KR20130099427A - 포토마스크용 합성석영유리 제조에 사용되는 산수소버너 - Google Patents

포토마스크용 합성석영유리 제조에 사용되는 산수소버너 Download PDF

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KR20130099427A
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박성은
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이준상
김명환
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주식회사 케이씨씨
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Abstract

본 발명은 포토마스크용 합성석영유리 제조에 사용되는 산수소버너에 관한 것으로, 복수의 튜브관이 내부에 삽입된 다중관 구조의 합성석영유리 제조용 산수소버너로서, 중심에 위치하여 SiCl4가 투입되는 제1튜브관; 상기 제1튜브관의 외부에 위치하며 산소가스가 투입되는 제2튜브관; 및 상기 제2튜브관의 위부에 위치하며 수소가스가 투입되는 제3튜브관을 포함하며, 상기 제1튜브관 외벽과 상기 제2튜브관 내벽 사이의 간격이 G2이고, 상기 제2튜브관 외벽과 상기 제3튜브관 내벽 사이의 간격이 G3일 때, G2:G3이 1:6.5~1:11.0의 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 산수소버너에서 토출되는 산소가스와 수소가스의 유속비율을 최적화함으로써, 전체적인 밀도분포가 균일하여 광학적 균질도가 뛰어난 합성석영유리를 제조하여 단파장의 광원을 이용한 포토리소그래피에 적합한 포토마스크를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

포토마스크용 합성석영유리 제조에 사용되는 산수소버너{OXYHYDROGEN BURNER FOR MANUFACTURING SYNTHETIC QUARTZ GLASS}
본 발명은 합성석영유리용 산수소버너에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 광학적 균질도가 향상되어 단파장 광원에 적합한 포토마스크용 합성석영유리의 제조에 사용되는 산수소버너에 관한 것이다.
일반적으로, 석영유리(silica glass or quartz glass)는 순수한 SiO2만으로 이루어진 유리로서, 불순물의 함량이 수백 ppm 정도인 경우를 말한다. SiO2는 실리카(silica)로 통칭되고 결정형태에 따라서 다양한 종류도 나뉘지만, 천연상태로 존재하는 가장 대표적인 종류가 석영(quartz)이기 때문에 고순도의 SiO2 유리를 석영유리라고 한다. 한편, 천연 석영은 그 중에 투명한 결정을 수정이라고 부르기도 하는 등 규칙적인 원자배열을 가지고 있으며, 석영광물이 미분화되어 작은 입자 상태로 된 것을 규사라고 한다.
이러한 석영유리는 제조방법에 따라 용융석영유리(fused quartz glass)와 합성석영유리(synthetic quartz glass)로 분류할 수 있다. 두 석영유리의 가장 큰 차이점은 사용되는 원료물질의 차이이다. 용융석영유리는 천연석영 또는 규사를 고온에서 용융하여 제조하는 반면, 합성석영유리는 고순도인 SiCl4(4염화규소) 등 Si를 함유한 기체나 액체 상태의 화합물을 원료물질로 이용하여 화학기상증착법, 알콕사이드법 등으로 제조한다. 합성석영유리는 석영이나 규사를 이용하는 경우에 비하여 불순물의 함량이 낮기 때문에 그 응용범위가 더 넓다.
용융석영유리를 제조하는 방법으로 산수소 불꽃(oxyhydrogen flame)을 이용한 베르누이(Verneuil)법이 있다. 이 방법은 고온의 산수소 불꽃으로 천연 석영 또는 규사를 용융한 뒤에 아래에 위치하는 석영재질의 타깃에 쌓아 올려 잉곳을 제조하는 방법이다.
한편, 합성석영유리를 제조하는 방법으로서 베르누이법과 유사한 구조에 산수소 불꽃을 이용한 VAD(vapor-phase axial deposition)법이 있다. 이 방법은 SiCl4를 산수소 불꽃의 중심부에서 아래의 반응식으로 가수분해하여 실리카를 형성하고, 이 실리카를 석영재질의 타깃에 쌓아올려 잉곳을 제조한다.
SiCl4 + 2H2O -> SiO2 + 4HCl
이 방법으로 제조된 석영유리를 직접적 합성석영유리라고 부르기도 하며, 금속불순물이 1ppm 이하로 매우 적고 OH 함유량이 많은 특징을 가진다. 이 방법으로 제조된 합성석영유리는 OH함유량이 많아서 점도가 낮으므로 열처리용 재료로는 적합하지 않지만, 원적외선부터 자외선영역까지 투과율이 우수하기 때문에 광학부품에 사용이 가능하며, 특히 반도체 제조과정 중에 포토리소그래피 공정에 사용되는 포토마스크에 적용되어 수요가 크게 증가하고 있다.
