KR100872541B1 - 세라믹 정전척 및 이 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세라믹 정전척 및 이 제조방법에 관한 것으로, 금속 모재의 절연을 유지함은 물론 종래 절연층과 모재간의 접합을 위해 사용되는 언더코트층 없이 모재와 절연층의 접합이 가능하도록 함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 세라믹 정전척은, 모재(110)와; 상기 모재의 상면에 형성되는 제1절연층(120)과; 상기 제1절연층 위에 적층되며 전도성을 부여받는 전극층(130)과; 그리고, 상기 전극 위에 형성되는 제2절연층(140)을 포함하며, 상기 제1절연층은 인산 세라믹스화합물로 이루어진다. 상기 인산 세라믹스화합물은 오르토인산, 메타인산과 알루미늄이 합성된 메타인산알루미늄[Al(PO3)3] 또는 오르토인산알루미늄[AlPO4], 인산에 산화지르코늄, 산화이트리움, 탄화규소, 질화알루미늄이 합성된 금속인산염이다.
정전척, 웨이퍼, 절연층, 인산염

Description

세라믹 정전척 및 이 제조방법{CERAMIC ELECTROSTATIC CHUCK AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 세라믹 정전척에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인산 세라믹스 화합물을 이용하여 금속모재의 표면을 간단하게 절연시키고, 모재와 절연층의 박리가 일어나지 않도록 한 세라믹 정전척 및 이 제조방법에 관한 것이다.
통상, 웨이퍼를 가공하여 반도체 장치를 제조하기 위한 반도체 공정은 특성에 따라서 복수 매의 웨이퍼를 하나의 단위로 프로세스가 진행되거나 낱매의 웨이퍼를 하나의 단위로 프로세스가 진행되는 것으로 구분될 수 있다.
낱매의 웨이퍼를 하나의 공정 단위로 진행하는 경우 공정 설비에 투입되는 웨이퍼를 고정하기 위한 장치가 구성되어야 하며, 일반적으로 반도체공정에 사용되는 웨이퍼를 흡착할 수 있는 기술로는 메카니컬 클램핑과 정전력 클램핑이라는 두가지가 있다.
그러나, 종래의 메카니컬 클램핑은 웨이퍼 변부를 기계적으로 고정하므로 전 극과 웨이퍼 간의 불균일한 접착으로 인한 가열 및 냉각의 불균일성이 발생되고 냉각시 사용되는 가스 압력에 의하여 웨이퍼가 휘어서 웨이퍼의 열전도 차이를 발생시켜서 불량이 유발되는 문제점이 있었다. 또한 기계적인 부품의 사용에 따른 파티클 발생 문제가 수반되고, 심한 경우 부분의 손상으로 인한 수율저하가 발생된다.
따라서, 현재는 정전력을 사용한 기술이 널리 활용되고 있다. 이러한 정전력 클램핑 방식은 쿨롱의 법칙과 존슨-라벡힘에 의해 결정된다.
F=
Figure 112008034965649-pat00001
여기서 F는 정전기력이며, q 및 q'는 매질속의 전하량이고 r은 두 전하사이의 거리를 나타낸다.
Figure 112008034965649-pat00002
는 원주율이다.
또한 존슨-라벡힘은 다음의 공식으로 계산이 가능하다.
F=
Figure 112008034965649-pat00003
여기서 V는 인가전압이고,
Figure 112008034965649-pat00004
는 유전체와 금속이 표면이 평행하게 되어 있고 일정한 굴곡에 의해 접촉되는 지점들 간의 거리이다.
이러한 쿨롱힘과 존슨-라벡힘을 응용하기 위하여, 정전척은 통상적으로 유전체 혹은 절연체를 구비하며, 상기 유전체 혹은 절연체는 그 내부에 편평한 전극을 포함하고 있다.
여기서, 내부전극이 정전력 발생용 전극이 되며, 전극 위에 배치되는 절연체가 유전체로서 동작한다. 유전체 상에는 웨이퍼가 배치되어 웨이퍼를 하나의 전하로 간주하고, 내부전극을 또 하나의 전하로 간주하여 상기 전하들 사이에 절연체를 삽입시킴으로써 정전 흡착력이 발생하는 것이다.
