정전 척에서 웨이퍼를 디척킹하는 장치 및 방법{Apparatus For Dechucking Wafer From Electrical Static Chuck And Method Thereof}

도 1a은 본 발명에 따라 정전 척에서 웨이퍼를 디척킹하는 장치의 구성도이다.

도 1b는 본 발명의 직류 전원 스위칭부의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 전극의 유전율과 인가 전원의 주파수의 관계를 나타내는 도면이다.

도 3a은 본 발명에 따라 직류 전원의 스위칭 시 전압의 크기를 수렴시키는 경우를 나타내는 그래프이다.

도 3b는 본 발명에 따라 직류 전원의 스위칭 시 전압의 크기를 일정하게 유지하는 경우의 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따른 정전 척에서 웨이퍼를 디척킹하는 장치의 제어 블록도이다.

도 5는 본 발명에 따른 직류 전원의 스위칭을 수행한 후 잔류 전하의 성공적인 배출 여부에 따라 검출되는 전압을 나타내는 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따른 정전 척에서 웨이퍼를 디척킹하는 방법을 나타내는 흐름도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

100 : 프로세스 챔버 장치

110 : 상부 전극

130 : 정전 척

131 : 절연 평판

132 : 정전 전극

133 : 하부 전극

160 : 잔류 전하 검출부

170 : 교류전원 공급부

180 : 직류전원 공급부

190 : 직류전원 스위칭부

200 : 웨이퍼

본 발명은 정전 척에서 웨이퍼를 디척킹하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디척킹하기 위해 웨이퍼에 잔류하는 전하를 신속하게 방전할 수 있도록 한 정전 척에서 웨이퍼를 디척킹하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

웨이퍼를 가공하기 위해 수많은 공정을 진행하기 위해서는 웨이퍼를 챔버 내부의 웨이퍼 지지대로 로딩(loading)시켜서 웨이퍼를 가공한 후 외부로 언로 딩(unloading) 시키는 과정을 여러 번 반복하게 된다.

웨이퍼 로딩 단계에서 웨이퍼를 프로세스 챔버 내부의 웨이퍼 지지대에 고정시키기 위하여 전기적인 압전 효과를 이용하여 고정시키는 방법이 널리 사용되고 있다. 이 방법에서는 웨이퍼를 고정시키기 위하여 정전 척(electro-static chuck)을 이용한다. 고정된 웨이퍼를 디척킹 하기 위해 리프트 수단을 이용한다.

웨이퍼를 정전 척 위에 놓고 전압을 정전 전극에 인가하여 정전장(electrostatic field)을 형성한다. 정전장에 의해 클램핑 힘(clamping force)이 형성되고 정전척의 상부표면과 웨이퍼의 간에 완전한 접촉을 이루며 척킹을 이루게 된다.

웨이퍼를 디척킹하는 경우 웨이퍼 상부 공간에 공급하던 플라즈마의 발생을 중단하고 정전 척의 정전 전극에 인가하는 전원 공급도 차단하게 된다. 이에 따라 대전된 전하가 빠져나가서 클램핑 힘이 감소하게 된다. 그러나 클램핑 힘이 감소하기 까지 어느 정도의 전하 배출시간이 필요하게 되므로 웨이퍼와 정전 척이 떨어지지 않는 스틱킹(sticking) 현상이 생긴다.

이러한 스틱킹 상태에서 리프트 수단을 이용하여 웨이퍼를 디척킹한다면 웨이퍼에 무리한 힘을 가하게 되어 웨이퍼에 손상을 가하기 쉽다.

한국 공개특허 10-2005-12133호에는 디척킹 시 발생하는 웨이퍼 손상을 방지하기 위하여 종래 기술에 의한 정전척을 이용한 웨이퍼의 척킹 및 디척킹 방법이 개시되어 있다. 인용된 문헌에서는 웨이퍼를 디척킹 할 경우에 웨이퍼에 방전전극을 접촉시킨 후 웨이퍼를 그라운딩 시켜서 웨이퍼에 손상이 발생하지 않도록 하고 있다.

