[논문]Oxide Etcher 용 E-Chuck의 기술개발

조남인; 남형진; 박순규

문제 정의

이다. 따라서 본 연구에서는 절연막의 필요성을 제거하기 위한 수단으로 기판 자체를 절연체로 하여 히터구조를 제작하였다. 한편, 발열체로 사용한 금속들이 온도의 상승에 따라 산화가 됨을 관찰할 수 있었기에 본 실험에서는 산화가 잘 일어나지 않는 도체를 사용하였다.
이 제품은 8인치 실리콘웨이퍼를 이용한 반도체 공정용으로 제작, 시판되고 있다. 본 논문에서는 Oxide Etcher 장비에 사용되는 중요 부품인 E-chuck 의 국산화를 위한 제조 과정을 살펴보았다. 또한 장차 새로운 기능이 요구되는 반도체 장비 추이를 감안하여 히터 내장형 E-chuck을 위한 박막형 전열체의 핵심 기술도 알아보았다.
고분자 물질 중 polyimide는 시중에서 손쉽게 구매할 수 있으며 최대 400℃까지 견디는 고온 물질이어서 이번 실험에서는 polyimide를 사용하여 E-chuck 을 제작하였다. 선택된 표면 물질인 polyimide와 전극 물질인 구리박막의 접합기술, 서로 다른 물성을 가진알미늄 재료 간의 용접기술, 접착력 성능을 측정하는 분석기술 등이 E-chuck 제작을 위한 핵심기술이므로 이에 대한 실험을 수행하였다.
한편, 발열체로 사용한 금속들이 온도의 상승에 따라 산화가 됨을 관찰할 수 있었기에 본 실험에서는 산화가 잘 일어나지 않는 도체를 사용하였다. 이러한 이유로 A12O₃ 기판 상에 NiQr을 증착하여 그 특성을 분석하고자 하였다. 4 point probe에 의한 면 저항 측정 결과 약 350Q .

제안 방법

E-chuck을 제조하였으며, 제작된 E-chuck에 대한 성능 테스트를 자체 제작한 장치에 의하여 측정하였다. 그림 3은 실험에서 제작된 E-chuck의 실물 사진을 보여 주고 있다.
E-chuck이 장착된 챔버를 진공 하에서 헬륨(He) 압력을 증가시키면서 척 뒷면의 압력과 챔버 간의 압력을 측정하였다. He 16 scan 이상을 집어넣었을 경우, 압력 상승으로 인하여 웨이퍼가 떨어짐을 확인할 수 있었다.
Oxide Etcher 장비용 E-chuck의 제조를 위한 핵심기술을 개발하였으며, 이러한 핵심기술을 사용하여 시제품을 제작하였다. Etcher 장비용 E-chuck을 제작함에 있어 고밀도 플라스마에 견딜 수 있는 물질로 이루어져야 하며, 공정 중 파티클의 발생을 억제하여야 한다는 점을 감안할 때 표면의 절연물질의 선택이 무엇보다 중요하다.
이 표에 사용된 절연물질은 세라믹 계열이며, 보다 사용이 간편한 방법은 알루미늄 재료를 양극산화(Al-anodizing) 시켜 알루미나(AI2O₃)를 생성시키는 방법이 있으며, 기존의 고분자 물질 중 고온 특성이 우수한 절연체를 사용하는 방법도 널리 알려진 기술이다. 고분자 물질 중 polyimide는 시중에서 손쉽게 구매할 수 있으며 최대 400℃까지 견디는 고온 물질이어서 이번 실험에서는 polyimide를 사용하여 E-chuck 을 제작하였다. 선택된 표면 물질인 polyimide와 전극 물질인 구리박막의 접합기술, 서로 다른 물성을 가진알미늄 재료 간의 용접기술, 접착력 성능을 측정하는 분석기술 등이 E-chuck 제작을 위한 핵심기술이므로 이에 대한 실험을 수행하였다.
폴리이미드 위에 증기 상태의 전구체를 이용한 구리 박막의 증착 결과는 단지 섬과 같은 작은 구리 박막이며 균일한 증착 상태는 얻을 수 없었다. 따라서 모재의 종류를 변화시키며 실험을 실시하였다. TiN과 W는 반도체에서 많이 사용되는 재료이므로[6], 이를 이용하였다.
본 논문에서는 Oxide Etcher 장비에 사용되는 중요 부품인 E-chuck 의 국산화를 위한 제조 과정을 살펴보았다. 또한 장차 새로운 기능이 요구되는 반도체 장비 추이를 감안하여 히터 내장형 E-chuck을 위한 박막형 전열체의 핵심 기술도 알아보았다. E-chuck의 제조를 위해서는 표면 물질인 polyimide 와 전극 물질인 구리박막의 접합기술, 서로 다른 물성을 가진 알미늄 재료 간의 용접기술, 접착력 성능을 측정하는 분석기술 등이 포함된다.
산학 협동으로 Oxide Etcher용 E-chuck의 개발에 요구되는 핵심기술을 개발하였다. polyimide 기판 위에 구리 박막 형성 기술, 정전기 척의 온도 균일화를 위한 박막형 전열기 기술, 정전기 척 제작 및 특성조사의 기술을 개발하여 시제품을 제작하였으며 장비의 구성과 일부 실험에서 새로운 결과를 얻을 수 있었다.
유기금속 CVD 기술을 이용하여 구리박막의 제작을 시도하였다. 실험 결과, 제작된 구리 박막의 전기적 성질은 모재의 재료와 모재의 온도에 따라 크게 변화함을 알 수 있었다.
따라서 본 연구에서는 절연막의 필요성을 제거하기 위한 수단으로 기판 자체를 절연체로 하여 히터구조를 제작하였다. 한편, 발열체로 사용한 금속들이 온도의 상승에 따라 산화가 됨을 관찰할 수 있었기에 본 실험에서는 산화가 잘 일어나지 않는 도체를 사용하였다. 이러한 이유로 A12O₃ 기판 상에 NiQr을 증착하여 그 특성을 분석하고자 하였다.

