KR20010051530A - 반도체 프로세싱 시스템 내의 온도를 제어하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

반도체 프로세싱 시스템내의 온도 제어용 장치에 관한 것이다. 장치는 페데스탈 베이스, 페데스탈 베이스 위에 배치되어 인클로져를 형성하는 정전 척, 인클로져내에 배치된 냉각판과 냉각판상에 배치되고 정전 척과 접촉하고 있는 펠티어 효과 열전기 소자를 포함한다. 정전 척은 단극성, 이극성 또는 띠 모양 일수 있다. 정전 척은 하나 이상의 가열기 전극과 RF 바이어스가능한 전극을 가진다.

Description

반도체 프로세싱 시스템 내의 온도를 제어하기 위한 장치 {APPARATUS FOR CONTROLLING TEMPERATURE IN A SEMICONDUCTOR PROCESSING SYSTEM}

일반적으로, 본 발명은 반도체 프로세싱 시스템 내의 열 전달에 관한 것이다. 더 상세하게, 본 발명은 반도체 프로세싱 시스템의 다수의 부품, 구조물 또는 표면을 가열하고 냉각시키기 위한 열전기 소자(thermoelectric devices)의 적용에 관한 것이다.

기판 프로세싱 시스템은 일반적으로, 실리콘 웨이퍼와 같은 웨이퍼 상에 초대규모 집적회로(VLSI) 소자를 형성하기 위한 다수의 프로세스 챔버를 포함한다. 상기 프로세스 챔버는 임의의 부품나 구조물을 가열 및/또는 냉각하기 위한 상이한 요건을 가진다. 즉, 프로세스 챔버 내부에 또는 프로세스 챔버에 부착된 별도의 부품 또는 구조물은 다수의 조건하에서 바람직하지 않은 온도에 도달하여 기판의 부적절한 프로세싱를 유발한다. 일반적으로, 기판의 온도가 기판상의 프로세싱결과에 영향을 끼치므로, 기판의 적절한 프로세싱를 위해서는 기판의 온도를 바람직한 범위로 유지하는 것이 중요하다. 특히, 아르곤 및 이온화된 금속 플럭스가 기판과 충돌하여 기판상에 열을 발생시키는 이온 금속 플라즈마(IMP)에 있어서, 기판이 초과해서는 않되는 기준 열량을 갖기 때문에 기판의 온도 증가는 제어되어야만 한다. 기판의 기준 열량을 초과하면, 기판에 부적절한 프로세싱 결과가 초래되며 소자의 손상이 발생된다.

냉각 및 가열 요건을 갖는 프로세스 챔버 부품의 일 예는 프로세싱 중에 기판을 유지하는 정전 척(E-척)이다. 보통, E-척은 기판과 물리적으로 접촉하며 기판의 온도는 E-척의 온도에 의해 영향을 받는다. 따라서, 전술한 이유들로 인해, E-척의 온도를 제어하는 것이 중요하다. 예를들어, 동, 알루미늄, 티타늄 및 탄탈륨과 같은 재료의 물리 증착(PVD)은 최적의 박막 품질과 도포율(coverage)을 위해 보통 200℃ 이상의 온도에서 수행된다. 현재, 반도체 산업에 있어서는 증착된 박막으로서 동을 사용하는 경향으로 변화하고 있다. 이와 같이, 일정수준 이상의 품질을 갖는 동 박막을 형성하기 위해서는 (50℃ 정도의) 아주 낮은 기판 작동온도가 필요하다.

E-척의 온도를 제어하기 위한 시도에 있어서, (물 또는 저온 냉각제와 같은)유체가 작은 챔버나 채널을 통해 E-척 내부 또는 하부로 흐른다. 상기 유체는 프로세스 챔버로부터 멀리 떨어진 외측에 배열되는 열교환기 유닛 내부에서 가열 또는 냉각된다. 상기 유체는 열교환기 유닛으로부터 유출된 유체의 온도에 따라 E-척을 가열 또는 냉각시킬 수 있다. 그러나, 이러한 온도 관리기술은 유체의 온도가 E-척으로부터 멀리 떨어진 열교환기에서 측정되어 열교환기에서 교정 작동이 수행되므로, E-척에서의 온도변화에 늦게 반응하게 된다. 또한, 정상적인 물 대신에 저온 냉각제의 사용에 따른 환경상의 문제점이 유발되게 된다.

프로세싱 시스템의 부품의 온도를 제어하기 위한 다른 시도는 원격 열전기 열교환기를 사용하는 것이다. 열전기(thermoelectric, TE) 소자는 펠티어 효과(Peltier effect)에 따라 열을 전달한다. 전류가 두 개의 비유사한 도체의 접합부를 통과할 때, 펠티어 효과는 접합부를 통과하는 전류에 비례하여 온도 변화를 야기한다. 도체의 일단부의 온도가 저하되는 동안, 도체의 다른 단부의 온도는 상승된다. 이러한 공지된 원리는 100℉ 까지의 온도 편차를 발생시키며, 물의 빙점 보다 훨씬 작은 온도로 도체의 냉각 단부를 냉각시킬 수 있다. TE 소자의 일예는 텍사스주 달라스에 소재한 "말로우 인더스트리스, 인코포레이티드(Marlow Industries, Inc.)로부터 생산되는 "두라텍(DuraTEC)"이다. TE 소자는 원격 목적물로 또는 원격 목적물로부터 유체를 사용하여 열이 흐르도록 사용될 수도 있는데, 따라서 TE 소자는 열교환기와 같이 원격 목적물을 가열하거나 냉각시킬 수 있다. 이러한 사용의 예들은 다음의 미국 특허에 개시되어 있다.

