 손상 또는 공정 결과의 불균일성이 상승될 수 있기 때문에 기판을 냉각할 필요가 있을 수 있다.
베이스 구조물에는 냉각을 위해 냉매가 흐를 수 있는 채널이 형성될 수 있다. 베이스 구조물의 냉매 채널에 주입되는 냉매는 물, 에틸렌글리콜 액체 테플론 등의 냉매가 될 수 있다. 기판에 따라 -100 ℃이상 0 ℃이하 저온을 형성하기 위해 유기 용매인 하이드로 플루오로 에테르, 갈덴 용액, -100 ℃이하 극저온을 형성하기 위해 액체 질소, 액체 메테인, 액체 아르곤 등의 냉매가 될 수 있다. 이때 베이스 구조물에 공급되는 냉매는 챔버 외부의 칠러를 포함하는 냉매 공급 장치를 이용해 공급될 수 있다.
냉매는 기판에 발생하는 열 뿐만 아니라 베이스 구조물에 인가되는 전력에 따라 발생하는 열 또한 흡수할 수 있다.
베이스 구조물에 형성되는 통상의 구성은 기판 언로딩을 위한 리프트핀, 등의 구성에 대해서는 도시를 생략한다.
도 4 내지 도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 장치의 열전달 조절 구조물을 예시한 도면이다.
도 4는 베이스 구조물(700)에 형성된 열전달 조절 구조물 삽입 공간에 단일 열전달 공간(511)을 갖는 열전달 조절 구조물이 삽입되는 구조를 나타낸다. 도 5는 베이스 구조물(700)에 형성된 열전달 조절 구조물 삽입 공간에 분리벽(525)에 의한 멀티존 열전달 공간(521, 522)을 갖는 열전달 조절 구조물이 삽입되는 구조를 나타낸다.
열전달 조절 구조물은 기판 처리 장치와 별개로 제작되어 베이스 구조물에 형성된 열전달 조절 구조물 삽입 공간에 삽입될 수 있다. 열전달 조절 구조물과 베이스 구조물은 필요에 따라 용접 또는 기계적 결합 등에 의하여 결합될 수 있다. 기계적 결합에는 예를 들어 볼트 등을 이용한 결합이 될 수 있다. 열전달 조절 구조물이 베이스 구조물에 형성된 열전달 조절 구조물 삽입 공간에 삽입되는 방식이 아닌 열전달 조절 구조물이 베이스 구조물과 한 몸체로 제작될 수 있다.
기판 처리 장치 내부에 위치한 열전달 조절 구조물을 통해 필요에 따라 열원과 히트 싱크 사이 발생하는 열을 차단하거나 전달할 수 있으며 공정 중 또는 공정 후 기판의 온도 조절을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어 기판의 온도를 상온에서 극저온까지 열전달 조절 구조물을 이용하여 가변할 수 있다.
열원은 히트 싱크 보다 온도가 높은 구조물이 될 수 있다. 예를 들어 빛 또는 플라즈마 등의 에너지를 받아 특정 온도를 갖거나 온도가 지속적으로 상승중인 기판, 공정 후 기판, 히터 등이 될 수 있다. 히트 싱크는 열원보다 온도가 낮은 구조물이 될 수 있다. 예를 들어 기판 처리 장치 내부 냉매를 포함하는 베이스 구조물, 열원보다 온도가 낮은 구조물 등이 될 수 있다.
열원과 히트 싱크 사이 위치한 열전달 조절 구조물 내부 열전달 공간이 진공 상태이면 진공 단열 효과를 통해 상판에서 하판으로 흐르는 열을 비교적 완벽하게 차단할 수 있다. 예를 들어 상판에 접한 열원의 온도가 -100 ℃이상 0 ℃이하의 저온 또는 0 ℃이상의 온도이고 하판에 접한 히트 싱크의 온도가 -100 ℃이하의 극저온으로 불변함에 온도를 갖는다고 할 때 상판에 접한 열원의 온도는 -100 ℃이상 0 ℃이하의 저온 또는 0 ℃이상의 온도가 될 수 있다.
