KR102437076B1 - 온도 편차 특성이 개선된 기판 가열 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 가열 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기판 가열 장치의 내부 영역에 위치하는 제1 발열체와 외부 영역에 위치하는 제2 발열체, 상기 내부 영역을 가로질러 제2 발열체로 전력을 전달하는 제3 발열체, 및 및 상기 제2 발열체와 상기 제3 발열체를 전기적으로 연결하는 연결부재를 포함하여 구성되며, 상기 연결부재로 인가되는 고온 및 고압에 따른 열팽창과 압축 응력에 의한 미세 균열(crack)을 효과적으로 억제할 수 있는 기판 가열 장치에 관한 것이다.
본 발명은 기판을 가열하는 기판 가열 장치로서, 기판이 안착되는 기판 안착부를 구비하여 상기 기판을 지지하는 몸체부; 상기 몸체부의 내부 영역에 위치하는 제1 발열체; 상기 내부 영역을 둘러싸는 외부 영역에 위치하는 제2 발열체; 상기 몸체부의 내부 영역을 가로질러 상기 제2 발열체로 전류를 전달하는 제3 발열체; 및 상기 제2 발열체와 상기 제3 발열체를 전기적으로 연결하는 연결부재를 포함하며, 상기 연결부재는 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치를 개시하는 효과를 갖는다.

Description

온도 편차 특성이 개선된 기판 가열 장치{SUBSTRATE HEATING APPARATUS WITH ENHANCED TEMPERATURE UNIFORMITY CHARACTERISTIC}
본 발명은 기판 가열 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기판 가열 장치의 내부 영역에 위치하는 제1 발열체와 외부 영역에 위치하는 제2 발열체, 상기 내부 영역을 가로질러 제2 발열체로 전력을 전달하는 제3 발열체 및 상기 제2 발열체와 상기 제3 발열체를 전기적으로 연결하는 연결부재를 포함하여 구성되며, 상기 연결부재로 인가되는 고온 및 고압에 따른 열팽창과 압축 응력에 의한 미세 균열(crack)을 효과적으로 억제할 수 있는 기판 가열 장치에 관한 것이다.
통상적으로 평판 디스플레이 패널 혹은 반도체 소자를 제조하기 위해서는 유리 기판이나 플렉시블 기판 또는 반도체 기판 등의 기판 상에 유전체층 및 금속층을 포함하는 일련의 층들을 순차적으로 적층하고 패터닝하는 공정을 거치게 된다. 이때, 상기 유전체층 및 금속층 등 일련의 층들은 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)이나 물리기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 등의 공정에 의해 상기 기판 상에 증착된다.
이때, 상기 층들을 균일하게 형성하기 위해서는 상기 기판을 균일한 온도로 가열하여야 하는데, 상기 기판을 가열하고 지지하기 위하여 기판 가열 장치가 사용될 수 있다. 상기 기판 가열 장치는 상기 기판 상에 형성되는 유전체층 또는 금속층의 식각 공정(etching process), 감광막(photo resistor)의 소성 공정 등에서 기판 가열을 위하여 사용될 수 있다.
나아가, 근래에 들어서 반도체 소자의 배선 미세화와 반도체 기판의 정밀한 열처리의 필요성에 따라 상기 기판 가열 장치의 온도 편차를 줄일 수 있는 방안에 대한 요구가 지속되고 있다. 특히, 기판 가열 장치의 중심 영역에는 발열체를 내장하는 세라믹 등으로 이루어지는 몸체부를 지지하는 지지부가 위치하게 되어 열용량이 커지는 등의 문제로 인하여 기판 가열 장치의 각 영역에 동일한 열량이 공급되더라도 영역별로 온도 편차가 발생할 수 있게 된다.
이에 대하여, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 기판 가열 장치를 내부 영역(도 1의 B영역)과 외부 영역(도 1의 C영역)으로 나누어 영역별로 기판의 가열을 제어함으로써 내부 영역(도 1의 B영역)과 외부 영역(도 1의 C영역) 간의 온도 편차를 줄일 수 있는 기술이 시도되었다. 그러나, 이러한 경우 상기 외부 영역(도 1의 C영역)의 발열체로 전류를 공급하기 위한 도전체에서의 발열로 인하여 상기 도전체에 대응하는 특정 영역(도 1의 A영역)이 과열되는 문제가 나타날 수 있다. 예를 들어, 도 2에서는 상기 내부 영역을 가로질러 외부 영역의 발열체로 전력을 전달하는 도전체에서의 발열로 인하여 상기 도전체에 대응하는 특정 영역(도 2의 A영역)이 과열되는 문제점을 도시하고 있다.
나아가, 상기 기판 가열 장치의 몸체부는 통상적으로 질화 알루미늄(AlN) 등의 세라믹으로 구성되는 반면, 상기 발열체를 연결하기 위한 커넥터 등은 몰리브덴(Mo) 등의 금속으로 이루어지는데, 상기 기판 가열 장치의 제조 공정에서는 상기 질화 알루미늄(AlN) 등 세라믹으로 구성되는 몸체부 내에 상기 발열체와 상기 커넥터 등을 미리 정해진 위치에 배치한 후 고온(예를 들어, 약 1800˚C)의 환경에서 높은 압력을 인가하면서 상기 세라믹을 소결(sintering)시켜 상기 몸체부를 구성하게 된다.
그런데, 상기 소결 공정에서는 고온 환경에서 고압이 인가되면서 상기 몸체부를 이루는 세라믹과 커넥터의 금속 재질 간의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인한 열 응력 및 상기 고압에 의한 압축 응력이 유발되면서 상기 몸체부에 미세 균열(crack)이 발생할 수 있으며, 나아가 상기 기판 가열 장치의 사용에 따른 상기 크랙의 확산으로 인한 상기 기판 가열 장치의 내구성 열화 및 사용 연한 단축을 초래할 수도 있었다.
이에 따라, 상기 기판 장치를 내부 영역과 외부 영역으로 나누어 가열을 제어하면서도 상기 외부 영역의 발열체로 전류를 공급하는 도전체에서의 발열로 인하여 특정 영역이 과열되는 문제를 개선할 수 있으며, 나아가 기판 가열 장치의 제조 과정 중 고온 고압이 인가되는 소결 공정 등에서 상기 커넥터의 금속 재질과 상기 몸체부의 세라믹 간의 열팽창 계수 차이로 인한 열 응력 및 인가되는 고압에 의한 압축 응력의 발생을 억제하여 몸체부의 미세 균열(crack)을 방지하고, 기판 가열 장치의 내구성 열화 및 사용 연한 단축을 효과적으로 방지할 수 있는 방안이 요구되고 있으나, 아직 이에 대한 적절한 대안이 제시되지 못하고 있다.
