KR101178184B1 - 건식식각장치의 포커스링 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건식식각장치의 포커스링 및 그 제조방법에 관한 것으로, a) 반도체 웨이퍼의 직경보다 큰 직경의 그라파이트 원판을 준비하는 단계와, b) 상기 그라파이트 원판의 전면에 SiC를 증착하여 SiC층을 형성하는 단계와, c) 상기 b) 단계의 결과물에서 상기 그라파이트 원판의 측면부가 노출되도록 상기 SiC층을 원형으로 상하 절단하는 단계와, d) 상기 c) 단계의 결과물 중 상기 그라파이트 원판의 상면과 저면에 SiC층이 위치하는 구조물의 중앙부를 가로방향으로 절단가공하여, 그라파이트 원판의 일면에 SiC층이 적층된 두 개의 적층구조물을 획득하는 단계와, e) 상기 일면이 노출된 그라파이트 원판을 제거하여, 두 개의 원판형 SiC층을 획득하는 단계와, f) 상기 원판형 SiC층 각각을 원형으로 상하 절단 가공하여 더미 웨이퍼와 포커스링을 동시에 제조하는 단계를 포함한다. 이와 같은 구성의 본 발명은 건식식각장치 내에서 플라즈마에 의한 식각률을 감소시킴으로써, 그 수명을 연장하여 비용을 절감할 수 있는 효과와 아울러 그 포커스링의 교체주기를 보다 연장하여 포커스링을 교체할 때 건식식각장치의 가동 중단회수를 줄여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

포커스링, SiC, 식각률

Description

건식식각장치의 포커스링 및 그 제조방법{Focus-ring for plasma etcher and manufacturing method thereof}

본 발명은 건식식각장치의 포커스링 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포커스링의 수명을 연장시킬 수 있으며, 제조공정을 단순화할 수 있는 건식식각장치의 포커스링 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 제조공정에서 사용되는 건식식각장치는, 기체상의 식각가스를 사용하는 플라즈마식각 등이 있다. 이는 식각가스를 반응용기내로 인입시키고, 이온화시킨 후, 웨이퍼 표면으로 가속시켜 웨이퍼 표면의 최상층을 물리적, 화학적으로 제거하며, 식각의 조절이 용이하고, 생산성이 높으며, 수십 nm 수준의 미세 패턴형성이 가능하여 널리 사용되고 있다.

플라즈마 식각에서의 균일한 식각을 위하여 고려되어야 할 변수(parameter)들로는 식각할 층의 두께와 밀도, 식각가스의 에너지 및 온도, 포토레지스트의 접착성과 웨이퍼 표면의 상태 및 식각가스의 균일성 등을 들 수 있다. 특히, 식각가스를 이온화시키고, 이온화된 식각가스를 웨이퍼 표면으로 가속시켜 식각을 수행하 는 원동력이 되는 고주파(RF: Radio frequency)의 조절은 중요한 변수가 될 수 있으며, 또한 실제 식각과정에서 직접적으로 그리고 용이하게 조절할 수 있는 변수로 고려된다.

그러나, 실제로 식각이 이루어지는 웨이퍼를 기준으로 볼 때, 웨이퍼 표면 전체에 대한 균일한 에너지 분포를 갖도록 하는 고른 고주파의 적용은 필수적이며, 이러한 고주파의 적용시의 균일한 에너지 분포의 적용은 고주파의 출력의 조절만으로는 달성될 수 없으며, 이를 해결하기 위하여는 고주파를 웨이퍼에 인가하는데 사용되는 고주파 전극으로서의 스테이지와 애노우드의 형태 및 실질적으로 웨이퍼를 고정시키는 기능을 하는 포커스링 등에 의하여 크게 좌우된다.

상기 포커스링은 플라즈마가 존재하는 가혹한 조건의 반응챔버내에서 플라즈마의 확산을 방지하고, 식각 처리가 이루어지는 웨이퍼 주변에 플라즈마가 한정되도록 하는 역할을 하는 것이다.

이처럼 포커스링은 웨이퍼의 직경에 비해 더 큰 직경의 내경을 가지는 것이며, 종래에는 웨이퍼보다 더 큰 실리콘 포커스링을 제조하기 위하여 더 큰 직경의 실리콘 잉곳(ingot)을 성장시키고, 그 실리콘 잉곳을 소정 두께의 원판 형태로 절단 한 후, 그 실리콘 원판의 중앙부를 가공하여 제거하여 제조하였다.

