WO2019054617A1 - 내플라즈마 특성이 향상된 플라즈마 에칭 장치용 부재 및 그 제조 방법 - Google Patents

내플라즈마 특성이 향상된 플라즈마 에칭 장치용 부재 및 그 제조 방법 Download PDF

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고현철
김선태
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Definitions

  • the present invention relates to a member for a photo-plasma etching apparatus and a method of manufacturing the same, and more particularly to a technique for improving plasma plasma characteristics of a member for a plasma etching apparatus by utilizing a thermal diffusion phenomenon of a rare-earth metal thin film.
  • the importance of the plasma dry etching process is becoming more and more important to perform fine processing for high integration of substrate circuits such as silicon wafers.
  • the plasma etch process can have a much higher vertical etch rate than the horizontal etch rate, the resulting aspect ratio of the etched pattern can be properly controlled.
  • a very fine pattern having a large aspect ratio can be formed on a film having a thickness of about 1 micrometer.
  • the chamber environment in equipment for performing such a dry etching process is required to have high cleanliness as the processing level is miniaturized.
  • a highly corrosive gas such as fluoride or chloride is used, and this process gas has a problem of corrosion inside the chamber as well as the wafer.
  • a chamber member In order to be used in such an environment, materials having excellent plasma resistance are used as a chamber member. Typical examples thereof include an alumite, an alumina sintered body, and a quartz member.
  • the quartz member is used despite the fact that the dry plasma etching rate is higher than other materials, which is due to a special purpose.
  • the quartz member is the edge ring which surrounds the wafer.
  • SiF 4 silicon fluoride
  • quartz members are mostly used.
  • quartz member used is an end point analysis member, which is an accessory device for controlling the etching of the material to a desired depth by analyzing the wavelengths generated during the etching process.
  • the material suitable for observing the inside can be a transparent material and the transparency of the quartz precisely matches the purpose. However, in the case of quartz, plasma resistance is much lower than that of other materials.
  • edge rings surrounding silicon wafers among quartz members are exposed to the risk of arc discharge due to differences in electrical characteristics between wafers and gaps if other films of 10 ⁇ m or more are formed.
  • process parameters such as CD and EPD are changed due to variation of dielectric constant around the chamber.
  • the surface of the quartz member is subjected to a bead blast process to form a roughness.
  • the surface of the quartz member is damaged by such a physical impact and cracks and fatigue fractures And there is a limit in that it is not possible to uniformly control the film at a level of 10 ⁇ or less.
  • quenching effect is exemplified by the technical feature of the spraying method, and quartz has a strong binding force from the atomic point of view and is extremely vulnerable to heat shock. Thermal stress is accumulated due to the quenching effect generated in the spraying method, and degradation of the material property due to residual stress may also be a problem.
  • the film can be etched by CF 4 plasma ions and radicals used in the process to generate particles to contaminate the wafer.
  • Korean Patent No. 10-0727672 discloses a member for a plasma etching apparatus, and more particularly, to a member for a plasma etching apparatus, more specifically a member made of quartz glass, aluminum, an alumite or a combination thereof, A member for a plasma etching apparatus in which yttrium oxide or YAG coating having a surface roughness Ra of not more than 10 mu m and a surface roughness Ra of not more than 1 mu m is formed on the surface of the member, and a method of plasma-spraying yttrium oxide or YAG, Or a YAG powder is coated with an oxyhydrogen flame to cover it, a method in which a solution in which yttrium or a yttrium compound or YAG is dissolved is applied, followed by heating and melting, or a combination thereof, Describes a production technique for forming a yttrium oxide or YAG film having a deviation of 10% or less, preferably
  • Korean Patent No. 10-0689889 discloses a plasma-resistant quartz glass and a method of manufacturing the plasma-resistant quartz glass, and more particularly to a plasma-resistant jig material used for semiconductor manufacturing, A quartz glass jig excellent in corrosion resistance to a silicon wafer and usable without causing any abnormality in a silicon wafer, and a manufacturing method thereof.
  • the first metal element is at least one selected from Group 3B of the periodic table and at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y ,
  • the inventors of the present invention have developed a plasma etching apparatus having a plasma etching apparatus having excellent plasma resistance through continuous processes of a metal film deposition and a heat treatment process in order to provide an effective and excellent method for improving plasma resistance through surface modification, As a result of repeated studies on manufacturing techniques, the present invention has been achieved.
  • the present invention also provides a member for a plasma etching apparatus having improved light transmittance and plasma resistance characteristics by using the method for manufacturing a member for a plasma etching apparatus.
  • a method of manufacturing a thin film transistor comprising: a) depositing a thin rare earth metal thin film on a substrate through a vacuum deposition method to a thickness of 0.01 ⁇ to 2.0 ⁇ ; And b) thermally treating the substrate on which the rare earth metal thin film is deposited in an atmosphere of nitrogen, oxygen, or argon at 1000 ° C to 2000 ° C for 2 to 40 hours.
  • the vacuum deposition method may be an electron beam physical vapor deposition (EBPVD) method or a sputtering method.
  • EBPVD electron beam physical vapor deposition
  • the rare earth metal may be at least one of yttrium, ytterbium, and samarium.
  • the melting point of the substrate material may be 1000 ° C or higher.
  • the substrate may be any one of quartz, alumina sintered body and sapphire.
  • said step b) may be a heat treatment time of 2 to 20 hours.
  • Another embodiment of the present invention provides a member for a plasma etching apparatus manufactured by the above manufacturing method, wherein the rare earth metal has a thermal diffusion layer thickness of 0.1 mu m to 10 mu m.
  • Another embodiment of the present invention provides a member for a transparent plasma etching apparatus, wherein the rare earth metal has a thermal diffusion layer thickness of 0.1 mu m to 10 mu m.
  • the member for a plasma etching apparatus there is no change in the electrical characteristics (breakdown voltage and dielectric constant) due to the doping effect of the rare earth metal, thereby minimizing the possibility of the process parameter change.
  • chemical bonding using the heat diffusion method It is possible to prevent deterioration of the physical properties of the material by eliminating the thermal stress of the material due to the heat treatment effect and maintain the transparency through the heat treatment after the deposition to maintain the original optical characteristics of the material, And so on.
  • the manufacturing method of the present invention is advantageous in terms of cost and time by simple deposition and heat treatment, and does not include a pretreatment process which causes physical damage such as a bead blast process.
  • FIG. 1 is a schematic view of an edge ring member for a plasma etching apparatus.
  • FIG. 3 shows SIMS analysis results for showing elemental analysis by depth before (A) heat treatment and after heat treatment (B) in Example 1.
  • FIG. 4 shows the results of SIMS analysis to show elemental analysis by depth before (A) heat treatment and after (B) heat treatment in Example 2.
  • a gate etching apparatus In the semiconductor manufacturing process, a gate etching apparatus, an insulating film etching apparatus, a resist film nicking apparatus, a sputtering apparatus, a CVD apparatus, and the like are used.
  • an etching apparatus for forming a thin film transistor is used.
  • a plasma generating mechanism is provided for the purpose of high integration by micromachining.
  • halogen-based corrosion gases such as fluorine-based and chlorine-based gases have been used in the above-mentioned apparatus due to their high reactivity.
  • fluorine-based gas include SF 6 , CF 4 , CHF 3 , ClF 3 , HF and NF 3.
  • chlorine-based gas include Cl 2 , BCl 3 , HCl, CCl 4 and SiCl 4 .
