KR20220154542A - Hdp cvd공정용 사파이어 소재를 이용한 플라즈마 디퓨전 노즐 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 HDP CVD공정용 사파이어 소재를 이용한 플라즈마 디퓨전 노즐 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 챔버의 내부에 장착되어 플라즈마 가스를 분사하는 HDP CVD공정용 플라즈마 노즐 제조방법에 있어서, 사파이어 소재를 이용하여 코어 가공공정, 탭 가공공정, 홀 가공공정 및 가공 불량 확인을 위한 검사공정을 순차적으로 수행하여 노즐을 제조하되, 검사공정 후 노즐의 미세홀을 재오염 및 가공 외 오염을 방지하며 세정이 가능하도록 세정장치에 넣어 세정하는 세정공정을 포함하고, 상기 세정이 완료된 노즐을 구비된 유량측정장치의 가스배출구에 장착하여 균일한 유량이 배출되는지 테스트하는 테스트공정을 더 포함하며, 상기 유량측정장치는, 몸체부와, 상기 몸체의 외측에 배치되는 가스공급부와, 상기 몸체부의 일측에 형성되어 상기 가스공급부로부터 가스를 공급받는 가스투입부와, 상기 몸체부의 내부에 투입되는 가스의 투입량을 조절하는 밸브와, 상기 가스투입부가 형성된 몸체부의 타측에 형성되어 가스가 배출되며 선택적으로 상기 노즐이 장착되는 가스배출부와, 상기 몸체부의 내부에 이동하는 가스의 압력을 측정하는 압력계를 포함하여 구성됨으로써, 사파이어 소재를 이용하여 최종 제조된 노즐이 장기간 사용이 가능함에 따라 경제적 효율성이 높고, 노즐을 제조 시, 정확성과 신뢰도를 향상시킬 수가 있으며, 불량률을 최소화하는 유용한 발명이다.

Description

HDP CVD공정용 사파이어 소재를 이용한 플라즈마 디퓨전 노즐 제조방법{Plasma diffusion nozzle manufacturing method using sapphire material for HDP CVD process}

본 발명은 HDP CVD공정용 사파이어 소재를 이용한 플라즈마 디퓨전 노즐 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 공정에 사용되는 챔버의 내부에 다수개로 구성되어 플라즈마 가스가 균일하게 배출되며 웨이퍼의 표면에 분포될 수 있도록 함과 아울러, 장기간 사용이 가능하여 경제적 효율성 및 웨이퍼의 파티클 등 불량률을 억제토록 하는 기술이다.

최근 반도체 산업은 그간의 지속적인 성장으로 공급확대가 정점에 이르러, 현재는 원가경쟁력을 갖춘 공정부품 기술 향상의 요구 증대 단계가 도래하고 있다.

반도체 공정은 대부분 진공상태의 chamber 안에서 실리콘 웨이퍼를 기반으로 실리콘, 세라믹, 쿼츠 등 플라즈마 저항성이 우수한 소재로 구성되어 있는바, 다양한 chamber 내부의 부품 중 수명이 짧은 부품은 수명을 길게 만들어야 하는 것은 숙명 과제이다.

HDP CVD 공정에서는 이온 균일도, 제어의 용이함, 장비의 복잡성 등의 이유로 평판형 보다 10~100배 높은 밀도의 이온을 발생시켜 정밀함을 얻으며, 고밀도의 이온은 장비의 소모성 부품의 수명을 단축시키고, Particle로 인한 불량을 증가시켰다.

이는 고스란히 제조단가의 상승으로 이어지고 있다. 특히, Particle로 인한 불량이 발생할 경우 챔버를 비정상적으로 오픈함에 따라, 수명이 다하지 않은 부품의 교체, 공정 중단에 따른 생산 손실 비용, 정비 인력 투입 등 부가적인 손실이 매우크다.

국내 다수의 반도체업체에서는 공정엔지니어에게는 부품의 성능개선(파티클감소 + 소모부품교체주기연장)이 KPI의 주요 포션을 차지하고 있으며 chamber open 주기를 늦추어 공정 수율을 향상시키기 위한 기술개발을 독려하고 있는 실정이다.

