KR102188258B1 - 일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체 제조방법과 다결정 탄화규소 성형체 및 플라즈마 공정장비용 샤워헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 플라즈마 공정장비의 부품 및 전극으로 기능하는 샤워헤드에 적용할 수 있는 일체형 및 전기 저항 특성이 다른 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 1Ωㆍcm 이하의 저저항 특성을 가지는 탄화규소를 증착하는 저저항 공정 조건 또는 400Ωㆍcm 이상의 고저항 특성을 가지는 탄화규소를 증착하는 고저항 공정 조건으로 흑연 희생기재의 표면에 제1탄화규소층을 증착하는 제1단계; 공정 조건을 연속적으로 변경하는 제2단계; 및 저저항 공정 조건과 고저항 공정 조건 중에 상기 제1단계와는 반대되는 공정 조건으로 제2탄화규소층을 증착하는 제3단계를 포함하며, 공정 조건을 연속적으로 변경하는 제2단계에서 저저항에서 고저항으로 또는 고저항에서 저저항으로 전기적 특성이 연속적으로 변화하는 버퍼층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 최적화된 저속성장 조건에 의한 고저항 또는 저저항의 저속성장 공정과 최적화된 고속 성장 조건에 의한 저저항 또는 고저항의 고속성장 공정을 연속적으로 수행함으로써, 전기 저항 특성이 다른 일체형의 다층 다결정 탄화규소 샤워헤드 또는 성형체를 형성 할 수 있는 효과가 있다.

Description

일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체 제조방법과 다결정 탄화규소 성형체 및 플라즈마 공정장비용 샤워헤드{MANUFACTURING METHOD FOR SINGLE BODY AND MULTI-LAYERED POLYCRYSTALLINE SILICON CARBIDE PARTS, POLYCRYSTALLINE SILICON CARBIDE PARTS AND SHOWER HEAD FOR PLASMA PROCESSING CHAMBERS}

본 발명은 일체형이며 다층 구조인 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 반도체 플라즈마 공정장비의 샤워헤드에 적합한 다층 구조인 다결정 탄화규소 성형체를 대용량 화학기상증착 공정으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

전기전자 및 반도체 기술의 급격한 발전으로 다양한 핵심소재의 개발과 산업적 적용이 활발히 이루어지고 있으며, 특히 탄화규소와 같은 소재는 우수한 기계적, 열적, 광학적, 화학적 특성과 고온 및 극한 환경에서의 안정성 등으로 인해 새로운 4차 산업을 이끌 주요소재로서 단결정, 에피막 및 다결정 등의 형태로 기존 반도체 및 전력반도체, LED, 자율자동차 및 에너지 분야 등에서 광범위하게 적용되며 상업화가 활발히 이루어지고 있다.

일반적으로 탄화규소는 강한 공유결합 물질로서 고온 및 저압에서 고순도 단결정 혹은 다결정 분말의 형태로 제조되어 다양한 소결기술을 통하여 3차원 성형체의 부품으로 제조되어 왔으며, 특히 고순도 분말의 승화를 통한 단결정 탄화규소 웨이퍼 제작 기술이 발전하여 SiC 반도체 산업의 발전을 견인하고 있다. 또한 최근에는 반도체 기술의 초고집적화 및 초미세화 기술의 발전으로 인해 반도체 제조공정에 사용되는 건식 식각 공정장비 및 부품 특성 향상, 수율 향상 및 최종 제조원가의 감소를 위하여 반도체 공정장비 부품으로서 다결정 탄화규소 성형체의 사용이 증가하고 있다.

반도체 부품으로 사용되는 난소결성 탄화규소는 고순도 탄화규소 분말을 원료로 사용하여 상압소결 또는 가압소결 및 용융 실리콘(Si, silicon)과 탄소(C, carbon)의 반응에 의해 탄화규소를 합성하는 반응소결법 등의 방법 및 추가적인 CVD SiC 코팅 방법을 통하여 소결 성형체가 제작되어 왔지만, 소결체가 갖는 공극, 불순물, 낮은 재료특성 등의 한계로 인하여 CVD 후막증착방법으로 제작된 다결정의 탄화규소 성형체가 반도체 공정장비 부품으로 제작되어 사용되고 있다.

이에 따라서 다양한 대형의 양산용 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 장비 및 공정기술의 발전으로 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 기술이 상용화되었으며, 화학기상증착 공정 조절을 통하여 우수한 기계적, 열적, 광학적, 전기적 특성의 탄화규소 성형체를 제조할 수 있다.(유럽 공개특허 1702088, 미국 등록특허 6893749, 대한민국 등록특허 10-1628691)

화학기상증착 방식으로 시간당 수 마이크론에서 수 밀리미터의 속도로 증착되는 다결정 탄화규소는 치밀한 화학양론적인 비율의 고품질 탄화규소 성형체로 제조될 수 있다. 특히 화학기상증착에 사용되는 반응가스 종류, 가스혼합비율, 가스혼합 균일도 및 반응챔버로의 가스투입 방법, 증착온도 및 챔버 내 온도균일도 혹은 온도구배, 증착압력, 반응가스 투입속도 및 반응챔버 내에서의 속도분포, 증착속도, 반응챔버구조, 반응성 가스 및 반응부산물 배기 및 챔버 내 기재의 적재방식 등의 많은 증착 조건들에 의해 다결정 탄화규소의 입자크기와 모양, 결함의 생성, 형태 및 밀도, 우선결정성장방위, 내부잔류응력 및 분포, N형 혹은 P형 도핑 특성 등이 조절되어 다양한 특성의 다결정 탄화규소 성형체가 제작된다.

이에 따라서 다양한 화학기상증착 공정조건으로 최적화된 다결정 탄화규소 성형체를 여러 산업 분야별로 적용하려는 노력이 계속되고 있으며, 기존의 액상에서 고형화되는 대형소재와는 달리, 흑연 등의 희생기재 위에 후막의 성형체를 제조한 후 희생기재를 제거하여 탄화규소 성형체를 제작하는 방법을 주로 사용하고 있다. 그러나 희생기재로 사용되는 흑연기재와 후막으로 증착된 다결정 탄화규소 후막의 열팽창계수의 차이에 의해 내부잔류응력 및 탄화규소 성장 중에 발생하는 다결정 미세구조 차이에 의한 밀도변화 또는 결정립계 및 결함들에 의해 내부잔류응력 및 불균일 분포 등에 의하여 희생기재에서 분리된 다결정 탄화규소 성형체의 변형이 발생될 수 있으며, 특히 대용량 화학기상증착 반응챔버 내에 적재된 복잡한 3차원 형상의 희생기재 모든 면에 균일한 농도 및 흐름속도로 반응가스 공급이 어렵게 되어 균일한 두께의 다결정 탄화규소 성형체를 제작하기가 어렵다.

