KR20080056085A

KR20080056085A - 가열 장치

Info

Publication number: KR20080056085A
Application number: KR1020070117144A
Authority: KR
Inventors: 이쿠히사 모리오카; 야스후미 아이하라; 히데요시 츠루타
Original assignee: 니뽄 가이시 가부시키가이샤
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2008-06-20
Also published as: KR101357971B1; JP5117146B2; CN101207945A; JP2008153194A; CN101207945B

Abstract

본 발명은 반도체 제조 프로세스에 있어서 피가열물을 균일하게 가열할 수 있는 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

가열 장치(10)는 가열면을 갖는 세라믹스 기체(11)와, 이 세라믹스 기체(11)의 내부에 매설된 발열체(12)를 구비한다. 이 세라믹스 기체(11) 내부에 있어서의 가열면(11a)과 상기 발열체(12) 사이에, 열전도성 부재(14)를 갖고 있다. 열전도성 부재(14)는 세라믹스 기체보다도 높은 열전도율을 갖고 있다.

가열 장치, 반도체, 웨이퍼,

Description

가열 장치{HEATING DEVICE}

본 발명은 반도체의 웨이퍼 등의 가열에 이용되는 가열 장치에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 제조 공정에서는, 반도체 제조 장치를 이용하여 웨이퍼 상에 산화막 등을 형성하기 위해, 가열 처리가 실시된다. 이 반도체 제조 장치에 있어서의, 웨이퍼의 가열 장치의 일례로서는, 피가열물이 셋트되는 가열면을 갖는 원반 형상의 세라믹스 기체를 구비하고, 이 세라믹스 기체 중에 저항 발열체가 매설되어 있는 세라믹스 히터가 있다. 이 세라믹스 히터의 저항 발열체는 세라믹스 기체의 내부에 매설되어, 이 저항 발열체에 전력이 공급됨으로써, 상기 가열면을 발열시킨다.

이러한 세라믹스 히터는 피가열물인 웨이퍼를 소정의 가열 온도로 안정되게 유지되도록 가열할 수 있는 것이 요구된다. 또한, 웨이퍼의 면에서 균일하게 가열할 수 있는 것이 요구된다. 그 때문에, 세라믹스 히터는 평면적인 배선의 저항 발열체로 고안되거나, 원반 형상의 세라믹스 기체에 있어서의 가열면과는 반대측의 면에, 온도 조절 부재로서 벌크형의 히트 싱크를 부착하거나 한 것이 있다. 이 벌크형의 히트 싱크는 세라믹스 기체로부터 열을 신속하게 방출할 수 있다. 그 때문 에, 가열면에 있어서의 국부적인 온도 상승을 억제할 수 있고, 이것이 가열면의 면 내에 걸쳐 웨이퍼를 균일하게 가열하는 것에 기여한다.

이 벌크형의 히트 싱크와 세라믹스 기체가 예컨대, 실리콘 수지의 접착층에 의해 접합된 가열 장치이다. 그러나, 실리콘 수지는 내열성이 낮은 점에서, 가열 장치의 사용 온도가 제한된다. 또한, 실리콘 수지는 열전도성에 뒤떨어지는 점에서, 웨이퍼를 균일하게 가열 유지하는 것에도 한계가 있었다.

그래서, 벌크형의 히트 싱크와 세라믹스 기체가 알루미늄 합성의 열압착에 의해 형성된 접합층에 의해 접합된 서로 가열 장치이다(특허 문헌 1).

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개평 제9-249465호 공보

그러나, 이 알루미늄 합금의 열압착에 의해 형성된 접합층에 의한 가열 장치에 의해서도, 세라믹스 기체의 가열면에 있어서의 면의 가열 온도의 균일성이 항상 충분한 것은 아니다. 특히, 저항 발열체에의 입열량이 커진 경우나, 세라믹스 기체가 열전도율이 낮은 재료로 이루어지는 경우에는, 가열의 균일성(균열성)이 악화되고, 따라서, 이 가열 장치에 의해 가열되는 웨이퍼의 표면 온도의 균일성도 악화하였다. 웨이퍼의 표면 온도의 균일성이 악화했다면, 웨이퍼에 실시되는 성막이나 에칭의 면내 균일성이 저하하여, 반도체 디바이스의 제조 시에 있어서의 수율이 저하하게 된다.

그래서, 본 발명은 상기의 문제를 유리하게 해결하는 것으로, 가열면에 있어서의 균열성을 개선하고, 이에 따라, 가열면에 부착된 피가열물을 면에서 균일하게 가열할 수 있는 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 가열 장치는 가열면을 갖는 세라믹스 기체와, 이 세라믹스 기체의 내부에 매설된 발열체를 구비하는 가열 장치로서, 가열 장치는 세라믹스 기체 내부에서 가열면과 상기 발열체 사이에 배치되는 열전도성 부재를 포함하고, 상기 열전도성 부재의 열전도율이 세라믹스 기체의 열전도율보다도 높은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 가열 장치에 따르면, 가열면에 부착된 피가열물을 그 면에서 균일하게 가열하는 것이 가능해진다.

