KR102041208B1 - 히터 - Google Patents

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쿄세라 코포레이션
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Abstract

히터는 한쪽의 주면에 가열면을 갖는 제 1 세라믹 기판과, 상기 제 1 세라믹 기판의 다른쪽의 주면을 한쪽의 주면으로 덮도록 설치된 제 2 세라믹 기판과, 상기 제 2 세라믹 기판의 상기 한쪽의 주면에 형성된 발열 저항체와, 상기 제 1 세라믹 기판과 상기 제 2 세라믹 기판을 상기 발열 저항체를 덮어서 접착하는 접착층을 구비하고 있다.

Description

히터
본 발명은 히터에 관한 것이다.
히터로서, 예를 들면 일본 특허 공개 2004-146567호 공보(이하, 특허문헌 1이라고도 함)에 기재된 반도체 제조 장치용 세라믹스 히터가 알려져 있다. 특허문헌 1에 기재된 반도체 제조 장치용 세라믹스 히터는 상면에 웨이퍼 적재면(가열면)을 갖고, 하면에 저항 발열체(발열 저항체)를 구비한 세라믹 기판(제 1 세라믹 기판)과, 제 1 세라믹 기판의 하면에 접착층을 개재해서 형성된 다른 세라믹 기판(제 2 세라믹 기판)을 갖고 있다.
최근, 히터는 가열면에 있어서의 균열성을 유지하면서도 더욱 급속 승온 및 급속 강온이 요구되게 되었다.
히터를 급속 승온 및 급속 강온시키기 위해서는 히터 전체의 열용량을 작게 하는 것이 요구된다. 히터 전체의 열용량을 작게 하기 위해서는, 예를 들면 제 1 세라믹 기판의 두께를 작게 하는 것이 고려된다. 그러나, 특허문헌 1에 기재된 히터에 있어서 제 1 세라믹 기판의 두께를 작게 해 버리면, 가열면에 있어서의 균열성이 악화되어 버릴 우려가 있었다. 구체적으로는, 가열면 중 발열 저항체가 형성되어 있는 영역의 바로 위와 발열 저항체가 형성되어 있지 않는 영역의 바로 위에 있어서 온도의 차가 발생해 버릴 우려가 있었다. 이것은 제 1 세라믹 기판의 두께를 지나치게 작게 함으로써 발열 저항체에서 발생된 열이 제 1 세라믹 기판에 있어서 면 방향에 있어서 충분히 확산하지 않게 되기 때문인 것으로 생각된다.
히터는 한쪽의 주면에 가열면을 갖는 제 1 세라믹 기판과, 상기 제 1 세라믹 기판의 다른쪽의 주면을 한쪽의 주면으로 덮도록 설치된 제 2 세라믹 기판과, 상기 제 2 세라믹 기판의 상기 한쪽의 주면에 형성된 발열 저항체와, 상기 제 1 세라믹 기판과 상기 제 2 세라믹 기판을 상기 발열 저항체를 덮어서 접착하는 접착층을 구비하고 있다.
도 1은 히터를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 히터에 있어서의 발열 저항체의 배선 패턴을 나타내는 모식도이다.
도 3은 히터의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 다른 예의 히터에 있어서의 발열 저항체의 배선 패턴을 나타내는 모식도이다.
도 5는 다른 예의 히터에 있어서의 발열 저항체의 단면을 나타내는 확대 단면도이다.
도 6은 다른 예의 히터에 있어서의 발열 저항체의 단면을 나타내는 확대 단면도이다.
도 7은 다른 예의 히터에 있어서의 발열 저항체의 단면을 나타내는 확대 단면도이다.
