KR20240025376A - 미세 균열 발생이 억제된 기판 가열 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 가열 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기판 가열 장치에서 발열체로 전류를 공급하기 위한 발열체 커넥터와 연결되는 와이어 주변에서 발생하는 미세 균열(crack)을 효과적으로 억제할 수 있는 기판 가열 장치에 관한 것이다.
본 발명에서는, 기판이 안착되는 기판 안착부를 구비하여 상기 기판을 지지하는 몸체부; 상기 몸체부의 내부 영역에 위치하는 제1 발열체; 상기 내부 영역을 둘러싸는 외부 영역에 위치하는 제2 발열체; 상기 몸체부의 내부 영역을 가로질러 상기 제2 발열체로 전류를 전달하는 전력 전달 와이어; 상기 전력 전달 와이어로 전류를 공급하기 위한 발열체 커넥터; 및 상기 발열체 커넥터에서 상기 전력 전달 와이어로 연결되는 커넥터 연결부;를 포함하며, 상기 커넥터 연결부는 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치를 개시한다.

Description

미세 균열 발생이 억제된 기판 가열 장치 {SUBSTRATE HEATING APPARATUS WITH SUPRESSED CRACK GENERATION}
본 발명은 기판 가열 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기판 가열 장치에서 발열체로 전류를 공급하기 위한 발열체 커넥터와 연결되는 와이어 주변에서 발생하는 미세 균열(crack)을 효과적으로 억제할 수 있는 기판 가열 장치에 관한 것이다.
통상적으로 평판 디스플레이 패널 혹은 반도체 소자를 제조하기 위해서는 유리 기판이나 플렉시블 기판 또는 반도체 기판 등의 기판 상에 유전체층 및 금속층을 포함하는 일련의 층들을 순차적으로 적층하고 패터닝하는 공정을 거치게 된다. 이때, 상기 유전체층 및 금속층 등 일련의 층들은 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)이나 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 등의 공정에 의해 상기 기판 상에 증착된다.
이때, 상기 층들을 균일하게 형성하기 위해서는 상기 기판을 균일한 온도로 가열하여야 하는데, 상기 기판을 가열하고 지지하기 위하여 기판 가열 장치가 사용될 수 있다. 상기 기판 가열 장치는 상기 기판 상에 형성되는 유전체층 또는 금속층의 식각 공정(etching process), 감광막(photo resistor)의 소성 공정 등에서 기판 가열을 위하여 사용될 수 있다.
나아가, 근래에 들어서 반도체 소자의 배선 미세화와 반도체 기판의 정밀한 열처리의 필요성에 따라 상기 기판 가열 장치의 온도 편차를 줄일 수 있는 방안에 대한 요구가 지속되고 있다. 특히, 기판 가열 장치의 중심 영역에는 발열체를 내장하는 세라믹 등으로 이루어지는 몸체부를 지지하는 지지부가 위치하게 되어 열용량이 커지는 등의 문제로 인하여 기판 가열 장치의 각 영역에 동일한 열량이 공급되더라도 영역별로 온도 편차가 발생할 수 있게 된다.
이에 대하여, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 기판 가열 장치를 내부 영역(도 1의 B영역)과 외부 영역(도 1의 C영역)으로 나누어 영역별로 기판의 가열을 제어함으로써 내부 영역(도 1의 B영역)과 외부 영역(도 1의 C영역) 간의 온도 편차를 줄일 수 있는 기술이 시도되고 있다.
나아가, 기판 가열 장치의 몸체부는 통상적으로 질화 알루미늄(AlN) 등의 세라믹으로 구성되는 반면, 상기 발열체 등은 몰리브덴(Mo) 등의 금속으로 이루어지는데, 상기 기판 가열 장치의 제조 공정에서는 상기 질화 알루미늄(AlN) 등 세라믹으로 구성되는 몸체부 내에 상기 발열체 등을 미리 정해진 위치에 배치한 후 고온(예를 들어, 약 1800˚C)의 환경에서 높은 압력을 인가하면서 상기 세라믹을 소결(sintering)시켜 상기 몸체부를 구성하게 된다.
