KR20220158635A - 정전 척, 이를 포함하는 정전 척 히터 및 반도체 유지장치 - Google Patents

정전 척, 이를 포함하는 정전 척 히터 및 반도체 유지장치 Download PDF

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KR20220158635A
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Abstract

정전 척이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 의한 정전 척은 질화규소 소결체, 상기 질화규소 소결체 외부면을 적어도 일부 덮는 내식성 및 내플라즈마성 표면개질층 및 상기 질화규소 소결체 내부에 매설된 정전전극을 포함하여 구현된다. 이에 의하면, 질화규소인 세라믹스 소결체를 구비함에 따라서 종전 많이 사용되어오던 질화알루미늄 세라믹스 소결체에 대비해 동등 또는 유사 수준의 방열성능을 발현하면서도 내플라즈마성, 내화학성 및 내열충격성이 뛰어남에 따라서 반도체 공정에 널리 이용될 수 있다.

Description

정전 척, 이를 포함하는 정전 척 히터 및 반도체 유지장치{Electrostatic chuck, electrostatic chuck heater and semiconductor holding device comprising the same}
본 발명은 정전 척, 이를 포함하는 정전 척 히터 및 반도체 유지장치에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼의 반송, 노광, 화학 기상 증착(CVD), 스퍼터링 등과 같은 막 제조 공정 및 미세 가공, 세정, 에칭, 다이싱 등의 일련의 단계에서, 반도체 웨이퍼를 흡착하고 유지하기 위하여 정전 척이 사용되고 있다. 이러한 정전 척의 기판(substrate)으로서 치밀질 세라믹에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히, 반도체 제조를 위한 장치에서는, 에칭 가스나 클리닝 가스로서 ClF3 등과 같은 할로겐 부식성 가스를 많이 이용한다. 또한, 반도체 웨이퍼를 척에 끼우면서 급속하게 가열하고 냉각시키기 위해서는, 정전 척의 기판이 높은 열 전도성을 구비할 것이 요구된다. 나아가 이와 같은 급격한 온도 변화에 의해 쉽게 파괴되지 않는 이러한 높은 내열충격성 또한 요구된다. 더불어 반도체 공정에서 식각이나 증착에 플라즈마 방식이 이용됨에 따라서 내플라즈마성을 갖는 정전 척의 기판에 대한 요구가 나날이 증가하고 있다.
그러나 정전 척 기판의 재질로 많이 사용되는 질화알루미늄의 경우 방열특성은 우수하나, 반도체 공정 중 플라즈마 방식이 이용되는 식각이나 증착공정에서 플라즈마에 의해 손상 받기 쉬워 내구성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 열충격에 의해 크랙 발생이 잦은 문제가 있다. 더불어 플라즈마 또는 열충격에 의한 내구성 감소는 정전 척의 교체주기를 단축시키는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-1998-0031739호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 반도체 공정 중 가해지는 부식성 가스 등의 화학물질에 대한 내화학성, 플라즈마 처리에 대한 내플라즈마성 및 급격한 온도변화에 따른 내열충격성을 가지면서도 방열특성이 우수한 정전 척, 이를 포함하는 정전 척 히터 및 반도체 유지장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 질화규소 소결체, 상기 질화규소 소결체 외부면을 적어도 일부 덮는 내식성 및 내플라즈마성 표면개질층 및 상기 질화규소 소결체 내부에 매설된 정전전극을 포함하는 정전척을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 표면개질층은 SiO2, Y2O3, Y4Al2O9(YAM), Al2O3, Y3Al5O12(YAG), YAlO3(YAP), SiC, 사이알론(Sialon), AlN, AlON, TiO2, ZrO2, TiC, ZrC, TiN, TiCN 및 Y2O3 안정화된 ZrO2(YSZ)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 질화규소 소결체는 다결정 실리콘이 9 중량% 이하인 질화규소 분말이 소결되어 형성된 것일 수 있다.
또한, 상기 질화규소 소결체는 α 결정상과 β 결정상의 중량 총합에서 α 결정상의 중량비율이 0.7 이상인 질화규소 분말이 소결되어 형성된 것일 수 있다.
또한, 상기 질화규소 소결체는 열전도도가 70W/mK 이상이고, 3점 꺽임강도가 650 MPa 이상일 수 있다.
또한, 상기 질화규소 소결체는 질화규소 분말을 소결시켜 제조하며, 상기 질화규소 분말은, 금속 실리콘 분말, 및 희토류 원소 함유 화합물과 마그네슘 함유 화합물을 포함하는 결정상 제어 분말을 포함하는 혼합원료분말을 제조하는 단계; 상기 혼합원료분말에 유기바인더를 혼합하여 소정의 입경을 가지는 그래뉼로 제조하는 단계; 상기 그래뉼에 소정의 압력으로 질소가스를 가하면서 1200 ~ 1500℃ 범위 내 소정의 온도로 질화처리하는 단계; 및 질화처리된 그래뉼을 분쇄시키는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
또한, 상기 금속 실리콘 분말은 분쇄 중 금속 불순물로 오염되는 것을 최소화하기 위하여 다결정 금속 실리콘 스크랩(scrap) 또는 단결정 실리콘 웨이퍼 스크랩을 건식 분쇄시킨 것일 수 있다.
또한, 상기 금속 실리콘 분말은 평균입경이 0.5 내지 4㎛, 희토류 원소 함유 화합물 분말은 평균입경이 0.1 내지 1㎛, 마그네슘 함유 화합물 분말은 평균입경이 0.1 내지 1㎛일 수 있다.
또한, 상기 그래뉼은 D50 값이 100㎛ 이하, 보다 바람직하게는 20 ~ 55㎛일 수 있다.
또한, 상기 희토류 원소 함유 화합물은 산화이트륨이며, 상기 마그네슘 함유 화합물은 산화마그네슘이고, 혼합원료분말에 상기 산화이트륨은 2 내지 5몰%, 상기 산화마그네슘은 2 내지 10몰%로 포함될 수 있다.
또한, 질화처리 시 상기 질소가스는 0.1 내지 0.2MPa의 압력으로 가해질 수 있다.
또한, 질화처리 시 1000℃ 이상에서부터 소정의 온도까지 0.5 내지 10℃/분의 승온속도로 가열될 수 있다.
