[논문]세라믹 유전체 물질과 냉매 유로 형상에 따른 정전척 냉각에 관한 연구

김대현; 김광선

[국내논문] 세라믹 유전체 물질과 냉매 유로 형상에 따른 정전척 냉각에 관한 연구
A Study on Electrostatic Chuck Cooling by Ceramic Dielectric Material and Coolant path 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.17 no.3, 2018년, pp.85 - 89

김대현 (한국기술교육대학교 대학원 메카트로닉스공학과) , 김광선 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Temperature uniformity of a wafer in a semiconductor process is a very important factor that determines the overall yield. Therefore, it is very important to confirm the temperature characteristics of the chuck surface on which the wafer is lifted. The temperature characteristics of the chuck depend on the external heat source, the shape of the cooling channel inside the chuck, the material on the chuck surface, and so on. In this study, CFD confirms the change of temperature characteristics according to the stacking order of ceramic materials and inner coolant path on the chuck surface. Finally this study suggests the best cooling condition of electrostatic chuck.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

지난 연구에서 300mm 정전 척에 대해서 냉매 유로 형상에 따른 냉각특성을 확인하였다.[8] 이번 연구에서는 정전 척의 대구경화에 대응하기 위하여 450mm 정전 척의 냉매 유로 형상에 따른 열 특성을 확인하였다. Fig.
척 상부에 웨이퍼가 위치하기 때문에 척 상부에서의 온도 분포는 곧 웨이퍼의 온도 분포와도 연관이 있다. 따라서 이번 연구에서는 척 상부 표면에서의 온도 분포를 확인하고 유전체 접합에 있어서 유전체 물질에 따른 분포 특성에 대해서 연구한다.
본 연구에서는 CFD를 이용하여 알루미나를 사용하는 세라믹 정전 척에 있어서 세라믹 물질의 특성에 따른 열특성을 확인하고 효과적인 냉각을 위해 냉매 유로 형상에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 식각 장비에서 사용되는 고온의 플라즈마에 의한 열을 냉각하기 위한 정전 척에서의 열 특성에 대해 시뮬레이션을 진행하였다. 척 상부에 적층하는 유전체 물질과 냉매 유로 형상에 대한 열 전달을 확인하였다.

가설 설정

식(2)는 유동에 대한 질량 보존 방정식이다. 본 연구에서 Sm은 0으로 가정하였다.
플라즈마의 열원을 모사하기 위한 4개의 2000W 램프를 사용한다. 챔버 내부의 매질은 공기로 설정하였고 벽면은 단열 조건으로 가정하였다. 냉각에 필요한 냉매는 R501a를 사용하였다.

제안 방법

냉매 유로 형상에 따른 시뮬레이션은 유전체 물질에 따른 시뮬레이션의 물성치와 경계조건을 동일하게 설정한 상태에서 진행하였다.
시뮬레이션 모델의 신뢰성을 확인하기 위해 플라즈마 장비와 냉각 장비에 연결하여 온도 균일도를 확인하였다. Fig.
이번 연구에서는 일반적인 전도와 대류에 대한 열 전달 시뮬레이션 외에 복사 열 전달도 고려하여 시뮬레이션을 진행하였다. 이번 해석에 사용한 복사 열 전달 모델은 S2S Radiation 모델을 사용하였다.
본 연구에서는 식각 장비에서 사용되는 고온의 플라즈마에 의한 열을 냉각하기 위한 정전 척에서의 열 특성에 대해 시뮬레이션을 진행하였다. 척 상부에 적층하는 유전체 물질과 냉매 유로 형상에 대한 열 전달을 확인하였다. 세라믹 유전체 적층은 Al₂O₃+AlN이 Al₂O₃+Al₂O₃보다 우수한 열 특성을 보이고 있음을 확인하였다.
건식 식각 공정은 일반적으로 전용 플라즈마 식각 장비를 사용하여 진행된다. 하지만 본 연구는 플라즈마가 식각 공정 후에 사용된 상태에서 고온의 웨이퍼에 대한 냉각이 대상이므로 전용장비가 아닌 별도의 장비를 통해 진행되었다. 본 연구에서 실험을 위해 사용한 장비는 Fig.

대상 데이터

챔버 내부의 매질은 공기로 설정하였고 벽면은 단열 조건으로 가정하였다. 냉각에 필요한 냉매는 R501a를 사용하였다. 냉각을 위해 척 내부로 투입되는 냉매의 유량과 온도는 각각 0.
06 version을 사용하였다. 또한 수치 해석에 사용된 격자는 약 1200만개의 다면체 격자이다.
척의 유전체 영역은 서로 다른 두께 값을 갖는 4개의 영역으로나뉘어져 있다. 시뮬레이션은 1.5t영역에서 AlN과 Al2O3의서로 다른 성질을 갖는 물질로 설정하고 진행한다.
3은 정전 척을 실제 냉각 칠러에 연결하고 확인한 온도분포 결과이다. 실험은 정전 척 상부에 할로겐 램프를 이용하여 5kw의 열 부하를 가하고 냉각 시스템을 통해 냉매를 -20℃의 R501a 냉매를 순환시켰을 때 정전 척 상부에 위치한 Thermal Couple을 부착한 웨이퍼를 통해 2000s동안 온도 데이터를 획득하였다.[7] Fig.
실험장비에서는 플라즈마를 직접 이용하지 않고 플라즈마에서 발생하는 열을 모사하기 위하여 챔버 상부에 위치한 램프를 이용하였다. 정전 척은 챔버 하부에 장착되어 챔버 외부의 냉각 칠러와 연결된 상태에서 저온의 냉매를 공급받는다.
이번 해석에 사용한 복사 열 전달 모델은 S2S Radiation 모델을 사용하였다. 플라즈마의 열원을 모사하기 위한 4개의 2000W 램프를 사용한다. 챔버 내부의 매질은 공기로 설정하였고 벽면은 단열 조건으로 가정하였다.

