KR20200079555A - 세라믹 받침대에서 사용하기 위한 이중 목적 비아 - Google Patents

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KR20200079555A
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와틀로 일렉트릭 매뉴팩츄어링 컴파니
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Abstract

세라믹 받침대 어셈블리 및 세라믹 받침대 어셈블리를 형성하는 방법이 제공된다. 세라믹 받침대 어셈블리는 상부 표면 및 하부 표면을 한정하는 세라믹 기재, 상기 세라믹 기재을 관통하여 연장하는 적어도 하나의 비아(via), 상기 세라믹 기재의 상부 표면을 가로질러 연장하는 상부 전도성 포일 층, 및 상기 세라믹 기재의 하부 표면을 가로질러 연장하는 하부 전도성 포일 층을 포함한다. 각각의 비아는 공동을 한정하는 상부 비아 및 대응하는 테이퍼된 인서트를 한정하는 하부 비아를 포함한다. 일 형태에서, 상부 비아, 하부 비아, 및 전도성 포일 층들은 2,000 ℃ 초과의 용융점 및 세라믹 기재에 비해 같거나 작은 CTE를 갖는 재료를 한정(define)한다.

Description

세라믹 받침대에서 사용하기 위한 이중 목적 비아
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 미국 임시 출원 제 62/589,024 호(제목: "DUAL-PURPOSE VIAS FOR USE IN CERAMIC PEDESTALS", 출원일: 2017년 11월 21)의 우선권 및 이익을 주장하고, 이 문헌의 내용은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
기술분야
본 개시는 개괄적으로 반도체 가공 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 그 위에 있는 웨이퍼와 같은 기재를 지지하고 가열하기 위한 기재 지지 받침대(substrate support pedestals)에 관한 것이다.
이 섹션에서의 진술은 단지 본 개시와 관련된 배경 정보를 제공하며, 선행 기술을 구성하지 않을 수 있다.
반도체 가공을 위한 받침대와 같은 웨이퍼 지지 어셈블리는 반도체 가공 챔버에 배치되며, 전형적으로 웨이퍼 지지부 및 웨이퍼 지지부의 중심 영역에 고정되는 축(shaft)을 포함한다. 웨이퍼 지지부는 열을 발생시키기 위한 저항성 가열 요소(resistive heating element)를 갖는 저항성 층(resistive layer) 및 저항성 가열 요소를 외부 전력 공급원에 연결하기 위한 전기 단자를 포함할 수 있다. 전기 단자는 웨이퍼 지지부의 중심 영역에 인접하게 배치되고, 축 내에서 연장한다. 전형적으로, 하나보다 많은 저항성 층을 포함시키는 경우, 라우팅 층(routing layer) 및 비아(vias) 또는 인터커넥트(interconnects)가, 웨이퍼 지지부의 중심 영역에서 가열기 회로들을 상호연결하고 종결하기 위해 사용된다.
웨이퍼 지지부의 상단부 층 및 하단부 층은 예를 들어 확산 결합(diffusion bonding) 또는 보조된 핫 프레스 소결(assisted hot press sintering)에 의해 함께 결합된다. 이러한 고압 저변형 공정(high-pressure, low-strain process)은 고밀도 부품/콤팩트(high-density component/compact)를 형성하기 위해 소결을 유도하기에 충분한 고온에서 분말(powder) 또는 압축된 분말(compacted powder)을 형성한다. 전형적으로, 압축된 분말을 몰드에 넣고, 치밀화 및 소결을 위해 고온 및 고압을 가한다. 몰드는, 예를 들어 흑연과 같은, 고온 및 고압을 견딜 수 있는 재료로 만들어진다.
핫 프레스 소결 동안 일체화된 비아 또는 인터커넥트와 관련된 문제에는, 세라믹의 수축, 제어 불가능하고 예측할 수 없는 변위, 높은 소성 변형, 전기전도성 비아의 파손(failure) 및 파단(fracturing)으로 인한 유도 응력(induced stresses)이 포함된다. 또 다른 문제는, 핫 프레스 소결 과정에서 비아와 세라믹 재료가 흑연 몰드에서 방출되는 탄소와 상호작용한다는 것이다. 반도체 가공에서 세라믹 받침대를 사용하는데 있어서의 다른 난제들 중에서도, 이러한 난제들이 본 개시에 의해 해결된다.
일 형태에서, 본 개시는 제1 기능성 층 및 제2 기능성 층을 갖는 기재를 포함하는 세라믹 받침대 어셈블리를 제공하며, 여기서, 제1 및 제2 기능성 층들은 기재의 대향측면에 배치된다. 세라믹 받침대 어셈블리는 기재를 관통하여 연장하는 적어도 하나의 비아를 더 포함하며, 각각의 비아는 공동(cavity)을 한정하는 상부 비아 및 대응 인서트(corresponding insert)를 한정하는 하부 비아를 포함한다. 제1 기능성 층, 제2 기능성 층, 및 비아는 2,000 ℃ 초과의 용융점 및 기재에 비해 낮은 CTE를 갖는 재료를 한정한다.
일 변형예에서, 기재는 알루미늄 니트라이드 재료로 만들어지고, 적어도 하나의 비아, 제1 기능성 층, 및 제2 기능성 층은 몰리브덴 재료로 만들어진다.
