KR20230039247A - 반도체 제조 장치용 가열 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가열면을 갖는 플레이트 형상의 가열기체(基體), 및 상기 가열기체의 배면에, 축선 방향이 상기 배면과 수직이 되도록 접합된, 중공 형상의 지지부재를 포함하며, 상기 지지부재는 열전도도가 1 W/mk 내지 80 W/mk이고, 열팽창계수가 4 X 10-6/K 내지 10 X 10-6/K인 세라믹 소재로 구성되며, 상기 가열기체의 배면과 지지부재의 접합면적이 2,400 mm2 내지 18,000 mm2인 반도체 제조 장치용 가열 장치를 제공한다.

Description

반도체 제조 장치용 가열 장치{Heating device for semiconductor manufacturing equipment}
본 발명은 반도체 제조 장치용 가열 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서, 반도체 제조 장치를 이용하여 웨이퍼 상에 산화막 등을 형성하기 위해 가열처리가 실시된다. 상기 반도체 제조 장치에 있어서 웨이퍼를 가열하기 위한 가열 장치로는 피가열물인 웨이퍼를 적재하여 가열하는 가열면을 갖는 판형의 가열기체(基體) 및 상기 가열기체에 매설된 저항발열체를 포함하는 가열 장치가 사용된다. 이 가열 장치는 반도체 제조 프로세스에 사용되는 성막장치뿐만 아니라, 판형의 피가열재의 표면을 드라이 에칭하는 표면처리장치 등에도 사용될 수 있다.
일반적으로 전술한 가열 장치는 가열기체의 가열면과 반대측 면(접합면)의 중앙부 근방에, 이 접합면에 대하여 수직으로 부착되는 원통 형상과 유사한 지지부재를 구비하며, 이 지지부재에 의해 가열기체가 지지된다. 또한, 이 지지부재의 내측 공간에는 가열기체에 매설된 저항발열체 등과 접속하는 급전재(級電材)가 배치된다.
상기 가열기체는 기능상 주로 열전도도가 170 W/mk 이상인 세라믹 소재로 제조되며, 상기 지지부재도 가열기체와 동일한 소재로 제조되고 있다. 지지부재는 가열기체와는 별개로 제작된 후, 고상 접합 또는 액상 접합 등에 의해 가열기체에 고착된다. 상기 지지부재는 가열기체를 지지하는 충분한 강도를 가지면서, 가열 처리시 부식성 가스로부터 지지부재 내의 급전재를 보호할 수 있도록 접합되는 것이 요구된다.
그러나, 종래의 반도체 제조 장치용 가열 장치는 가열 장치의 반복적인 가열 및 냉각에 의해 발생하는 응력에 의해 가열기체와 지지부재의 접합부 부근에 크랙이 쉽게 발생하는 문제가 있었다.
또한, 열전도도가 높은 소재를 사용하므로, 가열기체의 고온의 열이 지지부재를 통하여 지지부재 하부에 체결되는 밀봉부재(도 10, 50)를 손상시키는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 일본 등록특허 10-1345482호는, 도 1에 도시된 바와 같이, 가열면을 갖는 판 형상의 가열기체와, 상기 가열기체의 배면에, 축선 방향이 상기 배면과 수직으로 되도록, 접합된 중공 통 형상의 지지부재를 구비하고, 상기 가열기체와 상기 지지부재와의 접합 계면(14)의 외단(14E) 근방에, 상기 가열기체의 배면과 지지부재의 외표면을 매끄럽게 접속하는 오목 곡면부가 형성되며, 상기 오목 곡면부(15)는 상기 지지부재의 축선을 포함하는 단면에서, 단축 방향이 지지부재의 축선 방향과 평행한 타원의 호(弧)의 곡선 형상을 갖고, 상기 타원의 단축 반경 A에 대한 장축 반경 B의 비 B/A가 1.5 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 가열 장치를 개시하고 있다.
