KR100461879B1

KR100461879B1 - 세라믹 서셉터의 지지 구조

Info

Publication number: KR100461879B1
Application number: KR10-2002-0016974A
Authority: KR
Inventors: 야마구치신지
Original assignee: 니뽄 가이시 가부시키가이샤
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2004-12-14
Also published as: TWI242829B; KR20020077176A; US6878211B2; US20020144787A1; JP4331901B2; JP2002299432A

Abstract

본 발명은 피처리물을 설치하고 가열하기 위한 세라믹 서셉터를 챔버 내에 부착하기 위한 지지 구조에 있어서, 가열시에 세라믹 서셉터에서 지지 부재를 지나 챔버로 달아나는 열량을 가능한한 적게 하고, 콜드 스포트(cold spot)의 발생을 억제하며, 세라믹 서셉터와 지지 부재의 접합 부분에서의 열응력을 저감하는 것을 과제로 한다.

본 지지 구조는 세라믹 서셉터(1)의 배면(1b)측에 일체화되어 있는 지지용 돌기(3A), 그리고 챔버(2)에 부착되어 있으며 지지용 돌기(3A)와는 별체인 지지 부재(13A)를 구비하고 있다. 지지 부재(13A)의 적어도 일부(6A)가 단열재로 형성되어 있다. 지지용 돌기(3A)가 지지 부재(13A)에 기계적 수단(4)에 의해 부착되어 있다.

Description

세라믹 서셉터의 지지 구조{SUPPORTING STRUCTURE FOR A CERAMIC SUSCEPTOR}

본 발명은 피처리물을 설치하고 가열하기 위한 세라믹 서셉터를 챔버 내에 부착하기 위한 지지 구조에 관한 것이다.

반도체 제조 용도에 있어서는, 예컨대 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 세라믹 서셉터(1)를 챔버(2)의 내측 벽면에 부착할 필요가 있다. 이 때문에 세라믹스판제의 통형의 지지 부재(21)의 일단(21a)을 서셉터(1)의 배면(1b)에 부착하고, 지지 부재(21)의 타단(21c)을 챔버(2)의 내측 벽면(2a)에 부착한다. 지지 부재(21)는 알루미나, 질화알루미늄 등의 내열성의 세라믹스로 형성되어 있다. 지지 부재(21)의 내측 공간은 챔버(2)의 개구(2b)와 연통한다. 지지 부재(21)와 챔버(2)의 사이는 O링(20)에 의해 기밀하게 밀봉된다.

서셉터(1)의 반도체 웨이퍼(W)의 설치면(가열면)(1a)의 온도는, 예컨대 400℃ 이상, 때로는 600℃ 이상에도 달한다. 한편, O링 등의 고무제의 밀봉 부재(20)는 고열에는 견딜 수 없으며, 그 내열 온도는 통상 200℃ 정도이다. 이 때문에 챔버 내에 냉각 플랜지(15)를 설치함으로써 O링의 주변을 냉각하여, O링의 주변의 온도가 200℃ 이하가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.

그런데, 세라믹 서셉터(1)의 온도가 전술한 바와 같이 높아지고, 지지 부재(21)의 일단(21a)의 온도가 예컨대 400℃를 넘고, 지지 부재(21)의 타단(21c)의 온도를 200℃ 이하로 냉각하면, 지지 부재의 내부에서의 온도 구배는 200℃ 이상이 된다.

지지 부재(21)의 서셉터(1)에 대한 접합 강도를 향상시키기 위해서 또, 가스 구멍이나 단자 및 열전대를 통과시키기 위한 관통 구멍을 지지 부재(21) 벽면의 내부에 마련하기 위해서는, 지지 부재(21)를 두껍게 하고 지지 부재의 서셉터에 대한 접합 면적을 증대시킬 필요가 있다. 그러나, 지지 부재를 두껍게 하면 상기한 바와 같이 지지 부재에 큰 온도 구배가 생기기 때문에 지지 부재(21)를 통한 열전도량이 커진다. 이 결과, 지지 부재(21)의 접합 부분(21a)의 부근으로부터의 열전도가 증대하여 가열면(1a)에 콜드 스포트(cold spot)가 발생한다. 이 관점에서는 지지 부재(21)의 본체 부분은 얇게 하고, 지지 부재(21)의 서셉터 측단부에 두꺼운 확장 부분(플랜지 부분)(21a)을 마련하는 것이 유용하다.

