KR20210047462A - 세라믹 히터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신뢰성이 향상된 세라믹 히터에 관한 것으로, 메쉬 타입의 금속 재질로 형성된 고주파 전극과, 상기 고주파 전극의 하면에 접촉되는 전극 로드 연결부재를 구비하는 히터 몸체부; 및 상기 히터 몸체부의 하부에 장착되어, 상기 히터 몸체부를 지지하는 히터 지지부를 포함하되, 상기 고주파 전극은 와이어 타입 메쉬 구조를 갖는 제1 전극 부재와 시트 타입 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 세라믹 히터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 신뢰성이 향상된 세라믹 히터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치 또는 디스플레이 장치는 유전체층 및 금속층을 포함하는 다수의 박막층들을 유리 기판, 플렉시블 기판 또는 반도체 웨이퍼 기판 상에 순차적으로 적층한 후 패터닝하는 방식으로 제조된다. 이들 박막층들은 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 공정 또는 물리기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 공정을 통해 기판 상에 순차적으로 증착된다. 상기 CVD 공정으로는 저 압력 화학기상증착(Low Pressure CVD, LPCVD) 공정, 플라즈마 강화 화학기상증착(Plasma Enhanced CVD, PECVD) 공정, 유기 금속 화학기상증착(Metal Organic CVD, MOCVD) 공정 등이 있다.
이러한 CVD 장치 및 PVD 장치에는 유리 기판, 플렉시블 기판, 반도체 웨이퍼 기판 등을 지지하고 소정의 열을 인가하기 위한 히터가 배치된다. 상기 히터는 지지기판 상에 형성된 박막층들의 식각 공정(etching process)과 포토리지스트(photoresist)의 소성 공정 등에도 기판 가열을 위해 사용되고 있다. 상기 CVD 장치 및 PVD 장치에 설치되는 히터는 정확한 온도 제어, 반도체 소자의 배선 미세화 및 반도체 웨이퍼 기판의 정밀한 열처리 요구에 따라 세라믹 히터(Ceramic Heater)가 널리 사용되고 있다.
도 1a는 종래 기술에 따른 세라믹 히터의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 세라믹 히터(1)는 반도체 제조 공정에서 웨이퍼(wafer) 등과 같은 기판을 지지하고, 상기 기판을 공정 온도, 예를 들면 CVD 공정 또는 PVD 공정의 수행을 위한 온도로 가열하기 위해 사용될 수 있다.
종래의 세라믹 히터(1)는 원형의 판상 구조를 갖는 세라믹 본체(10)와 상기 세라믹 본체(10)의 하부에 장착되는 세라믹 지지부(20)로 구성된다. 여기서, 상기 세라믹 본체(10)는 플라즈마 생성 시 세라믹 히터(1)에 충전된 전류를 접지(ground)로 방전시키는 고주파 전극(또는 접지 전극, 11), 기판을 가열하기 위한 열 에너지를 생성하는 발열체(13), 고주파 전극(11)과 접지 로드(21)를 전기적으로 연결하는 제1 로드 연결부재(12), 발열체(13)와 발열체 로드(23)를 전기적으로 연결하는 제2 로드 연결부재(14)를 포함한다. 상기 세라믹 지지부(20)는 고주파 전극(11)을 그라운드에 연결하는 접지 로드(21)와 발열체(13)를 외부 전원(미도시)에 연결하는 발열체 로드(23)를 포함한다.
이러한 세라믹 히터(1)에 매설된 고주파 전극(11)은 플라즈마 접지(Plasma ground) 역할이 가능한 고융점의 금속 재질로 형성되며, 일반적으로는 제1 방향으로 배열된 금속 와이어들과 제2 방향으로 배열된 금속 와이어들이 서로 수직하게 교차하여 직물 형태로 형성된 와이어 타입 메쉬(Wire Type Mesh) 구조로 제조된다. 제1 로드 연결부재(12)는 이러한 와이어 타입 메쉬 구조를 갖는 고주파 전극(11)의 일 표면에 접촉된다. 그런데, 기존의 세라믹 히터(1)를 장 기간 사용하는 경우, 고주파 전극(11)과 제1 로드 연결부재(12) 간의 접촉 부위에서 크랙(crack)이 자주 발생하는 문제가 있다.