열원과 히트 싱크 사이 위치한 열전달 조절 구조물 내부 열전달 공간이 높은 압력의 열전달 가스를 공급받아 약 5 W/K 이상의 충분히 큰 열전도도를 가질 때 열전달 공간의 압력 상승은 열전도도 상승효과를 통해 열원과 히트 싱크 사이 일어나는 열전달을 비교적 원활하게 해줄 수 있다. 예를 들어 하판에 접한 히트 싱크의 온도가 -100 ℃이하의 극저온으로 불변함에 온도를 갖는다고 할 때 상판에 접한 열원의 온도는 -150 ℃이하의 극저온으로 히트 싱크와 동일한 온도가 될 수 있다.
열원과 히트 싱크 사이 위치한 열전달 조절 구조물 내부 열전달 공간의 열전달 가스 압력 변화에 따른 열원과 히트 싱크 사이 열전달량 변화를 통해 열원의 온도를 가변할 수 있다.
도 6 내지 도 9는 단일 열전달 공간(511)을 갖는 열전달 조절 구조물의 구조를 나타낸다.
도 6은 열전달 조절 구조물이 한 개의 열전달 포트를 가질 때와 두 개 이상의 열전달 포트를 가질 때를 나타낸다.
열전달 조절 구조물은 상판(531), 하판(532), 측벽(533), 열전달 공간, 열전달 가스 포트(534)를 포함한다. 열전달 가스 포트는 열전달 가스 공급 포트 또는 열전달 가스 배기 포트가 복수 개 또는 한 개의 포트에서 공급과 배기가 될 수 있다. 상판과 하판은 0.5 ~ 10 mm 정도의 두께를 가지며 금속재질이다. 예를 들어 알루미늄 스테인리스 스틸 또는 기타 금속 및 합금 등이 될 수 있다. 단 재질에 따라 또한 상판과 하판은 열원과 히트 싱크과 필요에 따라서 연속적인 한 몸체로 제작될 수 있다.
열전달 조절 구조물 상판 및 하판은 특정 온도를 갖는 열원과 히트 싱크 사이에 위치할 수 있다. 열전달 조절 구조물과 접한 열원과 히트 싱크의 온도가 서로 상이하고 열전달 공간이 가변 가능한 열전도도 및 열전달계수(Heat Transfer Coefficient)를 가질 시 열원과 히트 싱크 사이 가변 가능한 열전달이 일어날 수 있다. 이때 상판과 하판의 두께는 얇을수록 열원과 히트 싱크간 열전달에 유리하다.
열전달 조절 구조물 상판 하판의 표면 조도는 낮을수록 열원과 히트 싱크 간의 열전달에 유리할 수 있다. 예를 들어 열전달 조절 구조물 제조 시 연마 공정을 통해 상판과 하판의 표면 조도를 낮게 만들 수 있다.
열전달 조절 구조물의 측벽, 열전달 공간 구조에 관한 내용은 열전달 공간에 한 개 또는 복수개의 열전달 가스 포트(535, 536)가 연결된 경우에도 적용될 수 있다.
도 7은 열전달 조절 구조물의 상판과 하판을 연결하는 측벽의 타원형 구조를 나타낸다. 상판과 하판은 측벽을 통해 연결되며, 내부에 열전달 공간을 형성할 수 있다. 측벽은 열전달 조절 구조물에 포함되는 열전달 가스 포트를 제외하고 열전달 조절 구조물의 열전달 공간을 외부 환경과 분리시킨다. 측벽은 상판과 하판을 직선으로 연결하는 형 일 수 있고 직선형 이외에 특수한 형태일 수 있다. 예를 들어 측벽은 타원형 또는 타원 세 개가 연달아 이어진 형태일 수 있다.
도 8은 열전달 조절 구조물 내부 열전달 공간의 스파이크(Spike) 구조, 핀(Fin) 구조, 엠보싱(Embossing) 구조 등 열전달 조절 구조물의 다양한 구조를 나타낸다. 열전달 조절 구조물의 열전달 공간은 3~3000 μm의 간격이 통상적으로 이용되고 50 μm 이하 간격이 바람직하다. 이때 열전달 공간은 평평한 구조 외에도 열전달 가스와 접촉 면적을 넓히기 위한 스파이크 구조, 핀 구조, 엠보싱 구조 등으로 구현될 수 있다. 열전달 공간의 열전달 가스 접촉 면적의 증가는 열전달 공간에서 열전달량을 늘려 빠르게 열전달을 제어하기에 유리할 수 있다.
