KR100287332B1 - 플라즈마 에칭용 전극판 및 지그 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 원료로서 폴리카르보디이미드 수지로부터, 제조되거나, 또는 페놀수지 및 폴리카르보디이미드 수지로부터 제조되는 유리형상 탄소재로 구성되는 플라즈마 에칭용 전극판이다.
폴리카르보디이미드 수지나 또는 페놀수지 및 폴리카르보디이미드 수지로부터 제조되는 상기 유리형상 탄소재는 전부 또는 거의 기공을 가지고 있지 않으며, 고강도를 가진다. 따라서, 플라즈마 에칭용 전극판에 사용될 경우 우수한 물성을 나타낸다.
Description
본 발명은 반도체 집적회로의 제조 시 웨이퍼의 플라즈마 에칭에 사용되는 플라즈마 에칭용 전극판 및 지그에 관한 것이다.
최근 반도체 집적회로의 미세화 및 고밀도와 제조기술의 발전과 함께, 평행한 평판전극을 이용하여, 웨이퍼 상에 미세한 패턴을 고정밀도로 형성할 수 있는 플라즈마 에칭기술의 중요성이 높아지고 있다.
상기 플라즈마 에칭에 사용되는 전극을 위한 소재는 도전성이나 화학적 안정성 등을 가져야 한다.
상기 소재로서, 예를 들면 흑연의 사용이 시도되고 있다. 이러한 흑연 재료는 코우크스 또는 탄소분말을, 예를 들면 타르나 피치 등과 같은 결합재와 혼합한 후, 이 혼합물을 성형하고, 성형된 물질을 소성하여 흑연화함으로써 제조된다.
그러므로, 소재는 조밀하고 균질의 조직을 가지도록 제조하는 것은 곤란하며, 전극판으로서 플라즈마 에칭장치에 장착되어 웨이퍼의 플라즈마에칭을 행할 때, 전극판으로부터 탄소입자들의 탈락을 야기시키고, 전극판의 소모를 가속화시키거나 웨이퍼를 더럽힌다. 이로 인하여 패턴형성을 방해한다.
이러한 상황하에서, 플라즈마 에칭용 전극판으로서, 등방성 조성과 고경도를 가지는 유리상탄소(glass-like carbon)를 이용하는 것이 연구중이다. 플라즈마 에칭용 전극판으로서 사용하는 유리상탄소는, 예를 들면 다음과 같이 제조되는 것들을 포함하며, 현재 연구 중에 있다.
일본국 특허공개 252942/1987 호 공보에는 고순도 유리상탄소로 이루어지는 플라즈마 에칭용 전극판이 개시되어 있다. 상기 공보에 의하면, 이 유리상탄소는, 액상푸란수지, 페놀수지, 이들의 혼합수지, 또는 이들의 1종의 액상수지와 동일한 종류의 경화성 수지 분말의 혼합수지를 평판형상으로 경화시킨 후, 경화된 평판을 불활성가스하에서 소성함으로써 제조된다.
또한 상기 유리상탄소의 1예는 벌크밀도 1.45g/cm3, 기공률(氣孔率)3%, 쇼어경도 75, 굴곡강도 580kgf/cm2및 탄성률 2,430kgf/cm2를 가지고 있다.
그러나, 상기 제조방법에 의하여 제조된 유리상탄소에서는 성형공정 중에 형성된 기공들이 최종제품 중에 그대로 남아 있거나, 휘발성분이 열처리 공정 중에 증발됨으로써, 일본국 특허공개 285086/1991 호 공보에 언급된 바와 같이, 큰 직경(예를 들면 약 2mm)의 많은 기공들이 발생되었다.
또한, 일본국 특허공개 285086/1991 호 공보에는, 예를 들면 변성푸란수지 등과 같은 열경화성 수지를 탈포(脫泡)처리하고, 탈포처리된 수지를 평판형상으로 경화시킨 후, 경화된 평판을 불활성가스하에서 소성시킨다고 하는, 상기 일본국 특허공개 252942/1987 호 공보에서와 기본적으로 동일한 제조방법에 의하여 제조된 유리상탄소가 개시되어 있다. 이러한 유리상탄소는 또한 0.02-0.2%의 기공률을 가진다.
상기 공보에는 기공률 이외의 다른 물성들에 대하여 언급되어 있지 않다. 그러나, 상기 유리상탄소는 일본국 특허공개 252942/1987 호 공보에서와 기본적으로 동일한 원료 및 제조방법을 이용하여 제조되었기 때문에, 일본국 특허공개 252942/1987 호 공보의 유리상탄소와 거의 동일한 물성을 가진다고 생각된다.
