KR100782395B1 - 세라믹 히터, 그것을 이용한 웨이퍼 가열장치 및 반도체 기판 제조방법 - Google Patents

세라믹 히터, 그것을 이용한 웨이퍼 가열장치 및 반도체 기판 제조방법 Download PDF

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Abstract

(과제) 판형상 세라믹체의 한쪽의 주면을 가열면으로 하고, 그 판형상 세라믹체의 내부 또는 다른 한쪽의 주면에 띠형상의 저항 발열체를 배설한 세라믹 히터에 있어서, 급속 승온이나 강온을 반복하면 판형상 세라믹체와 저항 발열체 사이에 크랙이 발생하고, 웨이퍼를 균일하게 가열할 수 없거나 저항 발열체가 단선되어 세라믹 히터를 발열하지 못한다는 문제가 있었다. 한편, 세라믹 히터 내에 갖추어진 각각의 저항 발열체 영역에서 저항 발열체간 사이에 스페이스가 형성되어 있으므로 웨이퍼(W)면 내의 온도차를 억제하지 못한다는 문제가 있었다.
(해결 수단) 항 발열체가 도전성 입자와 절연성 조성물로 이루어지며, 또 다수의 상기 도전성 입자에 둘러싸인 절연성 조성물의 괴를 마련하거나 또는 상기 판형상 세라믹체와 상기 저항 발열체의 계면에 걸쳐 상기 저항 발열체에 공극을 마련한다. 또한 저항 발열체의 패턴에 있어서 거의 같은 폭을 갖는 원호형상의 띠와 되돌아오는 원호형상의 띠를 연속하게 하여 거의 같은 동심원상에 설치하고, 동일한 원주상에 위치하는 한 쌍의 되돌아오는 원호형상의 띠 사이의 거리가 반경 방향에 인접하는 원호형상의 띠 사이의 거리보다도 작게 한다.
세라믹 히터, 웨이퍼 가열장치, 반도체 기판 제조방법

Description

세라믹 히터, 그것을 이용한 웨이퍼 가열장치 및 반도체 기판 제조방법{CERAMIC HEATER, WAFER HEATING DEVICE USING IT, AND METHOD FOR PRODUCING SEMICONDUCTOR SUBSTRATE}
도 1은 본 발명의 세라믹 히터의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1의 저항 발열체와 판형상 세라믹체 사이를 도시하는 확대도이다.
도 3은 도 2의 저항 발열체의 확대도이다.
도 4는 도 1의 저항 발열체와 판형상 세라믹체 사이를 도시하는 확대도이다.
도 5는 본 발명의 다른 세라믹 히터의 저항 발열체와 판형상 세라믹체 사이를 도시하는 확대도이다.
도 6은 본 발명의 다른 세라믹 히터를 도시하는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 세라믹 히터의 저항 발열체를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 세라믹 히터의 다른 저항 발열체를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 세라믹 히터의 접촉 부재 주변을 도시하는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 세라믹 히터의 다른 접촉 부재 주변을 도시하는 단면도이다.
도 11은 종래의 세라믹 히터를 도시하는 단면도이다.
도 12는 종래의 세라믹 히터의 저항 발열체를 도시하는 도면이다.
도 13a는 본 발명의 세라믹 히터를 도시하는 단면도이다. 도13b는 도13a의 저항 발열체와 판형상 세라믹 체 사이를 도시하는 확대도이다.
도 14a는 본 발명의 다른 세라믹 히터를 도시하는 단면도이다. 도14b는 도14a의 저항 발열체와 판형상 세라믹 체 사이를 도시하는 확대도이다.
도 15는 본 발명의 다른 세라믹 히터의 저항 발열체와 판형상 세라믹 체 사이를 도시하는 확대도이다.
도 16은 본 발명의 저항 발열체의 형상을 도시하는 개략도이다.
도 17a 및 도17b는 본 발명의 저항 발열체 영역의 형상을 도시하는 개략도이다.
도 18은 본 발명의 저항 발열체의 형상을 도시하는 개략도이다.
도 19는 종래의 저항 발열체의 형상을 도시하는 개략도이다.
도 20는 종래의 다른 저항 발열체의 형상을 도시하는 개략도이다.
도 21는 종래의 다른 저항 발열체의 형상을 도시하는 개략도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1, 71：세라믹 히터, 웨이퍼 가열장치 2, 72：판형상 세라믹 체
3, 73：웨이퍼 가열면 4：절연층
5, 75：저항 발열체 5a：절연성 조성물의 괴
5b：도전성 입자 5c：입자
6：급전부 7：공극
8：지지 핀 11, 77：급전단자
10, 12：가이드 부재 16：볼트
17：접촉 부재 18：탄성체
19, 79：금속 케이스 20：너트
21：바닥면 23：배출구멍
24：가스 분사구 25：웨이퍼 리프트 핀
26：관통구멍 27：열전대
28：가이드 부재 29, 79：케이스
W：반도체 웨이퍼
본 발명은, 도전성 물질로 이루어진 저항 발열체나 이 저항 발열체를 형성하는 도전성 페이스트에 관한 것으로, 예를 들면, 이 저항 발열체를 이용한 세라믹 히터나, 웨이퍼를 가열할 때에 이용하는 저항 발열체에 관한 것으로, 반도체 웨이퍼나 액정 장치 또는 회로 기판 등의 웨이퍼 상에 박막을 형성하거나 상기 웨이퍼 상에 도포된 레지스트액을 건조 소성시켜 레지스트막을 형성할 때에 매우 적합한 웨이퍼 가열 장치에 관한 것이다.
반도체 제조장치의 제조공정에 있어서의, 반도체 박막의 성막 처리, 에칭 처리, 레지스트막의 소성처리 등에 있어서는, 반도체 웨이퍼(이하, 웨이퍼라고 칭함)를 가열하기 위한 히터가 이용되고 있다.
온도 제어성에 뛰어나고, 반도체소자의 배선의 미세화와 웨이퍼 열처리 온도의 정밀도 향상이 요구됨에 따라 세라믹 히터가 널리 사용되고 있다.
이러한 세라믹 히터는 금속 입자와 유리의 복합재료로 이루어진 도전체를 저항 발열체로 한 것으로, 예를 들면 특허문헌 1이나 특허문헌 2에는, 도 11에 도시하는 바와 같은 저항 발열체를 구비한 세라믹 히터(71)가 제안되어 있다.
이러한 저항 발열체로서 비늘조각형상의 귀금속 입자나 구(球)형상의 귀금속 입자와 유리 프릿(glass frit)을 혼합하여 페이스트상으로 한 것을 인쇄해 소성한 것이 사용되고 있었다.
또한, 이 도전체를 저항 발열체로 한 세라믹 히터(71)는 판형상 세라믹체(72) 및 케이스(79)를 주요한 구성요소로 한 것이다. 이 세라믹 히터(71)에 있어서, 질화물 세라믹스나 탄화물 세라믹스로 이루어진 판형상 세라믹체(72)가 알루미늄 등의 금속으로 이루어진 바닥이 있는 형상의 케이스(79)의 개구부에 수지제인 단열성의 접속 부재(74)를 통해서 볼트(80)로 고정되고, 그 판형상 세라믹체의 표면을, 웨이퍼(W)를 탑재하는 웨이퍼 가열면(73)으로 함과 동시에, 판형상 세라믹체(72)의 하면에, 예를 들면, 도 12에 도시하는 바와 같은 동심원형상의 저항 발열체(75)를 구비하도록 되어 있었다.
또한, 저항 발열체(75)의 단자부에는 급전단자(77)가 납땜되어 있으며, 이 급전단자(77)가 케이스(79)의 바닥부(79a)에 형성된 리드선 인출용의 홀(76)에 삽통된 리드 선(78)과 전기적으로 접속되게 되어 있었다.
그리고, 판형상 세라믹체(72)와 케이스(79)로 둘러싸인 공간 내에 노즐(82) 로부터 냉매를 보내어, 순환시켜 배출구(83)로부터 배출함으로써 판형상 세라믹체(72)를 냉각하도록 되어 있었다.
그런데, 이러한 세라믹 히터(71)에 있어서, 웨이퍼(W)의 표면 전체에 균질인 막을 형성하거나 레지스트막의 가열 반응 상태를 균질하게 하려면, 웨이퍼면 내의 온도차를 작게 해 온도 분포를 균일하게 하는 것이 중요하다. 그 때문에, 지금까지 웨이퍼의 온도 분포를 작게 하기 위해서, 띠형상의 저항 발열체(75)의 저항 분포를 조정하거나 띠형상의 저항 발열체(75)의 온도를 분할 제어하는 것이 행해지고 있으며, 또한, 열을 쉽게 끌어들이는 구조의 경우, 그 주위의 발열량을 증대시키는 등의 제안이 이루어지고 있었다.
또한, 동시에 웨이퍼를 가열·냉각할 때의 과도(過渡) 시간이 짧고, 게다가 과도시의 온도가 균일한 것이 요구되고 있다. 또한, 웨이퍼의 가열 온도를 변경하기 위해서 세라믹 히터(71)의 설정 온도를 변경할 필요가 있어 세라믹 히터(71)를 승온하거나 냉각하는 시간이 짧을 필요가 있었다.
특허문헌 3에는 판형상 세라믹체에 질화 알루미늄질 소결체를 사용하여, 유리층을 통해서 저항 발열체를 형성한 세라믹 히터가 개시되어 있다.
그러나, 도전체를 저항 발열체로 하여 저항 발열체에 통전하여 급속히 승온하거나, 세라믹 히터를 급속 승온하거나 급속 냉각을 반복하면 저항 발열체에 크랙이 발생하여 저항 발열체로서 기능하지 않게 될 염려가 있었다.
(특허문헌 1) 일본특허공개 2003－249332호 공보
(특허문헌 2) 일본특허공개 2002－75598호 공보
(특허문헌 3) 일본특허공개 2002－260832호 공보
(특허문헌 4) 일본특허공개 2001－313249호 공보
그런데, 반도체 웨이퍼(W)에 도포된 감광성 수지를 건조시키는데에 사용하는 세라믹 히터나 웨이퍼 가열장치(71)에서는 세라믹 히터(71)를 200~300℃로 가열하는 것인데, 한 장 당 처리 시간은 세라믹 히터(71)의 승온 시간 및 냉각시간으로 정해지기 때문에, 승온시에는 큰 전력을 인가하여 급격하게 가열하고, 냉각시에는 에어를 내뿜어 강제적으로 냉각하는 것이 일반적으로 행해지고 있어, 이러한 가혹한 조건하에서 반복하여 열사이클이 걸리면 세라믹 히터(71)를 형성하는 판형상 세라믹체(72)와 저항 발열체(75)인 도전체의 사이의 경계에 응력이 집중하여 미소한 박리를 발생하거나, 더욱 진행하면 크랙이 발생해 박리가 없는 부분과 박리가 발생한 부분에서는 열전달 특성이 변화하므로 웨이퍼 가열면(73)의 균열화가 저해되어, 그 결과, 웨이퍼(W)를 가열할 때의 과도 특성이 열화하거나 웨이퍼(W)의 면내 온도차가 커져 웨이퍼(W)를 균일하게 가열할 수 없기 때문에 감광성 수지의 막두께가 불균일해지는 등의 특성이 열화하는 문제가 있었다. 더욱 크랙이 진행되면 판형상 세라믹체가 질화 알루미늄인 경우 대기중의 수분과 질화 알루미늄질 소결체가 반응하여 암모니아 가스나 아민계의 가스를 발생시키기 때문에 이 가스가 감광성 수지에 악영향을 준다는 문제가 있었다.
즉, 판형상 세라믹체(72)를 형성하는 질화 알루미늄질 소결체는 그 열팽창계 수가 4.7×10－6/ ℃ 정도인데 대해 그 표면에 형성된 저항 발열체(75)의 열팽창계수는 7. 3 ×10－6/ ℃ 정도로 양자간에는 큰 열팽창차이가 있어, 세라믹 히터(71)의 가열과 냉각에 의해 반복하여 가해지는 열사이클에 의해 판형상 세라믹체(72)와 저항 발열체(75)의 사이에는 큰 응력이 작용하게 되어, 이 응력에 의해 판형상 세라믹체(72)와 저항 발열체(75)의 사이에 응력이 발생하여 저항 발열체(75)가 어긋나 박리되거나 크랙이 발생할 염려가 있었다.
또한, 이러한 열응력에 의한 세라믹 히터(71)의 특성 열화는 보다 높은 온도로 가열하여 사용되는 성막처리나 에칭처리 공정에 있어서도 마찬가지였다.
그래서, 본 발명의 제 1 목적은 저항 발열체의 구조면으로부터 웨이퍼 가열면의 내구성을 향상시켜 웨이퍼 가열면의 균열화를 도모하는 것에 있다.
한편, 세라믹 히터 내에 설치된 각각의 저항 발열체 영역에 있어서의 저항 발열체끼리의 사이에 스페이스가 형성되므로 각각의 저항 발열체 영역의 온도차를 조정할 수 없는 우려가 있어 웨이퍼(W)면 내의 온도차를 0.5℃ 이내로 수렴하는 것은 매우 곤란하였다.
그래서, 본 발명의 제 2 목적은 저항 발열체의 배치 패턴을 고려하여 웨이퍼 가열면의 균열화를 도모하는 것에 있다.
본 발명의 제1목적은,
판형상 세라믹체의 한쪽의 주면을 가열면으로 하고, 그 판형상 세라믹체의 내부 또는 다른 쪽의 주면에 띠형상의 저항 발열체를 설치한 세라믹 히터에 있어서,
상기 저항 발열체가 도전성 입자와 절연성 조성물로 이루어지고, 다수의 상기 도전성 입자에 둘러싸인 절연성 조성물의 괴를 가지는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터에 의해 달성할 수가 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 다수의 상기 도전성 입자에 둘러싸인 절연성 조성물의 괴를 가짐으로써 저항 발열체에 통전하면서 급속 승온, 급속 냉각하여도 판형상 세라믹체와 저항 발열체의 사이에 크랙이 발생하는 일이 없고, 저항 발열체가 단선되는 일이 없고, 그 때문에 내구성이 뛰어난 세라믹 히터나 특히, 웨이퍼면 내의 온도차가 작고 급속히 승온해도 내구성이 뛰어난 웨이퍼 가열 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 상기 절연성 조성물 괴의 평균 입경이 상기 도전성 입자의 평균 입경의 3배 이상인 것을 특징으로 한다. 이러한 구성으로 함으로써 응력에 의해 발생한 크랙의 전파를 저해할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 상기 도전성 입자의 평균 입경이 0.1~5㎛이며, 상기 절연성 조성물의 괴의 평균 입경이 3~100㎛인 것을 특징으로 한다. 이 도전성 입자의 평균 입경이 0.1㎛를 밑돌면 도전성 입자를 절연성 조성물과 충분히 혼합할 수가 없기 때문이며, 또한, 이 도전성 입자의 평균 입자 입경이 3㎛를 넘으면 도전성 입자의 열팽창계수가 절연성 조성물보다 크므로 계면의 열응력이 너무 커져 저항 발열체가 열응력으로 파괴될 염려가 있기 때문이다. 또한, 상기 절연 성 조성물의 평균 입경이 3㎛이면 도전체(5)와 판형상 세라믹체(2)의 열응력에 대한 내구력이 저하되지 않고, 100㎛ 이하이면 도전체(5)에 통전했을 때에 부분적으로 발열량이 증대할 염려가 없기 때문이다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 상기 절연성 조성물의 괴 안에 절연성 조성물보다 큰 열팽창계수를 가지는 입자를 내재시킨 것을 특징으로 한다. 이와 같이 절연성 조성물의 괴 안에 입자를 포함하면 괴와의 계면에서 인장 응력이 작용해 괴의 강도를 늘릴 수가 있다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 상기 열팽창계수가 큰 입자가 상기 도전성 입자와 동일 조성물인 것을 특징으로 한다. 유리 등의 절연성 조성물로 이루어진 분말과 도전성 입자를 동시에 혼합해 페이스트상으로 하여 인쇄법 등으로 판형상 세라믹체에 형성하고 소성하여 저항 발열체를 용이하게 형성할 수가 있다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 단면에 있어서 상기 절연성 부재의 괴 안에 포함되는 입자가 차지하는 면적율이 10% 이하인 것을 특징으로 한다. 이 면적율이 10%를 넘으면 입자의 열응력에 대한 완화 효과가 작아져 괴의 강도를 크게 할 수 없는 염려가 생기기 때문이다.
본 발명에 의한 세라믹 히터는 판형상 세라믹체의 한쪽의 주면을 가열면으로 하고, 그 판형상 세라믹체의 내부 또는 다른 쪽의 주면에 띠형상의 저항 발열체를 설치한 세라믹 히터에 있어서, 상기 판형상 세라믹체와 상기 저항 발열체의 계면을 따라 상기 저항 발열체에 공극을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 판형상 세라믹체의 한쪽의 주면을 가열 면으로 하고, 그 판형상 세라믹체의 다른 쪽의 주면에 절연층을 통해서 띠형상의 저항 발열체를 설치한 세라믹스 히터에 있어서, 상기 판형상 세라믹체와 상기 절연층의 계면을 따라 상기 절연층에 공극을 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 판형상 세라믹체와 상기 저항 발열체의 계면을 따라서 상기 절연층에 공극을 형성함으로써, 또는 상기 판형상 세라믹체와 상기 절연층의 계면을 따라서 상기 절연층에 공극을 형성함으로써 급속 승온, 급속 냉각이라는 엄격한 조건에서 반복하여 사용해도 판형상 세라믹체와 저항 발열체의 사이에 크랙이 발생하는 일이 없어 가스의 발생을 방지할 수 있음과 동시에 웨이퍼면 내의 온도차가 작고, 내구성이 뛰어난 세라믹 히터를 제공할 수가 있다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 상기 공극의 크기가 0. 05~50㎛인 것을 특징으로 한다. 이 공극의 크기가 0.05~50㎛이면 열응력에 의해 접합계면에 크랙을 발생시키는 일이 없기 때문이다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 상기 판형상 세라믹체의 주면에 수직인 단면에 있어서 상기 공극의 선 밀도가 1000~500000개/m인 것을 특징으로 한다. 공극의 선 밀도가 1000개/m를 밑돌면 접합계면에 생긴 미소 크랙의 신장을 방지하는 효과가 작아진다. 한편, 공극의 선 밀도가 500000개/m를 넘으면 공극의 밀도가 너무 커지므로 접합계면의 열전도율이 저하함과 동시에 접합계면의 강도가 저하되어 가열면을 균일하게 가열하는 것이 어려워짐과 동시에 미소한 크랙이 발생하면 바로 크랙이 접합계면 전체에 퍼져 바람직하지 않다.
또한, 본 발명의 제 2 목적은 판형상 세라믹체의 한쪽의 주면을 가열면으로 하고, 그 판형상 세라믹체의 내부 또는 한쪽의 주면에 띠형상의 저항 발열체를 설치한 세라믹 히터에 있어서,
상기 저항 발열체가 도전성 입자와 절연성 조성물로 이루어지고, 대략 동일한 폭을 가지는 원호형상의 띠와 되돌아오는 원호형상의 띠를 연속하게 하여 대략 동심원형상으로 설치하고, 동일한 원주 상에 위치하는 한 쌍의 되돌아오는 원호형상의 띠의 사이의 거리가 반경 방향으로 서로 이웃하는 원호형상의 띠 사이의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 세라믹 히터에 의해 달성할 수가 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 대략 동일한 폭을 가지는 원호형상의 띠와 되돌아오는 원호형상의 띠를 연속하게 하여 대략 동심원형상으로 설치하고, 동일한 원주 상에 위치하는 한 쌍의 되돌아오는 원호형상의 띠 사이의 거리를 반경 방향으로 서로 이웃하는 원호형상의 띠 사이의 거리보다 작게 함으로써 웨이퍼면 내의 온도차가 작고, 온도 응답 특성이 뛰어난 세라믹 히터를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 상기 동일한 원주 상에 위치하는 한 쌍의 되돌아오는 원호형상의 띠 사이의 거리는 반경 방향으로 서로 이웃하는 원호형상의 띠 사이의 거리의 30%~80%인 것이 바람직하다. 이로 인해, 세라믹 히터의 가열면에 있어서의 균열성을 가장 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 독립적으로 가열할 수 있는 복수의 띠형상의 저항 발열체가 설치되고, 하나이상의 상기 저항 발열체는 동일한 원주 상에 위치하는 한 쌍의 되돌아오는 원호형상의 띠 사이의 거리는 반경 방향으로 서로 이웃하는 원호형상의 띠 사이의 거리보다도 작은 것을 특징으로 한다. 이와 같이 저 항 발열체를 형성함으로써 판형상 세라믹체의 외주부로부터 보다 많이 방산되는 열의 보충이 용이해져 웨이퍼(W) 면의 주변 온도 저하를 방지할 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 상기 저항 발열체 영역이 중심부에 구비한 원형의 저항 발열체 영역과 그 외측의 동심원의 3개의 원고리형상의 저항 발열체 영역으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 상기 중심부의 저항 발열체 영역의 외경(D1)이 최외주의 저항 발열체 영역의 외경(D)의 20~40%이며, 그 외측의 저항 발열체 영역의 외경(D2)이 외경(D)의 40~55%이며, 그 외측의 저항 발열체 영역의 내경(D3)이 최외주의 저항 발열체 영역의 외경(D)의 55~85%인 것을 특징으로 한다.
중심부의 저항 발열체 영역의 외경(D1)을 그 최외주의 저항 발열체 영역의 외경(D)의 20~40%, 그 외측의 저항 발열체 영역의 외경(D2)을 외경(D)의 40~55%, 최외주의 저항 발열체 영역의 내경(D3)을 최외주의 저항 발열체 영역의 외경(D)의 55~85%로 함으로써 웨이퍼면 내의 온도차가 작고, 온도 응답 특성이 뛰어난 웨이퍼 유지 부재를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 상기 3개의 원고리 형상의 저항 발열체 영역 중 가장 내측의 저항 발열체 영역이 하나의 독립된 저항 발열체이며, 그 외측에 원고리의 저항 발열체를 구비하며, 그 외측의 저항 발열체 영역이 원고리를 원주 방향으로 2등분 한 2개의 부채형상이며, 그 외측의 저항 발열체 영역이 원고리를 원주 방향으로 4등분 한 4개의 부채형상인 것을 특징으로 한다.
