KR100924262B1 - 메쉬 전극을 갖는 세라믹 정전척 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 소결체 내에 메쉬 형태의 전극이 삽입된 정전척에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 상기 메쉬 형태의 전극의 일부가 소결체 하면을 향하여 굴절되어 바디(body)쪽으로 연장하는 정전척에 관한 것이다.

본 발명에 따른 정전척의 제조 방법은, 1차 소결된 하부 절연체를 준비하는 단계와, 하부 절연체의 일부에 관통홀을 형성하는 단계와, 상기 형성 단계 이후 메쉬 전극을 상기 하부 절연체 상에 적층하는 단계와, 상기 전극이 적층된 하부 절연체 상에 상부 절연체를 적층하는 단계와, 상기 하부 절연층, 메쉬 전극 및 상부 절연층이 형성된 조립체를 2차 소결하는 단계와, 상기 소결된 조립체에 형성된 관통홀에 페이스트 또는 도전성 재료를 충진하는 단계를 포함하며, 상기 메쉬 전극은 상기 메쉬 전극의 일부가 하부 절연체에 형성된 관통홀을 통과하여 굴절되어 아래 방향으로 연장되고 관통홀의 측면과 접착되며, 상기 페이스트 또는 도전성 재료는 하부 절연체의 관통홀을 통과하여 굴절되어 아래 방향으로 연장된 메쉬 전극과 전기적으로 접촉상태를 유지하는 것이 바람직하다.

메쉬 전극, 낱개의 전극 리드, 수평방향 전극 리드, 수직방향 전극 리드.

Description

메쉬 전극을 갖는 세라믹 정전척 및 그 제조 방법{Ceramic Electrostatic Chuck having a mesh electrode and the method of the same}

도 1은 종래의 세라믹 정전척 제조 방법을 도시한 단면면.

도 2는 본 발명에 따른 세라믹 정전척 제조 방법을 도시한 단면면.

도 3은 본 발명에 따른 바디 상에 형성된 정전척을 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 메쉬 전극의 중심부분을 확대도시한 도면.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 커터기 및 박판 전극을 도시하는 도면.

도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 천공된 전극을 도시하는 도면.

* 도면 부호에 대한 간단한 설명 *

100,200: 하부 절연체 220: 메쉬 전극

410: 낱개의 전극 리드 410a: 수직방향 전극 리드

본 발명은 세라믹 소결체 내에 메쉬 형태의 전극이 삽입된 정전척에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 상기 메쉬 형태의 전극의 일부가 소결체 하면을 향하여 굴 절되어 바디(body)쪽으로 연장하는 정전척에 관한 것이다.

통상적으로, 반도체 제조기술 중에 웨이퍼를 클램핑하기 위한 기술로는 크게 탑사이드 메카니컬 클램핑(Top-Side Mechanical Clamping) 기술과 정전 클램핑(Electro-Static Clamping)기술이 있다. 현재는 정전력을 이용한 정전척 시스템을 널리 사용하고 있다.

이러한, 정전 클램핑 방식은 웨이퍼를 안정적으로 척킹(Chucking)하고, 균일한 온도 분포를 확보하기 위하여 척킹력으로서 정전력을 사용하며, 이러한 정전력은 쿨롱의 힘(Coulomb force)과 존슨 라벡힘(Johnsen-Rahbek force)을 활용한다.

쿨롱의 힘은 수학식 1에 의해 정의된다.

여기서, F는 정전력이며, q 및 q'는 매질속의 전하량이고, r은 두 전하사이의 거리를 나타낸다.

는 진공유전상수 이고, π는 원주율이다.

또한, 존슨 라벡힘은 수학식 2에 의해 정의된다.

여기서, V는 인가 전압이고, δ는 유전체와 금속의 표면이 평행하게 되어 있고 일정한 굴곡에 의해 접촉되는 지점들 간의 거리를 말한다.

이러한 쿨롱힘과 존슨 라벡힘을 응용하기 위하여, 정전척은 통상적으로 절연체를 구비하며, 상기 절연체는 그 내부에 편평한 막 형태의 전극을 포함하고 있다.

여기서, 막형태의 전극이 정전 발생용 전극이 되며, 전극 위에 배치되는 절연체가 유전체로서 동작한다. 유전체 상에는 웨이퍼가 배치되어 웨이퍼를 하나의 전하로 간주하고, 막 형태의 전극을 또 하나의 전극으로 간주하여 상기 전하들 사이에 절연체를 개재시킴으로써 정전흡착력이 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.

