KR102818096B1 - 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판의 온도를 가변적으로 조절할 수 있는 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법을 제공하고자 한다. 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치는, 기판을 하부에서 지지하는 정전척과, 상기 정전척에 구비되며, 상기 정전척의 가장자리 영역에서 원주 방향을 따라 배치된 복수개의 가열 영역을 갖는 제1 히터와, 상기 정전척에서 상기 제1 히터에 적어도 일부가 중첩되도록 배치되며, 상기 정전척의 중심부로부터 방사상으로 배치된 복수개의 가열 영역을 갖는 제2 히터와, 상기 제1 히터 및 상기 제2 히터를 병렬적으로 제어하는 제어기를 포함한다. 상기 제어기는, 개방 루프 제어 방식에 따라 상기 제1 히터의 출력을 제어하고, 폐쇄 루프 제어 방식에 따라 상기 제2 히터의 출력을 제어한다.

Description

기판 처리 장치 및 기판 처리 방법{SUBSTRTE PROCESSING APPARATUS AND SUBSTRATE PROCESSING METHOD}

본 발명은 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 관한 것이다.

반도체 제조 공정은 기판(예: 웨이퍼) 상에 반도체 소자를 제조하기 위한 공정으로서, 예를 들어 노광, 증착, 식각, 이온 주입, 세정 등을 포함한다. 각각의 제조 공정을 수행하기 위하여, 반도체 제조 공장의 클린룸 내에 각 공정을 수행하는 반도체 제조 설비들이 구비되며, 반도체 제조 설비에 투입된 기판에 대한 공정 처리가 수행된다.

반도체 제조 과정에 있어서 플라즈마를 이용한 공정, 예를 들어 식각, 증착 등이 널리 사용되고 있다. 플라즈마 처리 공정은 플라즈마 처리 공간에서 기판이 하부에 안착되고, 플라즈마 처리를 위한 가스의 공급과 함께 상부에 위치한 안테나에 의해 전압이 인가됨으로써 수행된다.

플라즈마 처리에 있어, 플랒즈마 밀도 등의 공정 요소는 온도에 영향을 받으며, 온도의 제어를 위하여 히터 및 쿨러가 기판 처리 장치에 구비된다. 한편, 기판의 처리 과정에서 기판의 분할된 영역별로 온도를 제어하기 위한 멀티존 히터가 제공되고 있다.

특허공개공보 제10-2022-0024515호 특허공개공보 제10-2017-0114545호 등록특허공보 제10-1841378호

본 발명은 기판의 온도를 가변적으로 조절할 수 있는 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치는, 기판을 하부에서 지지하는 정전척; 상기 정전척에 구비되며, 상기 정전척의 가장자리 영역에서 원주 방향을 따라 배치된 복수개의 가열 영역을 갖는 제1 히터; 상기 정전척에서 상기 제1 히터에 적어도 일부가 중첩되도록 배치되며, 상기 정전척의 중심부로부터 방사상으로 배치된 복수개의 가열 영역을 갖는 제2 히터; 및 상기 제1 히터 및 상기 제2 히터를 병렬적으로 제어하는 제어기를 포함한다. 상기 제어기는, 개방 루프 제어 방식에 따라 상기 제1 히터의 출력을 제어하고, 폐쇄 루프 제어 방식에 따라 상기 제2 히터의 출력을 제어한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제어기는, 상기 기판의 플라즈마 처리 이전에 센서 웨이퍼에 구비된 온도 센서에 의해 측정되는 온도 데이터에 따라 상기 제1 히터의 출력을 설정하고, 상기 플라즈마 처리 동안에 광학 온도 센서에 의해 측정되는 상기 기판의 온도 데이터에 따라 상기 제2 히터의 출력을 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제어기는 상기 제1 히터의 각 가열 영역에 대하여 입력된 목표 온도 값에 대응하는 출력 값을 독립적으로 결정하고, 결정된 상기 출력 값에 주변 가열 영역의 온도 번짐 효과에 따른 열 손실 값을 상쇄함으로써 최종 출력 값을 결정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 열 손실 값은, 상기 가열 영역 사이의 열 확산 계수, 상기 가열 영역 사이의 거리, 및 상기 가열 영역의 크기에 기반하여 결정될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 히터의 각 가열 영역별 목표 온도는 임계 치수(CD: critical dimension) 분포에 따라 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 기판 처리 장치는, 플라즈마 처리 공간을 제공하는 하우징과, 상기 하우징의 내부 하측 영역에 설치되는 기판 지지 유닛과, 상기 하우징의 내부 공간에 플라즈마를 발생시키기 위한 상부 전원 및 하부 전원을 포함하는 플라즈마 생성 유닛과, 상기 하우징의 내부 상측 영역에 위치하고, 상기 상부 전원에 전기적으로 연결되어 상기 하우징의 내부에 전기장 및 자기장을 생성하는 안테나를 포함한다.

