KR102339563B1 - 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물 및 이의 제조 방법 - Google Patents

플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

기판에 플라즈마를 이용하여 반도체층을 형성하기 위한 반응 공간을 갖는 반응 챔버에 설치되며 상기 플라즈마로 여기되어서 상기 반도체층을 형성하는 반응 가스를 상기 반응 공간으로 균일하게 분사하는 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물은 잔류 산소가 1% 미만인 질화알루미늄(AlN) 소결체로 이루어진다.

Description

플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물 및 이의 제조 방법{BAFFLE STRUCTURE APPLYING PLASMA CHEMICAL VAPOR DEPOSITION APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물 및 이의 제조 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 고밀도 플라즈마를 이용하여 기판에 반도체층을 증착할 수 있는 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition; 이하, HDP-CVD)에 사용되는 배플 구조물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치(HDP-CVD) 장치는 단위 면적당 약 1012개 이상의 고밀도 플라즈마를 사용하여 실리콘 웨이퍼와 같은 기판 상에 반도체층을 박막 형태로 증착하는 박막 형성 장치로써, 최근 고집적화되고 있는 반도체 소자를 제조하는데 적극 활용되고 있다.
구체적으로, 상기 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치(HDP-CVD)는 고주파 전원(RF)이 인가되면서 그 내부에 기판이 안착된 반응 챔버에 실란가스(SiH4), 산소가스(O2), 아르곤(Ar), 암모니아(NH3) 또는 플루오르(F) 등과 같은 반응 가스를 주입하여 상기 반응 가스가 상기 고주파 전원(RF)에 의해서 상기 플라즈마로 여기되도록 함으로써, 상기 여기된 플라즈마를 통해서 상기 기판 상에 반도체층을 균일하면서 안정적으로 증착되도록 하는 장치이다.
이에, 상기 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치(HDP-CVD) 장치는 상기 반응 챔버 내에서 상기 기판이 안착되는 정전척, 상기 반응 챔버에 설치되어 상기 고주파 전원(RF)이 인가되는 플라즈마 전극 및 상기 반응 챔버의 상기 정전척과 마주하는 상측에 설치되어 상기 반응 가스를 상기 기판을 향해 균일하게 분사하는 배플을 포함한다. 이때, 상기 배플은 세라믹 재질 중 내열성이 우수한 알루미나(Al2O3) 재질로 이루어진다.
그러나, 상기 알루미나(Al2O3) 재질은 그 특성 상 상기 플라즈마에 약하기 때문에 상기 기판에 상기 반도체층을 증착하는 과정에서 상기 플라즈마에 의해 상기 배플로부터 파티클이 발생되어 상기 기판을 오염시키는 문제점이 발생될 수 있다.
(특허 문헌1) 한국공개특허공보 (제10-2011-0053360호; 공개일 2011.05.20, 표면 처리된 알루미늄 질화물 배플)
본 발명의 목적은 플라즈마를 이용하여 기판에 반도체층을 박막 형태로 형성하기 위한 플라즈마 화학기상증착 장치에서 상기 기판을 오염시킬 수 있는 파티클의 발생을 방지하면서 상기 플라즈마로 여기되어서 상기 반도체층을 형성하는 반응 가스를 상기 기판에 균일하게 분사하는 배플 구조물을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 배플 구조물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 일 특징에 따른 기판에 플라즈마를 이용하여 반도체층을 형성하기 위한 반응 공간을 갖는 반응 챔버에 설치되며 상기 플라즈마로 여기되어서 상기 반도체층을 형성하는 반응 가스를 상기 반응 공간으로 균일하게 분사하는 배플 구조물은 잔류 산소가 1% 미만인 질화알루미늄(AlN) 소결체로 이루어진다.