계속해서 종래 기술에 대하여 설명한다. 먼저, 도 1을 참조하면, 한국 특허등록번호 2002-59438에 개시된 종래의 세라믹 정전척의 제조 과정을 알 수 있는데, 종래의 세라믹 정전척은 먼저, 질화 알루미늄 또는 알루미나 등의 세라믹 재질을 사용하여 원형상의 소결체(100; 하부 절연체라고도 칭함)를 형성한다. 이 소결체 상에 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)등의 도전성 부재를 사용하여 스크린 프린팅 방식에 의해 전극(120)을 형성한다. 이때 전극(120)의 두께는 50~250um정도이다. 전극이 형성된 소결체에 관통홀(130)을 형성하여 전극(120)의 일부가 외부로 들어나도록 가공한다. 그 뒤, 그린시트 형태의 상부 절연체(140)를 전극(120) 상에 형성 하고 이렇게 형성된 조립체를 1850℃의 온도로 가압 소결시켜 정전척을 형성한다.

또한, 전극 접촉 방식은, 공지된 기술에서 알 수 있는 바와 같이, 소결된 정전척의 관통홀에 페이스트 또는 도전성 재질의 물질(150)을 충진시켜 전극(120)과 전기적 접촉을 갖도록 한다. 그 뒤, 그 내부에 관통홀을 갖는 알루미늄 재질의 바디(body)를 정전척에 접촉시킨다. 상기 관통홀에는 알루미늄 재질의 바디와 전기적 절연을 유지하는 절연체로 피복된 도전성 부재가 개재된다. 이에 의해, 상기 도전성 부재(170)와 상기 정전척 내부에 형성된 도전성 재질의 물질(150)과의 전기접촉이 이루어진다.

도면에는 도시하지 않았지만, 도전성 부재(170)에는 DC전압이 인가되어 정전력을 발생시키게 된다.

그러나, 상술한 종래의 정전척 제조 방법은 다음과 같은 문제점을 갖는다.

먼저, 절연체 내부에 형성되는 전극(120)에 DC전압을 인가하기 위해 하부 절연체(100)의 일부에 관통홀(130)을 형성하는데, 이 관통홀(130)은 전극(120)이 외부로 들어나도록 형성된다. 이때, 전극(120)의 두께가 극히 얇기 때문에 전극(120)에 손상을 주지 않고 관통홀을 형성하는 것이 쉽지 않다. 이러한 난해한 작업 공정을 진행시키기 위해서는 전극(110)의 두께를 증가시키는 수 밖에 없다. 상술한 종래의 기술에서도 전극의 두께는 50~250um정도로 비교적 두꺼운 편이다.

한편, 통상적으로 폴리이미드 형태의 정전척은 상술한 가공상의 문제점이 없기 때문에 전극의 두께를 20~50um 정도로 형성하여왔다. 그러나, 세라믹 정전척으로 대체되면서 50um이하의 막 형상의 전극을 갖는 정전척의 제조가 어렵게 되었 다.

이와 같이, 전극의 두께가 두꺼워지면 정전척의 기능으로서의 기능이 저하된다. 즉, 전극을 형성하는 텅스텐, 몰리브덴 등은 그 자체로서 스크린 프린팅하기에 적합하지 않기 때문에, 첨가제들을 혼합한다. 이러한 혼합제는 질화알루미늄 소결시에 불순물로서 작용하여 소결제조를 어렵게 한다. 뿐만 아니라 반도체 제조 공정시 플라즈마에 의해 전극에 포함된 불순물이 공정 불량을 야기할 수 있다.

따라서, 전극의 두께를 종래의 방법처럼 50~250um으로 하고 막 형태의 전극을 사용할 경우, 스크린 프린팅되는 전극의 량이 증가하여 상술한 문제점을 더욱더 가중시키게 된다.