그런데, 상기 소결 공정에서는 고온 환경에서 고압이 인가되면서 상기 몸체부를 이루는 세라믹과 발열체의 금속 재질 간의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인한 열 응력 및 상기 고압에 의한 압축 응력이 유발되면서 상기 몸체부의 세라믹에 미세 균열(crack)이 발생할 수 있으며, 나아가 기판 가열 장치의 사용에 따른 상기 미세 균열(crack)의 확산으로 인한 기판 가열 장치의 내구성 열화 및 사용 연한 단축을 초래할 수도 있었다.
특히, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 미세 균열(crack)은 세라믹 기판 가열 장치 중앙의 샤프트(shaft) 내측에 위치하는 발열체 커넥터에 연결되는 금속 와이어에 의하여 집중적으로 발생되는 것이 확인되었으며(도 2(b)의 (A)와 같이 초음파 비파괴 검사를 통해 진한 음영을 보이는 미세 균열(crack)이 발생한 위치를 확인 가능함), 나아가 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 금속 와이어에서 발생한 미세 균열(crack)은(도 3의 (A)) 그 하부에 위치하는 고주파 메쉬 레이어(RF Mesh Layer)까지 전파될 수 있음을 확인할 수 있었다(도 3의 (B), (C)).
이에 따라, 상기 기판 장치의 제조 과정 중 고온 고압이 인가되는 소결 공정 등에서 상기 발열체를 구성하기 위한 와이어의 금속 재질과 상기 몸체부를 구성하는 세라믹 간의 열팽창 계수 차이로 인한 열 응력 및 인가되는 고압에 의한 압축 응력의 발생을 억제하여 몸체부의 미세 균열(crack)을 방지하고, 기판 가열 장치의 내구성 열화 및 사용 연한 단축을 효과적으로 방지할 수 있는 방안이 요구되고 있으나, 아직 이에 대한 적절한 대안이 제시되지 못하고 있다.
일본 공개특허공보 특개2001-102157호(2001년 4월 13일 공개)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 기판 가열 장치의 제조 과정 중 고온, 고압이 인가되는 소결 공정 등에서 발열체 커넥터와 연결되는 와이어의 금속 재질과 몸체부의 세라믹 재질 간의 열팽창 계수 차이로 인한 열 응력 및 인가되는 고압에 의한 압축 응력에 의한 미세 균열(crack)의 발생을 효과적으로 억제할 수 있는 기판 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 기판 가열 장치의 사용에 따른 미세 균열(crack)의 확산으로 인하여 상기 기판 가열 장치의 내구성 열화 및 사용 연한 단축도 효과적으로 방지할 수 있는 기판 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 기판 가열 장치는, 기판이 안착되는 기판 안착부를 구비하여 상기 기판을 지지하는 몸체부; 상기 몸체부의 내부 영역에 위치하는 제1 발열체; 상기 내부 영역을 둘러싸는 외부 영역에 위치하는 제2 발열체; 상기 몸체부의 내부 영역을 가로질러 상기 제2 발열체로 전류를 전달하는 전력 전달 와이어; 상기 전력 전달 와이어로 전류를 공급하기 위한 발열체 커넥터; 및 상기 발열체 커넥터에서 상기 전력 전달 와이어로 연결되는 커넥터 연결부;를 포함하며, 상기 커넥터 연결부는 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판 가열 장치는 상기 전력 전달 와이어와 상기 커넥터 연결부를 전기적으로 연결하는 연결부재;를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 연결부재는 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 커넥터 연결부는 상기 전력 전달 와이어의 직경보다 작은 직경을 가지는 와이어로 구성될 수 있다.
이때, 연결부재는 원통형 형상으로 구현되어, 상기 커넥터 연결부와 상기 전력 전달 와이어가 삽입되어 고정되는 각 개구가 상기 원통형 형상의 양측 종단에 대향하여 구비될 수 있다.
또한, 상기 몰리브덴-텅스텐 합금 중 몰리브덴은 40 ~ 80%, 텅스텐은 20 ~ 60%의 비율로 구성될 수 있다.
또한, 상기 몸체부는 질화 알루미늄(AlN)으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 발열체 커넥터 또는 상기 전력 전달 와이어 중 하나 이상은 몰리브덴 금속으로 구성될 수 있다.
