KR20240067754A - 본딩 타입 고온 정전척 - Google Patents

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KR20240067754A
KR20240067754A KR1020220169189A KR20220169189A KR20240067754A KR 20240067754 A KR20240067754 A KR 20240067754A KR 1020220169189 A KR1020220169189 A KR 1020220169189A KR 20220169189 A KR20220169189 A KR 20220169189A KR 20240067754 A KR20240067754 A KR 20240067754A
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bonding
electrostatic chuck
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김영곤
박재혁
한병준
이남희
임종우
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주식회사 이에스티
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Abstract

본 개시는 본딩 타입 고온 정전척에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 고온 환경에서도 휘지 않고 평탄도가 우수한 대면적 본딩 타입 고온 정전척을 제공하는데 있다. 이를 위해 본 개시는 상부 영역에 제공되는 히팅 라인과 하부 영역에 제공되는 쿨링 라인을 갖는 베이스 부재; 상기 베이스 부재 상에 제공되는 본딩층; 및 상기 본딩층 상에 제공되는 제1유전층과, 상기 제1유전층 상에 제공되는 전극층과, 상기 제1유전층 및 상기 전극층 상에 제공되는 제2유전층으로 이루어진 지지 부재를 포함하고, 상기 베이스 부재는 상기 히팅 라인과 상기 쿨링 라인 사이에 수평 방향으로 배열된 다수의 캐비티 및 상기 다수의 캐비티 사이에 제공되는 격벽으로 이루어져 상기 지지 부재의 열 균일도를 향상시키는 열 차단 영역을 더 포함하는, 본딩 타입 고온 정전척을 제공한다.

Description

본딩 타입 고온 정전척{Bonding type high temperature electrostatic chuck}
본 개시(disclosure)는 본딩 타입 고온 정전척에 관한 것이다.
최근 반도체 장치와 LCD, OLED, FPD 산업 등 디스플레이 산업이 급격한 발전을 거듭하고 있다. 이러한 발전 속도는 반도체 메모리의 고집적화, 디스플레이 장치의 대면적화를 의미하고 있기 때문에 이들을 제조하는 장비 역시 고기능, 대면적화가 요구되고 있다.
일반적으로, 정전척(electrostatic chuck)은 반도체 및 디스플레이 제조 장비의 진공 챔버 내부에서 웨이퍼나 글래스 패널을 일정한 위치에 고정시키기 위해 사용되는 것으로, 종래에는 기판을 고정하기 위하여 진공 흡착 방식 등이 사용되었으나, 최근 들어서는 대부분 정전척에 의해 그 내부에서 발생되는 정전기력에 의해 웨이퍼나 글래스 패널을 흡착하여 잡아주는 역할을 한다. 즉, 정전척은 전극층에서 정전기를 발생시켜 기판을 수평 또는 수직 상태로 고정시킬 수 있도록 구성되며, 이는 반도체 웨이퍼나 디스플레이용 글래스 패널의 사이즈가 증가할수록 정전척의 크기나 면적 역시 증가할 수밖에 없다.
위와 같이, 웨이퍼나 디스플레이 기판이 대형화되어 가는 추세에 따라 이를 가공하기 위한 대면적 정전척에 대한 필요성이 요구되고 있고, 또한 설정된 수치 이내의 평탄도도 요구되고 있다. 예를 들면, 금속재 베이스 부재 위에 전극층과 세라믹층이 제공되어 있는 정전척은 그 면적이 커질수록 고온 환경 하에서 야기되는 열응력이나 열팽창 계수 차이와 같은 요인으로 인하여 정전척이 구조적으로 변형되어 그 위에 장착되는 기판에 대한 평탄도가 저하될 가능성이 높으며, 그러한 평탄도의 저하로 인하여 기판을 잡는 힘, 즉 척력(chucking force)이 약해진다는 문제점이 있다.
위와 같은 이유로, 각각의 정전척은 전체적으로 평탄도가 상이하여 이러한 변형을 제어하여 전 평면에 걸쳐 평탄도를 균일하게 하는데 많은 어려움이 있으며, 실제로 대면적의 정전척일수록 기판을 지지하게 되는 힘이 불균일하게 되는 문제점이 많이 발생한다. 다시 말해 정전척의 구조가 불균일하게 되면 정전척의 표면은 설정된 수치 이내의 평탄도를 가지지 않게 되므로, 기판을 강하게 잡아주질 못하게 된다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 개시에 따른 해결하고자 하는 과제는 고온 환경에서도 휘지 않고 평탄도가 우수한 대면적 본딩 타입 고온 정전척을 제공하는데 있다.
본 개시에 따른 본딩 타입 고온 정전척은 상부 영역에 제공되는 히팅 라인과 하부 영역에 제공되는 쿨링 라인을 갖는 베이스 부재; 상기 베이스 부재 상에 제공되는 본딩층; 및 상기 본딩층 상에 제공되는 제1유전층과, 상기 제1유전층 상에 제공되는 전극층과, 상기 제1유전층 및 상기 전극층 상에 제공되는 제2유전층으로 이루어진 지지 부재를 포함하고, 상기 베이스 부재는 상기 히팅 라인과 상기 쿨링 라인 사이에 수평 방향으로 배열된 다수의 캐비티 및 상기 다수의 캐비티 사이에 제공되는 격벽으로 이루어져 상기 지지 부재의 열 균일도를 향상시키는 열 차단 영역을 더 포함한다.
