KR101984223B1 - 반도체 공정용 플라즈마 장치의 일체형 상부 전극 및 이의 제조 방법 - Google Patents

반도체 공정용 플라즈마 장치의 일체형 상부 전극 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일체형 상부 전극을 동일 재질로 제작할 수 있으므로 제조 단가를 절감하여 경제성을 향상시키고, 웨이퍼 가공 공정 중 오류 발생 및 파티클로 인한 파손을 사전에 예방하여 안정적으로 반도체 제조 공정을 수행할 수 있으며, 기존의 상부 전극이 알루미늄 클램프에 의해 기계적으로 고정되는 것에 비해, 외주부의 하나의 단차와 상부면에 형성된 돌출부에 의해 실리콘 외부전극과 백킹 플레이트에 기계적으로 밀착되어 고정됨으로써, 플라즈마 장치의 사용 과정 중이나 상부 전극의 교체 과정 중에 발생될 수 있는 파손을 방지할 수 있으며, 재질로 결정 방위가 <111>인 단결정 실리콘을 사용함으로써, 내구성을 더욱 향상시켜 교체 주기를 늘려 플라즈마 공정 비용과 수율이 감소하는 효과가 있다.

Description

반도체 공정용 플라즈마 장치의 일체형 상부 전극 및 이의 제조 방법{A Cathode Electrode for Plasma Apparatus and Preparation Method Thereof}
본 발명은 플라즈마 장치의 챔버 내부에 설치되고, 플라즈마 가스가 통과되는 상부 전극에 관한 것으로, 단결정 실리콘을 사용하여 단일 재질로 제작되고, 실리콘 외부 전극(Outer ring electrode) 및 백킹 플레이트에 물리적/기계적으로 부착되어 고정되는 상부 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
플라즈마 챔버(plasma chamber)는 웨이퍼 등의 반도체 부품을 생산하는 과정뿐만 아니라 공산품을 제조하는 과정에서 가공 중인 작업대상물(workpiece)에 식각(etching) 또는 플라즈마 화학 증착(plasma chemical vapor deposition) 공정이 수행되도록 하는 데 사용되는 설비들 중의 하나이다. 이러한 플라즈마 챔버는 작업 대상물(workpiece)에 따라서 그 구성 및 크기 등이 다양한 형태로 설비되는 것이 일반적인데, 웨이퍼와 같은 반도체 부품에 식각 또는 증착 공정을 수행하기 위해 플라즈마 챔버가 사용된다.
통상적인 반도체 공정용 플라즈마 챔버는 내측의 상부 및 하부에 각각 상부 전극과 하부 전극이 설치되는데, 이러한 플라즈마 챔버의 챔버 일측에는 챔버 내부의 공기를 빼내기 위한 진공펌프가 설치되고, 다른 일측에는 챔버 내부로 플루오르, 질소 등의 반응가스를 주입시키기 위한 가스주입구가 형성된다. 또한, 고온고압의 상태에 노출되는 플라즈마 챔버의 지속적인 냉각을 위해 상부 전극에는 냉각수의 순환이 가능한 냉각수 라인이 설치된다.
상기 플라즈마 챔버는 운전이 시작되면 챔버 내부가 진공 상태가 되도록 가스주입구를 통해 플루오르나 질소 등의 반응가스가 주입되고, 이와 동시에 전원으로부터 상부 전극 및 애노드 전극에 고전압이 인가되면서 챔버 내부가 플라즈마 상태로 전환 된다. 이 과정에서 웨이퍼에는 플라즈마 상태의 반응가스에 의해서 식각 또는 증착 공정에 따른 가공이 이루어지게 된다.
종래의 반도체 공정용 플라즈마 장치의 상부 전극의 구성에 대해 도면 1을 참조하여 설명하면, 종래의 상부 전극(40)은 다수개의 가스 홀이 형성되고 실리콘으로 이루어진 원판 형태의 실리콘부(41)와, 상기 실리콘부의 외측에 본딩 접합되는 링 형태의 카본부(42)를 포함한다.
도 1의 하단부에 표시된 상기 상부 전극(40)의 실리콘부(41)와 카본부(42)가 결합된 상태의 확대 단면도를 참조하면, 실리콘으로 제작된 실리콘부(41)와 카본으로 제작된 카본부(42) 사이의 갭(Gap; h)에 충진된 접착제를 통해 서로 간에 본딩이 이루어지는데, 상기 접착제가 이들 사이의 갭에 완전히 밀착된 상태로 충진되지 못하고 부분적으로 빈공간이 발생되는 문제점이 발생한다.
또한, 이러한 종래의 상부 전극(40)은 가스 홀(50)이 초음파 가공 방식으로 성형되면서 상기 가스 홀(50)의 내경이 불균일한 상태로 성형되거나, 라운드니스가 불균일하게 제작되는 문제점이 유발될 수 있으며, 이 경우 상기 가스 홀(50)을 통해 이동되는 플라즈마 가스의 유동이 불균일 해지거나, 상기 가스 홀(50)의 내측에서 미세한 크랙이 발생되면서 파티클로 인한 공정 오류가 발생될 수 있는 문제점이 존재한다.
도 2a와 같이, 기존의 상부 전극(40)은, 플라즈마 챔버의 상부 전극으로 사용될 수 있는데, 상부 전극의 하부면 상의 플라즈마 노출 표면 및 상부 전극의 상부면 상의 장착 표면을 포함한다. 상기 하부면은 플레이트의 외주에 내측 단차(B)와 외측 단차(A)를 포함하는데, 상부면과 하부면 사이의 두께는 통상적으로 0.5 인치 이하이다.
내측 단차(B)는 외측 단차(A)보다 작은 직경을 갖고, 외측 단차는 내측 단차와 장착 표면 사이에 위치하며, 외측 단차(A)는 클램프 링(44)의 내부로 연장되는 플랜지와 결합하도록 구성되고, 내측 단차(B)는 상부 전극을 둘러싸는 외부 전극의 내측 단차와 결합하도록 구성되어, 외부 전극(43)의 내부의 테이퍼링된 표면이 플라즈마 노출 표면의 외측 에지로부터 연장된다.
상기 장착 표면의 외주부 아래쪽으로는, 클램프 링에 의해 백킹 플레이트에에 고정될 수 있도록 외측 단차(A)가 존재하고, 외주부를 따라 고정되는 백킹 플레이트에 형성된 정렬 핀 홀에 매칭하는 패턴으로 배열된 정렬 핀을 수용하도록 구성된 복수의 정렬 핀 리세스(recess)를 포함하고, 상부 전극(40) 플레이트는 백킹 플레이트에서 가스 공급 홀에 매칭하는 패턴으로 배열된 프로세스 가스 홀(50)를 포함한다.
