KR102102035B1 - 고온 시즈히터 및 이를 구비한 히터블럭의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속시즈 외부로 누설되는 전류를 최소화시켜 반도체공정, 디스플레이 공정을 비롯하여 다양한 응용제품공정에서 요구되는 히터블럭의 누설전류 수준을 약 0.7mA/kW 이하로 유지할 수 있는 고온 시즈히터 및 이를 구비한 히터블럭의 제조방법을 제공한다. 고온 시즈히터는, 내부시즈와 내부시즈 외측에 일정 간격유지시켜 배치된 외부시즈로 구성된 금속시즈에서 내부시즈 내부의 제1 절연공간과 내부시즈와 외부시즈 사이의 제2 절연공간에 산화마그네슘, 질화붕소, 질화알루미늄 또는 알루미나 중에서 선택된 파우더 상태의 단일물질 또는 2이상의 혼합물질로 채워 이루어진다.

Description

고온 시즈히터 및 이를 구비한 히터블럭의 제조방법{High temperature sheath heater and Method for manufacturing heater block having the same}

본 발명은 반도체, 디스플레이 서셉터를 포함한 다양한 히터블럭 내에 장착되는 고온 시즈히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전도율이 좋고 절연특성이 좋은 절연층을 이중으로 구성하여 시즈히터 내부의 절연특성을 강화시킴으로써 누설전류를 최소화시킬 수 있는 고온 시즈히터 및 이를 구비한 히터블럭의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄을 포함한 다양한 금속 히터블럭은 반도체, 디스플레이 화학기상증착 장비를 포함하여 다양한 용도의 서셉터(Susceptor)로 사용이 가능하다. 예를 들어 반도체 및 디스플레이 증착장비의 금속 히터블럭으로서 알루미늄 히터블럭이 주로 사용되고 있다. 알루미늄 히터블럭은 고온변형 등을 고려하여 최대 490℃정도까지만 사용이 가능하고, 그 이상의 온도에서는 융점이 충분히 높은 다른 종류의 금속 히터블럭 사용이 요구된다고 할 수 있다.

히터블럭 내의 열원으로서 주로 시즈히터(Sheath Heater)가 사용되는데, 시즈히터는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 열선(1)과, 열선(1) 주위를 둘러싸고 있는 절연물질(2)과, 이 열선(1) 및 절연물질(2) 모두를 감싸는 금속시즈(3)와, 금속시즈(3) 내부로 수분 침투방지를 위해 양단을 밀봉하는 실링제(4)로 구성되어 있다. 열선(1)으로는 주로 니크롬 열선을 사용하고, 금속시즈(3)로는 알루미늄, 스테인레스스틸, 니켈합금계인 인콜로이 등이 주로 사용되고 있다.

시즈히터의 절연물질(2)로는 파우더 형태의 산화마그네슘(MgO)이 주로 사용되는데, MgO를 포함한 절연 세라믹물질은 공통적으로 시즈히터의 온도가 올라감에 따라 절연특성(절연저항)이 급격히 감소되는 특성이 있다.

도 3은 시즈히터에서 열선과 금속시즈 사이 절연물질로 사용되는 MgO와 Al₂O₃가 고온에서 전기절연성이 떨어지는 특성을 보여주는 그림으로서, 20V DC로 측정된 ISOMIL사의 절연저항 자료이다. 또한 시즈히터 절연물질로 가장 많이 사용되고 있는 MgO의 경우 약 500℃를 기점으로 절연특성이 급격하게 떨어지는 것을 보여주는 500V~AC/50Hz로 측정된 ISOMIL사의 절연저항 자료이다.

상기한 절연물질은 파우더 내 흡착 수분을 완전히 제거함에도 불구하고 100~760℃의 온도 범위에서는 가열사이클이 반복됨에 따라 약 1.0mA/kW 이상의 시즈히터 누설전류가 발생하게 된다.