이하, 히터(100)에 대해서 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은 히터(100)를 나타내는 단면도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 히터(100)는 한쪽의 주면에 가열면(10)을 갖는 제 1 세라믹 기판(1)과, 제 1 세라믹 기판(1)의 다른쪽의 주면를 한쪽의 주면으로 덮도록 설치된 제 2 세라믹 기판(2)과, 제 2 세라믹 기판(2)의 한쪽의 주면에 형성된 발열 저항체(3)와, 제 1 세라믹 기판(1)과 제 2 세라믹 기판(2)을 발열 저항체(3)를 덮어서 접착하는 접착층(5)을 구비하고 있다.
히터(100)에 있어서는 제 1 세라믹 기판(1)의「한쪽의 주면」이 제 1 세라믹 기판(1)의 상면이고, 제 1 세라믹 기판(1)의 「다른쪽의 주면」이 제 1 세라믹 기판(1)의 하면이다. 또한, 제 2 세라믹 기판(2)의 「한쪽의 주면」이 제 2 세라믹 기판(2)의 상면이고, 제 2 세라믹 기판(2)의 「다른쪽의 주면」이 제 2 세라믹 기판(2)의 하면이다. 그 때문에, 이하에서는 설명의 도합 상, 「한쪽의 주면」 및 「다른쪽의 주면」 대신에 상면 및 하면의 문구를 사용하여 설명한다. 또한, 「한쪽의 주면」은 상면에 한정되는 것은 아니고, 히터(100)의 방향에 따라서 하면 또는 측면 등, 상면 이외의 면이어도 아무런 문제가 없다. 또한, 「다른쪽의 주면」도 하면에 한정되는 것은 아니고, 마찬가지로 히터(100)의 방향에 따라서 상면 또는 측면 등, 하면 이외의 면이어도 아무런 문제가 없다.
제 1 세라믹 기판(1)은 상면에 가열면(10)을 갖는 판 형상의 부재이다. 제 1 세라믹 기판(1)은 피가열물에 접촉하는 부재이다. 또한, 제 1 세라믹 기판(1)은 발열 저항체(3)로부터 전해진 열의 불균일을 저감하여 가열면(10)에 전하기 위한 부재이다. 제 1 세라믹 기판(1)은 상면의 가열면(10)에 있어서, 예를 들면 규소 웨이퍼 또는 규소 웨이퍼 칩 등의 피가열물을 가열한다. 히터(100)는 평면으로 봤을 때의 형상이, 예를 들면 직사각형상인 부재이다. 이 경우, 제 1 세라믹 기판(1) 및 제 2 세라믹 기판(2)도 직사각형상이다. 제 1 세라믹 기판(1)은, 예를 들면 알루미나, 질화알루미늄, 질화규소 또는 이트리아 등의 세라믹 재료로 이루어진다. 제 1 세라믹 기판(1)의 치수는, 예를 들면 직사각형상의 경우에는 세로의 길이를 10~120㎜, 가로의 길이를 10~120㎜, 두께를 1~10㎜로 설정할 수 있다. 또한, 원형상의 경우에는 직경 50㎜~450㎜, 두께는 1~10㎜로 설정할 수 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 히터(100)는 제 1 세라믹 기판(1)의 내부에 온도 센서(4)를 더 구비하고 있어도 좋다. 온도 센서(4)는, 예를 들면 도체 패턴으로 이루어진다. 이 도체 패턴의 저항값의 변화를 측정함으로써 온도를 측정할 수 있다. 온도 센서(4)가 도체 패턴으로 이루어지는 경우에는, 예를 들면 반복 절곡된 형상으로 면 방향의 거의 전체에 둘러 형성되어 있다. 또한, 도체 패턴은, 예를 들면 텅스텐, 몰리브덴 또는 백금 등의 금속 재료로 이루어진다. 또한, 그 밖의 온도 센서(4)로서는, 예를 들면 열전대를 세라믹 기판(1)의 내부에 매입한 것을 사용할 수 있다. 온도 센서(4)를 제 1 세라믹 기판(1)에 매설함으로써, 예를 들면 온도 센서(4)를 제 2 세라믹 기판(2)에 매설하는 경우와 비교해서 가열면(10)에 가까운 부분에서 온도를 측정할 수 있다. 그 때문에, 온도 센서(4)에 있어서의 측정 결과를 가열면(10)의 실제의 온도에 근접시킬 수 있다.
