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KR102055483B1 - 반도체 웨이퍼용 고효율 히터블럭 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체 웨이퍼용 고효율 히터블럭 및 그 제조방법 Download PDF

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KR102055483B1
KR102055483B1 KR1020170120629A KR20170120629A KR102055483B1 KR 102055483 B1 KR102055483 B1 KR 102055483B1 KR 1020170120629 A KR1020170120629 A KR 1020170120629A KR 20170120629 A KR20170120629 A KR 20170120629A KR 102055483 B1 KR102055483 B1 KR 102055483B1
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Abstract

알루미늄 히터블럭의 표면층에 플라즈마 스프레이 방식으로 알루미늄을 코팅하고 평탄화 작업을 거친 뒤 불소 플라즈마 시즈닝 공정을 수행함으로써, 알루미늄 히터블럭의 표면층에 균일한 알루미늄 플루오라이드 막이 형성되도록 하여 챔버의 불소 플라즈마 세정시 챔버 내 알루미늄 히터블럭에 의한 파티클 발생을 최소화할 수 있는 반도체 웨이퍼용 고효율 히터블럭의 제조방법이 개시된다. 반도체 웨이퍼용 히터블럭의 제조방법은 알루미늄 히터블럭의 표면에 알루미늄을 용사코팅 방식으로 코팅하여 알루미늄 코팅층을 형성하는 단계와, 알루미늄 코팅층을 평탄화하는 단계와, 평탄화된 알루미늄 코팅층에 불소 플라즈마 시즈닝 공정을 통해 균일한 알루미늄 플루오라이드 막을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

반도체 웨이퍼용 고효율 히터블럭 및 그 제조방법{HIGH EFFICIENCY HEATER BLOCK FOR SEMICONDUCTOR WAFER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 반도체 웨이퍼용 히터블럭에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 균일한 알루미늄 플루오라이드 막을 형성하여 히터블록의 표면 물성을 향상시키고 챔버의 불소 플라즈마 세정시 알루미늄 히터블럭에 의한 파티클 발생을 최소화할 수 있는 반도체 웨이퍼용 고효율 히터블럭 및 그 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄 히터블럭은 반도체 웨이퍼 발열체(susceptor)로 많이 사용되고 있다. 종래의 알루미늄 히터블럭의 경우, 알루미늄 소재의 제조공법에 따라 소재 내 결정립의 크기와 형태가 달라지게 되고, 그러한 이유로 챔버를 불소 플라즈마 세정할 때 알루미늄 히터블럭에서 파티클이 많이 발생하는 문제가 있다.
이러한 파티클 발생을 최소화하기 위해 알루미늄 히터블럭의 표면층에 알루미늄 플루오라이드(aluminum fluoride) 막을 형성하는 시즈닝(seasoning) 공정을 수행하여 표면에 막을 형성하게 된다.
하지만 알루미늄 소재의 제조공법을 통일하더라도 소재내 결정립의 크기, 형태 및 분포 차이 등이 커서 시즈닝 공정을 수행하더라도 균일한 두께의 알루미늄 플루오라이드 막을 형성하기 어렵고, 이러한 불균일한 알루미늄 플루오라이드 막은 결정립의 계면을 위주로 비정상적으로 빠르게 성장하여 표면 거칠기를 높일 뿐 아니라, 알루미늄 플루오라이드막의 박리 등을 일으키기 때문에 챔버내 파티클 발생을 충분히 억제하지 못하는 문제가 있다.
공개특허공보 제10-2007-0014276호(2007.02.01.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 알루미늄 히터블럭의 표면층에 알루미늄을 용사코팅(Thermal Spray)하는 반도체 웨이퍼용 히터블럭의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 용사코팅된 알루미늄 코팅층을 선반가공, 밀링 등의 기계 가공 혹은 폴리싱 작업을 통해 표면을 평탄화시킨 후 평탄화된 알루미늄 표면을 불소플라즈마 시즈닝 공정을 통해 균일하고, 이러한 상태에서 치밀한 알루미늄 플루오라이드 막이 형성하는 반도체 웨이퍼용 히터블럭의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 전술한 반도체 웨이퍼용 히터블럭의 제조방법에 의해 제조된 반도체 웨이퍼용 히터블럭을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 웨이퍼용 고효율 히터블럭은, 단조소재 또는 압연소재로 이루어지고 소재 내에 서로 다른 결정립 크기 및 형태를 구비하는 히터블럭 몸체; 상기 히터블럭 몸체의 상부, 측면부 및 하부에 용사코팅되고 평탄화된 알루미늄 코팅층; 및 상기 알루미늄 코팅층 상부의 알루미늄 플루오라이드 막을 포함한다.
