KR20150066631A - 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법 및 이에 의해 제조된 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척 - Google Patents

플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법 및 이에 의해 제조된 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척 Download PDF

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황주연
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Abstract

본 발명은 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법 및 이에 의해 제조된 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척에 관한 것으로, 몸체를 형성하는 단계(단계 1); 상기 몸체 상면에 1차 절연층을 형성하는 단계(단계 2); 상기 1차 절연층에 Pattern을 형성하는 단계(단계 3); 상기 1차 절연층에 형성된 Pattern에 발열층을 형성하는 단계(단계 4); 상기 1차 절연층의 표면을 연마하는 단계(단계 5); 상기 1차 절연층 및 발열층 상면에 2차 절연층을 형성하는 단계(단계 6); 상기 2차 절연층 상면에 전극층을 형성하는 단계(단계 7); 및 상기 전극층 상면에 유전층을 형성하는 단계(단계 8); 를 포함하여 제조하는 것을 기술적 특징으로 하며, 냉각수가 흐를 수 있도록 구성된 금속 몸체에 대한 수리 또는 기능면 교체가 가능하여 재사용이 가능함으로 인해 반도체 제조장비에서 정전척에 대한 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

Description

플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법 및 이에 의해 제조된 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척{Manufacturing method of Temperature controllable Electrostatic chuck using Plasma Spray Coating Process and Temperature controllable Electrostatic chuck manufactured by the same}
본 발명은 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법 및 이에 의해 제조된 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 기판을 지지하며 기판의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있도록 하는 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법 및 이에 의해 제조된 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척에 관한 것이다.
반도체 장치를 제조하기 위한 가공 챔버 내부에는 반도체 기판을 고정시키기 위한 척(Chuck)이 구비된다.
상기 척(Chuck)의 사용 범위는 화학기상증착(Chemical vapor deposition, CVD), 식각, 스퍼터링, 이온 주입 공정 등과 같이 전반적인 반도체 기판 가공 공정으로 확대되고 있다.
상기와 같은 척(Chuck)은 반도체 기판을 기계적 방법으로 고정시키는 클램프와 진공을 이용하여 반도체 기판을 고정시키는 진공척 및 정전기력을 이용하여 반도체 기판을 고정시키는 정전척(Electrostatic chuck) 등이 있다.
최근에는 반도체 기판을 용이하게 고정시킬 수 있을 뿐만 아니라, 반도체 기판의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 온도 조절 수단을 제공하는 정전척이 주로 사용되고 있다.
상기 정전척의 제조방법은 아노다이징(anodizing) 방식과 세라믹 용사(thermal spray / plasma spray) 방식 및 세라믹 소결 방식으로 구분된다.
상기 아노다이징(anodizing) 방식의 정전척은 알루미늄 몸체를 아노다이징하여 유전층을 형성하는 방식으로 제조된다.
상기 세라믹 소결 방식의 정전척은 세라믹 분말을 플레이트 형태로 소결한 세라믹 플레이트를 금속 몸체에 부착하는 방식에 의해 제조된다.
상기 세라믹 용사 방식의 정전척은 금속 몸체에 세라믹 용사 코팅하여 절연층을 형성하고, 형성된 절연층 위에 금속 전극층을 용사코팅하고, 전극층 위에 세라믹 분말을 용사코팅하여 유전층을 형성하는 방식으로 제조된다.
상기 각각의 정전척들은 공통적으로 금속으로 제작된 몸체 위에 세라믹과 금속층으로 형성된 정전력 발생부가 결합된 형태를 가진다.
최근의 정전척들의 경우 보다 정밀한 온도 균일성 및 민감한 온도 조절이 요구되면서 정전척 자체에 정밀한 온도 조절을 위한 기능을 부여하기 위한 개발이 이루어지고 있다.
특히 세라믹 소결 방식이 적용된 정전척의 경우 금속 몸체 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 구성을 부여하고, 세라믹 소결체 내부에 발열기능을 부여하기 위하여 코일 형태의 발열체를 삽입하고 접합하는 형태로서 현재 실제 양산 공정에서 사용하고 있다.
이때 냉각수가 흐를 수 있도록 구성된 금속 몸체의 경우 매우 높은 제작비를 가진다.
