KR20050031926A - 기판 가열 장치와 그 제조 방법 - Google Patents

기판 가열 장치와 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관형 부재가 접합된 기판 가열 장치에 있어서 기판 표면 온도의 균일화를 도모하는 것을 목적으로 한다. 상면에 기판을 얹어 놓은 가열면을 갖는 저항 발열체를 매설한 판형의 세라믹스 베이스와, 세라믹스 베이스의 하면의 중앙에 접합되고, 내부에 저항 발열체 단자에 접속된 급전막대를 갖춘 관형 부재를 갖는 기판 가열 장치에 있어서, 가열면은 중앙이 가장 높고 주변부에 근접할수록 낮은 볼록면 형상으로 가공되어 있다. 이 가열면의 형상에 의해 중앙부에서의 기판에의 실질적인 열전도 효율을 올려, 관형 부재에의 열전도의 영향에 의한 가열면 중앙부의 온도저하의 영향을 보상하여, 기판 표면 온도의 균일화를 도모할 수 있다.

Description

기판 가열 장치와 그 제조 방법{SUBSTRATE HEATER AND FABRICATION METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 반도체 제조 공정에 이용되는 반도체 웨이퍼나 액정 기판 등을 가열하는 기판 가열 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 설명하면, 세라믹스 베이스에 저항 발열체를 매설한 기판 가열 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 장치로 사용되고 있는 기판 가열 장치로서는 원반형의 세라믹스 베이스중에 선형의 저항 발열체를 매설한 세라믹스 히터가 사용되고 있다. 또한, 저항 발열체와 함께, 기판을 흡착 고정하기 위한 정전척용 전극을 매설한 정전척 기능이 있는 세라믹스 히터도 널리 사용되고 있다.
이와 같이 저항 발열체를 세라믹스 베이스중에 매설한 세라믹스 히터는 기체가 내부식성이 높은 세라믹스로 형성되어 있고, 또한 저항 발열체가 외부에 노출하지 않기 때문에 부식성 가스를 사용하는 것이 많은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 장치나 드라이 에칭 장치 등에서의 사용에도 적합하다.
반도체 제조 장치로 사용되는 세라믹스 히터는 그 용도에 의해 실온으로부터 500℃ 이상의 고온까지 폭넓은 온도 범위에서 이용되고 있지만, 제품의 수율을 올리기 위해서는 기판 온도의 균일성을 확보하는 것이 중요하다. 이 때문에, 기판 가열 장치도 기판 적재면, 즉 기판 가열면에서의 온도가 높은 균일성이 요구되고 있다.
예컨대, 종래는 세라믹스 히터의 가열면에서의 온도의 균일성을 향상시키기 위해서 세라믹스 베이스중에 매설되는 나선형의 저항 발열체의 나선의 피치나 형상을 장소에 의해 조정함으로써 가열면에서의 온도의 균일화를 도모하는 방법이 제안되어 있다[특허문헌 1- 특허 제2527836호(도 1, 도 3 등)]
CVD 장치나 드라이 에칭 장치 등으로 사용되는 기판 가열 장치로서는 저항 발열체의 단자를 부식성 가스에 노출하지 않고 외부로 추출하기 때문에 세라믹스 베이스 중앙 하부에 관형 부재인 샤프트가 접합되고, 이 샤프트내에 저항 발열체의 단자 및 이것에 접속되는 급전막대 등을 수납하는 구조가 채용되는 경우가 많다.
이러한 샤프트 부착 세라믹스 히터로서는 세라믹스 베이스에 접합된 샤프트로부터 열전도에 의해 열이 빠져나가기 쉽기 때문에 가열면 중앙부의 온도가 주변부에 비교하여 저하하기 쉽다. 특히, 샤프트로서 열전도성이 높은 재료를 이용하는 경우는 그 경향이 강해진다.
한편, 종래의 세라믹스 히터의 가열면은 기판과의 밀착성을 올리기 위해서 할 수 있는 한 평탄화하는 것이 요구되고 있고 랩핑 가공 등에 의해 평탄성을 확보하고 있었다. 그리고, 평탄성이 양호한 가열면에 적재된 기판은 세라믹스 히터의 가열면의 온도 분포를 그대로 반영한 온도 분포를 나타내기 쉽다. 이 때문에, 샤프트 부착 세라믹스 히터를 사용한 경우는 기판 표면은 중앙이 외주부보다 저온이 되는 기판 온도 분포가 되기 쉬웠다.
기판 가열 장치의 가열면에서의 온도의 균일성을 향상시키는 방법으로서 전술한 바와 같이 저항 발열체의 나선의 피치나 형상을 조정하는 방법을 사용할 수도 있지만, 샤프트의 유무나, 샤프트의 형상에 의해 저항 발열체의 형상을 최적화해야 하기 때문에 저항 발열체의 설계에 시간이 걸리는 함께, 저항 발열체의 가공도 복잡하다. 또한, 저항 발열체가 매설된 세라믹스 베이스가 형성된 후에는, 저항 발열체의 위치 조정 등을 행할 수 없기 때문에 미묘한 수정 가공은 곤란하다.
본 발명의 목적은 전술한 종래의 과제를 감안하여 관형 부재(샤프트)가 접합된 기판 가열 장치에 있어서, 간편한 방법으로 기판 온도 분포의 균일화를 도모할 수 있는 기판 가열 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기판 가열 장치의 제1 특징은, 한쪽의 면에 기판을 얹어 놓은 가열면을 갖는 판형의 세라믹스 베이스와, 세라믹스 베이스에 매설된 저항 발열체와, 세라믹스 베이스의 다른쪽의 면의 중앙에 접합된 관형 부재를 갖는 기판 가열 장치에 있어서, 상기 가열면이 중앙부가 가장 높고 주변부에 근접할수록 낮아지는 볼록면 형상을 갖고 있는 것이다.
