KR101638569B1 - 고온 베이킹 장치용 히팅 플레이트 - Google Patents

고온 베이킹 장치용 히팅 플레이트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온용 반도체 및 디스플레이 공정에 사용되는 고온 베이킹 장치에서 사용되는 히팅 플레이트에 관한 것으로서, 열팽창계수가 최대한 근접한 이종물질 기판인 세라믹기판 및 단열기판을 근접핀(proximity pin)볼트를 이용해 공기층을 두고 접합하고 관통홀볼트를 이용해 온도센서를 설치하여 고온에서 장기간 사용 시 열변형 현상을 방지하여 베이킹 장치의 내구성을 향상 시키는 고온 베이킹 장치의 히팅 플레이트의 제공에 관한 것이다.

Description

고온 베이킹 장치용 히팅 플레이트 {Heating plate for high temperature baking apparatus}
본 발명은 반도체 및 디스플레이 공정에 사용되는 고온 베이킹 장치에서 사용되는 히팅 플레이트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열팽창계수가 비슷한 이종물질 기판인 열전도용 세라믹기판과 열선이 부착된 단열기판을 세라믹기판과 동종의 재질로 제작된 근접핀(proximity pin)볼트와 관통홀볼트를 이용해 접합하여 고온에서 장기간 사용 시 열변형을 방지하여, 내구성 있는 히팅 플레이트의 제공에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 생산 공정 라인에 설치되어 사용되는 베이킹 장치는 반도체 기판의 건조나 리소그래피를 위하여 도포된 감광제의 경화에 사용되며, 장시간 반도체 라인에서 사용되기 때문에 내구성이 필히 요구된다. 반도체 또는 디스플레이 공정에 사용되는 베이킹 장치는 가용온도에 따라 저온용과 고온용으로 구분된다. 반도체 소자 패턴의 고도화에 따른 리소그래피 기술의 발달은 저온 경화용 감광제 뿐 아니라 고온에서 경화하는 감광제의 사용이 증가되고 있으며, 이에 따라 고온용 베이킹 장치의 사용이 빈번히 요구된다. 통상의 반도체 공정에서 사용되는 고온 베이킹 장치는 400~500℃의 가용온도를 가진 장비를 지칭한다.
일반적으로 베이킹 장치는 금속 플레이트 하반부에 열선을 부착한 단열기판을 장착하여 사용하는 방식으로 그 외에 다수의 부품 및 접속부재를 사용하여 조립하여 사용된다. 고온 베이킹 장치는 저온용과는 다르게 장치를 고온에서 사용하기 때문에 핵심 부품들의 내구성에서 많은 문제점이 발생한다. 예를 들어 금속 플레이트는 알루미늄, 동, 인코넬, STS 등의 재질로 제조되고, 열선을 부착하는 단열기판은 마이카 재질이 사용된다. 금속과 마이카는 열팽창계수의 차이가 심하여 고온에서 열적 변형이 발생하고 히터 열선의 단선, 전기단자들의 너트풀림에 의한 전기 접속불량 등과 같은 문제점을 발생시킨다.
특허문헌 1은 이러한 단점을 해결하고자 열전도가 금속에 근접하고 열팽창은 금속에 비하여 상대적으로 작은 세라믹 소재의 기판에 열선을 도금하는 방법을 사용하였으나 도금 열선은 와이어 열선에 비해 상대적으로 품질이 떨어져 수명이 짧고 두 개의 세라믹기판의 사용으로 제조비용이 증가하는 단점이 있다.
1. 한국 공개특허 제10-2013-0098086호(2013. 09. 04).
