KR100450475B1 - 정전 척 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 질화알루미늄으로 이루어진 유전층을 구비하고, 이 유전층 상에 웨이퍼를 흡착하기 위한 정전 척을 제공하며, 이 정전 척으로 웨이퍼를 흡착시킨 후의 웨이퍼의 열팽창에 기인한 파티클의 발생을 방지한다.
정전 척은 질화알루미늄으로 이루어진 유전층(5)을 구비하고, 이 유전층(5) 상에 웨이퍼를 흡착시킨다. 유전층(5)의 표면(1a)이 25 ㎚ 이하의 중심선 평균 표면 조도를 갖고, 유전층을 구성하는 질화알루미늄보다 경질인 재료로 이루어진 두께 200 ㎚ 이상의 표면층(3)으로 유전층의 표면을 피복하고 있다.

Description

정전 척 및 그 제조 방법{ELECTROSTATIC CHUCKS AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 정전 척 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재, 반도체 웨이퍼의 반송, 노광, CVD 등의 성막(成膜) 프로세스, 및 세정, 에칭, 다이싱 등의 미세 가공으로 대표되는 각 공정에 있어서, 반도체 웨이퍼를 흡착하고, 유지하기 위해서 정전 척이 사용되고 있다. 통상, 절연층의 설치면으로부터 돌출하는 다수의 돌기 내지 엠보스 부분을 마련하여, 이 돌기의 꼭대기면(접촉면)을 반도체 웨이퍼에 대하여 접촉시킨다. 또한, 절연층 내의 내부 전극에 직류 전압을 인가하고, 반도체 웨이퍼와 돌기의 접촉면의 접촉 계면에서 죤슨-라벡 힘(Johnson-Rahbeck force)을 발생시켜, 접촉면 상의 반도체 웨이퍼를 흡착한다. 이 때문에, 돌기 접촉면(꼭대기면)의 면적을 크게 함으로써, 반도체 웨이퍼의 흡착력을 향상시킬 수 있다.
그러나, 정전 척에 있어서는, 웨이퍼 이면(흡착면)측에서의 파티클 발생이 문제가 된다. 파티클은, 주로 실리콘 웨이퍼에 부착된 후, 실리콘이 연삭됨으로써 발생하는 입자, 유기물, 정전 척 표면으로부터의 입자 이탈에 의해 생기는 질화알루미늄 입자 등이 있다.
파티클은 웨이퍼를 정전 척에 흡착시키기만 하여도 발생한다. 그러나, 특히 고온으로 유지된 정전 척에 저온의 웨이퍼를 흡착시키는 경우나, 저온의 정전 척에 대하여 저온의 웨이퍼를 흡착시킬 때에 플라즈마로부터 웨이퍼로 열을 가하는 경우에는, 웨이퍼에 흡착력이 한창 발생하고 있을 때에 웨이퍼가 가열되고 열팽창되며, 웨이퍼의 이면과 정전 척의 표면이 마찰된다. 이러한 경우에 파티클이 발생하기 쉽다.
일본 특허 공개 공보 평성 제7-245336호에는, 세라믹 정전 척의 흡착면의 요철부가 실리콘 웨이퍼와 접촉할 때에, 경도가 상대적으로 낮은 실리콘 웨이퍼가 상기 요철부에 의해 연삭되어 파티클이 발생하는 것과, 정전 척의 흡착면에 플라즈마를 조사(照射)하여 요철부를 연삭하여 미세 돌기를 둥글게함으로써, 파티클 발생을 감소시키는 것이 개시되어 있다.
또한, 일본 특허 공개 공보 평성 제8-55900호에 있어서는, 정전 척에 실리콘 웨이퍼를 흡착시킬 때에, 정전 척에 인가되는 전압을 완만하게 상승시킴으로써, 실리콘 웨이퍼가 정전 척에 접촉할 때의 충격을 완화하여, 정전 척의 흡착면 요철부로 인한 파티클의 발생을 감소시키는 방법이 개시되어 있다.
파티클 발생을 줄이는 방법으로서는, 웨이퍼 이면과 정전 척 표면과의 접촉 면적을 줄이는 것이 실행되고 있다. 그러나, 이 방법에는 문제점이 있다. 즉, 웨이퍼와 정전 척 사이에는 통상적으로 이면 가스(backside gas)가 흐르기 때문에, 웨이퍼의 흡착력이 낮으면, 웨이퍼가 이면 가스의 압력에 의해 부유하여 버린다. 이 때문에, 웨이퍼의 흡착력은 이면 가스의 압력보다도 충분히 높아야만 한다.