상기 제1 특징에 따르면, 가열면 전체가 볼록면 형상을 갖기 때문에 가열면상에 기판을 얹어 놓은 경우, 가열면 중앙부에서 가장 기판과 가열면과의 밀착성이 올라가고, 열전도 효율이 높아지고, 가열면 외주부에서 상대적으로 열전도 효율이 내려간다. 이 때문에 가열면 자체는 관형 부재에의 열전도의 영향에 의해 중앙부가 외주부보다 낮은 상태라도 가열면상에 얹힌 기판 표면 온도에서는 보다 균일한 온도 분포를 얻을 수 있다.
상기 본 발명의 기판 가열 장치의 제2 특징은, 상기 제1 특징을 갖는 기판 가열 장치에 있어서, 세라믹스 베이스내의 가열면과 저항 발열체와의 사이에 매설된 면형의 정전척용 전극을 부가적으로 구비하는 것이다. 이 면형 전극은 금속 벌크체로 이루어지는 메쉬 형상, 혹은 다수의 구멍이 형성된 판형 전극이라도 좋다.
상기 제2 특징에 따르면, 정전척의 흡착력에 의해 가열면 중앙부에서의 기판과 가열면과의 밀착력이 보다 확실한 것이 되어, 실질적인 접촉 면적이 올라가기 때문에 보다 높은 열전도 효과를 얻을 수 있다. 또한, 정전척의 흡착력에 의해 기판이 안정적으로 유지되기 때문에 가열면의 형상 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있다.
본 발명의 기판 가열 장치의 제3 특징은, 상기 제1 특징을 갖는 기판 가열 장치에 있어서, 상기 가열면에 진공척용 구멍을 가지고, 구멍을 통해 기판을 가열면에 흡착 고정 가능한 구조를 갖는 것이다.
상기 제3 특징에 따르면, 진공척의 흡착력에 의해 가열면 중앙부에서의 기판과 가열면과의 밀착력이 보다 확실한 것이 되어, 실질적인 접촉 면적이 올라가기 때문에 보다 높은 열전도 효과를 얻을 수 있다. 또한, 진공척의 흡착력에 의해 기판이 안정적으로 유지되기 때문에 가열면의 형상 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있다.
본 발명의 기판 가열 장치의 제4 특징은, 상기 본 발명의 제2 및 제3 특징을 갖는 기판 가열 장치에 있어서, 상기 가열면의 중앙부의 높이(Hc)와 가열면 단부에서의 높이(He)와의 차인 △H가 50 μm 이하인 것이다.
상기 제4 특징에 따르면, △H가 50 μm 이하이기 때문에 기판 주변부에서도 정전척 혹은 진공척의 흡착력이 유지되고, 기판 처리를 안정적으로 유지할 수 있다.
본 발명의 기판 가열 장치의 제조 방법의 제1 특징은, 저항 발열체가 매설된 판형의 세라믹스 베이스를 형성하는 공정과, 가열면이 되는 세라믹스 베이스의 한쪽의 면을 중앙부가 가장 높고, 주변부에 근접할수록 낮아지는 볼록면 형상으로 연삭 가공하는 공정과, 세라믹스 베이스의 다른쪽의 면의 중앙에 관형 부재를 접합하는 공정을 갖는 것이다.
상기 제조 방법의 제1 특징에 따르면, 연삭 가공에 의해서 가열면 전체를 볼록면 형상으로 하는 간단한 가공에 의해, 가열면상에 기판을 얹어 놓은 경우, 기판 중앙부에서 가장 기판과 가열면과의 밀착성을 올리고, 열전도 효율을 높게 할 수 있다. 따라서, 가열면 자체는 관형 부재에의 열전도의 영향에 의해 중앙부가 외주부보다 낮지만, 가열면상에 얹힌 기판 표면에서는 보다 균일한 온도 분포를 얻을 수 있다.
본 발명의 기판 가열 장치의 제조 방법의 제2 특징은, 상기 제1 특징을 갖는 제조 방법에 있어서, 세라믹스 베이스를 형성하는 공정에서 정전척용 전극을 세라믹스 베이스중에 매설하는 공정을 부가적으로 포함하는 것이다.
상기 제조 방법의 제2 특징에 따르면, 기판 가열 장치에 정전척 기능을 부가함으로써 가열면 중앙부에서의 기판과 가열면과의 밀착력이 보다 확실한 것이 되고, 실질적인 접촉 면적이 올라가기 때문에 보다 높은 열전도 효과를 얻을 수 있다. 또한, 정전척의 흡착력에 의해 기판이 안정적으로 유지되기 때문에 가열면의 형상 효과를 보다 명확하게 할 수 있다.
본 발명의 기판 가열 장치의 제조 방법의 제3 특징은, 상기 본 발명의 제2 특징을 갖는 제조 방법에 있어서, 상기 가열면의 중앙부의 높이(Hc)와 가열면 단부에서의 높이(He)와의 차인 △H가 50 μm 이하가 되도록 가열면을 연삭 가공하는 것이다.