도 9는 열전달 조절 구조물 내부 열전달 공간의 내부 지지 기둥 배치를 나타낸다. 열전달 공간 내부는 열전달 조절 구조물 상부에 배치 될 수 있는 열원 또는 히트 싱크 하중에 의한 열전달 공간 붕괴를 막기 위해 내부 지지 기둥(541)이 배치될 수 있다. 내부 지지 기둥은 상판, 하판과 맞닿아 있으며 원기둥, 다각기둥 등 다양한 형태가 될 수 있다. 내부 지지기둥의 배치 형태는 동심원, 직선 등의 형태가 될 수 있으며 기둥 하나 당 약 2 cm2 이상의 면적을 지지하는게 바람직하다. 내부 지지 기둥은 금속재질 또는 유전물질로 제작될 수 있다. 예를 들어 상판, 하판과 같은 금속 재질 또는 Al2O3 등과 같은 유전물질이 될 수 있다.
열전달 조절 구조물은 열전달 공간의 열전달 가스를 통해 전달되는 열전달 이외에 기생 열전달을 가질 수 있다. 기생 열전달에는 열전달 조절 구조물의 구조적 특성에 의하여 전도되는 열, 상판과 하판 사이 발생하는 복사열 또는 외부 환경과 발생하는 복사열 등이 포함될 수 있다. 기생 열전달을 통해 상판과 하판 사이 열전달 가스 압력에 의한 가변적인 열전달량이 아닌 고정적인 열전달량을 가질 수도 있다. 기생 열전달은 열전달 공간의 열전달 가스에 의해 전달되는 열전달량에 비해 비교적 적은 열전달량을 가질 수 있다. 상판과 하판 사이 내부 지지 기둥의 크기는 작고 개수는 적을수록 기생 열전달량을 줄일 수 있다. 상판과 하판을 연결하는 측벽의 길이가 길고 얇아질수록 기생 열전달량을 줄일 수 있다.
열전달 조절 구조물의 열전달 공간은 열전달 가스 포트를 통해 열 전도성을 갖는 열전달 가스를 공급 받을 수 있다. 열전달 가스 포트는 열전달 조절 구조물 상판, 하판, 측벽 등에 배치될 수 있다. 열전달 가스 포트가 상판 또는 하판에 배치될 때 상판 또는 하판과 접한 열원 또는 히트 싱크에 열전달 가스 라인이 통과 될 수 있게끔 가공이 필요하다. 열전달 가스 포트는 금속제, 예를 들어 알루미늄 스테인리스 스틸 또는 기타 금속 및 합금이 될 수 있다.
열전달 가스는 예를 들어 열전도도를 갖는 가스인 헬륨, 질소, 아르곤 등이 될 수 있다. 헬륨의 열전도도가 가장 우수하므로 헬륨을 이용하는 것이 바람직하다. 열전달 공간 간격이 일정할 경우 열전달 공간 내부 열전달가스 압력의 상승은 상판과 하판 사이 열전달량을 가변시킬 수 있다. 반대로 열전달 공간 내부 열전달가스 압력이 낮아질수록 상판과 하판 사이 열전달량이 감소한다. 열전달 공간의 간격이 다를 경우 열전달 공간의 열전달량은 공간별로 상이할 수 있다.
도 10 내지 도 13은 멀티존 열전달 공간을 갖는 열전달 조절 구조물의 구조를 나타낸다.
도 10은 열전달 조절 구조물이 한 개의 열전달 포트를 가질 때와 두 개 이상의 열전달 포트를 가질 때를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 멀티존 열전달 조절 구조물은 내부에 두 개 이상 분리된 복수 개의 열전달 공간을 가지며, 열전달 공간은 각각의 열전달 가스 포트(554, 557)를 이용해 열전달 가스를 공급, 배기하고 열전달 공간의 열전달 가스 압력 조절을 통해 멀티존 열전달 조절 구조물의 열전달량을 조절할 수 있다. 멀티존에 공급 가스 포트(555, 558)와 배기 가스 포트(556, 559)를 각각 연결할 수도 있다. 예를 들어 멀티존 열전달 조절 구조물의 중앙 열전달 공간, 측면 열전달 공간의 열전달 가스 압력 변화는 열원과 히트 싱크 중앙, 측면의 열전달량을 상이하게 조절할 수 있다.
