KR20030082473A

KR20030082473A - 정전 흡착 스테이지 및 기판 처리 장치

Info

Publication number: KR20030082473A
Application number: KR10-2003-0024085A
Authority: KR
Inventors: 사고야스미; 가네코가즈아키; 오카다다쿠지; 이케다마사요시
Original assignee: 아네르바 가부시키가이샤
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2003-10-22
Anticipated expiration: 2023-04-16
Also published as: KR100886120B1; JP2004006813A; JP4355159B2

Abstract

본 출원은, 흡착 전극이 완화층 및 덮개층에 의해 샌드위치된 ESC 스테이지의 구조를 개시한다. 완화층 및 덮개층은 유전체 판과 흡착 전극 사이의 열팽창 계수를 가진다. 본 출원은 또한, ESC 스테이지의 최적의 총두께, 완화층을 만드는 복합체의 최적의 부피비, 및 복합체의 최적의 열팽창 계수 범위를 개시한다. 본 출원은, 가공 동안 기판을 고정하기 위한 정전 흡착 스테이지를 포함하며, 기판이 실온보다 높은 온도로 유지될 때 기판에 대해 가공을 수행하기 위한, 기판 처리 장치를 더욱 개시한다.

Description

정전 흡착 스테이지 및 기판 처리 장치{ELECTROSTATIC CHUCKING STAGE AND SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 기판과 같은 판-성형 물체(board-shaped object)를 고정(hold)하기 위한 정전 흡착(ESC) 스테이지(electrostatic Chucking Stage), 및 ESC 단을 포함하는 기판 처리 장치에 관한 것이다.

정전기력에 의해 기판을 흡착(chucking)하기 위한 ESC 스테이지는 기판 가공분야에서 널리 사용된다. LSI(대규모 집적 회로; Large-Scale Integrate circuits)와 같은 전자 장치 및 LCD(액정 디스플레이; Liquid Crystal Displays)와 같은 디스플레이 장치의 제조에서, 예를 들어, 생산품들의 기초가 되는 기판을 가공하는 데는 많은 단계들이 존재한다. 이들 단계들 중, ESC 스테이지는 가공 균일성(process uniformity) 및 가공 재현성(process reproducibility)을 위해 사용된다. 일례로서, 플라즈마를 에칭할 때, 플라즈마에 발생된 이온들 및 활성 종들의 작용을 이용하여 기판을 에칭한다. 여기서, ESC 스테이지는 플라즈마에 대해 최적의 위치에 기판를 고정하는 데 사용된다.

일반적으로, ESC 스테이지는 흡착을 위한 전압이 인가되는 흡착 전극(chucking electrode), 및 흡착 전극에 인가된 전압에 의해 분극화된 유전체 판(dielectric plate)을 포함한다. 고정된 기판는 유전체 판과 접하고 있으며, 유전체 판의 표면상에 유도된 정전기에 의해 흡착된다.

ESC 스테이지는 기판을 안정화 시킴과 더불어 이를 흡착하는 것이 요구되어 진다. 가공이 수행되는 동안, ESC 스테이지 위에서 기판이 이동하거나 위치가 변경될 경우, 가공 균일성 및 가공 재현성이 저하되는 문제를 초래할 수 있다. 기판 가공 중, ESC 스테이지의 열 변형(thermal transformation) 및 열 팽창(thermal expansion)은 가공 동질성(homogeneity) 및 가공 재현성의 측면에서 위험하다. 가공 동안, 기판의 온도는 흔히 실온보다 높다. 이는 주로 가공 조건에 의한 것이지만, 다른 경우라면 가공이 수행되는 가공 챔버(process chember)의 환경으로 인해서이다. 어떻튼, 기판의 온도가 올라가면, ESC 스테이지의 온도도 함께 올라간다.온도 상승에 의해 ESC 스테이지의 열 변형 및 열 팽창이 발생하면, 고정된 기판이 변형(transformation)되거나 이동(displacement)할 수 있다.

본 출원의 발명은 설명된 문제들을 해결하기 위한 것이며, 고정된 기판의 변형 및 이동을 방지할 수 있는 고-성능 ESC 스테이지를 제공하는데 잇점이 있다. 구체적으로, 본 발명은 흡착 전극이 완화층(moderation layer) 및 덮개층(covering layer)에 의해 샌드위치된 ESC 스테이지의 구조를 제공한다. 완화층 및 덮개층은 유전체 판과 흡착 전극 사이의 열팽창 계수를 가진다. 본 발명은 또한, ESC 스테이지의 최적의 총두께, 완화층을 만드는 복합체의 최적의 부피비, 및 복합체의 최적의 열팽창 계수 범위를 개시한다. 본 발명은 가공 동안, 기판을 고정하기 위한 ESC 스테이지를 포함하며, 기판이 실온보다 높은 온도로 유지될 때 기판에 대해 가공을 실행하기 위한 기판 처리 장치를 더 제공한다.

도 1은 본 발명의 구현예인 ESC 스테이지의 개략적인 정면 단면도이고,

도 2는 도 1에 나타난 ESC 스테이지의 장점을 개략적으로 설명하는 도면이며,

도 3은 본 발명의 구현예인 기판 처리 장치의 개략적인 정면 단면도이며,

도 4, 도 5, 도 6 및 도 7은 구현예의 구조로부터 얻어진 효과를 확인하기 위한 실험의 결과를 개략적으로 나타내는 도면이며,

도 8은 본 발명의 또 다른 구현예인 ESC 스테이지의 개략적인 정면 단면도이다.

본 발명의 바람직한 구현예들은 이하에서 설명될 것이다. 먼저, ESC 스테이지의 구현예가 설명될 것이다. 도 1은 ESC 스테이지의 구현예의 개략적인 정면 단면도이다. ESC 스테이지는 본체(41), 흡착된 물체(9)가 올려진 유전체 판(42), 및 흡착을 위한 전압이 인가된 흡착 전극(43)을 포함한다.

ESC 스테이지는 전체로서 테이블과 유사하며, 꼭대기 면 위에 판-성형 물체(9)를 고정한다. 본체(41)는 알루미늄 또는 스테인레스-스틸과 같은 금속으로 만들어진다. 본체(41)는 낮은 원주형(low column shaped)이다. 흡착 전극(43)은본체(41) 위에 고정된다. 도 1에 나타난 바와 같이, 흡착 전극(43)은 바닥 끝에 플랜지-형 부분(431)을 갖는다. 이 부분(431)을 이하 '전극 플랜지(electrode flange)'라 한다. 흡착 전극(43)은 전극 플랜지(431)에서 나사조임(screwing)에 의해 본체(41) 위에 고정된다. 흡착 전극(43)은 전기적으로 본체(41)와 단락(short)된다.