일본 공개특허공보 특개2001-102157호(2001년 4월 13일 공개)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 기판 가열 장치를 내부 영역 및 외부 영역을 포함하는 복수의 영역으로 나누어 영역 별로 가열을 제어하면서도 상기 외부 영역의 발열체로 전류를 공급하는 도전체에 의한 발열로 인하여 특정 영역이 과열되는 것을 방지할 수 있는 기판 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 기판 가열 장치를 내부 영역, 외부 영역 및 상기 내부 영역을 가로지르는 중간 영역을 포함하는 복수의 영역으로 나누어 영역별로 가열하면서도, 상기 중간 영역의 도전체에 의한 발열로 인한 기판 가열의 불균일성을 최소화할 수 있는 기판 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 외부 영역의 발열체 및 이에 전류를 공급하는 도전체의 연결 구조에서의 열적, 구조적 안정성을 개선할 수 있는 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 기판 가열 장치의 제조 과정 중 고온 고압이 인가되는 소결 공정 등에서 커넥터의 금속 재질과 몸체부의 세라믹 재질 간의 열팽창 계수 차이로 인한 열 응력 및 인가되는 고압에 의한 압축 응력의 발생을 억제하여 몸체부의 미세 균열(crack)을 방지하고, 나아가 기판 가열 장치의 내구성 열화 및 사용 연한 단축도 효과적으로 방지할 수 있는 기판 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 기판 가열 장치는, 기판을 가열하는 기판 가열 장치에 있어서, 기판이 안착되는 기판 안착부를 구비하여 상기 기판을 지지하는 몸체부; 상기 몸체부의 내부 영역에 위치하는 제1 발열체; 상기 내부 영역을 둘러싸는 외부 영역에 위치하는 제2 발열체; 상기 몸체부의 내부 영역을 가로질러 상기 제2 발열체로 전류를 전달하는 제3 발열체; 및 상기 제2 발열체와 상기 제3 발열체를 전기적으로 연결하는 연결부재;를 포함하며, 상기 연결부재는 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 연결부재는, 구형(spherical) 입체 형상을 가지면서, 상기 연결부재의 중심점에서 하부 방향으로 소정의 거리만큼 이격되는 제1 평면의 아래 부분은 제거된 형상으로 구현되어, 상기 제1 평면이 상기 기판 안착부와 평행하게 배치되는 구조를 이룰 수 있다.
또한, 상기 연결부재는, 구형(spherical) 입체 형상이 상하 방향으로 단축된 타원형(elliptical) 입체 형상으로 구현되어, 상기 타원형 입체 형상에서 상기 상하 방향의 축(axis)이 상기 기판 안착부와 수직하게 배치되는 구조를 이룰 수 있다.
또한, 상기 연결부재는, 원통형(cylindrical) 입체 형상으로 구현되어, 상기 원통형 입체 형상의 길이 방향 축이 상기 기판 안착부와 수직하게 배치되는 구조를 이루며, 상기 제2 발열체와 상기 제3 발열체가 삽입되어 고정되는 각 개구가 상기 길이 방향 축과 수직한 방향으로 원통형 입체 형상의 측부에 상하로 구비될 수 있다.
또한, 연결부재는, 원통형(cylindrical) 입체 형상으로 구현되어, 상기 원통형 입체 형상의 길이 방향 축이 상기 기판 안착부와 평행하게 배치되는 구조를 이루며, 상기 제2 발열체와 상기 제3 발열체가 삽입되어 고정되는 각 개구가 상기 원통형 입체 형상의 양측 평면에 대향하여 구비될 수 있다.
또한, 상기 연결부재는 풀림(annealing) 공정을 포함하는 열처리 공정을 거친 것일 수 있다.
또한, 상기 제1 발열체의 종단에 연결되어 전원 공급부로부터 공급되는 전원을 전달하는 발열체 커넥터;가 더 포함되며, 상기 발열체 커넥터는 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 발열체 커넥터는 풀림(annealing) 공정을 포함하는 열처리 공정을 거친 것일 수 있다.
또한, 플라즈마를 생성하기 위하여 고주파가 인가되는 고주파 전극부; 및 상기 고주파 전극부의 종단에 연결되어 고주파 공급부로부터 공급되는 고주파를 전달하는 고주파 커넥터;가 더 포함되며, 상기 고주파 전극부 또는 상기 고주파 커넥터 중 하나 이상은 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 고주파 전극부 또는 상기 고주파 커넥터 중 하나 이상은 풀림(annealing) 공정을 포함하는 열처리 공정을 거친 것일 수 있다.
나아가, 상기 제1 발열체, 상기 제2 발열체 또는 상기 제3 발열체 중 하나 이상은 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 발열체, 상기 제2 발열체 또는 상기 제3 발열체 중 하나 이상은 풀림(annealing) 공정을 포함하는 열처리 공정을 거칠 수 있다.
이때, 상기 몰리브덴-텅스덴 합금 중 몰리브덴은 40 ~ 80%, 텅스텐은 20 ~ 60%의 비율로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 풀림(annealing) 공정은 몰리브덴의 재결정 온도와 텅스텐의 재결정 온도의 범위 내에서 선택된 온도에서 이루어질 수 있다.
나아가, 상기 열처리 공정에는, 상기 몰리브덴에 시그마 상(sigma phase)이 생성되는 온도 구간에서 급속히 냉각시키는 급속 냉각 공정이 포함될 수 있다.
본 발명은, 기판 가열 장치를 내부 영역 및 외부 영역을 포함하는 복수의 영역으로 나누어 영역 별로 가열을 제어하면서, 외부 영역에 위치하는 제2 발열체로 전류를 공급하는 제3 발열체의 와이어의 직경을 상기 제2 발열체의 와이어의 직경보다 두껍게 함으로써, 상기 제3 발열체에 의한 발열로 인하여 특정 영역이 과열되는 것을 억제할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은, 기판 가열 장치를 내부 영역, 외부 영역 및 상기 내부 영역을 가로지르는 중간 영역을 포함하는 복수의 영역으로 나누어 영역별로 가열하면서도, 상기 중간 영역에서의 제3 발열체에 의한 발열량과 상기 제2 발열체의 발열량의 합을 소정의 범위로 조절함으로써 상기 중간 영역의 도전체에 의한 발열로 인한 기판 가열의 불균일성을 최소화할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은, 상기 외부 영역에 위치하는 제2 발열체 및 상기 중간 영역의 제3 발열체와 동일한 재질로 구성된 연결부재를 사용하여 상기 제2 발열체와 상기 제3 발열체를 연결함으로써, 상기 기판 가열 장치의 제작 과정 및 기판 공정 중에서의 가열에 따른 온도 변화에도 열적, 구조적 안정성을 유지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은, 기판 가열 장치의 제조 과정 중 고온 고압이 인가되는 소결 공정 등에서 커넥터 등의 금속 재질과 몸체부의 세라믹 재질 간의 열팽창 계수 차이로 인한 열 응력 및 인가되는 고압에 의한 압축 응력의 발생을 억제하여 몸체부의 미세 균열(crack)을 방지하고, 기판 가열 장치의 내구성 열화 및 사용 연한 단축을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 기판 가열 장치의 상면도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 기판 가열 장치에서 불균일한 가열에 의하여 특정 영역이 과열되는 경우를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치의 구조에 대한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서 제3 발열체의 와이어 직경에 따른 발열량 변화를 보여주는 표이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치에서 특정 영역에서의 과열이 해소된 경우를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치에서 제2 발열체와 제3 발열체를 연결하는 연결부재의 구조를 예시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예로서 기판 가열 장치의 중간 영역에서의 발열량과 대칭 영역에서의 발열량의 편차를 줄이는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로서 기판 가열 장치의 중간 영역에서의 발열량과 상기 중간 영역과 수직하는 영역에서의 발열량의 편차를 줄이는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치의 구성을 예시하는 도면이다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 연결부재의 형상을 예시하는 도면이다.
