KR102447432B1 - 포커스링, 포커스링의 제조방법 및 반도체소자의 제조방법 - Google Patents

포커스링, 포커스링의 제조방법 및 반도체소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

구현예는 포커스링 및 반도체소자의 제조방법에 관한 것이다. 포커스링은 보론카바이드를 포함하고, 기준면으로부터 제1높이를 갖는 안착부와 상기 기준면으로부터 제2높이를 갖는 본체부를 포함하고, 상기 안착부는 식각대상이 안착되는 안착부상면을 포함하고, 상기 본체부는 플라즈마에 의해 직접 식각되는 본체부상면을 포함하고, 내경이 160 mm 이상이고, 외경과 내경의 차이가 10 내지 80 mm이고, PS1는 상기 안착부상면의 한 지점이고, PS3은 상기 본체부상면의 한 지점이고, 상기 PS1과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 최대값과 최소값의 차이는 상기 PS1과 상기 PS3의 평균값의 15% 이내이다. 구현예의 포커스링 등은 내식각성, 내충격성 등 물성이 우수하고 동시에 형상가공성 등도 월등한 포커스링을 효율적이고 성공률 높게 제조할 수 있다. 또한, 이를 적요한 반도체소자의 제조방법은 보다 제조효율성을 향상할 수 있다.

Description

포커스링, 포커스링의 제조방법 및 반도체소자의 제조방법 {A FOCUS RING, METHOD FOR PREPARING A FOCUS RING, AND METHOD FOR PREPARING A SEMICONDUCTOR ELEMENT}
구현예는 포커스링, 포커스링의 제조방법 및 반도체소자의 제조방법에 관한 것이다.
플라즈마 처리장치는 챔버 내에 상부전극과 하부전극을 배치하고, 하부전극의 위에 반도체 웨이퍼, 유리 기판 등의 기판을 탑재하여, 양 전극 사이에 전력을 인가한다. 양 전극 사이의 전계에 의해서 가속된 전자, 전극으로부터 방출된 전자, 또는 가열된 전자가 처리가스의 분자와 전리 충돌을 일으켜, 처리가스의 플라즈마가 발생한다. 플라즈마 중의 래디컬이나 이온과 같은 활성종은 기판 표면에 원하는 미세 가공, 예를 들면 에칭 가공을 수행한다. 최근, 미세전자소자 등의 제조에서의 디자인 룰이 점점 미세화되고, 특히 플라즈마 에칭에서는 더욱 높은 치수 정밀도가 요구되고 있어서, 종래보다도 현격히 높은 전력이 이용되고 있다. 이러한 플라즈마 처리장치에는 플라즈마에 영향을 받는 포커스링이 내장되어 있다. 포커스링은 에지링, 콜드링 등으로 불리기도 한다.
상기 포커스링의 경우, 전력이 높아지면, 정재파가 형성되는 파장 효과 및 전극 표면에서 전계가 중심부에 집중하는 표피 효과 등에 의해서, 대체로 기판 상에서 중심부가 극대로 되고 에지부가 가장 낮아져서, 기판 상의 플라즈마 분포의 불균일성이 심화된다. 기판 상에서 플라즈마 분포가 불균일하면, 플라즈마 처리가 일정하지 않게 되어 미세전자소자의 품질이 저하된다. 도 1은 일반적인 플라즈마 챔버 및 포커스링을 나타내는 사진이다. 고기능성 포커스링은 이를 교체하는 주기의 연장이 필요하다. 이렇게 되면, 플라즈마 챔버를 개방하는 주기가 연장된다. 챔버를 개방하는 주기가 연장되면, 웨이퍼를 활용한 미세전자소자의 수율의 향상이 구현된다.
관련 선행특허문헌으로는 한국공개번호 10-1998-0063542, 한국공개번호 10-2006-0106865 등이 있다.
구현예의 목적은 보다 향상된 물성을 갖는 포커스링, 포커스링의 제조방법 등을 제공하는 것이다.
구현예의 다른 목적은 보다 향상된 물성을 갖는 포커스링을 적용하여 보다 효율적으로 반도체소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 포커스링은 보론카바이드를 포함하고, 기준면으로부터 제1높이를 갖는 안착부와 상기 기준면으로부터 제2높이를 갖는 본체부를 포함하고, 상기 안착부는 식각대상이 안착되는 안착부상면을 포함하고, 상기 본체부는 플라즈마에 의해 직접 식각되는 본체부상면을 포함하고, 내경이 160 mm 이상이고, 외경과 내경의 차이가 10 내지 80 mm이고, PS1는 상기 안착부상면의 한 지점이고, PS3은 상기 본체부상면의 한 지점이고, 상기 PS1과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 최대값과 최소값의 차이는 상기 PS1과 상기 PS3의 평균값의 15% 이내이다.
상기 안착부와 상기 본체부의 각도가 약 90 도 이상 약 110 도 이하일 수 있다.
상기 포커스링의 두께는 1 내지 45 mm일 수 있다.
상기 PS1에서 측정한 잔류응력과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 차이는 -600 내지 +600 Mpa일 수 있다.
서로 100 mm 이상의 거리를 둔 위치1, 위치2, 및 위치3에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 상기 위치1, 상기 위치2 및 상기 위치3에서 측정한 잔류응력의 평균의 10 % 이하일 수 있다.
상기 포커스링은 90 중량% 이상이 상기 보론카바이드로 이루어질 수 있다.
상기 본체부와 상기 본체부상면은 별도의 층 구분이 없는 일체형일 수 잇다.
상기 본체부과 상기 본체부상면이 단면에서 관찰했을 때 서로 층이 구분되는 구분형일 수 있다.
상기 본체부상면은 증착층 또는 코팅층일 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 반도체소자의 제조방법은 위에서 설명한 포커스링을 적용하여 기판을 식각하는 과정을 포함해 반도체소자를 제조한다.
상기 기판은 Si 기판, SiC 기판, 또는 GaN 기판일 수 있다.
구현예의 포커스링과 포커스링의 제조방법은 내식각성, 내충격성 등 물성이 우수하고 동시에 형상가공성 등도 월등한 포커스링을 효율적이고 성공률 높게 제조할 수 있다.
구현예의 반도체소자의 제조방법은 우수한 내식각성을 갖는 포커스링을 적용하여 보다 효율적인 식각공정 등을 적용하여 반도체소자의 제조효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 구현예에 따른 포커스링을 위에서 본 모습을 설명하는 개략도.
도 2는 구현예에 따른 포커스링의 단면을 설명하는 개략도.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서 전체에서, "제1", "제2" 또는 "A", "B"와 같은 용어는 동일한 용어를 서로 구별하기 위하여 사용된다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
본 명세서에서 차이라는 표현은 한 값에서 다른 값을 뺀 것을 의미하고, 별도의 언급이 없으면 큰 값에서 작은 값을 뺀 것으로 표시한다.
본 명세서에서 보론카바이드는 붕소와 탄소를 기반(base)으로 하는 모든 화합물을 지칭한다. 상기 보론카바이드는 보론카바이드 재료에 첨가제 및/또는 도핑재료가 포함되거나 포함되지 않은 것일 수 있고, 구체적으로, 붕소와 탄소의 합이 90 몰% 이상인 것이고, 95 몰% 이상인 것일 수 있고, 98 몰% 이상인 것일 수 있으며, 99 몰% 이상인 것일 수 있다. 본 명세서에서 보론카바이드는 단일상 또는 복합상일 수 있고, 이들이 혼합된 것일 수 있다. 보론카바이드 단일상은 붕소 및 탄소의 화학양론적 상(phase)과 화학양론적 조성에서 벗어난 비화학양론적 상을 모두 포함하며, 복합상이란 붕소 및 탄소를 기반(base)로 하는 화합물 중의 적어도 2개가 소정의 비율로 혼합된 것을 말한다. 또한, 본 명세서에서의 보론카바이드는 상기 보론카바이드의 단일상 또는 복합상에 불순물이 추가되어 고용체를 이루거나 또는 보론카바이드를 제조하는 공정에서 불가피하게 추가되는 불순물이 혼입된 경우도 모두 포함한다. 상기 불순물의 예로서는 철, 구리, 크롬, 니켈, 알루미늄 등의 금속 등을 들 수 있다.
본 명세서에서 벌크 보론카바이드는 코팅층과 구별되는 것으로 일정한 두께를 갖는 증착 보론카바이드, 소결 보론카바이드 등을 의미하며, 코팅층과 구별할 목적으로 평균 1 mm 이상의 두께를 갖는 것으로 정의한다.
본 명세서에서 특별한 설명 없이 'A 값과 B 값의 차이가 C 이하'이라 함은 A 값과 B 값의 차이의 절대값이 C 이하인 것을 의미하며, 보다 명확하게는 A 값과 B 값의 차이가 -C 내지 +C인 것을 의미한다.
본 명세서에서 잔류응력은 X-ray diffraction으로 측정한 결과를 기준으로 설명한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
포커스링
도 1은 구현예에 따른 포커스링을 위에서 본 모습을 설명하는 개략도이고, 도 2는 구현예에 따른 포커스링의 단면을 설명하는 개략도이다. 다른 일 구현예에 따른 포커스링은 도 1 및 도 2를 참고해 보다 상세히 설명한다.
포커스링(10)은 플라즈마 식각장비에 적용되는 세라믹 부품이고, 보론카바이드를 포함한다. 상기 보론카바이드는 상기 포커스링의 표면에 포함될 수 있다. 상기 포커스링은 보론카바이드로 이루어질 수 있다.
포커스링(10)은 제1높이를 갖는 안착부(200)와 제2높이를 갖는 본체부(100)를 포함한다.