그러나 웨이퍼의 대형화가 심화되면서 직경이 더 큰 포커스링의 사용이 필요 하고, 대형의 포커스링을 제조하기 위한 잉곳의 형성 및 가공면적의 증가 등에 의하여 제조가 용이하지 않은 문제점이 발생하였다.

또한 앞서 설명한 바와 같이 포커스링은 그 역할이 웨이퍼의 주변에서 플라즈마의 확산을 방지하는 역할을 하기 때문에 항상 플라즈마에 노출되어 있다. 따라서 표면이 식각되어지며 그 식각에 의해 수명이 단축되어 빈번하게 교체를 해줘야 한다.

이와 같은 포커스링의 빈번한 교체는 그 포커스링의 교체를 위하여 건식식각공정을 중단해야 하기 때문에 생산성이 저하되는 문제점이 있었으며, 그 포커스링의 식각에 따른 식각부산물의 양이 증가하여 식각공정의 원활한 진행이 어려운 문제점이 있었다.

또한 그 포커스링의 수명이 짧기 때문에 소모품으로서의 포커스링의 사용량이 많아 제조비용이 증가하는 문제점이 있었다.

아울러 종래 포커스링은 웨이퍼에 비해 직경이 더 큰 실리콘 잉곳을 형성하고, 그 잉곳을 절단하여 원판을 획득한 후, 그 원판의 중앙부를 제거하는 공정이 필요하기 때문에, 그 실리콘 잉곳의 대부분을 사용할 수 없어 재료의 낭비가 심하고, 그 버려지는 실리콘의 처리가 용이하지 않은 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 플라즈마에 대한 식각률을 낮출 수 있는 건식식각장치의 포커스링 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

또한 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 잉곳의 형성 등 시간이 많이 소요되는 공정을 생략하여 생산성을 향상시킬 수 있는 건식식각장치의 포커스링 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명 건식식각장치의 포커스링은 화학기상증착법으로 형성된 SiC 재질인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명 건식식각장치의 포커스링 제조방법은, a) 반도체 웨이퍼의 직경보다 큰 직경의 그라파이트 원판을 준비하는 단계와, b) 상기 그라파이트 원판의 전면에 SiC를 증착하여 SiC층을 형성하는 단계와, c) 상기 b) 단계의 결과물에서 상기 그라파이트 원판의 측면부가 노출되도록 상기 SiC층을 원형으로 상하 절단하는 단계와, d) 상기 c) 단계의 결과물 중 상기 그라파이트 원판의 상면과 저면에 SiC층이 위치하는 구조물의 중앙부를 가로방향으로 절단가공하여, 그라파이트 원판의 일면에 SiC층이 적층된 두 개의 적층구조물을 획득하는 단계와, e) 상기 일면이 노출된 그라파이트 원판을 제거하여, 두 개의 원판형 SiC층을 획득하는 단계와, f) 상기 원판형 SiC층 각각을 원형으로 상하 절단 가공하여 더미 웨이퍼와 포커스링을 동시에 제조하는 단계를 포함한다.

본 발명 건식식각장치의 포커스링 및 그 제조방법은, 화학적 기상 증착법과 가공법을 사용하여 포커스링을 제조하여, 웨이퍼의 크기보다 더 큰 잉곳 형성 등의 복잡한 과정을 생략할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 포커스링의 재질을 변경하여 건식식각장치 내에서 플라즈마에 의한 식각률을 감소시킴으로써, 그 수명을 연장하여 비용을 절감할 수 있는 효과와 아울러 그 포커스링의 교체주기를 보다 연장하여 포커스링을 교체할 때 건식식각장치의 가동 중단회수를 줄여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고 본 발명은 포커스링의 형성을 위한 가공에서 포커스링에서 분리되는 원판을 더미 웨이퍼로 사용할 수 있도록 하여, 재료의 낭비를 방지할 수 있는 효과가 있다.

