KR101976538B1 - 온도 가변형 정전척 및 이를 포함하는 기판 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
온도 가변형 정전척은 유전층, 세라믹 열전도층 및 절연층을 포함한다. 상기 유전층은 상부에 놓여지는 기판을 흡착하기 위한 정전기력이 발생하는 정전 전극이 배치되고 제1 열전달 계수를 갖는다. 상기 세라믹 열전도층은 상기 유전층에 인접하는 제1 면 및 상기 제1 면에 반대하는 제2 면을 포함하고, 상기 기판을 가열하기 위한 열이 발생하는 발열 전극이 상기 제2 면에 패터닝되어 형성되며, 상기 제1 열전달 계수보다 높은 제2 열전달 계수를 갖는다. 상기 절연층은 상기 세라믹 열전도층의 제2 면과 접하여 일체로 형성되며, 상기 제1 열전달 계수보다 낮은 제3 열전달 계수를 갖는다.
이에 의하여, 세라믹 열전도층의 일면에 발열 전극을 패터닝하고, 상기 세라믹 열전도층 하부에 배치되는 절연층을 본딩하지 않고 상기 세라믹 열전도층과 일체로 형성함으로써, 본딩층에 의한 열손실을 방지하고 열전달 효율을 증가시킬 수 있다.
이에 의하여, 세라믹 열전도층의 일면에 발열 전극을 패터닝하고, 상기 세라믹 열전도층 하부에 배치되는 절연층을 본딩하지 않고 상기 세라믹 열전도층과 일체로 형성함으로써, 본딩층에 의한 열손실을 방지하고 열전달 효율을 증가시킬 수 있다.
Description
본 발명은 온도 가변형 정전척 및 이를 포함하는 기판 처리 장치에 관한 것으로, 집적 회로 소자를 제조하는데 사용되는 웨이퍼(wafer) 또는 유리기판 등을 정전기력을 이용하여 흡착하기 위한 온도 가변형 정전척 및 이를 포함하는 기판 처리 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 집적 회로 소자는 웨이퍼(wafer) 또는 유리기판 등을 대상으로 하여 증착 공정, 식각 공정, 포토리소그래피 공정, 이온 주입 공정 등을 수행하여 제조되며, 그 예로는 반도체 소자 또는 디스플레이 소자를 들 수 있다.
상기와 같은 공정들 중 식각 공정은 그 수행을 위한 공간을 제공하는 공정 챔버, 외부로부터 상기 공정 챔버 내로 연결되어 상기 식각 공정에 해당하는 공정 가스를 상기 공정 챔버의 내부로 제공하는 가스 제공부 및 상기 공정 챔버의 내부에 배치되어 상기 기판을 지지하면서 정전기력을 이용해 고정하는 정전척을 포함하는 기판 처리 장치에 의해 진행된다.
상기 정전척은 상단에 정전 전극이 매설되어 있는 유전층이 구비되어, 상기 정전 전극으로 전압을 인가하여 유전층 상부에 정전기력을 형성함으로써, 유전층 상에 놓여지는 기판을 정전 흡착하여 고정하게 된다. 또한, 정전척은 상기 유전층의 하부에 상기 기판을 가열하기 위한 발열 전극이 배치된 열전도층을 포함한다. 상기 열전도층은 지지 몸체 상에 구비된다. 이러한, 정전척에 대한 일 예는 한국공개특허 제2009-0064555호에 개시되어 있다.
특히, 상기 발열 전극의 온도 조절이 가능한 온도 가변형 정전척의 경우, 식각 및 CVD(Chemical Vapor Deposition:화학적 기상 증착) 등의 반도체 공정에서 보다 효과적으로 이용될 수 있다. 이러한 온도 가변형 정전척은 열전도층의 열전달 효율과 온도 조절시의 열응답성을 최대화하는 특성이 요구되고 있다.
그런데, 종래의 정전척은 상기 발열 전극과 상하부 구조가 본딩에 의해 접착되는 구조를 가지고 있다. 이러한 본딩 구조에 의하면, 접착물로 형성되는 본딩층으로 인하여 열손실이 발생하여 열전달 효율과 열응답성이 떨어지고, 상기 본딩층의 내열성이 낮아 고온에서의 열적 내구성이 약화되는 문제점을 가지고 있다.
