KR101184142B1 - 웨이퍼 유지체의 지지 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 웨이퍼를 균일하게 가열할 수 있을 뿐만 아니라, 웨이퍼 유지체의 파손을 방지할 수 있고, 신뢰성이 높은 웨이퍼 유지체의 지지 구조를 제공하는 것을 과제로 한다.
세라믹스 소결체의 웨이퍼 유지체(1)와, 웨이퍼 유지체(1)를 지지하는 통 형상 세라믹 지지 부재(4)가 복수의 금속 볼트(2)에 의해 결합되어 있고, 금속 볼트(2)의 일단이 웨이퍼 유지체(1)에 나사 결합되며, 금속 볼트(2)의 일부에 회전을 방지하는 플랜지(2a)가 형성되고, 플랜지(2a)를 웨이퍼 유지체(1)와의 사이에서 끼워 고정하는 고정용 부품(3)이 웨이퍼 유지체(1)에 고정되어 있다. 금속 볼트(2)의 타단은, 통 형상 세라믹 지지 부재(4)에 형성한 플랜지부(4a)의 관통 구멍(4b)에 삽입되고, 금속 너트(5, 6)가 나사 결합됨으로써, 통 형상 세라믹 지지 부재(4)가 웨이퍼 유지체(1)에 고정되어 있다.

Description

웨이퍼 유지체의 지지 구조{SUPPORTING STRUCTURE FOR WAFER HOLDING BODY}
본 발명은, 반도체의 제조 장치나 검사 장치에 이용되는 웨이퍼 유지체를, 통 형상 지지 부재에 지지하는 웨이퍼 유지체의 지지 구조에 관한 것이다.
종래부터, 반도체 제조 장치나 검사 장치용 웨이퍼 유지체로서, 각종의 형상이 제안되어 있다. 특히, CVD 장치나 에칭 장치에는 수 많은 웨이퍼 유지체가 제안되어 왔다. 예컨대, 일본 특허 공고 평성 제06-028258호 공보에는, 웨이퍼 유지체에 볼록 형상 지지 부재를 부착한 구조가 제안되어 있다. 이 지지 구조에 있어서, 볼록 형상 지지 부재는 웨이퍼 유지체에 대하여 기밀(氣密) 밀봉되어 있으며, 그 내부에 히터에 급전하기 위한 전극 등을 설치할 수 있다. 이에 따라, 전극 등의 급전 부품을 웨이퍼 유지체가 설치되는 챔버 내의 부식성 분위기로부터 보호할 수 있다.
상기 일본 특허 공고 평성 제06-028258호 공보에 기재된 지지 구조에서는, 웨이퍼 유지체를 챔버 내에 설치하는 경우, 볼록 형상 지지 부재를 챔버와 기밀 밀봉하기 위해서, 일반적으로 0-링이 사용되고 있다. 0-링의 내열 온도는 일반적으로 200℃ 정도이지만, 웨이퍼 유지체의 온도는 300℃～800℃ 정도까지 승온하기 때 문에, 볼록 형상 지지 부재의 챔버측의 온도에 비하여 상당히 높은 온도가 된다. 이 때문에, 볼록 형상 지지 부재와 웨이퍼 유지체 사이에 온도차에 기인하는 응력이 생기고, 이것을 원인으로 하여 웨이퍼 유지체가 파손되는 경우가 있었다. 특히, 일본 특허 제2898838호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 웨이퍼 유지체의 중심부의 온도가 외주부에 비하여 낮은 경우에는, 이 경향이 특히 현저해진다.
최근의 반도체 제조에 있어서는, 웨이퍼 유지체의 균열성(均熱性)을 향상시키면서, 웨이퍼 상에 균일한 두께를 갖는 막을 형성하는 것이 요구되고 있다. 그러나, 웨이퍼 유지체에 매설되어 있는 발열체에 의해 가열하는 경우에는, 웨이퍼나 웨이퍼 유지체의 측면 부분으로부터의 방열에 의해, 중심부에 비하여 외주부의 온도가 저하되어, 충분한 균열성을 얻는 것이 곤란하였다. 그래서, 웨이퍼 유지체의 중심부의 온도를 외주부에 비하여 낮게 설정함으로써, 웨이퍼의 온도를 균일하게 하는 일이 행해지고 있었다.
또한, 웨이퍼 유지체에 볼록 형상 지지 부재가 접합되어 있는 경우에는, 특히 접합 부분으로부터 열이 많이 빠져나가기 때문에, 웨이퍼 유지체의 중심부 부근의 균열성이 흐트러지고, 접합 부분에 가해지는 응력도 커지기 때문에, 웨이퍼 유지체의 파손을 초래하는 경우가 많았다. 상기와 같이 웨이퍼 유지체의 중심부의 온도를 외주부에 비하여 낮추면, 웨이퍼 유지체와 볼록 형상 지지 부재의 접합 부분 근방에 가해지는 응력이 한층 더 커져, 웨이퍼 유지체의 파손의 위험이 더욱 커진다. 이 파손 가능성을 낮추기 위해서, 경우에 따라서는, 상기한 웨이퍼 균열성을 희생하는 일도 행해지고 있었다.
