KR20150081505A - 플라즈마 처리 시스템의 정전척 - Google Patents

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KR20150081505A KR1020140001043A KR20140001043A KR20150081505A KR 20150081505 A KR20150081505 A KR 20150081505A KR 1020140001043 A KR1020140001043 A KR 1020140001043A KR 20140001043 A KR20140001043 A KR 20140001043A KR 20150081505 A KR20150081505 A KR 20150081505A
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Abstract

플라즈마 처리 시스템의 정전척이 개시된다. 이는 처리대상물보다 경도가 낮은 재료로 구성된 엠보부를 구비하여 처리대상물의 격자얼룩 현상을 방지하고, 제2유전체층으로부터 용사법을 통하여 엠보부를 형성하기 때문에 공정시간 단축의 효과가 있다.

Description

플라즈마 처리 시스템의 정전척{ELECTROSTATIC CHUCK OF PLASMA PROCESSING SYSTEM}
본 발명은 플라즈마 처리 시스템 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 처리대상물을 지지하기 위한 정전척에 관한 것이다.
플라즈마 처리 시스템에서 처리대상물을 지지하기 위한 구조 요소로 정전척(Electrostatic Chuck, ESC)을 일반적으로 사용한다. 정전척은 반도체 또는 LCD 기판 제조 공정장치 등에 사용되는 것으로, 정전력을 이용해 웨이퍼 또는 처리대상물을 고정시키는 부품이다. 이러한 정전척은 화학기상증착, 식각, 스퍼터링 및 이온 주입 공정 등과 같은 다양한 공정에 널리 사용된다.
종래의 기계적 클램프(Mechanical Clamp), 진공 척(Vacuum Chuck) 등은 기판의 단순한 고정만을 위한 것이었으나, 최근에는 처리대상물을 밀착한 상태에서 균일한 열처리도 가능하고 불순물 파티클(Particle)의 발생도 최소화할 수 있는 정전척의 사용이 확대되고 있다.
정전척의 구조를 살펴보면, 몸체를 형성하는 베이스 기재 위에 제1유전체층, 도전층, 제2유전체층이 차례로 구성되고 도전층과 외부 전원을 연결하는 전원선이 구비된다. 처리대상물은 제2유전체층의 상부에 안착되게 되며, 전원선을 통해 도전층에 전압이 인가되면, 처리대상물과 도전층 사이에 위치한 제2유전체층에 유전분극 현상에 의해 한 쪽에는 음전하, 다른 한 쪽에는 양전하가 발생한다. 그리고, 처리대상물에도 유전체층과 접하는 면에 음전하가 발생하게 되며, 이들 사이의 전기적 힘에 의해 처리대상물이 정전척에 부착되게 되는 것이다.
그러나, 이러한 플라즈마 방전을 이용하는 시스템은 공정 진행 중 처리대상물 온도가 고온으로 상승하여 정전척 상에 고정된 처리대상물을 균일하고 효과적으로 냉각하는 능력이 제한된다는 것이다. 정전척이 에칭공정과 같은 플라즈마 처리공정에서 사용되는 경우, 높은 에너지를 갖는 플라즈마 이온이 처리대상물 및 정전척에 충돌함으로써 처리대상물 및 정전척에 대한 과열 및 열손상을 일으킬 수 있기 때문에 처리대상물 및 정전척의 냉각은 필수적이다. 따라서, 종래의 일부 장치들은 정전척을 냉각시키기 위해 정전척의 유전체층 상에 돌출구조를 갖는 엠보(emboss)부를 설치하여 엠보부 상에 처리대상물을 고정시키는 방법을 이용한다. 상술한 방법은 엠보부 사이에 공간에 냉각 가스를 주입한 후, 열교환된 가스를 다시 배출하는 냉각 시스템을 채용한다.
그러나, 위와 같은 방식에서 통상 엠보부의 재료는 처리대상물의 경도보다 높아 공정이 완료된 후 엠보부로부터 처리대상물을 제거하면 처리대상물의 엠보부 접촉부위에 격자얼룩(dimple)이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 유전체층 상에 엠보부를 형성하는 과정은 물리기상증착법을 이용하기 때문에 공정 시간이 길어진다는 문제점이 있다.
