KR101593921B1 - 반도체 공정용 플라즈마 처리 장치용 탄화규소 부품의 재생 방법 및 이러한 방법으로 재생된 탄화규소 부품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 공정용 플라즈마 처리 장치에 사용되는 탄화규소 부품이 내구연한이 다되어 폐기되는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 플라즈마 처리 장치, 예를 들어 플라즈마 식각 장치 등에 사용되는 탄화규소 부품을 재생처리하여 다시 플라즈마 처리장치에 사용할 수 있도록 재생 처리하는 방법과 이러한 방법으로 재생처리된 탄화규소 부품에 관한 것으로, 플라즈마 처리 장치에 장착되어 지속적으로 플라즈마에 노출되어 표면이 소모, 열화되어 그 형태 또는 물성이 현저하게 떨어지거나 다량의 불순물이 포함된 탄화규소 부품을 소정의 전처리 과정을 거친 후, 화학기상증착법으로 고순도의 화학기상증착 탄화규소(chemical vapor deposition silicon carbide, CVD-SiC)층을 형성하고, 적절한 후가공을 통해 표면 거칠기가 확보된 탄화규소 부품을 제조하는 재생방법 및 이를 통해 재생처리된 탄화규소 부품에 관한 것이다. 이와 같이 고가의 탄화규소 부품을 재활용하면 원가를 크게 낮출 수 있기에, 시장 경쟁성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

Description

반도체 공정용 플라즈마 처리 장치용 탄화규소 부품의 재생 방법 및 이러한 방법으로 재생된 탄화규소 부품{Recycle method of silicon carbide parts for semiconductor plasma apparatus and recycled silicon carbide thereby}
본 발명은 반도체 공정용 플라즈마 처리 장치에 사용되는 탄화규소 부품이 내구연한이 다되어 폐기되는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 플라즈마 처리 장치, 예를 들어 플라즈마 식각 장치 등에 사용되는 탄화규소 부품을 재생처리하여 다시 플라즈마 처리장치에 사용할 수 있도록 재생 처리하는 방법과 이러한 방법으로 재생처리된 탄화규소 부품에 관한 것으로, 플라즈마 처리 장치에 장착되어 지속적으로 플라즈마에 노출되어 표면이 소모, 열화되어 그 형태 또는 물성이 현저하게 떨어지거나 다량의 불순물이 포함된 탄화규소 부품을 소정의 전처리 과정을 거친 후, 화학기상증착법으로 고순도의 화학기상증착 탄화규소(chemical vapor deposition silicon carbide, CVD-SiC)층을 형성하고, 적절한 후가공을 통해 표면 거칠기가 확보된 탄화규소 부품을 제조하는 재생방법 및 이를 통해 재생처리된 탄화규소 부품에 관한 것이다.
최근 세계 반도체 시장은 가격 하락에 따른 세계시장 점유율 확보를 위한 치열한 경쟁이 진행되고 있으며, 세계 반도체 시장에서 가격 경쟁력을 확보하기 위해 반도체의 고집적화 및 실리콘 웨이퍼(Si wafer)의 대구경화 공정 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다.
상기의 실리콘 웨이퍼 대구경화 반도체 제조공정은 1990년대 200 mm 실리콘 웨이퍼에서부터 최근 450 mm 실리콘 웨이퍼까지 점진적으로 진행되고 있으며, 반도체 고집적화 및 실리콘 웨이퍼 대구경화에 의한 높은 수율의 반도체 제조공정을 성공적으로 개발하기 위해서는 새로운 공정 장비 및 부품 소재의 개발이 필수적으로 요구되고 있다.
일반적인 반도체 제조공정에는 실리콘 웨이퍼의 산화(oxidation) 및 확산(diffusion)공정, 화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD), 에칭(etching) 공정 등이 포함된다.
상기 화학기상증착법 또는 에칭 공정에 사용되는 플라즈마 장치에는 실리콘 웨이퍼의 프로세싱을 위해 외부로부터 불순물의 혼입을 방지하고 내부의 균일한 온도분포를 보장하기 위하여 프로세스 튜브(process tube), 라이너 튜브(liner tube), 웨이퍼 이송을 위한 정전척(electrostatic chuck), 모조 웨이퍼(dummy wafer), 엣지링(edge ring), 포크(fork)와 캔틸레버(cantilever)와 같은 로딩 부품, 서셉터(susceptor), 히터 등의 다양한 세라믹스 재료가 폭넓게 사용되고 있다.
이러한 반도체 공정에서 사용되고 있는 세라믹스 부품의 주요 소재는 석영(Quartz), 탄화규소(SiC), 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 단결정 실리콘 등을 들 수 있는데, 이들 소재중 탄화규소(SiC)는 강한 공유결합 물질로 다른 세라믹 재료에 비해 열전도율과 경도가 높고, 내마모성, 고온강도 및 내화학성이 우수하기 때문에 기계적 물성 면에서 취약하거나 필수적인 분야에서 이를 보강, 보완 또는 대체할 수 있도록 폭넓게 응용되고 있으며, 주로 고온구조재료, 발열체, 고온필터소재, 디젤분진필터 등으로 널리 사용되고 있다.