또한, 본 발명은 웨이퍼가 흡착되는 제1면과 이에 대향하는 제2면을 가지는 정전척 히터에 있어서, 상기 정전척 히터는 어느 일면이 상기 제1면인 제1세라믹스 소결체 및 상기 제1세라믹스 소결체 내부에 매설된 정전전극을 포함하는 정전척부, 및 어느 일면이 상기 제2면인 제2세라믹스 소결체 및 상기 제2세라믹스 소결체 내부에 매설된 적어도 하나의 저항 발열체를 포함하는 히터부를 구비하며, 상기 제1세라믹스 소결체 및 제2세라믹스 소결체 중 어느 하나 이상은 외부면의 적어도 일부에 내플라즈마성 및 내식성 표면개질층이 구비된 질화규소 소결체인 정전척 히터를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1세라믹스 소결체 및 제2세라믹스 소결체는 동시 소결되어 하나의 몸체로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 정전척 히터, 및 상기 정전척 히터의 제2면측에 배치되는 냉각부재를 포함하는 반도체 유지장치를 제공한다.
본 발명에 따른 정전 척은 질화규소인 세라믹스 소결체를 구비함에 따라서 종전 많이 사용되어오던 질화알루미늄 세라믹스 소결체에 대비해 동등 또는 유사 수준의 방열성능을 발현하면서도 내플라즈마성, 내화학성 및 내열충격성이 뛰어남에 따라서 반도체 공정에 널리 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 척의 단면모식도, 그리고
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 척 히터의 단면모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 척(10)은 질화규소 소결체(11), 표면개질층(13) 및 정전전극(12)을 포함하여 구현된다.
정전 척(10)은 대상물, 예를 들어 반도체 웨이퍼를 정전 인력에 의해 흡착하여 유지시키는 장치로써, 일 예로 반도체 제조공정에서 반도체 웨이퍼를 고정시키기 위해 사용된다. 상기 정전 척(10)은 파지하는 대상물의 모양에 부합하는 지지면을 가질 수 있으며, 일 예로 웨이퍼의 모양에 부합하도록 정전 척(10)은 원반 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 정전 척(10)의 크기는 통상적인 반도체 제조에 이용되는 정전 척의 크기일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 질화규소 소결체(11)는 정전 척(10)의 몸체에 해당하는 것으로써, 내부에 매설되는 정전전극(12)을 지지하고, 반도체 웨이퍼와 같은 흡착 대상물을 흡착시킬 지지면을 제공하는 역할을 수행한다. 상기 질화규소 소결체(11)는 내플라즈마성, 내화학성, 내열충격성이 뛰어나고 방열특성도 우수해 특히 반도체 공정에 이용되는 정전 척에 유용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 질화규소 소결체(11)는 상술한 물성들에 있어 보다 개선된 특성을 발현하도록 후술하는 제조방법으로 제조된 질화규소 분말을 통해 구현된 것일 수 있다.
구체적으로 상기 질화규소 분말은, 금속 실리콘 분말, 및 희토류 원소 함유 화합물과 마그네슘 함유 화합물을 포함하는 결정상 제어 분말을 포함하는 혼합원료분말을 제조하는 단계; 상기 혼합원료분말에 유기바인더를 혼합하여 소정의 입경을 가지는 그래뉼을 제조하는 단계; 상기 그래뉼에 소정의 압력으로 질소가스를 가하면서 1200 ~ 1500℃ 범위 내 소정의 온도로 질화처리하는 단계; 및 질화처리된 그래뉼을 분쇄시키는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
먼저, 금속 실리콘 분말, 및 희토류 원소 함유 화합물과 마그네슘 함유 화합물을 포함하는 결정상 제어 분말을 포함하는 혼합원료분말을 제조하는 단계에 대해서 설명한다.
상기 원료분말로써 주제인 금속 실리콘 분말은 직접 질화법을 통해 질화규소 분말을 제조할 수 있는 금속 실리콘 분말의 경우 제한 없이 사용할 수 있다. 일 예로 상기 금속 실리콘 분말은 다결정 금속 실리콘 스크랩(scrap) 또는 단결정 실리콘 웨이퍼 스크랩일 수 있다. 상기 다결정 금속 실리콘 스크랩은 반도체 공정용 치구나 태양광 패널 제조용으로 사용되는 다결정 금속 실리콘의 부산물일 수 있고, 단결정 실리콘 웨이퍼 스크랩 역시 실리콘 웨이퍼 제조 시 부산물임에 따라서 부산물인 이들 스크랩을 원료분말로써 사용함을 통해 제조단가를 낮출 수 있다.
또한, 상기 다결정 금속 실리콘 스크랩 또는 단결정 실리콘 웨이퍼 스크랩은 순도가 99% 이상일 수 있으며, 이를 통해 제조된 질화규소 분말을 소결 시 소결체의 열전도도와 기계적 강도를 담보하기에 보다 유리할 수 있다.
또한, 상기 금속 실리콘 분말은 저항율이 1 내지 100 Ω·㎝일 수 있으며, 이를 통해서 본 발명이 목적하는 물성을 갖는 질화규소 분말을 제조하기 보다 유리할 수 있다.
한편, 원료분말로 사용되는 금속 실리콘 분말은 바람직하게는 다결정 금속 실리콘 스크랩(scrap) 또는 단결정 실리콘 웨이퍼 스크랩을 소정의 크기로 분쇄시킨 것일 수 있다. 이때, 분쇄로 인한 금속 불순물과 같은 오염물질이 원료분말에 혼입되는 것을 방지하기 위하여 상기 분쇄는 건식분쇄 방식을 사용할 수 있고, 구체적으로 디스크밀, 핀밀, 젯밀 등의 건식분쇄 방식을 사용하여 분말화시킬 수 있다. 만일 오염물질이 금속 실리콘 분말에 함유 시 오염물질의 제거를 위한 산세정과 같은 세척공정을 더 거쳐야 하는 제조시간과 비용 증가의 우려가 있다. 이때 분쇄된 상기 금속 실리콘 분말의 평균입경은 0.5 ~ 4㎛, 보다 바람직하게는 2 ~ 4㎛일 수 있으며, 만일 평균입경이 0.5㎛ 미만일 경우 건식분쇄 방식을 통해 구현하기 어려울 수 있고, 미분말화로 인해서 오염물질의 혼입가능성이 커질 우려가 있으며, 시트 캐스팅 시 치밀화가 어려울 수 있다. 또한, 만일 금속 실리콘 분말의 평균입경이 4㎛를 초과 시 질화가 용이하지 않아서 질화되지 않은 부분이 존재할 우려가 있으며, 최종 소결체의 치밀화가 어려울 수 있다.
