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KR19990023263A - 반도체 지지 장치 - Google Patents

반도체 지지 장치 Download PDF

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KR19990023263A
KR19990023263A KR1019980031005A KR19980031005A KR19990023263A KR 19990023263 A KR19990023263 A KR 19990023263A KR 1019980031005 A KR1019980031005 A KR 1019980031005A KR 19980031005 A KR19980031005 A KR 19980031005A KR 19990023263 A KR19990023263 A KR 19990023263A
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gas
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기요시 아라키
츠네아키 오하시
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이데이 노부유끼
소니 가부시끼 가이샤
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Publication date
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Abstract

본 발명은 반도체 지지 장치를 할로겐계 부식성 가스에 대하여 노출시켰을 때 반도체 설치면의 표면 영역에서의 부식 속도를 감소시킨다.
반도체 지지 장치(1)는 질화 알루미늄기 세라믹스로 이루어지는 기체(5)를 구비하고, 기체(5)에 반도체 설치면(5a)이 설치된다. 질화 알루미늄기 세라믹스의 배향도는 1.1 이상 2.0 이하이다. 배향도=[I'(002)/I'(100)]/[I(002)/I(100)]. I'(002)는 X선 회절 측정에 있어서 반도체 설치면측으로부터 X선을 조사할 때의 상기 세라믹스의 (002)면의 회절 강도: I'(100)은 반도체 설치면측으로부터 X선을 조사할 때의 상기 세라믹스의 (001)면의 회절 강도: I(002)는 JCPDS 카드 번호 25-1133에 의한 질화 알루미늄 세라믹스의 (002)면의 회절 강도: I(100)은 상기 번호에 의한 (100)면의 회절 강도.

Description

반도체 지지 장치
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 반도체 재료를 지지하고, 흡착하기 위한 반도체 지지 장치에 관한 것이다.
현재, 반도체 웨이퍼의 반송, 노광, CVD, 스퍼터링 등의 막형성 공정, 미세 가공, 세척, 에칭, 다이싱 등의 공정에 있어서, 반도체 웨이퍼를 흡착하고 유지하기 위해서 정전 척이 사용되고 있다. 이러한 정전 척의 기체로서 조밀질 세라믹스가 주목되고 있다. 특히 반도체 제조 장치에 있어서는 에칭 가스나 크리닝 가스로서 ClF3등의 할로겐계 부식성 가스를 다용한다. 치밀한 질화 알루미늄은 상기한 바와 같은 할로겐계 부식성 가스에 대하여 높은 내식성을 나타낸다. 또한 질화 알루미늄은 고열전도성 재료로서 알려져 있고, 또한 내열 충격성도 높은 것으로 알려져 있다. 따라서, 반도체 제조 장치용 정전 척의 기체를 질화 알루미늄기 세라믹스에 의해 형성하는 것이 적합하다고 생각된다.
본 출원인은 일본 특허 출원 평성 4-58727호 명세서(1992년 2월 13일 출원)에 있어서, 표면에 플루오르화 알루미늄층을 갖는 질화 알루미늄 소결체가 상기 할로겐계 부식성 가스의 플라스마에 대하여 높은 내식성을 구비하고 있는 것을 개시하였다. 즉, 예컨대 ClF3가스에 대하여 1시간 질화 알루미늄 소결체를 노출시켜도, 그 표면 상태는 변화가 보이지 않았다.
또한 본 출원인은 질화 알루미늄 소결체의 표면에 CVD법 등의 증기상법에 의해 플루오르화 알루미늄막을 형성하는 것을 개시하였다(일본 특허 공개 공보 평성 5-251365호). 또한 일본 특허 공개 공보 평성 7-273053호에 있어서는 반도체 웨이퍼용 정전 척의 표면 부식을 방지하기 위해서 정전 척의 표면을 미리 불소로 치환하는 표면 처리를 행하고, 정전 척의 표면에 AlF3를 생성시켜 두는 것이 개시되어 있다.
