KR100904361B1 - 기판의 온도제어방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

처리 시스템에서 기판을 지지하고, 그 온도를 제어하기 위한 기판 홀더가 설명된다. 기판 홀더는 제1 영역의 온도를 높이기 위해 제1 영역에 위치한 제1 가열 소자를 포함한다. 제2 영역에 위치한 제2 가열 소자는 제2 영역의 온도를 높이도록 구성된다. 또한, 제1 제어가능한 절연 소자는 제1 가열 소자 아래에 위치하고, 기판과 제1 영역의 아래에 위치한 적어도 하나의 냉각 소자 사이의 열 전달은 제어하도록 구성된다. 제2 제어가능한 절연 소자는 제2 가열 소자 아래에 위치하고, 기판과 제2 영역의 아래에 위치한 적어도 하나의 냉각 소자 사이의 열전달을 제어하도록 구성된다.
기판 처리, 온도제어, 기판홀더

Description

기판의 온도제어방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR TEMPERATURE CONTROL OF A SUBSTRATE}
본 발명은 기판의 온도 제어를 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판의 온도 제어를 위한 기판 홀더(holder)에 관한 것이다.
교대로 출원들을 상호참조
본 출원은 2003년 3월 28일 제출된 미국 가출원 일련번호 60/458,043과 관련하여 우선권을 청구하고, 이는 2002년 7월 2일 출원되어 계류중인 미국 특허 출원일련번호 10/168,544와 관련된다. 각 출원들의 전체 내용은 여기서 참조에 의해 포함된다.
반도체 또는 디스플레이 생산 등과 같은 기판 처리의 다양한 단계들을 통해,중요한 처리 파라미터들은 상당히 변할 수 있다. 처리 조건 및 그것들의 공간 분포는 시간상에서 중요한 처리 파라미터의 가장 작은 변화와 함께 변화하여 바람직하지 않은 결과를 만든다. 작은 변화들은 처리 기체의 조성, 압력, 또는 기판 온도 및 그것들의 공간 분포에서 쉽게 발생할 수 있다. 이와 같이, 기판 처리 요소들은 일정한 감시 및 이 처리 조건들 및 그것들의 공간 분포들을 빈틈없이 제어하는 능력을 요구한다.
기판의 온도 제어를 위한 방법 및 시스템이 설명된다. 기판의 온도 제어를 위한 시스템은 처리 시스템에서 기판을 지지하고 그것들의 온도를 제어하기 위한 기판 홀더를 포함한다. 기판 홀더는 기판 홀더의 제1 영역에 배치되어 제1 영역의 온도를 높이도록 구성된 제1 가열소자; 주변 영역에서 온도를 높이도록 구성된 제2 가열 소자; 제1 영역에서 제1가열 소자의 아래에 위치한 제1 제어가능한 절연 소자; 제2 영역에서 제2 가열 소자의 아래에 배치된 제2 제어가능한 절연 소자; 및 제1 및 제2 제어가능한 절연 소자들의 아래에 배치된 적어도 하나의 냉각 소자, 여기서 제1 제어가능한 절연 소자는 기판 홀더의 제1 영역을 통해 기판으로부터 적어도 하나의 냉각 소자로의 열전달을 제어하도록 구성되고, 제2 제어가능한 절연 소자는 기판 홀더의 제2 영역을 통해 적어도 하나의 냉각 소자까지 기판간의 열전달을 제어하도록 구성된다.
상기 시스템의 일실시예에서, 제1 영역은 중심 영역이고, 제2 영역은 제1 영역 주위에서 동일 중심으로 배치된 주변 영역이다.
본 방법은 기판 홀더를 이용하여 기판의 온도를 제어하기 위한 하나 이상의 파라미터들을 초기화하는 단계; 처리 시스템에서 처리를 시작하는 단계; 하나 이상의 제어 파라미터들을 조정하는 단계; 및 처리를 종료하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 이점 및 다른 이점들은 첨부한 도면들과 결합하여 이후에 본 발명의 예시적인 실시예들의 상세한 설명들로부터 보다 명백해지고 쉽게 이해될 것 이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 재료 처리 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 재료 처리 시스템을 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 재료 처리 시스템을 도시한다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 재료 처리 시스템을 도시한다.
도 5는 본 발명의 부가적인 실시예에 의한 재료 처리 시스템을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 기판 홀더를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 기판 홀더를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 기판 홀더를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 기판 홀더를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 기판 홀더를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예에 의한 처리 시스템에서 기판홀더위의 기판의 온도를 제어하는 방법을 나타낸다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 도 1에 도시된 재료 처리 시스템(1)은 기판 홀더(20) 및 그 위에 지지된 기판(25)을 가지는 처리도구(10)를 포함한다. 기판 홀더(20)는 기판 온도의 빠른 조정을 위한 온도 제어 소자들을 제공하도록 구성되고, 여기서 온도 소자들은 균일한 기판 온도를 확보하도록 공간상에 배치된다. 컨트롤러(55)는 처리 도구(10) 및 기판 홀더(20)과 연결되어 기판 온도를 감시하고 제어하도록 구성된다.
