KR20030047799A - 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품 - Google Patents

Abstract

탄화규소를 5 ∼ 30중량% 함유하는 질화규소-탄화규소 세라믹 복합재에 의해, 반도체 웨이퍼의 가열 장치에서 사용되는 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품을 제작함으로써, 뛰어난 내열성, 내열충격성 및 화학적 안정성은 물론, 뛰어난 균열 치유 특성도 겸비한 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품을 제공한다.

Description

웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품{WAFER SUPPORT AND PHERIPHERAL COMPONENTS THEREOF}

본 발명은 반도체 제조 공정에 있어서, 반도체 웨이퍼에 어닐 처리, 산화 처리, 확산 처리 등을 행하는 가열 장치에 사용되는 웨이퍼 지지체, 및 링, 아암, 월 등의 주변 부품에 관한 것이다.

반도체 제조에 있어서는, 반도체 웨이퍼를 고온으로 가열하는 어닐 처리, 산화 처리, 확산 처리 등의 공정이 필요하다. 이들 공정에서는, 가열 수단으로서 저항 발열체, 적외선 램프, 레이저광 등의 각종 수단이 사용되나, 어느 장치에서나단시간에 1000℃ 정도 이상의 고온으로의 가열, 냉각이 반복된다. 또 최근에는 고출력의 할로겐 램프에 의해 반도체 웨이퍼를 극히 단시간에 가열하여 어닐 처리나 산화 처리 등을 행하는, 소위 RTP(Rapid Thermal Process)라 불리는 기술이 개발되어, 이 기술을 응용한 장치가 사용되고 있다.

이들 가열 장치에 있어서는, 웨이퍼(1)의 지지체(2)나, 웨이퍼(1)를 누르기 위한 링(3), 웨이퍼(1)를 반송하기 위한 아암(4), 가열 장치의 내벽(월)(5) 등의 각종 부품이 필요하다. 도 1에 이들 부품의 개요를 모식적으로 나타낸다. 이들 부품에는 ① 1000℃를 초과하는 처리 온도에 견딜 수 있는 내열성, ② 급속 가열, 급속 냉각에 견딜수 있는 내열충격성, ③ 웨이퍼의 오염을 일으키지 않기 위한 화학적 안정성 등의 특성이 요구된다.

현재 이들 요구를 만족시키는 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품의 재료로서, 내열성이 뛰어난 세라믹스인 탄화규소(SiC)가 주로 사용되고 있다.

그러나, 탄화규소제의 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품에는 이하와 같은 문제가 있다.

① 내열충격성이 불충분하여, 500 ∼ 600℃ 이상의 열충격이 가해진 경우, 파손이 발생할 확률이 높다.

② 부품을 제작할 때의 가공이나, 사용시의 손모(損耗)에 의해 부품 표면에 미세한 상처나 균열이 발생한다. 그 때문에, 기계적 또는 열적인 응력이 가해진 경우에, 이들 상처나 균열이 응력 집중부로서 작용하여, 재료 본래의 강도보다도훨씬 낮은 응력으로 파괴를 일으키는 경우가 있다.

따라서, 본 발명은 뛰어난 내열성, 내열충격성 및 화학적 안정성은 물론, 뛰어난 균열 치유 특성도 겸비한 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

도 1은 반도체 웨이퍼의 가열 장치에서의 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품을 모식적으로 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예의 시험편에 대한 내열충격성을 나타낸 선도,

도 3은 본 발명의 실시예 1의 시험편에 대한 표면 거칠기와 4점 굽힘 강도의 관계를 나타낸 선도이다.

본 발명의 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품은, 반도체 웨이퍼의 가열 장치에서 사용되는 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품에 있어서, 탄화규소를 5 ∼ 30중량% 함유하는 질화규소-탄화규소 세라믹 복합재에 의해 제작되는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 의하면, 탄화규소를 5 ∼ 30중량% 함유하는 질화규소-탄화규소 세라믹 복합재는 탄화규소에 비해 강도 및 내열충격성이 뛰어나므로, 보다 고강도이고 보다 내열충격성이 높은 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품을 제작할 수 있다. 또, 본 발명에 의하면, 탄화규소를 5 ∼ 30중량% 함유하는 질화규소-탄화규소 세라믹 복합재는 양호한 균열 치유 특성을 가지므로, 가공 후 또는 사용중에 상처나 균열이 발생한 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품을 열처리함으로써, 그 상처나 균열을 치유할 수 있어, 장시간 기계적 특성을 양호하게 유지할 수 있다. 즉, 본 발명의 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품은 뛰어난 내열성, 내열충격성 및 화학적 안정성은 물론, 뛰어난 균열 치유 특성도 겸비하고 있으므로, 부품의 기계적 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동시에, 일정 기간의 사용 후에도 열처리에 의한 균열 치유 특성이 발휘되므로, 양호한 기계적 신뢰성을 회복시킬 수도 있다.

또, 본 발명의 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품은, 가공 후 또는 사용 후에 800 ∼ 1400℃에서의 열처리에 의해 균열 치유를 행할 수 있는 것을 특징으로 하고 있다.

