KR20210103382A - 세라믹 부품 및 이를 포함하는 플라즈마 식각장치 - Google Patents
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Abstract
구현예는 플라즈마 식각장치에 적용되는 세라믹 부품이고, 상기 세라믹 부품은 복합재 및 상기 복합재와 접하며 충진된 기재를 포함하고, 상기 복합재는 탄화붕소계 물질 및 탄소계 물질 중 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 기재는 탄화붕소계 물질을 포함하고, 상기 복합재의 탄화붕소계 물질은 라만 분광법을 통해 측정한 라만 시프트 스펙트럼에서, 481 cm-1 부근의 피크의 강도 Ia 및 534 cm-1 부근의 피크의 강도 Ib의 합 Iab와, 270 cm-1 부근의 피크의 강도 Ic 및 320 cm-1 부근의 피크의 강도 Id의 합 Icd의 비 Iab/Icd가 0.7 내지 2.8이고, 상기 복합재의 탄소계 물질은 라만 분광법을 통해 측정한 라만 시프트 스펙트럼에서, G 밴드 피크의 강도 Ie와 D 밴드 피크의 강도 If의 비 Ie/If가 0.2 내지 2인, 세라믹 부품에 관한 것이다.
Description
구현예는 세라믹 부품 및 이를 포함하는 플라즈마 식각장치에 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 세라믹 부품인 포커스링이 내장되어 있다. 이러한 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.
따라서, 고기능성 포커스링을 확보하여 웨이퍼를 활용한 미세전자소자의 수율의 향상을 기대할 필요가 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 구현예의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
관련 선행특허문헌으로는 한국 등록특허 제10-2128595호에 개시된 "포커스링 및 그를 포함하는 플라즈마 장치" 등이 있다.
구현예의 목적은 보다 향상된 물성을 갖는 세라믹 부품인 포커스링을 제공하는 데 있다.
구현예의 다른 목적은 보다 향상된 물성을 갖는 세라믹 부품인 포커스링을 적용하여 보다 효율적으로 반도체소자를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데 x다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 세라믹 부품은,
플라즈마 식각장치에 적용되는 세라믹 부품이고,
상기 세라믹 부품의 표면은 기재와 상기 기재 내에 상기 기재와 접하여 배치되는 복합재를 포함하고,
상기 세라믹 부품의 비저항은 10-1 Ω·㎝ 내지 20 Ω·㎝이고,
상기 기재는 탄화붕소계 물질을 포함하고,
상기 복합재는 탄화붕소계 물질, 탄소계 물질 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 어느 하나를 포함하고,
상기 복합재의 크기는 40 ㎛ 이하이고,
상기 복합재의 탄화붕소계 물질은 라만 분광법을 통해 측정한 라만 시프트 스펙트럼에서, 481 cm-1 부근의 피크의 강도 Ia 및 534 cm-1 부근의 피크의 강도 Ib의 합 Iab와, 270 cm-1 부근의 피크의 강도 Ic 및 320 cm-1 부근의 피크의 강도 Id의 합 Icd의 비 Iab/Icd가 1 내지 1.8이고,
상기 복합재의 탄소계 물질은 라만 분광법을 통해 측정한 라만 시프트 스펙트럼에서, G 밴드 피크의 강도 Ie와 D 밴드 피크의 강도 If의 비 Ie/If가 0.2 내지 2일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 기재의 탄화붕소계 물질은 라만 분광법을 통해 측정한 강도 스펙트럼에서, 481 cm-1 부근의 피크의 강도 Ia 및 534 cm-1 부근의 피크의 강도 Ib의 합계강도 Iab와, 270 cm-1 부근의 피크의 강도 Ic 및 320 cm-1 부근의 피크의 강도 Id의 합계강도 Icd의 비 Iab/Icd가 1.1 내지 2.3일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 세라믹 부품의 표면 또는 단면에서 관찰되는 기공의 평균 직경은 5 ㎛ 이하일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 세라믹 부품은,
기준면으로부터 제1높이를 갖는 안착부; 및
상기 기준면으로부터 제2높이를 갖는 본체부;를 포함하고,
상기 안착부는 식각대상이 안착되는 안착부상면을 포함하고,
상기 본체부는 플라즈마에 의해 직접 식각되는 본체부상면을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 안착부와 상기 본체부 사이에 경사부를 더 포함하고,
상기 경사부는 상기 안착부상면과 상기 본체부상면을 연결하는 경사부상면을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 세라믹 부품은 굽힘강도가 300 MPa 이상일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 탄소계 물질의 함량이 전체 대비 0.5 중량% 이상일 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 다른 구현예에 따른 세라믹 부품은,
플라즈마 식각장치에 적용되는 세라믹 부품이고,
상기 세라믹 부품의 표면은 기재와 상기 기재 내에 상기 기재와 접하여 배치되는 복합재를 포함하고,
상기 세라믹 부품의 비저항은 10-2 Ω·㎝ 내지 10-1 Ω·㎝이고,
상기 기재는 탄화붕소계 물질을 포함하고,
상기 복합재는 탄화붕소계 물질, 산화붕소 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 어느 하나를 포함하고,
상기 복합재의 크기는 40 ㎛ 이하이고,
상기 복합재의 탄화붕소계 물질은 라만 분광법을 통해 측정한 라만 시프트 스펙트럼에서, 481 cm-1 부근의 피크의 강도 Ia 및 534 cm-1 부근의 피크의 강도 Ib의 합 Iab와, 270 cm-1 부근의 피크의 강도 Ic 및 320 cm-1 부근의 피크의 강도 Id의 합 Icd의 비 Iab/Icd가 1 내지 1.8일 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 세라믹 부품의 제조방법은,
i) 탄화붕소를 포함하는 원료, ii) 탄화붕소, 산화붕소, 탄소계 물질을 포함하는 원료, iii) 탄화붕소, 탄소계 물질을 포함하는 원료 중, 어느 하나의 원료를 마련하는 준비단계; 및
상기 원료를 소결하고, 형상가공하여 세라믹 부품을 제조하는 처리단계;를 포함하고,
상기 준비단계는 상기 원료를 슬러리화하고 과립화하여 원료과립을 준비하는 과정을 포함하고,
상기 슬러리화된 원료는 제타 전위가 +15 mV 이상일 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 플라즈마 식각장치는,
상기에 따른 세라믹 부품을 포함할 수 있다.
구현예에 따른 세라믹 부품은 내식각성, 내충격성 등 물성이 우수한 이점이 있다.
구현예에 따른 세라믹 부품은 복합재 및 복합재와 접하며 충진된 기재를 포함하고, 이러한 복합재 및 기재가 라만 스펙트럼에서 특정 파수의 강도 비가 일정 범위를 만족하여, 기재 및 복합재가 조화를 이루도록 하고 양호한 기계적 물성을 나타낼 수 있다.
도 1은 구현예에 따른 세라믹 부품을 위에서 본 모습을 설명하는 개략도(화살표는 측정 지점을 나타냄).
도 2는 구현예에 따른 세라믹 부품의 단면을 설명하는 개략도.
도 3은 구현예에 따른 세라믹 부품이 적용된 식각장치의 구조를 설명하는 개념도.
도 4는 구현예에 따른 세라믹 부품을 제조하는 과정에 적용되는 소결장치를 설명하는 개념도.