제 2 세라믹 기판(2)은 상면에 발열 저항체(3)가 형성된 부재이다. 제 2 세라믹 기판(2)은 제 1 세라믹 기판(1)의 하면을 상면으로 덮도록 설치되어 있다. 제 1 세라믹 기판(1)과 제 2 세라믹 기판(2)은 접착층(5)을 개재해서 접착되어 있다. 접착층(5)은 제 1 세라믹 기판(1)의 하면과 제 2 세라믹 기판(2)의 상면에 접촉하고 있다. 제 2 세라믹 기판(2)은, 예를 들면 알루미나, 질화알루미늄, 질화규소 또는 이트리아 등의 세라믹 재료로 이루어진다. 특히, 제 2 세라믹 기판(2)은 제 1 세라믹 기판(1)과 같은 재료로 이루어져 있어도 좋다. 이것에 의해, 제 1 세라믹 기판(1)과 제 2 세라믹 기판(2)의 열팽창률을 근접시킬 수 있으므로 제 1 세라믹 기판(1)과 제 2 세라믹 기판(2) 사이에 발생되는 열응력을 저감할 수 있다. 제 2 세라믹 기판(2)은, 예를 들면 직사각형상의 부재이다. 제 2 세라믹 기판(2)의 치수는, 예를 들면 직사각형상의 경우에는 세로의 길이를 10~120㎜, 가로의 길이를 10~120㎜, 두께를 1~10㎜로 설정할 수 있다. 또한, 원형상의 경우에는 직경 50㎜~450㎜, 두께는 1~10㎜로 설정할 수 있다. 제 1 세라믹 기판(1) 및 제 2 세라믹 기판(2)은, 예를 들면 측면이 동일 높이 면으로 되도록 형성된다.
또한, 제 2 세라믹 기판(2)은 하면에 요철을 갖고 있어도 좋다. 제 2 세라믹 기판(2)이 하면에 요철을 갖고 있음으로써, 하면에 있어서의 열방산성을 향상시킬 수 있다. 이것에 의해, 히터(100)의 강온을 재빠르게 행할 수 있다. 요철로서는, 예를 들면 나란히 배치된 복수의 홈을 사용할 수 있다. 홈은, 예를 들면 제 2 세라믹 기판(2)의 가로 방향 또는 세로 방향을 따라서 신장하도록 형성됨과 아울러 제 2 세라믹 기판(2)의 하면의 전체면에 형성되어 있다.
발열 저항체(3)는 제 1 세라믹 기판(1)의 상면의 가열면(10)에 적재된 시료를 가열하기 위한 부재이다. 발열 저항체(3)는 제 2 세라믹 기판(2)의 상면에 형성되어 있다. 발열 저항체(3)에 전압을 인가함으로써 발열 저항체(3)를 발열시킬 수 있다. 발열 저항체(3)에서 발생된 열은 접착층(5) 및 제 1 세라믹 기판(1)의 내부에 전해져서 제 1 세라믹 기판(1)의 상면에 있어서의 가열면(10)에 도달한다. 이것에 의해, 가열면(10)에 설치된 시료를 가열할 수 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 발열 저항체(3)는 복수의 리턴부를 갖는 선상의 패턴이고, 제 2 세라믹 기판(2)의 상면의 거의 전체면에 형성되어 있다. 이것에 의해, 가열면(10)에 있어서 열분포에 편차가 생기는 것을 억제할 수 있다. 또한, 도 2 및 후술하는 도 4는 단면을 나타내는 도면은 아니지만 이해를 돕는 것을 목적으로 하여, 발열 저항체(3)에 해치를 붙이고 있다.
