KR20140116018A

KR20140116018A - 세라믹 히터 및 그 제법

Info

Publication number: KR20140116018A
Application number: KR20140032681A
Authority: KR
Inventors: 가즈히로 노보리; 다쿠지 기무라; 히데미 나카가와
Original assignee: 엔지케이 인슐레이터 엘티디
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2014-10-01
Also published as: JP6049510B2; US9533920B2; US20140284320A1; KR20170138071A; KR101891930B1; JP2014183011A; TW201507539A; TWI589177B

Abstract

본 발명은 세라믹 기재에 히터 전극을 매설한 세라믹 히터에 있어서, 저항률 온도 의존성의 역전 현상을 개선하면서, 전기 저항률의 면내 변동을 더 억제하는 것을 목적으로 한다.
정전 척(10)은, 원반형의 알루미나 세라믹 기재(12)와, 이 알루미나 세라믹 기재(12)에 매설된 히터 전극(14) 및 정전 전극(16)을 구비한다. 알루미나 세라믹 기재(12)의 상면은, 웨이퍼 배치면(12a)으로 되어 있다. 히터 전극(14)은, 알루미나 세라믹 기재(12)의 전체면에 걸쳐 배선되도록 예컨대 한번에 쓰는 요령으로 패턴 형성되고, 전압을 인가하면 발열하여 웨이퍼(W)를 가열한다. 이 히터 전극(14)은, TiSi₂을 주성분으로 하는 것이다.

Description

세라믹 히터 및 그 제법{CERAMIC HEATER AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은, 세라믹 히터 및 그 제법에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼의 가열에 사용되는 세라믹 히터로서는, 히터 전극을 매설한 원반형의 알루미나 소결체가 알려져 있다. 예컨대 특허문헌 1에는, 알루미나와 불화마그네슘의 혼합 분말을 정해진 형상으로 성형한 성형체를 2개 준비하고, 한쪽 성형체 위에 히터 전극이 되는 페이스트를 배치한 후, 다른쪽 성형체를 적층하고, 1120℃ 내지 1300℃라는 낮은 소성 온도로 소성함으로써, 세라믹 히터를 얻는 방법이 개시되어 있다. 세라믹 히터의 제조 공정에서, 1700℃의 고온 소성을 행하는 경우에는, 페이스트로서 WC을 이용하면 WC이 충분히 소결하여 히터 전극으로서 적절한 전기 특성이 얻어지지만, 1120℃ 내지 1300℃라는 저온 소성을 행하는 경우에는, 페이스트로서 WC을 이용하면 탈립(脫粒)이 심하고 전기 저항을 측정할 수 없으며, 페이스트로서 WC과 알루미나의 혼합 분말을 이용하면 전극의 치밀화가 부족하여 충분한 전기 특성이 얻어지지 않는다고 하는 문제가 있었다(특허문헌 1의 비교예 21, 22). 이러한 것으로부터, 특허문헌 1에서는, 페이스트로서, WC과 Ni과 알루미나의 혼합 분말 등을 이용하고 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2011-168472호 공보

전술한 바와 같이, 세라믹 히터를 저온 소성으로 제조하는 경우에는, 히터 전극이 되는 페이스트로서, 특허문헌 1과 같이 WC과 Ni과 알루미나의 혼합 분말을 이용하는 것도 생각되지만, WC에 고집하지 않고, WC을 대신하는 재료의 개발도 요구되고 있다. 본 발명자 등은, WC을 대신하는 재료로서, 플라즈마의 제어성에 악영향을 미치지 않고, 전기 저항률이 WC과 동등한 것을 탐색하였다. 이러한 재료로서, 몰리브덴을 하나의 후보로서 생각했지만, 몰리브덴 페이스트를 사용한 경우에는, 설정 온도와 세라믹 히터의 중심으로부터의 거리와 전기 저항률과의 관계에서 바람직하지 않은 문제가 있었다. 즉, 20℃에서 전기 저항률이 소(小)로부터 대(大)가 되도록 전기 저항률의 측정 위치에서의 중심으로부터의 거리를 나열했을 때의 나열 순과, 60℃에서 전기 저항률이 소로부터 대가 되도록 그 거리를 나열했을 때의 나열 순이 상이해진다고 하는 문제가 있었다. 이 문제를 저항률 온도 의존성의 역전 현상으로 지칭한다. 이러한 역전 현상이 일어나면, 세라믹 히터의 온도를 제어하는 것이 매우 번잡해지기 때문에 바람직하지 않다.

이 문제를 해결하기 위해, 히터 전극의 재료를 여러 가지 검토한 바, 티탄 성분을 함유하는 몰리브덴을 이용한 경우에, 저항률 온도 의존성의 역전 현상이 개선되는 것을 발견했다. 그 이유는 분명하지 않지만, 티탄 성분이 없으면 히터 전극 내에서 탄화몰리브덴이 불균일하게 분포되어 생성되고, 그 탄화몰리브덴의 영향으로 역전 현상이 일어난다고 생각되는 데 대하여, 티탄 성분이 있으면 탄화몰리브덴의 생성이 억제되고, 그 결과 역전 현상이 억제된다고 생각된다. 또한 탄소원은, 소결시에 이용하는 탄소 재료제의 금형이나 히터 전극에 포함되는 유기 성분(바인더 등)으로 생각된다.