  • the present invention relates to a method of manufacturing a member for a plasma etching apparatus having excellent plasma resistance, and a method of manufacturing a member for a plasma etching apparatus having excellent plasma resistance, because the apparatus member exposed to these halogen- And to provide the above objects.
  • a method of manufacturing a thin film solar cell comprising the steps of: a) depositing a rare earth metal thin film 0.01 to 2.0 ⁇ ⁇ on a substrate through vacuum deposition; And b) thermally treating the substrate on which the rare earth metal thin film is deposited in an atmosphere of nitrogen, oxygen, or argon at 1000 ° C to 2000 ° C for 2 to 40 hours.
  • a representative example of the member for the plasma etching apparatus is mainly used as an edge ring, and a schematic diagram showing an edge ring shape is shown in FIG.
  • the edge ring may also be used in a chamber for plasma PVD, CVD, ion implantation, etc., as well as for a plasma etching apparatus.
  • the substrate material preferably has a melting point of 1000 ° C or higher.
  • the melting point of the substrate is lower than 1000 ° C, thermal degradation of the substrate may occur during the heat treatment.
  • the melting point is too high, thermal diffusion of the evaporation material may not sufficiently occur, and the diffusion depth may not be controlled.
  • the high temperature treatment may control deformation of the evaporation material.
  • the substrate may include oxide ceramics consisting of at least one element selected from the group consisting of Group 4 element, Group 5 element, Group 13 element and Group 14 element (for example, at least one element selected from silicon and aluminum) Or metals.
  • oxide ceramics consisting of at least one element selected from the group consisting of Group 4 element, Group 5 element, Group 13 element and Group 14 element (for example, at least one element selected from silicon and aluminum) Or metals.
  • Typical examples of such treatment members are silica or at least one selected from glass, alumina, anodized, machined aluminum, silicon and aluminum, and is preferably quartz, alumina sintered body or sapphire.
  • the quartz material may be selected from the group consisting of glass, synthetic silica, fused silica, fused quartz, high purity quartz, quartz sand and other suitable silicon-containing materials suitable for forming quartz glass compositions.
  • the quartz material can also be obtained by any suitable process.
  • the present invention is applicable to all substrates having a melting point of 1000 ° C or higher, and is thus easy to use as a material for a dry etching apparatus chamber member used in a semiconductor manufacturing process.
  • the vacuum deposition method can be performed by electron beam physical vapor deposition (EBPVD) or sputtering, and there is little difference in the quality of the rare-earth metal thin films obtained as a result of the above two methods.
  • EBPVD electron beam physical vapor deposition
  • sputtering there is little difference in the quality of the rare-earth metal thin films obtained as a result of the above two methods.
  • the electron beam physical vapor deposition accelerates electrons with an energy of several keV or more to irradiate a target material to melt the material, and the molten material moves to the gaseous state to form a film Mechanism.
  • the electron beam physical vapor deposition method is advantageous in manufacturing a thin film of a high melting point ceramics such as an oxide because the target material can be heated to a high temperature in a shorter time than the resistance heating deposition method using a filament or sputtering.
  • the present invention provides a method for manufacturing a rare-earth metal thin film, which comprises preparing a target with a solid rare-earth metal raw material in a vacuum chamber, melting the target with an electron beam to vaporize, and depositing the vaporized target material on the substrate do.
  • the sputtering method when a metal thin film is deposited on a member for a plasma etching apparatus having a complicated shape, the sputtering method is effective. Specifically, the sputtering method is widely used because a high-quality thin film can be easily obtained.
  • the sputtering method is a method of laminating a metal thin film and an insulator on a wafer.
  • the principle of sputtering is a physical process such as throwing a steel ball into a concrete wall. A collision ball removes pieces with chemical and physical properties such as concrete. When this process is repeated, the vicinity of the collision point is covered with concrete slabs.
  • sputtering In sputtering, 'steel balls' are ionized argon atoms and 'concrete walls' are sputtered material plates.
  • the sputtering process is performed in a vacuum chamber. Ionized argon is injected into the reaction chamber in which the target of the material to be sputtered and the wafer are located. The target is negatively charged compared to positively charged argon.
  • argon atoms are accelerated and, unlike ion implantation, argon atoms do not penetrate the target in sputtering. Instead, it collides with steel and slightly separates the target. Since the reaction chamber is a vacuum, the material that has fallen off is deposited all over the reaction chamber including the wafer.
  • the rare earth metals include 17 lanthanides from Lanthanum (La) to 71 (Lu), 21 scandium (Sc) and 39 yttrium (Y) Collectively.
  • the rare-earth metal element selected from Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu is preferably used as the rare- And more preferably Y, Sm and Yb. These rare-earth metal elements may be used singly or in combination of two or more species.
  • yttria an oxide of yttrium
  • quartz has several advantages over quartz.
  • yttria has a higher sputter critical energy than quartz, and is therefore a better sputter resistor.
  • yttria tends to form less volatile layers than quartz, the yttria film can last longer and can be induced to a longer average time between replacement of the yttria-film member.
  • yttria has a higher dielectric constant of eleven wins, while quartz has a dielectric constant of about 3.5 and can attain the desired binding of RF between the ground extension and the plasma.
  • Another advantage of using the yttria thin film is that a more effective use of the fluorine-containing process gas can be obtained. That is, when the fluorocarbon process gas is used in association with the quartz ring, the concentration of the fluorine species at the edge of the wafer can be removed due to the formation of volatile compounds, so that the entirety of the wafer substrate It may lead to a lack of uniformity and lower edge etch rate across the etch.
  • the yttria thin film member is a better sputter resistor than the quartz ring and does not readily form a fluorine compound, the use of the yttria thin film member can further improve the critical width and etch rate uniformity across the wafer substrate A chemically more uniform plasma can be generated.
  • the rare-earth metal thin film thickness is 0.01 ⁇ to 2.0 ⁇ in terms of improving the plasma resistance of the member for a plasma etching apparatus of the present invention. Specifically, if the thickness of the rare-earth metal thin film is less than 0.01 ⁇ , the thermal diffusion depth of the rare-earth metal component is reduced, and the sufficient doping effect of the rare-earth metal component does not occur. , And if the thickness of the rare earth metal thin film is more than 2.0 ⁇ ⁇ , this is not economically preferable.
  • the step b) is a step of doping a rare earth metal into a member for a plasma etching apparatus through thermal diffusion in an atmospheric, nitrogen, oxygen, or argon atmosphere, and the concentration of the final heat diffusion layer may vary depending on the atmosphere.
  • the step b) is preferably performed at a temperature of 1000 ° C to 2000 ° C.
  • the temperature condition is less than 1000 ⁇ , the rare earth metal component does not sufficiently diffuse into the member, and if the temperature condition exceeds 2000 ⁇ , it may change to another phase near the glass transition temperature.
  • the heat treatment temperature condition is preferably set differently depending on the atmosphere of the deposition and the kind of the member for the plasma etching apparatus.
  • the rare earth metal thin film has different temperature elevation rate and in-plane temperature distribution at the time of temperature rise and elevation, depending on the material, thickness and properties of the material, it is necessary to control the temperature rise time and the fall time depending on the kind of the thin metal have.
  • the durability of the rare earth metal thin film can be improved by suitably controlling the temperature rise time to reach the set temperature and the fall time to reach room temperature after the heat treatment.