일부 예들에서, 상기 본딩층은 0.3 W/mK ~ 3 W/mK의 열전도율을 갖는 1액형 실리콘, 2액형 실리콘, 1액형 에폭시, 2액형 에폭시 또는 폴리우레탄중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 본딩층은 세라믹 필러 또는 금속 필러중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 본딩층은 상기 베이스 부재와 상기 지지 부재 사이의 메탈라이즈 브레이징층, 활성 금속 브레이징층, 확산 접합층, 마찰 압접층 또는 레이저 용접층을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 캐비티는 내부에 단열재 또는 금속-세라믹 복합체(MMC)가 충진되거나, 또는 캐비티는 상면 또는 하면에 YSZ(Yttria-stabilized zirconia) 또는 Al2TiO5가 코팅되거나, 또는 YSZ 또는 Al2TiO5 플레이트가 결합될 수 있다.
일부 예들에서, 상기 격벽의 수직 라인과 상기 히팅 라인의 수직 라인은 이격될 수 있다.
일부 예들에서, 상기 격벽의 수직 라인과 상기 히팅 라인의 수직 라인은 일치할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 캐비티는 상기 쿨링 라인과 상기 히팅 라인이 사이에 제공되는 동시에, 상기 쿨링 라인의 사이사이에도 제공될 수 있다.
일부 예들에서, 상기 본딩층 상에 제공되는 열 확산 영역을 더 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 열 확산 영역은 실리콘카바이드, 알루미늄질화물, 금속-세라믹 복합체, 실리콘카바이드-알루미늄 또는 실리콘카바이드-실리콘중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 열 차단 영역의 두께는 상기 베이스 부재의 두께 대비 1% 내지 30%일 수 있다.
본 개시에 따른 본딩 타입 고온 정전척은 상부 영역에 제공되는 히팅 라인과 하부 영역에 제공되는 쿨링 라인을 갖는 베이스 부재; 상기 베이스 부재 상에 제공되는 본딩층; 및 상기 본딩층 상에 제공되는 제1유전층과, 상기 제1유전층 상에 제공되는 전극층과, 상기 제1유전층 및 상기 전극층 상에 코팅된 제2유전층으로 이루어진 지지 부재를 포함하고, 상기 전극층은 티타늄 또는 티타늄텅스텐을 포함할 수 있다.
본 개시는 고온 환경에서도 휘지 않고 평탄도가 우수한 대면적 본딩 타입 고온 정전척을 제공할 수 있다. 일부 예들에서, 본 개시는 베이스 부재와 지지 부재의 사이에 열전도율이 높은 본딩층이 개재됨으로써, 베이스 부재 내의 히팅 라인과 지지 부재 사이의 거리가 상대적으로 증가하여 지지 부재 상의 온도 균일도가 높은 고온 정전척을 제공할 수 있다. 일부 예들에서, 본 개시는 베이스 부재와 지지 부재 사이의 열팽창 계수에 대한 표준편차가 대략 0.01% 내지 대략 10%의 범위를 갖도록 베이스 부재와 지지 부재의 구조 및/또는 재료가 제공됨으로써, 대략 150℃ 내지 대략 800℃의 고온 환경에서, 베이스 부재와 지지 부재가 바이메탈과 유사하게 휘지 않게 되고, 이에 따라 평탄도가 우수한 대면적 본딩 타입 고온 정전척을 제공할 수 있다.
또한, 본 개시는 베이스 부재 중에서 쿨링 라인을 갖는 하부 영역과 히팅 라인을 갖는 상부 영역의 사이에 열 차단 영역이 더 개재됨으로써, 하부 영역과 상부 영역의 설정 온도를 유지하는데 소비되는 에너지를 절감할 수 있는 고온 정전척을 제공할 수 있다.
또한, 본 개시는 본딩층 상에 열 확산 영역이 더 제공됨으로써, 히팅 라인에 의한 열이 균일하게 확산되고, 이에 따라 지지 부재의 전체 영역이 균일한 온도를 갖는 고온 정전척을 제공할 수 있다.
도 1은 본 개시에 따른 예시적 본딩 타입 고온 정전척을 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 개시에 따른 예시적 본딩 타입 고온 정전척의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 개시에 따른 다른 예시적 본딩 타입 고온 정전척을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 개시에 따른 다른 예시적 본딩 타입 고온 정전척을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 개시에 따른 다른 예시적 본딩 타입 고온 정전척을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 개시에 따른 다른 예시적 본딩 타입 고온 정전척을 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 개시들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1에 도시된 예에서, 본 개시에 따른 예시적 본딩 타입 고온 정전척(100)은 베이스 부재(110), 지지 부재(120) 및 본딩층(130)을 포함할 수 있다.
베이스 부재(110)는 폭이 상대적으로 큰 하부 영역(112)과, 하부 영역(112) 상에 폭이 상대적으로 작은 상부 영역(114)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 하부 영역(112)에는 다수의 쿨링 라인(111)이 소정 피치를 가지며 제공될 수 있고, 상부 영역(114)에는 히팅 라인(113)이 소정 피치를 가지며 제공될 수 있다. 쿨링 라인(111)에는 쿨링 매체가 흘러 베이스 부재(110)의 하부 영역(112)을 소정 온도까지 쿨링시킬 수 있고, 히팅 라인(113)에는 전류가 흘러 베이스 부재(110)의 상부 영역(114)을 소정 온도까지 히팅시킬 수 있다. 일부 예들에서, 히팅 라인(113)은 니켈-크롬 열선과, 이를 감싸는 절연체로 이루어질 수 있다.