상기 기판 지지 유닛은, 기판을 하부에서 지지하며, 상기 하부 전원에 연결되는 정전척과, 상기 정전척에 구비되며, 상기 정전척의 가장자리 영역에서 원주 방향을 따라 배치된 복수개의 가열 영역을 갖는 제1 히터와, 상기 정전척에서 상기 제1 히터에 적어도 일부가 중첩되도록 배치되며, 상기 정전척의 중심부로부터 방사상으로 배치된 복수개의 가열 영역을 갖는 제2 히터와, 상기 제1 히터 및 상기 제2 히터를 병렬적으로 제어하는 제어기를 포함한다. 본 발명에 따른 기판 처리 장치에 의해 수행되는 기판 처리 방법은, 개방 루프 제어 방식에 따라 상기 제1 히터의 출력을 제어하는 단계; 및 폐쇄 루프 제어 방식에 따라 상기 제2 히터의 출력을 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 개방 루프 제어 방식에 따라 제어되는 제1 히터 및 폐쇄 루프 제어 방식에 따라 제어되는 제2 히터를 통해 기판의 온도를 가변적으로 조절하고, 이에 따라 공정 구현할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 기판 처리 장치의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 제1 히터의 구조 및 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 제2 히터의 구조 및 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 기판 처리 장치에서 센서 웨이퍼가 안착된 상태를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 기판 처리 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 제1 히터의 출력을 제어하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 가열 영역별 출력 값을 설정하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 기판의 임계 치수 분포 및 임계 치수 분포에 따른 온도 설정 변화를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적인 실시예에서만 설명하고, 그 외의 다른 실시예에서는 대표적인 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(또는 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 결합)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(또는 결합)"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 기판 처리 장치의 구조를 개략적으로 도시한다. 도 1은 본 발명에 따른 기판 처리 장치(10)로서 플라즈마 처리 챔버의 구조를 도시하며, 도 2는 본 발명에 따른 기판 처리 장치(10)의 구조를 도시한다.

도 1을 참조하면, 기판 처리 장치(10)는 하우징(110), 기판 지지 유닛(120), 플라즈마 생성 유닛(130), 샤워 헤드 유닛(140), 제1 가스 공급 유닛(150), 제2 가스 공급 유닛(160), 월 라이너 유닛(170), 배플 유닛(180) 및 상부 모듈(190)을 포함하여 구성될 수 있다.

기판 처리 장치(10)는 진공 환경에서 식각 공정(예를 들어, 건식 식각 공정(dry etching process))을 이용하여 기판(W)(예를 들어, 웨이퍼(wafer))을 처리한다. 기판 처리 장치(10)는 예를 들어, 플라즈마 공정(plasma process)을 이용하여 기판(W)을 처리할 수 있다.

하우징(110)은 플라즈마 공정이 수행되는 플라즈마 처리 공간을 제공하는 것이다. 이러한 하우징(110)은 그 하부에 배기 홀(111)을 구비할 수 있다. 배기 홀(111)은 펌프(112)가 장착된 배기 라인(113)과 연결될 수 있다. 이러한 배기 홀(111)은 배기 라인(113)을 통해 플라즈마 공정 과정에서 발생된 반응 부산물과 하우징(110)의 내부에 잔여하는 가스를 하우징(110)의 외부로 배출할 수 있다. 이 경우, 하우징(110)의 내부 공간(플라즈마 처리 공간)은 소정의 압력으로 감압될 수 있다.

하우징(110)은 그 측벽에 개구부(114)가 형성될 수 있다. 개구부(114)는 하우징(110)의 내부로 기판(W)이 출입하는 통로로서 기능할 수 있다. 이러한 개구부(114)는 도어 어셈블리(115)에 의해 개폐되도록 구성될 수 있다.

도어 어셈블리(115)는 외측 도어(115a) 및 도어 구동기(115b)를 포함하여 구성될 수 있다. 외측 도어(115a)는 하우징(110)의 외벽에 제공되는 것이다. 이러한 외측 도어(115a)는 도어 구동기(115b)를 통해 상하 방향(Z 방향)으로 이동될 수 있다. 도어 구동기(115b)는 모터, 유압 실린더, 공압 실린더 등을 이용하여 작동할 수 있다.

기판 지지 유닛(120)은 하우징(110)의 내부 하측 영역에 설치되는 것이다. 이러한 기판 지지 유닛(120)은 정전기력을 이용하여 기판(W)을 지지할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 기판 지지 유닛(120)은 기계적 클램핑(mechanical clamping), 진공(vacuum) 등과 같은 다양한 방식으로 기판(W)을 지지하는 것도 가능하다.

기판 지지 유닛(120)은 정전기력을 이용하여 기판(W)을 지지하는 경우, 척 바디(121)와 정전척(100)을 포함할 수 있다.

척 바디(121)는 정전척(100)을 하부에서 지지한다. 척 바디(121)는 예를 들어, 알루미늄 성분을 소재로 하여 제작되어 알루미늄 베이스 플레이트(Al base plate)로 제공될 수 있다.

정전척(100)은 정전기력을 이용하여 그 상부에 안착되는 기판(W)을 지지하는 것이다. 이러한 정전척(100)은 세라믹 성분을 소재로 하여 제작되어 세라믹 플레이트(ceramic plate) 또는 세라믹 퍽(ceramic puck)으로 제공될 수 있으며, 척 바디(121) 상에 고정되도록 척 바디(121)와 결합될 수 있다.

척 바디(121)와 그 위에 형성되는 정전척(100) 사이에는 접합층(bonding layer)이 형성될 수 있으며, 접합층을 보호하기 위해 그 외곽에는 보호층이 설치될 수 있다.

정전척(100)은 구동 부재(미도시)를 이용하여 하우징(110)의 내부에서 상하 방향(Z 방향)으로 이동 가능하게 설치될 수도 있다. 정전척(100)은 이와 같이 상하 방향으로 이동 가능하게 형성되는 경우, 기판(W)을 보다 균일한 플라즈마 분포를 나타내는 영역에 위치시키는 것이 가능해질 수 있다. 정전척(100)의 내부에는 하부 전극(127)이 구비되어 기판 처리 장치(10)의 처리 공간에 플라즈마를 형성할 수 있다. 하부전극(127)은 도 1의 도시와 같이 정전척(100) 내부에 매립될 수 있다. 또는, 하부전극(127)은 정전척(100)에 매립되지 않고 정전척(100) 하부에 배치된 냉각플레이트가 하부전극으로서 동작할 수 있다.