산수소 불꽃을 이용한 방법에서는 원료물질과 가스를 공급하는 산수소버너(oxyhydrogen burner)는 합성에 필요한 열량을 제공하고 합성을 위한 산소와 수소를 공급하는 점에서 매우 중요하다.
산수소 버너는 SiCl4를 투입하는 튜브관을 산소가스를 투입하는 튜브관과 수소가스를 투입하는 튜브관이 차례대로 둘러싸고 있는 다중관 형태의 구조를 사용하고 있으며, 이러한 구조는 산소가스와 수소가스에 의해서 커튼 월(curtain wall)이 형성되기 때문에 가수분해로 합성된 실리카가 비산되는 것을 최소화하는 장점이 있다.(일본공개특허 평8-31723호)
한편, 합성석영유리 포토마스크는 반도체 제조과정 중 금속패턴을 형성하기 위하여 적용되는 포토리소그래피공정에서 실리콘 웨이퍼 위에 패턴을 그리는 전사지의 용도로 사용된다.
종래에 포토리소그래피 공정에서 패턴을 그리는 노광공정에 주로 이용된 광원은 248nm 파장의 자외선을 이용하였으며, 정확한 패턴을 그리기 위해서는 해당 파장에 대한 포토마스크 기판의 광투과율이 90%이상이어야만 하므로 광투과율이 가장 중요한 물성으로 평가되었다.
그러나 최근에는 반도체의 집적도가 향상되면서 요구되는 패턴의 두께가 얇아지고 있다. 이에 따라서 노광공정에 사용되는 광원으로 파장이 더 짧은 193nm의 자외선을 이용하고 있으며, 세밀한 패턴을 그리기 위하여 포토마스크의 굴절각이 균일할 것이 추가적으로 요구되고 있다.
일본공개특허 평8-31723호 대한민국공개특허 10-2010-0005679
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 단파장의 광원에 적합하도록 광학적 균질도가 향상된 합성석영유리를 제조할 수 있는 산수소버너를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 포토마스크용 합성석영유리 제조에 사용되는 산수소버너는, 복수의 튜브관이 내부에 삽입된 다중관 구조의 합성석영유리 제조용 산수소버너로서, 중심에 위치하여 SiCl4가 투입되는 제1튜브관; 상기 제1튜브관의 외부에 위치하며 산소가스가 투입되는 제2튜브관; 및 상기 제2튜브관의 위부에 위치하며 수소가스가 투입되는 제3튜브관을 포함하며, 상기 제1튜브관 외벽과 상기 제2튜브관 내벽 사이의 간격이 G2이고, 상기 제2튜브관 외벽과 상기 제3튜브관 내벽 사이의 간격이 G3일 때, G2:G3이 1:6.5~1:11.0의 범위인 것을 특징으로 한다.
이때, G2:G3이 1:6.8~1:9.0 범위인 것이 특히 바람직하다.
빛은 가장 빠른 경로로 이동하려는 속성에 의하여 굴절되고 밀도가 낮은 곳에서 빛의 속도가 더 빠르므로, 광학적 균질도는 유리의 밀도에 영향을 받는다. 따라서 광학적 균질도를 높이기 위해서는 합성석영유리 잉곳의 밀도를 일정하게 하여야 한다.
합성석영유리의 밀도에 영향을 주는 인자는 유리의 화학적 구조와 유리가 서냉될 때 중심부와 가장자리 사이에 생기는 서냉속도 차이에 의해 발생하는 응력이며, 이들은 합성석영유리 잉곳의 제조과정에서의 표면온도 및 산소와 수소의 유량에 영향을 받는다.
다만, 산소와 수소의 유량은 물리적 특성상 최적의 값이 정해져 변경이 어렵다. 이에, 본 발명의 발명자들은 표면온도를 최대로 높이면서도 내부와 외부의 온도차이가 적도록 하여 합성석영유리의 밀도를 균일하게 할 수 있는 방법으로서 산수소버너에서 발생하는 산수소 불꽃을 조절하는 방법을 연구하였으며, 최종적으로 산수소버너에서 산소가 토출되는 분사구와 수소가 토출되는 분사구의 크기를 조절하여 토출되는 산소와 수소의 유속을 조절하였다.