다른 변형예에서, 하부 비아는, 세라믹 기재가 가열될 때 상부 비아와 하부 비아 사이에 간섭 끼워 맞춤(interference fit)이 형성되도록, 상부 비아의 공동에 의해 수용되며, 상부 비아의 상단부 및 하부 비아의 하단부는 테이퍼되며(tapered), 및/또는, 상부 비아의 공동 및 하부 공동의 대응 인서트는 다각형, 평판형, 원형, 계란형(oval), 삼각형, 및 타원형(elliptical)으로 이루어진 군으로부터 선택된 단면 형상을 갖는다. 제1 기능성 층은 적어도 하나의 저항성 가열 요소를 갖는 저항성 가열기 층일 수 있고, 제2 기능성 층은 라우팅 층이며, 여기서 각각의 저항성 가열 요소는 적어도 하나의 저항성 가열 영역을 한정한다.
다른 변형예에서, 세라믹 받침대 어셈블리는 제1 기능성 층 및 제2 기능성 층 중 적어도 하나를 가로지르는 적어도 하나의 희생 층을 추가적으로 포함한다. 희생 층(들)은 텅스텐, 텅스텐 카바이드, 및 보론 니트라이드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또 다른 변형예에서, 세라믹 받침대 어셈블리는 무선 주파수(RF) 그리드 층(radio frequency (RF) grid layer)을 더 포함한다.
다른 형태에서, 본 개시는 상부 표면 및 하부 표면을 한정하는 세라믹 기재 및 세라믹 기재를 관통하여 연장하는 적어도 하나의 비아를 포함하는 세라믹 받침대 어셈블리를 제공한다. 적어도 하나의 비아는 테이퍼된 공동을 한정하는 상부 비아 및 대응하는 테이퍼된 인서트를 한정하는 하부 비아를 포함한다. 세라믹 받침대 어셈블리는, 세라믹 기재의 상부 표면을 가로질러 연장하는 상부 전도성 포일 층 및 세라믹 기재의 하부 표면을 가로질러 연장하는 하부 전도성 포일 층을 더 포함한다. 상부 비아, 하부 비아, 및 전도성 포일 층들은 2,000 ℃ 초과의 용융 온도 및 세라믹 기재에 비해 같거나 작은 CTE를 갖는 재료를 한정한다. 상부 비아의 상단부 및 하부 비아의 하단부는 테이퍼된다. 하부 비아는, 세라믹 기재가 가열될 때 상부 비아와 하부 비아 사이에 간섭 끼워 맞춤이 형성되도록, 상부 비아의 공동에 의해 수용된다.
다른 변형예에서, 세라믹 받침대 어셈블리는 상부 및 하부 전도성 포일 층들 중 적어도 하나를 가로지르는 적어도 하나의 희생 층을 추가적으로 포함할 수 있다. 희생 층은 텅스텐, 텅스텐 카바이드, 및 보론 니트라이드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상부 비아의 상단부 및 하부 비아의 하단부는 테이퍼될 수 있다.
본 개시는 세라믹 받침대 어셈블리를 형성하는 방법을 추가적으로 제공한다. 이 방법은 다음의 단계들을 포함한다: 적어도 하나의 개구를 갖는 미열처리 상태(green state)의 세라믹 기재를 형성하는 단계; 세라믹 기재의 상부 표면을 관통하는 테이퍼된 공동을 한정하는 상부 비아를 배치하는 단계; 세라믹 기재의 하부 표면을 관통하는 대응 테이퍼된 인서트를 한정하는 하부 비아를 배치하는 단계; 세라믹 기재의 상부 표면을 가로질러 상부 전도성 포일 층을 배치하는 단계; 세라믹 기재의 하부 표면을 가로질러 연장하는 하부 전도성 포일 층을 배치하는 단계; 및 어셈블리를 단축 방향으로 핫프레싱(hot pressing)하는 단계. 이 형태에서, 상부 비아, 하부 비아, 및 전도성 포일 층들은 2,000 ℃ 초과의 용융점 및 세라믹 기재에 비해 같거나 작은 CTE를 갖는 재료를 한정한다. 어셈블리는 흑연 몰드(graphite mold) 내에 배치될 수 있다.
일 변형예에서, 세라믹 기재는 알루미늄 니트라이드 재료로 만들어지고, 상부 비아, 하부 비아, 및 상부 및 하부 전도성 포일 층들은 몰리브덴 재료로 만들어진다.
다른 변형예에서, 본 방법은 가압된 어셈블리를 약 1,700 ℃ 내지 약 2,000 ℃ 범위의 온도에서 소결하는 단계를 추가적으로 포함한다.
다른 변형예에서, 본 방법은 상부 전도성 포일 층 및 하부 전도성 포일 층 중 적어도 하나를 가로지르는 적어도 하나의 희생 층을 배치한 다음, 희생 층을 제거하는 단계를 추가적으로 포함한다. 희생 층은 텅스텐, 텅스텐 카바이드, 및 보론 니트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된다.
다른 변형예에서, 본 방법은 상부 전도성 포일 층에 적어도 하나의 가열기 층을 형성하는 단계, 하부 전도성 포일 층에 라우팅 층을 형성하는 단계, 및 RF 그리드 층을 형성하는 단계를 포함한다.
추가의 적용 분야는 본 명세서에 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 발명의 설명 및 특정 실시예들은 단지 예시의 목적으로 의도된 것이며 본 개시의 범위를 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다.
본 개시는 발명의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 더욱 완전하게 이해될 것이다.
