KR102279391B1 - 반도체 노광 장비용 세라믹 부재 및 동 부재의 제조방법 - Google Patents

반도체 노광 장비용 세라믹 부재 및 동 부재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 반도체 노광장비용 세라믹 부재는, Al2O3를 주요 성분으로 제조되며, 원료단계에서 투입되는 착색제로서 분말상 Co2O3를 포함함과 동시에, 분말상의 TiO2, Fe2O3, MnO2, 및 ZnO에서 선택된 적어도 1 이상의 추가 착색제를 더욱 포함하며, 상기 Co2O3 100중량부에 대해 상기 추가 착색제는 168 내지 323중량부가 되도록 구성되어, 반도체 공정에서 기판을 유지, 고정하기 위한 척으로서 제조될 경우 내마모성, 내화학성 등 물성이 매우 우수한 알루미나 세라믹으로 제조되면서도, 노광 공정에 있어 빛 반사에 의한 플레어 노이즈 등을 방지하여 패턴 전사의 정밀도를 높일 수 있는 노광장비용 세라믹 부재를 제공할 수 있다.

Description

반도체 노광 장비용 세라믹 부재 및 동 부재의 제조방법 {CERAMIC MEMBER FOR SEMICONDUCTOR EXPOSURE APPARATUS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 반도체 노광 장비용 세라믹 부재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회로 패턴이 형성된 마스크에 빛을 통과시켜 감광액 막이 형성된 웨이퍼 표면에 회로 패턴을 그리는 작업인 노광 공정에 있어, 웨이퍼 등 기판이 놓이는 진공척이나 정전척과 같은 부재에 적용될 수 있는 반도체 노광 장비용 세라믹 부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
노광(Stepper Exposure)이라는 것은 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 공정으로서, 반도체 공정에 있어 고집적 회로를 프린팅하기 위해 흔히 사용된다.
즉, 노광은 흔히 카메라 셔터로 빛을 조절하는 노출(exposure)과 동의어로 쓰이지만, 반도체 공정에서의 노광은 빛을 선택적으로 조사하는 과정을 일컫는 용어로서, 반도체 노광 공정은 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜, 감광액 막이 형성된 웨이퍼 표면에 회로 패턴을 그리는 작업을 의미한다.
부언하면, 웨이퍼 위쪽에 마스크를 놓고 빛을 쪼아 주면 회로 패턴을 통과한 빛이 웨이퍼에 회로 패턴을 그대로 옮기게 되며, 이 과정은 노광장비로 불리는 스태퍼(Stepper)를 통해 진행되는데, 스태퍼에 마스크를 넣고 빛을 투과해, 감광액이 칠해진 웨이퍼 위에 미세한 전자회로 그림이 만들어지도록 하는 것이다.
이때, 웨이퍼와 같은 운반체 기판을 특정 공정이 진행되는 동안 파지 또는 고정 지지하며 해당 기판이 놓이는 수단으로서 진공척이나 정전척과 같은 척(Chuck)이 사용된다.
반도체나 디스플레이 그 밖의 기판 공정에서 사용되는 척은 기판이 놓이고, 진공이나 정전 기능에 의해 기판을 고정하는 기능을 수행함과 동시에, 단계 작업이 종료된 기판이 다음 공정으로 이송되고 새로운 대상 기판이 놓이는 반복적인 과정을 통해서 운반체의 오염, 부품의 파손을 방지하고 높은 수명을 가질 수 있도록 하기 위해 내마모성이 우수한 세라믹 재료로 된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
반도체 및 디스플레이 장비, LED 액정장치의 제조 공정에 사용되는 세라믹 부재의 경우 가공성 및 내마모성에서 최적화된 재료로서 알루미나 세라믹이 주로 사용되고 있으나, 소재 자체의 색상은 흰색 또는 아이보리색이 주류로서, 광원 주위나 초점 주위 부품으로서 노광장비용으로 사용될 경우 빛을 반사해 플레어(flare) 노이즈 등을 발생시키는 원인이 될 수 있기 때문에 노광장비용 부재로서는 적합하지 않은 물성을 가지고 있다.
