KR100432639B1 - 유전층 직접부착형 정전 척의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접합제를 사용하지 않고 세라믹판위에 유전층을 직접 도포하는 공정을 포함하는 정전 척의 제조방법에 관한 것으로서, 산화칼슘, 알루미나, 실리카 , 산화붕소로 제조된 결정화 유리 분말을 유전층 재료로 제공하며, 또한 세라믹 기판위에 전극층을 형성한 후 예비소결하는 공정과, 결정화유리분말을 밀링하여 슬러리를 형성한 후 탈포하는 공정과, 상기의 슬러리를 전극이 예비소결된 세라믹 기판 위에 테이프캐스팅 한 후 건조시켜 유전층을 형성하는 공정과, 상기의 유전층과 전극층을 소결하는 공정을 포함하는 제조방법을 제공함으로써 종래의 제조방법에 비하여 공정의 단순화로 제조원가를 낮출 수 있으며, 별도의 접합제를 사용하지 않기 때문에 종래의 정전 척보다 열에 강하며 입자오염이 낮은 효과가 있다.

Description

유전층 직접부착형 정전 척의 제조방법{Process for Providing a Glass-Ceramic Dielectric Layer on a Ceramic Substrate and Electrostatic Chuck Made by the Process}

본 발명은 정전 척의 제조방법에 관한 것으로써, 특히 접합제를 사용하지 않고 세라믹판위에 유전층을 직접 도포하는 공정을 포함하는 정전 척의 제조방법에관한 것이다.

정전척은 이온주입기와 같은 진공분위기의 반도체공정 장비에서 정전기적 쿨롱력에 의해 반도체 웨이퍼를 고정하는 장치로서 전압인가시 웨이퍼와 유전체간의 정전기적 쿨롱력이 발생하여 웨이퍼가 고정된다.

종래의 정전척은 금속전극위에 유전층을 도포하기 위한 방법으로 세라믹으로 된 소결체 기판상에 도전체층을 인쇄 등으로 형성하고 그 위에 용사법 등으로 절연성 유전체층을 형성하는 방법과, 별도로 절연성 유전층을 제작한 후 도전체층상에 접착제를 사용하여 점착하는 방법(US 5969934)에 의해서 제조된다.

웨이퍼를 고정하는 쿨롱력은 유전층의 두께가 작아질수록 커진다. 웨이퍼 고정에 필요한 쿨롱력을 갖기 위한 유전층의 두께는 통상 0.1∼0.2 mm 인데, 이러한 유전층을 별도로 제조하기가 매우 난이하며 이는 원가 절상의 한 원인이 된다. 또한 세라믹의 특성상 잔류 핀홀(pin hole)이 존재할 확률이 높기 때문에 이러한 얇은 두께에서는 전압 인가시 유전항복이 일어나기 쉽다. 일반적으로 도전층이 도포된 세라믹판에 유전층을 접합하기 위하여 사용되는 접합제는 열에 약하여 입자오염의 원인이 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 특정 조성의 결정화유리를 유전층 재료로 사용함으로써, 정전 척으로 사용되기에 적합한 물성을 갖으면서 세라믹판 상부에 접합하여 웨이퍼 공정에 수반되는 온도변화에도 안정된 접합성을 유지할 수 있는 유전층을 제공하는 것이며또한, 접합제를 사용하지 않고 세라믹판위에 유전층을 직접 도포하는 공정을 포함하는 정전척의 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 CASB 결정화유리에 대한 온도 변화에 따른 전기비저항을 나타낸 그래프.

도 2는 본 발명의 유전층과 알루미나 기판의 온도 변화에 따른 열팽창계수를 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명에 따른 유전층/전극층/알루미나 기판의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진.

도 4는 알루미늄 칠러(chiller)의 개략도.

도 5는 알루미늄 기판의 개략도.

도 6은 본 발명에 따른 정전척의 제조공정도.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 세라믹 기판위에 전극층을 형성한 후 예비소결하는 공정과, 산화칼슘, 알루미나, 실리카, 산화붕소로 제조된 결정화유리분말을 밀링하여 슬러리를 형성한 후 탈포하는 공정과, 상기의 슬러리를 전극이 예비소결된 세라믹 기판 위에 테이프캐스팅 한 후 건조시켜 유전층을 형성하는 공정과, 상기의 유전층과 전극층을 소결하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전층 직접부착형 정전 척의 제조방법을 제공하는 것이다.

이하, 상기의 유전층으로 사용되는 결정화유리 분말의 제조에 관하여 설명하고자 한다.

