KR20040054251A - 세라믹스 히터 - Google Patents

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Abstract

세라믹스 히터(10)는 질화 알루미늄으로 이루어진 원형의 히터 플레이트(12)와, 두께가 100㎛ 내지 175㎛인 고융점 금속으로 이루어진 금속박 히터선(13)을 구비하고 있다. 이 히터선(13)은 히터 플레이트(12)에 매설되어 있다. 히터선(13)은 히터 플레이트(12)의 중심(12a)쪽 위치에 있어서 히터 플레이트(12)의 원주방향으로 제 1 피치(P1)로 지그재그 형상으로 형성된 내측 부분(13a)을 갖는다. 또한, 이 히터선(13)은 히터 플레이트(12)의 외주(12b)쪽의 위치에 있어서 히터 플레이트(12)의 원주 방향으로 제 2 피치(P2)로 지그재그 형상으로 형성된 외측 부분(13b)을 갖고 있다. 제 2 피치(P2)는 제 1 피치(P1)보다 작다.

Description

세라믹스 히터{CERAMICS HEATER}
본 발명은 예컨대 반도체의 제조 프로세스 등에 있어서 웨이퍼(wafer)나 유리 기판 등의 공작물을 가열하기 위해 사용되는 세라믹스 히터에 관한 것이다.
반도체의 제조 프로세스에 있어서, CVD(Chemical Vapor Deposition ; 화학적 증착)나 PVD(Plasma Vapor Deposition ; 플라즈마 증착), 에칭(etching) 등의 처리를 실행하기 위해, 웨이퍼를 가열하는 세라믹스 히터가 사용되고 있다. 또한, 유리 기판에 박막을 형성하기 위한 성막 장치에 있어서도 세라믹스 히터가 사용되고 있다.
종래의 세라믹스 히터는, 예컨대 일본 특허 공보 제 3011528 호에 기재되어 있는 바와 같이, 세라믹스로 이루어진 히터 플레이트(heater plate)와, 히터 플레이트에 매설된 금속박 히터선 등을 포함하고 있다. 히터 플레이트는 질화 규소나 질화 알루미늄(aluminum nitride) 등의 소결체(sintered product)로 구성되어 있다. 텅스텐 등의 고융점 금속으로 이루어진 금속박 히터선은 히터 플레이트의 내부에 동심원 형상 또는 소용돌이 형상으로 매설되어 있다.
종래의 세라믹스 히터, 특히 두께 50㎛ 이하의 금속박 히터선이 소결 세라믹스에 매설되어 있다. 세라믹스 히터는 아래에 기술된 문제가 발생할 가능성이 있었다.
[문제점 1] 히터선이 얇고 단면적이 작기 때문에 면적비(S1/S2)가 매우 작아진다. 여기에서 S1은 히터선의 총 표면적, S2는 히터 플레이트의 공작물 설치면의 면적이다. 이 경우, 히터 플레이트의 직경 방향으로 히터선이 존재하지 않는 영역이 많이 존재하기 때문에, 도 4에 2점 쇄선(L1)으로 도시한 바와 같이, 히터 플레이트의 중심에서 외주를 향해 직경 방향의 온도 변화가 커진다. 즉 이러한 종래의 세라믹스 히터는 열 균일성이 떨어진다.
특히 반도체 제조 프로세스에 있어서 웨이퍼를 가열하는 히터 플레이트는 온도 분포를 균일하게 유지할 필요가 있기 때문에, 히터 플레이트의 온도 불균일은 큰 문제이다. 또한, 히터 플레이트에 온도 불균일이 발생하면, 온도 분포가 균일한 경우에 비해 큰 열응력이 히터 플레이트에 작용하여 히터 플레이트가 파손되는 원인이 된다.
[문제점 2] 히터선을 세라믹스 원료 분말에 매설하여 소결하는 과정에서, 히터선의 표면층이 세라믹스 원료중의 탄소와 반응하여 탄화됨으로써 입계 균열(grain boundary crack)이 발생할 수 있다. 여기에서, 히터선의 두께가 얇으면, 도 7 또는 도 8에 도시한 바와 같이, 히터선(1)과 세라믹스(2) 사이의 반응층(3)으로부터 입계 균열(4)이 히터선(1)의 내부로 진행하게 된다. 도 7에 나타내는 히터선(1)의 두께는 25㎛, 도 8에 나타내는 히터선(1)의 두께는 50㎛이다.도 7과 도 8은 모두 SEM 사진(주사전자현미경 사진)을 기초로 하여 그린 단면도이다.