이 수준의 누설전류는 반도체, 디스플레이 장비를 포함한 다양한 응용제품에서 요구되는 누설전류 상한값을 넘게 되어 장비의 인터록(interlock) 안전회로에 의해 공정중 임에도 불구하고 자동적으로 셧다운 되는 문제를 일으키게 된다. 반도체 디바이스, 디스플레이 디바이스를 비롯한 다양한 응용제품의 제조공정 특성상 공정 중 장비가 셧다운 되는 경우, 그동안 공정을 진행했던 칩 디바이스는 모두 폐기해야할 뿐만 아니라, 장비를 다시 가동시킬 때까지의 상당한 시간 소요로 심각한 생산성 저하를 가져오는 문제가 있다.

(특허문헌 1) KR20-2014-0005080 A

(특허문헌 2) KR10-0687378 B

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 금속시즈를 내부시즈와 외부시즈로 구성하여 형성된 제1 및 제2 절연공간에 파우더 형태의 산화마그네슘(Magnesium Oxide), 질화붕소(Boron Nitride), 질화알루미늄(Aluminum Nitride), 알루미나(Alumina) 등의 절연물질을 단일물질 혹은 2 이상의 혼합물질로 채움으로써 금속시즈 외부로 누설되는 전류를 최소화시킬 수 있는 고온 시즈히터를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은, 반도체공정, 디스플레이 공정을 비롯하여 다양한 응용제품공정에서 요구되는 히터블럭의 누설전류 수준이 약 0.7mA/kW 이하임을 감안하여 상기한 바와 같이 금속시즈를 이중으로 구성한 시즈히터를 이용함으로써 상온에서 800℃까지의 온도 범위에서 누설전류 수준을 0.7mA/kW 이하로 유지할 수 있는 히터블럭을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 열선과, 열선 주위를 둘러싸고 있는 절연물질과, 이 열선 및 절연물질 감싸는 금속시즈를 구비하는 고온 시즈히터에 있어서, 상기 금속시즈를 내부시즈와, 이 내부시즈 외측에 일정 간격유지시켜 배치된 외부시즈로 구성하여, 내부시즈 내부의 제1 절연공간과, 내부시즈와 외부시즈 사이의 제2 절연공간을 형성하고, 상기 제1 및 제2 절연공간에 산화마그네슘, 질화붕소, 질화알루미늄 또는 알루미나 중에서 선택된 파우더 상태의 단일물질 또는 2이상의 혼합물질로 채운 고온 시즈히터에 특징이 있다.

상기 본 발명에 있어서, 상기 내부시즈는 외부에 별도로 설치된 접지단자에 접지시켜 내부시즈에 쌓이는 전하를 실시간 제거하도록 된 고온 시즈히터에 특징이 있다.

상기 본 발명에 있어서, 제1 절연공간에는 산화마그네슘-질화붕소의 혼합물질을 채우고, 제2 절연공간에는 질화붕소-산화마그네슘의 혼합물질, 질화알루미늄-산화마그네슘 혼합물질 또는 산화마그네슘의 단일물질을 채운 고온 시즈히터에 특징이 있다.

상기 본 발명에 있어서, 제1 및 제2 절연공간에 산화마그네슘-질화붕소의 혼합물질을 각각 채운 고온 시즈히터에 특징이 있다.

상기 본 발명에 있어서, 제1 절연공간에는 산화마그네슘-질화붕소의 혼합물질을 채우고, 제2 절연공간에는 산화마그네슘을 채운 고온 시즈히터에 특징이 있다.

상기 본 발명에 있어서, 제1 절연공간에는 산화마그네슘-질화붕소의 혼합물질을 채우고, 제2 절연공간에는 산화마그네슘-질화알루미늄의 혼합물질을 채운 고온 시즈히터에 특징이 있다.

또한 상기 본 발명의 시즈히터를 800~1,100℃ 온도범위에서 10~24시간 열처리하여 절연물질 내부 수분을 완전히 제거하고, 하부블럭의 상면에 형성한 장착홈에 밀착시킨 후 상부블럭을 덮어 조립하며, 하부블럭과 상부블럭의 접합부 가장자리를 용접처리하여 이루어진 히터블럭에 특징이 있다.