따라서, 현재의 노광장비용 척은 알루미늄 금속을 아노다이징 처리한 재료를 사용하고 있으나, 세라믹과는 비교가 되지 않을 정도로 열 변형에 대한 취약성과 빠른 마모 등으로 미세 선폭을 구현하는 데는 한계가 있다.
알루미나(Al2O3) 세라믹은 알루미나 분말을 고도의 기술로 정제한 것을 원료로 하여 제조한 무기소재를 의미하며, 보다 세분되는 파인세라믹스의 원재로 사용되는 고순도 알루미나 분말은 99.5% 이상의 순도를 가지며, 평균 입자크기가 1㎛ 이하인 미세한 분말로서, 소결이 비교적 잘되는 특성을 가지고 있다.
이와 같은 고순도 분말로 제조된 알루미나 세라믹은 뛰어난 내약품성을 갖는 바, 불활성 상태이기 때문에 화학적 침식에 높은 저항성을 가져, 산, 알카리, 유기용제 등에 거의 영향을 받지 않는다. 또한 알루미나 세라믹은 치밀하고 경도가 높은 물질로서 일반적인 금속재료보다 15 내지 20배 높은 내마모 특성을 보유하고 있으며, 전기절연체로서 고온에서의 전기절연성 및 고전압에 대한 절연내력이 크며, 강유전성과 낮은 유전 손실률을 보유하고 있다. 아울러 알루미나 세라믹은 우수한 내열성을 가져 최고 사용온도는 다른 대부분의 금속이 갖는 용융점을 초과하며, 연속 사용 시에도 1,600 내지 1,700℃ 온도까지도 사용이 가능하다.
따라서, 알루미나 세라믹은 각종 전자부품, 반도체 공정, 우주선, 자동차 엔진 뿐만 아니라 인체의 골격이식에 따른 인체 바이오산업에까지 그 적용 영역이 매우 광범위하다.
즉, 전술한 바와 같이 반도체 제조 공정에 있어 알루미나 세라믹은 내화학성, 화학안정성, 내열성, 절연성 등의 유리한 물성들을 구비하고 있으므로, 반도체 노광 장비용 부재의 재료로서 사용될 수 있기 위해서는 상기한 유리한 물성들과 함께 진공척이나 정전척과 같은 특정 구조의 척(Chuck) 형상으로 성형성이 우수하고, 결정적으로 노광공정에서 빛 반사로 인한 문제점을 방지하기 위해, 노광공정 시 사용되는 자외선-가시광선 영역에서 반사율을 최소화(혹은 흡수율 최대화)할 수 있는 것이 바람직하다.
일본등록특허공보 제6141756호나 한국등록특허공보 제1168863호 등에는 반사율이 낮거나 착색제가 함유된 세라믹 진공척 등에 대한 기술 내용이 개시되어 있으나, 가공성 및 반사율을 동시에 최적화할 수 있는 기술에 대한 내용은 기재되어 있지 않은 등, 아직까지는 이를 위한 최적화된 연구 결과가 제시되고 있지 못한 실정이다.
일본등록특허공보 제6141756호 한국등록특허공보 제1168863호
본 발명은 전술한 종래 반도체 노광장비용 세라믹 부재로서로서의 문제점을 해소하기 위하여, 노광 공정에서 패턴 전사의 정밀도를 높이기 위해 낮은 반사율을 가지면서도, 그 밖에 기본적으로 요구되는 물성 및 척 형상 가공성이 우수한 반도체 노광장비용 세라믹 부재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 노광장비용 세라믹 부재는, 분말상 원료 단계에서 Al2O3 55.9 ~ 76.8중량%, TiO2 4.0 ~ 7.0중량%, Fe2O3 6.0 ~ 10.0중량%, Co2O3 8.0 ~ 15.0중량%, MnO2 3.0 ~ 8.0중량%, ZnO 0.5 ~ 0.8중량%, SiO2 1.0 ~ 2.0중량%, ZrO2 0.5 ~ 0.8중량%, CaO 0.2 ~ 0.5중량%를 포함하여 제조되며, 소결 결과 제조된 소결체의 반사율이 360~480nm 파장 범위에서 6.5% 이하이다.