일정 수명을 가지는 정전척의 특성상 수명이 다할 경우 세라믹 소결 방식으로 제작된 정전척은 구조적 특성과 제작방식에 따른 특성상 수리나 세라믹 기능면의 교체가 어려워 수명이 다한 정전척은 폐기되고 있다.
대한민국등록특허공보 제10-1272013호(2013.06.07.)에는 정전척 및 이를 갖는 기판 가공 장치가 개시되어 있다.
상기 정전척은 세라믹판에서 냉각가스를 순환시키는 냉각가스 순환라인과 세라믹판을 지지하는 몸체에서 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환라인을 통해 상기 세라믹판 상에 배치된 기판의 온도를 감소시키는 장점이 있지만, 발열장치가 포함되어 있지 않으며 재사용을 할 수 없는 문제가 있다.
KR 10-1272013 B1 2013.06.07.
본 발명의 목적은 온도조절이 가능한 세라믹 소결 방식의 정전척에 있어서 냉각수가 흐를 수 있도록 구성된 금속 몸체에 대한 수리 또는 기능면 교체가 가능하여 재사용이 가능하도록 하는 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법 및 이에 의해 제조된 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 수단을 제공한다.
본 발명은 몸체를 형성하는 단계(단계 1); 상기 몸체 상면에 1차 절연층을 형성하는 단계(단계 2); 상기 1차 절연층에 Pattern을 형성하는 단계(단계 3); 상기 1차 절연층에 형성된 Pattern에 발열층을 형성하는 단계(단계 4); 상기 1차 절연층의 표면을 연마하는 단계(단계 5); 상기 1차 절연층 및 발열층 상면에 2차 절연층을 형성하는 단계(단계 6); 상기 2차 절연층 상면에 전극층을 형성하는 단계(단계 7); 및 상기 전극층 상면에 유전층을 형성하는 단계(단계 8); 를 포함하는 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법을 제공한다.
상기 단계 1에서, 상기 몸체는 알루미늄(Al) 또는 SUS 중 어느 하나의 재질로 이루어지며, 상기 몸체 내부에 냉각수를 순환시킬 수 있는 냉각수 순환라인이 형성된다.
상기 단계 2는, 상기 몸체 상면에 세라믹 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 200~1,000㎛의 두께로 코팅한다.
상기 단계 3은, 발열층을 형성하기 위하여 상기 1차 절연층을 음각 가공하여 50~400㎛ 두께의 홈을 만든다.
상기 단계 4는, 상기 1차 절연층에 형성된 Pattern에 니켈크롬 합금 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 코팅한다.
상기 단계 6은, 상기 1차 절연층 및 발열층 상면에 세라믹 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 200~1,000㎛의 두께로 코팅한다.
상기 단계 7은, 상기 2차 절연층 상면에 금속 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 코팅하되, 상기 금속은 텅스텐, 몰리브덴 및 칼슘으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 금속을 사용할 수 있다.
상기 단계 8은, 상기 전극층 상면에 세라믹 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 50~500㎛의 두께로 코팅하되, 상기 1차 절연층 및 2차 절연층의 측면 부위까지 코팅한다.
상기 단계 8 이후에, 상기 1차 절연층, 2차 절연층 및 유전층 중 어느 하나 이상의 코팅층을 액상의 유기계 또는 무기계 실링액에 함침시키는 단계가 추가될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되는 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척을 제공한다.
본 발명에 따른 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척은 코팅된 세라믹층 및 금속층에 대해 연마 과정을 통해 특정 층까지의 제거가 용이하고 필요에 따라 재코팅을 통해 정전력을 부여하는 기능면의 재형성이 가능함으로, 정전척의 부분적 수리 또는 기능면 전체에 대한 교체가 가능하다.
상기 수리 및 기능면 교체의 방법을 통해 냉각수가 순환될 수 있도록 구성된 금속 몸체에 대한 반복적인 사용이 가능함으로 인해 반도체 제조장비에서 정전척에 대한 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 몸체의 단면도.
도 2는 몸체의 상면에 1차 절연층을 형성한 이후의 단면도.
도 3은 1차 절연층에 Pattern을 형성한 이후의 단면도.
도 4는 1차 절연층에 형성된 Pattern에 발열층을 형성한 이후의 단면도.
도 5는 1차 절연층의 표면을 연마한 이후의 단면도.
도 6은 1차 절연층 및 발열층 상면에 2차 절연층을 형성한 이후의 단면도.
도 7은 2차 절연층 상면에 전극층을 형성한 이후의 단면도.
도 8은 전극층 상면에 유전층을 형성한 이후의 단면도.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따른 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법을 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한다.
본 발명의 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법은,
몸체(10)를 형성하는 단계(단계 1);
상기 몸체(10) 상면에 1차 절연층(20)을 형성하는 단계(단계 2);
