Calcium alumino silicate계 유리의 내플라즈마 특성

Abstract

국문요지

최근 반도체는 7 nm, 디스플레이는 8 K란 표현으로 제품이 출현 하고 있으며, 보다 향상된 고밀도 및 고해상도 기술을 위한 지속적인 연구가 이루어지고 있다. 반도체 패턴 제조 공정 시 미세한 회로를 구현하기 위하여 다양한 식각 방식이 적용된다. 그 중 Dry etching에서는 고밀도, 고에너지의 플라즈마 가스를 적용하여 식각하기 때문에, 오염이 발생되며 회로 불량 및 수율 감소 등의 문제가 야기된다. 오염의 원인 중 하나는, 에칭 챔버를 구성하는 세라믹 부품의 표면이 플라즈마 가스에 지속적으로 노출될 때 플라즈마에 대한 내구성 부족으로 인한 이물의 발생이다.

이를 해결하기 위해 본 연구에서는 내플라즈마 특성을 갖는 CaO-Al2O3-SiO2 (CAS) 계 유리의 조성과 유리 분체의 스프레이 코팅 적용에 대하여 고찰 하여 이러한 문제를 해결하고자 하였다.

첫 번째로 CAS계 유리의 조성에 따른 내플라즈마 특성에 대해 연구하였다. 유리 조성은 다음 2 가지 방법에서 선택하였다; Eutectic point 주변에서 유리 조성을 선택하는 전통적 방법과 previous study에서[1] 주목한 조성 영역에서의 실험계획법(DOE)에 의한 방법. 실험에서 얻어진 유리에 대해 열적 특성과 유리로서의 안정성을 평가하였다. 또한 각 조성의 유리를 CF4/O2/Ar 플라즈마 가스에 노출시켰을 때의 Etching rate와 표면의 미세구조 분석을 통해 내플라즈마 특성을 확인하였다. 전통적인 방법을 통해 선정된 CAS 유리 조성이 안정적인 유리상을 형성하였으며, CAS 유리의 내플라즈마 특성은 조성 선택 방법에 무관하게 알루미나나 사파이어에 비하여 5~10배 이상 우수한 것을 알게 되었다. 이는 유리 내 Ca, Al 성분이 fluoride화 되었을 때 생성되는 불화물의 비등점이 높기 때문이다. 또한 DOE 조성의 식각율을 기반으로 통계적 분석 시, 알루미나가 내플라즈마 특성에 가장 영향을 주는 성분으로 도출되었다.

두 번째로 Al2O3 소결체 표면에 두 종류의 CAS계 유리 분말을 스프레이 코팅(spray coating) 후 소성 거동에 대하여 연구하였다; (1) Si-rich, SiO2 함량이 높은 CAS 유리, (2) Ca-rich, CaO 함량이 높은 CAS 유리. Ca-rich 유리는 점도가 약 10^7~10^9 poise일 때 유리 내부에 잔존하는 기포들의 심한 발포 현상이 일어났고 이에 따라 소결 방해에 따른 수축율이 감소하였으며 조도는 증가하였다. 반면, Si-rich 유리의 경우, 1000 ℃ 이하에서는 Ca-rich와 같은 심각한 발포 현상은 없었으나, 1200 ℃에서 밀도가 낮은 cristobalite 결정 발생과 함께 기포의 재발포 현상이 일어나 수축율이 감소하였으며 조도가 증가하는 이상 소성 거동을 보였다. 이는 저밀도 cristobalite 결정 생성으로 인한 유리질의 칼슘 함량 증가에 의한 점도 감소로 생각된다. 따라서 CAS계 유리의 경우 저온 소성에서는 발포 현상에 의한 표면 조도 상승과 소결 방해를 고려해야 하며, 특히 SiO2 함량이 높을 경우, 고온에서 결정화에 의한 이상 발포 현상도 생각해야 한다.

마지막으로, CAS계 유리bulk와 유리 분체를 Al2O3 소결체 표면에 스프레이 코팅막의 적용 시 내플라즈마 특성에 대하여 비교하였다. CAS유리 bulk와 유리 코팅막을 CF4/O2/Ar 플라즈마 가스에 노출시켰을 때의 식각율과 표면의 미세구조 분석을 통해 내플라즈마 특성을 확인하였다. CAS 유리 소성막은 유리 bulk와 비교하여 에칭 속도가 최대 25배 빠른 것을 확인하였다. 유리 소성막의 표면 조도 값과 식각율 간의 통계학적으로 높은 상관성을 도출하였고, 이에 따라 소성막의 높은 표면 조도가 빠른 식각을 유발하는 것으로 판단하였다. 그리고 유리 소성막은 Ca 성분의 함량이 적고, Si 함량이 많은 cristobalite 결정의 형성으로 인하여 Ca과 Ca 불화물에 의한 내플라즈마 효과가 감소한 것으로 판단된다. 따라서 CAS 유리 소성막은 유리 bulk에 비해 낮은 내플라즈마 특성을 갖는 것으로 생각된다.