KR101550439B1 - 반도체 웨이퍼용 세라믹히터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소결 제조된 AlN 히터 표면에 NF3, ClF3 등의 F(플로린) 가스가 포함된 부식성 가스와 반응하지 못하도록 Y2O3, Al2O3,중 어느 하나의 물질로 코팅층을 형성시킨 것이다. 본 발명에 따르면, 소결 제조된 AlN 히터에 대한 오염원인 AlF의 발생을 근본적으로 차단하면서 반도체 제조공정이 수행되도록 함으로써, 히터 특성 변화를 방지하면서도 반도체 제조 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

반도체 웨이퍼용 세라믹히터 및 그 제조방법{Ceramic heater for semiconductor wafer and manufacturing method thereof}

본 발명은 반도체 웨이퍼용 세라믹히터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 더욱 상세하게, 소결 제조된 AlN 히터 표면이 NF3, ClF3 등의 F(플로린) 가스가 포함된 부식성 가스와 반응하지 못하도록 Y2O3 또는 Al2O3 코팅층을 형성시킨 것이다.

반도체 웨이퍼용 AlN(질화 알루미늄) 히터는 질화 알루미늄으로 소결 제조된 제품으로, 여기서 질화 알루미늄은 500℃ 이상에서 NF3, ClF3 등의 F(플로린) 가스가 포함된 부식성 가스와 강력하게 반응하여 불화알루미늄인 알루미늄 플로라이드(Aluminum Fluoride) AlF가 생성되게 된다.

알루미늄 플로라이드는 결정체 고체로 끓는 점 2799 F(1537℃), 용융점은 없으며, 승화점은 2356 F(1291℃), 물 용해도는 0.56%의 약 용해성 산, 알칼리의 불용성 유기용제로 반도체 챔버 내부에 달라붙은 상태에서 반도체 웨이퍼 위에 파티클 오염을 발생시키는 주요 원인이 되고 있다.

이러한 오염원을 차단하고 반도체 제조장비의 생산성을 향상시키려면 500℃이상에서 반도체 공정이 진행되어야 하나, 현재 이러한 기술이 없어 곤란을 겪고 있는 실정이다.

관련 기술로는 한국특허공개 제10-2014-0001023호가 있다.

이 기술은 AlN 히터에 생성되는 Al fluoride를 제거하기 위해서 오염된 AlN 히터를 반응챔버 내에 위치시키고 N2 가스를 유입하여 플라즈마를 형성시킨 후, 플라즈마에 의해 여기된 N+ 이온들을 오염된 AlN 히터의 Al fluoride 쪽으로 스퍼터링되게 함으로써 Al fluoride를 제거하도록 한 것으로, 플라즈마에 의해 여기된 N+ 이온들이 모재 즉, AlN 히터쪽으로 끌려오면서 AlN 히터의 상부에 석출된 Al fluoride를 잘게 깨어 부순 후, N+ 이온들이 모재의 AlF와 반응하여 AlN, NF 형태의 휘발성 물질로 제거되도록 한 것이다.

그러나 이러한 종래 기술은 AlN 히터에 이미 발생된 AlF를 제거하는 기술일 뿐, 히터 표면 물질이 플로린 가스와 반응하지 못하도록 하여 근본적으로 부식을 방지하는 기술 개발이 시급한 실정이다.

한국특허공개 제10-2014-0001023호

따라서 본 발명은 이러한 종래 반도체 오염원의 발생을 근본적으로 차단시키기 위해 창단된 것으로써, 본 발명의 목적은 NF3, ClF3 등의 F(플로린) 가스가 포함된 부식성 가스와 히터 재질이 반응하지 못하도록 한, 반도체 웨이퍼용 세라믹히터 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 웨이퍼용 세라믹히터는, 소결 제조된 AlN 히터 표면에 NF3, ClF3의 F(플로린) 가스가 포함된 부식성 가스와 반응하지 못하도록 Y2O3 또는 Al2O3 중 어느 하나의 물질로 이루어진 코팅층을 형성시킨 것을 특징으로 한다.

코팅층은 Aerosol deposition(AD)의 앵커링(anchoring) 방식으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

코팅물질은 고상 파우더(분말)크기는 2㎛, 진공챔버의 진공도는 10^-2Torr, 고상 파우더(분말)의 분사속도는 300m/sec, 캐리어가스는 7L/min, 고상 파우더(분말) 순도는 99.9%인 것을 특징으로 한다.

