KR20230102468A - 오염입자 발생 저감을 극대화 하는 반도체 장비 불화대상물의 불화 가공 방법 및 이에 의해 불화 가공된 부품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 불화 가스를 플라즈마로 여기시켜 불화 대상물을 불화하여 고밀도 및 고강도 구현이 가능하면서도 불화 코팅 시 플라즈마 오염입자를 현저히 저감시킬 수 있는 반도체 장비의 불화대상물의 불화 가공 방법 및 이에 의해 불화 가공된 부품에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 플라즈마 반응 공간을 갖는 처리 챔버에 불화 대상물을 배치하는 제1 단계; 상기 처리 챔버에 He, Ne, Ar, Kr, Xe 중에서 선택된 방전 가스와, O2, N2, 에어(air) 중에서 선택된 비불소 반응성 가스와, CF4, C2F6, C4F8 등 불소를 포함하는 불화탄소 또는 삼불화질소(NF3) 가스 중에서 선택된 불소 함유 반응성 가스의 혼합 가스를 도입시키며, 상기 처리 챔버에 상기 혼합 가스를 도입하는 제2 단계; 상기 처리 챔버로 도입된 상기 혼합 가스를 상기 플라즈마 반응 공간으로 인입시키는 제3 단계; 및 상기 처리 챔버에 고주파 전력을 인가하여 상기 플라즈마 반응 공간에 플라즈마를 발생시키고, 발생된 불소를 포함하는 라디칼 기체 및 플라즈마로 상기 불화 대상물의 표면을 불화하여 불화 개질층을 형성시키는 제4 단계;를 포함하며, 상기 불화 개질층은 Y3d 6.4 ~ 38.42 at.%(atomic percentage)), Al2p 0 ~ 17.06 at.%, O1s 11.48 ~ 59.44 at.%, C1s 2.15 ~ 6.93 at.%, F1s 0 ~ 58.98 at.%인 것을 특징으로 하는 불화 대상물의 불화 가공 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 반도체 장비의 불화대상물의 불화 가공 방법 및 이에 의해 불화 가공된 부품에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 불화 가스를 플라즈마로 여기시켜 불화 대상물을 불화하여 고밀도 및 고강도 구현이 가능하면서도, 표면층에서 특정 범위의 F 조성율을 통해 플라즈마 오염입자를 현저히 저감시킬 수 있고, 백업 단계에서 실행되는 에이징(aging)를 단축시켜 생산성을 현저히 향상시키며, 특히 대면적 반도체 장비의 정상 식각율에 적합한 오염입자 발생 저감을 극대화 하는 반도체 장비의 불화대상물의 불화 가공 방법 및 이에 의해 불화 가공된 부품에 관한 것이다.
반도체 설비 중 반도체 건식식각 장비는 정기적으로 수행되는 장비의 점검이나 부품 교체(Maintenance)에 따라 장비를 다운(down)시킨 다음, 다시 장비를 재가동할 경우에는 반도체 제조 장비가 정상적으로 동작하기 위한 백업(back up) 공정를 거쳐야 한다.
반도체 건식식각 장비에서 백업(Back up) 공정은 여러 단계를 거쳐 수행되는데 장비 내 수분 등 아웃개싱(Out-gasing)을 제거하는 단계, 장비 내 오염입자(Particle)를 감소시키는 단계, 장비 내를 불화시키는 에이징(Aging) 단계, 양산 웨이퍼(Wafer)를 이용한 샘플(Sample) 품질검증(In Fab. Data)하는 단계를 거쳐 수행된다.
그 중에서 반도체 건식식각 장비 내부에 정상적인 식각률을 구현할 수 있는 불화 분위기를 형성하기 위한 에이징 공정이 수반되는데, 이러한 에이징 공정은 장비 내부에 장착된 내플라즈마 코팅(Al2O3, Y2O3, YAG 등)의 표면에 일정 수준만큼의 부식 가스를 부착하여 표면에 수 nm에서 수백 nm의 YOF 조성을 가지는 불화층을 임의로 형성하게 된다.
만일, 반도체 건식식각 장비 내부에 불화 분위기가 충분히 형성되지 않으면 에이징 공정을 반복 수행하는 시간이 길어짐에 따라 반도체 장비의 가동시간이 크게 줄어들어 반도체 장비의 생산성 하락 및 제조원가 상승에 대한 원인을 초래할 수 있는 문제점이 있다.
한편, 불화층을 형성하는 종래 일 예의 방법으로서, 진공조 내에 불화하고자 하는 부품을 장입한 후, 불소를 포함하는 기체인 CF4, SF6, NF3 등의 저압 진공 플라즈마를 생성하여 불소를 포함한 라디칼에 의해서 표면을 불화시키는 방법이 공지되어 있다("Fabrication, characterization, and fluorine- plasma exposure behavior of dense yttrium oxyfluoride ceramic", T Tsunoura et al, Japanese Journal of Applied Physics 56, 06HC02 (2017), "Fluorination mechanisms of Al2O3 and Y2O3 surfaces irradiated by high-density CF4/O2 and SF6/O2 plasmas", K Miwa et al, J Vac Sci Technol A 27(4), Jul/Aug 2009).
그러나 이 방법은 진공조와 그에 따른 진공 장치들의 구축이 필요하므로 양산화에 불리하고 경제성이 낮을 뿐만 아니라, 저압 플라즈마 공정을 이용하므로 불소를 포함하는 라디칼의 밀도가 낮아서 불화속도가 느리며, 이에 따라 생산성이 떨어지는 단점이 있다.
또한 다른 예로, HF, SF4, CHF3 등의 용액에 불화할 부품을 담근 후 온도를 ~250 ℃ 로 승온시켜 표면을 불화시키는 방법이 알려져 있다("Preparation of Fluorinated-Alumina", E Kemnitz et al, "Efficient Preparations of Fluorine Compounds", Edited by H W Roesky, 2013, 442)
그러나 이 방법은 취급 및 처리 과정에서 위험한 용액을 이용하므로 공정 안전성 면에서 불리한 단점이 있다.
또한 다른 예로서, 미국특허 US 8,206,829 및/또는 미국 공개특허 US 2017/0114440 문헌이 공지되어 있다. 상기 문헌은 부품의 표면에 AlF3, YF3, AlOF, YOF 등의 분말 소재를 플라즈마 스프레이 등의 방법으로 코팅하는 방법에 대해 개시하고 있다.
그러나 알루미나(Al2O3)나 이트리아(Y2O3) 등의 세라믹 보호막 코팅을 위해 이용되는 코팅 원재료인 AlF3 나 YF3의 원재료 가격이 매우 높고, 원재료 공급 업체가 제한되어 있어 공급이 원활하지 않으므로, 경제성이 낮은 단점이 있으며, 불화 코팅 시 플라즈마 입자가 상대적으로 많이 발생하여 불화 코팅 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있다.
