KR100194892B1 - 화학 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 화학증착공정에 사용되는 반응조 및/또는 재료 취급부재 및/또는 부속품은 탄소섬유로 보강된 탄소 매트릭스재를 포함한다. 규소는 부가적인 내화코팅 또는 다른 보호코팅을 용착하기 위한 선코팅으로 작용한다. 또한 본 발명은 규소의 코팅을 용착시키는 단계, 및 규소로 코팅된 탄화체상에 규소와 화학적으로 적합한 보호재 또는 내화재의 코팅을 용착시키는 단계를 포함한 탄화체의 코팅방법을 제공한다.

Description

[발명의 명칭]
화학증착방법 및 이에 사용되는 탄소섬유로 보강된 탄소 매트릭스재 물품
[발명의 상세한 설명]
[발명의 분야]
본 발명은 화학 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 공정을 위한 부속 설비 및 반응기 부재로서 유용한 재료에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 CVD 공정에서 반응기 및/또는 취급 부재와 부속 설비로 사용되는, 선택적으로 실리콘 코팅을 구비하는 탄소/탄소 복합체 재료에 관한 것이다.
[발명의 배경]
화학 증착(CVD) 공정은 휘발성 화학종의 증기에 의해 표면이 증착 또는 코팅될 수 있는 조건하에서, 집적 회로, 박막(thin film), 내화 코팅물 등을 제조하는데 사용된다. CVD반응기 또는 반응로 부재에 사용되거나, 또는 기판에 대한 캐리어(carrier)로 사용되는 재료는 200 내지 2,000℃의 온도, 산화성 또는 환원성의 화학적 환경을 견딜 수 있어야 하며, 또, 플라즈마 증진식 화학 증착(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition ; PECVD)의 경우에는, 상당한 전기 방전 전압차와 유도된 플라즈마의 에너지 및 에칭 작용을 견딜 수 있어야 한다.
CVD 공정중 일부 종류는 열적으로 활성화되기 때문에 코팅될 표면은 증착의 발생을 위해 가열되어야 한다. 이들 공정은 반응이 기판, 캐리어 및 반응기의 표면 온도에 의해 제어되는 저압 화학 증착(Low-Pressure Chemical Vapor Deposition ; LPCVD) 공정을 포함한다. LPCVD 공정은 도핑된 및 도핑되지 않은 실리콘 웨이퍼 상에 폴리실리콘을 약 550 내지 700℃의 온도와 약 0.2 내지 0.6 toor의 압력으로 환원성 분위기 하에서 증착하고, 도핑된 및 도핑되지 않은 실리콘 웨이퍼상에 실리콘 질화물을 약 700 내지 800℃의 온도와 약 0.2 내지 0.4 toor의 압력으로 환원성 분위기 하에서 증착되는 것을 포함한다. 또한, LPCVD공정은 테트라에틸오소실리케이트를 약 700 내지 800℃의 온도와 약 0.5 내지 1 toor의 압력으로 고온의 산화성 분위기에서 증착하는 것과 실란과 질소성 산화물 또는 디클로로실란과 산소로부터 생기는 다른 고온 산화물을 고온의 산화성 분위기 하에서 증착하는 것을 포함한다. LPCVD의 압력은 통상 0.3 내지 2toor의 범위를 가진다.
이러한 공정들에서, 고품질의 증착물을 형성하기 위해서는 반도체 웨이퍼와 같은 기판이 균일한 온도로 균일하게 분리되어 유지되는 것이 매우 중요하다.
다른 CVD공정들은 확산 제어 방식이다. 증착 반응은 기판의 표면 온도와 가스 또는 증기의 공급에 의해 제어된다. 이러한 공정들은 기하학적 요소에 크게 좌우된다. 증착의 균일성은 다른 반응면과 등간격으로 배치되는 예컨대, 반도체 웨이퍼와 같은 각각의 반응면에 의해 결정된다. 이러한 균일성을 달성하기 위하여 정교한 웨이퍼 캐리어를 사용하여 각각의 웨이퍼면이 다른 웨이퍼면과 등간격으로 바라볼 수 있도록 웨이퍼들을 등을 맞대는 방식으로 유지시킨다. 웨이퍼 캐리어 또는 케이지(cages)는 기하학적 배치를 균일하게 유지하여 균일한 증착을 할 수 있도록 정밀한 허용 오차로 가공될 수 있는 재료로 제작되어야 한다. 고품질의 소재의 증착은 캐리어가 기하학적으로 단지 약 2%의 변동만을 가지는 것을 필요로 한다. 이러한 유형의 공정의 일례는 보로실리케이트 유리(BSG), 포스포실리케이트 유리(PSG), 보로포스포실리케이트 유리(BPSG) 및 도핑된 폴리실리콘의 박막(코팅)의 저온 산화물을 실리콘 웨이퍼상에 증착시키는 것을 포함한다. 전형적으로 이러한 증착은 약 0.2 내지 0.5 toor의 압력과 약 350 내지 450℃의 온도, 바람직하게는 약 400 내지 425℃의 온도에서 수행되며, 예외적으로 도핑된 폴리실리콘은 550 내지 680℃의 온도에서 증착된다.
CVD 반응로의 형태는 수평형 회분식(回分式)(batch) 반응로 및 연속 공정식 반응로와, 수직 반응로, 원통형 반응로 및 관형 회분식 반응로를 포함한다. 피복되는 기판은 균일한 증착을 위해 수직 반응로의 회전식 지지대(susceptor) 판상에 배치되며, 원통형 반응로의 원주를 따라 유지되고, 관형 반응로의 캐리어에 각각 유지된다. 반응로는 반응로벽을 통해 예컨대 반응기에서 에피택셜 막을 성장시키기 위해 기판을 가열하도록 지지대에 전원을 연결하는 외부 고주파(rf) 유도 코일, 또는 반응로 둘레의 외부 복사 가열 코일을 포함할 수 있다. 다른 반응로는 내부로 향하는 복사에 의해 기판을 가열하는 열저항 가열기를 구비한다.
전술한 증착물 및 다른 증착물들은 플라즈마 증진식 화학 증착(PECVD)에 의해 제조될 수 있다. 증착을 위한 화학종의 형성을 촉진하는 플라즈마내에는 에너지가 존재하기 때문에 보다 낮은 작동 온도를 적용할 수 있다. 플라즈마 증진식 화학 증착(PECVD)에는 기판이 설치되는 전기적으로 전도성이고 화학적으로 불활성인 판이 필요하다.
통상, 플라즈마 증진식 화학 증착(PECVD) 공정은 약 0.2 내지 5 toor, 바람직하게는 약 0.2 내지 0.5 toor의 압력과, 약 250 내지 500℃, 바람직하게는 약 400 내지 500℃의 온도에서 수행된다. 이와 같은 방식으로 제조된 증착물의 예로서, 태양 전지용의 비정질 실리콘 막과 반도체 제조용의 SiO2, SiO2-Si3N4및 Si3N4의 표면 안정화 막(passivation film)을 들 수 있다.
저압 CVD 공정을 전술하였으나, CVD는 Si 에피택시, Si3N4, 폴리실리콘 및 SiO2와 같은 필름 및 코팅의 증착은 대기압이나 대기압에 가까운 압력에서도 수행된다. 이러한 고압 CVD 공정은 통상 약 400 내지 1,200℃의 온도에서 수행된다. 특히, SiO2는 약 400℃에서, Si3N4는 약 850℃에서, 및 에피택시 Si(바이폴라 소자에 사용됨)는 약 1,100℃에서 증착될 수 있다.
