KR20220093089A - 정전 척 및 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

금속 기재와, 절연층을 통해 상기 금속 기재 상에 마련된 정전 흡착용 전극과, 피처리체와 접하는 정전 흡착면을 구성하는 유전층을 가지는 존슨·라벡력형 정전 척으로서, 상기 유전층은 세라믹 용사 피막과, 상기 세라믹 용사 피막의 기공 내에 충전된 봉공 성분을 포함하고, 상기 봉공 성분은 희토류 원소를 포함하는 금속 유기산염을 포함하는 정전 척.

Description

정전 척 및 처리 장치
본 발명은 정전 척, 및 이 정전 척을 갖춘 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조 공정에서는 반도체 웨이퍼를 유지하기 위해 정전 척이 사용되고 있다. 정전 척으로는 예를 들면, 금속제 배치대 위에 절연층을 통해 척킹용 전극이 마련되고, 또한 척킹용 전극을 덮도록 세라믹스제 유전층이 적층되며, 상기 유전층의 표면을 반도체 웨이퍼를 유지하기 위한 정전 흡착면으로 한 것이 알려져 있다.
정전 척은 예를 들면, 플라즈마 에칭 장치 등의 플라즈마 처리 장치 내에 배치된다. 플라즈마 처리 장치 내에 배치되는 정전 척의 정전 흡착면은 플라즈마 가스나 세정액에 대한 내식성을 가지는 것이 요구된다. 이는, 상기 정전 척을 반복하여 사용하기 위해서이다.
예를 들면, 플라즈마 에칭 장치는 에칭 챔버 내벽에 부착되는 피(被)처리재에서 발생한 반응 생성물을 제거하기 위해, 반도체 웨이퍼마다, 또는 로트마다 클리닝 공정이 실시된다. 이 클리닝 공정에서는 예를 들면 불소(F) 등의 할로겐, 또는 할로겐을 포함하는 혼합 가스를 사용한 플라즈마 클리닝이 실시된다. 이 때, 정전 척의 정전 흡착면도 플라즈마 클리닝에 사용되는 플라즈마 가스에 노출된다.
따라서, 플라즈마 처리 장치 내에 배치되는 정전 척의 정전 흡착면에는 플라즈마 가스(클리닝 공정에서 사용되는 플라즈마 가스를 포함함)나 세정액에 의한 부식을 방지하기 위한 보호층을 마련하는 것이 제안되어 있다. 보호층의 형성 수단으로는 예를 들면, PVD법, CVD법, 용사법, 도포법 등이 이용된다. 그 중에서도, 세라믹(예를 들면, 이트리아)의 코팅을 수백㎛ 정도의 두께로 형성할 수 있는 용사법은 내식성이 높은 보호층의 형성 수단으로서 적합하다.
한편, 용사법에 의해 형성된 피막에는 기공(氣孔)이 생겨버리는 경우가 많고, 이 기공을 막기 위해 봉공(封孔) 처리라고 불리는 후처리가 실시되는 경우가 있다. 봉공 처리에는 에폭시 수지 등의 유기계 수지가 사용되는 경우가 많지만, 무기 성분을 포함하는 코팅재를 도포한 후, 용제 성분을 휘발시켜서 무기 성분을 기공 내에 충전시키는 방법도 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 2 참조).
여기서, 보호층으로서의 용사 피막의 기공에 충전된 봉공 성분이 소실되면, 유전층 내부가 플라즈마 가스에 노출되고, 유전층의 특성에 영향을 끼칠 가능성이 있다. 예를 들면, 유전층의 균열이나 소모에 의해 유전층이 반도체 웨이퍼 상에 부착되고, 그 결과, 반도체 웨이퍼의 수율(yield)이 저하될 가능성이나, 유전층 자체의 전기 특성이 손상되어 흡착 불량을 야기할 가능성이 있다.
일본 공개특허공보 특개2004-190136호 일본 공개특허공보 특개2004-260159호
정전 척은 정전 흡착기구의 차이에 따라, 존슨·라벡력(Johnsen-Rahbek force)형이나 쿨롱력(Coulomb force)형 등 몇 가지 타입으로 구분할 수 있고, 타입에 따라서는 정전 흡착면에 내식성이 높은 유전층을 형성할 수 없는 경우가 있다.
예를 들면, 이트리아의 코팅은 체적 저항률이 크기 때문에, 최표면(最表面)에서 미량의 전류가 흐르는 존슨·라벡력형 정전 척의 유전층으로는 사용할 수 없다.
존슨·라벡력형 정전 척의 정전 흡착면에 내식성이 높은 유전층을 형성하는 방법으로는 체적 저항률이 낮으면서 내식성도 뛰어난 용사 재료를 사용하여, 용사법에 의해 유전층을 형성하는 방법을 생각할 수 있다. 그러나 그것을 실현할 수 있는 용사 재료가 발견되지 않은 것이 현 상황이다.
