KR20190029589A - 발열부재 - Google Patents
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Abstract
고온 및 장시간 사용이 반복되어도, 체적저항률이 변화하기 어려운 발열부재를 제공한다. 기재부(12) 상에 형성된 박막히터부(13)를, TixOy(단, 0<y/x<2.0를 만족)를 포함하는 용사 피막으로 이루어진 것으로 함으로써, 히터로서 바람직하게 사용되는 체적저항률을 가지며, 또 소정의 온도 변화나 온도 유지가 반복되어도 체적저항률이 변화하기 어려운 발열부재(11)로 한다.
Description
본 발명은 가온 대상물의 온도를 균일하게 유지하기 위한 발열부재에 관한 것이다.
근년, 반도체 제조공정에서의 웨이퍼 미세 가공에 드라이 에칭 등의 진공 또는 감압 하에 이루어지는 건식법이 많이 채용되고 있다. 플라즈마를 이용한 건식 에칭의 경우, 웨이퍼에는 플라즈마로부터 오는 열이 있다. 웨이퍼 온도는 에칭 속도에 영향을 주기 때문에, 웨이퍼 내의 온도 분포가 고르지 못하면 에칭 깊이에 불균일이 발생한다. 그래서, 특허문헌 1 ~ 3에 기재된 바와 같이, 히터 유닛을 웨이퍼 아래에 배치하여, 웨이퍼의 면내 온도를 균일하게 유지하도록 하였다.
반도체 제조장치 내의 일부에 히터를 제작하는 방법은 다양한데, 하나의 방법으로 용사를 들 수 있다. 용사에 의하면 얇고 균일한 두께의 막을 얻을 수 있어 설계 자유도도 높다. 용사로 히터를 형성하는 경우, 특허문헌 1 ~ 3에 기재된 바와 같이, 용사 재료로서 고융점 금속인 텅스텐(W)이 사용되는 경우가 많다.
본 발명자들은, 텅스텐을 용사 재료로 하여 형성한 용사 피막으로 이루어진 히터를 반복하여 사용하던 중, 히터 특성이 초기보다 변해가고 있음에 주목하였다. 그리고, 그 원인을 조사하기 위해 실험을 실시한 바, 텅스텐을 용사 재료로 하여 형성한 용사 피막은, 300℃ 정도의 고온 상태를 오래 유지하면 텅스텐의 산화가 진행되어, 실온으로 돌아왔을 때 승온 전에 비해 체적저항률이 변했음이 판명되었다. 히터의 체적저항률이 변하면 가온 대상물의 온도 제어가 정확해지지 않고, 또, 체적저항률의 변화가 부분적으로 발생한 경우에는 온도 분포의 균일성을 잃게 되는 등의 문제가 있다.
그래서 본 발명은, 종래기술의 문제점을 감안하여, 고온 및 장시간 사용이 반복되어도 체적저항률이 쉬이 변하지 않는 발열부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 텅스텐을 대신할 재료를 찾기 위해 수많은 실험을 거듭한 결과, 특수한 티타늄 산화물을 포함하는 용사 피막은, 고온 및 장시간 사용이 반복되어도 체적저항률이 쉬이 변하지 않음을 발견하고, 이를 통해 과제를 해결하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 발열부재는, 기재부와, 이 기재부 상에 형성된 박막히터부를 구비하고, 상기 박막히터부는 TixOy(단, 0<y/x<2.0를 만족)을 포함하는 용사 피막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
박막히터부를 이산화티타늄(TiO2)으로 형성하면, 체적저항률이 지나치게 높아 히터로서의 취급이 어렵다. 한편, 금속 티타늄은 히터로 이용할 수는 있지만, 고온 및 장시간 사용이 반복되면 체적저항률에 변동이 생길 우려가 있다. 그러나 박막히터부를 TixOy(단, 0<y/x<2.0를 만족), 즉, 티타늄 원자 수에 대한 산소 원자 수의 비율이 2 미만인 산화티타늄을 포함하는 용사 피막으로 이루어지는 것으로 함으로써, 히터로서 적합하게 사용되는 체적저항률을 가질 뿐 아니라, 고온대에서 장시간 유지시켜도 체적저항률의 변동이 적다.
상기 용사 피막은 Tix1Oy1(단, 0 <y1 / x1 <1.5를 만족) 및 Tix2Oy2(단, 1.5≤y2/x2≤2.0을 만족)를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 용사 피막 중 Tix1Oy1(단, 0<y1/x1<1.5를 만족)의 질량비 합계값은, Tix2Oy2(단, 1.5≤y2/x2≤2.0을 만족)의 질량비 합계값보다 큰 것이 보다 바람직하다.
상기 박막히터부의 폭은 1 ~ 20mm인 것이 바람직하다. 또, 상기 박막히터부의 두께는 30 ~ 1000μm인 것이 바람직하다. 또한, 상기 박막히터부의 선간 거리는 0.5 ~ 50mm인 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 발열부재의 구성은 한정되지 않으며, 예를 들어, 상기 박막히터부 상에 세라믹 절연층을 형성한 구성으로 할 수도 있다.
본 발명에 의하면, 발열부재를, 기재부와, 이 기재부 상에 형성된 박막히터부를 구비한 것으로 하고, 이 박막히터부를 TixOy(단 0<y/x<2.0을 만족) 즉, 티타늄 원자 수에 대한 산소 원자 수의 비율이 2 미만인 산화티타늄을 포함하는 용사 피막으로 이루어진 것으로 함으로써, 히터로서 적합하게 사용되는 체적저항률을 가지면서 소정의 온도 변화나 온도 유지가 반복되어도 체적저항률을 변화시키기 어렵게 할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 발열부재의 기본적인 구성을 나타내는 사시모식도이다.
도 2는, 박막히터부의 전형적인 패턴을 나타내는 평면모식도이다.
도 3은, 시료 A의 박막 히터부의 온도 변화에 따른 체적저항률의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는, 시료 B의 박막 히터부의 온도 변화에 따른 체적저항률의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는, 시료 E ~ H의 박막히터부의 성분 비율을 나타낸 그래프이다.
도 6은, 시료 I ~ K의 박막히터부의 성분 비율을 나타낸 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 발열부재가 적용된 플라즈마 처리장치의 단면 모식도이다.
도 8은, 도 7의 정전 척(electrostatic chuck) 확대 단면 모식도이다.
도 9는, 웨이퍼의 아래쪽에 위치하는 박막히터부의 패턴 예를 나타내는 평면 모식도이다.
도 10은, 웨이퍼의 아래쪽에 위치하는 박막히터부의 다른 패턴 예를 나타내는 평면 모식도이다.
도 11은, 포커스 링의 아래쪽에 위치하는 박막히터부의 패턴을 나타내는 평면 모식도이다.
도 2는, 박막히터부의 전형적인 패턴을 나타내는 평면모식도이다.
도 3은, 시료 A의 박막 히터부의 온도 변화에 따른 체적저항률의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는, 시료 B의 박막 히터부의 온도 변화에 따른 체적저항률의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는, 시료 E ~ H의 박막히터부의 성분 비율을 나타낸 그래프이다.
도 6은, 시료 I ~ K의 박막히터부의 성분 비율을 나타낸 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 발열부재가 적용된 플라즈마 처리장치의 단면 모식도이다.
도 8은, 도 7의 정전 척(electrostatic chuck) 확대 단면 모식도이다.
도 9는, 웨이퍼의 아래쪽에 위치하는 박막히터부의 패턴 예를 나타내는 평면 모식도이다.
도 10은, 웨이퍼의 아래쪽에 위치하는 박막히터부의 다른 패턴 예를 나타내는 평면 모식도이다.