또한, 웨이퍼 유지체를 지지하는 지지 부재(샤프트)에 있어서, 웨이퍼 유지체와의 부착부에 플랜지 가공을 하고, 그 플랜지부의 둘레 방향으로 복수의 볼트 삽입 관통 구멍을 형성하며, 그 볼트 삽입 관통 구멍에 삽입한 체결용 볼트의 선단부를 웨이퍼 유지체에 형성한 암나사에 삽입하여 나사 고정하는 방법도 고려된다. 그러나, 이 방법에서는, 부착한 볼트의 머리부가 플랜지부로부터 돌출된 구조가 되어, 프로세스에서 사용하는 가스의 흐름을 방해하거나, 이 돌출부에서 부식이 진행되어 파티클 발생의 원인이 되는 경우가 있기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 이러한 구조에서는, 부착한 볼트가 웨이퍼 유지체의 승강 시의 진동 등에 의해 느슨해지거나, 최악의 경우에는 낙하하는 등의 문제점이 있었다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 공고 평성 제06-028258호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허 제2898838호 공보
본 발명은, 상기한 종래의 사정을 감안하여, 웨이퍼를 균일하게 가열할 수 있을 뿐만 아니라, 웨이퍼 유지체의 파손을 방지할 수 있고, 지지 부재와 웨이퍼 유지체의 결합의 신뢰성이 높은 웨이퍼 유지체의 지지 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명이 제공하는 웨이퍼 유지체의 지지 구조는, 세라믹스 소결체 내부 또는 표면에 전기 회로가 형성된 웨이퍼 유지체와, 이 웨이퍼 유지체를 지지하는 통 형상 세라믹 지지 부재가, 복수의 금속 볼트에 의해 결합되어 있고, 상기 금속 볼트의 일단이 상기 웨이퍼 유지체에 형성한 바닥이 있는 암나사에 나사 결합되며, 상기 금속 볼트의 일부에 회전을 방지하는 플랜지가 형성되고, 이 플랜지를 상기 웨이퍼 유지체와의 사이에서 끼워 고정하는 고정용 부품이 웨이퍼 유지체에 고정되어 있으며, 상기 금속 볼트의 타단은, 상기 통 형상 세라믹 지지 부재의 일단에 형성한 플랜지부의 관통 구멍에 삽입되고, 또한 금속 너트가 나사 결합됨으로써, 상기 통 형상 세라믹 지지 부재가 상기 웨이퍼 유지체에 고정되어 있다.
상기 본 발명의 웨이퍼 유지체의 지지 구조에 있어서는, 고정용 부품이, 유리 접합, 납땜, 확산 접합, 끼워 맞춤, 나사 고정에 의해 웨이퍼 유지체에 고정되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 웨이퍼 유지체의 지지 구조에 있어서는, 고정용 부품이 질화알루미늄 또는 멀라이트알루미나를 주성분으로 하고 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 본 발명의 웨이퍼 유지체의 지지 구조에 있어서, 금속 너트는 더블 너트 방식에 의해 체결을 행하는 복수의 금속 너트로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 웨이퍼를 가열할 때의 균열성(均熱性)이 우수할 뿐만 아니라, 통 형상 세라믹 지지 부재에 의한 웨이퍼 유지체의 지지부 근방의 응력을 저감하여 파손을 방지할 수 있고, 신뢰성이 높은 웨이퍼 유지체의 지지 구조를 제공할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 지지 구조는, 종래 구조에 비하여 균열성이나 신뢰성이 우수하기 때문에, 반도체의 제조 장치나 검사 장치 등에 적합하게 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 웨이퍼 유지체의 지지 구조는, 예컨대 도 1에 도시하는 바와 같이, 내부 또는 표면에 전기 회로(도시하지 않음)가 형성된 세라믹스 소결체로 이루어지는 웨이퍼 유지체(1)와, 웨이퍼 유지체(1)를 지지하는 통 형상 세라믹 지지 부재(4)를 가지며, 웨이퍼 유지체와 세라믹 지지 부재는 고정부(10a)에 있어서, 후술하는 바와 같이 금속 볼트(2) 등을 이용하여 고정되어 있다.
구체적으로는, 도 2의 지지 구조(10)의 우측 절반의 단면도에 상세하게 도시하는 바와 같이, 웨이퍼 유지체(1)에는 바닥이 있는 암나사(1a)가 복수 형성되고, 이들 암나사(1a)의 각각에 금속 볼트(2)의 일단이 나사 결합되어 있다. 금속 볼 트(2)에는, 그 축 방향의 대략 중간부에, 플랜지(2a)가 고정되어 마련되어 있다. 이 금속 볼트(2)의 플랜지(2a)를 웨이퍼 유지체(1)와의 사이에 끼운 상태로, 고정용 부품(3)이 웨이퍼 유지체(1)에 고정되어 있다. 이에 따라, 금속 볼트(2)가 사용 시의 진동이나 열 사이클 등에 의해 회전하는 것을 방지하고 있다.
