KR101064207B1 - 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 및 그 제조 방법 - Google Patents

고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄화규소 재질의 상, 하판; 상기 상, 하판에 형성된 홀에 삽입된 실리콘 재질의 잉곳 (ingot); 일면이 상기 잉곳과 접하도록 상기 홀에 삽입되고, 타면에 오목부가 형성된 탄화규소 및 흑연 (graphite) 재질의 펠트 (felt); 및 상기 펠트의 오목부에 결합되어, 상기 상, 하판을 조립하는 탄화규소 재질의 로드 (Rod)를 포함하되, 상기 잉곳과 상기 펠트의 접합면은 탄화규소 재질인 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어. 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이에 의해, 반도체 공정의 분순물로 작용하는 금속, 붕소 등의 원소를 포함하지 않고 탄화규소 웨이퍼 캐리어를 제작함으로써, 접합 내구성을 증가시킬 수 있다.

Description

고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 및 그 제조 방법{HIGH PURITY SILICON CARBIDE WAFER CARRIER AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 탄화규소 웨이터 캐리어 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 반도체 공정의 분순물로 작용하는 금속, 붕소 등의 원소를 포함하지 않고 탄화규소 웨이퍼 캐리어를 제작함으로써, 접합 내구성을 증가시킬 수 있는 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
탄화규소 (SiC; silicon carbide) 와 붕소(boron, B)는 높은 인장률을 갖는 강화재료이다. Al2O3이 산화물 세라믹스의 대표라면 SiC는 비산화물 세라믹스의 대표격으로 널리 쓰이고 있다. SiC 섬유는 세라믹과 금속 복합재료의 강화재료로 용도가 활발히 개척되고 있으며, boron섬유는 주로 고성능의 에폭시 강화재료로 쓰이고 있다.
탄화규소는 1970년대에 미국 G.E.의 Prochazka에 의해 boron 및 carbon의 첨가로 상압소결이 처음 성공한 이래로 SiC는 고온강도가 높고, 내마모성, 내산화성, 내식성, 크립저항성등의 특성이 우수하여 고온 구조재료로서 주목을 받는 재료이며, 현재 메카니컬 씰, 베어링, 각종 노즐, 고온 절삭공구, 내화판, 연마재, 제강시 환원재, 피뢰기 등에 광범위하게 사용되고 있는 고급 세라믹 소재이다.
이러한 탄화규소를 이용한 탄화규소 세라믹스를 제조하는 경우, 탄화규소 세라믹스를 접합하는 방법으로는 크게 3가지가 존재한다. 첫번째는 물리적으로 고온 고압을 통해 계면을 붙이는 가압법이다.
도 1a는 종래기술에 따른 가압법에 의한 탄화규소 세라믹스의 접합방법을 나타내는 사시도이다. 도 1a를 참조하면, 성형되어 소결된 탄화규소 기판 (10)과 로드 (rod) (20) 를 치구류(미도시)에 고정시키고 도가니 (50) 내에서 1600℃ 이상의 온도에서 10PSI 이상의 압력을 가해 계면간 입자를 결합시킨다. 그러나 이러한 방법은 고온, 고압에 의해 계면간 접합 부분의 내구성이 약해져, 접합부가 쉽게 이형되는 문제가 있다.
탄화규소 세라믹스를 접합하는 두번째 방법은 계면상에 금속, 붕소 계열의 소결 조제가 함유된 페이스트 또는 슬러리 등을 도포하여 열처리를 통해 계면을 접합시키는 본딩 (bonding)법이다.
