KR20110101365A - 알루미늄을 이용한 히터 척 및 그 피막처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히터 척에 관한 것으로, 더 상세하게는, 예를 들면, 반도체 제조시에 사용되는 웨이퍼를 고정하기 위한 웨이퍼 척에 이용되는 알루미늄 히터 척 및 그 피막처리방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면, 종래에 사용되고 있는 반도체 웨이퍼 히터 척 및 그러한 웨이퍼 히터 척에 대한 피막처리방법의 문제점을 해결하고, 기존의 반도체 웨이퍼 척을 대체할 수 있도록 새롭게 구성된 알루미늄을 이용한 히터 척 및 그 피막처리방법이 제공된다.

Description

알루미늄을 이용한 히터 척 및 그 피막처리방법{A heater chuck using Aluminum and a film processing method thereof}
본 발명은, 예를 들면, 반도체 제조시에 사용되는 웨이퍼를 고정하기 위한 웨이퍼 척에 이용되는 히터 척 및 그 피막처리방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 반도체 제조시에 사용되는 웨이퍼를 고정하기 위한 종래의 웨이퍼 척의 문제점을 개선하기 위해 새로이 개발된 Al 히터를 이용하여 구성되는 히터 척의 구조 및 그 피막처리방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 장치의 제조공정은, 웨이퍼 상에 막을 형성하기 위한 증착, 화학적 기계적 연마, 포토리소그래피, 식각, 이온주입, 세정, 건조, 검사 등의 단계를 포함하여 이루어지며, 여기서, 반도체 웨이퍼에 성막이나 에칭 등의 표면 처리 중에 반도체 웨이퍼를 유지하는 장치로서 여러 가지 웨이퍼 척(wafer chuck)이 이용되고 있다.
이러한 웨이퍼 척의 일종으로는, 기판 적재면에 적재된 반도체 웨이퍼를 유지하는 동시에 반도체 웨이퍼를 가열할 수 있도록 히터를 구비한 히터 척이 있다.
여기서, 반도체 웨이퍼의 가열에 사용되는 히터로서는, 먼저, 알루미나, 질화알루미늄, 지르코니아 등의 소결 세라믹스로 이루어지는 내열성 기재에 몰리브덴, 텅스텐 등의 고융점 금속의 선이나 박을 발열체로서 감거나 접착한 것이나, 또는, 열변형이나 불순물의 비산을 방지하기 위해 기계적 강도가 크고 고효율의 가열이 가능한 열분해 질화붕소(PBN:Pyrolitic Boron Nitride)의 내열성 기재와 상기 내열성 기재상에 열분해 그라파이트의 도전층을 가지는 세라믹 히터 등이 사용되고 있다.
그러나 전자의 경우는, 발열체가 금속제이기 때문에 변형이나 휘산이 일어나기 쉽고, 수명이 짧으며, 조립이 번잡한 등의 문제점이 있었고, 또한, 내열성 기재에 소결 세라믹을 사용하고 있기 때문에 이것에 함유되는 바인더가 불순물이 되는 등의 문제점도 있었다.
또, 후자의 히터는 가열소자로서의 발열체인 열분해 그라파이트가 산화소모에 약하고, 수소에 의한 메탄가스화 등 프로세스 중에 사용되는 고온 가스와 반응성이 있으므로, 급전을 위해 노출된 급전단자부의 열분해 그라파이트가 프로세스 내에 잔존하는 산소나 프로세스 중의 고온 가스에 의해 소모되어 수명이 짧다는 문제가 있었다.
더욱이, 종래의 웨이퍼 척들은 히터부와 지지부가 일체로 되어 있으므로 히터 내부의 열선의 단선이나 지지부의 결함과 같은 문제가 발생하더라도 히터나 지지부 부분만을 선택적으로 교체할 수 없고, 결과적으로 웨이퍼 척 전체를 교체해야 하는 등, 비용이나 효율적인 면에서도 문제점이 있었다.
따라서 상기한 바와 같은 종래의 웨이퍼 척들의 문제점을 해결하여, 사이즈가 기존의 양산형 웨이퍼 척들과 동일하게 제작되어 간섭부위의 최소화와 함께 기존 제품을 용이하게 대체할 수 있고, 종래의 히터와는 다른 새로운 조립방법을 이용하여 보다 용이하게 제조될 수 있는 동시에, 열을 발생하는 히터부와 히터부를 지지하는 지지부를 분리 가능하도록 구성하여 설치나 수리 및 교체작업이 매우 용이한 새로운 히터 척을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 히터 척은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
또한, 종래의 웨이퍼 척의 코팅방법에서는, 일반적으로 알루미늄의 특성상 코팅은 필연적으로 낮은 온도에서 진행되어야 하는 전제조건이 있었고, 표면 굴곡 및 꺾임에 대하여 코팅 원재료에 손상이 없이 균일성을 유지하면서 제품의 모양이나 치수에 전혀 영향을 주지 않는 코팅이 거의 불가능하였다.
아울러, 일반적으로는 Al 모재에 열전도 특성이 좋은 AlN 피막을 입힐 경우 그 특성이 Al2O3로 변화해 버리므로, Al 모재 위에 열전도 특성이 매우 좋은 AlN을 코팅할 수 있는 코팅방법은 아직까지도 제공되지 못하고 있다.