종래의 탄화규소제의 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품에서는, 가공중 또는 사용중에 발생한 상처 또는 균열을 치유하기 위해서는, 1400℃ 이상의 고온에서의 열처리가 필요하나, 본 발명의 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품은 800 ∼ 1400℃의 온도역에서의 열처리로 충분한 효과를 발휘한다. 이 열처리 온도가 800℃ 미만에서는 균열 치유의 효과가 얻어지지 않고, 한편 1400℃보다 높은 온도에서는 재료의 산화가 심해지므로 적절하지 않다.

또, 상기 열처리의 처리 시간은 제품의 크기, 형상, 열처리의 온도 등의 인자에 따라 다르므로, 적절한 시간의 범위를 엄밀하게 규정하는 것은 곤란하기는 하나, 대강 0.5 ∼ 10시간 정도가 바람직한 범위이다. 열처리 온도가 낮을수록 또는 제품이 대형일수록 보다 장시간의 열처리가 필요하며, 반대로 열처리 온도가 높을수록 또는 제품이 소형일수록 열처리 시간은 단시간이 된다.

또한, 본 발명에 있어서는, 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품의 재료가 되는 질화규소-탄화규소 세라믹 복합재는 탄화규소의 함유량이 5 ∼ 30중량%인 것이 필요하다. 이 함유량이 5중량% 미만에서는 이 복합재로 이루어지는 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품의 강도와 내열성이 충분하지 않고, 한편 함유량이 30중량%를 초과하면 소결성이 현저하게 저하하므로 치밀한 소결체를 제작할 수 없다.

또, 본 발명에 있어서는, 질화규소-탄화규소 세라믹 복합재에, 소결조제를 1∼ 10중량% 함유시키는 것이 바람직하다. 이 함유량이 1중량% 미만에서는 소결조제를 함유하는 효과가 얻어지지 않고, 한편 10중량%를 초과하면 비정질의 조제상(相)이 과잉 생성되므로, 강도와 내열성이 열화되어 버린다. 이 소결조제로는, 알루미나, 이트리아, 기타 희토류 산화물, 또는 실리카, 마그네시아, 칼시아, 베릴리아 등, 질화규소의 소결조제로서 일반적으로 사용되는 성분을 사용할 수 있으나, 본 발명에서는 이들 중에서도 이트리아가 바람직하며, 또한 중량비 9 : 1 ∼ 4 : 6의 이트리아와 알루미나의 혼합물이 가장 바람직하다.

(실시예)

다음으로, 본 발명에 기초한 실시예 및 비교예를 나타내어, 본 발명의 효과를더욱 분명히 한다.

1. 웨이퍼 지지체의 제작

(실시예 1)

평균입자직경 0.2㎛의 질화규소와 평균입자직경 0.27㎛의 탄화규소를 중량비율로 8 : 2가 되도록 칭량(秤量)하여, 그 혼합 분말에 8중량%의 이트리아를 소결조제로서 첨가하여 원료 분말로 했다. 이 분말을 핫프레스에 의해 질소 가스 중 1800℃에서 소결하여, 직경 약 330mm, 두께 약 6mm의 원반형상의 소결체를 제작했다. 이 소결체에 기계 가공을 행하여, 12인치 웨이퍼용인 실시예 1의 웨이퍼 지지체를 제작했다.

(실시예 2)

평균입자직경 0.2㎛의 질화규소와 평균입자직경 0.27㎛의 탄화규소를 중량비율로 8 : 2가 되도록 칭량하여, 그 혼합 분말에 5중량%의 이트리아와 3중량%의 알루미나를 소결조제로서 첨가하여 원료 분말로 했다. 이 분말을 핫프레스에 의해 질소 가스 중 1800℃에서 소결하여, 직경 약 330mm, 두께 약 6mm의 원반형상의 소결체를 제작했다. 이 소결체에 기계 가공을 행하여, 12인치 웨이퍼용인 실시예 2의 웨이퍼 지지체를 제작했다.

(비교예)

평균입자직경 0.27㎛의 탄화규소에 2중량%의 알루미나를 소결조제로서 첨가하여 원료 분말로 했다. 이 분말을 핫프레스에 의해 아르곤 가스중 2200℃에서 소결하여, 직경 약 330mm, 두께 약 6mm의 원반형상의 소결체를 제작했다. 이 소결체에 기계 가공을 행하여, 12인치 웨이퍼용인 비교예의 웨이퍼 지지체를 제작했다.

2. 웨이퍼 지지체의 평가 시험

① 내열충격성

상기와 같이 하여 얻어진 각 실시예 및 비교예의 웨이퍼 지지체로 높이 3mm, 폭 4mm, 길이 40mm의 시험편을 제작했다. 이들 시험편을 대기중에서 소정 온도로 유지한 후, 수중(水中)에 낙하시켜 급냉을 행하고, 그 후에 JIS-R1601에 준거한 방법에 따라 실온에서 굽힘 시험을 행했다. 이들 결과를 도 2에 나타낸다. 이 시험에 의해, 어느 정도의 온도차 이상에서 시험편의 4점 굽힘 강도가 열화하는지를 조사하여, 강도 저하가 발생하는 온도차를 내열충격성의 우열의 평가에 사용했다. 즉, 강도 저하가 발생하는 온도차가 클수록 내열충격성이 뛰어난 재료라고 판정했다.