한편, 통 형상 세라믹 지지 부재(4)에는, 웨이퍼 유지체(1)의 지지측 단부에 플랜지부(4a)가 형성되어 있다. 플랜지부(4a)에는, 전술한 웨이퍼 유지체(1)의 암나사(1a)에 대응하는 위치에, 관통 구멍(4b)이 형성되어 있다. 이 관통 구멍(4b)에, 금속 볼트(2)의 타단이 삽입되고, 금속 너트(5)에 의해 체결되어 있다. 이에 따라, 통 형상 세라믹 지지 부재(4)가 웨이퍼 유지체(1)에 결합되어 있다.
금속 볼트(2)의 타단은, 금속 너트(5)로 체결한 후, 또 다른 금속 너트(6)로 체결하는 더블 너트 방식으로 해도 좋다. 이에 따라, 금속 너트(5)의 느슨해짐을 억제할 수 있다. 또한, 지지 구조(10)가 부식성 가스 분위기에서 사용되는 경우에는, 필요에 따라서, 금속 너트(5, 6)를 덮도록, 세라믹제의 캡나사(7)를 나사 고정해도 좋다.
상기 본 발명의 지지 구조(10)에 있어서는, 웨이퍼 유지체(1)의 암나사(1a)에 나사 결합된 금속 볼트(2)의 플랜지(2a)가, 웨이퍼 유지체(1)에 접합된 고정용 부품(3)에 의해, 웨이퍼 유지체(1)와의 사이에서 끼워져 고정되어 있는 것이 큰 특징으로 되어 있다.
또한, 금속 볼트를 웨이퍼 유지체의 암나사에 나사 결합할 때에, 금속 볼트와 웨이퍼 유지체의 암나사 사이에 접착제를 이용하여 금속 볼트를 직접 고정하는 경우에는, 금속 볼트와 웨이퍼 유지체 사이에 간극이 없어지기 때문에, 웨이퍼 유지체를 가열했을 때의 재료끼리의 약간의 열팽창차에 의해, 세라믹제의 웨이퍼 유지체에 과도한 응력이 가해져, 웨이퍼 유지체가 파손될 위험성이 있었다.
이에 비하여, 본 발명의 지지 구조에 따르면, 금속 볼트의 일단을 웨이퍼 유지체의 암나사에 나사 결합하고, 금속 볼트의 플랜지를 고정용 부품과 웨이퍼 유지체 사이에 끼운 상태에서, 고정용 부품을 웨이퍼 유지체에 접합함으로써, 금속 볼트가 느슨해지는 것을 없애고, 금속 볼트의 축 방향의 변위를 억제할 수 있다. 즉, 금속 볼트를, 직접적으로 웨이퍼 유지체에 고착시키지 않고, 간접적으로 웨이퍼 유지체에 고정할 수 있기 때문에, 응력 집중을 피하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명의 지지 구조에 있어서는, 웨이퍼 유지체에 통 형상 세라믹 지지 부재를 고정할 때에, 통 형상 세라믹 지지 부재의 플랜지부에 미리 관통 구멍을 형성해 두고, 웨이퍼 유지체의 암나사에 일단이 나사 결합되어 있는 금속 볼트의 타단을 상기 관통 구멍에 삽입 관통한 후, 금속 너트를 이용하여 체결함으로써, 통 형상 세라믹 지지 부재를 웨이퍼 유지체에 고정하는 것을 특징으로 하고 있다. 이렇게 함으로써, 웨이퍼 유지체와 통 형상 세라믹 지지 부재의 결합 부분을 금속 볼트와 금속 너트의 조합으로 할 수 있다.
즉, 종래 기술에서는 통 형상 세라믹 지지 부재의 고정 시에, 나사 고정 방식을 채용하는 경우에는, 웨이퍼 유지체에 암나사를 형성해 두고, 여기에 통 형상 세라믹 지지 부재의 플랜지부를 삽입 관통시킨 금속 볼트의 수나사를 나사 결합하여 고정하는 방법이 일반적이었다. 그러나, 이 조합에서는, 결합 부분이 세라믹과 금속의 조합으로 되기 때문에, 나사 걸림 부분에 있어서, 탄성체인 금속과 금속의 조합으로 얻어지는 것과 같은 충분한 결합이 얻어지지 않아, 가령 강한 체결 토크로 체결한 경우라도, 경미한 진동이나 히트 사이클로 간단히 느슨해져 버린다.
이에 비하여, 본 발명의 지지 구조에서는, 전술한 바와 같이, 이 고정 부분을 금속 볼트와 금속 너트에 의한 금속끼리의 조합으로 함으로써, 통 형상 세라믹 지지 부재와 웨이퍼 유지체의 결합을 강고하게 하여, 진동이나 히트 사이클 시라도 느슨해짐이 발생하기 어려운 구조로 하는 것이 가능해졌다. 또한, 금속 너트를 더블 너트 방식으로 함으로써, 금속 너트끼리에 면압(面壓)을 갖게 하여, 그 마찰력에 의해, 나사가 느슨해지지 않도록 할 수 있다.