히터선에 상기 입계 균열이 발생하면, 세라믹스 원료 분말을 소결하는 과정에서 히터선의 전기 저항이 정상값보다 높아지는 원인이 된다. 히터선의 전기 저항값이 커지면, 전류가 충분히 흐를 수 없어 세라믹스 히터의 온도 특성에 악영향을 미친다.
[문제점 3] 종래의 히터선은 얇고 단면적이 작기 때문에 히터선의 부하 밀도(Q/S1)가 높다. 여기에서 Q는 히터선의 발열량, S1은 히터선의 총 표면적이다. 부하 밀도가 높으면, 사용시(전류가 흐를때)에 히터선이 단선할 가능성이 있다. 또한, 히터선이 얇기 때문에 히터선의 두께의 편차가 발열량의 큰 변동을 야기하여 열 균일성에 악영향을 미친다. 더구나, 히터선을 세라믹스 원료중에 매설할 때에 충분히 주의하지 않으면 매설시 또는 소결시에 히터선이 끊어질 우려가 있다.
따라서 본 발명의 목적은 열 균일성이 우수하면서 발열량이 안정되어 있는 세라믹스 히터를 제공하는 것이다.
본 발명의 세라믹스 히터는 세라믹스로 이루어진 히터 플레이트와, 두께가 100㎛ 내지 175㎛인 고융점 금속으로 이루어지고, 상기 히터 플레이트에 매설된 금속박 히터선을 구비하고 있다. 본 발명에 따르면, 종래의 금속박 히터선을 사용한세라믹스 히터와 비교하여 충분히 긴 금속박 히터선을 히터 플레이트에 매설할 수 있다. 이 때문에 히터 플레이트의 열 균일성이 향상된다. 본 발명에 따르면, 세라믹스의 소결시에 히터선의 표면층에 발생할 수 있는 입계 균열이 히터선의 단면 전체에 미치는 것을 회피할 수 있다. 이 때문에 히터선의 균열에 따른 발열량의 편차를 억제할 수 있다.
상기 히터 플레이트는 예컨대 질화 알루미늄(AlN)으로 이루어진다. 본 발명의 금속박 히터선은 두께가 100㎛ 이상이기 때문에, 종래의 금속박 히터선(두께 50㎛ 이하)과 비교하여 동일 발열량이면 긴 히터선을 사용할 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 질화 알루미늄으로 이루어진 히터 플레이트에 있어서, 히터 플레이트의 열 균일성이 향상됨과 동시에, 히터선의 균열에 따른 발열량의 편차를 억제할 수 있다.