따라서 표면 굴곡 및 꺾임에 대하여도 코팅 원재료에 손상이 없이 코팅상 균일성을 유지하면서 제품의 모양이나 치수에 전혀 영향을 주지 않고, 또한, Al 모재 위에 열전도 특성이 매우 좋은 AlN을 코팅할 수 있는 코팅방법을 제공하는 것이 매우 바람직하나, 아직까지 이러한 요구를 모두 만족시킬 수 있는 피막처리방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 반도체 웨이퍼 척의 문제점들을 해결하기 위해 개발된 것으로, 본 발명은, 반도체, Sola, LCD, LED 장치 또는 진공장비에서 공정을 진행하는 대상, 예를 들면, 반도체의 경우, 웨이퍼가 안착되는 히터 척에 대한 새로운 구조 및 그 구조에 대한 새로운 피막처리 방법을 제공하고자 하는 것이다.
즉, 종래에는 일반적으로 일체형 구조의 웨이퍼 척이 이용되었고, 새로운 소재의 히터 척 및 그것에 특화된 피막처리나 하부 샤프트에 대한 측정기술에 대한 기술이 전무한 것이 현실이었으며, 이에, 본 발명은 웨이퍼가 안착되는 척의 히터에 대한 부분을 다층 구조의 알루미늄 히터로서 구현하여, 웨이퍼 척에 대한 새로운 구조, 설계, 구조물의 피막기술, 측정기술을 제공하고자 하는 것이다.
따라서 본 발명의 목적은, 상기한 바와 같은 종래의 반도체 웨이퍼 척의 문제점들을 해결하여, 사이즈가 기존의 양산형 웨이퍼 척들과 동일하게 제작되어 간섭부위의 최소화와 함께 기존 제품을 용이하게 대체할 수 있고, 새로운 소재 및 조립방법을 이용하여 보다 용이하게 제조될 수 있는 동시에, 열을 발생하는 히터부와 히터부를 지지하는 지지부를 분리가능하도록 구성하여 설치나 수리 및 교체작업이 매우 용이한 새로운 Al 히터 척을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 종래의 히터 척의 코팅방법에서는 Al 모재에 열전도 특성이 좋은 AlN 피막을 입힐 경우 그 특성이 Al2O3로 변화해 버려 원천적으로 AlN 코팅이 불가능했던 문제점을 해결하여, 이온주입을 통해 Al 모재 위에 열전도 특성이 매우 좋은 AlN을 코팅할 수 있는 새로운 히터 척의 피막처리방법을 제공하는 것을 그 목적으로 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 반도체, Sola, LCD, LED 장치 또는 진공장비에서 공정을 진행하는 처리대상이 되는 물품을 고정하기 위한 척에 이용되는 알루미늄(Al) 히터 척에 있어서, 상기 처리대상이 되는 물품이 위치되는 상판(top plate)과, 상기 상판과 결합하는 하판(bottom plate)과, 상기 상판과 상기 하판 사이에 삽입되는 가열댐퍼(heat damper)와, 상기 가열댐퍼 아래에 위치하여 상기 웨이퍼를 가열하는 후막히터(thick film heater)와, 상기 후막히터의 아래에 위치하여 상기 후막히터의 열이 외부로 전달되는 것을 차단하는 단열판 및 상기 하판에 결합하여 전체를 지지하는 샤프트(shaft)를 포함하여 구성되며, 상기 상판 및 상기 하판은 Al 6061-T651 열처리합금으로 이루어지고, 상기 가열댐퍼 및 상기 후막히터는 Al, 필름스크린(film screen), STS310S로 형성되며, 상기 단열판은 Al2O3로 형성되어 있고, 상기 각 부재를 차례로 적층하고 압착하여 최종적으로 E-beam 용접이나 브레이징(brazing) 용접으로 접합하여 조립이 이루어지는 것을 특징으로 하는 Al 히터 척이 제공된다.
여기서, 상기 샤프트는, Al이나 Al 특수강으로 형성되고, 본체와 일체로 또는 착탈 가능하도록 분리형으로 이루어지며, 상기 샤프트의 상단부에는 상기 하판에 결합하기 위한 볼트취부가 형성되고, 그 중간 부분에는 하드 애노다이징(hard Anodizing)이 실시되거나, 또는, 전체에 걸쳐 AlN 코팅을 행하는 피막처리가 실시되며, 상기 Al 히터 척은, 상기 볼트취부에 결합되는 적어도 하나 이상의 볼트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 볼트는, 상기 하판 또는 상기 샤프트 쪽을 향하여 결합되거나, 상기 샤프트의 상단부 이외의 부분에도 일정 간격마다 체결하는 다단식, 또는, 체결 후 용접하는 방식으로 결합되며, 또는, 상기 Al 히터 척은, 상기 샤프트의 상단부분과 상기 하판의 결합부위에 각각 나사부를 형성하여 상기 샤프트와 상기 하판이 서로 결합하도록 구성되거나, 상기 샤프트와 상기 하판에 별도의 결합구를 각각 설치하여 서로 체결되도록 구성되며, 또는, 상기 결합방식들 중 두 가지 이상을 이용하여 상기 샤프트와 상기 하판이 결합되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 볼트는 서스(SUS), 티타늄(Ti, TiN), 세라믹(Al2O3), 섬유소재(AlN), 석영 퀄츠, 구리 및 구리합금 중 적어도 한가지 이상의 재질로 형성된다.