하지만, 상부 전극은 플라즈마 장치가 사용됨에 따라 주기적으로 교체를 해주어야 하는 소모품으로, 정기적으로 플라즈마 장치에서 교체가 이루어져야 하는데, 교체 과정 또는 사용 중에, 도 2b와 같이 클램프링과의 기계적 결합에 의해 외측 단차 영역이 파손되는 현상이 빈번하게 발생하는 문제점이 존재한다.
공개특허공보 제10-2001-0045897호 (공개일: 2001년06월05일)
본 발명에서는 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상부전극이 클램프 링에 실리콘 외부전극 및 백킹 플레이트에 고정되지 않고, 상부전극의 외주부에 하나의 단차가 형성되어, 외부전극과 밀착되어 기계적, 물리적으로 결합되고, 상기 단차의 위쪽 방향으로 상부 전극의 상부면 외주부를 따라 돌출부가 형성되어 백킹 플레이트와 결합 및 고정될 수 있는, 돌출부 일체형 상부 전극 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에서 제시하는 일체형 상부 전극은, 기존의 상부 전극이 알루미늄 클램프에 의해 기계적으로 고정되는 것에 비해, 상부 전극의 측면 외주부에 형성된 하나의 단차에 의해 실리콘 외부 전극과 결합되고, 상기 단차의 상부면에 형성된 돌출부에 의해 (클램프 링을 사용하지 않고) 백킹 플레이트에 기계적으로 밀착되어 고정되는 구조를 가짐으로써, 플라즈마 장치의 사용 과정 중이나 상부 전극의 교체 과정 중에 발생될 수 있는 파손을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일체형 상부 전극의 재질로 결정 방위가 <111>인 단결정 실리콘을 사용함으로써, 내구성을 더욱 향상시켜 교체 주기를 늘려 플라즈마 공정 비용을 감소시키는 것을 또 다른 발명의 목적으로 하고 있다.
본 발명은, 플라즈마 챔버의 상부 전극으로 사용되는 원형 플레이트 형태의 일체형 상부 전극(100)에 관한 것으로, 상기 일체형 상부 전극(100)의 하부면(130)과 상부면(120)은 각각 플라즈마 노출 표면과 백킹 플레이트 장착 표면을 포함하고, 상기 일체형 상부 전극(100)은 하부면(130)과 상부면(120) 사이에 실리콘 외부전극(43)의 일부와 기계적으로 결합될 수 있는 하나의 단차(B)만을 포함하는 원형 플레이트 구조이며, 상기 실리콘 외부전극(43)의 내측의 테이퍼링된 표면이 연장되어 상기 일체형 상부 전극(100)의 단차(B) 부위에 기계적으로 밀착되어 고정되며, 상기 일체형 상부 전극(100)의 상부면(120)의 외주부를 따라 돌출부(6)가 형성되어 상기 백킹 플레이드에 형성된 오목부와 기계적으로 밀착되어 고정되고, 상기 돌출부(6)에는 백킹 플레이트에서 정렬 핀 홀들에 매칭되는 패턴으로 배열된 정렬 핀들을 수용하도록 구성된 복수의 정렬 핀 홀들을 포함하고, 상기 일체형 상부 전극(100)은 상기 백킹 플레이트에 형성된 가스 공급 홀들에 매칭되는 패턴으로 배열된 프로세스 가스 홀(50)들을 포함하여, 상기 가스 공급 홀의 가스 출구들이 상기 상부면(120)과 상기 하부면(130) 사이를 관통하는 가스 홀(50)과 연통되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제시하는 상부 전극의 몸체는, 단결정 실리콘 재질의 일체 구조로 제작되며, 사용되는 단결정 실리콘은, 결정방위가 <111>인 단결정 실리콘인 것을 특징으로 하고 있다.
상부 전극에 형성되는 정렬 핀 홀들은, 원주 방향으로 일정 간격으로 이격된 복수의 핀 홀들이며, 상기 상부 전극의 상부면과 하부면 사이를 관통하는 가스 홀은 원주 방향 열(circumferential row) 들의 패턴으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 가스 홀이 형성되는 패턴은, 3 개 또는 4 개의 열들의 그룹들로 배열된 13 개의 원주 방향 열들을 포함하고, 각 그룹의 인접한 열들 사이의 방사상 거리는 인접한 열들의 그룹들을 분리하는 방사상 거리보다 작은 것을 특징으로 하며, 상기 상부 전극은 평행한 상부면과 하부면을 갖고, 상기 상부면과 하부면 사이의 두께는 0.5 인치 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시형태로, 플라즈마 챔버의 상부 전극으로 사용되는 원형 플레이트 형태의 일체형 상부 전극의 제조 방법을 들 수 있으며, 상부 전극으로 제작될 단결정 실리콘 잉곳(Ingot)을 특정 길이로 절단하여 원형 실리콘 판(플레이트)을 제조하는 단계; 상기 원형 실리콘 판의 상부면 및 하부면에 대한 평탄화를 실시하는 평탄화 단계; 상기 평탄화된 실리콘 판의 측면에 대한 가공을 실시하는 측면 가공 단계; 상기 측면 가공이 수행된 실리콘 판으로부터 상부 전극의 외형 즉, 상기 실리콘 판의 측부에 단차를 형성하고, 상부면의 외주부에 돌출부를 형성하는 외형 가공 단계; 및 상기 외형 가공 단계가 이루어진 상부 전극에 프라즈마 가스가 통과되는 가 스 통과 홀을 가공하 기 위한 드릴 링 단계를 포함하며, 필요에 따라 상기 드릴링이 완료된 상부 전극의 상, 하면에 대한 폴리싱( Polishing)을 실시하는 폴리싱 단계를 더 실시할 수 있다.
본 발명의 일체형 상부 전극의 제조에 사용되는 단결정 실리콘 잉곳은, 결정방위가 <111>인 실리콘 단결정 실리콘 잉곳이며, 상기 결정방위가 <111>인 실리콘 단결정 실리콘 잉곳의 제조 방법은, 결정방위가 <111>인 실리콘 종결정을 실리콘 용용융액에 담그어 회전시키고, 4~6 mm/min의 속도로 끌어올려 결정방위가 <111>인 실리콘 단결정을 성장시키는 단계; 및 상기 결정방위가 <111>인 실리콘 단결정 잉곳의 양 끝단의 일부를 제거하는 크로핑 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 결정방위가 <111>인 실리콘 단결정 실리콘 잉곳의 제조 방법은, 실리콘 종결정을 끌어 올리면서 네킹(necking)부를 형성한 후, 수평방향으로 결정을 성장시켜 숄더부와 <111> 결정방위로 단결정 실리콘 잉곳을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 네킹부와 연결되는 숄더부의 내각은 80~140°의 범위로 유지되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일체형 상부 전극의 제조 방법에서 측면 가공 단계는, 작업 테이블에 잉곳의 위치를 고정시키는 단계; 및 상기 실리콘 판의 외주부 측면을 향해 그라인딩 머신을 이동시켜 그라인딩을 실시하는 단계;를 포함하고, 드릴링 단계는, 외형이 완성된 상부 전극을 CNC장비에 고정시키는 단계; 상기 고정된 상부 전극의 상면에 형성될 가스 홀의 정확한 위치에 드릴링을 실시 하기 위해 상기 상부 전극의 상면에 다수개의 가이드 홈을 가공하는 가이드 홈 가공 단계; 및 상기 가이드 홈에 드릴링을 실시하는 단계;를 포함한다.
