KR20040077221A - 반도체 제조장치용 부품 표면에 보호막을 제조하는 방법및 표면 보호막이 형성된 반도체 제조장치용 부품 - Google Patents
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Abstract
반도체 제조장치용 부품의 표면에 보호막을 제조하는 방법 및 표면 보호막이 형성된 반도체 제조장치용 부품을 개시한다. 본 발명의 표면 보호막 제조방법은, 알칼리 전해질을 수용하는 반응 욕조를 준비한다음, 상기 반응 욕조에 알루미늄 성분을 포함하는 반도체 또는 FPD 제조장치용 부품을 침적시킨다. 그 후에, 상기 부품에 소정 전원을 인가하여, 상기 부품 표면에 결정질 알루미나층을 형성한다. 이때, 상기 결정질 알루미나층을 형성하기 위한 전원을 인가하는 단계는, 상기 부품 표면에 미세 불꽃 방전을 발생시켜, 기포가 발생되도록 소정의 전원을 인가하는 것이 바람직하다.
Description
본 발명은 반도체 제조장치용 부품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 알루미늄을 포함하는 반도체 제조장치용 부품 표면에 안정하면서도 밀착성이 우수한 표면 보호막을 제조하는 방법 및 이러한 표면 보호막이 형성된 반도체 제조장치용 부품에 관한 것이다.
CVD(chemical vapor deposition) 장치, PVD(physical vapor deposition) 장치 및 건식 식각 장치등 반도체 및 FPD의 제조 공정에 사용되는 진공 챔버 내부에는 반응 가스, 식각 가스 및 세정 가스로서 Cl, F 및 Br과 같은 할로겐 원소를 포함하는 부식성 가스가 도입된다. 그러므로, 진공 챔버의 각 부품 즉, 챔버 월(chamber wall), 히터(heater)류, 전극(electrode), 라이너(liner)류, 쉴드(shield)류, 척(chuck)류 및 페데스탈(pedestal)류 등은 부식성에 대한 내식성이 요구된다. 또한, 진공 챔버 내에는 상기 부식성 가스를 비롯하여 할로겐계 플라즈마를 발생시키는 경우 역시 빈번하므로, 플라즈마에 대한 내식성 또한 중요시된다.
그러나, 현재 진공 챔버의 부품들은 충분한 가스 내식성 및 플라즈마 내식성을 가지지 못하는 알루미늄(Al) 및/또는 알루미늄 합금(Al-alloy)으로 형성되어 있으므로, 부품 표면이 쉽게 부식된다. 이와같이, 부품 표면이 부식되면, 부품 표면에 AlF3또는 AlCl3와 같은 할로겐계 물질과의 반응 미립자 등이 생성되거나, 플라즈마에 의한 이온 등이 발생되어, 부품 표면을 오염시키게 된다.
종래에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금으로 된 장비 부품 표면에 양극 산화법 또는 플라즈마 스프레이(plasma spray)법에 의하여 표면 보호막을 형성하고 있다.
양극 산화법에 의한 표면 보호막 형성 방법은 대한민국 공개특허 제2002-78242호에 개시된 바와 같이, 황산과 같은 전해질 용액에 부품을 담근 다음, 10 내지 15℃의 온도 범위에서 100V 미만, 예를 들어 20 내지 80V) 전압과 1 내지 2A/dm2(dm2=10cm×10cm)의 전류를 인가하여, 부품 표면에 양극 산화막, 즉 알루미나층(alumina)을 형성하고 있다.
또한, 플라즈마 스프레이법에 의한 표면 보호막 형성방법은 대한민국 공개특허 제 2002-93267호에 개시된 바와 같이, 고속의 플라즈마 불꽃(plasma flame)내에 소정의 와이어 또는 분말 형태의 재료를 공급하여, 이들 와이어 또는 분말이 용융되도록 함으로써 부품 표면에 보호막을 형성하고 있다.
그러나, 상기한 양극 산화법 및 플라즈마 스프레이법에 의한 표면 보호막 제조방법은 다음과 같은 문제점을 갖는다.
