KR20040031691A - 세라믹 접합체 - Google Patents

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KR20040031691A
KR20040031691A KR10-2003-7009501A KR20037009501A KR20040031691A KR 20040031691 A KR20040031691 A KR 20040031691A KR 20037009501 A KR20037009501 A KR 20037009501A KR 20040031691 A KR20040031691 A KR 20040031691A
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KR
South Korea
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ceramic
ceramic substrate
conductor
cylindrical body
heating element
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KR10-2003-7009501A
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이토야스타카
오쿠라가즈테루
Original Assignee
이비덴 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은, 반도체 제품의 제조/검사 단계에 사용하기 위해, 서로 강하게 접합된 세라믹 기판과 원통체 등의 세라믹체를 구비하고, 세라믹 기판에서의 내부식성이 뛰어난 세라믹 접합체를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 세라믹 접합체는, 도전체가 제공된 세라믹 기판; 및 세라믹 기판의 바닥면에 접합된 세라믹체를 구비하고, 세라믹 접합체는, 세라믹 기판과 세라믹체 사이의 접합계면의 위쪽영역의 적어도 일부에, 도전체가 형성되지 않은 영역을 갖는다.

Description

세라믹 접합체{CERAMIC JOINT BODY}
에칭 장치, 화학적기상성장장치 등을 포함하는 반도체 제조/검사 장치로서, 종래에는, 스테인레스 스틸이나 알루미늄 합금 등의 금속제 기재를 이용한 히터, 정전척 등이 이용되었다.
그러나, 금속제의 히터는 이하의 문제점을 갖는다.
우선, 금속제이기 때문에 히터판의 두께는 15mm 정도이어야 한다. 왜냐하면, 얇은 금속판의 경우에는, 가열에 의한 열팽창에 의해 휨과 변형이 발생하여, 금속판 상에 장착된 실리콘웨이퍼가 파손되거나 기울게 된다. 그러나, 히터판이 두껍게 되는 경우에는, 히터가 중량이 무겁게 되고 부피가 커진다는 문제가 있다.
또한, 저항발열체에 인가하는 전압 및 전류를 변경함으로써, 실리콘웨이퍼 등의 피가열물을 가열하는 면(이하, 가열면이라 한다)의 온도가 변경되지만, 가열판의 온도가 전압 및 전류의 변화를 신속하게 추종하지 않게 되어, 온도제어가 어렵게 된다.
따라서, 일본국 특개평 제4-324276호는 기판으로서, 열전도율 및 강도가 높은 비산화 세라믹인 질산알루미늄을 사용하고, 저항발열체와 텅스텐으로 이루어지는 도체충전 스루홀이 형성되며, 이들에 외부단자로서 니크롬선이 납땜된 세라믹 히터를 제안한다.
이러한 세라믹 히터는 고온에서 기계적인 강도가 큰 세라믹 기판을 이용하고 있기 때문에, 세라믹 기판의 두께를 얇게 하여 열용량을 줄일 수가 있어서, 그 결과, 전압 및 전류의 변화를 세라믹 기판의 온도가 신속히 추종할 수 있게 된다.
또한, 이러한 세라믹 히터에 관해, 일본 특개 제2000-114355호 및 일본 특허 제2783980호에 개시된 바와 같이, 원통형 세라믹 및 원판형의 세라믹은 세라믹 접합층을 통해 접합되어, 반도체 제조공정에서 이용하는 반응성 가스 및 할로겐 가스로부터 외부단자 등의 배선을 보호한다.
본 발명은, 핫 플레이트(세라믹 히터), 정전척, 서셉터 등에 이용되고, 그 내부에 도전체가 매설된 세라믹 기판 및 기판의 저면에 세라믹 원통체(cylindrical body)등의 세라믹체를 구비하는 세라믹 접합체에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명의 세라믹 접합체의 일례인 세라믹 히터를 개략적으로 나타내는 저면도이다.
도 2는, 도 1에 나타난 세라믹 히터의 단면도이다.
도 3은, 도 1에 나타난 세라믹 히터를 구성하는 세라믹 기판을 개략적으로 나타내는 부분 확대 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 세라믹 접합체의 일례인 정전척을 구성하는 세라믹 기판을 개략적으로 나타내는 종단면도이다.
도 5는, 도 4에 나타난 정전척을 구성하는 세라믹 기판을 개략적으로 나타내는 부분 확대 단면도이다.
도 6은, 세라믹 기판에 매설된 정전전극의 일례를 개략적으로 나타내는 수평단면도이다.
도 7은, 세라믹 기판에 매설된 정전전극의 다른 일례를 개략적으로 나타내는 수평단면도이다.
도 8은, 세라믹 기판에 매설된 정전전극의 또 다른 일례를 개략적으로 나타내는 수평단면도이다.
도 9(a) 내지 9(d)는 본 발명의 세라믹 접합체의 일례인 세라믹 히터 제조방법의 일례를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 10은 실시예에 따른 세라믹 히터를 구성하는 세라믹 기판을 개략적으로 나타내는 부분 확대 단면도이다.
도 11은 벤딩강도 시험에 있어서 도전체 비형성 면적의 비율과 파괴강도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
<부호의 설명>
10세라믹 히터
11세라믹 기판
11a가열면
11b바닥면
12저항 발열체
12a저항 발열체 단부
13, 13'도체충전 스루홀
14바닥홀(bottomed hole)
15스루홀
16오목부
17원통체
18도체회로
19블라인드홀
130비아홀
180측온소자
그러나, 이러한 세라믹 히터에 관해, 원통형의 세라믹과 원판형의 세라믹을 강하게 접합하기 위해서, 세라믹 접합층을 통해 접합하거나, 이들의 면에 소결조제를 포함하는 용액을 도포하여 서로 접합하는 것이 필수적으로 요구된다.
또한, 이러한 방법으로 접합체를 제작한 경우에, 접합부분의 강도가 불충분하고, 또한, 접합부분의 내부식성도 불충분하여, 따라서 장기간 반응성 가스 및 할로겐 가스에 노출된다면, 상술한 원판형 세라믹은 부식하고 사용할 수 없게 됨과 동시에, 세라믹 자유입자(free particle)가 떨어져서 실리콘웨이퍼에 부착하여 자유입자 오염을 일으킨다.
본 발명은, 상술한 문제를 해결하기 위해서 발전되었고, 그 목적은, 세라믹 기판 및 기판에 강하게 접합된 원통체 등의 세라믹체를 구비하고, 상기 세라믹 기판의 높은 내부식성이 제공되는 세라믹 접합체를 실현하는 것이다.
본 발명에 따른 세라믹 접합체는, 도전체가 제공된 세라믹 기판; 및 세라믹 기판의 바닥면에 접합된 세라믹체를 구비하고, 상기 세라믹 접합체는 상기 세라믹 기판과 상기 세라믹체 사이의 접합계면의 위쪽영역의 적어도 일부에 도전체가 형성되지 않은 영역을 갖는다.
세라믹 기판에 포함되는 Y2O3등의 소결조제는, 소결과정에서 표면 방향으로 확산되기 때문에, 세라믹 기판 내부에 전극 및 저항발열체가 형성되어 있는 경우에는, 전극 및 저항발열체에 의해서, 소결조제의 표면 방향으로의 확산이 저해되어, 전극 또는 저항발열체의 아래쪽영역 부근에서의 소결조제의 농도가 상당히 낮게 된다. 한편, 저항발열체가 형성되지 않은 부분의 아래쪽 영역에서는 소결조제의 농도가 높다.
본 발명의 세라믹 접합체에 있어서, 상기 세라믹 기판과 상기 세라믹체의 접합계면의 위쪽영역의 적어도 일부에 전극과 저항발열체가 형성되지 않은 영역을 갖기 때문에, 접합계면에서의 소결조제의 농도는 높아지게 된다.
따라서, 세라믹 기판 내부의 소결조제의 농도가 높은 경우에는, 세라믹 기판과 세라믹체를 서로 직접 접촉시킨 상태에서 가열하여 접합하는 것이 가능하고, 세라믹 기판과 세라믹체의 계면에 소결조제를 삽입하여 가열을 수행하는 경우에는,이들 사이의 접합강도를 증가시킬 수 있다. 이러한 태양으로 접합을 수행함으로써, 계면에서 소결이 진행하여 세라믹 입자가 서로 결합되고 성장하여, 계면을 건너감으로써 세라믹 기판과 세라믹체가 강하게 접합된다.