: 일본국 특허공개 평10-279349호 공보
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자, 처리대상물보다 경도가 낮은 재료로 구성된 엠보부를 구비하는 정전척을 제공한다.
본 발명은 제2유전체층으로부터 용사법을 통하여 엠보부를 형성하는 정전척을 제공한다.
본 발명은 플라즈마 처리 시스템의 정전척을 제공한다. 이는 베이스, 베이스 상에 형성된 제1유전체층, 제1유전체층 상에 형성된 도전층, 도전층 상에 형성된 제2유전체층 및 제2유전층 상에 형성된 엠보부(emboss)를 포함하고, 엠보부는 복수개의 돌기를 가짐으로써 제2유전층의 표면을 요철면이 되도록 한다.
제2유전체층은 세라믹 재료로 제조된다.
세라믹 재료는 알루미늄 질화물, 붕소 질화물 또는 도전성 산화물로 도핑된 알루미나인 것이다.
엠보부는 Y2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, YSZ, YAG 및 AlN 중 어느 하나인 것이다.
엠보부 상에 처리대상물이 지지된 상태에서, 엠보부의 돌기들 사이의 공간으로 냉각 가스를 공급하는 냉각 가스 공급 라인이 연결된다.
냉각 가스는 헬륨(He)이다.
엠보부는 용사법을 통하여 제2유전체층 상에 형성된다.
도전층은 전원장치와 연결되어 있고, 전원장치를 통해 DC전원을 공급받는다.
본 발명의 플라즈마 처리 시스템의 정전척은 처리대상물을 지지하는 엠보부를 마모성이 적고 높은 유연성을 가지는 재료로 하여 처리대상물의 격자얼룩 현상을 방지하는 효과가 있다. 또한 본 발명의 정전척은 엠보부 형성 시 용사법을 이용하므로 공정시간 단축의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정전척의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정전척이 적용된 플라즈마 처리 시스템의 하부전극 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 정전척이 적용된 플라즈마 처리 시스템의 단면도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 플라즈마 처리 시스템에서 처리대상물을 지지하는 정전척은 베이스(21), 베이스(21) 상에 형성된 제1유전체층(22), 절연층 상에 형성된 도전층(23), 도전층(23) 상에 형성된 제2유전체층(24) 및 제2유전체층(24) 상에 형성된 엠보부(25)(emboss)를 포함한다.
베이스(21)는 평판 형태 또는 실린더 형태를 갖는다. 베이스(21)는 일반적으로 처리대상물(예컨대 기판)에 대응하는 크기를 갖는다. 즉, 베이스(21)는 반도체 소자 또는 평판표시소자를 제조하기 위한 처리대상물의 크기와 같거나, 처리대상물의 크기보다 클 수 있다. 일예로, 베이스(21)는 금속으로 형성될 수 있다. 금속의 예로는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 다른 예로, 베이스(21)는 그 표면에 금속 코팅층을 포함할 수 있다.
제1유전체층(22)은 베이스(21) 상에 형성된다. 예를 들어, 제1유전체층(22)은 베이스(21)의 상부면 일부 영역에 형성될 수 있다. 제1유전체층(22)은 베이스(21)와 도전층(23)을 절연시키는 역할을 한다.
도전층(23)은 제1유전체층(22) 상에 형성된다. 예를 들어, 도전층(23)은 제1유전체층(22)의 상부면 일부 영역에 형성될 수 있다. 도전층(23)은 정전기력 발생을 위하여 구비된다. 도전층(23)은 제2유전체층(24) 상면에 정전기력을 발생시키며, 정전기력으로 제2유전체층(24) 상에 안착되는 처리대상물을 정전기적으로 흡착하여 고정 및 유지하게 된다. 도전층(23)은 도전성 재질로 이루어진다. 도전층(23)은 정전기력을 형성하기 위하여 외부로부터 고전압을 인가받게 되며, 고전압의 인가는 전원장치(도 2 참조)를 통해서 이루어진다.