본 발명의 시즈히터 및 이를 구비한 히터블럭의 제조방법에 의하면, 금속시즈를 내부시즈와 외부시즈로 구성하여 형성된 이중의 제1 및 제2 절연공간에 산화마그네슘(Magnesium Oxide), 질화붕소(Boron Nitride), 질화알루미늄(Aluminum Nitride), 및 알루미나(Alumina) 중에서 선택된 파우더 상태의 단일물질 또는 2이상의 혼합물질을 채움에 따라, 단일의 절연공간을 형성한 종래기술에 비하여 금속시즈 외부로 누설되는 전류를 최대한 감소시킬 수 있는 효과를 발휘하고, 특히 절연물질로서 산화마그네슘을 사용하고 히팅 온도가 500℃ 이상에서 사용되는 고온히터의 누설전류 차단에 효과적이다.

또한, 본 발명은, 금속시즈를 내부시즈와 외부시즈로 구성하여 형성된 이중의 제1 및 제2 절연공간에 산화마그네슘, 질화붕소, 질화알루미늄 또는 알루미나 중에서 선택된 파우더 상태의 단일물질 또는 2이상의 혼합물질을 채운 시즈히터를 이용하여 누설전류를 최소화한 히터블럭으로 구성함에 따라, 반도체, 디스플레이 장비를 비롯한 다양한 응용제품에서 히터블럭의 누설전류가 일정한도 이상이 되면 제품 내 안전 인터록(safety interlock) 회로에 의해 장비가 공정 중 자동적으로 셧다운 되는 문제를 해소할 수 있고, 특히 반도체 공정, 디스플레이 공정 중 장비가 셧다운 됨에 의한 많은 경제적 손실을 줄이는 효과가 있다.

또한 본 발명은, 490℃ 이하에서 주로 사용되는 반도체용, 디스플레이용 히터블럭의 경우, 높은 온도균일도, 웨이퍼 척킹의 장점 등 때문에 알루미늄 히터블럭을 사용함에 따라, 시즈히터의 금속시즈로 알루미늄 금속시즈를 사용하는데, 이 경우 시즈히터의 내부 열선이 중심축에서 약간만 벗어나 알루미늄 금속시즈와의 거리가 가까워짐으로 인해 발생하는 누설전류 문제도 내부시즈 및 외부시즈에 의해 형성된 제1 및 제2 절연공간에 다양한 종류의 절연물질을 채워 이중으로 절연하여 누설전류를 최소화함으로써 근본적으로 해결할 수 있는 장점이 있다.

또한 490℃ 이상의 온도에서는 질화알루미늄과 같은 세라믹 히터블럭이나 고융점 금속 히터블럭이 사용되는데, 질화알루미늄 히터블럭의 경우 제조 가격이 높은 반면 질화알루미늄 자체가 전기적 부도체이기 때문에 열선으로부터의 누설전류의 문제는 크지 않다는 장점이 있고, 고융점 금속 히터블럭의 경우, 제조 가격은 저렴하지만, 누설전류의 문제가 크다는 상반된 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명의 누설전류를 최소화시킨 시즈히터를 고융점 금속 히터블럭에 적용함으로써 경제성 측면에서 질화알루미늄 히터블럭을 대체할 수 있는 효과를 발휘한다.

도 1은 종래의 금속 시즈히터를 나타낸 단면도.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도.
도 3은 MgO와 Al₂O₃의 온도별 절연저항 변화특성을 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 고온 시즈히터를 나타낸 단면도.
도 5는 도 4의 B-B선 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 고온 시즈히터를 구비한 히터블럭을 나타낸 분해 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 고온 시즈히터를 구비한 히터블럭을 나타낸 사시도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 고온 시즈히터를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이, 열선(11)과, 열선(11) 주위를 둘러싸고 있는 절연물질과, 이 열선(11) 및 절연물질 모두를 감싸는 금속시즈(13a, 13b)와, 금속시즈(13a, 13b) 내부로 수분 침투방지를 위해 양단을 밀봉하는 실링제(14)로 구성되어 있다.