그러나, 지지 부재(21)의 단부에 플랜지 부분(21a)을 마련하면 서셉터를 고온으로 가열할 때에 지지 부재의 원통형의 본체 부분(21b)과 플랜지 부분(21a)의 경계 부근에 집중하는 내부 응력이 과대해지는 경향이 있다. 특히, 플랜지 부분(21a)의 근방은 도 8에 도시하는 바와 같이 구부러져 있고, 이 구부러진 부분에 열응력이 집중하는 경향이 있다.

본 발명의 과제는 피처리물을 설치하고 가열하기 위한 세라믹 서셉터를 챔버에 부착하기 위한 지지 구조에 있어서, 가열시에 세라믹 서셉터에서 지지 부재를 지나서 챔버로 달아나는 열량을 가능한 한 적게 함으로써 콜드 스포트의 발생을 억제하고, 세라믹 서셉터와 지지 부재의 접합 부분에서의 열응력을 저감할 수 있도록 하여, 접합 부분에서의 변형이나 어긋남, 파손을 방지할 수 있도록 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지지 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이며, 기계적 수단으로서 결합 부재(4)를 사용하고 있다.

도 2a는 금속 부재(5)와 단열 부재(6A)의 결합 부분을 도시하는 정면도이며, 도 2b는 유지 부재(7A, 7B)를 보여주는 사시도이다.

도 3a는 세라믹 서셉터(1)의 배면측의 3곳에 지지 부재를 부착한 상태를 도시하며, 도 3b는 도 3a의 IIIb-IIIb선 단면도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지지 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이며, 기계적 수단으로서 유지 부재(7A, 7B)를 사용하고 있다.

도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지지 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이며, 기계적 수단으로서 가압 부재(12) 및 가압편(11a∼11d)을 사용하고 있으며, 도 5b는 가압편을 자세히 보여주는 도면이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지지구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지지구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다.

도 8은 세라믹 서셉터(1)의 챔버(2)의 부착 방법의 종래예를 도시한다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 세라믹 서셉터

1a : 설치면(가열면)

1b : 배면

2 : 챔버

3A, 3B, 3C : 지지용 돌기

3a : 지지용 돌기의 관통 구멍

3b : 지지용 돌기의 홈

3d : 지지용 돌기의 외주면

4 : 결합 부재

5, 10, 11 : 단열 부재

5a : 관통 구멍

5c, 10c : 홈

6A, 6B, 6C, 6D : 금속 부재

7A, 7B : 유지 부재

11a, 11b, 11c, 11d : 가압편

11e : 본체부분

11f : 나사

12 : 가압 부재

12b : 가압 부재의 상단부(가압부)

13A, 13B, 13C : 지지 부재

14 : 리드선 다발

B : 가압 부재에 의한 압박 방향

본 발명은 피처리물을 설치하고 온도 변화를 동반하는 세라믹 서셉터를 처리 챔버 내에 부착하기 위한 지지 구조로서, 세라믹 서셉터의 피처리물 설치면과는 반대면측에 일체화되어 있는 지지용 돌기 및 처리 챔버에 부착되어 있고, 지지용 돌기와는 별체의 지지 부재를 구비하고 있고, 지지 부재의 적어도 일부가 단열재로 형성되어 있고, 지지용 돌기가 지지 부재에 기계적 수단에 의해 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 세라믹 서셉터의 배면측에 지지용 돌기를 일체로 마련하고, 이 지지용 돌기를 세라믹 서셉터와는 직접적으로는 접합되지 않는 별체의 지지 부재에 기계적으로 부착한다. 그리고, 이 지지 부재의 적어도 일부를 단열재로 형성하였다. 이 결과, 가열시에 세라믹 서셉터가 열팽창하여도 지지 부재는 세라믹 서셉터 및 지지용 돌기와는 별체이며 기계적으로 결합되어 있을 뿐이기 때문에, 지지용 돌기와 지지 부재와의 결합 부분에 열응력이 직접적으로는 더해지지 않으며, 지지용 돌기의 변형이 기계적 결합 수단의 변형이나 변위에 의해 흡수된다. 따라서, 세라믹 서셉터와 지지 부재와의 접합 부분에서의 열응력을 저감할 수 있고, 접합 부분에서의 변형이나 어긋남, 파손을 방지할 수 있다. 또한, 이 지지 부재의적어도 일부를 단열재로 형성함으로써 가열시에 세라믹 서셉터에서 지지 부재를 지나 챔버로 달아나는 열량을 저감하여 콜드 스포트의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 기계적 고정이면서도 피처리물 설치면측에 고정 부재(주로 메탈)가 노출되어 있지 않다.