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 불화 가스를 플라즈마로 여기시켜 불화 대상물을 불화하여 고밀도 및 고강도 구현이 가능하고, 백업 단계에서 실행되는 에이징(aging)를 단축시켜 생산성을 현저히 향상시키며, 특히 대면적 반도체 장비의 정상 식각율에 적합한 오염입자 발생 저감을 극대화 하는 반도체 장비의 불화대상물의 불화 가공 방법 및 이에 의해 불화 가공된 부품을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 다양한 공정 환경이나 여건에 따른 파라미터의 조정을 통해 표면층에서 특정 범위의 F 조성율을 형성하여 플라즈마 오염입자를 현저히 저감시킬 수 있는 오염입자 발생 저감을 극대화 하는 반도체 장비의 불화대상물의 불화 가공 방법 및 이에 의해 불화 가공된 부품을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 불화 대상물의 표면을 불화시키기 위한 가공 방법으로서, 플라즈마 반응 공간을 갖는 처리 챔버에 불화 대상물을 배치하는 제1 단계; 상기 처리 챔버에 사용 가스를 도입시키되, 상기 사용 가스는 He, Ne, Ar, Kr, Xe 중에서 선택된 방전 가스와, O2, N2, 에어(air) 중에서 선택된 비불소 반응성 가스와, CF4, C2F6, C4F8 등 불소를 포함하는 불화탄소 또는 삼불화질소(NF3) 가스 중에서 선택된 불소 함유 반응성 가스의 혼합 가스이며, 상기 처리 챔버에 상기 혼합 가스를 도입하는 제2 단계; 상기 처리 챔버로 도입된 상기 혼합 가스를 상기 플라즈마 반응 공간으로 인입시키는 제3 단계; 및 상기 처리 챔버에 고주파 전력을 인가하여 상기 플라즈마 반응 공간에 플라즈마를 발생시키고, 발생된 불소를 포함하는 라디칼 기체 및 플라즈마로 상기 불화 대상물의 표면을 불화하여 불화 개질층을 형성시키는 제4 단계;를 포함하고, 상기 불화 개질층의 표면층을 형성하는 YOF에서 F 성분이 1 ~ 10 at.%(atomic percentage)인 것을 특징으로 하는 불화 대상물의 불화 가공 방법이 제공된다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 불화 가공 방법의 제1 단계 내지 제4 단계에서 처리 챔버 내의 분위기는 대기압 분위기 또는 진공 분위기에서 행해질 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 혼합가스 인입 단계는 사용 가스로서 방전 가스인 아르곤(Ar) 가스와, 비 불소 반응성 가스인 산소(O2), 및 불소 함유 반응성 가스인 사불화탄소(CF4)의 혼합 가스가 인입되며, Ar, O2 , CF4의 유량비(Ar : O2 : CF4)는 (0.1-60) : (0.1-10) : (0.1-10)인 것일 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 불화 단계에서 고주파 전원은, 주파수가 1 ~ 100MHz이며, 고주파 전력이 100 ~ 1000W 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 처리 챔버 내의 온도는 상온에서 400℃이하일 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 제3 단계 및 제4 단계는 1회 이상 반복 실행될 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 불화 대상물과 플라즈마 간의 거리는 1mm 이상 50mm 이하일 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 불화 대상물의 불화 코팅층은 0.001 ~10㎛ 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상기한 일 관점에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에 의해 가공된 불화 대상물인 부품이 제공된다.
본 발명에 따른 반도체 장비의 불화대상물의 불화 가공 방법 및 이에 의해 불화 가공된 부품에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 본 발명은 반도체 건식식각 장비에 장착되는 내플라즈마 코팅을 대상으로 상온 대기압 상태에서 고주파 플라즈마를 통해 특정의 공정 인자로 부품을 불화 가공할 수 있는 신개념의 부품 불화 기술을 제공하는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 플라즈마 오염입자를 현저히 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
셋째, 본 발명은 반도체 건식식각 장비에서 수행되고 있는 백업 공정 중 하나인 에이징 단계를 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
넷째, 본 발명은 고밀도 및 고강도이고 대면적 대상물에 적용하면서도 상대적으로 비용을 절감할 수 있고, 에이징 단계에서 수행되는 불화(공정) 속도를 향상시켜 생산성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법을 나타내는 플로차트이다.
도 2는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 사용 가스로 사용된 Ar, O2, CF4의 유량비(Ar : O2 : CF4)와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, Ar의 유량비에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 사용 가스로 사용된 Ar, O2, CF4의 유량비(Ar : O2 : CF4)와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, O2의 유량비에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 사용 가스로 사용된 Ar, O2, CF4의 유량비(Ar : O2 : CF4)와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, CF4의 유량비에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 고주파 전력과 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, 플라즈마 출력에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 불화대상물의 온도와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, 온도에 대한 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 혼합가스의 인입 단계 및 불화 단계의 반복횟수와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, 반복횟수에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 불화 대상물(모재)과 플라즈마 간의 거리와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, 거리에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 온도 인자에 대한 불화 대상물의 단면 이미지 및 성분 분석을 나타내는 테이블이다.
도 10은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 반복횟수 인자에 대한 불화 대상물의 단면 이미지 및 성분 분석을 나타내는 테이블이다.
도 11은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 출력 인자에 대한 불화 대상물의 단면 이미지 및 성분 분석을 나타내는 테이블이다.
도 12는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 F 성분 함량에 대한 불화 대상물의 엑스선 광전자 분광법 분석을 나타내는 테이블이다.
도 13은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 F 성분 함량에 대한 불화 대상물의 투과전자현미경 이미지 및 성분 분석을 나타내는 테이블이다.
도 14은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 F 성분 함량에 대한 불화 대상물의 경도 분석을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 F 성분 함량에 대한 불화 대상물의 HCl 용액에서 내화학성 평가를 수행한 사진이다.
도 16은 본 발명에 따른 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물을 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출시켜 시간에 따른 오염입자 수를 실시간으로 측정하는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 17은 플라즈마에 노출되기 이전과 이후에 F 성분 함량에 따른 각 실시 예들과 비교 예의 불화 대상물에 대한 이미지를 나타내는 사진들이다.
도 18은 본 발명에서 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출된 이후에 F 성분함량에 따른 불화 대상물에 대한 오염입자 합계를 나타내는 그래프이다.
도 19는 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되는 동안 F 성분함량에 따른 불화 대상물에 대한 오염입자 수를 실시간으로 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명에서 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되기 이전의 F 성분함량에 대한 엑스선 광전자 분광법 분석을 나타내는 테이블이다.
도 21은 본 발명에서 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되기 이전의 F 성분함량에 따른 불화 대상물에 대하여 표면에서 내부까지 깊이별로 Y3d 오비탈에 해당되는 결합에너지를 분석하여 원자들의 결합상태를 나타내는 테이블이다.
도 22는 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출된 이후의 F 성분함량에 대한 엑스선 광전자 분광법 분석을 나타내는 테이블이다.
도 23 및 도 24는 본 발명에서 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되기 이전과 이후의 F 성분함량에 대한 투과전자현미경 이미지 및 회절패턴을 나타내는 테이블이다.
도 2는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 사용 가스로 사용된 Ar, O2, CF4의 유량비(Ar : O2 : CF4)와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, Ar의 유량비에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 사용 가스로 사용된 Ar, O2, CF4의 유량비(Ar : O2 : CF4)와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, O2의 유량비에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 사용 가스로 사용된 Ar, O2, CF4의 유량비(Ar : O2 : CF4)와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, CF4의 유량비에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 고주파 전력과 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, 플라즈마 출력에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 불화대상물의 온도와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, 온도에 대한 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 혼합가스의 인입 단계 및 불화 단계의 반복횟수와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, 반복횟수에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 불화 대상물(모재)과 플라즈마 간의 거리와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, 거리에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 온도 인자에 대한 불화 대상물의 단면 이미지 및 성분 분석을 나타내는 테이블이다.
도 10은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 반복횟수 인자에 대한 불화 대상물의 단면 이미지 및 성분 분석을 나타내는 테이블이다.
도 11은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 출력 인자에 대한 불화 대상물의 단면 이미지 및 성분 분석을 나타내는 테이블이다.
도 12는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 F 성분 함량에 대한 불화 대상물의 엑스선 광전자 분광법 분석을 나타내는 테이블이다.
도 13은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 F 성분 함량에 대한 불화 대상물의 투과전자현미경 이미지 및 성분 분석을 나타내는 테이블이다.
도 14은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 F 성분 함량에 대한 불화 대상물의 경도 분석을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 F 성분 함량에 대한 불화 대상물의 HCl 용액에서 내화학성 평가를 수행한 사진이다.
도 16은 본 발명에 따른 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물을 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출시켜 시간에 따른 오염입자 수를 실시간으로 측정하는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 17은 플라즈마에 노출되기 이전과 이후에 F 성분 함량에 따른 각 실시 예들과 비교 예의 불화 대상물에 대한 이미지를 나타내는 사진들이다.
도 18은 본 발명에서 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출된 이후에 F 성분함량에 따른 불화 대상물에 대한 오염입자 합계를 나타내는 그래프이다.