이하, 본 발명의 가열 장치의 실시예에 대해 도면을 이용하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 가열 장치에 따른 일 실시예를 도시하는 단면도이다. 또한, 이하에 진술하는 도면에서는, 가열 장치의 각 구성 요소의 이해를 쉽게 하기 위해, 각 구성 요소는 현실의 가열 장치와 상이하게 치수 비율을 표현하고 있다. 따라서, 본 발명에 따른 가열 장치는 도면에 도시된 가열 장치의 치수 비율에 한정되지 않는다.

도 1에 도시된 본 실시예의 가열 장치(10)는 원반 형상의 세라믹스 기체(11)를 갖고 있다. 이 세라믹스 기체(11)는 예컨대, 알루미나(Al₂O₃)계 세라믹스나 질화알루미늄(AlN)계 세라믹스로 이루어진다.

이 원반 형상을 갖는 세라믹스 기체(11)의 일측의 평면부는 피가열물인, 예컨대 웨이퍼(도시하지 않음)를 셋트하여 가열하기 위한 가열면(11a)이 된다. 이 세라믹스 기체(11)의 내부에 있어서, 가열면(11a)의 반대측인 배면(11b)쪽에, 저항 발열체(12)가 매설되어 있다.

이 저항 발열체(12)에 접속하는 히터 단자(13)는 세라믹스 기체의 배면(11b)으로부터 삽입되어 있다. 이 히터 단자(13)에 접속되는, 도시하지 않은 외부 전원으로부터, 전력을 저항 발열체(12)에 공급함으로써, 저항 발열체(12)가 발열하여 생긴 열이 저항 발열체(12)로부터 세라믹스 기체(11)의 가열면(11a)을 향해 세라믹스 기체(11) 내를 이동한다. 이에 따라, 가열면(11a)에 셋트된 웨이퍼를 가열하는 것이 가능해진다.

세라믹스 기체(11)의 배면(11b)에 밀착하여, 온도 조절 부재(21)가 세라믹스 기체(11)에 부착되어 있다. 도시한 예에서는, 세라믹스 기체(11)의 주연부에 형성된 복수의 볼트 구멍에 각각 볼트(23)가 삽입되어, 이 볼트(23)가 온도 조절 부재(21)에 형성된 나사 구멍과 나사 결합함으로써, 세라믹스 기체(11)와 온도 조절 부재(21)가 체결 고정되어 있다. 또한, 이 세라믹스 기체(11)와 온도 조절 부재(21)의 고정은 수지 접착제에 의한 접착이라도 좋다.

이 온도 조절 부재(21)는 세라믹스 기체(11)의 열이 전도되어, 발열할 수 있는 재료로서, 열전도성이 양호한 금속 재료, 예컨대 벌크형의 알루미늄으로 이루어지고 있다. 이 온도 조절 부재(21)에 의한 발열 효과를 향상시키기 위해, 이 온도 조절 부재(21)의 내부에는, 냉매가 통과 가능한 유체 유동 구멍(21a)이 형성되어 있다. 또한, 온도 조절 부재(21)에는, 히터 단자(13)를 삽입 관통 가능한 단자 구멍(21b)이 형성되고, 이 단자 구멍(21b)의 내벽에 접하도록 관 형상의 절연 부재(22B)가 끼워 넣어져 있다. 이 절연 부재(22B)는 절연 부재(22B)의 내주면측에 삽입 관통되는 히터 단자(13)와, 금속 재료로 이루어지는 온도 조절 부재(21)를 절연하고 있다.

본 실시형태의 가열 장치(10)의 특징적인 구조의 하나는, 세라믹스 기체(11)의 가열면(11a)와, 세라믹스 기체(11)의 내부에 매설된 저항 발열체(12) 사이에, 열전도성 부재(14)가 배치되어 있는 것이다. 도시한 본 실시형태에 있어서는, 열전도성 부재는 가열면(11a)과 실질적으로 동일한 평면 형상, 직경을 갖는 박판 형상이며, 가열면(11a)과 실질적으로 평행하게 배치되어 있다. 이 열전도성 부재(14)는 세라믹스 기체(11)보다도 높은 열전도율을 갖고 있다.

본 실시형태의 가열 장치(10)는 이 열전도성 부재(14)를 구비함으로써, 다음 효과를 얻을 수 있다. 저항 발열체(12)에 전력이 공급되어 상기 저항 발열체(12)가 발열하면, 발생한 열의 일부는 세라믹스 기체(11)의 가열면(11a)을 향해 이동한다. 가열면(11a)을 향하는 도중에, 열전도성 부재(14)에 도달한 열은, 열전도성 부재(14)로부터 가열면(11a)을 향해 이동하는 것에 그치지 않고, 이 열전도성 부재(14)의 내부에서 그 평면 방향으로 확산 이동한다. 이 열전도성 부재(14)의 평면 방향으로의 열의 확산 이동에 의해, 가열면(11a)을 향하는 열량은 열전도성 부재(14)의 평면 방향에서 평균화된다. 그 때문에, 이 열전도성 부재(14)로부터 가열면(11a)을 향하는 열도 또한, 가열면(11a)의 평면 방향에서 평균화되어 있으므로, 이 가열면(11a)에 있어서의 온도의 균일화(균열성)가 향상하는 것이다.

