KR101619094B1 - 고온 베이킹 장치용 기판히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 베이킹 장치에서 열변형 방지 열선고정과 전원인가 기능을 하는 단자대를 채용한 기판히터관한 것으로서, 반도체 웨이퍼 또는 글라스 기판을 가열하는 기판히터에 열선을 부착함에 있어서 고온에서 장시간 가열시 발생하는 열팽창에 의해 단자대의 열선고정이 느슨하게 되는 현상 및 단자대의 뒤틀림 현상을 방지하는 열선고정과 전기인가를 동시에 하는 단자대를 채용한 기판히터를 공급하는 것이다.

Description

고온 베이킹 장치용 기판히터{Plate heater for high temperature baking apparatus}

본 발명은 고온 베이킹 장치에서 뒤틀림방지 열선고정과 전원인가를 동시에 하는 단자대를 채용한 기판히터에 관한 것으로서, 반도체 웨이퍼 또는 글라스 기판을 가열하는 기판히터에 열선을 부착함에 있어서 고온에서 장시간 가열시 발생하는 열팽창에 의해 단자대의 고정부가 느슨하게 되는 현상 및 단자대의 뒤틀림 현상을 방지하는 열선 고정과 전기 인입을 동시에 하는 단자대를 채용한 기판히터에 관한 것이다.

반도체 및 FPD(flat panel display)/OLED(organic light emitting display) /LCD(liquid crystal display) 공정에서 사용되는 고온 베이킹 장치는 온도의 균일성과 함께 공정상 장시간 사용되는 특성으로 내구성이 필히 요구된다. 현재 반도체 전 공정 및 후 공정에 사용 중인 베이킹 장치는 금속 플레이트 하반부에 열선을 부착한 단열기판을 장착하여 사용하는 방식인데 장시간 사용 시 금속 플레이트의 열적 뒤틀림, 단열기판과 금속 플레이트의 뒤틀림에 의한 열선의 단선, 단자대와 열선 접속부의 풀림에 의한 전기접속 불량과 같은 문제점들이 발생하고 있다.

고온에서 장시간 사용 시 발생하는 금속 플레이트의 뒤틀림은 특허문헌 1에서와 같이 금속 플레이트 재질을 열전도가 양호하고 열팽창계수가 작은 세라믹 소재로 대체하여 개선이 이루어지고 있고, 열선의 단선은 단열기판에 열선의 직접 프린팅과 같은 방법으로 문제해결을 시도하고 있다. 그러나 고온 가열시 자주 발생하는 단자대와 열선 접속부의 나사풀림현상 및 단선에 의한 전기접속 불량과 같은 문제점들은 베이킹 장치의 내구성에 치명적이나 개선의 시도는 드문 편이다.

1. 한국 공개특허 제10-2013-0098086호(2013. 09. 04).

상기와 같은 문제점을 해결하고자 본 발명은 고온 베이킹 장치의 기판히터에 열선의 고정과 전기 인입을 동시에 하는 단자대를 사용하여 단자대와 열선 접속부의 뒤틀림 및 전기접속 불량과 같은 문제점을 해결하는 방법을 제공하고자 한다.

상기의 해결하려는 과제를 위한 본 발명에 따른 반도체 또는 디스플레이 공정에서 사용되는 고온 베이킹 장치의 기판히터는, 열선 직경 깊이로 일면에 패턴 홈이 형성되어 열선이 부착된 단열기판, 볼트머리 하부에 관통홀이 형성되어 상기 열선의 끝단이 삽입되고, 상기 단열기판의 가장자리에 관통되어 너트로 고정되고 전원 공급선이 연결되는 단자대 및 상기 단열기판의 상부 및 하부에 접합되어 열선을 보호하고 단열하는 보호기판을 포함하여 구성하여 제조되어, 상기 단자대의 볼트머리는 각진 형상으로 상기 보호기판에 동일 각진 형상의 홈이 형성되어 끼워져 너트 조임시 겉도는 것을 방지하고, 이중 너트를 이용하여 열변형에 의하여 풀림을 방지하는 것을 특징으로 한다.

상기 이중 너트는 서로 다른 방향의 나사산을 가지고 고정하는 것을 특징으로 한다.

상기 기판히터의 상부에 접합되는 열전도 기판을 더 포함하고, 상기 열전도 기판의 상부에 복수의 온도센서가 부착되어 피드백 회로를 가지는 온도 컨트롤러에 의해 기판 온도가 제어되는 것을 특징으로 한다.

상기 열선은 니켈 또는 니켈합금으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 단열기판과 보호기판은 운모(mica)인 것을 특징으로 한다.

상기 열전도 기판은 AlN인 것을 특징으로 한다.

