Temperature Analysis of Electrostatic Chuck for Cryogenic Etch Equipment

반도체디스플레이기술학회지 제20권 제2호(2021년 6월) Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 20, No. 2. June 2021.

극저온 식각장비용 정전척 쿨링 패스 온도 분포 해석

두현철

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Temperature Analysis of Electrostatic Chuck for Cryogenic Etch Equipment

Hyeon Cheol Du

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ABSTRACT

As the size of semiconductor devices decreases, the etching pattern becomes very narrow and a deep high aspect ratio process becomes important. The cryogenic etching process enables high aspect ratio etching by suppressing the chemical reaction of reactive ions on the sidewall while maintaining the process temperature of -100°C. ESC is an important part for temperature control in cryogenic etching equipment. Through the cooling path inside the ESC, liquid nitrogen is used as cooling water to create a cryogenic environment. And since the ESC directly contacts the wafer, it affects the temperature uniformity of the wafer. The temperature uniformity of the wafer is closely related to the yield. In this study, the cooling path was designed and analyzed so that the wafer could have a uniform temperature distribution. The optimal cooling path conditions were obtained through the analysis of the shape of the cooling path and the change in the speed of the coolant. Through this study, by designing ESC with optimal temperature uniformity, it can be expected to maximize wafer yield in mass production and further contribute to miniaturization and high performance of semiconductor devices.

Key Words : Electrostatic chuck (ESC), Cryogenic etch, DRIE, HARC, Temperature uniformity

1. 서 론¹

반도체 소자의 크기가 작아짐에 따라 식각 패턴은 매 우 좁아지고 깊은 고종횡비(High Aspect Ratio Contact, HARC) 공정이 중요해지고 있으며. 고종횡비 공정을 위해 DRIE (Deep Reactive Ion Etching)공정이 필수적이며, 최근에는 극저 온 식각 공정의 필요성이 제기되고 있다[1]. DRIE는 수십 나노미터 이하의 나노 단위 공정에서 극저온 식각공정으 로 진행될 수 있다. 극저온 식각 공정은 공정 온도를 약 - 100℃로 유지하고 측벽의 반응성 이온의 화학적반응을 억제해 고종횡비 식각이 가능하다[2-5]. 극저온 식각공정

† E-mail: [email protected]

은 낮은 온도 때문에 측벽의 식각률이 낮고 유기, 산화물 마스크의 건식 식각 저항을 증가시킨다는 장점이 있다[6].

이러한 기술개발의 필요성에 따라 최근에는 글로벌 반 도체 장비社 Applied materials와 TOTO에서는 PVD 및 CVD 공정에서의 극저온 정전척에 대한 특허를 출원했다 [7-8].

위의 특허사례에서는 극저온 정전척과 내부 장비와의 결 합, 냉각수 주입 설비 및 극저온 정전척의 제조에 관한 내용이 언급되어 있다. 웨이퍼와 직접적으로 접촉하는 정전척의 특성상 냉각성능과 이에 영향을 주는 쿨링 패 스가 중요한 설계요소이다. 하지만 위의 특허에서는 냉각 성능에 가장 크게 영향을 미치는 쿨링 패스에 대한 내용 은 언급되지 않았다. 또한 극저온 공정 특성에 대한 연구 들은 많이 수행되어 온 반면, 극저온 정전척의 해석에 대

두현철 · 홍상진 20

한 연구는 많이 이루어지지 않았다. 나노 단위의 고종횡 비 공정에서 냉각성능의 작은 변화도 공정 결과에 큰 영 향을 줄 수 있기 때문에, 정전척의 쿨링 패스에 따른 온 도분포의 균일성에 대한 연구가 필요하다.

극저온 식각 장비의 하드웨어 중 정전척(Electrostatic Chuck)은 액화질소를 냉매로 사용해 챔버 내부를 약 - 100℃의 공정온도로 만들기 위한 극저온 식각 장비의 핵 심부품이다. 정전척은 정전력으로 웨이퍼를 고정하는 부 품으로 균일한 온도분포, 챔버 내부에서의 열 대류 전달, 챔버 내부 온도 제어를 담당한다. 이때 정전척은 웨이퍼 와 접촉하고 있기 때문에 웨이퍼의 열균일도에 직접적으 로 영향을 미친다. 그러므로 정전척의 온도 균일도 즉 효 율적인 냉각성능을 가지는 쿨링 패스의 구조해석 설계를 고려해야한다.

