KR20170013655A - 정전 척용 세라믹 조성물, 이를 이용한 정전 척 - Google Patents

정전 척용 세라믹 조성물, 이를 이용한 정전 척 Download PDF

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Abstract

본 개시의 일 실시 예에 따른 정전 척은 세라믹 분말 및 도전성 분말을 포함하는 세라믹 조성물로 형성된 세라믹층을 포함한다. 세라믹 층은 낮은 비저항을 가질 수 있으며, 이로 인해 정전 척의 정전 흡착력을 향상시킬 수 있다.

Description

정전 척용 세라믹 조성물, 이를 이용한 정전 척 {CERAMIC COMPOSITION FOR ELECTROSTATIC CHUCK AND ELECTROSTATIC CHUCK USING THE SAME}
본 개시는 정전 척용 세라믹 조성물 및 이를 이용한 정전 척에 관한 것이다.
반도체 제조 공정 진행 시, 반도체의 기판으로 이용되는 웨이퍼(wafer)의 고정이 필요하다. 이때, 정전 척(electrostatic chuck)을 이용하는데, 정전 척은 정전기의 힘을 사용해 공정시 웨이퍼를 고정해주는 부품이다.
정전 척의 원리는 정전 척에 양 또는 음의 전압을 인가시키면 대상물에는 반대의 전위인 음 또는 양의 전위가 대전되며, 이로 인해 서로 끌어 당기는 힘이 발생하는 원리로 대상물을 고정할 수 있다.
구체적으로, 정전 척은 척에 사용되는 척킹(chucking)용 기판의 전면에서 전기적인 힘에 의해 발생하는 쿨롱힘(coulomb force)와 존슨-라벡힘(Johnsen-rahbek force)를 이용하여 웨이퍼를 고정하게 된다.
상기 쿨롱힘과 존슨-라벡힘을 응용하기 위하여, 일반적으로 정전 척은 세라믹인 절연체 및 절연체 내부에 배치된 정전 흡착용 전극을 포함한다.
전극에 전압이 인가되면, 상기 전극은 정전 발생용 전극이 되며, 상기 절연체는 유전체로 작동한다. 상기 유전체 상에는 웨이퍼가 배치되며, 웨이퍼를 하나의 전하로 간주하고, 전극을 또 하나의 전하로 간주하여 전하들 사이에 절연체를 중간층으로 포함함으로써, 정전 흡착력이 발생한다.
정전 흡착력을 향상에 영향을 미치는 요인으로는 정전 척 내에 배치된 전극 및 웨이퍼 사이에 있는 절연체의 비저항이 있다. 세라믹을 포함하는 절연체의 경우, 세라믹의 비저항값이 높아 정전 흡착력을 높이는 한계가 있다.
따라서, 높은 정전 흡착력을 확보하기 위해서는 절연체의 비저항을 낮추는 것이 매우 중요한 실정이다.
하기 특허문헌 1은 세라믹 정전 척에 관한 발명이다.
한국공개특허공보 제2002-0031314호
한편, 세라믹 재료를 포함하는 정전 척은 비저항이 높아 정전 흡착력을 높이는데 한계가 있다.
본 개시의 여러 목적 중 하나는 낮은 비저항은 가지며, 정전 흡착력이 향상될 수 있는 정전 척용 세라믹 조성물 및 이를 이용한 정전 척을 제공하는 것이다.
본 개시를 통하여 제안하는 여러 해결 수단 중 하나는 정전 척의 세라믹 층에 도전성 분말을 포함하여, 세라믹 층의 비저항을 낮추며, 이를 통하여 정전 흡착력이 향상될 수 있도록 하는 것이다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 정전 척은 낮은 비저항을 가지며, 이로 인하여 정전 흡착력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 정전 척의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시에 대해 보다 상세히 설명한다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 개시의 정전 척용 세라믹 조성물에 대하여 설명한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 정전 척용 세라믹 조성물은 주성분인 세라믹 분말; 및 도전성 분말;을 포함한다.
상기 세라믹 분말은 Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2의 그룹에서 선택되는 적어도 1종일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나 알루미나(Al2O3)일 수 있다.
상기 도전성 분말은 니켈(Ni), 은(Ag) 및 금(Au) 중 적어도 하나 또는 이들의 합금일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나 은(Ag)일 수 있다.
상기 도전성 분말의 함량은 상기 주성분 100중량%에 대하여 2 내지 6 중량% 일 수 있다.
상기 도전성 분말의 함량이 2 중량% 미만이면 세라믹 조성물로 형성된 세라믹층의 비저항 값이 높아질 수 있으며, 상기 도전성 분말의 함량이 6 중량%를 초과하면 정전 척의 절연 파괴 전압이 감소하여 신뢰성이 낮아질 수 있다.
상기 도전성 분말의 입경은 1μm 이하일 수 있다.
상기 도전성 분말의 입경이 1μm 이하이면, 세라믹 층의 비저항이 감소하며, 이로 인해 정전 척의 정전 흡착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 도전성 분말이 미세화될수록 세라믹 층 및 전극 소결 후 치밀화 될 수 있어, 정전 척의 기계적 강도를 확보할 수 있다.