미국 특허 제 5,613,364호에는 프로세스 모듈의 일부분 또는 모든 내부를 가열하거나 냉각시키기 위한 온도 제어 모듈이 개시되어 있다. 온도 제어 모듈은 프로세스 모듈의 외부에 장착되고, 프로세스 모듈의 내부 공간으로부터 이격된 열전기 열교환기 조립체를 갖추고 있는데, 이러한 열교환기 조립체는 프로세스 모듈의 내측을 냉각하거나 가열하기 위해 프로세스 모듈 안팎으로 흐르는 유전성 액체를 사용한다. 온도 제어 모듈은 또한 유전성 액체가 온도 제어 모듈 내로 흐를 때 유전성 액체의 온도를 감지하기 위한 온도 센서를 갖추고 있으며, 이에 의해 프로세스 모듈 내의 온도가 표시된다.

미국 특허 제 5,154,661호에는 웨이퍼 척 또는 현상제 냉각 탱크를 냉각시키기 위한 열전기 냉각 시스템이 개시되어 있다. 이러한 열전기 냉각 시스템은 웨이퍼 척 또는 현상제 냉각 탱크로부터 이격되게 위치되어 있다. 열전기 냉각 시스템은 웨이퍼 척 또는 현상제 냉각 탱크로 순환하는 냉각유체를 냉각시키기 위한 냉각 용기를 포함한다. 온도 센서는 냉각유체의 온도에 관한 피이드백을 제공하기 위해 냉각 용기 내에 위치되어서, 제어기가 특별한 온도로 냉각유체를 유지하도록 열전기 냉각기 셀의 어레이를 조절할 수 있도록 한다.

미국 특허 제 5,029,445호에는 반도체 웨이퍼를 프로세싱하기 위한 습식 공정 스테이션에서 액체욕 내의 액체를 소정의 온도로 유지하기 위한 열전기 냉각 시스템이 개시되어 있다. 열전기 냉각 시스템은 액체욕 및 습식 공정 스테이션으로부터 이격되게 위치되어 있다. 열전기 냉각 시스템은 습식 공정 스테이션으로 냉각 액체를 순환시키기 위한 유입구 및 배출구를 갖추고 있다. 열전기 냉각 시스템은 열전기 냉각기에 의해 냉각된 액체를 소정 레벨의 액체 온도로 상승시키기 위해 액체를 가열하기 위한 가열기를 갖추고 있다. 가열기의 온도는 온도 피이드백을 제어기로 제공하기 위해 서미스터에 의해 감지된다.

미국 특허 제 5,450,726호에는 반도체 산업 또는 다른 산업에서 기후 또는 환경 제어 시스템에 사용되는 열전기 공기 냉각 장치가 개시되어 있다. 전술된 냉각 시스템에서와 같이, 열전기 공기 냉각 장치는 공기를 냉각시키는 구조물 또는 공간으로부터 이격되게 위치된다. 입구 및 출구는 공기가 열 전기 공기 냉각 장치에서 열 전기 공기 냉각 장치로 순환하는 것을 허용한다. 가열기 및 냉각 장치의 결합된 수행이 원하는 온도에서 공기의 온도를 유지할 수 있도록, 가열기는 공기를 가열할 수 있다. 열전대(thermocouple)는 제어기에 온도 피드백을 제공할 수 있도록 열 전기 공기 냉각 장치로부터의 출구에 공기 온도를 탐지한다.

그러나, 전술한 TE 소자에 대한 응용은 가열 및/또는 냉각되는 부분으로부터 원격으로 떨어져 있기 때문에 반도체 프로세싱 시스템 내의 가열 또는 냉각 구조들에 대해 불충분하다. 상당한 열 손실 또는 이득은 열교환기와 구조 사이에서 발생하여, TE 소자의 열 전달 능력의 최적 사용보다 더 적은 결과를 가져온다. 또한, TE 소자는 구조로부터 원격에서 배치되기 때문에, 프로세싱 시스템의 부품에서 온도의 변화에 대한 TE 소자의 반응 시간에 내장된 늦춤이 있다. 더우기, 원격 열 교환기로부터 프로세싱 시스템 안으로 그리고 구조 주위 또는 근처에서 흐르는 냉각 유체는 온도 변화 또는 흐름 통로를 따른 변화를 보여서, 구조가 균일하게 냉각되거나 가열되지 않는다.

그러므로, 프로세싱 시스템의 특별한 부품에서 온도 변화에 더 빠른 응답 및 더 정확한 제어를 제공하는 프로세싱 시스템을 필요로하게 되었다. 프로세싱 시스템이 온도 변화에 즉시의 정정을 허용하도록 가열된 부품에서 더 좋은 열 전달 능력을 가진다면 바람직할 것이다.

도 1은 본 발명을 사용하는 반도체 프로세스 챔버의 부분적 개략도, 부분적횡단면도이다.

도 2는 본 발명을 포함하는 기판 지지대의 세부적인 횡단면도이다.

도 3은 본 발명을 사용하는 반도체 처리 시스템의 개략도이다.

도 4는 본 발명의 양호한 실시예의 세부도이다.

도 5는 본 발명의 온도 제어장치의 변경 실시예의 도면이다.