상기 히터선은, 예컨대 동일 평면상에 지그재그(zigzag) 형상으로 형성된다. 이러한 구성에 따르면, 긴 금속박 히터선을 히터 플레이트내의 동일 평면상에 레이아웃하는 것이 가능해져 열 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 형태에서는, 히터 플레이트의 열 균일성을 더욱 높이기 위해서, 상기 금속박 히터선이 상기 히터 플레이트의 중심쪽 위치에 있어서 상기 히터 플레이트의 원주 방향으로 제 1 피치로 지그재그 형상으로 형성된 내측 부분과, 상기 히터 플레이트의 외주쪽의 위치에 있어서 상기 히터 플레이트의 원주 방향으로 제 2 피치로 지그재그 형상으로 형성된 외측 부분을 가지며, 상기 제 2피치를 상기 제 1 피치보다도 작게 하고 있다. 이러한 구성에 따르면, 히터 플레이트의 직경 방향의 온도 분포를 더욱 균일하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 세라믹스 히터의 금속박 히터선을 나타내는 평면도,
도 2는 도 1의 F2-F2선에 따른 세라믹스 히터의 일부의 단면도,
도 3은 히터선의 일부를 모식적으로 나타내는 평면도,
도 4는 도 1에 도시된 세라믹스 히터와 종래의 세라믹스 히터의 직경 방향의 온도 분포를 각각 나타내는 도면,
도 5는 두께 100㎛의 금속박 히터선을 사용한 세라믹스 히터의 일부를 확대하여 나타내는 단면도,
도 6은 두께 150㎛의 금속박 히터선을 사용한 세라믹스 히터의 일부를 확대하여 나타내는 단면도,
도 7은 두께 25㎛의 금속박 히터선을 사용한 종래의 세라믹스 히터의 일부를 확대하여 나타내는 단면도,
도 8은 두께 50㎛의 금속박 히터선을 사용한 종래의 세라믹스 히터의 일부를 확대하여 나타내는 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 세라믹스 히터 12 : 히터 플레이트
13 : 금속박 히터선 P1 : 제 1 피치
P2 : 제 2 피치
이하, 본 발명의 일 실시예에 대해서 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 세라믹스 히터(10)는 질화 알루미늄 등의 세라믹스(11)로 이루어진 대략 원형의 히터 플레이트(12)와, 히터 플레이트(12)에 매설된 금속박 히터선(13)을 구비하고 있다. 히터 플레이트(12)는 세라믹스 원료 분말을 소정 형상으로 소결한 것이다. 또한, 도 1에 있어서는 히터 플레이트(12)의 윤곽만이 도시되어 있다.
이 세라믹스 히터(10)는 예컨대 반도체 제조장치 또는 유리 기판의 성막 장치(thin-film manufacturing device) 등에 사용된다. 히터 플레이트(12)의 상면은 반도체 웨이퍼 등의 공작물을 탑재하는 평탄한 공작물 탑재면(14)으로 되어 있다. 히터 플레이트(12)의 직경은 예컨대 250mm 전후이다. 히터 플레이트(12)의 두께는 예컨대 15mm 내지 30mm 이다. 단, 이들 치수는 가열해야 할 공작물의 치수 등의 사양에 따라 적절히 설정되기 때문에, 상기 값에 제약되지는 않는다. 히터 플레이트(12)의 재료로서 질화 알루미늄 이외에 예컨대 알루미나(alumina)나 마그네시아(magnesia) 등을 사용할 수도 있다.
도 2에 모식적으로 도시한 바와 같이, 히터 플레이트(12)에 금속박 히터선(13)이 매설되어 있다. 금속박 히터선(13)의 두께(T)는 후술하는 이유로 인해 100㎛ 내지 175㎛의 범위로 되어 있다. 이 히터선(13)은 예컨대 몰리브덴 또는텅스텐 등의 고융점 금속으로 이루어진다. 이 히터선(13)은 에칭 등의 제조 방법에 의해, 동일 평면상에 지그재그 형상으로 형성되어 있다. 히터선(13)의 폭(W)은 예컨대 2mm 내지 3mm 전후이다.
본 명세서에서 말하는 지그재그 형상이란, 도 3에 모식적으로 나타낸 바와 같이, 제 1 방향(X)으로 연장하는 부분(X1)과, 이 부분(X1)의 단부에서 제 2 방향(Y)으로 연장하는 부분(Y1)과, 이 부분(Y1)의 단부에서 다시 제 1 방향(X)으로 연장하는 부분(X2)과, 이 부분(X2)의 단부에서 제 1 방향(Y)과는 역방향으로 연장하는 제 4 부분(Y2)이 순차적으로 연결되는 형상이다. 제 1 방향(X)과 제 2 방향(Y)이 이루는 각도는 90° 이외여도 좋다. 각 부분(X1, Y1, X2, Y2)은 만곡되어 있을 수도 있다.
이 히터선(13)은 히터 플레이트(12)의 중심(12a)쪽 위치에 형성된 내측 부분(13a)과, 히터 플레이트(12)의 외주(12b)쪽 위치에 형성된 외측 부분(13b)을 갖는다. 내측 부분(13a)은 히터 플레이트(12)의 원주 방향으로 제 1 피치(P1)로 지그재그 형상으로 형성되어 있다. 외측 부분(13b)은 히터 플레이트(12)의 원주 방향으로 제 2 피치(P2)로 지그재그 형상으로 형성되어 있다.
