KR102280244B1 - 면상 발열체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 히터 - Google Patents

면상 발열체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 히터 Download PDF

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Abstract

구현예는 반도체 제조 공정에 사용되는 면상 발열체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 히터에 관한 것으로서, 상기 구현예에 따르면, 하부층의 표면조도를 제어하여 발열층의 저항을 낮추고 절연층의 저항을 높임으로써, 발열효율과 절연성이 확보된 면상 발열체를 제공할 수 있다.

Description

면상 발열체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 히터{PLANE-TYPE HEATING ELEMENT, PREPARATION METHOD THEREOF AND HEATER COMPRISING SAME}
구현예는 면상 발열체, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 히터에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 구현예는 저항 조절이 용이하고 절연성이 우수한 면상 발열체, 이의 제조방법, 및 반도체 제조 또는 디스플레이에 사용되는 히터에 관한 것이다.
반도체 제품은 일반적으로 실리콘 웨이퍼 상에서 감광성 수지를 식각하여 전자 회로 등을 형성함으로써 제조되고 있다. 이러한 제조 공정에서 액상의 감광성 수지를 실리콘 웨이퍼 표면에 스핀 코터 등으로 도포한 후 히터를 이용해 가열하는 건조 공정이 수행된다.
또한 최근 반도체 제조 공정에는 칩에 미세한 구멍을 뚫어 상단 칩과 하단 칩을 전극으로 연결하는 TSV(through silicon via) 기술이 주목받고 있는데, 이러한 TSV 공정은 빠른 승온으로 접합을 완료함과 동시에 냉각시킬 수 있는 성능을 갖춘 히터를 필요로 한다.
이와 같이 반도체 제조 공정에 사용되는 히터들은 세라믹이나 금속제 기판의 이면에 발열체를 형성한 것들이 이용되며, 특히 발열 특성이 우수한 면상 발열체를 이용한 히터들이 많이 이용되고 있다.
일례로 면상 발열체를 이용한 TC 본더(thermo-compression bonder)의 경우, 대량 용융 방식에 비해 미세 범프 솔더링(micro bump soldering)과 같은 정밀한 작업이 가능하여 각광받고 있다.
한국 등록특허공보 제1630646호 (2016.06.15.)
면상 발열체 히터의 경우 면상으로 형성된 발열층을 이용하기 때문에, 발열체 패턴의 폭이나 길이에 따라 저항이 달라지는 기존의 히터와 달리, 발열층의 사이즈나 두께 또는 표면 형상에 따라서 저항값이 달라지고 이는 발열 효율에 영향을 주게 된다. 뿐만 아니라 면상 발열체 히터는 전기 절연성 면에서도 표면 형상의 영향을 받게 된다.
한편 면상 발열체의 기저층으로 주로 활용되는 세라믹 소결 기판은 연마 등의 가공을 거치지 않을 경우 보통 300 nm 내지 500 nm의 높은 표면조도(Ra)를 갖는데, 이로 인해, 그 위에 형성되는 발열층과 절연층의 표면 형상이 고르지 않게 되고, 그 결과 발열효율과 절연성이 저하되는 문제가 있다.
따라서 이하의 구현예를 통해, 하부층의 표면조도를 조절하여 발열층의 발열효율과 절연층의 절연성이 확보된 면상 발열체를 제공하고자 한다.
또한 이하의 구현예를 통해, 하부층의 표면조도를 제어하여 발열층과 절연층의 표면 형상을 개선할 수 있는 면상 발열체의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한 이하의 구현예를 통해, 상기 면상 발열체를 이용하여 발열효율과 절연성이 우수한 히터를 제공하고자 한다.
일 구현예에 따르면, 표면조도(Ra)가 300 nm 내지 500 nm인 세라믹 기판; 상기 세라믹 기판의 표면 상에 형성되고 표면조도(Ra)가 50 nm 내지 200 nm인 평탄화층; 상기 평탄화층의 표면 상에 형성된 발열층; 및 상기 발열층의 표면 상에 형성된 절연층을 포함하는, 면상 발열체가 제공된다.
다른 구현예에 따르면, 표면조도(Ra)가 300 nm 내지 500 nm인 세라믹 기판을 준비하는 단계; 상기 세라믹 기판의 표면에 세라믹 전구물질을 코팅하고 열처리하여 표면조도(Ra)가 50 nm 내지 200 nm인 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 평탄화층의 표면 상에 발열층을 형성하는 단계; 및 상기 발열층의 표면 상에 절연층을 형성하는 단계를 포함하는, 면상 발열체의 제조방법이 제공된다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 면상 발열체를 포함하는 반도체 제조용 히터가 제공된다.
상기 구현예에 따르면, 평탄화층을 통해 하부층의 표면조도를 제어하여 발열층의 저항을 낮추고 절연층의 저항을 높임으로써, 발열효율과 절연성이 확보된 면상 발열체를 제공할 수 있다.
특히, 상기 구현예에 따르면 면상 발열체의 제조 과정에서 세라믹 기판의 표면 굴곡을 평탄화층에 의해 흡수함으로써, 그 위에 형성되는 발열층 및 절연층의 표면 형상을 제어할 수 있다.