이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치에서는, 기판 가열 장치의 제조 과정 중 고온, 고압이 인가되는 소결 공정 등에서 발열체 커넥터와 연결되는 와이어의 금속 재질과 몸체부의 세라믹 재질 간의 열팽창 계수 차이로 인한 열 응력 및 인가되는 고압에 의한 압축 응력에 의한 미세 균열(crack)의 발생을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치에서는, 상기 기판 가열 장치의 사용에 따른 미세 균열(crack)의 확산으로 인하여 상기 기판 가열 장치의 내구성 열화 및 사용 연한 단축도 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 기판 가열 장치의 상면도이다.
도 2 내지 도 3은 종래 기술에 따른 기판 가열 장치에서의 미세 균열(crack) 발생을 예시하는 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치의 구조에 대한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치의 구성을 예시하는 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치의 구성 및 동작을 설명하는 도면이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치에서의 몰리브덴-텅스텐 합금의 특성을 설명하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명에 따른 기판 가열 장치의 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치의 구조(300)를 예시하고 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)는 기판을 지지하는 몸체부(미도시), 상기 몸체부의 내부 영역에 위치하는 제1 발열체(310), 상기 내부 영역을 둘러싸는 외부 영역에 위치하는 제2 발열체(320) 및 상기 몸체부의 내부 영역을 가로질러 상기 제2 발열체(320)로 전류를 전달하는 전력 전달 와이어(330)를 포함하여 구성될 수 있으며, 이때 상기 전력 전달 와이어(330)의 직경을 상기 제2 발열체(320)를 구성하는 와이어의 직경보다 두껍게 함으로써, 상기 전력 전달 와이어(330)의 저항값을 낮추어 상기 전력 전달 와이어(330)에서의 발열을 억제하여 상기 전력 전달 와이어(330)의 발열에 의하여 특정 영역이 과열되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이때, 상기 기판 가열 장치(300)에는 유리 기판, 플렉서블(flexible) 기판, 반도체 기판 등의 기판이 안착되어 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)이나 물리기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 등의 공정에 의해 유전체층 및 금속층을 포함하는 일련의 층들이 적층되고 패터닝하는 공정을 거치게 된다. 이때, 상기 기판 가열 장치(300)에서는 공정에서 요구되는 소정의 온도로 상기 기판을 균일하게 가열하여 주게 된다.
상기 기판 가열 장치(300)의 몸체부(미도시)는 그 용도나 사용되는 공정에 따라 세라믹이나 금속 등을 사용하여 구성될 수 있으며, 상기 몸체부에는 플라즈마 공정 등에서 사용되는 고주파 전극(미도시) 등과 함께 상기 기판을 가열하기 위한 발열체가 포함될 수 있다. 덧붙여, 상기 기판 가열 장치(300)에는 상기 몸체부의 상면으로 기판을 안착시키거나 외부로 언로딩(unloading)하는 리프트 핀들이 움직일 수 있도록 복수의 핀홀(미도시)들이 형성될 수도 있다.
고온의 공정에서의 안정성 등을 위하여 상기 기판 가열 장치(300)의 몸체부를 세라믹 재질로 구성할 수 있으며, 이때 사용될 수 있는 세라믹은 Al2O3, Y2O3, Al2O3/Y2O3, ZrO2, AlC, TiN, AlN, TiC, MgO, CaO, CeO2, TiO2, BxCy, BN, SiO2, SiC, YAG, Mullite, AlF3 등 일 수 있고, 상기 세라믹들 중 둘 이상이 복합적으로 사용될 수도 있다.
또한, 상기 제1 발열체(310)와 제2 발열체(320)는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금을 사용하여 구성될 수 있다.
도 4(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 통상적으로 동일한 직경의 하나의 와이어를 사용하여 상기 제2 발열체(320)와 상기 전력 전달 와이어(330)를 구성하는 것도 가능하다. 그러나, 이러한 경우 외부 영역의 제2 발열체(320)의 가열을 위하여 전력을 인가하는 경우, 상기 전력 전달 와이어(330)에서도 상기 제2 발열체(320)과 동일하게 발열이 발생하게 되면서, 상기 전력 전달 와이어(330)가 위치하는 중간 영역이 과열되는 문제가 나타날 수 있게 된다.