흡착력은 접촉 면적과, 접촉 부분에서의 단위 면적당 흡착력의 곱이다. 따라서, 웨이퍼 이면과 정전 척 표면의 접촉 면적을 줄이면, 그 만큼 단위 면적당 흡착력을 증대시켜야 하고, 그러기 위해서는 예컨대 인가 전압을 증가시킬 필요가 있다. 그러나, 단위 면적당 흡착력이 증대되면, 웨이퍼가 흡착된 후에 웨이퍼가 열팽창될 때에, 웨이퍼에 가해지는 전단 응력이 증가하여 입자 이탈이 생긴다.
질화알루미늄 입자가 이탈되면, 이 이탈된 입자 자체가 파티클이 되어, 웨이퍼의 배선 가공을 저해하고, 칩의 제조 수율을 저하시킬 뿐 아니라, 정전 척의 웨이퍼 흡착 특성의 변화를 초래하여 웨이퍼 처리 프로세스가 안정적이지 않게 된다.
본 발명의 과제는, 질화알루미늄으로 이루어진 유전층을 구비하고, 이 유전층 상에 웨이퍼를 흡착시키기 위한 정전 척으로서, 정전 척으로 웨이퍼를 흡착한 후의 웨이퍼의 열팽창에 기인한 파티클의 발생을 방지할 수 있도록 하는 것이다.
도 1은 유전층(5)을 연마 가공한 후의 상태를 도식적으로 도시한 단면도이고,
도 2는 유전층(5)을 연마 가공하고, 유전층(5)상에 표면층(3)을 형성한 상태를 도식적으로 도시한 단면도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 질화알루미늄 입자
1a : 입자의 표면(유전층의 표면)
2 : 유전층의 단차
3 : 표면층
4 : 표면층의 단차
5 : 유전층
본 발명은 질화알루미늄으로 이루어진 유전층을 구비하고, 이 유전층 상에 웨이퍼를 흡착시키기 위한 정전 척으로서, 상기 유전층의 표면이 25 ㎚ 이하의 중심선 평균 표면 조도를 가지며, 상기 유전층을 구성하는 질화알루미늄보다 경질인 재료로 이루어진 두께 200 ㎚ 이상의 표면층으로 상기 유전층의 표면을 피복하는 것을 특징으로 한다.
본원 발명자는 유전층의 표면을 고도로 평활화하여, 중심선 평균 표면 조도를 25 ㎚ 이하가 되도록 한 후에, 별도의 경질 재료로 이루어진 막을 유전층 상에 형성함으로써, 전술한 파티클의 발생을 현저히 저감할 수 있는 것을 발견하여 본 발명에 도달하였다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 대해서 설명한다.
처음에, 본원 발명자는 도 2에 도식적으로 도시한 바와 같이, 질화알루미늄으로 이루어진 유전층(5)의 표면에 알루미나로 이루어진 개질막(3)을 형성하고 표면을 강화함으로써, 파티클의 발생을 방지하고자 하였다. 그러나, 이 경우에는, 웨이퍼를 흡착시킨 상태에서 웨이퍼를 승온시키는 조건하에서는, 역시 파티클이 발생하는 것으로 판명되었다. 이러한 파티클의 증가는 주로 개질막(3)의 박리에 기인하는 것이었다.
본원 발명자는 개질막(3)의 박리에 따른 파티클의 발생을 방지하기 위해서 예의 검토하였다. 이 과정에서, 개질막을 형성하기 직전의 유전층(5)의 표면 상태가 중요하다는 것을 발견하였다. 즉, 유전층(5)의 표면을 정밀 연마 가공함으로써 그 중심선 평균 표면 조도를 25 ㎚ 이하로 한 후에 경질 재료의 막(3)을 형성하면, 전술한 막의 박리로 인한 파티클의 발생도 방지할 수 있는 것을 발견하였다.