중심부의 원형의 저항 발열체 영역과, 그 외측의 원고리를 병렬 또는 직렬 접속한 저항 발열체 영역을 구비하고, 그 외측의 원고리 내에 각각 대항하는 위치에서 원고리를 원주 방향으로 2등분한 부채형상의 2개의 저항 발열체 영역으로 이루어지고, 또한 그 외측의 원고리 내에 각각 대항하는 위치에서 원고리를 원주 방향으로 4등분한 부채형상의 4개의 저항 발열체 영역으로 함으로써 웨이퍼의 면내 온도차가 작은 균열성이 높은 웨이퍼 가열장치가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 상기 중심부의 저항 발열체 영역과 그 외측의 고리형상의 저항 발열체의 사이에 상기 판형상 세라믹체를 관통하는 관통구멍을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 상기 최외주의 저항 발열체의 띠의 폭이 그 내측의 다른 저항 발열체 영역의 띠의 폭보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터는 상기 저항 발열체 영역을 둘러싸는 외접원의 면적에 대해서 상기 외접원 내에 차지하는 저항 발열체의 면적 비율이 5~30%인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 세라믹 히터는 상기 세라믹 히터에 있어서의 판형상 세라믹체의 한쪽의 주면을 웨이퍼를 탑재하는 웨이퍼 가열면으로 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 반도체 웨이퍼를 상기 웨이퍼 가열장치의 웨이퍼 가열면에 대향하여 배치하고, 상기 웨이퍼 가열장치에 의해 상기 반도체 웨이퍼를 가열하면서 반도체 박막의 성막처리, 에칭처리, 레지스트막 형성을 하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판 제조방법에 있다. 상기 웨이퍼 가열장치를 이용함으로써 웨이퍼 가열면이 균열성을 얻을 수 있으므로 양호한 반도체 기판을 제작할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 세라믹 히터(1)의 일례를 도시하는 단면도로, 탄화규소 또는 질화 알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어진 판형상 세라믹체(2)의 한쪽의 주면을 웨이퍼(W)를 탑재하는 웨이퍼 가열면(3)으로 함과 동시에, 다른 쪽의 주면에 저항 발열체(5)를 형성하고, 그 저항 발열체(5)에 전기적으로 접속하는 급전부(6)를 구비하고, 급전부(6)에 급전단자(11)가 접속되어 있다. 이들 급전부(6)를 둘러싸는 금속 케이스(19)가 접속 부재(17)를 통해서 판형상 세라믹체(2)의 다른쪽 주면의 주변부에 고정되어 있다.
또한, 웨이퍼 리프트 핀(25)은 판형상 세라믹체(2)를 관통하는 홀을 통해 웨이퍼(W)를 상하로 이동시켜 웨이퍼(W)를 웨이퍼 가열면(3)에 탑재하거나 내리거나 할 수 있다. 그리고, 급전부(6)에 급전단자(11)가 접속되어 외부로부터 전력이 공급되고, 측온소자(27)로 판형상 세라믹체(2)의 온도를 측정하면서 웨이퍼(W)를 가열할 수 있다.
또한, 웨이퍼(W)는 웨이퍼 지지 핀(8)에 의해 웨이퍼 가열면(3)에서 뜬 상태로 유지되어 웨이퍼(W)의 한쪽이 닿는 등에 의한 온도 불균일을 방지하도록 하고 있다. 또한, 저항 발열체(5)를 복수의 영역으로 분할하는 경우, 각각의 영역의 온도를 독립적으로 제어함으로써 각 급전부(6)의 급전단자(11)에 전력을 공급하고, 각 측온소자(27)의 온도가 각 설정치가 되도록 급전단자(11)에 가하는 전력을 조정하여 웨이퍼 가열면(3)에 탑재한 웨이퍼(W)의 표면 온도가 균일해지도록 하고 있 다.
저항 발열체(5)에는 금이나 은, 팔라듐, 백금 등의 재질로 이루어진 급전부(6)가 형성되며, 그 급전부(6)에 급전단자(11)를 접촉시킴으로써 도통이 확보되어 있다. 급전단자(11)와 급전부(6)는 도통을 확보할 수 있는 방법이면 납땜, 브레이징(brazing) 등의 수법을 이용해도 좋다.
(도전성 입자에 둘러싸인 절연성 조성물의 괴를 배합한 저항 발열체)
본 발명에 의한 세라믹 히터(1)에 있어서 도전성 입자에 둘러싸인 절연성 조성물의 괴를 저항 발열체 내에 배합해도 좋다.
이하, 본 발명에 의한 도전성 입자에 둘러싸인 절연성 조성물의 괴를 배합한 저항 발열체의 실시형태에 대해서 설명한다.
도 2, 도 3에 도시하는 바와 같이, 상기 저항 발열체(5)의 내부에 절연성 조성물의 괴(5a)를 구비함으로써 판형상 세라믹체(2)와 상기 저항 발열체(5)의 계면을 따라서 박리가 발생하는 일이 없고, 또한 저항 발열체(5)가 단선되는 일이 없다. 상기 저항 발열체(5)에 절연성 조성물의 괴(5a)는 판형상 세라믹체(2)와 상기 저항 발열체(5)의 열팽창계수의 미묘한 차이로부터 생기는 판형상 세라믹체(2)와 저항 발열체(5)의 사이의 접합계면의 열응력에 대해 저항 발열체(5)의 강도를 늘려 파괴를 방지하는 효과가 있는 것을 찾아내었다.
여기서, 도전체인 저항 발열체(5)는 절연성 조성물에 도전성 입자(5b)가 분산된 것으로, 그 중에 다수의 상기 도전성 입자(5b)에 둘러싸인 절연성 조성물의 괴(5a)가 형성되어 있다. 절연성 조성물의 괴(5a)는 도전성 입자(5b)로 둘러싸인 절연성 조성물로, 저항 발열체(5)의 단면을 경면(鏡面) 가공해 SEM사진을 촬영하고, 그 사진 상에서 도전성 입자(5b)에 둘러싸인 영역(5a)에서 도전성 입자(5b)에 내접하는 다각형으로 나타낼 수가 있다.
그리고, 이 다각형의 면적과 동등한 원의 직경을 절연성 조성물의 괴(5a)의 입경으로 하고, 그 평균 입경이 도전성 입자의 평균 입경의 3배 이상, 바람직하게는 6배 이상이면 응력에 의해 발생한 크랙의 전파를 저해하는 효과가 있는 것을 알았다. 또한, 다수의 도전성 입자(5b)는 도전성 입자(5b)가 5개 이상인 것을 나타내며, 대개 도전성 입자(5b)로 둘러싸인 괴(5a)는 도전성 입자(5b)의 최대 지름의 3배 이하의 길이 간격으로 연속된 도전성 입자(5b)로 둘러싸인 괴(5a)로서 나타낼 수 있다.
또한, 도전성 입자(5b)는 금, 백금, 팔라듐, 이리듐, 로듐이나 은, 동, 니켈 등의 금속을 이용할 수가 있다. 그리고, 이들 도전성 입자(5b)는 구 형상이면, 절연성 조성물이 되는 유리 분말과 혼합하는 것이 용이하고 바람직하다. 절연성 조성물로서는 결정화 유리가 바람직하고, 그 적어도 일부에 Zn, B, Si의 적어도 한 종류를 포함한 결정상을 함유하고 있으면 좋다. 유리 중에 생성 또는 분산시키는 상기 결정상의 종류로서는, 예를 들면 Zn2SiO4, Zn3B2O6, Zn3(BO3)2, Zn(BO2)2, SiO2 등을 들 수 있다.
그리고, 저항 발열체(5)의 도전성 입자(5b)의 평균 입경은 0.1~5㎛인 것이 바람직하다. 이 평균 입경이 0.1㎛를 밑돌면, 도전성 입자의 입경이 너무 작으므로 도전성 입자를 절연성 조성물과 충분히 혼합할 수가 없기 때문이다. 또한, 평균 입경이 3㎛를 넘으면 도전성 입자의 열팽창계수가 절연성 조성물보다 크므로 계면의 열응력이 너무 커져 저항 발열체(5)가 열응력으로 파괴될 염려가 있기 때문이다.
또한, 도전성 입자(5b)의 평균 입경은 반사 전자현미경으로 1500배의 SEM 사진을 촬영하여 30㎛ 길이의 직선을 2줄 그어 그 직선이 가로지른 도전성 입자의 길이를 가로지른 수로 나누어 산출하였다.
또한, 절연성 조성물로 이루어진 괴(5a)의 평균 입경은 3~100㎛인 것이 바람직하다. 3㎛를 밑돌면 저항 발열체(5)와 판형상 세라믹체(2)의 열응력에 대한 내구력이 저하할 염려가 있다. 또, 100㎛를 넘으면 괴(5a)가 너무 커져 저항 발열체(5)의 전기 저항을 부분적으로 증대시켜 저항 발열체(5)에 통전했을 때에 부분적으로 발열량이 증대할 염려가 있기 때문이다.
또한, 절연성 조성물로 이루어진 괴(5a)의 평균입경은 반사 전자현미경 사진에서 도전성 입자(5b)로 둘러싸인 영역을 선택하는 것이지만, 짧은 직경이 도전성 입자(5b) 지름의 3배 이상인 영역을 절연성 조성물의 괴(5a)라고 인식하여 1500배의 반사 전자현미경 사진에 70㎛의 직선을 그어 그 직선이 가로지른 괴(5a)의 총 길이를 개수로 나누어 구할 수 있다.
그리고, 절연성 조성물의 괴(5a)는 그 내부에 절연성 조성물보다 열팽창계수가 큰 입자(5c)를 내재 시키는 것이 바람직하다. 이와 같이 괴(5a) 안에 입자(5c)를 포함하면 괴(5a)와의 계면에서 인장 응력이 작용해 괴(5a)의 강도를 늘릴 수가 있기 때문이라고 생각된다. 그리고, 이 입자(5c)의 입경은 괴(5a)의 입경의 0.1배 정도 이하이면 괴(5a)의 강도를 늘리는 효과가 크고 바람직하다.
또한, 입자(5c)는 상기 도전성 입자(5b)와 동일한 조성물이어도 좋다. 도전성 입자(5b)와 입자(5c)가 동일한 조성물이면 유리 등의 절연성 조성물로 이루어진 분말과 도전성 입자를 동시에 혼합해 페이스트상으로 하여 인쇄법 등으로 판형상 세라믹체(2)에 형성해 소성하여 저항 발열체(5)를 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 저항 발열체(5)는 절연성 조성물의 괴(5a) 안에 포함하는 그 절연성 조성물의 열팽창계수보다 큰 입자(5c)의 수가 50개 이하인 것이 바람직하다.
저항 발열체(5)의 단면 SEM사진에 있어서, 절연성 조성물의 괴(5a) 안에 포함되는 입자(5c)의 수가 50개 이하이면, 입자(5c)에 의한 괴(5a)의 강도 향상의 효과가 효율적으로 작용해 바람직하다. 50개를 상회하면 입자(5c)에 의한 열응력이 너무 커져 괴(5a)의 강도를 저하시킬 염려가 있기 때문이다. 바람직하게는 20개 이하이며, 더욱 바람직하게는 10개 이하이다.
또한, 괴(5a)에 내재하는 입자(5c)의 괴(5a)에 대한 단면적 비율은 10% 이하인 것이 바람직하다. 10%를 넘으면 입자(5c)의 열응력에 대한 완화 효과가 작아져 괴(5a)의 강도를 크게 할 수 없는 염려가 생기기 때문이다. 바람직하게는 5% 이하이며, 더욱 바람직하게는 3% 이하이다. 또한, 0.1% 이상이면 효과를 볼 수 있으므로 바람직하다.
판형상 세라믹체(2)에 유리층 등의 절연층(4)을 형성하여 그 위에 저항 발열체(5)를 형성한 세라믹 히터(1)에 있어서도, 도 4와 같이 판형상 세라믹체(2)와 저 항 발열체(5)의 사이에 절연층(4)을 통해서 열응력이 가해지므로, 상기와 같이 저항 발열체(5)에 절연성 조성물의 괴(5a)를 구비함으로써 저항 발열체(5)와 절연층(4)이나 판형상 세라믹체(2)의 사이에 크랙이 발생하거나 박리되거나 할 염려가 없어진다. 이것은, 절연성 조성물의 괴(5a)가 존재하므로, 판형상 세라믹체(2)와 저항 발열체(5)의 사이의 열팽창계수의 차이에서 생기는 열응력을 흡수 완화하는 작용을 발생한다고 생각된다.
다음에, 본 발명의 특징인 절연성 조성물의 괴(5a)의 제작방법에 대해서 서술한다.
본 발명의 저항 발열체(5)는 절연성 조성물에 도전성 입자(5b)를 구비한 것으로, 절연성 조성물로서는 유리나 세라믹스가 이용된다. 그리고, 도전성 입자의 주위나 도전성 입자 사이를 충전하는 절연성 조성물로서 입경이 작은 것이 바람직하고, 절연성 조성물의 괴(5a)는 절연성 조성물로서의 유리 분말이나 세라믹스 분말의 입경이 큰 입자로 이루어지는 것이 바람직하다. 따라서, 유리나 세라믹스 분말로서 입경 분포가 다른 2개 이상의 입자군으로 이루어진 절연성 조성물 분말과 도전성 입자를 혼합해 저항 발열체(5)를 형성할 수 있다.
그리고, 절연성 조성물을 이루는 분말의 입도 분포는 2개 이상의 극대치가 있는 것이 바람직하고, 2개의 극대치의 입경 중 큰 쪽의 극대치를 나타내는 입경은 작은 쪽의 극대치를 나타내는 입경의 2배 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 5배 이상이다.
따라서, 본 발명의 절연성 조성물과 도전성 입자와 유기 결합재로 이루어진 도전성 페이스트는 상기 절연성 조성물과 도전성 입자로 이루어진 입자의 입경 분포의 극대치가 2개소 이상 있는 것을 특징으로 한다. 상기 극대치는 입도 측정기를 이용해 빈도와 입경의 그래프로부터 판독할 수 있다. 또한, 상기 유기 결합재로서는 각종 유기 바인더나 가소제, 분산제, 유기용제 등으로 구성할 수 있다.
또한, 이들 절연성 조성물로 이루어진 분말과 도전성 입자로 이루어진 분말을 균일하게 혼합하려면 상기 절연성 조성물의 괴(5a)의 평균 입경이 도전성 입자의 평균 입경의 1~30배인 것이 바람직하다. 절연성 조성물의 평균 입경이 1배를 밑돌면 직경 2㎛ 이하의 미립의 도전성 입자와 절연성 조성물로 이루어진 입자를 균일하게 혼합해 페이스트상으로 하려면 용제의 양이 30 질량% 이상으로 많아져 페이스트의 밀도가 저하해 소성시의 수축량이 커져 바람직하지 않다. 또한, 상기 절연성 조성물의 평균 입경이 도전성 입자의 평균 입경의 30배를 넘으면 절연성 조성물과 도전성 입자가 분리되어 균일하게 혼합하는 것이 어려워 바람직하지 않다. 더욱이, 바람직하게는 2~10배이며, 보다 바람직하게는 3~5배이다. 그리고, 이러한 도전성 입자로서는, 특히 Au, Pd, Pt, Rh, Ir의 귀금속이 미립으로 구형에 가까운 분말을 작성할 수 있으므로 바람직하다.
또한, 이 세라믹 히터(1)에는 큰 전력을 인가하여 급속히 소정 온도까지 가열하거나, 또한, 냉각시에는 세라믹 히터(1)의 가열면(3)과 반대측의 표면에 에어를 분출하여 강제적으로 냉각한다는 열사이클이 가해지는 것이지만, 본 발명의 세라믹 히터(1)는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 절연층(4)의 일부인 Al을 포함한 산화물막(4a)으로 덮인 질화 알루미늄질 소결체로 이루어진 판형상 세라믹체(2)와 저 항 발열체(5)의 사이에 상기 질화 알루미늄질 소결체와의 열팽창차이가 근사한 유리층(4b)을 형성하여, 열팽창계수가 크게 다른 산화물막(4a)을 열팽창계수가 근사한 질화 알루미늄질 소결체와 유리층(4b)으로 사이에 끼워넣도록 구성하고 있다. 그로 인해, 유리층(4b)을 가지지 않는 종래의 세라믹 히터와 같이, 산화물막(4a)에 작용하는 응력을 완화할 수가 있음과 동시에, 산화물막(4a)과 유리층(4b)을 강고하게 밀착시킬 수 있다. 그 때문에, 상술한 바와 같은 열사이클이 작용했다고 해도 산화물막(4a)과 유리층(4b)의 경계 및 유리층(4b)과 저항 발열체(5)의 경계에 크랙이 발생하는 것을 방지하여 수명의 긴 세라믹 히터를 제공할 수 있다.
그런데, 이러한 효과를 발휘하기 위해서는 유리층(4b)으로서 히터부(30)를 형성하는 질화 알루미늄질 소결체와의 열팽창계수의 차이가 -3.0~3.0×10－6/℃의 범위에 있는 유리를 이용함과 동시에, 유리층(4b)의 두께(T)를 2~300㎛로 하는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 유리층(4b)의 열팽창계수가 질화 알루미늄질 소결체의 열팽창계수보다 3.0×10－6/℃를 초과해 작으면, 열팽창계수가 다른 산화물막(4a)을 근사한 열팽창계수를 가지는 부재로 사이에 끼워넣어 산화물막(4a)에 작용하는 응력을 완화하는 효과가 작고, 또한, 산화물막(4a)과의 열팽창차이가 너무 커져 산화물(4a)이 깨지기 쉬워져 반복하여 가해지는 열사이클에 의해 산화물막(4a)이 박리하기 쉬워지기 때문이고, 반대로 유리층(4b)의 열팽창계수가 질화 알루미늄질 소결체의 열팽창계수보다 3. 0 ×10－6/℃를 초과해 크면 산화물막(4a)을 사이에 끼워 넣음으로써 응력 완화 효과가 작고, 또한, 저항 발열체(5)의 표면을 강제로 공냉했을 때에 저항 발열체(5)의 외주부에 크랙이 발생하기 쉬워지기 때문이다.
또한, 유리층(4b)의 두께(T)를 2~300㎛로 하는 것은 유리층(4b)의 두께(T)가 2㎛ 미만이면 히터부(30) 상에 균일한 두께로 유리층(4b)을 형성할 수가 없기 때문이며, 유리층(4b)의 두께(T)가 300㎛를 넘으면, 히터부(30)를 휘게 할 수 있을 정도의 큰 내부 응력이 발생해 사용 중에 유리층(4b)이 박리하기 때문이다.
또한, 저항 발열체(5)를 형성하는 유리층(4b) 표면의 평탄도는 300㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 평탄도가 300㎛를 넘으면 저항 발열체(5)를 균일한 두께로 형성하는 것이 어려워지므로, 저항 발열체(5)의 저항값에 불균형이 발생하기 때문이다.
한편, 유리층(4b) 상에 형성하는 저항 발열체(5)는, Au, Ag, Pd, Pt, Rh, Ir 중 적어도 1종 이상의 금속 또는 이들의 합금과 Zn, B, Si중의 적어도 1종을 포함한 유리로 이루어지며, 저항 발열체(5)의 열팽창계수가 히터부(30)를 형성하는 질화 알루미늄질 소결체의 열팽창계수에 대해서 －0.5~3.0 ×10－6/℃의 범위에 있는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 양자간의 열팽창계수의 차이를 상기 범위 내로 조정함으로써 세라믹 히터(1)의 제작시나 사용시에 있어서의 크랙의 발생을 저감하여 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 이 절연층(4)을 형성하는 유리의 특성으로서는 결정질 또는 비정질중 어느 것이라도 좋고, 내열 온도가 200 ℃ 이상이고 또한 0 ℃~200 ℃의 온도 영역 에서의 열팽창계수가 판형상 세라믹체(2)를 구성하는 세라믹스의 열팽창계수에 대해 1 ×10－6/℃인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 -5 ×10－7/ ℃ ~ ＋5 ×10－7/ ℃의 범위에 있는 것을 적절히 선택하여 이용하는 것이 좋다. 즉, 열팽창계수가 상기 범위를 벗어난 유리를 이용하면, 판형상 세라믹체(2)를 형성하는 세라믹스와의 열팽창 차이가 너무 커지기 때문에, 유리의 소성 후의 냉각시에 있어서 크랙이나 박리 등의 결함이 생기기 쉽기 때문이다.
이 때, 저항 발열체(5)에 함유하는 유리는 그 연화점이 유리층(4b)을 형성하는 유리의 전이점보다 낮은 것을 이용하는 것이 바람직하고, 이러한 유리를 이용함으로써 후술하는 저항 발열체(5)의 소성시의 열이력에 의해 유리층(4b)이 연화 변형하여, 저항 발열체(5)의 저항값 분포에 악영향을 주는 것을 방지할 수 있다.
또한, 저항 발열체(5)에 함유하는 유리로서는, 그 내부에 Zn2SiO4, Zn3B2O6, Zn3(BO3)2, Zn(BO2)2, SiO2 중의 적어도 1종의 결정을 함유시킨 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 결정은 열팽창계수가 작기 때문에, 저항 발열체(5)의 열팽창계수를 내리는 효과가 있음과 동시에, 유리 중에 크랙이 발생해도 상기 결정에 의해 크랙의 진행을 억제할 수가 있기 때문에, 종래, 50℃~350℃의 열 사이클 시험에 있어서 10000 사이클 정도로 단선되어 있던 저항 발열체(5)의 수명을 20000 사이클까지 늘릴 수가 있어 수명이 긴 세라믹 히터(1)를 제공할 수 있다.
특히, 결정 구조로서 침상의 것을 이용하면 가늘고 긴 결정이 유리 중에 뒤 얽힌 상태로 존재하게 되기 때문에 저항 발열체(5)의 강도를 더욱 향상시키는 것이 가능하여 효과적이다.
저항 발열체(5)의 유리 중에, Zn2SiO4, Zn3B2O6, Zn3(BO3)2, Zn(BO2)2, SiO2중의 적어도 1종의 결정을 함유 시키는 방법으로서는 결정화시키거나 유리 중에 분산시키면 좋다.
예를 들면, 결정화에 의해 생성하는 경우, 상기 결정의 구성 성분인, Zn, B, Si중의 적어도 1종을 함유하는 유리를 가열해 용해시켜 용해 유리를 결정핵 생성 온도 부근에서 1시간 정도 유지함으로써 결정핵을 충분히 생성시킨 후 결정 성장 온도까지 승온하여 유리 중에 결정화 유리를 생성시키면 좋다.
또한, 결정화시키는 것 외에 유리 분말과 함께 Zn2SiO4, Zn3B2O6, Zn3(BO3)2, Zn(BO2)2, SiO2 중의 적어도 1종의 분체를 혼합한 페이스트를 이용해 소성 처리함으로써 유리 중에 혼재시키도록 해도 상관없다.
또한, 저항 발열체(5)의 유리 중에 함유되는 결정상의 동정(同定)은 X선 회절(이학전기사제)로 분류할 수가 있고, 또한, 유리층(4b)의 전이점 및 저항 발열체(5) 중의 유리의 연화점의 측정은 시차열량 분석계를 이용해 온도를 상승시키면서 열의 출입을 측정하여, 베이스 라인의 최초의 흡열 시프트 부분의 점근선의 교점을 유리의 전이점으로 하고, 그 다음에 출현하는 완만한 발열 피크의 양측 점근선의 교점을 유리의 연화점으로 하면 좋다.
