KR102041055B1 - 균일한 직경을 가진 샤워헤드 홀의 가공장치 - Google Patents

Abstract

0.47mm 이하의 균일한 직경을 가진 헤드 홀을 빠른 시간 내에 정확하게 형성할 수 있는 샤워헤드 홀의 가공장치를 제시한다. 그 장치는 초음파 가공기, 방전가공기 및 미세드릴기를 포함하고, 초음파 가공기는 샤워헤드에 형성되는 복수개의 헤드 홀의 직경(D0)보다 작은 평균직경(D1)을 가진 복수개의 제1 홀을 형성하는 초도 가공을 하고, 방전가공기는 제1 홀을 확장하여 복수개의 제2 홀을 형성하는 정원 가공을 하며, 미세드릴기는 제2 홀의 내면을 정밀하게 가공하는 마무리 가공을 한다.

Description

균일한 직경을 가진 샤워헤드 홀의 가공장치{Apparatus of processing shower head hole having uniform diameter}

본 발명은 샤워헤드 홀의 가공장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균일한 직경을 가진 샤워헤드의 홀(hole)이 천공되도록 하는 샤워헤드 홀의 가공장치에 관한 것이다.

웨이퍼를 이용한 미세전자소자 제조의 증착, 식각 등에 있어서, 샤워헤드가 적용된다. 예컨대, 증착의 경우, 웨이퍼의 표면에 균일한 두께의 박막이 형성되도록, 샤워헤드 홀(shower head hole, 이하 헤드 홀) 각각의 직경과 간격을 균일하게 배열하여 상기 반응가스가 일정한 양으로 분사되도록 하고 있다. 최근의 추세는 0.47mm 이하의 직경을 가진 헤드 홀이 요구되고 있다. 종래에는 초음파 천공기 또는 미세드릴을 채용하여 경도가 큰 실리콘(Si) 또는 실리콘카바이드(SiC)판을 직접 천공하여 헤드 홀을 제작하였으나, 작업과정이 복잡하고 가공시간이 상대적으로 많이 소요되며, 균일한 간격과 직경을 갖게 하는 작업이 쉽지 않았다.

국내등록특허 제10-0935418호는 연속적으로 균일하게 슬러리 연마재를 공급하면서, 복수개 핀의 초음파 진동으로 연마하여 한 번의 작업으로 천공하여 복수개의 헤드 홀을 가공하도록 하고 있다. 그런데, 종래의 초음파 방식을 이용하면, 균일한 직경의 헤드 홀을 만들기 어려우며, 심지어 타원형의 헤드 홀이 만들어진다. 균일한 직경의 헤드 홀을 만들기 위해서는 후가공이 필요하다. 또한, 종래의 초음파 방식에 채용되는 핀의 재질은 철계 금속이어서 0.47mm 이하의 직경을 가진 헤드 홀의 제작에는 한계가 있다. 즉, 일부의 헤드 홀은 0.47mm보다 큰 직경을 가지기도 한다. 이에 따라, 초음파 방식에 채용되는 되는 핀의 재질을 개선할 필요가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 0.47mm 이하의 균일한 직경을 가진 헤드 홀을 빠른 시간 내에 정확하게 형성할 수 있는 샤워헤드 홀의 가공장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 균일한 직경을 가진 샤워헤드 홀의 가공장치는 초음파 가공기, 방전가공기 및 미세드릴기를 포함하고, 상기 초음파 가공기는 샤워헤드에 형성되는 복수개의 헤드 홀의 직경(D0)보다 작은 평균직경(D1)을 가진 복수개의 제1 홀을 형성하는 초도 가공을 하고, 상기 방전가공기는 상기 제1 홀을 확장하여 복수개의 제2 홀을 형성하는 정원 가공을 하며, 상기 미세드릴기는 상기 제2 홀의 내면을 정밀하게 가공하는 마무리 가공을 한다.

본 발명의 장치에 있어서, 상기 초음파 가공기에 장착된 복수개 핀은 텅스텐계 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 홀은 타원 또는 부정형의 원일 수 있다. 상기 샤워헤드의 재질은 실리콘이다. 상기 헤드 홀의 직경은 0.47mm 이하일 수 있다. 상기 마무리 가공은 상기 제2 홀의 내면에 존재하는 미세 결함부를 제거한다. 상기 제2 홀에서 상기 미세 결함부를 제거하면 상기 헤드 홀이 형성된다.

