KR101109743B1 - 대면적 조합형 정전척 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피흡착물을 정전기력을 이용하여 흡착하기 위한 관한 것으로서, 베이스 부재; 및 상기 베이스 부재의 일면에 조립되고, 각각에 전극이 마련된 복수개의 유전체 플레이트 유닛들이 조합되어 형성된 유전체 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 조합형 정전척을 개시한다.
정전척, 플라즈마 스프레이, 쿨롱력, 존슨 라벡력, 유전체 플레이트, 스텝 커버리지

Description

대면적 조합형 정전척 및 그 제조방법{LARGE SIZE COMBINATION TYPE ELECTROSTATIC CHUCK AND FABRICATION METHOD THEREOF}
본 발명은 정전척(Electrostatic chuck)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피흡착물을 흡착하는 정전 플레이트(Electrostatic plate)를 대형화할 수 있는 구조를 가진 조합형 정전척과 그 제조방법에 관한 것이다.
정전척은 정전기력을 이용하여 피흡착물을 흡착하는 기구로서 반도체 기판이나 디스플레이용 글라스 기판을 척킹(Chucking)하여 고정하거나 이동시키기 위한 용도로 널리 사용된다. 또한, 정전척은 플라즈마 가스를 이용하여 박막을 형성하거나 식각하는 플라즈마 처리장치에 적용되어 웨이퍼 온도 제어와 척킹 기능을 제공한다.
도 1은 일반적인 세라믹 정전척의 주요 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 정전척은 내부에 박판 형태의 금속 전극(13)이 마련된 정전 플레이트(Electrostatic plate)(10)를 구비한다.
정전 플레이트(10)는 전극(13)을 기준으로 상/하부에 위치하는 유전체를 포함하고, 전극(13)에는 직류전원장치(20)가 연결된다. 여기서, 전극(13)을 기준으로 상/하부의 유전체는 보통 동일한 세라믹으로 형성된다.
통상적으로 정전 플레이트(10)는 유전체 내에 고융점의 전극(13)을 삽입한 후 1500℃ 이상의 고온에서 세라믹 소결을 진행하는 공정을 통해 일체형으로 제작된다.
상기와 같은 구성에 의하면, 피흡착물인 기판을 정전 플레이트(10)의 상면에 올려 놓고 고전압의 직류전원을 공급했을 때 유전체에서 분극이 일어나고, 이 과정에서 정전 플레이트(10)의 표면과 기판의 표면에 정전하가 유도되어 쿨롱력(Coulomb force)이나 존슨 라벡력(Johnsen-Rahbek force)에 의해 기판이 정전 플레이트(10)의 상면에 긴밀하게 흡착되어 고정된다.
정전 플레이트(10)는 금속재질의 베이스 부재(14) 상에 접합된 형태로 사용되는 것이 일반적이다. 정전척이 플라즈마 처리장치에 적용되는 경우, 정전 플레이트(10) 내부의 전극(13)과 베이스 부재(14)에는 각각 직류전원장치(20)와 플라즈마 발생용 고주파전원장치(30)가 연결된다. 이 경우 정전척은 기판을 긴밀히 고정하기 위한 정전기적 흡착력을 제공하고, 플라즈마의 발생을 위한 전극에 대향되는 바이어스 전극의 역할을 겸할 수 있다.
한편, 대면적의 정전 플레이트가 요구되는 분야에서는 플라즈마 스프레이 공정을 적용하여 정전 플레이트를 일체형으로 제작하는 방법이 보편적으로 사용되고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 플라즈마 스프레이 공정은 수 만도의 열이 발생되는 지점에 미세한 세라믹 파우더를 통과시켜 순간적으로 용융된 파우더를 타겟 기 판의 표면에 부착함으로써 세라믹 코팅층을 형성하는 방식을 사용한다. 이와 관련된 기술은 예컨대, 대한민국 특허공개 제2002-0070340호에 개시되어 있다.
그러나, 도 3에 도시된 바와 같이 플라즈마 스프레이 공정에 의해 형성된 세라믹 코팅층은 내부조직의 균일도와 치밀성이 좋지 못하고 크랙(Crack), 기공(Porosity) 등의 결함이 다수 존재하여 아킹이 쉽게 발생하는 등 내전압성이 취약한 단점이 있다. 통상적으로 플라즈마 스프레이 공정으로 정전 플레이트를 제작하는 방법에서는 알루미나(Al2O3) 파우더를 세라믹 재료로 사용하는데, 용사된 알루미나의 코팅층은 체적저항이 1014Ωㆍ㎝ 이상을 유지하여 정전척의 사용시 2.5kV 이상의 고전압을 인가해 주어야 하므로 내전압성이 취약한 코팅층은 쉽게 아킹이 발생하거나 파괴될 수 있다.
