KR20130128939A - 2차원적으로 배선된 열선을 포함하는 세라믹 히터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세라믹 히터용 열선 배치 구조에 관한 것으로서, 세라믹 히터의 세라믹 기판 내부에 배선되어 열을 발산하는 열선의 배치 구조로서, 길이 방향으로 길게 연장된 금속 재질의 와이어 부재이며, 상기 세라믹 기판의 상면과 실질적으로 평행한 가상의 2차원 평면상에 2차원적으로 배선되어 있는 열선을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 종래의 3차원 코일형 열선과 달리, 균일한 발열 밀도의 유지와 신속한 온도 상승이 가능하다는 효과가 있다.

Description

세라믹 히터용 열선 배치 구조{Heat wire arrangement structure for ceramic heater}
본 발명은 세라믹 히터용 열선 배치 구조에 관한 것으로서, 특히 균일한 발열 밀도의 유지와 신속한 온도 상승이 가능한 세라믹 히터용 열선 배치 구조에 관한 것이다.
세라믹 히터(ceramic heater)는, 반도체를 제조하는 공정 중에 반도체 웨이퍼(wafer)를 가열하기 위한 장치인데, 도 1에는 그러한 세라믹 히터(1)의 일례가 도시되어 있다.
상기 세라믹 히터(1)는, 질화알루미늄(AlN; aluminium nitride) 또는 산화알루미늄(Al2O3; aluminium oxide)등의 세라믹 소재를 이용하여 제조되는 원형 평판 부재인 세라믹 기판(2)과, 상기 세라믹 기판(2)의 하면에 부착되며, 내부에 중공(H)을 가진 중공형 새프트(3)와, 3차원 코일(coil) 형상의 금속 와이어(wire)로서 상기 세라믹 기판(2)의 내부에 배선되어 열을 발산하는 열선(4)과, 상기 세라믹 기판(2)의 내부에 배선되는 그물망(mesh) 형상의 금속 부재로서, 상기 반도체 웨이퍼를 흡착하기 위한 정전기를 발생시키는 정전기 발생 전극(5)과, 상기 중공형 새프트(3)의 중공에 배치되며 열선(4)에 전기를 공급하는 로드 부재인 제1 전기 공급 부재(6)와, 상기 제1 전기 공급 부재(6)와 상기 열선(4)을 연결시켜 주는 제1 연결 부재(8)와, 상기 중공형 새프트(3)의 중공에 배치되며 상기 정전기 발생 전극(5)에 전기를 공급하는 로드 부재인 제2 전기 공급 부재(7)와, 상기 제2 전기 공급 부재(7)와 상기 정전기 발생 전극(5)을 연결시켜 주는 제2 연결 부재(9)를 포함하여 구성된다. 따라서, 상기 세라믹 히터(1)는, 상기 열선(4)에 의하여 상기 반도체 웨이퍼를 가열하고, 상기 정전기 발생 전극(5)에 의하여 발생되는 정전기를 이용하여 상기 반도체 웨이퍼를 흡착하여 고정하게 된다.
종래의 세라믹 히터(1)에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 열선(4)이, 3차원 코일 형상이므로, 소결시에 발생되는 상기 세라믹 기판(2)의 수축 변형에 의하여, 본래의 코일 형상을 유지하기 힘들다는 문제점이 있다.
또한, 상기 3차원 코일형 열선(4)이, 3차원 코일 형상이라는 형상적인 특징과 상기 세라믹 기판(2)의 소결시에 발생되는 코일 형상 변형에 의하여, 설계시 요구되는 발열 밀도(heat density)를 상기 세라믹 기판(2)의 전체에 걸쳐서 균일하게 유지하기 어렵다는 문제점도 있다.
아울러, 상기 3차원 코일형 열선(4)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 단면 직경(D)에 비하여 큰 두께(W)를 가진 3차원 입체 코일 형상이므로, 발생되는 열이 사방으로 퍼져나간다. 따라서, 동일한 열량을 발산하는 2차원 평면 형상의 열선에 비하여, 상기 웨이퍼를 가열하기 위하여 필요한 방향 즉 위쪽 방향으로의 발열량이 감소하는 문제점이 있다.
그리고, 상기 3차원 코일형 열선(4)은, 3차원 코일 형상을 가지므로, 작업자가 상기 세라믹 기판(2)의 내부에 배선하는 것이 쉽지 않아, 분말형 원료를 사용하여 상기 세라믹 기판(2)을 제조해야 하는 제약이 있다는 문제점도 있다.