본 발명의 균일한 직경을 가진 샤워헤드 홀의 가공장치에 의하면, 방전가공을 활용함으로써, 0.47mm 이하의 균일한 직경을 가진 샤워헤드 홀을 빠른 시간 내에 정확하게 형성할 수 있다. 본 발명의 장치는 초음파 천공기 및 미세드릴기 각각의 장점을 취하고 단점을 해소하였다.

도 1은 본 발명에 의한 균일한 직경을 가진 샤워헤드 홀의 가공장치를 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 장치에 의해 초도 가공된 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 장치에 의해 정원 가공된 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 장치에 의해 마무리 가공된 상태를 나타낸다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 한편, 상부, 하부, 정면 등과 같이 위치를 지적하는 용어들은 도면에 나타낸 것과 관련될 뿐이다. 실제로, 가공장치는 임의의 선택적인 방향으로 사용될 수 있으며, 실제 사용할 때 공간적인 방향은 가공장치의 방향 및 회전에 따라 변한다.

본 발명의 실시예는 방전가공을 활용함으로써, 0.47mm 이하의 균일한 직경을 가진 샤워헤드 홀을 빠른 시간 내에 정확하게 형성할 수 있는 가공장치를 제시한다. 이를 위해, 방전가공이 포함된 가공장치를 구체적으로 알아보고, 초음파 방식, 방전가공 및 미세 드릴을 포함하는 가공방법을 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예는 초음파 방식의 초도 가공, 방전가공의 정원 가공 및 미세 드릴의 마무리 가공의 순서로 천공하여 샤워헤드 홀을 형성하는 것이다. 본 발명의 샤워헤드 홀은 웨이퍼를 이용한 미세전자소자 제조에서의 증착, 식각 등에 적용된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 균일한 직경을 가진 샤워헤드 홀의 가공장치를 개략적으로 보여주는 블록도이다. 도 2는 본 발명의 장치에 의해 초도 가공된 상태를 나타내고, 도 3은 정원 가공된 상태를 나타내며, 도 4는 마무리 가공된 상태를 보여주는 도면이다. 다만, 엄밀한 의미의 도면을 표현한 것이 아니며, 설명의 편의를 위하여 도면에 나타나지 않은 구성요소가 있을 수 있다.

도 1에 의하면, 본 발명의 가공장치는 초도 가공을 위한 초음파 천공기(100), 정원 가공을 위한 방전가공기(200) 및 마무리 가공을 위한 미세드릴(300)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 정원이란 직경이 동일한 홀(hole)을 말하지만, 다만, 홀의 내면이 정밀하게 평탄하지 못하여서 마무리 가공이 필요할 수 있는 상태이다. 초도 가공, 정원 가공 및 마무리 가공에 대해서는 추후에 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 샤워헤드의 재질은 방전가공기(200)에 의한 정원 가공이 이루어지므로, 도전성이 있으며 미세전자소자로의 불순물로 작용하지 않는 실리콘(Si)이 바람직하다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 초음파 천공기(100)는 연속적으로 균일하게 슬러리 연마재를 공급하면서 초음파 진동자를 이용하여 샤워헤드(10)를 복수개의 핀으로 진동 연마하여 초도 가공된 복수개, 대략 수천 개의 제1 홀(11)을 완성한다. 본 발명이 최종적으로 구현하고자하는 헤드 홀(20)은 직경 D0과 같이 균일한 직경을 가지는 정원(uniform circle)이나, 제1 홀(11)은 D0보다 작은 평균 직경 D1을 가진다. 도면에서는, 헤드 홀(20)을 점선으로 표시하였다.

한편, 반응가스가 헤드 홀(20)을 통하여 웨이퍼로 균일하게 흐르기 위해서는, 파티클이나 미세크랙이 제거되어 헤드 홀(20)의 내면이 매끄럽고 표면조도가 균일해야 한다. 이를 위해, 종래의 초음파 천공기는 부식성 약액을 상하로 요동시켜 헤드 홀(20) 내부로 상기 약액을 반복적으로 침투시켜, 헤드 홀(20) 내면에 잔류하는 파티클 및 미세크랙을 화학적으로 식각 연마시켜 제거한다. 그런데, 이와 같은 화학적 식각 방식은 수천 개의 헤드 홀(20) 내부로 상기 약액이 균일하게 침투시키는 고가의 장비가 필요하다. 또한, 화학적 식각방식에 의한 헤드 홀(20) 내면은 정확한 직진도를 이루지 않아서, 초음파 세척기로 헤드 홀(20) 내면를 세척함에도 부식된 파티클이 헤드 홀(20) 외부로 빠져 나오지 못하기도 한다. 나아가, 헤드 홀(20) 내면은 거칠기 때문에 웨이퍼의 가공 공정 중에 파티클로 작용하여 웨이퍼를 오염시키거나 반응성 가스의 흐름을 방해하여 불량을 발생시킨다.