상기 제조 방법의 제3 특징에 따르면, △H가 50 μm 이하이기 때문에 기판 주변부에서도 정전척의 흡착력이 유지되고, 기판 처리를 안정적으로 유지할 수 있다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 기판 가열 장치와 그 제조 방법에 관해서 설명한다.
본 발명의 실시예에 관한 기판 가열 장치(1)의 구조를 도 1a에 도시한다. 도 1a에 도시한 바와 같이, 세라믹스 베이스(10)는 예컨대 대략 원반형의 세라믹스 소결체로 형성되어 있고, 내부에 선형의 저항 발열체(20)를 매설하고 있다. 원반형의 세라믹스 베이스(10)의 한쪽의 면은 가열면(A)이며, 피가열체인 반도체 기판이나 유리 기판은 가열면(A)상에 얹힌다. 세라믹스 베이스(10)의 다른쪽의 면의 중앙에는 관형 부재인 샤프트(30)가 접합되어 있다. 샤프트(30)의 원통내에는 저항 발열체(20)에 전력을 공급하는 급전 수단인 급전막대(40)가 수납되어 있고, 이 급전막대(40)는 단부에서 저항 발열체(20)의 단자에 납땜 등에 의해 접속되어 있다. 이와 같이, 세라믹스 베이스(10)의 다른쪽의 면의 중앙에는 샤프트(30)가 접합되어 있기 때문에 샤프트(30)에의 열전도에 의해 가열면(A)의 중앙부의 온도는 가열면(A)의 외주부보다 낮아지기 쉽다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 기판 가열 장치(1)는 가열면(A)이 중앙부에서 가장 높게 주변부에 근접할수록 낮아지는, 소위 볼록면 형상인 점에 주된 특징을 갖는다. 이 때문에, 도 1b에 도시한 바와 같이, 가열면(A)에 기판(50)을 얹어 놓으면 기판(50)은 가열면(A)의 중앙부에서는 자신의 중량에 의해 밀접하게 가열면(A)에 접촉하기 때문에 양호한 열전도 효율을 얻을 수 있고, 기판 온도의 상승이 효율적으로 발생하지만, 기판(50)의 외주부에서는 적은 간극이 가열면(A)과 기판(50) 사이에 생기기 때문에 열전도 효율이 가열면(A) 중앙부에 비교하여 저하한다. 즉, 종래와 같이 가열면(A)이 평탄면이면 기판(50)의 기판 표면에서의 온도 분포는 세라믹스 베이스(10)의 가열면(A)의 온도 분포를 그대로 반영한 것이 되지만, 본 실시예에 따른 기판 가열 장치(1)의 경우는 가열면(A)의 형상이 볼록면 형상이기 때문에 온도가 낮은 가열면 중앙에서는 기판에의 열전도 효율을 높게, 온도가 높은 가열면 외주부에서는 기판에의 열전도 효율을 상대적으로 낮게 하고 있기 때문에 기판 표면에서의 온도 분포를 더욱 균일한 것으로 보정할 수 있다.
또, 가열면(A)의 중앙부 높이를 Hc로 하는 경우, 가열면 단부(He)와의 높이의 차 △H(=Hc-He)는 30 μm 이하로 하는 것이 바람직하다. △H가 30 μm을 넘으면 기판(50)의 적재 상태가 불안정해지기 때문이다.
한편, 기판면에서의 온도의 균일성을 확보하기 위해서는 가열면 중앙부와 가열면 외주부에서의 열전도율의 차를 보다 실효적인 것으로 하기 위해서는 △H를 10 μm 이상, 보다 바람직하게는 20 μm 이상으로 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 별도의 실시예인 기판 흡착 기능 부착 기판 가열 장치(2 및 3)의 예의 구조를 예시한다. 이들 기판 가열 장치는 흡착 기능을 갖추기 때문에 도 1a에 도시하는 기판 가열 장치에 비교하여 기판을 안정적으로 유지할 수 있다.
도 2a에 도시하는 기판 가열 장치(2)에서는 대략 원반형의 세라믹스 소결체로 형성된 세라믹스 베이스(12)중에 저항 발열체(22)와 정전척용 전극(60)이 매설되어 있다. 세라믹스 베이스(12)의 이면에 접속되는 샤프트(32)내에는 저항 발열체(22)의 단자에 급전하는 급전막대(42)와 함께, 정전척용 전극(50)에의 급전 수단인 급전막대(62)가 수납되어 있다. 이와 같이, 세라믹스 베이스(12)의 이면 중앙에는 샤프트(32)가 접합되어 있기 때문에 샤프트(32)로부터의 열전도에 의해 가열면(A)의 중앙부의 온도는 저하하는 경향이 있다.
그러나, 정전척 부착 기판 가열 장치(2)에 있어서도 가열면(A)은 도 1a에 도시하는 기판 가열 장치와 같이, 중앙부에서 가장 높고 주변부에 근접할수록 낮아지는, 소위 볼록면 형상을 갖고 있다. 가열면(A)이 평탄한 경우에 비교하여 볼록면 형상인 경우는 가열면(A)에 얹어 놓은 세라믹스 베이스(12)는 아무런 고정 방법도 없으면, 불안정해지기 쉽지만, 도 2a에 도시하는 기판 가열 장치(2)에서는 정전척 기능에 의해 기판은 가열면(A)에 확실하게 흡착 고정된다. 그리고, 가열면(A)은 중앙이 높은 볼록면 형상을 갖기 때문에 기판은 가열면(A)의 중앙부에서는 정전척의 흡착력에 의해 밀접하게 가열면(A)에 접촉하여, 실질적인 접촉 면적을 넓히는 결과, 높은 열전도 효율을 얻을 수 있고, 기판 온도가 효율적으로 상승하는 동시에, 기판의 외주부에서는 적은 간극이 가열면(A)과 기판과의 사이에 생기기 때문에 열전도 효율이 저하한다. 이 결과, 가열면(A)에 얹어 놓은 기판 표면에서의 온도 균일성이 개선된다.