또한, 다른 방법으로는 내식성은 떨어지나, 체적 저항률이 낮은 용사 재료를 사용하여 세라믹 용사 피막을 형성하고, 그 후, 내식성이 높은 봉공 처리제를 사용한 봉공 처리를 실시하는 방법도 생각할 수 있다. 이 방법이라면, 정전 흡착면의 전기 특성을 크게 변화시키지 않고 내식성이 높은 유전층을 형성하는 것을 기대할 수 있다.
그러나 특허문헌 1, 2와 같이, 졸겔법에 의해 세라믹 용사 피막의 기공 내를 이트리아로 봉공하고자 하면, 유기 성분이 없어질 때까지 고온(예를 들면, 500℃ 이상의 온도)에서 열처리할 필요가 있으므로, 세라믹 용사 피막과 정전 척을 구성하는 금속제 배치대의 열팽창 차에 기인하여 세라믹 용사 피막에 큰 균열이 발생하고, 세라믹 용사 피막이 더이상 유전층으로서 기능하지 않게 되는 경우가 있다.
또한, 내식성은 떨어지긴 하지만 체적 저항률이 낮은 용사 재료를 사용하여 세라믹 용사 피막을 형성한 후, 봉공 처리 대신에 세라믹 용사 피막의 표면 전체를 덮도록 PVD법이나 CVD법에 의해 내식성을 가지는 수마이크론 정도의 피막을 형성하는 방법도 생각할 수 있다.
그러나 이 방법인 경우도, PVD법이나 CVD법에 의해 처리 중인 열에 의해 세라믹 용사 피막과 정전 척을 구성하는 금속제 배치대의 열팽창 차에 기인한 균열이 세라믹 용사 피막에 발생하는 경우가 있었다.
이와 같이, 존슨·라벡력형 정전 척에 대해서는 정전 흡착면에 체적 저항률이 낮고 내식성이 높은 유전층을 형성하는 것이 곤란했다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 예의검토를 실시하여, 새로운 봉공 성분을 사용함으로써 정전 흡착면을 구성하는 유전층으로서 체적 저항률이 낮고 내식성이 높은 층을 갖춘 존슨·라벡력형 정전 척을 제공할 수 있는 것을 찾아내고, 본 발명을 완성했다.
(1) 본 발명의 정전 척은 금속 기재(基材)와, 절연층을 통해 상기 금속 기재 상에 마련된 정전 흡착용 전극과, 피처리체와 접하는 정전 흡착면을 구성하는 유전층을 가지는 존슨·라벡력형 정전 척으로서,
상기 유전층은 세라믹 용사 피막과, 상기 세라믹 용사 피막의 기공 내에 충전된 봉공 성분을 포함하고,
상기 봉공 성분은 희토류 원소를 포함하는 금속 유기산염을 포함한다.
상기 정전 척은 정전 흡착면을 갖춘 유전층으로서 세라믹 용사 피막과 특정 봉공 성분을 포함하는 유전층을 갖추며, 이 유전층은 체적 저항률이 낮으면서 내식성이 높은 층이다. 그 때문에, 상기 정전 척은 내식성이 뛰어난 존슨·라벡력형 정전 척이다.
(2) 상기 정전 척은 상기 세라믹 용사 피막의 체적 저항률이 1.0×108~1.0×1013Ω·㎝인 것이 바람직하다.
이 경우, 존슨·라벡력형 정전 척으로서 양호한 정전 흡착 성능을 발휘할 수 있다.
(3) 상기 정전 척에서 상기 세라믹 용사 피막은 알루미늄-티탄산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
이 경우, 존슨·라벡력형 정전 척에 적합한 체적 저항률로 하기에 특히 적합하다.
(4) 상기 정전 척에서 상기 희토류 원소는 이트륨 또는 이테르븀인 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 유전층을 내식성이 높은 층으로 하기에 특히 적합하다.
(5) 본 발명의 처리 장치는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 정전 척을 갖춘다.
상기 처리 장치로는 예를 들면, 플라즈마 처리 장치 등을 들 수 있다. 이 때, 상기 플라즈마 처리 장치가 갖추는 정전 척은 내식성(내플라즈마성)이 뛰어나다.
본 발명에 따르면, 정전 흡착면이 내식성이 뛰어난 존슨·라벡력형 정전 척, 및 이 정전 척을 갖춘 처리 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치가 갖추는 정전 척의 종단면도이다.
도 3은 시험예 1의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4(a)는 시험예 2에서 제작한 평가용 정전 척을 모식적으로 나타내는 도면이며, (b)는 균열에 이르기까지의 누적 방전 시간을 나타내는 그래프이다.
도 5(a)는 폭로 시험 후 영역 A의 절단면의 관찰상이며, (b)는 평가용 정전 척의 피막 중의 각 성분의 분포를 나타내는 도면이다.
도 6(a) 및 (b)는 평가용 정전 척의 피막 중의 불소의 분포를 나타내는 도면이며, (a)는 영역 A의 분석 결과를 나타내고, (b)는 영역 B의 분석 결과를 나타낸다.
도 7은 시험예 3에서 실시한 FT-IR 분석의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 시험예 3에서 실시한 GC-MS 분석으로 얻어진 크로마토그램이다.