상기 안착부 상에는 식각대상(1)의 적어도 일부가 배치되며, 웨이퍼 등의 식각대상을 지지한다. 상기 본체부(100)는 식각대상에 전달되는 플라즈마 이온의 흐름을 원활하게 조절하여 상기 식각대상이 의도된 형태로 결함 없이 고르게 식각되도록 돕는다.
상기 본체부(100)와 상기 안착부(200)는 서로 구분하여 설명하나 이들은 서로 구분되어 마련될 수도 그 경계의 구분이 없이 일체로 마련될 수 있다.
상기 안착부(200)는 제1높이를 갖는다.
상기 본체부(100)는 제2높이를 갖는다.
상기 제1높이와 상기 제2높이는 기준면(예시적으로 본체부의 저면 또는 안착부의 저면 중에서 택일)을 기준으로 각각 안착부상면과 본체부상면까지의 높이를 의미한다.
상기 제1높이와 상기 제2높이는 서로 다른 높이일 수 있고, 구체적으로 제2높이가 제1높이보다 더 높을 수 있다.
상기 안착부(200)는 안착부상면(206)을 포함한다.
상기 안착부와 상기 안착부상면은 별도의 층 구분이 없는 일체형일 수 있고, 상기 안착부과 상기 안착부상면이 단면에서 관찰했을 때 서로 층이 구분되는 구분형일 수 있다. 구분형의 경우 상기 안착부상면은 증착층 또는 코팅층의 형태일 수 있다. 상기 증착층 또는 코팅층은 예시적으로 보론카바이드 층일 수 있다. 상기 안착부상면이 구분형의 경우, 상기 증착층 또는 코팅층 형태의 안착부상면은 식각전을 기준으로 안착부 두께의 1 내지 40 %의 두께를 가질 수 있고, 5 내지 25 %의 두께를 가질 수 있다.
상기 안착부상면(206)은 식각대상(1)이 배치되는 안착부비노출면과 상기 식각대상이 배치되지 않은 안착부노출면을 포함할 수 있다.
상기 본체부(100)는 본체부상면(106)을 포함한다.
상기 본체부와 상기 본체부상면은 별도의 층 구분이 없는 일체형일 수 있고, 상기 본체부과 상기 본체부상면이 단면에서 관찰했을 때 서로 층이 구분되는 구분형일 수 있다. 구분형의 경우 상기 본체부상면은 증착층 또는 코팅층의 형태일 수 있다. 상기 증착층 또는 코팅층은 예시적으로 보론카바이드 층일 수 있다. 상기 본체부상면이 구분형의 경우, 상기 증착층 또는 코팅층 형태의 본체부상면은 식각전을 기준으로 본체부 두께의 1 내지 40 %의 두께를 가질 수 있고, 5 내지 25%의 두께를 가질 수 있다.
상기 포커스링(10)은 상기 안착부(200)와 상기 본체부(100)를 연결하는 경사부(150)를 더 포함할 수 있다.
상기 안착부(200)와 상기 본체부(100)는 서로 높이가 다르며, 상기 경사부(150)는 이들의 서로 다른 높이를 연결할 수 있다.
상기 본체부(100), 상기 안착부(200), 그리고 상기 경사부(150)는 서로 구분하여 설명하나, 이들은 서로 구분되어 마련될 수도 그 경계의 구분이 없이 일체로 마련될 수 있다.
상기 경사부(150)는 상기 안착부상면(206)과 상기 본체부상면(106)을 연결하는 경사부상면(156)을 포함한다.
상기 경사부(150)와 상기 경사부상면(156)은 별도의 층 구분이 없는 일체형일 수 있고, 상기 경사부와 상기 경사부상면이 단면에서 관찰했을 때 서로 층이 구분되는 서로 구분되는 구분형일 수 있다. 구분형의 경우 상기 경사부상면은 증착층 또는 코팅층의 형태일 수 있다. 상기 증착층 또는 코팅층은 예시적으로 보론카바이드 층일 수 있다. 상기 경사부상면이 구분형의 경우, 상기 증착층 또는 코팅층 형태의 경사부상면은 식각전을 기준으로 경사부 두께의 1 내지 40 %의 두께를 가질 수 있고, 5 내지 25%의 두께를 가질 수 있다.
상기 경사부상면(156)는 경사부각도(미도시)를 갖도록 배치된다.
상기 경사부각도(미도시)는 상기 안착부비노출면을 기준으로 측정될 수 있으며, 약 0 도 초과 약 110 도 이하의 각도를 가질 수 있다.
상기 경사부(150)의 길이가 0 mm인 경우에는 상기 안착부와 상기 본체부의 각도가 약 90 도 이상 약 110 도 이하일 수 있다. 상기 경사부(150)의 길이가 약 0 mm 초과 약 90도 미만인 경우에는 상기 경사부는 0 mm 초과의 길이를 가질 수 있다.
상기 경사부각도는 상기 경사부상면 전체적으로 단면에서 관찰했을 때 선형이거나 비선형일 수 있고, 경사부 각도는 단면에서 안착부상면과 경사부상면이 만나는 P1(미도시)과 경사부상면과 본체부상면이 만나는 P2(미도시)의 두 점 사이를 직선으로 연결하는 가상의 선을 기준으로 측정한다.
예시적으로, 상기 경사부각도는 상기 안착부비노출면을 기준으로 약 30 도 내지 약 70 도일 수 있고, 약 40 도 내지 약 60 도일 수 있다. 이러한 경사부각도를 갖는 경우 플라즈마 이온의 흐름을 보다 안정적으로 제어할 수 있다.
상기 안착부(200), 상기 경사부(150), 그리고 상기 본체부(100)는 각각 링 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 식각대상의 형상에 따라 상기 안착부, 상기 경사부 그리고 상기 본체부의 형태는 변형될 수 있다.
상기 포커스링(10)은 고내식각성 재료로 형태 가공이 어려운 재료 중 하나에 속한다. 또한, 포커스링은 단차를 갖는 형상가공 과정에서 깨짐이 발생하는 경우가 많다. 구현예에서는 보다 향상된 내식각성을 갖는 재료의 보다 용이한 형상가공을 위해 잔류응력과 그 분포를 제어하여 이러한 문제점을 해결하면서 보다 고품질의 포커스링을 제조할 수 있음을 확인했다.
상기 포커스링(10)은 상기 안착부상면의 한 지점인 PS1을 갖는다.
상기 포커스링(10)은 상기 경사부상면의 한 지점인 PS2를 갖는다.
상기 포커스링(10)은 상기 본체부상면의 한 지점인 PS3을 갖는다.
상기 포커스링(10)은 상기 PS1과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 최대값과 최소값의 차이는 상기 PS1과 상기 PS3의 평균값의 40% 이내일 수 있다. 상기 PS1과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 최대값과 최소값의 차이는 상기 PS1과 상기 PS3의 평균값의 15% 이내일 수 있고, 10% 이내일 수 있으며 1 내지 10%일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 포커스링은 보다 안정적인 가공성, 안정성을 가질 수 있다.
상기 포커스링(10)은 상기 PS1에서 측정한 잔류응력과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 차이는 -600 내지 +600 MPa일 수 있다. 상기 PS1에서 측정한 잔류응력과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 차이는 -300 내지 +300 MPa일 수 있고, -200 내지 +200 MPa일 수 있으며, -150 내지 +150 MPa일 수 있다. 또한, 상기 PS1에서 측정한 잔류응력과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 차이는 -130 내지 +130 MPa일 수 있다. 이러한 경우 보다 고밀도이면서도 가공성이 우수한 포커스링을 얻을 수 있다.
상기 포커스링(10)은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력의 표준편차가 300 MPa 이하일 수 있고, 250 MPa 이하일 수 있다. 또한, 상기 포커스링은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력의 표준편차가 150 MPa 이하일 수 있고, 75 MPa 이하일 수 있다. 이러한 표준편차를 갖는 경우 보다 고밀도이면서도 우수한 가공성을 갖는 포커스링을 얻을 수 있다.
상기 포커스링(10)은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력의 표준편차는 상기 PS1, 상기 PS2 및 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 평균의 20% 이하일 수 있다. 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력의 표준편차는 상기 PS1, 상기 PS2 및 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 평균의 15% 이하일 수 있고 10 % 이하일 수 있으며, 8 % 이하일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 경우 보다 고밀도이면서 우수한 가공성을 갖는 포커스링을 얻을 수 있다.
상기 포커스링(10)은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력은 상기 PS1, 상기 PS2 및 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 평균과의 차이가 -350 내지 +350 MPa일 수 있고, 300 내지 +300 MPa일 수 있고, -250 내지 +250 MPa일 수 있고, -200 내지 +200 MPa일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 경우 보다 고밀도이면서 우수한 가공성을 갖는 포커스링을 얻을 수 있다.
상기 포커스링(10)은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력은 최대값과 최소값의 차이가 그 평균의 25% 이내일 수 있다. 상기 포커스링은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력은 최대값과 최소값의 차이가 그 평균의 20 % 이내일 수 있고, 15% 이내일 수 있다. 또한 상기 포커스링은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력은 최대값과 최소값의 차이가 그 평균의 10% 이내일 수 있고, 5% 이내일 수 있으며 1 % 이상일 수 있다. 이러한 잔류응력의 분포를 갖는 경우 보다 안정적인 형상 가공이 가능하며, 보다 안정적인 내식각성 재료를 얻을 수 있다.
상기 PS1에서 측정한 잔류응력은 상기 PS3에서 측정한 잔류응력보다 큰 값일 수 있다.