가령, 도 1b에 도시된 바와 같이, 기존의 세라믹 히터(1)는 핫 프레스(hot press) 공정으로 제조되며, 상기 핫 프레스 공정 시, 세라믹 분말의 소결을 위해 1축 1방향(가령, 도면의 수직 방향)으로 소정의 압력이 전달된다. 이때, 와이어 타입 메쉬 형상을 갖는 고주파 전극(11)과 제1 로드 연결부재(12) 간의 접촉 부위는 3차원 형상으로 인한 구조적인 방해로 인해 불 균일한 압력이 전달되고, 그에 따라 상기 접촉 부위에는 미세한 크랙(micro crack)이 존재하게 된다.
이러한 세라믹 히터(1)는 반도체 공정에서 온도의 상승 및 하강 과정(heat up & down)을 반복하게 되는데, 이때 금속 재질인 고주파 전극(11) 및 제1 로드 연결부재(12)의 열 팽창에 의한 열 응력이 세라믹 본체(10)에 그대로 전달된다. 따라서, 고주파 전극(11)과 제1 로드 연결부재(12) 간의 접촉 부위에 존재하는 미세한 크랙이 점차 크게 성장하여 세라믹 본체(10)의 표면까지 다다르는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 신뢰성이 향상된 세라믹 히터 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
또 다른 목적은 와이어 타입의 메쉬 구조를 갖는 제1 전극 부재와 시트 타입의 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재가 결합된 고주파 전극을 구비하는 세라믹 히터 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 메쉬 타입의 금속 재질로 형성된 고주파 전극과, 상기 고주파 전극의 하면에 접촉되는 전극 로드 연결부재를 구비하는 히터 몸체부; 및 상기 히터 몸체부의 하부에 장착되어, 상기 히터 몸체부를 지지하는 히터 지지부를 포함하되, 상기 고주파 전극은, 와이어 타입 메쉬(wire type mesh) 구조를 갖는 제1 전극 부재와 시트 타입 메쉬(sheet type mesh) 구조를 갖는 제2 전극 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터를 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 제1 전극 부재는 제1 방향으로 배열된 복수의 와이어 타입 금속들과 제2 방향으로 배열된 복수의 와이어 타입 금속들이 수직으로 교차하여 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제1 전극 부재는 제2 전극 부재의 형상에 대응하는 개구부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 개구부는 전극 로드 연결부재의 위치에 대응하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 제2 전극 부재는 제1 전극 부재에 형성된 개구부의 크기보다 더 크게 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제2 전극 부재는 제1 전극 부재에 형성된 개구부를 커버하도록 배치되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제2 전극 부재는 전극 로드 연결부재와 고주파 전극 간의 접촉 면적보다 더 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 제2 전극 부재는 제1 방향으로 배열된 복수의 시트 타입 금속들과 제2 방향으로 배열된 복수의 시트 타입 금속들이 수직으로 교차하여 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제2 전극 부재는 제1 전극 부재보다 얇은 두께를 갖는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제2 전극 부재는 핫 프레스 공정을 통해 제1 전극 부재와 접합되는 것을 특징으로 한다
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 신뢰성이 향상된 세라믹 히터 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 와이어 타입의 메쉬 구조를 갖는 제1 전극 부재와 시트 타입의 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재가 결합된 고주파 전극을 구비하는 세라믹 히터 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 와이어 타입의 메쉬 구조를 갖는 제1 전극 부재와 시트 타입의 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재가 일체로 결합된 고주파 전극을 구비함으로써, 핫 프레스(hot press) 공정을 이용한 세라믹 히터 제조 시, 상기 고주파 전극과 제1 로드 연결부재 간의 접촉 부위로 균일한 압력이 전달되도록 유도할 수 있고, 그에 따라 상기 접촉 부위에서의 크랙(crack) 발생을 효과적으로 방지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 와이어 타입의 메쉬 구조를 갖는 제1 전극 부재와 시트 타입의 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재가 일체로 결합된 고주파 전극을 구비함으로써, 세라믹 히터의 내부 또는 표면에서의 크랙 발생을 최소화하여 제품 신뢰성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 세라믹 히터 및 그 제조방법이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 종래 기술에 따른 세라믹 히터의 구성을 나타내는 도면;
도 1b는 도 1a에 도시된 A 부분을 상하 반전하여 확대한 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹 히터의 외형을 나타내는 사시도;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹 히터의 구성을 나타내는 단면도;
도 4는 도 3에 도시된 B 부분을 상하 반전하여 확대한 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 전극의 형상을 나타내는 도면;
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고주파 전극의 형상을 나타내는 도면;
도 7은 도 3의 세라믹 히터를 구성하는 히터 몸체부의 제조방법을 설명하는 순서도;
도 8은 도 3의 세라믹 히터를 구성하는 히터 몸체부의 제조방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹 성형체의 제조방법을 설명하는 도면.