도 1b는 종래기술에 따른 본딩법에 의한 탄화규소 세라믹스의 접합방법을 나타내는 사시도이다. 도 1b를 참조하면, 1차 그린 (green) 가공된 탄화규소 기판 (10), 로드 성형체 (20) 표면에 금속 성분 또는 붕소 계열로 구성된 접합 페이스트 (30)를 도포하고 도가니 (50) 내에서 1600℃ 이하의 온도, 진공분위기 하에서 열처리를 통해 접합시킨다. 그러나 이러한 방법은 접합부분에서 반도체 공정 중에 불순물이 확산된다. 특히, 실리콘 웨이퍼 캐리어용으로 사용하는 경우, 실리콘 웨이퍼에 불량을 발생시킬 수 있는 문제점이 있다.
탄화규소 세라믹스를 접합하는 세번째 방법은 고순도 Si을 열처리를 통해 용융시켜 접합하는 고순도 본딩법이다.
도 1c는 종래기술에 따른 고순도 본딩법에 의한 탄화규소 세라믹스의 접합방법을 나타내는 사시도이다. 도 1c를 참조하면, 실리콘 분체, 또는 잉곳 (ingot)을 1차 그린 가공된 탄화규소 기판 (10), 로드 성형체 (20)의 접합 예정부 사이에 삽입하고 도가니 (50) 내에서 1600℃ 이하의 온도, 진공분위기 하에서 열처리를 통해 접합시킨다. 그러나 이러한 방법은 Si의 낮은 녹는점으로 인해 열처리 공정시 접합부가 이형되는 불량이 발생한다. 또한, 산성으로 구성된 세정 공정시 Si 접합 계면이 쉽게 떨어지는 문제점도 발생한다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 접합면에 반도체 공정에서 불순물로 작용하는 금속, 붕소 등을 사용하지 않으면서, 열처리 공정시 계면 부분이 이형되지 않는 내구성을 갖는 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어의 구조는,탄화규소 재질의 상, 하판; 상기 상, 하판에 형성된 홀에 삽입된 잉곳 (ingot); 일면이 상기 잉곳과 접하도록 상기 홀에 삽입되고, 타면에 오목부가 형성된 펠트 (felt); 및 상기 펠트의 오목부에 결합되어, 상기 상, 하판을 조립하는 로드 (Rod)를 포함하되, 상기 상, 하판, 잉곳, 펠트, 로드가 서로 접하는 계면은 탄화규소 재질이다.
여기서, 상기 펠트 중 상기 상, 하판에 형성된 홀에 삽입되는 외면의 형태는 상기 홀의 형태와 부합하며, 특히 상기 동일한 형태는 역사다리꼴 형태일 수 있다.
또한, 상기 잉곳의 무게는 상기 펠트의 무게의 70% 내지 150%일 수 있다.
또한, 상기 펠트의 두께는 상기 홀의 깊이 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어의 제조 방법은, (a) 탄화규소 분체를 성형하여 홀이 형성된 상, 하판을 형성하는 단계; (b) 상기 홀 형태와 매칭하는 형태이며 일면에 오목부가 형성된 흑연 재질의 펠트 (felt) 내부에 형성된 다수의 홀에 탄화규소 입자를 충진하는 단계; (c) 상기 상, 하판의 홀에 실리콘 재질의 잉곳 (ingot)을 삽입하는 단계; (d) 상기 함침 및 건조한 펠트의 타면을 상기 잉곳과 접하도록 상기 상, 하판의 홀에 삽입하는 단계; (e) 탄화규소 재질의 로드 (rod)를 상기 펠트의 오목부에 결합하여, 상기 상, 하판을 조립하는 단계; (f) 상기 잉곳, 펠트, 및 로드로 조립된 상, 하판과 반응용 실리콘을 도가니에 투입한 후, 진공 분위기에서 가열하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (a) 단계의 성형은 탄화규소 분체를 탄소 분말과 혼합하여 성형할 수 있다.
또한, 제 (b) 단계의 충진은, 상기 펠트를 탄화규소 입자를 함유하는 용액에 함침 및 건조하여 상기 다수의 홀에 탄화규소 입자를 충진일 수 있다.
또한, 상기 펠트의 두께는 상기 홀의 깊이 이하일 수 있다.
