KR100716785B1 - 반도체 식각 장치의 웨이퍼 클램핑 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 식각장치에서 웨이퍼를 클램핑하기 위한 장치에 관한 것이다.

본 발명의 웨이퍼 클램핑 구조는 웨이퍼 스테이지; 상기 웨이퍼 스테이지 상단에 일체로 결합되며, 상면 중앙부에 원반형의 웨이퍼가 안착되는 웨이퍼 안착부가 구비된 트레이; 상기 트레이의 내부에서 상호 연결되도록 관통 형성되며, 고압의 헬륨(He) 가스가 순환 이송되는 헬륨 이송관; 및 상기 헬륨 이송관에 하단부가 관통 결합되고, 상기 헬륨 이송관을 통한 헬륨 가스의 고압 이송에 의해서 내부 감압이 이루어지는 벤츄리관;을 포함하며, 웨이퍼 표면의 손상을 방지하고, 물리적으로 압착 고정될 수 밖에 없던 웨이퍼의 가장자리 부위에 식각을 비롯한 반도체 제조 공정의 적용이 가능함에 따라 웨이퍼의 사용 효율을 향상시킬 수 있다.

웨이퍼 스테이지, 트레이, 웨이퍼 안착부, 헬륨 이송관, 벤츄리관, 웨이퍼

Description

반도체 식각 장치의 웨이퍼 클램핑 구조{STRUCTURE FOR A WAFER CLAMPING OF ETCHING DEVICE}

도 1은 종래 웨이퍼 식각 장치의 단면도.

도 2는 종래 반도체 식각 장치의 요부 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 웨이퍼 식각장치의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100. 웨이퍼 스테이지 200. 트레이

201. 웨이퍼 안착부 202. 헬륨 이송관

203. 벤츄리관 300. 웨이퍼

본 발명은 반도체 웨이퍼 제조장치에서 웨이퍼를 클램핑하기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 웨이퍼 스테이지 내에 헬륨 이송관이 형성되고 상기 헬륨 이송관 상에 다수의 벤츄리관이 구비됨으로써, 상기 벤츄리관의 감압에 의해서 상기 헬륨 이송관 상부의 웨이퍼 스테이지에 안착되는 웨이퍼의 냉각과 클램핑이 동시에 수행될 수 있도록 한 반도체 식각 장치의 웨이퍼 클램핑 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 웨이퍼는 각각의 공정 공간을 이동하면서 사진, 식각, 확산, 이온주입, 금속증착 및 화학기상증착 등의 제조 공정을 반복적으로 수행하여 반도체 소자로 제작되게 된다.

이와 같은 웨이퍼 가공 공정을 성공적으로 수행하기 위해서는 챔버 내부에서 웨이퍼를 척킹하여 고정하는 것과, 웨이퍼 가공 공정이 끝난 후에 웨이퍼에 손상이 가지 않도록 웨이퍼를 디척킹하는 것이 상당히 중요하다. 반도체 소자의 고집적화에 따라 디자인 룰이 작아지고, 공정 마진이 좁아지면서 웨이퍼를 척킹하여 고정시키고 디척킹 시 웨이퍼의 손상이 없도록 할 필요성이 점점 증대되고 있다.

이 중에서도 반도체 식각 장치는 반응 챔버내에서 발생하는 플라즈마를 이용하여 웨이퍼에 필요로 하는 패턴이 미세 가공되도록 하는 공정 설비이다. 상기 플 라즈마(Plasma)를 이용한 미세 가공시 웨이퍼를 안착시킬 수 있는 클램핑(Clamping)을 위하여 척을 사용하고 있는 바, 상기 척을 이용한 웨이퍼의 클램핑 방법을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

상기 웨이퍼를 프로세스 챔버 내부의 웨이퍼 스테이지 상에 고정시키는 방법은 클램프와 같은 하드웨어적인 구조물을 이용하여 고정시키는 방법, 지공을 이용하여 웨이퍼 뒷면을 흡착하여 웨이퍼를 고정시키는 방법(진공 척:Vacuum chuck), 중력을 이용하여 자연스런 상태로 웨이퍼 지지대에 고정시키는 방법 및 전기적인 압전 효과를 이용하여 고정시키는 방법 등이 있으며, 최근에는 상기 다양한 척킹 방법 중에서 전기적인 압전 효과, 즉 정전기를 이용하여 웨이퍼를 고정시키는 방법이 널리 사용되고 있다. 이때, 상기 웨이퍼를 고정시키기 위한 척킹 장치를 정전척(ESC:Electrical Static Chuck)이라 한다.