따라서, 종래의 유리상탄소의 제조방법에서는, 페놀수지 또는 푸란수지가 원료로서 사용되기 때문에, 경화공정에서 발생되는 탈수반응에 의하여 물이 생성되며, 그러므로 경화된 수지의 소정공정에서 기공의 생성은 필수적이다. 이들 기공들은, 얻어진 유리상탄소가 플라즈마 에칭용 전극판으로 사용될 때, 강도 및 산화저항이 감소되고, 비표면적이 증가하게 된다.
또한 종래의 제조방법에 의하여 제조된 유리상탄소에서는, 경화된 수지 그 자체의 부족한 강도 및 탈수공정에서 발생된 기공들은 상기 유리상탄소의 역학적 특성에 한계를 부여한다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 고정밀도의 에칭가공을 행할 수 있고, 우수한 내구성을 갖는 전극판 및 지그를 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명에 의하면, 원료로서 폴리카르보디이미드수지로부터 제조된 유리상탄소재로 구성되는 플라즈마 에칭용 전극판을 제공하는 것이다.
또한 본 발명에 의하면, 원료로서 페놀수지 및 폴리카르보디이미드수지로부터 제조된 유리상탄소재로 구성되는 플라즈마 에칭용 전극판을 제공하는 것이다.
본 발명자들은, 경화공정 중에 부가반응을 일으키고, 소성 후, 우수한 강도를 가지는 폴리카르보디이미드수지에 주목하여, 플라즈마 에칭용 전극판으로서 사용될 수 있는 유리상탄소재를 연구한 결과, 폴리카르보디이미드수지를 소성하여 얻은 유리상탄소재가 기공들을 가지지 않고, 플라즈마 에칭에 사용되는 전극판으로서 필요한 물성을 충분히 만족함을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.
또한 본 발명자들은, 페놀수지 단독의 경화, 소성 시 경화공정중의 탈수 반응에 의하여 물이 생성되고, 이 물이 소성 중에 기공들을 형성하기 때문에, 많은 기공들을 갖는 유리상탄소를 부여하고, 상기 페놀수지와 폴리카르보디이미드수지의 혼합물의 경화가 상기 탈수반응을 억제하여 균질한 경화제품을 부여한다는 사실에 주목하여, 플라즈마 에칭용 전극판으로서 사용될 수 있는 유리상탄소재를 연구한 결과, 본 발명자들은 페놀수지와 폴리카르보디이미드수지의 혼합물을 경화, 소성하여 얻은 유리상탄소재가 기공들을 가지지 않고, 우수한 역학적 특성을 가지며, 플라즈마 에칭에 사용되는 전극판으로서 필요한 물성을 충분히 만족함을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명에서 사용되는 폴리카르보디이미드는, 예를 들면 일본국 특허 공개 61599/1976 호 공보에 개시된 방법, 또는 일본국 특허 공개 292316/1990 호 공보에 개시된 방법에 의하여 제조될 수 있다.
예를 들면, 탈이산화탄소가 발생하는 유기 디이소시아네이트의 축합반응에 의하여 용이하게 제조될 수 있다.
폴리카르보디이미드수지의 제조에 사용되는 유기 디이소시아네이트는 지방족계, 지환식계, 방향족계, 방향-지방족계(aralkyl type)등 중 어느 한 타입이어도 좋다.
이들은 단독 사용하여도 좋고, 또는 2종 이상을 조합사용하여도 좋으며, 이 경우, 상기 폴리카르보디이미드수지는 공중합체이다.
유기 디이소시아네이트로서는, 2.4-톨릴렌 디이소시아네이트, 2.6-톨릴렌 디이소시아네이트, 2.4-톨릴렌 디이소시아네이트와 2.6-톨릴렌 디이소시아네이트의 혼합물, 조(粗)톨릴렌 디이소시아네이트, 크실렌 디이소시아네이트, m-페닐 디이소시아네이트, 나프탈렌-1.5-디이소시아네이트, 4.4' -비페닐렌 디이소시아네이트, 3.3' -디메톡시-4.4' -비페닐 디이소시아네이트, 또는 이들의 혼합물을 예시할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 사용되는 폴리카르보디이미드수지는,
-R-N=C=N-
으로 나타낸 적어도 1종의 반복단위로 구성되는 단독중합체 또는 공중합체를 포함한다. 상기 식 중에서, R은 유기 디이소시아네이트 잔기를 나타낸다.