본 실시형태의 가열 장치가 열전도성 부재(14)를 구비함으로써 상기 효과는 세라믹스 기체(11)가 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어지는 경우에, 특히 효과가 크다. 알루미나는 열전도율이 30 W/m·K 정도로 열전도성이 높지 않으므로, 열전도성 부재(14)를 구비하고 있지 않은 경우에는, 저항 발열체(12)로부터 발생한 열의 일부가, 세라믹스 기체(11)의 내부에서 그 평면 방향으로 확산 이동하는 양이 작다. 그 때문에, 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹스 기체(11)를 구비 하지만, 열전도성 부재(14)를 구비하고 있지 않은 일반적인 가열 장치의 경우에는, 균열성이 충분하지 않았던 것이다. 이에 비해, 본 실시형태의 가열 장치는 열전도성 부재(14)를 구비함으로써, 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹스 기체(11)를 갖는 것이더라도, 균열성을 현저하게 향상시킬 수 있다.

이 열전도성 부재(14)를 구비함으로써 초래되는 균열성의 향상에 관하여, 세라믹스 기체(11)의 가열면(11a)과 저항 발열체(12) 사이에서, 가열면(11a)의 근처에 열전도성 부재(14)가 배치되어 있으므로, 열전도성 부재(14)가 균열성 향상을 위해 유효하게 기여한다. 그 때문에, 본 실시형태의 가열 장치는 종래 기술의 가열 장치에 비해, 현저하게 균열성이 우수하다. 또한, 이 가열 장치(10)에 의해 가열되는 피가열물로서의 반도체 웨이퍼는, 면내에서 적은 온도 변화가 생기라도, 제조되는 반도체 디바이스의 수율에 큰 영향을 미치는 것이므로, 본 실시형태의 가열 장치(10)에 의해, 균열성이 향상하는 것은 반도체 디바이스의 수율에 비약적인 향상을 가져온다.

열전도성 부재(14)를 위한 재료는 세라믹스 기체(11)보다도 열전도율이 높은 재료이면 적합하다. 열전도율이 높을수록 바람직하다. 예컨대 세라믹스 기체(11)가 알루미나(열전도율: 30 W/m·K 정도)로 이루어지는 경우, 열전도성 부재(14)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금(열전도율: 230 W/m·K 정도)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 한정되지 않고, 열전도성이 양호한 인듐 또는 인듐합금, 그 외의 금속 재료이더라도 좋다. 또한, 금속 재료에 한정되지 않고, 열전도성 부재(14)는 고열전도성 세라믹스인 질화알루미늄(열전도 율:150W/m·K 정도)이더라도 좋다.

열전도성 부재(14)는 그 평면 방향에서 열을 충분히 확산시키기 위해서는, 어느 정도의 두께를 갖고 있는 것이 필요하고, 예컨대 0.5 ㎜∼5.0 ㎜ 정도의 두께를 갖고 있는 것이 바람직하다. 열전도성 부재(14)가 0.5 ㎜ 정도 보다도 얇으면, 평면 방향에의 열의 확산이 충분하지 않고, 열전도성 부재(14)를 구비하는 것에 의한 효과가 부족하게 된다. 또한, 열전도성 부재(14)가 5.0 ㎜ 정도를 넘는 두께에서는, 열전도성 부재(14)를 구비하는 것에 의한 효과가 포화한다. 0.5 ㎜∼5.0 ㎜ 정도인 열전도성 부재(14)의 두께는, 종래 공지의 가열 장치에 있어서 이용되는 가열면과 저항 발열체 사이에 매설되어 있는 금속제의 전극, 예컨대 가열면(11a)에 정전력을 생기게 하기 위한 전극이나, 가열면(11a) 근처에 플라즈마를 생기게 하기 위한 고주파 전극의 두께와는 크게 상이하다. 종래 공지된 가열 장치의 전극의 두께에서는, 본 발명에 있어서 소기한 균열성의 향상을 얻는 것은 곤란하다.

세라믹스 기체(11)는 전술한 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 산화이트륨을 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어지는 것이라도 좋다. 이 경우는, 열전도성 부재를 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 인듐 또는 인듐 합금, 그 외의 산화이트륨보다 열전도율이 높은 금속 재료로 할 수 있다. 또한, 세라믹스 기체(11)은 질화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어지는 것이라도 좋다. 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 기체는, 존슨 라벡(Johnson-Rahbek)력을 이용한 정전력을 생기게 하기에 적합한 체적 저항율을 갖고 있다. 이 경우의 열전도성 부재를 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 그 외의 질화 알루미늄보다 열전도율이 높은 금속 재료로 할 수 있다.