도 14 내지 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치에서의 연결부재와 커넥터를 설명하는 도면이다.
도 19 내지 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치에서의 연결부재와 커넥터에 대한 열처리를 설명하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 기판 가열 장치의 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
앞서 살핀 바와 같이, 기판 가열 장치의 열적 균일성을 높이기 위하여 기판 가열 장치의 영역을 내부 영역과 외부 영역을 포함하는 복수의 영역으로 나누어 가열을 하는 경우, 상기 내부 영역을 가로질러 외부 영역의 발열체로 전력을 전달하기 위한 도전체에서의 발열로 인하여 특정 영역이 과열되는 문제가 나타날 수 있다.
이에 대하여, 본 발명에서는 기판 가열 장치의 내부 영역에 위치하는 제1 발열체와 외부 영역에 위치하는 제2 발열체 및 상기 내부 영역을 가로질러 제2 발열체로 전력을 전달하는 제3 발열체를 포함하여 구성되며, 상기 제3 발열체를 구성하는 와이어의 직경을 상기 제2 발열체를 구성하는 와이어의 직경보다 두껍게 함으로써, 상기 제3 발열체의 발열에 의하여 과열 영역이 발생하는 것을 억제할 수 있는 기판 가열 장치를 개시한다.
도 3에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치의 구조(300)를 예시하고 있다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)는 기판을 지지하는 몸체부(미도시), 상기 몸체부의 내부 영역에 위치하는 제1 발열체(310), 상기 내부 영역을 둘러싸는 외부 영역에 위치하는 제2 발열체(320) 및 상기 몸체부의 내부 영역을 가로질러 상기 제2 발열체(320)로 전류를 전달하는 제3 발열체(330)를 포함하여 구성될 수 있으며, 이때 상기 제3 발열체(330)를 구성하는 와이어의 직경을 상기 제2 발열체(320)를 구성하는 와이어의 직경보다 두껍게 함으로써, 상기 제3 발열체(330)의 저항값을 낮추고 나아가 상기 제3 발열체(330)에서의 발열을 억제하여 상기 제3 발열체(330)의 발열에 의하여 특정 영역이 과열되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이때, 상기 기판 가열 장치(300)에는 유리 기판, 플렉서블(flexible) 기판, 반도체 기판 등의 기판이 안착되어 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)이나 물리기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 등의 공정에 의해 유전체층 및 금속층을 포함하는 일련의 층들이 적층되고 패터닝하는 공정을 거치게 된다. 이때, 상기 기판 가열 장치(300)에서는 공정에서 요구되는 소정의 온도로 상기 기판을 균일하게 가열하여 주게 된다.
상기 기판 가열 장치(300)의 몸체부(미도시)는 그 용도나 사용되는 공정에 따라 세라믹이나 금속 등을 사용하여 구성될 수 있으며, 상기 몸체부에는 플라즈마 공정 등에서 사용되는 고주파 전극(미도시) 등과 함께 상기 기판을 가열하기 위한 발열체가 포함될 수 있다. 덧붙여, 상기 기판 가열 장치(300)에는 상기 몸체부의 상면으로 기판을 안착시키거나 외부로 언로딩(unloading)하는 리프트 핀들이 움직일 수 있도록 복수의 핀홀(미도시)들이 형성될 수도 있다.
고온의 공정에서의 안정성 등을 위하여 상기 기판 가열 장치(300)의 몸체부를 세라믹 재질로 구성할 수 있으며, 이때 사용될 수 있는 세라믹은 Al2O3, Y2O3, Al2O3/Y2O3, ZrO2, AlC, TiN, AlN, TiC, MgO, CaO, CeO2, TiO2, BxCy, BN, SiO2, SiC, YAG, Mullite, AlF3 등 일 수 있고, 상기 세라믹들 중 둘 이상이 복합적으로 사용될 수도 있다.
상기 발열체는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금을 사용하여 형성될 수 있다.
도 3(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 통상적으로 동일한 직경의 하나의 와이어를 사용하여 상기 제2 발열체(320)와 상기 제3 발열체(330)를 구성함으로서, 다소 손쉽게 상기 기판 가열 장치를 복수의 영역으로 나누어 가열하는 구조를 구성할 수 있다. 그러나, 이러한 경우 외부 영역의 제2 발열체(320)의 가열을 위하여 전력을 인가하는 경우, 상기 제3 발열체(330)에서도 상기 제2 발열체(320)과 동일하게 발열이 발생하게 되면서, 상기 제3 발열체(330)가 위치하는 중간 영역이 과열되는 문제가 나타날 수 있게 된다.
특히, 상기 제3 발열체(330)에 의한 발열량에 더하여, 상기 중간 영역에 근접하는 제1 발열체(310)에서의 발열이 더해지면서, 상기 중간 영역이 더욱 가열될 수 있고, 이에 따라 앞서 도 2에서 살핀 바와 같이 특정 영역이 과열되어 열적 균일성(thermal uniformity)이 크게 나빠지는 문제가 발생하게 된다.
이에 대하여, 상기 제1 발열체(310)에서의 발열에 의한 영향을 줄이기 위하여 상기 제1 발열체(310)를 상기 제3 발열체(330)로부터 이격하는 방안도 고려할 수 있을 것이다. 그러나, 이러한 경우 각 영역에 대한 전력 인가 상태에 따라서, 상기 제3 발열체(330)가 위치하는 중간 영역에서의 발열량이, 상기 몸체부의 중심점을 기준으로 상기 중간 영역과 대칭을 이루는 대칭 영역에서의 발열량과 크게 달라질 수도 있어, 경우에 따라서는 오히려 기판 가열 장치의 열적 균일성(thermal uniformity)이 나빠질 수도 있다.
따라서, 상기 중간 영역에서의 제1 발열체(310)의 구조와 이에 대응하는 대칭 영역에서의 제1 발열체(310)의 구조는 가능하면 동일한 대칭 구조를 이루는 것이 바람직하며, 상기 제3 발열체(330)의 포선 등을 위하여 상기 대칭 구조를 구성할 수 없다고 하더라도 최대한 유사한 구조로 구성하는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 제1 발열체(310)의 대칭 구조를 최대한 유지하면서 상기 제3 발열체(330)에서의 발열량을 줄이는 것이 보다 바람직한 접근 방안이 될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서는 도 3(c)에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 제3 발열체(330)를 구성하는 와이어의 직경(X+Y)을 제2 발열체를 구성하는 와이어의 직경(X)보다 키워 저항값을 줄여줌으로써 상기 제3 발열체(330)에 의한 발열을 억제하도록 하였다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서 상기 제3 발열체(330)가 위치하는 중간 영역에는 상기 제1 발열체(310)가 위치하지 않도록 함으로써, 상기 제1 발열체(310)와 상기 제3 발열체(330)가 중첩되어 배치되는 것을 방지하고 상호 이격 배치되도록 함으로써, 상기 제1 발열체(310) 및 상기 제3 발열체(330)의 발열이 중첩되는 효과를 저감시키는 것이 바람직하다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)는 반드시 도 3(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 기판 가열 장치의 영역을 내부 영역 및 외부 영역의 두개의 영역만으로 분할하여 구성하여야 하는 것은 아니며, 상기 내부 영역 및 외부 영역을 포함하되 그 외에 하나 이상의 영역을 더 포함하여 복수의 영역으로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 몸체부의 중심점을 통과하는 상기 중간 영역의 중심축을 기준으로, 상기 제1 발열체(310), 상기 제2 발열체(320) 및 상기 제3 발열체(330)가 대칭인 형상을 이루도록 함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)가 상기 중심축을 기준으로 대칭적인 열적 분포를 가지도록 할 수 있고, 나아가 상기 기판 가열 장치(300)의 열적 균일성을 보다 개선할 수 있게 된다.