그러나, 이러한 해결방법은 가열기체의 배면과 지지부재의 접합부 또는 상기 접합부 부근에 발생하는 크랙의 발생원인을 근본적으로 해결하기 어려운 방법인 것으로 보인다. 왜냐하면, 상기 크랙의 발생원인은 가열기체와 지지부재 사이에 발생하는 온도 차이 및 이에 따르는 열팽창량 또는 냉각시 수축량의 차이로부터 기인하는데, 도 1에 도시된 바와 같이, 가열기체의 하단부에 오목 곡면부(15)를 형성하더라도 이러한 온도 차이 및 이에 따르는 열팽창 또는 수축량의 차이는 크게 개선되기 어렵기 때문이다.
그러므로, 가열기체와 지지부재의 접합부 부근에 크랙이 발생하는 근본적인 원인에 따르는 해결방안이 요구되고 있다.
일본 등록특허 10-1345482호
본 발명자들은 종래 기술의 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 예의 노력한 바, 가열기체와 지지부재의 소재를 변경하고, 이들 사이의 접합구조를 변경함으로써, 가열기체와 지지부재의 접합부 또는 상기 접합부 부근에 발생하는 크랙이 효과적으로 방지되며, 가열기체의 고온이 지지부재에 전달되고 이러한 고온에 의해 상기 지지부재 하부에 체결되는 밀봉부재가 손상되는 문제가 효과적으로 방지되는 반도체 제조 장치용 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
가열면을 갖는 플레이트 형상의 가열기체(基體), 및
상기 가열기체의 배면에, 축선 방향이 상기 배면과 수직이 되도록 접합된, 중공 형상의 지지부재를 포함하며,
상기 가열기체 및 지지부재는 열전도도가 1 W/mk 내지 80 W/mk이고, 열팽창계수가 4 X 10-6/K 내지 10 X 10-6/K인 세라믹 소재로 구성되며,
상기 가열기체의 배면과 지지부재의 접합면적이 2,400 mm2 내지 18,000 mm2인 반도체 제조 장치용 가열 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 상기 가열기체 배면과 접합되는 지지부재 상단면은 중공부와 중공부를 둘러싸는 접합부로 이루어지며, 중공부 외주에서 접합부 외주까지의 거리를 “접합길이”로 정의할 때, 하기 수학식 1로 계산되는 중공부 내경에 대한 접합길이의 비율은 20% 내지 160%일 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 세라믹 소재는 알루미나(Al2O3)계 소재 또는 산질화알루미늄(ALON)계 소재일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 지지부재는 전체 길이 대비 상부 1/4 부분의 중량이 하부 3/4 부분 중량의 0.6배 내지 5배인 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 지지부재의 중공은 원기둥형 공간으로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 지지부재는 외주면 둘레가 아래 방향으로 가면서 점차적으로 감소되는 둘레 감소부를 포함하며, 상기 둘레 감소부의 상단면이 상기 가열기체의 배면과 접합부를 형성하는 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 둘레 감소부는 일부 또는 전부에 형성된 테이퍼 형상부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 테이퍼 형상부는 중심축 방향으로 절단한 절단면의 좌우측 바깥쪽 라인이 직선 형태이거나, 오목 또는 볼록한 곡선 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 가열기체에는 2층 이상의 저항발열체가 매설되며, 적어도 하나의 층은 상기 가열기체의 두께 중심면을 기준으로 상방의 가열기체부에 매설되고, 다른 하나의 층은 하방의 가열기체부에 매설될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 둘레 감소부는 상기 접합부로부터 아래 방향으로 지지부재 전체 길이의 1/10 내지 8/10이 되는 지점까지 형성될 수 있다.
본 발명의 반도체 제조 장치용 가열 장치는 가열기체 및 지지부재 소재로서 열전도도가 낮고 열팽창 계수가 큰 소재를 사용하며, 이러한 소재의 사용에 따르는 문제를 극복할 수 있도록 가열기체와 지지부재 사이의 개선된 접합구조를 채용함으로써, 가열기체와 지지부재 사이의 크랙을 근본적으로 방지하며, 지지부재 하부에 체결되는 밀봉부재의 손상을 효과적으로 방지하는 효과를 제공한다.
도 1은 종래 기술의 가열 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 가열 장치의 일 실시 형태를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 가열 장치의 가열기체와 지지부재의 접합면을 도시한 도면이다.
도 4 및 5는 본 발명의 가열 장치의 일 실시 형태를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 가열 장치의 일 실시 형태를 도시한 단면도이다.