종래 기술의 단점은 본 발명의 반도체 프로세싱 시스템내의 온도 제어를 위한 장치에 의해 극복된다. 상기 장치는 페데스탈 베이스, 상기 페데스탈 베이스위의 위에 배치되어 인클로져를 형성하는 정전 척, 상기 인클로져내에 배치된 냉각판과 상기 냉각판상에 배치되고 정전 척과 접촉하고 있는 펠티어 효과 열전기 소자를 포함한다. 정전 척은 단극성, 이극성 또는 띠 모양 일수 있다. 정전 척은 하나 이상의 가열기 전극과 RF 바이어스가능한 전극을 가진다.

본 발명에 대한 설명은 첨부된 도면에 결합된 다음의 상세한 설명을 고려하여 쉽게 이해될 수 있다.

도 1은 워크피스(102), 즉 워크피스 프로세싱 시스템에서 금속 증착을 겪는 반도체 웨이퍼를 프로세싱하기 위해 물리적 증착 프로세싱 챔버(100)의 단면도를 도시한다. 상기 물리적 증착 프로세싱 챔버(100)와 웨이퍼의 프로세싱 작동의 상세한 이해를 위해, 1993년 7월 20일에 특허 허여된 미국 특허 제 5,228,501에 포함된 도면과 상세한 설명을 참조해야 하고 본원에서 참조되었다. 상기 특허는 캘리포니아, 산타클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스사에 의해 제조된 물리적 증착 챔버에 이용되는 웨이퍼 지지 조립체에 관해 개시한다.

웨이퍼(102)는 워크피스 지지체에 대해 상기 웨이퍼를 보유하고, 웨이퍼에 고주파 바이어싱을 제공하며 웨이퍼의 온도를 제어하는 장치(104) 상에 배치된다. 특히, 페데스탈 조립체(104)는 퍽(105), 즉 페데스탈 베이스(106)와 샤프트(126)에 의해 지지되는 기판 지지체을 가진다. 상기 샤프트(126)는 와이어링이 직류 및 고주파 전력을 원격 작동의 전력 공급원(122 및 124)에서 상기 페데스탈 조립체(104)로 전도하는 통로를 제공한다. 상기 샤프트(124)는 상기 챔버(100) 내의 진공 상태와 벨로우즈(118)과 샤프트(126) 내부의 본래 분위기 사이의 환경적 일체성을 유지하기 위해 벨로우즈(118)에 쌓인다. 상기 퍽(105)은 기판 지지체로 설명되고 본 발명의 실시예에서 정전 척이다. 선택적으로, 상기 퍽은 화학적 증착(CVD) 프로세싱 시스템(즉, 정전 척킹 능력을 갖지 않음)에 이용되는 가열기이거나 상기 워크피스의 고주파 바이어싱을 요구하는 시스템에서 어떤 다른 형태의 일반적인 목적 워크피스 지지체일 것이다. 부가적으로, 상기 샤프트(126)은 상기 페데스탈 조립체(104)를 통해 상기 페데스탈 조립체(104) 및/또는 상기 웨이퍼(102)의 배면측 위에 직접 위치된 프로세스 캐비티(148)에 가스를 공급하기 위해 가스 도관(142)과 함께 제공된다. 상기 가스 도관(142)은 하나 이상의 가스 공급원(130 및 134)에 각각의 밸브(132, 136)과 질량 유동 제어기(144, MFC)를 경유해서 연결된다. 수직 샤프트(114)에 연결된 플랫폼(112) 상에 위치된 리프트 핀(110)은 공정 후에 상기 지지체 표면(103)에서 상기 웨이퍼(102)를 제거한다.

스퍼터링 또는 증착 재료의 타깃(116)은 상기 페데스탈 조립체(104) 위에 위치된다. 상기 타깃(116)은 알루미늄, 타이타늄, 구리로 구성된 그룹에서 선택되고 아마 구리일 것이며 챔버(100)와 전기적으로 절연되어 있다. 상기 제 1 원격 작동의 전력 공급원(122)은 암 고전압 직류 전력 공급원이고 상기 타깃(116)과 웨이퍼 마그네트론 스퍼터링용 그라운드 상이에 전기적으로 연결된다. 부가적으로, 고주파(radio frequency) 전압 공급원(124)은 아래에서 자세히 설명되는 것처럼 상기 페데스탈 조립체(104)에 연결된다. 소모 링(108), 커버 링(138) 및 쉴드(150)는 상기 프로세스 캐비티(148)를 한정하고 하부 챔버 영역(140)에 원하지 않는 증착을 막는 페데스탈 조립체(104)를 둘러싼다.