한편, 질화규소는 자기확산이 어렵고, 고온에서 열분해될 수 있어서 소결온도가 제한되는 등의 이유로 소결이 용이하지 않고, 치밀한 소결체를 구현하기 어려우며, 직접 질화법으로 질화규소 분말을 제조 시 결정상 제어가 어려울 수 있어서 이러한 난점을 해결하고, 산소 등의 불순물을 제거하여 질화규소 분말이 소결된 기판의 물성을 개선하기 위하여 금속 실리콘 분말에 결정상 제어 분말을 혼합한 혼합원료분말을 원료분말로써 사용한다. 상기 결정상 제어 분말은 일 예로 희토류 원소 함유 화합물, 알칼리토류 금속 산화물 및 이들의 조합이 사용될 수 있으며, 구체적으로 산화마그네슘(MgO), 산화이트륨(Y2O3), 산화가돌리늄(Gd2O), 산화홀뮴(Ho2O3), 산화에르븀(Er2O3), 산화이르테븀(Yb2O3), 및 산화디스프로슘(Dy2O3)으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. 다만 본 발명은 질화규소 분말의 결정상 제어가 보다 용이하게 하기 위하여 산화마그네슘 및 산화이트륨을 결정상 제어 분말에 필수적으로 함유하며, 상기 산화마그네슘 및 산화이트륨은 제조된 질화규소 분말을 이용해 소결체를 제조 시 보다 치밀화된 높은 밀도의 소결체를 구현하고, 소결 중 잔류 입계 상의 양을 저감시켜서 소결체의 열전도도를 보다 개선시킬 수 있는 이점이 있다.
일 예로 혼합원료분말에 상기 산화이트륨은 2 내지 5몰%, 상기 산화마그네슘은 2 내지 10몰%로 포함될 수 있다. 만일 산화이트륨이 2 몰% 미만일 경우 구현된 질화규소 분말을 소결 시 치밀화된 소결체를 구현하기 어려울 수 있고, 입계 상에 산소를 포획하기 어렵고 이로 인해서 고용 산소량이 많아져 소결체의 열전도도가 낮을 수 있으며, 기계적 강도도 저하될 수 있다. 또한, 만일 산화이트륨이 5몰%를 초과 시 입계 상이 많아져서 구현된 질화규소 분말을 소결한 소결체의 열전도도가 저하되고, 파괴인성이 저하되는 우려가 있다. 또한, 산화마그네슘이 2몰% 미만일 경우 구현된 질화규소 분말을 소결한 소결체의 열전도도 및 기계적 강도가 모두 낮을 수 있고, 질화 시 실리콘이 용출될 우려가 있으며, 치밀화된 소결체를 제조하기 어려울 수 있다. 또한, 만일 산화마그네슘이 10몰%를 초과할 경우 소결 시 입계에 마그네슘의 잔류량이 많아지고 이로 인해서 구현된 소결체의 열전도도가 낮아질 수 있으며, 질화규소 분말의 소결이 용이하지 않고, 파괴인성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 희토류 원소 함유 화합물분말은 평균입경이 0.1 내지 1㎛, 마그네슘 함유 화합물 분말은 평균입경이 0.1 내지 1㎛인 것을 사용할 수 있으며, 이를 통해서 본 발명의 목적을 달성하기에 보다 유리할 수 있다.
다음으로 준비된 혼합원료분말에 유기바인더를 혼합하여 소정의 입경을 가지는 그래뉼을 제조하는 단계를 수행한다.
혼합원료분말을 곧바로 질화시키지 않고, 소정의 입경을 가지는 그래뉼로 제조한 뒤 그래뉼에 대해서 후술하는 질화공정을 수행하는데, 이를 통해 혼합원료분말의 혼합균일성을 높여 제조되는 질화규소 분말의 결정상을 보다 용이하게 제어할 수 있고, Si2Y2O5인 2차상을 형상시킬 수 있어서 소결체의 열전도도를 보다 개선할 수 있으며, 균일한 특성을 가지는 질화규소 분말을 제조할 수 있다.
상기 그래뉼은 D50 값이 100㎛ 이하, 보다 바람직하게는 20 내지 100㎛, 보다 더 바람직하게는 20 ~ 55㎛일 수 있는데, 만일 D50이 100㎛를 초과 시 그래뉼 내부로 질소 가스의 유입이 원활하지 못해 질화가 완전히 일어나지 못하고, 질화되지 못한 실리콘이 용융되어 그래률 밖으로 용출될 수 있으며, 이와 같은 질화규소분말을 소결체로 제조할 경우 질화규소 분말 제조 시 용출되었던 실리콘이 다시 소결체의 소결과정에서 밖으로 용출될 수 있는 우려가 있다. 여기서 D50 값이란 레이저 회절 산란법을 사용하여 측정한 50％ 체적 기준에서의 값을 의미한다.
한편, 상기 그래뉼은 건식분무법을 통해 수득될 수 있고, 건식분무법을 수행할 수 있는 공지의 조건, 장치를 이용해 수득될 수 있어서 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다. 또한, 혼합원료 분말은 유기바인더와 혼합된 슬러리로 구현된 뒤 건식분무되는데, 상기 유기바인더는 세라믹분말을 그래뉼로 구현하기 위해서 슬리러화 시 사용되는 유기바인더의 경우 제한 없이 사용할 수 있다. 일예로 상기 유기바인더는 폴리비닐부티랄(PVB)계 바인더를 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 그래뉼 제조 시 유기바인더가 함유되나 미량으로 함유 시 후술하는 질화공정 이전에 탈지공정을 별도로 더 거치지 않을 수 있다. 이때, 혼합원료 분말에 유기바인더 혼합 시 용매를 더 혼합할 수 있다. 상기 용매는 세라믹분말을 그래뉼로 구현하기 위해서 슬리러화 시 사용되는 용매의 경우 제한 없이 사용할 수 있다. 일예로, 상기 용매는 에탄올, 메탄올, 이소프로판올, 증류수 및 아세톤 중 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
다음으로 수득된 그래뉼에 소정의 압력으로 질소가스를 가하면서 1200 ~ 1500℃ 범위 내 소정의 온도로 질화처리하는 단계를 수행한다.
