KR100708568B1 - 기판 가열 장치 - Google Patents

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KR100708568B1
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요시노부 고토
히데요시 츠루타
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니뽄 가이시 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 갭을 매개로 실질적으로 판형으로 이루어지도록 배치되고, 기판 적재면을 형성하는 복수의 기재를 포함하는 기재군과, 적어도 하나의 상기 기재에 마련되는 저항 발열체를 구비하는 기판 가열 장치에 관한 것이다.

Description

기판 가열 장치{SUBSTRATE HEATING APPARATUS}
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 세라믹 히터의 단면도이고,
도 1b는 세라믹 기재군의 평면도이고,
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 세라믹 히터의 단면도이고,
도 2b는 세라믹 기재군의 평면도이고,
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 세라믹 히터의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세라믹 히터의 세라믹 기재군의 분할 형태의 예를 도시한 평면도이고,
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세라믹 히터를 보여주는 도면이고,
도 5b는 세라믹 히터의 온도 제어의 예를 보여주는 그래프이고,
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세라믹 히터를 보여주는 도면이고,
도 6b는 세라믹 히터의 온도 제어의 예를 보여주는 그래프이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 세라믹 히터의 단면도이고,
도 8은 본 발명의 작동예와 비교예의 세라믹 히터의 면내 온도 분포의 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 11, 12, 13, 14, 15: 세라믹 히터
20A, 20B, 21A, 21B, 22A, 22B: 세라믹 기재
20, 21, 22: 세라믹 기재군
30, 31: 저항 발열체
40, 41: 관형 부재
50, 51, 52: 급전선
61, 62: 열전대
70, 71 : 보조 부재
80A, 80B: 정전척 전극
본 발명은 기판을 가열하는 기판 가열 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 프로세스 등에서, 기판 가열 장치로서는 선형의 저항 발열체가 내부에 매설되어 있는 원반형 세라믹 기재를 구비한 세라믹 히터가 널리 사용되고 있다.
기판을 가열하는 가열 방법으로서, 최근의 반도체 제조 공정은 세라믹 히터를 이용한 접촉식 가열뿐 아니라 할로겐 램프 등을 이용한 비접촉식 램프 가열도 적극적으로 이용하고 있다. 램프 히터를 이용하는 경우에도, 세라믹 히터는 주로 기판을 보조적으로 가열하도록 함께 사용된다.
이들 반도체 제조 공정에서는, 제품의 수율을 증가시키기 위해 기판 표면 온 도를 고정밀도로 균일화하는 것이 요구되고 있다. 따라서, 세라믹 히터는 기판 주위의 환경에 맞는 정밀한 온도 조정을 실행할 것이 요구되고 있다. 예컨대, 세라믹 기재의 내부가 복수의 영역으로 분할되어 있고, 각 영역에 대하여 적절한 발열량이 설정되어 있는 멀티-존 히터가 검토되어 있다(일본 특허 공개 2001-52843호 참조). 멀티-존 히터에 있어서는, 발열량이 기판 적재면에서의 위치에 따라 최적으로 조정된다. 일본 특허 공개 2001-52843호는 세라믹 기재가 내부에 저항 발열체가 각각 매설되어 있는 9개의 존으로 분할되어 있는 멀티-존 히터를 제안하고 있다. 종래의 모든 멀티-존 히터에 있어서는, 일체형 기재 내에 복수의 저항 발열체가 매설되어 있다.
그러나, 위치에 따라 발열량을 변경시키는 종래의 멀티-존 히터에 있어서는, 종래의 일체형 기재 내에 고온부 및 저온부가 국소적으로 형성된다. 내부에 저항 발열체가 매설되어 있는 기재에 국소적인 응력이 발생하기 쉽다. 특히, 세라믹 기재는 압축 응력에 비하여 인장 응력에 민감한 경향이 있다. 인장 응력이 발생하는 저온부 및 고온부의 주변부에서 파손이 생기기 쉬워진다.
또한, 세라믹 히터뿐 아니라, 기판을 적재하는 기재로서 금속 또는 수지를 사용한 기판 가열 장치에 있어서도 위치에 따른 설정 온도의 차이에 기인한 응력 발생의 문제가 존재한다.
본 발명의 목적은 위치에 따른 설정 온도의 차이에도 불구하고 파손을 방지 할 수 있는 기판 가열 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 기판 가열 장치는, 갭을 매개로 실질적으로 판형으로 이루어지도록 배치되고, 기판 적재면을 형성하는 복수의 기재를 포함하는 기재군과, 적어도 하나의 기재에 마련되는 저항 발열체를 구비한다.
이러한 기판 가열 장치에 따르면, 종래의 일체형 기재는 복수의 기재로 분할되고, 각 기재의 사이에는 갭이 배치되어 있다. 따라서, 갭의 존재로 인하여, 각 기재가 상이한 온도로 설정될 때에도 각 기재에 온도 구배가 발생되는 것을 억제한다. 따라서, 기재의 설정 온도의 차이로 인하여 발생되는 응력이 감소된다. 또한, 갭은 응력을 흡수하는 공간을 제공할 수도 있다. 따라서, 기재의 파손을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 각각의 기판 가열 장치는, 복수의 영역으로 분할된 복수의 기재가 각 기재 사이에 갭이 개재되도록 배치되어 복수의 기재 전체가 실질적으로 판형을 이루도록 되어 있는 기판 가열 장치이다. 복수의 기재를 포함하는 기재군은 기판 적재면을 형성한다. 또한, 적어도 하나의 기재는 저항 발열체를 포함한다.
종래의 일체형 기재가 여러 개의 기재로 분할되고, 복수의 분할 기재는 사이에 갭이 개재되도록 배치되어 있다. 따라서, 분할된 기재는 서로 독립적일 수 있다. 이에 따라, 위치에 따른 설정 온도의 차이로 인한 응력 발생을 억제할 수 있다. 기재의 분할 형태와 기재의 수에는 제한이 없으며, 기판 가열 장치의 주변 환경 및 기판의 원하는 온도 분포에 따라 선택할 수 있다. 기재는 금속, 수지 및 세 라믹 중 어느 하나로 제조될 수 있다. 이하에서는, 도면을 참조하여 각 실시예에 따른 기판 가열 장치에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
(제1 실시예)
제1 실시예에 따른 기판 가열 장치는 기재로서 세라믹을 사용한 세라믹 히터이다. 달리 말하면, 기재는 세라믹으로 이루어진다. 도 1a은 세라믹 히터(10)의 단면도를 도시하고, 도 1b는 세라믹 기재군(20)의 평면도를 도시한다.
세라믹 히터(10)는 세라믹 기재군(20)을 구비한다. 세라믹 기재군(20)은 종래의 일체의 원반형 기재를 분할함으로써 얻어지는 중앙부의 세라믹 기재(20A)와 둘레부의 세라믹 기재(20B)의 2개의 개별 부분으로 이루어지고, 이들 기재는 사이에 갭(G)이 개재되는 상태로 동일 평면에 배치되어 있다. 달리 말하면, 세라믹 기재군(20)은 제1 기재로서의 세라믹 기재(20A)와, 제1 기재의 둘레에 배치된 제2 기재로서의 환형 세라믹 기재(20B)를 포함한다. 세라믹 히터(10)는 원반형 세라믹 기재(20A)와, 이 세라믹 기재를 둘러싸는 링형 세라믹 기재(20B)를 포함한다.