그 결과, 상기 세라믹체에 격납된 외부단자, 도전선등의 전극부재를 부식성 가스로부터 확실하게 보호할 수 있다.
본 발명의 세라믹 히터에 있어서, 상기 세라믹 기판의 접합계면의 위쪽영역에서의 Y2O3등의 소결조제의 농도는, 상기 저항발열체의 아래쪽영역에서의 Y2O3등의 소결조제의 농도와 비교하여 높은 것이 바람직하다.
소결조제의 농도가 높으면, 세라믹 기판과 세라믹체의 계면에서 성장한 세라믹 입자가 세라믹 기판과 세라믹체를 강하게 접합하여, 이들 사이에 더욱 강한 접합강도를 제공하기 때문이다.
또한, 세라믹접합체는 정전전극을 구비하고, 가열수단이 제공되는 정전척으로서 기능하는 것이 바람직하다. 정전척은, 부식성의 분위기에서 자주 사용되고, 상기 세라믹 기판과 상기 원통체 등의 세라믹체가 상술한 바와 같이 접합된 구조가 최적이기 때문이다.
또한, 본 발명의 세라믹 접합체를 반도체 제조/검사 장치에 응용하는 경우에는, 그 내부에 도전체를 매설한 세라믹 기판이, 바닥판을 구비한 지지용기의 상부에 고정되고, 상기 세라믹 기판의 바닥면에 접합된 세라믹체(원통체)가 상기 도전체로부터의 배선을 격납하는 것이 바람직하다. 상기 배선이, 부식성의 가스 등에노출되어 부식하는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 세라믹체가 반드시 원통체일 필요는 없고, 전체가 세라믹으로 이루어지고 그 내부에 배선을 매설한 것이면 된다. 또한, 원통체는 원통형 이외에 속이 빈 각기둥이라도 된다.
상기 세라믹 기판의 접합계면의 위쪽영역에서, 도전체가 형성되어 있지 않은 영역의 면적은, 상기 접합계면의 면적의 5% 이상인 것이 바람직하다. 5% 미만이라면, 소결조제가 충분히 확산되지 않아서, 충분한 접합강도를 얻을 수 없기 때문이다.
또한, 상기 세라믹 기판의 접합계면의 위쪽영역에서, 도전체가 형성되지 않은 영역의 면적(도전체 비형성 면적)은, 상기 접합계면 면적의 50% 이상인 것이 보다 바람직하다. 도전체 비형성 영역의 면적이 50% 이상이면, 소결조제의 확산이 더 촉진되어, 보다 높은 접합강도가 제공되기 때문이다.
이하, 본 발명을 실시예를 참조하여 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하 설명하는 실시예의 범위로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 세라믹 접합체를 구성하는 세라믹 기판의 내부에 형성된 도전체가 저항 발열체 및 도전체인 경우에는, 상기 세라믹 접합체는, 세라믹 히터로서 기능한다.
도 1은, 본 발명의 세라믹 접합체를 구성하는 세라믹 히터의 일부인 세라믹 기판을 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 2는 그 단면도이며, 도 3은 도 2에 나타난 세라믹제 원통체의 주변 부분 확대 단면도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 세라믹 히터(10)에 있어서, 원판형 세라믹 기판(11)의 바닥면(11b)의 중앙 부근에 원통체(17)가 결합되어 있다. 또한, 원통체(17)는 지지용기의 바닥판(미도시)에 밀착하도록 형성되어 있기 때문에, 원통체(17)의 내측과 외측은 서로 완전히 격리되어 있다.
세라믹 기판(11)의 바닥면(11b)과 원통체(17)는 매우 얇은 접합층을 통하거나 또는 중간물 없이 직접 접합되어 있기 때문에, 접합부에서 가스가 투과하거나, 큰 응력이 가해지는 경우 원통체(17)가 분리되는 일 없이 강하게 접합되어 있다.
세라믹 기판(11)의 내부에는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 동심원형의 회로를 구비하는 저항발열체(12)가 형성되고, 이 저항발열체(12)는 서로 인접한 가까운 원형 회로가 쌍을 이뤄 각각의 단일 선을 구성하는 방식으로 접속되어 있다.
그러나, 도 1 및 도 2에 나타나는 바와 같이, 세라믹 기판(11)과 원통체(17)의 사이의 접합계면 위쪽영역에는, 저항발열체(12)가 형성되지 않은 영역 A가 존재한다. 따라서, 세라믹 기판에 포함된 소결소제가 기판표면으로 확산하는 도중에 저항발열체에 의해 저해되지 않고 원통체와의 접합계면에 도달할 수 있기 때문에, 세라믹 기판과 세라믹제 원통체가 강하게 접합될 수 있다.
또한, 도 2에 나타나는 바와 같이, 저항발열체(12)와 바닥면(11b)의 사이에는, 세라믹 기판(11)의 중심방향으로 연장되는 도체회로(18)가 형성되고, 저항발열체 단부(12a)와 도체회로(18)는 비아홀(130)을 통해 접속되어 있다.
도체회로(18)는 저항발열체 단부(12a)를 중앙부로 연장하기 위해서 형성되고, 세라믹 기판(11)의 내부에 있어서, 원통체(17)의 내측 근방까지 연장된 도체회로(18)의 타단의 바로 아래에는 도체충전 스루홀(13') 및 도체충전 스루홀(13')을 노출시키는 블라인드홀(19)이 형성되고, 도체충전 스루홀(13')은 땜납층(미도시)을통해 T형의 첨단을 갖는 외부단자(23)와 접속된다.
또한, 저항발열체와 다르게, A 영역을 통과하여 저항발열체 단부(12a)와 도체충전 스루홀을 접속하는 도체회로(18)는, A 영역 전체에 존재하지 않고 A 영역의 일부에만 존재하기 때문에, 세라믹 기판 표면에서의 Y2O3의 농도분포에 영향을 미치지 않아서, 본 발명에 반하지 않는다.
저항발열체 단부(12a)가 원통체(17)의 내측에 있는 경우에는, 비아홀 및 도체회로가 필요없기 때문에, 도체충전 스루홀(13)은 저항발열체의 단부에 직접 형성되고, 땜납층을 통해 외부단자(23)에 접속된다.
그리고, 각 외부단자(23)에는 도전선(230)을 갖는 소켓(25)이 부착되고, 도전선(230)은 바닥판(미도시)에 형성된 스루홀을 통해 외부로 유도되어, 전원 등(미도시)과 접속된다.
한편, 세라믹 기판(11)의 바닥면(11b)에 형성된 바닥홀(14)에는, 리드선(290)을 갖는 열전쌍 등의 측온소자(180)가 삽입되어 내열성 수지, 세라믹(실리카겔 등) 등으로 밀봉되어 있다. 리드선(290)은 애자(미도시)의 내부를 관통하여, 지지용기의 바닥면에 형성된 스루홀(미도시)을 통해 외부로 유도되어, 애자의 내부도 외부와 격리된다.
또한, 세라믹 기판(11)의 중앙 근처에는, 리프터 핀(미도시)이 통과하기 위해 스루홀(15)이 형성된다.
상기 리프터 핀은 실리콘웨이퍼 등의 피처리물을 장착하여 상하로 움직일 수있도록 형성되고, 따라서 실리콘웨이퍼를 도시되지 않은 반송기로 건네 주거나 반송기로부터 실리콘웨이퍼를 받음과 동시에, 실리콘웨이퍼를 세라믹 기판(11)의 가열면(11a) 상에 장착하여 가열하거나, 실리콘웨이퍼를 가열면(11a)으로부터 50 내지 2000㎛의 거리에서 가열면(11a) 상에서 지지하면서 가열할 수 있다.
또한, 세라믹 기판(11)에 스루홀 및 오목부가 형성되고, 지지핀이 세라믹 기판(11)을 약간 돌출하는 상태로 고정되어, 실리콘웨이퍼는 상기 지지핀 상에 지지됨으로써, 실리콘웨이퍼는 가열면으로부터 50 내지 2000㎛의 거리에서 가열될 수도 있다.