링 어셈블리(123)는 정전척(100)의 테두리를 감싸도록 제공되는 것이다. 이러한 링 어셈블리(123)는 링 형상으로 제공되어, 기판(W)의 테두리 영역을 지지하도록 구성될 수 있다. 링 어셈블리(123)는 포커스 링(123a) 및 절연 링(123b)을 포함하여 구성될 수 있다.

포커스 링(123a)은 절연 링(123b)의 내측에 형성되며, 정전척(100)을 감싸도록 제공된다. 이러한 포커스 링(123a)은 실리콘 재질로 제공될 수 있으며, 플라즈마를 기판(W)으로 집중시킬 수 있다.

절연 링(123b)은 포커스 링(123a)의 외측에 형성되며, 포커스 링(123a)을 감싸도록 제공된다. 이러한 절연 링(123b)은 쿼츠(quartz) 재질로 제공될 수 있다.

한편, 링 어셈블리(123)는 포커스 링(123a)의 테두리에 밀착 형성되는 에지 링(edge ring)(미도시)을 더 포함할 수 있다. 에지 링은 플라즈마에 의해 정전척(100)의 측면이 손상되는 것을 방지하기 위해 형성될 수 있다.

제1 가스 공급 유닛(150)은 링 어셈블리(123)의 상부나 정전척(100)의 테두리 부분에 잔류하는 이물질을 제거하기 위해 제1 가스를 공급하는 것이다. 이러한 제1 가스 공급 유닛(150)은 제1 가스 공급원(151) 및 제1 가스 공급 라인(152)을 포함하여 구성될 수 있다. 제1 가스는 불활성 가스(예를 들어, He)일 수 있다. 제1 가스는 열전달 가스로서 정전척(100)과 기판 이면 사이에 제공될 수 있다.

제1 가스 공급원(151)은 제1 가스로 질소 가스(N2 gas)를 공급할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 가스 공급원(151)은 다른 가스나 세정제 등을 공급하는 것도 가능하다.

제1 가스 공급 라인(152)은 정전척(100)과 링 어셈블리(123) 사이에 제공되는 것이다. 제1 가스 공급 라인(152)은 예를 들어, 정전척(100)과 포커스 링(123a) 사이로 연결되도록 형성될 수 있다.

한편, 제1 가스 공급 라인(152)은 포커스 링(123a)의 내부에 제공되어, 정전척(100)과 포커스 링(123a) 사이로 연결되도록 절곡되도록 형성되는 것도 가능하다.

제1 히터(200), 제2 히터(300), 및 냉각 부재(125)는 하우징(110)의 내부에서 식각 공정이 진행되고 있을 때에 기판(W)이 공정 온도를 유지할 수 있도록 제공되는 것이다. 제1 히터(200), 제2 히터(300)는 이를 위해 열선으로 제공될 수 있으며, 냉각 부재(125)는 이를 위해 냉매가 흐르는 냉각 라인으로 제공될 수 있다.

제1 히터(200), 제2 히터(300) 및 냉각 부재(125)는 기판(W)이 공정 온도를 유지할 수 있도록 하기 위해 정전척(100)의 내부에 설치될 수 있다. 일례로, 제1 히터(200), 제2 히터(300)는 정전척(100)의 내부에 설치될 수 있으며, 냉각 부재(125)는 척 바디(121)의 내부에 설치될 수 있다.

한편, 냉각 부재(125)는 칠러(126)를 이용하여 냉매를 공급받을 수 있다. 칠러(126)는 하우징(110)의 외부에 설치될 수 있다.

플라즈마 생성 유닛(130)은 방전 공간에 잔류하는 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 것이다. 여기서, 방전 공간은 하우징(110)의 내부 공간 중에서 정전척(100)의 상부에 위치하는 공간을 의미한다.

플라즈마 생성 유닛(130)은 유도 결합형 플라즈마(ICP; Inductively Coupled Plasma) 소스를 이용하여 하우징(110) 내부의 방전 공간에 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 이 경우, 플라즈마 생성 유닛(130)은 상부 모듈(190)에 설치되는 안테나(193)와 정전척(100)의 하부 전극(127)을 사용하여 플라즈마를 형성하기 위한 전압을 인가할 수 있다.

그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 플라즈마 생성 유닛(130)은 용량 결합형 플라즈마(CCP; Capacitively Coupled Plasma) 소스를 이용하여 하우징(110) 내부의 방전 공간에 플라즈마를 발생시키는 것도 가능하다.

플라즈마 생성 유닛(130)은 상부 전원(131) 및 하부 전원(133)을 포함하여 구성될 수 있다.

상부 전원(131)은 상부 전극, 즉 안테나(193)에 전력을 인가하는 것이다. 이러한 상부 전원(131)은 플라즈마의 특성을 제어하도록 제공될 수 있다. 상부 전원(131)은 예를 들어, 이온 충격 에너지(ion bombardment energy)를 조절하도록 제공될 수 있다.

상부 전원(131)은 도 1에 단일 개 도시되어 있지만, 본 실시예에서 복수 개 구비되는 것도 가능하다. 상부 전원(131)이 복수 개 구비되는 경우, 기판 처리 장치(10)는 복수 개의 상부 전원과 전기적으로 연결되는 제1 매칭 네트워크(미도시)를 더 포함할 수 있다.

제1 매칭 네트워크는 각각의 상부 전원으로부터 입력되는 상이한 크기의 주파수 전력들을 매칭하여 안테나(193)에 인가할 수 있다.