열전도성 부재(14)는 세라믹스 기체(11)의 가열면(11a)과 실질적으로 동일한 평면 형상, 실질적으로 동일한 치수인 것이, 가열면(11a)에 있어서의 가열 온도의 균일성(균열성)을 향상시키는 점에서 유리하다. 당연히, 열전도성 부재(14)의 평면 형상, 치수는 이에 한정되지 않는다. 요는, 균열성을 향상시킬 수 있는 형상, 치수로, 열전도성 부재(14)가 세라믹스 기체(11)의 내부에서 가열면(11a)과 저항 발열체(12) 사이에 배치되어 있으면 좋다.

이 저항 발열체(12)는 예컨대 Nb(니오븀), Pt(백금), W(텅스텐)이나 Mo(몰리브덴) 등의 고융점의 금속 재료, 혹은 이들의 탄화물(백금을 제외함)로 이루어진다. 이러한 저항 발열체(12)는 상기 금속 재료를 포함하는 원료 페이스트의 도포 등에 의해 형성된 평면 형상일 수도 있고, 코일형일 수도 있다. 저항 발열체(12)가 니오븀 등을 포함하는 와이어 재료로 몰딩된 코일형 저항 발열체인 경우에는, 세라믹스 기체(11)내에서 저항 발열체(12)가 3차원적으로 발열하므로, 평면 형상의 저항 발열체보다도 기판 가열의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 코일형의 저항 발열체는 균질한 와이어 재료의 가공에 의해 제조되므로, 가열 장치의 로트마다의 발열 특성의 변동이 작다. 또한, 코일 피치 등을 국소적으로 변동시킴으로써, 기판 적재면 상에서의 온도 분포를 용이하게 조정할 수 있다. 또한, 코일형의 저항 발열체는 평면 형상의 저항 발열체보다도 세라믹스 기체에 대한 밀착성을 향상시킬 수 있다.

열전도성 부재(14)의 적합한 치수 및 형상을 고려하면, 세라믹스 기체(11)는 위쪽 부분과 아래쪽 부분으로 이분되어, 이 위쪽 부분과 아래쪽 부분 사이에 열전도성 부재(14)가 개재되어 있는 삼층 구조를 갖는 것이, 보다 바람직한 형태이다. 도 1에 도시한 본 실시예의 가열 장치는 이 바람직한 삼층 구조를 갖고 있다.

그리고, 가열장치는 개별적으로 준비된 세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분과 아래쪽 부분을 열전도성 부재(14)에 의해 열압착(TCB: Thermal Compression Bonding)에 의해 접합되어 있는 구조로 형성할 수 있다. 3층 중, 열전도성 부재(14)가 열압착에 의해 형성된 부재이므로, 세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분과 아래쪽 부분이 접합면의 전체에 걸쳐 간극 없이 강고하게 접합될 수 있고, 따라서, 열전도성 부재(14)는 세라믹스 기체(11) 전체의 강도에 악영향을 미치지 않는 우수한 효과를 갖는 열전도성 부재(14)가 된다.

세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분은 사용 온도에 있어서의 체적 저항율이 1× 10⁸Ω·㎝ ∼1× 10¹²Ω·㎝ 또는 1× 10¹⁵Ω·㎝ 이상을 갖는 것이 바람직하다. 1× 10⁸Ω·㎝ ∼1× 10¹²Ω·㎝의 체적 저항율은, 가열면(11a)에 존슨 라벡력을 이용한 정전력을 생기게 하기에 적합한 체적 저항율이며, 1× 10¹⁵Ω·㎝ 이상의 체적 저항율은, 절연성이 높고, 쿨롱력을 이용한 정전력을 생기게 하기에 적합한 체적 저항율이다. 1× 10¹²Ω·㎝ ∼1× 10¹⁵Ω·㎝ 미만의 범위의 체적 저항율에서는, 정전력을 생기게 하기에 불충분하며, 웨이퍼를 흡착 유지 후의 웨이퍼에 대한 세라믹 기체(11)의 탈착 응답성이 저하한다. 1× 10⁸Ω·㎝ 미만의 체적 저항율에서는 누설 전류가 커져 웨이퍼에 악영향을 미치게 하고, 수율 저하를 초래하는 우려가 있다.

세라믹스 기체의 아래쪽 부분은 사용 온도에 있어서의 체적 저항율이 1× 10⁸Ω·㎝ 이상을 갖는 것이 바람직하다. 체적 저항율이 1× 10⁸Ω·㎝ 미만에서는, 이 아래쪽 부분에 누설 전류가 발생하여 절연 불량이 발생하는 우려가 있다.