또한, 지지용기의 바닥면에는 냉매도입관 등이 제공될 수 있다. 이 경우에, 배관을 통해 냉매를 냉매도입관으로 도입함으로써, 세라믹 기판(11)의 온도 및 냉각속도를 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 세라믹 히터(10)에 있어서, 원통체(17)가 세라믹 기판(11)의 바닥면(11b)에 접합되고, 원통체(17)에는 도시되지 않은 지지용기의 바닥판(용기벽)이 제공되기 때문에, 원통체(17)의 내측과 외측은 서로 완전히 격리되어 있다.
따라서, 바닥판의 스루홀로부터 인출된 도전선(230)을 관상의 부재로 보호함으로써, 세라믹 히터(10)의 주위가 반응성 가스, 할로겐 가스 등을 포함하고, 이러한 가스 등이 지지용기의 내부에 용이하게 침투하더라도, 원통체(17)의 내부의 배선이 부식되지 않는다. 또한, 측온소자(180)로부터의 배선(290)도 애자 등에 의해 보호되기 때문에 부식되지 않는다.
또한, 원통체(17)의 내부에 불활성 가스 등을 천천히 유입하여 반응성 가스 및 할로겐 가스가 원통체(17)의 내부에 흐르지 못하도록 함으로써, 도전선(23)의 부식은 더욱 확실하게 방지될 수 있다.
세라믹 기판(11)은 그 내부에 소결조제인 Y2O3를 1 내지 10 중량% 포함하는 것이 바람직하다. 상기 Y2O3의 함유량이 1 중량% 미만이라면, 세라믹 기판(11)의 내부식성이 저하하고 원통체(17)와의 접합강도가 불충분해지고, 또한, 함유량이 10 중량%를 초과하면, 제조비의 상승을 초래하게 되어 현실적이지 않기 때문이다. 함유량은 2 내지 6 중량%인 것이 더 바람직하다.
질화물 세라믹(질화알루미늄)이 기판으로 사용되는 경우에는, 소결소제로서, Y2O3이외에, Al2O3, CaO, Na2O, Li2O, Rb2O 등이 사용될 수 있다. SiC가 기판으로 사용되는 경우에는, C, B4C 등이 소결조제로서 사용될 수 있다. Al2O3가 기판으로서 사용되는 경우에는, CaO 및 MgO가 소결조제로서 사용될 수 있다.
세라믹 기판(11)은, 명도가 JIS Z 8721에 규정된 값으로 N6 이하인 것이 바람직하다. 이러한 명도를 갖는 것이 복사열량 및 은폐성에서 뛰어나기 때문이다. 또한, 서모뷰어(thermoviewer)에 의해 이러한 세라믹 기판을 구비하는 세라믹 히터의 표면온도를 정확하게 측정하는 것이 가능해진다.
또한, 명도 N은 이하와 같이 정의된다: 이상적인 흑의 명도를 0으로 하고, 이상적인 백의 명도를 10으로 하여, 흑의 명도와 백의 명도 사이에서, 동일하게 지각할 수 있는 명도차로 각 색을 10등분 하여 각 색의 명도를 N0 내지 N10으로 표시한다.
그리고, 실제 측정은 색을 N0 내지 N10에 대응하는 색칩과 비교하여 수행된다. 이 경우에, 소수점 첫째 자리는 0 또는 5로 한다.
이러한 특성을 갖는 세라믹 기판(11)은 기판에 탄소를 100 내지 5000 ppm 첨가함으로써 얻을 수 있다. 탄소로는 비정질 탄소와 결정질 탄소가 있고, 비정질 탄소는 고온에서 기판의 부피저항율의 저하를 억제할 수 있고, 결정질 탄소는 고온에서 기판의 열전도율의 저하를 억제할 수 있기 때문에, 제조하는 기판의 사용에 따라 탄소의 종류를 적절하게 선택할 수 있다.
비정질의 탄소는, 예를 들어, C, H, 및 O만으로 구성되는 탄화수소, 바람직하게는 당류를 공기중에서 소성(firing)함으로써 얻을 수 있고, 결정질의 탄소로서는 흑연분말 등을 이용할 수 있다.
또한, 탄소는, 아크릴계 수지를 불활성 가스 분위기 하에서 열분해하여 그 아크릴계 수지를 가열가압하여 얻을 수 있고, 이 아크릴계 수지의 산가를 변화시킴으로써, 결정성(비정성)의 정도를 조정할 수 있다.
세라믹 기판(11)의 형상은 도시한 것과 같은 원판형상이 바람직하고, 지름은 200mm 이상이 바람직하고, 250mm 이상이 최적이다.
원판형상의 세라믹 기판(11)은 균일하게 가열되는 것이 요구되지만, 지름이 큰 기판은 불균일하게 가열되기 쉽기 때문이다.
세라믹 기판(11)의 두께는, 50mm 이하가 바람직하고, 20mm 이하가 더욱 바람직하다. 최적은 1 내지 5mm 이다.
두께가 너무 얇으면, 고온에서 가열할 때 휘어짐이 발생하기 쉽고, 반면에 두께가 너무 두꺼우면, 열용량이 너무 커져서 온도의 상승하강 특성이 저하되기 때문이다.
또한, 세라믹 기판(11)의 기공율(porosity)은 0 또는 5% 이하가 바람직하다. 상기 기공률은 아르키메데스 법에 의해 측정한다.
고온에서의 열전도율의 저하 및 휘어짐의 발생을 억제할 수 있기 때문이다.
원통체(17)는 세라믹 기판(11)을 강하게 지지하는 기능을 갖고, 세라믹 기판(11)을 고열에서 가열하는 때에도 자체무게에 의해 휘어지는 것을 방지할 수 있어서, 실리콘웨이퍼 등의 피처리물의 파손을 방지하고, 피처리물을 균일하게 가열할 수 있다.
원통체(17)를 구성하는 세라믹으로서, 세라믹 기판에 대해 상술한 예와 유사한 것을 이용할 수 있다.
원통체(17)는 내부에 소결조제로서 Y2O3를 0 내지 5 중량% 포함하는 것이 바람직하다. 상기 Y2O3의 함유량이 5 중량%를 넘으면, 제조비의 상승을 초래하여 현실적이지 않다.
본 발명의 세라믹 접합체에 있어서 원통체의 형상은 원통형상이 바람직하고, 내경은 10 mm 이상인 것이 바람직하다.
10 mm 미만이면, 세라믹 기판을 강하게 지지하는 것이 곤란해지고, 세라믹 기판이 고온으로 가열되었을 때 세라믹 기판이 자체무게에 의해 휘어질 수 있기 때문이다.
또한, 상기 원통체의 두께는 3 내지 20 mm 인 것이 바람직하다. 그 이유는 다음과 같다: 두께가 3 mm 미만이면, 원통체의 두께가 너무 얇으면 기계적 강도가 너무 낮아서 온도가 상승과 하강을 반복함으로써 상기 원통체가 파손될 가능성이 높고; 두께가 20 mm를 초과하면, 원통체의 두께가 너무 두꺼워 열용량이 커져서 온도상승속도가 저하될 것이기 때문이다.
저항발열체(12)의 패턴으로서는, 도 1에 나타낸 동심원 형상 이외에, 나선형상, 편심원형상, 및 동심원형상과 굴곡선과의 조합 등을 들 수 있다. 저항발열체(12)의 두께는 1 내지 50㎛가 바람직하고, 폭은 5 내지 20㎛가 바람직하다.
저항발열체(12)의 두께나 폭을 변화시킴으로써, 그 저항치를 변화시킬 수 있고 이 범위가 가장 실용적이기 때문이다. 저항발열체(12)의 저항치는, 두께가 얇아지고 폭이 좁아짐에 따라 커진다.
저항발열체(12)는, 단면 형상이 사각형, 타원형, 방추형, 반원형 등의 어느 것이라도 되지만, 편평형상이 바람직하다. 편평하면, 가열면(11a)을 향한 방열이 쉬워서, 가열면(11a)으로의 열전파량을 증가시키고, 가열면(11a)의 불균일한 온도분포가 발생하기 어렵기 때문이다. 또한, 저항발열체(12)는 나선형상일 수도 있다.
세라믹 히터(10)에 있어서, 저항발열체(12)로 구성되는 회로의 개수는 하나 이상이면 특별히 제한되지 않지만, 가열면(11a)을 균일하게 가열하기 위해서, 다수의 회로가 형성되는 것이 바람직하다.