나사로 조여진 전극 플랜지(431)를 둘러싸는 보호 고리(49)가 제공된다. 보호 고리(49)는 실리콘 산화물(silicon oxide)과 같은 절연체로 만들어진다. 보호 고리(49)는 흡착 전극(43)과 전극 플랜지(431)의 측면을 덮음으로써 이들을 보호하는 것이다.

유전체 판(42)은 흡착 전극(43)의 윗쪽에 위치된다. 도 1에 나타난 바와 같이, 흡착 전극(43)은 위쪽으로 볼록한 부분 및 볼록한 부분을 둘러싸는 플랜지-유사 부분으로 형성된다. 유전체 판(42)은 직경이 흡착 전극(43)과 거의 동일하다.

흡착 동력원(40)은 설명된 ESC 스테이지와 연결된다. 흡착 동력원(40)의 종류는 정전기 흡착(electrostatic chucking)의 것에 따른다. 본 구현예의 ESC 스테이지는 단극형(mono-electrode type)이다. 흡착 동력원(40)으로서 양의 DC동력원이 선택된다. 흡착 동력원(40)은 본체(41)와 연결되어, 본체(41)를 통해 흡착 전극(43)에 양의 DC전압을 인가한다. 흡착 전극(43)에 인가된 전압은 물체(9)를 흡착할 수 있는 유전성 분극을 야기한다. 본 구현예에서, 양의 DC전압이 인가되기 때문에, 양 전하가 유전체 판(42)의 표면 위에서 유도되어, 결과 정전기적으로 물체(9)를 흡착한다.

두 가지의 정-전기적 흡착 메카니즘(electrostatic chucking mechanism)이 알려져 있다. 하나는 쿨롱 힘(Coulomb force)에 의한 것이고, 다른 하나는 존슨-라벡 힘(Johnson-Rahbeck force)에 의한 것이다. 존슨-라벡 힘은 미세-구역에서의 전류의 집중에 의해 발생된 흡착 힘이다. 유전체 판(42) 및 물체(9)의 표면은 미세적으로 울퉁불퉁(uneven)하다. 양 표면 위 미세 융기부는 서로 접한다. 정전기 전하가 흡착 동력원(40)에 의해 유도될 때, 흐르는 전류는 서로 접하고 있는 융기부에 모이게 되어, 결과 존슨-라벡 힘을 발생한다. 존슨-라벡 힘은 본 구현예와 같은 ESC 스테이지 내에서 우세하다. 그러나, 본 발명은 존슨-라벡힘이 우세한 것에만 한정되는 것은 아니다.

본 구현에의 ESC 스테이지의 가장 큰 특징 중의 하나는, 물체(9)의 열 이동 및 열 변형이 효율적으로 방지되는 구조라는 점이다. 이 점은 하기에서 설명될 것이다. 본 구현예의 ESC 스테이지는 추측컨데 뜨거운 온도 환경에서 사용된다. 이는, 나중에 설명되는 것처럼, 물체(9)가 가공될 기판인 경우 이외에, 예를 들어 물체(9)가 뜨거운 온도 환경하에서 시험되는 경우에 일어날 수 있다. 높은 온도 환경에서 사용되는 경우라도, 본 구현예의 ESC 스테이지에서 열 이동 및 열 변형이 방지된다.

구체적으로, 도 1에 나타난 바와 같이, 완화층(44)은 유전체 판(42) 및 흡착 전극(43)사이에 제공된다. 완화층(44)은 유전체 판(42)과 흡착 전극(43)사이의 열 팽창 계수 차를 완하하여, 물체(9)의 열 이동 및 열 변형을 방지할 수 있다. 보다 구체적으로는, 완화층(44)은 유전체 판(420 및 흡착 전극(43) 사이의 중간 열팽창계수 값을 갖는다. "중간 열 팽창 계수 값" 이란: 흡착 전극(43)의 열팽창 계수가 유전체 판(42) 보다 높으면, 흡착 전극(43) 보다 낮고 유전체 판(42) 보다는 높으며; 그리고, 유전체 판(42)의 열팽창 계수가 흡착 전극(43) 보다 높으면, 유전체 판(42) 보다는 낮고 흡착 전극(43) 보다는 높음을 의미한다.

본 구현예에서, 특히, 흡착 전극(43)은 알루미늄으로 만들어지며, 유전체 판(42)은 알루미나(Al₂O₃)로 만들어진다. 완화층(44)은 세라믹과 금속의 복합체로 만들어진다. 알루미늄과 마그네시아 사이의 열팽창 계수를 갖는 복합체로서 실리콘 카바이드 및 알루미늄의 복합체를 들 수 있으며, 이하 "SiC-Al 복합체"라 한다. 알루미늄의 열팽창 계수는 0.237×10^-4/K이고, 마그네시아는 14×10^-6/K이다. 이 경우, 완화층(44)의 재료로서 약 10×10^-6/K의 열팽창 계수를 갖는 SiC-Al 복합체가 바람직하게 선택된다. 이 같은 종류의 SiC-Al 복합체는 다공성 SiC 벌크(SiC bulk)내로 용융한 알루미늄을 포어(poring)하여 이를 채움으로써 제조된다. 다공성 SiC 벌크는 SiC 분말의 고온 고압 소결-주조(sinter-molding)에 의해 제조된다. 포어드한 알루미늄을 냉각시킨 후, 절단과 같은 기계 작업에 의해 도 1에서와 같이 성형된 완화층44이 얻어진다. 채워진 알루비늄의 부피를 조절할 수 있는, 다공성 SiC-Al 벌크의 부피 개구비(the volume opening ratio)는 소결-주조 중에 적절한 온도 및 적절한 압력을 선택함으로써 조절된다. 다공성 벌크와 동일 크기의 비-다공성 벌크의 밀도를 비교하여, 부피 개구비를 얻는다. 설명된 방법으로 제조된 SiC-Al 복합체의 열팽창 계수는 SiC에 대한 알루미늄의 조성비에 의존한다. 설명된 10×10^-6/K의 열팽창 계수는 조성비를 조절함으로써 얻어진다.