이하, 상기와 같은 구성의 본 발명 건식식각장치의 포커스링 및 그 제조방법을 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명 건식식각장치의 포커스링의 바람직한 제조공정 순서도이고, 도 2 내지 도 6은 본 발명 건식식각장치의 포커스링의 바람직한 제조공정 수순 단면도이다.

도 1 내지 도 6을 각각 참조하면 본 발명 건식식각장치의 포커스링 제조방법은, 반도체 웨이퍼의 직경보다 더 큰 직경의 그라파이트 원판(1)을 준비하는 단계(S11)와, 상기 그라파이트 원판(1)의 전면에 SiC를 증착하여 SiC층(2)을 형성하는 단계(S12)와, 상기 그라파이트 원판(1)의 가장자리가 노출되도록 상기 SiC층(2)을 원형으로 상하 절단 가공하는 단계(S13)와, 상기 S13단계의 결과물 중 측면이 노출되는 그라파이트 원판(1)의 상면과 저면에 상기 SiC층(2)이 적층된 구조물을 그 그라파이트 원판(1)의 중앙부를 가로방향으로 절단하여 원판상의 그라파이트 원판(1)의 일면에 SiC층(2)이 적층된 두 개의 구조물을 획득하는 단계(S14)와, 상기 S13단계의 결과물에서 그라파이트 원판(1)을 제거하여 두 개의 원판형 SiC층(2)을 획득하는 단계(S15)와, 상기 두 원판형 SiC층(2)을 각각 원형으로 상하 절단가공하여 더미 웨이퍼(4)와 포커스링(3)을 동시에 제조하는 단계(S16)를 포함한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 건식식각장치의 포커스링 제조방법의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다.

먼저, 도 2에 도시한 바와 같이 S11단계에서는 그라파이트를 원판형으로 압축가공한 그라파이트 원판(1)을 준비한다. 이때 그라파이트 원판(1)의 크기는 건식식각장치에서 건식식각되는 웨이퍼의 크기에 비하여 더 큰 것으로 한다.

이는 포커스링의 크기가 웨이퍼보다 커야하는 것을 감안한 것으로, 그 이유는 이후에 보다 상세히 설명한다.

그 다음, 도 3에 도시한 바와 같이 S12단계에서는 상기 그라파이트 원판(1)의 전체에 화학적 기상증착법으로 SiC를 증착하여 SiC층(2)을 형성한다.

상기 SiC층(2)은 그라파이트 원판(1)의 상면, 하면 및 측면에 증착되며, 화학적 기상증착법으로 형성되는 SiC층(2)은 충분한 내식성과 강도를 가지며 기공이 발생하지 않는 균질한 표면을 이루게 된다.

이와 같은 내식성 및 표면의 균질성에 의하여 플라즈마에 대한 식각률이 낮은 특징이 있다.

상기 SiC층(2)을 증착하는 구체적인 방법으로는, 증착 온도 1000 내지 1500℃에서, 성막 속도를 20 내지 400μm/hour로 하고, 원료가스의 체류시간을 7 내지 110초로 하는 조건으로 증착한다.

상기 원료가스는 CH₃SiCl₃, (CH₃)₂SiCl₂, (CH₃)₃SiCl, (CH₃)₄Si, CH₃SiHCl₂ 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합된 가스를 사용하거나, 또는 SiCl₄ 가스에 C₂H₂, CH₄, C₃H₈, C₆H₁₄, C₇H₈, CCl₄ 중 어느 하나 또는 둘 이상이 선택적으로 조합된 가스를 사용할 수 있다.

상기 원료가스는 불활성가스인 캐리어가스와 혼합되어 공급되며, 이때 원료 가스와 캐리어가스의 혼합유량은 캐리어 가스 100%의 부피에 대하여 원료가스를 5 내지 15부피%가 되도록 한다. 이와 같은 부피의 비는 일정한 온도에서 이루어지기 때문에 부피비를 이용하여 중량비를 산출할 수 있음은 당연하다.

상기 SiC층(2)은 굴곡강도가 450MPa 이상으로 300MPa 이하인 Si에 비하여 강도가 높으며, 내마모성 및 내화학성이 우수한 공유결합을 하고 있어 Si보다 2배 이상 플라즈마에 대한 내식성이 우수하다.

또한, 상기 SiC층(2)을 증착할 때 하이드로카본을 첨가할 수 있다.