기존에 행해지던, 정전척의 절연체로는 폴리이미드 타입과 세라믹 타입을 들 수 있는데, 근래에는 세라믹 타입으로 전향되어 지고 있다. 상기 절연체는 통상적으로 그 내부에 얇은 막 형태의 전극을 포함하고 있다. 여기서, 이 막 형태의 전극을 통상적으로 정전흡착용 전극 또는 단순히 전극이라 칭한다.
도 1을 참고하여 정전척을 설명하면 다음과 같다.
정전척(10)은, 표면이 아노다이징 처리된 예컨대 알루미늄의 모재(11), 모재(11)의 일면에 플라즈마 용사 코팅으로 형성되는 세라믹 재질의 제1절연층(유전체층)(12), 제1절연층(12) 위에 적층되는 전극(13), 전극(13) 위에 플라즈마 용사 코팅으로 형성되는 제2절연층(유전체층)(14)으로 이루어진다.
여기서, 모재(11)는 금속이며 제1절연층(12)은 비금속이기 때문에 열팽창 계수가 서로 다르며, 이에 따라 모재(11)와 제1절연층(12)간에 크랙이 발생되는 등 불량이 발생되어 모재(11)와 제1절연층(12) 사이에 Ni-Al 등으로 이루어진 언더코트층(15)이 형성된다.
이와 같은 구성의 정전척 제조방법은 다음과 같다.
알루미늄의 표면을 예를 들어 아노다이징 처리하여 모재(11)를 준비한다.
모재(11)의 일면(상면)에 Ni-Al을 코팅하여 언더코트층(15)을 형성한다.
언더코트층(15) 위에 플라즈마 용사에 의해 제1절연층(12)을 코팅한다.
제1절연층(12) 위에 전극(13)을 코팅한다.
전극(13) 위에 플라즈마 용사에 의해 제2절연층(14)을 코팅한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 종래 기술에 의한 정전척에 의하면, 모재(11)에 제1절연층(12)을 접착하기 위하여 필수적으로 언더코트층(15)을 형성하여야 하므로 언더코트층(15)에 따른 비용이 상승되고 공기가 길어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 정전척의 금속모재의 표면을 인산 세라믹스화합물을 사용하여 간단하게 절연시킴으로서, 절연층과 동일의 물질 혹은 Ni-Al과 같은 복잡한 공정을 거쳐야 되는 언더코트공정이 필요없이 곧바로 절연층의 형성이 적용될 수 있도록 하는 세라믹 정전척 및 이 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 세라믹 정전척은, 모재와; 상기 모재의 상면에 형성되는 제1절연층과; 상기 제1절연층 위에 적층되며 전도성을 부여받는 전극층과; 그리고, 상기 전극 위에 형성되는 제2절연층을 포함하며, 상기 제1절연층은 인산 세라믹스화합물로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 세라믹 정전척 및 이 제조방법에 의하면, 제1절연층이 300도 이하의 저온에서 세라믹재질로 코팅이 가능하고 열전도성이 뛰어나고, 기존의 플라즈마 열용사 혹은 아노다이징과 같은 복잡하고 기공이 많은 공법보다 공정수가 감소하였으며, 인쇄, 디핑, 스프레이등과 같은 간단한 공정을 사용함으로서 보다 저가의 제조원가로 인해 반도체 공정의 생산성을 증대할 수 있다.
그리고, 인산 세라믹스화합물의 제2절연층과 금속 모재간 고온 열팽창계수 차이를 완화시켜주는 버퍼층의 역할로, 향후 반도체공정의 고온처리 프로세스에도 적용이 가능할 것으로 보이며, 또한 제2절연층과 동일한 세라믹스화합물로 구성되어 접합성이 우수하기 때문에 전극층의 박리 현상이나 크랙, 휨 등을 방지할 수 있다.