상기 1차 절연층(20)에 Pattern을 형성하는 단계(단계 3);
상기 1차 절연층(20)에 형성된 Pattern에 발열층(30)을 형성하는 단계(단계 4);
상기 1차 절연층(20)의 표면을 연마하는 단계(단계 5);
상기 1차 절연층(20) 및 발열층(30) 상면에 2차 절연층(40)을 형성하는 단계(단계 6);
상기 2차 절연층(40) 상면에 전극층(50)을 형성하는 단계(단계 7); 및
상기 전극층(50) 상면에 유전층(60)을 형성하는 단계(단계 8);
를 포함한다.
상기 단계 1에서, 상기 몸체(10)는 금속, 예를 들어 알루미늄(Al) 또는 SUS 재질로 이루어질 수 있다. 상기 몸체(10)는 정밀한 온도균일성을 가지기 위하여 내부에 냉각수를 순환시킬 수 있는 냉각수 순환라인(12)이 형성된다. (도 1 참조)
상기 단계 2는 상기 몸체(10) 상면에 세라믹 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 코팅하여 1차 절연층(20)을 형성하는 단계이다. 상기 1차 절연층(20)은 200~1,000㎛의 두께로 구성되는 것이 바람직하며, 200㎛미만의 두께로 구성되면 금속 몸체와의 절연특성이 낮아 전기적 안정성이 낮아질 수 있고, 1,000㎛초과의 두께로 구성되면 금속 몸체와 세라믹층과의 결합력이 저하될 수 있다. (도 2 참조)
상기 단계 3은 발열층(30)을 형성하기 위하여 상기 1차 절연층(20)을 일정한 간격으로 음각 가공하여 홈을 만드는 단계이다. 상기 홈의 두께는 50~400㎛인 것이 바람직하다. 상기 간격의 거리는 특별히 한정되지 아니한다. (도 3 참조)
상기 단계 4는 상기 1차 절연층(20)에 형성된 Pattern에 니켈크롬 합금 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 코팅하여 발열층(30)을 형성하는 단계이다. (도 4 참조)
상기 단계 5는 상기 1차 절연층(20)의 표면을 연마하는 단계이다. 상기 단계 4에서 플라즈마 스프레이 코팅시 니켈크롬 합금이 상기 1차 절연층(20)에 형성된 Pattern에 코팅될 뿐만 아니라, 상기 1차 절연층(20) 표면에도 코팅되므로, 상기 1차 절연층(20) 표면에 코팅된 니켈크롬 합금(32)을 연마 공정을 통하여 제거하여 1차 절연층(20)의 표면을 평평하게 하는 것이 바람직하다. (도 5 참조)
상기 단계 6은 상기 1차 절연층(20) 및 발열층(30) 상면에 세라믹 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 코팅하여 2차 절연층(40)을 형성하는 단계이다. 상기 2차 절연층(40)은 200~1,000㎛의 두께로 구성되는 것이 바람직하며, 200㎛미만의 두께로 구성되면 금속 발열층과 전극간의 전기적 안정성이 낮아질 수 있고, 1,000㎛초과의 두께로 구성되면 발열층과 세라믹층과의 결합력이 낮아질 수 있다. (도 6 참조)
상기 단계 7은 상기 2차 절연층(40) 상면에 금속 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 코팅하여 전극층(50)을 형성하는 단계이다. 상기 금속은 텅스텐, 몰리브덴 및 칼슘으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 단계 8은 상기 전극층(50) 상면에 세라믹 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 코팅하여 유전층(60)을 형성하되, 상기 1차 절연층(20) 및 2차 절연층(40)의 측면 부위까지 코팅하는 것이 바람직하다. 상기 유전층(60)은 50~500㎛의 두께로 구성되는 것이 바람직하며, 50㎛ 미만의 두께로 구성되면 전기적 안전성이 저하될 수 있고, 500㎛ 초과의 두께로 구성되면 정전력이 낮아질 수 있다. 상기 유전층(60)의 코팅시 상기 1차 절연층(20) 및 2차 절연층(40)의 측면도 코팅함으로 인해, 상기 1차 절연층(20) 및 2차 절연층(40)의 측면을 플라즈마에 의해 발생하는 이온 및 라디칼(radical)의 침투로 부터 보호할 수 있게 된다. 상기 유전층(60)의 상면에는 웨이퍼가 안착되게 된다.
상기 단계 8 이후에, 상기 1차 절연층(20), 2차 절연층(40) 및 유전층(60) 중 어느 하나 이상의 코팅층은 액상의 유기계 또는 무기계 실링액에 함침시키는 단계가 추가될 수 있으며, 실링 처리함으로써 세라믹 코팅층의 기공율을 최소화시킬 수 있다.
전원공급부 및 전원선은 정전척에서 일반적으로 사용되는 것이므로 자세한 설명을 생략한다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되는 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척을 제공한다.
본 발명에 따른 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척은 코팅된 세라믹층 및 금속층에 대해 연마 과정을 통해 특정 층까지의 제거가 용이하고 필요에 따라 재코팅을 통해 정전력을 부여하는 기능면의 재형성이 가능함으로, 정전척의 부분적 수리 또는 기능면 전체에 대한 교체가 가능하다.
상기 수리 및 기능면 교체의 방법을 통해 냉각수가 순환될 수 있도록 구성된 금속 몸체에 대한 반복적인 사용이 가능함으로 인해 반도체 제조장비에서 정전척에 대한 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
10 : 몸체 12 : 냉각수 순환라인
20 : 1차 절연층 30 : 발열층
32 : 1차 절연층 상면에 코팅된 니켈크롬 합금
40 : 2차 절연층 50 : 전극층
60 : 유전층