세라믹 기재(20A, 20B)는 사이에 갭이 개재되는 상태로 실질적으로 판형으로 이루어져 기판 적재면(10a)을 형성한다. 도 1a 및 도 1b에 있어서, 세라믹 기재(20A, 20B)는 원반형 세라믹 기재군(20)을 형성한다. 따라서, 세라믹 기재군(20)의 한 면인 기판 적재면(10a)에 가열된 물체로서의 기판(5)이 배치된다. 예컨대, 기판(5)은 반도체 웨이퍼, 액정 기판 등일 수 있다.
적어도 하나의 기재에 저항 발열체(30)가 마련될 수 있다. 도 1a에 있어서, 저항 발열체(30)는 둘레부의 세라믹 기재(20B)에는 매설되어 있는 반면에, 중앙부 의 세라믹 기재(20A)에는 저항 발열체가 제공되지 않는다. 저항 발열체(30)의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 도 1b에 도시된 바와 같이 선형 금속 벌크체를 나선형으로 배치할 수 있다.
또한, 세라믹 히터(10)는 기판 적재면(10a)과 반대쪽에 있는 세라믹 기재군(20)의 표면의 중앙부에 직접적으로 또는 간접적으로 연결되어 있는 관형 부재(40)를 구비할 수 있다. 예컨대 도 1a에 도시된 바와 같이, 원통형 관형 부재(40)가 기판 적재면(10a)과 반대쪽에 있는 세라믹 기재군(20)의 표면(이면)에 직접적으로 연결될 수 있다. 세라믹 기재군(20)은 이면으로부터 관형 부재(40)에 의해 지지되고 있다.
관형 부재(40)는 세라믹 기재군(20)을 지지한다. 관형 부재(40)의 단부가 장치의 벽에 고정될 수 있다. 관형 부재(40)는 저항 발열체(30)의 단자(30T1, 30T2)에 연결되어 있는 급전선(50)의 보호관으로서 기능한다. 관형 부재(40)는 세라믹 기재(20A 및 20B)에 나사 고정될 수도 있고 브레이징될 수도 있다.
세라믹 기재군(20)은 사용 용례 또는 사용 조건에 따라서 관형 부재(40) 대신에 간단한 지지대 또는 장치 위에 직접적으로 또는 간접적으로 배치될 수도 있다. 이 경우에, 지지대 또는 장치는 세라믹 기재군(20)을 지지한다.
또한, 저항 발열체(30)의 단자(30T1, 30T2)는 급전선(50)에 연결되어 있다. 단자(30T1, 30T2)는 급전선(50)으로부터의 입력 파워와 저항 발열체(30)로의 출력 파워이다. 급전선(50)은 세라믹 기재(20A, 20B) 내에 매설되는 대신에 기판 적재면(10a)의 반대쪽에 있는 세라믹 기재(20A, 20B)의 표면(세라믹 기재의 외면)을 따 라 배선될 수 있다. 따라서, 급전선(50)은 저저항 재료로 제조될 수 있고, 이는 급전선(50) 자체로부터의 열 발생을 방지할 수 있다.
급전선(50)은 세라믹 기재(20A, 20B) 내에 개별적으로 매설되고 배선될 수 있다. 급전선(50)은 세라믹 기재의 외부에 노출되지 않고, 이로 인하여 부식을 방지한다. 이 경우에, 급전선(50)은 세라믹 기재(20A, 20B)의 소결 온도를 견딜 수 있는 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 예컨대, 급전선(50)은 저항 발열체(30)와 유사한 내열 도전성 재료로 제조될 수 있다. 이러한 재료는 비교적 저항이 크고, 급전선(50)은 종종 열을 발생시킬 수 있다.
히터(10)에 있어서, 저항 발열체(30)는 둘레부의 세라믹 기재(20B)에만 매설되어 있다. 따라서, 세라믹 기재(20A)를 저온으로 유지하면서 둘레부의 세라믹 기재(20B)만을 고온으로 설정하는 것이 가능하다.
종래의 가열 장치에서와 같이 일체형 세라믹 기재를 이용하고 저항 발열체에 의해 둘레부를 가열하는 경우에는, 중앙부와 둘레부의 설정 온도차가 소정 값을 넘으면 중앙부와 둘레부의 경계 부분에서 열구배에 기인한 강한 인장 응력이 발생한다. 그 결과, 세라믹 기재가 파손될 수 있다. 그러나, 세라믹 히터(10)는 중앙부의 세라믹 기재(20A)와 둘레부의 세라믹 기재(20B) 사이에 갭(G)이 형성되어 있으므로, 세라믹 기재(20A, 20B)의 열팽창에 의해 발생된 응력을 해제하는 공간을 제공한다. 또한, 갭(G)의 단열 효과 때문에, 각 세라믹 기재는 인접하는 다른 세라믹 기재의 설정 온도의 영향을 받기 어렵게 된다. 따라서, 각 기재 내에서 큰 온도 구배가 생기는 것을 방지하는 동시에, 분할된 각 기재의 온도를 독립적으로 보 다 정확하게 설정할 수 있다. 따라서, 위치에 따른 설정 온도의 차이에 기인하여 생기는 세라믹 기재의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 갭(G)의 폭은 세라믹 히터의 크기 또는 세라믹 기재(20A, 20B)의 설정 온도에 따라 바람직하게는 약 1 mm∼ 약 10 mm 이다. 갭(G)의 폭을 약 0.1 mm 이상으로 설정하면, 인접 세라믹 기재(20A, 20B)가 발열 중의 열팽창에 의해 서로 접촉하는 것이 방지되고, 그에 따라 파손을 더욱 방지할 수 있다. 갭(G)의 폭을 약 10 mm 이하로 설정하면, 갭(G)이 저온 영역(cold zone)으로 되는 것을 방지할 수 있고, 기판(5)의 온도를 균일화할 수 있다. 갭(G)의 폭은 약 0.2 mm∼약 5 mm, 더욱 바람직하게는 약 0.4 mm∼약 3 mm 이다.
중앙부의 세라믹 기재(20A)를 저온으로 유지하고, 둘레부의 세라믹 기재(20B)만을 고온으로 설정하는 세라믹 히터(10)는 할로겐 램프 등을 이용한 램프 히터와 함께 기판(5)을 가열하는 경우에 적합하게 사용될 수 있다. 구체적으로, 기판(5)의 중앙부는 기판(5)의 상측에 배치된 램프 히터로부터의 방사에 가열된다. 다른 한편으로, 기판(5)의 둘레부는 대량의 열을 방출하여 쉽게 냉각될 수 있으며, 둘레부의 온도는 램프 히터만을 이용하는 기판(5)의 중심부에서와 같은 수준으로 상승하지 않는다. 따라서, 세라믹 히터(10)를 사용하여 기판(5)의 둘레부만을 가열하면, 전체 기판(5)의 온도를 균일하게 할 수 있다.
