KR20040013236A - conductive ceramic electrode and including a electrostatic chuck - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 정전척용 전극 및 이를 포함하는 정전척에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 기판을 흡착하는데 사용되는 정전척에 적용되는 전극 및 이를 포함하는 정전척에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode for an electrostatic chuck and an electrostatic chuck including the same, and more particularly, to an electrode applied to an electrostatic chuck used to adsorb a substrate and an electrostatic chuck including the same.
최근, 반도체 장치의 제조 기술은 소비자의 다양한 욕구를 충족시키기 위해 집적도, 신뢰도, 응답속도 등을 향상시키는 방향으로 발전하고 있다. 일반적으로, 반도체 장치는 반도체 기판으로 사용되는 실리콘 반도체 기판 상에 소정의 막을 형성하고, 상기 막을 전기적 특성을 갖는 패턴으로 형성함으로서 제조된다.Recently, the manufacturing technology of semiconductor devices has been developed to improve the degree of integration, reliability, response speed, etc. in order to meet various needs of consumers. Generally, a semiconductor device is manufactured by forming a predetermined film on a silicon semiconductor substrate used as a semiconductor substrate and forming the film in a pattern having electrical properties.
상기 패턴은 화학 기상 증착, 스퍼터링, 포토리소그래피, 에칭, 이온주입, 화학적 기계적 연마(CMP) 등과 같은 단위 공정들의 순차적 또는 반복적인 수행에 의해 형성된다. 상기와 같은 단위 공정들에서는 반도체 기판을 지지하고, 고정시키는 척이 사용된다. 최근, 반도체 장치의 미세화 및 대용량화를 요구하는 반도체 기판 가공 기술에서는 매엽식 가공 공정 및 건식 가공 공정이 선호됨에 따라 반도체 기판을 고정하는 방법도 크게 변하고 있다. 부언하면, 종래의 경우 단순히 클램프또는 진공을 이용하여 반도체 기판을 고정하는 정도였으나, 최근에는 반도체 기판을 정전기력을 이용하여 고정시킴과 동시에 반도체 기판의 온도를 일정하게 유지하기 위한 온도 조절 가스를 제공하는 정전척(electrostatic chuck ; ESC)이 주로 사용되고 있다. 상기 정전척의 사용 범위는 화학 기상 증착, 에칭, 스퍼터링, 이온 주입 공정 등과 같이 전반적인 반도체 기판 가공 공정으로 확대되고 있다.The pattern is formed by sequential or repeated performance of unit processes such as chemical vapor deposition, sputtering, photolithography, etching, ion implantation, chemical mechanical polishing (CMP), and the like. In such unit processes, a chuck for supporting and fixing a semiconductor substrate is used. In recent years, in the semiconductor substrate processing technology which requires miniaturization and large capacity of the semiconductor device, the method of fixing the semiconductor substrate is also greatly changed as the sheet processing and the dry processing are preferred. In other words, in the conventional case, the clamping or vacuum was used to fix the semiconductor substrate. However, in recent years, the semiconductor substrate is fixed by using electrostatic force and at the same time providing a temperature control gas for maintaining a constant temperature of the semiconductor substrate. Electrostatic chucks (ESC) are mainly used. The use range of the electrostatic chuck has been extended to overall semiconductor substrate processing processes such as chemical vapor deposition, etching, sputtering, ion implantation processes, and the like.
상기 반도체 기판을 흡착시키는 정전척의 원리는 알려진 바와 같이 전극과 상기 반도체 기판 사이에 위치하는 절연층에서 발생되는 쿨롱힘(Coulombic force)과 존슨 라벡힘(Johnsen-Rahbeck force)을 이용하여 상기 반도체 기판을 흡착하는데 있다. 상기와 같은 원리를 이용하는 정전척의 일 예로서, 미합중국 특허 제6,134,096(issued Yamada et al)에는 정전기력을 이용하여 반도체 기판을 흡착시키기 위한 절연층, 전극층, 유전층으로 이루어진 정전척이 개시되어 있으며, 미합중국 특허 제6,141,203(issued Sherman)에는 복수의 구조를 갖는 커패시터 플레이트를 형성하여 정전기력으로 반도체 기판을 흡착하는 정전척이 개시되어 있다.The principle of the electrostatic chuck for adsorbing the semiconductor substrate is known by using the Coulombbic force and the Johnsonsen-Rahbeck force generated in the insulating layer between the electrode and the semiconductor substrate as known. In adsorption. As an example of an electrostatic chuck using the above principle, US Patent No. 6,134,096 (issued Yamada et al) discloses an electrostatic chuck consisting of an insulating layer, an electrode layer, and a dielectric layer for adsorbing a semiconductor substrate using electrostatic force. 6,141, 203 (issued Sherman) discloses an electrostatic chuck that forms a capacitor plate having a plurality of structures to adsorb a semiconductor substrate by electrostatic force.
상기 정전척은 크게 폴리이미드(polyimide) 타입의 전정척과 세라믹 타입의 정전척을 구분할 수 있다. 상기 폴리이미드 타입의 정전척은 폴리이미드의 약한 내구성 때문에 폴리이미드 유전막이 파괴되어 전극이 플라즈마 또는 반도체 기판과 직접적으로 접하게 되어 동작 특성이 상실되며, 이러한 문제점은, 반도체 기판의 온도를 조절하기 위한 헬륨 가스의 누설 및 아크 발생 등의 문제점으로 이어진다.The electrostatic chuck can largely distinguish a polyimide type chuck and a ceramic type chuck. The polyimide electrostatic chuck has a weak durability of the polyimide, so that the polyimide dielectric film is destroyed so that the electrode is in direct contact with the plasma or the semiconductor substrate, and thus operating characteristics are lost. This problem is caused by the helium for controlling the temperature of the semiconductor substrate. This leads to problems such as gas leakage and arc generation.
따라서, 상기 폴리이미드의 약한 내구성, 내마모성, 내플라즈마성 및 내부식성과 낮은 유전율 및 열전도도를 보완하기 위해 세라믹 정전척이 제안되었다. 상기세라믹 정전척을 제조하는 방법으로 세라믹 물질로 이루어진 절연층 상에 소결된 세라믹 절연층과 전극층 또는 전극 필름을 유기물 접착제를 이용하여 낮은 온도에서 접합하는 방법이 일본공개특허(JP1999-297805)에 개시되어 있다.Therefore, a ceramic electrostatic chuck has been proposed to compensate for the weak durability, wear resistance, plasma resistance and corrosion resistance of the polyimide and low dielectric constant and thermal conductivity. Japanese Laid-Open Patent Publication (JP1999-297805) discloses bonding a ceramic insulating layer and an electrode layer or an electrode film sintered on an insulating layer made of a ceramic material at low temperature using an organic adhesive as a method of manufacturing the ceramic electrostatic chuck. It is.
