KR20170036795A - 샤프트 단부 부착 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 샤프트 단부 부착 구조는, 웨이퍼가 배치되는 세라믹 플레이트(12)와 일체화된 중공 세라믹 샤프트(20)의 단부를 챔버(100)의 바닥판(102)에 형성한 관통 구멍(104)의 둘레 가장자리에 기밀하게 부착하기 위한 구조이다. 중공 세라믹 샤프트(20)의 단부면에는, 금속층(28)을 통해, 금속 재료제 또는 금속-세라믹 복합 재료제의 링부재(26)가 기밀하게 접합된다. 볼트(32)는, 메탈 시일(30)을 통해 링부재(26)를 관통 구멍(104)의 둘레 가장자리에 배치한 상태에서 바닥판(102) 및 메탈 시일(30)을 관통하고, 링부재(26)를 바닥판(102)으로 끌어당겨 체결한다.

Description

샤프트 단부 부착 구조{MOUNTING STRUCTURE FOR SHAFT END}
본 발명은 샤프트 단부 부착 구조에 관한 것이다.
웨이퍼가 배치되는 세라믹 플레이트와 중공 세라믹 샤프트가 일체화된 반도체 제조 장치용 부재가 알려져 있다(예컨대 특허문헌 1).
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2003-272805호 공보
그런데, 이러한 반도체 제조 장치용 부재의 중공 세라믹 샤프트의 단부를 챔버의 바닥판에 형성한 관통 구멍의 둘레 가장자리에 기밀하게 부착하는 샤프트 단부 부착 구조로서, 도 4에 나타내는 것이 알려져 있다. 이 부착 구조에서는, 챔버(100)의 바닥판(102)에 형성한 관통 구멍(104)의 둘레 가장자리에, 링형의 메탈 시일(106)을 통해 중공 세라믹 샤프트(108)의 플랜지(110)가 배치된다. 중공 세라믹 샤프트(108)는, 세라믹 플레이트(112)와 일체화되어 세라믹 히터(114)를 구성하고 있다. 단면이 역L자인 하프 링을 2개 합쳐서 링형으로 한 클램프(116)는, 중공 세라믹 샤프트(108)의 플랜지(110)를 위로부터 누르고 있다. 볼트(118)는, 클램프(116)의 상면으로부터 클램프(116)를 관통하여 챔버(100)의 바닥판(102)에 나사 결합되어 있다. 이렇게 함으로써, 챔버(100)의 내부 공간(S1)과 중공 세라믹 샤프트(108)의 내부 공간(S2)은 기밀하게 분리된 상태가 된다. 그 때문에, 챔버(100)의 내부 공간(S1)을 진공 분위기로 하고, 그 내부 공간(S1)과 중공 세라믹 샤프트(108)의 내부 공간(S2)을 절연할 수 있다.
그러나, 도 4의 부착 구조에서는, 클램프(116)와 챔버(100)의 바닥판(102) 사이에 중공 세라믹 샤프트(108)의 플랜지(110)가 끼워지기 때문에, 볼트(118)를 지나치게 강하게 체결하면 중공 세라믹 샤프트(108)가 깨져 버릴 우려가 있었다. 한편, 중공 세라믹 샤프트(108)가 깨지는 것을 회피하고자 하면, 볼트(118)의 체결이 느슨해지는 경우가 있고, 메탈 시일(106)이 충분히 기능하지 않아, 챔버(100)의 내부 공간(S1)과 중공 세라믹 샤프트(108)의 내부 공간(S2)을 기밀하게 분리할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 전술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 중공 세라믹 샤프트를 파손하지 않고, 챔버의 내부 공간과 중공 세라믹 샤프트의 내부 공간을 충분히 기밀하게 분리하는 것을 주목적으로 한다.
본 발명의 샤프트 단부 부착 구조는,
웨이퍼가 배치되는 세라믹 플레이트와 일체화된 중공 세라믹 샤프트의 단부를 챔버의 바닥판에 형성한 관통 구멍의 둘레 가장자리에 기밀하게 부착하는 샤프트 단부 부착 구조로서,
상기 중공 세라믹 샤프트의 단부면에 금속층을 통해 기밀하게 접합되는 금속 재료제 또는 금속-세라믹 복합 재료제의 링부재와,
시일층을 통해 상기 링부재를 상기 챔버의 바닥판에 형성한 관통 구멍의 둘레 가장자리에 배치한 상태에서 상기 바닥판 및 상기 시일층을 관통하고 상기 링부재를 상기 바닥판으로 끌어당겨 체결하는 체결 부재
를 구비하는 것이다.