상기 정전척에 의하여 웨이퍼가 장착 고정되는 종래의 웨이퍼 클램핑 구조를 아래 도시된 도 1과 도 2를 통해 간략하게 발 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 종래 웨이퍼 식각 장치의 단면도이고, 도 2는 종래 반도체 식각 장치의 요부 사시도로서, 도시된 바와 같이 종래의 반도체 식각 장치는 상면 중앙부에 웨이퍼(20)가 안착되고 하부에 RF 전극(11)이 구비된 웨이퍼 스테이지(10)와, 상기 웨이퍼 스테이지(10)의 상부에 안착된 웨이퍼(20) 가장자리에 직접 접촉하여 웨이퍼(20)를 고정하는 클램프(30)로 구성된다.

또한, 상기 웨이퍼 스테이지(10)는 정전척으로 구성되어 스테이지의 상, 하부를 관통하는 다수의 헬륨 유입공(12)이 형성되고 원통형 웨이퍼 스테이지(10)의 가장자리부를 따라 헬륨 배출관(13)이 구비된다.

따라서, 일련의 반도체 제조공정이 수행된 웨이퍼(20)가 로봇아암 등의 웨이퍼 이송장치에 의해서 웨이퍼 스테이지(10)상에 위치하게 되면 상기 클램프(30)가 구동원의 구동에 의해서 하강함으로써, 상기 웨이퍼(20)의 가장자리 부위에 직접 접촉되어 웨이퍼(20)의 클램핑이 이루어지도록 한다.

이후, 상기 클램프(30)에 의해서 웨이퍼(20)가 클램핑된 상태에서 반응가스를 분해하여 웨이퍼(20) 상에 박막을 형성하는 증착 공정 및 웨이퍼(20) 상의 소정 영역을 식각하는 건식 식각공정 등의 반도체 제조공정이 수행된다.

정전척으로 이루어진 웨이퍼 스테이지(10)에 웨이퍼(20)가 안착된 후 전압 발생부로부터 소정의 전류를 인가시키게 되면, 상기 웨이퍼(20)와 정전척 사이에 직류의 고전압(DC 650~700V)에 의해 전위차가 발생한다.

이렇게 발생된 전위차에 의해서 정전척의 웨이퍼 스테이지(10) 내부에서는 유전 분극 현상이 일어나 +극 가까운 곳의 웨이퍼(10)에는 - 전하가, 먼 곳에서는 + 전하가 대전된다. 전하의 대전에 의해 정전기력을 발생시키게 되면 웨이퍼(10)는 정전척 위에서 정전기력에 의해 흡착되어 견고하게 클램핑되는 상태가 된다.

상기 정전척은 주로 건식 식각장치에서 사용되며, 이때 상기 웨이퍼에 증착되는 박막은 가스 플라즈마에 의한 에칭에 의해서 패턴을 따라 식각된다.

이러한 정정척의 웨이퍼 스테이지(10)에 의한 웨이퍼의 척킹 구조에서 상기 웨이퍼(20)의 외측을 감싸는 형상으로 웨이퍼 스테이지(10) 외주연부를 따라 그 상부에는 에지-링(edge ring)(40)이 장착되며, 상기 에지-링(40)은 통상 세라믹 재질 로 구성되고 정전척의 상부에서 안전하게 정전척이 유도되어 척킹될 수 있도록 한다.

특히, 반도체 제조공정에 있어서 정전척에 장착되는 웨이퍼의 온도 제어는 완송소자의 특성, 즉 균일도(Uniformity), 선폭(Profile), 및 재현성(Repeatability) 등에 중요한 영향을 미치게 된다. 따라서, 정전척은 가공공정 중에 발생되는 고온반응에 의해 웨이퍼(20)가 손상되는 것을 방지하기 위하여 헬륨 가스를 통해 웨이퍼(20)를 지속적으로 냉각시킨다.

