KR100798179B1

KR100798179B1 - 웨이퍼 가열장치

Info

Publication number: KR100798179B1
Application number: KR1020020022942A
Authority: KR
Inventors: 후레히로시; 나가사키고이치; 우치야마교지
Original assignee: 교세라 가부시키가이샤
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2008-01-24
Also published as: US6753507B2; KR20020084407A; US20030015517A1

Abstract

세라믹으로 이루어지는 판형상체의 한쪽 주면에 발열저항체를 갖고 또한 상기 발열저항체와 전기적으로 접속되는 급전부를 구비하여 이루어지는 세라믹 히터에 있어서, 발열패턴에 굴곡부를 설치하면, 온도 편차가 생긴다고 하는 과제가 있었으며, 발열저항체가 설치된 유효 발열 영역의 임의의 10mm 사방의 영역에서의 발열저항체의 면적을 "S1", 면적비 S=S1/100㎟로 하고, 발열저항체의 폭을 "P(mm)"로 하고, 발열저항체 사이의 갭을 "G(mm)"으로 하였을 때,

0.15≤S≤0.85,

0.3≤P≤6.71×S²+1.52,

0.3≤G≤6.71×(1-S)²+1.55

를 만족하도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

웨이퍼 가열장치{WAFER HEATING APPARATUS}

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 웨이퍼 가열장치의 단면도,

도 2는 본 발명의 웨이퍼 가열장치의 발열 저항체를 구성하는 패턴화한 저항체 스트립의 배치를 도시한 균열(均熱)판의 평면도,

도 3은 본 발명의 웨이퍼 가열장치의 발열 저항체로부터의 다른 예의 저항체 스트립의 도 2와 동일한 도면,

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 웨이퍼 가열장치에서의 임의의 10㎜ 사방의 영역에서의 저항체 스트립의 배열도,

도 5는 웨이퍼 가열장치에서의 발열 저항체의 면적비(S)와 폭(P), 갭(G)의 관계를 도시한 그래프,

도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 관한 웨이퍼 가열장치의 단면도를 도시한 도 1과 동일한 도면,

도 7은 도 6에 도시한 웨이퍼 가열장치의 균열판과 지지체를 포함하는 부분확대도,

도 8a는 본 발명의 가열장치에 이용되는 균열판의 정면도,

도 8b는 본 발명의 가열장치에 이용되는 균열판의 단면도,

도 9a 및 도 9b는 지지핀을 포함하는 균열판의 부분 단면도,

도 10은 균열판과, 발열 저항체-균열판 외부직경비와의 관계를 도시한 실험 데이터의 그래프,

도 11은 종래의 웨이퍼 가열장치에 사용된 균열판의 측면도,

도 12는 종래의 웨이퍼 가열장치에 사용된 균열판의 분해 사시도(explosion),

도 13은 종래의 웨이퍼 가열장치에 사용한 발열 저항체의 패턴의 예를 도시한 균열판의 하면도 및

도 14는 종래의 웨이퍼 가열장치에 사용한 균열판의 부분 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 가열장치 22: 균열판

27: 도통단자 31: 지지체

33: 스텐레스판 35: 핀 삽입구멍

58: 오목부 59: 지지핀

62: 발열 저항체 63: 전극

본 발명은 주로 웨이퍼를 가열하는 데에 사용하는 웨이퍼 가열장치와 이에 사용되는 세라믹 히터에 관한 것으로, 예를 들어 반도체 웨이퍼, 액정기판 또는 회 로기판 등의 웨이퍼상에 반도체 박막을 형성하거나, 상기 웨이퍼 상에 도포된 레지스트액을 건조 베이킹(baking)하여 레지스트막을 형성하는 데에 적합한 웨이퍼 가열장치에 관한 것이다.

반도체 제조장치의 제조공정에서의, 반도체 박막의 성형처리, 에칭처리, 레지스트막의 베이킹 처리 등에서는 반도체 웨이퍼를 가열하기 위해 웨이퍼 가열장치를 사용하고 있다.

종래는 웨이퍼 가열장치는, 통합하여 복수의 웨이퍼를 성막처리하는 배치식의 장치가 사용되고 있었다. 최근에는 웨이퍼의 크기가 8인치에서 12인치로 대형화됨에 따라, 처리정밀도를 높이기 위해 웨이퍼를 한장씩 가열처리하는 매엽(枚葉) 방식이 채용되고 있었다.

매엽방식에서는 1회의 처리로 가열할 수 있는 웨이퍼의 수가 감소하므로 웨이퍼의 처리시간의 단축이 요구되고 있다. 이 때문에, 웨이퍼 지지부재에 관해, 웨이퍼의 가열시간의 단축, 웨이퍼의 진공흡입, 운반, 진공탈착의 신속화가 요구되고, 동시에 히터에 관하여 가열온도정밀도의 향상이 요구되고 있었다.

상기와 같은 웨이퍼 가열장치(1)의 예로서 일본의 특허공개공보 11-283729에 개시한 바와 같이 웨이퍼 가열장치는 도 12에 도시한 바와 같이 지지체(31), 균열판(22) 및 판상 반사체로서의 스텐레스판(33)을 주요한 구성요소로 하고 있다. 지지체(31)는 바닥이 있는 통형상의 알루미늄제의 부재로서, 단면 원형 형상의 개구부(34)를 그 상부측에 구비하고 있다. 이 지지체(31)의 중심부에는 도시하지 않은 웨이퍼 지지핀을 삽입 통과시키기 위한 핀 삽입구멍(35)이 3개 형성되어 있다. 핀 삽입구멍(35)에 삽입된 웨이퍼 지지핀을 상승 하강시키면 웨이퍼(W)를 반송기에 수수(授受)하거나, 웨이퍼(W)를 반송기로부터 수취할 수 있다. 또한, 도시하지 않은 발열 저항체의 단자부에는 도통단자(27)가 납땜되어 있고, 상기 도통단자(27)가 스텐레스판(33)에 형성된 구멍(57)을 삽입하는 구조로 되어 있다. 또한, 저부(31a)의 외주부에는 리드선 인출용 구멍(36)이 몇 개 형성되어 있다. 이 구멍(36)에는 발열 저항체에 전류를 공급하기 위한 도시하지 않은 리드선이 삽입 통과되고, 상기 리드선은 상기 도통단자(27)에 접속되어 있다.

균열판(22)을 구성하는 세라믹 재료는 질화물 세라믹스 또는 탄화물 세라믹스가 사용된다. 발열 저항체는 도 13에 도시한 바와 같이, 동심원상으로 형성된 복수의 패턴의 저항소선에 통전함으로써 균열판(22)을 가열하는 것이 제안되어 있다. 균열판(22)에는 발열 저항체(62)와 전극(63)이 설치되고, 또한 센서 부착 구멍(64)도 설치되어 있다.

종래의 웨이퍼 가열장치의 균열판(22)은 웨이퍼(W) 면내의 온도분포를 ±0.5℃의 범위내로 정밀하게 조절할 필요가 있다. 이 때문에, 일본 특허공개8-70007은 도 14에 도시한 바와 같이 가열수단 또는 냉각수단을 갖는 알루미늄의 균열판(22)의 상부면으로부터 일정한 간격을 두고 웨이퍼(W)를 균열판(22)에 평행이 되도록, 균열판(22)에 형성된 오목부(58)에 설치된 구(球)형상의 지지핀(59)에 의해 이간(離間) 지지하여 기판의 열처리를 실시하는 것이 제안되어 있다.

이와 같이 균열판(22)으로부터 웨이퍼(W)를 이간하여 유지함으로써 균열판(22)에 대한 웨이퍼(W)의 휘어짐 또는 평탄도의 차가 있어도, 웨이퍼가 균열 판에 접촉되는 것을 방지하고, 이것이 웨이퍼 표면에서의 온도분포의 편차를 감소시키고 있다. 또한, 종래의 알루미늄 균열판(22)이 이와 같은 구조를 채용하면, 균열판(22) 자체가 두꺼우므로, 발열 저항체(25)에서 발생하는 온도 분포를 균열판(22)의 두께에 의해 완화시킬 수 있다. 더욱 양호한 균열을 유지할 수 있었다. 상기 알루미늄제의 균열판(22)은 열용량이 크므로, 설정온도로의 가열과 냉각에 필요한 시간이나 변경된 설정온도의 응답시간이 길다는 문제가 있었다.

이에 관하여, 반도체 배선룰의 미세화에 따라서, 특히 광감수성 레지스트막은 다종다양한 온도에서 가열처리되는 것이 요구되고 있다. 웨이퍼 한장마다의 가열처리를 단축하기 위해 균열판의 열용량을 작게 하고, 온도변경을 신속하게 실시할 필요가 있었다. 또한, 균열판으로의 웨이퍼의 재치(載置)에서 가열처리완료까지 사이에 예민한 온도제어가 요구되고 있다. 발열저항체가 높은 강성과 높은 열전도성을 갖는 얇은 세라믹 균열판(22)에 형성되어 가열하는 구조가 제안되어 있다.

그러나, 상기와 같은 웨이퍼 가열장치에 있어서, 균열판의 두께를 얇게 하면 발열 저항체에서 발생한 온도분포가 충분히 완화되지 않고 웨이퍼(W)의 온도가 좀처럼 균일해지지 않는다는 문제가 있었다.

또한, 일본 특허공개공보 2001-6852에는 발열체의 면적 저항율 50㏁/□미만으로 하고, 패턴화한 발열체의 소선이 굴곡부를 구비함으로써 발열 패턴 인쇄방향에 발생하는 두께 불균일을 해소하는 방법이 개시되어 있다. 발열체의 두께 1∼50㎛, 발열체폭 0.1∼20㎜가 최적 범위라고 설명되어 있고, 그 결과 서모뷰어(thermoviewer)에서의 평가결과로서, 온도 편차를 0.5℃ 정도까지 개선할 수 있었던 것이 설명되어 있다.

그러나, 서모뷰어에서는 피측정물의 표면의 색조 불균일이나 주위의 환경 등이 온도측정의 오차가 되므로, 요구되는 온도정밀도에 대해서 정확한 측정을 할 수 없다. 오늘날에는 실제로 웨이퍼를 재치한 상태에서의 온도정밀도가 요구되고 있다. 그 때문에, 실리콘 웨이퍼에 열전대(熱電對)나 측정 저항체 등의 센서를 복수부분 매설한 온도측정 웨이퍼를 사용하여 측정하는 수단이 채택되어 왔다. 상기의 일본 특개2001-6852가 개시하는 히터에 대해서, 온도측정용 웨이퍼를 장치에 재치하여 측정을 실시하면 0.5℃ 이하의 온도편차를 만족시키는 것은 곤란했다. 또한, 인쇄의 불균일 개선을 위해 설치한 발열 저항체의 굴곡부분이나 패턴간의 갭에는 특이한 온도를 나타내는 점이 존재하는 것도 확인되어 있다.

종래의 장치의 구조에서는 온도가 포화하여 안정된 상태에서 균일한 온도분포로 가열할 수 있어도, 미리 소정의 온도로 제어된 가열장치의 재치면 상에, 실온으로 냉각시킨 웨이퍼(W)를 배치하고, 웨이퍼(W)를 가열하는 경우에는 균일화하기 위해 발열량을 증대시킨 부분만이, 다른 부분보다 온도상승이 빠르고 승온 과도시의 온도분포가 불균일해지는 경우가 있었다. 또한, 발열량을 증대시킨 부분만이 조기에 저항변화를 발생시키고, 단기간에 온도 균일성의 열화를 초래하는 과제가 있었다.

또한, 균열판의 두께를 증가시킴으로써 균열판 내에서의 열용량을 높여 온도 균일성을 향상시키는 것을 생각할 수 있지만, 열응답성이 저하되고 열전대의 온도 검지(檢知)가 둔해지고, 이것은 오히려 승온과도시의 온도편차를 발생시킨다.

또한, 발열 저항체를, 균열판을 지지하기 위한 지지체에 근접하도록 크게 하고, 열방산에 알맞는 발열량을 확보하는 구조를 생각할 수 있지만, 지지체와의 접합에 의해 기계적 부하나 지지체로의 열이동에 의한 열응력의 영향에 의해 발열 저항체는 조기에 저항이 변화되고, 저항 발열체의 수명이 짧아진다는 문제가 발생했다.