도 9(a) 및 (b)는 도 8의 크로마토그램에서 검출된 검출 피크 일부의 매스 스펙트럼이며, 도 9(c)~(e)는 데이터베이스 검색 결과이다.
도 10은 시험예 3에서 실시한 GC 분석으로 얻어진 크로마토그램이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다.
(제1 실시형태)
여기서는 플라즈마 처리 장치를 예로 본 발명의 실시형태를 설명한다.
도 1은 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 1에 나타내는 처리 장치는 플라즈마 처리 장치(10)이다. 이 플라즈마 처리 장치(10)는 예를 들면 플라즈마 에칭 장치로서 알맞게 사용할 수 있다.
플라즈마 처리 장치(10)는 크게 나누어서 3개의 부분을 가진다. 구체적으로는 플라즈마 형성부(11), 진공 용기(12), 및 배기계통(13)을 가진다.
플라즈마 형성부(11)는 마이크로파원(101)과, 도파관(103)과, 솔레노이드 코일(정자계(靜磁界) 발생 장치)(104)을 가진다. 마이크로파원(101)은 전원을 통해 어스에 접속되어 있고, 인접한 자동 정합기(102)에 의해 부하 임피던스를 조정하여 반사파를 자동적으로 억제할 수 있다. 도파관(103)은 방형상으로부터 원형상으로 절단면이 변화되고, 마이크로파를 원통 형상의 공동(空洞) 공진부(105)에 전달한다. 솔레노이드 코일(104)은 진공 용기(12)의 윗쪽 및 옆쪽을 덮도록 배치되어 있고, 이 전자석에 통전하는 전류를 바꿈으로써, 정자계의 분포를 제어할 수 있다.
진공 용기(12)는 유전체창(마이크로파 도입창)(111), 샤워 플레이트(112), 가스 링(가스 도입부)(113), 및 플라즈마 처리실(110)을 가진다. 진공 용기(12)에서는 가스원(140)으로부터 매스 플로우 컨트롤러(141), 및 가스 공급 밸브(142)에 의해 유량 제어된 원하는 반응성 가스가, 가스 링(가스 도입부)(113)을 경유하여 유전체창(마이크로파 도입창)(111)과 샤워 플레이트(112) 사이에 도입되고, 샤워 플레이트(112)를 통해 플라즈마 처리실(110) 내로 공급된다.
샤워 플레이트(112)는 정전 척(120)에 정전 흡착된 반도체 웨이퍼(150)와 대향하는 위치에 다수개의 구멍부가 마련되고, 가스원(140)으로부터의 처리 가스를 진공 용기(12) 내로 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
샤워 플레이트(112)는 정전 척(120)과 간격을 둔 상태로 대향 설치된다.
진공 용기(12)는 플라즈마 처리실(110) 내의 아랫쪽에 정전 척(120)을 추가로 가진다.
정전 척(120)은 원반 형상을 가지며, 피처리체로서의 반도체 웨이퍼(본 명세서에서는 단순히 웨이퍼라고도 함)(150)의 정전기에 의한 흡착 유지나, 웨이퍼(150)의 온도 제어가 가능하다. 또한, 정전 척(120)의 금속 기재(201)에는 정합기(122)를 통해 RF(Radio Frequency) 전원(121)이 접속되어 있고, 정전 척(120)은 웨이퍼(150)에 RF를 인가할 수 있도록 구성되어 있다.
배기계통(13)은 가동(可動) 밸브(130) 및 TMP(Turbomolecular pump: 터보 분자 펌프)(13)를 가진다. 플라즈마 처리실(110) 내의 가스는 TMP(131)로부터 배기된다. TMP 상류부에 마련된 가동 밸브(130)는 배기되는 가스의 배기 속도를 제어하고, 이로써 플라즈마 처리실(110) 내의 압력을 제어한다.
정전 척(120)의 구조에 대해 도 2를 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치(10)가 갖추는 정전 척의 종단면도이다.
정전 척(120)은 금속으로 구성되는 금속 기재(201)와, 이 금속 기재(201)의 윗면에 배치된 절연층(202)과, 이 절연층(202) 상에 배치된 척 전극(정전 흡착용 전극)(205)과, 이 척 전극(205)을 덮도록 마련된 유전층(206)을 갖춘다.
절연층(202)은 그 내부에 히터(히터층)(203)를 갖춘다. 히터(203)는 도시하지 않은 히터용 직류 전원에 의해 통전 가열된다.
유전층(206)은 웨이퍼(150)와 접하는 정전 흡착면(207)을 가진다. 유전층(206)은 정전 척(120)의 윗면 및 측면을 덮도록 마련되고, 정전 척(120)의 보호층으로서의 기능도 가진다.
정전 척(120)(금속 기재(201))의 내부에는 동심원 형상 또는 나선 형상으로 유로(냉매 홈)(204)가 배치되어 있다. 이 유로(204)에는 도시하지 않은 온도조절 유닛에 의해 온도 및 유량(유속)이 조절된 냉매가 도입된다.