또한, 플라즈마 스프레이 공정을 적용하여 일체형으로 대면적 정전 플레이트를 제작한 경우에는 국지적으로 아킹 등 불량이 발생하더라도 정전 플레이트 전체를 교체해야 하므로 유지보수 비용이 많이 소요되는 문제도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 세라믹 소결 처리에 의해 제작된 유전체에 의해 형성됨으로써 내전압성이 우수하면서도 대면적화의 구현이 가능한 구조를 가진 정전 플레이트를 구비한 대면적 조합형 정전척 및 그 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 복수개의 유전체 플레이트 유닛들이 조합되어 대면적 정전 플레이트를 이루는 조합형 정전척을 개시한다.
즉, 본 발명에 따른 대면적 조합형 정전척은 베이스 부재; 및 상기 베이스 부재의 일면에 조립되고, 각각에 전극이 마련된 복수개의 유전체 플레이트 유닛들이 조합되어 형성된 유전체 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 베이스 부재로는 금속 지지대가 채용될 수 있다.
상기 유전체 플레이트 유닛들은 겔 타입의 접합제에 의한 접합 또는 볼트 결합에 의해 상기 베이스 부재에 조립될 수 있다.
상기 베이스 부재와 상기 전극 간에 인가되는 500V 전압 기준으로 상기 유전체 플레이트의 체적저항은 1010~1016Ωㆍ㎝인 것이 바람직하다.
대면적 조합형 정전척은 상기 유전체 플레이트를 이루는 유전체 플레이트 유닛들 사이의 틈을 충진하는 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 유전체 플레이트 유닛은 알루미나, 이트리아 및 질화 알루미늄 중 선택된 어느 하나의 세라믹이 소결되어 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 피흡착물을 정전기력을 이용하여 흡착하기 위한 정전척의 제조방법에 있어서, (a) 세라믹 소결 공정을 실시하여 전극이 삽입된 유전체 플레이트 유닛을 제작하는 단계; (b) 베이스 부재의 일면에 복수개의 상기 유전체 플레이트 유닛을 상호 이격되게 조립하는 단계; 및 (c) 플라즈마 스프레 이 공정을 실시하여 유전체 플레이트 유닛들 사이의 틈을 충진하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 조합형 정전척의 제조방법이 제공된다.
상기 단계 (b)에서는, 겔 타입의 접합제에 의한 접합 또는 볼트 결합을 통하여 상기 유전체 플레이트 유닛을 상기 베이스 부재에 조립할 수 있다.
본 발명에 의하면 유전체 플레이트 유닛을 필요한 수량만큼 조합함으로써 정전 플레이트(유전체 플레이트)의 면적을 자유롭게 대면적으로 확장하는 것이 가능하다.
본 발명에 의하면 소결 공정에 의해 형성되어 내부조직이 치밀하고 내전압성이 우수한 각각의 유전체 플레이트 유닛에 고전압이 인가되므로 아킹(Arching) 등의 문제가 현저히 줄어들어 장시간의 수명을 보장할 수 있다.
또한, 본 발명은 유전체 플레이트에 부분적으로 아킹이 발생하더라도 해당 영역의 유전체 플레이트 유닛만 교체해 주면 문제가 해결되므로 유지보수가 편리한 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 조합형 정전척의 주요 구성을 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 조합형 정전척은 베이스 부재(100)와, 상면에 피흡착물이 올려지는 조합형의 유전체 플레이트(101)를 포함한다.
베이스 부재(100)는 유전체 플레이트(101)를 하부에서 지지하는 부분으로서, 바람직하게 금속 지지대 형태로 구성된다. 금속 지지대는 그 몸체의 온도를 유전체 플레이트(101) 위에 놓여지는 피흡착물에 효과적으로 전달해 줄 수 있도록 알루미늄과 같이 열전도도가 상대적으로 높은 금속체로 이루어지는 것이 바람직하다. 대안으로, 금속 지지대는 열팽창 계수가 13×10-6/℃ 이하로 유지될 수 있는 스테인레스 계열이나 티타늄 계열의 금속체로 이루어질 수도 있다.