도 7은 이 분야에서 유통되고 있는 ALN 가열 장치들의 접합면적 및 접합구조를 나타낸다.
도 8 및 도 9는 실시예 및 비교예에서 제조된 반도체 제조 장치용 가열 장치의 크랙발생 여부 테스트 결과를 촬영하여 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명의 반도체 제조 장치용 가열 장치의 형태를 모식적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 반도체 제조 장치용 가열 장치(100)의 일실시 형태를 예시한 도면이다. 이하에서 도면을 참고하여 본 발명을 설명한다.
본 발명의 반도체 제조 장치용 가열 장치(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 가열면(10a)을 갖는 플레이트 형상의 가열기체(10), 및 상기 가열기체의 배면(10b)에, 축선 방향이 상기 배면과 수직이 되도록 접합된, 중공 형상의 지지부재(30)를 포함하며,
상기 가열기체(10) 및 지지부재(30)는 열전도도가 1 W/mk 내지 80 W/mk이고, 열팽창계수가 4 X 10-6/K 내지 10 X 10-6/K인 세라믹 소재로 구성되며,
상기 가열기체(10)의 배면과 지지부재(30)의 접합면적(도 3, D)이 2,400 mm2 내지 18,000 mm2인 것을 특징으로 한다.
종래의 반도체 제조 장치용 가열 장치는 일반적으로 ALN(Aluminium nitride) 소재로 제조되고 있으며, ALN 가열 장치에서 가열기체(10)의 배면과 접합되는 지지부재(30)의 접합면적은 900 mm2 내지 1,850 mm2로 형성된다. 구체적으로, 이 분야에서 도 7에 도시된 바와 같은 접합면적 및 접합구조를 갖는 ALN 가열장치들이 유통되고 있다.
그러므로, 이러한 종래기술의 접합면적은 본 발명과 큰 차이를 갖는다.
ALN 가열 장치의 경우, 상기와 같은 범위로 접합면적을 형성하는 경우, 접합면적의 크기에 따르는 구조적인 문제가 발생하지 않으므로, 이러한 범위의 접합면적을 형성하고 있다. 또한, 접합면적을 크게 형성할 경우, 가열기체의 열이 지지부재로 빠르게 전달되어 지지부재 하부의 밀봉부재(도 10, 50)를 손상시키므로, 접합면적은 상기와 같은 범위 내에서 형성되고 있다.
반면, 본 발명의 가열 장치(100)에서 가열기체(10)와 지지부재(30)의 접합면적(도 3, D)이 2,400 mm2 내지 18,000 mm2로 형성되는 경우, 가열기체(10) 및 지지부재(30) 사이의 접합부에 크랙 발생이 현저하게 감소되므로 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 가열기체(10)와 지지부재(30)는 열전도도가 1 W/mk 내지 80 W/mk인 세라믹 소재로 제조되어, 상기와 같이 넓은 범위의 접합부를 형성하더라도, 가열기체(10)로부터 지지부재(30)에 전달되는 열이 크지 않으므로, 지지부재(30) 하부에 체결되는 밀봉부재(도 10, 50)의 손상이 발생하지 않는다.
본 발명의 가열 장치(100)에서 가열기체(10)와 지지부재(30)의 접합면적(D)가 2,400 mm2 미만으로 형성되는 경우, 접합부에 크랙이 쉽게 발생한다. 본 발명자들이 연구한 바에 따르면, 이러한 크랙의 원인은 본 발명의 가열기체(10) 및 지지부재(30)가 열팽창계수(4 X 10-6/K 내지 10 X 10-6/K)가 상당히 큰 세라믹 소재로 형성되며, 반복되는 고온가열 및 냉각에 의해 가열기체(10) 및 지지부재(30)에 상당량의 팽창 및 수축 응력이 발생하며, 이러한 팽창 및 수축량은 가열기체(10)와 지지부재(30) 사이의 온도 차이에 따라 서로 다른 크기로 발생하기 때문인 것으로 보인다.
한편, 접합면적(D)이 18,000 mm2를 초과하여 형성되는 경우, 지지부재(30)의 접합부 플랜지부를 크게 형성하여야 하며, 이 경우 가공이 어려우며 원가의 상승요인이 크게 발생하므로 바람직하지 않다.