정전 척(120)의 유전층(206)과 웨이퍼(150)의 이면 사이에는 도시하지 않은 전열 가스 유로가 마련되어 있다. 이 전열 가스 유로는 유전층(206)의 표면에 마련된 홈과 반도체 웨이퍼로 구성되고, 이 홈이 가스의 유로로서 기능한다. 이 전열 가스 유로에는 전열 가스 공급원으로부터 He 등의 열 전달성을 가지는 가스가 공급된다.
정전 척(120)은 척 전극(205)에 직류 전원(도시하지 않음)을 이용하여 직류 전압(척 전압)을 인가함으로써 존슨·라벡력이 생기고, 반도체 웨이퍼(150)를 정전 척(120)의 정전 흡착면(207)에 흡착 유지할 수 있다.
금속 기재(201)는 예를 들면, 티탄, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금 등으로 이루어진다. 알루미늄제 금속 기재를 사용하는 경우는 예를 들면 표면이 알루마이트 처리되어 있어도 된다.
절연층(202)은 예를 들면, 산화알루미늄(Al2O3) 등으로 이루어진다. 절연층(202)은 예를 들면, 용사로 형성된 용사 피막이다. 절연층(202)은 1층의 용사 피막으로 구성되어 있어도 되고, 2층 이상의 용사 피막으로 구성되어 있어도 된다.
유전층(206)은 세라믹 용사 피막과, 상기 세라믹 용사 피막이 가지는 기공 내에 충전된 봉공 성분을 포함한다. 봉공 성분은 용사 피막 내의 기공이나 표면 연마가공 시에 생기는 마이크로 크랙 내에 대기 중의 수분이나, 에칭 처리 중에 발생한 반응 생성물이 침입하는 것을 방지한다.
세라믹스 용사 피막의 기공 내에 봉공 성분을 충전시키기 위한 봉공 처리는 예를 들면, 봉공제를 세라믹스 용사 피막의 표면에 도포하고, 일정 시간 함침시킨 후, 열처리를 실시하여 봉공제 중의 용제 성분을 휘발시켜서 실시한다.
유전층(206)을 구성하는 세라믹 용사 피막은 예를 들면, 알루미늄-티탄산화물로 이루어지는 피막이다.
상기 알루미늄-티탄산화물로는 티탄산화물을 2.0~12.0wt% 포함하고, 잔부가 알루미늄산화물인 것이 보다 바람직하다.
유전층(206)은 1층의 용사 피막으로 구성되어 있어도 되고, 2층 이상의 용사 피막으로 구성되어 있어도 된다.
절연층(202)의 두께는 예를 들면 200~500㎛ 정도이다.
유전층(206)의 두께는 예를 들면 100~500㎛ 정도이다.
유전층(206)을 구성하는 세라믹 용사 피막의 체적 저항률은 1.0×108~1.0×1013Ω·㎝가 바람직하다.
이 범위가 존슨·라벡력에 의해 피처리체를 정전 흡착하기에 적합한 체적 저항률이다.
상기 체적 저항률이 1.0×108Ω·㎝ 미만으로는 유전층(206)을 흐르는 전류량이 지나치게 많아져, 존슨·라벡력에 의한 정전 흡착 성능을 발휘하기 어렵다. 또한, 상기 체적 저항률이 1.0×1013Ω·㎝를 초과하면, 유전층(206)을 흐르는 전류량이 지나치게 적어져, 존슨·라벡력에 의한 정전 흡착 성능을 발휘하기 어렵다.
상기의, 티탄산화물을 2.0~12.0wt% 포함하고, 잔부가 알루미늄산화물인 세라믹 용사 피막은 체적 저항률이 1.0×108Ω·㎝~1.0×1011Ω·㎝이기 때문에, 존슨·라벡력형 정전 척의 유전층(206)으로서 적합하다.
상기 봉공 성분은 희토류 원소를 포함하는 금속 유기산염을 포함하는 것이다. 상기 봉공 성분으로는 상기 금속 유기산염과 수지를 포함하는 고화물(固化物)이 바람직하다. 이 경우, 수지가 금속 유기산염을 유지하는 바인더의 역할을 한다.
이와 같은 고화물은 환경 차단성이 뛰어나고, 상기 세라믹 용사 피막의 내부에 세정액이나 부식성 가스가 침입하는 것을 방지한다. 또한, 상기 고화물은 희토류 원소를 포함하는 금속 유기산염을 포함하고, 플라즈마 처리 장치 사용 시에 산소 플라즈마 등의 영향에 의해 희토류 원소가 산화되며, 희토류산화물(이트리아 등)을 형성한다. 그 때문에, 플라즈마에 의해 열화(劣化)되기 어렵고, 장기간에 걸쳐 양호한 봉공 상태를 유지할 수 있다. 그 결과, 척 전극(205)이나 금속 기재(201) 등의 부식이 억제되고, 내식성이 뛰어나다.
또한, 상기 고화물을 세라믹스 용사 피막의 기공 내에 충전시키기 위한 봉공 처리는 200℃ 이하의 저온에서 시공할 수 있다.