이에 따라, 상기 구현예에 따른 면상 발열체는 반도체 제조용 히터 또는 디스플레이용 IR 히터에 사용될 수 있다. 특히, 상기 면상 발열체는 박형으로 제조 가능하면서도 고온의 급속 가열 성능이 뛰어나고 전기 절연성이 우수하여, 상기 면상 발열체를 포함하는 히터는 반도체 제조 공정의 TSV(through-silicon via) 공정이나 패키징 공정에 유용하게 적용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 면상 발열체의 단면을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 평탄화층 유무에 따른 면상 발열체의 단면 형상을 비교하여 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1에 따라 세라믹 기판 상에 형성된 평탄화층 및 발열층의 단면의 SEM 이미지이다.
도 4는 일 구현예에 따른 반도체 제조용 히터의 구조를 나타낸 것이다.
이하의 구현예의 설명에 있어서, 각 층, 기판 또는 시트 등이 각 층, 기판 또는 시트 등의 "상(on)" 또는 "하(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "하(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여(indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 각 구성요소의 상/하에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 기재된 구성성분의 물성 값, 치수 등을 나타내는 모든 수치 범위는 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
면상 발열체
일 구현예에 따르면, (a) 표면조도(Ra)가 300 nm내지 500 nm인 세라믹 기판; (b) 상기 세라믹 기판의 표면 상에 형성되고 표면조도(Ra)가 50 nm 내지 200 nm인 평탄화층; (c) 상기 평탄화층의 표면 상에 형성된 발열층; 및 (d) 상기 발열층의 표면 상에 형성된 절연층을 포함하는, 면상 발열체가 제공된다.
도 1은 일 구현예에 따른 면상 발열체(100)의 단면을 도식적으로 나타낸 것으로서, 기판(110) 상에 평탄화층(115)이 형성되고, 그 위에 발열층(120) 및 절연층(130)이 형성된다
이하 각 구성 성분별로 구체적으로 설명한다.
상기 세라믹 기판은 일반적으로 세라믹 소재를 소결 조제와 혼합하고 소결하여 제조된 기판일 수 있다.
상기 세라믹 기판은 상기 세라믹 소재로서 실리콘나이트라이드(Si3N4) 또는 알루미늄나이트라이드(AlN)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 소결 조제로는 산화이트륨(Y2O3), 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 사용할 수 있다.
또한, 상기 세라믹 기판은 상기 세라믹 소재와 상기 소결 조제의 혼합물을 약 1500℃ 내지 약 2000℃, 예를 들어, 약 1500℃ 내지 약 1800℃, 예를 들어, 약 1600℃ 내지 약 1800℃의 온도에서 소결하여 얻은 기판일 수 있다.
이와 같이 소결된 세라믹 기판은 연마 등의 가공을 거치지 않을 경우 보통 300 nm 내지 500 nm 수준의 표면조도(Ra)를 갖게 된다. 여기서 표면조도(Ra)란 산술평균조도(arithmetical average roughness)를 의미하며, 당 기술분야에서 잘 알려진 방법에 따라 측정 또는 산출될 수 있다. 또는, 상기 세라믹 기판의 표면조도는 300 nm 내지 400 nm, 350 nm 내지 450 nm, 또는 400 nm 내지 500 nm일 수 있다.
상기 세라믹 기판의 두께는 약 0.3 mm 내지 약 10 mm일 수 있고, 예를 들어, 약 1 mm 내지 약 5 mm, 약 5 mm 내지 약 10 mm, 또는 약 0.3 mm 내지 약 3 mm일 수 있다. 상기 세라믹 기판의 두께가 상기 바람직한 범위 내일 때, 열 압착 과정에서 강건성을 유지하고 열 충격을 견디는데 보다 유리할 수 있다.
상기 세라믹 기판은 굴곡 강도가 약 500 MPa 이상, 약 600 MPa 이상, 또는 약 700 MPa 이상일 수 있다. 또한, 상기 세라믹 기판은 열전도도가 약 40 W/mK 이상, 약 50 W/mK 이상, 또는 약 60 W/mK 이상일 수 있다.
상기 평탄화층 및 상기 발열층은 상기 세라믹 기판의 표면 상에 순차적으로 형성된다. 상기 발열층은 상기 세라믹 기판에 비하여 상대적으로 얇은 두께를 갖는 층으로서, 상기 세라믹 기판의 표면 형상에 영향을 받을 수 있다.
상기 면상 발열체의 구조에서, 상기 평탄화층 없이 상기 세라믹 기판의 표면 상에 직접 발열층이 형성되는 경우, 상기 세라믹 기판의 표면 형상이 상기 발열층의 표면 형상에 미치는 영향이 커지게 되고, 이와 같은 현상은 상기 발열층의 두께가 얇을수록 더욱 심화된다. 이때 상기 발열층의 표면이 고르지 않고 굴곡이 심할 경우, 상기 발열층의 면저항이 증가하여 발열 효율을 저하시키게 된다.