상기와 같은 문제점을 해결하고자 본 발명의 고온 베이킹 장치용 히팅 플레이트는 열팽창계수가 비슷한 세라믹기판과 열선이 부착된 단열기판을 접합관통홀을 통해 재질이 세라믹기판과 동일하거나 세라믹기판에 최대한 근접한 열팽창계수를 갖는 근접핀(proximity pin)볼트 및 관통홀볼트 및 너트를 이용해 근접핀볼트는 볼트머리 상부에 공기층을 두고 접합하여 베이킹 후 반도체 및 글라스 기판의 탈착에 용이하고, 관통홀볼트는 내부에 관통홀을 형성하여 온도센서를 장착하고, 고온에서 장시간 사용 시 열변형을 방지하는 고온 베이킹 장치용 히팅 플레이트를 제공하고자 한다.
상기의 해결하려는 과제를 위한 본 발명에 따른 반도체 및 디스플레이 공정에 사용되는 고온 베이킹 장치의 히팅 플레이트는, 열선 직경깊이로 일면에 형성된 패턴에 따라 열선이 부착된 단열기판, 볼트머리 하부에 관통홀이 형성되어 상기 열선의 양 끝단을 삽입하여 고정하고, 단열기판의 가장자리에 관통되어 너트로 고정되어 전원 공급선이 연결되는 단자대 및 단열기판 양면에 압착되어 열선을 보호하고 단열하는 보호기판을 포함하여 구성하는 기판히터, 전기절연체 및 열전도체인 세라믹기판 및 상기 세라믹기판과 동일한 재질의 두 형태의 볼트너트를 포함하고, 기판히터 및 세라믹기판은 가장자리에 소정의 간격으로 얼라인 마크를 형성하여, 정해진 수와 위치에 따라 두 형태의 접합관통홀을 형성하고, 상기 접합관통홀에 하나는 근접핀볼트(proximity pin)를 다른 하나는 관통홀볼트를 삽입 후 단열기판의 후면에서 와셔와 너트를 사용하여 접합하여, 고온에서 열팽창에 의한 열변형을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 근접핀볼트 볼트머리는, 세라믹기판에 일부가 삽입되게 설계되어 상부에 공기층을 형성하고, 상기 관통홀볼트는, 중앙에 관통홀을 형성하여 온도센서를 설치하는 것을 특징으로 한다.
단열기판은 마이카(mica)이고, 세라믹기판은 AlN이며, 접합된 마이카기판과 질화알루미늄기판은 장시간 고온 사용 시 상호간에 열변형을 방지하는 것을 특징으로 한다.
볼트, 너트 및 와셔는 세라믹기판과 동일한 재질인 것을 특징으로 한다.
열선은 와이어 형태의 니켈합금을 사용하는 것을 특징으로 한다.
열선의 패턴은 기판 면적의 크기에 따라 단일 또는 복수 개의 열선을 구역별로 구분하여 부착하는 것을 특징으로 한다.
보호기판은 단열기판과 동일한 재질을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 고온 베이킹 장치에 장착되는 히팅 플레이트는 열팽창 계수가 서로 근접한 이종기판인 열선이 부착된 마이카 기판히터와 열전도 기판인 세라믹기판을 세라믹기판과 열팽창계수가 동일 또는 최대한 근접한 재질의 볼트 및 너트로 접합하여 고온 사용 시 발생하는 기판들의 뒤틀림 현상을 개선하여 고온 베이킹 장치의 내구성을 높이는 효과가 있다.
본 발명은 열전도 세라믹기판의 상부에 근접핀볼트를 사용하여 접합할 때 볼트머리 상부가 세라믹기판의 상부 면보다 일부 들어가게 고정하여 공기층을 만들어, 베이킹 후 반도체 기판의 탈착을 용이하게 한다.
본 발명은 관통홀볼트에 작은 관통홀을 형성하여 온도센서를 설치하여 접합과 센서설치를 동시에 할 수 있기 때문에 제조공정에 유리하다.
본 발명은 고가의 세라믹기판을 마이카기판으로 대체하여 고온 베이킹 장치의 단가를 반으로 줄일 수 있어 경제적이다.
도 1A는 접합된 이종기판의 상부에서 본 평면도.
도 1B는 접합된 이종기판의 하부에서 본 평면도.
도 2는 근접핀볼트로 접합한 이종기판 접합부의 단면도.
