KR20190006751A - 정전척 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공정챔버에 구비되어 정전기력을 이용하여 공정챔버 내의 반도체 기판을 고정시키는 정전척에 관한 것으로서, 특히, 금속모재, 절연층 및 전극층이 서로 다른 팽창율로 변형되어 정전척에 파손이 발생하는 것을 방지할 수 있는 정전척에 관한 것이다.

Description

정전척{ELECTRO STATIC CHUCK}
본 발명은 공정챔버에 구비되어 정전기력을 이용하여 공정챔버 내의 반도체 기판을 고정시키는 정전척에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 및 평판표시장치의 제조 공정에서는 화학기상증착, 스퍼터링, 포토리소그래피, 에칭(식각), 이온 주입 등의 여러 공정들이 순차적 또는 반복적으로 수행된다.
이러한 공정들은 공정챔버 내의 반도체 기판을 고정한 상태에서 수행이 되며, 반도체 기판을 고정하기 위한 방법으로는 크게 기계적인 방법과 정전기력을 이용한 방법이 있다.
과거에는 전술한 방법 중 기계적인 방법을 주로 사용하였으나, 온도제어의 균일성 및 재현성이 떨어지고, 기계적 구성에 의한 파티클 발생 등으로 인해 불량 및 수율 저하의 문제점이 발생하였다.
따라서, 최근에는 정전기력을 이용한 방법이 주로 사용되고 있으며, 이와 같이, 정전기력을 이용하여 반도체 웨이퍼를 흡착 및 고정시키기 위한 장치를 정전척(ESC, Electro Static Chuck)이라 하며, 정전척은 모재 상에 절연층, 전극층, 유전층을 포함하는 구조로 형성된다.
이러한 정전척은 반도체 기판에 제조 공정을 수행하는 공정챔버 내에서 반도체 기판을 정전기력에 의해 고정시키게 된다. 종래의 정전척은 베이스를 알루미늄과 같은 금속을 기반으로 하고 절연층 및 유전층을 세라믹 재료를 코팅(플라즈마 용사) 하여 주로 저온공정에서 사용하였다.
그러나 이러한 정전척을 CVD 공정에 채용함에 있어서, CVD 공정챔버 내의 공정온도가 고온으로 상승함에 따라 유전층에 크랙이 발생하여 항복전압(breakdown voltage)이 저하되는 문제점이 추가로 발생하였다. 위와 같이 유전층에 크랙이 발생함에 따라 정전척의 정전기력이 제대로 발생할 수 없으며, 이로 인해, 반도체 기판을 제대로 고정시키지 못하는 문제점이 발생한다.
위와 같은 정전척의 유전층에 크랙이 발생한 것은 도 1을 통해서 알 수 있다. 도 1은 정전척의 유전층(50)에 크랙(51)이 발생한 것을 보여주는 정전측의 표면 사진이며, 크랙(51)은 전술한 바와 같이, 유전층(50)과 모재와의 열팽창율의 차이에 의해 발생한 것이다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 정전척은 정전척의 온도가 올라감에 따라 항복전압이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
예컨데, 도 2에 도시된 바와 같이, 정전척의 사용전압이 3000V인 경우 정전척의 항복전압은 25℃에서 4353V를 갖는다. 따라서, 정전척의 항복전압이 사용전압인 3000V보다 크므로, 정전척은 정전기력이 정상적으로 발생하게 되며, 이를 통해,기판을 용이하게 고정시킬 수 있다.
그러나 정전척의 온도가 올라가 100℃에 이르게 되면, 정전척의 항복전압은 867V까지 떨어지게 된다. 따라서, 정전척의 항복전압이 사용전압인 3000V보다 작으므로, 정전척은 정전기력이 제대로 발생되지 못해 기판을 정상적으로 고정시킬 수 없다.
위와 같이, 도 2의 그래프를 통해, 온도가 올라감에 따라 정전척의 유전층에 크랙이 발생하여 항복전압이 떨어지는 것을 알 수 있으며, 이는 정전척의 성능에 문제가 발생하였다는 것을 의미한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 세라믹의 열팽창율과 유사한 티타늄을 모재로 하여 정전척을 제작하는 시도가 있었으나, 티타늄은 알루미늄에 비해 그 가격이 매우 비싸고, 기존에 알루미늄을 이용하던 정전척을 티타늄을 이용함에 따라 공정챔버 내에서 행해지는 공정의 조건들을 변경해야 한다는 문제점이 발생하게 되었다.
따라서, 위와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 금속재질 자체를 변경하기 보다는 금속층과 절연층 사이에 버퍼층을 두는 정전척의 개발이 진행되었으며, 이러한 정전척으로는 한국공개특허 제10-2017-0047420호(이하, '특허문헌 1'이라 한다)에 기재된 것이 공지되어 있다.
특허문헌 1의 정전척은 도 3에 도시된 바와 같이, 모재(110)와, 모재(110) 표면에 용사 코팅되는 하부 유전층(120)과, 하부 유전층(120) 표면에 용사 코팅되어 전원 공급에 의해 정전기력을 발생하여 대상체를 척킹하도록 하는 전극층(130)과, 전극층 표면에 용사 코팅되는 제1, 2상부 유전층(141, 142)과, 모재(110)와 하부 유전층(120) 사이에서 버퍼 역할을 하는 본딩층(115)을 포함하여 구성된다. 여기서, 본딩층(115)은 그 열팽창률이 모재(110)의 열팽창률과 하부 유전층(120)의 열팽창률의 사이 값을 가진다.