도 11은 열전달 조절 구조물의 상판과 하판을 연결하는 측벽의 타원형 구조를 나타낸다. 상판과 하판은 측벽을 통해 연결되며, 내부에 멀티존 열전달 공간을 형성할 수 있다.
도 12는 열전달 조절 구조물 내부 열전달 공간의 스파이크(Spike) 구조, 핀(Fin) 구조, 엠보싱(Embossing) 구조 등 열전달 조절 구조물의 다양한 구조를 나타낸다.
도 13은 열전달 조절 구조물 내부 열전달 공간의 내부 지지 기둥 배치를 나타낸다. 열전달 공간 내부는 열전달 조절 구조물 상부에 배치 될 수 있는 열원 또는 히트 싱크 하중에 의한 열전달 공간 붕괴를 막기 위해 내부 지지 기둥이 배치될 수 있다.
열전달 조절 구조물은 상판, 하판, 측벽, 분리벽에 의해 복수의 내부 공간을 갖고, 상판, 하판, 측벽, 또는 이들의 조합에 연결된 가스 포트를 통해 열전달 가스가 유입 또는 유출될 수 있다.
열전달 조절 구조물은 분리벽(525)에 의해 제1 내부 공간(521) 및 제2 내부 공간(522)으로 구분될 수 있다. 제1 내부 공간(521) 및 제2 내부 공간(522)은 외부원 및 내부원으로 구분될 수 있다. 제1 내부 공간(521)에 제1 내부 지지 기둥(561)이 설치되고, 제2 내부 공간(522)에 제2 내부 지지 기둥(562)이 설치될 수 있다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 장치의 열전달 가스 제어 장치를 예시한 도면이다.
열전달 가스 제어 장치는 가스 공급 장치와 가스 배기 장치를 포함한다.
열전달 조절 구조물의 열전달 가스 공급과 가스 배기는 한 개의 열전달 가스 포트 또는 두 개 이상 복수개의 포트에 의해 이뤄질 수 있다.
열전달 조절 구조물이 한 개의 열전달 가스 포트를 가질 때 가스 공급관은 가스 공급원으로부터 가스 제어 장치와 가스 공급 밸브를 지난 후 가스 배기 장치로 분기점(601)을 통해 분기되며 열전달 공간의 열전달 가스는 한 개의 열전달 가스 포트를 통해 공급되고 배기될 수 있다.
열전달 조절 구조물이 한 개의 가스 포트를 가질 때 열전달 조절 구조물의 가스 공급 장치(610)는 열전달 공간에 열전달 가스를 공급하며 열전달 가스 공급 장치는 가스 공급관, 가스 공급원(613), 가스 제어 장치(612), 가스 공급 밸브(611) 등을 포함한다. 열전달 조절 구조물의 가스 배기 장치(620)는 열전도 공간의 열전달 가스를 배기하며 배기 장치는 가스 배기관, 압력 게이지(622), 압력 조정 밸브(623), 진공 펌프(624) 등을 포함하는 장치일 수 있다. 열전달 가스 배기 장치는 열전달 공간 내부 열전달 조절 가스의 압력이 기준 값 보다 높을 경우 열전달 가스를 배기시켜주는 역할을 할 수 있다.
열전달 조절 구조물이 복수 개의 가스 포트를 가질 때 열전달 조절 구조물에 가스 공급 라인(631)과 가스 배기 라인(641)은 분리될 수 있으며 가스 공급 장치와 가스 배기 장치는 공급 포트, 배기 포트 등 복수개의 포트를 통해 분리해 연결된다.