페데스탈 베이스(106)는 일반적으로 내구성 재료, 예를 들어 스테인레스 강 또는 유사한 금속 재료로부터 제조된다. 본 발명의 양호한 실시예에서는, 페데스탈 베이스는 스테인레스강이다. 페데스탈 베이스(106) 상부에는 지지링(109)이 배치된다. 구체적으로 지지링(109)은 실린더형상이며 (용접이나 유사한 수단에 의해) 페데스탈 베이스(106)에 고정된다. 바람직한 실시예에서 지지링(109)은 KOVAR(등록상표)이다. KOVAR는 웨스팅 하우스전기(Westinghouse Electric Co.)에서 제조 및 판매되는 철/니켈/코발트 합금의 상표이다. 웨이퍼(102)는 기판 지지체(105)(예를 들어 정전 척)의 지지면(103) 위에 놓인다. 정전 척(105)은 바닥면(107)도 가지며 유전체, 예를 들어 산화실리콘, 질화실리콘, 사파이어 등의 세라믹으로 제조되며, 얇은 원형 퍽(puck) 모양으로 성형된다. 척(105)은 지지링(109)에 부착된다. 유지링(retaining ring; 120)은 지지링(109) 둘레에 설치된다. 기판지지체(109)는 지지링(105)을 지지하며, 페데스탈 베이스(106)는 인클로져(enclosure; 152)를 규정한다. 본 장치에서 사용될 수 있는 세라믹 정전 척은 1997년 8월 12일 버크하트(Burkhart)에게 부여되어 양도된 미국특허 5,656,093호에 개시되어 있다. 구체적으로 상기 문헌에는 척 표면에 증착된 금속 물질의 웨이퍼 간격 마스킹(wafer spacing mask)을 가지는 세라믹 정전 척이 개시되어 있다.

정전 척(105)의 본체 내에는 워크피스 프로세싱에 도움을 주는 다양한 도전 요소(conducting element)가 있다. 예를 들어 가열기 전극(160)은 정전 척(105)의 층 내에 묻힐 수 있다. 가열기 전극(160)은 도전체(예를 들어 텅스텐)로부터 제조되며, 원격 전원(122 또는 124) 중 하나에 연결된다. 이러한 방식으로, 가열기 전극(160)은 열을 발생시키며, 이 열은 정전 척(105) 위의 소재에 전달되어, 소재를 적절한 프로세싱 온도에 유지한다. 추가로 정전 척(105)에는 하나 또는 그 이상의 척킹 전극(chucking electrode; 162)이 설치될 수 있다. 척킹 전극(162) 역시 도전체(예를 들어 텅스텐)로 만들어지나, 가열기 전극(160)이 만들어지는 재료와 동일한 재료로 만들어질 필요는 없다. 척킹 전극(162)은 정전 척(105)의 상부면(103)에 상대적으로 근접하여 배치된다. 척킹 전극(162)은 제 1 원격 전원, 즉 도 1의 고전압 DC 전원(122)에 연결된다. 이러한 방식으로, 척킹 전극(162)은 필요한 정전력을 소재(102)의 뒤쪽에 제공하여 이를 정전 척(105) 위에 유지한다. 척킹 전극(162)은 소재를 퍽 위에 유지하기 위해 필요한 임의의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어 척킹 전극(162)은 단극성 형상(monopolar configuration), 이극성 형상(bipolar configuration), 띠형 척킹 형상(zoned chucking configuration) 등의 형태일 수 있다. 게다가 척킹 전극(162)에 에너지를 공급하는 전원은 또 가열기 전극(160)을 위한 전원일 수도 있다.

척킹 전극(162)도 제 2 원격 전원, 즉 RF 전원(124)에 연결되어 있다. 이로써, RF 전력은 (DC 전력에 겹쳐진) 전극(162)에 직접 결합되어, 처리를 위해 적절한 방식으로 웨이퍼를 바이어싱할 수 있다. 한 세트의 전극에 RF 전력 및 DC 전력 모두를 인가하기 위해 필요한 연결을 가지는 적당한 정전 척이, 1999년 3월 23일 하우스만(Hausmann) 등에 부여된 미국특허 제 5,886,866 호에 개시되어 있다.

페데스탈 베이스(106) 내에는, 온도제어장치(202)가 배치된다. 온도제어장치(202)는, 액체 냉각제와 결합된 펠티어 효과(Peltier effect)의 이점을 이용하여, 정전 척(105) 및 그 위에 지지되는 웨이퍼(102)를 원하는 온도로 제어한다. 도 2는 본 발명을 보다 명확히 나타내기 위한, 페데스탈 조립체의 단면도, 부분사시도이다. 구체적으로, 온도제어장치(202)는 다수의 열전기 TE 소자(thermoelectric TE devices; 204) 및 냉각판(206)으로 이루어진다. TE 소자는 적절한 열구배를 형성하여 정전 척(105)의 열변화에 영향을 줄 수 있다. 이러한 TE 소자는 이 분야의 제조자로부터 구입할 수 있으며, 조성은, 다른 형태의 물질도 사용될 수 있지만, 비스무스/텔룰라이드(bismuth/telluride)인 것이 바람직하다. 본 발명의 한 실시예에서, TE 소자(204)는 냉각판(206) 위에 원형으로 배치된다. 이러한 실시예가 도 4에 더욱 완벽하게 도시되어 있다. 도 2에 더 자세히 나타난 다른 실시예에서, TE 소자(204)는 냉각판(206)에 대해 동심으로 배열된다. 이러한 동심 배열에 의하면 띠형 온도 제어(zonal temperature control)가 용이하게 된다. 즉 다수의 내측 TE 소자는 내측 온도 제어 영역을, 다수의 외측 TE 소자는 외측 온도 제어 영역을 규정한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 40개의 TE 소자(204)가 냉각판(206) 위에 2개의 동심원으로 배열된다. 원하는 열전달 특성을 위해 임의의 방식 또는 구성으로 판(206) 위에 TE 소자를 배열하는 것은 본 발명의 사상과 범위에 포함된다.