특허문헌 1의 기술원리는 본딩층(115)의 열팽창률이 모재(110)의 열팽창률과 하부 유전층(120)의 열팽창률의 사이 값을 가짐에 따라, 모재(110)와 하부 유전층(120)의 각 계면에서 크랙이 발생하지 않도록 하는 것이다. 그러나 특허문헌 1의 기술원리는 모재(110)와 하부유전층(120)의 열팽창율을 정합하는(Matching) 것이 아니라 그 차이를 다소 줄임으로써 어느 정도 온도까지(80~100℃) 하부유전층(120)의 크랙을 방지하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 특허문헌 1과 같이 본딩층(115)의 열팽창률이 모재(110)의 열팽창률과 하부 유전층(120)의 열팽창률의 사이 값을 가지도록 하는 구성에 의하더라도 100℃ 이상의 고온 공정에서도 유전층에 크랙이 발생하지 않도록 하는 데에는 한계가 있다.
한국등록특허 제10-2017-0047420호
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 정합층의 탄성을 이용해 금속모재와 절연층, 또는 전극층과 유전층간의 열팽창율을 정합하는 기술 원리를 채택하여, 온도가 100℃ 이상으로 올라가더라도 절연층 또는 유전층의 크랙 발생을 방지하는 정전척을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 특징에 따른 정전척은, 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서, 금속모재; 상기 금속모재의 상면에 형성되는 정합층; 및 상기 정합층의 상면에 형성되는 절연층;을 포함하되, 상기 정합층은, 상기 정전척의 제어온도가 공정온도로 올라감에 따라 상기 금속모재와 상기 정합층의 계면과, 상기 정합층과 상기 절연층의 계면이 서로 다른 팽창율로 변형하는 것을 허용하는 탄성계수를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 정전척은, 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서, 전극층; 상기 전극층의 상면에 형성되는 정합층; 및 상기 정합층의 상면에 형성되는 유전층;을 포함하되, 상기 정합층은, 상기 정전척의 제어온도가 공정온도로 올라감에 따라 상기 전극층과 상기 정합층의 계면과, 상기 정합층과 상기 유전층의 계면이 서로 다른 팽창율로 변형하는 것을 허용하는 탄성계수를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정합층은 폴리머 재질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정합층은 탄성 중합체 재질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정합층은 폴리머 및 세라믹 필러를 혼합하여 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 정전척은, 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서, 금속모재; 상기 금속모재의 상면에 형성되는 제1정합층; 상기 제1정합층의 상면에 형성되는 절연층; 상기 절연층의 상면에 형성되는 전극층; 및 상기 전극층의 상면에 형성되는 유전층;을 포함하되, 상기 제1정합층의 탄성계수는 상기 금속모재의 탄성계수 및 상기 절연층의 탄성계수보다 작은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 정전척은, 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서, 금속모재; 상기 금속모재의 상면에 형성되는 제1정합층; 상기 제1정합층의 상면에 형성되는 절연층; 상기 절연층의 상면에 형성되는 전극층; 상기 전극층의 상면에 형성되는 제2정합층; 및 상기 제2정합층의 상면에 형성되는 유전층;을 포함하되, 상기 제1정합층의 탄성계수는 상기 금속모재의 탄성계수 및 상기 절연층의 탄성계수보다 작고, 상기 제2정합층의 탄성계수는 상기 전극층의 탄성계수 및 상기 유전층의 탄성계수보다 작은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 정전척은, 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서, 금속모재; 상기 금속모재의 상면에 형성되는 제1정합층; 상기 제1정합층의 상면에 형성되는 전극층; 및 상기 전극층의 상면에 형성되는 유전층;을 포함하되, 상기 제1정합층의 탄성계수는 상기 금속모재의 탄성계수 및 상기 전극층의 탄성계수보다 작은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 정전척은, 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서, 금속모재; 상기 금속모재의 상면에 형성되는 제1정합층; 상기 제1정합층의 상면에 형성되는 전극층; 상기 전극층의 상면에 형성되는 제2정합층; 및 상기 제2정합층의 상면에 형성되는 유전층;을 포함하되, 상기 제1정합층의 탄성계수는 상기 금속모재의 탄성계수 및 상기 전극층의 탄성계수보다 작고, 상기 제2정합층의 탄성계수는 상기 전극층의 탄성계수 및 상기 유전층의 탄성계수보다 작은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 정전척은, 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서, 금속모재; 상기 금속모재의 상면에 형성되는 정합층; 및 상기 정합층의 상면에 형성되는 절연층;을 포함하되, 상기 정합층은 상기 정전척의 공정온도에서 상기 절연층의 열변형이 상기 절연층의 허용 탄성범위 내에서 상기 절연층이 변형하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 정전척은, 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서, 전극층; 상기 전극층의 상면에 형성되는 정합층; 및 상기 정합층의 상면에 형성되는 유전층;을 포함하되, 상기 정합층은 상기 정전척의 공정온도에서 상기 절연층의 열변형이 상기 절연층의 허용 탄성범위 내에서 상기 유전층이 변형하도록 하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 정전척에 따르면, 정합층의 탄성을 이용해 금속모재와 절연층, 또는 전극층과 유전층간의 열팽창율을 정합하는 기술 원리를 채택하여, 온도가 100℃ 이상으로 공정온도 조건에서 금속모재에 접하는 정합층의 면과 절연층에 접하는 정합층의 면, 또는 전극층에 접하는 정합층의 면과 유전층에 접하는 정합층의 면이 서로 다른 팽창율로 변형하더라도 절연층 또는 유전층의 크랙 발생을 방지한다.