도 11은, 포커스 링의 아래쪽에 위치하는 박막히터부의 패턴을 나타내는 평면 모식도이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
(실시예 1)
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 발열부재의 기본적인 구성을 나타내는 사시 모식도이다. 도 1에 도시된 발열부재(11)는 다음과 같이 하여 제조할 수 있다.
우선, 절연 표면을 갖는 기재부(12)를 준비하고, 기재부(12)의 해당 표면 상에 소정 조건으로 용사 재료를 용사하여 박막히터부(13)를 형성한다. 박막히터부(13)의 패턴은 기재부(12) 표면을 미리 패턴 형태로 마스킹하여 전면을 용사함으로써 제작할 수도 있고, 기재부(12) 전면에 용사한 후 그 용사 피막의 표면을 패턴 형태로 마스킹하고, 기계 가공이나 블러스트 가공에 의해 불필요한 용사 피막을 제거함으로써 제조할 수도 있다.
박막히터부(13)의 형성 후는, Al2O3 등의 절연 재료를 용사함으로써, 기재부(12) 표면 및 박막히터부(13) 표면 전체를 피복하는 절연층(14)을 형성한다.
이로써, 기재부(12)와, 기재부(12) 상에 패턴 형성된 박막히터부(13)를 가지며, 또 이들이 절연층(14)에서 피복된 발열부재(11)가 얻어진다. 박막히터부(13)에 의해 가열되는 대상물은, 기재부(12)를 개재하고 가열될 수도 있고, 절연층(14)을 개재하고 가열될 수도 있다.
박막히터부(13)는, 히터로 사용 가능한 고유 저항값을 가지며, 박막히터부(13)의 양단부에 단자 및 리드선(15,16)을 형성하고, 소정의 전압을 인가하여 박막히터부(13) 내로 전류를 보냄으로써, 기재부(12) 또는 절연층(14) 상에 탑재된 대상물을 가열할 수 있다.
절연층(14)의 성분은 특별히 한정되지 않지만, Al2O3, Y2O3, ZrO2 등의 산화물 세라믹이 적합하다. 절연층(14)은 용사법으로 형성할 수도 있고, 용사법 이외의 방법으로 형성할 수도 있다.
박막히터부(13)는 용사 피막으로 이루어진다. 용사법이라면, 기재의 크기나 형상에 제한되지 않고, 고정밀이며 균일하게 박막을 코팅할 수 있다. 또한, 후술하는 박막히터부(13)에 포함되는 특수한 산화티타늄을 얻는 방법으로 용사법이 바람직하다. 용사법의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 또한, 여기서의 용사법에는, 이른바 콜드 스프레이법도 포함된다.
기재부(12)의 형상은, 판상, 보울 형상(bowl shape), 주상(column shape), 통 형상, 테이퍼 형상 등, 특별히 한정되지 않는다. 즉, 기재부(12)의 표면은 평탄할 수도 있고, 만곡될 수도 있다. 또, 통 형상처럼 기재부(12) 내부가 중공일 경우, 박막히터부(13)는 기재부(12)의 외측면 상에 형성될 수도 있고, 내측면 상에 형성될 수도 있다.
기재부(12)는, 세라믹, 석영 유리 등으로 구성되는 절연 부재 외에, 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 구리 합금, 스테인레스 등의 도전 부재 표면에 절연막이 피복된 것일 수도 있다. 해당 절연막은, 도전 부재의 전부를 피복할 필요는 없으며, 적어도 박막히터부(13)가 형성되는 면을 피복하면 된다. 또한, 세라믹, 석영 유리 등의 절연 부재의 표면에 다른 절연막이 피복될 수도 있다.
기재부(12)는, 추가로 수냉 구조를 구비할 수도 있다. 이로써, 기재부의 온도가 고정되어, 박막히터부(13)의 온도 제어를 더욱 실시하기 쉬워진다. 또한, 기재부(12)가 수냉 구조를 구비하는 경우, 상기 도전 부재의 표면을 피복하는 절연막은, 이트리아 안정화 지르코니아(Yyttria-stabilized zirconia: YSZ) 등, 열전도율이 낮은 재료를 이용하는 것이 바람직하다.
도 2는, 박막히터부의 전형적인 패턴을 나타내는 평면 모식도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 박막히터부(13)는 기재부(12) 상에 패턴 형성되며, 복수의 서로 평행한 직선부와, 이들 직선부를 말단끼리 연결하는 굴곡부를 구비하고, 전체가 지그재그 패턴이 되어 의사적인 면(pseudo surface)을 구성한다. 한 장의 면상 패턴으로 하면, 전압이 인가되는 단자(19a, 19b) 사이를 직선적으로 연결하는 영역 및 그 부근에만 전류가 집중하여, 외연부까지 전류가 흐르지 않아 온도 분포가 불균일해져 버린다. 박막히터부(13)를 도 2와 같이 선형 패턴으로 함으로써, 전류를 박막히터부(13) 전체에 흐르게 할 수 있어, 온도 분포의 불균일을 없앨 수 있다. 상기 굴곡부는, 직각으로 굽은 것에 한정되지 않고, 원호를 그리듯이 구부러진 것일 수도 있다.
도 2에서는, 박막히터부(13)가 지그재그 형태로 되는 패턴을 나타냈으나, 박막히터부(13)는 온도 균일성이 엄밀하게 요구되지 않을 경우나, 온도 균일성이 훼손되지 않을 정도의 크기 또는 형태의 것을 대상으로 하는 경우는, 직선부만으로 이루어지는 것일 수도 있고, 또는 곡선부만으로 이루어지는 것일 수도 있으며, 필요에 따라 설계 변경이 가능하다.
박막히터부(13)의 두께(t)(도 1 참조)는 30 ~ 1000μm의 범위가 바람직하다. 박막히터부(13)의 두께(t)를 30μm 이상으로 함으로써 히터로서 우수한 기능을 발휘하기 쉽고, 1000μm 이하로 함으로써 치수의 극단적인 확대를 방지할 수 있다.
박막히터부(13)의 길이 방향과 직교하는 방향의 폭(s)은 1 ~ 20mm의 범위가 적합하다. 박막히터부(13)의 폭(s)을 1mm 이상으로 함으로써 단선의 가능성을 저감할 수 있으며, 20mm 이하로 함으로써 박막히터부(13) 상에 형성되는 절연층(14)에 박리가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
박막히터부(13)의 선간 거리(d)는 0.5 ~ 50mm의 범위가 바람직하다. 박막히터부(13)의 선간 거리(d)를 0.5mm 이상으로 함으로써 단락을 방지할 수 있으며, 50mm 이하로 함으로써 온도 분포의 변화를 더 억제할 수 있다.
박막히터부(13)를 구성하는 용사 피막은 다공질체이며, 그 평균 기공율은 1 ~ 10%의 범위가 바람직하다. 1%보다 작은 기공율에서는 피막 내에 존재하는 잔류 응력의 영향이 커져, 깨지기 쉬워질 가능성이 있다. 10%를 초과하는 기공율에서는 각종 가스가 기공 내로 침투하기 쉬워져, 피막의 내구성이 저하될 수 있다. 평균 기공율은, 용사 피막의 단면을 광학현미경으로 관찰하고, 관찰 이미지를 이진화 처리하여, 피막 내부의 흑색 영역을 기공 부분으로 간주하고, 그 흑색 영역 전체에서 차지하는 면적 비율을 산출하여 측정할 수 있다.
