KR102488114B1 - 식각률을 감소시킨 반도체 제조공정용 웨이퍼 엣지링 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 식각률을 감소시킨 반도체 제조공정용 웨이퍼 엣지링에 관한 것으로,상세하게는 보론카바이드(B4C) 재질의 엣지링 제조 시 특정한 첨가제 분말을 보론카바이드 분말에 함께 혼합하고 소결체를 제조하고, 이를 엣지링으로 적용함으로써, 종래 기술에 따라 순수(100%) 보론카바이드(B4C) 분말로 소결하여 얻은 소결체로 제조한 플라즈마 장치용 엣지링 대비 플라즈마 식각률(Etch rate)이 현저히 감소되어, 유지보수에 따른 공정 지연을 방지하고, 부품 교체에 따른 비용 지출을 방지할 수 있고, 우수한 내플라즈마성 및 상대 밀도를 가지는 엣지링을 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 제조공정용 웨이퍼 엣지링, 보다 상세하게는 식각률을 감소시킨 반도체 제조공정용 웨이퍼 엣지링에 관한 것이다.
일반적인 반도체 소자 공정은 실리콘 웨이퍼 상에 산화, 마스킹, 포토레지스트, 식각, 확산, 적층 등 여러가지 공정을 반복적으로 수행하여 이루어지며, 이 중 식각 공정은 웨이퍼 상에 패턴을 형성시키는 공정으로서, 크게 습식 식각, 건식 식각 등 2가지 형태로 구분될 수 있다.
이 중 패턴이 노출된 부분을 제거하는 건식 식각 공정은 플라즈마 에칭 장치에의해 수행되며, 플라즈마 에칭이란 상부 및 하부에 전극을 구성하고 이들 전극 간에 발생하는 수직전계 작용으로 플라즈마 이온을 가속함으로써 얻는 이온의 화학반응과 운동에너지를 통해 기판을 에칭하는 기술을 의미한다.
한편, 플라즈마 에칭 장치(챔버)는 상부 전극과 하부에 전극을 포함하는 정전 척, 그리고 플라즈마 공정 챔버 내에서 발생하는 플라즈마로부터 정전 척을 보호하도록 정전 척을 둘러싸는 커버링으로 구성되며, 반도체 웨이퍼 또는 유리 기판 등과 같은 기판은 정전 척의 상부 표면에 의해 지지된다. 이러한 구성에 의해 상부 전극과 하부의 정전 척 사이에 전원이 인가됨에 따라 전계효과에 의해 플라즈마 공정 챔버 내에 플라즈마가 발생하여 이온들이 정전 척을 향하는 방향으로 입사되며, 플라즈마 이온의 화학 반응 및 운동에너지를 이용하여 기판 상에 에칭이 실시되는 것이다.
한편, 정전 척을 둘러싸는 커버링 어셈블리는 엣지링 하부면에 결합홈을 형성하고 여기에 전극링이 결합되도록 하는 구성을 가질 수 있으며, 상기 엣지링은 정전 척의 상부 표면에 지지되는 기판의 측면을 둘러싸는 구성으로, 정전 척에 의해 지지되는 기판과 동일한 높이를 유지할 수 있는 규격 및 환형의 입체적인 형상으로 제작될 수 있다.
