KR100940456B1 - 질화 알루미늄 소결체 및 이를 포함하는 반도체 제조장치용 부재 - Google Patents

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Abstract

향상된 특성을 갖는 질화 알루미늄 소결체 및 이를 포함하는 반도체 제조 장치용 부재에서, 질화 알루미늄 소결체는 산화 이트륨, 산화 알루미늄, 산화 티타늄 및 질화 알루미늄을 포함하며 산화 알루미늄에 대한 산화 이트륨의 중량비가 0.01 내지 0.7이다. 상기 질화 알루미늄 소결체는 존슨-라벡형 정전척으로 사용되기에 적합한 체적 저항값, 우수한 열전도성 및 명도를 갖는다.

Description

질화 알루미늄 소결체 및 이를 포함하는 반도체 제조 장치용 부재{Aluminum nitride sintered compact and members for semiconductor producing apparatus having the same}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조 장치용 부재를 설명하기 위한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 플레이트 120 : 도전성 부재
125 : 도전 패드 130 : 커넥터
140 : 전원 공급부
본 발명은 질화 알루미늄 소결체 및 이를 포함하는 반도체 제조 장치용 부재에 관한 것이다.
반도체 제조 장치용 부재 중에서 반도체 제조 공정 중에 웨이퍼를 고정시켜주는 정전척과 화학 기상 증착(CVD) 공정 등에서 웨이퍼를 고정시켜주면서 동시에 가열하는 반도체 제조용 히터 등에 이용되는 소결체는 우수한 열전도도와 절연성을 요구한다.
정전기력을 이용하여 웨이퍼를 고정시켜주는 정전척의 경우, 그 흡착방법에 따라 쿨롱(Coulomb)형 정전척과 존슨-라벡(Johnsen-Rahbek)형 정전척으로 나눌 수 있다.
쿨롱형 정전척의 경우 유전체 상·하면에 존재하는 서로 다른 전하를 가지는 입자들간의 정전기적인 인력을 이용하여 웨이퍼를 고정하는 방식으로 사용되는 유전체의 체적 저항값이 1.0×1015Ω·cm이상이고 양호한 웨이퍼 탈착성능을 나타내지만 웨이퍼와 같은 피흡착물의 크기가 커지면, 충분히 큰 정전흡착력을 피흡착물 접촉면 전체에 균일하게 제공하지 못한다는 문제점이 있다.
존슨-라벡형 정전척의 경우 유전체의 체적 저항값을 1.0×108 내지 1.0×1014Ω·cm로 제어하면 반도체 웨이퍼를 흡착하고 유지하기에 충분한 흡착력을 제공할 수 있다. 하지만 유전체의 체적저항이 1.0×1011Ω·cm 이하가 되면, 누설전류로 인해 반도체 제조 공정상에 좋지 않은 결과를 초래하기 때문에, 유전체의 체적 저항값은 1.0×1011 내지 1.0×1014Ω·cm정도로 제어하는 것이 바람직하다.
또한 정전척이 반도체 제조 공정에서 부재로써 사용될 때 요구되는 높은 가열 특성 및 용이한 취급 때문에 흑색화된 정전척이 요구된다.
상기와 같은 특성들을 갖는 존슨-라벡형 정전척을 형성하기 위하여 질화 알 루미늄을 포함하는 질화 알루미늄 소결체가 이용된다. 질화 알루미늄을 포함하는 소결체는 고절연성 및 고열전도성의 특성을 나타내어 정전척과 같은 반도체 장치용 부재로써 주목받고 있다. 일반적으로 질화 알루미늄 소결체는 질화 알루미늄 분말에 소결 조력제를 더 첨가하여 고온으로 소결하여 얻어진다. 상기 질화 알루미늄 소결체의 제조에 있어서, 향상된 특성을 갖는 소결체를 제조하기 위하여 전이 금속의 산화물 등을 첨가하여 소결체를 제조하는 방법에 대한 연구가 수행되어 왔다.
그러나 소결체로써 요구되는 열전도성, 누설 전류, 치밀성 및 절연성 등의 특성 중 하나를 향상시키기 위하여 전이 금속 산화물을 첨가하여 소결체를 제조하는 경우, 다른 소결체 특성이 저하될수 있으며, 특히 존슨-라벡형 정전척으로 사용하기에 적합한 1.0×1011 내지 1.0×1014Ω·cm의 체적 저항값의 범위를 유지하면서 향상된 특성을 갖는 흑색화된 질화 알루미늄 소결체 및 그에 적합한 제조 방법에 대한 필요성이 여전히 남아있다.
