KR20000010776A - 전기 발열체 및 이를 이용한 정전 척 - Google Patents

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Abstract

취성이 높으며 고온에서 유연하게 되는 절연형 세라믹 기판상에 형성된 전기 발열체의 단점을 제거하기 위하여, 실리카이드 단독으로, 실리카이드와 Si가 혼합되어, 또는 Si 단독으로 구성된 미세구조를 가진 전기 발열 재료 필름을 니트라이드 또는 탄화물계 절연형 세라믹의 표면에 융착시켰다.
정전 흡입되는 처리 대상물의 온도를 신속하고 정밀하게 제어할 수 있는 정전 척을 제공하기 위하여, 가열기구를, 유전체 세라믹과 세라믹의 바닥면에 형성된 전극을 구비한 정전 흡입 기구의 바닥면에 접합하고, 냉각기구를 상기 가열기구의 바닥면에 접합하였다. 가열기구는, 동일하거나 거의 유사한 선팽창계수를 가지는 두 개의 세라믹 절열 기판 사이에 끼워져 융착되는 전기 발열 재료 필름을 구비하고 있다.

Description

전기 발열체 및 이를 이용한 정전 척
전기 발열체 분야에서는, 높은 열 전도율을 가지는 세라믹 판에 히터 회로를 형성하므로써 작은 온도 변동을 가지는 평면 발열체를 만들 수 있다는 것이 알려져 있다. 세라믹 히터라고 불리는 이러한 히터는 다음과 같은 특징이 요구된다.
(1) 회로와 세라믹 재료 사이에 높은 접착력을 가질 것.
(2) 히터 회로 재료는 높은 산화저항성과 고온에서의 적응성을 가질 것.
(3) 히터의 발열 밀도가 높을 것. 즉, 히터 회로의 저항 값이 클 것. 가장 중요한 것은 적은 비용으로 큰 히터를 제조하는 것이 가능해야 한다.
그러나 현재 이용 가능한 것은 다음의 두 가지 형태밖에 없다.
(1) 전기 발열 재료로 만들어진 회로와 사전에 소결된 세라믹 판으로 구성된 히터. 여기서 상기 회로는 상기 세라믹 판 위에서 굳어진다.
이러한 형식의 히터에서는 플래티움(platium), 플래티움 합금 또는 은과 같은 귀금속 분말에 유리를 혼합하여 만든 페이스트(paste)를 소결시키므로써 회로 패턴이 만들어진다. 그러나 이러한 형식의 히터는 다음과 같은 단점이 있다.
① 이러한 형식은, 회로 기판이 세라믹 기판의 한쪽 면에서만 가열 건조되는 형식(일측 가열 건조)의 것에만 한정된다. 회로가 형성된 표면이 회로와 함께 노출되기 때문에 적용 상태에 따라서는 이 부분을 절연해야 할 필요가 생긴다.
② 전기 발열 회로의 접착력이 낮기 때문에 쉽게 벗겨지는 경향이 있다.
③ 최대 작동 온도가 결합재로 사용되는 유리의 녹는점으로 제한되므로 대략 400℃ 내지 500℃의 작동 온도 범위로 제한되며, 1000℃ 이상의 온도에서는 작동할 수 없다.
(2) 세라믹 기판이 소결될 때 그와 동시에 전기 발열 회로도 함께 가열 건조되어 제조되는 히터.
이러한 형식의 히터는 텅스텐과 같이 높은 녹는점을 가진 금속 분말 페이스트의 회로 패턴을 녹색의 세라믹 기판 상에 인쇄하고, 인쇄된 회로 위에 또다른 녹색 시트를 덧씌우고 압력을 가하여 그들을 일체적으로 소결시키므로써 제작할 수 있다. 결과적으로 세라믹 판 사이에 전기 발열 회로가 결합되어 있는 구조(양측 가열 건조)가 얻어진다.
비록 이러한 구조가 상기 (1)번 형식의 히터가 가지는 단점 즉, 전기 발열 회로가 노출된다는 단점을 제거할 수 있으나 다음과 같은 또다른 문제점이 발생한다.
① 회로가 세라믹에 의하여 덮여져야 하므로 소자의 주변 엣지 가까이에는 회로가 형성될 수 없으며 그에 따라 엣지 부분은 낮은 온도를 가질 수밖에 없다. 따라서 균일한 온도 분포를 이루기가 어려워진다.
② 얇은 평면 형상의 이러한 형식의 히터는 소결과정 동안 동그랗게 말려질 수 있다. 따라서 말려지지 않은 발열체를 만들기 위해서는 가압 소결이 필요하다.
이러한 방법은 결국 세라믹 재료의 소결과정 동안 변형이 발생한다는 문제점을 안게 되는 것이며, 또한 변형이 없으며 큰 크기를 가지는 소결된 제품을 만드는 것이 어렵게 되는 것이다. 삼차원 구조 역시 만들 수 없게 된다. 이러한 방법에서는 금형(die)을 사용할 필요가 있는데, 그에 따라 적은 양의 제품을 만들 때도 상당히 많은 비용이 들게 된다.
③ 전기 발열 금속도 세라믹의 소결 온도에서는 용융되지 않는 텅스텐 및 몰리브덴과 같은 높은 용융점을 갖는 금속들로 한정된다. 텅스텐 및 몰리브덴은 산화되는 경향이 있다는 단점이 있으며, 전기 발열 회로를 덮어 씌우게 되는 세라믹 재료는 결함이 전혀 없어야 되며 공기가 전혀 없이 완전히 밀봉되어져야만 한다. 고온의 대기중에서 장시간 동안 사용하는 것이 어렵다. 텅스텐 및 몰리브덴이 가지는 또 다른 문제점은 이들 금속의 전기 저항과 발열 밀도가 낮다는 것이다. 세라믹 히터는 앞서 살펴본 것과 같은 문제를 갖고 있다.
한편, 몰리브덴 디실리카이드(MoSi2)로 대표되는 실리카이드는 매우 높은 산화저항성을 가지고 있으며, 공기 중에서 고온에서 전기적 발열 작동에 사용될 수 있다는 것이 알려져 있다.
이 실리카이드 발열 재료의 가장 큰 단점은 매우 취성이 높아 부서지기 쉽다는 것이다. 이러한 취성 때문에 실리카이드는 통상 유리 분말과 혼합되며, 이 혼합물은 더 큰 기계적 강도를 갖도록 판 또는 봉으로 소결 성형된다. 그러나 결합재로서 유리를 사용하는 것은 열 저항성과 관련하여 문제를 일으킨다. 또한 실리카이드 그 자체는 고온에서 유연해져서 발열체를 변형시키고 쳐지게 한다는 내재적인 문제를 가지고 있다.
한편, 정전 척 분야에서는 회로 집적도가 커질수록 반도체의 플라즈마 가공이 더 정밀하고 정확해져야 한다.
플라즈마 가공의 극 소형화와 고 정확성을 달성함에 있어서, 플라즈마 처리 온도가 매우 중요한 요소가 된다. 그러나 현재 사용중인 설비로는 처리될 실리콘 웨이퍼는 과열방지를 위해서 단지 냉각(에칭공정)될 뿐이며 그에 따라 필름 형성 공정(CVD)은 공정동안 자연적인 온도 상승을 간섭 없이 방치해둔 채로 낮은 온도에서 수행된다.
현재의 상황은 앞서 설명한 바와 같으나, 이것이 온도 제어의 중요성을 인식하지 못한다는 것을 의미하는 것은 아니며, 단지 소정의 비율로 경제적으로 온도를 제어할 만한 방법이 없기 때문이라는 것이다. 경제성의 고려 없이 생산성만을 고려하면 실험적으로는 정밀한 온도제어가 가능하나, 실제 생산 라인에 적용할 수 있으며 처리될 각각의 필름 재료에 대해 생산성의 저하 없이 최적의 온도를 빠르게 설정할 수 있는 빠르고 정밀한 온도 제어 방법은 아직 없다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서는 제조 공정의 속도에 따라 온도를 신속하게 조절할 수 있는 방법이 필요하다. 즉, 생산속도의 저하 없이 신속하고 지속적인 온도 제어가 필요한 것이다.
플라즈마 처리공정 뿐만 아니라, 설비의 작동효율을 증가시키기 위해서 소정의 사전 설정된 온도까지 빠르게 가열하고 가열 후에는 신속하게 냉각시켜야 할 필요가 있는 경우가 있다. 또한 신속하고 지속적인 온도 조절이 요구되기도 한다.
한편, 진공 처리공정의 경우, 처리될 대상물의 표면에 수분이 부착되어 있다. 소정의 바람직한 진공상태를 신속히 이루기 위해서는 처리 대상물을 가열해야할 경우도 있는데, 이 경우 단지 대상물만 신속하게 가열하는 방법은 없다.
본 발명은 이러한 상황을 감안하여 개발된 것으로서 앞서 살펴 본 문제점들을 해결하기 위하여 개발된 것이며, 본 발명의 목적은 1) 사전에 미리 소결되어 있는 세라믹 재료를 기판으로 사용하는, 일측 가열 건조 형식의 전기 발열체 또는 양측 가열 건조 형식의 전기 발열체 어느 것에도 사용할 수 있으며, 소결 과정동안 가압 없이도 세라믹의 변형 문제를 해결할 수 있으며, 3) 회로와 세라믹 재료의 높은 부착 강도를 보장하며, 4) 우수한 산화저항성을 가지며 고온에서 대기중에서 사용가능하며, 5) 큰 크기의 제품 또는 삼차원의 구조를 가지는 것을 생산할 수 있으며, 6) 높은 전기 저항과 높은 와트수 밀도를 가지는, 신규한 구조의 전기 발열체를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 반도체 및 기타 처리물을 흡착하고 고정할 수 있으며, 신속히 가열 또는 냉각하여 소정이 사전 설정된 수준으로 온도를 정밀하고 신속하게 제어할 수 있는 신규한 구조를 가진 정전 척을 제공하는 것이다.
(발명의 개시)
전기 가열 소자의 상기한 문제점들은 다음에 개시되는 수단에 의하여 해결된다. 즉, 본 발명에 따른 전기 발열체는, 전기 절연성 질화물계(니트라이드:nitride) 또는 탄화물계(카바이드:carbide) 세라믹 기판, 및 실리카이드(silicide) 단독으로 또는 실리카이드와 Si의 혼합물 또는 Si 단독으로 구성된 미세조직을 가진 전기적 발열 재료 필름으로 구성된 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 필름은 상기한 전기 절연성 세라믹 기판의 표면에 융착된다.
또한 본 발명에 따른 전기 발열체는, 전기 절연성 세라믹 기판에, 실리카이드 단독으로 또는 실리카이드와 Si의 혼합으로 구성된 미세조직을 가지며 표면에 0.5% 이상의 활성 금속을 함유하는 전기 발열 재료 필름이 융착되어 있는 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기한 전기 발열체의 구성에 있어서, 세라믹 기판은 알루미늄 질화물계 세라믹(aluminum nitride ceramic)으로 구성되며, 전기 발열 재료는 실리카이드 및 Si의 혼합물로 구성된 미세조직을 가지는 것이 바람직하다.