도 19는 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되는 동안 F 성분함량에 따른 불화 대상물에 대한 오염입자 수를 실시간으로 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명에서 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되기 이전의 F 성분함량에 대한 엑스선 광전자 분광법 분석을 나타내는 테이블이다.
도 21은 본 발명에서 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되기 이전의 F 성분함량에 따른 불화 대상물에 대하여 표면에서 내부까지 깊이별로 Y3d 오비탈에 해당되는 결합에너지를 분석하여 원자들의 결합상태를 나타내는 테이블이다.
도 22는 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출된 이후의 F 성분함량에 대한 엑스선 광전자 분광법 분석을 나타내는 테이블이다.
도 23 및 도 24는 본 발명에서 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되기 이전과 이후의 F 성분함량에 대한 투과전자현미경 이미지 및 회절패턴을 나타내는 테이블이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 본 발명에 따른 반도체 장비의 불화대상물의 불화 가공 방법 및 이에 의해 불화 가공된 부품에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 반도체 장비의 불화대상물의 불화 가공 방법에 대하여 도 1을 참고하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법을 나타내는 플로차트이다.
본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법은, 반도체 공정에 사용되는 부품 등을 포함하는 불화 대상물의 표면을 불화시키기 위한 가공 방법으로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 크게 불화대상물 배치 단계(S100); 혼합가스 도입 단계(S200); 혼합가스 인입 단계(S300); 및 불화 단계(S400);를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법은, 반도체 공정에 사용되는 부품 등을 포함하는 불화 대상물의 표면을 불화시키기 위한 가공 방법으로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 제트 토출구를 구비하고 플라즈마 반응 공간을 갖는 불화 가공 장치의 처리 챔버에 상기 플라즈마 제트 토출구에 대향하여 불화 대상물을 배치하는 불화대상물 배치 단계인 제1 단계(S100); 상기 처리 챔버에 사용 가스를 도입시키되, 상기 사용 가스는 He, Ne, Ar, Kr, Xe 중에서 선택된 방전 가스와, O2, N2, 에어(air) 중에서 선택된 비불소 반응성 가스와, CF4, C2F6, C4F8 등 불소를 포함하는 불화탄소 또는 삼불화질소(NF3) 가스 중에서 선택된 불소 함유 반응성 가스의 혼합 가스이며, 상기 처리 챔버에 상기 혼합 가스를 도입하는 혼합가스 도입 단계인 제2 단계(S200); 상기 처리 챔버로 도입된 상기 혼합 가스를 상기 플라즈마 반응 공간으로 인입시키는 혼합가스 인입 단계인 제3 단계(S300); 및 상기 처리 챔버에 구비되는 금속 전극봉에 고주파 전력을 인가하여 상기 플라즈마 반응 공간에 플라즈마를 발생시키고, 발생된 불소를 포함하는 라디칼 기체 및 플라즈마를 상기 플라즈마 제트 토출구를 통해 상기 불화 대상물을 향해 분출하여 불화 대상물의 표면을 불화하여 불화 개질층이 형성시키는 불화 단계인 제4 단계(S400);를 포함하며, 상기 제1 단계 내지 제4 단계(S100 내지 S100)에서 처리 챔버 내의 분위기는 대기압 분위기로 이루어지며, 상기 제3 단계(S300) 및 제4 단계(S400)는 1회 이상 10회 이하로 행해지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 불화 개질층의 표면층을 형성하는 YOF에서 F 성분은 특정 범위의 조성비율로 형성되는데, F 성분은 1 ~ 10 at.%(atomic percentage)이며, 바람직하게는 2 ~ 9 at.%, 보다 바람직하게는 3 ~ 7인 것이 바람직하다. 이러한 F 성분의 조성비는 플라즈마 오염입자의 발생을 현저히 감소시킬 있으며, 본 발명의 발명자는 거듭한 실험을 통해 확인하였다. 이에 대해서는 후술한다.
또한, 상기 F 성분의 조성비는 불화 가공 방법에서 다양한 공정 환경이나 여건에 따른 파라미터(가스 유량비, 플라즈마 강도(고주파전력 세기), 챔버 분위기, 챔버 온도 등)의 조정을 통해 이루어질 수 있다.
상기 제1 단계인 불화대상물 배치 단계(S100)는, 플라즈마 제트 토출구를 구비하고 플라즈마 반응 공간을 갖는 처리 챔버에 상기 플라즈마 제트 토출구에 대향하여 불화 대상물을 배치하는 과정으로, 불화하고자 하는 불화 대상물을 처리 챔버 내부에 위치한 지지대(히터 구비 지지대)의 상부에 배치하고 처리 챔버의 도어를 닫아 내부를 외부로부터 격리한다.
상기 불화대상물 배치 단계(S100)에서 이용되는 처리 챔버를 갖는 불화 가공 장치는, 예를 들면 절연체에 의해 표면이 절연된 금속 전극봉과, 상기 금속 전극봉과 동축으로 설치되고 상기 금속 전극봉과의 사이에 간격을 형성하며 연장되는 부도체 세라믹관, 및 상기 부도체 세라믹관의 외주면을 둘러싸고 연장되고 전기적으로 접지되는 접지관으로서 상기 접지관의 내주면 전체가 상기 부도체 세라믹관에 접하는 접지관, 및 상기 금속전극봉의 외주면과 상기 부도체 세라믹관의 내주면 사이에 환형의 공간부로 형성되고 길이방향으로 연장되며 상기 환형의 공간부의 하단의 개방 부분이 플라즈마 제트 토출구가 되는 플라즈마 반응 공간을 갖는 플라즈마 제트 헤드 모듈를 포함할 수 있다.
또한, 상기 처리 챔버에는 상기 금속 전극봉에 고주파 전원을 인가하며, 임피던스 정합을 수행하는 고주파 매칭 박스를 통해 상기 금속 전극봉에 연결된 고주파 전원 장치와, 상기 플라즈마 반응 공간에 불소 함유 반응성 가스를 포함하는 사용 가스를 공급하는 가스 공급부, 및 상기 플라즈마 제트 토출구 하단으로 구비되며 시료가 배치되는 시료 지지대를 포함할 수 있다.
이러한 처리 챔버의 상부에는 상기 플라즈마 제트 헤드 모듈의 상부가 고정되고, 상기 금속 전극봉은 상기 인입가스 챔버를 관통하게 배치되어 수직하게 아래로 연장되고, 상단이 상기 고주파 매칭 박스에 연결되며, 상기 부도체 세라믹관은 상단이 상기 인입 가스 챔버 내에 위치하여 길이방향으로 아래로 연장되어, 상기 인입 가스 챔버로부터 상기 플라즈마 반응 공간으로 사용가스가 인입된다.
다음으로, 상기 제2 단계인 혼합가스 도입 단계(S200)는 상기 처리 챔버에 사용 가스를 도입시키되, 상기 사용 가스는 He, Ne, Ar, Kr, Xe 중에서 선택된 방전 가스와, O2, N2, 에어(air) 중에서 선택된 비불소 반응성 가스와, CF4, C2F6, C4F8 등 불소를 포함하는 불화탄소 또는 삼불화질소(NF3) 가스 중에서 선택된 불소 함유 반응성 가스의 혼합 가스이고, 상기 처리 챔버에 상기 혼합 가스를 도입하는 과정이다.
상기 혼합가스 도입 단계(S200)는 가스 공급부의 각 가스탱크로부터 사용가스로 이용되는, 방전 가스인 아르곤(Ar) 가스와, 비 불소 반응성 가스인 산소(O2), 및 불소 함유 반응성 가스인 사불화탄소(CF4)를 처리 챔버로 도입한다.
이때, 도입되는 사용 가스는 가스 유량 조절기에 의해 혼합 가스의 유량비가 조절되면서 처리 챔버로 도입되며, 상기 제3 단계인 혼합가스 인입 단계(S300)를 통해 상기 혼합 가스를 상기 플라즈마 반응 공간으로 인입되게 된다.