2개의 NCO기를 제외한 유기 디이소시아네이트 분자인 유기 디이소시아네이트 잔기는, 바람직하게는 방향족 디이소시아네이트 잔기이다.
폴리카르보디이미드는 적어도 1종의 모노이소시아네이트를 이용하여 중간의 원료물질로서 유기 디이소시아네이트의 중축합을 정지시킴으로써 적은 분자량을 가질 수 있다. 분자량을 조절하기 위하여 폴리카르보디이미드의 말단을 블록킹하는데 사용되는 상기 모노이소시아네이트는, 페닐 이소시아네이트, o-,m- 또는 p-톨릴 이소시아네이트, 디메틸 페닐이소시아네이트, 시클로 헥실이소시아네이트 및 메틸 이소시아네이트 등을 예시할 수 있다.
본 발명의 유리상탄소재(1)를 제조하기 위하여 폴리카르보디이미드수지를 평판형상으로 경화시킨 다음, 바람직하게는 불활성가스 하에서 예를 들면, 1,000℃이상의 온도에서 탄화시킨다. 폴리카르보디이미드수지의 제조에 사용되는 성형방법, 경화시간 및 소성시간은 적당히 선택될 수 있다. 그러나, 경화 및 소성은 점진적으로 수행하는 것이 바람직하다.
상기 제조된 유리상탄소재(1)는 전부 또는 거의 기공들을 가지지 않으며, 따라서 그 기공률은 0~0.02%이다.
즉, 실질적으로 0%, 혹은 실질적으로 존재하지 않는다고 하는 수준의 기공률를 가지는 것에 의해, 이를 수치화한 것이 0~0.02%라고 하는 수치이고, 기공률이 높으면 플라즈마에칭용전극으로서 우수한 효과를 발휘할 수 있지만, 엄격한 의미에서의 0%일 필요는 없다.
경화된 폴리카르보디이미드 수지 그 자체의 고강도 및 매우 낮은 기공률로 인하여, 본 발명의 유리상탄소 소재는, 예를 들면 굴곡강도 1,300~1,900kgf/cm2및 벌크밀도 1.53~1.55g/cm3을 가진다.
본 발명에서 사용되는 페놀수지는 통상의 공지된 페놀수지이면 사용가능하나, 액상레졸형의 페놀수지가 바람직하다.
본 발명의 유리상탄소재(2)를 제조할 때에, 상기 페놀수지는 상기 폴리카르보디이미드수지와 함께 혼합되며, 이 혼합물을 평판형상으로 경화되며, 이 경화된 평판은, 예를 들면 1,000℃ 이상의 온도로 불활성 가스 하에서 소성되는 것이 바람직하다.
유리상탄소재(2)의 제조 시에는, 페놀수지 100 중량부에 대하여 폴리카르보디이미드수지 10~100 중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.
폴리카르보디이미드수지의 양이 페놀수지 100중량부에 대하여 10중량부 이하이면, 페놀의 탈수반응을 조절하기가 곤란하며, 따라서, 제조된 유리상탄소는 많은 기공들을 가지게 되며, 또한 플라즈마 에칭용 전극으로서 사용되면, 저강도 및 감소된 라이프를 가진다.
폴리카르보디이미드수지의 양이 100 중량부 이상이면, 상분리가 일어나며, 따라서 유리상탄소가 불균일하게 되며, 또한 플라즈마 에칭용 전극으로서 사용되면, 저강도 및 감소된 라이프를 가진다.
폴리카르보디이미드수지-페놀수지의 제조에 사용되는 성형방법, 경화시간 및 소성시간은 적당히 선택될 수 있다. 그러나, 경화 미 소성은 점진적으로 수행하는 것이 바람직하다.
상기 제조된 유리상탄소재(2)는 전부 또는 거의 기공을 가지고 있지 않으며 따라서 그 기공률은 0~0.02%이다.
즉, 실질적으로 0%, 혹은 실질적으로 존재하지 않는다고 하는 수준의 기공률을 가지는 것에 의해, 이를 수치화한 것이 0~0.02%라고 하는 수치이고, 기공률이 높으면 플라즈마에칭용전극으로서 우수한 효과를 발휘할 수 있지만, 엄격한 의미에서의 0%일 필요는 없다.