한편, 현재 사용되는 HDP-CVD 공정의 핵심인 노즐이 기존 AIN소재로 교체 주기가 짧고 소결된 소재에서 발생하는 파티클로 인해 챔버를 오픈시켜 부품을 교체한 후 세정을 하는 번거로움이 있었고, 그로 인한 생산성 저하를 가져올 수밖에 없었다.

한국특허 등록번호 10-0629990호(2006.09.22.)

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출해낸 것으로, 사파이어 소재를 이용하여 챔버에 장착되는 노즐을 제조하되, Leak 및 플라즈마의 균일한 분포(분사)가 가능하도록 하는 한편, 유동해석을 통한 노즐의 유동 특성을 분석하여 챔버내 플라즈마 환경을 고려한 온도, 압력, 속도의 경계조건을 설정하고, 노즐의 직경, 길이, 각도, 노즐 개수, 압력에 따른 가스의 유동을 면밀히 분석하여 사파이어 노즐을 제조하고, 그 제조된 노즐을 세정 및 테스트공정을 거쳐, 최종적으로 유압측정시스템에 완성된 노즐을 장착하여 불량률 및 신뢰도를 향상사킬 수 있도록 하는 HDP CVD공정용 사파이어 소재를 이용한 플라즈마 디퓨전 노즐 제조방법을 제공함에 주안점을 두고 그 기술적 과제로 완성해낸 것이다.

이에 본 발명은, 챔버의 내부에 장착되어 플라즈마 가스를 분사하는 HDP CVD공정용 플라즈마 노즐 제조방법에 있어서, 사파이어 소재를 이용하여 코어 가공공정, 탭 가공공정, 홀 가공공정 및 가공 불량 확인을 위한 검사공정을 순차적으로 수행하여 노즐을 제조하되, 검사공정 후 노즐의 미세홀을 재오염 및 가공 외 오염을 방지하며 세정이 가능하도록 세정장치에 넣어 세정하는 세정공정을 포함하고, 상기 세정이 완료된 노즐을 구비된 유량측정장치의 가스배출구에 장착하여 균일한 유량이 배출되는지 테스트하는 테스트공정을 더 포함하며, 상기 유량측정장치는, 몸체부와, 상기 몸체의 외측에 배치되는 가스공급부와, 상기 몸체부의 일측에 형성되어 상기 가스공급부로부터 가스를 공급받는 가스투입부와, 상기 몸체부의 내부에 투입되는 가스의 투입량을 조절하는 밸브와, 상기 가스투입부가 형성된 몸체부의 타측에 형성되어 가스가 배출되며 선택적으로 상기 노즐이 장착되는 가스배출부와, 상기 몸체부의 내부에 이동하는 가스의 압력을 측정하는 압력계를 포함하여 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명의 HDP CVD공정용 사파이어 소재를 이용한 플라즈마 디퓨전 노즐 제조방법에 의하면, 챔버에 장착되는 노즐의 본연의 목적을 그대로 유지함과 동시에, 사파이어 소재를 이용하여 최종 제조된 노즐이 장기간 사용이 가능함에 따라 경제적 효율성이 높고, 노즐을 제조 시, 사파이어 소재의 특성을 고려하여, 코어가공공정, 탭 가공공정, 홀 가공공정을 순차적으로 수행하고 세정 및 테스트 과정에서 자체적으로 제작된 유량측정장치를 이용함으로써, 정확성과 신뢰도를 향상시킬 수가 있으며, 불량률을 최소화하는 유용한 발명이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예를 나타내는 도면
도 2는 본 발명의 노즐에 대한 바람직한 실시 예를 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 노즐이 챔버에 장착된 것을 나타내는 도면
도 4는 본 발명의 코어 가공공정에 대한 바람직한 실시 예를 나타내는 도면
도 5는 탭 가공공정에 대한 바람직한 실시 예를 나타내는 도면
도 6은 홀가공공정에 대한 바람직한 실시 예를 나타내는 도면
도 7은 본 발명의 미세가공홀공정의 바람직한 실시 예를 나타내는 도면
도 8은 본 발명의 세정공정에 대한 바람직한 실시 예를 나타내는 도면

통상적으로 현재 사용되고 있는 노즐은 질화알루미늄 소재로써, 파티클이 심각하게 발생하고, 식각수준이 심각하며 무엇보다 수명이 1개월정도 됨에 따라 지속적인 교체를 함으로, 경제적 효율성이 매우 떨어지는 문제점에 있었다.