또한, 상기 세라믹 물질로 이루어진 절연층을 사용하는 세라믹 정전척을 제조하는 방법은 소결된 세라믹 절연층과 전극층을 무기물 접착제를 이용하여 높은 온도에서 접합하는 방법이 일본공개특허 (JP2000-216232, JP2000-239074, JP2000-086345)에 각각 개시되어 있다.In addition, a method of manufacturing a ceramic electrostatic chuck using the insulating layer made of the ceramic material is a method of bonding the sintered ceramic insulating layer and the electrode layer at high temperature using an inorganic adhesive (JP2000-216232, JP2000- 239074, JP2000-086345, respectively.
그리고, 다른 방법으로는 정전척용 세라믹 절연체 성형체와 전극 성형체 또는 인쇄된 전극막을 적층하여 동시에 상압소결하거하나 가압소결하여 세라믹 정전척을 형성하는 방법이 일본공개특허(JP2000-243818, JP1998-249843)에 개시되어 있다.As another method, a method of stacking a ceramic insulator molded body for an electrostatic chuck and an electrode molded body or a printed electrode film and simultaneously sintering at atmospheric pressure or pressing and sintering to form a ceramic electrostatic chuck is disclosed in Japanese Laid-Open Patent Application (JP2000-243818, JP1998-249843). Is disclosed.
상기와 같이 무기물 접착제를 사용하는 방법과 동시 상압소결 또는 가압소결하는 방법은 정전척의 제조 공정의 온도가 너무 높기 때문에 상기 세라믹 절연막 사이에 존재하는 전극은 전기적으로 전도성이 좋은 고융점 금속인 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등을 사용하여야 한다.As described above, the method using the inorganic adhesive and the method of simultaneous atmospheric sintering or pressure sintering are too high in the manufacturing process of the electrostatic chuck, so that the electrodes between the ceramic insulating films are electrically conductive, high melting point metal, tungsten (W). ), Molybdenum (Mo), etc. should be used.
그러나 고융점 금속으로 이루어진 전극은 질화알루미늄(AlN), 알루미나(Al2O3), 질화규소(Si3N4)와 같은 세라믹 절연층이 직접적으로 접촉하는 계면과 물리적인 특성으로 인해 서로 조화가 이루어지지 않아 접착력 떨어지는 문제점이 발생한다.However, the electrodes made of high melting point metals are in harmony with each other due to the physical properties and the interface between the ceramic insulating layers such as aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), and silicon nitride (Si 3 N 4 ). There is a problem of poor adhesive strength.
상기 세라믹 절연층이 사용되는 정전척에 고융점 금속의 전극을 사용할 경우의 문제점을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The problem in the case of using the electrode of the high melting point metal in the electrostatic chuck in which the ceramic insulating layer is used is as follows.
첫째로, 세라믹 절연체와 금속 전극간의 접합이 나쁘기 때문에 세라믹/금속 계면이 분리되는 문제가 발생한다. 그러므로, 종래의 기술에서 사용되는 금속 전극은 망(mesh) 또는 일정간격으로 구멍이 뚫린 금속판을 사용하였으나 망상 또는 구멍이 뚫린 판상의 전극을 사용할 경우 완전한 판상을 사용한 경우에 비하여 전기장이 불균일하기 때문에 균일한 흡착력을 얻기가 힘들다.First, a problem arises in that the ceramic / metal interface is separated because the bonding between the ceramic insulator and the metal electrode is bad. Therefore, the metal electrode used in the prior art uses a metal plate perforated with a mesh or a predetermined interval, but when using a plate-like or perforated plate-shaped electrode, the electric field is non-uniform compared to the case where a full plate is used. It is difficult to obtain a suction force.
둘째로, 상기 세라믹 절연층과 금속 전극간의 열팽창계수의 차이로 인해 계면의 박리 및 균열의 문제점이 발생한다. 이는, 상기 정전척이 고온에서 소결한 후 냉각하여 제조되고, 또한 사용 조건도 가열 냉각이 반복되는 열 이력 조건이기 때문에 전극과 세라믹 절연체 사이에 열 팽창계수 차에 의한 열 응력이 반복적으로 발생되어 계면의 박리나 균열이 발생하기 때문이다.Secondly, due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic insulating layer and the metal electrode, problems of peeling and cracking of the interface occur. Since the electrostatic chuck is manufactured by sintering at a high temperature and then cooled, and the use condition is also a thermal hysteresis condition in which heating and cooling are repeated, thermal stress due to a difference in thermal expansion coefficient is repeatedly generated between the electrode and the ceramic insulator, thereby causing an interface. This is because peeling or cracking occurs.
셋째로, 금속 전극이 고온에서 소결되는 동안 상기 전극의 금속원자들이 세라믹 절연층로 확산되고, 또한 사용중에도 지속적으로 고전압(대략 500V 이상)이 인가되기 때문에 상기 금속 전극의 금속이온들이 상기 세라믹 절연층 내로 이동하여 결과적으로는 절연성이 저하되고, 누설전류가 발생하게 되는 문제점이 발생한다. 그러므로, 상기와 같은 문제로 인하여 세라믹 정전척의 수명이 짧아지고 상기 정전척의 교체로 인한 비용 증가와 제공 공정의 공정시간 지연을 초래하는 문제점이 발생한다.Third, the metal ions of the electrode are diffused into the ceramic insulating layer while the metal electrode is sintered at a high temperature, and the metal ions of the metal electrode are applied to the ceramic insulating layer because high voltage (approximately 500V or more) is continuously applied during use. The problem arises in that the insulation is degraded and leakage current is generated as a result. Therefore, due to the above problems, the life of the ceramic electrostatic chuck is shortened, resulting in a cost increase due to the replacement of the electrostatic chuck and a process time delay of the providing process.
본 발명의 제1목적은, 정전척의 세라믹 절연체와 고온에서 동시 상압소결 및 가압소결이 가능하고 상기에 세라믹 절연체와 전극의 부적합(incompatiblity)문제를 해결할 수 있는 정전척용 전극을 제공하는데 있다.A first object of the present invention is to provide an electrode for an electrostatic chuck which is capable of simultaneous atmospheric pressure sintering and pressure sintering at a high temperature with the ceramic insulator of the electrostatic chuck and can solve the incompatiblity problem of the ceramic insulator and the electrode.