저항발열체(12)를 세라믹 기판(11)의 내부에 형성하는 경우에, 형성위치는 특별히 제한되지 않지만, 세라믹 기판(11)의 바닥면(11b)으로부터 두께 60% 이내의 위치에 적어도 하나의 층이 형성되는 것이 바람직하다. 가열면(11a)까지 열이 전파하는 동안에 열이 확산하여, 가열면(11a)의 온도가 균일하게 되기 쉽기 때문이다.
세라믹 기판(11)의 내부에 저항발열체(12)를 형성하는 경우에, 금속 및 도전성 세라믹으로 구성되는 도체를 포함하는 페이스트를 이용하는 것이 바람직하다.
즉, 세라믹 기판(11)의 내부에 저항발열체(12)를 형성하는 경우에, 그린시트 상에 도체페이스트가 형성된 후, 그린시트는 적층 및 소성되어 내부에 저항발열체(12)를 형성한다.
상기 도체페이스트는 특별히 제한되지는 않지만 도전성을 확보하기 위해서 금속입자 또는 도전성 세라믹 이외에 수지, 용제, 증점제(thickener) 등을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 금속입자로서는, 예를 들어, 귀금속(금, 은, 백금, 팔라듐), 납, 텅스텐, 몰리브덴, 니켈 등이 바람직하다. 이들은 단독으로 이용되거나 둘 이상이 병용될 수 있다. 이 금속들은, 비교적 산화하기 어렵고, 발열에 대해 충분히 높은 저항치를 갖기 때문이다.
상기 도전성 세라믹으로서, 예를 들어, 텅스텐의 탄화물, 몰리브덴의 탄화물 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용되거나 둘 이상이 병용될 수 있다.
이들 금속입자 또는 도전성 세라믹의 입자 크기는 0.1 내지 100㎛가 바람직하다. 0.1㎛보다 미세하면, 산화되기 쉽고, 한편 100㎛를 넘으면, 소결하기 어렵게 되고, 저항치가 증가한다.
상기 금속 입자의 형상은, 구형 또는 인편상(scaly)일 수 있다. 이 금속입자들을 이용하는 경우, 상기 구형입자 및 상기 인편상 입자의 혼합물을 이용할 수도 있다.
상기 금속 입자들이 인편상이거나 또는 구형과 인편상의 혼합물이라면, 금속입자 사이에서 금속산화물을 유지하기 쉬워서, 저항발열체(12)와 세라믹 기판(11) 사이에 밀착성을 확실하게 하여 저항치가 높아질 수 있기 때문에 유리하다.
도체페이스트에 사용되는 수지로서, 예를 들어, 에폭시 수지, 페놀 수지 등을 들 수 있다. 또한, 용제로서, 예를 들어, 이소프로필 알코올 등을 들 수 있다. 증점제로서, 셀룰로오스 등을 들 수 있다.
또한, 기판의 내부에 도체회로(18)를 형성하는 경우에, 상술한 저항발열체(12)의 형성에 이용된 금속 또는 도전성 세라믹을 포함하는 도체페이스트 이외에, 전극 등을 형성하는 데 통상 이용되는 도체페이스트를 이용할 수 있다.
도체회로(18)의 크기는 특별히 제한되지 않고, 폭 및 두께는 각각 0.1 내지 50mm 및 0.1 내지 500㎛인 것이 바람직하고, 도체회로의 길이는, 저항발열체(12)의 단부로부터 세라믹 기판(11)의 중앙 부근에 접합된 원통체(17)의 내측까지의 거리에 대응하여 적절하게 조정될 수 있다.
본 발명에 따른 세라믹 히터(10)는 100℃ 이상에서 사용되는 것이 바람직하고, 200℃이상에서 사용되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 있어서, 소켓(25)을 통해 외부단자(23)로 접속된 도전선(230)은 다른 도전선(230)과의 단락을 방지하기 위해서, 내열성의 절연부재로 피복되는 것이 바람직하다.
이러한 절연부재로서, 원통체(17)와 같은 질화알루미늄이나, 기타, 알루미나, 실리카, 멀라이트(mullite), 근청석(cordierite) 등의 산화물 세라믹, 질화규소, 탄화규소 등을 들 수 있다.
도 1, 2, 및 3에 나타낸 세라믹 히터(10)에 있어서, 일반적으로, 세라믹 기판(11)이 지지용기(미도시)의 상부에 맞추어져 있지만, 다른 실시예에 있어서, 상단에 기판을 받는 부분을 갖는 지지용기의 상면에 기판이 장착되고, 볼트 등의 고정부재에 의해 고정될 수도 있다.
본 발명에 있어서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 측온소자(180)로서 열전쌍을 이용할 수 있다. 열전쌍에 의해 저항발열체(12)의 온도를 측정하여, 획득한 데이터에 기초하여 전압 및 전류를 변화시킴으로써 온도제어가 가능해지기 때문이다.
상기 열전쌍의 리드선의 접합부위 크기는, 각 리드선의 소선(element wire)의 직경과 동일하거나 그보다 크고, 0.5mm 이하가 바람직하다. 이러한 구성에 의해서, 접합부분의 열용량이 낮아지고, 온도가 정확하고 신속하게 전류치로 변환될 수 있다. 따라서, 온도제어성이 향상될 수 있고, 웨이퍼의 가열면(11a)의 온도분포가 좁아질 수 있다.
상기 열전쌍으로서, 예를 들어, JIS-C-1602(1980)에 예시된 K형, R형, B형,E형, J형, 및 T형 열전쌍을 포함할 수 있다.
상기 열전쌍 이외에, 본 발명에 따른 세라믹 히터(10)의 측온수단으로서, 예를 들어, 백금측온저항, 서미스터 등의 측온소자를 들 수 있고, 또한 서모뷰어 등의 광학적 수단을 이용하는 측온수단을 들 수 있다.
상기 서모뷰어를 이용하는 경우에는, 세라믹 기판(11)의 가열면(11a)의 온도를 측정할 수 있는 이외에, 실리콘웨이퍼 등의 피가열물 표면의 온도를 직접 측정할 수 있어서, 피가열물에 대한 온도제어의 정밀도가 향상될 수 있다.
본 발명의 세라믹 접합체를 구성하는 세라믹 기판은 반도체의 제조 및 반도체 검사를 위해 이용된다. 그 실제적인 예는 정전척, 서셉터, 핫플레이트(세라믹 히터) 등을 포함한다.
상기 세라믹 히터는, 내부에 저항발열체만이 매설된 세라믹 기판을 구비하는 장치이므로, 따라서 실리콘웨이퍼 등의 피처리물을 세라믹 기판의 표면에 유지하거나 표면으로부터 격리시켜서, 웨이퍼를 소정의 온도로 가열하거나 웨이퍼를 세정할 수 있다.
본 발명의 세라믹 접합체를 구성하는 세라믹 기판의 내부에 매설된 도전체가 정전전극 또는 도체회로인 경우에, 상기 세라믹 접합체는 정전척으로서 기능한다.
도 4는, 이러한 정전척을 개략적으로 도시하는 종단면도이고, 도 5는, 정전척의 부분 확대 단면도이고, 도 6은, 정전척을 구성하는 기판에 형성된 정전전극 부근을 개략적으로 나타내는 수평 단면도이다.
정전척(30)을 구성하는 세라믹 기판(31)의 내부에는, 반원형상척양,음극층(32a, 32b)이 서로 반대쪽에 배치되고, 이 정전전극 상에 세라믹 유전체막(34)이 형성된다. 또한, 세라믹 기판(31)의 내부에는, 저항발열체(320)가 형성되어, 실리콘웨이퍼 등의 피가열물을 가열할 수 있게 된다. 또한, 필요에 따라, RF 전극이 세라믹 기판(31)에 매설될 수 있다.
상기 정전전극은, 귀금속(금, 은, 백금, 팔라듐), 납, 텅스텐, 몰리브덴, 니켈 등의 금속 또는 텅스텐, 몰리브덴의 탄화물 등의 도전성 세라믹으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이들은 단독으로 이용되거나 둘 이상이 병용될 수 있다.
도 4 및 도 5에 나타나는 바와 같이, 정전척(30)은, 정전전극(32a, 32b)이 세라믹 기판(31)에 형성되고 정전전극(32a, 32b)의 끝부분 바로 아래에 도체충전 스루홀(33)이 형성되며 세라믹 유전체막(34)이 정전전극(32) 상에 형성된 것을 제외하고는, 상술한 세라믹 히터(10)와 유사하게 구성된다.