특히, 본 발명의 발명자들은 산소가스와 수소가스 사이의 유속 비를 조절하는 경우에 잉곳의 광학적 균질도가 변화함을 확인하고, 분사구의 갭 간격을 조절하여 잉곳의 광학적 균질도를 향상시킨 기술을 개발하였다.
본 발명의 다른 형태에 의한 포토마스크용 합성석영유리 제조방법은, 상기한 구조의 산수소버너를 사용하고, 제2튜브관에 투입되는 산소가스의 유량과 제3튜브관에 투입되는 수소가스의 유량의 비율이 일정하며, 상기 제2튜브관에서 토출되는 산소가스의 유속에 대한 상기 제3튜브관에서 토출되는 수소가스의 유속의 비율이 0.4~0.20의 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 형태에 의한 포토마스크용 합성석영유리는, 상기한 구조의 산수소버너를 사용하여 제조되며, 152x152x6.35mm 규격 기판의 193nm 광원에 대한 복굴절 평균값이 2.5nm이하인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 산수소버너에서 토출되는 산소가스와 수소가스의 유속비율을 최적화함으로써, 전체적인 밀도분포가 균일하여 광학적 균질도가 뛰어난 합성석영유리를 제조하여 단파장의 광원을 이용한 포토리소그래피에 적합한 포토마스크를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 합성석영유리의 제조에 사용되는 산수소버너의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 제2분사구 갭 간격(G2)과 제3분사구 갭 간격(G3)의 비율이 1:4.5인 산수소 버너를 이용하여 제작된 합성석영유리 기판에 대하여 복굴절을 측정한 결과이다.
도 3은 제2분사구 갭 간격(G2)과 제3분사구 갭 간격(G3)의 비율이 1:5.5인 산수소 버너를 이용하여 제작된 합성석영유리 기판에 대하여 복굴절을 측정한 결과이다.
도 4는 제2분사구 갭 간격(G2)과 제3분사구 갭 간격(G3)의 비율이 1:7.5인 산수소 버너를 이용하여 제작된 합성석영유리 기판에 대하여 복굴절을 측정한 결과이다.
도 5는 제2분사구 갭 간격(G2)과 제3분사구 갭 간격(G3)의 비율에 따른 복굴절의 변화를 나타내는 그래프이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 합성석영유리의 제조에 사용되는 산수소버너의 구조를 나타내는 도면이다.
산수소버너(100)는 직경이 다른 복수의 튜브관이 동심원 형상으로 배열된 다중관으로 제작된다. 중심에 위치하는 제1튜브관(10)에 의해서 원형의 제1분사구(15)가 형성되고, 제1튜브관(10)과 그 외부에 위치하는 제2튜브관(20)의 사이에 링형상의 제2분사구(25)가 형성되며, 제2튜브관(20)과 그 외부에 위치하는 제3튜브관(30)의 사이에 링형상의 제3분사구(35)가 형성된다. 제1튜브관(10)에는 SiCl4가 투입되고, 제2튜브관(20)에는 산소가스가 투입되며, 제3튜브관(30)에는 수소가스가 투입되므로, 적어도 3개의 튜브관은 필수적인 구성요소이다. 나아가 제3튜브관(30)의 외부로 제4튜브관 내지 제8튜브관(40, 50, 60, 70, 80)이 차례로 위치하여, 링형상의 제4분사구 내지 제8분사구(45, 55, 65, 75, 85)가 형성되며, 제4튜브관(40)과 제6튜브관(60) 및 제8튜브관(80)에는 산소가스가 투입되고, 제5튜브관(50)과 제7튜브관(70)에는 수소가스가 투입된다.
그리고 제1튜브관(10)에 투입된 SiCl4를 제외한, 다른 튜브관에 투입된 가스는 각 튜브관의 내벽과 안에 삽입된 튜브관의 외벽의 사이로 진행하여 링형상의 분사구를 통해서 토출된다. 따라서 X번째 튜브관(제X튜브관)의 내벽과 안에 삽입된 튜브관(제X-1튜브관)의 외벽의 사이의 간격(이하에서, 제X분사구 갭 간격(GX)으로 표시함)은 토출되는 가스의 유속에 영향을 준다.