한편, 플라즈마 에칭 장치의 커버링 어셈블리의 구성요소 중 하나인 엣지링은 보론카바이드 재질로 제조될 수 있다는 점이 알려져 있고, 종래 기술에 따르면 상기 엣지링은 보론카바이드 분말의 소결 과정을 통해 벌크(bulk) 형태로 제조하는 것이 일반적이었다. 그러나, 보론카바이드만으로 제조된 엣지링은 플라즈마에 계속적으로 노출됨에 따라 표면이 식각되고 그로 인해 수명이 단축되어 빈번한 교체를 수행하여야 하므로, 유지보수에 따른 공정 지연문제 및 부품 교체에 따른 공정 비용 증가 등의 문제가 계속적으로 발생하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 내플라즈마성을 가지는 이트리아(Y2O3), 사파이어 등 고가의 재료로 엣지링을 제조하는 기술에 제안된 바 있으나, 이러한 경우 경제성 문제로 인해 실용화 가능성이 매우 낮다는 단점이 존재한다. 이에, 본 발명자들은 보론카바이드(B4C) 재질의 엣지링 제조 시 특정한 첨가제 분말을 보론카바이드 분말에 함께 혼합하고 소결체를 제조하고, 이를 엣지링으로 적용하는 경우, 높은 내플라즈마성을 가져, 우수한 경제성을 가지면서도 플라즈마에 대한 식각률이 매우 낮아지는 것을 실험을 통하여 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 종래 기술에 따라 순수(100%) 보론카바이드(B4C) 분말로 소결하여 얻은 소결체로 제조한 플라즈마 장치용 엣지링 대비 플라즈마 식각률(Etch rate)이 현저히 감소되어, 유지보수에 따른 공정 지연을 방지하고, 부품 교체에 따른 비용 지출을 방지할 수 있는 플라즈마 장치용 엣지링을 제공하는 것을 그 목적으로 하며, 본 발명에 따른 엣지링은 우수한 내플라즈마성 및 상대 밀도를 가진다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 보론카바이드(B4C) 분말; 및 실리콘카바이드(SiC), 티타늄다이보라이드(TiB2), 산화지르코늄(ZrO2), 이트리아(Y2O3), 티타늄(Ti), 철(Fe) 및 알루미늄(Al) 중 선택되는 1종 이상의 첨가제 분말; 이 혼합된 보론카바이드(B4C) 혼합 분말을 소결하여 얻은 소결체로 제조한, 플라즈마 장치용 엣지링을 제공한다.
일례로, 상기 보론카바이드(B4C) 혼합 분말은 상기 혼합 분말 전체 100 중량%를 기준으로, 상기 첨가제를 0.1 내지 10 중량%로 포함하도록 혼합한 것일 수 있다.
일례로, 상기 엣지링은 순수(100%) 보론카바이드 분말로 소결하여 얻은 소결체 재질의 엣지링 대비 플라즈마 식각률(Etch rate)이 0.3 내지 25.6% 범위 내로 감소되는 것일 수 있다.
일례로, 상기 엣지링은 상대 밀도(소결 밀도/이론 밀도 * 100)가 95 내지 98% 범위일 수 있다.
일례로, 상기 소결체 밀도는 2.45 내지 2.53 g/cm3 범위일 수 있다.
또한, 본 발명은 a) 보론카바이드(B4C) 분말을, 실리콘카바이드(SiC), 티타늄다이보라이드(TiB2), 산화지르코늄(ZrO2), 이트리아(Y2O3), 티타늄(Ti), 철(Fe) 및 알루미늄(Al) 중 선택되는 1종 이상의 첨가제 분말과 혼합하여 혼합 분말을 제조하고, 밀링(Milling) 및 탈지하는 단계; 및 b) 상기 a 단계를 통해 얻어진 탈지 분말을 1,950℃ 내지 2,050℃ 온도 범위 및 25MPa 내지 35MPa 압력 조건으로 가압 성형 및 소결시켜 실린더(cylinder), 링(ring) 또는 디스크(disk) 형태의 소결체를 형성하는 단계; 를 포함하는, 플라즈마 장치용 엣지링 제조방법을 제공한다.
일례로, 상기 a 단계는 보론카바이드(B4C) 혼합 분말 전체 100 중량%를 기준으로, 실리콘카바이드(SiC), 티타늄다이보라이드(TiB2), 산화지르코늄(ZrO2), 이트리아(Y2O3), 티타늄(Ti), 철(Fe) 및 알루미늄(Al) 중 선택되는 1종 이상의 첨가제 분말이 0.1 내지 10 중량%가 되도록 혼합하여 수행되는 것일 수 있다.