본 발명자는 정전 척 등의 반도체 웨이퍼 지지용 서셉트의 재질로서의 질화 알루미늄을 검토하는중에, 서셉트를 구성하는 질화 알루미늄의 이방성을 변화시켜 제어함으로써 할로겐계 부식성 가스에 대한 서셉트의 표면 영역의 내식성을 한층 더 향상시키는 연구에 몰두해 왔다. 이것은 특히 반도체 제조 공정의 미세 화가 한층 더 진행해 나감에 따라, 종래에는 문제가 되지 않았던 서셉트의 표면이 미세한 부식에 의해서도 반도체 결함의 원인이 될 수 있는 파티클이 발생할 가능성이 있기 때문에, 서셉트의 표면 영역에 있어서의 부식 속도를 보다 더 감소시키는 것이 요구되고 있기 때문이다.
본 발명의 과제는 질화 알루미늄기 세라믹스로 이루어지는 기체를 구비하고 있고, 이 기체에 반도체 설치면이 설치되어 있는 반도체 지지 장치를 할로겐계 부식성 가스에 대하여 노출시켰을 때 반도체 설치면의 표면 영역에 있어서의 부식 속도를 더욱 더 감소시키는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시 형태에 따른 반도체 웨이퍼 장착용 서셉트(suscept)를 개략적으로 도시하는 단면도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 히터가 달린 정전 척(chuck) 2: 반도체 웨이퍼
3: 유전층 5: 기체
5a: 반도체 설치면 7: 단자
8: 저항 발열체 12: 정전 척 전극
본 발명은 질화 알루미늄기 세라믹스로 이루어지는 기체를 구비하고 있고, 이 기체에 반도체 설치면이 설치되어 있는 반도체 지지 장치로서 하기의 식에 의해 규정되는 상기 질화 알루미늄기 세라믹스의 배향도가 1.1 이상, 2.0 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 지지 장치에 관한 것이다.
배향도=[I'(002)/I'(100)]/[I(002)/I(100)]. I'(002)는 X선 회절 측정에 있어서 반도체 설치면측으로부터 X선을 조사했을 때의 질화 알루미늄기 세라믹스의 (002)면의 회절 강도이고, I'(100)은 반도체 설치면측으로부터 X선을 조사했을 때의 상기 세라믹스의 (100)면의 회절 강도이다. I(002)는 JCPDS 카드 번호 25-1133에 의한 질화 알루미늄 세라믹스의 (002)면의 회절 강도이고, I(100)은 JCPDS 카드 번호 25-1133에 의한 질화 알루미늄 세라믹스의 (100)면의 회절 강도이다.
본 발명자는 서셉트를 구성하는 질화 알루미늄에 대해서 여러가지 새로운 제법에 몰두하고, 서셉트를 구성하는 질화 알루미늄의 이방성을 제어하는 과정에서, 특히 반도체 설치면측에서 보았을 때에 질화 알루미늄을 구성하는 결정 격자의 (100)면과 (002)면사이에 특정한 이방성을 부여함으로써 할로겐계 부식성 가스 또는 그 플라스마에 토출시켰을 때의 부식 속도가 현저히 감소하는 것을 발견하여 본 발명에 도달하였다.
또, 일반적으로 내식성 세라믹스란 산, 알칼리 용액에 대한 이온 반응성을 나타내고 있지만, 본 발명에서는 이온 반응성이 아니라 드라이 가스중에서의 할로겐 가스 산화 환원 반응에 대한 반응성에 착안하고 있다.
할로겐계 부식성 가스로서는 ClF3가스, NF3가스, CF4가스, WF6이외에 Cl2, BCl3등이 있다.