또한 상기 드릴링 단계는, 상기 상부 전극의 중앙에서 반경 방향 외측으로 기 가공된 가이드 홈에 드릴링을 실시하는 것이 바람직하다.
상기 폴리싱 단계는, 상기 가스 홀이 형성된 상부 전극의 상, 하면에 대한 폴리싱을 실시하는 단계; 및 상기 상부 전극의 하면 테두리 부분에 대한 래핑 가공(Lapping work)을 실시하는 단계;를 포함하며, 본 발명의 일체형 상부 전극에 형성되는 가스 홀은, 길이 방향을 따라 동일 직경으로 개구되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일체형 상부 전극은 단결정 실리콘을 사용하여 일체 구조로 제조될 수 있으므로 제조 단가를 절감하여 경제성을 향상시키고, 웨이퍼 가공 공정 중 오류 발생 및 파티클로 인한 파손을 사전에 예방하여 안정적으로 반도체 제조 공정을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일체형 상부 전극은, 기존의 상부 전극이 알루미늄 클램프에 의해 기계적으로 고정되는 것에 비해, 외주부의 하나의 단차와 상부면에 형성된 돌출부에 의해 실리콘 외부전극과 백킹 플레이트에 기계적으로 밀착되어 고정됨으로써, 플라즈마 장치의 사용 과정 중이나 상부 전극의 교체 과정 중에 발생될 수 있는 파손을 방지할 수 있으며, 일체형 상부 전극의 재질로 결정 방위가 <111>인 단결정 실리콘이 사용됨으로써, 상부 전극의 내구성을 더욱 향상시키고, 교체 주기를 늘려 플라즈마 공정 비용이 감소하고 수율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 상부 전극을 도시한 사시도 및 확대 단면도이다.
도 2(a)와 2(b)는 각각 종래의 상부 전극의 결합 구조와 파손 발생 부위를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일체형 상부 전극이 플라즈마 장치 내에 설치되는 구조를 도식적으로 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명의 일체형 상부 전극을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일체형 상부 전극의 재료가 되는 <111> 방향의 단결정 실리콘을 제조하는 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 전극의 제작방법을 도시한 순서도이다
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 전극의 제작방법에 의한 잉곳 절단 단계를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 전극의 제작방법의 평탄화 단계를 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 전극의 제작방법의 측면 가공 단계를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 전극의 제작방법의 외형 가공 단계를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드 홈이 형성된 상부 전극을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 전극에 가스 홀을 형성하는 방법을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일체형 상부 전극의 제조에 사용되는 <111> 방향의 단결정 실리콘의 제조 공정 변수에 따른 구조 변화를 관찰한 결과이다.
도 14는 본 발명의 일체형 상부 전극을 사용하여 에칭 속도를 측정한 실험 결과이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 상부 전극의 제작방법의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명하고자 한다.
일반적으로, 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징 (energizing) 하기 위해 가스에 무선 주파수 (RF) 전계를 인가하고, 진공 챔버로 에칭 또는 퇴적 가스를 공급함으로써, 기판 상의 재료의 에칭 및 화학적 기상 증착(CVD)을 위해 진공 프로세싱 챔버가 사용된다.
통상적으로, 플라즈마 에칭 시스템은, 그 안에 위치한 상부 전극과 하부전극 또는 애노드 및 캐소드를 갖는 에칭 챔버를 포함하고, 캐소드는 애노드 및 콘테이너벽에 대해 네거티브로 바이어스된다. 에칭될 웨이퍼는 적절한 마스크 물질로 덮이고, 캐소드 상에 직접 배치된다. CF4, CHF3, CClF3, HBr, Cl2 및 SF6와 같은 화학적 반응성 가스, 또는 이들 가스와 함께 O2, N2, He 또는 Ar 의 혼합물이 에칭 챔버로 도입되고, 통상적으로 밀리토르(mTorr) 범위의 압력으로 유지된다. 상부 전극에는 가스 홀(들)이 제공되는데, 이 가스 홀은 가스가 전극을 통해 챔버 안으로 균일하게 분산되도록 유도한다.
애노드와 캐소드 사이에 확립된 전계는 플라즈마를 형성하는 반응성 가스를 해리한다. 활성 이온들과의 화학적 상호작용, 및 웨이퍼의 표면에 충돌하는 이온들의 운동량 전달에 의해 웨이퍼의 표면이 에칭된다. 전극에 의해 생성된 전계는 캐소드로 이온들을 끌어당겨, 이온들로 하여금 우세한 수직 방향으로 표면에 충돌하게 하므로, 이 프로세스는 윤곽이 뚜렷한(well-defined) 수직으로 에칭된 측벽을 생성한다. 종종, 다양한 기능을 가능하게 하는, 기계적으로 동적이고/이거나 열적으로 전도성인 접착제로 2 개 이상의 다른 부재들을 접착함으로써, 에칭 반응기 전극이 제조될 수도 있으나, 앞서 종래의 기술에서 언급하였던 것처럼 이러한 접착제를 사용할 경우 여러 문제를 일으키기도 한다.
도 3 내지 도 4에는 본 발명의 일체형 상부 전극의 상세도가 도식적으로 제시되어 있는데, 일체형 상부 전극(100)은 정렬 핀을 수용하는 상부면(장착 표면;110)의 정렬 핀 홀(120), 및 실리콘 외부전극(43)의 내측 연장부(44)와 기계적으로 밀착하여 결합되는 하나의 단차(B)를 갖고, 상기 상부 전극의 상부면의 외주부를 따라 돌출부(6)가 형성되어 상기 백킹 플레이드에 형성된 오목부와 기계적으로 밀착되어 고정된다.
이렇게 기존의 상부 전극이 알루미늄 클램프에 의해 기계적으로 고정되는 것과는 달리, 본 발명의 일체형 상부 전극은, 외주부의 하나의 단차와 상부면에 형성된 돌출부에 의해 실리콘 외부전극과 백킹 플레이트에 기계적으로 밀착되어 고정됨으로써, 플라즈마 장치의 사용 과정 중이나 상부 전극의 교체 과정 중에 발생될 수 있는 파손 발생 빈도를 줄일 수 있다.