이 샤프트 단부 부착 구조에서는, 중공 세라믹 샤프트는 링부재와 금속층을 통해 챔버와 기밀하게 접합된다. 링부재는 시일층을 통해 챔버의 바닥판에 형성한 관통 구멍의 둘레 가장자리에 배치되고, 체결 부재는 바닥판 및 시일층을 관통하고 링부재를 바닥판으로 끌어당겨 체결된다. 링부재는, 금속 재료제 또는 금속-세라믹 복합 재료제이며, 세라믹과 비교해서 강도가 높다. 이 때문에, 체결 부재를 강하게 체결하면, 링부재가 시일층을 통해 챔버의 바닥판의 상면으로 끌어당겨지지만 링부재를 파손할 우려는 없고, 중공 세라믹 샤프트가 체결되지도 않는다. 따라서, 체결 부재를 강하게 체결했다 하더라도 중공 세라믹 샤프트를 파손해 버릴 우려는 없다. 또한, 체결 부재를 강하게 체결할 수 있기 때문에, 메탈 시일의 시일성을 충분히 얻을 수 있다. 따라서, 챔버의 내부 공간과 중공 세라믹 샤프트의 내부 공간을 충분히 기밀하게 분리할 수 있다.
본 발명의 샤프트 단부 부착 구조에 있어서, 상기 체결 부재는, 상기 바닥판의 하면으로부터 상기 바닥판 및 상기 시일층을 관통하여 상기 링부재의 볼트 구멍에 나사 결합되는 볼트이어도 좋다.
본 발명의 샤프트 단부 부착 구조에 있어서, 상기 중공 세라믹 샤프트는 AlN제이고, 상기 링부재는 Mo제, W제 또는 FeNiCo계 합금제(예컨대 코바르(등록상표) 등)인 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 링부재의 열팽창 계수가 세라믹의 열팽창 계수에 가까워지기 때문에, 가열ㆍ냉각이 반복되었다 하더라도 열팽창차에 의해 링부재와 중공 세라믹 샤프트의 접합 파괴가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 샤프트 단부 부착 구조에 있어서, 상기 금속층은, Al층 또는 Al 합금층(예컨대 Al-Si-Mg계 합금층이나 Al-Mg계 합금층 등)인 것이 바람직하다. 이렇게 하면, TCB(Thermal compression bonding)을 채용할 수 있기 때문에, 금속층 중에 핀홀이 생기기 어려워, 금속층의 시일성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 샤프트 단부 부착 구조의 일례를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 샤프트 단부 부착 구조의 다른 예를 나타내는 단면도.
도 3은 샤프트 단부로부터의 He 누설량을 측정하는 방법을 나타내는 설명도.
도 4는 종래의 샤프트 단부 부착 구조의 일례를 나타내는 단면도.
다음으로, 본 발명의 샤프트 단부 부착 구조의 일례를 도 1을 이용하여 이하에 설명한다. 도 1은, 본 발명의 샤프트 단부 부착 구조의 일례를 나타내는 단면도이며, 구체적으로는, 챔버(100)의 내부에 부착되는 세라믹 히터(10)의 단면도이다.
세라믹 히터(10)는, 웨이퍼(W)를 가열하기 위해서 이용되는 것이며, 반도체 프로세스용의 챔버(100)의 내부에 부착된다. 이 세라믹 히터(10)는, 웨이퍼(W)가 배치될 수 있는 웨이퍼 배치면(12a)을 갖는 세라믹 플레이트(12)와, 세라믹 플레이트(12)의 웨이퍼 배치면(12a)과는 반대측의 면(이면)(12b)에 접합되는 중공 세라믹 샤프트(20)를 구비한다.
세라믹 플레이트(12)는, AlN을 주성분으로 하는 원판형의 부재이다. 이 세라믹 플레이트(12)에는, 히터 전극(14)과 RF 전극(16)이 매설된다. 히터 전극(14)은, Mo를 주성분으로 하는 코일을 세라믹 플레이트(12)의 전면(全面)에 걸쳐 끊지 않고 한번에 설치하는 요령으로 배선한 것이다. 이 히터 전극(14)의 일단에는 +극의 히터 단자 막대(14a)가 접속되고, 타단에는 -극의 히터 단자 막대(14b)가 접속된다. RF 전극(16)은, 세라믹 플레이트(12)보다 약간 직경이 작은 원반형의 박층 전극이며, Mo를 주성분으로 하는 가는 금속선을 메쉬형으로 짜서 시트형으로 한 메쉬로 형성된다. 이 RF 전극(16)은, 세라믹 플레이트(12) 중 히터 전극(14)과 웨이퍼 배치면(12a) 사이에 매설된다. 또한, RF 전극(16)의 대략 중앙에는 RF 단자 막대(16a)가 접속된다.