또한 세라믹 기판은 실리콘 질화물계 세라믹(silicon nitride ceramic)이며, 전기 발열 재료는 실리카이드와 Si의 혼합물로 구성되는 미세조직을 가지는 것이 바람직하다.
또한 세라믹 기판은 실리콘 탄화물계 세라믹(silicon carbide ceramic)이며, 전기 발열 재료는 실리카이드와 Si의 혼합물로 구성되는 미세조직을 가지는 것도 바람직하다.
전기 절연형 세라믹 기판은 표면에 0.5% 이상의 활성 금속을 함유하고 있으며, 상기 세라믹 기판은 산화물계 세라믹인 것이 바람직하다.
또한 상기 산화물계 세라믹은 알루미나 세라믹이며, 전기 발열 재료는 실리카이드로 구성된 미세조직을 가지는 것이 바람직하다.
정전 척에 관하여 앞서 설명한 문제점들은, 다음의 구조를 가지는 정전 척에 의하여 해결된다. 즉, 본 발명에 따른 정전 척은, 1) 유전체(dielectric) 세라믹 및 상기 세라믹의 바닥면에 형성된 전극을 구비한 정전 흡착기구와, 상기 정전 흡착기구의 바닥면과 결합되어 있는 가열기구로 구성된 구조를 가지고 있으며, 상기 가열기구는 동일하거나 거의 유사한 선팽창계수를 가진 두 개의 전기 절연형 세라믹 기판과, 상기 기판 사이에 위치하여 상기 두 개의 기판에 융착되는 융착성 전기 발열 재료 필름을 구비한 구조로 되어 있다.
또한 본 발명에 따른 정전 척은, 2) 유전체 세라믹 및 상기 세라믹의 바닥면에 형성된 전극을 구비한 정전 흡착기구와, 상기 정전 흡착기구의 바닥면과 결합되어 있는 가열기구와, 상기 가열기구의 바닥면과 결합되어 있는 냉각기구로 구성된 구조를 가지고 있으며, 상기 가열기구는 동일하거나 거의 유사한 선팽창계수를 가진 두 개의 전기 절연형 세라믹 기판과, 상기 기판 사이에 위치하여 상기 두 개의 기판에 융착되는 융착 전기 발열 재료 필름을 구비한 구조로 되어 있다.
상기한 구조에 있어서, 3) 유전형 세라믹과 가열기구의 두 개의 세라믹 기판은 각각 알루미늄 질화물계 세라믹이며,
4) 전기 발열 재료는 실리카이드와 Si의 혼합물로 구성된 미세조직을 가진 금속이다.
본 발명은 전기 발열체(electric heating element)에 관한 것으로서 구체적으로는 세라믹 절연 기판 및 상기 전기 절연 세라믹 기판에 융착된 전기적 발열 재료 필름으로 구성된 전기 발열체에 관한 것이다.
또한 본 발명은 정전 척(electrostatic chuck)에 관한 것으로서 구체적으로는 반도체 기판과 같이 전기적으로 흡착되어진 처리 대상물의 온도를 빠르고 정확하게 제어할 수 있는 구조를 가진 정전 척에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 전기 발열체의 일 실시예를 설명하는 개략도이고,
도 2는 본 발명의 전기 발열체의 또 다른 실시예를 설명하는 개략도이고,
도 3은 본 발명의 전기 발열체의 또 다른 실시예를 설명하는 개략도이고,
도 4는 본 발명의 전기 발열체의 구체적인 실시예에 대한 설명도이고,
도 5는 본 발명의 전기 발열체에 있어서, 융착된 금속 히터 회로의 실시예를 설명하는 개략도이고,
도 6은 도 5의 선 A-A에 따른 단면도이고,
도 7은 도 6에 도시된 구조를 제조하기 위한 공정을 설명하는 개략도이고,
도 8은 히터 회로의 단락 방지를 위한 구조를 설명하는 개략도이고,
도 9는 세라믹의 단부면에서의 밀봉구조를 설명하는 개략도이고,
도 10은 히터 회로의 단부에 연결된 단자의 구조를 설명하는 개략도이고,
도 11은 히터 회로의 단부에 연결된 단자의 구조를 설명하는 개략도이고,
도 12는 히터 회로의 단부에 연결된 리드 선의 구조를 설명하는 개략도이고,
도 13은 본 발명의 전기 발열체의 구체적인 실시예에 대한 설명도이고,
도 14는 본 발명의 전기 발열체의 구체적인 실시예에 대한 설명도이고,
도 15는 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 개략도이고,
도 16은 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 개략도이고,
도 17은 본 발명의 정전 척의 기본적인 구조(유전형 세라믹이 소결재료인 경우)를 설명하는 개략도이고,
도 18은 본 발명의 정전 척의 기본적인 구조(유전형 세라믹이 필름인 경우)를 설명하는 개략도이고,
도 19는 본 발명의 정전 척의 기본적인 구조(냉각기구가 도 17에 도시된 구조와 결합되어 있는 경우)를 설명하는 개략도이고,
도 20은 본 발명의 정전 척의 기본적인 구조(냉각기구가 도 18에 도시된 구조와 결합되어 있는 경우)를 설명하는 개략도이고,
도 21은 유전형 세라믹이 소결재료인 경우의 전극 구조에 대한 설명도이고,
도 22는 유전형 세라믹이 소결재료인 경우의 전극 구조에 대한 설명도이고,
도 23은 유전형 세라믹이 소결재료인 경우의 전극 구조에 대한 설명도이고,
도 24는 본 발명의 정전 척의 일 실시예 구조를 설명하는 개략도이고,
도 25는 본 발명의 정전 척의 일 실시예 구조를 설명하는 개략도이고,
도 26은 본 발명의 정전 척의 일 실시예 구조를 설명하는 개략도이다.
본 발명의 전기 발열체는 다음에서 설명되는 바와 같다. 질화물계 및 탄화물계 전기 절연성 세라믹의 전형적인 예로는 알루미늄 질화물계 세라믹, 실리콘 질화물계 세라믹 및 실리콘 탄화물계 세라믹이 있다. 본 발명의 질화물계 및 탄화물계 전기 절연성 세라믹은 알루미늄 질화물계 세라믹 단독으로 이루어진 것, 실리콘 질화물계 세라믹 단독으로 이루어진 것 및 실리콘 탄화물계 세라믹 단독으로 이루어진 것, 그리고 이들 세라믹과 다른 질화물계, 탄화물계, 붕화물계(borides) 및 산화물계 세라믹과의 혼합물로 이루어진 것을 포함한다.
이들 질화물계 및 탄화물계 세라믹 중에서, 알루미늄 니트라이드, 실리콘 카바이드 및 이들 세라믹 재료의 혼합 세라믹은 우수한 열전도율을 가지므로 전기 발열체용 기판으로서 가장 적합하다.
기판으로서 두 개의 세라믹을 사용하며, 상기 두 개의 세라믹 사이에 위치하여 융착되는 전기 발열 재료 필름을 구비하고 있는 양측 가열 건조 형식의 전기 발열체의 경우, 두 개의 세라믹 기판은 반드시 동일한 세라믹 재료로 이루어 질 필요는 없으나 두 기판의 선팽창계수가 서로 거의 동일한 것이 바람직하다.
Si와 등방성 고용체를 형성하는 원소, 예를 들면 Ge와 같은 원소를 제외하고는, 거의 모든 금속이 Si와 반응하여 실리카이드를 형성한다.
원소 X가 Si와 반응하여 실리카이드를 형성한다고 가정할 때, X-Si합금의 미세조직은 Si함량에 따라 다음과 같이 변화된다.
(1) Si함량이 점차 증가함에 따라 어떤 조성에서 최초로 실리카이드가 형성되는데, 이때의 조성을 Si(1)이라 칭한다. Si < Si(1)인 조성범위에서 금속 X의 실리카이드 상(phase)은 금속 X의 매트릭스에 혼재되어 있거나 또는 소정의 Si가 고용되어 있는 금속 X의 매트릭스와 혼재되어 있다.
(2) Si함량이 Si(1)에서의 함량 이상으로 증가하게 되면, 서로 다른 조성의 실리카이드가 연속적으로 나타나게 된다. Si 함량이 소정의 조성 Si(2) 이상이 되면 실리카이드와 Si의 공정(共晶)(eutectic crystal)이 형성된다. Si(1)은 원소 X가 가장 풍부한 실리카이드이며, Si(2)는 Si함량이 가장 많은 실리카이드이다. Si(1)≤Si≤Si(2)의 조성범위는 한 종류의 실리카이드이거나 또는 둘 이상의 실리카이드가 혼재하는 것이다.
(3) Si(2) 보다 크고 100%의 Si 보다 작은 범위의 조성 즉, Si(2) < Si < Si(100%) 범위의 조성에서는 Si와 실리카이드가 혼재한다.
(4) 100%의 Si 조성에서는 Si의 다결정이 된다. 상기한 X와 Si 두개의 원소로 이루어진 조성물계에 제3의 원소, 제4의 원소, 제5의 원소 등이 더 추가 되더라도, 매트릭스에 실리카이드가 포함되어 있는 기본적인 재료의 구조는 변하지 않는다.
제3의 원소, 제4의 원소, 제5의 원소 등이 매트릭스에 고용되거나 또는 다른 조성물을 형성하여 매트릭스 내에서 결정화되거나 또는 응결되더라도 적어도 실리카이드(또는 복합 실리카이드)는 매트릭스 내에서 사라지지 않는다.
본 명세서에서 실리카이드라는 용어는 순수한 실리카이드 및 복합 실리카이드를 모두 총칭하기 위하여 사용되었다.
상기한 (1)번 범위(Si ≥ 5 %)의 일부분 및 (2)번, (3)번, (4)번의 범위 내에 있는 조성물은 용융되고 질화물계 세라믹 및 탄화물계 세라믹에 흡수되어 융착된다. 전기 발열체를 위해서는 융착 가능한 (1)번 범위(Si ≥ 5 %) 및 (2)번, (3)번, (4)번의 범위가 사용될 수 있다. (2)번, (3)번, (4)번의 조성범위가 특히 바람직하다.
(2)번, (3)번, (4)번 범위의 조성은 전기 절연성 질화물계 및 탄화물계 세라믹과의 융착성 이외에도 다음에서 설명되는 장점이 있다.
1. 선팽창계수가 실리카이드의 함량을 변화시켜 조절할 수 있는 범위인 4x10-6내지 8x10-6범위 (상기 (3)번, (4)번 조성범위의 경우는 4x10-6내지 6x10-6범위)에 있으므로 기판의 세라믹 재료와 잘 어울리게 할 수 있다. 따라서 융착된 인터페이스 내에서의 열응력을 최소화시킬 수 있으며 고온에서의 안정성도 좋게 되어 발열체의 탈락도 방지할 수 있게 된다.