상기 각진 볼트머리와 지지대는 열선과 동종의 금속 또는 합금으로 제작되고, 상기 나사의 관통홀은 볼트머리 하부에 단열기판 두께를 고려하여 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 단열기판은 마이카(mica)이나 한정치 아니하며, 상기 열선은 열선 직경 크기로 단열기판 상부에 형성된 패턴을 따라 열선밀도를 내부에서 외부로 점증하여 부착하거나 균일하게 부착하는 것을 특징으로 한다.

상기 반도체 제조장비용 고온 기판 베이킹 장치는, 본 발명에 의한 기판히터, 열전도 기판, 온도 제어부, 온도 센서, 전원공급 장치 및 제어표시부가 부착된 케이스와 단자대를 포함하는 다수의 접속부재를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

상기 베이킹 장치는 별도의 챔버를 구비하여 공기 또는 진공 중에서 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 반도체공정에서 사용되는 기판 베이킹 장치의 기판히터에 관한 것으로 고온 가열시 발생하는 단자대의 전기접속 불량의 원인을 제거하여 기판히터의 내구성을 높여 결국 기판 베이킹 장치의 가동효율을 높이는 효과가 있다.

본 발명에 의한 열선이 부착된 기판히터는 세라믹 히터보다 가격이 50% 저렴하고 가공이 용이하며 고온에서 내구성이 뛰어난 재질인 마이카를 사용한다. 따라서 본 발명은 베이킹 장치의 생산성 및 경제성면에서 유리하여 실생활 또는 산업용으로 매우 유용한 발명이다.

도 1은 기판히터의 사시도.
도 2는 기판히터에 조립된 관통홀을 가지는 단자대의 단면도.
도 3은 단자대의 사시도.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니된다.

본 발명에서 사용하는 고온은 400℃ 이상의 온도를 지칭하나 절대적인 것이 아니라 통상 반도체 베이킹 공정에서 사용되는 개념이다.

반도체 공정에 사용되는 베이킹 온도가 400 내지 500℃ 인 고온 베이킹 장치는 단열기판(1), 2개의 보호기판(3, 4), 열선(2), 열전도 기판(15), 전원 공급부, 온도 제어부, 제어 표시부 및 베이킹 장치 케이스를 포함하고, 단자대와 같은 다수의 조립부재들을 더 포함하여 조립된다.

기판 베이킹 장치는 반도체 웨이퍼 또는 글라스 기판을 건조하거나 광 또는 전자빔 리소그래피를 위하여 도포된 감광액을 경화하는데 사용된다.

단열기판, 2장의 보호기판 및 열전도 기판은 기판 외부에 동일한 얼라인 마크 및 두 가지 형태의 접합나사를 위한 복수개의 접합 관통홀이 형성되어 있으며, 이에 더하여 보호기판의 상부면용은 볼트머리 패턴이 되어 있고, 하부면용은 기판의 가장자리에 단자대 설치 관통홀과 같은 위치에 동일한 크기의 관통홀이 형성되어 있다.

상기 단열기판은 마이카 또는 세락믹 등의 재질의 기판을 사용하나 경제적인 면에서 마이카가 유리하다. 마이카는 내화성이 우수하고 전기적 절연성이 뛰어난 재질로 가공성도 비교적 양호하여 통상적으로 전기히터의 단열 재료로 널리 사용된다. 마이카 기판의 크기는 보통 가열하고자 하는 반도체 또는 글라스 기판의 크기보다 크게 제작되고 두께는 열선의 두께를 고려하여 선택된다.

열선이 부착되는 패턴은 식각공정이나 에칭을 통해 형성한다. 이때 패턴의 깊이는 열선의 직경을 고려하여 형성한다.

단열기판에 부착되는 상기 열선(2)은 금속발열체와 비금속발열체로 나누어진다. 금속발열체는 니켈함금, 인코넬, 칸탈(kanthal) 및 니크로탈(nikrothal) 등이 있으며, 비금속발열체는 실리콘카바이드 또는 파이로막스 등이 있다. 일반적으로 금속발열체가 가공성이 뛰어나 많이 사용되고 있으며, 발열체는 발열기판의 설계방식에 따라 선택되어 단열기판에 열선 형태의 부착, 직접 프린트 또는 절연피복을 가진 형태로 부착되어 사용된다. 본 발명은 니켈합금을 열선의 일예로 사용하여 기판히터를 제작하였으나 이에 한정하는 것은 아니다.