도 1은 본 개시의 가르침에 따라 구성된 세라믹 받침대 어셈블리의 측면도이다.
도 2는 본 개시에 따라 구성된 세라믹 받침대 어셈블리의 부분 측단면도이다.
도 3은 본 개시의 가르침에 따른 세라믹 받침대 어셈블리의 미열처리 상태(green state)를 보여준다.
도 4는 본 개시의 일 형태에 따른 세라믹 기재의 상단부 사시도이다.
도 5a는 본 개시에 따른 미열처리 상태의 세라믹 기재를 관통하여 연장하는 비아의 단면도이다.
도 5b는 본 개시의 다른 형태에 따른 모따기된(chamfered) 인서트 및 모따기된 공동을 갖는 비아의 단면도이다.
도 5c는 대체로 직사각형인 단면을 갖는 비아의 단면도이다.
도 6은 본 개시의 가르침에 따른 세라믹 받침대 어셈블리의 소결된 상태를 보여준다.
도 7은, 본 개시의 가르침에 따라 소결된 상태의 세라믹 기재를 관통하여 연장하는 도 6의 비아의 확대도이다.
도 8은 본 개시의 가르침에 따라 세라믹 기재 위에 형성된 저항성 가열기 층으로서의 상부 전도성 포일 층의 사시도이다.
도 9는 본 개시의 가르침에 따라 세라믹 기재 위에 형성된 라우팅 층으로서의 하부 전도성 포일 층의 사시도이다.
도 10은 본 개시의 가르침에 따라 세라믹 받침대 어셈블리를 형성하는 방법을 예시한 흐름도이다.
대응하는 지시 번호는 첨부도면의 여러 도면들에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
다음의 설명은 본질적으로 단지 예시적인 것이며, 본 개시, 적용, 또는 용도를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 가르침에 따라 구성된 지지 받침대(20)는 그 위에 놓여진 웨이퍼와 같은 가열 대상을 지지하고 가열하기 위해 반도체 가공 챔버에서 사용될 수 있다. 지지 받침대(20)는 세라믹 받침대 어셈블리(22), 및 받침대 어셈블리(22)의 중심 영역(23)에 부착된 튜브형 샤프트(24)를 포함한다. 받침대 어셈블리(22)는 웨이퍼(미도시)와 같은 기재를 지지하기 위한 상부 표면(25) 및 튜브형 샤프트(24)가 부착되는 하부 표면(27)을 포함한다. 지지 받침대(20)는, 튜브형 샤프트(24)에 수용되어 받침대 어셈블리(22)에 내장된 적어도 하나의 전기 요소/층(미도시)를 연결하고 또한 외부 전력 공급원에 연결되는 복수의 전기 케이블들(26)을 더 포함한다. 전기 층(electric layer)은, 용도에 따라, 저항성 가열 층, 온도 센서, 정전기 척(electrostatic chuck: ESC)용 전극, 또는 무선 주파수(RF) 안테나, 등일 수 있다. 도면에 도시되지 않았지만, 받침대 어셈블리(22)는, 퍼지 가스를 수용하기 위한 가스 도관, 및 웨이퍼에 진공 클램핑을 제공하기 위한 진공 도관을 선택적으로(optionally) 한정(define)할 수 있다. 지지 받침대에 관한 추가 정보는, 본 출원과 함께 공동 소유된 본 출원인의 동시 출원 동시 계류 중인 "Multi-zone Ceramic Pedestal"이라는 제목의 출원에 개시되어 있으며, 이 문헌의 내용은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
도 2를 참조하면, 본 개시의 가르침에 따른 세라믹 받침대 어셈블리(22)의 부분 측단면도가 도시되어 있다. 이 형태에서, 세라믹 받침대 어셈블리(22)는 상부 표면(32) 및 하부 표면(34)을 한정하는 세라믹 기재(30)를 포함한다. 어셈블리(22)는, 세라믹 기재(30), 상부 전도성 포일 층(42), 및 하부 전도성 포일 층(44)을 관통하여 연장하는 적어도 하나의 비아(36)를 더 포함한다. 이 형태에서, 적어도 하나의 비아(36), 상부 전도성 포일 층(42), 및 하부 전도성 포일 층(44)은, 2,000 ℃ 초과의 용융점, 및 세라믹 기재(30)에 비해 같거나 작은 열팽창계수(CTE)를 갖는 재료로 만들어지며, 이는 아래에서 더 자세히 설명된다.
적어도 하나의 비아(36)는, 비아(36)의 상부 표면(46)이 상부 전도성 포일 층(42)과 접촉하고 비아(36)의 하부 표면(56)이 하부 전도성 포일 층(44)과 접촉하도록, 세라믹 기재(30)를 관통하여 연장된다. 비아(36)는 또한 전도성 재료이며, 비아(36)는 상부 전도성 포일 층(42)과 하부 전도성 포일 층(44) 사이에 전기적 연속성을 제공한다.
일 형태에서, 전도성 포일 층(42)은 열을 발생시키기 위한 저항성 층이고, 하부 전도성 포일 층(44)은 라우팅 층이다. 더욱 구체적으로, 저항성 층은, 독립적으로 제어 가능하고 또한 하나 이상의 가열 영역을 한정하는 복수의 저항성 가열 요소들을 포함한다. 라우팅 층은 하나 이상의 케이블(26)에 전기적으로 연결되고, 저항성 층의 가열 영역에 공급되는 전력을 제어하도록 구성된다. 비아(36)는 기재(30)를 관통하여 연장하고, 기재(30)의 대향하는 양측면/양표면에 각각 배치된 저항성 층 및 라우팅 층을 전기적으로 연결한다. 따라서, 라우팅 층은 비아(36)에 의해 저항성 층의 하나 이상의 영역에 전력을 공급한다.