특히, 플라즈마 식각 공정에 사용되는 플라즈마 처리 장치에는 웨이퍼가 안치되는 하부 전극, 웨이퍼의 에지 영역에 마련된 포커스링, 하부 전극 상측에 마련되어 샤워헤드 기능을 갖는 상부 전극 등이 사용되는데, 이러한 포커스링과 상부 전극과 같은 부품은 [100] 방향으로 성장된 단결정 실리콘을 사용하여 제작되어왔는데, 내구성을 더욱 향상시키기 위해 [111] 방향의 단결정 실리콘을 사용하는 예가 등록특허 제1485830호 및 등록특허 제1515373호 등에서 제안된 바가 있다.
하지만, 이러한 단결정 실리콘을 사용하는 경우에도 충분한 내구성 향상의 효과를 얻지 못하여, 단결정 실리콘 재질 대신에 탄화규소(SiC)로 대체하는 방식으로 연구가 진행되고 있다.
이러한 탄화규소 재질은 기존의 단결정 실리콘에 비해 우수한 기계적 강도와 내열특성을 갖고 있어, 플라즈마 설비에 적용되기에 유리한 장점을 갖고 있으나, 가격이 높아 초기 운전 비용이 상승한다는 문제점을 여전히 내포하고 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 이러한 탄화규소 재질의 부품을 재활용함으로써, 초기 설비 운전 비용의 상승을 상쇄할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
등록특허 제1485830호 (2015년 1월 22일 등록공고) 등록특허 제1515373호 (2015년 4월 28일 등록공고)
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 플라즈마 식각 공정에 사용되는 플라즈마 처리 장치에는 웨이퍼가 안치되는 하부 전극, 웨이퍼의 에지 영역에 마련된 포커스링, 하부 전극 상측에 마련되어 샤워헤드 기능을 갖는 상부 전극 등의 용도로 사용되는 탄화규소 부품이 사용 내구 연한이 도래하여 폐기될 상태일 때, 이를 회수하여 소정의 전처리 과정을 거친 후, 화학기상증착법으로 고순도의 화학기상증착 탄화규소(chemical vapor deposition silicon carbide, CVD-SiC)층을 형성하고, 적절한 후가공을 통해 표면 거칠기가 확보된 탄화규소 부품을 제조하는 탄화규소 부품의 재생 방법 및 이를 통해 재생처리된 탄화규소 부품을 제공하고자 한다.
또한, 이렇게 모재에 해당하는 사용연한(또는 내구연한)이 경과된 탄화규소 재질의 부품의 일측면에 모재층과 동일한 성분인 화학기상증착 탄화규소(chemical vapor deposition silicon carbide, CVD-SiC)층을 형성시켜 탄화규소 부품을 재활용하여 사용함으로써, 플라즈마 설비에 사용되는 부품 비용을 절감할 수 있고, 산업 폐기물의 발생량을 감소시킬 수 있으며, 자원의 유효 활용을 도모할 수 있고, 반도체 제조 공정 비용을 낮춤으로써 시장 경쟁성을 확보할 수 있는 반도체 공정용 탄화규소 부품의 재활용 방법을 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 반도체 공정용 플라즈마 처리 장치용 탄화규소 부품의 재생 방법은 반도체 제조 장치에서 사용된, 소정의 탄화규소층을 포함하는 탄화규소 부품을 준비하는 단계; 상기 탄화규소 부품에 포함된 불순물과 손상을 제거하기 위한 전처리를 수행하는 단계; 전처리된 탄화규소 부품의 적어도 일면에 화학기상증착(chemical vapor deposition)법으로 화학기상증착 탄화규소(chemical vapor deposition silicon carbide, CVD-SiC)층을 증착하는 단계; 및 상기 화학기상층착 탄화규소층을 포함하는 탄화규소 부품을 정밀가공하는 후가공 단계;를 포함하고, 상기 탄화규소 부품에 형성된 화학기상증착 탄화규소층의 두께는 전체 탄화규소 부품의 탄화규소층 두께의 0 % 를 초과하고, 50 % 이하이며, 상기 전처리는, 습식 세정, 열처리 또는 그라인딩 가공 중 어느 하나 이상의 방법으로 수행되고, 상기 화학기상증착법은, 캐리어 가스로써 아르곤(Ar)과 수소(H2)를 각각 1 ~ 30 slm(standard liters per minute)과 1 ~ 10 slm을 혼합하여 사용하고, Si와 C를 포함하는 원료 액체를 사용하여 1100 ~ 1500 ℃의 온도에서 화학기상증착 탄화규소층을 형성시키고, 상기 후가공 단계는 CNC 선반 또는 머시닝 센터(MCT)를 통해서 수행되며, 상기 후가공 단계를 통해 제조된 탄화규소 부품의 평균 표면 거칠기(Ra)는 0.2~0.5mm인 것을 특징으로 한다.