만약이라도, 완화층(44)의 열팽창 계수는 바람직하게 흡착 전극(43)보다 유전체 판(42)에 더 가깝다. 알루미늄의 열팽창 계수가 0.237×10^-4/K이고, 알루미늄이 7.3×10^-6/K인 것을 고려하면, 완화층(44)의 열팽창 계수는 바람직하게 9.5×10^-6/K 내지 10.5×10^-6/K 범위이다. 이는 전체 부피에 대해 실리콘 카바이드의 부피비를 50 내지 60 퍼센트로 함으로써 가능하다. "유전체 판에 더 가까운 열팽창 계수"란 단지 유전체 판(42)과 흡착 전극(43) 사이 중간값이라기 보다는 유전체 판(42)의 값에 더 가깝다는 것을 의미한다.

추가적으로 본 구현예의 ESC 스테이지에서, 덮개층(45)은 완화층(44)의 반대쪽에서 흡착 전극(43) 위에 제공된다. 즉, ESC 스테이지는 흡착 전극(43)이 완화층(44) 및 덮개층(45)에 의해 샌드위치된 구조를 갖는다. 덮개층(45)은 흡착 전극(43)과 본체(41) 사이에 삽입된다. 이 덮개층(45)은 또한, 유전체 판(42) 및 흡착 전극(43) 사이의 열팽창 계수를 갖는 재료로 만들어진다. 이는 완화층(44)의 것과 동일한 재료를 택함으로써 가능하다. 그러나, 덮개층(45)으로 다른 재료를 택할 수도 있다.

흡착 전극(43)이 사이 열팽창 계수(in-between thermal expansion coefficient)를 갖는 완화층(44) 및 덮개층(45)에 의해 샌드위치되는 구조는, 흡착된 물체(9)의 이동 및 변형을 방지할 수 있다. 이점은 도 2를 들어 하기에서 상세하게 설명될 것이다. 도 2는 도 1에 나타난 ESC 스테이지의 장점을 개략적으로 설명한다.

일반적으로, 흡착 전극 재료, 예를 들어 금속, 및 유전체 판(42)의 재료, 예를들어 유전체 사이의 열팽창 계수는 큰 차이가 있다. 유전체 판(42)이 흡착 전극(43) 위에 고정된 종래 기술의 구조에서는, ESC 스테이지가 뜨거운 온도로까지 가열될 때, 유전체 판(42)과의 열팽창 계수 차이로 인해 흡착 전극의 큰 변형이 용이하게 발생할 수 있다. 결과, 유전체 판(42)은 또한, 도 2(1)에 나타난 바와 같이, 볼록하게 되거나 또는 도 2(2)에 나타난 바와 같이, 오목하게 변형될 수 있다. 유전체 판(42)의 이같은 변형은, 흡착될 물체(9)의 이동 또는 변형을 초래할 수 있다.

사이 열팽창 계수를 갖는 완화층(44)이 유전체 판(42) 및 흡착 전극(43) 사이에 삽입된 종래 기술의 구조에서는, 열팽창 계수의 차이가 완화되어 결과, 유전체 판(42)의 변형이 억제된다. 본 발명자에 의한 조사에 따르면, 도 4에 나타난 바와 같이, 완화층(44)과 유사한 층이 추가적으로 반대쪽에 제공될 때, 유전체 판(42)의 변형이 더욱 억제됨이 밝혀졌다. 비록 그 이유가 완전히 밝혀지지 않았지만, 사이 열팽창 계수를 갖는 층들에 의해 샌드위치될 때, 흡착 전극(43)의 양면에서의 열 팽창이 균형된 상태가 될 것이다는 것을 생각할 수 있다. 더욱이, 흡착 전극(43)의 내부-응력이, 유사한 열팽창 계수를 갖는 양쪽의 층들에 의해 균형을 이루게 될 것이라는 것을 생각할 수 있다.

열 응력과 관련하여, 완화층(44) 및 덮개층(45) 내의 열 응력이 흡착전극(43)의 변형을 억제하도록 작용할 것이라는 것을 또한, 생각할 수 있다. 예를 들어, 흡착 전극(43)이 위로 볼록하게 변형될 때, 완화층(44) 및 덮개층(45)의 내부 열 응력이 이를 반대 방향으로 변형되도록 예를 들어, 아래로 볼록하게 되도록 작용할 수 있다. 추가적으로, 흡착 전극(43)내에 압축 응력(compression stress)이 생성될 때, 장력(tensile stress)이 완화층(44) 및 덮개층(45)내에 생성되는 것이 일어날 수 있다. 반대로, 장력이 흡착 전극(43) 내에 생성될 때, 완화층(44) 및 덮개층(45) 내에 압축 응력이 생성될 수 있다. 일반적으로, 완화층(44)및 덮개층(45)은 흡착 전극(43)내의 응력에 반대하는 응력을 가질 수 있다고 할 수 있다. 여기서 "반대"란, 완전히 반대방향으로 응력이 향하는 것을 항상 의미하지는 않는다. 벡터로 표현할 때, 완화층(44) 및 덮개층(45) 내의 응력 벡터는 흡착 전극(43)내 응력 벡터에 대해 90도 이상의 각을 만든다.

어떻튼, 덮개층(45)의 조건은 흡착 전극(43)의 변형 및 이로인한 유전체 판(42)의 변형을 더욱 억제한다. 결과적으로, 물체(9)의 이동 및 변형이 함께 억제될 수 있다. 덮개층(45)이 유사한 열-팽창-계수를 갖는다는 점은, 열팽창 계수의 완전한 대응을 의미하는 것이 아니라, 사이 열팽창 계수를 갖는다는 점에서, 덮개층(45)이 완화층(44)과 유사하다는 것을 단지 의미할 뿐이다. 완화층(44)과 동일한 세라믹-금속 복합체 예를 들어, SiC-Al 복합체가 덮개층(45)의 재료로서 사용되어 질 수 있다. 덮개층(45)에 대한 복합체는 전도성이 있으며, 충분한 금속 함량을 가진다. 이는 본체(41)로 부터 흡착 전극(43)을 절연하기 위한 것이 아니다.

