ESC

ESC (Electro-Static Chuck, 정전척)는 웨이퍼나 글라스를 물리적인 방법이 아닌 정전기를 이용하여 고정하는 장치다. 

물리적인 방법으로 고정하는 방식은 접촉을 기본으로 하는 방식이라 재료에 흠집을 내거나 기체의 흐름을 방해하기도 한다. 또한 공정 챔버 내부에 구동하는 부분이 많아지면 파티클(particle)과 고장에서 자유로울 수 없다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 정전척(ESC)을 사용한다. 

더욱이 대면적 글라스의 경우에는 글라스를 효율적으로 잡을 수 있는 방법이 없다. ESC가 유일한 방법이다. 그렇지 않으면 긴 세라믹 막대로 글라스의 패턴을 피해  가로 질러 눌러 줘야 한다. 이는 많은 구동부가 필요하며 앞에서 말한 단점을 가지게 된다. 

ESC의 구조는 이해는 하고 있으나 설명하기에는 지식이 부족하다. Dry etcher에서는 하부 전극과 같이 사용하기 때문에 구조는 더 복잡하다. 

 

ESC란
https://selfimprove39.tistory.com/entry/Electrostatic-chuck-ESC%EB%9E%80

ESC원리 (Unipolar vs Bipolar) 
http://idmt.co.kr/main/esc/

ESC Chucking force
https://blog.naver.com/chimaria/221114009813

ESC 원리와 타입
http://www.kst1.co.kr/index.php?g_page=product&m_page=product01
http://www.kst1.co.kr/index.php?g_page=product&m_page=product01&s_page=product01_04

 

반도체용 ESC (출처 보부하이테크)

 

 

반도체용 ESC는 당연히 원형이다. 웨이퍼의 형상을 가지며 이미지에서는 잘 보이지는 않지만 헬륨 가스가 지나는 홈이 파여 있다. 웨이퍼 반송에 사용되는 lift-pin을 위한 중앙 4개의 홀이 있다. 크기는 사용하는 웨이퍼의 사이즈를 따라간다.  

아래는 디스플레이 장비에서 사용하는 ESC이며 사각형 모양이다. 웨이퍼용과는 다르게 표면에 엠보싱 형태로 구성되어 있다. 가장자리에 댐으로 구성하고 안쪽에는 엠보싱 형태로 글라스를 받치는 구조로 되어있어 그 사이의 빈 공간을 쿨링 가스로 채우게 된다. 사용해 본 것 중에는 가장 큰 사이즈는 8 Gen (2200mm x 2500mm)용이다. 

디스플레이 설비용 ESC (이미지출처 http://www.sundayjournal.kr/news/articlePrint.html?idxno=3023)

 

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ESC는 웨이퍼/글라스를 고정하고 고정된 뒷면에 가스를 흘려 온도를 일정하게 유지하기 위해 사용되는 구성품이다. 이것은 아주 중요한 역할을 한다. ESC가 Grip 된 상태에서 가스를 투입하고 프라즈마를 발생시켜 원하는 공정을 진행한다. 프라즈마는 번개를 오랫동안 켜서 유지하는 것과 비슷하다. 이 와중에 예상치 못한 상황이 발생하면 프라즈마는 여지없이 그곳을 통해 방전될 것이다.

이러한 예상치 못한 방전을 arcing이라 부르면 아래는 arcing이 발생한 이미지이다. 아래 이미지는 Dry etcher 설비에서 arcing이 발생한 이미지 이다. 디스플레이의 경우 큰 RF Power를 사용하므로 아주 작은 틈으로도 아킹이 발생한다. 

 

ESC의 소울 메이트 아킹

위의 사진은 세라믹을 고정하는 볼트위에 프라즈마가 접촉하지 못하도록 원형 커버를 얹게 되는데 동전 크기의 커버를 뚫고 금속 볼트에 아킹(Arcing)이 발생하여 볼트와 세라믹 그리고 ESC모두에 손상된 이미지이다.