발열 저항체(3)는 도체 성분 및 유리 성분을 포함하고 있다. 도체 성분으로서는, 예를 들면 은 팔라듐, 백금, 알루미늄 또는 금 등의 금속 재료를 포함하고 있다. 유리 성분이 발포되어 버리는 것을 억제하기 위해서, 금속 재료로서는 대기 중에서 소결 가능한 금속을 선택해도 좋다. 또한, 유리 성분으로서는 규소, 알루미늄, 비스무트, 칼슘, 붕소 및 아연 등의 재료의 산화물을 포함하고 있다.
히터(100)의 온도 제어에는 이하의 방법을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 제 1 세라믹 기판(1)의 내부에 상술한 온도 센서(4)를 설치함으로써 온도를 측정할 수 있다. 이상과 같이 해서 측정한 제 1 세라믹 기판(1)의 온도에 의거해서 발열 저항체(3)에 인가되는 전압을 조정한다. 이것에 의해, 가열면(10)의 온도가 일정해지도록 발열 저항체(3)의 발열을 제어할 수 있다.
접착층(5)은 제 1 세라믹 기판(1)과 제 2 세라믹 기판(2)을 접착하기 위한 부재이다. 접착층(5)은 제 1 세라믹 기판(1)의 하면과 제 2 세라믹 기판(2)의 상면 사이에 형성되어 있다. 접착층(5)은 제 1 세라믹 기판(1)과 제 2 세라믹 기판(2)을 발열 저항체(3)와 함께 접착하고 있다. 접착층(5)은, 예를 들면 실리콘 수지 또는 에폭시 수지 등의 수지 재료 등으로 이루어진다. 접착층(5)의 두께는, 예를 들면 0.01~0.3㎜로 설정할 수 있다. 또한, 접착층(5)은 알루미나 또는 질화알루미늄 등의 필러를 함유하고 있어도 좋다.
히터(100)에 있어서는, 도 1에 나타내는 바와 같이 제 2 세라믹 기판(2)의 상면에 발열 저항체(3)가 형성됨으로써 발열 저항체(3)에서 발생한 열을 제 1 세라믹 기판(1)뿐만 아니라 접착층(5)에 있어서도 확산시킬 수 있다. 이것에 의해, 가열면(10)에 있어서의 균열성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 3~도 5에 나타내는 바와 같이, 제 2 세라믹 기판(2)의 상면이 홈부(21)를 가짐과 아울러, 발열 저항체(3)가 홈부(21)의 저면에 홈부(21)의 형상을 따라서 형성되어 있어도 좋다. 발열 저항체(3)가 홈부(21)에 형성되어 있음으로써 제 1 세라믹 기판(1)과 제 2 세라믹 기판(2)을 접착층(5)으로 접착했을 때에 발열 저항체(3)가 형성되어 있는 부분의 바로 위와, 발열 저항체(3)가 형성되어 있지 않는 부분의 바로 위에 있어서의 접착층(5)의 두께의 편차를 저감할 수 있다. 이것에 의해, 가열면(10)에 있어서의 균열성을 향상시킬 수 있다. 홈부(21)의 치수는, 예를 들면 깊이를 발열 저항체(3)의 두께의 1~2배로, 개구의 폭을 저면의 폭의 1~1.2배로 설정할 수 있다.
보다 상세하게는, 도 4에 나타내는 바와 같이 홈부(21)는 복수의 리턴부를 갖도록 형성되어 있다. 또한, 도 4는 단면을 나타내는 도면은 아니지만 이해를 돕는 것을 목적으로 해서, 발열 저항체(3)에 추가하여 홈부(21)에 해당하는 영역에도 해칭을 붙이고 있다. 홈부(21)는 발열 저항체(3)가 형성되는 부분에 대응하여 형성되어 있다. 환언하면, 발열 저항체(3)는 홈부(21)의 저면에 형성됨과 아울러 평면 투시했을 때에 발열 저항체(3)와 홈부(21)가 마찬가지의 형상을 갖고 있다.