웨이퍼는 공정 간 여러 요인으로부터 열이 가해지는데, 쿨링 패스는 가열된 웨이퍼의 온도를 낮추기 위해 냉각 수를 순환시키는 관이다. 정전척은 이 관을 통해 냉매를 순환시켜주거나 웨이퍼의 표면에 냉각 가스를 분사시켜 냉각하는 방식을 통해 온도를 제어한다 [9-11]. 본 연구에 서는 여러 형태의 쿨링 패스 설계 및 해석을 통해 중앙부 와 엣지에서 최적의 효율을 가지는 쿨링 패스 형태에 대 해 연구하고자 한다.

2. 극저온 정전척 모델링

정전척은 식각 공정 간 웨이퍼의 고정 및 온도를 균일 하게 유지하기 위한 부품으로, 정전척의 구조는 크게 메 탈 베이스, 세라믹 퍽으로 구분된다.

Fig. 1을 보면 메탈 베이스에는 쿨링 패스가 위치하고 있고 세라믹 퍽에는 웨이퍼를 고정하기 위한 척킹 전극, 정전척이 일정 온도에 도달할 수 있도록 하는 히팅 전극, 웨이퍼의 냉각과 정전척과 웨이퍼 사이의 온도 균일도를 상승시켜주는 후면 가스 라인이 위치하고 있다.

300 mm 극저온 식각공정용 정전척은 상단의 웨이퍼와 접촉하는 부분은 웨이퍼의 디척킹을 용이하게 하고 슬라 이딩을 방지하기 위해 298 mm로 웨이퍼의 크기보다 작게 설계하고 메탈 베이스의 높이는 40 mm, 쿨링 패스는

Fig. 2. Schematic diagram of the cooling pass model.

15×10 mm

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정전척에서 쿨링 패스는 웨이퍼와 직접적으로 접촉해 온도 균일도를 제어하고 있다. 냉각 성능은 쿨링 패스의 형태별로 차이가 있기 때문에 다양한 모델의 설계를 통 한 해석을 진행하는 것이 중요하다. 쿨링 패스는 패스의 총 길이, 냉각수 유입방식, 형상에 따라 다른 경향을 보여 주는데 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 총 3개의 비교 모델을 설정했다. Fig. 2(a)는 정전척을 2등분한뒤 중심부에 하나의 투입구로 냉각수가 들어와 좌, 우 순서로 순환한 후 다시 중앙의 투출구로 빠져나가는 형상이고, Fig. 2(b)는 투입구 와 투출구가 모두 중앙에 위치하고 있고 투입구로 들어 온 냉각수가 정전척의 좌우를 번갈아 가며 순환하고 중 앙의 투출구로 빠져나가는 형상이다. 마지막으로 Fig. 2 (c) 는 하나의 투입구로 냉각수가 들어와 3등분된 패스를 순 환해 정전척 외곽의 세개의 투출구로 냉각수가 배출되는 형상이다. Fig. 2 (a)와 Fig. 2 (b)는 냉각수가 진행하면서 투입 구에서의 온도와 투출구에서의 온도차이가 생기는데 이 로 인해 순환하면서 상승하는 냉각수의 영향으로 인한 온도 차이에 대해 알아보기 위함이고, Fig. 2 (c)는 투입구와 투출구 사이의 쿨링 패스의 총 길이를 줄임으로써 냉각 수 온도변화에 따른 냉각 성능의 영향을 확인하기 위한 모델이다.

3. 수치해석

식각 공정간 웨이퍼에는 다양한 형태의 열원에 의해 영향을 받게 되는데 Fig. 3과 같이 여러 열들이 정전척으 로 전달되게 된다. 정전척으로 전달되는 열은 다음 수식 과 같다.

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극저온 식각장비용 정전척 쿨링 패스 온도 분포 해석 21 

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Fig. 3. Energy balance model in ESC.



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는 중성 종에 의한 열, 

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해석을 위한 가정은 다음과 같다.

(1) 모든 시뮬레이션은 정상상태로 진행한다.

(2) 냉각에 사용되는 냉각수(액체질소(LN

2

(3) 열원이 되는 이온 충돌은 웨이퍼 상단에 균일하게 적용한다.

(4) 공정가스 반응으로 인한 웨이퍼 표면에서의 상태변 화는 무시한다.

(5) 웨이퍼와 정전척의 상단인 후면 가스는 밀착 되어 있다.

(6) 재료의 거칠기는 무시한다.

냉각수 및 후면 가스의 3D 유체영역에 Navier-stokes 방 정식이 고려되었다. 식은 다음과 같다.

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해석 조건은 모델에 부여되는 재료의 물성, 공정조건 두가지가 고려되었다. 정전척의 메탈 베이스는 SUS304, 웨이퍼는 Si, 냉각수로는 액화질소(Liquid Nitrogen), 후면 가 스는 He으로 설정했다.