도 5는 구현예에 따른 세라믹 부품의 표면을 주사 전자 현미경(BSE, 후방 산란 전자)을 통해 촬영한 사진.
도 6은 구현예에 따른 세라믹 부품의 표면을 주사 전자 현미경(SE, 이차전자)을 통해 촬영한 사진.
도 7은 실시예 1 내지 실시예 3의 복합재의 라만 분광법에 따른 라만 시프트 스펙트럼(위쪽부터 각각 실시예 1, 실시예 2(1), 실시예 2(2), 실시예 3(1), 실시예 3(3)).
도 8은 실시예 1의 소결체의 단면 사진(1:복합재, matrix:기재).
도 9는 실시예 1의 라만 분광법에 따른 라만 시프트 스펙트럼(1:복합재, matrix:기재).
도 10은 실시예 2의 소결체의 단면 사진(1,2:복합재, matrix:기재).
도 11는 실시예 2의 라만 분광법에 따른 라만 시프트 스펙트럼(1,2:복합재, matrix:기재).
도 12은 실시예 3의 소결체의 단면 사진(1,2:복합재).
도 13는 실시예 3의 라만 분광법에 따른 라만 시프트 스펙트럼(1,2:복합재).
도 14은 실시예 3의 소결체의 단면 사진(3:복합재, matrix:기재).
도 15는 실시예 3의 라만 분광법에 따른 라만 시프트 스펙트럼(3:복합재, matrix:기재).
도 16은 실시예 1 내지 실시예 3의 기재(matrix)의 라만 분광법에 따른 라만 시프트 스펙트럼.
도 2는 구현예에 따른 세라믹 부품의 단면을 설명하는 개략도.
도 3은 구현예에 따른 세라믹 부품이 적용된 식각장치의 구조를 설명하는 개념도.
도 4는 구현예에 따른 세라믹 부품을 제조하는 과정에 적용되는 소결장치를 설명하는 개념도.
도 5는 구현예에 따른 세라믹 부품의 표면을 주사 전자 현미경(BSE, 후방 산란 전자)을 통해 촬영한 사진.
도 6은 구현예에 따른 세라믹 부품의 표면을 주사 전자 현미경(SE, 이차전자)을 통해 촬영한 사진.
도 7은 실시예 1 내지 실시예 3의 복합재의 라만 분광법에 따른 라만 시프트 스펙트럼(위쪽부터 각각 실시예 1, 실시예 2(1), 실시예 2(2), 실시예 3(1), 실시예 3(3)).
도 8은 실시예 1의 소결체의 단면 사진(1:복합재, matrix:기재).
도 9는 실시예 1의 라만 분광법에 따른 라만 시프트 스펙트럼(1:복합재, matrix:기재).
도 10은 실시예 2의 소결체의 단면 사진(1,2:복합재, matrix:기재).
도 11는 실시예 2의 라만 분광법에 따른 라만 시프트 스펙트럼(1,2:복합재, matrix:기재).
도 12은 실시예 3의 소결체의 단면 사진(1,2:복합재).
도 13는 실시예 3의 라만 분광법에 따른 라만 시프트 스펙트럼(1,2:복합재).
도 14은 실시예 3의 소결체의 단면 사진(3:복합재, matrix:기재).
도 15는 실시예 3의 라만 분광법에 따른 라만 시프트 스펙트럼(3:복합재, matrix:기재).
도 16은 실시예 1 내지 실시예 3의 기재(matrix)의 라만 분광법에 따른 라만 시프트 스펙트럼.
이하, 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하나 이상의 구현예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 구현예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서, 어떤 구성이 다른 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성들을 더 포함할 수도 있음을 의미한다.
본 명세서에서, 어떤 구성이 다른 구성과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우만이 아니라, '그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서, A 상에 B가 위치한다는 의미는 A 상에 직접 맞닿게 B가 위치하거나 그 사이에 다른 층이 위치하면서 A 상에 B가 위치하는 것을 의미하며 A의 표면에 맞닿게 B가 위치하는 것으로 한정되어 해석되지 않는다.
본 명세서에서, 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 명세서에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B"를 의미한다.
본 명세서에서, “제1”, “제2” 또는 “A”, “B”와 같은 용어는 특별한 설명이 없는 한 동일한 용어를 서로 구별하기 위하여 사용된다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
세라믹 부품(10)
상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 세라믹 부품(10)은,
플라즈마 식각장치에 적용되는 세라믹 부품이고,
상기 세라믹 부품의 표면은 기재와 상기 기재 내에 상기 기재와 접하여 배치되는 복합재를 포함하고,
상기 세라믹 부품의 비저항은 10-2 Ω·㎝ 내지 10-1 Ω·㎝ 또는 10-1 Ω·㎝ 내지 20 Ω·㎝이고,
상기 기재는 탄화붕소계 물질을 포함하고,
상기 복합재는 탄화붕소계 물질, 산화붕소, 탄소계 물질 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 어느 하나를 포함하고,
상기 복합재의 크기는 40 ㎛ 이하이고,
상기 복합재의 탄화붕소계 물질은 라만 분광법을 통해 측정한 라만 시프트 스펙트럼에서, 481 cm-1 부근의 피크의 강도 Ia 및 534 cm-1 부근의 피크의 강도 Ib의 합 Iab와, 270 cm-1 부근의 피크의 강도 Ic 및 320 cm-1 부근의 피크의 강도 Id의 합 Icd의 비 Iab/Icd가 1 내지 1.8일 수 있다.
도 1은 구현예에 따른 세라믹 부품의 일례를 나타낸 평면도이고, 도 2는 구현예에 따른 세라믹 부품의 단면을 나타낸 개략도이다. 이하, 도 1 및 2 등을 참조하여 세라믹 부품을 설명한다.
상기 세라믹 부품(10)은 플라즈마 식각장치(500)에 적용되는 포커스 링일 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 복합재 및 상기 복합재와 접하며 충진된 기재를 포함할 수 있다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 세라믹 부품의 표면에 복합재 및 기재를 확인할 수 있다.
상기 복합재는 주로 탄화붕소계 물질 및 탄소계 물질 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있고, 일부 기공을 가질 수 있다.
상기 복합재의 탄화붕소계 물질은 결정질 탄화붕소를 포함할 수 있고, 비정질 탄화붕소도 일부 포함할 수 있다.
상기 복합재의 탄화붕소계 물질은 라만 분광법을 통해 측정한 라만 시프트 스펙트럼에서, 481 cm-1 부근의 피크의 강도 Ia 및 534 cm-1 부근의 피크의 강도 Ib의 합 Iab와, 270 cm-1 부근의 피크의 강도 Ic 및 320 cm-1 부근의 피크의 강도 Id의 합 Icd의 비 Iab/Icd가 1 내지 1.8일 수 있고, 1.1 내지 1.6일 수 있다.
상기 복합재의 탄화붕소계 물질에서 라만 시프트 스펙트럼의 피크의 파수는 270 cm-1, 320 cm-1, 481 cm-1, 534 cm-1, 728 cm-1, 1088 cm-1 일 수 있고, ±10 cm-1 의 오차범위를 가질 수 있으며, 각각의 파수의 오차범위 내에서 가장 강도가 강한 것을 피크로 취급한다.