일부 예들에서, 베이스 부재(110)는 순수 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제공될 수 있다. 순수 티타늄 및/또는 티타늄 합금의 경우 열팽창 계수(Thermal Expansion Coefficient, 단위는 m/m℃)는 대략 7 x 10-6 내지 대략 11 x 10-6일 수 있고, 알루미늄의 경우 열팽창 계수는 23 x 10-6일 수 있다. 일부 예들에서, 베이스 부재(110)는 티타늄 외에도 알루미늄, 인코넬, 스테인리스스틸 또는 그 합금을 포함할 수 있다.
지지 부재(120)는 베이스 부재(110) 상에 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 지지 부재(120)는 제1유전층(121), 전극층(123) 및 제2유전층(122)을 포함할 수 있다. 제1유전층(121)은 베이스 부재(110) 상에 제공될 수 있다. 전극층(123)은 제1유전층(121) 상에 제공될 수 있다. 제2유전층(122)은 제1유전층(121) 및 전극층(123) 상에 제공될 수 있다.
일부 예들에서, 제2유전층(122)은 전극층(123) 및 제1유전층(121) 상에 상압 플라즈마 스프레이 방식으로 직접 코팅될 수 있다. 일부 예들에서, 상압 플라즈마 스프레이 방식 외에 에어로졸 데포지션, 아크 스프레이, 고속 산소연료 스프레이, 콜드 스프레이 또는 플레임 스프레이의 방식이 이용될 수 있다.
일부 예들에서, 제1,2유전층(121,122)중 적어도 하나는 세라믹으로 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 제1,2유전층(121,122)중 적어도 하나는 지르코니아(ZrO2), 산화베릴륨(BeO), 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 실리콘카바이드(SiC), 질화실리콘(Si3N4) 또는 티탄산알루미늄(Al2TiO5)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1,2유전층(121,122)중 적어도 하나는 산화이트륨(Y2O3) 또는 산불화이트륨(YOF)을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 지르코니아의 열팽창 계수는 대략 11 x 10-6이다. 일부 예들에서, 산화베릴륨의 열팽창 계수는 대략 8 x 10-6이다. 일부 예들에서, 산화알루미늄의 열팽창 계수는 대략 7.3 x 10-6이다. 일부 예들에서, 질화알루미늄의 열팽창 계수는 대략 4.4 x 10-6이다. 일부 예들에서, 실리콘카바이드의 열팽창 계수는 대략 3.7 x 10-6이다. 일부 예들에서, 질화알루미늄의 열팽창 계수는 대략 3.4 x 10-6이다. 일부 예들에서, 티탄산알루미늄의 열팽창 계수는 대략 1 x 10-6이다. 일부 예들에서, 산화이트륨 및 산불화이트륨의 열팽창 계수는 대략 10 내지 대략 10.5 x 10-6이다.
일부 예들에서, 전극층(123)은 티타늄(Ti), 티타늄텅스텐(TiW) 또는 티타늄을 포함하는 전도성 세라믹을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 전극층(123)은 제1유전층(121) 상에 티타늄 및/또는 티타늄텅스텐을 스퍼터링, 무전해 도금 또는 전해 도금과 같은 다양한 방식으로 제공할 수 있다. 일부 예들에서, 전극층(123)은 제1유전층(121) 상에 티타늄을 포함하는 도전성 세라믹을 스프레이 또는 코팅과 같은 방식으로 제공하여 제1유전층(121) 및 제2유전층(122)과의 적합성을 향상시킬 수 있다.
일부 예들에서, 베이스 부재(110) 및/또는 지지 부재(120)는 디스플레이용 글래스를 위한 것일 경우 상부에서 보았을 때 대략 사각 형태로 제공될 수 있고 반도체용 웨이퍼를 위한 것일 경우 상부에서 보았을 때 대략 원 형태로 제공될 수 있다.
일부 예들에서, 정전척이 디스플레이 제조용으로 이용될 경우, 지지 부재(120)중 한변의 길이는 대략 100mm 내지 대략 3500mm일 수 있다. 일부 예들에서, 정전척이 반도체 제조용으로 이용될 경우, 지지 부재(120)의 직경은 대략 100mm 내지 대략 400mm일 수 있다.
본딩층(130)은 베이스 부재(110)와 지지 부재(120)의 사이에 개재될 수 있다. 일부 예들에서, 본딩층은 대략 0.3 W/mK ~ 대략 3 W/mK의 열전도율을 갖는 1액형 실리콘, 2액형 실리콘, 1액형 에폭시, 2액형 에폭시 또는 폴리우레탄중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 1액형 실리콘(또는 1액형 에폭시)은 공기중의 수분과 반응하여야 경화가 시작되므로 공기와의 접촉을 방지하는 용기에 보관된 상태에서 베이스 부재(110) 상에 도포되면 그 표면에서부터 내부로 경화가 서서히 확산한다. 일부 예들에서, 2액형 실리콘(또는 2액형 에폭시)은 공기중의 수분과 무관하게 베이스 부재(110) 상에서 2액(경화제와 주제)이 혼합되면서 경화가 진행된다. 일부 예들에서, 폴리우레탄 접착제 역시 1액형 폴리우레탄 또는 2액형 폴리우레탄을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 본딩층(130)은 열전도율을 향상시키기 위해 세라믹 필러 또는 금속 필러와 같은 나노 필러를 더 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 나노 필러의 평균 크기는 대략 1nm 내지 10um일 수 있다. 일부 예들에서, 나노 필러의 중량(wt%)은 대략 5 wt% 내지 대략 95wt%일 수 있다. 나노 필러의 중량이 대략 5wt%보다 작을 경우 열전도율이 목표 값보다 낮을 수 있다. 나노 필러의 중량이 대략 95%보다 클 경우 점도가 상대적으로 높아서 접착제의 분사/도포 작업이 어려울 수 있다. 일부 예들에서, 본딩층(130)의 두께는 대략 1um 내지 대략 100mm일 수 있다. 본딩층(130)의 두께가 대략 1 um보다 작으면 열전도율이 우수하지만 열확산 성능이 떨어져 지지 부재(120)의 열 균일성이 낮을 수 있다. 본딩층(130)의 두께가 대략 100mm보다 크면 열확산 성능이 우수하여 지지 부재(120)의 열 균일성이 높아질 수 있으나 열전도율이 낮을 수 있다.