박막히터부(13)는, TixOy(단 0<y/x<2.0를 만족), 즉, 티타늄 원자 수에 대한 산소 원자 수의 비율이 2 미만인 산화티타늄을 필수적으로 포함한다. 바람직하게, 박막히터부(13)는 TixOy(단 0<y/x<2.0을 만족)을 주성분으로 포함한다. 여기서 "주성분"이란, 질량 기준으로 가장 많이 함유된 성분을 말한다. TixOy(단 0<y/x<2.0을 만족)의 구체적인 예로는, TiO, Ti2O, Ti3O, Ti2O3 등을 들 수 있다. 박막히터부(13)는, 이들 화합물 중 어느 하나를 단일로 포함할 수도 있고, 복수를 혼합하여 포함할 수도 있다.
박막히터부(13)는, Tix1Oy1(단, 0<y1/x1<1.5를 만족) 및 Tix2Oy2(단, 1.5≤y2/x2≤2.0을 만족)을 포함하는 용사 피막으로 이루어지는 것이 바람직하다. Tix1Oy1(단, 0<y1/x1<1.5를 만족)으로는, 예를 들어, TiO, Ti2O, Ti3O 등을 들 수 있으며, Tix2Oy2(단, 1.5≤y2/x2≤2.0을 만족)로는, 예를 들어 TiO2, Ti2O3 등을 들 수 있다. 이로써, 고온에서 장시간 유지되더라도 성분 변화가 적어져, 체적저항률의 변화를 억제할 수 있으므로 히터로서의 안정성이 증대된다. 보다 바람직하게, 박막히터부(13)는 Tix1Oy1(단, 0<y1/x1<1.5를 만족), Tix2Oy2(단, 1.5≤y2/x2≤2.0을 만족) 및 불가피한 불순물만으로 이루어지는 용사 피막으로 이루어지는 것이다. 보다 바람직하게, 박막히터부(13)는 Tix1Oy1(단, 0<y1/x1<1.5를 만족) 및 불가피한 불순물만으로 이루어지는 용사 피막으로 이루어지는 것이다.
또한, 박막히터부(13)가, Tix1Oy1(단, 0<y1/x1<1.5를 만족) 및 Tix2Oy2(단, 1.5≤y2/x2≤2.0을 만족)를 포함하는 용사 피막으로 이루어지는 경우, Tix1Oy1(단, 0<y1/x1<1.5를 만족)의 질량비 합계값은, Tix2Oy2(단, 1.5≤y2/x2≤2.0을 만족)의 질량비 합계값보다 큰 것이 바람직하다. 이로써, 박막히터부(13)의 체적저항률이 지나치게 커지지 않아 소비전력을 절약할 수 있다. 또, 고온에서 장시간 유지되더라도 성분 변화가 적고, 성분 변화가 일어나더라도 히터로 사용 가능한 범위의 체적저항률을 유지하기 쉬워진다.
박막히터부(13)는, Ti 분말 또는 Ti 분말과 TiO2 분말의 혼합물을 용사 재료로 하는 용사법으로 적합하게 제작된다. 티타늄 분말만으로 이루어지는 용사 재료를 사용하여도, 용사법에 따라서는 프레임에 의한 고열과 공기 중의 산소에 의해 티타늄의 산화가 진행되므로, TixOy(단 0<y/x<2를 만족)를 포함하는 용사 피막을 형성할 수 있다. 또, 용사법이나 용사 조건의 변경에 따라, 용사 피막 중의 Ti과 O의 비율을 미세 조정할 수도 있다.
박막히터부(13)가 TiO2로 이루어지는 용사 피막으로 구성된 경우, 후술하는 바와 같이 체적저항률이 지나치게 크기 때문에 히터로 취급하기 어렵다. 이에 반해 TixOy(단 0<y/x<2.0을 만족), 즉, 티타늄 원자 수에 대한 산소 원자 수의 비율이 2 미만인 산화티타늄을 포함하는 용사 피막이라면, 적정한 체적저항률을 얻을 수 있어, 박막히터부(13)로서 우수한 기능을 발휘할 수 있다. 또한 이같은 조성을 갖는 박막히터부(13)는, 고온 환경에 장시간 노출되어도 체적저항률이 변동하기 어려워 히터로서의 안정성이 우수하다.
이하, 본 발명에 따른 산화티타늄 피막과 종래 히터로 채용되어왔던 텅스텐 피막 각각의 체적저항률을 측정한 실험 결과를 나타낸다.
시료 A로, TixOy(단 0<y/x<2.0을 만족)을 포함하는 산화티타늄 피막을 용사법으로 형성한 샘플을 제작하였다. 먼저 Al2O3 분말을 원료로 하여 대기 플라즈마 용사법으로 알루미늄 기재 상에 두께 300μm의 Al2O3 피막을 형성하였다. 다음으로, Ti 분말을 원료로 하여 대기 플라즈마 용사법으로 Al2O3 피막 상에 두께 150μm의 TixOy(단 0<y/x<2.0를 만족)을 포함하는 용사 피막(조성의 상세한 내용은 하기 표 1과 같다)을 형성하였다. 마지막으로, Y2O3 분말을 원료로 하여 대기 플라즈마 용사법으로 해당 TixOy(단 0<y/x<2.0를 만족)을 포함하는 용사 피막 상에 두께 300μm의 Y2O3 피막을 형성하였다.
시료 B로서, 텅스텐 피막을 용사법으로 형성한 샘플을 제작하였다. 먼저 Al2O3 분말을 원료로 하여 대기 플라즈마 용사법으로 알루미늄 기재 상에 두께 300μm의 Al2O3 피막을 형성하였다. 다음으로, 텅스텐 분말을 원료로 하여 대기 플라즈마 용사법으로 Al2O3 피막 상에 두께 150μm의 텅스텐 피막을 형성하였다. 마지막으로, Y2O3 분말을 원료로 하여 대기 플라즈마 용사법으로 텅스텐 피막 상에 두께 300μm의 Y2O3 피막을 형성하였다.
시료 A에 대해서는, 실온에서 300℃까지의 승온 및 냉각을 다음과 같이 반복하여, 승온 시 각 온도에서의 체적저항률(Ω·cm)을 4 단자법으로 측정하였다. 측정 결과를 도 3에 나타낸다.
제 1회 : 실온에서 300℃까지 승온시켜 3시간 유지. 그 후 실온이 될 때까지 방치.
제 2회 : 실온에서 300℃까지 승온시켜 3시간 유지. 그 후 실온이 될 때까지 방치.
제 3회 : 실온에서 300℃까지 승온시켜 3시간 유지. 그 후 실온이 될 때까지 방치.
제 4회 : 실온에서 300℃까지 승온시켜 3시간 유지. 그 후 실온이 될 때까지 방치.
제 5회 : 실온에서 300℃까지 승온시켜 18시간 유지. 그 후 실온이 될 때까지 방치.
제 6회 : 실온에서 300℃까지 승온시켜 70시간 유지. 그 후 실온이 될 때까지 방치.
시료 B에 대해서는, 실온에서 300℃까지의 승온 및 냉각을 다음과 같이 반복하여, 승온 시 각 온도에서의 체적저항률(Ω·cm)을 4 단자법으로 측정하였다. 측정 결과를 도 4에 나타낸다.
제 1회 : 실온에서 300℃까지 승온시켜 3시간 유지. 그 후 실온이 될 때까지 방치.
제 2회 : 실온에서 300℃까지 승온시켜 7시간 동안 유지. 그 후 실온이 될 때까지 방치.
제 3회 : 실온에서 300℃까지 승온시켜 20시간 유지. 그 후 실온이 될 때까지 방치.
제 4회 : 실온에서 300℃까지 승온시켜 70시간 유지. 그 후 실온이 될 때까지 방치.
