KR20150111147A - 하이브리드 정전척 및 그 제조방법 - Google Patents

하이브리드 정전척 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

알루미나(Al2O3)를 포함하며, 그 상에 기판이 안착될 수 있는, 상부 구조체; 및 티타늄(Ti) 또는 티타늄 합금을 포함하며, 상기 상부 구조체 상에 필러를 개재하여 브레이징 접합되며, 상기 기판을 냉각하는 유체가 흐를 수 있는 유로를 구비하는 하부 구조체;를 포함하고, 상기 하부 구조체는 적어도 둘 이상의 열전도층이 서로 브레이징 접합되는, 하이브리드 정전척 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

하이브리드 정전척 및 그 제조방법{The hybrid ESC and method of fabricating the same}
본 발명은 반도체 기판용 정전척 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 하이브리드 정전척 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 반도체 소자의 집적도 상승에 따른 칩의 미세패턴 및 선폭 구현을 위해 안정적이고 고기능성 정전척(electrostatic chuck, ESC)의 필요성이 높아지고 있다.
특히, 고출력, 고밀도의 플라즈마로 공정수율 및 반도체 소자 제조 공정시간을 단축시켜, 생산성 향상을 위한 노력이 계속되고 있다. 고온에 지속적으로 노출되고, 반응 가스에 의한 부식성 등 가혹한 공정 환경에 대한 내구성이 뛰어난 반도체 웨이퍼용 정전척 개발이 요구되어지고 있다.
이를 해결하기 위해, 열팽창 계수를 고려해, 금속바디에 실리콘계 접착제를 이용해 접착한 세라믹시트를 정전척으로 사용하고 있다. 그러나 이러한 실리콘 접착제의 경우 열전도성이 떨어지는 문제점으로 인하여 웨이퍼 및 정적척의 방열이 효과적이지 않다. 그로 인해, 정전척의 기능저하가 발생하고, 부식성 가스에 의한 정전척 접착부의 내구성이 문제가 되고 있다.
한국공개특허 제 2012-0120373호 (2012.11.01)
현재 안정적인 웨이퍼 온도 및 미세선폭을 달성하기 위해, 정전척 부품의 금속바디와 세라믹시트와의 실리콘접착제를 대체 가능한 재료의 요구가 증가하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 열방출 효과를 최대화 할 수 있는 구조를 포함하는 하이브리드 정전척 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 알루미나(Al2O3)를 포함하며, 그 상에 기판이 안착될 수 있는, 상부 구조체; 및 티타늄(Ti) 또는 티타늄 합금을 포함하며, 상기 상부 구조체 상에 필러를 개재하여 브레이징 접합되며, 상기 기판을 냉각하는 유체가 흐를 수 있는 유로를 구비하는 하부 구조체;를 포함하고, 상기 하부 구조체는 적어도 둘 이상의 열전도층이 서로 브레이징 접합될 수 있다.
또한, 상기 하부 구조체는 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금을 이용하여 캐닝함으로서 상기 하부 구조체를 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 감싸고 있는 구조를 포함할 수 있다.
상기 하부 구조체는 기판의 온도조절을 위한 시스히터를 구비하고, 상기 하부 구조체는 적어도 둘 이상의 열전도층이 서로 브레이징 접합할 수 있다.
상기 필러는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 알루미늄(Al)계열 필러메탈 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 알루미늄계열 필러메탈을 사용하여 브레이징 접합 시에는 상기 상부 구조체 상에 몰리브덴-망간 메탈라이징층을 추가로 개재하여 브레이징 접합할 수 있다.
또한, 상기 유로는 냉각유로 또는 가스유로를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 적어도 둘 이상의 열전도층을 준비하는 단계; 상기 적어도 둘 이상의 열전도층 내에 유체가 흐를 수 있는 유로를 형성하는 단계; 상기 적어도 둘 이상의 열전도층을 브레이징 접합하여 하부 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 하부 구조체 상에 필러를 개재하여 상부 구조체와 브레이징 접합하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제조 방법에 있어서, 상기 브레이징 접합하는 단계는 상기 하부 구조체와 상기 상부 구조체 사이에 필러(filler)를 개재하여 상기 필러를 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속바디와 세라믹시트를 직접 접합하여 접착력이 우수하고, 저가격으로 방열효과를 최대화할 수 있는 구조를 가지는 하이브리드 정전척을 제조할 수 있다.