일부 예들에서, 나노 필러는 순수 티타늄(CTE: 8.6), 산화베릴륨(CTE: 8) 및/또는 산화알루미늄(CTE: 7.3)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 나노 필러는 베이스 부재(110) 및/또는 지지 부재(120)와 유사하거나 같은 재료(금속 또는 세라믹)를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 본딩층(130)은 베이스 부재(금속)(110)와 지지 부재(세라믹)(120) 사이의 메탈라이즈 브레이징층, 활성 금속 브레이징층, 확산 접합층, 마찰 압접층 및/또는 레이저 용접층을 포함할 수 있다. 이밖에도, 글래스 프릿(glass frit)을 이용한 접합, 메탈브레이징 접합, 확산 접합 및/또는 확산 브레이징 접합도 이용될 수 있다.
일례로, 메탈라이즈 브레이징층은 세라믹 표면에 금속층을 형성시킨 후에 브레이징 합금을 사용하여 접합함으로써 제공될 수 있다. 금속층을 형성시키는 방법으로는, 금속간화합물을 도포시키고 가열분해에 의하여 금속을 석출시켜 세라믹과 반응시키는 방법, 기상에서 금속을 석출시키는 방법, 증착이나 스퍼터링 등의 물리적 방법으로 도금시키는 방법 등이 가능하다. 일례로, Mo-Mn 법을 이용할 수 있다. 이 방법은 Mo 또는 Mo-Mn 분말을 유기용매에 바인더로 페이스트 상으로 만들어 세라믹에 도포하고, 메탈라이징하여 브레이징하는 방법이다. 일례로, Ti를 메탈라이징하여 안정화지르코니아(PSZ)와 Ti-6Al-4V을 대략 820℃에서 접합할 수 있다. 일례로, 지르코니아 표면을 Ti로 메탈라이징 한 후에 Ag-28Cu계 브레이징 합금을 사용하여 접합할 수 있다. 일부 예들에서, 메탈라이징된 지르코니아의 표면에 Ti-O 화합물(TiO, Ti2O3, Ti3O5, TiO2 등)로 이루어진 검은 반응층이 제공되어, 세라믹 표면의 젖음성을 향상시켜 양호한 접합을 구현할 수 있다.
일례로, 활성금속 브레이징층은 신뢰도가 높고, 작은 제품을 경제성 있게 제조할 수 있을 뿐 아니라, 복잡한 형상의 제품을 한번의 작업으로 접합을 끝내야 하는 양산공정에 적합할 수 있다. Ni, Cu, Ag와 같은 연질 금속에 Ti, Zr 등의 IV족 활성금속을 적정량 첨가한 합금을 브레이징 합금으로 사용하여 진공 또는 불활성 분위기에서 직접 접합한다. 브레이징 합금 중에 함유되어 있는 Ti, Zr 등의 활성금속이 세라믹과 반응하여 계면에 산화물, 질화물 혹은 탄화물을 형성하여 접합이 이루어진다. 또한 Ag, Cu 등은 중앙에 편석되어 연질층을 형성함으로써 응력 완화 효과를 가지므로 접합강도를 향상시킨다.
일부 예들에서, 확산 접합층은 두 재료를 밀착시켜 접합면 사이에서 발생하는 원자의 확산을 이용하여 얻은 층이다. 접합 후의 열응력이나 변형이 적고, 조직 변화에 의한 재료의 열화가 적은 것이 특징이며, 동종 재료뿐만 아니라 성질이 상이한 이종재료의 접합 및 복잡한 형상의 접합이 가능하다. 금속을 거의 변형시키지 않는 응력 이하로 가압 가열하여 접합하는 방법과 금속의 변형이 일어나도록 가압 가열하여 접합하는 방법이 있다. 접합은 고온 크리프에 의한 소성변형, 원자들의 확산에 의한 보이드(void)의 소멸 및 입계이동의 3단계 과정을 통해 이루어진다. 확산 접합법에서는 진공분위기 제어, 접합재의 가열과 온도유지, 온도의 상승과 하강 시 발생하는 열응력의 감소 등이 접합에 중요한 요인이다.