또한, 상기 Al 히터 척은, 상기 샤프트 내부에서의 열전도를 방지하여 상부의 열이 하부로 전달되지 않도록 하기 위해, Al2O3 세라믹 구조물과 같은 구조물을 상기 샤프트 내부에 삽입하거나, 또는, 상기 샤프트 내에 차가운 물(water)이나 기름과 같이 공정온도에 적합한 유체를 흘려보내 상기 샤프트에 대한 열전도를 방지하고 적정 온도로 유지하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 Al 히터 척은, 공정 중에 공기와 반응하여 일어나는 플라즈마 방전 등에 의한 역류성 리크(leak) 등으로 인해 불량이 발생하는 것을 방지하기 위해, 역류성 리크를 방지할 수 있는 재질로 마개와 같은 마감재로 상기 샤프트의 최상단을 마감처리하여 밀봉하거나, 또는, 상기 샤프트의 하부에 진공펌프를 연결하여 내부의 공기를 빨아내 상기 샤프트의 내부를 진공상태로 유지함으로써, 공기 중의 전자로 인한 플라즈마 방전이 일어나지 않도록 방지하여 역류성 리크 등에 의한 불량이 발생하는 것을 원천적으로 방지하도록 구성되며, 또는, 상기 마감처리와 상기 진공상태로 유지하는 처리를 동시에 실시하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 진공처리는, 상기 샤프트를 형성하는 단계에서 미리 실시하여 진공상태로 만든 후에 결합하거나, 또는, 결합 후에 실시하며, 또한, 상기 진공처리는, 상기 샤프트의 일부에 대하여만 실시하거나, 또는, 상기 샤프트 전체에 대하여 실시하고, 또는, 상압의 기중상태 ATM 상태의 외기 또는 특수한 환경인 경우나 이형 가스를 포함하는 진공장비인 경우, 상기 히터 척 전체를 밀봉하고 상기 히터 척의 상부와 상기 샤프트에 각각 진공펌프를 연결하여 외부 공기의 공정영역 유입을 방지하고 상기 공정영역 및 상기 샤프트를 진공상태로 유지하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 히터 척은, 상기 샤프트 내부를 통하여 연결되는 히터 전원선(Heater Power Line), 매쉬(Mash) 또는 그라운드 라인(Grounding Line)에 계측장치용 신호를 출력하도록 구성되거나, 또는, 계측장치와 연결 가능한 계측장치용 신호라인을 함께 설치하도록 구성되고, 그것에 의해, 외부에서 히터의 현재 상태를 쉽게 확인할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 후막히터는, 하나의 열선이 나선형으로 배치되어 있는 1구역 히터(1-zone heater)이거나, 또는, 2개의 열선이 각각 배치되어 있는 2구역 히터(2-zone heater)로 구성된 것을 특징으로 한다.
또, 상기한 히터 척은, 각각의 부분이 기존의 척과 동일한 모양 및 사이즈(design rule)로 제작되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 알루미늄 히터 척의 피막처리방법에 있어서, 진공챔버(vacuum chamber) 내에 질소가스(Nitrogen gas)를 주입하는 단계와, 플라즈마(plasma)를 이용하여 상기 히터 척의 알루미늄 벌크(Aluminun bulk)에 질소이온(Nitrogem ion)을 주입(implant)함으로써, 알루미늄 기판(Aluminum substrate) 사이에 AlN 배리어(AlN Barrier)를 형성하는 단계를 포함하여 구성되고, 그것에 의해 알루미늄의 표면경도(surface hardness)를 개선함과 동시에, 반응가스에 의한 부식(corrosion)의 방지 및 온도변화에 대한 보다 안정적인 공정결과를 기대할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 알루미늄 히터 척의 피막처리기법이 제공된다.
여기서, 상기 AlN 배리어를 형성하는 단계는, 상기 히터 척의 알루미늄 표면에 -20 ~ -40V의 음전압(negative pulsed voltage)을 인가하여 상기 알루미늄 표면 주위에 시스(sheath)를 형성하고, 그것에 의해, 플라즈마 시스(plasma sheath) 영역의 이온이 형성전기장(E-Field) 가속을 통하여 상기 알루미늄 표면에 주입되도록 함으로써 질소이온을 상기 알루미늄 표면에 주입하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같은 종래의 반도체 웨이퍼 척의 문제점들을 해결하여, 기존의 반도체 웨이퍼 척을 대체할 수 있는 새로운 Al 히터 척 및 그 피막처리방법이 제공된다.
즉, 더 상세하게는, 본 발명에 따르면, 기존의 일체형 방식의 척 설계방식을 탈피하여 1단 이상의 다단 분리 착탈형 Al 히터 척을 제공할 수 있고, 그것에 의해 종래의 히터 척의 구조적인 문제를 해결하여, 불량(Heater Fail) 발생 및 교체시 비용발생을 감소하고 중복투자를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 하부 샤프트에서 발생하는 전기적 유도에 대한 손실(Loss)을 피막처리를 통하여 최적화시키는 설계, 히터 척에 대한 상태측정, 그에 대한 해당 공정장비의 내부 특성변화를 측정할 수 있는 장점을 가진다.
즉, 본 발명에 따르면, 기존의 양산형 웨이퍼 척의 사이즈, 고정부위 및 높이와 동일하게 제작된 Al 히터 척이 제공되므로, 간섭부위의 최소화와 함께 기존 제품을 용이하게 대체할 수 있으며, 또한, 후막 스크린 히터(thick film screen heater), 알루미늄, 스테인레스 및 Al2O3 등의 기존의 웨이퍼 척과는 다른 새로운 소재 및 조립방법을 이용하여 만들어진 Al 히터 척이 제공되므로, 용접작업이 최소화되는 등, 보다 용이하게 히터 척을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 열을 발생하는 히터부와 히터부를 지지하는 지지부가 분리가능하도록 구성되므로, 전원선(power cable) 및 TC 와이어(TC wire)의 설치가 용이하며, 케이블 단선 등과 같은 각종 문제발생시에도 수리 및 교체작업이 매우 용이한 Al 히터 척을 제공할 수 있다.