이때, 상기 웨이퍼(20)는 상기 웨이퍼 스테이지(10) 상에 형성된 헬륨 유입공(12)을 통해 공급되는 헬륨(He)가스에 의해서 냉각되고, 상기 웨이퍼(20)를 냉각시킨 헬륨가스는 웨이퍼 스테이지(10) 가장자리의 헬륨 배출관(13)을 통해 배출됨으로써, 헬륨가스의 순환 이송에 의한 웨이퍼(20)의 냉각이 이루어지게 된다.

한편, 상기 웨이퍼 스테이지(10) 상에 안착된 웨이퍼(20)는 웨이퍼 가공 시 발생되는 열을 낮추기 위해 헬륨이 유입 압력에 의해서 웨이퍼 스테이지(10)의 상부로 부상될 수 밖에 없기 때문에 상기 웨이퍼(20)를 물리적 전기적으로 압착할 수 있는 클램프(30) 등의 고가 장비가 필요하며, 상기 웨이퍼(20)의 가장자리부가 클램프(30) 상에 척킹 고정된다.

이때, 상기 클램프(30)에 의한 웨이퍼(20)의 척킹 부위인 가장자리부 상에 물리적 손상이 발생될 수 밖에 없는 문제점이 지적되고 있으며, 식각 공정 중에 노출된 클램프(30)의 척킹 부위가 플라즈마에 의해서 손상됨으로써, 주기적인 척의 교체가 필요한 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 종래 반도체 식각장치의 클램핑 구조에서 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 웨이퍼 스테이지 내에 형성된 헬륨 이송관을 통해 고압의 헬륨이 순환 이송됨에 따라 상기 헬륨 이송관에 연결된 다수의 벤츄리관 상에서 감압이 이루어짐으로써, 벤츄리 효과를 이용하여 상기 웨이퍼 스테이지의 상부에 안착되는 웨이퍼의 냉각과 클램핑이 동시에 구현되도록 함과 아울러 냉각 효율 향상에 의한 식각 선택비를 향상시켜 웨이퍼 표면의 플라즈마 데미지를 감소시킬 수 있도록 한 반도체 식각장치의 웨이퍼 클램핑 구조가 제공됨에 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은, 웨이퍼 스테이지 상에 안착되는 웨이퍼를 클램핑하기 위한 반도체 웨이퍼 클램핑 장치에 있어서, 상기 웨이퍼 스테이지의 상면 중앙부에 웨이퍼가 안착되는 웨이퍼 안착부가 구비되고 내부에 고압의 헬륨 가스가 순환 이송되는 헬륨 이송관이 형성되며, 상기 웨이퍼 스테이지 내에서 헬륨 이송관에 연결되어 상기 웨이퍼 안착부를 향해 다수의 벤츄리관이 관통 형성된 반도체 식각장치의 웨이퍼 클램핑 구조에 의해서 달성된다.

이때, 상기 웨이퍼 스테이지는 실리콘에 둘러싸인 RF 전극으로 구성되고, 상기 헬륨 이송관과 다수의 벤츄리관이 별도의 트레이(Tray) 내부에 형성되어 상기 웨이퍼 스테이지의 상부에 일체로 결합되도록 구성될 수도 있다.

상기 트레이는 상면 중앙부에 원판형의 웨이퍼가 안착되는 웨이퍼 안착부가 구비되고, 그 내부에 고압의 헬륨 가스 이송용 헬륨 이송관과 다수의 벤츄리관이 형성되며, 상기 헬륨 이송관을 통한 헬륨 가스의 저온 고압의 이송 압력을 견딜 수 있도록 함과 동시에 외부로 배출된 헬륨에 의한 표면 부식이 감쇄되도록 표면이 아노다이징 처리된 알루미늄 재질로 구성됨이 바람직하다.

상기 트레이 내부의 헬륨 이송관을 통해 순환 이송되는 헬륨 가스는 약 -20℃의 저온 헬륨 가스가 사용되며, 상기 헬륨 이송관을 통해 이송될 때 대략 10~100atm의 고압으로 순환 이송된다. 또한 상기 헬륨 이송관 상에는 상기 트레이의 웨이퍼 안착부로 관통된 다수의 벤츄리관이 형성됨으로써, 상기 헬륨 이송관을 통해 고압 이송되는 헬륨 가스에 의해서 벤츄리관 내의 감압이 이루어지게 된다.