다음으로, 세라믹 히터(10)의 각 구성 재료를 보다 상세하게 설명하기로 한다. 세라믹 기재군(20)의 재료는 특별하게 한정되지 않으며, 질화알루미늄(AlN), 알루미나(Al2O3), 질화규소(SiNx), 탄화규소(SiC), 멀라이트(Al6Si2O13), 질화붕소(BN), 사이알론(Si6-zAlzOzN8-z) 등을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 세라믹 기재(20A, 20B)는 질화알루미늄을 포함한다. 이로 인하여, 세라믹 기재(20A, 20B)는 높은 열전도성을 갖고, 그에 따라 기판 적재면(10a)의 온도 균일성을 증가시킬 수 있다.
기판 적재면(10a)은 평탄면으로 한정되지 않는다. 기판 적재면(10a)을 엠보싱 가공할 수도 있고, 기판 적재면(10a)에 기판(5)의 크기에 맞춘 리세스를 형성하거나 퍼지 가스용 채널을 형성할 수도 있다. 또한, 리프트 핀(lift pin)을 삽입하기 위한 관통 구멍을 필요에 따라 세라믹 기재(20A, 20B)에 형성할 수도 있다.
전체 세라믹 기재군(20)의 크기 및 형상과, 중앙부의 세라믹 기재(20A)와 둘레부의 세라믹 기재(20B)의 크기 및 형상은 특별히 한정되지 않고, 기판 적재면(10a)에 배치되는 기판(5)의 크기 및 형상과, 가열원으로서 합체된 램프 히터의 크기 및 형상을 포함한 가열 조건과, 세라믹 히터(10) 둘레의 장치 조건 등에 따라 최적으로 선택될 수 있다.
예컨대, 전체 세라믹 기재군(20)의 형상은 원반 형상 이외에 기판(5)의 크기 및 형상에 따라 사각형 판과 같은 다각형 판으로 될 수 있다. 세라믹 기재(20A)의 평면 형상은 원이나 직사각형 등의 다각형일 수 있다. 예컨대, 세라믹 기재(20A)의 평면 형상은 직경이 약 50mm 내지 약 150mm인 원일 수도 있고, 폭이 약 50mm 내지 약 150mm인 다각형 등일 수도 있다. 둘레부의 세라믹 기재(20B)의 평면 형상은 예컨대 원형 링 또는 환형 링과 같은 고리 모양일 수 있다. 예컨대, 직경이 약 200mm 내지 약 300mm인 기판(5)용의 기판 가열 장치로서 세라믹 히터(10)를 사용하는 경우에, 세라믹 기재(20B)의 외경은 약 200mm 내지 약 400mm로 설정된다.
바람직하게는, 저항 발열체(30)는 몰리브덴과 텅스텐 중 적어도 하나를 포함한다. 예컨대, 저항 발열체(30)는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 몰리브덴 카바이드(MoC), 텅스텐 카바이드(WC) 등의 고융점 도전성 재료를 제조될 수 있다. 저항 발열체(30)의 재료는 고융점 도전성 재료로 한정되지 않으며, Ni, TiN, TiC, TaC, NbC, HfC, HfB2, ZrB2, 카본 등을 포함할 수도 있다. 또한, 저항 발열체(30)로서는, 리본형, 메쉬형, 코일 스프링형, 시트형 및 인쇄된 저항 발열체 등과 같은 다양한 형태의 저항 발열체를 사용할 수 있다. 도 1a에 있어서는, 저항 발열체(30)가 세라믹 기재(20B) 내에 매설되어 있지만, 저항 발열체(30)를 제공하는 방법은 한정되지 않는다. 예컨대, 저항 발열체(30)는 세라믹 기재(20B)의 이면〔기판 적재면(10a)과 반대쪽의 표면〕 에 마련될 수도 있다.
바람직하게는, 관형 부재(40)는 금속 및 세라믹 중 적어도 하나를 포함한다. 보다 바람직하게는, 관형 부재(40)는 세라믹 기재(20A, 20B)의 재료와 동일한 재료의 세라믹으로 형성된다.
바람직하게는, 각각의 급전선(50)은 니켈과 알루미늄 중 적어도 하나를 포함한다. 예컨대, 급전선(50)은 직경이 약 1 mm인 니켈 또는 알루미늄 와이어와 같은 저저항 금속 와이어로 형성될 수 있다.
다음에, 세라믹 히터(10)의 제조 방법을 설명하기로 한다. 먼저, 원반형 세라믹 기재(20A; 평면 형상이 원임)와 저항 발열체(30)를 내부에 매립한 링 형상의 세라믹 기재(20B)를 형성한다.
저항 발열체(30)를 포함하지 않는 세라믹 기재(20A)와 관련해서는, 세라믹 원료 분말과 소결 조제를 혼합 및 교반하고, 스프레이 드라이어에 의해 입상으로 되게 하여 분체를 준비한다. 분체는 금형에 충전하고 프레싱하여 성형체(compact)를 형성한다. 그 후, 성형체를 고온 프레싱, 상압 소결 등을 이용하여 소성한다.
저항 발열체(30)를 내부에 매설한 링형 세라믹 기재(20B)와 관련해서는, 세라믹 원료 분말과 소결 조제를 혼합 및 교반하고, 스프레이 드라이어에 의해 입상으로 되게 하여 분체를 준비한다. 분체를 금형에 충전하고 프레싱하여 예비 성형체(preform)를 형성한다. 권취체(wound body)로 가공한 저항 발열체(30)를 예비 성형 상에 배치하고, 세라믹 분말을 그 위에 충전하고, 프레스를 행하여, 저항 발열체(30)를 매설한 성형체를 제작한다. 그 후, 성형체를 고온 프레싱, 상압 소성 등에 의해 소성한다.
세라믹 기재(20A, 20B)를 형성하는 공정에서 세라믹 원료 분말로서 질화알루미늄 분말을 사용하고, 고온 프레싱을 행하는 경우에, 세라믹 기재(20A, 20B)를 질소 분위기에서 약 1700℃∼약 2000℃의 온도로 약 1 시간∼약 1O 시간 소성한다. 고온 프레싱의 압력은 바람직하게는 약 20 kgf/㎠∼약 10OO kgf/㎠ 이내, 보다 바람직하게 약 100 kgf/㎠∼약 40O kgf/㎠로 한다. 고온 프레싱에 있어서, 소결 시에는 축방향으로 압력이 가해진다. 따라서, 저항 발열체(30)를 매설하는 경우에 는, 저항 발열체(30)와 그 주변의 세라믹 기재(20B) 사이의 밀착성을 양호하게 할 수 있다. 또한, 저항 발열체(30)로서 금속 벌크체 등을 사용한 경우에, 저항 발열체(30)는 고온 프레스 소성 중에 가해지는 압력에 의해 변형되지 않는다. 얻어진 소결품은 필요에 따라 표면 연마되고, 리프트 핀을 삽입하기 위한 관통 구멍 및 단자(30T1, 30T2)를 연결하는 구멍을 형성한다.
또한, 원반형 세라믹 기재(20A)의 외경 또는 링형 세라믹 기재(20B)의 내경은 세라믹 기재(20A, 20B) 사이의 갭(G)이 약 0.1mm 내지 약 10mm, 보다 바람직하게는 약 0.2mm 내지 약 5mm로 되도록 조정된다.