코팅이 이루어진 후 코팅층은 100nm 이하의 결정립들로 구성된 단결정 나노구조, 조도는 Ra 0.5㎛ 이하, 두께는 5㎛±1㎛ 인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 반도체 웨이퍼용 세라믹히터 및 그 제조방법에 따르면, 소결 제조된 AlN 히터에 대한 오염원인 AlF의 발생을 근본적으로 차단하도록 균열이나 기공이 없는 Y2O3, Al2O3, 중 어느 하나의 코팅층을 히터에 형성하여 반도체 제조공정에 이용함으로써, 히터 특성 변화를 방지하면서도 반도체 수율 안정성을 확보할 수 있다.

도 1은 일반적인 반도체 제조장비의 진공챔버를 포함한 구성도.
도 2는 AlN 히터의 Al fluoride 석출 개념도.
도 3은 코팅되지 않은 상태로 반도체 제조공정이 행해진 히터의 표면 상태 사진.
도 4는 코팅된 상태로 반도체 제조공정이 행해진 히터의 표면 상태 사진.
도 5는 코팅 전후 히터 표면 평탄도 및 엠보싱 상태도.
도 6은 코팅되지 않은 상태로 반도체 제조공정이 행해진 히터의 표면 파티클 상태도.
도 7은 코팅된 상태로 반도체 제조공정이 행해진 히터의 표면 파티클 상태도.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1을 참조하면, 반도체 제조를 위해 진공챔버(10) 내에서 웨이퍼(30)가 히터(20) 상에 재치되면, 배관(50)을 통해 반응가스가 유입되어 샤워헤드(40)를 통해 웨이퍼(30)에 공급된다. 이와 동시에 히터(20)로부터 웨이퍼(30)에 대해 일정온도의 가열에너지가 공급되면서 반도체가 제조되는 공정을 거치도록 되어 있다.

이와 같이 반도체용 박막 증착을 위해서는 대부분 진공챔버를 사용하는바, 박막 증착을 진행하면 진공챔버 내에 반응 부산물들이 쌓이게 되고, 이에 따라 파티클이 발생하므로 박막 증착 진행 후 주기적으로 챔버를 클리닝해야 한다.

챔버 클리닝은 플로라인(fluorine) 계열의 NF3 가스를 RPG를 사용하여 래디컬(radical) 형태로 유입시키는 방식으로 행하고 있다.

그러나 챔버 클리닝을 위해 공급되는 플로라인 래디컬들이 챔버내에 잔류하는 반응 부산물들만 제거하는 것이 아니라, 도 2에 도시된 바와 같이 일정온도(예를 들어, 460℃) 이상에서는 히터 재질인 질화알루미늄과 반응하여 알루미늄 플로라이드가 히터의 상부에 석출하게 된다.

따라서 본 발명에서는 산화이트륨(Y2O3), 산화알루미늄(Al2O3) 중 어느 하나의 물질을 소결 제조된 AlN 히터에 코팅하여 상기 플로린 래디컬들이 질화알루미늄과 반응하지 못하도록 한다.

이러한 목적을 위해 사용되는 코팅물질인 Y2O3는 비중이 5.03, 융점 약 2410℃, 비점 약 4300℃이고, 냉수 및 열수에 용해되지 않으며, 산에는 가용되는 반면에 알칼리에는 불가용되며, 900℃ ~ 1000℃에서 가열하면 표면색은 침청색으로 되는 것으로, Xenotime 광석을 분쇄하고, 다량의 NaOH를 가하여 분해하고, 이를 여과 수세하여 수화물을 제조한 다음, 제조된 희토류 수화물에 HCl을 가하여 용해하고, 용액에 Oxalic acid를 가하여 Oxalic acid염으로 제조한 후, 이를 건조, 소성하여 Yttrium의 농축물을 제조하면, 이 농축물을 HCl 또는 NHO3를 가하여 용해하고, 용액을 용매추출조를 통하여 추출한 후, 추출액에 Oxalic acid를 가하여 염으로 침전, 여과, 건조, 소성하여 제품화한 것이 특징이다.

또한, 코팅물질인 Al2O3는 산소와 알루미늄의 화합물. 알루미나라고도 하며, 분자량 101.94, 녹는점 2090℃으로 녹는점이 높고 굳은 무색의 결정 가루로서 알루미늄을 만드는 원료이다. 물에 녹지 않고, 양성(兩性) 산화물이지만 세게 열하면 산에도 녹지 않는 특징이 있다.