보호기판(3, 4)은 일반적으로 단열기판과 같은 재질을 사용하고 단열기판에 열선과 단자대가 설치된 후 단열기판 상하부 면에 두 개의 기판을 압착하여 사용한다. 열선이 부착된 면이 상부면이고 그 반대 면이 하부면이다. 상부면 압착용은 단자대의 설치에 단열기판과 같은 위치에 볼트머리가 인입될 수 있도록 볼트머리와 같은 형상 깊이로 패턴을 만들어 사용한다. 하부면에 접합할 보호기판은 단열기판과 같은 위치에 단자대용 관통홀을 미리 형성하여 준비한 다음 압착한다. 200℃ 이하의 저온 베이킹 장치에 사용되는 기판히터의 보호기판 접합은 압착보다는 고온용 에폭시가 사용된다.

상기 열전도 기판은 열선이 부착된 단열기판(1) 상부에 부착된 상부 보호기판의 면에 접합되어 열확산을 균일하게 하고, 일반적으로 베이킹되는 기판의 크기보다 크게 선택하여 설치된다. 열전도 기판은 저가형 베이킹 장치의 열전도 기판으로 금속기판인 알루미늄, 동, 인코넬, STS 등이 많이 사용되며, 고가형 또는 특수목적 베이킹 장치에는 비금속 계통인 질화알루미늄, 사파이어 또는 석영기판 등이 이용된다. 일반적으로 금속기판이 경제적이기 때문에 많아 사용되나 단열기판과의 열팽창 차이로 인한 문제로 최근에는 질화알루미늄과 같은 세라믹 기판이 사용되고 있다.

고온 베이킹 장치에 포함되어 제조되는 전원 공급부, 온도 제어부, 제어 표시부 및 베이킹 장치 케이스는 통상의 반도체 베이킹 장치의 제조에 사용되는 부품 및 시스템으로 구성된다.

도 1은 단열기판에 열선을 부착하고 전기 인가부에 열선의 양 끝단을 단자대를 이용하여 고정하고 이 기판의 양면에 보호기판을 압착하여 접합한 기판히터의 사시도를 나타낸다. 기판히터는 마이카 단열기판(1)에 열선(2)의 직경 깊이로 미리 형성된 패턴에 따라 열선 밀도를 균일하게 또는 단열기판의 크기를 고려하여 내부보다 외부에 촘촘히 부착하여 제작한다. 이때 열선이 부착된 단열기판의 가장자리에 전원인가와 열선고정을 겸한 단자대(5, 6)가 설치된다.

상기 열선은 동심원상으로 형성하여 내부로부터 외부로 설치하되 외부로 갈수로 조밀하게 설치하고, 열선의 양 끝단은 단열기판의 가장자리에 위치한 전기 인가부(8)에 도달하도록 한다. 이는 열선이 설치된 중앙부분은 외부의 열선에서 발생한 열에 의해 공기가 갇힌 상태가 되어 외기의 영향을 적게 받아 쉽게 식지 않지만 상대적으로 외곽 부분은 외기와 접하여 쉽게 식을 수 있기 때문이다. 열선을 외경이 작은 단열기판에 부착할 때는 균일한 열선밀도로 부착하여도 무방하다.

외경이 200 mm 보다 큰 단열기판에 열선을 부착할 때, 상기 열선은 단열기판의 면적에 따라 가열영역을 나누어 열선이 설치될 수 있으며 이때 단자대의 수는 가열영역 수의 2배가 된다. 큰 면적의 가열기판은 내부보다 외부에 열선의 밀도를 촘촘히 하여야 전체면적에 균일한 온도를 유지할 수 있다.

도 2는 나사형상을 가진 단자대를 사용하여 열선을 단열기판과 결합한 단면도를 나타낸다. 상기 열선이 부착된 단열기판(1)의 단자대(5,6)는 각진 볼트머리(3)를 가지고 볼트머리 하부에 관통홀(10)을 가진 나사이며, 단열기판에 부착된 열선이 볼트의 관통홀(10)을 통과하고 2개의 너트(7, 8)로 고정시키기 때문에 고온에서 장시간 가열시 발생하는 나사풀림으로 인한 전기 인가부의 접촉 불량을 방지할 수 있고, 또한 열선과 동종의 재질을 사용하여 열팽창계수의 차이에 따른 열변형 현상을 예방할 수 있다.

도 3은 나사형상을 가진 단자대의 사시도이다. 단자대의 제조는 통상의 볼트 너트의 제조방법을 사용한다.

열선은 전원공급부의 전원공급기로부터 연결된 전선이 단자대의 제1 너트 및 제 2너트 사이의 전기접속부와 고정되어 전원을 공급받아 열을 발생시키고, 기판히터와 접합된 열전도 기판에 열을 공급한다.

베이킹 장치의 열전도 기판은 균일한 열확산을 하는 작용을 하며, 상부 면에 다수의 온도센서를 포함하고 있으며, 일정한 온도는 피드백 회로를 가진 온도 컨트롤러에 의해 온도 제어부에서 제어된다.