Claims (10)

  1. 몸체를 형성하는 단계(단계 1);
    상기 몸체 상면에 1차 절연층을 형성하는 단계(단계 2);
    상기 1차 절연층에 Pattern을 형성하는 단계(단계 3);
    상기 1차 절연층에 형성된 Pattern에 발열층을 형성하는 단계(단계 4);
    상기 1차 절연층의 표면을 연마하는 단계(단계 5);
    상기 1차 절연층 및 발열층 상면에 2차 절연층을 형성하는 단계(단계 6);
    상기 2차 절연층 상면에 전극층을 형성하는 단계(단계 7); 및
    상기 전극층 상면에 유전층을 형성하는 단계(단계 8);
    를 포함하는 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단계 1에서,
    상기 몸체는 알루미늄(Al) 또는 SUS 중 어느 하나의 재질로 이루어지며, 상기 몸체 내부에 냉각수를 순환시킬 수 있는 냉각수 순환라인이 형성되는 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 단계 2는,
    상기 몸체 상면에 세라믹 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 200~1,000㎛의 두께로 코팅하는, 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 단계 3은,
    발열층을 형성하기 위하여 상기 1차 절연층을 음각 가공하여 50~400㎛ 두께의 홈을 만드는 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 단계 4는,
    상기 1차 절연층에 형성된 Pattern에 니켈크롬 합금 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 코팅하는, 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 단계 6은,
    상기 1차 절연층 및 발열층 상면에 세라믹 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 200~1,000㎛의 두께로 코팅하는, 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 단계 7은,
    상기 2차 절연층 상면에 금속 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 코팅하되, 상기 금속은 텅스텐, 몰리브덴 및 칼슘으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 금속을 사용하는, 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 단계 8은,
    상기 전극층 상면에 세라믹 분말을 플라즈마 스프레이 방식을 이용하여 50~500㎛의 두께로 코팅하되, 상기 1차 절연층 및 2차 절연층의 측면 부위까지 코팅하는 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 단계 8 이후에,
    상기 1차 절연층, 2차 절연층 및 유전층 중 어느 하나 이상의 코팅층을 액상의 유기계 또는 무기계 실링액에 함침시키는 단계가 추가되는 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척의 제조방법.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조되는 플라즈마 스프레이 코팅 방식을 이용한 온도조절이 가능한 정전척.
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