따라서 본 발명의 목적은 존슨-라벡형 정전척으로 사용하기에 적합한 체적 저항값을 가지고 향상된 특성을 갖는 질화 알루미늄 소결체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 존슨-라벡형 정전척으로 사용하기에 적합한 체적 저항값을 가지고 향상된 특성을 갖는 질화 알루미늄 소결체를 포함하는 반도체 제조 장치용 부재를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 산화 이트륨, 산화 알루미늄, 산화 티타늄 및 질화 알루미늄을 포함하며 산화 알루미늄에 대한 산화 이트륨의 중량비가 0.01 내지 0.7인 질화 알루미늄 소결체를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화 티타늄은 상기 질화 알루미늄 소결체의 전체 중량에 대하여 0.01 내지 15중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 질화 알루미늄 소결체는 산화 이트륨 0.01 내지 6.0중량%, 산화 알루미늄 2.0 내지 10중량%, 산화 티타늄 0.01 내지 15중량% 및 여분의 질화 알루미늄을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 반도체 제조 장치용 부재는 산화 이트륨, 산화 알루미늄, 산화 티타늄 및 질화 알루미늄을 포함하며 상기 산화 알루미늄에 대한 상기 산화 이트륨의 중량비가 0.01 내지 0.7인 질화 알루미늄 소결체로 이루어진 플레이트(plate), 상기 플레이트에 매설된 도전성 부재 및 상기 도전성 부재에 연결된 전력 공급부를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 질화 알루미늄 소결체 및 이를 포함하는 반도체 제조 장치용 부재를 상세히 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구현될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 보다 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상과 특징이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공된다. 도면들에 있어서, 각 장치 또는 막(층) 및 영역들의 두께는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 과장되게 도시되었으며, 또한 각 장치는 본 명세서에서 설명되지 아니한 다양한 부가 장치들을 구비 할 수 있다.
질화 알루미늄 소결체
본 발명에 따른 질화 알루미늄 소결체는 산화 이트륨, 산화 알루미늄, 산화 티타늄 및 질화 알루미늄을 포함하며 상기 산화 알루미늄에 대한 상기 산화 이트륨의 중량비가 0.01 내지 0.7이다.
본 발명의 소결체에 포함되는 질화 알루미늄(AlN)은 높은 열전도성 및 높은 전기 절연성을 갖고 있어 상기 질화 알루미늄 소결체가 고 열전도성 및 고 절연성의 특성을 갖게 하는 역할을 한다. 따라서 상기 질화 알루미늄을 포함하는 본 발명의 질화 알루미늄 소결체는 반도체 제조 공정에서 웨이퍼를 정전력으로 고정시켜주는 정전척 또는 웨이퍼를 고정시켜주면서 동시에 가열하는 정전척형 히터 등에 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 질화 알루미늄의 원료 분말로서, 고순도 환원 질화 알루미늄 분말을 사용할 수 있다. 상기 환원 질화 알루미늄 분말은 산소, 탄소 및 규소 등의 소량의 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 질화 알루미늄 소결체는 산화 이트륨(Y2O3) 및 산화 알루미늄(Al2O3)를 포함하며 상기 산화 알루미늄의 중량%에 대한 상기 산화 이트륨의 중량%의 비율은 약 0.01 내지 약 0.7의 범위를 갖는다. 이때, 산화 이트륨의 중량%는 전체 질화 알루미늄 소결체 분말의 중량을 기준으로 할 때 이트륨을 포함한 수화물, 염화물 및 기타 형태의 전구체의 중량을 산화 이트륨 중량으로 환산한 값에, 첨가한 산화 이트륨 분말의 중량을 더하여 계산된 값을 말한다. 또한 산화 알루미늄의 중량%는 전체 질화 알루미늄 소결체 분말의 중량을 기준으로 할 때 알루미늄을 포함한 수화물, 염화물 및 기타 형태의 전구체의 중량에 원소 분석기를 이용하여 확인된 질화 알루미늄 원료 분말 내에 함유된 불순물 산소 중량을 산화 알루미늄 중량으로 환산한 값을 더하여 산화 알루미늄의 중량으로 환산한 값에 첨가한 산화 알루미늄 분말의 중량을 더하여 계산된 값을 의미한다.
산화 이트륨 중량% 및 산화 알루미늄 중량%는 또 다른 방법으로 확인할 수도 있다. 소결이 완료된 질화 알루미늄 소결체를 주사전자현미경 혹은 투과전자현미경에 장착되어있는 에너지 분산형 X선 분광기(Energy Dispersive X-ray Spectroscope)를 이용하여 측정하였을 때 검출된 원소의 양을 확인하는 방법이다.
산화 이트륨 중량%의 경우에는 검출된 이트륨의 함량을 산화물로 환산하여 계산하고, 산화 알루미늄 중량%는 검출된 산소 함량 중 이트륨과 산화물을 이루는 데에 필요한 산소량을 제외한 나머지 산소들이 알루미늄과 결합하여 산화 알루미늄을 이루는 것으로 가정하여 계산한다.