또, 정전척의 흡착력은 존슨 라베크(Johnson-Rahbek) 원리를 이용하는 경우는 가열면(A)과 가열면(A)상에 얹히는 기판과의 거리가 흡착력에 영향을 주기 때문에 가열면(A)의 중앙부 높이를 Hc로 하는 경우, 가열면 단부에 있어서의 He와의 높이의 차 △H(=Hc-He)가 50 μm을 넘으면 충분한 흡착력을 얻을 수 없고, 기판이 부유한 상태가 된다. 따라서, 기판의 안정적인 유지를 확보하기 위해서는 △H를 50 μm 이하로 하는 것이 바람직하다.
한편, 기판 표면에서의 온도 균일성을 확보하기 위해서는 가열면(A)의 중앙부와 외주부에서의 각 열전도율의 차가 보다 명확해지도록 △H가 10 μm 이상, 보다 바람직하게는 20 μm 이상으로 한다.
도 2b에 도시하는 기판 가열 장치(3)는 진공척 기능을 갖춘 것이다. 이 기판 가열 장치(3)는 흡착 기능으로서 진공척 기능을 이용하고 있는 점에서 다르지만, 그 이외의 기본 구조는 도 2a에 도시하는 진공척 부착 기판 가열 장치와 공통된다.
도 2b에 도시한 바와 같이, 세라믹스 베이스(13)중에는 저항 발열체(23)가 매설되어 있는 동시에, 진공척용 흡착 구멍(73)이 복수 개소에 배치되어 있고, 이들 흡착 구멍(73)은 배기관(70)에 접속되어 있다. 가열면(A)상에 얹히는 기판은 각 흡착 구멍(73)을 통해 기판 가열면(A)에 흡착 고정된다. 또, 흡착 구멍(73)의 수 및 그 배치 개소에는 특별히 한정은 없다.
또, 진공성을 확보하기 쉽게 하기 위해서 도 2b에 도시한 바와 같이, 기판 가열 장치(3)의 세라믹스 베이스(13)는 중앙에 기판을 얹어 놓은 가열면(A)을 가지고, 그 주위를 높이가 있는 프레임형부로 둘러싸는 구성으로 해도 좋다.
세라믹스 베이스(13)의 이면에 접속되는 샤프트(33)내에는 저항 발열체(23)의 단자에 급전하는 급전막대(43)와 함께 배기관(70)이 수납된다. 샤프트(33)로부터의 열전도에 의해 가열면(A)의 중앙부의 온도는 저하하는 경향이 있다.
이 기판 가열 장치(3)에 있어서도 가열면(A)은 중앙이 가장 높고 외주부에 근접할수록 낮은 볼록면 구조를 갖는다. 가열면(A)의 중앙부에서는 진공척의 흡착력에 의해 밀접하게 가열면(A)에 접촉하여, 실질적인 접촉 면적이 넓어지는 결과, 양호한 열전도 효율을 얻을 수 있고, 기판 온도의 상승이 효율적으로 발생하는 동시에, 기판의 외주부에서는 가열면(A)과 기판과의 사이에 생기는 간극 때문에 열전도 효율이 약간 저하한다.
진공척에 의한 기판의 흡착력을 유지하기 위해서는, 예컨대, 가열면(A)의 중앙부의 가장 높은 위치를 Hc로 하고, 가열면(A)에서 가장 낮은 가열면 단부에 있어서의 높이를 He로 하면, 흡착 구멍(73)과 기판과의 거리가 50 μm을 넘으면 누설이 증가하고, 기판이 부유한 상태가 되기 때문에 가열면(A)과의 흡착력을 안정적으로 유지할 수 없다. 따라서, 기판의 안정인 유지를 확보하기 위해서는 높이의 차 △H(=Hc-He)를 50 μm 이하로 하는 것이 바람직하다.
한편, 기판면에서의 온도 균일성을 확보하기 위해서는 가열면 중앙부와 가열면 외주부에서의 열전도율의 차를 보다 실효적인 것으로 하기 위해서는 △H를 10 μm 이상, 보다 바람직하게는 20 μm 이상으로 한다.
다음에, 도 3의 흐름도를 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 기판 가열 장치의 제조 방법에 관해서 설명한다. 또, 여기서는 대표적으로 도 2a에 도시한 정전척 부착 기판 가열 장치(2)의 제조 방법을 설명하지만, 다른 기판 가열 장치에 있어서도 세라믹스 베이스, 저항 발열체, 및 샤프트의 재질은 같은 재질인 것을 사용할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이 기판 가열 장치(2)를 제작하기 위해서는 우선, 저항 발열체 및 정전척용 전극이 매설된 세라믹스 베이스를 제작하는(S100) 동시에, 세라믹스 소결체로 이루어지는 샤프트를 제작한다(S200). 다음에, 세라믹스 베이스와 샤프트를 접합한다(S300). 샤프트내에 필요한 단자를 접합하고(S400), 검사 공정(S500)을 지나서 완성한다.
이하, 각 공정에 관해서 보다 구체적으로 설명한다.