한편, 상부 전원(131)과 안테나(193)를 연결하는 제1 전송 선로(132) 상에는 임피던스 정합을 목적으로 제1 임피던스 정합 회로(미도시)가 마련될 수 있다.

제1 임피던스 정합 회로는 무손실 수동 회로로 작용하여 상부 전원(131)으로부터 안테나(193)로 전기 에너지가 효과적으로(즉, 최대로) 전달되도록 할 수 있다.

하부 전원(133)은 하부 전극, 즉 정전척(100)에 전력을 인가하는 것이다. 이러한 하부 전원(133)은 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 소스 역할을 하거나, 상부 전원(131)과 더불어 플라즈마의 특성을 제어하는 역할을 할 수 있다.

하부 전원(133)은 도 1에 단일 개 도시되어 있지만, 상부 전원(131)과 마찬가지로 본 실시예에서 복수 개 구비되는 것도 가능하다. 하부 전원(133)이 복수 개 구비되는 경우, 복수 개의 하부 전원과 전기적으로 연결되는 제2 매칭 네트워크(미도시)를 더 포함할 수 있다.

제2 매칭 네트워크는 각각의 하부 전원으로부터 입력되는 상이한 크기의 주파수 전력들을 매칭하여 정전척(100)에 인가할 수 있다.

한편, 하부 전원(133)과 정전척(100)을 연결하는 제2 전송 선로(134) 상에는 임피던스 정합을 목적으로 제2 임피던스 정합 회로(미도시)가 마련될 수 있다.

제2 임피던스 정합 회로는 제1 임피던스 정합 회로와 마찬가지로 무손실 수동 회로로 작용하여 하부 전원(133)으로부터 정전척(100)으로 전기 에너지가 효과적으로(즉, 최대로) 전달되도록 할 수 있다.

샤워 헤드 유닛(140)은 정전척(100)과 하우징(110)의 내부에서 상하로 대향되도록 설치될 수 있다. 이러한 샤워 헤드 유닛(140)은 하우징(110)의 내부로 가스를 분사하기 위해 복수 개의 가스 분사 홀(141)을 구비할 수 있으며, 정전척(100)보다 더 큰 직경을 가지도록 제공될 수 있다. 샤워헤드(140)가 예시적으로 도시되었으나, 샤워헤드 대신에 챔버 상부를 밀폐하는 윈도우(191)의 중심부에 가스 공급 노즐이 배치될 수도 있다.

한편, 샤워 헤드 유닛(140)은 실리콘 성분을 소재로 하여 제작될 수 있으며, 금속 성분을 소재로 하여 제작되는 것도 가능하다.

제2 가스 공급 유닛(160)은 샤워 헤드 유닛(140)을 통해 하우징(110)의 내부로 공정 가스(제2 가스)를 공급하는 것이다. 이러한 제2 가스 공급 유닛(160)은 제2 가스 공급원(161) 및 제2 가스 공급 라인(162)을 포함할 수 있다.

제2 가스 공급원(161)은 기판(W)을 처리하는 데에 이용되는 에칭 가스(etching gas)를 공정 가스로 공급하는 것이다. 이러한 제2 가스 공급원(161)은 에칭 가스로 불소(fluorine) 성분을 포함하는 가스(예를 들어, SF6, CF4 등의 가스)를 공급할 수 있다.

제2 가스 공급원(161)은 단일 개 구비되어 에칭 가스를 샤워 헤드 유닛(140)으로 공급할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 가스 공급원(161)은 복수 개 구비되어 공정 가스를 샤워 헤드 유닛(140)으로 공급하는 것도 가능하다.

제2 가스 공급 라인(162)은 제2 가스 공급원(161)과 샤워 헤드 유닛(140)을 연결하는 것이다. 제2 가스 공급 라인(162)은 제2 가스 공급원(161)을 통해 공급되는 공정 가스를 샤워 헤드 유닛(140)으로 이송하여, 에칭 가스가 하우징(110)의 내부로 유입될 수 있도록 한다.

한편, 샤워 헤드 유닛(140)이 센터 영역(center zone), 미들 영역(middle zone), 에지 영역(edge zone) 등으로 분할되는 경우, 제2 가스 공급 유닛(160)은 샤워 헤드 유닛(140)의 각 영역으로 공정 가스를 공급하기 위해 가스 분배기(미도시)와 가스 분배 라인(미도시)을 더 포함할 수 있다.

가스 분배기는 제2 가스 공급원(161)으로부터 공급되는 공정 가스를 샤워 헤드 유닛(140)의 각 영역으로 분배하는 것이다. 이러한 가스 분배기는 제2 가스 공급 라인(162)을 통해 제2 가스 공급원(161)과 연결될 수 있다.

가스 분배 라인은 가스 분배기와 샤워 헤드 유닛(140)의 각 영역을 연결하는 것이다. 가스 분배 라인은 이를 통해 가스 분배기에 의해 분배된 공정 가스를 샤워 헤드 유닛(140)의 각 영역으로 이송할 수 있다.

한편, 제2 가스 공급 유닛(160)은 증착 가스(deposition gas)를 공급하는 제3 가스 공급원(미도시)을 더 포함하는 것도 가능하다.

제3 가스 공급원은 기판(W) 패턴의 측면을 보호하여 이방성 에칭이 가능해지도록 샤워 헤드 유닛(140)으로 공급하는 것이다. 이러한 제2 가스 공급원은 C4F8, C2F4 등의 가스를 증착 가스로 공급할 수 있다.