대상 데이터

따라서 모재의 종류를 변화시키며 실험을 실시하였다. TiN과 W는 반도체에서 많이 사용되는 재료이므로[6], 이를 이용하였다. 약 100 nm/min 의 높은 증착 속도를 나타내는 실험 결과는 양산성 측면에서 만족스러운 결과라고 사료된다.
먼저, polyimide 기판 위에 구리 박막 형성 기술 연구에서는 듀폰 사의 Kapton을 구매하여 모재로 사용하였다. polyimide 상에 구리 박막의 증착 시 전구체 상태를 증기와 액체의 혼합 형태로 사용함으로써 매우 큰 증착 속도를 얻을 수 있었다.
이 단점을 보완하는 방법이 제시되어야 할 것이다. 실험의 용이성을 위해 실리콘 웨이퍼 상에 사용하였고, HN 층을 패턴 한 후에 구리 박막을 제작하였다. 그 결과는 실리콘 기판과 TiN 모재에서 증착 속도에 큰 차이가 있음을 알 수 있었다.
전열체로 가능한 물질인 실리사이드 물질(silicide; mixed material with metal and silicon), 녹는 점이 높은 금속인 몰리부데늄(Mo)과 텅스텐(W) 물질, 그리고 세라믹 기판 위에 금속합금(NiKr) 물질을 사용하였다.