웨이퍼가 균열판(52)의 재치면(53)으로부터 지지핀에 의해 이간되는 구조가 채용될 수 있지만, 이 경우에 열원이 되는 균열판으로부터 웨이퍼로의 전열형태는 균열판 전체로부터의 복사전열과 지지핀으로부터의 열전도를 조합한 것이 된다. 복사전열과 지지핀으로부터 열전도가 조화되어 있지 않으면, 지지핀부의 웨이퍼 온도가 저온이 되는 것이 있고 반대로 고온이 되는 것이 있었다. 복사에 의한 열이동은 균열판(52)의 복사의 특성과 균열판과 웨이퍼 사이의 거리에 지배받고, 열전도에 의한 전열량은 지지핀의 크기와 열전도율에 의해 변화된다. 상기 전열형태의 부조화는 웨이퍼의 면 영역내에 온도차를 발생시키고 피막의 성질의 국부적인 변화나 레지스트막의 반응상태를 불균일하게 하는 문제를 일으키고 있었다.

본 발명의 목적은 발열저항체를 구비한 균열판에 의해 재치면에 고정한 웨이퍼의 전체면을 소요 온도로 ±0.5℃의 편차의 범위내에서 균일하게 가열할 수 있는 웨이퍼 가열장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 균열성뿐만 아니라, 상온의 웨이퍼를 균열판에 재치하고 나서 웨이퍼가 목표 온도에 도달 안정될 때까지의 시간이나 소정의 온도로 냉각할 때까지의 시간을 단축할 수 있는 과도적 성능을 갖는 가열장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 또한 균열판에 장착된 상온에서의 웨이퍼의 열처리과정 동안에 웨이퍼 표면의 온도를 가능한 한 균일하게 분포시키면서 승온할 수 있는 웨이퍼 가열장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 균열판으로부터의 열복사와 지지핀으로부터의 열전도의 전열량을 균형을 이루게 하고 웨이퍼 표면의 온도를 가능한한 균일하게 분포시킬 수 있는 웨이퍼 가열장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 웨이퍼 가열장치는 세라믹으로 이루어진 균열판의 한쪽의 주면을 웨이퍼의 재치면으로 하고, 다른쪽 주면 또는 내부에 발열 저항체를 갖고, 또한 상기 발열 저항체와 전기적으로 접속되는 급전부를 상기 다른쪽의 주면에 구비하여 이루어진 웨이퍼 가열장치이지만, 발열 저항체의 면적비(S)와, 발열 저항체의 폭( P(㎜))과, 발열 저항체간의 갭(G(㎜))을 일정한 관계로 규정함으로써 발열 저항체가 균열판 전체에 걸쳐 균일하게 발열하도록 하고, 균열판의 상부면에서 균일한 온도분포를 발휘하게 하는 것이다.

본 발명에서는 면적비(S)는 발열 저항체가 설치된 유효 발열 영역의 임의의 10㎜ 사방의 영역에서의 발열 저항체의 면적을 S1(㎜)로 하고, S=S1/100㎟에 의해 정의된다. 본 발명의 웨이퍼 가열장치는 이하의 관계를 만족하도록 발열 저항체의 배치가 설정된다.

0.15≤S≤0.85

0.3≤P≤6.71×S²+1.52

0.3≤G≤6.71×(1-S)²+1.55

본 발명에서는 웨이퍼 가열장치가 상기와 균열판을 케이싱(casing)에 유지하고, 균열판의 외부직경에 대한 발열 저항체의 외부직경의 비를 소정의 범위로 하며 균열판의 두께를 규정함으로써, 승온 과정에서의 웨이퍼 표면의 온도분포를 균일하게 하는 것이다.

여기에서, Y=발열 저항체의 외부직경(B)/균열판의 외부직경(C), X=균열판의 두께(㎜)으로 했을 때, 상기 균열판(X(㎜))이 2≤X≤8의 범위에 있고, Y는 이하의 관계에서 나타낸 범위에 포함된다.

Y≥0.02X+0.7

Y≥-0.02X+0.9

Y≤-0.02X+1.08

Y≤0.96

균열판과 발열 저항체가 상기 관계를 유지할 때에는 웨이퍼를 교환했을 때의 승온 과정에서 웨이퍼의 온도분포는 10℃ 이하로 작게 할 수 있고, 발열 저항체의 수명을 개선할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 균열판이 재치면에 웨이퍼가 지지하는 복수의 지지핀을 갖고, 균열판이 100℃ 이상의 온도에서의 파장 8㎛에서의 적외선 방사율(ε)이 0.8 이상으로, 지지핀의 돌출 높이를 균열판의 재치면을 기준으로 하고 0.05∼0.5㎜로 하는 것이다. 균열판으로부터 웨이퍼로의 열복사를 적성화(適性化)하여 핀으로부터의 열전도와 재치면으로부터 열복사에 의해 웨이퍼 상의 온도분포를 균일화할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 어느 실시형태의 웨이퍼 가열장치는 도 1과 같이, 하나의 주면을 웨이퍼(W)를 얹는 재치면(3)으로 하는 세라믹판의 균열판(2)과, 상기 균열판의 다른쪽의 주면상에 또는 내부에 형성한 발열 저항체(5)와, 상기 다른쪽의 주면상에 형성하여 상기 발열 저항체(5)에 전기적으로 접속하는 급전부(6)를 포함한다.

균열판을 구성하는 세라믹으로 만들어진 원판으로 형성되어 있고, 발열 저항체가 균열판의 내부 또는 재치면과 반대의 주면상에 형성되어 있다. 발열 저항체는 패턴화된 얇은 저항체 스트립으로 이루어져 있다.

발열 저항체의 스트립의 패턴은 단일한 나선형(spiral), 다수의 원호상의 세그먼트(5a)와 되접기(folded back)부(5b)의 조합이 이용된다. 다른 패턴은 원호상의 세그먼트(5a)와 되접기부(5b)의 복수 블럭의 조합으로 분할되어, 각 블럭이 동심원형상으로 축대칭으로, 2 이상으로 구분하여 배치할 수도 있다.

도 2에는 원호형상의 세그먼트(5a)와 되접기부(5b)의 조합의 저항체 스트립의 배치를 예시한다. 도 3에는 복수의 블럭으로 분할되고, 개개의 블럭이 다수의 세그먼트(5a)와 서로 인접한 세그먼트의 단부 끼리 접속하는 되접기부(5b)로 이루어진다.

저항체 스트립은 급전부에 접속되고, 전류가 공급되어 발열하여 균열판을 가열한다. 발열 저항체(5)로부터 복수의 블럭으로 분할되어 있을 때에는 각 블럭은 저항체 스트립의 단일한 저항회로를 구성하고, 각 블럭으로 흐르는 전류를 개별로 제어한다. 이것은 블럭마다의 온도를 독립적으로 제어할 수 있고 재치면(3)을 균일하게 가열할 수 있다.

도 4a와 도 4b는 균열판(2)의 이면에 형성한 저항체 스트립의 일부의 배치를 도시한다. 임의의 10㎜ 사방의 영역내에는 복수의 저항체 스트립(50)과, 인접하는 저항체 스트립(50) 사이의 갭(51)이 포함된다. 이 도면은 스트립(50)의 폭(P), 스트립(50) 사이의 갭(51)의 폭(G)을 규정한다.

본 발명에서는 발열 저항체(5)의 면적(S1)은 임의의 10㎜ 사방의 영역내에 포함되는 모든 스트립(50)의 면적의 총합이다. 도 4a는 임의의 10㎜ 사방의 정방향 영역내에 각각 1개씩 발열 저항체(5)와 갭밖에 포함하지 않는 예이고, 도시한 바와 같이 완전하게 폭이 포함되는 저항체 스트립(50)의 폭을 P, 스트립(50) 사이에 완전하게 포함되는 갭을 G로 규정한다. 여기에서도 발열 저항체(5)의 면적(S1)은 임의의 10㎜ 사방의 정방형 영역내에 포함되는 모든 저항체 스트립(50)의 면적의 총합이다.

또한, 임의의 10㎜ 사방의 영역내에서 패턴 되접기부나 굴곡이 있는 경우에는 스트립(5)의 폭(P)과 갭(51)의 폭(G)은 발열 저항체(5)내의 전류의 흐름에 대해 서 수직방향에서의 폭으로 정의된다. 또한, 임의의 10㎜ 사방의 영역내에서 스트립 또는 갭의 폭이 변화되는 경우에는 최대폭과 최소폭을 평균화한 폭을 각각 P, G로 정의한다.

임의의 10㎜ 사방의 영역은 발열 저항체(5)가 설치된 영역으로부터 선택할 수 있다. 근접하는 5개의 영역에서의 면적과 폭을 계측하고, 그 평균값으로 S1, P, G를 평가할 수 있다.

본 발명의 발열 저항체(5)는 발열 패턴이 설치되는 유효 발열 영역에서의 임의의 10㎜ 사방의 영역에서의 저항체 스트립의 표면적 총합을 S1(㎟)로 하고, 상기 영역의 면적에 대한 저항체 스트립의 면적비를 S=S1/100㎟, 발열 패턴의 폭을 P(㎜), 발열 패턴간의 갭을 G(㎜)로 규정했을 때,

0.15≤S≤0.85

0.3≤P≤6.71×S²+1.52

0.3≤G≤6.71×(1-S)²+1.55

를 동시에 만족하도록 저항체 스트립(50)의 배치가 설정된다.

발열 저항체(5)가 이들 조건을 만족하는 배치는 웨이퍼의 온도편차를 0.5℃ 이하로 할 수 있다.

S가 0.15 보다 작으면 저항체 스트립(50)이 발열하는 부위의 면적이 너무 작아 발열하지 않는 갭(51)을 충분히 가열할 수 없고 온도 편차를 크게 한다.

S가 0.85를 초과하면 저항체 스트립이 발열하는 부위가 너무 넓어 갭(51)이 좁아지고, 그 결과 스트립(50)의 되접기부(5b)에서 전류가 단락하여 흐름으로써 국부에 큰 발열이 발생한다. 이것은 온도 편차를 크게 한다.

0.15≤S≤0.85의 범위에서라도 P가 상기 수학식을 초과하면 패턴의 되접기부에서 상술한 경향이 나타나 온도편차가 커진다. P가 0.3㎜ 보다 낮을 때에는 스크린 인쇄 등에 의해 패턴화한 저항체 스트립을 형성시키는 경우에 마이크로 단위(micro-order)에서 두께가 안정되지 않으므로, 발열 저항체로서는 신뢰성이 부족하므로 바람직하지 않다. 또한, G가 0.3㎜ 미만에서는 복수의 저항회로를 제어하기 위해 회로간의 내전압이 1.5㎸를 만족하지 않는 경우가 있어 바람직하지 않다.

또한, 갭의 폭(G)이 상기 수학식을 초과하면 갭이 너무 커지고 균열판상의 일부가 충분히 가열되지 않으므로, 균열판상의 온도분포의 편차가 커진다.

균열판의 형상에 관해서, 균열판(2)의 두께는 1∼8㎜로 하는 것이 바람직하다. 1㎜ 미만의 균열판은 패턴화한 스트립으로부터의 발열분포를 충분히 열적으로 확산할 수 없다. 이것은 온도편차를 크게 한다. 바람직한 것은 2㎜ 이상으로 한다. 또한, 8㎜를 초과하는 균열판은 온도의 설정변경과 냉각의 응답에 시간이 소요되고 처리능률을 저하시킨다.

두께(X(㎜))의 범위가 2≤X≤8에 있을 때, 바람직한 것은 Y를 발열저항체의 외부직경(B)의 균열판의 외부직경(C)에 대한 비로 했을 때, 저항발열체는 이하의 관계를 동시에 만족한다.

Y≥0.02X+0.7

Y≥-0.02X+0.9

Y≤-0.02X+1.08

Y≤0.96

균열판(2)의 두께(X)가 2㎜ 미만이 되면 정상시 및 과도시의 온도 편차가 커지고, Y＜-0.02X+0.9, Y＜0.02X+0.7, Y＞-0.02X+1.08이 되면 과도온도 편차가 커진다. 또한, Y가 0.96을 초과하면 냉열 사이클에 의한 수명이 현저하게 짧아지는 불이익을 발생시키므로 바람직하지 않다.

균열판

균열판(2)의 형상의 일례를 도 8a와 도 8b에 도시되었는데, 소정의 두께를 갖는 원판형상을 이루고 있다. 균열판(2)을 구성하는 세라믹 재료는 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화규소, 알루미나, 질화 알루미늄 등 세라믹의 소결체이다.