그러나, 히터 전극의 재료로서 티탄 성분을 함유하는 몰리브덴을 이용한 경우, 저항률 온도 의존성의 역전 현상이 개선되지만, 전기 저항률의 면내 변동을 충분히 억제할 수 없어, 플라즈마 에칭시의 웨이퍼면의 균열성이 저하한다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 세라믹 기재에 히터 전극을 매설한 세라믹 히터에 있어서, 저항률 온도 의존성의 역전 현상을 개선하면서, 전기 저항률의 면내 변동을 더 억제하는 것을 주목적으로 한다.

본 발명의 세라믹 히터는, 세라믹 기재에 히터 전극이 매설된 세라믹 히터로서, 상기 히터 전극은 TiSi₂을 주성분으로 하는 것이다.

이 세라믹 히터에서는, 히터 전극의 주성분은 TiSi₂이기 때문에, 저항률 온도 의존성의 역전 현상이 개선된다. Mo을 주성분으로 하고 Ti을 포함하지 않는 히터 전극을 채용한 경우에는, 탄화몰리브덴이 불균일하게 분포되어 생성되고, 그 탄화몰리브덴의 영향으로 역전 현상이 일어난다고 생각된다. 이것에 대하여, 본 발명과 같이 TiSi₂를 주성분으로 하는 히터 전극을 채용한 경우에는, 탄화가 거의 발생하지 않고, 그 결과 역전 현상이 억제된다고 생각된다. 또한 전기 저항률의 면내 변동이 충분히 억제된다. Mo을 주성분으로 하고 Ti을 포함하는 히터 전극의 경우에는, 본 발명과 같이, 역전 현상이 억제되지만, 탄화몰리브덴이 적으면서도 생성하기 때문에, 전기 저항률의 면내 변동이 어느 정도 발생한다. 이것에 대하여, 본 발명과 같이 TiSi₂를 주성분으로 하는 히터 전극을 채용한 경우에는, 탄화가 거의 발생하지 않기 때문에 전기 저항률의 면내 변동도 충분히 억제된다.

본 발명의 세라믹 히터에서, 상기 히터 전극은, 상기 세라믹 기재와 동일 재료를 포함하고 있는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 히터 전극과 세라믹 기재의 열팽창 계수차를 작게 할 수 있기 때문에, 제조시에 크랙 등이 발생하기 어렵다.

본 발명의 세라믹 히터에서, 상기 세라믹 기재는 알루미나인 것이 바람직하다. 알루미나의 소결 온도는 일반적으로 질화알루미늄에 비해 낮기 때문에 제조하기 쉽다.

본 발명의 세라믹 히터의 제법은,

(a) 제1 및 제2 세라믹 성형체를, 각각 성형형(成形型)에 알루미나 분말, 소결 조제로서의 불화마그네슘, 용매, 분산제 및 겔화제를 포함하는 슬러리를 투입하고, 상기 성형형 내에서 상기 겔화제를 화학 반응시키고 상기 슬러리를 겔화시킨 후 이형함으로써 제작하는 공정과,

(b) 상기 제1 및 제2 세라믹 성형체를 건조한 후 탈지하고, 더 하소함으로써, 제1 및 제2 세라믹 하소체를 얻는 공정과,

(c) 상기 제1 및 제2 세라믹 하소체 중 어느 한 쪽 표면에, TiSi₂분말에 알루미나 분말을 첨가한 페이스트를 인쇄하는 공정과,

(d) 상기 인쇄된 페이스트를 사이에 두고 상기 제1 및 제2 세라믹 하소체를 중첩시킨 상태로 1120℃ 내지 1300℃에서 핫프레스 소성하는 공정

을 포함하는 것이거나, 또는

(a) 제1 및 제2 세라믹 성형체를, 각각 성형형에 알루미나 분말, 소결 조제로서의 불화마그네슘, 용매, 분산제 및 겔화제를 포함하는 슬러리를 투입하고, 상기 성형형 내에서 상기 겔화제를 화학 반응시키고 상기 슬러리를 겔화시킨 후 이형함으로써 제작하는 공정과,

(b) 상기 제1 및 제2 세라믹 성형체 중 어느 한 쪽 표면에, TiSi₂ 분말에 알루미나 분말을 첨가한 페이스트를 인쇄하는 공정과,

(c) 상기 제1 및 제2 세라믹 성형체를 건조한 후 탈지하고, 더 하소함으로써, 제1 및 제2 세라믹 하소체를 얻는 공정과,

(d) 상기 페이스트가 인쇄되어 있던 부분을 사이에 두고 상기 제1 및 제2 세라믹 하소체를 중첩시킨 상태로 1120℃ 내지 1300℃에서 핫프레스 소성하는 공정

을 포함하는 것이다.

이 세라믹 히터의 제법에 의하면, 전술한 본 발명의 세라믹 히터를 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 세라믹 하소체끼리를 적층하여 핫프레스 소성하고 있으므로 소성 횟수는 어느 것이나 동일하기 때문에, 밀도가 일률적으로 되기 쉽고, 히터 전극에 휘어짐이 발생하기 어렵다. 또한 공정 (a)에서는, 소위 겔캐스트법을 채용하여, 알루미나 조립분에 비해 입경이 작은 알루미나 분말을 분산ㆍ혼합한 슬러리를 겔화한 세라믹 성형체를 이용하기 때문에, 밀도가 일률적으로 되기 쉽고, 히터 전극에 휘어짐이 발생하기 어렵다.