도 1에 도시된 실시예에서, 재료 처리 시스템(1)은 에칭(etch) 챔버를 포함한다. 예를 들면, 에칭 챔버는 드라이(dry) 플라즈마 에칭 또는 택일적으로 드라이 비(非)-플라즈마 에칭을 쉽게 할 수 있다. 택일적으로, 재료 처리 시스템(1)은 후(post)-접착 베이크(PAB) 또는 후(post)-노광 베이크(PEB) 등에 이용될 수 있는 포토레지스트 스핀 코팅 시스템에서의 가열/냉각 모듈과 같은 포토레지스트(photoresist) 코팅 챔버; 자외선(UV) 리소그라피 시스템과 같은 포토레지스트 패터닝 챔버; 스핀-온-유리(SOG) 또는 스핀-온-유전체(SOD)시스템과 같은 유전체 코팅 챔버; 화학적 수증기 증착(CVD) 시스템 또는 물리적 수증기 증착(PVD)시스템과 같은 증착 챔버; 또는 열 애닐링(thermal annealing)을 위한 RTP시스템과 같은 빠른 열처리(RTP) 챔버를 포함한다.
도 2에 도시된 실시예에 의하면, 재료 처리 시스템(1)은 처리도구(10), 처리되는 기판(25)이 그 위에 고정되는 기판홀더(20), 기체 분사 시스템(40) 및 진공 펌프 시스템(58)을 포함한다. 기판(25)은 예를 들면, 반도체 기판, 웨이퍼 또는 액정 디스플레이(LCD)가 될 수 있다. 처리 도구(10)는 예를 들면, 기판(25)의 표면에 인접한 처리 영역(45)에서 플라즈마의 생성을 쉽게하도록 구성되고, 여기서 플라즈마는 가열된 전자와 이온화할 수 있는 기체 사이의 충돌을 통해 형성된다. 이온화할 수 있는 기체 또는 기체들의 혼합물은 기체 분사 시스템(40)을 통해 주입되고, 처리 압력이 조절된다. 바람직하게는, 플라즈마는 소정의 물질 처리에 특정한 물질들을 형성하고, 기판(25)에 물질의 증착이나 기판(25)의 노출된 표면으로부터 물질의 제거를 돕기 위해 이용된다. 예를 들면, 컨트롤러(55)는 진공 펌프 시 스템(58)과 기체 분사 시스템(40)을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 기판 홀더(20)는 RF 전력이 처리 영역(45)에서 플라즈마에 연결되는 전극을 포함할 수 있다. 예를 들면, 기판 홀더(20)는 RF 발생기(30)부터 임피던스 정합 네트워크(32)를 통해 기판 홀더(20)까지 RF 전력의 전송을 통해 RF 전압에서 전기적으로 바이어스될 수 있다. RF바이어스는 플라즈마를 형성하고 유지시키기 위해 전자들을 가열하는 역할을 할 수 있다. 이 구성에서, 시스템은 리액티브(reactive) 이온 에치(RIE) 리액터로 동작할 수 있고, 여기서 챔버 및 상부 기체 분사 전극은 접지면으로 작용한다. RF 바이어스를 위한 전형적인 주파수는 1 MHz 에서 100 MHz의 범위가 될 수 있으며, 바람직하게는 13.56 MHz이다.
택일적으로, RF 전력은 복수의 주파수에서 기판 홀더 전극에 인가될 수 있다. 또한, 임피던스 정합 네트워크(32)는 반사 전력을 최소화함으로써 처리 챔버(10)안의 플라즈마로의 RF 전력의 전달을 최대가 되도록 한다. 다양한 정합 네트워크 토폴로지들(예를 들면, L-형, Tr-형, T-형 등) 및 자동 제어 방법들이 이용될 수 있다.
계속해서 도 2를 참조하면, 처리 기체는 예를 들면 기체 분사 시스템(40)을 통해 처리 영역(45)에 주입될 수 있다. 처리 기체는 예를 들면, Ar, Kr, Ne, He, CF4, C4F8, C4F6, C5F8, 02, H2, N2, Cl2, SF6, HBr, CO, HF, NH3 등과 같은 기체 혼합물을 포함한다. 기체 분사 시스템(40)은 샤워헤드(showerhead)를 포함하고, 여기서 처리 기체는 기체 전달 시스템(미도시)으로부터 기체 분사 공간(미도시), 일련의 차폐판(baffle plate)(미도시) 및 복수-구멍 샤워헤드 기체 분사판(미도시)을 통해 처리 영역(45)에 공급된다.