본 발명의 지지 구조에 있어서는, 상기한 바와 같이, 복수 부위의 나사 고정에 의해, 간편하고 강고하게 통 형상 세라믹 지지 부재를 웨이퍼 유지체에 부착하는 것이 가능해졌다. 또한, 웨이퍼 유지체의 암나사와 금속 볼트의 수나사 사이에 공극이 존재하기 때문에, 통 형상 세라믹 지지 부재를 접합하는 종래의 방법에 비하여, 온도차에 의해 발생하는 응력을 저감할 수 있으며, 파손되기 어려운 구조로 할 수 있다. 또한, 나사 고정의 경우에는, 통 형상 세라믹 지지 부재와 웨이퍼 유지체 사이에 공극(간극)이 존재하기 때문에, 양자를 접합하는 경우에 비하여, 통 형상 세라믹 지지 부재로의 열전달량을 저감할 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼 유지체로부터 통 형상 세라믹 지지 부재로 빠져나가는 열을 줄일 수 있으며, 웨이퍼 유지체의 중심부 부근의 온도 저하를 억제할 수 있기 때문에, 우수한 균열성을 얻을 수 있다.
본 발명에서는, 고정용 부품, 금속 볼트, 금속 너트, 및 통 형상 세라믹 지지 부재의 열팽창계수와, 웨이퍼 유지체의 열팽창계수의 차가 2.0×10-6/K 이하인 것이 바람직하다. 이 열팽창계수의 차가 2.0×10-6/K보다도 커지면, 가열 시에, 웨이퍼 유지체 또는 통 형상 세라믹 지지 부재가 파손될 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 웨이퍼 유지체의 재질은, 챔버 내에서 사용하는 부식성 가스에 대한 내식성이 우수한 세라믹스인 것이 바람직하다. 적합한 세라믹스로서는, 알루미나, 질화알루미늄, 탄화규소, 질화규소, 멀라이트, 멀라이트-알루미나 복합체 등을 들 수 있다. 특히 질화알루미늄은, 열전도성이나 균열성이 우수하고, 부식성 가스에 대한 내식성도 우수하기 때문에 적합하다. 또한, 질화알루미늄은 난소결(難燒結) 재료이기 때문에, 소량의 소결 조제를 함유하고 있어도 상관없다. 특히 이트륨 등의 희토류 원소를 1% 이하 함유하고 있는 것은, 소결성도 우수하고, 또한 조제 성분으로부터의 부식도 발생하기 어렵다.
고정용 부품 및 통 형상 세라믹 지지 부재의 재질도, 상기와 마찬가지로, 챔버 내에서 사용되는 부식성 가스 분위기의 내식성이 우수한 세라믹스인 것이 바람직하다. 예컨대, 질화알루미늄, 멀라이트-알루미나 복합체, 탄화규소, 질화규소, 알루미나 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 이들 중에서도 질화알루미늄이 특히 바람직하다. 또한, 멀라이트-알루미나 복합체는, 비교적 열전도율이 낮기 때문에, 고정용 부품과 웨이퍼 유지체의 접촉 부분으로부터 열이 빠져나가는 것을 줄일 수 있으므로 균열성이 우수하고, 또한 비용도 질화알루미늄에 비하여 저렴하다는 점에서 바람직하다.
이들 재료는 용도에 따라서 구별하여 사용할 수 있다. 즉, 비교적 강한 내식성 분위기에서 사용하는 경우에는 질화알루미늄이 바람직하고, 균열성이 요구되는 경우에는 멀라이트-알루미나 복합체가 바람직하다. 웨이퍼 유지체의 재질에, 예컨대 질화알루미늄이 채용된 경우에는, 금속 볼트의 재질에 W나 Mo를 주성분으로 하는 재료나 코바(kovar) 등의 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적인 재료는 사용 조건을 가미하여 적절하게 선택할 수 있다.
금속 너트는, 금속 볼트와 마찬가지로 W나 Mo를 주성분으로 하는 재료나 코바로 구성하는 것이 바람직하지만, 열팽창 차가 직접 세라믹 부재의 응력 증가에 영향을 주지 않기 때문에, Ni나 Fe, Cr을 주성분으로 하는 재료로 구성해도 상관없다. 상기한 금속제의 볼트나 너트를 이용하는 경우에는, 니켈 등의 내식성의 막을 표면에 형성하는 것이 바람직하다. 내식성 막의 형성 방법으로서는, 용사(溶射)나 도금을 들 수 있으나, 비용이나 내구성을 고려하여 도금이 적합하다. 내식성 막의 두께는 0.1 ㎛～50 ㎛가 바람직하다. 두께가 0.1 ㎛ 미만에서는, 내식성이 저하되기 쉽기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 두께가 50 ㎛를 초과하면, 온도 사이클에 의해, 하지(下地)의 나사 베이스와의 열팽창계수 차에 의해 내식성 막이 박리되는 경우가 있기 때문에 바람직하지 않다.