상기 포커스링(10)은 중심에서 거리가 서로 다른 지점의 표면에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 350 MPa 이하일 수 있다.
상기 포커스링(10)은 중심에서 거리가 서로 다른 지점의 표면에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 300 MPa 이하일 수 있고, 250 MPa 이하일 수 있고, 200 MPa 이하일 수 있다.
상기 포커스링(10)은 중심에서 거리가 서로 다른 지점의 표면에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 120 MPa 이하일 수 있고, 100 MPa 이하일 수 있다.
발명자들이 반복적인 측정으로 확인한 결과로는, 중심에서 거리가 서로 같은 여러 지점의 표면에서 측정한 잔류응력은 그 차이가 크지 않았다. 따라서, 위와 같은 특징을 갖는 경우 실질적으로 잔류응력 분포가 상대적으로 균일하여 가공성, 안정성 등이 우수한 포커스링을 제공할 수 있을 것으로 생각된다.
포커스링의 중심이라 함은 링 형태의 포커스링은 원의 중심이 포커스링의 중심에 해당하고, 링 형태가 아닌 포커스링은 장축과 단축의 교차점을 중심으로 한다.
상기 포커스링(10)은 표면이 폴리싱처리된 것일 수 있다. 상기 포커스링(10)은 안착부상면과 본체부상면의 폴리싱처리가 된 것일 수 있다. 상기 포커스링(10)은 안착부상면, 경사부상면 및 본체부상면이 각각 폴리싱처리가 된 것일 수 있다.
상기 포커스링(10)은 표면은 최대높이조도 Rt는 0 내지 25 ㎛일 수 있다.
상기 본체부상면의 최대높이조도 Rt는 0 내지 25 ㎛일 수 있고, 0 내지 10 ㎛일 수 있으며, 0.1 내지 5 ㎛일 수 있고, 0.1 내지 2 ㎛일 수 있다.
상기 안착부상면의 최대높이조도 Rt는 0 내지 25 ㎛일 수 있고, 0 내지 15 ㎛일 수 있으며, 0.1 내지 12 ㎛일 수 있고, 0.1 내지 8 ㎛일 수 있다.
상기 경사부상면의 최대높이조도가 Rt는 30 ㎛ 이하일 수 있고, 15 ㎛ 이하일 수 있으며, 10 ㎛일 수 있다. 상기 경사부상면의 최대높이조도 Rt는 0.1 ㎛ 이상일 수 있다.
이러한 경우, 플라즈마 시각 시에 물리적인 요인에 의해 발생할 수 있는 파티클 형성 문제를 실질적으로 억제할 수 있다.
상기 포커스링은 링형 부품으로 외경과 내경의 차이가 10 내지 80 mm일 수 있고, 15 내지 60 mm일 수 있고, 20 내지 50 mm일 수 있다.
상기 포커스링은 링형 부품으로 두께가 1 내지 45 mm일 수 있고, 두께가 1.5 내지 40 mm일 수 있고, 두께가 2 내지 38 mm일 수 있다.
상기 포커스링은 링형 부품으로 내경이 160 mm 이상일 수 있고, 내경이 200 mm 이상일 수 있다. 또한, 상기 포커스링은 링형 부품으로 상기 내경이 300 mm 이상일 수 있고, 내경이 450 mm 이하일 수 있다.
상기 포커스링(10)은 굽힘강도가 300 MPa 이상일 수 있다. 상기 굽힘강도는 450 MPa 이하일 수 있다.
상기 포커스링(10)은 보론카바이드를 형성가공한 것으로 전체적으로 90 중량% 이상이 보론카바이드로 이루어질 수 있고, 93 중량% 이상이 보론카바이드로 이루어진 것일 수 있다. 상기 포커스링(10)은 필요에 따라 추가적으로 코팅층 등을 더 포함할 수 있다. 구체적인 제조방법 등은 후술한다.
포커스링의 제조방법
상기 목적을 달성하기 위하여, 다른 일 구현예에 따른 포커스링의 제조방법은 가공전 보론카바이드를 포함하는 재료를 마련하는 단계; 그리고 상기 재료를 열처리한 후 형상가공을 하여 포커스링을 제조하는 단계;를 포함한다.
상기 열처리는 제1온도에서 1시간 이상 진행되는 1차처리와 제2온도에서 1시간 이상 진행되는 2차처리를 포함한다.
상기 제1온도는 상기 제2온도보다 높은 온도이다.
상기 가공전 보론카바이드는 소결체의 제조방법으로 제조된 것일 수 있다. 상기 가공전 보론카바이드는 소결체의 가압제조방법으로 제조된 것일 수 있다. 상기 가공전 보론카바이드는 소결체의 상압제조방법으로 제조된 것일 수 있다.
상기 보론카바이드는 증착 방식으로 제조된 것일 수 있다.
상기 소결체의 제조방법은, 보론카바이드 분말을 포함하는 원료조성물을 슬러리화하고 과립화하여 원료과립을 준비하는 제1단계; 그리고 상기 원료과립을 성형다이에 충진하고 소결하여 상기 보론카바이드 분말이 서로 네킹된 소결체를 제조하는 제2단계;를 포함한다.
원료조성물은 보론카바이드 분말을 포함한다. 보론카바이드 분말은 고순도(보론카바이드 함량이 99.9 중량% 이상)이 적용될 수 있고, 저순도(보론카바이드 함량이 95 중량% 이상 99.9 중량% 미만)이 적용될 수 있다.
상기 보론카바이드 분말은 D50 기준으로, 150 ㎛이하의 입경을 갖는 것이 적용될 수 있다.
상기 보론카바이드 분말은 D50 기준으로, 약 1.5㎛ 이하의 평균입경을 가질 수 있고, 약 0.3㎛ 내지 약 1.5㎛의 평균 입경을 가질 수 있으며, 약 0.4㎛ 내지 약 1.0㎛의 평균 입경을 가질 수 있다. 또한, 상기 보론카바이드 분말은 D50 기준으로, 약 0.4㎛ 내지 약 0.8㎛의 평균 입경을 가질 수 있다. 평균 입경이 작은 분말을 적용하는 경우, 보다 용이하게 소결체 치밀화를 얻을 수 있다.
상기 보론카바이드 분말은 D50 기준으로, 2 내지 10 um의 입경을 가질 수 있고, 3 내지 8 um의 입경을 가질 수 있고, 4 내지 6 um의 입경을 가질 수 있다. 이러한 입경범위를 갖는 보론카바이드 분말을 적용하는 경우 소결체 치밀화와 함께 공정의 생산성도 향상시킬 수 있다.
원료조성물은 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 분말 형태, 액상 또는 기상으로 상기 세라믹 부품을 제조하는 공정에 투입될 수 있다. 상기 첨가제로 사용되는 물질의 예로서는 카본, 보론 옥사이드, 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 옥사이드, 보론 나이트라이드, 보론 또는 실리콘 나이트라이드 등을 들 수 있다. 상기 첨가제는 상기 원료 물질을 기준으로 약 0.1 중량% 내지 약 30 중량%의 함량으로 포함될 수 있다.
첨가제는 소결특성개선제일 수 있다. 상기 소결특성개선제는, 상기 원료물질에 포함되어 보론카바이드의 물성을 향상시킨다. 상기 소결특성개선제는 카본, 보론 옥사이드, 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 옥사이드, 보론 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 실리콘 나이트라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 소결특성개선제는 상기 원료물질 전체를 기준으로 약 30 중량% 이하로 함유될 수 있다. 구체적으로 상기 소결특성개선제는 상기 원료물질 전체를 기준으로, 약 0.001 중량% 내지 약 30 중량%로 함유될 수 있고, 0.1 내지 15 중량%로 함유될 수 있으며, 1 내지 10 중량%로 함유될 수 있다. 상기 소결특성개선제가 30 중량% 초과로 포함되는 경우에는 오히려 소결체의 강도를 떨어뜨릴 수 있다.
상기 원료물질은 상기 소결특성개선제 이외의 잔량으로 보론카바이드 분말 등의 보론카바이드 원료를 포함할 수 있다. 상기 소결특성개선제는 보론 옥사이드, 카본 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 소결특성개선제로 카본이 적용되는 경우, 상기 카본은 페놀수지, 노볼락 수지와 같은 수지 형태로 첨가될 수 있고, 상기 수지가 탄화 공정을 통하여 탄화된 형태의 카본으로 적용될 수도 있다. 상기 수지의 탄화 공정은 통상 고분자 수지를 탄화시키는 공정이 적용될 수 있다. 상기 페놀수지는 잔탄량이 40 중량% 이상인 것을 적용할 수 있다.
상기 소결특성개선제로 카본이 적용되는 경우, 상기 카본은 1 내지 10 중량%로 적용될 수 있고, 1 내지 8 중량%로 적용될 수 있으며, 2 내지 6중량%로 적용될 수 있고, 3 내지 5 중량%로 적용될 수 있다. 이러한 함량으로 상기 소결특성개선제로 카본을 적용하는 경우, 입자 사이의 네킹 현상을 잘 유도하고 입자 크기가 비교적 크며, 상대밀도가 비교적 높은 보론카바이드를 얻을 수 있다. 다만, 상기 카본을 10 중량% 초과로 포함하는 경우, 가압소결 과정에서 이산화탄소 등 가스의 발생이 과다하여 작업성이 떨어질 수 있다.
상기 소결특성개선제는 보론옥사이드를 적용할 수 있다. 상기 보론 옥사이드는 B2O3로 대표되는 것으로, 상기 보론옥사이드를 적용하며 소결체의 기공 내에 존재하는 탄소와의 화학반응 등을 통해 보론카바이드를 생성하고, 잔류 탄소의 배출을 도와 보다 치밀화된 소결체를 제공할 수 있다.