일부 예들에서, 마찰 압접층은 금속과 세라믹을 가압하면서 회전시켜 그 마찰열로 가열하고, 일정온도에 도달하면 압력을 주어 접합하여 얻을 수 있다
일부 예들에서, 레이저빔 용접층은 고밀도 에너지를 열원으로 이용하여 얻은 층으로서, 고출력 레이저로는 CO2 레이저와 Nd;YAG 레이저가 있다. 레이저는 열가공임에도 불구하고 빔의 크기를 작게 하여 높은 에너지밀도(106 W/㎠ 이상)를 얻을 수 있으므로 열 영향이 작고 작은 변형범위 내에서 용접을 할 수 있고 입력 에너지의 제어성이 좋아서 미세한 용접이 가능하다
이와 같이 하여, 본 개시는 고온 환경에서도 휘지 않고 평탄도가 우수한 대면적 본딩 타입 고온 정전척을 제공할 수 있다. 일부 예들에서, 본 개시는 베이스 부재(110)와 지지 부재(120)의 사이에 열전도율이 높은 본딩층(130)이 개재됨으로써, 베이스 부재(110) 내의 히팅 라인(113)과 지지 부재(120) 사이의 거리가 상대적으로 증가하여 지지 부재(120) 상의 온도 균일도가 높은 고온 정전척을 제공할 수 있다.
일부 예들에서, 정전척은 대략 150℃ 내지 대략 800℃의 온도 범위에서 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 베이스 부재(110), 지지 부재(120) 및 본딩층(130) 사이의 열팽창 계수의 표준편차(standard deviation)는 대략 0.01% 내지 대략 10%일 수 있다. 따라서, 정전척의 사용 온도인 대략 150℃ 내지 대략 800℃의 범위에서, 베이스 부재(110), 지지 부재(120) 및 본딩층(130) 사이의 열팽창 계수 차이로 인한 휨 현상이 최소화될 수 있고, 이에 따라 고온 환경에서 정전척의 평평도가 우수하게 유지될 수 있다.
일부 예들에서, 베이스 부재(110)가 순수 티타늄(CTE: 8.6)으로 제공되고, 지지 부재(120)를 구성하는 제1,2유전층(121,122)이 산화베릴륨(CTE: 8)으로 제공되며, 본딩층(130)이 순수 티타늄(CTE: 8.6) 또는 산화베릴륨(CTE: 8)으로 제공될 경우, CTE의 표준편차는 대략 0.4%일 수 있다. 일부 예들에서, 베이스 부재(110)가 순수 티타늄(CTE: 8.6)으로 제공되고, 지지 부재(120)를 구성하는 제1,2유전층(121,122)이 산화알루미늄(CTE: 7.3)으로 제공되며, 본딩층(130)이 산화알루미늄(CTE: 7.3)으로 제공될 경우, CTE의 표준편차는 대략 0.9%일 수 있다.
일부 예들에서, 베이스 부재(110)가 티타늄 합금(CTE: 9.4)으로 제공되고, 지지 부재(120)를 구성하는 제1,2유전층(121,122)이 산화베릴륨(CTE: 8)으로 제공되며, 본딩층(130)이 산화베릴륨(CTE: 8)으로 제공될 경우, CTE의 표준편차는 대략 1%일 수 있다. 일부 예들에서, 베이스 부재(110)가 티타늄 합금(CTE: 9.4)으로 제공되고, 지지 부재(120)를 구성하는 제1,2유전층(121,122)이 산화알루미늄(CTE: 7.3)으로 제공되며, 본딩층(130)이 산화알루미늄(CTE: 7.3)으로 제공될 경우, CTE의 표준편차는 대략 1.5%일 수 있다.
일부 예들에서, 베이스 부재(110)가 티타늄 합금(CTE: 9.4)으로 제공되고, 지지 부재(120)를 구성하는 제1,2유전층(121,122)이 산화이트륨(CTE: 10)으로 제공되며, 본딩층(130)이 산화알루미늄(CTE: 7.3)으로 제공될 경우, CTE의 표준편차는 대략 1.9%일 수 있다.
이와 같이 하여, 본 개시에 따른 정전척은 대략 150℃ 내지 대략 800℃의 고온 환경에서 사용되어도, 베이스 부재(110), 지지 부재(120) 및 본딩층(130) 사이의 열팽창 계수의 표준편차가 대략 2%보다 작기 때문에, 휨 현상이 거의 일어나지 않고 우수한 평탄도를 유지할 수 있다.
한편, 종래와 같이 베이스 부재(110)가 알루미늄(CTE: 23)으로 제공되고, 지지 부재(120)를 구성하는 제1,2유전층(121,122)이 산화알루미늄(CTE: 7.3)으로 제공될 경우, CTE의 표준편차는 대략 11%이다. 이 경우, 정전척이 상술한 고온 환경에서 사용될 경우, 베이스 부재(110)와 지지 부재(120) 사이의 CTE 차이로 인해 휨 현상이 크게 발생하고, 따라서 평탄도가 나빠져 디스플레이용 글래스 또는 반도체용 웨이퍼를 정전척이 강한 힘으로 고정할 수 없게 된다.
도 2a 내지 도 2c는 본 개시에 따른 예시적 본딩 타입 고온 정전척(100)의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
도 2a는 본 개시에 따른 예시적 본딩 타입 고온 정전척(100)의 제조 초기 단계를 도시한 것이다. 하부 영역(112)에 다수의 쿨링 라인(111)이 구비되고, 상부 영역(114)에 다수의 히팅 라인(113)이 구비된 베이스 부재(110)가 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 베이스 부재(110)는 순수 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제공될 수 있다.