월 라이너 유닛(170)은 공정 가스가 여기되는 과정에서 발생되는 아크 방전, 기판 처리 공정 중에 발생되는 불순물 등으로부터 하우징(110)의 내측면을 보호하기 위한 것이다. 이러한 월 라이너 유닛(170)은 하우징(110)의 내부에 상부와 하부가 각각 개방된 원통 형상으로 제공될 수 있다.

월 라이너 유닛(170)은 하우징(110)의 내측벽에 인접하도록 제공될 수 있다. 이러한 월 라이너 유닛(170)은 그 상부에 지지 링(171)을 구비할 수 있다. 지지 링(171)은 월 라이너 유닛(170)의 상부에서 외측 방향(즉, 제1 방향(10))으로 돌출 형성되며, 하우징(110)의 상단에 놓여 월 라이너 유닛(170)을 지지할 수 있다.

배플 유닛(180)은 플라즈마의 공정 부산물, 미반응 가스 등을 배기하는 역할을 한다. 이러한 배플 유닛(180)은 하우징(110)의 내측벽과 정전척(100) 사이에 설치될 수 있다. 배플 유닛(180)은 환형의 링 형상으로 제공될 수 있으며, 상하 방향으로 관통되는 복수 개의 관통 홀을 구비할 수 있다. 배플 유닛(180)은 관통 홀의 개수 및 형상에 따라 공정 가스의 흐름을 제어할 수 있다.

상부 모듈(190)은 하우징(110)의 개방된 상부를 덮도록 설치되는 것이다. 이러한 상부 모듈(190)은 윈도우(191), 냉각 플레이트(192), 및 안테나(193)를 포함할 수 있다.

윈도우(191)는 하우징(110)의 내부 공간을 밀폐시키기 위해 하우징(110)의 상부를 덮도록 형성되는 것이다. 이러한 윈도우(191)는 판(예를 들어, 원판) 형상으로 제공될 수 있으며, 절연 물질(예를 들어, 알루미나(Al2O3))을 소재로 하여 형성될 수 있다.

윈도우(191)는 유전체 창(dielectric window)을 포함하여 형성될 수 있다 윈도우(191)는 제2 가스 공급 라인(162)이 삽입되기 위한 통공이 형성될 수 있으며, 하우징(110)의 내부에서 플라즈마 공정이 수행될 때 파티클(particle)의 발생을 억제하기 위해 그 표면에 코팅막이 형성될 수 있다. 냉각 플레이트(192)는 윈도우(191)로 공기를 유동시켜 윈도우(191)를 냉각시킨다.

안테나(193)는 윈도우(191) 및 냉각 플레이트(192)의 상부에 설치된다. 안테나(193)는 하부가 개방된 원통 형상으로 형성될 수 있으며, 하우징(110)과 대응되는 직경을 가지도록 제공될 수 있다. 안테나(193)는 윈도우(191)에 탈착 가능하도록 제공될 수 있다.

안테나(193)는 상부 전극으로 기능하는 것으로서, 폐루프를 형성하도록 제공되는 코일이 장착된 것이다. 이러한 안테나(193)는 상부 전원(131)으로부터 공급되는 전력을 기초로 하우징(110)의 내부에 자기장 및 전기장을 생성하여, 샤워 헤드 유닛(140)을 통해 하우징(110)의 내부로 유입된 가스를 플라즈마로 여기시키는 기능을 한다.

안테나(193)는 평판 스파이럴(planar spiral) 형태의 코일을 장착할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 코일의 구조나 크기 등은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양하게 변경될 수 있다.

제어기(400)는 기판 처리 장치(10)의 각 모듈의 동작을 제어한다. 제어기(400)는 상위의 제어 시스템과 연결될 수 있으며, 제어 시스템으로부터 수신된 명령에 따라 기판 처리 장치(10)의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어기(400)는 저장된 레시피에 따라 기판 처리 장치(10)의 동작을 제어할 수 있다. 제어기(400)는 전기적 신호를 처리하는 하나 또는 그 이상의 회로로 구성될 수 있다.

한편, 기판 처리 장치(10)의 정전척(100) 하부에 기판(W)의 온도를 측정하기 위한 광학 온도 센서(510)가 구비된다. 광학 온도 센서(510)는 정전척(100)의 하부에 위치하며, 기판(W)이 위치하는 정전척(100)의 표면의 아래쪽 온도를 측정할 수 있다.

이하, 기판의 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 기판 처리 장치(10) 및 기판 처리 방법에 대해 설명한다. 본 발명에 따른 기판 처리 장치(10)는 기판(W)에 대한 식각, 증착과 같은 공정 처리를 수행한다.

본 발명에 따른 기판 처리 장치(10)는, 기판(W)을 하부에서 지지하는 정전척(100)과, 정전척(100)에 구비되며 정전척(100)의 가장자리 영역에서 원주 방향을 따라 배치된 복수개의 가열 영역을 갖는 제1 히터(200)와, 정전척(100)에서 제1 히터(200)에 적어도 일부가 중첩되도록 배치되며 정전척(100)의 중심부로부터 방사상으로 배치된 복수개의 가열 영역을 갖는 제2 히터(300)와, 제1 히터(200) 및 제2 히터(300)를 병렬적으로 제어하는 제어기(400)를 포함한다. 제어기(400)는 개방 루프 제어 방식에 따라 제1 히터(200)의 출력을 제어하고, 폐쇄 루프 제어 방식에 따라 제2 히터(300)의 출력을 제어할 수 있다. 본 발명에 따르면, 서로 다른 방식(개방 루프 제어 및 폐쇄 루프 제어)으로 제어되는 제1 히터(200)와 제2 히터(300)를 병렬적으로 사용함으로써 공정 처리 과정에서 발생하는 다양한 온도 변화에도 불구하고 기판(W)의 온도 분포를 의도한 대로 유지할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 필요에 따라 두 제어 방식(개방 루프 제어, 폐쇄 루프 제어)은 제1 히터(200)와 제2 히터(300)에 구분없이 적용될 수 있으며, 하나의 히터는 비활성화 될 수도 있다. 제1 히터(200)는 DC 히터일 수 있고, 제2 히터(300)는 AC 히터일 수 있으며, 또는 그 반대일 수 있다. DC 히터는 구동 전류의 방향과 크기가 일정한 DC 전류를 사용하는 히터를 지칭하고, AC 히터는 구동 전류의 방향과 크기가 변하는 AC 전류를 히터를 지칭한다.