균열판(2)은 두께가 상기 2∼8㎜일 때, 유효한 열확산을 얻기 위해 80W/m·K를 초과하는 열전도율을 갖는것이 바람직하다.

균열판은 적외선 방사율은 100℃ 이상의 온도에서의 파장 8㎛의 적외광에서 0.8이상인 것이 바람직하다. 특히, 웨이퍼를 지지핀을 통하여 재치면에 재치하는 경우에는 상기 0.8이상의 방사율로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 웨이퍼(W)의 가열은 지지핀을 통하여 열이 전도되는 이외의 대부분을, 균열판(2)으로부터의 열복사에 의해 실시하는 것이다. 실리콘 등의 반도체 웨이퍼(W)의 열흡수는 적외광의 파장 8㎛의 정도에서 최대가 되므로, 상기 파장영역에서의 균열판(2)의 적외선 방사율을 0.8 이상으로 하므로, 웨이퍼(W)의 가열을 보다 높게 할 수 있다. 웨 이퍼(W)의 적외선 흡수율은 열원인 균열판(2)으로부터 방사되는 적외광의 파장 스펙트럼에 의존하므로, 열흡수의 가장 높은 효율의 파장대에서 웨이퍼(W)를 복사 가열하는 것이 바람직하다. 균열판(2)은 통상은 100℃ 이상 가열되어 사용되므로, 100℃이상에서의 온도에서, 적외선 방사율을 0.8 이상으로 한다.

상기 관점으로부터 균열판에 금속광택이 있는 금속판을 사용하는 것은 바람직하지 않다. 예를 들어 금속 텅스텐(W) 및 니켈(Ni)의 판은 최대 방사율이 얻어지는 3㎛ 이하의 파장의 광을 방사하지만, 파장 8㎛ 이상의 적외선의 방사율은 0.1이하로 매우 작다. 그리고, 3㎛의 파장광은 실리콘 웨이퍼(W)를 대부분 투과하므로 열효율이 낮아 웨이퍼를 충분히 가열하지 않는다. 균열판(2)을 상기 금속으로 구성하거나 상기 금속으로 코팅하는 것은 바람직하지 않다.

균열판의 상기 방사율을 현실에 확보하는 데에는 세라믹의 색조를 흑색으로 하는 것이 바람직하다. 흑화(blacking)의 척도로서 균열판(2)의 명도를 JIS Z8721에서 규정하는 명도 N3 이하로 감소시킨다. 균열판은 명도(N3) 이하의 흑색으로 함으로써 상기의 파장 8㎛ 밴드를 포함하여 적외선의 방사율을 높게 할 수 있다.

표면 흑화하기 위해, 세라믹에 탄소를 포함시킬 수 있다. 일반적으로 알루미나나 질화 알루미늄의 세라믹은 N5 이상의 높은 명도를 갖는 흰색 내지 회색이고, 반사율은 낮지만 세라믹 중 적어도 표면층에 탄소를 함유시켜 적어도 상기 파장 8㎛ 밴드이고, 0.7이상의 높은 방사율을 얻을 수 있다. 이 때문에, 세라믹은 핫프레스(hot press)나 HIP 등에 의해 소결하는 과정에서 탄소를 많이 포함하는 환경 중에서 소성되면, 명도를 낮게 억제하고 적외선 방사율을 높일 수 있다.

다른 균열판은 높은 명도를 갖는 균열판을, 명도가 낮은 재료로 나누어 코팅하여 흑화(blacked) 될 수도 있다. 세라믹의 균열판(2)은 그 표면에 TiC나 AlTiC, DLC 등 흑화재료로 CVD나 PVD 등의 진공 증착에 의해 수 ㎛ 정도의 두께로 코팅될 수 있다.

이와 같이 I흑화되는 균열판(2)에는 알루미나, 질화 알루미늄, 탄화규소, 질화규소, 질화붕소질을 포함하는 소결체가 이용된다.

또한, 웨이퍼를 지지하는 데에 지지핀(20)이 사용되므로, 균열판으로부터 웨이퍼(W)로의 복사열을 차단하지만, 지지핀(20)의 재치면(3)으로부터의 돌출 높이(h)와 지지핀의 직경을 최적이 되도록 조정함으로써 지지핀(20)으로부터의 열전도에 의해 복사열 대신 전열할 수 있다.

균열판(2) 재치면(3)에서의 평탄도(flatness)는 100㎛ 이하, 바람직한 것은 50㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 균열판(2)을 탄성적으로 지지체(11)에 유지함으로써 지지체(11)내의 온도분포에 의해 발생하는 휘어짐을, 상기 탄성적 구조로 완화할 수 있으므로 균열판(2)의 평탄도를 유지하는 것이 가능해진다.

균열판(2)의 재치면(3)에서의 평활도(smoothness)에 대해서, 매끄럽게 마무리된 거울면은 반사율을 높이므로 오히려 방사율을 저하시킨다. 상기의 방사율을 높이기 위해서는 균열판의 재치면은 표면 거칠기(Ra) 0.8㎛ 이상을 갖는 것이 바람직하지만, 한편 3.2㎛을 초과하는 표면 거칠기(Ra)는 표면의 세정을 곤란하게 한다. 표면 거칠기(Ra) 0.8∼3.2㎛의 범위에서, 재치면의 표면의 평활도를 조정함으로써 적외선 반사율을 억제하고 적외선의 방사율을 높일 수 있다.

한편, 균열판(2)은 재치면(3)과 반대측의 주면상에, 발열 저항체(5), 또는 유리 또는 수지로 이루어진 절연층(4)이 부착되므로, 그것들의 주면으로의 밀착성을 높이기 위해 평탄도 20㎛ 이하이고, 면 거칠기를 중심선 평균 거칠기(Ra) 0.1㎛∼0.5㎛로 조제하는 것이 바람직하다.

지지핀

도 1, 도 7 및 도 8a와 도 8b에 도시한 바와 같이 웨이퍼(W)를 균열판(2)의 재치면(3) 상에, 재치면으로부터 이간하여 재치하기 위해 지지용 복수의 핀(20)이 원반형 균열판(2)상에 그 선단이 돌기하도록 배치되어 있다. 상기 지지핀(20)의 돌기선단이 웨이퍼(W)의 하부면을 지지하여 고정한다.

재치면(3)으로부터 웨이퍼(W)의 하부면까지의 거리는 지지핀(20)의 높이에 의해 설정할 수 있다. 지지핀(20)의 돌출 높이는 웨이퍼의 재치면(3)을 기준으로 했을 때 0.05∼0.5㎜가 바람직하다. 지지핀의 높이를 0.05m 이하로 하면, 웨이퍼는 그 휘어짐에 의해 균열판에 부분적으로 접촉하여, 그 결과 웨이퍼(W)상의 온도분포에 편차가 커진다. 또한, 0.05m 이하의 높이의 지지핀은 균열판으로부터의 열복사에 의해 웨이퍼의 국부적인 가열에 의해 온도분포에 편차가 생기는 결과가 된다. 그 거리가 0.5㎜를 초과하면, 새롭게 교환한 웨이퍼로의 열이동이 작아지고 온도 응답성이 저하되며, 소정 온도로의 상승에 긴 시간을 필요로 하므로 바람직하지 않다.

이와 같은 지지핀의 직경은 2∼10㎜인 것이 바람직하다. 지지핀과 웨이퍼의 접촉면적은 지지핀 1개당 10㎟ 이하로 하는 것이 바람직하고, 지지핀이 웨이퍼(W) 에 미치는 열적 영향을 적게 할 수 있다.

지지핀의 구조

지지핀(20)의 구조의 일례를 도 9a와 도 9b에 도시하지만, 지지핀(20)은 오목부(21)내에 접합하지 않고 단순히 놓아 두는 것만으로 좋다. 이 경우, 지지핀의 탈락을 방지하기 위해 고정링(24)을 오목부(21)의 상부에 설치한다. 상기 고정링(24)은 지지핀(20)과는 접촉하지 않아도 좋다. 이와 같은 고정링(24)은 오목부(21)의 내부면에 걸어 맞출 수 있는 스냅링이어도 좋다. 고정링(24)은 Ni, SUS 316, SUS 631, 42알로이, 인코넬, 인코로이 등의 내열 금속으로 형성되어 있다.

발열 저항체

발열 저항체(5)는 외관상은 저항체 스트립(50)이 배열된 원형의 영역을 가지고 있고, 그 영역의 외부직경에 재치될 웨이퍼를 균일하게 가열하기 위해서는 그 웨이퍼와 상대적인 관계를 갖는 것이 바람직하다. 발열 저항체의 외부직경(B)이 균열판상에 재치될 웨이퍼의 외부직경의 1.075∼1.30배의 범위에 있는 것이 바람직하다. 발열 저항체(5)의 영역의 외부직경은 발열 저항체(5)의 가장 바깥쪽의 하나의 저항체 스트립 또는 가장 바깥쪽의 2개 이상으로 구분된 저항체 스트립이 그리는 원의 직경을 말한다. 웨이퍼(W)의 외부직경의 1.075배 미만의 발열저항체(5)는 균열판의 외주부로부터의 열의 방산 때문에, 외주부의 온도가 중앙부 보다 내려가고, 전체의 온도편차가 커지고, 온도편차가 10℃를 초과하는 경우가 있다. 반대로, 1.30배를 초과한 발열 저항체(5)는 균열성 큰 것은 개선되지 않고, 또한 균열 열판의 비용이 상승하고 소비전력이 크며 장치 자체의 비용이 상승하므로 바람직하지 않다. 1.075∼1.30의 범위에서는 크기가 8인치에서 12인치의 웨이퍼의 전 영역에서, 정상시 온도편차를 1℃ 이하로, 과도시 온도편차 10℃이하, 소비전력 300W 이하로 할 수 있다. 특히, 발열 저항체의 외부직경(B)은 웨이퍼의 외부직경의 1.02∼1.20배의 범위가 바람직하다.

다른쪽의 발열저항체(5)는 저항체 분말의 페이스트를 세라믹 표면에 저항체 스트립의 패턴으로 프린트하고, 다음에 소성하여 소결체를 이용하는 것이 바람직하다.

세라믹이 반도체적 특성을 나타낼 때에는 저항체 스트립은 세라믹 표면에 형성한 절연층(4) 상에 형성하는 것이 바람직하다. 도 6에는 저항체 스트립으로 이루어진 발열 저항체(5)와, 균열판(2)의 이면 사이에 절연층(4)을 개재시킨 가열장치의 예를 나타낸다.

발열저항체(5)를 이루는 저항체 스트립은 도전성 성분으로서 바람직한 것은 내열성 및 내산화성이 양호한 금속, 예를 들어 동(Cu), 은(Ag), 금(Au) 등의 귀금속, 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등의 백금족 금속, 이들의 합금을 포함할 수 있다. 이들 금속 또는 합금의 단체(單體)를, 증착법이나 도금법으로 직접 피착할 수 있다. 다른 저항체 스트립은 상기 금속 단체(單體)에 산화 레늄(Re₂O₃), 란탄망가네이트(LaMnO₃) 등의 산화물을 도전재로서 포함하는 수지 페이스트나 유리 페이스트를 조제하고, 페이스트를 도막하여 베이킹할 수도 있다. 저항체 스트립 중의 유리성분은 30∼75중량%의 범위가 좋다. 유리 성분은 절연층(4)과의 밀착성과 발열 저항체(5) 자체의 소결성을 향상시킨다. 저항체 스트립은 또한 절연성의 무기재료의 분말도 포함할 수 있고 이것은 비저항(specific resistance)의 조정용으로서 첨가된다.

발열 저항체(5)의 저항온도계수(즉, 온도변화에 대한 전기저항의 변화율)은 3000×10^-6/K 이하인 것이 바람직하다. 저항온도계수가 너무 높으면 상온시의 저항값이 낮아지므로 전류투입시의 공급전력이 커지고, 상기 초기전력을 제어하기 위한 온도제어회로가 고가가 되어 장치 비용이 높아진다. 그 때문에, 발열 저항체(5)의 저항온도계수를 3000×10^-6/℃ 이하가 되도록 하여 상온의 저항값을 크게 함으로써 돌입 전류를 작게 하고, 제어회로의 부하를 작게 할 수 있다.