이러한 작용 효과를 얻을 수 있었던 이유는 명확하지 않지만, 이하의 추론은 가능하다. 즉, 질화알루미늄의 표면은 도 1에 도식적으로 도시된 바와 같이, 결정 입자(1)마다 약간 높이가 다르다. 환언하면, 특히 입자 사이의 영역에 미세한 단차(2)가 존재한다. 이 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이, 유전층(5) 상에 예컨대 알루미나층(3)을 피복하면, 하지(下地)인 질화알루미늄 층(5)의 표면 형상에 따라 피복된 알루미나층(3)의 표면에 약간의 단차(4)가 생긴다. 즉, 유전층(5) 표면의 단차(2) 위에는, 날카로운 단차(2)의 궤적을 그리는 상태로 막(3)이 형성되어 있다. 이와 같이 날카로운 단차(4)의 주변에 있어서는, 막(3)이 도 2에서 볼 때 횡방향의 전단력에 대하여 약하다. 이 때문에, 웨이퍼를 정전 척 상에 흡착시킨 후에 웨이퍼가 열팽창하면, 막의 박리가 생기기 쉬운 것으로 생각된다.
여기서, 질화알루미늄 입자(1)의 평균 입경은 통상적으로 1 ㎛(1000 ㎚) 이상이며, 2 ㎛(2000 ㎚) 이상인 것이 많다. 이에 대하여, 유전층(5) 표면의 중심선 평균 표면 조도는 종래에는 30∼50 ㎚ 정도였다. 따라서, 입자(1)의 표면(1a)에 있어서 단차가 존재했다고 해도 그 크기는 입자 직경에 비하여 매우 작으며, 이 때문에 파티클 발생에 대한 영향은 통상적으로는 없는 것으로 고려된다. 또한, 유전층(5) 상에 표면층(3)을 형성하지 않은 상태로 파티클 발생 시험을 하면, 유전층(5)의 중심선 평균 표면 조도가 50 ㎚인 경우도, 25 ㎚ 이하인 경우도, 파티클의 발생량은 변화하지 않았다. 이 때문에, 중심선 평균 표면 조도가 50 ㎚ 이하 정도의 평활면이라면, 파티클의 발생에 대한 영향은 없다. 더욱이, 유전층 상에 형성되는 표면층(3)의 두께는 200 ㎚ 이상 필요하므로, 하지의 단차에 비하여 충분히 큰 것이다.
그러나, 이러한 예측에 반하여, 하지인 유전층 표면의 중심선 평균 표면 조도의 약간의 변화에 의해서도, 표면층(3)의 박리 용이와, 파티클 발생량에 대하여 상당한 영향이 있는 것을 발견하였다.
바람직한 실시예에 있어서는, 표면층(3)의 두께가 500 ㎚ 이상이다. 또한, 표면층(3)의 두께가 5 ㎛를 초과하면, 표면층(3)에 대하여 열 사이클이 가해지기 때문에, 이 열 사이클에 의한 막의 박리가 생기기 쉬워진다. 이러한 관점에서는 3 ㎛ 이하로 하는 것이 더 바람직하다.
질화알루미늄보다도 경질인 재료는 비커스 경도로 1300 Hv 이상인 재질을 말한다. 이러한 재질로서는 알루미나, 알루미나를 함유한 복합 재료, DLC(다이아몬드형 카본), 다이아몬드 등이 바람직하다.
질화알루미늄보다도 경질인 재료로서는, 예컨대, (바람직하게는 화학 기상성장법에 의해 형성된) 알루미나계 세라믹, 알루미나를 함유한 복합 재료, 다이아몬드형 카본 및 다이아몬드로 이루어진 군으로부터 선택된 재료가 바람직하다. 불소 가스 등의 할로겐계 부식성 가스에 대한 표면층의 내식성이라는 관점에서는, 알루미나계 세라믹, 알루미나를 함유한 복합 재료가 바람직하다.
알루미나계 세라믹을 함유한 복합 재료에 있어서, 알루미나와 복합화되는 재료로서는, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화이트륨 등의 금속 산화물이 바람직하다.
질화알루미늄 층을 구성하는 질화알루미늄 입자의 평균 입자 직경은 1 ㎛ 이상인 것이 바람직하고, 10 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
정전 척용 전극의 재질은 한정되지 않고, 도전성 세라믹이나 금속이어도 되지만, 고융점 금속이 특히 바람직하며, 몰리브덴, 텅스텐, 몰리브덴과 텅스텐의 합금이 특히 바람직하다.