(3)번 및 (4)번 조성 범위에서는 용융점이 낮아지며 그에 따라 융착 온도도 낮아지게 된다는 이점이 있다. 비록 실리카이드가 높은 온도 (약 1000℃ 또는 그 이상)에서는 부드러워지고 변형되는 경향이 있어 발열체로서 사용하기에는 단점이 있으나, 세라믹 재료에 융착하게 되면 변형을 방지할 수 있으며, 융착 인터페이스에서의 응력을 완화시켜 상기한 단점을 장점으로 바꿀 수 있게 된다. 이와 같이 실리카이드 또는 이 실리카이드를 포함하는 금속성 재료는 고온에서 사용되는 발열체를 제조하기 위하여 세라믹 재료에 융착되는 필름으로 사용하기에 매우 적합하다.
2. (2)번, (3)번, (4)번의 조성범위는 (1)번의 조성범위 보다 높은 온도의 대기중에서의 산화저항성을 갖는다.
3. 전기 저항이 높으면 더 짧은 레지스터 회로를 만들 수 있으므로 단위 면적당 더 높은 와트수를 가지는 히터를 만들 수 있게 된다.
이와 같은 이유로 인하여 전기 발열체는 (1)번의 조성범위 보다는 (2)번, (3)번, (4)번 조성범위가 특히 더 바람직하다.
(1)번의 조성범위에서는 더 높은 열팽창 계수와 낮은 전기 저항을 갖기 때문에, 열응력을 감소시키고 전기 저항을 증가시키기 위해서는, 더 얇은 필름이 필요하다. 필름의 두께는 20㎛ 이하인 것이 좋으며, 더 바람직한 두께는 10㎛이하이다. 융착된 두께가 20㎛ 보다 더 크게 되면 박리가 발생할 수도 있다.
X-Si 합금에서 X원소는 Cr, Mo, W, Fe, Ni, Co, B, P 및 활성금속, 그리고 Pt, Pd, Rh, Ir, Cu, Ag 및 그 외 실리카이드 형성 원소 등으로부터 목적에 맞추어 선택할 수 있다. 필요에 따라서는 상기의 원소 중 어느 하나 또는 그 이상의 원소를 혼합하여 사용할 수도 있다.
첨가되는 양은, 미세조직을 형성할 수 있는 (2)번, (3)번의 조성범위 즉, 실리카이드 형성 범위 및 실리카이드와 Si의 형성 범위에서 자유롭게 결정될 수 있으나, 가장 바람직한 범위는 미세조직을 형성할 수 있는 (3)번의 조성범위 즉, 실리카이드와 Si가 혼재하는 범위이다. (3)번의 범위는, 미세조직내의 실리카이드 조성을 변화시키므로서 선팽창계수 및 전기저항을 조절할 수 있다는 점 및 용융점이 충분히 낮기 때문에 낮은 온도에서도 세라믹 재료에 융착될 수 있다는 점 등의 장점이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 앞서 설명한 원소들 중에서 특히 중요한 것은 활성 금속이다.
이상에서 살펴본 원소 이외의 원소들은 미세조직을 변화시키지 않는 범위에서 첨가 될 수 있다. 예를 들어, Si에 고용되어 전지 저항을 감소시키는 원소 또는 실리카이드에 침투하여 실리카이드의 물성(전지 저항, 선팽창계수, 용융점 등)을 변화시키는 원소가 필요에 따라 첨가될 수 있다.
불순물 반도체의 제조에 있어서, 본 발명의 경우에 효과적인 p형 반도체 또는 n형 반도체를 제조하기 위하여 고순도의 Si에 3가 또는 5가의 금속이 미소량(ppm 또는 ppb 단위의 미소량) 첨가된다. 미소량의 3가 또는 5가의 금속을 Si에 첨가하여 미세조직의 일부를 이루도록 하므로써 전기 저항을 변화시키는 기술은 본 발명에서 융착된 필름의 전기 저항을 제어하는데도 효과적이다. 또한 Si 재료내에 미소량의 원소(Fe, P, Al, C 등)가 함유된 주조용 Si 재료를 사용함으로써 전기 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 아울러 공정상의 문제로서 고순도의 Si 재료에 B, Al 및 P 또는 기타 원소들과 같은 3가 또는 5가의 원소를 미소량 첨가함므로써 전기 저항을 제어하는 것도 효과적이다. B 와 P는 모두 미소량이 Si에 고용되어 실리카이드를 이루게 된다.
비록 Si가 본래의 특성상 반도체 재료이고 높은 저항을 가지고 있으나, 앞서 설명한 미소량의 원소들을 불순물로 첨가하므로써 Si의 전도율을 현저히 증가시킬 수 있게 되므로 앞서 설명한 바와 같은 미소량의 원소들을 포함한 Si 재료가 더 바람직하다. 실리카이드에 침투되어 실리카이드의 물성(전기 저항, 선팽창계수, 용융점 등)을 변화시키는 원소의 바람직한 예로는, MoSi2에 침투하여 복합 실리카이드 (Mo5Al3)Si2를 형성하는 Al이 있다. 이 경우 MoSi2의 용융점은 2060℃에서 1800℃로 저하된다.
Si의 물성과 유사한 물성을 가지는 원소인 Ge는 Si와 실리카이드를 형성하지 않으며, 어떠한 비율로도 균일한 고용체(solid solution)를 만들 수 있을 뿐만 아니라 필요에 따라 첨가되어 용융점 및/또는 전기저항을 효과적으로 제어할 수 있는 원소이다.
활성 원소는 세라믹의 웨터빌리티(wettability)과 확산을 가속화시킬 수 있는 원소로서 본 발명에서는 이 활성 원소는 V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf, Y, Mn, Ca, Mg, 기타 희토류 원소, 알루미늄 및 그 외의 다른 원소들을 지칭한다.
활성 원소가 Si에 첨가되면 웨트각의 감소와 함께 웨터빌리티이 현저하게 증가한다. 그 결과로 융착된 필름의 두께를 줄일 수 있게 되며, 그에 따라 전기 저항이 커지는 현저한 효과가 있게 된다. 또한 융착에 의한 접착강도도 향상된다.
웨터빌리티의 개선은 활성 원소를 최저 0.1% 농도로 첨가함으로써 웨터빌리티 개선효과를 달성할 수 있으나 실질적인 효과를 얻기 위해서는 0.5% 이상을 첨가하는 것이 바람직하다.
Si과 활성 금속의 2원 합금에 있어서, 활성 금속 함량의 증가는 상대적으로 Si 함량을 감소시킨다. 대기중에서의 산화저항성이 요구되는 경우, Si 함량은 3% 이상인 것이 바람직하며 앞서 설명한 (2)번 및 (3)번의 범위 즉, 실리카이드의 범위 또는 그 이상인 것이 가장 바람직하다.
예를 들어 Si-Ti 합금의 경우, Ti3Si의 조성을 가지는 실리카이드는 Ti 함량의 비율이 84% 정도일 때 형성되며, TiSi2의 조성을 가지는 실리카이드는 Ti의 함량이 46% 정도일 때 형성된다. Ti의 함량이 46% 미만으로 내려가면 즉, Si의 함량이 54% 보다 커지면 Si와 TiSi2의 공정(eutectic crystal)이 발현된다. 따라서 (1)번 범위에서는 Ti의 함량이 84%를 초과하여 100%범위가 되어야 하며, (2)번 범위에서는 Ti의 함량이 46% 내지 84%의 범위가 되어야 하고, (3)번 범위에서는 Ti의 함량이 0.5% 초과 46% 미만의 범위가 되어야 한다. 대기중에서의 산화저항성을 고려하면 Si와 Ti의 2원 합금의 경우 Ti 함량의 상한선은 약 84%이다. 공정상의 문제로서 제3의 원소, 제4의 원소 및 그 이상의 원소가 첨가되면 이 상한선은 변하게 된다. 또한 Si는 Cr이나 또다른 산화저항성 원소로 대체될 수 있다.
Si와 활성 금속이 공존하는 조성에서는, 질화물과 탄화물 이외에도 일반적인 산화물계 세라믹과 융착된다. 이와 같이 산화물계 세라믹 재료가 기판으로 사용될 수 있다.
적절한 선팽창계수를 가지는 이러한 종류의 산화물계 세라믹은 융착될 금속의 선팽창계수와 대응되도록 선택될 수 있다, 약 3x10-6내지 9x10-6범위내의 선팽창계수를 가지는 산화물이 선택될 수 있다.
알루미나, 지르코니아, 크로미아(chromia) 등이 기판으로 사용되는 경우 (2)번의 실리카이드 조성이 융착 금속으로서 가장 바람직하다. 실리카이드의 선팽창계수는 일반적으로 5x10-6내지 9x10-6범위에 있게 되는데, 그 중 기판의 선팽창계수와 근사한 선팽창계수를 가지는 것을 선택하여 선팽창계수를 일치시키는 것도 가능하다.
주로 전기 저항을 조정할 목적으로, 경우에 따라서는 전지 발열체의 세라믹 재료(SiC, ZrO2등) 또는 융착성 재료에 용해되지 않는 또다른 절연 세라믹 재료의 분말이나 섬유, 실리카이드, 보라이드(boride) 또는 이와 같이 높은 용융점을 갖는 전기 발열체의 금속간 화합물(intermetallic compounds)의 분말이나 섬유, 또는 높은 용융점을 갖는 금속의 분말이나 섬유들이 융착성 재료와 혼합될 수 있다. 또다른 대안으로서 융착성 재료를 결합재로 사용하므로써 전기 발열체의 세라믹 재료의 이들 분말이나 섬유가 결합될 수 있으며 그와 동시에 세라믹 기판에 융착된다.
융착성 재료는, 세라믹, 금속, 금속간 화합물로 이루어진 호일(foil), 판 또는 와이어 형태의 발열 레지스터를 세라믹 기판에 접합시키기 위한 납땜 재료(brazing material)로서 사용될 수 있다.
예를 들어 금속 호일이 사용되는 경우에는, W, Mo 등의 금속 호일을 두 개의 세라믹 기판 사이에 위치시키고 납땜 재료로 전체 표면을 납땜하므로서 W 또는 Mo의 산화저항성 문제를 해소할 수 있다.
세라믹 기판에 융착되는 필름은 얇을 수록 좋다. 필름이 얇을 수록 전기 저항이 높아지고 그에 따라 더 짧은 히터 회로를 만들 수 있게 된다. 그 결과로 융착 인터페이스내의 열 응력을 감소시킬 수 있게 되며 그에 따라 더 높은 온도에서 더 오래 동안 사용하는 것이 가능해진다. 융착된 필름의 두께는 수 ㎛ 부터 500㎛ 까지의 범위에 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 저항성 있는 발열 필름은, 필름이 세라믹 기판의 일측에만 융착되어 있는 일측 융착 형식의 것뿐만 아니라 두 개의 세라믹 기판의 사이에 끼워져 양 세라믹 기판에 융착되는 양측 융착 형식의 것에도 적용될 수 있다.
양측 융착 형식에 있어서는 용융 금속이 회로와 회로 사이의 공간으로 침투하여 회로를 단락시키는 경우가 있다. 이러한 문제는 두 기판 사이를 회로 사이에 위치한 융착 금속 필름의 두께 보다 더 크게 유지하므로써 효과적으로 방지할 수 있다.
