KR100587191B1 - 세라믹 정전척의 접합구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세라믹 정전척 부재와 금속 부재를 접착제로 접합하는 정전척의 접합구조체에 관한 것으로, 접합층의 기밀성을 강화하기 위하여 상기 부재들을 접합하는데 이용하는 접착제는 유기용제를 포함하지 않은 열경화 부가반응을 하는 점착성을 갖는 겔(gel)형 또는 접착성을 갖는 접착성(adhesive)실리콘 수지로 이루어진 특징을 가지고 있다.
본 발명에 따른 세라믹 정전척 부재와 금속 부재를 접착제로 접합하는 정전척 접합구조체의 제조 방법에 있어서, 세라믹 정전척 부재와 금속 부재 접합시 유기용제를 포함하지 않는 실리콘 수지 접착제를 접합부 각 면에 도포하는 단계, 상기 실리콘 수지 접착제를 대기중에 가열하는 단계, 접합하고자 하는 상기 부재들의 중심을 맞추어 가접착하는 단계, 온도와 압력을 달리하여 2단계 이상의 경화와 냉각을 수행하여 접합하는 단계를 포함하고, 접합 후 진행되는 연마공정을 통해 세라믹 정전척 상면의 평탄도를 제어할 수 있다.
정전척, 실리콘 수지, 접합, 기밀성, 평탄도

Description

세라믹 정전척의 접합구조체 및 그 제조방법 {CERAMIC ELECTROSTATIC CHUCK STRUCTURE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
도 1은 정전척 접합구조체.
도 2는 실시예 1에 따른 세라믹 정전척 접합구조체의 초음파 사진.
도 3은 비교예 1에 따른 세라믹 정전척 접합구조체의 초음파 사진.
본 발명은 세라믹 정전척 접합구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 자세하게는 세라믹 정전척 부재와 금속 부재의 접합에 관한 것이다. 도 1의 세라믹 정전척 접합구조체(1)은 세라믹 정전척 부재(2)와 베이스(base)기재로서의 금속 부재(3)가 접합층(4)에 의하여 접합되어 있다. 세라믹 정전척 부재(2)상에 웨이퍼(5)를 흡착한 상태에서, 웨이퍼(5)의 표면에 CVD, 스퍼터링, 에칭 등의 처리가 행해진다. 또, 세라믹 정전척 부재(2)중에는 정전척 전극(6)이 매설되어 있고, 단자(7)로부터 전압을 인가하고 세라믹 정전척 부재(2)를 대전하는 것에 의해 정전 인력이 발생되고, 이 정전인력을 이용하여 웨이퍼를 흡착하게 된다.
상기처럼 구성되는 세라믹 정전척 부재와 금속 부재와의 접합구조체(1)는 CVD, 스퍼터링, 에칭등의 플라즈마 반응을 이용한 처리의 경우, 플라즈마 열에 의해 웨이퍼의 온도 상승이 생기고 성막제어가 곤란해진다. 그 대책으로 금속 부재(3)을 수냉하는 기구나, 세라믹 정전척 부재(2)와 웨이퍼(5)사이에 냉각매체용구(8)에 의해 Ar, N2, He 가스를 도입하여 세라믹 정전척 부재(2)와 웨이퍼(5)를 냉각하고 있다. 또한 CVD, 스퍼터링, 에칭등의 반응을 이용한 처리의 경우, 세라믹 정전척 부재(2), 금속 부재(3) 및 접합층(4)은 화학적으로 엄격한 분위기하에 노출된다.
정전척용 접합구조체에 있어서 정전척 부재를 금속 부재에 고정하는 방법으로서는 종래로부터 클램프(clamp) 및 볼트(bolt)를 이용한 메커니컬 클램프(mechanical clamp)구조를 이용한 방법, 유기성 접착제 또는 유리등을 접합층으로서 이용하는 방법등이 알려져 있다. 접합층을 이용한 경우, 정전척용 접합 구조체는 고온으로 화학적으로 엄격한 분위기하에 노출되기 때문에 접합층에서는 양호한 열전도성, 기밀성, 내식성 및 웨이퍼가 흡착되는 정전척 상면의 우수한 평탄도가 요구된다.
세라믹 정전척 부재는 기계적 인성이 떨어지기 때문에 메커니컬 클램프(mechanical clamp)타입으로 세라믹 정전척 부재와 금속 부재를 고정시킬 때, 세라믹 정전척 부재의 두께가 얇을 경우 고정이 어렵다. 일반적인 유기성 접착제를 이용하여 상기 부재들을 고정시킬 경우에는 넓은 온도 범위에서 사용하게 되면 세라믹스 정전척 부재 표면으로 접착제 층이 찌그러지고 균열이 생기는 문제점이 발생 한다. 유리를 이용하여 상기 부재들을 고정시킬 경우, 고온으로 접합하기 때문에 금속 부재에 변형이 생긴다.
