KR20190103800A - 세라믹 히터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세라믹 히터 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 발열체 및 유도 탄화체가 매설된 세라믹 분말층 구조를 성형하는 단계; 및 상기 세라믹 분말층 구조를 소결하는 단계를 포함하되, 상기 유도 탄화체는 상기 발열체 측면에 일정거리 이격 되어 매설되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터 제조 방법으로서, 발열체를 매설된 발열체 가장자리에 일정한 간격으로 이격된 위치에 유도 탄화체를 형성함으로써 소결 과정에서 발열체의 국부적인 저항 변화율을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

세라믹 히터 및 그 제조 방법{Ceramic Heater And Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 세라믹 히터 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 발열체 가장자리의 국부적인 저항 변화율을 개선하기 위하여 유도 탄화체를 이용하여 제조되는 세라믹 히터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
세라믹 히터는 반도체 웨이퍼, 유리 기판, 플렉시블 기판 등 다양한 목적의 열처리 대상체를 소정의 가열 온도에서 열처리하기 위하여 사용된다. 반도체 웨이퍼 처리를 위하여 세라믹 히터는 정전척의 기능과 결합하여 사용되기도 한다.
도 1은 세라믹 히터의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 세라믹 히터는 외부의 전극으로부터 전력을 공급받아 발열되는 세라믹 플레이트를 포함한다. 세라믹 플레이트(100)는 세라믹 소결체에 매설되는 소정의 저항을 갖는 발열체를 포함한다. 세라믹 히터에 매설되는 발열체는 다양한 형상일 수 있는데, 연결된 1개의 발열체일 수 있고, 분리된 2개의 발열체(2-ZONE 발열체) 일 수 있다.
도 2는 세라믹 히터에 매설된 2-ZONE 발열체의 형상의 일 예를 도시한 도면이다. 2-ZONE 발열체는 세라믹 플레이트 내에 매설된 발열체가 INNER 발열체와 OUTER 발열체로 분리되어있는 발열체를 의미한다.
도 3은 종래 기술에 의한 발열체가 매설된 세라믹 분말층 성형체의 단면을 도시한 도면이다.
종래 기술로는 카본 몰드 내부에서 세라믹 분말층 구조 성형체를 소결하는 방법이 사용되고 있는데, 종래 방법에 의한 성형체 소결 시, 성형체 내에 함유되는 잔류 유기 바인더, 핫프레스(HOT PRESS) 소성 시의 분위기 및 카본 몰드에 의해서 탄소가 혼입되어 발열체(210, 220)에 불균일하게 탄화몰리브덴층이 형성 된다.
이렇게 형성된 탄화몰리브덴층은 발열체의 도전성을 저하시키고 세라믹 히터의 온도 균일성(Temp. Uniformity)을 저하 시키는 문제점이 있다.
또한, 발열체의 안쪽 부분보다 바깥쪽 부분에서 더 많은 탄화몰리브덴층이 생성되고, 2-ZONE 발열체의 경우 INNER 발열체(210)보다 OUTER 발열체(220)에서 더 많은 탄화몰리브덴층이 생성되어, 발열체의 바깥쪽 부분 또는 OUTER 발열체(220) 부분에서 저항 증가율이 높고, 온도 균일성이 더 많이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 목적은 소결 과정에서 유도 탄화체 및 유도 탄화체층을 이용하여 발열체의 국부적인 저항 변화율을 개선하고, 온도 균일성(TEMPERATURE UNIFORMITY)을 개선하기 위한 세라믹 히터의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조된 세라믹 히터를 제공하는 데 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 발열체 및 유도 탄화체가 매설된 세라믹 분말층 구조를 성형하는 단계; 및 상기 세라믹 분말층 구조를 소결하는 단계를 포함하되, 상기 유도 탄화체는 상기 발열체 측면에 일정거리 이격 되어 매설되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 세라믹 분말층 구조 성형 단계는, 제1 세라믹 분말층을 제공하는 단계; 상기 제1 세라믹 분말층 상에 상기 발열체 및 상기 유도 탄화체를 배치하는 단계; 및 상기 발열체 및 상기 유도 탄화체가 배치된 상기 제1 세라믹 분말층 상에 제2 세라믹 분말층을 제공하는 단계; 를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 소결된 세라믹 분말층 구조에서 상기 유도 탄화체가 제거되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 세라믹 분말층 제공 단계 전에, 제1 유도 탄화체층이 제공되는 단계; 상기 제2 세라믹 분말층 제공 단계 후에, 제2 유도 탄화체층이 제공되는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 유도 탄화체는 4족 내지 6족 금속 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 유도 탄화체는 질화물이 코팅된(NITRIDE COATING) 4족 내지 6족 금속 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 유도 탄화체는 Ti(Titanium)일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 유도 탄화체는 상기 발열체 외 측면에서 6mm 간격을 두고 이격된 위치에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 유도 탄화체가 제거되는 단계에서, 상기 유도 탄화체가 매설된 위치에서 안쪽으로 3mm 간격을 두고 컷팅되어 제거될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 유도 탄화체는 링(RING) 형상일 수 있다.
또, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 유도 탄화체는 coil type 또는 sheet type 중 어느 하나일 수 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 발열체 및 상기 발열체 측면에 일정거리 이격 되어 매설되는 유도 탄화체가 매설된 세라믹 분말층 구조를 성형하고, 상기 성형체를 소결한 후, 상기 소결된 성형체에서 상기 유도 탄화체가 제거되어 제조되는 세라믹 히터를 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 세라믹 분말층 구조는 제1 세라믹 분말층이 제공되고, 상기 제1 세라믹 분말층 상에 상기 발열체 및 상기 유도 탄화체가 배치된 후, 상기 발열체 및 상기 유도 탄화체가 배치된 상기 제1 세라믹 분말층 상에 제2 세라믹 분말층이 제공되어 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 유도 탄화체는 Ti(Titanium)일 수 있다.
본 발명에 따른 세라믹 히터의 제조 방법에 따르면, 발열체 측면 가장자리에서 일정 간격 이격된 위치에 유도 탄화체를 형성함으로써 소결 과정에서 발열체의 국부적인 저항 변화율을 개선할 수 있는 효과가 있다. 즉, 유도 탄화체의 사용으로 국부적인 발열체의 저항 상승이 차단되므로 웨이퍼 등 대상체 가열면의 위치별 온도 편차가 현저히 줄어들어 가열면의 온도 균일성(TEMPERATURE UNIFORMITY)을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 세라믹 히터의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 세라믹 플레이트에 매설된 2-ZONE 발열체의 형상의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 종래 기술에 의한 발열체가 매설된 세라믹 분말층 구조의 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹 히터 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발열체 및 유도 탄화체가 매설된 세라믹 분말층 구조의 단면을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유도 탄화체가 제거된 세라믹 히터의 단면의 형상을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 세라믹 히터 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 발열체, 유도 탄화체 및 유도 탄화체층이 매설된 세라믹 분말층 구조의 단면을 도시한 도면이다.
도 9는 저항체들의 소결 전 후 저항변화율을 실험하여 도시한 도면이다.
도 10은 종래 기술에 의한 세라믹 히터의 발열체와 본 발명에 따른 세라믹 히터의 발열체의 소결 전, 후 저항 증가율을 비교하여 도시한 그래프 이다.
도 11은 종래 기술에 의한 세라믹 히터의 발열체와 본 발명에 따른 세라믹 히터의 발열체의 가장자리 온도를 측정하여 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 발열체 및 유도 탄화체가 매설된 세라믹 분말층 구조의 단면을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 유도 탄화체가 제거된 세라믹 히터의 단면의 형상을 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에서 '적층'이란 각 층의 상대적인 위치 관계를 규정하는 의미로 사용된다. 'A층 상의 B층'이란 표현은 A층과 B층의 상대적인 위치 관계를 표현하는 것으로 A층와 B층이 반드시 접촉할 것을 요하지 않으며 그 사이에 제3의 층이 개재될 수 있다. 비슷하게, 'A층과 B층 사이에 C층이 개재'되었다는 표현도 A층과 C층 사이 또는 B층과 C층 사이에 제3의 층이 개재되는 것을 배제하지 않는다.
도 1은 세라믹 히터의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 세라믹 히터의 상부에는 발열체가 매설된 원판모형의 세라믹 플레이트(100)가 존재한다. 세라믹 히터는 발열체에서 발생하는 열 에너지가 세라믹 플레이트(100)의 상부면으로 전달되어 세라믹 히터의 상부면 위에 놓인 물체에 열 에너지가 전달될 수 있다.
발열체는 다양한 형태일 수 있는데, 1개의 발열체로 구성될 수 있고, 2개의 발열체의 조합으로 구성될 수 있다.
도 2는 세라믹 히터에 매설된 2-ZONE 발열체의 형상의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 세라믹 플레이트(100)에 매설된 발열체는 INNER 발열체(210) 및 OUTER 발열체(220)로 구성되어 있는데, INNER 발열체(210)는 다양한 형상으로 만들어질 수 있으며, 원형인 세라믹 플레이트(100)의 안쪽 면에 위치하여 세라믹 플레이트(100)의 안쪽 면을 가열할 수 있다. OUTER 발열체(220)도 다양한 형상으로 만들어질 수 있고, 그 일 예로 링 형상으로 만들어질 수 있으며, 원형인 세라믹 플레이트(100)의 바깥쪽 면에 위치하여 세라믹 플레이트(100)의 바깥쪽 면을 가열할 수 있다.