이론/모형

냉각에 필요한 냉매는 R501a를 사용하였다. 냉각을 위해 척 내부로 투입되는 냉매의 유량과 온도는 각각 0.01 kg/s와 -20℃이며 시뮬레이션은 Unsteady 해석으로 1000s동안 진행하였다. Table.
이번 연구에서는 일반적인 전도와 대류에 대한 열 전달 시뮬레이션 외에 복사 열 전달도 고려하여 시뮬레이션을 진행하였다. 이번 해석에 사용한 복사 열 전달 모델은 S2S Radiation 모델을 사용하였다. 플라즈마의 열원을 모사하기 위한 4개의 2000W 램프를 사용한다.

성능/효과

7의 결과는 Case 1과 Case 2에서의 척 상부표면의 온도 균일도를 나타낸 곡선이다. 결과를 바탕으로 Case 1 의 온도 균일도가 Case 2 의 온도 균일도보다 0.004가량 더 높은 수치를 기록하였다. 척 상부 면에서의 최종 온도 분포와 온도 균일도 측면에서 Case 1의 열 특성이 Case 2 의 열 특성보다 우수함을 확인하였다.
세라믹 유전체 적층은 Al₂O₃+AlN이 Al₂O₃+Al₂O₃보다 우수한 열 특성을 보이고 있음을 확인하였다. 냉매 유로 형상은 기존의 형상보다 전열 면적을 넓힌 형상이 좀더 우수한 성능을 기록함을 확인하였다.
척 상부에 적층하는 유전체 물질과 냉매 유로 형상에 대한 열 전달을 확인하였다. 세라믹 유전체 적층은 Al₂O₃+AlN이 Al₂O₃+Al₂O₃보다 우수한 열 특성을 보이고 있음을 확인하였다. 냉매 유로 형상은 기존의 형상보다 전열 면적을 넓힌 형상이 좀더 우수한 성능을 기록함을 확인하였다.
004가량 더 높은 수치를 기록하였다. 척 상부 면에서의 최종 온도 분포와 온도 균일도 측면에서 Case 1의 열 특성이 Case 2 의 열 특성보다 우수함을 확인하였다.
11은 상부 표면에서의 온도 균일도 비교를 나타낸 결과이다. 척 상부 표면에서의 평균 온도 시뮬레이션 결과를 살펴보면 Fig. 8 형상의 결과는 Fig. 9의 형상 결과보다 33℃ 가량 개선된 결과를 확인할 수 있었다. 온도 균일도 측면에서는 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건식 식각 공정은 일반적으로 어떻게 진행되는가?	건식 식각 공정은 일반적으로 전용 플라즈마 식각 장비를 사용하여 진행된다. 하지만 본 연구는 플라즈마가 식각 공정 후에 사용된 상태에서 고온의 웨이퍼에 대한 냉각이 대상이므로 전용장비가 아닌 별도의 장비를 통해 진행되었다.
	공정 간 이동 시에 웨이퍼는 무엇에 고정되어 이동하는가?	반도체 제조 공정에는 다양한 공정이 있으며 공정 간 이동 시에 웨이퍼는 척(Chuck)에 의해 고정되어 이동한다. 척을 이용한 웨이퍼의 이동은 균일한 공정관리가 가능하며 파티클의 생성을 억제할 수 있는 효과가 있다.
	최근 웨이퍼를 고정시키는 척의 소재는 무엇이 있는가?	[1] 웨이퍼가 척에 고정되는 방식에는 진공 흡착을 이용하는 진공 척, 베르누이의 원리를 사용하는 비접촉식 웨이퍼 척, 유전체를 사용하는 정전척 등이 있다. 최근에는 폴리이미드 소재를 사용하는 폴리머 정전 척과 알루미나와 같은 세라믹 소재를 사용하는 정전 척을 사용한다.[2][3]

참고문헌 (8)

K. Asano, F. Hatakeyama, K. Yatsuzuka, "Fundamental Study of an electrostatic chuck for silicon wafer handling", IEEE TRANSACTION ON INDUSTRY APPLICATION, Vol. 38, No. 3, (2002)
L.D. Hartsough, "Electrostatic Wafer Holding", Solid state tech. 35, No. 1, pp. 87-90, (1993)
S. A. Khomyakov, "Attraction and Accuracy Chara cteristic of Electrostatic Chucks", Machines and Tooling 50, No. 3, pp.24-24, (1979)
Tretheway, D. and Aydil, E.S., "Modeling of Heat Transport and Wafer Healing Effects during Plasma Etching", J. Electrochem. Soc., Vol. 143, pp.3674-3680, (1996)

상세보기
Suhas V. Patankar, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, McGrow-Hill Book Company,(1980)
Simense PLM(2016), STAR-CCM+ User guide v11.06
Kyungmin Jang, Kwangsun Kim, "A Study on Temperature Characteristics according to Seramic Material Stacking Sequence of Electrostatic Chuck Surface", Journal of the semiconductor & display technology, pp.116-120,(2017)
Dae-Hyeon Kim, Kwang-sun Kim, "Study on Coolant Passage for Improving Temperature Uniformity of the Electrostatic Chuck Surface", Journal of the semiconductor & display technology, vol. 15 no.3, pp.72-77.(2016)

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