본 발명의 세라믹 히터의 제법에서, 상기 페이스트는 유기물을 함유하고 있고, 상기 핫프레스 소성시의 금형은 탄소 재료제(製)여도 좋다. 페이스트에 포함되는 유기물(예컨대, 바인더나 분산제)이나 핫프레스 소성의 금형에 포함되는 탄소 재료는, 탄소원이 될 수 있는 것이다. 그러나, 이 제법에서는 페이스트의 주성분이 TiSi₂이기 때문에, 핫프레스 소성시에 TiSi₂가 이들 탄소원에 의해 탄화되는 경우는 거의 없다.

도 1은 반도체 제조 장치용 부재(1)의 단면도.
도 2는 정전 척(10)의 제1 제조 순서를 도시하는 공정도.
도 3은 정전 척(10)의 제2 제조 순서를 도시하는 공정도.
도 4는 테스트 피스의 히터 전극의 형상을 도시하는 설명도.
도 5는 거리(D)와 설정 온도와 전기 저항률의 관계를 도시하는 실시예 1의 그래프.
도 6은 거리(D)와 설정 온도와 전기 저항률의 관계를 도시하는 비교예 1의 그래프.
도 7은 20℃에서의 거리(D)와 전기 저항률의 관계를 도시하는, 실시예 1의 그래프.
도 8은 20℃에서의 거리(D)와 전기 저항률의 관계를 도시하는, 비교예 1의 그래프.

본 발명의 적합한 실시형태를 도면을 참조하여 이하에 설명한다. 도 1은 반도체 제조 장치용 부재(1)의 단면도이다.

반도체 제조 장치용 부재(1)는, 플라즈마 처리를 실시하는 실리콘제의 웨이퍼(W)를 흡착 가능한 정전 척(10)과, 이 정전 척(10)의 이면에 배치된 지지대로서의 냉각판(18)을 구비한다.

정전 척(10)은, 원반형의 알루미나 세라믹 기재(12)와, 이 알루미나 세라믹 기재(12)에 매설된 히터 전극(14) 및 정전 전극(16)을 구비한다. 알루미나 세라믹 기재(12)의 상면은, 웨이퍼 배치면(12a)으로 되어 있다. 히터 전극(14)은, 알루미나 세라믹 기재(12)의 전체면에 걸쳐 배선되도록 예컨대 단번에 행하는 요령으로 패턴 형성되고, 전압을 인가하면 발열하여 웨이퍼(W)를 가열한다. 이 히터 전극(14)은, TiSi₂을 주성분으로 하는 것이다. 히터 전극(14)에는, 냉각판(18)의 이면으로부터 히터 전극(14)의 일단 및 타단에 각각 도달하는 막대형 단자(도시 생략)에 의해 전압을 인가할 수 있다. 정전 전극(16)은, 도시하지 않는 외부 전원에 의해 직류 전압을 인가 가능한 평면형의 전극이다. 이 정전 전극(16)에 직류 전압이 인가되면, 웨이퍼(W)는 쿨롱력 또는 존슨 라벡력에 의해 웨이퍼 배치면(12a)에 흡착 고정되고, 직류 전압의 인가를 해제하면, 웨이퍼(W)의 웨이퍼 배치면(12a)에의 흡착 고정이 해제된다.

냉각판(18)은, 금속제(예컨대, 알루미늄제)의 원반 부재이며, 정전 척(10)의 웨이퍼 배치면(12a)과는 반대측의 면과 도시하지 않는 접합층을 개재하여 접합되어 있다. 이 냉각판(18)은, 도시하지 않는 외부 냉각 장치로 냉각된 냉매(예컨대, 물)가 순환하는 냉매 통로(20)를 갖고 있다. 이 냉매 통로(20)는, 냉각판(18)의 전체면에 걸쳐 냉매가 통과하도록 예컨대 단번에 행하는 요령으로 형성되어 있다.

다음에, 이렇게 하여 구성된 반도체 제조 장치용 부재(1)의 사용예에 대해서 설명한다. 반도체 제조 장치용 부재(1)는, 도시하지 않는 챔버 내에 배치되고, 이 챔버 내에서 발생시킨 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)의 표면을 에칭하는 데 이용된다. 이 때, 히터 전극(14)에 공급하는 전력량을 조절하거나, 냉각판(18)의 냉매 통로(20)에 순환시키는 냉매의 유량을 조절하거나 함으로써, 웨이퍼(W)의 온도가 일정하게 되도록 제어한다.

다음에, 반도체 제조 장치용 부재(1)를 구성하는 정전 척(10)의 제조 순서에 대해서 설명한다. 여기서는, 제1 제조 순서와 제2 제조 순서의 2종류에 대해서 설명한다. 도 2는, 제1 제조 순서를 도시하는 설명도, 도 3은 제2 제조 순서를 도시하는 설명도이다.

1. 제1 제조 순서(도 2 참조)

(a) 성형체의 제작[도 2의 (a) 참조]

제1 내지 제3 성형체(51 내지 53)를 제작한다. 각 성형체(51 내지 53)는, 우선 성형형에 알루미나 분체, 소결 조제로서의 불화마그네슘, 용매, 분산제 및 겔화제를 포함하는 슬러리를 투입하고, 성형형 내에서 겔화제를 화학 반응시켜 슬러리를 겔화시킨 후 이형함으로써, 제작한다.