또한, 저항 발열체(5)를 형성하는 금속으로서는, Au, Ag, Pd, Pt, Rh, Ir를 이용할 수 있는데, 이들 중에서도 Pt, Au 또는 이들의 합금은 마이그레이션을 일으키기 어렵기 때문에 저항 발열체(5)의 열화를 방지할 수 있음과 동시에, Pt, Au는 내산화성이 뛰어나므로 50℃~350℃의 열사이클 시험에 있어서의 수명을 250000 사이클까지 늘릴 수가 있다.
저항 발열체(5)를 형성하는 유리와 금속의 혼합 비율은 중량비로 40：60 ~ 80：20으로 하는 것이 좋다. 왜냐하면, 유리와 금속의 혼합 비율이 40：60보다 작으면 유리량이 너무 적어지기 때문에 저항 발열체(5)가 박리하기 쉬워지기 때문이며, 반대로 유리와 금속의 혼합 비율이 80：20보다 커지면 금속의 함유량이 너무 적어지기 때문에 부분적으로 체적 고유 저항값에 불균형이 발생해 히터부(30)의 가열면(3)을 균일하게 가열할 수 없어지거나 저항 발열체(5)의 단선이 발생하기 쉬워지기 때문이다.
한편, 히터부(30)를 형성하는 질화 알루미늄질 소결체로서는 열전도율이 높은 것을 이용하는 것이 바람직하며, 예를 들면, 질화 알루미늄을 주성분으로 하고, 소결조제로서 Y2O3나 Er2O3, Ce2O3, Yb2O3 등의 희토류 원소 화합물을 1~9 중량%의 범위로 함유한 것을 이용하면, 100W/(m·K) 이상, 또한 150W/(m ·K) 이상의 열전도율을 얻을 수 있어 히터부(30)로서 매우 적합하게 이용할 수 있다.
또한, 히터부(30)를 형성하는 질화 알루미늄질 소결체의 표면에 Al을 포함한 산화물막(4a)을 형성하는 수단으로서는 질화 알루미늄질 소결체를 산화 분위기 중 850~1200℃의 온도에서 1~10시간 정도 열처리하면 좋고, 이와 같은 조건으로 산화 시킴으로써 알루미나로 이루어진 산화물막(4a)을 생성시킬 수 있다.
여기서, 열처리 온도를 850~1200 ℃로 한 것은 1200 ℃을 넘으면 산화막의 생성 속도가 너무 빨라져 산화물막(4a)에 크랙이 발생하기 쉬워지기 때문이며, 반대로 850 ℃ 미만에서는 산화물막(4a)의 생성이 나쁘고, 질화 알루미늄질 소결체의 표면 전체를 산화물막(4a)으로 덮을 수가 없기 때문이다.
그리고, 질화 알루미늄질 소결체의 표면에 형성하는 산화물막(4a)의 막두께(T)는 0.05~5㎛로 하는 것이 좋고, 산화물막(4a)의 막두께(T)가 0.05㎛ 미만에서는 산화에 의해 질화 알루미늄질 소결체의 표면 전체를 완전하게 덮는 것이 어렵기 때문에 질화 알루미늄질 소결체가 공기 중의 수분과 반응해 암모니아 가스나 아민계의 가스를 발생시켜 웨이퍼(W) 상에 형성한 감광성 수지의 성질을 열화시켜 버리며, 반대로 산화물막(4a)의 막두께(T)가 5㎛를 넘으면 산화물막(4a)이 형성된 후의 냉각시에 표면의 산화물막(4a)의 수축이 히터부(30)를 형성하는 질화 알루미늄질 소결체에 비해 크기 때문에(질화 알루미늄질 소결체의 열팽창계수：4.7×10-6/(20~400℃), 알루미나로 이루어진 산화물막(4a)의 열팽창계수：7.3×10-6/(20~400℃), 이 수축차이에 의해 산화물막(4a)에는 항상 인장 응력이 작용하고 있어 이 상태로 저항 발열체(5)의 승온 및 강제 공냉에 의해 열충격이 가해지면 저항 발열체(5)에 크랙이 발생하기 때문이다.
또한, Al을 포함한 산화물막(4a)의 형성에 있어서는 질화 알루미늄질 소결체의 표면을 산화시키는 것 외에, 알루미나나 이트륨·알루미늄·가닛(YAG) 등의 산 화물막(4a)을 스퍼터링법, CVD법, PCD법 등의 수단을 이용해 피착한 것이어도 좋고, 적어도 질화 알루미늄질 소결체의 표면이 노출하지 않도록 하면 좋다.
또한, 판형상 세라믹체(2)로서 질화 알루미늄을 예로 설명하였는데, 판형상 세라믹체로서 탄화규소를 이용하고 Si을 포함한 산화물막(4a)를 이용해도 질화 알루미늄과 같은 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터(1)는 판형상 세라믹체(2)의 주변의 하면을 지지하도록 링 형상으로 접촉 부재(17)가 접속되어 있으므로 케이스(19)의 직경과 판형상 세라믹체(2)의 직경(DP)을 동등하게 할 수 있으므로, 판형상 세라믹체(2)의 직경을 크게 할 수 있다. 그 때문에, 온도의 낮은 웨이퍼(W)를 온도가 높은 웨이퍼 가열면에 탑재하여도 웨이퍼(W)의 주변 온도가 저하하는 일 없이, 판형상 세라믹체(2)의 주변의 비(非)발열 영역에 축열된 열에 의해 웨이퍼(W)의 주변을 가열할 수 있다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터(1)는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 판형상 세라믹체(2)의 주변의 단면을 둘러싸도록 링 형상으로 상기 접촉 부재(17)가 접속함으로써 판형상 세라믹체(2)의 주변부의 열의 누출을 방지하여 웨이퍼(W)면 내의 온도차를 작게 할 수 있다. 특히, 판형상 세라믹체(2) 주변의 단면이 접촉 부재(17)와 접촉함으로써 판형상 세라믹체(2)의 직경이 작아져 저항 발열체(5)의 열을 효율적으로 웨이퍼(W)에 공급할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 온도가 낮은 웨이퍼(W)를 온도가 높은 웨이퍼 가열면에 탑재하였을 때에 웨이퍼(W)의 주변부에 많은 열을 공급할 필요가 있으므로 판형상 세라믹체(2)의 주변에 많은 열을 축적할 필요가 있 고, 이 열을 저축하는 영역으로서 판형상 세라믹체(2)의 주변에 저항 발열체(5)가 존재하지 않는 비발열 영역이 필요하다.
또한, 웨이퍼(W)의 정상시의 면내 온도차를 작게 하려면 저항 발열체(5)의 외접원의 직경은 웨이퍼(W)의 직경보다 3~5% 정도 큰 것이 필요하다. 따라서, 판형상 세라믹체(2)의 직경(DP)은 웨이퍼(W) 직경의 4~17% 정도 큰 것이 바람직하다. 또한, 판형상 세라믹체(2)의 주위의 단면을 유지하므로 판형상 세라믹체(2)의 비발열 영역을 작게 할 수 있는 한편, 비발열 영역의 축열량을 늘리기 위해서 비발열 영역의 판형상 세라믹체(2)의 두께를 크게 함으로써 비발열 영역의 열용량을 조정할 수 있다.
그리고, 판형상 세라믹체(2)의 외접원의 직경(D)이 판형상 세라믹체(2) 직경(DP)의 90~99%이면 더욱 바람직하다.
저항 발열체(5)의 외접원(C)의 직경(D)이 판형상 세라믹체(2)의 직경(DP) 90%보다 작으면 비발열 영역이 너무 크므로 웨이퍼를 급속히 승온하거나 급속히 강온시키는 시간이 커져 웨이퍼(W)의 온도 응답 특성이 저하된다. 또한, 판형상 세라믹체(2)의 직경(DP)이 커지고, 균일하게 가열할 수 있는 웨이퍼(W)의 크기가 판형상 세라믹체(2)의 직경(DP)과 비교해 작아져 웨이퍼(W)를 가열하는 전력에 대한 웨이퍼 가열 효율이 나빠진다. 또한, 판형상 세라믹체(2)가 커지므로 웨이퍼 제조장치의 설치 면적이 커져 최소의 설치 면적으로 최대의 생산을 실시할 필요가 있는 반도체 제조장치의 설치 면적에 대한 가동률을 저하시켜 바람직하지 않다.
저항 발열체(5)의 외접원(C) 직경(D)이 판형상 세라믹체(2) 직경(DP)의 99% 보다 크면 비발열 영역이 너무 작으므로 온도가 낮은 웨이퍼(W)를 온도가 높은 웨이퍼 가열면(3)에 탑재하면 웨이퍼(W)의 주변 온도가 저하되어 웨이퍼(W)면 내의 온도차가 작은 상태로 웨이퍼(W) 온도를 높일 수 없는 염려가 있기 때문이며, 접촉 부재(17)와 저항 발열체(5)의 외주의 간격이 작고 저항 발열체(5)의 외주부로부터 열이 접촉 부재(17)로 불균일하게 흐르고, 특히, 외주부의 저항 발열체(5)의 대칭성이 무너져 누락되어 있는 미소한 부분으로부터도 열이 흘러 온도가 저하되어 웨이퍼(W)의 정상시의 면내 온도차를 크게 할 염려가 있다.
보다 바람직하게는, 저항 발열체(5)의 외접원(C)의 직경(D)이 판형상 세라믹체(2) 직경(DP)의 92~97%이다.
특히, 판형상 세라믹체(2)와 케이스(19)의 외형이 대략 동등하고, 판형상 세라믹체(2)를 아래로부터 케이스(19)가 지탱하는 도 1의 세라믹 히터(1)의 경우, 웨이퍼(W)의 면내의 온도차를 작게 하려면, 저항 발열체(5)의 외접원(C)의 직경(D)이 판형상 세라믹체(2) 직경(DP)의 92~95%이며, 더욱 바람직하게는 93~95%이다.
한편, 판형상 세라믹체(2)의 주변의 단면을 둘러싸도록 케이스(19)가 접속된 도 6의 세라믹 히터의 경우에는 저항 발열체(5)의 외접원(C)의 직경(D)이 판형상 세라믹체(2) 직경(DP)의 95~98%가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 96~97%이다.
또한, 상기와 같이 비가열 영역의 폭으로 열용량을 조정할 수가 있는 한편, 비발열 영역의 축열량을 늘리기 위해서 비발열 영역의 판형상 세라믹체(2)의 두께를 크게 함으로써 비발열 영역의 열용량을 크게 하여 웨이퍼(W)의 주변 온도 저하를 막을 수도 있다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터(1)는 판형상 세라믹체(2)의 주변의 하면에 케이스(19)를 접속하거나 판형상 세라믹체(2) 주변의 단면에서 케이스로 접속한 예로 설명하였지만, 주변의 하면과 주변의 단면 양쪽 동시에 케이스(19)와 접속해 상기 취지를 일탈하지 않는 범위의 세라믹 히터(1)를 포함하는 것은 당연하다.
또한, 이러한 효과를 효율좋게 발현시키는데는 띠형상의 저항 발열체(5)의 막두께를 5~70㎛로 하는 것이 바람직하다.
띠형상의 저항 발열체(5)의 막두께가 5㎛를 밑돌면, 띠형상의 저항 발열체(5)를 스크린 인쇄법으로 막두께를 균일하게 인쇄하는 것이 곤란해지기 때문이며, 또한, 띠형상의 저항 발열체(5)의 두께가 70㎛를 넘으면 외접원(C)에 대해서 띠형상의 저항 발열체(5)가 차지하는 면적의 비율을 50% 이하로 해도 띠형상의 저항 발열체(5)의 두께가 크고, 저항 발열체(5)의 강성이 커져 판형상 세라믹체(5)의 온도 변화에 의해 띠형상의 저항 발열체(5)의 신축에 의한 영향으로 판형상 세라믹체(2)가 변형되거나 스크린 인쇄에 의해 균일한 두께로 인쇄하는 것이 어렵고 웨이퍼(W) 표면의 온도차가 커지거나 할 염려가 있기 때문이다. 또한, 바람직한 띠형상의 저항 발열체(5)의 두께는 10~30㎛로 하는 것이 좋다.
이어서, 본 발명의 세라믹 히터(1)의 기타 구성에 대해 설명한다. 케이스(19)에 상기 판형상 세라믹체(2)를 냉각하는 노즐(24)을 구비하며, 상기 케이스(19)의 열용량은 상기 판형상 세라믹체(2)의 열용량의 0.5~3.0배인 것을 특징으로 한다.
케이스(19)의 열용량이 판형상 세라믹체(2)의 열용량의 0.5배를 밑돌면, 노 즐(24)로부터 분사된 냉각 가스가 판형상 세라믹체(2)에 부딪혀 판형상 세라믹체(2)의 열을 빼앗아 가열된 냉각 가스의 열이 케이스(19)에 유지되는 양이 너무 작아 적당히 판형상 세라믹체(2)의 열을 축적할 수 없으므로 판형상 세라믹체(2)의 온도를 저하시키는 효과가 작다.
케이스(19)의 열용량이 판형상 세라믹체(2)의 열용량의 3.0배를 넘으면 케이스(19)의 열용량이 너무 크므로 판형상 세라믹체(2)의 열을 케이스(19)에 냉각 가스를 통해서 축적할 수는 있지만, 판형상 세라믹체(2)를 가열할 때에 판형상 세라믹체(2)로부터의 복사열이 케이스(19)에 과잉으로 전해져 판형상 세라믹체(2)를 가열해도 승온속도가 작아질 염려가 있었다. 바람직하게는 케이스(19)의 열용량은 판형상 세라믹체(2)의 열용량의 0.7~1.2배이며, 더욱 바람직하게는 0.9~1.2배였다. 이러한 범위의 열용량으로 함으로써 판형상 세라믹체(2)의 열이 노즐(24)로부터 분사된 냉각 가스를 통해서 케이스(19)로 전해짐과 동시에 외부에 효율적으로 배출된다. 특히 금속 케이스의 열용량이 판형상 세라믹체(2)의 열용량에 가까우면 판형상 세라믹체(2)의 열의 대략 절반이 금속 케이스에 전해져 금속 케이스의 외면으로부터 방산됨으로써 판형상 세라믹체(2)의 온도가 내려가기 쉬운 것을 알 수 있었다. 그리고, 가열한 판형상 세라믹체(2)의 열을 효율적으로 제거할 수가 있으므로, 판형상 세라믹체(2)의 온도를 급격하게 내릴 수 있음과 동시에, 판형상 세라믹체(2)를 저항 발열체(5)로 가열할 때에 효율적으로 급속히 승온시킬 수 있다.
케이스(19)의 열용량에 대한 판형상 세라믹체(2)의 열용량의 배율을 변경하려면 케이스(19)의 열용량을 변경하여 조정하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 질화 규소나 질화 알루미늄제의 크기가 같은 판형상 세라믹체(2)에서는 탄화규소보다 질화 알루미늄의 열용량이 수%에서 10% 정도 크지만, 본 발명의 판형상 세라믹체(2)의 외형이나 두께는 대략 동일하므로 판형상 세라믹체(2)의 열용량을 크게 변경하는 것이 곤란하다. 그러나, 케이스(19)의 금속 판두께나 케이스(19)의 깊이를 조정하거나 재질을 변경함으로써 케이스(19)를 매우 적합한 열용량으로 조절할 수 있기 때문이다.
또한, 세라믹 히터(1)의 온도상승 시간이나 냉각 시간을 단축하는데는 상기 케이스(19)의 표면적(S)(cm2)과 상기 케이스(19)의 체적(V)(cm3)의 비율(S/V)이 5~50(1/cm)이면 더욱 효율적으로 판형상 세라믹체(2)를 가열하거나 냉각할 수가 있으므로 바람직한 것이 판명되었다.
비율(S/V)이 5(1/cm)를 밑돌면 케이스(19)의 체적(V)에 대한 표면적(S)의 비율이 작으므로, 케이스(19)의 표면으로부터 흡수된 열이 케이스(19)의 밖으로 방산되는 효율이 나쁘고, 또한, 열이 케이스(19)에 남기 쉽다. 판형상 세라믹체(2)를 가열하면 방사열이 케이스(19)에 흡수되기 쉬워져 판형상 세라믹체(2)를 급속히 승온시키는 것이 어려워지기 때문이다.
비율 S/V가 50(1/cm)을 넘으면, 노즐(24)로부터 분사되어 판형상 세라믹체(2)에 부딪혀 열을 빼앗은 냉각 가스가 케이스(19)에 의하여 효율적으로 냉각되지 않으며, 냉각 가스의 열이 케이스(19)에 전달되어 케이스(19)의 온도가 급격히 상승되어 판형상 세라믹체(2)의 열을 효율적으로 냉각할 수 없기 때문에 판형상 세라 믹체(2) 전체의 온도를 낮추기까지의 냉각 시간이 커질 우려가 있었다.
비율 S/V는 바람직하게는 11~20(1/cm)이며, 더욱 바람직하게는 13~15(1/cm)이었다.
이어서, 비율 S/V를 상기의 범위 내가 되도록 조정하는 구체적인 방법에 대하여 기술한다. 일반적으로 케이스(19)의 금속 판두께를 크게 하면 S/V는 작아지고, 바람직하게는 케이스(19)의 측벽의 두께는 0.5~3mm, 바닥판의 두께는 1~5mm이다. 더욱 바람직하게는 측벽의 두께는 0.5~2mm이고 바닥판의 두께는 1~3mm이다. 또한, 케이스 (19)의 외주에 요철을 마련하여 케이스(19)의 표면을 크게 함으로써 비율(S/V)을 상기의 적합한 범위가 되도록 조정할 수 있다.
또한, 여기서, 케이스(19)는 세라믹 히터(1)의 외표면을 형성하는 부품 중 판형상 세라믹체(2)와 접촉 부재(17)를 제외하고 외표면이 금속으로 이루어지는 금속 부품을 나타낸다.
또한, 노즐(24)로부터 분사된 냉각 가스는 판형상 세라믹체(2)의 하면에 부딪혀 판형상 세라믹체(2)의 하면을 따라 방사형상으로 퍼져 케이스(19)나 케이스(19)에 설치된 부재에 충돌하여 진로를 바꾸고 케이스(19)의 하면(21)의 배출구멍(23)으로부터 세라믹 히터(1)의 외부로 방출된다. 그리고, 상기 냉각 가스는 판형상 세라믹체(2)의 열을 빼앗아 일부의 열을 케이스(19)에 전달하며, 그리고 냉각 가스는 배출된다. 그리고, 케이스(19)에 전달된 판형상 세라믹체(2)의 일부의 열은 효율적으로 케이스(19)의 외측으로부터 방산된다. 노즐(24)로부터 분사된 냉각 가스는 판형상 세라믹체의 하면에 강하게 충돌함으로써 판형상 세라믹체(2)의 열을 효율적으로 빼앗을 수 있다, 그리고 가열된 냉각 가스는 케이스(19)에 열을 전달하면서 배출되지만, 노즐(24)로부터 분사되는 냉각 가스의 유속을 높여 효율 좋게 배출하려면 복수 설치된 노즐(24)의 개구부(24a)의 총면적(S1)에 대하여, 1000~3200배의 면적(S)을 구비한 배출구멍(23)을 가지는 것이 바람직하다.
노즐(24)의 개구부(24a)의 총면적 (S1)에 대하여 (S2)의 면적이 1000배 이하에서는 배출구멍(23)이 작기 때문에 노즐(24)로부터 분사하는 냉각 가스의 돌출량이 감소하여 판형상 세라믹체(2)를 냉각하는 효율이 작아지므로 바람직하지 않다.
또한, 노즐(24)의 개구부(24a)의 총면적 (S1)에 대하여 (S2)의 면적이 3200배를 넘으면 판형상 세라믹체(2)에 의하여 가열된 냉각 가스의 열이 케이스(19)로 전달되는 양이 감소하여 판형상 세라믹체(2)를 냉각하는 효과가 작아진다.
따라서, 노즐(24)의 개구부(24a)의 총면적(S1)에 대하여 1000~3200배의 면적(S2)을 구비한 배출구멍(23)이라면 효율적으로 판형상 세라믹체(2)에 냉각 가스를 부딪혀 판형상 세라믹체(2)와 케이스(19)로 둘러싸는 공간에 냉각 가스를 순환시켜 배출구멍(23)으로부터 배출할 수 있다. 바람직하게는 (S2)는 (S1)의 1500~2500배이다. 더욱 바람직하게는 1700~2300배이다.
또한, 상기와 같이 냉각 가스를 내보내면 케이스(19)와 판형상 세라믹체(2)가 둘러싸는 공간과 그 외부 공간의 압력차(P)는 50~13kPa로 할 수 있기 때문에 뛰어난 냉각 특성이 얻어진다.
압력차(P)가 50Pa 이하에서는 냉각 가스의 유량이 작어 판형상 세라믹체(2)를 단시간에 냉각할 수 없다.
압력차(P)가 13kPa를 넘으면 내부 압력이 커서 판형상 세라믹체(2)와 금속 케이스로 둘러싸는 공간이 확대되고 용적이 커져, 판형상 세라믹체와 케이스(19)의 위치가 어긋나 판형상 세라믹체(2)에 탑재한 웨이퍼의 온도 분포가 변경될 우려가 있었다.
바람직하게는 압력차(P)는 100Pa~1kPa이며, 더욱 바람직하게는 200Pa~500Pa이었다.
또한, 저항 발열체(5)는 웨이퍼 가열면(3)으로부터 일정한 거리에 설치되어 저항 발열체(5)의 대향 간격(S)이 판형상 세라믹체(2)의 판두께(t)의 5배 이하가 되도록 설계하는 것이 필요하다.
또한, 직경 200mm를 넘는 대형 웨이퍼(W)를 균일하게 또한 고온까지 가열할 수 있도록 설치하려면 대향 간격(S)은 0.5mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
여기서, 대향 간격(S)이란, 도 7, 8에 도시하는 바와 같이, 저항 발열체(5)의 외접원 중에서 저항 발열체(5)의 띠에 접하는 최대 원의 직경으로 나타낼 수 있다.
상기 간격(S)이 판형상 세라믹체(2)의 판압(板壓)(t)의 5배를 넘으면 간격(S)의 중심 부근의 온도가 저하되어 판형상 세라믹체(2)의 웨이퍼 가열면(3)에 탑재된 웨이퍼(W)에 냉각점(cool spot)이 발생할 우려가 있기 때문이다. 또한, 간격(S)이 0.5mm를 밑돌면 스크린 인쇄법으로 저항 발열체(5)를 인쇄하면 잉크의 번짐 등의 영향으로 저항 발열체(5)의 띠와 띠가 단락(short circuit)할 우려가 생겨 웨이퍼(W)의 면내 온도차를 작게 할 수 없기 때문이다.