탄화규소 부품에 포함되는 탄화규소층은, 반응소결 탄화규소(reaction bonded silicon carbide, RBSC), 소결 탄화규소(sintered silicon carbide, sintered-SiC) 또는 화학기상증착 탄화규소(chemical vapor deposition silicon carbide, CVD-SiC)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
반응소결 탄화규소는 탄화규소, 불순물 및 기공을 포함하고, 상기 불순물이 반응소결 탄화규소 전체 질량에 대하여 100 ~ 10-2 % 포함된다.
소결 탄화규소는 탄화규소, 소결조제, 불순물 및 기공을 포함하고, 상기 불순물이 소결 탄화규소 전체 질량에 대하여 100 ~ 10-2 % 포함된다. 이때, 소결조제는 B4C, BN, AlN, Al4C3, AlB3, Al2O3, Y2O3, CaO, Lu2O3 및 MgO 으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
화학기상증착 탄화규소는 탄화규소, 불순물 및 기공을 포함하고, 상기 불순물이 화학기상증착 탄화규소 전체 질량에 대하여 10-2 ~ 10-5 % 포함된다. 상기 화학기상증착법은, 캐리어 가스로써 아르곤(Ar)과 수소(H2)를 각각 1 ~ 30 slm(standard liters per minute)과 1 ~ 10 slm을 혼합하여 사용하고, Si와 C를 포함하는 원료 물질을 사용하여 1100 ~ 1500 ℃의 온도에서 화학기상증착 탄화규소층을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 공정용 플라즈마 처리 장치용 탄화규소 부품의 재생 방법에서, 전처리는 습식 세정, 열처리 또는 그라인딩 가공 중 어느 하나 이상의 방법으로 수행되며, 후가공 단계는, CNC 선반 또는 머시닝 센터(MCT)를 통해서 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시형태로는, 앞서 언급한 방법으로 재생된 반도체 공정용 플라즈마 처리 장치에 사용되는 탄화규소 부품을 포함한다.
본 발명의 반도체 공정용 플라즈마 처리 장치용 탄화규소 부품의 재생 방법으로 탄화규소 부품을 제조할 경우에는, 기존의 탄화규소 제품을 재활용할 수 있다는 장점이 있다.
특히, 탄화규소 부품이 플라즈마에 지속적으로 노출되면 그 형상의 변화가 발생하여 프로세스의 재현성이 악화되기에 주기적으로 교체를 해주는데, 상기 탄화규소 부품이 고가이므로, 본 발명에서 제시하는 바와 같이 탄화규소 부품을 재생하여 사용하면 원가를 크게 낮출 수 있어, 시장 경쟁성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소들로 "이루어진다"고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 추가적인 구성요소를 제외하는 것으로, 다른 구성 요소를 더 포함하지 않는 것임을 의미한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
앞서 살펴본 종래의 기술의 문제점을 해결하고, 본 발명에서 해결하고자 하는 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 반도체 제조 장치에서 사용되며, 소정의 탄화규소층을 포함하는 탄화규소 부품을 준비하는 단계; 상기 탄화규소 부품에 포함된 불순물과 손상을 제거하기 위해 전처리를 수행하는 단계; 전처리된 탄화규소 부품의 적어도 일면에 화학기상증착(chemical vapor deposition)법으로 화학기상증착 탄화규소(chemical vapor deposition silicon carbide, CVD-SiC)층을 증착하는 단계; 및 화학기상층착 탄화규소층을 포함하는 탄화규소 부품의 형태를 정밀가공하는 후가공 단계;포함하며, 상기 탄화규소 부품에 형성된 화학기상증착 탄화규소층의 두께는 전체 탄화규소 부품의 탄화규소층 두께의 0 % 를 초과하고, 50 % 이하인 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치용 탄화규소 부품의 재생 방법을 제공한다.
이때, 화학기상증착 탄화규소층의 두께는 전체 탄화규소층 두께의 50 % 이하인 것이 바람직하고, 화학기상증착 탄화규소층의 성장속도는 30 ~ 100 ㎛/h 인 것이 바람직한데, 생산비의 대부분을 차지하는 이 공정이 최소화될수록 원가절감효과가 더욱 향상된다. 상기 탄화규소 벌크 부재가 반도체에 사용될 때 저항은 대부분 모재의 영향을 받으며, 이러한 저항은 코팅막의 두께를 통해 조절될 수 있는데, 상기 코팅막의 두께가 전체 탄화규소층 두께의 50 %를 초과하게 될 경우에는, 화학기상증착 탄화규소층인 코팅막의 두께를 늘려도 저항의 변화가 거의 나타나지 아니하므로 바람직하지 못하다.
