[논문]Si-adhesive 층의 불량에 따른 정전척 온도분포

이기석

[국내논문] Si-adhesive 층의 불량에 따른 정전척 온도분포
Effect of the Si-adhesive layer defects on the temperature distribution of electrostatic chuck 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.11 no.2, 2012년, pp.71 - 74

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Uniformity of the wafer temperature is one of the important factors in etching process. Plasma, chucking force, backside helium pressure and the surface temperature of ESC(electrostatic chuck) affect the wafer temperature. ESC consists of several layers of structure. Each layer has own thermal resistance and the Si-adhesive layer has highest thermal resistance among them. In this work, the temperature distribution of ESC was analyzed by 3-D FEM with various defects and the thickness deviation of the Si-adhesive layer. The result with Si-adhesive layer with the low center thickness deviation shows modified temperature distribution of ESC surface.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 식각공정에서의 Si-adhesive층의 불량에 따른 정전척 온도분포의 영향을 해석하였다. 다층구조의 정전척에서 열저항이 높은 Si-adhesive 층의 불량 및 두께 산포는 정전척 상면의 온도분포에 영향을 준다.

가설 설정

이와 같은 해석들은 정전척의 온도를 일정한 온도로 제어하는 것을 가정하고 정전척 자체에 대한 열해석이 없이 해석을 수행하였다. 그러나 정전척은 여러 층의 구조를 갖고 있는 복합체로 균일한 온도로 가정할 수 없다.
본 연구에서는 정전척의 층별 구조를 삼차원모델로 구성하고 Si-adhesive층의 불량과 두께 산포에 따른 정전척의 열전달을 해석하였다. 정전척으로의 열 공급은 유입 총량이 균일한 분포로 웨이퍼 전면으로 유입된다는 가정으로 해석하였다[6].

제안 방법

본 연구에서는 정전척의 층별 구조를 삼차원모델로 구성하고 Si-adhesive층의 불량과 두께 산포에 따른 정전척의 열전달을 해석하였다. 정전척으로의 열 공급은 유입 총량이 균일한 분포로 웨이퍼 전면으로 유입된다는 가정으로 해석하였다[6].
해석에 사용한 정전척은 세라믹 판과 알루미늄 몸체를 Si-adhesive로 접합한 형태이며, 해석에서 알루미늄 몸체는 Al6000 계열 물성을 사용하였으며, 세라믹 판의 열전도도는 25(W/m•k)를 사용하였다. 열 경계조건으로 정전척 상면에 25 kW/m²의 열 유입 조건을 적용하고, 열 유출은 40℃, 13.6 lpm 유량의 Galden을 냉각수로 해석에 적용하였다[6].
이 중 Si-adhesive층은 두께가 100 µm로 가장 얇으면서 열전도도 역시 가장 낮기 때문에 Si-adhesive층의 두께 산포는 정전척 상면의 온도분포에 직접적인 영향을 준다. 본 논문에서는 Fig. 2와 같이 Si-adhesive층의 불량을 pin-hole을 가진 경우, 기공을 가진 경우, 두께가 상하 좌우 방향으로의 선형적 두께편차를 가진 경우와 중심부가 가장자리에 비해 두껍고 얇은 2차 함수 형태의 두께 편차를 가진 경우를 해석하였다.
정전척 접합 공정 시 발생하는 pin-hole은 수 mm이하이며 본 해석에서는 직경 2 mm pin-hole불량을 불량이 없는 조건의 해석 시 온도가 가장 높은 곳과 낮은 곳에 위치시켜 해석하였다. Table 1에서와 같이 직경 2 mm 수준의 독립적인 pin-hole은 전체 온도분포에 영향을 주지 않는다.
Si-adhesive층에 기공이 첨가되는 경우 정전척 표면 온도에 미치는 영향을 Table 2에 나타내었다. 10%, 20%, 30%의 기공율을 갖는 직경 10mm영역을 불량이 없는 조건의 해석 시 온도가 가장 높은 곳과 낮은 곳에 위치시켜 해석하였다. Table 2에서와 같이 기공율이 높아질수록 불량부의 온도가 상승하는 결과를 보인다.