이와 같은 종래 기술에 따르면 방전전극과 그라운딩을 위한 그라운드 수단을 가지고 있어야 하는 부담이 있을 뿐 아니라, 디척킹하는 시기를 인식하기 위한 방법에 대해서는 개시하고 있지 않다. 이 때문에 웨이퍼에 전하가 상당하게 잔류하는 경우에도 리프트 수단을 작동할 수 있기 때문에 웨이퍼가 손상을 입을 수 있다.

본 발명은 정전 전극에 설정 주파수의 직류 전원을 인가함에 의해 디척킹에 소요되는 시간을 단축할 수 있도록 한 정전 척의 웨이퍼 디척킹 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명은 웨이퍼에 잔류하는 전하를 측정한 결과를 토대로 하여 디척킹을 수행할 시기를 인식할 수 있도록 한 정전 척의 웨이퍼 디척킹 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 웨이퍼를 가공하기 위한 챔버; 상기 챔버 내부에 설치되어 상기 웨이퍼를 척킹 및 지지하는 정전 척; 및 상기 웨이퍼를 디척킹 하는 경우 상기 정전 척에 직류 전원을 스위칭하여 공급하는 직류 전원 스위칭부를 포함한다.

상기 직류 전원 스위칭부는 상기 직류 전원을 형성하기 위하여 음 전압과 양 전압을 교대로 공급하기 위한 복수의 스위치와 전지를 구비하며, 상기 직류 전원의 주파수를 가정 주파수로 설정한다.

상기 직류 전원 스위칭부는 상기 직류 전원의 전압의 크기를 수렴시키면서 스위칭하거나 또는 상기 직류 전원의 스위칭 시 전압의 크기를 일정하게 유지하여 스위칭한다.

상기 정전 척에 내부에 마련되어 상기 웨이퍼에 잔류하는 전하를 측정하는 잔류 전하 검출부; 상기 잔류 전하 검출부에 의해 검출한 잔류 전하에 따라 상기 웨이퍼의 디척킹 시기를 인식하는 제어부를 더 포함한다.

상기 잔류 전하 검출부는 상기 정전 척의 형성된 설치홈 내부에 설치하는 표면전위 센서, 상기 설치홈의 일단을 밀봉하는 밀봉부재를 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 웨이퍼를 정전 척 위에 올려 놓는 단계; 상기 정전 척에 직류전원을 인가하여 상기 웨이퍼를 척킹하는 단계; 척킹된 웨이퍼를 가공하는 단계; 가공을 완료한 상기 웨이퍼에 잔류하는 전하를 방전하기 위해 상기 정전 척에 직류 전원을 스위칭하여 공급하는 단계; 리프트 수단을 이용하여 상기 웨이퍼를 디척킹하는 단계를 포함한다.

상기 직류 전원을 스위칭하는 단계는 상기 정전 척에 설치되는 표면전위 센서를 이용하여 상기 웨이퍼에 잔류하는 전하를 측정하는 단계; 상기 잔류 전하의 측정 결과를 토대로 상기 웨이퍼의 디척킹 시기를 판단한다.

상기 잔류 전하의 측정 결과 상기 웨이퍼의 디척킹 시기가 아니면 상기 정전 척에 직류 전원을 스위칭하여 공급하는 단계를 반복한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1a에 도시한 바와 같이, 본 발명에 적용하는 프로세스 챔버 장치(100)는 상벽에 상부 전극(110)을 구비한 밀폐된 챔버(101)를 구비한다. 챔버 측벽에는 가스 주입구(121)와 가스 배출구(122)를 형성한다. 가스 주입구에는 웨이퍼(200) 가공 시 필요한 반응가스 및 플라즈마 소스 가스 등이 주입되며, 가스 배출구는 웨이퍼(200) 가공 공정이 끝난 후 폐가스가 배기되는 통로이다. 가스 주입구로 주입되는 플라즈마 소스 가스는 상부 전극(110)에 인가되는 전원에 의해 반응되어 플라즈마가 형성된다.

챔버 내부의 하단에는 정전 척 받침대(150), 그 받침대 위에 있는 정전 척(130) 및 그 내부에 설치된 리프트 수단(140)이 마련되어 있다.