산화칼슘(CaO), 알루미나,(Al₂O₃) 실리카(SiO₂), 산화붕소(B₂O₃) 분말을 각각 33:17:40:10의 중량비로 측량하여, 이소프로판올(Isopropylalcohol) 및 지르코니아볼(Zirconia Ball)과 함께 혼합병(Jar)에 넣는다. 산화칼슘(CaO)은 탄산칼슘(CaCO₃)의 형태로 혼합한다. 혼합병을 볼밀(Ball Mill)에 놓고 24시간 밀링(Milling)을 하여 분말이 균일하게 혼합되도록 한다. 상기의 혼합물을 세척된 스테인레스스틸(STS) 용기에 붓고, 건조오븐(Drying Oven)에서 120℃로 7시간동안 완전히 건조시킨 후 체 가름을 통하여 균일한 형태의 혼합분말을 얻는다.

소결초기에 분말들이 유리상으로 존재하기 때문에 이산화탄소가스를 제거하는 하소전이나 하소후의 분말크기는 중요하지 않다. 즉 소결시 점성흐름에 의해 균일한 유리상으로 소결이 진행되기 때문이다. 그러나 분말의 크기분포가 지나치게 큰 경우 불균일성이 나타날 수 있으므로 용융 후 분쇄된 분말들을 10㎛ 이내로 체가름한다.

상기의 혼합분말을 로에 넣고, 5℃/분으로 900℃까지 승온하여 2시간 유지한 후 다시 5℃/분으로 상온으로 냉각함으로써 탄산칼슘의 이산화탄소가스(CO₂)를 제거한다. 용융용 분말을 준비하기 위하여 체 가름을 한 후 분말을 백금도가니에 넣고, 로에서 1620℃에서 90분간 용융시킨다. 상기의 용융물을 물에 부어 급냉을 시켜 건조한 후 유리덩어리를 분쇄한다. 혼합병에 분쇄한 유리분말과 이소프로판올 및 지르코니아볼을 넣고 24시간 밀링하여 분말의 입자가 작고 균일한 입도분포를 갖도록 한다. 건조와 체 가름을 통하여 결정화 유리용 분말(CASB)을 얻는다.

상기의 CASB 결정화유리에 대한 정전 척의 적합성을 판단하기 위하여 온도 변화에 따른 전기비저항을 측정하였으며 그 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1은 CASB 결정화유리로 된 유전층의 전기비저항을 300℃∼500℃의 온도범위에서 측정한 결과로서 유전층의 전기비저항은 10⁹∼ 10¹³Ω^-cm의 범위에 있음을 알 수 있다.

정전 척의 정전기적 쿨롱력은 유전층내의 전하가 표면에 축적됨에 의해 발생하는데, 웨이퍼를 고정하기에 충분한 양의 전하가 표면에 축적되는데 걸리는 시간은 공정상의 측면에서 매우 중요하게 고려할 사항이다. 즉, 공정시간을 단축하기 위해서는 전하의 축적시간을 최소화하여야 하며, 이를 위해서는 유전층의 전기비저항이 낮아야 한다. 그러나, 높은 쿨롱력을 얻기 위해서는 고전압이 필요한데 이러한 고전압에 의한 유전층의 유전항복을 방지하려는 측면에서는 가급적 고전기비저항이 요구된다. 따라서, 이상의 두 가지 사항을 절충하여 전기비저항이 10⁹∼ 10¹³Ω^-cm의 범위에 있는 것이 적절하다고 보고되고 있다.

정전 척의 유전층으로 사용되기 위해 요구되는 또 한가지의 전기적 특성은 3-10 범위의 유전상수를 가져야 한다는 것인데, 이는 탈척 시간을 줄여서 전 공정시간의 지연을 방지하기 위해서이다. 본 발명의 CASB 결정화유리는 8.2의 유전상수값을 갖는 것으로 측정되었으며 이는 요구조건에 부합된다. 즉 CASB 결정화유리의 유전상수(ε_r=8.2)와 전기비저항(10⁹∼10¹³ohm^-cm) 특성이 정전 척으로 사용되기에 적합함을 알 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 정전 척 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

우선 세라믹 기판위에 전극층을 형성한 후 예비소결하는 공정으로, 도 5에 나타낸 형상의 알루미나 기판의 구멍에 은(Ag)선을 삽입한 후, 은페이스트(Paste)를 스크린 프린팅(Screen Printing)하고, 건조기에서 150℃로 건조시킨 다음, 로에서 2℃/분으로 800℃까지 승온하여 1시간 유지한 후 다시 5℃/분으로 상온까지 냉각하여 예비소결을 한다.