도 4에 나타내는 바와 같이, 시료 B에서 박막히터부(13)의 체적저항률은 온도 상승과 함께 증가했지만, 승온을 멈추고 실온이 될 때까지 방치하면, 가열 전의 초기 상태에 가까운 체적저항률 값으로 돌아왔다. 단, 가열 전 실온에서의 체적저항률과, 한번 가열한 후 실온에서의 체적저항률은 일치하지 않고 증가하는 경향을 보였다. 또, 이러한 경향은 승온 횟수가 늘어날수록 현저하게 나타나며, 초기 상태에서 실온에서의 체적저항률과, 4번의 승온 과정을 거쳐 냉각된 후 실온에서의 체적저항률을 비교하면, 0.5Х10-4(Ω·cm) 정도의 체적저항률 변화가 보였다. 또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 이러한 체적저항률의 증가 경향은 초기 값(실온 시)뿐만 아니라 승온 후(예를 들어 300℃일 때)에도 볼 수 있어, 어느 온도 상태에서도 체적저항률이 증가함이 확인되었다. 또한, 이와 같은 체적저항률의 변화는 박막히터부(13) 상에 세라믹 절연층(14)이 피복되어 있는 경우에도 발생함이 확인되었다.
한편, 도 3에 나타낸 바와 같이, 시료 A에서 박막히터부(13)의 체적저항률은, 온도 상승과 함께 감소하며, 가열을 멈추고 실온이 될 때까지 방치하면, 가열 전의 초기 상태와 거의 동일한 체적저항률 값으로 돌아왔다. 또한, 시료 A에서는, 고온에서 어느 정도 유지시킨 후에도, 실온 시의 체적저항률에 거의 변화를 보이지 않으며, 마찬가지의 승온 및 고온 유지를 반복해도 역시 변화가 없었다. 또, 시료 A에 대해서는, 온도 상승 시의 체적저항률의 변화량 자체도, 시료 B의 체적저항률 변화량과 비교하면 작았다.
이상으로부터, 본 발명에 따른 TixOy(단 0<y/x<2.0를 만족)을 포함하는 용사 피막을 박막히터부로 이용함으로써, 실온, 승온 시 모두에서 체적저항률 변화가 적은, 안정된 발열부재를 얻을 수 있음이 확인되었다.
다음으로, 새로운 비교를 위하여, 시료 C로서 TiO2 피막을 용사법으로 형성한 샘플을 제작하였다. 먼저, Al2O3 분말을 원료로 하여, 대기 플라즈마 용사법으로 알루미늄 기재 상에 두께 300μm의 Al2O3 피막을 형성하였다. 다음으로, TiO2 분말을 원료로 하여 대기 플라즈마 용사법으로 Al2O3 피막 상에 두께 150μm의 TiO2 피막을 형성하였다. 마지막으로, Y2O3 분말을 원료로 하여, 대기 플라즈마 용사법으로 TiO2 피막 상에 두께 300μm의 Y2O3 피막을 형성하였다. 또한 시료 D로서, 두께 150μm의 Ti 벌크 기재를 준비하였다.
시료 C 및 시료 D 각각의 박막히터부(13)를 300℃까지 승온시킨 후, 100시간 그대로의 온도로 유지하였다.
또한, 각 시료 A ~ D에서의 가열 전과 300℃, 100시간 가열 후의 박막히터부 조성을 조사하기 위하여, X선 회절장치를 이용하여 성분 분석을 실시하였다. 표 1 및 표 2에, 각 용사 피막에서의 용사 직후, 실온에서의 조성과, 300℃, 100시간 열처리 후의 조성을 나타낸다. 또한, 히터로서의 적정 여부를 평가하기 위하여, 시료 C 및 시료 D에 대해서도, 300℃, 100시간 가열 후 박막히터부의 체적저항률 (Ω·cm)을 4 단자법으로 측정하였다. 표 1 및 표 2와 같이, 티타늄 분말을 용사하여 얻은 용사 피막(시료 A)에서는, 고온 유지를 반복해도 성분 비율이 TixOy (단 0<y/x<2.0을 만족)의 범위 내에 있는 반면, 텅스텐 분말을 용사하여 얻은 용사 피막(시료 B)에서는, 고온 유지가 반복되어 산화 텅스텐(W3O8)이 발생하였음이 인정되었다. 이 산화 텅스텐(W3O8)이 체적저항률의 변동에 영향을 주는 것으로 생각된다.
이상으로부터, 발열부재(11)의 기재부(12) 상에 형성된 박막히터부(13)를, TixOy(단 0<y/x<2.0을 만족)을 포함하는 용사 피막으로 형성함으로써, 히터로서 적합하게 사용되는 체적저항률을 가지면서, 고온 유지가 반복되어도 체적저항률을 변화시키기 어렵게 할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 다른 실시예로서, 추가로 이하의 시료 E ~ H를 준비하였다.
시료 E : Al2O3 분말을 원료로 하여, 대기 플라즈마 용사법으로 알루미늄 기재 상에 두께 450μm의 Al2O3 피막을 형성하였다. 이어서, 용사 노즐에서 기재부까지의 거리를 135mm로 설정하고, Ti 분말을 원료로 하여 대기 플라즈마 용사법으로 Al2O3 피막 상에 두께 150μm의 TixOy(단 0<y/x<2.0을 만족)을 포함하는 용사 피막을 형성하였다.
시료 F : Al2O3 분말을 원료로 하여, 대기 플라즈마 용사법으로 알루미늄 기재 상에 두께 450μm의 Al2O3 피막을 형성하였다. 이어 용사 노즐에서 기재부까지의 거리를 220mm로 설정하고 Ti 분말을 원료로 하여 대기 플라즈마 용사법으로 Al2O3 피막 상에 두께 150μm의 TixOy(단 0<y/x<2.0을 만족)을 포함하는 용사 피막을 형성하였다.
시료 G : Al2O3 분말을 원료로 하여, 대기 플라즈마 용사법으로 알루미늄 기재 상에 두께 450μm의 Al2O3 피막을 형성하였다. 이어서, 용사 노즐에서 기재부까지의 거리를 360mm로 설정하고, Ti 분말을 원료로 하여 대기 플라즈마 용사법으로 Al2O3 피막 상에 두께 150μm의 TixOy(단 0<y/x<2.0을 만족)을 포함하는 용사 피막을 형성하였다.
시료 H : Al2O3 분말을 원료로 하여, 대기 플라즈마 용사법으로 알루미늄 기재 상에 두께 450μm의 Al2O3 피막을 형성하였다. 이어서, 용사 노즐에서 기재부까지의 거리를 500mm로 설정하고, Ti 분말을 원료로 하여 대기 플라즈마 용사법으로 Al2O3 피막 상에 두께 150μm의 TixOy(단 0<y/x<2.0을 만족)을 포함하는 용사 피막을 형성하였다.
각 시료 E ~ H의 박막히터부에서의 X선 회절장치에 의한 성분 분석 결과와, 용사 후 실온 상태에서의 4 단자법을 이용한 체적저항률(Ω·cm) 측정 결과를 표 3 및 도 5 에 나타낸다.
표 3 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 같은 Ti 분말 재료라도 용사 거리가 커질수록, 용사 피막 전체에 대한 TixOy(단 1.5≤y/x<2.0을 만족)와 TiO2의 비율이 증가하고, 체적저항률도 증가하는 경향인 것을 알았다.
본 발명의 다른 실시예로서, 추가로 이하의 시료 I ~ K를 준비하였다.