이어서, 급전부(6)에 통전하여 저항 발열체(5)를 발열시키고, 판형상 세라믹체(2)를 개재하여 웨이퍼 가열면(3) 상의 웨이퍼(W)를 가열하지만, 본 발명에 의하면, 세라믹 히터(1)에 판형상 세라믹체(2)를 지지하는 접촉 부재(17)를 개재하여 바닥이 있는 케이스(19)와 접속하고 있기 때문에 판형상 세라믹체(2)에 접속한 접촉 부재(17)에 의하여 판형상 세라믹체(2)의 열이 필요 이상으로 빠져나가는 일 없이 운전할 수 있기 때문에 판형상 세라믹체(2)를 유효하게 단시간에 균열화하여 웨이퍼(W)의 온도를 균일하게 가열할 수 있다.
또한, 판형상 세라믹체(2)를 탄화규소질 소결체 또는 질화알루미늄질 소결체로 형성해 두기 때문에 영률(Young's modulus)이 200GPa 이상으로 크게 열을 가해도 변형이 작고, 판두께를 얇게 할 수 있기 때문에 소정의 처리 온도로 가열하기까지의 승온 시간 및 소정의 처리 온도로부터 실온 부근으로 냉각하기까지의 냉각 시간을 짧게 할 수 있고, 생산성을 높일 수가 있는 동시에, 판형상 세라믹체(2)는60W/(m·K) 이상의 열전도율을 가지기 때문에 얇은 판두께로도 저항 발열체(5)의 줄열(Joule heat)을 빠르게 전달할 수 있다.
이와 같이, 판형상 세라믹체(2)의 열용량을 작게 하면 바닥이 있는 케이스(19)로부터의 열 끌어들임에 의하여 판형상 세라믹체(2)의 온도 분포가 나빠진다. 그래서, 바닥이 있는 케이스(19)가 판형상 세라믹체(2)를 그 외주부에서 유지하는 구조로 하고 있다.
(공극을 구비한 저항 발열체)
본 발명에 의한 세라믹 히터에 있어서, 이하에 설명하는 공극을 저항 발열체 내에 배합하여도 좋다.
이하, 본 발명에 의한 공극과 배합된 저항 발열체의 실시 형태에 대하여 설명한다.
본 발명의 세라믹 히터(1)는 큰 전력을 인가하여 급속히 소정 온도까지 가열하고, 또한, 냉각 시에는 세라믹 히터(1)의 가열면(3)과 반대측의 표면에 에어를 분출하여 강제적으로 냉각한다고 하는 열사이클이 가해지지만, 본 발명의 세라믹 히터(1)는 판형상 세라믹체(2)와 상기 저항 발열체(5)의 계면을 따라 상기 저항 발열체(5)에 공극(7)을 구비함으로써 판형상 세라믹체(2)와 상기 저항 발열체(5)의 열팽창계수의 미묘한 차이로부터 생기는 판형상 세라믹체(2)와 저항 발열체(5)의 사이의 접합계면의 열응력을 완화하는 효과가 있는 것을 발견하였다.
도 13b는 도 13a의 저항 발열체(5)와 판형상 세라믹체(2)의 사이인 접합계면의 확대도이다. 도 13b에 도시하는 공극(7)이 없으면 세라믹 히터(1)를 급속 승온하거나 급속 냉각을 반복하면 상기 접합계면에 열응력이 반복적으로 발생하기 때문에 크랙이 발생하여 세라믹 히터(1)의 가열면(3)에 놓여진 웨이퍼(W)의 면내 온도차가 커지거나, 저항 발열체(5)가 박리되어 세라믹 히터(1)로서 기능하지 않게 될 우려가 있었다.
또한, 도 14a에 도시하는 바와 같은 판형상 세라믹체(2)에 유리층 등의 절연층(4)을 형성하고, 그 위에 저항 발열체(5)를 형성한 세라믹 히터(1)에 있어서도, 도 14b와 같이, 판형상 세라믹체(2)와 절연층(4)의 계면을 따라 상기 절연층에 공극(7)을 마련함으로써 절연층(4)과 판형상 세라믹체(2)의 사이에 크랙이 발생하거 나 박리될 우려가 없어진다. 이것은, 공극(7)이 접합계면에 존재하기 때문에 판형상 세라믹체(2)와 절연층(4)의 사이의 열팽창계수의 차이로부터 생기는 열응력을 완화하는 작용을 발생시키는 것으로 생각된다.
상기 공극(7)은 그 단면에 있어서 공극(7)이 차지하는 면적과 동등한 면적이 되는 원의 직경으로 공극(7)의 크기를 구할 수 있다. 그리고, 공극(7)의 크기가 0.05~50㎛이면 상기 열응력이 반복적으로 접합계면에 작용하고, 접합계면에 크랙을 발생시키는 일이 없다. 공극(7)의 크기가 0.05㎛를 밑돌면 접합계면에 작용하는 반복 열응력에 의하여 접합계면에 크랙이 발생할 우려가 있고, 또한 공극(7)의 크기가 50㎛를 넘으면 공극(7) 자체가 크랙의 발생 원인이 되어 접합계면의 크랙의 발생을 억제하는 효과가 작다. 바람직하게는 상기 공극(7)의 크기는 3~20㎛가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5~15㎛이다. 여기서, 공극(7)의 크기는 판형상 세라믹체(2)의 주면에 수직으로, 판형상 세라믹체(2)와 절연층(4) 또는 저항 발열체(5)의 사이의 단면을 연마 가공하고, 단면의 200, 500, 1000, 5000, 10000, 100000배의 8×10cm의 SEM 사진 각 1매로부터 사진 상의 0.5mm 이상의 공극을 모두 인출하여 각 공극(7)이 차지하는 점유 면적에 상당하는 원의 직경으로서 판독할 수 있다.
또한, 상기 공극(7)의 크기의 평균치가 1~30㎛인 것이 바람직하다. 공극(7)의 크기의 평균치란 절연층(4)에 대체로 직각인 단면의 200, 500, 1000, 5000, 10000, 100000배의 8×10cm의 SEM사진 각 1매로부터 사진 상의 0.5mm 이상의 공극을 모두 인출하여 실제 크기가 0.05㎛ 이상인 공극(7)이 차지하는 점유 면적에 상당하는 원의 직경(Di)을 구하고, Di의 평균치로서 LUZEX 화상처리장치 등을 사용하 여 구할 수 있다. 공극(7)의 크기의 평균치가 1㎛를 밑돌면 세라믹 히터(1)를 반복적으로 급속한 승온 강온의 열사이클을 가하면 열응력을 완화시키는 효과가 작아 크랙이 발생하고 신장이 용이해져, 내구성이 떨어진다. 또한, 평균치가 30㎛를 넘으면 발생한 크랙의 신장이 빨라지고, 미소 크랙이 발생하면 곧바로 접합계면이 박리되거나 탈락할 우려가 있다.
또한, 상기 공극(7)이 상기 단면의 SEM 사진에 있어서 원형인 것이 바람직하다. 공극(7)의 단면이 원형이면 크랙이 발생하여도 크랙이 공극(7)을 가로지를 때에 공극(7)의 내면에서 크랙의 신장을 방지하는 작용이 가해져 크랙의 신장을 방지하는 역할을 수행할 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명과 같은 판형상 세라믹체(2)에 저항 발열체(5)나 절연층(4)을 형성하면 상기의 공극(7)은 접합계면을 따라 대체로 직선형상으로 분포하지만, 직선 상에 분포한 공극(7)의 선(線)밀도가 1000~500000개/m인 것이 바람직하다.
여기서, 선밀도란 판형상 세라믹체(2)와 저항 발열체(5)의 사이의 접합계면이나 절연층(4)과의 접합계면의 단면 SEM 사진을 200배, 500배, 1000배, 5000배, 10000배로 각 3매 촬영하고, 각각 사진 상의 접합계면에 따른 길이 10cm의 띠형상의 영역에서, 각 사진 상에서 0.5mm 이상의 공극(7)의 수를 10cm에 상당하는 실제 크기로 제거하여 구한 수치 중에서 가장 큰 값을 선밀도로 하였다.
공극(7)의 선밀도가 1000개/m를 밑돌면 접합계면에 생긴 미소 크랙의 신장을 방지하는 효과가 작으므로 바람직하지 않다. 한편, 공극(7)의 선밀도가 500000개/m를 넘으면 공극(7)의 밀도가 너무 커지기 때문에 접합계면의 열전도율이 저하됨과 동시에 접합계면의 강도가 저하되어, 가열면(3)을 균일하게 가열하는 것이 어려워짐과 동시에, 미소 크랙이 발생하면 곧바로 크랙이 접합계면 전체에 퍼져 바람직하지 않은 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 공극(7)을 판형상 세라믹체(2)로 절연층(4)이나 저항 발열체(5)의 계면을 따라 마련하려면, 질화물이나 탄화물로 이루어지는 판형상 세라믹체(2)의 표면 산화막을 대기보다 낮은 산화 분압 분위기나 낮은 온도에서 형성하거나, 판형상 세라믹체(2)의 주면에 미립의 Si3N4 등의 발포제를 도포하여 절연층(4)이나 저항 발열체(5)를 형성함으로써 소정의 공극(7)을 마련할 수 있다.
상기 도전성 입자에 둘러싸인 절연성 조성물의 괴 및/또는 공극을 배합한 저항 발열체를, 도 19~21에 도시하는 바와 같은 종래형의 배선 패턴으로 세라믹 히터에 맞추어도 되지만, 이하에 나타내는 바와 같은 배선 패턴(예를 들어 도 16 또는 18에 나타낸 배선 패턴)으로 세라믹 히터에 맞추면 추가적으로 세라믹 히터의 균열성을 향상시킬 수 있다.
(저항 발열체의 배선 패턴)
본 발명의 세라믹 히터(1)는 판형상 세라믹체(2)의 내부 또는 주면에 형성된 띠형상의 저항 발열체(5)의 형태가, 도 16에 도시하는 바와 같이, 거의 동일 선폭을 가지는 원호형상의 띠(5i~5p)와 되돌아오는 소(小) 원호형상의 띠(5q~5ｖ)를 연속하게 하여 대체로 동심원형상으로 구성하여 둔다. 즉, 저항 발열체(5)는 거의 등간격으로 대체로 동심원을 구성하도록 배치한 반경이 다른 원호형상의 띠(5i~5p) 와, 반경 방향에 인접하는 원호형상의 띠(5i~5p) 간을 접속하여 직렬 회로를 형성하는 되돌아오는 소 원호형상의 띠(5q~5v)로 이루어지며, 원호형상의 띠(5i, 5j)의 단부(端部)를 급전부(6)로 하여 둔다. 그 때문에, 원호형상의 띠(5i)와 원호형상의 띠(5j), 원호형상의 띠(5k)와 원호형상의 띠(5m), 원호형상의 띠(5n)와 원호형상의 띠(5o), 및 원호형상의 띠(5p)가 각각 원을 구성하도록 배치되고 각 원이 동심원형상으로 배치되어 있기 때문에, 저항 발열체(5)를 발열시키면, 웨이퍼 가열면(3)의 온도 분포를 중심으로부터 주연(周緣)부를 향하여 동심원형상으로 분포시킬 수 있다.
또한, 반경 방향에 인접하는 원호형상의 띠(5i, 5j)와 원호형상의 띠(5k, 5m), 원호형상의 띠(5k, 5m)와 원호형상의 띠(5n, 5o), 원호형상의 띠(5n, 5o)와 원호형상의 띠(5p)의 거리(L4, L5, L6)를 각각 거의 등간격으로 배치하여 두어, 각 원호형상의 띠(5i~5p)에 있어서의 단위 체적 당의 발열량을 동일하게 할 수 있기 때문에, 웨이퍼 가열면(3)에 있어서의 반경 방향의 발열 얼룩을 억제할 수 있다.
또한, 동일 원주 상에 위치하는 한 쌍의 되돌아오는 소 원호형상의 띠(5q)와 되돌아오는 소 원호형상의 띠(5r), 되돌아오는 원호형상의 띠(5s)와 되돌아오는 소 원호형상의 띠(5t), 되돌아오는 소 원호형상의 띠(5u)와 되돌아오는 소 원호형상의 띠(5v)의 각 거리(L1, L2, L3)는 반경 방향에 인접하는 원호형상 패턴(5i~5p) 간의 각 거리(L4, L5, L6)에 대응하여 작게 하는 것이 중요하다.
즉, 웨이퍼 가열면(3)의 균열성을 높이기 위해서는 원호형상의 띠(5i~5p) 뿐만 아니라, 되돌아오는 소 원호형상의 띠(5q~5v)에 있어서의 단위 체적 당의 발열 량도 동일하게 할 필요가 있으며, 통상, 동일 원주 상에 위치하는 한 쌍의 되돌아오는 소 원호형상의 띠(5q~5v) 간의 거리(L1, L2, L3)는 반경 방향에 인접하는 원호형상의 띠(5i~5p) 간의 거리(L4, L5, L6)와 같은 거리가 되도록 설계되지만, 이와 같은 패턴 형상에서는 원호형상의 띠(5i~5p)와 되돌아오는 소 원호형상의 띠(5q~5v)의 되돌아오는 부(部)(P5)의 주변의 발열 밀도가 작아지기 때문에, 되돌아오는 부(P5)의 외측의 온도가 저하되어 웨이퍼(W)면 내의 온도차가 커져 균열성이 손상되게 된다. 이에 대하여, 본 발명은 동일 원주 상에 위치하는 한 쌍의 되돌아오는 소 원호형상의 띠(5q~5v) 간의 각 거리(L1, L2, L3)를 반경 방향에 인접하는 원호형상의 띠(5i~5p) 간의 각 대응하는 거리(L4, L5, L6)보다 작게 하여 두기 때문에, 되돌아오는 부(P5)의 발열량이 대립되는 되돌아오는 소 원호형상의 띠(5q~5v)로부터의 발열로 보충되어 왕복부(P5)에서의 온도 저하를 억제할 수 있기 때문에, 웨이퍼 가열면(3)에 탑재한 웨이퍼(W)의 면내 온도차를 작게 할 수 있으며, 균열성을 높일 수 있다.
특히, 원주 상에 위치하는 한 쌍의 되돌아오는 소 원호형상의 띠(5q~5v) 간의 거리(L1, L2, L3)를 반경 방향에 인접하는 원호형상의 띠(5i~5p) 간의 각 대응하는 거리(L4, L5, L6)의 30%~80%로 하면, 웨이퍼 가열면(3)에 있어서의 균열성을 가장 크게 높일 수 있다. 더욱 바람직하게는 L1, L2, L3의 각각은 대응하는 L4, L5, L6의 40~60%이면 된다.
또한, 본 발명의 저항 발열체(5)는 원호형상의 띠(5i~5p)와 되돌아오는 소 원호형상의 띠(5q~5v)로 이루어짐으로써 종래의 장방형의 되돌아오는 저항 발열체 와 비교하여 에지부에 과도의 응력이 작용할 우려가 적고, 세라믹 히터(1)를 급격히 온도상승이나 저하시켜도 판형상 세라믹체(2)나 저항 발열체(5)가 파손될 우려가 작아져 신뢰성이 높은 세라믹 히터(1)를 제공할 수 있다.
또한, 상기의 저항 발열체(5)는 판형상 세라믹체에 매설된 경우에는 효과가 큰 것과 아울러, 판형상 세라믹체(2)의 다른 쪽의 주면에 띠형상의 저항 발열체(5)를 배설한 경우에도 같은 효과가 있다. 특히, 다른 쪽의 주면에 띠형상의 저항 발열체(5)가 형성된 경우에는 그 저항 발열체(5) 상에 오버코팅한 절연막이 형성된 경우에 판형상 세라믹체(2)나 저항 발열체(5)가 파손되는 것을 방지하는 효과가 커서 바람직하다.
또한, 상기 저항 발열체는 동심원형상으로 독립적으로 가열할 수 있는 복수의 발열체로 이루어지며, 동심원형상의 최외주의 저항 발열체의 띠와 그 내측의 띠의 간격이 상기 최외주의 독립된 저항 발열체를 제외한 저항 발열체의 동심원형상의 띠의 간격보다 작은 것을 특징으로 한다. 이와 같이 저항 발열체 (5)를 형성함으로써 판형상 세라믹체(2)의 외주부로부터 보다 많이 방산되는 열의 보충이 용이해지며, 웨이퍼(W)면의 주변의 온도 저하를 방지할 수 있기 때문에 보다 바람직하다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터(1)는 웨이퍼(W)의 웨이퍼 가열면(3)에 대응하여 동심원의 3개의 원고리형상의 저항 발열체 영역(4)으로 분할하는 것이 보다 바람직하다. 원판형상의 웨이퍼(W)의 표면을 균일하게 가열하려면 웨이퍼(W) 주변의 분위기나 웨이퍼(W)에 대항하는 벽면이나 가스의 흐름의 영향을 받지만, 원판형상 의 웨이퍼(W)의 표면 온도의 불균형을 없애기 위해 웨이퍼(W)의 주위나 상면의 대항면이나 가스의 흐름은 웨이퍼(W)에 대하여 중심 대칭이 되도록 설계되어 있기 때문이다. 웨이퍼 (W)를 균일하게 가열하려면 웨이퍼(W)에 대하여 중심 대칭인 상기 환경에 맞춘 세라믹 히터(1)가 필요하며, 웨이퍼 가열면(3)을 중심 대칭으로 분할하여 저항 발열체 영역(4)을 형성하는 것이 바람직하다.
특히, 300mm 이상의 웨이퍼(W)의 표면 온도를 균일하게 가열하려면 동심원의 원고리형상의 저항 발열체 영역은 3개인 것이 바람직하다.
도 17(a)는 본 발명의 저항 발열체 영역(4)을 나타낸다. 저항 발열체 영역(4)은 판형상 세라믹체(2)의 한쪽의 주면에 복수의 저항 발열체 영역(4)을 구비하고, 중심부에 원형의 저항 발열체 영역(4a)과 그 외측의 동심원의 3개의 원고리 내에 저항 발열체 영역(4b, 4cd)과, 저항 발열체 영역(4eh)을 구비한다. 웨이퍼(W)의 균열성을 개선하기 위해 저항 발열체(5)를 4개의 저항 발열체 영역에 대응하여 분할하고 있다.
또한, 본 발명의 상기 세라믹 히터(1)의 중심부의 저항 발열체 영역(4a)의 외경(D1)은 외주부의 저항 발열체 영역(4eh)의 외경(D)의 20~40%이며, 그 외측의 저항 발열체 영역(4bc)의 외경(D2)은 외주부의 저항 발열체 영역의 외경(D)의 40~55%이며, 최외주의 저항 발열체 영역의 내경(D3)은 최외주의 저항 발열체 영역의 외경(D)의 55~85%로 하면 웨이퍼(W)의 면내 온도차를 작게 할 수 있으므로 바람직하다.
또한, 외주부의 저항 발열체 영역(4eh)의 외경(D)이란, 판형상 세라믹체(2) 의 다른 쪽의 주면에 평행인 투영면으로 보아, 상기 저항 발열체 영역(4eh)을 구성하는 저항 발열체(5eh)를 둘러싸는 외접원의 직경이다. 또한, 마찬가지로 저항 발열체 영역(4b)의 외경(D2)이란, 상기 저항 발열체 영역(4b)을 구성하는 저항 발열체(5b)에 외접하는 원의 직경이다. 또한, D3은 저항 발열체(5cd)에 내접하는 원의 직경이다. 또한, 외접원은 급전부에 접속하는 저항 발열체의 돌출부는 제외하고 동심원형상의 원호를 따라 구할 수 있다.
외경(D1)이 D의 20% 미만에서는 중심부의 저항 발열체 영역(4a)의 외경이 너무작기 때문에 저항 발열체 영역(4a)의 발열량을 크게 하여도, 저항 발열체 영역(4a)의 중심부의 온도가 상승하지 않고 중심부의 온도가 저하될 우려가 있기 때문이다. 또, 외경(D1)이 40%를 넘으면 중심부의 저항 발열체 영역(4a)의 외경이 너무 크기 때문에 중심부의 온도를 올렸을 때에 저항 발열체 영역(4a)의 주변부의 온도도 상승하여, 저항 발열체 영역(4a)의 주변부의 온도가 너무 높아질 우려가 있기 때문이다. 또한, 바람직하게는, 외경(D1)은 외경(D)의 20~30%이며, 더욱 바람직하게는, 외경(D1)은 D의 23~27%로 함으로써 웨이퍼(W)의 면내 온도차를 추가적으로 작게 할 수 있다.
또한, 외경(D2)이 외경(D)의 40% 미만에서는 세라믹 히터(1)의 주변부가 냉각되기쉽기 때문에 웨이퍼(W) 주변의 온도의 저하를 막으려고 저항 발열체 영역(4cd)의 발열량을 증대했을 때에, 웨이퍼(W)의 중심에 가까운 저항 발열체 영역(4cd)의 내측의 온도가 높아져 웨이퍼(W)의 면내 온도차가 커질 우려가 있었다. 또, 외경(D2)이 외경(D)의 55%를 넘으면 웨이퍼(W) 주변의 온도의 저하를 막으려고 저항 발열체 영역(4cd)의 발열량을 크게 하여도 저항 발열체 영역(4cd)의 온도는 상승하지만, 웨이퍼(W) 주변의 온도의 저하로 인한 영향이 저항 발열체 영역(4b)에 도달하여, 저항 발열체 영역(4b)의 외측의 온도가 낮아질 우려가 있었다. 바람직하게는, 외경(D2)이 외경(D)의 41%~53%이며, 더욱 바람직하게는 43~49%로 하면 웨이퍼(W)의 면내 온도차는 추가적으로 작게 될 수 있었다.
또한, 외경(D3)이 외경(D)의 55% 미만에서는 세라믹 히터(1)의 주변부가 냉각되기 쉽기 때문에 웨이퍼(W) 주변의 온도의 저하를 막으려고 저항 발열체 영역(4eh)의 발열량을 증대했을 때에, 웨이퍼(W)의 중심에 가까운 저항 발열체 영역(4eh)의 내측 온도가 높아져, 웨이퍼(W)의 면내 온도차가 커질 우려가 있었다. 또한, 외경(D3)이 외경(D)의 85%를 넘으면 웨이퍼(W) 주변의 온도의 저하를 막으려고 저항 발열체 영역(4eh)의 발열량을 크게 하여도, 저항 발열체 영역(4eh)의 온도는 상승하지만, 웨이퍼(W) 주변의 온도의 저하로 인한 영향이 저항 발열체 영역(4cd)에 도달하여 저항 발열체 영역(4cd)의 외측의 온도가 낮아질 우려가 있었다. 바람직하게는, 외경(D3)이 외경(D)의 65%~85%이며, 더욱 바람직하게는 67~70%로 하면 웨이퍼(W)의 면내 온도차는 추가적으로 작게 할 수 있었다.
또한, 상기와 같이 복수의 저항 발열체(5)로 이루어지는 세라믹 히터(1)는 주위의 환경으로부터 생기는 좌우 전후의 미묘한 비대칭성이나, 대칭인 발열체의 두께 불균형을 보정할 수 있는 동시에, 웨이퍼(W)의 면내 온도차가 보다 작아지는 것을 알 수 있다.