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 열전달 효율과 열응답성을 향상시고 고온에서의 열적 내구성을 강화시킬 수 있는 온도 가변형 정전척을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 과제는 상기한 온도 가변형 정전척을 포함하는 기판 처리 장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 온도 가변형 정전척은 유전층, 세라믹 열전도층, 절연층 및 지지 몸체를 포함한다. 상기 유전층은 상부에 놓여지는 기판을 흡착하기 위한 정전기력이 발생하는 정전 전극이 배치되고 제1 열전달 계수를 갖는다. 상기 세라믹 열전도층은 상기 유전층에 인접하는 제1 면 및 상기 제1 면에 반대하는 제2 면을 포함하고, 상기 기판을 가열하기 위한 열이 발생하는 발열 전극이 상기 제2 면에 패터닝되어 형성되며, 상기 제1 열전달 계수보다 높은 제2 열전달 계수를 갖는다. 상기 절연층은 상기 세라믹 열전도층의 제2 면과 접하여 일체로 형성되며, 상기 제1 열전달 계수보다 낮은 제3 열전달 계수를 갖는다. 상기 지지 몸체는 상기 절연층의 하부에 배치되고, 내부에 냉각 유로가 형성된다.
일 실시예에서, 상기 세라믹 열전도층 및 상기 절연층은 소성 공정을 통해 일체로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유전층, 세라믹 열전도층 및 절연층은 소성 공정을 통해 일체로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유전층 및 세라믹 열전도층은 질화알루미늄(AlN)으로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연층과 지지 몸체 사이에 구비되는 제2 유전층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 발열 전극은 상기 제2 면으로부터 상기 세라믹 열전도층의 외측으로 돌출되어 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 발열 전극은 상기 제2 면으로부터 상기 세라믹 열전도층의 내측으로 돌출되어 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 세라믹 열전도층은 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC) 및 질화규소(Si3N4)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나가 포함된 세라믹 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 세라믹 열전도층은 0.5mm 내지 2㎜의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 상기 발열 전극은 10㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 상기 발열 전극 간의 폭은 0.5mm 내지 2mm인 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 상기 절연층은 비정질 글라스계로 이루어진 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 상기 절연층은 50㎛ 내지 500㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위하여, 기판 처리 장치는 기판을 처리하기 위한 공간을 제공하는 공정 챔버, 상기 공정 챔버와 연결되며, 상기 기판을 처리하기 위한 공정 가스를 상기 공정 챔버의 내부로 제공하는 가스 제공부, 및 상기 공정 챔버의 내부에 배치되고, 상기 공정 가스를 통해 처리되는 기판을 지지하면서 고정하는 온도 가변형 정전척을 포함하며, 상기 온도 가변형 정전척은 상부에 놓여지는 상기 기판을 흡착하기 위한 정전기력이 발생하는 정전 전극이 배치되고 제1 열전달 계수를 갖는 유전층, 상기 유전층에 인접하는 제1 면 및 상기 제1 면에 반대하는 제2 면을 포함하고, 상기 기판을 가열하기 위한 열이 발생하는 발열 전극이 상기 제2 면에 패터닝되어 형성되며, 상기 제1 열전달 계수보다 높은 제2 열전달 계수를 갖는 세라믹 열전도층, 상기 세라믹 열전도층의 제2 면과 접하여 일체로 형성되며, 상기 제1 열전달 계수보다 낮은 제3 열전달 계수를 갖는 절연층, 및 상기 절연층의 하부에 배치되고, 내부에 냉각 유로가 형성된 지지 몸체를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 세라믹 열전도층 및 상기 절연층은 소성 공정을 통해 일체로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유전층, 세라믹 열전도층 및 절연층은 소성 공정을 통해 일체로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유전층 및 세라믹 열전도층은 질화알루미늄(AlN)으로 이루어질 수 있다.
이와 같은 온도 가변형 정전척 및 이를 포함하는 기판 처리 장치에 따르면, 세라믹 열전도층의 일면에 발열 전극을 패터닝하고, 세라믹 열전도층 하부에 배치되는 절연층을 본딩하지 않고 세라믹 열전도층과 일체로 형성함으로써, 본딩층에 의한 열손실을 방지하고 열전달 효율 및 열응답성을 향상시킬 수 있다.
또한, 소성공정을 통해 일체화된 세라믹 열전도층과 절연층은 발열 전극에 의해 발생하는 고온에 대하여 열적 내구성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 온도 가변형 정전척을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 가변형 정전척을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 1의 온도 가변형 정전척을 포함하는 기판 처리 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시된 온도 가변형 정전척의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 가변형 정전척을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 1의 온도 가변형 정전척을 포함하는 기판 처리 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시된 온도 가변형 정전척의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 발명의 명확성을 기하기 위해 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 설명하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 온도 가변형 정전척 및 그 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 온도 가변형 정전척을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 온도 가변형 정전척(100)은 유전층(110), 세라믹 열전도층(120a), 절연층(130a) 및 지지 몸체(140)를 포함한다.