도 3은 종래 기술에 의한 발열체가 매설된 세라믹 분말층 성형체의 단면을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하여, 종래 기술에 따른 세라믹 플레이트(100)의 제조 과정을 설명하면, 세라믹 소결체 내부에 발열체(210, 220)가 매설된 세라믹 분말층 구조 성형체(310)가 카본 몰드(CARBON MOLD)(320) 내부에서 소결되어 세라믹 플레이트(100)가 제조 될 수 있다. 상기 소결 과정에서 성형체 내에 함유되는 잔류 유기 바인더, 핫프레스(HOT PRESS) 소성 시의 분위기 및 카본 몰드(CARBON MOLD)(320)에 포함된 탄소성분에 의하여 발열체가 탄화되어 발열체 저항 값이 증가할 수 있다. 이러한 발열체 저항 증가는 주로 OUTER 발열체(220)에서 큰 폭으로 나타난다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 세라믹 히터 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 발열체 및 유도 탄화체(500)가 매설된 세라믹 분말층 성형체의 단면을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 예에 따른 유도 탄화체(500)가 제거된 세라믹 히터의 단면의 형상을 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 히터는, 세라믹 분말층(510, 520)을 소결하여 형성한 세라믹 소결체(600) 및 상기 세라믹 소결체(600)에 매설된 발열체(210, 220)를 포함한다. 세라믹 소결체(600) 및 세라믹 소결체(600)에 매설된 발열체(210, 220)는 세라믹 히터에 해당한다.
본 발명에서, 세라믹 소결체(600)는, 도 5에서, 발열체(210, 220) 및 유도 탄화체(500)가 삽입된 세라믹 분말층(510, 520)을 카본 몰드(CARBON MOLD)(320)에서 소결한 후, 유도 탄화체(500)를 제거하는 과정으로 처리하여 형성된 것이다.
이하, 도 5를 참고하여 도 4의 세라믹 히터 제조 방법을 상세하게 설명한다.
카본 몰드(CARBON MOLD)(320) 내부에 세라믹 분말층 구조가 제공된다(S410 내지 S430). 이 때, 세라믹 분말층 구조는 다양한 방식으로 적층될 수 있다. 예컨대, 세라믹 분말층 구조(540)의 일부로서 제1 세라믹 분말층(510)이 형성되고(S410), 상기 제1 세라믹 분말층(510) 상에 발열체(210, 220) 및 유도 탄화체(500)를 배치한 후(S420), 발열체(210, 220) 및 유도 탄화체(500)가 배치된 제1 세라믹 분말층(510) 상에 제2 세라믹 분말층(520)을 덮음으로써(S430) 상기 세라믹 분말층 구조(540)가 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제1 세라믹 분말층(510)은 소정의 압력으로 가압되어 형상을 유지할 수 있는 성형체 형태로 제공될 수 있다. 물론, 상기 세라믹 분말층 구조(540) 전체가 가압 성형된 성형체 형태로 제공될 수도 있다.
세라믹 분말층 상에 발열체 및 유도 탄화체(500)가 배치되는 단계에서, 상기 유도 탄화체(500)는 링(RING) 형상 일 수 있고, COIL TYPE 또는 SHEET TYPE 중 어느 하나의 TYPE 일 수 있다. 유도 탄화체(500)가 COIL TYPE일 경우에는 코일의 지름이 3mm일 수 있고, 유도 탄화체(500)가 SHEET TYPE 일 경우에는 그 너비가 2mm 내지 3mm 일 수 있다.
그리고, 유도 탄화체(500)는 발열체 외 측면 바깥쪽에 형성될 수 있는데, 발열체와 6mm 간격을 두고 이격된 위치에 형성될 수 있다. 유도 탄화체(500)가 발열체와 너무 가까이에 위치하여 형성되면 유도 탄화체(500)가 제거되는 과정에서 컷팅(CUTTING)이 어려워지고, 유도 탄화체(500)가 발열체와 거리가 멀어지면 유도 탄화의 효과가 떨어지게 되므로 적당한 거리가 이격되어 형성될 필요가 있다. 따라서, 유도 탄화체(500)는 세라믹 히터 제조 과정에서, 완성된 세라믹 히터의 세라믹 플레이트(100) 외경 크기에서 2mm 내지 3mm 바깥쪽으로 이격된 위치에 형성되는 것이 효과적이다. 다시 말해, 세라믹 소결체(600)에 매설된 유도 탄화체(500)가 세라믹 소결체(600)의 일부와 함께 제거되는 최종 단계에서, 유도 탄화체(500)가 제거된 후 완성될 세라믹 히터의 측면 가장자리에서 바깥쪽으로 2mm 내지 3mm 이격된 위치에, 보다 바람직 하게는 3mm 이격된 위치에 유도 탄화체(500)가 매설될 수 있다. 따라서, 유도 탄화체(500)가 제거되는 단계에서, 유도 탄화체(500)가 매설된 위치에서 안쪽으로 3mm 간격을 두고 컷팅되어 세라믹 소결체(600)에 매설된 유도 탄화체(500)가 세라믹 소결체(600)의 일부와 함께 안전하게 제거될 수 있다.