유전체 판(42)을 고정하기 위한 구조는 또한, 유전체 판(42)의 변형을 억제한다는 점에서 중요하다. 유전체 판(42)이 예를 들어, 나사조임에 의해 국소적으로 고정되면, 고정점에서 꽉 죄어져 있는 상태이고 열전도성이 고정점에서 국소적으로 강화되기 때문에, 유전체 판(42)의 열변형이 악화될 수 있다. 본 구현예에서, 유전체 판(42)은 주성분이 알루미늄 또는 인듐 중 어느 하나와 같은 경납땜 재료(brazing material)에 의해 흡착 전극(43)과 연결된다. 여기서 "주성분"이란 순수한 알루미늄 또는 순수한 인듐을 함축하며, 덧붙여 몇몇 첨가제를 포함하는 것을 함축한다. 예를 들어, 연결은 표면 전체의 경납땜(brazing)에 의해 이루어진다. 구체적으로, 인듐으로 만들어진 얇은 막이 유전체 판(42) 및 완화층(44) 사이에 삽입된다. 약 120℃ 내지 130℃로까지 이들을 가열한 후 냉각시킴으로써, 유전체 판(42)이 완화층(44)에 고정된다. 열접촉 및 기계적 강도의 강화 측면에서, 경납땜중에, 570℃ 내지 590℃ 범위내의 온도로 가열하면서 1Mpa 내지 2MPa 범위내의 압력을 기계적으로 가하는 것이 바람직하다. 경납땜에 의한 연결은 유전체 판(42)의 변형을 더욱 효과적으로 억제한다. 또한, 완화층(44)과 흡착 전극(43)을 경납땜하고, 동일한 방법으로 흡착 전극(43)과 덮개층(45)을 경납땜하는 것이 실용적이다.

이하, 간단히 "총 두께"라 하는, 유전체 판(42), 흡착 전극(43), 완화층(44) 및 덮개층(45)의 총 두께는 바람직하게 28mm 내지 32mm 범위내이다. 그 이유는 다음과 같다. 총 두께가 28mm 미만이면, 얇아서 설명된 것과 같은 열 변형이 용이하게 발생할 수 있다. 덧붙여, 나중에 설명되는, 냉각을 위한 캐비티(cavity)가 ESC 스테이지에 제공되는 경우, 28mm 미만의 총 두께는, 냉각을 위한 냉각제에 대한 공간 및 접촉지역의 부족으로 인해, 충분한 냉각이 불가능해지는 문제를 야기할 수 있다. 반대로 총두께가 32mm를 초과하면, 무의미하게 확장되어 전용공간 및 경비면에서 문제를 야기할 수 있다. 더 나아가, 흡착 전극(43)을 고정하는데 보다 긴 나사가 요구되는 문제, 및 보다 큰 크기의 보호 고리(49)가 요구되는 문제를 야기한다. 결과, 총두께는 28mm 내지 32mm 범위 이내가 바람직하다.

다음에서 본 발명의 기판 처리 장치의 구현예가 설명될 것이다. 본 발명의 장치는 실온보다 높은 온도로 기판을 유지하면서 이를 가공하는 것이다. 다음 설명에서, 기판 처리 장치의 구현예로서 플라즈마 에칭 장치가 선택된다. 또한, 다음 설명에서, "물체"는 그것의 하위 개념인 "기판"로 대체된다.

도 3은 본 발명의 구현예로서 기판 처리 장치의 개략적인 정면 단면도이다. 도 3에서 나타난 장치는 기판(9) 위에서 플라즈마 에칭이 수행되는 가공 챔버(process chamber), 가공 챔버(1)내로 가공 가스(process gas)를 유입시키기 위한 가공-가스 유입선(2), 유입된 가공 가스에 에너지를 인가하여 가공 챔버(1)내에서 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생기(3), 및 플라즈마의 작용에 의해 기판(9)이 에칭될 수 있는 위치에서 정전기적으로 흡착함으로써 기판(9)을 고정하기 위한 ESC 스테이지(4)를 포함한다. ESC 스테이지(4)는 설명된 구현예에서와 거의 동일하다.

가공 챔버는 공기가 통하지 않는 진공 용기로, 펌핑선(11)에 의해 펌프된다. 가공 챔버(1)는 스레인레스 스틸과 같은 금속으로 만들지며, 전기적으로 접지된다. 펌핑선(11)은 건조 펌프 및 펌핑 속도 조절기(112)와 같은 진공 펌프(11)를 포함하여, 결과 가공 챔버1내의 압력을 10^-3pa내지 10pa로 유지할 수 있다.

가공-가스 유입선(2)은 플라즈마 에칭을 위한 가공 가스를 요구되는 유속으로 유입할 수 있다. 본 구현예에서, 가공 가스로서 트리플루오르 메탄(CHF₃)과 같은 반응가스가 가공 챔버(1) 내로 유입된다. 가공-가스 유입선(2)는 가공 가스로 가득채워진 가스밤(gas bomb) 및, 가스밤과 가공 챔버(1)를 서로 연결하는 공급관을 포함한다.

플라즈마 발생기(3)는 유입된 가공 가스에 라디오 주파수(radio-frequency; RF) 에너지를 가하여 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마 발생기(3)는 ESC 스테이지(4)와 마주보는 대향 전극(30), 및 대향 전극(30)에 RF 전압을 인가하기 위한 RF 동력원(31)을 포함한다. 이하 RF 동력원(31)을 '플라즈마 발생원'이라 한다. 플라즈마 발생원(31)의 주파수는 100 kHz 내지 수십 MHz범위이다. 플라즈마 발생원(31)은 매칭 회로(도시되지 않음)를 끼워넣은 대향 전극(30)과 연결된다. 플라즈마 발생원(31)의 출력은 300W 내지 2500W 범위일 수 있다. 절연체(32)를 삽입하여, 대향 전극(30)이 공기가 차단되게 가공 챔버(1)에 장착된다 .

플라즈마 발생원(31)이 대향전극(30)에 RF전압을 인가할 때, RF 전하는 가공 챔버(1)에 제공된 RF장에 의해 유입된 가공가스를 이용하여 점화(ignite)된다. 전하를 통해, 가공 가스가 플라즈마 상으로 이동한다. 가공 가스가 플루라이드(fluoride)인 경우, 플루오린(fluorine) 또는 플루라이드의 이온들 및 활성화된 종들이 플라즈마 내에 풍부하에 생성된다. 이들 이온 및 종들이 기판(9)에 도달하여, 결과 기판(9)의 표면을 에칭한다.

