MgO-Al2O3-SiO2계 유리의 열 특성과 내플라즈마 효과

Abstract

반도체 제조를 위한 플라즈마 식각 공정에서 식각 챔버 내 세라믹으로 이루어진 부품에서 발생되는 오염 입자 저감은 반도체 산업에서 대두되는 이슈 중 하나이다. 오염 입자의 발생으로 인해 제품의 품질과 생산 수율 저하의 주된 원인으로 작용하기 때문이다. 현재 사용되고 있는 세라믹 내부 부품은 Y2O3, Al2O3, Quartz glass와 같은 대표적인 고강도 내식성 세라믹 소재로 구성되어 있다. 이러한 세라믹 부품들은 표면의 결정립계와 같은 결함으로 인해 오염 입자를 유발하는 것으로 알려져 있다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 MgO-Al2O3-SiO2(MAS)계 유리를 이용해 내플라즈마 특성 발현에 관한 연구를 정리하였다. MAS계 유리는 CF4/Ar/O2 건식 플라즈마 조건에서 내식성 세라믹 대비 낮은 식각 속도를 갖는 것을 확인하였다. 첫 번째 연구는 MgO-Al2O3-SiO2(MAS)계 유리에서 조성 변화에 따라 어떠한 성분이 열물성 및 내플라즈마에 우수한 특성을 나타내는지 분석하였으며, 성분별 열물성과 내플라즈마성의 주요 효과에 대해 실험하였다. 실험계획법(DOE)을 통해 13종의 유리를 설계하였으며, 조성 별 함량에 따른 유리 전이 온도, 결정화 온도 등 열적 특성과 CF4/Ar/O2 플라즈마 가스에 대한 내성을 평가하였다. MAS 유리는 Quartz glass 대비 최대 20배 우수한 내플라즈마성과 표면 조도를 나타내었으며, Al2O3와 MgO의 교호 작용으로 내플라즈마 특성이 향상되며, SiO2와는 반비례 관계에 있음을 확인하였다. 두 번째 연구에서는 MgO-Al2O3-SiO2 유리에 불화물 MgF2를 첨가하였을 때, MgF2 함량에 따른 유리의 열 특성, 구조와 내플라즈마 특성에 대해 분석하였다. 유리 내 MgF2의 함량이 증가할수록 유리 전이 온도(Tg)와 유리 연화 온도(Tdsp)가 감소하였다. 또한 유리의 고온 점도의 감소가 일어났다. 이는 구조 단위인 Q1이 증가하며 Q3가 감소하여 유리의 구조가 약화되었기 때문으로 생각된다. MgF2 함량에 따른 내플라즈마 특성의 변화는 거의 일어나지 않았으나, 세라믹 소결체 대비 우수한 내플라즈마 특성과 표면 조도를 지닌다. 이로 미루어보아 MAS 유리의 작업성을 개선하며 Plasma resistance glass로의 상업적 응용이 가능할 것으로 생각된다.|In a plasma etching process for semiconductor manufacturing, reduction of contamination particles generated from components made of ceramics in an etching chamber is one of the issues emerging in the semiconductor industry. This is because contaminant particles act as the main cause of deterioration of product quality and production yield. The plasma chamber components currently used are consist of representative high-strength corrosion-resistant ceramic materials such as Y2O3, Al2O3, and Quartz glass. These ceramic components are known to cause contaminant particles due to defects such as grain boundaries on the surface. To solve this problem, in this paper, research on the expression of plasma resistance using MgO-Al2O3-SiO2 (MAS) glass is summarized. It was confirmed that MAS glass had a lower etching rate than corrosion-resistant ceramics under CF4/Ar/O2 dry plasma conditions. In the first study, it was analyzed which component showed excellent thermal properties and plasma resistance according to the composition change in MgOAl2O3-SiO2 (MAS) glass, and the main effects of thermal properties and plasma resistance for each component were tested. Thirteen types of glasses were designed through design of experiment (DOE), and thermal properties such as glass transition temperature and crystallization temperature according to the content of each composition and resistance to CF4/Ar/O2 plasma gas were evaluated. MAS glass showed up to 20 times superior plasma resistance and surface roughness compared to Quartz glass, and it was confirmed that the plasma resistance was improved by the interaction of Al2O3 and MgO, and it was in inverse proportion to SiO2. in the second study, when MgF2 fluoride was added to MgO-Al2O3-SiO2 glass, the thermal properties, structure, and plasma resistance of the glass were analyzed according to the MgF2 content. As the content of MgF2 in the glass increased, the glass transition temperature (Tg) and the glass softening temperature (Tdsp) decreased. A decrease in the high temperature viscosity of the glass also occurred. This is thought to be because the structural unit Q1 increases and Q3 decreases, which weakens the structure of the glass. Although there was little change in plasma resistance according to the MgF2 content, it has superior plasma resistance and surface roughness compared to the sintered ceramic Therefore, it is thought that the workability of MAS glass is improved and commercial application to plasma resistance glass is possible.