본 발명의 제2목적은, 상기 본 발명의 정전척용 전극을 적용함으로서 세라믹 절연체와 전극사이에 계면 분리가 일어나지 않고, 정전력이 상기 정전척의 전면에 걸쳐 균일하게 발생하고, 열팽창계수의 차이에 의한 박리 등의 문제가 발생하지 않는 정전척을 제공하는데 있다.The second object of the present invention is that by applying the electrode for the electrostatic chuck of the present invention, no interface separation occurs between the ceramic insulator and the electrode, and electrostatic power is generated uniformly over the entire surface of the electrostatic chuck, and due to the difference in thermal expansion coefficient. The present invention provides an electrostatic chuck in which problems such as peeling do not occur.
도 1은 본 발명의 전도성 세라믹 전극을 포함하는 세라믹 정전척을 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a ceramic electrostatic chuck including a conductive ceramic electrode of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화티타늄(TiN)에 질화알루미늄(AlN)이 첨가된 전도성 세라믹 전극의 전기비저항 측정 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing electrical resistivity measurement results of a conductive ceramic electrode to which aluminum nitride (AlN) is added to titanium nitride (TiN) according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질화티타늄에 질화알루미늄이 첨가된 전도성 세라믹 전극의 열 팽창계수 측정 결과를 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing a thermal expansion coefficient measurement result of a conductive ceramic electrode to which aluminum nitride is added to titanium nitride according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 질화티타늄에 질화알루미늄을 첨가한 전도성 세라믹 전극과 질화알루미늄 절연층을 포함하는 정전척의 단면을 나타내는 전자현미경 사진이다.4 is an electron micrograph showing a cross section of an electrostatic chuck including a conductive ceramic electrode in which aluminum nitride is added to titanium nitride prepared according to an embodiment of the present invention, and an aluminum nitride insulating layer.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 저차산화티타늄(TinO2n-1) 재질의 전도성 세라믹 전극과 산화티타늄(TiO2) 절연층을 포함하는 정전척의 단면을 나타내는 전자현미경 사진이다.5 is an electron micrograph showing a cross section of an electrostatic chuck including a conductive ceramic electrode made of a low titanium oxide (Ti n O 2n-1 ) material and a titanium oxide (TiO 2 ) insulating layer prepared according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 망(mesh)상의 전극과 판(plate)상의 전극을 사용한 정전척의 전기장 분포를 비교하여 나타내는 시뮬레이션 결과이다.6 is a simulation result showing a comparison of the electric field distribution of an electrostatic chuck using an electrode on a mesh and an electrode on a plate of the present invention.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 질화티타늄 전도성 세라믹 전극과 질화알루미늄 절연층을 포함하는 정전척의 단면을 나타내는 전자현미경 사진이다.7 is an electron micrograph showing a cross section of an electrostatic chuck including a titanium nitride conductive ceramic electrode and an aluminum nitride insulating layer according to a comparative example of the present invention.
도 8은 본 발명의 비교예에 따른 질화티타늄에 저차산화티타늄을 첨가한 전도성 세라믹 전극의 열팽창계수의 크기 변화량을 나타내는 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing the change in the coefficient of thermal expansion of the conductive ceramic electrode in which low titanium oxide is added to titanium nitride according to a comparative example of the present invention.
상기 본 발명의 제1목적을 달성하기 위한 전도성 세라믹 전극은 티타늄(Ti)을 포함하는 전도성 세라믹 물질로 이루어진다.The conductive ceramic electrode for achieving the first object of the present invention is made of a conductive ceramic material containing titanium (Ti).
상기 본 발명의 제2목적을 달성하기 위한 세라믹 정전척은,Ceramic electrostatic chuck for achieving the second object of the present invention,
기판이 놓여지는 제1세라믹 절연층;A first ceramic insulating layer on which the substrate is placed;
상기 제1절연층 하부에 위치하는 제2 세라믹 절연층; 및A second ceramic insulating layer disposed below the first insulating layer; And
상기 제1 및 제2세라믹 절연층 사이에 위치하고, 상기 제1 및 제2세라믹 절연층과 적합성을 높이기 위해 티타늄을 포함하는 전도성 세라믹 물질로 이루어진 전도성 세라믹 전극을 포함한다.And a conductive ceramic electrode positioned between the first and second ceramic insulating layers and made of a conductive ceramic material including titanium to increase compatibility with the first and second ceramic insulating layers.
이와 같은 티타늄을 포함하는 전도성 세라믹 물질로 이루어진 세라믹 전극을 사용함으로써, 세라믹 절연층과 전극의 적합성(compatibility)이 좋기 때문에 판상 전극을 사용해도 계면 분리가 일어나지 않으며, 정전력이 전면적에 걸쳐 균일하고, 열 팽창계수의 차이에 의한 박리 등의 문제가 발생하지 않고, 확산 또는 전기장하에서의 전극원소의 이동 등의 문제가 발생되지 않는 전도성 세라믹 전극 및 정전척을 제공할 수 있다.By using such a ceramic electrode made of a conductive ceramic material containing titanium, since the compatibility of the ceramic insulating layer and the electrode is good, no interface separation occurs even when the plate-shaped electrode is used, and the electrostatic force is uniform throughout the entire surface, It is possible to provide a conductive ceramic electrode and an electrostatic chuck which do not cause a problem such as peeling due to a difference in thermal expansion coefficient and do not cause a problem such as diffusion or movement of electrode elements under an electric field.
이와 같은 본 발명의 전도성 세라믹 전극 및 세라믹 정전척을 나타내는 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.When described in more detail with reference to the drawings showing a conductive ceramic electrode and a ceramic electrostatic chuck of the present invention as follows.
도 1은 본 발명의 전도성 세라믹 전극을 포함하는 세라믹 정전척을 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a ceramic electrostatic chuck including a conductive ceramic electrode of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명은 세라믹 절연층을 포함하는 정전척(50)을 제조함에 있어서, 상기 제1세라믹 절연층(10) 및 제2세라믹 절연층(30)과 적합성(compatibility)을 높이기 위해 제조되는 전도성 세라믹 전극(20)은 티타늄을 포함하는 전도성 세라믹 물질인 저차산티타늄(TinO2n-1) 또는 질화알루미늄이 첨가된 질화티타늄(TiN)중에서 선택된다.Referring to FIG. 1, in the manufacturing of the electrostatic chuck 50 including the ceramic insulating layer, the compatibility with the first ceramic insulating layer 10 and the second ceramic insulating layer 30 may be improved. The conductive ceramic electrode 20 manufactured for the purpose is selected from low titanium (Ti n O 2n-1 ), which is a conductive ceramic material including titanium, or titanium nitride (TiN) to which aluminum nitride is added.