본 발명의 반도체 지지 장치로서는 특히 반도체 웨이퍼를 설치하기 위한 서셉트가 바람직하다. 이것에 의해 크리닝 가스와 에칭 가스에 대하여 안정한 서셉트를 제공할 수 있고, 반도체 불량의 원인이 되는 미립자나 오염등의 발생을 장기간에 걸쳐서 방지할 수 있다. 이것에 의해, 특히 DRAM과 4M 등의 고집적도 반도체의 제조에 대해서도 비로소 양호하게 대응할 수 있게 되었다.
본 발명의 반도체 지지 장치로서는 적외선 램프 가열에 의해서 발열하는 서셉트, 반도체 가열용 세라믹스 히터 및 세라믹스 히터의 발열면에 설치되는 서셉트, 정전 척용 전극이 매설되어 있는 서셉트, 정전 척용 전극 및 저항 발열체가 매설되어 있는 서셉트, 고주파 플라스마 발생용 전극이 매설되어 있는 서셉트, 고주파 플라스마 발생용 전극 및 저항 발열체가 매설되어 있는 서셉트가 있다.
본 발명의 반도체 지지 장치에 있어서는 질화 알루미늄으로 이루어지는 기체중에 벌크형의 금속 부재, 특히 면형의 벌크형 금속 부재를 매설할 수 있다. 이 금속 부재는 통상은 질화 알루미늄 분말과 동시에 소성하기 때문에, 고융점 금속에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 고융점 금속으로서는 탄탈, 텅스텐, 몰리브덴. 백금. 레늄, 하프늄 및 이들의 합금을 예시할 수 있다. 또한 반도체 오염 방지의 관점에서 탄탈, 텅스텐, 몰립덴, 백금 및 이들의 합금이 바람직하다. 또한 금속 이외의 도체를 매설할 수도 있다.
상기한 면형 벌크재 부재로서는 다음을 예시할 수 있다.
(1) 박판으로 이루어진 면형의 벌크재.
(2) 면형의 전극중에 다수의 소공간이 형성되어 있는 벌크재. 이것에는 다수의 소구멍을 갖는 판형체로 이루어지는 벌크재나 망형의 벌크재를 포함한다. 다수의 소구멍을 갖는 판형체로서는 펀칭 메탈을 예시할 수 있다.
도 1은 반도체 지지 장치의 일례로서 히터가 달린 정전 척(1)의 일례를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 대략 원반 형상의 기체(5)의 측둘레면(5d)에 링형의 플랜지(5c)가 설치되어 있고, 기체(5)의 내부에 정전 척 전극(12)이 매설되어 있다. 반도체 웨이퍼(2)의 설치면(5a)측에는 소정 두께의 유전층(3)이 형성되어 있다. 기체(5)중 지지 부분(4)측에는 단자(7)가 매설되어 있다. 단자(7)의 단면이 기체(5)의 배면(5b)에 노출되어 있다. 기체(5)의 소정 개소에 반도체 웨이퍼(2)를 승강시키기 위한 핀을 통과시키는 구멍(6)이 형성되어 있다.
단자(7)에 전선(10A)을 통해 직류 전원(11)이 접속되어 있다. 또한 반도체 웨이퍼(2)에는 직류 전원(11)의 음극이 전선(10B)을 통해 접속되어 있다. 정전 척 전극(12)과 배면(5b) 사이에는 기체(5)내에 저항 발열체(8)가 매설되어 있다. 저항 발열체(8)의 양단부는 각각 단자(9)에 접속되어 있고, 단자(9)는 각각 외부 단자(14)에 접속되어 있다. 이 저항 발열체(8)는 반도체 웨이퍼(2)를 흡착하면서 가열하기 위한 것으로서, 반드시 필요한 것은 아니다.
화살표 B의 방향으로부터 X선을 조사하고, 이 반사광의 회절 강도를 측정한다. I'(002)는 이 때의 질화 알루미늄기 세라믹스의 (002)면의 회절 강도이고, I'(100)는 상기 세라믹스의 (100)면의 회절 강도이다. 이것을 JCPDS 카드 번호 25-1133에 의한 질화 알루미늄 세라믹스(실질적으로 무배향인 것을 의미한다)의 (002)면의 회절 강도와 (100)면의 회절 강도의 비율에 의해 나누고, 반도체 지지 장치의 배향도를 측정한다.
