WO2020096267A1 - 정전 척 및 그 제조 방법 - Google Patents

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김주환
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    • Y10T279/23—Chucks or sockets with magnetic or electrostatic means

Definitions

  • an object of the present invention is to provide an electrostatic chuck and a method of manufacturing the same, which can improve the adsorption and desorption response characteristics of a semiconductor wafer by reducing leakage current due to high volume resistance.
  • leakage current is reduced by high volume resistance, thereby improving adsorption and desorption response characteristics of a semiconductor wafer.
  • the rare earth composite oxide may include different types of rare earth metal oxides in various compounding ratios.
  • the rare earth composite oxide includes two rare earth metal oxides in a weight ratio of 2.5 to 3.5: 1, or three rare earth metal oxides in a weight ratio of 1 to 3.5: 0.5 to 2.5: 1, or Four rare earth metal oxides are contained in a weight ratio of 1.5 to 3.5: 0.5 to 2.5: 1 to 2.5: 1, or 5 rare earth metal oxides are 1 to 3: 0.5 to 1.5: 0.5 to 1.5: 1 to 2: 1 Single rare earth metal oxides may be appropriately blended so that the effect of the target rare earth composite oxide can be maximized.
  • the volume resistivity at room temperature is 1.0E + 16 to 1.0E + 17 ⁇ ⁇ cm, preferably about 1.0E + 17 ⁇ ⁇ cm.
  • the electrostatic chuck of the present invention is characterized in that the leakage current amount is less than 0.08 kPa, preferably 0.03 to 0.075 kPa.
  • the sintering temperature is about 1,450 to 1,550 ° C, and when both are set to a micro size, the sintering temperature is about 1,600 to 1,700 ° C., which is relatively low temperature sintering. It has the advantage of shortening the time required for the process, and also, when sintering the nano powder, it is possible to obtain a uniform grain (Grain), it is preferable that both the alumina and the sintering aid are nano-sized particles.
  • the description of the rare earth metal oxide used in step a) and the rare earth composite oxide prepared in step b) and the sintering aid in step are as described above, and the solvent can be exemplified by a common one used in the art.
  • an organic solvent commonly used such as isopropyl alcohol (IPA), ethanol, methanol, and DI water can be exemplified.
  • the rare earth composite oxide, alumina and sintering aid may be made of various properties, but the powder property is most preferred.
  • the molding of step d) may be, for example, press molding as a first molding (ie, first molding) process for controlling the mixture dried in step c) to a desired size and shape.
  • first molding ie, first molding
  • CIP cold isostatic pressing
  • the press molding is preferably performed under normal temperature and normal atmosphere, but is not limited thereto, and the atmosphere at the time of molding may be such that it does not affect the molding of the mixture.
  • a preform can be manufactured by performing processing by a green processing method (which is also performed before sintering, also referred to as a raw processing).
  • Example 1 98.5 One 0 0 0.5
  • Example 2 98.5 One 0 0 0.5
  • Example 3 98.9 One 0 0 0.1 Comparative Example 1 99 0 0 One 0 Comparative Example 2 98.5 0 0 One 0.5 Comparative Example 3 99 One 0 0 0 Comparative Example 4 97.9 0 2 0 0.1 Comparative Example 5 98 0 2 0 0 Comparative Example 6 100 0 0 0 0 0
  • Example 1 is an electrostatic chuck according to an embodiment of the present invention (Al 2 O 3 + MgO + rare earth composite oxide, Example 1) and the electrostatic chuck according to the comparative example (Al 2 O 3 + MgO, comparison) It is a graph comparing the substrate adsorption and desorption time of Example 3).
  • the electrostatic chucks of Comparative Examples 1 to 6 which do not include alumina, magnesium oxide, and rare earth composite oxides, stabilized after the initial voltage is applied and the time after stabilizing after removing the voltage While it was around 5 to 10 seconds, it was confirmed that the electrostatic chuck according to the present invention had stabilization time within 2 seconds after voltage application and removal. This is due to the rapid stabilization of the chucking time and the dechucking time of the substrate by the use of the rare earth composite oxide, as well as the specific content of alumina, magnesium oxide and rare earth composite oxide.

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Abstract

높은 체적 저항에 의해 누설 전류가 저감되어 반도체 웨이퍼의 흡착 및 탈착 응답 특성을 향상시킬 수 있는, 정전 척 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 정전 척은, 내부에 전극이 함침되어 정전기력에 의해 반도체 웨이퍼를 고정시키는 소결체로서, 알루미나; 소결조제; 및 2 내지 5 개의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 희토류 복합 산화물;을 포함하며, 반도체 웨이퍼의 흡착 및 탈착 응답 특성이 2초 이내이고, 상온에서의 체적 저항률이 1.0E + 16 내지 1.0E + 17 Ω·㎝인 것을 특징으로 한다.