시료 I : Al2O3 분말을 원료로 하여, 대기 플라즈마 용사법으로 알루미늄 기재 상에 두께 450μm의 Al2O3 피막을 형성하였다. 이어서, Ti과 TiO2의 혼합 분말(Ti/TiO2 = 75/25(질량비))을 원료로 하여, 대기 플라즈마 용사법으로 Al2O3 피막 상에 두께 150μm의 TixOy(단 0<y/x<2. 0을 만족)을 포함하는 용사 피막을 형성하였다.
시료 J : Al2O3 분말을 원료로 하여, 대기 플라즈마 용사법으로 알루미늄 기재 상에 두께 450μm의 Al2O3 피막을 형성하였다. 이어서, Ti과 TiO2 혼합 분말(Ti/TiO2 = 50/50(질량비))을 원료로 하여, 대기 플라즈마 용사법으로 Al2O3 피막 상에 두께 150μm의 TixOy(단 0<y/x<2.0을 만족)을 포함하는 용사 피막을 형성하였다.
시료 K : Al2O3 분말을 원료로 하여, 대기 플라즈마 용사법으로 알루미늄 기재 상에 두께 450μm의 Al2O3 피막을 형성하였다. 이어서, Ti과 TiO2의 혼합 분말(Ti/TiO2 = 25/75(질량비))을 원료로 하여, 대기 플라즈마 용사법으로 Al2O3 피막 상에 두께 150μm의 TixOy(단 0<y/x<2.0을 만족)을 포함하는 용사 피막을 형성하였다.
각 시료 I ~ K의 박막히터부에서의 X선 회절장치에 의한 성분 분석 결과와, 용사 후 실온 상태에서의 4 단자법을 이용한 체적저항률(Ω·cm) 측정 결과를 표 4 및 도 6 에 나타낸다.
표 4 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 동일한 용사 거리라도, Ti 분말에 대한 TiO2 분말의 혼합 비율이 증가함에 따라, 용사 피막 전체에 대한 TixOy(단 1.5≤y/x<2.0을 만족)과 TiO2의 비율이 증가하고, 체적저항률도 증가하는 경향인 것을 알았다. 여기서, 시료 K에서는 혼합 분말 중에 Ti 분말보다 TiO2 분말이 많이 포함되어 있는데, 용사 피막으로 된 시점에서는 TiO2의 비율이 감소하였다. 그 이유로는, 대기 플라즈마 용사 시의 TiO2의 환원을 생각할 수 있다. 이와 같이, 용사 재료 뿐만 아니라 용사법의 종류에 따라, 형성되는 용사 피막의 성분 조정이 가능해진다.
박막히터부(13)는, 가온 대상물의 온도를 조정하기 위해 필요한 출력에 따라, 두께(t) 선폭(s), 길이 및 체적저항률이 정해져 소정의 저항값에 맞도록 설계된다. 히터로 사용하기 위한 체적저항률의 크기 기준은 1.0 Х 10-4 ~ 1.0 Х 10-2(Ω·cm)이다. 그러나 실제로는, 박막히터부(13)를 형성할 때의 차이가 존재하기 때문에, 설계한 대로의 저항값으로 되지 못할 경우가 있다. 특히 두께(t) 및 선폭(s)이 중요하며, 국부적으로 두께(t)나 선폭(s)이 커질 경우, 그 부분의 저항값이 떨어짐으로써 발열이 어려워져, 가온 대상물의 일부에 온도가 낮은 부분이 발생해 버리는 경우가 있다.
그러한 경우에는, 박막히터부(13)를 형성한 후 저항값이 떨어지는 부분을 검지하고, 저항값이 소정 범위에 맞도록 박막히터부(13)의 일부분을 절삭하여 두께(t)나 선폭(s)을 수정할 수도 있다. 즉, 박막히터부(13)의 두께(t) 및 선폭(s)은 일정하지 않을 수 있으며, 일부에 컷아웃 부분이 있을 수도 있다. 또한, 온도 균일성을 높이는 다른 방법으로, 박막히터부(13) 상에 열 확산판을 구성시켜 온도 불균일을 저감시키도록 할 수도 있다.
본 발명의 발열부재는 예를 들어, 전자부품 등의 고온 특성 조사를 위한 장치, 후술하는 플라즈마 처리장치에서의 온도 제어 부품 등에 적합하게 사용된다.
(실시예 2)
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 발열부재가 적용된 플라즈마 처리장치의 단면 모식도이다. 도 7과 같이 플라즈마 처리장치의 진공챔버(20) 내에는, 웨이퍼(27)를 유지하기 위한 정전 척(electrostatic chuck)(25)이 형성되며, 도시하지 않은 반송 암 등에 의해 웨이퍼(27)가 진공챔버(20)의 안팎으로 출입되도록 구성된다. 진공챔버(20)에는, 가스도입장치(22)나 상부전극(28) 등이 설치된다. 정전 척(25)은 하부전극을 내장하며, 이 하부전극과 상부전극(28)에 고주파 전원(29)이 접속된다. 하부전극 및 상부전극(28)의 사이에 고주파를 가하면, 도입된 처리 가스가 플라즈마화 되고, 발생한 플라즈마의 이온이 웨이퍼(27)로 인입됨으로써 에칭이 이루어지고, 이때 웨이퍼(27)의 온도가 상승한다. 웨이퍼(27) 주위에는 웨이퍼(27)의 외연부 부근에서도 에칭 효과가 저하되지 않도록 포커스 링(26)이 배치된다. 웨이퍼(27) 하방에는, 웨이퍼(27)의 온도를 일정하게 유지하기 위한 제 1 박막히터부(23a)가 설치된다. 포커스 링(26) 하방에는, 포커스 링(26)의 온도를 일정하게 유지하기 위한 제 2 박막히터부(23b)가 설치된다.
도 8은, 도 7에서의 정전 척(25)의 확대 단면 모식도이다. 정전 척(25)은, 웨이퍼(27) 및 포커스 링(26)을 유지하는 기대부(32)와, 이 기대부(32) 표면에 형성된 제 1 절연층(33)과, 제 1 절연층(33) 표면에 형성된 제 1 박막히터부(23a) 및 제 2 박막히터부(23b)와, 이들 제 1 및 제 2 박막히터부(23a, 23b)를 피복하도록 제 1 절연층(33) 표면에 형성된 제 2 절연층(35)과, 제 2 절연층(35) 상의 표면에 형성된 전극부(36)과, 전극부(36)를 피복하도록 최외층에 형성된 유전층(37)을 구비한다. 즉, 본 실시형태에서의 정전 척(25)에는, 상기 제 1 및 제 2 박막히터부(23a, 23b)가 설치되며, 기대부(32) 및 제 1 절연층(33)을 기재부로 하며, 이들 부재가 본 발명의 일 실시예에 따른 발열부재를 구성한다.
정전 척(25)의 측면은, 용사에 의해 형성된 Al2O3 피막으로 이루어지는 피복층(38)으로 피복되며, 정전 척(25)의 내부로 플라즈마의 영향이 미치지 않도록 한다.
정전 척(25)에는, 상하 방향으로 관통하는 가스공(gas pore)(39)이 형성되며, 이 가스공(39)은 유전층(37)의 표면에 형성된 도시하지 않은 냉각 홈으로 연결된다. 예를 들어, 헬륨 가스가 가스공(39)을 통해 웨이퍼(27)와 정전 척(25) 사이에 도입된다. 진공챔버(20) 안은 감압되어 있기 때문에, 웨이퍼(27)에서 정전 척(25)으로의 열전도성이 낮다. 가스를 웨이퍼(27)와 정전 척(25) 사이에 도입함으로써, 웨이퍼(27)에서 정전 척(25)으로 열이 전도되고, 이로써 웨이퍼(27)의 냉각 효과가 확보된다.