도 1b는 도 1a에 도시된 A 부분을 상하 반전하여 확대한 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹 히터의 외형을 나타내는 사시도;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹 히터의 구성을 나타내는 단면도;
도 4는 도 3에 도시된 B 부분을 상하 반전하여 확대한 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 전극의 형상을 나타내는 도면;
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고주파 전극의 형상을 나타내는 도면;
도 7은 도 3의 세라믹 히터를 구성하는 히터 몸체부의 제조방법을 설명하는 순서도;
도 8은 도 3의 세라믹 히터를 구성하는 히터 몸체부의 제조방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹 성형체의 제조방법을 설명하는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하, 본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 신뢰성이 향상된 세라믹 히터 및 그 제조방법을 제안한다. 또한, 본 발명은 와이어 타입 메쉬 구조를 갖는 제1 전극 부재와 시트 타입 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재가 결합된 고주파 전극을 구비하는 세라믹 히터 및 그 제조방법을 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹 히터의 외형을 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹 히터의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 B 부분을 상하 반전하여 확대한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹 히터(100)는 반도체 웨이퍼, 유리 기판, 플렉시블 기판 등과 같은 다양한 목적의 열처리 대상체를 지지하고, 해당 열처리 대상체를 미리 결정된 온도로 가열하는 반도체 장치이다.
세라믹 히터(100)는 열처리 대상체(미도시)를 안정적으로 지지하면서 열을 전달하는 히터 몸체부(110)와, 상기 히터 몸체부(110)의 하부에 장착되는 히터 지지부(120)를 포함한다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 히터 몸체부(110)와 히터 지지부(120) 사이에는 접착층(미도시)이 형성될 수 있다.
히터 몸체부(110)는 미리 결정된 형상을 갖는 판상 구조물로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 히터 몸체부(110)는 원형의 판상 구조물로 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
히터 몸체부(110)의 상부에는 웨이퍼와 같은 열처리 대상체가 안정적으로 실장될 수 있도록 소정의 단차로 함몰된 구조를 갖는 포켓 영역(또는 캐비티 영역, 111)이 형성될 수 있다. 상기 포켓 영역에 해당하는 히터 몸체부(110)의 상면은 우수한 평탄도를 갖도록 형성될 수 있다. 이는 챔버 내에 설치된 열처리 대상체가 한쪽 방향으로 기울지 않고 수평하게 배치되도록 하기 위함이다.
히터 몸체부(110)는 열 전도성이 우수한 세라믹 재질로 형성된 복수의 세라믹 판들(미도시)로 구성되며, 상기 복수의 세라믹 판들에 대해 압축 소결 공정을 수행하여 성형될 수 있다. 여기서, 상기 세라믹 재질은 Al2O3, Y2O3, Al2O3/Y2O3, ZrO2, AlC(Autoclaved lightweight concrete), TiN, AlN, TiC, MgO, CaO, CeO2, TiO2, BxCy, BN, SiO2, SiC, YAG, Mullite, AlF3 중 적어도 하나의 물질일 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 질화 알루미늄(AlN)일 수 있다.
히터 몸체부(110)는 고주파 전극(112), 상기 고주파 전극(112)의 하면에 접촉되는 제1 로드 연결부재(113), 상기 고주파 전극(112) 아래에 배치되는 발열체(114) 및 상기 발열체(114)의 하면에 접촉되는 제2 로드 연결부재(115)를 포함할 수 있다.
고주파 전극(또는 접지 전극, 112)은 히터 몸체부(110)의 상부에 매립되며, 원형의 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 상기 고주파 전극(112)은 플라즈마 강화 화학기상증착을 위한 전극층으로서, 선택적으로 RF 전원에 연결되거나 접지(ground)에 연결될 수 있다.