도전성 분말은 공기 중에서 소결이 가능하며 탈바인더 등이 용이한 재료이다. 세라믹 분말의 경우 대체로 소결 온도가 높으므로, 세라믹 분말과 도전성 분말을 동일한 온도에서 소결하게 되면, 도전성 분말의 경우 용융이 될 수 있다. 따라서, 소결시 은(Ag)이 용융되지 않으면서 세라믹이 소결되는 온도 범위에서 소결할 필요가 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 세라믹 조성물은 글라스를 더 포함한다.
상기 세라믹 조성물에 글라스를 포함하면, 세라믹 분말과 도전성 분말의 소성이 동시에 가능할 수 있다. 즉, 상기 세라믹 조성물은 저온 동시 소성 세라믹 조성물(low temperature co-fired ceramic; LTCC)일 수 있다.
상기 글라스의 함량은 상기 주성분 100중량%에 대하여 50 내지 90중량% 일 수 있다.
상기 글라스 함량이 50 내지 90중량% 이면, 상기 세라믹 분말과 상기 도전성 분말의 동시 소성이 가능할 수 있다.
이하, 본 개시의 정전 척에 대하여 설명한다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 정전 척의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 정전 척은 제1 세라믹 분말로 형성된 제1 세라믹층(10); 상기 제1 세라믹층(10) 상에 배치되며, 제1 도전성 분말로 형성된 전극(20); 및 상기 전극(20) 상에 배치되며, 제2 세라믹 분말 및 제2 도전성 분말을 포함하는 세라믹 조성물로 형성된 제2 세라믹층(30);을 포함한다.
상기 제1 세라믹층(10)은 정전 척에서 하부 베이스(미도시) 상에 배치될 수 있다.
즉, 본 개시의 정전 척은 하부 베이스(미도시), 제1 세라믹층(10), 전극(20) 및 제2 세라믹층(30)이 적층된 구조이다.
상기 제1 세라믹층(10)은 제1 세라믹 분말 및 글라스를 포함하는 세라믹 조성물로 형성될 수 있다.
상기 제2 세라믹 분말은 MgTiO3, SrTiO3, CaTiO3, Mg2SiO4, BaTi4O9, Al2O3, TiO2, SiO2, (Mg,Ti)2(BO4)O, ZrO2의 그룹에서 선택되는 적어도 1종일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나 알루미나(Al2O3)일 수 있다.
상기 전극(20)은 제1 도전성 분말을 포함할 수 있으며, 상기 제1 도전성 분말은 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag) 및 금(Au) 중 적어도 하나 또는 이들의 합금일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나 은(Ag)일 수 있다.
상기 전극(20)은 상기 제1 세라믹층(10) 및 상기 제2 세라믹층(20)의 사이에 배치될 수 있다.
상기 전극 중 외부로 인출되는 전극을 형성하기 위하여, 하부 베이스 및 제1 세라믹층의 중심에 관통홀(미도시)을 형성할 수 있다.
상기 관통홀(미도시) 상기 전극의 일부를 삽입하여 하나의 전극(20)으로 형성될 수 있다.
상기 제2 세라믹층(30)은 상기 전극 상에 배치되어, 전극에 전압인가시 정전 흡착력이 발생하는 역할을 할 수 있다.
상기 제2 세라믹층은 제2 세라믹 분말 및 제2 도전성 분말을 포함하는 세라믹 조성물로 형성될 수 있다.
상기 제2 세라믹 분말은 Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2의 그룹에서 선택되는 적어도 1종일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나 알루미나(Al2O3)일 수 있다. 상기 제2 세라믹 분말은 상기 제1 세라믹 분말과 동일한 재료일 수 있다.
상기 제2 도전성 분말은 니켈(Ni), 은(Ag) 및 금(Au) 중 적어도 하나 또는 이들의 합금일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나 은(Ag)일 수 있다. 상기 제2 도전성 분말은 상기 제1 도전성 분말과 동일한 재료일 수 있다.
상기 제2 도전성 분말은 제2 세라믹층의 비저항을 낮추기 위하여 포함된다.
상기 제2 도전성 분말을 포함함으로써, 상기 제2 세라믹층의 체적 비저항은 1*1011Ωcm 이하일 수 있다.
상기 제2 세라믹층 형성시 세라믹 조성물에 제2 도전성 분말을 포함하면, 제2 세라믹층의 비저항이 낮아지며, 이로 인해 정전 척의 정전 흡착력이 향상될 수 있다.
상기 제2 도전성 분말의 함량은 상기 제2 세라믹 분말 100중량%에 대하여 2 내지 6중량%일 수 있다.
상기 제2 도전성 분말의 함량이 2 중량% 미만이면, 제2 세라믹층의 비저항 값이 높아질 수 있다. 상기 제2 도전성 분말의 함량이 6 중량%를 초과하면, 비저항의 감소 효과가 미비하며, 정전 척의 절연 파괴 전압이 감소하여 신뢰성이 낮아질 수 있다.
상기 도전성 분말의 입경은 1μm 이하일 수 있다.
상기 도전성 분말의 입경이 1μm 이하이면, 세라믹 층의 비저항이 감소하며, 이로 인해 정전 척의 정전 흡착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 도전성 분말이 미세화될수록 세라믹 층 및 전극 소결 후 치밀화 될 수 있어, 정전 척의 기계적 강도를 확보할 수 있다.
상기 제2 세라믹층의 세라믹 조성물은 글라스를 더 포함할 수 있다.
상기 글라스의 함량은 상기 주성분 100중량%에 대하여 50 내지 90중량% 일 수 있다.
상기 글라스 함량이 50 내지 90중량% 이면, 상기 세라믹 분말과 상기 도전성 분말의 동시 소성이 가능할 수 있다.