이에 본 발명에서는 노즐의 재질은 사파이어 소재를 이용하여 제조하여, 단결정 입자 특성을 가짐에 따라 종래의 질화알루미늄 대비 식각이 거의 없어 수명이 대폭 증가하며, 플라즈마 환경에 파티클로부터 자유로워 수율 향상을 기대할 수 있고, 질화알루미늄 소재에 비해 노즐의 수명이 3배 이상의 교체 비용 절감이 가능함에 따라 경제적 효율성이 높으며, 무엇보다, 반도체 공정에 사용되는 챔버의 내부에 다수개로 구성되어 플라즈마 가스가 균일하게 배출되며 웨이퍼의 표면에 분포될 수 있도록 HDP CVD공정용 사파이어 소재를 이용한 플라즈마 디퓨전 노즐을 제공한다.

이하, 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도 1 내지 도 9를 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 챔버의 내부에 장착되어 플라즈마 가스를 분사하는 HDP CVD공정용 플라즈마 노즐 제조방법에 있어서, 사파이어 소재를 이용하여 코어 가공공정, 탭 가공공정, 홀 가공공정 및 가공 불량 확인을 위한 검사공정을 순차적으로 수행하여 노즐을 제조하되, 검사공정 후 노즐의 미세홀을 재오염 및 가공 외 오염을 방지하며 세정이 가능하도록 세정장치에 넣어 세정하는 세정공정을 포함하고, 상기 세정이 완료된 노즐을 구비된 유량측정장치의 가스배출구에 장착하여 균일한 유량이 배출되는지 테스트하는 테스트공정을 더 포함하여 이루어진다.

즉, 본 발명은 플라즈마 노즐을 설계할 시, 리크(Leak)를 방지하기 위한 체결 구조를 개선하고, 수요처 보유 장비 구조에 최적화된 설계구조를 제공하며, 이온의 균일한 분포를 위한 최적의 경로로 미세홀을 가공할 수 있고, 최적의 이온 환경을 조성하기 위한 노즐의 위치별 압력 분석과 위치별 입력 압력의 차이에 따르 각 노즐의 홀 사이즈를 결정하였다.

한편, 상기 노즐의 코어 가공공정에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 사파이포 잉곳에서 원통 형상을 취출하기 위해 코어 툴 형상을 설계하고 사용하였고, 다이아몬드 전착소재(니켈전착, 메탈전착 등)을 선정하여 사용하였으며, 가공시 발생하는 열을 제어하기 위하 Coolant 공급통로를 반영하여 가공공정을 수행하였다.

상기 탭 가공공정에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 사파이어 결정분석을 통한 가공방향을 분석한 후, 외경 탭 가공 전용 툴을 이용하여 가공 하였고, 가공조건에 따른 탭 라인 치핑특성을 분석한 후, 가공방향 선정과 Tapping부의 곡면 래핑 및 폴리싱작업을 수행하였다.

상기 홀가공공정은 도 6에 도시된 바와 같이, 사파이어 절삭성능을 rhfug나 드릴 형상을 최적 설계 및 제작한 후, 공구장착부를 비롯한 Overall Size를 설계하고, 절삭저항 및 칩 배출을 고려한 비틀림 각(helix angle)를 설계하는 한편, 가공 정밀도를 고려한 플루트 길이(flute length)설계와 절삭력 및 공구 수명을 고려한 선단 각(point angle)를 설계하여 가공공정을 수행하였다.

한편, 미세가공홀은 도 7에 도시된 바와 같이, Φ0.15mm~Φ0.3mm 초미세 홀 가공기술을 통해 Φ1.0mm*L60mm 관통홀 가공, Spindle 회전수, Feed등 가공조건에 따른 표면 조도 및 진직도 분석하고, 가공 시 발생한 Crack 및 Chipping 분석한 후, 가공조건에 따른 피삭재 표면 품위 분석 및 공구 마모형태 분석하면서 미세가공홀공정을 수행하였다.