이때, 상기 Al2O3 는 서브마이크론 크기의 분말상일 수 있다.
이때, 소결 결과 제조된 소결체의 이론 밀도가 파인알루미나 세라믹스 대비 98% 이상일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 반도체 노광장비용 세라믹 부재는, Al2O3를 주요 성분으로 제조되는 반도체 노광장비용 세라믹 부재로서, 원료단계에서 투입되는 착색제로서 분말상 Co2O3를 포함함과 동시에, 분말상의 TiO2, Fe2O3, MnO2, 및 ZnO에서 선택된 적어도 1 이상의 추가 착색제를 더욱 포함하며, 상기 Co2O3 100중량부에 대해 상기 추가 착색제는 168 내지 323중량부이다.
이때, 상기 추가 착색제로서 TiO2, Fe2O3, MnO2 및 ZnO를 동시에 포함하며, 상기 Co2O3 100중량부에 대해 TiO2 50~88중량부, Fe2O3 75~125중량부, MnO2 37~100중량부, ZnO 6~10중량부일 수 있다.
이때, 상기 착색제 및 상기 추가 착색제는 전체 출발원료 전체 중량에 대하여 22~41중량%일 수 있다.
이때, 상기 추가 착색제로서 분말상의 TiC를 더욱 포함할 수 있다.
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삭제
이때, 소결 결과 제조된 소결체의 이론 밀도가 파인알루미나 세라믹스 대비 98% 이상일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 반도체 노광장비용 세라믹 부재의 제조방법은, 분말상의 Al2O3와 Co2O3를 포함하고, 분말상의 TiO2, Fe2O3, MnO2 및 TiC로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 착색제 성분을 용매와 혼합하여 슬러리 제조하는 혼합 슬러리 제조 단계; 상기 혼합 슬러리 제조에서 제조된 슬러리를 일정한 형상으로 성형하고 건조하는 성형 건조단계; 상기 성형 건조단계 이후, 건조된 대상체를 적어도 1,000℃ 이상의 온도로 소결하는 소결 단계;를 포함한다.
이때, 상기 슬러리 제조 단계에, 분말상의 SiO2를 더욱 포함할 수 있다.
이때, 상기 슬러리 제조 단계에, 분말상의 ZrO2 및 상기 CaO를 더욱 포함할 수 있다.
이때, 상기 소결 단계는 대기압 또는 감압 분위기에서 1,200 내지 1,400℃의 온도에서 1~3 시간 동안 수행될 수 있다.
전술한 바와 같은 구성에 의해, 본 발명에 따른 반도체 노광장비용 세라믹 부재는 다음과 같은 효과를 가진다.
반도체 공정에서 기판을 유지, 고정하기 위한 척으로서 제조될 경우 내마모성, 내화학성 등 물성이 매우 우수한 알루미나 세라믹으로 제조되면서도, 노광 공정에 있어 빛 반사에 의한 플레어 노이즈 등을 방지하여 패턴 전사의 정밀도를 높일 수 있는 노광장비용 세라믹 부재를 제공할 수 있다.
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도 1은 본 발의 실험예1에 의해 제조된 시료들의 사진이다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예 및 실험예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시예 및 실험예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 반도체 노광장비용 세라믹 부재 소재에 적합한 최적의 배합조건을 수많은 실험을 통하여 도출하고, 이러한 최적의 배합조건으로 제조된 반도체 노광장비용 세라믹 부재로서의 알루미나 세라믹 소결체의 특성을 검증함으로써 블랙화(빛의 반사율을 최소화한다는 의미)에 효과적이며, 알루미나 최종 소결체의 물성이 우수한 반도체 노광장비용 세라믹 부재 소재를 개발하고자 한다.