상술한 상기 3차원 코일형 열선(4)의 문제점을 보완하기 위하여, 금속 페이스트(paste) 등을 사용하여 얇은 시트(sheet) 형상으로 제조되는 2차원 평면 형상의 열선(미도시)이 사용되기도 하였다.
그러나, 상기 시트형 열선(미도시)은, 균일한 발열 밀도를 구현할 수 있다는 점에서 장점이지만, 그 제조 기법이 에칭이나 페이스트 프린팅 등으로 제한되므로, 열선의 두께가 비교적 얇게 제조될 수밖에 없어, 상기 제1 연결 부재(8)와의 물리적 결합성이 저하되고, 내식성과 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 상기 시트형 열선은, 와이어 타입의 열선(4)에 비하여 상기 세라믹 기판(2)의 위쪽에서 내려다 본 평면적이 비교적 크므로, 동일한 열선 단면적과 동일한 열선 길이를 가지는 경우를 비교할 때, 상기 세라믹 기판(2)의 단위 평면적 당 발열 밀도가 적어, 온도 상승(ramp up) 속도가 느리다는 문제점도 있다.
따라서, 상기 3차원 코일형 열선(4)의 문제점과 상기 시트형 열선의 문제점을 보완할 수 있는 열선의 개발이 필요한 상황이었다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 균일한 발열 밀도의 유지와 신속한 온도 상승이 가능하도록 구조가 개선된 세라믹 히터용 열선 배치 구조를 제공하기 위함이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 세라믹 히터용 열선 배치 구조는, 세라믹 히터의 세라믹 기판 내부에 배선되어 열을 발산하는 열선의 배치 구조로서, 길이 방향으로 길게 연장된 금속 재질의 와이어 부재이며, 상기 세라믹 기판의 상면과 실질적으로 평행한 가상의 2차원 평면상에 2차원적으로 배선되어 있는 열선을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열선은, 서로 마주한 상태로 엇갈리게 2열로 배치된 복수 개의 만곡부; 상기 만곡부들을 연결하는 복수 개의 연결부;를 포함하며, 상기 만곡부와 상기 연결부에 의하여, 지그재그 형상으로 꼬불꼬불하게 형성되어 있는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 열선의 피치는, 배선된 위치에 따라 다른 값을 가지는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 열선의 진폭은, 배선된 위치에 따라 다른 값을 가지는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 세라믹 기판은 원형의 평판이며, 상기 열선은, 상기 세라믹 기판의 중심을 원의 중심으로 하는 복수 개의 동심원 상에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 열선의 진폭 및 피치는, 상기 세라믹 기판의 중심으로부터 반경 방향으로 이격된 위치에 따라, 다른 값을 가지는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 열선의 양단은, 상기 세라믹 기판의 하면에 부착되는 중공형 새프트의 중공과 연통될 수 있는 위치에 배선되어 있는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 열선은, 서로 평행한 2차원 평면상에 복층 구조로 배선되어 있는 것일 수도 있다.
여기서, 상기 열선은, 상기 세라믹 기판의 열팽창 계수로부터 ±3.0*10-6*K-1의 오차 범위 이내에 있는 열팽창 계수를 가진 금속 부재인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 길이 방향으로 길게 연장된 금속 재질의 와이어 부재이며 상기 세라믹 기판의 상면과 실질적으로 평행한 가상의 2차원 평면상에 2차원적으로 배선되어 있는 열선을 포함함으로써, 균일한 발열 밀도의 유지와 신속한 온도 상승이 가능하다는 효과가 있다.
도 1은 종래의 세라믹 히터를 나타내는 단면 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 열선의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 열선이 세라믹 기판의 내부에 삽입된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예인 세라믹 히터용 열선 배치 구조를 나타내는 평면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 열선을 나타내는 정면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 열선의 VI-VI선 단면도이다.
도 7은 도 4에 도시된 열선이 세라믹 기판의 내부에 삽입된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 8은 도 4에 도시된 열선의 VIII부분 확대도이다.
도 9는 도 4에 도시된 열선이 세라믹 기판의 내부에 복층 구조로 배선되어 있는 상태를 나타내는 단면도이다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예인 세라믹 히터용 열선 배치 구조를 나타내는 평면도이며, 도 5는 도 4에 도시된 열선을 나타내는 정면도이다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 히터용 열선 배치 구조는, 반도체 웨이퍼(wafer)를 가열하기 위한 세라믹 히터(ceramic heater)에 사용되는 열선(heat wire)의 배치 구조로서, 세라믹 기판(2)과, 중공형 새프트(3)와, 열선(100)을 포함하여 구성된다. 이하에서는, 상기 세라믹 히터용 열선 배치 구조가 도 1에 도시된 세라믹 히터(1)에 사용되는 것을 전제로 설명하기로 한다.