그 때문에, 봉공 처리를 실시할 때에, 금속 기재(201)와 상기 세라믹 용사 피막의 열팽창 차에 의해 상기 세라믹 용사 피막에 균열 등이 발생하는 것을 회피할 수 있다.
또한, 상기 고화물은 상기 세라믹스 용사 피막의 체적 저항률에 대한 영향이 적으므로, 상기 세라믹스 용사 피막이 가지는, 존슨·라벡력에 의해 피처리체를 정전 흡착하기에 알맞은 전기 특성을 유지할 수 있다.
상기 희토류 원소를 포함하는 금속 유기산염에서 희토류 원소로는 이트륨, 또는 이테르븀이 바람직하다. 이들의 산화물은 내식성(내플라즈마성)이 높기 때문이다.
상기 희토류 원소를 포함하는 금속 유기산염으로는 예를 들면, 카르복실기 함유 화합물과 희토류 원소 함유 화합물의 염을 들 수 있다. 구체예로는 예를 들면, 2-에틸헥산산이트륨, 카프릴산이트륨, 데칸산이트륨, 스테아르산이트륨, 나프텐산이트륨 등을 들 수 있다.
상기 봉공 성분은 상술한 바와 같이, 유전층(206)의 환경 차단성 및 내식성을 향상시키는 관점에서 수지를 포함하는 고화물이 바람직하다.
상기 수지로는 천연 수지와 합성 수지 중 어느 것이어도 된다. 상기 천연 수지로는 테르페노이드가 바람직하다. 그 중에서도, 아비에트산, 피마르산 등의 디테르펜계 카르복실산을 주성분으로 하는 로진이 바람직하다. 그 이유는, 디테르펜계 카르복실산에 포함되는 수산기가 산화물 세라믹스와 친화성이 높고, 세라믹스 용사 피막과 봉공 성분의 밀착성을 향상시키며, 환경 차단성이 뛰어난 것이 되기 때문이다.
상기 봉공 성분 중의 희토류 원소를 포함하는 금속 유기산염의 함유량은 20wt% 이상인 것이 바람직하다. 상기 금속 유기산염의 함유량이 20wt% 미만이면 희토류산화물이 충분히 형성되지 않는 경우가 있다. 상기 금속 유기산염의 함유량은 내식성이 더 뛰어난 점에서 40wt% 이상이 보다 바람직하다.
상기 봉공 성분 중의 수지의 함유량은 10wt% 이상인 것이 바람직하고, 10wt% 미만이면 봉공이 충분하지 않은 경우가 있다. 보다 바람직하게는 40wt% 이상이며, 뛰어난 환경 차단성이 얻어진다.
이와 같은 구성의 유전층(206)은 예를 들면, 하기의 방법에 따라 형성할 수 있다.
(1) 알루미늄-티탄산화물 등의 용사 재료를 척 전극(205)을 덮도록 절연층(202) 상에 용사하여, 금속산화물로 이루어지고 기공을 가지는 세라믹 용사 피막을 형성한다.
이 때, 용사 방법으로는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 플라즈마 용사, 프레임 용사 등을 채용할 수 있다.
(2) 상기 공정 (1)과는 별도로, 상기 희토류 원소를 포함하는 금속 유기산염을 준비하고, 이를 수지유로 희석하고, 추가로 유기 용제를 첨가하고, 적절한 점도가 되도록 농도 조정한다.
여기서, 상기 유기 용제로는 아세트산에스테르 등을 들 수 있다.
상기 수지유로는 테레빈유 등을 들 수 있다.
(3) 공정 (2)에서 조제한 용액을 공정 (1)에서 형성한 세라믹 용사 피막에 도포하고, 상기 용액을 상기 세라믹 용사 피막의 기공에 침투시킨다.
(4) 그 후, 예를 들면, 가열 온도 120~200℃에서 가열 처리를 실시하고, 유기 용제의 일부 또는 전부를 휘발시켜서 상기 봉공제를 소결한다.
이와 같은 공정을 거침으로써, 세라믹 용사 피막과, 상기 세라믹 용사 피막의 기공 내에 희토류 원소를 포함하는 금속 유기산염과 로진을 포함하는 수지가 혼재된 고화물로 이루어지는 봉공 성분이 충전되고, 세라믹 용사 피막과 봉공 성분을 포함하는 유전층(206)을 형성할 수 있다.
다음으로, 플라즈마 처리 장치(10)를 이용한 처리 방법에 대해 설명한다.
우선, 반입구(도시하지 않음)로부터 반도체 웨이퍼(150)를 진공 용기(12) 내에 반입하고, 정전 척(120) 상에 배치하고, 반입구를 폐쇄한다. 다음으로, 플라즈마 처리실(110) 내의 가스를 가동 밸브(130)로 배기 속도를 조절하면서 TMP(131)로 배기한다.
그 후, 직류 전원(도시하지 않음)으로부터 척 전극(205)에 직류 전압을 인가하여, 반도체 웨이퍼(150)를 유전층(206)의 정전 흡착면(207)에 정전 흡착시킴과 함께, 플라즈마 처리실(110) 내로 매스 플로우 컨트롤러(141) 및 가스 공급 밸브(142)를 통해 처리 가스를 가스원(140)으로부터 공급한다.