또, 본 발명의 알루미늄 히터 척의 피막처리방법에 따르면, 일반적으로, 150℃ 미만의 매우 낮은 공정온도에서 코팅 원재료에 손상(damage)이 없는 코팅을 적용할 수 있고, 표면 굴곡 및 꺾임에 대하여도 코팅상 균일성(uniformity)을 유지하여 제품의 모양이나 치수에 전혀 영향을 주지 않으면서 선택적으로 코팅할 수 있으며, 원재료의 표면과 화학적 반응을 통한 결합구조로 코팅이 진행되므로 열적 및 화학적 특성이 우수하며 원재료의 열화(degradiation)를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 알루미늄 히터 척의 피막처리방법에 따르면, 일반적으로는 Al 모재에 열전도 특성이 좋은 AlN 피막을 입힐 경우 그 특성이 Al2O3로 변화해 버리나, 이온주입을 통해 Al 모재 위에 열전도 특성이 매우 좋은 AlN을 코팅할 수 있는 알루미늄 히터 척의 코팅방법을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 Al 히터 척의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 Al 히터 척의 히터부의 내부구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 Al 히터 척의 샤프트의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4a 및 4b는 도 1에 나타낸 Al 히터 척의 샤프트와 하판의 결합구조의 다른 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 샤프트에 대한 진공처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 Al 히터 척 전체에 대한 진공처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 1구역 히터와 2구역 히터의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8는 본 발명에 따른 알루미늄 히터 척의 피막처리방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 Al 히터 척 및 그 피막처리방법의 상세한 내용에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 기재된 실시예의 내용만으로 한정되는 것은 아니다.
일반적으로, 통상적인 공정장비에서의 척은, ESC(Electro Static Chuck), Al2O3, AlN, 특수강 히터 척 등을 포함하며, 해당장치의 공정대상(반도체의 경우 웨이퍼) 하부에 위치되고, 그 하부에 DC, RF, 0 전위 레벨인 그라운드(Grounding) 등을 인가하여 전기적 및 물(Water) 또는 특정한 액체를 공급하여 온도제어를 진행하면서 원하는 공정결과를 유도하는 장치이다.
여기서, 크게 구성을 나누어 보면, 공정대상이 안착되는 척 영역, 온도변화를 가할 수 있는 히터 또는 액체 공급이 가능한 패턴 등의 내부온도 발열 또는 냉각영역, 공정장치에 설치하기 위해 상부 척과 연결되는 샤프트 영역의 3부분으로 나누어지고, 그 외에 공정 대상이 위치되는 영역에 대하여 척 영역에 원 모재 그대로 놓이는 방식도 있지만, 실제로는 그와 같은 척 영역의 상부에 산화 또는 피막처리를 한 후 원 모재에 대한 피막처리 등의 가공을 위한 영역이 추가되는 것이 대부분이다.
따라서 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에 따르면, 후술하는 바와 같이, 척 본체와 하부 샤프트가 장착되는 부분에 대하여 새로운 개념을 도입하여 분리형 취부가 가능한 구조가 제공되며, 또한, 샤프트에 대한 피막처리, 샤프트에서의 히터, 공정장치의 상태 측정을 가능하게 하는 기술이 제공된다.
계속해서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 Al 히터 척의 상세한 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 Al 히터 척의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 Al 히터 척(이하, 간단히 '히터 척'이라 한다)(10)은, 웨이퍼가 위치되는 상판(top plate)(11) 및 상판(11)과 결합하는 하판(bottom plate)(12)과, 상판(11)과 하판(12) 사이에 삽입되어 웨이퍼를 가열하는 가열댐퍼(heat damper)(13) 및 후막히터(thick film heater)(14)와, 후막히터(14)의 열이 외부로 전달되는 것을 차단하는 단열판(15)(thermal isolation plate) 및 하판(12)에 결합하여 히터 척(10)을 지지하는 샤프트(16)를 포함하여 구성되어 있다.
여기서, 예를 들면, 상판(11) 및 하판(12)은 Al6061-T651 열처리합금으로 이루어지며, 가열댐퍼(13) 및 후막히터(14)는 Al, 필름스크린(film screen), STS310S 등으로 형성되고, 단열판(15)은 Al2O3로 형성되어 있으며, 도 2에 나타낸 바와 같이, 이들 각 부재를 차례로 적층하고 압착하여 최종적으로 E-beam 용접이나 브레이징(brazing) 용접으로 접합하는 것으로 상기한 히터 척(10)의 조립이 이루어진다.
또한, 샤프트(16)는, 히터 척(10) 본체와 일체로 구성될 수도 있으나, 본 실시예에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이 착탈 가능하도록 분리형으로 이루어지는 것으로, 하판(12)에 결합하기 위한, 예를 들면, SiN 또는 Ti로 형성된 볼트를 결합하기 위한 볼트취부(31)를 가지며, 전체적으로는 알루미늄으로 형성되나, 그 중간부(32)에는 하드 애노다이징(Hard Anodizing)이 실시된다.
여기서, 상기한 히터 척(10)은 하판(12) 쪽을 향해 볼트가 결합되는 방식으로 구성되며, 또한, 이러한 체결방식 이외에도, 샤프트(16) 쪽을 향하여 볼트가 결합되도록 구성되거나, 또는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 샤프트(16)의 상단부분과 하판(12)의 결합부위에 각각 나사부를 형성하여 서로 결합하도록 구성할 수도 있으며, 그 외에, 도시하지는 않았으나, 기존에 이용되는 별도의 결합구를 각각 설치하여 서로 체결되도록 구성할 수도 있는 등, 종래부터 이용되고 있는 대부분의 결합방식들 중 하나 또는 두 가지 이상을 결합하여 필요에 따라 폭넓게 적용할 수 있는 것이다.