상기 접합면적(D)는 2,500 mm2 내지 17,500 mm2인 것이 바람직하며, 2,700 mm2 내지 17,500 mm2인 더욱 바람직할 수 있다.
본 발명의 가열 장치는 웨이퍼 고정(흡착) 방식과 관련하여, 전위차에 의해 발생되는 유전분극 현상과 정전기력 원리를 이용하여 웨이퍼를 고정하는 가열장치에 더 바람직하게 사용될 수 있다.
종래에는 본 발명과 같이, 열전도도가 1 W/mk 내지 80 W/mk으로 낮고, 열팽창계수가 4 X 10-6/K 내지 10 X 10-6/K로 매우 큰 세라믹 소재로 제조된 지지부재는 상기와 같은 크랙발생 문제로 인하여 사용되지 못하였으나, 본 발명은 크랙발생 문제를 상기와 같은 접합구조의 변경에 의해 해결하는 것을 특징으로 한다.
상기 접합면적(D)은 가열기체의 크기나 지지부재의 크기에 영향을 받지 않는다. 즉, 가열기체의 크기나 지지부재의 크기와 관계없이 상기 접합면적(D)이 충족되는 경우, 크랙이 발생하지 않는다.
본 발명은 상기 가열기체 배면과 접합되는 지지부재 상단면의 중공부 내경(도 3, A)이 30 mm 내지 100 mm이고, 지지부재 상단면의 접합부 외경(도 3, C)은 45 mm 내지 160 mm인 경우에 더 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 가열기체(10) 배면과 접합되는 지지부재(10) 상단면은, 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 중공부(40)와 중공부(40)를 둘러싸는 접합부로 이루어지며, 중공부 외주에서 접합부 외주까지의 거리를 “접합길이(B)”로 정의할 때, 하기 수학식 1로 계산되는 중공부 내경(A)에 대한 접합길이(B)의 비율은 20% 내지 160%일 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00002
상기 접합길이가 20% 미만일 경우, 가열 장치의 반복적인 팽창 및 수축에 의하여 접합부에 크랙이 발생하며, 160%를 초과하는 경우 접합부를 크게 형성하여야 하며, 이 경우 세라믹 소재의 사용량이 증가하며 가공도 어려우므로, 원가의 상승요인으로 작용하므로 바람직하지 않다.
하기 수학식 1로 계산되는 중공부 내경(A)에 대한 접합길이(B)의 비율은 25% 내지 160%일 경우 더욱 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 지지부재(30)는 전체 길이 대비 상부 1/4 부분의 중량이 하부 3/4 부분의 중량의 0.6배 내지 5배, 바람직하게는 0.7배 내지 4배, 더욱 바람직하게는 1배 내지 3배가 되도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
상기와 같이 지지부재(30)를 형성하는 경우, 가열기체(10)와 인접한 지지부재(30)의 부피가 더 큰 형태를 형성하므로, 가열기체(10)와 지지부재(30)가 넓은 접합면적을 형성할 수 있으며, 이에 따라 더 견고하게 접합부를 형성할 수 있으므로 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 플레이트 형상의 가열기체(10)는 열전도도가 1 W/mk 내지 80 W/mk인 세라믹 소재로 구성되므로, 상기 가열기체에 배선되는 저항발열선의 배열 밀도를 증가시켜서 낮은 열전도도를 보완한 형태인 것이 바람직할 수 있다. 상기 배열 밀도 증가 방법으로는, 예를 들어, 기존의 코일형태의 저항발열선 대신 선형의 저항발열선을 사용하여 배열 밀도를 증가시키는 방법을 들 수 있다.
상기 열전도도가 1 W/mk 내지 80 W/mk이고, 열팽창계수가 4 X 10-6/K 내지 10 X 10-6/K인 세라믹 소재로는 알루미나(Al2O3)계 세라믹 소재, 산질화알루미늄(AlON)계 세라믹 소재 등이 사용될 수 있다. 그러나 이들로 한정되는 것은 아니다.