도 17(b)는 본 발명의 세라믹 히터(1)의 저항 발열체 영역(4)의 일례를 나타 낸다. 3개의 원고리형상의 저항 발열체 영역(4b, 4cd, 4eh) 중, 가장 내측의 저항 발열체 영역(4b)은 원고리로 이루어지는 저항 발열체 영역(4b)이며, 그 외측의 저항 발열체 영역(4cd)은 원고리를 원주 방향으로 2등분한 2개의 부채형상의 저항 발열체 영역(4c, 4d)이며, 그 외측의 저항 발열체 영역(4eh)은 원고리를 원주 방향으로 4등분한 4개의 부채형상의 저항 발열체 영역(4e, 4f, 4g), 4h)으로 이루어져 있는 것이 웨이퍼(W)의 표면 온도를 균일하게 하는데 있어서 바람직하다.
상기 세라믹 히터(1)의 각 저항 발열체 영역(4a~4g)은 독립적으로 발열할 수 있고, 각 저항 발열체 영역(4a~4g)에 대응하여 저항 발열체(5a~5g)를 구비하고 있는 것이 바람직하다.
그러나, 영역(4a)과 영역(4b)은 세라믹 히터(1)의 외부 환경이기도 한 설치 장소가 빈번하게 변경되지 않으면 병렬 또는 직렬로 접속하여 하나의 회로로서 제어할 수도 있다. 이와 같은 구성으로 하는 것은 영역(4a와 4b)의 사이에 소정의 간격을 설정할 수 있기 때문에 웨이퍼(W)를 들어 올리는 리프트 핀이 관통하는 관통구멍을 설치할 수가 있기 때문에 바람직하다.
또한, 원고리형상의 저항 발열체 영역(4cd, 4eh)은 각각 방사 방향으로 2분할, 4분할했지만, 이에 한정되지 않는다.
도 17(b)의 저항 발열체 영역(4c, 4d)의 경계선은 직선이지만, 반드시 직선일 필요는 없고, 파선이어도 좋으며, 저항 발열체 영역(4c, 4d)이 동심원의 발열체 영역의 중심에 대하여 중심 대칭인 것이 바람직하다.
마찬가지로, 저항 발열체 영역의 4e와 4f, 4f와 4g, 4g와 4h, 4h와 4e의 각 각의 경계선도 반드시 직선일 필요는 없고, 파선이어도 좋으며, 동심원의 발열체 영역의 중심에 대하여 중심 대칭인 것이 바람직하다.
상기의 각 저항 발열체(5)를 인쇄법 등으로 제작하고, 저항 발열체(5)의 띠는 1~5mm의 건(巾)으로 두께가 5~50㎛로 형성하는 것이 바람직하다. 한번에 인쇄하는 인쇄면이 커지면 인쇄면의 좌우나 전후에서 스퀴지(squeegee)와 스크린의 사이의 압력의 차이로부터 인쇄 두께가 일정치 않게 될 우려가 생긴다. 특히, 저항 발열체(5)의 크기가 커지면 저항 발열체(5)의 좌우 전후의 두께가 달라 설계한 발열량에 불균형이 생길 우려가 있었다. 발열량에 불균형이 생기면 웨이퍼(W)의 면내 온도차가 커지므로 바람직하지 않다. 이 저항 발열체의 두께의 불균형으로부터 생기는 온도 불균형을 막으려면 하나의 저항 발열체로 이루어지는 외경이 큰 개개의 저항 발열체(5)를 분할하는 것이 유효한 것으로 판명되었다.
그래서, 웨이퍼(W) 웨이퍼 가열면(3)의 중심부를 제외한 동심원 고리형상의 저항 발열체 영역(4cd)은 좌우로 2분할하여, 추가적으로 큰 원고리형상의 저항 발열체 영역(4eh)은 4분할함으로써 저항 발열체 영역(4)에 있는 저항 발열체(5)의 인쇄할 크기를 작게 할 수가 있기 때문에, 저항 발열체 (5)의 각 부의 두께를 균일하게 할 수 있고, 또한 웨이퍼(W)의 전후 좌우의 미묘한 온도차를 보정하여 웨이퍼(W)의 표면 온도를 균일하게 할 수 있다. 또한, 추가적으로 각 저항 발열체(5)의 띠의 저항치를 미조정하기 위해서는 저항 발열체를 따라 레이저 등으로 긴 홈을 형성하여 저항치를 조정할 수도 있다.
또한, 도 18에 도시하는 저항 발열체(5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h)의 패 턴은 각각 되돌아오는 패턴으로 이루어진다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터(1)는 판형상 세라믹체(2)의 한쪽의 주면에 저항 발열체(5)를 구비한 세라믹 히터(1)로서, 도 18에 도시하는 바와 같이 판형상 세라믹체(2)의 외주부에 위치하는 상기 저항 발열체(5e, 5f, 5g, 5h)는 판형상 세라믹체(2)의 중심으로부터 먼 부위는 동심원형상을 한 원호형상의 띠(51)와, 이것들과 연속하게 하여 연결되어 있는 연결 패턴인 소 원호형상의 띠(52)로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 저항 발열체 (5)에 전력을 공급하는 급전부(6)와, 이 급전부(6)를 둘러싸는 금속 케이스(19)로 이루어지며, 상기 판형상 세라믹체(2)의 다른 쪽의 주면에 웨이퍼 가열면을 구비하여 한쪽의 주면에 평행한 투영면으로 보아, 상기 저항 발열체(5)의 외접원(C)의 직경(D)이 상기 판형상 세라믹체 (2)의 직경(DP)의 90~97%인 것이 바람직하다.
저항 발열체 (5)의 외접원(C)의 직경(D)이 판형상 세라믹체(2)의 직경(DP)의 90%보다 작으면 웨이퍼를 급속히 승온시키거나 급속히 강온시키는 시간이 커져 웨이퍼(W)의 온도 응답 특성이 떨어진다. 또한, 웨이퍼(W)의 주변부의 온도를 떨어뜨리지 않도록 웨이퍼(W)의 표면 온도를 균일하게 가열하려면, 직경(D)은 웨이퍼(W)의 직경의 1.02배 정도가 바람직하기 때문에 웨이퍼(W)의 크기에 대하여 판형상 세라믹체(2)의 직경(DP)이 커져 균일하게 가열할 수 있는 웨이퍼(W)의 크기가 판형상 세라믹체(2)의 직경(DP)과 비교하여 작아지며, 웨이퍼(W)를 가열하는 투입 전력에 대하여 웨이퍼(W)를 가열하는 가열 효율이 나빠진다. 또한, 판형상 세라믹체(2)가 커지기 때문에 웨이퍼 제조 장치의 설치 면적이 커지고, 최소의 설치 면적으로 최 대의 생산을 실시할 필요가 있는 반도체 제조장치의 설치 면적에 대한 가동률을 저하시키므로 바람직하지 않다.
저항 발열체(5)의 외접원(C)의 직경(D)이 판형상 세라믹체(2)의 직경(DP)의 97%보다 크면 접촉 부재(17)와 저항 발열체(5)의 외주의 간격이 작고 저항 발열체(5)의 외주부로부터 열이 접촉 부재(17)에 불균형하게 유입되며, 특히, 외주부의 외접원(C)에 접하는 원호형상 패턴(51)이 존재하지 않는 부분으로부터도 열이 유입되어 외주부의 원호형상 패턴(51)이 판형상 세라믹체(2)의 중심부로 구부러져 있기 때문에 저항 발열체(5)를 둘러싸는 외접원(C)을 따라 원호형상 패턴(51)이 결핍하는 부분(P)의 온도가 저하하여 웨이퍼(W)의 면내 온도차를 크게 할 우려가 있다. 보다 바람직하게는, 저항 발열체(5)의 외접원(C)의 직경(D)이 판형상 세라믹체(2)의 직경(DP)의 92~95%이다.
또한, 도 1에 도시하는 바와 같이 판형상 세라믹체(2)와 금속 케이스(19)의 외경이 대체로 동등하고 판형상 세라믹체(2)를 아래로부터 금속 케이스(19)가 지지하는 경우, 웨이퍼(W)의 면내의 온도차를 작게 하려면 저항 발열체(5)의 외접원(C)의 직경(D)이 판형상 세라믹체(2)의 직경(DP)의 91~95%이며, 더욱 바람직하게는 92~94%이다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터(1)에 있어서, 예를 들면 도 18의 저항 발열체(5)의 외접원(C)과 접하는 원호형상 패턴(51)과, 이 원호형상의 띠(51)로 연속하게 하여 연결된 연결 패턴인 소 원호형상의 띠(52)를 구비하고, 상기 외접원(C)의 일부에 상기 원호형상의 패턴이 없는 공백역(空白域)(P)의 간격(L1)이, 상기 판형상 세라믹체의 직경(DP)과 상기 외접원(C)의 직경(D)과의 차이(이하, LL이라 함)보다 작은 것이 바람직하다. 간격(L1)이 LL보다 크면 공백역(P)의 열이 판형상 세라믹체의 주변부로 유입되어 공백역(P)의 온도가 떨어질 우려가 있다. 그러나, 간격 L1이 LL보다 작으면 공백역(P)의 온도가 떨어지기 어렵고 판형상 세라믹체(2)의 웨이퍼 가열면(3)에 탑재한 웨이퍼(W)의 주변부의 일부의 온도가 저하되지 않고 웨이퍼(W) 면내의 온도차가 작아지므로 바람직하다.
상기 공백역(P)의 온도를 떨어뜨리지 않기 위해서는, 공백역의 온도를 올릴 필요가 있고, 공백역을 가열하는 연결 패턴(52)의 저항을 동등하거나 혹은 약간 크게 하여 발열량을 증대시키면, 공백역(P)의 온도가 떨어질 우려가 작아져 웨이퍼(W)의 면내 온도가 균일해지므로 바람직하다. 인쇄법 등으로 작성한 저항 발열체(5)가 면형상인 경우, 원호형상 패턴(51)의 선건(線巾)(Wp)보다 연결 패턴인 소 원호형상의 띠(52)의 선건(Ws)을 1~5% 작게 함으로써 연결 패턴(52)의 저항을 크게 할 수 있고, 연결 패턴인 소 원호형상의 띠(52)의 온도를 원호형상 패턴(51)의 온도보다 높임으로써 웨이퍼(W)의 면내 온도를 균일하게 할 수 있다.
또한, 판두께가 1~7mm인 판형상 세라믹체(2)의 한쪽의 주면 측을, 웨이퍼를 탑재한 웨이퍼 가열면(3)으로 함과 아울러, 상기 판형상 세라믹체(2)의 하면에 저항 발열체(5)를 구비한 세라믹 히터(1)에 있어서, 상기 저항 발열체(5)의 두께가 5~50㎛인 것과 아울러, 상기 판형상 세라믹체(2)의 주면에 평행인 투영면으로 보아 상기 저항 발열체(5)를 둘러싸는 외접원(C)의 면적에 대하여 상기 외접원(C)에 차지하는 저항 발열체(5)의 면적의 비율이 5~30%인 것이 바람직하다.
즉, 저항 발열체(5)를 둘러싸는 외접원(C)의 면적에 대하여, 외접원(C) 내에 차지하는 저항 발열체(5)의 면적의 비율을 5% 미만으로 하면, 저항 발열체(5)의 서로 대향하는 대향 영역에 있어서, 대향 영역의 대향 간격이기도 한 L1, L2, ...이 커지기 때문에 저항 발열체(5)가 없는 간격(L1)에 대응한 웨이퍼 가열면(3)의 표면 온도가 다른 부분과 비교하여 작아지고, 웨이퍼 가열면(3)의 온도를 균일하게 하는 것이 어렵기 때문이며, 역으로 저항 발열체(5)를 둘러싸는 외접원(C)의 면적에 대하여 외접원(C) 내에 차지하는 저항 발열체(5)의 면적의 비율이 30%를 넘으면, 판형상 세라믹체(2)와 저항 발열체(5)의 사이의 열팽창 차를 2.0×10－6/℃ 이하로 근사시켰다고 하여도, 양자 사이에 작용하는 열응력이 너무 크기 때문에, 판형상 세라믹체(2)는 변형시키기 어려운 세라믹 소결체로 이루어지되, 그 판두께(t)가 1mm~7mm로 얇은 것으로부터 저항 발열체(5)를 발열시키면 웨이퍼 가열면(3) 측이 오목하게 되도록 판형상 세라믹체(2)에 휨이 발생할 우려가 있다. 그 결과, 웨이퍼(W)의 중심부의 온도가 주연보다도 작아져 온도 불균형이 커질 우려가 있다.
또한, 바람직하게는, 저항 발열체(5)를 둘러싸는 외접원(C)의 면적에 대하여 외접원(C) 내에 차지하는 저항 발열체(5)의 면적의 비율을 7%~20%, 더 나아가서는8%~15%로 하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로는, 저항 발열체(5)는 외주부에 서로 저항하는 대항 영역을 가지며, 상기 대항 영역의 간격(L1)이 0.5mm 이상으로, 상기 판형상 세라믹체(2)의 판두께의 3배 이하인 것이 바람직하다. 상기 대항 영역의 간격(L1)이 0.5mm 이하에 서는 저항 발열체(5)를 인쇄하여 형성할 때에 저항 발열체(5)의 대항 영역에서 수염형상의 돌기가 발생하여 그 부분이 단락될 우려가 있다. 또한, 상기 대항 영역의 간격(L1)이 판형상 세라믹체(2)의 두께의 3배를 넘으면, 대항 영역(L1)에 대응하는 웨이퍼(W)의 표면에 냉각 영역이 발생하여 웨이퍼(W)의 면내 온도차를 크게 할 우려가 있기 때문이다.
또한, 이러한 효과를 효율적으로 발현시키려면, 저항 발열체(5)의 막두께를 5~50㎛로 하는 것이 바람직하다.
저항 발열체(5)의 막두께가 5㎛를 밑돌면 저항 발열체(5)를 스크린 인쇄법으로 막두께를 균일하게 인쇄하는 것이 어려워지기 때문이며, 또 저항 발열체(5)의 두께가 50㎛를 넘으면 외접원(C)에 대하여 저항 발열체(5)가 차지하는 면적의 비율을 30% 이하로 하여도 저항 발열체(5)의 두께가 크고, 저항 발열체(5)의 강성이 커져, 판형상 세라믹체(5)의 온도 변화에 의하여 저항 발열체(5)의 신축에 의한 영향으로 판형상 세라믹체(2)가 변형될 우려가 있다. 또, 스크린 인쇄에서 균일한 두께로 인쇄하는것이 어렵고 웨이퍼(W)의 표면의 온도차가 커지거나 할 우려가 있기 때문이다. 또한, 바람직한 저항 발열체(5)의 두께는 10~30㎛로 하는 것이 좋다.
또한 상세한 구성에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 세라믹 히터의 일례를 도시하는 단면도로, 판두께(t)가1~7mm, 100~200℃의 영률이 200~450MPa인 판형상 세라믹체(2)의 한쪽의 주면을, 웨이퍼(W)를 탑재한 웨이퍼 가열면(3)으로 함과 아울러, 다른 쪽의 주면에 저항발열체(5)를 형성하여 이 저항 발열체(5)에 전기적으로 접속하는 급전부(6)를 구비한 다.
100~200℃의 영률가 200~450MPa인 판형상 세라믹체(2)의 재질로서는, 알루미나, 질화규소, 사이아론, 질화알루미늄을 이용할 수가 있으며, 이 중에서도 특히 질화알루미늄은 50W/(m·K) 이상, 더 나아가서는 100W/(m·K) 이상의 높은 열전도율을 가짐과 아울러, 불소계나 염소계 등의 부식성 가스에 대한 내식성이나 내플라스마성에도 뛰어나기 때문에, 판형상 세라믹체(2)의 재질로서 적합하다.
판형상 세라믹체(2)의 두께는 2~5mm로 하면 더욱 바람직하다. 판형상 세라믹체(2)의 두께가 2mm보다 얇으면 판형상 세라믹체(2)의 강도가 없어져 저항 발열체(5)의 발열에 의한 가열 시, 가스 분사구(24) 등의 냉각 에어를 내뿜었을 때에, 냉각시의 열응력을 견디지 못하고, 판형상 세라믹체(2)에 크랙이 발생할 우려가 있기 때문이다. 또, 판형상 세라믹체(2)의 두께가 5mm를 넘으면, 판형상 세라믹체(2)의 열용량이 커지기 때문에 가열 및 냉각 시의 온도가 안정될 때까지의 시간이 길어질 우려가 있다.
판형상 세라믹체(2)는 바닥이 있는 금속 케이스(19) 개구부의 외주에 볼트(16)를 관통시켜, 판형상 세라믹체(2)로 바닥이 있는 금속 케이스(19)가 직접 부딪치지 않도록, 링형상의 접촉 부재(17)를 개재시켜, 바닥이 있는 금속 케이스(19) 측보다 탄성체(18)를 개재시켜 너트(20)를 비틀어 끼움으로써 탄성적으로 고정하고 있다. 이것에 의하여, 판형상 세라믹체(2)의 온도가 변동한 경우에 바닥이 있는 금속 케이스(19)가 변형하여도, 상기 탄성체(18)에 의하여 이것을 흡수하고, 이것에 의해 판형상 세라믹체(2)의 휨을 억제하며, 웨이퍼 표면에 판형상 세라믹체(2)의 휨에 기인하는 온도 불균형이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 9, 10에 도시하는 바와 같이, 링형상의 접촉 부재(17)의 단면은 다각형이나 원형의 어느 것이어도 좋지만, 판형상 세라믹체(2)와 접촉 부재(17)가 평면에서 접촉하는 경우에 있어서, 판형상 세라믹체(2)와 접촉 부재(17)가 접하는 접촉부의 건은 0.1mm~13mm이면, 판형상 세라믹체(2)의 열은 접촉 부재(17)를 개재시켜 바닥이 있는 금속 케이스(19)에 흐름 양을 작게 할 수 있다. 그리고, 웨이퍼(W)의 면내의 온도차가 작고 웨이퍼(W)를 균일하게 가열할 수 있다. 더욱 바람직하게는 0.1~8mm이다. 접촉 부재(17)의 접촉부의 건이 0.1mm 이하에서는, 판형상 세라믹체(2)와 접촉 고정했을 때에 접촉부가 변형되고, 접촉 부재가 파손할 우려가 있다. 또한, 접촉 부재(17)의 접촉부의 건이 13mm를 넘는 경우에는, 판형상 세라믹체(2)의 열이 접촉 부재에 유입되어, 판형상 세라믹체(2)의 주변부의 온도가 저하되고 웨이퍼(W)를 균일하게 가열하는 것이 어려워진다. 바람직하게는 접촉 부재(17)와 판형상 세라믹체(2)의 접촉부의 건은 0.1mm~8mm이며, 더욱 바람직하게는 0.1~2mm이다.
또한, 접촉 부재(17)의 열전도율은 판형상 세라믹체(2)의 열전도율보다 작은 것이 바람직하다. 접촉 부재(17)의 열전도율이 판형상 세라믹체(2)의 열전도율보다 작으면 판형상 세라믹체(2)에 탑재한 웨이퍼(W) 면내의 온도 분포를 균일하게 가열할 수있는 동시에, 판형상 세라믹체(2)의 온도를 올리거나 내리거나 할 때에, 접촉 부재(17)의 열의 전달량이 작고, 바닥이 있는 금속 케이스(19)와의 열적 간섭이 적고, 신속히 온도를 변경하는 것이 용이해진다.
접촉 부재(17)의 열전도율이 판형상 세라믹체(2)의 열전도율의 10%보다 작은 세라믹 히터(1)에서는, 판형상 세라믹체(2)의 열이 바닥이 있는 금속 케이스(19)에 유입되기 어렵고, 판형상 세라믹체(2)로부터 바닥이 있는 금속 케이스(19)에 열이, 분위기 가스(여기서는 공기)에 의한 전열(傳熱)이나 복사전열에 의하여 유입되는 열이 많아져 역으로 효과가 작다.
접촉 부재(17)의 열전도율이 판형상 세라믹체(2)의 열전도율보다 큰 경우에는, 판형상 세라믹체(2)의 주변부의 열은 접촉 부재(17)를 개재시켜 바닥이 있는 금속 케이스(19)에 유입되어, 바닥이 있는 금속 케이스(19)를 가열함과 동시에, 판형상 세라믹체(2)의 주변부의 온도가 저하되고 웨이퍼(W) 면내의 온도차가 커지므로 바람직하지 않다. 또한, 바닥이 있는 금속 케이스(19)가 가열됨으로써 가스 분사구(24)로부터 에어를 분사하여 판형상 세라믹체(2)를 냉각하려고 하여도 바닥이 있는 금속 케이스(19)의 온도가 높기 때문에 냉각할 시간이 커지거나, 일정 온도로 가열할 때에 일정 온도가 되기까지의 시간이 커질 우려가 있었다.
한편, 상기 접촉 부재(17)를 구성하는 재료로서는 작은 접촉부를 유지하기 위하여 접촉 부재의 영률은 1GPa 이상이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10GPa 이상이다. 이와 같은 영률로 함으로써, 접촉부의 건이 0.1mm~8mm로 작고, 판형상 세라믹체(2)를 바닥이 있는 금속 케이스(19)에 접촉 부재(17)를 개입시켜 볼트(16)로 고정하여도, 접촉 부재(17)가 변형되는 일이 없으며, 판형상 세라믹체(2)의 위치가 어긋나거나 평행도가 바뀌는 일 없이, 정밀도 좋게 유지할 수 있다.
또한, 특허문헌 4에 기재된 바와 같은, 불소계 수지나 유리 섬유를 첨가한 수지로 이루어지는 접촉 부재에서는 얻을 수 없는 정밀도를 달성할 수 있다.
상기 접촉 부재(17)의 재질로서는 철과 카본으로 이루어지는 탄소강이나 니켈, 망간, 크롬을 더한 특수강철 등의 금속이 영률이 크므로 바람직하다. 또, 열전도율이 작은 재료로서는, 스텐레스강이나 Fe-Ni－Co계 합금의 소위 코바(Kovar)가 바람직하고, 판형상 세라믹체(2)의 열전도율보다 작아지도록 접촉 부재(17)의 재료를 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 접촉 부재(17)와 판형상 세라믹체(2)의 접촉부를 작고, 또한 접촉부가 작아도 접촉부가 결손되어 파티클을 발생할 우려가 작고 안정된 접촉부를 유지할 수 있기 때문에, 판형상 세라믹체(2)에 수직인 면으로 절단한 접촉 부재(17)의 단면은 다각형보다 원형이 바람직하고, 단면의 직경 1mm 이하의 원형 와이어를 접촉 부재(17)로서 사용하면 판형상 세라믹체(2)로 바닥이 있는 금속 케이스(19)의 위치가 바뀌는일 없이, 웨이퍼(W)의 표면 온도를 균일하게, 또한 신속히 승강온하는 것이 가능하다.