즉, 상기한 바와 같은 각 단계에서, 볼트의 재질은 서스(SUS), 티타늄(Ti, TiN), 세라믹(Al2O3), 섬유소재(AlN), 석영 퀄츠, 구리(동 관련 합금 포함) 등을 이용할 수 있고, 그 체결방법은 샤프트(16)의 상단부 이외에도 중간 중간에 볼트로 연결하는 다단식이나, 또는, 체결 후 용접하는 방식 등 여러 가지 방식으로 구성할 수 있다.
아울러, 샤프트(16)에는, 상기한 바와 같이 중간부(32)에 하드 애노다이징(Hard Anodizing)이 실시되거나, 또는, Al 모재에 열전도 특성이 매우 좋은 AlN 특성을 낼 수 있도록 하기 위해 전체에 걸쳐 AlN 코팅을 행하는 피막처리가 실시된다.
여기서, 상기한 바와 같이 Al 모재에 열전도 특성이 매우 좋은 AlN 특성을 낼 수 있도록 하는 피막처리의 상세한 내용에 대하여는 후술한다.
또한, 이 경우, AlN 자체의 열전도율이 매우 높은 관계로 히터 상부의 열이 하부로 전달되는 열 전도가 비교적 큰 편이라는 단점이 있으며, 또, 샤프트(16)의 일정 부분까지 AlN으로 구성되는 경우도 있으므로, 본 발명에서는, 상기한 바와 같이 단열판(15)을 삽입하는 동시에, 샤프트(16) 내부에서의 열전도를 방지하기 위한 구조물을 삽입하여 이와 같은 문제점을 해결하고 있다.
이러한 구조물은, 예를 들면, Al2O3 세라믹 구조물로 이루어지며, 그 외에도, 샤프트(16) 내에 차가운 물(water)이나 기름과 같이, 해당 공정온도에 적합한 유체를 흘려보내 Al 또는 Al 특수강 샤프트에 대한 열전도를 방지하고 적정 온도로 유지하는 방법 등을 이용할 수 있다.
여기서, 상기한 바와 같이 열전도를 차단하여도, 공정 중에 공기와 반응하여 일어나는 플라즈마 방전 등에 의한 역류성 리크(leak) 등으로 인해 불량이 발생하는 경우는 막을 수 없으므로, 따라서 더욱 만족스러운 결과를 얻기 위해서는, 상기한 바와 같이 열전도를 차단하는 것에 더하여 적어도 샤프트(16)의 최상단을 마감재로 처리하여 밀봉하거나 내부를 진공상태로 유지하는 것이 바람직하다.
즉, 도 5에 나타낸 바와 같이, 샤프트(16)의 상단에, 예를 들면, 역류성 리크를 방지할 수 있는 재질로 마개와 같은 마감재(51)를 만들어 장착하거나, 또는, 샤프트(16)의 하부에 진공펌프(52)를 연결하여 내부의 공기를 빨아내 진공상태로 만들게 되면, 공기 중의 전자로 인한 플라즈마 방전이 일어나지 않으므로 상기한 바와 같은 역류성 리크 등에 의한 불량이 발생하는 것을 원천적으로 방지할 수 있게 된다.
이러한 진공처리는, 샤프트(16)를 형성하는 단계에서 미리 실시하여 진공상태로 만든 후에 히터에 결합하도록 할 수도 있고, 또는, 결합 후에 상기한 바와 같은 진공처리를 실시해도 좋다.
또한, 이러한 진공처리는, 샤프트(16)의 특정영역과 같은 일부에 대하여만 실시할 수도 있고, 샤프트(16) 전체에 대하여 실시할 수도 있으며, 또는, 예를 들면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 히터 척(10) 전체를 둘러싸서 진공상태로 만들도록 구성될 수도 있다.
즉, 이러한 경우는, 예를 들면, 상압의 기중상태 ATM 상태의 외기 또는 특수한 환경인 경우나 이형 가스를 포함하는 진공장비인 경우에, 도 6에 나타낸 바와 같이 히터 척 전체를 밀봉하고 히터 척의 상부와 샤프트에 각각 진공펌프를 연결함으로써, 외부 공기의 공정영역 유입을 방지하는 동시에 공정영역 및 샤프트를 모두 진공상태로 유지하도록 구성된다.
아울러, 상기한 바와 같이 구성된 샤프트(16)의 내부에 히터의 상태를 확인할 수 있도록 계측장치와 연결 가능한 신호라인을 설치하면, 히터의 현재 상태를 항상 용이하게 확인할 수 있다.
즉, 도시하지는 않았으나, 기본적으로 샤프트(16) 내부를 통하여 연결되는 히터 전원선(Heater Power Line), 매쉬(Mash) 또는 그라운드 라인(Grounding Line)에 CT, Core 등과 같은 계측장치용 신호를 출력하도록 하거나 계측장치용 신호라인을 함께 설치하면, 외부에서 히터의 Power, RF, Plasma, Fail 등과 같은 현재의 특성상태를 쉽게 확인할 수 있도록 할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 히터 척을 이용하면, 플라즈마 방전으로 인한 불량의 발생을 확실히 방지할 수 있는 동시에 종래의 척에서는 아직까지 제공되지 않았던 히터의 현재상태도 용이하게 확인할 수 있도록 할 수 있다.
여기서, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 히터 척(10)의 주요 제원의 일례로서는, 예를 들면, 먼저, 히터파워(heater power)는 6W/cm2 ~ 7W/cm2 이고, 동작온도(working temperature)는 최대 400℃[Max Temp.]이며, 전력(electric power)은 208V 20.45A ~ 23.86A이고, 치수(design rile)는 기존의 양산형 히터와 동일한 사이즈로 제작된다.