본 발명의 반도체 지지 장치를 제조하기 위해서는, 예컨대 다음 방법에 의한다. 먼저, 고순도의 질화 알루미늄 원료를 사용하는 것이 바람직하고, 구체적으로는 희토류 원소를 제외한 금속 불순물량을 500ppm 이하로 하는 것이 바람직하며, 100ppm 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
질화 알루미늄 원료중에는 알루미나를 함유시킬 수 있고, 알루미나의 함유량을 원료 전체에 대하여 1.0 내지 10중량%로 하는 것이 바람직하다. 또한 희토류 원소를 질화 알루미늄 원료 분말에 대하여, 여러가지 형태로 첨가할 수 있다. 희토류 원소로서는 Y, Yb, Ce, Pr 및 Eu가 특히 바람직하다. 희토류 원소의 추가량은 산화를 형성할 때 0.1 내지 1.0중량%인 것이 바람직하다. 이러한 범위내에서 방향 각도가 증가된다.
질화 알루미늄 원료 분말중에 희토류 원소의 단체 또는 화합물의 분말을 첨가할 수 있다. 일반적으로는 희토류 원소의 산화물이 가장 입수하기 쉽다. 그러나, 희토류 원소의 질산염, 황산염, 알콕시드 등의 화합물을 이들 화합물이 가용성인 적당한 용제에 용해시켜 용액을 얻어 이 용액을 질화 알루미늄 원료 분말에 대하여 첨가할 수 있다.
건식 프레스 성형법을 사용하는 경우에는 상기 원료 분말을 건조하는 방법으로서는 스프레이 드라이법을 제안할 수 있다. 이것은 미량 첨가물인 희토류 화합물의 순간 건조법으로서 특히 적합하다.
조합 공정에 있어서는 용제중에 질화 알루미늄 원료 분말을 분산시키고, 이 중에 희토류 원소 화합물이나 알루미나를 상기한 산화물 분말이나 용액의 형태로 첨가할 수 있다. 혼합을 행할 때에는 단순한 교반에 의해서도 가능하지만, 상기 원료 분말중의 응집물을 분쇄할 필요가 있는 경우에는 핫밀, 트로멜, 아트리션밀(attrition mill) 등의 혼합 분쇄기를 사용할 수 있다.
이 분쇄용 용제를 건조하는 공정은 스프레이 드라이법이 바람직하다. 또한, 진공 건조법을 실시한 후에, 건조 분말을 체에 통과시켜 그 입자 크기를 조정하는 것이 바람직하다.
분말을 성형하는 공정에 있어서는 원반 형상의 성형체를 제조하는 경우에는 금형 프레스법을 사용할 수 있다. 성형 압력은 100kgf/cm2이상으로 하는 것이 바람직하다.
이어서, 성형체를 핫 프레스법에 의해 소성한다. 압력을 상승시키는데 있어서는 온도 상승시에는 질화 알루미늄의 소결이 시작되는 1400℃에서 소결 공정의 최고 온도의 범위내에서 압력을 200kgf/cm2이상으로 할 필요가 있고, 또한 온도 하강시에는 소결 공정의 최고 온도에서 1400℃까지 압력을 200kgf/cm2이상으로 할 필요가 있다. 이 압력은 250kgf/cm2이상이 바람직하다. 이 상한은 특별히 한정되지 않지만, 몰드 등의 요도구(窯道具)의 손상을 방지하기 위해서는 실온에서 1000kgf/cm2이하가 바람직하다. 또한 실온에서 1400℃까지는 진공으로 하고, 1400℃에서 가스를 도입하는 것이 바람직하다.
이것과 동시에 질화 알루미늄의 소결이 시작되는 1400℃에서 소결 공정의 최고 온도의 범위 내에서는 온도 상승 속도를 250℃/1시간 이하로 한다. 이것은 50℃/1시간 이상으로 하는 것이 바람직하다. 최고 온도는 1700℃∼2300℃로 하는 것이 바람직하다.