우선, 세라믹스 베이스 제작 공정(S100)에서는 세라믹스 베이스의 성형을 하여, 저항 발열체 및 정전척이 매설된 세라믹스 베이스 성형체를 제작한다(S101). 계속해서, 얻어진 성형체를 소성하고(S102), 또 소성에 의해 얻어진 소결체를 가공한다(S103). 이 소결체의 가공 공정에서, 세라믹스 베이스의 가열면을 중앙이 높은 볼록면 형상이 되도록 가공한다.
구체적으로, 세라믹스 베이스 성형 공정(S1O1)에서는 세라믹스 원료 분말과 소결조제를 금형에 충전하여 프레스하고, 예비 성형체를 제작한 후, 저항 발열체를 그 위에 실어, 그 위에서 세라믹스 원료 분말을 충전하여, 프레스를 행한다. 또, 저항 발열체를 얹어 놓을 때는 예비 성형체의 저항 발열체 적재 위치에 미리 홈을 형성하더라도 좋다. 그 후, 또 예컨대 메쉬 형상의 금속 벌크체로 이루어지는 정전척용 전극을 그 위에 얹고, 계속하여 세라믹스 원료 분말을 충전한 후, 전체를 재차 일축 방향으로 프레스한다. 이렇게 해서, 저항 발열체와 정전척용 전극이 매설된 세라믹스 베이스의 성형체를 형성한다. 또, 세라믹스 원료 분말로서는 AlN, SiC, SiNx, 사이알론 등의 주원료에 Y2O3 등의 희토류 산화물을 소결조제로서 첨가한다.
도 4a 및 도 4b는 세라믹스 베이스중에 매설하는 저항 발열체의 평면형상의 일례를 도시하는 것이다. 저항 발열체(22)는 Mo, W, WC 등의 고융점 재료로 이루어지는 금속 벌크체인 1개의 선형체를 도 4a에 도시한 바와 같이, 중앙에 두개의 저항 발열체 단자(53)가 오도록 절첩 가공한 권취체를 제작한다. 권취체의 형상은 여러 가지의 변형이 가능하고, 도 4a에 도시한 바와 같이 리프트핀(80)의 주위에서는 일정 거리로 선회하도록 국소적 변형을 가하더라도 좋고, 도 4b에 도시한 바와 같이 저항 발열체(22)의 절첩부(C)를 약간 부푼 부분을 갖게 하여, 인접하는 저항 발열체 사이의 거리를 좁히는 형상으로 하는 것에 의해 보다 가열면(A)의 온도 균일화를 도모하더라도 좋다.
또, 정전척의 전극으로서는 저항 발열체와 같이 소성 온도에 견딜 수 있는 고융점 금속인 Mo, W, WC 등의 전극을 사용하는 것이 바람직하다. 금속 벌크체로 이루어지는 철망형(메쉬형) 혹은 판형체에 다수의 구멍을 형성한 펀칭 메탈 형상의 전극도 사용할 수 있다. 이들 금속 벌크체를 사용하는 경우는, 전극의 저항을 내리기 위해 고주파 전극으로서 사용할 수도 있다. 또한, 금속 벌크체를 사용하는 경우는, 소성 공정에서 핫프레스법을 사용할 수 있다.
또, 저항 발열체 및 정전척용 전극으로서 인쇄체 전극을 사용할 수도 있다. 이 경우는, 전술하는 성형 공정에서 세라믹스 분체중에 매설하는 것이 곤란하기 때문에 그린시트상에 인쇄 전극을 형성하고, 또 그 위에 그린시트를 적층한 것으로 세라믹스 베이스의 성형체를 제작하더라도 좋다.
세라믹스 베이스 소성 공정(S102)에서는 상기 성형 공정에서 얻어진 성형체를 예컨대 핫프레스법을 이용하여 소성한다. 세라믹스 원료 분말로서 질화알루미늄 분말을 사용한 경우는 질소중에서 1700℃∼2000℃의 온도로 약 1시간∼10시간 소성한다. 핫프레스시의 압력은 20 kg/cm2∼1000 kg/cm2 이상, 보다 바람직하게 100 kg/cm2∼400 kg/cm2로 한다. 핫프레스법을 이용한 경우는 소결시에 일축 방향으로 압력이 걸리기 때문에 저항 발열체 및 정전척 전극과 주위의 세라믹스 베이스와의 밀착성을 양호하게 할 수 있다. 또한, 금속 벌크체 전극의 경우는 핫프레스 소성시에 이러한 압력으로 변형하는 일이 없다.
세라믹스 베이스 가공 공정(S103)에서는 소성후의 세라믹스 베이스에 전극 단자 인출용의 구멍을 개구하는 가공이나, 각부의 모따기 가공을 행하는 동시에, 세라믹스 베이스 표면인 가열면(A)을 소정의 볼록면 형상으로 가공한다. 세라믹스 베이스 표면의 가공은 평면 연삭 플레이트를 이용하여 행할 수 있다. 가열면(A)의 중앙부의 높이를 Hc, 가열면(A)의 단부의 높이를 He라고 하면, 그 차 △H는 10 μm∼50 μm, 보다 바람직하게는 20 μm∼40 μm으로 한다.
또, 이 세라믹스 베이스 가공 공정은 완전히 소성후에 행하는 것이 아니고, 최종적인 소성 온도보다 약간 낮은 온도에서 소성하거나, 단시간 소성함으로써 얻은 가소성체를 이용하여 행하더라도 좋다. 완전히 소성이 종료하기 전에 가공을 함으로써 보다 가공을 용이하게 할 수 있다. 가소성체로 가공을 실시한 경우는 가공후 다시 소성을 한다.