여기서 용사코팅은 플라즈마 스프레이 공정, 아크 스프레이 공정, 고속 화염용사(high velocity oxygen fuel, HVOF) 등을 포함한다.
상기 알루미늄 코팅층 및 상기 알루미늄 플루오라이드 막의 두께 합은 50 ~ 1,000㎛ 범위인 것이 바람직하다.
상기 코팅층은 산화이트륨 0~95 중량% 및 알루미늄을 함유하는 것이 바람직하다.
또한, 일실시예에서, 상기 코팅층은, 이트륨 알루미늄 가넷(yttrium aluminium garnet, YAG) 0~95 중량% 및 알루미늄을 함유하는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 반도체 웨이퍼용 고효율 히터블럭의 제조방법은, 알루미늄 히터블럭의 표면에 알루미늄을 용사코팅 방식으로 코팅하여 알루미늄 코팅층을 형성하는 코팅 단계와, 상기 코팅 단계에서 형성된 알루미늄 코팅층을 기계가공 혹은 폴리싱 공정으로 표면을 평탄화하는 평탄화 단계와, 상기 평탄화 단계에 의해 평탄화된 알루미늄 코팅층에 불소 플라즈마 시즈닝 공정을 수행하여 균일한 알루미늄 플루오라이드 막을 형성하는 알루미늄 플루오라이드 막 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 코팅 단계에서 알루미늄 코팅층을 50 ~ 1,000㎛ 범위의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다.
상기 코팅 단계에서 코팅 재료로서 알루미늄에 산화이트륨(yttrium oxide; yttria)을 포함하여 코팅하는 것이 바람직하다.
상기 코팅 단계에서 알루미늄에 산화이트륨을 포함함에 있어서, 산화이트륨을 알루미늄 대비 0초과 95중량% 이하를 함유하는 것이 바람직하다.
상기 코팅 단계에서 코팅 재료로서 알루미늄에 이트륨 알루미늄 가넷(yttrium aluminum garnet, YAG)을 포함하여 코팅하는 것이 바람직하다.
상기 코팅 단계에서 알루미늄에 이트륨 알루미늄 가넷을 포함함에 있어서, 이트륨 알루미늄 가넷을 알루미늄 대비 0초과 95중량% 이하로 함유하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 반도체 웨이퍼용 히터블럭의 제조방법을 사용하면, 알루미늄 히터블럭의 표면층에 알루미늄을 용사 코팅함으로써 벌크 알루미늄 재료의 입자(grain) 분포 등에 영향을 받지 않고 불소 플라즈마 시즈닝 공정을 통해 알루미늄코팅층의 표면에 균일한 알루미늄 플루오라이드 막을 형성하고, 그에 의해 알루미늄 히터블럭의 표면 물성을 향상시키고, 챔버의 불소 플라즈마 세정시 챔버내 알루미늄 히터블럭에 의한 파티클 발생을 최소화할 수 있다.
즉, 알루미늄 용사코팅층의 경우 마이크로결정질의 구조를 갖고 있어 근본적으로 알루미늄 히터블럭 원소재의 불균일한 결정립 크기에 따른 불소 플라즈마 시즈닝을 통해 얻어지는 알루미늄 플루오라이드 막의 불균일 성장을 근복적으로 차단할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하면, 용사코팅된 알루미늄 코팅층을 선반가공, 밀링 등의 기계 가공 혹은 폴리싱 작업을 통해 표면을 평탄화시킨 후 평탄화된 알루미늄 표면을 불소플라즈마 시즈닝 공정을 통해 균일하고, 이러한 균일 상태에서 치밀한 알루미늄 플루오라이드 막이 형성되도록 하여 알루미늄 히터블럭의 표면 물성을 향상시킬 수 있고, 그에 의해 플라즈마 화학기상 챔버 및 원자층 증착 챔버의 불소 플라즈마 세정시 챔버 내 알루미늄 히터블럭에 의한 파티클 발생을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼용 히터블럭에 대한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼용 히터블럭의 제조방법을 나타낸 흐름도.
도 3은 비교예에 따른 알루미늄 히터블록에서 결정립 분포가 불균일한 부분의 표면 상태를 나타낸 현미경 사진.