이하, 더욱 구체적인 실험 결과에 대해서 기술한다.
(실시예 1∼5, 비교예 1∼3의 각 서셉트용 기체의 제조)
아래와 같이 하여, 각 서셉트용 기체를 제조하였다. 구체적으로는 원료 분말로서는 환원 질화법에 의해 수득된 질화 알루미늄 분말을 사용하였다. 이트륨의 질산염을 이소프로필 알콜에 용해시켜 첨가제 용액을 제조하고, 이 첨가제 용액을 질화 알루미늄 원료 분말에 대하여 핫밀을 사용하여 혼합하였다. Y2O3로 환산한 산화이트륨의 혼합 비율은 0.1중량%였다. 이것과 동시에, 알루미나 분말을 3.0중량% 첨가하였다.
이렇게 해서 수득된 혼합물을 200kgf/cm2의 압력으로 일축 가압 성형함으로써 직경 200mm의 원반형 성형체를 제작하였다. 이 원반형 성형체를 핫 프레스 틀속에 수용하여 밀봉하였다. 온도 상승 속도 300℃/1시간으로 온도를 상승시키고, 이 때, 실온 내지 1400℃의 온도 범위에서 감압을 행하며, 1400℃에 도달한 후, 질소 가스를 2.5kgf/cm2로 도입하였다.
이 때의 압력의 값은 각각, 실시예 1에서는 200, 실시예 2에서는 250, 실시예 3에서는 300, 실시예 4에서는 400, 실시예 5에서는 500, 비교예 1에서는 0, 비교예 2에서는 50, 비교예 3에서는 100kgf/cm2로 하였다.
이어서, 1400℃에 도달한 시점에서, 온도 상승 속도를 100℃/1시간까지 떨어뜨리고, 1900℃까지 온도를 상승시켰다. 1900℃에서 5시간 유지한 후, 100℃/1시간의 냉각 속도로 1400℃까지 냉각하며, 또 300℃/1시간으로 실온까지 냉각시켰다.
이렇게 해서 수득된 각 질화 알루미늄질 소결체로 이루어지는 원반 형상의 기체에 대해서, 상기한 배향도를 측정하였다. 이 결과를 표 1에 나타낸다.
(비교예 4의 기체의 제조)
비교예 4에 있어서는 시판되는 질화 알루미늄 소결체로 이루어지는 기체의 표면에 화학적 증기상 성장법에 의해 질화 알루미늄막을 형성하였다. 이 때의 조건은 온도를 850℃로 하고, 반응 가스를 NH3: 250ml/1분, HCl: 150ml/1분, AlCl3캐리어용 수소 가스: 1000ml/1분으로 하고, 압력을 10mbar로 하였다.
(실시예 6 내지 8의 기체의 제조)
실시예 1 내지 5와 동일하게 하여 본 발명의 실시 형태에 따른 서셉트용 기체를 제조하였다. 단, 실시예 6에 있어서는 산화이트륨을 첨가하지 않고, 또한 압력을 250kgf/cm2로 하였다. 실시예 7에 있어서는 Y2O3로 환산한 산화 이트륨의 첨가량을 1.0중량%로 하고 압력을 250kgf/cm2로 하였다. 실시예 8에 있어서는 Y2O3로 환산한 산화이트륨의 첨가량을 5.0중량%로 하고 압력을 250kgf/cm2로 하였다.
(부식 시험)
이상과 같이 하여 수득된 각 서셉트용 기체에 대해서, 각각 부식 시험을 행하였다. 구체적으로는 각 기체를 유도 결합 플라스마로 여기한 600℃, 1torr의 NF3가스중에서 10시간 유지하였다. 단, 가스의 유량은 100sccm이고, 13.56MHz, 500W의 조건으로 여기하였다. 각 기체에 대해서, 반응 전후의 중량을 측정하여 「mg/cm2」의 단위로 표 1a 및 표 1b에 나타내었다.