다시, 도 5로 돌아가서 세라믹 히터의 제조 방법을 이어서 설명하면, 발열체(210, 220)가 매설된 세라믹 분말층 구조(540)를 갖는 성형체를 형성한 후, 도 5와 같이 카본 몰드(CARBON MOLD)(320)에서 소결 과정 처리하여 세라믹 분말층 구조(540)가 세라믹 소결체가 되도록 한다(S440).
소결 과정은 카본 몰드(CARBON MOLD)(320)를 세라믹이 분해되지 않는 소정의 온도(예, 1500∼2500℃)로 가열하여 소정의 시간 동안(예, 10 시간 이하) 유지시킴으로써 이루어질 수 있다. 또한, 이와 같은 소결 과정은 비산화성 분위기 예컨대 진공 또는 N2 분위기에서 소결하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 소결 과정은 통상의 열간 가압 소결(Hot press)에 의해 이루어질 수 있다.
이와 같은 소결 과정을 거친 후, 세라믹 소결체에 매설된 유도 탄화체(500)를 제거하여, 제1 세라믹 분말층(510) 및 제2 세라믹 분말층(520)이 소결된 세라믹 소결체(600)와 세라믹 소결체(600)에 매설된 발열체(210, 220)를 포함하는 세라믹 히터가 획득된다(S450).
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유도 탄화체(500)가 제거된 세라믹 히터 단면의 형상을 도시한 도면이다.
도 6을 참고하면, 세라믹 히터는 세라믹 분말층 구조(540)가 소결된 후 유도 탄화체(500)를 포함하는 세라믹 소결체의 일부가 제거되어 발열체(210, 220)만을 포함하고 있는 세라믹 소결체(600)의 형상을 가진다.
세라믹 소결체에 매설된 발열체(210, 220)는 전극(미도시)을 통해 외부로부터 공급되는 전력(예, RF(Radio Frequency) 전력)을 이용하여 저항 성질에 따라 열을 발생시킨다. 세라믹 플레이트(100)의 한쪽면은 대상체를 가열하기 위한 가열면으로서, 대상체를 올려 놓거나 대상체 위에서 열을 가하기 위한 면일 수 있다. 세라믹 플레이트(100)의 다른쪽 면을 통하여 발열체(210, 220)에 전력을 공급하기 위한 전극(미도시)이 결합될 수 있다.
이와 같은, 세라믹 플레이트(100)를 포함하는 세라믹 히터는, 반도체 웨이퍼, 유리 기판, 플렉시블 기판 등 다양한 목적의 열처리 대상체를 소정의 가열 온도에서 열처리하기 위하여 사용될 수 있다. 반도체 웨이퍼 처리를 위하여 세라믹 히터는 정전척의 기능과 결합하여 사용될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 세라믹 히터 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 발열체, 유도 탄화체(500) 및 유도 탄화체(500)층이 매설된 세라믹 분말층 성형체의 단면을 도시한 도면이다.
이하, 도 8을 참조하여 도 7의 세라믹 히터 제조 방법을 상세하게 설명한다.
먼저, 발열체(210, 220) 및 유도 탄화체(500)가 삽입된 세라믹 분말층(130)의 상하면에 제1 유도 탄화체층(810) 및 제2 유도 탄화체층(820)이 형성된 적층 구조를 형성한다(S710 내지 S750). 본 발명에서 상기 적층 구조 및 이를 구성하는 컴포넌트는 다양한 방법으로 제조될 수 있다.
예컨대, 제1 유도 탄화체층(810) 및/또는 제2 유도 탄화체층(820)은 카본 몰드(CARBON MOLD)(320) 내에서 도포되거나 또는 분무법에 의해 스프레이될 수 있으며, 또한 성형체 또는 소결체 형태로 제공될 수 있다. 상기 제1 유도 탄화체층(810) 및 제2 유도 탄화체층(820)은 외부 카본 몰드(CARBON MOLD)(320)로부터의 카본 소스의 유입을 효과적으로 차단할 수 있다.