상기 산화 이트륨은 질화 알루미늄 소결체의 제조 과정에서 각 성분 사이의 소결을 조력하는 역할을 한다. 이트륨을 산화물의 형태로 첨가하면, 질화 알루미늄 소결체 분말에 포함된 산소 및 알루미늄과 반응을 하여 알루미네이트 화합물의 형태로 존재할 수 있다. 따라서 상기 산화 이트륨은 소결체 제조를 위한 다른 원소와의 반응으로 소결을 용이하게 하여 소성 과정시 소성 온도를 낮추는 역할을 한다. 따라서, 본 발명의 질화 알루미늄 소결체는 상기 산화 이트륨을 포함함으로써 소결 과정을 용이하게 하고 소결체의 치밀성을 높일 수 있다. 그러나, 상기 산화 이트륨이 적정량을 초과하여 첨가될 경우, 질화 알루미늄 소결체의 중요한 특성인 열전도성이 저하될 수 있다. 따라서, 산화 이트륨과 알루미늄과의 적절한 반응을 유도하고 향상된 특성을 갖는 질화 알루미늄 소결체를 제조하기 위하여 산화 알루미늄에 대한 산화 이트륨의 중량비를 적절히 조절하는 것이 중요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화 알루미늄의 중량%에 대한 상기 산화 이트륨의 중량%의 비율은 약 0.01 내지 약 0.7이다.
상기 산화 알루미늄의 중량%에 대한 상기 산화 이트륨의 중량%의 비율이 0.7을 초과할 경우, 상기 질화 알루미늄 소결체의 체적 저항값이 1.0×1014Ω·cm를 초과하여 존슨-라벡형 정전척을 형성하는 데에 적합하지 못할 수 있다. 또한, 상기 산화 알루미늄의 중량%에 대한 상기 산화 이트륨의 중량%의 비율이 0.01미만일 경우, 상기 산화 이트륨에 의한 소결 조력 효과가 충분하지 않을 수 있다. 따라서, 상기 산화 알루미늄의 중량%에 대한 상기 산화 이트륨의 중량%의 비율은 약 0.01 내지 약 0.7인 것이 바람직하다. 본 발명의 질화 알루미늄 소결체는 산화 알루미늄에 대한 산화 이트륨의 중량비를 0.01 내지 0.7로 포함함으로써, 높은 치밀성과 존슨-라벡형 정전척에 적합한 범위의 체적 저항값을 보일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 질화 알루미늄 소결체의 전체 중량에 대하여 상기 산화 이트륨은 약 0.01 내지 약 6.0중량%으로 포함되고, 상기 산화 알 루미늄은 약 2.0 내지 약 10중량%으로 포함된다.
본 발명의 질화 알루미늄 소결체는 산화 티타늄(TiO2)을 포함한다.
상기 산화 티타늄은 상기 질화 알루미늄 소결체의 체적 저항값을 증가시키는 역할을 한다. 상기 질화 알루미늄에 산화 이트륨과 산화 티타늄을 함께 첨가하여 소결체를 제조할 경우 상기 질화 알루미늄 소결체의 체적 저항이 1.0×1015Ω·cm이상으로 증가한다. 따라서 상기 질화 알루미늄에 상기 산화 이트륨과 상기 산화 알루미늄, 그리고 상기 산화 티타늄을 함께 첨가하여 소결체의 체적 저항값이 존슨-라벡형 정전척에 적합한 1.0×1011 내지 1.0×1014Ω·cm이 되도록 제어할 수 있다.
또한 백색의 질화 알루미늄에 상기 산화 티타늄을 첨가하여 소결하면 질화 알루미늄 소결체의 명도가 낮아지게 하여 흑색화시키는 역할을 한다. 질화 알루미늄 자체는 일반적으로 백색 또는 호박색을 나타낸다. 그러나, 상기 질화 알루미늄을 포함하는 질화 알루미늄 소결체가 정전척 또는 히터의 부재로써 사용되는 경우, 흑색을 나타낼 것이 요구된다. 이는 흑색 기재가 백색 기재보다 복사 열량이 높고 따라서 가열 특성이 우수하기 때문이다. 또한 백색의 기재는 얼룩이 생기기 쉬워 흑색의 소결체가 보다 선호된다. 따라서 질화 알루미늄 소결체 분말에 산화 티타늄을 첨가함으로써 보다 우수한 특성을 갖는 흑색의 소결체를 얻을 수 있다.
소결체의 색은 명도로 나타낼 수 있다. 명도란, 한국공업표준심의위원회가 제정한 규격, KSA 0064 "색에 관한 용어"에 따르면　"물체표면의 상대적인 명암에 관한 색의 속성"을 말하고, 관련되는 물리량은 휘도율이다.　또한 KSA 0062 "색의 3속성에 의한 표시방법"에 따르면 먼셀(Munsel) 표색계에 따라 이상적인 검정을 0, 이상적인 흰색을　10으로 하고, 그 사이를 밝기의 감각차가 등간격이 되도록 나누고 기호 및 숫자로 나타낸 것을　말한다. 표시는 N1~N10의 기호로 표시하고 색상 표시 기호의 숫자를 정하는 경우에는 소수점　1자리까지 가리키고, 소수점 1자리의 값은 0 또는 5로 한다. 상기 질화 알루미늄 소결체가 반도체 장치의 정전척 또는 히터로 사용되기 위해서는 N4이하의 명도값을 나타낼 것이 요구된다.