이해되어야 하는 바와 같이, 포일 층들(42, 44)은 포일 이외의 다른 제품 형태, 예를 들어 "층상(layered)" 형태로 제공될 수 있으며, 여기서, "층상(layered)"은 박막 필름, 후막 필름, 열분무, 및 졸-겔과 같은 공정들에 의해 생성되는 생성물 형태인 것으로 해석되어야 하며, 이때, 상기 층은 기재에 재료를 도포 또는 축적시킴으로써 형성된다. 따라서, 포일 층들(42, 44), 및 세라믹 기재(30)에 대해 상대적인 이들의 배치는 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 따라서, 이들 층은 또한, 본 개시가 본 명세서에 도시되고 설명된 바와 같은 전도성 포일 또는 가열기 및 라우팅 층의 특정 기능으로 제한되지 않도록, 더 넓은 의미의 "기능성 층"으로서 지칭될 수 있다.
또한, 세라믹 받침대 어셈블리(22)는 추가 층들(예를 들어, 특히, 결합층, 유전층, 감지층, 및 보호층과 같은 추가적인 기능성 층들)을 포함할 수 있으며, 이 역시 본 개시의 범위 내에 속한다. 하나의 예시적인 형태에서, 세라믹 받침대 어셈블리(22)는 일체화된 무선 주파수(RF) 그리드 층을 더 포함하며, 이는 가공 챔버에 의해 부과된 RF 플라즈마 또는 자기장을 보상하기 위해 접지 단자에 전기적으로 연결된다. 대안적으로, 상부 전도성 포일 층(42) 및 하부 전도성 포일 층(44) 중 적어도 하나는 RF 그리드 층이다. 통상적으로, RF 그리드 층은 접지 단자를 통해 가공 챔버에 의해 부과된 RF 플라즈마 또는 자기장을 지향시키고 가열기 회로 및 센서 장치를 차폐 및 보호하기 위한 안테나로서 사용된다.
세라믹 받침대 어셈블리(22)를 형성하는 단계는, 이미 목적하는 형상으로 형성된 분말을 취하는 단계, 및 어셈블리를 가열함으로써 분말 재료를 치밀한 고체로 전환시키는 단계(즉, 소결 단계)를 포함한다. 미열처리 상태(green state)는 어셈블리가 가열되기 전의 성형된 분말(shaped powder) 또는 성형된 미열처리 몸체(shaped green body)를 지칭한다.
도 3, 4, 및 5a는 본 개시의 가르침에 기초하여 세라믹 받침대 어셈블리(22)를 형성하는 것을 예시한다. 세라믹 받침대 어셈블리(22)를 형성하기 위해, 미열처리 상태의 세라믹 기재(130)가 제공된다. 세라믹 기재(130)는 상부 표면(132) 및 하부 표면(134)을 가지며, 비아(136)(도 3)를 수용하기 위해 세라믹 기재(130)를 관통하여 연장하는 적어도 하나의 개구(166)(도 4)를 한정(define)한다. 개구(166)의 수는 비아(136)의 수에 상응한다. 미열처리 상태의 세라믹 기재(130)는, 예를 들어, CIP(cold isostatic pressing) 기술에 의해 형성될 수 있고, 이에 의해, 세라믹 받침대 어셈블리를 취급, 기계가공, 및 소결하기 위한 목적하는 강도를 제공한다.
도 3 및 도 5a를 계속 참조하면, 각각의 비아(136)는 테이퍼된 공동(154)을 한정하는 상부 비아(138) 및 대응하는 테이퍼된 인서트(160)를 갖는 하부 비아(140)를 포함한다. 상부 비아(138)는 상부 표면(146)을 갖는 테이퍼된 상단부(150)를 포함하고, 테이퍼된 상단부(150)로부터 연장하는 목(neck)(152)을 포함한다. 목(152)은 테이퍼된 공동(154)을 한정하고, 하부 표면(148)을 추가적으로 갖는다. 하부 비아(140)의 대응 테이퍼된 인서트(160)는 테이퍼된 하단부(158)로부터 연장한다. 테이퍼된 하단부(158)는 하부 표면(156), 및 인서트(160)의 원위 단부로부터 방사상으로 연장하는 상부 표면(162)을 갖는다. 하부 비아(140)는 상부 비아(138)의 공동(154)에 의해 수용되고, 세라믹 기재(31)가 소결될 때 상부 비아(138)와 하부 비아(140) 사이에 간섭/밀착 끼워 맞춤(interference/tight fit)이 형성되며, 이는 아래에서 더 자세히 설명된다.