용매로서는, 분산제 및 겔화제를 용해하는 것이면, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 탄화수소계 용매(톨루엔, 크실렌, 솔벤트 나프타 등), 에테르계 용매(에틸렌글리콜모노에틸에테르, 부틸카르비톨, 부틸카르비톨아세테이트 등), 알코올계 용매(이소프로판올, 1-부탄올, 에탄올, 2-에틸헥사놀, 테르피네올, 에틸렌글리콜, 글리세린 등), 케톤계 용매(아세톤, 메틸에틸케톤 등), 에스테르계 용매(초산부틸, 글루타르산디메틸, 트리아세틴 등), 다염기산계 용매(글루타르산 등)를 들 수 있다. 특히, 다염기산에스테르(예컨대, 글루타르산디메틸 등), 다가알코올의 산에스테르(예컨대, 트리아세틴 등) 등의, 2 이상의 에스테르 결합을 갖는 용매를 사용하는 것이 바람직하다.

분산제로서는, 알루미나 분체를 용매 내에 균일하게 분산하는 것이면, 특별히 한정되지 않는다. 예컨대 폴리카르복실산계 공중합체, 폴리카르복실산염, 소르비탄지방산에스테르, 폴리글리세린지방산에스테르, 인산에스테르염계 공중합체, 술폰산염계 공중합체, 3급 아민을 갖는 폴리우레탄폴리에스테르계 공중합체 등을 들 수 있다. 특히 폴리카르복실산계 공중합체, 폴리카르복실산염 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이 분산제를 첨가함으로써, 성형 전의 슬러리를, 저점도로 하고, 높은 유동성을 갖는 것으로 할 수 있다.

겔화제로서는, 예컨대 이소시아네이트류, 폴리올류 및 촉매를 포함하는 것으로 하여도 좋다. 이 중, 이소시아네이트류로서는, 이소시아네이트기를 관능기로서 갖는 물질이면 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 톨릴렌디이소시아네이트(TDI), 디페닐메탄디이소시아네이트(MDI) 또는 이들의 변성체 등을 들 수 있다. 또한 분자내에서, 이소시아네이트기 이외의 반응성 관능기가 함유되어 있어도 좋고, 더 나아가서는 폴리이소시아네이트와 같이, 반응 관능기가 다수 함유되어 있어도 좋다. 폴리올류로서는, 이소시아네이트기와 반응할 수 있는 수산기를 2 이상 갖는 물질이면 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 에틸렌글리콜(EG), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 프로필렌글리콜(PG), 폴리프로필렌글리콜(PPG), 폴리테트라메틸렌글리콜(PTMG), 폴리헥사메틸렌글리콜(PHMG), 폴리비닐알코올(PVA) 등을 들 수 있다. 촉매로서는, 이소시아네이트류와 폴리올류의 우레탄 반응을 촉진시키는 물질이면 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 트리에틸렌디아민, 헥산디아민, 6-디메틸아미노-1-헥사놀 등을 들 수 있다.

이 공정 (a)에서는, 우선 알루미나 분체와 불화마그네슘 분체에 용매 및 분산제를 정해진 비율로 첨가하고, 정해진 시간에 걸쳐 이들을 혼합함으로써 슬러리 전구체를 조제하고, 그 후, 이 슬러리 전구체에, 겔화제를 첨가하여 혼합ㆍ진공 탈포하여 슬러리로 하는 것이 바람직하다. 슬러리 전구체나 슬러리를 조제할 때의 혼합 방법은, 특별히 한정되는 것이 아니라, 예컨대 볼밀, 자공전식 교반, 진동식 교반, 프로펠러식 교반 등을 사용할 수 있다. 또한 슬러리 전구체에 겔화제를 첨가한 슬러리는, 시간 경과에 수반하여 겔화제의 화학 반응(우레탄 반응)이 진행하기 시작하기 때문에, 조속히 성형형 내에 유입하는 것이 바람직하다. 성형형에 유입된 슬러리는, 슬러리에 포함되는 겔화제가 화학 반응함으로써 겔화된다. 겔화제의 화학 반응이란, 이소시아네이트류와 폴리올류가 우레탄 반응을 일으켜 우레탄 수지(폴리우레탄)가 되는 반응이다. 겔화제의 반응에 의해 슬러리가 겔화하여, 우레탄 수지는 유기 바인더로서 기능한다.

(b) 하소체의 제작[도 2의 (b) 참조]

제1 내지 제3 성형체(51 내지 53)를 건조한 후 탈지하고, 더 하소함으로써, 제1 내지 제3 하소체(61 내지 63)를 얻는다. 성형체(51 내지 53)의 건조는, 성형체(51 내지 53)에 포함되는 용매를 증발시키기 위해 행한다. 건조 온도나 건조 시간은 사용하는 용매에 따라 적절하게 설정하면 된다. 단, 건조 온도는 건조중인 성형체(51 내지 53)에 크랙이 생기지 않도록 주의하여 설정한다. 또한, 분위기는 대기 분위기, 불활성 분위기, 진공 분위기 중 어느 것이어도 좋다. 건조 후의 성형체(51 내지 53)의 탈지는, 분산제나 촉매나 바인더 등의 유기물을 분해ㆍ제거하기 위해 행한다. 탈지 온도는, 포함되는 유기물의 종류에 따라 적절하게 설정하면 좋지만, 예컨대 400℃ 내지 600℃로 설정하여도 좋다. 또한, 분위기는 대기 분위기, 불활성 분위기, 진공 분위기 중 어느 것이어도 좋다. 탈지 후의 성형체(51 내지 53)의 하소는, 강도를 높게 하여 핸들링하기 쉽게 하기 위해 행한다. 하소 온도는, 특별히 한정되지는 않지만, 예컨대 750℃ 내지 900℃로 설정하여도 좋다. 또한 분위기는 대기 분위기, 불활성 분위기, 진공 분위기 중 어느 것이어도 좋다.