전술한 제조 방법에 있어서는, 각각의 세라믹 기재(20A, 20B)를 독립적인 성형체 성형 공정 및 성형체 소성 공정을 통하여 형성하고 있다. 그러나, 일체형 세라믹 기재의 성형체 혹은 소결체를 성형한 후에, 연삭 작업에 의해 중앙부와 둘레부로 분할함으로써 세라믹 기재(20A, 20B)를 형성할 수도 있다.
이 후, 별도로 형성한 관형 부재(40)를 세라믹 기재군〔세라믹 기재(20A 및 20B)〕에 부착한다. 관형 부재(40)를 세라믹으로 형성하는 경우, 예컨대 관형 부재(40)를 세라믹 기재(20A 및 20B)와 동질의 재료를 이용하여 형성하는 경우에는, 성형체의 성형 및 소성을 세라믹 기재(20A, 20B)와 실질적으로 동일한 방식으로 실행한 후에, 소결체의 가공을 실행한다. 다양한 방법을 이용하여 성형체를 형성할 수 있지만, 비교적 복잡한 형상의 성형에 적합한 CIP(Cold Isostatic Pressing) 및 슬립 캐스트 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 다양한 방법을 이용하여 소성을 행할 수 있지만, 성형체가 복잡한 형상을 갖기 때문에 상압 소성을 이용하는 것 이 유리하다. 질화알루미늄 분말을 세라믹 원료 분말로서 사용하는 경우에는, 질소 분위기에서 약 1700℃∼약 2000℃의 온도로 약 1 시간∼약 10 시간동안 소성을 행할 수 있다. 후속하여, 세라믹 기재군(20)이 결합되는 소결체의 표면과 측면을 랩핑 가공 등을 행한다. 얻어진 관형 부재(40)를, 예컨대 나사 고정 또는 브레이징에 의해 세라믹 기재(20A, 20B)에 접합한다.
관형 부재(40)를 금속으로 형성하는 경우에, 관형 부재(40)는 금속관을 연삭 가공함으로써 형성된다. 이 경우에는, 절연성을 확보하기 위하여 알루미나의 절연관 내에 급전선(50)을 수납하는 것이 바람직하다.
전술한 세라믹 히터(10)에 있어서, 종래에 일체로 형성되었던 세라믹 기재군(20)은 별도의 원반형(평면 형상이 원인) 세라믹 기재(20A)와, 내부에 저항 발열체(30)가 매설되어 있는 링형 세라믹 기재(20B)를 포함한다. 또한, 이들 기재 사이에 소정의 갭이 마련된다. 따라서, 세라믹 기재군의 중앙부와 둘레부는 상이한 온도로 설정될 수 있다. 또한, 설정 온도가 상이한 경우에도, 갭의 존재로 인하여, 각 세라믹 기재 내에 급격한 온도 구배가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 열응력의 발생에 기인한 파손을 방지할 수 있다. 특히 기판 적재면(10a) 내의 특정의 위치에서 세라믹 기재(20A, 20B)의 설정 온도의 차이가 약 20℃ 이상으로 되는 때에는, 분할된 세라믹 기재는 세라믹 기재 내에 발생된 열응력을 억제하는 데에 큰 효과를 갖는다. 심지어 이웃하는 세라믹 기재들 사이의 온도차가 50℃ 이상일 경우에도, 세라믹 기재의 파손을 방지할 수 있다.
이러한 세라믹 히터(10)는, 예컨대 반도체 제조 공정에 사용되는 반도체 웨 이퍼 또는 액정 제조 공정에 사용되는 액정 기판과 같은 기판을 가열하는 기판 가열 장치로서 적절하게 사용될 수 있다. 기재는 내식성이 큰 세라믹으로 형성되고, 저항 발열체(30)는 세라믹 기재(20B) 내에 매설되어 외부에 대해 노출되지 않는다. 따라서, 세라믹 히터(10)는 종종 부식성 가스를 사용하는 CVD(Chemical vapor deposition) 또는 건식 에칭 설비 내에 적절하게 사용된다.
(제2 실시예)
제2 실시예에 따른 기판 가열 장치도 기재로서 세라믹을 사용한 세라믹 히터(11)이다. 도 2a는 세라믹 히터(11)의 단면도를, 도 2b는 세라믹 기재군(21)의 평면도를 도시한다. 세라믹 히터(11)는 세라믹 기재군(21)을 포함한다. 세라믹 히터(11)는 종래의 일체의 원반형 세라믹 기재를 분할함으로써 얻어지는 중앙부의 세라믹 기재(21A)와 그 둘레부의 세라믹 기재(21B)를 포함한다. 세라믹 기재(21A, 21B)는 소정의 갭(G)이 사이에 있는 상태로 동일면에 배치되어 있다. 세라믹 히터(11)는, 저항 발열체(31)가 중앙부의 세라믹 기재(21A)에 매설되어 있고, 판형 보조 부재(70)가 세라믹 기재군(21)과 관형 부재(41) 사이에 마련되어 있다는 점에서 제1 실시예에 따른 세라믹 히터(10)와 다르다.
세라믹 히터(11)에 있어서도 세라믹 히터(10)와 유사하게, 각 세라믹 기재는 다른 인접하는 세라믹 기재의 설정 온도에 의해 영향을 받지 않으며, 각각의 세라믹 기재가 독립적이므로 온도를 정확하게 설정할 수 있다. 또한, 갭(G)의 존재로 인하여, 세라믹 기재(21A, 21B)의 각각에서 발생되는 온도 구배를 억제할 수 있고, 응력을 해제하는 공간을 제공할 수 있으므로, 응력에 의한 파손을 방지할 수 있다.
또한, 분할된 세라믹 기재(21A, 21B)는 각각 저항 발열체(31, 30)를 구비한다. 구체적으로, 세라믹 기재(21A)는 단자(31T1, 31T2)를 갖춘 저항 발열체(31)를 구비하고, 세라믹 기재(21B)는 단자(30T1, 30T2)를 갖춘 저항 발열체(30)를 구비한다. 달리 말하면, 각각의 세라믹 기재(21A, 21B)는 독립적인 단자를 갖춘 저항 발열체를 구비한다. 단자(30T1, 30T2)는 급전선(51)으로부터의 입력 파워와, 저항 발열체(30)로의 출력 파워이다. 이로 인하여, 각각의 세라믹 기재(21A, 21B)에 대한 온도 제어를 보다 정확하게 행할 수 있다. 중앙부의 세라믹 기재(21B)는 둘레부의 세라믹 기재(21A)보다 높은 온도로 설정될 수도 있고 낮은 온도로 설정될 수도 있다.
세라믹 히터(11)는 기판 적재면(11a)의 반대쪽에 있는 세라믹 기재군(21)의 표면과 접촉 상태로 배치되는 판형 보조 부재(70)를 구비한다. 세라믹 기재군(21)은 판형 보조 부재(70) 상에 배치될 수 있다. 이는 세라믹 기재군(21)을 용이하게 지지할 수 있으며, 이 기재군은 동일면에 복수의 세라믹 기재(21A, 21B)를 포함한다. 따라서, 세라믹 기재군(21)에 포함되는 세라믹 기재의 수(분할의 수)를 증가시키거나, 보다 복잡한 분할을 행하는 것이 가능하다.