상기 제1 및 제2 세라믹 절연층(10,30)과 유사한 열 팽창률을 갖는 전도성 세라믹 전극(20)을 형성하기 위해서는 50 내지 95 중량%의 질화티타늄(TiN)과 5 내지 50 중량%의 질화알루미늄 혼합물을 이용하여 제조해야 한다.In order to form the conductive ceramic electrode 20 having a thermal expansion similar to that of the first and second ceramic insulating layers 10 and 30, 50 to 95 wt% of titanium nitride (TiN) and 5 to 50 wt% of aluminum nitride are formed. It must be prepared using the mixture.
상기 티타늄을 포함하는 전도성 세라믹 물질로 이루어진 전극(20)은 가압성형법, 스크린인쇄법, 닥터블레이드(doctor-blade)법, 또는 테이프 캐스팅법으로 제조되어 얇은 플레이트 형상을 갖는다. 이렇게 제조된 전도성 세라믹 전극(20)은 상기 제1 세라믹 절연층(10)과 제2세라믹 절연층(30) 사이에 위치시켜 상압소결법 또는 가압소결법을 이용함으로써, 제1 및 제2세라믹 절연층(10,30)과 상기 전도성 세라믹 전극간(20)의 적합성이 확보된 세라믹 정전척(50)을 형성할 수 있다.The electrode 20 made of a conductive ceramic material including titanium may be manufactured by pressing, screen printing, doctor-blade, or tape casting to have a thin plate shape. The conductive ceramic electrode 20 manufactured as described above is positioned between the first ceramic insulating layer 10 and the second ceramic insulating layer 30 to use an atmospheric pressure sintering method or a pressure sintering method. 10, 30, and the ceramic electrostatic chuck 50 may be formed to ensure compatibility between the conductive ceramic electrodes 20.
일반적으로 세라믹 정전척 제조에서는 높은 열전도도(100W/m·K이상)를 갖는 질화알루미늄 재질을 절연층으로 사용한다. 이는 상기 질화알루미늄이 높은 열전도도를 가지기 때문에 반도체 장치 공정에서 효율적인 가열 및 냉각이 가능하다는 장점을 갖기 때문이다.In general, in the manufacture of ceramic electrostatic chuck, aluminum nitride material having high thermal conductivity (100 W / m · K or more) is used as the insulating layer. This is because the aluminum nitride has a high thermal conductivity and thus has an advantage of enabling efficient heating and cooling in a semiconductor device process.
그러므로 본 발명의 전도성 세라믹 전극은 상기 질화알루미늄과 같은 질화물계이며 소결온도가 상기 질화알루미늄과 비슷하며 전기전도성 및 적합성이 우수한 질화티타늄을 포함하는 물질을 사용하였다.Therefore, the conductive ceramic electrode of the present invention uses a nitride-based material such as aluminum nitride and a material containing titanium nitride having a sintering temperature similar to that of the aluminum nitride and having excellent electrical conductivity and suitability.
그러나 상기 질화티타늄 재질로만 형성된 전도성 세라믹 전극은 상기 질화알루미늄 재질로 형성된 절연층과 적합성은 우수하지만, 상기 세라믹 절연층과 상기 질화티타늄만으로 형성된 전극과의 열 팽창계수 차이로 인해 접촉되는 계면에 균열(Crack)이 발생되어 상기 정전척의 손상을 초래한다. 이 때문에 상기 전도성 세라믹 전극의 전기비저항을 고려하면서 상기 절연층과의 열 팽창계수 차이를 줄이기 위해서 질화티타늄에 질화알루미늄을 첨가하여 세라믹 전극을 형성하는 것이 바람직하다.However, although the conductive ceramic electrode formed only of the titanium nitride material is excellent in compatibility with the insulating layer formed of the aluminum nitride material, the crack is formed on the interface contacted due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic insulating layer and the electrode formed only of the titanium nitride. Cracks) and damage to the electrostatic chuck. For this reason, in order to reduce the difference in thermal expansion coefficient with the insulating layer while considering the electrical resistivity of the conductive ceramic electrode, it is preferable to form a ceramic electrode by adding aluminum nitride to titanium nitride.
이는 상기 전도성 세라믹 전극의 전기비저항이 하기 (1)식에 따라 정전척의 디척킹 시간(dechucking time)과 밀접한 관계가 있으며, 상기 전기비저항이 수십 Ω·㎝ 일 때 정전척의 response time(τo)이 10-8sec 정도로 정전척으로 사용하기에적합하다.The electrical resistivity of the conductive ceramic electrode is closely related to the dechucking time of the electrostatic chuck according to the following Equation (1), and the response time (τ o ) of the electrostatic chuck is Suitable for use as an electrostatic chuck for about 10 -8 sec.
그러므로, 상기 전기비저항을 고려하면서 상기 절연층과의 열팽창계수차이를 줄이기 위해서 질화티타늄에 첨가되는 질화알루미늄의 양은 5 내지 50 중량% 범위내에서 사용하는 것이 바람직하다.Therefore, in order to reduce the thermal expansion coefficient difference with the insulating layer while considering the electrical resistivity, the amount of aluminum nitride added to titanium nitride is preferably used within the range of 5 to 50% by weight.
만약, 상기 질화티타늄에 첨가되는 질화알루미늄의 양이 5중량% 미만으로 제조될 경우 상기 전도성 세라믹 전극은 전기비저항은 낮지만, 상기 질화알루미늄 만으로 이루어진 절연층의 열 팽창계수가 약 5.0×10-6/℃이고, 상기 질화티타늄에 5중량% 미만의 질화알루미늄이 첨가된 전극의 열 팽창계수가 9.4×10-6/℃이기 때문에 상기 세라믹 절연층과 전도성 세라믹 전극의 열 팽창계수 차이가 크게 발생하여 상기 정전척의 균열(Crack)을 발생시킨다.If the amount of aluminum nitride added to the titanium nitride is less than 5% by weight, the conductive ceramic electrode has a low electrical resistivity, but the thermal expansion coefficient of the insulating layer including only aluminum nitride is about 5.0 × 10 −6. / ° C and the thermal expansion coefficient of the electrode in which less than 5% by weight of aluminum nitride is added to the titanium nitride is 9.4 × 10 -6 / ° C, so that the thermal expansion coefficient difference between the ceramic insulating layer and the conductive ceramic electrode is large. It generates a crack of the electrostatic chuck.