상기 알루미나(Al2O3)계 세라믹 소재로는 예를 들어, 알루미나(Al2O3) 90 내지 99.9 중량% 및 소결조제 0.1 내지 10 중량%를 포함하는 소재가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이 분야에 공지된 소재가 제한 없이 사용될 수 있다.
또한, 상기 산질화알루미늄(AlON)계 세라믹 소재로는 예를 들어, 산질화알루미늄 80 내지 99.9 중량% 및 기타 다른 성분 0.01 내지 20 중량%를 포함하는 것이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이 분야에 공지된 소재가 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 기타 다른 성분은 주석 0.01 내지 3 중량%, 텅스텐 카바이드는 0.01 내지 3 중량%, 탄소나노튜브는 0.01 내지 3 중량%, 붕화질소 0.01 내지 3 중량%, 이산화타이타늄 0.01 내지 3 중량%, 이산화규소 0.01 내지 3 중량%, 산화마그네슘 0.01 내지 3 중량%, 그래핀 0.01 내지 3 중량%, 및 희토류 금속 산화물 0.01 내지 3 중량%를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 가열기체 및 지지부재의 제조는 이 분야에 공지된 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 상기 지지부재(30)는, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 지지부재(30)의 외주면 둘레가 아래 방향으로 가면서 점차적으로 감소되는 둘레 감소부(31)를 포함하며, 상기 둘레 감소부(31)의 상단면이 가열기체의 배면(10b)과 접합부(20)를 형성하는 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조는 도 1 및 도 2에 예시된 바와 같이, 가열기체 배면(10b)에 접합하는 둘레 감소부(31)을 형성함으로써, 접합부(20) 주변에 위치하는 지지부재(10)의 접합 면적을 증가시킴으로써, 가열기체(10)의 가열 및 냉각시 지지부재(30)의 온도의 변화 및 이에 따르는 팽창 또는 수축에 따르는 크랙발생을 최소화한다. 또한, 둘레 감소부(31)의 형성에 의하여 응력을 분산시키는 효과를 제공한다.
상기에서 둘레 감소부(31)의 형태는, 도 2에 예시된 바와 같이, 연속적으로 외주면 둘레가 감소되는 형태뿐만 아니라, 도 4 및 도 5에 다양하게 예시된 바와 같이, 점차적으로 감소되지만 경사도가 다른 외주면 둘레 감소부들이 연결된 형태일 수도 있으며, 필요에 따라, 일 부분에 수직으로 연장된 부분 등이 포함되어 외주면 둘레가 감소되지 않는 부분이 일부 포함된 형태일 수도 있다.
즉, 본 발명에서 “점차적인 감소”라는 의미는 반복적으로 외주면 둘레가 감소하는 부분들이 형성되어 전체적으로 외주면 둘레가 감소하는 형태를 의미한다. 상기 반복적이라는 의미는 2회 이상, 3회 이상, 또는 4회 이상 반복되는 것을 의미한다.
상기에서 둘레 감소부(31)의 형태는 가열기체의 가열 및 냉각시 가열기체와 지지부재 사이의 온도 차이 및 이에 따르는 팽창량 또는 수축량의 차이에 따라 발생하는 응력을 최소화할 수 있는 형태가 바람직하다.
특히, 지지부재(30) 내에서도 온도 차이가 발생하여 팽창량 또는 수축량의 차이가 발생하는 경우 크랙이 발생할 수 있기 때문에, 외주면 둘레가 도 2에 예시된 바와 같이, 연속적으로 감소되는 형태인 것이 더욱 바람직할 수 있다. 이 경우 접합부에 인접한 외주면 둘레 감소부(31)에 응력이 집중되는 부분이 존재하지 않으므로 크랙 발생이 더 효과적으로 방지될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 상기 둘레 감소부(31)는 도 4 및 도 5에 예시된 바와 같이, 하나 이상의 테이퍼 형상부(33)를 포함할 수 있다.
