KR100456528B1 - 반도체 공정 챔버에 사용되는 금속 가스킷 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 모재구성판 성분에 의한 챔버 내부의 금속 오염도를 예방할 수 있는 반도체 제조 공정의 공정 챔버에 사용되는 금속 가스킷에 관한 것으로, 본 발명의 메탈 가스킷은 모재구성판과 내식 피막층 사이에 확산 방지층을 갖는다. 이와 같은 확산 방지층으로 인해 상기 모재구성판의 성분이 상부의 내식피막층으로 확산하여 내식피막층이 파괴되는 것이 방지된다.
Description
본 발명은 금속 가스킷에 관한 것이며, 특히 모재구성판 성분에 의한 챔버 내부의 금속 오염도를 예방할 수 있는 반도체 제조 공정의 공정 챔버에 사용되는 금속 가스킷에 관한 것이다.
반도체 소자가 고기능화, 고집적화 됨에 따라 제조장비나 공정 중의 오염의 관리가 보다 중요하게 인식되고 있다. 반도체제조공정은 고온에서 막의 성장이나 이온을 확산하는 확산로(diffusion furnace), 고진공하에서 화학기상반응 및 식각을 행하는 플라즈마 장비, 이온주입 또는 금속증착 장비 등 다양한 장비를 거쳐 진행된다. 이 중 플라즈마 장비는 고주파 전력에 의해 가스(gas)를 활성화시켜 고에너지의 이온과 라디칼(radical)로 이루어진 플라즈마를 형성하여 박막을 성막하거나 식각하는 장치이다. 따라서, 플라즈마에 의한 반응기 상의 아킹(arching), 스퍼터링(sputtering), 반응 부산물의 박리등으로 인해 플라즈마 장비가 반도체 제조공정상의 주요 오염원으로 작용하고 있다.
한편, 반도체 제조공정중의 파티클(particle), 금속이온 등의 오염은 패턴의 결함, 절연막의 내압불량, 접합 누설전류의 발생, 라이프 타임(life time)의 단축을 초래하는 등 반도체 소자에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 플라즈마 공정에서 오염 발생원이나 제거방법에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔다. 특히, 플라즈마를 이용하는 반도체 제조공정에서 오염원의 제거를 위해서 제조장치의 재질 및 구조의 변경, 공정의 변경 또는 첨가 등 다양한 방법이 연구, 적용되고 있다.
다음의 표1 및 표 2는 피엔(PN)알티엔(RTN;Rapid Thermal Nitridation), 에이치에스지(HSG;Hemispherical Grain), 에이치디피(HDP;High Density Plasma;고밀도 플라즈마) , SiN(질화실리콘) 공정별 조건과 각 조건별 금속 오염도를 평가한 결과를 보여주는 것이다.
<표1>
<표2>
표2에서처럼, PNRTN 공정에서 구리(cu)의 오염도가 매우 심하게 발생되고 있음을 알 수 있다. 구리 오염원을 조사한 결과 챔버의 하부에 진공기밀을 위하여 장착한 금이 코팅된 구리 가스킷(Au Coated Cu 가스킷)의 금(Au) 내식피막층 파괴로 인해 모재구성판의 구리층이 노출되면서 챔버를 오염시키고 있다. 일반적으로 구리 가스킷은 암모니아(NH3) 가스에 매우 부식성이 강하여, 암모니아 가스를 사용하는 챔버에서의 가스켓은 내식성이 강한 금(Au)을 구리에 코팅한 가스켓을 사용한다. 이와 같음에도 내식피막인 금이 파괴되어 하부의 구리성분에 의하여 챔버가 구리로 오염되는 것은 부식성 가스뿐만 아니라, 이외의 원인이 있다. 이와 같이 구리 가스켓 파손의 원인으로는 부식성(corrosive) 가스(예를 들면, PH3, NH3)사용과, 타 공정 대비 높은 공정 온도 등을 들 수 있다.
아래와 같이, 금 내식피막층이 파괴되면서 낡은 구리 가스킷(used Cu gasket) 표면에 형성된 반응 생성물의 성분 분석을 다양한 분석 방법을 통해 실시하였다.