(c) 전극 페이스트의 인쇄[도 2의 (c) 참조]

제1 하소체(61)의 한 면에 히터 전극 페이스트(71)를 인쇄하고, 제3 하소체(63)의 한 면에 정전 전극 페이스트(72)를 인쇄한다. 양 페이스트(71, 72)는, 모두 TiSi₂분말과 알루미나 세라믹 분말과 바인더와 용매를 포함하는 것이다. 바인더로서는, 예컨대 셀룰로오스계 바인더(에틸셀룰로오스 등)나 아크릴계 바인더(폴리메타크릴산메틸 등)나 비닐계 바인더(폴리비닐부티랄 등)를 들 수 있다. 용매로서는, 예컨대 테르피네올 등을 들 수 있다. 인쇄 방법은, 예컨대 스크린 인쇄법 등을 들 수 있다.

(d) 핫프레스 소성[도 2의 (d) 참조]

인쇄된 히터 전극 페이스트(71)를 사이에 두고 제1 하소체(61)와 제2 하소체(62)를 중첩시키고, 인쇄된 정전 전극 페이스트(72)를 사이에 두고 제2 하소체(62)와 제3 하소체(63)를 중첩시키며, 그 상태로 흑연제의 금형을 이용하여 핫프레스 소성한다. 이것에 의해, 히터 전극 페이스트(71)가 소성되어 히터 전극(14)이 되고, 정전 전극 페이스트(72)가 소성되어 정전 전극(16)이 되며, 각 하소체(61 내지 63)가 소결하고 일체화되어 알루미나 세라믹 기재(12)가 되고, 정전 척(10)이 얻어진다. 핫프레스 소성에서는, 적어도 최고 온도(소성 온도)에서, 프레스 압력을 30 kgf/㎠ 내지 300 kgf/㎠로 하는 것이 바람직하고, 50 kgf/㎠ 내지 250 kgf/㎠로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 최고 온도는 알루미나 분체에 불화마그네슘이 첨가되어 있기 때문에, 불화마그네슘이 첨가되어 있지 않은 경우에 비해 저온(1120℃ 내지 1300℃)으로 설정하면 된다. 분위기는 대기 분위기, 불활성 분위기, 진공 분위기 내에서, 적절하게 선택하면 된다.

2. 제2 제조 순서(도 3 참조)

(a) 성형체의 제작[도 3의 (a) 참조]

제1 내지 제3 성형체(51 내지 53)를 제작한다. 이 공정은, 「1. 제1 제조 순서」의 「(a) 성형체의 제작」과 동일하다.

(b) 전극 페이스트의 인쇄[도 3의 (b) 참조]

제1 성형체(51)의 한 면에 히터 전극 페이스트(71)를 인쇄하고, 제3 성형체(53)의 한 면에 정전 전극 페이스트(72)를 인쇄한다. 양 페이스트(71, 72)는, 「1. 제1 제조 순서」의 「(c) 전극 페이스트의 인쇄」에서 이용한 페이스트와 동일하다.

(c) 하소체의 제작[도 3의 (c) 참조]

제1 내지 제3 성형체(51 내지 53)[제1 및 제3 성형체(51, 53)는 인쇄가 실시된 것]를 건조한 후 탈지하고, 더 하소함으로써, 제1 내지 제3 하소체(61 내지 63)를 얻는다. 이 때, 인쇄되어 있던 페이스트(71, 72)는, 하소 페이스트(81, 82)가 된다. 이 공정은, 「1. 제1 제조 순서」의 「(b) 하소체의 제작」과 동일하다.

(d) 핫프레스 소성[도 3의 (d) 참조]

하소 페이스트(81)를 사이에 두고 제1 하소체(61)와 제2 하소체(62)를 중첩시키고, 하소 페이스트(82)를 사이에 두고 제2 하소체(62)와 제3 하소체(63)를 중첩시키며, 그 상태로 핫프레스 소성한다. 이것에 의해, 하소 페이스트(81)가 소성되어 히터 전극(14)이 되고, 하소 페이스트(82)가 소성되어 정전 전극(16)이 되며, 각 하소체(61 내지 63)가 소결하고 일체화되어 알루미나 세라믹 기재(12)가 되고, 정전 척(10)이 얻어진다. 핫프레스 소성의 조건은, 「1. 제1 제조 순서」의 「(d) 핫프레스 소성」에서 진술한 바와 같다.