본 발명의 AlN 히터에 대한 Y2O3 코팅 또는 Al2O3 코팅은 얇고 일정한 형태의 이형, 윤활, 산화방지, 비부착성 피막을 조성하기 위해 수행되는 것이므로, 세라믹으로 된 히터에 대한 비-부착성 및 화학적 저항성 등을 얻을 수 있도록 하는 것이 중요하다.

특히 본 발명은 NF3, ClF3 등의 F(플로린) 가스가 포함된 부식성 가스와 히터 표면 재질인 AlN이 반응하지 못하도록 히터 표면에 Y2O3 또는 Al2O3 코팅층을 소정조건 하에서 형성시켜야 하며, 코팅표면이 기공과 균열이 없도록 하고, 코팅층의 내플라즈마성, 내부식성, 내파티클성 및 전기절연성 등을 향상시킬 수 있도록 하는 것이 중요하다. 이는 고밀도 할로겐 플라즈마 환경에 노출되는 반도체 장비의 부품 수명과 반도체 수율 안정성 확보에 중요한 효소이기 때문이다.

본 발명의 코팅에 따르면, Y2O3 코팅은 거의 모든 분위기에서 2000℃에 이르기까지 열역학적으로 매우 높은 안정성을 지니게 되고, Al2O3 코팅은 진공이나 불활성 분위기 등의 환경에서 1900℃ 까지 사용이 가능한 조건을 제공하게 된다.

코팅층은 Aerosol deposition(AD)의 앵커링(anchoring) 방식으로 형성된다.

또한, 본 발명에 따른 Y2O3 코팅막이 형성될 수 있는 모재의 재질은 금속, 세라믹, 규소, 탄화규소 중 어느 것이라도 무방하다.

다만 이트륨과 산소 원자 이외의 원자가 분포하는지 등이 플라즈마 및 부식성 가스에 내성을 더 가질 수 있는지 판단할 수 있는 지표가 되므로, 예를 들어 산화이트륨 코팅막에 이트륨 원자중량비가 크도록, 즉 산소 원자중량비가 작도록 하여 내플라즈마성 및 내부식성이 더 향상되도록 한다.

본 발명의 코팅층은 원자중량비가 일정한 영역에서 이트륨 원자의 중량비는 90 ~ 99%이고, 산소 원자의 중량비는 1 ~ 10%이다.

본 발명의 코팅층이 형성되는 모재는 상술한 바와 같이 플라즈마 및 부식성 가스에 노출되는 증착공정, 에칭, 애싱, 확산 및 세정 공정에서 사용되는 것이므로, 코팅막은 기공율에 따라 모재의 식각(erosion) 정도가 결정되는바, 코팅층의 기공율이 크지 않도록 형성하여 전기절연 특성이 양호하고, 누설전류로 인한 아킹현상이 억제되도록 한다.

예를 들어, 전기 전도도가 높은 금속 모재에 대한 코팅시에는, 코팅층의 전기절연성을 만족할 수 있도록 코팅층을 소정 두께로 형성한다.

또한 본 발명의 공정챔버 내부는 400℃ ~ 1,000℃ 범위의 고온의 처리과정을 거칠 수 있으므로, 코팅층이 이러한 온도에서도 박리되지 않도록 한다.

본 발명의 코팅에 적용되는 에어로졸 데포지션(AD)은 증착 챔버와 에어로졸 생성기, 진공펌프로 구성되는 것으로, 진공펌프를 통해 증착 챔버와 원료 분말이 담겨 있는 에어로졸 생성기를 성막 당시 수 ~ 수십 Torr의 진공상태로 유지시키고, 헬륨, 질소 또는 에어 가스 등의 운송가스를 에어로졸 생성기로 흘림과 동시에 물리적 또는 전기적 진동을 가하게 되면, 분말의 미립자들이 담배 연기와 같이 대기중에 부유하는 원료 분말의 에어로졸화가 이루어지며, 에어로졸화가 이루어진 입자는 메인 챔버와 에어로졸 생성기 간에 형성된 압력차로 인해 챔버로 가속되어, 증착챔버내의 노즐을 통해 기판에 분사되면서 앵커링(anchoring) 효과에 의한 코팅이 이루어지는 방식이다.

앵커링이란 운반가스에 실려 온 원료 분말입자가 모재에 충돌하여 극미한 조각들로 분쇄되면, 분쇄된 극미세 조각들의 일부가 모재에 박혀 앵커링되고, 일부 조각들은 정전기적 인력 또는 신생 파면을 통해 결합되며, 다음 분말 입자가 충돌하여 극미세한 조각이 나노 입자로 분쇄되어 이렇게 분쇄된 나노입자들의 소성 변형과 물질 이동을 통해 치밀하게 코팅층이 형성되는 것으로, 가열이나 후열 처리없이 이루어지는 것이다.