구체적으로는, 미리 회로들 사이에 홈을 형성하고 그후에 이들을 적층하고 융착시키는 것이 효과적이다.
저항형 발열 필름의 융착은 세라믹 기판의 융착면을 특정 조성으로 준비된 금속 분말로 피복하거나 또는 특정 조성으로 준비되고 회로 패턴을 가지는 금속 호일을 부착한 후 가열하고 용융시켜 융착시키므로써 이루어질 수 있다. 선택적으로, 분사 코팅, 스퍼터링(sputtering), PVD, CVD 또는 기타 필름 형성 기술들에 의하여 융착될 금속 필름을 형성하고 그후 용융 및 융착되도록 필름을 가열하는 공정을 사용할 수도 있다. 또한 구성요소의 일부로서 필름을 형성한 후에 다른 원소들의 분말을 가하거나 또는 금속 호일을 부착하여 용융시키고 융착시키는 공정도 사용할 수 있다. 융착 분위기는 진공, 희박성 또는 불활성 대기인 것이 바람직하다.
저항형 발열 필름이 세라믹 재료의 일측에만 융착되어 있는 일측 융착 형식 과 필름을 사이에 두고 있는 두 개의 세라믹 기판에 필름이 융착되어 있는 양측 융착 형식을 비교하면, 양측 융착 형식이 필름 두께의 균일성, 편평성 및 저항성 발열 필름의 고른 융착 성능면에서 일측 융착 형식보다 우수하다. 일측 융착 형식에서는, 세라믹 기판과 저항형 발열 필름이 서로 다른 선팽창계수를 갖는 경우 융착후 세라믹 기판이 변형될 수도 있다. 또한 가열과정에서 세라믹 기판의 표면이 변형될 수 도 있다. 그러나 저항형 발열 필름이 동일하거나 실질적으로 거의 동일한 선팽창계수를 가지는 두 개의 세라믹 기판 사이에 끼워져 융착되는 경우, 가열과정에서 변형이 발생하지 않으며, 저항형 발열 필름과 세라믹 기판이 서로 다른 선팽창계수를 갖는 경우일지라도 융착 후에 변형이 발생하지 않는다. 이와 같이 균일한 발열과 균일한 온도 분포를 이루기 위해서는 양측 융착 구조가 더 바람직하다.
또한 부식 저항성 및 산화저항성의 측면에서도 양측 융착 구조가 매우 바람직한데 그 이유는 세라믹 기판 사이의 틈을 통해서 볼 수 있는 융착 필름의 엣지 면만이 외기에 노출되기 때문이다. 그리고 두께에 해당되는 노출 엣지는, 졸-겔(sol-gel) 방법에 의한 세라믹 막으로 피복하거나 또는 그 사이를 무기 접착제로 메우거나 또는 유리로 밀봉하거나 또는 융착 금속으로 세라믹 기판의 둘레를 밀봉하므로써 외부로부터 보호할 수 있다.
융착 온도는 적어도 용융 부분이 발생하게 되는 고상선 온도(solidus line temperature) 보다 높아야 하며, 액상선 온도(liquidus line temperature) 또는 그 보다 더 높은 것이 가장 바람직하다.
융착 금속의 Si 재료는 반도체 제조에 사용되는 Si 재료에서 금속 주조에서 성분 조정을 위하여 사용되는 Si 재료까지의 범위에서 선택될 수 있다.
주조(casting)에 사용되는 Si 재료는 Fe, C, P, Al 등과 같이 Si의 전기 전도율을 향상시킬 수 있는 미소량 원소를 포함하는데 이러한 Si 재료가 본 발명의 목적에 바람직하다. 반도체(p형 반도체, n형 반도체)에 사용되는 불순물이 있는 Si도 본 발명의 목적에 적합하다.
다음에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구조를 설명한다. 도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 일측 융착 구조의 실시예를 설명하기 위한 개략도이다. 도 1은 실리카이드, 실리카이드+Si, 또는 Si로 이루어진 필름이 파이프 형상의 세라믹 기판의 전체 표면에 융착되어 있는 구조를 설명하기 위한 개략도이다. 도 2는 실리카이드, 실리카이드+Si, 또는 Si로 이루어진 필름이 둥근 막대 형상의 세라믹에 나선형으로 융착되어 있는 구조를 설명하기 위한 개략도이다. 도 3은 판 형상의 세라믹 기판에 회로 패턴의 필름이 융착되어 있는 구조를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1에서 부재번호 1은 알루미늄 니트라이드, 실리콘 니트라이드, 알루미나, 크로미아 또는 그와 같은 것으로 만들어진 파이프로 구성된 기판을 나타낸다. 부재번호 2는 상기 기판에 융착된 실리카이드, 실리카이드+Si, 또는 Si를 나타낸다.
융착 층의 양 단부는 도체와 연결되어 있으며, 상기 도체는 기계적 또는 야금학적 수단에 의하여 외부 전원에 연결되어 있다.
도 2에는 나선형 융착 필름이 원형의 막대 형상의 기판 상에 형성되어 있는 예가 도시되어 있다. 도 3에는 회로 패턴을 가진 융착 필름이 판 형상의 기판 상에 형성되어 있는 예가 도시되어 있다. 이러한 패턴은, 융착 금속 분말을 패턴에 따라 피복하거나, 분말을 융착하거나, 또는 융착 필름으로 전체면을 피복한 후에 필요한 패턴만 남겨두고 에칭이나 블래스팅 또는 기타 다른 수단을 이용하여 나머지 불필요한 부분을 제거함으로써 만들 수 있다.
도 5 내지 도 16에는 본 발명에 따른 양측 융착 구조의 실시예가 도시되어 있다. 도 5에는 융착 금속으로 된 히터 회로의 일 실시예가 도시되어 있다. 히터 회로는 두 개의 세라믹 기판 사이에 끼워져 융착되어 있다.
도 6에는 히터 회로가 두 개의 세라믹 기판 사이에 끼워져 있는 구조의 선 A-A를 따라 절취한 단면도가 도시되어 있다. 도 7에는 도 6에 도시된 구조를 제조하기 위한 공정의 일 실시예가 도시되어 있다. 도 8에는 히터 회로의 단락을 방지하기 위한 구조를 개략적으로 도시하고 있다.
도 6에서 융착 금속으로된 히터 회로(3)는 두 개의 세라믹 기판(4, 5) 사이에 끼워져 융착되어 있다. 융착 금속은 히터 회로를 구성함과 동시에 두 개의 세라믹 기판을 함께 유지시켜 주는 납땜 재료로도 기능 한다.
상기 회로는 예를 들어 다음에 설명하는 방법에 의하여 형성될 수 있다,
(1) 상기 세라믹 기판 모두 또는 그 중 어느 하나를 융착 금속의 조성으로 준비된 금속 분말로 만들어진 회로 패턴으로 피복하고, 상기 두 세라믹 기판을 적층하여 용융될 때까지 가열하여 융착한다.
(2) 상기 세라믹 기판 모두 또는 그 중 어느 하나를 회로 패턴으로 만들어진 융착 금속 필름으로 피복하고, 상기 두 세라믹 기판을 적층하여 용융될 때까지 가열하여 융착한다. 상기 융착 금속 필름은 스퍼터링, PVD, CVD 또는 기타 공정에 의하여 형성된다.
(3) 회로 패턴은 상기 (1)번과 (2)번 방법을 결합한 방법에 의하여 형성하고, 즉 필름 형성과 분말 적용 과정을 통하여 회로 패턴을 형성하고 이 필름을 가열하여 용융시키므로써 융착시킨다.
(4) 융착 금속 필름을 각각의 세라믹 기판의 접합면에 형성하고, 소정의 회로 패턴 부분만 남겨 놓고 필름의 불필요한 부분을 샷 블래스트(shot blast) 또는 기타 방법에 의하여 제거한다. 회로 패턴이 형성된 두 개의 세라믹 기판을 정확한 위치에 서로 마주 대 놓고 이들 세라믹 기판을 가열하여 다시 용융시켜 융착한다.
도 7에 도시되어 있는 것과 같이, 융착 필름(6)을 형성하기 위하여 금속을 각 세라믹 기판의 결합면에 융착시킨 후, 필름의 불필요한 부분을 샷 블래스트, 에칭 또는 기타 다른 방법으로 제거하여 회로 패턴을 형성하고 그 후에 세라믹 기판을 서로 마주 대 놓고 이들 가열하여(필요한 경우는 가압상태에서 가열하여) 용융점보다 낮은 온도에서 소결시키는 방법을 사용할 수도 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 두 개의 세라믹 기판 사이에 히터 회로가 끼워져 있는 구조에서는, 융착 금속이 측면으로 관통되어 회로의 단락을 일으킬 수 있다. 금속 필름이 두꺼울수록 회로의 단락이 일어날 가능성이 커진다.
그러나 도 8에 도시된 바와 같이, 회로의 이웃하는 부분 사이에 홈(7)을 형성하여 세라믹 기판 사이의 간격을 증가시키므로써 회로의 단락을 막을 수 있다.
히터 회로가 두 개의 세라믹 기판 사이에 끼워지는 경우, 세라믹 기판 사이에는 융착 금속으로 된 히터 회로의 두께에 해당하는 간극이 존재한다.
간극의 존재로 인하여 외부의 물질이 들어오게 되고 그에 따라 실제 사용에 따라 회로의 단락이 발생할 수도 있다. 따라서 엣지부분의 간극을 밀봉하는 것이 중요하다. 엣지를 밀봉하는 효과적인 방법으로는 융착 금속 띠를 이용하여 세라믹 기판의 엣지를 둘러싸므로써 폐회로(8)를 형성하고 이 폐회로(8)를 세라믹 기판의 엣지에 융착시키는 것이다.
히터 회로의 융착 금속과 동일한 금속을 사용하거나 또는 히터 회로의 융착 금속과 동일한 조건에서 융착될 수 있는 재료를 사용하므로써, 히터 회로를 융착시킴과 동시에 밀봉 폐회로(8)를 융착시킬 수 있다.
또다른 밀봉 방법으로는 세라믹 접착제를 침투시켜 고화시키고 글래스로 융착하는 방법이 있다.
다음으로는 도 9에 대하여 설명한다.
도 9에는 두 개의 세라믹 기판 모두 또는 그 중 어느 하나의 히터 회로 형성 면에 히터 회로의 융착 금속을 피복하고, 히터 회로의 융착 금속과 동일한 금속 또는 히터 회로의 융착 금속과 동일한 조건에서 융착될 수 있는 재료로 이루어진 금속 폐회로(8)의 패턴을 만들고 이들을 마주 붙여 융착되도록 동시에 가열하므로써 만들어진 구조가 도시되어 있다. 히터 회로 및 폐회로(8)는 세라믹 기판 내에 가려져 있기 때문에 점선으로 도시하였다. 히터 회로와 폐회로는 서로 전기적으로 절연되어 있다.