이 시험 결과, 도 2에서 알 수 있듯이, 탄화규소제의 비교예에서는 약 500℃ 이상의 온도차의 급냉을 행한 경우에, 4점 굽힘 강도가 급격히 저하했으나, 이에 비해 실시예 1 및 2의 시험편에서는, 약 800℃의 온도차의 급냉까지 4점 굽힘 강도의 저하가 보이지 않았다. 따라서, 탄화규소를 5 ∼ 30중량% 함유하는 질화규소-탄화규소 세라믹 복합재로 제작된 실시예의 시험편은 보다 급격한 가열 냉각에 견디는 것이 가능하여, 웨이퍼 가열 장치용 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품으로서 적용 가능한 것이 나타났다.

② 균열 치유 특성 1

상기 각 실시예 및 비교예의 시험편에 대해, 비커스 압자에 의해 표면으로부터 반경 약 100㎛의 반원형의 예(豫)균열을 도입하여, JIS-R1601에 준거한 방법에 따라 굽힘 시험을 행했다. 또, 예균열을 도입한 각 시험편에 대해, 1200℃의 대기 분위기에서 처리 시간을 변화시켜 열처리를 실시하고, 그 후에 상기와 동일한 굽힘 시험을 행했다.

그 결과 단순히 예균열을 도입한 실시예의 시험편에서는, 균열이 없는 평활재에 비해 약 50% 이하의 강도밖에 얻어지지 않았다. 이것은 예균열이 응력 집중부로서 작용했기 때문에, 재료 본래의 강도보다도 낮은 응력에서의 파괴가 발생한 것을 나타내고 있다. 그런데, 예균열 도입 후에 실시예 1의 시험편에서는 1200℃, 2시간의 열처리에 의해, 실시예 2의 시험편에서는 1200℃, 1시간의 열처리에 의해, 시험편 표면의 균열이 치유되어, 균열이 없는 평활재와 동등하게까지 강도가 회복하는, 소위 균열 치유 특성이 발휘되었다. 이에 비해, 탄화규소제의 비교예의 시험편에서는, 1200℃의 열처리에서는 강도가 회복하지 않고, 균열이 없는 평활재와 동등하게까지 강도를 회복시키기 위해서는 1400℃ 이상의 온도에서의 열처리가 필요하다는 것이 판명되었다.

이들 결과로부터, 실시예 1 및 2의 시험편은 탄화규소제의 비교예에 비해 낮은 온도에서의 가열에 의해, 균열 치유 특성이 발휘되는 것이 나타났다. 또, 이트리아와 알루미나로 이루어지는 소결조제를 사용한 실시예 2의 시험편은, 이트리아만의 소결조제를 사용한 실시예 1의 시험편보다도 단시간에 균열이 치유되는 것으로 나타났다.

③ 균열 치유 특성 2

상기 각 실시예 및 비교예의 시험편의 표면을 #200 ∼ #1000까지의 다양한 숫돌로 연삭 가공하여 표면 거칠기를 변화시켜, 이들 시험편의 굽힘 시험을 행함으로써 표면 거칠기와 4점 굽힘 강도의 관계를 조사했다. 또, 마찬가지로 표면 거칠기를 변화시킨 후, 또한 대기중에서 1300℃, 1시간의 균열 치유를 위한 열처리를 행한 시험편에 대해서도 4점 굽힘 강도를 측정했다. 이들 결과 중 실시예 1의 시험편에 대한 결과를 도 3에 나타낸다.

그 결과, 열처리를 행하지 않는 실시예의 시험편에서는, 표면 거칠기가 커짐에 따라 강도가 저하했으나, 열처리를 행한 실시예의 시험편에서는 표면 거칠기가 커져도 강도가 저하하지 않았다. 이렇게 본 발명의 실시예에 있어서는, 열처리에 의해 뛰어난 균열 치유 특성이 나타났다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품은, 탄화규소를 5 ∼ 30중량% 함유하는 질화규소-탄화규소 세라믹 복합재에 의해 제작되어 있으므로, 뛰어난 내열성, 내열충격성 및 화학적 안정성은 물론, 뛰어난 균열 치유 특성도 겸비하고 있다.

Claims (5)

1. 반도체 웨이퍼의 가열 장치에서 사용되는 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품에 있어서,

   탄화규소를 5 ∼ 30중량% 함유하는 질화규소-탄화규소 세라믹 복합재에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 질화규소-탄화규소 세라믹 복합재에는, 소결조제가 1 ∼ 10중량% 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 소결조제는, 이트리아를 함유하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 소결조제는, 중량비로 9 : 1 ∼ 4 : 6의 이트리아와 알루미나의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품은, 가공 후 또는 사용 후에 800 ∼ 1400℃에서의 열처리에 의해 균열 치유를 행할 수 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 지지체 및 그 주변 부품.