도 2b는 본 개시에 따른 예시적 본딩 타입 고온 정전척(100)의 제조 후기 단계를 도시한 것이다. 베이스 부재(110) 상에 본딩층(130)이 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 본딩층(130)은 디스펜서, 스프레이어, 젯팅 디바이스 또는 3D 프린터 등을 통해 베이스 부재(110) 상에 본딩층(130)이 제공될 수 있다. 본딩층(130)은 베이스 부재(110)의 상면 전체에 제공되거나, 또는 상면 전체에 돗트 어레이 형태로 제공될 수 있다.
도 2c는 본 개시에 따른 예시적 본딩 타입 고온 정전척(100)의 제조 후기 단계를 도시한 것이다. 본딩층(130)에 제1유전층(121), 제2유전층(122) 및 전극(123)을 포함하는 지재 부재(120)가 부착될 수 있다. 일부 예들에서, 산화알루미늄으로 제1유전층(121)이 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 제1유전층(121) 상에 전극층(123)이 제공될 수 있다. 전극층(123)은 도금 방식 또는 다양한 스프레이 방식으로 제공될 수 있다. 전극층(123)은 텅스텐(W) 및/또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1유전층(121) 및 전극층(123) 상에 제2유전층(122)이 직접 코팅될 수 있다. 일부 예들에서, 산화알루미늄 파우더를 상압 플라즈마 스프레이 방식으로 제1유전층(121) 및 전극층(123) 상에 코팅할 수 있다.
이와 같이, 베이스 부재(110)는 티타늄을 포함하고, 지지 부재(120) 및 본딩층(130)은 산화알루미늄을 포함함으로써, 베이스 부재(110), 지지 부재(120) 및 본딩층(130)의 열팽창 계수의 표준편차가 대략 2%보다 작게 되고, 따라서 대략 150℃ 내지 대략 800℃의 고온 환경에서 정전척이 사용되어도, 베이스 부재(110), 지지 부재(120) 및 본딩층(130)의 휨 현상이 거의 일어나지 않고 우수한 평탄도를 유지하게 된다. 따라서, 정전척에 의한 글래스 또는 웨이퍼의 고정력이 우수하게 유지될 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 개시에 따른 다른 예시적 본딩 타입 고온 정전척(200A,200B,200C)을 도시한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 본 개시에 따른 다른 예시적 본딩 타입 고온 정전척(200A,200B,200C,200D)은, 특히, 베이스 부재(110)는 쿨링 라인(111)(하부 영역 또는 쿨링 영역(112))과 히팅 라인(113)(상부 영역 또는 히팅 영역(114))의 사이에 개재된 열 차단 영역(240A,240B,240C,240D)을 더 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 하부 영역(112)은 쿨링 라인(111)으로 인해 대략 60℃의 온도로 유지될 수 있고, 상부 영역(114)은 히팅 라인(113)으로 인해 대략 600℃의 온도로 유지될수 있다. 그런데, 하부 영역(112)과 상부 영역(114)이 직접 연결되어 있으면, 상호간 열 에너지가 교환됨으로써, 하부 영역(112) 및 상부 영역(114)의 설정 온도를 각각 유지하기 위해 더 많은 에너지가 투입될 필요가 있다.
그러나, 상술한 바와 같이 쿨링 라인(111)과 히팅 라인(113) 사이에 열 차단 영역(240A,240B,240C,240D)이 개재되면, 쿨링 라인(111)과 히팅 라인(113)의 사이에서 열 에너지의 흐름이 차단되어, 하부 영역(112) 및 상부 영역(114)의 설정 온도를 각각 유지하기 위한 에너지를 더 투입할 수 있다.
일부 예들에서, 열 차단 영역(240A,240B,240C,240D)은 캐비티(cavity)를 포함하거나, 캐비티 및 여기에 충진된 단열재(예를 들면, 에어로겔, 펄라이트, 발포 유리, 미네랄울, 글래스울 등) 또는 캐비티 및 여기에 충진된 금속-세라믹 복합체(MMC:Metal Matrix Composite)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 캐비티의 상면 및/또는 하면에 열전도율이 낮은 YSZ(Yttria-stabilized zirconia) 또는 TaTi2O5가 코팅되거나 또는 YSZ 또는 TaTi2O5 플레이트가 결합될 수 있다.
도 3a에 도시된 정전척(200A)에서, 열 차단 영역(240A)은 쿨링 라인(111)과 히팅 라인(113) 사이에 수평 방향으로 길게 하나가 제공될 수 있다. 도 3b에 도시된 정전척(200B)에서, 열 차단 영역(240B)은 쿨링 라인(111)과 히팅 라인(113) 사이에 수평 방향으로 다수가 제공될 수 있다. 도 3c에 도시된 정전척(200C)에서, 열 차단 영역(240C)은 쿨링 라인(111)과 히팅 라인(113) 사이에 수평 방향으로 다수가 제공되되, 하부 영역(112)과 상부 영역(114)은 열 차단 영역(240C) 사이의 격벽을 통해 서로 연결될 수 있다. 도 3d에 도시된 정전척(200D)에서, 열 차단 영역(240D)은 쿨링 라인(111)과 히팅 라인(113) 사이에 수평 방향으로 대체로 T자 형태로 다수가 제공될 수 있으며, 특히 열 차단 영역(240D)은 쿨링 라인(111)과 히팅 라인(113) 사이의 영역뿐만 아니라 쿨링 라인(111)의 사이사이에도 배치될 수 있다.