단결정 탄화붕소(B4C)의 라만 시프트 스펙트럼을 참고하면, 270 cm-1, 320 cm-1 파수 인근의 피크가 481 cm-1, 534 cm-1 파수 인근의 피크 대비 미약한 것을 알 수 있다. 탄화붕소계 물질 내 탄소의 함량, 제조(소결) 시 압력, 첨가제 등의 조건에 따라 270 cm-1, 320 cm-1, 481 cm-1, 534 cm-1 피크의 강도 및 반치전폭이 변화할 수 있다.
구현예에 따른 세라믹 부품(10)의 복합재의 탄화붕소계 물질은 상기 Iab/Icd가 상기 범위를 가지도록 하여, 특정한 탄소 함량을 가지면서 양호한 결정성을 나타내도록 하고, 기재와 조화를 이루도록 한다. 이에 따라, 플라즈마 식각장치의 세라믹 부품에 적합한 강도와 내식각성을 확보할 수 있다.
상기 복합재의 탄소계 물질에서 라만 시프트 스펙트럼의 피크는 크게 D 밴드 피크 및 G 밴드 피크 두가지로 볼 수 있다. 상기 D 밴드는 대략 1360±50 cm-1의 파수일 수 있고, 상기 G 밴드는 대략 1580±50 cm-1의 파수일 수 있다. 상기 D 밴드 피크는 흑연 구조에 기인하지 않는 것으로 볼 수 있고, 상기 G 밴드는 흑연 구조에 기인하는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 상기 G 밴드의 비율이 높을수록, 탄소계 물질에서 차지하는 흑연의 비율은 높다고 볼 수 있다.
상기 복합재의 탄소계 물질은 라만 분광법을 통해 측정한 라만 시프트 스펙트럼에서, G 밴드 피크의 강도 Ie와 D 밴드 피크의 강도 If의 비 Ie/If가 0.2 내지 2일 수 있고, 0.5 내지 1.5일 수 있다. 이러한 특징을 갖는 상기 복합재의 탄소계 물질은 적절한 결정성을 나타내도록 하고 상기 복합재의 탄화붕소계 물질 및 기재와 조화를 이룰 수 있다.
상기 기재는 주로 탄화붕소계 물질을 포함할 수 있고, 탄화붕소를 포함할 수 있고, 상기 복합재 대비 조대한 결정립일 수 있으며, 일부 기공을 가질 수 있다.
상기 기재의 탄화붕소계 물질은 라만 분광법을 통해 측정한 라만 시프트 스펙트럼에서, 481 cm-1 부근의 피크의 강도 Ia 및 534 cm-1 부근의 피크의 강도 Ib의 합 Iab와, 270 cm-1 부근의 피크의 강도 Ic 및 320 cm-1 부근의 피크의 강도 Id의 합 Icd의 비 Iab/Icd가 1.1 내지 2.3일 수 있고, 1.15 내지 2일 수 있다. 상기 Iab/Icd가 상기 범위를 가지도록 하여, 특정한 탄소 함량을 가지면서 양호한 결정성을 나타내도록 하고, 복합재와 조화를 이루도록 한다. 이에 따라, 플라즈마 식각장치의 세라믹 부품에 적합한 강도와 내식각성을 확보할 수 있다.
상기 복합재의 크기는 40 ㎛ 이하일 수 있고, 30 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 복합재의 크기는 0.1 ㎛ 이상일 수 있고, 0.3 ㎛ 이상일 수 있다. 또한, 상기 복합재는 단위면적(cm2)당 개수가 2×105/cm2 내지 6×105/cm2일 수 있고, 2.5×105/cm2 내지 5.5×105/cm2일 수 있다. 이러한 복합재의 크기 및 개수를 갖는 세라믹 부품은 플라즈마 식각장치에 적용 시 적합한 강도와 내식각성을 확보할 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)의 비저항은 상대적으로 저저항인 10-2 Ω·㎝ 내지 10-1 Ω·㎝일 수 있고, 상대적으로 고저항인 10-1 Ω·㎝ 내지 20 Ω·㎝일 수 있다. 이러한 비저항 값은 제조 시 상압 또는 가압 조건에 따라 형성될 수 있다. 또한, 이러한 비저항 값을 갖는 세라믹 부품은 형상가공이 용이하게 진행될 수 있고, 양호한 표면 품질을 나타낼 수 있다.상기 세라믹 부품(10)은 기준면으로부터 제1의 높이를 갖는 안착부(200); 및 상기 기준면으로부터 제2의 높이를 갖는 본체부(100);를 포함하고, 상기 안착부는 식각대상(1)이 안착되는 안착부상면(206)을 포함하고, 상기 본체부는 플라즈마에 의해 직접 식각되는 본체부상면(106)을 포함할 수 있다.
상기 안착부(200) 상에는 식각대상(1)의 적어도 일부가 배치되며, 웨이퍼 등의 식각대상을 지지한다.
상기 본체부(100)는 식각대상(1)에 전달되는 플라즈마 이온의 흐름을 원할하게 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 수도 있다.
상기 안착부(200)는 제1높이를 갖고, 상기 본체부(100)는 제2높이를 갖는다.
상기 제1높이와 상기 제2높이는 기준면을 기준으로 각각 안착부상면과 본체부상면까지의 높이를 의미한다. 이때, 상기 기준면은 예시적으로 본체부의 저면, 안착부의 저면 중 가장 낮은 저면일 수 있다.
상기 제1높이와 제2높이는 서로 다른 높이일 수 있고, 구체적으로 제2높이가 제1높이보다 더 높을 수 있다.
상기 안착부(200)의 안착부상면(206)은 별도의 층 구분이 없는 일체형일 수 있고, 상기 안착부와 상기 안착부상면이 단면에서 관찰했을 때 서로 층이 구분되는 구분형일 수 있다. 구분형의 경우 상기 안착부상면은 증착층 또는 코팅층ㅇ의 형태일 수 있다. 상기 증착층 또는 코팅층은 예시적으로 상기 기재 및 복합재를 포함하는 층일 수 있다. 상기 안착부상면이 구분형인 경우, 상기 증착층 또는 코팅층 형태의 안착부상면은 식각 전을 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)와 상기 본체부상면(106)은 별도의 층 구분이 없는 일체형일 수 있고, 상기 본체부와 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 상기 기재 및 복합재를 포함하는 층일 수 있다. 상기 본체부상면이 구분형인 경우, 상기 증착층 또는 코팅층 형태의 본체부상면은 식각 전을 기준으로 본체부 두께의 1 내지 40 %의 두께를 가질 수 있고, 5 내지 25 %의 두께를 가질 수 있다.
상기 세라믹 부품(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 구분형일 수 있다. 구분형의 경우 상기 경사부상면은 증착층 또는 코팅층의 형태일 수 있다. 상기 증착층 또는 코팅층은 예시적으로 상기 기재 및 복합재를 포함하는 층일 수 있다. 상기 경사부상면이 구분형인 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)은 경사부각도(미도시)를 갖도록 배치된다. 상기 경사부각도는 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 90 도 미만인 경우에는 상기 경사부가 0 mm 초과의 길이를 가질 수 있다.