웨이퍼의 이면과 정전 척의 상응하는 표면 사이에서 흐르는 이면 가스로서는, 공지의 가스, 예컨대 헬륨, 아르곤, 헬륨과 아르곤의 혼합 가스를 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 적어도 유전층을 성형 및 소성한 후에, 유전층의 표면을 정밀 연마 가공하여, 표면의 중심선 평균 표면 조도를 25 ㎚ 이하로 한다. 이 질화알루미늄의 제법은 특별히 한정되지 않지만, 소결법에 의한 것이 바람직하다. 정밀 연마 가공 방법도 특별히 한정되지 않지만, 산화제를 함유한 슬러리를 사용한 연마(polish) 가공이 바람직하다.
이 후, 유전층(5)을 구성하는 질화알루미늄보다도 경질인 재료로 이루어진두께 200 ㎚ 이상의 표면층으로 유전층(5)의 표면을 피복한다. 표면층의 성형 방법은 한정되지 않으며, 스퍼터링법, 화학적 기상 성장법, 물리적 기상 성장법 등이어도 된다.
여기서, 표면층(3)을 형성하기 전에 유전층(5)의 표면(1a)에 대하여 불활성 기체로 스퍼터 에칭(sputter etching)을 행하는 것이 바람직하다. 이 불활성 기체로는 아르곤이 특히 바람직하다. 이 스퍼터 에칭에 의해 유전층의 표면을 청정화할 수 있고, 이로 인하여 표면층(3)과 유전층(5)의 밀착성을 향상시킬 수 있다.
이 때, 스퍼터 에칭에 이용하는 불활성 기체 분위기 중에 산소를 더 함유시킴으로써, 스퍼터 에칭 시에 유전층의 표면을 약간 산화시켜, 유전층과 표면층, 예컨대 알루미나막의 밀착성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
불활성 기체 분위기 중에서의 산소의 몰비는 1∼20 mol%로 하는 것이 바람직하다.
(실험 1)
질화알루미늄 분말을 성형하여, 원판(disk) 형상의 성형체를 성형하였다. 계속해서, 이 성형체 상에 몰리브덴으로 이루어진 내부 전극을 배치하고, 또한 그 위에 질화알루미늄 분말을 충전하고 재차 성형하여, 내부 전극을 매설한 원판 형상의 성형체를 얻었다. 뒤이어, 이 성형체를 질소 분위기 중에서 소결함으로써, 내부 전극을 매설한 직경 Φ75 ㎜, 두께 1 ㎜의 원판 형상의 정전 척을 제조하였다.
계속해서, 유전층(5)의 표면을 연마 가공하였다. 연마 가공 후의 중심선 평균 표면 조도가 표 1의 값이 되도록, 연마 가공 시에 슬러리를 구성하는 알루미나 입자의 입경, 산화제의 종류, 슬러리의 pH 등의 조건을 변경하였다.
각 시료의 이면측에 도전성 페이스트를 도포하였다. 400℃로 가열한 직경 75 ㎜의 실리콘 웨이퍼 상에 도전성 페이스트가 부착된 (실온의) 시료를 적재하여 웨이퍼와 도전성 페이스트의 사이에 ±500 볼트의 직류 전압을 인가하고, 실리콘 웨이퍼를 정전 척에 흡착시켰다. 계속해서, 흡착 후의 웨이퍼 50 mm2의 영역을 주사형 전자현미경에 의해 관찰하고, 입자 이탈 갯수를 평가하였다. 이 결과를 표 1에 나타낸다.
중심선 평균 표면 조도(Ra)(nm) 웨이퍼 상에서의 입자 이탈의 개수(개/mm2)
320 1.5
51 0.8
35 0.9
25 1.1
18 0.7
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 중심선 평균 표면 조도가 320∼18 nm의 범위 내에서, 입자 이탈 수에 현저한 변화는 없다. 유전층 표면의 중심선 평균 표면 조도를 예컨대 25 nm 이하로 작게 하여도, 입자 이탈 수의 유의미한 감소는 보이지 않았다.
(실험 2)
실험 1과 마찬가지로 하여, 표 2에 나타낸 각 중심선 평균 표면 조도가 되도록 각 시료의 유전층을 가공하였다. 계속해서, 각 정전 척 시료에 대하여, 스퍼터링법에 의해 고순도 알루미나의 막을 형성하였다. 이 때에는, 우선 아르곤 분위기에 시료를 두고, 스퍼터 에칭법에 의해 유전층의 표면을 청정화하였다. 아르곤 분위기 중에는 10 mol%의 산소를 함유시켰다. 계속해서, 이하의 조건으로 고순도 알루미나를 스퍼터링하여 두께 2 ㎛의 막(3)을 형성하였다. 각 시료에 대해서 실험 1과 마찬가지로 하여 웨이퍼 상에서의 입자 이탈 수를 측정하였다.
