정전척 내부 히터를 이용한 웨이퍼 표면 온도 균일화 및 정밀 제어에 관한 연구 = Study on Wafer Surface Temperature Uniformity and Precision Control Using an Internal Heater in an Electrostatic Chuck

국문 초록 (Abstract)

반도체 제조 공정에서 건식 식각(dry etching)은 미세 패턴 형성을 위한 핵심 공정으로, 웨이퍼 표면의 온도 분포는 식각 속도, 프로파일 형상 및 공정 균일도에 직접적인영향을 미친다. 특히 고밀도 플라즈마를 사용하는 ICP 기반 식각 공정에서는 플라즈마열유속의 공간적 비균일성과 정전척(Electrostatic Chuck, ESC) 내부 냉각 구조의 영향으로 인해 웨이퍼 면내 온도 불균일이 필연적으로 발생하며, 이는 공정 수율 저하의주요 원인으로 작용한다. 따라서 웨이퍼 표면 온도를 정밀하게 제어하고, 플라즈마 열부하에 따른 온도 불균일을 효과적으로 보상하는 기술이 요구된다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 ESC 내부에 multizone heater 구조를 적용한 웨이퍼 온도제어 방식을 제안하고, 시간 의존 열유동 해석을 통해 그 유효성을 분석하였다. 기존연구들이 주로 정상상태(steady-state) 해석에 기반하여 온도 분포를 평가한 것과 달리,본 연구에서는 냉매 유동, 플라즈마 열유속, 히터 발열을 순차적으로 적용한 시간 의존 해석을 수행함으로써 실제 공정 조건에 보다 근접한 열적 거동을 재현하고자 하였다. 먼저, 플라즈마 열유속 및 히터 발열을 제외한 베이스라인 시뮬레이션을 통해 ESC냉각 구조 자체가 형성하는 웨이퍼의 반경 방향 온도 구배 특성을 분석하였다. 그 결과, 냉매 유로 배치에 의해 외곽부 냉각 효과가 우세하게 나타나며, 평균 온도 약10.29 ℃로 수렴하는 비균일한 온도 분포가 형성됨을 확인하였다. 이후 플라즈마 열유속을 가우시안 분포로 적용한 시간 의존 해석을 통해, 플라즈마 가열이 웨이퍼 중심부온도 상승을 유도하고 기존 냉각 구조로 인한 온도 불균일을 더욱 심화시킴을 확인하였다. 다음으로, 모든 히터 존에 동일한 전력을 인가한 단일 존 등가 조건을 분석한결과, 웨이퍼 평균 온도는 약 50.85 ℃까지 상승하였으나, 면내 온도 균일도 측면에서는 구조적 한계가 존재함을 확인하였다. 이에 따라 각 존에 서로 다른 전력을 인가하는 multizone heater 전력 분배 전략을 적용하였으며, 이를 통해 타겟 온도(50 ℃)에근접한 평균 온도 유지가 가능함을 확인하였다. 다만 ESC 구조적 특성 및 열적 결합으로 인해 완전한 면내 균일도 달성에는 한계가 존재함을 함께 분석하였다. 본 연구는시간 의존 열유동 해석을 기반으로 플라즈마 열유속과 ESC 내부 multizone heater의상호작용을 체계적으로 분석함으로써, 웨이퍼 온도 제어의 가능성과 구조적 한계를 동시에 제시한다. 이러한 결과는 향후 ESC 히터 구조 개선, 제어 알고리즘 고도화, 그리고 헬륨 백사이드 가스 효과를 포함한 확장 모델링 연구의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 요약 5
• 1. 서론 7
• 2. 관련 배경 및 선행 연구 9
• 2.1 건식 식각 공정의 개요 9
• 2.2 플라즈마 식각 공정에서 기판 온도의 역할 10
• 2.3 정전척(Electrostatic Chuck)의 구조 및 기능 11
• 2.4 ESC웨이퍼 사이의 열전달 메커니즘 12
• 2.5 Backside Helium Cooling의 열전달 원리와 한계 13
• 2.6 플라즈마 열유속의 공간적 불균일성과 가우시안 특성 14
• 2.7 ESC 내부 냉각 채널 구조와 온도 균일도 15
• 2.8 multizone heater 기반 ESC 온도 제어 기술의 발전 15
• 2.9 ESC 온도 측정 및 모니터링 기술 16
• 2.10 CFD 기반 ESC웨이퍼 열유동 모델링의 필요성과 연구 동향 17
• 2.11 ESC 온도 균일화 기술의 한계와 필요성 18
• 2.12 ESC 냉각 구조의 제약과 냉매 유로 설계 연구 19
• 2.13 기존 연구의 공백과 본 연구의 필요성 19
• 3. 연구 목적 및 연구 범위 21
• 4. 연구 방법 23
• 4.1 지배방정식 23
• 4.2 경계조건 설정 24
• 4.3 해석 모델의 기하학적 파라미터 및 물성치 정의 26
• 4.4 해석 절차 28
• 4.5 메쉬 독립성 검증 30
• 4.6 multizone heater 구성 32
• 4.6.1 히터 존 구성 원리 33
• 4.6.2 히터 존 특성 33
• 4.6.3 기하학적 구성 34
• 4.6.4 구성 목적 및 설계 의의 34
• 5. 결과 35
• 5.1 베이스라인 시뮬레이션 결과 및 열적 특성 분석 35
• 5.2 플라즈마 열유속만 적용한 결과 및 온도 분포 특성 37
• 5.3 모든 히터 존에 동일 전력을 인가한 경우의 온도 분포 특성 39
• 5.4 히터 전력 변화에 따른 웨이퍼 온도 응답 특성 44
• 5.5 시뮬레이션 결과의 종합적 고찰 48
• 6. 결론 50
• 6.1 결론 50
• 6.2 향후 연구 51
• 7. 참고문헌 53
• 8. Abstract 56