여기에서, 방전 가스로는, Ar 가스 외에도 He, Ne, Ar, Kr, Xe 등의 비활성 기체가 이용될 수 있다. 또한, 비불소 반응가스는, 산소(O2) 가스 외에, 질소(N2), 공기 등이 이용될 수 있다. 또한, 불소 함유 반응가스 CF4 가스외에 C2F6, C4F8 등의 불소가 포함된 불화탄소 가스나 삼불화질소(NF3) 가스 등을 이용할 수 있으나, 본 발명에서는 방전 가스로서 아르곤(Ar) 가스와, 비 불소 반응성 가스로서 산소(O2), 및 불소 함유 반응성 가스로서 사불화탄소(CF4)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 혼합가스 도입 단계(S200)에 사용 가스로 사용된 Ar, O2 , CF4의 유량비(Ar : O2 : CF4)는 (0.1-60) : (0.1-10) : (0.1-10)이고, 바람직하게는 (25~40) : (0.1 ~ 0.4) : (0.3 ~ 1.0)인 것이 바람직하다.
본 발명의 발명자는 상기한 본 발명의 불화 코팅을 통해 사용 가스로 사용된 Ar, O2 , CF4의 유량비(Ar : O2 : CF4)가 최적의 비율이고, 플라즈마 오염입자가 현저히 감소되었음을 실험을 통해 확인하였다.
유량비에 대한 실험
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 사용 가스로 사용된 Ar, O2, CF4의 유량비(Ar : O2 : CF4)와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, 도 2는 Ar의 유량비에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이고, 도 3은 O2의 유량비에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이며, 도 4는 CF4의 유량비에 대한 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지(a)와 F 및 Al 성분의 함량 그래프(b)를 나타내는 도면이다.
본 발명의 발명자는 도 2에 나타낸 바와 같이, Ar의 유량비가 40 초과인 경우, 파티클(P/C: particle)이 약간 발생하고 특히 60을 초과하는 경우 파티클이 현저히 발생하는 문제점이 있으며, Ar의 유량비가 0.1 미만인 경우 플라즈마가 불안정하여 부적합하고, 특히 25 이내에서 안정적인 플라즈마와 이에 따른 불화 대상물에 대한 최적의 불화 가공을 실행할 수 있음을 확인하였다.
또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, O2의 유량비가 0.4 초과인 경우, 파티클(P/C: particle)이 소량 발생하고 특히 10을 초과하는 경우 파티클이 현저히 발생하는 문제점이 있으며, 또한 도 4에 나타낸 바와 같이, CF4의 유량비가 1.0 초과인 경우, 파티클이 소량 발생하고 특히 10을 초과하는 경우 파티클이 현저히 발생하는 문제점이 있어 부적합함을 확인하였다.
다음으로, 상기 불화 단계(S400)는 상기 처리 챔버에 구비되는 금속 전극봉에 고주파 전력을 인가하여 상기 플라즈마 반응 공간에 플라즈마를 발생시키고, 발생된 불소를 포함하는 라디칼 기체 및 플라즈마를 상기 플라즈마 제트 토출구를 통해 상기 불화 대상물을 향해 분출하여 불화 대상물의 표면을 불화하는 과정이다.
본 발명에서 상기 불화 단계(S400)는 고주파 전원 장치를 통해 인가되는 고주파 전원은, 주파수가 1 ~ 100MHz이며, 고주파 전력이 300 ~ 400W 인 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 고주파 전력과 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, (a)는 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지이고, (b)는 F 및 Al 성분의 함량 그래프를 나타내는 도면이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 불화 단계(S400)에서 인가되는 고주파 전원이 100W 미만이고, 1000W 초과인 경우, 파티클이 발생하고 플라즈마가 불안정한 문제점이 있어 부적합함을 확인하였다.
한편, 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 처리 챔버 내의 온도, 다시 말해서 불화 대상물이 가열되는 온도는 상온에서 400℃이하인 것이 바람직하다. 도 6은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 불화대상물의 온도와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, (a)는 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지이고, (b)는 F 및 Al 성분의 함량 그래프를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 불화 대상물이 가열되는 온도가 400℃를 초과한 경우, 불화 대상물에서 코팅층의 박리 혹은 분리가 일어나는 문제점이 있어 부적합함을 확인하였다.
또한, 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 혼합가스 인입 단계(S300)와 불화단계(S400)는 1회 이상으로 반복하여 행해지는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 혼합가스의 인입 단계 및 불화 단계의 반복횟수와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, (a)는 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지이고, (b)는 F 및 Al 성분의 함량 그래프를 나타내는 도면이다.
여기에서, 반복횟수가 1회 이상에서, 혼합가스의 인입 단계 및 불화 단계가 실행하는 경우를 1 사이클로 하는 경우, 사이클 간의 휴지 시간은 60초 이상 ~ 10분 이하로 하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 발명자는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에 있어서 처리 챔버 내에서 불화 대상물과 플라즈마 간의 거리가 중요한 공정 인자임을 확인하였다. 불화 대상물과 플라즈마 간의 거리는 불화 대상물의 표면에서 플라즈마 제트 분출구의 입구까지의 거리이다.
도 8은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 불화 대상물(모재)과 플라즈마 간의 거리와 관련하여 실험한 결과를 나타내는 도면으로, (a)는 불화 대상물의 표면층 주사전자현미경 이미지이고, (b)는 F 및 Al 성분의 함량 그래프를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 불화 대상물과 플라즈마 간의 거리는 1mm 이상 50mm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 발명자는 불화 대상물과 플라즈마 간의 거리가 1mm 미만인 경우, 파티클이 발생하고 방전의 어려움이 있고, 50mm 초과인 경우 방전전압을 증대시켜야 하여 큰 용량의 고주파 전원 장치를 필요로 하여 비용 증가의 문제점이 있어 부적합함을 확인하였다.
본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 불화 대상물의 불화 코팅층은 0.001 ~10㎛ 두께로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 발명자는 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅에 부식성 가스인 F 성분을 반응시켜 불화층을 형성시킬 수 있는 공정인자(출력, 온도, 반복횟수)에 대한 평가를 진행하였다.
대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅은 표면은 수십 ㎛의 과립 분말을 원료로 사용하기 때문에 수 ㎛의 표면조도를 가지는데 불화개질 이후 불화 반응층에 의한 표면 미세구조 및 성분 변화를 정확하게 확인하기 위하여 표면을 0.1㎛ 까지 경면 연마한 이후 본 발명에 따른 불화 가공 방법(코팅 불화개질 신공법)을 적용하였다.
본 발명에 따른 불화 가공 방법이 적용된 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅에 대한 단면 미세구조 변화, 불화층의 반응 깊이 및 분포를 확인하기 위하여 집속 이온 빔으로 코팅을 가공하여 주사전자현미경으로 관찰하였고 에너지 분산형 분광 분석법을 이용하여 F 성분 함량을 분석하였다.
또한, 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅이 부식성 가스인 F 성분과의 반응에 의한 결정상 변화를 확인하기 위하여 고분해능 엑스선 회절 분석법으로 분석하였다.
도 9는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 온도 인자에 대한 불화 대상물의 단면 이미지 및 성분 분석을 나타내는 테이블이다.
우선 표면 경면연마를 진행한 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅의 단면의 미세구조를 분석한 결과, 표면에서 미세기공은 거의 관찰되지 않았으나 경면연마에 의한 스크래치가 일부 존재하였고 또한, Y, O, C 성분이 검출되었는데 Y, O, C 성분 함량은 각각 27at.%, 58at.%, 15at.%로 확인되었다.
또한, 집속 이온 빔으로 가공한 코팅 내부의 미세구조를 관찰한 결과, 대기 플라즈마 용사코팅에서 형성되는 전형적인 부피 수축에 의한 수직 균열이 일부 존재하였으나 에너지 분산형 분광분석으로 매핑을 이용하여 코팅 내부의 성분분포를 확인한 결과 전체적으로 Y, O 성분이 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 온도 인자에 대한 불화 대상물의 불화층 생성 경향성을 확인하기 위하여 온도를 100, 250, 350℃로 변화하여 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅에 본 발명에 따른 불화 가공 방법을 수행하여 불화층을 형성하였다.