또한, 상기 발열층의 표면 형상도 이의 표면 상에 형성되는 절연층에 영향을 주게 되는데, 상기 절연층의 표면이 고르지 않고 굴곡이 심할 경우 표면 결함이나 하부 발열층의 노출 등으로 인해, 고전압 인가 시에 단락(short)이 발생하여 절연성을 저하시키게 된다.
구체적으로, 일반적인 소결 공정에 따라 제조된 표면조도(Ra)가 약 300 nm 내지 약 500 nm인 세라믹 기판 위에 박막의 발열층(예: 두께 약 1 ㎛ 이하)을 형성할 경우 상기와 같은 문제가 발생할 수 있다. 즉, 도 2의 (a)에서 보듯이, 세라믹 기판(110)의 표면 상에 형성된 발열층(120)이 단면 상으로 볼 때 두께 대비 큰 표면 굴곡을 가지게 되고, 이러한 발열층(120)의 표면 굴곡은 그 위에 형성된 절연층(130)에도 그대로 전달되어, 면상 발열체의 발열 효율과 절연성을 동시에 저하시키게 된다.
이와 달리, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 일 구현예에 따른 상기 면상 발열체는, 상기 세라믹 기판(110)의 표면 상에 표면조도(Ra)가 약 200 nm 이하인 평탄화층(115)이 형성된다. 이 경우, 상기 평탄화층(115)의 표면 상에 형성된 상기 발열층(120)과 상기 절연층(130)이 모두 고른 표면을 가질 수 있어서, 상기 면상 발열체가 발열 효율과 절연성을 모두 확보할 수 있다.
한편, 상기 평탄화층의 표면조도(Ra)는 약 50 nm 이상일 필요가 있다. 상기 평탄화층의 표면조도(Ra)가 약 50 nm 미만인 경우에는 상기 발열층과 밀착성이 저하되어 전력 인가시 발열층의 변형이 발생할 수 있다.
즉, 상기 평탄화층의 표면조도(Ra)는 약 50 nm 내지 약 200 nm이고, 예를 들어, 약 100 nm 내지 약 200 nm일 수 있고, 예를 들어, 약 150 nm 내지 약 200 nm일 수 있고, 예를 들어, 약 50 nm 내지 약 100 nm일 수 있다.
상기 평탄화층은 세라믹 성분, 바람직하게는 글래스 세라믹 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 평탄화층은 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화바륨(BaO), 산화붕소(B2O3) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 평탄화층의 두께는 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛일 수 있다.
상기 발열층은 상기 평탄화층의 표면 상에 형성된다.
상기 발열층은 앞서 설명한 바와 같이 표면조도가 제어된 상기 평탄화층 상에 형성되므로 고른 표면을 갖게 된다. 이에 따라 상기 발열층은 두께가 얇더라도 굴곡에 따른 저항 증가가 없어서 낮은 면저항을 확보할 수 있다.
상기 발열층은 상기 평탄화층 상에 형성되고 면상의 구조를 갖는다. 즉, 상기 발열층은 상기 평탄화층 상의 영역에 연속적인 면상으로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 발열층은 면상의 세라믹층, 면상의 금속층, 또는 면상의 합금층으로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 발열층은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 규소(Si) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 발열층은 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)의 합금 또는 상기 합금의 산화물을 포함할 수 있고, 이때, 상기 합금 중의 니켈(Ni) : 크롬(Cr)의 중량의 비가 75 : 25 내지 85 : 15일 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 발열층은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe) 및 알루미늄(Al)의 합금 또는 상기 합금의 산화물을 포함할 수 있고, 이때 상기 합금 중의 니켈(Ni)의 중량 : 크롬(Cr), 철(Fe) 및 알루미늄(Al)의 합계 중량의 비가 65 : 35 내지 50 : 50일 수 있다.
구체적으로, 상기 발열층은 니켈-크롬 합금(NiCr) 또는 인코넬(inconel)로 구성되는 것이, 저항 조절이 용이하여 급속 가열 특성 면에서 보다 유리하다. 이때, 상기 인코넬(inconel)은 니켈(Ni)의 중량 : 크롬(Cr), 철(Fe) 및 알루미늄(Al)의 합계 중량의 비가 약 60 : 40인 합금일 수 있다.
상기 발열층의 두께는 3.0 ㎛ 이하, 2.0 ㎛ 이하, 또는 1.0 ㎛ 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 발열층의 두께는 0.1 ㎛ 내지 3.0 ㎛, 예를 들어, 0.1 ㎛ 내지 2.0 ㎛, 예를 들어, 0.1 ㎛ 내지 1.0 ㎛, 예를 들어, 0.3 ㎛ 내지 1.0 ㎛, 예를 들어, 0.3 ㎛ 내지 0.7 ㎛, 예를 들어, 0.3 ㎛ 내지 0.5 ㎛일 수 있다.
상기 바람직한 두께 범위 내일 때, 급속 가열에 필요한 면상 발열체의 저항값(예: 3 Ω/㎠ 내지 10 Ω/㎠)을 가지면서, 열충격으로 인한 하부층과의 접합력 저하가 발생하지 않아 고온 열충격에 대한 신뢰성 측면에서 유리할 수 있다.