일반적으로, 플라즈마 처리를 위한 반도체 장비에 적용되는 대면적의 정전척(100)에 DC 히터를 적용할 경우 충분한 직류를 공급하기 어려운 문제가 있었다. 본 발명에 따르면, DC 히터(제1 히터(200))와 AC 히터(제2 히터(300))를 병렬적으로 적용하되, DC 히터(제1 히터(200))는 SMPS(Switch-Mode Power Supply)에 의해 변환된 직류를 사용함으로써 빠른 반응성으로 정전척(100)의 가장자리 영역의 온도 제어를 효과적으로 수행할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 제1 히터(200)의 구조 및 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3의 (a)는 제1 히터(200)의 가열 영역을 도시하고, 도 3의 (b)는 제1 히터(200)의 폐쇄 루프 제어 방식을 도시한다.

도 3의 (a)를 참고하면, 제1 히터(200)는 정전척(100)의 가장자리 영역(외곽 영역)에 형성된 복수개의 가열 영역들로 구성된다. 제1 히터(200)의 가열 영역은 16개의 최외곽 가열 영역들(01~16)과 내측에 위치한 16개의 가열 영역들(17~32)을 포함할 수 있다. 제1 히터(200)의 가열 영역에 대한 온도가 개별적으로 제어될 수 있으며, 플라즈마 처리 공정시 임계 치수 분포에 따라 각 가열 영역의 온도가 제어될 수 있다.

도 3의 (b)를 참고하면, 제1 히터(200)의 가열 영역별 온도가 제어기(400)로 입력되며, 제어기(400)는 가열 영역별 온도에 대응하는 출력 값을 계산하여 제어 신호로서 출력한다. 제어기(400)에 의해 출력된 제어 신호에 따라 제1 히터(200)의 전력 소스가 전류를 생성하여 제1 히터(200)의 각 제어 영역에 대응하는 영역으로 제공한다. 도 3의 (b)와 같이 입력에 대한 피드백 없이 사전에 입력된 값에 따라 일정한 출력을 생성하는 제어 방식은 개방 루프 제어 방식으로 지칭된다.

제어기(400)는 플라즈마 처리 이전에 센서 웨이퍼(SW)에 구비된 온도 센서(520)에 의해 측정된 온도 데이터에 따라 제1 히터(200)의 출력을 설정한다. 도 5에 도시된 것과 같이, 실제 공정 처리가 수행되기 이전의 설정 단계에서 센서 웨이퍼(SW)가 정전척(100)에 안착되고, 공정 처리 조건과 유사하게 플라즈마를 생성한 상태에서 센서 웨이퍼(SW)에 구비된 온도 센서(520)를 통해 온도 데이터가 취득된다. 온도 센서(520)를 통해 측정된 온도 데이터를 이용하여 제1 히터(200)의 출력이 설정될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 제2 히터의 구조 및 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (a)는 제2 히터(300)의 가열 영역을 도시하고, 도 4의 (b)는 제1 히터(300)의 폐쇄 루프 제어 방식을 도시한다.

도 4의 (a)를 참고하면, 제2 히터(300)는 정전척(100)에서 제1 히터(300)에 일부가 중첩되도록 배치된다. 제2 히터(300)는 정전척(100)의 중심부로부터 방사상으로 배치된 복수개의 가열 영역(Z1~Z4)을 가진다. 즉, 제2 히터(300)의 중심부 가열 영역(Z1)이 위치하고, 중심부 가열 영역(Z1)으로부터 외곽을 향하여 방사상으로 가열영역(Z2, Z3, Z4)이 위치한다.

도 4의 (b)를 참고하면, 제2 히터(300)의 가열 영역별 온도가 제어기(400)로 입력되며, 제어기(400)는 가열 영역별 온도에 대응하는 출력 값을 계산하여 제어 신호로서 출력한다. 제어기(400)에 의해 출력된 제어 신호에 따라 제2 히터(300)의 전력 소스가 전류를 생성하여 제2 히터(300)의 각 제어 영역에 대응하는 영역으로 제공한다. 또한, 광학 온도 센서(510)로부터 측정된 기판(W)의 온도 분포 정보가 제어기(400)로 피드백되며, 제어기(400)는 측정된 온도 분포 정보와 입력된 온도를 비교하여 출력을 제어한다. 도 4의 (b)와 같이 피드백을 감지하여 출력을 제어하는 방식은 폐쇄 루프 제어 방식으로 지칭된다.

제어기(400)는 플라즈마 처리 동안 광학 온도 센서(510)에 의해 측정되는 기판(W)의 온도 데이터에 따라 제2 히터(300)의 출력을 제어할 수 있다. 제어기(400)는 광학 온도 센서(510)에 의해 측정된 온도가 입력된 목표 온도와 일치하도록 제2 히터(300)의 출력을 제어할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 기판 처리 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 6의 기판 처리 방법은 도 1, 2의 기판 처리 장치(10)의 제어기(400)에 의해 수행될 수 있다. 제어기(400)는 기판 처리 방법을 실행하기 위한 명령어들을 실행하여 기판 처리 장치(10)의 동작을 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 기판 처리 방법은, 개방 루프 제어 방식에 따라 제1 히터(200)의 출력을 제어하는 단계(S510)와, 폐쇄 루프 제어 방식에 따라 제2 히터(300)의 출력을 제어하는 단계(S520)를 포함한다. 제1 히터(200)의 출력을 제어하는 단계(S510) 및 제2 히터의 출력을 제어하는 단계(S520)는 병렬적으로 수행될 수 있다.