특히, 상기 전력 전달 와이어(330)에 의한 발열량에 더하여, 상기 중간 영역에 근접하는 제1 발열체(310)에서의 발열이 더해지면서, 상기 중간 영역이 더욱 가열될 수 있고, 이에 따라 특정 영역이 과열되면서 열적 균일성(thermal uniformity)이 크게 나빠지는 문제가 발생할 수 있다.
이에 대하여, 상기 제1 발열체(310)에서의 발열에 의한 영향을 줄이기 위하여 상기 제1 발열체(310)를 상기 전력 전달 와이어(330)로부터 이격하는 방안도 고려할 수 있을 것이다. 그러나, 이러한 경우 각 영역에 대한 전력 인가 상태에 따라서, 상기 전력 전달 와이어(330)가 위치하는 중간 영역에서의 발열량이, 상기 몸체부의 중심점을 기준으로 상기 중간 영역과 대칭을 이루는 대칭 영역에서의 발열량과 크게 달라질 수도 있어, 경우에 따라서는 오히려 기판 가열 장치의 열적 균일성(thermal uniformity)이 나빠질 수도 있다.
따라서, 상기 중간 영역에서의 제1 발열체(310)의 구조와 이에 대응하는 대칭 영역에서의 제1 발열체(310)의 구조는 가능하면 동일한 대칭 구조를 이루는 것이 바람직하며, 상기 전력 전달 와이어(330)의 포선 등을 위하여 상기 대칭 구조를 구성할 수 없다고 하더라도 최대한 유사한 구조로 구성하는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 제1 발열체(310)의 대칭 구조를 최대한 유지하면서 상기 전력 전달 와이어(330)에서의 발열량을 줄이는 것이 보다 바람하게 된다. 이에 따라, 본 발명에서는 도 4(c)에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 전력 전달 와이어(330)를 구성하는 와이어의 직경(X+Y)을 제2 발열체(320)를 구성하는 와이어의 직경(X)보다 키워 저항값을 줄여줌으로써 상기 전력 전달 와이어(330)에 의한 발열을 억제하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서 상기 전력 전달 와이어(330)가 위치하는 중간 영역에는 상기 제1 발열체(310)가 위치하지 않도록 함으로써, 상기 제1 발열체(310)와 상기 전력 전달 와이어(330)가 중첩되어 배치되는 것을 방지하고 상호 이격 배치되도록 함으로써, 상기 제1 발열체(310) 및 상기 전력 전달 와이어(330)의 발열이 중첩되는 효과를 저감시키는 것이 바람직하다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)는 반드시 도 4(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 기판 가열 장치의 영역을 내부 영역 및 외부 영역의 두개의 영역만으로 분할하여 구성하여야 하는 것은 아니며, 상기 내부 영역 및 외부 영역을 포함하되 그 외에 하나 이상의 영역을 더 포함하여 복수의 영역으로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 몸체부의 중심점을 통과하는 상기 중간 영역의 중심축을 기준으로, 상기 제1 발열체(310), 상기 제2 발열체(320) 및 상기 전력 전달 와이어(330)가 대칭인 형상을 이루도록 함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)가 상기 중심축을 기준으로 대칭적인 열적 분포를 가지도록 할 수 있고, 나아가 상기 기판 가열 장치(300)의 열적 균일성을 보다 개선할 수 있게 된다.
나아가, 도 5에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 전력 전달 와이어(330)의 직경을 달리하면서 저항값 및 발열량의 변화를 산출하여 비교한 표를 도시하고 있다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 전력 전달 와이어(330)의 직경이 0.50 밀리미터(mm) 인 경우 저항값은 0.030 옴(Ohm)이 되고, 상기 와이어에 14.5 암페어(A)의 전류를 인가하는 경우 상기 와이어에서는 6.27 와트(W)의 발열량을 나타내게 되는 것을 알 수 있다.
이에 반하여, 상기 전력 전달 와이어(330)의 직경이 1.00 밀리미터(mm) 인 경우 와이어의 저항값은 0.007 옴(Ohm)이 되고, 상기 와이어에 14.5 암페어(A)의 전류를 인가하는 경우 상기 와이어에서는 1.57 와트(W)의 발열량을 나타내게 되므로, 상기 와이어의 직경이 0.50 밀리미터(mm)에서 1.00 밀리미터(mm)로 두배 늘어남에 따라, 저항값과 발열량이 각각 약 1/4 수준으로 떨어진다는 것을 확인할 수 있다.