일례로, 상기 b 단계 후, 소결체를 몰드로부터 탈형하고 절삭하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 플라즈마 장치용 엣지링은 종래 기술에 따른 순수 (100%) 보론카바이드(B4C) 분말로 소결하여 얻은 소결체로 제조한 플라즈마 장치용 엣지링 대비 플라즈마 식각률(Etch rate)이 현저히 감소되므로, 유지보수에 따른 공정 지연을 방지하고, 부품 교체에 따른 비용 지출을 방지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 엣지링은 우수한 내플라즈마성 및 상대 밀도를 가진다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바람직한 소결체 제조 조건을 도시하여 나타낸 것이다.
이 성과(또는 논문)은 2021 년도 경기도의 재원으로 (재)차세대융합기술연구원의 지원을 받아 수행된 소재부품장비산업 자립화 연구지원사업임 (No. AICT-E1-030 (AICT-009-T1))
This work (or research) was supported by Materials, Components & Equipments Research Program funded by the Gyeonggi Province((No. AICT-E1-030 (AICT-009-T1)).
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 예시에 불과하며, 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위가 어떠한 의미로든 한정되는 것은 아니다.
일반적인 플라즈마 장치(챔버)는 상부 전극과 하부에 전극을 포함하는 정전 척, 그리 고 플라즈마 공정 챔버 내에서 발생하는 플라즈마로부터 정전 척을 보호하도록 정전 척을 둘러싸는 커버링 어셈블리으로 구성되며, 반도체 웨이퍼 혹은 유리 기판 등과 같은 기판은 정전 척의 상부 표 면에 지지될 수 있다.
전술한 구성과 같이, RF 전원을 인가함으로써 플라즈마 상태의 반응가스를 사용하여 반도체 기판을 식각하기 위 한 장치는 미국 등록특허 5,259,922호 등 이미 다수의 선행기술문헌에 개시되어 있으며, 따라서 본 명세서에서는 플라즈마 공정 챔버의 동작 챔버의 동작 원리에 대하여 상세히 설명하지 않더라도 통상의 기술자는 본 발명 이 적용되는 일반적인 플라즈마 공정 챔버의 구조를 통해 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
상기 플라즈마 공정 챔버 내에는 상부 전극(10)과 정전 척(20)이 마련된다. 정전 척(20)은 상단 표면(22)에 지지되는 기판(30)을 고정하도록 구성되고, 상단 표면(22)은 환형의 형상을 갖도록 구성된다. 그리고 상단 표면으로부터 단턱진 부분이 환형 스텝(24)을 이루도록 구성된다.
상기 플라즈마 공정 챔버 내 커버링 어셈블리(40)는 정전 척(20)의 환형 스텝(24)에 배치되어 정전 척(20)을 둘러싸도록 구성되며, 기본적으로 전기적으로 비절연성 물질로 제작되어 플라즈마 공정 챔버 내 플라즈마 반응(PE)으로부터 정전 척(20)을 보호하는 기능을 갖는다.
상기 커버링 어셈블리는 엣지링(600)과 전극링(700)을 포함할 수 있다. 상기 엣지링은 정전 척(20)의 환형 스텝 (24)에 배치되어 정전 척(20)의 측면을 둘러싸도록 구성되며, 환형의 입체적인 형상을 가질 수 있다. 한편, 엣지링은 정전 척(20)의 상부 표면(22)에 지지되는 기판(30)의 측면을 둘러싸도록 구성될 수 있으며, 이때 엣지링 은 정전 척(20)에 지지되는 기판(30)과 동일한 높이를 유지할 수 있는 규격으로 제작될 수 있다.