도 7은 제1 히터(200)의 출력을 제어하는 과정을 나타내는 흐름도이다. 도 7을 참고하면, 제1 히터(200)의 출력을 제어하는 단계(S510)는 제1 히터(200)의 가열 영역별 출력 값을 설정하는 단계(S610)와, 설정된 출력 값에 따라 제1 히터(200)를 제어하는 단계(S620)를 포함한다.

도 8은 제1 히터(200)의 가열 영역별 출력 값을 설정하는 과정을 나타내는 흐름도이다. 제1 히터(200)의 가열 영역별 출력 값을 설정하는 단계(S610)는, 가열 영역별 목표 온도를 결정하는 단계(S710)와, 정전척(100)에 의한 오프셋을 고려하여 목표 온도를 보상하는 단계(S720)와, 주변 가열 영역에 의한 온도 변짐 효과를 보상하는 단계(S730)와, 최종 온도 값을 결정하는 단계(S740)를 포함한다.

예를 들어, S710 단계에서 특정 가열 영역의 목표 온도가 30℃로 입력되면, S720 단계에서 제1 히터(200)로부터 정전척(100)에 의해 발생하는 열 손실(오프셋, -2℃)을 고려하여 목표 온도가 32℃로 보상될 수 있다. 또한, 인접한 가열 영역의 열에 의한 온도 번짐 효과(Crosstalk)를 보상하는 과정이 S730 단계에서 실행된다.

온도 번짐 효과에 의해 발생하는 열 손실 값은 가열 영역 사이의 열 확산 계수, 가열 영역 사이의 거리, 및 가열 영역의 크기에 기반하여 결정될 수 있다.

온도 번짐 효과에 의한 열 손실 보상이 적용된 최종 목표 온도 값이 S730, S740 단계에서 결정되면, 제어기(400)는 각 가열 영역의 최종 목표 온도 값에 대응하는 출력 값을 결정한다.

한편, 제1 히터(200)의 각 가열 영역별 목표 온도는 임계 치수(CD: critical dimension) 분포에 따라 결정될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 먼저 온도 분포 균일성을 고려하여 각 가열 영역별 목표 온도가 결정되고, 추가적으로 기판(W)의 임계 치수 분포에 따라 각 가열 영역별 목표 온도가 조절될 수 있다.

도 9는 기판의 임계 치수 분포 및 임계 치수 분포에 따른 온도 설정 변화를 나타내는 도면이다. 도 9의 (a)는 기판(W)의 임계 치수 분포를 나타내며, 도 9의 (b)는 임계 치수 분포를 균일화하기 위하여 제1 히터(200)의 가열 영역별 온도를 조정하는 과정을 나타낸다.

도 9의 (a)를 참고하면, 각 가열 영역의 온도가 균일한 상태에서 임계 치수의 분포가 불균일하게 형성된 경우 임계 치수의 분포에 맞게 도 9의 (b)와 같이 제1 히터(200)의 가열 영역의 목표 온도가 조절될 수 있다.

기판 처리 장치(10)의 챔버 비대칭 구조나 플라즈마 비대칭에 기인한 임계 치수 비대칭에 대응하여, 기판 표면 온도를 이에 상응하도록 고의적으로 비대칭화 함으로써 상쇄할 수 있다. 입력된 임계 치수 분포 데이터에서 임계 치수가 높은 영역의 온도를 낮추고 임계 치수가 낮은 영역의 온도를 높이는 방식으로 제1 히터(200)의 가열 영역별 목표 온도가 조절될 수 있다.

본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 기판 처리 장치
100: 정전척
200: 제1 히터
300: 제2 히터
400: 제어기

Claims (10)

1. 기판을 하부에서 지지하는 정전척;
   상기 정전척에 구비되며, 상기 정전척의 가장자리 영역에서 원주 방향을 따라 배치된 복수개의 가열 영역을 갖는 제1 히터;
   상기 정전척에서 상기 제1 히터에 적어도 일부가 중첩되도록 배치되며, 상기 정전척의 중심부로부터 방사상으로 배치된 복수개의 가열 영역을 갖는 제2 히터; 및
   상기 제1 히터 및 상기 제2 히터를 병렬적으로 제어하는 제어기를 포함하고,
   상기 제어기는,
   개방 루프 제어 방식에 따라 상기 제1 히터의 출력을 제어하고,
   폐쇄 루프 제어 방식에 따라 상기 제2 히터의 출력을 제어하고,
   상기 제1 히터의 각 가열 영역에 대하여 입력된 목표 온도 값에 대응하는 출력 값을 독립적으로 결정하고,
   결정된 상기 출력 값에 주변 가열 영역의 온도 번짐 효과에 따른 열 손실 값을 상쇄함으로써 최종 출력 값을 결정하고,
   상기 열 손실 값은, 상기 가열 영역 사이의 열 확산 계수, 상기 가열 영역 사이의 거리, 및 상기 가열 영역의 크기에 기반하여 결정되는, 기판 처리 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어기는,
   상기 기판의 플라즈마 처리 이전에 센서 웨이퍼에 구비된 온도 센서에 의해 측정되는 온도 데이터에 따라 상기 제1 히터의 출력을 설정하고,
   상기 플라즈마 처리 동안에 광학 온도 센서에 의해 측정되는 상기 기판의 온도 데이터에 따라 상기 제2 히터의 출력을 제어하는, 기판 처리 장치.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 히터의 각 가열 영역별 목표 온도는 임계 치수(CD: critical dimension) 분포에 따라 결정되는, 기판 처리 장치.
   