제2유전체층(24)은 도전층(23) 상에 형성된다. 제2유전체층(24)은 세라믹 재질일 수 있다. 보다 상세하게는, 제2유전체층(24)은 알루미늄 질화물 또는 붕소 질화물로부터 제조될 수 있다. 이런 부분적인 도전성 세라믹 재료는 고온 처리 동안에 존슨-라벡 효과를 향상시킨다. 또한 다른 부분적인 도전성 세라믹은 티타늄 산화물 또는 크롬 산화물로 도핑된 알루미나와 같은 유용한 제2유전체층(24)의 재료로 사용될 수 있다. 정전척이 저온에서만 사용된다면, 다른 세라믹 및/또는 알루미나와 같은 재료가 제2유전체층(24)을 형성하는데 사용될 수 있다.
엠보부(25)는 제2유전체층(24) 상에 형성되고 복수개의 돌기를 가진다. 엠보부(25)는 상술한 돌기를 가짐으로써 제2유전체층(24)의 표면을 요철면이 되도록 할 수 있다. 따라서 처리대상물이 엠보부(25) 상에 안착되면 처리대상물과 제2유전체층(24) 사이에 소정 공간이 형성된다. 여기서, 엠보부(25)는 용사법을 사용하여 제2유전체층(24)의 상에 증착될 수 있다. 또한 다른 증착방법으로는 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 브레이징 및 플레임 스프레이 증착 등이 이용될 수 있다. 바람직하게는, 용사법이 적용된 정전척은 공정시간의 단축 효과가 있다. 엠보부(25)의 재료는 제2유전체층(24)의 재료와 비교할 때 더 우수한 접촉 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 엠보부(25)의 재료는 제2유전체층(24)의 재료 보다 적은 마모성 및 더 많은 유연성을 가질 수 있다. 엠보부(25)를 형성하기 위하여 사용되는 재료는 Y2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, YSZ, YAG 및 AlN 중 어느 하나인 것일 수 있다. 또한 더 우수한 접촉 특성을 갖는 도전체, 절연체 및 반도체를 포함하는 다른 재료가 엠보부(25)를 제조하는데 사용될 수 있다.
한편, 엠보부(25)는 처리대상물과 같은 경도를 갖거나 작은 경도를 갖는 재료로 구성될 수 있다. 종래 기술에 적용된 엠보부(25)의 재료는 처리대상물의 경도보다 높아 공정이 완료된 후 엠보부(25)로부터 처리대상물을 제거하면 처리대상물의 엠보부(25) 접촉부위에 격자얼룩(dimple)이 발생하는 문제점이 있다. 따라서 상술한 재료로 구성되는 엠보부(25)를 정전척에 적용하면 처리대상물의 격자얼룩이 제거되기 때문에 양질의 처리대상물을 얻을 수 있는 효과가 있다.
예를 들어, 엠보부(25)는 처리대상물이 유리 기판일 때, Y2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, YSZ, YAG 및 AlN 중 어느 하나인 것이 적용될 수 있다.
상술한 엠보부(25)의 재질이 적용되면, 처리대상물과 제2유전체층(24) 사이의 공간을 통하여 냉각 가스가 유입되어 처리대상물을 냉각시킬 때에 발생하는 미립자가 처리대상물이나 엠보부(25) 표면으로 접착하는 현상을 감소시키는 효과가 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 플라즈마 처리 시스템의 하부전극에 적용되는 정전척은 냉각 가스 공급 라인(27), 방출 라인(28) 및 도전층(23)과 전기적으로 접속되는 전원장치(29)를 더 포함한다.
냉각 가스 공급 장치(26)에서 발생한 냉각 가스가 공급 라인(27)으로 유입되고 엠보부(25) 사이 공간에서 방출 라인(28)으로 회수되는 방식으로 순환되어 정전척 상에 놓여질 처리대상물, 예컨대 기판을 냉각시키는 역할을 한다. 냉각 가스로는 헬륨(He)을 사용할 수 있다. 따라서, 냉각 가스 공급 및 배출을 원활하게 하여 처리대상물 및 정전척의 온도 상승을 방지함으로써 부품 손상을 방지할 수 있다.
전원장치(29)는 정전척의 베이스(21) 및 제1유전체층(22)을 관통하여 도전층(23)에 전기적으로 연결된다. 전원장치(29)는 도전층(23)으로 DC전원을 공급할 수 있다.
정전척은 처리대상물 테두리 부분을 보호하기 위한 댐을 더 포함할 수 있다.