보조 부재(70)의 크기 및 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 보조 부재(70)가 전체 세라믹 기재군(21)보다 큰 때에, 보조 부재(70)는 세라믹 지지군(21)을 안정적으로 지지할 수 있지만, 필수적인 것은 아니다. 보조 부재(70)는, 세라믹 기재군(21)을 지지하고 급전선(51)과 열전대(62)를 덮기에 충분한 크기 및 형상을 가질 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 저항 발열체(30)의 단자(30T2)에 연결된 급전선(51)과 열전대(62)는 세라믹 기재(21B) 내에 매설되지 않고, 세라믹 기재군(21)과 보조 부재(70) 사이에 배선되어 있다. 예컨대, 급전선(51)과 열전대(62)는 세라믹 기재군(21)의 표면(이면), 구체적으로 기판 적재면(11a)의 반대쪽에 있는 세라믹 기재(21B)을 따라 배선될 수 있다. 또한, 급전선(51)과 열전대(62)는 세라믹 기재군(21) 대신에 보조 부재(70)의 표면을 따라 배선될 수도 있다. 따라서, 급전선(51)은 저항 발열체와는 상이한 보다 저저항의 도체, 예컨대 니켈, 알루미늄 등의 세선(細線)으로 제조될 수 있다. 따라서, 급전선(51) 자체로부터의 발열을 억제할 수 있다. 이로 인하여, 각각의 세라믹 기재(21A, 21B)에 대하여 보다 정밀도가 높은 온도 제어가 가능해진다.
또한, 보조 부재(70)는 기판 적재면(11a)의 반대쪽에 있는 세라믹 기재군의 표면에 배치된다. 따라서, 급전선(51)과 열전대(62)는 보조 부재(70)로 둘러싸여 있다. 그에 따라, 세라믹 히터(11)가 부식 가스에서 사용될 때에도 급전선(51)과 열전대(62)의 부식을 방지할 수 있다.
또한, 관형 부재(41)는 기판 적재면(11a)의 반대쪽에 있는 세라믹 기재군(21)의 표면의 중앙부에 연결되어 있고, 보조 부재(70)가 기재군(21)과 관형 부재(41) 사이에 개재되어 있다. 이러한 관형 부재(41)는 세라믹 기재(21A, 21B)용의 지지부로서 기능한다. 관형 부재(41)는 급전선(51)과 열전대(61, 62)를 또한 수납할 수 있다. 관형 부재(41)를 불활성 가스에 의해 퍼지함으로써 또는 관형 부재(41)의 내부를 외부 환경과 차단함으로써 급전선(51)과 열전대(62)의 부식을 방지 할 수 있다.
보조 부재(70)의 재질은 특별하게 한정되지 않는다. 그러나, 보조 부재(70)는 절연체인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 보조 부재(70)는 세라믹 히터(11)의 사용 온도 범위에서 충분한 내열성을 갖는다. 예컨대, 히터(11)를 300℃ 이하의 비교적 저온에서 사용하는 경우에, 보조 부재(70)는 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤 등의 엔지니어링 플라스틱 재료로 형성될 수 있다. 히터(11)를 400℃ 이상의 고온 분위기에서 사용하는 경우에는, 보조 부재(70)가 알루미나, 질화알루미늄, 질화규소, 탄화규소, 멀라이트, 질화붕소, 사이알론 등의 세라믹을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 세라믹 기재군(21)과 보조 부재(70)의 접속부에 있어서 열팽창 계수의 차이에 기인하는 열응력 발생을 억제하기 위해서는, 보조 부재(70)는 세라믹 기재군(21)과 동일한 주성분을 갖는 세라믹 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 보조 부재(70)는 세라믹 기재군(21)에 접하는 면에 급전선(51) 및 열전대(62)를 안내하는 안내 리세스를 구비하는 것이 바람직하다. 안내 리세스는 세라믹 기재군(21)에 마련될 수도 있다.
바람직하게는, 보조 부재(70)와 세라믹 기재군(21)은 나사 결합에 의해 서로 결합되는데, 이는 접합 공정을 간단하게 하고 분해 수리도 용이하게 할 수 있다. 세라믹 히터(11)를 부식성 가스 속에서 사용하거나 200℃ 이상의 고온에서 사용하는 경우는, 인코넬 등의 Ni계 합금, 카본 또는 세라믹재의 나사를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 열팽창 계수의 차이에 의한 열응력의 발생을 방지하기 위해서 는, 세라믹 기재(21), 보조 부재(70) 및 나사 결합에 사용된 나사를 동일 세라믹 재료, 예컨대 질화알루미늄으로 형성하는 것이 바람직하다. Ni계 합금의 나사를 사용하는 경우에는, 세라믹 기재의 암나사부에 Ni계 합금의 헬리서트(helisert)를 삽입하는 것이 바람직하다.
세라믹 히터(11)의 제조 방법은 세라믹 히터(10)의 제조 방법과 기본적으로 동일한 순서를 사용할 수 있다. 예컨대, 저항 발열체가 매설된 세라믹 기재(21A)는 세라믹 기재(20B)와 동일한 방식으로, 저항 발열체(31)를 매설한 성형체를 제작하고 이 성형체를 소성함으로써 얻어진다.
보조 부재(70)를 질화알루미늄 등의 세라믹으로 형성하는 경우에, 세라믹 기재군의 제조 방법과 동일한 조건으로 보조 부재(70)를 성형 및 소성하여 소결체를 형성하는 것이 바람직하다. 보조 부재(70)를 수지 재료로 형성하는 경우는, 시판된 수지 재료를 원반형으로 사출 성형하거나 가공할 수 있다.
또한, 보조 부재(70)와 관형 부재(41)는 일체의 세라믹 소결체일 수 있다. 달리 말하면, 보조 부재(70)와 관형 부재(41)를 포함하는 일체의 세라믹 소결체는 동일한 세라믹으로 형성될 수 있다.
전술한 세라믹 히터(11)에 따르면, 종래에 일체로 구성되었던 세라믹 기재군은, 원반 형상(평면 형상이 원인)이고 내부에 저항 발열체(31)가 매설된 세라믹 기재(21A)와, 저항 발열체(30)가 매설된 링형 세라믹 기재(21B)를 포함한다. 또한, 이들 사이에 소정이 갭이 마련된다. 따라서, 세라믹 기재군(21)의 중앙부와 둘레부를 다른 온도로 설정할 수 있다. 또한, 갭(G)의 존재로 인하여, 심지어 설정 온 도가 서로 상이할 때에도 각 세라믹 기재 내에 급격한 온도 구배가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 열응력의 발생에 의한 파손을 방지할 수 있다. 심지어 인접하는 세라믹 기재 사이의 온도차가 50℃ 이상인 경우에도 세라믹 기재의 파손을 방지할 수 있게 된다.
또한, 세라믹 히터(11)는 판형의 보조 부재(70)를 구비하고, 세라믹 기재군(21)이 보조 부재(70) 위에 적재될 수 있다. 따라서, 복수의 분할된 세라믹 기재를 안정적으로 유지할 수 있다. 또한, 보조 부재(70)는 세라믹 기재군(21)과 보조 부재(70) 사이에 배선된 급전선(51)과 열전대(62)를 덮는다. 이로 인하여 급전선(51)과 열전대(62)의 노출을 방지할 수 있으므로, 세라믹 히터(11)를 부식 가스에서 사용할 수 있다.