고주파 전극(112)은 와이어 타입 메쉬(wire type mesh) 구조를 갖는 제1 전극 부재(112a)와 시트 타입 메쉬(sheet type mesh) 구조를 갖는 제2 전극 부재(112b)로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 와이어 타입의 메쉬 구조는, 3차원 형상을 갖는 구조로서, 제1 방향으로 배열된 복수의 와이어 타입 금속들과 제2 방향으로 배열된 복수의 와이어 타입 금속들이 서로 수직하게 교차하여 형성된 메쉬 구조이다. 그리고, 시트 타입의 메쉬 구조는, 2차원 형상을 갖는 구조로서, 제1 방향으로 배열된 복수의 시트 타입 금속들과 제2 방향으로 배열된 복수의 시트 타입 금속들이 서로 수직하게 교차하여 형성된 메쉬 구조이거나, 금속 시트에 홈이 있는 구조이다.
제1 전극 부재(112a)는 원형의 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 상기 제1 전극 부재(112a)의 중앙 부분에는 제2 전극 부재(112b)의 형상에 대응하는 개구부(opening)가 형성될 수 있다. 상기 제1 전극 부재(112a)의 중앙 부분에 형성된 개구부를 커버하도록 상기 중앙 부분에 제2 전극 부재(112b)가 결합될 수 있다. 이에 따라, 제1 전극 부재(112a)와 제2 전극 부재(112b)가 일체로 결합되어 하나의 고주파 전극(112)을 형성하게 된다.
제2 전극 부재(112b)는 미리 결정된 지름(d1)을 갖는 원형의 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 제2 전극 부재(112b)의 지름(d1)은 제1 로드 연결부재(113)의 접촉면의 지름(d2)보다 더 크게 형성될 수 있다.
고주파 전극(112)은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 금(Au), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 질화 알루미늄(AlN) 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 몰리브덴(Mo)으로 형성될 수 있다.
이러한 고주파 전극(112)은 RF(Radio Frequency) 접지 기능 및 정전척(Electrostatic Chuck) 기능 중 어느 하나의 기능을 선택적으로 수행할 수 있다. 여기서, 'RF 접지 기능'이란, 웨이퍼 침착 공정 시, 챔버 내부의 플라즈마로 인해 히터 몸체부(110)에 대전된 전류를 외부 접지로 방전시키는 기능을 의미한다. 그리고, '정전척 기능'이란 전기장(electric field)을 이용하여 웨이퍼 등과 같은 열처리 대상체를 히터 몸체부(110)의 상면에 밀착시키는 기능을 의미한다.
발열체(114)는 히터 몸체부(110)의 하부에 매립되며, 열처리 대상체의 형상에 대응하는 형상으로 형성될 수 있다. 상기 발열체(114)는 고주파 전극(112) 아래 부분에 고주파 전극(112)으로부터 일정 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
발열체(114)는 열처리 대상체의 위치에 대응하는 히터 몸체부(110)에 매립될 수 있다. 또한, 발열체(114)는 열처리 대상체를 전체적으로 균일하게 가열하기 위해서 위치에 따라 가열 온도를 균일하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 열처리 대상체로 열이 전달되는 거리가 거의 모든 위치에서 일정하게 유지되도록 상기 열처리 대상체와 평행하게 히터 몸체부(110)에 매립될 수 있다.
발열체(114)는 발열선(또는 저항선)에 의한 판상 코일 형태 또는 평평한 플레이트 형태로 형성될 수 있다. 또한, 발열체(114)는 정밀한 온도 제어를 위해 다층 구조로 형성될 수 있다.
이러한 발열체(114)는 반도체 제조 공정에서 원활한 증착 공정 및 식각 공정의 수행을 위해 히터 몸체부(110)의 상부면에 위치하는 열처리 대상체를 일정한 온도로 가열하는 기능을 수행한다.
제1 로드 연결부재(또는 전극 로드 연결부재, 113)는 고주파 전극(112)의 하부면에 접촉되어, 상기 고주파 전극(112)과 제1 로드(121)를 전기적으로 연결하는 기능을 수행한다.
제1 로드 연결부재(113)는 고주파 전극(112)의 하부면에 위치하는 시트 타입 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재(112b)의 일 표면에 접촉될 수 있다. 이때, 상기 제1 로드 연결부재(113)는 브레이징(brazing) 공정을 통해 제2 전극 부재(112b)에 부착될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
제2 로드 연결부재(또는 발열체 로드 연결부재, 115)는 발열체(114)의 하부면에 접촉되어, 상기 발열체(114)와 제2 로드(123)를 전기적으로 연결하는 기능을 수행한다.