이와 같이 하여 본 개시는 쿨링 라인(111)과 히팅 라인(113)의 사이에 열 차단 영역(240A,240B,240C,240D)이 더 개재됨으로써, 쿨링 라인(111)에 의한 하부 영역(112)의 설정 온도 유지와 히팅 라인(113)에 의한 상부 영역(114)의 설정 온도 유지에 상대적으로 적은 에너지(예를 들면, 전기 에너지)를 필요로 한다.
한편, 상술한 바와 같이, 베이스 부재(110)는 쿨링 라인(111)과 히팅 라인(113)의 사이에 제공되는 열 차단 영역(240C)을 포함하는데 이는 수평 방향으로 배열된 다수의 캐비티와 다수의 캐비티 사이에 개재된 격벽을 포함할 수 있다(도 3c 참조). 비록 도 3c의 단면 상태에서는 열 차단 영역(240C)이 다수개의 캐비티 및 다수의 격벽으로 도시되어 있으나, 실질적인 평면 상태에서는 하나의 캐비티 및 하나의 격벽이 소용돌이 또는 나선 형태로 제공될 수 있다.
일부 예들에서, 격벽은 쿨링 라인(111)과 히팅 라인(113)을 간접적으로 또는 직접적으로 연결할 수 있다. 일부 예들에서, 격벽 역시 쿨링 라인(111)과 히팅 라인(113)에 평행하게 제공될 수 있다.
일례로, 격벽의 수직 라인과 히팅 라인(113)[및/또는 쿨링 라인(111)]의 수직 라인은 상호간 이격될 수 있다. 다르게 설명하면, 격벽의 위치와 히팅 라인(113)[및/또는 쿨링 라인(111)]의 위치가 수직 방향으로 중첩되지 않고, 이에 따라 히팅 라인(113)과 쿨링 라인(111)의 상호간 이격 거리가 최대한 멀게 된다.
일례로, 격벽의 수직 라인과 히팅 라인(113)[및/또는 쿨링 라인(111)]의 수직 라인은 상호간 일치할 수 있다. 다르게 설명하면, 격벽의 위치와 히팅 라인(113)[및/또는 쿨링 라인(111)]의 위치가 수직 방향으로 중첩될 수 있고, 이에 따라 히팅 라인(113)과 쿨링 라인(111)의 상호간 이격 거리가 최대한 가깝게 된다.
일부 예들에서, 열 차단 영역(240C)[또는 캐비티 및/또는 격벽]의 두께는 베이스 부재(110)의 전체 두께 대비 대략 1% 내지 대략 30%일 수 있다. 열 차단 영역(240C)의 두께가 대략 1%보다 작을 경우 열 차단 효과가 미약하여 하부 영역(112)과 상부 영역(114)의 각 설정 온도를 유지하는데 많은 에너지가 필요하다. 열 차단 영역(240C)의 두께가 대략 30%보다 두꺼울 경우 열 차단 효과가 우수하나, 베이스 부재(110)의 두께가 증가되어 전체 시스템 두께 및 무게가 증가할 수 있다.
도 4는 본 개시에 따른 다른 예시적 본딩 타입 고온 정전척(300)을 도시한 단면도이다.
도 4에 도시된 예에서, 본 개시에 따른 다른 예시적 본딩 타입 고온 정전척(300)은 본딩층(130)와 지지 부재(120) 사이에 개재된 열 확산 영역(350)을 더 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 히팅 라인(113)은 소정 피치를 가지며 배열되어 있으므로, 베이스 부재(110)의 상부 영역(114)은 영역마다 온도에 차이가 있을 수 있다. 예를 들면, 히팅 라인(113)과 가까운 영역의 온도는 상대적으로 높고, 히팅 라인(113)과 먼 영역의 온도는 상대적으로 낮을 수 있다.
열 확산 영역(350)은 지지 부재(120)의 하면에 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 열 확산 영역(350)은 히팅 라인(113)이 구비된 상부 영역(114)과 지지 부재(120)의 사이에 개재됨으로써, 영역별 온도 차이를 감소시킬 수 있다. 일부 예들에서, 열 확산 영역(350)은 베이스 부재(110) 및/또는 본딩층(130)의 열전도율보다 높은 열전도율을 갖는 재료로 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 열 확산 영역(350)은 실리콘카바이드, 알루미늄질화물, 금속-세라믹 복합체, 실리콘카바이드-알루미늄, 실리콘카바이드-실리콘 또는 금속-세라믹 복합체(MMC)로 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 열 확산 영역(350)의 열전도율(단위: W/mK)은 대략 100보다 높을 수 있다. 일례로, 실리콘카바이드의 열전도율은 대략 190이고, 알루미늄질화물의 열전도율은 대략 275이다. 여기서, 베이스 부재(110)가 순수 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제공될 경우, 열전도율은 대략 17이다.
따라서, 열전도율이 낮는 베이스 부재(110) 및 본딩층(130) 상에 열전도율이 높은 열 확산 영역(350)이 제공됨으로써, 히팅 라인(113)에 의한 지지 부재(120)에 대한 온도 편차가 감소되고, 지지 부재(120)의 전체에 대하여 균일한 온도 유지가 가능하다. 즉, 글래스 또는 웨이퍼를 고정하는 지지 부재(120)의 온도가 영역별 편차없이 균일하게 이루어짐으로써, 제조 공정 상의 온도 편차로 인한 다양한 문제(온도에 따른 증착율 또는 식각율의 차이)가 발생하지 않게 된다.