TE 소자(204)는, 반도체 프로세스 챔버 제조 분야의 당업자에게 공지된 다양한 수단에 의해 정전 척(105) 바닥 표면(107)에 부착되며 에지 위 약 1cm에 있다. 예를 들어 (200℃보다 낮은) 저온 응용에서, TE 소자(204)는 적절한 접착제에 의해 정전 척에 부착될 수 있다. (350℃보다 높은) 고온 응용에서 TE 소자(204)는 납땜(brazing)에 의해 정전 척(105)에 부착될 수 있다. 세 번째 수단이 도 2에 구체적으로 도시되어 있는데, 여기서 TE 소자(204)는 냉각판(106)에 납땜된다. 이후 냉각판(206)은 스프링 로드 부재(spring-loaded member; 214) 위에 배치된다. 구체적으로, 스프링 로드 부재는 페데스탈 베이스(106) 내에 장착된 링이다. 링에는, 링을 위쪽으로 편향하는 하나 이상의 스프링(216)이 배치된다. 이로써 TE 소자(204)가 부착된 냉각판(206)도 위쪽으로 그리고 정전 척(105)의 바닥면(107)과 긴밀하게 접하도록 편향된다. 추가적인 다른 실시예(도시 생략)에서, 정전 척 제조 공정의 어떤 시점에서 척이 만들어지는 재료(예를 들어 질화알루미늄) 내에 TE 소자(204)가 도입될 수 있다. 이러한 도입 공정의 구체적인 내용은 당업자에게 공지되어 있다.

도 5는 온도제어장치(202)의 다른 실시예를 나타낸다. 구체적으로 온도제어장치(202)는 2개의 지지재 판(502, 504) 사이에 배치되는 다수의 TE 소자(204)를 포함한다. TE 소자는 상부 지지판(502) 및 하부 지지판(504)에 결합되어 영구 구조(permanent structure)를 형성한다. 지지판(502 및 504)은 TE 소자(204)에 비해 얇고, 알루미늄 질화물, 금속 재료 및 합성물 (즉, AlSiMg, 알루미늄-실리콘-실리콘-카바이드 합성 재료등)로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. TE 소자(204)를 지지판(502 및 504)에 납땜하여 접착이 이루어진다. 납땜 재료는 알루미늄 합금, 금/주석 및 금/인듐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 전기 전도성 재료 (예컨대, 알루미늄 합금)로 납땜이 이루어지면, 전기적 트레이스(trace)(506)는 TE 소자를 전원에 연결하는 것을 용이하게 하도록 만들어진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상부 및 하부 지지판(502 및 504)은 알루미늄이고 상부판(502)은 (AlMg 합금으로 납땜함으로써) 정전 척에 납땜된다. (미도시된) 변경 실시예에서 상부 지지판(502)이 제거되고 TE 소자가 기판 지지부(105)의 바닥에 직접 접착된다. 온도 제어 장치(202)의 설치를 완료하기 위해 (특정 실시예와 무관하게), 이것이 냉각판(206)에 접착된다. 즉, 하부 지지판(504)이 냉각판(206)에 접착된다. 이러한 접착은 예를들어 몰리브덴/KOVAR^R로 납땜함으로써 달성된다. 다른 형태의 접착 또는 납땜 재료는 당업자에게 알려져 있다. 대안적으로, 도 5의 온도 제어 장치(202)가 덮개 내로 압입되어 기판 지지부(105) 및 냉각판(206)과 밀접하게 접촉하도록 한다.

물, 헬륨 또는 프로필렌 글리콜 등의 열전달 유체가 열전달 유체 소스(220)로부터, 입구 도관(218)을 통해 냉각판(206)의 입구(210)로 유동한다. 그 다음, 열전달 유체는 하나 또는 그 이상의 냉매 통로(208)를 통해 유동하고 냉각판(206)을 나와서 출구(212) 및 출구 도관(222)을 통해 유동한다. 상기 열전달 유체 소스(220)는 또한 열 교환기(도시 생략)를 포함할 수 있고, 여기서 열전달 유체는 냉각판(206) 내로 순환되기 전에 냉각 또는 가열된다.

E-척(105)으로부터 열전달 유체 또는 그 반대로의 열 전도를 촉진하기 위해 TE 소자(204)의 배열이 냉각판(206) 상에 배열된다. 정전 척(105)을 냉각시키기 위해 TE 소자(204)가 사용되는 경우, 전류가 TE 소자(204)에 제공되어 정전 척(105) 쪽으로 저온측을, 그리고 냉각판(206) 쪽으로 고온측을 생성시킨다. 냉각된 열전달 유체는 열전달 유체 소스(220)으로부터 냉각판(206)으로 유동하여 TE 소자(204)의 고온측을 냉각시킨다. TE 소자(204)의 고온측이 열전달 유체에 의해 냉각됨에 따라, TE 소자(204)의 저온측이 E-척(105)을 비례적으로 냉각시킨다. 이런 식으로, TE 소자(204)는 정전 척(105)으로부터의 열전도를 향상시키고, 이로써 냉각 시스템의 효율을 증가시킨다.

정전 척(105)을 가열하기 위해 TE 소자(204)가 사용되는 경우, 전류가 TE 소자(204)에 제공되어 정전 척(105) 쪽으로는 고온측을, 그리고 냉각판(206) 쪽으로는 저온측을 생성시킨다. 가열된 열전달 유체가 열전달 유체 소스(220)으로부터 냉각판(206)로 유동하여 TE 소자(204)의 냉각측을 가열시킨다. TE 소자(204)의 냉각측이 열전달 유체에 의해 가열됨에 따라, TE 소자(204)의 고온측은 정전 척(105)을 비례적으로 가열한다. 따라서, 상기 TE 소자(204)는 요구되는 방향으로 열을 능동적으로 펌핑함으로써 정전 척(105)의 온도 변화에 대한 프로세스 챔버(100)의 반응성을 향상시킨다.