유전층(110)은 상부에 놓여지는 기판(10)을 지지한다. 여기서, 기판(10)은 집적 회로 소자의 반도체 소자 또는 디스플레이 소자를 제조하기 위한 웨이퍼(wafer) 또는 유리기판일 수 있다.
유전층(110)에는 기판(10)을 고정하기 위하여 정전기력이 발생하는 정전 전극(115)이 배치된다. 여기서, 정전 전극(115)은 유전층(110)의 내부에 넓은 플레이트(plate) 형태로 매설될 수 있다. 정전 전극(115)은 열팽창률이 낮은 텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo) 또는 이들의 혼합물이 포함된 금속 물질로 이루어질 수 있다.
유전층(110)은 열전달 효율을 고려하여 약 10 W/(m·K) 내지 30 W/(m·K)의 제1 열전달 계수를 가질 수 있으며, 0.5mm 내지 5㎜의 두께를 가질 수 있다.
유전층(110)은 절연성의 세라믹 물질로 이루어진다. 구체적으로, 유전층(110)은 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화이트륨(Y2O3) 또는 이들의 혼합물이 포함된 세라믹 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 유전층(110)은 약 90% 내지 99% 함량의 산화알루미늄(Al2O3)에 산화마그네슘(MgO) 또는 산화규소(SiO2)를 첨가하여 조성되거나, 약 90% 내지 99% 함량의 산화이트륨(Y2O3)에 탄소(C), 흑연(Graphite), 탄소나노튜브(CNT)를 첨가하여 조성될 수 있다. 이럴 경우, 유전층(110)의 체적 저항은 약 1014Ω㎝ 내지 1016Ω㎝의 고저항 특성을 가지게 되며, 약 8 내지 12의 유전상수를 가질 수 있다.
세라믹 열전도층(120a)은 유전층(110)의 하부에 배치된다. 세라믹 열전도층(120a)은 유전층(110)에 인접하는 제1 면(121) 및 제1 면(121)에 반대하는 제2 면(122)을 포함한다. 세라믹 열전도층(120a)의 제2 면(122)에는 기판(10)을 가열하기 위한 열이 발생하는 발열 전극(125a)이 패터닝되어 형성된다. 발열 전극(125a)의 패터닝은 800℃ 이상의 고온에서 세라믹 소성 공정을 통해 형성되어 세라믹 열전도층(120a)과의 긴밀성을 높일 수 있다. 발열 전극(125a)과 세라믹 열전도층(120a)을 본딩으로 접합하는 종래기술의 경우, 내열성은 120℃에 미치지 못하지만, 본 발명과 같이 세라믹 소성 공정으로 일체화를 이룰 경우, 360℃ 이하의 온도에서 열적인 내구성을 갖는다.
발열 전극(125a)은 단면적으로 보았을 때 제2 면(122)으로부터 세라믹 열전도층(120a)의 외측으로 돌출되어 형성될 수 있다. 즉, 발열 전극(125a)의 일면이 세라믹 열전도층(120a)의 제2 면에 접하고, 세라믹 열전도층(120a)의 하부에 위치하는 절연층(130a)이 발열 전극(125a)의 측면과 일면에 대향하는 타면을 둘러싸는 구조를 갖는다. 여기서, 절연층(130a)의 두께는 발열 전극(125a)보다 두껍게 형성된다. 또한, 발열 전극(125a)은 평면적으로 보았을 때 나선 형상 또는 요철 형상으로 배치될 수 있다. 발열 전극(125a)은 단수 혹은 다수의 직렬/병렬 회로 구조로 구성 될 수 있다. 한편, 발열 전극(125a)은 컨트롤러(미도시)에 의해 발열 온도가 조절될 수 있다.
발열 전극(125a)의 제조 방법으로는 금속 페이스트 프린팅(Metal Paste Printing), 금속 스프레이 코팅, 플라즈마에 의한 금속박막 증착법 등이 적용될 수 있다. 예를 들어, 발열 전극(125a)은 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 또는 티타늄(Ti) 등의 금속 페이스트를 통해 제조할 수 있고, 이들은 단독으로 사용하거나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 발열 전극(125a)은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 또는 티타늄(Ti) 등의 분말 소재를 통해 제조될 수도 있고, 금(Au), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 질화티타늄(TiN) 등의 박막 소재를 통해 제조될 수도 있다. 발열 전극(125a)은 금속 소재를 주성분으로 하고, 부가로 세라믹 성분 등을 더 포함할 수 있다.