내측 부분(13a)과 외측 부분(13b) 사이에 중간 부분(13c)이 형성되어 있다. 중간 부분(13c)의 피치(P3)는 내측 부분(13a)의 피치(P1)보다도 작고, 외측 부분(13b)의 피치(P2)보다도 크다. 이들 내측 부분(13a)과 외측 부분(13b)과 중간 부분(13c)은 서로 전기적으로 직렬로 접속되어 있다.
히터선(13)의 양단부에 금속 단자(15, 16)가 설치되어 있다. 금속 단자(15,16)는 히터 플레이트(12)에 납땜(brazing) 등에 의해 고정되어 있다. 금속 단자(15, 16)에 전압을 인가하여, 히터선(13)에 전류를 흘림으로써 히터선(13)이 발열한다. 히터선(13)이 발열함으로써 히터 플레이트(12)가 가열되어 공작물 탑재대(14) 상의 공작물이 가열된다.
히터 플레이트(12)의 외주(12b)쪽의 부분은 중심(12a)쪽의 부분보다도 방열하기 쉽다. 그러나 이 실시예에서는 외측 부분(13b)의 피치(P2)를 내측 부분(13a)의 피치(P1)보다도 크게 함으로써 히터 플레이트(12)의 직경 방향의 온도 분포를 보다 균등하게 할 수 있다.
금속박 히터선(13)의 두께는 100㎛ 이상으로, 종래의 금속박 히터선과 비교하여 단면적이 수배 이상이다. 예컨대 히터선(13)의 두께가 100㎛인 경우, 두께가 25㎛인 종래의 히터선과 동일한 전기 저항값을 갖게 하기 위해서는 히터선(13)의 길이가 4배 이상 필요하다.
히터선(13)이 길어진다는 것은 그 만큼 상기 면적비(S1/S2)가 커지고, 히터 플레이트(12)의 직경 방향으로 히터선(13)이 존재하지 않는 영역이 감소하게 된다. 이 실시예의 세라믹스 히터(10)는 도 4에 실선(L2)으로 나타낸 바와 같이, 종래의 히터선을 사용한 세라믹스 히터의 온도 분포(L1)와 비교하여 히터 플레이트(12)의 직경 방향의 온도 변화가 작아진다. 즉, 열 균일성이 우수하다.
히터 플레이트(12)를 구성하고 있는 세라믹스(11)를 소결하는 과정에서, 히터선(13)의 표면층이 세라믹스 원료중의 탄소와 반응하여 탄화함으로써 입계 균열이 발생할 수 있다. 그러나, 본 실시예의 세라믹스 히터(10)는 히터선(13)이 100㎛ 이상으로 두껍기 때문에, 히터선(13)의 내부로까지 입계 균열이 진행되는 것을 회피할 수 있다.
도 5와 도 6은 세라믹스 히터(10)의 SEM(scanning electron microscope) 사진(주사전자현미경 사진)을 기초로 하여 그린 단면도이다. 도 5에 도시한 히터선(13)의 두께는 100㎛이다. 도 6에 도시한 히터선(13)의 두께는 150㎛이다. 도 5와 도 6의 어느 경우에도 히터선(13)은 몰리브덴이며, 세라믹스(11)는 질화 알루미늄이다.
도 5 또는 도 6에 도시된 바와 같이, 히터선(13)의 표면층(20)에 발생하는 입계 균열은 히터선(13)의 표면층(20)에 멈춰 있다. 히터선(13)의 내부에 보이는 미소 결함(21)은 입계 균열과는 무관하며, 히터선(13)의 성능에 악영향을 미칠 정도는 아니다.
이와 같이, 히터선(13)의 두께를 100㎛ 이상으로 함으로써, 입계 균열이 히터선(13)의 단면 전체에 미치는 것이 회피되었다. 이 때문에, 세라믹스 원료 분말의 소결 과정에서 히터선(13)의 전기 저항이 정상값보다 높아지는 것을 방지할 수 있어 세라믹스 히터(10)의 온도 특성이 향상된다.