또한, 수mm~수십mm 두께의 고품질 다결정 탄화규소 성형체 제작을 위한 대형의 양산용 화학기상증착 공정을 수행하는 동안 다결정 탄화규소 성형체 내부에 축적되는 잔류응력의 크기와 불균일 분포에 의한 벤딩, 뒤틀림 및 크래킹 등의 변형 문제들을 극복하기 위해 다결정 탄화규소 성형체의 증착온도, 증착압력, 반응가스 농도, 증착속도 등의 주요 증착 조건을 조절하거나, 다양한 기재 상에 복수 개 다층으로 탄화규소 후막 형성 및 잔류응력 제거를 위한 추가적인 열처리를 통하여 탄화규소 성형체를 제작하거나(대한민국 공개특허 10-2018-0071952), 투과도가 다른 복수 개 다층의 탄화규소 후막 형성을 통하여 탄화규소 성형체를 제작하거나(대한민국 공개특허 10-2018-0020912), CVD 공정온도 조절을 통하여 상하부 두 개의 결정입자 크기가 다른 CVD 후막층을 이용하여 탄화규소 성형체를 제조하거나(대한민국 등록특허 10-1631797), 소결 또는 CVD SiC 성형체를 주형으로 반복 사용하며 CVD 탄소 분리막과 함께 CVD 탄화규소 성형체를 제작하거나(대한민국 등록특허 10-1832882) 혹은 고속/고밀도 후막제조 방법을 이용하여 인장 및 압축 잔류응력의 박막을 교차 적층하여 후막을 제조하는 기술(대한민국 등록특허 10-0885664)을 활용하여 다결정 탄화규소 후막의 성형체를 제조하거나, 이상 조직의 결정 구조의 확장을 차단할 수 있도록 층을 복수 개로 하여 빠르게 증착 형성하고, 그 복수 층간의 경계를 덮도록 내플라즈마 특성이 강한 층을 그 위에 다시 증착하여 층간 경계를 덮는 증착층을 포함하는 반도체 제조용 부품을 제조하거나(대한민국 공개특허 10-2018-0133822), 대용량 CVD 반응챔버 내에서 층류 및 난류의 반응가스 흐름을 제어하여 균일한 두께의 다결정 탄화규소 후막의 성형체를 제조하는 기술(대한민국 등록특허 10-2056705)들이 개발되고 있으며, 최종적으로 흑연 희생기재 상에서 제작되고 분리되는 복잡한 3차원 형상의 다결정 탄화규소 성형체의 내부잔류응력 특성 및 분포조절 및 대용량 화학기상증착 반응챔버에서 고수율의 균일한 다수의 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 기술(대한민국 등록특허 10-2096787)들이 개발되어 있지만, 특정의 용도에 적합한 다결정 탄화규소의 성형체를 제작하기는 쉽지가 않은 실정이다. 특히 최근에는 반도체 플라즈마 공정장비용 핵심 부품인 샤워헤드 제작을 위해 기존의 가압소결 방식의 탄화규소 샤워헤드와 화학기상증착 방식의 다결정 탄화규소 샤워헤드가 결합된 방식의 샤워헤드(미국 등록특허 9493875)를 사용하고 있지만, 제작상의 어려움과 식각 공정 중 가스 주입부 및 결합된 홀 부위에서의 아킹 현상은 여전히 해결해야할 문제이며, 균일한 플라즈마 형성 및 안정적인 반도체 플라즈마 공정장비 개발 및 공정의 확립을 위해서도 개발되어야만 하는 중요한 핵심 부품이다.

유럽 공개특허 1702088 미국 등록특허 6893749 대한민국 등록특허 10-1628691 대한민국 공개특허 10-2018-0020912 대한민국 등록특허 10-1631797 대한민국 등록특허 10-1832882 대한민국 등록특허 10-0885664 대한민국 공개특허 10-2018-0133822 대한민국 등록특허 10-2056705 대한민국 등록특허 10-2104799 대한민국 등록특허 10-2096787 미국 등록특허 9493875

본 발명은 전술한 종래 다층의 다결정 탄화규소 성형체 제작 기술의 문제점을 극복하고, 특히 반도체용 플라즈마 공정장비의 상부 전극 및 핵심 부품으로 사용되는 샤워헤드의 제작을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 가압소결 방식의 탄화규소 샤워헤드와 화학기상증착 방식의 다결정 탄화규소 샤워헤드의 결합된 방식의 샤워헤드를 일체형 및 전기적 저항 특성이 다른 다층 구조의 다결정 탄화규소 샤워헤드를 제작하기 위한 것으로서, 대용량 화학기상증착 반응챔버 내에 적재된 원형 판형태의흑연 희생기재 전면에 최적화된 두개 이상의 증착속도가 다르며, 각각의 다결정 탄화규소층의 전기적 저항 특성이 다른 다결정 탄화규소 후막층 및 전기 저항 특성이 저~고저항 또는 고~저저항으로 변하는 버퍼층을 형성하여 희생기재를 기준으로 양면으로 다층의 다결정 탄화규소 성형체를 평면 또는 대칭 굴곡면을 갖는 흑연 희생기재 위에서 성장시킬 때 또는 흑연 희생기재에서 분리한 후에도 벤딩, 뒤틀림 및 크래킹 등의 변형 문제가 없거나 최소화하여 내부응력의 균형이 잡힌 대칭 구조의 다층의 전기 저항 특성이 다른 다결정 탄화규소 샤워헤드를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 또한 플라즈마 공정장비 내부로 공정 가스가 주입되며, 플라즈마 발생 방식과 생성된 균일한 플라즈마의 특성에 따라서 플라즈마 공정장비내부의 부품들은 에칭 또는 증착공정 중에 반복된 식각 또는 증착이 일어날 수 있으며, 특히 상부전극으로도 사용되는 샤워헤드의 가스주입부 근처에서 아킹이 발생하는 문제가 생길 수 있다. 또한 소결된 탄화규소 샤워헤드와 화학기상증착법에 의해 제작한 샤워헤드를 조립하여 사용하는 샤워헤드의 경우에는 두 샤워헤드 판의 접합 경계부근에서 아킹이 발생하는 문제들을 해결하는 최종 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 흑연 희생기재의 표면에 CVD 공정으로 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 방법으로서, 1Ωㆍcm 이하의 저저항 특성을 가지는 탄화규소를 증착하는 저저항 공정 조건 또는 400Ωㆍcm 이상의 고저항 특성을 가지는 탄화규소를 증착하는 고저항 공정 조건으로 흑연 희생기재의 표면에 제1탄화규소층을 증착하는 제1단계; 공정 조건을 연속적으로 변경하는 제2단계; 및 저저항 공정 조건과 고저항 공정 조건 중에 상기 제1단계와는 반대되는 공정 조건으로 제2탄화규소층을 증착하는 제3단계를 포함하며, 공정 조건을 연속적으로 변경하는 제2단계에서 저저항에서 고저항으로 또는 고저항에서 저저항으로 전기적 특성이 연속적으로 변화하는 버퍼층이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 제1탄화규소층과 제2탄화규소층 및 버퍼층이 형성되는 것으로 기재하였으나, 이는 전기적 특성을 기준으로 편의상 3개의 층을 구분한 것이지, 각각의 층이 경계면을 통해서 구분되는 것과는 차이가 있다. 구체적으로 CVD 공정 중에 공정 조건을 변경하는 방법에 의해서 증착되는 탄화규소가 제1탄화규소층에서 버퍼층 및 제2탄화규소층으로 변화되기 때문에 각 층을 명확하게 분리하는 경계면은 없다고 볼 수 있다.