상기 일체형 상부 전극은, 10 ppm이하의 불순물 농도와 0.005 내지 0.02 ohm-cm의 저저항률을 갖는 고순도의 단결정 실리콘이며, 결정방위가 <111>인 단결정 실리콘 플레이트이다. 적절한 직경 및/또는 구성의 가스 홀(50)(예를 들어, 0.017 인치 직경의 홀)은 상부면으로부터 하부면(플라즈마 노출 표면;130) 으로 연장되고, 임의의 적절한 패턴으로 배열될 수 있다.
바람직하게는, 상기 가스 홀은 13 개의 원주 방향으로 연장된 열로 배열되는데, 여기서 전극의 중심으로부터 약 0.25 인치에 위치한 제 1 열에는 4 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 0.7 인치에 위치한 제 2 열에는 10 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 1.25 인치에 위치한 제 3 열에는 20 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 1.95 인치에 위치한 제 4 열에는 26개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 2.3 인치에 위치한 제 5 열에는 30 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 2.7 인치에 위치한 제 6 열에는 36 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 3.05 인치에 위치한 제 7 열에는 40 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 3.75 인치에 위치한 제 8 열에는 52 개의 가스 홀이 있고, 중심으로 부터 약 4.1 인치에 위치한 제 9 열에는 58 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 4.5 인치에 위치한 제 10 열에는 62 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 5.2 인치에 위치한 제 11 열에는 70 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 제 5.45 인치에 위치한 제 12 열에는 74 개의 가스 홀이 있고, 중심으로부터 약 5.75 인치에 위치한 제 13 열에는 80 개의 가스 홀이 존재할 수 있다.
상부 전극의 상부면에는 다수개의 정렬 핀 홀(120)이 포함될 수 있는데, 그 중에서 일부의 핀 홀은 중심 가까이에 있고, 나머지의 핀 홀은 전극의 외측 에지 가까이에 있을 수 있으며, 각각의 핀 홀은 약 0.116 인치의 직경을 가질 수 있다.
중심 가까이에 있는 중심 핀 홀은 방사상으로 정렬될 수 있고, 전극의 중심에 약 0.160 인치 깊이의 1 개의 핀 홀, 및 가스 홀의 제 3 열과 제4 열 사이의 위치에서 중심 핀 홀로부터 약 1.6 인치에 위치한 약 0.200 인치 깊이의 2 개의 핀 홀을 포함할 수도 있다.
외측 에지 가까이에 존재하는 핀 홀은 약 0.100 인치의 깊이이며, 중심 핀 홀로부터 약 6 인치로 중심 핀 홀과 방사상으로 정렬된 1개의 핀 홀, 및 이 핀 홀로부터 97.5°와 170°로 오프셋된 2 개의 다른 핀 홀을 포함할 수 있는데, 제 2 외측 핀 홀 및 제 3 외측 핀 홀은 중심 핀 홀로부터 동일한 거리만큼 떨어져 있거나 서로 92.5°오프셋되어 있을 수 있다.
본 발명의 일체형 상부 전극(100)에 포함되는 단차(B)는, 실리콘 플레이트 주변에 완전히 연장되도록 실리콘 플레이트로 기계 가공된(machined) 단차이고, 바람직한 실시 형태로 상부 전극은 약 0.400 인치의 두께와 약 12.560 인치의 외경을 가질 수 있으며, 상기 단차(B)는 플라즈마 노출 표면(130)으로 소정 거리 연장될 수도 있다. 또한, 본 발명의 상부 전극의 상부면(110)의 외주부를 따라 돌출부(6)가 형성되어 상기 백킹 플레이드에 형성된 오목부와 기계적으로 밀착되어 고정된다.
이렇게 하나의 단차(B)와 외주부를 따라 형성된 돌출부(6)를 포함하는 본 발명의 일체형 상부 전극은, 클램프 링과 같은 별도의 결합 보조 수단이 존재하지 아니하여도, 백킹 플레이트와 실리콘 외부전극의 일부와 기계적으로 밀착되어 결합할 수 있으며, 이로 인해 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 일체형 상부 전극의 재질로 사용되는 단결정 실리콘은 결정방위가 <111>인 단결정 실리콘인 것을 특징으로 하고 있는데, 이러한 상기 단결정 실리콘의 [111]면은 상기 [100]면에 비해 낮은 표면에너지와 높은 원자밀도 및 유효 결합 밀도를 포함하기 때문에 상부 전극의 사용 수명 또는 내구 연한을 증가시키는 효과를 기대할 수 있다.
이러한 [111] 방향의 결정면을 갖도록 성장된 단결정 실리콘 잉곳의 제조 방법으로는 미끄럼 전위를 제거하는 제조방법이 알려져 있다. 즉, 결정 방위가 종결정의 축방향과 일치하도록, 종결정을 인상할 때에는 종결정(seed crystal)을 실리콘 용용융액 내에 착액시킨 후에 단결정 실리콘의 직경을 서서히 줄이는 네킹(necking)부 처리를 실시한다. 이때, 상기 종결정을 끌러올리는 이동 속도와 상기 네킹부와 단결정 실리콘 잉곳과 연결되는 숄더부의 내각(Crown angle)의 크기를 조절함으로써, 미끄럼 전위를 단결정 실리콘으로부터 용이하게 제거하여 고품질의 단결정 실리콘을 제조할 수 있다.
도 5를 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하면, 본 발명의 단결정 성장장치(15)는 실리콘 단결정이 성장되는 성장로(16) 안의 실리콘 용용융액(5)을 인상로(17)로 끌어올리는 방식을 포함하는데, 상부 인상로(17) 위에는 실리콘 단결정을 성장시킬 때 사용되는 시드(seed)인 종결정(a)을 회전시키기 위한 상부 회전부(18)에 연결된 케이블(19) 선단에 종결정 홀더(20)가 있다. 필요에 따라 상기 인상로(17)에는 직경 감지 센서(14)를 구비할 수도 있다.
성장로(16) 내부에는 실리콘 용융액(5)이 담긴 석영 도가니(11)가 있고, 그 둘레에는 고온의 실리콘 용융액(5)에 의해 형태가 변할 수 있는 석영 도가니(11)를 지지하기 위한 흑연 도가니(12)로 구성되어 있다. 그 하부에는 흑연 도가니(12)를 받치고 있는 흑연 도가니 지지축(21)을 승하강 및 회전시킬 수 있도록 하부구동부(13) 및 하부 회전부(22)가 있으며, 그 둘레에는 실리콘을 녹이고 공정 중에 열을 공급하기 위한 히터(7)가 설치되어있다. 성장로(16) 내의 단열을 위해 히터(7)의 바깥쪽에는 상부 단열재(8), 측면 단열재(9) 및 하부 단열재(10)가 구성되어 있다.