유사하게 상기 전력 전달 와이어(330)의 직경이 0.5 밀리미터(mm)에서 0.70 밀리미터(mm)로 약 1.4배 늘어남에 따라, 저항값과 발열량이 각각 약 1/2 수준으로 떨어진다는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 상기 전력 전달 와이어(330)의 직경을 늘림으로써 상기 전력 전달 와이어(330)에 의한 발열량을 감소시킬 수 있으며, 나아가 상기 전력 전달 와이어(330)의 직경을 무한정 늘릴 수는 없는 것이므로, 상기 전력 전달 와이어(330)의 직경 및 한 쌍의 전력 전달 와이어(330) 간의 이격 거리, 상기 제1 발열체(310)에 의한 발열 등을 고려하여, 상기 전력 전달 와이어(330)가 위치하는 중간 영역에서의 발열량이 다른 영역에서의 발열량에 근접할 수 있도록 조절하는 것이 바람직하게 된다.
이어서, 도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서 특정 영역에서의 과열이 억제되어 열적 균일성이 개선된 경우를 도시하고 있다. 도 6(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 중간 영역의 전력 전달 와이어(330)에 의한 발열을 적절하게 억제하지 못하는 경우, 중간 영역에 발열량이 집중되면서 과열되는 경우가 나타날 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는 도 6(b)에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 전력 전달 와이어(330)의 직경을 상기 제2 발열체(320)를 구성하는 와이어의 직경보다 두껍게 함으로써, 상기 전력 전달 와이어(330)의 저항값을 낮추고 상기 전력 전달 와이어(330)에 의한 발열을 억제하여 상기 중간 영역에서의 과열의 발생을 효과적으로 억제할 수 있음을 보여주고 있다.
또한, 도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에 대한 보다 구체적인 구조를 예시하고 있다. 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)는, 기판(S)을 가열하는 기판 가열 장치(300)로서, 기판(W)이 안착되는 기판 안착부(120)를 구비하여 상기 기판(W)을 지지하는 몸체부(110), 상기 몸체부(110)의 하부에 내장되어 상기 기판(W)을 가열하는 발열부(130)가 포함될 수 있고, 이때 상기 발열부(130)에는 상기 몸체부(110)의 내부 영역에 위치하는 제1 발열체(310), 상기 내부 영역을 둘러싸는 외부 영역에 위치하는 제2 발열체(320) 및 상기 몸체부(110)의 내부 영역을 가로질러 상기 제2 발열체(320)로 전류를 전달하는 전력 전달 와이어(330)가 포함될 수 있다.
나아가, 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에는, 상기 몸체부(110)를 지지하는 지지부(110a), 상기 발열부(130)로 전원을 공급하는 전원 공급부(100b), 접지를 제공하는 접지부(100c)가 포함될 수 있으며, 또한 플라즈마 형성을 위한 고주파가 인가되는 고주파 전극부(140)가 구비될 수도 있다.
또한, 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)는 챔버(31) 내부에 배치되어 공정이 수행될 수 있으며, 상기 챔버(31)에는 플라즈마 전극(32)과 샤워 헤드(33) 등이 구비될 수도 있다.
그런데, 통상적으로 기판 가열 장치(300)에서 상기 제1 발열체(310), 상기 제2 발열체(320) 및 상기 전력 전달 와이어(330)는 금속으로 구성되는 반면, 상기 기판 가열 장치(300)의 몸체부(110)는 통상적으로 질화 알루미늄(AlN) 등의 세라믹으로 구성된다.
이때, 상기 기판 가열 장치(300)의 제조 공정에서는 질화 알루미늄(AlN) 등 세라믹으로 구성되는 상기 몸체부(110) 내에 상기 제1 발열체(310), 상기 제2 발열체(320) 및 상기 전력 전달 와이어(330) 등을 미리 정해진 위치에 배치한 후 고온(예를 들어, 약 1800˚C)의 환경에서 높은 압력을 인가하면서 상기 세라믹을 소결(sintering)시켜 상기 기판 가열 장치(300)를 제조하게 된다.