제1 및 제2 로드 연결부재(113, 115)는 전기 전도성이 우수한 금속 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 및 제2 로드 연결부재(113, 115)는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 금(Au), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 몰리브덴(Mo)으로 형성될 수 있다.
히터 지지부(120)는 히터 몸체부(110)의 하부에 장착되어, 상기 히터 몸체부(110)를 지지하는 역할을 수행한다. 이에 따라, 상기 히터 지지부(120)는 히터 몸체부(110)와 결합되어 전체적으로 T자 형상을 갖는 세라믹 히터(100)를 구성하게 된다.
히터 지지부(120)는 내부에 빈 공간을 갖는 원통 형상의 관(tube) 형태로 형성될 수 있다. 이는 히터 지지부(120)를 통해 히터 몸체부(110)의 고주파 전극(112) 및 발열체(114)에 연결되는 복수의 로드들(121, 123)을 설치하기 위함이다.
히터 지지부(120)는 히터 몸체부(110)와 주요 성분이 동일한 세라믹 재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 히터 지지부(120)는 Al2O3, Y2O3, Al2O3/Y2O3, ZrO2, AlC(Autoclaved lightweight concrete), TiN, AlN, TiC, MgO, CaO, CeO2, TiO2, BxCy, BN, SiO2, SiC, YAG, Mullite, AlF3 중 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 질화 알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있다.
제1 로드(또는 전극 로드, 121)는 히터 지지부(120)의 내부에 설치되어, 제1 로드 연결부재(113)와 외부 접지(미도시) 사이를 전기적으로 연결하는 기능을 수행할 수 있다. 이에 따라, 히터 몸체부(110)에 매립된 고주파 전극(112)은 제1 로드(121)를 통해 RF 전원 또는 외부 접지와 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 로드(또는 발열체 로드, 123)는 히터 지지부(120)의 내부에 설치되어, 제2 로드 연결부재(115)와 외부 전원 장치(미도시) 사이를 전기적으로 연결하는 기능을 수행할 수 있다. 이에 따라, 히터 몸체부(110)에 매립된 발열체(114)는 제2 로드(123)를 통해 외부 전원 장치와 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 및 제2 로드(121, 123)는 전기 전도성이 우수한 금속 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 및 제2 로드(121, 123)는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 니켈(Ni)로 형성될 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹 히터는 와이어 타입의 메쉬 구조를 갖는 제1 전극 부재와 시트 타입의 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재가 일체로 결합된 고주파 전극을 구비함으로써, 핫 프레스(hot press) 공정을 이용한 세라믹 히터 제조 시, 상기 고주파 전극과 제1 로드 연결부재 간의 접촉 부위로 균일한 압력이 전달되도록 유도할 수 있고, 그에 따라 상기 접촉 부위에서의 크랙(crack) 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 아래 표 1은 종래 기술에 따른 세라믹 히터와 본 실시 예에 따른 세라믹 히터의 크랙 발생 여부를 실험한 결과를 나타내는 표이다. 여기서, 비교 예는 종래 기술에 따른 세라믹 히터를 실험한 예이고, 실시 예 1은 제1 지름(6㎜)을 갖는 시트 타입 메쉬 구조의 전극 부재를 포함하는 세라믹 히터를 실험한 예이며, 실시 예 2는 제2 지름(9㎜)을 갖는 시트 타입 메쉬 구조의 전극 부재를 포함하는 세라믹 히터를 실험한 예이다. 또한, 상기 비교 예 및 실시 예에서는, 서로 동일한 로드 홀 크기(6㎜)를 갖는 세라믹 히터들에 대해 실험을 진행하였다. 여기서, 로드 홀의 크기(d5)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 로드(121)를 히터 몸체부(110)에 삽입하기 위해 해당 몸체부(110)에 형성된 개구의 크기를 의미한다.
| No. | 시트 타입 전극 유무 | 로드 홀 크기(㎜) d5 |
시트 타입 전극 지름(㎜) d1 |
내부 크랙 여부 |
표면 크랙 여부 |
| 비교 예 | X | 6 | X | O | O |
| 실시 예 1 | O | 6 | 6 | X | X |
| 실시 예 2 | O | 6 | 9 | X | X |
위 표 1에 도시된 바와 같이, 비교 예에 따른 세라믹 히터의 경우(즉, 시트 타입 메쉬 구조의 전극 부재를 포함하지 않는 세라믹 히터의 경우), 해당 세라믹 히터의 내부 및 표면에서 크랙이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 한편, 본 실시 예들에 따른 세라믹 히터의 경우(즉, 시트 타입 메쉬 구조의 전극 부재를 포함하는 세라믹 히터의 경우), 해당 세라믹 히터의 내부 및 표면에서 크랙이 전혀 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 전극의 형상을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 전극(500)은 와이어 타입의 메쉬 구조를 갖는 제1 전극 부재(510)와 시트 타입의 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재(520)를 포함한다.