상기 탄화규소는 반응소결 탄화규소(reaction bonded silicon carbide, RBSC), 소결 탄화규소(sintered silicon carbide, sintered-SiC) 또는 화학기상증착 탄화규소(chemical vapor deposition silicon carbide, CVD-SiC) 중에서 선택되는 것이 바람직한데, 더욱 바람직하게는 소결 탄화규소보다 기공이 적고, 화학기상증착 탄화규소보다 상대적으로 저렴한 반응소결 탄화규소를 사용할 수 있다.
각각의 탄화규소를 자세히 살펴보면, 먼저 반응소결 탄화규소는 카본/탄화규소로 이루어진 성형체에 용융 Si를 침윤시켜 용융 Si와 성형체내 카본과의 반응으로 β-SiC를 형성시켜 탄화규소 입자간의 결합이 이루어지며 나머지 기공은 Si로 채워져 상기 세 가지 종류의 탄화규소 중에서 가장 기공이 적은 탄화규소이다. 용융 Si의 침투방법을 이용한 반응소결 탄화규소는 제작시간이 짧고 반응소결 후 성형체의 치수와 형상을 그대로 유지하기 때문에 최소한의 가공만으로 원하는 형태의 탄화규소 제품을 제조할 수 있어 높은 경제성을 갖는다.
상기 소결 탄화규소는 소결 후 수축률이 높아 치수 제어 및 대형 제품 제조가 어렵기 때문에 경제성이 낮으며 비교적 많은 양의 소결조제가 사용되어야 하기 때문에 소결 탄화규소 내의 불순물 함량 제어가 어려워 고온 반도체 공정용 제품에 적용되지 않는다. 이때 상기 소결조제에는 B4C, BN, AlN, Al4C3, AlB3, Al2O3, Y2O3, CaO, Lu2O3 및 MgO 등이 있으나, 특별히 이에 제한되지 않는다.
한편, 소결 탄화규소는 고온 반도체 공정에서는 사용될 수 없지만, 반도체 엣칭 공정에서 우수한 내부식성을 갖기 때문에 고온 반도체 공정을 제외한 실리콘 웨이퍼 핸들링 부품, 식각 고정용 플레이트 및 엣지링 등 치구류 또는 래핑 플레이트(lapping plate)에 사용되는 것이 바람직하다.
마지막으로, 상기 화학기상증착 탄화규소는 Si 및 C를 포함하는 기체상 또는 기상의 탄화규소를 사용하여 기체상에서 직접 탄화규소를 형성하기 때문에 일반 탄화규소 제조공정에서 요구되는 소결조제 첨가 없이 고순도이면서 치밀한 탄화규소를 제조할 수 있다. 화학기상증착 탄화규소는 고순도의 물리적 특성 및 열 기계적 특성이 우수하기 때문에 반도체 제조공정, 특히 본 발명의 플라즈마 장치와 같은 고온 제조공정용 부품 및 치구에 많이 사용되고 있다.
상기 세 가지 종류의 탄화규소는 잔여 Si 및 C와 같은 불순물을 포함할 수 있는데, 그 함량은 반응소결 탄화규소와 소결 탄화규소의 경우 전체 질량에 대하여 100 ~ 10-2 %, 화학기상증착 탄화규소의 경우 전체 질량에 대하여 10-2 ~ 10-5 % 이다.
화학기상증착법은 캐리어 가스로써 수소(H2), 아르곤(Ar), 질소(N2) 등의 가스를 1 ~ 30 slm(standard liters per minute) 사용할 수 있다. 질소, 아르곤, 수소를 각각 또는 혼합하여 사용하는데, 바람직하게는 수소 > 아르곤 > 질소의 비율로 혼합하여 사용할 수 있다.
화학기상증착을 이용한 탄화규소의 증착은, Si와 C를 포함하는 원료 액체인 MTS(CH3SiCl3), ETS(C2H4SiCl3) 등을 사용하여 1100 ~ 1500 ℃의 온도에서 화학기상증착 탄화규소층을 형성시키는 1100 ~ 1500 ℃로 가열한 후 탄화규소층을 형성시키며, 상기 화학기상증착 탄화규소층의 두께는 전체 탄화규소층 두께의 50 % 이하인 것이 바람직하다.
상기 가열 온도가 1100 ℃ 미만일 경우 화학기상증착 탄화규소층이 불안정하게 형성될 수 있으며, 1500 ℃를 초과하는 경우에도 기상-기상 반응이 일어나게 되어 분말형태의 탄화규소가 증착될 가능성이 있어 치밀한 증착층을 형성시키지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에서 전처리 단계는, 반도체 제조 장치에서 사용되었던 기존의 탄화규소 부품 표면의 불순물과 손상을 제거하고, 상기 탄화규소 부품과 화학기상증착 탄화규소 층과의 부착력을 높이기 위한 과정으로, 습식 세정, 열처리 또는 그라인딩 가공 중 어느 하나 이상의 방법으로 수행한다.