즉, 원통체(37)는 세라믹 기판(31)의 바닥면 중앙 부근에 접합되고, 도체충전 스루홀(33, 330)은 원통체(37) 내측의 상방에 형성되어, 정전전극(32a, 32b), 저항발열체(320)와 접속되며, 동시에 블라인드홀(390)에 삽입된 외부단자(360)에 접속되고, 외부단자(360)의 일단은 도전선(331)을 갖는 소켓(350)에 접속된다. 도전선(331)은 스루홀(미도시)의 외부로 이끌어 내어진다.
또한, 원통체(37)의 외부에 단부를 갖는 저항발열체(320)의 경우에는, 도 1 내지 도 3에 나타낸 세라믹 히터(10)의 경우와 유사하게, 비아홀(39), 도체회로(380), 및 도체충전 스루홀(330')이 형성되어, 저항발열체(32)의 단부를 원통체(37)의 내측으로 연장한다(도 5 참조). 따라서, 도체충전 스루홀(330')을노출시키는 블라인드홀(390)로 외부단자(360)를 삽입하여 접속함으로써, 원통체(37)의 내측에 외부단자(360)를 격납할 수 있다.
정전척(30)을 작동시키는 경우에, 저항발열체(320) 및 정전전극(32)에, 각각 전압을 인가한다. 따라서, 정전척(30) 상에 장착된 실리콘웨이퍼는 소정의 온도로 가열될 수 있고, 정전적으로 세라믹 기판(31)에 흡착된다. 또한, 정전척에 반드시 저항발열체(320)가 제공될 필요는 없다.
도 7은, 다른 정전척의 기판 상에 형성된 정전전극을 개략적으로 나타내는 수평단면도이다. 반원호상부(72a) 및 빗살형부(72b)로 구성되는 척양극정전층(72)과, 유사하게 반원호상부(73a) 및 빗살형부(73b)로 구성되는 척음극정전층(73)은, 한 빗살형부(72b)의 살이 다른 빗살형부(73b)의 살과 엇갈리게 연장되는 방식으로 대향하여 배치된다.
또한, 도 8은 다른 정전척의 기판 상에 형성된 정전전극을 개략적으로 나타낸 수평단면도이다. 정전척에 있어서, 기판(81)의 내부에 원을 네부분으로 분할한 형상으로 척양극정전측(82a, 82b) 및 척음극정전층(83a, 83b)이 형성된다. 이 두개의 척양극정전층(82a, 82b) 및 두개의 척음극정전층(83a, 83b)은 서로 교차하도록 형성된다.
또한, 원을 분할하여 형성된 형상으로 전극을 형성하는 경우에, 분할 부분의 개수는 특별히 제한되지 않고 다섯 분할 이상이 형성될 수도 있고, 형상도 부채꼴로 제한되지 않는다.
다음으로, 본 발명의 세라믹 접합체의 제조방법의 일례로서, 세라믹 히터의제조방법을 도 9를 참조하여 이하에서 설명한다.
도 9(a) 내지 9(d)는, 질화알루미늄을 구비하는 기판의 내부에 저항발열체를 갖는 세라믹 히터의 제조방법의 일부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
(1) 그린시트의 제작 단계
우선, 질화알루미늄의 세라믹 분말 등을 바인더, 용제 등과 혼합하여 페이스트를 제조한다. 이는 그린시트를 형성하는 데 이용된다.
이 경우에, 상기 그린시트에 소결조제로서 Y2O3를 첨가한다.
또한, 바인더로서, 아크릴계 바인더, 에틸 셀룰로오스, 부틸 셀로솔브(cellosolve), 및 폴리비닐 알코올로부터 선택된 적어도 하나의 바인더가 바람직하다.
또한, 용매로서, α-테르피네올 및 글리콜로부터 선택된 적어도 하나의 용매가 바람직하다.
이들을 혼합하여 얻어진 페이스트는 닥터 블레이드법에 의해 시트형상으로 형성되어 그린시트(50)를 얻는다.
그린시트(50)의 두께는 0.1 내지 5mm가 바람직하다.
다음으로, 저항발열체의 단부와 도체회로를 접속하기 위한 비아홀이 되는 부분(630)을 갖는 그린시트; 및 도체회로와 외부단자를 접속하기 위한 도체충전 스루홀이 되는 부분을 갖는 그린시트를 제조한다.
또한, 필요에 따라, 실리콘웨이퍼를 운반하는 리프터 핀이 통과하도록 하기위한 스루홀이 되는 부분; 실리콘웨이퍼를 지지하는 지지핀을 삽입하는 스루홀이 되는 부분; 및 열전쌍 등의 측온소자를 매설하는 바닥홀이 되는 부분을 형성한다. 또한, 도체충전 스루홀 및 바닥홀을 형성하는 처리는, 그린시트 적층체가 형성된 후 또는 적층체가 형성되어 소성된 후에 수행되어도 좋다.
또한, 비아홀(630)이 되는 부분 및 도체충전 스루홀이 되는 부분(63, 63')은, 탄소를 상기 페이스트에 가하여 얻은 페이스트를 채워도 된다. 그린시트 중의 탄소는 도체충전 스루홀에 충전된 텅스텐 또는 몰리브덴과 반응하여 이들의 탄화물이 형성되기 때문이다.
(2) 그린시트 상에 도체페이스트를 인쇄하는 단계
비아홀이 되는 부분(630)을 갖는 그린시트 상에서, 금속페이스트 또는 도체 세라믹을 포함하는 도체페이스트를 인쇄하여, 도체페이스트층(62)을 형성한다.
이 때, 원통체(17)가 접합되는 상단 부분에 대응하는 영역 상에는 도체페이스트가 인쇄되지 않는다. 이러한 방식으로, 원통체와의 접합계면의 위쪽 영역 이외의 영역에 저항발열체를 형성함으로써, 세라믹 기판(11)에 포함되는 소결조제가 표면으로 확산하는 도중에 저항발열체(12)에 의해서 저해되지 않고 원통체 접합부분에 도달할 수 있기 때문에, 세라믹 기판(11)과 세라믹제 원통체(17)를 서로 강하게 접합할 수 있다.
또한, 이 도체페이스트 중에는 금속입자 또는 도전성 세라믹 입자가 혼합된다.
상기 금속입자인 텅스텐 입자 또는 몰리브덴 입자의 평균 입자크기는 0.1 내지 5㎛가 바람직하다. 평균 입자크기가 0.1㎛ 미만이거나 5㎛를 넘으면 도체페이스트를 인쇄하는 것이 어려워지기 때문이다.
이러한 도체페이스트의 예는, 금속입자 또는 도전성 세라믹입자 85 내지 87 중량부; 아크릴계 수지 바인더, 에틸 셀룰로오스, 부틸 셀로솔브, 폴리비닐 알코올 중 적어도 하나로부터 선택된 바인더의 1.5 내지 10 중량부; 및 α-테르피네올 및 글리콜 중 적어도 하나로부터 선택된 용매의 1.5 내지 10 중량부를 포함하는 조성물(페이스트)을 포함한다.
또한, 도체충전 스루홀이 되는 부분(63, 63')을 갖는 그린시트 상에 정전전극 등을 형성하는 경우에 대해 통상 사용되는 도체페이스트를 인쇄함으로써 도체페이스트층(68)이 형성된다.
(3) 그린시트의 적층 단계
도체페이스트(62)를 인쇄한 그린시트 상에, 도체페이스트를 인쇄하지 않은 다수의 그린시트(50)를 적층하고, 그린시트 적층 아래 면에 도체층(68)을 갖는 그린시트를 적층한다. 또한, 그린시트의 아래 면에 도체페이스트가 인쇄되지 않은 다수의 그린시트(50)를 적층한다(도 9(a)).
이 경우에, 도체페이스트(62)를 인쇄한 그린시트의 위쪽에 적층된 그린시트(50)의 개수는 그린시트의 아래쪽에 적층하는 그린시트(50)의 개수보다 많게 하여, 저항발열체가 형성되는 위치를 바닥면을 향해 치우치게 한다.
구체적으로는, 위쪽에 적층되는 그린시트(50)의 개수는 20 내지 50개가 바람직하고, 아래쪽에 적층되는 그린시트(50)의 개수는 5 내지 20개가 바람직하다.