이때, 질화처리 시 상기 질소가스는 0.1 내지 0.2MPa의 압력으로 가해질 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.15내지 0.17MPa의 압력으로 가해질 수 있다. 만일 질소 가스 압력이 0.1MPa 미만일 경우 질화가 완전히 일어나지 않을 수 있다. 또한, 질소가스 압력이 0.2MPa를 초과 시 질화 과정에서 실리콘이 용출되는 현상이 발생된다. 또한, 질화처리 시 1000℃ 이상에서부터 소정의 온도까지 0.5 내지 10℃/분의 승온속도로 가열될 수 있는데, 만일 1000℃ 이상에서부터 소정의 온도까지 승온속도가 0.5℃/분 미만일 경우 소결 시간이 과도히 연장될 수 있다. 또한, 승온 속도가 10℃/분을 초과 시 실리콘이 용출되어 완전히 질화규소로 질화된 분말을 제조하기 어려울 수 있다.
또한, 질화처리 시 온도는 1200 ~ 1500℃ 범위 내에서 선택될 수 있는데, 만일 질화처리 시 온도가 1200℃ 미만일 경우 질화가 균일하게 일어나지 않을 수 있다. 또한, 질화처리 시 온도가 1500℃를 초과 시 β 결정상이 빠르게 형성됨에 따라서 이와 같은 질화규소 분말을 이용해 소결체를 제조 시 치밀화가 어려울 수 있다.
다음으로 질화처리된 그래뉼을 분쇄시키는 단계를 수행한다.
질화처리된 그래늄을 질화규소 분말로 제조하는 단계로써, 분쇄 시 오염물질의 혼입을 방지하도록 바람직하게는 건식방법에 의할 수 있으며, 일 예로 에어 제트밀을 통해서 수행할 수 있다.
상술한 제조방법으로 제조되는 질화규소 분말은 용융된 실리콘 유래의 다결정 실리콘이 9중량% 이하이며, 이와 같은 질화규소 분말은 기계적 강도 및 열전도도가 향상된 소결체를 제조하기에 적합할 수 있다. 바람직하게는 상기 질화규소 분말은 용융된 실리콘 유래의 다결정 실리콘을 8중량% 이하, 보다 바람직하게는 6중량% 이하, 보다 더 바람직하게는 4중량% 이하, 더욱 바람직하게는 0중량%로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, α 결정상과 β 결정상의 중량 총합에서 α 결정상의 중량비율이 0.7 이상일 수 있는데, 만일 α 결정상과 β 결정상의 중량 총합에서 α 결정상의 중량비율이 0.7 미만일 경우 질화규소 분말을 통해 소결된 소결체의 치밀성을 높이기 어려울 수 있고, 열전도도와 기계적 강도 개선이 어려우며 특히 기계적 강도 개선이 어려울 수 있다.
또한, 상기 질화규소 분말은 이를 통해 구현되는 소결체의 입계 상에 Si2Y2O5인 2차상을 보다 균일하게 형성시킬 수 있고, 이를 통해서 소결체의 열전도도 개선에 상승된 효과를 발현할 수 있다.
또한, 상기 질화규소 분말은 평균입경이 2 ~ 4㎛일 수 있으며, 이를 통해 기계적 강도 및 열전도도가 개선된 소결체를 구현하기에 보다 유리할 수 있다.
상술한 질화규소 분말은 목적하는 소정의 형상, 예를 들어 원반형의 성형체로 제조된 뒤 소결공정을 거쳐서 질화규소 소결체(11)로 구현될 수 있다. 상기 성형체는 공지의 시트 적층법이나 프레스 성형법을 이용해 제조할 수 있다.
시트 적층법에 따르는 성형체 제조방법에 대해서 설명하면, 상술한 질화규소 분말을 유기바인더와 혼합하여 얻어진 슬러리를 닥터 블레이드법 등의 공지된 방법에 따라 시트 상으로 성형하여 제조될 수 있다. 이후 제조된 세라믹 그린시트 여러 장을 적층 및 열압착하고 정해진 크기로 가공함을 통해서 성형체를 제조할 수 있다.
이때, 상기 슬러리에 구비되는 용매는 유기바인더를 용해시키고 질화규소 분말을 분산시켜 점도를 조절하기 위하여 유기용매를 사용할 수 있으며, 상기 유기용매로서 유기 바인더를 녹일 수 있는 물질은 제한 없이 사용될 수 있고, 일 예로 터피놀(Terpineol), 디하이드로 터피놀(Dihydro terpineol; DHT), 디하이드로 터피놀 아세테이트(Dihydro terpineol acetate; DHTA), 부틸카비톨아세테이트(Butyl Carbitol Acetate; BCA), 에틸렌글리콜, 에틸렌, 이소부틸알콜, 메틸에틸케톤, 부틸카비톨, 텍사놀(texanol)(2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올모노이소부티레이트), 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 시클로헥사논, 시클로펜타논, 디메틸설폭사이드, 디에틸프탈레이트, 톨루엔, 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 이때 상기 용매는 질화규소 분말 100중량부에 대하여 50 ~ 100중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 용매의 함량이 50중량부 미만이면 슬러리의 점도가 높아 테이프캐스팅을 수행하는데 어려움이 있고 코팅 두께를 조절하는데도 어려움이 있을 수 있으며, 상기 용매의 함량이 100중량부를 초과하면 슬러리의 점도가 너무 묽게 되어 건조하는데 시간이 오래 걸리고 두께를 조절하는데도 어려움이 있을 수 있다.
또한, 상기 유기바인더는 상기 질화규소 분말 100중량부에 대하여 5 ~ 20중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 유기바인더로는 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose), 메틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 카르복시셀룰로오스 등의 셀룰로오스 유도체, 또는 폴리비닐알콜, 아크릴산에스테르, 메타크릴산에스테르, 폴리비닐부티랄 등의 고분자 수지일 수 있으며, 테이프캐스팅 방법(Tape casting method)으로 시트 형태의 성형체를 형성하는 것을 고려할 때, 상기 유기바인더로 폴리비닐부티랄을 사용할 수 있다.