일 형태에서, 상부 비아(136)의 공동(154) 및 하부 비아(140)의 대응 인서트(130)는 원형 단면 형상을 갖는다. 그러나, 단면은 다른 적합한 형상일 수 있으며, 원형 단면으로 제한되지 않아야 한다는 것을 이해해야 한다. 공동(154) 및 대응 인서트(160)의 다른 형태들이, 각각 모따기된 단면 형상 및 직사각형 단면 형상을 갖는 도 5b 및 5c에 도시되어 있다. 또한, 공동(154) 및 대응 인서트(160)는 다음 군으로부타 선택된 단면 형상을 가질 수 있다: 다각형, 평판형, 계란형, 삼각형, 타원형, 및 세라믹 기재(130)가 소결될 때 상부 비아와 하부 비아 사이에 간섭/밀착 끼워 맞춤이 형성되는 것을 가능하게 하는 임의의 다른 형상. 핫 프레스 소결 동안 세라믹 수축을 보상하기 위해 상부 및 하부 비아들의 설계를 엔지니어링할 수 있다. 예를 들어, 흑연 몰드는, 핫프레싱 축방향 하중의 Z 방향으로 발생하는 변위가 제어되는 상태에서, X 및 Y 방향으로 세라믹 및 비아의 변위 및 수축을 제한하는 방식으로 설계될 수 있다.
상부 비아(138)는, 상부 비아(138)의 상부 표면(146)이 세라믹 기재(130)의 상부 표면(132)과 실질적으로 동일 평면에 있도록, 세라믹 기재(130)의 상부 표면(132)으로부터의 개구(166)에 배치된다. 대응하는 하부 비아(140)는, 하부 비아(140)의 하부 표면(156)이 세라믹 기재(130)의 하부 표면(134)과 실질적으로 동일 평면에 있도록, 세라믹 기재(130)의 하부 표면(134)으로부터의 개구(166)에 배치된다. 하부 비아(140)의 인서트(160)는 상부 비아(138)의 공동(154)에 의해 수용된다(도 3 및 5). 일 형태에서, 인서트(160)는 테이퍼된 형상의 단부를 가지며, 이 테이퍼된 형상의 단부는 공동(154)과 정렬되고 또한 공동(154)에 의해 수용되며, 그에 따라, 정렬/끼워맞춤을 개선하고, 상부 비아(138) 및 하부 비아(140) 및 세라믹 기재(130) 사이의 제조 공차 및 열적 변동을 보상한다.
상부 비아(138) 및 하부 비아(140)가 세라믹 기재(130)을 관통하도록 배치된 후, 상부 전도성 포일 층(142)은 세라믹 기재(130)의 상부 표면(132)을 가로질러/따라(across/along) 배치되고, 하부 전도성 포일 층(144)은 세라믹 기재(130)의 하부 표면(134)을 가로질러/따라 배치된다(도 3). 상부 포일 층(142)은 세라믹 기재(130)의 상부 표면(132) 및 상부 비아(138)의 상부 표면(146)과 접촉한다. 하부 포일(144)은 세라믹 기재(130)의 하부 표면(134) 및 하부 비아(140)의 하부 표면(156)과 접촉한다. 소결 전에, 비아(136)를 갖는 세라믹 기재(130), 및 층들(142 및 144)은 통상적으로 미열처리 상태의 세라믹 받침대 어셈블리(green state ceramic pedestal assembly)라고 지칭될 수 있다.
다른 형태에서, 미열처리 세라믹 받침대 어셈블리는 상부 전도성 포일 층(142) 및 하부 전도성 포일 층(144) 중 적어도 하나를 가로지르는 적어도 하나의 희생 층(164)을 추가적으로 포함한다. 희생 층(164)은 소결 동안 교차 오염을 감소시키고 소결 후에 제거된다. 예를 들어, 희생 층은 흑연 몰드로부터 방출된 탄소를 흡수하고, 세라믹의 과잉의 방출된 탄소와의 반응 및 상호작용을 감소시킨다. 또한, 이는 세라믹의 몸체 및 표면의 변색을 방지한다. 희생 층(164)은 텅스텐, 텅스텐 카바이드, 및 보론 니트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된다. 그러나, 여전히 본 개시의 범위 내에 속하면서, 다른 재료들이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
세라믹 받침대 어셈블리(22)의 부품들은 임의의 다양한 재료일 수 있으며, 일 형태에서, 상부 비아(138), 하부 비아(140), 상부 전도성 포일 층(142), 및 하부 전도성 포일 층(144)은 2,000 ℃ 초과의 용융점, 및 세라믹 기재에 비해 비슷하거나 낮은(또는, 달리 말하면, 세라믹 기재에 비해 작거나 대략 동일한) 열팽창계수(CTE)를 갖는 재료를 한정한다. 예를 들어, 세라믹 기재(130)는 알루미늄 니트라이드(AIN) 재료일 수 있고, 상부 비아(138), 하부 비아(140), 및 상부 전도성 포일 층(142), 및 하부 전도성 포일 층(144)은 몰리브덴(Mo) 재료로 만들어질 수 있다. 몰리브덴은 2,000 ℃보다 높은 온도를 견딜 수 있으며, 그것의 CTE는 AlN에 비해 비슷하거나 낮다. 이해되어야 하는 바와 같이, 다른 재료 조합들이 비아 및 세라믹 기재에 사용될 수도 있으며, 다만, 그 재료는 2,000 ℃보다 높은 온도를 견딜 수 있야 하고 비아의 열팽창계수(CTE)는 세라믹 기재보다 낮아야 한다. 그러므로, Mo 및 AlN의 사용은 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
미열처리 상태의 세라믹 받침대 어셈블리는, 흑연과 같은 핫프레싱 소결을 견딜 수 있는 재료로 만들어진 핫프레싱 몰드(184)에 배치된다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 미열처리 상태의 세라믹 받침대 어셈블리는 단축방향(uniaxial direction)으로 핫프레싱되고, 예를 들어 약 1700 ℃ 내지 약 2,000 ℃ 범위의 온도에서 소결된다. 고온에서 압력을 가하는 핫프레싱 소결 동안, 상부 비아(138), 하부 비아(140), 상부 전도성 포일 층(142), 및 하부 전도성 포일 층(144)(이들은 높은 용융점을 갖는 재료(예를 들어, 대략 2620 ℃의 Mo 재료)로 만들어짐)은, 소결 과정을 거치더라도, 그들의 형태를 유지하고 뒤틀리지 않는다.