발열 전극(125a)은 약 1Ω 내지 100Ω의 저항을 가지며, 10㎛ 내지 300㎛의 두께, 3m 내지 30m의 길이로 형성될 수 있다. 발열 전극(125a)의 두께가 10㎛보다 작게 되면, 전열을 위한 전류를 통과가 어려울 수 있고, 300㎛를 초과 하게 되면, 세라믹 열전도층(120a)과 긴밀하게 형성하는 공정의 난이도가 높아지며, 세라믹 열전도층(120a)과의 사이에서 들뜸이 발생할 수 있다. 또한, 발열 전극(125a) 간의 폭은 0.5mm 내지 2mm로 형성될 수 있다. 발열 전극(125a) 간의 폭이 0.5mm 보다 작으면 전열시 인가되는 교류전류의 내전압성 확보가 어렵고, 2.0mm 보다 크면 기판(10)으로의 균일한 온도 제어가 어렵다.
세라믹 열전도층(120a)은 제1 열전달 계수보다 높은 제2 열전달 계수를 갖는다. 예를 들어, 제2 열전달 계수는 90 W/(m·K) 내지 320 W/(m·K) 인 것이 바람직하다. 또한, 세라믹 열전도층(120a)은 열전도성이 우수한 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나가 포함된 세라믹 물질로 이루어질 수 있으며, 0.5mm 내지 2㎜의 두께를 가질 수 있다. 세라믹 열전도층(120a)의 두께가 0.5mm 이하에서는 가공성이 낮으며, 열선(Heat Flux)이 겹치는 영역이 적어져서 온도 균일도가 나빠질 수 있다. 반면에 2.0mm 이상에서는 온도 균일도가 우수하나 열전달 효율이 낮아질 수 있다. 아울러, 세라믹 열전도층(120a)의 열전달 효율은 그 두께가 2.0mm 이상일 경우, 열전달 효율 특성이 포화되는 경향을 보이므로, 두께 증가 대비 열전달 효율 특성의 큰 향상을 기대하기는 어렵다.
절연층(130a)은 세라믹 열전도층(120a)의 하부에 배치된다. 절연층(130a)은 발열 전극(125a)으로부터 하부로 발생된 열을 차단하여 상부로 유도한다. 절연층(130a)에 의하여 상부로의 열전달을 증가시키고 하부로의 열손실은 감소시키면서 보다 효과적으로 기판을 균일하게 가열할 수 있다. 이를 위하여, 절연층(130a)은 세라믹 열전도층(120a)의 제2 열전달 계수뿐만 아니라 유전층(110)의 제1 열전달 계수보다도 더 낮은 제3 열전달 계수를 갖는다. 예를 들어, 제3 열전달 계수는 0.5 W/(m·K) 내지 5 W/(m·K)인 것이 바람직하다. 또한, 절연층(130a)은 108Ω㎝ 내지 1016Ω㎝의 체적저항을 가질 수 있다.
절연층(130a)은 세라믹 열전도층(120a)의 제2 면(122)과 접하여 일체로 형성된다. 세라믹 열전도층(120a)과 절연층(130a)은 소성 공정을 통해 일체화될 수 있다. 소성 공정은 조합된 원료를 가열하여 경화성 물질을 만드는 방법을 말한다. 즉, 각 레이어를 본딩으로 접합하는 종래기술과 달리, 발열 전극(125a)을 중심으로 상부에는 세라믹 열전도층(120a)을 소성 가공하고, 하부에는 절연층(130a)을 소성 가공하여 일체화시킨다. 본딩층의 내열성은 120℃에 미치지 못하지만, 본 실시예의 세라믹 열전도층(120a)과 절연층(130a)은 세라믹 소성공법으로 일체화를 이루어, 360℃ 이하의 온도에서 열적인 내구성을 갖는다.
한편, 다른 실시예로서, 유전층(110), 세라믹 열전도층(120a) 및 절연층(130a)은 모두 소성 공정을 통해 일체로 형성될 수 있다. 이 경우, 유전층(110)과 세라믹 열전도층(120a)은 질화알루미늄(AlN)으로 이루어질 수 있다. 따라서, 각 층을 본딩하지 않고 일체로 형성함으로써, 본딩층에 의한 열손실을 방지하고 열전달 효율 및 열응답성을 향상시킬 수 있다.
절연층(130a)은 비정질 글라스계 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 절연층(130a)은 산화규소(SiO2), 산화마그네슘(MgO), 산화 아연(ZnO) 등과 같은 고온 소성 타입의 글라스계 세라믹 물질로 이루어질 수 있고, 이들은 단독으로 사용하거나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 이와 달리, 절연층(130a)은 실리콘, 아크릴, 에폭시 등의 폴리머 물질이 단독으로 이루어질 수도 있고 또는 둘 이상을 혼합한 물질로 이루어질 수도 있다.