CVD 공정은 처리될 기판을 증착 또는 코팅될 재료의 증기에 접촉시키는 과정을 포함한다. 증기가 이러한 접촉 과정을 위해 반응기내로 및 반응기를 통해 흐를 때, 현재 또는 이전의 증착물로부터 나오는 불순물 또는 부스러기의 모든 입자는 기판상으로 운반되어, 양질의 제품의 수를 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼상에 집적 회로를 형성하는 경우, 마스킹 과정중에 포토레지스트(photoresist)가 1 내지 2㎛의 두께로 웨이퍼 표면 위에 스핀 도포된다. CVD공정에서는 후술하는 바와 같이 반응기 및 부속 설비 표면상에서 증기의 핵생성에 기인하여 1 내지 2㎛의 범위내의 입자가 발생되는 경우가 있으며, 이들 입자는 반응 가스 또는 증기와 함께 운반된다. 이러한 입자들이 웨이퍼 표면에 부착되어 상기 포트레지스트 층안으로 혼입된다면, 이들 입자는 에칭될 패턴의 노출에 있어 여러 가지 문제점을 유발할 수 있다.
첫째로, 광학적 인쇄를 위해 노출시키고자 하는 영역이 노출과으로부터 차단되어 회로 패턴 및 최종 회로를 불완전하게 한다. 둘째로, 빛에 노출되는 동안, 상기 입자들은 제2의 반사를 일으키는 공급원일 수 있으며, 그러한 제2 반사를 통해 원하지 않는 포토레지스트의 영역이 노출되어, 제조후 회로에 쇼트를 야기할 수 있다. 따라서, 반도체 웨이퍼의 CVD 제조시 생성되는 1 내지 2㎛의 입자의 개수를 감소시키는 것이 중요하다.
보트(boats), 케이지, 트레이(trays)와 기타 캐리어, 판, 지지대, 레일, 네스트, 캔틸레버식 로드(rod), 라이너, 지지 로드, 다른 취급 설비 및 지그(jigging) 설비와 같은 증착 설비 및 반응기 부재는 종래에는 알루미나, 알루미늄, 스테인레스 강, 석영 또는 그라파이트로 제조되었다.
CVD 공정의 고온과 고순도의 공정 가스에 대한 요구 때문에, 통상적인 윤활은 불가능하다. 기판 캐리어는 활주기(이 활주기는 반응기 벽을 파낸 레일상에서 활주될 수 있거나 반응기 벽으로부터 얇은 파편 및 조각을 발생시키는 휠상에서 회전될 수 있음) 또는 2개나 3개의 캔틸레버식 로드 세트(예컨데 고밀도 알루미나 또는 실리콘 카바이드로 제조되며 석영내에 삽입됨)상에서 반응기의 가열부 내외로 빈번히 이동되며, 상기 로드 세트는 작동중에 반응기 벽상에 위치될 수도 위치되지 않을 수도 있다(가볍게 놓여짐(soft landed)). 이러한 부재들의 이동에 의해서, 작은 마찰 입자들이 발생하여 공정 가스와 함께 기판에 접촉되도록 운반될 수 있다.
또한, 석영 반응기 부재 및 부속 설비는 다른 이유로 인해 오염 및 입자 핵 생성의 문제점들을 야기한다. 석영은 CVD를 위한 기판을 가열하는데 사용되는 열복사 및 고주파(R-F) 복사 스펙트럼에 대해 비교적 투명하고, 이에 따라 공정 가스에 대해 차가운 표면을 제공한다. 그 결과, 공정 가스는 석영의 반응기 부재와 부속 설비 및 기판상의 필름에 균일하게 증착되지 않고, 차가운 표면과 접촉하여 입자로의 핵생성을 하게 되며, 이어서 핵생성된 입자는 벗겨지거나 또는 이탈되어 공정 가스류에 들어가거나 또는 기판상에 증착된다.
대류가 에너지 전달을 위한 열전달 수단이 되지 못하는 CVD 공정 조건하에서 석영은 충분히 가열되지 못하기 때문에, 반응기가 증착 온도에서 안정화되는데에는 수시간이 걸릴 수 있다. 실제로, 가열된 기판은 기판에 접촉되어 기판을 지지하는 석영 캐리어를 가열하는 열전달 수단이 된다.
또한, 석영은 재료의 성질 및 준비 방법에 기인하여 2개의 석영 제품이 정확하게 동일하지 않다는 점에서 단점을 가진다. 석영 제품의 평균의 특정화된 치수에 대해 기대되는 최대 허용 오차는 약 3%이다. 웨이퍼 케이지용으로 사용되는 석영 재료는 통상108 내지 110㎜의 직경 단위로 특정화된다. 3%의 허용 오차에서, 제품이 만족하는 사양은 실제로 약 104-3/4 내지 113-1/3㎜의 직경일 수 있다. 석영은 쉽게 절단하거나 기계 가공되지 않기 때문에, 제품 치수상의 변동은 기판상에 최적의 균일한 증착을 달성하는데 필요한, 기판 간격에 대한 기하학적 배치상의 균일성 요건에 저해가 된다.
벌크 그라파이트 또는 열분해 탄소(pyrolytic carbon) 부재는 2개의 그라파이트 제품이 동일하지 않기 때문에 역시 균일성의 문제점을 드러낸다. 또한, 그라파이트 부재는 매우 무겁고 극히 부숴지기 쉬울 뿐만 아니라 미립자 불순물의 공급원이 된다. 그라파이트에 SiC와 같은 내화 코팅을 증착시키는 것에 의해 불순물요인을 줄이려고 시도한 적이 있다. 그러나, 상기 내화 코팅은 그라파이트에 잘 부착되지 않아서, 그러한 부착도를 증가시키기 위해 샌드 블라스트(sand blasting)를 사용해야 하는데, 이는 오히려 미립 불순물 문제를 심화시키게 된다. 그라파이트 부속 설비를 사용하여 제조된 반도체 웨이퍼는 전체 균일도(즉, 웨이퍼상의 증착물의 전체 균일도)가 대체로 8% 변동을 나타낸다.
CVD 공정에 전술한 재료를 사용하는데 따른 또 다른 단점은 허용 가능한 작업을 위해 필요한 세척의 빈도수이다. 석영 부재(부속 설비 포함)는 5 내지 8회의 조업 수행 후 매번 세척되어야 하고, 그라파이트 부재는 6회의 조업 수행 후 매번 세척되어야 한다. 세척 작업시에는 통상 약 20%의 파손물이 존재하며, 대부분의 부재는 3번의 세척후에 버려진다. 세척은 극히 반응성이 높고 취급이 어려워서 폐기상의 문제점을 안고 있는 플르오르화수소산 중에서 수행된다. 또한, 석영의 세척은 모재(母材)를 상당 정도 에칭되게 하며, 이에 따라 석영 제품의 치수 허용 공차에 악영향을 미친다.