제1 유도 탄화체층(810)이 제공되고(S710), 제1 유도 탄화체층(810) 상에 발열체(210, 220) 및 유도 탄화체(500)가 매설된 세라믹 분말층이 형성된다. 이 때, 세라믹 분말층은 다양한 방식으로 적층될 수 있다. 예컨대, 세라믹 분말층의 일부로서 제1 세라믹 분말층(510)이 형성되고(S720), 상기 제1 세라믹 분말층(510) 상에 발열체(210, 220) 및 유도 탄화체(500)를 배치한 후(S730), 발열체(210, 220) 및 유도 탄화체(500)가 배치된 제1 세라믹 분말층(510) 상에 제2 세라믹 분말층(520)을 덮음으로써(S740) 상기 세라믹 분말층이 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제1 세라믹 분말층(510)은 소정의 압력으로 가압되어 형상을 유지할 수 있는 성형체 형태로 제공될 수 있다. 물론, 상기 세라믹 분말층 전체가 가압 성형된 성형체 형태로 제공될 수도 있다. 세라믹 분말층 상에는 제2 유도 탄화체층(820)이 적층된다(S760).
도 8에는 도시되지 않았으나, 세라믹 분말층의 상하면에 형성한 각각의 유도 탄화체(500)층, 즉, 제1 유도 탄화체층(810) 또는 제2 유도 탄화체층(820) 중 어느 하나와 세라믹 분말층 사이에는, 이형제 역할을 위한 불활성층으로서 BN(Boron Nitride)을 포함한 물질을 도포 또는 스프레이 형태로 형성하거나 소결체 형태의 BN층을 형성할 수 있다.
발열체(210, 220)가 매설된 세라믹 분말층 구조(800)를 갖는 성형체를 형성한 후, 도 8과 같이 카본 몰드(CARBON MOLD)(320)에서 소결 과정 처리하여 세라믹 분말층 구조(800)가 세라믹 소결체가 되도록 한다(S760).
소결 과정은 카본 몰드(CARBON MOLD)(320)를 세라믹이 분해되지 않는 소정의 온도(예, 1500∼2500℃)로 가열하여 소정의 시간 동안(예, 10 시간 이하) 유지시킴으로써 이루어질 수 있다. 또한, 이와 같은 소결 과정은 비산화성 분위기 예컨대 진공 또는 N2 분위기에서 소결하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 소결 과정은 통상의 열간 가압 소결(Hot press)에 의해 이루어질 수 있다.
이와 같은 소결 과정을 거친 후, 제1 유도 탄화체층(810), 제2 유도 탄화체층(820) 및 세라믹 소결체에 매설된 유도 탄화체(500)를 제거하여, 제1 세라믹 분말층(510) 및 제2 세라믹 분말층(520)이 소결된 세라믹 소결체(600)와 세라믹 소결체(600)에 매설된 발열체(210, 220)를 포함하는 세라믹 히터가 획득된다(S770).
이와 같은 과정에 의하여 획득된 세라믹 히터의 단면은 상기 도 6에 도시된 세라믹 히터의 단면과 동일하다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유도 탄화체(500)가 제거된 세라믹 히터 단면의 형상을 도시한 도면이다.
도 6을 참고하면, 세라믹 히터는 세라믹 분말층 구조(800)가 소결된 후 제1 유도 탄화체층(810), 제2 유도 탄화체층(820) 및 유도 탄화체(500)를 포함하는 세라믹 소결체의 일부가 제거되어 발열체(210, 220)만을 포함하고 있는 세라믹 소결체(600)의 형상을 가진다.
세라믹 소결체에 매설된 발열체(210, 220)는 전극(미도시)을 통해 외부로부터 공급되는 전력(예, RF(Radio Frequency) 전력)을 이용하여 저항 성질에 따라 열을 발생시킨다. 세라믹 플레이트(100)의 한쪽면은 대상체를 가열하기 위한 가열면으로서, 대상체를 올려 놓거나 대상체 위에서 열을 가하기 위한 면일 수 있다. 세라믹 플레이트(100)의 다른쪽 면을 통하여 발열체(210, 220)에 전력을 공급하기 위한 전극(미도시)이 결합될 수 있다.
이와 같은, 세라믹 플레이트(100)를 포함하는 세라믹 히터는, 반도체 웨이퍼, 유리 기판, 플렉시블 기판 등 다양한 목적의 열처리 대상체를 소정의 가열 온도에서 열처리하기 위하여 사용될 수 있다. 반도체 웨이퍼 처리를 위하여 세라믹 히터는 정전척의 기능과 결합하여 사용될 수도 있다.
상기에서 설명한 유도 탄화체(500), 제1 유도 탄화체층(810) 및 제2 유도 탄화체층(820)은 발열체(210, 220)의 탄화에 의한 저항 변화를 억제하기 위한 구조체 인데, 본 발명의 발열체(210, 220) 저항 변화율은 카본 몰드로 부터 가장 큰 영향을 받고, 세라믹 분말층(510, 520) 내에 함유된 카본 함량에 의해서는 발열체(210, 220)의 저항 변화율은 그다지 큰 영향을 받지 않는 것으로 확인되었다.