한편, 플라즈마 공정장비의 샤워헤드는 플라즈마 접촉면에서 아킹이 발생할 뿐만이 아니라, 전기전도도가 다른 복수의 층으로 구성된 샤워헤드에 형성된 홀의 내부에서도 아킹이 발생하는 문제가 있다. 구체적으로 홀 내부의 전기전도도가 다른 부분의 경계면에서 아킹이 발생하지만, 본 발명은 성형체를 제작함에 있어서 전기전도도가 연속적으로 변화되도록 구성함으로써 샤워헤드로 가공한 경우에도 홀 내부에서 아킹이 발생하지 않는다.

따라서 제1단계는 흑연 희생기재 표면에 고저항 또는 저저항의 저속공정 또는 저저항 또는 고저항의 고속공정 조건으로 다결정 탄화규소 증착을 시작할 수 있으며, 이후에 제1단계의 공정조건과 다른 저저항 또는 고저항의 전기적 특성을 갖는 저속공정 또는 고속공정으로의 변환이 연속공정으로 수행된다. 결과적으로 CVD 공정에 의해서 고저항 또는 저저항의 저속공정 또는 저저항 또는 고저항의 고속공정 조건으로 다결정 탄화규소를 증착하는 제1단계와 공정 조건이 연속적으로 변화하는 제2단계 및 연속적으로 변화되어 제1단계와는 반대되는 고저항 또는 저저항의 저속공정 또는 저저항 또는 고저항의 고속공정 조건으로 다결정 탄화규소 증착하는 제3단계가 연속 공정으로 수행된다.

이때, 저저항 공정 조건과 고저항 공정 조건이, 도핑원소를 조절하거나 도핑량을 조절하는 방법으로 구분될 수 있다.

그리고 상기 제1단계는 10~30㎛/h 범위의 성장속도로 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키는 저속성장 조건으로 수행되거나 40~100㎛/h 범위의 성장속도로 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키는 고속성장 조건으로 수행되고, 상기 제3단계는 저속성장 조건과 고속성장 조건 중에 상기 제1단계와는 반대되는 공정 조건으로 수행되며, 상기 제2단계에서는 저속성장 조건에서 고속성장 조건으로 공정 조건을 연속적으로 변경하거나 고속성장 조건에서 저속성장 조건으로 공정 조건을 연속적으로 변경될 수 있다.

흑연 희생기재가 평면 또는 대칭 굴곡면을 가지며, 탄화규소의 증착이 흑연 희생기재의 상면과 하면에서 동시에 수행될 수 있다.

흑연 희생기재 위에서 다결정 탄화규소 성형체를 성장시킬 때, 희생기재 기준으로 또는 흑연 희생기재에서 분리한 후에 다층의 다결정 탄화규소 성형체 정중앙의 고~저저항 또는 저~고저항으로 연속적으로 변화되는 전기적 특성을 갖는 저속공정 또는 고속공정 후막의 버퍼층을 기준으로 다층의 다결정 탄화규소 성형체는 대칭 구조로 제작될 수 있다. 또한, 제1단계 및 제3단계에서 증착된 다결정 탄화규소 후막의 두께는 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체 정중앙에 위치하는 저속 또는 고속증착에 의한 버퍼층 두께와 같거나 다를 수 있다.

상기 최적화된 고저항 또는 저저항의 저속성장 공정에서 형성된 저속성장층과 상기 최적화된 저저항 또는 고저항의 고속성장 공정에서 형성된 고속성장층의 전기 저항 특성과 두께가 서로 다르게 또는 동일하게 하도록, 상기 저속성장 공정과 상기 고속성장 공정의 대용량 챔버 내에서의 증착 가스압력 및 흐름속도, 도핑가스 농도, 증착속도, 증착온도 등의 공정 조건을 조절할 수도 있다.

또한 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체가 적용되는 목적에 부합하는 최종 재료 및 표면 특성에 의해 고저항 또는 저저항의 저속 또는 저저항 또는 고저항의 고속증착 공정을 선택할 수 있으며, 희생기재에서 분리된 성형체의 각각의 다결정 탄화규소층의 전기적 특성이 다른 다층의 다결정 탄화규소 샤워헤드 또는 성형체의 표면 및 홀 가공 등의 후속 공정을 통하여 최종 외곽 탄화규소 층 및 표면의 특성을 선택할 수도 있다.

본 발명의 다른 형태에 의한 일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체는, 1Ωㆍcm 이하의 저저항 특성 또는 400Ωㆍcm 이상의 고저항 특성을 가지는 제1탄화규소층; 1Ωㆍcm 이하의 저저항 특성 또는 400Ωㆍcm 이상의 고저항 특성 중에 상기 제1탄화규소층과 반대되는 특성을 가지는 제2탄화규소층; 및 제1탄화규소층과 제2탄화규소층 사이에 형성된 버퍼층으로 구성되며, 상기 버퍼층은 1Ωㆍcm 이하의 저저항 특성에서 400Ωㆍcm 이상의 고저항 특성으로 연속적으로 특성이 변화하거나 400Ωㆍcm 이상의 고저항 특성에서 1Ωㆍcm 이하의 저저항 특성으로 연속적으로 특성이 변화하는 것을 특징으로 한다.

이때, 제1탄화규소층과 버퍼층 및 제2탄화규소층은 CVD 공정으로 형성되며, 제1탄화규소층을 형성하는 공정 조건에서 제2탄화규소층을 형성하는 공정 조건으로 공정 조건을 연속적으로 변화시킴으로써 상기 버퍼층이 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 1Ωㆍcm 이하의 저저항 특성을 가지는 탄화규소를 증착하는 저저항 공정 조건과 400Ωㆍcm 이상의 고저항 특성을 가지는 탄화규소를 증착하는 고저항 공정 조건은, 도핑원소를 조절하거나 도핑량을 조절하는 방법으로 구분될 수 있다.

제1탄화규소층은 10~30㎛/h 범위의 성장속도로 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키는 저속성장 조건으로 증착되거나 40~100㎛/h 범위의 성장속도로 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키는 고속성장 조건으로 증착되고, 제2탄화규소층은 저속성장 조건과 고속성장 조건 중에 상기 제1단계와는 반대되는 공정 조건으로 증착되며, 상기 버퍼층은 저속성장 조건에서 고속성장 조건으로 공정 조건을 연속적으로 변경하거나 고속성장 조건에서 저속성장 조건으로 공정 조건을 연속적으로 변경하는 과정에서 증착된 것일 수 있다.