특히, 상기 (c) 단계의 잉곳의 무게는 상기 펠트의 무게의 70% 내지 150%일 수 있다.
그리고 상기 (f) 단계의 가열은 1600℃의 온도에서 가열하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의해, 반도체 공정의 분순물로 작용하는 금속, 붕소 등의 원소를 포함하지 않고 탄화규소 웨이퍼 캐리어를 제작함으로써, 접합 내구성을 증가시킬 수 있다.
도 1a는 종래기술에 따른 가압법에 의한 탄화규소 세라믹스의 접합방법을 나타내는 사시도.
도 1b는 종래기술에 따른 본딩법에 의한 탄화규소 세라믹스의 접합방법을 나타내는 사시도.
도 1c는 종래기술에 따른 고순도 본딩법에 의한 탄화규소 세라믹스의 접합방법을 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 제조방법의 제조 방법에 대한 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 펠트에 탄화규소 입자를 함유시키는 공정에 대한 단면도.
도 4는 본 발명에 일 실시형태에 따른 탄화규소 웨이퍼 캐리어의 일부 조립 구조를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명에 일 실시형태에 따른 탄화규소 웨이퍼 캐리어의 전체 조립 구조를 나타내는 사시도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 일 실시형태에 따른 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 및 그 제조 방법에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 제조방법의 제조 방법에 대한 순서도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 제조방법은, 우선 탄화규소 분체를 이용하여 성형체를 형성한다. 여기서 성형체는 본 발명에 따른 탄화규소 웨이퍼 캐리어의 구성 요소가 되는 탄화규소 기판 (200), 예를 들어, 상, 하판 (200a 및 200b)과 잉곳 (210), 로드 (230)를 포함한다. 더욱 상세하게는, 중심 입경 1㎛ 이상의 고순도 분말, 반응소결을 위한 중심 입경 1㎛ 이하의 탄소 (C) 분말 10~30wt%, 그리고 기타 첨가제로서, 소량의 C 원소로 구성된 결합제와 혼합한다. 그 다음, 이러한 혼합 원료를 CIP (Cold Isostatic Press) 성형 공정으로 성형체를 제작한다. 여기서 혼합원료가 액상일 경우, 슬립 캐스팅 (slip-casting) 법으로 성형할 수도 있다.
그 후, 그린 (Green) 가공을 실시하여, 상, 하판 (200a 및 200b)의 경우 잉곳 (230)이 삽입될 접합부로서 홀 (150)을 형성한다. 그리고 내부에 다수의 홀이 형성된 흑연재질의 펠트 (이하 다공성 펠트라 지칭함) (100)를 탄화규소 용액 (110)에 함침 및 건조한다.
더욱 상세하게는, 다공성 펠트 (100) 중 상기 홀 (150) 에 삽입되는 외면의 형태는 홀 (150)의 형태와 부합하는 형태이며 일면에 오목부가 형성된 흑연 재질의 성형체이다. 이러한 다공성 펠트 (100)를 탄화규소와 용매로 구성된 혼합용액인 탄화규소 용액 (110)에 함침 및 건조한다. 이러한 함침 및 건조에 대한 공정 단면도를 도 3에 상세히 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 펠트에 탄화규소 입자를 함유시키는 공정에 대한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 다공성 펠트 (100)를 전술한 탄화규소 용액 (110)에 함침한 후 건조하면 용액 내의 탄화규소 입자가 다공성 펠트 (100) 내부의 홀에 충진한다. 또한, 다공성 펠트 (100)의 형태는 도시된 바와 같이 일면에 오목부가 형성되어 있어 추후의 공정에서 로드 (230)를 결합할 수 있으며, 전체적인 외곽부의 형태는 다공성 펠트가 삽입될 상, 하판의 홀 (150) 형태와 매칭된다.