상기 하이드로 카본은 CxHy의 화학식을 가지는 것으로, x가 1이상, y가 2 이상의 정수인 것을 사용할 수 있다.

상기 실리콘 카바이드의 증착 온도는 1000 내지 1500℃로 하고, 성막 속도를 20 내지 400μm/hour로 하고, 원료가스의 체류시간을 7 내지 110초로 하는 조건으로 증착한다.

이때, 상기 원료가스와 하이드로 카본의 유량은 원료가스 30 내지 99.9%에 대하여 하이드로 카본의 유량이 70 내지 0.1%가 되도록 한다.

상기 원료가스와 하이드로 카본의 비는 유량의 비이며, 당업자 수준에서 이를 원자비로 변환실시하는 것은 용이한 것이다.

상기 하이드로 카본이 0.1% 유량 미만인 경우에는 그 하이드로 카본의 첨가 에 의하여 이루어지는 저저항, 윤활성 및 투과도 감소의 효과가 적으며, 70%를 초과하는 경우에는 실리콘 카바이드의 특성 발현이 잘 이루어지지 않게 된다.

상기와 같이 SiC층(2)을 형성하기 위한 원료가스인 CH₃SiCl₃, (CH₃)₂SiCl₂, (CH₃)₃SiCl, (CH₃)₄Si, CH₃SiHCl₂, SiCl₄ 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합된 가스, 또는 상기 원료가스에 C₂H₂, CH₄, C₃H₈, C₆H₁₄, C₇H₈, CCl₄ 중 어느 하나 또는 둘 이상이 선택적으로 조합된 가스를 사용할 수 있으며, 상기 하이드로 카본은 C₂H₂를 사용할 수 있다.

이와 같은 공정을 통해 증착되는 SiC층(2)은 실리콘 카바이드의 그레인들 사이에, 하이드로 카본 원료의 열분해에 의한 열분해 카본이 충진되는 물리적인 결합이 이루어진다.

상기 열분해 카본(pyrocarbon)은 실리콘 카바이드의 그레인들 사이에 충진되어 저항 및 투과도를 낮출 수 있게 된다. 이는 그레인의 경계와 그 경계 사이에 저항과 투과도가 낮은 열분해 카본을 물리적으로 충진하여 저항 및 투과도를 줄인 결과이다.

이와 같이 열분해 카본을 물리적으로 결합시킨 SiC층(2)은 순수한 SiC에 비하여 저항이 낮고, 윤활성이 우수해져 이후에 설명할 더미 웨이퍼로의 특성이 보다 향상된다.

그 다음, 도 4에 도시한 바와 같이 S13단계에서는 상기 SiC층(2)이 전체면에 증착된 그라파이트 원판(1)을 원형으로 상하 절단하여 그 그라파이트 원판(1)의 측면부가 노출되며, 그 측면부가 노출된 그라파이트 원판(1)의 상면과 저면에 각각 SiC층(2)이 적층된 구조물을 획득한다.

그 다음, 도 5에 도시한 바와 같이 S14단계에서는 상기 획득된 그라파이트 원판(1)의 상면과 저면에 SiC층(2)이 위치하는 구조물을 그 그라파이트 원판(1)의 중앙을 가로방향으로 절단한다. 이와 같은 절단에 의하여 그라파이트 원판(1)과 그 그라파이트 원판(1)의 일면에 SiC층(2)이 적층된 두 개의 그라파이트 원판(1) 및 SiC층(2)의 적층구조를 획득할 수 있게 된다.

그 다음, 도 6에 도시한 바와 같이 S15단계에서는 상기 적층구조에서 일면이 노출된 그라파이트 원판(1)을 제거하여, 원판 형상의 두 SiC층(2)을 얻게 된다.

그 다음, 도 7에 도시한 바와 같이 S16단계에서는 상기 두 원판형 SiC층(2)을 원형으로 상하 절단가공한다. 이때의 가공위치는 SiC층(2)의 중심으로부터 반경이 반도체 웨이퍼의 직경과 동일한 위치가 되며, 그 가공으로 SiC 재질의 원판과 SiC 재질의 링을 동시에 획득할 수 있다.

상기 SiC 재질의 원판은 더미 웨이퍼(4)로 활용이 가능하며, SiC 재질의 링은 포커스링(3)이 된다.