Description

정전 척 및 그 제조 방법
본 출원은 2018년 11월 08일자 한국 특허 출원 제10-2018-0136671호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 정전기력에 의해 반도체 웨이퍼 등을 고정시키는 정전 척에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 높은 체적 저항에 의해 누설 전류가 저감되어 반도체 웨이퍼의 흡착 및 탈착 응답 특성을 향상시킬 수 있는, 정전 척 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
정전 척(Electrostatic chuck; ESC)은 정전기력을 이용하여 반도체 웨이퍼나 LCD 유리 기판 등을 수평 고정시키는 장치로서, 흡착 방법에 따라 크게 쿨롱(Coulomb)형 정전 척과 존슨-라벡(Johnsen-Rahbek)형 정전 척으로 분류된다. 이 중, 존슨-라벡형 정전 척은 일반적으로 1 × 109 ~ 1 × 1012 Ω·㎝ 정도의 낮은 체적저항 특성을 지니며, 낮은 체적저항 특성에 의해 유전체의 웨이퍼 흡착면에 전하들이 충전되고, 이러한 표면 전하들의 정전기적 인력을 통하여 웨이퍼가 고정된다. 반면, 쿨롱형 정전 척은 유전체 상하면에 존재하는 서로 다른 전하들 간의 정전기적 인력을 이용하여 웨이퍼를 고정하는 것으로서, 유전체의 체적 저항값이 1 × 1015 Ω·㎝ 이상이어야만 누설 전류가 적고 웨이퍼 탈착 성능이 우수하며, 반도체 웨이퍼의 사이즈가 커질수록 충분한 정전 흡착력을 웨이퍼 접촉면 전체에 균일하게 형성하지 못할 수 있다.
한편, 정전 척에는 통상 산화알루미늄(Al2O3)이나 질화알루미늄(AlN)과 같은 알루미늄을 주 원료로 하는 소재가 사용되고 있는데, 산화알루미늄 소결체는 상온에서 체적 저항률이 1 × 1014 Ω·㎝ 이상인 바, 산화알루미늄을 주 원료로 하고 또한 충분한 흡착률과 우수한 전류 응답 특성을 가지기 위해서는, 존슨-라벡형 방식보다는 쿨롱형 방식을 이용하여 정전 척을 제조하여야 한다.
하지만, 종래의 쿨롱형 정전 척은, 특정 온도 범위를 벗어날 경우 체적 저항률이 높지 않고, 특정 온도 하에서도 체적 저항률의 유지가 용이하지 않아 흡착력이 불안정한 문제점을 가지고 있다. 이 외에도, 종래의 정전 척은, 정전 척에서 기판으로 누설되는 전류가 많고, 기판 탈착 시의 응답 속도가 늦어 양호한 탈착 응답성을 얻을 수 없는 단점이 있다. 이에, 상기와 같은 문제점들을 해소할 수 있는 신규한 쿨롱형 정전 척의 개발이 요구되는 바이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 높은 체적 저항에 의해 누설 전류가 저감되어 반도체 웨이퍼의 흡착 및 탈착 응답 특성을 향상시킬 수 있는, 정전 척 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 내부에 전극이 함침되어 정전기력에 의해 반도체 웨이퍼를 고정시키는 소결체로서, 알루미나; 소결조제; 및 2 내지 5 개의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 희토류 복합 산화물;을 포함하며, 반도체 웨이퍼의 흡착 및 탈착 응답 특성이 2초 이내이고, 상온에서의 체적 저항률이 1.0E + 16 내지 1.0E + 17 Ω·㎝인 것을 특징으로 하는, 정전 척을 제공한다.
또한, 본 발명은, a) 밀링 하에서 2종 이상의 서로 다른 희토류 금속 산화물 파우더 및 용매를 습식 혼합한 후 건조시켜 과립화 하고 열처리 하여, 2 내지 5 개의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 희토류 복합 산화물을 제조하는 단계; b) 상기 제조된 희토류 복합 산화물에 알루미나, 소결조제, 알코올 및 바인더를 공급한 후 혼합하는 단계; c) 상기 b) 단계의 혼합물을 건조시켜 알코올 성분을 제거하는 단계; d) 상기 건조된 혼합물을 성형 및 가공하여 예비 성형체를 제조하는 단계; e) 상기 예비 성형체를 탈지하여 바인더 성분을 제거하는 단계; 및 f) 상기 탈지된 예비 성형체를 소결한 후 연마하는 단계;를 포함하는, 정전 척의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 정전 척 및 그 제조 방법에 의하면, 높은 체적 저항에 의해 누설 전류가 저감되어 반도체 웨이퍼의 흡착 및 탈착 응답 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 척의 기판 흡탈착 시간과 비교예에 따른 정전 척의 기판 흡탈착 시간을 비교 대조한 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 정전 척은, 쿨롱(Coulomb)형의 정전 척이고, 내부에 전극이 함침되어 정전기력에 의해 반도체 웨이퍼를 고정시키는 소결체로서, 알루미나; 소결조제; 및 2 내지 5 개의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 희토류 복합 산화물;을 포함하며, 반도체 웨이퍼의 흡착 및 탈착 응답 특성이 2초 이내이고, 상온에서의 체적 저항률이 1.0E + 16 내지 1.0E + 17 Ω·㎝인 것을 특징으로 한다.