본 발명의 유리상탄소재는, 예를 들면 굴곡강도 1,800~2,500kgf/cm2및 벌크밀도 1.53~1.57g/cm3을 가지며 우수한 역학적 특성을 가진다.
유리상탄소재(1) 및 (2)은 플라즈마 에칭용 전극판으로서 각각 사용될 때, 5ppm이하의 불순물을 가져야 한다. 이들 소재는 각각 플라즈마에칭용 전극판으로서 뿐만 아니라 플라즈마 에칭용 지그로서 널리 사용될 수 있다.
이하 본 발명은 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명한다.
[실시예 1]
2,.4-톨릴렌 디이소시아네이트(80)/2,6-톨릴렌 디이소시아네이트(20) 혼합물(TDI) 54g을, 카르보디이미드화 촉매(1-페닐-3-메틸포스포렌 옥사이드) 0.12g의 존재 하에서, 테트라클로로에틸렌 500㎖중에서 5시간 동안 120℃에서 반응을 행하여, 폴리카르보디이미드용액을 얻었다. 이 반응물을 유리용기에 넣고, 60℃에서 20시간, 120℃에서 20시간 동안 건조하였다. 건조된 제품을 1℃/hr의 속도로 200℃까지 가열하여 경화판을 제조하였다. 이 경화판을 2℃/hr의 속도로 1,000℃까지 가열하여 유리형상탄소판(1)을 얻었다. 두께 3mm의 상기 판 내에, 방전에 의하여 2mm의 간격으로 직경 0.5mm의 관통구멍을 형성하였다.
이어서, 2,300℃에서 할로겐 가스를 관통구멍을 통과시켜 판(1)을 고순도화하였다. 얻어진 유리상탄소판(1)을 전극판으로서 에칭장치에 부착시켰다. CF4, Ar, 및 O2로 구성된 혼합가스를 상기 장치에 통과시켜 플라즈마를 발생시키고, 실리콘 웨이퍼를 에칭하였다. 초기 두께 3mm가 잔류두께 0.5mm로 감소되었을 때를 전극판의 라이프로 하였다.
본 발명의 플라즈마 에칭용 전극판의 라이프 및 물성은 표 1에 나타나있다.
[실시예 2]
메틸렌디페닐 디이소시아네이트(MDI) 50g을, 카르보디이미드화 촉매(1-페닐-3-메틸포스포렌옥사이드) 0.13g의 존재 하에서 테트라히드로푸란 880㎖중에서 12시간 동안 68℃에서 반응을 행하여, 폴리카르보디이미드용액을 얻었다.
폴리카르보디이미드용액 333 중량부(폴리카르보디이미드수지의 고형분=20중량부)를 페놀수지[레졸형 페놀수지 소화고분자사 제품인 BRL-274(상품명)]100 중량부에 가하였다.
6 이 혼합물을 2시간 동안 45℃에서 교반한 다음, 유리용기에 옮겨서, 45℃에서 20시간, 60℃에서 5시간 건조하고, 1℃/hr의 속도로 200℃까지 가열하여 경화판을 얻었다. 이 경화판을 2℃/hr의 속도로 1,000℃까지 가열하여 유리상탄소판(2)을 얻었다. 두께 3mm의 상기 판 내에, 방전에 의하여 2mm의 간격으로 직경 0.5mm의 관통구멍을 형성하였다. 이어서 2,300℃에서 할로겐 가스를 관통구멍을 통과시켜 판(2)을 고순도화하였다.
얻어진 유리상탄소판(2)을 전극판으로서 에칭장치에 부착시켰다.
CF4, Ar 및 O2로 구성된 혼합가스를 상기 장치에 통과시켜 플라즈마를 발생시키고, 실리콘 웨이퍼를 에칭하였다. 초기두께 3mm가 잔류두께 0.5mm로 감소되었을 때를 전극판의 라이프로 하였다. 본 발명의 플라즈마 에칭용 이 전극판의 라이프 및 물성은 표 1에 나타나 있다.