제 1 및 제 2 박막히터부(23a, 23b)는 통전에 의해 발열하도록 구성된다. 제 1 및 제 2 박막히터부(23a, 23b)는, 실시예 1에 나타낸 박막히터부(13)와 동일한 방법으로 형성되며, 마찬가지 조성을 갖는다. 제 1 박막히터부(23a)로 전력을 보내기 위한 제 1 급전핀(40)이, 기대부(32) 및 제 1 절연층(33)을 관통하여 제 1 박막히터부(23a)에 전기적으로 접속되어, 제 1 박막히터부(23a)로의 출력이 조절된다. 또, 제 2 박막히터부(23b)로 전력을 보내기 위한 제 2 급전핀(41)이, 기대부(32) 및 제 1 절연층(33)을 관통하여 제 2 박막히터부(23b)에 전기적으로 접속되어, 제 2 박막히터부(23b)로의 출력이 조절된다. 또한, 전극부(36)로 전력을 보내기 위한 제 3 급전핀(43)이, 기대부(32), 제 1 절연층(33) 및 제 2 절연층(35)을 관통하여 전극부(36)에 전기적으로 접속되어, 전극부(36)로의 전압 인가가 조절된다. 기대부(32) 중에는, 냉매를 통과시키는 냉각로(42)가 형성되어, 냉각로(42)를 통과하는 냉매에 의해 기대부(32)가 냉각되도록 구성된다.
기대부(32)를 구성하는 재료는 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 구리 합금, 스테인리스 등의 금속, AlN, SiC 등의 세라믹, 이들의 금속 또는 세라믹 복합재 등이 채용된다. 기대부(32)의 냉각로(42)를 흐르는 냉매의 온도는 -20 ~ 200℃이다. 이 냉매의 온도는, 웨이퍼(27) 및 포커스 링(26)을 냉각시키는 속도와 제 1 및 제 2 박막히터부(23a, 23b)의 가온 능력에 따라 조정된다.
기대부(32)의 표면에 형성된 제 1 절연층(33)은, 용사에 의해 형성된 Al2O3 피막으로 이루어지며, 기대부(32)와 제 1 박막히터부(23a) 사이, 및 기대부(32)와 제 2 박막히터부(23b) 사이를 절연시킨다. 제 1 및 제 2 박막히터부(23a, 23b)를 피보하도록 제 1 절연층(33)의 표면에 형성된 제 2 절연층(35)은 용사에 의해 형성된 Al2O3 피막으로 이루어지며, 제 1 박막히터부(23a)와 전극부(36) 사이를 절연시킨다. 제 1 절연층(33)의 두께 및 제 2 절연층(35)의 두께는 모두 50 ~ 400μm이다. 제 1 절연층(33) 및 제 2 절연층(35)의 두께나 소재를 변경함으로써, 제 1 절연층(33) 및 제 2 절연층(35)에 의한 제열(heat removal) 효율을 제어할 수 있다.
제 1 절연층(33)의 두께 및 제 2 절연층(35)의 두께를 얇게 하고, 소재를 열전도 계수가 높은 것으로 하면, 제열 효율을 높일 수 있다. 제열 효율이 향상되면, 웨이퍼(27) 및 포커스 링(26)의 냉각 속도가 높아진다. 반면, 제 1 절연층(33)의 두께가 얇아짐으로써, 기대부(32)가 제 1 및 제 2 박막히터부(23a, 23b)의 열을 뺏기 쉬워지므로, 제 1 및 제 2 박막히터부(23a, 23b)를 고출력화할 필요가 있다. 제 1 절연층(33)의 두께 및 제 2 절연층(35)의 두께를 두껍게 하고, 소재를 열전도 계수가 낮은 것으로 하면, 제열 효율을 낮출 수 있다. 낮은 열전도 계수를 갖는 대표적인 것으로 PSZ(partially stabilized zirconia: 부분 안정화 지르코니아)가 있다. 제열 효율을 낮추면 웨이퍼(27) 및 포커스 링(26)의 냉각 속도가 떨어진다. 반면, 제 1 절연층(33)의 두께가 커진 것이거나, 소재가 열전도 계수가 낮은 것으로 됨으로써, 기대부(32)가 제 1 및 제 2 박막히터부(23a, 23b)의 열을 뺏기 어려워지므로, 제 1 및 제 2 박막히터부(23a, 23b)를 고출력화할 필요가 없어진다. 예를 들어, 웨이퍼(27) 및 포커스 링(26)의 냉각 속도가 지나치게 클 경우에는, 제 1 절연층(33)의 두께 및 제 2 절연층(35)의 두께를 크게 하고, 소재를 열전도 계수가 낮은 것으로 할 수 있으며, 이 경우 제 1 및 제 2 박막히터부(23a, 23b)의 최대 출력을 낮출 수 있다.
제 2 절연층(35)의 표면에 형성된 전극부(36)는, 용사로 형성된 텅스텐 피막으로 이루어진다. 전극부(36)에 전압이 인가됨으로써, 웨이퍼(27)가 정전 척(25)에 흡착된다. 전극부(36)를 피복하도록 제 2 절연층(35)의 표면에 형성된 유전층(37)은, 용사에 의해 형성된 Al2O3 피막으로 이루어진다. 전극부(36)의 두께는 30 ~ 100μm이며, 유전층(37)의 두께는 50 ~ 400μm이다.
제 1 절연층(33), 제 2 절연층(35) 및 유전층(37)을 구성하는 Al2O3 피막은, 각각 기대부(32), 제 1 절연층(33), 제 2 절연층(35) 표면에 Al2O3 분말을 원료로 하는 대기 플라즈마 용사법으로 형성된 것이다. 전극부 (36)를 구성하는 텅스텐 피막은, 제 2 절연층(35) 표면에 텅스텐 분말을 원료로 하는 대기 플라즈마 용사법으로 형성한 것이다. Al2O3 피막 및 텅스텐 피막을 얻기 위한 용사법은, 대기 플라즈마 용사법에 한정되지 않고, 감압 플라즈마 용사법, 수(水) 플라즈마 용사법, 또는 고속 혹은 저속 프레임 용사법일 수도 있다.
용사 분말은, 입경 5 ~ 80μm의 입도 범위의 것을 채용하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 입경이 지나치게 작으면 분말의 유동성이 저하되어 안정된 공급이 어렵고, 피막의 두께가 불균일해지기 쉬워지는 한편, 입경이 지나치게 크면 완전히 용융되지 않은 채 성막되어, 과도하게 다공질화되어 막질이 거칠어지기 때문이다.
제 1 절연층(33), 제 1 또는 제 2 박막히터부(23a, 23b), 제 2 절연층(35), 전극부(36), 및 유전층(37)을 구성하는 각 용사 피막의 두께 합은 200 ~ 1500μm의 범위가 바람직하며, 보다 바람직하게는 300 ~ 1000μm의 범위이다. 두께가 200μm 미만에서는 해당 용사 피막의 균일성이 저하되어 피막 기능을 충분히 발휘할 수 없으며, 1500μm를 초과하면 해당 용사 피막 내의 잔류 응력의 영향이 커져 깨지기 쉬워지기 때문이다.
상기 각 용사 피막은 다공질체이며, 그 평균 기공율은 1 ~ 10%의 범위가 바람직하다. 평균 기공율은, 용사법이나 용사 조건에 따라 조정할 수 있다. 1%보다 작은 기공율에서는, 각 용사 피막 내에 존재하는 잔류 응력의 영향이 커져 깨지기 쉬워질 우려가 있다. 10%를 초과하는 기공율에서는, 반도체 제조공정에 사용되는 각종 가스가 각 용사 피막 내로 침입하기 쉬워져, 내구성이 저하될 우려가 있다.