그런데, 상기 소결 공정에서는 고온 환경에서 고압이 인가되면서 상기 몸체부(110)를 이루는 세라믹과 발열체 등의 금속 재질 간의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인한 열 응력 및 상기 고압에 의한 압축 응력이 유발되면서 상기 몸체부(110)의 세라믹 영역에 미세 균열(crack)이 발생할 수 있었다.
나아가, 상기 기판 가열 장치(300)의 사용에 따른 상기 미세 균열(crack)의 확산으로 인한 상기 기판 가열 장치(300)의 내구성 열화 및 사용 연한 단축을 초래할 수도 있었다.
특히, 앞서 도 2에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명자는 상기 미세 균열(crack)은 세라믹 기판 가열 장치 중앙의 샤프트(shaft) 내측(도 8의 (A) 영역)에 위치하는 발열체 커넥터(340)에 연결되는 금속 와이어에 의하여 집중적으로 발생될 수 있음을 확인하였다.
보다 구체적으로, 도 9(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래 통상의 기판 가열 장치(300)에서, 상기 발열체 커넥터(340)와 상기 전력 전달 와이어(330)가 연결되는 영역에서 미세 균열(crack)이 집중적으로 발생할 수 있었고, 나아가 상기 기판 가열 장치(300)의 사용에 따라 상기 미세 균열(crack)이 확산되면서 상기 기판 가열 장치(300)의 내구성 열화 및 사용 연한 단축을 초래할 수 있었다.
이에 대하여, 도 9(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에는, 상기 발열체 커넥터(340)에서 상기 전력 전달 와이어(330)로 연결되는 커넥터 연결부(350)를 구비하고, 상기 커넥터 연결부(350)를 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성함으로써, 상기 발열체 커넥터(340)와 상기 전력 전달 와이어(330)가 연결되는 영역에서 집중적으로 발생하였던 미세 균열(crack)을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
즉, 종래 통상의 기판 가열 장치(300)에서는 통상적으로 상기 전력 전달 와이어(330)가 몰리브덴(Mo) 등의 금속으로 구성되는 반면, 상기 기판 가열 장치(300)의 몸체부(110)는 통상적으로 질화 알루미늄(AlN) 등의 세라믹으로 구성되어, 상기 기판 가열 장치(300)의 제조 공정에서 질화 알루미늄(AlN) 등 세라믹으로 구성되는 상기 몸체부(110) 내에 상기 제1 발열체(310), 상기 제2 발열체(320)와 함께 상기 전력 전달 와이어(330), 발열체 커넥터(340) 등을 미리 정해진 위치에 배치한 후 고온(예를 들어, 약 1800˚C)의 환경에서 높은 압력을 인가하면서 상기 세라믹을 소결(sintering)시켜 상기 기판 가열 장치(300)를 제조하였다.
그런데, 상기 소결 공정에서는 고온 환경에서 고압이 인가되면서 상기 몸체부(110)를 이루는 세라믹과 상기 전력 전달 와이어(330)의 금속 재질 간의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인한 열 응력으로 인하여 상기 몸체부(110)에서 상기 발열체 커넥터(340)와 상기 전력 전달 와이어(330)가 연결되는 영역에 미세 균열(crack)이 발생할 수 있었다.
나아가, 상기 기판 가열 장치(300)의 공정 온도(예를 들어 650˚C) 노출이 축적되면서 상기 미세 균열(crack)이 확산되어 상기 기판 가열 장치(300)의 내구성 열화 및 사용 연한 단축을 초래할 수도 있었다.
이에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 상기 발열체 커넥터(340)에서 상기 전력 전달 와이어(330)로 연결되는 커넥터 연결부(350)를 구비하고, 상기 커넥터 연결부(350)를 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성함으로써, 상기 몸체부(110)를 구성하는 질화 알루미늄(AlN) 등 세라믹 재질과의 열팽창 계수(CTE) 차이에 의한 열 응력을 방지하여 미세 균열(crack)의 발생을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
나아가, 도 9(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에는, 상기 전력 전달 와이어(330)와 상기 커넥터 연결부(350)를 전기적으로 연결하는 연결부재(360)가 구비될 수 있다.
이때, 상기 연결부재(360)도 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성될 수 있다.