본 발명의 다른 형태에 의한 플라즈마 공정장비용 샤워헤드는 플라즈마 공정장비에서 공정 가스들을 반응챔버로 균일하게 주입하기 위한 복수의 주입홀이 형성되고 상부전극으로도 사용되는 샤워헤드로서, 상기한 다결정 탄화규소 성형체를 사용하여 제작된 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 대용량 화학기상증착 반응챔버에서 최적화된 저속성장 조건에 의한 고저항 또는 저저항 저속성장 공정과 최적화된 고속성장 조건에 의한 저저항 또는 고저항의 고속성장 공정을 교대로 수행하여, 흑연 희생기재 상에서나 희생기재에서 분리된 후에도 고저항 또는 저저항 저속성장 혹은 저저항 또는 고저항의 고속성장 조건에서의 뛰어난 특성을 나타내며, 특히 저속성장 및 고속성장 두층의 사이에는 고~저저항 또는 저~고저항으로 연속적으로 전기 저항이 변하고 두께가 조절된 탄화규소 버퍼층을 형성하여 전체적인 다층의 탄화규소 성형체의 내부응력의 균형 분포에 기여하거나 면 또는 홀 가공 등의 기계적 가공 응력을 견디는 완충 역할을 할 수 있다. 또한 내부잔류응력 및 불균형 분포에 의한 벤딩, 뒤틀림 및 크래킹 등의 변형이 없거나 최소화된 전기 저항 특성이 다른 일체형의 대칭 및 다층 구조의 반도체 건식 장비용 다결정 탄화규소 샤워헤드를 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한, 사용되는 전기 저항 특성이 다른 일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 응용별 목적에 따라서 최적화된 고저항 또는 저저항의 저속성장 공정과 저저항 또는 고저항의 고속성장 공정의 순서 배치 및 반복 횟수를 조절함으로써, 마지막 공정에서 선택된 최외각 재료 및 표면의 특성으로 형성되는 저항 특성이 다른 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 샤워헤드 및 성형체를 제조할 수 있는 효과가 있으며, 최적화된 고저항 또는 저저항의 저속성장 공정으로만 제작되는 다결정 탄화규소 성형체와 비교시 최적화된 고저항 또는 저저항의 저속 및 저저항 또는 고저항의 고속성장 공정으로 인해 제작시간이 단축되어 생산성을 향상시킬 수도 있다.

나아가 고~저저항 또는 저~고저항으로 연속적으로 전기 저항이 변하는 버퍼층에 의해서 반도체 플라즈마 공정장비의 샤워헤드로 제작하는 경우에도 주입홀 내부에서 아킹이 발생하지 않는 뛰어난 효과가 있다.

도 1은 반도체용 플라즈마 공정장비의 상부전극으로 사용되기도 하며, 주로 플라즈마 공정 가스를 공급하는 가스 주입홀을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 샤워헤드의 전체면, 바닥면(도면 1a), A-A 중앙 절단면 및 전기 저항 특성이 다른 3개의 탄화규소 층 내에 형성된 가스 주입홀 구조를 개략적으로 도시한 도면(도면 1b)이다.
도 2a는 본 발명에 따른 첫 번째 실시예의 제조방법으로 평면 및 대칭의 희생기재 양면 상에 같은 두께이지만 다른 증착 속도로 증착될 수 있으며, 전기 저항 특성이 다른 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 도시한 도면이다.
도 2b는 본 발명에 따른 두 번째 실시예의 방법으로 제조되어 평면 및 대칭의 희생기재 양면 상에 도2a의 경우보다는 마지막 탄화규소층이 두껍게 저속 또는 고속 증착 속도로 증착될 수 있으며, 저저항 또는 고저항 특성의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 도시한 도면이다.
도 2c는 본 발명에 따른 세 번째 실시예의 방법으로 제조되어 평면 및 대칭의 희생기재 양면 상에 도2a의 경우보다는 초기 탄화규소층이 두껍게 저속 또는 고속 증착 속도로 증착될 수 있으며, 고저항 또는 저저항 특성의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 제조방법을 적용하기 위한 대용량 CVD 장치의 반응챔버에 대한 외형 및 도 3b와 c는 반응챔버 내부에 원형 판형태의 흑연 희생기재를 대량으로 적재한 방식을 도시한 도면이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.

또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 발명은 반도체 플라즈마 공정장비의 샤워헤드를 제조하기에 적합한 일체형 및 전기 저항 특성이 다른 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 1mm 이상의 두께를 가지며 전기 저항 특성이 다른 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 대용량 CVD(화학기상증착) 공정으로 제작함에 있어서, 전체 탄화규소 성형체의 내부잔류응력의 균형이 잡히게 형성하기 위하여 최적화된 고저항 또는 저저항의 저속공정 조건에 의한 저속성장 공정과 최적화된 저저항 또는 고저항의 고속성장 조건에 의한 고속성장 공정으로 구분하되, 단층의 다결정 탄화규소 성형체의 내부잔류응력 및 불균형 분포로 인해 발생될 수 있는 벤딩, 뒤틀림 및 크래킹 등의 변형에 의한 품질 저하를 방지하거나 최소화하고, 도핑가스의 량 등의 공정조건을 챔버 내에서 연속적으로 조절하여 저저항 또는 고저항의 탄화규소층과 고저항에서 저저항으로 또는 저저항에서 고저항으로 변하는 버퍼층으로 구성하기 위하여 각각의 최적화된 저속 또는 고속공정 조건을 균형있게 반복 적층하는 방법을 적용하였다.

이하에서 본 발명의 실시예에 따른 일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체 제조방법을 각 단계별로 설명한다.

제1단계는 도핑원소를 조절하거나 도핑량을 조절하는 방법에 의해서 1Ωㆍcm 이하의 저저항 특성을 가지는 탄화규소를 증착하는 저저항 공정 조건 또는 400Ωㆍcm 이상의 고저항 특성을 가지는 탄화규소를 증착하는 고저항 공정 조건으로 흑연 희생기재의 표면에 제1탄화규소층을 증착한다.

구체적으로 CVD 공정으로 탄화규소를 증착하기 위한 공정 가스에 저항 조절을 위한 N형 또는 P형 도핑 원소를 추가하며, 별도의 도핑 가스를 추가하는 것으로 볼 수도 있다. 이때, 도핑 원소 또는 도핑 가스의 종류에 따라서 증착되는 탄화규소의 저항 특성을 조절할 수도 있고, 도핑되는 양을 조절하여 증착되는 탄화규소의 저항 특성을 조절할 수도 있으며, 나아가 이들을 혼합하여 적용하는 방법으로 탄화규소의 저항 특성을 조절할 수도 있다.

저저항 공정 조건 또는 고저항 공정 조건을 적용한 제1단계를 통해서, 흑연 기재의 표면에 소정 두께로 제1탄화규소층이 증착되면, 제2단계를 연속적으로 수행한다.

제2단계는 제1단계에서 선택된 공정 조건과 반대의 공정 조건이 되도록 공정 조건을 연속적으로 변화시키면서 탄화규소를 증착하는 단계이다.

제1단계가 저저항 공정 조건인 경우에는 고저항 공정 조건을 향해서 공정 조건을 연속적으로 변화시키며, 제1단계가 고저항 공정 조건인 경우에는 저저항 공정 조건을 향해서 공정 조건을 연속적으로 변화시킨다.

제2단계는 공정 조건이 고정되지 않고 연속적으로 변화되기 때문에, 전기저항 특성이 저저항에서 고저항으로 또는 고저항에서 저저항으로 연속적으로 변화하는 탄화규소층인 버퍼층이 형성된다.