한편, 상기 슬러리에는 분산제, 가소제 등 시트를 성형하기 위한 슬러리에 함유되는 공지의 물질을 더 포함할 수 있으며 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
한편, 성형체를 제조하기 위한 어느 일 그린시트에는 후술하는 정전전극(12)이 질화규소 소결체(11) 내부에 매설되도록 정전전극(12)의 형성을 위한 전극용 잉크가 처리될 수 있다. 상기 전극용 잉크는 도전성 성분과 용매 및 바인더 등을 혼합한 것이 사용될 수 있는데, 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
구현된 성형체는 공지의 방법을 통해서 소결되어 질화규소 소결체(11)를 형성할 수 있는데, 소결과정에서 내부에 구비된 전극용 잉크 역시 소결되어 정전전극(12)을 형성함에 따라서 최종 수득하고자 하는 정전 척(10)이 제조될 수 있다. 구체적으로 성형체는 1800 ~ 1900℃의 온도에서 0.5 ~ 1.0MPa 소결될 수 있으며, 이를 통해서 고품위의 질화규소 소결체를 구현하기에 보다 유리할 수 있다. 또한, 이로써 구현된 질화규소 소결체(11)는 일 예로 열전도도가 70 W/mK 이상, 바람직하게는 80 W/mK 이상, 보다 더 바람직하게는 90 W/mK 이상이고, 3점 꺽임강도가 650 MPa 이상, 바람직하게는 680 MPa 이상, 보다 바람직하게는 700 MPa 이상일 수 있다.
상술한 질화규소 소결체(11)의 외부면 적어도 일부에는 내식성 및 내플라즈마성 표면개질층(13)을 포함한다.
질화규소(Si3N4) 소결체는 우수한 열충격성을 가지나, 웨이퍼에 대해 수행되는 플라즈마 공정과 불산 등을 이용한 식각공정에서 손상될 우려가 있다. 이에 웨이퍼에 대해 수행되는 플라즈마 공정이나 식각공정에서 플라즈마 및 식각용액에 대한 내플라즈마성 및 내식성을 보완하기 위해서 표면개질층(13)을 외부면 적어도 일부에 포함할 수 있다.
상기 표면개질층(13)은 내식성 및 내플라즈마 특성을 가지는 공지된 층일 수 있으며, 일 예로 SiO2, Y2O3, Y4Al2O9(YAM), Al2O3, Y3Al5O12(YAG), YAlO3(YAP), SiC, 사이알론(Sialon), AlN, AlON, TiO2, ZrO2, TiC, ZrC, TiN, TiCN 및 Y2O3 안정화된 ZrO2(YSZ)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 층일 수 있다. 바람직하게는 상기 표면개질층(13)이 Y2O3를 포함하는 것이, 질화규소 소결체(11)와 조합되어 사용되었을 때 내식성 및 내플라즈마 특성을 극대화하는 측면에서 더욱 유리할 수 있다.
상기 표면개질층(13)은 질화규소 소결체(11) 상에 표면개질층을 형성하는 물질이 플라즈마 스프레이 프로세스, 졸-겔(sol-gel) 프로세스, 에어로졸 스프레이 프로세스, 또는 물리 기상 증착(PVD) 프로세스와 같은 공지된 방법을 이용해 형성될 수 있고, 바람직하게는 전자빔(E-Beam) 또는 에어로졸 증착을 통해 형성될 수 있다. 또는, SiO2 등의 일부 표면개질층은 질화규소 소결체가 소결되는 과정에서 질화규소 소결체를 제조하는데 사용된 성분이 외부면쪽으로 이동하여 별도의 층을 이루거나 산화되어 형성된 것일 수 있다.
또한, 상기 표면개질층(13)은 두께가 100㎛ 이상일 수 있고, 바람직하게는 100 ~ 300㎛일 수 있다. 만일 상기 표면개질층의 두께가 100㎛ 미만이면 결정상 제어 분말과 반응되어 결정화됨으로써 내플라즈마성이 저하될 수 있다.
다음으로 상술한 질화규소 소결체(11) 내부에 매설된 정전전극(12)에 대해서 설명한다.
상기 정전전극(12)은 흡착 대상물, 일 예로 반도체 웨이퍼와 질화규소 소결체(11) 간에 정전력을 발생시켜서 반도체 웨이퍼를 질화규소 소결체(11) 상에 파지시키는 역할을 담당한다. 상기 정전력은 쿨롱 또는 존슨-라벡 타입일 수 있다.
상기 정전전극(12)은 통상적인 정전 척에 구비되는 정전전극의 재질일 수 있고, 예를 들어 텅스텐, 몰리브덴과 같은 도전성 성분에 의해 형성된 것일 수 있다. 또한, 정전전극(12)은 하나의 면전극으로 구비되거나 또는 한 쌍의 내부전극으로 구비될 수 있는데 이에 제한되는 것은 아니며, 통상적인 정전 척에 구비되는 정전전극의 개수, 형상, 크기로 질화규소 소결체(11)에 매설될 수 있다.
본 발명은 상술한 정전 척을 이용해 구현된 정전 척 히터를 포함한다. 이를 도 2를 참조하여 설명하면, 정전 척 히터(100)는 정전력을 이용해 흡착 대상물을 흡착 및 고정시키는 정전 척부(110)와 흡착 대상물에 제공될 열을 발생시키는 기능을 가지는 히터부(120)를 포함하여 구현된다. 또한, 정전 척 히터(100)는 흡착 대상물, 일 예로 반도체 웨이퍼가 흡착되는 제1면과 이에 대향하는 제2면을 가지는데, 상기 제1면이 정전 척부(110)의 어느 일면이 되고, 상기 제2면이 히터부(120)의 어느 일면이 되도록 정전 척부(110)와 히터부(120)가 위치한다.