상기 소결체에 첨가되는 산화 티타늄의 함량이 0.01중량%미만일 경우, 체적 저항을 1.0×1011 내지 1.0×1014Ω·cm가 되도록 제어한다는 측면에 있어서는 산화 티타늄에 의한 질화　알루미늄 소결체의 체적 저항 증가효과가 미비하여 체적 저항이 1.0×1011Ω·cm이하로 낮아지게 된다. 또한 소결체의 명도가 N4이하가 되도록 조절한다는 측면에 있어서는 산화 티타늄에 의해 명도가 낮아지는 효과가 미비하여 소결체의 명도값이 N4를 초과하게 된다. 또한 산화 티타늄의 함량이 15중량%를 초과하는 경우, 산화　티타늄의 첨가로 인해 질화 알루미늄 소결체 내에 형성된 질화 티탄(TiN)상이 독립적으로 존재하지 않고 서로 연결되어 버릴 수도 있다. 일반적으로 질화 티탄상은 체적 저항값이 낮은 전도체이므로 질화 알루미늄 소결체의 체적 저항값이 급격하게 낮아질 수도 있다. 따라서 첨가된 산화 티타늄의 함량은 약 0.01 내지 약 15중량%의 범위로 하는 것이 바람직하다.　　　
또한 본 발명에 따른 질화 알루미늄 소결체는 98%이상의 상대밀도를 갖는다. 상대밀도란 아르키메데스법의 의해 수중 측정된 물체의 벌크 밀도를 이론밀도로 나 눈 백분율값을 의미한다. 반도체 제조장치용 부재라는 측면에 있어서 소결체의 상대밀도는 98%이상, 더욱 바람직하게는 99%이상인 것이 바람직하다. 상대밀도가 98%이하가 되면, 소결체의 표면에 기공이 존재하게 되고 이러한 기공에 이물질이 끼거나 하게 되면 공정 중에 이러한 이물질이 챔버 내에 부유하다가 반도체 웨이퍼 위에 떨어지면 제품의 수율을 낮추는 등 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다.
본 발명에 따른 질화 알루미늄 소결체는 약 1.0×1011 내지 약 1.0×1014Ω·cm의 체적 저항값, N4이하의 명도값 및 98%이상의 상대밀도를 가지므로 특히 존슨-라벡형 정전척에 적합하게 사용될 수 있다.
질화 알루미늄 소결체의 제조 방법
질화 알루미늄 소결체의 총 중량을 기준으로 하여 산화 이트륨(Y2O3) 분말을 0.1 내지 6.0중량%, 산화 알루미늄(Al2O3) 분말을 2.0 내지 10중량%, 산화 티타늄(TiO 2 ) 분말을 0.01 내지 15중량%으로 하고 그 여분을 질화 알루미늄(AlN)으로 혼합한 질화 알루미늄 소결체 분말을 준비한다. 상기 산화 알루미늄의 중량%에 대한 상기 산화 이트륨의 중량%의 비율은 약 0.01 내지 약 0.7이 되도록 한다. 이때, 상기 질화 알루미늄 분말로서는 고순도 환원 질화 알루미늄 분말을 준비할 수 있다.
상기 질화 알루미늄 소결체 분말을 건식 또는 습식으로 혼합한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 혼합은 습식 혼합 방법으로 수행된다. 이때, 용매로써는 예를 들면 무수에탄올, 이소프로필 알코올 등을 사용할 수 있다. 상기 질화 알루미늄 소결체 분말을 혼합한 후, 슬러리를 추출하여 분무 건조법 등을 이용하여 건조함으로써 혼합 분말을 수득한다. 예를 들면, 상기 혼합물은 건조기에서 약 60 내지 약 100℃로 건조시킨다.
상기 질화 알루미늄 소결체 분말을 체를 이용하여 체가름을 실시한다.
체가름을 마친 상기 질화 알루미늄 소결체 분말을 적절한 모양의 성형체로 소성한다. 소성 후 상기 질화 알루미늄 소결체 분말을 소결한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 소결은 약 1700 내지 약 2000℃의 온도에서 약 30분 이상 소성하여 이루어진다. 예를 들면, 상기 질화 알루미늄 소결체 분말을 흑연 몰드에 장입하고 이를 고온 가압 소결로에서 질소 분위기하의 약 1850℃의 소결온도에서 약 3시간동안 소성한 후 냉각시켜 질화 알루미늄 소결체를 형성한다.
반도체 제조 장치용 부재
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 제조 장치용 부재는 플레이트(110), 도전성 부재(120), 도전패드(125), 커넥터(130) 및 전력 공급부(140)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플레이트(110)는 원반 형상을 가지며, 지지 부재(도시되지 않음) 상에 배치되어 지지된다. 상기 지지 부재는 플레이트(110)가 기울어지지 않도록 지지하는 역할을 한다. 상기 지지 부재는 또한 스테인레스 합금, 알루미늄 합금 또는 동 합금으로 이루어질 수 있다. 상기 지지 부재의 내부에는 플레이트(110)를 냉각하기 위한 냉매 이송 통로가 형성될 수도 있다.