이때, 제1단계와 제2단계가 공정 조건만 변화하고 탄화규소의 증착은 지속적으로 수행되는 연속 공정으로 수행되기 때문에, 제1탄화규소층과 버퍼층은 명확한 경계면으로 구분되지 않는다.

제2단계에서 저항 특성에 따른 공정 조건의 변화가 완료되면, 공정 조건이 고정되고 제3단계가 수행된다.

제3단계는 제1단계에서 선택된 공정 조건과 반대의 공정 조건에 제2탄화규소층이 증착된다.

제1단계가 저저항 공정 조건인 경우에는 공정 조건이 변화되어 고저항 공정 조건으로 제3단계가 수행되며, 제1단계가 고저항 공정 조건인 경우에는 공정 조건이 변화되어 저저항 공정 조건으로 제3단계가 수행된다.

이때, 제2단계에서 수행되는 공정 조건의 변화가 완료된 뒤에 탄화규소의 증착이 지속적으로 진행되는 것이 제3단계이기 때문에, 버퍼층과 제2탄화규소층은 명확한 경계면으로 구분되지 않는다.

그리고 제1단계와 제3단계를 전기 저항 특성에 따른 공정 조건에만 차이를 두지 않고, 성장속도(Deposition Rate)에 따른 공정 조건에도 차이를 둘 수 있다.

구체적으로 시간당 10~30㎛의 성장속도로 다결정 탄화규소를 성장시키는 저속성장 조건과 시간당 40~100㎛의 성장속도로 다결정 탄화규소를 성장시키는 고속성장 조건을 함께 적용할 수 있다. 이때, 대용량 CVD 반응챔버 내에서의 성장속도의 조절은 증착온도 및 반응챔버 내 온도 균일도 또는 온도구배, 저압에서 상압 범위의 증착압력, MTS(methyltrichlorosilane)와 같은 원료가스와 운송 및 도핑가스와의 혼합비 또는 농도, 균일한 혼합가스 흐름속도 및 분포 등을 조절하여 수행할 수 있으며, 저속 및 고속 증착공정에 최적화된 조건으로 조절되어 수행될 수 있다.

예를 들면, 제1단계는 저저항 공정 조건과 고저항 공정 조건 중에서 하나를 선택하는 동시에 저속성장 조건과 고속성장 조건 중에서 선택된 하나를 함께 적용한다. 그리고 제3단계에서는 저저항 공정 조건과 고저항 공정 조건 중에서 제1단계의 조건과 반대되는 조건을 선택하는 동시에 저속성장 조건과 고속성장 조건 중에서 제1단계의 조건과 반대되는 조건을 함께 적용한다.

이 경우, 제2단계에서는 전기 저항 특성에 따른 공정 조건과 성장 속도에 따른 공정 조건이 모두 연속적으로 변화될 수 있다.

이와 같이, 전기 저항 특성에 따른 공정 조건과 함께 성장 속도에 따른 공정 조건을 적용하여 변화시키는 경우, 최적화된 저속성장 조건에 의한 탄화규소층의 특성과 최적화된 고속성장 조건에 의한 탄화규소층의 특성을 모두 가지고 있을 뿐만이 아니라, 고속성장 조건에 따른 잔류응력을 저속성장 조건으로 완화하는 동시에 고속성장층과 저속성장층 사이에 잔류응력이 상보되어 성형체 전체적으로 잔류응력이 균형적으로 분포된다. 그에 따라서 흑연기재에서 성형체를 분리하더라도 벤딩, 뒤틀림 및 크래킹 등의 변형이 발생되지 않는 장점이 있다. 나아가 샤워헤드 등으로 제작하기 위하여 성형체에 면 또는 홀가공 등의 기계적 가공을 수행하는 경우에 가해지는 응력을 견디는 완충 역할을 수행할 수 있다.

한편, 이상에서 설명한 제1단계 내지 제3단계의 증착 공정은 흑연 희생기재의 표면 중에 한쪽 면에만 수행되지 않고, 흑연 희생기재의 양쪽 표면에 동시에 수행될 수 있다.

본 실시예에서는 전기 저항 특성이 다른 일체형의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키기 위한 대용량 CVD 공정 조건에서, N형 또는 P형 도핑가스의 량을 조절하여 각각의 탄화규소층의 전기저항을 다르게 증착하게 되며, 특히 시간당 10~30㎛의 성장속도(Deposition Rate)로 다결정 탄화규소를 성장시키는 경우를 저속성장 조건으로 명칭하고, 저저항(1Ωㆍcm 이하) 또는 고저항(400Ωㆍcm 이상) 특성의 저속성장 조건으로 수행하는 공정을 저속성장 공정으로 명칭 한다.

반면에 전기 저항 특성이 다른 일체형의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키기 위한 대용량 CVD 공정 조건에서, N형 또는 P형 도핑가스의 량을 조절하여 각각의 탄화규소층의 전기저항을 다르게 증착하게 되며, 특히 시간당 40~100㎛의 성장속도로 다결정 탄화규소를 성장시키는 경우를 고속성장 조건으로 명칭하고, 저저항 또는 고저항의 고속성장 조건으로 수행하는 공정을 고속성장 공정으로 명칭하며, 저저항(1Ωㆍcm 이하) 또는 고저항(400Ωㆍcm 이상) 특성의 고속성장 조건으로 수행하는 공정을 저속성장 공정으로 명칭 한다. 대용량 CVD 반응챔버 내에서의 최적의 고저항 또는 저저항 특성의 저속 및 고속 증착공정은 증착온도 및 반응챔버 내 온도 균일도 또는 온도구배, 저압에서 상압 범위의 증착압력, MTS(methyltrichlorosilane)와 같은 원료가스와 운송 및 도핑가스와의 혼합비 또는 농도, 균일한 혼합가스 흐름속도 및 분포 등을 조절하여 수행할 수 있다.

본 발명은 전기 저항 특성이 다르며, 일체형의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체 또는 샤워헤드 제조를 위한 대형의 양산용 CVD 공정을 수행하는 과정에서, 최적화된 저속성장 공정과 최적화된 고속성장 공정을 각 1회씩 또는 1회 이상씩 교대로 수행하며, 각각의 최적화된 저속 또는 고속성장층 사이에는 저항특성이 고저항에서 저저항 또는 저저항에서 고저항으로 변하는 버퍼층을 갖는 특징이 있다. 그에 따라서 전기 저항 특성이 다른 저속 또는 고속성장 조건에서의 뛰어난 특성을 나타내는 다결정 탄화규소 성형체의 특성을 유지하면서, 선택적으로 최외각층에 최적화된 저속 혹은 고속성장 조건에서 증착된 탄화규소 후막을 형성하여 응용분야의 목적에 부합하는 특성의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수 있는 방법을 제공하며, 이러한 방식으로 제작된 일체형 다층의 다결정 탄화규소 성형체는 희생기재를 기준으로 양면으로 형성된 전기 저항 특성이 다른 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체는 중앙의 고저항에서 저저항으로 변하는 저속 또는 저저항에서 고저항으로 변하는 고속성장 후막 버퍼층을 기준으로 양면으로 형성된 적층구조에 의하여 희생기재 상에서 후막증착 중이거나 또는 희생기재에서 분리된 후에도 변형이 거의 없는 전기 저항이 다른 대칭 및 다층의 다결정 탄화규소 성형체를 제공한다.