절연층(130a)은 50㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있다. 절연층(130a)의 두께가 약 50㎛ 미만일 경우에는 하부에 배치되는 지지 몸체(140)의 냉각 유로(145)에 흐르는 냉각 유체의 영향으로 기판(10)의 온도가 균일하지 못하게 될 뿐만 아니라 기판(10)으로 전달되는 열효율이 떨어지게 되어 발열 전극(125a)으로부터 불필요하게 많은 양의 열을 발생시켜야 하기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 상기와 같은 경우에는 절연층(130a)의 하부에 배치된 지지 몸체(140)로 비교적 많은 량의 열이 전달됨에 따라 이를 냉각시키기 위하여 냉각 유로(145)에 다량의 냉각 유체를 흘려주거나 냉각에 걸리는 시간이 많이 소요되므로 바람직하지 않다. 반면, 절연층(130a)의 두께가 약 500㎛를 초과할 경우에는 발열 전극(125a)으로부터 열을 차단하는 효과에 변화가 없으므로 구조 상 바람직하지 않다. 따라서, 절연층(130a)은 두껍지 않으면서 발열 전극(125a)으로부터 지지 몸체(140)로 전달되는 열을 효과적으로 차단할 수 있는 약 50㎛ 내지 500㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
지지 몸체(140)는 절연층(130a)의 하부에 배치되어, 상부 구성인 유전층(110), 세라믹 열전도층(120a) 및 절연층(130a)을 전체적으로 지지하는 받침대 역할을 수행한다. 지지 몸체(140)는 내부에 균일하게 분포된 냉각 유로(145)를 갖는다. 지지 몸체(140)는 냉각 유로(145)에 냉각 유체를 흘려줌으로써, 절연층(130a)으로부터 일부 전달된 열을 냉각시킬 수 있다.
한편, 온도 가변형 정전척(100)은 유전층(110)과 세라믹 열전도층(120a)을 본딩하는 제1 층(미도시), 및 절연층(130a)과 지지 몸체(140)를 본딩하는 제2 본딩층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 상부 유전층(110)의 제1 열전달 계수보다 높은 제2 열전달 계수를 갖는 세라믹 열전도층(120a)의 일면에 발열 전극(125a)을 패터닝하고, 제1 열전달 계수보다 낮은 제3 열전달 계수를 갖는 절연층(130a)을 세라믹 열전도층(120a)과 본딩하지 않고 일체로 형성함으로써, 본딩층에 의한 열손실을 방지하고 열전달 효율 및 열응답성을 향상시킬 수 있다.
또한, 소성 공정을 통해 일체화된 세라믹 열전도층(120a)과 절연층(130a)은 발열 전극(125a)에 의해 발생하는 고온에 대하여 열적 내구성을 확보할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 가변형 정전척을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 온도 가변형 정전척(100)은 유전층(110), 세라믹 열전도층(120b), 절연층(130b) 및 지지 몸체(140)를 포함한다. 본 실시예에서 발열 전극(125b)은 제2 면(122)으로부터 세라믹 열전도층(120b)의 내측으로 돌출되는 점과 제2 유전층(150)이 더 포함되는 점을 제외하고 정전척(100)의 기타 구성에 대한 설명은 도 1에서의 설명과 동일하므로 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
발열 전극(125b)은 단면적으로 보았을 때 제2 면(122)으로부터 세라믹 열전도층(120b)의 내측으로 돌출되어 형성될 수 있다. 즉, 발열 전극(125b)의 일면이 세라믹 열전도층(120b)의 하부에 위치하는 절연층(130b)의 일면에 접하고, 세라믹 열전도층(120b)이 발열 전극(125b)의 측면과 일면에 대향하는 타면을 둘러싸는 구조를 갖는다. 여기서, 세라믹 열전도층(120b)의 두께는 발열 전극(125b)보다 두껍게 형성될 수 있다. 한편, 발열 전극(125b), 세라믹 열전도층(120b) 및 절연층(130b)의 제조방법은 도 1의 실시예와 관련하여 설명된 제조방법과 동일하다.