우선, 에너지 분산X선 현미분석기(Energy Dispersive X-ray Spectrometer ; EDX)를 이용한 성분분석결과, 구리, 산소(O) 및 인(P)이 검출되었고, 상기 반응생성물은 구리-산소(O)산화물 및 구리-인(P)화합물인 것을 추측할 수 있다. 다음으로, 반응생성물이 박리된 가스킷 모재 표면에 대하여 주사 전자현미경(Scnning Electron Microscope ; SEM)을 이용한 성분분석결과, 주성분으로 구리 및 산소가 검출되었다. 이와 같은 결과로부터 반응 생성물의 박리에 의한 구리층이 노출되어 챔버의 구리 오염원으로 작용한다는 것을 알 수 있었다. 마지막으로, X-선 회절분석기(XRD)를 이용하여 반응부산물의 상(phase)을 분석한 결과, 도 6에서 알 수 있듯이 6종류의 상이 검출되었으며, 주요 상으로는 동산화물로 산화구리(CuO)와 산화제일구리(Cu2O)가 검출되었다. 상기의 XRD 분석 결과로부터 각 상들의 형성은 단계적으로 형성된다는 결론을 얻을 수 있었다.
도 7은 종래 구리 가스킷에 형성된 반응 생성물의 형성 모식도이다. 도 7에서 나타낸 바와 같이, 초기 구리/Au의 층형태를 가지고 있던 구리-가스킷은 공정 챔버에 장착후 공정 진행시 온도의 증가 및 부식성 가스에 의하여, 그 표면으로부터 CuO,Cu3P/ Cu2O/ Au-Cu/ Au/ Cu의 순으로 형성되는 것이다. 그러나 미사용 가스킷의 구조는 표면으로부터 금(Au)/구리(Cu)의 형태를 유지하고 있었으므로 상기와 같은 반응상들이 형성되기 위해서는 구리의 소스(Source)가 있어야 한다. 즉, Au/Cu의 형태에서 산화구리(CuO), Cu3P/Cu2O/Au-Cu, Au/Cu와 같은 형태로 형성되기 위해서는 하부로부터 구리가 금쪽으로 확산되어야 형성이 가능하다.
따라서, 상기와 같은 형태로 반응생성물들이 형성되기 위한 반응기구로는 구리의 Au쪽으로의 확산을 들 수 있다. 금속 핸드북(Metal handbook)의 표면 처리 부분(Surface treatment Part)의 내용에 의하면 일반적으로 구리(Cu)/금(Au)의 계면에서 온도의 증가에 따라 구리(Cu)가 금(Au)쪽으로 확산한다고 보고되고 있다. 또한, 구리(Cu)의 확산계수는 상대적으로 금(Au)에 비하여 매우 빠르고, 두 금속은 면심입방체(FCC)의 동일한 격자구조를 가지며, 모든 조성 범위에서 전율고용 한다. 따라서, 온도의 증가라는 요인(factor)이 주어지면 확산속도가 빠르고, 원자의 크기가 작은 구리(Cu)가 금(Au)쪽으로 확산한다는 결론을 얻을 수 있다. 결국, 구리(Cu)가 금(Au)쪽으로 확산하는 메커니즘(Mechanism)에 의하여 구리(Cu) 산화물 표면 및 반응생성물이 박리된 영역으로부터 구리(Cu)의 부식성(Corrosive)에 매우 유효한 암모니아(NH3)에 의하여 어택(Attack)을 받아 구리(Cu) 성분이 이탈되어 챔버 쪽으로 이동하여 챔버를 오염시키고 결국은 웨이퍼를 오염시키게 되는 것이다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 챔버 구성물질중에서, 특히 내식코팅한 가스켓의 내식층 파괴에 의하여 모재성분이 챔버로의 확산으로 인한 공정 챔버의 금속 오염을 방지할 수 있는 새로운 형태의 반도체 제조 공정에 사용되는 금속 가스킷을 제공하는 데 있다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 링 타입의 메탈 가스킷을 예를 들어 도시한 도면;
도 2에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메탈 가스킷의 단면도;
도 3 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메탈 가스킷에서 확산방지층의 다른 예를 설명하기 위한 도면;
도 6은 종래 구리(Cu) 가스킷에 형성된 반응 생성물의 XRD 분석 결과를 보여주는 도면;
도 7은 종래 구리(Cu) 가스킷에 형성된 반응 생성물의 형성 모식도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
110 : 모재구성판
120a, 120b,120c ; 확산방지층
120d : 제 1 확산방지층
120e : 제 2 확산방지층
130 : 내식피막층
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 반도체 제조를 위한 공정 챔버에 사용되는 금속 가스킷은, 모재(母材) 구성판의 표면에 확산방지층과, 내식피막층을 순차적으로 형성한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르며, 상기 모재 구성판은 구리(Cu)로 이루어지고, 상기 내식피막층은 금(Au)로 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르며, 상기 확산 방지층은 티탄(Ti), 텅스텐(W), 주석(TiN) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르며, 상기 확산 방지층은 제 1 확산 방지층과 제 2 확산 방지층으로 이루어지되; 상기 제 1 확산 방지층은 크롬(Cr)이고, 상기 제 2 확산 방지층은 니켈(Ni)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르며, 상기 금속 가스킷은 부식성 가스를 공정 가스로 사용하며, 700도 이상의 높은 온도에서 금속 증착이 이루어지는 공정 챔버에 설치되는 것이 바람직하다.