아울러, 가열소자 타입(heating element type)은 후막 스크린(thick film screen) 형식이고, 재질은 알루미늄(Aluminum), 스테인레스(stainless steel) 및 Al2O3를 이용하여 만들어지며, 온도조절구역(temperature comtrol zone)은 1구역 또는 2구역(2-zone & monitoring Temp)이고, 전력제어구역(power comtrol zone)도 1구역 또는 2구역(2-zone Control Power)으로 구성된다.
도 7a 및 7b는 상기한 바와 같은 1구역 히터(1-zone heater)와 2구역 히터(2-zone heater)의 구성을 각각 나타내는 도면이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 1구역 히터는 하나의 열선(71)이 나선형으로 배치되어 있는 반면, 2구역 히터는 2개의 열선(72, 73)이 각각 배치되어 있으므로, 필요에 따라 각각의 열선을 서로 다른 온도로 설정할 수도 있게 된다.
따라서 상기한 바와 같이 형성된 본 발명에 따른 히터 척(10)을 이용하면, 그 사이즈 및 고정부위와 높이가 기존 양산형 히터와 동일하게 제작되므로 간섭부위의 최소화와 함께 기존 제품을 용이하게 대체할 수 있으며, 또, 후막 스크린 히터(thick film screen heater), 알루미늄, 스테인레스 및 Al2O3 등의 기존의 히터 척과는 다른 새로운 소재 및 조립방법을 이용하여 만들어지므로, 용접작업이 최소화되는 등, 보다 용이하게 제조될 수 있다.
또한, 열을 발생하는 히터부와 히터부를 지지하는 지지부가 분리가능하도록 구성되므로, 전원선(power cable) 및 TC 와이어(TC wire)의 설치가 용이하며, 케이블 단선 등과 같은 각종 문제발생시에도 수리 및 교체작업이 매우 용이해진다.
다음으로, 상기한 바와 같은 히터 척(10)의 피막처리방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 적용되는 피막처리방법, 즉, 코팅방법은, 소위 질소 도핑(N- doping) 방법을 히터 척에 적용한 것으로서, 알루미늄 히터 척의 알루미늄 벌크(Aluminun bulk)에 기존의 코팅 및 산화막이 아닌, 플라즈마(plasma)를 이용하여 질소 이온(Nitrogem ion)을 주입(implant) 함으로써, 알루미늄 기판(Aluminum substrate) 사이에 AlN 배리어(AlN Barrier)를 형성하여 알루미늄의 표면경도(surface hardness)를 개선함과 동시에, 반응가스에 의한 부식(corrosion)의 방지 및 온도변화에 대한 보다 안정적인 공정결과를 기대할 수 있도록 하고, 코팅에 대한 부품의 교환주기를 획기적으로 개선할 수 있어 향후 유지보수의 측면에서도 최적의 효과를 기대할 수 있도록 하는 것이다.
더 상세하게는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 먼저, 진공 챔버(vacuum chamber) 내에 질소 가스(Nitrogen gas)를 주입하고, 그 후, 플라즈마(plasma)를 이용하여 질소 이온을 히터 Al(heater Al) 표면에 주입한다.
즉, 도 8에 나타낸 바와 같이, 히터 Al 표면에 -20 ~ -40V의 음전압(negative pulsed voltage)을 인가하면, Al 표면 주위에 시스(sheath)가 형성되고, 이때, 플라즈마 시스(plasma sheath) 영역 이온이 형성전기장(E-Field) 가속을 통하여 Al 표면에 주입(implant)되도록 하는 방식으로 질소 이온을 Al 표면에 주입한다.
이와 같이, 질소 이온을 히터 Al(heater Al) 표면에 주입함으로써, 기존의 코팅방식에 비하여 자연열화(erosion)를 방지하고, 처리가스(process gas)에 의한 열화도 방지하며, 열적 열화에 대한 원소재 변형율을 동일하게 유지할 수 있고, 내마모성, 내화학성, 내플라즈마 특성이 모두 우수해지고, Al 히터의 AlN 히터 특성화가 가능해진다.
따라서 상기한 바와 같은 본 발명의 알루미늄 히터 척의 피막처리방법에 따르면, 일반적으로, 알루미늄의 특성상 코팅은 필연적으로 낮은 온도에서 진행되어야 하는 전제조건에 부합하여, 150℃ 미만의 매우 낮은 공정(process) 온도[ < 150℃]에서 코팅 원재료에 손상(damage)이 없는 코팅을 적용할 수 있고, 표면 굴곡 및 꺾임에 대하여도 코팅상 균일성(uniformity)을 유지하여 제품의 모양이나 치수에 전혀 영향을 주지 않으면서 선택적으로 코팅할 수 있으며, 원재료의 표면과 화학적 반을을 통한 결합구조로 코팅이 진행되므로 열적 및 화학적 특성이 우수하며 원재료의 열화(degradiation)를 방지할 수 있다.