성능/효과

후자의 경우 기판과 박막사이에 절연 층을 증착하여 앞으로 실제 히터 제조 시 E-chuck과 같은 웨이퍼를 고정시키기위한 기술 연구를 고려한 구조를 형성하였는데 절연막으로 Si’N, 를 사용한 구조와 Si。?를 사용한 구조의 샘플을 제작하였다. 4-point probe에 의한 저항 측정 결과는 열처리 후 박막의 면저항 값이 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 그러나 박막의 열처리 전후의 저항 값은 보고 되어있는 Mo의 비저항치인 5.
핵심기술을 개발하였다. polyimide 기판 위에 구리 박막 형성 기술, 정전기 척의 온도 균일화를 위한 박막형 전열기 기술, 정전기 척 제작 및 특성조사의 기술을 개발하여 시제품을 제작하였으며 장비의 구성과 일부 실험에서 새로운 결과를 얻을 수 있었다.
polyimide 상에 구리 박막의 증착 시 전구체 상태를 증기와 액체의 혼합 형태로 사용함으로써 매우 큰 증착 속도를 얻을 수 있었다. 이것은 bubbler 안의 전구체 용기와 반응 챔버를 연결하는 파이프의 위치를 미세하게 조정함으로써 가능하였다.
실험의 용이성을 위해 실리콘 웨이퍼 상에 사용하였고, HN 층을 패턴 한 후에 구리 박막을 제작하였다. 그 결과는 실리콘 기판과 TiN 모재에서 증착 속도에 큰 차이가 있음을 알 수 있었다. 이의 증착 선택도는 10을 상회하는 큰 값이었다.
He 16 scan 이상을 집어넣었을 경우, 압력 상승으로 인하여 웨이퍼가 떨어짐을 확인할 수 있었다. 또한 E-chuck의 가장 중요한 부분인 알미늄의 전자빔 용접에 성공하였으며, 일본의 TEL사의 용접과 대등한 정도의 양호한 표면상태를 얻을 수 있었다. 용접된 알미늄은 A1 6061과 A1 1050이며, 이 용접 부분에 미세한 크랙이라도 있으면 E-chuck 밑 부분에 냉매제가 흐르도록 되어 있어 공정 챔버에 심각한 영향을 주게 되므로 철저한 검사가 필요하다.
실험 결과, 제작된 구리 박막의 전기적 성질은 모재의 재료와 모재의 온도에 따라 크게 변화함을 알 수 있었다. 그림 2에서 보는 바와 같이 구리 박막의 비저항은 증착 시 공정 온도에 따라 감소하는 경향을 보여주고 있다.
즉, 타이프의 바깥 쪽 끝을 전구체 용액 표면에 위치시키고 bubbling 하면 일부 액체도 함께 반응 챔버로 유입되는 현상을 일으킨다. 이 방법에 의해 성공적으로 구리 박막의 증착이 이루어졌으며 그 두께는 2분간 증착 시 약 500 nm로涅써 매우 큰 증착 속도를 얻을 수 있었다. 그러나 단점은 증착 속도를 정밀하게 조정하기 어렵다는 것이다.
제작된 E-chuck의 성능과 가격 경쟁력이 외국의 제품에 비해 우수할 경우 수입대체 효과는 매우 클 것이다. 이 실험을 통하여 얻어진 경험을 바탕으로 차후 연구 가능한 새로운 chuck으로는 CVD 및 Implant 용 chuck, 히터 내장용 chuck, Plasma chuck을 들 수 있으며 이 또한 수입대체 효과가 큰 제품이다.
한편, NUCr 등 산화에 저항성이 큰 물질의 경우 저항 값이 비교적 크기 때문에 전열 효과가 현저히 낮아지는 것을 관찰하였다. 이러한 연구 결과들을 종합하여 볼 때 가능성이 가장 높은 구조는 A12O₃ 등의 기판에 Mo 등의 비저항이 작은 도체를 증착한 다음 그 위에 산화 방지막을 성장시킨 구조일 것으로 예측된다. 산화 방지막으로는 A1 계열의 산화막 또는 nitridet- 사용한 실험이 가치가 있을 것으로 사료된다.
cm의 큰 값을 얻었다. 이러한 저항 값에서 예측할 수 있듯이 히터의 발열 효율을 측정한 결과 30V에서도 약 100mA 정도의 작은 전류가 흘러서 현저한 온도 상승은 관찰할 수 없었다.
한편, NUCr 등 산화에 저항성이 큰 물질의 경우 저항 값이 비교적 크기 때문에 전열 효과가 현저히 낮아지는 것을 관찰하였다. 이러한 연구 결과들을 종합하여 볼 때 가능성이 가장 높은 구조는 A12O₃ 등의 기판에 Mo 등의 비저항이 작은 도체를 증착한 다음 그 위에 산화 방지막을 성장시킨 구조일 것으로 예측된다.

후속연구

E-chuck의 제품화는 제작 공정에서 두드러지게 나타나고 있는 알루미늄 표면가공 조도 및 양극 산화막에 대한 크랙, 양극산화 처리된 알루미늄과 polyimide와의 접합상태에 대한 영향을 분석이 필요할 것이며, 차후척킹 접착력을 향상시키고 수명을 연장시키는 지속적인 연구가 필요할 것으로 생각된다. 제작된 E-chucke Oxide Etcher 장비의 핵심부품임은 물론 고가이며 소모성 성격을 가지고 있고 현재 전량 수입에 의존하고 있다.
이러한 연구 결과들을 종합하여 볼 때 가능성이 가장 높은 구조는 A12O₃ 등의 기판에 Mo 등의 비저항이 작은 도체를 증착한 다음 그 위에 산화 방지막을 성장시킨 구조일 것으로 예측된다. 산화 방지막으로는 A1 계열의 산화막 또는 nitridet- 사용한 실험이 가치가 있을 것으로 사료된다.

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