도 8은 종래 Si 재질의 포커스링과 본 발명 SiC 재질의 포커스링의 식각률 차이를 보인 전자현미경 사진이다.

이와 같은 시험결과는 종래 Si 재질의 포커스링과 본 발명 SiC 재질의 포커스링을 동일한 건식식각장치에 투입하고 동일한 플라즈마가 생성되는 조건에서 동일 시간동안 식각공정을 진행한 결과이며, 본 발명 SiC 재질의 포커스링의 수명이 종래 Si 재질의 포커스링보다 2.8배 더 긴 것을 확인할 수 있었다.

이는 식각률이 본 발명 SiC 재질의 포커스링에 비해 종래 Si 포커스링이 2.8배 더 큰 결과이며, 본 발명 SiC 재질의 포커스링은 식각률이 낮아 이물의 발생이 적어 식각공정의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 교체주기를 연장하여 건식식각공정의 중단 주기를 보다 연장할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명 건식식각장치의 포커스링의 바람직한 제조공정 순서도이다.

도 2 내지 도 7은 본 발명 건식식각장치의 포커스링의 바람직한 제조공정 수순 단면도이다.

도 8은 종래 Si 재질의 포커스링과 본 발명 SiC 재질의 포커스링의 식각률 차이를 보인 전자현미경 사진이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1:그라파이트 원판 2:SiC층

3:포커스링 4:더미 웨이퍼

Claims (6)

1. a) 반도체 웨이퍼의 직경보다 큰 직경의 그라파이트 원판을 준비하는 단계;

   b) 상기 그라파이트 원판의 전면에 SiC를 증착하여 SiC층을 형성하는 단계;

   c) 상기 b) 단계의 결과물에서 상기 그라파이트 원판의 측면부가 노출되도록 상기 SiC층을 원형으로 상하 절단하는 단계;

   d) 상기 c) 단계의 결과물 중 상기 그라파이트 원판의 상면과 저면에 SiC층 이 위치하는 구조물의 중앙부를 가로방향으로 절단가공하여, 그라파이트 원판의 일면에 SiC층이 적층된 두 개의 적층구조물을 획득하는 단계;

   e) 상기 일면이 노출된 그라파이트 원판을 제거하여, 두 개의 원판형 SiC층을 획득하는 단계; 및

   f) 상기 원판형 SiC층 각각을 원형으로 상하 절단 가공하여 더미 웨이퍼와 포커스링을 동시에 제조하는 단계를 포함하는 건식식각장치의 포커스링 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 b) 단계는,

   증착 온도 1000 내지 1500℃에서, 성막속도를 20 내지 400μm/hour로 하고, 원료가스의 체류시간을 7 내지 110초로 하는 조건으로 상기 SiC층을 형성하는 것을 특징으로 하는 건식식각장치의 포커스링 제조방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 원료가스는,

   CH₃SiCl₃, (CH₃)₂SiCl₂, (CH₃)₃SiCl, (CH₃)₄Si, CH₃SiHCl₂ 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합된 가스를 사용하거나,

   또는 SiCl₄ 가스에 CH₄, C₃H₈, C₆H₁₄, C₇H₈, CCl₄ 중 어느 하나 또는 둘 이상이 선택적으로 조합된 가스인 것을 특징으로 하는 건식식각장치의 포커스링 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 b) 단계는,

   증착 온도 1000 내지 1500℃에서, 성막속도를 성막 속도를 20 내지 400μm/hour로 하고, 원료가스의 체류시간을 7 내지 110초로 하는 조건으로 상기 SiC층을 형성하되, 상기 원료가스의 유량 30 내지 99.9%에 대하여 하이드로 카본의 유량이 70 내지 0.1%가 되도록 함께 공급하는 것을 특징으로 하는 건식식각장치의 포커스링 제조방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 방법으로 더미 웨이퍼와 동시에 제조된 SiC 재질의 건식식각장치의 포커스링.
6. 제5항에 있어서,

   상기 더미 웨이퍼와 SiC재질의 건식식각장치의 포커스링은,

   SiC와 열분해 카본의 원자비가 99.9:0.1 내지 30:70인 복합체인 것을 특징으로 하는 건식식각장치의 포커스링.

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