상기 테이퍼 형상부(33)는 중심축 방향으로 절단한 절단면의 좌우측 바깥쪽 라인이 직선 형태이거나, 오목 또는 볼록한 곡선 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 상기 둘레 감소부(31)는, 도 2 내지 7에 도시된 바와 같이, 상기 접합부(20)로부터 아래 방향으로 지지부재(30) 전체 길이의 1/10 내지 8/10이 되는 지점까지 형성될 수 있으며, 구체적으로, 상기 접합부(20)로부터 아래 방향으로 지지부재(30) 전체 길이의 1/10, 2/10, 3/10, 4/10, 5/10, 6/10, 7/10, 또는 8/10되는 지점까지 형성될 수 있다. 10/10되는 지점까지 형성하는 것도 가능하나, 이경우, 지지부재를 챔버의 바닥에 결합시키기 위한 별도의 가공을 수행할 필요가 있다.
상기 둘레 감소부가 1/10보다 짧은 영역까지만 형성되는 경우, 외주면 둘레 감소부(21)의 하부 방향 두께가 충분하지 않아서 크랙 발생 문제를 원천적으로 방지하기 어려울 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 상기 둘레 감소부(31)는 중심축 방향으로 절단한 절단면의 좌우측 바깥쪽 라인이 전체적으로 직선 형태이거나, 오목 또는 볼록한 곡선 형태일 수 있다.
이 때, 상기 절단면의 좌우측 바깥쪽 라인이 반드시 연속적인 직선 또는 오목 또는 볼록한 곡선 형태일 필요는 없으며, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 경사도가 다른 라인들이 연결된 형태일 수도 있다. 또한, 필요에 따라 수직 라인이 일부 연결될 수도 있다. 즉, 전체적인 측면에서 직선 형태이거나, 오목 또는 볼록한 곡선 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 상기 지지부재(30)는 중공부(40)를 포함하며, 상기 중공부(40)는 도 2에 예시된 바와 같이 원기둥 또는 원기둥 유사 형상의 공간으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 상기 플레이트 형상의 가열기체(10)에는 2층 이상의 저항발열체(12)가 매설될 수 있으며, 도 6에 예시된 바와 같이, 적어도 하나의 층(12a)은 가열기체(10)의 두께 중심면을 기준으로 상방의 가열기체부에 매설되고, 다른 하나의 층(12b)은 하방의 가열기체부에 매설될 수 있다.
종래의 기술에서 저항발열체(12)는 기본적으로 가열 응답성을 고려하여 가열기체의 상단부 부근에 매설되는데, 이러한 구성을 본 발명에 적용하는 경우 세라믹 소재의 낮은 열전도도로 인하여 가열기체의 상부와 하부 사이에 온도차이가 크게 발생하며, 이러한 온도차이로 인하여 가열기체의 휨이 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명과 같은 형태로 저항가열체(12)가 2층으로 매설되는 경우, 가열기체의 상부와 하부 사이의 온도차이가 발생하는 것이 방지되므로, 상기 온도차이에 의한 가열기체의 휨이 방지될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 상기 가열기체(10)는 피가열재인 웨이퍼에 대향하는 가열면을 갖는 원반 형상으로 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 상기 가열기체(10)의 배면과 지지부재(30)의 상단면은 고상 접합 또는 액상 접합에 의해 접합부(20)를 형성할 수 있으나, 상기 접합방법이 상기 방법으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 가열 장치(100)은 상기에서 설명되지 않았지만, 저항발열체에 전력을 공급하는 급전부를 형성하는 리드선이나 급전봉(給電棒)을 더 구비할 수 있다. 또한, 정전 전극이나 고주파 전극(14)를 더 구비할 수 있으며, 이러한 전극들에 전력을 공급하기 위한 리드선 등이 더 구비될 수 있다.
또한, 이 분야에서 사용되는 가열 장치에 포함되는 공지의 구성들이 제한없이 포함될 수 있다.
본 발명의 가열 장치는 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서의 성막(成膜) 장치뿐만 아니라, 피가열재의 표면을 드라이 에칭하는 표면 처리 장치 등에 사용될 수 있으나, 이들 용도로 한정되는 것은 아니다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 그러나, 이러한 실시예는 본 발명을 좀 더 명확하게 설명하기 위하여 제시되는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 목적으로 제시되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해질 것이다.