또한, 단축 압력(uniaxial pressure)은 상부 비아(138) 및 하부 비아(140)를 함께 압축하며, 그에 따라, 상부 비아(138)의 목(152)은 하부 비아(140)의 인서트(160)와 맞물리고, 인서트(160)는 공동(154) 내로 추가적으로 침투하게 된다. 일 형태에서, 테이퍼된 하단부(158)의 상부 표면(162)은 목(152)에 대한 정지부(stop)로서 작용하며, 그에 따라, 목(152)의 하부 표면(148)은 하부 비아(140)의 테이퍼된 하단부(158)의 상부 표면(162)과 맞닿게 된다. 대안적으로, 목(152)의 하부 표면(148)은 테이퍼된 하단부(158)의 상부 표면(162)의 위에 배치될 수 있으며, 그에 따라, 그 사이에 약간의 갭이 한정(define)된다. 단축 압축(uniaxial compression)은 또한, 상부 전도성 포일 층(142) 및 하부 전도성 포일 층(144)을 세라믹 기재(130)의 상부 표면(132) 및 하부 표면(134)에 각각 결합시킨다.
AIN은 Mo보다 더 높은 열팽창계수(CTE)를 나타내기 때문에, AIN 기재(130)는 소결 공정 동안 팽창하는 반면, Mo 재료로 만들어진 비아(136)는 원래의 형상을 유지할 수 있다. 팽창하는 기재(130)는 비아(136)에 대해 모든 방향으로 추가적인 압축력을 가하며, 그에 따라, 수축 동안, 기재(130)는 비아(136)를 실질적으로 캡슐화하고 상부 비아(138) 및 하부 비아(140)를 기재(130) 내에 단단히 고정시킨다.
소결 동안, 기재(130) 내의 비아(136)의 수직 위치 및 정렬은 상부 비아(138)의 테이퍼된 상단부(150) 및 공동(cavity)(154), 및 하부 비아(140)의 테이퍼된 하단부(58) 및 인서트(160)에 의해 제어된다. 예를 들어, 테이퍼된 상단부(150)는 개구(166)의 측면들과 맞물리는 반면, 상부 비아(138)의 상부 표면(146)은 세라믹 기재(130)의 상부 표면(132)과 실질적으로 동일한 평면으로 유지된다. 테이퍼된 하단부(158)는 테이퍼된 상단부(150)와 유사한 방식으로 기능한다. 또한, 공동(154)을 갖는 목(152) 및 인서트(160)는, 비아(136)가 세라믹 기재의 상부 및 하부 표면들(132 및 134) 너머로 돌출되는 것을 방지하기 위해, 서로 맞물리도록 구성된다. 소결 후, 상부 비아(138) 및 하부 비아(140)는 단일 전도성 비아를 형성한다.
적어도 비아(136)에 대해 몰리브덴을 사용함으로써, 상부 비아(138) 및 하부 비아(140)는, Mo 재료가 높은 내화성 금속이고, 가단성(malleable), 연성(ductile), 및 체심 입방 결정 구조를 갖기 때문에, 압축 및 수축 동안 자기 조절(self-adjust)될 수 있다. 또한, 몰리브덴은 소결 공정에서 훨씬 낮은 소성 변형, 잔류 응력 및 파단을 겪는다.
또한, 몰리브덴은 흑연 몰드(84)에 의해 방출되는 탄소를 포획한다. 즉, 몰리브덴은 흑연 몰드(184)로부터 방출된 탄소를 끌어당기며, 이에 따라, 소결 공정 동안 발생할 수 있는 AIN 기재(130)의 바람직하지 않은 상호작용 및 변색이 감소된다.