여기서 말하는 「마찬가지의 형상」이란, 발열 저항체(3)의 패턴의 길이 방향(축 방향)과 홈부(21)의 길이 방향(축 방향)이 일치되어 있으면 좋고, 폭 방향의 크기(폭)가 달라도 좋다. 구체적으로는, 예를 들면 도 4에 나타내는 바와 같이 홈부(21)가 발열 저항체(3)보다 광폭으로 형성되어 있어도 좋다.
보다 구체적으로는, 예를 들면 홈부(21)의 축 방향에 수직인 단면을 나타내는 도 5에 나타내는 바와 같이, 홈부(21)의 저면보다 홈부(21)의 개구의 쪽이 광폭으로 형성됨과 아울러 홈부(21)의 저면의 전체면에 발열 저항체(3)가 형성되어 있어도 좋다. 또한, 홈부(21) 중 폭 방향의 중앙측에만 발열 저항체(3)가 형성되어 있고, 홈부(21)의 모퉁이(폭 방향에 있어서의 끝측)에는 발열 저항체(3)가 형성되어 있지 않아도 좋다.
또한, 도 5에 나타내는 바와 같이 발열 저항체(3)의 두께가 홈부(21)의 깊이보다 작아도 좋다. 발열 저항체(3)의 두께를 홈부(21)의 깊이보다 작게 함으로써 발열 저항체(3)의 표면을 홈부(21)의 개구보다 홈부(21)의 내측에 위치시킬 수 있다. 이와 같이, 발열 저항체(3)의 표면을 제 2 세라믹 기판(2)의 상면보다 하방에 위치시킴으로써 발열 저항체(3)로부터 발생된 열이 제 2 세라믹 기판(2)의 상면에 전해질 때까지의 사이에 제 2 세라믹 기판(2)에 있어서 면 방향으로 열을 확산할 수 있다. 그 결과, 제 2 세라믹 기판(2)의 상면에 있어서의 균열성을 향상시킬 수 있으므로, 그곳으로부터 열이 전해지게 되는 가열면(10)에 있어서의 균열성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 도 6에 나타내는 바와 같이 발열 저항체(3)의 표면과 접착층(5) 사이에 간극이 형성되어 있어도 좋다. 이것에 의해, 발열 저항체(3)로부터 발생된 열이 제 2 세라믹 기판(2)에 더 전해지기 쉬워지므로, 제 2 세라믹 기판(2)의 상면에 있어서의 균열성을 더욱 향상시킬 수 있다. 그 결과, 가열면(10)에 있어서의 균열성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 도 7에 나타내는 바와 같이, 홈부(21)의 저면에 발열 저항체(3)가 형성됨과 아울러 발열 저항체(3)의 일부가 홈부(21)의 외부에 위치하고 있어도 좋다. 이것에 의해, 발열 저항체(3)의 두께를 크게 할 수 있으므로, 단선 등의 우려를 저감할 수 있다. 또한, 홈부(21)의 저면에 발열 저항체(3)가 형성되어 있음으로써 발열 저항체(3)로부터 발생된 열을 제 2 세라믹 기판(2)에 있어서 면 방향으로 열을 확산시키기 쉽게 할 수 있다. 그 결과, 발열 저항체(3)의 장기 신뢰성을 향상시키면서, 제 2 세라믹 기판(2)의 상면에 있어서의 균열성을 향상시킬 수 있으므로, 그곳으로부터 열이 전해지게 되는 가열면(10)에 있어서의 균열성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 도 5에 나타내는 바와 같이 발열 저항체(3)가 홈부(21)의 내부에 형성되어 있음과 아울러, 발열 저항체(3)의 두께가 홈부(21)의 폭 방향에 있어서 중심측을 향함에 따라서 두께가 작아지고 있어도 좋다. 발열 저항체(3)의 두께를 중심측을 향함에 따라서 작게 해 둠으로써 히트 사이클 하에 있어서의 히터(100)의 장기 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로는, 히트 사이클 하에 있어서 발열 저항체(3)가 열팽창했을 때에, 중심측의 두께를 작게 해 둠으로써 발열 저항체(3)가 중심측으로 열팽창하기 쉽게 할 수 있다. 일반적으로, 제 2 세라믹 기판(2)의 홈부(21)의 코너부(저면과 벽면으로 이루어지는 부분)에는 히트 사이클 하에 있어서의 열응력이 집중되기 쉬운 경향이 있다. 이것에 대해, 중심측의 두께를 작게 하여 발열 저항체(3)를 중심측으로 열팽창시킴으로써 홈부(21)의 코너부에 발생되는 열응력을 저감시킬 수 있다. 이것에 의해, 제 2 세라믹 기판(2)에 크랙이 발생될 우려를 저감할 수 있다. 발열 저항체(3)의 중심측의 두께는 폭 방향에 있어서의 끝측의 두께와 비교해서, 예를 들면 50~95%의 두께로 설정할 수 있다.