상기 세라믹 기판(2)은, 원형 평판 부재로서, 열팽창 계수 4.4*10-6*K-1인 질화알루미늄(AlN; aluminium nitride) 또는 열팽창 계수 8.0*10-6*K-1인 산화알루미늄(Al2O3; aluminium oxide)등의 세라믹 소재를 이용하여 제조될 수 있는데, 본 실시예에서는 질화알루미늄(AlN)이 사용된다.
상기 세라믹 기판(2)은, 상기 질화알루미늄의 원료 분말을 1500℃ 이상의 고온에서 소결함으로써 제조된다.
상기 중공형 새프트(3)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 내부에 중공(H)을 가진 파이프형 세라믹 부재로서, 상기 세라믹 기판(2)의 하면에 기밀 가능하게 부착된다. 따라서, 상기 중공(H)은 외부로부터 기밀 가능하게 격리되어 있다.
상기 열선(100)은, 상기 세라믹 기판(2)의 내부에 배선되어 열을 발산하는 부재로서, 길이 방향으로 길게 연장된 금속 재질의 와이어(wire)를 절곡하여 제조된다. 본 실시예에서는, 도 6에 도시된 바와 같이 미리 정한 직경(D)을 가진 원형 단면의 와이어가 사용된다.
상기 열선(100)은, 상기 세라믹 기판(2)의 소결 전에 상기 세라믹 기판(2)의 원료 분말 내부에 배치되며, 상기 세라믹 기판(2)의 소결에 의하여 상기 세라믹 기판(2)의 내부에 고정된다.
상기 열선(100)은, 몰리브덴(Mo; molybdenum) 또는 텅스텐(W; tungsten)과 같은 도전성 금속으로 제조될 수 있는데, 본 실시예에서는 몰리브덴(Mo)으로 제조된다. 여기서, 상기 몰리브덴(Mo)의 열팽창 계수는 5.1*10-6*K-1의 값을 가지며, 상기 텅스텐(W)의 열팽창 계수는 5.4*10-6*K-1의 값을 가진다.
따라서, 상기 열선(100)의 열팽창 계수는, 상기 세라믹 기판(2)의 열팽창 계수로부터 ±3.0*10-6*K-1의 오차 범위 이내의 값을 가지게 된다.
상기 열선(100)은, 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 세라믹 기판(2)의 상면과 실질적으로 평행한 가상의 2차원 평면상에 밀착된 상태로 2차원적으로 배선되어 있다. 따라서, 상기 열선(100)은 상기 2차원 평면으로부터 돌출되지 않도록 배선됨으로써, 상기 열선(100)의 배치 두께(D)가 상기 열선(100)의 직경(D)과 동일한 값을 가지게 된다. 본 발명에서, 상기 가상의 2차원 평면은 수학적으로 완벽한 평면만을 의미하는 것은 아니다.
상기 열선(100)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 분리선(S)을 기준으로 상기 세라믹 기판(2)의 우반면에 배치된 우반부(10a)와, 상기 세라믹 기판(2)의 좌반면에 배치된 좌반부(10b)를 포함한다.
본 실시예에서, 상기 열선(100)은, 별도의 접합 작업 없이 1개의 와이어를 절곡함으로써 제조된다.
상기 우반부(10a) 및 좌반부(10b)는, 상기 세라믹 기판(2)의 중심(C)을 원의 중심으로 하는 복수 개의 동심원 상에 배치된 복수 개의 원호부(14)와, 다른 동심원 상에 배치된 상기 원호부(14)를 서로 연결해주는 복수 개의 결합부(15)를 포함한다.
상기 우반부(10a)의 일단부(11) 및 상기 좌반부(10b)의 일단부(12)는, 상기 제1 연결 부재(8)와 결합되어 전기를 공급받는 부분으로서, 상기 중공형 새프트(3)의 중공(H) 내부와 연통될 수 있도록, 상기 세라믹 기판(2)의 중심(C) 부근에 배선되어 있다.
상기 우반부(10a)의 타단부와 상기 좌반부(10b)의 타단부는, 상기 세라믹 기판(2)의 최외곽에 위치하는 연결점(13)에서 서로 연결되어 있다.