또한, 상기 질화티타늄에 첨가되는 질화알루미늄의 양이 50중량%를 초과하여 제조된 전도성 세라믹 전극은 상기 정전척의 절연층과 열 팽창계수 차이가 작지만, 전기비저항이 크게 증가하기 때문에 전류의 흐름이 용이하지 못하여 정전척의 흡착력이 발생하지 않는다.In addition, the conductive ceramic electrode manufactured by the amount of aluminum nitride added to the titanium nitride in excess of 50% by weight has a small difference in thermal expansion coefficient from the insulating layer of the electrostatic chuck, but the electrical resistivity greatly increases, so the flow of current is easy. As a result, the suction force of the electrostatic chuck does not occur.
따라서, 본 발명의 전도성 세라믹 전극은 질화티타늄에 5 내지 50중량%의 질화알루미늄이 첨가된 전도성 세라믹 물질을 사용하여 제조하는 것이 바람직하다.Therefore, the conductive ceramic electrode of the present invention is preferably manufactured using a conductive ceramic material in which 5 to 50% by weight of aluminum nitride is added to titanium nitride.
그리고, 상기 제1 및 제2 절연층이 산화티타늄(TiO2)재질일 경우에는 상기 전도성 세라믹 전극을 저차산화티타늄(TinO2n-1)으로 형성하여 사용하면, 상기에서 나타낸 문제점을 효과적으로 해결할 수 있다.In addition, when the first and second insulating layers are made of titanium oxide (TiO 2 ), the conductive ceramic electrode may be formed of low titanium oxide (Ti n O 2n-1 ) to effectively solve the above problems. Can be.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전도성 세라믹 전극 제조 및 이를 포함하는 정전척의 특성을 나타내는 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a conductive ceramic electrode according to a preferred embodiment of the present invention and will be described in more detail based on the drawings showing the characteristics of the electrostatic chuck including the same.
실시예 1Example 1
도 1에 나타낸 바와 같이 먼저 질화알루미늄 절연체로 이루어진 제2절연층(30)을 형성하고, 5중량%의 질화알루미늄이 첨가된 질화티타늄 재질로 이루어진 전도성 세라믹 전극(20)을 닥터블레이드법을 이용하여 상기 제2절연층(30) 상에 형성하였다. 이어서, 상기 전도성 세라믹 전극(20)상에 질화알루미늄 절연체로 이루어진 제1절연층(10)을 형성하였다. 그리고, 상기 결과물을 1950℃의 온도, 40MPa의 압력, 질소분위기에서 가압소결방법을 이용하여 4인치 직경을 갖는 제1절연층/질화티타늄·질화알루미늄 전극/제2절연층으로 적층된 구조를 갖는 정전척을 제조하였다.As shown in FIG. 1, first, a second insulating layer 30 made of an aluminum nitride insulator is formed, and a conductive ceramic electrode 20 made of a titanium nitride material to which 5 wt% of aluminum nitride is added using a doctor blade method. It is formed on the second insulating layer 30. Subsequently, a first insulating layer 10 made of an aluminum nitride insulator was formed on the conductive ceramic electrode 20. The resulting product was laminated with a first insulating layer / titanium nitride / aluminum nitride electrode / second insulating layer having a 4 inch diameter using a pressure sintering method at a temperature of 1950 ° C., a pressure of 40 MPa, and a nitrogen atmosphere. An electrostatic chuck was manufactured.
실시예 2 ~ 9Examples 2-9
10중량%, 15중량%, 20중량%, 25중량%, 35중량%, 40중량%, 45중량% 및 50중량%의 질화알루미늄이 각각 첨가된 질화티타늄 재질로 이루어진 전도성 세라믹 전극(20)을 각각 형성한다는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 4인치 직경을 갖는 제1절연층/질화티타늄·질화알루미늄 전극/제2절연층으로 적층된 구조를 갖는 정전척을 제조하였다.10 wt%, 15 wt%, 20 wt%, 25 wt%, 35 wt%, 40 wt%, 45 wt%, and 50 wt% aluminum nitride, respectively, Except that each was formed, an electrostatic chuck having a structure laminated with a first insulating layer / titanium nitride / aluminum nitride electrode / second insulating layer having a 4 inch diameter was manufactured in the same manner as in Example 1.
실시예 10Example 10
유전상수(εr=85이상)가 커서 강한 정전 흡착력을 나타낼 수 있고 내화학성 및 내 플라즈마성이 우수한 산화티타늄 절연체로 제2절연층을 형성하고, 상기 산화티타늄과 같은 산화물계이며 결정구조도 거의 유사하고 소결온도도 유사한 저차산화티타늄 재질로 이루어진 전도성 세라믹 전극을 닥터블레이드법을 이용하여 상기 제2절연층 상에 형성하였다. 이어서, 상기 전도성 세라믹 전극 상에 산화티타늄 절연체로 이루어진 제1절연층을 형성하였다. 그리고, 상기 결과물을 1350℃ 온도, 진공의 압력, 아르곤가스 분위기에서 가압소결방법을 이용하여 4인치 직경을 갖는 제1절연층/저차산화티타늄 전극/제2절연층으로 적층된 구조를 갖는 정전척을 제조하였다.The dielectric constant (ε r = 85 or more) is large, so that a strong electrostatic adsorption force can be exhibited, and the second insulating layer is formed of a titanium oxide insulator having excellent chemical resistance and plasma resistance, and is oxide type and crystal structure similar to that of the titanium oxide. A conductive ceramic electrode made of a low titanium oxide material having similar and sintering temperature was formed on the second insulating layer by using the doctor blade method. Subsequently, a first insulating layer made of titanium oxide insulator was formed on the conductive ceramic electrode. Then, the resultant electrostatic chuck having a structure laminated with a first insulating layer / lower titanium oxide electrode / second insulating layer having a 4 inch diameter using a pressure sintering method at a temperature of 1350 ° C., a vacuum pressure, and an argon gas atmosphere. Was prepared.