상기 희토류 복합 산화물은, 정전 척의 전도성을 떨어뜨리기 위한 것으로서 극소량 사용될 수 있으며, 2종 이상, 바람직하게는 2 내지 5개의 서로 다른 희토류 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 희토류 금속(rare-earth metal)은 스칸듐(Sc), 이트리움(Y), 란타늄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 이터븀(Yb) 및 루테튬(Lu) 등일 수 있다. 또한, 이와 같은 희토류 금속을 포함하는 희토류 금속 산화물의 순도는 99 % 이상이 바람직하나 이에 제한되지는 않는다. 또한, 희토류 금속 산화물의 성상은 파우더(powder)이고, 그 입도는 10 ㎛ 이하가 바람직하나 이에 제한되지는 않는다.
따라서, 상기 희토류 복합 산화물은, 예를 들어 유로퓸-가돌리늄 복합 산화물(EuGdOX), 사마륨-가돌리늄 복합 산화물(SmGdOX), 세륨-유로퓸 복합 산화물(CeEuOX), 사마륨-세륨 복합 산화물(SmCeOX), 가돌리늄-사마륨 복합 산화물(GdSmOX) 및 란타늄-세륨 복합 산화물(LaCeOX) 등 2종의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 복합 산화물이거나, 사마륨-세륨-유로퓸 복합 산화물(SmCeEuOX), 가돌리늄-세륨-란타늄 복합 산화물(GdCeLaOX) 및 유로퓸-가돌리늄-사마륨 복합 산화물(EuGdSmOX) 등 3종의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 복합 산화물이거나, 사마륨-세륨-가돌리늄-유로퓸 복합 산화물(SmCeGdEuOX) 및 가돌리늄-사마륨-유로퓸-란타늄 복합 산화물(GdSmEuLaOX) 등 4종의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 복합 산화물이거나, 사마륨-세륨-유로퓸-가돌리늄-란타늄 복합 산화물(SmCeEuGdLaOX) 등 5종의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 복합 산화물일 수 있는 등, 서로 다른 2 내지 5종의 희토류 금속 산화물이 복합된 것이라면 특별한 제한이 없다.
상기 희토류 복합 산화물이 서로 다른 2종 이상의 희토류 금속 산화물을 포함할 경우, 어느 하나의 희토류 금속은 나머지 하나의(또는, 어느 하나의) 희토류 금속 산화물 내에 고용(固溶)될 수 있다. 이를 통하여, 어느 하나의 희토류 금속 산화물 결정이 변화하게 되며, 따라서, 상기 희토류 복합 산화물은 단일 희토류 금속 산화물에 비하여 산소 격자결함이 증가할 수 있다. 즉, 본 발명에 적용되는 희토류 복합 산화물은, 단일 희토류 금속 산화물은 물론, 2종의 희토류 금속 산화물이 단순 혼합된 것과는 차이가 있는 것이다.
이와 같이, 산소 격자결함이 증가한 희토류 복합 산화물은 계면 반응성이 향상되며, 이에 의해 알루미나의 계면 또는 격자 산소와 효과적으로 반응함으로써, 복합 산화물은 알루미나의 입계를 따라 형성될 수 있다(즉, 다시 말해, 알루미나의 입계를 따라 전도성 결정상이 생성된다). 한편, 상기 희토류 복합 산화물의 사용 함량에 따라 전도성이 커지거나 떨어질 수 있고, 구체적으로, 1 중량% 이하로 사용되면 계면에 위치하여 전도성을 떨어뜨릴 수 있고, 수 중량%가 사용되면 오히려 전도성이 커지며, 수십 중량%가 사용되면 다시 전도성이 떨어지게 된다. 따라서, 쿨롱 타입의 정전 척에 관한 본 발명에 있어서는, 상기 희토류 복합 산화물을 소결체 전체(알루미나 + 산화마그네슘 등의 소결조제 + 희토류 복합 산화물) 중량에 대하여 0 초과 1 중량% 이하(바람직하게는 0.01 내지 1 중량%, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 1 중량%)의 극소량으로 사용하거나 수십 중량%의 함량으로 사용할 수 있다.