상기 발열층은 다양한 규격과 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어 상기 발열층은 사각형의 평면 형상을 가질 수 있으며, 이때 각 변의 길이는 3 mm 내지 50 mm, 예를 들어, 5 mm 내지 25 mm, 예를 들어, 7 mm 내지 25 mm일 수 있다. 상기 발열층의 크기가 상기 범위 내일 때, 균일한 온도 분포와 승온 안정성 측면에서 보다 유리할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 발열층의 면저항은 0.5 Ω/sq 내지 10 Ω/sq, 0.5 Ω/sq 내지 5 Ω/sq, 0.5 Ω/sq 내지 3 Ω/sq, 0.5 Ω/sq 내지 1.7 Ω/sq, 또는 1 Ω/sq 내지 5 Ω/sq일 수 있다. 상기 바람직한 면저항 범위 내일 때, 적절한 속도로 승온하는데 유리하며, 구체적으로 반도체 제조용 히터에 적용되기에 적합한 속도로 승온하는데 유리하다.
일 구현예에서, 상기 발열층의 비저항은 100 μΩcm 내지 250 μΩcm일 수 있고, 보다 구체적으로 100 μΩcm 내지 200 μΩcm일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 발열층의 내열 온도는 600℃ 내지 1200℃일 수 있고, 보다 구체적으로, 850℃ 내지 1050℃일 수 있다. 여기서, '내열 온도'란 상기 발열층이 손상되지 않고, 본래의 기능을 수행할 수 있는 최대 온도를 의미한다.
일 구현예에서, 상기 발열층의 열팽창계수는 5 x 10-6 내지 20 x 10-6 일 수 있고, 보다 구체적으로 10 x 10-6 내지 15 x 10-6일 수 있다.
상기 절연층은 상기 발열층의 표면 상에 형성된다.
상기 절연층은 앞서 설명한 바와 같이 고른 표면을 갖는 상기 발열층 상에 형성되므로 역시 고른 표면을 가질 수 있다. 이에 따라 상기 절연층은 표면 결함이나 하부 절연층의 노출 등을 방지하여 우수한 절연성을 확보할 수 있다.
상기 절연층은 세라믹 소재로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층은 실리콘나이트라이드(Si3N4) 또는 알루미늄나이트라이드(AlN)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층은 실리콘나이트라이드(Si3N4)로 이루어질 수 있다.
상기 절연층은 상기 세라믹 기판과 동일한 소재로 이루어질 수 있다.
상기 절연층의 두께는 약 0.1 ㎛ 내지 약 3.0 ㎛, 예를 들어, 약 0.1 ㎛ 내지 약 2.0 ㎛, 예를 들어, 약 0.5 ㎛ 내지 약 2.0 ㎛, 예를 들어, 약 0.1 ㎛ 내지 약 1.0 ㎛, 예를 들어, 약 0.1 ㎛ 내지 약 0.5 ㎛일 수 있다. 일 구현예에서, 상기 절연층이 약 0.5 ㎛ 내지 약 2.0 ㎛의 두께를 갖는 것이, 절연성을 확보하면서 하부층에 대한 밀착력을 갖는데 유리할 수 있다.
구체적인 일례에 따르면, 상기 평탄화층이 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 범위의 두께를 갖고; 상기 발열층이 약 0.1 ㎛ 내지 약 1 ㎛ 범위의 두께를 갖고; 상기 절연층이 약 0.5 ㎛ 내지 약 2 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다.
또한, 구체적인 일례에 따르면, 상기 세라믹 기판이 실리콘나이트라이드(Si3N4) 또는 알루미늄나이트라이드(AlN)로 구성되고; 상기 발열층이 니켈-크롬 합금(NiCr) 또는 인코넬(inconel)로 구성되고; 상기 평탄화층이 SiO2, Al2O3, BaO 및 B2O3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하고; 상기 절연층이 상기 세라믹 기판과 동일한 소재로 구성될 수 있다.
상기 절연층은 높은 저항을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층은 1000 V 인가 시에 약 1 x 106 Ω 이상, 예를 들어, 약 1 x 108 Ω 이상, 예를 들어, 약 1 x 1010 Ω 이상, 또는 무한대의 저항 값을 나타낼 수 있다.
한편, 상기 구현예에 따른 면상 발열체는 상기 세라믹 기판과 상기 발열층이 실질적으로 동일한 면적으로 형성되고, 상기 발열층 상부의 절연층은 상기 세라믹 기판 및 상기 발열층보다는 작은 면적으로 형성되어, 상기 절연층의 테두리에 상기 발열층이 드러나는 빈 공간이 존재할 수 있다. 이때, 상기 발열층 주변의 빈 공간에 단자 전극이 추가로 형성될 수 있다. 상기 단자 전극은 은(Ag) 등으로 구성될 수 있으며, 폭은 약 1 mm 내지 20 mm, 또는 3 mm 내지 10 mm일 수 있다.