또한, 고온에서 상온으로 될 때까지 성장로(16) 내의 구조물의 산화를 방지할 목적으로 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 흘려보내기 위해 인상로(17)에 불활성 기체의 유량을 조절할 수 있는 불활성 기체 유입 조절장치(23)가 있고, 성장로(16) 내부의 압력을 조절하기 위한 압력 조절장치(24)가 하부 단열재(10) 아래에 구성되어져있다. 이러한 결정방위가 <111>인 단결정 실리콘 잉곳의 성장 장치(15)를 이용한 실리콘 단결정 성장 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 원료인 다결정 실리콘을 석영 도가니(11)에 넣은 다음 히터(7)를 발열시켜 다결정 실리콘을 용융하여 실리콘 용용융액(5)을 만든다. 다결정 실리콘이 융해되어 실리콘 용융액(5)으로 될 때, 실리콘 용융액을 실리콘 단결정 성장이 가능한 온도로 낮추어 일정 시간 동안 온도 안정화를 실시한다.
실리콘이 용융액으로 유지되기 위해서 그 주위를 둘러싸고 있는 히터(7)에 의해 지속적인 열 에너지를 받게 되고, 이로 인해 실리콘 용융액(5)은 열대류를 가지게 되어 끊임없이 온도가 미묘하게 변하게 된다. 열대류에 의한 온도 변화가 너무 크면, 실리콘 용융액의 온도에 맞추어 종결정을 가온하여 착액시켜도, 종결정의 선단부에 열충격이 가해져 슬립전위가 발생할 수도 있으며, 종결정의 선단부를 실리콘 용융액 중에 담가 넣어도, 선단부를 담가넣는 과정에서 종결정 부근의 실리콘 용융액온도가 크게 변화하면, 종결정과 용융액온도의 온도차에 의해 종결정에 열적인 변형이 생기고, 슬립 전위가 종결정으로 도입되어 무전위 실리콘 단결정을 성장시키는 것이 곤란하게 된다.
특히, <111> 결정방위의 실리콘 단결정처럼 일단 슬립 전위가 발생하면 전위 소멸이 어려워지게 되는 경우에는 종결정과 용융액 온도의 온도 차이에 의해 종결정의 열적 변형이 발생하게 되어 슬립 전위가 종결정 내로 쉽게 들어와서 결국에는 실리콘 단결정 성장 가능성을 저하시키는 원인이 된다. 이러한 이유로 네킹 형성 단계에서 주요 공정 변수를 제어하여 슬립 전위를 제거하는 것이 매우 중요하다.
본 발명에서는 종결정(1)을 종결정 홀더(20)에 결합한 후에는 상부 회전부(18)에 연결된 케이블(19)을 내려, 종결정(1)을 용융액면(6)으로부터 일정 거리에서 일정 시간 동안 예열을 하여 용융액 온도와의 차이에 의한 열충격을 최소화한다. 이후에는, 종결정(1) 선단의 일정 길이만큼 용융액면(6) 아래로 침지하고, 용융액 온도와 비슷해 질 시점에 종결정(1)을 석영 도가니(11) 회전방향과 반대방향으로 회전시켜가며 4~6 mm/min의 속도로 상승킴으로써 슬립 전위가 제거된 네킹(nedcking)부를 형성한다.
상기 네킹부 형성 단계에서는 종결정(1)의 인상 속도를 조정하여 최종적으로 약 3~6 mm 직경의 네킹부(2)을 형성하여 슬립전위를 제거하게 되는데, 본 발명에서는 최종 네킹 직경의 1.5배 이상의 직경이 될 때까지 상승 속도를 4~6 mm/min의 속도로 제어하면서 3~6 mm의 일정한 최종 네킹부 직경으로 가늘게 성장시키는데, 이러한 방법을 통해 네킹부의 직경을 서서히 감소시키는 종래의 대쉬 네킹법에 비하여 슬립 전위를 보다 빠르게 제거할 수 있다.
네킹부의 형성이 완료되면, 일정한 직경으로 수평방향 성장을 시켜 숄더부(3)를 형성한 후에 균일한 직경으로 수직 성장시켜 실제 <111> 결정방위로 몸통(4)을 만들어 무전위 실리콘 단결정을 성장시키게 된다. 이때 상기 네킹부와 연결되는 숄더부의 내각(θ)의 크기를 80~140 도의 범위로 유지시킴으로써, 고품질의 단결정 실리콘을 제조할 수 있으며, 본 발명에서는 이러한 방법으로 제조된 <111> 결정방위를 갖는 단결정 실리콘 잉곳을 사용하여 일체형 상부전극을 제조하였다.
첨부된 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 상부 전극의 제작방법은, 상부 전극으로 제작될 <111> 방향의 단결정 실리콘 잉곳(Ingot)을 특정 길이로 절단하는 잉곳 절단 단계(ST100)와, 상기 절단된 잉곳의 상, 하면에 대한 평탄화를 실시하는 잉곳 평탄화 단계(ST200)와, 상기 평탄화된 잉곳의 측면에 대한 가공을 실시하는 측면 가공 단계(ST300)와, 상기 측면 가공이 이루어진 잉곳에 상부 전극의 외형을 형성하는 외형 가공 단계(ST400)와, 상기 외형 가공 단계가 이루어진 상부 전극에 프라즈마 가스가 통과되는 가스 통과 홀을 가공하기 위한 드릴링 단계(ST500); 및 상기 드릴링이 완료된 상부 전극의 상, 하면에 대한 폴리싱(Polishing)을 실시하는 폴리싱 단계(ST600)를 포함한다.
첨부된 도 6 내지 도 7을 참조하면, 잉곳 절단 단계(ST100)는 소정의 길이로 이루어진 잉곳을 절단하기 위해 와이어 톱(Wire sawing)을 이용하여 절단을 실시한다(ST100). 상기 와이어 톱은 서로 간에 이격된 다수개의 롤러(210)에 설치된 와이어(212)를 포함하고, 상기 롤러(210)는 역삼각형 형태로 배치될 수 있으나 상기 형태로 반드시 한정하지 않으며 다른 형태로 변경될 수 있음을 밝혀둔다.
와이어(212)는 공업용 다이아 몬드로 이루어진 칩(Chip)(미도시)이 길이 방향을 따라 설치되고, 상기 롤러(210)를 따라 고속으로 이동되면서 <111> 방향의 단결정 실리콘 잉곳(Ingot)(1)에 대한 절단이 이루어진다.
롤러(210)는 회전력이 발생되는 메인 롤러와, 상기 메인 롤러에 의해 함께 회전되는 종동 롤러를 포함하며, 상기 롤러(210)에 설치된 와이어(212)는 일정한 텐션이 유지된 상태로 설치된다.