또한, 전극층이 두꺼워지면, 열전달 효율이 저하되어 온도 상승을 유발하게 된다. 통상적으로 웨이퍼를 가공할 때에는 플라즈마에 의하여 대부분의 이온에 의한 운동에너지가 열에너지로 전환되기 때문에, 웨이퍼의 온도가 상승하게 된다. 따라서, 정전척의 열전달율이 좋아야 하는데, 전극층의 두께 증가로 인하여 열전달 율이 떨어지게 된다. 이렇게 열전달율이 떨어지면, 웨이퍼의 온도가 상승하고 이 온도 상승으로 인하여, 웨이퍼의 불균일한 식각이 이루어진다. 이에 따라, 불량율 증가 및 웨이퍼 제조의 양산율이 저하된다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명에서는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결 또는 경감시키고자 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 세라믹 절연체 내부에 형성되는 전극의 두께를 20~50um정도로 얇게 제조하여 열전달 효율을 증가시켜 웨이퍼의 제조 공정시 불 량율을 저하시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 세라믹 절연체 내부에 형성되는 전극의 량을 줄임으로써 소결시 불순물의 량을 감소시키는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일견지에 의한 정전척 형성 방법은, 1차 소결된 하부 절연체를 준비하는 단계와, 하부 절연체의 일부에 관통홀을 형성하는 단계와, 상기 형성 단계 이후 메쉬 전극을 상기 하부 절연체 상에 적층하는 단계와, 상기 전극이 적층된 하부 절연체 상에 상부 절연체를 적층하는 단계와, 상기 하부 절연층, 메쉬 전극 및 상부 절연층이 형성된 조립체를 2차 소결하는 단계와, 상기 소결된 조립체에 형성된 관통홀에 페이스트 또는 도전성 재료를 충진하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 메쉬 전극은 상기 메쉬 전극의 일부가 하부 절연체에 형성된 관통홀을 통과하여 굴절되어 아래 방향으로 연장되고 관통홀의 측면과 접착되며, 상기 페이스트 또는 도전성 재료는 하부 절연체의 관통홀을 통과하여 굴절되어 아래 방향으로 연장된 메쉬 전극과 전기적으로 접촉상태를 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 메쉬 전극의 낱개의 전극 리드(예컨대 410)의 두께는 20~50um이며, 상기 메쉬 전극의 굴절은 90°로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 관통홀의 직경은 2.5~3.5mm로 형성 되며, 상기 1차 소결은 900~1100℃의 온도에서 30kgf/cm²의 가압을 유지하여 이루어지고, 상기 2차 소결은 1700~1900℃의 온도에서 70kgf/cm²의 가압을 유지하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 일견지에 의한 정전척은, 하부 절연체와 상부 절연체를 포함하며, 상기 하부 절연체와 상부 절연체 사이에 메쉬 형태의 전극이 삽입되며, 상기 하부 절연체의 일부에 관통홀이 형성되며, 상기 메쉬 전극은 그 일부가 하부 절연체에 형성된 관통홀을 통과하여 굴절되어 아래 방향으로 연장되고 관통홀의 측면과 접착되며, 상기 하부 절연체의 관통홀을 통과하여 90°로 굴절되어 아래 방향으로 연장된 메쉬 전극과 페이스트 또는 도전성 재료가 전기적으로 접촉상태를 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 메쉬 전극의 낱개의 전극 리드(예컨대 410)의 두께는 20~50um이고, 상기 메쉬 전극의 굴절은 90°로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 관통홀의 직경은 2.5~3.5mm로 형성되는 되는 것이 바람직하다.

(실시예)

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 수정될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에 후술되는 실시예에 의해 한정되게 해석되어서는 안된다. 본 발명에 따른 실시예는 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진자들에게 본 발명을 보다 완전하게 이해시키기 위해 제공되어진 것일 뿐이다. 따라서, 도면에서의 형상들은 설명의 단순화 및 강조를 위해 과장되게 도시되었고 설명에 불필요한 부분은 생략되어졌음을 알아야 한다.

첨부한 도면에서, 도 2는 본 발명에 따른 정전척의 제조 방법을 설명한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 바디 상에 형성된 정전척을 도시한 도면이다. 그리고, 도 4는 본 발명에 따른 메쉬 전극의 중심부를 확대 도시한 도면으로서, 그 중심부의 메쉬 전극이 90°로 굴절되어 아래쪽으로 연장되어 있음을 도시하는 도면이다.

먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 정전척 제조 방법은, 하부 절연체(200;소결체)를 준비한다. 하부 절연체(200)는 질화 알루미늄 등의 세라믹 재질이며, 소결 온도는 900~1100℃ 정도이고 가압은 30kgf/cm²를 유지하여 1차 소결을 완료한다.