상기 소결특성개선제로 상기 보론 옥사이드와 상기 카본이 함께 적용되는 경우, 상기 소결체의 상대밀도를 보다 높일 수 있으며, 이는 기공 내에 존재하는 카본 영역이 감소하며 보다 치밀도가 향상된 소결체를 제조할 수 있다.
상기 보론 옥사이드와 상기 카본은 1: 0.8 내지 4의 중량비로 적용될 수 있다. 이러한 경우 보다 상대밀도가 향상된 소결체를 얻을 수 있다.
상기 소결특성개선제는 그 융점이 약 100℃내지 약 1000℃ 수 있다. 더 자세하게, 상기 첨가제의 융점은 약 150℃내지 약 800℃ 수 있다. 상기 첨가제의 융점은 약 200℃내지 약 400℃ 수 있다. 이에 따라서, 상기 첨가제는 상기 원료 물질이 소결되는 과정에서 상기 보론카바이드 사이로 용이하게 확산될 수 있다.
원료조성물은 필요에 따라 분산제, 용매 등을 더 포함할 수 있다.
상기 원료조성물은 반도체 공정 중에 고체 상태의 부산물을 발생시킬 수 있는 물질을 포함하지 않거나, 매우 낮은 함량으로 포함한다. 예를 들어, 상기 부산물을 발생시킬 수 있는 물질의 예로서는 철, 구리, 크롬, 니켈 또는 알루미늄 등의 금속 등을 들 수 있다. 상기 부산물을 발생시킬 수 있는 물질의 함량은 상기 원료 물질을 기준으로 500ppm 이하 일 수 있다.
슬러리화는 볼밀링 등의 방법으로 충분하고 실질적으로 균일하게 원료조성물을 혼합하는 과정이다. 용매와 함께 적용될 수 있으며, 메탄올, 에탄올, 부탄올 등과 같은 알코올 또는 물이 용매로 적용될 수 있다. 상기 용매는 상기 슬러리 전체를 기준으로 약 60 부피% 내지 약 80 부피%의 함량으로 적용될 수 있다. 볼밀링은 구체적으로 폴리머 볼이 적용될 수 있으며, 상기 슬러리 배합 공정은 약 5시간 내지 약 20시간 동안 진행될 수 있다.
과립화는 상기 슬러리가 분사되면서, 상기 슬러리에 포함된 용매가 증발 등에 의해서 제거되면서 원료물질이 과립화되는 방식으로 진행될 수 있다. 이렇게 제조되는 과립화된 원료물질 입자는 입자 자체가 전체적으로 둥근 형태를 띄며 비교적 입도가 일정한 특징을 가질 수 있다.
과립화 과정을 거친 원료과립은 그 크기가 50 내지 160 ㎛ 일 수 있고, 60 내지 100 ㎛ 일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 원료과립을 적용하면, 이후 소결 등의 과정에서 몰드 충진이 용이하고 작업성을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 제2단계는 원료과립을 성형다이에 충진하고 소결하여 상기 보론카바이드 분말이 서로 네킹된 소결체를 제조하는 단계이다. 상기 소결은 상압에서 진행될 수 있고(상압소결), 가압 상태에서 진행될 수도 있다(가압소결).
상기 성형다이는 450 mm 이상의 길이 또는 직경을 갖는 것일 수 있다. 현재 포커스링은 일반적으로 320 mm 이상의 직경을 갖는 링형 부품 형태로 적용된다. 따라서, 보론카바이드 포커스링을 제조하기 위해서는 상당히 큰 직경 또는 길이를 갖는 벌크 보론카바이드가 필요하다. 소결과정에서 소결체의 크기가 작아지는 것이 일반적이고, 이후 형상가공을 실시하는 과정에서 손실되는 부분 등을 고려하면, 상기 성형다이는 450 mm 이상의 크기를 갖는 것이 좋다. 상기 성형다이는 450 내지 600 mm의 크기를 갖는 것일 수 있다.
상기 소결은 소결온도와 소결압력 하에서 진행될 수 있다.
상기 소결온도는 약 1800 내지 약 2500 ℃ 수 있고, 약 1800 내지 약 2200℃일 수 있다.
상기 소결압력은 약 10 내지 약 110 MPa일 수 있고, 약 15 내지 약 60 MPa일 수 있으며, 약 17 내지 약 30 MPa일 수 있다.
이러한 소결온도와 소결압력 하에서 상기 성형단계를 진행하는 경우, 보다 효율적으로 고내식성, 고밀도의 보론카바이드를 제조할 수 있다.
상기 소결시간은 0.5 내지 10 시간이 적용될 수 있고, 0.5 내지 7 시간이 적용될 수 있으며, 0.5 내지 4 시간이 적용될 수 있다.
상기 소결시간은 상압에서 진행하는 소결 공정과 비교하여 상당히 짧은 시간이며, 이렇게 짧은 시간을 적용하더라도 상압소결과 동등 또는 더 우수한 강도를 갖는 보론카바이드를 제조할 수 있다.
상기 소결은 환원분위기에서 진행될 수 있다. 환원분위기는, 보론카바이드 분말이 공기 중의 산소와 반응하여 형성될 수 있는 보론 옥사이드와 같은 물질들을 환원시켜 보론카바이드 함량이 보다 높아지고 탄소가 뭉쳐진 영역이 줄어든 고내식각성의 보론카바이드를 제조할 수 있다.
소결 과정에서, 보론카바이드 분말은 성장하고 서로 네킹되어 강도가 큰 소결체를 형성한다. 또한, 함께 적용되는 첨가제는 온도와 압력에 따라서 그 상태와 성분이 변화하면서 보론카바이드 분말의 성장을 억제 또는 촉진시키는 것으로 생각된다. 아울러, 가압과 함께 진행되는 소결에서 얻어지는 보론카바이드는 일반적인 상압 소결로 얻어지는 보론가바이드와 비교해 보다 치밀한 미세구조를 가질 수 있다.
이렇게 제조된 보론카바이드는, 가공전 보론카바이드로써 포커스링의 제조방법에 적용된다.
상기 재료를 마련하는 단계는 가공전 보론카바이드를 포함하는 재료를 마련하는 단계이다.
포커스링을 제조하는 단계는 상기 재료를 열처리한 후 형상가공을 하여 포커스링을 제조하는 단계이다.
가압소결의 방법으로 벌크 형태의 보론카바이드를 제조하려는 시도는 다수 있었다. 그러나, 통상 쿠폰이라고 말하는 가로 세로 약 30 mm 이하의 작은 시편이 아니라, 직경이 비교적 큰 벌크 형태의 보론카바이드(이하, 보론카바이드로 언급한다)는 그 제조가 쉽지 않다.
발명자들은, 비교적 큰 크기의 보론카이드를 만들 때, 제조된 보론카바이드는 벌크 형태까지의 제조에는 안정적이나 이후 설명하는 링 형상으로 형상가공할 때에 크랙, 깨짐 등이 상당히 높은 비율로 발생하고, 특히, 가압소결 방식으로 제조하는 경우 그 빈도가 상당히 심하게 나타난다는 점을 경험적으로 확인했다. 그리고, 이러한 특성을 갖는 이유 중 하나로 보론카바이드 전체적으로 불균일한 잔류응력 특성을 갖기 때문일 것이라고 판단했다.
구현예에서는 형상 가공성을 향상시키기 위해 벌크 보로카바이드 자체에 또는 이를 포함하는 재료에 추가적인 열처리 등을 진행한다.
상기 포커스링을 제조하는 단계는 열처리과정, 그리고 형상화과정을 포함할 수 있다.
상기 포커스링을 제조하는 단계는 열처리과정, 형상화과정, 그리고 폴리싱과정을 포함할 수 있다.
상기 열처리는 제1온도에서 1시간 이상 진행되는 1차처리와 제2온도에서 1시간 이상 진행되는 2차처리를 포함한다.
상기 제1온도는 상기 제2온도보다 높은 온도이다.
상기 제1온도는 1650 ℃이상이고, 상기 제2온도는 1400 ℃이상일 수 있다. 이러한 온도범위에서 상기 1차처리, 상기 2차처리를 진행하는 경우 보다 효과적으로 열처리를 진행할 수 있다.
상기 제1온도는 1650 내지 1950 ℃ 온도일 수 있다. 상기 1차처리는 2 내지 8시간 동안 진행될 수 있다.
상기 제2온도는 1400 내지 1600 ℃ 온도일 수 있다. 상기 2차처리는 2 내지 8시간 동안 진행될 수 있다.
상기 열처리가 제1온도 및 제2온도로 적용되는 경우, 가압소결체의 형상가공성이 상당히 높아진다. 이는 열처리에 의해 잔류응력 분포의 변화 등이 유도되는 것으로 생각된다.
형상가공은 형상화과정에서 진행된다.
형상가공은 상기 소결체의 일부를 분리하거나 제거하여 의도하는 형상을 갖도록 가공하는 과정이다. 형상가공은 소결체를 대략 포커스링 외형 형태로 가공하는 링 가공과 링 가공을 거친 보론카바이드를 포커스링의 형태로 가공하는 협의의 형상가공을 포함한다.
상기 형상가공은 식각 및/또는 커팅하는 과정을 포함한다.
상기 형상가공과정은 방전가공, 워터젯 방식, 레이저 방식 등이 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 포커스링은 기준면으로부터 제1높이를 갖는 안착부와 상기 기준면으로부터 제2높이를 갖는 본체부를 포함하고, 상기 안착부는 식각대상이 안착되는 안착부상면을 포함하고, 상기 본체부는 플라즈마에 의해 직접 식각되는 본체부상면을 포함한다.