상기 제2 세라믹층은 저온 동시 소성 세라믹 조성물로 형성될 수 있다.
상기 저온 동시 세라믹 조성물은 제2 도전성 분말과 동시 소성 가능한 비결정화 조성, 부분 결정화 조성, 완전 결정화 조성 등 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 저온 동시 세라믹 조성물이 부븐 결정화 조성 또는 완전 결정화 조성일 경우, 세라믹 조성물의 소결 전 및 중간 공정에서는 유리적 성질을 가지며 낮은 소결온도(900℃ 이하)에서 치밀화가 충분히 일어나는 반면, 소결 후에는 결정상으로 바뀌어 높은 기계적 강도 및 마모 특성을 가질 수 있다.
본 개시의 정전 척 제조시, 전극 및 제2 세라믹 분말 각각 형성하기 위한 조성물을 적층하고 소결시켜 전극 및 제2 세라믹층을 형성할 수 있다.
상기 제2 세라믹층의 제조시, 상기 제2 도전성 분말은 세라믹 조성물의 소결 온도에서 완전히 용융되어 글라스의 내부로 확산되는 것이 필요하다.
상기 제1 및 제2 도전성 분말의 입경은 소결온도 및 소결시간과 밀접하게 연관되어 있다.
일반적으로, 상대적으로 입경이 작은 것이 용융상태의 글라스와 접촉 면적이 넓으며 표면 활성 정도가 높아, 낮은 온도 및 짧은 시간에서 원하는 완전 고용 상태에 쉽게 이를 수 있다.
상기 제2 세라믹층의 제2 도전성 분말은 상기 전극의 제1 도전성 분말보다 상기 제2 세라믹층의 제2 도전성 분말보다 입경이 작을 수 있다.
상기 제1 도전성 분말의 입경을 d1이라 하고, 상기 제2 도전성 분말의 입경을 d2라 하면, 상기 d2는 d2≤0.5d1을 만족할 수 있다.
상기 d2≤0.5d1을 만족하면, 상기 제2 세라믹층과 상기 전극층의 치밀화를 향상시킬 수 있다.
(실시예)
하기 실시예는 본 개시의 일 실시예이며, 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
제2 도전성 분말을 포함하는 세라믹 조성물 및 제1 도전성 분말을 준비하고, 소결 공정을 통하여 제2 세라믹층 및 전극을 형성하였다.
상기 제2 세라믹층 및 전극 형성시, 소결 공정은 850℃의 온도에서 1시간 동안 진행하였다.
제1 도전성 분말의 입경은 d1, 제2 도전성 분말의 입경은 d2라 기재하였다.
하기 표 1은 제2 세라믹층의 제2 도전성 분말의 입경에 따른 제2 세라믹층의 비저항 및 정전 척의 절연 파괴 전압을 나타낸다.
구분 d1
(μm)		 d2
(μm)		 제2 도전성 분말의 함량
(중량%)		 전극의
비저항
(Ωcm)		 제2 세라믹층의 비저항
(Ωcm)		 절연파괴 전압
(V)
비교예 1 2.5 2.5 4 1.3 2.2*1012 ＞3000
비교예 2 2.5 1.5 4 1.3 1.3*1012 ＞3000
실시예 1 2.5 1 4 1.3 7.5*1011 ＞3000
실시예 2 2.5 0.5 4 1.3 3.5*1011 ＞3000
실시예 3 2.5 0.3 4 1.3 1.1*1011 ＞3000
실시예와 비교예를 비교하면, 제2 도전성 분말의 입경이 클수록 제2 세라믹층의 비저항이 낮아지는 것을 알 수 있으며, 비교예의 경우 실시예에 비하여 제2 세라믹층의 비저항이 높은 것을 알 수 있다.
실시예 1 내지 3은 제2 도전성 분말의 입경이 1μm이하임과 동시에 d2≤0.5d1을 만족하는 것으로, 낮은 비저항을 가지는 제2 세라믹층을 확보할 수 있어, 정전 척의 정전 흡착력을 향상시킬 수 있다.
하기 표 2는 제2 세라믹층의 제2 도전성 분말의 함량에 따른 제2 세라믹층의 비저항 및 정전 척의 절연 파괴 전압을 나타낸다.
구분 d1
(μm)		 d2
(μm)		 제2 도전성 분말의 함량
(중량%)		 전극의
비저항
(Ωcm)		 제2 세라믹층의 비저항
(Ωcm)		 절연파괴 전압
(Ωcm)
비교예 3 2.5 0.3 0 1.3 3.0*1012 ＞3000
실시예 4 2.5 0.3 2 1.3 3.5*1011 ＞3000
실시예 5 2.5 0.3 4 1.3 1.0*1011 ＞3000
실시예 6 2.5 0.3 6 1.3 6.2*1010 ＞3000
비교예 4 2.5 0.3 8 1.3 5.0*1010 2600
비교예 5 2.5 0.3 10 1.3 4.0*1010 1400
비교예 6 2.5 0.3 12 1.3 3.5*1010 900
실시예와 비교예를 비교하면, 제2 도전성 분말의 함량이 증가함에 따라 제2 세라믹층의 비저항이 감소하는 것을 알 수 있으며, 비교예 3의 경우 실시예 4 내지 6에 비하여 제2 세라믹층의 비저항이 높은 것을 알 수 있다.
비교예 4 내지 6은 실시예4 내지 6에 비하여 제2 세라믹층의 비저항이 낮으나, 절연 파괴 전압이 낮아 정전 척의 신뢰성이 문제될 수 있다.
따라서, 제2 도전성 분말의 함량은 2 내지 6 중량%를 만족하는 것이 바람직하며, 이를 통하여 제2 세라믹층의 비저항이 낮아지므로 정전 척의 정전 흡착력을 향상시킬 수 있으며, 절연 파괴 전압을 확보할 수 있어 정전 척의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 개시는 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 제한되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 제한하고자 한다.
따라서, 청구범위에 기재된 본 개시의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 개시의 범위에 속한다고 할 것이다.
10: 제1 세라믹층
20: 전극
30: 제2 세라믹층