본 실시형태의 가열 장치(10)는 세라믹스 기체(11)의 가열면(11a)과 평행하게 열전도성 부재(14)가 근접하여 배치되어 있는 점에서, 이 열전도성 부재(14)를 고주파 전극으로서 활용하는 것이 가능해진다. 상세하게 설명하면, 세라믹스 기체(11)를 갖는 가열 장치는, 그 가열면의 근처에 원반 형상의 고주파 전극이 매설되고, 이 고주파 전극에 의해 가열면에 셋트된 피가열물 근처의 공간에 고주파 플라즈마를 발생시키는 가열 장치중 하나이다. 이 고주파 전극은 일반적으로는 고주파 전력이 공급 가능한 도전성 부재로 이루어지는 것이므로, 본 실시형태에 있어서, 열전도성 부재(14)가 금속 재료 등으로 이루어지는 경우에는, 열전도성 부재(14)를 이 고주파 전극으로서 적용 가능하다. 도 1에 도시한 본 실시형태의 가열 장치(10)는 열전도성 부재(14)가 고주파 전극을 겸하는 예로서, 그 때문에, 세라믹스 기체(11)의 배면(11b)으로부터 열전도성 부재(14)에 달하도록, 열전도성 부재(14)에 접속하는 고주파 전극 단자(15)를 삽입 관통 가능하게 하기 위한 구멍(11c)이 형성되어 있다. 또한, 온도 조절 부재(21)에는 상기 구멍(11c)의 연장선 상에 단자 구멍(21c)이 형성되고, 이 단자 구멍(21c)의 내벽에 접하여 관 형상의 절연 부재(22C)가 끼워 넣어지며, 관형상의 절연 부재(22C)는 이 절연 부재(22C)의 내주면측에 삽입 관통되는 고주파 전극 단자(15)와, 금속 재료로 이루어지는 온도 조절 부재(21)를 절연하고 있다. 고주파 전극 단자(15)는 온도 조절 부재(21)의 단자 구멍(21c)과 세라믹스 기체(11)의 구멍(11c)을 통해 열전도성 부재(14)에 접속되고, 이 고주파 전극 단자(15)를 통해 열전도성 부재(14)에, 외부에서 고주파 전력을 공급함으로써, 열전도성 부재(14)가 고주파 전극으로서 이용 가능해진다. 이에 따라, 본 실시형태의 가열 장치(10)는 고주파 전극을 별도로 설치할 필요가 없다. 또한, 열전도성 부재가 금속 재료인 경우 발생한 고주파 프라즈마에 의해 열전도성 부재의 노출측이 부식되는 경우가 있다. 열전도성 부재의 부식을 방지하기 위해서는 열전도성 부재의 측면을 내식성 재료로 보호하면 좋다. 예컨대 내식성 세라믹스나 내식성 수지의 막이나 링을 설치함으로써 보호가 가능하다. 구체적인 내식성 물질의 형성 방법으로는 알루미나 세라믹의 용사막(thermal sprayed film)이나, 불소 수지제의 열 수축링을 사용하는 등의 예를 들 수 있다.

본 실시형태의 가열 장치(10)는 세라믹스 기체(11)의 가열면(11a)에 셋트되는 웨이퍼를, 정전력에 의해, 유지하는 정전 전극을 가질 수도 있다. 이에 따라, 웨이퍼의 가열시에 이 웨이퍼를 정전력에 의해 흡착 유지하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 본 실시형태의 가열 장치(10)는 열전도성 부재(14)보다도 가열면(11a)에 근접하여, 세라믹스 기체(11)의 내부에 정전 전극(16)이 매설되어 있다. 그리고, 이 세라믹스 기체(11)의 배면(11b)에서 정전 전극(16)에 달하도록 구멍(11d)이 형성되어 있다. 이 구멍(11d)은 정전 전극(16)에 접속하는 정전 전극 단자(17)를 삽입 관통 가능하게 하기 위한 것이다. 또한, 온도 조절 부재(21)에서의 상기 구 멍(11d)의 연장선 상에 단자 구멍(21d)이 형성되고, 이 단자 구멍(21d)의 내벽에 접하여 관 형상의 절연 부재(22D)가 끼워 넣어지며, 이 절연 부재(22D)의 내주면측으로 삽입 관통되는 정전 전극 단자(17)와, 금속 재료로 이루어지는 온도 조절 부재(21)를 절연하고 있다. 이 정전 전극 단자(17)를 통해 정전 전극(16)에, 외부에서 전압을 인가함으로써, 정전 전극(16)과 가열면(11a) 사이의 영역이 분극하여 유전체층이 되며, 가열면(11a)에 정전력을 생기게 한다. 이 정전력에 의해, 웨이퍼를 흡착 유지할 수 있다. 세라믹스 기체(11) 중, 적어도 정전 전극(16)과 가열면(11a) 사이의 영역이 알루미나로 이루어지는 경우에는, 알루미나가 적절한 전기 저항율을 구비하고 있는 점에서, 쿨롱력에 의한 정전력을 강력하게 생기게 할 수 있다. 쿨롱력에 의한 정전력은, 존슨 라벡력에 의한 정전력과 같이 가열면(11a)에 미소한 전류를 흘릴 필요가 없다.