일 실시예에 따른 상기 배플 구조물은 상기 반응 챔버의 외부를 향해 노출되어 상기 반응 가스가 유입되는 유입홀 및 상기 유입홀과 채널을 통해 연통되면서 상기 반응 공간으로 노출되어 상기 반응 가스를 상기 반응 공간으로 균일하게 분사하는 다수의 분사홀들을 가질 수 있다. 이에, 상기 채널의 안쪽면은 0.5㎛ 이하의 거칠기를 가지며, 그 반응 공간으로 노출된 표면은 0.3 내지 0.5㎛의 거칠기를 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 배플 구조물에는 상기 반응 가스를 가열하기 위한 발열체가 내장될 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 일 특징에 따른 기판에 플라즈마를 이용하여 반도체층을 형성하기 위한 반응 공간을 갖는 반응 챔버에 설치되며 상기 플라즈마로 여기되어서 상기 반도체층을 형성하는 반응 가스를 상기 반응 공간으로 균일하게 분사하는 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물을 제조하는 방법은 질화알루미늄(AlN) 분말을 준비하는 단계, 내부에 폐쇄된 성형 공간을 갖도록 제작된 지그에 상기 준비한 질화알루미늄(AlN) 분말을 채우는 단계, 상기 질화알루미늄(AlN) 분말이 채워진 지그를 가열로에 넣고 소결하여 질화알루미늄(AlN) 소결체를 형성하는 단계 및 상기 질화알루미늄(AlN) 소결체를 상기 지그로부터 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 질화 알루미늄(AlN) 소결체를 형성하는 단계에서는 상기 소결하기 위한 온도까지 상기 가열로를 연속적으로 승온시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 승온은 0.5 내지 0.7℃/min 속도로 진행될 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 소결하기 위한 온도는 1700℃ 이상 1800℃ 미만인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 지그는 질화붕소(BN) 재질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 질화알루미늄(AlN) 분말은 하기 식 1에 따른 열탄소 환원 질화법을 통하여 준비될 수 있다.
[식 1]
2Al2O3 + 3C + 4N → 4AlN + 3CO2
일 실시예에 따른 상기 열탄소 환원 질화법으로 준비된 질화알루미늄(AlN) 분말은 불순물을 6% 미만 포함할 수 있다.
이러한 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물 및 이의 제조 방법에 따르면, 플라즈마를 이용하여 기판에 반도체층을 형성하기 위한 플라즈마 화학기상증착 장치에서, 상기 반도체층을 형성하기 위한 반응 공간을 갖는 반응 챔버의 상기 기판과 마주하는 일측에 설치되어 상기 플라즈마로 여기되어서 상기 반도체층을 형성하는 반응 가스를 상기 반응 공간으로 균일하게 분사하는 배플 구조물을 잔류 산소가 1% 미만이면서 금속 산화물이 제외된 질화알루미늄(AlN) 소결체로 제조함으로써, 기본적으로 상기 질화알루미늄(AlN)의 상기 플라즈마에 강한 재질적 특성을 통해 상기 플라즈마에 의해서 상기 기판을 오염시킬 수 있는 파티클이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 상기 기판을 오염시킬 수 있는 파티클의 발생이 방지됨에 따라 상기 기판에 상기 반도체층이 안정적으로 형성되도록 할 수 있으므로, 이를 통해 제조되는 전자 소자의 품질에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 배플 구조물에는 상기 반도체층을 형성하는 공정이 진행되는 도중 상기 반응 가스로부터 상기 플라즈마로 여기되는 물질 중 일부가 그 반응 공간으로 노출된 표면으로 부착되는 경우 밖에 없으므로, 이를 세정하는 공정을 정기적으로 수행하여 재활용한다면 거의 반영구적으로 사용할 수도 있다. 이에, 상기 배플 구조물을 교체함에 따라 발생되는 비용을 획기적으로 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 화학기상증착 장치를 개념적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 화학기상증착 장치의 배플 구조물의 하부면을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 플라즈마 화학기상증착 장치의 배플 구조물을 제조하는 방법을 단계적으로 나타낸 순서도이다.