진공 펌프 시스템(58)은, 예를 들면 초당 5000리터(및 그 이상)까지 펌핑 속도를 낼 수 있는 터보-분자 진공 펌프(TMP) 및 챔버 압력을 조절하기 위한 게이트 밸브를 포함할 수 있다. 드라이 플라즈마 에칭을 위해 사용되는 종래의 플라즈마 처리 장치에서, 초당 1000~3000리터의 TMP가 일반적으로 이용된다. TMP들은 일반적으로 50 mTorr보다 작은 저압처리에 유용하다. 고압에서는, TMP펌핑 속도가 급격히 떨어진다. 고압 처리(즉, 100 mTorr이상)를 위해, 기계적인 부스터(booster)펌프 및 드라이 러핑(roughing)펌프가 사용될 수 있다. 또한, 챔버 압력을 감시하기 위한 장치(미도시)는 처리 챔버(10)에 연결된다. 압력 측정 장치는 예를 들면, MKS Instruments, Inc.,(앤도버, MA)의 상업적으로 이용가능한 Type 628B Baratron 절대 커패시턴스 압력계일 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 재료 처리 시스템(1)은 자기장 시스템(60)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 자기장 시스템(60)은 잠재적으로 플라즈마 밀도를 증가 및/또는 재료 처리 균일성을 향상시키기 위해 정지 또는 기계적이거나 전기적으로 회전하는 DC 또는 AC 자기장을 포함한다. 또한, 컨트롤러(55)는 자기장의 세기 또는 회전속도를 조절하기 위해 자기장 시스템(60)에 연결될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 재료 처리 시스템은 상부 전극(70)을 포함할 수 있다. 예를 들면, RF 전력은 임피던스 정합 네트워크(74)를 통해 RF 발생기(72)로부터 상부 전극(70)까지 연결될 수 있다. 상부 전극으로 RF 전력의 인가를 위한 주파수는 바람직하게는 10 MHz ~ 200 MHz이며, 바람직하게는 60 MHz이다. 부가적으로, 하부 전극에 전력을 인가하기 위한 주파수는 0. 1 MHz ~ 30 MHz이며, 바람직하게는 2 MHz이다. 또한, 컨트롤러(55)는 상부 전극(70)에 RF전력을 가하는 것을 제어하기 위해 RF 발생기(72)와 임피던스 정합 네트워크(74)에 연결될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 도 1의 재료 처리 시스템은 유도성 코일(80)을 포함할 수 있다. 예를 들면, RF 전력은 임피던스 정합 네트워크(84)를 통해 RF 발생기(82)로부터 유도성 코일(80)에 연결될 수 있고, RF 전력은 유전체 창(미도시)을 통해 유도성 코일(80)에서 플라즈마 처리 영역(45)까지 유도성으로 연결될 수 있다. 유도성 코일(80)에 인가하는 RF 전력 주파수는 바람직하게는 10 MHz~100 MHz 범위이고, 바람직하게는 13.56 MHz이다. 유사하게, 척(chuck) 전극에 가하는 전력 주파수는 10 MHz~100 MHz 범위이고, 바람직하게는 13.56 MHz이다. 또한, 홈이 있는 패러데이 실드(Faraday shield)(미도시)는 유도성 코일(80)과 플라즈마 사이의 용량성 결합을 감소시키기 위해 이용될 수 있다. 또한, 컨트롤러(55)는 유도성 코일(80)에 인가하는 전력을 제어하기 위해 RF발생기(82)와 임피던스 정합 네트워크(84)에 연결될 수 있다. 택일적인 실시예에서, 유도성 코일(80)은 트랜스포머 결합 플라즈마(TCP) 리액터에서와 같이 상기 플라즈마 처리 영역(45)과 연결된 "나선형" 코일 또는 "팬케익(pancake)형" 코일일 수 있다.
택일적으로, 플라즈마는 전자 사이클로트론 공진자(ECR)을 이용하여 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 플라즈마는 헬리콘 파의 발진으로부터 형성된다. 또 다른 실시예에서, 플라즈마는 진행하는 표면파로부터 형성된다.
일실시예에서, 도 6은 도 1 내지 도 5에서 설명된 재료 처리 시스템 중 어느 하나의 이용을 위해 구성된 기판 홀더(120)를 나타낸다. 기판 홀더(120)는 기판(125)을 지지하고, 그 온도를 제어하도록 구성된다. 기판 홀더(120)는 중심 영역(132)의 온도를 올리기 위해 중심 영역(132)에 배치된 제1 가열 소자(130)를 포함한다. 주변 영역(142)에 위치한 제2 가열 소자(140)는 제1 가열 소자(130) 주위에서 동일 중심으로 배치되고, 주변 영역(142)의 온도를 올리도록 구성된다. 또한, 제1 제어가능한 절연 소자(150)는 제1 가열 소자(130)의 아래에 배치되고, 기판(125)과 그 아래에 위치한 적어도 하나의 냉각 소자(170) 사이에 중심 영역(132)안에서의 열전달을 제어하도록 구성된다. 제2 제어가능한 절연 소자(160)는 제2 가열 소자(140) 아래에 위치하고, 제1 제어가능한 절연 소자(150)의 주위에서 동일 중심으로 배치된다. 그것은 기판(125)과 그 아래에 위치한 적어도 하나의 냉각 소자(170)사이의 주변 영역(142)에서의 열전달을 제어하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 도 7은 도 1 내지 5에 도시된 재료 처리 시스템(1)의 어느 하나에 이용되도록 구성된 기판 홀더(120')를 나타낸다. 기판홀더(120')는 기판(125)을 지지하고 그 온도를 제어하도록 구성된다. 기판 홀더(120')는 도 6에 도시된 소자들을 포함한다.; 그러나, 그것은 제2 가열 소자(140)의 주위에 동일 중심으로 배치된 제2 주변 영역(182)에 위치하고, 제2 주변 영역(182)에서 온도를 상승시키도록 구성된 제3 가열 소자(180)을 포함한다. 제3 제어가능한 절연 소자(190)는 제3 가열 소자(180) 아래에 위치하고,제2 제어가능한 절연 소자(160) 주위에 동일 중심으로 배치된다. 그것은 기판(125)과 그 아래에 위치한 적어도 하나의 냉각 소자(170) 사이의 제2 주변영역(182)에서의 열전달을 제어하도록 구성된다.