그리고, 상기에서 설명한 유도 탄화체(500), 제1 유도 탄화체층(810) 및 제2 유도 탄화체층(820)은 카본 몰드(CARBON MOLD)(320)로부터 탄소 성분을 잘 흡수하여 발열체(210, 220)의 탄화를 억제할 수 있는 소재가 사용되어야 한다.
따라서, 본 발명에서 기제된 유도 탄화체(500), 제1 유도 탄화체층(810) 및 제2 유도 탄화체층(820)은 4족 내지 6족 금속 또는 질화물이 코팅된(NITRIDE COATING) 4족 내지 6족 금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속일 수 있다. 그리고, 본 발명에서 기제된 유도 탄화체(500), 제1 유도 탄화체층(810) 및 제2 유도 탄화체층(820)은 상기 금속 중에서 Mo(Molybdenum), TiN(Titanium Nitride), TiN이 코팅된 Mo 또는 Ti(Titanium)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 세라믹 히터 제조 방법에서 유도 탄화체(500)로 Mo, TiN, TiN이 코팅된 Mo 또는 Ti 등과 같이 4족 내지 6족 금속 중 어느 하나의 금속이 사용될 수 있고, 또는, Mo와 Ti 합금처럼 2 이상의 금속이 포함된 금속이 사용될 수 도 있다.
그리고, 또 다른 예로, 도 8에 도시된 세라믹 히터 제조 방법에서, 유도 탄화체(500), 제1 유도 탄화체층(810) 및 제2 유도 탄화체층(820)으로 Mo, TiN, TiN이 코팅된 Mo 또는 Ti 등과 같이 4족 내지 6족 금속 중 어느 하나의 금속이 사용될 수 있다. 또는, 유도 탄화체(500), 제1 유도 탄화체층(810) 및 제2 유도 탄화체층(820)으로 각각 4족 내지 6족 금속 중 어느 하나인 서로 다른 금속이 사용될 수도 있다. 그 구체적인 예로, 유도 탄화체(500)로 Ti가 사용되고, 제1 유도 탄화체층(810) 및 제2 유도 탄화체층(820)으로 Mo가 사용될 수 있다. 또는 유도 탄화체(500)로 Mo가 사용되고, 제1 유도 탄화체층(810)으로 TiN이 코팅된 Mo가 사용되며, 제2 유도 탄화체층(820)으로 Ti가 사용될 수 있다. 상기 예시에서 기제된 금속 구성은 본 발명에 따른 수 많은 실시 예들 중 일 예에 불과하고, 그 외에 4족 내지 6족 범위에 속하는 금속들을 이용하여, 다양한 조합으로 본 발명을 실시할 수 있다.
도 9는 저항체들의 소결 전 후 저항변화율을 실험하여 도시한 도면이다.
본 발명에서 기제된 유도 탄화체(500), 제1 유도 탄화체층(810) 및 제2 유도 탄화체층(820)으로 사용되는 금속은 탄소 흡수력이 클수록 유리한 효과를 가진다. 도 9에서 탄화 방지 저항체로 사용되는 대표적인 금속4가지(Mo, TiN, TiN이 코팅된 Mo, Ti)를 세라믹 분말층에 매설하여 카본 몰드(CARBON MOLD)(320) 내에서 소결을 진행한 후, 각 금속의 탄화에 의한 저항 변화율을 GOM(저항 변화 측정 장비)으로 측정한 결과를 도시한다. 소결 전 각 금속 발열체의 저항은 Mo, TiN, TiN이 코팅된 Mo, Ti 가 순서대로 각각 0.88, 0.85, 0.86, 0.89 옴(Ω) 이었으나, 소결 후 측정된 저항값은 각각 2.07, 1.49, 1.61, 4.04 옴(Ω) 이었다. 상기 결과에 따라 Ti(Titanium) 금속이 저항 변화율이 355 정도로, 탄화 정도가 가장 컸다. 다시 말해, Ti(Titanium) 금속이 탄소를 흡수하는 능력이 가장 크다고 볼 수 있다. 따라서, 본 발명에서 유도 탄화체(500), 제1 유도 탄화체층(810) 및 제2 유도 탄화체층(820)으로 Ti(Titanium) 금속이 사용될 경우에, 세라믹 히터 온도 균일성(TEMPERATURE UNIFORMITY) 향상에 있어서 가장 큰 효과를 얻을 수 있다.
도 10은 종래 기술에 의한 세라믹 히터의 발열체와 본 발명에 따른 세라믹 히터의 발열체의 소결 전, 후 저항 증가율을 비교하여 도시한 그래프 이다.
도 10에 도시된 그래프는 세라믹 히터 제조 과정에서 본 발명에 따른 유도 탄화체가 세라믹 히터의 발열체들(INNER 발열체 및 OUTER 발열체)의 탄화 정도에 미치는 영향을 수치로써 비교하여 도시한 그래프이다.