투입되는 가스의 유량이 동일하다면, 분사구의 갭 간격이 좁을수록 가스의 유속이 빨라지고, 분사구의 갭 간격이 넓을수록 가스의 유속이 느려진다. 토출되는 가스의 유속이 빠르면 산수소 불꽃의 길이가 길어지고, 유속이 느리면 산수소 불꽃의 길이가 짧아진다.
산수소 불꽃이 길면, 산수소 불꽃이 잉곳 표면의 일부에 집중되어 접촉하여 그 부위에만 국부적인 가열이 일어며, 접촉 부위에서 먼 가장자리는 가열되지 않으므로 접촉부분과 가장자리에서의 온도차이가 발생하게 된다. 그리고 가스의 유속이 빠르기 때문에 실리카가 증착되는 부위에서 산소와 수소가스가 빠른 속도로 충돌하는 상태가 되어, 실리카가 잉곳에 증착하는 것을 방해한다.
반대로 산수소 불꽃이 짧으면, 잉곳에 접촉하는 산수소 불꽃의 면적이 증가하기 때문에 중심부와 가장자리의 온도차이가 감소하며, 가스의 유속에 의해서 실리카의 증착이 방해 받지 않음으로 안정적인 증착이 가능하고 반도체 포토마스크에 필요한 균질한 합성석영유리 잉곳을 제작할 수 있다.
본 발명의 발명자들은 산수소 불꽃의 길이를 조절하는 것에 더하여, 산소가스와 수소가스 사이의 유속 비를 조절하는 경우에 잉곳의 광학적 균질도가 변화함을 확인하였다. 이는 산수소 불꽃을 형성하기 위하여 토출되는 산소가스와 수소가스의 유량 비율을 일정한 값으로 유지하기 때문인 것으로 보이며, 발명자들은 분사구의 갭 간격을 조절하여 합성석영 잉곳의 광학적 균질도를 향상시키는 방법을 개발하였다.
도 1의 구조를 가지는 산수소 버너를 제작함에 있어서, 제2튜브관(20)과 제3튜브관(30)의 직경을 변경으로써 제2분사구 갭 간격(G2)과 제3분사구 갭 간격(G3)을 조절하였다.
제2분사구 갭 간격(G2)은 0.3~1.0mm의 범위에서 조절하고, 제3분사구 갭 간격(G3)은 2.0~5.0mm의 범위에서 조절하여, G2:G3의 비율을 다양하게 조절하였다.
다양한 비율로 제작된 산수소 버너를 이용하여, 합성석영유리 잉곳을 제조하는 과정에서는 제2튜브관(20)에 투입되는 산소가스와 제3튜브관(30)에 투입되는 수소가스의 유량 비율을 일정하게 유지하여, 그에 따라 산소가스의 유속과 수소가스의 유속 사이의 비율을 조절하였다.
제2튜브관(20)에 투입되는 산소가스와 제3튜브관(30)에 투입되는 수소가스의 유량 비율은 1:5.8로 일정하게 유지하였다.
제조된 합석석영유리 잉곳을 어닐링하여 응력을 제거하고, 가로152mm x 세로 152mm x 두께6.35mm 규격으로 절단하여 기판으로 제작한 뒤에, 래핑(lapping)과 폴리싱(polishing) 연마하였다.
최종적으로 제작된 기판에 대하여 복굴절 측정기(Hinds社)를 이용하여 광학적 불균질도를 측정하였다. 복굴절 측정기는 633nm 레이저로 기판 전체를 스캔하여 레이저 빛에 대한 위상지연성(retardation)을 측정하였다.
도 2는 제2분사구 갭 간격 G2와 제3분사구 갭 간격 G3의 비율이 1:4.5인 산수소 버너를 이용하여 제작된 합성석영유리 기판에 대하여 복굴절을 측정한 결과이고, 도 3은 제2분사구 갭 간격 G2와 제3분사구 갭 간격 G3의 비율이 1:5.5인 산수소 버너를 이용하여 제작된 합성석영유리 기판에 대하여 복굴절을 측정한 결과이다.
두 경우 모두에 있어서, 기판의 중심부분과 외곽부분의 복굴절 값에 차이가 큰 것을 확인할 수 있으며, 기판의 광학적 균질성이 높지 못한 것으로 평가할 수 있다.
도 4는 제2분사구 갭 간격 G2와 제3분사구 갭 간격 G3의 비율이 1:7.5인 산수소 버너를 이용하여 제작된 합성석영유리 기판에 대하여 복굴절을 측정한 결과이다.