도 4는 비교예에 따른 알루미늄 히터블록에서 결정립 분포가 불균일한 부분에 대해 불소 플라즈마 시즈닝 공정을 수행한 후 표면 상태를 나타낸 현미경 사진.
도 5는 비교예에 따른 불소 플라즈마 시즈닝 공정을 수행한 알루미늄 히터블럭의 표면에 불균일한 알루미늄 플루오라이드 막이 형성된 예를 나타낸 사진.
도 6은 비교예에 따라 제조된 알루미늄 히터블럭에 형성된 알루미늄 플루오라이드 막에 대한 XRD 분석 결과 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼용 히터블럭의 제조방법에 따라 용사 코팅으로 일정 두께의 알루미늄 코팅층을 형성하고 평탄화한 후 알루미늄 플루오라이드 막을 형성한 경우에 있어서, 알루미늄 플루오라이드 막에 대한 XRD 분석 결과 그래프.
도 8은 비교예에 따라 제조된 알루미늄 히터블럭으로서 1년 사용된 상태의 알루미늄 플루오라이드 막에 대한 광학 현미경 사진.
도 9는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼용 히터블럭을 1년 수명 평가에 해당하는 불소 플라즈마 가속 실험을 한 후 촬영한 알루미늄 플루오라이드 막에 대한 광학 현미경 사진.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 도면부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼용 히터블럭에 대한 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 반도체 웨이퍼용 히터블럭(100)은, 단조소재 또는 압연소재로 이루어지고 소재 내에 서로 다른 결정립 크기 및 형태를 구비하는 히터블럭 몸체(110), 히터블럭 몸체의 상부 및 측면부에 코팅되고 평탄화된 알루미늄 코팅층(120), 및 알루미늄 코팅층 상부의 알루미늄 플루오라이드 막(130)을 포함한다.
히터블럭 몸체(110)는 소정의 두께를 가진 대략 원통형의 알루미늄 블록을 포함할 수 있다.
또한, 반도체 웨이퍼용 히터블럭(100)은, 알루미늄 블럭의 하부측에 설치되는 히터(140)와, 알루미늄 히터블럭의 대략 중심부에 삽입되는 온도센서(150)와, 히터(140) 및 온도센서(150)를 지지하는 하부 구조(160)를 구비할 수 있다. 온도센서(150)는 열전대(thermocouple, T/C) 또는 열전쌍을 포함할 수 있다.
알루미늄 코팅층(120) 및 알루미늄 플루오라이드 막(130)의 두께 합은 50 ~ 1,000㎛ 범위인 것이 바람직하다.
본 실시예의 알루미늄 히터블럭(100)은 히터블럭 몸체(110)의 상부 및 측면부에 두께 약 50 ~ 1,000㎛로 코팅된 알루미늄 코팅층(120)을 두께 약 50 ~ 150㎛만큼 폴리싱 하여 평탄화한 후 알루미늄 코팅층의 상부에 시즈닝 공정으로 알루미늄 플루오라이드 막을 형성함으로써 제조될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼용 히터블럭의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼용 고효율 히터블럭의 제조방법은 알루미늄 히터블럭(100)의 표면에 알루미늄을 용사코팅 방식으로 코팅하여 알루미늄 코팅층(110)을 형성하는 코팅 단계(S10)와, 상기 코팅 단계(S10)에서 형성된 알루미늄 코팅층(110)을 평탄화하는 평탄화 단계(S20)와, 상기 평탄화 단계(S20)에 의해 평탄화된 알루미늄 코팅층에 불소 플라즈마 시즈닝 공정을 수행하여 균일한 알루미늄 플루오라이드 막을 형성하는 알루미늄 플루오라이드 막 형성 단계(S30)를 포함한다.
한편, 상기 코팅 단계(S10)에서 알루미늄 코팅층은 50 ~ 1,000㎛ 범위의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다.
알루미늄 코팅층이 50㎛ 미만인 경우, 불소 플라즈마 시즈닝된 알루미늄 플루오라이드 막이 챔버 플라즈마세정공정에 있어서 장기신뢰성을 유지하기 어려운 문제가 있고, 알루미늄 코팅층이 1,000㎛를 초과하는 경우, 코팅막의 밀도가 낮아져 히터블럭의 기능이 떨어질 수 있기 때문이다.