히터 회로의 단자와 외부 전원과의 연결을 위해서는 다음에 설명되는 구조가 효과적이다. ① 세라믹 기판의 선팽창계수와 유사한 선팽창계수를 가지는 금속 단자를 납땜하여 금속 단자와 리드 선을 연결한다. 이 구조는 도 10 및 도 11에 도시되어 있다.
도 10에는 금속 단자가 직접 회로 단자에 납땜되어 있는 구조가 도시되어 있으며, 도 11에는 회로 단자가 세라믹 기판의 외부면으로 나와 있어 그 외부면 상에서 납땜되어 있는 구조가 도시되어 있다. 즉, 회로를 밖으로 이끌어 내기 위하여 두 개의 구멍(단상 전원의 경우) 또는 세 개의 구멍(3상 전원의 경우)을 세라믹 기판의 하나에 형성하고, 상기 구멍의 내부면을 따라 융착 금속으로 메탈라이징(metallizing)하여 회로를 이끌어 낸 후, 단자를 구멍의 입구에서 납땜한다. 선택적으로 유사한 선팽창계수를 갖는 금속(Mo, W 등)으로 이루어진 리드 선을 상기 리드 아웃 구멍에 삽입하고 이 리드 선과 구멍 사이의 공간을 납땜 재료로 채우므로써 직접 회로 단자를 납땜하는 것도 가능하다. 또한 상기 구멍은 외부로 이끌어내져 리드 선과 납땜되는 단자와 유사한 지름을 가지며, 융착 금속으로 채워진다.
일측 융착 구조에서는, 세라믹 기판과 유사한 선팽창계수를 가지는 금속으로 만들어진 리본(ribbon)형 단자를 회로 단자에 납땜하고 이 리본형 단자와 외부 리드 선을 전기적으로 연결하는 방법을 사용할 수도 있다. 또한 도 12에 도시된 것과 같이, 작은 세라믹 편(9)을 히터 회로에 부착하고 그 작은 구멍에 리드 선을 삽입하여 납땜 고정하는 방법도 사용할 수 있다.
단자의 납땜은, 융착 금속으로 회로를 형성함과 동시에 행할 수 있으며, 또는 회로를 형성한 후에 고온의 납땜, Ni 납땜 또는 높은 산화저항성을 갖는 것을 이용하여 행할 수 있다.
알루미늄 질화물계 세라믹, 실리콘 질화물계 세라믹 또는 실리콘 탄화물계 세라믹이 세라믹 기판으로 사용되는 경우, Mo, W, 알루미늄 질화물계 세라믹, 실리콘 질화물계 세라믹 또는 실리콘 탄화물계 세라믹으로 이루어진 공극 재료를 융착 금속으로 함침시킨 합성재료가 단자로서 바람직하게 사용될 수 있다. 금속성 단자의 구조 및 리드 선은 고체 재료, 와이어 묶음, 적층 호일, 직조 직물 및 기타 다른 구조로부터 선택할 수 있다.
다음에서는 본 발명에 따른 정전 척에 대하여 설명한다.
본 발명의 가열기구는, 동일하거나 또는 거의 유사한 선팽창계수를 가지는 두 개의 전기 절연형 세라믹 기판과, 상기 두 개의 기판 사이에 끼워져서 융착되는 전기 발열 재료로 구성된 필름을 구비한 세라믹 히터로 이루어져 있다.
융착되는 전기 발열 합금으로 Si 합금이 바람직하다.
Si와 등방성 고용체를 형성하는 원소, 예를 들면 Ge와 같은 원소를 제외하고는, 거의 모든 금속이 Si와 반응하여 실리카이드를 형성한다.
원소 X가 Si와 반응하여 실리카이드를 형성한다고 가정하면, X-Si합금의 미세현미경 조직은 Si함량에 따라 다음과 같이 변화된다.
(1) Si함량이 점차 증가함에 따라 어떤 조성에서 최초로 실리카이드가 형성되는데, 이때의 조성을 Si(1)이라 칭한다. Si < Si(1)인 조성범위에서 금속 X의 실리카이드 상(phase)은 금속 X의 매트릭스에 혼재되어 있거나 또는 소정의 Si가 고용되어 있는 금속 X의 매트릭스와 혼재되어 있다.
(2) Si함량이 Si(1)에서의 함량 이상으로 증가하게 되면, 서로 다른 조성의 실리카이드가 연속적으로 나타나게 된다. Si 함량이 소정의 조성 Si(2) 이상이 되면 실리카이드와 Si의 공정(eutectic crystal)이 형성된다. Si(1)은 원소 X가 가장 풍부한 실리카이드이며, Si(2)는 Si함량이 가장 많은 실리카이드이다. Si(1)≤Si≤Si(2)의 조성범위는 한 종류의 실리카이드이거나 또는 둘 이상의 실리카이드가 혼재하는 것이다.
(3) Si(2) 보다 크고 100%의 Si 보다 작은 범위의 조성 즉, Si(2) < Si < 100% Si 범위의 조성에서는 Si와 실리카이드가 혼재한다.
(4) 100%의 Si 조성에서는 Si의 다결정이 된다.
상기한 X와 Si 두개의 원소로 이루어진 조성물계에 제3의 원소, 제4의 원소, 제5의 원소 등이 더 추가되더라도 매트릭스에 실리카이드가 포함되어 있는 기본적인 재료의 구조는 변하지 않는다. 즉, 제3의 원소, 제4의 원소, 제5의 원소 등이 매트릭스에 고용되거나, 또는 실리카이드에 고용되어 또다른 복합 실리카이드를 형성하거나, 또는 매트릭스내에서 결정화되거나, 또는 응결되더라도, 적어도 실리카이드(또는 복합 실리카이드)는 매트릭스내에서 사라지지 않는다.
본 명세서에서 실리카이드라는 용어는 순수한 실리카이드 및 복합 실리카이드를 모두 총칭하기 위하여 사용되었다.
전기 발열 합금에 있어서, (2)번 및 (3)번의 조성범위가 바람직하다.
세라믹 기판에 있어서, 알루미늄 질화물계 세라믹과 실리콘 질화물계 세라믹이 (3)번 범위내의 조성으로서 사용하기에 바람직하며, 알루미늄 질화물계 세라믹이 특히 바람직하다. 알루미나 세라믹은 (2)번 범위내의 조성으로서 사용하기에 바람직하다.
(4)번의 단순한 Si 재료는 너무 높은 전기 저항으로 인하여 전기 발열 합금으로는 적당하지 않다.
(3)번의 조성은 알루미늄 질화물계 세라믹과의 융착성이 있으며, 4x10-6내지 7x10-6범위의 선팽창계수를 가지고 있으므로, 실리카이드의 함량을 조절하면 알루미늄 질화물계 세라믹과 잘 어울리며 그에 따라 융착 인터페이스에 발생하는 열응력을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라 고온에서도 융착 필름을 안정적으로 사용할 수 있게 된다. 또한 이러한 조성은 낮은 용융점을 가지고 있으므로, 융착 온도를 낮출 수 있게 되어 유리하다. 아울러 전기 저항은 매트릭스내의 실리카이드 함량을 변화시키므로써 조절할 수 있다.
(2)번의 조성은 7x10-6내지 8x10-6범위의 선팽창계수를 가지고 있어 그 선팽창계수가 알루미나 세라믹의 선팽창계수와 유사하므로 알루미나 세라믹 기판에 사용할 수 있다.
(2)번 및 (3)번의 조성 모두가 높은 온도(1000℃ 이상)의 대기중에서 우수한 산화저항성을 갖는다, (2)번 및 (3)번의 조성 특히, (3)번의 조성은 높은 전기 저항을 가지고 있어 더 짧은 레지스터 회로를 만들 수 있으므로, 단위면적당 더 높은 와트수를 가지는 히터를 만들 수 있게 된다.
이상에서 설명한 이유 때문에, (2)번과 (3)번의 조성, 특히 (3)번의 조성이 바람직하다.
전기 발열 합금이 융착되는 기판으로서 알루미늄 질화물계 세라믹, 실리콘 질화물계 세라믹 및 알루미나 세라믹을 선택한 이유는 (2)번 및 (3)번 조성이 알루미나 세라믹, 알루미늄 질화물계 세라믹 및 실리콘 질화물계 세라믹의 선팽창계수와 근사한 선팽창계수를 가지고 있어 융착 인터페이스에서의 열응력을 최소화시킬 수 있기 때문이다.
X-Si 합금에서 X원소는 Cr, Mo, W, Fe, Ni, Co, B, P 및 활성금속, 그리고 Pt, Pd, Rh, Ir, Cu, Ag 및 그 외 실리카이드 형성 원소 등으로 부터 목적에 맞추어 선택할 수 있다. 필요에 따라서는 상기의 원소 중 어느 하나 또는 그 이상의 원소를 혼합하여 사용할 수도 있다.
이들 원소 중에서 활성 금속 원소들이 특히 바람직하다.
활성 금속은 흡수되어 있는 세라믹의 분산을 촉진시킬 수 있는 원소이다, 본 발명에서는, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf, Y, Mn, Ca, Mg, 희토류 원소 및 알루미늄이 활성 금속으로 호칭되었다. 활성 금속이 Si에 첨가되면, 웨터빌리티가 웨트각의 감소와 함께 현저하게 증가한다. 그 결과로 평평한 융착 필름을 만들 수 있고 융착 필름의 두께를 줄일 수 있으며, 그에 따라 높은 전기 저항을 가지는 균일한 필름을 만들 수 있게 된다. 또한 융착 강도도 향상된다.
웨터빌리티의 개선은 활성 원소를 0.1% 농도로 첨가함으로써 웨터빌리티 개선효과를 달성할 수 있으나 실질적인 효과를 얻기 위해서는 0.5% 이상을 첨가하는 것이 바람직하다.
Si-X 합금에서 X가 Ti인 경우, (3)번의 범위는 0<Ti<46% 이며, (2)번의 범위는 46%(TiSi2)≤Ti≤75%(Ti5Si3) 이다. (3)번 범위에 있는 실리카이드는 TiSi2이며, Si+TiSi2의 미세조직을 가진다.
X가 Zr인 경우, (3)번의 범위는 0<Zr<40% 이며, (2)번의 범위는 40%(ZrSi2)≤Zr≤93%(Zr4Si) 이다. (3)번 범위에 있는 실리카이드는 ZrSi2이며, Si+ZrSi2의 미세조직을 가진다.
가장 바람직한 범위는 Si-Ti합금에 대해서 10 내지 25 중량%의 Ti이며, Si-Zr합금에 대해서는 10 내지 30 중량%의 Zr이다.
본 발명의 정전 척은 그 흡착기구의 저면에 일체적으로 접합되어 있는 세라믹 히터를 포함하고 있어, 반도체 기판과 같은 흡착되어진 처리 대상물을 빠르게 가열할 수 있다. 가열기구의 저면에 냉각기구가 일체적으로 결합되어 있으면 냉각 기능이 추가되므로 이 가열 기능과 냉각 기능을 사용하여 온도를 정밀하게 제어하는 것이 가능하게 된다.