본 발명에 따른 세라믹 히터는 상기 도 4 내지 도 6에 따라 제조된 세라믹 히터이고, 유도 탄화체(500) 로 본 발명의 일 실시 예에 해당하는 Ti(Titanium) 금속이 사용되었다. 본 실험에서는 Ti 금속이 사용되었지만, 이는 본 발명의 일 실시 예에 따른 것이고, Ti 금속 외에 Mo, TiN 또는 TiN이 코팅된 Mo 등의 금속이 사용될 수 있다.
도 10(A) 는 종래 기술에 의한 세라믹 히터의 발열체 소결 전, 후의 저항 변화를 도시한 그래프 이다. 도 10(A)를 참조하면, INNER 발열체(210)의 저항 변화율을 보면, 소결 전 1.5 옴(Ω)에서 소결 후 1.8옴(Ω)으로 약 20%가 상승하였고, OUTER 발열체(220)의 저항 변화율을 보면, 소결 전 2.0 옴(Ω)에서 소결 후 2.8옴(Ω)으로 약 40%가 상승하였다.
도 10(B) 내지 도 10(D) 는 본 발명에 따른 세라믹 히터의 발열체 소결 전, 후의 저항 변화를 도시한 그래프 이다.
도 10(B)를 참조하면, 유도 탄화체(500)로 Ti가 사용되었는데, INNER 발열체(210)의 저항 변화율을 보면, 소결 전 1.5 옴(Ω)에서 소결 후 1.53옴(Ω)으로 약 2%가 상승하였고, OUTER 발열체(220)의 저항 변화율을 보면, 소결 전 2.0 옴(Ω)에서 소결 후 2.16옴(Ω)으로 약 8%가 상승하였다.
도 10(C)를 참조하면, 유도 탄화체(500)로 Mo가 사용되었는데, INNER 발열체(210)의 저항 변화율을 보면, 소결 전 1.5 옴(Ω)에서 소결 후 1.59옴(Ω)으로 약 6%가 상승하였고, OUTER 발열체(220)의 저항 변화율을 보면, 소결 전 2.0 옴(Ω)에서 소결 후 2.2옴(Ω)으로 약 10%가 상승하였다.
도 10(D)를 참조하면, 유도 탄화체(500)로 TiN이 사용되었는데, INNER 발열체(210)의 저항 변화율을 보면, 소결 전 1.5 옴(Ω)에서 소결 후 1.68옴(Ω)으로 약 12%가 상승하였고, OUTER 발열체(220)의 저항 변화율을 보면, 소결 전 2.0 옴(Ω)에서 소결 후 2.4옴(Ω)으로 약 20%가 상승하였다.
도 10에서 나타난 결과와 같이, 본 발명에 따라 소결 전/후 발열체의 저항변화율이 큰 폭으로 줄었고, 그 중에서 특히 OUTER 발열체(220)의 저항 변화율이 큰 폭으로 감소하였다. 그 결과, INNER 발열체(210)와 OUTER 발열체(220) 저항 값의 차이가 소결 전/후 비슷한 비율로 나타난다. 상기 실험에서 나타난 바와 같이, 세라믹 히터 설계에서 원하는 저항 값을 얻기 위하여 필요에 따라 상기 Ti, Mo 또는 TiN 소재의 유도 탄화체(500)를 필요에 따라 선택하여 설계할 수 있기에, 세라믹 히터 설계 측면에서 유리한 효과가 있다.
도 11은 종래 기술에 의한 세라믹 히터의 발열체와 본 발명에 따른 세라믹 히터의 발열체의 가장자리 온도를 측정하여 도시한 그래프이다.
본 발명에 따른 세라믹 히터는 상기 도 4 내지 도 6에 따라 제조된 세라믹 히터이고, 유도 탄화체(500), 제1 유도 탄화체층(810) 및 제2 유도 탄화체층(820)으로 Ti(Titanium) 금속이 사용되었다.
도 11에서 세라믹 히터의 온도를 측정하기 위하여 T/C WAFER(THERMOCOUPLE WAFER)를 사용하였다.
세라믹 히터의 온도 균일성(TEMPERATURE UNIFORMITY)을 측정하기 위하여 세라믹 히터의 가장자리 8개의 지점(1 내지 8 지점)의 온도를 각각 측정하여 기록하였다.
도 11(A)는 종래 기술에 의한 세라믹 히터의 발열체의 가장자리 온도를 측정한 결과이다. 1 내지 8 지점 중 최저 온도와 최고 온도의 차이가 약 5.3도인 것으로 측정된다.