또한, 상기 희토류 복합 산화물은, 서로 다른 다종의 희토류 금속 산화물들을 다양한 배합비로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 희토류 복합 산화물은, 2종의 희토류 금속 산화물을 2.5 내지 3.5 : 1의 중량비로 포함하거나, 3종의 희토류 금속 산화물을 1 내지 3.5 : 0.5 내지 2.5 : 1의 중량비로 포함하거나, 4종의 희토류 금속 산화물을 1.5 내지 3.5 : 0.5 내지 2.5 : 1 내지 2.5 : 1의 중량비로 포함하거나, 5종의 희토류 금속 산화물을 1 내지 3 : 0.5 내지 1.5 : 0.5 내지 1.5 : 1 내지 2 : 1의 중량비로 포함할 수 있는 등, 목적으로 하는 희토류 복합 산화물의 효과가 극대화 될 수 있도록, 단일 희토류 금속 산화물들을 적절히 배합시킬 수 있다.
보다 구체적으로, SmCeEuOX는 각 희토류 금속 산화물이 2 : 1 : 1, GdCeLaOX는 3 : 2 : 1, EuGdSmOX는 1.5 : 1.5 : 1, SmCeGdEuOX는 2 : 1 : 1.5 : 1, GdSmEuLaOX는 3 : 2 : 2 : 1, SmCeEuGdLaOX는 2 : 1 : 1 : 1.5 : 1의 중량비일 수 있다.
상기 알루미나(Al2O3)는 정전 척의 표면 온도를 균일하게 유지하기 위하여 사용되는 정전 척의 주 성분으로서, 순도가 99 % 이상, 바람직하게는 99.5 %를 상회하는 것이 좋다. 또한, 상기 알루미나의 함량은, 소결체 전체 중량에 대하여 90 내지 99 중량%, 바람직하게는 92 내지 99 중량%, 더욱 바람직하게는 95 내지 99 중량%로서, 상기 알루미나의 함량이 90 중량% 미만일 경우, 나머지 소결조제 등의 함량이 높아짐에 따라 체적저항률 및 응답성 등 알루미나 본연의 물성이 전반적으로 저하될 수 있고, 99 중량%를 초과하는 경우에는 균일한 소결체를 얻기 어려운 문제가 발생할 수 있다. 그밖에, 여기서 설명되지 않은 알루미나에 대한 내용은, 당업계에 알려진 공지의 내용을 준용할 수 있다.
상기 소결조제는 산화마그네슘(MgO), 이트리아(Y2O3) 및 이산화규소(SiO2)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것으로서, 상기 희토류 복합 산화물 내 희토류 금속의 고용량을 증가시키고, 소결 시 액상생성, 입계 이동의 억제, 물질 수송 속도 촉진 등의 역할을 하기 위하여 사용되는 것으로서, 상기 소결조제의 함량은, 소결체 전체 중량에 대하여 0 초과 10 중량% 이하, 바람직하게는 0.5 내지 10 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 중량% 이하로서, 상기 소결조제의 함량이 상기 범위를 벗어날 경우, 정전 척의 체적저항률이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다. 그밖에, 여기서 설명되지 않은 산화마그네슘에 대한 내용은, 당업계에 알려진 공지의 내용을 준용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 정전 척은, 전술한 바와 같이, 상온에서의 체적 저항률이 1.0E + 16 내지 1.0E + 17 Ω·㎝, 바람직하게는 약 1.0E + 17 Ω·㎝이다. 또한, 본 발명의 정전 척은, 누설 전류량이 0.08 ㎂ 미만, 바람직하게는 0.03 내지 0.075 ㎂인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 알루미나 및 소결조제는 다양한 성상으로 이루어진 것일 수 있으나, 파우더 성상이 가장 바람직하며, 파우더 입자는 나노미터 내지 마이크로미터 크기를 가질 수 있다. 따라서, 상기 알루미나와 소결조제는 나노-나노, 나노-마이크로, 마이크로-나노 및 마이크로-마이크로 크기가 될 수 있고, 상기 알루미나와 소결조제 중 최소 어느 하나가 나노 크기를 가질 경우 정전 척의 응답 특성 및 체적 저항 등이 우수해질 수 있으며, 알루미나와 소결조제 모두 나노 크기의 입자를 가지는 경우, 가장 우수한 특성을 가질 수 있다. 이는, 나노 크기의 경우가 마이크로 크기에 비해 보다 복잡한 미세구조를 가지고, 전하들의 생성과 이동이 보다 제한적이기 때문이다. 그밖에 일 예로, 상기 알루미나와 소결조제를 모두 나노 크기로 설정할 경우에는 소결 온도가 약 1,450 내지 1,550 ℃이고, 둘 모두를 마이크로 크기로 설정할 경우에는 소결 온도가 약 1,600 내지 1,700 ℃로서, 상대적으로 저온 소결을 할 시 공정 소요시간이 짧아지는 등의 이점이 있고, 또한, 나노 파우더를 소결시킬 경우 균일한 그레인(Grain)을 얻을 수 있어, 상기 알루미나와 소결조제는 모두 나노 크기의 입자인 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명에 따른 정전 척의 제조 방법에 대하여 설명한다. 상기 정전 척의 제조 방법은, a) 밀링 하에서 2종 이상의 서로 다른 희토류 금속 산화물 파우더 및 용매를 습식 혼합한 후 건조시켜 과립화 하고 열처리 하여, 2 내지 5 개의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 희토류 복합 산화물을 제조하는 단계, b) 상기 제조된 희토류 복합 산화물에 알루미나, 소결조제, 알코올 및 바인더를 공급한 후 혼합하는 단계, c) 상기 b) 단계의 혼합물을 건조시켜 알코올 성분을 제거하는 단계, d) 상기 건조된 혼합물을 성형(제1 성형) 및 가공하여 예비 성형체를 제조하는 단계, e) 상기 예비 성형체를 탈지하여 바인더 성분을 제거하는 단계 및 f) 상기 탈지된 예비 성형체를 소결(제2 성형)한 후 연마하는 단계를 포함한다.