실시예의 정전척 특성 평가Evaluation of Electrostatic Chuck Characteristics of Examples
상기 실시예 1 내지 9 및 하기의 비교예1을 참고하여 질화티타늄에 질화알루미늄이 첨가됨에 따라 전도성 세라믹 전극의 전기비저항의 크기 변화량 및 열팽창계수의 크기 변화량를 측정하였다.As the aluminum nitride is added to titanium nitride with reference to Examples 1 to 9 and Comparative Example 1 below, the amount of change in electrical resistivity and the amount of change in coefficient of thermal expansion of the conductive ceramic electrode were measured.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화티타늄(TiN)에 질화알루미늄(AlN)이 첨가된 전도성 세라믹 전극의 전기비저항 측정 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing electrical resistivity measurement results of a conductive ceramic electrode to which aluminum nitride (AlN) is added to titanium nitride (TiN) according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 가압소결법으로 제조한 세라믹 정전척에서 순수한 질화티타늄 재질로된 전도성 세라믹 전극은 전기비저항이 21.4Ω·㎝인 전도성을 가지며, 5 내지 50 중량%의 질화알루미늄을 첨가함에 따라 상기 전기비저항이 조금씩 증가함을 알 수 있다. 그러나, 상기 질화알루미늄이 55 내지 100중량%일 경우에는 전기비저항이 급격하게 증가되어 상기 전극의 전기비저항이 11MΩ·㎝인 절연체가 된다.Referring to FIG. 2, the conductive ceramic electrode made of pure titanium nitride in a ceramic electrostatic chuck manufactured by pressure sintering has a conductivity of 21.4 kΩ · cm, and is added as 5 to 50 wt% of aluminum nitride is added. It can be seen that the electrical resistivity increases little by little. However, in the case where the aluminum nitride is 55 to 100% by weight, the electrical resistivity increases rapidly, resulting in an insulator having an electrical resistivity of 11 MPa · cm of the electrode.
따라서, 상기 전도성 세라믹 전극의 전기비저항은 상기 (1)식에 따라 전기비저항이 수십 Ω·㎝ 일 때 정전척의 response time(τo)이 10-8sec 정도가 되어 정전척으로 사용하기에 적합한 dechucking time을 나타내기 때문에 도 2에 나타낸 바와 같이 상기 전기비저항을 고려하면서 상기 절연층과의 열 팽창계수 차이를 줄이기 위해서는 질화티타늄에 첨가되는 질화알루미늄의 양을 5 내지 50 중량% 범위내에서 사용하는 것이 바람직하다.Therefore, the electrical resistivity of the conductive ceramic electrode is dechucking suitable for use as an electrostatic chuck when the response time (τ o ) of the electrostatic chuck becomes about 10 −8 sec when the electrical resistivity is several tens of Ω · cm according to Equation (1). As shown in FIG. 2, in order to reduce the difference in thermal expansion coefficient with the insulating layer while considering the electrical resistivity, it is preferable to use the amount of aluminum nitride added to titanium nitride within a range of 5 to 50 wt%. desirable.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질화티타늄에 질화알루미늄이 첨가된 전도성 세라믹 전극의 열 팽창계수 측정 결과를 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing a thermal expansion coefficient measurement result of a conductive ceramic electrode to which aluminum nitride is added to titanium nitride according to an embodiment of the present invention.
도 3에 나타낸바와 같이 가압소결법으로 제조된 순수한 질화티타늄의 세라믹전극의 열 팽창계수는 약 9.550x10-6/℃ 이고, 순수한 질화알루미늄의 세라믹 절연층의 열 팽창계수는 약 5.723x10-6/℃로 더 작은 값을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 질화티타늄에 질화알루미늄이 첨가됨에 따라 전도성 세라믹 전극의 열 팽창계수는 점점 더 감소됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 3, the coefficient of thermal expansion of the ceramic electrode of pure titanium nitride prepared by pressure sintering is about 9.550 × 10 −6 / ° C., and the coefficient of thermal expansion of the ceramic insulating layer of pure aluminum nitride is about 5.723 × 10 −6 / ° C. It can be seen that it has a smaller value. Therefore, it can be seen that as the aluminum nitride is added to titanium nitride, the thermal expansion coefficient of the conductive ceramic electrode is gradually decreased.
상기와 같이 절연층과 전극의 열 팽창계수 차이가 클 경우에는 가압소결 후 냉각하는 과정에서 상기 정전척 내부의 질화티타늄 전극에 인장응력이 발생하여 전극에 균열이 발생하는 문제가 생길 수 있으므로 본 발명에서는 질화티타늄에 질화알루미늄을 일정량 첨가시킴으로서 열 팽창계수 차이를 최소화시키는 것이 중요하다.As described above, when the thermal expansion coefficient difference between the insulating layer and the electrode is large, tensile stress may be generated in the titanium nitride electrode inside the electrostatic chuck during cooling after pressurizing and sintering, thereby causing a problem of cracking in the electrode. It is important to minimize the difference in coefficient of thermal expansion by adding a certain amount of aluminum nitride to titanium nitride.
따라서, 도2 와 도3 을 참조하여 적합한 전기비저항을 가지면서 열팽창계수 차이를 최소화시킬 수 있는 질화알루미늄 양은 5 내지 50 중량%의 범위에서 첨가하는 것이 적합하고, 보다 바람직하게는 25 내지 40 중량%의 질화알루미늄을 첨가하는 것이 바람직하다.Therefore, the amount of aluminum nitride that can minimize the difference in thermal expansion coefficient while having a suitable electrical resistivity with reference to Figures 2 and 3 is preferably added in the range of 5 to 50% by weight, more preferably 25 to 40% by weight It is preferable to add aluminum nitride.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 질화티타늄에 질화알루미늄을 첨가한 전도성 세라믹 전극과 질화알루미늄 절연층을 포함하는 정전척의 단면을 나타내는 전자현미경 사진이다.4 is an electron micrograph showing a cross section of an electrostatic chuck including a conductive ceramic electrode in which aluminum nitride is added to titanium nitride prepared according to an embodiment of the present invention, and an aluminum nitride insulating layer.
도 4를 참조하면, 상기 실시예의 질화티타늄·질화알루미늄으로 제조된 전도성 세라믹 전극(20)과 상기 정전척의 절연층(10,30)이 접촉되는 계면은 도 4에서 나타난 바와 같이 서로 동일한 질화물을 사용하였기 때문에 상기 질화알루미늄의절연층(10,30)과 상기 질화티타늄·질화알루미늄으로 제조된 전도성 세라믹 전극(20) 사이의 접합성이 매우 우수하며 열팽창계수의 차이에 의한 균열이 발생하지 않은 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, the interface between the conductive ceramic electrode 20 made of the titanium nitride and aluminum nitride of the embodiment and the insulating layers 10 and 30 of the electrostatic chuck uses the same nitride as shown in FIG. 4. As a result, the bonding between the insulating layers 10 and 30 of aluminum nitride and the conductive ceramic electrode 20 made of titanium nitride and aluminum nitride is excellent, and it is understood that no crack occurs due to a difference in thermal expansion coefficient. have.