본 발명에 따른 불화 가공 방법을 을 적용한 후에 코팅의 표면 미세구조를 관찰한 결과, 불화 가공 방법을 적용하기 전에 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅과 동일한 미세구조를 나타내어 불화개질에 의한 미세구조 변화는 없는 것으로 확인되는 반면, 코팅 성분은 Y, O, C 성분 이외에 F 성분이 추가로 검출되며 이는 온도가 증가할수록 비례적으로 증가하여 3 ~ 7 at.%분포로 존재하므로 코팅 표면에 YOF 불화층이 효과적으로 형성된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 집속 이온 빔으로 가공한 코팅 내부의 미세구조를 관찰한 결과, 코팅의 표면 근처에서 YOF 불화층이 분명하게 확인되지 않았지만 에너지 분산형 분광분석으로 매핑을 수행한 결과 코팅 내부에 F 성분에 해당되는 색상이 존재하는 것을 확인하였고 또한, 온도가 증가할수록 표면 근처에서 색상의 명암이 내부보다 더 높아지는데 이는 앞서 언급한 바와 같이, 온도가 증가할수록 코팅 표면의 F 성분 함량이 3, 5, 7at.%로 증가하는 것과 일치하는 경향을 나타내었다.
도 10은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 반복횟수 인자에 대한 불화 대상물의 단면 이미지 및 성분 분석을 나타내는 테이블이다.
다음으로, 반복횟수에 대한 불화 대상물의 불화층 생성 경향성을 확인하기 위하여 온도 인자를 350℃로 고정하고 반복횟수를 1회, 5회, 10회로 변화하여 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 용사코팅에 본 발명에 따른 불화 가공 방법(코팅 불화개질 신공법)을 수행하여 불화층을 형성하였다.
집속 이온 빔으로 가공한 코팅 내부의 미세구조를 관찰한 결과, 앞서 진행하였던 온도 인자에 대한 평가와 마찬가지로 불화 대상물의 YOF 불화층이 뚜렷하게 확인되지 않았지만 에너지 분산형 분광분석으로 한 매핑에서에서 코팅 내부에 F 성분에 해당되는 색상이 존재하고 반복횟수가 증가할수록 표면에서 색상의 명암이 더욱 선명하게 구분되어 F 성분의 반응이 활발하게 진행되어 최대 12at.% 함량까지 증가하였다.
이는 반복횟수가 증가할수록 코팅 표면이 해리된 F 이온에 노출되는 시간이 증가함에 따라 F 성분이 코팅 표면에 확산되는 양이 증가하여 F 함량이 증가되었기 때문이다.
도 11은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 출력 인자에 대한 불화 대상물의 단면 이미지 및 성분 분석을 나타내는 테이블이다.
온도 350℃ 및 반복횟수 10회로 고정하고 출력 인자를 300W에서 400W까지 상승시켜 대기 플라즈마 Y2O3 용사코팅에 본 발명에 따른 불화 가공 방법(코팅 불화개질 신공법)을 수행하여 불화층을 형성하였다.
출력이 증가함에 따라 F 성분 함량이 최대 15at.%까지 증가하였지만 온도 및 반복 횟수 인자에 대한 평가와 동일하게 불화 대상물의 YOF 불화층이 뚜렷하게 확인되지 않았으며 에너지 분산형 분광분석으로 한 매핑에서 코팅 내부에 F 성분에 해당되는 색상이 존재하고 출력이 증가할수록 표면에서 색상의 명암이 더욱 선명하게 구분되었다.
이 또한, 출력이 상승하면서 출력이 증가하면서 F계열 부식성 가스의 분해가 더욱 가속되면서 해리되는 F 라디칼의 밀도가 증가하게 되므로 코팅 표면의 반응성이 증가하여 F 함량이 증가되었기 때문이다.
계속해서, 본 발명의 발명자는 온도, 반복횟수, 출력 인자들을 변화하여 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅을 에너지 분산형 분광 분석으로 측정한 기준으로 F 성분의 함량이 5, 9, 15 at.% 조건을 선정하여 불화 대상물의 YOF 불화층을 깊이별 성분 변화 및 두께를 확인하자고 엑스선 광전자 분광법, 투과전자현미경을 이용하여 분석을 진행하였다.
도 12는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 F 성분 함량에 대한 불화 대상물의 엑스선 광전자 분광법 분석을 나타내는 테이블이다.
먼저, 엑스선 광전자 분광법을 이용하여 코팅의 표면에서 내부까지 깊이에 따른 F 성분의 변화를 확인하였고 다음으로 불화 대상물의 표면에서 Y3d 오비탈에 해당되는 결합에너지를 분석하여 원자들의 결합상태를 확인하였다.
표면에서부터 수 ㎚ 단위로 스퍼터링을 수행하면서 깊이별에 따른 F 성분 함량의 변화를 분석한 결과, 불화 가공 방법을 적용하기 전에 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅은 Y성분과 O 성분이 각각 42, 58at.%로 균일하게 분포되는 것을 확인하였다.
반면, 본 발명에 따른 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물은 모든 코팅 표면에서 F 성분이 검출되었으며 각각 33, 44, 36 at.%의 최대값을 나타내었고 100㎚ 깊이까지 급격하게 감소하는 경향을 보이지만 100㎚ 깊이 이후에는 서서히 감소하여 500㎚ 깊이 부근에서 각각 5, 9, 11 at.% 함량이 확인되었다.
깊이별 F 성분함량의 차이가 발행하는 이유는 표면에서는 플라즈마에 해리된 F 라디칼의 농도가 높아 빠르게 화학반응이 일어나고 이후에 미세기공이나 균열 등을 통하여 코팅 내부로 F 라디칼이 확산되어 침투하기 때문에 F 라디칼의 농도가 낮아 화학반응 속도가 늦어지는 것으로 확인되었다.
한편, 코팅 표면에서 에너지 분산형 분광 분석을 이용하여 측정한 F 성분함량은 온도, 횟수 및 출력 인자가 증가할수록 높아지는데 뎁스 프로파일링(Depth Profiling)을 이용하여 측정한 결과에서는 에너지 분산형 분광 분석으로 측정한 F 성분함량 9 at.%, 15 at.% 조건에서 각각 44 at.%, 36at.%를 나타내어 일치하지 않았으나, Depth Profiling결과에서 코팅 내부로 갈수록 에너지 분산형 분광 분석으로 측정한 F 성분함량 15at.% 조건의 기울기는 F 성분함량 9at.% 조건의 F 성분함량의 기울기와 비교하여 완만하게 감소하였으며 500nm 깊이 부근에서 11at.% 값을 나타내어 에너지 분산형 분광 분석으로 측정한 F 성분함량 9 at.% 조건보다 높아 코팅 표면에서 에너지 분산형 분광 분석을 이용하여 측정된 F 성분함량의 변화와 일치하였다.
이와 같은 분석 기법에 따른 F 성분함량의 차이는 앞서 언급한 바와 같이 EDS는 분석 깊이가 최소 1㎛ 범위로 비교적 깊은 반면, XPS의 분석 깊이는 1㎚ 정도로 국부 표면의 성분을 분석하기 때문이라고 판단되었으며, 또한 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅의 Y3d 오비탈을 분석한 결과, 결합에너지 158.5eV 및 156.7eV에서 Y-O 결합에 해당되는 두 개의 Peak를 확인할 수 있었는데 이는 Y3d 오비탈의 모든 결합에너지가 Y3d5와 Y3d3에 기인하는 두 개의 결합에너지가 한 쌍으로 구성되어 있고 그 크기(Intensity)의 비는 3:2, 결합에너지 차이는 2eV를 가지고 있다는 보고와 일치하였음을 확인하였다.