상기한 바와 같이 제조되는 노즐을 검사공정을 통해 불량이 있는지 없는지를 명확히 파악하였다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 검사공정 후 완성된 노즐의 미세홀을 재오염 및 가공 외 오염을 방지하며 세정이 가능하도록 세정장치에 넣어 세정하는 세정공정을 수행하되, 상기 세정공정은 가공 시 오염되는 오일 및 기타 금속성 불순물 등 오염원에 대한 분석을 실시하고, 오염원을 확인하여 최대한 오염원을 제거하는 세정액을 이용하여 세정할 수 있도록 하였으며, 제품 표면 분석 및 오염 특성 분석을 통한 최적의 세정조건으로 세정하였고, 세정 이후 잔존 불순물 및 오염원 분석하여 확인 하였으며, 1,000 Class 클린룸 설비를 통해 재오염 및 가공 외 오염방지 및 비접촉식 표면 조도를 측정하면서 세정공정을 수행하였다.

이러한 세정공정 후에는 도 9에 도시된 바와 같이, 세정이 완료된 노즐을 구비된 유량측정장치의 가스배출구에 장착하여 균일한 유량이 배출되는지 테스트하는 테스트공정을 수행하였다.

여기서, 상기 테스트공정에서 사용되는 유량측정장치는, 전체적으로 몸체를 구성하는 몸체부와, 상기 몸체부의 외측에 배치되어 가스를 공급하는 가스공급부와, 상기 몸체부의 일측에 가스공급부가 형성된 단부에 형성되어 상기 가스공급부로부터 가스를 공급받는 가스투입부와, 상기 몸체부의 내부에 투입되는 가스의 투입량을 선택적으로 조절하는 밸브와, 상기 가스투입부가 형성된 몸체부의 타측에 형성되어 가스가 배출되며 선택적으로 상기 노즐이 장착되는 가스배출부와, 상기 몸체부의 내부에 이동하는 가스의 압력을 측정하는 압력계를 포함하여 구성된다.

이때, 세정공정을 수행한 노즐을 유량측정장치의 가스배출부에 선택적으로 장착하여 사용하게 된다.

이러한 유량측정장치를 이용하여 테스트할 시, 유량 및 압력의 실시간 확인 가능함에 따라 지속적인 모니터링이 가능하고, 토출량 공차를 1% 이내로 측정이 가능하며, 다양한 조건에 따라 사용압력에 따른 가변을 위한 정밀급 EPC가 적용됨에 따라 다양한 조건을 부여하여 테스트가 가능한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 챔버의 내부에 장착되어 플라즈마 가스를 분사하는 HDP CVD공정용 플라즈마 노즐 제조방법에 있어서,
   사파이어 소재를 이용하여 코어 가공공정, 탭 가공공정, 홀 가공공정 및 가공 불량 확인을 위한 검사공정을 순차적으로 수행하여 노즐을 제조하되, 검사공정 후 노즐의 미세홀을 재오염 및 가공 외 오염을 방지하며 세정이 가능하도록 세정장치에 넣어 세정하는 세정공정을 포함하고, 상기 세정이 완료된 노즐을 구비된 유량측정장치의 가스배출구에 장착하여 균일한 유량이 배출되는지 테스트하는 테스트공정을 더 포함하며,
   상기 유량측정장치는,
   몸체부와,
   상기 몸체의 외측에 배치되는 가스공급부와,
   상기 몸체부의 일측에 형성되어 상기 가스공급부로부터 가스를 공급받는 가스투입부와,
   상기 몸체부의 내부에 투입되는 가스의 투입량을 조절하는 밸브와,
   상기 가스투입부가 형성된 몸체부의 타측에 형성되어 가스가 배출되며 선택적으로 상기 노즐이 장착되는 가스배출부와,
   상기 몸체부의 내부에 이동하는 가스의 압력을 측정하는 압력계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 HDP CVD공정용 사파이어 소재를 이용한 플라즈마 디퓨전 노즐 제조방법.

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