상기 정전 척부(110)는 제1세라믹스 소결체(111), 상기 제1세라믹스 소결체(111)의 외부면 적어도 일부에 형성된 내플라즈마성 및 내식성 표면개질층(113) 및 상기 제1세라믹스 소결체(111) 내부에 매설된 정전전극(112)을 포함하며, 상기 히터부(120)는 제2세라믹스 소결체(121), 상기 제2세라믹스 소결체(121) 외부면 적어도 일부에 형성된 내플라즈마성 및 내식성 표면개질층(113) 및 상기 제2세라믹스 소결체(121) 내부에 매설된 적어도 하나의 저항 발열체(122)를 포함한다. 이때, 상기 제1세라믹스 소결체(111) 및 제2세라믹스 소결체(121) 중 어느 하나 이상은 질화규소 소결체로 구비되며, 바람직하게는 상술한 정전 척(10)의 질화규소 소결체(11)일 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 제1세라믹스 소결체(111) 및 제2세라믹스 소결체(121) 모두가 질화규소 소결체일 수 있다. 이에 따라서 상기 질화규소 소결체는 내플라즈마성 및 내식성 표면개질층(113)을 외부면 적어도 일부에 구비한다. 다만, 도 2는 상기 제1세라믹스 소결체(111) 및 제2세라믹스 소결체(121)의 외부면에 표면개질층(113)을 구비하는 것으로 도시했으나, 이에 제한되는 것은 아니며 제1세라믹스 소결체(111) 및 제2세라믹스 소결체(121) 중 어느 하나의 소결체에 표면개질층(113)을 구비하지 않을 수 있다.
한편, 제1세라믹스 소결체(111) 및 제2세라믹스 소결체(121) 중 어느 하나만이 질화규소 소결체인 경우 다른 하나는 통상적인 정전 척 히터에 채용되는 세라믹스 소결체일 수 있으며, 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
또한, 상기 제1세라믹스 소결체(111) 및 제2세라믹스 소결체(121)는 동시 소결되어 하나의 몸체로 구현된 것일 수 있다. 즉, 제1세라믹스 소결체(111) 및 제2세라믹스 소결체(121)는 상술한 질화규소 소결체(11)의 제조방법에서 설명된 것과 같이 세라믹스 성분을 그린시트로 제조한 뒤 이들을 적층시켜서 성형체를 제조할 수 있는데, 제1세라믹스 소결체(111)가 되는 그린시트들과, 제2세라믹스 소결체(121)가 되는 그린시트들을 적층시킨 상태에서 하나의 성형체로 제조하고, 이를 동시에 소결시켜서 하나의 몸체로 일체화된 세라믹스 소결체를 구현할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 상기 제1세라믹스 소결체(111) 및 제2세라믹스 소결체(121)는 각각이 독립적으로 제조된 뒤 공지의 접착방법을 이용해서 부착되어 일체화 될 수도 있음을 밝혀둔다.
한편, 상기 제1세라믹스 소결체(111) 및 제2세라믹스 소결체(121) 사이에는 제1세라믹스 소결체(111) 및 제2세라믹스 소결체(121)와는 상이한 조성을 가지는 별도의 중간층(미도시)을 더 포함할 수 있으며, 이를 통해서 정전전극(112) 및 저항성 발열체(122) 중 어느 일방으로부터 타방으로 전달되는 전류의 리크를 방지할 수 있다. 또는 상기 제1세라믹스 소결체(111) 및 제2세라믹스 소결체(121)의 조성이 상이할 경우 어느 일방의 소결체로부터 타방의 소결체로 어떤 성분이 확산되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 정전 척부(110)는 정전전극(112)을 포함하며, 상기 정전전극(112)은 통상적인 정전 척에 구비되는 정전전극 재질일 수 있고, 일 예로 몰리브덴 또는 텅스텐일 수 있다.
또한, 상기 히터부(120)는 제2세라믹스 소결체(121) 내부에 저항 발열체(122)를 구비하는데 상기 저항 발열체(122)는 통상적인 정전 척 히터 내 발열체로 사용되는 것은 제한 없이 채용될 수 있으며, 일 예로 텅스텐 또는 몰리브덴 등의 도전성 재료에 의해 형성된 것일 수 있다. 이때, 상기 저항 발열체(122)는 도 2에 도시된 것과 같이 여러 개가 제2세라믹스 소결체(121) 내부에 매설되거나, 하나의 저항 발열체가 나선형 등의 다양한 형상으로 구현되어 구비될 수도 있다. 한편, 저항 발열체(122)가 매설된 구체적 패턴은 통상적인 정전 척 히터 내 저항 발열체의 패턴을 제한 없이 채용할 수 있어서 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
또한, 본 발명은 상술한 본 발명에 따른 정전 척 히터(100) 및 상기 정전 척 히터(100)의 제2면 측에 배치되는 냉각부재를 포함하는 반도체 유지장치를 포함한다.
상기 냉각부재는 정전 척 히터(100) 상에 파지된 반도체 웨이퍼의 온도를 조절하기 위한 것으로써 히터부(120)를 통해 가열된 반도체 웨이퍼를 냉각시키는 역할을 할 수 있다. 상기 냉각부재는 반도체 유지장치에 통상적으로 채용되는 냉각부재의 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 일 예로 상기 냉각부재는 알루미늄이나 티타늄으로 형성된 냉각 기판과 상기 냉각 기판 내부에 냉매가 흐를 수 있는 유로가 형성된 것일 수 있다.
또한, 상기 반도체 유지장치는 정전 척 히터(100) 및 냉각부재 이외에 반도체 유지장치에 채용되는 공지의 구성, 일 예로 정전 척 히터(100)의 정전전극(112) 및 저항 발열체(122)에 전류를 인가할 수 있는 전원, 포커스링용 정전 척을 구비한 포커스링 배치대, 이들을 지지하는 설치판 등 공지의 구성을 제한 없이 채용할 수 있으며, 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<준비예 1>
반도체 공정용 치구 유래의 다결정 실리콘 스크랩(순도 99.99%, 저항율 1Ω㎝)을 젯밀을 이용하여 건식분쇄시켜서 평균입경이 4㎛인 금속 실리콘 분말을 준비했다. 여기에 평균입경이 0.5㎛인 산화이트륨 2몰%, 평균입경이 0.5㎛인 산화마그네슘 5몰%를 혼합해 혼합원료분말을 준비했다. 준비된 혼합원료분말 100 중량부를 용매인 에탄올 80 중량부, 유기바인더로 폴리비닐부티랄 10 중량부와 혼합해 그래뉼 제조용 슬러리를 제조했고, 이를 열분무 장치를 이용해 분무건조시켜서 D50 값이 20㎛인 그래뉼을 제조했다. 제조된 그래뉼을 질소가스 압력 0.15MPa에서 열처리했고, 구체적으로 1000℃까지는 승온속도를 5℃/분, 1000℃에서 1400℃까지는 승온속도를 0.5℃/분로 한 뒤, 1400℃에서 2시간 동안 열처리해 질화처리된 그래뉼을 수득했고, 이를 에어 제트밀을 통해 분쇄시켜 평균입경이 2㎛인 하기 표 1과 같은 질화규소 분말을 수득했다.