또한, 반도체 공정 중 웨이퍼의 온도를 균일하게 유지시켜, 우수한 미세선폭을 구현할 수 있는 하이브리드 정전척 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 정전척을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 정전척을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 정전척의 구성 요소들을 분리한 분해도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 정전척의 제조방법을 개략적으로 나타내는 공정순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 하이브리드 정전척을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 하이브리드 정전척의 하부 구조체를 알루미늄 캐닝부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 정전척 샘플을 나타낸 도면들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
일반적으로 정전척의 경우, 정전기력 및 방열특성이 우수한 질화알루미늄(AlN)을 사용한다. 그러나, 질화알루미늄은 고가의 재료로써 반도체 칩의 단가를 상승시키는 요인이 된다.
알루미나가 이를 대체되어 사용되지만 방열특성이 좋지 않아 금속물질을 접합하여 사용한다. 알루미나와 금속물질간 열팽창계수의 차이에 의해 실리콘 접착제를 이용하나 실리콘 접착제의 열전도성이 떨어지는 문제로 인해 정전척의 기능저하가 발생한다.
이를 해결하기 위해 본 발명에 의하면, 종래의 공정과 다른 하이브리드 정전척 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 정전척을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 정전척을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 하이브리드 정전척(1)은 상부 구조체(30) 및 상부 구조체(30)와 브레이징 접합되는 하부 구조체(20)를 포함한다. 상부 구조체는 알루미나(Al2O3)를 포함하며, 그 상에 기판이 안착될 수 있다. 하이브리드 정전척(1)을 위에서 바라봤을 때, 정사각형 또는 원형일 수 있다. 상기 기판은 반도체나 디스플레이 제품을 형성하기 위한 기판을 포함하며, 예를 들어, 실리콘기판이나 글래스기판 등을 포함할 수 있다.
하부 구조체(20)는 티타늄(Ti) 또는 티타늄 합금을 포함할 수 있으며, 상기 기판을 냉각하는 유체가 흐를 수 있는 냉각유로(13) 및 가스유로(14)를 내장할 수 있다. 도 1에서 유로(13, 14)를 원통형의 형상으로 도시하였으나, 반드시 원통형일 필요는 없다. 적용되는 유체에 따라 직육면체 형상일 수 있다.
하부 구조체(20)는 냉각유로(13) 및 가스유로(14)가 형성되어야 때문에 열전도층을 2단 또는 3단의 기계가공 후 브레이징법으로 완전히 접합해야 한다. 일 실시예에서는 열전도층을 제 1 열전도층(10), 제 2 열전도층(11) 및 제 3 열전도층(12)의 3단으로 가공하여 도시하였다. 그러나, 열전도층은 냉각유로(13) 및 가스유로(14)의 설계에 따라 단층으로 구성될 수도 있으며, 형상도 변형될 수 있다.
또한, 티타늄 또는 티타늄 합금으로 형성된 하부 구조체(20)는 어느 하나의 축을 중심으로 회전을 할 수 있도록 설계될 수도 있다. 이 때, 기판의 온도조절을 할 수 있는 히터를 구비할 수 있다.
예를 들어, 히터는 시스히터를 사용할 수 있다. 시스히터는 금속보호관에 발열체를 코일 모양으로 내장한 뒤 절연분말로 채워 전기 절연한 것이다. 시스히터의 양 끝에 전원용 단자가 있다. 시스히터는 열효율이 좋아 매우 경제적인 효과를 얻을 수 있다. 또, 진동 및 충격 등과 같은 기계적 강도가 우수하고, 설치하고자 하는 장소에 따라 다양한 형태로 가공하기가 쉬워 설치가 용이한 장점이 있다.