정전 척 받침대(150)은 내부에 리프트 수단이 설치 가능하도록 공간을 마련하고 있고 정전 척(130)을 떠받치고 있다.

정전 척(130)은 하부 전극(133), 하부 전극의 상부에 있는 절연 평판(131), 절연 평판의 내부에 설치되는 정전 전극(132)을 구비한다.

리프트 수단(140)은 정전 척(130)을 관통하여 형성된 다수의 홀에서 상하 운동을 하는 다수개의 리프트 핀(141), 정전 척 받침대(150) 내부에서 리프트 핀(141)을 떠받치는 리프트 받침대(142), 리프트 받침대(142)와 모터(144)를 연결시키는 연결축(143) 및 연결축(143)에 동력이 전달되도록 리프팅 동력을 발생시키는 모터(144)를 포함한다.

교류 전원 공급부(170)는 하부 전극(133)에 연결되어 교류 전원(RF Power)을 공급한다. 여기서 하부 전극(133)에 일정한 전압 및 전류로 필터링한 교류 전원을 인가하기 위하여 교류 전원 공급부(170)의 출력측에 RF 매치필터(Radio Frequency match filter)를 추가로 구비할 수 있다.

직류 전원 공급부(180)는 정전 전극(132)의 일단에 연결되어 직류 전원을 공급한다. 직류 전원 공급부(180)와 정전 전극(132)의 사이에 제1스위치(181)가 직렬 연결된다. 웨이퍼(200)를 척킹하는 경우 제1스위치(181)를 온 시켜 직류 전원이 공급되게 하고 디척킹하는 경우 제1스위치(181)를 오프시켜 직류 전원이 차단되게 한다.

정전 전극(132)의 재질로서 텅스텐이 그 하나의 예이다. 정전 전극은 계면 분극의 성질을 가지고 있어서 전원 인가 시 대전되며 전원 차단 시 대전 전하가 소진된다. 정전 전극의 유전율은 인가되는 전원의 주파수에 따라 변화하게 되며, 도 2에 도시한 바와 같이, 인가 전원의 주파수가 설정 주파수(fa)일 때 전극의 유전율이 급격히 감소하게 된다. 여기서 설정 주파수의 직류 전원을 인가하는 경우 전극의 유전 손실율이 가장 크다. 따라서 전극에 인가되는 전원을 차단하여도 일부 남아 있는 잔류 전하를 빠른 시간 안에 배출시키기 위해서는 전원을 스위칭하여 설정 주파수의 전원을 인가하는 것이 요구된다. 여기서 설정 주파수는 가청 주파수(16Hz~20kHz) 내에서 정하도록 한다.

직류 전원 스위칭부(190)는 정전 전극(132)의 일단에 연결되어 남아 있는 전하를 신속하게 방전시키기 위하여 직류 전원을 스위칭하여 공급한다. 직류 전원 스위칭부(190)와 정전 전극(132) 사이에 제2스위치(191)가 연결된다. 제2스위치(191)의 작동에 따라 정전 전극에 스위칭되는 직류 전원이 공급 또는 차단된다.

직류 전원 스위칭부(190)는 도 1b에 도시한 바와 같이, 제3스위치(192)와 제 3스위치를 통하여 정전 전극(132)에 음 전압를 제공하기 위한 제1전지(Vc), 제4스위치(193)와 제4스위치를 통하여 정전 전극(132)에 양 전압을 제공하기 위한 제2전지(Va)를 구비한다.

제3스위치(192)와 제1전지(Vc)는 상호 직렬 연결되어 있고 제4스위치(193)와 제2전지(Va)는 상호 직렬 연결된다. 제3스위치(192) 및 제1전지(Vc)는 제4스위치(193) 및 제2전지(Va)에 대해 병렬 연결되고, 제3스위치(192) 및 제4스위치(193)의 일단은 제2스위치(191)에 연결되어 있다.