(4) 그린시트 적층 소성 단계
획득한 그린시트 적층체를 가열 및 가압하여 그린시트(50) 내부의 도체페이스트층(62, 68)을 소결시켜서, 세라믹 기판(11), 저항발열체(12), 도체회로(18) 등을 제조한다(그림 9(b)).
가열온도는 1000 내지 2000℃가 바람직하고, 가압 압력은 10 내지 20MPa가 바람직하다. 가열은 불활성 가스 분위기에서 수행한다. 불활성 가스로는, 아르곤, 질소 등을 사용할 수 있다.
다음으로, 세라믹 기판(11)의 바닥면(11b)에, 측온소자를 삽입하기 위한 바닥홀이 형성된다(미도시). 상기 바닥홀은, 드릴링 또는 샌드블라스트 등의 블라스트 처리를 수행함으로써 형성될 수 있다. 또한, 상기 바닥홀 및 오목부는 후술하는 바와 같이 세라믹 기판(11)과 원통체(17)를 서로 접합한 후에 형성될 수도 있고, 그린시트(50)에 바닥홀이 되는 부분을 미리 형성하고 그린시트(50)의 적층 및 소성에 의해 동시에 형성될 수도 있다.
또한, 내부의 저항발열체(12)와의 접속을 형성하기 위한 도전체를 체운 스루홀(13, 13')을 노출시키기 위해 블라인드홀(19)을 형성한다. 블라인드홀(19)도 세라믹 기판(11)과 원통체(17)를 서로 접합한 후에 형성할 수도 있다.
(5) 원통체의 제조
질화알루미늄 분말을 원통성형다이에 넣어 성형하고, 필요하면 절단가공한다. 이를 정상압력에서 1000 내지 2000℃의 가열온도로 소결시켜서, 세라믹제 원통체(17)를 제조한다. 상기 소결은 불활성가스 분위기에서 수행한다. 불활성 가스로서, 예를 들어, 아르곤, 질소등이 사용될 수 있다.
이 경우에, 소결조제로서, Y2O3가 상기 질화알루미늄 분말에 첨가된다. 세라믹 기판과 원통체가 직접 접합될 수 있기 때문이다.
원통체(17)의 크기는 세라믹 기판의 내부에 형성된 도체충전 스루홀(13, 13')을 원통체의 내측에 갖도록 조정된다.
상기 원통체에 포함되는 Y2O3의 양을 더 증가시켜서, 세라믹 기판의 접합계면에서의 소결조제 농도에 관계없이, 세라믹 기판과 원통체를 직접 접합할 수 있지만, 이러한 방식으로 세라믹 접합체를 제조하면, 귀찮은 공정을 요구하고 제조비용이 상승되기 때문에 현실적이지 않다.
다음으로, 원통체(17)의 끝면을 연마하여 평탄화한다.
(6) 세라믹 기판과 원통체의 접합
세라믹 기판(11)의 접합부분이나 원통체(17)의 접합부분에서의 소결조제의 농도가 높은 경우에는, 세라믹 기판(11)의 바닥면(11b) 중앙부근과 원통체(17)의 끝면을 서로 접촉시킨 상태로, 세라믹 기판(11) 및 원통체(17)를 가열함으로써 세라믹 기판(11)과 원통체(17)를 서로 접합할 수 있다.
세라믹 기판(11)의 접합부분이나 원통체(17)의 접합부분에서의 소결조제의 농도가 충분히 높지 않은 경우에는, 세라믹 기판(11)의 바닥면(11b) 접합부분과 원통체(17)의 끝면에 소결조제를 포함하는 용액을 인가한 후에, 세라믹 기판(11)과 원통체(17)를 가열하여 이들을 서로 접합할 수 있다. 이 때, 원통체(17)의 내경의안쪽에, 세라믹 기판 내에 형성된 도체충전 스루홀(13, 13')를 갖도록, 원통체(17)를 세라믹 기판의 바닥면(11b)에 접합한다(도 9(c)).
세라믹 기판(11)과 원통체(17)는 1500 내지 2000℃로 가열되는 것이 바람직하다. 세라믹 기판(11) 중의 Y2O3를 원통체(17)에 확산시킬 수 있고, 세라믹 기판(11)과 원통체(17) 사이의 계면에서 질화알루미늄 입자가 잘 성장할 수 있어서, 세라믹 기판(11)과 원통체(17)가 서로 강하게 접합되기 때문이다.
(7) 단자 등의 부착
원통체(17)의 내경 안쪽에 형성된 블라인드홀(19)에, 땜납 또는 브레이징(brazing)재를 통해 외부단자(23)를 삽입하고, 가열하여 땜납 또는 브레이징재의 리플로우(reflow)를 수행하여 외부단자(23)를 도체충전 스루홀(13, 13')에 접속한다(도 9(d)).
가열온도는, 소프트 처리의 경우에는 90 내지 450℃가 바람직하고, 브레이징재의 경우에는 900 내지 1100℃가 바람직하다.
다음으로, 소켓을 통해 전원에 접속되는 도전선(230)을 외부단자(23)에 접속한다(도 2 참조).
또한, 형성된 바닥홀에 측온소자로서 열전쌍 등을 삽입하여, 내열성 수지로 밀봉하고, 바닥면에 세라믹제 원통체를 구비하고 세라믹 기판과 원통체의 접합계면의 위쪽 영역에는 저항발열체가 형성되지 않은 세라믹 히터를 제조한다.
세라믹 히터에 있어서, 그 위에 실리콘웨이퍼 등의 반도체웨이퍼를 장착하거나 실리콘웨이퍼 등을 리프터 핀이나 지지핀으로 유지시킨 후, 실리콘웨이퍼 등은 가열 및 냉각에 의해 세정될 수 있다.
상기 세라믹 히터를 제조할 때, 세라믹 기판의 내부에 정전전극을 형성함으로써, 정전척을 제조할 수 있다. 또한, 이 경우에, 정전전극과 외부단자를 접속하는 도체충전 스루홀을 형성해야 하지만, 지지핀을 삽입하기 위한 스루홀을 형성할 필요는 없다.
세라믹 기판의 내부에 전극을 형성하는 경우에는, 저항발열체를 형성하는 경우와 유사하게, 그린시트 표면 상에 정전전극이 되는 도체페이스트층을 형성한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
(실시예 1) 정전척의 제조(도 4 내지 6 참조)
(1) 질화알루미늄 분말(Tokuyama사 제조, 평균 입자크기 1.1㎛) 100중량부, Y2O3(평균 입자크기 0.4㎛) 4중량부, 아크릴계 수지 바인더 12중량부, 분산제 0.5중량부 및 1-부탄올과 에탄올로 이루어지는 알코올 53중량부를 혼합한 조성물을, 닥터 블레이드법에 의해 형성하여 두께 0.47mm의 그린시트를 얻었다.
(2) 다음으로, 그린시트를 80℃에서 5시간 건조한 후에, 다음의 그린시트가 형성되었다: 처리되지 않은 그린시트, 펀칭에 의해 저항발열체와 도체회로를 접속하기 위한 비아홀용 스루홀을 갖는 그린시트, 도체회로와 외부단자를 접속하기 위한 비아홀용 스루홀을 갖는 그린시트, 및 정전전극과 외부단자를 접속하기 위한 비아홀용 스루홀을 갖는 그린시트.
(3) 평균입자크기 1㎛의 텅스텐 탄화물 입자 100중량부, 아크릴계 바인더 3.0중량부, α-테르피네올 용매 3.5중량부, 및 분산제 0.3중량부를 혼합하여 도체페이스트(A)를 제조하였다.
또한, 평균입자크기 3㎛의 텅스텐 입자 100중량부, 아크릴계 바인더 1.9중량부, α-테르피네올 용매 3.7중량부, 및 분산제 0.2중량부를 혼합하여 도체페이스트(B)를 제조하였다.
(4) 또한, 도체회로와 외부단자를 접속하는 비아홀용 스루홀을 갖는 그린시트 표면 상에, 상기 도체페이스트(A)를 스크린 인쇄법에 의해 인쇄하여, 저항발열체가 되는 도체페이스트층을 형성하였다. 또한, 상기 단계에서, 원통체를 접합하는 부분의 위쪽 영역에는 도체페이스트(A)를 인쇄하지 않았다. 또한, 도 6에 나타난 형상의 정전전극 패턴 형태의 도체페이스트층이 아무런 처리도 하지 않은 그린시트에 형성되었다.