한편, 상기 코팅 단계(S10)에서 알루미늄에 산화이트륨(yttrium oxide; yttria)을 포함하여 코팅할 수 있다. 산화이트륨을 포함하여 코팅함으로써, 부식성 가스 및 플라즈마에 의한 화학적 또는 물리적 작용에 대한 알루미늄 코팅층의 내구성을 높일 수 있다.
한편, 상기 코팅 단계(S10)에서 코팅 재료로서 알루미늄에 산화이트륨을 포함함에 있어서, 산화이트륨을 알루미늄 중량% 대비 0 ~ 95중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
산화이트륨이 알루미늄 중량% 대비 95 중량%를 초과하는 경우, 알루미늄 플루오라이드 막 형성 단계(S30)에서 알루미늄 플루오라이드 막과 알루미늄 히터블럭간의 결합력이 약화될 수 있기 때문이다.
한편, 상기 코팅 단계(S10)에서 알루미늄에 이트륨 알루미늄 가넷(yttrium aluminum garnet)을 포함하여 코팅할 수 있다. 이트륨 알루미늄 가넷을 포함하여 코팅함으로써, 부식성 가스 분위기하에서 플라즈마에 노출되는 경우에 요구되는 내플라즈마성을 높일 수 있다.
한편, 상기 코팅 단계(S10)에서 코팅 재료로서 알루미늄에 이트륨 알루미늄 가넷을 포함함에 있어서, 이트륨 알루미늄 가넷을 알루미늄 중량% 대비 0 ~ 95중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
이트륨 알루미늄 가넷이 알루미늄 중량% 대비 95중량%를 초과하는 경우, 알루미늄 플루오라이드 막 형성 단계(S30)에서 알루미늄 플루오라이드 막과 알루미늄 히터블럭 간의 결합력이 약화될 수 있기 때문이다.
상술한 상기 코팅 단계(S10)를 거쳐 형성된 알루미늄 코팅층은 도 3에 도시된 것처럼, 균일한 알루미늄 결정립으로 분포된 조직구조를 갖게 되고, 이러한 조직구조는 알루미늄 플루오라이드 막 형성 단계(S30)에서 형성되는 알루미늄 플루오르 막의 결정립이 균일하고 치밀하게 성장될 수 있도록 해준다.
상기 평탄화 단계(S20)는 상기 코팅 단계(S10)에서 형성된 알루미늄 코팅층(110)을 평탄화하는 단계로서, 기계가공 및 폴리싱 공정을 통해 평탄화 작업이 이루어지게 되며, 평탄화 작업이 잘 이루어질수록 알루미늄 코팅층(110)과 알루미늄 플루오라이드 막의 결합력이 강화될 수 있다.
상기 알루미늄 플루오라이드 막 형성 단계(S30)는 평탄화된 알루미늄 코팅층에 불소 플라즈마 시즈닝 공정을 수행하여 균일한 알루미늄 플루오라이드 막을 형성하는 단계로서, 불소 플라즈마 시즈닝 공정을 통해 균일하고 치밀한 알루미늄 플루오라이드 막을 성장시킬 수 있다.
도 3은 비교예에 따른 알루미늄 히터블록에서 결정립 분포가 불균일한 부분의 표면 상태를 나타낸 현미경 사진이다. 도 4는 비교예에 따른 알루미늄 히터블록에서 결정립 분포가 불균일한 부분에 대해 불소 플라즈마 시즈닝 공정을 수행한 후 표면 상태를 나타낸 현미경 사진이다. 도 5는 비교예에 따른 불소 플라즈마 시즈닝 공정을 수행한 알루미늄 히터블럭의 표면에 불균일한 알루미늄 플루오라이드 막이 형성된 예를 나타낸 사진이다.
비교예의 알루미늄 히터블럭은, 도 3에 도시한 바와 같이, 실질적으로 그 제조공법에 상관없이 알루미늄 히터블럭의 영역들(A1, A2)에 따라 소재 내 결정립의 크기, 형태, 분포 차이 등이 크다.
또한, 비교예의 알루미늄 히터블럭은 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 그 알루미늄 표면층에 알루미늄 플루오라이드 막을 형성하더라도 알루미늄 히터블럭의 영역들(A3, A4)에 따라 막 밀도에서 큰 차이가 있다. 즉, 비교예(200)에서는 균일한 알루미늄 플루오라이드 막을 형성하기가 어렵다. 이러한 이유로, 비교예(200)의 알루미늄 히터블럭에 형성된 알루미늄 플루오라이드 막을 엑스선 회절분석법으로 측정하면 알파상과 베타상의 비율은 상대적으로 낮다.