이후, 수득된 질화규소 분말 100 중량부에 대해 폴리비닐부티랄 수지 5중량부, 용매로써 톨루엔과 에탄올을 5:5로 혼합한 용제 50 중량부를 볼밀에서 혼합, 용해, 분산시켰다. 이후 제조된 슬러리를 통상적인 테이프 캐스팅(Tape casting) 방법을 통해 최종 두께 170㎛인 시트형상으로 제조한 후 제조된 시트 4장을 교차적층하여 1900℃에서 4시간 소결시켜서 하기 표 1과 같은 질화규소 기판을 제조했다.
<준비예 2 ~ 9>
준비예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 혼합원료분말에서 성분의 함량이나 그래뉼의 D50 값, 질화조건 등을 하기 표 1 또는 표 2와 같이 변경해 질화규소 분말을 수득했고, 이를 통해서 하기 표 1 또는 표 2와 같은 질화규소 분말 및 질화규소 기판을 제조했다.
<실험예 1>
준비예에서 제조된 질화규소 분말 또는 질화규소 기판에 대해서 하기의 물성을 평가해 그 결과를 하기 표 1 또는 표 2에 나타내었다.
1. 결정상
질화규소 분말에 대해서 XRD 측정을 통해서 α 및 β결정상을 정량화했으며, 하기의 식을 통해서 α 결정상의 중량비율을 계산했다.
α 결정상의 중량비 = α/(α+β)
2. D50
레이저 회절 산란법을 사용하여 측정한 50％ 체적 기준값을 D50값으로 하였다.
3. 소결밀도
제조된 기판에 대해서 아르키메데스 방법으로 소결 밀도를 측정했다.
4. 열전도도
제조된 기판에 대해서 열전도도는 KS L 1604 (ISO 18755, ASTM E1461) 방법으로 측정했다.
5. 3점 꺽임강도
제조된 기판에 대해서 3점 꺽임강도(S)는 KS L 1590 (ISO 14704) 방법으로 측정하였고, 아래 식으로 계산하였다.
[식]
Figure pat00001
식에서 P는 파괴하중, L은 지점 간의 거리, b는 보의 폭, d는 보의 두께이다.
구분 준비예1 준비예2 준비예3 준비예4 준비예5 준비예6
혼합원료분말 MgO(몰%) 5 5 5 5 5 5
Y2O3(몰%) 2 2 2 2 2 2
그래뉼 D50(㎛) 20 30 40 60 80 100
질화조건 질소가스압력(MPa) 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
1000℃부터 질화온도까지 승온속도(℃/분) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
질화온도(℃) 1400 1400 1400 1400 1400 1400
질화규소분말 α결정상 중량비
[α/(α+β)]		 0.97 0.92 0.87 0.85 0.78 0.70
용출 Si(중량%) 0 0 0 4 8 9
질화규소 기판 소결 밀도(g/㎝3) 3.21 3.20 3.17 3.01 2.92 2.94
열전도도(W/mK) 94 82 77 62 58 53
3점 꺽임강도(MPa) 680 750 650 460 420 380
구분 준비예7 준비예8 준비예9
혼합원료분말 MgO(몰%) 7 10 15
Y2O3(몰%) 2 2 2
그래뉼 D50(㎛) 32 32 32
질화조건 질소가스압력(MPa) 0.15 0.15 0.15
1000℃부터 질화온도까지 승온속도(℃/분) 0.5 0.5 0.5
질화온도(℃) 1400 1400 1400
질화규소분말 α결정상 중량비
[α/(α+β)]		 0.79 0.92 0.95
용출 Si(중량%) 0 0 0
질화규소 기판 소결 밀도(g/㎝3) 3.21 3.21 3.20
열전도도(W/mK) 121 87 82
3점 꺽임강도(MPa) 750 720 680
표 1 및 표 2를 통해 확인할 수 있듯이, 준비예들은 혼합원료분말을 적절한 크기의 그래뉼로 제조된 후 질화됨에 따라서 수득된 질화규소 분말을 이용해 제조된 기판의 열전도도 및 3점 꺽임강도를 개선하는데 매우 적합한 분말임을 확인할 수 있다. 다만, 준비예 6과 같이 그래뉼의 크기가 큰 경우 질화규소 분말에서 용출되는 실리콘의 함량이 높을 수 있고, 이 경우 제조된 기판의 기계적 강도와 열전도도를 개선하기에 부족할 수 있음을 알 수 있다.
<실시예 1>
상기 준비예 1에서 제조된 시트 4장을 교차적층하되, 상부의 시트 2장 사이에 몰리브덴인 정전 전극을 매설시키고, 하부의 시트 2장 사이에 텅스텐인 저항 발열체를 매설시킨 후, 1900℃에서 4시간 소결시켜서 정전 척부 및 히터부를 구비하는 적층체를 제조하였다. 이후, 상기 적층체 표면 상에 전자빔(E-Beam) 방법으로 Y2O3인 두께 150㎛의 내식성 및 내플라즈마성 표면개질층을 형성시켜서 도 2와 같은 정전 척 히터를 제조하였다.
<실시예 2 ~ 4 및 비교예 1>
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 표면개질층의 두께, 형성물질, 형성방법 및 형성여부 등을 변경하여 하기 표 4와 같은 정전 척 히터를 제조하였다.
<실험예 2>
1. 내플라즈마성 측정
실시예 및 비교예에 따라 제조된 정전 척 히터에 대하여, 하기 표 3과 같은 조건으로 내플라즈마성을 측정하였다. 이때, 대조군으로 Si-Wafer의 식각깊이, 식각율을 측정하고, 실시예 및 비교예에 따라 제조된 정전 척 히터의 식각깊이 및 식각율을 측정하였으며, Si-Wafer 식각율을 1로 기준하여 실시예 및 비교예에 대한 상대식각율을 측정하였다.