소결 후, 상부 전도성 포일 층(142) 및 하부 전도성 포일 층(144)은 최종 세라믹 받침대 어셈블리의 원하는 구성에 기초하여 다양한 적합한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 일 형태에서, 상단부 전도성 포일 층(142)은 열을 발생시키기 위한 저항성 층으로서 형성될 수 있고, 하부 전도성 포일 층(144)은 저항성 층을 전력 공급원(미도시) 또는 지지 받침대(20)의 다른 요소에 연결하기 위한 라우팅 층일 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 저항성 가열기 층(200) 및 라우팅 층(202)의 예가 제공된다. 상부 전도성 포일 층(142)은 적어도 하나의 가열 영역을 한정하는 하나 이상의 저항성 가열 요소를 포함하는 저항성 층(200)을 형성하도록 에칭된다. 도 8에서, 6개의 가열 영역을 한정하는 6개의 저항성 가열 요소들(206)이 도시되어 있지만, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 임의의 수의 저항성 가열 요소들(206)이 사용될 수 있다. 하부 전도성 포일 층(144)은 에칭되어, 비아(136)에 전력을 전기적으로 연결하기 위한 라우팅 층(202)을 형성한다. 따라서, 앞에서 언급된 바와 같이, 비아(136)는 라우팅 층과 저항성 가열기 층을 전기적으로 결합시킨다. 저항성 가열 층 및 라우팅 층에 관한 추가 정보는, 본 출원과 함께 공동 소유된 본 출원인의 동시 출원 동시 계류 중인 "Multi-zone Ceramic Pedestal"이라는 제목의 출원에 개시되어 있으며, 이 문헌의 내용은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
전도성 층은 다른 적합한 방식으로 구성될 수 있으며, 저항성 층 및 라우팅 층으로 제한되지 않아야 한다. 예를 들어, 본 개시의 다른 형태에서, 상부 전도성 포일 층 및 하부 전도성 포일 층 중 적어도 하나는 RF 그리드 층으로서 구성될 수 있다. 또 다른 형태에서, 하부 전도성 포일 층은 라우팅 층 및 제2 저항성 가열기 층을 포함하도록 구성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 앞에서 언급된 바와 같은 세라믹 받침대 어셈블리를 형성하는 방법(300)이 개략적인 형태로 도시되어 있다. 302에서, 미열처리 상태의 세라믹 기재가 제공되며, 예를 들어, CIP 기술에 의해 형성될 수 있다. 세라믹 기재는 적어도 하나의 개구를 포함한다. 304에서, 비아가 개구에 배치된다. 예를 들어, 상부 비아는 세라믹 기재의 상부 표면으로부터의 개구에 배치되고, 하부 비아는 세라믹 기재의 하부면으로부터의 개구에 배치된다.
306에서, 제1 (상부) 전도성 포일 층이 세라믹 기재의 상부 표면을 따라 배치되고, 제2 (하부) 전도성 포일 층이 세라믹 기재의 하부 표면을 따라 배치된다. 308에서, 미열처리 상태의 세라믹 받침대, 비아, 및 전도성 포일 층들을 포함하는 어셈블리가 핫 프레스 몰드 내에 배치되고, 310에서 세라믹 받침대 어셈블리를 형성하기 위해 소결 공정이 어셈블리에 대해 수행된다. 몰드는 흑연과 같은 소결 공정을 견딜 수 있는 재료로 만들어진다. 소결 동안, 어셈블리는 단축 방향으로 핫프레싱되고 약 1,700 ℃ 내지 약 2,000 ℃ 범위의 온도에서 소결된다. 단축 압축은 상부 및 하부 비아들이 서로를 향해 이동하여 단일 전도성 비아(vias)를 형성시키고, 전도성 포일 층들은 세라믹 기재의 표면들에 결합된다. 결과적으로, 상부 및 하부 전도성 포일 층들은 비아에 의해 전기적으로 연결된다.
방법(300)은 본 개시의 세라믹 기재 조립체를 형성하는 일 예일 뿐이며 다른 단계들 또는 대안적인 단계들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다른 형태에서, 방법(300)은 소결 동안 교차 오염을 감소시키기 위해 전도성 포일 층들 중 적어도 하나를 따라 적어도 하나의 희생 층(미도시)을 배치하는 단계를 추가적으로 포함한다. 소결 공정 후, 희생 층은 어셈블리로부터 제거된다.
또 다른 형태에서, 방법(300)은 소결 공정 후에, 예를 들어 하나 이상의 저항성 가열기 층 및 라우팅 층을 형성하기 위해 전도성 포일 층들을 에칭하는 단계를 포함한다.
또 다른 형태에서, 방법(300)은 RF 그리드 층을 형성하기 위해 적어도 하나의 전도성 포일 층을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 세라믹 받침대 어셈블리(22)는 세라믹 기재(30)를 적어도 하나의 비아(36), 상부 전도성 포일 층(42), 및 하부 전도성 포일 층(44)과 미열처리 상태에서 조합하고, 핫 프레스 소결을 사용하여 본 명세서에 기술된 바와 같이 이 부품들을 결합한다. 소결 공정 이전에 고 내화성 금속으로 형성된 비아(36)를 세라믹 기재(30)와 조합하는 것은, 핫프레싱 동안의 압축력이 상부 비아(38)와 하부 비아(40) 사이, 및 비아(36)와 기재(30) 사이에 단단하게 확보된 결합을 형성하는 것을 가능하게 한다. 또한, 비아(36)에 의해 서로 전기적으로 결합된 소결 전 미열처리 상태의 전도성 포일 층들(42 및 44)을 포함하는 것은, 소성 변형이 최소화된 상태에서의 일관된 옴 접촉을 형성한다. 그러나, 이해되어야 하는 바와 같이, 전도성 포일 층들(42/44), 또는 다른 기능성 층들은 소결 공정 후에 세라믹 기재(30)에 추가될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 여전히 속한다.
또한, 본 개시의 2부분 비아(two-part via)는 일체화된 비아(integrated via)이고, 미열처리 상태에서 상호연결된다. 이는 핫 프레스 가공 단계들을 줄이고, 종래의 단일 조각 비아(single-piece vias)보다 비용면에서 더 효과적이다. 2부분 비아(two-part vias)는 핫 프레스 축방향 하중의 방향으로 자유롭게 움직이며, 세라믹 수축의 영향을 보상한다. 또한, 2부분 비아가 예시되고 설명되었지만, 둘보다 많은 개수를 포함하여 임의의 개수의 부분들/부품들을 사용하여 일체화된 비아를 형성할 수 있으며, 이 역시 본 개시의 범위 내에 여전히 속한다.