도 4는 도 3에 도시된 순서도의 질화알루미늄(AlN) 소결체를 형성하는 단계에서 가열로를 승온시키는 상태를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 화학기상증착 장치를 개념적으로 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물 및 이의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 화학기상증착 장치를 개념적으로 나타낸 구성도이며, 도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 화학기상증착 장치의 배플 구조물의 하부면을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 화학기상증착 장치(100)는 반응 챔버(200), 정전척(300), 플라즈마 전극(400) 및 배플 구조물(500)을 포함한다.
반응 챔버(200)는 반도체 소자 또는 LED 소자 등의 전자 소자를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼와 같은 피증착체인 기판(10)에 반도체층(미도시)을 형성하기 위한 플라즈마가 형성되는 반응 공간(210)을 제공한다.
정전척(300)은 반응 챔버(200)의 반응 공간(210)에서 그 하부에 설치된다. 정전척(300)은 외부로부터 공급되는 구동 전원을 통해 정전기력을 발생하여 이를 통해 기판(10)을 안정적으로 고정한다. 이때, 정전척(300)에는 기판(10)에 상기 반도체층이 원활하게 형성되도록 기판(10)을 가열하는 히터(미도시)가 평면적으로 균일 분포로 내장될 수 있다.
플라즈마 전극(400)은 반응 챔버(200)의 반응 공간(210)에서 측부에 설치된다. 플라즈마 전극(400)은 외부의 고주파 전원(RF)과 전기적으로 연결되어 이를 인가 받는다. 이에, 플라즈마 전극(400)은 인가되는 고주파 전원(RF)을 통해서 반응 챔버(200)의 반응 공간(210)이 상기 플라즈마가 생성될 수 있는 분위기를 제공한다. 이때, 플라즈마 전극(400)은 전자기장을 유도할 수 있는 코일 형태로 설치되어 상기 플라즈마가 상기 전자기장에 의해서 고밀도로 생성될 수 있도록 한다. 구체적으로, 플라즈마 전극(400)은 그 코일 형태를 통해 단위 면적당 약 1012개 이상의 고밀도 플라즈마가 생성되도록 할 수 있다.
배플 구조물(500)은 반응 챔버(200)의 기판(10)과 마주하는 일측에 설치된다. 구체적으로, 기판(10)을 정전기력을 통해 고정하는 정전척(300)이 반응 챔버(200) 내의 반응 공간(210) 하부에 설치되어 있으므로, 배플 구조물(500)은 반응 챔버(200)의 상측에 설치될 수 있다.
배플 구조물(500)은 반응 챔버(200)의 반응 공간(210)에 플라즈마 전극(400)으로 인가되는 고주파 전원(RF)에 의해서 상기 플라즈마로 여기되는 반응 가스(RG)를 반응 공간(210)으로 균일하게 분사한다. 이를 위하여, 배플 구조물(500)은 반응 챔버(200)의 외부를 향해 노출되어 반응 가스가 유입되는 유입홀(510) 및 유입홀(510)과 채널(520)을 통해 연통되면서 반응 공간(210)으로 노출되어 반응 가스(RG)를 반응 공간(210)으로 균일하게 분사하는 다수의 분사홀(530)들을 가질 수 있다. 여기서, 반응 가스는 실란가스(SiH4), 산소가스(O2), 아르곤(Ar), 암모니아(NH3) 또는 플루오르(F) 등을 포함할 수 있다.
이러한 배플 구조물(500)은 질화알루미늄(AlN) 소결체로 이루어진다. 이러면, 배플 구조물(500)은 질화알루미늄(AlN)의 재질적 특성 상 반응 공간(210)에서 플라즈마 전극(400)으로 인가되는 고주파 전원(RF)에 의해서 반응 가스(RG)로부터 여기되는 플라즈마에 강한 특성을 가지므로, 상기 플라즈마에 의해서 기판(10)을 오염시킬 수 있는 파티클이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 질화알루미늄(AlN) 소결체는 그 자체로부터 기판(10)을 오염시킬 수 있는 파티클이 발생되는 것을 방지하기 위하여 표 1에 나타난 순도 94% 이상의 고순도가 사용될 수 있다.