중공 세라믹 샤프트(20)는, AlN으로 하는 원통형의 부재이며, 상부 개구의 주위에 제1 플랜지(22), 하부 개구의 주위에 제2 플랜지(24)를 갖는다. 제1 플랜지(22)의 단부면은, 세라믹 플레이트(12)의 이면(12b)에 TCB에 의해 접합된다. 제2 플랜지(24)의 단부면은, Mo제의 링부재(26)에 TCB에 의해 접합된다. TCB란, 접합 대상인 2개의 부재 사이에 금속 접합재를 끼워 넣고, 금속 접합재의 고상선 온도 이하의 온도로 가열한 상태에서 2개의 부재를 가압 접합하는 방법을 말한다. 금속 접합재로는, Al-Si-Mg계 접합재나 Al-Mg계 접합재 등과 같은 Al과 Mg를 함유하는 Al 합금 접합재 등을 들 수 있다. 예컨대, Al-Si-Mg계 접합재로서, 88.5 질량%의 Al, 10 질량%의 Si, 1.5 질량%의 Mg를 함유하고, 고상 온도가 약 560℃, 액상 온도가 약 590℃인 접합재를 이용하는 경우, TCB는 고상 온도 이하(예컨대 약 520∼550℃)로 가열한 상태에서 20∼140 kg/㎟, 바람직하게는 30∼60 kg/㎟의 압력으로 3∼6시간 가압하여 행해진다. 제2 플랜지(24)의 단부면과 링부재(26) 사이에는, TCB에서 이용한 금속 접합재에서 유래하는 금속층(28)이 형성된다. 금속층(28)은 TCB로 형성되기 때문에, 핀홀이 생기기 어려워 기밀성이 우수하다. 또한, 제1 플랜지(22)의 단부면과 세라믹 플레이트(12) 사이에도 동일한 금속층(도시 생략)이 형성된다. 링부재(26)와 챔버(100)의 바닥판(102)에 형성된 관통 구멍(104)의 둘레 가장자리의 사이에는, 메탈 시일(30)(시일층)이 배치된다. 볼트(32)(체결 부재)는, 바닥판(102)의 하면으로부터 바닥판(102) 및 메탈 시일(30)을 관통하여 링부재(26)의 하면에 형성된 나사 구멍(26a)에 나사 결합된다. 이 볼트(32)는, 링부재(26)의 원주 방향을 따라서 등간격으로 3개 이상(바람직하게는 6개 이상) 사용되고 있다. 또, 볼트(32)를 바닥판(102)의 하면으로부터 끼울 때, 와셔를 이용해도 좋다. 중공 세라믹 샤프트(20)의 내부 공간(S2)에는, 전술한 히터 단자 막대(14a, 14b)나 RF 단자 막대(16a)가 삽입 관통되고, 또한 세라믹 플레이트(12)의 온도를 측정하는 시스 열전대(18)도 삽입 관통된다.
다음으로, 본 실시형태의 세라믹 히터(10)의 사용예에 관해 설명한다. 세라믹 히터(10)의 웨이퍼 배치면(12a)에 웨이퍼(W)를 배치하고, 챔버(100)의 내부 공간(S1)을 소정의 분위기(예컨대 수소 분위기나 아르곤 분위기나 진공 분위기)로 한다. 이 때, 내부 공간(S1)은, 중공 세라믹 샤프트(20)의 내부 공간(S2)과 절연된다. 그리고, 링부재(26)가 챔버 내 분위기에 의한 손상을 받지 않는 프로세스(예컨대 웨이퍼 어닐링 등)를 웨이퍼(W)에 행한다. 혹은, 필요에 따라서 RF 단자 막대(16a)를 통해 RF 전극(16)에 교류 고전압을 인가함으로써, 챔버(100) 내의 상측에 설치된 도시하지 않은 대향 수평 전극과 세라믹 히터(10)에 매설된 RF 전극(16)으로 이루어진 평행 평판 전극 사이에 플라즈마를 발생시켜, 그 플라즈마를 이용할 수도 있다. 웨이퍼(W)의 처리시에는, RF 전극(16)에 직류 고전압을 인가함으로써 정전기적인 힘을 발생시키고, 그것에 의해 웨이퍼(W)를 웨이퍼 배치면(12a)에 흡착할 수도 있다. 한편, 시스 열전대(18)의 검출 신호에 기초하여 웨이퍼(W)의 온도를 구하고, 그 온도가 설정 온도가 되도록 2개의 히터 단자 막대(14a, 14b) 사이에 인가하는 전압의 크기나 온/오프를 제어한다.