세라믹 서셉터에 지지용 돌기를 형성하는 방법은 한정되어 있지 않다. 일례로는 세라믹 서셉터의 배면측을 연삭 가공함으로써 지지용 돌기를 깍아낼 수 있다. 이 경우에는 지지용 돌기와 세라믹 서셉터와의 세라믹스 조직은 연속한다.

또한, 세라믹 서셉터와 별체인 지지 부재를 접합하고 일체화할 수 있다. 이 접합 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 땜납재에 의해 접합할 수 있고, 혹은 일본국 특허 공개 평8-73280호 공보에 기재한 바와 같이 하여 고상 접합 또는 고상-액상 접합을 행할 수 있다. 서셉터의 가열면의 최고 온도는 예컨대 400℃ 이상, 때로는 600℃ 이상, 1200℃ 이하에 달한다.

세라믹 서셉터의 재질은 한정되지 않으며, 질화규소, 시알론, 질화알루미늄 등의 질화물 세라믹스, 알루미나, 질화알루미늄 등의 알루미늄기 세라믹스, 탄화규소, 희토류의 질화물, 희토류의 산화물 등을 예시할 수 있다. 할로겐계 부식성 가스에 대해 내식성을 가지는 세라믹스가 바람직하며, 특히 질화알루미늄 또는 치밀질 알루미나가 바람직하며, 95% 이상의 상대밀도를 가지는 질화알루미늄질 세라믹스, 알루미나가 더욱 바람직하다.

지지용 돌기의 재질은 전술한 세라믹 서셉터의 재질이어도 좋다. 또한, 세라믹스 이외의 경질의 무기 재료, 예컨대 비정질 무기 재료, 유리, 결정화 유리이어도 좋다.

세라믹 서셉터는 무엇인가의 가열원에 의해 가열되지만 그 가열원은 한정되지 않으며, 외부의 열원(예컨대 적외선 램프)에 의해 가열되는 서셉터와 내부의 열원(예컨대 서셉터 내에 매설된 히터)에 의해 가열되는 서셉터 양쪽을 포함한다. 서셉터 중에는 저항 발열체, 정전척용 전극, 플라즈마 발생용 전극 등의 기능성 부품을 매설할 수 있다.

단열재는 한정되지 않지만, 열전도율이 35 W/m K 이하인 재질이 바람직하며, 15 W/m K 이하의 재질이 특히 바람직하다. 단열재의 적합한 예는 스테인레스 등의 Ni 합금, 알루미나, Si₃N₄, 시알론, 석영 등이다.

바람직한 실시예에 있어서는 지지 부재가 단열재로 이루어지는 단열 부재와 금속으로 이루어지는 금속 부재를 구비하고 있다. 금속 부재의 재질은 한정되지 않지만 반도체 오염 방지의 관점에서는 알루미늄, 니켈, 탄탈, 스테인레스 등의 Ni 합금, 백금, 희토류 원소가 바람직하다.

바람직한 실시예에 있어서는 지지 부재가 통형을 이루고 있다. 이 경우에는 단면적을 작게 하고, 열전도를 감소시키는 동시에 구조체로서의 강도를 확보할 수 있다. 또, 지지 부재의 내부 공간을 통과하는 배선이나 열전대를 수용할 수 있다. 또한, 지지 부재의 벽면 속에 매설된 배선이나 열전대를 수용할 수 있다.

지지 부재와 지지용 돌기가 기계적 수단에 의해 부착되어 있다는 것은 지지 부재와 지지용 돌기가 일정 계면을 따라 화학적인 접합, 접착을 수반하여 접합 내지 결합되어 있지 않으며, 기계적인 수단에 의해 서로 유동 가능한 상태로 부착되어 있음을 의미한다.

지지 부재와 지지용 돌기의 기계적인 부착 수단은 한정되지 않는다.

바람직한 실시예에 있어서는 지지용 돌기 및 지지 부재에 각각 관통 구멍이 마련되어 있으며, 지지용 돌기의 관통 구멍 및 지지 부재의 관통 구멍 내에 결합 부재를 삽입한다. 도 1 내지 도 3은 이 실시예에 관한 것이다.

도 1에서는 세라믹 서셉터(1)의 배면(1b)의 대략 중앙부에 지지용 돌기(3A)가 접합되어 있다. 지지용 돌기(3A)에는 대략 수평 방향을 향해 관통 구멍(3a)이 형성되어 있다. 챔버(2)에는 지지 부재(13A)가 부착되어 있다. 이 부착 방법은 한정되지 않는다. 지지 부재(13A)는 통형, 예컨대 원통형을 이루고 있다. 지지 부재(13A)는 금속 부재(6A)와 단열 부재(5)로 이루어져 있다. 단열 부재(5)의 상단면(5a)측에는 관통 구멍(5d)이 형성되어 있다. 관통 구멍(3a, 5d)에 결합 부재, 예컨대 핀(4)이 삽입되어 있으며, 이것에 의해 지지용 돌기(3A)가 지지되어 있다.