또한, 발열 저항체(5)의 저항온도계수를 3000×10^-6/℃ 이하로 하는 데에는 예를 들어 Au와 백금족 금속의 합금화가 가능하다. 이들의 배합비는 Pt의 경우 Au:Pt의 혼합비를 5:95∼95:5의 범위로 하면 좋다.

이와 같이 소성하여 형성한 저항체 스트립은 미크로적인 두께의 편차를 발생시키는 경향이 있고, 두께의 위치적 변화는 스트립의 단위길이 당의 저항밀도에 미소변화를 준다. 그 때문에, 필요하다면 레이저 트리밍 프로세스 등에 의해 저항체 스트립의 폭 또는 두께를 부분적으로 트리밍(trimmed)되어 상기의 저항밀도를 균일하게 한다. 이것은 온도분포를 정밀하게 조정할 수 있다.

또한, 이와 같은 웨이퍼 가열장치는 도 1에 도시한 바와 같이 상기 균열판(2)에 발열 저항체(5)를 구비한 균열판을 케이스 형상의 지지체(11)의 상부 가장자리부에 접합하고, 지지체의 내부에 배치한 도통단자(7)를 급전부(6)에 접속한다.

균열판(2)은 도 1 및 도 6-7에 도시한 바와 같이 지지체(11)의 위쪽 가장자리부에 고정되어 있다. 지지체는 바닥이 있는 원통형상을 이루고, 상부 개구부에 균열판(2)이 그 재치면(3)을 위쪽을 향하도록 탑재되어 있다.

지지체는 금속에 의해 상부 개구의 원통형상을 이루고, 균열판(2)은 지지체(11) 개구부를 덮도록 그 상부 가장자리부에 설치하고 있다. 금속제의 지지체(11)는 측벽부와 한층 또는 다층의 격리판(13)을 갖고 있다. 이 예는 격리판(13)에는, 균열판(2)의 발열 저항체(5)에 급전하기 위한 급전부(6)와 도통하기 위한 도통단자(7)가 슬라이딩 절연부재(9)를 통하여 설치되고, 탄성체(8)에 의해 균열판(2)의 표면의 급전부(6)에 억압되어 있다.

상세하게는 도 7에 도시한 바와 같이 지지체(11)는 균열판(2)의 둘레 가장자리를 상부 개구부의 내측 플랜지를 이루는 균열판 유지부(14) 상에 지지고정한다. 이와 같은 배치에서 발열 저항체(5)의 바깥 가장자리는, 균열판 유지부(14)의 내부 가장자리와의 사이의 거리(A)를 2㎜ 이상으로 이간하도록 배치된다. 지지체(11)의 균열판 유지부(14)와 발열 저항체(5)의 거리(A)가 2㎜ 보다 작으면, 균열판으로부터 균열판 유지부로의 열의 이동에 의해, 발열 저항체(2)에 열응력을 발생시키고, 발열 저항체(5)의 수명이 현저하게 저하된다.

그리고, 바람직한 것은 발열 저항체(5)의 외부 직경(B)이 처리 가능한 웨이 퍼 외부직경 보다 5㎜ 이상 크다. 또한, 발열 저항체(5)와 처리할 웨이퍼(W)의 직경차가 5㎜ 미만이 되면, 웨이퍼(W)의 온도분포의 변동이 커진다.

상기 실시형태에서는 도통단자(7)는 축형상을 이루고, 지지체의 내부에 가로방향의 격리판(13)에 고정된 슬라이딩 절연부재(9)를 관통하여 안내 지지되어 있다. 도통단자(7)는 슬라이딩 절연부재(9)로부터 고정한 탄성체(8)에 의해 위쪽으로 억압하도록 탄성부세되고, 도통단자(7)의 단면이 급전부(6) 또는 패드전극의 표면에 상시, 접촉시키고 있다. 그 때문에, 균열판(2)과 지지체(11) 사이에 온도차에 의한 팽창의 차가 발생해도 도통단자의 표면과, 패드전극의 접촉부위에 미끄러움이 발생하므로 상기 실시형태의 웨이퍼 가열장치는 단자-전극간의 접촉이 확보된다. 그 때문에, 사용중의 열 사이클에 의한 크기 변화에 충분히 대응할 수 있는 웨이퍼 가열장치로 할 수 있다.

탄성체(8)에는 도 1에 도시한 바와 같이 코일형상 또는 판형상의 스프링을 사용하여 위쪽으로 부세하는 구조를 이용할 수 있다. 이들 탄성체(8)는 지지체에 대해서 0.3N 이상의 하중을 도통단자(7)에 작용하게 하는 것이 바람직하다. 탄성체가 도통단자(7)를 균열판(2)의 하부면으로부터 급전부(6)에 상기의 하중으로 눌러 접촉시키고 나서, 탄성체는 도통단자(7)의 슬라이딩 절연부재(9)와의 마찰력에 의해 도통단자(7)가 급전부(6)로부터 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 팽창수축에 의한 균열판(2)과 지지체(11)의 크기변화에 따라서 도통단자(7)가 추종하여 급전부로의 접촉이 유지된다.

또한, 도통단자(7)의 급전부(6)의 접촉면측의 직경은 1.5∼4㎜로 하는 것이 바람직하다. 또한, 도통단자(7)를 유지하는 슬라이딩 절연부재(9)는 그 사용온도에 따라서, 200℃이하의 온도에서는 유리섬유를 분산시킨 PEEK(폴리에톡시에톡시케톤 수지)재의 것을 사용하는 것이 가능하고, 또한 그 이상의 온도에서 사용하는 경우에는 알루미나, 뮤라이트 등으로 이루어진 세라믹제의 슬라이딩 절연부재(9)를 사용할 수 있다.

이 때, 도통단자(7) 중 적어도 급전부(6)와의 접촉부를 Ni, Cr, Ag, Au, 스텐레스 및 백금족의 금속 중 적어도 1종 이상으로 이루어진 금속에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 도통단자(7) 자체를 상기 금속으로 형성하거나, 또는 도통단자(7)의 표면에 상기 금속으로 이루어진 피복층을 설치할 수도 있다. 또한, 도통단자(7)와 급전부(6) 사이에 상기 금속으로 이루어진 금속박을 삽입함으로써, 도통단자(7) 표면의 산화에 의한 접촉불량을 방지하고, 균열판(2)의 내구성을 향상시키는 것이 가능해진다. 구체적으로는 상기 급전부(6)와 도통단자(7) 사이에, Ni, Cr, Ag, Au, 스텐레스 및 백금족의 금속 중 적어도 1종 이상으로 이루어진 금속박(16)을 삽입하면, 전기적인 접촉의 신뢰성이 증가함과 동시에, 균열판(2)과 지지체(11)의 온도차에 기인하는 크기차를 금속박의 면의 매끄러움으로 완화시킬 수 있다.

또한, 도통단자(7)의 표면에 도금 가공이나 샌드블러스트(send blast) 가공을 실시하여 표면을 거칠게 함으로써 접점이 점 접촉이 되는 것을 방지하면, 더욱 접촉의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 열전대(10)가 균열판(2)의 중앙부의 웨이퍼 탑재면(3)의 바로 근처에 설치되고, 열전대(10)의 온도를 기초로 균열판(2)의 온도를 조정한다. 발열 저항체(5)가 복수의 블럭으로 나뉘어 있고, 개별적으로 온도제어하는 경우에는 각각의 발열저항체(5)의 블럭에 온도측정용 열전대(10)를 설치한다.

균열판에는 상기 균열판(2)을 냉각하기 위해 도시하지 않은 가스 분사구, 및 가스를 배기하기 위한 개구부를 형성할 수도 있다. 이와 같이 균열판(2)의 냉각기구를 설치함으로써 웨이퍼(W)의 표면에 반도체 박막이나 레지스트막을 형성하거나, 표면을 에칭함으로써 택트타임(tact time)을 단축할 수 있다.

2층 이상의 간막이판(13)을 설치하는 것이, 균열판을 균열 유지하는 데에 바람직하고, 단 1층의 간막이판에서는 균열되는 데에 시간이 소요되어 바람직하지 않다. 간막이판(13)의 최상층의 것은, 균열판(2)으로부터 5∼15㎜의 거리에 설치하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 균열판(2)과 판형상 구조부(13) 상호의 복사열에 의해 균열화가 용이해지고, 또한 타층과의 단열효과가 있으므로 균열이 될 때까지의 시간이 단축된다. 또한, 냉각시에는 가스분사구(12)로부터 균열판(2)의 표면의 열을 받은 가스가, 차례로 층밖으로 배출되어 새로운 냉각가스가 균열판(2) 표면을 냉각할 수 있으므로 냉각시간을 단축할 수 있다.

세라믹 재질

균열판(2)의 재질로 되돌아가면, 바람직한 것은 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화알루미늄 또는 질화규소를 기초로 하는 재질의 소결체에 의해 형성하는 것이 바람직하고, 이들의 세라믹 소결체는 열을 가하고 온도를 높여도 변형이 작고, 판두께 2∼8㎜까지 얇게 할 수 있다. 이와 같은 두께의 세라믹은 소정의 처리온도 로 가열할 때까지 승온시간과, 소정의 처리온도로부터 실온부근으로 냉각할 때까지의 냉각시간을 단축시킬 수 있고, 생산성을 높일 수 있다.

균열판(2)을 형성하기 위해 탄화규소질 소결체는 주성분인 탄화규소에 대하여 소결조제로서 붕소(B)와 탄소(C)를, 또는 알루미나(Al₂O₃), 이트리아(Y₂O ₃)를 포함하는 산화물을 첨가하여 충분히 혼합하고, 평판으로 프레스 성형된다. 성형체(compact)는 1900∼2100℃에서 소성되어 소결체가 된다. 탄화규소는 α형도 β형도 이용된다.

또한, 탄화붕소질의 소결체는 주성분의 탄화붕소질에 대하여 소결조제로서 탄소를 3~10중량% 혼합하고, 2000~2200℃에서 핫프레스 소성함으로써 소결체를 얻을 수 있다.

그리고, 질화붕소질 소결체로서는 주성분의 질화붕소에 대하여 소결조제로서 30~45중량%의 질화알루미늄과 5~10중량%의 희토류 원소산화물을 혼합하고, 1900~2100℃에서 핫프레스 소성함으로서 소결체를 얻을 수 있다. 질화붕소의 소결체를 얻는 방법으로서는 다른 붕규산 유리를 혼합하여 소결시키는 방법이 있지만, 이 경우 열전도율이 현저하게 저하하기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 균열판(2)을 형성하는 질화알루미늄질 소결체는 주성분의 질화알루미늄에 대하여 소결조제로서 Y₂O₃이나 Yb₂O₃ 등의 희토류원소 산화물과 필요에 따라서 CaO 등의 알칼리 토류 금속산화물이 첨가된다. 이들 첨가물은 질화알루미늄과 충분히 혼합하고, 평판형상으로 성형한 후, 질화가스 중 1900~2100℃에서 소성하여 소결체로 한다.

또한, 탄화붕소질 소결체로서는 주성분인 탄화붕소에 대하여 소결조제로서 탄소를 3~10중량% 혼합하고, 2100~2200℃에서 핫프레스 소성함으로써 소결체를 얻을 수 있다.

또한, 균열판(2)을 형성하는 질화규소질 소결체로서는 주성분인 질화규소에 대하여 소결조제로서 3~12중량%의 희토류 원소산화물과 0.5~3중량%의 Al₂O₃, 또한 소결체에 포함되는 SiO₂량으로서 1.5~5중량%가 되도록 SiO₂를 혼합하고 1650~1750℃에서 핫프레스 소성함으로써 소결체를 얻을 수 있다. 여기에서 나타내는 SiO₂량은 질화규소원료 중에 포함되는 불순물 산소로부터 생성하는 SiO₂와, 다른 첨가물에 포함되는 불순물로서의 SiO₂와, 주변으로부터의 영향을 포함하여 의도적으로 첨가한 SiO₂의 총합이다.

이들 재료로부터의 균열판의 제조공정에 있어서, 소결을 위한 핫프레스가 카본 환경에서 실시됨으로써 세라믹명도를 JIS Z8721로 규정하는 N3 이하로 저감하고, 흑화한 세라믹디스크를 얻을 수 있어 균열판에 사용된다. 흑화 핫프레스는 백색 내지 회색을 나타내는 세라믹, 예를 들면 알루미나 또는 질화 알루미늄에 유효하다.