성분 단위 비율
AlN % ≥94.0
AlN+O(부착 산소) % ≥99.0
O(잔류 산소) % ≤1.0
C(탄소) % ≤0.001
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 질화알루미늄(AlN) 소결체로써 불순물이 약 6% 미만인 순도 94% 이상, 구체적으로 질화알루미늄(AlN)과 부착 산소를 제외한 잔류 산소가 약 1% 미만이면서 금속 산화물이 제외된 것을 사용하게 되면, 그 자체에 기판(10)을 오염시킬 수 있는 파티클의 발생 원인이 되는 불순물이 전혀 포함되어 있지 않으므로, 상기의 설명에서와 같이 그 자체로부터 기판(10)을 오염시킬 수 있는 파티클의 발생을 방지할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 질화알루미늄(AlN) 소결체로써 통상적으로 제조하는 과정에서 소결 조제로써 사용될 수 있는 금속 산화물 중 하나인 이트리아(Y2O3)를 제외시킨 고순도를 사용함으로써, 이 이트리아(Y2O3)로부터 기판(10)을 오염시킬 수 있는 파티클이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
이렇게, 반응 챔버(200)의 기판(10)과 마주하는 상측에서 상기 플라즈마로 여기되어서 상기 반도체층을 형성하는 반응 가스(RG)를 반응 공간(210)으로 균일하게 분사하는 배플 구조물(500)을 잔류 산소가 1% 미만이면서 금속 산화물이 제외된 질화알루미늄(AlN) 소결체로 제조하여 기판(10)을 오염시킬 수 있는 파티클이 발생되는 것을 방지함으로써, 기판(10)에 상기 반도체층이 안정적으로 형성되도록 할 수 있으며, 이를 통해 제조되는 전자 소자의 품질에 대한 신뢰성도 확보할 수 있다.
또한, 배플 구조물(500)에는 상기 반도체층을 형성하는 공정이 진행되는 도중 상기 반응 가스(RG)로부터 상기 플라즈마로 여기되는 물질 중 일부가 그 반응 공간(210)으로 노출된 표면으로 부착되는 경우 밖에 없으므로, 이를 세정하는 공정을 정기적으로 수행하여 재활용한다면 거의 반영구적으로 사용할 수도 있다. 이에, 배플 구조물(500)을 교체함에 따라 발생되는 비용을 획기적으로 절감할 수 있다.
한편, 반응 챔버(200)의 반응 공간(210)에서 기판(10)에 상기 반도체층을 형성하는 공정에서는 실질적인 상기 반도체층의 증착을 위하여 반응 공간(210)을 약 200 내지 800℃로 가열하여 진행하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 반도체층의 균일도와 증착 수율을 높이기 위하여 상기의 온도까지 급속하게, 예컨대 약 10분 이내에 상승시키는 것이 필요할 뿐 아니라, 그 온도 분포도 균일하게 유지되도록 하는 것이 중요하다. 이때, 반응 공간(210)의 가열은 일 예로, 실질적으로 기판(10)이 고정되는 정전척(300)에 내장되는 상기 히터로부터 진행될 수 있다.
이에, 본 발명의 배플 구조물(500)을 이루고 있는 고순도의 질화알루미늄(AlN) 소결체는 열전도도 특성을 이용하여 반응 공간(210)에서의 온도 특성이 만족되도록 가이드할 수 있다.