유전체 플레이트(101)는 복수개의 유전체 플레이트 유닛(102)들이 조합되어 대면적으로 형성된다. 유전체 플레이트 유닛(102)들의 개수는 요구되는 유전체 플레이트(101)의 면적에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
유전체 플레이트(101)를 이루는 각각의 유전체 플레이트 유닛(102)들은 베이 스 부재(100)의 상면에 상호 이격되게 배치되어 조립된다. 여기서, 유전체 플레이트 유닛(102)들은 겔(Gel) 타입의 접합제에 의해 유전체 플레이트(101)의 상면에 접합되거나 볼트에 의해 기계적으로 체결될 수 있다. 특히, 겔 타입의 접합제는 응고 후에도 젤리와 같이 소정의 유연성과 탄성을 가지므로 유전체 플레이트 유닛(102)과 금속 지지대 간의 열팽창 계수 차이에 기인한 열적 스트레스를 완충하여 유전체 플레이트 유닛(102)의 파손을 방지할 수 있다. 열적 스트레스 완충성능을 고려할 때, 상기 겔 타입의 접합제로는 실리콘 수지 계열의 접합제가 사용되는 것이 효과적이다.
각각의 유전체 플레이트 유닛(102)은 유닛 몸체(102a)의 내부 또는 일측면에 전극(102b)이 마련된 유전체 세라믹의 소결체 형태로 구성된다. 여기서, 유전체 세라믹으로는 유전특성이 우수한 알루미나(Al2O3), 이트리아(Y2O3), 질화 알루미늄(AlN) 등이 채용되는 것이 바람직하다. 세라믹 소결을 통하여 유전체 플레이트 유닛(102)을 제작하게 되면 플라즈마 스프레이에 의한 코팅에 비해 체적저항의 조절이 쉬우며 정전력 및 탈착력을 고려하여 쿨롱력, 존슨-라벡력, 그라디언트력(Gradient force) 등을 자유롭게 설계할 수 있는 이점이 있다. 또한, 세라믹 입자의 제어에 따라 15kV 정도의 고전압에서도 절연파괴가 일어나지 않는 고내전압성 유전체를 제작할 수 있다.
정전척과 피흡착물 사이의 접촉면적은 정전력 및 디척킹(Dechucking) 시간에 영향을 주고 정척척과 피흡착물 사이에 흐르는 냉각 가스의 흐름에도 영향을 미치 므로 각각의 유전체 플레이트 유닛(102)은 필요에 따라 표면이 엠보싱(Embossing) 처리되는 것이 바람직하다.
전극(102b)을 구성하는 금속재료로는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo)이나 이들 중 둘 이상의 합금이 채용될 수 있다.
전극(102b)이 유전체 플레이트 유닛(102)의 내부에 삽입된 형태로 유전체 플레이트 유닛(102)이 구성되는 경우, 전극(102b)을 기준으로 상/하부 유전체 세라믹은 동시에 소결될 수 있다. 대안으로, 상/하부 유전체 세라믹이 독립적인 물성을 갖는 경우에는 상/하부 유전체 세라믹이 하이브리드(Hybrid)형으로 접합된 형태로 구성될 수도 있다.
쿨롱력이나 존슨 라벡력이 효과적으로 발생될 수 있도록, 상기 유전체 세라믹으로 이루어진 유전체 플레이트 유닛(102)들에 의해 조합된 유전체 플레이트(101)는 베이스 부재(100)와 각 전극(102b) 간에 인가되는 500V 전압 기준으로 체적저항이 1010~1016Ωㆍ㎝인 것이 바람직하다.
유전체 플레이트(101)를 이루는 유전체 플레이트 유닛(102)들 사이의 틈은 코팅층(103)으로 충진된다. 이때 코팅층(103)은 유전체 플레이트(101)의 전면에 걸쳐 틈들을 고르게 덮어 스텝 커버리지(Step coverage)를 향상시키도록 플라즈마 스프레이 공정에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
대면적 조합형 정전척이 플라즈마 처리장치에 적용되는 경우, 유전체 플레이트(101)에 형성된 전극(102b)과 베이스 부재(100)에는 각각 직류전원장치(200)와 플라즈마 발생용 고주파전원장치(300)가 연결된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대면적 조합형 정전척의 주요 구성을 도시한 단면도이다. 본 실시예에 있어서, 베이스 부재(100)는 전술한 바와 같이 금속 지지대에 의해 형성되고, 각각의 유전체 플레이트 유닛(102)의 하부에는 보조 금속 지지대(104)가 구비된다. 이와 같은 구성에 의하면 유전체 플레이트 유닛(102)을 보조 금속 지지대(104)에 접합한 상태에서 용이하게 베이스 부재(100)에 볼트 결합을 수행할 수 있으며, 두께가 얇은 유전체 플레이트 유닛(102)의 사용으로 인해 유전체 플레이트(101)에 부분적으로 아킹이 발생하더라도 해당 보조 금속 지지대(104)를 베이스 부재(100)로부터 기계적으로 분리함으로써 쉽게 재생이 가능한 장점이 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 대면적 조합형 정전척은, 복수개의 유전체 플레이트 유닛(102)을 제작하는 공정과, 유전체 플레이트 유닛(102)들을 조합하여 베이스 부재(100) 위에 조립하는 공정과, 플라즈마 스프레이법을 실시하여 유전체 플레이트 유닛(102)들 사이의 틈을 충진하는 공정을 순차적으로 실시함으로써 제조된다.