그런데, 제2 제조 순서에서는, 성형체에 전극 페이스트를 인쇄한 후 그 성형체를 하소하기 때문에, 하소시에 전극 페이스트가 산화될 우려가 있다. 이것에 대하여, 제1 제조 순서에서는, 성형체를 하소한 후 그 하소체에 전극을 형성하기 때문에, 그와 같은 우려가 없다. 이 점에서, 제1 제조 순서가, 제2 제조 순서에 비해 원하는 전극 특성을 얻을 수 있다.

이상 상세히 설명한 본 실시형태의 정전 척(10)에 의하면, 주성분이 TiSi₂인 히터 전극(14)을 이용하고 있기 때문에, 저항률 온도 의존성의 역전 현상을 개선할 수 있고, 또한 전기 저항률의 면내 변동을 충분히 억제할 수 있다. 이 점은, 후술하는 실시예에서 실증 완료된다.

특히, 알루미나 세라믹 기재(12)는, 알루미나 입자에 소결 조제로서 불화마그네슘을 첨가하여 소성한 것이기 때문에, 소성 온도가 저온(1120℃ 내지 1300℃)이어도 알루미나는 충분히 소결한다. 또한 그와 같은 저온 소성에서, 히터 전극(14)은 주성분이 TiSi₂이기 때문에, 탄화가 거의 일어나지 않아, 전술한 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 전술한 실시형태에 전혀 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한 여러 가지의 양태로 실시할 수 있는 것은 물론이다.

예컨대, 전술한 실시형태에서는, 세라믹 히터로서, 히터 전극(14)과 정전 전극(16)을 알루미나 세라믹 기재(12)에 매설한 정전 척(10)을 예시했지만, 히터 전극(14)만을 알루미나 세라믹 기재(12)에 매설한 것이어도 좋다.

전술한 실시형태에서는, 알루미나 세라믹 기재(12)를 채용했지만, 알루미나 이외의 세라믹(예컨대, 질화알루미늄 등)을 채용하여도 좋다.

전술한 실시형태에서는, 정전 척(10)의 제법으로서 제1 또는 제2 제조 순서를 나타냈지만, 특별히 이것으로 한정되지 않지 않으며, 정전 척(10)을 제조할 수 있는 방법이면 어떠한 방법을 채용하여도 상관없다. 예컨대 공정 (a)에서는 겔캐스트법을 채용했지만, 겔캐스트법을 채용하지 않고 성형체를 제작하여도 좋다. 또한, 2개의 알루미나 소결체를 준비하여, 각 알루미나 소결체의 한 면에 전극 페이스트를 인쇄하고, 한쪽 알루미나 소결체를 인쇄면이 위가 되도록 성형형에 배치하며, 그 위에 알루미나 분말과 불화마그네슘을 포함하는 원료분을 얹고, 그 위에 인쇄면이 아래가 되도록 다른 한쪽의 알루미나 소결체를 얹어, 핫프레스 소성하여도 좋다.

[실시예]

[실시예 1]

전술한 제1 제조 순서에 의해 정전 척(10)을 제작하였다.(도 2 참조).

(a) 성형체의 제작

알루미나 분말(평균 입경 0.5 ㎛, 순도 99.99%) 100 중량부, 마그네시아 0.2 중량부, 불화마그네슘 0.3 중량부, 분산제로서 폴리카르복실산계 공중합체 3 중량부, 용매로서 다염기산에스테르 20 중량부를 칭량하고, 이들을 볼밀(트로멜)로 14시간 혼합하여, 슬러리 전구체로 하였다. 이 슬러리 전구체에 대하여, 겔화제, 즉 이소시아네이트류로서 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트 3.3 중량부, 폴리올류로서 에틸렌글리콜 0.3 중량부, 촉매로서 6-디메틸아미노-1-헥사놀 0.1 중량부를 가(加)하고, 자공전식 교반기로 12분간 혼합하여, 슬러리를 얻었다. 얻어진 슬러리를, 실시예 1의 1.에서 이용한 제1 내지 제3 성형형에 각각 유입하였다. 그 후, 22℃에서 2시간 방치함으로써, 각 성형형 내에서 겔화제를 화학 반응시키고 슬러리를 겔화시킨 후 이형하였다. 이것에 의해, 제1 내지 제3 성형형으로부터 각각 제1 내지 제3 성형체(51 내지 53)[도 2의 (a) 참조]를 얻었다.

(b) 하소체의 제작

제1 내지 제3 성형체(51 내지 53)를 100℃에서 10시간 건조한 후, 최고 온도 500℃에서 1시간 탈지하고, 추가로 최고 온도 820℃, 대기 분위기에서 1시간 하소함으로써, 제1 내지 제3 하소체(61 내지 63)[도 2의 (b) 참조]를 얻었다.

(c) 전극 페이스트의 인쇄

TiSi₂분말과 알루미나 분말을, 알루미나 함유량이 5 중량%가 되게 하고, 바인더로서 폴리메타크릴산메틸과 용매로서 테르피네올을 가하여 혼합함으로써 전극 페이스트를 조제하였다. 이 전극 페이스트는, 정전 전극용, 히터 전극용 양쪽 모두에 이용하는 것으로 하였다. 그리고, 제1 하소체(61)의 한 면에 히터 전극 페이스트(71)를 스크린 인쇄하고, 제3 하소체(63)의 한 면에 정전 전극 페이스트(72)를 스크린 인쇄하였다[도 2의 (c) 참조].