도 1은 종래의 정전척의 유전층에 크랙이 발생한 것을 보여주는 종래의 정전척의 표면 사진
도 2는 종래의 정전척의 온도 변화에 따른 항복전압의 변화를 보여주는 그래프.
도 3은 종래의 정전척의 구조를 보여주는 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척의 구조를 보여주는 단면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척의 온도 변화에 따른 항복전압의 변화를 보여주는 그래프
도 6은 본 발명의 바람직한 제2실시 예에 따른 정전척의 구조를 보여주는 단면도.
도 7은 본 발명의 바람직한 제3실시 예에 따른 정전척의 구조를 보여주는 단면도.
도 8은 본 발명의 바람직한 제4실시 예에 따른 정전척의 구조를 보여주는 단면도.
이하의 설명에서 언급되는 제1정합층, 제2정합층은 정전척에서 상대적으로 하부에 위치하는 것은 제1정합층, 상대적으로 상부에 위치하는 것은 제2정합층이라는 것을 의미한다. 따라서, 제1정합층 및 제2정합층은 설명의 용이함을 위해 위치에 따라 구분해놓은 것으로서, 모두 동일한 정합층으로 이해될 수 있다.
이하에서 언급되는 본 발명의 바람직한 제1 내지 제4실시 예에 따른 정전척은 공정챔버 내에 구비되어, 정전기력에 의해 기판을 고정시키는 기능을 한다.
이하의 설명에서는 정전척의 사용전압이 3000V인 것으로 설명하였으나, 사용전압은 정전척의 용도에 따라 다양한 전압값으로 사용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척의 구조를 보여주는 단면도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척의 온도 변화에 따른 항복전압의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 제2실시 예에 따른 정전척의 구조를 보여주는 단면도이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 제3실시 예에 따른 정전척의 구조를 보여주는 단면도이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 제4실시 예에 따른 정전척의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척(1)은, 금속모재(10)와, 금속모재(10)의 상면에 형성되는 제1정합층(20a)과, 제1정합층(20a)의 상면에 형성되는 절연층(30)과, 절연층(30)의 상면에 형성되는 전극층(40)과, 전극층(40)의 상면에 형성되는 유전층(50)을 포함하여 구성된다.
금속모재(10)는 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 알루미늄(Al) 재질로 이루어질 수 있다. 한편, 금속모재(10)는 알루미늄(Al) 재질을 양극산화(아노다이징, anodazing) 처리를 한 것이 이용될 수 있다.
제1정합층(20a)은 금속모재(10)의 상면에 폴리머 재질 또는 엘라스토머 등과 같은 탄성 중합체 재질 또는 폴리머에 세라믹 필러를 혼합한 재질을 코팅함으로써, 형성된다.
위와 같은 제1정합층(20a)은 제1정합층(20a)의 상면에 형성되는 절연층(30)과, 제1정합층(20a)이 그 상면에 형성되는 금속모재(10)의 사이에 위치하게 되며, 금속모재(10)와 절연층(30)의 열팽창계수의 차이에 의해, 절연층(30)이 파손되는 것을 방지하는 기능을 한다.
이 경우, 폴리머 재질은 폴리이미드(PI, Polyimid), 폴리아미드이미드(PAI, Polyamide-imide), 벤조시클로부텐(BCB, Benzocyclobutene), 에폭시(Epoxy) 등이 이용될 수 있다.
또한, 엘라스토머 재질은 나일론 엘라스토머(NYLON ELASTOMER), PET 엘라스토머(PolyEthylene Terephthalate ELASTOMER), 폴리우레탄(POLYURETHANE), EFDM 엘라스토머(Ethylene Propylene Diene Monomer ELASTOMER), SIS 엘라스토머(Styrene-Isoprene-Styrene ELASTOMER), SBS 엘라스토머(Styrene-Butadiene-Styrene ELASTOMER) 등이 이용될 수 있다.
또한, 폴리머에 혼합되는 세라믹 필러 재질은 알루미나(Al2O3), 산화이트륨(Y2O3), 알루미나(Al2O3)와 산화이트륨(Y2O3)의 혼합물, 질화알루미늄(AlN), 이산화규소(SiO2), 탄화규소(SiC), 야그(YAG, yttrium aluminium garnet), 산화지르코늄(ZrO2), 탄화알루미늄(AlxCy), 질산화티타늄(TiN), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화세륨(CeO2), 이산화타이타늄(TiO2), 탄화붕소(BxCy), 질화붕소(BN) 등이 이용될 수 있다.
절연층(30)은 제1정합층(20a)의 상면에 세라믹 재질을 용사 코팅함으로써, 형성된다. 위와 같은 절연층(30)은 절연층(30)의 상면에 형성되는 전극층(40)과, 금속모재(10)의 상면에 형성되는 제1정합층(20a)의 사이에 위치하게 된다. 따라서, 절연층(30)은 전극층(40)과 금속모재(10) 사이에 위치하게 되며, 전극층(40)과 금속모재(10)를 절연시키는 기능을 한다.