도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 제3 발열체를 구성하는 와이어의 직경을 달리하면서 와이어의 저항값 및 발열량을 산출한 표를 도시하고 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 제3 발열체를 구성하는 와이어의 직경이 0.50 밀리미터(mm) 인 경우 와이어의 저항값은 0.030 옴(Ohm)이 되고, 상기 와이어에 14.5 암페어(A)의 전류를 인가하는 경우 상기 와이어에서는 6.27 와트(W)의 발열량을 나타내게 되는 것을 알 수 있다.
이에 반하여, 상기 제3 발열체를 구성하는 와이어의 직경이 1.00 밀리미터(mm) 인 경우 와이어의 저항값은 0.007 옴(Ohm)이 되고, 상기 와이어에 14.5 암페어(A)의 전류를 인가하는 경우 상기 와이어에서는 1.57 와트(W)의 발열량을 나타내게 되므로, 상기 와이어의 직경이 0.50 밀리미터(mm)에서 1.00 밀리미터(mm)로 두배 늘어남에 따라, 저항값과 발열량이 각각 약 1/4 수준으로 떨어진다는 것을 확인할 수 있다.
유사하게 상기 제3 발열체를 구성하는 와이어의 직경이 0.5 밀리미터(mm)에서 0.70 밀리미터(mm)로 약 1.4배 늘어남에 따라, 저항값과 발열량이 각각 약 1/2 수준으로 떨어진다는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 상기 와이어의 직경을 늘림으로써 상기 와이어에 의한 발열량을 감소시킬 수 있으며, 나아가 상기 와이어의 직경을 무한정 늘릴 수는 없는 것이므로, 상기 와이어의 직경 및 상기 와이어 간의 이격 거리, 상기 제1 발열체에 의한 발열 등을 고려하여, 상기 제3 발열체(330)가 위치하는 중간 영역에서의 발열량이 다른 영역에서의 발열량에 근접할 수 있도록 조절하는 것이 바람직하게 된다.
도 5에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서 특정 영역에서의 과열이 억제되어 열적 균일성이 개선된 경우를 도시하고 있다. 도 5(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 중간 영역의 제3 발열체(330)에 의한 발열을 적절하게 억제하지 못하는 경우, 중간 영역에 발열량이 집중되면서 과열되는 경우가 나타날 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는 상기 제3 발열체(330)를 구성하는 와이어의 직경을 상기 제2 발열체(320)를 구성하는 와이어의 직경보다 두껍게 함으로써, 상기 제3 발열체(330)의 저항값을 낮추고 상기 제3 발열체(330)에 의한 발열을 억제하여 상기 중간 영역에서의 과열의 발생을 효과적으로 억제할 수 있음을 보여주고 있다.
도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서 제2 발열체(320)와 제3 발열체(330)를 연결하는 연결부재의 구조를 예시하는 도면을 보여주고 있다. 도 6(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예로서 상기 제2 발열체(320)는 X의 직경을 가지고, 상기 제3 발열체(330)는 X+Y의 직경을 가지는 서로 다른 직경을 가지는 별개의 와이어로 구성될 수 있다. 따라서, 도 6(b)에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 제2 발열체(320)와 상기 제3 발열체(330)를 연결시켜주는 연결부재(340)가 사용하여 상기 제2 발열체(320)와 상기 제3 발열체(330)를 연결시킬 수 있다.
이때, 상기 연결부재(340)는 상기 제2 발열체(320) 및 상기 제3 발열체(330)를 구성하는 서로 직경이 다른 와이어를 억지끼움하여 고정하는 개구를 포함하여 구성될 수 있다. 나아가, 상기 제2 발열체(320), 상기 제3 발열체(330) 및 상기 연결부재(340)는 모두 동일한 재질로 구성될 수도 있다.
이에 따라, 상기 제2 발열체(320), 상기 제3 발열체(330) 및 상기 연결부재(340)는 세라믹의 소결 등 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)의 제작 공정이나, 기판에 대한 화학기상증착(CVD) 등 기판 처리 공정에서의 고온 환경 등에서도 안정적으로 결합 구조를 유지할 수 있게 된다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서 상기 연결부재(340)가 반드시 사용되어야 하는 것은 아니다. 보다 구체적인 예를 들여 도 6(c)에서 볼 수 있는 것과 같이, 상기 2 발열체(320)와 상기 제3 발열체(330)를 하나의 와이어로 구성하면서, 상기 제2 발열체(320)와 상기 제3 발열체(330)의 연결 부분은 테이퍼링(tapering) 형상을 가지도록 할 수도 있다. 이러한 경우, 상기 제2 발열체(320)와 상기 제3 발열체(330)의 연결 부분에서의 열적, 구조적 안정성이 보다 개선될 수 있어, 매우 높은 고온 또는 반복적인 열적 환경 변화에도 보다 안정적으로 연결 구조를 유지할 수 있게 된다. 또는, 도 6(d)에서 볼 수 있는 것과 같이, 상기 제2 발열체(320)와 상기 제3 발열체(330)의 연결 부분을 용접(welding) 등을 이용하여 접합시킬 수도 있다.
도 7에서는 본 발명의 일 실시예로서 기판 가열 장치(300)의 중간 영역(도 7에서의 C 영역)에서의 발열량과 대칭 영역(도 7에서의 D 영역)에서의 발열량의 편차를 줄이는 구조를 설명하고 있다. 즉, 상기 기판 가열 장치(300)에서 몸체부의 중심점을 기준으로 상기 중간 영역과 대칭을 이루는 대칭 영역에 대하여, 상기 몸체부의 중심점을 통과하는 상기 중간 영역의 중심축(도 7의 C1-C2)에서의 상기 제1 발열체(310) 및 상기 제3 발열체(330)의 발열에 의한 표면 온도의 평균치는, 상기 몸체부의 중심점을 통과하는 상기 대칭 영역의 중심축(도 7의 C2-C3)에서의 상기 제1 발열체(310)의 발열에 의한 표면 온도의 평균치와 실질적으로 동일하도록 할 수 있다. 이를 위하여, 상기 중간 영역에서의 중심축 주변의 제3 발열체(330)의 직경, 상기 제3 발열체(330) 간의 이격 거리, 상기 제3 발열체(330)와 상기 제1 발열체(310) 간의 이격 거리 등을 조절할 수 있다.