먼저, 종래의 양극 산화법에 의하여 형성된 알루미나층의 문제점에 대하여 설명하면, 도 1의 알루미나층의 평면 SEM 사진에서 보여지는 바와 같이, 알루미나층 표면에는 다수의 표면 결함이 보여진다. 이러한 표면 결함은 부품 표면의 결함이 그대로 반영된 것이므로, 양질의 막 특성을 가질 수 없다.
또한, 도 2의 알루미나층의 단면 SEM에서와 같이, 종래의 양극 산화법에 의한 알루미나층은 그 두께가 50㎛ 정도에 지나지 않아, 절연 파괴(breakdown) 가능성이 높고, 반도체 또는 FPD 공정의 내화학성 및 내마모성 조건에 부합하지 않는다.
종래의 양극 산화법에 의한 알루미나층은 도 3의 XRD 분석한 결과와 같이, 특정한 각도에서 피크치가 존재하지 않으므로, 비정질 상태를 갖는다는 것을 유추할 수 있으며, 알루미나층이 비정질 상태를 가짐에 따라 매우 불안정한 상태를 갖게 된다.
아울러, 종래의 양극 산화법에 의한 알루미나층의 성분을 EDX로 분석한 결과, 도 4에서와 같이, 알루미나층의 성분에 전해액의 주 성분인 황(S)이 다량 포함되어 있으므로, 막질 특성이 열악할 뿐 아니라, 이후 반도체 또는 FPD 공정시 웨이퍼를 오염시킬 수 있다.
한편, 플라즈마 스프레이법에 의하여 형성된 표면 보호막은 보호막과 부품과의 결합력이 매우 낮아, 쉽게 박리되는 문제점이 있다. 이로 인하여 보호막과 부품사이에 파티클이 잔류하게 되는 문제점이 있다.
또한, 플라즈마 스프레이법은 보호막 형성 메카니즘(예컨대, 용사 코팅)에의해 보호막내에 다수의 기공(voids)이 형성될 수밖에 없고, 이러한 기공을 통하여 플라즈마 공정시 부식성이 강한 라디칼(radical)들이 부품쪽으로 침투하여, 부품을 손상시킨다. 또한, 공정중에 잔류하는 성분에 의하여 쉽게 오염이 증대되어, 웨이퍼 불량을 유발할 수 있고, 부품의 교환 주기를 단축시킨다는 문제점 또한 상존하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 안정한 물성을 갖는 표면 보호막의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 순도가 높으며, 부품과의 접착 특성이 양호한 표면 보호막의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기한 표면 보호막이 형성된 반도체 제조장치용 부품을 제공하는 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 표면 보호막의 평면 상태를 보여주는 SEM(scanning electrode microscope) 사진이다.
도 2는 종래 기술에 따른 표면 보호막의 단면 상태를 보여주는 SEM 사진이다.
도 3은 종래 기술에 따른 표면 보호막을 XRD(X-ray diffractomery)로 분석한 그래프이다.
도 4는 종래 기술에 따른 표면 보호막을 EDX(Energy dispersive X-ray spectrometer)를 이용하여 정량 분석한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 표면 보호막의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 표면 보호막의 평면 상태를 보여주는 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 표면 보호막의 단면 상태를 보여주는 SEM 사진이다.
도 8은 본 발명의 표면 보호막을 XRD로 분석한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 표면 보호막을 EDX를 이용하여 정량 분석한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 전류 인가시 표면 보호막의 성장 속도를 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 표면 보호막의 두께에 대한 절연 내압을 보여주는 그래프이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일견지에 따른 표면 보호막 제조방법은, 알칼리 전해질을 수용하는 반응 욕조를 준비한다음, 상기 반응 욕조에 알루미늄 성분을 포함하는 반도체 또는 FPD 제조장치용 부품을 침적시킨다. 그 후에, 상기 부품에 소정 전원을 인가하여, 상기 부품 표면에 결정질 알루미나층을 형성한다. 이때, 상기 결정질 알루미나층을 형성하기 위한 전원을 인가하는 단계는, 상기 부품 표면에 미세 불꽃 방전을 발생시켜, 기포가 발생되도록 소정의 전원을 인가하는 것이 바람직하다.