이와 같은 구성의 상기 면상 발열체는 발열/냉각 성능 및 온도 균일도가 뛰어나다.
예를 들어, 상기 면상 발열체의 최대 발열 온도는 400℃ 내지 700℃, 보다 구체적으로, 500℃ 내지 700℃일 수 있다.
또한, 상기 면상 발열체의 승온 속도는 100℃/s 내지 250℃/s, 보다 구체적으로, 150℃/s 내지 250℃/s일 수 있다.
또한, 상기 면상 발열체의 냉각 속도는 50℃/s 내지 100℃/s, 보다 구체적으로, 60℃/s 내지 90℃/s일 수 있다.
또한, 상기 면상 발열체의 온도 균일도(온도 변화 범위)는 약 450℃의 온도 및 5 mm2의 표면적 조건 하에서, 10℃ 이내, 보다 구체적으로 5℃ 이내일 수 있다.
이와 같이, 상기 구현예에 따른 상기 면상 발열체는 박형이면서도 고온의 급속 가열 성능이 뛰어나고 내열성이 우수하다.
면상 발열체의 제조방법
다른 구현예에 따르면, (1) 표면조도(Ra)가 300 nm 내지 500 nm인 세라믹 기판을 준비하는 단계; (2) 상기 세라믹 기판의 표면에 세라믹 전구물질을 코팅하고 열처리하여 표면조도(Ra)가 50 nm 내지 200 nm인 평탄화층을 형성하는 단계; (3) 상기 평탄화층의 표면 상에 발열층을 형성하는 단계; 및 (4) 상기 발열층의 표면 상에 절연층을 형성하는 단계를 포함하는, 면상 발열체의 제조방법이 제공된다.
이하 각 단계별로 구체적으로 설명한다.
상기 단계 (1)에서는 세라믹 기판을 준비한다.
상기 세라믹 기판의 소재는 앞서 예시한 바와 같이 실리콘나이트라이드(Si3N4), 알루미늄나이트라이드(AlN) 등의 세라믹 소재일 수 있다. 즉 이와 같은 세라믹 소재를 소결 조제 등과 혼합하고 소결하여 기판을 제조할 수 있다.
상기 소결 시의 온도는 세라믹 소재에 따라서 조절될 수 있으며, 예를 들어 1600℃ 내지 1800℃, 예를 들어, 1700℃ 내지 1900℃일 수 있다.
또한, 상기 소결은 질소 분위기에서 수행될 수 있다.
이와 같은 공정으로 제조된 세라믹 기판은 약 300 nm 내지 500 nm의 표면조도를 가질 수 있다.
상기 단계 (2)에서는, 상기 세라믹 기판의 표면에 평탄화층을 형성한다.
일 구현예에 따르면, 상기 평탄화층은 상기 세라믹 기판의 표면에 세라믹 전구물질을 코팅하고 열처리하여 형성된다. 상기 세라믹 전구물질은 폴리실라잔, 실란올 올리고머, 또는 이들의 혼합물을 함유할 수 있다.
또한, 상기 세라믹 전구물질의 코팅은 스핀 코팅 등의 방법으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 열처리의 온도 조건은 150℃ 내지 350℃, 예를 들어, 200℃ 내지 300℃ 범위일 수 있다. 상기 열처리에 의해 상기 세라믹 전구물질이 경화되어 글래스 세라믹 등으로 형성될 수 있다.
이와 같이 제조된 평탄화층은 표면조도(Ra)가 50 nm 내지 200 nm일 수 있고, 예를 들어, 150 nm 내지 200 nm일 수 있다.
또한 상기 평탄화층은 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위의 두께로 형성되고, SiO2, Al2O3, BaO, B2O3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 단계 (3)에서는, 상기 평탄화층의 표면 상에 발열층을 형성한다.
이와 같이 상기 발열층은 표면조도가 제어된 평탄화층 상에 형성되므로 고른 표면 형태를 가질 수 있다.
상기 발열층의 소재는 앞서 예시한 바와 같은 세라믹, 금속 또는 합금일 수 있다. 구체적으로, 상기 발열층의 소재는 니켈-크롬 합금(NiCr) 또는 인코넬(inconel)일 수 있다.
상기 발열층의 형성은 인쇄 또는 물리적인 증착, 예를 들어 스퍼터링 등으로 수행될 수 있다. 필요한 경우, 치수에 맞게 마스킹 작업을 실시하고 스퍼터링 등을 수행할 수 있다.
또한 발열층의 밀착력 확보를 위해 초음파 방법으로 세정하여 기판의 오염물을 미리 제거하는 것이 좋다.
이와 같이 형성되는 발열층의 두께 및 규격은 앞서 예시한 바와 같다.
바람직하게는, 상기 발열층은 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛의 두께로 형성될 수 있고, 상기 발열층은 물리적인 증착법, 예를 들어, 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다.
상기 단계 (4)에서는, 상기 발열층의 표면 상에 절연층을 형성한다.
이때 앞서 설명한 바와 같이 상기 발열층이 고른 표면을 가지므로, 그 위에 형성된 절연층도 고른 표면을 가질 수 있다.