이에 따라, 상기 중간 영역의 중심축에서의 온도 및 상기 대칭 영역의 중심축에서의 표면 온도의 평균치를 동일하게 함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)의 열적 균일성을 개선할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로서 기판 가열 장치(300)는 상기 몸체부의 중심점을 통과하는 상기 중간 영역(도 7에서의 C 영역)의 중심축(도 7의 C1-C2)에서의 상기 제1 발열체(310) 및 상기 제3 발열체(330)의 발열에 의한 표면 온도의 최대치와 최소치의 차이를, 상기 몸체부의 중심점을 통과하는 상기 대칭 영역(도 7에서의 D 영역)의 중심축(도 7의 C2-C3)에서의 상기 제1 발열체(310)의 발열에 의한 표면 온도의 최대치와 최소치의 차이보다 작거나 같도록 함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)의 열적 균일성을 개선할 수도 있다.
도 8에서는 본 발명의 일 실시예로서 기판 가열 장치(300)의 중간 영역(도 8에서의 C 영역)에서의 발열량과 상기 중간 영역과 수직하는 영역(도 8에서의 E 영역)에서의 발열량의 편차를 줄이는 구조를 설명하고 있다. 먼저, 상기 기판 가열 장치(300)에서의 중간 영역과 상기 중간 영역에 대한 수직 영역에 대하여, 상기 몸체부의 중심점을 통과하는 상기 중간 영역의 중심축(도 8의 C1-C2)에서의 상기 제1 발열체(310) 및 상기 제3 발열체(330)의 발열에 의한 표면 온도의 평균치는, 상기 중심 영역에 대한 수직 영역의 중심축(도 8의 C2-C4)에서의 상기 제1 발열체(310)의 발열에 의한 표면 온도의 평균치와 실질적으로 동일하도록 할 수 있다. 이를 위하여, 상기 중간 영역에서의 중심축 주변의 제3 발열체(330)의 직경, 상기 제3 발열체(330) 간의 이격 거리, 상기 제3 발열체(330)와 상기 제1 발열체(310) 간의 이격 거리 등을 조절할 수 있다.
이에 따라, 상기 중간 영역의 중심축에서의 온도 및 상기 중간 영역에 대한 수직 영역의 중심축에서의 표면 온도의 평균치를 동일하게 함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)의 열적 균일성을 개선할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로서 기판 가열 장치(300)는 상기 몸체부의 중심점을 통과하는 상기 중간 영역(도 8에서의 C 영역)의 중심축(도 8의 C1-C2)에서의 상기 제1 발열체(310) 및 상기 제3 발열체(330)의 발열에 의한 표면 온도의 최대치와 최소치의 차이를, 상기 중간 영역에 대한 수직 영역(도 8에서의 E 영역)의 중심축(도 8의 C2-C4)에서의 상기 제1 발열체(310)의 발열에 의한 표면 온도의 최대치와 최소치의 차이보다 작거나 같도록 함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)의 열적 균일성을 개선할 수도 있다.
또한, 도 9에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)의 구성을 예시하고 있다. 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)는, 기판(S)을 가열하는 기판 가열 장치(300)로서, 기판(W)이 안착되는 기판 안착부(120)를 구비하여 상기 기판(W)을 지지하는 몸체부(110), 상기 몸체부(110)의 하부에 내장되어 상기 기판(W)을 가열하는 발열부(130)가 포함될 수 있고, 이때 상기 발열부(130)에는 상기 몸체부(110)의 내부 영역에 위치하는 제1 발열체(310), 상기 내부 영역을 둘러싸는 외부 영역에 위치하는 제2 발열체(320) 및 상기 몸체부(110)의 내부 영역을 가로질러 상기 제2 발열체(320)로 전류를 전달하는 제3 발열체(330)가 포함될 수 있으며, 또한 상기 제2 발열체(320)와 상기 제3 발열체(330)를 전기적으로 연결하는 연결부재(340)가 포함되어 구성될 수 있다.
나아가, 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에는, 상기 몸체부(110)를 지지하는 지지부(110a), 상기 발열부(130)로 전원을 공급하는 전원 공급부(100b), 접지를 제공하는 접지부(100c)가 포함될 수 있으며, 또한 플라즈마 형성을 위한 고주파가 인가되는 고주파 전극부(140)가 구비될 수도 있다.
또한, 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)는 챔버(31) 내부에 배치되어 공정이 수행될 수 있으며, 상기 챔버(31)에는 플라즈마 전극(32)과 샤워 헤드(33) 등이 구비될 수도 있다.
그런데, 앞서 도 3 및 도 6에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서 상기 제2 발열체(320)와 상기 제3 발열체(330)를 전기적으로 연결하기 위해 사용되는 연결부재(340)는 통상적으로 상기 제2 발열체(320) 및 상기 제3 발열체(330)와 같이 몰리브덴(Mo) 등의 금속으로 구성되는 반면, 상기 기판 가열 장치(300)의 몸체부(110)는 통상적으로 질화 알루미늄(AlN) 등의 세라믹으로 구성된다.
이때, 상기 기판 가열 장치(300)의 제조 공정에서는 질화 알루미늄(AlN) 등 세라믹으로 구성되는 상기 몸체부(110) 내에 상기 제2 발열체(320), 상기 제3 발열체(330) 및 상기 연결부재(340) 등을 미리 정해진 위치에 배치한 후 고온(예를 들어, 약 1800˚C)의 환경에서 높은 압력을 인가하면서 상기 세라믹을 소결(sintering)시켜 상기 기판 가열 장치(300)를 제조하게 된다.
그런데, 상기 소결 공정에서는 고온 환경에서 고압이 인가되면서 상기 몸체부(110)를 이루는 세라믹과 연결부재(340)의 금속 재질 간의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인한 열 응력 및 상기 고압에 의한 압축 응력이 유발되면서 상기 몸체부(110)의 세라믹 영역에 미세 균열(crack)이 발생할 수 있었다.
나아가, 상기 기판 가열 장치(300)의 사용에 따른 상기 미세 균열(crack)의 확산으로 인한 상기 기판 가열 장치(300)의 내구성 열화 및 사용 연한 단축을 초래할 수도 있었다.
이에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 연결부재(340)가 구형(spherical) 입체 형상을 가지면서, 상기 연결부재(340)의 중심점에서 하부 방향으로 소정의 거리만큼 이격되는 제1 평면(예를 들어, 도 10(a)의 (A) 평면)의 아래 부분은 제거된 형상으로 구성될 수 있으며, 이때 상기 연결부재(340)는 상기 제1 평면이 상기 기판 안착부(120)와 평행한 구조로 배치될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 상기 연결부재(340)의 구형(spherical) 입체 형상에 따른 압축 응력의 분산과 함께, 또한 위와 같이 하부 방향으로 일정 부분이 제거된 형상을 통해 높이를 줄여 상부 방향에서 인가되는 고압에 따른 응력의 영향을 줄여 미세 균열의 발생을 억제할 수 있게 된다.
나아가, 위와 같이 하부 방향으로 일정 부분이 제거됨으로써 상기 연결부재(340)의 부피도 줄일 수 있어 고온 환경에서의 열팽창에 따른 응력을 억제할 수 있게 된다.