도 5는 본 개시에 따른 다른 예시적 본딩 타입 고온 정전척(400)을 도시한 단면도이다. 도 5에 도시된 정전척(400)은 히팅 라인(113)의 제공 위치를 제외하고 도 3c에 도시된 정전척(200C)과 유사할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 히팅 라인(113)은 베이스 부재(110)가 아닌 지지 부재(120), 일례로, 제1유전층(121) 내에 제공될 수 있다. 즉, 히팅 라인(113)이 전극층(123)을 갖는 제2유전층(122)의 하부에 있는 제1유전층(121)에 직접 제공됨으로써, 지지 부재(120) 상의 온도 균일도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 개시에 따른 다른 예시적 본딩 타입 고온 정전척(500)을 도시한 단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 개시에 따른 다른 예시적 본딩 타입 고온 정전척(500)은, 특히, 베이스 부재(110)는 쿨링 라인(111)(하부 영역 또는 쿨링 영역(112))과 히팅 라인(113)(상부 영역 또는 히팅 영역(114))의 사이에 개재된 열 차단 영역(540A) 및 열차단 영역(540A)에 결합된 열전도율이 대략 10보다 작은 단열재(540B)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 단열재(540B)는 캐비티에 충진된 YSZ(Yttria-stabilized zirconia) 충진재 또는 Al2TiO5 충진재 또는 YSZ 플레이트 또는 Al2TiO5 플레이트를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 열차단 영역(540A)의 높이보다 단열재(540B)의 두께가 작을 수 있어, 열차단 영역(540A)의 대략 상부 영역 및 하부 영역은 캐비티 형태로 잔존할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 본딩 타입 고온 정전척을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100.200,300; 본딩 타입 고온 정전척
110; 베이스 부재 111; 쿨링 라인
112; 하부 영역 113; 히팅 라인
114; 상부 영역 120; 지지 부재
121; 제1유전층 122; 제2유전층
123; 전극층 130; 본딩층
240; 열 차단 영역 350; 열 확산 영역

Claims (12)

  1. 상부 영역에 제공되는 히팅 라인과 하부 영역에 제공되는 쿨링 라인을 갖는 베이스 부재;
    상기 베이스 부재 상에 제공되는 본딩층; 및
    상기 본딩층 상에 제공되는 제1유전층과, 상기 제1유전층 상에 제공되는 전극층과, 상기 제1유전층 및 상기 전극층 상에 제공되는 제2유전층으로 이루어진 지지 부재를 포함하고,
    상기 베이스 부재는 상기 히팅 라인과 상기 쿨링 라인 사이에 수평 방향으로 배열된 다수의 캐비티 및 상기 다수의 캐비티 사이에 제공되는 격벽으로 이루어져 상기 지지 부재의 열 균일도를 향상시키는 열 차단 영역을 더 포함하는, 본딩 타입 고온 정전척.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩층은 0.3 W/mK ~ 3 W/mK의 열전도율을 갖는 1액형 실리콘, 2액형 실리콘, 1액형 에폭시, 2액형 에폭시 또는 폴리우레탄중 적어도 하나를 포함하는, 본딩 타입 고온 정전척.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩층은 세라믹 필러 또는 금속 필러중 적어도 하나를 포함하는, 본딩 타입 고온 정전척.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩층은 상기 베이스 부재와 상기 지지 부재 사이의 메탈라이즈 브레이징층, 활성 금속 브레이징층, 확산 접합층, 마찰 압접층 또는 레이저 용접층을 포함하는, 본딩 타입 고온 정전척.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐비티는 내부에 단열재 또는 금속-세라믹 복합체(MMC)가 충진되거나, 또는 캐비티는 상면 또는 하면에 YSZ(Yttria-stabilized zirconia) 또는 Al2TiO5가 코팅되거나, 또는 YSZ 또는 Al2TiO5 플레이트가 결합된, 본딩 타입 고온 정전척.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 격벽의 수직 라인과 상기 히팅 라인의 수직 라인은 이격된, 본딩 타입 고온 정전척.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 격벽의 수직 라인과 상기 히팅 라인의 수직 라인은 일치하는, 본딩 타입 고온 정전척.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐비티는 상기 쿨링 라인과 상기 히팅 라인이 사이에 제공되는 동시에, 상기 쿨링 라인의 사이사이에도 제공되는, 본딩 타입 고온 정전척.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩층 상에 제공되는 열 확산 영역을 더 포함하는, 본딩 타입 고온 정전척.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 열 확산 영역은 실리콘카바이드, 알루미늄질화물, 금속-세라믹 복합체, 실리콘카바이드-알루미늄 또는 실리콘카바이드-실리콘중 적어도 하나를 포함하는, 본딩 타입 고온 정전척.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 차단 영역의 두께는 상기 베이스 부재의 두께 대비 1% 내지 30%인, 본딩 타입 고온 정전척.
  12. 상부 영역에 제공되는 히팅 라인과 하부 영역에 제공되는 쿨링 라인을 갖는 베이스 부재; 및
    상기 베이스 부재 상에 제공되는 본딩층; 및
    상기 본딩층 상에 제공되는 제1유전층과, 상기 제1유전층 상에 제공되는 전극층과, 상기 제1유전층 및 상기 전극층 상에 코팅된 제2유전층으로 이루어진 지지 부재를 포함하고,
    상기 전극층은 티타늄 또는 티타늄텅스텐을 포함하는, 본딩 타입 고온 정전척.
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