상기 열선(100)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 지그재그 형상으로 꼬불꼬불하게 형성되어 있다. 여기서, 상기 열선(100)의 지그재그 형상은, 도 8에 도시된 바와 같이, 서로 마주한 상태로 엇갈리게 2열로 배치된 복수 개의 만곡부(16)와, 다른 열에 배치되어 서로 인접한 상기 만곡부(16)들을 연결하는 복수 개의 연결부(17)에 의하여 형성된다.
상기 열선(100)의 피치(P), 즉 동일한 열에서 서로 인접하게 배치된 상기 만곡부(16) 간의 거리는, 상기 세라믹 기판(2) 상의 배선된 위치에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 열선(100)의 피치(P)는, 상기 세라믹 기판(2)의 중심(C)으로부터 반경 방향으로 이격된 위치에 따라 다른 값을 가지고 있는데, 이러한 사실은 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 세라믹 기판(2)의 중심(C) 부근 열선(100)의 피치(P)가 나머지 부분 열선(100)의 피치(P)보다 작다는 점에서 확인할 수 있다. 다만, 상기 열선(100)의 피치(P)는, 동일한 동심원 상에서는 동일한 값을 가진다.
상기 열선(100)의 진폭(A), 즉 서로 마주한 2열의 상기 만곡부(16) 정점 사이 거리는, 상기 세라믹 기판(2) 상의 배선된 위치에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 열선(100)의 진폭(A)은, 상기 세라믹 기판(2)의 중심(C)으로부터 반경 방향으로 이격된 위치에 따라 다른 값을 가지고 있는데, 이러한 사실은 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 세라믹 기판(2)의 중심(C)에 가장 가까운 동심원 상에 배선된 열선(100)의 진폭(A)이 나머지 부분 열선(100)의 진폭(A)보다 크다는 점에서 확인할 수 있다. 다만, 상기 열선(100)의 진폭(A)은, 동일한 동심원 상에서는 동일한 값을 가진다.
상술한 구성의 세라믹 히터용 열선 배치 구조는, 길이 방향으로 길게 연장된 금속 재질의 와이어(wire)로서 상기 세라믹 기판(2)의 상면과 실질적으로 평행한 가상의 2차원 평면상에 배선되어 있는 열선(100)을 포함하므로, 종래의 3차원 코일형 열선(4)과 달리, 반도체 웨이퍼를 가열하기 위하여 필요한 방향 즉 상기 세라믹 기판(2)의 상면 방향으로의 발열량이 충분하고, 균일한 발열 밀도의 유지와 신속한 온도 상승이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 상기 세라믹 히터용 열선 배치 구조는, 상기 열선(100)이 2차원 평면상에 배선되므로, 3차원 공간에서 배선 상태가 결정되는 종래의 3차원 코일형 열선(4)과 달리, 2차원 평면상에서만 상기 열선(100)의 배선을 고려하면 충분하다. 따라서, 균일한 발열 밀도를 달성하기 위한 열선(100)의 배선 형상 및 직경(D)의 결정이 용이하다는 장점이 있다.
그리고, 상기 세라믹 히터용 열선 배치 구조는, 상기 열선(100)이, 서로 마주한 상태로 엇갈리게 2열로 배치된 복수 개의 만곡부(16)와, 상기 만곡부(16)들을 연결하는 복수 개의 연결부(17)를 포함하는 지그재그 형상으로 꼬불꼬불하게 형성되어 있으므로, 상기 열선(100)을 상기 세라믹 기판(2)에 빽빽하고 균일하게 분포시킬 수 있어 콜드 스폿(cold spot)을 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.
아울러, 상기 세라믹 히터용 열선 배치 구조는, 상기 열선(100)이 2차원 평면상에 배선되는 금속 와이어이므로, 상기 세라믹 기판(2)의 분말형 원료 내부에 배선되어야 하는 종래의 3차원 코일형 열선(4)과 달리, 분말형 원료뿐만 아니라 이미 소결된 세라믹 기판(2)에도 상기 열선(100)을 배선할 수 있는 장점도 있다.
또한, 상기 세라믹 히터용 열선 배치 구조는, 상기 열선(100)의 피치(P)와 진폭(A)이, 배선된 위치에 따라 다른 값을 가질 수 있으므로, 배선 위치에 따라 상기 열선(100)의 배선 밀도를 쉽게 조절할 수 있다는 장점이 있다.