석영 제품에 수반되는 이러한 일부 문제점을 해결하기 위하여 웨이퍼 케이지와 같은 부속 설비를 구성하는데 새로운 재료가 도입된다. 열간 프레싱된 실리콘 카바이드 및 실리콘 카바이드 섬유 강화된 실리콘 카바이드 케이지를 제작하여 입자 형성을 감소시킨 바 있었으나, 이러한 재료는 부숴지기 쉽고, 현재까지도 반도체 웨이퍼 처리에 관련된 자동 이송 기계류에 쉽게 적용되지 않고 있다. 또한, 이러한 재료는 정기적으로 산세(酸洗)에 의해 세척되어야 한다.
[발명의 개요]
탄소 섬유 강화된 탄소 매트릭스재(탄소-탄소 복합체)가 CVD 공정을 위한 하나 이상의 반응기 부재 또는 부속 설비로서 사용될 때 매우 탁월하다는 것을 알게 되었다. 탄소-탄소 복합체는 내열성을 가지며, 환원성 분위기에 대해 화학적으로 불활성이며, CVD 조업 온도에서 강도 및 인성을 보유한다. 탄소-탄소 복합체는 CVD 조업 온도에서 직면하게 되는 복사 파장에 대해 흑체(black body)가 되는 작용을 하여, CVD 시스템의 열상승 특징 및 열적 환경을 현저하게 향상시킨다. 상기 복합체는 그 복합체에 유도 및 전도성의 열이 용이하게 부가되도록 하는 조절 가능한 전기적 성질(tailorable electrical properties)과 플라즈마 증진식 화학 증착(PECVD)에 유용한 전기 전도도를 가진다. 탄소-탄소 복합체는 탈기(脫氣)가 용이하지 않고, CVD 공정중 입자 형성을 효율적으로 감소시키며, 정밀한 허용 공차로 재현 가능하게 기계 가공 될 수 있다. 이들 복합체의 열팽창은 증착되는 재료의 열팽창에 맞추어 조절될 수 있다. 실리콘 코팅된 탄소-탄소 복합체는 CVD 온도에서 산화 분위기에 노출되었을 때에도 적절히 화학적으로 불활성을 가진다.
따라서, 본 발명은 화학 증착 공정에 있어서, 적어도 하나의 CVD 처리 부재, 즉 반응기 부재, 재료 취급 부재, 또는 부속 설비가 탄소 섬유 강화된 탄소 매트릭스재로 이루어진 것을 특징으로 하는 화학 증착 공정을 포함한다.
본 발명은 본질적으로 실리콘으로 구성된 코팅을 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화된 탄소 매트릭스재를 포함한다. 실리콘은 다른 내화 코팅 또는 기타 보호 코팅의 증착에 대한 선코팅의 역할을 할 수 있다.
또한, 실리콘 함유된 내화 코팅을 탄화체에 코팅하는 방법도 역시 본 발명의 범위내에 속하며, 그 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.
(a) 본질적으로 실리콘으로 구성된 코팅을 탄화체상에 증착시키는 단계;
(b) 상기 실리콘 코팅된 탄화체상에 실리콘 함유 내화 코팅을 증착시키는 단계.
또한, 탄화체를 코팅하는 방법도 역시 본 발명의 범위내에 속하며, 그 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.
(a) 본질적으로 실리콘으로 구성된 코팅을 탄화체상에 증착시키는 단계;
(b) 상기 실리콘 코팅된 탄화체상에 실리콘과 화학적으로 친화적인 재료의 코팅을 증착시키는 단계.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 저압의 화학 증착 공정(LPCVD) 반응기의 종방향 단면도.
제2도는 반도체 웨이퍼 케이지의 입면도.
제3도는 웨이퍼 케이지의 종방향 횡단면도.
제4도는 웨이퍼 케이지의 바닥부 내부의 입면도.
제5도는 웨이퍼 케이지의 상단부 외부의 입면도.
제6도는 벨 단지형 CVD반응기의 분해도.
제7도는 웨이퍼판을 구비한 플라즈마 증진식 화학 증착(PECVD) 반응기의 분해 입면도.
제8도는 대기압 CVD반응기의 입면도.
[발명의 상세한 설명]
탄소 섬유 강화된 매트릭스재, 또는 탄소-탄소 복합체는 고체와 같은 열적 안정성, 높은 열전도도 및 낮은 열팽창 거동에 의한 높은 열충격 저항성 및 고온에서 사용시의 높은 인성, 강도 및 경도를 가진다. 탄소-탄소 복합체는 매트릭스 선구 물질이 혼합 또는 접촉된 탄소 또는 그라파이트 보강물을 포함하여 미소결(green) 복합체를 형성하고, 이어서 탄화되어 탄소-탄소 복합체를 형성하게 된다. 이 복합체는 또 화학 증기 침윤에 의해 매트릭스가 완전히 또는 부분적으로 도입되는 탄소 또는 그라파이트 보강물을 포함할 수 있다.
탄소 또는 그라파이트 보강물은 아모코(Amoco), 듀퐁(Dupont), 허큘레스(Hercules), 셀라니즈(Celanese) 등의 회사로부터 시판되며, 직물, 챠드 직물(chopped cloth), 섬유사, 챠드 섬유사(chopped yarn), 테이프 및 펠트 등의 형태를 취할 수 있다. 섬유사는 브레이딩(braiding) 또는 다방향 제직(multidirectional weaving)에 의해 원하는 형태로 직조될 수 있다. 섬유사, 직물 및/또는 테이프는 굴대 둘레에 싸여지거나 감겨져서 다양한 형상 및 보강물 배향을 형성할 수 있다. 섬유는 건조 상태에서 싸여질 수 있거나, 또는 싸여지거나, 감겨지거나, 쌓여지기 전에 원하는 매트릭스 선구 물질로 함침될 수 있다. 이러한 선(先) 함침된 직조 구조 보강물은 비피 케미칼즈(BP Chemicals)에 의해 시판되고 있다. 보강물은 폴리아크릴로니트릴(PAN), 레이온 또는 피치(Pitch)와 같은 선구 물질로부터 제공될 수 있다.
탄소-탄소 복합체를 형성하는 데 사용될 수 있는 매트릭스 선구 물질은 충전된 그리고 충전되지 않은 페놀류, 퓨란, 피치, 유기 금속성 수지 및 이들의 혼합물을 포함한다. 대표적인 페놀류는, 물론 이들로 제한되는 것은 아니지만, 보론 인코포레이티드(Borden Inc.)에 의해 SC 1008이라는 상표명으로 시판되는 것들과 같은 레졸과, 비피 케미칼(BP Chemicals)에 의해 JT7002라는 상표명으로 시판되는 것들과 같은 노볼랙(novolak)을 포함한다. 대표적인 퓨란은, 물론 이들로 제한되는 것은 아니지만, 쿼커 오츠(Quaker Oats)에 의해 UP 520 또는 LP 520 이라는 상표명으로 시판되는 수지를 포함한다. 피치는 석유나 석탄의 정제로부터 얻어지며, 물론 이들로 제한되는 것은 아니지만, 얼라이드 케미칼(Allied Chemical)에 의해 515V라는 상표명으로 시판되는 것을 포함한다. 대표적인 유기 금속성 수지는 물론 이들로 제한되는 것은 아니지만, 미국 특허 제 4,585,837호에 개시된 것과 같은 유기 지르코늄 수지와 미국 특허 제 4,543,344호에 개시된 것과 같은 폴리실란 수지를 포함한다.