이 경우, 세라믹 재질은 알루미나(Al2O3), 산화이트륨(Y2O3), 알루미나(Al2O3)와 산화이트륨(Y2O3)의 혼합물 등이 이용될 수 있다.
전극층(40)은 절연층(30)의 상면에 금속 재질을 용사 코팅함으로써, 형성된다. 이러한 전극층(40)은 도전성 재료인 금속 재질을 통해 전압을 인가하게 되며, 이를 통해, 유전층(50)이 정전기력을 발생시킬 수 있도록 하는 기능을 한다.
다시 말해, 전극층(40)에 전압을 인가할 경우, 유전층(50)에서 유전분극이 일어나게 되며, 이를 통해, 정전기력이 발생하게 된다.
위와 같이, 유전층(50)에 정전기력이 발생한 정전척(1)은 반도체 기판을 용이하게 흡착하여 고정시킬 수 있다.
전술한 전극층(40)은 텅스텐(W), 구리(Cu) 등의 금속 재질이 이용될 수 있다.
유전층(50)은 전극층(40)의 상면에 세라믹 재질을 용사 코팅함으로써, 형성된다. 위와 같은 유전층(50)은 전극층(40)의 전술한 바와 같이, 전극층(40)에 전압이 인가되면 유전분극이 일어남으로써, 정전척(1)에 정전기력을 발생시키는 기능을 한다.
이 경우, 유전층(50)의 세라믹 재질은 절연층(30)과 동일한 세라믹 재질로 용사 코팅될 수 있다.
금속모재(10), 제1정합층(20a), 절연층(30), 유전층(50)의 탄성계수의 관계는 '제1정합층(20a)의 탄성계수 < 금속모재(10)의 탄성계수 < 절연층(30)의 탄성계수, 유전층(50)의 탄성계수' 의 관계를 만족하게 된다.
탄성계수는 응력과 변형률의 관계에서 비례상수를 의미하는 것으로써, 응력에 비례하고, 변형률에 반비례하는 관계에 있다. 따라서, 탄성계수가 클수록 변형을 일으키는데 필요한 힘이 크다는 것을 의미한다. 위와 같은 탄성계수의 비례관계를 바꾸어 이야기하면, 재료의 탄성계수가 클수록 재료의 변형을 일으키는데 필요한 힘이 크다는 것을 의미하므로, 탄성계수가 클수록 재료의 강성도(stiffness)가 높아진다는 것을 의미한다. 다시 말해, 탄성계수는 강성도와 비례관계에 있다. 또한, 재료의 탄성계수가 작을수록 변형을 일으키는데 필요한 힘이 작다는 것을 의미하므로, 탄성계수가 작을수록 재료의 유연도(flexibility)가 높아진다는 것을 의미한다. 다시 말해, 탄성계수는 유연도와 반비례 관계에 있다. 이 경우, 유연도는 강성도의 역수를 의미한다.
이하, 전술한 탄성계수, 강성도 및 유연도의 관계를 전제로 하여 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척(1)의 특징에 대해 설명한다.
공정챔버 내에 구비된 정전척(1)의 제어온도가 공정온도로, 특히 100℃이상으로 올라감에 따라 금속모재(10)와 절연층(30)은 열팽창계수의 차이에 의해 서로 다르게 팽창된다.
제1정합층(20a)은 탄성계수가 작으므로 유연도가 높으며, 이러한 특성에 의해 제1정합층(20a)의 상부면 및 제1정합층(20a)의 하부면의 변형은 탄성범위 내에서의 변형만이 일어나며, 이로 인해, 제1정합층(20a)은 크랙 등의 파손이 발생하지 않는 것이다. 위와 같이, 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척(1)은 제1정합층(20a)의 탄성계수가 금속모재(10)의 탄성계수 및 절연층(30)의 탄성계수보다 작으므로 정전척(1)의 제어온도가 공정온도로 올라감에 따라 제1정합층(20a)과 금속모재(10)의 계면 및 제1정합층(20a)과 절연층(30)의 계면이 서로 다른 팽창율의 변형이 발생한다 하여도 이를 허용할 수 있다.
따라서, 제1정합층(20a)은 제1정합층(20a)의 상부와 제1정합층(20a)의 하부의 변형이 다르게 발생할 수 있으나, 전술한 바와 같이, 제1정합층(20a)의 탄성계수는 금속모재(10)의 탄성계수 및 절연층(30)의 탄성계수보다 작으므로, 제1정합층(20a)의 상부와 제1정합층(20a)의 하부의 변형은 탄성범위 내에서의 변형밖에 일어나지 않으므로 크랙이 발생하지 않는다.