또한, 일반적으로는 Al 모재에 열전도 특성이 좋은 AlN 피막을 입힐 경우 그 특성이 Al2O3로 변화해 버리나, 상기한 바와 같은 본 발명의 알루미늄 히터 척의 피막형성방법에 따르면, 이온주입을 통해 Al 모재 위에 열전도 특성이 매우 좋은 AlN을 코팅할 수 있는 장점을 가지게 되며, 이는 현재로서는 Al 모재에 AlN 특성을 낼 수 있는 거의 유일한 방법이라고 할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 일체형 방식의 척 설계방식을 탈피하여 1단부터 다단 분리 착탈형 Al 히터 척에 대한 구조를 제공할 수 있고, 이는 종래의 히터 척의 구조에 대하여 새로운 방향성을 제시함으로써 불량(Heater Fail) 발생 및 교체시 기존에 사용되던 부분에 대한 중복 투자를 막을 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 하부 샤프트에서 발생하는 전기적 유도에 대한 손실(Loss)을 피막처리를 통하여 최적화시키는 설계, 히터 척에 대한 상태측정, 그에 대한 해당 공정장비의 내부 특성변화를 측정할 수 있는 장점을 가진다.
즉, 본 발명에 따르면, 기존의 양산형 히터의 사이즈, 고정부위 및 높이와 와 동일하게 제작되어 간섭부위의 최소화와 함께 기존 제품을 용이하게 대체할 수 있으며, 기존의 히터 척과는 다른 새로운 소재 및 조립방법을 이용하여 보다 용이하게 제조할 수 있고, 또한, 전원선 및 TC 와이어의 설치, 케이블 단선 등과 같은 각종 문제발생시에도 수리 및 교체작업이 매우 용이한 AlN 히터를 이용한 척을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 매우 낮은 공정온도에서 코팅 원재료에 손상이 없고, 표면 굴곡 및 꺾임에 대하여도 균일성을 유지할 수 있으며, 열적 및 화학적 특성이 우수하여 원재료의 열화를 방지할 수 있고, 또한, Al 모재 위에 열전도 특성이 매우 좋은 AlN을 코팅할 수 있는 알루미늄 히터 척의 피막처리방법이 제공된다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용들로만 한정되는 것은 아니다.
즉, 상기한 본 발명의 실시예에서는 반도체 제조공정에서 반도체 웨이퍼를 고정하는 웨이퍼 척에 본 발명을 적용하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이는 어디까지나 본 발명을 설명하기 위해 적용한 하나의 예일 뿐이며, 본 발명은 상기한 원 형태의 웨이퍼 척 이외에 Sola, LCD, LED 장치, 진공장비 등의 각종 장치에서 사용되는 여러 가지 다른 형태의 척에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
또한, 상기한 실시예에서는 히터 척(10)의 하판(12)에 볼트가 결합되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은, 이러한 체결방식 이외에도 샤프트(16)의 상단부분과 하판(12)의 결합부위에 각각 나사부를 형성하여 서로 결합되도록 구성하거나, 또는, 예를 들면, 결합홈과 결합돌기를 이용하여 끼워 맞추는 방식이나 김치통 등에 이용되는 지렛대 압착방식 등, 기존에 이용되는 여러 가지 방식의 결합구를 각각 별도로 설치하여 서로 체결되도록 구성할 수도 있는 등, 종래부터 이용되고 있는 대부분의 결합방식들 중 하나 또는 두 가지 이상을 결합하여 필요에 따라 폭넓게 적용할 수 있는 것이다.
또한, 상기한 실시예에서는 샤프트(16) 하부를 진공으로 하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은, 샤프트(16)의 특정부분이나 전체 또는 히터 척(10) 전체를 진공상태로 유지하도록 구성될 수도 있는 등, 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있다.
아울러, 상기한 실시예에서는 히터 척(10)이 1 영역 히터(1 zone heater)인 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은, 2 영역 히터(2 zone heater)를 이용하여 구성될 수도 있는 등, 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있는 것이다.
따라서 본 발명은, 본 발명의 취지나 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 설계상의 필요 등의 다양한 요건에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. Al 히터 척 11. 상판
12. 하판 13. 가열댐퍼
14. 후막히터 15. 단열판
16. 샤프트 31. 볼트취부
32. 중간부 51. 마감재
52. 진공펌프 71. 열선
72, 73. 열선

Claims (12)

  1. 반도체, Sola, LCD, LED 장치 또는 진공장비에서 공정을 진행하는 처리대상이 되는 물품을 고정하기 위한 척에 이용되는 알루미늄(Al) 히터 척에 있어서,
    상기 처리대상이 되는 물품이 위치되는 상판(top plate)과,
    상기 상판과 결합하는 하판(bottom plate)과,
    상기 상판과 상기 하판 사이에 삽입되는 가열댐퍼(heat damper)와,
    상기 가열댐퍼 아래에 위치하여 상기 웨이퍼를 가열하는 후막히터(thick film heater)와,
    상기 후막히터의 아래에 위치하여 상기 후막히터의 열이 외부로 전달되는 것을 차단하는 단열판 및
    상기 하판에 결합하여 전체를 지지하는 샤프트(shaft)를 포함하여 구성되며,
    상기 상판 및 상기 하판은 Al 6061-T651 열처리합금으로 이루어지고,
    상기 가열댐퍼 및 상기 후막히터는 Al, 필름스크린(film screen), STS310S로 형성되며,
    상기 단열판은 Al2O3로 형성되어 있고,
    상기 각 부재를 차례로 적층하고 압착하여 최종적으로 E-beam 용접이나 브레이징(brazing) 용접으로 접합하여 조립이 이루어지는 것을 특징으로 하는 Al 히터 척.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 샤프트는, Al이나 Al 특수강으로 형성되고, 본체와 일체로 또는 착탈 가능하도록 분리형으로 이루어지며,
    상기 샤프트의 상단부에는 상기 하판에 결합하기 위한 볼트취부가 형성되고, 그 중간 부분에는 하드 애노다이징(hard Anodizing)이 실시되거나, 또는, 전체에 걸쳐 AlN 코팅을 행하는 피막처리가 실시되며,
    상기 Al 히터 척은, 상기 볼트취부에 결합되는 적어도 하나 이상의 볼트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Al 히터 척.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 볼트는, 상기 하판 또는 상기 샤프트 쪽을 향하여 결합되거나, 상기 샤프트의 상단부 이외의 부분에도 일정 간격마다 체결하는 다단식, 또는, 체결 후 용접하는 방식으로 결합되며,
    또는, 상기 Al 히터 척은, 상기 샤프트의 상단부분과 상기 하판의 결합부위에 각각 나사부를 형성하여 상기 샤프트와 상기 하판이 서로 결합하도록 구성되거나, 상기 샤프트와 상기 하판에 별도의 결합구를 각각 설치하여 서로 체결되도록 구성되며,
    또는, 상기 결합방식들 중 두 가지 이상을 이용하여 상기 샤프트와 상기 하판이 결합되는 것을 특징으로 하는 Al 히터 척.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 볼트는 서스(SUS), 티타늄(Ti, TiN), 세라믹(Al2O3), 섬유소재(AlN), 석영 퀄츠, 구리 및 구리합금 중 적어도 한가지 이상의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 Al 히터 척.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 샤프트 내부에서의 열전도를 방지하여 상부의 열이 하부로 전달되지 않도록 하기 위해, Al2O3 세라믹 구조물과 같은 구조물을 상기 샤프트 내부에 삽입하거나, 또는, 상기 샤프트 내에 차가운 물(water)이나 기름과 같이 공정온도에 적합한 유체를 흘려보내 상기 샤프트에 대한 열전도를 방지하고 적정 온도로 유지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 Al 히터 척.