습식 세정에는 오존 또는 불산을 이용한 세정법 및 RCA(radio corporation of america) 세정법이 있다.
먼저 오존 또는 불산을 이용한 세정법은, 배스(bath)에 고여있는 오존 또는 불산에 탄화규소를 10초 ~ 1분간 침지시키는 방법이다. 오존은 과산화수소보다 더 강력한 산화제로서 과산화수소와 동일한 역할을 하며, 분해될 때 해로운 반응물을 생성하지 않아 바람직하다. 불산은 탄화규소 표면의 산화막을 효과적으로 제거할 수 있으며, 산화막을 제거하는 과정에서 미세입자와 금속 오염물도 동시에 제거할 수 있어 효율적이다.
RCA 세정법은 고농도의 강산 및 강염기의 화학약품을 사용하는 고온 습식 공정으로, 보통 SC-1(standard clean1)과 SC-2(standard clean 2)의 연속적인 두 단계를 포함한다. SC-1은 암모니아수 및 과산화수소, 초순수(DI water)의 혼합액을 사용하여 고온에서 진행하는 세정공정으로서 웨이퍼 표면의 미세입자를 효율적으로 제거하며, SC-2는 염산 및 과산화수소, 초순수의 혼합액을 사용하여 알칼리 이온(Al3+, Fe3+, Mg2+) 및 천이성 금속 오염물을 제거한다.
열처리는 탄화규소 표면의 불균일을 완화시키기 위하여 가열과 냉각을 반복하는 것으로, 850 ~ 900 ℃에서 24 ~ 48 가열한 후 가열시킨 시간만큼 공냉시키는 과정을 2 ~ 3회 반복하는 방법이다.
그라인딩은 샌드 페이퍼 등과 같은 연마제를 이용하여 탄화규소 부품의 표면을 갈아서 그 표면을 평활하게 연삭하는 방법이다.
후가공 단계는 화학기상증착 탄화규소 층의 표면을 가공하여 기존의 탄화규소 부품의 표면 거칠기 값과 동일하게 맞추는 등 형태를 정밀하게 가공하는 과정으로, CNC(computerized numerical control) 선반 또는 머시닝 센터(maching center tooling system, MCT)와 같은 기계가공을 통해서 수행한다.
이때, 탄화규소 부품의 평균 표면 거칠기(Ra)는 0.2 ~ 0.5 ㎛인 것이 바람직한데, 평균 표면 거칠기를 0.2㎛보다 작게 하는 것은 재생 공정비용의 상승을 고려하면 바람직하지 않고 0.5㎛보다 크게 하는 것은 접합 촉진의 측면에서 바람직하지 않기 때문이다.
본 명세서에서 CNC란 computerized numerical control의 약어로서, 컴퓨터 수치제어란 뜻이다. 공작기계 등을 제어하기 위한 컨트롤러이며, 컴퓨터를 이용한 수치제어 가공기를 뜻한다. CNC 선반은 축을 가공하는 것으로 X-Z 두 축만 움직인다.
MCT란 maching center tooling system의 약어로, 머시닝센터라고도 부른다. 복잡공작기계이며, 밀링, 탭핑, 드릴링, 보링 등 절삭가공을 하며 20 ~ 70개의 툴이 장착되어 있는 자동공구교환장치(automatic tool changer, ACT)와 설비본체로 구성되어 있다. X-Y-Z 세축을 이용하여 형상을 가공한다.
상기와 같은 기계가공이 완료되면, 탄화규소 부품의 표면에 묻어있는 화학약품 및 가스 등의 불순물 제거하기 위하여 물 또는 에탄올을 30분 ~ 1시간 동안 분사하여 세척한다. 이후, 잔류 불순물 및 상기 세척과정으로 인한 수분 등을 제거하기 위한 건조과정을 거친다.
건조과정은 탄화규소 부품을 일반 오븐에서 가열하여 불순물 및 수분 등을 제거하는 1차 건조단계와 1차 건조단계 후 진공 오븐 내에서 잔류 불순물 및 수분 등을 제거하는 2차 건조단계를 포함한다.
1차 건조단계는 탄화규소 부품을 일반 오븐 속에서 100 ~ 200 ℃의 온도로 24 ~ 48 시간 동안 가열하여 탄화규소 부품의 불순물 및 수분 등을 제거하는 방법이다.