또한, 저항발열체와 도체회로를 접속하기 위한 비아홀용 스루홀 및 외부단자에 접속하기 위한 도체충전 스루홀용 스루홀에 도체페이스트(B)를 충전하였다.
상기 처리가 끝난 각각의 그린시트를 적층하였다.
우선, 저항발열체가 되는 도체페이스트층이 인쇄된 그린시트의 위쪽(가열면측)에, 도체충전 스루홀(33)이 되는 부분을 갖는 그린시트 34개를 적층하고, 아래쪽(바닥면측)에, 도체회로가 되는 도체페이스트층을 갖는 그린시트를 적층하며, 더아래쪽에 도체충전 스루홀(33, 330, 330')이 되는 부분을 갖는 그린시트 12개를 적층하였다.
이러한 방식으로 적층된 그린시트의 최상부에, 정전전극 패턴 형태의 도체페이스트층이 인쇄된 그린시트를 더 적층하고, 또한 그 위에 처리를 하지 않은 2개의 그린시트를 적층하여, 이들을 8MPa의 압력에서 130℃로 서로 압착하였다.
(5) 다음으로, 얻어진 적층체를 질소가스 중에서 600℃로 5시간 동안 탈지하고, 그 후, 15MPa의 압력에서 1890℃로 5시간 동안 핫프레스하여, 두께 3mm의 질화알루미늄 판상체(plate body)를 얻었다.
판상체를 직경 230mm의 원판상으로 절단하여, 두께 5㎛, 폭 2.4mm인 저항발열체(320), 두께 20㎛, 폭 10mm인 도체회로(380), 및 두께 6㎛인 척양극정전층(32a)과 척음극정전층(32a)을 구비하는 세라믹 기판을 얻었다.
(6) 다음으로, 단계 (5)에서 얻은 세라믹 기판(31)을 다이아몬드 숫돌로 연마한 후에, 그 위에 마스크를 장착하여, 유리 비드(bead)에 의한 블라스트 처리로써 표면에 열전쌍을 위한 바닥홀(300)이 형성되고, 세라믹 기판(31)의 바닥면(31b)에서 도체충전 스루홀이 형성된 윗부분을 도려내어 블라인드홀(390)을 형성하였다.
(7) 질화알루미늄 분말(Tokuyama사 제조, 평균 입자크기 1.1㎛) 100중량부, Y2O3(평균 입자크기 0.4㎛) 4중량부, 아크릴계 수지 바인더 11.5중량부, 분산제 0.5중량부 및 1-부탄올과 에탄올로 이루어지는 알코올 53중량부를 혼합한 조성물을 이용하여, 스프레이 드라잉법에 의해 과립을 제조하고, 과립을 파이프형 다이에 넣어, 정상압력에서 1890℃로 소결하고, 끝면을 연마해서 표면거칠기 Ra가 0.5㎛가 되도록 하여, 길이 200mm, 외경 52mm, 내경 39mm를 갖는 질화알루미늄제의 원통체를 얻었다.
(8) 그 다음, 세라믹 기판(31)의 바닥면(31b)에서 저항발열체(32)가 형성되지 않은 영역에 0.05몰/L 염화 이트륨 수용액을 스크린 인쇄법에 의해 도포하고, 원통체의 끝면을 그 영역과 접촉시켜서, 1890℃로 가열하여 세라믹 기판(31)과 원통체(37)를 접합하였다. 내경의 안쪽에 블라인드홀(390)을 갖도록 원통체(37)를 접합하였다.
(9) 다음으로, Ag/Ni 브레이징재(Ag: 80 중량%, Ni: 20 중량%, 리플로우 온도: 1000℃)를 이용하여, 원통체(37) 내부의 블라인드홀(390)에 외부단자(360)를 부착하였다. 소켓(350)을 통해 외부단자(360)로 도전선(331)을 접속하였다.
(l0) 그 다음, 온도제어를 위한 열전쌍을 바닥홀(300)에 삽입하고, 실리카 졸을 홀에 충전하여, 190℃에서 2시간 동안 경화시켜 겔화가 발생하도록 함으로써, 다음을 구비하는 세라믹 접합체를 제조하였다: 정전척으로서 기능하고 정전전극, 저항발열체, 도체회로, 비아홀 및 도체충전 스루홀을 갖는 세라믹 기판; 기판의 바닥면에 접합된 질화알루미늄제 원통체.
(실시예 2) 세라믹 히터의 제조(도 1 내지 3, 및 도 9 참조)
(1) 질화알루미늄 분말(Tokuyama사 제조, 평균 입자크기 1.1㎛) 100중량부, 산화 이트륨(Y2O3: 이트리아(yttria) 평균 입자크기 0.4㎛) 4중량부, 아크릴계 수지바인더 11.5중량부, 분산제 0.5중량부, 및 1-부탄올과 에탄올로 이루어지는 알코올 53중량부를 혼합하여 얻은 조성물을, 닥터 블레이드법에 의해 형성하여 두께 0.47mm의 그린시트를 얻었다.
(2) 다음으로, 그린시트를 80℃에서 5시간 동안 건조시킨 후, 도 1에 나타난 바와 같이 펀칭에 의해, 실리콘웨이퍼를 운반하기 위해 리프터 핀을 통과시키기 위한 스루홀이 되는 부분(15), 비아홀(630)이 되는 부분, 및 도체충전 스루홀(63, 63')이 되는 부분을 형성하였다.
(3) 평균입자크기 1㎛의 텅스텐 탄화물 입자 100중량부, 아크릴계 바인더 3.0중량부, α-테르피네올 용매 3.5중량부, 및 분산제 0.3중량부를 혼합하여 도체페이스트(A)를 제조하였다.
또한, 평균입자크기 3㎛의 텅스텐 입자 100중량부, 아크릴계 바인더 1.9중량부, α-테르피네올 용매 3.7중량부, 및 분산제 0.2중량부를 혼합하여 도체페이스트(B)를 제조하였다.
도체페이스트(A)를 비아홀이 되는 부분(630)을 갖는 그린시트 상에 스크린인쇄법으로 인쇄하여, 저항발열체용 도체페이스트층(62)을 형성하였다. 인쇄 패턴은 도 1에 도시한 바와 같이 동심원 패턴으로 조정되고, 도체페이스트층(62)의 폭은 10mm로, 두께는 12㎛로 조정되었다.
계속하여, 도체페이스트(A)를 도체충전 스루홀이 되는 부분(63')을 갖는 그린시트 상에 스크린 인쇄법으로 인쇄하여, 도체회로용 도체페이스트층(68)을 형성하였다. 인쇄패턴은 벨트형상으로 조정되었다.
상기 단계에서, 원통체를 접합하는 부분의 위쪽이 되는 영역에는 도체페이스트(A)를 인쇄하지 않았다.
도체페이스트(B)를 비아홀이 되는 부분(630) 및 도체충전 스루홀이 되는 부분(63, 63')에 충전하였다.
도체페이스트층(62)을 인쇄하고 상기 처리가 끝난 그린시트의 위쪽(가열면측)에, 도체페이스트가 인쇄되지 않은 그린시트를 37개 적층하고, 이 그린시트의 아랫면에, 도체페이스트가 인쇄되지 않은 그린 시트를 12개 더 적층하여, 이들을 8MPa의 압력에서 130℃로 서로 압착하였다.
(4) 다음으로, 얻은 적층체를 질소가스 중에서 600℃로 5시간 동안 탈지하고, 15MPa의 압력에서 1890℃로 10시간 동안 핫프레스하여 두께 3mm의 질화알루미늄 판상체를 얻었다.
판상체를 직경 230mm의 원판상으로 절단하여, 두께 6㎛, 폭 10mm인 저항발열체(12), 두께 20㎛, 폭 10mm의 도체회로(18), 및 비아홀(130)과 도체충전 스루홀(13, 13')을 구비하는 세라믹 기판(31)을 얻었다.
(5) 다음으로, 단계 (4)에 의한 세라믹 기판(11)의 바닥면(11b)에서 도체충전 스루홀(13, 13')이 형성된 부분을 도려내어 블라인드홀(19)을 형성하였다.