  6. 제 1항에 있어서,
    공정 중에 공기와 반응하여 일어나는 플라즈마 방전 등에 의한 역류성 리크(leak) 등으로 인해 불량이 발생하는 것을 방지하기 위해, 역류성 리크를 방지할 수 있는 재질로 마개와 같은 마감재로 상기 샤프트의 최상단을 마감처리하여 밀봉하거나,
    또는, 상기 샤프트의 하부에 진공펌프를 연결하여 내부의 공기를 빨아내 상기 샤프트의 내부를 진공상태로 유지함으로써, 공기 중의 전자로 인한 플라즈마 방전이 일어나지 않도록 방지하여 역류성 리크 등에 의한 불량이 발생하는 것을 원천적으로 방지하도록 구성되며,
    또는, 상기 마감처리와 상기 진공상태로 유지하는 처리를 동시에 실시하도록 구성된 것을 특징으로 하는 Al 히터 척.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 진공상태로 유지하는 처리는, 상기 샤프트를 형성하는 단계에서 미리 실시하여 진공상태로 만든 후에 결합하거나, 또는, 결합 후에 실시하도록 구성되며,
    또한, 상기 진공상태로 유지하는 처리는, 상기 샤프트의 일부에 대하여만 실시하거나, 또는, 상기 샤프트 전체에 대하여 실시하며,
    또는, 상압의 기중상태 ATM 상태의 외기 또는 특수한 환경인 경우나 이형 가스를 포함하는 진공장비인 경우, 상기 히터 척 전체를 밀봉하고 상기 히터 척의 상부와 상기 샤프트에 각각 진공펌프를 연결하여 외부 공기의 공정영역 유입을 방지하고 상기 공정영역 및 상기 샤프트를 진공상태로 유지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 Al 히터 척.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 샤프트 내부를 통하여 연결되는 히터 전원선(Heater Power Line), 매쉬(Mash) 또는 그라운드 라인(Grounding Line)에 계측장치용 신호를 출력하도록 구성되거나, 또는, 계측장치와 연결 가능한 계측장치용 신호라인을 함께 설치하도록 구성되고,
    그것에 의해, 외부에서 히터의 현재 상태를 쉽게 확인할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 Al 히터 척.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 후막히터는, 하나의 열선이 나선형으로 배치되어 있는 1구역 히터(1-zone heater)이거나, 또는, 2개의 열선이 각각 배치되어 있는 2구역 히터(2-zone heater)로 구성된 것을 특징으로 하는 Al 히터 척.
  10. 제 1항에 있어서,
    각각의 부분이 기존의 척과 동일한 모양 및 사이즈(design rule)로 제작되는 것을 특징으로 하는 Al 히터 척.
  11. 알루미늄 히터 척의 피막처리방법에 있어서,
    진공챔버(vacuum chamber) 내에 질소가스(Nitrogen gas)를 주입하는 단계와,
    플라즈마(plasma)를 이용하여 상기 히터 척의 알루미늄 벌크(Aluminun bulk)에 질소이온(Nitrogem ion)을 주입(implant)함으로써, 알루미늄 기판(Aluminum substrate) 사이에 AlN 배리어(AlN Barrier)를 형성하는 단계를 포함하여 구성되고,
    그것에 의해 알루미늄의 표면경도(surface hardness)를 개선함과 동시에, 반응가스에 의한 부식(corrosion)의 방지 및 온도변화에 대한 보다 안정적인 공정결과를 기대할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 알루미늄 히터 척의 피막처리방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 AlN 배리어를 형성하는 단계는,
    상기 히터 척의 알루미늄 표면에 -20 ~ -40V의 음전압(negative pulsed voltage)을 인가하여 상기 알루미늄 표면 주위에 시스(sheath)를 형성하고,
    그것에 의해, 플라즈마 시스(plasma sheath) 영역의 이온이 형성전기장(E-Field) 가속을 통하여 상기 알루미늄 표면에 주입되도록 함으로써 질소이온을 상기 알루미늄 표면에 주입하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 히터 척의 피막처리방법.
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