한편, 정전척(1)의 제어온도가 공정온도로 올라가 절연층(30)에 열변형이 일어나더라도, 제1정합층(20a)은 절연층(30)이 허용 탄성범위 를 초과하여 변형하는 것을 방지한다. 이는, 제1정합층(20a)의 탄성에 의해 제1정합층(20a)과 절연층(30)의 계면, 즉, 제1정합층(20a)의 상부면 및 제1정합층(20a)과 금속모재(10)의 계면, 즉, 제1정합층(20a)의 하부면의 변형율이 서로 다르게 일어나는 것을 허용할 수 있기 때문이다. 다시 말해 열팽창계수의 차이에 의해 제1정합층(20a)과 절연층(30)의 계면, 즉, 제1정합층(20a)의 상부면과, 제1정합층(20a)과 금속모재(10)의 계면, 즉, 제1정합층(20a)의 하부면은 서로 다른 팽창율로 서로 다르게 변형하더라도, 제1정합층(20a)은 이러한 서로 다른 팽창율을 변형하는 것을 허용하게 된다. 이러한 제1정합층(20a)의 탄성에 의해 제1정합층(20a)의 하부면의 팽창력에 의해 제1정합층(20a)의 상부면에 추가적인 응력(열팽창력 이외)이 유발되는 것을 방지함으로써, 절연층(30)이 허용 탄성 범위를 넘어서는 변위로 변형되어 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.
이처럼, 절연층(30)은 제1정합층(20a)의 변형에 의한 응력을 거의 받지 않게 되며, 이를 통해, 절연층(30)의 변형이 절연층(30)의 탄성범위 내에서만 발생하게 되는 것이다.
그러므로 정전척(1)이 구비되는 공정챔버 내의 온도가 100 ℃이상의 고온의 공정온도로 올라가게 되더라도, 절연층(30) 뿐만 아니라 유전층(50)에서의 크랙 발생을 방지함으로써 크랙에 의한 항복전압의 저하를 방지할 수 있게 된다.
위와 같은 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척(1)의 특성은 도 5에 도시된 그래프를 통해서 더욱 명확하게 이해될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척(1)의 항복전압은 25℃에서 6000V를 갖는다. 이후, 공정챔버의 온도가 올라감에 따라 정전척(1)의 항복전압은 170℃까지 6000V의 항복전압을 유지하게 된다. 170℃에서 6000V의 항복전압을 유지한 정전척(1)은 온도가 더 올라감에 따라 항복전압이 저하되어 190℃에서 2900V의 항복전압을 갖는다.
이처럼 도 5에 그래프를 통해, 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척(1)은 약 180℃ 정도까지 사용전압인 3000V 이상의 항복전압을 유지하는 것을 알 수 있다. 이는, 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척(1)은 온도가 170℃까지 상승하더라도 제1정합층(20a)에 의해 절연층(30) 뿐만 아니라 유전층(50) 등에 크랙이 발생하지 않는다는 것을 의미한다.
따라서, 종래의 정전척보다 높은 공정온도에서도 정전척(1)의 성능이 유지될 수 있으며, 이로 인해, 정전척(1)의 높은 수명을 보장함과 동시에 다양한 공정온도를 갖는 공정챔버에 호환 가능성이 높아진다는 효과가 있다.
위와 같은 제1정합층(20a)의 효과는 후술할 제2정합층(20b)에도 그대로 적용될 수 있다.
다시 말해, 제2정합층(20b)의 재질은 제1정합층(20a)과 동일한 재질로 이루어질 수 있고, 유전층(50)의 재질은 절연층(30)의 재질과 동일한 재질로 이루어질 수 있으므로, 제2정합층(20b)을 통해 제2정합층(20b)의 상면에 형성되는 유전층(50)에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있는 것이다.
전술한 제1, 2정합층(20a, 20b)은 5㎛ 이상 10㎜ 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 이는, 제1, 2정합층(20a, 20b)의 탄성력을 이용하여, 그 상, 하부에 존재하는 두 개의 계면을 통한 제1, 2정합층(20a, 20b)의 상부에 위치하는 절연층(40) 또는 유전층(50)의 크랙 발생을 방지하는데 적절하기 때문이다.
또한, 제1, 2정합층(20a, 20b)의 두께가 5㎛ 미만인 경우에는 크랙 발생을 방지하기 위한 탄성력을 제공하는데 한계가 있고, 제1, 2정합층(20a, 20b)의 두께가 10㎜ 를 초과하는 경우에는 본 실시 예들의 제1, 2정합층(20a, 20b)의 목적 달성 이외의 다른 효과가 발휘될 수 있기 때문이다.
예컨데, 제1, 2정합층(20a, 20b)의 하부에 냉각라인 또는 가열라인 또는 냉각라인 및 가열라인이 구비될 수 있는데, 제1, 2정합층(20a, 20b)의 두께가 10㎜를 초과하는 경우, 이러한 냉각라인 또는 가열라인의 효율이 떨어지게 된다. 따라서, 제1, 2정합층(20a, 20b)의 두께를 10㎜이하로 함으로써, 위와 같은 냉각라인 또는 가열라인에 영향을 미치는 목적 달성 이외의 다른 효과를 배제시킬 수 있는 것이다.
전술한 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척(1)은 금속모재(10)의 상부에 적층되게 형성되는 제1, 2정합층(20a, 20b), 제1, 2절연층(30, 50) 및 전극층(40)의 적층 순서에 따라 다양한 실시 예를 가질 수 있다.
따라서, 이하의 설명에서는 본 발명의 바람직한 제2 내지 제4실시 예에 따른 정전척(1', 1", 1"')에 대해 설명한다.