와이어 톱은 다수개의 와이어가 설치되며, 절단하고자 하는 두께로 서로 간에 이격된 간격을 조정하여 다양한 두께로 <111> 방향의 단결정 실리콘 잉곳(Ingot)(1)에 대한 절단을 실시할 수 있다.
작업자는 이와 같은 와이어 톱을 사용하여 잉곳(1)을 절단하기 위해 공급기(214)에 잉곳(1)을 고정하고(ST110), 롤러(210)가 회전되도록 버튼(미도시)을 푸시하여 소정의 두께로 잉곳(1)을 모두 동시에 절단을 실시할 수 있다(ST120).
첨부된 도 8을 참조하면, 잉곳(1)을 절단하여 제조된 단결정 실리콘 플레이트(200)는 평탄화를 실시하기에 앞서 어느 하나의 단결정 실리콘 플레이트(200)를 선택하여 평탄화 테스트(ST210)를 우선적으로 실시하여 설계치와 유사하게 평탄화가 이루어지는지 측정할 수도 있다(ST212).
이러한 단결정 실리콘 플레이트(200)에 대한 테스트는 여러 개를 실시하지 않고 다수개의 단결정 실리콘 플레이트(200) 중 어느 하나를 선택하여 평탄화 정도를 확인한 후, 안정적으로 평탄화가 이루어질 경우 나머지 다수개의 잉곳에 대한 평탄화 작업을 실시할 수도 있다.
평탄화 작업은 소정의 직경으로 이루어진 작업 테이블(220)의 상면에 단결정 실리콘 플레이트(200)를 위치시킨 상태에서(ST220), 그라인딩 휠(222)이 장착된 그라인딩 머신(225)이 하측으로 하강된 후에, 상기 단결정 실리콘 플레이트(200)의 상면을 따라 이동 및 회전되면서 상기 그라인딩 휠(222)에 의해 단결정 실리콘 플레이트(200)의 상면이 가공되며(ST230), 상기 그라인딩 휠(222)은 스핀들 축(224)에 설치된다.
상기 단결정 실리콘 플레이트(200)는 작업 테이블(220)의 상면에 개구된 다수개의 흡입 홀(미도시)을 통해 진공압이 가해지면서 상기 단결정 실리콘 플레이트(200)에 대한 고정이 이루어지며(ST220) 작업 테이블(220)이 회전되는 동안에 외측으로 이탈되거나, 위치가 변경되지 않고 고정된 상태가 안정적으로 유지된다.
또한 상기 그라인딩 휠(222)이 단결정 실리콘 플레이트(200)의 상면과 마찰이 발생되는 경우에도 작업 테이블(220)의 내측 방향으로 가해지는 진공의 흡입 압력에 의해 고정된 상태가 유지되며, 단결정 실리콘 플레이트(200)의 하면에 대해서도 동일한 방식으로 평탄화 작업이 실시된다.
참고로 평탄화 작업은 제1 챔버(202a) 내부에서 이루어지므로 미세 먼지의 비산이 안정적으로 방지될 수 있다.
상기 단결정 실리콘 플레이트(200)에 대한 평탄화 작업은 별도의 3차원 장비(미도시)를 통해 평탄화 상태를 정확하게 측정할 수 있으며, 상기 3차원 장비를 통해 측정된 평탄화 데이터를 작업자가 확인하고 목표로 하는 정상 범위 이내인 것으로 판단될 경우 평탄화 작업을 종료시키면 된다.
첨부된 도 9를 참조하면, 단결정 실리콘 플레이트(200)의 측면측면 가공을 실시하는 이유는 평탄화된 상태의 단결정 실리콘 플레이트(200)의 경우 상면과 하면은 평탄화가 이루어졌으나, 외경에 해당되는 외측 원주 방향에 해당되는 부분은 상대적으로 가공이 이루어지지 않은 상태이므로 고정밀의 라운드니스(roundness)와 러프니스(roughness)를 유지하기 위함이다.
단결정 실리콘 플레이트(200)는 측면 가공이 이루어지기 위해 별도의 제2 챔버(202b) 내부에 위치된 스핀들 축(224)에 그라인딩(230)을 장착한 상태에서 상기 단결정 실리콘 플레이트(200)의 측면에 대한 가공을 실시한다(ST300).
이에 대해 보다 상세하게 설명하면, 작업 테이블(220)은 단결정 실리콘 플레이트(200)의 고정을 위해 내측으로 진공압이 가해지면서 상기 단결정 실리콘 플레이트(200)에 대한 고정이 이루어지고(ST310), 상기 단결정 실리콘 플레이트(200)가 고정된 상태에서 그라인딩 머신(225)이 일 방향으로 작동되면서 상기 그라인딩 과정을 통해 목표치에 해당되는 라운드니스(roundness)와 러프니스(roughness)를 달성할 수 있도록 가공이 이루어진다(ST320).
이렇게 측면 가공이 수행된 단결정 실리콘 플레이트(200)에 대해서 3차원 장비(미도시)에 의해 상기 단결정 실리콘 플레이트(200) 측면의 라운드니스(roundness)와 러프니스(roughness)가 목표치와 동일한 상태인지 측정하고(ST330), 작업자는 이를 확인한 후에 작업을 종료하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 상부 전극의 외형이 가공되는 단계에 대해 도면 10을 참조하여 설명한다. 상기 도 10(a) 내지 (c)를 참조하면, 외형 가공 단계는 단결정 실리콘 플레이트(200) 외주 방향에 대해 측면 가공을 수행하여 단차(B)를 형성하는 제1 가공 단계(ST410)와, 상기 단차가 형성된 단결정 실리콘 플레이트(200)의 상면과 하면에 대한 평면 가공을 수행하여 돌출부(6)를 형성하는 제2 가공 단계(ST420)를 포함한다.
상기 제1 가공 단계(ST410)는 잉곳(2)의 원주 방향 내측으로 단차(B)를 형성하는 가공을 실시하고, 제2 가공 단계(ST420)는 상, 하부와 단차 가공된 부분에 돌출부(6)와 홈을 형성하는 가공을 수행한다. 상기 홈 가공은 플라즈마 챔버에 상부 전극이 설치되기 위한 마운팅 홀(미도시)과, 설치 위치를 작업자가 인식하기 위한 위치 인식 홀 등이 가공된다.
첨부된 도 11을 참조하면, 외형이 완성된 상부 전극을 CNC장비(미도시)에 고정시키고(ST510), 상기 고정된 상부 전극의 상면에 형성될 가스 통과 홀의 정확한 위치에 드릴링을 실시하기 위해 상기 상부 전극의 상면에 다수개의 가이드 홈(501)을 가공한다(ST520).