또한, 균열판(2)의 온도는 균열판(2)에 그 선단이 매설된 열전대(10)에 의해 측정한다. 열전대(10)로서는 그 응답성과 유지 작업성의 관점에서 외부직경 1.0mm 이하의 시스된(sheathed) 형태의 열전대(10)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 균열판(2)에 매설된 선단부에 힘이 가해지지 않도록 열전대(10)의 도중이 지지부(7)의 판형상 구조부(13)에 유지되어 있다. 이 열전대(10)의 선단부는 균열판(2)에 구멍이 형성되고, 이 중에 설치된 원통형상의 금속체의 내벽면에 스프링재에 의해 눌러 고정하는 것이 온도 측정의 신뢰성을 향상시키기 위해서 바람직하다.

또한, 이들 웨이퍼 가열장치(1)를 레지스트막 형성용으로서 사용하는 경우는 균열판(2)으로서 질화물을 주성분으로 하는 재료를 사용하면, 대기 중의 수분 등과 반응하여 암모니아가스를 발생시켜 레지스트막을 열화시킬 우려가 있다. 이 경우 균열판(2)으로서 탄화 규소나 탄화 붕소 등의 탄화물로 이루어지는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

질화물이 소결조제에 물과 반응하여 암모니아나 아민을 형성할 가능성이 있을 때는 세라믹 중에 질화물을 실질적으로 포함하지 않는 것이 필요하다. 이에 의해 가열되야 하는 웨이퍼(W)에는 미세한 배선을 고밀도로 형성하는 것이 가능해진다.

또한, 균열판(2)의 재치면(3)과 반대측의 주면은 유리나 수지로 이루어지는 절연층(4)과의 밀착성을 높이는 관점에서 평면도 20㎛ 이하, 면거칠기를 중심선 평균거칠기(Ra)에서 0.1㎛∼0.5㎛로 연마해두는 것이 바람직하다.

절연층

도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이 탄화규소질 소결체가 균열판(2)으로서 사용되는 경우에는 이 소결체가 반도전성을 나타내기 때문에 균열판(2)과 발열저항체(5) 사이의 절연을 유지하는 절연층(4)을 개재시키는 것이 좋다. 절연층으로서는 유리 또는 수지를 이용할 수 있다.

여기에서 유리를 이용하는 경우, 그 두께가 100㎛ 미만에서는 내전압이 1.5kV를 하회하여 절연성을 유지하게 할 수 없고, 역으로 두께가 600㎛를 넘으면, 균열판(2)을 형성하는 탄화규소질 소결체와의 열팽창차가 너무 커지기 때문에 균열(crack)이 발생하여 절연층(4)으로서 기능하지 못하게 된다. 그 때문에 절연층(4)으로서 유리를 이용하는 경우, 절연층(4)의 두께는 100㎛~600㎛의 범위에서 형성하는 것이 바람직하고, 적합하게는 200㎛~350㎛의 범위에서 형성하는 것이 좋다.

또한, 균열판(2)을 질화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹소결체로 형성하는 경우는 균열판(2)에 대한 발열저항체(5)의 밀착성을 향상시키기 위해서 유리로 이루어지는 절연층(4)을 형성한다. 다만, 발열저항체(5) 중에 충분한 유리를 첨가하고, 이에 의해 충분한 밀착강도를 얻을 수 있는 경우는 생략하는 것이 가능하다.

이 절연층(4)을 형성하기 위한 유리는 결정질 또는 비결정질 중 어느것이라도 좋다. 유리는 내열온도가 200℃ 이상인 것이 필요하다. 또한, 0℃~200℃의 온도 영역에 균열판(2)을 구성하는 세라믹의 열팽창 계수에 대하여 -5×10^-7~ +5×10^-7/℃의 범위의 열팽창 계수를 갖는 유리가 선택된다. 상기 범위에서 벗어난 열팽창계수를 갖는 유리는 균열판(2)을 형성하는 세라믹과의 큰 열팽창의 차를 갖기 때문에 유리의 베이킹 후의 냉각 시에 있어서 균열이나 박리를 포함하는 결함이 생기기 쉽기때문이다.

다음에, 절연층(4)에 수지를 이용하는 경우, 그 두께가 30㎛ 미만에서는 내전압이 1.5kV보다 저하하고, 절연성을 유지할 수 없고, 발열저항체(5)에 레이져조사에 의해 트리밍된 때에 하층의 절연층(4)을 손상시켜, 절연기능을 저하시킨다. 또 한편, 수지의 두께가 150㎛를 넘으면, 수지의 베이킹 시에 용제나 수분의 증발이 많아지고, 수지나 균열판(2) 사이에 거품이 형성되어 부분적으로 박리되고, 이 박리부는 절연층과 균열판(2) 사이에 열전달을 저하시키고, 재치면(3)의 균열화를 저해한다. 그 때문에 절연층(4)으로서 수지를 이용하는 경우, 절연층(4)의 두께는 30~150㎛의 범위에서 형성하는 것이 바람직하고, 적합하게는 60㎛~150㎛의 범위에서 형성하는 것이 좋다.

또한, 절연층(4)의 수지는 200℃ 이상의 내열성과 발열저항체(5)의 밀착성을 고려하면, 폴리이미드수지, 폴리이드아미드수지, 폴리아미드수지를 포함하는 것이 바람직하다.

유리나 수지로 이루어지는 절연층(4)을 균열판(2) 상에 피착(apply)하는 방법에는 절연층용 유리페이스트 또는 수지페이스트를 균열판(2)의 중심부에 적량 떨어뜨리고, 스핀코팅법으로 펴서 균일하게 도포할 수 있다. 페이스트는 또한 스크린인쇄법, 딥핑법, 스프레이코팅법으로 균일하게 도포되어도 좋다. 균일 도포 후 페이스트는 베이크된다. 베이킹온도는 유리 페이스트는 600~800℃정도이며, 수지 페이스트의 경우는 300~400℃ 정도이다. 절연층(4)으로서 유리를 이용하는 경우, 미리 탄화규소질 또는 질화알루미늄질의 소결체로 이루어지는 균열판(2)은 1200℃ 정도의 온도로 소성하여 절연층(4)을 피착해야 하는 주면을 탄화시켜 두는 것이 유리로 이루어지는 절연층(4)과의 접착성을 높이는 데에 적합하다.

실시예

실시예 1

열전도율이 100W/m·K의 탄화규소질 소결체에 연삭가공을 실시하고, 판두께 3mm, 외부직경 340mm의 원반형상을 한 균열판(2)을 복수 제작하고, 각 균열판(2)의 한쪽 주면에 절연층(4)을 피착하기 위한, 유리분말에 대하여 바인더로서의 에칭셀룰로스와 유기용제로서의 테르피네올(terpineol)을 혼련하여 제작한 유리 페이스트를 스크린 인쇄법으로 부설하고, 150℃로 가열하여 유기용제를 건조시킨 뒤, 550℃에서 30분간 탈지처리를 실시하고, 또한 700∼900℃의 온도로 베이킹을 실시함으로써 유리로 이루어지는 두께 200㎛의 절연층(4)을 형성하였다. 이어서, 절연층(4) 상에 발열저항체(5)를 피착하기 위한 도전재로서 20중량%의 Au분말과 10중량%의 Pt분말과 70중량%의 유리를 소정량의 바인더 및 용제와 혼합한 페이스트를 스크린인쇄법으로 소정의 패턴형상으로 인쇄한 뒤, 150℃로 가열하여 유기용제를 건조시키고, 또한 450℃에서 30분간 탈지처리를 실시한 뒤, 500~700℃의 온도로 베이킹을 실시함으로서 두께가 50㎛의 발열저항체(5)를 형성하였다.

발열저항체의 외부직경은 웨이퍼의 직경 300mm에 대하여 320mm(직경비 1.05)로 설정하였다.

발열저항체(5)를 구성하는 스트립의 폭(P)과 갭(G)과 면적비(S)를 다양하게 변화시켜 표 1에 나타내는 내용으로 테스트를 실시하였다.

웨이퍼 재치면에는 균열판에 7개소의 오목부를 설치하고, 세라믹제의 웨이퍼 재치핀을 매설하여 0.01mm의 간격을 두고 웨이퍼를 얹는 구조로 하였다.

제작한 균열판에 대하여 프린트성, 내전압, 웨이퍼부의 온도 편차에 대하여 평가하였다. 특히 웨이퍼부의 온도 편차에 대해서는 발열패턴의 경향이 검출할 수 있도록 온도 측정 웨이퍼를 회전시키거나, 위치를 어긋나게 하여 평가하였다.

또한, 평가기준은 150℃에서의 웨이퍼부의 온도 편차가 0.5℃ 이하를 "○". 0.5℃를 넘는 것을 "×"로 하였다.

도 5에 평가결과를 나타낸다. 합격 시의 발열패턴 폭(P), 갭(G)을 각각 "Pok", "Gok"로, 불합격 시의 발열 패턴 폭(P), 갭(G)을 각각 "Png", "Gng"로서 나타내었다.

이 결과로부터 다음의 수학식

0.15≤S≤0.85

0.3≤P≤6.71×S²+1.52

0.3≤G≤6.71×(1-S)²+1.55

를 동시에 만족시키는 것은 온도 측정 웨이퍼의 온도 편차가 0.5℃ 이하가 되고 양호한 결과가 얻어졌다. 그러나, S가 0.15 이하인 경우, 발열부의 면적이 너무 작고 발열하지 않는 갭부분을 충분히 가열할 수 없어 온도 편차가 커지게 되고, 역으로 S가 0.85를 넘으면 이번에는 발열부가 너무 넓고, 특히 패턴의 되접기부에 있어서 전류가 단락하여 흐름으로써 국부 발열이 생기게 되는 온도 편차가 커지게 된다. 동일하게 0.15≤S≤0.85의 범위로서도 P가 상기 수학식을 초과하면, 패턴의 되접기부에 있어서 상술한 경향이 나타나고 온도 편차가 커지게 된다. P가 0.3 미만에서는 스크린인쇄 등에 의해 패턴을 형성시킬 경우에 마이크로 단위에서 두께가 안정하기 않기 때문에 발열저항체로서는 신뢰성이 결여되기 때문에 바람직하지 않다. 또한, G가 0.3 미만에서는 복수회로로 제어하는 경우, 회로간의 내전압이 1.5kV를 만족하지 않는 것이 있어 바람직하지 않고, 역으로 G가 상기 수학식을 초과하면 갭부분이 너무 커져 충분히 가열되지 않는 부분이 생겨 온도 편차가 커져 바람직하지 않다.

실시예 2

열전도율이 100W/m·K의 탄화규소질 소결체에 연삭가공을 실시하고, 판두께 3mm, 외부직경 300mm, 315mm, 340mm, 375mm의 원반형상을 한 균열판(2)을 복수 제작하고, 각 균열판(2)의 한쪽 주면에 절연층(4)을 피착하기 위한, 유리분말에 대하여 바인더로서의 에칭셀룰로오스와 유기용제로서의 테르피네올을 혼련하여 제작한 유리페이스트를 스크린 인쇄법으로 부설하고, 150℃로 가열하여 유기용제를 건조시킨 뒤, 550℃에서 30분간 탈지처리를 실시하고, 또한 700∼900℃의 온도로 베이킹을 실시함으로써 유리로 이루어지는 두께 200㎛의 절연층(4)을 형성하였다. 이어서, 절연층(4) 상에 발열저항체(5)를 피착하기 위한 도전재로서 20중량%의 Au분말과 10중량%의 Pt분말과 70중량%의 유리를 소정량의 바인더 및 용제와 혼합한 페이스트를 스크린인쇄법으로 소정의 패턴형상으로 인쇄한 뒤, 150℃로 가열하여 유기용제를 건조시키고, 또한 450℃에서 30분간 탈지처리를 실시한 뒤, 500~700℃의 온 도로 베이킹을 실시함으로서 두께가 50㎛의 발열저항체(5)를 형성하였다.

발열저항체의 외부직경은 이하의 시험에서는 웨이퍼 직경 300mm에 대하여 285mm(95%), 298mm(98%), 300mm(100%), 306mm(1.02), 330mm(1.10) 및 360mm(1.20)의 수준이 되도록 설정하고, 이 직경비 95%에 대해서는 외부직경 300mm, 98% 및 100%에 대해서는 외부직경 315mm, 1.02 및 1.10에 대해서는 외부직경 340mm, 1.20에 대해서는 외부직경 375mm의 세라믹디스크가 사용된다.