상기 부품에 전원을 인가하는 단계는, 상기 부품에 200 내지 500V의 전압, 5 내지 25A/dm2전류 및 10 내지 200Hz의 주파수를 인가하는 것이다.
상기 전해질은 1000 내지 3500μS의 전도도를 가지며, PH 12±5를 갖고, 약 20 내지 30℃의 온도를 유지한다.
또한, 상기 부품을 전해질 용액에 침적시킨후, 전원을 인가하는 시간은 상기 결정질 알루미나층의 두께와 비례하며, 상기 전원 인가 시간은 상기 결정질 알루미나층이 약 10 내지 200㎛의 두께를 갖도록 진행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 견지에 따르면, 반도체 제조공정중 이용되는 챔버의 부품으로서, 그 표면에 결정질 알루미나층이 피복되어 있는 반도체 제조장치용 부품이 개시된다. 상기 결정질 알루미나층은 10 내지 200㎛임이 바람직하고, 이러한 상기 결정질 알루미나층은 α-Al2O3, β-Al2O3, 및 γ-Al2O3상태를 모두 포함한다. 또한, 상기 결정질 알루미나층은 약 8 내지 10psi의 결합력을 갖음이 바람직하다.
(실시예)
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. 또한, 어떤 층이 다른 층 또는 반도체 기판의 "상"에 있다라고 기재되는 경우에, 어떤 층은 상기 다른 층 또는 반도체 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는, 그 사이에 제 3의 층이 개재되어질 수 있다.
첨부한 도면 도 5는 본 발명의 표면 보호막의 제조방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 표면 보호막의 평면 상태를 보여주는 SEM 사진이고, 도 7은 본 발명의 표면 보호막의 단면 상태를 보여주는 SEM 사진이다. 또한, 도 8은 본 발명의 표면 보호막을 XRD로 분석한 그래프이며, 도 9는 본 발명의 표면 보호막을 EDX를 이용하여 정량 분석한 그래프이다. 또한, 도 10은 본 발명에 따른 전류 인가시 표면 보호막의 성장 속도를 보여주는 그래프이고, 도 11은 본 발명에 따른 표면 보호막의 두께에 대한 절연 내압을 보여주는 그래프이다.
먼저, 도 5를 참조하여, 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금으로 된 반도체 또는 FPD 챔버의 부품(100) 표면에 부식 가스 또는 플라즈마로부터 부품(100)을 보호하기 위하여, 표면 산화막(110)을 형성한다. 이러한 표면 산화막(110)은 결정질 알루미나층으로서 다음과 같은 방식으로 형성된다.
먼저, 전해질 용액(120)이 수용된 반응 욕조(130)를 준비한다. 이때, 전해질은 종래와 달리 PH 12±0.5 정도의 알칼리 전해질임이 바람직하고, 약 1000 내지 3500μS 정도의 전도율을 가지며, 약 20 내지 30℃의 온도를 유지한다. 이러한 반응 욕조(130)에 부품(100)을 침적시킨다. 이때, 부품(100)을 반응 욕조(130)내에 담그기 전에, 부품 표면의 기계 가공 및 제작시 발생되었던 절삭유 및 오염물을 알코올, 아세톤 및/또는 그 밖의 유기 용매에 의하여 제거한 후, 부품(100)을 상기 반응 욕조(130)내에 침적시킴이 바람직하다. 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금으로 된 챔버의 부품(100)은 그 자체가 전극으로 작용하거나, 별도의 전극을 형성한 후, 반응 욕조(130)내에 침적시킬 수 있다.