상기 a) 단계에서 사용되는 희토류 금속 산화물과 제조되는 희토류 복합 산화물 및 b) 단계의 소결조제에 대한 설명은 전술한 바와 같고, 상기 용매로는 당업계에서 사용되는 통상의 것을 예로 들 수 있고, 구체적으로는, 이소프로필알코올(IPA), 에탄올, 메탄올 및 DI water 등 통상적으로 사용되는 유기용매 등을 예시할 수 있다. 그밖에, 상기 희토류 복합 산화물, 알루미나 및 소결조제는 다양한 성상으로 이루어진 것일 수 있으나, 파우더 성상이 가장 바람직하다.
상기 a) 단계의 밀링(milling)은 볼 밀(ball mill), 유성 밀(planetary mill) 및 어트리션 밀(attrition mill) 등 통상적인 밀링 방식에 의할 수 있다. 이 중, 볼 밀에 사용되는 볼로는 지르코니아 등이고, 볼의 크기는 동일할 수도 상이할 수도 있으며, 밀링 시간이나 밀링기의 회전속도는 목적으로 하는 입자의 크기 등을 고려하여 적절히 설정될 수 있다. 또한, 상기 습식 혼합은 12 시간 이상 동안 수행될 수 있고, 파우더를 과립화 하기 위한 건조는 100 ℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있으며, 열처리는 1,000 ℃ 이하의 온도 하에서 5 내지 10 시간 동안 수행될 수 있다. 그밖에, 상기 a) 단계에서 제조되는 희토류 복합 산화물은, 필요에 따라 추가적인 분쇄 공정에 의해 미립자의 형태가 될 수 있다.
상기 b) 단계에서 첨가되는 알코올(화합물)은 희토류 산화물들 간의 적절한 혼합을 위하여 사용되는 것으로서, 에탄올, 메탄올 및 이소프로필알코올 등을 예시할 수 있다. 마찬가지로, 상기 b) 단계에서 첨가되는 바인더(binder)는 상기 희토류 복합 산화물, 알루미나 및 산화마그네슘의 결합력을 향상시켜 성형체를 제조하기 위한 것으로서, 폴리비닐알코올(PVA) 및 폴리비닐부티럴(PVB) 등을 예시할 수 있다. 한편, 상기 b) 단계에서 혼합되는 희토류 복합 산화물, 알루미나 및 소결조제는, 각각 1 중량% 이하, 90 내지 99 중량% 및 0 초과 10 중량% 이하의 함량으로서 배합될 수 있다.
상기 c) 단계의 건조는 분무(spray) 건조법 및 진공 건조법 등, 당업계에 공지된 방식에 의할 수 있으며, 건조 시간은 목적으로 하는 정전 척의 물성 등에 따라 다양하게 적용할 수 있다.
상기 d) 단계의 성형은 상기 c) 단계에서 건조된 혼합물을 목적으로 하는 크기 및 형태로 제어하기 위한 첫 번째 성형(즉, 제1 성형) 공정으로서 프레스 성형 등을 예로 들 수 있다. 이때, 보다 치밀한 규격의 제품 제조를 위하여, 필요에 따라 냉간 등방압 성형(CIP)을 추가적으로 수행할 수 있다. 상기 프레스 성형은 상온 및 일반 대기 하에서 수행되는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않고, 성형 시의 분위기는 혼합물의 성형에 영향을 미치지 않는 정도면 좋다. 그밖에, 상기 d) 단계의 성형 공정이 수행된 이후에는 그린 가공(소결 이전에 수행되는 것으로서, 생(生)가공이라고도 불린다) 방식 등에 의한 가공이 수행됨으로써 예비 성형체를 제조할 수 있다.
