[논문]유한요소해석을 이용한 알루미나 정전척의 글라스 기판 흡착 특성 연구

이재영; 장경민; 민동균; 강재규; 성기현; 김혜동

[국내논문] 유한요소해석을 이용한 알루미나 정전척의 글라스 기판 흡착 특성 연구
A Study on Attractive Force Characteristics of Glass Substrate Using Alumina Electrostatic Chuck by Finite Element Analysis 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.19 no.4, 2020년, pp.46 - 50

이재영 (한국기술교육대학교대학원 메카트로닉스공학과) , 장경민 (한국기술교육대학교 산학협력단) , 민동균 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부) , 강재규 ((주)선익시스템) , 성기현 ((주)선익시스템) , 김혜동 ((주)선익시스템)

Abstract ▼ AI-Helper

In this research, the attractive force of Coulomb type electrostatic chuck(ESC), which consisted of alumina dielectric, on glass substrate was studied by using the finite element analysis. The attractive force is caused by the high electrical resistance which occurs in contact region between glass substrate and dielectric layer. This research tries the simple geometrical modeling of ESC and glass substrate with air gap. The influences of the applied voltage, and air gap are investigated. When alumina dielectric with 1014 Ω·cm, 1.5 kV voltage, and 0.01 mm air gap were applied, electrostatic force in this work reached to 4 gf/㎠. This results show that the modeling of air gap is essential to derive the attractive force of the ESC.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 바이폴라 쿨롱 타입 정전척의 흡착에 대한 연구를 수행하였다. 유한요소해석을 이용하여 전기장 변화를 분석하고 얻은 값을 바탕으로 맥스웰 응력 텐서에 적용하여 정전기력을 계 산하였다.
우선 3D 모델링을 통해 해석을 진행하여 전극의 패턴이 전기장에 어떤 영향을 미치는지 확인하고자 하였다. 전극에는 각각 + 1.
본 연구에서는 알루미나 재질을 사용한 bi-polar 형태의 쿨롱 타입 정전척이 Glass 기판에 미치는 정전기력의 경향에 대해 분석하였다.

가설 설정

8. (b) Chucking force on glass (1.5 kV fixed).

제안 방법

연구를 수행하였다. 유한요소해석을 이용하여 전기장 변화를 분석하고 얻은 값을 바탕으로 맥스웰 응력 텐서에 적용하여 정전기력을 계 산하였다. 또한 유전체와 대상체 사이에 존재하는 공기층의 두께 변화와 인가 전압에 따른 해석 결과를 비교분석하였다.
유한요소해석을 이용하여 전기장 변화를 분석하고 얻은 값을 바탕으로 맥스웰 응력 텐서에 적용하여 정전기력을 계 산하였다. 또한 유전체와 대상체 사이에 존재하는 공기층의 두께 변화와 인가 전압에 따른 해석 결과를 비교분석하였다.
경계조건으로는 양극과 음극에 각각 (+)전압과 (–)전압을 인가하였고, 유전체와 Glass를 모두 포함하도록 주변에 경계조건을 생성하여 경계선 내부가 진공상태가 되도록 설정하였다.
Fig. 5에서 볼 수 있듯이 전극의 양 끝 부분에서 전기장의 변화가 클 것으로 예상되므로 요소의 수를 집중적으로 늘려서 해석 결과의 정확도를 향상시키도록 하였다. Glass와 유전체 주변을 감싸는 Air 의 요소 수는 해석 시간을 고려하여 표면 부분에 요소 수를 늘리고 표면에서 멀어질수록 요소 크기가 늘어나도록 설정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 유한요소해석 프로그램eANSYS Electronics Desktop 2020 R1이고, 공기층 두께 변화에 따른 모델과 인가 전압의 변화에 따른 모델을 대상으로 모델링 및 해석을 진행하였다. Fig.
사용된 물성으로는 Table 1에서와 같이 유전체에 사용된 알루미나의 경우 99.95 %의 고순도 물질로써 저항률은 1014 (Ω·cm) 이상이고 유전율은 8.88 (F/m)이다. 전극에 사용된 텅스텐은 순도 99 % 로 도전율은 182×10⁵(S/m) 이다.
88 (F/m)이다. 전극에 사용된 텅스텐은 순도 99 % 로 도전율은 182×10⁵(S/m) 이다. 마지막으로 Glass의 재질은 Soda-lime glass를 적용하였고 유전율은 7.