상기한 바와 같은 TE 소자(204)와 프로세스(즉, 처킹 및 RF 분배) 전극의 구성에 의해, 웨이퍼 제조 공정상을 전체적으로 개선하는 장점이 있음을 알 수 있다. 프로세싱 시스템 내의 열전기(TE)소자에 대한 상기와 같은 적용은 열원 또는 열을 필요로하는 지점에서 열전달 속도의 증가를 제공하고, 열전달 효율의 증가와, 온도 변화에 대한 반응시간의 개선 및 냉각된/가열된 목적물의 길이에 걸쳐서 균일한 열전달을 제공한다. 특히, RF전력의 적용 및 전송은 웨이퍼(102)에 대한 RF 분배 전극(162)의 근접으로 인해 극도로 효율적이다. 웨이퍼(102)가 아닌 다른 재료로의 RF전력의 필요한 용량적 연결은 절대적으로 최소값으로 유지된다. 이러한 조건으로 인해, 열의 형태로 소산되거나 정전 척(105) 주위의 RF경로를 벗어나는 것과는 대조적으로, 더 많은 전력이 웨이퍼(102)에 연결되며 웨이퍼 표면에 걸쳐 보다 균일하게 분산된다. 개선된 효율은 현재 가능한 것보다 적은량의 전력이 RF 웨이퍼 바이어싱에 인가될 수 있다는 것을 가리킨다. 예를 들어, RF전원(124)이 현재 필요한 것(500W 정도)보다 상당히 적은 전력을 제공할 수 있다는 것이 제안된다. 따라서 감소된 전력 소모에 의해 유닛 단위의 절약(per unit saving)이 실현된다. 또한, RF전력은 TE 소자(204)(및 이들이 형성하는 평면)가 프로세스 전극(162)에 의해 형성된 RF "전도 평면"의 아랫쪽에 있을 때에는 TE 소자(204)를 통해 전도되지 않는다. 열전달 양은 TE 소자(204)에 제공되는 전류의 양에 의해 조절된다는 것이 공지되어 있고 여기에도 기술되어 있으므로, 의도된 양의 전류에 대한 어떠한 간섭도 열전달 조건에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 즉, 예를들어 상부에 TE 소자를 보유한 냉각판를 통한 RF전력의 연결은 TE 소자에 부정적인 효과를 미칠 수 있고 이 소자에 손상을 입히거나 쓸모없는 것으로 만들 수 있다. TE 소자를 RF 전도 평면 아래에 배열함으로써 RF전력 전달 및 열전달 밀도가 모두 유지된다.

바람직하게는, 하나 또는 그 이상의 열전대와 같은 온도 센서(224)가 TE 소자(204)에 근접 배치되어 열전달 유체, 페데스탈 베이스(106) 및/또는 정전 척(105)의 온도를 감지하도록 하고, 이로써 열전달 소스에서의 온도의 실시간 눈금이 제공된다. 대안적으로, 또는 부가적으로, 기판(102) 온도의 실시간 눈금을 제공하기 위해 하나 또는 그 이상의 열전대가 정전 척(105)의 상단면에 인접 배치된다. 온도 센서의 배열이 이에 TE 소자의 배열과 대응하게 배열로 배치되면, 개개의 TE 소자는 그 특정 TE 소자에 인접한 개개의 온도 센서에 의해 감지된 온도 변화에 반응하도록 조정될 수 있다. 따라서, 정전 척(105)에 걸친 임의의 온도 구배를 밝히고 감소시키기 위하 정전 척(105)의 상이한 영역에 걸쳐 개별적인 제어를 제공한다. 열전달의 소스에 위치한 온도 센서(224)와 TE 소자(204)에 의하여, 냉각 시스템은 정전 척(105)의 온도 변화에 매우 신속히 반응할 수 있어서, 열전달의 분량과 방향을 즉각적으로 변화시킬 수 있다. 그러므로, 페데스탈 조립체(104)의 온도는 좁은 온도 범위내에서 매우 엄격하게 제어될 수 있다.

도 3은 전체적으로 진공 프로세싱 시스템(300)의 실시예의 상면도이다. 도 3에 도시한 시스템(300)은 미국 캘리포니아 산타 클라라소재의 어플라이드 머티어리얼스사로부터 이용가능한 상표명 Endura 시스템의 한 예이다. 본 발명이 이런 시스템(300)으로 실시될 수 있을지라도, 다른 형태의 진공 프로세싱 시스템은 본 발명과 함께 사용될 수 있으며, 본 발명은 어떠한 특정 형태의 진공 프로세싱 시스템에 제한되지 않는다. 진공 프로세싱 시스템(300)은 이송 챔버(302)와 일반적으로 시스템 모노리스를 형성하는 플랫폼(도시 생략)상에 통상적으로 장착된 버퍼 챔버(303)를 포함한다. 시스템 모노리스는 패시트(312, facet)에 장착된 두개의 로드록 챔버(308)를 가진다. 선택적인 초소형 설비(314, mini-environment)는 기판을 시스템(300)으로 도입하기 위해서 로드록 챔버(308)에 부착될 수 있다. 이송 챔버(302)는 패시트(306)에 장착된 4개의 프로세스 챔버(304)와 함께 도시되어 있다. 프로세스 챔버(304)는 진공 프로세싱 챔버(300)내에서 기판을 주 기판 프로세스를 실행한다. 프로세스 챔버(304)는 급속 열프로세스 챔버, 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 에칭 챔버 등과 같은 어떠한 형태의 프로세스 챔버일 수 있다.