상기 e) 단계의 탈지는 바인더 및 유지성(油脂性)을 가지는 오염 물질을 제거하기 위한 과정으로서, 350 내지 600 ℃의 온도로 60 시간 이내에서 수행될 수 있다. 마지막으로, 상기 f) 단계의 소결은 정전 척의 체적 저항률을 보다 향상시키기 위한 두 번째 성형(즉, 제2 성형) 공정으로서(Hot Press), 고온가압 소결로에서 300 bar 이하의 압력 및 1,400 내지 1,700 ℃의 온도 하에서 수행될 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따른 정전 척 및 그 제조 방법에 의하면, 쿨롱형의 정전 척이 넓은 온도 범위에서도 매우 높은 체적 저항률을 가질 뿐만 아니라 안정된 흡착력을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 정전 척은, 정전 척에서 기판으로의 누설 전류를 저감할 수 있고, 기판 흡착 및 탈착 시의 응답 속도가 2초 이내로 빨라 양호한 흡착 응답 특성과 탈착 응답 특성을 얻을 수 있는 등, 본 발명은 종래의 정전 척 대비 괄목할 만한 효과를 가지는 고유의 기술이라 할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 희토류 복합 산화물을 이용한 정전 척의 제조
먼저, 볼 밀의 존재 하에서 3 : 1의 중량비의 사마륨 산화물 및 세륨 산화물과 에탄올(용매)을 습식 혼합한 후 분무 건조 방식으로 건조시키고 800 ℃의 온도 하에서 3 시간 동안 열처리하여, 사마륨-세륨 복합 산화물(SmCeOX)을 제조하였다. 이어서, 상기 제조된 사마륨-세륨 복합 산화물 0.5 중량%와 알루미나 98.5 중량%, 산화마그네슘 1 중량%, 에탄올 및 폴리비닐부티럴을 혼합 및 건조시키고, 상기 건조된 혼합물을 프레스 성형 및 가공하여 예비 성형체를 제조하였으며, 이어서 500 ℃의 온도로 30 시간 동안 탈지시켰고, 마지막으로, 탈지된 예비 성형체를 고온가압 소결로(250 bar의 압력, 1,700 ℃의 온도)에서 소결시키고 연마하여, 쿨롱형 타입의 정전 척을 제조하였다.
[실시예 2] 희토류 복합 산화물을 이용한 정전 척의 제조
사마륨 산화물과 세륨 산화물만을 혼합하는 대신, 사마륨 산화물, 세륨 산화물 및 유로퓸 산화물을 2 : 1 : 1의 중량비로 혼합하여 사마륨-세륨-유로퓸 복합 산화물(SmCeEuOX)을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 쿨롱형 타입의 정전 척을 제조하였다.
[실시예 3] 희토류 복합 산화물을 이용한 정전 척의 제조
사마륨 산화물과 세륨 산화물만을 혼합하는 대신, 사마륨 산화물, 세륨 산화물, 유로퓸 산화물, 가돌리늄 산화물 및 란타늄 산화물을 2 : 1 : 1 : 1.5 : 1의 중량비로 혼합하여 사마륨-세륨-유로퓸-가돌리늄-란타늄 복합 산화물(SmCeEuGdLaOX)을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 쿨롱형 타입의 정전 척을 제조하였다.
[비교예 1] 희토류 금속 산화물을 배제한 정전 척의 제조
알루미나와 이산화티탄(TiO2)만을 포함하는 통상의 쿨롱형 정전 척을 제조하였다.
[비교예 2] 산화마그네슘을 배제한 정전 척의 제조
산화마그네슘 대신 이산화티탄을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 쿨롱형 타입의 정전 척을 제조하였다.
[비교예 3] 희토류 금속 산화물을 배제한 정전 척의 제조
알루미나와 산화마그네슘만을 포함하는 통상의 쿨롱형 정전 척을 제조하였다.
[비교예 4] 산화마그네슘을 배제한 정전 척의 제조
산화마그네슘 대신 이트리아(Y2O3)를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 쿨롱형 타입의 정전 척을 제조하였다.
[비교예 5] 희토류 금속 산화물 및 산화마그네슘을 배제한 정전 척의 제조
희토류 복합 산화물과 산화마그네슘 대신 이트리아(Y2O3)를 사용하여, 쿨롱형 타입의 정전 척을 제조하였다.
[비교예 6] 알루미나만을 적용한 정전 척의 제조
희토류 복합 산화물과 산화마그네슘을 배제하고 알루미나만을 사용하여, 쿨롱형 타입의 정전 척을 제조하였다.
[실험예 1] 정전 척의 기판 흡착 및 탈착 응답특성 평가
상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 6으로부터 제조된 각각의 정전 척(하기 표 1에 각 조성을 나타냄)에 실리콘 기판(반도체 웨이퍼)을 흡착시킨 후 탈착하는 과정을 5 회 반복하여 기판의 흡탈착 응답특성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 한편, 기판의 흡착 및 탈착 응답특성 평가에는, ESC 전압 인가용 파워 소스(ESC 3D, COMDEL사)가 사용되었으며, 1,000 V의 전압을 인가한 후 ESC 위 Si 웨이퍼의 흡탈착 시간을 조사하였다.
