Bi2O3-Al2O3-SiO2 유리의 열물성과 내플라즈마 특성에 대한 AlF3 첨가효과

Abstract

플라즈마를 이용한 식각 공정에서 챔버 내 세라믹 부품으로부터 발생되는 입자 오염을 줄이는 것은 반도체 산업에서 매우 중요한 주제가 되고 있다. 부품에는 다결정인 이트리아(Y2O3)와 알루미나(Al2O3) 적용되고 있으나 기공과 결정립계로부터 국부적인 식각의 영향을 받아 오염입자 발생에 용이하다. 따라서, 낮은 식각 속도와 입자 발생이 적은 물질이 플라즈마 식각 챔버 내 부품의 소재로 요구되고 있다. 본 논문은 Bi2O3-Al2O3-SiO2 (BiAS계) plasma resistant glass(PRG)의 연구결과를 정리한 것으로 불소계 플라즈마 조건 하에서 조성 변화를 통해 식각 속도를 낮출 수 있음을 확인하였다. 또한 유리 특유의 비정질 구조는 식각 후에도 매끈한 표면 미세구조를 유지하는 장점이 있다. 이러한 특성은 반도체 및 디스플레이 산업에서 생산성의 핵심 요소가 될 수 있을 것으로 기대된다. 첫 번째 연구에서는 Bi2O3-Al2O3-SiO2계 유리 조성의 유리 형성 범위와 열특성 및 내플라즈마특성에 미치는 효과에 대해 고찰하였다. 그 결과 알루미나 함량의 증가는 플라즈마 저항성을 높이는 것을 확인하였고, 일정량 이상의 알루미나가 함량될 경우 결정화가 발생하여 유리형성을 방해하였다. Bi2O3의 함량은 유리전이온도 감소와 소재의 열팽창계수를 증가시킨다. 또한 유리의 식각 속도는 혼합되는 비스무트 불화물의 기화점에 비례하였으며, 유리의 식각 전후 표면조도와 미세구조에는 큰 차이가 없는 모습을 확인하였다.

두 번째 연구에서는 Bi2O3-Al2O3-SiO2계 유리 조성에서 Al2O3를 AlF3로 대체하고, 생성된 유리를 CF4/Ar/O2 플라즈마에 대한 저항성을 실험하였다. 유리 내 fluorine이 증가함에 따라 내플라즈마 특성은 증가하였다. 식각 후 모든 시료는 매끄러운 표면구조를 유지하였으며, 크레이터나 반응생성물이 형성되지 않았다. 핵자기 공명 분광법에 의해 유리내 Al-F결합의 형성을 확인하였다. 더 높은 fluorine 농도에서 플라즈마 저항성이 증가하는 것은 유리 구조 내의 불소 결합이 식각 속도를 감소시키는 데 관여하고 있음을 시사한다. 이는 AlFx의 높은 승화 온도로 인해 불화탄소 플라즈마 반응을 억제하는 것으로 판단된다.