(제3 실시예)
도 3a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 세라믹 히터(12)의 단면도를 도시한다. 제3 실시예에 따른 기판 가열 장치도 기재로서 세라믹을 사용한 세라믹 히터(12)이다. 구체적으로, 세라믹 히터(11)와 유사하게, 세라믹 히터(12)는 종래에 일체였던 원반형 세라믹 기재를 분할함으로써 얻어지는 중앙부의 세라믹 기재(22A)와 둘레부의 세라믹 기재(22B)를 포함한다. 또한, 저항 발열체(30, 31)와, 정전척 전극(80A, 80B)이 세라믹 기재(22A, 22B) 내에 각각 매설되어 있다.
구체적으로, 평면 정전척 전극(80A, 80B)이 세라믹 히터(12)의 세라믹 기재(22A, 22B) 내에 각각 매설된다. 세라믹 히터(12)에 있어서, 기판은 정전척 전극(80A, 80B)에 의해 세라믹 기재(22A, 22B)에 밀접하게 고정되어 있다. 달리 말하 면, 세라믹 히터(12)는 정전척의 기능을 갖고, 이로 인하여 기판 적재면에 배치되는 기판을 양호한 부착성으로 기판 적재면에 고정할 수 있다. 세라믹 히터(12)에 의하여 기판(5)의 온도 제어를 보다 효율적이고 보다 정확하게 실행할 수 있다.
또한, 정전척 전극(80A, 80B)과 유사하게 고주파 전극(RF 전극)을 세라믹 기재(22A, 22B)에 매설할 수 있다. 이로 인하여, 세라믹 히터(12)가 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 달리 말하면, 고주파를 가하는 적어도 하나의 정전척용의 전극을 기재 내에 매설할 수 있다.
정전척 전극(80A, 80B) 또는 고주파 전극으로서는, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 텅스텐 카바이드(WC) 등의 고융점 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 정전척 전극(80A, 80B)과 고주파 전극의 형태는 특별히 한정되지 않고, 각각의 전극은 판형 또는 메쉬형 금속 벌크체, 펀칭 메탈과 같은 구멍이 있는 판형 금속 벌크체 또는, 인쇄용 금속 페이스트를 이용한 인쇄 전극, 증착 및 스퍼터링 등으로 형성한 금속 박막 전극일 수 있다. 금속 벌크체의 전극은 저항이 감소될 수 있으므로, 플라즈마 발생용의 정전척 전극 및 고주파 전극으로 사용될 수 있다.
또한, 세라믹 히터(11)와 유사하게, 세라믹 히터(12)는 기재군(22)과 관형 부재(41) 사이에 판형 보조 부재(71)를 구비한다. 보조 부재(71)의 표면에는 각 세라믹 기재(22A, 22B)에 따라 리세스가 형성되어 있다. 따라서, 각각의 세라믹 기재는 예정된 위치에 설치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 세라믹 기재(22A, 22B)가 설치되는 리세스가 보조 부재(71)에 형성되어 있다. 따라서, 세라믹 기재(22A, 22B)의 위치를 정확하게 결정할 수 있으며, 나사 결합 등을 이용하지 않고 세라믹 기재(22A, 22B)를 보조 부재(71)에 고정할 수 있다.
세라믹 히터(12)는 제2 실시예에 따른 세라믹 히터(11)의 제조 방법과 실질적으로 동일한 제조 방법으로 제조될 수 있다. 그러나, 세라믹 기재(22A, 22B)를 제조하는 공정에 있어서는, 정전척 전극(80A, 80B)을 저항 발열체와 동일한 방식으로 세라믹 기재(22A, 22B) 내에 매설한다. 예컨대, 정전척 전극(80A, 80B)을 성형체 내에 매설하고, 성형체를 소성한다. 성형체를 가공 또는 성형함으로써 세라믹 기재(22A, 22B)가 설치되는 리세스를 갖는 보조 부재(71)를 형성한다. 세라믹 히터(12)는 전술한 점 이외에는 제2 실시예와 실질적으로 동일한 방식으로 형성될 수 있다.
세라믹 히터(10, 11)와 마찬가지로, 세라믹 히터(12)에 따르면, 열응력에 기인한 세라믹 기재(22A, 22B)의 파손을 방지할 수 있다. 인접하는 세라믹 기재(22A, 22B) 사이의 온도차가 약 50℃ 이상일 경우에도 세라믹 기재의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 보조 부재(71)에 의해 세라믹 기재군(21)을 안정적으로 유지할 수 있다. 또한, 세라믹 기재(22B)를 따라 배선된 급전선(51) 및 열전대(62)의 부식을 방지할 수 있다. 또한, 정전척 전극(80A, 80B)에 의해 기판(5)을 세라믹 히터(12)에 안정적으로 고정할 수 있다.
(그 밖의 실시예)
세라믹 기재의 분할 패턴은 중앙부와 둘레부의 두 부분으로 분할되는 것으로 한정되지 않는다. 예컨대, 기판(5) 주위 또는 세라믹 히터 주위의 온도 환경에 따라 세라믹 기재를 분할할 수 있다. 예컨대, 원반형 세라믹 기재를 원주 방향 또는 반경 방향으로 분할할 수도 있다. 분할의 수는 한정되지 않는다. 도 4에 도시된 세라믹 히터(13)와 유사하게, 반경 방향의 2분할과 원주 방향의 4분할을 조합하여 세라믹 기재를 복수의 세라믹 기재(23A∼23E)로 5개 영역으로 분할할 수 있다. 또한, 인접하는 세라믹 기재(23A∼23E)의 쌍 사이에 소정의 갭을 두어 배치하여도 좋다. 이 경우에, 세라믹 기재(23A∼23E)는 각각 독립적인 단자를 갖는 저항 발열체(A∼E)를 구비한다.
제1∼제3 실시예에서는, 기재로서 세라믹을 사용한 세라믹 히터의 예를 도시하고 있다. 이들 기재의 재료는 세라믹으로 한정되지 않으며, 기재를 알루미늄 및 스테인레스 등의 금속 혹은 수지로 제조할 수도 있다. 금속을 기재로서 사용하는 경우에, 금속 기재 안에 저항 발열체를 매설할 때는, 저항 발열체를 절연재로 피복하여, 저항 발열체와 금속 기재 사이의 절연을 확보하면 좋다.
세라믹 히터의 각 세라믹 기재의 온도 제어는 예컨대 도 5a 및 도 6a에 도시된 세라믹 히터(14, 15)와 유사하게 실행될 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 세라믹 히터(14)에서, 세라믹 기재(21A, 21B)는 세라믹 히터(11)에서와 유사한 독립적인 단자를 각각 갖추고 있는 저항 발열체(30, 31)를 각각 구비한다. 세라믹 히터(14)는 각 세라믹 기재(21A, 21B)용의 열전대(61, 62)를 더 구비한다. 열전대(61, 62)는 각 세라믹 기재(21A, 21B)의 온도 측정 유닛으로서 기능한다. 또한, 세라믹 히터(14)는 각 세라믹 기재(21A, 21B)마다 온도 제어 장치(130, 131)를 구비한다. 온도 제어 장치(130, 131)는 세라믹 기재(21A, 21B)의 온도를 각각 제어한다.