상기 경사부각도는 상기 경사부상면(156)을 전체적으로 단면에서 관찰했을 때 선형이거나 비선형일 수 있고, 경사부 각도는 단면에서 안착부상면(206)과 경사부상면이 만나는 P1(미도시)과 경사부상면과 본체부상면(106)이 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 식각 시 플라즈마의 흐름을 보다 안정적으로 제어할 수 있다.
상기 안착부(200), 상기 경사부(150), 그리고 상기 본체부(100)는 각각 링 형태일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 식각대상(1)의 형상에 따라 상기 안착부, 상기 경사부 그리고 상기 본체부의 형태는 변형될 수 있다.
세라믹 부품은 고내식각성 재료로 형태 가공이 어려운 재료를 포함할 수 있다. 일반적인 세라믹 부품인 포커스링은 단차를 갖는 형상가공 과정에서 깨짐이 발생하는 경우가 있다. 구현예에서는 보다 향상된 특성을 갖는 재료를 통해 보다 용이한 형상가공을 위해 라만특성을 갖는 제시하여 보다 개선된 세라믹 부품을 제시하였다.
상기 세라믹 부품(10)은 상기 안착부상면의 한 지점인 PS1을 갖고, 상기 경사부상면의 한 지점인 PS2를 갖고, 상기 본체부상면의 한 지점인 PS3을 갖는다.
상기 세라믹 부품(10)은 상기 PS1과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 최대값과 최소값의 차이가 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 세라믹 부품은 보다 안정적인 가공성, 안정성을 가질 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 상기 PS1에서 측정한 잔류응력과 상기 PS3에서 측정한 잔류응력의 차이가 -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 세라믹 부품을 얻을 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력의 표준편차가 -300 내지 +300 MPa일 수 있고, -250 내지 +250 MPa일 수 있다. 또한, 상기 세라믹 부품은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력의 표준편차가 -100 내지 +150 MPa일 수 있고, -75 내지 +75 MPa일 수 있다. 이러한 표준편차를 갖는 경우 보다 고밀도이면서도 우수한 가공성을 갖는 포커스링을 얻을 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력의 표준편차가 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 세라믹 부품을 얻을 수 있다.
상기 세라믹 부품(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 세라믹 부품(10)은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력의 최대값과 최소값의 차이가 그 평균의 25 % 이내일 수 있다. 상기 세라믹 부품은 상기 PS1, 상기 PS3, 그리고 상기 PS2에서 각각 측정한 잔류응력의 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 잔류응력의 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 세라믹 부품(10)은 중심에서 거리가 서로 다른 지점의 표면에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 -350 내지 +350 MPa 일 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 중심에서 거리가 서로 다른 지점의 표면에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 -300 내지 +300 MPa일 수 있고, -250 내지 +250 MPa일 수 있고, -200 내지 +200 MPa일 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 중심에서 거리가 서로 다른 지점의 표면에서 측정한 잔류응력의 표준편차가 -120 내지 +120 MPa일 수 있고, -100 내지 +100 MPa일 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 세라믹 부품, 포커스링을 제공할 수 있을 것으로 생각된다.
상기 세라믹 부품(10)의 중심이라 함은, 링 형태의 세라믹 부품은 내경원의 중심이 세라믹 부품의 중심에 해당하고, 링 형태가 아닌 세라믹 부품은 장축과 단축의 교차점을 중심으로 한다.
상기 세라믹 부품(10)은 표면이 연마 처리된 것일 수 있다. 상기 세라믹 부품은 안착부상면(206)과 본체부상면(106)이 연마 처리가 된 것일 수 있고, 안착부상면, 본체부상면 및 경사부상면이(156) 각각 연마 처리가 된 것일 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)의 표면의 산술평균조도 Ra는 2 ㎛ 이하일 수 있고, 1.7 ㎛ 이하일 수 있고, 0.05 ㎛ 이상일 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)의 표면의 최대높이조도 Rt는 0.1 내지 25 ㎛일 수 있고, 0.1 내지 10 ㎛일 수 있고, 0.1 내지 5 ㎛일 수 있으며, 0.1 내지 2 ㎛일 수 있다.
예시적으로, 상기 본체부상면(106)의 산술평균조도(Ra)는 0.5 ㎛ 이하일 수 있고, 최대높이조도(Rt)는 8 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 경사부상면(156)의 산술평균조도(Ra)는 2 ㎛ 이하일 수 있고, 최대높이조도(Rt)는 15 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 안착부상면(206)의 산술평균조도(Ra)는 2 ㎛ 이하일 수 있고, 최대높이조도(Rt)는 15 ㎛ 이하일 수 있다.
이러한 조도 특성을 갖는 경우, 플라즈마 식각 시에 물리적인 요인에 의해 발생할 수 있는 파티클 형성 문제를 실질적으로 억제할 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 링형 부품으로 외경과 내경의 차이가 10 내지 80 mm일 수 있고, 15 내지 60 mm일 수 있고, 20 내지 50 mm일 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 링형 부품으로 두께가 1 내지 45 mm일 수 있고, 두께가 1.5 내지 40 mm일 수 있으며, 두께가 2 내지 38 mm일 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 링형 부품으로 내경이 160 mm 이상일 수 있고, 내경이 200 mm 이상일 수 있고, 내경이 300 mm 이상일 수 있으며, 내경이 450 mm 이하일 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 공극률이 약 10 % 이하일 수 있고, 약 3 % 이하일 수 있으며, 약 1 % 이하일 수 있다. 상기 세라믹 부품은 공극율이 0.01 % 이상일 수 있다. 이렇게 공극률이 낮은 세라믹 부품은 보다 양호한 내식각성을 나타낼 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 그 표면 또는 단면에서 관찰되는 기공의 평균 직경은 5 ㎛ 이하일 수 있고, 상기 기공의 평균 직경은 3 ㎛ 이하일 수 있고, 상기 기공의 평균 직경은 1 ㎛ 이하일 수 있으며, 상기 기공의 평균 직경은 0.1 ㎛ 이상일 수 있다. 또한, 상기 기공의 전체 면적을 기준으로, 상기 기공의 직경이 10 ㎛ 이상인 부분의 면적은 5 % 이하일 수 있다. 이러한 기공의 평균 직경을 갖는 상기 세라믹 부품은 향상된 내식각성을 가질 수 있다. 이때, 상기 기공의 평균 직경은 상기 기공의 단면적과 동일한 면적의 원의 직경으로 도출한다.
상기 세라믹 부품(10)에 포함되는 탄화붕소계 물질은 탄화붕소 함유 입자가 서로 네킹된 형태일 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 증착된 탄화붕소 및/또는 소결된 탄화붕소를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 탄화붕소계 물질을 포함할 수 있고, 상기 탄화붕소계 물질은 탄화붕소(B4C)일 수 있다. 상기 세라믹 부품은 전체 대비 85 중량% 이상의 탄화붕소를 포함할 수 있고, 90 중량% 이상의 탄화붕소를 포함할 수 있으며, 93 중량% 이상의 탄화붕소를 포함할 수 있다. 상기 세라믹 부품은 또한 99.9 중량% 이하의 탄화붕소를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 탄화붕소계 물질 이외의 탄소계 물질을 포함할 수 있다. 상기 탄소계 물질의 함량은 전체 대비 0.5 중량% 이상일 수 있고, 1 중량% 이상일 수 있다. 상기 탄소계 물질의 함량은 15 중량% 이하일 수 있고, 10 중량% 이하일 수 있다. 이러한 탄소계 물질의 함량을 만족하는 세라믹 부품은 우수한 내식각성을 나타낼 수 있다.