다만, 이하의 설명에서 언급되는 본 발명의 바람직한 제2 내지 제4실시 예에 따른 정전척(1)은 금속모재(10)의 상부에 적층되는 여러 층들의 순서만이 상이할 뿐, 각 층, 즉, 구성요소의 특징은 전술한 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척(1)의 설명과 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 제2실시 예에 따른 정전척(1')에 대해 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제2실시 예에 따른 정전척(1')은, 금속모재(10)와, 금속모재(10)의 상면에 형성되는 제1정합층(20a)과, 제1정합층(20a)의 상면에 형성되는 절연층(30)과, 절연층(30)의 상면에 형성되는 전극층(40)과, 전극층(40)의 상면에 형성되는 제2정합층(20b)과, 제2정합층(20b)의 상면에 형성되는 유전층(50)을 포함하여 구성된다.
위와 같은 구성을 갖는, 본 발명의 바람직한 제2실시 예에 따른 정전척(1')은 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척(1)과 비교하여, 전극층(40)과 유전층(50) 사이에 제2정합층(20b)이 형성되어 있다는 점에 차이가 있다.
따라서, 제1정합층(20a), 금속모재(10), 절연층(30)에 대한 설명은 전술한 설명들이 적용될 수 있다.
제2정합층(20b)은 전극층(40)의 상면에 폴리머 재질 또는 엘라스토머 등과 같은 탄성 중합체 재질 또는 폴리머에 세라믹 필러를 혼합한 재질을 코팅함으로써, 형성된다.
위와 같은 제2정합층(20b)은 제2정합층(20b)의 상면에 형성되는 유전층(50)과, 제2정합층(20b)이 그 상면에 형성되는 전극층(40) 사이에 위치하게 되며, 제2정합층(20b)은 전극층(40)과 유전층(50)의 열팽창계수의 차이에 의해 유전층(50)이 파손되는 것을 방지하는 기능을 한다.
제2정합층(20b)은 그 형성 위치만이 제1정합층(20a)과 상이할 뿐, 재질 등의 특성은 모두 동일하다. 따라서, 제2정합층(20b)의 재질에 관한 설명은 전술한 제1정합층(20a)에서 설명한 것이 적용될 수 있다.
전술한 바와 같이,전극층(40), 제2정합층(20b), 유전층(50)의 탄성계수의 관계는 '제1정합층(20a)의 탄성계수 < 전극층(40)의 탄성계수 ≤ 유전층(50)의 탄성계수' 의 관계를 만족하게 된다.
제2정합층(20b)의 탄성계수가 전극층(40)의 탄성계수 및 유전층(50)의 탄성계수보다 작으므로, 정전척(1')의 제어온도가 공정온도로 올라감에 따라 제1정합층(20a)과 금속모재(10)의 계면 및 제1정합층(20a)과 절연층(30)의 계면이 서로 다른 팽창율의 변형이 발생한다 하여도 이를 허용할 수 있다. 다시 말해 열팽창계수의 차이에 의해 제2정합층(20b)과 유전층(50)의 계면, 즉, 제2정합층(20b)의 상부면과, 제2정합층(20b)과 전측층(40)의 계면, 즉, 제2정합층(20b)의 하부면은 서로 다른 팽창율로 변형하게 되더라도, 제2정합층(20b)은 이러한 서로 다른 팽창율을 변형하는 것을 허용하게 된다. 이러한 구성에 의해 제2정합층(20b)의 하부면의 팽창력에 의해 제2정합층(20b)의 상부면에 추가적인 응력(열팽창력 이외)이 유발되는 것을 방지한다.
따라서, 유전층(50)은 제2정합층(20b)의 변형에 의한 응력을 거의 받지 않게 되며, 이를 통해, 정전척의 공정온도에서는 유전층(50)의 열변형이 유전층(50)의 탄성범위 내에서만 발생하게 되는 것이다.
따라서, 정전척(1')이 구비되는 공정챔버 내의 온도가 공정온도로 올라가게 되더라도, 제2정합층(20b) 자체와 유전층(50) 자체에 크랙 등의 파손이 일어나는 것을 방지할 뿐만 아니라, 전극층(40)과 제2정합층(20b)의 계면, 즉, 제2정합층(20b)의 하부면 및 유전층(50)과 제2정합층(20b)의 계면, 즉, 제2정합층(20b)의 상부면에 크랙 등의 파손이 일어나는 것을 방지할 수 있는 것이다.
본 발명의 바람직한 제2실시 예에 따른 정전척(1')은 공정챔버 내에 온도가 높이 올라가게 되더라도, 제1정합층(20a), 제2정합층(20b), 절연층(30), 유전층(50)에 파손이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해 크랙에 의한 항복전압이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 제3실시 예에 따른 정전척(1")에 대해 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제3실시 예에 따른 정전척(1")은, 금속모재(10)와, 금속모재(10)의 상면에 형성되는 제1정합층(20a)과, 제1정합층(20a)의 상면에 형성되는 전극층(40)과, 전극층(40)의 상면에 형성되는 유전층(50)을 포함하여 구성된다.
위와 같은 구성을 갖는, 본 발명의 바람직한 제3실시 예에 따른 정전척(1")은 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 정전척(1)과 비교하여, 제1정합층(20a) 상부에 전극층(40)이 형성되고, 전극층(40)의 상부에 유전층(50)이 형성되어 있다는 점에 차이가 있다.