열전달 조절 구조물이 복수 개의 가스 포트를 가질 때 열전달 조절 구조물의 가스 공급 장치는 열전도 공간에 열전달 가스를 공급하며 가스 공급 장치는 가스 공급관, 가스 공급원(634), 가스 제어 장치(633), 가스 공급 밸브(632)를 포함한다. 열전달 조절 구조물의 가스 배기 장치는 열전달 공간의 열전달 가스를 배기하며 배기 장치는 가스 배기관, 압력 게이지(642), 압력 조정 밸브(643), 진공 펌프(644) 등을 포함하는 장치일 수 있다. 열전달 가스 배기 장치는 열전달 공간 내부 열전달 조절 가스의 압력이 기준 값 보다 높을 경우 열전달 조절 가스를 배기시켜주는 역할을 할 수 있다.
열전달 가스 공급 장치 및 배기 장치는 중앙 열전달 공간과 측면 열전달 공간에 각각 적용될 수 있다.
도 15를 참조하면, 제1 내부 공간에 연결된 가스 포트(602)에 가스 공급 장치(610)와 가스 배기 장치(620)에 연결되고, 제2 내부 공간에 연결된 가스 포트(603)에 가스 공급 장치(650)와 가스 배기 장치(660)에 연결될 수 있다.
도 16를 참조하면, 제1 내부 공간에 연결된 가스 공급 포트에 가스 공급 장치(630)가 연결되고 가스 배기 포트에 가스 배기 장치(640)가 연결되고, 제2 내부 공간에 연결된 가스 공급 포트에 가스 공급 장치(670)가 연결되고 가스 배기 포트에 가스 배기 장치(660)에 연결될 수 있다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 온도 제어 방법을 예시한 흐름도이다. 온도 제어 방법은 열전달 조절 구조물에 의해 수행될 수 있다.
도 17을 참조하면, 열전달 조절 구조물에 의한 온도 제어 방법은 열전달 조절 구조물을 열원 및 히트싱크 사이에 설치하는 단계(S10), 열전달 조절 구조물의 단일 내부 공간에 열전달 가스를 공급하는 단계(S20), 열전달 가스의 압력을 조절하는 단계(S30), 열전달 가스의 압력의 변화에 따라 열원 및 히트싱크 사이의 열전달량을 가변시켜서 열전달 시간을 제어하는 단계(S40)를 포함한다. 기판 처리 장치를 참조하면, 열원은 기판 홀더에 대응할 수 있고, 히트싱크는 베이스 구조물에 대응할 수 있다.
도 18을 참조하면, 열전달 조절 구조물에 의한 멀티존 온도 제어 방법은 열전달 조절 구조물을 열원 및 히트싱크 사이에 설치하는 단계(S10), 열전달 조절 구조물의 멀티존 중에서 제1 내부 공간에 제1 열전달 가스를 공급하는 단계(S21), 열전달 조절 구조물의 멀티존 중에서 제2 내부 공간에 제2 열전달 가스를 공급하는 단계(S22), 제1 열전달 가스의 압력을 조절하는 단계(S31), 제2 열전달 가스의 압력을 조절하는 단계(S32), 제1 열전달 가스의 압력의 변화 및 제2 열전달 가스의 압력의 변화에 따라 열원 및 히트싱크 사이의 열전달량을 가변시켜서 열전달 시간을 제어하는 단계를 포함한다. 기판 처리 장치를 참조하면, 열원은 기판 홀더에 대응할 수 있고, 히트싱크는 베이스 구조물에 대응할 수 있다.
기판 처리 장치에 포함된 구성요소들이 도 1에서는 분리되어 도시되어 있으나, 복수의 구성요소들은 상호 결합되어 적어도 하나의 모듈로 구현될 수 있다.