상기 절연층의 소재는 앞서 예시한 바와 같으며, 바람직하게는 상기 세라믹 기판과 동일한 소재인 것이 좋다.
상기 절연층은, 상기 발열층의 표면 상에 물리적인 증착, 예를 들어 스퍼터링 등을 수행하여 형성될 수 있다.
이에 따라 형성되는 절연층의 두께 및 규격은 앞서 예시한 바와 같으며, 예를 들어 0.5 ㎛ 내지 2.0 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.
구체적인 일례에 따르면, 상기 세라믹 기판은 실리콘나이트라이드(Si3N4) 또는 알루미늄나이트라이드(AlN)를 포함하고, 상기 절연층은 상기 세라믹 기판과 동일한 소재로 이루어지며, 상기 절연층은 상기 발열층의 표면 상에 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다.
상기 구현예에 따른 면상 발열체의 제조방법은 발열층의 가장자리에 단자 전극을 추가로 형성할 수 있으며, 예를 들어, 발열층 상에 제 1 절연층을 형성하고 그 위에 상기 제 2 절연층 형성을 위한 조성물을 스크린 프린팅한 후, 단자 전극을 형성하기 위한 은(Ag) 페이스트를 도포하고, 스크린프린팅된 상기 제 2 절연층 형성을 위한 조성물과 은 페이스트를 동시에 소성시킬 수 있다.
이상과 같은 단계 (1) 내지 (4)를 거치면 기판, 발열층 및 절연층 순으로 적층된 면상 발열체를 얻을 수 있다.
상기 제조방법의 구체적인 일례로서 제조된 면상 발열체는, 상기 평탄화층이 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위의 두께를 갖고; 상기 발열층이 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛ 범위의 두께를 갖고; 상기 절연층이 0.5 ㎛ 내지 2 ㎛ 범위의 두께를 갖고; 상기 세라믹 기판이 실리콘나이트라이드(Si3N4) 또는 알루미늄나이트라이드(AlN)로 구성되고; 상기 발열층이 니켈-크롬 합금(NiCr) 또는 인코넬(inconel)로 구성되고; 상기 평탄화층이 SiO2, Al2O3, BaO 및 B2O3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하고; 상기 절연층이 상기 세라믹 기판과 동일한 소재로 구성될 수 있다.
상기 면상 발열체는 추가적으로 열처리 공정을 거침으로써 발열층의 결정성을 보다 향상시키고 저항을 낮출 수 있다.
상기 열처리는, 예를 들어, 800℃ 내지 1200℃, 예를 들어, 800℃ 내지 1100℃, 예를 들어, 800℃ 내지 1000℃, 예를 들어, 900℃ 내지 1100℃, 예를 들어, 1000℃ 내지 1200℃의 온도에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 열처리는 진공 중 아르곤 가스와 같은 불활성 가스를 투입하는 분위기에서 수행되는 것이 결정성 향상에 보다 유리하다.
일 구현예에서, 상기 열처리는 진공 중 아르곤 가스를 투입하는 분위기 하에 1000℃ 내지 1200℃에서 수행될 수 있다.
이때 상기 진공은 1 x 10-2 Torr 이하의 압력으로 조절되는 것이 좋다. 또한, 상기 열처리는 5분 내지 60분, 예를 들어, 5분 내지 30분, 예를 들어, 5분 내지 20분의 시간 동안 수행될 수 있다.
이와 같이 제조된 면상 발열체는 반도체 제조용 히터 또는 디스플레이용 IR 히터에 사용될 수 있다.
반도체 제조용 히터
또 다른 구현예에 따르면, 상기 면상 발열체를 포함하는 반도체 제조용 히터가 제공된다.
상기 반도체 제조용 히터는 상기 면상 발열체의 가장자리에 구비된 단자 전극, 상기 면상 발열체의 일면, 즉, 상기 세라믹 기판의 표면 또는 상기 절연층의 표면에 접합된 히터베이스, 및 상기 히터베이스와 결합된 냉각계 접속부재를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 4를 참조하여, 상기 냉각계 접속부재(400)와 접합된 상기 히터베이스(300)의 표면에 상기 면상 발열체(100)가 접합될 수 있으며, 상기 면상 발열체의 상기 발열층(120)의 가장자리에 상기 단자 전극(200)이 구비될 수 있다.
도 4의 (a)는 상기 면상 발열체의 기판(110)의 표면이 열을 가해주어야 하는 대상물에 닿게 되는 경우이고, (b)는 상기 절연층(130)의 표면이 열을 가해주어야 하는 대상물에 닿게 되는 경우를 나타낸 것이다.
이때 상기 면상 발열체(100)는 앞서 설명한 면상 발열체와 동일한 구성을 가질 수 있으며, 동일한 제법으로 제조될 수 있다.
또한, 상기 냉각계 접속부재(400)는 금속 소재로 구성될 수 있고, 상기 히터베이스(300)는 세라믹 소재, 예를 들어 알루미나로 구성될 수 있다.