메탈 베이스 재료는 상온의 냉각수를 사용하는 기존 정전척에서 주로 사용하는 Al과 다르게 액화질소를 사용 하는 극저온 정전척이기 때문에 극저온에서의 일정 이상 의 강도를 갖고 열전달 효율이 큰 SUS304로 설정했다. 위 의 재료의 특성은 Table 1과 같다.

Table 1. Material properties used for analysis

Materials Density (kg/m ³ )

Thermal conductivity

(j/kg-k)

Specific heats (w/m-k)

He 0.1625 0.152 5193

LN2 806.08 0.14581 2041.5

AlN 3260 744 180

SUS304 7850 830 225.58

Si 2330 710 150

Table 2. LN

2

Parameter Conditions

Coolant flow velocity 2 [m/s]

Backside pressure 1~10 [Torr]

Heat flux 5000 [w/ m ² ]

Convection 5 [w/m k]

공정 조건은 식각공정으로 가정하고 챔버 내부는 진공 상태이기 때문에 정전척의 열전달계수는 5 W/m ∙ k, 열 유속은 1000 W/m

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4. 해석결과 및 토론

시뮬레이션은 ANSYS Fluent 19.2 프로그램을 사용했다.

위의 조건으로 경계조건 및 물성을 설정했고 세가지 모 델 모두 같은 조건으로 시뮬레이션을 진행했다. 세가지 모델의 온도분포도는 Fig. 4와 같다. Fig. 4(a)의 최고 온도는 189.06 K, 최저 온도는 176.41 K이며 최고와 최저 온도의 차 이는 12.65 K이다. Fig. 4(a)는 좌우의 온도 분포의 차이가 크 고 세 모델 중에 가장 높은 온도분포를 보이는 것을 볼 수 있다. Fig. 4(b)의 최대, 최저 온도는 188.78 K, 181.15 K이 며 온도차이는 7.63 K이다. Fig. 4(a)와 전체적으로 균일한 모습의 온도 분포를 볼 수 있고 Fig. 4(a)에 비교해 더 좋은

두현철 · 홍상진 22

Fig. 4. Temperature distribution diagram for each model (v=2m/s).

냉각 성능을 볼 수 있다. Fig. 4(c)의 최고, 최저 온도는 185.41 K, 178.88 K이고 최고와 최저 온도의 차이는 6.53 K로 세 모델 중 가장 낮은 온도분포, 균일한 온도균일도를 보 였다.

Fig. 5. Temperature distribution diagram for each model (v=3m/s).

Table 3. At each case, average, maximum and minimum value of surface temperature(v=2m/s)

Model Temperature [K]

Max Min Max-Min

1 189.06 176.41 12.65

2 188.78 181.15 7.63

3 185.41 178.88 6.53

세가지 모델의 온도분포에 관한 값은 Table 3과 같다. 다 음으로는 냉각수의 속도를 매개변수로 설정해 각 모델의 냉각수 속도를 3 m/s의 설정한 후 해석을 진행했다. 온도 분포도는 Fig. 5와 같다. Fig. 5 (a)의 최고 온도, 최저 온도, 온 도 차이는 153.94 K, 142.16 K, 11.78 K, Fig. 5 (b)는 153.88 K, 146.93 K, 6.95 K Fig. 5 (c)는 150.56 K, 144.53 K, 6.03 K의 값을 볼 수 있다. 냉각수 유속의 상승을 통해 세 모델 모두 전체 적인 온도가 낮아진 것을 볼 수 있었고, 각 모델 별 특징 은 2 m/s일 때와 동일했다.

Table 4. At each case, average, maximum and minimum value of surface temperature (v=2m/s)

Model Temperature [K]

Max Min Max-Min

1 153.94 142.16 11.78

2 153.88 146.93 6.95

3 150.56 144.53 6.03

온도 분포에 관한 값은 Table 4와 같다.

Fig. 6. Temperature distribution diagram in the existing etching process (v=2m/s).

극저온 식각장비용 정전척 쿨링 패스 온도 분포 해석 23

위의 시뮬레이션과 모델로 기존의 식각 공정에 사용되 는 냉각수 DI water로 온도는 283.15ܭ, 속도는 2݉/ݏ로 시뮬레이션을 진행했다. 해당 시뮬레이션의 온도분포도 는 Fig. 6과 같다. Fig. 6(a)의 최고, 최저온도, 온도차이는 309.4K, 308.8K, 0.6K Fig. (b)는 313.5K, 314.2K, 0.7K, Fig (c)는 335.4K, 334.6K, 1K이다. 액화질소를 냉각수로 사용한 시뮬 레이션 결과에 비해 온도분포도상으로 균일도가 떨어지 는 것을 볼 수 있다. 하지만 공정온도와 냉각수의 온도차 이가 극저온공정에 비해 크지 않기 때문에 실제 최고온 도와 최저온도의 차이는 크지 않았다.