프로세스 챔버(304)는 이송 챔버(302)에 의해 지지될 수 있거나 개별 프로세스 챔버(304)의 형상에 따라서 이들 자체의 플랫폼상에 지지될 수 있다. 패시트(306)내의 슬릿 밸브(도시 생략)는 이송 챔버(302)와 프로세스 챔버(304)사이의 접근 및 고립을 제공한다. 따라서, 프로세스 챔버(304)의 표면상에는 슬릿 밸브와 정렬하는 개구들(도시 생략)을 가진다.

예비 클린 챔버(328)와 냉각 챔버(330)는 이송 챔버(302)와 버퍼 챔버(303)사이에 배치되어 있다. 변경적으로, 양 챔버(328, 330)는 이송 챔버(302)와 버퍼 챔버(303)사이의 어느 방향이든지 기판을 이송할 수 있는 2방향성일 수 있으며, 하나 이상의 팽창 챔버(332)는 필요하다면 예비 클린 챔버일 수 있다. 예비 클린 챔버(328)는 기판이 이송 챔버(302)에 들어가기전에 기판을 세척하고, 냉각 챔버(330)는 기판이 프로세스 챔버(304)내에서 처리되어진 후 기판을 냉각한다. 예비 클린 챔버(328)와 냉각 챔버(330)는 또한 이송 챔버(302)와 버퍼 챔버(303)의 진공 레벨사이의 기판을 이전할 수도 있다. 버퍼 챔버(303)는 기판의 추가의 프로세스를 수행하기 위한 두 개의 팽창 챔버(332)를 가진다. 버퍼 챔버(303)는 추가로 필요시 기판을 더 냉각하기 위한 선택적인 냉각 챔버(334)를 더 가질 수 있다. 기판 정렬 챔버 또는 추가의 예비 프로세싱(즉, 탈가스) 또는 사전 프로세싱 챔버와 같은 추가의 챔버(336)를 위한 장소가 버퍼 챔버(303)상에 제공되어 있다.

로드록 챔버(308)는 주위 압력과 챔버 진공 압력사이로 기판의 제어된 이전을 제공한다. 패시트(312)내의 개구들(도시 생략)은 로드록 챔버(308)와 버퍼 챔버(303)사이의 접근을 제공하고 밸브는 고립을 제공한다. 따라서, 로드록 챔버(308)의 표면에는 패시트(312)내의 개구들과 정렬하는 개구들을 가진다. 로드록 챔버(308)와 선택적인 초소형 설비(314)는 이들 사이의 접근을 제공하는 대응 개구들(도시 생략)을 가지며, 한편 이들 개구들용 도어(도시 생략)는 고립을 제공한다.

반도체 프로세싱 시설내에 300mm 기판을 도입하기전, 기판의 카세트는 통상적으로 로드록 챔버(308)로 바로 사람에 의해서 장착되어 있다. 그러므로, 초소형 설비(314)는 시스템(300)내에 존재하지 않는다. 그러나, 아주 최근에, 반도체 제작 시설물은 초소형 설비(314)에 부착된 퍼드 로더(316)에 공장 자동 핸들링 시스템에 의해 전송된 기판의 카세트를 사용해서 프로세싱 시스템(300)으로 기판을 들어보내는 초소형 설비(314)를 포함해오고 있다. 본 발명은 양 형태의 시스템(300)을 사용하는 것으로 생각할 수 있다.

초소형 설비(314)는 공장 자동설비로부터 기판 카세트를 수용하기 위하여 전방측(338)에 부착된 4개의 퍼드 로더(316)를 가진다. 대응 도어(326)와 함께 개구들(도시 생략)은 초소형 설비(314)와 퍼드 로더(316)사이의 접근 및 고립을 제공한다. 퍼드 로더(316)는 초소형 설비(314) 측면상에 장착되고 주로 기판을 진공 프로세싱 시스템(300)에 이송하는데 사용된 기판 카세트, 또는 퍼드(도시 생략)를 지지하기 위한 선반들이다.

로봇(320) 또는 기판 핸들러는 예비 클린 챔버(328)와 냉각 챔버(330)와 프로세스 챔버(304)사이로 기판(322)을 이송하기 위해 이송 챔버(302)내에 배치되어 있다. 유사한 로봇(321)은 로드록 챔버(308), 팽창 챔버(332), 냉각 챔버(334), 추가의 챔버(336), 예비 클린 챔버(328)와 냉각 챔버(330)사이로 기판(322)을 이송하기 위해 버퍼 챔버(303)내에 배치되어 있다. 유사하게, 로봇(324)은 퍼드 로더(316)와 로드록 챔버(308)사이로 기판을 이송하기 위해 초소형 설비(314)내에 배치되어 있다. 초소형 설비(314)는 통상적으로 크랙상에 장착되어 있어서 로봇(324)은 초소형 설비(314) 전후로 이동할 수 있으며, 반면에 이송 및 버퍼 챔버 로봇(320, 321)은 회전용으로만 장착되어 있다.