(d) 핫프레스 소성

히터 전극 페이스트(71)를 사이에 두고 제1 및 제2 하소체(61, 62)를 중첩시키고, 정전 전극 페이스트(72)를 사이에 두고 제2 및 제3 하소체(62, 63)를 중첩시켰다. 그리고, 그 상태로 흑연제의 금형을 이용하여 핫프레스 소성을 행하였다. 이것에 의해, 히터 전극 페이스트(71)가 소성되어 히터 전극(14)이 되고, 정전 전극 페이스트(72)가 소성되어 정전 전극(16)이 되며, 각 하소체(61 내지 63)가 소결하고 일체화되어 알루미나 세라믹스 기재(12)가 되었다[도 2의 (d) 참조]. 핫프레스 소성은, 진공 분위기하, 압력 250 kgf/㎠, 최고 온도 1170℃에서 2시간 유지함으로써 행하였다.

[비교예 1]

전술한 실시예 1에서 전극 페이스트를 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 정전 척(10)을 제작하였다. 전극 페이스트는, 다음과 같이 하여 조제하였다. 즉, 몰리브덴 분말과 티탄 분말과 알루미나 분말을, 티탄 함유량이 5중량%, 알루미나 함유량이 20중량%가 되도록 하고, 바인더로서 폴리메타크릴산메틸과 용매로서 테르피네올을 가하여 혼합함으로써 전극 페이스트를 조제하였다.

[비교예 2]

전술한 실시예 1에서 전극 페이스트를 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 정전 척(10)을 제작하였다. 전극 페이스트는, 다음과 같이 하여 조제하였다. 즉, 몰리브덴 분말과 알루미나 분말을 알루미나 함유량이 20 중량%가 되도록 하고, 바인더로서 폴리메타크릴산메틸과 용매로서 테르피네올을 가하여 혼합함으로써 전극 페이스트를 조제하였다.

[평가]

ㆍ전기 저항률의 온도 의존 특성

전기 저항률[ρ(Ωㆍ㎝)]의 측정은, 실시예 1 및 비교예 1, 2에 대응하는 테스트 피스를 이용하여 측정하였다. 테스트 피스의 히터 전극은, 도 4에 도시하는 형상으로 형성하였다. 구체적으로는, 원반형의 알루미나 세라믹 기재를 4개의 부채형 영역(중심각 90˚)으로 분할하고, 부채형 영역마다 7개의 히터선 a 내지 g와 2개의 더미선을 형성하였다. 각 히터선 a 내지 g는, 원호를 따라 지그재그가 되도록 형성하고, 양단에는 단자를 설치하였다. 각 히터선 a 내지 g의 단자는, 알루미나 세라믹 기재(12)를 소성하기 전에 미리 매립해 두고, 소성 후에 세라믹을 깎아 노출시켰다. 더미선은, 각각 정해진 반경의 원호를 따르도록 형성하고, 단자는 설치하지 않았다. 기체 중심으로부터 히터선 a 내지 g의 중앙까지의 거리(D), 전극 폭[w(㎜)], 전극 길이[L(㎜)]를 표 1에 나타낸다. 각 히터선 a 내지 g의 전극 두께[t(㎜)]는 표 1에 나타내지 않았지만, 소성 후의 알루미나 세라믹 기재(12)를 절단한 단면을 이용하여 측정하였다.

각 테스트 피스를 항온조에 세팅하였다. 그리고, 테스트 피스의 온도가 미리 정한 설정 온도가 되도록 하였다. 설정 온도는 20℃, 40℃, 60℃로 하였다. 또한 설정 온도마다, 각 히터선 a 내지 g의 전기 저항률[ρ(Ωㆍ㎝)]을 구했다. 각 히터선 a 내지 g의 전기 저항률[ρ(Ωㆍ㎝)]은, 소성 후, 양단에 설치한 단자에 프로브를 대어 저항값[R(Ω)]을 측정하고, 하기 식에 의해 구했다. 우변에 계수 10을 곱한 것은, 단위를 Ωㆍ㎜로부터 Ωㆍ㎝로 환산했기 때문이다. 실시예 1 및 비교예 1에 대해서, 기재 중심으로부터 히터선 중앙까지의 거리(D)와 설정 온도와 전기 저항률의 관계를 도 5 및 도 6의 그래프에 도시한다. 범례의 수치는 거리[D(㎜)]를 나타낸다. 그래프의 종축에 이용한 전기 저항률(ρ)은, 4개의 부채형 영역의 전기 저항률(ρ)의 평균값을 이용하였다.

ρ=10×(R×w×t)/L

실시예 1 및 비교예 1에서는, 각각 도 5 및 도 6에 도시하는 바와 같이, 각 설정 온도에서 전기 저항률이 소로부터 대가 되도록 거리(D)를 나열하면, 그 순서는 설정 온도에 관계없이 동일하게 되었다. 따라서, 웨이퍼(W)의 온도를 제어하기 쉽다고 할 수 있다. 한편, 비교예 2에서는, 도시하지 않지만, 각 설정 온도에서 전기 저항률이 소로부터 대가 되도록 거리(D)를 나열하면, 그 순서는 설정 온도에 따라 변해 버렸다(저항률 온도 의존성의 역전 현상). 이러한 역전 현상이 일어나면, 웨이퍼(W)의 온도를 제어하는 것이 매우 번잡해지기 때문에, 바람직하지 않다.