최적화된 저속성장 조건에서 고저항 또는 저저항 고속성장 조건으로 공정 조건을 변경하거나 최적화된 고속성장 조건에서 저저항 또는 고저항 저속성장 조건으로 공정 조건을 변경하여 적용하는 것에 의해서, 동일한 대용량 CVD 장비 내에서 공정조건을 바꾸기 위해서 공정을 멈추거나 기판을 다른 챔버로 이동하지 않고 최적화된 저속성장 공정과 고속성장 공정 및 버퍼층 공정을 연속된 공정으로 진행할 수 있으며, 고저항 또는 저저항의 저속 혹은 저저항 또는 고저항의 고속성장으로 전환하는 속도는 최소 24시간에서 최대 120시간 이내로 한다.

탄화규소 성형체의 물성을 위하여 성장 속도에 따른 공정 조건을 변경하는 회수가 추가될 수 있다.

이때, 공정 조건을 1회 이상 변경하여 복수의 연속 공정을 수행하는 과정에서, 첫 번째 공정과 마지막 공정은 제조 대상인 성형체가 적용되는 목적에 부합되는 재료 특성을 나타내도록, 최적화된 저속성장 공정 또는 고속성장 공정 중에서 선택하여 배치하며, 이때 첫 번째 공정과 마지막 공정이 동일한 증착속도의 공정일 수도 있고 서로 다른 증착속도의 공정일 수도 있다. 이 경우 전기 저항 특성이 다른 대칭 및 다층의 다결정 탄화규소 성형체의 전체 두께 대비 작은 두께를 가질 수 있는 최외각 양면은 성형체 전체의 응력 분포에 영향을 미치지 않는 최적화된 저속 또는 고속공정의 조건으로 제작될 수 있다.

그리고 2회 이상 저속성장 조건과 고속성장 조건을 변경하는 과정에서, 최적화된 저속성정 조건과 최적화된 고속성장 조건의 순서와 시간을 조절하여, 전기 저항 특성이 다른 다결정 탄화규소의 내부잔류응력이 균형 잡힌 다층의 탄화규소 성형체를 제조할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명에 따라 제조되는 전기 저항 특성이 다른 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 형태를 기준으로 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

구체적으로 평면 또는 대칭 평면의 평판 형태의 흑연 희생기재 상에서 전기 저항 특성이 다른 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조하기 위한 경우로서, 흑연 희생기재 원판을 대용량 CVD의 장치에 대량으로 배치하고, 희생기판의 상하 양면에 전기 저항 특성이 다른 다결정 탄화규소 저속성장과 고속성장 후막을 교차하여 대칭의 구조로 다층의 탄화규소 후막을 형성시킨다.

도 1은 본 발명에 따른 첫 번째 실시예의 방법으로 평판 형태의 흑연 희생기재 양면 상에 같은 두께로 증착되어 제작될 수 있는, 일체형의 전기 저항 특성이 다른 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 샤워헤드 또는 성형체를 도시한 대표 도면이다.

흑연 희생기재에서 전기 저항 특성이 다른 일체형의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 분리한 뒤에, 황삭, 정삭, 홀가공, 연마 및 세정공정을 거치며 최종 제품으로 제작되며, 본 실시예에서는 최하단과 최상단이 최적화된 고저항 또는 저저항의 저속성장 공정으로 형성된 제1탄화규소층(200)과 저저항 또는 고저항의 고속성장 공정으로 형성된 제2탄화규소층(300)으로 구성되며, 10,000개 이상의 가스 주입 구멍을 정밀 가공하여 고품질의 일체형 및 전기 저항 특성이 다른 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 샤워헤드를 제조할 수 있다.

하지만 이러한 형태에 한정되는 것은 아니며, 희생기재에서 분리된 이후에 후속공정에서 많은 가공이 필요한 경우에는, 전기 저항 특성이 다른 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체의 최하단과 최상단에 적절한 두께의 저속성장층이 위치하도록 구성함으로써 후속공정을 진행한 뒤에 목적에 부합하는 고품질의 탄화규소층이 표면에 노출되도록 할 수도 있다.

도 1a는 고저항 또는 저저항의 저속 및 고속성장층과 두층의 중앙에 고~저저항 또는 저~고저항으로 전기 저항 특성이 변하는 버퍼층을 포함하는 일체형의 반도체 플라즈마 공정장비의 샤워헤드(10)를 도시하고 있으며, 공정 가스들을 반응 챔버로 균일하게 주입하기 위한 많은 가스 주입홀(11)을 포함하고 있다.

도 1b는 샤워헤드(10)의 A-A절단면을 도시하고 있으며, 최적화된 고저항 또는 저저항 저속성장층인 제1탄화규소층(200) 및 저저항 또는 고저항 고속성장층인 제2탄화규소층(300)과 두층의 중간의 버퍼층(250)이 형성되었고, 정밀 가공을 통하여 형성된 크기가 다른 가스 주입홀(11)들이 버퍼층(250) 중앙에서 만나도록 형성되어 있다.

앞서 설명한 것과 같이, 본 발명에서 제1탄화규소층(200)과 버퍼층(250) 및 제2탄화규소층(300)은 탄화규소층의 물리적 특성에 따라서 구분한 것이고, 도면에서는 각층을 구분하기 위하여 경계선을 표시하였으나 계면으로 분리된 구성이 아니다.

상기한 각층을 형성하는 증착 공정이 연속으로 진행되어 각층이 연속적으로 이어질 뿐만이 아니라, 버퍼층(250)은 전기적 특성이 고저항에서 저저항으로 또는 저저항에서 고저항으로 연속적으로 변화한다. 따라서 주입홀(11)의 내부에서 층 사이의 계면 형성에 따른 아킹이나 저항 특성이 급격히 변하는 경계면에서의 아킹이 발생하지 않는 뛰어난 효과가 있다.

도 2a는 본 발명에 따른 첫 번째 실시예의 방법으로 평판형태의 흑연 희생기재 양면 상에 같은 두께로 증착되며, 전기 저항 특성이 다른 일체형의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 도시한 도면이다. 첫 번째 실시예는 평판의 흑연 희생기재(100)의 양면에 전기 저항 특성이 다른 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소를 성장시키는 과정에서, 최적화된 고저항 또는 저저항의 저속성장층인 제1탄화규소층(200) 및 저저항 또는 고저항의 고속성장층인 제2탄화규소층(300)을 1회씩 적용하되, 중간의 버퍼층(250)은 고저항에서 저저항으로 또는 저저항에서 고저항으로 전기 저항 특성이 연속적으로 변하는 다결정 탄화규소 후막층을 저속성장 또는 고속성장 조건으로 수행하고, 최종 10mm 이상 두께의 전기 저항 특성이 다른 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수 있다.

