KR20240066571A - 원뿔 구조와 홀의 균일도를 가지며 표면거칠기를 향상시킨 갖는 캐소드 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 X축과 Z축으로 동작하는 칼럼들이 구성되며, 캐소드 가공을 위한 가공툴이 구성된 가공장치와 연마툴을 구비하는 연마장치를 이용하여 반도체 에칭장치의 상부 전극에 체결되는 캐소드 제조방법에 있어서, 평면 형상의 캐소드를 가공장치의 회전스테이지에 안착시켜 고정하는 캐소드고정단계; 상기 캐소드의 상측 표면에 가공장치의 툴을 맞닿게 하되, 상기 툴이 수평회전되도록 배치하는 툴배치단계; 상기 가공툴의 외측면이 캐소드의 표면과 맞닿게 하여, 캐소드를 곡면가공하되, 상기 가공툴은 황삭가공툴, 중삭가가공툴, 정삭가공툴을 각각 구비하여, 중앙부가 원뿔형태가 형성되도록 각각의 가공툴을 교체시키면서 황삭, 중삭, 정삭 가공하는 캐소드곡면가공단계; 상기 캐소드의 상, 하부에 초음파 드릴을 이용하여 다수의 홀을 가공하되, 한번의 작업으로 상기 다수의 홀을 일시에 가공하는 홀가공단계; 상기 홀가공단계 후 연마장치의 툴의 하단부에 세륨패드를 장착하고, 툴의 회전속도 150~200RPM, 래핑연마재로 분말형태의 #1200 또는 액상타입의 컴폴슬러리 WP3040, 연마시간 30 또는 60분으로 하여 연마하는 연마단계;를 포함하여 이루어짐으로써, 본 발명의 원뿔 구조와 홀의 균일도를 갖는 캐소드 가공방법에 의하면, 캐소드를 가공하는 본연의 목적을 그대로 유지함과 동시에, 캐소드를 가공할 시, 캐소드를 가공하는 가공툴이 수평회전이 가능토록 하여, 보다 많은 툴의 외측이 캐소드와 맞닿게 하여 신속한 가공이 가능토록 하는 한편, 캐소드를 가공 시, 곡면 가공을 하되, 원뿔구조로 가공되도록 하여 식각공정 식각이 중앙부에 집중된다고 하더라도 종래 대비 캐소드의 수명연장 및 교체 주기의 지연을 통해 경제적 효율성을 동시에 확보할 수 있으며, 캐소드에 수백의 미세홀을 가공 시, 일시에 가공하도록 하여 가공된 홀의 균일성을 확보할 수 있고, 캐소드의 표면거칠기가 향상된 유용한 발명이다.

Description

원뿔 구조와 홀의 균일도를 가지며 표면거칠기를 향상시킨 갖는 캐소드 가공방법{A cathode processing method with conical structure and hole uniformity and improved surface roughness}

본 발명은 원뿔 구조와 홀의 균일도를 가지며 표면거칠기를 향상시킨 갖는 캐소드 가공방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 식각공정에서 중앙부분에 식각이 집중되는 경향의 캐소드의 구조를 원뿔 구조로 가공하여 상기 중앙부의 두께를 국부적으로 증가시켜 캐소드의 수명연장 및 교체 주기의 지연을 통해 경제적 효율성을 높일 수가 있고, 캐소드에 가공하는 수백개의 미세홀을 일시에 가공하여, 홀의 균일성을 확보할 수 있으며, 연마시 표면거칠기를 향상시킬 수 있는 최적의 조건을 부여할 수 있는 기술이다.

반도체 Dry Etching(에칭) 공정은 Wafer가 놓여있는 챔버에 Plasma 상태의 이온들을 이용해서 물리적 또는 화학적으로 에칭을 수행하는 공정으로, 웨이퍼 표면의 산화막 제거를 통해 회로 패턴을 성형하는 반도체 전공정의 핵심 공정이다.

에칭 장비에 적용되는 Cathode(캐소드)는 챔버의 상부에 위치하는 Electrode와 체결되어, 챔버 내부에 가스를 균일하게 흘려주는 역할을 하는 부품으로 주로 Si 소재의 원형 플레이트에 수백 개의 Φ0.4~0.8의 미세 홀로 구성되어 있다. 에칭 공정의 특성상 Cathode는 플라즈마에 의한 식각이 발생하여 수명이 제한적이며, 주기적인 교체가 필요한 부품이다.

한편, 캐소드는 장비 상부의 Electrode에 체결되어 Gas를 Chamber 내부에 고르게 분포시키는 역할을 하는 부품으로, 가스가 Cathode의 홀을 통과하면서 홀 주변과 표면을 식각하게 된다.