택일적인 실시예에서, 동일 중심으로 배치된 부가적인(즉, 제4, 제5, 제n번째) 가열 소자들 및 제어가능한 절연 소자들이 이용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 영역들은 동일 중심으로 배치될 필요가 없다. 대신, 어떤 수의 영역 타입들이 이용될 수 있다(예를 들면, 직선, 쿼터, 나선, 쐐기)
가열 소자들(130, 140 및 180)은 적어도 하나의 가열 액체 도관, 저항성 열소자, 또는, 웨이퍼를 향해 열을 전달하도록 바이어스된 열전기(thermo-electric) 소자를 포함할 수 있다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 가열 소자들(130, 140 및 180)은 가열 소자 제어 유닛(200)에 연결된다. 가열 소자 제어 유닛(200)은 각각의 가열 소자에 의존 또는 독립하는 제어를 제공하도록 구성되고, 정보를 컨트롤러(55)와 교환한다. 예를 들면, 가열 소자들은 전도성-대류성 가열을 제공하기 위해, 물, Fluorinert, Galden HT-135 등과 같은 액체의 유동률을 허용하는 하나 이상의 가열 도관들을 포함할 수 있고, 여기서 액체 온도는 열 교환기를 통해 상승한다. 액체 유동률 및 액체 온도는 예를 들면 가열 소자 제어 유닛(200)에 의해 설정, 감시, 조정 및 제어될 수 있다.
택일적으로, 예를 들면, 가열 소자들은 텅스텐, 니켈-크롬 합금, 알루미늄-철 합금, 질화 알루미늄 등의 필라멘트와 같은 하나 이상의 저항성 가열 소자들을 포함할 수 있다. 저항성 가열 소자들을 성형하기 위해 상업적으로 이용가능한 예들은 칸탈(Kanthal), 니크로탈(Nikrothal), 아크로탈(Akrothal)을 포함하고, 이는 베델, CT의 Kanthal Coporation에 의해 제조되는 금속 합금용 등록상표의 이름이다. 칸탈 계열은 페라이트 합금(FeCrAI)를 포함하고, 니크로탈 계열은 오스테나이트 합금(NiCr, NiCrFe)을 포함한다. 예를 들면, 가열 소자들은 와트로우(1310킹스랜드 Dr, 바타비아, IL, 60510)로부터 최대 작동 온도가 400~450℃인 상업적으로 이용가능한 캐스트-인 히터 또는 Watlow에서 상업적으로 이용되고, 300℃의 높은 작동온도와 23.25W/cm2의 전력밀도를 가지는 질화 알루미늄 물질을 포함하는 박막 히터를 포함할 수 있다. 부가적으로, 예를 들면, 가열 소자는 1400W(또는 5W/in2의 전력밀도)의 실리콘 고무 히터(1.0 mm 두께)를 포함한다. 전류가 필라멘트를 통해 흐를 때, 전력은 열로서 소모되므로, 가열 소자 제어 유닛(200)은 예를 들면 제어가능한 DC 전력원을 포함한다. 보다 낮은 온도 및 전력밀도에 적합한 다른 히터 선택사항은 Minco 주식회사(Minneapolis, MN)에 의해 판매되는 캡톤(예를 들면, 폴리이미드)시트에 끼워넣어진 필라멘트로 구성되는 캡톤 히터들이다.
택일적으로, 예를 들면, 가열 소자들은 각 소자들을 통해 흐르는 전류들의 방향에 따라 기판을 가열 또는 냉각할 수 있는 열전기 소자들의 배치를 포함할 수 있다. 예시적인 열전기 소자들은 향상된 열전도, 모델 ST-127-1.4-8. 5M (최대 열전달 전력이 72W인 40 mm ×40 mm ×3.4 mm 의 열전기 장치에 의해)이 상업적으로 이용가능하다. 그러므로, 가열 소자 제어 유닛(200)은 예를 들면 제어가능한 전류원을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 냉각 소자(170)는 적어도 하나의 냉각 채널 또는 열전기 소자를 포함할 수 있다. 또한, 도8에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 냉각 소자 (170)가 냉각 소자 제어 유닛(202)에 연결된다. 냉각 소자 제어 유닛(202)은 적어도 하나의 냉각 소자(170)에 의존적 또는 독립적인 제어를 제공하고, 컨트롤러(55)와 정보를 교환하도록 구성된다. 예를 들면, 적어도 하나의 냉각 소자는 그 결과로 전도성-대류성 냉각을 제공하기 위해 물, Fluorinert, Galden HT-135등과 같은 액체의 유동률을 허용할 수 있는 하나 이상의 냉각 채널들을 포함할 수 있고, 여기서 액체 온도는 열 교환기를 통과하여 낮아진다. 액체 유동률 및 액체 온도는 예를 들면 냉각 소자 제어 유닛(202)에 의해 설정, 모니터링, 조절되고, 제어가능할 수 있다. 택일적으로, 예를 들면 가열하는 동안, 하나 이상의 냉각 채널들이 가열 소자들(상기에서 설명한)과 처리 도구(10)(도 1에 도시)사이에 더욱 절연체로 작동하도록 배수되거나 비워질 수 있다.