상기한 금속 볼트의 개수는 임의의 것이어도 상관없으나, 통 형상 세라믹 지지 부재를 고정할 때의 밸런스 및 경제성을 고려하여, 3개 내지 8개가 바람직하다. 또한, 일단이 웨이퍼 유지체의 암나사에 나사 결합되어 있는 금속 볼트의 타단, 즉 개방단측의 구조는 수나사이어도 좋고 암나사이어도 좋으며, 암나사의 경우는, 도 3에 도시하는 바와 같이 금속 볼트(2)에 형성한 암나사에 제2 금속 볼트(8)의 일단을 나사 결합한 후에, 제2 볼트(8)의 타단을 통 형상 세라믹 지지 부재(4)의 플랜지부(4a)에 형성한 관통 구멍(4b)에 삽입하고, 금속 너트(5, 6)로 고정해도 상관없다.
또한, 고정용 부품의 웨이퍼 유지체에 대한 고정 부분은 웨이퍼 유지체와 통 형상 세라믹 지지 부재의 직접적인 하중이 인가되는 부분이 아니기 때문에, 고정용 부품의 웨이퍼 유지체에 대한 고정 방법은 비교적 수 많은 고정 방법 중에서 선정하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 고정용 부품과 웨이퍼 유지체의 재질이나 표면 상태를 감안하여, 유리 접합, 납땜, 확산 접합, 또는 끼워 맞춤 중에서 선정되는 것이 바람직하다. 특히, 고정용 부품과 웨이퍼 유지체의 열팽창계수 차 및 비용의 관점에서, 웨이퍼 유지체와 동등한 열팽창계수를 갖는 유리 접합이 가장 바람직하다.
상기 본 발명에 따른 웨이퍼 유지체의 지지 구조에 있어서, 웨이퍼 유지체와 통 형상 세라믹 지지 부재는 평면부에서 맞대어져 있다. 이때, 서로 맞대어진 각 평면부의 평면도가 0.2 ㎜ 이하인 것이 바람직하다. 특히 0.1 ㎜ 이하의 평면도이면, 분위기 가스의 진입을 한층 더 효과적으로 방지할 수 있고, 양 부품 조립 시의 덜거덕거림을 줄일 수 있어, 안정된 조립을 실현할 수 있기 때문에 바람직하다. 평면도가 0.2 ㎜를 초과하면, 각 부품의 접촉이 불안정하게 되고, 균열성이 저하되 어 웨이퍼의 온도가 고르지 않게 되기가 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 웨이퍼 유지체의 암나사, 및 이것에 나사 결합되는 금속 볼트의 일단의 수나사의 호칭 직경은 M3～M10에 상당하는 것이 바람직하고, M5～M6에 상당하는 것이 보다 바람직하다. M2.5 이하에서는, 통 형상 세라믹 지지 부재의 고정이 불충분하게 되어, 핸들링 시에 통 형상 세라믹 지지 부재가 웨이퍼 유지체로부터 떨어지거나, 버그러져 움직여 버리는 경우가 있다. 반대로 M11 이상에서는, 고온 시의 나사부에서의 열팽창 차에 의해, 웨이퍼 유지체에 과도한 응력이 작용하여, 웨이퍼 유지체가 파손될 위험이 있다.
마찬가지로, 상기 금속 너트의 암나사, 및 이것에 나사 결합되는 금속 볼트의 타단의 수나사의 호칭 직경은, M3～M10에 상당하는 것이 바람직하고, M5～M6에 상당하는 것이 보다 바람직하다. M2.5 이하에서는, 통 형상 세라믹 지지 부재의 고정이 불충분하게 되어, 핸들링 시에 통 형상 세라믹 지지 부재가 웨이퍼 유지체로부터 떨어지거나, 버그러져 움직여 버리는 경우가 있다. 반대로 M11 이상에서는, 통 형상 세라믹 지지 부재의 플랜지 직경을 크게 설계할 수밖에 없어, 콤팩트한 설계가 곤란해진다.
세라믹제의 캡나사는, 싱글 너트 또는 더블 너트 방식의 금속 너트의 타단측으로부터, 노출되어 있는 금속 너트 및 금속 볼트를 덮도록 나사를 체결하는 것이 바람직하다. 이와 같이 캡나사를 씌움으로써, 금속 볼트나 금속 너트의 부식을 방지하는 것이 가능해진다. 캡나사의 재질은, 질화알루미늄, 멀라이트-알루미나 복합체, 탄화규소, 질화규소, 또는 알루미나 중 어느 하나인 것이 바람직하지만, 그 중에서도 질화알루미늄이 특히 바람직하다. 부식성과 열팽창률 차를 줄이는 관점에서는, 질화알루미늄 또는 멀라이트-알루미나 복합체가 특히 바람직하다.
캡나사 자신의 회전 멈춤을 방지하기 위해서, 극히 미량의 세라믹계 접착제를 캡나사의 암나사 부분에 도포하고, 금속 볼트와 캡나사를 접착해도 좋다. 또한, 웨이퍼 유지체로부터 통 형상 세라믹 지지 부재를 떼어내어 내부를 보수 관리하는 경우에는, 캡나사를 떼어낸 후에, 금속 너트를 풀음으로써, 용이하게 분해가 가능해진다.