종래의 캐소드는 표면이 Flat 한 형상으로, 에칭 공정 중에 캐소드(Cathode)에 식각이 같이 이루어져 에칭 공정 중 캐소드에 발생하는 식각이 중앙부에 집중되며 그 두께가 얇아져서 수명이 한계에 달해 주기적인 교체가 필요한데, 이러한 교체에 따른 소모품에 대한 직접적인 비용도 발생하지만, 챔버를 한번 오픈할 때마다 공정 중단으로 발생하는 Loss가 더 큰 문제로, 업계에서는 수명향상을 통한 교체 비용 절감을 위해 많은 노력을 기울이고 있다.

우선 종래의 기술들을 살펴보면,

등록번호 10-0465844호(특) 다수의 팁들이 돌출 형성된 공구혼에 대향하도록 설치된 실리콘재질의 원판에 식각액과 연마제가 혼합된 연마액 및 초음파에 의해 상기 팁을 이용하여 실리콘재질의 원판에 홀을 뚫어 캐소드전극을 제조하는 방법에 있어서: 상기 공구혼의 팁에 2㎑ 내지 15㎑의 저음파를 발생시켜 인가시키는 단계; 인가되는 상기 저음파에 의해 통상의 공구혼 및 팁을 반복 진동시키면서 분사되는 통상의 연마액의 입자를 원판과 충돌시켜 다수의 홀을 원판상의 일정구획에 형성하는 단계;를 반복적으로 수행하는 에칭장비용 캐소드전극의 홀 가공 방법에 관한 기술이다.

등록번호 10-1485123호(특) 캐소드 전극판으로 제작될 잉곳(Ingot)을 특정 길이로 절단하는 잉곳 절단 단계; 상기 절단된 잉곳의 상, 하면에 대한 평탄화를 실시하는 잉곳 평탄화 단계; 상기 평탄화된 잉곳의 측면에 대한 가공을 실시하는 측면 가공 단계; 상기 측면 가공이 이루어진 잉곳에 캐소드 전극판의 외형을 형성하는 외형 가공 단계; 상기 외형 가공 단계가 이루어진 캐소드 전극판에 프라즈마 가스가 통과되는 가스 통과 홀을 가공하기 위한 드릴링 단계; 및 상기 드릴링이 완료된 캐소드 전극판의 상, 하면에 대한 폴리싱(Polishing)을 실시하는 폴리싱 단계;를 포함하고, 상기 드릴링 단계는, 외형이 완성된 캐소드 전극판을 CNC장비에 고정시키는 단계; 상기 고정된 캐소드 전극판의 상면에 형성될 가스 통과 홀의 정확한 위치에 드릴링을 실시 하기 위해 상기 캐소드 전극판의 상면에 다수개의 가이드 홈을 가공하는 가이드 홈 가공 단계; 및 상기 가이드 홈에 드릴링을 실시하는 단계;를 포함하는 캐소드 전극판의 제작방법에 관한 기술이다.

상기한 종래 기술은 캐소드의 가공방법 및 홀을 가공하는 방법을 설명하고 있지만, 캐소드의 식각이 가장 많이 집중되게 이루어지는 중앙부분에 대한 구체적인 문제점을 보완하기 위한 기술에 대한 언급이 전혀 없어 종래의 기타 다양한 가공방법으로 가공된 캐소드와 같이 식각 시 중앙부분으로 집중되는 것을 방지할 수가 없는 기술이고, 상기 캐소드에 홀을 가공하는 기술은 개별적으로 가공함에 따라, 각각의 홀의 크기가 균일치 못하는 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출해낸 것으로, 에칭 공정 중 캐소드에 발생하는 식각이 중앙부에 집중되는 경향이 있는 현상을 역으로 이용하여 국부적으로 캐소드의 중앙부분의 두께를 증가시킬 수 있도록 하는 구조로 캐소드를 가공토록 하여 식각공정 시 상기 캐소드의 수명향상 및 교체 주기의 지연을 통한 경제적 효율성을 동시에 확보할 수 있도록 하며, 상기 캐소드의 표면에 가스가 이동하는 수백개의 미세홀을 일시에 가공토록 하여 가공된 홀의 균일성을 확보 및 표면거칠기를 향상시킬 수 있는 원뿔 구조와 홀의 균일도를 가지며 표면거칠기를 향상시킨 갖는 캐소드 가공방법을 제공함에 주안점을 두고 그 기술적 과제로 창안하였다.