이어서, 바닥이 있는 금속 케이스(19)는 측벽부(22)와 바닥면(21)을 가지며, 판형상 세라믹체(2)는 그 바닥이 있는 금속 케이스(19)의 개구부를 가리도록 설치하여둔다. 또한, 바닥이 있는 금속 케이스(19)에는 냉각 가스를 배출하기 위한 구멍(23)이 마련되어 있고, 판형상 세라믹체(2)의 저항 발열체(5)에 급전(給電)하기 위한 급전부(6)에 도통하기 위한 급전단자(11), 판형상 세라믹체(2)를 냉각하기 위한 가스 분사구(24), 판형상 세라믹체(2)의 온도를 측정하기 위한 열전대(27)를 설치하여 둔다.
또한, 바닥이 있는 금속 케이스(19)의 깊이는 10~50mm로, 바닥면(21)은 판형상 세라믹체(2)로부터 10~50mm의 거리에 설치하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 20~30mm이다. 이것은, 판형상 세라믹체(2)와 바닥이 있는 금속 케이스(19) 상호의 복사열에 의하여 웨이퍼 가열면(3)의 균열화가 용이해지는 동시에, 외부와의 단열 효과가 있으므로, 웨이퍼 가열면(3)의 온도가 일정하고 균일한 온도가 되기까지의 시간이 짧아지기 때문이다.
그리고, 바닥이 있는 금속 케이스(19) 내에 자유자재로 승강하도록 설치된 리프트 핀(25)에 의하여, 웨이퍼(W)를 웨이퍼 가열면(3) 상에 탑재하거나, 웨이퍼 가열면(3)으로부터 들어 올리거나 하는 작업이 이루어진다. 그리고, 웨이퍼(W)는 웨이퍼 지지 핀(8)에 의하여 웨이퍼 가열면(3)으로부터 띄운 상태로 유지되어 한쪽이 닿는 등에 의한 온도 불균형을 방지하도록 하고 있다.
또한, 이 세라믹 히터(1)에 의하여 웨이퍼 (W)를 가열하려면, 반송 암(arm)(도시되어 있지 않음)으로 웨이퍼 가열면(3)의 위쪽까지 옮겨진 웨이퍼(W)를 리프트 핀(25)에 지지한 후, 리프트 핀(25)을 강하시켜 웨이퍼(W)를 웨이퍼 가열면(3) 상에 탑재한다.
다음으로, 세라믹 히터(1)를 레지스트막 형성 용으로서 사용하는 경우는, 판형상 세라믹체(2)의 주성분을 탄화규소로 하면, 대기 중의 수분 등과 반응하여 가스를 발생시키는 일도 없기 때문에, 웨이퍼(W) 상으로의 레지스트막의 첨부에 이용했다고 하여도, 레지스트막의 조직에 악영향을 주는 일이 없고, 미세한 배선을 고밀도로 형성하는 것이 가능하다. 이 때, 소결 보조제에 물과 반응시켜 암모니아나 아민을 형성할 가능성이 있는 질화물을 포함하지 않도록 하는 것이 필요하다.
또한, 판형상 세라믹체(2)를 형성하는 탄화규소질 소결체는 주성분인 탄화규소에 대하여, 소결 보조제로서 붕소(B)와 탄소(C)를 첨가하거나, 혹은 알루미나(Al2O3), 이트리아(Y2O3)와 같은 금속 산화물을 첨가하여 충분히 혼합하고, 평판형상으로 가공한 후, 1900~2100 ℃에서 소성함으로써 얻어진다. 탄화 규소는 α형을 주체로 하는 것 혹은 β형을 주체로 하는 것 중 어느 하나이어도 상관없다.
한편, 탄화규소질 소결체를 판형상 세라믹체(2)로서 사용하는 경우, 반(半)도전성을가지는 판형상 세라믹체(2)와 저항 발열(5)의 사이의 절연을 유지하는 절연층으로서는, 유리 또는 수지를 이용하는 것이 가능하고, 유리를 이용하는 경우, 그 두께가 100㎛ 미만에서는 내전압이 1.5kV를 밑돌아 절연성을 유지할 수 없고, 역으로 두께가 400㎛를 넘으면, 판형상 세라믹체(2)를 형성하는 탄화규소질 소결체나 질화알루미늄질 소결체의 열팽창 차가 너무 커지기 때문에, 크랙이 발생하여 절연층으로서 기능하지 않게 된다. 그 때문에, 절연층으로서 유리를 이용하는 경우, 절연층(4)의 두께는100~400㎛의 범위로 형성하는 것이 바람직하고, 바람직하게는 200㎛~350㎛의 범위로 하는 것이 좋다.
또한, 판형상 세라믹체(2)의 웨이퍼 가열면(3)과 반대측의 주면은, 유리나 수지로 이루어지는 절연층(4)과의 밀착성을 높이는 관점으로부터, 평면도 20㎛ 이하, 면 조도(粗度)를 중심선 평균조도(Ra)로 0.1㎛~0.5㎛로 연마해 두는 것이 바람직하다.
또한, 판형상 세라믹체(2)를, 질화알루미늄을 주성분으로 하는 소결체로 형성하는 경우는, 주성분의 질화알루미늄에 대하여, 소결 보조제로서 Y2O3나 Yb2O3 등의 희토류 원소 산화물과 필요에 따라 CaO 등의 알칼리 토류 금속산화물을 첨가하여 충분히 혼합하고, 평판형상으로 가공한 후, 질소가스 중 1900~2100℃에서 소성함으로써 얻어진다. 판형상 세라믹체(2)에 대한 저항 발열체(5)의 밀착성을 향상시키기 위하여, 유리로 이루어지는 절연층을 형성하는 일도 있다. 다만, 저항 발열체(5) 내에 충분한 유리를 첨가하고, 이것에 의하여 충분한 밀착 강도가 얻어지는 경우는 생략하는 것이 가능하다.
이 절연층을 형성하는 유리의 특성으로서는, 결정질 또는 비정질의 어느 것이어도 좋고, 내열온도가 200℃ 이상에서 또한 0℃~200℃의 온도영역에 있어서의 열팽창계수가 판형상 세라믹체(2)를 구성하는 세라믹스의 열팽창계수에 대하여 -5~＋5×10－7/℃ 의 범위에 있는 것을 적절히 선택하여 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 열팽창계수가 상기 범위를 벗어난 유리를 이용하면, 판형상 세라믹체(2)를 형성하는 세라믹스와의 열팽창 차가 너무 커지기 때문에, 유리의 소성 후의 냉각 시에 있어서 크랙이나 박리 등의 결함이 생기기 쉽기 때문이다.
또한, 유리로 이루어지는 절연층을 판형상 세라믹체(2) 상에 피착(被着)하는 수단으로서는, 상기 유리 페이스트(glass paste)를 판형상 세라믹체(2)의 중심부에 적당량 떨어뜨려, 스핀 코팅법으로 신장시키고 균일하게 도포하거나, 혹은 스크린 인쇄법, 디핑법, 스프레이 코팅법 등으로 균일하게 도포한 후, 유리 페이스트를 600℃ 이상의 온도에서 소성하면 된다. 또한, 절연층으로서 유리를 이용하는 경우, 미리 탄화규소질 소결체 또는 질화알루미늄질 소결체로 이루어지는 판형상 세라믹체(2)를 850~1300℃정도의 온도로 가열하여, 절연층을 피착하는 표면을 산화 처리하여 둠으로써, 유리로 이루어지는 절연층과의 밀착성을 높일 수 있다.
본 발명의 저항 발열체(5)의 패턴 형상으로서는, 도 17이나 도 18에 도시하는 바와 같은 복수의 블록으로 분할되고, 개개의 블록이 원호형상의 패턴과 직선형상의 패턴으로 이루어지는 소용돌이 형상이나 지그재그의 되돌아오는 형상을 한 것으로, 본원발명의 세라믹 히터(1)는 웨이퍼(W)를 균일하게 가열하는 것이 중요하기 때문에, 이와 같은 패턴 형상은 띠형상의 저항 발열체(5)의 각 부의 밀도가 균일한 것이 바람직하다. 단, 도 19에 도시하는 바와 같은, 판형상 세라믹체(22)의 중심으로부터 방사 방향으로 보아, 저항 발열체(25)의 간격이 조밀한 부분과 엉성한 부분이 번갈아 나타나는 저항 발열체 패턴에서는, 엉성한 부분에 대응하는 웨이퍼(W)의 표면 온도는 작고, 조밀한 부분에 대응하는 웨이퍼(W)의 온도는 커져, 웨이퍼(W)의 표면의 전면을 균일하게 가열할 수 없기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 저항 발열체(5)를 복수의 블록으로 분할하는 경우, 각각의 블록의 온도를 독립적으로 제어함으로써, 웨이퍼 가열면(3) 상의 웨이퍼(W)를 균일하게 가열하는 것이 바람직하다.
저항 발열체(5)는 도전성의 금속 입자에 유리 프릿(glass frit)이나 금속 산화물을 포함하는 전극 페이스트를 인쇄법으로 판형상 세라믹체(2)에 인쇄, 소성한 것으로, 금속 입자로서는, Au, Ag, Cu, Pd, Pt, Rh중의 적어도 일종의 금속을 이용 하는 것이 바람직하며, 또 유리 프릿으로서는, B, Si, Zn를 포함하는 산화물로 이루어져, 판형상 세라믹체(2)의 열팽창계수보다 작은 4. 5×10－6/℃ 이하의 저팽창 유리를 이용하는 것이 바람직하고, 또한 금속 산화물로서는, 산화규소, 산화붕소, 알루미나, 이산화티타늄으로부터 선택된 적어도 일종을 이용하는 것이 바람직하다.
여기서, 저항 발열체(5)를 형성하는 금속 입자로서 Au, Ag, Cu, Pd, Pt, Rh중의 적어도 일종의 금속을 이용하는 것은, 전기 저항이 작기 때문이다.
저항 발열체(5)를 형성하는 유리 프릿으로서 B, Si, Zn를 포함한 산화물로 이루어져, 저항 발열체(5)를 구성하는 금속 입자의 열팽창계수가 판형상 세라믹체(2)의 열팽창계수보다 크기 때문에, 저항 발열체(5)의 열팽창 계수를 판형상 세라믹체(2)의 열팽창계수에 접근시키려면, 판형상 세라믹체(2)의 열팽창계수보다 작은 4.5×10－6/℃ 이하의 저팽창 유리를 이용하는 것이 바람직하기 때문이다.
또한, 저항 발열체(5)를 형성하는 금속 산화물로서는, 산화규소, 산화붕소, 알루미나, 이산화티타늄으로부터 선택된 적어도 일종을 이용하는 것은, 저항 발열체(5) 내의 금속 입자와 밀착성이 뛰어나고, 또한 열팽창계수가 판형상 세라믹체(2)의 열팽창계수와 가깝고, 판형상 세라믹체(2)와의 밀착성도 뛰어나기 때문이다.
다만, 저항 발열체(5)에 대하여, 금속 산화물의 함유량이 80%를 넘으면, 판형상 세라믹체(2)와의 밀착력은 늘어나지만, 저항 발열체(5)의 저항치가 커지므로 바람직하지 않다. 그 때문에, 금속 산화물의 함유량은 60% 이하로 하는 것이 좋다.
그리고, 도전성의 금속 입자와 유리 프릿이나 금속 산화물로 이루어지는 저 항 발열체(5)는, 판형상 세라믹체(2)와의 열팽창 차가 3.0×10－6/℃ 이하인 것을 이용하는것이 바람직하다.
즉, 저항 발열체(5)와 판형상 세라믹체(2)와의 열팽창 차를 0.1×10－6/℃ 으로 하는 것은 제조상 어렵고, 역으로 저항 발열체(5)로 판형상 세라믹체(2)와의 열팽창차가 3.0×10－6/℃ 를 넘으면, 저항 발열체(5)를 발열시켰을 때, 판형상 세라믹체(2)와의 사이에 작용하는 열응력에 의하여, 웨이퍼 가열면(3) 측이 오목한 상태로 휘어질 우려가 있기 때문이다.
또한, 절연층 상에 피착하는 저항 발열체(5) 재료로서는, 금(Au), 은(Ag), 동(Cu), 팔라듐(Pd) 등의 금속 단체(單體)를, 증착법이나 도금법으로 직접 피착하거나, 혹은 상기 금속 단체나 산화레늄(Re2O3), 란탄망가나이트(LaMnO3) 등의 도전성의 금속 산화물이나 상기 금속재료를 수지 페이스트나 유리 페이스트에 분산시킨 페이스트를 준비하여, 소정의 패턴 형상으로 스크린 인쇄법 등으로 인쇄한 후에 소성하여, 상기 도전재를 수지나 유리로 이루어지는 매트릭스로 결합하면 좋다. 매트릭스로서 유리를 이용하는 경우, 결정화 유리, 비정질 유리의 어느 것이어도 좋지만, 열사이클에 의한 저항치의 변화를 억제하기 위해서 결정화 유리를 이용하는 것이 바람직하다.
다만, 저항 발열체(5) 재료에 은(Ag) 또는 동(Cu)을 이용하는 경우, 마이그레이션(migration)이 발생할 우려가 있기 때문에, 이와 같은 경우에는, 저항 발열 체(5)를 덮도록 절연층과 동일한 재질로 이루어지는 코팅층을 40~400㎛ 정도의 두께로 피복하여 두면 좋다.
또한, 저항 발열체(5)로의 급전 방법에 대하여는, 바닥이 있는 금속 케이스(19)에 설치한 급전단자(11)를 판형상 세라믹체(2)의 표면에 형성한 급전부(6)에 스프링으로 가압함으로써 접속을 확보하여 급전한다. 이것은, 2~5mm의 두께의 판형상 세라믹체(2)에 금속으로 이루어지는 단자부를 매설하여 형성하면, 이 단자부의 열용량에 의하여 균열성이 나빠지기 때문이다. 그 때문에, 본 발명과 같이, 급전단자(11)를 스프링으로 가압하여 전기적 접속을 확보함으로써, 판형상 세라믹체(2)로 그 바닥이 있는 금속 케이스(19)의 사이의 온도차에 의한 열응력을 완화하고, 높은 신뢰성으로 전기적 도통을 유지할 수 있다. 또한, 접점이 점접촉이 되는 것을 방지하기 위해, 탄성이 있는 도체를 중간층으로서 삽입하여도 상관없다. 이 중간층은 단지 박(hoil)형상의 시트를 삽입하는 것만으로도 효과가 있다. 그리고, 급전단자(11)의 급전부(6) 측의 지름은 1.5~5mm로 하는 것이 바람직하다.
또한, 판형상 세라믹체(2)의 온도는 판형상 세라믹체(2)에 그 선단이 매립된 열전대(27)에 의하여 측정된다. 열전대(27)로서는, 그 응답성과 유지의 작업성의 관점으로부터, 외경 0.8mm 이하의 시스형의 열전대(27)를 사용하는 것이 바람직하다. 이 열전대(27)의 선단부는, 판형상 세라믹체(2)에 구멍이 형성되고, 이 안에 설치된 고정 부재에 의하여 구멍의 내벽면에 가압 고정하는 것이 측온의 신뢰성을 향상시키기 때문에 바람직하다. 마찬가지로 소선(素線: wire)의 열전대나 Pt 등의 측온 저항체를 매립하여 측온을 실시하는 것도 가능하다.
또한, 판형상 세라믹체(2)의 한쪽의 주면에는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 복수의 지지 핀(8)을 마련하여, 판형상 세라믹체(2)의 한쪽의 주면으로부터 일정한 거리를 두고 웨이퍼(W)를 유지하도록 하여도 상관없다.
또, 도 1에서는 판형상 세라믹체(2)의 한쪽의 주면(3)에 저항 발열체(5) 만을 구비한 세라믹 히터(1)에 대하여 나타내었지만, 본 발명은, 주면(3)과 저항 발열체(5)의 사이에 정전 흡착용이나 플라스마 발생용으로서의 전극을 매설한 것이어도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
또, 상술한 세라믹 히터(1)에 있어서, 판형상 세라믹체(2)의 한쪽의 주면을, 웨이퍼를 탑재한 웨이퍼 가열면으로 함으로써, 상기 세라믹 히터를 웨이퍼 가열 장치로서 사용할 수 있다.
(실시예 1)
여기서, 본 발명의 세라믹 히터와 종래의 세라믹 히터를 준비하고, 열사이클 시험을 실시한 후의 도전체인 저항 발열체의 저항 변화율과 저항 발열체의 크랙의 유무나 웨이퍼 면내의 온도차에 대하여 조사하는 실험을 실시하였다.
실험에 있어서, 히터부를 구성하는 판형상 세라믹체는 AlN 분말에 대하여 5중량%의 Y2O3의 분말을 첨가하고, 추가적으로 적당량의 바인더 및 용제를 첨가하여 혼련(混練) 건조함으로써 조립분(造粒粉)을 제작하고, 이 조립분을 형(型) 내에 충전하여 100MPa의 성형압으로 가압하면서, 1800~1900℃의 온도에서 소성하는 핫 프레스법을 이용하여 소성함으로써, 120W/(m·K) 정도의 열전도율을 가지는 판형상의 질화알루미늄질 소결체를 이용하였다. 그리고 저항 발열체를 형성하는 주면을 ＃250번 정도의 다이아몬드 숫돌로 거칠게 가공한 후, ＃400 이상의 다이아몬드 숫돌로 마무리 연삭 가공을 하고, 두께 3.0mm로 한 직경 315mm~345mm의 원판형상을 한 판형상 세라믹체를 복수매 제작하며, 또한 중심으로부터 60mm의 동심원형상에 균등하게 3군데 관통구멍을 형성하였다. 관통 구경은 4mm로 한 후, 1000℃×3 시간의 조건에서 열처리함으로써, 그 표면에 0.5㎛ 두께의 알루미나로 이루어지는 산화물막을 피복하였다.
다음으로, 본 발명의 세라믹 히터에 있어서는, 가열판의 한쪽의 주면에 유리 페이스트를 프린트 인쇄하고, 900℃에서 소성 처리함으로써 유리층을 형성하였다. 또한, 유리의 열팽창율은, 4.8×10－6/℃를 이용하였다.
세라믹 히터를 구성하는 저항 발열체를 형성하는데 있어서는, Au(30중량%)와 Pt(10 중량%)의 금속 분말과 Zn2SiO4, Zn3B2O6, Zn3(BO3)2, Zn(BO2) 2, SiO2(쿼츠)의 결정을 내포한 유리를 60중량% 포함한 저항 발열체 페이스트를 이용하여, 본 발명의 세라믹 히터를 형성하는데 있어서는, 유리층 상에 상기 저항 발열체 페이스트를 프린트 인쇄하여, 600~700℃의 온도에서 소성함으로써 형성하고, 종래의 세라믹 히터를 형성하는데 있어서는, 가열판형상에 상기 저항 발열체 페이스트를 직접 프린트 인쇄하여, 600~700℃의 온도에서 소성함으로써 형성하였다.
또한, 혼합하는 유리는 2등분하여 분쇄하고 입도 분포가 다른 것을 여러 종류 제작하고, 등량씩 혼합하여 사용하였다.
이어서, 판형상 세라믹체 상에 저항 발열체를 피착하기 위하여, 도전재로서 Au 분말과 Pd 분말과 바인더를 첨가한 유리 페이스트를 혼련하여 제작한 도전체 페이스트를 스크린 인쇄법으로 소정의 패턴 형상에 인쇄한 뒤, 150℃로 가열하여 유기용제를 건조시키며, 또한 550℃에서 30분간 탈지 처리를 가한 뒤, 700~900℃의 온도로 소성을 실시함으로써, 두께가 50㎛의 저항 발열체를 형성하였다. 저항 발열체의 패턴 배치는, 중심부로부터 방사 방향으로 원과 링형상으로 분할하고, 중심부에 원형의 하나에 패턴을 형성하고, 그 외측의 링형상의 부분에 2개로 패턴을 형성하며, 또한 그 외측에 4개의 패턴의 합계 7개의 패턴 구성으로 하였다. 그리고, 최외주의 4개의 패턴의 외접원 (C)의 직경을 310mm로 하였다. 그 후에 저항 발열체에 급전부를 납땜하여 고착시킴으로써, 판형상 세라믹체를 제작하였다.
또한, 바닥이 있는 케이스는 Fe－Cr－Ni 계의 합금으로 제작하고, 그 바닥면의 두께는 2.0mm의 금속판과 측벽부를 구성하는 두께 1.0mm의 금속판으로 하였다. 그리고, 바닥면에, 가스 분사구, 열전대, 도통 단자를 소정의 위치에 설치하였다. 또한, 바닥면으로부터 판형상 세라믹체까지의 거리는 20mm로 하였다.
그 후, 상기 바닥이 있는 케이스의 개구부에, 판형상 세라믹체를 겹쳐서 그 외주부에 볼트를 관통시키고, 판형상 세라믹체와 바닥이 있는 케이스가 직접 부딪치지 않도록, 링형상의 접촉 부재를 개재시켜, 접촉 부재측으로부터 탄성체를 개재시켜 너트를 비틀어 끼움으로써 탄성적으로 고정하여 세라믹 히터로 하였다.
그리고, 얻어진 각 세라믹 히터의 저항 발열체에 통전하여, 가열면 상에 탑재한 웨이퍼의 온도를 60초 동안 300℃까지 승온시키고, 강제 공냉에 의하여 240초 동안 40℃ 이하로 냉각하는 열사이클 시험을 10000 사이클 단위로 행하여, 열사이클 시험 전후의 저항 발열체의 저항 변화를 확인하였다. 또한, 웨이퍼의 온도는, 웨이퍼에 설치한 저항측온 소자를 이용하여 측정하였다.
그 후, 측온저항체가 29개소에 매설된 직경 300mm의 측온용 웨이퍼를 이용하여 행하였다. 각각의 세라믹 히터에 전원을 설치, 25℃에서 200℃까지 5분간 웨이퍼(W)를 승온하고, 웨이퍼(W)의 온도를 200℃으로 설정하고 나서 웨이퍼(W)의 평균 온도가 200℃±0.5℃의 범위에서 일정하게 될 때까지 가열하고 그 후 10분간 온도를 유지하여, 그 때의 웨이퍼면 내의 최대 온도차를 정상시의 웨이퍼의 온도차로 하였다. 그리고, 세라믹 히터를 가열한 채로, 웨이퍼(W)를 리프트 핀으로 들어 올리고 실온의 25℃로 냉각한 후, 웨이퍼 (W)를 웨이퍼 가열면에 탑재하여 웨이퍼(W)면 내의 평균 온도가 200℃가 될 때까지의 웨이퍼(W) 각 부의 온도를 측정하고, 시간축에 대한 웨이퍼(W) 면내의 최대 온도와 최소 온도의 차이를 구하여, 과도(過渡)시의 웨이퍼면 내의 최대 온도차로 하였다.
또한, 제작한 웨이퍼 가열 장치를 300℃까지 2분 동안 승온하고 1분 동안 유지한 후, 4분 동안 강제 공냉하는 온도 사이클을 반복하고, 웨이퍼의 온도 분포를 10000 사이클 실시하여 상기와 마찬가지로 면내의 최대 온도차를 평가하였다.