한편, 상기 커버링 어셈블리의 구성요소 중 하나인 엣지링은 일반적으로 석영(쿼츠) 재질로 제작되거나 보론카바이드(boron carbide, B4C) 재질로 제작될 수 있는 것으로 알려져 있다. 특히, 종래 기술에 따르면 상기 엣지링은 보론카바이드 분말의 소결 과정을 통해 벌크(bulk) 형태, 더욱 구체적으로는 플레이트(plate) 또는 블록(block) 형태로 제조하는 것이 일반적이었다. 그러나, 보론카바이드만으로 제조된 엣지링은 플라즈마에 계속적으로 노출됨에 따라 표면이 식각되고 그로 인해 수명이 단축되어 빈번한 교체를 수행하여야 하므로, 유지보수에 따른 공정 지연문제 및 부품 교체에 따른 공정 비용 증가 등의 문제가 계속적으로 발생하게 된다. 나아가, 보론카바이드만으로 제조한 소결체를 이용한 엣지링의 경우 챔버 내부 임피던스 매칭이 되지 않는 문제 또한 가지고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 내플라즈마성을 가지는 이트리아(Y2O3), 사파이어 등 고가의 재료로 엣지링을 제조하는 기술에 제안된 바 있으나, 이러한 경우 임피던스 매칭이 되지 않을 뿐 만 아니라, 경제성 문제로 인해 실용화 가능성이 매우 낮다는 단점이 존재한다.
이에, 본 발명자들은 보론카바이드(B4C) 분말을 주재로 하되, 특정한 첨가제 분말을 특정 조성비로 첨가한 보론카바이드 혼합 분말로 소결체를 제조하고, 이를 엣지링으로 제조하는 경우, 높은 내플라즈마성을 가져, 우수한 경제성을 가지면서도 플라즈마에 대한 식각률이 매우 낮아지는 것을 실험을 통하여 확인하고 본 발명을 완성하였다.
엣지링 제조방법 및 이에 따라 제조된 엣지링
본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 장치용 엣지링 제조방법은 실리콘카바이드(SiC), 티타늄다이보라이드(TiB2), 산화지르코늄(ZrO2), 이트리아(Y2O3), 티타늄(Ti), 철(Fe) 및 알루미늄(Al) 중 선택되는 1종 이상의 첨가제 분말과 혼합하여 혼합 분말을 제조하고, 밀링(Milling) 및 탈지하는 단계; 및 b) 상기 a 단계를 통해 얻어진 탈지 분말을 1,950℃ 내지 2,050℃ 온도 범위 및 25MPa 내지 35MPa 압력 조건으로 가압 성형 및 소결시켜 실린더(cylinder), 링(ring) 또는 디스크(disk) 형태의 소결체를 형성하는 단계; 를 포함한다.
먼저 보론카바이드(B4C) 분말을 실리콘카바이드(SiC), 티타늄다이보라이드(TiB2), 산화지르코늄(ZrO2), 이트리아(Y2O3), 티타늄(Ti), 철(Fe) 및 알루미늄(Al) 중 선택되는 1종 이상의 첨가제 분말과 혼합하여 혼합 분말을 제조하고, 밀링(Milling) 및 탈지한다(단계 a).
보론카바이드는 다이아몬드, 큐빅 보론 나이트라이드에 이어 세번째로 높은 강도를 가지는 재료로서, 내화학성 및 내침식성이 우수한 것으로 알려져 있다. 특히, 보론카바이드는 높은 공유 결합성으로 인한 결합력에 의해 플라즈마 내식성이 우수하다고 알려져 있기는 하나, 순수한 100 중량%의 보론카바이드만으로 이루어지는 소결체를 이용하여 엣지링을 제조하는 경우, 반복되는 플라즈마 노출로 인하여 식각이 계속적으로 발생하게 되므로, 보다 향상된 내플라즈마성 및 향상된 내식각성을 확보할 필요성이 존재하였다.
한편, 상기 a 단계의 혼합 분말에 첨가되는 첨가제 분말로서, 실리콘카바이드(SiC), 티타늄다이보라이드(TiB2), 산화지르코늄(ZrO2), 이트리아(Y2O3), 티타늄(Ti), 철(Fe) 및 알루미늄(Al) 중 선택되는 1종 이상의 첨가제 분말은 보론카바이드를 주재로 한 소결체에 있어서 저항 특성 조절, 내식각 특성 조절, 유전율 조절, 입자크기 조절 등 다양한 특성을 발현시킬 수 있다.