이에 본 발명은,X축과 Z축으로 동작하는 칼럼들이 구성되며, 캐소드 가공을 위한 가공툴이 구성된 가공장치와 연마툴을 구비하는 연마장치를 이용하여 반도체 에칭장치의 상부 전극에 체결되는 캐소드 제조방법에 있어서, 평면 형상의 캐소드를 가공장치의 회전스테이지에 안착시켜 고정하는 캐소드고정단계; 상기 캐소드의 상측 표면에 가공장치의 툴을 맞닿게 하되, 상기 툴이 수평회전되도록 배치하는 툴배치단계; 상기 가공툴의 외측면이 캐소드의 표면과 맞닿게 하여, 캐소드를 곡면가공하되, 상기 가공툴은 황삭가공툴, 중삭가가공툴, 정삭가공툴을 각각 구비하여, 중앙부가 원뿔형태가 형성되도록 각각의 가공툴을 교체시키면서 황삭, 중삭, 정삭 가공하는 캐소드곡면가공단계; 상기 캐소드의 상, 하부에 초음파 드릴을 이용하여 다수의 홀을 가공하되, 한번의 작업으로 상기 다수의 홀을 일시에 가공하는 홀가공단계; 상기 홀가공단계 후 연마장치의 툴의 하단부에 세륨패드를 장착하고, 툴의 회전속도 150~200RPM, 래핑연마재로 분말형태의 #1200 또는 액상타입의 컴폴슬러리 WP3040, 연마시간 30 또는 60분으로 연마하는 연마단계를 포함하여 이루어지는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명의 원뿔 구조와 홀의 균일도를 갖는 캐소드 가공방법에 의하면, 캐소드를 가공하는 본연의 목적을 그대로 유지함과 동시에, 캐소드를 가공할 시, 캐소드를 가공하는 가공툴이 수평회전이 가능토록 하여, 보다 많은 툴의 외측이 캐소드와 맞닿게 하여 신속한 가공이 가능토록 하는 한편, 캐소드를 가공 시, 곡면 가공을 하되, 원뿔구조로 가공되도록 하여 식각공정 식각이 중앙부에 집중된다고 하더라도 종래 대비 캐소드의 수명연장 및 교체 주기의 지연을 통해 경제적 효율성을 동시에 확보할 수 있으며, 캐소드에 수백의 미세홀을 가공 시, 일시에 가공하도록 하여 가공된 홀의 균일성을 확보할 수 있고, 캐소드의 표면거칠기가 향상된 유용한 발명이다.

도 1은 반도체 제조 공정을 나타내는 도면
도 2는 종래의 에칭 공정으로 인해 캐소드의 식각이 발생하는 것을 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 공정을 통해 가공된 캐소드를 나타내는 정단면도
도 4는 본 발명의 캐소드의 곡면 가공 방법을 나타내는 도면
도 5는 본 발명의 캐소드의 미세홀의 가공방법을 나태는 도면
도 6은 본 발명의 연마장비 및 조건을 나타내는 도면
도 7은 본 발명의 연마장치에 세륨패드를 장착한 것을 나타내는 도면
도 8은 본 발명의 연마단계에서 사용하는 연마재에 대한 것을 나타내는 도면

통상적으로 반도체 Dry Etching(에칭) 공정은 도 1에 도시된 바와 같이, Wafer가 놓여있는 챔버에 Plasma 상태의 이온들을 이용해서 물리적 또는 화학적으로 에칭을 수행하는 공정으로, 웨이퍼 표면의 산화막 제거를 통해 회로 패턴을 성형하는 반도체 전공정의 핵심 공정이다.

에칭 장비에 적용되는 Cathode(캐소드)는 챔버의 상부에 위치하는 Electrode와 체결되어, 챔버 내부에 가스를 균일하게 흘려주는 역할을 하는 부품으로 주로 Si 소재의 원형 플레이트에 수백 개의 Φ0.4~0.8의 미세 홀로 구성되어 있다. 에칭 공정의 특성상 Cathode는 플라즈마에 의한 식각이 발생하여 수명이 제한적이며, 주기적인 교체가 필요한 부품이다.

한편, 캐소드는 장비 상부의 Electrode에 체결되어 Gas를 Chamber 내부에 고르게 분포시키는 역할을 하는 부품으로, 가스가 Cathode의 홀을 통과하면서 홀 주변과 표면을 식각하게 된다.