결합 부재의 형태는 한정되지 않으며, 핀 외에, 둥근 막대, 각이진 막대, 클립형 부재, 클램프형 부재 등이어도 좋다.

단열 부재(5)의 하단면(5b)이 금속 부재(6A)의 상단면(6a)과 붙어있다. 6b는 금속 부재(6A)의 하단면이다.

금속 부재와 단열 부재의 접합 부분의 형태를 도 2a 및 2b에 도시한다. 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이, 단열 부재(5)의 하단부의 외측면에 홈(5c)이 형성되어 있으며, 금속 부재(6A)의 상단부에 홈(6c)이 형성되어 있다. 도 2b는 유지 부재(7A, 7B)를 도시한다. 유지 부재는 복수, 예컨대 2개로 나뉘어져 있다. 각 유지 부재는 만곡된 가늘고 긴 돌기(7a, 7b)를 구비하고 있으며, 또한 한쌍의 결합용 플랜지(7c)를 구비하고 있다. 그리고, 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이, 금속 부재와 단열 부재의 각 단면을 맞대어, 각 부재의 외측면 측에서 각 유지 부재(7A, 7B)를 화살표 방향(A)으로 덮고, 각 돌기(7a, 7b)를 각 홈(5c, 6c)에 삽입하여 끼워 맞춘다. 그리고, 유지 부재(7A)의 플랜지부(7c)와 유지 부재(7B)의 플랜지부(7c)를 결합한다.

도 1의 예에서는 본 발명의 지지 부재를 1 개 설치하였지만 복수 개를 설치할 수도 있다. 도 3의 예에서는 지지 부재를 3개 설치하고 서셉터(1)를 3점 지지하고 있다. 각 지지 부재의 구조는 도 1, 도 2에 도시한 지지 부재와 동일하다. 3개의 지지 부재에는 대략 반경 방향으로 핀(4)이 삽입되어 있다. 이것에 의해, 열팽창에 추종할 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서는 지지용 돌기의 외벽면 및 지지 부재의 외벽면을 유지 부재에 의해 외측에서 유지함으로써 양자를 기계적으로 결합한다. 도 4는 이 실시예에 관한 것이다.

서셉터(1)의 배면(1b)측에 지지용 돌기(3B)가 마련되어 있으며, 지지용 돌기(3B)가 지지 부재(13B)에 의해 지지되어 있다. 지지 부재(13B)는 단열 부재(10)와 금속 부재(6B)로 이루어진다. 지지용 돌기(3B)의 하단부의 외측면에 홈(3b)이 형성되어 있으며, 단열 부재(10)의 상단부에 홈(10c)이 형성되어 있다.

각 유지 부재(7A, 7B)의 형태는 도 2b에 도시하였다. 단열 부재(10)의 단면(10a)과 지지용 돌기(3B)의 단면(3c)을 맞대어, 지지용 돌기(3B)의 외벽면(3d) 및 단열 부재(10)의 외벽면(10d)측에서 각 유지 부재(7A, 7B)를 덮고, 각 돌기(7a, 7b)를 각 홈(3b, 10c)에 삽입하고 끼워 맞춘다. 그리고, 유지 부재(7A)의 플랜지부(7c)와 유지 부재(7B)의 플랜지부(7c)를 결합한다.

바람직한 실시예에 있어서는 지지 부재를 지지용 돌기를 향해 힘을 가함으로써 지지용 돌기를 지지 부재에 고정한다. 도 5는 이 실시예에 관한 것이다.

서셉터(1)의 배면에 지지용 돌기(3C)가 형성되어 있다. 지지 부재(13C)는 단열 부재(11) 및 금속 부재(6C)로 이루어진다. 단열 부재(11)와 금속 부재(6C)의 부착 방법은 한정되지 않으며 전술한 방법을 이용할 수 있다.

단열 부재(11)는 통형, 바람직하게는 원통 형상의 본체 부분(11e)과, 본체 부분(11e) 위에 마련되어 있는 가압편(11a, 11b, 11c, 11d)을 구비하고 있다. 본체 부분(11e)의 단면(11g)이 단열 부재(6C)에 맞붙어 있다. 가압편(11a∼11d)은 각각 본체 부분(11e)의 상단부에 연결되어 있으며, 또한 서로 분리되어 있다. 본체 부분(11e)의 외주면에는 나사(11f)가 형성되어 있다.