상기 예에서는, 제 1 절연층(33), 제 2 절연층(35), 유전층(37) 및 피복층(38)을 구성하는 각 용사 피막의 재료로 Al2O3을 채용하는데, 다른 산화물계 세라믹, 질화물계 세라믹, 불화물계 세라믹, 탄화물계 세라믹, 붕화물계 세라믹, 또는 이들을 포함하는 화합물 혹은 혼합물일 수 있다. 그 중에서도, 산화물계 세라믹, 질화물계 세라믹, 불화물계 세라믹, 또는 이들을 포함하는 화합물이 바람직하다.
산화물계 세라믹은, 플라즈마 에칭 공정에 사용되는 O계 플라즈마 중에서 안정적이며, Cl계의 플라즈마 중에서도 비교적 양호한 내플라즈마성을 나타낸다. 질화물계 세라믹은 경도가 높기 때문에 웨이퍼와의 마찰로 인한 손상이 적으며 마모 가루 등이 발생하기 어렵다. 또한, 비교적 열전도율이 높기 때문에, 처리 중인 웨이퍼의 온도를 제어하기 쉽다. 불화물계 세라믹은 F계 플라즈마 중에서 안정적이며, 우수한 내플라즈마성을 발휘할 수 있다.
Al2O3 이외의 산화물계 세라믹의 구체예로는, TiO2, SiO2, Cr2O3, ZrO2, Y2O3, MgO, CaO을 들 수 있다. 질화물계 세라믹으로는, TiN, TaN, AlN, BN, Si3N4, HfN, NbN, YN, ZrN, Mg3N2, Ca3N2을 들 수 있다. 불화물계 세라믹으로는, LiF, CaF2, BaF2, YF3, AlF3, ZrF4, MgF2을 들 수 있다. 탄화물계 세라믹으로는, TiC, WC, TaC, B4C, SiC, HfC, ZrC, VC, Cr3C2을 들 수 있다. 붕화물계 세라믹으로는, TiB2, ZrB2, HfB2, VB2, TaB2, NbB2, W2B5, CrB2, LaB6을 들 수 있다.
제 1 절연층(33) 및 제 2 절연층(35)에 관해서는, 상기 중에서도 필요한 열전도성과 절연성을 양립시키는 재료가 특히 바람직하며, 유전층(37)에 관해서는, 상기 중에서도 열전도성(유전층 열전도율은 높은 것이 좋다), 유전성, 내플라즈마성, 및 내마모성을 겸비한 것이 특히 바람직하다.
도 9 및 도 10은, 각각 웨이퍼(27)의 하방에 위치하는 제 1 박막히터부(23a)의 패턴 예를 나타내는 평면 모식도이다.
도 9에 나타내는 제 1 박막히터부(23a)는 기대부(32) 상에 형성되며, 제 1 박막히터부(23a)의 상방에 탑재되는 웨이퍼(27)의 형상에 맞추어 의사적으로 원 형태로 형성된다. 보다 상세하게, 제 1 박막히터부(23a)는 대략 동심원상이 되도록 형성된다. 제 1 박막히터부(23a)는 원형의 기대부(32) 외연 부근에 위치하는 한쪽 단부에서, 원의 맞은 편의 지점을 향해 원호를 그리듯 연장되어, 해당 맞은 편의 지점에서 중심 쪽으로 돌아오도록 굴곡되며, 마찬가지로 원호를 그리도록 하여 원래의 출발점 가까이까지 연장된다. 그리고, 다시 출발점 근처에서 중심 쪽으로 돌아오도록 굴곡되며, 이것이 복수 회 반복되어, 서서히 원의 중심에 가까워지도록 연신된다. 원의 중심까지 도달하면, 다음은 좌우 대칭이 되도록 원 중심에서 외연측을 향해 원호를 복수 회 그리듯 연신되고, 복수 회의 굴곡을 거쳐 기대부의 외연 부근에 위치하는 다른 한쪽 단부에 도달한다. 이와 같이, 제 1 박막히터부(23a)를 거의 동심원상으로 그림으로써, 1 개의 선으로 면내를 균일하게 가열할 수 있는 원형의 의사면(pseudo surface)을 형성할 수 있다.
제 1 박막히터부(23a)는 1 ~ 20mm의 선폭(s)으로 가늘고 긴 형태로 배선된다. 제 1 박막히터부(23a)의 선폭(s)은 20mm 이하가 바람직하고, 5mm 이하가 보다 바람직하다. 제 2 절연층(35)의 제 1 박막히터부(23a)로의 밀착력은, 제 1 절연층(33)으로의 밀착력보다 낮으므로, 제 1 박막히터부(23a)의 선폭(s)이 20mm를 초과하고, 제 1 절연층(33)의 노출 범위가 적어지면, 제 1 박막히터부(23a) 상의 제 2 절연층(35)이 박리될 우려가 생긴다. 한편, 선폭(s)이 1mm보다 작으면, 단선이 일어날 가능성이 높아진다. 따라서, 제 1 박막히터부(23a)의 선폭(s)은 1mm 이상이 바람직하고, 2mm 이상이 보다 바람직하다.
제 1 박막히터부(23a)의 선간 거리(d)는 0.5mm 이상이 바람직하며, 1mm 이상이 보다 바람직하다. 제 1 박막히터부(23a)의 선간 거리(d)가 지나치게 작으면 단락되어 버리기 때문이다. 또한, 제 2 절연층(35)의 제 1 박막히터부(23a)로의 밀착력은 제 1 절연층(33)으로의 밀착력보다 낮기 때문에, 제 1 박막히터부(23a)의 선간 거리(d)가 작고, 제 1 절연층(33)의 노출 범위가 적어지면, 제 1 박막히터부(23a) 상의 제 2 절연층(35)이 박리될 우려가 생긴다. 한편, 선간 거리(d)가 지나치게 넓어지면, 제 1 박막히터부(23a)에 의해 가열되는 면적이 줄어들어, 온도 분포의 균일성이 훼손될 우려가 있다. 따라서, 제 1 박막히터부(23a)의 선간 거리(d)는 50mm 이하가 바람직하고, 5mm 이하가 보다 바람직하다.
제 1 박막히터부(23a)는, 도 10과 같이 내측 히터부(23d)와 그 외측에 위치하는 외측 히터부(23f)로 구성될 수도 있다. 내측 히터부(23d)와 외측 히터부(23f)의 2 개 부재로 나누면, 각각 독립적으로 제어함으로써, 정전 척(25)의 내측 영역과 외측 영역을 서로 다른 온도로 승온시킬 수 있다. 내측 히터부(23d) 및 외측 히터부(23f)의 선폭(s) 및 선간 거리(d)는 도 9에 나타낸 예와 동일할 수 있으나, 내측 히터부(23d)와 외측 히터부(23f) 사이에서 설계를 달리할 수도 있다.
이와 같이, 제 1 박막히터부(23a)의 구성 수는 한정되는 것이 아니며, 가열할 영역에 따라, 도 9와 같은 하나의 부재로 구성할 수도 있고, 도 10과 같은 2 개의 부재로 구성할 수도 있으며, 혹은 3 개 이상의 부재로 구성할 수도 있다.