이와 같이, 발열 전극(125b)이 세라믹 열전도층(120b)에 접하는 면적을 증가시킴으로써, 열전달을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 온도 가변형 정전척(100)은 절연층(130a)과 지지 몸체(140) 사이에 구비되는 제2 유전층(150)을 더 포함할 수 있다. 고온으로 갈수록 발열 전극(125a)으로부터 누설되는 전류가 증가될 수 있는데, 절연층(130a)과 지지 몸체(140) 사이에 제2 유전층(150)이 배치됨으로써 지지 몸체(140)로의 전류 누설을 차단할 수 있다. 제2 유전층(150)은 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화이트륨(Y2O3) 또는 이들의 혼합물이 포함된 세라믹 물질로 이루어질 수 있다. 제2 유전층(150)의 체적저항은 약 1010Ω㎝ 내지 1016Ω㎝의 저항 특성과 약 8 내지 12의 유전상수를 가질 수 있다. 제2 유전층(150)은 지지 몸체(140)로의 열손실 방지를 위해 유전층(110)과 동일한 약 10 W/(m·K) 내지 30 W/(m·K)의 제1 열전달 계수를 가질 수 있다. 여기서, 제2 유전층(150)은 제3 본딩층(미도시)에 의해 지지 몸체(140)에 부착될 수 있다.
도 3은 도 1의 온도 가변형 정전척을 포함하는 기판 처리 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(1000)는 공정 챔버(200), 가스 제공부(300) 및 온도 가변형 정전척(100)을 포함한다.
공정 챔버(200)는 반도체 소자 또는 디스플레이 소자와 같은 집적 회로 소자를 제조하기 위하여 기판(10)을 처리하는 공간을 제공한다. 예를 들어, 공정 챔버(200)에서는 기판(10)을 대상으로 식각 공정이 수행될 수 있다. 이때, 공정 챔버(200)의 내부는 식각 공정이 보다 원활하게 이루어지도록 고진공 상태가 유지될 수 있다.
가스 제공부(300)는 공정 챔버(200)와 연결된다. 가스 제공부(300)는 기판(10)을 처리하기 위한 공정 가스(20)를 외부로부터 공정 챔버(200)의 내부로 제공한다. 이때, 가스 제공부(300)는 원활한 제공을 위하여 공정 챔버(200)의 상부에 연결될 수 있다.
여기서, 공정 가스(20)는 식각 공정 시 필요한 플라즈마의 생성을 위한 불활성 가스, 또는 실질적인 식각을 위한 소오스 가스일 수 있다. 한편, 가스 제공부(300)에는 공정 챔버(200)의 내부에서 플라즈마가 생성되도록 외부로부터 고주파 전압이 인가될 수 있다.
온도 가변형 정전척(100)은 공정 챔버(200)의 내부에 배치된다. 구체적으로, 정전척(100)은 공정 챔버(200)의 하부에 배치되어 기판(10)을 지지하면서 고정한다.
이러한 온도 가변형 정전척(100)은 도 1 및 도 2를 참조한 설명에서와 같이 열전달 효율 및 열응답성을 향상시킬 수 있음에 따라, 기판 처리 장치(1000)의 생산성 및 열적 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 정전척의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 정전척(100)의 제조 방법은 발열 전극(125a)이 패터닝된 세라믹 열전도층(120a)을 형성한다(S110). 세라믹 열전도층(120a)은 제1 면(121) 및 제1 면(121)에 반대하는 제2 면(122)을 포함한다. 세라믹 열전도층(120a)의 제2 면(122)에는 기판(10)을 가열하기 위한 열이 발생하는 발열 전극(125a)이 패터닝되어 형성된다. 발열 전극(125a)의 패터닝은 800℃ 이상의 고온에서 세라믹 소성 공정을 통해 형성되어 세라믹 열전도층(120a)과의 긴밀성을 높일 수 있다. 발열 전극(125a)과 세라믹 열전도층(120a)을 본딩으로 접합하는 종래기술의 경우, 내열성은 120℃에 미치지 못하지만, 본 발명과 같이 세라믹 소성 공정으로 일체화를 이룰 경우, 360℃ 이하의 온도에서 열적인 내구성을 갖는다.
발열 전극(125a)은 단면적으로 보았을 때 제2 면(122)으로부터 세라믹 열전도층(120a)의 외측으로 돌출되어 형성될 수 있다. 발열 전극(125a)의 제조 방법으로는 금속 페이스트 프린팅(Metal Paste Printing), 금속 스프레이 코팅, 플라즈마에 의한 금속박막 증착법 등이 적용될 수 있다.
다른 실시예로서, 발열 전극(125a)은 도 2에 도시된 바와 같이, 세라믹 열전도층(120b)의 제2 면(122)으로부터 세라믹 열전도층(120b)의 내측으로 돌출되어 형성될 수 있다.