유용한 충전재는, 물론 이들로 제한되는 것은 아니지만, 탄소, 보론, 실리콘, 보론 카바이드, 실리콘 카바이드, 티타늄 카바이드, 지르코늄 카바이드, 하프늄 카바이드, 니오븀 카바이드, 탄탈 카바이드, 텅스텐 카바이드, 실리콘 헥사보라이드, 티타늄 보라이드, 지르코늄 보라이드, 하프늄 보라이드, 니오븀 보라이드, 탄탈 보라이드 및 텅스텐 보라이드를 포함한다.
본 발명에 유용한 탄소-탄소 복합체는 다양한 기법에 의해 제조될 수 있다. 대표적으로는, 수지로 함침된 탄소 또는 그라파이트 섬유는 오토클레이브 내에서의 성형 또는 가압 성형을 통해 공구 또는 다이내에서 원하는 형태로 만들어진다. 성형된 부재는 유기상(相)을 탄소로 전환시키기 위해서 불활성 분위기내에서 약 700 내지 2900℃의 온도로 열처리된다. 탄화되거나 그라파이트화된 부재는 이어서 탄소 및/또는 SiC 화학 증기 함침에 의해서 또는 전술한 피치 수지 및/또는 기타 수지와 같은 적절한 중합체로 여러번 반복하여 함침화시킴으로써 강화된다. 다른 제조 방법은 건조된 예비 성형물(preforms)의 열간 프레싱 및 화학 증기 함침을 포함한다.
본 발명에 따라 사용될 수 있는 탄소-탄소 복합체는 본원에 참조로 포함된 미국 특허 제3,174,895호 및 제3,462,289호에 기재되어 있다.
CVD반응기, 취급 장치 또는 부속 설비용으로 성형된 탄소-탄소 복합체 부재는 탄화 전후에 일체로 제조될 수 있거나, 또는 탄화 전후에, 원하는 형상으로 접합될 재료의 섹션으로 제조될 수 있다.
일단 전체적인 탄소-탄소 복합체 물품의 형상이 제조되면, 제품은 정밀한 허용 공차로 쉽게 기계 가공될 수 있다. 공칭 치수 108㎜의 석영관은 약 6㎜의 범위 이상으로 변화될 수 있는 반면, 탄소-탄소 복합체는 약 0.1㎜ 이하 단위의 허용 공차로 기계 가공될 수 있다. 이것은 반응이 확산에 의해 제어되고 기하학적 배치에 크게 의존하는 CVD증착에 있어 중요한 사항이다. 또한, 탄소-탄소 복합체의 강도 및 절삭성과, 최초 제조 과정에서 가능한 성형성 때문에, 탄소-탄소 복합체는 석영 또는 그라파이트로는 불가능한 반응기 부재, 부속 설비 및 재료 취급 장치 또는 취급 부재에 대한 형상으로 성형될 수 있다.
탄소-탄소 복합체의 CVD처리 부재(반응기 및/또는 재료 취급 부재 및 부속 설비)의 또 다른 장점은 이들이 높은 강도, 치수 안정성 및 정밀한 허용 공차로 제조될 수 있는 능력에 기인하여 자동화 작업에 적합하다는 점이다. 이러한 장점은 부속 설비, 반응기 부재, 지그(jig) 장치 및 다른 취급 장치 등과 같은 부재들이 자동화 장비에 의해 파악되고 조작되기 충분할 만큼 균일하게 될 수 있도록 해준다.
탄소-탄소 복합체 부재 및 부속 설비는, 부속 설비 부재 또는 제품이 최초에 코팅하지 않은 상태로 CVD공정에 사용될 수도 있으나, 사용전에 산화성 또는 질화성 분위기에서 탄소-탄소 복합체를 선(先)코팅하는 것이 바람직하다. 그렇지 않다면, 코팅되지 않은 상태의 탄소-탄소 복합체의 부속 설비를 사용하여 SiO2또는 도핑된 SiO2를 형성하는 CVD공정에서와 같이, 강하지 않은 산화성 분위기는 탄소 산화물의 형성에 의해 표면을 부식시키게 된다. 그러나, 실리콘의 증착을 위해서는 선코팅이 필요없다.
그러나, 탄소-탄소 복합체의 CVD처리 부재는 복합체의 제조 또는 가공 과정에 의해 형성될 수 있는 모든 입자를 감금하기 위하여 사용전에 코팅되는 것이 바람직하다.
당해 기술 분야에서는 그라파이트가 CVD공정에 사용하기 적합한 내화 표면으로 코팅되기 어렵다는 점과, 그라파이트상의 내화 코팅은 부숴지기 쉽고 대체로 불균일하다는 점을 잘 알고 있으나, 본 발명에 따라, 탄소-탄소 복합체는 보호 코팅으로 쉽게 코팅될 수 있다는 것을 알게 되었다. 탄소-탄소 복합체의 불규칙한 표면은 실리콘 카바이드, 실리콘 나이트라이드 및 도핑되거나 도핑되지 않은 실리콘 디옥사이드와 같은 코팅을 견고하게 부착시켜준다. 도펀트(dopant)는 나트륨과 같은 불순물을 없애거나 포획하는데 유용한 인을 포함한다. 도펀트는 화학 증착에 의해 통상적으로 증착되거나 물리 증착(Physical Vapor Deposition; PVD)에 의해 처리될 수 있다. 코팅은 부숴지기 전에 옹스트롬(Å) 단위의 그라파이트 코팅으로 통상 존재하지만, 탄소-탄소 복합체상의 코팅은 밀(mil) 단위의 두께로까지 부착된다. 보호 코팅을 위해서는, 두께가 약 1 내지 5㎛, 바람직하게는 10 내지 50㎛로 되는 것이 좋다.
다른 보호 코팅은 MoSi2, WSIi2, ZrB2, TiBi2, SiB4, SiB6, SiB6, B4C, B, Ni, Cr, Pt, Ir, NiSi2, SiA1ON, 산화물계(系) 코팅(알루미나, 알뤼노포스페이트, 알루미노실리케이트, 마그네슘 알루미노실리케이트, 보로실리케이트, 소듐보로알루미노실리케이트 등을 포함함), 및 선택적으로 SiC, SiO2또는 Si3N4를 구비한 상기 성분들의 화합물을 포함할 수 있다. 상기 보호 코팅을 도포하는데 사용되는 방법은 공지의 CVD, PVD, 전기 도금, 플라즈마 또는 화염 분사, 패킹 시멘테이션법 또는 패킹 변환법(pack cementation or conversion methods), 졸-겔 및 슬러리법을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘층은 탄화체, 특히 탄소-탄소 복합체상에 용착되어 CVD공정중에 표면을 보호하고 부가적인 내화층 또는 다른 보호재층을 위한 선코팅의 역할을 할 수 있다는 것을 알게 되었다. 실리콘 코팅은 탄소-탄소 복합체의 표면을 밀봉하고, 탄소 표면상의 어떠한 입자, 불순물 또는 데포짓(deposit)을 고착시킨다.
실리콘은 비정질의 형태로 CVD, PVD, 플라즈마 용사 또는 화염 분사에 의해 용착될 수 있다. 약 0.1 내지 10㎛, 바람직하게는 약 0.8 내지 10㎛의 코팅은 산화성 분위기에서 탄소 표면의 반응도를 낮춤으로써 연이은 CVD조업중에 탄소-탄소 복합체 표면과 같은 탄화체의 표면을 충분하게 보호한다. 0.5㎛이상의 코팅은 추가적인 내화재 또는 보호재 고착을 위한 선코팅을 형성하는데 적합하다. 실리콘 코팅을 고착하는데 CVD를 이용한다면, 약 580 내지 650℃, 적합하게는 580 내지 600℃의 온도와, 0.3 내지 0.7 torr, 적합하게는 0.4 내지 0.6 torr의 압력 및 약 2-1/2 내지 4시간에 걸쳐 실란을 고착할 수 있다.