정전 전극(16)은 탄화텅스텐(WC)과, 10％ 이상의 알루미나를 포함하는 것이 바람직하다. 정전 전극(16)이 탄화텅스텐을 주성분으로 함으로써, 알루미나로 이루어지는 세라믹스 기체(11) 중에의 정전 전극(16)의 성분의 확산이 매우 적으므로, 정전 전극(16) 근방에서의 알루미나의 체적 저항율을 높게 할 수 있다. 이에 따라, 고전압을 인가한 경우의 절연 특성이 향상한다. 유전체층의 고저항의 결과, 흡착되는 기판의 탈착 특성이 향상한다. 또한, 이 정전 전극(16)이 10％ 이상의 알루미나를 포함함으로써, 정전 전극(16) 부분의 밀착성이 향상한다. 정전 전극(16)에 포함되는 알루미나의 함유량의 상한은 인가되는 고전압 내지는 고주파 전류를 저해하지 않는 정도로 정전 전극(16)의 전기 저항을 작게 하는 관점에서, 50 wt％ 정도 이하 로 하는 것이 바람직하다.

정전 전극(16)은, 예컨대, 소정의 양의 알루미나와 탄화텅스텐의 혼합 분말을 포함하는 페이스트를 메쉬 형상, 빗형, 소용돌이 권형 등의 평면 형상으로 인쇄한 것을 이용하는 것으로 할 수 있다. 또한, 도 1에 도시한 본 실시형태의 가열 장치(10)는 정전 전극(16)으로서 쌍극형(bipolar type)의 예를 도시하고 있지만, 정전 전극(16)은 쌍극형에 한정되지 않고, 단극형(unipolar type), 또는 다극형이더라도 좋다.

세라믹스 기체(11)는 바람직하게는 위쪽 부분과 아래쪽 부분으로 이분되어, 이 위쪽 부분과 아래쪽 부분 사이에 열전도성 부재(14)가 개재되어 있는 삼층 구조로 형성되고, 이 세라믹스 기체(11)가 정전 전극(16)을 구비하는 정전척이 부착된 가열 장치에 있어서는, 정전 전극(16)이 세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분에 포함되고, 저항 발열체(12)가 세라믹스 기체(11)의 아래쪽 부분에 포함되는 구조로 하는 것이 바람직하다. 정전 전극(16)은 세라믹스 기체(11)의 가열면(11a)의 근방에 매설되는 점에서, 세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분에 포함된다. 또한, 저항 발열체(12)로부터 세라믹스 기체(11)의 가열면(11a)을 향하는 열을 열전도성 부재(14)의 평면 방향으로 확산 이동시키기 위해 열전도성 부재(14)가 설치되는 점에서, 저항 발열체(12)는 세라믹스 기체(11)의 아래쪽 부분에 포함된다.

본 실시형태의 가열 장치(10)의 제조 방법의 일례로서는, 상하 방향으로 이분할된 세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분과 아래쪽 부분을 각각 제작하여, 이 위쪽 부분과, 아래쪽의 부분을 열전도성 부재(14)에 의해 열압착에 의해 접합하는 공정 을 포함하는 제조 방법이 있다.

이 열압착은, 예컨대, 열전도성 부재(14)로서 알루미늄을 이용하여, 미리 제작된 세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분과 아래쪽 부분을 이 알루미늄의 열전도성 부재(14)를 사이에 두고 중합시켜, 두께 방향으로 가압하면서 소정의 온도로 가열하는 것에 의해 행할 수 있다. 이 가열 온도를 열전도성 부재(14)의 융점보다도 1℃∼40℃ 낮은 온도로 하고, 가압 압력을 25 ㎏／㎠∼80 ㎏／㎠으로 하면 좋다. 이에 따라, 열전도성 부재(14)는 세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분 및 아래쪽 부분을, 치수를 변화시키지 않고 강고하게 접합할 수 있다. 또한, 열전도성 부재(14)의 치수가 변화하지 않으므로, 세라믹스 기체(11)는 어떠한 관통 구멍도 구비할 수 있다. 이 방법에 있어서, 알루미늄제의 열전도성 부재의 두께는 0.5 ㎜∼5 ㎜로 할 수 있다. 이 두께는 평면 방향으로 열을 확산시기에 충분한 두께이다.

이 열압착에 이용되는 세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분과 아래쪽 부분을 개별로 제작한다. 이 세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분과 아래쪽 부분을, 각각 종류가 상이한 세라믹스로 제작할 수도 있다. 예컨대, 위쪽 부분을 산화이트륨을 주성분으로 하는 세라믹스로 제작하고, 아래쪽의 부분을 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹스로 제작할 수도 있다.

세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분이 되는 세라믹스 소결체와, 세라믹스 기체(11)의 아래쪽 부분이 되는 세라믹스 소결체와, 열전도성 부재(14)를 각각 준비했다.