가열기구와 냉각기구를 정전 흡착기구에 일체적으로 결합할 경우, 그들은 냉각기구, 가열기구 그리고 정전 흡착기구의 순으로 접합되어야 한다. 만일 이와는 반대되는 순서로 접합하는 경우 즉, 가열기구, 냉각기구 그리고 정전 흡착기구 순으로 접합하는 경우에는, 가열기구와 정전 흡착기구 사이에 냉각기구가 놓여지게 되며, 냉각기구의 냉각 매체 사이의 간격이 단열층을 이루게 되어 가열기구로부터 정전 흡착기구로의 열전달을 방해하게 되어 결과적으로 기판이 가열되는 동안 온도의 상승속도가 늦어지게 된다. 실제 처리에 있어서, 온도가 저온에서 고온으로 그리고 고온에서 저온으로 변화하는 변화기간이 길수록 생산성은 저하된다. 따라서 역순으로 배열하는 것은 결국 가열하는 동안의 시간손실을 증가시키게 되고 그 결과로 생산성을 감소시키게 되는 것이다.
정전 흡착기구와 냉각기구와 가열기구를 "일체적으로 결합한다"라는 표현은 다음에 설명하는 것과 같은 의미를 갖는다.
(1) 야금학적 수단에 의한 결합
정전 흡착기구, 세라믹 히터 및 냉각기구가 납땜(blazing)되는 것에 해당한다.
(2) 필름 적층에 의한 결합
열 분사, PVD, CVD 및 스퍼터링 등과 같은 필름 형성 공정을 통하여 기판에 필름을 적층하는 것에 해당한다. 세라믹 히터 위에 유전체 세라믹 필름을 형성하는 것에 해당한다. 즉, 금속 전극 필름이 세라믹 히터 위에 형성되고 그 위에 유전체 세라믹 필름이 더 형성되거나, 또는 금속 전극 판이 세라믹 히터 위에 부착되고 그 판 위에 유전체 세라믹 필름이 형성되는 것이다.
(3) 소결 또는 소성(firing)에 의한 결합
금속과 금속 상호간의 부착을 포함하는 야금학적 부착의 범위를 벗어나기는 하나, 세라믹과 세라믹 또는 금속과 세라믹의 소결 또는 소성에 해당한다.
정전 흡착기구부에 관하여 설명한다.
본 발명에서 정전 흡착기구부는 정전 척의 정전 흡착 메카니즘 부분을 지칭한다.
정전 흡착기구부는 유전체 세라믹과 이 세라믹의 후방에 형성된 정전 유도 전극을 주요 구성요소로 구비하고 있다. 단일 전극의 정전 척은 유전체 세라믹과 이 세라믹의 후방에 형성된 정전 유도 전극을 주요 구성요소로 구비하고 있다. 이중 전극 정전 척은 유전체 세라믹, 이 세라믹의 후방에 형성된 정전 유도 전극 및 전극의 후면에서 전극을 지지하는 세라믹 절연 판을 주요 구성요소로 구비하고 있다.
유전체 세라믹은 열 분사(thermal spray), 스퍼터링, CVD 및 기타 박막 형성 공정에 의하여 형성된 유전체 세라믹 필름을 소결시키므로써 제조된다. 유전체 세라믹은 특별히 높은 유전율을 가지는 세라믹 재료로 한정되지 않는다. 보통의 전기 절연 세라믹 재료에서도 두께가 감소함에 따라 흡착력은 증가한다는 사실을 감안하면, 본 발명에서는 유전율이 특별히 높지는 않으나 유전체 세라믹 범주에 속하는 세라믹 재료를 포함한다. 이러한 유전체 세라믹으로는, 알루미나 티탄산염, 바륨 티탄산염과 같은 높은 유전율을 가지는 세라믹뿐만 아니라, 실리콘 니트라이드, 알루미늄 니트라이드, 알루미나, 사파이어, 실리콘 카바이드, 다이아몬드 필름 및 CBN 등과 같은 세라믹 절연체가 있다.
접합시 변형이 발생하지 않도록 하기 위하여, 유전체 세라믹은 세라믹 히터 와 동일한 세라믹 재료로 만들어지거나 또는 세라믹 히터의 선팽창계수와 동일하거나 유사한 선팽창계수를 가지는 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 즉, 세라믹 히터가 알루미늄 니트라이드로 만들어질 경우, 유전체 세라믹은 알루미늄 질화물계 세라믹 또는 이 세라믹 히터와 동일하거나 유사한 선팽창계수를 가진 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 유전율이 특별히 높지는 않으나 일반적인 전기 절연 세라믹 재료를 유전체 세라믹으로 사용하는 경우(예를 들면 알루미늄 니트라이드), 유전율을 높이기 위하여 높은 유전율을 가지는 세라믹 재료(티타니아:titania)를 첨가하는 것이 효과적이다.
가열기구(세라믹 히터)가 정전 흡착기구부의 후면에 부착되는데, 이중 전극 타입의 경우, 가열기구의 세라믹 표면 즉, 정전 흡착기구부 후면의 세라믹 히터는 절연체로서 사용될 수 있다.
또한 가열기구(세라믹 히터)가 정전 흡착기구부의 후면에 부착되는 경우, 응력 완충을 위하여 부착면내에 서로 다른 재료의 층이 삽입될 수도 있다. 정전 흡착기구부는 이러한 삽입층을 구비한다.
냉각기구에 대하여 설명한다.
기판에는 냉각을 위한 액체 또는 기체 냉매가 순환할 수 있는 냉매 순환 경로가 구비되어 있다.
순환 경로는, 기판 내에 홈을 형성하거나, 기판에 파이프를 매설하거나, 양측에 판이 부착되어 나선형 순환 경로를 형성하는 나선구조의 분할판을 설치하거나, 튜브형 경로를 내장한 금속 구조물을 용접 또는 주조하거나, 튜브형 경로를 내장한 세라믹 구조물을 소결하는 등의 여러 방법을 이용하여 만들어 질 수 있다.
순환 경로가 형성되는 기판 재료로는, 높은 열전도율을 가진 재료, 세라믹 재료 또는 세라믹과 금속의 합성재료 등이 있다. 금속-세라믹 합성재료의 경우, 조성을 변화시켜 선팽창계수를 조절할 수 있으므로 접착부분에서의 잔류 응력을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
다음에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
실시예 1(양면 융착 방식)
세라믹 기판 : 알루미늄 니트라이드, 실리콘 니트라이드, 실리콘 카바이드 및 알루미나의 4종류의 재료가 사용되었다. 실리콘 카바이드의 전기 저항은 1011Ω·㎝이다.
기판의 크기 : 10 x 30 x 0.6 ㎜ 크기의 판
융착 금속 : 알루미늄 니트라이드, 실리콘 니트라이드, 실리콘 카바이드 또는 알루미나로 이루어진 상기 기판에, 폴리비닐 알코올의 에탄올 용액과 혼합된 다음의 조성(표 1에 개시됨)을 가지는 금속 분말 페이스트가 도 13에 도시된 바와 같이 2㎜의 폭과 22㎜의 길이로 도포된다. 그후, 그 양측면에 도 14에 도시된 구멍(1㎜ 지름의 구멍)을 가진 세라믹 기판이 적층되며, 조립체는 건조되고 가열되어 용융되므로써 도 15에 도시된 바와 같이 융착된다. 상기 구멍들은 20㎜ 간격으로 떨어져 있다.
Si 재료로서 반도체 기판을 연마한 분말과 99.999%의 순도를 가진 분말(Al, Mg, Ca, Na ≤ 1 ppm)이 사용되었다. 반도체 기판을 연마하여 만들어진 분말은 B로 도우프(dope)된 p형 Si 이다.
B로 도우프된 p형 Si는 0.0 내지 0.1 Ω·㎝의 전기 저항을 가진다. B로 도우프된 p형 Si를 사용한 실시예는 p형 Si로 표시하였으며, 99.999% 순도의 분말을 사용한 실시예에는 별도의 표시를 하지 않았다.
가열은 진공상태(5x10-5Torr) 및 아르곤 분위기에서 행해졌다. (2)번, (3)번, (4)번의 3개의 미세조직을 가지는 융착금속이 사용되었다 즉, 실리카이드가 형성되는 범위, 실리카이드와 Si 혼합물이 형성되는 범위 및 Si 만이 형성되는 범위가 사용된 것이다.
번호 분말의조성 기판 융착온도(℃) 미세조직 필름두께(㎛) 전기저항(Ω) 기타
1 Si ALN 1460 Si 다결정 100 80 P형Si(B도우프된것),아르곤분위기
2 Si-25%Ti ALN 1400 Si+실리카이드 50 8.5
3 Si-50%Ti ALN 1520 실리카이드 10 2.0
4 Si-25%Cr SiC 1550 Si+실리카이드 45 8.0
5 Si-10%Mo SiC 1460 Si+실리카이드 60 6.0
6 Si-37%Hf ALN 1400 Si+실리카이드 55 6.0
7 Si-20%Zr ALN 1480 Si+실리카이드 60 7.0
8 Si-18%Ti SiN 1430 Si+실리카이드 50 20.0
9 Si-6%Nb-4%Fe SiC 1480 Si+실리카이드 20 16.0
10 Si-18%Nb-12%Ni SiC 1500 Si+실리카이드 30 13.0
11 Si-15%Ta ALN 1450 Si+실리카이드 70 5.0
12 Si-10%V SiC 1480 Si+실리카이드 60 7.0
13 Si-15%Ti-10%Zr ALN 1450 Si+실리카이드 50 7.0
14 Si-15%Y SiC 1480 Si+실리카이드 60 5.0
15 Si-5%Cr-5%Ni SiC 1450 Si+실리카이드 30 11.0
16 Si-10%Co ALN 1450 Si+실리카이드 20 15.0 아르곤 분위기
17 Si-50%Ti Al2O3 1550 실리카이드 10 1.8
18 (Mo5Al3)Si2 Al2O3 1900 복합실리카이드 10 0.8 아르곤 분위기
기판에서 ALN은 알루미늄 니트라이드를, SiC는 실리콘 카바이드를, SiN은 실리콘 니트라이드를, Al2O3는 고순도의 알루미나를 각각 지칭한다.
1번, 16번 및 18번 실시예에 대해서는 아르곤 분위기를 사용하였고 나머지 실시예에 대해서는 진공을 사용하였다. 전기 저항은 도 15에 도시된 두 개의 구멍에 저항 측정용 탐촉자를 삽입하여 측정하였다.
실시예 2(가열 시험)
실시예 1의 시료에 교류전압을 가하여 가열시험을 하였다. 5분에 500℃로 가열하고 상온까지 냉각되도록 방치하는 가열 과정을 100회 반복하였다. 시료 중 어느 것도 히터의 벗겨짐이나 균열이 발생하지 않았다.
융착 금속의 산화저항성도 시험했다. 실시예 1의 시료를 1000℃에서 5시간동안 가열하였다. 용융금속의 산화로 인한 전기 저항의 변화는 발견되지 않았다.
실시예 3(필름의 균일한 융착성 비교)
두께의 균일성(오목-볼록, 평면도), 폭 및 표면 형상의 균일성을 비교하기 위하여 히터 회로가 세라믹 기판의 일측면에 융착되어 있는 히터(일측 융착 구조) 및 두 세라믹 기판 사이에 히터 회로가 끼워져 융착되어 있는 히터(양측 융착 구조)를 대비하였다.