<실시예>
[실시예 1]
이하의 방법에 의해, 질화알루미늄(AlN)의 웨이퍼 유지체를 제작하였다. 우선, AlN 분말에 소결 조제로서 Y2O3를 0.5 중량% 첨가하고, 유기 용제로서 바인더를 더 첨가하며, 볼밀을 이용하여 24시간 혼합하였다. 얻어진 슬러리로부터 스프레이 드라이로 과립을 제작하고, 그 과립을 프레스법으로 성형하여, 성형체를 제작하였다. 얻어진 성형체를 질소 분위기 중에서 800℃로 탈지 처리한 후, 질소 분위기 중에서 1800℃로 소결함으로써, AlN 소결체를 얻었다.
상기 AlN 소결체에 W 페이스트를 이용하여 발열체를 인쇄해서 소결하였다. 그 후, 상기와 마찬가지로 별도의 AlN 소결체를 제작하고, 이들 2장의 AlN 소결체를 Al2O3-Y2O3-AlN계의 접합 페이스트를 매개로 하여 겹쳐 놓은 후, 질소 분위기 중에서 가열하면서 1축 방향으로 가압함으로써, 발열체가 매설된 직경 330 ㎜, 두께 20 ㎜의 웨이퍼 유지체를 얻었다.
이 웨이퍼 유지체에 대하여, 발열체에까지 이르는 카운터 보링 구멍을 형성하고, 발열체에 급전하기 위한 W(텅스텐)제의 전극 부품을 납땜하였다. 또한, 통 형상 세라믹 지지 부재를 고정하기 위해서, 웨이퍼 유지체에 금속 볼트 장전용의 M6의 바닥이 있는 암나사를 4개 형성하였다. 또한, 금속 볼트의 플랜지 부분이 끼워 넣어지도록, 상기 M6의 바닥이 있는 암나사와 동축으로 내경 9.2 ㎜×깊이 2 ㎜의 바닥이 있는 카운터 보링 구멍을 형성하고, 고정용 부품을 위치 결정할 수 있도록, 상기 M6의 바닥이 있는 암나사와 동축으로 내경 12.0 ㎜×깊이 2 ㎜의 바닥이 있는 카운터 보링 구멍을 형성하였다.
또한, 상기와 마찬가지로 AlN 분말을 소결한 후, 절삭 가공을 행하여, 일단에 플랜지부를 갖는 통 형상 세라믹 지지 부재를 제작하였다. 플랜지부는 외경 75 ㎜, 높이 20 ㎜로 하고, 통 형상부는 외경 45 ㎜, 두께 3 ㎜, 길이 200 ㎜로 하였다. 또한, 플랜지부에 있어서, 전술한 웨이퍼 유지체의 암나사 구멍에 대응하는 위치에, M6의 금속 볼트가 삽입 관통할 수 있도록 내경 7.5 ㎜의 관통 구멍을 4개 형성하였다. 이들 4개의 관통 구멍에는, 더블 너트 방식의 금속 너트 및 세라믹 캡나사가 들어가도록, 관통 구멍과 동축인 내경 12 ㎜의 카운터 보링 구멍을 형성하였다.
또한, W(텅스텐)제의 플랜지를 갖는 금속 볼트를 4개 제작하였다. 중앙의 플랜지부는, 외경 10 ㎜×두께 2 ㎜로 하고, 플랜지의 양측에 M6의 수나사를 갖는 구조로 하며, 그 후 3 ㎛ 두께의 Ni 도금을 실시하였다. 또한, 더블 너트 방식의 금속 너트로서, M6의 금속 너트를 Mo(몰리브덴)로 합계 8개 제작하고, 그 후 3 ㎛ 두께의 Ni 도금을 실시하였다.
또한, 금속 볼트의 플랜지를 웨이퍼 유지체와의 사이에 끼워 고정하는 고정용 부품으로서, 질화알루미늄제이며 환형인 고정용 부품을 4개 제작하였다. 고정용 부품의 외경은 11.5 ㎜, 두께는 2 ㎜, 내경은 금속 볼트가 삽입 관통할 수 있도록 6.5 ㎜로 하였다. 또한, 질화알루미늄제의 세라믹 캡나사를 4개 제작하였다. 캡나사의 외경은 11.5 ㎜로 하고, 내측에 M6의 바닥이 있는 암나사부를 형성하며, 또한 캡 부분에 십자 드라이버로 회전시킬 수 있도록 십자 나사홈을 형성하였다.