또한, 반도체공정중의 가열, 냉각조건에서도 우수한 내열충격성을 발휘하고, 양호한 열전도성을 가짐으로서 정전척의 표면온도가 균일하게 분포되는 특징을 가지고 있다. 그리고 인산 세라믹스화합물로 구성된 정전척은 상부 제2절연층과의 열팽창계수 차이가 적어 가열 및 냉각이 반복되는 조건에서도 균열이 발생하지 않아 정전척의 수명이 길어지고 반도체 공정에서 정전척의 교체에 따른 비용감소와 생산효율을 높일 수 있다.
도 2에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 세라믹 정전척(100)은, 표면이 예를 들어 아노다이징 처리된 알루미늄 모재(110), 모재(110)의 일측면(도면 기준 상면)에 형성되는 제1절연층(120), 제1절연층(120) 위에 적층되는 전극(130) 및 전극(130) 위에 형성되는 제2절연층(140)으로 이루어진다. 본 발명은 종래 정전척과 비교할 때 종래의 언더코트층이 형성되지 않는 것이다. 즉, 본 발명은 제1절연층(120)이 모재(110)의 표면을 절연함은 물론 이형 소재인 모재(110)와의 접착력이 우수한 인산염 세라믹스 화합물로 이루어진다.
인산 세라믹스화합물은 인산[H3PO4]과 여러 세라믹 화합물이 합성되어 이루어진 것이다.
인산은 오르토인산, 메타인산 등이 있으며, 여기에 알루미늄이 합성된 인산 세라믹스화합물로 메타인산알루미늄[Al(PO3)3] 혹은 오르토인산알루미늄[AlPO4]이 사용될 수 있다.
그리고, 인산 세라믹스화합물은 인산에 산화지르코늄, 산화이트리움, 탄화규소, 질화알루미늄의 합성에 의하여 생성된 금속인산염의 형태로 다양하게 적용이 가능하다.
지금까지는 제1절연층(120)만 인산 세라믹스화합물로 이루어진 것으로 설명하였지만, 제2절연층(140)도 제1절연층(120)과 동일한 소재 및 조건으로 이루어질 수도 있다.
본 발명은 절연층(120)이 인산 세라믹스화합물로 이루어진 것을 특징으로 하고 있으며, 나머지 구성인 모재(110), 전극(130)은 종래 정전척과 동일한 것이 사용되므로 이에 대해서는 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 정전척은 전극의 수에 따라 하나의 전극만을 사용하여 웨이퍼(1)를 척킹(chucking)하는 유니폴라 정전척(unipolar electro-static chuck)과 두 개의 상반된 전극을 사용하는 바이폴라 정전척(bipolar electro-static chuck)이 있으며, 이상에서 설명한 바와 같은 기술적 특징을 갖는 본원 발명의 정전척은 유니폴라 정전척(도 3)과 바이폴라 정전척(도 4) 모두에 적용 가능하다.
도 3에서 보이는 것처럼, 유니폴라 정전척은, 알루미늄재질로 된 모재(110), 모재(110) 위에 인산 세라믹스화합물로 형성되는 제1절연층(120), 제1절연층(120) 위에 적층되는 전극(130), 전극(130) 위에 전극(130)을 덮도록 형성되는 제2절연층(140), 전극(130)에 전극을 부여하는 전극 연결부(150)를 포함하여 구성된다.
도 4는 바이폴라 정전척은, 제1모재(110), 제1절연층(120), 제2모재(170), 제2절연층(140)이 하부에서부터 차례로 적층되며, 여기에 서로 다른 극성을 부여하여 정전기적 힘에 의해 상부에 놓여지는 웨이퍼(1)를 척킹하는 제1, 2 전극 연결부(150)로 구성된다.
상술한 유니폴라 정전척과 바이폴라 정전척에서 절연층(120,140)은 인산 세라믹스화합물로 이루어지는 것이다.
이하 본 발명에 의한 세라믹 정전척의 제조방법을 설명한다.
(S10) 제1절연층 형성.
모재는 예컨대 알루미늄을 재질로 하며 표면에 아노다이징 처리가 된다. 이 모재의 일면(사용 상태 기준 상면) 위에 틀을 거치하고 틀 안쪽을 통해 인산 세라믹스 화합물(전술한 메타인산알루미늄[Al(PO3)3], 오르토인산알루미늄[AlPO4], 그리고 인산 세라믹스화합물은 인산에 산화지르코늄, 산화이트리움, 탄화규소, 질화알루미늄의 합성에 의하여 생성된 금속인산염)을 도포하여 제1절연층을 코팅 형성한다. 제1절연층의 코팅 조건은 섭씨 300도 이하 바람직하게 섭씨 270 내지 330도이며 코팅이 완료되면 상온에서 건조되어 안정된다.