세라믹 기판 : 100 x 100 x 0.6 ㎜ 크기의 알루미늄 니트라이드 기판
융착금속 : 융착금속을 위하여 서로 다른 수준의 웨터빌리티를 가지는 두개의 성분을 사용하였다. 고순도의 Si(99.999%)와 Si-25%Ti가 선택되어 대비되었다.
Si분말(입자의 크기가 325메쉬 이하인 것)을 폴리비닐 알코올의 에탄올 용액과 혼합하여 페이스트화 한 것을 도 16에 도시된 바와 같이, 알루미늄 니트라이드 기판 표면에 회로로 인쇄하였다. 회로의 폭은 10㎜이고 이웃하는 회로 사이의 간격은 5㎜이다.
일측면에만 회로가 인쇄되어 있는 일측 융착 시료를 건조시킨 후 진공상태(5x10-5Torr)에서 가열, 융착하였다. 두 개의 동일한 판이 배열되어 적층된 세라믹 판에 회로가 인쇄되어 있는 양측 융착 시료를 건조시킨 후 1400℃로 가열하여 융착시켰다.
고순도의 Si시료는 1450℃로 가열되어 융착되었으며, Si-25%Ti시료는 1400℃로 가열되어 융착되었다.
결과는 다음과 같다.
일측 융착 시료의 경우, 고순도 Si막을 가진 시료는 부풀러 올랐으며 그 결과 표면이 고르지 않게 되었다. 회로 패턴의 폭은 원래 인쇄된 크기보다 감소되어 있었다. Si-25%Ti 막을 가진 시료는 오목-볼록부분이 없는 거의 평탄하게 되었다. 회로 패턴의 폭은 원래 인쇄된 크기와 거의 동일하게 유지되었다.
일측 융착 시료의 필름 평평도는 융착금속의 웨터빌리티에 따라 다르다는 것이 관찰되었다.
양측 융착 시료의 경우, 고 순도 Si 시료와 Si-25%Ti시료가 모두 세라믹 판 사이에 위치하여 양측에 융착되므로 필름이 부풀러 오름 없이 완전히 평평하게 융착된다. 회로 패턴의 폭도 원래 인쇄된 크기와 거의 동일하게 유지되었다.
양측 융착 시료의 경우, 융착금속의 웨터빌리티의 차이와 무관하게 융착 필름이 평평하게 형성되었다.
필름의 평평도 즉, 두께의 균일성 및 회로폭의 균일성에 있어서, 양측 융착 형식이 일측 융착 형식보다 우수하다는 것이 입증되었다.
실시예 4(융착구조와 가열 후의 변형 비교)
세라믹 기판 : 10 × 110 × 0.6 ㎜ 크기의 알루미늄 니트라이드 기판
융착금속 : Si-25%Ti
Si 재료 : 순도 99.999% (Al, Mg, Ca, Na ≤ 1 ppm)
상기의 조성으로 준비된 금속 분말을 폴리비닐 알코올 에탄올 용액과 혼합하여 만든 페이스트로 상기 세라믹 기판(하부 기판)의 일측 전체면을 도포하였다. 건조 후, 양 단부에 지름 1㎜의 구멍이 형성된(구멍간의 거리는 100㎜) 동일한 세라믹 기판(상부 기판)을 상기 하부의 세라믹 기판 위에 올려 놓고, 진공에서(5x10-5Torr) 1400℃로 가열하여 두 개의 세라믹 기판이 서로 융착되도록 하였다.
비교를 위하여, 세라믹 기판의 일측 전체면을 상기의 페이스트로 도포하고 진공에서(5x10-5Torr) 1400℃로 가열하여 일측 융착 시료를 제작하였다.
시험결과는 다음과 같다.
두 형식의 시편(일측 융착 시료와 양측 융착 시료)을 융착한 후에 양단에 교류 전압을 인가하여 5 분 동안에 온도를 500℃로 상승시켰다.
일측 융착 시료는 200㎛의 말아 올려지는 형상을 보였으나 양측 융착 시료는 말아 올려지는 형상이 나타나지 않았다.
양측 융착 시료가 일측 융착 시료에 비하여 가열시 변형이 발생하는 것을 방지하는데 효과적인 것으로 나타났다.
실시예 5
세라믹 기판 : 알루미늄 니트라이드, 실리콘 카바이드 및 실리콘 니트라이드의 3 가지 재료가 사용되었다. 사용된 실리콘 카바이드의 전기 저항은 1011Ω·㎝이다.
기판의 크기 : 10 x 30 x 0.6 ㎜ 크기의 판
융착 금속 : 얇은 필름을 형성하기 위하여, 폴리비닐 알코올의 에탄올 용액과 혼합되며 다음에서 개시되는 조성(표 2)을 가진 금속 분말 페이스트를 도 4에 도시된 것처럼 폭 2㎜, 길이 22㎜로 상기 세라믹 기판 위에 도포하였다. 이후 이것을 건조시키고 가열하여 용융 및 융착시켰다.
Si 재료로서 반도체 기판을 연마한 분말과 99.999%의 순도를 가진 분말이 사용되었다. 반도체 기판을 연마하여 만들어진 분말은 B로 도우프된 p형 Si 이다.
B로 도우프된 p형 Si는 0.0 내지 0.1 Ω·㎝의 전기 저항을 가진다. B로 도우프된 p형 Si를 사용한 실시예는 p형 Si로 표시하였으며, 99.999% 순도의 분말을 사용한 실시예에는 별도의 표시를 하지 않았다.
가열은 진공상태(5x10-5Torr) 및 아르곤 분위기에서 행해졌다. (2)번, (3)번, (4)번의 3개의 미세조직을 가지는 융착금속이 사용되었다 즉, 실리카이드가 형성되는 범위, 실리카이드와 Si 혼합물이 형성되는 범위 및 Si 만이 형성되는 범위가 사용된 것이다. 전기 저항은 20㎜ 거리에서 측정된 것이다.
번호 분말의조성 기판 융착온도(℃) 미세조직 필름두께(㎛) 전기저항(Ω) 기타
1 Si ALN 1460 Si 다결정 50 200 P형Si(B도우프된것),아르곤분위기
2 Si-25%Ti ALN 1400 Si+실리카이드 50 7.0
3 Si-50%Ti ALN 1520 실리카이드 20 1.5 아르곤 분위기
4 Si-25%Cr-1%Ti ALN 1550 Si+실리카이드 40 10
5 Si-10%Mo-0.5%Ti SiN 1460 Si+실리카이드 50 7.5
6 Si-37%Hf ALN 1400 Si+실리카이드 70 6.0
7 Si-20%Zr ALN 1480 Si+실리카이드 60 8.0
8 Si-15%Ta ALN 1450 Si+실리카이드 50 6.0
9 Si-10%V SiC 1480 Si+실리카이드 80 6.0
10 Si-15%Ti-10%Zr ALN 1450 Si+실리카이드 70 8.0
11 Si-15%Y SiN 1480 Si+실리카이드 40 6.0
12 Si-5%Cr-5%Ni SiC 1450 Si+실리카이드 50 7.0
13 Si-10%Co ALN 1450 Si+실리카이드 60 6.0 아르곤 분위기
기판에서 ALN은 알루미늄 니트라이드를, SiC는 실리콘 카바이드를, SiN은 실리콘 니트라이드를 각각 지칭한다.
1번, 3번 및 13번 실시예에 대해서는 아르곤 분위기를 사용하였고 나머지 실시예에 대해서는 진공을 사용하였다. 전기 저항은 20㎜ 간격에서 측정하였다.
실시예 6(가열 시험)
실시예 5의 시료에 교류전압을 가하여 가열시험을 하였다.
5분에 500℃로 가열하고 상온까지 냉각되도록 방치하는 가열 과정을 100회 반복하였다. 시료 중 어느 것도 히터의 벗겨짐이나 균열이 발생하지 않았다.
융착 금속의 산화저항성도 시험했다. 실시예 5의 시료를 1000℃에서 5시간동안 가열하였다. 용융금속의 산화로 인한 전기 저항의 변화는 발견되지 않았다.
실시예 7
세라믹 기판 : 알루미늄 니트라이드
기판의 크기 : 10 x 25 x 0.6 ㎜ 크기의 판
융착 금속 : 상기 세라믹 기판(하부 판)의 일측면에 Ti를 0.5㎛ 두께로 스퍼터링하고, 상기 Ti층에 대하여 Si를 폭 2㎜ 길이 22㎜ 두께 4㎛로 스퍼터링하였다.
도 14에 도시된 바와 같이, 양단에 지름 1㎜의 구멍(구멍사이의 거리 : 20㎜)을 가진 동일한 세라믹 기판(상부 판)에 대하여, 일측면에 Ti를 0.5㎛ 두께로 스퍼터링하고, 상기 Ti층에 대하여 Si를 폭 2㎜ 길이 22㎜ 두께 4㎛로 스퍼터링하였다.
스퍼터링된 표면을 붙여놓고 진공상태(5x10-5Torr)에서 융착되도록 가열하여 두 기판이 도 15에 도시된 것처럼 서로 융착되도록 하였다.
시험결과는 다음과 같다.
전기 저항은 시료에 형성된 지름이 1㎜인 두 개의 구멍에 저항 측정용 탐촉자를 삽입하여 측정하였으며 측정된 전기 저항은 10Ω이였다.
시료에 대하여 가열 시험을 행하였다. 5분내에 500℃로 가열하고 상온까지 냉각되도록 방치하는 가열 과정을 100회 반복하였다. 두 개의 융착된 판 중 어느 것도 벗겨짐이나 균열이 발생하지 않았다.
시료를 1000℃에서 10시간동안 가열하여 융착 금속의 산화저항성을 시험했다. 융착 필름에서의 전기 저항 변화는 발견되지 않았다.
다음에서는 첨부도면을 참조하여 정전 척의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
본 발명은 기본적으로 4개의 구조로 나누어 질 수 있다. 첫째는 소결된 유전체 세라믹이며(도 17), 둘째는 열 분사, CVD, PVD, 스퍼터링 또는 기타 막형성 기술에 의하여 만들어진 유전체 필름이고(도 18), 셋째는 냉각기구를 가열기구에 접합시킨 상기한 두개의 구조 변형된 형태이다(도 19 및 도 20). 도 17 내지 도 20에는 이러한 구조가 도시되어 있다.
도 17에는 정전 흡착기구의 소결된 유전체 세라믹이 도시되어 있다. 도 18에는 정전 흡착기구의 유전체 세라믹 필름이 도시되어 있다. 도 19에는 냉각기구가 접합되어 있는 형태를 가진 도 17에 도시된 구조가 도시되어 있다. 도 20에는 냉각기구가 접합되어 있는 형태를 가진 도 18에 도시된 구조가 도시되어 있다.
소결된 유전체 세라믹은 전극의 형성방법에 따라 두 가지의 형태로 나눌 수 있다.