Al2O3에 MnO2 또는 TiO2가 일정 이상으로 첨가될 경우 입계 이동이 활발히 일어나 과대 입성장을 유발한다고 보고되고 있다. 따라서, 본 발명에서는 원료물질인 Al2O3에 최적량의 MnO2 또는 TiO2를 첨가하고, 최상의 물성과 블랙화 및 치밀한 구조의 반도체 노광장비용 세라믹 부재를 제조하기 위하여 최적의 성분과 배합비를 도출하고자 하였다.
이러한 본 발명의 반도체 노광장비용 세라믹 부재의 일 예로서는 출발원료인 Al2O3 원료에 착색제로 TiO2, Fe2O3 , MnO2 및 Co2O3 중 선택된 어느 하나 이상의 성분 및 SiO2를 용매상에서 혼합하여 슬러리를 얻고, 이 슬러리를 건조하고 소결하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
먼저, 출발원료인 알루미나 세라믹 원료로는 서브마이크론(sub-micron) 크기의 Al2O3 분말을 사용할 수 있다.
광흡수율의 증가를 위해 첨가되는 착색제로는 TiO2, Fe2O3, MnO2 등을 사용할 수 있다. 특히, 가장 효과적인 블랙화와 10% 미만의 반사율을 가지는 반도체 노광장비용 세라믹 부재를 얻기 위하여는 MnO2와 TiO2 및 Fe2O3을 함께 사용하는 것이 더욱 좋다. 특히, 본 발명은 상술한 착색제로서 가장 중요한 성분으로서 Co2O3 를 사용한다. Co2O3 를 사용할 경우 알루미나의 색상에 대해서는 후술하기로 한다.
산화코발트(Co2O3)는 특히 소결공정에서 자신은 산화와 동시에 환원작용을 일으켜 출발원료인 알루미나(Al2O3)가 흑색으로 발색하는데 기여하며, 환원강도는 기존에 착색제로서 사용되는 티타늄카바이드(TiC), 산화아연(ZnO) 보다도 강력한 가운데 이들 물질이 서로 공존하는데서 오는 상승효과 때문에 흑화 정도를 더욱 심화시키게 된다.
상기 착색제로서는 산화코발트를 주요 착색제로 사용하며, 그 밖에도 보조 착색제로서 적어도 두 가지 이상의 물질을 조합하여 사용하는 것이 바람직하다.
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본 발명은 최종 얻어진 반도체 노광장비용 세라믹 부재 소결체의 입성장 억제와 기공 감소 및 균일 방지를 위하여 필요에 따라 SiO2를 추가로 더 첨가할 수도 있다. 상기 SiO2는 반도체 노광장비용 세라믹 부재 제조 시 소결성을 향상시켜 액상소결에 의한 치밀화를 통하여 기공이 억제되고 보다 치밀한 반도체 노광장비용 세라믹 부재 소결체를 얻을 수 있도록 한다. 소결조제는 증류수 혹은 유기용제와 같은 적심제가 첨가되지 않은 알루미나 혼합물의 1 내지 2중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 성분을 포함하는 혼합 슬러리는 적당한 형상으로 성형하여 이후 건조 단계를 거치고, 필요한 경우 후 성형 과정을 거쳐 소결을 통하여 소결체로 얻어진다. 즉, 소결 이전에도 필요에 따라 건조물을 목적하는 형태로 성형하는 과정을 실시할 수도 있음은 물론이다.
소결은 공기분위기 또는 진공분위기, 즉 대기압이나 대기압보다 감압된 분위기에서 1,200 내지 1,400℃의 온도에서 1 ~ 3 시간 동안 수행할 수 있다. 상기 온도 범위 보다 낮으면 소결이 불충분하게 일어나고, 그 이상의 온도 범위에서는 과다 액상으로 소결밀도가 감소될 수 있다.