그 후, 다시 도 2를 참조하면, 탄화규소 기판 (200)의 홀 (150)에 실리콘재질의 잉곳 (ingot) (230)을 삽입한 후, 이러한 홀 (150)에 탄화규소 입자 (140)가 충진된 펠트 (이하 충진 펠트라 지칭함) (220)를 추가 삽입한다. 그리고 로드 (230)를 충진 펠트 (220)에 결합하여 웨이퍼 캐리어를 조립한다. 이와 같은 조립에 대한 구조를 도 4에서 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 일 실시형태에 따른 탄화규소 웨이퍼 캐리어의 일부 조립 구조를 나타내는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 탄화규소 기판 (200)의 홀 (150)에 실리콘 재질의 잉곳 (210)을 삽입한다. 여기서 홀 (150)의 형태는 도시된 바와 같이 결합의 견고함을 위해 역사다리꼴 형태가 바람직하다. 또한, 잉곳 (210)의 외경 크기는 홀 (150)의 투입구 크기와 동일하며 무게는 충진 펠트 (220) 무게의 70~150%이며 충진 펠트 (220)의 높이는 탄화규소 기판 (200)의 홀 (150)의 깊이 이하인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않는다. 그리고 충진 펠트 (220)의 타면 (오목부 반대면)을 잉곳 (210)과 접하도록 홀 (150)에 삽입하고, 로드 (230)를 충진 펠트 (220)의 오목부에 결합한다. 또한, 로드 (230)의 반대면에 전술한 구조를 갖는 탄화규소 기판, 잉곳, 펠트를 결합하여 최종적으로 형성되는 웨이퍼 캐리어의 조립구조를 도 5에 나타낸다.
도 5는 본 발명에 일 실시형태에 따른 탄화규소 웨이퍼 캐리어의 전체 조립 구조를 나타내는 사시도이다. 도 5를 참조하면, 상, 하판으로 사용되는 탄화규소 기판 (200a 및 200b)에 예를 들어, 6개의 홀을 형성하고 전술한 방법과 같이 3개의 로드 (230)를 결합한다. 한편, 본 도면에는 로드가 상, 하판 (200a 및 200b) 의 외각을 둘러싸도록 삼각형의 구조로 배열된 것으로 도시하였지만, 4각형 또는 5각형의 구조를 포함하여, 내부에 탄화규소 웨이퍼를 실장하는 공간을 둘러싸도록 다양한 개수의 로드로 형성할 수 있다.
그 후, 다시 도 2를 참조하면, 잉곳 (210), 충진 펠트 (220), 및 로드 (230)로 조립된 상, 하판 (200a 및 200b)을 반응용 실리콘과 함께 도가니에 투입한 후, 진공 분위기에서 가열한다. 여기서 가열 온도는 1600℃ 이상이 바람직하다. 가열된 경우, 흑연 재질의 충진 펠트 (220)와 실리콘 재질의 잉곳 (230)은 탄화규소화 하여 상, 하판 (200a 및 200b)과 잉곳 (230), 잉곳 (210)과 충진 펠트 (220), 충진 펠트 (220)와 로드 (230) 각각의 계면 접합물질이 탄화규소로 구성되어 내구성이 증가된 탄화규소 웨이퍼 캐리어를 제작할 수 있다. 더욱이, 흑연의 녹는점 (약 3700℃~4300℃)은 실리콘의 녹는점 (약 1414℃)보다 높기 때문에, 종래 기술의 세번째 공정과 같이 접합부에 실리콘만을 형성하여 1600℃ 이상의 열처리 공정시 낮은 녹는점으로 인해 접합부가 이형되는 문제점이 발생하지 않는다.
이와 같이 형성된 탄화규소 웨이퍼 캐리어의 불순물 함량과 인장강도를 표 1에 나타낸다.