또한, 불화 가공 방법을 적용하여 YOF 불화층이 형성된 대기 플라즈마 Y2O3 용사코팅에 대하여 동일하게 분석한 결과, 모든 Y3d 오비탈에서 네 개의 Peak을 확인할 수 있었는데 Depth Profile 및 EDS를 이용하여 확인된 Y, O, F 성분을 바탕으로 분석하면 Y-O 결합을 제외한 두 개의 Peak은 Y-F 결합이라는 것을 확인할 수 있었고 이것은 Y2O3 용사코팅이 F성분과 반응하여 YOF 불화층이 생성되면서 Y-O 결합보다 더 높은 결합에너지를 가지는 Y-F 결합으로 이동한다는 것을 의미한다.
일반적으로 원자가 전자를 끌어들여 음이온이 되는 경향성의 척로를 의미하는 전기음성도가 높은 원소일수록 결합에너지가 증가한다고 알려져 있는데 F 원자의 전기음성도는 4로 O 원자의 전기음성도 3.5보다 높기 때문에 Y-O 결합의 결합에너지와 비교하여 Y-F 결합의 결합에너지가 더 높은 영역에서 측정되므로 F계열 부식성 가스 플라즈마에 노출되면 Y-O 결합이 일부 분해되고 F 라디칼과 반응하여 Y-F 결합을 새롭게 형성하면서 YOF 불화층이 생성된다는 것을 확인할 수 있었다.
도 13은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 F 성분 함량에 대한 불화 대상물의 투과전자현미경 이미지 및 성분 분석을 나타내는 테이블이다.
다음으로, 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 단면 미세구조를 분석한 결과, 모든 코팅 표면에서 20㎚ 초반의 YOF 불화층을 가지는 코팅에서는 F 성분에 해당되는 색상이 검출되었으며 F 성분함량이 증가할수록 명암차이를 보였다.
도 14은 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 F 성분 함량에 대한 불화 대상물의 경도 분석을 나타내는 그래프이다.
본 발명에 따른 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물은 불화 가공 방법을 적용하기 전에 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅과 비교하여 YOF 불화층을 포함하고 있기 때문에 F 성분함량에 따른 경도의 변화를 확인하고자 Vicker’s Hardness를 측정하였다.
불화 가공 방법을 적용하기 전에 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅의 475Hv 경도값과 비교하여 YOF 불화층을 포함하는 불화 대상물은 F 성분함량에 관계없이 모든 경도값이 표준편차 범위 내로 측정되었다. 이는 앞서 설명한 결과에서 확인된 바와 같이, YOF 불화층의 두께가 수십-수백 nm 크기로 아주 얇기 때문에 표면의 F 성분 함량에 따른 경도 변화는 아주 미비한 것으로 판단된다.
도 15는 본 발명에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에서 F 성분 함량에 대한 불화 대상물의 HCl 용액에서 내화학성 평가를 수행한 사진이다.
반도체 건식식각 공정은 화학적으로 활성이 높은 라디칼을 생성하여 코팅과의 화학적 반응을 촉진시키는 화학적 식각이 일어나게 되는데 코팅의 내부식성을 평가하기 위하여 코팅 표면에 5% 염산용액을 직접적으로 노출시켜 염산에 코팅이 부식되기까지 시간을 평가하는 데 그 기준은 3시간으로 선정하였다.
본 평가에서도 동일하게 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물을 F 성분 함량별로 제작하여 수행하였다.
내화학성 변화에 대하여 분석을 진행한 결과, 불화 대상물에서 YOF 불화층의 F 성분 함량이 5, 9 at.%의 조건은 불화 가공 방법을 적용하기 전에 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅과 함께 5시간이 지나면서 염산과 반응하여 기포가 발생하기 시작한 반면, F 성분 함량이 가장 높았던 15 at.% 조건에서는 6시간 이상이 지나면서 염산과의 반응에 의한 기포가 발생하였다.
따라서, F 성분이 가장 높은 함량에서 1시간 이상 반응 시간이 증가하는 것으로 보아 F 성분이 특정 함량 이상에서 부식성 케미컬에 대한 저항성은 증가하는 것으로 판단할 수 있었다.
플라즈마 오염입자 발생 확인 실험
한편, 본 발명의 발명자는 플라즈마 오염입자 발생에 대하여 실험을 통해 확인하였다.
도 16은 본 발명에 따른 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물을 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출시켜 시간에 따른 오염입자 수를 실시간으로 측정하는 방법을 나타내는 개략도이다.
챔버 내 크기는 내경 30 cm, 높이 30 cm 이고, 전원이 공급되는 전극과 접지된 전극의 반경은 7.6 cm(= 3 inch)이며, 전원이 공급되는 전극에서 접지된 전극 사이에서 플라즈마 방전이 발생되는데 이 간격은 약 10 cm이다. 한편, 불화 대상물은 3 inch 원형에 대기 플라즈마 용사법으로 Y2O3 코팅을 증착하였고 이후에 대기압 고주파 플라즈마 소스를 기반으로 불화 가공 방법을 적용하여 제작되었고 이를 전원이 공급되는 전극에 불화 대상물을 위치시켰다.
또한, 오염입자를 발생시키는 플라즈마는 Ar, CF4, O2 가스가 사용되었는데 가스는 질량 유량계가 있는 샤워헤드를 통해 Ar, CF4 및 O2를 각각 5 sccm, 30 sccm, 25 sccm이 공급되고 플라즈마 밀도를 높이기 위해 전원이 공급되는 전극에 자석을 삽입하였으며 진공은 건식 펌프와 터보 펌프를 사용하여 RF 인가전력 150 W, 작동압력 300 mTorr에서 약 60분 동안 진행되었다.
F 성분의 부식성 가스 및 플라즈마에 의해 식각이 진행되는 동안 불화 대상물에서 생성되는 오염입자는 플라즈마의 노출시간에 따라 배기라인에 부착된 광산란 센서에 의해 실시간으로 측정되었으며 레이저 광 산란 원리를 기반으로 0.2 um 이상의 오염입자의 양과 수를 측정 가능하다.
도 17은 플라즈마에 노출되기 이전과 이후에 F 성분 함량에 따른 각 실시 예들과 비교 예의 불화 대상물에 대한 이미지를 나타내는 사진들이다.
플라즈마에 노출된 이후에는 플라즈마 밀도를 높이기 위해 전원이 공급되는 전극에 삽입한 마그네틱의 배열에 따라 불화 대상물이 색상이 어둡게 변화되는 것을 확인하였다.
도 18은 본 발명에서 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출된 이후에 F 성분함량에 따른 불화 대상물에 대한 오염입자 합계를 나타내는 그래프이다.
먼저, 불화 가공 방법을 적용되기 이전에 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅인 실시 예 1은 60분 동안 플라즈마에 노출된 이후에 합계 152 ea/cm3의 오염입자 수가 측정되었지만 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물인 실시 예-2는 합계 115 ea/cm3의 가장 적은 오염입자 수가 측정되어 대략 23.3%의 감소율을 나타내었다.
반면, 실시 예-3 및 비교 예에서는 오염입자 수가 각각 합계 167, 419 ea/cm3으로 점차적으로 증가하여 불화 가공 방법을 적용되기 이전에 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅과 유사하거나 또는 더 많은 오염입자가 수가 생성된다는 것이 확인되었다.
도 19는 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되는 동안 F 성분함량에 따른 불화 대상물에 대한 오염입자 수를 실시간으로 나타낸 그래프이다.
먼저, 불화 가공 방법을 적용되기 이전에 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅(실시 예 1)은 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되는 60분 동안 완만하게 오염입자 수가 증가하여 합계 152 ea/cm3에 도달하였지만, 본 발면의 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물인 실시 예-1은 10분 동안은 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅과 유사한 경향을 나타내었지만 10분 이후에는 기울기가 감소하기 시작하여 60분 동안 합계 115 ea/cm3로 감소하는 것이 확인되었다.