도 3은 관통홀볼트로 접합한 이종기판 접합부의 단면도.
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 공정에서 사용되는 개념이다.
기판히터는 열선이 부착된 단열기판의 양면에 보호기판을 부착하여 조립된 상태이고, 히팅 플레이트는 기판히터에 열전도 세라믹기판을 접합한 것이다.
기판히터는 독립적으로 조립되어 다양한 열전도 기판에 응용될 수 있다. 기판히터와 다양한 열전도 기판의 조합은 각 목적에 맞게 조립되어 사용된다.
반도체 공정 또는 디스플레이 공정에 사용되는 베이킹 온도가 400 내지 500℃ 인 고온 베이킹 장치는 단열기판(1), 보호기판(2, 3), 세라믹기판(4), 열선, 전원공급 장치, 온도 컨트롤러, 제어표시장치 및 베이킹 장치 케이스를 포함하고, 단자대와 같은 다수의 조립부재들을 더 포함하여 조립된다.
고온 베이킹 장치는 반도체 공정 또는 디스플레이 공정에서 기판의 건조 및 리소그래피에서 감광제의 경화에 사용된다. 반도체 기판은 열전도가 우수한 세라믹기판 상부에 위치하여 베이킹한다.
고온 베이킹 장치에 장착되는 열전도 용 세라믹기판과 열선이 부착된 단열기판은 베이킹 장치의 핵심 부품으로 전원을 공급받아 열을 발생하고 열전도 세라믹기판에 열을 공급하며, 세라믹기판은 웨이퍼 전면에 균일한 온도를 제공하는 기능을 한다. 가용 시 고온에 직접적으로 상시 노출되므로 내구성이 요구된다.
고온 베이킹 장치의 내구성에 영향을 주는 요인들은 히터기판과 열전도 기판의 서로 다른 열팽창에 의한 뒤틀림, 이 뒤틀림에 의한 열선의 단선, 열선과 전기접속단자간의 열팽창에 의한 뒤틀림에 의한 단선, 열선 불량에 의한 단선 등이 있으나 가장 큰 요인은 기판히터와 열전도 기판의 접합에서 발생한다.
도 1A는 본 발명의 일예로 열전도 세라믹기판으로 질화알루미늄(AlN)을 사용하고 열선이 부착된 마이카 단열기판을 사용하여 접합한 히팅 플레이트 상부의 사시도를 나타내고, 도 1B는 접합된 히팅 플레이트 하부의 사시도를 나타낸다.
마이카(mica) 단열기판은 500℃에서 안정하고 900℃의 고온에서 견뎌낼 수 있으며 가격이 저렴한 장점을 가지고 있다. 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.
질화알루미늄(AlN)은 알루미늄을 직접 질화시켜 얻어진다. 우르짜이트(wurtzite) 구조의 질화알루미늄은 넓은 밴드갭을 갖은 반도체이고 고온에서 안정하며 융점은 2800℃ 이다. 공기 중에서 표면산화 온도는 700℃이고 이때 약 5-10nm의 표면 산화층이 형성되어 1370℃ 까지 질화알루미늄을 보호하는 역할을 한다. 질화알루미늄의 열전도도는 단결정인 경우에 구리의 약 70%에 달한다. 질화알루미늄 기판은 질화알루미늄 분말을 CaO와 같은 가스 분위기에서 소결하고 핫 프레싱하는 방법으로 제조된다.
상기 마이카 기판과 상기 질화알루미늄 기판은 얼라인 마크로 면밀히 정렬한 후 정해진 수 및 위치에 따라 각각에 접합관통홀(10, 11)을 형성한다.
상기 마이카 기판의 접합관통홀은 한 형태로 제작된다. 반면에 상기 질화알루미늄 기판은 두 가지 형식의 접합관통홀을 가진다. 하나는 관통홀볼트용으로 볼트머리가 기판과 동일선상에서 접합되도록 하고 다른 하나는 근접핀볼트용으로 볼트머리가 기판보다 약간 들어가게 설계되어 형성된다. 두 기판의 접합 시에 근접핀볼트의 볼트머리 상부의 공간에 형성된 공기층은 베이킹 공정이 끝난 후에 반도체 기판 또는 디스플레이 기판의 탈착을 용이하게 하는 작용을 한다.