택일적으로, 예를 들면, 적어도 하나의 가열 소자는 각 소자들을 통해 흐르는 전류의 방향에 따라 기판을 가열 또는 냉각할 수 있는 열전기 소자들의 배치를 포함할 수 있다. 예시적인 열전기 소자는 Advanced Thermoelectric, 모델 ST-127-1.4- 8. 5M (최대 열전달 출력이 72W인 40mm ×40mm ×3.4mm의 열전기 장치)로부터 상업적으로 이용가능하다. 그러므로, 냉각 소자 제어 유닛(202)은 예를 들면 제어가능한 전류원을 포함할 수 있다.
제어가능한 절연 소자들(150,160 및 190)은 기체 특성이 기체 간극(gap)을 통해 열전도성을 변화시키도록 변화될 수 있는 기체 간극을 포함할 수 있다. 또한, 도8에 도시된 바와 같이, 제어가능한 절연 소자들(150,160 및 190)은 절연 소자 제어 유닛(208)에 연결된다. 절연 소자 제어 유닛(208)은 각각의 제어가능한 절연 소자들에 의존적이거나 독립적인 제어를 제공하고, 컨트롤러(55)와 정보를 교환하도록 구성된다.
예를 들면, 도8에 도시된 바와 같이, 절연 소자 제어 유닛(208)은 제1 제어가능한 절연 소자(150)를 통해 열 전도도에 영향을 주기 위해 제1 기체 공급 유닛(210A)과 제1 기체 라인(218A)을 통해 각각 기체 흐름 제어 장치들(214A 및 216A)을 통과하여 제1 제어가능한 절연 소자(150)에 연결된 제2 진공 펌프(212A)를 포함하는 제1 시스템을 포함할 수 있다. 유사하게, 도8에 도시된 바와 같이, 절연 소자 제어 유닛(208)은 제2 기체 공급 유닛(210B)과 제2 기체 라인(218B)을 경유하여 각각 기체 흐름 제어 장치들(214B와 216B)를 통해 제2 제어가능한 절연 소자(160)에 연결되는 제2 진공 펌프(212B)를 포함하는 제2 제어가능한 절연 소자(160)를 통해 열전도성에 영향을 주기 위한 제2 시스템을 더 포함할 수 있다. 기체 공급 유닛들(210A, 210B)은 예를 들면 헬륨과 같은 열 전달 기체를 공급할 수 있다. 택일적으로, 제1 제어가능한 절연 소자(150)와 제2 제어가능한 절연소자(160)는 동일한 기체 공급 장치 및 진공 펌프에 연결된다. 택일적으로, 제1 및 제2 제어가능한 절연 소자들(150,160)은 도 2 내지 도5에 도시된 바와 같이, 진동 펌프 시스템(58)의 일부로서 진공 라인을 통해 비워질 수 있다.
각각의 제어가능한 절연 소자의 열전도성은 다른 계수들과 마찬가지로 절연 소자의 물리적 치수(즉, 간극의 두께), 절연 소자안에 존재하는 기체의 종류 및 절연 소자안의 기체 압력에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들면, 표1은 기체 간극을 가로지르는 열 전도도(또는 열 전달 계수)의 개략적인 의존성을 헬륨에 대한 간극 두께δ및 기체 압력 p의 함수로서 나타낸다.
h (W/m2 K) p=1 Torr p=10 Torr p=100 Torr p=1000 Torr
δ=0.005mm 90 1000 7500 30000
0.05mm 90 750 2500 3500
0.5mm 70 250 400 400
5mm 15 35 40 40
표 1
표 1의 관찰로부터, 간극 두께가 작을수록, 1~1000Torr까지의 간극 압력에 대한 열전도도의 변화가 더 커진다. 예를 들면, 50 미크론의 간극(0.05mm)은 대략 1대기압(1000Torr)으로 가압될 때 상대적으로 높은 열전도도를 제공할 수 있고, 1대기압의 1000분의 1(1Torr)로 감압될 때, 상대적으로 낮은 열전도성을 제공할 수 있다.
부가적으로, 도9에 도시된 바와 같이, 기판 홀더(120, 120')는 세라믹 층(234)으로 이루어진 정전기적 클램프(clamp)(ESC)(230), 그 안에 설치된 하나 이상의 클램핑 전극들(232) 및 전기적 연결(238)을 통해 클램핑 전극들(232)에 연결된 고전압(HV)DC 전압 공급원(236)을 더 포함할 수 있다. 상기 클램프의 디자인 및 실행은 전정기 클램핑 시스템 기술의 당업자에게 잘 알려져 있다. 또한, HV DC 전압 공급원(236)은 컨트롤러(55)와 정보를 교환하도록 구성된다.