소결 시에는 혼합 슬러리에 포함된 성분들에 따른 Al2O3 입성장의 영향을 주게 되는데, 본 발명에 따라 제조된 반도체 노광장비용 세라믹 부재 소결체는 Al2O3 입성장이 억제되고, 기공이 감소된 미세구조를 보이게 된다. 특히, 상기 슬러리에 SiO2를 첨가한 경우에는 1,200℃의 온도에서 소결하는 것이 원활한 액상소결에 의한 높은 밀도를 가지는 치밀한 반도체 노광장비용 세라믹 부재 소결체를 제조할 수 있어 더욱 좋다.
전술한 바와 같은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 반도체 노광장비용 세라믹 부재는 빛 흡수에 효과적인 블랙 색상을 효과적으로 유지하면서, 10% 미만의 반사율과 이론밀도가 파인알루미나 세라믹스 대비 98% 이상의 치밀도를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 노광장비용 세라믹 부재는 기공이 거의 없는 치밀한 구조를 가지면서도 적절한 가공성을 가지며, 소결밀도, 반사율, 색상, 절연저항(상온), 꺾임강도, 열팽창계수 등의 물성이 우수하다.
이하에서는 실험예를 통해 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명할 것이나. 이들 실험예에서 특정되는 각종 구성 및 수치들은 본 발명의 핵심적 구성요소들을 포함하여 구현된 하나의 예로서만 제시되는 것으로서, 본 발명의 사상을 구현하는 유일한 구성을 예시하는 것은 아니며, 당업자들은 이를 통하여 본 발명의 권리 범위 내에서 다양한 형태의 변형을 가할 수 있음을 인지하여야 한다.
[실험예 1] 시료의 제조
본 발명에 따른 반도체 노광장비용 세라믹 부재에 적용될 수 있는 세라믹 재료를, 출발 물질로서 다음과 같은 조성비로 각 6가지의 시료로서 제작하였다.
시료 1 내지 3은 본 발명에 따른 특징적인 성분들을 포함하되, 그 성분 비를 조금씩 달리하며 제조된 것이고, 시료 4 내지 6은 대조군으로서 종래의 착색제 및 기타 첨가제만을 포함하되, 그 성분 비를 조금씩 달리하여 제조된 것이다.
각 시료별 성분 및 성분 비율(중량%)은 다음과 같다.
시료1 시료2 시료3 시료4 시료5 시료6
Al2O3 69.5 55.9 76.8 94.0 93.5 87.0
TiO2 5.0 7.0 4.0 3.0 3.0 3.0
Fe2O3 8.0 10.0 6.0 2.0 2.0 2.0
Co2O3 11.0 15.0 8.0 - - -
SiO2 1.0 2.0 1.0 - 1.0 1.0
MnO2 4.0 8.0 3.0 - - 6.0
TiC - - - 0.5 0.5 0.5
MgO - - - 0.5 - 0.5
ZrO2 0.6 0.8 0.5 - - -
ZnO 0.6 0.8 0.5 - - -
CaO 0.3 0.5 0.2 - - -
1) 시료별 슬러리 제조
상기 모든 성분은 서브마이크론 크기 입도의 분말상으로 선택하였으며, 용매로서 물을 35중량% 혼합함으로써 슬러리를 형성시켰다.
2) 슬러리 성형 및 건조
각각의 슬러리는 비교가 용이하도록 50mm×50mm×10mm 크기의 직육면체 형태로 성형하였으며, 습도 50%~60%, 20℃~30℃의 실온에서 급격한 건조를 막기 위해 얇은 종이로 덮은 상태에서 2주 동안 방치하여 건조시켰다.
3) 소결로에서 소결
건조된 각 시료를 1,300℃로 설정된 대기압 전기로에서 5일 동안 소결하였으며, 도 1에 도시된 바와 같은 형태 및 색상의 시료를 얻었다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 노광장비용 부재에 적용하기 위한 시료 1 내지 시료 3의 경우 육안으로 관찰하기에도 식별 가능한 정도의 흑색을 가지는 반면, 시료 4의 경우 엷은 남색을 띄었으며, 시료 5는 짙은 고동색, 시료 6은 엷은 고동색을 띄었다.