기판히터는 단열기판에 설계된 패턴에 따라 열선을 부착하고 관통홀을 가진 단자대로 고정한 후 양면에 보호기판을 압착하여 기판히터를 제작한다. 이때 기판히터와 세라믹기판의 접합을 고려하여 단열기판, 보호기판 및 세라믹기판에 두 볼트형식의 접합관통홀, 얼라인 마크 및 패턴을 형성한다. 열선과 단자대를 피하여 접합관통홀을 형성하는 것이 요구된다.
원형기판은 각각의 기판의 가장자리에 소정의 간격으로 얼라인 마크(9)를 형성하고, 직사각형의 기판은 각변의 중앙에 얼라인 마크를 형성한다. 기판들은 원형이나 직사각형 또는 다른 형태의 기판을 사용할 수 있으며, 이때 얼라인 마크는 기판의 형태에 맞추어 제작된다.
마이카 기판은 단열기판으로 사용되며, 마이카 기판 일면에 열선이 부착될 패턴과 기판의 가장자리의 일정한 거리에 위치한 두 개의 전원공급 및 열선 고정용 단자대를 설치할 관통홀을 형성한다. 열선은 단자대의 하나에서 시작해 마이카 기판에 형성된 패턴을 따라 부착되어 다른 단자대에 도달하게 한다.
단자대는 나사형태로 각진 볼트머리 하부에 관통홀을 가지고 있으며, 열선과 열팽창계수가 동일한 재질 또는 최대로 근접한 재질로 제작된다. 상기 열선은 상기 관통홀을 지나고 2개의 너트를 이용해 마이카 일면에 2중으로 고정되어 전기 접속불량 및 뒤틀림을 방지한다.
단자대의 제1 너트와 제2 너트 사이에 전기선의 일단이 연결된 전기접속단자가 조합되고 전기선의 타단은 전원공급 장치에 연결된다. 전기접속단자는 전기전도도가 양호한 동 및 알루미늄으로 제조되고 양단에 전기전도가 양호하고 접촉을 향상하는 와셔를 더 포함하여 이용된다. 전기접속단자는 한쪽이 중앙이 빈 와셔형식으로 접촉면적을 크게 하여 제작되고 다른 한쪽은 전기선을 클램프하게 제작된다.
도면이 생략된 조립틀은 전술된 선행 공정을 통해 준비된 마이카 및 질화알루미늄 기판을 조립하는 공정에 사용된다. 상기 조립틀은 4개 기둥의 중앙에 기판의 크기에 맞게 중앙이 빈 원형의 알루미늄 기판이 용접되어 있는 형태의 장치이다.
조립틀을 평탄한 곳에 설치한 후, 기판히터 및 질화알루미늄 기판을 조립틀에 차례로 위치시킨다.
상기 마이카 및 질화알루미늄 기판은 얼라인 마크를 이용해 면밀히 정렬되고, 접합관통홀에 근접핀볼트(5)와 관통홀볼트(8)를 각각의 접합관통홀(10, 11)에 삽입 후 와셔(6)와 너트(7)를 이용하여 고정한다. 이때 볼트 및 너트는 질화알루미늄과 동질의 재질이나 비슷한 열팽창계수를 가지는 재질로 제조된다. 이와 같은 접합방법은 고온에서 열팽창이 달라 발생하는 기판의 열변형을 방지하여 고온 베이킹 장치의 수명을 향상하여 반도체 소자 생산성에 기여할 수 있다.
도 2 및 도 3은 근접핀볼트(5)과 관통홀볼트(8)의 질화알루미늄 볼트를 이용하여 접합한 접합 전 및 접합 후의 단면도를 다타낸다.