Al2O3 MgO Y2O3 TiO2 희토류복합 산화물
실시예 1 98.5 1 0 0 0.5
실시예 2 98.5 1 0 0 0.5
실시예 3 98.9 1 0 0 0.1
비교예 1 99 0 0 1 0
비교예 2 98.5 0 0 1 0.5
비교예 3 99 1 0 0 0
비교예 4 97.9 0 2 0 0.1
비교예 5 98 0 2 0 0
비교예 6 100 0 0 0 0
(단위: 중량%)
기판의 흡탈착 응답특성
흡착 탈착
실시예 1 2 초 이내 2 초 이내
실시예 2 1 초 이내 1 초 이내
실시예 3 2 초 이내 2 초 이내
비교예 1 10 초 내외 10 초 내외
비교예 2 7 초 내외 7 초 내외
비교예 3 10 초 내외 10 초 내외
비교예 4 5 초 내외 5 초 내외
비교예 5 6 초 내외 6 초 내외
비교예 6 5 초 내외 5 초 내외
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 척(Al2O3 + MgO + 희토류 복합 산화물, 실시예 1)의 기판 흡탈착 시간과 비교예에 따른 정전 척(Al2O3 + MgO, 비교예 3)의 기판 흡탈착 시간을 비교 대조한 그래프이다. 상기 표 2와 도 1을 통하여 확인할 수 있듯이, 알루미나, 산화마그네슘 및 희토류 복합 산화물을 함께 포함하지 않는 비교예 1 내지 6의 정전 척이 최초 전압 인가 후 안정화 되는 시간과 전압을 제거한 후 안정화 되는 시간이 5 ~ 10 초 내외인 반면, 본 발명에 따른 정전 척은 전압 인가 후와 제거 후에 안정화 되는 시간이 모두 2초 이내인 것을 확인할 수 있었다. 이는, 희토류 복합 산화물의 사용은 물론, 알루미나, 산화마그네슘 및 희토류 복합 산화물의 특정 함량에 의해, 기판의 척킹(chucking) 시간과 디척킹(dechucking) 시간의 안정화가 빨라진 것에 기인하는 것이다.
[실험예 2] 정전 척의 누설 전류량 평가
상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 6으로부터 제조된 각각의 정전 척에 실리콘 기판을 흡착시키고 전력을 공급한 후 DMM-4020 멀티미터 장비(Tektronix사, 미국)를 이용하여 누설되는 전류의 양을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 상기의 누설 전류량 측정 방법을 보다 구체적으로 설명하면, 먼저, 상온에서 세라믹 puck을 해당 장비에 설치한 후 Si wafer를 위에 위치시키고, 이어서, 상기 실험예 1에서 사용된 ESC 전압 인가용 파워 소스 장비를 이용하여 알루미나 puck 에 1,500 V를 인가하였으며, 마지막으로, DMM-4020 멀티미터 장비를 이용하여 실리콘 웨이퍼 양단에 걸리는 누설 전류를 측정하였으며, 이때 측정은 1,500 V 인가 후 10 초 후의 전류값을 측정한 것이다.
누설 전류량(단위: ㎂)
실시예 1 0.065
실시예 2 0.061
실시예 3 0.072
비교예 1 1.452
비교예 2 1.523
비교예 3 0.785
비교예 4 0.095
비교예 5 0.522
비교예 6 0.688
상기 표 3을 통해 확인할 수 있듯이, 알루미나, 산화마그네슘 및 희토류 복합 산화물을 함께 포함하지 않는 비교예 1 내지 6의 정전 척이 0.09 ~ 1.5 ㎂ 정도의 전류가 누설되는 반면, 본 발명에 따른 정전 척은 누설 전류량이 0.06 ~ 0.07 ㎂에 불과하였다. 한편, 반도체 공정에 있어, 누설 전류량이 클수록 기판에 영향을 주거나 공정에 영향을 줄 수가 있기 때문에, ESC나 히터에서는 해당 공정 프로세스에서의 누설 전류량이 최대한 작을수록 좋다. 따라서, 상기와 같은 결과를 통하여, 본 발명의 우수성을 확인할 수 있다.
[실험예 3] 정전 척의 체적 저항률 평가
상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 6으로부터 제조된 각각의 정전 척에 500 V/mm의 전압을 인가한 후, 1 분이 경과한 시점에 전류를 측정(진공 분위기 및 실온 하에서 측정)하여 체적 저항률을 산출하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
체적 저항률(Ω·㎝)
@ RT @ 300 ℃
실시예 1 2.3E + 16 2.8E + 14
실시예 2 2.7E + 16 3.0E + 14
실시예 3 3.0E + 16 3.1E + 14
비교예 1 2.0E + 14 5.3E + 12
비교예 2 3.2E + 14 6.0E + 12
비교예 3 8.5E + 15 1.8E + 14
비교예 4 3.2E + 16 4.0E + 11
비교예 5 7.6E + 15 2.3E + 11
비교예 6 2.7E + 15 4.9E + 13
상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 희토류 복합 산화물을 이용한 실시예 1 내지 3 정전 척의 체적 저항률 모두 상온 및 300 ℃에서 비교예와 유사한 값을 나타내었다. 이를 통해, 정전 척에 희토류 복합 산화물이 포함되더라도 체적 저항이 낮아지지도 높아지지도 않아, 기존의 우수한 체적 저항률을 가지는 쿨롱형 정전 척과 거의 대등한 체적 저항을 가지는 것을 알 수 있었다. 즉, 본 발명의 정전 척은, 기존 정전 척 대비 유사한 체적 저항을 가짐에도 기판 흡탈착 응답특성과 누설 전류량은 개선시켰다는 의미를 가지고 있다.