CVD조건하에서, 탄화재상에 고착되는 실리콘은 실리콘-탄소 계면에서 실리콘 카바이드의 박막을 형성할 수 있다. 그러나, 추가 재료의 코팅을 위한 고착용 베이스를 형성하기 위해 부가적인 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘이 부착된다. 실리콘층은 탄화체 표면에 대해 순응적이며 잘 조화된다. 내화 또는 보호용 피복 코팅(overcoating)에 발생되는 모든 미세 균열은 CVD공정중의 산화성, 환원성 또는 질화성 분위기로부터 탄소를 보호하는 실리콘층으로 개방될 것이다.
피복 코팅층은, 탄소나 그라파이트로부터 불순물이 확산되는 것을 중지시키고 표면의 배면측이 에칭되지 않게 할 정도의 최소 두께로부터 탄소-탄소 복합체의 임계적 치수에 악영향을 미치지 않는 한도의 소정 두께로, 종래의 CVD공정에 의해 제조될 수 있다. CVD공정의 반응기 또는 취급 장치 부재 및 부속 설비를 위한 내화 또는 보호 코팅으로서 적합한 재료는 실리콘 카바이드, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 디옥사이드(보론, 인 또는 비소로 도핑되거나 도핑되지 않은 것), 및 탄소-탄소 복합체상의 증착물로 적합한 전술한 바의 부가적인 보호 코팅을 포함한다.
또한, 내화층 또는 보호층은 탄화체(비처리 상태 또는 선코팅된 상태)가 반응기 부재 또는 부속 제품으로서 기능하고 있는 CVD반응기내의 제위치에 제공될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 본 발명에 따라 반응기 부재 또는 부속 설비로서 탄소-탄소 복합체 재료를 사용하는 기판을 CVD처리함으로써, CVD재료가 탄소-탄소 복합체 위에 비교적 균일하게 증착되어진다. 이때, 이러한 CVD재료는 탄소-탄소 복합체를 위한 부가적인 보호 코팅으로서 작용한다.
본 발명에 따라 탄소-탄소 복합체에 보호 코팅 또는 내화코팅을 도입하면, 이 코팅은 탄소-탄소 복합체가 반응기 부재 또는 부속 설비로 사용되는 CVD공정에서 기판에 증착되는 재료와 친화적이어야 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 탄소 또는 그라파이트 섬유는 중합체 매트릭스를 사용한 복합체내에서 형성될 수 있다. 그후, 중합체는 실란 똔느 디클로로실란으로부터 섬유/탄(炭)(char)의 복합체상으로 행해지는 실리콘 또는 실리콘 카바이드의 즉각적인 용착에 의해 제위치에서 탄화될 수 있다.
[발명의 특정 실시예]
본 발명에 따른 탄소-탄소 복합체 또는 관련 복합체 재료는 다양한 종류의 CVD공정을 위한 반응기 부재 및 부속 설비로 유용하며, 저압의 화학 증착(LPCVD)에서와 같이 표면 상태에 의해 제어되는 반응에 필요한 효율적이고도 균일한 열전달 성질을 가지며, 플라즈마 증진식 화학 증착(PECVD)에 필요한 바와 같이 전기적으로 전도성을 가지고 화학적으로 불활성을 가지며, 저온 산화물 CVD(Low-Temperature Oxide CVD : LTO CVD)에서 균일한 증착을 위해 기하학적 배치를 유지하는데 극히 중요한 정밀하고 균일한 허용 오차를 형성 및 유지할 수 있다. 열거한 대부분의 특징은 고온 및 증착의 화학적 분위기(산화성, 환원성, 질화성)에 대한 저항성을 포함하여 모든 CVD공정에서 중요한 것이며, 이들 성질들을 모두 본 발명에 따른 코팅된 탄소-탄소 복합체가 보유하고 있는 성질들이다. 그러므로, LTO CVD에 대한 탄소-탄소 복합체 재료의 적합성을 예시하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고 기재하고자 한다.
제1도는 LTO 증착에 사용하기 적합한 LPCVD반응기(10)을 도시하고 있다. 통상 가열기(12)는 약 9인치의 직경과 약 6피트의 길이를 가지는 반응로 관(도시 생략)에 설치된다. 반응로 관의 내부에는 반응기 관(11)이 설치되며, 이 반응기 관(11)은 통상 약 6 내지 8 인치의 직경과 약 8 피트의 길이를 가지는 석영으로 제작되고 가열기(12) 내부에 동심적으로 위치된다. 반응 가스원(13)은 가스라인(14)에 의해 반응기 관(11)의 내부에 접속되며, 이 가스 라인(14)의 입구 위치는 수행되는 증착의 형태에 의해 결정되며, 펌프(16)과 연통하는 반응관(11)의 내부에는 배기 라인(15)이 설치된다. 압력 센서(19)는 작동 압력을 획득 및 유지하기 위해 피드백 제어 능력을 제공한다. 캐리어(21)는 최적의 가열을 위해 캔틸레버식 로드(22)에 의해 반응기 관(11)의 내부에서 고온 중앙부내에 앞뒤로 삽입된다. 도어(24)는 가스킷(도시 생략)에 의해 반응기 관(11)을 밀봉한다.
폴리실리콘, 실리콘 나이트라이드 및 테트라오소실리케이트의 증착과 같이 표면 상태에 의해 제어되는 CVD공정을 위하여, 캐리어는 탄소-탄소 복합체 재료로 제조된, 슬롯을 구비한 트레이, 개방된 보트 또는 네스트(nest)일 수 있으며, 대략 3/16 내지 3/8 인치 만큼 이격된 상태로 중심 정렬되어 있는 슬롯에서, 슬롯당 1개의 반도체 웨이퍼 기판을 수용한다.
탄소-탄소 복합체 재료로 제작될 수 있는 다른 형태의 부속 설비는 제2도에 도시된 웨이퍼 케이지(30)이다. 전형적으로 웨이퍼 케이지(30)는 제3도에서 점선으로 도시되고 케이지내의 슬롯(도시 생략)내에 수용되는 반도체 웨이퍼(31)를 삽입하고 제거할 수 있도록 부분적으로 개방된 2개의 절편으로 구성된다. 웨이퍼 케이지(30)는 반경 방향의 확산 포트(32)를 제외하고는 반도체 웨이퍼(31)를 완전히 봉함하며, 상기 확산 포트(32)는 외부로 개방되어 반응가스가 CVD공정중 웨이퍼 케이지(30)을 출입할 수 있게 해준다.