특성 측정 기구 단위 비교예
(AlN+Y2O3)		 실시예
(고순도 AlN)
열전도도(25℃) KS L 1604 W/m·K 100 186
상기 표 2를 참조하면, KS L 1604의 측정 기구를 이용하여 약 25℃에서의 질화알루미늄(AlN)과 금속 산화물인 이트리아(Y2O3)가 혼합된 비교예와 본 발명의 금속 산화물이 제외된 고순도 질화알루미늄(AlN) 소결체로 이루어진 실시예의 열전도도를 분석한 결과, 본 발명의 고순도 질화알루미늄(AlN) 소결체인 실시예가 질화알루미늄(AlN)과 금속 산화물인 이트리아(Y2O3)가 혼합된 비교예보다 약 두 배인 186 W/m·K 정도 높게 분석되어 반응 공간(210)이 상기 반도체층의 균일도와 증착 수율을 높이기 위한 약 200 내지 800℃까지 신속하고 균일하게 가열되도록 가이드할 수 있다.
이에 추가적으로, 하기의 표 3을 참조하여 실질적으로 반응 공간(210)을 일 예인 550℃ 및 600℃의 온도로 설정하여 가열할 경우 이에 따른 온도 분포 결과를 통해 상기의 온도 특성 효과를 확인할 수 있었다.
설정온도 측정 온도 최대
온도 편차
중심 영역(CA) 에지 영역(EA)
최대 온도 최저 온도 최대 온도 최저 온도
550℃ 513.0℃ 509.2℃ 510.8℃ 509.0℃ 4.0℃
600℃ 556.3℃ 550.1℃ 555.2℃ 550.5℃ 6.2℃
상기 표 3을 참조하면, 본 발명의 질화알루미늄(AlN) 소결체는 반응 공간(210)을 550℃ 온도로 가열할 경우에는 그 중심 영역(CA)과 에지 영역(EA) 사이에서 약 4.0℃의 최대 온도 편차가, 600℃ 온도로 가열할 경우에는 약 6.2℃의 최대 온도 편차가 측정되어 본 발명의 플라즈마 화학기상증착 장치(100)를 통하여 기판(10)에 상기 반도체층을 증착할 경우 허용되는 온도 편차 범위인 약 10℃이하에 충분히 만족하고 있음도 확인할 수 있었다.
이하, 상기에서 설명한 질화알루미늄(AlN) 소결체로 이루어진 배플 구조물(500)을 제조하는 방법에 대해서 도 3 및 도 4를 추가적으로 참조하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 3은 도 1에 도시된 플라즈마 화학기상증착 장치의 배플 구조물을 제조하는 방법을 단계적으로 나타낸 순서도이며, 도 4는 도 3에 도시된 순서도의 질화알루미늄(AlN) 소결체를 형성하는 단계에서 가열로를 승온시키는 상태를 나타낸 그래프이다.
도 3을 추가적으로 참조하면, 본 발명의 배플 구조물(500)을 제조하기 위하여, 우선 질화알루미늄(AlN) 분말을 준비한다(S100).
이때, 상기 질화알루미늄(AlN) 분말은 상기의 표 1에서와 같이 순도 94% 이상의 고순도의 질화알루미늄(AlN) 소결체를 수득하기 위하여 하기 식 1에 따른 열탄소 환원 질화법을 통하여 준비될 수 있다.
[식 1]
2Al2O3 + 3C + 4N → 4AlN + 3CO2
상기 식 1을 살펴보면, 알루미나(Al2O3)에 탄소(C)와 질소(N)를 적당한 비율로 반응시키면 알루미나(Al2O3)로부터 자체 내의 산소(O)가 탄소(C)에 의해 환원되면서 남아 있는 알루미늄(Al)에 질소(N)가 결합하여 불순물이 약 6% 미만인 순도 94% 이상, 구체적으로 질화알루미늄(AlN)과 부착 산소를 포함하여 금속 산화물이 제외된 순도 99% 이상의 고순도 질화알루미늄(AlN) 분말을 수득할 수 있다.
이어서, 내부에 폐쇄된 성형 공간을 갖도록 제작된 지그에 상기에서 준비한 질화알루미늄(AlN) 분말을 채운다(S200). 여기서, 상기 성형 공간은 실질적으로 본 발명의 배플 구조물(500)의 외형과 동일한 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 지그는 이후의 소결 공정에서의 내구성을 확보하기 위하여 질화붕소(BN) 재질로 이루어질 수 있다.