반면, 실시 예-2는 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되는 60분 동안 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅과 거의 동일한 경향을 나타내었으며 실시 예 3은 10분 이후에 기울기가 증가하기 시작하다 30분 구간에서 급격하게 증가하는 것이 확인되었다. 이는 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물에서 특정 F 성분함량에서는 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되는 동안 이미 형성된 불화 가공층이 반응성 기체 및 라디칼 등에서 해리된 이온과의 화학적 반응을 억제하는 보호막으로써의 역할을 할 수 있다는 것임을 알 수 있었다.
도 20은 본 발명에서 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되기 이전의 F 성분함량에 대한 엑스선 광전자 분광법 분석을 나타내는 테이블이다.
먼저, F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되기 이전에 F 성분함량에 따른 불화 대상물에 대해 엑스선 광전자 분광법을 이용하여 코팅의 표면에서 내부까지 깊이에 따른 F 성분의 변화를 확인하였고 다음으로 불화 대상물의 표면에서 Y3d 오비탈에 해당되는 결합에너지를 분석하여 원자들의 결합상태를 확인하였다.
표면에서부터 수 ㎚ 단위로 스퍼터링을 수행하면서 깊이별에 따른 F 성분함량의 변화를 분석한 결과, 불화 가공 방법을 적용되기 이전에 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅(비교 예)은 Y 성분과 O 성분이 각각 38.4at.%, 59.43at.%로 표면에서 내부까지 균일하게 분포되는 것이 확인되었으며 F 성분은 0at.%로 전혀 검출되지 않았다.
반면, 본 발명에 따른 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물은 모든 코팅 표면에서 F 성분이 검출되었으며 각각 47.3, 59.0, 50.2at.%의 최대값을 나타내었고 내부로 갈수록 급격하게 감소하는 경향을 나타내었지만 200nm 깊이 이후에는 완만하게 감소하였다.
깊이에 따른 F 성분함량의 차이가 발행하는 이유는 표면에서는 플라즈마에 의하여 해리된 반응성 기체 및 라디칼 등에서 해리된 이온의 농도가 높아 빠르게 화학반응이 일어나고 이후에 미세기공이나 균열 등을 통하여 코팅 내부로 이온이 확산되어 침투하기 때문에 이온의 농도가 낮아져 화학반응 속도가 늦어지는 것으로 판단할 수 있었다.
한편, F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되기 이전의 F 성분함량에 따른 불화 대상물에 대해 뎁스 프로파일링(Depth Profiling)을 이용하여 불화 가공 방법을 적용되기 이전에 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅(비교 예)은 Y3d 오비탈을 분석한 결과, 결합에너지 156.3eV와 158.3eV에서 Y-O 결합에 해당되는 두 개의 Peak를 확인할 수 있었는데 이는 Y3d 오비탈의 모든 결합에너지가 Y3d5와 Y3d3에 기인하는 두 개의 결합에너지가 한 쌍으로 구성되어 있고 그 크기의 비는 3:2, 결합에너지 차이는 2eV를 가지고 있다고 보고와 일치하였음을 확인하였다.
또한, 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물에 대하여 동일하게 분석한 결과, 모든 Y3d 오비탈에서 네 개의 Peak을 확인할 수 있었는데 Depth Profile 및 EDS를 이용하여 확인된 Y, O, F 성분을 바탕으로 분석하면 각각 156.9eV와 158.1eV, 157.9eV와 159.5eV, 157.9eV와 159.56eV에 해당되는 두 개의 결합에너지가 한 쌍으로 구성되어 있는 Y-O 결합이었고, 이를 제외한 나머지 두 개의 Peak은 모두 Y-F 결합을 확인할 수 있었는데 이것은 Y2O3 용사코팅이 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마 내 반응성 기체 및 라디칼 등에서 해리된 이온과 반응하여 YOF 불화층이 생성되면서 Y-O 결합보다 더 높은 결합에너지를 가지는 Y-F 결합으로 이동한다는 것임을 알 수 있었다.
일반적으로 원자가 전자를 끌어들여 음이온이 되는 경향성의 척로를 의미하는 전기음성도가 높은 원소일수록 결합에너지가 증가한다고 알려져 있는데 F 원자의 전기음성도는 4로 O 원자의 전기음성도 3.5보다 높기 때문에 Y-O 결합의 결합에너지와 비교하여 Y-F 결합의 결합에너지가 더 높은 영역에서 측정되므로 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되면 Y-O 결합이 분해되고 반응성 기체 및 라디칼 등에서 해리된 이온과 반응하여 Y-F 결합을 새롭게 형성하면서 YOF 불화층이 생성된다는 것을 증명할 수 있었다.
도 21은 본 발명에서 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되기 이전의 F 성분함량에 따른 불화 대상물에 대하여 표면에서 내부까지 깊이별로 Y3d 오비탈에 해당되는 결합에너지를 분석하여 원자들의 결합상태를 나타내는 테이블이다.
표면에서부터 수 ㎚ 단위로 스퍼터링을 수행하면서 Y3d 오비탈에 해당되는 결합에너지의 변화를 분석한 결과, 불화 가공 방법을 적용되기 이전에 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅(비교 예)은 표면에서 1000nm 깊이까지 결합에너지의 변화는 전혀 나타나지 않았지만 본 발명에 따른 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물의 모든 코팅은 표면에서 내부로 갈수록 더 낮은 결합에너지로 이동하는 경향이 확인되었다.
이는 도 19에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물은 표면에서 내부로 갈수록 F 성분함량이 감소함과 동시에 O 성분함량이 상대적으로 증가하는 경향을 나타내었는데 O 성분함량이 증가하게 되면 F 원자보다 더 낮은 전기음성도를 가지는 O 원자의 농도가 증가하게 되므로 Y-O 결합이 Y-F 결합의 크기보다 상대적으로 더 높아져 결합에너지는 점차적으로 낮은 값으로 이동한다는 것을 확인할 수 있었다.
도 22는 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출된 이후의 F 성분함량에 대한 엑스선 광전자 분광법 분석을 나타내는 테이블이다.
F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되기 이전과 동일하게 F 성분함량에 따른 불화 대상물에 대해 코팅의 표면에서 내부까지 깊이에 따른 F 성분의 변화를 확인하였고 다음으로 불화 대상물의 표면에서 Y3d 오비탈에 해당되는 결합에너지를 분석하여 원자들의 결합상태를 확인하였다.
표면에서부터 수 ㎚ 단위로 스퍼터링을 수행하면서 깊이별에 따른 F 성분함량의 변화를 분석한 결과, 불화 가공 방법을 적용되기 이전에 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅(비교 예)뿐만 아니라 본 발명에 따른 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물의 모든 코팅에서 F 성분이 검출되었고, 내부로 갈수록 급격하게 감소하다 완만해지는 경향이 확인되었다.
깊이별 F 성분함량의 차이가 발행하는 이유는 표면에서는 플라즈마에 해리된 F 라디칼의 농도가 높아 빠르게 화학반응이 일어나고 이후에 미세기공이나 균열 등을 통하여 코팅 내부로 F 라디칼이 확산되어 침투하기 때문에 F 라디칼의 농도가 낮아 화학반응 속도가 늦어지는 것으로 확인되었다.
한편, F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되기 이전의 F 성분함량에 따른 불화 대상물에 대해 뎁스 프로파일링(Depth Profiling)을 이용하여 불화 가공 방법을 적용되기 이전에 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅(비교 예)은 Y3d 오비탈을 분석한 결과, 결합에너지 156.6eV 및 158.2eV에서 Y-O 결합에 해당되는 두 개의 Peak 이외에 더 높은 결합에너지 159.1eV 및 161.1eV에서 Y-F 결합도 확인되었는데 이것은 F계열 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되면 Y-O 결합이 분해되고 반응성 기체 및 라디칼 등에서 해리된 이온과 반응하여 Y-F 결합을 새롭게 형성하면서 YOF 불화층이 생성된다는 것이 분명히 보여주었다.