온도 제어 장치(130, 131)는 온도 컨트롤러(110, 111)와 출력 유닛(120, 121)을 각각 구비한다. 세라믹 기재(21A)의 온도 제어 장치(130)는 저항 발열체(30)와 열전대(61)에 접속되어 세라믹 기재(21A)의 온도를 제어한다. 세라믹 기재(21B)의 온도 제어 장치(131)는 저항 발열체(31)와 열전대(62)에 접속되어 세라믹 기재(21B)의 온도를 제어한다. 구체적으로, 측정 온도 및 설정 온도에 따르면, 온도 컨트롤러(110, 111)는 출력 유닛(120, 121)으로부터 출력된 전류값을 제어한다. 출력 유닛(120, 121)은 제어된 전류값을 저항 발열체(30, 31)에 각각 공급한다.
이 경우에, 각 세라믹 기재(21A, 21B)에 대한 독립적인 온도 제어를 실행할 수 있다. 또한, 세라믹 기재(21A, 21B)의 온도는 열전대(61, 62)에 의해 각각 모니터링될 수 있다. 예컨대, 도 5b에 도시된 바와 같이, 세라믹 기재(21A)의 온도(Tc1)를 354℃로 설정하고, 세라믹 기재(21B)의 온도를 310℃로 설정할 수 있다. 대안으로, 세라믹 히터(14)를 이용한 장치 내의 조건에 따라 온도 조건을 변경할 수 있다. 따라서, 각 세라믹 기재의 온도를 개별적으로 설정할 수 있다.
도 6(a)에 도시하는 바와 같이, 세라믹 히터(15)에 있어서는, 각 세라믹 기재(21A, 22B)는 세라믹 히터(11)에서와 유사한 독립된 단자를 각각 갖추고 있는 저항 발열체(30, 31)를 구비한다. 이 때에, 세라믹 기재 중 하나는 온도 측정치를 기초로 온도 제어된다. 다른 세라믹 기재는 전술한 온도 제어에 따라 제어된다.
구체적으로, 세라믹 히터(15)는 세라믹 기재(21A)의 온도를 측정하는 열전대(61)와 메인 온도 제어 장치(140)를 구비할 수 있다. 메인 온도 제어 장치는 온도 측정 유닛으로서의 열전대(61)와 저항 발열체(30)에 연결되어 세라믹 기재(21A)의 온도를 제어한다. 메인 온도 측정 장치(140)는 메인 온도 컨트롤러(112)와 출력 유닛(122)을 구비한다. 메인 온도 컨트롤러(112)는 측정 온도 및 설정 온도에 따라 출력 유닛(122)으로부터 출력된 전류값을 제어한다. 출력 유닛(122)은 저항 발열체(30)에 제어된 전류값을 공급한다. 전술한 바와 같이, 세라믹 히터(15)는 각 기재의 온도 측정 유닛과 기재의 적어도 하나의 메인 온도 제어 장치를 구비할 수 있다. 메인 온도 제어 장치는 저항 발열체 및 온도 측정 유닛에 접속되어 기재의 온도를 제어한다.
세라믹 기재(21B)는 열전대를 구비하지 않으며, 메인 온도 제어 장치(140)의 온도 제어 조건에 따라 온도 제어 조건을 설정하는 종속 온도 제어 장치(141)를 구비한다. 달리 말하면, 세라믹 히터(15)는 메인 온도 제어 장치(14)에 의하여 온도 제어되지 않은 세라믹 기재(21B)의 온도를 메인 온도 제어 장치(140)의 온도 조건 에 따라 제어하는 종속 온도 제어 장치(141)를 구비한다.
종속 온도 제어 장치(141)는 저항 발열체(31)에 연결된 출력 유닛(123)과, 이 출력 유닛과 메인 온도 컨트롤러(112)에 연결된 종속 온도 컨트롤러(113)를 구비한다. 종속 온도 컨트롤러(113)는 설정 온도가 메인 온도 컨트롤러(112)의 설정 온도와 일정한 관계를 갖도록 결정되게 설정되어 있다. 종속 온도 컨트롤러(113)는 출력 유닛(123)으로부터 출력된 전류값을 결정된 설정 온도에 따라 제어한다. 그 후, 출력 유닛(123)은 제어된 전류값을 저항 발열체에 공급한다.
이 경우에는, 도 6b에 도시된 바와 같이 세라믹 기재(21A)의 온도(Tc1)만이 모니터링된다. 예컨대, 세라믹 기재(21B)의 설정 온도는 항상 Tc1의 온도보다 40 ℃ 낮은 온도로 설정될 수 있다. 일정한 관계를 갖도록 세라믹 기재(21A, 21B)의 설정 온도를 제어하는 때에, 열전대(61)는 세라믹 기재 중 어느 하나에만 매설되고, 다른 기재의 온도는 열전대(61)가 매설된 세라믹 기재에 따라 제어된다. 이 경우에, 열전대의 수를 줄일 수 있고, 장치의 구성을 보다 간단하게 할 수 있다.
도 6a 및 도 7에 도시된 바와 같은 온도 제어 방법을 제1 내지 제3 실시예에 적용할 수 있고, 또한 도 4에 도시된 바와 같이 보다 많은 수로 분할된 기재에도 적용될 수 있다.
또한, 보조 부재와 세라믹 기재군을 접합하는 방법은 한정되지 않는다. 예컨대, 세라믹 히터(16)의 온도가 낮은 경우에는, 보조 부재(70)와 세라믹 기재군(21)은 도 7에 도시된 바와 같이 O-링 또는 금속 시일과 같은 밀봉 부재(90)를 이용하여 접합할 수 있다. 또한, 세라믹 히터의 온도가 급전선의 허용 가능한 온도 한계 이하인 때에는, 보조 부재와 세라믹 기재군은 브레이징에 의해 접합될 수 있다. 예컨대, 브레이징의 위치는 도 7에 도시된 바와 같이 밀봉 부재(90)가 마련되어 있는 위치와 동일할 수 있다. 밀봉 부재(90) 또는 브레이징에 의한 접합에 의해, 급전선 및 열전대가 챔버 내의 부식성 가스에 의해 부식되는 것을 방지할 수 있다.
[예]
(작동예)
도 2a 및 도 2b에 도시한 세라믹 히터(11)를 작동예로서 형성한다. 구체적 으로, 환원 질화법에 의해 얻어진 질화알루미늄 분말에 5% Y2O3를 첨가한 세라믹 혼합 분말에 아크릴계 수지 바인더를 첨가하고 혼합하여, 분무 건조에 의해 입상으로 되게 하여 입상 분말을 준비하였다. 이 입상 분말을 금형에 충전하고, 프레싱하여 예비 성형체를 성형한다. 이어서, 저항 발열체를 매설하는 위치에 전사형으로 홈을 형성한다. 몰리브덴 와이어의 저항 발열체(30)를 도 2b에 도시하는 권취체로 가공하고, 몰리브덴 와이어의 저항 발열체(31)를 절첩체로 가공한 후에, 개별적으로 리세스에 배치한다. 또한, 그 위에 세라믹 원료 분말을 충전하고, 약 200 kg/㎠으로 프레스를 행하여, 세라믹 기재(21A, 21B)에 해당하는 성형체를 제작하였다. 이 후, 게이지압이 0.5 kg/㎠인 질소 분위기하에서 1860℃를 6시간 유지하는 조건에서 이들 성형체를 고온 프레스 소성로에서 소성하였다.