본 발명의 플레이트(110)는 질화 알루미늄 소결체로 구성된다. 상기 질화 알루미늄 소결체는 산화 이트륨, 산화 알루미늄, 산화 티타늄 및 질화 알루미늄을 포함하며 상기 산화 알루미늄에 대한 상기 산화 이트륨의 중량비가 약 0.01 내지 약 0.7이다.
상기 질화 알루미늄 소결체에 포함되는 질화 알루미늄(AlN)은 높은 열전도성 및 높은 전기절연성을 갖고 있어 상기 질화 알루미늄 소결체가 고열전도성 및 고절연성의 특성을 갖게 하는 역할을 한다. 따라서 상기 질화 알루미늄을 포함하는 본 발명의 질화 알루미늄 소결체는 반도체 제조 공정에서 웨이퍼를 고정시켜주는 정전척 또는 웨이퍼를 고정시켜주면서 동시에 가열하는 히터 등의 플레이트(110)의 용도로 사용될 수 있다.
상기 산화 이트륨은 질화 알루미늄 소결체의 제조 과정에서 각 성분 사이의 소결을 조력하는 역할을 한다. 따라서, 산화 이트륨을 포함함으로써 소결 과정을 용이하게 하고 소결체의 치밀성을 높일 수 있으나, 산화 이트륨이 적정량을 초과하여 첨가될 경우, 플레이트(110)에 요구되는 중요한 특성인 열전도성이 저하될 수 있다. 따라서, 산화 이트륨과 알루미늄과의 적절한 반응을 유도하고 향상된 특성을 갖는 질화 알루미늄 소결체를 제조하기 위하여 산화 알루미늄에 대한 산화 이트륨의 중량비를 적절히 조절하는 것이 중요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화 알루미늄의 중량%에 대한 상기 산화 이트륨의 중량%의 비율은 약 0.01 내지 약 0.7의 범위를 갖는다. 상기 산화 알루미늄의 중량%에 대한 상기 산화 이트륨의 중량%의 비율이 0.7을 초과할 경우, 상 기 소결체의 체적 저항값이 1.0×1014Ω·cm를 초과할 수 있다. 또한, 상기 산화 알루미늄의 중량%에 대한 상기 산화 이트륨의 중량%의 비율이 0.01미만일 경우 산화이트륨에 의한 소결 조력 효과가 충분하지 않을 수 있다. 따라서, 상기 산화 알루미늄의 중량%에 대한 상기 산화 이트륨의 중량%의 비율은 약 0.01 내지 약 0.7인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 질화 알루미늄 소결체의 전체 중량에 대하여 상기 산화 이트륨은 약 0.01 내지 약 6.0중량%으로 포함되고 상기 산화 알루미늄은 약 2.0 내지 약 10중량%로 포함된다.
본 발명의 질화 알루미늄 소결체는 산화 티타늄(TiO2)을 포함한다.
상기 산화 티타늄은 상기 질화 알루미늄 소결체의 체적 저항값을 증가시키는 역할을 한다. 따라서 상기 질화 알루미늄에 상기 산화 이트륨과 상기 산화 알루미늄, 그리고 상기 산화 티타늄을 함께 첨가하여 소결체의 체적 저항값이 존슨-라벡형 정전척에 적합한 1.0×1011 내지 1.0×1014Ω·cm이 되도록 제어할 수 있다.
또한 백색의 질화 알루미늄에 상기 산화 티타늄을 첨가하여 소결하면 질화 알루미늄 소결체의 명도가 낮아지게 하여 흑색화시키는 역할을 한다. 따라서 질화 알루미늄 소결체 분말에 산화 티타늄을 첨가함으로써 보다 우수한 특성을 갖는 흑색의 질화 알루미늄 소결체를 얻을 수 있다.
상기 질화 알루미늄 소결체에 첨가되는 산화 티타늄의 함량이 약 0.01중량% 미만일 경우, 체적 저항을 1.0×1011 내지 1.0×1014Ω·cm가 되도록 제어한다는 측면에 있어서는 산화 티타늄에 의한 질화 알루미늄 소결체의 체적 저항 증가효과가 미비하여 체적 저항이 1.0×1011Ω·cm이하로 낮아지게 된다. 또한 산화 티타늄에 의해 명도가 낮아지는 효과가 미비하다. 또한 산화 티타늄의 함량이 약 15중량%를 초과하는 경우, 산화 티타늄의 첨가로 인해 질화 알루미늄 소결체 내에 형성된 질화 티탄(TiN)상이 독립적으로 존재하지 않고 서로 연결되어 이로 인해 질화 알루미늄 소결체의 체적 저항값이 급격하게 낮아질 수도 있다. 따라서 첨가된 산화 티타늄의 함량은 약 0.01 내지 약 15중량%의 범위로 하는 것이 바람직하다.　　　