이어서, 상기 질화알루미늄(AlN) 분말이 채워진 지그를 가열로에 놓고 소결하여 질화알루미늄(AlN) 소결체를 형성한다(S300). 이때, 상기 지그의 성형 공간에 채워진 질화알루미늄(AlN) 분말을 1800℃ 미만에서 소결하고자 할 경우에는 통상적으로 금속 산화물인 이트리아(Y2O3)가 소결 조제로써 사용되지만, 본 발명에서는 상기 1800℃ 미만의 온도, 구체적으로 약 1700℃이상 1800℃ 미만의 온도로 연속적으로 승온시킴으로써 상기 이트리아(Y2O3)의 사용 없이 질화알루미늄(AlN) 소결체를 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 질화알루미늄(AlN) 분말을 도 4의 그래프에서와 같이 1600℃까지는 약 10℃/min이 속도로 급격하게 승온시킨 다음, 그 1600℃ 이후에는 0.5 내지 0.7℃/min의 속도로 천천히 연속적으로 승온시킴으로써, 질화알루미늄(AlN) 소결체를 형성할 수 있다.
이는, 본 S300 단계에서 형성된 질화알루미늄(AlN) 소결체가 우수한 열전도도를 가질 때까지 1600℃ 이후, 다양한 방법으로 승온시키면서 얻은 하기의 표 4의 데이터를 통해 확인할 수 있었다.
구분 승온 속도(℃/min) 최대 온도(℃) 전체 승온 시간(hr)
비교예1(AlN+Y2O3) 1 1750 36
비교예2(고순도 AlN) 1 1870 37
실시예1(고순도 AlN) 0.5 1720 36
실시예2(고순도 AlN) 0.7 1790 36
표 4를 참조하면, 비교예 1에서와 같이 질화알루미늄(AlN)과 금속 산화물인 이트리아(Y2O3)가 혼합된 분말을 사용할 경우에는 우수한 열전도도를 갖도록 소결하기 위해서는 1600℃ 이후 약 1℃/min의 승온 속도로 약 1750℃까지 약 36hr 동안 가열하여 소결시켜야 하고, 비교예 2에서와 같이 본 발명의 고순도의 질화알루미늄(AlN) 분말을 우수한 열전도도를 갖도록 1600℃ 이후 약 1℃/min의 속도로 승온시킬 경우에는 1800℃ 이상인 약 1870℃까지 약 37hr 동안 오래 가열하여 소결시켜야 하는데 반하여, 실시예 1에서와 같이 본 발명의 고순도 질화알루미늄(AlN) 분말을 우수한 열전도도를 갖도록 1600℃ 이후 약 0.5℃/min의 속도로 승온시킬 경우에는 1800℃ 미만인 약 1720℃까지 약 36hr 동안 상대적으로 짧게 가열하여 소결시킬 수 있고, 실시예 2에서와 같이 본 발명의 고순도 질화알루미늄(AlN) 분말을 우수한 열전도도를 갖도록 1600℃ 이후 약 0.7℃/min의 속도로 승온시킬 경우에는 실시예 1과 마찬가지로 1800℃ 미만인 약 1790℃까지 약 36hr 동안 상대적으로 짧게 가열하여 소결시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 고순도 질화알루미늄(AlN) 분말을 1600℃ 이후 약 0.5 내지 0.7℃/min 속도로 약 1700℃ 이상 약 1800℃ 미만까지 승온시키면 우수한 열전도도를 갖는 질화알루미늄(AlN) 소결체를 안정적으로 형성할 수 있다.
이어서, 상기 질화알루미늄(AlN) 소결체를 상기 지그로부터 분리하여 상기의 표 4를 참조한 설명에서와 같이 우수한 열전도도를 갖는 배플 구조물(500)을 제조한다(S400).