원반형 세라믹 기재(21A)로서는 직경 100 mm, 두께 20 mm의 질화알루미늄 소결체를 제작하였다. 링형 세라믹 기재(21B)로서는 내경 104 mm, 외경 310 mm, 두께 20 mm의 질화알루미늄 소결체를 제작하였다.
이와는 별도로, 세라믹 기재와 동일한 입상 분말을 이용하여 성형체를 성형하고, 상압 소결 공정을 거침으로써 판형 보조 부재(70) 및 관형 부재(41)를 제작하였다. 보조 부재(70)는 일축 방향으로 프레싱되고, 관형 부재(41)는 CIP법에 형성한다.
세라믹 기재(21A, 22B), 보조 부재(70) 및 관형 부재(41)에 나사 구멍과, 단자와 급전선(51, 52) 사이의 접속에 필요한 접속용 구멍을 형성한 후, 열전대를 형 성한다. 도 2a에 도시하는 바와 같이, 세라믹 기재(21A, 21B)는 세라믹 나사를 이용하여 보조 부재(70)에 나사 결합되고, 보조 부재(70)는 세라믹 나사를 이용하여 관형 부재(41)에 나사 결합된다. 저항 발열체(30, 31)의 단자(30T1, 30T2, 31T1, 31T2)와 열전대의 단자는 필요에 따라 브레이징에 의해 고정된다.
(비교예)
상기 작동예와 동일한 제조 조건을 이용하여 비교예의 세라믹 히터를 제작하였다. 비교예의 세라믹 히터는 세라믹 기재가 일체형인 것으로 하였다. 세라믹 기재는 중앙부와 둘레부의 2개의 존을 갖고, 각 부분에는 독립된 단자를 갖는 저항 발열체를 매설하였다. 저항 발열체의 형상은 작동예의 세라믹 기재(21A, 21B) 내에 매설된 것과 같은 형상을 갖도록 하였다.
(평가)
작동예 및 비교예의 각 세라믹 히터 위에 기판을 적재한다. 기판 중앙부의 설정 온도가 300℃로 되고, 기판 둘레부의 설정 온도가 340℃가 되도록 저항 발열체의 발열량을 조정하였다. 이 때의 세라믹 기재 내의 온도를 열전대를 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 도 8에 도시한다. 도 8에 있어서, 보조 부재(70), 관형 부재(70), 및 저항 발열체(30, 31)는 생략하고 있다.
종래의 일체형 세라믹 기재로 이루어지는 비교예의 세라믹 히터의 경우에, 기판 온도를 300℃로 설정한 기판 중앙부의 바로 아래에서 세라믹 히터 내부의 온도를 310℃로 한다. 다른 한편으로, 기판 온도를 340℃로 설정한 기판 둘레부의 바로 아래에서 세라믹 히터 내부의 온도를 360℃로 한다. 세라믹 히터 내부에서 는, 면내 방향으로 중앙부와 둘레부 사이에 약 50℃ 이상의 온도차가 생기고 있다.
이와 달리, 갭을 매개로 하여 분할된 2개의 부분을 포함하는 작동예의 세라믹 히터(11)에서는, 기판 온도를 300℃로 설정한 기판의 중앙부의 바로 아래에서 두께 방향으로 세라믹 기재(21a)의 실질적으로 중앙의 온도는 305℃로 된다. 이와 달리, 세라믹 기재(21A)의 원주 부분의 온도는 317℃이다. 세라믹 기재(21A) 안의 면내 방향으로의 온도차는 12℃에 불과하였다. 또한, 기판 온도를 340℃로 설정한 기판 외주부의 바로 아래에서 세라믹 기재(21B)의 온도는 358℃이며, 세라믹 기재(21B) 내주부에서의 온도는 350℃이다. 따라서, 세라믹 기재(21B)의 면내 온도차는 10℃ 이하인 것으로 확인되었다.
도 8에 도시된 바와 같이, 종래의 일체형 세라믹 기재로 이루어지는 세라믹 히터에 비하여, 복수 분할된 세라믹 기재로 이루어지는 세라믹 기재군을 포함하는 작동예의 세라믹 히터(11)에서는, 각 세라믹 기재에서의 면내 온도차를 대폭 억제할 수 있었다. 도 8에 도시된 바와 같이, 위치에 따라 다른 온도를 설정하는 경우에도, 면내 온도차에 기인하는 열응력의 발생이 감소하고, 열응력에 기인하는 파손을 방지할 수 있는 것으로 확인되었다.
이상, 본 발명의 특정 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것이 아니다. 전술한 개시 내용을 기초로 하여, 당업자는 다양한 개량 및 변경을 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 위치에 따른 설정 온도의 차이에도 불구하고 파손을 방지 할 수 있는 기판 가열 장치가 제공된다.

Claims (20)

  1. 갭을 매개로 대략 판형으로 이루어지도록 배치되고, 기판 적재면을 형성하는 복수의 기재를 포함하는 기재군과,
    적어도 하나의 상기 기재에 마련된 저항 발열체와,
    상기 기재군의 상기 기판 적재면의 반대쪽 면에 접하여 배치되는 판형의 보조 부재와,
    상기 저항 발열체의 단자에 접속되고, 상기 기재와 상기 보조 부재와의 사이에 배선되는 급전선을 포함하며,
    관형 부재와 일체의 소결체인 절연성을 가지는 세라믹스 보조 부재가 상기 기재군을 지지하고 있고, 상기 관형 부재는 상기 기판 적재면의 반대쪽 면의 중앙부에 위치하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기재는 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저항 발열체는 상기 기재 내에 매설되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각각의 기재에는 단자를 갖춘 저항 발열체가 마련되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 갭의 폭은 0.1 mm 이상 1O mm 이하인 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기재군은 제1 기재와, 이 제1 기재의 외주 둘레에 배치되는 환형의 제2 기재를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  7. 삭제
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  15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기재 내에 매설되는 정전척 전극 또는 고주파 전극 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  16. 제2항에 있어서, 상기 기재는 질화알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저항 발열체는 몰리브덴 또는 텅스텐 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저항 발열체의 단자에 접속되고, 니켈 또는 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는 급전선을 가지는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  19. 제4항에 있어서,
    상기 각 기재의 온도 측정부와,
    상기 저항 발열체 및 상기 온도 측정부에 접속되고, 각 기재의 온도를 조절하는 각 기재의 온도 제어 장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  20. 제4항에 있어서,
    상기 각 기재의 온도 측정부와,
    상기 저항 발열체 및 상기 온도 측정부에 접속되고, 각 기재의 온도를 조절하는 각 기재의 적어도 하나의 메인 온도 제어 장치와,
    상기 메인 온도 제어 장치의 온도 제어 조건에 따라, 상기 메인 온도 제어 장치에 의해 온도 조절되지 않은 기재의 온도를 조절하는 종속 온도 제어 장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
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