상기 안착부와 상기 본체부 사이에는 이들의 사이에 위치하는 경사부가 더 포함될 수 있다.
상기 포커스링은 상기 경사부는 상기 안착부상면과 상기 본체부상면을 연결하는 경사부상면을 포함할 수 있다.
상기 형상가공으로 상기 재료가 포커스링의 형상을 갖춘 이후에는 폴리싱과정을 더 거칠 수 있다.
폴리싱과정은 포커스링의 표면 조도를 낮추는 과정이다.
폴리싱 과정은 공업용 다이아몬드를 함유하는 슬러리를 적용한 연마 과정 등으로 진행될 수 있으며, 파티클 특성이 우수한 포커스링을 얻기 위하여 최대높이조도 Rt가 15 ㎛ 이하가 되도록 가공하는 것이 좋다.
상기 본체부상면의 최대높이조도 Rt는 0 내지 25 ㎛일 수 있고, 0 내지 10 ㎛일 수 있으며, 0.1 내지 5 ㎛일 수 있고, 0.1 내지 2 ㎛일 수 있다.
상기 안착부상면의 최대높이조도 Rt는 0 내지 25 ㎛일 수 있고, 0 내지 15 ㎛일 수 있으며, 0.1 내지 12 ㎛일 수 있고, 0.1 내지 2 ㎛일 수 있다.
상기 경사부상면의 최대높이조도가 Rt는 30 um 이하일 수 있고, 15 um 이하일 수 있으며, 10 um일 수 있다. 상기 경사부상면의 최대높이조도 Rt는 0.1 um 이상일 수 있다.
이러한 표면조도특성을 갖는 경우 플라즈마 챔버 내에서 물리적인 방식으로 파티클이 형성되는 것을 효율적으로 억제할 수 있다.
상기 재료를 열처리를 거치지 않고 바로 형상가공을 진행하는 경우, 형상가공 성공률이 10 % 미만, 거의 0%에 가깝게 현저하게 낮다. 잔류응력 불균형 등 보론카바이드 내에 발생된 불균형이 이렇게 형상가공성이 낮게 나타나는 중요한 원인 중 하나로 생각된다.
구현예의 포커스링은 상대적으로 대면적인 벌크 보론카바이드를 형상가공하여 얻어지며, 보론카바이드가 대표적인 난삭소재 중 하나이라는 점 역시, 형상가공 성공률에 영향을 주는 요소 중 하나라고 생각된다.
위에서 언급한 것처럼, 통상의 쿠폰과 달리, 포커스링은 그 크기가 크고 원주형태를 갖는다는 점을 특징 중 하나로 갖는다.
상기 포커스링은 링형 부품으로 외경과 내경의 차이가 10 내지 80 mm일 수 있고, 15 내지 60 mm일 수 있고, 20 내지 50 mm일 수 있다.
상기 포커스링은 링형 부품으로 두께가 1 내지 45 mm일 수 있고, 두께가 1.5 내지 40 mm일 수 있고, 두께가 2 내지 38 mm일 수 있다.
상기 포커스링은 링형 부품으로 내경이 160 mm 이상일 수 있고, 내경이 200 mm 이상일 수 있다. 또한, 상기 포커스링은 링형 부품으로 상기 내경이 300 mm 이상일 수 있고, 내경이 450 mm 이하일 수 있다.
보론카바이드를 이렇게 큰 직경을 갖는 형태로 만들기 위해서는 상대적으로 대면적인 소결체의 형상가공이 필요하다. 또한, 보론카바이드 자체가 고강도 난삭소재이고, 보론카바이드를 보다 치밀하고 보다 강한 강도를 갖도록 하는 연구 개발도 지속되고 있기 때문에, 보론카바이드의 형상가공 시에 발생할 수 있는 어려움은 더 커지고 있다.
발명자들은 형상가공 중에 보론카바이드 자체가 손상되는 경우, 예시적으로 깨짐 발생, 크랙 발생 등의 현상이 발생하는 경우, 측정한 보론카바이드 내의 잔류응력의 불균형이 상대적으로 심한 것으로 나타난다는 점을 확인했다. 이렇게 깨짐이나 크랙이 발생한 보론카바이드는 내식각성의 부분적 불균일 등을 발생시킬 수 있으며, 포커스링 형태로 가공이 실질적으로 불가능하고, 설령 가공에 성공했다고 하더라도 폐기 대상이다. 따라서, 발명자들은 잔류응력의 불균형이 일정 수준 이하인 보론카바이드가 링형 부품으로 가공이 가능하다는 점을 구현예의 일 특징으로 제시한다.
열처리를 거친 보론카바이드를 포함하는 재료는 서로 100 mm 이상의 거리를 둔 위치1, 위치2, 및 위치3에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 상기 위치1, 상기 위치2 및 상기 위치3에서 측정한 잔류응력의 평균의 10 % 이하일 수 있다. 상기 잔류응력의 표준편차는 상기 평균의 7 % 이하일 수 있고, 상기 평균의 5% 이하일 수 있다. 또한 상기 잔류응력의 표준편차는 상기 평균의 0% 이상일 수 있고, 1 % 이상일 수 있다.
이러한 잔류응력의 표준편차 특성을 갖는 경우, 보론카바이드를 포함하는 재료 전체적으로 비교적 고른 잔류응력이 분포하고, 잔류응력의 불균형에서 기인하는 파손, 깨짐, 결함 등의 현상을 현저히 줄일 수 있다.
반면에, 상기 제2단계의 보론카바이드(열처리 전의 보론카바이드, 특히 가압소결체의 경우)는 서로 100 mm 이상의 거리를 둔 위치1, 위치2, 및 위치3에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 상기 위치 1, 위치 2 및 위치3에서 측정한 잔류응력 평균의 10 % 초과일 수 있다.
상기 제2단계의 보론카바이드를 포함하는 재료(열처리 전의 재료)가 갖는 잔류응력의 표준편차와 열처리 후의 보론카바이드를 포함하는 재료(열처리 후의 재료)가 갖는 잔류응력의 표준편차를 평균값에 대한 상대값으로 표시하면, 통상 제2단계의 보론카바이드의 잔류응력 평균값이 열처리를 거친 제3단계의 보론카바이드의 잔류응력의 평균 값보다 더 크게 나타난다. 때문에, 잔류응력의 표준편차 값은 열처리를 거친 상기 재료의 경우가 제2단계의 열처리를 거치기 전의 상기 재료 보다 작게 나타날 수 있다.
상기 위치1, 위치2 및 위치3은 예시적으로 원반형인 보론카바이드를 포함하는 재료에서 가장자리, 정중앙 그리고, 가장자리와 정중앙의 사이에 이들 각각과의 거리가 100 mm 이상인 지점에서 측정될 수 있다. 다만, 상기 위치1, 위치2 및 위치3이 원반형인 가압소결체를 포함하는 재료의 중앙에서 동일한 거리에 위치하지 않는다.
상기 열처리한 후 형상가공 전의 보론카바이드를 포함하는 재료는 각각 100 mm 이상의 거리를 둔 위치1, 위치2, 및 위치3에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 100 MPa 이하일 수 있다. 상기 잔류응력의 표준편차는 80 MPa 이하일 수 있고, 50 MPa 이하일 수 있다. 상기 잔류응력의 표준편차는 0 MPa 이상일 수 있고, 10 MPa 이상일 수 있다. 이러한 경우 보다 안정적으로 형상가공이 가능하다.
상기 제3단계에서 열처리한 후 형상가공 전의 보론카바이드를 포함하는 재료는 각각 100 mm 이상의 거리를 둔 위치1, 위치2, 및 위치3에서 측정한 잔류응력의 최대값과 최소값의 차이가 300 MPa 이하일 수 있다. 상기 최대값과 최소값의 차이는 250 MPa 이하일 수 있고, 200 MPa 이하일 수 있다. 상기 최대값과 최소값의 차이는 150 MPa 이하일 수 있고, 120 MPa 이하일 수 있다. 이렇게 잔류응력의 최대값과 최소값의 차이가 비교적 작은 경우, 보다 안정적으로 형상가공이 가능하다.
상기 제3단계에서 열처리한 후 형상가공 전의 보론카바이드를 포함하는 재료는 서로 100 mm 이상의 거리를 둔 위치1, 위치2, 및 위치3에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 상기 위치1, 위치2, 및 위치3에서 측정한 잔류응력의 평균 값의 7 % 이내일 수 있고, 5 % 이내일 수 있으며, 3 % 이내일 수 있고, 0% 초과일 수 있다. 이렇게 잔류응력의 표준편차가 잔류응력의 평균 값 대비 작은 값을 갖는 경우, 보다 안정적인 형상가공이 가능하다.
위의 잔류응력에 대한 설명은 형상가공 전의 보론카바이드를 포함하는 재료에 대해서 설명했으나, 형상가공을 거친 후의 보론카바이드에도 일부 적용될 수 있다. 특히, 형상가공을 거친 후의 가압소결체는 외경에 해당하는 면 또는 이와 가까운 본체상면에서 측정한 잔류응력과 내경에 해당하는 면 또는 이와 가까운 안착부상면에서 측정한 잔류응력에 차이가 크다.
링형 부품인 보론카바이드에서 잔류응력을 측정하는 경우, 적어도 한 지점(PS3)은 본체상면에, 다른 적어도 한 지점(PS1)은 안착부상면에서 측정될 수 있다. 이렇게 측정하는 경우 잔류응력 불균형 여부를 더 명확하게 확인할 수 있다.