이후, 이렇게 제조된 배플 구조물(500)은 반응 가스(RG)를 외부로부터 유입하여 반응 챔버(200)의 반응 공간(210)으로 균일하게 분사하기 위한 유입홀(510)과 분사홀(530)들을 형성하기 위하여 이들을 서로 연통하는 채널(520)을 기계적인 방법을 통해 가공할 수 있다.
이때, 채널(520)의 안쪽면은 약 0.5㎛ 이하의 거칠기는 갖도록 가공하는 것이 바람직하다. 이는, 채널(520)의 안쪽면이 약 0.5㎛를 초과하는 거칠기를 가질 경우에는 유입되는 반응 가스(RG)로 인해서 상기 안쪽면이 일부 식각되면서 기판(10)을 오염시킬 수 있는 파티클이 발생될 수 있기 때문이다.
또한, 상기에서 제조되는 배플 구조물(500)은 그 반응 공간(210)으로 노출된 표면이 약 0.3 내지 0.5㎛의 거칠기를 갖는 것이 바람직하다. 이는, 상기 표면의 거칠기가 약 0.3㎛ 미만일 경우에는 반응 공간(210)의 상기 플라즈마로부터 발생되어 기판(10)을 오염시킬 수 있는 일부 물질을 흡착하지 못하므로 바람직하지 않고, 약 0.5㎛를 초과할 경우에는 반응 공간(210)으로 분사되는 반응 가스(RG)에 의해 일부 식각 반응이 일어나 기판(10)을 오염시킬 수 있는 파티클이 발생될 수 있기 때문이다.
이하, 본 발명의 배플 구조물(500)이 반응 공간(210)의 가열을 보조할 수 있는 다른 실시예에 대해서 도 5를 참조하여 상세하게 설명하고자 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 화학기상증착 장치를 개념적으로 나타낸 구성도이다.
본 실시예에서는 배플 구조물이 반응 공간의 가열을 보조할 수 있는 구조를 제외하고는 도 1에 도시된 구조와 동일하므로, 상기 가열을 보조하는 구성을 제외하고는 도 1과 동일한 참조 번호를 사용하며 이에 중복되는 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 화학기상증착 장치(110)의 배플 구조물(600)에는 발열체(650)가 내장된다.
발열체(650)는 배플 구조물(600)의 내부에 형성된 유입홀(610)과 채널(620)을 거쳐 분사홀(630)들로 분사되는 반응 가스(RG)를 가열하여 반응 챔버(200)의 반응 공간(210)으로 분사되도록 할 수 있다. 이러면, 상기 가열된 반응 가스(RG)에 의해서 반응 공간(210)의 급속한 온도 상승을 추가로 유도하여 기판(10)에 상기 반도체층이 보다 안정적으로 증착되도록 보조할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 고순도 질화알루미늄(AlN) 소결체가 우수한 열전도도를 가지고 있기 때문에, 발열체(650)로부터 열을 반응 공간(210)에 직접 제공하여 상기의 온도 상승을 추가로 더 보조할 수도 있다.
또한, 발열체(650)는 상기 분사되는 반응 가스(RG)를 균일하게 가열하기 위하여 반응 가스(RG)가 분사되는 분사홀(530)들과 인접한 위치에서 평면적으로 균일하게 내장될 수 있다. 이러면, 추가적으로 위치에 따라 균일하게 가열된 반응 가스(RG)에 의해서 반응 공간(210)의 온도 분포도 더 균일하게 유지될 수 있으므로, 상기 반도체층도 기판(10)에 균일하게 증착되도록 가이드할 수 있다. 물론, 이때에도 본 발명의 열전도도가 우수한 질화알루미늄(AlN) 소결체를 통해서 반응 공간(210)의 온도 분포를 더욱더 균일하게 유지되도록 할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 플라즈마 화학기상증착 장치에서, 실리콘 웨이퍼와 같은 기판에 반도체층을 형성하기 위한 반응 공간을 갖는 반응 챔버의 상기 기판과 마주하는 일측에 설치되어 상기 반도체층을 형성하기 위해 플라즈마로 여기되는 반응 가스를 상기 반응 공간으로 균일하게 분사하는 배플 구조물을 잔류 산소가 1% 미만이면서 금속 산화물이 제외된 질화알루미늄(AlN) 소결체로 제조함으로써, 상기 플라즈마에 의해 기판을 오염시킬 수 있는 파티클의 발생을 방지하여 우수한 품질의 전자 소자를 제조하는데 활용될 수 있다.