또한, 실시예 1에서는 각 온도가 되도록 제어했을 때의 거리(D)의 저항률은 변동이 적었지만, 비교예 1에서는 그 변동이 컸다. 여기서, 설정 온도가 20℃일 때의 거리(D)와 저항의 관계를 도시하는 그래프를 도 7 및 도 8에 도시한다. 도 7은 실시예 1의 그래프, 도 8은 비교예 1의 그래프이다. 이들의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1에서는 20℃에서의 저항률은 거리(D)에 상관없이 대략 일정했지만(σ/Ave.=1.3×10^-2), 비교예 1에서는, 20℃에서의 저항률은 거리(D)에 따라 변동되고 있었다(σ/Ave.=3.4×10^-2). 또한 σ는 전체 측정 포인트의 표준 오차로, Ave는 평균값이다.

ㆍ균열성

비교예 1의 시험체를 진공 챔버 내에 설치하고, 미리 정한 기준점이 60℃가 되었을 때의 세라믹스 히터 표면의 온도 분포를 챔버 외부로부터 적외선 방사 온도계(IR 카메라)로 측정하였다. 얻어진 온도 분포로부터 온도의 최대값과 최소값의 차(△T)를 균열성의 지표로 하였다. 그 결과, 균열성(△T)은 3.0℃였다. 실험예 1의 균열성(△T)은, 비교예 1의 균열성(△T)의 값과 도 5, 6의 그래프로부터 계산에 의해 구한 바, 2.0℃였다. 이것으로부터, 실시예 1이 비교예 1에 비해 균열성의 점에서도 우수하다고 할 수 있다.

ㆍ색조

Lab 표색계의 명도 L*를 측정한 바, 실시예 1은 79.0, 비교예 1은 70.1이었다. 이것으로부터, 실시예 1이 비교예 1에 비해 하얗고 밝기 때문에 미관이 좋다.

또한, 전술한 제2 제조 순서(도 3 참조)에 의해, 실시예 1에 준하여 정전 척을 제작한 바, 실시예 1과 동등한 성능을 갖는 정전 척이 얻어졌다.

본 발명은, 반도체 제조 장치용 부재로서 이용할 수 있다.

1: 반도체 제조 장치용 부재, 10: 정전 척, 12: 알루미나 세라믹 기재, 12a: 웨이퍼 배치면, 14: 히터 전극, 16: 정전 전극, 18: 냉각판, 20: 냉매 통로, 51 내지 53: 제1 내지 제3 성형체, 61 내지 63: 제1 내지 제3 하소체, 71: 히터 전극 페이스트, 72: 정전 전극 페이스트, 81: 하소 페이스트, 82: 하소 페이스트, W: 웨이퍼.

Claims

세라믹 기재에 히터 전극이 매설된 세라믹 히터로서,
상기 히터 전극은, TiSi₂을 주성분으로 하고, 상기 세라믹 기재와 동일한 재료를 포함하는 것인 세라믹 히터.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 기재는, 불화마그네슘이 들어간 알루미나인 것인 세라믹 히터.
(a) 제1 및 제2 세라믹 성형체를, 각각 성형형(成形型)에 알루미나 분말, 소결 조제로서의 불화마그네슘, 용매, 분산제 및 겔화제를 포함하는 슬러리를 투입하고, 상기 성형형 내에서 상기 겔화제를 화학 반응시켜 상기 슬러리를 겔화시킨 후 이형함으로써 제작하는 공정과,
(b) 상기 제1 및 제2 세라믹 성형체를 건조한 후 탈지하고, 더 하소함으로써, 제1 및 제2 세라믹 하소체를 얻는 공정과,
(c) 상기 제1 및 제2 세라믹 하소체 중 어느 한 쪽 표면에, TiSi₂분말에 알루미나 분말을 첨가한 페이스트를 인쇄하는 공정과,
(d) 상기 인쇄된 페이스트를 사이에 두고 상기 제1 및 제2 세라믹 하소체를 중첩시킨 상태로 1120℃ 내지 1300℃에서 핫프레스 소성하는 공정
을 포함하는 것인 세라믹 히터의 제법.
(a) 제1 및 제2 세라믹 성형체를, 각각 성형형에 알루미나 분말, 소결 조제로서의 불화마그네슘, 용매, 분산제 및 겔화제를 포함하는 슬러리를 투입하고, 상기 성형형 내에서 상기 겔화제를 화학 반응시켜 상기 슬러리를 겔화시킨 후 이형함으로써 제작하는 공정과,
(b) 상기 제1 및 제2 세라믹 성형체 중 어느 한 쪽 표면에, TiSi₂분말에 알루미나 분말을 첨가한 페이스트를 인쇄하는 공정과,
(c) 상기 제1 및 제2 세라믹 성형체를 건조한 후 탈지하고, 더 하소함으로써, 제1 및 제2 세라믹 하소체를 얻는 공정과,
(d) 상기 페이스트가 인쇄되어 있던 부분을 사이에 두고 상기 제1 및 제2 세라믹 하소체를 중첩시킨 상태로 1120℃ 내지 1300℃에서 핫프레스 소성하는 공정
을 포함하는 것인 세라믹 히터의 제법.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 페이스트는 유기물을 함유하고, 상기 핫프레스 소성시의 금형은 탄소 재료제(製)인 것인 세라믹 히터의 제법.