따라서, 상기 구성 요소를 포함하는 세라믹 정전척은 인가전압 3kV, 전류 0.8mA에서 1700gf로 반도체 장치 제조 공정에서 요구되는 반도체 기판의 흡착력의 20배 이상인 흡착력 얻을 수 있었다.Therefore, the ceramic electrostatic chuck including the above components could obtain an adsorption force of 20 times or more of the adsorption force of the semiconductor substrate required in the semiconductor device manufacturing process at 1700 g f at an applied voltage of 3 kV and a current of 0.8 mA.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 저차산화티타늄(TinO2n-1) 재질의 전도성 세라믹 전극과 산화티타늄(TiO2) 절연층을 포함하는 정전척의 단면을 나타내는 전자현미경 사진이다.5 is an electron micrograph showing a cross section of an electrostatic chuck including a conductive ceramic electrode made of a low titanium oxide (Ti n O 2n-1 ) material and a titanium oxide (TiO 2 ) insulating layer prepared according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 상기 실시예에 따른 저차산화티타늄으로 제조된 전도성 세라믹 전극(20)과 상기 산화티타늄의 절연층(10,30)이 접촉되는 계면에는 도 5에서 나타난 바와 같이 균열 등의 결함이 없이 완전하게 접합되어 상기 정전척에 균열이 발생하지 않는다. 이와 같은 이유는 서로 동일한 결정구조를 갖는 물질을 사용하였기 때문에 거의 유사한 열팽창계수를 가지고 있기 때문이다.Referring to FIG. 5, defects such as cracks are formed at an interface between the conductive ceramic electrode 20 made of low titanium oxide and the insulating layers 10 and 30 of titanium oxide, according to the embodiment. It is completely bonded without this, and there is no crack in the electrostatic chuck. The reason for this is that the materials having the same crystal structure have almost the same coefficient of thermal expansion.
그리고, 상기 구성요소를 포함하는 정전척의 정전흡착력 측정결과 인가전압 3kV, 전류 0.8mA에서 660gf의 정전흡착력을 나타내었다.In addition, the result of measuring the electrostatic adsorption force of the electrostatic chuck including the above components showed an electrostatic adsorption force of 660 g f at an applied voltage of 3 kV and a current of 0.8 mA.
도 6은 본 발명의 망(mesh)상의 전극과 판(plate)상의 전극을 사용한 정전척의 전기장 분포를 비교하여 나타내는 시뮬레이션 결과이다.6 is a simulation result showing a comparison of the electric field distribution of an electrostatic chuck using an electrode on a mesh and an electrode on a plate of the present invention.
상기 도 6을 참조하면, 판상 전극을 사용한 정전척의 전기장 분포 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이 본 발명의 전도성 세라믹 전극은 절연체와 적합성이 좋기 때문에 망상 전극이 아닌 판상 전극을 사용할 수 있으므로 정전척의 전면에 걸쳐 균일하고 강한 전기장 분포를 나타낼 수 있어 결과적으로 우수한 흡착력을 얻을 수 있다.Referring to FIG. 6, as can be seen from the electric field distribution simulation result of the electrostatic chuck using the plate electrode, the conductive ceramic electrode of the present invention has good compatibility with the insulator, so that the plate-shaped electrode can be used instead of the reticular electrode. And strong electric field distribution, resulting in excellent adsorption force.
비교예 1Comparative Example 1
질화알루미늄을 절연체로 사용하고, 순수 질화티타늄을 전극으로 사용한다는 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 4인치 직경을 갖는 제1절연층/질화티타늄 전극/제2절연층으로 적층된 구조를 갖는 정전척을 제조하였다.The first insulating layer / titanium nitride electrode / second insulating layer having a 4 inch diameter was laminated in the same manner as in Example 1 except that aluminum nitride was used as the insulator and pure titanium nitride was used as the electrode. An electrostatic chuck having a structure was produced.
비교예 2 ~ 5Comparative Examples 2 to 5
상기 도 2 에 나타난 바와 같이 전도성 세라믹 전극에 열팽창계수를 질화알루미늄 절연층에 더욱 가깝게 감소시키기 위하여 질화알루미늄을 50중량% 이상 첨가하면 상기 전극의 전기비저항이 급격히 증가하는 문제가 있는 것을 알 수 있었다. 이를 해결하기 위하여 질화알루미늄 대신에 질화알루미늄과 유사한 열팽창계수를 가지고 있으나 전도성 산화물인 저차산화티타늄을 15중량%, 35중량%, 50중량% 및 75중량%로 상기 질화티타늄에 각각 첨가하여 전도성 세라믹 전극을 형성한다는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 4인치 직경을 갖는 제1절연층/질화티타늄·저차산화티타늄 전극/제2절연층으로 적층된 구조를 갖는 정전척을 제조하였다.2 above As shown in FIG. 2, when the aluminum nitride is added to 50 wt% or more to reduce the thermal expansion coefficient closer to the aluminum nitride insulating layer, the electrical resistivity of the electrode is rapidly increased. To solve this problem, instead of aluminum nitride, it has a thermal expansion coefficient similar to that of aluminum nitride, but conductive titanium electrodes are added to the titanium nitride at 15 wt%, 35 wt%, 50 wt%, and 75 wt%, respectively, as a conductive oxide. An electrostatic chuck having a structure laminated with a first insulating layer / titanium nitride / low titanium oxide electrode / second insulating layer having a 4 inch diameter was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the film was formed.
비교예 6Comparative Example 6
질화알루미늄을 절연체로 사용하고, 순수 저차산화티타늄을 전극으로 사용한다는 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 4인치 직경을 갖는 제1절연층/저차산화티타늄 전극/제2절연층으로 적층된 구조를 갖는 정전척을 제조하였다.Except for using aluminum nitride as an insulator and using pure low titanium oxide as an electrode, the same method as in Example 1 was used as the first insulating layer / low titanium oxide electrode / second insulating layer having a 4 inch diameter. An electrostatic chuck having a laminated structure was produced.
비교예의 정전척 특성 평가Evaluation of Electrostatic Chuck Characteristics of Comparative Examples
상기 비교예를 참고하여 질화티타늄에 저차산화티타늄이 첨가됨에 따라 전도성 세라믹 전극의 열팽창계수의 크기 변화량 및 정전척의 단면을 나타내었다.Referring to the comparative example, as the lower titanium oxide is added to the titanium nitride, the amount of change in the thermal expansion coefficient of the conductive ceramic electrode and the cross section of the electrostatic chuck are shown.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 질화티타늄 전도성 세라믹 전극과 질화알루미늄 절연층을 포함하는 정전척의 단면을 나타내는 전자현미경 사진이다.7 is an electron micrograph showing a cross section of an electrostatic chuck including a titanium nitride conductive ceramic electrode and an aluminum nitride insulating layer according to a comparative example of the present invention.