상기 세라믹 부품(10)은 식각대상(1), 웨이퍼가 플라즈마 식각장치의 챔버 내에 배치될 때, 상기 식각대상, 웨이퍼를 지지하기 위한 지지체로 역할할 수 있다.
세라믹 부품의 제조방법
상기의 목적을 달성하기 위하여, 다른 일 구현예에 따른 세라믹 부품의 제조방법은,
탄화붕소를 포함하는 원료를 마련하는 준비단계; 및
상기 원료를 소결하고, 형상가공하여 세라믹 부품을 제조하는 처리단계;를 포함할 수 있다.
상기 준비단계에서 상기 원료는 탄화붕소 분말을 포함한다. 탄화붕소 분말은 탄화붕소 함량이 99.9 중량% 이상인 고순도 탄화붕소가 적용될 수 있고, 탄화붕소 함량이 95 내지 99.9 중량%인 저순도 탄화붕소가 적용될 수 있다.
상기 탄화붕소 분말은 D50 기준으로, 약 1.5 ㎛ 이하의 평균 입경을 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 탄화붕소 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 탄화붕소 분말은 D50 기준으로, 2 ㎛ 내지 10 ㎛의 입경을 가질 수 있고, 3 ㎛ 내지 8 ㎛의 입경을 가질 수 있고, 4 ㎛ 내지 6 ㎛의 입경을 가질 수 있다. 이러한 입경범위를 갖는 탄화붕소 분말을 적용하는 경우 소결체 치밀화와 함께 공정의 생산성도 향상시킬 수 있다.
상기 원료는 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 탄소계 물질, 산화붕소, 규소, 탄화규소, 산화규소, 질화붕소, 붕소 또는 질화규소 등을 들 수 있다. 상기 첨가제는 상기 원료 물질을 기준으로 약 0.1 중량% 내지 약 30 중량%의 함량으로 포함될 수 있다.
상기 첨가제는 소결특성 개선제일 수 있다. 상기 소결특성 개선제는, 상기 원료물질에 포함되어 탄화붕소의 물성을 향상시킨다. 상기 소결특성 개선제는 탄소계 물질, 산화붕소, 규소, 탄화규소, 산화규소, 질화붕소, 질화실리콘 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. 상기 소결특성 개선제는 상기 원료물질 전체를 기준으로 약 30 중량% 이하로 함유될 수 있다. 구체적으로 상기 소결특성 개선제는 상기 원료 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 소결특성 개선제가 30 중량% 초과로 포함되는 경우에는 오히려 소결체의 강도를 떨어뜨릴 수 있다.
상기 원료는 상기 소결특성 개선제 이외의 잔량으로 탄화붕소 분말 등의 탄화붕소 원료를 포함할 수 있다.
상기 소결특성 개선제로 탄소계 물질이 적용되는 경우, 상기 탄소계 물질은 페놀수지, 노볼락 수지와 같은, 탄화 시 탄소로 전환되는 수지기 첨가될 수 있고, 상기 수지가 탄화 공정을 통하여 탄화된 형태의 탄소로 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 소결특성 개선제로 탄소계 물질이 적용되는 경우, 상기 탄소계 물질은 원료 전체 대비 1 중량% 내지 30 중량%로 적용될 수 있고, 1 중량% 내지 25 중량%로 적용될 수 있으며, 2 중량% 내지 15 중량%로 적용될 수 있고, 3 중량% 내지 10 중량%로 적용될 수 있다. 이러한 함량으로 상기 소결특성 개선제로 탄소계 물질을 적용하는 경우, 입자 사이의 네킹 현상을 잘 유도하고 입자 크기가 비교적 크며, 상대밀도가 비교적 높은 탄화붕소를 얻을 수 있다. 다만, 상기 탄소계 물질을 10 중량% 초과로 포함하는 경우, 소결과정에서 가압소결 시, 이산화탄소 등 가스의 발생이 과다하여 작업성이 떨어질 수 있다.
상기 소결특성 개선제로 상기 산화붕소와 상기 탄소가 함께 적용되는 경우, 상기 소결체의 상대밀도를 보다 높일 수 있으며, 이는 기공 내에 존재하는 탄소 영역이 감소하며 보다 치밀도가 향상된 소결체를 제조할 수 있다.
상기 산화붕소와 상기 탄소는 1: 0.8 내지 4의 중량비로 적용될 수 있다. 이러한 경우 보다 상대밀도가 향상된 소결체를 얻을 수 있다.
상기 원료는 필요에 따라 분산제, 결합제, 소포제, 용매 등을 더 포함할 수 있다.
상기 분산제는 2-프로페노익산(2-propenoic acid), 에탄올(ethanol), 나트륨 염(sodium salt), 암모늄 염(ammonium salt) 등일 수 있다. 상기 분산제는 전체 대비 0.08 내지 2 중량% 포함될 수 있고, 0.1 내지 1.5 중량% 포함될 수 있다.
상기 결합제는 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alchol), 페놀 레진(phenol resin), 아크릴 레진(acrylic resin) 등일 수 있다.
상기 소포제는 비이온 계면활성제 등일 수 있다.
상기 용매는 탈이온수(DI water), 에탄올(ethanol), 톨루엔(toluene) 등일 수 있다.
상기 원료는 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 500 ppm 이하 일 수 있다.
상기 준비단계는 상기 원료를 슬러리화하고 과립화하여 원료과립을 준비하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 슬러리화는 볼밀링 등의 방법으로 충분하고 실질적으로 균일하게 원료를 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. 상기 볼밀링은 구체적으로 폴리머 볼이 적용될 수 있으며, 상기 슬러리 배합 공정은 약 5 시간 내지 약 20 시간 동안 진행될 수 있다.
상기 슬러리화를 통해 제조되는 슬러리 원료는 제타 전위가 +15 mV 이상일 수 있고, +17.4 mV 이상일 수 있고, +20.6 mV 이상일 수 있으며, +25 mV 이상일 수 있다. 또한, 상기 슬러리 원료는 상기 제타 전위가 +40 mV 이하일 수 있다. 이러한 제타 전위 범위를 갖는 슬러리는 내부 물질들이 고르게 분산되어 후속 과정을 통해 소결 시 균일한 물성을 나타내도록 할 수 있다.
상기 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.
상기 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 금형 내 충진이 용이하고 작업성을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 처리단계는 상기 원료를 금형, 성형다이 등에 충진하고 소결하는 과정을 포함할 수 있다. 상기 처리단계는 상기 소결 전 원료과립을 목적으로 하는 형상으로 성형체를 형성하는 성형과정을 포함할 수 있다. 상기 성형과정은 냉간 등방압 가압(CIP), 그린가공 등을 포함할 수 있다
상기 처리단계는 상기 소결 전 금형, 성형다이 등에 충진된 원료과립 또는 상기 성형과정이 진행된 성형체를 탄화하는 탄화과정을 포함할 수 있고, 이에 따라 성형체에 포함될 수 있는 페놀 수지, 노볼락 수지 등의 유기 첨가제가 탄화될 수 있다.
상기 처리단계의 소결은 가압소결 또는 상압소결로 진행될 수 있다.