플랜지를 갖는 금속 볼트의 일단을 상기 웨이퍼 유지체의 암나사에 나사 결합한 후, 금속 볼트의 타단의 M6 수나사에 고정용 부품의 내경 6.5 ㎜의 관통 구멍을 통과시켰다. 그 후, 고정용 부품을 금속 볼트의 플랜지에 접촉시킨 상태에서, 유리 프리폼을 이용하여, 고정용 부품과 웨이퍼 유지체를 유리 접합하였다. 다음으로, 웨이퍼 유지체에 일단이 나사 결합되어 고정되어 있는 금속 볼트의 타단을, 통 형상 세라믹 지지 부재의 플랜지부에 형성되어 있는 관통 구멍에 삽입 관통하고, 금속 너트를 체결하여 통 형상 세라믹 지지 부재를 웨이퍼 유지체에 고정하였다. 또한, 이 금속 너트 위로부터 별도의 금속 너트를 체결하여 더블 너트 방식으로 함으로써, 느슨해짐 방지 대책을 마련하였다. 2개의 금속 너트의 체결 토크는, 각각 200 cN?m로 하였다. 또한, 이들 금속 너트 위로부터 세라믹제의 캡나사를 씌웠다.
상기 지지 구조의 웨이퍼 유지체를 이용하여, 12인치의 실리콘 웨이퍼 상에 막 형성을 행하였으나, 문제없이 각종 절연막과 도체막을 형성할 수 있었다. 다음으로, 이 웨이퍼 유지체의 600℃에 있어서의 균열성을 웨이퍼 온도계로 측정한 결과, ±3℃의 편차가 있었으며, 양호한 균열성이 얻어지고 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 최고 800℃까지 승온시켜 성막(成膜)하였으나, 정상적으로 성막할 수 있었다. 또한, 600℃와 상온 사이의 히트 사이클을 30회 가해도, 금속 너트의 느슨해짐이나 통 형상 세라믹 지지 부재의 덜거덕거림은 관찰되지 않았다. 그 후, 복귀 토크를 측정하면서 금속 너트를 느슨하게 한 결과, 토크는 200 cN?m로, 초기의 체결 토크를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 지지 구조의 웨이퍼 유지체에 대해서, CF3 분위기 중에서 100시간의 내식 시험을 행하고, 통 형상 세라믹 지지 부재와 그 플랜지부의 실험 전후의 표면 거칠기를 측정하였다. 그 결과, 양자 모두 실험 전에는 Ra=0.7 ㎛이었으나, 시험 후에는 플랜지부가 Ra=0.9 ㎛, 통 형상 세라믹 지지 부재가 Ra=0.8 ㎛가 되었다.
[실시예 2]
상기 실시예 1과 동일한 지지 구조이지만, 고정용 부품과 통 형상 세라믹 지지 부재를 3.8×10-6/K의 멀라이트-알루미나 복합체로 형성하였다. 이 지지 구조에 대해서, 상기와 동일한 각 실험을 행한 결과, 문제없이 성막할 수 있었다. 균열성은 600℃±2.0℃로 양호하며, 800℃까지의 승온도 문제없이 가능하였다. 또한, 상기와 동일한 내식 시험 후의 표면 거칠기는, 플랜지부가 Ra=1.1 ㎛이고 통 형상 세 라믹 지지 부재가 Ra=0.9 ㎛이었다.
[실시예 3]
상기 실시예 1과 동일한 지지 구조이지만, 열팽창계수가 4.8×10-6/K인 AlN제의 웨이퍼 유지체에 대하여, 열팽창계수가 2.8×10-6/K인 질화규소(Si3N4)제의 고정용 부품과 통 형상 세라믹 지지 부재를 이용하였다. 이 지지 구조에 대해서, 상기와 마찬가지로 800℃까지 승온을 행하였으나, 통 형상 세라믹 지지 부재와 그 플랜지부, 웨이퍼 유지체에 파손 등은 발생하지 않았다.
[실시예 4]
상기 실시예 1과 동일한 지지 구조이지만, AlN제의 웨이퍼 유지체에 대하여, 열팽창계수가 6.8×10-6/K인 알루미나(Al2O3)제의 고정용 부품과 통 형상 세라믹 지지 부재를 이용하였다. 이 지지 구조에 대해서, 상기와 마찬가지로 800℃까지 승온을 행하였으나, 각 부품에 파손은 발생하지 않았다.
[실시예 5]
상기 실시예 1과 동일한 지지 구조이지만, 더블 너트 방식을 채용하지 않고, 1개의 금속 너트(6)로 체결하였다. 이 지지 구조에 대해서, 동일한 실험을 행한 결과, 성막 특성 등에는 영향이 없는 것을 확인하였다. 또한, 600℃와 상온 사이의 히트 사이클을 30회 가해도, 금속 너트의 느슨해짐이나 통 형상 세라믹 지지 부재의 덜거덕거림은 관찰되지 않았다.
단, 실시예 1과 동일한 복귀 토크 확인 실험을 행한 결과, 복귀 토크는 100 cN?m까지 저하되어 있는 것을 알 수 있었다. 이 싱글 너트 방식이라도 실용상은 문제없으나, 실시예 1과 같이 2개의 금속 너트를 이용하는 더블 너트 방식 쪽이 마찰력을 유지할 수 있어, 장기적인 느슨해짐 방지 대책에 효과가 있는 것으로 추측된다.