단열기판은 다양한 재질을 사용할 수 있으나 500℃에서 안정하고 900℃의 고온에서 견뎌낼 수 있고 가격이 저렴한 마이카를 사용하는 것이 바람직하다. 마이카는 운모라고도 불리며 기판형태는 무스코바이트(muscovite) 또는 필로고파이트(phlogopite) 마이카로부터 얻어진다. 실리케이트 미네랄의 종류이며 단열기능과 전기 절연성이 우수하여 열선을 장착하여 히터구조물로 사용되며, 커패시터의 절연재료로도 사용된다.

열선은 다양한 재질을 사용할 수 있으나 니켈합금을 사용하는 것이 바람직하다. 니켈합금은 니켈과 융합되는 금속의 비율에 따라 다양하다. 니크롬선은 니켈과 크롬의 함량이 각각 80%, 20% 이며, 융점은 1400℃ 이고, 열팽창계수는 14E-6/K이다. 인코넬은 슈퍼 합금으로 니켈과 크롬을 주 합금으로 하여 그 외 철, 알루미늄과 같은 금속 또는 실리콘, 카본과 같은 비금속을 함께 넣어 만들어진다. 인코넬은 산화 및 부식 방지 기능이 있어 극한상황의 장치에 쓰인다. 칸탈선은 철-크롬-알루미늄 합금으로 주고 철-크롬이 주 금속의 함량으로 적은 양의 알루미늄을 섞어 제조된다. 칸탈선은 1200℃ 융점을 가지고 있어 고온용 히터 제작에 적합하다.

단자대는 열선과 동종 또는 유사한 재질을 사용하여 열팽창계수의 차이로 인한 뒤틀림을 방지한다.

본 발명은 고온 베이킹 장치의 히터로 사용된다. 반도체 웨이퍼나 유리 기판은 감광액이 도포된 후 고온 베이킹 장치의 열전도 기판에 위치하여 경화되고 경화된 기판은 웨이퍼 핀셋 또는 에어 접착장치에 의해 수동 또는 자동으로 다음 공정으로 이송된다.

본 발명에 의한 기판히터는 반도체 공정에서 사용하는 고온 베이킹 장치용이나, 반도체 공정용 저온 베이킹 장치 또는 히터가 요구되는 다양한 베이킹 장치에 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 상기의 기판히터는 예시된 도면을 따라 설명하였으나, 본 명세서에 기재된 실예와 도면에 본 발명은 한정되지 않으며 그 발명의 기술범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어 질 수 있음은 물론이다.

1 : 단열기판 2 : 열선
3 : 상부면 보호기판 4 : 하부면 보호기판
5 : 볼트머리 6 : 지지대
7 : 제1 너트 8 : 제2 너트
9 : 단자대 관통홀 10 : 볼트머리 패턴
11 : 전기 인가부 12 : 얼라인 마크
13 : 접합용 관통홀A 14 : 접합용 관통홀B
15 : 열전도 기판 16 : 단자부

Claims (6)

1. 반도체 또는 디스플레이 공정에서 사용되는 고온 베이킹 장치의 기판히터에 있어서,
   열선 직경 깊이로 일면에 패턴 홈이 형성되어 열선이 부착된 단열기판;
   볼트머리 하부에 관통홀이 형성되어 상기 열선의 끝단이 삽입되고, 상기 단열기판의 가장자리에 관통되어 너트로 고정되고 전원 공급선이 연결되는 단자대 및
   상기 단열기판의 상부 및 하부에 접합되어 열선을 보호하고 단열하는 보호기판을 포함하여 구성하되,
   상기 단자대의 볼트머리는 각진 형상으로 상기 보호기판에 동일한 각진 형상의 홈이 형성되어 끼워져 너트 조임시 겉도는 것을 방지하고,
   이중 너트를 이용하여 열변형에 의하여 풀림을 방지하는 것을 특징으로 하는 고온 베이킹 장치의 기판히터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 이중 너트는 서로 다른 방향의 나사산을 가지고 고정하는 것을 특징으로 하는 고온 베이킹 장치의 기판히터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 기판히터의 상부에 접합되는 열전도 기판을 더 포함하고,
   상기 열전도 기판의 상부에 복수의 온도센서가 부착되어 피드백 회로를 가지는 온도 컨트롤러에 의해 기판 온도가 제어되는 것을 특징으로 하는 고온 베이킹 장치의 기판히터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 열선은 니켈합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 고온 베이킹 장치의 기판히터.
5. 제1항에 있어서,
   상기 단열기판과 보호기판은 운모(mica)인 것을 특징으로 하는 고온 베이킹 장치의 기판히터.
6. 제3항에 있어서,
   상기 열전도 기판은 AlN인 것을 특징으로 하는 고온 베이킹 장치의 기판히터.

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