또한, 연결부재(360)는 원통형 형상으로 구현되어 상기 커넥터 연결부(350)와 상기 전력 전달 와이어(330)가 삽입되어 고정되는 각 개구가 상기 원통형 형상의 양측 종단에 대향하여 구비되는 형상으로 구성될 수 있다.
이때, 상기 커넥터 연결부(350)와 상기 전력 전달 와이어(330)는 상기 연결부재(360)의 개구에 억지끼움(press-fitting)하여 고정될 수 있다.
나아가, 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서, 상기 커넥터 연결부(350)는 상기 전력 전달 와이어(330)의 직경보다 작은 직경을 가지는 와이어로 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 기판 가열 장치(300)의 제조 과정 중 소결 공정에서는 고온 환경에서 고압이 인가되면서 상기 몸체부(110)를 이루는 세라믹과 금속 와이어의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인한 열 응력 및 상기 고압에 의한 압축 응력이 유발되면서 상기 몸체부(110)의 세라믹 영역에 미세 균열(crack)이 발생할 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 상기 커넥터 연결부(350)의 직경을 줄여 줌으로써 상기 소결 공정에서 인가되는 고압에 따른 응력의 영향을 감소시켜 미세 균열(crack)의 발생을 억제할 수 있게 된다.
또한, 도 11에서는 상기 커넥터 연결부(350)를 구성하는 금속 재질(몰리브덴-텅스텐 합금 등)과 상기 세라믹 재질(AlN)의 열팽창 계수(CTE)를 비교하여 보여주고 있다(도 11(a) 승온 CTE, 도 11(b) 감온 CTE).
또한, 도 12에서는 상기 세라믹 재질의 열팽창 계수를 기준으로 상기 커넥터 연결부(350)를 구성하는 금속 재질(몰리브덴-텅스텐 합금 등)의 열팽창 계수의 차이를 수치화한 표를 도시하고 있다.
이때, 도 11 및 도 12을 살펴보면, 세라믹 재질의 열팽창 계수(H65)와 대비할 때 몰리브덴 70% - 텅스텐 30% 합금(Mo0.7W0.3, Alloy7)의 열팽창 계수가 상기 세라믹 재질의 열팽창 계수에 가장 근접하는 것을 확인할 수 있다.
이와 관련하여, 도 13에서는 상기 커넥터 연결부(350)를 구성하는 금속 재질(몰리브덴-텅스텐 합금 등)의 종류에 따른 미세 균열(crack)의 발생 실험 결과를 예시하고 있다.
먼저, 상기 발열체 커넥터가 원기둥 형태인 경우와 그 종단에 반구가 추가된 형태로 나누고, 각각의 형태에 대하여 몰리브덴(Mo), 몰리브덴-텅스텐 합금(Mo0.3W0.7(Alloy3), Mo0.5W0.5(Alloy5), Mo0.7W0.3(Alloy7)), 텅스텐(W) 재질로 상기 발열체 커넥터를 구성하였다.
이에 따라, 도 13에서는 소결 공정을 거친 후의 세라믹 소결체에서의 미세 균열(crack) 발생 여부를 확인할 결과를 보여주고 있다. 도 13에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 발열체 커넥터가 몰리브덴(Mo) 재질이거나 텅스텐(W) 재질인 경우 상기 세라믹 소결체에 다수의 미세 균열(crack)이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 발열체 커넥터가 몰리브덴 30% - 텅스텐 70% 합금(Mo0.3W0.7, Alloy3) 및 몰리브덴 50% - 텅스텐 50% 합금(Mo0.5W0.5, Alloy5)인 경우에도 상기 세라믹 소결체에 미세 균열(crack)이 일부 발생한 것을 확인할 수 있었다.