이와 같은 반도체 제조용 히터는, 반도체 제조 공정에 사용되는 히터로서 급격한 발열이 요구되는 히터일 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 제조용 히터는 메모리 제조 공정, 로직 제조 공정, 또는 패키징 공정 등에 사용되는 히터일 수 있다.
구체적으로, 상기 반도체 제조용 히터는 TSV(through-silicon via) 본딩 작업에 사용되는 히터일 수 있다. 바람직한 일례로서, 상기 반도체 제조용 히터는 TC 본더(thermo-compression bonder)일 수 있다.
[실시예]
이하 보다 구체적인 실시예들을 예시하나, 이들 실시예의 범위로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
Si3N4와 소결조제로 Y2O3, SiO2 및 Al2O3를 혼합하여 시트상으로 성형한 뒤, 1750℃에서 소결하여 두께 0.32 mm의 기판을 제조하였다. 상기 기판의 표면조도(Ra)는 300 nm 내지 400 nm로 측정되었다.
상기 기판의 표면에 폴리실라잔을 함유하는 조성물을 스핀코팅(2000 rpm, ramp time 1sec, time 2sec)한 후, 오븐에 넣고 250℃에서 10분 유지하여 경화시켜 평탄화층을 형성하였다. 상기 평탄화층의 표면조도(Ra)는 55 nm로 측정되었다.
상기 평탄화층 상에 Ni-Cr 합금(NiCr)을 스퍼터링하여 두께 약 600 nm의 발열층을 형성하였다. 이후 상기 발열층 상에 Si3N4을 스퍼터링하여 두께 약 1000 nm의 절연층이 형성된 면상 발열체를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1과 동일한 절차를 반복하되, 표면조도(Ra)가 150 nm로 측정되는 평탄화층이 형성된 면상 발열체를 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1과 동일한 절차를 반복하되, 표면조도(Ra)가 200 nm로 측정되는 평탄화층이 형성된 면상 발열체를 제조하였다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일한 절차를 반복하되, 상기 평탄화층을 형성하지 않고 상기 세라믹 기판 상에 상기 발열층 및 상기 절연층을 형성하여 면상 발열체를 완성하였다.
비교예 2
상기 실시예 1과 동일한 절차를 반복하되, 표면조도(Ra)가 15 nm로 측정되는 평탄화층이 형성된 면상 발열체를 제조하였다.
비교예 3
상기 실시예 1과 동일한 절차를 반복하되, 표면조도(Ra)가 250 nm로 측정되는 평탄화층이 형성된 면상 발열체를 제조하였다.
시험예 1: 표면조도 평가
상기 실시예 및 비교예에서 면상 발열체의 평탄화층의 표면조도(Ra)를 상온에서 측정하였고, 평탄화층 상의 3개의 지점의 표면조도를 측정하여 그 평균값을 표 1에 각각 기재하였다.
시험예 2: 단면의 미세구조 평가
상기 실시예 1의 절차에 따라 상기 세라믹 기판 상에 상기 평탄화층 및 상기 발열층을 형성하고, 그 단면의 형상을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하여 도 3에 나타내었다.
도 3에서 보듯이, 상기 세라믹 기판의 표면에 굴곡이 심한 반면, 그 위에 형성된 상기 평탄화층은 기판 표면의 굴곡을 흡수하여 고른 표면을 나타내었으며, 그에 따라 상기 평탄화층 상에 형성된 상기 발열층도 고른 표면을 가짐을 확인할 수 있었다.
시험예 3: 발열층의 면저항 평가
상기 실시예 및 비교예의 면상 발열체에서 발열층의 면저항을 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
시험예 4: 절연층의 통전 평가
상기 실시예 및 비교예의 면상 발열체에서, 상기 절연층 상에 저항값을 측정한 후 하기 평가 조건에 따라 통전 여부를 평가하여, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
- ×: 저항값이 무한대
- △: 저항값이 0.1 Ω/sq 내지 5 Ω/sq
- ○: 저항값이 5 Ω/sq 초과
시험예 5: 발열층과 인접층 간의 계면 부착성 평가
상기 실시예 및 비교예의 면상 발열체의 발열층에 150 W 조건의 전력을 공급하여, 상기 발열층이 인접층 간의 계면에서 탈착되는지 여부를 평가하였고, 하기 평가 조건에 따라, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
- ○: 탈착 없음
- △: 일부 탈착됨
- ×: 면적의 90% 이상 탈착됨
구 분 평탄화층
Ra (nm)		 발열층 면저항
(Ω/sq)		 절연층
통전여부		 발열층
계면 부착성
실시예 1 55 0.94 × △
실시예 2 150 1.28 × ○
실시예 3 200 1.57 × ○
비교예 1 - 2.09 ○ ○
비교예 2 15 0.23 × ×
비교예 3 250 1.98 △ ○
상기 표 1에서 보듯이, 상기 평탄화층에 의해 표면조도를 제어한 면상 발열체의 경우, 상기 세라믹 기판 상에 상기 발열층을 직접 형성한 면상 발열체보다 상기 발열층의 면저항이 낮아짐을 확인할 수 있었다. 나아가, 상기 평탄화층의 표면 조도를 조절함으로써 전기적 특성을 제어할 수 있고, 인접한 층과의 구조적인 내구성도 확보함을 확인할 수 있었다.