첫째로는, 세라믹과 전극이 도 21에 도시된 것과 같이, 일체로 소결된 구조이다. 전극은 세라믹에 의하여 둘러싸여 있다. 둘째로는, 도 22에 도시된 바와 같이, 소결체가 히터에 납땜되어 있고 납땜된 층이 전극으로서 기능하는 구조이다.
도 21에 도시된 구조에 있어서, 세라믹 히터의 전기 발열 합금은 유전체 세라믹의 일측에 직접 융착될 수 있다. 즉, 도 23에 도시된 바와 같이, 히터의 일측에 있는 세라믹은 유전체 세라믹으로 대체될 수 있다.
실시예는 다음과 같다.
실시예 8(도 24에 도시된 구조)
유전 흡착기구 : 알루미늄 니트라이드로 이루어진 디스크(지름 50㎜, 두께 0.2㎜)를 사용.
가열기구 : 알루미늄 니트라이드로 이루어진 두 개의 디스크(지름 50㎜, 두께 1㎜)를 사용.
전기 발열 합금으로 미세구조의 Si+TiSi2사용(Si-25%Ti 합금).
전기 발열 회로 패턴은 Si-25%Ti 합금 분말을 상기 두 개의 알루미늄 니트라이드 디스크(지름 50㎜, 두께 1㎜)의 각각의 일측면에 인쇄하여 형성하였다. 기초 소결 후에 상기 두 개의 디스크를 마주 겹쳐놓고 진공에서 1430℃로 가열하여 융착하였다. 전기 발열 합금 필름의 두께는 100㎛이다.
전기 발열 합금의 경우와 유사하게 Si-25%Ti를 사용하여 유전 흡착기구부의 알루미늄 니트라이드 디스크 및 히터를 함께 접합한다. 이 접합은 히터의 접합과 동시에 이루어진다. 접합 금속을 전극으로 사용한다(단일 전극).
시험은 다음과 같이 행해졌다.
정전 흡착 : 700 V DC의 전압을 상기 전극과 실리콘 웨이퍼에 인가하여 2인치의 실리콘 웨이퍼를 유전체 세라믹 표면에 흡착시켰다.
(가열)
히터에 전원을 공급하여 상온(20℃)에서 부터 가열을 시작하여 웨이퍼 표면을 60초 내에 700℃로 가열하였다.
(유지)
히터의 전원을 온/오프하여 실리콘 웨이퍼의 표면 온도를 700±5℃로 유지하였다.
본 발명에 의하면 실리콘 웨이퍼를 신속하게 가열하고 일정한 온도로 유지할 수 있다는 것이 입증되었다.
실시예 9(도 25에 도시된 구조)
냉각기구와 접합된 실시예 8의 구조에 대한 것이다.
유전 흡착기구 및 세라믹 히터는 실시예 8과 같이 준비되었다. 전기 발열 합금으로는 Si-20%Zr이 사용되었다. 접합은 1430℃의 진공에서 행해졌다. 전기 발열 합금의 두께는 100㎛이며, 전극을 위하여 접합 금속 층이 단일 전극으로 사용되었다.
냉각기구의 구조 : 폭 10㎜ 두께 0.5㎜의 텅스텐 스트립을 나선 구조로 감아 두께 1㎜ 지름 50㎜의 두 개의 텅스텐 디스크 사이에 위치시키고 그 단부면을 텅스텐 디스크와 은 납땜을 하였다. 수냉식 및 공냉식이 채택되었다.
(냉각기구와의 접합)
알루미늄 니트라이드 히터와 냉각기구는 Ti가 첨가된 은 납땜에 의하여 직접 납땜하였다. 납땜시, 응력 완화를 위하여 50%W-50%알루미늄 니트라이드(체적%)로 만들어진 합성 소결 디스크(두께 1㎜ 지름 50㎜)를 알루미늄 니트라이드 히터와 텅스텐 냉각기구 사이에 위치시켰다.
(시험)
정전 흡착 : 700 V DC의 전압을 상기 전극과 실리콘 웨이퍼에 인가하여 2인치의 실리콘 웨이퍼를 유전체 세라믹 표면에 흡착시켰다.
(가열)
히터에 전원을 공급하여 0℃에서 부터 가열을 시작하여 웨이퍼 표면을 25초 내에 100℃로 가열하였다.
(냉각)
히터의 전원을 오프시킨 후 물에 의한 냉각을 시작하여 웨이퍼 표면을 40초 내에 15℃로 냉각시켰다.
(유지)
히터의 가동과 물에 의한 냉각을 적절히 조합하여 실리콘 웨이퍼의 표면 온도를 50±1℃로 유지하였다.
본 발명에 의하면 실리콘 웨이퍼를 신속하게 가열하고 일정한 온도로 유지할 수 있다는 것이 입증되었다.
실시예 10(도 26에 도시된 구조)
유전 흡착기구 : 텅스텐 전극 필름을 디스크 내부에서 동시에 소결시킨 알루미늄 니트라이드 디스크(지름 50㎜, 두께 2㎜)를 사용.
가열기구 : 전기 발열 합금(Si-15%Ti 합금)의 히터 회로는 전극 필름과 결합된 알루미늄 니트라이드 디스크의 배면(비흡착면)의 알루미늄 니트라이드 표면에 인쇄하였다. 상기 인쇄면 상에 알루미늄 니트라이드 디스크(지름 50㎜, 두께 1㎜)를 겹쳐놓고 진공에서 1430℃로 가열하여 전극 필름과 결합된 상기 알루미늄 니트라이드 디스크를 알루미늄 니트라이드 디스크와 융착시킨다. 전기 발열 합금 필름의 두께는 약 100㎛이다.
냉각기구의 구조 : 냉매의 순환을 위하여 알루미늄 디스크(지름 50㎜, 두께 25㎜)에 나선 구조의 홈을 기계가공에 의하여 형성하고 알루미늄 디스크(지름 50㎜, 두께 5㎜)를 덮어씌운 후 납땜(알루미늄 납땜)하여 냉각 자켓을 형성하였다.
(냉각기구와의 접합)
응력 완화를 위하여 알루미늄 니트라이드 히터와 냉각기구 사이에는 Mo 판(지름 50㎜, 두께 1㎜)을 위치시킨다. 알루미늄 니트라이드 히터와 Mo, 및 Mo와 냉각기구는 인듐 납땜에 의하여 접합된다.
(시험)
정전 흡착 : 700 V DC의 전압을 상기 전극과 실리콘 웨이퍼에 인가하여 2인치의 실리콘 웨이퍼를 유전체 세라믹 표면에 흡착시켰다.
(가열)
히터에 전원을 공급하여 0℃에서 부터 가열을 시작하여 웨이퍼 표면을 25초 내에 100℃로 가열하였다.
(냉각)
히터의 전원을 오프시킨 후 물을 알루미늄 재킷에 순환시켜 웨이퍼 표면을 50초 내에 15℃로 냉각시켰다.
(유지)
히터의 가동과 물에 의한 냉각을 적절히 조합하여 실리콘 웨이퍼의 표면 온도를 50±1℃로 유지하였다.
본 발명에 의하면 실리콘 웨이퍼를 신속하게 가열하고 일정한 온도로 유지할 수 있다는 것이 입증되었다.
이상에서 상세히 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 전기 발열 요소는 실리카이드로 이루어진 전기 발열 재료 필름과, Si 또는 Si와 실리카이드의 혼합물이 세라믹 기판에 융착되어 있는 합성 구조의 전기 발열 기구로 구성되어 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 전기 발열 재료가 부서지기 쉬운 성질을 같게 되거나 또는 고온에서의 유연성이 감소하게 되는 문제점을 해결할 수 있으므로, 본 발명은 높은 산업적 가치를 가지고 있으며, 본 발명에서는 벗겨짐을 방지할 수 있도록 높은 부착 강도를 가지며, 대기중에서 높은 산화저항성과 급가열 및 고온에 대한 높은 내구성, 및 장기간의 내구성 및 낮은 제조비용을 가지는 얇은 히터 필름이 제공된다.
또한 본 발명의 정전 척에 의하면, 짧은 시간 내에 반도체 기판의 표면 온도를 올리거나 내릴 수 있으며, 플라즈마 공정, 필름 형성 공정 등의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (11)

  1. 전기 절연형 질화물계 또는 탄화물계 세라믹 기판과,
    실리카이드 단독으로, 실리카이드와 Si가 혼합되어, 또는 Si 단독으로 포함하는 미세조직을 가진 저항 발열 재료 필름을 구비하며,
    상기 필름은 상기 전기 절연형 세라믹 기판의 표면에 융착되는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 발열체.
  2. 전기 절연형 세라믹 기판과,
    실리카이드 단독으로, 실리카이드와 Si가 혼합되어, 또는 Si 단독으로 포함하는 미세조직을 가지며 0.5%이상의 활성 금속을 함유하는 저항 발열 재료 필름을 구비하며,
    상기 필름은 상기 전기 절연형 세라믹 기판의 표면에 융착되는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 발열체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세라믹 기판은 알루미늄 질화물계 세라믹이며, 상기 전기 발열 재료는 실리카이드와 Si의 혼합물을 포함하는 미세조직을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 발열체.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세라믹 기판은 실리콘 질화물계 세라믹이며, 상기 전기 발열 재료는 실리카이드와 Si의 혼합물을 포함하는 미세조직을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 발열체.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세라믹 기판은 실리콘 탄화물계 세라믹이며, 상기 전기 발열 재료는 실리카이드와 Si의 혼합물을 포함하는 미세조직을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 발열체.
  6. 제2항에 있어서, 상기 세라믹 기판은 산화물계 세라믹인 것을 특징으로 하는 전기 발열체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 산화물계 세라믹은 알루미나 세라믹이며, 상기 전기 발열 재료는 실리카이드를 포함하는 미세조직을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 발열체.
  8. 유전체 세라믹과 상기 유전체 세라믹의 바닥면에 형성된 전극을 구비한 정전 흡착기구와, 상기 정전 흡착기구의 바닥면에 접합된 가열기구를 구비하며,
    상기 가열기구는 동일하거나 거의 유사한 선팽창계수를 가지는 두 개의 전기 절연형 세라믹 기판과 상기 기판 사이에 끼워져 융착되는 융착 전기 발열 재료 필름을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 정전 척.
  9. 유전체 세라믹과 상기 유전체 세라믹의 바닥면에 형성된 전극을 구비한 정전 흡착기구와, 상기 정전 흡착기구의 바닥면에 접합된 가열기구와, 상기 가열기구의 바닥면에 접합된 냉각기구를 구비하며,
    상기 가열기구는 동일하거나 유사한 선팽창계수를 가지는 두 개의 전기 절연형 세라믹 기판과 상기 기판 사이에 끼워져 융착되는 융착 전기 발열 재료 필름을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 기판용 정전 척.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 유전체 세라믹 및 가열기구를 구비한 두 개의 세라믹은 각각 알루미늄 질화물계 세라믹인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전기 발열 재료는 실리카이드와 Si를 포함하는 미세구조를 가진 금속인 것을 특징으로 하는 정전 척.
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