제1 전극 부재(510)는 제1 방향으로 배열된 복수의 와이어 타입 금속들과 제2 방향으로 배열된 복수의 와이어 타입 금속들이 서로 수직하게 교차하는 메쉬 구조로 형성될 수 있다.
제1 전극 부재(510)는 원형의 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 상기 제1 전극 부재(510)의 중앙 부분에는 제2 전극 부재(520)의 형상에 대응하는 개구부(515)가 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 개구부(515)는 원 모양으로 형성될 수 있다.
제1 전극 부재(510)의 중앙 부분에 형성된 개구부(515)의 위치는 고주파 전극(500)과 접촉되는 제1 로드 연결 부재(미도시)의 매립 위치에 따라 가변될 수 있다.
제1 전극 부재(510)의 두께는 0.5㎜ 내지 1.0㎜일 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 0.7㎜일 수 있다. 또한, 제1 전극 부재(510)의 지름(d3)은 300㎜ 내지 350㎜일 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 320㎜일 수 있다.
제2 전극 부재(520)는 제1 방향으로 배열된 복수의 시트 타입 금속들과 제2 방향으로 배열된 복수의 시트 타입 금속들이 서로 수직하게 교차하는 메쉬 구조로 형성될 수 있다.
제2 전극 부재(520)는 미리 결정된 지름(d1)을 갖는 원형의 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 제2 전극 부재(520)의 지름(d1)은 제1 로드 연결부재(미도시)의 접촉면의 지름보다 더 크게 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 전극 부재(520)의 지름(d1)은 제1 전극 부재(510)에 형성된 개구부(515)의 지름(d4)보다 더 크게 형성될 수 있다.
제2 전극 부재(520)는 제1 전극 부재(510)의 중앙 부분에 형성된 개구부(515) 전체를 커버하도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제2 전극 부재(520)의 가장자리 영역은 제1 전극 부재(510)의 개구부 주변 영역과 중첩되도록 배치될 수 있다. 이 경우, 제1 전극 부재(510)와 제2 전극 부재(520) 사이의 중첩되는 영역이 너무 크면, 상기 중첩 영역에서 전극의 면적이 달라지기 때문에, 해당 중첩 영역의 크기는 1㎜ 내지 10㎜로 형성하는 것이 바람직하다.
제2 전극 부재(520)의 메쉬 간격(즉, 타공 홈 크기)은 제1 전극 부재(510)의 메쉬 간격과 동일하거나 유사하게 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제2 전극 부재(520)의 메쉬 간격은 제1 전극 부재(510)의 메쉬 간격의 ±50%의 범위를 가질 수 있다.
제2 전극 부재(520)는 제1 전극 부재(510)보다 얇은 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제2 전극 부재(112b)의 두께는 0.1 내지 0.5㎜일 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 0.2㎜일 수 있다. 또한, 제2 전극 부재(112b)의 지름은 1㎜ 내지 10㎜일 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 5㎜일 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고주파 전극의 형상을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고주파 전극(600)은 와이어 타입의 메쉬 구조를 갖는 제1 전극 부재(610)와 시트 타입의 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재(620)를 포함한다.
한편, 고주파 전극(600)의 제1 및 제2 전극 부재(610, 620)는 상술한 도 5의 제1 및 제2 전극 부재(510, 520)와 유사하므로 그 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
제1 전극 부재(610)는 원형의 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 상기 제1 전극 부재(610)의 중앙 부분에는 제2 전극 부재(620)의 형상에 대응하는 개구부(615)가 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 개구부(615)는 정사각형 모양으로 형성될 수 있다.
제2 전극 부재(620)는 정사각형 모양의 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 제2 전극 부재(620)의 너비(d1)는 제1 로드 연결부재(미도시)의 접촉면의 지름보다 더 크게 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 전극 부재(620)의 너비(d1)는 제1 전극 부재(610)에 형성된 개구부(615)의 너비(d4)보다 더 크게 형성될 수 있다.