결과는 표 1에 나타내는 대로이다.
Figure 112005009676692-pat00001
표 1에서 알 수 있듯이, 시료 No.101과 같이 절연성 조성물의 괴가 없는 종래의 웨이퍼 가열 장치는, 10000회의 열사이클 시험 후인 정상시의 웨이퍼의 온도차가 3.56℃로 크고, 과도시의 웨이퍼면 내의 온도차도 14.8℃로 크고, 반복 급격한 온도상승이나 냉각을 반복하는 웨이퍼 가열 장치에는 사용할 수 없었다.
한편, 시료 No.102~110은 저항 발열체에 절연성 조성물의 괴가 있고, 열사이클을 20000회 반복하여도 정상시의 웨이퍼의 온도차가 1℃ 이내로 작고, 게다가 과도시의 웨이퍼 면내의 최대 온도차가 8.4℃ 이하로 작고 바람직한 특성을 나타내는 것을 알았다.
또한, 절연성 조성물의 괴의 평균입경이 3~100㎛이고 도전성 입자의 평균입경이 0.1~5㎛의 시료 No.105~108은 정상시의 웨이퍼의 온도차가 0.57℃ 이하이고, 또 과도시의 웨이퍼 면내의 최대 온도차가 5.8℃ 이하로 작아 보다 바람직하다는 것이 판명되었다. 이 원인은 도전성 입자의 평균입경과 절연성 조성물의 평균입경의 상승효과에 의하여 저항 발열체의 내구성이 늘어났기 때문이라고 생각된다.
(실시예 2)
실시예 1과 같이 판형상 세라믹체를 제작하고, 저항 발열체가 되는 페이스트로서 여러 가지 금속과 유리 성분이나 금속 산화물을 혼합하여 페이스트 상태로 제작한 다음 스크린 인쇄하여 웨이퍼 가열 장치를 제작하였다.
제작한 웨이퍼 가열 장치에 웨이퍼를 싣고 저항 발열체에 통전하여 실시예 1과 같이 평가하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure 112005009676692-pat00002
Figure 112005009676692-pat00003
시료 No.121은, 절연성 조성물 내에 입자가 존재하지 않으므로, 20000회의 열사이클 후의 저항 변화율이 1.63%로 약간 크고, 정상시의 웨이퍼의 온도차가 0.77℃로 약간 컸다. 또, 과도시의 웨이퍼 면내의 최대 온도차는 6.4℃로 약간 컸다. 이것은 도전체인 저항 발열체가 열사이클에 의해 움직여서 미소부분에서 박리 등의 현상이 생겼기 때문이라고 추측된다.
이에 대하여, 절연성 조성물 내에 도전성 입자가 존재하는 시료 No.122~129는 열사이클을 40000회 반복하여도 열사이클 후의 저항 변화는 1.21% 이하로 작고, 정상시의 웨이퍼의 온도차가 0.61℃ 이하로 작고 뛰어나다는 것을 알았다.
또, 절연성 조성물 내에 도전성 입자가 존재하고 그 면적비율이 10% 이하인 시료 No.122~128은 정상시의 웨이퍼의 온도차가 0.49℃ 이하로 작고, 과도시의 웨이퍼 면내의 온도차가 4.7℃ 이하로 작고 보다 뛰어난 특성을 나타내는 것을 알았다.
(실시예 3)
여기에서, 본 발명의 세라믹히터와 종래의 세라믹 히터를 준비하여 열사이클 시험을 실시한 후의 저항 발열체의 저항 변화율과 산화물막의 크랙의 유무에 대해 조사하는 실험을 실시하였다.
실험에 있어서, 히터부를 구성하는 판형상 세라믹체는 AlN 분말에 대해서 5중량%의 Y2O3의 분말을 더하고, 또한 적당량의 바인더 및 용제를 더하여 혼련, 건조시킴으로써 조립분을 제작하고, 이 조립분을 틀 안에 충전하여 100MPa의 성형압으로 가압하면서, 1800~1900℃의 온도로 소성하는 핫프레스법을 이용하여 소성함으로써, 120W/(m·K) 정도의 열전도율을 갖는 판형상의 질화알루미늄질 소결체를 이용하였다. 그리고 저항 발열체를 형성하는 주면을 ＃250번 정도의 다이아몬드 숫돌로 조가공한 후, ＃400 이상의 다이아몬드 숫돌로 마무리 연삭가공을 가하고, 두께 3.0mm로 한 직경 315mm~345mm의 원판형상을 한 판형상 세라믹체를 복수매 제작하고, 또한 중심으로부터 60mm의 동심원상에 균등하게 3개소 관통구멍을 형성하였다. 관통 구경은 4mm로 한 후, 1000℃×3 시간의 조건으로 열처리하여, 그 표면에 0.5㎛ 두께의 산화 알루미늄으로 이루어지는 산화물막을 피복함으로써 제작하였다. 그리고, ＃400 이상의 다이아몬드 숫돌로 마무리 연삭가공하고 표면을 주물판상에서 랩핑가공하여 표면의 미세한 요철에 Si3N4로 이루어지는 발포제를 매립하고, 그 위에 절연층이나 저항 발열체를 형성하였더니 계면에 따라 절연층이나 저항 발열체에 공극을 생성할 수 있었다. 또한 이 랩핑가공의 지립은 산화 알루미늄을 주성분으로 하고 Si3N4나 AlN의 미분말을 0.001~0.1 질량% 이하 포함시켜 공극의 크기와 수를 조정하였다.
다음으로, 본 발명의 세라믹 히터에 있어서는, 가열판의 한쪽의 주면에 유리 페이스트를 프린트 인쇄하고, 900℃로 소성 처리함으로써 유리층을 형성하였다. 또한, 유리의 열팽창율은, 4.8×10－6/℃인 것을 이용하였다.
세라믹히터를 구성하는 저항 발열체를 형성하는데 있어서는, Au(30중량%)와 Pt(10중량%)의 금속분말과 Zn2SiO4, Zn3B2O6, Zn3(BO3)2, Zn(BO2)2, SiO2(쿼츠)의 결정을 내포한 유리를 60중량% 포함한 저항 발열체 페이스트를 이용하고, 본 발명의 세라믹히터를 형성하는데 있어서는, 유리층상에 상기 저항 발열체 페이스트를 프린트 인쇄하여 600~700℃의 온도로 소성함으로써 형성하고, 종래의 세라믹히터를 형성하는데 있어서는, 가열판상에 상기 저항 발열체 페이스트를 직접 프린트 인쇄하여 600~700℃의 온도로 소성함으로써 형성하였다.
이어서, 판형상 세라믹체 위에 저항 발열체를 피착(被着)하기 위해, 도전재로서 Au분말과 Pd분말과 바인더를 첨가한 유리 페이스트를 혼련하여 제작한 도전체 페이스트를 스크린 인쇄법에 의해 소정의 패턴 형상으로 인쇄한 후, 150℃로 가열하여 유기용제를 건조시키고, 또한 550?에서 30분간 탈지처리를 가한 후, 700~900℃의 온도로 소성을 실시함으로써 두께가 50㎛의 저항 발열체를 형성하였다. 저항 발열체의 패턴 배치는, 중심부에서 방사방향으로 원과 원고리 형상으로 분할하고, 중심부에서 원형의 하나에 패턴을 형성하고, 그 외측의 원고리 형상 부분에 2개로 패턴을 형성하고, 또한 그 외측에 4개의 패턴의 합계 7개의 패턴 구성으로 하였다. 그리고, 최외주의 4개의 패턴의 외접원(C)의 직경을 310mm로 하였다. 그 후, 저항 발열체에 급전부를 납땜하여 고착시킴으로써 판형상 세라믹체를 제작하였다.
또, 바닥이 있는 케이스는 Fe－Cr－Ni계의 합금으로 제작하고, 그 바닥면 두께는 2.0mm의 금속판과 측벽부를 구성하는 두께 1.0mm의 금속판으로 하였다. 그리고, 바닥면에 가스 분사구, 열전대, 도통 단자를 소정의 위치에 달았다. 또, 바닥면에서 판형상 세라믹체까지의 거리는 20mm로 하였다.
그 후, 상기 바닥이 있는 케이스의 개구부에, 판형상 세라믹체를 겹치고, 그 외주부에 볼트를 관통시켜, 판형상 세라믹체와 바닥이 있는 케이스가 직접 닿지 않도록 링형상의 접촉 부재를 개재시키고, 접촉 부재 측보다 탄성체를 개재시켜 너트를 비틀어 끼움으로써 탄성적으로 고정된 세라믹히터로 하였다.
그리고, 얻은 각 세라믹히터의 저항 발열체에 통전하여, 가열면상에 실은 웨이퍼의 온도를 60초에 300℃까지 승온시키고, 강제 공냉에 의하여 300초에 40℃ 이하로 냉각시키는 열사이클 시험을 10000사이클 실시하고, 열사이클 시험 전후의 저항 발열체의 저항 변화를 확인하였다. 또한 웨이퍼의 온도는 웨이퍼에 설치한 저항측온 소자를 이용하여 측정하였다.
그 후, 측온저항체가 29개소에 매설된 직경 300mm의 측온용 웨이퍼를 이용하여 실시하였다. 각각의 세라믹 히터에 전원을 설치하여 25℃에서 200℃까지 5분 동안에 웨이퍼(W)를 승온시키고, 웨이퍼(W)의 온도를 200℃로 설정하고나서 웨이퍼(W)의 평균 온도가 200℃±0.5℃의 범위에서 일정하게 될 때까지 가열하고, 그 후, 10분간 온도를 보관 유지하고, 그 때의 웨이퍼 면내의 최대 온도차를 정상시의 웨이퍼의 온도차로 하였다. 그리고, 세라믹 히터를 가열한 채, 웨이퍼(W)를 리프트 핀으로 들어올리고, 실온 25℃로 냉각시킨 후, 웨이퍼(W)를 웨이퍼 가열면에 실어 웨이퍼(W)면 내의 평균 온도가 200℃가 될 때까지의 웨이퍼(W) 각 부의 온도를 측정하고, 시간축에 대한 웨이퍼(W) 면내의 최대 온도와 최소 온도의 차이를 구하여 과도시의 웨이퍼 면내의 최대 온도차로 하였다.
또, 상기 평가 후의 판형상 세라믹체의 일부를 잘라내어, 전자현미경에 의해 절연층이나 저항 발열체의 크랙의 유무를 확인함과 함께, 단면의 공극의 크기나 분포를 측정하였다.
또한, 선밀도는, 판형상 세라믹체와 저항 발열체 사이의 접합계면이나 절연층과의 접합계면의 단면 SEM사진을 200배, 500배, 1000배, 5000배, 10000배, 100000배로 각 3장 촬영하고, 각각 사진상의 접합계면에 따른 길이 10cm의 띠형상의 영역에 있어서, 사진상에서 0.5mm 이상의 공극(7)의 수를 10cm에 상당하는 실제크기로 제거하여 구한 수치 중에서 가장 큰 값을 선밀도로 하였다.
결과는 표 3에 나타내는 바와 같다.
Figure 112005009676692-pat00004
Figure 112005009676692-pat00005
표 3에서 알 수 있듯이, 시료 No.201과 같이 공극이 없는 종래의 세라믹 히터는, 열사이클 시험 후의 절연층에 크랙이 발생하였다. 게다가, 열사이클 시험 전후에 있어서 저항 발열체의 저항치의 변화가 컸다.
이에 대해, 시료 No.202와 같이 공극을 갖는 본 발명의 세라믹 히터는, 저항 발열체에 크랙이 발생하지 않고 바람직한 특성을 나타내었다.
또, 시료 No.203~213과 같이 절연층을 갖추고, 게다가 공극을 갖춘 세라믹 히터는 마찬가지로 저항 발열체에 크랙이 없고, 뛰어난 특성을 나타내었다.
또, 시료 No.202~212와 같이 공극의 크기가 0.05~50㎛인 세라믹 히터는 상기 열사이클을 반복한 후에도 저항 발열체의 저항치의 변화율은 0.3% 이하로 작고 뛰어난 특성을 나타내었다.
또, 시료 No.204~211과 같이 공극의 크기의 평균치가 1~30㎛라면, 정상시의 웨이퍼의 온도차가 0.29℃ 이하로 작고 우수하다는 것이 판명되었다.
또, 시료 No.205~210과 같이 공극의 선밀도가 1000~500000개/m라면, 과도시의 웨이퍼 면내의 최대 온도차가 4.7℃ 이하로 작고 가장 뛰어난 특성을 나타내는 것이 판명되었다.
(실시예 4)
실시예 3과 같이 판형상 세라믹체를 제작하고, 저항 발열체가 되는 페이스트로서 여러 가지 금속과 유리 성분이나 금속 산화물을 혼합하여 페이스트 상태로 제작한 다음 스크린 인쇄하여 웨이퍼 가열 장치를 제작하였다.
제작한 웨이퍼 가열 장치에 웨이퍼를 탑재하고 저항 발열체에 통전하여, 실시예 3과 같게 평가하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.
Figure 112005009676692-pat00006
시료 No.251~258은, 소결한 저항 발열체의 열팽창계수와 판형상 세라믹체와의 열팽창계수의 차이가 3×10－6/℃ 이하로 작으므로, 정상시의 웨이퍼의 온도차가 0.19℃ 이하로 작고, 바람직하다는 것을 알았다.
그러나, 시료 No.250, 259는 저항 발열체의 열팽창계수가 3×10－6/℃를 넘어서 크고, 정상시의 웨이퍼의 온도차도 0.48℃, 0.47℃로 컸다.
시료 No.255~257은, 소결한 저항 발열체의 열팽창계수와 판형상 세라믹체와의 열팽창계수의 차이가 0. 1×10－6/℃ 이하로 작으므로, 정상시의 웨이퍼의 온도차가 0.14℃ 이하로 작고, 더욱 바람직하다는 것을 알았다.
(실시예 5)
또, 실시예 3과 같이 세라믹 히터를 제작하였다. 또한, 바닥이 있는 금속 케이스의 바닥면 두께는 2.0mm의 알루미늄과 측벽부를 구성하는 두께 1.0mm의 알루미늄으로 이루어지고, 바닥면에 가스 분사구, 열전대, 도통 단자를 소정의 위치에 달았다. 또, 바닥면에서 판형상 세라믹체까지의 거리는 20mm로 하였다.
또, 판형상 세라믹체의 주변부 하면을 지지하는 지지구조(A)와 판형상 세라믹체의 외주 단면을 지지하는 지지구조(B)와의 2개의 구조로 세라믹 히터를 제작하였다. 또한, 지지구조A에서는, 판형상 세라믹체의 직경과 금속 케이스의 외형인 직경을 같게 하였다.
또한, 접촉 부재의 단면은 원형상이고, 링형상으로 하였다. 원형상의 단면의 크기는 직경 1mm로 하였다. 또, 접촉 부재의 재질은 SUS304, 탄소강을 이용하였다. 제작한 각종의 세라믹 히터를 시료 No.261~273으로 하였다.
제작한 세라믹 히터의 평가는, 측온저항체가 29군데에 매설된 직경 300mm의 측온용 웨이퍼를 이용하여 실시하였다. 그리고, 얻은 각 세라믹 히터의 저항 발열체에 통전하여, 가열면상에 실은 웨이퍼의 온도를 60초에 300℃까지 승온시키고, 강제 공냉에 의해 300초에 40℃ 이하로 냉각시키는 열사이클 시험을 10000사이클 실시했다. 그 후, 25℃에서 200℃까지 5분 동안에 웨이퍼(W)를 승온시키고, 웨이퍼(W)의 온도를 200℃로 설정하고부터 웨이퍼(W)의 평균 온도가 200℃±0.5℃의 범위에서 일정하게 될 때까지 가열하고, 그 후, 10분간 온도를 보관 유지하고, 그 때의 웨이퍼 온도의 최대치와 최소치의 차이를 웨이퍼(W)의 정상시의 온도차로서 측정하였다. 그리고, 세라믹 히터를 가열한 채, 웨이퍼(W)를 리프트 핀으로 들어올리고, 실온 25℃로 냉각시킨 후, 웨이퍼(W)를 웨이퍼 가열면에 탑재하여 웨이퍼(W)면 내의 평균 온도가 200℃가 될 때까지의 웨이퍼(W) 각부의 온도를 측정하고, 시간축에 대한 웨이퍼(W)면 내의 최대 온도와 최소 온도의 차이를 구하여 과도시의 웨이퍼면 내의 최대 온도차로 하였다.
각각의 결과는 표 5에 나타내는 바와 같다.
Figure 112005009676692-pat00007
Figure 112005009676692-pat00008
A는 금속 케이스 위에 접속부재를 사이에 두어 판형상 세라믹체를 고정
B는 판형상 세라믹스의 외주면을 접촉부재를 사이에 두고 금속 케이스에 고정
표 5의 시료 No. 261은, 판형상 세라믹체의 직경에 대한 저항 발열체의 외접원의 비율이 85%과 작고 정상시의 웨이퍼의 온도차는 0. 54℃로 약간 컸다.
또, 시료 No.273은 판형상 세라믹체의 직경에 대한 저항 발열체의 외접원의 비율이 99.5%로 크고, 정상시의 웨이퍼의 온도차는 0.52℃로 약간 크고, 과도시의 웨이퍼 면내의 최대 온도차도 8.73℃로 약간 컸다.
이에 대해, 시료 No.262~272는 정상시의 웨이퍼의 온도차가 0.46℃ 이하로 작고, 게다가 과도시의 웨이퍼 면내의 최대 온도차가 6.52℃ 이하로 작고 우수하므로, 판형상 세라믹체의 직경에 대한 저항 발열체의 외접원의 비율은, 90~99%가 뛰어난 세라믹 히터인 것을 알았다.
또, 더욱 바람직하게는 시료 No.263~271에서 나타내는 바와 같이, 판형상 세라믹체의 직경에 대한 저항 발열체의 외접원의 비율은, 92~98%라면 정상시의 웨이퍼의 온도차 0.24℃ 이하로 작고 뛰어난 세라믹 히터인 것을 알았다.
(실시예 6)
실시예 3과 같이 판형상 세라믹체를 제작하였다.
단, 판형상 세라믹체의 두께를 0.5~10mm로 하고, 저항 발열체의 두께는 1~100㎛로 하여 제작하였다.
그리고, 실시예 3과 같이 평가하였다. 그 결과를 표 6에 나타낸다.
Figure 112005009676692-pat00009
이 결과, 시료 No.285와 같이 판형상 세라믹체의 두께가 0.5mm로 작은 세라믹 히터는, 정상시의 웨이퍼의 온도차가 0.54℃로 약간 컸다. 또, 시료 No.297과 같이 판형상 세라믹체의 두께가 10mm로 큰 세라믹 히터는, 정상시의 웨이퍼의 온도차가 0.48℃로 약간 컸다.
또, 시료 No.288과 같이 저항 발열체의 두께가 1㎛로 작은 세라믹 히터는 과도시의 웨이퍼 면내의 최대 온도차가 6.51℃로 약간 컸다.
또, 시료 No.294와 같이 저항 발열체의 두께가 100㎛로 두꺼운 세라믹 히터는, 과도시의 웨이퍼 면내의 최대 온도차가 6.52℃로 약간 컸다.
이에 대해, 시료 No.286, 287, 289~293, 295, 296에서 나타내는 바와 같이 판형상 세라믹체의 두께가 1~7mm이고, 저항 발열체의 두께가 5~70㎛인 세라믹 히터는 정상시의 웨이퍼 면내의 온도차가 0.30℃ 이내로 작고, 승온시의 웨이퍼의 온도차도 4.21℃ 이하로 작고 우수하다는 것을 알았다.
또한, 시료 No.287, 289~293, 295에서 나타내는 바와 같이 판형상 세라믹체의 두께가 2~5mm이고, 저항 발열체의 두께가 5~70㎛인 세라믹 히터는 정상시의 웨이퍼의 온도차가 0.22℃ 이내로 작고, 과도시의 웨이퍼 면내의 최대 온도차도 4.19℃ 이하로 작고 우수하다는 것을 알았다.
(실시예 7)
먼저, 질화알루미늄 분말에 대하여, 중량 환산으로 1.0질량%의 산화 이트륨을 첨가하고, 또한 이소프로필 알코올과 우레탄 볼을 이용하여 볼밀에 의해 48시간 혼련함으로써 질화알루미늄의 슬러리(slurry)를 제작하였다.
다음으로, 질화알루미늄의 슬러리를 200메시로 통과시키고, 우레탄 볼이나 볼밀 벽의 부스러기를 없앤 후, 방폭 건조기에서 120℃로 24시간 건조하였다.
그 다음으로, 얻은 질화알루미늄 분말에 아크릴계의 바인더와 용매를 혼합하여 질화알루미늄의 슬립을 제작하고, 독터 블레이드법에 의해 질화알루미늄의 그린시트를 복수매 제작하였다.
그리고, 얻은 질화알루미늄의 그린시트를 복수매 적층 열압착에 의해 적층체를 형성하였다.
그 후, 적층체를 비산화성 가스 기류중에서 500℃의 온도로 5시간 탈지를 가한 후, 비산화성 분위기에서 1900℃의 온도로 5시간의 소성을 실시하여 각종의 열전도율을 갖는 판형상 세라믹체를 제작하였다.
그리고, 질화알루미늄 소결체에 연삭가공을 가하여, 판 두께 3mm, 직경 330mm의 원반형상을 한 판형상 세라믹체를 복수매 제작하고, 또한 중심에서 60mm의 동심원상에 균등하게 3개소 관통구멍을 형성하였다. 관통 구경은, 4mm로 하였다.
이어서, 판형상 세라믹체 위에 저항 발열체를 피착하기 위해, 도전재로서 Au분말과 Pd분말과 상기 같은 조성으로 이루어지는 바인더를 첨가한 유리 페이스트를 혼련하여 제작한 도전체 페이스트를 스크린 인쇄법에 의해 소정의 패턴 형상으로 인쇄한 후, 150℃로 가열하여 유기용제를 건조시키고, 또한 550℃에서 30분간 탈지처리를 가한 후, 700~900℃의 온도로 소성을 실시함으로써 두께가 50㎛의 저항 발열체를 형성하였다.
저항 발열체 영역의 배치는, 중심부에 판형상 세라믹체의 직경(D)의 25%의 원형 하나에 저항 발열체 영역을 형성하고, 그 외측 원고리의 저항 발열체 영역을 형성하고, 그 외측에 외경이 D의 45%의 원고리를 2개의 저항 발열체 영역에 분할하고, 또한 최외주의 저항 발열체 영역의 내경이 D의 70%의 원고리를 4개의 저항 발열체 영역에 분할한 합계 8개의 저항 발열체 영역 구성으로 하였다. 그 후, 최외주의 4개의 저항 발열체 영역의 외접원C의 직경을 310mm로 하여 시료를 제작하였다. 그 후, 저항 발열체(5)에 급전부(6)을 납땜하여 고착시킴으로써 판형상 세라믹체(2)를 제작하였다. 또한, 본 실시예에서는 중심부의 저항 발열체와 그 외측의 원고리 형상의 발열체는 병렬 접속하고 동시에 가열 제어를 실시하였다.