마이크로파원(101)으로부터 발진되어 도파관(103) 및 유전체창(111), 샤워 플레이트(112)를 통해 처리실(110) 내에 도입된 전계는 자장(磁場) 발생 코일(104)에 의해 형성된 자장과의 상호작용을 일으켜, 처리실(110) 내에 공급된 처리용 가스를 해리시켜서 처리실(110) 내에 플라즈마를 생성한다. 그로써 형성된 처리 가스의 플라즈마에 의해 정전 척(120) 상에 흡착된 반도체 웨이퍼(150)에 에칭 처리를 가한다.
이 때, 정전 척(120)이 갖추는 히터층(203) 및 유로(204) 등을 이용하여, 반도체 웨이퍼(150)의 온도를 소정 온도로 제어한다.
(다른 실시형태)
제1 실시형태에서 절연층(202)은 용사로 형성된 세라믹스로 이루어지는 절연층이지만, 본 발명의 실시형태에 따른 정전 척에서 상기 절연층은 소결체를 성형한 것이어도 된다. 이 경우, 상기 절연층은 에폭시 수지계 접착제, 실리콘 수지계 접착제 등으로 이루어지는 접착제층을 통해 금속 기재의 윗면에 고정된다.
본 발명의 실시형태에 따른 정전 척에서 히터층이나 유로(냉매 홈)는 필수는 아니며, 필요에 따라 마련되어 있으면 된다.
본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 적용할 수 있는 플라즈마 방식은 마이크로파 ECR 플라즈마 방식에 한정되지 않고, 용량 결합형 플라즈마 방식이나 유도 결합형 플라즈마 방식 등, 다른 플라즈마 방식을 적용할 수도 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 처리 장치는 플라즈마 에칭 장치에 한정되지 않고, 애싱 장치나 성막 장치 등의 다른 처리 장치이어도 된다.
본 발명의 실시형태에서 피처리체는 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 예를 들면, LCD용 유리 기판 등이어도 된다.
[평가 시험]
본 발명의 실시형태에 따른 정전 척은 정전 흡착면이 뛰어난 내식성을 가진다. 이 점을 나타내기 위해, 하기의 평가 시험을 실시했다.
(시험예 1)
이 시험예에서는 각종 용사 및 봉공 처리를 가한 시험편을 형성하고, 플라즈마 에칭 분위기에 폭로하는 시험(이하, 폭로 시험이라고도 함)을 실시했다. 이 시험예에서는 시험편의 벤딩 변형에 의해 균열이 발생할 때까지의 일그러짐 양의 변화를 평가했다.
(1) 공시(供試) 기재
공시 기재는 티탄(TP340)으로 하고, 이 기재로부터 치수: 폭 16㎜×길이 100㎜×두께 4㎜의 기재편을 복수개 제작했다.
(2) 용사 피막의 형성 및 봉공 처리
각 기재편의 한면에 대기압 플라즈마 용사법을 이용하여 알루미나-10wt% 티타니아 분말을 용사하고, 0.3㎜ 두께의 세라믹 용사 피막을 형성했다. 다음으로, 이 세라믹 용사 피막에 대하여, 각종 봉공 처리를 실시했다. 봉공 처리는 이하의 2종류(봉공 처리 A 및 B)의 수법으로 실시했다.
봉공 처리 A: 테레빈유 55wt%와 2-에틸헥산산이트륨 15wt%와 아세트산에스테르 30wt%를 포함하는 혼합 용액을 세라믹 용사 피막의 표면에 도포·함침하고, 150℃에서 2시간 소성했다. 이와 같이 하여, 세라믹 용사 피막의 기공 내를 2-에틸헥산산이트륨과 수지를 포함하는 봉공 성분으로 충전한 시험편(No.1)을 준비했다.
봉공 처리 B: 모노메틸트리이소시아네이트실란 10wt%와 아세트산에스테르 90wt%를 포함하는 혼합 용액을 세라믹 용사 피막의 표면에 도포·함침하고, 70℃에서 6시간 소성했다. 이와 같이 하여, 세라믹 용사 피막의 기공 내를 실리콘 수지로 봉공한 시험편(No.2)을 준비했다.
또한, 세라믹 용사 피막을 형성하고 봉공 처리를 실시하지 않은 시험편(No.3)도 준비했다.
(3) 시험 방법, 및 그 조건
플라즈마 에칭 분위기에 폭로하기 전후에 시험편이 균열 발생에 이르기까지의 일그러짐 양의 변화를 조사하기 위해, 이하에 나타내는 조건으로 시험편(No.1~No.3)을 플라즈마 에칭 분위기에 200시간 폭로했다.
<플라즈마 에칭 조건>
Ar 가스 유량: 60㎖/min
NF3 가스 유량: 750㎖/min
압력: 40㎩
방전 출력: 1000W
다음으로, 폭로 시험 전후의 각 시험편의 용사면에 변형률 게이지를 접착하고, 90°로 벤딩 변형을 가하고, 균열에 이르렀을 때의 일그러짐 양을 측정했다.