프로세스 챔버(304)는 본 발명에 따른 TE 소자와 냉각 트랩 가스 배기부를 가진 E-척을 포함한다. 본 발명이 이들 실시예들을 참고로 설명되어 있어도, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 소자, 구조 및 표면의 온도를 조정하도록 이들의 냉각 및/또는 가열을 필요로 하는, 프로세싱 시스템내에 많은 다른 응용을 실시할 수 있다.

상술한 설명은 본 발명의 양호한 실시예에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 및 추가의 실시예는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 실시할 수 있으며, 그러므로 본 발명의 범주는 첨부의 청구범위에 의해서 결정된다.

열전달의 소스에 위치한 온도 센서와 TE 소자에 의하여, 냉각 시스템은 정전 척의 온도 변화에 매우 신속히 반응할 수 있어서, 열전달의 분량과 방향을 즉각적으로 변화시킬 수 있다. 그러므로, 페데스탈 조립체의 온도는 좁은 온도 범위내에서 매우 엄격하게 제어될 수 있다.

Claims (24)

1. 프로세싱 시스템의 부품의 온도 제어용 장치에 있어서,

   페데스탈 베이스,

   상기 페데스탈 베이스 위에 배치되어 인클로져를 형성하는 정전 척,

   상기 인클로져내에 배치된 냉각판과,

   상기 냉각판상에 배치되고 상기 정전 척과 접촉하고 있는 펠티어 효과 열전기 소자를 포함하는 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기판 지지체는 단극성 정전 척인 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 기판 지지체는 이극성 정전 척인 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 기판 지지체는 띠형 척킹 형상을 가진 정전 척을 포함하는 장치
5. 제 1항에 있어서, 상기 기판 지지체는 하나 이상의 가열기 전극을 더 포함하는 장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 펠티어 효과 열전기 소자는 상기 냉각판상의 원형 형상으로 배열되어 있는 장치.
7. 제 1항에 있어서, 상기 펠티어 효과 열전기 소자는 상기 냉각판상의 하나 이상의 동심 원으로 배열되어 있는 장치.
8. 제 7항에 있어서, 40 펠티어 효과 열전기 소자는 상기 냉각판상의 두 개의 동심 원으로 배열되어 있는 장치.
9. 제 8항에 있어서, 제 1동심 원은 내부 온도 제어 영역을 형성하고 제 2동심 원은 외부 온도 제어 영역을 형성하는 장치.
10. 제 1항에 있어서, 상기 펠티어 효과 열전기 소자는 접착제, 납땝 조인트, 스프링 로드 부재의 편향력 및 상기 기판 지지체의 제조 시의 일체화로 이루어진 그룹으로부터 선택된 다수의 접촉 수단을 통해서 상기 기판 지지체와 접촉하고 있는 장치.
11. 제 10항에 있어서, 상기 스프링 로드 부재의 편향력의 접촉 수단은 상기 인클로져내에 배치된 링을 더 포함하며, 상기 링에는 하나 이상의 스프링이 제공되어 있는 장치.
12. 제 11항에 있어서, 상기 냉각판은 상기 링상에 배치되어 있는 장치.
13. 제 10항에 있어서, 상기 스프링 로드 부재의 편향력의 접촉 수단은 상기 스프링 로드 부재상에 배치된 냉각판을 더 포함하며, 상기 펠티어 효과 열전기 소자를 강하게 상기 기판 지지체와 긴밀하게 접촉하고 있는 장치.
14. 제 1항에 있어서, 상기 기판 지지체내에 배치된 RF바이어스가능한 전극을 더 포함하는 장치.
15. 제 14항에 있어서, 상기 펠티어 효과 열전기 소자는 상기 RF바이어스가능한 전극 아래에 배치되어 있는 장치.
16. 프로세싱 시스템의 부품의 온도 제어용 장치에 있어서,

    페데스탈 베이스,

    상기 페데스탈 베이스내에 배치된 스프링 편향 링,

    상기 스프링 편향 링상에 배치된 냉각판,

    상기 냉각판상에 배치된 다수의 펠티어 효과 열전기 소자와,

    상기 페데스탈 베이스 위에 배치되고 상기 펠티어 효과 열전기 소자와 접촉하고 있는 퍽을 포함하는 장치.
17. 제 16항에 있어서, 상기 펠티어 효과 열전기 소자는 상기 냉각판상의 원형 형상으로 배열되어 있는 장치.
18. 제 16항에 있어서, 상기 펠티어 효과 열전기 소자는 상기 냉각판상의 하나 이상의 동심 원으로 배열되어 있는 장치.
19. 제 16항에 있어서, 상기 퍽은 정전 척인 장치.
20. 제 19항에 있어서, 상기 정전 척은 RF바이어스되어 있는 장치.
21. 프로세싱 시스템의 부품의 온도 제어용 장치에 있어서,

    페데스탈 베이스,

    상기 페데스탈 베이스위에 배치된 냉각판,

    상기 냉각판위에 배치된 하부 지지판,

    상기 하부 지지판위에 배치된 다수의 펠티어 효과 열전기 소자,

    상기 다수의 펠티어 효과 열전기 소자위에 배치된 상부 지지판과,

    상기 상부 지지판위에 배치된 퍽을 포함하는 장치.
22. 제 21항에 있어서, 상기 상부 및 하부 지지판은 알루미늄인 장치.
23. 제 22항에 있어서, 상기 상부 지지판은 상기 퍽에 납땝되어 있는 장치.
24. 제 22항에 있어서, 상기 하부 지지판은 상기 냉각판에 납땝되어 있는 장치.