10 : 기판 100, 110 : 플라즈마 화학기상증착 장치
200 : 반응 챔버 210 : 반응 공간
300 : 정전척 400 : 플라즈마 전극
500, 600 : 배플 구조물 510, 610 : 유입홀
520, 620 : 채널 530, 630 : 분사홀
650 : 발열체

Claims (10)

  1. 기판에 플라즈마를 이용하여 반도체층을 형성하기 위한 반응 공간을 갖는 반응 챔버에 설치되며 상기 플라즈마로 여기되어서 상기 반도체층을 형성하는 반응 가스를 상기 반응 공간으로 균일하게 분사하는 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물에 있어서,
    잔류 산소가 1% 미만이고, 금속 산화물이 제외되고 186 W/(m·K) (25˚C) 이상의 열전도도를 갖는 질화알루미늄(AlN) 소결체로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응 챔버의 외부를 향해 노출되어 상기 반응 가스가 유입되는 유입홀 및 상기 유입홀과 채널을 통해 연통되면서 상기 반응 공간으로 노출되어 상기 반응 가스를 상기 반응 공간으로 균일하게 분사하는 다수의 분사홀들을 가지며,
    상기 채널의 안쪽면은 0.5㎛ 이하의 거칠기를 가지며, 상기 반응 공간으로 노출된 표면은 0.3 내지 0.5㎛의 거칠기를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응 가스를 가열하기 위한 발열체가 내장된 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물.
  4. 기판에 플라즈마를 이용하여 반도체층을 형성하기 위한 반응 공간을 갖는 반응 챔버에 설치되며 상기 플라즈마로 여기되어서 상기 반도체층을 형성하는 반응 가스를 상기 반응 공간으로 균일하게 분사하는 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물을 제조하는 방법에 있어서,
    질화알루미늄(AlN) 분말을 준비하는 단계;
    내부에 폐쇄된 성형 공간을 갖도록 제작된 지그에 상기 준비한 질화알루미늄(AlN) 분말을 채우는 단계;
    상기 질화알루미늄(AlN) 분말이 소결 조제인 금속 산화물 없이 채워진 지그를 가열로에 넣고 소결하여 186 W/(m·K) (25˚C) 이상의 열전도도를 갖는 질화알루미늄(AlN) 소결체를 형성하는 단계; 및
    상기 질화알루미늄(AlN) 소결체를 상기 지그로부터 분리하는 단계를 포함하는 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물을 제조하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 질화 알루미늄(AlN) 소결체를 형성하는 단계에서는 상기 소결하기 위한 온도까지 상기 가열로를 연속적으로 승온시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물을 제조하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 승온은 0.5 내지 0.7℃/min 속도로 진행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물을 제조하는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 소결하기 위한 온도는 1700℃ 이상 1800℃ 미만인 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물을 제조하는 방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 지그는 질화붕소(BN) 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물을 제조하는 방법.
  9. 제4항에 있어서, 상기 질화알루미늄(AlN) 분말은 하기 식 1에 따른 열탄소 환원 질화법을 통하여 준비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물을 제조하는 방법.
    [식 1]
    2Al2O3 + 3C + 4N → 4AlN + 3CO2
  10. 제9항에 있어서, 상기 열탄소 환원 질화법으로 준비된 질화알루미늄(AlN) 분말은 불순물을 6% 미만 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상증착 장치용 배플 구조물을 제조하는 방법.
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