  • the step b) is preferably carried out for 2 to 40 hours, more preferably 2 to 20 hours. If the heat treatment time is less than 2 hours, the thermal diffusion depth of the rare earth metal does not fall within the range of 0.1 ⁇ to 10 ⁇ , and if the heat treatment time exceeds 40 hours, the physical properties of the member may be lowered due to thermal deformation of the member for plasma etching equipment have.
  • the plasma processing apparatus includes a reaction chamber, a gas supply unit installed inside the reaction chamber and supplying a source gas necessary for generating a plasma gas into the reaction chamber, an electrode unit serving as an electrode while the wafer is seated, And gas distributing means for uniformly injecting the source gas supplied from the gas supply unit toward the wafer.
  • the reaction chamber is provided with a view port for observing the inside of the chamber.
  • the chamber viewport (also known as the endpoint window) is typically a transparent part made of quartz or sapphire.
  • Various optical sensors can be protected by the viewport and can perform optical sensor readings through the viewport. Additionally, the viewport allows the user to visually inspect or observe the wafer during machining. Both quartz and sapphire have poor plasma erosion resistance. Because the plasma chemistry erodes and roughens the viewport, the optical properties of the viewport change. For example, the viewport may be blurred and / or the optical signal passing through the viewport may be distorted. This can compromise the ability of optical sensors to collect accurate readings. However, thicker film protective layers may not be suitable for use on the viewport because these coatings may obstruct the viewport.
  • the apparent feature of the thin rare-earth metal thin film obtained through the vacuum deposition in the step a) is that the thin film has a metallic luster and lacks light transmittance before heat treatment.
  • the plasma etching including the thermal diffusion layer of rare- The surface of the member for the device loses appearance of metallic gloss and shows a state of being modified transparently.
  • the luster of the rare-earth metal component disappears through the atmosphere heat treatment after deposition in the case of the present invention, It maintains the original optical characteristics and provides advantages such as existing end point analysis. In addition, it can be used as an accessory for equipment that requires a window member, and the lifetime of the apparatus can be used due to the improved corrosion resistance of the window member.
  • a method of manufacturing the quartz member for a plasma etching apparatus according to the present invention is schematically shown in FIG.
  • the quartz member on which the yttrium metal thin film is deposited is heat-treated within the heat treatment temperature range, the yttrium metal component moves into the quartz member due to the diffusion phenomenon moving at a low concentration at a high concentration.
  • the metal thin film is moved.
  • the yttrium thin film layer forms a tantalum Y-Si-O thin film layer composed of a yttrium metal component, a silicon component, and an oxygen component, and such a rare-earth metal oxide- And is a coating layer for imparting plasma properties.
  • the thickness of the thermal diffusion layer is set such that the rare-earth metal deposited through the heat treatment in the step b) is diffused into the member, and the concentration of the major elements of the rare- And the distance to the point where the concentration is equal.
  • a thermal diffusion layer of a rare earth metal having a thickness of 0.1 ⁇ to 10 ⁇ is formed on the surface of the member for a plasma etching apparatus through the heat treatment step and a Y-Si-O thin film or Al-YO ( YAG) thin film layer or the like may be formed.
  • a member in which the rare earth metal component is doped on the surface through the heat treatment step of the present invention is preferable in terms of no change in electrical characteristics (breakdown voltage and dielectric constant).
  • the present invention by doping a part of the yttrium oxide in the quartz member, there is no change in the dielectric constant, thereby minimizing the possibility of process variable change for controlling the etching rate profile.
  • the greater the mismatch in thermal expansion coefficient between two adjacent materials the greater the likelihood that one of these materials will eventually lose its bond to cracks, peels, or other materials.
  • the conventional film forming method since physical bonding is performed by a physical vapor deposition method, it is exposed to a risk of peeling off due to a difference in thermal expansion coefficient.
  • a heat diffusion method there is a risk of peeling due to chemical bonding Do not.
  • thermal stress is high due to the quenching effect, but in the case of the related art, the thermal stress of the material can be prevented by a kind of annealing effect by the post-heat treatment, thereby preventing physical deterioration of the material.
  • the thermal stress of the material can be prevented by a kind of annealing effect by the post-heat treatment, thereby preventing physical deterioration of the material.
  • the surface of the quartz member is not given a roughness through the bead blast process, it is preferable to use it for a long period of time without physical damage to the material.
  • Examples 1 to 3 a yttrium metal thin film was produced under the conditions and the conditions shown in Table 1 below.
  • the thermal diffusion depths of the yttrium (Y) elements of Example 1 and Example 2 were evaluated using a secondary ion mass spectrometer (hereinafter referred to as " SIMS ").
  • SIMS secondary ion mass spectrometer
  • the sample was placed in a purge system, and a portion of the protective film of the sample was sampled and mounted on a sample holder for SIMS analysis.
  • the sample holder is pumped into the preparation chamber of the SIMS apparatus while maintaining the purge state and then put into the experimental chamber and then the oxygen ion (Y), silicon (Si), and oxygen (O) contents were quantitatively analyzed using a gas chromatograph (X-ray gun)
  • the chemical bonding state and atomic content of the specimens were examined before and after the plasma treatment using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Thermo Fisher Scientific, Al K ⁇ (1486.6 eV) X-ray source).
  • XPS X-ray photoelectron spectroscopy
  • the basic pressure of the specimen chamber was adjusted to 10 -9 torr and maintained within the range of 10 -9 to 10 -7 torr during the analysis.
  • the measured spectra were plotted as a plot of electron binding energy versus number of electrons at fixed, small-energy intervals. Peak area and peak height sensitivity coefficients were used for quantification. All surface compositions shown here are expressed in atomic% (atm%).
  • the Y 3d orbitals exhibit Y 3d3 / 2 and 3d5 / 2 peaks due to LS coupling, and the 3d shift peak at a lower binding energy position due to chemical shifts in the formation of yttrium oxide Occurs.
  • FIG. 5 (B) a Y 3d oxide peak appeared after the heat treatment at the surface, and a Y 3d xide peak was also found at the deep portion after the heat treatment in FIG. 5 (D).
  • the Y 3d peak position after the heat treatment in Example 3 was shifted to the deep region, and the chemical shifts were shifted to a low binding energy position.
  • the chemical shifts of these binding energies are due to chemical bonding with Al element components in the sapphire member.
  • Figs. 6 (C and D) it can be observed that the Al 2p peak position diffuses to the surface after the heat treatment in Example 3. This is because the Al component existing on the surface of the sapphire member is diffused into the Y coating by the thermal diffusion phenomenon.
  • Example 3 The thermal diffusion depth of Example 3 was measured under the conditions shown in Table 3 below. As a result of the analysis, it was confirmed that the depth of the thermal diffusion layer was 2.0 ⁇ m by converting the etching time up to the Al-based diffusion layer of the member manufactured in Example 3.
  • Etch time Beam Power Evaluation standard matter Etching Rate 10351s 3000 eV Ta 2 O 5 0.81 nm / sec

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Abstract

본 발명은 플라즈마 에칭 장치용 부재 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 희토류 금속 박막의 증착 및 표면 열처리를 통해 내플라즈마 특성이 향상되고, 광 투과성이 유지되어 에칭 공정의 종말점 분석 용도의 부재로서 활용이 가능한 플라즈마 에칭 장치용 부재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

내플라즈마 특성이 향상된 플라즈마 에칭 장치용 부재 및 그 제조 방법
본 발명은 광플라즈마 에칭 장치용 부재 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 희토류 금속 박막의 열확산 현상을 이용하여 플라즈마 에칭 장치용 부재의 내플라즈마 특성을 개선시키는 기술에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에서 실리콘 웨이퍼 등의 기판 회로의 고집적화를 위한 미세 가공을 하기 위해 플라즈마 건식 식각 공정의 중요성은 갈수록 중요해지는 추세이다.