100: 면상 발열체, 110: 세라믹 기판,
115: 평탄화층, 120: 발열층,
130: 절연층, 200: 단자 전극,
300: 히터베이스, 400: 냉각계 접속부재.

Claims (18)

  1. 표면조도(Ra)가 300 nm 내지 500 nm인 세라믹 기판;
    상기 세라믹 기판의 표면 상에 형성되고 표면조도(Ra)가 100 nm 내지 200 nm이고, 두께가 1 ㎛ 내지 10 ㎛인 평탄화층;
    상기 평탄화층의 표면 상에 형성된 발열층; 및
    상기 발열층의 표면 상에 형성된 절연층을 포함하고,
    상기 발열층은 0.1 ㎛ 내지 0.7 ㎛ 범위의 두께를 갖고,
    상기 발열층은 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)의 합금; 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe) 및 알루미늄(Al)의 합금; 또는 상기 합금의 산화물을 포함하며,
    상기 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)의 합금 중의 니켈(Ni) : 크롬(Cr)의 중량비가 75 : 25 내지 85 : 15이고,
    상기 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe) 및 알루미늄(Al)의 합금 중의 니켈(Ni) : 크롬(Cr), 철(Fe) 및 알루미늄(Al)의 합계의 중량비가 65 : 35 내지 50 : 50인, 면상 발열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 평탄화층의 표면조도(Ra)가 150 nm 내지 200 nm 범위인, 면상 발열체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열층이 0.5 Ω/sq 내지 1.7 Ω/sq의 면저항을 갖는, 면상 발열체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층이 0.5 ㎛ 내지 2 ㎛ 범위의 두께를 갖는, 면상 발열체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 기판이 실리콘나이트라이드(Si3N4) 또는 알루미늄나이트라이드(AlN)로 구성되고;
    상기 발열층이 니켈-크롬 합금(NiCr) 또는 인코넬(inconel)로 구성되고;
    상기 평탄화층이 SiO2, Al2O3, BaO 및 B2O3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하고;
    상기 절연층이 상기 세라믹 기판과 동일한 소재로 구성되는, 면상 발열체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층이 1000 V 인가 시에 1 x 108 Ω 이상의 저항 값을 나타내는, 면상 발열체.
  11. 표면조도(Ra)가 300 nm 내지 500 nm인 세라믹 기판을 준비하는 단계;
    상기 세라믹 기판의 표면에 세라믹 전구물질을 코팅하고 열처리하여 표면조도(Ra)가 100 nm 내지 200 nm이고, 두께가 1 ㎛ 내지 10 ㎛인 평탄화층을 형성하는 단계;
    상기 평탄화층의 표면 상에 발열층을 형성하는 단계; 및
    상기 발열층의 표면 상에 절연층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 발열층은 0.1 ㎛ 내지 0.7 ㎛ 범위의 두께를 갖고,
    상기 발열층은 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)의 합금; 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe) 및 알루미늄(Al)의 합금; 또는 상기 합금의 산화물을 포함하며,
    상기 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)의 합금 중의 니켈(Ni) : 크롬(Cr)의 중량비가 75 : 25 내지 85 : 15이고,
    상기 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe) 및 알루미늄(Al)의 합금 중의 니켈(Ni) : 크롬(Cr), 철(Fe) 및 알루미늄(Al)의 합계의 중량비가 65 : 35 내지 50 : 50인, 면상 발열체의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 발열층이 스퍼터링 방법에 의해 형성되는, 면상 발열체의 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 절연층이 0.5 ㎛ 내지 2 ㎛ 범위의 두께를 갖고;
    상기 세라믹 기판이 실리콘나이트라이드(Si3N4) 또는 알루미늄나이트라이드(AlN)로 구성되고;
    상기 발열층이 니켈-크롬 합금(NiCr) 또는 인코넬(inconel)로 구성되고;
    상기 평탄화층이 SiO2, Al2O3, BaO 및 B2O3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하고;
    상기 절연층이 상기 세라믹 기판과 동일한 소재로 구성되는, 면상 발열체의 제조방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 평탄화층의 표면조도(Ra)가 150 nm 내지 200 nm 범위인, 면상 발열체의 제조방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 세라믹 전구물질이 폴리실라잔, 실란올 올리고머, 또는 이들의 혼합물을 함유하고; 상기 세라믹 전구물질의 코팅이 스핀 코팅으로 수행되는, 면상 발열체의 제조방법.
  16. 제 1 항에 따른 면상 발열체를 포함하는 반도체 제조용 히터.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 반도체 제조용 히터가
    상기 면상 발열체의 가장자리에 구비된 단자 전극,
    상기 면상 발열체의 일면에 접합된 히터베이스, 및
    상기 히터베이스와 결합된 냉각계 접속부재를 더 포함하는, 반도체 제조용 히터.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 반도체 제조용 히터가 TC 본더(thermo-compression bonder)인, 반도체 제조용 히터.
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