이처럼 인산 세라믹스화합물을 모재 위에 도포하면 인산 세라믹스화합물은 모재 내부에 침투하면서 모재를 감싸기 때문에 모재의 절연 효과가 우수하며, 모재와 제1절연층의 박리가 일어나지 않는다.
(S20) 전극층 형성.
제1절연층의 형성이 완료되면 전극패턴을 별도의 마스크를 이용하여 플라즈마 용사 코팅에 의해 전극층을 형성한다.
(S30) 제2절연층 형성.
전극층 위에 플라즈마 용사 코팅에 의해 제2절연층을 형성하거나, (S10) 제1절연층 형성단계와 동일한 방법으로 제2절연층을 형성한다.
이상은 본 발명의 기술적 특징에 의한 정전척 제조방법을 설명한 것이며, 여기에 유니폴라 정전척과 바이폴라 정전척의 종류에 따라 전극연결부를 각각 형성한다.
도 1은 종래 기술에 의한 정전척의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 세라믹 정전척의 구성도.
도 3과 도 4는 각각 본 발명에 의한 세라믹 정전척의 구체적인 실시예인 유니폴라 정전척과 바이폴라 정전척의 구성도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1 : 실리콘웨이퍼
10, 100 : 정전척, 11, 110 : 모재
12, 120 : 제1절연층, 13, 130 : 전극
14, 140 : 제2절연층, 15 : 언더코트층
150 : 전극 연결부,

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 아노다이징 표면처리된 알루미늄인 모재와;
    상기 모재의 상면에 형성되며 인산 세라믹스화합물로 이루어진 제1절연층과;
    상기 제1절연층 위에 플라즈마 용사코팅된 전극층과; 그리고,
    상기 전극층 위에 형성되며 인산 세라믹스화합물로 이루어진 제2절연층을 포함하며,
    상기 제1,2절연층의 상기 인산 세라믹스화합물은 오르토인산, 메타인산과 알루미늄이 합성된 메타인산알루미늄[Al(PO3)3] 또는 오르토인산알루미늄[AlPO4]인 것을 특징으로 하는 세라믹 정전척.
  3. 아노다이징 표면처리된 알루미늄인 모재와;
    상기 모재의 상면에 형성되며 인산 세라믹스화합물로 이루어진 제1절연층과;
    상기 제1절연층 위에 플라즈마 용사코팅된 전극층과; 그리고,
    상기 전극층 위에 형성되며 인산 세라믹스화합물로 이루어진 제2절연층을 포함하며,
    상기 제1,2절연층의 상기 인산 세라믹스화합물은, 인산에 산화지르코늄, 산화이트리움, 탄화규소, 질화알루미늄이 합성된 금속인산염인 것을 특징으로 하는 세라믹 정전척.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. (S10) 아노다이징 표면처리된 알루미늄인 모재의 표면에 인산 세라믹스화합물을 통해 제1절연층을 형성하는 제1단계와;
    (S20) 상기 제1절연층 위에 플라즈마 용사코팅으로 정전력 발생을 위한 전극층을 형성하는 제2단계와; 그리고,
    (S30) 상기 전극층 위에 인산 세라믹스화합물을 통해 제2절연층을 형성하는 제3단계를 포함하고,
    상기 제1단계와 제3단계에서는,
    인산에 산화지르코늄, 산화이트리움, 탄화규소, 질화알루미늄이 합성된 금속인산염인 인산 세라믹스화합물 혹은 오르토인산, 메타인산과 알루미늄이 합성된 메타인산알루미늄[Al(PO3)3] 또는 오르토인산알루미늄[AlPO4]인 인산 세라믹스화합물을 섭씨 270 내지 330도에서 도포한 후 건조하여 제1,2절연층을 형성하는 것을 특징으로 하는 세라믹 정전척 제조방법.
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