플라즈마 식각 공정은 수평 식각율보다 수직 식각율이 훨씬 크도록 할 수 있기 때문에, 식각된 패턴의 결과적인 종횡비를 적절하게 제어할 수 있다. 실제로, 플라즈마 식각 공정을 사용하면 두께가 약 1마이크로미터 정도인 막에 큰 종횡비를 가진 아주 미세한 패턴을 형성할 수가 있다.
이러한 건식 식각 공정을 수행하는 장비 내 챔버 환경은 가공 수준이 미세화 됨에 따라 높은 청정성이 요구되고 있다. 하지만, 미세 가공용 각종 프로세스에 있어서는 불화물, 염화물 등의 부식성이 강한 기체가 사용되고 있는데 이러한 공정 가스는 웨이퍼 뿐만 아니라 챔버 내부 또한 부식 시키는 문제점이 있다.
이러한 환경에서 사용되기 위해 내 플라즈마 저항성이 우수한 소재들이 챔버 부재로 이용되고 있는데 대표적인 것으로 알루마이트, 알루미나 소결체, 석영 부재 등이 있다.
이 중 석영 부재의 경우 다른 소재에 비해 건식 플라즈마 식각률이 높음에도 불구하고 사용되는데 이는 특별한 목적에 기인한다. 석영 부재가 가장 많이 쓰여지는 경우는 웨이퍼 주변을 감싸는 에지 링이다. 웨이퍼 주변의 경우 전기적으로 실리콘 웨이퍼와 유사한 환경이어야 유리하며 식각 공정에서 발생할 수 있는 부산물이 타 소재에 비해 기화되기 쉬운 SiF4(실리콘 플루오라이드)이다. 이러한 기화되기 쉬운 소재를 활용함으로써 웨이퍼의 수율에 영향을 적게 끼칠 수 있기 때문에 에지 링의 대부분은 석영 부재를 사용하고 있는 추세이다.
또 한 가지 사용되는 석영 부재의 한 예는 종말점 분석용 부재인데 식각 공정 시 발생하는 파장을 분석함으로써 원하는 깊이로 소재를 식각 할 수 있도록 조절하는 부속 장치이다. 내부를 관찰하기 적합한 소재는 투명한 소재여야 가능하고 석영의 투명함은 목적에 정확하게 일치한다. 그러나 석영의 경우 플라즈마 저항성이 타 소재에 비해 월등히 낮아 장기적인 관점에서 부재를 교체해야 하는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 방법들이 선행 기술로 논의되고 있다. 플라즈마 식각 장치용 석영 부재의 경우, 플라즈마 저항성을 향상시키기 위해 산수소화염으로 용융해 피복하는 방법이나 이트륨이나 이트륨 화합물 또는 YAG를 용해하는 용액을 도포해 가열 용융하는 방법 등을 이용하고 있다. 또한, 근래에 반도체 분야에 적용하는 용사 기술 발달로 인해 플라즈마 용사법이나 고속 화염 용사법, 에어로졸 데포지션 등이 적용되고 있다. 하지만 이러한 종래의 기술들은 여러 가지 문제점이 존재한다.
특히 석영 부재 중 실리콘 웨이퍼 주변을 감싸는 에지 링의 경우 10㎛ 이상의 다른 소재의 피막이 형성되면 웨이퍼와 간극에서 전기적 특성 차이에 의한 아크 방전 위험성에 노출된다. 그리고 챔버 주변 유전율 변화에 따른 CD 및 EPD 등의 공정 변수가 변화될 가능성이 존재한다.
근래에 주로 적용되고 있는 플라즈마 용사법의 경우 석영 부재의 표면을 비드 블라스트 공정을 실시하여 거칠기를 형성하는데 이러한 물리적 충격에 의해 석영 부재 표면이 손상을 받게 되고 장기적인 관점에서 재사용에 제한이 되는 균열, 피로 파괴 등의 문제점을 가지고 있으며 10 ㎛ 이하 수준의 피막을 균일하게 제어하지 못하는 한계가 있다.
또한, 용사법의 공법상 특징으로 퀀칭 (quenching) 효과를 예로 들 수 있는데, 석영의 경우 원자적 관점에서 강한 결합력을 가진 물질로 열 충격에 몹시 약하다. 용사법 실시 시 발생한 퀀칭 (quenching) 효과에 의해 열적 스트레스가 누적이 되어 잔류응력에 의한 소재의 특성 저하 또한 문제가 될 수 있다.
최근 연구되고 있는 에어로졸 데포지션 경우에도 10 ㎛ 수준의 피막을 구성하는 것은 기술적으로 가능하나 피막과 표면간의 단순한 기계적인 맞물림에 의한 낮은 접착력으로 인해 장기간 사용 시 박리 등의 문제점이 발생할 수 있으며, 건식 식각 공정 시 사용되는 CF4 플라즈마 이온과 라디칼에 의해 피막이 식각 되어 파티클로 발생해 웨이퍼를 오염 시킬 수 있다.
최근 건식 식각 공정 장비 제조사에서 소재를 변경하여 사용하는 방법으로 비정질 내플라즈마 유리 조성물 혹은 실리콘 카바이드를 활용하는 방법도 제시되고 있으나, 비용적인 측면에서 합리적이지 못해 사용에 제한이 되고 있다.
다음으로, 본 발명의 기술이 속하는 분야에 존재하는 선행기술에 대하여 간략하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행기술에 비하여 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 한국등록특허 제10-0727672호(2007.06.05.)는 플라즈마 에칭 장치용 부재에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 석영유리, 알루미늄, 알루마이트 또는 그것들의 조합으로 된 부재의 표면에 두께가 10 ㎛ 이상, 두께 편차가 10 % 이하, 바람직하게는 면거칠기 Ra가 1 ㎛ 이하인 산화이트륨 또는 YAG 피막이 형성된 플라즈마 에칭 장치용 부재, 및 이 부재 표면에, 산화이트륨이나 YAG를 플라즈마 용사하는 방법, 산화이트륨이나 YAG 분말을 산수소화염으로 용융하여, 피복하는 방법, 이트륨이나 이트륨 화합물 또는 YAG를 용해하는 용액을 도포해, 가열 용융하는 방법 또는 그것들의 조합중 어느 하나의 방법으로 두께가 10 ㎛ 이상, 두께의 편차가 10%이하, 바람직하게는 면거칠기 Ra가 1 ㎛ 이하인 산화이트륨 또는 YAG 피막을 형성하는 제조 기술이 기재되어 있다.
또한, 한국등록특허 제10-0689889호(2007.02.26.)는 내플라즈마성 석영유리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 반도체 제조에 사용되는 플라즈마 반응용 지그 재료로서 플라즈마 내식성, 특히 불소계 플라즈마 가스에 대한 내식성이 우수하고, 실리콘 웨이퍼에도 이상을 주지 않고 사용 가능한 석영유리 및 석영유리 지그, 또한 그 제조방법을 제공한다. 2종류 이상의 금속원소를 합해서 0.1 ~ 20중량% 함유하는 석영유리로서, 상기 금속원소가 주기율표 제 3B족에서 선택된 적어도 1종류인 제 1의 금속원소와, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, 란타노이드 및 악티노이드로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종류인 제 2의 금속원소로 이루어지고, 제 2의 금속원소 각각의 최대농도는 2.0 중량% 이하가 되도록 하여 내부식성을 향상시킨 기술에 대해 기재되어 있다.