제2 전극 부재(620)는 제1 전극 부재(610)의 중앙 부분에 형성된 개구부(615) 전체를 커버하도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제2 전극 부재(620)의 가장자리 영역은 제1 전극 부재(610)의 개구부 주변 영역과 중첩되도록 배치될 수 있다. 이 경우, 제1 전극 부재(610)와 제2 전극 부재(620) 사이의 중첩되는 영역이 너무 크면, 상기 중첩 영역에서 전극의 면적이 달라지기 때문에, 해당 중첩 영역의 크기는 1㎜ 내지 10㎜로 형성하는 것이 바람직하다.
도 7은 도 3의 세라믹 히터를 구성하는 히터 몸체부의 제조방법을 설명하는 순서도이고, 도 8은 도 3의 세라믹 히터를 구성하는 히터 몸체부의 제조방법을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹 히터(100)를 구성하는 히터 몸체부의 전체적인 형상에 대응하는 성형 몰드(또는 수납 몰드, 710)와 상기 성형 몰드(710)에 충진된 세라믹 분말에 압력을 인가하는 가압 몰드(720)를 마련할 수 있다(S710).
제1 세라믹 분말을 성형 몰드(710)에 충진하여 제1 세라믹 분말층(810)을 형성할 수 있다(S720). 고주파 전극(미도시)이 매설된 세라믹 성형체(820)를 미리 가공하여 성형 몰드(710) 내 제1 세라믹 분말층(810)의 상부에 적층할 수 있다(S730). 이때, 상기 세라믹 성형체(820)는 소정의 압력으로 가압되어 형상을 유지할 수 있는 성형체 형태로 제공될 수 있다.
이후, 제2 세라믹 분말을 성형 몰드(710) 내 세라믹 성형체(820)의 상부에 충진하여 제2 세라믹 분말층(830)을 형성할 수 있다(S740). 그리고, 나선 형태 또는 메쉬 형태의 판상 구조를 갖는 발열체(840)를 미리 가공하여 제2 세라믹 분말층(830)의 상부에 매설할 수 있다(S750).
그 다음, 제3 세라믹 분말을 성형 몰드(710) 내 발열체(840)의 상부에 충진하여 제3 세라믹 분말층(850)을 형성할 수 있다(S760). 상기 제1 내지 제3 세라믹 분말은 질화 알루미늄(AlN) 분말이며, 선택적으로 0.1내지 10% 정도, 좀 더 바람직하게는 약 1 내지 5% 정도의 산화 이트륨 분말을 포함할 수 있다.
제1 세라믹 분말층(810), 세라믹 성형체(820), 제2 세라믹 분말층(830), 발열체(840) 및 제3 세라믹 분말층(850)을 순차적으로 적층한 후 가압 몰드(720)를 이용하여 소정 압력으로 가압함과 동시에 높은 온도의 열을 제공함으로써, 상기 세라믹 분말층들을 소결하여 히터 몸체부(800)를 성형할 수 있다(S770). 일 예로, 상기 히터 몸체부(800)는 약 0.01 내지 0.3 ton/㎠ 정도의 압력과 약 1600 내지 1950℃ 정도의 온도에서 압축 소결될 수 있다.
이하에서는, 상술한 히터 몸체부(800)를 구성하는 요소들 중에서 RF 접지 기능 또는 정전척 기능을 수행할 수 있는 세라믹 성형체(820)의 제조방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹 성형체의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 9a를 참조하면, 제1 방향으로 배열된 복수의 시트 타입 금속들과 제2 방향으로 배열된 복수의 시트 타입 금속들이 서로 수직하게 교차되어 형성되는 시트 타입 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재(910)를 제조할 수 있다. 이때, 상기 복수의 시트 타입 금속들은 전기 전도성이 우수한 몰디브덴(Mo)으로 형성될 수 있다.
도 9b를 참조하면, 시트 타입의 메쉬 구조를 갖는 제2 전극 부재(910)의 일 표면의 중앙 부분에 제1 로드 연결부재(920)를 부착할 수 있다. 이때, 상기 제1 로드 연결부재(920)는 브레이징(brazing) 공정을 통해 제2 전극 부재(910)에 부착될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
도 9c를 참조하면, 제1 방향으로 배열된 복수의 와이어 타입 금속들과 제2 방향으로 배열된 복수의 와이어 타입 금속들이 서로 수직하게 교차되어 형성되는 와이어 타입 메쉬 구조를 갖는 제1 전극 부재(930)를 제조할 수 있다. 이때, 상기 복수의 와이어 타입 금속들은 전기 전도성이 우수한 몰디브덴(Mo)으로 형성될 수 있다.