대상 데이터

해석에 사용한 정전척은 세라믹 판과 알루미늄 몸체를 Si-adhesive로 접합한 형태이며, 해석에서 알루미늄 몸체는 Al6000 계열 물성을 사용하였으며, 세라믹 판의 열전도도는 25(W/m•k)를 사용하였다.

성능/효과

Table 3에 보여지는 해석 결과와 같이 Si-adhesive층의 면 내 두께 산포는 정전척 상면의 온도분포 변화에 큰 영향을 준다. Si-adhesive 층의 두께가 균일한 기본 형태에서 중앙부의 온도가 높기 때문에 해석 결과에서 보이는 것과 같이 중앙부의 Si-adhesive 층의 두께가 가장자리에 비해 낮은 경우에 정전척 상면의 온도분포가 개선되는 결과를 보였다.
적은 수의 pin-hole은 정전척 상면의 온도분포에 영향을 주지 않으나 기공이 존재하는 경우는 기공영역 위치에 해당하는 곳에 이상 온도 상승을 유발한다. 또한 Si-adhesive층의 두께 산포에 따른 정전척 상면의 온도분포의 변화를 해석하였으며 그 결과 기존의 균일한 Si-adhesive 두께보다 중심부가 낮은 두께분포에서 정전척 상면의 온도분포가 개선될 수 있음을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CD미세화 기술은 무엇의 중요성을 향상해왔는가?	반도체 제조산업의 기술적 발달은 CD(critical dimension)의 미세화를 가능하게 하는 공정 및 장비를 통해 이루어져왔다. 이러한 CD미세화 기술은 포토리소그래피 공정을 위시하여 식각 및 기상증착 공정 등에서의 공정변수 관리 및 구조적 변인 통제의 중요성을 향상시켜왔다. 특히, 식각이나 증착 공정의 경우 웨이퍼 낱장 공정 장비의 경우, 공정인자 중 웨이퍼 면내의 온도가 매우 중요한 인자로 식각율(Etch-rate), 식각균일도, 선택비 등과 지수함수 형태의 상관관계를 보인다[1].
	반도체 제조산업의 기술적 발달은 무엇을 통해 이루어져왔는가?	반도체 제조산업의 기술적 발달은 CD(critical dimension)의 미세화를 가능하게 하는 공정 및 장비를 통해 이루어져왔다. 이러한 CD미세화 기술은 포토리소그래피 공정을 위시하여 식각 및 기상증착 공정 등에서의 공정변수 관리 및 구조적 변인 통제의 중요성을 향상시켜왔다.
	정전척의 온도를 일정한 온도로 제어하는 것을 가정할 수 없는 이유는 무엇인가?	이와 같은 해석들은 정전척의 온도를 일정한 온도로 제어하는 것을 가정하고 정전척 자체에 대한 열해석이 없이 해석을 수행하였다. 그러나 정전척은 여러 층의 구조를 갖고 있는 복합체로 균일한 온도로 가정할 수 없다. 실제 다층 구조의 정전척의 상면의 온도분포와 정전척 내의 냉각수 관로의 형상은 밀접한 상관관계가 있다[6].

참고문헌 (6)

Kiihanmaki, J. and Franssila, S., " Deep Silicon Etching in inductively Coupled Plasma Reactor for MEMS, " Phisica Scpita., T79, 1999.
Tretheway, D. and Aydil, E. S., "Modeling of Heat Transport and Wafer Heaing Effects during Plasma Etching, " J. Electrochem. Soc., Vol. 143, pp.3674- 3680., 1996.

상세보기
Samir, T. 2003 Improving Wafer Temperature Uniformity for Etch Applications. A Dissertation in Mechanical Engineering, Texas Tech University.
Daviet, J. and Peccoud L., "Heat Transfer in a Microelectronics Plasma Reactor, " J. Appl. Phys., Vol. 73, pp.1471-1479., 1993.

상세보기
Kelkar, U.M., Gordon, M. H., Roe, L. A. and Li, Y., "Diagnostics and modeling in a pure argon plasma: Energy balance study, " J. Vac. Sci. Technol. A17, pp.125-132., 1999.
이기석, "정전척 온도분포 개선을 위한 냉각수 관로 형상," 반도체디스플레이기술학회지, 제 10 권 4 호, pp21-23, 2011.

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