웨이퍼 케이지(40)의 다른 실시예는 제4도에서 개방된 위치의 바닥부(41)로서 제5도에서는 상단부(42)로서 각각 도시되어 있다. 이 실시예는, 통상 케이지(40)의 종축에 대해 반경 방향으로 20°만큼 이격된 종방향 확산 포트(43)를 구비한다. 바닥부(41)는 반도체 웨이퍼(도시 생략)를 수용하기 위한 슬롯(46)을 구비하는 레일(45)로 구성된 웨이퍼 네스트(44)를 포함한다. 레일(45)은 단부편 부재(48)에 의해 결합될 수 있다. 네스트(44)는 전형적으로 2 내지 4개의 레일(45)을 구비하며 케이지(40)과 일체로 되거나 웨이퍼의 접근이 용이하도록 분리 가능하게 형성될 수 있다. 만약 분리 가능하다면, 네스트(44)는 바닥부(41)내에 헐겁게 장착되는 것이 바람직하다. 슬롯(46)은 인접한 슬롯과 등간격으로 대략 3/8인치 또는 9/16인치 만큼 이격된 상태로 중심 정렬된다.
본 발명에 따라 웨이퍼 케이지와 네스트 또는 레일은 모두 탄소-탄소 복합체로 제작될 수 있다. 이들 재료는 열적 특징에 있어 우수하면서도, 표면 활성화를 통해, 기하학적 형상 및 공정 가스의 확산에 의해 제어되는 LTO CVD공정에 2차적인 효과를 발휘한다. 정밀한 허용 공차(3 mil 이내)로 제작 및 유지되는 탄소-탄소 복합체의 능력은 필요로 하는 균일한 기하학적 형상 및 확산 경로를 제공한다.
[부속 설비]
반도체 기판상에 CVD코팅을 제조하기 위한 증착 부속 설비는 100개 이상의 상이한 제품이 현재 시판되고 있다. 이들 제품은 탈기를 피하고, 입자의 형성을 감소시키고, 온도 및 반응 조건에서 강도와 치수 안정성을 유지하기 위하여, 탄소-탄소 복합체로 제조되는 것이 유익할 수 있다.
[예시 1]
거의 순수한 탄소 매트릭스내의 탄소 섬유로 구성된 50 mil 두께의 층상체로 이루어진 탄소-탄소 복합체로 웨이퍼 케이지를 제작하였다. 섬유는 아모코 케미칼(Amoco Chemical)에서 T-300(8 하니스(harness)의 수자직(織) 직물)이라는 상표명으로 시판되는 것과 같은 폴리아크릴로니트릴 선구 물질로부터 얻었다. 매트릭스재는 페놀류 수지의 선구 물질로부터 얻었다. 탄소 섬유 및 매트릭스재 모두를 화학 증기 함침에 의하여 열분해 탄소로 치밀화하였다. 탄소-탄소 복합체는 45 KSI에 가까운 등급의 굴곡 강도와, 8 내지 14 피트-파운드/인치 범위의 아이조드 충격 강도를 가졌다. 0.5 torr 및 580℃에서 4시간 동안 실란(150sccm)의 CVD에 의해 케이지를 실리콘으로 코팅하였다.
탄소-탄소 복합체 케이지에는 밀(mill)에서 평평한 탄소-탄소 복합체 패널로부터 가공되고 전술한 대로 CVD에 의해 실리콘으로 코팅된 3개의 탄소-탄소 레일의 네스트가 설비되었다. 100㎜×22mil의 실리콘으로 된 반도체 웨이퍼를 탄소-탄소 복합체 케이지에 장전하고 LTO, PSG LPCVD 공중에서 시험하였다.
18개의 반도체 웨이퍼로 장전된 하나의 탄소-탄소 복합체 웨이퍼 케이지를, 동일한 방식으로 장전된 4개의 석영 웨이퍼 케이지와 함께 LPCVD 반응기 관 안으로 장입하였다. 몇차례의 작업을 수행한 후, 탄소-탄소 복합체 케이지를 5개의 케이지 사이에서 전후로 상이한 위치로 이동시켜 반응기내의 위치에 따른 편향(bias)의 가능성을 배제시켰다.
탄소-탄소 복합체 케이지를 포함하여 각각 18개의 반도체 웨이퍼를 장전한 5개의 케이지를, 인으로 도핑된 실리콘 디옥사이드의 증착을 위한 LTO 공정으로 처리하였다. 약 420℃의 작업 온도와 약 0.275 내지 0.285 torr의 작업 압력에서 시험을 수행하였다. 공정 가스는 대략 부피비로 약 34%의 실란, 약 66%의 산소 및 0.0015%의 포스핀(포스핀의 운반 가스로 질소를 사용함)으로 구성되었다.
증착 결과, 탄소-탄소 복합체 케이지내의 반도체 웨이퍼상에서 양호한 필름이 증착되었다. 필름내로 도핑된 인의 중량%는 약 3.1%이었으며, 이는 석영 케이지내에서 처리된 반도체 웨이퍼에서도 동일하였다. 증착된 층의 총두께는, 공정 가스로부터의 필름 증착에 대한 친화력이 탄소-탄소 복합재에서 더 향상되기 때문에, 석영 케이지에 장전된 웨이퍼에서 보다 탄소-탄소 케이지에 장전된 웨이퍼에서 다소 더 작았다(약 10% 정도). 이것은 증착 시간, 유속등을 증가시킴으로써 탄소-탄소 복합체 케이지만을 사용하는 증착 시스템에서 쉽게 보상되어지는 것이다.
4회의 CVD를 수행하는 동안 웨이퍼 표면을 분석하고 증착중 웨이퍼상에 발생된 약 1 내지 2㎛의 입자의 수를 결정하기 위한 계산을 수행하였다. 각각의 케이지에 있는 중앙 웨이퍼에 대해 증착 전후에 표면 주사 반사 장치(상표명 Surfscan)로 표면을 분석하였다. 탄소-탄소 복합체 케이지에 장전된 웨이퍼에 비해 석영 케이지에 장전된 웨이퍼에 대하여 각각의 크기의 입자량 사이의 차이를 가중시켜 케이지 위치에 의한 효과를 상쇄하였고 주사된 웨이퍼 수에 따라 각각의 크기의 입자량을 평균화시켰다. 탄소-탄소 복합체 케이지에 있는, 인으로 도핑된 실리콘 디옥사이드로 CVD 코팅된 반도체 웨이퍼는 석영 케이지에서 처리된 웨이퍼상에 증착된 입자에 비해 1㎛ 크기의 입자수에서 17%, 2㎛ 크기의 입자수에서 37%의 감소를 나타냈다.
[반응기]
CVD 공정중, 예컨대 제1도에 도시된 LPCVD 반응기의 작업시, 증착되는 재료는 웨이퍼상에만이 아니라, 케이지(21), 반응기 관(11)의 벽, 및 캔틸레버식 로드(22)와 같이 공정 가스에 노출되는 다른 반응기 부재상에서도 형성된다. 보다 낮은 온도는 필름 증착 과정에 걸쳐 입자의 형성을 촉진하며, 이러한 입자 형성은 웨이퍼 표면위로 운반되는 입자에 따른 장애를 발생시키고, 궁극적으로 반응기 부재 및 케이지 표면상에서 입자의 응집을 발생시켜 작업을 방해하며, 결국 불화 수소욕(浴)으로 세척하여 제거해야만 한다.
보다 낮은 온도는 반응기내의 부재의 위치 및 제작 재료로부터 기인한다. 반응기 관(11)의 중앙부는 공정 온도로 유지되는 반면에, 반응기 관(11)의 단부는 동시에 동일한 온도를 받지 못한다(따라서, 스테인레스강으로 제작되는 도어(24)에 대해 수냉을 수행할 수 있음). 그러므로, 공정 가스는 입구에서의 저온으로부터 중앙에서의 고온까지 증가하고 다시 출구에서 감소되는 온도의 변화를 받게 된다. 증착물의 성질은 상이한 온도에서 달라지며, 상이한 표면상에서 달라진다.