또한, 정전척 하부에 정전척의 온도 상승 방지를 위해 냉각판(200)이 구비될 수 있다.
여기서, 베이스(21), 제1유전체층(22), 도전층(23), 제2유전체층(24) 및 엠보부(25)에 대해서는 도 1의 설명에 기재한 내용과 동일하다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 플라즈마 처리 시스템은 유도 결합형일 수 있으며, 이는 반응챔버(10), 서셉터(20), 안테나(30), 유전체창(40), 프레임(50), 가스 공급라인(60), 노즐(70), 상부챔버(80) 및 상부덮개(90)를 포함한다.
반응챔버(10)는, 처리대상물에 대해 플라즈마 증착 공정을 수행하기 위한 환경을 조성하고 플라즈마가 생성ㅇ반응되는 공간을 제공한다. 이때, 반응챔버(10)는 사각의 판면 형상을 갖는 처리대상물에 적합하도록 전체적으로 사각 형상을 가질 수 있다. 다만, 본 발명에서 반응챔버(10)의 형상은 플라즈마 처리 대상이 되는 처리대상물의 종류 및 형상에 따라 변경될 수 있다.
서셉터(20)는 반응챔버(10)의 내부 아래쪽에 마련되어 처리대상물을 지지하고, 반응챔버(10) 내에 생성된 플라즈마가 처리대상물의 표면에 충돌할 수 있도록 바이어스 고주파전력을 제공한다. 서셉터(20)는, 처리대상물을 고정시키기 위하여 진공척 또는 정전척을 포함할 수 있다. 바람직하게는 본 발명에서 서셉터는 정전척일 수 있다.
안테나(30)는 고주파전원(미도시)으로부터 고주파전력을 인가받아 반응챔버(10)의 내부에 플라즈마를 생성시키는 전기장을 유도하는 수단으로, 전체적으로 코일 형태의 구조를 갖는다. 본 발명에서 안테나(30)의 형상, 개수 및 배치는 적절하게 선택될 수 있다. 한편, 고주파전원(미도시)으로부터 공급되는 고주파전력은 상부덮개(90)의 상부에 마련된 정합기(31)를 거쳐 상부덮개(90) 내에 배치된 전력인입선(32)을 통해 안테나(30)에 인가된다. 이때, 정합기(31)는 고주파전원(미도시)의 내부임피던스와 고주파전력이 공급되는 경로의 임피던스를 매칭(matching)시킬 수 있다.
한편, 안테나(30)에 고주파전력이 인가되면, 반응챔버(10)의 내부에 플라즈마를 생성시키기 위한 유도전기장이 형성될 뿐만 아니라, 안테나(30) 표면에 고주파 주파수로 양전하와 음전하가 교대로 대전됨에 따라 축전전기장이 형성될 수 있다. 이때, 축전전기장은 플라즈마 초기 방전에 기여하기도 하지만, 스퍼터링(sputtering) 현상에 의해 플라즈마와 안테나(30) 사이에 존재하는 유전체창(40)을 손상시키고, 플라즈마의 균일도를 떨어뜨리는 등의 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
유전체창(40)은 위와 같은 축전전기장으로 인한 부정적인 영향을 방지하는 수단으로, 반응챔버(10)와 안테나(30) 사이에 배치되어 축전전기장을 감소시키고 유도전기장을 플라즈마에 더 효과적으로 전달하도록 하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 유전체창(40)은 안테나(30)와 플라즈마 사이의 용량성(축전성) 결합 성분을 감소시키기 때문에 고주파전력에 의한 에너지를 유도성 결합으로 플라즈마에 더 효과적으로 전달하도록 할 수 있다.
유전체창(40)은 반응챔버(10)의 상부에서 실질적으로 동일한 수평면 상에 구비되며, 원, 타원, 삼각, 사각 중 어느 하나의 형상일 수 있다. 바람직하게는 본 실시예의 유전체창(40)은 사각 형상으로 배치될 수 있다. 또한 유전체창(40)은 하나 이상의 개수로 분할된 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 유전체창(40)은 4분할, 5분할, 6분할, 8분할, 9분할 및 그 이상으로 분할된 것 중 어느 하나인 형태일 수 있다.