G2:G3의 비율이 커지면서, 기판의 중심부분과 외곽부분의 복굴절 값이 비슷하게 나타나 전체적으로 기판의 광학적 균질성이 높은 것으로 평가할 수 있다.
다음으로 기판 전체에 대한 복굴절의 평균값을 측정하였으며, 193nm 광원 기준으로 환산하기 위하여 1.5를 곱하였다. 복굴절 평균값이 작을수록 광학적 균질도가 우수한 것을 나타낸다.
도 5는 제2분사구 갭 간격(G2)과 제3분사구 갭 간격(G3)의 비율에 따른 복굴절의 변화를 나타내는 그래프이고, 표 1은 제2분사구 갭 간격(G2)과 제3분사구 갭 간격(G3)의 비율에 따른 유속의 비율과 복굴절 값을 나타낸다.
Figure pat00001
이에 따르면, G2:G3의 비율이 1:4.5에서 1:7.5로 커질수록 기판의 복굴절율이 급속도로 낮아지며, G2:G3의 비율이 1:8.5 이상으로 커지면 복굴절율이 조금씩 올라가는 것을 확인할 수 있다.
이로부터, 광학적 균질도가 뛰어난 합성석영유리를 제조하기 위해서는 G2:G3의 비율이 1:6.8~1:9.0 범위인 산수소 버너를 사용하는 것이 가장 바람직하며, G2:G3의 비율이 약 1:6.5~1:11.0 범위인 산수소 버너를 사용하여도 복굴절 평균값이 약 2.5nm이하로 상당한 광학적 균질도를 가지는 합성석영유리를 제조할 수 있는 것을 알 수 있다.
이를 제2분사구(25)에서 토출되는 산소가스 유속에 대한 제3분사구(35)에 토출되는 수소가스 유속의 비율로 나타내면, 제2분사구(25)에서 토출되는 산소가스 유속에 대한 제3분사구(35)에 토출되는 수소가스 유속의 비율 0.4~0.20의 범위로 느린 경우에 상당한 광학적 균질도를 가지는 합성석영유리를 제조할 수 있었다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 제1튜브관 15: 제1분사구
20: 제2튜브관 25: 제2분사구
30: 제3튜브관 35: 제3분사구
40: 제4튜브관 45: 제4분사구
50: 제5튜브관 55: 제5분사구
60: 제6튜브관 65: 제6분사구
70: 제7튜브관 75: 제7분사구
80: 제8튜브관 85: 제8분사구
G2: 제2분사구의 갭 간격 G3: 제3분사구의 갭 간격

Claims (4)

  1. 복수의 튜브관이 내부에 삽입된 다중관 구조의 합성석영유리 제조용 산수소버너로서,
    중심에 위치하여 SiCl4가 투입되는 제1튜브관;
    상기 제1튜브관의 외부에 위치하며 산소가스가 투입되는 제2튜브관; 및
    상기 제2튜브관의 위부에 위치하며 수소가스가 투입되는 제3튜브관을 포함하며,
    상기 제1튜브관 외벽과 상기 제2튜브관 내벽 사이의 간격이 G2이고, 상기 제2튜브관 외벽과 상기 제3튜브관 내벽 사이의 간격이 G3일 때, G2:G3이 1:6.5~1:11.0의 범위인 것을 특징으로 하는 포토마스크용 합성석영유리 제조에 사용되는 산수소버너.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 G2:G3이 1:6.8~1:9.0 범위인 것을 특징으로 하는 포토마스크용 합성석영유리 제조에 사용되는 산수소버너.
  3. 청구항 1 또는 2의 산수소버너를 이용하여 합성석영유리를 제조하는 방법으로서,
    제2튜브관에 투입되는 산소가스의 유량과 제3튜브관에 투입되는 수소가스의 유량의 비율이 일정하며, 상기 제2튜브관에서 토출되는 산소가스의 유속에 대한 상기 제3튜브관에서 토출되는 수소가스의 유속의 비율이 0.4~0.20의 범위인 것을 특징으로 하는 포토마스크용 합성석영유리 제조방법.
  4. 청구항 1 또는 2의 산수소버너를 이용하여 제조된 합성석영유리로서,
    152x152x6.35mm 규격 기판의 193nm 광원에 대한 복굴절 평균값이 2.5nm이하인 것을 특징으로 하는 포토마스크용 합성석영유리.
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