도 7을 참조하면, 상기 비교예 1과 같은 방법으로 정전척을 제조하여 사용한 결과 상기 질화알루미늄 절연층과 질화티타늄 전극의 열팽창계수의 차이로 인하여 상기 전극과 절연층 사이의 계면에 균열이 발생하였다.Referring to FIG. 7, as a result of manufacturing and using an electrostatic chuck in the same manner as in Comparative Example 1, a crack occurred at an interface between the electrode and the insulating layer due to a difference in the coefficient of thermal expansion of the aluminum nitride insulating layer and the titanium nitride electrode. .
도 8은 본 발명의 비교예에 따른 질화티타늄에 저차산화티타늄을 첨가한 전도성 세라믹 전극의 열팽창계수의 크기 변화량을 나타내는 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing the change in the coefficient of thermal expansion of the conductive ceramic electrode in which low titanium oxide is added to titanium nitride according to a comparative example of the present invention.
도 8을 참조하면, 상기 질화티타늄에 저차산화티타늄의 첨가량을 증가시키면서 상기 세라믹스 전극을 형성하여 열팽창계수를 측정한 결과 도 8에 나타낸 바와 같이 질화티타늄과 거의 유사한 9.7x10-6/℃ 정도의 값을 나타냈으며, 상기 질화티타늄의 열팽창계수를 질화알루미늄의 열팽창계수에 가깝게 낮춰주는 효과는 얻을 수 없었다.Referring to FIG. 8, as a result of measuring the coefficient of thermal expansion by forming the ceramic electrode while increasing the addition amount of low titanium oxide to the titanium nitride, a value of about 9.7 × 10 −6 / ° C. almost similar to that of titanium nitride is shown in FIG. 8. The effect of lowering the coefficient of thermal expansion of titanium nitride close to that of aluminum nitride was not obtained.
따라서, 상기 비교예 2 내지 5와 같은 방법으로 제조된 전도성 세라믹 전극(20)과 상기 정전척의 절연층(10,30)이 접촉되는 계면은 상기 전도성 세라믹 전극(20)과의 열 팽창계수의 차이에 의한 균열이 발생하였다.Therefore, the interface between the conductive ceramic electrode 20 manufactured by the same method as Comparative Examples 2 to 5 and the insulating layers 10 and 30 of the electrostatic chuck is different from the thermal expansion coefficient of the conductive ceramic electrode 20. A crack occurred by.
또한, 상기 질화티타늄에 저차산화티타늄이 첨가되어 형성된 전도성 세라믹 전극(20)을 사용한 정전척(50)에 2kV 이상의 전압을 인가할 경우에는 절연파괴 현상이 발생하여 상기 정전척의 기능을 수행하지 못하는 현상이 발생하였다. 이는 상기 가압소결시 절연층(10,30)인 질화알루미늄의 소결을 위하여 1950℃의 높은 온도로 소결하였기 때문에 전극에 첨가된 저차산화티타늄이 용융되어 절연층 내부로 확산되면서 절연층(10)의 비저항이 감소하여 절연파괴 현상이 나타나기 때문이다.In addition, when a voltage of 2 kV or more is applied to the electrostatic chuck 50 using the conductive ceramic electrode 20 formed by the addition of low titanium oxide to the titanium nitride, a dielectric breakdown phenomenon may occur, thereby preventing the function of the electrostatic chuck. This occurred. Since the sintering was performed at a high temperature of 1950 ° C. to sinter the aluminum nitride, which is the insulating layers 10 and 30 during the pressurization and sintering, the low titanium oxide added to the electrode was melted and diffused into the insulating layer. This is because the resistivity decreases, resulting in dielectric breakdown.
상기 비교예 6과 같은 방법으로 제조된 순수한 저차산화티타늄 전도성 세라믹 전극과 질화알루미늄 절연층을 포함하는 정전척의 경우는 열팽창계수 차이가 작기 때문에 계면에서 균열 등의 결함이 발생하지는 않지만, 질화알루미늄의 소결온도가 높기 때문에 저차산화티타늄이 소결중 용융되어 질화알루미늄 절연층의 절연파괴를 초래하는 문제점이 발생된다.In the case of the electrostatic chuck including the pure low titanium oxide conductive ceramic electrode and the aluminum nitride insulating layer manufactured by the same method as in Comparative Example 6, since the thermal expansion coefficient difference is small, defects such as cracks do not occur at the interface, but sintering of aluminum nitride Due to the high temperature, the problem is that low titanium oxide is melted during sintering and causes breakdown of the aluminum nitride insulating layer.
그리고, 상기 본 발명의 정전척의 실시예와 비교예의 특성을 비교하여 하기 표1에 나타내었다.In addition, the characteristics of the electrostatic chuck of the present invention and the comparative example are shown in Table 1 below.
<표1><Table 1>
따라서 본 발명에 의하면, 티타늄(Ti)을 포함하는 전도성 세라믹 물질로 형성된 전도성 세라믹 전극은 상기 정전척용 세라믹 절연체와 접합성이 우수하기 때문에 세라믹 절연층과 전극층의 계면이 분리되는 문제를 방지할 수 있다. 그러므로, 전기장이 불균일한 망상전극이 아닌 균일한 전기장을 발생시키는 판상 전극으로 제조하여 사용할 수 있어 균일하면서도 강한 흡착력을 얻을 수 있다.Therefore, according to the present invention, since the conductive ceramic electrode formed of the conductive ceramic material containing titanium (Ti) has excellent bonding property with the ceramic insulator for the electrostatic chuck, the problem of separating the interface between the ceramic insulating layer and the electrode layer can be prevented. Therefore, it is possible to manufacture and use a plate-like electrode which generates a uniform electric field instead of a non-uniform reticulated electric field, thereby obtaining a uniform and strong adsorption force.
그리고, 상기 절연층과 전극은 같은 세라믹 물질을 포함하고 있어서 상기 정전척 사용시 가열 및 냉각이 반복되는 열 이력 조건 하에서 열 응력이 반복적으로 발생되어도 상기 전극과 세라믹 절연체 사이에 열 팽창계수 차이가 작기 때문에 계면의 박리나 균열이 발생하지 않아 세라믹 정전척의 수명이 길어지고, 상기 정전척의 교체 방지로 인한 비용 감소와 상기 교체 방지로 인한 제조공정의 지연을 방지할 수가 있다.In addition, since the insulating layer and the electrode contain the same ceramic material, the thermal expansion coefficient difference between the electrode and the ceramic insulator is small even if the thermal stress is repeatedly generated under the heat history condition in which the heating and cooling are repeated when the electrostatic chuck is used. The separation and cracking of the interface do not occur, thereby increasing the life of the ceramic electrostatic chuck, and reducing the cost due to the replacement of the electrostatic chuck and preventing the delay of the manufacturing process due to the replacement.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art various modifications and variations of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.
Claims (10)
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