실리콘 수지를 이용하여 접합한 종래기술로 일본 특개평 4-287344호에서는 페이스트 형태의 실리콘 수지를 이용한 접합 구조가 제안되었고, 일본 특개 2002-231797호에서는 실리콘 또는 아크릴 층, 폴리이미드 층의 복합층을 이용한 접합 구조가 제안되었다.
일본 특개 4-287344호의 경우 실리콘 수지를 유기용제에 용해시키는 유기성 접착제를 사용하면 유기용매의 휘발과 반응 부산물로 인해 발생하는 반응 가스에 의해 접합면에서 리크(leak)가 발생한다. 또한 상기 종래기술에서는 열전도 향상을 위해 접합층의 두께를 10㎛내지 15㎛로 유지하게 되는데 이 경우, 접합면 상에 균일한 도포가 이루어지지 않을 시 또는 접합면에서 실리콘 수지의 완충 작용력이 떨어져 리크(leak)가 발생하는 원인이 된다.
일본 특개 2002-231797호의 경우 실리콘 수지층 외에 폴리이미드 층을 포함한 복합층을 사용할 뿐 아니라, 고압하에서 세라믹 정전척 부재와 금속 부재의 접합이 이루어져 세라믹 정전척 부재의 깨짐 현상이 발생할 수 있다.
유기용제를 사용하지 않는 열경화 부가반응을 하는 겔(gel)형 또는 접착(adhesive)성 실리콘 수지를 사용하고, 접착층의 두께를 두껍게 하여 리크(leak)의 발생을 억제시켜 기밀성을 향상시키고, 저압하에서 세라믹 정전척 부재와 금속 부재의 접합을 수행하여 세라믹 정전척 부재의 깨짐 현상을 막는다. 또한 접합 후 연 마공정을 통하여 웨이퍼 흡착부에 해당하는 세라믹 정전척 상면의 평탄도를 조절한다.
세라믹 정전척 부재와, 금속 부재와, 그 사이를 접착제로 접합하여 형성된 접착제층을 포함하며, 상기 접착제는 유기용제를 포함하지 않는 열경화 부가반응을 하는 겔형 실리콘 수지와 접착 실리콘 수지 중 어느 한가지 또는 이 둘의 혼합으로 이루어지며, 상기 접착제층의 두께는 50~500㎛이며, 상기 세라믹 정전척 부재의 상면에는 웨이퍼가 흡착되고, 상기 평탄도 조절은 접합이 이루어진 이후에 연마에 의하여 행해지는 정전척 접합 구조체이다. 본 발명에서 사용하는 실리콘 수지의 경우, 열경화 부가반응을 하므로 반응 부산물이 거의 없으며, 유기용매를 사용하지 않아 용매 휘발에 의한 가스 발생량이 적다. 따라서 실리콘 접합층 내에 반응가스에 의한 가스 통로를 최소화하여 리크(leak)발생을 억제할 수 있다. 본 발명에서 접합층으로 사용되는 겔(gel)형 또는 접착(adhesive)실리콘 수지는 실록산 결합을 주 골격으로 하는 규소 화합물 중합체로, 주로 쓰이는 실록산의 예는 디메틸 실록산, 메틸 비닐 실록산, 메틸 페닐 실록산 등의 중합체들이다. 상기의 실리콘 수지에 고열전도성을 부여하기 위하여 충전제(filler)로서 알루미나 분말, 질화알미늄 분말, 질화붕소 분말, 질화규소 분말, 산화마그네슘 분말, 실리카 분말 등 고열전도성의 세라믹 파우더를 사용하고, 그 배합량은 0.8W/m℃내지 3.0W/m℃범위의 열전도성을 부여하는데 필요한 양이다.
접합제 층의 두께는 열전도성의 측면에서 보면 얇은 쪽이 유리하지만 접합층의 기밀성, 절연내압성, 평탄도, 열팽창정도에 따른 완충작용력 등을 고려해볼 때 50㎛내지 500㎛이 적당하다. 막 두께가 50㎛ 미만의 경우, 접합층의 기밀성 제어가 어렵고, 접합제 도포시 정밀성이 요구되며, 절연내압성이 떨어져 고전압을 사용하는 공정에서는 절연파괴의 확률이 높아진다. 또한 열팽창 정도에 따른 완충작용력이 떨어지며, 막형성의 문제가 발생하여 막 강도 역시 저하된다. 막 두께가 500㎛가 되면 열전도성이 떨어져 웨이퍼의 냉각 효율이 저하된다.