하지만, 상기 선행기술문헌들의 내플라즈마성 부재 역시 상기에서 제시한 용사법 등의 공법상 기술적인 한계점을 동일하게 가지고 있거나, 이종원소와의 혼합 후 가열·용융시켜 제조된 도핑된 석영 유리 부재의 경우 이종원소의 비에 있어서 비경제적이다.
발명자는 이러한 피막 형성법 및 소재 변경 방법에 한계성을 느끼고 표면 개질을 통한 효과적이고 우수한 플라즈마 저항성 향상 방법을 제시하고자, 금속 피막 증착과 열처리 공정의 연속 공정을 통해 내플라즈마성이 우수한 플라즈마 에칭 장치용 부재의 제조기술에 대한 연구를 거듭한 결과 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명의 주된 목적은 반도체 공정 시 내플라즈마 특성이 향상될 뿐만 아니라 광투과성을 유지되어 에칭 공정 종말점 분석 용도로 이용 가능한 플라즈마 에칭 장치용 부재의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 또한 상기 플라즈마 에칭 장치용 부재의 제조방법을 이용하여, 광 투과성 및 내플라즈마 특성이 향상된 플라즈마 에칭 장치용 부재 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는, a) 진공 증착법을 통해서 희토류 금속 박막을 기판에 0.01 ㎛ ~ 2.0 ㎛ 두께로 증착하는 단계; 및 b) 상기 희토류 금속 박막이 증착된 기판을 대기, 질소, 산소 또는 아르곤 분위기에서 1000 ℃ ~ 2000 ℃ 으로 2 ~ 40시간 동안 열처리하는 단계를 포함하는 플라즈마 에칭 장치용 부재의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 진공 증착법이 전자빔 물리기상증착법(EBPVD) 또는 스퍼터링법(Sputtering)일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 희토류 금속이 이트륨(Yttrium), 이터븀(Ytterbium), 사마륨(Samarium) 중 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 기판 소재의 융점이 1000 ℃ 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 기판은 석영, 알루미나 소결체, 사파이어 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 단계 b) 열처리 시간이 2 ~ 20 시간일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예는, 상기 제조 방법으로 제조되며, 상기 희토류 금속의 열확산층(thermal diffusion layer) 두께가 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛인 플라즈마 에칭 장치용 부재를 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예는, 상기 제조 방법으로 제조되며, 상기 희토류 금속의 열확산층(thermal diffusion layer) 두께가 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛이고, 투명한 플라즈마 에칭 장치용 부재를 제공한다.
본 발명에 따른 플라즈마 에칭 장치용 부재는 희토류 금속의 도핑효과로 인한 전기적 특성 (파괴전압 및 유전율) 등의 변화가 없어 공정 변수 변화 가능성을 최소화되며, 열 확산 방법을 이용한 화학적인 결합으로써 박리 등의 위험성이 존재 하지 않고, 열처리 효과로 재료가 가지는 열적 스트레스를 해소시켜 재료의 물리적인 특성 저하를 막을 수 있으며, 증착 후 분위기 열처리를 통해 투명성을 유지하여 부재 본연의 광적 특성을 유지시켜 기존 종말점 분석 부재 등으로 활용 가능하다.
또한, 본 발명의 제조방법은 간단한 증착 및 열처리를 통해서 비용적, 시간적 측면에서도 합리적이고, 비드 블라스트 공정과 같은 물리적 손상을 야기하는 전처리 과정을 포함하지 않는 장점을 제공한다.
도 1은 플라즈마 에칭 장치용 에지 링(edge ring) 부재의 모식도이다.
도 2는 본원 발명의 플라즈마 에칭 장치용 부재의 내플라즈마성을 향상시키기 위해 희토류 금속 후막을 형성하는 과정이다.
도 3은 실시예 1의 (A) 열처리 전과 (B)열처리 후 깊이별 원소 분석을 나타내기 위한 SIMS 분석 결과를 보여준다.
도 4는 실시예 2의 (A) 열처리 전과 (B)열처리 후 깊이별 원소 분석을 나타내기 위한 SIMS 분석 결과를 보여준다.
도 5(A,B)는 실시예 1의 (A) 열처리 전과 (B)열처리 후 표면에 존재하는 이트륨 3d orbitals XPS 분석 결과이다.
도 5(C,D)는 실시예 1의 (C) 열처리 전과 (D)열처리 후 내부에 존재하는 이트륨 3d orbitals XPS 분석 결과이다.
도 6(A,B)는 실시예 3의 (A) 열처리 전과 (B)열처리 후 이트륨 3d orbitals의 깊이별 XPS 분석 결과이다.
도 6(C,D)는 실시예 3의 (C) 열처리 전과 (D)열처리 후 알루미늄 3d orbitals의 깊이별 XPS 분석 결과이다.
다른 식으로 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
반도체의 제조 공정에서는 게이트 에칭 장치, 절연막 에칭 장치, 레지스트막 애칭 장치, 스퍼터링 장치, CVD 장치 등이 이용되고 있다. 한편, 액정의 제조 공정에서는 박막 트랜지스터를 형성하기 위한 에칭 장치 등이 이용되고 있다. 또한, 이들 제조 장치에서는 미세 가공에 의한 고집적화 등을 목적으로 플라즈마 발생 기구를 구비한 구성을 취하고 있다.
이들 제조 공정에서 처리 가스로서는 불소계, 염소계 등의 할로겐계 부식 가스가 이들의 높은 반응성으로 인해 상술한 장치에 이용되고 있다. 불소계 가스로서는 SF6, CF4, CHF3, ClF3, HF, NF3 등을, 염소계 가스로서는 Cl2, BCl3, HCl, CCl4, SiCl4 등을 들 수 있으며, 이들 가스가 도입된 분위기에 마이크로파나 고주파 등을 도입하면 이들 가스는 플라즈마화된다. 이들 할로겐계 가스 또는 그의 플라즈마에 노출되는 장치 부재에는 표면에 재료 성분 이외의 금속이 매우 적고, 또한 높은 내식성을 가질 것이 요구됨에 따라서, 본 발명은 내 플라즈마성이 우수한 플라즈마 에칭 장치용 부재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 관점에서, a) 진공 증착법을 통해서 희토류 금속 박막 0.01 ㎛ ~ 2.0 ㎛을 기판에 증착하는 단계; 및 b) 상기 희토류 금속 박막이 증착된 기판을 대기, 질소, 산소 또는 아르곤 분위기에서 1000 ℃ ~ 2000 ℃으로 2 ~ 40시간 동안 열처리하는 단계를 포함하는 플라즈마 에칭 장치용 부재의 제조 방법을 제공한다.
상기 플라즈마 에칭 장치용 부재의 대표적인 예는 에지 링(edge ring)으로 주로 사용되며, 에지 링 형태를 나타내는 모식도를 도 1에 나타내었다. 또한, 에지링은 플라즈마 에칭 장치용뿐만 아니라, 플라즈마 PVD, CVD, 이온 주입 등을 위해서 챔버에서 사용될 수도 있다.