위의 잔류응력은 X-ray diffraction으로 측정한 결과를 기준으로 설명한다. 다만 잔류응력의 측정방법이 이에 한정되지 않는다.
상기 포커스링은 기준면으로부터 제1높이를 갖는 안착부와 상기 기준면으로부터 제2높이를 갖는 본체부를 포함하고, 상기 안착부는 식각대상이 안착되는 안착부상면을 포함하고, 상기 본체부는 플라즈마에 의해 직접 식각되는 본체부상면을 포함한다.
상기 포커스링은 상기 안착부와 상기 본체부를 연결하는 경사부를 더 포함할 수 있다.
상기 안착부와 상기 본체부는 서로 높이가 다르며, 상기 경사부는 이들의 서로 다른 높이를 연결할 수 있다.
상기 본체부, 상기 안착부, 그리고 상기 경사부는 서로 구분하여 설명하나, 이들은 서로 구분되어 마련될 수도 그 경계의 구분이 없이 일체로 마련될 수 있다.
상기 경사부는 상기 안착부상면과 상기 본체부상면을 연결하는 경사부상면을 포함한다.
상기 포커스링은 상기 안착부상면의 한 지점인 PS1을 갖는다.
상기 포커스링은 상기 경사부상면의 한 지점인 PS2를 갖는다.
상기 포커스링은 상기 본체부상면의 한 지점인 PS3을 갖는다.
상기 포커스링은 상기 PS1과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 최대값과 최소값의 차이는 상기 PS1과 상기 PS3의 평균값의 40% 이내일 수 있다. 상기 PS1과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 최대값과 최소값의 차이는 상기 PS1과 상기 PS3의 평균값의 15% 이내일 수 있고, 10% 이내일 수 있으며 1 내지 10%일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 포커스링은 보다 안정적인 가공성, 안정성을 가질 수 있다.
상기 포커스링은 상기 PS1에서 측정한 잔류응력과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 차이는 -600 내지 +600 MPa일 수 있다. 상기 PS1에서 측정한 잔류응력과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 차이는 -300 내지 +300 MPa일 수 있고, -200 내지 +200 MPa일 수 있으며, -150 내지 +150 MPa일 수 있다. 또한, 상기 PS1에서 측정한 잔류응력과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 차이는 -130 내지 +130 MPa일 수 있다. 이러한 경우 보다 고밀도이면서도 가공성이 우수한 포커스링을 얻을 수 있다.
상기 포커스링은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력의 표준편차가 300 MPa 이하일 수 있고, 250 MPa 이하일 수 있다. 또한, 상기 포커스링은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력의 표준편차가 150 MPa 이하일 수 있고, 75 MPa 이하일 수 있다. 이러한 표준편차를 갖는 경우 보다 고밀도이면서도 우수한 가공성을 갖는 포커스링을 얻을 수 있다.
상기 포커스링은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력의 표준편차는 상기 PS1, 상기 PS2 및 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 평균의 20% 이하일 수 있다. 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력의 표준편차는 상기 PS1, 상기 PS2 및 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 평균의 15% 이하일 수 있고 10 % 이하일 수 있으며, 8 % 이하일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 경우 보다 고밀도이면서 우수한 가공성을 갖는 포커스링을 얻을 수 있다.
상기 포커스링은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력은 상기 PS1, 상기 PS2 및 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 평균과의 차이가 350 MPa 이하일 수 있고, 300 MPa 이하일 수 있고, 250 MPa 이하일 수 있고, 200 MPa 이하일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 경우 보다 고밀도이면서 우수한 가공성을 갖는 포커스링을 얻을 수 있다.
상기 포커스링은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력은 최대값과 최소값의 차이가 그 평균의 25% 이내일 수 있다. 상기 포커스링은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력은 최대값과 최소값의 차이가 그 평균의 20 % 이내일 수 있고, 15% 이내일 수 있다. 또한 상기 포커스링은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력은 최대값과 최소값의 차이가 그 평균의 10% 이내일 수 있고, 5% 이내일 수 있으며 1 % 이상일 수 있다. 이러한 잔류응력의 분포를 갖는 경우 보다 안정적인 형상 가공이 가능하며, 보다 안정적인 내식각성 재료를 얻을 수 있다.
상기 포커스링은 중심에서 거리가 서로 다른 지점의 표면에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 350 MPa 이하일 수 있다.
상기 포커스링은 중심에서 거리가 서로 다른 지점의 표면에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 300 MPa 이하일 수 있고, 250 MPa 이하일 수 있고, 200 MPa 이하일 수 있다.
상기 포커스링은 중심에서 거리가 서로 다른 지점의 표면에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 120 MPa 이하일 수 있고, 100 MPa 이하일 수 있다.
상기 포커스링은 굽힘강도가 300 MPa 이상일 수 있다. 상기 굽힘강도는 450 MPa 이하일 수 있다. 이러한 경우 보다 강도가 강한 포커스링을 제공할 수 있다.
상기 포커스링은 보론카바이드를 형성가공한 것으로 전체적으로 90 중량% 이상이 보론카바이드로 이루어질 수 있고, 93 중량% 이상이 보론카바이드로 이루어진 것일 수 있다. 상기 포커스링은 필요에 따라 추가적으로 코팅층 등을 더 포함할 수 있다.
세라믹 부품 및 세라믹 부품의 제조방법
상기 목적을 달성하기 위한 다른 일 구현예는 보론카바이드 분말을 포함하는 원료조성물을 슬러리화하고 과립화하여 원료과립을 준비하는 제1단계; 상기 원료과립을 성형다이에 충진하고 1800 ℃이상의 온도와 15 MPa 이상의 압력에서 소결하여 상기 보론카바이드 분말이 서로 네킹된 가압소결체를 제조하는 제2단계; 그리고 상기 가압소결체를 열처리한 후 형상가공을 하여 세라믹 부품을 제조하는 제3단계;를 포함하고, 상기 열처리는 제1온도에서 1시간 이상 진행되는 1차처리와 제2온도에서 1시간 이상 진행되는 2차처리를 포함하고, 상기 제1온도는 상기 제2온도보다 높은 온도인, 세라믹 부품의 제조방법을 제공한다.
상기 제3단계에서 열처리한 후 형상가공 전의 가압소결체는 표면에서 서로 100 mm 이상의 거리를 둔 위치1과 위치2에서 측정한 잔류응력의 차이가 -300 Mpa 내지 +300 MPa일 수 있다.
상기 제3단계에서 열처리한 후 형상가공 전의 가압소결체는 표면에서 서로 100 mm 이상의 거리를 둔 위치1, 위치2, 및 위치3에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 상기 위치1, 상기 위치2, 및 상기 위치3에서 측정한 잔류응력 평균의 10 % 이하일 수 있다.
상기 제3단계에서 열처리한 후 형상가공 전의 가압소결체는 표면에서 서로 100 mm 이상의 거리를 둔 위치1, 위치2 및 위치3에서 측정한 잔류응력의 최대값과 최소값의 차이가 300 MPa 이하일 수 있다.
상기 제1온도는 1650 ℃ 이상일 수 있다.
상기 제2온도는 1400 ℃ 이상일 수 있다.
상기 세라믹 부품은 외경과 내경의 차이가 10 내지 80 mm이고, 두께가 1 내지 45 mm인 것일 수 있다.
상기 세라믹 부품은 플라즈마 식각장비에 적용되는 포커스링일 수 있다.
상기 포커스링은 기준면으로부터 제1높이를 갖는 안착부와 상기 기준면으로부터 제2높이를 갖는 본체부를 포함할 수 있다.
상기 안착부는 식각대상이 안착되는 안착부상면을 포함하고, 상기 본체부는 플라즈마에 의해 직접 식각되는 본체부상면을 포함한다.
상기 안착부상면과 상기 본체부상면은 폴리싱된 것일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 다른 일 구현예는 세라믹 부품을 제공한다.
상기 세라믹 부품은 보론카바이드를 포함하고, 중심에서 거리가 서로 다른 두 지점의 표면에서 측정한 잔류응력은 각각 S1과 S2이고, 상기 S1과 S2의 차이는 -600 내지 +600 MP일 수 있다.
상기 세라믹 부품은 중심에서 거리가 서로 다른 지점의 표면에서의 잔류응력은 각각 S1, S2, 및 S3이고, 상기 S1, S2, 및 S3 중에서 최대값과 최소값의 차이는 -600 내지 +600 MP일 수 있다.
상기 세라믹 부품은 중심에서 거리가 서로 다른 지점의 표면에서의 잔류응력은 각각 S1, S2, 및 S3이고, 상기 S1, S2, 및 S3의 표준편차는 350 MPa 이하일 수 있다.
상기 세라믹 부품은 플라즈마 식각장비에 적용되는 부품이고, 상기 부품은 기준면으로부터 제1높이를 갖는 제1부와 상기 기준면으로부터 제2높이를 갖는 제2부를 포함하고, 상기 제1부는 제1부상면을 포함하고, 상기 제2부는 제2부상면을 포함하고, 상기 제1부상면에서 측정한 잔류응력과 상기 제2부상면에서 측정한 잔류응력의 차이는 -600 내지 +600 MP일 수 있다.
상기 제1부상면은 폴리싱된 것일 수 있다.
상기 제2부상면은 폴리싱된 것일 수 있다.
상기 세라믹 부품은 굽힘강도가 300 MPa 이상일 수 있다.
상기 제1부상면은 최대높이조도 Rt는 15 um 이하일 수 있다.
상기 제2부상면은 최대높이조도 Rt는 15 um 이하일 수 있다.