도 6은 비교예에 따라 제조된 알루미늄 히터블럭에 형성된 알루미늄 플루오라이드 막의 엑스레이 회절분석법(XRD) 분석 결과에 대한 그래프이다. 도 7은 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼용 히터블럭의 제조방법으로 제조된 알루미늄 플루오라이드 막의 XRD 분석 결과에 대한 그래프이다.
도 6 및 도 7에서 세로축은 초당 회수(counts per second, CPS)로 측정된 강도(intensity)를 나타내고, 가로축은 시간(분)을 나타낸다.
도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 비교예의 알루미늄 플루오라이드 막의 알파상과 베타상의 비가 3.21이고, 본 실시예에 따른 알루미늄 플루오라이드 막의 알파상과 베타상의 비는 7.53이다. 비교예의 알루미늄 플루오라이드 막은 히터블럭 몸체에 직접 형성된다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 알루미늄 플루오라이드 막의 알파상과 베타상의 비가 비교예에 비해 2배 이상 월등히 높음을 알 수 있다. 알파상과 베타상의 비가 클수록 알루미늄 플루오라이드 막의 밀도가 높고, 막 조직 내 결합력이 강한 양질의 알루미늄 플루오라이드 막이 된다.
도 8은 비교예의 알루미늄 히터블럭으로서 1년 사용된 상태의 알루미늄 플루오라이드 막에 대한 광학 현미경 사진이다. 도 9는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼용 히터블럭을 1년 수명 평가에 해당하는 불소 플라즈마 가속 실험을 한 후 촬영한 알루미늄 플루오라이드 막에 대한 광학 현미경 사진이다.
도 8과 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 알루미늄 히터블럭(100)의 알루미늄 플루오라이드 막은 비교예(200)의 알루미늄 플루오라이드 막보다 조직이 더 치밀함을 알 수 있다. 이러한 조직의 치밀함은 알루미늄 플루오라드 막의 균일성을 높여줄 뿐 아니라, 불소 플라즈마 에칭에 대한 내구성을 향상시켜 결과적으로 챔버의 불소 플라즈마 세정시 챔버 내 알루미늄 히터블럭에 의한 파티클 발생이 최소화될 수 있도록 기능한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 웨이퍼용 히터블럭 및 그 제조방법에 따르면, 알루미늄 히터블럭의 표면층에 알루미늄을 플라즈마 스프레이 방식으로 코팅하고 평탄화 작업을 거친 뒤 불소 플라즈마 시즈닝 공정을 수행함으로써, 알루미늄 히터블럭의 표면층에 균일한 알루미늄 플루오라이드 막이 형성되도록 하여 표면 물성을 향상시키고, 이를 통해 챔버의 불소 플라즈마 세정시 챔버내 알루미늄 히터블럭에 의한 파티클 발생을 최소화할 수 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.
100: 알루미늄 히터블럭
110: 히터블럭 몸체
120: 알루미늄 코팅층
130: 알루미늄 플루오라이드 막
140: 히터
150: 온도센서
160: 하부 구조

Claims (7)

  1. 알루미늄 히터블럭의 표면에 알루미늄을 용사코팅 방식으로 코팅하여 알루미늄 코팅층을 수백㎛ ~ 1,000㎛ 범위의 두께로 형성하는 코팅 단계;
    상기 알루미늄 코팅층을 기계가공 혹은 폴리싱을 통해 평탄화하는 평탄화 단계; 및
    상기 평탄화 단계에 의해 평탄화된 알루미늄 코팅층에 불소 플라즈마 시즈닝을 수행하여 알루미늄 플루오라이드 막을 형성하는 막 형성 단계;
    를 포함하는 반도체 웨이퍼용 히터블럭의 제조방법.
  2. 삭제
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  5. 단조소재 또는 압연소재로 이루어지고 소재 내에 서로 다른 결정립 크기 및 형태를 구비하는 히터블럭 몸체;
    상기 히터블럭 몸체의 상부 및 측면부에 용사코팅 방식으로 코팅되고 기계가공이나 폴리싱을 통해 평탄화된 알루미늄 코팅층; 및
    상기 알루미늄 코팅층 상부의 알루미늄 플루오라이드 막을 포함하며,
    상기 알루미늄 코팅층 및 상기 알루미늄 플루오라이드 막의 두께 합은 수백㎛ ~ 1,000㎛ 범위인 반도체 웨이퍼용 히터블럭.
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