즉, 종래에 널리 알려진 착색제 TiC를 주로 사용하고 본 발명에 따른 주요 착색제인 Co2O3를 포함하지 않은 경우, TiO2와 Fe2O3를 함께 사용하였음에도 육안으로도 흑색으로 보이지 않을 정도임을 확인할 수 있었다.
더욱이, 상기 시료들을 적당한 형태로 가공하는 과정에서 통상의 세라믹 가공 장비를 통해 원활히 성형될 수 있음을 확인하였다.
[실험예 2] 반사율 측정
통상 반도체용 노광장비에서 사용되는 파장은 짧게는 200nm 부근에서 가시광선 영역에 이르며, 따라서 360nm ~ 680nm 범위에서 각각의 파장에서의 반사율을 측정하였다.
본 실험 결과는 JASCO사의 V-770 UV-Visible/NIR 및 Konica Minolta사의 CM-3799D Spectrophotometer를 사용하여 적분구 액세서리로 반사율을 측정한 결과이다.
시료1 시료2 시료3 시료4 시료5 시료6
대표값(nm) 5.89 6.56 6.63 17.42 7.37 9.04
360nm 5.98 6.85 6.94 11 7.65 8.11
400nm 5.91 6.74 6.81 15.25 7.55 8.04
440nm 5.82 6.62 6.68 18.54 7.37 7.99
480nm 5.88 6.59 6.65 19.61 7.28 7.99
520nm 6 6.58 6.66 18.49 7.24 8.18
560nm 5.78 6.55 6.62 16.61 7.34 8.92
600nm 5.91 6.52 6.59 16.38 7.55 10.35
640nm 5.91 6.54 6.65 16.72 7.8 11.44
680nm 7.3 6.79 7.23 17.03 8.22 12.49
반도체 노광장비용 부재로서 사용되기 위해서는 적어도 8 이하의 반사율이 바람직한 것으로 제시되고 있으며, 상기 실험을 통해, 본 발명에 따른 시료인 시료1 내지 시료3의 경우 대체적으로 우수한 반사율 수치를 보이고 있으며, 특히 자외선 영역에서도 낮은 반사율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
반면 시료4 내지 시료6의 경우 육안으로도 충분한 색상이 구현되지 않았던 것을 확인하였던 만큼, 실험을 통해서 측정된 반사율 역시 반도체 노광장비용으로 사용하기에는 지나치게 높은 반사율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
상기 실험예를 통해, 본 발명에 따른 반도체 노광장비용 부재의 경우 실험 대상 파장 영역에서 시료1 내지 시료3 모두 대체로 7이하의 반사율을 가지며, 특히 시료1의 경우 노광장비에서 주료 사용될 수 있는 360~480nm 파장 범위에서 6% 이하의 반사율을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상기 실험예 및 도면에 도시된 일실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (14)

  1. 분말상 원료 단계에서 Al2O3 55.9 ~ 76.8중량%, TiO2 4.0 ~ 7.0중량%, Fe2O3 6.0 ~ 10.0중량%, Co2O3 8.0 ~ 15.0중량%, MnO2 3.0 ~ 8.0중량%, ZnO 0.5 ~ 0.8중량%, SiO2 1.0 ~ 2.0중량%, ZrO2 0.5 ~ 0.8중량%, CaO 0.2 ~ 0.5중량%를 포함하여 제조되며,
    소결 결과 제조된 소결체의 반사율이 360~480nm 파장 범위에서 6.5% 이하인, 반도체 노광 장비용 세라믹 부재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Al2O3 는 서브마이크론 크기의 분말상인 것을 특징으로 하는, 반도체 노광 장비용 세라믹 부재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    소결 결과 제조된 소결체의 이론 밀도가 파인알루미나 세라믹스 대비 98% 이상인 것을 특징으로 하는, 반도체 노광장비용 세라믹 부재.
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