또한, 도 5에 나타내는 바와 같이, 홈부(21)는 저면으로부터 개구를 향함에 따라서 폭이 커지고 있어도 좋다. 이것에 의해, 홈부(21)의 저면에 형성된 발열 저항체(3)가 열팽창했을 때에 발열 저항체(3)가 개구측으로 열팽창되기 쉬워진다. 그 때문에, 제 2 세라믹 기판(2)과 발열 저항체(3) 사이에 발생되는 열응력을 저감할 수 있다. 홈부(21)의 개구에 있어서의 폭은, 예를 들면 홈부(21)의 저면에 있어서의 폭의 1.01~1.5배로 설정할 수 있다.
제 2 세라믹 기판(2)의 상면에 홈부(21)를 형성함과 아울러, 홈부(21)의 내부에 홈부(21)와 마찬가지의 형상을 갖는 발열 저항체(3)를 형성하기 위한 방법으로서는 이하의 방법이 예시된다.
우선, 제 2 세라믹 기판(2)의 표면의 전체에 수지성의 마스크를 붙인다. 샌드 블라스트 장치 내에 세라믹 기판(2)을 고정하고, 노즐로부터 미디어로서 탄화규소 등의 분말을 제 2 세라믹 기판(2)의 표면에 분사한다. 수지성의 마스크는 홈부(21)를 형성하고 싶은 개소를 덮는 부분에 대해서만 미디어의 충돌에 의해서 파열하도록 설계되어 있다. 이것에 의해, 소정의 시간 미디어를 제 2 세라믹 기판(2)의 표면에 계속해서 분사함으로써 제 2 세라믹 기판(2)의 표면에 소정의 깊이의 홈부(21)를 형성할 수 있다.
1 : 제 1 세라믹 기판 10 : 가열면
2 : 제 2 세라믹 기판 21 : 홈부
3 : 발열 저항체 4 : 온도 센서
5 : 접착층 100 : 히터

Claims (6)

  1. 한쪽의 주면에 가열면을 갖는 제 1 세라믹 기판과, 상기 제 1 세라믹 기판의 다른쪽의 주면을 한쪽의 주면으로 덮도록 설치된 제 2 세라믹 기판과, 상기 제 2 세라믹 기판의 상기 한쪽의 주면에 형성된 발열 저항체와, 상기 제 1 세라믹 기판과 상기 제 2 세라믹 기판을 상기 발열 저항체를 덮어서 접착하는 접착층을 구비하고,
    상기 제 2 세라믹 기판의 상기 한쪽의 주면이 홈부를 가지며,
    상기 발열 저항체의 두께가 상기 홈부의 폭 방향에 있어서 중심측을 향함에 따라서 두께가 작아지고 있는 히터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열 저항체가 상기 홈부의 저면에 상기 홈부의 형상을 따라서 형성되어 있는 히터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 발열 저항체의 두께가 상기 홈부의 깊이보다 작은 히터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 발열 저항체와 상기 접착층 사이에 간극이 있는 히터.
  5. 삭제
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 세라믹 기판의 내부에 온도 센서를 더 구비한 히터.
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