본 개시는 예로서 설명되고 예시된 다양한 형태들로 제한되지 않음에 유의해야 한다. 매우 다양한 변형들이 설명되었고, 더 많은 변형들은 당해 기술분야의 통상의 기술자의 지식의 일부이다. 이들 및 추가의 변형들 뿐만 아니라 기술적 균등물에 의한 임의의 치환이, 본 개시 및 본 특허의 보호 범위를 벗어나지 않으면서, 발명의 설명 및 도면에 추가될 수 있다.

Claims (16)

  1. 세라믹 받침대 어셈블리(ceramic pedestal assembly)로서, 상기 세라믹 받침대 어셈블리는:
    제1 기능성 층 및 제2 기능성 층을 갖는 기재로서, 상기 제1 기능성 층 및 상기 제2 기능성 층이 상기 기재의 대향측면에 각각 배치되어 있는, 기재; 및
    상기 기재를 관통하여 연장하는 적어도 하나의 비아(via)로서,
    공동(cavity)을 한정(define)하는 상부 비아; 및
    대응 인서트(corresponding insert)를 한정하는 하부 비아;를 포함하는 적어도 하나의 비아;를 포함하고,
    상기 제1 기능성 층, 상기 제2 기능성 층, 및 상기 적어도 하나의 비아는 2,000 ℃ 초과의 용융점 및 상기 기재보다 낮은 CTE를 갖는 재료를 한정하는,
    세라믹 받침대 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기재는 알루미늄 니트라이드 재료로 만들어지고, 상기 적어도 하나의 비아, 상기 제1 기능성 층, 및 상기 제2 기능성 층은 몰리브덴 재료로 만들어지는, 세라믹 받침대 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 비아는, 상기 세라믹 기재가 가열될 때 상기 상부 비아와 상기 하부 비아 사이에 간섭 끼워맞춤(interference fit)이 형성되도록, 상기 상부 비아의 공동에 의해 수용되는, 세라믹 받침대 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 비아의 상단부 및 상기 하부 비아의 하단부는 테이퍼되는(tapered), 세라믹 받침대 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 기능성 층은 적어도 하나의 저항성 가열 요소를 갖는 저항성 가열기 층이고, 상기 제2 기능성 층은 라우팅 층(routing layer)이고, 상기 저항성 가열 요소 각각은 적어도 하나의 저항성 가열 영역을 한정(define)하는, 세라믹 받침대 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 비아의 공동 및 상기 하부 비아의 대응 인서트는 직사각형, 다각형, 평판형, 원형, 계란형(oval), 삼각형, 및 타원형(elliptical)으로 이루어진 군으로부터 선택된 단면 형상을 갖는, 세라믹 받침대 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 기능성 층 및 상기 제2 기능성 층 중 적어도 하나에 걸쳐 있는 적어도 하나의 희생 층을 더 포함하는, 세라믹 받침대 어셈블리.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 희생 층은 텅스텐, 텅스텐 카바이드, 및 보론 니트라이드로 이루어진 군으로부터 선택되는, 세라믹 받침대 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서, RF 그리드 층(RF grid layer)을 더 포함하는 세라믹 받침대 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 기능성 층은 상기 기재의 상부 표면을 가로질러 연장하는 상부 전도성 포일 층이고, 상기 제2 기능성 층은 상기 기재의 하부 표면을 가로질러 연장하는 하부 전도성 포일 층인, 세라믹 받침대 어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 비아의 공동은 테이퍼되고, 상기 하부 비아는 대응 테이퍼(corresponding taper)를 한정(define)하는, 세라믹 받침대 어셈블리.
  12. 세라믹 받침대 어셈블리를 형성하는 방법으로서, 상기 방법은:
    적어도 하나의 개구를 갖는 미열처리 상태(green state)의 세라믹 기재를 형성하는 단계;
    상기 세라믹 기재의 상부 표면을 관통하는 공동을 한정하는 상부 비아를 배치하는 단계;
    상기 세라믹 기재의 하부 표면을 관통하는 대응 인서트를 한정하는 하부 비아를 배치하는 단계;
    상기 세라믹 기재의 상부 표면을 가로질러 상부 기능성 층을 배치하는 단계;
    상기 세라믹 기재의 하부 표면을 가로질러 연장하는 하부 기능성 층을 배치하는 단계; 및
    상기 어셈블리를 단축 방향으로 핫프레싱(hot pressing)하는 단계;를 포함하고,
    상기 상부 비아, 상기 하부 비아, 및 상기 기능성 층들은 2,000 ℃ 초과의 용융점 및 상기 세라믹 기재에 비해 같거나 작은 CTE를 갖는 재료를 한정(define)하는,
    방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 세라믹 받침대 어셈블리를 약 1700 ℃ 내지 약 2,000 ℃ 범위의 온도에서 소결하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 상부 기능성 층 및 상기 하부 기능성 층 중 적어도 하나에 걸쳐있는 적어도 하나의 희생 층을 배치하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 세라믹 받침대 어셈블리를 흑연 몰드(graphite mold) 내에 배치하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 기재 위에 무선 주파수(RF) 그리드 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
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