CASB 결정화유리분말을 밀링하여 슬러리를 형성한 후 탈포하는 공정으로, 결정화유리분말, 톨루엔, 에탄올 50:28.6:7.14의 중량비로 측량하여 지르코니아볼과 함께 혼합병에 넣고 12시간 1차 밀링한다. 1차 밀링한 혼합물에 PVB계 바인더(Binder)와 산티사이저(Santicizer)계 가소제를 5.23:3.1의 중량비로 첨가한 후, 12시간이상 2차 밀링하여 슬러리를 형성한다. 상기의 슬러리를 30 mTorr의 진공분위기 용기에 넣고 15∼20분간 유지시켜 밀링공정 중 슬러리에 유입되는 기포를 제거한다.

상기의 슬러리를 전극이 예비소결된 세라믹 기판 위에 테이프캐스팅 한 후 건조시켜 유전층을 형성하는 공정으로, 기포를 제거한 슬러리를 전극이 예비소결된 알루미나 판 위에 붓고, 닥터블레이드(Doctor Blade)를 이용하여 테이프 캐스팅한 후 상온에서 건조시킨다.

유전층이 세라믹 기판위에서 안정하게 도포되기 위해서는, 두 재료간의 열팽창 거동이 일치하여야 한다. 도 2는 CASB 유전층과 알루미나 기판의 열팽창계수 측정결과를 나타낸 것으로 도 2에서와 같이 유전층과 기판의 열팽창계수가 넓은 온도범위에서 잘 일치함을 알 수 있다. 즉 열팽창계수가 세라믹판과 유사하여 다양한 온도변화 조건에서도 안정성을 확보할 수 있다.

또한 유전층과 알루미나 세라믹판과의 접합성을 평가하기 위하여 상기의 유전층/전극층/알루미나기판의 단면을 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였으며 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3의 사진으로부터 유전층-전극층, 전극층-알루미나 기판간의 계면에서의 층간갈라짐이 관찰되지 않아, 각 층간의 젖음성 및 접합성이 매우 우수한 것으로 판명되었다.

다음은 유전층과 전극층을 소결하는 공정으로, 3℃/분으로 500℃까지 승온하여 2시간 유지하여 슬러리내의 결합제, 가소제 등의 유기물을 제거한다. 다시 3℃/분으로 930℃까지 승온하여 40분간 유지하여 유전층과 전극층을 소결시킨다. 다시 5℃/분으로 500℃까지 냉각하여 30분간 유지한 후 5℃/분으로 상온까지 냉각시킴으로써 잔류응력을 완화시킨다.

도 4에 나타낸 알루미늄 칠러(Chiller)에 도 5의 6개의 알루미늄 기판을 부착한 후, 래핑(Lapping)과 폴리싱(Polishing)을 하여, 평탄도와 표면거칠기를 각각 10㎛이내가 되도록 한다.

본 발명에 따른 정전척 제조방법의 전체공정도를 도 6에 나타내었다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 유전층 재료로 개발된 CASB 결정화유리는 유전상수와 전기비저항 특성이 정전 척으로 사용되기에 적합하며, 세라믹 기판과의 접합성이 우수할 뿐만 아니라 열팽창계수가 알루미나 세라믹기판과 유사하여 다양한 온도변화 조건에서도 안정성을 확보할 수 있다. 또한 본 발명의 정전척 제조방법은 종래의 제조방법에 비하여 공정의 단순화로 제조원가를 낮출 수 있으며, 별도의 접합제를 사용하지 않기 때문에 종래의 정전 척보다 열에 강하며 입자오염이 낮다.

Claims (3)

1. 세라믹 기판위에 전극층을 형성한 후 예비소결하는 공정과,

   산화칼슘, 알루미나, 실리카, 산화붕소로 제조된 결정화 유리분말을 밀링하여 슬러리를 형성한 후 탈포하는 공정과,

   상기의 슬러리를 전극이 예비소결된 세라믹 기판 위에 테이프캐스팅 한 후 건조시켜 유전층을 형성하는 공정과,

   상기의 유전층과 전극층을 소결하는 공정을 포함하며,

   상기의 결정화 유리분말은 산화칼슘 33중량부, 알루미나 17중량부, 실리카 40중량부, 산화붕소 10중량부를 혼합, 건조한 후 하소하는 단계와, 상기의 하소된 분말을 용융하여 급냉한 후 밀링하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 유전층 직접부착형 정전 척의 제조방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기의 유전층과 전극층을 소결하는 공정은 3℃/분으로 500℃까지 승온하여 2시간 유지하는 단계와, 3℃/분으로 930℃까지 승온하여 40분간 유지하는 단계와, 5℃/분으로 500℃까지 냉각하여 30분간 유지한 후 5℃/분으로 상온까지 냉각하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 유전층 직접부착형 정전 척의 제조방법.