2차 건조단계는 상기 1차 건조단계에서 제거하지 못한 잔류 이물질을 제거하기 위한 것으로서, 진공펌프와 히터가 설치된 진공 오븐 속에 넣어서 대기압보다 낮은 압력상태가 되게 하고 온도는 700 ~ 800 ℃로 가열함과 동시에, 10-3 ~ 10-4 Torr를 유지시켜 8 ~ 9 시간 정도 진공 상태를 유지시키고 이후, 온도를 다시 100 ~ 200 ℃로 낮춘 후 4 ~ 5시간 정도 진공 상태를 유지시켜 탄화규소 부품의 불순물 및 수분 등을 완전히 제거한다.
본 발명의 다른 실시형태로는, 이와 같은 방법으로 재생된 탄화규소 부품을 포함한다. 상기 탄화규소 부품은 반도체 제조공정 중 화학기상증착법 또는 에칭 공정 등에 플라즈마 처리 장치용 부품으로 사용된다. 더욱 상세하게는 웨이퍼가 안치되는 하부 전극, 웨이퍼의 에지 영역에 마련된 포커스링, 하부 전극 상측에 마련되어 샤워헤드 기능을 갖는 상부 전극 등을 들 수 있다.
이하에서는 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 살펴보기 위해 실시예와 도면을 참조하여 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
[ 실시예1 ]
평균 표면 거칠기(Ra)가 0.2㎛인 반응소결 탄화규소로 제조되고 플라즈마 식각 공정에 사용된 적 없는 신규 탄화규소 포커스링을 준비하였다.
[ 실시예2 ]
플라즈마 식각 공정에서 사용되어 탄화규소층이 대략 4 mm 정도 남아있는 반응소결 탄화규소 포커스링을 SC-1 용액으로 45 ℃에서 10분간 세정 후 SC-2 용액으로 80 ℃에서 10분간 세정하였다. 세정이 끝난 후, 화학기상증착 반응기에 상기 반응소결 탄화규소 포커스링를 장착한 후 히터를 이용하여 1200 ℃로 승온 시켰다. 이때 캐리어 가스로써 아르곤과 수소 기체를 각각 10 slm과 1 slm 혼합하여 사용하며, Si와 C를 포함하는 원료 액체인 MTS(CH3SiCl3)를 버블러(bubbler)에서 기체 상태로 만들어 반응로 내부로 투입시켜 화학기상증착법으로 탄화규소층을 2 mm의 두께로 성장시켰다. 이후 CNC 선반작업을 통하여 평균 거칠기를 0.2 ㎛로 맞추고, 기존의 포커스링 형태로 정밀하게 가공하였다.
가공이 끝난 상기 탄화규소 포커스링에 30분간 물을 분사하여 표면을 세척하고, 100 ℃의 일반 오븐 속에서 24시간 가열하여 건조시킨 후, 10-3 Torr, 700 ℃의 진공 오븐 속에서 8시간, 같은 압력의 100 ℃의 진공오븐에서 다시 4시간 동안 가열하여 완전히 건조시켰다.
[ 비교예 1]
플라즈마 식각 공정에 사용된 적 없는 [100] 방향으로 성장된 단결정 실리콘으로 제조된 신규 단결정 실리콘 포커스링을 준비하였다.
[ 비교예 2]
플라즈마 식각 공정에 사용된 적 없는 [111] 방향으로 성장된 단결정 실리콘으로 제조된 신규 단결정 실리콘 포커스링을 준비하였다.
[ 실험예 1]
실시예 1과 실시예 2 및 비교예 1과 비교예 2에 따른 포커스링의 열에 대한 내구성을 알아보기 위하여, 각각의 포커스링을 실제 반도체 공정과 동일한 조건인 1200 ℃로 가열 후 냉각시키는 과정을 100회 반복하였으며, 그 결과물의 표면을 관찰한 결과는 다음의 표 1과 같다.
열에 대한 내구성(표면 균열여부)
실시예1 ×
실시예2 ×
비교예1 ○
비교예2 ○
상기 표 1의 측정결과에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1과 실시예 2의 포커스링은 모두 반복적인 가열 냉각 공정에도 표면에 균열이 발견되지 아니하였다. 하지만, 비교예 1과 비교예 2의 포커스링은 반복되는 가열 냉각 과정에 의해 표면에 균열이 발생됨을 확인할 수 있었다.
[ 실험예 2]
실시예 1과 실시예 2 및 비교예 1과 비교예 2에 따른 포커스링의 에칭에 따른 식각량을 측정하기 위하여, 각각의 포커스링을 플라즈마 처리 장치에 장착한 후, 45 mTorr, 800 W의 RF power 및 20 W의 BAIS 조건에서 운전한 후, 단위 시간 당 식각량을 측정하였다.
각각의 포커스링을 외주 방향으로 21 point에 대하여 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었으며, 측정된 포커스링의 단위시간당 식각량의 단위는 ㎜/hr이다.