상기 가압소결의 방법으로 탄화붕소 소결체를 제조하려는 시도는 다수 있었다. 그러나, 통상 쿠폰이라고 말하는 가로 세로 약 30 mm 이하의 작은 시편이 아니라, 직경이 비교적 큰 탄화붕소 소결체는 그 제조가 쉽지 않다.
비교적 큰 크기의 가압소결체를 만들 때 가압소결체 전체적으로 균일한 특성을 갖는 가압소결체를 제조하는 것이 좋은데, 가압소결체 전체적으로 상대적으로 일정한 특징을 갖는 가압소결체를 제조하는 것이 쉽지 않다. 특히, 가압소결체의 경우 상압소결체와 달리 형상가공시에 크랙, 깨짐 등이 발생하기 쉬운 특성을 갖는데, 이러한 특성 역시 가압소결체 전체적으로 불균일한 특성을 갖는 것이 그 원인 중 하나라 생각된다.
상기 처리단계의 금형은 450 mm 이상의 길이 또는 직경을 갖는 것일 수 있다. 320 mm 이상의 직경을 링형 부품인 세라믹 부품을 제조하기 위해서는 상당히 큰 직경 또는 길이를 갖는 소결체의 제조가 필요하다. 이는 소결과정에서 소결체의 크기가 작아지는 것이 일반적이고, 이후 세라믹 부품이 정밀한 링의 형상을 갖도록 형상가공을 실시하는 과정에서 손실되는 양 등을 고려하면 상기 금형은 450 mm 이상의 크기를 갖는 것이 좋다. 상기 금형은 450 내지 600 mm의 크기를 가질 수 있다.
상기 소결은 적정 소결온도와 소결압력 하에서 진행될 수 있다.
상기 소결온도는 약 1800 ℃ 내지 약 2500 ℃일 수 있고, 약 1800 ℃ 내지 약 2200 ℃일 수 있다. 상기 소결압력은 상압일 수 있고, 약 10 MPa 내지 약 110 MPa일 수 있고, 약 15 MPa 내지 약 60 MPa일 수 있으며, 약 17 MPa 내지 약 30 MPa일 수 있다. 이러한 소결온도와 소결압력 하에서 상기 성형단계를 진행하는 경우, 보다 효율적으로 고품질의 세라믹 부품을 제조할 수 있다.
상기 소결시간은 가압소결의 경우 0.5 시간 내지 10 시간이 적용될 수 있고, 0.5 시간 내지 7 시간이 적용될 수 있으며, 0.5 시간 내지 4 시간이 적용될 수 있다. 상기 가압소결의 소결시간은 상압에서 진행하는 소결 공정과 비교하여 상당히 짧은 시간이며, 이렇게 짧은 시간을 적용하더라도 동등 또는 더 우수한 강도를 갖는 세라믹 부품을 제조할 수 있다.
상기 소결은 환원분위기에서 진행될 수 있다. 이 경우, 탄화붕소 분말이 공기 중의 산소와 반응하여 형성될 수 있는 산화붕소와 같은 물질들을 환원시켜 탄화붕소 함량이 보다 높아지고 탄소가 뭉쳐진 영역이 줄어든 고내식각성의 탄화붕소를 제조할 수 있다.
상기 소결 과정에서, 탄화붕소 분말은 성장하고 서로 네킹되어 강도가 큰 소결체를 형성한다. 또한, 함께 적용되는 첨가제는 온도와 압력에 따라서 변화하며 탄화붕소 분말의 성장을 억제 또는 촉진시킬 수 있다. 아울러, 가압과 함께 진행되는 소결에서 가압소결체는 보다 치밀한 미세구조를 가질 수 있다.
상기 세라믹 부품의 제조방법은 상기 처리단계의 열처리 이후 후속 열처리단계를 포함할 수 있다.
사익 후속 열처리단계는 제1온도에서 2시간 이상 진행되는 1차처리와 제2온도에서 2시간 이상 진행되는 2차처리를 포함하고, 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 ℃의 온도일 수 있다. 상기 1차처리는 1 내지 8시간 동안 진행될 수 있다.
상기 제2온도는 1400 내지 1600 ℃의 온도일 수 있다. 상기 2차처리는 1 내지 8시간 동안 진행될 수 있다.
상기 후속 열처리가 제1온도 및 제2온도로 적용되는 경우, 가압소결체의 형상가공성이 상당히 높아진다. 이는 열처리에 의해 발생하는 잔류응력의 변화 등에 의한 것으로 생각된다.
상기 처리단계의 형상가공은 상기 소결체의 일부를 분리하거나 제거하여 의도하는 형상을 갖도록 가공하는 과정이다. 상기 형상가공은 소결체를 링 형태로 가공하는 링 가공과 링 가공을 거친 소결체를 포커스링의 형태로 형성하는 형상가공을 포함한다.
상기 형상가공은 방전가공, 워터젯 방식, 레이저 방식 등이 적용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 형상가공을 통해 목적으로 하는 형상을 갖춘 이후, 연마과정을 더 진행할 수 있다. 상기 연마과정은 물리적인 방식으로 파티클이 형성되는 것을 억제하기 위하여, 세라믹 부품의 표면 조도를 낮추는 과정이다. 상기 연마과정은 공업용 다이아몬드를 함유하는 슬러리를 적용한 연마과정으로 진행될 수 있고, 파티클 억제 특성이 우수한 세라믹 부품을 제조하기 위하여 최대높이조도(Rt)가 15 ㎛ 이하, 산술평균조도(Ra)가 2 ㎛ 이하가 되도록 가공할 수 있다.
상기 세라믹 부품의 제조방법 중, 소결은 도 4에 도시한 소결장치(300, 열가압소결장치)를 통해 진행될 수 있다.
상기 소결장치(300)의 소결로(310) 내에 상부가압부(332)와 하부가압부(334) 사이에 위치하는 금형(330)에 원료(380)가 장입되면, 가압부(320) 등에 의해 가압 및 승온이 이루어지고, 소결이 진행될 수 있다. 이 때, 상기 소결로(310) 내에는 감압 분위기로 조절될 수 있고, 환원 분위기에서 진행될 수도 있다. 상기 금형(330)은 예를 들어 흑연 다이가 적용될 수 있으며, 상기 상부가압부(332)와 하부가압부(334)는 흑연 툴(펀치)이 적용될 수 있다.
또한, 상기 세라믹 부품의 제조방법은 원료에 펄스전류가 인가되는 스파크 플라즈마 소결장치 등에서도 진행될 수 있다.
플라즈마 식각장치(500)
구현에에 따른 플라즈마 식각장치(500)는,
상기 세라믹 부품(10)을 적어도 그 일부에 포함한다.
도 3을 참조하면, 상기 플라즈마 식각장치(500)는 챔부상부조립체(520)와 챔버하우징(510)이 연결부(516)로 연결되며, 챔부상부조립체(520)에는 전극을 포함하는 전극판조립체(524)가 설치된다. 챔버하우징(510) 내에는 수직이동장치(550)에 의하여 승하강이 가능한 기판홀더(530)가 설치되며, 식각대상(10)인 웨이퍼가 안착되는 자리에는 포커스링인 세라믹 부품(10)이 설치된다.