금속시즈(13a, 13b)는, 내측에 위치한 내부시즈(13a)와, 내부시즈(13a) 외측으로 일정 간격유지시켜 배치한 외부시즈(13b)로 구성되어 있다. 따라서 내부시즈(13a) 내부의 제1 절연공간(12a)과, 내부시즈(13a)와 외부시즈(13b) 사이의 제2 절연공간(12b)으로 이루어지는 이중의 절연공간이 열선(11)의 주위를 둘러싸도록 형성된다.

또한, 내부시즈(13a)는 외부에 별도로 마련한 접지단자(15)에 접지시켜 내부시즈(13a)에 쌓이는 전하를 제거함으로써 외부시즈(13b)를 통해 누출되는 전류를 더욱 감소시키는 것이 바람직하다.

상기 제1 및 제2 절연공간(12a, 12b)에는 산화마그네슘(MgO), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN) 및 알루미나(Al₂O₃) 중에서 선택된 파우더 상태의 단일물질 또는 2 이상의 혼합물질을 채워 열선(11) 주위에 이중의 절연층을 형성함으로써 외부시즈(13b) 외부로 누출되는 전류를 최소화할 수 있다.

예를 들면, 표 1은 제1 절연공간(12a)과 제2 절연공간(12b) 모두 절연물질로서 MgO의 단일물질을 채운 경우와, 제1 절연공간(12a)에는 MgO-BN, 제2 절연공간(12b)에는 MgO의 혼합물질을 각각 채운 경우와, 제1 절연공간(12a)과 제2 절연공간(12a) 모두 MgO-BN의 혼합물질을 채운 경우에 있어서, 종래 구성인 단일 절연공간에 MgO만을 채운 비교예의 경우와 함께 온도별 누설전류 측정값을 나타낸 것이다.

이때, 누설전류의 측정은, 히터에 208V 전압 인가하여 열선을 가열하면서 금속시즈(본 발명의 경우 외부시트) 표면으로부터 접지로 빠져나가는 전류량을 측정하였고, MgO-BN의 혼합물질은 MgO 70중량％와 BN 30중량％로 하였다.

그 결과, 표1에서 알 수 있는 바와 같이, 단일 절연공간에 단일 MgO의 절연물질을 채운 비교예의 경우는, 650℃까지는 반도체공정, 디스플레이 공정을 비롯하여 다양한 응용제품공정에서 요구되는 히터블럭의 누설전류 수준인 약 0.7mA/kW 이하를 유지하였으나, 700℃ 이상에서 0.7mA/kW 이하를 유지할 수 없는 것으로 나타났고, 본 발명의 실시예 1은 750℃까지, 실시예 2는 760℃까지, 실시예 3은 800℃까지 0.7mA/kW 이하를 각각 유지한 것으로 나타나 종래구성에 의한 비교예에 비해 누설전류가 감소하였음을 알 수 있었고, 또한 절연물질로서 MgO만 사용한 경우보다 BN을 혼합한 경우가 누설전류를 더욱 감소시키는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명에 의하면, 내부시즈와 외부시즈로 구성된 금속시즈 내의 제1 및 제2 절연공간에 파우더 형태의 산화마그네슘, 질화붕소, 질화알루미늄, 알루미나 등의 절연물질을 단일물질 혹은 혼합물질로 채움으로써 금속시즈 외부로 누설되는 전류를 최소화시켜 반도체공정, 디스플레이 공정을 비롯하여 다양한 응용제품공정에서 요구되는 히터블럭의 누설전류 수준을 약 0.7mA/kW 이하로 유지할 수 있는 효과가 있다.