반응기 부재 및 케이지의 세척을 위한 시간을 결정하기 위하여, 웨이퍼상에서 보다 반응기 관 및 부재상에서 보다 많은 증착이 이루어진다는 것을 고려하여, 연속된 작업 수행 후에 웨이퍼상에 증착된 총 증착물의 두께를 기록해 두게 된다. 통상, 반응기의 세척은 20 내지 30회의 증착후마다 필요하게 되고, 결과적으로 반응기의 작업 정지 시간을 증가시킨다.
[예시 2]
1인치 직경의 알루미나(석영으로 피복됨)로 제작된 캔틸레버식 로드를 구비하는, 제1도에 도시된 것과 같은 실제의 LPCVD 반응기에서, 최근접 웨이퍼 케이지로부터 도어까지 약 27 인치의 크기로 로드를 제작하였다. 상기 예시 1의 조건하에서, CVD에 의해 실리콘을 10 mil 두께의 탄소-탄소 층(예시 1에 기재된 재료로 제작됨)에 약 0.5 내지 0.8㎛의 두께로 코팅하였다. 실리콘으로 코팅된 탄소-탄소 섬유는 최근접 케이지로부터 약 1인치 떨어진 지점부터 도어를 향해 약 14인치의 길이로 로드 위를 활주하였다. 석영 케이지에 장전된 반도체 와이퍼상에 인으로 도핑된 실리콘 디옥사이드를 증착하기 위해 LTO CVD 공정을 수행하였다.
반도체 웨이퍼를 필요로 하는 코팅으로 증착시켰다. 케이지 외부에 있는 반응기 관에서는, 섬유로 피복되지 않은 캔틸레버식 로드와 석영 반응기 관을 제외하고 탄소-탄소 복합체 재료상에서 고착성 필름의 증착이 일어났다. 석영관의 벽상에서 매우 제한된 증착이 이루어졌고 매우 제한된 입자의 형성도 관찰되었다.
탁월한 복사열 전달성을 가지는 탄소-탄소 복합체 재료는 흑체로서 작용하여, 신속한 가열을 통해 저온의 반응기 표면상에서의 입자 형성을 배제하면서 복합체 재료의 표면상에 필름이 증착되도록 한다.
로드, 레일, 지지대, 전도판, 가스 다기관, 진공 라인 등과 같은 반응기 부재로서 또는 이러한 부재들의 부분적인 도포물로서 탄소-탄소 복합체 재료를 사용함으로써, 매우 빈도가 낮은 세척만으로 수많은 작업을 하는데 유용한 반응관을 얻을 수 있게 된다.
[예시 3]
석영으로 제조된 종래의 웨이퍼 케이지는 보통 단지 5 내지 8회의 증착에 사용하고 나서도 생성된 입자 응집물을 불화 수소중에서 세척해야 하며, 이에 따라 전술한 대로 파괴가 유발되며, 케이지의 수명이 제한된다. 다른 재료로 제조된 케이지도 역시 파괴되기 쉬운 성질을 보이는 한편/보이거나, 빈번한 세척을 필요로 한다. 예시 1에서 설명한 탄소-탄소 복합체 웨이퍼 케이지를 균일한 실리콘 디옥사이드 필름의 고착성 증착에 의해 50회의 LTO 증착 작업으로 처리하였다. 50회의 증착후, 실리콘 디옥사이드의 코팅은 여전히 고착성을 보였다. 5 내지 6 mil 정도 증착되어야 비로소 탄소-탄소 복합체 웨이퍼 케이지를 세척 또는 교체할 필요가 있는 것으로 평가되었다. 불화 수소에 의한 빈번한 세척을 회피할 수 있게 되었고, 이와 함께 수반되는 불화 수소의 취급 문제 및 폐기 문제도 회피할 수 있게 되었다. 탄소-탄소 복합체 케이지를 세척하지 않더라도, 케이지의 유효 수명은 석영 제품 보다 10배 이상일 것으로 평가된다. 사용된 케이지는 위험하지 않은 재료로 처리될 수 있음으로 해서 케이지의 폐기는 환경적으로 문제점이 없다.
탄소-탄소 복합체 재료는 BSG, PSG 및 BPSG의 LTO CVD 공정, 폴리 실리콘 및 도핑된 폴리실리콘의 CVD 및 실리콘 나이트라이드 CVD에서 성공적으로 적용되었다.
[기타 실시예]
전술한 실시예에 부가하여, 본 발명에 따른 탄소-탄소 복합체 재료는 발명의 배경에서 설명한 증착 시스템을 포함한 다른 증착 시스템에 유용할 뿐 아니라 거의 모든 반도체 소자의 제작에서 다른 형태의 부속 설비 및 지그 부재 또는 취급 부재의 재료로서 유용하다.
이 재료는 아니콘(ANICON)에서 시판하는 것과 같은 벨 단지형 반응기에도 유용하다. 이러한 벨 단지형 반응기(50)는 제6도에 도시되어 있다. 웨이퍼 케이지(51)는 벨 단지(52)와 베이스(53) 사이에 수용되며, 0-링(54)으로 밀봉된다. 공정 가스를 반응기내로 도입하는 가스 다기관(도시 생략)은 베이스(53)로부터 위로 연장된다. 가스는 웨이퍼 케이지(51)를 통과하고, 케이지에 인접하게 설치된 시라우드(shroud)(도시 생략)에 의해 케이지내로 안내되는 것이 적합할 수 있다. 가스는 배출구(55)를 통해 진공 라인(56)으로 배출된다. 가열기(58)는 벨 단지(52)를 둘러싼다.
이러한 벨 단지 시스템은 약 550 내지 700℃(적합하게는 680℃)의 온도와 약 0.3 torr의 압력에서 인으로 도핑된 폴리실리콘을 증착하는데 사용된다. 인으로 도핑된 실리콘 디옥사이드와 보론 및 인으로 도핑된 실리콘 디옥사이드는 같은 압력과 약 400℃의 온도에서 증착될 수 있다. 기타 부속 설비 및 부재중에서 웨이퍼 케이지(51), 가스 다기관 및 시라우드는 본 발명에 따른 탄소-탄소 복합체 재료로 제작될 수 있다.
탄소-탄소 복합체의 CVD 공정 부재는 PECVD에 적합하다. 제7도는 평행판(61)이 삽입되는 반응기 관(60)을 도시하고 있다. 상기 판(61)은 전술한 대로 본 발명에 따른 탄소-탄소 복합체로 제작될 수 있다. 판(61)은 이 판(61)들 사이에서 통상 서로 대면하게 되는 반도체 웨이퍼(62)를 지지하도록 판 내부로 기계 가공된 포켓을 구비한다. 탄소-탄소 복합체 나사(도시 생략)는 웨이퍼(62)를 적소에 지지할 수 있다. 판(61)은 이격된 관계로 지지되며, RF 접지와 양극, 또는 RF 음극과 양극이 서로 교호되는 포텐셜하에 놓여진다.
플라즈마는 아르곤 또는 아르곤/질소 내의 약 0.3 내지 0.5torr의 압력에서 판들 사이에서 타격하게 된다. 비정질 실리콘은 이러한 방법으로 약 250℃에서 증착될 수 있으며, 실리콘 나이트라이드 또는 실리콘 디옥사이드는 약 350 내지 420℃의 온도에서 증착될 수 있다.
