희토류 산화물 Sm₂O₃첨가에 따른 질화 알루미늄(AlN) 저항 특성 연구

국문 초록 (Abstract)

최근 주목받고 있는 소재인 질화 알루미늄(AlN)은 우수한 특성 때문에 다양한 분야에서 응용되고 있다. 세라믹 소재 중에서도 열전도율이 높을 뿐만 아니라 반도체 소재인 Si와 유사한 열팽창계수, 우수한 내 플라즈마성을 가져 매력적인 소재로 여겨지고 있다.
이 연구에서는 AlN은 반도체 서셉터 중 하나인 ESC(Electro-Static Chuck)의 유전체 소재로 사용된다. ESC의 소재로 사용되기 위해서는 기판 Wafer의 흡착과 탈착을 효율적으로 수행하여야 하며, 고정된 Wafer 상에 균일한 온도를 형성시키는 것이 필요하다. 따라서 ESC 재료의 전기 특성을 제어하는 것이 중요하다.
특정 반도체 공정에서는 기판으로 보다 강한 Chucking force를 요구하므로 관련 요소를 제어해야 한다. 관련 요소로는 전극의 접촉면적, 인가전압 그리고 유전체 두께를 조절하는 방법이 있으나 효율성이 떨어지는 문제점, 소재의 절연파괴가 일어날 위험성이 존재하기 때문에 유전층 재료의 체적저항을 제어하는 것이 가장 적당하다. 통상 AlN 소결체 제작에 있어 소결 치밀화 촉진 및 열전도율 향상을 위해 희토류 원소 산화물을 첨가하고 있다. 또한 첨가량(조성) 제어는 저항 특성에도 영향을 주는 것으로 확인되어 희토류 원소 산화물 중 하나인 Sm2O3를 첨가 소재로 설정하여 연구를 수행하였다.
Main material인 AlN에 각각 0.7wt%, 1.9wt%, 2.8wt% 첨가하여 저항 변화를 확인하였으며 1.9wt% 소재가 가장 낮은 체적저항을 나타내며, 2.8wt 소재가 가장 높았다. 1.9wt% 소재를 이용해 ESC를 제작할 경우 강한 Chucking force를 가질 것으로 예상된다. 그러나 해당 조성에서 인가전압에 의한 누설전류 변화율이 가장 높은 결과를 나타냈다. 이 사항이 ESC 제품에 미치는 영향성을 파악하고 필요시 제어하는 것이 우선적으로 고려된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Aluminum nitride(AlN) has been recently applied in various fields because of its excellent characteristics. It has especially high thermal conductivity among ceramic materials, and high resistance to reaction plasma and thermal expansion similar to silicon.
In this study, AlN material is used as the dielectric of Electro Static Chuck, a semiconductor susceptor.
In order to use AlN material as ESC parts, it is necessary to form a uniform temperature on wafer. Furthermore, It should perform efficiently wafer chucking and de-chucking. Therefore, it is important to control the electrical properties of the dielectric layer material of the ESC.
In semiconductor process, strong attraction force is required on the wafer, so the relevant factors must be controlled. Although there is a method of adjusting the applied voltage(V) or the thickness of the dielectric layer, there is a risk that the leakage current is excessively generated. It is necessary to more secure method, because it may occur insulation breakdown due to excessive leakage current.
Therefore in this study, high chucking force will be obtained by controlling the volume resistivity of AlN material, which is an ESC dielectric layer material.
It is reported that it is controlled by adding rare earth oxide to enhance the densification and thermal conductivity of AlN. Since these addition also affects electrical (volume) resistivity of AlN, the experiment is carried out using Sm2O3, one of the rare earth elements.
The changes and the principle of the electric characteristics were confirmed by adding 0.7wt%, 1.9wt% and 2.8wt% of Sm2O3 to the AlN material, respectively.
As a result, it is verified with a decrease of material volume resistivity compared to pure AlN.
The composition of Sm2O3 1.9wt% is lowest Volume resistivity, and its ESC may strongly adsorb the wafer, and it was higher in a order of 0.7wt% and 2.8wt% composition. The mechanism of the second phase formation was observed in the microstructure and it was found that it affects the material properties. SmAl11O18, which shows a wetting property at the grain boundary, has a great influence on the electrical properties of the maim material.

As a result, it is necessary to control this phase, the amount of Sm2O3 addition should be selected to suit the required ESC properties.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 목적 1
• 1.2 연구 범위 3
• 1.2.1 소결체 밀도 분석 3
• 1.2.2 미세구조 분석 3
• 1.2.3 정성 분석 3
• 1.2.4 결정상 분석 3
• 1.2.5 체적저항률 분석 3
• 제 2 장 이론적 배경 5
• 2.1 질화 알루미늄 (AlN) 5
• 2.1.1 AlN 구조 5
• 2.1.2 AlN Powder Process 7
• 2.1.3 AlN Sintering 9
• 2.1.4 Ball Milling 11
• 2.2 정전척 (ESC. Electro-Static Chuck) 13
• 2.2.1 정전척 원리 13
• 2.2.2 정전척 기구 (Type) 15
• 2.2.3 정전척 제조 17
• 2.3 희토류 원소 (Rare Earth Metal) 19
• 2.4 해결 과제 22
• 제 3 장 본 론 24
• 3.1 실험 배경 24
• 3.2 실험 방법 26
• 3.2.1 질화 알루미늄(AlN), 산화 사마륨(Sm2O3) 26
• 3.2.2 분말 제조 26
• 3.2.3 가압 소결 27
• 3.3 분석 방법 28
• 3.3.1 밀도 분석 28
• 3.3.2 미세구조 분석 28
• 3.3.3 정성 분석 28
• 3.3.4 결정상 분석 29
• 3.3.5 체적저항률 분석 29
• 3.4 실험 결과 30
• 3.4.1 밀도 결과 분석 30
• 3.4.2 미세구조 결과 분석 31
• 3.4.3 정성 분석 (EPMA) 35
• 3.4.4 결정상 결과 분석 (XRD) 37
• 3.4.5 체적저항률 결과 (Volume Resistivity) 39
• 제 4 장 결 론 42
• 참고문헌 44
• Abstract 46