이때, 고저항 또는 저저항의 저속성장 공정은 성장속도가 10㎛/h이고, 저저항 또는 고저항의 고속성장 공정은 성장속도가 40㎛/h이며, 고저항 또는 저저항의 저속성장층인 제1탄화규소층(200)과 저저항 또는 고저항의 고속성장층인 제2탄화규소층(300)이 동일한 두께로 형성되도록 성장시간이 조절된다.

그리고 대칭 구조의 3차원 형태의 희생기재(100)의 표면에 고르게 고저항 또는 저저항의 저속성장층인 제1탄화규소층(200)과 저저항 또는 고저항의 고속성장층인 제2탄화규소층(300)이 2회 이상 교번하여 증착됨으로써, 3차원 형태의 희생기재(100)의 표면 굴곡이 반영되어 표면 구조가 입체적인 전기 저항 특성이 다른 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수도 있다.

도시된 전기 저항 특성이 다른 일체형의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체는, 최종적으로 가운데에 위치한 흑연 희생기재를 제거하고 위쪽과 아래쪽에 성장된 2개의 전기 저항 특성이 다른 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체가 분리되어 제조된다. 이때, 각각의 전기 저항 특성이 다른 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체는 최하단과 최상단이 모두 최적화된 저속성장 및 고속성장 조건에 의해 성장된 저속성장층인 제1탄화규소층(200)과 고속성장층인 제2탄화규소층(300)임을 확인할 수 있다.

한편, 희생기재(100)의 재질로서 고순도의 치밀한 흑연을 사용하여도 초기에 형성되는 다결정 탄화규소는 희생기재(100)의 재료특성 및 표면특성에 영향을 받기 때문에, 연속공정 중에서 첫 번째 공정인 제1단계는 저속 공정을 적용하는 것이 좋겠으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

그리고 도시된 전기 저항 특성이 다른 일체형의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체는 고저항 또는 저저항의 저속성장층인 제1탄화규소층(200)과 저저항 또는 고저항의 고속성장층인 제2탄화규소층(300)이 동일한 두께로 형성되어 있기 때문에, 희생기재(100) 면상에서 성장되는 과정에서나 또는 희생기재(100)에서 분리된 뒤에도 다층 구조의 내부응력이 균형이 잡힌 상태가 된다. 결국, 흑연 등의 희생기재(100)에서 분리된 각각의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체는, 버퍼층(250)을 중심으로 응력의 균형이 잡힌 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 형성하며, 전기 저항 특성을 다르게 하기 위해 첨가되는 도핑가스에 의해 성장하는 탄화규소층의 응력이 달라질 수도 있으며, 이때에는 탄화규소 성장속도를 조절하여 하단과 상단의 탄화규소층의 응력의 균형을 조절할 수도 있다.

한편, 본 실시예에서는 흑연 희생기재(100)의 상부와 하부에 동일한 구조를 가지는 전기 저항 특성이 다른 일체형의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체가 성장되기 때문에, 희생기재(100) 상부와 하부에 위치하는 다층의 다결정 탄화규소 성형체 사이의 스트레스 차이에 의한 제품 변형이 없거나 최소화될 수 있으며, 최종적으로 희생기재(100)에서 분리된 뒤에는 제품의 변형이 없는 일체형의 전기 저항 특성이 다른 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제작할 수 있다.

도 2b는 본 발명에 따른 두 번째 실시예의 방법으로 평판형태의 흑연 희생기재 양면 상에 다른 두께로 증착되며, 도2a의 경우보다는 고저항 또는 저저항의 저속성장층인 제1탄화규소층(200)이 더 두껍게 증착될 수도 있으며(도 2b), 저저항 또는 고저항의 고속성장층인 제2탄화규소층(300)이 더 두껍게 증착될 수도 있는(도 2c), 전기 저항 특성이 다른 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 도시한 도면이다.

두 번째 실시예는 평판형태의 흑연 희생기재 양면 상에 다른 두께로 증착되며, 전기 저항 특성이 다른 일체형의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소를 성장시키는 과정에서, 최적화된 고저항 또는 저저항 저속성장층인 제1탄화규소층(200) 및 저저항 또는 고저항 고속성장층인 제2탄화규소층(300)을 1회씩 형성하되, 중간의 버퍼층(250)은 고저항에서 저저항으로 또는 저저항에서 고저항으로 전기 저항 특성이 순차적으로 변하는 다결정 탄화규소 후막층을 저속성장 또는 고속성장 조건으로 수행하고, 최종 10mm 이상 두께의 전기 저항 특성이 다른 일체형의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체를 제조할 수 있다.

이때, 고저항 또는 저저항의 저속성장속도는 성장속도가 10~30㎛/h이고, 저저항 또는 고저항의 고속성장속도는 성장속도가 40~100㎛/h이며, 저속성장층인 제1탄화규소층(200)과 고속성장층인 제2탄화규소층(300)이 상이한 두께로 형성되도록 성장시간을 조절하였고, 첫 번째 실시예에 비하여 고저항 또는 저저항의 저속성장층인 제1탄화규소층(200)의 두께가 더 두껍거나(도면 2b), 저저항 또는 고저항의 고속성장층인 제2탄화규소층(300)의 두께가 더 두꺼울 수 있다(도면 2c).

한편, 두 번째 실시예는 첫 번째 실시예에 비하여 일체형 샤워헤드의 전기 저항 특성의 요구가 다를 때 적용될 수가 있으며, 두께가 다른 고저항 또는 저저항의 저속성장층인 제1탄화규소층(200)과 저저항 또는 고저항의 고속성장층인 제2탄화규소층(300)이 동일한 균형잡힌 내부 응력을 갖도록 증착속도 및 도핑 량 등의 공정조건을 조절하여 얻을 수 있다. 다만, 고속성장층이 두꺼워질수록 내부응력의 균형을 유지하기 어려울 수 있으므로 요구되는 제품의 사양에 맞추어 고속공정 조건의 두께를 적절하게 조절하는 것이 좋다.

본 발명의 전기 저항 특성이 다른 일체형의 대칭 및 다층 구조의 다결정 탄화규소 샤워헤드 또는 성형체 제조방법은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 기판의 양면에 증착하지 않고 일면에만 증착하는 것도 가능하다. 또한 적용분야의 특성에 의해서 한쪽면의 표면 품질만 중요한 경우라면, 고저항 또는 저저항의 저속성장층인 제1탄화규소층(200)과 저저항 또는 고저항의 고속성장층인 제2탄화규소층(300)을 교대로 배치하는 과정에서 한쪽 표면은 저속성장층이 위치하고 다른 쪽 표면은 고속성장층이 위치하도록 다층 구조로 구성할 수도 있다. 나아가 고저항 또는 저저항의 저속성장층인 제1탄화규소층(200)과 저저항 또는 고저항의 고속성장층인 제2탄화규소층(300)의 두께를 기준으로 조절하지 않고, 고속성장 공정과 저속성장 공정의 시간을 동일하게 조절하는 방법도 가능하다.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 성형체 제조방법을 적용하기 위한 대용량 CVD 장치의 반응챔버에 대한 외형을 도시한 도면이다.