실시예 및 비교예: 가열 장치의 제조 및 크랙발생 여부 테스트
(1) 가열 장치의 제조
열전도도가 35 W/mk이고, 열팽창계수가 7.5 X 10-6/K인 알루미나계 세라믹 소재로 제조된 각각 두께 21.5mm 및 직경 340mm, 그리고 두께 19.0mm 및 직경 375mm인 원기둥 현상의 가열기체와, 상기 가열기체와 동일한 세라믹 소재를 사용하여 제조된 원기둥 형태의 중공부를 가지는 지지부재로서, 상기 지지부재 상단면은 중공부와 접합면으로 이루어지며, 상기 중공부 내경(A) 및 접합면 외경(C)이 하기 표 1 및 표 2에 표시된 대로 형성된 지지부재를 각각 준비하였다.
상기 가열기체 배면과 상기 지지부재 상단면을 고상접합에 의해 접합시켜서, 가열기체와 지지부재 접합체를 제조하고, 상기 접합체를 반도체 제조 장치용 가열 장치 챔버 내부에 조립하여 실시예 및 비교예의 반도체 제조 장치용 가열 장치를 제조하였다.
또한, 이 분야에서 일반적으로 사용되는 ALN 히터를 대조예 1로 사용하였다.
상기 지지부재는 전체 길이를 기준으로 접합면으로부터 아래방향으로 1/5이 되는 길이 사이에 테이퍼 형상의 둘레감소부를 형성한 것을 사용하였다.
(2) 크랙발생 여부 테스트
접합 면적에 따른 크랙 발생 여부를 확인하기 위해, 하기 표 1에 기재된 내/외경 치수를 가진 가열 장치를 각각 제조 하여, 온도 분포 확인 테스트 용도의 챔버에 설치하여, 진공 조건 3Torr, 승온 속도 2℃/분에서 12℃/분까지 순차적으로 적용하여 사용조건 650℃의 조건으로 승/하온 테스트를 진행하였다. 각 테스트 종료 후에는 He Leak 테스트를 진행하여, 가열 장치의 크랙 발생 여부를 확인하였으며, 시험결과를 하기 표 1 및 표 2, 및 도 8 및 도 9에 나타내었다.
표 1: 가열기체의 두께 21.5mm 및 직경 340mm인 제품
표 2: 가열기체의 두께 19mm, 직경 375mm인 제품
접합면 중공부 내경(A)
(mm)		 접합면 외경(C)
(mm)		 접합면적(D)
(mm2)		 접합면적(D) 비율 접합길이 비율(%)
[(C-A)/(2 X A)] X 100		 크랙 발생 테스트 결과
대조예 1 AlN Heater 73.5 81.1 925.1 1.0 5.2 크랙 발생 없음
비교예 1-1 Al2O3
Heater		 37 51.00 967.6 1.0 18.9 크랙 발생
비교예 1-2 37 61.00 1847.3 2.0 32.4 크랙 발생
실시예 1-1 37 70 2773.2 3.0 44.6 크랙 발생 없음
실시예 1-2 37 78 3703.1 4.0 55.4 크랙 발생 없음
실시예 1-3 37 86.00 4733.6 5.1 66.2 크랙 발생 없음
실시예 1-4 37 92 5572.4 6.0 74.3 크랙 발생 없음
실시예 1-5 37 112.00 8776.8 9.5 101.4 크랙 발생 없음
실시예 1-6 37 153 17310.1 18.7 156.8 크랙 발생 없음
접합면 중공부 내경(A)
(mm)		 접합면 외경(C)
(mm)		 접합면적(D)
(mm2)		 접합면적(D) 비율 접합길이 비율(%)
[(C-A)/(2 X A)] X 100		 크랙 발생 테스트 결과
대조예 1 AlN Heater 73.5 81.1 925.1 1.0 5.2 크랙 발생 없음
비교예 2-1 Al2O3
Heater		 49.33 60.09 925.1 1.0 10.9 크랙 발생
비교예 2-2 49.33 69.21 1850.3 2.0 20.1 크랙 발생
실시예 2-1 49.33 77.25 2775.7 3.0 28.3 크랙 발생 없음
실시예 2-2 49.33 84.53 3700.7 4.0 35.7 크랙 발생 없음
실시예 2-3 49.33 91.23 4625.6 5.0 42.5 크랙 발생 없음
실시예 2-4 49.33 97.47 5550.4 6.0 48.8 크랙 발생 없음
실시예 2-5 49.33 103.34 6476.2 7.0 54.7 크랙 발생 없음
실시예 2-6 49.33 110.37 7656.1 8.3 61.9 크랙 발생 없음
상기 표 1 및 표 2로부터 확인되는 바와 같이, Al2O3히터의 경우, 접합면의 중공부 내경(A) 및 접합면 외경(C)의 크기와 관계없이, 가열기체와 지지부재의 접합면적(D)가 2,400 mm2 미만일 경우, 접합부에 크랙이 발생하였다.