배플판(564)이 상기 기판홀더(530) 주변에 설치될 수 있다. 상기 기판홀더(530)와 배플판(564) 사이에는 실드링(562)이 더 설치될 수 있다.
상기 식각장치(500)는 위에서 설명한 세라믹 부품(10)을 포커스링 등으로 적용하여 보다 효율적으로 기판의 식각을 진행할 수 있다.
플라즈마 식각방법
구현예에 따른 기판의 식각방법은,
상기 세라믹 부품(10)을 포함하는 포커스링을 배치한 식각장치에 식각대상(1)을 위치시키는 배치단계; 및
상기 식각대상의 식각을 진행하여 기판을 마련하는 식각단계;를 포함한다.
상기 배치단계는 세라믹 부품을 포커스링으로 배치한 식각장치에 식각대상을 위치시키는 단계이다. 상기 식각장치는 전자제품 등에 적용되는 기판을 식각하는 장치라면 제한없이 적용 가능하며, 예시적으로 플라즈마 식각장치가 적용될 수 있다.
상기 기판은 식각대상으로 상기 식각장치에 적용 가능한 것이고, 예시적으로 실리콘 기판 등 반도체 장치에 활용되는 기판이 적용될 수 있다.
상기 포커스링과 상기 세라믹 부품(10)은 위에서 기술한 바와 같다.
상기 배치단계는 상기 식각대상이 상기 포커스링의 안착부상면(206) 상에 위치하도록 할 수 있다.
상기 식각단계는 상기 식각대상의 식각을 진행하여 기판을 마련하는 단계이다. 상기 식각은, 감압과 승온, 플라즈마 가스의 공급, 식각, 세척 등의 식각 과정에 적용되는 통상의 과정으로 진행될 수 있다.
상기 식각은 500 mTorr 이하의 챔버 압력, 불소 함유 화합물 또는 염소 함유 화합물을 포함하는 에칭 가스, 그리고 500 W 내지 15,000 W의 전력에서 진행될 수 있다. 상기 챔버 압력은 100 mTorr 이하일 수 있고, 10 mTorr 이상일 수 있다.
상기 전력은 500 W 내지 15,000 W의 RF 전력일 수 있고, 500 내지 8000 W의 RF 전력일 수 있다.
상기 식각 시간은 100 시간 이상일 수 있고, 200 시간 이상일 수 있고, 400 시간 이상일 수 있으며 800 시간 이상일 수 있다. 상기 식각시간은 적용하는 플라즈마 전력, 에칭가스 등에 따라 달라질 수 있다.
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 - 세라믹 부품의 제조
가압소결법을 적용한 원판형 탄화붕소 소결체 제조
아래 표 1에 나타난 함량의 비율로 탄화붕소 분말(입도 D50 = 0.7㎛), 페놀수지(잔탄량 약 41 중량%) 등의 원료물질과 용매를 슬러리배합기에 넣고, 볼 밀 방식으로 혼합하여 슬러리화된 원료를 제조하였다. 이 슬러리화된 원료를 분무 건조시켜 과립화된 원료를 마련하였다.
과립화된 원료물질을 금형에 장입하고 아래 표 1에 제시된 온도, 압력 및 시간을 적용하여 직경이 약 488 mm인 원반형 탄화붕소 소결체를 제조하였다.
이후, 아래와 같은 열처리 1 내지 3 중, 열처리 3을 진행하였다.
열처리 1은 상기 소결체를 1400 내지 1600 ℃의 온도에서 2 내지 5시간 동안 열처리를 진행하는 것이다.
열처리 2는 상기 소결체를 1650 내지 1950 ℃의 온도에서 2 내지 3.5시간 동안 1차처리를 진행하고, 1400 내지 1600 ℃의 온도에서 3 내지 6시간 동안 2차처리를 진행하는 것이다.
열처리 3은 상기 소결체를 1650 내지 1950 ℃의 온도에서 4 내지 6시간 동안 1차처리를 진행하고, 1400 내지 1600 ℃의 온도에서 3 내지 6시간 동안 2차처리를 진행하는 것이다.
실시예 2 - 세라믹 부품의 제조
상기 실시예 1에서, 표 1에 나타난 함량의 비율, 제타 전위를 만족하는 원료를 적용하고, 표 1의 소결조건을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 하여 탄화붕소 소결체를 제조하였다.
실시예 3 - 세라믹 부품의 제조
상기 실시예 1에서, 표 1에 나타난 함량의 비율, 제타 전위를 만족하는 원료를 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 하여 탄화붕소 소결체를 제조하였다.
| 구분 | 첨가제1 (중량%) |
첨가제2 (중량%) |
분산제 (중량%) |
슬러리원료 제타 전위 |
탄화붕소 분말(중량%) |
소결조건 |
| 실시예 1 | - | - | - | +17.4 mV | 잔량 | 1950 ℃ // 5 시간 // 25 MPa |
| 실시예 2 | 24 | 2 | - | +20.6 mV | 잔량 | 1950 ℃ // 5 시간 |
| 실시예 3 | 4 | - | 0.14 | +27.8 mV | 잔량 | 1950 ℃ // 5 시간 // 25 MPa |
*첨가제 1은 페놀수지를 적용, 첨가제 2는 산화붕소를 적용.
실험예 - 슬러리화된 원료의 제타전위 측정
상기 실시예 1 내지 3의 슬러리화된 원료들을 에탄올 용매 20 mL에 각각 2 내지 3 방울 희석하였고, 플로우 셀(Flow cell)에 소분하여 제타 전위를 측정하였고, 그 결과를 표 1 등에 나타내었다. 상기 용매의 온도는 25 ℃, 굴절률은 1.36, 점도는 1.10 cP, 유전상수는 25였다.
실험예 - 소결체 및 탄화붕소 단결정의 라만 분석
Thermo scientific 사의 라만 분광 측정장치 DxR2를 사용하여, 이하의 측정 조건에서 라만 분석을 진행하여 도 7 내지 도 16 및 표 2 등에 나타내었다. 도 7 내지 도 16에 표시된 사진, 스펙트럼에서 1, 2, 3은 복합재, matrix는 기재를 나타낸다.
여기 파장: 532 nm
출력: 10 mW
반복률: 6 Hz
스캔범위: 6×6 ㎛
픽셀 사이즈 2.0 ㎛
스펙트럼 측정개수: 16개
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 탄화붕소 단결정 | |
| 복합재 Iab/Icd | 1.34 | - | 1.15 | - |
| 복합재 Ie/If | - | 1.4 | 0.81 | - |
| 기재 Iab/Icd | 1.04 | 1.09 | 1.34 | 0.27 |
*Iab/Icd: 라만 시프트 스펙트럼에서, 481 cm-1 부근의 피크의 강도 Ia 및 534 cm-1 부근의 피크의 강도 Ib의 합 Iab와, 270 cm-1 부근의 피크의 강도 Ic 및 320 cm-1 부근의 피크의 강도 Id의 합 Icd의 비
*Ie/If: 라만 시프트 스펙트럼에서, G 밴드 피크의 강도 Ie와 D 밴드 피크의 강도 If의 비
표 1, 2 및 도 7 내지 도 16을 참조하면, 제조된 소결체들의 단면 사진에서 복합재 및 복합재와 접하며 충진된 기재의 모습을 확인할 수 있고, 복합재에서 탄소계 물질 및 탄화붕소계 물질 중 어느 하나 이상이 포함된 것을 알 수 있다.