어플라이드 머티리얼(Applied Materials)에서 제조되는 것과 같은, 제8도에 도시된 고압(대기압) 반응기(70)에서, 증착은 가스 다기관으로 구성된 증착 헤드부(72)를 통해 통기실(71)내에서 발생된다. 반도체 웨이퍼(73)는 체인 트랙(75)상에 지지된 체인(76)에 의하여 증착 헤드부(72)와 가열기(도시 생략) 사이에서 트레이(74)상의 기계 가공된 포켓으로 운반된다. 이러한 형태의 반응기에서, 예컨대 트레이 및 체인 트랙은 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 탄소-탄소 복합체 재료로 제작될 수 있다.
탄소-탄소 복합체 트레이는, 현재 사용중인 아노다이징(anodizing) 처리된 스테인레스강 또는 흑색의 산화된 니켈의 트레이와는 달리 475 내지 500℃의 작업온도에서 치수 안정성을 가진채 평평하게 유지된다. 또한 탄소-탄소 복합체 트레이는 신속하고 균일하게 가열되며, 460℃를 초과할 때 위해를 가할 수 있는 온도의 오버슈트(overshoot)를 회피할 수 있다(통상 웨이퍼의 온도는 약 420℃임).
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 탄소-탄소 복합체 재료는 확산로내에서 고체의 평면형 확산 도펀트 공급원에 의해 반도체 웨이퍼를 도핑하는데 사용하기 위한 개방된 또는 폐쇄된 보트 시스템에도 또한 사용될 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 탄소-탄소 복합체 재료는 반도체 필름 및 소자 뿐만 아니라 내식성 및 내마모성 제품, 장식층, 자기 필름 및 광학 필름을 CVD로 제작하기 위한 CVD공정의 부재들로 사용될 수 있다.
따라서, 탄소-탄소 복합재는 CVD 공정에 통상 사용되는 온도 및 압력 조건과 화학적 및 전기적 환경하에서, 본원의 전반에 걸쳐 기재된 CVD 공정에 유익하게 유용하다는 것을 상기 설명을 통해 명확히 알 수 있다. 탄소-탄소 복합체 재료는 효율적인 열전달을 통해 반응의 균일성을 향상시키고, CVD 공정중에 탄소-탄소 복합체상에 형성되는 용착물은 탄소-탄소 복합체에 견고히 고착되어 입자에 의한 오염을 억제해 준다.
따라서, 탄소-탄소 복합체 재료는 본원에서 의도하는 반응기 부재, 취급 및 지그 장치와 부재, 증착 부속 설비 및 이들의 도포물을 포함하는 CVD 공정 부재를 위해 사용될 수 있다. 예시적인 실시예는, 본 발명의 범위를 제한하려는 의도가 아닌 전제하에서, 캐리어, 웨이퍼 케이지, 보트, 트레이, 네스트, 레일, 로드, 지지대, 판, 전도판, 가스 다기관, 시라우드 및 공급 라인, 진공 라인 등을 포함한다.
본 발명에 따른 공정 및 재료는 전술한 바와 같은 기술 분야에 개선책을 제공한다는 점을 명백히 알 수 있다. 선구 물질 재료, 제작 방법, 코팅, 본 발명의 재료가 사용되는 CVD 공정의 형태, 반응 조건 등과 같은 전술한 실시예 및 설명은 예시적인 것이지 본 발명을 제한하려는 것이 아니며, 이후의 청구 범위 및 상응하는 실시예의 범위내에서의 모든 변경예 및 수정예들을 포함한다.

Claims (6)

  1. 하나 이상의 반도체 웨이퍼상에 일종 이상의 휘발성 화학종의 균일한 증착을 위한 화학 증착 방법에 있어서, 상기 방법은 반도체 웨이퍼와 직접 접촉하는 하나 이상의 CVD 처리용 부재를 갖는 것에 의해 변경되며, 상기 하나 이상의 CVD 처리용 부재는 그 부재에 치수 안정성을 제공하고 또 온도 변화 및 반응 조건하에 놓여질 때 정밀한 치수 공차를 유지하도록 하는 탄소 섬유 강화된 탄소 매트릭스재로 구성되며, 필름 증착은 화학 증착되는 동안 발생되는 입자 생성에 비해 지배적으로 진행되어, 탈기(脫氣)를 방지하고 반도체 웨이퍼상에 불순물 입자가 형성되는 것을 억제하며, 상기 탄소 섬유는 탄소 섬유, 그라파이트 섬유 및 그 혼합물중의 하나인 것을 특징으로 하는 화학 증착 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스재는 탄소, 보론, 실리콘, 보론 카바이드, 실리콘 카바이드, 티타늄 카바이드, 지르코늄 카바이드, 하프늄 카바이드, 니오븀 카바이드, 탄탈 카바이드, 텅스텐 카바이드, 실리콘 헥사보라이드, 티타늄 보라이드, 지르코늄 보라이드, 하프늄 보라이드, 니오븀 보라이드, 탄탈 보라이드, 텅스텐 보라이드 및 이들의 화합물로 구성된 군으로부터 선택되는 충전재를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 증착 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄소 섬유 강화된 탄소 매트릭스재는 그 상부에 보호 코팅을 구비하며, 그 보호 코팅은 SiC, 도핑되거나 도핑되지 않은 SiO2, Si3N4, SiA1ON, MoSi2, WSi2, NiSi2, ZrB2, TiB2, SiB4, SiB6, B4C, B, Ni, Cr, Pt, Ir 알루미나, 알루미노포스페이트, 알루미노실리케이트, 바람직하게는 마그네슘 알루미노실리케이트, 보로실리케이트, 바람직하게는 소듐보로알루미노실리케이트, 및 이들의 화합물로 구성되어 있으며, 상기 보호 코팅은 기본적으로 실리콘으로 구성된 선코팅층을 선택적으로 함유하며, 실리콘 카바이드는 상기 매트릭스재와 실리콘 선코팅층 사이의 계면에 위치하는 것을 특징으로 하는 화학 증착 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 CVD 처리용 부재는 반응기 부재, 취급 또는 지그 부재, CVD 부속 설비, 웨이퍼 캐리어, 웨이퍼 케이지, 개방식 웨이퍼 보트, 폐쇄식 웨이퍼 보트, 웨이퍼 트레이, 웨이퍼 네스트, 웨이퍼 레일, 커버, 로드, 트랙, 스크류, 지지대, 판, 전도성 판, 가스 다기관, 시라우드, 연료 라인이나 진공 라인 또는 이들의 피복물 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 화학 증착 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 반도체 웨이퍼상에 폴리실리콘, 도핑된 폴리실리콘, 실리콘 나이트라이드, 보로실리케이트 유리, 포스포실리케이트 유리, 보로포스포실리케이트 유리, 비정질 실리콘, SiO2, 도핑된 SiO2, SiO2-Si3N4, 에피택시 SiO2, 테트라에틸오소실리케이트, 인이 도핑된 SiO2, 또는 보론이 도핑된 SiO2가 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 화학 증착 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화학 증착 방법은 저압 CVD, 플라즈마 증진식 CVD 또는 고압 CVD인 것을 특징으로 하는 화학 증착 방법.
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