다음으로, 세라믹 열전도층(120a)과 절연층(130a)을 소성공정으로 일체화한다(S120). 절연층(130a)은 세라믹 열전도층(120a)의 제2 면(122)과 접하여 일체로 형성된다. 세라믹 열전도층(120a) 및 절연층(130a)은 소성공정을 통해 일체화될 수 있다. 소성공정은 조합된 원료를 가열하여 경화성 물질을 만드는 방법을 말한다. 즉, 각 레이어를 본딩으로 접합하는 종래기술과 달리, 발열 전극(125a)을 중심으로 상부에는 세라믹 열전도층(120a)을 소성 가공하고, 하부에는 절연층(130a)을 소성 가공하여 일체화시킨다.
다음으로, 세라믹 열전도층(120a) 상에 정전 전극(115)이 배치된 유전층(110)을 본딩한다(S130). 유전층(110)과 세라믹 열전도층(120a) 사이에는 양자를 본딩하는 제1 본딩층이 구비될 수 있다. 유전층(110)에는 기판(10)을 고정하기 위하여 정전기력이 발생하는 정전 전극(115)이 배치된다. 여기서, 정전 전극(115)이 배치된 유전층(110)은 미리 준비될 수 있으며, 단계 S130과 단계 S140의 순서는 필요에 따라 변경될 수 있다.
한편, 다른 실시예로서, 유전층(110), 세라믹 열전도층(120a) 및 절연층(130a)은 모두 소성 공정을 통해 일체로 형성될 수 있다. 이 경우, 유전층(110)과 세라믹 열전도층(120a)은 질화알루미늄(AlN)으로 이루어질 수 있다. 따라서, 각 층을 본딩하지 않고 일체로 형성함으로써, 본딩층에 의한 열손실을 방지하고 열전달 효율 및 열응답성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 지지 몸체(140) 상에 절연층(130a)을 본딩한다(S140). 절연층(130a)과 지지 몸체(140) 사이에는 양자를 본딩하는 제2 본딩층이 구비될 수 있다. 지지 몸체(140)는 절연층(130a)의 하부에 배치되어, 상부 구성인 유전층(110), 세라믹 열전도층(120a) 및 절연층(130a)을 전체적으로 지지하는 받침대 역할을 수행한다.
또한, 온도 가변형 정전척(100)은 절연층(130a)과 지지 몸체(140) 사이에 구비되는 제2 유전층(150)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 제2 유전층(150)은 제3 본딩층(미도시)에 의해 지지 몸체(140)에 부착될 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 세라믹 열전도층의 일면에 발열 전극을 패터닝하고, 세라믹 열전도층 하부에 배치되는 절연층을 본딩하지 않고 세라믹 열전도층과 일체로 형성함으로써, 본딩층에 의한 열손실을 방지하고 열전달 효율 및 열응답성을 향상시킬 수 있다.
또한, 소성공정을 통해 일체화된 세라믹 열전도층과 절연층은 발열 전극에 의해 발생하는 고온에 대하여 열적 내구성을 확보할 수 있다.
따라서, 상기 정전척 및 이를 포함하는 기판 처리 장치는 생산성 및 생산물의 품질을 향상시켜 경쟁력을 확보할 수 있다.
10 : 기판 20 : 공정 가스
100 : 온도 가변형 정전척 110 : 유전층
115 : 정전 전극 120a, 120b : 세라믹 열전도층
125a, 125b : 발열 전극 130a, 130b : 절연층
140 :지지 몸체 145 : 냉각 유로
150 : 제2 유전층
200 : 공정 챔버 300 : 가스 제공부
1000 : 기판 처리 장치
100 : 온도 가변형 정전척 110 : 유전층
115 : 정전 전극 120a, 120b : 세라믹 열전도층
125a, 125b : 발열 전극 130a, 130b : 절연층
140 :지지 몸체 145 : 냉각 유로
150 : 제2 유전층
200 : 공정 챔버 300 : 가스 제공부
1000 : 기판 처리 장치
Claims (15)
- 상부에 놓여지는 기판을 흡착하기 위한 정전기력이 발생하는 정전 전극이 배치되고 제1 열전달 계수를 갖는 유전층;
상기 유전층에 인접하는 제1 면 및 상기 제1 면에 반대하는 제2 면을 포함하고, 상기 기판을 가열하기 위한 열이 발생하는 발열 전극이 상기 제2 면에 패터닝되어 형성되며, 상기 제1 열전달 계수보다 높은 제2 열전달 계수를 갖는 세라믹 열전도층;
상기 세라믹 열전도층의 제2 면과 접하여 일체로 형성되며, 상기 제1 열전달 계수보다 낮은 제3 열전달 계수를 갖는 절연층; 및
상기 절연층의 하부에 배치되고, 내부에 냉각 유로가 형성된 지지 몸체를 포함하고,
상기 발열 전극은 상기 세라믹 열전도층의 외측인 절연층 쪽으로 돌출되도록 형성되며, 상기 세라믹 열전도층의 하부에 위치하는 상기 절연층이 상기 발열 전극의 측면과 일면에 대향하는 타면을 둘러싸는 구조를 갖고,
상기 유전층, 상기 세라믹 열전도층 및 상기 절연층은 소성 공정을 통해 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 온도 가변형 정전척. - 삭제
- 삭제
- 제1 항에 있어서, 상기 절연층과 지지 몸체 사이에 구비되는 제2 유전층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 가변형 정전척.