(6) 질화알루미늄 분말(Tokuyama사 제조, 평균 입자크기 1.1㎛) 100중량부, Y2O3(평균 입자크기 0.4㎛) 4중량부, 아크릴계 수지 바인더 11.5중량부, 분산제 0.5중량부 및 1-부탄올과 에탄올로 이루어지는 알코올 53중량부를 혼합한 조성물을 이용하여, 스프레이 드라잉법에 의해 과립을 제조하고, 과립을 파이프형 다이에 넣어, 정상압력에서 1890℃로 소결하고, 끝면을 연마해서 표면거칠기 Ra가 0.5㎛가 되도록 하여, 길이 200mm, 외경 52mm, 내경 39mm를 갖는 질화알루미늄제의 원통체(17)를 얻었다.
(7) 그 다음, 세라믹 기판(31)의 바닥면(31b)에서 저항발열체(12)가 형성되지 않은 영역에 0.05몰/L 염화 이트륨 수용액을 스크린 인쇄법에 의해 도포하고, 원통체(17)의 끝면을 그 영역과 접촉시켜서, 1890℃로 가열하여 세라믹 기판(11)과 원통체(17)를 접합하였다. 그 내경의 안쪽에 블라인드홀(19)을 갖도록 원통체(17)를 접합하였다.
(8) 다음으로, Ag/Ni 브레이징재(Ag: 80 중량%, Ni: 20 중량%, 리플로우 온도: 1000℃)를 이용하여, 원통체(17) 내부의 블라인드홀(19)에 외부단자(23)를 부착하였다. 소켓(25)을 통해 외부단자(23)에 도전선(230)을 접속하였다.
(9) 그 다음, 온도제어를 위한 열전쌍을 바닥홀(14)에 삽입하고, 실리카 졸을 홀에 충전하며, 190℃에서 2시간 동안 경화시켜 겔화가 발생하도록 함으로써, 저항발열체, 도체회로, 및 비아홀과 도체충전 스루홀; 및 기판의 바닥면에 접합된 질화알루미늄제 원통체를 구비하고 세라믹 히터로서 기능하는 세라믹 기판을 구비하는 세라믹 접합체를 제조하였다.
(실시예 3)
본 예에서는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 원통체(17)와 세라믹 기판(41)의 접합계면의 위쪽영역(영역 A)의 대부분(평면도에서 접합계면 면적의 80%, 따라서,저항발열체가 존재하지 않는 면적은 20%)에 저항발열체(42)가 존재하도록 패턴이 형성된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방식으로 세라믹 접합체(42)를 제조하였다. 또한, 저항발열체(42)는 스루홀(43)을 통해 Ag/Ni 브레이징재(미도시)에 의해 외부단자(23)와 접합되어 있다.
(비교예 1)
실시예 1의 단계(4)에서, 원통체가 접합되는 부분의 위쪽영역에도, 도체페이스트(A)를 인쇄하여, 동심원의 저항발열체를 형성한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방식으로 세라믹 히터를 제조하였다.
(비교예 2)
실시예 2의 단계(3)에서, 원통체가 접합되는 부분의 위쪽영역에도, 도체페이스트(A)를 인쇄하여, 동심원의 저항발열체를 형성한 것 이외에는, 실시예 2와 동일한 방식으로 세라믹 히터를 제조하였다.
(비교예 3)
실시예 1의 단계 (8)에서, 텅스텐 입자(Tokuyama사 제조, 평균 입자크기 1.1㎛) 100중량부, 산화 이트륨(Y2O3: 이트리아, 평균 입자크기 0.4㎛) 4중량부, 아크릴계 수지 바인더 11.5중량부, 분산제 0.5중량부 및 1-부탄올과 에탄올로 이루어지는 알코올 53중량부를 혼합하여 제조된 도체페이스트를 세라믹 기판(31)과 원통체(37)의 접합부에 도포하여, 1890℃에서 가열함으로써, 세라믹 접합층을 통해 세라믹 기판(31)과 원통체(37)를 서로 접합한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방식으로 세라믹 히터를 제조하였다.
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 각각 얻은 세라믹 접합체에 관해서, 이하의 평가시험을 수행하여 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.
(1) 파괴강도의 측정
벤딩강도 시험을 수행하여, 접합면의 파괴강도를 측정하였다.
(2) 열 사이클(heat cycle) 시험
온도를 25℃에서 유지한 후 450℃로 상승시키는 열 사이클을 500회 반복함으로써, 각 원통체와 세라믹 기판의 접합부분에 크래킹이 발생하는지 여부를 확인하였다.
(3) 내부식성의 평가
실시예와 비교예의 각 세라믹 접합체의 각 세라믹 기판과 원통체의 접합부분에 CF4가스를 내뿜어서, 부식의 발생을 눈으로 관찰하였다.
표 1
상기 표 1에 나타난 결과로부터 명백해지듯이, 실시예 1 내지 3의 세라믹 접합체는, 파괴강도를 기초로 하여 충분히 높은 접합강도를 갖고, 열 사이클 시험에서 크래킹이 발생하지 않았다.
또한, 세라믹 기판과 원통체의 접합부에 있어서, CF4에 의해 부식이 일어나지 않았다.
한편, 비교예 1 및 2의 세라믹 히터에 있어서, 접합강도가 낮고 모든 세라믹 히터에서 크래킹이 발생하였다. 또한, 세라믹 히터의 접합부분에서, CF4가스에 의해 부식된 부분이 관찰되었다.
이것은, 비교예 1, 2의 세라믹 히터에 있어서, 세라믹 기판과 원통체의 접합계면의 위쪽영역에 저항발열체가 형성되어 있기 때문에, 세라믹 기판에 포함되는 소결조제가 기판의 표면으로 확산하는 것이 저항발열체에 의해서 저해되어, 접합계면에서의 소결조제의 농도가 실시예 1, 2에 따른 세라믹 히터와 비교하여 낮기 때문이라고 생각된다.
또한, 비교예 3에 따른 세라믹 히터에 있어서, 세라믹접합층과 세라믹 기판 및 원통체와의 계면에서, 크랙 및 부식이 발견되었다.
(시험예 1)
다음을 제외하고 실시예 1과 동일한 방식으로 다양한 타입의 세라믹 히터를 제조하였다. 즉, 실시예 1의 단계 (4)에서, 저항발열체가 되는 도체페이스트를 인쇄할 때, 접합계면의 위쪽의 저항발열체가 형성되지 않은 면적의, 상기 접합계면의 면적에 대한 비율을, 다양하게 변화시키고, 얻은 각 세라믹 히터에 대해, 벤딩강도시험을 하여 각 접합면의 파괴강도를 측정하였다. 그 결과를 도 11에 나타내었다.
도 11에 나타난 결과로부터 명백하듯이, 도전체 비형성 면적비율이 5% 이상이면, 접합강도가 급격하게 증가하는 것을 알게 되었다.
도전체 비형성 면적비율이 5% 이상이면, 소결조제가 충분하게 확산하고 접합계면에서의 소결조제의 농도가 증가하여 높은 접착강도를 얻을 수 있는 것으로 생각되었다.
또한, 도전체 비형성 면적비율이 50%를 넘으면, 600℃에서도 500MPa를 넘는 파괴강도를 얻는다는 것을 알았다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 세라믹 접합체에 있어서, 세라믹 기판과 원통체의 접합계면의 위쪽영역 이외의 영역에 저항발열체가 형성되어 있어서, 세라믹 기판에 포함되는 소결조제가, 기판표면으로 확산하는 것을 저항발열체에 의해 방해받지 않고, 원통체와의 접합계면에 도달할 수 있으므로, 세라믹 기판과 세라믹제 원통체를 서로 강하게 접합할 수 있다.

Claims (4)

  1. 도전체를 구비한 세라믹 기판; 및
    상기 세라믹 기판의 바닥면에 접합된 세라믹체를 구비하는 세라믹 접합체에 있어서,
    상기 세라믹 접합체는, 상기 세라믹 기판과 상기 세라믹체 사이의 접합계면의 위쪽영역의 적어도 일부에, 도전체가 형성되지 않은 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 접합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 기판과 상기 세라믹체 사이의 접합계면의 상기 위쪽영역에서 도전체가 형성되지 않은 영역의 면적은, 접합계면의 면적의 5% 이상인 것을 특징으로 하는 세라믹 접합체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 기판의 접합계면의 상기 위쪽영역에 있어서 소결조제의 농도는, 상기 도전체의 아래쪽영역에 있어서 소결조제의 농도보다 높은 것을 특징으로 하는 세라믹 접합체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 접합체는 정전전극을 더 구비하고, 가열수단을 구비한 정전척으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 세라믹 접합체의 제조방법.
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