반도체소자의 제조방법
상기 목적을 달성하기 위하여, 구현예의 다른 일 실시예에 따른 반도체소자의 제조방법은 포커스링을 적용하여 기판을 식각하는 과정을 포함한다.
포커스링은 위에서 설명한 특징을 갖는 것으로, 상세한 설명은 생략한다.
포커스링은 식각장치 내에 위치하여 식각대상인 기판을 지지한다.
상기 식각장치는 플라즈마 식각장치일 수 있다.
플라즈마 식각시, 기판과 함께 본체상면을 포함하는 포커스링의 일부가 함께 식각된다.
기판의 식각은 미리 정해진 정도로 기판 전체가 고르게 식각되는 것이 좋기 때문에, 포커스링은 플라즈마 식각 장비 내에서 플라즈마 식각 장비와 함께 기판 전체적으로 고른 온도 분포와 고른 플라즈마 흐름을 갖도록 돕는다.
또한, 포커스링은 기판보다 더 천천히 시각되기는 하나 기판의 식각과 함께 식각되므로, 일정한 높이(또는 두께) 이하로 포커스링 자체의 식각이 진행된 경우에는 포커스링 자체의 교체가 필요하다.
다만, 포커스링의 교체를 위해 플라즈마 식각을 멈추고 플라즈마 식각장비의 챔버를 오픈할 필요가 있다. 이 과정은 반도체 소자 제조에 필수적인 과정이기는 하나, 대기중의 오염물질의 챔버 내 함입 가능성을 높이고 클리닝 공정이 필요하다는 등 공정 효율성을 저해하는 과정 중 하나이기도 하다.
구현예의 포커스링은 보론카바이드를 포함하거나 보론카바이드로 이루어지며, 보다 강한 내플라즈마 식각성을 가져서 포커스링의 교체주기를 늘릴 수 있고, 공정효율성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 보론카바이드는 상기 플라즈마 분위기에서 입자성 이물질을 형성하지 않아, 보다 공정친화적이고 고품질의 반도체 기판을 효율적으로 생산하는 것을 도울 수 있다. 이는 포커스링으로 적용되던 실리콘 포커스링 등의 대체재료로 언급되던 이트리아 등은 불소이온 또는 염소이온을 포함하는 플라즈마 분위기에서 파티클을 형성해 기판에 치명적인 디펙을 형성하는 것과 다른 우수한 특징이라 생각된다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 포커스링의 제조
1) 가압소결법을 적용한 원판형 보론카바이드 재료의 제조
아래 표 1에 제시된 함량의 비율로 보론카바이드 분말(입도 D50 = 0.7㎛), 페놀수지(잔탄율 약 42 중량%) 등의 원료물질과 용매를 슬러리배합기에 넣고 볼밀 방식으로 혼합해 슬러리화된 원료물질을 제조하였다. 이 슬러리화된 원료물질을 분무 건조시켜 과립화된 원료물질을 제조했다.
과립화된 원료물질을 원반형 성형다이에 충진하고 아래 표 1에 제시된 온도, 압력 및 시간을 적용하여 직경이 약 488 mm 인 가압소결 원반형 보론카바이드 재료(열처리전)를 제조했다.
열처리 1은 상기 재료를 1400 내지 1600 ℃ 온도에서 2 내지 5시간 동안 열처리를 진행했다.
열처리 2는 상기 재료를 1650 내지 1950 ℃ 온도에서 2 내지 3.5시간 동안 1차처리를 진행하고, 1400 내지 1600 ℃ 온도에서 3 내지 6시간 동안 2차처리를 진행했다.
열처리 3은 상기 재료를 1650 내지 1950 ℃ 온도에서 4 내지 6시간 동안 1차처리를 진행하고, 1400 내지 1600 ℃ 온도에서 3 내지 6시간 동안 2차처리를 진행했다.
2) 상압소결법을 적용한 원판형 보론카바이드 재료의 제조
아래 표 1에 제시된 함량의 비율로 보론카바이드 분말(입도 D50 = 0.7㎛), 페놀수지(잔탄율 약 42 중량%) 등의 원료물질과 용매를 슬러리배합기에 넣고 볼밀 방식으로 혼합해 슬러리화된 원료물질을 제조하였다. 이 슬러리화된 원료물질을 분무 건조시켜 과립화된 원료물질을 제조했다.
과립화된 원료물질을 원반형 중공을 갖는 고무몰드에 충진하고 CIP(Cold Isostatic Press) 기기에 로딩한 후 가압하여 외경이 약 488 mm 이상인 그린바디를 제조했다. 이 그린바디는 포커스링과 형상을 갖도록 그린가공을 한 후, 탄화공정을 진행했다. 탄화공정이 진행된 그린바디는 소결로에서 아래 표 1에서 제시하는 온도 및 시간으로 상압소결하였다. 직경이 488 mm이고 중공을 갖는 상압소결 원반형 보론카바이드 재료를 제조했다. 각각의 원반형 보론카바이드 재료를 아래 표 1에서 샘플로 약칭한다.
실시예 # 첨가제1
(중량%)*		 첨가제2
(중량%)**		 보론카바이드 분말
(중량%)		 소결온도
)℃		 소결시간
(시간)		 소결압력
(Mpa)		 소결전
직경
(mm)
가압 샘플 1 4 - 잔량 1950 5 25 488
가압 샘플 2 4 - 잔량 1950 5 25 488
가압 샘플 3 4 - 잔량 1950 5 25 488
상압 샘플 10 2 잔량 2380 15 상압 488
* 첨가제1은 페놀수지를 적용함.
** 첨가제2는 보론옥사이드를 적용함.
3) 가압소결 원판형 보론카바이드 재료의 잔류응력 측정
X-ray diffraction을 이용하여 원판형 보론카바이드 재료의 잔류응력을 측정하였다.
약 488 mm인 원반형 보론카바이드 재료의 정중앙인 위치1, 가장자리로부터 직경의 10% 이내인 위치3, 그리고 상기 위치1과 위치3의 중간인 위치2의 총 3점의 잔류응력을 측정했다. 위치1, 위치2, 및 위치3은 각각 100 mm 이상의 거리를 갖는 지점이다. 동일한 조성과 가압조건으로 제조한 가압샘플 3을 활용해서 열처리 진행 유무에 따른 잔류응력의 정도를 확인해 아래 표 2에 나타냈다.
측정에 적용한 원반형 보론카바이드 재료들은 그 두께가 8 내지 40 mm로 다양하게 제조되었다. 아래 표 2에서 상압소결 원반형 보론카바이드 재료는 상압샘플, 가압소결 원반형 소결체는 가압샘플로 약칭한다. 하기 표 2에서 열처리는 위에서 설명한 열처리 3에 의한 열처리를 적용했다. 아래 표 2에서 표준편차는 마이크로소프트社의 엑셀에서 STDEV.P 함수를 적용해서 계산했다(이하 표준편차 측정에서 동일함).
열처리 위치 1
(MPa)		 위치 2
(MPa)		 위치3
(MPa)		 평균
(MPa)		 표준편차
(MPa)		 최대-최소
(MPa)
가압샘플 2(열처리전) 無 1905.3 2174.7 2304.9 2128.3 166.4026 399.6
가압샘플 2(열처리후) 有 2030.9 2108.3 2138.4 2092.5 45.28063 107.5
상기 표 2를 참고하면, 열처리를 한 가압샘플과 열처리를 하지 않은 가압샘플은 위치별로 잔류응력의 차이가 현저하다는 점을 확인할 수 있었다. 특히, 서로 다른 3의 위치에서 측정한 잔류응력의 평균값은 큰 차이를 보이지 않으나, 표준편차는 약 3.6배 이상의 차이가 났고, 최대값과 최소값의 차이도 약 3.7배 이상의 차이가 나타났다. 이러한 차이가 이후 설명하는 형상가공과정에서 상당히 높은 확률로 발생하는 깨짐 현상의 원인 중 하나일 것으로 생각된다.
4) 포커스링 형상으로 형상가공
위의 1)로 제조한 가압소결 원판형 보론카바이드 재료는 열처리를 하지 않은 것과 열처리를 한 것을 각각 형상가공을 실시했다. 위의 2)로 제조한 상압소결 원반형 보론카바이드 재료도 형상가공을 실시했다.
포커스링의 형상은 외경이 약 388 mm이고, 내경이 약 300 mm이며, 포커스링의 가장자리가 안착하는 안착부의 높이가 약 2.5 mm으로, 상면의 높이가 약 4.5 mm인 대략 링 형태이었다.
위의 상압소결 원판형 보론카바이드 재료의 경우 방전가공기를 적용하여 형상가공을 진행했다. 위의 가압소결 원판형 보론카바이드 재료의 경우 워터젯 방식으로 형상가공을 진행했다. 각 샘플은 형상가공이 완료될 때까지 재료가 깨지거나 크랙이 형성되지 않아야 형상가공성이 있는 것으로 평가했고, 각 제조방법/열처리 방법에 따라 테스트 수량과 형상가공성의 성공율(전체 적용한 원판형 보론카바이드 재료 수량 대비 형상가공의 완료까지 크랙발생이나 깨지지 않은 포커스링의 비율)을 평가하여 아래 표 3에 나타냈다.