예컨대, 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
본 고안에 의한 메탈 가스킷은 모재구성판과 내식 피막층 사이에 확산 방지층을 갖는다. 이와 같은 확산 방지층으로 인해 상기 모재구성판의 성분이 상부의 내식피막층으로 확산되는 것이 방지됨으로써, 모재 성분에 의한 챔버 내부의 금속 오염을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 5에 의거하여 상세히 설명한다. 또, 상기 도면들에서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 링 타입의 메탈 가스킷을 예를 들어 도시한 것으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메탈 가스킷은, 주로 고진공 상태의 공정 챔버에서 부품들간의 이음부분을 실링하기 위한 목적으로 사용된다.
도 2에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메탈 가스킷의 단면이 도시되어 있다. 도 2를 참고하면, 상기 메탈 가스킷은 구리(Cu) 성분으로 이루어지는 모재구성판과, 이 모재구성판 표면에 형성된 확산방지층 그리고 이 확산방지층에 형성된 내식피막층 구조로 이루어진다. 상기 모재구성판은 구리(Cu)로 이루어지며, 상기 확산 방지층은 티탄(Ti), 그리고 상기 내식피막층은 금(Au)으로 이루어진다.
이러한 구조로 이루어지는 본 발명의 메탈 가스킷은, 공정 챔버에 장착되어 공정이 진행될 때, 온도의 증가 및 부식성 가스에 의하여 상기 모재구성판의 성분인 구리가 상기 내식피막층으로 확산되는 현상을 상기 확산방지층에 의해 방지할 수 있는 것이다.
한편, 본 발명의 메탈 가스킷에서 상기 확산방지층은 도 2내지 도 4에 도시된 바와 같이, 텅스텐(W) 또는 주석(TiN) 성분 중 어느 하나로 이루어질 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 확산방지층은 도 5에 도시된 것처럼, 그롬(Cr) 성분의 제 1 확산방지층과, 니켈(Ni) 성분의 제 2 확산방지층의 다단 구조로도 이루어질 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 메탈 가스킷은, 특히 CVD공정 중에서 부식성 가스(PH3,NH3)를 사용하고, 700도 이상의 공정 조건을 갖고 공정을 진행하는 공정 챔버에 가장 유용하게 적용할 수 있는 것이다.
여기서 본 발명의 구조적인 특징은 종래와는 달리 모재구성판과 내식피막층 사이에 확산방지층을 갖는다는데 있다. 이러한 구조적인 특징에 의하면, 상기 모재구성판의 구리(Cu) 성분이 내식피막층으로 확산되면서 챔버 내부를 오염시키는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 공정 챔버의 금속 오염도를 줄일 수 있고 반도체장치의 품질을 높일 수 있다.