상기 가이드 홈(501)은 드릴링을 상부 전극에 실시하기 이전에 상기 드릴의 정확한 삽입 위치를 가이드하여 목표로 하는 위치에 정확하게 드릴링을 실시하기 위해 형성되며, 상기 일체형 상부 전극(100)의 내측으로 반구 형태로 홈 가공이 이루어진다.
이와 같이 형성된 가이드 홈(501)에 드릴링을 실시하되(ST530), 상부 전극의 중앙에서 반경 방향 외측으로 기 가공된 가이드 홈(501)에 드릴링을 실시한다(ST540).
본 발명의 일체형 상부 전극은 드릴링을 위해 초음파 드릴 방식이 아닌 마이크로 드릴 방식으로 드릴링이 이루어지고, 상기 마이크로 드릴링 방식은 단부에 공업용 다이아가 장착된 드릴(203)을 이용하여 상대적으로 작은 직경의 가스 홀(50)에 대한 드릴링이 이루어진다.
상기 일체형 상부 전극은 마이크로 드릴(203)을 통해 드릴링이 이루어지는 동안 냉각을 위해 절삭유가 주입되어 냉각이 이루어지고, 상기 마이크로 드릴(203)은 가스 통과 홀에 드릴링과 동시에 공급된 절삭유에 의해 냉각과 동시에 드릴링에 따른 실리콘 칩을 제거한다. 또한, 필요에 따라 다수개의 마이크로 드릴을 이용하여 보다 신속하게 일.체형 상부 전극에 대한 가스 통과 홀 가공을 수행할 수도 있다.
본 실시 예에 의한 상부 전극에 대한 드릴링은 중앙위치에서 반경 방향 외측으로 시계 방향으로 드릴링이 이루어지며, 이와 같이 드릴링을 실시하는 이유는 상부 전극의 파손을 방지하고 보다 안정적으로 드릴링을 실시하기 위해서이다.
또한 필요에 따라 가스 홀이 형성된 일체형 상부 전극에 대해 폴리싱 단계(ST610)가 수행될 수도 있는데, 가스 홀이 형성된 상부 전극의 상면 및 하면에 대해 폴리싱이 수행된다. 상기 폴리싱 단계는 그라인딩 머신에 의해 이루어지며, 상부 전극의 상면과 하면에 대해 각각 실시되며, 이 경우 상기 상부 전극에 대한 폴리싱은 잉곳 평탄화 작업때 보다 상대적으로 표면이 매끈한 상태로 가공됨으로써 파티클로 인한 공정 오류를 예방할 수 있다.
또한 폴리싱이 이루어진 이후에는 상기 상부 전극의 하면 테두리 부분에 대한 래핑 가공(Lapping work)을 실시(ST620)하여, 가스 홀(50)을 제외한 부분도 매끈한 상태로 가공하는 것이 가능하다. 이와 같이 제조된 본 발명의 일체형 상부 전극은 실제 플라즈마 챔버에 장착되기 이전에 클리닝 챔버(60)에서 한번 더 클리닝이 이루어진 이후에 최종적으로 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 일체형 상부 전극에 대한 클리닝을 추가로 실시하는 이유는 플라즈마 챔버에 상부 전극이 설치된 이후에 상기 상부 전극에 잔존하는 미세한 불순불로 인한 파손 및 오작동을 방지하기 위해서이다.
이하에서는 고품질 단결정 실리콘의 제조 방법와 이렇게 제조된 단결정 실리콘을 재질로 사용하여 제조된 [111] 방향의 단결정 실리콘 전극판의 내구성에 대하여 실시예와 비교예를 통해 구체적으로 설명하고자 한다.
[ 실시예 1] (111) 단결정 실리콘의 제조
주면의 면방위가 (111)인 고품질의 단결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위해, 결정방위가 <111>인 종결정을 사용하여 단결정 실리콘 잉곳을 제조하였으며, 상기 종결정의 상승속도와 네킹부와 연결되는 숄더부의 내각의 크기를 변화시켜 제조된 단결정 실리콘 잉곳의 품질을 확인하기 위해 광학현미경을 사용하여 단결정 실리콘의 표면을 관찰하였다.
슬립 전위의 발생으로 인한 네킹부의 파단 정도 및 결정 낙하 정도를 세가지 단계로 구분(X: 불량 3곳 이상, ○: 불량 3곳 미만, ◎: 불량 1곳 이하)하여 실험 조건별로 관찰한 결과는 다음의 표 1 및 표2와 같다.
종결정 상승속도 [mm/min] 크라운 앵글 [°] 네킹부 파단 또는 결정 낙하 정도
3 90 X
4 90 ○
5 90 ◎
6 90 ○
7 90 X
종결정 상승속도 [mm/min] 크라운 앵글 [°] 네킹부 파단 또는 결정 낙하 정도
5 75 X
5 80 ○
5 90 ◎
5 140 ○
5 145 X
상기 표 1과 표 2의 결과에서 확인할 수 있듯이, 종결정의 상승 속도는 4~6 mm/min의 범위가 바람직하고, 네킹부와 연결되는 숄더부의 내각의 크기인 크라운 앵글의 범위는 80~140°의 범위를 갖도록 결정 성장 조건을 제어하는 것이 주면의 면방위가 (111)인 고품질의 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는데 바람직함을 알 수 있었다.
실제 종결정 상승속도를 3 mm/min 또는 4 mm/min으로 고정한 후, 크라운 앵글의 크기를 각각 75, 90, 145°로 변화시켜 제조한 주면의 면방위가 (111)인 고품질의 단결정 실리콘을 관찰한 결과는 도 13과 같다.
[ 실시예 2] 에칭 식각량의 측정
앞서 실시예 1로 제조된 [111] 방향의 단결정 실리콘 잉곳을 사용하여 본 발명의 일체형 상부 전극을 제조하였으며, [100] 방향의 단결정 실리콘을 원료로 사용하여 제조한 종래의 상부 전극을 각각 플라즈마 장치에 장착한 후, 45 mTorr, 800 W의 RF power 및 20 W의 BAIS 조건에서 운전한 후, 단위 시간당 상부 전극의 식각량을 측정하였다.
상부 전극의 지름을 따라 41point에 대해서 기존의 [100] 방향의 단결정 실리콘을 사용한 상부 전극과 식각량을 비교하여 측정하였으며, 이때의 식각량의 단위는 mm이고, 150시간의 공정 진행 후 측정된 식각량의 값을 의미한다. 그 결과를 도면 14에 나타내었다.