제2스위치(192)를 온 상태에서, 제3스위치(192) 및 제4스위치(193)를 교대로 스위칭하면 가청 주파수의 직류 전원을 정전 전극에 인가할 수 있다. 예를 들어 도 3a에 도시한 바와 같이 제3스위치(192)를 오프시킴과 동시에 제4스위치(193)를 온 시켜서 제2전지(Va)의 양의 전압을 인가하고, 이후 제4스위치(193)를 오프시킴과 동시에 제3스위치(192)를 온 시켜서 제1전지(Vc)의 음의 전압을 인가시키는 동작을 반복한다. 이때 교대로 인가하는 양의 전압과 음의 전압의 크기를 단계적으로 줄여 나가서 일정한 음의 전압(V1-)에 수렴하게 할 수 있다.

정전 전극에 인가하는 직류 전원을 스위칭함으로서 정전 전극에 남아 있는 전하를 빠른 시간 안에 배출할 수 있게 된다.

직류 전원을 스위칭하는 또 다른 방법으로서 도 3b에 도시한 바와 같이 제2스위치(192) 온 상태에서, 제3스위치(192)만을 온과 오프를 반복하여 설정 주파수의 직류 전원을 정전 전극에 인가할 수 있다. 도 3b에 도시한 바와 같이 제4스위치(193)를 오프시킴과 동시에 제3스위치(192)를 온 시켜서 제1전지(Vc)의 음 전 압(V2-)을 인가하고, 이후 제3스위치(192) 및 제4스위치(193)를 오프시켜 0 전압을 인가시키는 동작을 반복하여 일정 크기의 음 전압을 인가할 수 있다.

다시 도 1을 참고하면, 잔류 전하 검출부(160)는 정전 척 내부에 마련되는 설치홈(161)과 그 설치홈 내부에 고정되어 웨이퍼(200)에 잔류하는 전하를 측정하는 표면 전위센서(162), 표면 전위 센서(162) 위에 설치되어 설치홈(161)의 일측을 밀봉하는 밀봉부재(163)를 포함한다. 측정의 신뢰도를 높이기 위하여 잔류 전하 검출부를 다수 개 설치하고, 이들 검출부에 의해 검출되는 값을 평균할 수 있다. 밀봉 부재(163)의 상부는 절연 평판의 상부 위로 돌출되거나 아래로 함몰되지 않고 나란하게 형성되도록 한다. 밀봉부재(163)는 절연물질로 만들며, 그 하나의 예가 사파이어이다.

잔류 전하 검출부(160)의 표면 전위센서(162)는 웨이퍼에 잔류하는 전하에 상응하는 전압을 출력한다. 이에 따라 잔류 전하 검출부(160)를 통하여 측정한 결과를 토대로 하여 디척킹 시기를 인식할 수 있다.

도 4를 참고하면, 본 발명은 전반적인 동작을 제어하는 제어부(220)와 제어부(220)에 의해 제어되는 제1 내지 제4스위치(181)(191)(192)(193), 교류전원 공급부(170), 및 리프트 수단(140)의 모터(144)를 구동하기 위한 모터구동부(145)를 포함한다.

또 본 발명은 상용 교류전원(AC)를 인가받아 센서 구동에 필요한 직류 전원으로 변환하여 출력하는 직류 변환부(210), 직류 변환부(210)로부터 직류 전원에 의해 구동되어 웨이퍼의 하부에 잔류하는 전하에 상응하는 전압을 각각 출력하는 복수의 검출부(160-1)(160-2)를 구비한 잔류 전하 검출부(160)를 구비한다. 복수의 검출부(160-1)(160-2)는 설치홈(161)에 마련되는 표면전위센서(162)를 각각 구비한다.

제어부(220)는 잔류 전하 검출부(160)를 통하여 검출한 전압에 따라 웨이퍼의 잔류 전하를 판단함으로써 디척킹의 시기를 인식할 수 있다.

이를 구체적으로 설명한다. 도 5를 참고하면, 척킹 이전 잔류 전하 검출부(160)는 직류 변환부(210)의 직류 전원을 인가받아 일정 전압(V1+)을 출력한다. 척킹하는 시기(t1)에 제1스위치(181)를 온시켜 정전 전극에 직류 전원을 공급하는 경우 잔류 전하 검출부(160)에 의해 측정되는 전압은 웨이퍼(200)의 하부에 대전된 음전하에 의해 일정 전압(V1+) 보다 낮아지게 된다.