프레임(50)은 반응챔버(10)의 측벽 상단에 배치되어 다수개의 유전체창(40)을 지지한다. 프레임(50)은 두 개 이상의 유전체창(40)이 대응 배치되는 두 개 이상의 개구부가 형성될 수 있다. 예를 들면, 유전체창(40)이 4분할인 경우, 프레임(50)도 4개의 개구부가 형성되어 개구부에 유전체창을 결합시켜 지지하는 형태일 수 있다.
또한 프레임(50)의 강도를 보강하도록 적어도 하나의 보강리브(미도시)가 마련될 수 있다. 프레임(50)과 보강리브(미도시) 사이의 결합은 볼트체결 방식 등을 포함하여 다양한 체결 방식이 선택될 수 있다. 또한 프레임(50)은 가스 공급라인(60)으로부터 가스를 공급받기 위해 하나 이상의 홀을 가질 수 있다. 따라서, 홀이 형성된 프레임(50) 상부에 분할된 가스 공급라인(60)이 연결되어 가스를 공급한다.
가스 공급라인(60)은 가스 공급원(미도시)으로부터 공급받은 가스를 노즐(70)로 공급하는 역할을 수행할 수 있다. 이때, 가스 공급라인(60)은 가스 공급원으로부터 챔버의 측벽 내부를 통하여 상부챔버(80)측 프레임(50) 상에 하나 이상 분기되어 배치될 수 있다.
노즐(70)은 반응챔버(10)의 상부에서 처리대상물(미도시)을 향하여 공정가스를 분사하는 수단으로, 유전체창(40)을 지지하는 프레임(50)에 형성된 하나 이상의 구멍에 삽입 설치될 수 있다. 더욱 상세하게는, 각각의 노즐(70)은 외곽 프레임(미도시), 프레임(50)의 가로보(미도시), 세로보(미도시) 및 가로보(미도시)와 세로보(미도시)의 교차 부분에서 각각의 노즐 장착구(미도시)에 결합될 수 있다. 따라서, 반응챔버(10) 내에서 유전체창(40)을 지지하는 프레임(50)에 착탈 가능하게 설치될 수 있는 복수개의 노즐 구비하기 때문에, 균일한 플라즈마 생성이 가능하다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
10 : 반응챔버
20 : 서셉터
21 : 베이스
22 : 제1유전체층
23 : 도전층
24 : 제2유전체층
25 : 엠보부
26 : 냉각 가스 공급 장치
27 : 공급 라인
28 : 방출 라인
29 : 전원장치
30 : 안테나
40 : 유전체창
50 : 프레임
60 : 가스 공급라인
70 : 노즐
80 : 상부챔버
90 : 상부덮개
200 : 냉각판

Claims (8)

  1. 플라즈마 처리 시스템에서 처리대상물을 지지하는 정전척으로서:
    베이스;
    상기 베이스 상에 형성된 제1유전체층;
    상기 제1유전체층 상에 형성된 도전층;
    상기 도전층 상에 형성된 제2유전체층; 및
    상기 제2유전층 상에 형성된 엠보부(emboss);를 포함하고,
    상기 엠보부는 복수개의 돌기를 가짐으로써 상기 제2유전체층의 표면을 요철면이 되도록 하는 것인,
    정전척.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2유전체층은 세라믹 재료로 제조되는 것인 정전척.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 재료는 알루미늄 질화물, 붕소 질화물 또는 도전성 산화물로 도핑된 알루미나인 것인 정전척.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 엠보부는 Y2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, YSZ, YAG 및 AlN 중 어느 하나인 것인,
    정전척.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 엠보부 상에 상기 처리대상물이 지지된 상태에서,
    상기 엠보부의 상기 돌기들 사이의 공간으로 냉각 가스를 공급하는 냉각 가스 공급 라인이 연결되는 것인,
    정전척.
  6. 제5항에 있어서, 상기 냉각 가스는 헬륨(He)인 정전척.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 엠보부는 용사법을 통하여 상기 제2유전체층 상에 형성되는 것인, 정전척.
  8. 제1항에 있어서, 상기 도전층은,
    전원장치와 연결되어 있고,
    상기 전원장치를 통해 DC전원을 공급받는 것인 정전척.
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KR1020140001043A KR20150081505A (ko) 2014-01-06 2014-01-06 플라즈마 처리 시스템의 정전척

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