측정 위치 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
1 0.0011 0.0013 0.0022 0.0020
2 0.0011 0.0014 0.0021 0.0020
3 0.0012 0.0012 0.0022 0.0021
4 0.0013 0.0013 0.0023 0.0022
5 0.0015 0.0014 0.0023 0.0021
6 0.0014 0.0015 0.0022 0.0021
7 0.0014 0.0015 0.0024 0.0022
8 0.0016 0.0014 0.0025 0.0023
9 0.0015 0.0014 0.0024 0.0023
10 0.0015 0.0016 0.0024 0.0021
11 0.0016 0.0017 0.0023 0.0022
12 0.0017 0.0015 0.0025 0.0023
13 0.0016 0.0017 0.0025 0.0024
14 0.0018 0.0019 0.0026 0.0025
15 0.0018 0.0019 0.0026 0.0027
16 0.0019 0.0020 0.0028 0.0028
17 0.0020 0.0021 0.0029 0.0028
18 0.0021 0.0020 0.0031 0.0030
19 0.0021 0.0020 0.0030 0.0030
20 0.0022 0.0023 0.0032 0.0031
21 0.0023 0.0024 0.0032 0.0031
상기 표 2에 따르면, 실시예 1의 포커스링 식각량이 가장 적은 것을 알 수 있었다. 실시예 2의 포커스링 식각량은 실시예 1과 비교하여 2.3 % 증가하였으며, 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.
하지만 비교예 1 및 비교예 2의 포커스링 식각량은 실시예 1과 비교하여 각각 54.8 % 및 47.8 % 증가하여, 사용 수명 및 내구 연한이 현저하게 떨어지는 것을 알 수 있었다.
[ 실시예 3]
평균 표면 거칠기(Ra)가 0.2㎛인 반응소결 탄화규소로 제조되고 플라즈마 식각 공정에 사용된 적 없는 신규 탄화규소 상부 전극을 준비하였다.
[ 실시예 4]
실시예 2와 같은 방법으로 재생된 탄화규소 상부 전극을 준비하였다.
[ 비교예 3]
플라즈마 식각 공정에 사용된 적 없는 [100] 방향으로 성장된 단결정 실리콘으로 제조된 신규 단결정 실리콘 상부 전극을 준비하였다.
[ 비교예 4]
플라즈마 식각 공정에 사용된 적 없는 [111] 방향으로 성장된 단결정 실리콘으로 제조된 신규 단결정 실리콘 상부 전극을 준비하였다.
[ 실험예 3]
실시예 3과 실시예 4 및 비교예 3과 비교예 4에 따른 상부 전극의 열에 대한 내구성을 알아보기 위하여 실험예 1과 같은 방법으로 실험하였으며, 그 결과는 표 3과 같다.
열에 대한 내구성(표면 균열여부)
실시예 3 ×
실시예 4 ×
비교예 3 ○
비교예 4 ○
상기 표 3의 측정결과에서 확인할 수 있듯이, 실시예 3과 실시예 4의 상부 전극은 모두 반복적인 가열 냉각 공정에도 표면에 균열이 발견되지 아니하였다. 하지만, 비교예 3과 비교예 4의 상부 전극은 반복되는 가열 냉각 과정에 의해 표면에 균열이 발생됨을 확인할 수 있었다.
[ 실험예 4]
실시예 3과 실시예 4 및 비교예 3과 비교예 4에 따른 상부 전극의 에칭에 따른 식각량을 측정하기 위하여 실험예 2와 같은 방법으로 실험하였으며, 상부 전극의 지름을 따라 41 point에 대하여 측정하여 그 결과를 표 4에 나타내었다.
측정위치 실시예 3 실시예 4 비교예 3 비교예 4
1 0.035 0.038 0.065 0.045
2 0.034 0.039 0.069 0.055
3 0.035 0.040 0.073 0.058
4 0.033 0.041 0.077 0.061
5 0.042 0.041 0.086 0.068
6 0.041 0.042 0.090 0.071
7 0.042 0.043 0.101 0.080
8 0.042 0.043 0.106 0.081
9 0.044 0.047 0.130 0.077
10 0.045 0.047 0.140 0.079
11 0.046 0.049 0.144 0.078
12 0.046 0.049 0.152 0.079
13 0.050 0.051 0.123 0.088
14 0.051 0.052 0.136 0.087
15 0.052 0.055 0.137 0.091
16 0.058 0.060 0.156 0.099
17 0.058 0.062 0.147 0.095
18 0.057 0.064 0.143 0.094
19 0.060 0.064 0.144 0.097
20 0.061 0.065 0.146 0.098
21 0.062 0.063 0.157 0.101
22 0.062 0.066 0.158 0.107
23 0.063 0.065 0.161 0.111
24 0.064 0.066 0.165 0.115
25 0.064 0.066 0.160 0.111
26 0.063 0.068 0.158 0.111
27 0.065 0.065 0.155 0.106
28 0.061 0.061 0.143 0.108
29 0.057 0.059 0.147 0.101
30 0.058 0.059 0.133 0.100
31 0.057 0.056 0.132 0.099
32 0.057 0.058 0.127 0.100
33 0.055 0.058 0.122 0.084
34 0.054 0.056 0.110 0.089
35 0.054 0.055 0.111 0.086
36 0.053 0.054 0.103 0.091
37 0.053 0.054 0.099 0.087
38 0.052 0.053 0.098 0.084
39 0.052 0.054 0.089 0.082
40 0.051 0.055 0.088 0.076
41 0.050 0.052 0.081 0.075
상기 표 4에 따르면, 실시예 3의 상부 전극 식각량이 가장 적은 것을 알 수 있었다. 실시예 4의 포커스링 식각량은 실시예 3과 비교하여 4.5 % 증가하였으며, 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.