이어서, 도 6 및 도 7은 상기한 시즈히터(10)를 구비한 히터블럭을 나타낸 것으로, 본 발명의 시즈히터(10)를 800~1,100℃ 온도범위에서 10~24시간 열처리하여 제1 및 제2 절연공간에 채워진 절연물질의 내부 수분을 완전히 제거하고, 하부블럭(21)의 상면에 형성한 장착홈(21a)에 밀착시킨 후 상부블럭(22)을 덮어 조립하며, 하부블럭(21)과 상부블럭(22)의 접합부 가장자리를 용접처리함으로써 히터블럭의 제조를 완료하게 된다.

이와 같이 본 발명의 히터블럭은, 내부시즈(13a)와 외부시즈(13b)로 구성된 금속시즈 내부에 형성된 이중의 제1 및 제2 절연공간(12a,12b)에 산화마그네슘, 질화붕소, 질화알루미늄 또는 알루미나 중에서 선택된 파우더 상태의 단일물질 또는 2 이상의 혼합물질을 채운 시즈히터(10)를 이용함으로써, 누설전류를 최소화할 수 있고, 이로써 반도체, 디스플레이 장비를 비롯한 다양한 응용제품에서 히터블럭의 누설전류가 일정한도 이상이 되면 자동적으로 장비가 셧다운 되는 문제를 해소할 수 있고, 새로운 구조와 성능의 고온 히터블럭를 효과적으로 공급할 수 있다.

본 발명에 의하면, 히터블럭은, 내부시즈와 내부시즈 외측에 일정 간격유지시켜 배치된 외부시즈로 구성된 금속시즈에서 내부시즈 내부의 제1 절연공간과, 내부시즈와 외부시즈 사이의 제2 절연공간에 산화마그네슘, 질화붕소, 질화알루미늄 또는 알루미나 중에서 선택된 파우더 상태의 단일물질 또는 2이상의 혼합물질로 채워 이루어지는 시즈히터를, 800~1,100℃ 온도범위에서 10~24시간 열처리하여 절연물질 내부 수분을 완전히 제거하고, 하부블럭의 상면에 형성한 장착홈에 밀착시킨 후 상부블럭을 덮어 조립하며, 하부블럭과 상부블럭의 접합부 가장자리를 용접처리하여 효과적으로 제조할 수 있다.

지금까지 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 시즈히터 11 : 열선
12a : 제1 절연공간 12b : 제2 절연공간
13a : 내부시즈 13b : 외부시즈
14 : 실링제 15 : 접지단자
21 : 하부블럭 22 : 상부블럭

Claims (5)

1. 열선과, 열선 주위를 둘러싸고 있는 절연물질과, 열선 및 절연물질을 감싸는 금속시즈를 구비하는 고온 시즈히터에 있어서,
   상기 금속시즈의 일부로서 내부에 제1 절연공간을 구비하는 내부시즈;
   상기 금속시즈의 일부로서 상기 내부시즈 외측에 일정 간격 이격되어 배치되는 외부시즈;
   상기 내부시즈와 상기 외부시즈 사이의 제2 절연공간; 및
   상기 제1 및 제2 절연공간에 채워지는 파우더 상태의 산화마그네슘-질화붕소로 이루어진 혼합물질을 구비하며,
   상기 내부시즈는 외부의 접지단자에 접지되어 상기 내부시즈에 쌓이는 전하를 실시간으로 제거함으로써 상기 외부시즈를 통해 누출되는 전류를 감소시키는 것을 특징으로 하는 고온 시즈히터.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 기재된 고온 시즈히터를, 800~1,100℃ 온도범위에서 10~24시간 열처리하여 절연물질 내부의 수분을 제거하고, 하부블럭의 상면에 형성한 장착홈에 밀착시킨 후 상부블럭을 덮어 조립하며, 상기 하부블럭과 상기 상부블럭의 접합부 가장자리를 용접처리하여 이루어진 것을 특징으로 하는 히터블럭의 제조방법.

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