또한 본 발명에 따른 질화 알루미늄 소결체는 치밀한 질화 알루미늄 소결상태를 이루어 98%이상의 상대밀도를 갖는다.
따라서 본 발명에 따른 질화 알루미늄 소결체는 약 1.0×1011 내지 약 1.0×1014Ω·cm의 체적 저항값, N4이하의 명도값 및 98%이상의 상대밀도를 가지므로 특히 존슨-라벡형 정전척의 플레이트(110)에 적합하게 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 플레이트(110)의 상면에는 유전층(도시되지 않음)이 더 형성될 수도 있다.
도전성 부재(120)는 플레이트(120) 내에 매설된다. 도전성 부재(120)는 정전기장 생성 전극, 고주파 생성 전극, 발열체 등의 역할을 수행한다.
도전성 부재(120)는 금속으로 이루어진다. 예를 들어, 도전성 부재(120)는 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 로듐(Rh), 니오븀(Nb), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 또는 이들의 조합을 포함하는 금속으로 이루어질 수 있다.
도전성 부재(120)는 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도전성 부재(120)는 바 형상(bar type), 봉 형상(rod type), 링 형상(ring type), 원반 형상(disk type) 또는 메쉬 형상(mesh type)을 가질 수 있다.
도전성 부재(120)는 플레이트(110) 내에 다양하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 도전성 부재(120)는 수평 방향 나란하게 배치되거나, 굴곡지게 배치되거나 또는 수직 방향으로 적층되게 배치될 수 있다.
도전성 부재(120)의 하부에는 도전성 부재(120)와 전기적으로 연결된 도전 패드(125)가 형성된다. 도전 패드(125)는 도전성 부재(120)와의 접촉 저항이 작으며 전기 전도성이 우수한 금속으로 이루어진다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 도전 패드(125)가 구비되지 않을 수도 있다.
도전 패드(125)의 하부에는 도전 패드(125)와 전기적으로 접촉하는 커넥터(130)가 구비된다. 커넥터(130)는 도전성 부재(120)에 파워를 전달하기 위한 역할을 한다. 커넥터(130)는 접촉 저항이 적으며 전기 전도성 또한 우수한 금속으로 이루어진다. 예를 들어, 커넥터(130)는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 또는 이들의 조합을 포함하는 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 커넥터(130)의 표면에 도금층을 더 포함할 수 있다.
커넥터(130)에는 도전성 부재(120)에 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(140)가 연결된다. 전원 공급부(140)로부터 도전성 부재(120)로 공급되는 파워는 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 전원 공급부(140)로부터 도전성 부재(120)로 플레이트(110) 상부에 정전기장을 생성하기 위하여 직류 척킹 전압이 공급될 수 있고, 플라스마(plasma)를 생성하기 위해서는 고주파 바이어스 전력이 공급될 수 있으며, 전도성 부재(120)로부터 열을 생성하기 위해서는 일반적인 교류 전압이 공급될 수도 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 반도체 제조 장치용 부재는, 약 1.0×1011 내지 약 1.0×1014Ω·cm의 체적 저항값, N4이하의 명도값 및 98%이상의 상대밀도를 갖는 질화 알루미늄 소결체를 플레이트(110)로 사용함으로써 향상된 특성을 갖는 존슨-라벡형 정전척으로 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 질화 알루미늄 소결체를 다양한 실시예 및 비교예를 통해서 보다 상세히 설명한다.
실시예 1
질화 알루미늄 소결체 분말의 총 중량을 기준으로 하여 질화 알루미늄 분말을 97.15중량%, 산화 이트륨 분말을 0.14중량%, 산화 알루미늄 분말을 2.70중량% 및 산화 티타늄 분말을 0.01중량%로 준비하였다. 이때, 산화 이트륨의 중량%는 이트륨을 포함한 수화물, 염화물 및 기타 형태의 전구체의 중량을 산화 이트륨 중량으로 환산한 값에 첨가한 산화 이트륨 분말의 중량을 더하여 계산된 값을 의미한 다. 또한 산화 알루미늄의 중량%는 알루미늄을 포함한 수화물, 염화물 및 기타 형태의 전구체의 중량에 원소분석기를 이용하여 확인된 질화 알루미늄 원료 분말내에 함유된 불순물 산소 중량을 산화 알루미늄 중량으로 환산한 값을 더하여 산화 알루미늄의 중량으로 환산한 값에 첨가한 산화 알루미늄 분말의 중량을 더하여 계산된 값을 의미한다.
상기 질화 알루미늄 분말로서 고순도 환원 질화 알루미늄 분말을 준비하였다. 상기 환원 질화 알루미늄 분말에 있어 산소를 제외한 순도는 99.9%이상이며, 평균 입자 직경은 약 1.29㎛정도이었다. 상기 환원 질화 알루미늄 분말에 포함된 주된 불순물은 환원 질화 알루미늄 분말의 총 중량을 기준으로 산소 약 0.84중량%, 탄소 약 310중량ppm, 칼슘 약 8중량ppm, 규소 약 9중량ppm 및 철 약 4중량ppm이었다.