- 삭제
- 삭제
- 제1 항에 있어서, 상기 세라믹 열전도층은 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC) 및 질화규소(Si3N4)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나가 포함된 세라믹 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 온도 가변형 정전척.
- 제1 항에 있어서, 상기 세라믹 열전도층은 0.5mm 내지 2㎜의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 온도 가변형 정전척.
- 제1 항에 있어서, 상기 발열 전극은 10㎛ 내지 300㎛의 두께를 것을 특징으로 하는 온도 가변형 정전척.
- 제1 항에 있어서, 상기 발열 전극 간의 폭은 0.5mm 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 온도 가변형 정전척.
- 제1 항에 있어서, 상기 절연층은 비정질 글라스계 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 온도 가변형 정전척.
- 제1 항에 있어서, 상기 절연층은 50㎛ 내지 500㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 온도 가변형 정전척.
- 기판을 처리하기 위한 공간을 제공하는 공정 챔버;
상기 공정 챔버와 연결되며, 상기 기판을 처리하기 위한 공정 가스를 상기 공정 챔버의 내부로 제공하는 가스 제공부; 및
상기 공정 챔버의 내부에 배치되고, 상기 공정 가스를 통해 처리되는 기판을 지지하면서 고정하는 온도 가변형 정전척을 포함하며,
상기 온도 가변형 정전척은
상부에 놓여지는 상기 기판을 흡착하기 위한 정전기력이 발생하는 정전 전극이 배치되고 제1 열전달 계수를 갖는 유전층;
상기 유전층에 인접하는 제1 면 및 상기 제1 면에 반대하는 제2 면을 포함하고, 상기 기판을 가열하기 위한 열이 발생하는 발열 전극이 상기 제2 면에 패터닝되어 형성되며, 상기 제1 열전달 계수보다 높은 제2 열전달 계수를 갖는 세라믹 열전도층;
상기 세라믹 열전도층의 제2 면과 접하여 일체로 형성되며, 상기 제1 열전달 계수보다 낮은 제3 열전달 계수를 갖는 절연층; 및
상기 절연층의 하부에 배치되고, 내부에 냉각 유로가 형성된 지지 몸체를 포함하고,
상기 발열 전극은 상기 세라믹 열전도층의 외측인 절연층 쪽으로 돌출되도록 형성되며, 상기 세라믹 열전도층의 하부에 위치하는 상기 절연층이 상기 발열 전극의 측면과 일면에 대향하는 타면을 둘러싸는 구조를 갖고,
상기 유전층, 상기 세라믹 열전도층 및 상기 절연층은 소성 공정을 통해 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치. - 삭제
- 삭제
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20120216 |
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| PG1501 | Laying open of application | ||
| A201 | Request for examination | ||
| PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20170117 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20120216 Comment text: Patent Application |
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20180821 Patent event code: PE09021S01D |
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| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| PE0601 | Decision on rejection of patent |
Patent event date: 20190226 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20180821 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |
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| AMND | Amendment | ||
| PX0901 | Re-examination |
Patent event code: PX09011S01I Patent event date: 20190226 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PX09012R01I Patent event date: 20181018 Comment text: Amendment to Specification, etc. |
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| PX0701 | Decision of registration after re-examination |
Patent event date: 20190429 Comment text: Decision to Grant Registration Patent event code: PX07013S01D Patent event date: 20190411 Comment text: Amendment to Specification, etc. Patent event code: PX07012R01I Patent event date: 20190226 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PX07011S01I Patent event date: 20181018 Comment text: Amendment to Specification, etc. Patent event code: PX07012R01I |
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| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| PR0701 | Registration of establishment |
Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20190502 Patent event code: PR07011E01D |
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| PR1002 | Payment of registration fee |
Payment date: 20190502 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
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| PG1601 | Publication of registration | ||
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20220304 Start annual number: 4 End annual number: 4 |
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| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20240312 Start annual number: 6 End annual number: 6 |