축전기를 끼워넣어, 또 다른 RF 동력원(6)이 ESC 스테이지(4)와 연결된다. 이 RF 동력원(6)은 효율적으로 기판(9) 위에 이온을 입사시키기 위한 것이다. 이 RF 동력원(6)을 이하 "이온-입사원(ion-incidence source)"이라 한다. 이온 입사원(6)이 플라즈마가 발생된 상태에서 작동될 때, 자기-바이어스 전압(self-biasing voltage)이 기판(9)에 제공된다. 자기-바이어스 전압은 플라즈마와 RF파의 상호 반응을 통해 생성되는 음의 DC전압이다. 자기-바이어스 전압은 기판(9) 위에 효율적으로 이온을 입사시켜, 결과 에칭률을 강화시킨다.

본 구현예에서, 교정 고리(46)(correction ring)가 ESC 스테이지(4)에 제공된다. 기판(9)과 수평이 되게, 교정 고리(46)가 유전체 판(42)의 플랜지 부분 위에 설치된다. 교정 고리(46)는 기판(9)과 같거나 유사한 재료, 예를 들어 실리콘 단 결정(silicon mono-crystal)으로 제조된다. 교정 고리(46)는 기판(9)의 주변에서의 가공의 비-균일성 또는 비-단일성을 방지하기 위한 것이다. 기판(9)의 가장자리로 부터의 열 분산으로 인해, 기판(9)에서의 온도는 중심과 비교하여 주변부에서 더 낮은 경향이 있다. 이같은 문제를 해결하기 위해, 기판(9)과 동일하거나 유사한 재료로 만들어진 교정 고리(46)가 기판(9)을 둘러싸도록 제공되어 열 분산을 보상한다. 에칭과 함께, 기판(9)으로부터 방출된 이온 및 전자들에 의해 플라즈마가 지지된다. 플라즈마 밀도는, 중심과 비교하여 더 작은 수의 이온 및 전자들이 방출되기 때문에, 기판(9)의 주변부에 면하는 공간에서 더 낮은 경향이 있다. 기판(9)과 동일하거나 유사한 재료로 만들어진 교정 고리(46)가 이를 둘러싸도록 제공될 때, 기판(9)의 주변부와 마주하는 공간에 공급된 이온 및 전자들의 양은 증가되어 결과, 플라즈마를 보다 균일하고, 보다 단일하게 한다.

설명된 바와 같이, ESC 스테이지(4)는 보호 고리(49)(protection ring)를 포함한다. 보호 고리(49)는 플라즈마 또는 전하에 의한 손상으로부터 흡착 전극(43) 및 전극 플랜지의 측면을 보호한다. 기판(9)이 실리콘으로 만들어진 경우, 실리콘-산화물로 만들어진 보호 고리(49)는 에칭된 후에라도 기판(9)의 오염가능성을 감소시킨다.

절연체(47)를 삽입하여, ESC 스테이지(4)가 가공 챔버(1)에 설치된다. 절연체(47)는 알루미나와 같은 재료로 만들어지며, 플라즈마로부터 본체(41)를 보호할 뿐만 아니라 가공 챔버(1)로 부터 본체(41)를 절연한다. 가공 챔버(1)로부터 진공의 누출을 방지 위하여, O-고리와 같은 진공 봉인제가 ESC 스테이지(4)와 절연체(47) 사이, 및 가공 챔버(1)와 절연체(47) 사이에 제공된다.

본 구현예의 장치는 가공 동안, 기판(9)의 온도를 조절하기 위한 온도 조절기(5)를 포함한다. 설명한 바와 같이, 이하 "최적온도"라 하여, 가공 동안 유지되는 기판(9)의 온도는 주로 실온보다 높다. 그러나, 플라즈마 에칭 중, 기판(9)의 온도는 플라즈마로부터 열을 받아 쉽게 최적온도를 초과한다. 이 같은 문제를 해결하기 위해, 온도 조절기(5)는 기판(9)을 냉각시키고, 에칭동안 최적 값으로 그것의 온도를 조절한다.

도 3에 나타난 바와 같이, 흡착 전극(43)은 그 자체로 캐비티(cavity)를 갖는다. 온도 조절기(5)는 흡착 전극(43)을 냉각시키기 위해 캐비티를 통해 냉각제를 순환시키고 결과, 간접적으로 기판(9)을 냉각시킨다. 온도 조절기(51)는 캐비티내로 냉각제를 주입하는 냉각제 주입관(51), 냉각제를 캐비티 밖으로 배출하기 위한 냉각제 배수관(52), 및 요구되는 저온으로 조절된 냉각제를 순환시키기 위한 순환기(53)를 포함한다. 냉각제로서, 예를 들어, 플루리네이트(Fluorinate; 3M 주식회사의 상표명)가 사용된다. 온도 조절기(51)는, 30℃ 내지 40℃의 냉각제를 순환시킴으로서, 80℃ 내지 90℃의 온도범위로 기판(9)을 냉각시킨다.

기판 처리 장치는, 흡착된 기판(9) 및 유전체 판(42) 사이에 가스를 유입시키기 위한 열-전달 가스 유입선(도시되지 않음)을 포함한다. 열-전달 가스 유입은 흡착된 기판(9) 및 유전체 판(42) 사이의 열전달 효율성을 강화시키기 위한 것이다. 기판(9)의 뒷면 및 유전체 판(42)의 꼭대기면은 완전히 평평한 것이 아니라, 미세적으로 거칠다. 표면위의 미세한 기복(roughness)으로 형성된 공간에서는, 진공 압력이기 때문에 열전달 효율성이 나쁘다. 열-전달 가스 유입선은 높은 열 전도성의 가스 예를 들어, 헬륨을 공간내로 유입시켜, 결과 열 전달 효율성을 향상시킨다.

ESC 스테이지(4)는 기판(9)을 끼워넣고 빼내기 위하여 내부에 리프트 핀(lift pin)(48)을 포함한다. 리프트 핀(48)은 엘리베이션 메카니즘(elevation mechanism)(도시되지 않음) 의해 들어올려진다. 단 하나의 리프트 핀(48)만이 도 3에 나타나 있지만, 실제로는 3개의 리프트 핀(48)이 제공된다.