도 23 및 도 24는 본 발명에서 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출되기 이전과 이후의 F 성분함량에 대한 투과전자현미경 이미지 및 회절패턴을 나타내는 테이블이다.
먼저, 불화 가공 방법을 적용되기 이전에 대기 플라즈마 용사법으로 제조된 Y2O3 코팅(비교 예)를 분석한 결과, 플라즈마에 노출되기 이전에는 오직 결정의 방향이 일정한 Y2O3에 해당되는 단결정이 관찰되었으나 플라즈마 노출된 이후에는 Y2O3에 해당되는 단결정에 인접하여 YOF에 해당되는 단결정이 형성되었고 더 나아가 표면으로 갈수록 YOF에 해당되는 다결정이 관찰되는 삼중 구조가 확인되었다.
반면, 본 발명에 따른 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물은 플라즈마에 노출되기 이전에는 실시 예-2와 실시 예-2는 Y2O3에 해당되는 단결정에 인접하여 YOF에 해당되는 단일상이 형성된 이중 구조가 확인되었으나, 실시 예 3은 플라즈마에 노출된 이후의 비교 예와 동일하게 Y2O3에 해당되는 단결정에 인접하여 YOF에 해당되는 단일상이 형성되었고 더 나아가 표면으로 갈수록 YOF에 해당되는 다결정이 관찰되는 삼중 구조가 확인되었다.
한편, 본 발명에 따른 불화 가공 방법이 적용된 불화 대상물은 플라즈마에 노출되기 이후에는 실시 예-1은 플라즈마에 노출되기 이전과 동일하게 Y2O3에 해당되는 단결정에 근접하여 YOF에 해당되는 단일상이 형성된 이중 구조를 그대로 유지하였지만 실시 예-2와 실시 예 3은 비교 예와 동일하게 Y2O3에 해당되는 단결정에 인접하여 YOF에 해당되는 단일상이 형성되었고 더 나아가 표면으로 갈수록 YOF에 해당되는 다결정이 관찰되는 삼중 구조가 확인되었다.
최근에 Y2O3 벌크체를 바이어스 전압 150V에서 120분 동안 F 성분의 부식성 가스를 포함하는 플라즈마에 노출시켰더니 다결정립에서 식각 정도가 차이를 보이며 특정 결정립 방향에서 더 많은 식각이 발생하는 알려져 있다.("Erosion behavior of Y2O3 in fluorine-based etching plasmas: Orientation dependency and reaction layer formation Fluorinated-Alumina", Moritz Kindelmann et. al. Journal of American Ceramistry Society 2021 104 1465-1474)
따라서, 도 18과 19에서 언급한 오염입자 수와 비교하여 설명해 보면, YOF에 해당되는 다결정을 포함하지 않는 실시 예-2가 가장 적은 오염입자 수를 나타내었는데 이는 오염입자 발생의 원인 중 하나가 결정립의 방향성에 기인한 것으로 판단되었다.
한편, 상기한 본 발명에 따른 불화 가공 방법의 설명에서, 제1 단계 내지 제4 단계(S100 내지 S100)에서 처리 챔버 내의 분위기는 대기압 분위기로 이루어지는 것으로 설명하고 있지만, 상기한 바와 같이 불화 개질층의 YOF 표면층에서 F 성분이 상기한 바와 같은 조성비를 갖는 것이라면, 처리 챔버 내의 분위기는 진공 분위기 또는 대기압 분위기가 아닌 다른 분위기에서 이루어질 수 있으며, 이러한 분위기에서의 F성분의 조성비 조정은 앞서 언급한 바와 같이 다양한 공정 환경이나 여건에 따른 파라미터(가스 유량비, 플라즈마 강도(고주파전력 세기), 챔버 분위기, 챔버 온도 등)를 통해 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체 장비의 불화대상물의 불화 가공 방법 및 이에 의해 불화 가공된 부품에 의하면, 반도체 건식식각 장비에 장착되는 내플라즈마 코팅을 대상으로 상온 대기압 상태에서 고주파 플라즈마를 통해 특정의 공정 인자로 부품을 불화 가공할 수 있는 신개념의 부품 불화 기술을 제공하며, 불화 코팅 시 발생하는 플라즈마 오염입자를 현저히 저감시킬 수 있어 불화 코팅 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 반도체 건식식각 장비에서 수행되고 있는 백업 공정 중 하나인 에이징 단계를 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있으며, 고밀도 및 고강도이고 대면적 대상물에 적용하면서도 상대적으로 비용을 절감할 수 있고, 에이징 단계에서 수행되는 불화(공정) 속도를 향상시켜 생산성을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S100: 불화대상물 배치 단계
S200: 혼합가스 도입 단계
S300: 혼합가스 인입 단계
S400: 불화 단계
S200: 혼합가스 도입 단계
S300: 혼합가스 인입 단계
S400: 불화 단계
Claims (9)
- 불화 대상물의 표면을 불화시키기 위한 가공 방법으로서,
플라즈마 반응 공간을 갖는 처리 챔버에 불화 대상물을 배치하는 제1 단계;
상기 처리 챔버에 사용 가스를 도입시키되, 상기 사용 가스는 He, Ne, Ar, Kr, Xe 중에서 선택된 방전 가스와, O2, N2, 에어(air) 중에서 선택된 비불소 반응성 가스와, CF4, C2F6, C4F8 등 불소를 포함하는 불화탄소 또는 삼불화질소(NF3) 가스 중에서 선택된 불소 함유 반응성 가스의 혼합 가스이며, 상기 처리 챔버에 상기 혼합 가스를 도입하는 제2 단계;
상기 처리 챔버로 도입된 상기 혼합 가스를 상기 플라즈마 반응 공간으로 인입시키는 제3 단계; 및
상기 처리 챔버에 고주파 전력을 인가하여 상기 플라즈마 반응 공간에 플라즈마를 발생시키고, 발생된 불소를 포함하는 라디칼 기체 및 플라즈마로 상기 불화 대상물의 표면을 불화시켜 불화 개질층을 형성시키는 제4 단계;를 포함하며,
상기 불화 개질층의 표면층을 형성하는 YOF에서 F 성분이 1 ~ 10 at.%(atomic percentage)인 것을 특징으로 하는
불화 대상물의 불화 가공 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 단계 내지 제4 단계에서 처리 챔버 내의 분위기는 대기압 분위기 또는 진공 분위기로 이루어지는 것을 특징으로 하는
불화 대상물의 불화 가공 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 혼합가스 인입 단계는,
사용 가스로서 방전 가스인 아르곤(Ar) 가스와, 비 불소 반응성 가스인 산소(O2), 및 불소 함유 반응성 가스인 사불화탄소(CF4)의 혼합 가스가 인입되며, Ar, O2 , CF4의 유량비(Ar : O2 : CF4)는 (0.1~60) : (0.1 ~ 10) : (0.1 ~ 10)인 것을 특징으로 하는
불화 대상물의 불화 가공 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 불화 단계에서 고주파 전원은 주파수가 1 ~ 100MHz이며, 고주파 전력이 300 ~ 400W 인 것을 특징으로 하는
불화 대상물의 불화 가공 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 처리 챔버 내의 온도는 상온에서 400℃이하인 것을 특징으로 하는
불화 대상물의 불화 가공 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제3 단계 및 제4 단계는 반복 실행되는 것을 특징으로 하는
불화 대상물의 불화 가공 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 불화 대상물과 플라즈마 간의 거리는 2mm 이상 5mm 이하인 것을 특징으로 하는
불화 대상물의 불화 가공 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 불화 대상물의 불화 코팅층은 150 ~200㎛ 두께로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는
불화 대상물의 불화 가공 방법. - 청구항 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 불화 대상물의 불화 가공 방법에 의해 가공된 부품.
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| TWI823636B (zh) | 2023-11-21 |
| US20230212732A1 (en) | 2023-07-06 |
| US11898254B2 (en) | 2024-02-13 |
| TW202326979A (zh) | 2023-07-01 |
| CN116411254A (zh) | 2023-07-11 |
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