즉, 상기 웨이퍼 스테이지의 상단 또는 웨이퍼 스테이지에 일체로 결합된 별도의 트레이 내부에 형성된 헬륨 이송관을 통해 고압의 헬륨 가스가 순환 이송됨에 따라 상기 헬륨 이송관에 연결된 다수의 벤츄리관 내부는 베르누이 정리에 의한 벤츄리 효과에 의해서 감압이 이루어지게 됨으로써, 상기 웨이퍼 안착부에 관통 형성된 벤츄리관의 감압에 의해서 그 상부에 안착된 웨이퍼가 클램핑됨과 동시에 그 하부의 헬륨 이송관을 통해 이송되는 저온의 헬륨 가스에 의해 웨이퍼의 냉각이 동시에 구현될 수 있도록 함에 본 발명의 기술적 특징이 있다.

본 발명 반도체 식각장치의 웨이퍼 클램핑 구조의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 웨이퍼 식각장치의 단면도로서, 도시된 바와 같이 본 발명의 웨이퍼 식각 장치는 세라믹(101)에 의해 둘러싸인 RF 전극(102)으로 이루어진 웨이퍼 스테이지(100) 상단에 웨이퍼 안착부(201)가 구비된 트레이(Tray, 200)가 일체로 결합된 구조이다.

상기 트레이(200)는 상면 중앙부에 형성된 웨이퍼 안착부(201) 상에 원반형의 웨이퍼(300)가 내입 안착되고, 상기 트레이(200)의 내부에는 헬륨(He) 가스가 순환 이송되는 헬륨 이송관(202)이 형성됨과 아울러 일단부가 상기 웨이퍼 안착부(201) 상에서 천공되어 타단부가 상기 헬륨 이송관(202)에 연결된 다수의 벤츄리관(203)이 구비된다.

상기 헬륨 이송관(202)은 트레이(200)의 중앙부를 좌, 우로 관통하도록 형성되며, 상기 헬륨 이송관(202)의 양측부에는 별도의 가스 공급 수단(도면 미도시)이 결합되어 상기 헬륨 이송관(202) 내부로 고압의 헬륨 가스 이송이 이루어지도록 하며, 이때 상기 헬륨 가스의 이송 압력은 대략 10 ~ 100atm 의 압력 범위를 가진다.

상기 벤츄리관(203)은 상기 헬륨 이송관(202)에 비해 그 직경이 좁은 직경을 가지며, 바람직하게는 상기 헬륨 이송관(202)의 직경에 대해 1/2 이하의 직경으로 형성된다. 이는 상기 헬륨 이송관(202)을 통해 고압의 헬륨 가스가 이송될 때, 상대적으로 좁은 직경의 벤츄리관(203) 연결 부위를 경유하면서 벤츄리관(203) 내에 감압 현상이 효과적으로 발생될 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 상기 헬륨 이송관(202)의 헬륨 가스는 -20℃의 저온으로 구성됨으로써, 상기 헬륨 이송관(202)을 순환 이송하면서 그 상부의 웨이퍼(300) 저면을 냉각시키면서 상기 알루미늄 계열의 트레이(200) 상면에 안착된 웨이퍼(300)의 냉각이 이루어지도록 한다.

이와 같이, 상기 트레이(200)의 상면에 구비된 웨이퍼 안착부(201)에 반원형의 웨이퍼(300)가 안착되면, 상기 웨이퍼 안착부(201) 상면과 웨이퍼(300)의 저면 사이에 형성된 계면(204) 상에는 상기 웨이퍼 안착부(201)에 구비된 벤츄리관(203)을 통한 감압에 의해서 진공 상태가 유지됨에 따라 상기 웨이퍼 안착부(201) 상에 웨이퍼(300)의 밀착 결합이 이루어짐으로써, 상기 웨이퍼를 고정시키기 위한 별도의 클램핑 장치를 필요로 하지 않는 웨이퍼 스테이지(100)가 구성된다.

한편, 상기 트레이(200)를 포함한 웨이퍼 스테이지(100)는 도면에는 도시되지 않았으나, 진공 상태의 공정챔버 내부에 구비되고, 상기 웨이퍼 스테이지(100)는 캐소드전극 등과 같은 전극으로 기능할 수도 있다.