상기 도 14의 측정 결과에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 제조 방법으로 제조된 [111] 방향의 단결정 실리콘으로 제조된 플라즈마 장치용 일체형 상부 전극은 기존의 [100] 방향의 단결정 실리콘 제품에 비해 단위 시간당 식각량이 약 30% 감소 되었으며, 이에 따라 사용 수명 및 내구 연한이 적어도 30% 이상 연장되는 효과가 있음을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제공하는 플라즈마 장치에 사용되는 일체형 상부 전극은 기존에 널리 사용되는 단결정 실리콘과는 달리 결정성장 방향 및 구조가 변화됨으로써 사용 중 내구성이 증가로 인한 사용 수명의 증가뿐만 아니라, 플라즈마 처리 장치 내에서 불순물이 발생되지 않으므로, 공정 수율을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 중심으로 제세히 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
40 : 기존의 상부 전극 41 : 실리콘부
42 : 카본부 43 : 외부 전극
44 : 클램프 링 46 : 돌출부
50 : 가스 홀 100 : 일체형 상부 전극
200 : 단결정 실리콘 플레이트

Claims (16)

  1. 플라즈마 챔버의 상부 전극으로 사용되는 원형 플레이트 형태의 상부 전극에 있어서,
    상기 상부 전극의 하부면과 상부면은 각각 플라즈마 노출 표면과 백킹 플레이트 장착 표면을 포함하고,
    상기 상부 전극은 하부면과 상부면 사이에 실리콘 외부전극의 일부와 기계적으로 결합될 수 있는 하나의 단차만을 포함하는 원형 플레이트 구조이며,
    상기 실리콘 외부전극의 내측의 테이퍼링된 표면이 연장되어 상기 상부 전극의 단차 부위에 기계적으로 밀착되어 고정되고,
    상기 상부 전극의 상부면의 외주부를 따라 돌출부가 형성되어 상기 백킹 플레이트에 형성된 오목부와 기계적으로 밀착되어 고정되며,
    상기 돌출부에는 백킹 플레이트에서 정렬 핀 홀들에 매칭되는 패턴으로 배열된 정렬 핀들을 수용하도록 구성된 복수의 정렬 핀 홀들을 포함하고,
    상기 상부 전극은 상기 백킹 플레이트에 형성된 가스 공급 홀들에 매칭되는 패턴으로 배열된 프로세스 가스 홀들을 포함하여, 상기 가스 공급 홀의 가스 출구들이 상기 상부 전극의 상부면과 상기 하부면 사이를 관통하는 가스 홀과 연통되며,
    상기 상부 전극의 몸체는, 단결정 실리콘 재질을 사용하여 일체 구조로 제작된 것을 특징으로 하는, 일체형 상부 전극.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘은, 결정방위가 <111>인 단결정 실리콘인 것을 특징으로 하는, 일체형 상부 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정렬 핀 홀들은, 원주 방향으로 일정 간격으로 이격된 복수의 핀 홀들인 것을 특징으로 하는, 일체형 상부 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상부면과 상기 하부면 사이를 관통하는 가스 홀은 원주 방향 열(circumferential row) 들의 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 일체형 상부 전극.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스 홀이 형성되는 패턴은, 3 개 또는 4 개의 열들의 그룹들로 배열된 13 개의 원주 방향 열들을 포함하고, 각 그룹의 인접한 열들 사이의 방사상 거리는 인접한 열들의 그룹들을 분리하는 방사상 거리보다 작은 것을 특징으로 하는, 일체형 상부 전극.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 전극은 평행한 상부면과 하부면을 갖고, 상기 상부면과 하부면 사이의 두께는 0.5인치 이하인 것을 특징으로 하는, 일체형 상부 전극.
  8. 플라즈마 챔버의 상부 전극으로 사용되는 원형 플레이트 형태의 상부 전극의 제조 방법에 있어서,
    상부 전극으로 제작될 단결정 실리콘 잉곳(Ingot)을 특정 길이로 절단하여 원형 실리콘 판을 제조하는 단계;
    상기 원형 실리콘 판의 상부면 및 하부면에 대한 평탄화를 실시하는 평탄화 단계;
    상기 평탄화된 실리콘 판의 측면에 대한 가공을 실시하여 외주부에 하나의 단차를 형성하는 측면 가공 단계;
    상기 측면 가공이 수행된 실리콘 판으로부터 상부 전극의 외형을 형성하는 외형 가공 단계;
    상기 외형 가공 단계가 이루어진 상부 전극에 프라즈마 가스가 통과되는 가스 홀을 가공하기 위한 드릴링 단계; 및
    상기 드릴링이 완료된 상부 전극의 상, 하면에 대한 폴리싱(Polishing)을 실시하는 폴리싱 단계;를 포함하고,
    상기 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 단계는, 실리콘 종결정을 실리콘 용용융액에 담그어 회전시키고, 4~6 mm/min의 속도로 끌어올려 실리콘 단결정을 성장시키는 단계; 및 상기 단결정 실리콘 잉곳의 양 끝단의 일부를 제거하는 크로핑 단계;를 포함하며,
    상기 실리콘 종결정을 끌어 올리면서 네킹(necking)부를 형성한 후, 수평방향으로 결정을 성장시켜 숄더부와 단결정 실리콘 잉곳을 형성하는 단계;를 더 포함하여, 상기 네킹부와 연결되는 숄더부의 내각을 80~140 도의 범위로 유지시키는 것을 특징으로 하는, 일체형 상부 전극의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘 잉곳은, 결정방위가 <111>인 실리콘 단결정 실리콘 잉곳인 것을 특징으로 하는, 일체형 상부 전극의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 측면 가공 단계는,
    작업 테이블에 잉곳의 위치를 고정시키는 단계; 및
    상기 실리콘 판의 외주부 측면을 향해 그라인딩 머신을 이동시켜 그라인딩을 실시하는 단계;를 포함하는 일체형 상부 전극의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 드릴링 단계는,
    외형이 완성된 상부 전극을 CNC장비에 고정시키는 단계;
    상기 고정된 상부 전극의 상면에 형성될 가스 홀의 정확한 위치에 드릴링을 실시 하기 위해 상기 상부 전극의 상면에 다수개의 가이드 홈을 가공하는 가이드 홈 가공 단계; 및
    상기 가이드 홈에 드릴링을 실시하는 단계;를 포함하는 일체형 상부 전극의 제조방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 드릴링 단계는,
    상기 상부 전극의 중앙에서 반경 방향 외측으로 기 가공된 가이드 홈에 드릴링을 실시하는 것을 특징으로 하는, 일체형 상부 전극의 제조방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 폴리싱 단계는,
    상기 가스 홀이 형성된 상부 전극의 상, 하면에 대한 폴리싱을 실시하는 단계; 및
    상기 상부 전극의 하면 테두리 부분에 대한 래핑 가공(Lapping work)을 실시하는 단계;를 포함하는 일체형 상부 전극의 제조방법.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 가스 홀은, 길이 방향을 따라 동일 직경으로 개구되는 것을 특징으로 하는, 일체형 상부 전극의 제조방법.
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