(4) 시험 결과
도 3에 시험 결과를 나타냈다. 도 3은 시험예 1의 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 3 표의 각 수치는 시험편(No.2) 폭로 전의 상기 일그러짐 양을 기준으로 한 상대값을 나타낸다.
시험편(No.2) 및 시험편(No.3)은 플라즈마 에칭 분위기에 폭로한 후에 균열에 이르기까지의 일그러짐 양이 대폭적으로 저하되어 있었다.
한편으로, 시험편(No.1)은 플라즈마 에칭 분위기에 폭로한 후에 균열에 이르기까지의 일그러짐 양의 변화가 거의 보여지지 않았다.
따라서, 2-에틸헥산산이트륨과 수지를 포함하는 봉공 성분이 기공 내에 충전된 세라믹 용사 피막은 다른 사양과 비교하여 균열을 억제하기에 적합한 것이 확인되었다.
(시험예 2)
이 시험예에서는 각종 용사 및 봉공 처리를 가하여 도 2에 나타낸 구성을 가지는 평가용 정전 척을 형성한 후, 이 평가용 정전 척을 플라즈마 에칭 분위기에 폭로하는 폭로 시험을 실시하고, (a) 용사 피막에 균열이 발생할 때까지의 누적 방전 시간, (b) 폭로 시험 후의 절단면 XPS 분석, 및 (c) 폭로 시험 후의 EPMA 분석을 실시했다.
(1) 공시 기재
본 시험예에서는 공시 기재는 티탄(TP340)으로 했다.
(2) 용사 피막의 형성, 및 봉공 처리
본 시험예에서는 이 기재편 상에 제1 절연층으로서 대기압 플라즈마 용사법을 이용해 알루미나 분말을 용사하여, 세라믹 용사 피막을 형성했다.
다음으로, 히터층으로서 제1 절연층 상에 대기압 플라즈마 용사법을 이용해 텅스텐 분말을 용사하여, 텅스텐 용사 피막을 형성했다.
다음으로, 제2 절연층으로서 히터층 및 제1 절연층 상에 대기압 플라즈마 용사법을 이용해 알루미나 분말을 용사하여, 세라믹 용사 피막을 형성했다.
다음으로, 척 전극층으로서 제2 절연층 상에 대기압 플라즈마 용사법을 이용해 텅스텐 분말을 용사하여, 텅스텐 용사 피막을 형성했다.
다음으로, 유전층으로서 대기압 플라즈마 용사법을 이용해 알루미나-10wt% 티타니아 분말을 용사하여, 세라믹 용사 피막을 형성했다.
다음으로, 유전층에 대하여 시험예 1에서 실시한 각종 봉공 처리를 영역별로 나누어 칠했다.
이와 같은 처리를 거쳐 평가용 정전 척(220)(도 4(a) 참조)을 제작했다.
이 평가용 정전 척(220)은 유전층의 정전 흡착면에 시험예 1의 시험편(No.1)과 동일한 봉공 처리를 실시한 영역 A와, 시험예 1의 시험편(No.2)과 동일한 봉공 처리를 실시한 영역 B를 가진다.
(3) 폭로 시험 방법
상기 평가용 정전 척(220)을 이하에 나타내는 조건으로 플라즈마 에칭 분위기에 폭로했다. 또한, 평가용 정전 척(220)의 히터층은 도시하지 않은 히터용 직류 전원에 접속되어 있고, 반복 통전을 실시했다.
<플라즈마 에칭 조건>
Ar 가스 유량: 60㎖/min
NF3 가스 유량: 750㎖/min
압력: 40㎩
방전 출력: 1000W
히터 출력: 1200W
(a) 균열에 이르기까지의 누적 방전 시간
상기 누적 방전 시간의 측정 결과를 도 4에 나타낸다.
도 4(a)는 시험예 2에서 제작한 평가용 정전 척(220)을 모식적으로 나타내는 도면이며, 도 4(b)는 시험예 2에서 측정한 균열에 이르기까지의 누적 방전 시간을 나타내는 그래프이다.
도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 영역 A에서는 1000시간 방전에도 균열은 발생하지 않았지만, 영역 B에서는 180시간 방전으로 균열이 발생했다.
(b) 절단면 XPS 분석 결과
폭로 시험 후의 평가용 정전 척의 일부를 절단하고, 세라믹 용사 피막 부분의 절단면 XPS 분석을 실시했다. 결과를 도 5에 나타낸다.
도 5(a)는 폭로 시험 후의 영역 A의 절단면의 관찰상이며, 도 5(b)는 시험예 2에서 측정한 평가용 정전 척의 피막 중의 각 성분의 분포를 나타내는 도면이다.
XPS 분석 장치로는 PHI사 제품 QuanteraSXM을 이용했다.
도 5와 같이, 영역 A는 영역 B보다도 불소량이 적은 것이 확인되었다.
(c) 절단면 EPMA 분석 결과
폭로 시험 후의 평가용 정전 척의 일부를 절단하고, 세라믹 용사 피막의 표면 근처의 절단면 EPMA 분석을 실시했다. 결과를 도 6에 나타낸다.