아래 사진은 글라스와 ESC 사이에 들뜸 혹은 반송중 글라스 치핑(chipping)으로 틈이 생겨 그 틈으로 발생한 것으로 보인다. 살짝 발생한 것으로 보이나 이 역시 글라스 파손, ESC 수리반출, 세라믹 손상으로 이어졌다. 

글라스와 세라믹 사이에서 발생한 아킹

 

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제어 경험 만으로 ESC의 원리 또는 구조를 설명하기에는 쉽지 않다. ESC를 제작 혹은 재생하는 회사가 많아 아주 잘 설명한 사이트들이 많다.

여기서는 내가 ESC를 사용하면서 배운 노하우를 기술한다. RF 출력과 공정 가스의 제어, 온도제어 그리고 챔버의 압력 등은 명령을 전달하고 장치에서 나오는 측정값을 이용하여 상하 한계값을 모니터링하면 된다. 이것을 벗어나는 경우 process abort와 alarm을 발생시키면 된다. 

하지만 ESC + Helium을 사용하는 dry etcher에서는 굉장히 중요한 항목을 관리하게 된다. 여기에 제어의 묘미가 있다. ESC 역시 출력을 내보내고 값을 모니터링하지만 자재와 ESC 사이의 헬륨을 어떻게 제어하느냐가 공정에 막대한 영향을 미친다. 또한 ESC의 Chucking force와 arcing 등도 감지해 낼 수 있다. 거기에 chucking force release 과정은 오로지 경험에서만 얻을 수 있다. 

경험으로 얻은 몇 가지 사실만 적어본다. 

• Chucking time이 길수록 chucking force는 강해진다.
• Chucking force는 진공 압력, 온도, gas flow에 영향을 받는다.
• ESC는 bipolar type을 사용하여야 한다. 
• Dechuck sequence를 구성하여 정전력을 빨리 제거할 수 있다.
• ESC 표면에는 helium path가 있어 여기에 helium flow 시킨다.
• Helium gas의 역할은 자재의 cooling이다.
• Helium gas의 흐름은 센서로 확인할 수 없다.
• Helium gas의 흐름양으로 자재의 정확한 안착을 확인할 수 있다.
• Helium gas로 인하여 자재의 슬라이딩이 발생할 수 있다.
• 대기 중에서 필요 전압을 걸면 무조건 터져 나간다.

 

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한 가지 생각나는 에피소드를 풀어본다. 전에 반도체 설비 (Dry etcher)의 제어 프로그램을 개발하고 고객사에 설치하여 유지 보수를 위하여 현장에 다닐 때였다. 당시는 국내의 인프라가 거의 전무한 상태여서 어디 문의할만한 곳이 없었다. 그래서 자연스레 외산 장비를 염탐(?)하여 우리 설비에 적용하던 그런 시절이었다. 

한 번은 경쟁사(우리는 경쟁사라고 부르고 그들은 무시..)에서 사고가 터졌다. 웨이퍼 백면에 쿨링용 He을 공급하는 공압 밸브가 고장 난 것이다. 수백 장의 웨이퍼가 공정 중 온도가 상승하여 웨이퍼의 품질 문제가 발생하였다. 우리는 그 소식을 현장에서 접하고 개선책으로 센서가 달린 공압 밸브로 교체하고 알람을 추가하였다. 그렇게 조금씩 조금씩 설비를 개선해 나아갔다. 그런데......

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여기를 클릭하고 중간쯤에 내용을 확인하시라. 
https://hivac.tistory.com/79

 

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아래 사진은 프라즈마를 촬영한 사진들이다. 참고 하시라. 

공정 진행중 ESC위에 잘 형성된 프라즈마 이미지

 

헬륨을 사용한 프라즈마 색상

 

O2 프라즈마

 

위쪽은 Dry etcher에서 보여지는 프라즈마이고 아래는 CVD 설비에서 공정 중 발생한 프라즈마를 촬영한 것이다. 

CVD 설비의 프라즈마 형상