도 11은, 포커스 링(26)의 하방에 위치하는 제 2 박막히터부(23b)의 패턴을 나타내는 평면 모식도이다. 도 11과 같이 제 2 박막히터부(23b)는, 기대부(32) 상에 형성되며, 제 2 박막히터부(23b)의 상방에 탑재되는 포커스 링(26)의 형상에 맞추어 의사적인 고리형으로 형성된다. 보다 상세하게 제 2 박막히터부(23b)는, 거의 동심원상이 되도록 형성된다. 제 2 박막히터부(23b)는, 원형의 기대부(32)의 외연 부근에 위치하는 한쪽 단부에서, 원의 맞은 편 지점을 향해 원호를 그리듯 연장되고, 해당 맞은 편의 지점에서 중심 쪽으로 돌아오도록 굴곡되어, 원래의 출발점 가까이까지 연장된다. 그리고, 다시, 출발점 근처에서 중심 쪽으로 돌아오도록 굴곡되며, 이것이 반복되어 고리형상의 절반이 형성된다. 그리고 나머지 절반에 대해, 좌우 대칭이 되도록 원호를 그리듯 연신되고, 복수 회 굴곡을 거쳐 기대부의 외연 부근에 위치하는 다른 한쪽 단부에 도달한다. 이와 같이, 제 2 박막히터부(23b)를 거의 동심원상으로 그림으로써, 1 개의 선으로 면내를 균일하게 가열할 수 있는 고리형상의 의사면을 형성할 수 있다.
제 2 박막히터부(23b)의 선폭(s)은, 제 1 박막히터부(23a)와 같은 이유에서 20mm 이하가 바람직하고, 10mm 이하가 보다 바람직하다. 또, 제 2 박막히터부(23b)의 선폭(s)은 1mm 이상이 바람직하고, 2mm 이상이 보다 바람직하다.
제 2 박막히터부(23b)의 선간 거리(d)는, 제 1 박막히터부(23a)와 같은 이유에서 0.5mm 이상이 바람직하며, 1mm 이상이 보다 바람직하다. 제 2 박막히터부(23b)의 선간 거리(d)는 50mm 이하가 바람직하고, 5mm 이하가 보다 바람직하다.
제 1 박막히터부(23a)와 마찬가지로, 제 2 박막히터부(23b)의 구성 수는 한정되는 것이 아니며, 가열할 영역에 따라 도 11과 같은 하나의 부재로 구성할 수도 있고, 2 개 이상의 부재로 구성할 수도 있다.
제 1 박막히터부(23a) 및 제 2 박막히터부(23b)를 형성하기 전에는, 제 1 박막히터부(23a)로 전력을 보내는 제 1 급전핀(40) 및 제 2 박막히터부(23b)로 전력을 보내는 제 2 급전핀(41)을 기대부(32) 및 제 1 절연층(33)에 미리 관통시켜 두고, 제 1 급전핀(40)의 상단면 및 제 2 급전핀(41)의 상단면을 제 1 절연층(33) 표면에 노출시켜 둔다. 그 후, 제 1 절연층(33) 상에, 제 1 박막히터부(23a) 및 제 2 박막히터부(23b)를 용사로 형성함으로써, 제 1 급전핀(40)과 제 1 박막히터부(23a)가 전기적으로 접속되고, 제 2 급전핀(41)과 제 2 박막히터부(23b)가 전기적으로 접속된다. 전극부(36)의 경우도 마찬가지로, 전극부(36)로 전력을 보내는 제 3 급전핀(43)을 기대부(32), 제 1 절연층(33), 및 제 2 절연층(35)에 미리 관통시켜 두고, 제 3 급전핀(43)의 상단면을 제 2 절연층(35) 표면에 노출시켜 둔다. 그 후, 제 2 절연층(35) 표면에 전극부(36)를 용사로 형성함으로써, 제 3 급전핀(43)과 전극부(36)가 전기적으로 접속된다.
제 1 박막히터부(23a) 및 제 2 박막히터부(23b)로의 출력 조정에는, 사이리스터 및 인버터 등이 이용되며, 원하는 승온 상태를 얻기 위해 예를 들어, 100kW/m2 정도의 전력이 제 1 및 제 2 박막히터부(23a, 23b)로 출력된다. 정전 척(25) 내의 필요한 부위에 온도 센서를 내장시켜 각 부위의 온도를 검지하거나, 웨이퍼(27) 내지 포커스 링(26)의 온도를 비접촉으로 검지함으로써, 제 1 박막히터부(23a) 및 제 2 박막히터부(23b)를 피드백 제어할 수도 있다.
상기 실시예는 예시이며 제한적인 것은 아니다. 예를 들어, 제 1 박막히터부(23a) 및 제 2 박막히터부(23b)와 전극부(36)의 위치를 바꿀 수도 있다. 또한, 제 1 박막히터부(23a) 및 제 2 박막히터부(23b)와 전극부(36)를 동일층에 형성할 수도 있다. 절연층, 전극부, 급전핀, 가스공, 및 냉각로의 형태는 반도체 제조공정에 따라 적절히 변경할 수 있다. 웨이퍼가 접촉하는 유전층의 표면을 엠보싱 형태로 하여 흡착성을 제어할 수도 있다. 정전 척으로 유지하는 대상물은, 어떠한 것이라도 좋으며, 웨이퍼 외에 평판 패널 디스플레이의 유리 기판 등을 들 수 있다.
11 : 발열부재
12 : 기재부
13 : 박막히터부 14 : 절연층
15,16 : 리드선 19a, 19b : 단자
20 : 진공챔버 22 : 가스도입장치
23a : 제 1 박막히터부 23b : 제 2 박막히터부
23d : 내측 히터부 23f : 외측 히터부
25 : 정전 척 26 : 포커스 링
27 : 웨이퍼 28 : 상부전극
29 : 고주파 전원 32 : 기대부
33 : 제 1 절연층 35 : 제 2 절연층
36 : 전극부 37 : 유전층
38 : 피복층 39 : 가스공
40 : 제 1 급전핀 41 : 제 2 급전핀
42 : 냉각로 43 : 제 3 급전핀
t : 두께 s : 선폭(폭)
d : 선간 거리
13 : 박막히터부 14 : 절연층
15,16 : 리드선 19a, 19b : 단자
20 : 진공챔버 22 : 가스도입장치
23a : 제 1 박막히터부 23b : 제 2 박막히터부
23d : 내측 히터부 23f : 외측 히터부
25 : 정전 척 26 : 포커스 링
27 : 웨이퍼 28 : 상부전극
29 : 고주파 전원 32 : 기대부
33 : 제 1 절연층 35 : 제 2 절연층
36 : 전극부 37 : 유전층
38 : 피복층 39 : 가스공
40 : 제 1 급전핀 41 : 제 2 급전핀
42 : 냉각로 43 : 제 3 급전핀
t : 두께 s : 선폭(폭)
d : 선간 거리
Claims (7)
- 기재부와,
이 기재부 상에 형성된 박막히터부를 구비하고,
상기 박막히터부는, TixOy(단, 0<y/x<2.0를 만족)를 포함하는 용사 피막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발열부재. - 청구항 1에 있어서,
상기 용사 피막은,
Tix1Oy1(단, 0<y1/x1<1.5를 만족) 및 Tix2Oy2(단, 1.5≤y2/x2≤2.0을 만족)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발열부재. - 청구항 2에 있어서,
상기 용사 피막 중, Tix1Oy1(단, 0<y1/x1<1.5를 만족)의 질량비 합계값은, Tix2Oy2(단, 1.5≤y2/x2≤2.0을 만족)의 질량비 합계값보다 큰 것을 특징으로 하는, 발열부재. - 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 박막히터부의 폭은 1 ~ 20mm인 것을 특징으로 하는, 발열부재. - 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 박막히터부의 두께는 30 ~ 1000μm인 것을 특징으로 하는, 발열부재. - 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 박막히터부의 선간 거리는 0.5 ~ 50mm인 것을 특징으로 하는, 발열부재. - 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 박막히터부 상에 세라믹 절연층을 구비하는 것을 특징으로 하는, 발열부재.
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