관통홀볼트는 중앙에 접합관통홀을 형성하고 있으며 볼트머리에 온도센서를 부착하여 온도컨트롤러에 의해 정밀하게 온도를 조절할 수 있다. 온도센서는 열전대 센서, 고온용 서미스터 등이 사용될 수 있다.
열선은 베이킹 장치에 적합한 어느 것이 사용되어도 무방하나 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.
상기 질화알루미늄 기판은 기판히터로부터 열을 공급받아 열전도 목적으로 사용되며 질화알루미늄 기판에 균일한 온도를 형성하며 반도체 기판을 베이킹하여 건조 또는 경화 품질을 높이는 작용을 한다.
저온 반도체용 베이킹 장치에서 질화알루미늄 열전도기판은 알루미늄, 동, 인코넬 또는 STS 기판으로 대체하여 사용할 수 있다. 여기서 저온은 통상 반도체공정에서 사용되는 개념으로 400℃ 이하의 온도를 지칭하나 절대적인 것은 아니다.
본 발명에 따른 히팅 플레이트는 예시된 도면을 따라 설명하였으나, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 본 발명은 한정되지 않으며 그 발명의 기술범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
1 : 단열기판 2 : 상부보호기판
3 : 하부보호기판 4 : 세라믹기판
5 : 근접핀볼트 6 : 와셔
7 : 너트 8 : 관통홀볼트
9 : 관통홀 10 : 근접핀볼트 접합관통홀
11 : 관통홀볼트 접합관통홀
12 : 얼라인 마크 13 : 공기층

Claims (7)

  1. 베이킹 장치용 히팅 플레이트에 있어서,
    열선 직경깊이로 일면에 형성된 패턴에 따라 열선이 부착된 마이카기판,
    볼트머리 하부에 관통홀이 형성되어 상기 열선의 양 끝단을 삽입하여 고정하고, 마이카기판의 가장자리에 관통되어 너트로 고정되어 전원 공급선이 연결되는 단자대 및 마이카기판 양면에 압착되어 열선을 보호하는 보호기판을 포함하여 구성하는 기판히터;
    상기 기판히터의 상면과 접합되는 전기절연체이고 열전도체인 세라믹기판; 및
    상기 세라믹기판과 동일한 재질의 두 가지 형태의 볼트 너트를 포함하여 구성하되,
    기판히터 및 세라믹기판은 가장자리에 소정의 간격으로 형성된 얼라인 마크로 정렬한 후 정해진 수와 위치에 따라 두 형태의 접합관통홀을 형성하고,
    상기 접합관통홀의 한 형태는 근접핀볼트를 삽입하고, 다른 형태는 관통홀볼트를 삽입 후 마이카기판의 후면에서 와셔와 너트를 사용하여 접합하여, 열팽창에 의한 열변형을 방지하되,
    상기 근접핀볼트의 볼트머리는 세라믹기판에 일부가 삽입되게 설계되어 상부에 공기층을 형성하고,
    상기 관통홀볼트는 중앙에 관통홀을 형성하여 온도센서를 설치하는 것을 특징으로 하는 베이킹 장치의 히팅 플레이트.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    세라믹기판은 질화알루미늄이며,
    접합된 마이카기판과 질화알루미늄기판은 사용 시 상호간에 열변형을 방지하는 것을 특징으로 하는 베이킹 장치의 히팅 플레이트.
  4. 제1항에 있어서,
    볼트, 너트 및 와셔는 세라믹기판과 동일한 재질인 것을 특징으로 하는 베이킹 장치의 히팅 플레이트.
  5. 제1항에 있어서,
    열선은 와이어 형태의 니켈합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 베이킹 장치의 히팅 플레이트.
  6. 제1항에 있어서,
    열선의 패턴은 기판 면적의 크기에 따라 단일 또는 복수 개의 열선을 구역별로 구분하여 부착하는 것을 특징으로 하는 베이킹 장치의 히팅 플레이트.
  7. 제1항에 있어서,
    보호기판은 마이카기판과 동일한 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 베이킹 장치의 히팅 플레이트.
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