본 구현예의 기판 처리 장치의 작동이 다음에서 설명될 것이다. 이동 메카니즘(도시되지 않음)이 기판(9)을 가공 챔버(1)내로 이동시킨 후, 리프트 핀(48)의작동에 의해 ESC 스테이지(4) 위에 기판(9)이 놓여진다. 흡착 동력원(40)의 작동으로, 기판(9)이 ESC 스테이지(4) 위에 흡착된다. 나아가 요구되는 진공압력으로 가공 챔버(1)가 펌프되어 진다. 이 상태에서, 요구되는 유속으로 가공 가스를 유입하도록 가공 가스 유입선(2)이 작동된다. 다음으로, 플라즈마 발생원(31)이 작동하여 결과, 플라즈마를 발생시킨다. 설명한 대로 플라즈마를 이용하여 에칭이 수행된다. 온도 조절기(5)는 최적온도로 기판(9)을 냉각시킨다. 에칭동안, 에칭 효율성을 강화하기 위하여 이온-입사원(6)이 작동된다. 요구되는 기간동안 에칭을 수행한 후, 가공-가스 유입관(2), 플라즈마 발생원(31), 및 이온 입사원(6)의 작동이 멈춘다. 다음으로, 흡착 동력원(40)의 작동이 멈추고, 기판(9)에 대한 흡착을 풀게 된다. 가공 챔버(1)가 다시 펌프된 후, 기판(9)이 이동 기구에 의해 가공 챔버(1) 밖으로 이동된다.

기판 처리 장치에서, 흡착 전극(43)이 실온보다 높게 가열되더라도, 설명한 대로 완화층(44) 및 덮개층에 의해 그 변형은 억제된다. 결과, 유전체 판의 변형 및 이에 의해 야기되는 기판(9)의 이동 또는 변형이 함께 억제된다. 따라서, 가공 균일성 및 가공 단일성이 강화된다.

변형을 억제하는 완화층(44) 및 덮개층(45)의 장점은, 교정 고리(46)가 제공되는 구조에서 특히 뚜렷하다. 이점은 다음에서 상세하게 설명될 것이다. 교정 고리(46)는 필수적으로 기판(9)을 밖으로 연장한 것과 동일한 배치를 가진다. 교정 고리(46)의 재료는 기판(9)과 동일하거나 유사하다. 교정 고리(46)는 유전체 판(42)의 플랜지 부분 위에 제공되며, 기판(9) 뿐만 아니라 유전체 판(42)을 흡착한다. 플랜지 부분은 얇고 주변부이기 때문에, 유전체 판(42)의 변형 가능성 및 부피는 플랜지 부분에서 비교적 더 크게 될 것이다. 유전체 판(42)의 변형에 의해 교정 고리(46)의 이동 또는 변형이 발생한다면, 기판(9)의 가장자리로부터 열분산을 보상하기 위한 작용이 불균일하게 될 것이다. 더우기, 유전체 판(42)에 대한 교정 고리(46)의 열접착이 이동 또는 변형에 의해 나빠지게 되고, 결과적으로 교정 고리의 온도가 기판(9)보다 높아지게 된다. 특히 심각한 것은 유전체 판에 대한 교정 고리의 열 접합 저하가 무작위로 발생하는 것이다. 교정 고리(46)의 열 접합 저하가 무작위적일 때, 보상적으로 기판(9)을 가열하기 위한 교정 고리(46)의 작용 또한 무작위적으로 될 것이다. 이는 특히, 가공 동안 기판(9)에 대한 온조 조건의 재현성 저하를 유도한다.

본 구현예에서, 그러나, 유전체 판(42)의 변형 및 이동이 흡착 전극(43)의 변형 억제에 의해 제한되기 때문에, 교정 고리(46)는 변형되거나 이동되기 어렵다. 결과, 본 구현예는 기판 온도의 비-균일성 및 비 재현성과 같은 문제로부터 자유롭다.

구현예의 구조로부터 얻어진 효과를 확인하기 위한 실험 결과가 다음에서 설명될 것이다. 도 4 내지 도 7은 이 실험의 결과를 개략적으로 나타낸다. 이 실험에서, 다른 온도 또는 다른 온도 내력들의 조건하에서 ESC 스테이지에 대한 유전체 판(42) 표면의 변형 및 이동을 측정하였다. 거리 측정기(distance meter)로 변형 및 이동을 측정하였다. 각 지점의 높이를 측정하기 위하여, ESC 스테이지를 기준 높이로 하여, 기준 높이에 대한 유전체 판(42)의 표면 위에서의 각 지점으로부터의거리를 거리 측정기로 측정하였다.

도 4 및 도 5 모두, 유전체 판(42)의 볼록한 부분의 표면 위 지점들의 높이를 나타낸다. 도 4는 완화층(44) 및 덮개층(45)이 없는 종래 기술의 ESC 스테이지의 경우에서의 높이를 나타낸다. 도 5는 완화층(44) 및 덮개층(45)을 가진 설명된 구현예의 ESC 스테이지의 경우에서의 높이를 나타낸다. 도 6 및 도 7 모두 유전체 판(42)의 플랜지 부분의 표면 위 지점들의 높이를 나타낸다. 도 6은 완화층(44) 및 덮개층(45)이 없는 종래 기술의 ESC 스테이지의 경우에서의 높이를 나타낸다. 도 7은 완화층(44) 및 덮개층(45)을 가진 설명된 구현예의 ESC 스테이지의 경우에서의 높이를 나타낸다. 도 6 및 도 7에서 ①,②,③,④로 표시된 플랜지 부분위의 각 지점의 위치는 도 1에서 각각 동일한 ①,②,③,④를 나타낸다.

ESC 스테이지의 온도를 다양하게 하여 실험을 수행하였다. ESC 스테이지의 온도를 이하 "스테이지 온도"라 한다. 도 4 내지 도 7에서, "A"는 ESC 스테이지를 20℃에서 밤새 놓아둔 후, 스테이지 온도 20℃에서 측정한 자료를 나타낸다. "B"는 스테이지 온도를 5℃로 유지하면서 측정한 자료를 나타낸다. "C"는 ESC 스테이지를 5℃로 냉각시킨 후, 스테이지 온도 20℃에서 측정된 자료를 나타낸다. "D"는 스테이지 온도를 50℃로 유지하면서 측정한 자료를 나타낸다. "E"는 스테이지 온도를 50℃로 만든 후 20℃로 ESC 스테이지를 강제로 냉각시키면서 측정한 자료를 나타낸다. 비록 ESC 스테이지(4)가 리프트 핀(48)과 같은 내부요소들을 위한 개구(opening)들을 가지지만, 이들 개구들에서의 자료들은 도 4 내지 도 7에서 생략되었다.