또한, 부품 전극(도시되지 않음)의 대극(對極)으로서 스테인레스(Sus)를 포함하는 도전 금속을 준비하고, 각 전극에 소정의 전원을 인가한다. 이때, 상기 전극들에는 종래보다 높은 200 내지 600V 정도의 전압, 5 내지 25A/dm2의 전류 및 10 내지 200Hz의 주파수를 인가한다.
이와같이 알칼리 전해질에 부품(100)을 침적시킨다음, 상기와 같은 전압, 전류 및 주파수를 인가하면, 부품(100)의 표면에 미세 불꽃 방전이 발생되어 다량의 수소(H)가 발생되고, 이러한 수소 발생으로 부품(100)의 표면에는 다량의 기포(H2O)가 발생된다. 이때, 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금으로 된 부품(100)의 표면은 미세 불꽃 방전에 의하여 고온 고압 상태를 유지하게 되고, 상기 부품의 알루미늄 성분과 기포간에 반응을 일으키게 되어, 부품(100)의 표면에 표면 보호막(110)인 알루미나층이 피복된다.
이러한 표면 보호막(110)은 도 6에 도시된 바와 같이, 미세 불꽃 방전에 의하여 용융 응고된 세라믹 형태를 갖는다.
또한, 표면 보호막(110)은 상술한 바와 같이 절연 파괴, 내화학성, 및 내마모성의 조건을 만족할 수 있도록, 후막, 예를 들어, 10 내지 200㎛로 증착될 수 있는데, 본 발명에 있어서는 도 7에 도시되 바와 같이 80㎛ 정도 형성함이 바람직하다. 여기서, 표면 보호막(110)의 두께는 도 10에 도시된 바와 같이, 공정시간 즉, 전해질 용액(120)에 부품(100)을 담근 후, 전압을 인가한 시간에 비례한다. 본 그래프에서 시간에 따른 두께 그래프의 기울기는 인가되는 전류에 의하여 가변될 수 있다. 또한, 도 11은 표면 보호막의 두께에 따른 절연 내압을 나타낸 그래프로서, 표면 보호막(110)의 두께가 증대됨에 따라, 절연 내압이 감소된다. 여기서, 본 실시예에서는 표면 보호막(110)의 두께를 80㎛ 정도로 형성함에 따라, 절연 내압을 약 12V 정도, 두께에 대한 절연 내압을 180V/㎛ 정도 낮출 수 있다.
또한, 표면 보호막(110)은 3개의 층으로 구분될 수 있다. 즉, 부품과 접촉되는 제 1 층, 그 상부에 연속적으로 형성되는 제 2 및 제 3 층으로 구성될 수 있는데, 제 1 층은 제 2 및 제 3 층에 비하여 상대적으로 높은 조밀도를 가지도록 구성된다. 이에따라, 표면 보호막(110)과 부품(100)간의 접착력이 강화된다. 이때, 제 2 층은 전체 표면 보호막(110) 두께의 50%를 차지한다. 또한, 표면 보호막(110)의 조밀도는 상부 표면으로 갈수록 그 조밀도가 낮아지고, 표면 보호막(110)의 최상단층 즉, 제 3 층은 필요에 따라 제거하여 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 표면 보호막(110)을 XRD 분석해 본 결과, 도 8의 그래프에서와 같이, 특정 각도에서 피크가 존재한다. 이때, 특정 각도에서 피크치가 검출된다는 것은 본 발명의 표면 보호막(110)이 결정질의 알루미나층이라는 것을 의미하며, 표면 보호막(110)이 결정질 상태임에 따라, 분자 및 원자간의 결합력이 강화되어, 안정한 특성을 가질 수 있고, 파티클 발생이 적다.
또한, 상기 표면 보호막(110)인 결정질 알루미나층은 α-Al2O3, β-Al2O3, 및 γ-Al2O3를 모두 포함하며, 본 발명의 표면 보호막(110)은 8 내지 10psi 정도의 결합력을 유지하였다. 이때, 표면 보호막(110)의 결합력이 10psi 이상인 경우는 부품 자체가 손상될 수 있으나, 상기와 같이 8 내지 10psi 정도이면 부품의 손상을 방지하면서 부품과 표면 보호막(110)의 결합력이 향상된다. 또한, 표면 보호막(110)의 단면 경도(hardness)는 1200 내지 1700HV 정도이다.