상부 구조체(30)와 하부 구조체(20)는 필러(filler)(25)를 개재하여 서로 브레이징 접합된다. 브레이징 접합되는 부분은 브레이징 접합에 사용되는 필러(25)와 상부 구조체(30) 및 하부 구조체(20) 중 적어도 일부가 용융 확산되는 하이브리드 접합으로 이해될 수 있으며, 도면에서는 명시적으로 도시하였으나, 실제로 구현된 구조체에서는 상부 구조체(30) 및/또는 하부 구조체(20)와 명확하게 구분되지 않을 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예들에 의한 하이브리드 정전척(1)의 제조방법을 설명하고자 한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 정전척의 구성 요소들을 분리한 분해도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 정전척의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 정전척(1)은 적어도 둘 이상의 열전도층을 준비하는 단계(S10)를 포함할 수 있다. 상부 구조체(30)와 하부 구조체(20)의 열팽창계수 차이는 하이브리드 정전척의 열응력에 영향을 미치는 중요한 인자이다. 그러므로 상부 구조체(30)를 구성하는 알루미나와 하부구조체(20)를 구성하는 열전도층의 열팽창계수의 차이를 최소화하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 열전도층으로 티타늄 또는 티타늄 합금을 사용할 수 있다. 티타늄 또는 티타늄 합금의 열팽창계수는 8~10ppm으로 알루미나의 열팽창계수와 유사하다. 따라서, 티타늄 및 알루미나를 직접 접합시 열팽창계수 차이로 인한 열응력 발생 가능성은 매우 적다.
준비된 열전도층 내에 유로(13, 14)를 형성하는 단계(S20)를 포함할 수 있다. 냉각유로(13) 및 가스유로(14)를 쉽게 형성하기 위해서 열전도층을 예를 들어, 제 1 열전도층(10), 제 2 열전도층(11) 및 제 3 열전도층(12)으로 나누어 가공할 수 있다. 또한, 열전도층을 단층 또는 2단을 사용하여 일 실시예와 다른 형상의 냉각 구조체를 구비할 수 있다.
제 1 열전도층(10), 제 2 열전도층(11) 및 제 3 열전도층(12)에 각각 냉각유로(13) 및 가스유로(14)를 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 유로(13, 14)를 각각 맞닿게 조립한다.
순차적으로 조립된 열전도층을 각각 브레이징 접합하여 유로(13, 14)가 밀폐된 하부 구조체(20)를 형성하는 단계(S30)를 포함할 수 있다. 냉각유로(13) 및 가스유로(14)를 가공 한 후, 가공된 제 1 열전도층(10), 제 2 열전도층(11) 및 제 3 열전도층(12)을 브레이징법을 이용해 완전히 접합해 각 유로(13, 14)를 밀폐해야 한다.
마지막으로 하부 구조체(20) 상에 필러(25)를 개재하여 상부 구조체(30)와 브레이징 접합하는 단계(S40)를 포함할 수 있다. 여기에서, 필러(25)는 예를 들어, 티타늄, 지르코늄 및 알루미늄계열 필러메탈 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
종래의 브레이징용 필러(25)의 경우, 필러(25)의 융점을 낮추기 위해 구리(Cu)원소가 다량 첨가되어 있다. 그러나, 이러한 구리원소의 경우, 반도체공정 중 가스 분위기에서 쉽게 반응하여 오염물질로 생성될 수 있다.
따라서, 하부 구조체(20)와 상부 구조체(30) 사이에 구리원소가 포함되지 않은 필러(25)를 개재하여 열처리함으로써 하이브리드 정전척(1)이 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 하이브리드 정전척을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 하부 구조체(20)와 상부 구조체(30) 사이에 필러(25) 및 메탈라이징층(26)을 개재하여 브레이징 접합되는 하이브리드 정전척(1)을 도시하고 있다. 하부 구조체(20)와 상부 구조체(30)에 대한 구체적인 설명은 도 1을 참조하여 상술한 내용과 동일하므로 여기에서는 생략한다.
상기 브레이징 접합하는 단계에서, 티타늄계 필러메탈 대신에 알루미늄계 필러메탈을 사용할 경우, 상부 구조체(30)는 하부 구조체(20)와 대향하는 면 상에 몰리브덴(Mo)-망간(Mn) 메탈라이징층(26)을 개재하여 하부 구조체(20)와 접합될 수 있다. 이는 접합 계면에서의 열전도율 저하 및 고온 환경에서 응력증가에 의한 접합부분의 크랙 및 탈착을 예방한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 하이브리드 정전척의 하부 구조체를 알루미늄 캐닝부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6에 의하면, 도 1 및 도 2를 참조하여 상술한 하부 구조체(20)를 제조한 후 알루미나와 같은 세라믹 재질로 코팅하기 위해 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 이용하여 캐닝할 수 있다. 티타늄 또는 티타늄 합금으로 형성된 하부 구조체(20)를 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 감싸는 구조로 캐닝부(40)가 형성될 수 있다. 캐닝부(40)는 티타늄으로 형성된 하부 구조체(20)의 표면에 예를 들어, 아노다이징법을 이용하여 알루미나를 쉽게 코팅할 수 있도록 도움을 준다. 따라서, 캐닝부(40)는 하부 구조체(20)와 상부 구조체(30)를 균일하게 접합이 잘되도록 도움을 줄 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 정전척 샘플을 나타낸 도면들이다.