기판 처리 장치는 하드웨어적 요소가 마련된 컴퓨팅 디바이스에 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합하는 형태로 탑재될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신장치, 프로그램을 실행하기 위한 데이터를 저장하는 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 명령하기 위한 마이크로프로세서 등을 전부 또는 일부 포함한 다양한 장치를 의미할 수 있다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 기판 처리 장치 100: 챔버
200: 기판 300: 기판 홀더
350: 기판 가스 공급 장치 400: 정전척
450: 척킹 파워 공급 장치 500: 열전달 조절 구조물
600: 열전달 가스 제어 장치 700: 베이스 구조물
750: 고주파 파워 공급 장치 800: 채널
850: 냉매 공급 장치 900: 히트 구조물
950: 히트 파워 공급 장치 1000: 온도 측정 장치

Claims (16)

  1. 기판 처리 장치에 있어서,
    챔버의 내부에 위치하며 정전력을 이용하여 기판을 고정하는 정전척이 설치된 기판 홀더;
    상기 챔버의 내부에 위치하며 채널이 형성된 베이스 구조물;
    상기 기판 홀더 및 상기 베이스 구조물 사이에 위치하며 단일 내부 공간을 갖는 열전달 조절 구조물;
    상기 기판 홀더에 연결되며 기판 후면에 가스를 공급하는 기판 가스 공급 장치;
    상기 정전척에 연결되며 상기 정전척에 척킹 파워를 공급하는 척킹 파워 공급 장치;
    상기 열전달 조절 구조물에 연결되며 열전달 가스를 공급하는 열전달 가스 제어 장치;
    상기 베이스 구조물에 연결되며 고주파 파워를 공급하는 고주파 파워 공급 장치;
    상기 채널에 연결되며 냉매를 공급하는 냉매 공급 장치를 포함하고,
    상기 열전달 조절 구조물은 상기 기판 홀더 및 상기 베이스 구조물과 별도의 몸체로 제작되고,
    상기 베이스 구조물에 삽입 공간이 형성되고, 상기 열전달 조절 구조물은 상기 베이스 구조물에 형성된 상기 삽입 공간에 삽입되며,
    상기 열전달 조절 구조물은 상판, 하판, 측벽에 의해 상기 단일 내부 공간을 갖고,
    상기 열전달 조절 구조물의 상기 상판 및 상기 하판은 표면 조도를 낮게 하기 위해 연마 공정이 수행된 것이고,
    상기 열전달 조절 구조물의 상기 상판 및 상기 하판 사이에 복수의 지지 기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판 홀더는 상기 기판의 온도를 조절하는 히트 구조물을 포함하며,
    상기 히트 구조물에 히트 파워를 공급하는 히트 파워 공급 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상판, 상기 하판, 상기 측벽, 또는 이들의 조합에 연결된 가스 포트를 통해 상기 열전달 가스가 유입 또는 유출되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열전달 조절 구조물의 상기 상판에 연결되어 상판 온도를 측정하고,
    상기 열전달 조절 구조물의 상기 하판에 연결되어 하판 온도를 측정하고,
    상기 베이스 구조물에 연결되어 상기 베이스 구조물의 온도를 측정하는 온도 측정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열전달 조절 구조물과 상기 베이스 구조물 간의 열팽창률이 ±50% 이내로 차이를 갖도록 설정되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 열전달 가스 제어 장치는 상기 온도 측정 장치와 데이터 통신하며 상기 상판 온도와 상기 하판 온도의 차이를 미리 설정된 범위 이내로 조절하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 열전달 조절 구조물의 상기 측벽은 곡선 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  8. 삭제
  9. 제3항에 있어서,
    상기 열전달 조절 구조물의 상기 상판의 하면 및 상기 하판의 상면은 스파이크 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 열전달 조절 구조물의 상기 상판의 하면 및 상기 하판의 상면은 핀 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 열전달 조절 구조물의 상기 상판의 하면 및 상기 하판의 상면은 엠보싱 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 열전달 가스 제어 장치는 시간적 분리 방식에 따라 단일 가스 포트를 통해 상기 열전달 조절 구조물에 상기 열전달 가스를 공급 또는 배기하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 열전달 가스 제어 장치는 공간적 분리 방식에 따라 분리된 설치된 복수의 가스 포트를 통해 상기 열전달 조절 구조물에 상기 열전달 가스를 공급 또는 배기하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 열전달 가스 제어 장치는 상기 열전달 가스의 압력을 조절하여 상기 열전달 조절 구조물의 단일 내부 공간의 온도 변화를 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 열전달 조절 구조물은 상기 열전달 가스의 압력의 변화에 따라 상기 상판 및 상기 하판 사이의 열전달량을 가변시켜서 열전달 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  16. 삭제
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