Claims (16)

  1. 주성분인 세라믹 분말; 및
    도전성 분말;을 포함하는 정전 척용 세라믹 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 분말의 함량은 상기 주성분 100 중량%에 대하여 2 내지 6 중량%인 정전 척용 세라믹 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 분말의 입경은 1μm 이하인 정전 척용 세라믹 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 분말은 은(Ag)인 정전 척용 세라믹 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 분말은 알루미나인 정전 척용 세라믹 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 조성물은 글라스;를 더 포함하는 정전 척용 세라믹 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 글라스의 함량은 상기 주성분 100 중량%에 대하여 50 내지 90중량%인 정전 척용 세라믹 조성물.
  8. 제1 세라믹 분말로 형성된 제1 세라믹층;
    상기 제1 세라믹층 상에 배치되며, 제1 도전성 분말로 형성된 전극; 및
    상기 전극 상에 배치되며, 제2 세라믹 분말 및 제2 도전성 분말을 포함하는 세라믹 조성물로 형성된 제2 세라믹층;을 포함하는 정전 척.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 도전성 분말의 함량은 상기 제2 세라믹 분말 100 중량%에 대하여 2 내지 6 중량%인 정전 척.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 도전성 분말의 입경을 d1이라 하고, 상기 제2 도전성 분말의 입경을 d2라 하면, 상기 d2는 d2≤0.5d1을 만족하는 정전 척.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제2 도전성 분말의 입경은 1μm 이하인 정전 척.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 도전성 분말은 은(Ag)인 정전 척.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 세라믹 분말은 알루미나인 정전 척.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 세라믹 조성물은 글라스를 더 포함하는 정전 척.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 글라스의 함량은 상기 제2 세라믹 분말 100 중량%에 대하여 50 내지 90중량%인 정전 척.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 세라믹 조성물은 저온 동시 소성 세라믹 조성물인 정전 척.
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