소결된 하부 절연체의 중심부를 다이아몬드 등의 가공드릴을 이용하여 관통홀(230)을 형성한다. 이 관통홀의 직경은 1~7mm정도이며, 바람직하게는 2.5~3.5mm이다. 그 다음, 메쉬 전극(220)을 하부 절연체(200) 상에 형성한다. 메쉬 전극(220)의 형상은 도 4에 도시된 바와 같이, 중심부(403)의 일부가 90°로 굴절된 낱개의 전극 리드들(410)이 하부 절연체 방향으로 형성된다. 그리고, 메쉬 전극의 낱개의 전극 리드들의 각각의 두께는 20~50um이다. 상기와 같이 중심부의 일부분이 아래로 연장하는 형상으로 제조된 전극(220)을 관통홀(230)이 형성된 하부 절연체(200)에 일치하도록 끼운다. 이렇게 형성된 낱개의 전극 리드들(410) 중 수직 방향 전극 리드(410a)는 하부 절연체(200)의 관통홀(230) 측면과 접촉하게 된다.

그 다음, 상기 전극이 형성된 하부 전극(200) 상에 분말 또는 그린시트 형상 의 질화 알루미늄 재질의 세라믹 상부 절연층을 적층시킨다. 상기 분말은 스프레이 드라이 방식으로 제조하여 흐름성을 개선한 것을 사용하였다. 그리고 상기 그린시트는 테이프 케스팅 방식을 이용하여 제조하였다. 여기서, 상기 분말 또는 그린시트는 알루미나 또는 질화 알루미늄 등의 고저항 재질이며, 이 세라믹 몸체를 구성하는 분말의 팽창계수는 4.4^-6/K의 팽창계수를 갖는다. 또한, 하부 절연체(200) 상에 형성된 메쉬 전극은 팽창계수가 5.2^-6/K인 몰리브덴이나, 4.6^-6/K인 텅스텐이다.

상술한 방식으로 형성된 조립체(하부 절연체, 메쉬 전극, 상부 절연체로 구성)를 2차 소결시킨다.

이때, 2차 소결의 온도는 1700~1900℃를 유지하여 실시하고 가압은 70kgf/cm²정도의 힘을 가하여 가압 소결시킨다.

그 뒤, 소결이 끝나면, 하부 절연체의 관통홀(230)에 페이스트 또는 도전성 재질(250)을 충진시켜 관통홀 측면에 형성되어 있는 수직 방향 전극 리드(210a,410a)와 전기적 접촉을 유지하도록 한다.

그 다음, 바디(280)의 도전성 부재(270) 부분과 페이스트 또는 도전성 재질로 형성된 전기 접점(250)을 전기적으로 접촉시킨다. 여기서, 도전성 부재(270)는 바디(280)와 전기적 절연을 유지하기 위해 절연체(260)가 그 주위에 둘러싸이게 된다.

한편, 도 3은 본 발명에 따른 바디 상에 형성된 정전척을 도시하는 도면으로서, 정전척의 상부 중심부에 원형의 관통홀이 형성되어 있고, 메쉬 전극의 중심부 에 하부 절연체 부분으로 90° 굴절되어 연장하고 있음을 보여준다. 그러나, 메쉬 전극의 굴절각도는 본 실시예에서는 90°로 한정하였지만, 80°~100°정도의 기울기 등을 가질 수 있다는 것을 알아야 한다.

이하, 도 5a 및 도 5b를 참조하여 20~50um 정도의 박막의 메쉬 전극 형성 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 20~50um의 두께를 갖는 판 형상(호일 형태)의 텅스텐 또는 몰리브덴 등의 도전성 재질을 여러장 제조한다. 그 다음, 판 형상의 전극을 여러장 겹쳐 놓고, 그 위에 복수의 천공 커터들(591)을 갖는 커터기(590)를 위치시킨다. 이때, 천공 커터들(591)의 칼날 부분(592)는 날카로운 형태로 제작된다.

상기와 같이 구성한 다음, 커터기(590)의 상부에 압력을 가하여 판 형상의 도전성 재질들(593)을 천공하여, 도 5b에 도시된 바와 같은, 메쉬 전극(594)을 형성한다. 상술한 구성으로 메쉬 전극(594)를 형성하면 메쉬 전극의 낱개의 전극 리드들 간에 접촉부분이 생기지 않고, 메쉬 전극(594)을 한번의 동작으로 여러장 형성할 수도 있다. 여기서, 본 실시예에서는 커터기(590)의 칼날 부분(592)의 모양을 4각형의 모양으로 도시하였으나, 원형상, 삼각형, 5각형 등, 여러가지 모양이 될 수 있음은 물론이다.