또, 세라믹스 베이스 가공 공정(S103)에 있어서, 세라믹스 베이스 표면에 도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같이 세라믹스 베이스 표면에 샌드 블라스트법 등을 이용하여 엠보스(90)를 형성하더라도 좋다. 또한, 퍼지 가스 구멍(92), 퍼지 가스용 홈(91), 혹은 리프트핀 등의 구멍을 형성하더라도 좋다.
샤프트 제작 공정(S200)에서는 우선 세라믹스 원료 분말을 이용하여 샤프트의 성형체를 제작한다(S201). 계속해서, 얻어진 성형체를 소성하고(S202), 또 소성에 의해 얻어진 소결체를 가공한다(S203).
샤프트 성형 공정(S201)에서는 세라믹스 베이스와 양호한 접합을 얻기 위해서 세라믹스 원료 분말로서 세라믹스 베이스와 동질의 세라믹스 원료 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 성형 방법으로서는 여러 가지의 방법을 사용할 수 있지만, 비교적 복잡한 형상의 성형에 적합한 CIP(Cold Isostatic Pressing)법이나 슬립캐스트 등을 사용하는 것이 바람직하다.
샤프트 소성 공정(S202)에서는 전술하는 성형 공정에서 얻어진 성형체를 소성하지만, 성형체 형상이 복잡하기 때문에 상압 소성법을 이용하여 소성하는 것이 바람직하다. 세라믹스 원료로서 AlN을 사용하는 경우는 질소중에서 1700℃∼2000℃의 온도에서 약 1시간∼10시간 소성한다.
샤프트 가공 공정(S203)에서는 소결체 표면 및 접합면의 랩핑 가공 등을 행한다.
다음에, 전술하는 방법으로 얻어진 세라믹스 베이스와 샤프트의 접합을 행한다(S300). 이 접합 공정(S300)에서는 접합면 중 어느 한쪽 혹은 양쪽에 접합제로서 희토류 화합물을 도포한 후, 서로 접합면을 접합하여, 질소 분위기속에서 1700℃∼1900℃의 온도로 열처리를 행한다. 필요에 따라서 접합면과 수직한 방향에서 일축 가압하여, 소정의 압력을 가하더라도 좋다. 이렇게 해서, 세라믹스 베이스 및 샤프트와의 고상 접합을 행한다. 또, 고상 접합 이외에도 납땜이나 기계적 접합을 행하더라도 좋다.
또한, 샤프트내에 Ni 등으로 이루어지는 급전막대를 삽입하고, 세라믹스 베이스의 전극 단자와 샤프트내에 삽입한 급전막대를 납땜 접합하여, 단자의 접합(S4O0)을 행한다. 또, 급전막대 대신에 선형의 도전 재료를 로프형으로 가공한 것이나, 띠(리본)형의 도전 재료 등의 다른 급전수단을 사용하더라도 좋다. 또한, 급전막대 외주에 나사홈을 형성하고, 세라믹스 베이스에도 나사홈를 형성하여, 급전막대를 비틀어 넣는 것에 의해 전극 단자와의 접합을 하더라도 좋다.
이 후, 온도 균일성 및 흡착 균일성 등의 검사를 행하여(S500), 정전척 부착 기판 가열 장치(2)가 완성된다.
세라믹스 베이스나 샤프트의 크기나 형상에 특별히 한정은 없지만, 세라믹스 베이스의 기 가열면의 직경을 D1로 하고, 샤프트의 단면 직경을 D2로 하는 경우, 예컨대, D2/D1은 1/2∼1/10으로 하는 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서는, 가열면을 볼록면 형상으로 하는 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있다.
또, 세라믹스 베이스의 가열면의 가공은 검사 공정(S500)후에, 그 검사의 결과를 받아 수정 가공을 하는 것도 가능하다.
또, 도 1a에 도시하는 흡착 기능을 갖지 않는 기판 가열 장치(1)를 제작하는 경우는 전술하는 공정에서 정전척의 매설 공정을 생략할 수 있다. 또한, 도 2b에 도시하는 진공척 부착 기판 가열 장치(3)를 제작하는 경우는 진공척용 배기 구멍을 제작하기 위해, 예컨대 세라믹스 베이스를 복수로 분할하여, 예비 성형체를 제작하고, 각각 홈을 형성하여 접합시키는 것에 의해 배기 구멍을 형성한다.
이상 설명하는 바와 같이 본 실시예에 따른 기판 가열 장치와 그 제조 방법에 따르면, 가열면을 볼록면 형상으로 가공하는 간이한 공정에 의해 기판 온도의 균일화를 도모할 수 있다. 종래 공정에 간단한 공정을 부가하면 되고, 또한 필요에 따라서 또 검사후에 수정 가공을 하는 것도 가능하기 때문에 매우 실용적이다.
(실시예)
이하, 본 발명의 실시예 1∼7 및 비교예에 관해서 설명한다. 실시예 1∼7에 따른 기판 가열 장치는 도 2a에 도시한 정전척 부착 기판 가열 장치이며, 세라믹스 베이스의 가열면의 볼록 형상의 가공 조건이 다른 것 이외는, 동일 조건으로 제작을 했다. 이하, 구체적으로 제작 조건에 관해서 설명한다. 또, 제작 조건은 도 3에 도시하는 플로우차트를 참조한다.