이 경우, 제1정합층(20a)은 제1정합층(20a)의 상면에 형성되는 전극층(40)과, 제1정합층(20a)이 그 상면에 형성되는 금속모재(10) 사이에 위치하게 되며, 전극층(40)과 금속모재(10)의 열팽창계수의 차이에 의해, 전극층(40) 또는 금속모재(10)가 파손되는 것을 방지하는 기능을 한다.
또한, 제1정합층(20a)은 절연성을 갖는 폴리머 재질 등으로 이루어지므로, 전극층(40)과 금속모재(10)에 전기가 통하는 것을 방지하는 절연 기능을 할 수 있다.
전술한 바와 같이,금속모재(10), 제1정합층(20a), 전극층(40)의 탄성계수의 관계는 '제1정합층(20a)의 탄성계수 < 금속모재(10)의 탄성계수 < 전극층(40)의 탄성계수' 또는 '제1정합층(20a)의 탄성계수 < 전극층(40)의 탄성계수 < 금속모재(10)의 탄성계수'의 관계를 만족하게 된다.
위와 같이, 금속모재(10)의 탄성계수와 전극층(40)의 탄성계수의 크기가 두가지 조건을 갖는 것은, 전극층(40)은 텅스텐(W) 외에도 다른 금속 재질이 사용될 수 있기 때문이다.
위와 같은 두가지 조건에서도, 제1정합층(20a)의 탄성계수는 금속모재(10)의 탄성계수 및 전극층(40)의 탄성계수보다 작다. 따라서, 제1정합층(20a)의 유연도는 가장 높다.
위와 같이, 제1정합층(20a)의 탄성계수는 가장 작고, 유연도는 가장 높으므로, 본 발명의 바람직한 제3실시 예에 따른 정전척(1")은 정전척(1)이 구비되는 공정챔버 내의 온도가 공정온도로 올라가게 되더라도, 제1정합층(20a) 자체와 금속모재(10) 또는 전극층(40) 자체에 크랙 등의 파손이 일어나는 것을 방지할 뿐만 아니라, 금속모재(10)와 제1정합층(20a)의 계면, 즉, 제1정합층(20a)의 하부면 및 전극층(40)과 제1정합층(20a)의 계면, 즉, 제1정합층(20a)의 상부면에 크랙 등의 파손이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 제4실시 예에 따른 정전척(1"')에 대해 설명한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제4실시 예에 따른 정전척(1"')은, 금속모재(10)와, 금속모재(10)의 상면에 형성되는 제1정합층(20a)과, 제1정합층(20a)의 상면에 형성되는 전극층(40)과, 전극층(40)의 상면에 형성되는 제2정합층(20b)과, 제2정합층(20b) 상면에 형성되는 유전층(50)을 포함하여 구성된다.
위와 같은 구성을 갖는, 본 발명의 바람직한 제4실시 예에 따른 정전척(1"')은 본 발명의 바람직한 제3실시 예에 따른 정전척(1"')과 비교하여, 전극층(40)과 유전층(50) 사이에 제2정합층(20b)이 더 형성되어 있다는 점에 차이가 있다.
이 경우, 제2정합층(20b)은 제2정합층(20b)의 상면에 형성되는 유전층(50)과, 제2정합층(20b)이 그 상면에 형성되는 전극층(40) 사이에 위치하게 되며, 전극층(40)과 절연층(30)의 열팽창계수의 차이에 의해, 유전층(50)이 파손되는 것을 방지하는 기능을 한다.
전술한 바와 같이, 금속모재(10), 제1정합층(20a), 전극층(40)의 탄성계수의 관계는 '제1정합층(20a)의 탄성계수 < 금속모재(10)의 탄성계수 < 전극층(40)의 탄성계수' 또는 '제1정합층(20a)의 탄성계수 < 전극층(40)의 탄성계수 < 금속모재(10)의 탄성계수'의 관계를 만족하게 된다.
위와 같이, 금속모재(10)의 탄성계수와 전극층(40)의 탄성계수의 크기가 두가지 조건을 갖는 것은, 전극층(40)은 텅스텐(W) 외에도 다른 금속 재질이 사용될 수 있기 때문이다.
위와 같은 두가지 조건에서도, 제1정합층(20a)의 탄성계수는 금속모재(10)의 탄성계수 및 전극층(40)의 탄성계수보다 작다. 따라서, 제1정합층(20a)의 유연도는 가장 높다.
또한, 전극층(40), 제2정합층(20b), 유전층(50)의 탄성계수의 관계는 '제1정합층(20a)의 탄성계수 < 전극층(40)의 탄성계수 ≤ 유전층(50)의 탄성계수' 의 관계를 만족하게 된다.