Table 5. Maximum, minimum temperature, difference value in the existing etching process (v=2m/s)

Model Temperature [K]

Max Min Max-Min

1 309.4 308.8 0.6

2 313.5 314.2 0.7

3 335.4 334.6 1

온도 분포의 관한 값은 Table 5와 같다. 웨이퍼의 온도 불균일, 공정환경 등의 여러가지 상호작용에 따라 웨이퍼 엣지에서 수율 저하 및 웨이퍼 표면의 불균일도를 나타 낼 수 있다[14]. 냉각수의 속도에 따른 경향을 비교한 결 과 Fig. 4(a)의 경우 정전척의 온도분포가 균일하지 않은 것을 볼 수 있지만 추가적으로 투입구쪽의 엣지의 온도 가 낮은 반면 투출구 쪽의 엣지는 온도가 높기 때문에 웨 이퍼 표면의 온도 차이가 커 수율에 저하에 영향을 미칠 것이다. Fig. 4(b)와 Fig. 4(c)의 형상의 경우 투입구와 투출구 사이의 온도차이가 적고 웨이퍼의 모든 엣지에서 균일한 온도 분포를 보이기 때문에 수율향상에 유리하다.

극저온 환경과 기존 공정 환경을 가정해 비교했을 때 기존의 식각공정에서의 온도균일도에 비해 극저온 정전 척에서의 온도분포가 균일한 것을 볼 수 있었다. 하지만 냉각수가 투입구에서 투출구로 순환하는 과정에서 액화 질소의 경우 공정 온도로 인해 기화되는 현상이 일어날 수 있기 때문에 투입구와 투출구에서의 온도차이가 큰 것을 볼 수 있다.

위의 해석 결과를 바탕으로 극저온 환경에서 균일한 온도분포를 가지기 위한 세가지 고려사항을 제안한다.

(1) 냉각수의 투입구와 투출구 간 온도차 최소화 (2) 중앙부와 엣지를 균일하게 순환하는 쿨링 패스 설계 (3) 상온에서 기화하는 액화질소의 특성을 고려한 쿨링

패스의 보냉구조 설계

또한 두 해석결과를 비교해 봤을 때 냉각수 속도가 냉 각성능에 영향을 미치는 것을 볼 수 있다. 따라서 냉각수

의 주입 속도는 고성능의 정전척 쿨링 패스 설계에서 주 요 고려사항이 될 것이다.

5. 결 론

본 연구에서는 극저온 식각장비용 정전척 쿨링 패스 모델링 및 시뮬레이션을 진행했다. 극저온 및 실제공정 조건에서 정전척 내부의 쿨링 패스를 순환하는 냉각수 유동해석을 통해 정전척 상단의 온도분포에 대한 결과값 을 도출했다. 극저온 조건에서 균일한 온도분포를 가지기 위해서는 냉각수의 투입구와 투출구 간의 온도차를 최소 화하도록 쿨링 패스의 길이를 짧게 만들어 냉각수의 온 도상승으로 인한 냉각효율 저하를 방지해야 하고, 중앙부 와 엣지를 모두 균일하게 순환할 수 있는 모델링이 필요 하다. 추가적으로 상온에서 기화하는 액화질소의 특성을 고려한 보냉구조를 포함한 쿨링 패스 설계가 필요하다.

본 연구를 통해 최적의 온도균일도를 가지는 극저온 정 전척 쿨링 패스를 설계함으로써 300 mm 양산장비에서의 웨이퍼 수율의 극대화를 기대할 수 있다. 추후 정전척을 포함한 공정장비에 대한 하드웨어의 추가 연구가 진행된 다면 극저온 환경에서 고종횡비 식각 구현을 통해 반도체 소자 미세화 및 고성능화에 기여할 수 있을 것이다.

감사의 글

이 연구는 경기도 소재부품장비자립화 지원사업 (No.

AICT-006-T1)의 지원으로 수행되었으며, 산업통상자원부 반도체소재부품장비 전문인력양성사업단의 학술적 토론 과 자문에 감사드립니다.

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접수일: 2021년 6월 8일, 심사일: 2021년 6월 19일, 게재확정일: 2021년 6월 21일