[비교예 1]
상기 실시예 1과 동일한 AlN제의 웨이퍼 유지체와 통 형상 세라믹 지지 부재를 이용하였으나, 고정용 부품이나 금속 볼트를 사용하지 않고, 이하에 나타내는 종래의 방법에 의해 통 형상 세라믹 지지 부재와 웨이퍼 유지체를 고정하였다. 즉, 도 4에 도시하는 바와 같이, 통 형상 세라믹 지지 부재(4)와 웨이퍼 유지체(1)를, Al2O3-Y2O3-AlN계의 접합 페이스트를 이용하여, 하중을 가하면서 1800℃에서 직접 접합하였다.
이 지지 구조에 대해서, 상기와 마찬가지로 각 시험을 행한 결과, 400℃에서의 균열성은 ±4.1℃이며, 중심부의 온도가 가장 낮아지고 있었다. 이 상태에서 800℃까지 승온하고자 한 결과, 780℃를 초과한 시점에서, 통 형상 세라믹 지지 부재(4)와의 접합부 부근으로부터 웨이퍼 유지체(1)가 파손되었다.
[비교예 2]
상기 실시예 1과 동일한 AlN제의 웨이퍼 유지체와 통 형상 세라믹 지지 부재를 이용하였으나, 고정용 부품을 사용하지 않고, 이하에 나타내는 종래의 방법으로 웨이퍼 유지체와 통 형상 세라믹 지지 부재를 고정하였다. 즉, 도 5에 도시하는 바와 같이, 통 형상 세라믹 지지 부재(4)의 플랜지부(4a)의 관통 구멍에 육각 머리를 갖는 M6의 금속 볼트(2)를 삽입 관통하고, 웨이퍼 유지체(1)에 형성한 암나사에 체결 토크 200 cN?m로 나사 결합함으로써, 통 형상 세라믹 지지 부재(4)를 고정하였다.
이 지지 구조에 대해서, 상기 실시예 1과 동일한 실험을 행한 결과, 초기의 특성은 실시예 1과 동일한 결과를 나타내었으나, 600℃와 상온 사이의 히트 사이클이 30회를 초과하면, 금속 볼트가 느슨해져, 통 형상 세라믹 지지 부재(4)와 웨이퍼 유지체(1) 사이에서 큰 덜거덕거림이 관찰되고, 성막용 증착을 계속할 수 없는 상태가 되었다.
또한, 상기 지지 구조에 있어서, 육각 머리를 갖는 M6 금속 볼트(2)의 수나사부에 세라믹계 접착제를 도포하고, 웨이퍼 유지체(1)의 암나사부에 200 cN?m로 체결하여, 세라믹 접착제의 경화 열처리를 행하였다. 그 후, 상기와 동일한 실험을 행한 결과, 500℃ 승온 중에, 웨이퍼 유지체(1)가 금속 볼트(2)를 기점으로 한 크랙으로 파손되어 버렸다.
도 1은 본 발명에 따른 지지 구조의 하나의 구체예를 도시하는 개략적인 전체도이다.
도 2는 본 발명에 따른 지지 구조의 하나의 구체예에 대해서 우측 절반을 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 지지 구조의 다른 구체예에 대해서 우측 절반을 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 4는 비교예 1에서 이용한 종래의 지지 구조의 우측 절반을 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 5는 비교예 2에서 이용한 종래의 지지 구조의 우측 절반을 도시하는 개략적인 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 웨이퍼 유지체
2: 금속 볼트
2a: 플랜지
3: 고정용 부품
4: 통 형상 세라믹 지지 부재
4a: 플랜지부
5, 6: 금속 너트
7: 캡나사
8: 제2 금속 볼트
10: 지지 구조
10a: 고정부

Claims (4)

  1. 세라믹스 소결체의 내부 또는 표면에 전기 회로가 형성된 웨이퍼 유지체와, 이 웨이퍼 유지체를 지지하는 통 형상 세라믹 지지 부재가, 복수의 금속 볼트에 의해 결합되어 있는 웨이퍼 유지체의 지지 구조로서,
    상기 금속 볼트의 일단이 상기 웨이퍼 유지체에 형성한 바닥이 있는 암나사에 나사 결합되고, 상기 금속 볼트의 일부에 회전을 방지하는 플랜지가 형성되며, 이 플랜지를 상기 웨이퍼 유지체와의 사이에서 끼워 고정하는 고정용 부품이 웨이퍼 유지체에 고정되어 있고,
    상기 금속 볼트의 타단은, 상기 통 형상 세라믹 지지 부재의 일단에 형성한 플랜지부의 관통 구멍에 삽입되며, 금속 너트가 나사 결합됨으로써, 상기 통 형상 세라믹 지지 부재가 상기 웨이퍼 유지체에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지체의 지지 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고정용 부품은, 유리 접합, 납땜, 확산 접합, 끼워 맞춤, 또는 나사 고정에 의해 상기 웨이퍼 유지체에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지체의 지지 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고정용 부품은, 질화알루미늄 또는 멀라이트-알루미나 복합체를 주성분으로 하고 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지체의 지지 구조.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 너트는, 더블 너트 방식에 의해 체결을 행하는 복수의 금속 너트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지체의 지지 구조.
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