유전체 플레이트 유닛(102)의 제작 공정에서는 세라믹 파우더를 1650℃ 부근에서 소결 처리함으로써 밀도가 3.5g/cc 정도이고 내부에는 전극(102b)이 삽입된 구조를 갖는 치밀한 조직의 세라믹 플레이트를 제작한다. 이때 소결 온도를 조절하여 세라믹 입자의 크기를 5㎛ 이하로 제어하게 되면 15kV의 고전압에서도 절연파괴가 발생하지 않는 고내전압성의 유전체 플레이트 유닛을 제작할 수 있다.
조립 공정에서는 요구되는 유전체 플레이트(101)의 면적을 고려하여 필요한 개수만큼 유전체 플레이트 유닛(102)을 베이스 부재(100)의 상면에 조립한다. 이에 따라, 유전체 플레이트 유닛(102)들은 베이스 부재(100) 상에서 일정 간격을 두고 상호 이격되게 배열되고, 각각 실리콘 겔 타입의 접합제나 볼트에 의해 베이스 부재(100)에 고정된다.
충진 공정에서는 미세 파우더를 용사하는 방식으로 플라즈마 스프레이법을 실시하여 유전체 플레이트 유닛(102)들 사이의 틈을 충진함으로써 유전체 플레이트 유닛(102)들 사이의 틈을 고르게 코팅한다.
상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 대면적 조합형 정전척은 유전체 플레이트 유닛(102)의 조합 개수에 따라 자유롭게 대면적의 구현이 가능하므로 각종 디스플레이 관련 제조공정에서 대면적 유리기판 등을 척킹하는 용도로 유용하게 사용될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래기술에 따른 정전척의 주요 구성을 도시한 단면도,
도 2는 종래기술에 따른 플라즈마 스프레이 공정을 도시한 구성도,
도 3은 플라즈마 스프레이 공정에 의해 형성된 코팅층을 도시한 모식도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 조합형 정전척의 주요 구성을 도시한 단면도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대면적 조합형 정전척의 주요 구성을 도시한 단면도이다.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
100: 베이스 부재 101: 유전체 플레이트
102: 유전체 플레이트 유닛 102b: 전극
103: 코팅층 104: 보조 금속 지지대
200: 직류전원장치 300: 고주파전원장치

Claims (9)

  1. 피흡착물을 정전기력을 이용하여 흡착하기 위한 정전척에 있어서,
    베이스 부재;
    상기 베이스 부재의 일면에 조립되고, 각각에 전극이 마련된 복수개의 유전체 플레이트 유닛들이 조합되어 형성된 유전체 플레이트; 및
    상기 유전체 플레이트를 이루는 유전체 플레이트 유닛들 사이의 틈을 충진하는 코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 조합형 정전척.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 부재는 금속 지지대인 것을 특징으로 하는 대면적 조합형 정전척.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 플레이트 유닛들은 겔 타입의 접합제에 의한 접합 또는 볼트 결합에 의해 상기 베이스 부재에 조립된 것을 특징으로 하는 대면적 조합형 정전척.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 베이스 부재와 상기 전극 간에 인가되는 500V 전압 기준으로 상기 유전체 플레이트의 체적저항이 1010~1016Ωㆍ㎝인 것을 특징으로 하는 대면적 조합형 정 전척.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 플레이트 유닛과 상기 베이스 부재 사이에 개재된 보조 금속 지지대;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 조합형 정전척.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 플레이트 유닛은 알루미나, 이트리아 및 질화 알루미늄 중 선택된 어느 하나의 세라믹이 소결되어 형성된 것을 특징으로 하는 대면적 조합형 정전척.
  8. 피흡착물을 정전기력을 이용하여 흡착하기 위한 정전척의 제조방법에 있어서,
    (a) 세라믹 소결 공정을 실시하여 전극이 삽입된 유전체 플레이트 유닛을 제작하는 단계;
    (b) 베이스 부재의 일면에 복수개의 상기 유전체 플레이트 유닛을 상호 이격 되게 조립하는 단계; 및
    (c) 플라즈마 스프레이 공정을 실시하여 유전체 플레이트 유닛들 사이의 틈을 충진하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 조합형 정전척의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 단계 (b)에서,
    겔 타입의 접합제에 의한 접합 또는 볼트 결합을 통하여 상기 유전체 플레이트 유닛을 상기 베이스 부재에 조립하는 것을 특징으로 하는 대면적 조합형 정전척의 제조방법.
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