도 11(B)는 본 발명에 따른 세라믹 히터의 발열체의 가장자리 온도를 측정한 결과이다. 1 내지 8 지점 중 최저 온도와 최고 온도의 차이는 약 2.1도인 것으로 측정된다.
상기 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 세라믹 히터는 세라믹 히터의 온도 균일성(TEMPERATURE UNIFORMITY) 향상에 뛰어난 효과를 나타낸다.
본 발명에 따른 세라믹 히터의 제조 방법에 따르면, 세라믹 히터 내부에 매설된 발열체 가장자리에 일정한 간격으로 이격된 위치에 유도 탄화체(500)를 형성함으로써 소결 과정에서 발열체의 국부적인 저항 변화율을 개선할 수 있다. 즉, 유도 탄화체(500)의 사용으로 국부적인 발열체의 저항 상승이 차단되므로 웨이퍼 등 대상체 가열면의 위치별 온도 편차가 현저히 줄어들어 가열면의 온도 균일성(TEMPERATURE UNIFORMITY)을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 발열체 및 유도 탄화체(500)가 매설된 세라믹 분말층 구조의 단면을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 유도 탄화체(500)가 제거된 세라믹 히터의 단면의 형상을 도시한 도면이다.
상기 도 4 내지 도 8에서 개시한 세라믹 히터에서 사용된 발열체는 2-ZONE 발열체로써, INNER 발열체(210) 및 OUTER 발열체(220)가 분리되어 존재하였으나, 이는 2-ZONE 발열체에 국한되어 사용되는 기술이 아니라, 1개의 발열체(1200)가 매설된 세라믹 소결체(600)로 이루어진 세라믹 히터(1300) 제조 방법에서도 본 발명이 사용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 세라믹 플레이트
210: INNER 발열체
220: OUTER 발열체
300: 세라믹 소결체
310: 세라믹 분말층 구조
320: 카본 몰드
500: 유도 탄화체

Claims (14)

  1. 발열체(210, 220) 및 유도 탄화체(500)가 매설된 세라믹 분말층 구조를 성형하는 단계; 및
    상기 세라믹 분말층 구조를 소결하는 단계를 포함하되,
    상기 유도 탄화체(500)는 상기 발열체(210, 220) 측면에 일정거리 이격 되어 매설되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 분말층 구조 성형 단계는,
    제1 세라믹 분말층(510)을 제공하는 단계;
    상기 제1 세라믹 분말층(510) 상에 상기 발열체(210, 220) 및 상기 유도 탄화체(500)를 배치하는 단계; 및
    상기 발열체(210, 220) 및 상기 유도 탄화체(500)가 배치된 상기 제1 세라믹 분말층(510) 상에 제2 세라믹 분말층(520)을 제공하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소결된 세라믹 분말층 구조에서 상기 유도 탄화체(500)가 제거되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로하는 세라믹 히터 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 세라믹 분말층(510) 제공 단계 전에, 제1 유도 탄화체층(810)이 제공되는 단계;
    상기 제2 세라믹 분말층(520) 제공 단계 후에, 제2 유도 탄화체층(820)이 제공되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유도 탄화체(500)는 4족 내지 6족 금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유도 탄화체(500)는 질화물이 코팅된(NITRIDE COATING) 4족 내지 6족 금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유도 탄화체(500)는 Mo(Molybdenum), TiN(Titanium Nitride), TiN이 코팅된 Mo 또는 Ti(Titanium) 금속 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유도 탄화체(500)는 상기 발열체(210, 220) 외 측면에서 6mm 간격을 두고 이격된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터 제조방법.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 유도 탄화체(500)가 제거되는 단계에서, 상기 유도 탄화체(500)가 매설된 위치에서 안쪽으로 3mm 간격을 두고 컷팅되어 제거되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유도 탄화체(500)는 링(RING) 형상인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유도 탄화체(500)는 coil type 또는 sheet type 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터 제조방법.
  12. 발열체(210, 220) 및 상기 발열체(210, 220) 측면에 일정거리 이격 되어 매설되는 유도 탄화체(500)가 매설된 세라믹 분말층 구조를 성형하고, 상기 성형체를 소결한 후, 상기 소결된 성형체에서 상기 유도 탄화체(500)가 제거되어 제조되는 세라믹 히터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 세라믹 분말층 구조는
    제1 세라믹 분말층(510)이 제공되고,
    상기 제1 세라믹 분말층(510) 상에 상기 발열체(210, 220) 및 상기 유도 탄화체(500)가 배치된 후,
    상기 발열체(210, 220) 및 상기 유도 탄화체(500)가 배치된 상기 제1 세라믹 분말층(510) 상에 제2 세라믹 분말층(520)이 제공되어 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 유도 탄화체(500)는 Mo(Molybdenum), TiN(Titanium Nitride), TiN이 코팅된 Mo 또는 Ti(Titanium) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
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