다시 도9를 참조하면, 기판 홀더(120, 120')는 열 전달 기체를 공급하기 위해 헬륨, 아르곤, 제논, 크립톤, 처리 기체, 또는 산소, 질소, 수소를 포함하는 다른 기체들과 같은 열전달 기체를 적어도 하나의 기체 공급 라인(252A,B,C)과 복수개의 구멍들 및 채널들(미도시) 중의 적어도 하나를 통해 기판의 후면으로 공급하기 위한 후면 기체 공급 시스템(250)을 더 포함한다. 후면 기체 공급 시스템(250) 은 예를 들면, 2개-영역(중심-252A, 가장자리-252C) 시스템 또는 3개-영역(중심-252A, 중간-반경-252B, 가장자리-252C)과 같은 다수-영역 공급 시스템이 될 수 있고, 여기서 후면 압력은 중앙에서 가장자리까지 반지름방향으로 변할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 도10에 도시된 바와 같이, 기판(125)의 온도는 50~2000℃까지 측정할 수 있고, ±1.5C의 정확도를 가지는 Advanced Energies, Inc의 상업적으로 이용가능한 광 섬유 온도계(1625 Sharp Point Drive, Fort Collins, CO, 80525), 모델번호 OR2000F와 같은 하나 이상의 온도 감지 장치들(262A, 262B, 262C)를 이용하여 하나 이상의 위치에서 감시 시스템(260)을 가지고 감시될 수 있고, 2002년 7월 2일에 출원되어 계류중인 미국 특허 출원 10/168544에서 설명된 밴드-가장자리 온도 측정 시스템의 그 전체가 여기서 상호참조로 결합된 내용들 또는 K-형 열전지와 같은 열전지(파선으로 나타낸 바와 같이). 감시시스템(260)은 가열 소자, 냉각 소자, 제어가능한 절연 소자, 후면 기체 공급 시스템 및 처리 이전 또는 처리중 또는 처리 후 중 ESC를 위한 HV DC 전압 공급 중에서 적어도 어느 하나를 조정하기 위해, 컨트롤러(55)에 감지 정보를 제공할 수 있다.
또한, 예를 들면, 기판(25,125)은 슬롯 밸브(미도시) 및 처리 도구(10)의 안과 밖으로 이송될 수 있으며, 기판 홀더(20, 120, 120')안에 수신되고, 그 안에 실장된 장치에 의해 기계적으로 이동하는 로보틱 기판 이송 시스템을 경유하여 기판 리프트 핀(미도시)에 의해 챔버 피드-스루(미도시)의 안과 밖으로 이송될 수 있다. 기판(25, 125)이 기판 이송 시스템으로부터 수신되면, 그것은 기판 홀더(20, 120, 120')의 상측면으로 낮추어진다.
컨트롤러(55)는 마이크로프로세서, 메모리 및 재료 처리 시스템(1)으로부터 모니터 출력과 마찬가지로 입력을 전달하고 기동화(activate)시키는 데 충분한 제어 전압을 생성시킬 수 있는 디지털 I/O 포트(잠재적으로, D/A 및/또는 A/D 컨버터들을 포함한다)를 포함한다. 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(55)는 가열 소자 제어 유닛(200), 냉각 소자 제어 유닛(202), 절연 소자 제어 유닛(208), HV DC전압 공급(236) 및 후면 기체 공급 시스템(250)과 결합하여 정보를 교환할 수 있다. 메모리에 저장된 프로그램은 저장된 처리 방법에 따라 재료 처리 시스템(1)의 상기 구성요소와 상호작용하도록 이용된다. 컨트롤러(55)의 일례는 Dell Corporation(Austine, Texas)의 DELL PRECISION WORKSTATION 640TM이다.
도 11은 처리 시스템에서 기판 홀더상에 기판의 온도를 제어하는 방법(300)을 도시한 플로우챠트를 나타낸다. 예를 들면, 온도 제어 계획은 처리 시스템에서 처리를 위한 다수의 처리 공정을 속할 수 있다. 기판 홀더는 도 6 내지 10에서 도시된 것들 중 하나를 포함한다. 방법(300)은 310에서 기판의 온도를 제어하기 위한 제어 파라미터를 초기화하여 시작한다. 제어 파라미터들은 제1 가열 소자용 입력 파라미터, 제2 가열 소자용 입력 파라미터, 제1 제어가능한 절연 소자용 입력 파라미터, 제2제어가능한 절연소자용 입력 파라미터 및 적어도 하나의 냉각 소자에 대한 입력 파라미터들을 포함한다. 제어 파라미터들은 정전기클램프 HV DC 전원용 입력 파라미터 및 후면 기체 공급 시스템용 입력 파라미터를 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2 가열 소자용 입력 파라미터들은 예를 들면, 저항성분의 가열 소자용 전압 또는 전류, 가열 채널용 유체 흐름율 또는 유체 온도 또는 열-전기적 소자용 전 류 또는 극성을 포함할 수 있다. 제 1 및 제2 제어가능한 절연 소자용 입력 파라미터들은 예를 들면, 기체 간극 기체 종류 또는 기체 간극 기체 압력을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 냉각 소자용 입력 파라미터들은 예를 들면, 냉각 채널용 유체 흐름율 또는 유체 온도를 포함하거나, 열-전기 소자용 전압, 전원 또는 극성을 포함할 수 있다. ESC용 입력 파라미터들은 예를 들면 클램프 전압을 포함할 수 있다. 후면 기체 공급 시스템용 입력 파라미터들은 예를 들면 후면 흐름율, 후면 기체 압력 또는 후면 기체 종류를 포함할 수 있다.
320에서는, 310에서 성립된 제어 파라미터들이 적어도 하나의 기판, 기판 홀더 또는 처리 시스템의 선처리(pre-processing)를 실행하기 위해 설정될 수 있다.