도 6(a) 및 (b)는 시험예 2에서 측정한 평가용 정전 척의 피막 중의 불소의 분포를 나타내는 도면이며, (a)는 영역 A의 분석 결과를 나타내고, (b)는 영역 B의 분석 결과를 나타낸다. 도 6(a) 및 (b)는 모두 컬러 표시된 도면이다.
EPMA 분석 장치로는 니혼덴시사 제품 JXA-8500F를 이용했다.
도 6과 같이, 영역 A는 영역 B보다도 불소량이 적고, 표면으로부터의 침투 범위도 좁은 것이 확인되었다.
(시험예 3)
이 시험예 3에서는 시험예 1에서 제작한 시험편(No.1)의 용사 피막에 포함되는 봉공 성분을 분석했다.
우선, 시험예 1에서 사용한 것과 동일한 봉공제를 도가니에 넣어, 150℃에서 2시간 소성하고, 고화시켰다.
다음으로, 얻어진 고화물을 FT-IR 분석했다.
FT-IR 분석에는 Agilent Technologies사 제품 푸리에 변환형 적외 분광 분석기 3100형을 이용했다.
도 7은 FT-IR 분석으로 얻어진 IR 스펙트럼이다.
이 FT-IR 분석에 의해, 고화물에는 2-에틸헥산산이트륨이 포함되어 있는 것이 확인되었다.
다음으로, 150℃에서 2시간 소성하여 얻어진 고화물을 GC-MS 분석했다.
GC-MS 분석에는 Agilent Technologies사 제품 가스 크로마토그래피 질량 분석기 5977A MSD를 이용했다. 유도체화 처리로서 고화물을 염산메탄올 5wt% 용액으로 80℃의 밀폐 가열(18.5시간 유지)함으로써 용해시키고, 메틸에스테르화했다.
도 8은 GC-MS 분석으로 얻어진 크로마토그램이다.
도 9(a) 및 (b)는 도 8의 크로마토그램에서 검출된 검출 피크의 일부(피크 3 및 피크 4)의 매스 스펙트럼이며, 도 9(c)~(e)는 데이터베이스 검색 결과이다.
이 GC-MS 분석에서는, 고화물에는 2-에틸헥산산, 및 테레빈유 유래의 아비에트산 유연화합물(related compounds)이 포함되는 것이 확인되었다.
또한, 동일 시료(고화물)를 시마즈세이사쿠쇼사 제품 GC2010으로 GC 분석했다.
여기서, 컬럼으로는 Agilent Technologies사 제품 DB-17을 사용했다. 유도체화 처리로서 고화물을 염산메탄올 5wt% 용액으로 80℃의 밀폐 가열(18.5시간 유지)로 용해시키고 메틸에스테르화했다.
도 10은 GC 분석으로 얻어진 크로마토그램이다.
이 GC 분석에서는, 고화물에는 2-에틸헥산산이 41wt% 포함되어 있는 것이 확인되었다.
다음으로, 상기 고화물을 ICP 분석했다.
ICP 분석에는 Agilent Technologies사 제품 ICP AES 5110 VDV형을 이용했다.
그 결과, Y가 13wt% 검출되었다.
이상의 점으로부터, 고화물의 성분은 2-에틸헥산산이트륨이 약 54wt%, 나머지가 아비에트산 유연화합물을 주체로 하는 로진계 물질인 것이 확인되었다.
10: 플라즈마 처리 장치 11: 플라즈마 형성부
12: 진공 용기 13: 배기계통
101: 마이크로파원 102: 자동 정합기
103: 도파관 104: 솔레노이드 코일
110: 플라즈마 처리실 111: 유전체창
112: 샤워 플레이트 113: 가스 링(가스 도입부)
120: 정전 척 121: RF 전원
122: 정합기 130: 가동 벨브
131: TMP 140: 가스원
141: 매스 플로우 컨트롤러 142: 가스 공급 밸브
150: (반도체)웨이퍼 201: 금속 기재
202: 절연층 203: 히터(히터층)
204: 유로(냉매 홈) 205: 척 전극
206: 유전층 207: 정전 흡착면
220: 평가용 정전 척

Claims (5)

  1. 금속 기재(基材)와, 절연층을 통해 상기 금속 기재 상에 마련된 정전 흡착용 전극과, 피(被)처리체와 접하는 정전 흡착면을 구성하는 유전층을 가지는 존슨·라벡력(Johnsen-Rahbek force)형 정전 척으로서,
    상기 유전층은 세라믹 용사 피막과, 상기 세라믹 용사 피막의 기공(氣孔) 내에 충전된 봉공(封孔) 성분을 포함하고,
    상기 봉공 성분은 희토류 원소를 포함하는 금속 유기산염을 포함하는, 정전 척.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 용사 피막의 체적 저항률은 1.0×108~1.0×1013Ω·㎝인 정전 척.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 용사 피막은 알루미늄-티탄산화물로 이루어지는 정전 척.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 희토류 원소는 이트륨 또는 이테르븀인 정전 척.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 정전 척을 갖추는, 처리 장치.
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