단열 부재(11)의 외측에 가압 부재(12)가 나사(12a)에 의해 부착되어 있다. 가압 부재(12)는 원통 형상을 하고 있으며, 가압 부재의 상단부(12b)가 각 가압편(11a∼11d)을 외측에서 가압하고 있다. 그리고, 나사(11f, 12a)를 끼워 맞춘 상태로 가압 부재(12)를 회전시키고 가압 부재를 위쪽으로 이동시킴으로써 상단부(12b)에서 화살표(B)로 나타내는 가압력이 상승하고, 각 가압편이 내측을 향해 강하게 힘을 받는다.

전술한 예에서는 가압편(판 스프링)을 외측에서 가압함으로써 지지 부재를지지용 돌기에 대해 힘을 가했다. 그러나, 다른 압박 수단, 예컨대 코일 스프링 등을 사용할 수 있다.

또, 챔버의 벽면에 오목부를 마련하고, 이 오목부 내에 암나사를 마련하는 동시에, 지지 부재의 아래쪽 외주면에 수나사를 마련하여, 챔버측의 암나사와 지지 부재측의 수나사를 끼워 맞춤으로써 지지 부재의 높이를 조절할 수 있다.

도 5a 및 5b에 도시되어 있는 예에서는 외부의 열원에 의해서 가열되는 서셉터를 개시하였지만, 도 6에 도시하는 바와 같이 단열 부재(11) 및 금속 부재(6C)의 내부에 서셉터(1)내에 매설한 도시하지 않은 히터에 전력을 공급하는 리드선이나 서셉터(1)의 온도를 측정하는 열전대의 리드선으로 이루어지는 리드선 다발(14)을 통과시킬 수도 있다. 이렇게 서셉터(1)에 매설된 히터에 의해 가열되는 서셉터(1)의 경우, 지지 부재(13C)와 서셉터(1)의 온도차가 급격히 일어나기 때문에 본 지지 부재가 유효하게 된다. 또한, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 지지 부재(13C)를 금속 부재(6D), 단열 부재(11) 및 금속 부재(6C)로 구성할 수도 있다. 본 예에서도 지지 부재(13C)의 구성은 재질이 다른 것 이외에, 도 5에 도시되어 있는 구성과 동일하다.

이상 전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 가열시에 세라믹 서셉터에서 지지 부재를 지나 챔버로 달아나는 열량을 저감할 수 있으며, 세라믹 서셉터와 지지 부재의 접합 부분에서의 열응력을 저감할 수 있으며, 접합 부분에서의 변형이나 어긋남, 파손을 방지할 수 있다. 또한, 기계적 고정이면서 피처리물 설치면측에 고정부재(주로 금속)가 노출되어 있지 않다.

Claims

삭제
피처리물을 설치하고, 온도 변화를 동반하는 세라믹 서셉터를 처리 챔버 내에 부착하기 위한 지지 구조로서,

상기 세라믹 서셉터의 피처리물 설치면과는 반대면측에 일체화되어 있는 지지용 돌기와,

상기 지지용 돌기의 적어도 일부를 포위하며, 상기 지지용 돌기와는 별체인 단열 부재와,

상기 단열 부재에 연결되고 상기 처리 챔버에 부착되는 금속 부재

를 구비하고,

상기 지지용 돌기는 상기 단열 부재에 기계적 수단에 의하여 유동 가능한 상태로 부착되어 있고, 상기 금속 부재와 상기 지지 돌기는 서로 직접 부착되지는 않으며, 상기 단열 부재의 중심축은 상기 금속 부재의 중심축과 실질적으로 일직선으로 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 서셉터의 지지 구조.
제2항에 있어서, 상기 금속 부재는 통형을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 지지 구조.
제2항에 있어서, 상기 단열 부재는 통형을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 지지 구조.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지용 돌기 및 상기 단열 부재에 각각 관통 구멍이 마련되어 있으며, 상기 기계적 수단이 상기 지지용 돌기의 관통 구멍 및 상기 단열 부재의 관통 구멍 내에 삽입되어 있는 결합 부재인 것을 특징으로 하는 지지 구조.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계적 수단이 상기 지지용 돌기의 외벽면 및 상기 단열 부재의 외벽면을 외측에서 유지하는 유지 부재인 것을 특징으로 하는 지지 구조.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계적 수단은 상기 단열 부재를 상기 지지용 돌기를 향해 힘을 가함으로써 상기 지지용 돌기를 상기 지지 부재에 고정하기 위한 가압 부재인 것을 특징으로 하는 지지 구조.