따라서, 본 발명에 따르면, 그 일부분이 굴절되어 하부 절연체의 관통홀을 통과하여 아래 방향으로 연장되는 20~50um 정도의 얇은 메쉬 전극을 갖는 세라믹 정전척을 제조할 수 있다.

이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 하부 절연체 상에 전극을 형성한 뒤 관통홀을 형성하지 않고, 하부 절연체를 먼저 소결시킨 다음 관통홀을 형성하고 그 위에 메쉬 전극을 적층시켜 메쉬 전극의 일부가 90°로 굴절되어 하부 절연체의 관통홀 내부를 통해 아래방향으로 연장되도록 형성함으로써, 소결체의 관통홀을 형성할 때, 전극에 손상을 주지 않고, 또한, 20~50um정도의 얇은 전극을 제조할 수 있게 된다.

이와 같이 전극의 두께를 20~50um정도로 얇게 제조할 수 있기 때문에, 열전달 효율이 증가하여 웨이퍼의 제조 공정시 불량율을 감소시킬 수 있다.

또한, 전극의 두께를 20~50um로 얇게 구성하고 메쉬 형태의 전극을 형성시킴으로서, 절연체 내부에 삽입되는 전극의 량을 감소시켜, 스크린 프린팅으로 형성되는 전극에 포함되는 불순물의 량을 줄일 수 있으므로, 소결시 불순물에 의한 소결불량을 감소시킬 수 있다.

Claims (9)

1차 소결된 하부 절연체를 준비하는 단계와,

하부 절연체의 일부에 관통홀을 형성하는 단계와,

상기 형성 단계 이후 메쉬 전극을 상기 하부 절연체 상에 적층하는 단계와,

상기 전극이 적층된 하부 절연체 상에 상부 절연체를 적층하는 단계와,

상기 하부 절연층, 메쉬 전극 및 상부 절연층이 형성된 조립체를 2차 소결하는 단계와,

상기 소결된 조립체에 형성된 관통홀에 페이스트 또는 도전성 재료를 충진하는 단계를 포함하며,

상기 메쉬 전극은 상기 메쉬 전극의 일부가 하부 절연체에 형성된 관통홀을 통과하여 굴절되어 아래 방향으로 연장되고 관통홀의 측면과 접촉되며,

상기 페이스트 또는 도전성 재료는 하부 절연체의 관통홀을 통과하여 굴절되어 아래 방향으로 연장된 메쉬 전극과 전기적으로 접촉상태를 유지하는, 정전척 제조 방법.

제 1 항에 있어서,

상기 메쉬 전극의 낱개의 전극 리드(예컨대 410)의 두께는 20~50um인, 정전척 제조 방법.

제 1 항에 있어서,

상기 메쉬 전극의 굴절은 90°로 형성되는, 정전척 제조 방법.

제 1 항에 있어서,

상기 관통홀의 직경은 2.5~3.5mm로 형성되는, 정전척 제조 방법.

제 1 항에 있어서,

상기 1차 소결은 900~1100℃의 온도에서 30kgf/cm²의 가압을 유지하여 이루어지고, 상기 2차 소결은 1700~1900℃의 온도에서 70kgf/cm²의 가압을 유지하여 이루어지는 정전척 제조 방법.

하부 절연체와 상부 절연체를 포함하며, 상기 하부 절연체와 상부 절연체 사이에 메쉬 형태의 전극이 삽입된 정전척에 있어서,

상기 하부 절연체의 일부에 관통홀이 형성되며,

상기 메쉬 전극은 그 일부가 하부 절연체에 형성된 관통홀을 통과하여 굴절되어 아래 방향으로 연장되고 관통홀의 측면과 접촉되며,

상기 하부 절연체의 관통홀을 통과하여 굴절되어 아래 방향으로 연장된 메쉬 전극과 페이스트 또는 도전성 재료가 전기적으로 접촉상태를 유지하는, 정전척.

제 6 항에 있어서,

상기 메쉬 전극의 낱개의 전극 리드(예컨대 410)의 두께는 20~50um인, 정전척.

제 6 항에 있어서,

상기 메쉬 전극의 굴절은 90°로 형성되는, 정전척.

제 6 항에 있어서,

상기 관통홀의 직경은 2.5~3.5mm로 형성되는, 정전척.

Images