반면, 상기 발열체 커넥터가 몰리브덴 70% - 텅스텐 30% 합금(Mo0.7W0.3, Alloy7)인 경우에는 상기 세라믹 소결체에 미세 균열(crack)이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서, 상기 커넥터 연결부(350)는 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 것이 바람직하며, 나아가 상기 몰리브덴-텅스덴 합금 중 몰리브덴은 60 ~ 80%, 텅스텐은 20 ~ 40%의 비율로 구성됨으로써, 고온 및 고압의 소결 공정을 거치더라도 상기 몸체부(110)의 세라믹 소결체에 미세 균열(crack)이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 기판 가열 장치(300)의 제조 과정 중 고온 고압이 인가되는 소결 공정 등에서 연결부재(340) 등의 금속 재질과 몸체부(110)의 세라믹 재질 간의 열팽창 계수 차이로 인한 열 응력 및 인가되는 고압에 의한 압축 응력의 발생을 억제하여 몸체부(110)의 세라믹 재질에서 미세 균열(crack)의 발생을 방지하고, 나아가 기판 가열 장치(300)의 내구성 열화 및 사용 연한 단축을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 상기 발열체 커넥터(340) 또는 상기 전력 전달 와이어(330)를 포함하는 금속 재질의 부재들 중 하나 또는 둘 이상을 몰리브덴 금속으로 구성할 수도 있으며, 이를 통해 금속 재질의 특성 변화에 따른 기판 가열 장치(300)의 임피던스 변화 및 성능 열화를 최소화하면서 미세 균열(crack)의 발생을 억제할 수도 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서, 상기 연결부재(360)도 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성될 수 있으며, 이때 상기 연결부재(360)도 상기 커넥터 연결부(350)와 같이 상기 몰리브덴-텅스덴 합금 중 몰리브덴은 60 ~ 80%, 텅스텐은 20 ~ 40%의 비율로 구성됨으로써, 고온 및 고압의 소결 공정을 거치더라도 상기 몸체부(110)의 세라믹 소결체에 미세 균열(crack)이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가열 장치(300)에서는, 기판 가열 장치(300)의 제조 과정 중 고온, 고압이 인가되는 소결 공정 등에서 발열체 커넥터(340)와 연결되는 와이어의 금속 재질과 몸체부(110)의 세라믹 재질 간의 열팽창 계수 차이로 인한 열 응력 및 인가되는 고압에 의한 압축 응력에 의한 미세 균열(crack)의 발생을 효과적으로 억제할 수 있으며, 나아가 상기 기판 가열 장치(300)의 사용에 따른 미세 균열(crack)의 확산으로 인하여 상기 기판 가열 장치(300)의 내구성 열화 및 사용 연한 단축도 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
31 : 챔버
32 : 플라즈마 전극
33 : 샤워 헤드
100a : 지지부
100b : 전원 공급부
100c : 접지부
110 : 몸체부
120 : 기판 안착부
130 : 발열부
140 : 고주파 전극부
300 : 기판 가열 장치
310 : 제1 발열체
320 : 제2 발열체
330 : 전력 전달 와이어
340 : 발열체 커넥터
350 : 커넥터 연결부
360 : 연결부재
S : 기판

Claims (8)

  1. 기판이 안착되는 기판 안착부를 구비하여 상기 기판을 지지하는 몸체부;
    상기 몸체부의 내부 영역에 위치하는 제1 발열체;
    상기 내부 영역을 둘러싸는 외부 영역에 위치하는 제2 발열체;
    상기 몸체부의 내부 영역을 가로질러 상기 제2 발열체로 전류를 전달하는 전력 전달 와이어;
    상기 전력 전달 와이어로 전류를 공급하기 위한 발열체 커넥터; 및
    상기 발열체 커넥터에서 상기 전력 전달 와이어로 연결되는 커넥터 연결부;를 포함하며,
    상기 커넥터 연결부는 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 전달 와이어와 상기 커넥터 연결부를 전기적으로 연결하는 연결부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연결부재는 몰리브덴과 텅스텐이 포함되는 몰리브덴-텅스텐 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 커넥터 연결부는 상기 전력 전달 와이어의 직경보다 작은 직경을 가지는 와이어로 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    연결부재는 원통형 형상으로 구현되어,
    상기 커넥터 연결부와 상기 전력 전달 와이어가 삽입되어 고정되는 각 개구가 상기 원통형 형상의 양측 종단에 대향하여 구비되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  6. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몰리브덴-텅스덴 합금 중 몰리브덴은 60 ~ 80%, 텅스텐은 20 ~ 40%의 비율로 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 몸체부는 질화 알루미늄(AlN)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발열체 커넥터 또는 상기 전력 전달 와이어 중 하나 이상은 몰리브덴 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
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