이 세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분이 되는 세라믹스 소결체는, 원료 분말로 부터, 금형을 이용해서 소정 압력으로 프레스 성형을 행하여 성형체를 형성한 후, 핫프레스 소성법을 이용해서 소성하여, 정전 전극을 매설한 소결체를 얻었다. 유사하게, 이 세라믹스 기체(11)의 아래쪽 부분이 되는 세라믹스 소결체는 원료 분말로부터, 금형을 이용해서 소정 압력으로 프레스 성형을 행하여 성형체를 형성한 후, 핫프레스 소성법을 이용하여 소성하여, 저항 발열체를 매설한 소결체를 얻었다.

이 위쪽 부분이 되는 세라믹스 소결체와, 아래쪽 부분이 되는 세라믹스 소결체 사이에 열전도성 부재(14)를 끼우고, 열전도 부재(14)가 Al인 경우, 두께 방향으로 40 ㎏f/㎠의 압력을 가압하면서, 540℃의 온도로 5시간 이들 부재를 가열하고, 열전도 부재(14)가 In인 경우, 두께 방향으로 10 ㎏f/㎠의 압력을 가압하면서, 130℃의 온도로 5시간 이들 부재를 가열함으로써 열압착하였다. 이렇게 해서, 세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분과, 열전도 부재(14)로 이루어지는 열압착층과, 세라믹스 기체(11)의 아래쪽 부분이 적층된 3층 구조를 갖는 도 1에 도시한 세라믹스 기체(11)를 얻었다.

이 열압착 후, 세라믹스 기체의 가열면을 다이아몬드 지석으로써 평면 연삭 가공을 행했다. 또한, 소성체의 측면을 연삭하는 동시에, 필요한 천공 가공과, 단자의 부착을 행하여, 세라믹스 기체(11)를 완성했다.

얻어진 세라믹스 기체를 벌크형의 알루미늄으로 이루어지는 온도 조절 부재에, 볼트에 의해 체결 고정하여, 본 실시형태의 가열 장치를 얻었다.

비교예로서, 열전도성 부재를 갖지 않는 이외는, 본 실시형태와 동일한 구성이 되는 가열 장치를 제작했다. 비교예의 가열 장치의 단면도를 도 2에 도시한다. 또한, 도 2에 도시하는 가열 장치(100)에 있어서는, 도 1과 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있으므로, 중복하는 설명은 생략한다.

이와 같이 하여 얻어진 각 가열 장치의 가열면이 100℃가 되도록 가열하여, 상기 가열면의 면내의 온도 분포를 조사한 실시예(도 3) 및 비교예(도 4)에 면내 온도 분포의 측정 결과의 예를 도시한다. 도 3 및 도 4는 적외선 분광 카메라 측정장치를 이용하여 측정했다. 도 3과 도 4의 대비로부터, 실시예는, 비교예보다도 온도 분포의 변동이 작은 것을 알 수 있다.

실시예 1 내지 실시예 13, 비교예 1 및 비교예 2의 가열 장치에 대해, 동일하게 하여 면내 온도 변동량(균열성)을 조사한 결과를 표 1 및 표 2에 도시한다.

		실시예
		1	2	3	4	5	6	7	8
열전도성 부재	재료	Al	In	Al	Al	Al	Al	Al	Al
	두께[㎜]	1	1	1	1	0.5	2	2.5	4
	열전도율 [Ｗ／ｍ―Ｋ]	237	82	237	237	237	237	237	237
위쪽 세라믹 기체	재료	Al₂O₃	Al₂O₃	AlN	Y₂O₃	Al₂O₃	Al₂O₃	Al₂O₃	Al₂O₃
	두께[㎜]	2	2	2	2	2	2	2	2
	열전도율 [Ｗ／ｍ―Ｋ]	30	30	100	15	30	30	30	30
	열팽창율 [ｐｐｍ／Ｋ]	7.8	7.8	5.0	8.0	7.8	7.8	7.8	7.8
	체적팽창율 [Ω·㎝]	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁰	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁶
	매설전극	ESC	ESC	ESC	ESC	ESC	ESC	ESC	ESC
아래쪽 세라믹 기체	재료	Al₂O₃	Al₂O₃	AlN	Y₂O₃	Al₂O₃	Al₂O₃	Al₂O₃	Al₂O₃
	두께[㎜]	4	4	4	4	4	4	4	4
	열전도율 [Ｗ／ｍ―Ｋ]	30	30	100	15	30	30	30	30
	열팽창율 [ｐｐｍ／Ｋ]	7.8	7.8	5.0	8.0	7.8	7.8	7.8	7.8
	체적팽창율 [Ω·㎝]	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁶⁵	1.0×10¹⁰	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁶
	매설전극	히터	히터	히터	히터	히터	히터	히터	히터
균열성	[℃]	1.8	3.9	0.9	2.8	3.7	1.4	1.2	1.0
승온 속도＠７０００Ｗ	[℃／ｓ]	2.0	2.0	1.6	2.1	2.2	1.8	1.7	1.2
비고