이때, 도 10(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 연결부재(340)의 높이(예를 들어, 도 10(a)에서 H11)는 폭(도 10(a)에서 W11) 보다 얇을 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에서는 도 10의 (a), (b), (c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 구형 입체 형상의 폭(W11 → W12 → W13) 및 높이(H11 → H12 → H13)을 감소시켜 줌으로써, 상기 연결부재(340)의 부피를 줄여 열팽창에 따른 열 응력을 억제할 수 있고, 이와 동시에 상기 높이의 감소에 따라 압축 응력도 억제하여 미세 균열의 발생도 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 연결부재(340)가 구형(spherical) 입체 형상이 상하 방향으로 단축된 타원형(elliptical) 입체 형상으로 구성될 수 있으며, 이때 상기 연결부재(340)는 상기 타원형 입체 형상에서 상기 상하 방향의 축(예를 들어, 도 11의 (B))이 상기 기판 안착부(120)와 수직한 구조로 배치될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 상기 연결부재(340)의 타원형(elliptical) 입체 형상에 따른 압축 응력의 분산과 함께, 또한 위와 같이 상하 방향으로 단축된 형상을 통해 높이를 줄여 상부 방향에서 인가되는 고압에 따른 응력의 영향을 줄여 미세 균열의 발생을 억제할 수 있게 된다.
나아가, 위와 같이 상하 방향으로 단축된 형상으로 상기 연결부재(340)의 부피도 줄일 수 있어 고온 환경에서의 열팽창에 따른 응력을 억제하여 미세 균열의 발생도 방지할 수 있게 된다.
이때, 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 연결부재(340)의 높이(예를 들어, 도 11에서 H2)는 폭(도 11에서 W2) 보다 얇은 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 연결부재(340)가 원통형(cylindrical) 입체 형상으로 구현되어, 상기 원통형 입체 형상의 길이 방향 축이 상기 기판 안착부(120)와 수직한 구조로 배치될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는 상기 연결부재(340)의 부피를 줄여 고온 환경에서의 열팽창에 따른 응력을 억제하여 미세 균열의 발생을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 도 13에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 연결부재(340)가 원통형(cylindrical) 입체 형상으로 구현되어, 상기 원통형 입체 형상의 길이 방향 축이 상기 기판 안착부(120)와 평행하게 배치되는 구조를 이루며, 상기 제2 발열체(320)와 상기 제3 발열체(330)가 삽입되어 고정되는 각 개구가 상기 원통형 입체 형상의 양측 평면에 대향하여 구비로 배치될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는 상기 연결부재(340)의 높이를 낮추거나 부피를 줄일 수 있고(예를 들어, 도 13(a) 대비 도 13(b) 및 도 13(c)), 따라서 고온 및 고압 환경에서의 열팽창에 따른 응력 또는 압축 응력을 억제하여 미세 균열의 발생을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서, 상기 연결부재(340)는 몰리브덴(Mo)과 텅스텐(W)이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성될 수 있다(예를 들어, 도 14의 (E에 위치)).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에는, 상기 제1 발열체(310)의 종단에 연결되어 전원 공급부(100b)로부터 공급되는 전원을 전달하는 발열체 커넥터(미도시)가 포함될 수 있으며, 상기 발열체 커넥터(미도시)도 몰리브덴(Mo)과 텅스텐(W)이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성될 수 있다(도 14의 (C)에 위치).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에는, 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 플라즈마를 생성하기 위하여 고주파가 인가되는 고주파 전극부(140) 및 상기 고주파 전극부(140)의 종단에 연결되어 고주파 공급부(미도시)로부터 공급되는 고주파를 전달하는 고주파 커넥터(미도시)가 포함될 수 있으며, 상기 고주파 커넥터(미도시)도 몰리브덴(Mo)과 텅스텐(W)이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성될 수 있다(도 14의 (D)에 위치).
즉, 종래 기판 가열 장치(300)에서는 통상적으로 상기 연결부재(340)와 발열체 커넥터(미도시), 고주파 커넥터(미도시)가 발열체와 동일하게 몰리브덴(Mo) 등의 금속으로 구성되는 반면, 상기 기판 가열 장치(300)의 몸체부(110)는 통상적으로 질화 알루미늄(AlN) 등의 세라믹으로 구성되어, 상기 기판 가열 장치(300)의 제조 공정에서 질화 알루미늄(AlN) 등 세라믹으로 구성되는 상기 몸체부(110) 내에 상기 발열체와 함께 연결부재(340)와 발열체 커넥터(미도시), 고주파 커넥터(미도시)를 정해진 위치에 배치한 후 고온(예를 들어, 약 1800˚C)의 환경에서 높은 압력을 인가하면서 상기 세라믹을 소결(sintering)시켜 상기 기판 가열 장치(300)를 제조하였다.
그런데, 상기 소결 공정에서는 고온 환경에서 고압이 인가되면서 상기 몸체부(110)를 이루는 세라믹과 상기 연결부재(340)와 발열체 커넥터(미도시), 고주파 커넥터(미도시)의 금속 재질 간의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인한 열 응력으로 인하여 상기 몸체부(110)에서 상기 연결부재(340)의 주변의 세라믹 영역에 미세 균열(crack)이 발생할 수 있었다(예를 들어, 도 15의 연결부재(340) 주변의 crack 참조).
나아가, 상기 기판 가열 장치(300)의 공정 온도(예를 들어 650˚C) 노출이 축적되면서 상기 미세 균열(crack)이 확산되어 상기 기판 가열 장치(300)의 내구성 열화 및 사용 연한 단축을 초래할 수도 있었다.
이에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 상기 연결부재(340), 발열체 커넥터(미도시) 또는 고주파 커넥터(미도시)를 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성함으로써, 상기 몸체부(110)를 구성하는 질화 알루미늄(AlN) 등 세라믹 재질과의 열팽창 계수(CTE) 차이에 의한 열 응력을 방지하여 미세 균열(crack)의 발생을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
보다 구체적인 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)의 몸체부(110)에는 발열부(130)와 고주파 전극부(140)가 몸체부(110)의 세라믹 소결체(미도시)에 내장될 수 있으며, 이때 상기 발열체 커넥터(미도시)는 상기 발열부(130)와 연결되는 위치에 배치되어 상기 발열부(130)로 전원을 전달하게 된다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서, 상기 발열체 커넥터(미도시)는 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되어 상기 몸체부(110)를 구성하는 질화 알루미늄(AlN) 등 세라믹 재질과의 열팽창 계수(CTE) 차이에 의한 열 응력을 방지하여 미세 균열(crack)의 발생을 억제하게 된다.
보다 구체적으로, 도 16에서는 상기 발열체 커넥터(미도시)를 구성하는 금속 재질(몰리브덴, 몰리브덴-텅스텐 합금)과 상기 세라믹 재질(AlN)의 열팽창 계수를 비교하여 보여주고 있다(도 1(a) 승온 CTE, 도 16(b) 감온 CTE).
또한, 도 17에서는 상기 세라믹 재질의 열팽창 계수를 기준으로 상기 발열체 커넥터(미도시)를 구성하는 금속 재질(몰리브덴, 몰리브덴-텅스텐 합금)의 열팽창 계수의 차이를 수치화한 표를 도시하고 있다.