성능/효과

Fig. 6(a)는 유전체의 바닥 부분에 작용하는 전기장의 세기를 나타낸 것으로 Glass와 겹치지 않는 부분에서는 전극이 휘어지는 쪽에서 전기장의 세기가 특히 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 그 외에 나머지 부분에서는 큰 특징은 보이지 않고 전극 주변에서 전기장의 세기가 상대적으로 높음을 알 수 있다.
7 (b)에서 A zone 의 경우 정전기력 벡터의 방향이 아래를 향하고 있고, 그 외의 부분에서는 위를 향하는 것을 확인할 수 있는데, 이를 통해 전계 강도의 크기가 높은 쪽에서 낮은 방향으로 정전기력이 작용한다는 것을 알 수 있다. 특히 전계 강도의 크기 차이가 가장 많이 나는 곳은 전극과 Glass 사이 부분이며, 이 부분에서 정전기력의 크기 또한 상대적으로 커짐을 확인할 수 있었다.
8 (a)에서 전계 강도의 최소값은 Glass의 상부 표면에서 측정한 값으로, Glass 하부의 전계 강도 크기는 척킹력에 영향이 거의 없으므로 표기하지 않았다. 그래프에서와 같이 인가 전압이 증가할수록 전계 강도가 비례하여 일정하게 증가하는 것을 확 인하였다. 이는 전계 강도의 단위가 V/m로 표현되는데, 그 중 V값이 증가 되었기 때문이다.
05 mm일 때의 척킹력을 나타낸 것이다. 공기층이 점점 줄어듦에 따라 척킹력이 4 gf/cm²보다 약간 큰 값에 수렴하는 것을 확인할 수 있는데, 공기층을 충분히 줄인다면 특정 값에서 값의 변화가 거의 없을 것으로 기대된다. 그러나 모델링에 있어서 절점의 수가 훨씬 늘어날 것이므로 적절한 요소의 수를 선택한 효율적인 해석 방법이 필요하다.
1. 알루미나 정전척의 전극 패턴에 인가되는 전압이 증가할수록 전계 강도의 크기는 일정하게 비례하지만, 정전기력은 점차 증가 폭이 커지는 것을 확인하였다.
2. 정전척과 기판 사이의 공기층 두께가 줄어들수록 정전기력이 증가하여 점차 특정 값에 수렴하고 있는 것을 확인하였다. 정확한 값을 얻기 위해서는 공기층이 발생하지 않는 것이 이상적인 상태이지만 실제 사용 조건은 정전척의 최종 표면조도와 기판의 조도 상태를 감안해볼때 이번 연구에서 진행한 모델링의 결과 값은 효율성이 있다고 판단된다.
정전척과 기판 사이의 공기층 두께가 줄어들수록 정전기력이 증가하여 점차 특정 값에 수렴하고 있는 것을 확인하였다. 정확한 값을 얻기 위해서는 공기층이 발생하지 않는 것이 이상적인 상태이지만 실제 사용 조건은 정전척의 최종 표면조도와 기판의 조도 상태를 감안해볼때 이번 연구에서 진행한 모델링의 결과 값은 효율성이 있다고 판단된다.

참고문헌 (6)

J. S. Choi, S. J. Hong, J. Yoo, T. H. Kim, S. J. Lee, "Finite Element Analysis of Attractive Force on Coulomb Type Electrostatic Chuck" J. of The Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 918-923, 2005.5.
H. J. Kim, Y. G. Shin, H. K. Ahn, D. W. Kim, "A study on the Holding of LED Sapphire Substrate Using Alumina Electrostatic Chuck with Fine Electrode Pattern" J. of the Korean Institute of Surface Engineering, Vol. 44, No. 4, pp. 165-171, 2011.

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Chih-Hung Li, Yi-Fan Chiu, Yi-Hsiuan Yu and JianZhang Chen, "Simulation studies on bipolar electrostatic chucks," 2015 10th International Microsystems, Packaging, Assembly and Circuits Technology Conference (IMPACT), pp. 382-385, 2015.
Dae-Hyeon Kim, Kwang-sun Kim, "A Study on Electrostatic Chuck Colling by Ceramic Dielectric Material and Coolant path", Journal of the semiconductor & display technology, vol. 17, No. 3, pp. 85-89, 2018.
Dae-Hyeon Kim, Kwang-sun Kim, "Study on Coolant Passage for Improving Temperature Uniformity of the Electrostatic Chuck Surface", Journal of the semiconductor & display technology, vol. 15 no.3, pp.72-77, 2016
Kyungmin Jang, Kwangsun Kim, "A Study on Temperature Characteristics according to Seramic Material Stacking Sequence of Electrostatic Chuck Surface", Journal of the semiconductor & display technology, pp.116-120, 2017.

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