이상 상세히 설명한 본 실시형태의 샤프트 단부 부착 구조에서는, 중공 세라믹 샤프트(20)는 링부재(26)와 금속층(28)을 통해 기밀하게 접합된다. 또한, 링부재(26)는 메탈 시일(30)을 통해 챔버(100)의 바닥판(102)에 형성한 관통 구멍(104)의 둘레 가장자리에 배치되고, 볼트(32)는 바닥판(102)의 하면으로부터 바닥판(102) 및 메탈 시일(30)을 관통하여 링부재(26)에 나사 결합된다. 링부재(26)는 Mo제, 즉 금속 재료제이며, 세라믹과 비교해서 강도가 높다. 이 때문에, 볼트(32)를 강하게 체결하면, 링부재(26)가 메탈 시일(30)을 통해 챔버(100)의 바닥판(102)의 상면으로 끌어당겨지지만 링부재(26)를 파손하지는 않고, 중공 세라믹 샤프트(20)가 체결되지도 않는다. 따라서, 볼트(32)를 강하게 체결했다 하더라도 중공 세라믹 샤프트(20)를 파손해 버릴 우려는 없다. 또한, 볼트(32)를 강하게 체결할 수 있기 때문에, 메탈 시일(30)의 시일성이 충분히 얻어진다. 따라서, 챔버(100)의 내부 공간(S1)과 중공 세라믹 샤프트(20)의 내부 공간(S2)을 충분히 기밀하게 분리할 수 있다.
또한, 링부재(26)는 Mo제이며, 열팽창 계수가 AlN 세라믹의 열팽창 계수에 가까워진다. 그 때문에, 가열ㆍ냉각이 반복되었다 하더라도 열팽창차에 의해 링부재(26)와 중공 세라믹 샤프트(20)의 접합 파괴가 일어나는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 대표적인 세라믹과 금속의 열팽창 계수를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
또한, 금속층(28)은 알루미늄 합금층이므로, 전술한 바와 같이 TCB를 채용할 수 있다. 그 때문에, 금속층(28) 중에 핀홀이 생기기 어려워 금속층(28)의 시일성이 향상된다.
또, 본 발명은 전술한 실시형태에 전혀 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한 여러가지 양태로 실시할 수 있는 것은 물론이다.
예컨대, 전술한 실시형태에서는, 링부재(26)의 재료로서 Mo를 이용했지만, W나 FeNiCo계 합금(예컨대 코바르(kovar)(등록상표))을 이용해도 좋다. 이들 금속의 열팽창 계수는, 표 1에 나타낸 바와 같이 본 실시형태에서 이용한 AlN 세라믹의 열팽창 계수의 ±20% 이내이므로, 가열ㆍ냉각이 반복되었다 하더라도 열팽창차에 의해 링부재(26)와 중공 세라믹 샤프트(20)의 접합 파괴가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
전술한 실시형태에서는, 세라믹 플레이트(12)나 중공 세라믹 샤프트(20)의 재료로서 AlN을 이용했지만, 다른 세라믹을 이용해도 좋다. 예컨대 Al2O3를 이용하는 경우에는, 링부재(26)의 재료로서 열팽창 계수가 가까운 CuW(11% Cu-89% W, 표 1 참조)를 이용하는 것이 바람직하다.
전술한 실시형태에서는, 시일층으로서 메탈 시일(30)을 이용했지만, 메탈 시일(30) 대신에 O링을 이용해도 좋다. 이 경우, O링은 세라믹 히터(10)의 사용 온도에 견딜 수 있는 것을 이용한다.
전술한 실시형태에서는, 금속층(28)을 TCB에 의해 형성했지만, 납 접합에 의해 형성해도 좋다. 납재로는, 종래 공지의 여러가지 납재를 사용할 수 있다. 단, 납 접합에 비교해서 TCB가 금속층(28)에 핀홀이 생기기 어렵기 때문에 바람직하다.
전술한 실시형태에서는, 체결 부재로서 볼트(32)를 이용했지만, 볼트(32) 대신에 도 2에 나타내는 구조를 채용해도 좋다. 즉, 링부재(26)의 하면에 복수의 볼트 레그(26b)를 설치하고, 볼트 레그(26b)가 메탈 시일(30) 및 바닥판(102)을 관통하여 바닥판(102)의 하면으로부터 돌출되도록 하고, 그 볼트 레그(26b)에 너트(34)를 끼워 링부재(26)를 바닥판(102)으로 끌어당겨 체결해도 좋다. 이와 같이 하더라도, 전술한 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 너트(34)를 볼트 레그(26b)에 끼울 때, 와셔를 이용해도 좋다.