상기 기판 소재의 융점이 1000 ℃ 이상인 것이 바람직하며, 기판의 융점이 1000 ℃ 미만일 경우, 열처리 과정에서 기판의 열적 훼손이 일어날 수 있다. 또한, 융점이 너무 높으면 증착 물질의 열확산이 충분히 발생하지 못하여 확산 깊이를 제어하지 못하는 문제가 발생할 수도 있으며, 이를 제어하기 위한 고온처리로 인해 증착 물질의 변형을 유발할 수도 있다.
상기 기판은 주기율표 4족 원소, 5족 원소, 13족 원소 및 14족 원소에서 선택된 1종 이상의 원소 (예를 들면, 규소 및 알루미늄에서 선택된 1종 이상의 원소)로 구성된 산화물 세라믹류, 산화 처리된 금속류 또는 금속류인 경우가 많다. 이러한 처리 부재의 대표적인 예로서는, 실리카 또는 유리, 알루미나, 알루마이트, 가공된 알루미늄, 규소, 및 알루미늄에서 선택된 1종 이상을 예시할 수 있으며, 구체적으로 석영, 알루미나 소결체 또는 사파이어인 것이 바람직하다.
상기 석영 재료는 유리, 합성 실리카, 용융 실리카, 용융 석영, 고 순도 석영, 석영 모래 및 석영 유리 조성물을 형성하기에 적절한 다른 적절한 실리콘 함유 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 석영 재료는 또한 임의의 적절한 공정에 의해 얻을 수 있다.
본 발명은 융점이 1000℃ 이상의 기판은 모두 적용 가능하여 반도체 제조 프로세스에 사용되는 건식 식각 장치 챔버 부재의 소재로서 사용이 용이하다.
상기 진공 증착법이 전자빔 물리기상증착법(EBPVD) 또는 스퍼터링법(Sputtering)이 가능하며, 상기 두 방법의 결과로 얻어진 희토류 금속 박막의 품질적 차이는 거의 없다.
상기 전자빔 물리기상증착법 (electron beam physical vapor deposition, EB-PVD)은 수 keV 이상의 에너지로 전자를 가속시켜 타겟 물질에 조사하여 물질을 용융시키고 용융된 물질이 기체 상태로 이동하여 기판에 증착되는 막 형성 메카니즘을 갖는다. 전자빔 물리기상증착법은 필라멘트를 이용한 저항가열증착법이나 스퍼터링에 비해 타겟 물질을 짧은 시간 내에 높은 온도로 가열할 수 있어, 산화물 등의 고융점 세라믹스의 박막을 제조하는데 유리하다. 구체적으로 본 발명은 진공 챔버 내에 고체 희토류 금속 원료 물질로 타겟을 준비하고, 상기 타겟을 전자빔으로 용융시켜 기화시키고, 기화된 타겟 물질을 기판에 증착하는 것을 특징으로 하는 희토류 금속 박막의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서, 복잡한 형상의 플라즈마 에칭 장치용 부재에 금속 박막을 증착할 경우에는 스퍼터링법이 효과적이다. 구체적으로, 스퍼터링법이 쉽게 고품위의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된다. 스퍼터링법은 웨이퍼에 금속 박막과 절연체를 적층하는 방법이다. 스퍼터링의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리적인 공정이다. 충돌한 공은 콘크리트와 같은 화학적, 물리적 특성을 갖는 조각을 떼어낸다. 이 과정이 되풀이되면 충돌지점 부근은 콘크리트 조각으로 덮이게 된다. 스퍼터링에서 '강철공'은 이온화된 아르곤 원자이고, '콘크리트벽'은 스퍼터링되는 물질 판으로 타겟이라고 한다. 스퍼터링 공정을 진공실에서 수행된다. 스퍼터링되는 물질의 타겟과 웨이퍼가 위치된 반응실로 이온화된 아르곤이 주입된다. 타겟은 양성으로 충진된 아르곤에 비해 음성 전하를 띠고 있다. 따라서, 아르곤 원자는 가속되며 이온 주입과는 달리 스퍼터링에서는 아르곤 원자가 타겟에 박히지 않는다. 대신 강철동과 같이 충돌하여 타겟을 약간 떼어낸다. 반응실은 진공이므로 떨어져나온 물질은 웨이퍼를 포함하여 반응실 도처에 적층되는 것이다.
상기 희토류금속(rare earth metals)은 원자번호 57번인 란탄(La)부터 71번 루테튬(Lu)까지의 란탄족과 21번 스칸듐(Sc), 39번 이트륨(Y)을 포함하는 17종류의 원소를 총칭한다. 본 발명의 부재에 사용되는 희토류 금속 원소로서는 Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu으로부터 선택되는 희토류 금속 원소가 바람직하고, 보다 바람직하게는 Y, Sm 및 Yb으로부터 선택되는 희토류 금속 원소이며, 이들 희토류 금속 원소는 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
특히, 상기 이트륨의 산화물인 이트리아는 석영와 비교하여, 수개의 이점을 갖는다. 첫째, 이트리아는 석영보다 더 높은 스퍼터 임계 에너지를 갖고, 따라서, 보다 더 양호한 스퍼터 저항체이다. 둘째, 이트리아는 석영에 비해 휘발성층을 덜 형성하는 경향이 있으므로, 이트리아 박막은 더 오랫동안 지속될 수 있고 이트리아 박막 부재의 교체하는 것 사이의 더 긴 평균 시간으로 유도될 수 있다. 셋째, 이트리아는 11승의 더 높은 유전 상수를 갖는 반면, 석영이 대략 3.5의 유전 상수를 가지고, 접지 연장부와 플라즈마 사이에서 RF의 소망하는 결합을 획득할 수 있다.
이트리아 박막을 사용하는 또 다른 이점은 불소 함유 프로세스 가스의 더 효과적인 사용이 획득될 수 있다는 것이다. 즉, 불화탄소 프로세스 가스가 석영 링과 관련되어 사용되는 경우, 휘발성 화합물의 형성으로 인하여, 웨이퍼의 에지에서 불소 종의 농도가 제거될 수 있으므로, 이트리아 링의 사용에 비교하여 웨이퍼 기판의 전체에 걸친 에칭에 있어서 균일성의 결여 및 더 낮은 에지 에칭 속도를 유발할 수 있다. 하지만, 이트리아 박막 부재는 석영 링보다 더 양호한 스퍼터 저항체이고 불소 화합물을 쉽게 형성하지 않기 때문에, 이트리아 박막 부재의 사용은 웨이퍼 기판의 전체에 걸친 임계 폭과 에칭 속도 균일성을 더 향상시킬 수 있고 화학적으로 더 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
상기 희토류 금속 박막 두께가 0.01 ㎛ ~ 2.0 ㎛인 것이 본 발명의 플라즈마 에칭 장치용 부재의 내플라즈마성을 향상시키는 측면에서 바람직하다. 구체적으로 희토류 금속 박막의 두께가 0.01 ㎛ 미만이면, 희토류 금속 성분의 열확산(thermal diffusion) 깊이가 줄어들어 희토류 금속 성분의 충분한 도핑 효과가 일어나지 않아 본 발명이 도달하고자 하는 내플라즈마성 향상 효과가 충분하지 않으며, 희토류 금속 박막의 두께가 2.0 ㎛ 초과이면, 경제적 측면에서 바람직하지 않다.
상기 단계 b) 열처리 단계는 대기, 질소, 산소 또는 아르곤 분위기에서 열확산 현상을 통해서 희토류 금속을 플라즈마 에칭 장치용 부재에 도핑하며, 분위기에 따라서 최종 열 확산 층의 농도가 변할 수 있다.