- 측정장비명: NIE 150
- 측정장치 기본 동작 기구: Inductively Coupled Plasma
- 플라즈마 노출시간: 60분(Etching 5분, Delay 5분 / 12 Steps)
플라즈마 전력 가스(sccm) 압력
플라즈마 전력 Power Bias Power CF4 O2 Ar
600W 150W 30 5 10 10 mTorr
구분 대조군 실시예
1		 실시예
2		 실시예
3		 실시예
4		 비교예
1
표면
개질층		 두께(㎛) - 150 150 50 150 미형성
형성방법 - 전자빔 에어로졸 증착 전자빔 전자빔 미형성
형성물질 - Y2O3 Y2O3 Y2O3 Al2O3 미형성
내플라즈마성 식각깊이
(㎛)		 15.99 0.57 0.54 2.87 3.52 14.99
식각율
(㎚/min)		 266.46 8.46 8.93 47.88 58.71 249.84
상대
식각율		 1 0.03 0.03 0.18 0.22 0.94
표 4를 통해 확인할 수 있듯이, 본 발명에 따른 표면개질층의 두께, 형성물질, 형성방법 및 형성여부 등을 만족하는 경우 내플라즈마성이 현격히 우수한 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10: 정전 척 11: 질화규소 소결체
12: 정전전극 13: 표면개질층

Claims (16)

  1. 질화규소(Si3N4) 소결체;
    상기 질화규소 소결체 외부면을 적어도 일부 덮는 내식성 및 내플라즈마성 표면개질층; 및
    상기 질화규소 소결체 내부에 매설된 정전전극;을 포함하는 정전 척.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면개질층은 SiO2, Y2O3, Y4Al2O9(YAM), Al2O3, Y3Al5O12(YAG), YAlO3(YAP), SiC, 사이알론(Sialon), AlN, AlON, TiO2, ZrO2, TiC, ZrC, TiN, TiCN 및 Y2O3 안정화된 ZrO2(YSZ)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 정전 척.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 질화규소 소결체는 다결정 실리콘이 9 중량% 이하인 질화규소 분말이 소결되어 형성된 정전 척.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 질화규소 소결체는 α 결정상과 β 결정상의 중량 총합에서 α 결정상의 중량비율이 0.7 이상인 질화규소 분말이 소결되어 형성된 정전 척.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 질화규소 소결체는 열전도도가 70W/mK 이상이고, 3점 꺽임강도가 650 MPa 이상인 정전 척.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 질화규소 소결체는 질화규소 분말을 소결시켜 제조하며, 상기 질화규소 분말은
    금속 실리콘 분말, 및 희토류 원소 함유 화합물과 마그네슘 함유 화합물을 포함하는 결정상 제어 분말을 포함하는 혼합원료분말을 제조하는 단계;
    상기 혼합원료분말에 유기바인더를 혼합하여 소정의 입경을 가지는 그래뉼로 제조하는 단계;
    상기 그래뉼에 소정의 압력으로 질소가스를 가하면서 1200 ~ 1500℃ 범위 내 소정의 온도로 질화처리하는 단계; 및
    질화처리된 그래뉼을 분쇄시키는 단계;를 포함하여 제조되는 정전 척.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속 실리콘 분말은 분쇄 중 금속 불순물로 오염되는 것을 최소화하기 위하여 다결정 금속 실리콘 스크랩(scrap) 또는 단결정 실리콘 웨이퍼 스크랩을 건식 분쇄시킨 것인 정전 척.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 금속 실리콘 분말은 평균입경이 0.5 내지 4㎛, 희토류 원소 함유 화합물 분말은 평균입경이 0.1 내지 1㎛, 마그네슘 함유 화합물 분말은 평균입경이 0.1 내지 1㎛인 정전 척.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 그래뉼은 D50 값이 20 ~ 55㎛ 이하인 정전 척
  10. 제6항에 있어서,
    상기 희토류 원소 함유 화합물은 산화이트륨이며, 상기 마그네슘 함유 화합물은 산화마그네슘이고,
    혼합원료분말에 상기 산화이트륨은 2 내지 5몰%, 상기 산화마그네슘은 2 내지 10몰%로 포함되는 정전 척.
  11. 제6항에 있어서,
    질화처리 시 상기 질소가스는 0.1 내지 0.2MPa의 압력으로 가해지는 정전 척.
  12. 제6항에 있어서,
    질화처리 시 1000℃ 이상에서부터 소정의 온도까지 0.5 내지 10℃/분의 승온속도로 가열되는 정전 척.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 표면개질층은 두께가 100㎛ 이상인 정전 척.
  14. 웨이퍼가 흡착되는 제1면과 이에 대향하는 제2면을 가지는 정전 척 히터에 있어서, 상기 정전 척 히터는
    어느 일면이 상기 제1면인 제1세라믹스 소결체 및 상기 제1세라믹스 소결체 내부에 매설된 정전전극을 포함하는 정전 척부; 및
    어느 일면이 상기 제2면인 제2세라믹스 소결체 및 상기 제2세라믹스 소결체 내부에 매설된 적어도 하나의 저항 발열체를 포함하는 히터부;를 구비하며,
    상기 제1세라믹스 소결체 및 제2세라믹스 소결체 중 어느 하나 이상은 외부면의 적어도 일부에 내플라즈마성 및 내식성 표면개질층이 구비된 질화규소 소결체인 정전 척 히터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1세라믹스 소결체 및 제2세라믹스 소결체는 동시 소결되어 하나의 몸체로 구현되는 정전 척 히터.
  16. 제14항에 따른 정전 척 히터; 및
    상기 정전 척 히터의 제2면측에 배치되는 냉각부재;를 포함하는 반도체 유지장치.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19980031739A (ko) 1995-11-01 1998-07-25 시바따마사하루 질화 알루미늄 소결체, 금속포함재, 정전척, 질화알루미늄 소결체의 제조 방법 및 금속포함재의 제조 방법

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000243819A (ja) * 1999-02-19 2000-09-08 Nippon Steel Corp 静電チャックの製造方法
JP2003282689A (ja) * 2002-03-20 2003-10-03 Sumitomo Metal Ind Ltd 静電チャック及びその製造方法
JP4381393B2 (ja) * 2006-04-28 2009-12-09 信越化学工業株式会社 静電チャック
US20150062772A1 (en) * 2013-08-27 2015-03-05 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc Barrier Layer For Electrostatic Chucks
KR102508957B1 (ko) * 2015-03-24 2023-03-13 스미토모 오사카 세멘토 가부시키가이샤 정전 척 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19980031739A (ko) 1995-11-01 1998-07-25 시바따마사하루 질화 알루미늄 소결체, 금속포함재, 정전척, 질화알루미늄 소결체의 제조 방법 및 금속포함재의 제조 방법

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