예를 들어, 보론카바이드 분말에 첨가되는 첨가제로서 실리콘카바이드 분말은 소결체의 상대밀도를 높일 수 있고, 티타늄 다이보라이드 분말은 소결체의 조밀화 특성을 향상시킬 수 있다. 한편, 이트리아 분말은 플라즈마에 대한 내식성을 향상시킬 수 있으며, 산화지르코늄 분말은 기계적 강도 향상 내지 소결체의 상대밀도를 향상시킨다. 한편, 철은 결정립의 성장을 억제하는 효과를 나타낼 수 있고, 티타늄은 탄소와 반응하여 경도를 높이는 역할을 수행할 수 있다. 알루미늄은 강도, 경도 및 소결밀도를 증가시키는 역할을 수행할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘카바이드(SiC), 티타늄다이보라이드(TiB2), 산화지르코늄(ZrO2), 이트리아(Y2O3), 티타늄(Ti), 철(Fe) 및 알루미늄(Al) 중 선택되는 1종 이상의 첨가제 분말이 0.1 내지 10 중량%가 되도록 혼합하여 수행되는 것일 수 있다. 상기 첨가제 분말은 소결 시 소결조제 또는 결정립 성장 억제를 통하여 균일한 입자 성장을 이루게 하거나, 결정 성장을 억제하여 균일한 결정립을 확보하게 한다.
한편, a 단계를 상기와 같이 구성하는 경우, 후술할 b 단계를 거쳐 얻어지는 소결체 및 이를 이용한 엣지링은, 순수(100%) 보론카바이드 분말로 소결하여 얻은 소결체 재질의 엣지링 대비 플라즈마 식각률(Etch rate)이 0.3 내지 25.6% 범위 내로 감소될 수 있다(아래 실시예 참고).
다음으로, 상기 a 단계를 통해 얻어진 탈지 분말을 1,950℃ 내지 2,050℃ 온도 범위 및 25MPa 내지 35MPa 압력 조건으로 가압 성형 및 소결시켜 실린더(cylinder), 링(ring) 또는 디스크(disk) 형태의 소결체를 형성한다(단계 b).
한편 상기 b 단계 이후에 엣지링으로 실제 적용하기 위한 가공 과정을 추가로 수행할 수 있으며, 구체적으로 소결체를 몰드로부터 탈형하고 절삭하는 단계를 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 절삭 단계는 와이어 커팅을 통해 수행되는 것일 수 있으며, 일례로, 코어링(coring) 공정이나 가공 툴(tool)을 이용하여 내부의 일정한 면적을 제거하여 링 형 태로 가공하는 과정 없이도 바로 플라즈마 장치용 엣지링으로 사용하기 위해 CNC장비와 MCT 장비를 이용하여 내경, 외경, 두께, 단차 등 형상가공 후 반도체 기판 안착부 폴리싱 공정을 진행하여 엣지링으로 활용이 가능하게 될 수 있다.
이상으로 설명한, 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 장치용 엣지링 제조방법에 따르면 특정 첨가제 분말이 포함된 보론카바이드 혼합 분말을 기초로 내부에 중공(hole)을 포함하는 실린더(cylinder), 링(ring) 또는 디스크(disk) 형태의 보론카바이드 소결체를 얻을 수 있으며, 상기 소결체는 플라즈마 장치(챔버)의 엣지링으로 가공 및 활용될 수 있다.
또한, 상기 방법에 따라 제조되는 보론카바이드 소결체는 상대 밀도(소결 밀도/이론 밀도 * 100)가 95 내지 98% 범위일 수 있으며, 상세하게는 소결체 밀도가 2.45 내지 2.53 g/cm3, 더욱 상세하게는 2.51 g/cm3로서, 이론에 가까운 소결체 밀도를 가지며, 상기와 같은 밀도를 가짐으로써 이론 밀도에 근사하여 내부 결함이 없고, 내화학성 및 내침식성이 효과적으로 발현되는 효과가 있다.