샘플 열처리 조건 테스트 수량 형상가공성(%)
상압소결 원판형 보론카바이드 재료 열처리 안함 30 100
가압소결 원판형 보론카바이드 재료 열처리 안함 20 0
가압소결 원판형 보론카바이드 재료 열처리 1 4 0
가압소결 원판형 보론카바이드 재료 열처리 2 67 89
가압소결 원판형 보론카바이드 재료 열처리 3 51 100
상기 표 3을 참고하면, 가압소결의 경우에는 열처리 유무와 어떤 열처리를 진행했는지 여부가 형상가공성 유무와 연관된 중요한 의미를 갖는다는 점을 확인할 수 있었다. 이는, 위의 표 2의 잔류응력 측정 결과와 연관된 결과로 생각되며, 가압성형시에 형성된 보론카바이드 재료 내의 잔류응력불균형이 비교적 정밀한 형상가공이 요구되는 포커스링의 형상가공 과정에서 재료 자체에 크랙을 발생하거나 재료 자체를 깨지도록 하는 원인이 되는 것으로 생각된다. 위의 열처리 2와 열처리 3의 경우 충분한 열처리를 통해 이러한 잔류응력을 제거한 등의 요인으로 형상가공성이 향상된 것이라 생각된다. 이렇게 제조된 포커스링은 폴리싱 과정을 거친 후 이후 물성 평가를 적용했다.
실시예 2. 포커스링의 물성 평가
제조된 포커스링으로 이하 물성을 평가했다.
1) 상대밀도의 평가
상대밀도(%)는 아르키메데스법으로 측정하고 그 결과를 아래 표 4에 제시했다.
2) 굽힘강도의 평가
굽힘강도는 10개의 포커스링을 준비하여 ASTM C 1161 Flexual Strength에 준거해 UTM 장비(제조사 H&P)로 측정한 후 최소값과 최대값을 제외한 값의 평균을 아래 표 4에 제시했다.
3) 표면조도 측정 및 파티클 발생 여부
파티클 형성여부는 식각률 특성 평가 시 분위기 또는 평가 후 장비 챔버 내에 남아있는 파티클 유무로 평가했다. 표면조도는 최대높이조도를 기준으로 측정했고, 안착부상면과 본체 상면에서 각각 4개 이상의 샘플을 측정한 후 평균을 계산했으며, 안착부상면의 경우 약 10.7 um, 본체 상면의 경우 약 4.6 um로 측정되었다.
각각의 포커스링을 아래 표 1에서 샘플로 약칭한다. 포커스링은 모두 약 5 mm의 두께를 갖고, 외경이 약 388 mm, 내경이 290 mm 이상인 것을 적용했다.
실시예 # 상대밀도 (%) 굽힘강도(Mpa) 파티클발생
가압 샘플 1 93 308 無
가압 샘플 2 95 429 無
가압 샘플 3 99.9 476 無
상압 샘플 95 240 無
상기 결과들을 참고하면, 위에서 제조한 샘플들은 상압 샘플이 가압샘플들과 굽힘강도의 면에서 상당한 차이를 보인다는 점을 확인할 수 있었다.
가압샘플이나 상압샘플 전체적으로 플라즈마 장비 내에서 불소 또는 염소를 포함하는 플라즈마 분위기에서 파티클은 발생하지 않는 것을 확인했다. 또한, 외경과 내경의 차이가 비교적 작고, 두께도 비교적 얇은 포커스링의 형상으로의 가공이 상압샘플 만이 아니라 가압샘플의 경우도 열처리를 거친 경우에 가능하다는 점을 확인했다.
4) 포커스링의 잔류응력 측정
열처리 1을 거친 경우를 샘플 1, 열처리 2를 거친 경우를 샘플 2, 그리고 열처리 3을 거친 경우를 샘플 3으로 하여, X-ray diffraction을 이용하여 링형 부품의 표면에서 잔류응력을 측정하였다.
위에서 제조한 포커스링을 안착부상면(도 2의 도면부호 206), 경사면(도 2의 도면부호 156) 및 본체 상면(도 2의 도면부호 106)에서 각각 잔류응력을 측정하고 그 결과를 아래 표 5 나타냈다. 안착부상면은 위치 1(PS1), 경사면을 위치 2(PS2), 그리고 본체 상면을 위치 3(PS3)으로 나타냈다.
추가적으로, 아래 표에 나타내지는 않았으나, 이번 실험에서 확인한 바로는, 같은 샘플의 안착부상면끼리, 같은 샘플의 경사면끼리, 그리고 같은 샘플의 본체 상면끼리는 유의미한 잔류응력 차이가 관찰되지 않았다.
구분 샘플1(열처리1) 샘플 2(열처리2) 샘플3(열처리3)
위치 PS1 PS2 PS3 PS1 PS2 PS3 PS1 PS2 PS3
잔류응력(Mpa)# 1813.9 1662.5 1249.4 1508.6 1311.8 1400.1 1700.6 1624.6 1556.5
표준편차# 102.5 90.1 82.9 107.2 127.6 121.3 103.5 91.5 89.2
잔류응력 대비 표준편차의 비율(%) 5.65% 5.42% 6.64% 7.11% 9.73% 8.66% 6.09% 5.63% 5.73%
세 지점의
잔류응력
평균(Mpa)		 1575.3 1406.8 1627.2
각 지점 값-세 지점의 잔류응력 평균*(Mpa) 238.63 87.23 325.87 101.77 95.03 6.73 73.37 2.63 70.73
각 지점 값-세 지점의 잔류응력 평균*(%) 15.1% 5.5% 20.7% 7.2% 6.8% 0.5% 4.5% 0.2% 4.3%
세 지점의 잔류응력의 표준편차(Mpa) 238.6 80.5 58.9
세 지점의 잔류응력 평균 대비 표준편차(%) 15.14% 5.72% 3.62%
PS3과 PS1 차이*(Mpa) 564.5 108.5 144.1
PS3과 PS1의 평균 1531.7 1454.4 1628.6
PS3과 PS1 차이*(%**) 36.9% 7.5% 8.8%
* 차이값들은 모두 절대값으로 나타냄. PS1, PS2, PS3로 약칭하나 각 지점에서의 잔류응력 값을 의미함.
** 차이%는 평균값 대비 차이값의 %를 의미함.
# 잔류잔류응력과 표준편차는, XRD를 이용하여 샘플을 회전시키면서 수회 측정한 잔류응력값을 평균하여 잔류잔류응력으로, 상기 잔류잔류응력의 계산에 활용된 측정값들의 표준편차를 표준편차로 제시함.
상기 표 5의 결과를 참고하면, 구현예의 열처리를 진행하여 보론카바이드 재료를 가공하여 링형 부품을 형성한 것을 나타냈다. 위의 샘플 1 내지 3 모두에서 형상가공이 가능하다는 점은 공통적이나, 각각 측정한 잔류응력의 정도는 차이가 났다.
본체 상면에 해당사는 위치 PS3과 안착부상면에 해당하는 위치 PS1의 잔류응력값의 차이는 샘플 1의 경우가 가장 크기 나타났고, 샘플 3과 샘플 2의 순으로 나타났다. 반면에 위치 PS1 내지 PS3에서 측정된 잔류응력 값의 표준편차는 샘플 3이 가장 작게 나타났고, 샘플 2가 그 다음으로 나타났다. 잔류응력 평균 자체는 샘플 2보다 샘플 3이 더 컸다. 제조과정, 가공방법 등 여러가지 원인에 따라 재료 자체에 잔류하는 잔류응력 값 자체는 다소 차이가 있을 수 있을 것으로 생각된다. 이러한 잔류응력 값들 사이의 차이는, 같은 샘플 내에서 잔류응력의 불균형을 의미하는 것으로 생각되기 때문에, 그 값이나 비율이 낮을수록 가공 효율성이 높고 다양한 가공 방법을 적용 가능하다는 점을 보여주는 결과라 생각된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 식각대상 10: 포커스링, 세라믹 부품
100: 본체부 200: 안착부
106: 본체상면 206: 안착부상면
150: 경사부 156 경사부상면

Claims (10)

  1. 보론카바이드를 포함하고,
    기준면으로부터 제1높이를 갖는 안착부와 상기 기준면으로부터 제2높이를 갖는 본체부를 포함하고,
    상기 안착부는 식각대상이 안착되는 안착부상면을 포함하고,
    상기 본체부는 플라즈마에 의해 직접 식각되는 본체부상면을 포함하고,
    내경이 160 mm 이상이고,
    외경과 내경의 차이가 10 내지 80 mm이고,
    PS1는 상기 안착부상면의 한 지점이고, PS3은 상기 본체부상면의 한 지점이고,
    상기 PS1과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 최대값과 최소값의 차이는 상기 PS1과 상기 PS3의 평균값의 15% 이내인,
    포커스링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안착부와 상기 본체부의 각도가 90 도 이상 110 도 이하인,
    포커스링.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 포커스링의 두께가 1 내지 45 mm인,
    포커스링.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 PS1에서 측정한 잔류응력과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 차이는 -600 내지 +600 Mpa인,
    포커스링.
  5. 제1항에 있어서,
    서로 100 mm 이상의 거리를 둔 위치1, 위치2, 및 위치3에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 상기 위치1, 상기 위치2 및 상기 위치3에서 측정한 잔류응력의 평균의 10 % 이하인,
    포커스링.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 포커스링은 90 중량% 이상이 상기 보론카바이드로 이루어진,
    포커스링.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 본체부와 상기 본체부상면은 별도의 층 구분이 없는 일체형인,
    포커스링.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 본체부과 상기 본체부상면이 단면에서 관찰했을 때 서로 층이 구분되는 구분형이고, 상기 본체부상면은 증착층 또는 코팅층인,
    포커스링.
  9. 제1항에 따른 포커스링을 적용하여, 기판을 식각하는 과정을 포함하여 반도체 소자를 제조하는, 반도체 소자의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    중심에서 거리가 서로 다른 지점의 표면에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 200 MPa 이하인,
    포커스링.
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