(제조 조건)
우선, 정전척용 전극 및 저항 발열체가 매설된 세라믹스 베이스를 제작한다(S100). 환원질화법에 의해서 얻어진 AlN 분말에 5% Y2O3을 가한 세라믹스 혼합 분말에 아크릴계 수지 바인더를 첨가하고, 분무 조립법에 의해 조립 과립을 제작했다. 이 조립 과립을 금형에 충전하여 프레스하고, 예비 성형체를 제작한 후, 전사형으로 저항 발열체를 매설하는 위치에 홈을 형성하고, 여기에 도 3에 도시된 코일 형상으로 가공한 직경 0.5 mm의 선형 Mo 저항 발열체를 두고, 이 위에 세라믹스 원료 분말을 충전하여 프레스를 행한 후, 또, 직경 φ0.35 mm, 24 메쉬의 Mo제 철망으로 이루어지는 정전척용 전극을 얹고, 계속하여 세라믹스 원료 분말을 충전한 후, 전체를 재차 일축 방향으로 프레스했다. 각 프레스압은 200 kg/cm2로 했다. 이렇게 해서, 저항 발열체와 정전척용 전극이 매설된 세라믹스 베이스의 성형체를 형성했다(S101).
성형체를 꺼내, 핫프레스 소성로에서 성형체의 소성을 했다. 소성 조건은 질소 게이지압을 0.5 kg/cm2로 하는 분위기하에서, 1860℃를 6시간 유지하는 조건으로 소성을 행했다. 얻어진 소결체의 사이즈는 외부 지름 약 290 mm, 두께 약 17 mm이었다(S102). 또한, 저항 발열체의 매설 위치는 가열면 표면에서 8.5 mm의 깊이에, 정전척용 전극은 1.0 mm의 깊이에 매설했다.
얻어진 소결체에 리프트핀 및 퍼지 가스 구멍을 형성하는 동시에, 200 메쉬의 다이아몬드 연마지와 지석을 로터리 평면 연삭 플레이트를 이용하여 가열면이 되는 세라믹스 베이스 표면을 연삭 가공했다. 이렇게 해서, 표 1에 도시한 바와 같이 가열면을 중앙부가 가장 높고 주변부에 근접할수록 낮은 볼록면 형상으로 가공했다. 가열면 중앙부의 높이를 Hc, 가열면 단부의 높이를 He로 한 경우의 높이의 차 △H(=Hc-He)를 실시예 1∼82에서는 각각 2 μm, 6 μm, 12 μm, 27 μm, 27 μm, 34 μm, 42 μm 및 52 μm로 설정했다(S103).
한편, 샤프트는 다음 조건으로 제작했다. 환원질화법에 의해서 얻어진 AlN 분말에 5% Y2O3을 가한 세라믹스 혼합 분말에 아크릴계 수지 바인더를 첨가하여, 분무 조립법에 의해 조립 과립을 제작했다. 이 조립 과립을 이용하여 CIP법을 사용하여 성형체를 제작했다(S201).
다음에, 상압 소성법을 이용하여 샤프트 성형체를 소성했다. 소성은 질소 분위기속에서 소성 온도 1850℃를 3시간 유지하는 조건으로 했다(S202). 소결후 얻어진 샤프트의 중간부의 직경은 약 40 mm, 샤프트의 길이는 약 200 mm였다. 또한, 원통부 중부의 샤프트의 두께는 약 3 mm였다. 샤프트의 표면 및 세라믹스 베이스와의 접합면을 랩팽(lapping) 가공하였다(S203).
세라믹스 베이스와 샤프트와의 각 접합면에 이트륨 농도가 2.6×10-6 mol/cc인 질산이트륨 수용액을 도포하여, 양자를 접합시켜, 질소 분위기중 1800℃ 2시간의 조건으로 열처리했다(S300).
접합후, 세라믹스 베이스중에 매설된 저항 발열체, 및 정전척 전극의 각 단자에 Ni 제조의 급전막대를 납땜 접합했다(S400).
(평가)
이렇게 하여 제작한 실시예 1∼8 및 비교예의 각 기판 가열 장치를 평가용 밀폐 가능한 챔버내에 설치하고, 가열면상에 직경 300 mmφ의 실리콘 기판을 얹어 놓았다. 챔버 내부를 77 KPa의 진공 조건으로 설정하고, 정전척 전극에 급전하여, 가열면에 기판을 흡착 고정한 상태로 저항 발열체에 급전했다. 기판 설정 온도를 450℃로 하는 조건으로, 기판 표면의 온도 분포를 측정했다. 결과를 표 1에 도시한다.
기판 표면 온도는 열전대를 이용하여 측정했다. 표 1에 있어서의 「기판 외주부의 온도」는 반경 140 mm인 원주 위를 사등분한 각 4점에 있어서의 기판 표면 온도의 평균값이다. 또한, 세라믹스 기판의 가열면 자체의 온도를 서모뷰어 (thermoviewer)로 측정한 결과, 실시예 1∼8 및 비교예 모두 거의 가열면 중앙부에서의 표면 온도는 449℃, 가열면 단부에서의 표면 온도는 458℃이며, 중앙부가 9도 낮은 상태였다.