이때, 도 16 및 도 17을 살펴보면, 세라믹 재질의 열팽창 계수(H65)와 대비할 때 몰리브덴 70% - 텅스텐 30% 합금(Mo0.7W0.3)의 열팽창 계수가 상기 세라믹 재질의 열팽창 계수에 가장 근접하는 것을 확인할 수 있으며, 또한 몰리브덴 50% - 텅스텐 50% 합금(Mo0.5W0.5)의 열팽창 계수도 상기 세라믹 재질의 열팽창 계수에 근접한 값을 가지나, 반면 몰리브덴 30% - 텅스텐 70% 합금(Mo0.3W0.7)의 열팽창 계수는 오히려 몰리브덴 100%(Mo)의 경우보다 상기 세라믹 재질의 열팽창 계수와의 차이가 커질 수 있는 것으로 판단된다.
이와 관련하여, 도 18에서는 상기 발열체 커넥터(미도시)를 구성하는 금속 재질(몰리브덴, 몰리브덴-텅스텐 합금, 텅스텐)의 종류에 따른 미세 균열(crack)의 발생 실험 결과를 예시하고 있다.
먼저, 상기 발열체 커넥터가 원기둥 형태인 경우와 그 종단에 반구가 추가된 형태로 나누고, 각각의 형태에 대하여 몰리브덴(Mo), 몰리브덴-텅스텐 합금(Mo0.3W0.7, Mo0.5W0.5, Mo0.7W0.3), 텅스텐(W) 재질로 상기 발열체 커넥터를 구성하였다. 이에 따라, 도 18에서는 소결 공정을 거친 후의 세라믹 소결체에서의 미세 균열(crack) 발생 여부를 확인할 결과를 보여주고 있다.
도 18에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 발열체 커넥터가 몰리브덴(Mo) 재질이거나 텅스텐(W) 재질인 경우 상기 세라믹 소결체에 다수의 미세 균열(crack)이 발생한 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 발열체 커넥터가 몰리브덴 30% - 텅스텐 70% 합금(Mo0.3W0.7)인 경우에도 상기 세라믹 소결체에 미세 균열(crack)이 일부 발생한 것을 확인할 수 있다.
반면, 상기 발열체 커넥터가 몰리브덴 70% - 텅스텐 30% 합금(Mo0.7W0.3) 및 몰리브덴 50% - 텅스텐 50% 합금(Mo0.5W0.5)인 경우에는 상기 세라믹 소결체에 미세 균열(crack)이 발생하지 않은 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서, 상기 발열체 커넥터는 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 것이 바람직하며, 나아가 상기 몰리브덴-텅스덴 합금 중 몰리브덴은 40 ~ 80%, 텅스텐은 20 ~ 60%의 비율로 구성됨으로써, 고온 및 고압의 소결 공정을 거치더라도 상기 몸체부(110)의 세라믹 소결체에 미세 균열(crack)이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.
나아가, 위에서는 주로 발열체 커넥터의 경우를 들어 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 앞서 설명한 바와 같이 고주파 커넥터(미도시) 및 연결부재(340) 뿐만 아니라, 종래 통상적으로 몰리브덴으로 구성되었던 제1 발열체(310), 제2 발열체(320), 제3 발열체(330) 또는 고주파 전극부(140)도 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성할 수 있으며, 나아가 상기 몰리브덴-텅스덴 합금 중 몰리브덴은 40 ~ 80%, 텅스텐은 20 ~ 60%의 비율로 구성함으로써, 고온 및 고압의 소결 공정을 거치더라도 상기 몸체부(110)의 세라믹 소결체에 미세 균열(crack)이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서, 상기 연결부재(340), 발열체 커넥터(미도시) 또는 고주파 커넥터(미도시)가 몰리브덴(Mo)과 텅스텐(W)이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 경우, 상기 연결부재(340), 발열체 커넥터 또는 고주파 커넥터는 풀림(annealing) 공정을 포함하는 열처리 공정을 거치는 것이 바람직하다.
즉, 상기 연결부재(340), 발열체 커넥터 또는 고주파 커넥터가 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 경우, 텅스텐의 취성으로 인하여 가공 과정 또는 발열체를 개구에 억지끼움(press-fitting)하기 위해 압착하는 과정 등에서 상기 몰리브덴-텅스텐 합금에 균열이 발생하는 문제가 따를 수 있다.
보다 구체적인 예를 들어, 도 19에서는 상기 연결부재(340)를 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 경우, 가공 및 압착 과정에서 상기 연결부재(340)에 균열이 발생한 경우를 예시하고 있다.
이에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 상기 연결부재(340), 발열체 커넥터 또는 고주파 커넥터가 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 경우 풀림(annealing) 공정을 포함하는 열처리 공정을 거치도록 함으로써, 경화된 몰리브덴-텅스텐 합금의 내부 균열을 제거하고 결정립을 미세화시켜 연성을 높일 수 있게 된다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서, 상기 풀림(annealing) 공정은 재질의 재결정 온도를 고려하여 진행하는 것이 바람직하며, 특히 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서 상기 풀림(annealing) 공정은 몰리브덴의 재결정 온도와 텅스텐의 재결정 온도의 범위 내에서 선택된 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서, 상기 풀림(annealing) 공정은 몰리브덴-텅스텐 합금에 대하여 몰리브덴의 재결정 온도(900˚C)와 텅스텐의 재결정 온도(1000~1300˚C) 범위에서 진행하는 것이 바람직하며, 적정 온도를 넘기게 되는 경우 결정립이 성장하여 연성보다 취성이 높아지면서 가공 및 압착 과정에서 상기 몰리브덴-텅스텐 합금에 균열이 발생할 위험이 커지게 된다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서, 상기 풀림(annealing) 공정에는, 상기 몰리브덴에 시그마 상(sigma phase)이 생성되는 온도 구간에서 상기 연결부재(340), 발열체 커넥터 또는 고주파 커넥터를 급속히 냉각시키는 급속 냉각 공정이 포함될 수 있다.
즉, 몰리브덴의 경우 냉각시 약 700~900˚C 온도 구간에서 시그마 상(sigma phase)이 생성될 수 있어 상기 몰리브덴-텅스텐 합금의 가공성 및 연성을 악화시킬 수 있으므로, 상기 온도 구간을 급속 냉각하여 시그마 상(sigma phase)의 생성을 억제하는 것이 바람직하다.
보다 구체적인 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 상기 풀림(annealing) 공정에서 약 1250˚C 에서 풀림(annealing) 공정을 수행한 후, 900˚C 부터 급속 냉각 공정으로 진행하는 방식으로 상기 연결부재(340), 발열체 커넥터 또는 고주파 커넥터에 대한 열처리 공정을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 20에서는 다양한 조건에서 수행된 열처리에 따른 연결부재(340)의 균열 발생 실험 결과를 예시하고 있다.
도 20에서 볼 수 있는 바와 같이, 조건 1(1020˚C 에서 2시간 풀림 공정 후 800˚C부터 기체 질소나 액화 질소와 같은 질소류(N2) 등을 이용해 급속 냉각)의 경우, 연결부재(340)에 균열이 뚜렷하게 확인되는 것을 알 수 있다.