330에서, 처리는 기판처리용 처리 시스템에서 개시되고, 340에서 제어 파라미터들은 제어 및/또는 조정된다. 제어 파라미터들은 미리 결정된 처리 방법에 따라 제어 및/또는 조정될 수 있다. 택일적으로, 제어 파라미터들은 처리 방법에 의해 지시된 처리 조건을 가지고 온도 감지 장치를 이용하여 온도 측정의 비교에 의해 제어 및/또는 조정될 수 있다.
350에서, 처리는 끝나고, 그 후, 제어 파라미터들은 적어도 하나의 기판, 기판 홀더 또는 처리 시스템에서의 후처리를 위해 선택적으로 제어 및/또는 조정될 수 있다.
예를 들면, 플라즈마 처리에서 만나는 것과 같이, 기판을 처리하기 위한 공정은 높아진 기판 온도에서 처리를 포함할 수 있다. 이러한 처리동안, 기판 온도는 타겟(target) 온도로 빠르게 감소될 수 있고, 처리가 시작될 수 있다.
예를 들면, 도 10에 도시된 것과 같은 기판 홀더를 이용하면, 제1 및 제2 가열 소자들은 각각 서로 종속적이거나 독립적으로 전류원에 결합된 분리된 저항성 가열 소자들을 포함할 수 있다. 선-처리 동안, 전류(예를 들면 15kW의 전원에 등가인)는 기판의 가열을 쉽게 하도록 제1 및 제2 가열 소자에 인가될 수 있으며, 제1 및 제2 절연 소자들은 적어도 하나의 냉각 소자들로부터 제1 및 제2 가열 소자를 단열시키기 위해 비워질 수 있다(예를 들면, 1Torr의 헬륨 기체 압력까지).
그 후에, 처리는 처리 기체들을 처리 시스템에 흘려넣고 플라즈마를 생성시킴으로써 시작될 수 있다. 처리가 시작하면, 제1 및 제2 가열 소자들에 대한 전류는 제거될 수 있고, 제1 및 제2 절연 소자들은 기판의 냉각을 돕고 기판에 대한 플라즈마 열속(heat flux)의 균형을 맞추기 위해 반환될 수 있다. 처리는 일상 온도에서 타겟 온도까지의 기판 온도의 경사(ramp)동안 어느 때라도 시작될 수 있다.
비록 본 발명의 어떤 실시예들만이 상기에서 상세히 설명되고 있으나, 기술분야의 숙련된 자는 예시적인 실시예들에서 본 발명의 신규한 가르침 및 이점들을 실질적으로 벗어나지 않고도 많은 수정이 가능할 것임을 쉽게 인식할 것이다. 따라서, 모든 이러한 수정들이 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (40)

  1. 처리 시스템에서 기판을 지지하고, 그 온도를 제어하기 위한 기판 홀더에 있어서,
    상기 기판 홀더의 제1 영역에 배치되고, 상기 제1 영역의 온도를 높이도록 구성된 제1 가열 소자;
    상기 기판 홀더의 제2 영역에 배치되고, 제2 영역에서의 온도를 높이도록 구성된 제2 가열 소자;
    상기 기판 홀더에 배치되고, 상기 제1 가열 소자와 공간을 두고 대향하는 제1 냉각 소자;
    상기 기판 홀더에 배치되고, 상기 제2 가열 소자와 공간을 두고 대향하는 제2 냉각 소자;
    상기 기판 홀더에 배치되고, 상기 각 냉각 소자와 그에 대향한 상기 제1, 제2 가열 소자 사이의 상기 공간에 개재된 절연 소자를 포함하고,
    상기 절연 소자는 상기 기판으로부터 상기 기판 홀더를 통해 상기 냉각 소자들로의 열 전달을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 기판홀더.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 배치된 제1 중간 공간을 더 포함하고, 상기 기판과 상기 냉각 소자 사이의 열 전달을 허용하도록 구성되는, 기판홀더.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 영역은 중심에 위치한 제1 영역 주위에 동일 중심으로 위치하고,
    상기 기판 홀더는:
    상기 기판 홀더의 제3 영역에서 상기 제2 가열 소자 주위에 동일 중심으로 배치되고, 상기 제3 영역의 온도를 높이도록 구성된 제3 가열소자를 더 포함하는, 기판 홀더.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가열 소자들은 저항성 가열 소자, 가열 채널 및 열전기(thermo-electric) 소자 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각 소자는 냉각 채널 및 열전기 소자 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 소자들 각각은 진공 펌프 및 기체 공급 유닛 중 적어도 하나에 연결된 가스 간극(gap)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 홀더는 상기 기판 홀더에 상기 기판을 클램프(clamp)하기 위한 적어도 하나의 정전클램프를 더 포함하고, 상기 기판과 상기 기판 홀더 사이에 열 전도성을 증가시키기 위한 후면 기체 공급 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 홀더는 적어도 하나의 온도 감지 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판 홀더.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 온도 감지 장치는 광학 온도계와 써모커플(thermocouple) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판 홀더.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 홀더는 상기 제1 가열 소자, 상기 제2 가열 소자, 상기 절연소자 및 상기 냉각 소자 중의 적어도 하나에 연결된 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판 홀더.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 영역은 중심영역이고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역 주위에 동일 중심으로 배치된 주변 영역인 것을 특징으로 하는, 기판 홀더.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 인접한 것을 특징으로 하는, 기판 홀더.