위와 같이, 제2정합층(20b)의 탄성계수는 전극층(40) 및 유전층(50)의 탄성계수에 비해 가장 작고, 유연도는 가장 높으므로, 본 발명의 바람직한 제4실시 예에 따른 정전척(1"')은 정전척(1)이 구비되는 공정챔버 내의 온도가 공정온도로 올라가게 되더라도, 제2정합층(20b) 자체와 유전층(50) 자체에 크랙 등의 파손이 일어나는 것을 방지할 뿐만 아니라, 전극층(40)과 제2정합층(20b)의 계면, 즉, 제2정합층(20b)의 하부면 및 유전층(50)과 제2정합층(20b)의 계면, 즉, 제2정합층(20b)의 상부면에 크랙 등의 파손이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
전술한 본 발명의 바람직한 제1 내지 제4실시 예에 따른 정전척(1, 1', 1", 1"')에서는 제1, 2정합층(20a, 20b), 절연층(30), 전극층(40), 유전층(50)이 용사 코팅을 사용하여 형성되는 것을 기준으로 설명하였으나, 정전척(1, 1', 1", 1"'의 용도에 따라, 진공 증착, 스퍼티링, 도금, 전해동박 압착, 압연동박 압착 등 다른 방법에 의해 형성될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 통상의 기술자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
1, 1', 1", 1"': 정전척
10: 금속모재 20a: 제1정합층
20b: 제2정합층 30: 절연층
40: 전극층 50: 유전층

Claims (11)

  1. 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서,
    금속모재;
    상기 금속모재의 상면에 형성되는 정합층; 및
    상기 정합층의 상면에 형성되는 절연층;을 포함하되,
    상기 정합층은, 상기 정전척의 제어온도가 공정온도로 올라감에 따라 상기 금속모재와 상기 정합층의 계면과, 상기 정합층과 상기 절연층의 계면이 서로 다른 팽창율로 변형하는 것을 허용하는 탄성계수를 갖는 것을 특징으로 하는 정전척.
  2. 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서,
    전극층;
    상기 전극층의 상면에 형성되는 정합층; 및
    상기 정합층의 상면에 형성되는 유전층;을 포함하되,
    상기 정합층은, 상기 정전척의 제어온도가 공정온도로 올라감에 따라 상기 전극층과 상기 정합층의 계면과, 상기 정합층과 상기 유전층의 계면이 서로 다른 팽창율로 변형하는 것을 허용하는 탄성계수를 갖는 것을 특징으로 하는 정전척.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 정합층은 폴리머 재질인 것을 특징으로 하는 정전척.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 정합층은 탄성 중합체 재질인 것을 특징으로 하는 정전척.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 정합층은 폴리머 및 세라믹 필러를 혼합하여 형성된 것을 특징으로 하는 정전척.
  6. 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서,
    금속모재;
    상기 금속모재의 상면에 형성되는 제1정합층;
    상기 제1정합층의 상면에 형성되는 절연층;
    상기 절연층의 상면에 형성되는 전극층; 및
    상기 전극층의 상면에 형성되는 유전층;을 포함하되,
    상기 제1정합층의 탄성계수는 상기 금속모재의 탄성계수 및 상기 절연층의 탄성계수보다 작은 것을 특징으로 하는 정전척.
  7. 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서,
    금속모재;
    상기 금속모재의 상면에 형성되는 제1정합층;
    상기 제1정합층의 상면에 형성되는 절연층;
    상기 절연층의 상면에 형성되는 전극층;
    상기 전극층의 상면에 형성되는 제2정합층; 및
    상기 제2정합층의 상면에 형성되는 유전층;을 포함하되,
    상기 제1정합층의 탄성계수는 상기 금속모재의 탄성계수 및 상기 절연층의 탄성계수보다 작고,
    상기 제2정합층의 탄성계수는 상기 전극층의 탄성계수 및 상기 유전층의 탄성계수보다 작은 것을 특징으로 하는 정전척.
  8. 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서,
    금속모재;
    상기 금속모재의 상면에 형성되는 제1정합층;
    상기 제1정합층의 상면에 형성되는 전극층; 및
    상기 전극층의 상면에 형성되는 유전층;을 포함하되,
    상기 제1정합층의 탄성계수는 상기 금속모재의 탄성계수 및 상기 전극층의 탄성계수보다 작은 것을 특징으로 하는 정전척.
  9. 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서,
    금속모재;
    상기 금속모재의 상면에 형성되는 제1정합층;
    상기 제1정합층의 상면에 형성되는 전극층;
    상기 전극층의 상면에 형성되는 제2정합층; 및
    상기 제2정합층의 상면에 형성되는 유전층;을 포함하되,
    상기 제1정합층의 탄성계수는 상기 금속모재의 탄성계수 및 상기 전극층의 탄성계수보다 작고,
    상기 제2정합층의 탄성계수는 상기 전극층의 탄성계수 및 상기 유전층의 탄성계수보다 작은 것을 특징으로 하는 정전척.
  10. 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서,
    금속모재;
    상기 금속모재의 상면에 형성되는 정합층; 및
    상기 정합층의 상면에 형성되는 절연층;을 포함하되,
    상기 정합층은 상기 정전척의 공정온도에서 상기 절연층의 열변형이 상기 절연층의 허용 탄성범위 내에서 상기 절연층이 변형하도록 하는 것을 특징으로 하는 정전척.
  11. 정전기력에 의해 공정챔버 내의 기판을 고정시키는 정전척에 있어서,
    전극층;
    상기 전극층의 상면에 형성되는 정합층; 및
    상기 정합층의 상면에 형성되는 유전층;을 포함하되,
    상기 정합층은 상기 정전척의 공정온도에서 상기 절연층의 열변형이 상기 절연층의 허용 탄성범위 내에서 상기 유전층이 변형하도록 하는 것을 특징으로 하는 정전척.
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