[실시예 3]
실시예 2에서와 동일한 방법으로 하여 제조된 폴리카르보디이미드 용액 830중량부(폴리카르보디이미드수지의 고형분=50중량부)를, 실시예 2에서 사용된 것과 동일한 페놀수지 100중량부에 가하였다. 이 혼합물을 사용하여, 실시예 2에서와 동일한 방법으로 플라즈마 에칭용 전극판을 얻었다. 이 판을 실시예 2에서와 동일한 방법으로 실험하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
[실시예 4]
실시예 2에서와 동일한 방법으로 하여 제조된 폴리카르보디이미드 용액 1,500중량부(폴리카르보디이미드 수지의 고형분=90중량부)를, 실시예 2에서와 동일한 페놀수지 100중량부에 가하였다. 이 혼합물을 사용하여, 실시예 2에서와 동일한 방법으로 플라즈마 에칭용 전극판을 얻었다. 이 판을 실시예 2에서와 동일한 방법으로 실험하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
[비교예 1]
실시예 2에서 사용한 것과 동일한 페놀수지를 사용하여, 실시예 2에서와 동일한 방법으로 플라즈마 에칭용 전극판을 얻었다. 이 판을 실시예 2에서와 동일한 방법으로 실험하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
[비교예 2]
풀푸릴알콜에 p-톨루엔 술폰산 0.4중량부를 혼합하였다. 이 혼합물을 중합하고, 탈포를 행하였다. 이 반응물을 유리 용기에 옮기고 실시예 1에서와 동일한 공정으로 행하여 유리상탄소판을 얻었다. 이 판을 실시예 1에서와 동일한 공정으로 행하여 유리상탄소판을 얻었다. 이 판을 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실험하였다.
그 결과를 표 1에 나타낸다.
[비교예 3]
풀푸릴알콜에 p-톨루엔 술폰산 0.4중량부를 혼합하였다. 혼합물을 중합하고, 탈포를 행하였다. 이 반응물을 유리용기에 옮기고 경화를 하기 위하여 1℃/hr의 속도로 200℃까지 가열하였다.
경화된 제품을 분쇄하여 입자직경이 30~70㎛인 분말을 얻었다.
분말을 유사한 유형의 푸란수지에 혼합하였다. 얻어진 혼합물을 실시예 1에서와 동일한 공정으로 행하여 유리상탄소판을 얻었다. 이 판을 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실험하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
[비교예 4]
실시예 2 에서와 동일한 방법으로 하여 제조된 폴리카르보디이미드 용액 3,330 중량부(폴리카르보디이미드 수지의 고형분=200중량부)를 실시예 2에서 사용된 것과 동일한 페놀수지 100중량부에 가하였다. 이 혼합물을 사용하여, 실시예 2에서와 동일한 방법으로 플라즈마 에칭용 전극판을 얻었다. 이 판을 실시예 2에서와 동일한 방법으로 실험하였다.
그 결과를 표 1에 나타낸다.
상기 기술한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 에칭용 전극판은 고정밀도의 에칭가공을 할 수 있으며 우수한 역학적 특성 및 내구성을 가진다.
Claims (6)
- 원료로서, 폴리카르보디이미드 수지로부터 제조된 유리상탄소재로 구성되는 플라즈마 에칭용 전극판으로서, 유리상탄소재는 폴리카르보디이미드 수지를 성형, 경화 및 탄화함으로써 제조되며, 기공률 0%를 가지는 플라즈마 에칭용 전극판.
- 제1항에 있어서, 유리상탄소재는, 굴곡강도 1,300~1,900 kgf/cm2및 벌크밀도 1.53~1.55g/cm3를 가지는 플라즈마 에칭용 전극판.
- 원료로서 페놀수지와 폴리카르보디이미드 수지로부터 제조된 유리상탄소재로 구성되는 플라즈마 에칭용 전극판으로서, 유리상탄소재는 페놀수지 100 중량부 및 폴리카르보디이미드 수지 10~100 중량부를 혼합하고 이 혼합된 수지를 성형, 경화 및 탄화함으로써 제조되며, 기공률 0%를 가지는 플라즈마 에칭용 전극판.
- 제3항에 있어서, 유리상탄소재는, 굴곡강도 1,800~2,500kgf/cm2및 벌크밀도 1.53~1.57g/cm3를 가지는 플라즈마 에칭용 전극판.
- 출발물질로서 폴리카르보디이미드 수지를 성형, 경화 및 탄화함으로써 제조된 기공률 0%를 가지는 유리상탄소재로 구성되는 플라즈마 에칭용 지그.
- 원료로서 페놀수지와 폴리카르보디이미드 수지로부터 제조된 유리상탄소재로 구성되는 플라즈마 에칭용 지그로서, 유리상탄소재는 페놀수지 100 중량부와 폴리카르보디이미드수지 10~100 중량부의 혼합물인 원료로부터 제조되며, 기공률 0%를 가지는 플라즈마 에칭용 전극판.
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