		실시예					비교예
		9	10	11	12	13	1	2
열전도성 부재	재료	Al	Al	Al	Al	Al	없슴	없슴
	두께[㎜]	5	1	1	1	1	―	―
	열전도율 [Ｗ／ｍ―Ｋ]	237	237	237	237	237	―	―
위쪽 세라믹 기체	재료	Al₂O₃	Y₂O₃	Al₂O₃	AlN	AlN	Al₂O₃	Y₂O₃
	두께[㎜]	2	2	2	2	2	2	2
	열전도율 [Ｗ／ｍ―Ｋ]	30	30	30	100	100	30	15
	열팽창율 [ｐｐｍ／Ｋ]	7.8	7.8	7.8	5.0	5.0	7.4	8.0
	체적팽창율 [Ω·㎝]	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁴	1.0×10⁷	1.0×10¹⁰	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁶
	매설전극	ESC	ESC	ESC	ESC	ESC	ESC, 히터	ESC, 히터
아래쪽 세라믹 기체	재료	Al₂O₃	Al₂O₃	Al₂O₃	AlN	AlN	―	―
	두께[㎜]	4	4	4	4	4	―	―
	열전도율 [Ｗ／ｍ―Ｋ]	30	30	30	100	100	―	―
	열팽창율 [ｐｐｍ／Ｋ]	7.8	8.0	7.8	5.0	5.0	―	―
	체적팽창율 [Ω·㎝]	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁶	1.0×10¹⁰	6.0×10⁶	―	―
	매설전극	히터	히터	히터	히터	히터
균열성	[℃]	0.9	2.0	1.9	1.1	2.0	6.6	12.6
승온 속도＠７０００Ｗ	[℃／ｓ]	0.9	2.0	2.0	1.7	2.5	2.0	2.2
비고

표 1 및 표 1로부터, 열전도 부재를 구비하는 실시예 1 내지 실시예 13에서는 비교예 1 및 비교예 2와 대비하여 면내 온도의 분포가 작았다. 본 실시형태의 가열 장치는 피가열체의 면내 균열성을 현저하게 향상시킬 수 있다.

또한, 실시예 10은 세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분과 아래쪽 부분의 열팽창계수의 차가 0.2 ppm/K이며, 접합후에 0.1 ㎜의 휘어짐이 발생했다. 실시예 11은 세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분의 체적 저항율이 1× 10¹⁴Ω·㎝이므로 탈착 응답성이 60초 걸려 작업 처리량이 저하했다. 실시예 12는 세라믹스 기체(11)의 위쪽 부분의 체적 저항율이 1× 10⁷Ω·㎝이므로, 누설 전류가 1 ㎃ 발생했다. 실시예 13은 세라믹스 기체(11)의 아래쪽 부분의 체적 저항율이 6× 10⁶Ω·㎝이므로, 히터부에 누설 전류가 발생했다.

또한, 이 본 실시형태의 가열 장치에 있어서, 열전도성 부재에 접속하는 단자로부터 고주파 전력을 공급한 바, 가열면 근방에 플라즈마 분위기를 발생시킬 수 있었다.

이상, 본 발명의 가열 장치를, 도면 및 실시형태를 이용하여 설명했지만, 본 발명의 가열 장치는 이들의 도면 및 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 수많은 변형이 가능하다.

도 1은 본 발명의 가열 장치에 따른 일 실시예를 도시하는 단면도.

도 2는 종래의 가열 장치의 일례의 단면도.

도 3은 본 발명의 가열 장치의 가열면의 온도 분포를 도시한 도면.

도 4는 종래의 가열 장치의 가열면의 온도 분포를 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 가열 장치

11: 세라믹스 기체

12: 저항 발열체

13: 유전체층

14: 열전도성 부재

Claims

가열면을 갖는 세라믹스로 이루어지는 기체(基體)와,

이 세라믹스 기체의 내부에 매설된 발열체를 구비하는 가열 장치로서,

이 세라믹스 기체 내부에 있어서의 가열면과 상기 발열체 사이에, 열전도성 부재를 가지며, 상기 열전도성 부재의 열전도율이 세라믹스 기체의 열전도율보다도 높은 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 기체는 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 기체는 산화이트륨을 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 기체는 질화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전도성 부재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 열전도성 부재는 인듐 또는 인듐 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 열전도성 부재의 두께는 0.5 ㎜∼5.0 ㎜ 정도인 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 열전도성 부재는 열압착에 의해 형성된 부재인 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 열전도성 부재는 고주파 전극을 겸하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 세라믹스 기체는 위쪽 부분과 아래쪽 부분으로 이분되고, 그 위쪽 부분과 아래쪽 부분 사이에 상기 열전도성 부재가 개재되어 있는 삼층 구조가 되는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제1항 내지 제6항 및 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹스 기체는정전 전극을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제1항 내지 제6항 및 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 정전 전극이 상기 세 라믹스 기체의 위쪽 부분에 포함되고, 상기 발열체가 상기 세라믹스 기체의 아래쪽 부분에 포함되는 것을 특징으로 하는 가열 장치.