이후, 제1 전극 부재(930)의 중앙 부분을 미리 결정된 형상으로 절단하여 개구부(935)를 형성할 수 있다. 이때, 상기 제1 전극 부재(930)에 형성되는 개구부(935)의 위치는 고주파 전극(940)에 접촉되는 제1 로드 연결 부재(920)의 매설 위치에 대응한다.
도 9d를 참조하면, 제1 로드 연결부재(920)가 부착된 제2 전극 부재(910) 상에 미리 결정된 형상의 개구부(935)가 형성된 제1 전극 부재(930)를 배치할 수 있다. 이때, 상기 제2 전극 부재(910)가 제1 전극 부재(930)에 형성된 개구부(935)를 커버하도록 배치될 수 있다. 또한, 진공 바인더(binder)를 이용하여 제1 전극 부재(930)와 제2 전극 부재(910)의 위치를 고정할 수 있다.
도 9e를 참조하면, 성형 몰드(미도시) 내에 배치된 전극 조립체 주변에 세라믹 분말을 충진하고, 상기 성형 몰드 내에 적층된 구조물을 핫 프레스(hot press) 공정으로 소결하여 세라믹 성형체(900)를 제조하게 된다. 이때, 제1 전극 부재(930)와 제2 전극 부재(910)는 상기 핫 프레스 공정으로 인해 물리적으로 접합하게 된다. 이에 따라, 제2 전극 부재(910)는 제1 전극 부재(930)와 일체로 결합되어 하나의 고주파 전극(940)을 형성하게 된다.
한편 이상에서는 본 발명의 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 세라믹 히터 110: 히터 몸체부
111: 포켓 영역 112: 고주파 전극
112a: 제1 전극 부재 112b: 제2 전극 부재
113: 제1 로드 연결부재 114: 발열체
115: 제2 로드 연결부재 120: 히터 지지부
121: 제1 로드 123: 제2 로드
111: 포켓 영역 112: 고주파 전극
112a: 제1 전극 부재 112b: 제2 전극 부재
113: 제1 로드 연결부재 114: 발열체
115: 제2 로드 연결부재 120: 히터 지지부
121: 제1 로드 123: 제2 로드
Claims (10)
- 메쉬 타입(mesh type)의 금속 재질로 형성된 고주파 전극과, 상기 고주파 전극의 하면에 접촉되는 전극 로드 연결부재를 구비하는 히터 몸체부; 및
상기 히터 몸체부의 하부에 장착되어, 상기 히터 몸체부를 지지하는 히터 지지부를 포함하되,
상기 고주파 전극은, 와이어 타입 메쉬(wire type mesh) 구조를 갖는 제1 전극 부재와 시트 타입 메쉬(sheet type mesh) 구조를 갖는 제2 전극 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극 부재는, 제1 방향으로 배열된 복수의 와이어 타입 금속들과 제2 방향으로 배열된 복수의 와이어 타입 금속들이 수직으로 교차하여 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극 부재는, 상기 제2 전극 부재의 형상에 대응하는 개구부를 구비하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제3항에 있어서,
상기 개구부는, 상기 전극 로드 연결부재의 위치에 대응하여 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제3항에 있어서,
제2 전극 부재는, 상기 개구부의 크기보다 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제3항에 있어서,
상기 제2 전극 부재는, 상기 제1 전극 부재에 형성된 개구부를 커버하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제1항에 있어서,
상기 제2 전극 부재는, 제1 방향으로 배열된 복수의 시트 타입 금속들과 제2 방향으로 배열된 복수의 시트 타입 금속들이 수직으로 교차하여 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제1항에 있어서,
상기 제2 전극 부재는, 상기 전극 로드 연결부재와 상기 고주파 전극 간의 접촉 면적보다 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제1항에 있어서,
상기 제2 전극 부재는, 상기 제1 전극 부재보다 얇은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제1항에 있어서,
상기 제2 전극 부재는, 핫 프레스 공정을 통해 상기 제1 전극 부재와 접합되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
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