세라믹 정전척 부재와 금속 부재를 접착제로 접합하는 정전척 접합구조체 제조 방법은 다음과 같다.
세라믹 부재와 금속 부재 접합시 유기용제를 포함하지 않은 부가반응에 의한 열경화성 겔(gel)형 실리콘 수지와 접착(adhesive)실리콘 중 어느 한가지 또는 이 둘을 혼합한 접착제를 접합부 각 면에 도포하는 단계로 도포 방법은 스크린 인쇄나 롤(roll)인쇄가 바람직하다.
다음은 도포된 실리콘 수지 접착제를 대기중에서 가열하여 유동성을 갖도록 하는 단계로, 충전제(filler)함량이 높아질수록 고점도가 되고, 도막의 강도가 높아지므로 본 공정이 필요하다. 가열 온도는 50℃내지 60℃가 적당하다.
상기 실리콘 수지 접착제가 각각 도포된 세라믹 정전척 부재와 금속 부재를 중심을 맞추어서 가접착하는 단계를 거친 후, 온도와 압력을 달리하여 2단계 이상의 경화와 냉각을 수행하여 상기 부재들을 접합한다. 접착제가 고점도일수록, 또는 충전제(filler)함량이 높을수록 다단계의 온도와 하중을 가하여 경화를 하고 냉각을 하게 된다. 다단계로 경화공정이 없으면 접합층의 기밀성이 저하되어 리크(leak)가 발생한다. 최초 경화 단계의 하중은 5g/cm2내지 30g/cm2이고, 온도는 60내 지 100℃이다. 제시한 범위를 벗어나 접합을 수행하게 되면 기밀성의 유지가 어렵다. 최종 경화 단계의 하중은 50g/cm2내지 100g/cm2이고 온도는 100℃내지 200℃가 바람직하다. 상기의 하중과 온도 범위보다 낮은 지점에서는 경화가 이루어지지 않고, 상기의 범위보다 높은 하중을 주면 세라믹 정전척 부재가 깨질 위험이 있다.
경화가 끝난 후 이루어지는 냉각공정은 최종 하중을 유지한 채 상온(23℃내지 28℃)에서 행하여 접합층을 상온에서 안정화시킨다.
접합이 이루어진 후, 연마공정을 거쳐 웨이퍼 흡착부에 해당하는 세라믹 정전척 상면의 평탄도 조절이 가능하다. 연마는 마스킹(Masking)단계, 래핑(Lapping)단계, 폴리싱(Polishing), 샌딩(Sanding)의 4단계를 거친다. 본 공정을 통하여 원하는 세라믹 정전척 상면의 평탄도를 원하는 수준까지 끌어올릴 수 있다. 특히 0.1㎛내지 5㎛까지 조절이 가능하므로 세라믹 정전척 접합구조의 평탄도 문제를 해결할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 통해 구체적으로 설명하지만 본 발명은 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1.
열전도성이 1.0W/m℃인 실리콘 Gel-Adhesive 혼합액으로 세라믹 정전척 부재(AlN)와 금속 부재(알루미늄)가 서로 접촉하게되는 부재들의 각 면에 상기의 혼합액을 100㎛씩 도포한 후, 50℃에서 상기의 혼합액이 유동성을 갖도록 대기중에서 가열한다. 상기 부재들을 중심을 맞추어 가접합한 후, 20g/cm2의 하중과 90℃의 온 도로 최초 경화를 시작하고, 80g/cm2하에서 120℃의 온도에서 3시간동안 유지하여 실리콘 수지를 경화시킨 후, 2시간동안 냉각하였다. 평탄도 조절을 위하여 연마공정을 추가하였다.
비교예 1.
열전도성이 1.0W/m℃인 실리콘 Gel-Adhesive 혼합액으로 세라믹 정전척 부재(AlN)와 금속 부재(알루미늄)가 서로 접촉하게되는 부재들의 각 면에 상기 혼합액을 40㎛씩 도포한 후, 50℃에서 상기 혼합액이 유동성을 갖도록 대기중에서 가열한다. 상기 부재들을 중심을 맞추어 가접합한 후, 20g/cm2의 하중과 90℃의 온도로 최초 경화를 시작하고, 20g/cm2하에서 120℃의 온도에서 3시간동안 유지하여 실리콘 수지를 경화시킨 후, 2시간동안 냉각하였다. 평탄도 조절을 위하여 연마공정을 추가하였다.
접합 후 접합제 층의 두께와 평탄도는 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1의 평탄도는 12㎛이고, 연마공정을 실시한 후에는 평탄도가 4㎛로 조절되었다. 반면 비교예 1의 접합 후 평탄도는 50㎛이고, 연마공정 후의 평탄도는 15㎛로 나타났다. 접합층의 두께는 정전척의 단면을 절단하여 측정하였는데 실시예의 경우 156㎛로 본 발명에서 제시한 50~500㎛ 사이이며, 비교예의 경우에는 20㎛로 측정되었다.