다음의 표 1과 표 2는 히터선의 두께를 25㎛에서 200㎛까지 다양하게 변경했을 경우에, 히터선의 균열 유무와, 히터 플레이트(세라믹스)의 균열 유무를 조사한 결과를 각각 나타내고 있다. 표 1과 표 2 중의 ×는 균열이 보인 경우를 나타내고, 0는 균열이 보이지 않은 경우를 나타내고 있다.
히터선의 두께(㎛) 25 50 100 125
입계 균열에 의한히터선의 균열 ××× ××○ ○○○ ○○○
세라믹스의 균열 ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
주) ○: 균열 없음 ×: 균열 있음 (n=3)
히터선의 두께(㎛) 150 175 200 300
입계 균열에 의한히터선의 균열 ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
세라믹스의 균열 ○○○ ○○○ ○○× ×××
주) ○: 균열 없음 ×: 균열 있음 (n=3)
표 1에 나타낸 바와 같이, 히터선의 두께가 25㎛와 50μ인 경우에는 히터선이 균열되는 경우가 있었다. 히터선의 두께가 1OO㎛ 이상이 되면, 히터선이 균열되는 경우는 없었다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 히터선의 두께가 20O㎛을 초과하면, 히터선에 전류가 흐를 때에(발열시에) 세라믹스가 균열되었다. 세라믹스가 균열된 이유는 히터선이 두꺼울수록 히터선과 세라믹스의 열팽창차이의 영향이 커지기 때문이라고 생각된다.
상기 실시예의 세라믹스 히터(10)는 히터선(13)이 100㎛ 이상으로 두껍고, 단면적이 크기 때문에, 종래의 히터선보다도 부하 밀도가 낮고, 사용시에 히터선(13)이 단선할 가능성이 억제되었다. 또한, 히터선(13)이 두껍기 때문에 히터선(13)의 두께의 편차에 의해 발열량이 크게 변동하는 것도 회피할 수 있어 열 균일성을 더욱 높일 수 있었다.
더구나 상기 히터선(13)은 두껍고 강성이 크기 때문에 세라믹스 원료 분말에매설할 때에 취급이 용이하며, 히터선(13)을 소정 위치에 매설하는 것이 용이해진다. 이 때문에, 히터선(13)을 매설할 때에 히터선(13)이 끊어지거나, 세라믹스(11)의 소결시에 히터선(13)이 끊어질 위험성을 억제할 수 있다.
이러한 이유로 인해, 본 발명에서는 금속박 히터선의 두께를 1OO㎛ 내지 175㎛의 범위로 한정한다.
또한, 본 발명을 실시함에 있어서, 히터 플레이트나 금속박 히터선의 형상이나 재질, 히터선의 패턴 등, 발명의 구성요소를 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 적당히 변형하여 실시할 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.
본 발명에 따르면, 히터 플레이트의 열 균일성을 향상시키는 동시에, 히터선의 균열에 따른 발열량의 편차를 억제할 수 있다.

Claims (4)

  1. 세라믹스 히터(10)에 있어서,
    세라믹스로 이루어진 히터 플레이트(12)와,
    두께가 100㎛ 내지 175㎛인 고융점 금속으로 이루어지고 상기 히터 플레이트(12)에 매설된 금속박 히터선(13)을 구비한 것을 특징으로 하는
    세라믹스 히터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터 플레이트(12)가 질화 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는
    세라믹스 히터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속박 히터선(13)이 동일 평면내에 지그재그 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
    세라믹스 히터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속박 히터선(13)은 상기 히터 플레이트(12)의 중심쪽 위치에 있어서, 상기 히터 플레이트(12)의 원주 방향으로 제 1 피치(P1)로 형성된 내측 부분(13a)과, 상기 히터 플레이트(12)의 외주쪽의 위치에 있어서 상기 히터 플레이트(12)의 원주 방향으로 제 2 피치(P2)로 형성된 외측 부분(13b)을 가지며, 상기 제 2 피치(P2)가 상기 제 1 피치(P1)보다 작은 것을 특징으로 하는
    세라믹스 히터.
KR1020020081098A 2002-12-18 2002-12-18 세라믹스 히터 KR100588908B1 (ko)

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