척킹 완료 시기(t2)에서 상부전극과 하부 전극에 인가하는 전원을 차단하고, 제1스위치(181)를 오프시켜 정전 전극에 인가하는 직류 전원을 차단하게 되면 대전 전하가 정전 척에서 빠져 나가고 웨이퍼의 하부에 잔류하는 전하가 감소한다.

그런 다음 직류전원 스위칭부(190)에서 설정 주파수의 직류 전원을 정전 척(132)에 인가하여 잔류하는 대전 전하를 배출시키게 한다. 이때 설정 주파수의 직류 전원에 의해 잔류 전하의 방전이 성공적으로 수행되는 경우 대전 전하가 거의 빠져나가서 분극이 양호하게 되는 상태가 되면 잔류 전하 검출부(160)를 통해 검출되는 전압이 일정 전압(V1+)에 상응하게 나타나지만(S1 참고), 잔류 전하의 방전이 완전하게 이루어지지 않아서 대전 전하가 잔류하고 있다고 하면 분극이 완전하게 되지 않은 상태로서 잔류 전하 검출부(160)를 통해 검출되는 전압은 일정 전 압(V1+)보다 낮은 전압으로 나타나게 된다(S2 참고).

잔류 전하의 방전이 성공적으로 수행되었는지 여부는 복수 검출부(160-1)(160-2)의 출력을 평균하여 얻은 값과 사전 설정한 기준값을 비교하여 그 비교결과에 따라 결정하도록 한다.

잔류 전하의 방전이 완전하게 이루어지지 않은 경우에는 직류 전원 스위칭부(190)를 이용하여 설정 주파수의 직류 전원을 공급하는 동작을 반복하도록 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 정전 척에서 웨이퍼를 디척킹하는 방법이 도 6에 도시되어 있다.

먼저, 챔버(101) 안에 정전 척 받침대(150)에 지지되는 정전 척(130) 위에 웨이퍼(200)를 올려 놓는다(300).

챔버의 상부전극(110)과 하부전극(133)에 전원을 인가하고 아울러 제1스위치(181)를 온시켜 직류 전원 공급부(180)으로부터 직류 전원을 정전 전극(132)에 인가한다. 이에 따라 정전장을 형성한다. 정전장에 의해 클램핑 힘이 형성되고 정전척의 상부표면과 웨이퍼 간에 완전한 접촉을 이루며 척킹을 이루게 된다(302).

그런 다음 웨이퍼를 가공하고(304), 웨이퍼 가공을 마치면 상부전극(110)과 하부전극(133)에 인가하는 전원 공급을 중단하고 제1스위치(181)를 오프하여 정전 척(132)에 인가하는 직류 전원을 차단한다(306).

그런 다음 웨이퍼에 잔류하는 전하를 방전시키기 위하여 제2 스위치(191)를 온 상태에서 제3스위치(192) 및 제4스위치(193)를 교대로 작동하여 정전 척(132)에 설정 주파수의 직류 전원을 인가한다(308).

직류 전원을 스위칭하여 정전 전극에 인가하는 동안 잔류 전하 검출부(160)를 통하여 검출한 전압에 기초하여 잔류 전하가 기준값 이하인지 판단하고(312), 그 판단 결과 잔류 전하가 기준값 이하가 아니면 설정 주파수의 직류 전원을 인가하는 동작을 반복하기 위해 동작 308로 진행한다.

동작 312의 판단 결과 잔류 전하가 기준값 이하이면 직류 전원의 스위칭 하는 동작을 중단한다(314).

그런 다음 모터구동부(145)를 제어하여 모터(144)를 구동함으로서 리프트 핀(141)를 이용하여 웨이퍼(200)를 디척킹한다(316).

이상과 같이 본 발명은 웨이퍼를 가공한 후 잔류하는 전하를 신속하게 방전시킬 수 있어 디척킹에 소요되는 작업 시간을 단축할 수 있고, 잔류 전하 검출부를 이용하여 디척킹의 수행 시기를 정확하게 인식할 수 있어서 디척킹 시 발생하는 웨이퍼의 손상을 미연에 방지할 수 있다.