그리고, 상기 세라믹 히터용 열선 배치 구조는, 상기 열선(100)이, 상기 세라믹 기판(2)의 중심(C)을 원의 중심으로 하는 복수 개의 동심원 상에 배치되어 있으므로, 원형의 평판인 상기 세라믹 기판(2) 내부에 배선하는 것이 용이하다는 장점이 있다.
아울러, 상기 세라믹 히터용 열선 배치 구조는, 상기 열선(100)의 피치(P)와 진폭(A)이, 상기 세라믹 기판(2)의 중심(C)으로부터 반경 방향으로 이격된 위치에 따라 다른 값을 가지므로, 상기 세라믹 기판(2)의 반경 방향 위치에 따라 발열 밀도를 조절할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 세라믹 히터용 열선 배치 구조는, 상기 열선(100)의 양단(11, 12)이, 상기 세라믹 기판(2)의 하면에 부착되는 중공형 새프트(3)의 중공(H)과 연통될 수 있도록 상기 세라믹 기판(2)의 중심(C) 부근에 배선되어 있으므로, 상기 중공형 새프트(3)의 중공(H) 내부에 배치된 상기 제1 전기 공급 부재(6)와 전기적으로 연결될 수 있는 장점이 있다.
그리고, 상기 세라믹 히터용 열선 배치 구조는, 상기 열선(100)이, 상기 세라믹 기판(2)의 열팽창 계수로부터 ±3.0*10-6*K-1의 오차 범위 이내에 있는 열팽창 계수를 가진 금속 부재이므로, 상기 세라믹 히터(1)의 제조시 또는 사용시에 발생하는 고열에 의하여 상기 열선(100)이 열팽창하더라도, 열응력에 의하여 상기 세라믹 기판(2)이 파손되지 않는 장점이 있다.
본 실시예에서는, 상기 열선(100)이 상기 세라믹 기판(2)의 내부에 단층으로 배선되어 있으나, 도 9에 도시된 바와 같이 서로 평행한 가상의 2차원 평면상에 복층 구조로 배선될 수 있음은 물론이다. 이 경우에는, 상기 열선(100)의 배선 밀도와 발열 밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
이상으로 본 발명을 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것임은 명백하다.
＊ 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 ＊
100 : 열선 10a : 우반부
10b : 좌반부 11, 12 : 열선의 양단
13 : 연결점 14 : 원호부
15 : 결합부 16 : 만곡부
17 : 연결부 1 : 세라믹 히터
2 : 세라믹 기판 3 : 중공형 새프트
4 : 열선 5 : 정전기 발생 전극
6, 7 : 전기 공급 부재 8, 9 : 연결 부재
H : 중공 D : 직경
P : 피치 A : 진폭

Claims (9)

  1. 세라믹 히터의 세라믹 기판 내부에 배선되어 열을 발산하는 열선의 배치 구조로서,
    길이 방향으로 길게 연장된 금속 재질의 와이어 부재이며, 상기 세라믹 기판의 상면과 실질적으로 평행한 가상의 2차원 평면상에 2차원적으로 배선되어 있는 열선을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터용 열선 배치 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열선은,
    서로 마주한 상태로 엇갈리게 2열로 배치된 복수 개의 만곡부;
    상기 만곡부들을 연결하는 복수 개의 연결부;를 포함하며,
    상기 만곡부와 상기 연결부에 의하여, 지그재그 형상으로 꼬불꼬불하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터용 열선 배치 구조.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 열선의 피치는, 배선된 위치에 따라 다른 값을 가지는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터용 열선 배치 구조.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 열선의 진폭은, 배선된 위치에 따라 다른 값을 가지는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터용 열선 배치 구조.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 세라믹 기판은 원형의 평판이며,
    상기 열선은, 상기 세라믹 기판의 중심을 원의 중심으로 하는 복수 개의 동심원 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터용 열선 배치 구조.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 열선의 진폭 및 피치는, 상기 세라믹 기판의 중심으로부터 반경 방향으로 이격된 위치에 따라, 다른 값을 가지는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터용 열선 배치 구조.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 열선의 양단은,
    상기 세라믹 기판의 하면에 부착되는 중공형 새프트의 중공과 연통될 수 있는 위치에 배선되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터용 열선 배치 구조.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 열선은,
    서로 평행한 2차원 평면상에 복층 구조로 배선되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터용 열선 배치 구조.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 열선은,
    상기 세라믹 기판의 열팽창 계수로부터 ±3.0*10-6*K-1의 오차 범위 이내에 있는 열팽창 계수를 가진 금속 부재인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터용 열선 배치 구조.
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