표 1.
NO 접합층 Thickenss 접합 후 평탄도 연마 후 평탄도
실시예 1 156㎛ 12㎛ 5㎛
비교예 1 20㎛ 50㎛ 15㎛
상기의 세라믹 정전척 접합 구조체의 접합제 층의 리크(leak)를 상압 및 상온에서 테스트한 결과, 실시예 1 및 비교예 1 모두 리크(leak)가 발생하지 않았다. 그러나 반도체 제조 공정시 요구되는 고진공하에서 테스트를 실시하자 실시예 1의 경우 리크(leak)가 발생하지 않았으나 비교예 1은 공정 중 냉각가스의 유량이 급격히 늘어나는 현상이 발생하였고, 리크(leak)가 발생하였다.
도 2와 도 3은 실시예 1과 비교예 1에 따라 접합된 세라믹 정전척 접합구조체를 초음파로 측정한 사진으로, 도 2의 실시예 1은 전체적으로 도 3의 비교예 1에 비하여 두께가 두꺼우므로 연두색을 띄며 전체적으로 아주 고르게 접합이 이루어져 접합층의 기밀성 및 세라믹 정전척 접합구조체의 웨이퍼 흡착부의 평탄도가 우수하다. 그러나 도 3의 비교예 1의 경우 두께가 얇아 파란색을 띄고, 가장자리부의 접합층 두께가 고르지 못해 접합후 고진공하에서 리크(leak)가 생기고, 세라믹 정전척 접합구조체의 웨이퍼 흡착부에 해당하는 세라믹 정전척의 상면의 평탄도가 실시예 1에 비해 크게 떨어졌다.
본 발명에 관계되는 정전척 접합 구조체의 제조방법에 의하면, 접합층으로 사용되는 실리콘 수지는 유기용제를 사용하지 않는 열경화 부가반응을 하므로 반응시 생성되는 가스 발생이 적어 기밀성이 우수하다. 또한 저압에서 세라믹 정전척 부재와 금속 부재의 접착이 이루어져 세라믹 정전척 부재의 깨짐 현상을 방지하고, 접착 후 진행되는 연마공정에 의해 세라믹 정전척의 상면의 평탄도를 제어할 수 있 으므로 고 정밀도 및 고 신뢰성이 요구되는 용도에 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 정전척 접합 구조체에 있어서,
    세라믹 정전척 부재와, 금속 부재와, 그 사이를 접착제로 접합하여 형성된 접착제층을 포함하며,
    상기 접착제는 유기용제를 포함하지 않는 열경화 부가반응을 하는 겔형 실리콘 수지와 접착 실리콘 수지 중 어느 한가지 또는 이 둘의 혼합으로 이루어지며,
    상기 접착제층의 두께는 50~500㎛이며,
    상기 세라믹 정전척 부재의 상면에는 웨이퍼가 흡착되고, 평탄도 조절은 접합이 이루어진 이후에 연마에 의하여 행해지는 것을 특징으로 하는 정전척 접합구조체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 평탄도는 0.1㎛ 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 정전척 접합구조체.
  4. 세라믹 정전척 부재와 금속 부재를 접착제로 접합하는 정전척 접합구조체 제조 방법에 있어서,
    세라믹 정전척 부재와 금속 부재를 접합하기 위하여 접착제를 접합부 각 면에 도포하는 단계;
    상기에서 도포된 접착제를 대기중에서 가열하여 유동성을 갖도록 하는 단계;
    상기의 접착제가 도포된 세라믹 정전척 부재와 금속 부재를 가접착하는 단계;
    상기 가접착된 세라믹 정전척 부재와 금속 부재를 온도와 압력을 달리하여 2단계 이상의 경화 후 냉각을 수행하여 접합하는 단계;
    접합이 이루어진 후 평탄도 제어를 위하여 세라믹 정전척의 상면을 연마하는 단계를 포함하며,
    상기 접착제는 유기용제를 포함하지 않는 부가반응에 의한 열경화성 겔(gel)형 실리콘 수지와 접착(adhesive) 실리콘 수지 중 어느 한가지 또는 이 둘의 혼합인 것을 특징으로 하는 정전척 접합구조체 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서, 최초 경화 단계의 하중은 5g/cm2내지 30g/cm2이고, 온도는 60℃ 내지 100℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전척 접합구조체 제조방법.
  7. 제4항 또는 제6항에 있어서, 최종 경화 단계의 하중 및 온도는 각각 50g/cm2내지 100g/cm2이고, 100℃ 내지 200℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전척 접합구조체의 제조방법.
  8. 삭제
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