스퍼터링 조건
압력: 1 Pa
출력: 400 W
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중심선 평균 표면 조도(Ra)(nm) 웨이퍼상에서의 입자 이탈의 개수(개/mm2)
320 1.1
52 0.9
34 0.5
25 0.0
17 0.0
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 알루미나막 하지의 중심선 평균 표면 조도를 25 nm 이하로 함으로써, 웨이퍼상의 입자 이탈 수를 0개/mm2로 하는 것에 성공하였다. 특히, 중심선 평균 표면 조도가 320 nm, 52 nm, 34 nm인 경우에는, 가령 그 위에 알루미나막을 형성하여도 실험 1의 알루미나막이 없는 경우에 비하여 웨이퍼의 입자 이탈 수는 거의 변화하지 않는다. 그런데, 중심선 평균 표면 조도를 25 nm 이하로 하고, 또한 알루미나막을 설치한 경우에는, 웨이퍼 상의 입자 이탈 수가 현저히 감소하여 0.0개/mm2가 되었다.
(실험 3)
실험 2와 동일한 시험을 행하였다. 단, 하지가 되는 유전층의 가공후의 중심선 평균 표면 조도는 20 nm로 하였다. 또한, 알루미나막(3)의 두께는 0.5 ㎛∼10 ㎛ 사이에서 변화시켰다.
표면층(3)의 두께(㎛) 웨이퍼상에서의 입자 이탈의 개수(개/㎟)
0.5 0.0
1.0 0.0
2.0 0.0
5.0 0.0
10.0 0.2
표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 표면층의 두께를 10 ㎛로 하여도, 웨이퍼상의 입자 이탈 수는 0.2개/㎟으로 억제되고 있지만, 입자 이탈 수를 0.0개/㎟으로 하기 위해서는 표면층의 두께를 5.0 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 질화알루미늄으로 이루어진 유전층을 구비하고, 이 유전층 상에 웨이퍼를 흡착시키기 위한 정전 척으로서, 정전 척으로 웨이퍼를 흡착시킨 후의 웨이퍼의 열팽창에 기인한 파티클의 발생을 방지할 수 있다.

Claims (8)

  1. 질화알루미늄으로 이루어진 유전층을 구비하고, 이 유전층 상에 웨이퍼를 흡착시키기 위한 정전 척으로서,
    상기 유전층의 표면은 25 ㎚ 이하의 중심선 평균 표면 조도를 가지며, 상기 유전층을 구성하는 질화알루미늄보다도 경질인 재료로 이루어진 두께 200 nm 이상의 표면층으로 상기 유전층의 표면을 피복하는 것을 특징으로 하는 정전 척.
  2. 제1항에 있어서, 상기 질화알루미늄보다도 경질인 재료는 알루미나계 세라믹, 알루미나를 함유한 복합 재료, 다이아몬드형 카본 및 다이아몬드로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 정전 척.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 질화알루미늄을 구성하는 질화알루미늄의 평균 입경은 1∼10 ㎛인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  4. 질화알루미늄으로 이루어진 유전층을 구비하고 이 유전층 상에 웨이퍼를 흡착시키기 위한 정전 척을 제조하는 방법으로서,
    상기 유전층 표면의 중심선 평균 표면 조도를 25 ㎚ 이하로 한 후, 이 유전층의 상기 표면을, 상기 유전층을 구성하는 질화알루미늄보다도 경질인 재료로 이루어진 두께 200 ㎚ 이상의 표면층으로 피복하는 것을 특징으로 하는 정전 척의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 질화알루미늄보다 경질인 재료는 알루미나계 세라믹, 알루미나를 함유한 복합 재료, 다이아몬드형 카본 및 다이아몬드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 정전 척의 제조 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 질화알루미늄을 구성하는 질화알루미늄의 평균 입경은 1∼10 ㎛인 것을 특징으로 하는 정전 척의 제조 방법.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 표면층을 형성하기 전에 상기 유전층의 표면에 대하여 불활성 기체의 스퍼터 에칭을 행하는 것을 특징으로 하는 정전 척의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 불활성 기체의 스퍼터 에칭을 행하는 데 있어서, 상기 불활성 기체에 산소를 함유시키는 것을 특징으로 하는 정전 척의 제조 방법.
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