상기 단계 b) 열처리 단계는 1000 ℃ ~ 2000 ℃ 조건에서 진행하는 것이 바람직하다. 석영 부재의 경우, 온도 조건이 1000 ℃ 미만이면, 희토류 금속 성분이 부재 내부로 충분한 확산이 일어나지 않으며, 온도 조건이 2000 ℃ 초과이면, 유리 천이 온도 근처로서 다른 상으로 변화할 수 있다. 또한, 열처리 온도 조건은 증착의 분위기와 플라즈마 에칭 장치용 부재의 종류에 따라 다르게 설정되는 것이 바람직하다.
희토류 금속 박막은 재질, 두께 및 물질의 성질에 의해, 그 온도 승강 특성, 즉 온도 승강 시에 온도 승강율과 면내 온도 분포가 다르므로, 박막 금속의 종류에 따라서 승온 시간 및 하강 시간을 조절할 필요성이 있다.
더불어, 설정 온도에 이르기 위한 승온 시간 및 열처리 이후 실온에 이르기 위한 하강 시간 등을 적절히 조절함으로써 희토류 금속 박막의 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 단계 b) 열처리 시간이 2 ~ 40시간 동안 진행하는 것이 바람직하며, 구체적으로 2 ~ 20시간 동안 진행하는 것이 더욱 바람직하다. 열처리 시간이 2시간 미만이면, 희토류 금속의 열확산 깊이가 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛ 범위에 이르지 않으며, 열처리 시간이 40시간 초과이면, 플라즈마 에칭 장치용 부재의 열변형 등으로 인한 부재의 물성 저하가 일어날 수 있다.
통상적으로, 플라즈마 처리장치는 반응 챔버와, 반응 챔버 내부에 설치되어 플라즈마 가스를 생성하는데 필요한 소스 가스를 반응 챔버 내부로 공급하는 가스 공급 유닛과, 웨이퍼가 안착됨과 동시에 전극 역할을 하는 전극 유닛과, 가스공급 유닛으로부터 공급된 소스 가스를 웨이퍼를 향해 균일하게 분사하는 가스 분배 수단을 포함한다.
그리고, 상기 반응 챔버에는 챔버 내부를 관찰할 수 있는 뷰 포트(view port)가 제공되어 있다. 챔버 뷰포트(또는 종점 윈도우로서 공지됨)는 통상적으로 석영 또는 사파이어로 이루어진 투명한 부품이다. 다양한 광학 센서들은 뷰포트에 의해 보호될 수 있고, 뷰포트를 통해 광학 센서 판독을 수행할 수 있다. 추가적으로, 뷰포트는 사용자가 웨이퍼를 가공 동안 시각적으로 검사하거나 관찰할 수 있게 한다. 석영 및 사파이어 둘 모두는 불량한 플라즈마 내침식성을 갖는다. 플라즈마 화학물질이 뷰포트를 침식시키고 조면화시키기 때문에, 뷰포트의 광학적 성질들이 변한다. 예를 들어, 뷰포트는 흐려지게 될 수 있고/거나 뷰포트를 통과하는 광학 신호가 왜곡될 수 있다. 이는 정확한 판독들을 수집하는 광학 센서들의 능력을 손상시킬 수 있다. 그러나 두꺼운 막 보호층들은 이러한 코팅들이 뷰포트를 가로막을 수 있기 때문에 뷰포트 상에 사용하기에 적절치 않을 수 있다.
상기 단계 a)에서 진공 증착법을 통해서 얻어진 희토류 금속 박막의 외관상 특징은 금속성 광택을 나타내어 열처리 전 광투과성이 결여되어 있는 상태인 반면, 상기 단계 b)에서 열처리된 희토류 금속의 열확산 층을 포함하는 플라즈마 에칭 장치용 부재의 표면은 외관상 금속성 광택을 잃어버리고 투명하게 개질되는 양상을 보인다.
이는 원 증착 재료가 가지는 색상이 유지되어 피막 형성 후 백색 등의 색을 가지는 에어로졸 데포지션 및 용사법의 경우와 다르게, 본원 발명의 경우 증착 후 분위기 열처리를 통해 희토류 금속 성분이 가지는 광택이 사라지고 광 투명성이 나타나 부재 본연의 광적 특성을 유지시켜 기존 종말점 분석 부재 등으로 활용 가능한 장점을 제공한다. 또한, 윈도우 부재가 필요한 장비의 부속품으로 활용이 가능하며, 윈도우 부재의 내부식성 향상으로 인해서 장치의 장수명 사용이 가능하다.
상기 본원 발명의 플라즈마 에칭 장치용 석영 부재의 제조 방법을 도 2에서 모식도로 나타내었다. 이트륨 금속 박막이 증착된 석영 부재를 상기 열처리 온도 범위 내에서 열처리하면, 고농도에서 저농도를 이동하는 확산 현상에 의하여 이트륨 금속 성분은 석영부재 내부로 이동하게 되며, 동시에 석영 부재 내에 존재하는 규소 성분은 이트륨 금속 박막으로 이동하게 된다. 결과적으로 이트륨 박막층은 이트륨 금속 성분과 규소 성분 및 산소 성분으로 이루어진 삼성분계의 Y-Si-O 박막층을 형성하게 되고, 이러한 희토류 금속 산화물이 도핑된 형태의 피막은 석영 부재 표면에서 내애칭성 및 내플라즈마성을 부여하는 코팅층이다.
본 발명에 있어서, 열확산층(thermal diffusion layer) 두께는 상기 단계 b)의 열처리 과정을 통해서 증착된 희토류 금속이 부재 내부로 확산되어, 희토류 금속 박막의 표면으로부터 부재의 주요 원소의 농도와 희토류 금속의 농도가 같아지는 지점까지를 거리를 의미한다.
상기 열처리 단계를 통해서 두께가 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛인 희토류 금속의 열확산층(thermal diffusion layer)이 플라즈마 에칭 장치용 부재 표면에 형성되며, 기판의 성분에 따라서 Y-Si-O 박막 또는 Al-Y-O(YAG) 박막 층 등이 형성될 수 있다.
상기 본원 발명의 열처리 단계를 통해서 표면에 희토류 금속 성분이 도핑된 형태의 부재는 전기적 특성 (파괴전압 및 유전율) 등의 변화가 없다는 측면에서 바람직하다. 이는, 구체적으로 에지 링의 기하학적인 구조 및 에지 링을 만드는 재료는 식각율 프로파일에 영향을 미친다. 즉, 플라즈마 장치의 에지 링을 만드는 재료의 유전율(dielectric value)이 변화하면, 웨이퍼 에지 영역에서 하부 전극에 대한 커플링을 변화시켜 공정 변수의 조절이 필요하다. 하지만, 본원 발명에서는 석영 부재 내 일부 산화 이트륨을 도핑 시킴으로써, 유전율의 변화가 없어 식각율 프로파일을 제어하기 위한 공정 변수 변화 가능성을 최소화 할 수 있다.
또한, 두 개의 인접한 물질들 간의 열팽창 계수의 불일치가 클수록, 이러한 물질들 중 하나가 결국 크랙, 박리 또는 그밖에 다른 물질에 대한 이의 결합을 손실시킬 가능성이 더욱 커진다. 기존의 피막 형성법의 경우 물리적인 증착 방법으로써 단순한 물리적 결합을 하고 있기 때문에 열팽창 계수의 차이로 인한 박리 등의 탈락 위험성에 노출되어 있으나, 열 확산 방법의 경우 화학적인 결합으로써 박리 등의 위험성이 존재 하지 않는다.