통상적으로 도 4 내지 도 7에서, 스테이지 온도가 높아지면 유전체 판(42)의 높이가 높아진다. 이것은 전체 ESC 스테이지(4)의 열 팽창에 의해 얻어진 결과이며, 어느 정도는 자연스러운 것이다. 문제가 되는 것은 유전체 판(42)의 이동 및 변형이 스테이지 온도 또는 스테이지 온도의 내력에 의존한다는 것이다.

특히, 도 5에 나타난 각 선은 이하 "표면 높이 분포(Surface level distance)"라 하는, 유전체 판(42)의 표면 위의 지점들로부터 작성된 것이다. 도 5에 나타난 바와같이, 표면 높이 분포는 스테이지 온도 또는 스테이지 온도의 내력에 따라, 같은 모양을 유지하며 오르내린다. 요약하면, 평행하게 이동된다. 이는 아마도 유전체 판(42)이 변형되지 않고 균일하게 열 팽창하는 것을 입증한다. 도 4에서, 반대로, 표면 높이 분포는 스테이지 온도 또는 스테이지 온도 내력에 따라 모양을 변화하며 오르내린다. 요약하면, 평행하게 이동되지 않는다. 이는 아마도 유전체 판(42)의 변형이 발생하였음을 입증한다. 특히 문제가 되는 것은 표면 높이 분포가 스테이지 온도 내력에 따라 모양이 변한다는 점이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 같은 스테이지 온도 20℃에서의 측정이라 할지라도, 20℃에서 밤새 놓아둔 경우 및 50℃로부터 강제적인 냉각에 의해 저하되는 경우, 표면 높이 분포는 다른 곡선을 그린다.

같은 분석을 플랜지 부분의 결과들에 적용하였다. 도 6에 나타난 바와 같이, 완화층(44) 및 덮개층(45)이 제공된 경우에, 표면 높이 분포는 같은 모양을 유지하면서 오르내린다. 반대로, 도 7에 나타난 바와 같이, 완화층(44) 및 덮개층(45)이 제공되지 않은 경우, 표면 높이 분포는 모양이 변하며 오르내린다.또한 각각의 스테이지 온도의 내력에서, 표면 높이 분포는 도 7에서 다른 곡선을 그렸다.

표면 높이 분포가 온도 내력에 의존한다는 점은 기판 가공의 재현성에 대해 심각한 문제를 초래한다. 제조공장에서 제작된 기판 처리 장치를 생산라인내에 설치하고, 송출 검사(delivery inspection)와 같은 작업후에 사용한다. 그러나, 실제 기판 가공이 처음으로 시작될 때까지, 장치들 중 장치의 온도 내력이 동일한 것은 없다. 거의 동일한 가공을 수행한 장치라 할지라도 제조공장에서 송출 검사 및 사용자의 작업라인에서의 시험 작동과 같은 작업을 통해 항상 다른 온도내력을 나타낸다. 더우기, 기판에 대한 각 단위 가공을 고려할 때, 기판에 대한 가공이 수행될 때까지 ESC 스테이지가 나타내는 온도 내력은, 또 다른 기판에 대한 가공을 수행할 때까지 ESC 스테이지가 나타내는 또 다른 온도 내력과는 다를 수 있다. 예를 들어, 단위 가공이 계속적으로 수행되는 동안 ESC 스테이지가 나타내는 온도 내력은, 첫째 기판에 대한 가공에 처음으로 사용된 ESC 스테이지의 또 다른 온도 내력과 다를 수 있다. 이같은 상황은 예를 들어, 정비를 위해 정지한 후, 장치의 작동이 개시될 때 발생한다.

표면 높이 분포가 스테이지 온도의 내력에 의존한다는 점은, ESC 스테이지가 온도 조절기(5)에 의해 일정 온도로 조절된다 할지라도, 내력에 따라 기판(9)이 변형 또는 이동될 것이라는 것을 의미한다. 이는 가공 재현성의 면에서 심각한 문제가 될 수 있다. 완화층(44) 및 덮개층(45)이 제공된 경우, 그러나, 기판(9)의 무-변형 및 무-이동과 더불어 표면 높이 분포는 스테이지 온도 내력에 의존하지 않는다. 결과, ESC 스테이지(4)를 요구되는 온도로 유지함으로서 높은 재현성을 갖는 가공이 가능하다.

본 발명의 ESC 스테이지에 대한 또 다른 구현예가 다음에서 설명될 것이다. 도 8은 본 발명의 또 다른 구현예로서의 ESC 스테이지의 개략적인 정면 단면도이다. 이 구현예에서, 흡착 전극(43)의 구조는 설명된 구현예와 다르다. 흡착 전극(43)은 한쌍의 냉각 핀-판(cooling fin-plate)(431),(432)을 포함한다. 각각의 핀-판(431),(432)은 각각 핀으로 조여져, 서로 마주본다.

구체적으로, 아래쪽 냉각 핀-판(431)에 위쪽으로 돌출된 많은 핀들이 제공된다. 반대로, 위쪽 냉각 핀-판(432)에 아래쪽으로 돌출된 많은 핀들이 제공된다. 각 핀-판(431),(432)에 대한 각각의 핀은 원호(circular-arc) 또는 원(circular)형으로, ESC 스테이지(4)에 대해 동축이다. 아래쪽 냉각 핀-판(431) 위 각 핀이 위쪽 냉각 핀-판(432) 위 각 쌍의 핀들 사이에 삽입된다. 위쪽 냉각 핀-판(432) 위 각 핀은 아래쪽 냉각 핀-판(431) 위 각 쌍의 핀들 사이에 삽입된다.