실시예
실시예 1
혼합 분말 전체 중량을 기준으로, 보론카바이드(B4C) 분말 97 중량% 및 아래 표 1 및 2와 같이 첨가제 분말 3 중량%를 혼합한 혼합 분말을 밀링(Milling) 및 약 900 ℃ 온도에서 탈지하여 얻어진 탈지 분말을 몰드(Mold) 내에 충진 및 장입하고, 1950 내지 2050 ℃ 온도 범위를 유지한 조건에서 25 MPa 내지 35 MPa의 압력으로 가압하고 10분 유지하여 보론카바이드 소결체를 얻었으며, 이를 플라즈마 장치용 엣지링으로 제조하였다.
[실험 1: 식각률 테스트]
한편, 아래 표 1 및 표 2와 같은 실시예 및 비교예를 기초로, 20mm x 20mm 규격, Plasma 600W, BIAS 150W, Process gas (SCCM) - CF4 30 - O2 5 - Ar 10, 압력 10mtorr, 시간 1hour 조건 하에서, 식각률을 측정하였으며, 상기 표 1 및 2의 식각 %는 감소된 첨가제 분말을 사용하지 않은 비교예 1 내지 2의 식각량을 기준으로, 감소된 식각 %를 나타낸 것이다.
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표 1의 결과를 참조하면, 본 발명에 따라 특정 첨가제 분말을 보론카바이드 분말에 특정 중량으로 첨가하는 경우, 최소 0.3 내지 25.6% 까지 식각률을 감소시킬 수 있는 것을 확인하였으며, 내플라즈마 특성 확보로 인한 부품 자체의 식각률 감소에 의해 엣지링의 수명을 증대시키고, 교체 및 정비에 따른 공정 지연을 효과적으로 방지할 수 있어 경제성을 확보할 수 있는 점을 확인하였다.
본 명세서는 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 충분히 인식하고 유추할 수 있는 내용은 그 상세한 기재를 생략하였으며, 본 명세서에 기재된 구체적인 예시들 이외에 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 구성을 변경하지 않는 범위 내에서 보다 다양한 변형이 가능하다. 따라서 본 발명은 본 명세서에서 구체적으로 설명하고 예시한 것과 다른 방식으로도 실시될 수 있으며, 이는 본 발명의 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자이면 이해할 수 있는 사항이다.
10: 상부 전극
20: 정전 척
22: 상단 표면 24: 환형 스텝
30: 기판 40: 개수대
600: 엣지링 700: 전극링
P-E: 플라즈마 반응 영역 D: 다이
20: 정전 척
22: 상단 표면 24: 환형 스텝
30: 기판 40: 개수대
600: 엣지링 700: 전극링
P-E: 플라즈마 반응 영역 D: 다이
Claims (8)
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- a) 보론카바이드(B4C) 분말을, 실리콘카바이드(SiC), 이트리아(Y2O3) 및 철(Fe) 중 선택되는 1종 이상의 첨가제 분말과 혼합하여 혼합 분말을 제조하되,상기 첨가제 분말은 혼합 분말 전체 100 중량%를 기준으로 0.1 내지 10 중량%가 되도록 혼합하고, 밀링(Milling) 및 탈지하는 단계; 및
b) 상기 a 단계를 통해 얻어진 탈지 분말을 1,950℃ 내지 2,050℃ 온도 범위 및 25MPa 내지 35MPa 압력 조건으로 가압 성형 및 소결시켜 실린더(cylinder), 링(ring) 또는 디스크(disk) 형태의 소결체를 형성하는 단계; 를 포함하는, 플라즈마 장치용 엣지링 제조방법.
- 삭제
- 제 6 항에 있어서,
상기 b 단계 후, 소결체를 몰드로부터 탈형하고 절삭하는 단계를 더 포함하는, 플라즈마 장치용 엣지링 제조방법.
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