도 7a는 하부 구조체(20) 샘플을 나타낸 도면이다. 하부 구조체(20)는 티타늄으로 형성되었으며, 원형으로 형성되어 있다. 하부 구조체의 상부를 관통한 홀이 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 상기 유로는 그 용도에 따라 직경 및 갯수가 다르게 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
도 7b는 하부 구조체(20) 샘플을 캐닝한 것을 나타낸 도면이다. 하부 구조체의 형상을 따라 원형으로 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 알루미늄 캐닝부(40)로 도 7a와 같은 하부 구조체(20)를 감싸고 있는 샘플이다. 알루미늄으로 하부 구조체(20)를 감싸고 있어, 기존에 형성되어 있던 유로는 보이지 않음을 확인할 수 있다.
도 7c는 티타늄 하부 구조체(20)와 상부 구조체(30)가 접합된 하이브리드 정전척 샘플을 나타낸 도면이다. 상부 구조체 역시 원형으로 설계되어 있으며, 샘플의 상면으로써, 홀이 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 이 홀은 하부 구조체(20)의 유로(13, 14)와 연결된다. 추후 가공이 최종 완료되면 홀은 보이지 않을 수도 있다.
즉, 본 발명의 실시예들에 의하면, 알루미나와 접합되는 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함한 열전도층 사이에 구리원소가 포함되지 않은 브레이징 필러(25)를 개재하여 하이브리드 정전척(1)을 제조할 수 있다. 제조된 하이브리드 정전척(1)은 브레이징 접합에 의해 양호한 접합 계면을 가질 수 있다. 또한, 급격한 온도 변화에서도 내구성을 가지며, 열방출 효과를 최대화 할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1 : 하이브리드 정전척 10 : 제 1 열전도층
11 : 제 2 열전도층 12: 제 3 열전도층
13 : 냉각유로 14 : 가스유로
20 : 하부 구조체 25 : 필러
26 : 메탈라이징층 30 : 상부 구조체
40 : 캐닝부

Claims (8)

  1. 알루미나(Al2O3)를 포함하며, 그 상에 기판이 안착될 수 있는, 상부 구조체; 및
    티타늄(Ti) 또는 티타늄 합금을 포함하며, 상기 상부 구조체 상에 필러를 개재하여 브레이징 접합되며, 상기 기판을 냉각하는 유체가 흐를 수 있는 유로를 구비하는 하부 구조체;를 포함하고,
    상기 하부 구조체는 적어도 둘 이상의 열전도층이 서로 브레이징 접합되는,
    하이브리드 정전척.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 구조체는 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금을 이용하여 캐닝함으로서 상기 하부 구조체를 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 감싸고 있는 구조를 포함하는, 하이브리드 정전척.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 구조체는 기판의 온도조절을 위한 시스히터를 구비하고, 상기 하부 구조체는 적어도 둘 이상의 열전도층이 서로 브레이징 접합되는, 하이브리드 정전척.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 필러는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 알루미늄(Al)계열 필러메탈 중 어느 하나 이상을 포함하는, 하이브리드 정전척.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 알루미늄계열 필러메탈을 사용하여 브레이징 접합 시에는 상기 상부 구조체 상에 몰리브덴-망간 메탈라이징층을 추가로 개재하여 브레이징 접합되는, 하이브리드 정전척.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유로는 냉각유로 또는 가스유로를 포함하는, 하이브리드 정전척.
  7. 적어도 둘 이상의 열전도층을 준비하는 단계;
    상기 적어도 둘 이상의 열전도층 내에 유체가 흐를 수 있는 유로를 형성하는 단계;
    상기 적어도 둘 이상의 열전도층을 브레이징 접합하여 하부 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 하부 구조체 상에 필러를 개재하여 상부 구조체와 브레이징 접합하는 단계;를 포함하는
    하이브리드 정전척 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 브레이징 접합하는 단계는 상기 하부 구조체와 상기 상부 구조체 사이에 필러(filler)를 개재하여 상기 필러를 열처리하는 단계를 포함하는, 하이브리드 정전척 제조방법.
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