아울러, 본 발명의 표면 보호막(110)을 EDX 방식에 의하여 정량 분석한 결과, 본 발명의 결정질 알루미나층은 산소 62.67%, 알루미늄 35.19% 및 상기 알루미늄에 합금된 실리콘 2.14%의 조성비를 가졌다. 이러한 결과는 본 발명의 표면 보호막(110)에 전해질 용액의 성분이 혼합되지 않았음을 의미하며, 순도가 높다는 것을 증명한다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 반도체 또는 FPD를 제조하기 위한 알루미늄 성분을 포함하는 부품 표면에 보호막을 형성하기 위하여, 부품을 알칼리 전해질에 침전시킨후, 상기 부품에 고전원을 인가한다. 그러면 부품의 표면에 미세 불꽃 방전이 발생되고, 이에 의하여 발생된 기포와 알루미늄 포함 부품이 반응하게 되어, 부품 표면에 결정질의 알루미나층으로 된 표면 보호막이 형성된다.
이와같이 표면 보호막이 결정질 상태를 가짐에 따라, 안정하면서, 우수한 막질 특성을 가질 수 있으며, 부식성 가스 및 플라즈마로부터 부품을 보호할 수 있다. 또한, 공정시간에 따라 표면 보호막의 두께를 제어할 수 있어, 부식성 가스 및 플라즈마에 의하여 내성을 가질 수 있는 두께로의 조절이 용이하다. 또한, 10 psi 정도의 높은 결합력을 가지므로, 박리 현상을 방지할 수 있고, 파티클 발생을 방지할 수 있다.
또한, 표면 보호막 자체가 안정적임에 따라, 수명이 긴 부품에 공급이 가능하여, 수율 향상과 더불어, 부품의 교체 주기를 연장시킬 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.
Claims (9)
- 알칼리 전해질을 수용하는 반응 욕조를 준비하는 단계;상기 반응 욕조에 알루미늄 성분을 포함하는 반도체(또는 FPD) 제조장치용 부품을 침적시키는 단계; 및상기 부품에 소정 전원을 인가하여, 상기 부품 표면에 결정질 알루미나층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 부품에 소정의 전원을 인가하는 단계는, 상기 부품 표면에 미세 불꽃 방전을 발생시켜 기포가 발생되도록 전원을 인가하는 것을 특징으로 하는 표면 보호막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 부품에 전원을 인가하는 단계는,상기 부품에 200 내지 500V의 전압, 5 내지 25A/dm2전류 및 10 내지 200Hz의 주파수를 인가하는 것을 특징으로 하는 표면 보호막 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전해질은 1000 내지 3500μS의 전도도를 가지며, PH 12±5를 갖는 것을 특징으로 하는 표면 보호막 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 전해질은 20 내지 30℃의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 표면 보호막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전해질 용액에 침적된 상기 부품에 전원을 인가하는 시간은 상기 결정질 알루미나층의 두께를 결정하고, 상기 부품에 전원을 인가하는 단계는, 상기 결정질 알루미나층이 약 10 내지 200㎛의 두께를 갖을때까지 진행하는 것을 특징으로 하는 표면 보호막 제조방법.
- 반도체 제조 공정중 이용되는 챔버의 부품으로서,그 표면에 결정질 알루미나층이 피복되어 있는 반도체 제조장치용 부품.
- 제 6 항에 있어서, 상기 결정질 알루미나층은 10 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치용 부품.
- 제 6 항에 있어서, 상기 결정질 알루미나층은 α-Al2O3, β-Al2O3, 및 γ-Al2O3상태를 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치용 부품.
- 제 6 항에 있어서, 상기 결정질 알루미나층은 약 8 내지 10psi의 결합력을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치용 부품.
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