6. 기판 처리 장치에 의해 수행되는 기판 처리 방법에 있어서,
   상기 기판 처리 장치는,
   기판을 하부에서 지지하는 정전척;
   상기 정전척에 구비되며, 상기 정전척의 가장자리 영역에서 원주 방향을 따라 배치된 복수개의 가열 영역을 갖는 제1 히터;
   상기 정전척에서 상기 제1 히터에 적어도 일부가 중첩되도록 배치되며, 상기 정전척의 중심부로부터 방사상으로 배치된 복수개의 가열 영역을 갖는 제2 히터; 및
   상기 제1 히터 및 상기 제2 히터를 병렬적으로 제어하는 제어기를 포함하고,
   상기 제어기에 의해 수행되는 상기 기판 처리 방법은,
   개방 루프 제어 방식에 따라 상기 제1 히터의 출력을 제어하는 단계; 및
   폐쇄 루프 제어 방식에 따라 상기 제2 히터의 출력을 제어하는 단계를 포함하고,
   상기 제1 히터의 출력을 제어하는 단계는,
   상기 제1 히터의 가열 영역별 출력 값을 설정하는 단계; 및
   설정된 출력 값에 따라 제1 히터를 제어하는 단계를 포함하고,
   상기 제1 히터의 가열 영역별 출력 값을 설정하는 단계는,
   상기 제1 히터에 대하여 입력된 목표 온도 값에 대응하는 출력 값을 독립적으로 결정하는 단계; 및
   결정된 상기 출력 값에 주변 가열 영역의 온도 번짐 효과에 따른 열 손실 값을 상쇄함으로써 최종 출력 값을 결정하는 단계를 포함하고,
   상기 열 손실 값은, 상기 가열 영역 사이의 열 확산 계수, 상기 가열 영역 사이의 거리, 및 상기 가열 영역의 크기에 기반하여 결정되는 기판 처리 방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 히터의 출력을 제어하는 단계는, 상기 기판의 플라즈마 처리 과정에서 광학 온도 센서에 의해 측정되는 상기 기판의 온도 데이터에 따라 상기 제1 히터의 출력을 제어하는 단계를 포함하고,
   상기 제2 히터의 출력을 제어하는 단계는, 상기 플라즈마 처리 이전에 센서 웨이퍼에 구비된 온도 센서에 의해 측정되는 온도 데이터에 따라 상기 제2 히터의 출력을 설정하는 단계를 포함하는, 기판 처리 방법.
   
8. 삭제
9. 제6항에 있어서,
   상기 제1 히터의 각 가열 영역별 목표 온도 값은 상기 플라즈마 처리 과정에서 측정되는 상기 기판의 임계 치수(CD: critical dimension) 분포에 따라 결정되는, 기판 처리 방법.
   
10. 플라즈마 처리 공간을 제공하는 하우징;
    상기 하우징의 내부 하측 영역에 설치되는 기판 지지 유닛;
    상기 하우징의 내부 공간에 플라즈마를 발생시키기 위한 상부 전원 및 하부 전원을 포함하는 플라즈마 생성 유닛; 및
    상기 하우징의 내부 상측 영역에 위치하고, 상기 상부 전원에 전기적으로 연결되어 상기 하우징의 내부에 전기장 및 자기장을 생성하는 안테나를 포함하고,
    상기 기판 지지 유닛은,
    기판을 하부에서 지지하며, 상기 하부 전원에 연결되는 정전척;
    상기 정전척에 구비되며, 상기 정전척의 가장자리 영역에서 원주 방향을 따라 배치된 복수개의 가열 영역을 갖는 제1 히터;
    상기 정전척에서 상기 제1 히터에 적어도 일부가 중첩되도록 배치되며, 상기 정전척의 중심부로부터 방사상으로 배치된 복수개의 가열 영역을 갖는 제2 히터; 및
    상기 제1 히터 및 상기 제2 히터를 병렬적으로 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는,
    개방 루프 제어 방식에 따라 상기 기판의 플라즈마 처리 이전에 센서 웨이퍼에 구비된 온도 센서에 의해 측정되는 온도 데이터에 기반하여 상기 제1 히터의 출력을 제어하고,
    폐쇄 루프 제어 방식에 따라 상기 플라즈마 처리 동안에 광학 온도 센서에 의해 측정되는 상기 기판의 온도 데이터에 기반하여 상기 제2 히터의 출력을 제어하고,
    상기 제1 히터의 가열 영역별 출력 값은 각 가열 영역에 대하여 입력된 목표 온도 값에 인접한 가열 영역 사이의 온도 번짐 효과에 따른 열 손실 값을 상쇄함으로써 계산되고,
    상기 제어기는,
    상기 제1 히터의 각 가열 영역에 대하여 입력된 목표 온도 값에 대응하는 출력 값을 독립적으로 결정하고,
    결정된 상기 출력 값에 주변 가열 영역의 온도 번짐 효과에 따른 열 손실 값을 상쇄함으로써 최종 출력 값을 결정하고,
    상기 열 손실 값은, 상기 가열 영역 사이의 열 확산 계수, 상기 가열 영역 사이의 거리, 및 상기 가열 영역의 크기에 기반하여 결정되는, 기판 처리 장치.

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