발열패턴은 표 1에 나타내는 조건으로 균열판에 설정된다.

웨이퍼면은 균열판에 7개소의 오목부를 설치하고, 각 오목부에 웨이퍼 재치용 세라믹의 지지핀을 매설하고, 지지핀에 의해 하면과 재치면과는 0.01mm의 간격이 되도록 웨이퍼를 재치하는 구조로 하였다.

이렇게 제작한 균열판에 대하여 프린트성, 내전압, 웨이퍼부의 온도 편차에 대하여 평가하였다. 특히 웨이퍼부의 온도 편차에 대해서는 발열패턴의 경향을 검출할 수 있도록 온도 측정 웨이퍼를 회전시키거나, 위치를 이동하여 평가하였다. 각각의 결과는 표 1에 나타낸 바와 같다.

No	균열판 두께	균열판 열전도율	웨이퍼와 재치면의 거리	발열 면적비	선폭	갭	웨이버/ 발열 에리어	웨이퍼 온도 편차	도달 안정 시간	온도 변경 시간
	t[mm]	[W/m·K]	d2[mm]	S[%}	P[mm]	G[mm]	[%]	R(℃)
1	3	100	0.1	60%	2.50	2.00	95	1.32	○	○
2	↑	↑	↑	60%	2.50	2.00	98	0.96	○	○
3	↑	↑	↑	60%	2.50	2.00	100	0.65	○	○
4	↑	↑	↑	60%	2.50	2.00	102	0.36	○	○
5	↑	↑	↑	60%	2.50	2.00	110	0.25	○	○
6	↑	↑	↑	60%	2.50	2.00	120	0.25	○	○

웨이퍼 직경에 대한 발열저항체의 외부직경의 비가 1.02 이상에서는 균열성에 양호한 결과가 얻어졌다. 그러나, 직경비 1.10와 1.20를 비교한 경우, 큰 개선은 발견되지 않았다. 직경 확대에 따른 비용과 소비전력과의 상승을 고려하면, 1.20을 넘는 것은 바람직하지 않다. 이에 대하여 직경비 1.00 이하에서는 외부둘레부의 열 방출(heat release)을 흡수할 수 없어 웨이퍼 외부둘레부에서의 온도 저하가 현저하게 되어 적합하지 않았다.

실시예 3

열전도율 30W/m·K의 알루미나 소결체, 열전도율 50W/m·K의 질화알루미늄 소결체, 열전도율이 80W/m·K와 150W/m·K의 탄화규소질 소결체가 이용되었다. 이들 소결체는 연삭가공되고, 판두께 1mm, 외부직경 340mm의 원반형상을 한 다수의 균열판(2)을 제작하였다.

각 균열판(2)의 한쪽 주면에 절연층(4)을 피착하기 위한 유리분말에 대하여 바인더로서의 에틸셀룰로오스와 유기용제로서의 테르피네올을 혼련하여 제작한 유리페이스트를 스크린인쇄법으로 부설하고, 150℃로 가열하여 유기용제를 건조시킨 뒤, 550℃에서 30분간 탈지 처리를 실시하고, 또한 700~900℃의 온도에서 베이킹을 실시함으로써 유리로 이루어지는 두께 200㎛의 절연층(4)을 형성하였다. 이어서 절연층(4) 상에 발열저항체(5)를 피착하기 위해, 도전재로서 20중량%의 Au분말과 10중량%의 Pt분말과 70중량%의 유리를 소정량의 바인더 및 용제와 혼합한 페이스트를 스크린 인쇄법으로 소정 패턴형상으로 인쇄한 뒤, 150℃로 가열하고 유기용제를 건조시키고 또한 450℃에서 30분간 탈지처리를 실시한 뒤, 500~700℃의 온도에서 베이킹을 실시함으로써 두께가 50㎛의 발열저항체(5)를 형성하였다.

패턴은 표 2에 도시한 설계로 하였다. 웨이퍼 재치부는 균열판에 7개소의 오목부를 설치하고, 세라믹제의 웨이퍼 재치핀을 매설하고 0.01mm의 간격을 두고 웨이퍼를 재치하는 구조로 하였다.

제작한 균열판에 대하여 프린트성, 내전압, 웨이퍼부의 온도 편차에 대해서 평가하였다. 특히 웨이퍼부의 온도 편차에 대해서는 발열 패턴의 경향을 검출할 수 있도록 온도 측정 웨이퍼를 회전시키거나, 위치를 이동하여 평가하였다. 각각의 결과는 표 2에 나타내는 바와 같다.

No	균열판 두께	균열판 열전도율	웨이퍼와 재치면의 거리	발열 면적비	선폭	갭	웨이퍼/ 발열에리어	웨이퍼 온도 편차	도달 안정 시간	온도 변경 시간
	t[mm]	[W/m·K]	d2[mm]	S[%}	P[mm]	G[mm]	[%]	R(℃)
7	↑	30	0.1	60%	2.50	2.00	105	1.02	○	○
8	↑	50	↑	60%	2.50	2.00	↑	0.63	○	○
9	↑	80	↑	60%	2.50	2.00	↑	0.35	○	○
10	↑	150	↑	60%	2.50	2.00	↑	0.24	○	○

표 2에서 알 수 있듯이, 열전도율 80W/m·K 이상에서는 양호한 결과가 되었다. 그러나, 열전도율 50W/m·K 이하의 것에서는 웨이퍼 온도 편차가 커져 부적합하다고 판단하였다. 이것은 두께가 얇고 또한 열전도율이 낮고, 열확산이 충분하게 이루어지지 않기 때문이라고 생각된다.

실시예 4

열도전율이 100W/m·K의 탄화규소질 소결체에 연삭가공을 실시하고, 외부직경 340mm, 두께 0.5mm, 1mm, 8mm, 10mm의 원반형상을 한 균열판(2)을 복수 제작하고, 각 균열판(2)의 한쪽 주면에 절연층(4)을 피착하기 위한, 유리분말에 대하여 바인더로서의 에틸셀룰로오스와 유기용제로서의 테르피네올을 혼련하여 제작한 유리페이스트를 스크린인쇄법으로 부설하고, 150℃로 가열하여 유기용제를 건조시킨 뒤, 550℃에서 30분간 탈지처리를 실시하고, 또한 700∼900℃의 온도에서 베이킹을 실시함으로써 유리로 이루어지는 두께 200㎛의 절연층(4)을 형성하였다. 이어서 절연층(4) 상에 발열저항체(5)를 피착하기 위해, 도전재로서 20중량%의 Au분말과 10중량%의 Pt분말과 70중량%의 유리를 소정량의 바인더 및 용제와 혼합한 페이스트를 스크린인쇄법으로 소정 패턴형상으로 인쇄한 뒤, 150℃로 가열하여 유기용제를 건조시키고 또한 450℃에서 30분간 탈지처리를 실시한 뒤, 500~700℃의 온도에서 베이킹을 실시함으로써 두께가 50㎛의 발열저항체(5)를 형성하였다.

웨이퍼 재치부는 균열판(2)에 7개소의 오목부를 설치하고, 세라믹제의 웨이퍼재치핀을 매설하여 0.01mm의 간격을 두고 웨이퍼를 재치하는 구조로 하였다.

제작한 균열판에 대하여 프린트성, 내전압, 웨이퍼부의 온도 편차에 대하여 평가하였다. 특히 웨이퍼부의 온도 편차에 대해서는 발열패턴의 경향을 검출할 수 있도록 온도 측정 웨이퍼를 회전시키거나, 위치를 이동하여 평가하였다.

각각의 결과는 표 3에 나타내는 바와 같다.

No	균열판 두께	균열판 열전도율	웨이퍼와 재치면의 거리	발열 면적비	선폭	갭	웨이퍼/ 발열에리어	웨이퍼 온도 편차	도달 안정 시간	온도 변경 시간
	t[mm]	[W/m·K]	d2[mm]	S[%}	P[mm]	G[mm]	[%]	R(℃)
11	0.5	100	0.1	60%	2.50	2.00	105	0.73	○	○
12	1.0	↑	↑	60%	2.50	2.00	↑	0.41	○	○
13	5	↑	↑	60%	2.50	2.00	↑	0.26	○	○
14	6	↑	↑	60%	2.50	2.00	↑	0.25	△	×

표 3에서 균열판(2)의 두께(t)가 1mm≤t≤8mm에서는 웨이퍼 온도 편차 및 온도변경 시간 특히 냉각시간이 4분 이내로 완료한 것을 알 수 있다. 그러나, 0.5mm 이하의 두께는 웨이퍼 온도 편차가 커져 부적합하였다. 이것은 두께가 너무 얇고 열확산이 불충분하기 때문이라고 생각된다. 역으로 10mm 이상에서는 웨이퍼 온도 편차는 양호한 결과를 하였지만, 온도변경에 4분을 넘는 시간을 요하여 부적합하도 판단하였다. 이것은 두께가 너무 두꺼워 열용량이 커졌기 때문이다.

실시예 5

열전도율이 100W/m·K의 탄화규소질 소결체에 연삭가공을 실시하고, 판두께 3mm, 외부직경 340mm의 원반형상을 한 균열판(2)을 복수 제작하고, 각 균열판(2)의 한쪽 주면에 절연층(4)을 피착하기 위한, 유리분말에 대하여 바인더로서의 에틸셀룰로오스와 유기용제로서의 테르피네올을 혼련하여 제작한 유리페이스트를 스크린 인쇄법으로 부설하고, 150℃로 가열하여 유기용제를 건조시킨 뒤, 550℃에서 30분간 탈지처리를 실시하고, 또한 700∼900℃의 온도로 베이킹을 실시함으로써 유리로 이루어지는 두께 200㎛의 절연층(4)을 형성하였다. 이어서, 절연층(4) 상에 발열저항체(5)를 피착하기 위한 도전재로서 20중량%의 Au분말과 10중량%의 Pt분말과 70 중량%의 유리를 소정량의 바인더 및 용제와 혼합한 페이스트를 스크린인쇄법으로 소정 패턴형상으로 인쇄한 뒤, 150℃로 가열하여 유기용제를 건조시키고, 또한 450℃에서 30분간 탈지처리를 실시한 뒤, 500~700℃의 온도로 베이킹을 실시함으로써 두께가 50㎛의 발열저항체(5)를 형성하였다.

웨이퍼 재치부는 균열판에 7개소의 오목부를 설치하고, 세라믹제의 웨이퍼 재치핀을 매설하는 구조로 하고, 이 재치핀의 높이를 조정함으로써 웨이퍼와 균열판과의 거리(d2)를 0.002mm, 0.005mm, 0.03mm, 0.05mm, 0.07mm로 조정하였다.

각각의 결과는 표 4에 나타내는 바와 같다.

No	균열판 두께	균열판 열전도율	웨이퍼와 재치면의 거리	발열 면적비	선폭	갭	웨이퍼/ 발열에리어	웨이퍼 온도 편차	도달 안정 시간	온도 변경 시간
	t[mm]	[W/m·K]	d2[mm]	S[%}	P[mm]	G[mm]	[%]	R(℃)
15	3	↑	0.02	60%	2.50	2.00	105	0.57	○	○
16	↑	↑	0.05	60%	2.50	2.00	↑	0.38	○	○
17	↑	↑	0.30	60%	2.50	2.00	↑	0.31	○	○
18	↑	↑	0.50	60%	2.50	2.00	↑	0.27	○	○
19	↑	↑	0.70	60%	2.50	2.00	↑	0.24	×	○

표 4에서 알 수 있듯이, 웨이퍼와 균열판과의 거리(d2)가 0.05mm≤d2≤0.5mm에서는 웨이퍼 온도 편차, 도달 안정시간과 함께 양호한 결과를 얻을 수 있었다. 그러나, d2가 0.02mm에 대해서는 온도 편차가 커졌는데 이것은 웨이퍼 자체의 휨에 의해 균열판에 부분적으로 접촉하게 되기 때문에 생겼다고 생각된다. 역으로 d2가 0.7mm 이상에서는 웨이퍼 온도 편차는 양호하였지만, 상온의 웨이퍼를 균열판에 재치하고 나서 목표의 온도에 도달 안정하기까지의 시간이 1분간을 넘기 때문에 부적합하다고 판단하였다. 이것은 d2가 너무 넓다면 웨이퍼로의 열전달에 시간이 걸리기 때문이라고 균열판측에서는 열방출이 둔해지기 때문에 온도저하가 늦어지고, 출력 인상에 시간이 걸려 승온이 늦어지는 악순환이 일어나기 때문이다.