상기 산화 이트륨 분말로서는 순도 99.9%이상, 평균 입자 직경 약 0.8㎛인 것을 사용하였고, 상기 산화 알루미늄 분말로서는, 순도 99.9%이상, 평균 입자 직경 약 0.6㎛인 것을 사용하였으며, 상기 산화 티타늄 분말로서는, 순도 99.9%이상, 평균 입자 직경이 약 1.1㎛인 것을 사용하였다.
이들 분말을 혼합하여 무수에탄올을 용매로 나일론으로 제조된 포트 및 알루미나 볼을 이용하여 20시간 동안 습식 혼합하였다. 혼합한 후, 슬러리를 추출하여 건조기에서 80℃로 건조시켰다. 건조가 완료된 분말을 80mesh체를 이용하여 체가름을 실시하였다. 체가름을 마친 분말을 직경 Φ210mm인 흑연 몰드에 장입하고 이를 고온 가압 소결로에서 프레스 압력 15 MPa, 질소 분위기 압력 0.1 MPa하에서 1850 ℃의 소결 온도에서 3시간 소성한 후 냉각시켰다.
실시예 2 내지 4 및 비교예 1 내지 3　
실시예 2 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 있어서, 실시예 1과 같은 방법으로 질화 알루미늄 소결체를 제조하되, 질화 알루미늄 분말, 산화 이트륨 분말, 산화 알루미늄 분말 및 산화 티타늄 분말의 조성비와 질화 알루미늄 소결체 분말의 소결온도 및 소결시간은 하기 표 1과 같이 조절하였다.
[표 1]
구분 질화 알루미늄(AlN) 중량% 산화 이트륨 (Y2O3) 중량% 산화 알루미늄 (Al2O3) 중량% 산화 티타늄 (TiO2) 중량% 산화이트륨중량%/ 산화알루미늄 중량% 소결온도 (℃) 소결시간 (시간)
실시예1 97.15 0.14 2.70 0.01 0.05 1850 3
실시예2 95.57 1.03 2.20 1.2 0.47 1740 4
실시예3 92.20 0.50 4.20 3.1 0.12 1920 2
실시예4 72.08 5.32 7.60 15 0.7 1830 3
비교예1 90.8 1.80 2.40 5 0.75 1750 4
비교예2 96.37 1.43 2.20 0 0.65 1800 3
비교예3 77.07 2.73 4.20 16 0.65 1800 3
질화 알루미늄 소결체의 특성 평가　　　
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 질화 알루미늄 소결체의 특성을 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
구분 체적저항 (Ω·cm) 상대밀도 (%) 명도 (N) 비선형계수
실시예1 6.70×1012 99.3 4.0 1.3
실시예2 2.20×1013 98.1 3.5 1.2
실시예3 1.50×1011 98.7 3.5 1.3
실시예4 8.90×1013 100 2.0 1.4
비교예1 1.30×1014 98.2 3.5 1.7
비교예2 7.10×1013 98.9 6.0 1.9
비교예3 6.80×1010 99 2.0 2.2
특성 분석 방법　　　
체적 저항 : 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 질화 알루미늄 소결체를 가로 50mm× 세로 50mm× 두께 1mm가 되도록 제작하고, 전극 형상을 주전극 직경 26mm, 보호 전극 직경 38mm로 하며, 인가전계를 기준으로 각각 100V/mm, 250V/mm, 500V/mm, 1000V/mm가 되도록 인가 전압을 설정하였으며, 전압 인가 시간을 60초를 유지한 후 얻어진 체적 저항값을 기록하였다.
상대 밀도 : 아르키메데스법에 의해서 수중 측정한 벌크 밀도를 이론 밀도값으로 나눈 값을 측정하였다.　
명도 : 한국 공업표준심의위원회 KSA 0062 "색의 3속성에 의한 표시방법"에 따라 이상적인 검정을 0, 이상적인 흰색을　10으로 하고, 그 사이를 밝기의 감각차가 등간격이 되도록 나누어 N0에서 N10까지의 값 중 하나로 나타내었다.
비선형 계수 : 100V/mm, 250V/mm, 500V/mm 및 1000V/mm의 인가전압에 따른 누설 전류량을 측정한 값을 최소제곱법(least square method)을 이용하여 얻어진 1차함수의 기울기 값을 계산하였다.
표 2를 참조로 하면, 실시예 1 내지 4에 따른 질화 알루미늄 소결체의 체적 저항값은 각각 6.70×1012Ω·cm, 2.20×1013Ω·cm, 1.50×1011Ω·cm 및 8.90×1013Ω·cm로써 1.0×1011 내지 1.0×1014 Ω·cm의 범위의 값을 갖는다. 명도는 각각 N4.0, N3.5, N3.5 및 N2.0으로써 N4.0이하의 명도를 갖는다. 또한 99.3%, 98.1%, 98.7% 및 100%의 상대 밀도를 가지므로 정전척으로 사용되기에 적합한 98%이상의 상대 밀도값을 갖고 있다.　