이트륨 첨가량 (중량%) 배향도 부식 속도(mg/cm2)
실시예 1 0.1 1.17 0.6
실시예 2 0.1 1.31 0.3
실시예 3 0.1 1.45 0.3
실시예 4 0.1 1.51 0.2
이트륨 첨가량 (중량%) 배향도 부식 속도(mg/cm2)
실시예 5 0.1 1.53 0.2
비교예 1 0.1 1.02 1.7
비교예 2 0.1 1.04 1.6
비교예 3 0.1 1.07 1.1
비교예 4 0.0 2.35 2.1
실시예 6 0.0 1.42 0.2
실시예 7 1.0 1.22 0.4
실시예 8 5.0 1.11 0.6
이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 배향도를 1.1 이상, 2.0 이하로 함으로써 부식 속도가 현저히 감소하는 것이 판명되었다. 더욱이, 이 배향도를 1.3 이상, 1.7 이하로 함으로써 부식 속도가 0.3mg/cm2이하까지 현저히 감소하고, 1.4 내지 1.6로 함으로써 부식 속도가 0.2mg/cm2이하가 되는 것이 판명되었다. 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 3의 각 기체가 동종의 재질로 이루어져 있는 것을 고려하면 이러한 내식성의 향상은 놀랄만 한 것이다.
또한, 실시예 2, 6, 7, 8을 비교하면, 프레스 압력이 같을 때, 산화이트륨의 첨가량이 적을수록 배향도가 높아지는 것을 알 수 있다.
또한 비교예 4에 있어서는 화학적 증기상 성장막을 형성하고, 그 배향도를 측정하면 2을 초과하는 상당히 큰 배향을 볼 수 있다. 그러나, 이 경우에는 화학적 증기상 성장법에 의해 치밀한 막이 생성되고 있음에도 불구하고, 그 부식 속도는 본 발명예에 비하여 현저히 뒤떨어져 있는 것이었다.
이러한 현저한 작용 효과가 얻어진 이유는 명확하지 않다. 그러나, 질화 알루미늄 소결체를 구성하는 입자의 방향 및 표면의 경도가 할로겐계 부식성 가스에 대하여 어떠한 억제성을 가지고 있는 것으로도 생각된다.
이상 기술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 질화 알루미늄기 세라믹스로 이루어지는 기체를 구비하고 있는 반도체 지지 장치를 할로겐계 부식성 가스에 대하여 노출시켰을 때에 반도체 설치면의 표면 영역에 있어서의 부식 속도를 더욱 더 감소시킬 수 있다.

Claims (2)

  1. 질화 알루미늄기 세라믹스로 이루어지는 기체를 구비하고, 이 기체에 반도체 설치면이 설치되는 반도체 지지 장치로서,
    하기의 식에 의해 규정되는 상기 질화 알루미늄기 세라믹스의 배향도가 1.1 이상, 2.0 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 지지 장치.
    배향도=[I'(002)/I'(100)]/[I(002)/I(100)] (여기에서, I'(002)는 X선 회절 측정에 있어서 상기 반도체 설치면측으로부터 X선을 조사할 때의 상기 질화 알루미늄기 세라믹스의 (002)면의 회절 강도이고, I'(100)은 X선 회절 측정에 있어서 상기 반도체 설치면측으로부터 X선을 조사할 때의 상기 질화 알루미늄기 세라믹스의 (100)면의 회절 강도이며, I(002)는 JCPDS 카드 번호 25-1133에 의한 질화 알루미늄 세라믹스의 (002)면의 회절 강도이고, I(100)은 JCPDS 카드 번호 25-1133에 의한 질화 알루미늄 세라믹스의 (100)면의 회절 강도이다)
  2. 제1항에 있어서, 상기 배향도가 1.3 이상이고 1.7 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 지지 장치.
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