본 발명의 실시예에 의한 제1 홀(11)은 초도 가공이므로, 종래의 초음파 가공에 의한 헤드 홀 제작과는 달리 내면의 파티클이나 미세크랙을 제거할 필요가 없다. 즉, 부식성 약액을 이용하여 내면을 식각하는 과정이 필요하지 않다. 이렇게 되면, 고가의 장비가 요구되지 않고, 파티클에 의한 불량 및 반응가스 흐름 방해를 원천적으로 초래하지 않는다. 또한, 초음파 천공기(100)만으로 헤드 홀(20)을 제조하는 종래의 방식은 천공 및 연마 등의 시간 및 비용이 상대적으로 많이 소요된다. 하지만, 본 발명의 제1 홀(11)은 헤드 홀(20)보다 직경이 작고(D0>D1), 제1 홀(11)의 형상, 내면의 상태를 고려하지 않으므로, 소요시간 및 그에 따른 비용을 대폭 줄일 수 있다. 심지어, 제1 홀(11)의 형상은 정원(uniform circle)이 아닌 타원이거나 직경이 고르지 않은 부정형의 원이어도 문제가 되지 않는다.

본 발명의 헤드 홀(20)의 직경 D0은 최근에 추세에 부합하여 0.47mm 이하가 바람직하다. 이에 따라, 제1 홀(20)의 평균직경 D1은 0.47mm보다 작은, 예컨대 0.35mm일 수 있다. 상기 평균직경 D1을 만족하기 위해서는 초음파 천공기(100)에 사용되는 복수개의 핀의 적절한 진폭 및 강성이 요구된다. 그런데, 종래의 복수개의 핀은 대부분이 철계 금속으로 되어 있어서, 평균직경 D1을 만드는 핀으로서 적합하지 않다. 본 발명의 실시예는 복수개의 핀으로써 텅스텐계 금속을 제시한다. 상기 텅스텐계 금속은 텅스텐 단일금속이거나 텅스텐계 합금을 적용할 수 있다. 상기 텅스텐계 금속은 평균직경 D1을 구현하는 데 있어서, 적절한 진폭 및 강성을 가진다. 0.47mm 이하의 헤드 홀(20)의 하한치는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 실시할 수 있는 정도이다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 방전가공기(200)는 전기적인 방전 현상을 이용하며, 방전가공기(200)에 설치된 방전전극과 초도 가공된 샤워헤드(10) 간에 고주파 펄스파형의 전압을 가하여 방전을 행함으로써 제1 홀(11)을 확장시켜 제2 홀(12)을 완성한다. 이때, 제2 홀(12)의 직경은 헤드 홀(20)의 직경(D0)에 근접한다. 여기서, 근접한다는 것은 추후에 설명할 미세 결함부(13)를 고려한 것이다. 방전가공은 먼저 가공액에 방전전극과 초도 가공된 샤워헤드(10)를 장입하고, 방전전극과 초도 가공된 샤워헤드(10) 사이에 방전간격을 유지한 후, 방전전극과 초도 가공된 샤워헤드(10)에 전압을 인가한다. 전압을 인가하면, 방전전극과 초도 가공된 샤워헤드(10) 사이에 방전이 시작된다.

방전전극과 초도 가공된 샤워헤드(10) 간에는 고주파 펄스전원에 의해 무수히 많은 펄스파형이 생성되고, 생성된 펄스파형이 초도 가공된 샤워헤드(10)의 제1 홀(11)에서 제2 홀(12)의 궤적을 따라 흘러들어간다. 제2 홀(12)의 궤적은 전류밀도가 높은 방전점이라고 하며, 샤워헤드(10)를 가열하여 용해시킨다. 방전점에서 온도상승이 급속도로 이루어져 방전전극과 초도 가공된 샤워헤드(10)에는 높은 압력이 발생하여 증발 및 기화가 발생한다. 증발 및 기화는 초도 가공된 샤워헤드(10)는 작은 알갱이로 변환되며, 가공액의 흐름에 의해 제거된다. 이때, 실리콘(Si)로 이루어진 샤워헤드(10)는 반도체이므로, 방전전극과 샤워헤드(10) 사이에는 방전이 일어난다.