본 발명에서, 상기 모재구성판의 구리(Cu) 성분이 상기 내식피막층에 의해 확산이 방지되는 이유를 구체적으로 설명하면 다음과 같습니다. 금속재료들은 서로 접하게 되면 일정 조건 하에서 확산을 한다. 그러나 이와 같은 확산이 일어나기 위해서는 각 물질들이 활성화 되어야 하며, 이와 같은 금속재료의 활성화에 가장 큰 영향을 미치는 것은 온도이다. 즉, 두 금속이 일정온도 이상으로 올라가게 되면 각 물질간의 원자가 확산을 한다. 한편, 이와 같은 확산에 의하여 두 금속물질이 접하고 있는 계면에 두 금속성분의 화합물 (반응생성물)이 형성되기도 한다. 또는, 이와 같은 반응생성물의 형성 없이 확산하여 고용되는 경우도 있다. 이와 같은 고용은 A금속의 원자가 B금속으로 확산하여 B라는 원자의 자리를 차지하거나 또는 B원자간의 사이를 차지하게 된다. 그러나 각 금속간에는 서로의 금속을 고용할 수 있는 한계가 존재한다. 결국 이와 같이 한 금속이 다른 금속에 대하여 고용도가 작을 경우, 확산에 의하여 본 발명에서와 같은 문제가 발생되지 못하게 된다. 또한, 각 금속간의 반응성이 없을 경우에도 이와 같은 금속간의 확산을 억제할 수 있게 된다. 이와 같은 취지에서 확산방지층으로 티탄(Ti), 텅스텐(W), 주석(TiN), 니켈(Ni) 등을 선택하게 되었다. 특히, 이 중에서 텅스텐 및 주석은 고융점 물질로 본 발명에서 사용되는 구리 및 금과의 반응성이 적어 각 원소들이 확산하는 것을 방지할 수 있게 된다. 또한, 티탄은 본 발명의 가스켓(Gasket)에 사용되는 물질과 상태도 상에서 고용성이 매우 적으며, 계면에 화합물을 형성할 수 있어 각 물질간의 확산을 억제할 수 있게 된다. 그리고 니켈(Ni)은 상태도 상으로 본 발명의 가스켓에 사용되는 물질과 고용도가 매우 높은 재료중의 하나이다. 그러나 앞서 언급한 바와 같이 물질이 확산하기 위해서는 활성화가 이루어져야 하며, 이 활성화 방법 중 가장 보편적인 방법이 온도의 증가 이다. 결국 본 발명에서 사용되는 가스켓의 사용온도 상에서는 이와 같은 물질의 활성화가 이루어지지 않아 확산을 억제할 수 있다. 상기 확산방지층 및 내식피막층의 형성방법으로는 전기도금법, 스퍼터링(Sputtering)법 2가지 정도를 들 수 있습니다. 예컨대, 금(Au), 텅스텐(W), 니켈(Ni) 피막층은 전기도금법 및 스퍼터링(Sputtering)법으로 구리에 피막 형성이 가능하며, 티탄(Ti), 주석(Tin) 피막층은 스퍼터링(Sputtering)법으로 구리에 피막 형성이 가능합니다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기 보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 가스킷의 형상은 장착되는 장소에 맞도록 변형하여 본 발명을 실시할 수 있는 것이 명백하다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
이상에서, 본 발명에 따른 금속 가스킷의 구성 및 작용을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
이와 같은 본 발명을 적용하면, 모재구성판의 구리성분의 확산으로 인한 공정 챔버의 구리 오염을 방지할 수 있다.
Claims (7)
- 반도체 제조를 위한 공정 챔버에 사용되는 금속 가스킷에 있어서:모재(母材) 구성판의 표면에 확산방지층과, 내식피막층을 순차적으로 형성하여, 공정 챔버에서 공정 진행시 상기 모재 구성판의 성분이 상기 내식피막층으로 확산되는 것을 방지하도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 공정 챔버에 사용되는 금속 가스킷.
- 제 1 항에 있어서,상기 모재 구성판은 구리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 가스킷.
- 제 1 항에 있어서,상기 내식피막층은 금(Au)으로 이루어지는 것을 특지으로 하느 금속 가스킷.
- 제 1 항에 있어서,상기 확산 방지층은 티탄(Ti), 텅스턴(W), 주석(TiN), 니켈(Ni) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 가스킷.
- 제 1 항에 있어서,상기 확산 방지층은 제 1 확산 방지층과 제 2 확산 방지층으로 이루어지는것을 특징으로 하는 금속 가스킷.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 1 확산 방지층은 크롬(Cr)이고, 상기 제 2 확산 방지층은 니켈(Ni)인 것을 특징으로 하는 금속 가스킷.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속 가스킷은 부식성 가스를 공정 가스로 사용하며, 700도 이상의 높은 온도에서 금속 증착이 이루어지는 공정 챔버에 설치되는 것을 특징으로 하는 금속 가스킷.
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