이러한 에어로졸 데포지션을 이용한 본 발명에서는 코팅물질로 이용되는 고상 파우더(Y2O3, Al2O3)의 사이즈는 2㎛가 되도록 하고, 진공챔버의 진공도는 10^-2Torr, 코팅입자(고상파우더)의 분사속도는 300m/sec, 캐리어 가스(N2, He, Air, Ar)의 속도는 7.0L/min, 고상파우더 순도는 99.9%로 코팅조건을 설정한다.

이러한 코팅 조건 설정은, 에어로졸 챔버 내의 분말 가운데 1차 입자들이나 소형의 응집체 입자들을 공중에 부유시킴으로써 입자들을 분산시키고, 이들 가벼운 입자들이 가스를 통하여 이동할 때 불필요한 저항을 최소화하여 기판에 분사된 후 코팅층을 형성하는데 기여하는 분말 입자들의 수를 최대화함으로써 사용 분말의 양을 최소화하고 코팅 효율을 높일 수 있기 때문이다.

이러한 코팅조건하에 코팅이 이루어진 후 코팅층은 100nm 이하의 결정립들로 구성된 단결정 나노구조가 되고, 조도는 Ra 0.5㎛ 이하가 되며, 두께는 5㎛ㅁ1㎛가 된다. 코팅두께를 5㎛ 이하로 하는 것은 5㎛ 이상이 되면 크랙이 발생되는 점을 고려한 것이다.

이러한 조건하에 코팅된 상태로 반도체 제조가 이루어진 히터와 코팅되지 않은 상태로 반도체 제조가 이루어진 히터의 표면상태를 도 3 및 도 4로 비교하였다.

도 3은 도시한 바와 같이 AlF가 형성되었음을 알 수 있으며, 도 4는 AlF 없이 히터 표면이 깨끗함을 알 수 있다.

도 5는 코팅 여부에 따른 반도체 제조공정이 이루어진 후 히터 평탄도 및 엠보싱을 비교한 사진이다.

코팅이 되지 않은 히터 표면은 사진에서 보는 바와 같이 AlF가 형성된 상태에서 좌우 평탄도 및 상하부 평탄도가 굴곡이 많음을 알 수 있고, 코팅이 된 상태에서 반도체 제조공정이 이루어진 후 상태는 좌우 평탄도 및 상하부 평탄도가 모두 변다른 골곡없이 평탄함을 알 수 있다.

또한, 엠보싱의 경우 코팅이 되지 않은 히터 표면은 좌우 및 상하부가 모두 골곡이 많음을 알 수 있고, 코팅이 된 상태에서 반도체 제조공정이 이루어진 후 상태는 좌우 엠보싱 및 상하부 엠보싱이 대체로 균일함을 알 수 있다.

도 6은 코팅이 되지 않은 상태에서 반도체 제조공정이 이루어진 히터 표면의 파티클 상태를 나타낸 것이고, 도 7은 코팅이 된 상태에서 반도체 제조공정이 이루어진 히터 표면의 파티클 상태를 나타낸 것이다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 코팅이 된 히터로 반도체 제조공정이 이루어진 후 히터 표면의 파티클 입자수가 코팅이 되지 않은 히터 표면에 파티클 입자수에 비해 대폭 감소하였음을 알 수 있다.

10 : 진공챔버 20 : 히터
30 : 웨이퍼 40 : 샤워헤드

Claims (5)

1. 소결 제조된 AlN 히터 표면에 NF3, ClF3의 F(플로린) 가스가 포함된 부식성 가스와 반응하지 못하도록 Y2O3, Al2O3 중 어느 하나의 물질로 이루어진 코팅층을 Aerosol deposition(AD)의 앵커링(anchoring) 방식으로 기공 및 균열이 없게 형성시키고, 상기 코팅물질은 고상 파우더(분말)크기는 2, 진공챔버의 진공도는 10Torr, 고상 파우더(분말)의 분사속도는 300m/sec, 캐리어가스는 7L/min, 고상 파우더(분말) 순도는 99.9%인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼용 세라믹히터 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 코팅조건하에 코팅이 이루어진 후 코팅층은 100nm 이하의 결정립들로 구성된 단결정 나노구조, 조도는 Ra 0.5㎛ 이하, 두께는 5㎛±1㎛ 인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼용 세라믹히터 제조방법.
5. 제1항 및 제4항의 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼용세라믹히터.

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