따라서, 일련의 반도체 제조 공정이 수행된 웨이퍼(300)를 로봇 아암 등의 웨이퍼 이송장치(도면 미도시)에 의해서 웨이퍼 스테이지(100)의 트레이(200)에 구비된 웨이퍼 안착부(201)에 위치시키면, 상기 트레이(200) 내부의 헬륨 이송관(202)을 통해 고압의 헬륨 가스가 공급됨과 동시에 이와 연결된 벤츄리관(203)의 감압에 의해서 상기 웨이퍼 안착부(201) 상에 웨이퍼(300)의 밀착 고정이 이루어진다.

이후, 상기 웨이퍼(300)가 상기 벤츄리관(203)의 감압에 의한 진공의 계면(204)을 유지한 상태로 클램핑된 상태에서 반응가스를 분해하여 웨이퍼(300) 상에 박막을 형성하는 증착 공정 및 웨이퍼(300) 상의 소정 영역을 식각하는 건식식각 공정 등의 반도체 제조 공정이 수행된다.

이때, 상기 트레이(200)의 웨이퍼 안착부(201)에 위치하는 웨이퍼(300) 상에는 웨이퍼(300)를 압착 지지하는 별도의 클램핑 장치가 필요없기 때문에 웨이퍼(300)의 가장자리에도 박막이 형성될 수 있으며, 이에 따라 그 가장자리 부위에 플라즈에 의한 에칭에 의해서 설계된 패턴을 따라 식각 공정이 진행됨에 그 기술적 특징이 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명 반도체 식각장치의 웨이퍼 클램핑 구조는 웨이퍼 스테이지 상부에 결합된 트레이 내부에 형성된 헬륨 이송관을 통해 고압의 헬륨 가스가 순환 이송되고 상기 헬륨 이송관에 연결된 벤츄리관의 감압에 의한 벤츄리 효과를 이용하여 상기 웨이퍼 스테이지의 상부에 안착되는 웨이퍼의 냉각과 클램핑이 동시에 구현되도록 함으로써, 상기 웨이퍼의 효율적인 냉각에 의한 그 표면의 식각 선택비를 향상시키고 반도체 소자의 열적 손상을 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 전기적으로 구동되는 정전척을 비롯한 물리적 압착 수단의 척 결합 장치가 제거됨으로써 웨이퍼 표면의 손상을 방지하고, 물리적으로 압착 고정될 수 밖에 없던 웨이퍼의 가장자리 부위에 식각을 비롯한 반도체 제조 공정의 적용이 가능함에 따라 웨이퍼의 사용 효율을 향상시킬 수 있는 작용효과를 발휘할 수 있다.

Claims (5)

1. 진공 상태의 공정챔버 내부에 구비된 웨이퍼 스테이지 상에 안착되는 웨이퍼를 클램핑하기 위한 반도체 웨이퍼 클램핑 장치에 있어서,

   세라믹에 의해 둘러싸인 RF 전극으로 이루어진 웨이퍼 스테이지;

   상기 웨이퍼 스테이지 상단에 일체로 결합되며, 상면 중앙부에 원반형의 웨이퍼가 내입 안착되는 웨이퍼 안착부가 구비된 트레이;

   상기 트레이의 내부에서 상호 연결되도록 관통 형성되며, 고압의 헬륨 가스가 순환 이송되는 헬륨 이송관; 및

   상기 헬륨 이송관에 하단부가 관통 결합되고, 상기 헬륨 이송관을 통한 헬륨 가스의 고압 이송에 의해서 내부 감압이 이루어지도록 상기 헬륨 이송관의 직경에 비하여 1/2 이하의 직경으로 형성된 벤츄리관;

   을 포함하는 반도체 식각 장치의 웨이퍼 클램핑 구조.
2. 제1항에 있어서,

   상기 트레이는, 그 표면이 아노다이징 처리된 알루미늄 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 식각장치의 웨이퍼 클램핑 구조.
3. 제1항에 있어서,

   상기 헬륨 이송관 내부에 순환 이송되는 헬륨 가스는, -20℃의 저온 헬륨 가스가 사용되며, 상기 헬륨 이송관을 통해 10~100atm의 고압을 유지하며 순환 이송되도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 식각장치의 웨이퍼 클램핑 구조.
4. 제1항에 있어서,

   상기 벤츄리관은, 상기 헬륨 이송관에 연결 단부의 타단부측이 상기 트레이의 웨이퍼 안착부로 천공된 것을 특징으로 하는 반도체 식각장치의 웨이퍼 클램핑 구조.
5. 삭제

Images