종래의 캐소드는 표면이 Flat 한 형상으로, 에칭 공정 중에 캐소드(Cathode)에 식각이 같이 이루어져 도 2에 도시된 바와 같이, 에칭 공정 중 캐소드에 발생하는 식각이 중앙부에 집중되며 그 두께가 얇아져서 수명이 한계에 달해 주기적인 교체가 필요한데, 이러한 교체에 따른 소모품에 대한 직접적인 비용도 발생하지만, 챔버를 한번 오픈할 때마다 공정 중단으로 발생하는 Loss가 더 큰 문제로, 업계에서는 수명향상을 통한 교체 비용 절감을 위해 많은 노력을 기울이고 있다.

이에 본 발명은 식각공정에서 중앙부분에 식각이 집중되는 경향의 캐소드의 구조를 원뿔 구조로 가공하여 상기 중앙부의 두께를 국부적으로 증가시켜 캐소드의 수명연장 및 교체 주기의 지연을 통해 경제적 효율성을 높일 수가 있고, 캐소드에 가공하는 수백개의 미세홀을 일시에 가공하여, 홀의 균일성을 확보할 수 있으며, 연마시 표면거칠기를 향상시킬 수 있는 최적의 조건을 부여할 수 있는 원뿔 구조와 홀의 균일도를 가지며 표면거칠기를 향상시킨 갖는 캐소드 가공방법을 제공한다.

이하 본 발명을 도 1 내지 도 8을 참고하여 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

우선 본 발명을 설명하기에 앞서 캐소드를 가공하기 위한 장치를 간략하게 설명하면, 메인 몸체와, 상기 메인몸체 상에 X축과 Z축으로 동작하는 칼럼들이 구성되고, 상기 몸체의 전면에 캐소드를 가공하기 위한 툴이 구비되며, 상기 툴의 하부에 캐소드가 안착되어 고정하는 테이블이 구성된다.

상기한 바와 같은 캐소드 가공장치를 이용하여 캐소드를 가공하는데, 본 발명은 캐소드고정단계, 툴배치단계, 캐소드곡면가공단계, 홀가공단계, 연마단계를 포함하여 이루어진다.

상기 캐소드고정단계는, Flat 형상 즉, 평면 형상의 캐소드를 상기 가공장치의 회전스테이지에 안착시켜 고정하게 된다.

이때, 상기 회전스테이지의 경우 하기될 툴배치단계에서 배치되는 툴과 서로 다른 방향으로 회전될 수 있도록 하여, 캐소드를 가공 시, 신속한 가공이 이루어질 수 있도록 하며, 상기 회전스테이지의 구조는 하부에 지면으로부터 견고히 고정될 수 있는 베이스몸체와, 상기 베이스몸체의 중앙부에 수직방향으로 축 설치되는 회전판으로 구성되어, 상기 회전판에 가공을 위한 캐소드가 안착 구성되는 것이 바람직하다.

상기 툴배치단계는 상기 캐소드의 상측 표면에 가공장치의 툴을 맞닿게 하되, 상기 툴이 수평회전되도록 배치하는 단계로써, 상기 캐소드고정단계에서 설명한 바와 같이, 툴이 회전하는 방향과 다른 방향으로 회전스테이지가 회전되도록 하여, 상기 툴을 이용하여 캐소드의 표면을 곡면 형상으로 신속 정확하게 가공할 수 있게 된다.

한편, 상기 캐소드곡면가공단계는, 도 3에 도시된 바와 같이, 가공툴의 외측면이 캐소드의 표면과 맞닿게 하여, 캐소드를 곡면가공하되, 상기 가공툴은 표 1 내지 도 6에 나타내는 바와 같이 황삭가공툴, 중삭가가공툴, 정삭가공툴을 각각 구비하여, 중앙부가 원뿔형태가 형성되도록 각각의 가공툴을 교체시키면서 황삭, 중삭, 정삭 가공하여 원뿔형상으로 형성되는 캐소드를 곡면가공하게 된다.

이때, 상기 캐소드를 가공 시, 다이아몬드 입자 이탈방지를 위하여 상기 캐소드의 하부와 회전스테이지의 상부에 본딩작업을 통해 정확한 고정을 이루도록 한다.

여기서, 도 4에 도시된 바와 같이, 곡면가공 시, 외경에서 내경측으로 가공하면서 발생하는 스텝 형상을 최소화할 수 있도록 하고, 툴을 회전시키는 연삭장치의 회전속도, 절입속도, 절입량 및 표면거칠기, 치핑 등의 가공분석을 통해 보다 안정적이면서도 자연스러은 곡면 가공이 이루어지도록 한다.