또한, 조건 2(1200˚C 에서 2시간 풀림 공정 후 800˚C부터 액화 질소(N2)를 이용해 급속 냉각) 및 조건 3(1200˚C 에서 2시간 풀림 공정 후 900˚C부터 액화 질소(N2)를 이용해 급속 냉각)의 경우, 연결부재(340)에 미세 균열이 발견되어 균열의 정도는 약해졌으나 여전히 균열이 발생하였음을 알 수 있다.
반면, 조건 4(1250˚C 에서 2시간 풀림 공정 후 900˚C부터 기체 질소나 액화 질소와 같은 질소류(N2) 등을 이용해 급속 냉각)의 경우는 균열이 전혀 발견되지 않아, 결국 조건 4에서는 열처리 공정을 통해 몰리브덴-텅스텐 합금의 연성을 개선하고 가공성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 기판 가열 장치(300)의 제조 과정 중 고온 고압이 인가되는 소결 공정 등에서 연결부재(340) 등의 금속 재질과 몸체부(110)의 세라믹 재질 간의 열팽창 계수 차이로 인한 열 응력 및 인가되는 고압에 의한 압축 응력의 발생을 억제하여 몸체부(110)의 세라믹 재질에서 미세 균열(crack)의 발생을 방지하고, 나아가 기판 가열 장치(300)의 내구성 열화 및 사용 연한 단축을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
나아가, 위에서는 주로 연결부재(340)의 경우를 들어 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 앞서 설명한 바와 같이 발열체 커넥터(미도시) 및 고주파 커넥터(미도시) 뿐만 아니라, 제1 발열체(310), 제2 발열체(320), 제3 발열체(330) 또는 고주파 전극부(140)도 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성하면서 풀림(annealing) 공정을 포함하는 열처리 공정을 거치도록 할 수 있으며, 또한 상기 풀림(annealing) 공정은 몰리브덴의 재결정 온도와 텅스텐의 재결정 온도의 범위 내에서 선택된 온도에서 이루어지고, 나아가, 상기 열처리 공정에는 상기 몰리브덴에 시그마 상(sigma phase)이 생성되는 온도 구간에서 급속히 냉각시키는 급속 냉각 공정이 포함되도록 함으로써, 상기 몰리브덴-텅스텐 합금의 연성을 개선하고 가공성을 확보할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
31 : 챔버
32 : 플라즈마 전극
33 : 샤워 헤드
100a : 지지부
100b : 전원 공급부
100c : 접지부
110 : 몸체부
120 : 기판 안착부
130 : 발열부
140 : 고주파 전극부
300 : 기판 가열 장치
310 : 제1 발열체
320 : 제2 발열체
330 : 제3 발열체
340 : 연결부재
S : 기판

Claims (18)

  1. 기판을 가열하는 기판 가열 장치에 있어서,
    기판이 안착되는 기판 안착부를 구비하여 상기 기판을 지지하는 몸체부;
    상기 몸체부의 내부 영역에 위치하는 제1 발열체;
    상기 내부 영역을 둘러싸는 외부 영역에 위치하는 제2 발열체;
    상기 몸체부의 내부 영역을 가로질러 상기 제2 발열체로 전류를 전달하는 제3 발열체; 및
    상기 제2 발열체와 상기 제3 발열체를 전기적으로 연결하는 연결부재;를 포함하며,
    상기 연결부재는 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되고 질화 알루미늄(AlN) 세라믹을 사용하여 구성되는 상기 몸체부 내에 배치되며 - 이때 상기 몰리브덴-텅스텐 합금 중 몰리브덴은 40 ~ 80%, 텅스텐은 20 ~ 60%의 비율로 구성됨,
    상기 연결부재는 상기 몰리브덴의 재결정 온도와 상기 텅스텐의 재결정 온도의 범위 내에서 풀림(annealing) 공정이 진행되면서, 상기 몰리브덴에 시그마 상(sigma phase)이 생성되는 온도 구간에서 급속 냉각 공정이 수행되어,
    상기 몸체부에서 상기 연결부재 주변의 세라믹 영역의 미세 균열을 방지하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재는,
    구형(spherical) 입체 형상을 가지면서, 상기 연결부재의 중심점에서 하부 방향으로 소정의 거리만큼 이격되는 제1 평면의 아래 부분은 제거된 형상으로 구현되어,
    상기 제1 평면이 상기 기판 안착부와 평행하게 배치되는 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재는,
    구형(spherical) 입체 형상이 상하 방향으로 단축된 타원형(elliptical) 입체 형상으로 구현되어,
    상기 타원형 입체 형상에서 상기 상하 방향의 축(axis)이 상기 기판 안착부와 수직하게 배치되는 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재는,
    원통형(cylindrical) 입체 형상으로 구현되어,
    상기 원통형 입체 형상의 길이 방향 축이 상기 기판 안착부와 수직하게 배치되는 구조를 이루며,
    상기 제2 발열체와 상기 제3 발열체가 삽입되어 고정되는 각 개구가 상기 길이 방향 축과 수직한 방향으로 원통형 입체 형상의 측부에 상하로 구비되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    연결부재는,
    원통형(cylindrical) 입체 형상으로 구현되어,
    상기 원통형 입체 형상의 길이 방향 축이 상기 기판 안착부와 평행하게 배치되는 구조를 이루며,
    상기 제2 발열체와 상기 제3 발열체가 삽입되어 고정되는 각 개구가 상기 원통형 입체 형상의 양측 평면에 대향하여 구비되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발열체의 종단에 연결되어 전원 공급부로부터 공급되는 전원을 전달하는 발열체 커넥터;가 더 포함되며,
    상기 발열체 커넥터는 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 발열체 커넥터는 풀림(annealing) 공정을 포함하는 열처리 공정을 거치는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    플라즈마를 생성하기 위하여 고주파가 인가되는 고주파 전극부; 및
    상기 고주파 전극부의 종단에 연결되어 고주파 공급부로부터 공급되는 고주파를 전달하는 고주파 커넥터;가 더 포함되며,
    상기 고주파 전극부 또는 상기 고주파 커넥터 중 하나 이상은 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 고주파 전극부 또는 상기 고주파 커넥터 중 하나 이상은 풀림(annealing) 공정을 포함하는 열처리 공정을 거치는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발열체, 상기 제2 발열체 또는 상기 제3 발열체 중 하나 이상은 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 발열체, 상기 제2 발열체 또는 상기 제3 발열체 중 하나 이상은 풀림(annealing) 공정을 포함하는 열처리 공정을 거치는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  16. 제10항, 제12항 또는 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몰리브덴-텅스텐 합금 중 몰리브덴은 40 ~ 80%, 텅스텐은 20 ~ 60%의 비율로 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  17. 제11항, 제13항 또는 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 풀림(annealing) 공정은 몰리브덴의 재결정 온도와 텅스텐의 재결정 온도의 범위 내에서 선택된 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  18. 제11항, 제13항 또는 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열처리 공정에는,
    상기 몰리브덴에 시그마 상(sigma phase)이 생성되는 온도 구간에서 급속히 냉각시키는 급속 냉각 공정이 포함되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
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