즉, 이 분야에서 일반적으로 사용되는 ALN 가열 장치 구조(대조예 1)의 접합면적을 Al2O3히터에 적용하는 경우(비교예 1-1 및 비교예 2-1), 접합부에서 크랙이 발생하며, 또한, ALN 가열 장치 구조(대조예 1)의 접합면적을 2배로 키워서 적용(비교예 1-2 및 비교예 2-2)하는 경우에도 접합부에 크랙이 발생하는 것으로 확인되었다.
그러나, 접합면적을 2,400 mm2 이상으로 제조하는 경우(모든 실시예)에는 크랙이 전혀 발생하지 않았다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시 예와 관련되어 설명되었지만,
발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10: 가열기체, 10a: 가열면
10b: 가열기체 배면 12: 저항발열체
12a, 12b: 저항발열체층 14: 고주파 전극
20: 접합부 30: 지지부재
31: 둘레 감소부 33: 테이퍼 형상부
40: 중공부 50: 밀봉부재
60: 챔버 70: 샤워헤드
200: 반도체 제조 장치용 가열 장치

Claims (11)

  1. 가열면을 갖는 플레이트 형상의 가열기체(基體), 및
    상기 가열기체의 배면에, 축선 방향이 상기 배면과 수직이 되도록 접합된, 중공 형상의 지지부재를 포함하며,
    상기 가열기체 및 지지부재는 열전도도가 1 W/mk 내지 80 W/mk이고, 열팽창계수가 4 X 10-6/K 내지 10 X 10-6/K인 세라믹 소재로 구성되며,
    상기 가열기체의 배면과 지지부재의 접합면적이 2,400 mm2 내지 18,000 mm2인 반도체 제조 장치용 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열기체 배면과 접합되는 지지부재 상단면은 중공부와 중공부를 둘러싸는 접합부로 이루어지며, 중공부 외주에서 접합부 외주까지의 거리를 “접합길이”로 정의할 때, 하기 수학식 1로 계산되는 중공부 내경에 대한 접합길이의 비율은 20% 내지 160%인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 가열 장치.
    [수학식 1]
    Figure pat00003
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가열기체 배면과 접합되는 지지부재 상단면의 중공부 내경은 30 mm 내지 100 mm이고, 지지부재 상단면의 접합부 외경은 45 mm 내지 160 mm인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 가열 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 소재는 알루미나(Al2O3)계 소재 또는 산질화알루미늄(ALON)계 소재인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 가열 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재는 전체 길이 대비 상부 1/4 부분의 중량이 하부 3/4 부분 중량의 0.6배 내지 5배인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 가열 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재의 중공은 원기둥형 공간으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 가열 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재는 외주면 둘레가 아래 방향으로 가면서 점차적으로 감소되는 둘레 감소부를 포함하며,
    상기 둘레 감소부의 상단면이 상기 가열기체의 배면과 접합부를 형성하는 구조를 갖는 반도체 제조 장치용 가열 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 둘레 감소부는 일부 또는 전부에 형성된 테이퍼 형상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 가열 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 테이퍼 형상부는 중심축 방향으로 절단한 절단면의 좌우측 바깥쪽 라인이 직선 형태이거나, 오목 또는 볼록한 곡선 형태인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 가열 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가열기체에는 2층 이상의 저항발열체가 매설되며, 적어도 하나의 층은 상기 가열기체의 두께 중심면을 기준으로 상방의 가열기체부에 매설되고, 다른 하나의 층은 하방의 가열기체부에 매설된 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 가열 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 둘레 감소부가 상기 접합부로부터 아래 방향으로 지지부재 전체 길이의 1/10 내지 8/10이 되는 지점까지 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치용 가열 장치.
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