실시예 6

탄화규소원료에 3중량%의 B₄C와 2중량%의 탄소를 적량의 바인더 및 용제를 이용하여 혼합하여, 입자를 만든 후 성형압 100MPa로 성형하고, 1900~2100℃에서 소성하고, 열전도율이 80W 이상이며 외부직경이 300mm의 원반형상의 탄화규소질 소결체를 얻었다.

이 소결체의 양주면 및 외부둘레부에 연삭 가공을 실시하고, 판두께 1mm 간격으로 1~9mm, 외부직경 250mm의 9종류의 원반형상을 한 균열판(2)으로 하고, 또한 대기중에서 1200℃×1시간의 열처리를 실시하여 상기 소결체의 표면에 산화막(24)을 형성하였다. 그 후, 유리분말에 대하여 바인더로서의 에틸셀룰로오스와 유기용제로서의 테르피네올을 혼련하여 제작한 유리페이스트를 스크린 인쇄법으로 부설하고, 80℃로 가열하여 유기용제를 건조시킨 뒤, 450℃에서 30분간 탈지처리를 실시하고, 또한 700∼900℃의 온도에서 베이킹을 실시함으로써 유리로 이루어지는 두께 400㎛의 절연층(4)을 형성하였다. 이어서, 절연층(4) 상에 발열저항체(5)를 피착하기 위해, 도전재로서 Au분말과 Pt분말을 혼합한 유리 페이스트를 스크린 인쇄법으로 소정 패턴형상으로 인쇄한 뒤, 80℃로 가열하여 유기용제를 건조시키고, 또한 450℃에서 30분간 탈지처리를 실시한 뒤, 700~900℃의 온도에서 베이킹을 실시함으로써 두께가 30㎛의 발열저항체(5)를 형성하였다. 또한, 패턴 외부직경은 φ190~250mm의 사이를 10mm 간격으로 7종류 준비하였다.

또한, 지지체(11)는 주면의 40%에 개구부를 형성한 두께 2.5mm의 SUS304로 이루어지는 2장의 판형상 구조체(13)를 준비하고, 이 중의 한장에 열전대(10)를 형성하고, 도통단자(7)를 소정의 위치에 형성하고, 동일하게 SUS304로 이루어지는 측벽부와 나사 조임으로 고정하여 지지체(11)를 준비하였다.

또한, 전사법에 의해 금페이스로 이루어지는 급전부(給電部)(6)를 형성하고, 900℃에서 베이킹처리하였다. 그 후, 스프링을 갖는 도통단자(7)를 장착한 지지체(11)에 그 외부둘레부를 탄성체(8)를 통하여 나사 조임으로써 도 1에 도시한 본 발명의 웨이퍼 가열장치(1)로 하였다. 또한, 지지체(11)의 균열판(2)의 지지부 폭을 3mm로 하였다.

또한, 균열판(2)의 재치면(3)의 평탄도를 40㎛로 하였다.

또한, 지지핀(20)의 재치면(3)으로부터의 돌출높이는 100㎛, 수는 외부둘레부에 3개, 중앙부에 1개의 구성으로 하였다.

그리고, 이렇게 하여 얻어진 웨이퍼 가열장치(1)의 도전단자(7)로 통전하여 200℃로 유지하고, 재치면(3) 위에 얹은 웨이퍼 표면의 온도분포를 균열판(2)의 동심원에서 반경 40mm, 60mm, 90mm의 원주 상의 3등분점 9점의 합계 9점의 정상시의 온도 편차를 측정한 후, 또한 150℃로 30분 유지하고, 그 후 웨이퍼(W)를 얹어 웨이퍼(W)가 150℃로 유지되기까지의 웨이퍼면 내의 온도 편차의 과도특성을 평가하였다. 평가의 판정기준으로서는 200℃의 정상온도 편차가 1℃ 이하, 웨이퍼(W)의 승온과도시의 온도 편차가 10℃ 이하의 것을 "OK"로 하고, 그 이상이 되는 것은 "NG"로 하였다. 그 후, 승온속도 200℃/min, 냉각속도 50℃/min이고, 40℃와 200℃ 사이의 냉열사이클 시험을 실시하고, 1000사이클 마다 동일한 온도분포 평가를 실시하여 NG가 될때까지 평가하였다. 또한, 30000사이클 시점에서 좋은 것은 30000사이클로서 평가를 종료하였다. 판정기준은 NG가 될 때까지의 사이클수가 10000사이클 이상의 것을 좋다고 판정하였다.

결과를 표 5 및 도 10에 나타내었다.

표 5 및 도 10에서 알 수 있듯이, 균열판(2)의 판두께를 "X", 발열저항체(5)의 외부직경(B)/균열판(2)의 외부직경(C)을 "Y"로 하였을 때, X가 2mm미만 또는 8mm을 넘으면 과도 온도 편차가 10℃를 넘게 된다. 또한, Y가 0.96을 넘으면 냉열 사이클 시험결과가 3000사이클 미만으로 NG가 되게 된다. 또한, Y<-0.02X+0.9, Y<0.02X+0.7, Y>-0.02X+1.08이 되면 과도 온도 편차가 10℃를 넘게 된다. 이에 대하여 2≤X≤8 또한 Y≤0.96 또한 Y≥-0.02X+0.9 또한 Y≥0.02X+0.7 또한 Y≥-0.02X+1.08로 함으로써 냉열 사이클시험에서의 수명을 1만 사이클 이상, 정상시 온도 편차 1 이하, 과도시 온도 편차 10℃ 이하로 할 수 있었다.

실시예 7

여기에서는 균열판(2)의 크기를 10mm 간격으로 외부직경 210~270mm, 두께 4mm로 하고, 발열패턴의 크기를 φ190~270mm의 사이를 5mm간격으로 17종류 준비하고, 실시예 6과 동일하게 하여 샘플을 제작하였다. 그 후, 실시예 6과 동일하게 온도분포, 과도특성의 평가를 실시하였다. 판정기준도 실시예 6과 동일하게 하였다. 결과를 표 6에 나타내었다.

표 6에서 알 수 있듯이, 균열판 유지부와 발열저항체와의 거리가 2mm보다 가깝게 되면, 냉열사이클 시험에서의 수명이 1만 사이클 이하가 된다. 또한, 발열저항체 직경-웨이퍼 직경이 5mm 미만 또는 재치면에 대한 발열저항체의 크기가 80% 미만이 되면 정상시 온도 편차가 1℃를 넘고, 과도시 온도 편차가 10℃를 넘게 되었다. 이에 대하여 균열판 유지부와 발열저항체와의 거리 2mm 이상으로 하고, 또한 발열저항체 직경-웨이퍼 직경을 5mm 이상 크게 하고, 또한 재치면에 대한 발열저항체의 크기를 80~96%로 함으로써 냉열사이클시험에서의 수명을 1만 사이클 이상, 정상시 온도 편차 1℃ 이하, 과도시 온도 편차 10℃ 이하로 할 수 있었다. 또한, 이 경향은 재치면 외부직경, 즉 장치의 크기에 의존하지 않는 것을 알 수 있다.

실시예 8

여기에서는 균열판(2)의 크기를 5mm 간격에서 외부직경 210~270mm, 두께 4mm로 하고, 발열패턴의 크기를 균열판(2)의 크기의 0.95배로 고정하고, 실시예 6과 동일하게 하여 샘플을 제작하였다. 그 후, 실시예 6과 동일하게 온도분포, 과도특성의 평가를 실시하였다. 그 후, 200℃로 재차 가열하고, 30분 후, 소비전력량을 측정하였다.

판정기준은 온도분포, 과도특성에 대해서는 실시예 1과 동일하게 하고, 소비전력량에 대해서는 200V 15A의 전력환경 하에서 가열장치 10대의 동시 사용이 가능하도록 300W 이하의 전력소비인 것을 OK로서 판정하였다.

결과를 표 7에 나타내었다.

No	균열판 외부직경(C)/ 웨이퍼직경비(%)	정상시 온도편차(℃)	과도시 온도편차(℃)	소비전력 (W)	판정
1	105.0	1.1	10	196	×
2	107.5	0.9	9	205	○
3	110.0	0.8	8	215	○
4	112.5	0.7	8	225	○
5	115.0	0.6	7	235	○
6	117.5	0.6	7	245	○
7	120.0	0.6	7	256	○
8	122.5	0.6	6	266	○
9	125.0	0.5	5	277	○
10	127.5	0.5	5	289	○
11	130.0	0.5	5	300	△
12	132.5	0.5	5	312	×
13	135.0	0.4	6	324	×

표 7에서 알 수 있듯이, 처리되는 웨이퍼의 직경에 대한 웨이퍼 재치면의 크기가 1.05 이하가 되면, 정상시 온도 편차가 1℃를 넘고, 과도시 온도 편차가 10℃가 되었다. 또한, 역으로 처리되는 웨이퍼의 직경에 대한 웨이퍼 재치면의 크기가 1.325 이상이 되면, 소비전력이 300W를 넘게 되었다. 이에 대하여 처리되는 웨이퍼의 직경에 대한 웨이퍼 재치면의 크기를 107.5~130%로 함으로써 정상시 온도 편차가 1℃ 이하, 과도시 온도 편차가 10℃ 이하, 소비전력이 300W 이하로 할 수 있었다.

또한, 본 실험은 200mm직경의 웨이퍼(W)를 이용하여 실시하였지만, 300mm 직경의 웨이퍼(W)라도 동일한 효과였다.

실시예 9

평균입자직경 1.2㎛정도이고, 또한 소결조제로서의 Er₂O₃과, 불순물로서의 SiO₂를 포함하는 순도 93% 이상의 AIN분말에 바인더와 용매를 첨가 혼합한 슬러리(slurry)를 스프레이드라이로 입자를 만든 뒤, 100Mpa로 성형하고, 진공에서 2000℃로 소성하고, 열전도율이 100W/m·K 이상, 외부직경이 200mm이며, 명도 N=6의 엷은 회색의 정색(呈色)을 한 원반형상의 질화알루미늄 소결체를 얻었다.

이 소결체의 양 주면에 연삭가공을 실시하고, 판두께 4mm, 외부직경 200mm의 원반형상을 한 균열판(2)으로 하고, 또한 대기중에서 1000℃×1시간의 열처리를 실시하여 상기 소결체의 표면에 0.5㎛정도의 산화막(24)을 형성하였다. 그 후, 유리분말에 대하여 바인더로서의 에틸셀룰로오스와 유기용제로서의 테르피네올을 혼련하여 제작한 유리페이스트를 스크린 인쇄법으로 부설하고, 80℃로 가열하여 유기용제를 건조시킨 뒤, 450℃에서 30분간 탈지처리를 실시하고, 또한 700~900℃의 온도에서 베이킹을 실시함으로써 유리로 이루어지는 두께 400㎛의 절연층(4)을 형성하였다. 이어서, 절연층(4) 상에 발열저항체(5)를 피착하기 위해, 도전재로서 Au분말과 Pt분말을 혼합한 유리페이스트를 스크린인쇄법으로 소정의 패턴형상으로 인쇄한 뒤, 80℃로 가열하여 유기용제를 건조시키고, 또한 450℃로 30분간 탈지처리를 실시한 뒤, 700~900℃의 온도에서 베이킹을 실시함으로써 두께가 30㎛의 발열저항체(5)를 형성하였다.

발열저항체(5)는 중앙부와 외부둘레부의 4개 구획으로 분할한 합계 5개 패턴블럭으로 구성되었다. 그 후, 발열저항체(5)에 급전부(6)를 도전성 접착제로 고착시킴으로써 균열판(2)을 완성하였다.

지지체(11)는 상저(上底)의 40%의 개구부를 형성하고, 두께 2.5mm의 스테인 레스강(JIS의 SUS 304강)으로 2장의 판형상 격벽(13)을 만들고, 이 중의 한장에 열전대(10), 10개의 도통단자(7)를 소정의 위치에 형성하고 동일하게 SUS304강으로 이루어지는 측벽부와 나사 조임으로 고정하여 얻었다.