방전가공기(200)는 형상에 구애받지 않고 비교적 좋은 정밀도로 가공한다. 또한, 방전가공은 순식간에 이루어지므로, 제2 홀(12)을 형성하는 시간이 매우 짧다. 이에 따라, 방전가공기(200)는 본 발명의 헤드 홀(20)을 가공하는 시간 및 비용을 대폭 줄일 수 있다. 그런데, 방전가공을 한다고 해도, 본 발명의 원하는 헤드 홀(20)을 얻을 수 없다. 구체적으로, 제2 홀(12)의 내면에는 동심원을 이루지 않도록 하는 돌출부, 크랙과 같은 미세한 결함부(13)가 존재할 수 있다. 결함부(13)는 웨이퍼의 가공 공정 중에 반응가스의 균일한 흐름을 방해하여 불량을 초래한다. 이에 따라, 제2 홀(12)의 내면을 정밀하게 평탄화시킬 수 있는 마무리 가공이 필요하다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 미세드릴기(300)는 헤드 홀(20)의 직경과 동일한 직경을 가지는 드릴팁으로 제2 홀(12)의 내면을 마무리 가공하여 헤드 홀(20)을 완성한다. 미세드릴기(300)는 드릴팁을 고속으로 회전시키면서 제2 홀(12)의 내면을 정밀하게 가공한다. 종래의 미세드릴에 의한 헤드 홀(20)을 제작은 드릴팁의 파손 및 손상이 일어나고 헤드 홀(20)을 천공하는 데에 시간 및 비용이 많이 소요된다. 본 발명의 미세드릴기(300)는 제2 홀(12)의 내면을 정밀 가공하여 마무리 가공을 하는 데에만 사용된다. 이렇게 되면, 제2 홀(12)의 내면에 존재할 수 있는 결함부(13)가 모두 제거되어 평활한 면을 이루게 된다.

본 발명의 실시예는 초음파 천공기에 의한 초도 가공, 방전가공기에 의한 정원 가공 및 미세드릴기에 의한 마무리 가공을 함으로써, 상기 초음파 천공기 또는 상기 미세드릴기로 헤드 홀을 만드는 것보다 효율성 및 정밀도가 크게 향상된다. 상기 초음파 천공기는 가공시간이 소요되고 정원을 가공하기 어렵고, 상기 미세드릴기는 드릴팁의 파손이 자주 일어나고 가공시간(통상적으로 12시간 정도)이 많이 소요된다. 본 발명의 실시예는 상기 초음파 천공기 및 미세드릴기 각각의 장점을 취하고 단점을 해소하였다. 즉, 상기 초음파 천공기로는 정원을 만들지 않고 초도 가공하는 데에만 사용하였고, 미세드릴기는 단지 홀의 내면을 정밀 가공하는 데에만 적용하였다. 또한, 정원은 방전가공기로 짧은 시간에 걸쳐 형성하였다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

100; 초음파 천공기 200; 방전가공기
300; 미세드릴기 10; 샤워헤드
11, 12; 제1 및 제2 홀
13; 결함부 20; 헤드 홀

Claims (7)

1. 초음파 가공기, 방전가공기 및 미세드릴기를 포함하고,
   상기 초음파 가공기는 샤워헤드에 형성되는 복수개의 헤드 홀의 직경(D0)보다 작은 평균직경(D1)을 가진 복수개의 제1 홀을 형성하는 초도 가공을 하고, 상기 방전가공기는 상기 제1 홀을 확장하여 복수개의 제2 홀을 형성하는 정원 가공을 하며, 상기 미세드릴기는 상기 제2 홀의 내면을 정밀하게 가공하는 마무리 가공을 하고,
   상기 마무리 가공은 상기 제2 홀의 내면에 존재하는 미세 결함부를 제거하며, 상기 제2 홀에서 상기 미세 결함부를 제거하면 상기 헤드 홀이 형성되고,
   상기 방전가공기는 온도상승이 급속도로 이루어지는 방전점에서 발생하는 증발 및 기화를 활용하는 것을 특징으로 하는 균일한 직경을 가진 샤워헤드 홀의 가공장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 초음파 가공기에 장착된 복수개 핀은 텅스텐계 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 균일한 직경을 가진 샤워헤드 홀의 가공장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 홀은 타원 또는 부정형의 원인 것을 특징으로 하는 균일한 직경을 가진 샤워헤드 홀의 가공장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 샤워헤드의 재질은 실리콘인 것을 특징으로 하는 균일한 직경을 가진 샤워헤드 홀의 가공장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 헤드 홀의 직경은 0.47mm 이하인 것을 특징으로 하는 균일한 직경을 가진 샤워헤드 홀의 가공장치.
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