Claims (10)

  1. 내부에 전극이 함침되어 정전기력에 의해 반도체 웨이퍼를 고정시키는 소결체로서,
    알루미나; 소결조제; 및 2 내지 5 개의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 희토류 복합 산화물;을 포함하며,
    반도체 웨이퍼의 흡착 및 탈착 응답 특성이 2초 이내이고, 상온에서의 체적 저항률이 1.0E + 16 내지 1.0E + 17 Ω·㎝인 것을 특징으로 하는, 정전 척.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 정전 척의 누설 전류량은 0.08 ㎂ 미만인 것을 특징으로 하는, 정전 척.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 이트리움(Y), 란타늄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 이터븀(Yb) 및 루테튬(Lu)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 정전 척.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 희토류 복합 산화물은, 유로퓸-가돌리늄 복합 산화물(EuGdOX), 사마륨-가돌리늄 복합 산화물(SmGdOX), 세륨-유로퓸 복합 산화물(CeEuOX), 사마륨-세륨 복합 산화물(SmCeOX), 가돌리늄-사마륨 복합 산화물(GdSmOX) 및 란타늄-세륨 복합 산화물(LaCeOX)로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 복합 산화물; 사마륨-세륨-유로퓸 복합 산화물(SmCeEuOX), 가돌리늄-세륨-란타늄 복합 산화물(GdCeLaOX) 및 유로퓸-가돌리늄-사마륨 복합 산화물(EuGdSmOX)로 이루어진 군으로부터 선택되는 3종의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 복합 산화물; 사마륨-세륨-가돌리늄-유로퓸 복합 산화물(SmCeGdEuOX) 또는 가돌리늄-사마륨-유로퓸-란타늄 복합 산화물(GdSmEuLaOX)인 4종의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 복합 산화물; 및 사마륨-세륨-유로퓸-가돌리늄-란타늄 복합 산화물(SmCeEuGdLaOX)인 5종의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 복합 산화물;로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 정전 척.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 소결조제는 산화마그네슘(MgO), 이트리아(Y2O3) 및 이산화규소(SiO2)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 정전 척.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 알루미나의 함량은 90 내지 99 중량%이고, 상기 소결조제의 함량은 0 초과 10 중량% 이하이며, 상기 희토류 복합 산화물의 함량은 0 초과 1 중량% 이하인 것을 특징으로 하는, 정전 척.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 희토류 복합 산화물은 2종의 희토류 금속 산화물을 2.5 내지 3.5 : 1의 중량비로 포함하거나, 3종의 희토류 금속 산화물을 1 내지 3.5 : 0.5 내지 2.5 : 1의 중량비로 포함하거나, 4종의 희토류 금속 산화물을 1.5 내지 3.5 : 0.5 내지 2.5 : 1 내지 2.5 : 1의 중량비로 포함하거나, 5종의 희토류 금속 산화물을 1 내지 3 : 0.5 내지 1.5 : 0.5 내지 1.5 : 1 내지 2 : 1의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는, 정전 척.
  8. a) 밀링 하에서 2종 이상의 서로 다른 희토류 금속 산화물 파우더 및 용매를 습식 혼합한 후 건조시켜 과립화 하고 열처리 하여, 2 내지 5 개의 서로 다른 희토류 금속을 포함하는 희토류 복합 산화물을 제조하는 단계;
    b) 상기 제조된 희토류 복합 산화물에 알루미나, 소결조제, 알코올 및 바인더를 공급한 후 혼합하는 단계;
    c) 상기 b) 단계의 혼합물을 건조시켜 알코올 성분을 제거하는 단계;
    d) 상기 건조된 혼합물을 성형 및 가공하여 예비 성형체를 제조하는 단계;
    e) 상기 예비 성형체를 탈지하여 바인더 성분을 제거하는 단계; 및
    f) 상기 탈지된 예비 성형체를 소결한 후 연마하는 단계;를 포함하는, 정전 척의 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 바인더는 폴리비닐알코올(PVA) 또는 폴리비닐부티럴(PVB)인 것을 특징으로 하는, 정전 척의 제조 방법.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 희토류 복합 산화물, 알루미나 및 소결조제는 파우더 성상인 것을 특징으로 하는, 정전 척의 제조 방법.
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