구현예에 따른 세라믹 부품은, 제타 전위가 15 mV 이상인 슬러리화된 원료를 통해 제조되고, 기재에 포함된 탄화붕소계 물질이 탄화붕소 단결정 대비 상기 Iab/Icd 비율이 1 내지 1.8을 나타내고, 상기 복합재와 접하며 형성된다는 점을 확인했다. 상기 실시예들은 기재 및 복합재 간 크랙 등의 발생 없이 우수한 가공성, 내식각성을 갖는다는 점을 확인했다.
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: 세라믹 부품
100: 본체부 106: 본체부상면
150: 경사부 156: 경사부상면
200: 안착부 206: 안착부상면
300: 소결장치
310: 소결로 320: 가열부
330: 성형다이 332: 상부가압부
334: 하부가압부 380: 원료물질 또는 소결체
500: 식각장치 510: 챔버하우징
516: 연결부 520: 챔버상부조립체
524: 전극판조립체 530: 기판홀더
540: 덕트 550: 수직이동장치
562: 실드링 564: 배플판
100: 본체부 106: 본체부상면
150: 경사부 156: 경사부상면
200: 안착부 206: 안착부상면
300: 소결장치
310: 소결로 320: 가열부
330: 성형다이 332: 상부가압부
334: 하부가압부 380: 원료물질 또는 소결체
500: 식각장치 510: 챔버하우징
516: 연결부 520: 챔버상부조립체
524: 전극판조립체 530: 기판홀더
540: 덕트 550: 수직이동장치
562: 실드링 564: 배플판
Claims (10)
- 플라즈마 식각장치에 적용되는 세라믹 부품이고,
상기 세라믹 부품의 표면은 기재와 상기 기재 내에 상기 기재와 접하여 배치되는 복합재를 포함하고,
상기 세라믹 부품의 비저항은 10-1 Ω·㎝ 내지 20 Ω·㎝이고,
상기 기재는 탄화붕소계 물질을 포함하고,
상기 복합재는 탄화붕소계 물질, 탄소계 물질 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 어느 하나를 포함하고,
상기 복합재의 크기는 40 ㎛ 이하이고,
상기 복합재의 탄화붕소계 물질은 라만 분광법을 통해 측정한 라만 시프트 스펙트럼에서, 481 cm-1 부근의 피크의 강도 Ia 및 534 cm-1 부근의 피크의 강도 Ib의 합 Iab와, 270 cm-1 부근의 피크의 강도 Ic 및 320 cm-1 부근의 피크의 강도 Id의 합 Icd의 비 Iab/Icd가 1 내지 1.8이고,
상기 복합재의 탄소계 물질은 라만 분광법을 통해 측정한 라만 시프트 스펙트럼에서, G 밴드 피크의 강도 Ie와 D 밴드 피크의 강도 If의 비 Ie/If가 0.2 내지 2인, 세라믹 부품.
- 제1항에 있어서,
상기 기재의 탄화붕소계 물질은 라만 분광법을 통해 측정한 강도 스펙트럼에서, 481 cm-1 부근의 피크의 강도 Ia 및 534 cm-1 부근의 피크의 강도 Ib의 합계강도 Iab와, 270 cm-1 부근의 피크의 강도 Ic 및 320 cm-1 부근의 피크의 강도 Id의 합계강도 Icd의 비 Iab/Icd가 1.1 내지 2.3인, 세라믹 부품.
- 제1항에 있어서,
상기 세라믹 부품의 표면 또는 단면에서 관찰되는 기공의 평균 직경은 5 ㎛ 이하인, 세라믹 부품.
- 제1항에 있어서,
상기 세라믹 부품은,
기준면으로부터 제1높이를 갖는 안착부; 및
상기 기준면으로부터 제2높이를 갖는 본체부;를 포함하고,
상기 안착부는 식각대상이 안착되는 안착부상면을 포함하고,
상기 본체부는 플라즈마에 의해 직접 식각되는 본체부상면을 포함하는, 세라믹 부품.
- 제4항에 있어서,
상기 안착부와 상기 본체부 사이에 경사부를 더 포함하고,
상기 경사부는 상기 안착부상면과 상기 본체부상면을 연결하는 경사부상면을 포함하는, 세라믹 부품.
- 제1항에 있어서,
굽힘강도가 300 MPa 이상인, 세라믹 부품.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소계 물질의 함량이 전체 대비 0.5 중량% 이상인, 세라믹 부품.
- 플라즈마 식각장치에 적용되는 세라믹 부품이고,
상기 세라믹 부품의 표면은 기재와 상기 기재 내에 상기 기재와 접하여 배치되는 복합재를 포함하고,
상기 세라믹 부품의 비저항은 10-2 Ω·㎝ 내지 10-1 Ω·㎝이고,
상기 기재는 탄화붕소계 물질을 포함하고,
상기 복합재는 탄화붕소계 물질, 산화붕소 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 어느 하나를 포함하고,
상기 복합재의 크기는 40 ㎛ 이하이고,
상기 복합재의 탄화붕소계 물질은 라만 분광법을 통해 측정한 라만 시프트 스펙트럼에서, 481 cm-1 부근의 피크의 강도 Ia 및 534 cm-1 부근의 피크의 강도 Ib의 합 Iab와, 270 cm-1 부근의 피크의 강도 Ic 및 320 cm-1 부근의 피크의 강도 Id의 합 Icd의 비 Iab/Icd가 1 내지 1.8인, 세라믹 부품.
- i) 탄화붕소를 포함하는 원료, ii) 탄화붕소, 산화붕소, 탄소계 물질을 포함하는 원료, iii) 탄화붕소, 탄소계 물질을 포함하는 원료 중, 어느 하나의 원료를 마련하는 준비단계; 및
상기 원료를 소결하고, 형상가공하여 세라믹 부품을 제조하는 처리단계;를 포함하고,
상기 준비단계는 상기 원료를 슬러리화하고 과립화하여 원료과립을 준비하는 과정을 포함하고,
상기 슬러리화된 원료는 제타 전위가 +15 mV 이상인, 세라믹 부품의 제조방법.
- 제1항에 따른 세라믹 부품을 포함하는, 플라즈마 식각장치.
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|---|---|---|---|---|
| KR102566972B1 (ko) * | 2022-11-18 | 2023-08-16 | 에스케이엔펄스 주식회사 | 반도체 소자 제조 장치용 부품, 이의 제조방법, 이를 포함하는 반도체 소자 제조 장치 및 반도체 소자의 제조 방법 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2010265154A (ja) * | 2009-05-18 | 2010-11-25 | Hitachi Chem Co Ltd | 炭化硼素焼結体及びこの炭化硼素焼結体の製造方法 |
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| US6120640A (en) * | 1996-12-19 | 2000-09-19 | Applied Materials, Inc. | Boron carbide parts and coatings in a plasma reactor |
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Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
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| KR102566972B1 (ko) * | 2022-11-18 | 2023-08-16 | 에스케이엔펄스 주식회사 | 반도체 소자 제조 장치용 부품, 이의 제조방법, 이를 포함하는 반도체 소자 제조 장치 및 반도체 소자의 제조 방법 |
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