상기한 바와 같이 캐소드곡면가공단계를 거쳐서 정삭가공 후 캐소드의 가장자리에 대하여 번호를 매겨 표면 거칠기를 측정하였고 그 표 7 내지 표 9에 나타내는 바와 같이 나타났다.

상기 홀가공단계는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 캐소드의 상, 하부에 초음파 드릴을 이용하여 다수의 홀을 가공하게 되는데 이때, 종래에 캐소드의 홀 가공방법과 달리, 홀 가공을 위한 가공장치로, 일시에 수백개의 홀을 가공토록 하여, 가공된 홀의 균일성을 가질 수가 있게 된다.

이러한 가공된 홀의 균일성은 가스가 이동함에 있어서 균일한 이동을 통해 투입 및 배출이 이루어짐에 따라 식각공정에서의 작업불량 등을 미연에 방지할 수가 있다.

상기 연마단계는 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 홀가공단계 후 연마장치의 툴의 하단부에 세륨패드를 장착하고, 툴의 회전속도 150~200RPM, 래핑연마재로 분말형태의 #1200 또는 액상타입의 컴폴슬러리 WP3040, 연마시간 30 또는 60분으로 하여 연마하는 단계이다.

한편, 표 10에 나타내는 바와 같이 상기 조건을 통해 연마 후 표면거칠기를 측정하였다.

표 11은 연마단계 후 캐소드의 표면 거칠기를 측정한 사진이다.

표 12는 캐소드의 가장자리 4곳을 임의적으로 선정하여 표면거칠기를 측정하였다.

표 13 내지 도 16은 각각의 조건에 따른 표면거칠기값을 나타낸 것이다.

표 17은 각각의 조건별로 표면거칠기를 분석한 결과 값이다.

상기한 바와같이 본 발명의 연마단계에서 특정된 연마조건을 통해 단순히 캐소드곡면가공단계에서 표면거칠기를 측정한 값과 연마단계 후 캐소도의 표면거칠기를 측정한 값을 비교해보면 표면거칠기가 향상된 것을 알 수가 있다.

본 발명의 원뿔 구조와 홀의 균일도를 갖는 캐소드 가공방법에 의하면, 캐소드를 가공하는 본연의 목적을 그대로 유지함과 동시에, 캐소드를 가공할 시, 캐소드를 가공하는 가공툴이 수평회전이 가능토록 하여, 보다 많은 툴의 외측이 캐소드와 맞닿게 하여 신속한 가공이 가능토록 하는 한편, 캐소드를 가공 시, 곡면 가공을 하되, 원뿔구조로 가공되도록 하여 식각공정 식각이 중앙부에 집중된다고 하더라도 종래 대비 캐소드의 수명연장 및 교체 주기의 지연을 통해 경제적 효율성을 동시에 확보할 수 있으며, 캐소드에 수백의 미세홀을 가공 시, 일시에 가공하도록 하여 가공된 홀의 균일성을 확보할 수 있고, 캐소드의 표면거칠기가 향상된 유용한 발명이다.

Claims (1)

1. X축과 Z축으로 동작하는 칼럼들이 구성되며, 캐소드 가공을 위한 가공툴이 구성된 가공장치와 연마툴을 구비하는 연마장치를 이용하여 반도체 에칭장치의 상부 전극에 체결되는 캐소드 제조방법에 있어서,
   평면 형상의 캐소드를 가공장치의 회전스테이지에 안착시켜 고정하는 캐소드고정단계;
   상기 캐소드의 상측 표면에 가공장치의 툴을 맞닿게 하되, 상기 툴이 수평회전되도록 배치하는 툴배치단계;
   상기 가공툴의 외측면이 캐소드의 표면과 맞닿게 하여, 캐소드를 곡면가공하되, 상기 가공툴은 황삭가공툴, 중삭가가공툴, 정삭가공툴을 각각 구비하여, 중앙부가 원뿔형태가 형성되도록 각각의 가공툴을 교체시키면서 황삭, 중삭, 정삭 가공하는 캐소드곡면가공단계;
   상기 캐소드의 상, 하부에 초음파 드릴을 이용하여 다수의 홀을 가공하되, 한번의 작업으로 상기 다수의 홀을 일시에 가공하는 홀가공단계;
   상기 홀가공단계 후 연마장치의 툴의 하단부에 세륨패드를 장착하고, 툴의 회전속도 150~200RPM, 래핑연마재로 분말형태의 #1200 또는 액상타입의 컴폴슬러리 WP3040, 연마시간 30 또는 60분으로 하여 연마하는 연마단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원뿔 구조와 홀의 균일도를 갖는 캐소드 가공방법.