또한, 용사법의 경우 퀀칭 (quenching) 효과에 의해 열적 스트레스가 높으나, 해당 기술의 경우 후열처리에 의해 일종의 어닐링 효과로 재료가 가지는 열적 스트레스를 해소 시켜 재료의 물리적인 특성 저하를 막을 수 있다. 용사법과 다르게 석영 부재에 표면에 비드 블라스트 공정을 통한 거칠기를 부여 하지 않으므로 재료에 물리적인 손상을 가하지 않아 장기간 사용시 바람직하다.
소재를 변경하는 것에 비해 간단한 증착 및 열 처리를 통해 표면을 개질 함으로써 비용적 시간적 측면에서도 합리적인 대안이 될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 더욱 상세히 설명하고자 한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시 1 내지 3>
실시예 1 내지 3은 하기 표 1에 기재되어 있는 구성과 조건으로 이트륨 금속 박막을 제조하였다.
Sub. film thermal treatment thermal diffusion thickness(㎛)
material method thickness(㎛) atmosphere temp.(℃) time(hr.)
실시예 1 석영 Y(이트륨) EBPVD 0.70 질소 1200 20 1.97
실시예 2 석영 0.10 대기 1100 10 0.20
실시예 3 사파이어 0.80 질소 1300 12 2.00
상기 실시예의 원소 분포를 분석하기 위해서 하기와 같은 실험을 하였다.
< 실험예 1 - 이차 이온 질량 분석기>
실시예 1 및 실시예 2의 이트륨(Y) 원소의 열확산 깊이를 이차 이온 질량 분석기(Secondary Ion Mass Spectrometer : 이하, "SIMS"라고 함)를 이용하여 평가하였다. 먼저, 상기 샘플의 보호막의 대기 노출을 최소화하기 위하여, 퍼지 시스템(purge system)안에 상기 샘플을 넣고, 상기 샘플의 보호막의 일부분을 채취하여, SIMS 분석용 샘플 홀더(sample holder)에 장착하였다. 퍼지(purge) 상태를 유지하면서, 상기 샘플 홀더를 SIMS 장치의 준비 챔버(preparation chamber)에 넣은 다음, 상기 준비 챔버를 펌핑(pumping)하여 실험 챔버(experimental chamber)에 넣은 다음, 산소이온건(oxygen ion gun)을 이용하여 이트륨(Y), 규소(Si) 및 산소(O) 함량을 정량 분석하여, 깊이 프로파일 그래프(depth profile graph)를 얻었다.
실시예 1과 실시예 2의 깊이 프로파일 그래프는 각각 도 3과 도 4에서 나타내었다. 이는, 각각의 원소의 양이온화(positive ionization) 특성이 음이온화(negative ionization) 특성보다 우수한 점을 고려한 것이다. 보다 상세한 분석 조건은 하기 표 2를 참조한다.
분석조건 Primary Source : Cs+, HV: 10kV, Current : 50nA, Raster size : 120 ㎛×120 ㎛
Secondary Sample HV : -5kVAnalysis area : 8 ㎛(Ф)
이와 같은 SIMS 분석 결과, 열처리 후 이트륨(Y) 원자들이 확산 현상에 의해 심부로 이동하였다는 것을 나타내며, 실시예 1의 이트륨(Y)의 열확산 깊이는 1.97 ㎛이고, 실시예 2의 이트륨(Y)의 열확산 깊이는 0.20 ㎛임을 확인하였다.
< 실험예 2 - X 선 광전자 분광법>
X 선 광전자 분광법(XPS)(Thermo Fisher Scientific, Al Kα(1486.6 eV) X-선 광원 사용)을 이용하여 플라즈마 처리 전후 시편의 화학적 결합 상태 및 원자 함량을 조사하였다. 시편 챔버의 기본 압력은 10-9 torr로 조절하였으며, 분석 중에는 10-9 ~ 10-7 torr의 범위를 유지하였다. 측정된 스펙트럼은 고정, 미소에너지(small-energy) 간격에서 전자 결합에너지 대 전자 수의 플롯으로 표시하였다. 피크 면적과 피크 높이 감도 계수는 정량화에 사용되었다. 여기에 나타낸 모든 표면 조성물은 원자%(atm%)로 표시된다.
도 5에 나타낸 바와 같이, Y 3d orbitals은 L-S coupling에 의해 Y 3d3/2와 3d5/2 피크가 나타나며, 이트륨의 oxide 형성 시 화학적 변이(chemical shifts)에 의해 보다 낮은 결합에너지 위치에 3d oxide 피크가 발생한다. 도 5(B)에서 표면에서 열처리 후 Y 3d oxide 피크가 나타났으며, 도 5(D)에서 열처리 후 심부에서도 Y 3d xide 피크가 검출되었다.
도 6(A,B)에 나타낸 바와 같이, 실시예 3의 열처리 후 Y 3d 피크 위치가 심부로 이동하면서 화학적 변이(chemical shifts)가 낮은 높은 결합에너지 위치로 옮겨졌음을 나타내고 있다. 이들 결합에너지의 화학적 변이(chemical shifts)는 사파이어 부재 내에서 Al 원소 성분과의 화학적 결합에 의한 것이다. 도 6(C,D)에서는 실시예 3의 열처리 후 Al 2p 피크 위치가 표면으로 확산되는 것을 관찰할 수 있다. 이는, 열확산 현상에 의해서 사파이어 부재 표면에 존재하는 Al 성분이 Y 피막 내로 확산된 것이다.
또한, 하기 표 3의 조건으로 실시예 3의 열확산 깊이를 측정하였다. 분석 결과, 실시예 3에서 제조된 부재의 Al 기준의 확산층까지 에칭 시간을 환산하여 열확산층의 깊이가 2.0 ㎛임을 확인하였다.
Etch time Beam Power 평가 기준
물질 Etching Rate
10351s 3000 eV Ta2O5 0.81 nm/sec
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적은 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. a) 진공 증착법을 통해서 희토류 금속 박막을 기판에 0.01 ㎛ ~ 2.0 ㎛ 두께로 증착하는 단계; 및
    b) 상기 희토류 금속 박막이 증착된 기판을 대기, 질소, 산소 또는 아르곤 분위기에서 1000 ℃ ~ 2000 ℃로 2 ~ 40시간 동안 열처리하는 단계를 포함하는 플라즈마 에칭 장치용 부재의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진공 증착법이 전자빔 물리기상증착법(EBPVD) 또는 스퍼터링법(Sputtering)인 플라즈마 에칭 장치용 부재의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 희토류 금속이 이트륨(Yttrium), 이터븀(Ytterbium), 사마륨(Samarium) 중 어느 하나 이상인 플라즈마 에칭 장치용 부재의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판 소재의 융점이 1000 ℃ 이상인 플라즈마 에칭 장치용 부재의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 석영, 알루미나 소결체, 사파이어 중 어느 하나인 플라즈마 에칭 장치용 부재의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 b) 열처리 시간이 2 ~ 20시간인 플라즈마 에칭 장치용 부재의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 제조 방법으로 제조되며, 상기 희토류 금속의 열확산층(thermal diffusion layer) 두께가 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛인 플라즈마 에칭 장치용 부재.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 제조 방법으로 제조되며, 상기희토류 금속의 열확산층(thermal diffusion layer) 두께가 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛이고, 투명한 플라즈마 에칭 장치용 부재.
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