기존품 개선품
불순물함량
(접합부)		 1000ppm <10ppm
인장강도 100MPa 210MPa
표 1을 참조하면, 기존의 탄화규소 웨이퍼의 캐리어의 접합부에는 금속 또는 붕소 등의 원소들로 인해 불순물이 1000ppm 정도 발생한다. 이에 반해 본 발명은 접합부에 이러한 불순물로 작용하는 원소들이 없기 때문에 불순물의 양을 10ppm 이하로 줄일 수 있다. 또한, 도가니에서 열처리시 흑연의 높은 녹는점으로 인해 접합부가 이형되지 않아 기존의 인장강도에 비해 2배 이상의 견고함을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10, 200: 탄화규소 기판 20, 230: 로드
30: 접합 페이스트 40: 실리콘 접합제
50: 도가니 100: 다공성 펠트
110: 탄화규소 용액 120: 펠트 내부 홀
140: 탄화규소 입자 150: 상, 하판 홀
200a: 탄화규소 상판 200b: 탄화규소 하판
210: 잉곳 220: 충진 펠트

Claims (11)

  1. 탄화규소 재질의 상, 하판;
    상기 상, 하판에 형성된 홀에 삽입된 잉곳 (ingot);
    일면이 상기 잉곳과 접하도록 상기 홀에 삽입되고, 타면에 오목부가 형성된 펠트 (felt); 및
    상기 펠트의 오목부에 결합되어, 상기 상, 하판을 조립하는 로드 (Rod)를 포함하되,
    상기 상, 하판, 잉곳, 펠트, 로드가 서로 접하는 계면은 탄화규소 재질인 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 펠트 중 상기 상, 하판에 형성된 홀에 삽입되는 외면의 형태는 상기 홀의 형태와 부합하는 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 동일한 형태는 역사다리꼴 형태인 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 잉곳의 무게는 상기 펠트 무게의 70% 내지 150%인 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 펠트의 두께는 상기 홀의 깊이 이하인 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어.
  6. (a) 탄화규소 분체를 성형하여 홀이 형성된 상, 하판을 형성하는 단계;
    (b) 상기 홀 형태와 매칭하는 형태이며 일면에 오목부가 형성된 흑연 재질의 펠트 (felt) 내부에 형성된 다수의 홀에 탄화규소 입자를 충진하는 단계;
    (c) 상기 상, 하판의 홀에 실리콘 재질의 잉곳 (ingot)을 삽입하는 단계;
    (d) 상기 탄화규소 입자가 충진된 펠트의 타면을 상기 잉곳과 접하도록 상기 상, 하판의 홀에 삽입하는 단계;
    (e) 탄화규소 재질의 로드 (rod)를 상기 탄화규소 입자가 충진된 펠트의 오목부에 결합하여, 상기 상, 하판을 조립하는 단계;
    (f) 상기 잉곳, 탄화규소 입자가 충진된 펠트, 및 로드로 조립된 상, 하판과 반응용 실리콘을 도가니에 투입한 후, 진공 분위기에서 가열하는 단계를 포함하는 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서
    상기 (a) 단계의 성형은 탄화규소 분체를 탄소 분말과 혼합하여 성형하는 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 제조 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 충진은,
    상기 펠트를 탄화규소 입자를 함유하는 용액에 함침 및 건조하여 상기 다수의 홀에 탄화규소 입자를 충진하는 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 제조 방법.
  9. 상기 8항에 있어서,
    상기 펠트의 두께는 상기 홀의 깊이 이하인 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 제조 방법.
  10. 상기 6항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 잉곳의 무게는 상기 펠트의 무게의 70% 내지 150%인 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 제조 방법.
  11. 제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (f) 단계의 가열은 1600℃의 온도에서 가열하는 고순도 탄화규소 웨이퍼 캐리어 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102326741B1 (ko) * 2021-08-18 2021-11-16 주식회사 린텍 실리콘 파우더와 고주파 가열장치를 이용한 실리콘 부품의 접합 방법

Citations (1)

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JP2000072576A (ja) 1998-08-31 2000-03-07 Toshiba Ceramics Co Ltd シリコン含浸炭化珪素部材の製造方法

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