또, 원호형상의 띠 사이의 거리(L1)를 반경 방향으로 서로 인접하는 원호형상 패턴간의 거리(L2)로 하고 그 비율 L1/L2×100%로 하여 비율을 바꾼 웨이퍼 가열 장치를 제작하였다.
또, 바닥이 있는 금속 케이스의 바닥면 두께는 2.0mm의 알루미늄과 측벽부를 구성하는 두께 1.0mm의 알루미늄으로 이루어지고, 바닥면에 가스 분사구, 열전대, 도통 단자를 소정의 위치에 달았다. 또, 바닥면에서 판형상 세라믹체까지의 거리는 20mm로 하였다.
그 후, 상기 바닥이 있는 금속 케이스의 개구부에, 판형상 세라믹체를 겹치고, 그 외주부에 볼트를 관통시켜, 판형상 세라믹체와 바닥이 있는 금속 케이스가 직접 닿지 않도록 링형상의 접촉 부재를 개재시키고, 접촉 부재 측보다 탄성체를 개재시켜 너트를 비틀어끼워서 탄성적으로 고정함으로써 세라믹 히터로 하였다.
또한, 접촉 부재(17)의 단면은 L자형상이고, 고리형상으로 하였다. L자형상의 단부 표면과 판형상 세라믹체의 하면과 원고리형상에 접촉하고, 판형상 세라믹체와의 접촉면의 폭은 3mm로 하였다. 또, 접촉 부재의 재질은 내열성 수지를 이용하였다. 제작한 각종의 세라믹 히터를 시료 No.301~309로 하였다.
제작한 세라믹 히터의 평가는, 측온저항체가 29개소에 매설된 직경 300mm의 측온용 웨이퍼를 이용하여 실시하였다. 각각의 세라믹 히터에 전원을 설치하여 25℃에서 200℃까지 5분 동안에 웨이퍼(W)를 승온시키고, 웨이퍼(W)의 온도를 200℃로 설정하고부터 웨이퍼(W)를 없애고, 실온의 측온 웨이퍼(W)를 웨이퍼 가열면에 실어 웨이퍼(W)의 평균 온도가 200℃±0.5℃의 범위에서 일정하게 될 때까지의 시간을 응답 시간으로 하여 측정하였다. 또, 30℃에서 200℃까지 5분 동안에 승온시키고, 5분간 보관 유지한 후, 30분간 냉각시키는 온도 사이클을 1000사이클 반복한 후, 실온에서 200℃로 설정하고 10분 후의 웨이퍼 온도의 최대치와 최소치의 차이를 웨이퍼(W)의 온도차로 하여 측정하였다.
각각의 결과는 표 7에 나타내는 대로이다.
Figure 112005009676692-pat00010
＊은 본원 발명 이외의 실시예를 나타낸다.
시료 No.301은 L1/L2의 비율이 20%로 너무 작으므로, 웨이퍼의 온도차가 1.2℃로 컸다.
또, 시료 No.309는 L1/L2의 비율이 120%로 너무 크므로 웨이퍼의 온도차가 2.6℃로 컸다.
한편, 동일 원주상에 위치하는 한 쌍의 되돌아오는 원호형상의 띠 사이의 거리를 반경 방향으로 서로 인접하는 원호형상 패턴 간의 거리보다 작은 시료 No.302~308은 웨이퍼의 온도차가 0.5℃ 이하로 작고 뛰어난 특성을 나타내는 것을 알았다.
또, 시료 No.303~305는 L1/L2의 비율이 40~60%이며, 웨이퍼의 온도차가 0.39℃ 이하로 작고 더욱 뛰어나다는 것을 알았다.
(실시예 8)
실시예 7과 같이 판형상 세라믹체를 제작하였다.
그리고, 질화알루미늄 소결체에 연삭가공을 가하여, 판 두께 3mm, 직경 315mm~330mm의 원반형상을 한 판형상 세라믹체(2)를 복수매 제작하고, 또한 중심에서 60mm의 동심원상에 균등하게 3개소 관통구멍을 형성하였다. 관통 구경은, 4mm로 하였다.
이어서, 판형상 세라믹체(2) 위에 저항 발열체(5)를 피착하기 위해, 도전재로서 Au분말과 Pd분말과 상기 같은 조성으로 이루어지는 바인더를 첨가한 유리 페이스트를 혼련하여 제작한 도전체 페이스트를 스크린 인쇄법에 의해 소정의 패턴 형상으로 인쇄한 후, 150℃로 가열하여 유기용제를 건조시키고, 또한 550℃에서 30분간 탈지처리를 가한 후, 700~900℃의 온도로 소성을 실시함으로써 두께가 50㎛의 저항 발열체(5)를 형성하였다.
저항 발열체 영역4의 배치는, 중심부에 직경(D1)(mm)의 원형 하나에 저항 발열체 영역을 형성하고, 그 외측 원고리의 저항 발열체 영역을 형성하고, 그 외측에 외경(D2)(mm)의 원고리를 2개의 저항 발열체 영역에 분할하고, 또한 최외주의 저항 발열체 영역의 내경(D3)의 원고리를 4개의 저항 발열체 영역에 분할한 합계 8개의 저항 발열체 영역 구성으로 하였다. 그리고, 최외주의 4개의 저항 발열체 영역의 외접원(C)의 직경을 310mm로 하여 D1, D2, D3의 비율을 바꾼 시료를 제작하였다. 그 후, 저항 발열체(5)에 급전부(6)을 납땜하여 고착시킴으로써 판형상 세라믹체(2)를 제작하였다. 또한, 본 실시예에서는 중심부의 저항 발열체와 그 외측의 링형상의 발열체는 병렬 접속하고 동시에 가열 제어를 실시하였다.
또, 비교용으로서 도 21의 구성의 저항 발열체 영역으로 하여, 단형의 발열체 영역의 크기는 212×53mm로 하고, 단형의 발열체 영역을 8개 이용한 시료 No.336을 제작하였다. 마찬가지로 시료 No.337은 도 20에 도시하는 구성의 저항 발열체 영역이고, D1r를 150mm로 하고, D2r은 310mm로 하였다. 시료 No.338은 도 19에 도시하는 구성의 저항 발열체 영역의 형상으로 하였다. 시료 No.339는 저항 발열체 영역은 원형으로 한 개의 저항 발열체로 이루어지는 세라믹 히터를 제작하였다.
또, 바닥이 있는 금속 케이스의 바닥면 두께는 2.0mm의 알루미늄과 측벽부를 구성하는 두께 1.0mm의 알루미늄으로 이루어지고, 바닥면에 가스 분사구, 열전대, 도통 단자를 소정의 위치에 달았다. 또, 바닥면에서 판형상 세라믹체까지의 거리는 20mm로 하였다.
그 후, 상기 바닥이 있는 금속 케이스의 개구부에, 판형상 세라믹체를 겹치고, 그 외주부에 볼트를 관통시켜, 판형상 세라믹체와 바닥이 있는 금속 케이스가 직접 닿지 않도록 링형상의 접촉 부재를 개재시키고, 접촉 부재 측보다 탄성체를 개재시켜 너트를 비틀어끼워서 탄성적으로 고정함으로써 세라믹 히터로 하였다.
또한, 접촉 부재(17)의 단면은 L자형상이고, 고리형상으로 하였다. L자형상의 단면의 크기는, 판형상 세라믹체와의 접촉면의 폭이 3mm로 하였다. 또, 접촉 부재의 재질은 내열성 수지를 이용하였다. 제작한 각종의 세라믹 히터를 시료 No.311~339로 하였다.
제작한 세라믹 히터의 평가는, 측온저항체가 29개소에 매설된 직경 300mm의 측온용 웨이퍼를 이용하여 실시하였다. 각각의 세라믹 히터에 전원을 설치하여 25℃에서 200℃까지 5분 동안에 웨이퍼(W)를 승온시키고, 웨이퍼(W)의 온도를 200℃로 설정하고나서 웨이퍼(W)를 없애고, 실온의 측온 웨이퍼(W)를 웨이퍼 가열면에 실어 웨이퍼(W)의 평균 온도가 200℃±0.5℃의 범위에서 일정하게 될 때까지의 시간을 응답 시간으로 하여 측정하였다. 또, 30℃에서 200℃까지 5분 동안에 승온시키고, 5분간 보관 유지한 후, 30분간 냉각시키는 온도 사이클을 1000사이클 반복한 후, 실온에서 200℃로 설정하고 10분 후의 웨이퍼 온도의 최대치와 최소치의 차이를 웨이퍼(W)의 온도차로 하여 측정하였다.
각각의 결과는 표 8에 나타내는 대로이다.
Figure 112005009676692-pat00011
Figure 112005009676692-pat00012
본원 발명의 세라믹 히터(1)에서, 중심부에 원형의 저항 발열체 영역과 그 외측의 동심원의 3개의 원고리 내에 저항 발열체 영역을 갖춘 시료 No.311~335의 세라믹 히터(1)는 웨이퍼(W)의 온도차가 0.5℃ 미만이고, 또 응답 시간은 48초 이하로 우수하였다. 또, 중심부의 저항 발열체 영역의 외경(D1)은 그 최외주의 저항 발열체 영역의 외경D의 20~40%이고, 외경(D2)는 외경D의 40~55%이고, 외경(D3)은 외경(D)의 55~85%인 세라믹 히터(1)는, 표 8의 시료 No.312~317, 319~325, 328~334이고, 웨이퍼(W)의 온도차는 0.43℃ 이하로 작고, 게다가 응답 시간은 39초 이하로 작고 뛰어난 특성을 나타내는 것을 알았다.
또한, 중심부의 저항 발열체 영역의 외경(D1)은 저항 발열체의 외접원(D)의 20~30%인 시료 No.312~315의 세라믹 히터에서, 웨이퍼의 온도차가 0.39℃ 이하로 작고, 또 응답 시간도 35초 이하로 작고 우수하다는 것을 알았다. 또, 외경(D1)은 D의 23~27%인 시료 No.313, 314의 세라믹 히터에서, 웨이퍼의 온도차가 0.28℃ 이하로 작고, 응답 시간은 28초 이하로 작고 더욱 바람직하다는 것을 알았다.
또, 외경(D2)은 D의 41~53%인 시료 No.320~324의 세라믹 히터에서, 웨이퍼의 온도차가 0.39℃ 이하로 작고, 응답 시간은 34초 이하로 작고 바람직하다는 것을 알았다. 또, 외경(D2)는 D의 43~49%인 시료 No.321~323의 세라믹 히터에서, 웨이퍼의 온도차가 0.29℃ 이하로 작고, 응답 시간은 28초 이하로 작고 더욱 바람직하다는 것을 알았다.
또, 외경(D3)는 D의 55~85%인 시료 No.328~334의 세라믹 히터에서, 웨이퍼의 온도차가 0.42℃ 이하로 작고, 응답 시간은 39초 이하로 작고 바람직하다는 것을 알았다. 또, 외경(D3)는 D의 65~85%인 시료 No.330~334의 세라믹 히터에서, 웨이퍼의 온도차가 0.38℃ 이하로 작고, 응답 시간은 34초 이하로 작고 더욱 바람직하다는 것을 알았다. 또, 외경(D3)는 D의 67~70%인 시료 No.331, 332의 세라믹 히터에서, 웨이퍼의 온도차가 0.23℃ 이하로 작고, 응답 시간은 28초 이하로 작고 더욱 바람직하다는 것을 알았다.
이에 대해 본 발명 외의 시료 No.336~339는 웨이퍼의 온도차가 1.8℃ 이상으로 크고, 응답 시간도 55초로 크고 바람직하지 않다는 것을 알았다.
(실시예 9)
실시예 8과 같이 판형상 세라믹체를 제작하였다.
그리고, 질화알루미늄 소결체에 연삭가공을 하여, 판 두께 3mm, 직경 315mm~345mm의 원반형상을 한 판형상 세라믹체(2)를 복수매 제작하고, 또한 중심에서 60mm의 동심원상에 균등하게 3개소 관통구멍을 형성하였다. 관통 구경은, 4mm로 하였다.
이어서, 판형상 세라믹체(2) 위에 저항 발열체(5)를 피착하기 위해, 도전재로서 Au분말과 Pd분말과 상기 같은 조성으로 이루어지는 바인더를 첨가한 유리 페이스트를 혼련하여 제작한 도전체 페이스트를 스크린 인쇄법에 의해 소정의 패턴 형상으로 인쇄한 후, 150℃로 가열하여 유기용제를 건조시키고, 또한 550℃로 30분간 탈지처리를 가한 후, 700~900℃의 온도로 소성을 실시함으로써 두께가 50㎛의 저항 발열체(5)를 형성하였다. 저항 발열체(5)의 패턴 배치는, 중심부에서 방사형상으로 원과 원고리 형상으로 분할하고, 중심부에서 원형의 하나에 패턴을 형성하고, 그 외측의 원고리 형상의 저항 발열체를 형성하고, 그 외측의 원고리 형상 부분에 2개의 저항 발열체를 갖추며, 또한 최외주에 4개의 패턴의 합계 8개의 패턴 구성으로 하였다. 그리고, 최외주의 4개의 저항 발열체의 외접원C의 직경을 310mm로 하고 판형상 세라믹체의 직경을 바꾸어 제작하였다. 그 후, 저항 발열체(5)에 급전부(6)을 납땜하여 고착시킴으로써 판형상 세라믹체(2)를 제작하였다.
또, 바닥이 있는 금속 케이스의 바닥면 두께는 2.0mm의 알루미늄과 측벽부를 구성하는 두께 1.0mm의 알루미늄으로 이루어지고, 바닥면에 가스 분사구, 열전대, 도통 단자를 소정의 위치에 달았다. 또, 바닥면에서 판형상 세라믹체까지의 거리는 20mm로 하였다.
그 후, 상기 바닥이 있는 금속 케이스의 개구부에, 판형상 세라믹체를 겹치고, 그 외주부에 볼트를 관통시켜, 판형상 세라믹체와 바닥이 있는 금속 케이스가 직접 닿지 않도록 시료 No.301과 같은 링형상의 접촉 부재를 개재시키고, 접촉 부재 측보다 탄성체를 개재시켜 너트를 비틀어 끼워서 탄성적으로 고정함으로써 세라믹 히터로 하였다.
제작한 세라믹 히터를 실시예 7과 같이 평가하였다.
각각의 결과는 표 9에 나타내는 대로이다.
Figure 112005009676692-pat00013
표 9의 시료 No.345는, 판형상 세라믹체의 직경에 대한 저항 발열체의 외접원의 비율이 85%로 작고, 웨이퍼의 면내 온도차는 0.48℃로 크고, 특히 응답 시간이 35초로 약간 컸다.
시료 No.352는 판형상 세라믹체의 직경에 대한 저항 발열체의 외접원의 비율이 99%로 크고, 웨이퍼의 면내 온도차는 0.42℃로 약간 크고, 응답 시간도 32초로 약간 크다는 것을 알았다.
이에 대해, 시료 No.346~351은 웨이퍼의 면내의 온도차가 0.28℃ 이하로 작고, 게다가 응답 시간도 29초 이하로 작고 우수하므로, 판형상 세라믹체의 직경에 대한 저항 발열체의 외접원의 비율은, 90~97%가 뛰어난 세라믹 히터인 것을 알았다.
(실시예 10)
실시예 7과 같이 판형상 세라믹체를 제작하였다.
단, 페이스트의 인쇄 두께는 20㎛로 하고, 또, 저항 발열체를 둘러싸는 외접원에 대하여 저항 발열체가 차지하는 면적의 비율을 바꾼 것을 준비하였다.
　그리고, 실시예 7과 같이 평가하였다. 그 결과를 표 10에 나타낸다.
Figure 112005009676692-pat00014
Figure 112005009676692-pat00015
이 결과, 시료 No.360과 같이 저항 발열체를 둘러싸는 외접원에 대하여 저항 발열체가 차지하는 면적의 비율이 5%를 밑도는 시료는, 웨이퍼의 면내의 온도차가 0.35℃로 약간 컸다. 또, 시료 No.367과 같이 저항 발열체를 둘러싸는 외접원에 대하여 저항 발열체가 차지하는 면적의 비율이 30%를 넘으면, 웨이퍼 일부에 온도가 높은 핫 에리어가 나타나 웨이퍼의 면내 온도차가 0.34℃로 약간 컸다.
이에 대해, 시료 No.361~366에 나타내는 바와 같이 저항 발열체의 외접원에 대하여, 저항 발열체가 차지하는 면적의 비율을 5~30%로 한 시료는, 웨이퍼의 면내 온도차를 0.24℃ 이하로 작게 할 수 있어서 뛰어났다.
또, 시료 No.362~365와 같이, 저항 발열체의 외접원에 대하여, 저항 발열체가 차지하는 면적의 비율을 10~25%로 함으로써 웨이퍼의 면내의 온도차를 0.19℃ 이내로 할 수 있고, 또 시료 No.363, 364와 같이, 저항 발열체의 외접원에 대하여 저항 발열체가 차지하는 면적의 비율을 15~20%로 함으로써 웨이퍼의 면내의 온도차를 0.13℃ 이내까지 저감할 수 있어서 특별히 뛰어나다는 것을 알았다.
본 발명에 의하면 저항 발열체의 구조면으로부터 웨이퍼 가열면의 내구성을 향상시켜 웨이퍼 가열면의 균열화를 도모할 수 있다.
또한, 저항 발열체의 배치 패턴을 고려하여 웨이퍼 가열면의 균열화를 도모할 수 있다.

Claims (30)

  1. 판형상 세라믹체의 한쪽 주면을 가열면으로 하고, 그 판형상 세라믹체의 내부 또는 다른 쪽의 주면에 띠 형상의 저항 발열체를 설치한 세라믹 히터에 있어서,
    상기 저항 발열체는 도전성 입자와 절연성 조성물로 이루어지고, 다수의 상기 도전성 입자에 둘러싸인 절연성 조성물의 괴를 가지며, 상기 절연성 조성물의 괴 안에 절연성 조성물보다 큰 열팽창계수를 가지는 입자를 내재시킨 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 조성물 괴의 평균 입경은 상기 도전성 입자의 평균 입경의 3배 이상인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 입자의 평균 입경은 0.1~5㎛이며, 상기 절연성 조성물의 괴의 평균 입경은 3~100㎛인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 열팽창계수가 큰 입자는 상기 도전성 입자와 동일한 조성물인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  6. 제 1 항에 있어서, 단면에 있어서, 상기 절연성 부재의 괴 안에 포함되는 입자가 차지하는 면적률이 10% 이하인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  7. 판형상 세라믹체의 한쪽의 주면을 가열면으로 하고, 그 판형상 세라믹체의 내부 또는 다른 쪽의 주면에 띠 형상의 저항 발열체를 설치한 세라믹 히터에 있어서,
    상기 판형상 세라믹체와 상기 저항 발열체의 계면을 따라 상기 저항 발열체에 공극을 구비한 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  8. 판형상 세라믹체의 한쪽의 주면을 가열면으로 하고, 그 판형상 세라믹체의 다른 쪽의 주면에 절연층을 통해서 띠형상의 저항 발열체를 설치한 세라믹 히터에 있어서,
    상기 판형상 세라믹체와 상기 절연층의 계면을 따라 상기 절연층에 공극을 구비한 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 공극의 크기는 0.05~50㎛인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 판형상 세라믹체의 주면에 수직인 단면에 있어서 상기 공극의 선 밀도가 1000~500000개/m인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항 발열체는 대략 동일한 폭을 가지는 원호형상의 띠와 되돌아오는 원호형상의 띠를 연속하게 하여 대략 동심원형상으로 설치하여, 동일한 원주 상에 위치하는 한 쌍의 되돌아오는 원호형상의 띠 사이의 거리가 반경 방향으로 서로 이웃하는 원호형상의 띠 사이의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 11 항에 있어서, 상기 저항 발열체는 중심부에 구비한 원형의 저항 발열체 영역과 그 외측의 동심원의 3개의 원 고리형상의 저항 발열체 영역으로 이루어지고, 상기 중심부의 저항 발열체 영역과 그 외측의 고리형상의 저항 발열체의 사이에 상기 판형상 세라믹체를 관통하는 관통구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제 1 항에 기재된 세라믹 히터에 있어서의 판형상 세라믹체의 한쪽의 주면을 웨이퍼를 탑재하는 웨이퍼 가열면으로 한 웨이퍼 가열 장치.
  21. 제 7 항에 기재된 세라믹 히터에 있어서의 판형상 세라믹체의 한쪽의 주면을 웨이퍼를 탑재하는 웨이퍼 가열면으로 한 웨이퍼 가열 장치.
  22. 제 8 항에 기재된 세라믹 히터에 있어서의 판형상 세라믹체의 한쪽의 주면을 웨이퍼를 탑재하는 웨이퍼 가열면으로 한 웨이퍼 가열 장치.
  23. 제 11 항에 기재된 세라믹 히터에 있어서의 판형상 세라믹체의 한쪽의 주면을 웨이퍼를 탑재하는 웨이퍼 가열면으로 한 웨이퍼 가열 장치.
  24. 반도체 웨이퍼를 제 20 항에 기재된 웨이퍼 가열장치의 웨이퍼 가열면에 대향하여 배치하고, 상기 웨이퍼 가열장치에 의해 상기 반도체 웨이퍼를 가열하면서 반도체 박막의 성막처리, 에칭처리, 레지스트막 성형 중 적어도 어느 하나를 하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판 제조방법.
  25. 반도체 웨이퍼를 제 21 항에 기재된 웨이퍼 가열장치의 웨이퍼 가열면에 대향하여 배치하고, 상기 웨이퍼 가열장치에 의해 상기 반도체 웨이퍼를 가열하면서 반도체 박막의 성막처리, 에칭처리, 레지스트막 성형 중 적어도 어느 하나를 하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판 제조방법.
  26. 반도체 웨이퍼를 제 22 항에 기재된 웨이퍼 가열장치의 웨이퍼 가열면에 대향하여 배치하고, 상기 웨이퍼 가열장치에 의해 상기 반도체 웨이퍼를 가열하면서 반도체 박막의 성막처리, 에칭처리, 레지스트막 성형 중 적어도 어느 하나를 하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판 제조방법.
  27. 반도체 웨이퍼를 제 23 항에 기재된 웨이퍼 가열장치의 웨이퍼 가열면에 대향하여 배치하고, 상기 웨이퍼 가열장치에 의해 상기 반도체 웨이퍼를 가열하면서 반도체 박막의 성막처리, 에칭처리, 레지스트막 성형 중 적어도 어느 하나를 하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판 제조방법.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 입자가 상기 절연성 조성물에 분산되고, 또한 상기 도전성 입자는 구 형상인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  29. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 입자는 금, 백금, 팔라듐, 이리듐, 및 로듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  30. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 조성물은 결정화 유리로 이루어진 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
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