  13. 처리 시스템에서 기판 홀더를 이용하여 기판의 온도를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 기판 홀더는 상기 기판 홀더의 제1 영역에 배치된 제1 가열 소자, 상기 기판 홀더의 제2 영역에 배치된 제2 가열 소자, 상기 기판 홀더에 배치되며 상기 제1, 제2 가열 소자 각각과 공간을 두고 대향하는 제1 냉각 소자들, 상기 기판 홀더에 배치되며 상기 각 냉각 소자와 그에 대향하는 제1, 제2 가열 소자 사이의 상기 공간에 개재된 절연 소자를 포함하고,
    상기 기판 홀더를 이용하여 상기 기판의 온도를 제어하기 위한 하나 이상의 파라미터들을 초기화하는 단계;
    상기 처리 시스템에서 처리를 시작하는 단계;
    상기 하나 이상의 제어 파라미터들을 조정하는 단계; 및
    상기 처리를 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 배치된 제1 중간 공간을 더 포함하고, 상기 기판과 상기 냉각 소자 사이의 열전달을 허용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 영역은 중심에 위치한 제1 영역 주위에 동일 중심으로 위치하고,
    상기 기판 홀더의 제3 영역에서 상기 제2 가열 소자 주위에 동일 중심으로 배치된 제3 가열 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가열 소자는 저항성 가열소자, 가열 채널 및 열전기 소자 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 냉각 소자는 냉각 채널 및 열전기 소자 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 절연 소자들 각각은 진공 펌프 및 기체 공급 유닛 중 적어도 하나에 연결된 기체 간극을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    적어도 하나의 온도 감지 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 온도 감지 장치는 광 온도계 및 써모커플 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 가열 소자, 상기 제2 가열 소자, 상기 절연 소자 및 상기 냉각 소자 중 적어도 하나에 연결된 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 하나 이상의 제어 파라미터들의 설정, 감시, 조정 및 제어 중 적어도 하나를 용이하게 하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어 파라미터들은 저항성 가열 소자 전압, 저항성 가열 소자 전류, 가열 채널 액체 흐름율, 가열 채널 액체 온도, 열전기 소자 전압, 열전기 소자 극성, 가스 간극 가스 종류, 가스 간극 가스 압력, 냉각 채널 액체 흐름율 및 냉각 채널 액체 온도 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  24. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판 홀더에 상기 기판을 클램핑하기 위한 정전 클램프 및 상기 기판과 상기 기판 홀더 사이에 열전도성을 향상시키기 위한 후면 기체 공급 시스템 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어 파라미터들은 정전기 클램프 전압, 후면 가스 및 후면 가스 압력 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 후면 기체 공급 시스템은 2개-영역 후면 기체 공급 시스템 및 3개-영역 후면 기체 공급 시스템 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  27. 제 13 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제어 파라미터들을 초기화하는 단계 이후에 상기 처리 시스템에서 선-처리 시스템을 초기화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 선-처리동안 하나 이상의 제어 파라미터들을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 선-처리 이후 및 상기 처리에 선행하여 상기 하나 이상의 제어 파라미터들을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  30. 제 13 항에 있어서,
    상기 처리의 상기 종료 이후에 상기 처리시스템에서 후(post)-처리를 시작하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 후-처리 동안 상기 하나 이상의 제어 파라미터들을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  32. 제 30 항에 있어서,
    상기 후처리 및 이후의 상기 처리에 선행하여 상기 하나 이상의 제어 파라미터들을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  33. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 영역은 중심 영역이고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역 주위에 동일중심으로 배치된 주변 영역인 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  34. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 영역은 인접한 것을 특징으로 하는, 기판홀더를 이용한 기판온도 제어방법.
  35. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 소자는,
    상기 제1 영역에서 상기 제1 가열 소자와 상기 제1 냉각 소자 사이에 개재된 제1 제어가능한 절연 소자 및,
    상기 제2 영역에서 상기 제2 가열 소자와 상기 제2 냉각 소자 사이에 개재된 제2 제어가능한 절연 소자를 포함하고,
    상기 제1 제어가능한 절연 소자는, 상기 기판으로부터 상기 기판 홀더의 상기 제1 영역을 통해 상기 제1 냉각 소자로의 열 전달을 제어하도록 구성되고, 그리고
    상기 제2 제어가능한 절연 소자는, 상기 기판으로부터 상기 기판 홀더의 상기 제2 영역을 통해 상기 제2 냉각 소자로의 열 전달을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 기판홀더.
  36. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 소자는 하나의 단일 절연 소자를 포함하는 기판홀더.
  37. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 소자는 의존적으로 제어되는 복수의 절연 소자들을 포함하는 기판홀더.
  38. 제 13 항에 있어서,
    상기 절연 소자는,
    상기 제1 영역에서 상기 제1 가열 소자와 상기 제1 냉각 소자 사이에 개재된 제1 제어가능한 절연 소자 및,
    상기 제2 영역에서 상기 제2 가열 소자와 상기 제2 냉각 소자 사이에 개재된 제2 제어가능한 절연 소자를 포함하는, 기판온도 제어방법.
  39. 제 13 항에 있어서,
    상기 절연 소자는 하나의 단일 절연 소자를 포함하는 기판온도 제어방법.
  40. 제 13 항에 있어서,
    상기 절연 소자는 의존적으로 제어되는 복수의 절연 소자들을 포함하는 기판온도 제어방법.
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