도시된 대용량 CVD 장치는 반응챔버 내부에 다양한 형태와 크기의 흑연 희생기재를 대량으로 설치할 수 있는 대용량 CVD 장치로서, 특히 다결정 탄화규소 후막을 형성하기 위한 다양한 형태와 크기의 기재를 대량으로 설치할 수 있는 대용량 CVD 장치이며, 이러한 대용량 CVD 장치의 반응챔버는 측면에 서로 대향되는 위치에 복수의 가스주입부와 가스배출부가 형성된다. 도시된 실시예의 반응챔버는 측면의 평단면이 원통 형상으로 구성되나, 이에 한정되는 것은 아니며 평단면이 사각형이나 다른 형태일 수도 있다. 가스주입부와 가스배출부는 완전히 대향되는 위치에 형성될 것이 강요되는 것은 아니지만, 전체적인 반응가스의 층간 흐름(Laminar Flow)을 고려할 때에 대향되는 위치에 설치되는 것이 바람직하며, 수직적 반응가스의 층간흐름을 고려하는 것도 바람직하다.

도 3b와 c는 첫 번째 실시예에 따른 대용량 CVD 장치의 반응챔버 내부에 원형 판형태의 흑연 희생기재를 대량으로 적재한 방식을 도시한 단면도이다.

도시된 것과 같이 수평 또는 수직의 방향으로 원형 판형태의 흑연 희생기재 상에 전기 저항 특성이 다른 다층의 다결정 탄화규소 후막을 형성하기 위한 기재가 다수 적층된 형태로 대용량 CVD 반응챔버의 내부에 설치되며, 이러한 적층된 기재가 복수 개 설치된다. 생산성을 높이기 위해서는 기재와 기재의 사이 간격을 적절히 조절할 수 있고, 복수의 가스주입부 및 가스배출부의 개폐를 통하여 최적화된 반응가스 공급, 흐름 및 분포를 형성하여, 최종적으로 균일한 두께의 전기 저항 특성이 다른 다층의 다결정 탄화규소 후막 또는 성형체를 제작할 수 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 샤워헤드
11: 주입홀
100: 흑연 희생기재
200: 제1탄화규소층
250: 버퍼층
300: 제2탄화규소층

Claims (11)

1. 흑연 희생기재의 표면에 CVD 공정으로 다결정 탄화규소 성형체를 제조하는 방법으로서,
   1Ωㆍcm 이하의 저저항 특성을 가지는 탄화규소를 증착하는 저저항 공정 조건 또는 400Ωㆍcm 이상의 고저항 특성을 가지는 탄화규소를 증착하는 고저항 공정 조건으로 흑연 희생기재의 표면에 제1탄화규소층을 증착하는 제1단계;
   공정 조건을 연속적으로 변경하는 제2단계; 및
   저저항 공정 조건과 고저항 공정 조건 중에 상기 제1단계와 반대되는 공정 조건으로 제2탄화규소층을 증착하는 제3단계를 포함하며,
   공정 조건을 연속적으로 변경하는 제2단계에서 저저항에서 고저항으로 또는 고저항에서 저저항으로 전기적 특성이 연속적으로 변화하는 버퍼층이 형성되어 저항이 급격히 변화하는 경계면에서의 아킹이 발생되지 않는 것을 특징으로 하는 일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   저저항 공정 조건과 고저항 공정 조건이, 도핑원소를 조절하거나 도핑량을 조절하는 방법으로 구분되는 것을 특징으로 하는 일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체 제조방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1단계는 10~30㎛/h 범위의 성장속도로 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키는 저속성장 조건으로 수행되거나 40~100㎛/h 범위의 성장속도로 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키는 고속성장 조건으로 수행되고,
   상기 제3단계는 저속성장 조건과 고속성장 조건 중에 상기 제1단계와는 반대되는 공정 조건으로 수행되며,
   상기 제2단계에서는 저속성장 조건에서 고속성장 조건으로 공정 조건을 연속적으로 변경하거나 고속성장 조건에서 저속성장 조건으로 공정 조건을 연속적으로 변경하는 것을 특징으로 하는 일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체 제조방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 흑연 희생기재가 평면 또는 대칭 굴곡면을 가지며,
   탄화규소의 증착이 흑연 희생기재의 상면과 하면에서 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체 제조방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   제1탄화규소층과 제2탄화규소층의 두께가 서로 동일하도록, 제1단계와 제3단계의 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체 제조방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   제1탄화규소층과 제2탄화규소층의 두께가 서로 다르도록, 제1단계와 제3단계의 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체 제조방법.
   
7. 1Ωㆍcm 이하의 저저항 특성 또는 400Ωㆍcm 이상의 고저항 특성을 가지는 제1탄화규소층;
   1Ωㆍcm 이하의 저저항 특성 또는 400Ωㆍcm 이상의 고저항 특성 중에 상기 제1탄화규소층과 반대되는 특성을 가지는 제2탄화규소층; 및
   제1탄화규소층과 제2탄화규소층 사이에 형성된 버퍼층으로 구성되며,
   상기 버퍼층은 1Ωㆍcm 이하의 저저항 특성에서 400Ωㆍcm 이상의 고저항 특성으로 연속적으로 특성이 변화하거나 400Ωㆍcm 이상의 고저항 특성에서 1Ωㆍcm 이하의 저저항 특성으로 연속적으로 특성이 변화되어 저항이 급격히 변화하는 경계면에서의 아킹이 발생되지 않는 것을 특징으로 하는 일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   제1탄화규소층과 버퍼층 및 제2탄화규소층은 CVD 공정으로 형성되며, 제1탄화규소층을 형성하는 공정 조건에서 제2탄화규소층을 형성하는 공정 조건으로 공정 조건을 연속적으로 변화시킴으로써 상기 버퍼층이 형성된 것을 특징으로 하는 일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   1Ωㆍcm 이하의 저저항 특성을 가지는 탄화규소를 증착하는 저저항 공정 조건과 400Ωㆍcm 이상의 고저항 특성을 가지는 탄화규소를 증착하는 고저항 공정 조건은, 도핑원소를 조절하거나 도핑량을 조절하는 방법으로 구분되는 것을 특징으로 하는 일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체.
   
10. 청구항 8에 있어서,
    제1탄화규소층은 10~30㎛/h 범위의 성장속도로 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키는 저속성장 조건으로 증착되거나 40~100㎛/h 범위의 성장속도로 다결정 탄화규소 성형체를 성장시키는 고속성장 조건으로 증착되고,
    제2탄화규소층은 저속성장 조건과 고속성장 조건 중에 제1탄화규소층과 반대되는 공정 조건으로 증착되며,
    상기 버퍼층은 저속성장 조건에서 고속성장 조건으로 공정 조건을 연속적으로 변경하거나 고속성장 조건에서 저속성장 조건으로 공정 조건을 연속적으로 변경하는 과정에서 증착된 것을 특징으로 하는 일체형 다층 구조의 다결정 탄화규소 성형체.
    
11. 플라즈마 공정장비에서 공정 가스들을 반응 챔버로 균일하게 주입하기 위한 복수의 홀이 형성되고 상부전극으로도 사용되는 샤워헤드로서,
    청구항 7의 다결정 탄화규소 성형체를 사용하여 제작된 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정장비용 샤워헤드.
    

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