실시예
전술한 실시형태(도 1)의 샤프트 단부 부착 구조를 채용한 경우와, 도 4의 종래의 샤프트 단부 부착 구조를 채용한 경우에서, 샤프트 단부로부터의 He 누설량을 평가했다. 구체적으로는, 도 3에 도시한 바와 같이, 챔버(100)의 포트에 He 누설 검출기(120)를 부착하고, 챔버 내 진공도를 5E-2[Pa], 샤프트 단부의 온도를 RT(실온)로 설정했다. 이 상태에서, 중공 세라믹 샤프트(20)의 내부 공간(S2)에 He 가스를 분사하고, He 누설 검출기(120)의 수치를 판독하여, 그 수치를 RT에서의 He 누설량으로 했다. 또한, 샤프트 단부의 온도를 100℃로 설정하고, 마찬가지로 He 누설 검출기(120)의 수치를 판독하여, 그 수치를 100℃에서의 He 누설량으로 했다. 종래의 샤프트 단부 부착 구조에 관해서도, 마찬가지로 He 누설량을 측정했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. 표 2에 도시한 바와 같이, 도 1의 샤프트 단부 부착 구조를 채용한 경우, 도 4의 종래의 샤프트 단부 부착 구조에 비교해서 RT에서도 100℃에서도 He 누설량은 1/10 이하로 저감되었다.
Figure pct00002
본 출원은, 2015년 1월 20일에 출원된 미국 가출원 제62/105,367호를 우선권 주장의 기초로 하고 있고, 인용에 의해 그 내용 전부가 본 명세서에 포함된다.
또, 전술한 실시예는 본 발명을 전혀 한정하는 것이 아닌 것은 물론이다.
본 발명은, 세라믹 히터나 정전척, 서셉터 등의 반도체 제조 장치용 부재에 이용 가능하다.
10 : 세라믹 히터, 12 : 세라믹 플레이트, 12a : 웨이퍼 배치면, 12b : 이면, 14 : 히터 전극, 14a, 14b : 히터 단자 막대, 16 : RF 전극, 16a : RF 단자 막대, 18 : 시스 열전대, 20 : 중공 세라믹 샤프트, 22 : 제1 플랜지, 24 : 제2 플랜지, 26 : 링부재, 26a : 나사 구멍, 26b : 볼트 레그, 28 : 금속층, 30 : 메탈 시일, 32 : 볼트, 34 : 너트, 100 : 챔버, 102 : 바닥판, 104 : 관통 구멍, 106 : 메탈 시일, 108 : 중공 세라믹 샤프트, 110 : 플랜지, 112 : 세라믹 플레이트, 114 : 세라믹 히터, 116 : 클램프, 118 : 볼트, 120 : He 누설 검출기, S1, S2 : 내부 공간.

Claims (5)

  1. 웨이퍼가 배치되는 세라믹 플레이트와 일체화된 중공 세라믹 샤프트의 단부를 챔버의 바닥판에 형성한 관통 구멍의 둘레 가장자리에 기밀하게 부착하는 샤프트 단부 부착 구조로서,
    상기 중공 세라믹 샤프트의 단부면에 금속층을 통해 기밀하게 접합되는 금속 재료제 또는 금속-세라믹 복합 재료제의 링부재와,
    시일층을 통해 상기 링부재를 상기 챔버의 바닥판에 형성한 관통 구멍의 둘레 가장자리에 배치한 상태에서 상기 바닥판 및 상기 시일층을 관통하고 상기 링부재를 상기 바닥판으로 끌어당겨 체결하는 체결 부재
    를 구비하는 것인, 샤프트 단부 부착 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 체결 부재는, 상기 바닥판의 하면으로부터 상기 바닥판 및 상기 시일층을 관통하여 상기 링부재의 볼트 구멍에 나사 결합되는 볼트인 것인, 샤프트 단부 부착 구조.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 중공 세라믹 샤프트는 AlN제이고,
    상기 링부재는 Mo제, W제 또는 FeNiCo계 합금제인 것인, 샤프트 단부 부착 구조.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속층은 Al층 또는 Al 합금층인 것인, 샤프트 단부 부착 구조.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 금속층은 TCB에 의해 형성되는 것인, 샤프트 단부 부착 구조.
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