하지만 비교예 3 및 비교예 4의 포커스링 식각량은 실시예 3과 비교하여 각각 136.7 % 및 68.5 % 증가하여, 사용 수명 및 내구 연한이 현저하게 떨어지는 것을 알 수 있었다.
이상과 같이 본 발명의 재생 방법으로 재생된 반도체 공정용 플라즈마 처리 장치용 탄화규소 부품은 플라즈마 처리 공정에서 사용된 적이 없는 신규 탄화규소 부품과 마찬가지로 고온에 의해서도 표면이 균열되거나 박리되는 현상이 나타나지 않아 내구성이 높음을 알 수 있다. 에칭에 따른 식각량을 비교하여도, 큰 차이가 없어 사용 수명 및 내구 연한이 감소하지 않은 것을 알 수 있었으며, 재생과정을 거친 탄화규소 부품이, 신규 탄화규소 부품과 거의 동등한 물성을 갖고 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다.

Claims (10)

  1. 반도체 제조 장치에서 사용된, 소정의 탄화규소층을 포함하는 탄화규소 부품을 준비하는 단계;
    상기 탄화규소 부품에 포함된 불순물과 손상을 제거하기 위한 전처리를 수행하는 단계;
    전처리된 탄화규소 부품의 적어도 일면에 화학기상증착(chemical vapor deposition)법으로 화학기상증착 탄화규소(chemical vapor deposition silicon carbide, CVD-SiC)층을 증착하는 단계; 및
    상기 화학기상층착 탄화규소층을 포함하는 탄화규소 부품을 정밀가공하는 후가공 단계;를 포함하고,
    상기 탄화규소 부품에 형성된 화학기상증착 탄화규소층의 두께는 전체 탄화규소 부품의 탄화규소층 두께의 0 % 를 초과하고, 50 % 이하이며,
    상기 전처리는, 습식 세정, 열처리 또는 그라인딩 가공 중 어느 하나 이상의 방법으로 수행되고,
    상기 화학기상증착법은, 캐리어 가스로써 아르곤(Ar)과 수소(H2)를 각각 1 ~ 30 slm(standard liters per minute)과 1 ~ 10 slm을 혼합하여 사용하고, Si와 C를 포함하는 원료 액체를 사용하여 1100 ~ 1500 ℃의 온도에서 화학기상증착 탄화규소층을 형성시키고,
    상기 후가공 단계는 CNC 선반 또는 머시닝 센터(MCT)를 통해서 수행되며,
    상기 후가공 단계를 통해 제조된 탄화규소 부품의 평균 표면 거칠기(Ra)는 0.2~0.5mm인 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치용 탄화규소 부품의 재생 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄화규소 부품에 포함되는 탄화규소층은, 반응소결 탄화규소(reaction bonded silicon carbide, RBSC), 소결 탄화규소(sintered silicon carbide, sintered-SiC) 또는 화학기상증착 탄화규소(chemical vapor deposition silicon carbide, CVD-SiC)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치용 탄화규소 부품의 재생 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반응소결 탄화규소는 탄화규소, 불순물 및 기공을 포함하고, 상기 불순물이 반응소결 탄화규소 전체 질량에 대하여 100 ~ 10-2 % 포함되는 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치용 탄화규소 부품의 재생 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 소결 탄화규소는 탄화규소, 소결조제, 불순물 및 기공을 포함하고, 상기 불순물이 소결 탄화규소 전체 질량에 대하여 100 ~ 10-2 % 포함되는 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치용 탄화규소 부품의 재생 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 소결조제는 B4C, BN, AlN, Al4C3, AlB3, Al2O3, Y2O3, CaO, Lu2O3 및 MgO 으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치용 탄화규소 부품의 재생 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 화학기상증착 탄화규소는 탄화규소, 불순물 및 기공을 포함하고, 상기 불순물이 화학기상증착 탄화규소 전체 질량에 대하여 10-2 ~ 10-5 % 포함되는 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치용 탄화규소 부품의 재생 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법으로 재생된 반도체 제조 장치용 탄화규소 부품.
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