도 8에 나타난 바와 같이, 복잡한 구조를 갖는 캐비티(430)가 냉각 핀-판(431),(432)에 의해 형성된다. ESC 스테이지는 온도 조절기를 포함하며, 흡착 전극(43)을 냉각시키기 위하여 이 캐비티(430)를 통해 냉각제를 순환시키며 결과, 기판(9)이 간접적으로 냉각된다. 온도 조절기는 캐비티(430)내로 냉각제를 주입하기 위한 냉각제 주입관(51), 캐비티 밖으로 냉각제를 배출하기 위한 냉각제 배수관(52), 및 요구되는 저온으로 조절된 냉각제를 순환시키기 위한 순환기(도 8에 도시되지 않음)을 포함한다.

이 구현예는, 냉각제가 넓은 지역에서 흡착 전극(43)과 접하고 있기 때문에 보다 높은 냉각 효율의 잇점을 가진다. 결과, 플라즈마 밀도를 강화하기 위하여 플라즈마로 공급 힘(input power)이 크게 되는 경우라 하더라도, 기판(9)은 요구되는 저온으로 용이하게 유지되며, 보다 높은 가공 속도에 기여한다.

구현예에 속하는 보다 상세화된 실시예들이 이하에서 설명될 것이다.

흡착 전극(43) 재료: 알루미늄

유전체 판(42) 재료: 알루미나

유전체판(42)의 고정: In으로 경납땜하기

완화층(44)의 재료 : SiC-Al 복합체

완화층(44)의 두께: 12㎜

덮개층(44)의 재료: SiC-Al 복합체

덮개층(44)의 두께 : 12㎜

흡착 전압 : 550V

실시예에 의해 흡착된 기판(9)의 크기는, 예를 들어 직경이 300mm이다.

완화층(44) 및 덮개층(45)의 재료는 설명된 SiC-Al 복합체에 한정되는 것은 아니다. 세라믹과 금속의 또 다른 복합체가 될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 카바이드와 구리의 복합체, 실리콘 카바이드와 니켈의 복합체, 실키콘 카바이드와 Fe-Ni-Co 합금의 복합체, 실리콘 카바이드와 Fe-Ni 합금의 복합체, 실리콘 니트라이드(Si₃N₄)와 니켈의 복합체 또는 실리콘 니트라이드와 Fe-Ni 합금의 복합체가 될 수 있다. 더우기, 완화층(44) 및 덮개층(45)의 재료는 세라믹과 금속의 복합체에 한정되는 것은 아니다. 필요한 것은 단지 흡착 전극(43)과 유전체 판(42) 사이의 열팽창 계수를 갖는 것이다.

이중-전극형(bi-electrode type) 및 다중-전극형(multi-electrode type), 덧붙여 설명된 단일 전극형(mono-electrode type)과 같이 정전기 흡착에는 수많은 종류들이 있다. 이중-전극형은 한쌍의 흡착 전극을 포함하며, 여기에 서로 반대 극성의 전압을 인가한다. 다중-전극형은 다중 쌍의 흡착 전극을 포함하며, 각 쌍의 각각의 전극에 반대 극성의 전압을 인가한다. 이들 종류들에서, 흡착 전극은 유전체 판(42)내로 매복될 수 있다. 단일 전극형인 경우, 흡착을 위해 음의 DC전압이 인가될 수 있다. 본 발명은 또한 이들 종류들에 가능하다. 설명된 ESC 스테이지가 꼭대기면에서 물체 또는 기판(9)을 흡착하지만, 반대로, 예를 들어, 바닥면에서 물체와 기판(9)을 흡착할 수도 있다. 더우기, ESC스테이지은 수직으로 하여 물체 또는 기판(9)을 측면에서 흡착할 수도 있다.

설명부에서 기판 처리 장치에 대한 예로서 플라즈마 에칭 장치가 선택되었지만, 본 발명은 플라즈마 화학 증기 증착(CVD) 장치들 및 스퍼터링 (sputtering) 장치와 같은 다른 장치들에 대해서도 가능하다. 온도 조절기(5)는 기판(9)을 가열하고 이를 요구되는 온도로 유지할 수 있다. 기판 가공외에, 예를 들어 환경 시험 장치와 같이 물체에 대한 시험과 같은 ESC 스테이지에 대한 다른 많은 적용들이 있다.

Claims

물체가 흡착되는 유전체 판;

유전체 판을 유전체적으로 분극하기 위한 전압이 인가된 흡착 전극;

유전체 판 및 흡착 전극사이에 제공되며, 유전체 판과 흡착 전극 사이의 열팽창 계수를 가지는 완화층; 및

유전체 판의 반대쪽에서 흡착 판 위에 제공되며, 유전체 판과 흡착 전극 사이의 열팽창 계수를 갖는 덮개층을 포함하며,

흡착 전극이 완화층 및 덮개층에 의해 샌드위치되는 구조를 더 포함하는, 정전기적으로 물체를 흡착하기 위한 정전 흡착 스테이지:

이때,

유전체 판이 알루미나로 만들어지고,

흡착 전극이 알루미늄으로 만들어지며,

완화층이 실리콘 카바이드와 알루미늄의 복합체로 만들어지며, 그리고,

유전체 판 및 완화층이 주성분이 인듐인 경납땜 재료에 의해 경납땜된다.
제 1항에 있어서,

유전체 판, 흡착 전극, 완화층 및 덮개층의 총 두께가 28mm 내지 32mm범위 이내인, 정전기적으로 물체를 흡착하기 위한 정전 흡착 스테이지.
제 1항에 있어서,

전체 복합체에 대한 실리콘 카바이드의 부피비가 50 내지 60퍼센트의 범위 이내인, 정전기적으로 물체를 흡착하기 위한 정전 흡착 스테이지.
제 1항에 있어서,

복합체의 열팽창 계수가 9.5×10^-6/K 내지 10.5×10^-6/K의 범위 이내인, 정전기적으로 물체를 흡착하기 위한 정전 흡착 스테이지.
가공 동안 기판을 고정하기 위한 제 1항에 따른 정전 흡착 스테이지를 포함하는, 기판이 실온보다 높은 온도로 유지될 때 기판에 대한 가공을 수행하기 위한 기판 처리 장치.
제 5항에 있어서,

기판에 면하는 공간에서 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생기를 포함하며, 이때 가공이 플라즈마를 이용하는, 기판 처리 장치.
제 5항에 있어서,

유전체 판의 주변부가 낮아지게 되는 단을 가지며,

교정 고리가 단 위에 제공되어 기판를 둘러싸며, 그리고

교정 고리가 기판의 주변부에서 가공의 불-균일성을 방지하기 위한 것인, 기판 처리 장치.