표 1에 도시하는 바와 같이 가열면을 볼록면 형상으로 하고, 중앙부와 단부의 높이의 차 △H를 바꿈으로써 기판 표면 온도의 분포가 변화하는 것을 확인할 수 있었다. △H가 2 μm∼50 μm 근방에 도달하기까지는 △H가 증가할수록 기판의 온도 균일성이 개선되는 경향이 보였다. 특히 실시예 7에 있어서, △H를 42 μm로 한 경우에 있어서 거의 기판 중앙부와 기판 외주부의 온도의 차를 없앨 수 있었다. 또, △H가 50 μm를 넘는 경우에 있어서는 정전척에 의한 흡착력을 기판 주변부에 있어서 충분하게 발휘할 수 없고, 기판이 떠올라 안정 유지가 곤란해졌다. 따라서, 양호한 온도 균일성과 기판의 양호한 안정 유지를 얻기 위해서는 △H를 50 μm 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 450℃의 설정 조건에 있어서 △H를 27 μm 이하로 하면 기판 온도의 균일성을 3℃ 이하로 억제할 수 있고, △H는 34 μm 이상으로 하는 경우는 기판 온도의 균일성을 1℃ 이하로 억제할 수 있다.
실시예 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 실시예7
세라믹스 베이스의 가열면 평면도△H(=Hc-He) (μm) 2 6 12 27 34 42 52
기판 표면 온도(중앙부)Tc(℃) 447 447 447 448 448 449 449
기판 표면 동도(외주부)Te(℃) 454 453 451 451 449 449 448
기판 균일성Tc-Te(℃) -7 -6 -4 -3 -1 0 1
이상, 실시형태 및 실시예에 따라서 본 발명의 기판 가열 장치 및 그 제조 방법에 관해서 설명했지만, 본 발명은 이들 실시예 및 실시예의 기재에 한정되는 것이 아니다. 여러 가지의 개량 및 변경이 가능한 것은 당업자에게는 분명하다.
본 발명의 기판 가열 장치 및 그 제조 방법에 따르면 간편한 연삭 가공으로 형성할 수 있는 가열면의 볼록면화에 의해 관형 부재 부착 기판 가열 장치에 있어서도 가열면의 온도 분포에 대하여 기판면의 온도 분포를 더욱 균일화할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 기판 가열 장치의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 정전척 부착 기판 가열 장치 및 진공척 부착 기판 가열 장치의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기판 가열 장치의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 기판 가열 장치에 매설되는 저항 발열체의 형상을 도시하는 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 기판 가열 장치에 있어서 가열면에 엠보스 가공을 실시한 장치의 구조를 도시하는 평면도와 단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1, 2, 3: 기판 가열 장치
10, 12, 13: 세라믹스 베이스
20, 22, 23: 저항 발열체
25: 저항 발열체 단자
30, 32, 33: 관형 부재(샤프트)
40, 42, 43, 62: 급전막대
50: 기판
60: 전극(정전척용)
70: 배기관
73: 흡착 구멍
80: 리프트핀용 구멍

Claims (16)

  1. 한쪽의 면에 기판을 얹어 놓은 가열면을 갖는 판형의 세라믹스 베이스와;
    상기 세라믹스 베이스에 매설된 저항 발열체; 및
    상기 세라믹스 베이스의 다른쪽 면의 중앙에 접합된 관형 부재
    를 포함하며,
    상기 가열면은 중앙부가 가장 높고 주변부에 근접할수록 낮아지는 볼록면 형상을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹스 베이스내의 가열면과 상기 저항 발열체 사이에 매설된 면형 전극을 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 면형 전극은 금속 벌크체로 이루어지는 메쉬 형상 또는 다수의 구멍이 형성된 판형 전극인 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가열면에 진공척용 구멍이 마련되고, 상기 구멍을 통해 상기 기판을 상기 가열면에 흡착 고정 가능한 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열면은 상기 중앙부의 높이(Hc)와 가열면 단부에서의 높이(He)와의 차인 △H가 50 μm 이하인 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 △H가 10 μm 이상인 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹스 베이스는 질화알루미늄, 질화규소, 탄화규소, 사이알론으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나의 비산화물 세라믹스, 또는 상기 군으로부터 선택된 적어도 2 이상의 비산화물 세라믹스의 복합재를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 세라믹스 베이스는 질화알루미늄, 질화규소, 탄화규소, 사이알론으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나의 비산화물 세라믹스, 또는 상기 군으로부터 선택된 적어도 2 이상의 비산화물 세라믹스의 복합재를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 세라믹스 베이스는 질화알루미늄, 질화규소, 탄화규소, 사이알론으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나의 비산화물 세라믹스, 또는 상기 군으로부터 선택된 적어도 2 이상의 비산화물 세라믹스의 복합재를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 관형 부재는 상기 세라믹스 베이스의 주성분과 동일 재료를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 관형 부재는 상기 세라믹스 베이스의 주성분과 동일 재료를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 관형 부재는 상기 세라믹스 베이스의 주성분과 동일 재료를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  13. 저항 발열체가 매설된 판형의 세라믹스 베이스를 형성하는 공정과,
    가열면이 되는 상기 세라믹스 베이스의 한쪽의 면을 중앙부가 가장 높고 주변부에 근접할수록 낮아지는 볼록면 형상으로 연삭 가공하는 공정과,
    상기 세라믹스 베이스의 다른쪽 면의 중앙에 관형 부재를 접합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 세라믹스 베이스를 형성하는 공정은 면형 전극을 상기 세라믹스 판형체내에 매설하는 공정을 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치의 제조 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 연삭 가공하는 공정에서는 상기 중앙부의 높이(Hc)와 가열면 단부에서의 높이(He)와의 차인 △H가 50 μm 이하가 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 △H가 10 μm 이상인 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치의 제조 방법.
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