상기 실시예 1 내지 4의 질화 알루미늄 소결체는 1.5 이하의 비선형계수를 갖는다. 비선형 계수는 다음과 같은 관계식에 의해 계산된다. 질화 알루미늄 소결체에 인가한 전압을 V로 하고 질화 알루미늄 소결체의 누설 전류를 I라 할 때, V와 I의 관계식을 I=kVα로 할 때의 α값이 비선형 계수이다. 질화 알루미늄 소결체가 정전척 등으로 사용되기 위해서는 1이하의 α값을 갖는 것이 바람직하다. 상기 실시예 1내지 4의 질화 알루미늄 소결체의 비선형 계수는 각각 1.3, 1.2, 1.3 및 1.4로써 정전척 등으로 사용되기에 적합한 범위의 비선형 계수값을 갖는다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예 1 내지 4에 따른 질화 알루미늄 소결체는 체적 저항값이 1.0×1011 내지　1.0×1014Ω·cm이고, 명도가 N4이하이며 상대밀도가 98%이상으로 존슨-라벡형 정전척에 적합하다.
반면, 산화 알루미늄의 중량%에 대한 산화 이트륨의 중량%의 비가 0.7을 초과하는 비교예 1의 경우 체적 저항값이 1.30×1014Ω·cm로써 1.0×1014Ω·cm를 초 과하여 누설전류에 의한 존슨-라벡 힘을 충분히 발현하지 못하므로 존슨-라벡형 정전척으로 적용하기에는 적합하지 않다.
산화 티타늄이 포함되지 않은 비교예 2의 경우, 체적 저항값은 7.10×1013Ω·cm로써 1.0×1011 내지 1.0×1014Ω·cm로 존슨-라벡형 정전척에 적합하지만 명도가 0.6이고 비선형계수가 1.9로써, 각각 4.0, 1.5를 초과하므로　우수한 가열 특성 및 정전특성을 제공하지 못한다.
또한 산화 티타늄의 함량이 15중량%를 초과하는 비교예　3의 경우, 체적저항값이 6.80×1010Ω·cm로써 1.0×1011Ω·cm 미만이고, 비선형 계수가 2.2로써 1.5를 초과하므로 안정한 정전특성을 제공하지 못한다.
본 발명에 따르면, 질화 알루미늄 소결체는 산화 이트륨, 산화 알루미늄, 산화 티타늄 및 질화 알루미늄을 포함하며 산화 알루미늄에 대한 산화 이트륨의 중량비가 0.01 내지 0.7이 되도록 포함함으로써 존슨-라벡형 정전척에 적합한 체적 저항값을 갖는다. 또한 낮은 명도와 높은 상대밀도를 가짐으로써 우수한 열 전도성을 보여 향상된 특성을 갖는 반도체 제조 장치용 부재에 적합하게 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 산화 이트륨(Y2O3);
    산화 알루미늄(Al2O3);
    산화 티타늄(TiO2); 및
    질화 알루미늄(AlN)을 포함하며 상기 산화 알루미늄에 대한 상기 산화 이트륨의 중량비가 0.01 내지 0.7인 질화 알루미늄 소결체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화 티타늄을 상기 질화 알루미늄 소결체의 전체 중량에 대하여 0.01 내지 15중량%으로 포함하는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산화 이트륨의 함량은 상기 질화 알루미늄 소결체의 전체 중량에 대하여 0.01 내지 6.0중량%인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  4. 제1항에 있어서, 체적 저항값이 1.0×1011 내지 1.0×1014Ω·cm인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  5. 제1항에 있어서, 명도가 N4이하인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  6. 제1항에 있어서, 상대밀도가 98%이상인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  7. 산화 이트륨, 산화 알루미늄, 산화 티타늄 및 질화 알루미늄을 포함하며 상기 산화 알루미늄에 대한 상기 산화 이트륨의 중량비가 0.01 내지 0.7인 질화 알루미늄 소결체로 이루어진 플레이트(plate);
    상기 플레이트에 매설된 도전성 부재; 및
    상기 도전성 부재에 연결된 전력 공급부를 포함하는 반도체 제조 장치용 부재.
  8. 제7항에 있어서, 상기 산화 이트륨의 함량은 상기 질화 알루미늄 소결체의 전체 중량에 대하여 0.01 내지 6.0중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 부재.
  9. 제7항에 있어서, 상기 질화 알루미늄 소결체의 체적 저항값이 1.0×1011 내지 1.0×1014Ω·cm인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 부재.
  10. 제7항에 있어서, 상기 질화 알루미늄 소결체의 명도가 N4이하인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 부재.
  11. 제7항에 있어서, 상기 질화 알루미늄 소결체의 상대밀도가 98%이상인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 부재.
  12. 제7항에 있어서, 상기 도전성 부재는 히터용 전극 또는 정전척용 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 부재.
  13. 제7항에 있어서, 도전 패드, 커넥터 및 전원 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 부재.
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