그 후, 상기 지지체(11) 상에 균열판(2)을 겹치고, 그 외부둘레부를 탄성체(8)를 통하여 나사 조임으로써 도 1에 나타낸 본 발명의 웨이퍼 가열장치(1)로 하였다.

그 후, 스프링을 갖는 도통단자(7)를 장착한 지지체(11)에 그 외부둘레부를 탄성체(8)를 통하여 나사 조임으로써 도 1에 도시한 본 발명의 웨이퍼가열장치(1)로 하였다.

이 균열판(2)의 재치면(3)의 표면 거칠기는 Ra=0.1㎛, 0.6㎛, 0.8㎛, 3.2㎛, 4.0㎛의 것을 준비하고, 또한 재치면 상에 이온 플레이팅법에 의해 두께 0.5㎛와 2㎛의 DLC(비정질 카본)을 피복하였다. 두께 2㎛의 DLC피복에 의해서도 균열판(2)의 표면 거칠기가 변화하는 일은 없었지만, 균열판(2)의 정색은 두께 0.5㎛의 DLC피복이라도 변화하고, 다갈색이 되었다. 그리고, DLC피복 두께가 1㎛을 넘으면, 질화알루미늄 특유의 엷은 회색의 정색을 한 균열판(2)은 흑색이 되었다. 여기에서 균열판(2)의 표면 거칠기 및 DLC피복 두께가 JISZ 8721로 규정하는 명도(N) 및 적외선 방사율(ε)에 미치는 영향에 대하여 조사한 결과를 표 8에 나타낸다.

표 8에서 적외선 방사율은 표면거칠기(Ra)나 명도(N)에 의해 여러가지로 변화하는 것을 알 수 있다.

물론, 적외선 방사율(ε)은 온도에 따라서도 변화하지만, 웨이퍼 가열장치는 100℃ 이상에서의 특성이 중요하며, 100℃ 이상에서 필요한 특성을 달성할 수 있다면 좋다. 또한, 어떠한 것도 DLC코팅으로 한정되지 않고도 균열판(2)을 구성하는 세라믹만으로 상술의 적외선 방사특성을 달성할 수 있다면 좋다는 것은 말할 필요도 없다.

그런데, 균열판(2)의 표면거칠기(Ra)를 크게 함으로써 적외선 방사율(ε)을 높이는 것이 가능하게 되지만, 표면 거칠기(Ra)가 3.2㎛를 넘으면 세정이 곤란해지는 문제가 확인되었다. 따라서, 균열판(2)의 표면 거칠기(Ra)는 0.8~3.2㎛로 하는 것이 좋다. 또한, 적외선 방사율(ε)은 진공 중에 둔 흑체의 적외선 방사율을 1.0 으로 하고, 이것에 대한 비로 나타낸 것이며, 여기에서는 일본분광공업제 푸리에변환 적외선분광광도계(FT/IR-5M)을 사용하여 구하였다.

다음에, 이 균열판(2)을 사용하여 웨이퍼(W)를 복사 가열할 실험을 실시하였다. 균열판(2)과 웨이퍼의 거리는 50㎛가 되는 2mm의 지지핀을 PCD 180mm 상의 3개소에 설치하고, 균열판(2)을 200℃로 가열하였을 때, 웨이퍼(W)가 포화하는 온도를 조사하였다. 단, 여기에서는 지지핀으로 지지한 부분의 웨이퍼 온도는 무시하였다. 이 결과를 표 9에 나타낸다.

표 9에서 파장(λ)=8㎛에서의 적외선 방사율(ε)이 0.8 이상의 균열판(2)을 사용함으로써 웨이퍼(W)는 98% 이상의 효율로 가열되어, 적합하다는 것을 알 수 있다. 그리고, 보다 바람직하게는 99% 이상의 효율이 얻어지는 적외선 방사율(ε)≥0.85의 균열판(2)을 사용하는 것이 좋다고 할 수 있다.

그런데, 웨이퍼(W)의 적외선 흡수율은 그 파장이나 온도에 따라 변화하게 되기 때문에, 가장 효율이 좋은 파장대에서 복사 가열하지 않으면 안된다. 그래서, 전술의 DLC 대신에 Ws와 Ni를 화학적으로 증착(vapor deposit)함으로써, 최대 적외 선 방사율이 얻어지는 파장이 다른 균열판(2)을 제작하였다. 그리고, 전항과 동일하게 균열판(2)을 200℃로 가열하였을 때, 웨이퍼(W)가 포화하는 온도를 조사하였다.

이 결과를 표 10에 나타낸다.

적외선 방사율 ε=0.8이 얻어지는 파장(λ)	웨이퍼(W)의 온도	가열효율	결과
3㎛	172℃	86%	×
6㎛	194℃	97%	○
8㎛	196℃	98%	◎
13㎛	194℃	97%	○
15㎛	172℃	86%	×

표 10에서 적외선 방사율(ε)=0.8이 얻어지는 파장(λ)이 6~13㎛의 균열판(2)을 사용함으로써 웨이퍼(W)는 97% 이상의 효율로 가열되어 적합하다는 것을 알 수 있다. 그리고 보다 바람직하게는 적외선 방사율(ε)=0.8이 얻어지는 파장(λ)이 8㎛의 균열판(2)을 사용함으로써 웨이퍼의 가열효율을 최대로 할 수 있는 것을 알 수 있었다.

실시예 10

상술한 실험은 지지핀으로 지지한 부분의 웨이퍼온도를 고려하지 않았지만, 실제로는 지지판으로부터의 열전도에 의한 영향을 무시할 수 없다. 그래서, 지지핀에 의해 생기는 웨이퍼온도의 불균일에 관한 실험을 실시하였다.

도 2에 도시한 바와 같이 균열판(2)의 재치면(3)에 균열판(2)과 동심의 180mmφ의 원상의 3등분하는 위치에 오목부(21)를 형성하고, 지지핀(20)의 재치면(3)으로부터의 돌출 높이(h)를 30㎛, 50㎛, 100㎛, 300㎛, 500㎛, 600㎛가 되도록 설치한 샘플을 준비하였다. 또한, 지지핀(20)의 직경을 1mm, 2mm, 5mm, 10mm, 12mm로 하고, 상기 지지핀(20)의 선단형상을 가공함으로써 상기 지지핀(20)과 웨이퍼(W)의 접촉면적을 지지핀 1개당 3㎟, 5㎟, 10㎟, 15㎟, 20㎟로 한 시료를 제작하고, 지지핀부와 지지핀부 이외의 웨이퍼 온도를 조사하였다.

또한, 균열판(2)은 표면 거칠기 Ra=0.8㎛이고, 상술한 0.5㎛의 DLC코팅을 실시하고, 100℃ 이상에서의 파장(λ)=8㎛에서의 적외선 방사율(ε)이 0.80인 것을 이용하였다. 또한, 지지핀(20)은 순도 99%이고, 열전도율 20W/m·K의 알루미나 세라믹제로 하였다.

상기 지지핀과 웨이퍼의 접촉면적은 지지핀의 선단형상에 의해 변화시키는 것이 가능하며, 지지핀의 선단형상은 예리하거나 또는 R면이라도 상기 지지핀과 웨이퍼의 접촉면적을 저감시킬 수 있다.

이렇게 하여 얻어진 결과를 표 11에 나타낸다.

지지핀 높이 (㎛)	지지핀직경 (mm)	지지핀과 웨이퍼의 접촉면적(㎟)	지지핀부 웨이퍼온도 (℃)	지지핀부 이외 웨이퍼온도 (℃)	온도분포 △T(℃)	결과
30	5	5	199.8	197.7	>2	×
50	5	5	198.9	197.2	<2	○
100	5	5	197.9	196.0	<2	○
300	5	5	197.7	196.7	<2	○
500	5	5	197.1	195.8	<2	○
600	5	5	196.2	194.1	>2	×
100	1	0.7	193.8	196.0	>2	×
100	2	5	194.5	196.0	<2	○
100	5	5	197.0	196.0	<2	○
100	10	5	197.8	196.0	<2	○
100	12	5	198.3	196.0	>2	×
100	5	3	195.2	196.0	<1	◎
100	5	10	197.8	196.0	<2	○
100	5	15	198.6	196.0	>2	×
100	10	20	198.9	196.0	>2	×

표 11에서 웨이퍼의 재치면을 기준으로 하였을 때의 지지핀의 돌출 높이는 0.05~0.5mm이고, 또한 상기 지지핀의 직경은 φ2~φ10mm이고, 또한 상기 지지핀과 웨이퍼의 접촉면적은 지지핀 1개당 10㎟ 이하라면 웨이퍼의 온도분포를 2℃ 이하 적합하게 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다.

또한, 상기 지지핀과 웨이퍼(W)의 접촉면적은 10㎟를 넘으면 지지핀 부분의 전열량이 증가하고, 이 부분의 웨이퍼온도가 상승하여 온도가 불균일하게 되었다. 온도 불균일에 대해서는 2℃ 이상을 불합격, 2℃ 미만을 합격, 1℃ 미만을 특히 우수하다고 하고 판단하였다.

이 결과, 상기 지지핀(20)과 웨이퍼의 접촉면적은 지지핀 1p당 10㎟ 이하, 바람직하게는 3㎟ 이하가 좋다는 것을 알 수 있었다.

또한, 이상의 결과는 균열판(2)에 100℃ 이상에서의 파장(λ)=8㎛에서의 적 외선 방사율(ε)이 0.80인 탄화규소 세라믹스를 이용한 경우나 지지핀(20)에 순도 93%·열전도율 15W/m·K의 알루미나 세라믹스를 이용한 경우라도 동일하였다.

본 발명은 발열저항체를 구비한 균일판에 의해 재치면에 고정된 웨이퍼의 전체면을 ±0.5℃ 편차 범위내에서 균일하게 가열할 수 있는 웨이퍼 가열장치를 제공하여, 상기 웨이퍼가 목표온도에 도달 안정될 때까지나 소정의 온도로 냉각할 때까지의 시간을 단축하고, 웨이퍼의 열처리 과정 동안에 웨이퍼 표면의 온도를 가능한 한 균일하게 분포시키면서 온도를 높이며, 균열판으로부터의 열복사와 지지핀으로부터의 열전도의 전열량의 균형을 이루어 웨이퍼 표면의 온도를 가능한 균일하게 분포시킬 수 있도록 한다.

Claims

한쪽 주면을 웨이퍼의 재치면으로 하는 세라믹스로 이루어지는 균열판, 다른 쪽 주면 또는 내부에 배치된 발열 저항체, 및 상기 발열 저항체에 전기적으로 접속되는 급전부를 포함하는 웨이퍼 가열장치에 있어서,

상기 균열판은 상기 재치면에 웨이퍼를 지지하는 복수의 지지핀을 구비하고,

상기 균열판은 100℃ 이상의 온도에 있어서 파장 λ = 8㎛에서의 적외선에 대해 0.8 이상의 적외선 방사율(ε)을 갖는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열장치.
제 1 항에 있어서,

상기 지지핀의 돌출 높이는 상기 웨이퍼의 상기 재치면을 기준으로 하여 0.05~0.5mm인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열장치.
제 2 항에 있어서,

상기 지지핀의 직경이 2~10mm이고, 또한 상기 지지핀과 상기 웨이퍼의 접촉면적은 상기 지지핀 1개당 10㎟ 이하인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열장치.
제 1 항에 있어서,

상기 세라믹스가 JIS Z8721에서 규정하는 명도가 N3 이하의 알루미나 또는 질화알루미늄을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열장치.
제 4 항에 있어서,

상기 지지핀의 돌출 높이는 상기 웨이퍼의 상기 재치면을 기준으로 하여 0.05~0.5mm인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열장치.
제 5 항에 있어서,

상기 지지핀의 직경이 2~10mm이고, 또한 상기 지지핀과 상기 웨이퍼의 접촉면적은 상기 지지핀 1개당 10㎟ 이하인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열장치.
제 1 항에 있어서,

상기 재치면에 비정질 카본을 피복한 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열장치.
제 7 항에 있어서,

상기 지지핀의 돌출 높이는 상기 웨이퍼의 상기 재치면을 기준으로 하여 0.05~0.5mm인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열장치.
제 8 항에 있어서,

상기 지지핀의 직경이 2~10mm이고, 또한 상기 지지핀과 상기 웨이퍼의 접촉면적은 상기 지지핀 1개당 10㎟ 이하인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열장치.
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