JP2005335999A - ポーラスカーボン - Google Patents

Abstract

【課題】 発塵を抑制し通気性と導電性を維持できる吸着パッドに用いるのに適したポーラスカーボンを提供する。
【解決手段】 ポーラスカーボンは自己焼結性炭素で形成され、その気孔率が１０〜５０ｖｏｌ％である。該自己焼結性炭素の骨格表面を熱硬化性樹脂或いはガラス状カーボンで被膜させても良い。

Description

この発明は、吸着パッドに用いるのに適した吸着パッド用ポーラスカーボンに関する。

半導体製造で用いられる半導体ウェーハや、液晶製造で用いられる薄板状のガラス基板の製造工程は、主要な工程としてダイシング、スパッタリング、レジスト塗布、露光、エッチング、膜塗布、液晶注入などが挙げられる。これらの工程に用いられる装置には、半導体ウェーハやガラス基板を固定するための真空吸着装置が備えられており、その固定治具として吸着パッドが使用されている。

この分野では最近、大型化が進んでおり、例えば５５０×６５０ｍｍのサイズの基板を製造するラインが本格的な稼動に入ってきている他、６５０×８３０ｍｍの基板の開発、さらに次世代では、７００×９００ｍｍ程度の大きな基板も採用されると言われている。基板の大型化により吸着パッドも大型化が必要となっている。

従来は、比重の大きいステンレス等の鉄系材料に貫通孔を施した吸着パッドが使用されており、装置を大型にすると重量が大きくなりすぎ、駆動に要するエネルギーが大きくなるという問題があった。

また、吸着パッドに半導体ウェーハを固定してダイシングを行う場合には、ダイシングに先立って、上下動の制御（Ｚ軸制御）を行う際の基準位置を定める作業が行われており、導電性を持たせた切削ブレードが吸着パッドに接触することにより、切削ブレードから吸着パッドへ電流が流れ、位置を記憶して半導体ウェーハの切り込み深さを精密に制御している。近年では軽さと寸法安定性からポーラスセラミックを用いる場合が多くなっているが、半導体ウェーハなどの場合には、種々の位置決め等が必要であり、そのため導電性のないポーラスセラミックを用いると、これらの位置決め制御の障害になる場合があり、表面にメッキ等の導電性処理を行う必要があり、手間とコストがかかる。

これらの問題を解決するためには、多孔質で比重が小さく導電性のある材料を用いれば良い。カーボンは導電性であり、比重が鉄の１／５と軽量化が可能であり、多孔質化も容易であるため吸着パッドとして有効な材料と考えられるが、下記の欠点のため吸着パッドに使用されるケースは極めて少ない。

従来のポーラスカーボンは、加圧減圧を繰り返すことにより、強度の弱い部分から粒子が脱落し、発塵する問題があり、この脱落した粒子の塵が絶縁不良等で半導体ウェーハに悪影響を与える危険があった。また、一般的なポーラスカーボンは、コークス粒とピッチの炭化物を結合材とした２元系の組織構造の多孔体であり、フィルター等に用いられるが、これで吸着パッドを製作した場合、半導体ウェーハを吸着、開放させるときの加圧減圧の繰り返し動作の応力が材質強度を超えるため、破損したり発塵する等、吸着パッドとしてふさわしくないと判断されていた。

本発明の吸着パッド用ポーラスカーボンは、自己焼結性炭素で形成され気孔率１０〜５０ｖｏｌ％であることを基本的な特徴とする。該ポーラスカーボンに、熱硬化性樹脂を含浸硬化させ、自己焼結性炭素で出来た骨格表面を熱硬化性樹脂で被膜しても良い。また前記ポーラスカーボンに、熱硬化性樹脂を含浸硬化し、炭化処理を行い、自己焼結性炭素で出来た骨格表面をガラス状カーボンで被膜しても良い。
上記構成により、軽量且つ導電性を有し、充分な強度を持ち、発塵を抑えることが可能になる。

自己焼結性炭素で形成され、或いは更に自己焼結性炭素の骨格表面を熱硬化性樹脂、またはガラス状カーボンで被膜させたポーラスカーボンの気孔率は１０ｖｏｌ％未満になると気孔の圧損から通気量、吸着力が低下し、半導体ウェーハを強固に固定することが出来ず吸着パッドとして性能が満足できない。一方、気孔率が５０ｖｏｌ％を超えると通気性、吸着力は良いが、自己焼結性炭素から形成されているとは言え、ポーラスカーボンの骨格の強度が低下することにより、加圧減圧を繰り返すことで破損や発塵が起こる。更に言うなら、自己焼結性炭素の骨格表面を熱硬化性樹脂およびガラス状カーボンで被膜したポーラスカーボンの気孔率を３０〜４０ｖｏｌ％にすることにより、半導体ウェーハを強固に固定でき、且つポーラスカーボンの骨格の強度が加圧減圧に充分耐えるため、破損や発塵がなく、最適な吸着パッドとなる。

また本発明において、熱硬化性樹脂やガラス状カーボンで自己焼結性炭素の骨格表面を被膜することにより、プレス成形時に起こる局部的な不均一から、部分的な炭素の脱落で発生する微量な発塵をも防止でき、半導体ウェーハなどのワークに悪影響を与えることがない。

また、自己焼結性炭素を用いることにより、高強度なポーラスカーボンを得ることができるため、被覆層でポーラスカーボン全体の強度を補う必要もなく、自己焼結性炭素の骨格表面に熱硬化性樹脂やガラス状カーボンで被膜する場合にも、被覆層部を１μm以下に薄くすることが可能になり、通気流量を低下させることなく、吸着力を維持することが可能である。

被膜層を薄くするためには熱硬化性樹脂溶液の濃度は１０ｗｔ％以下が好ましく、更に言うなら３〜４ｗｔ％にした場合、気孔率の変化を１ｖｏｌ％以下に抑えることが出来ることより、半導体ウェーハを強固に固定出来るため、より好ましい。

しかも、このような効果を維持しつつ、導電性を与えることが出来るから、吸着パッドに使用した場合などは、ワークの位置決めや切削工具の位置決めを常時電気的に制御することが可能になる。

本発明は、導電性と通気性及び吸着力を維持しつつ、発塵を抑制したポーラスカーボンを提供できる効果がある。

ポーラスカーボンは開気孔率が高いため、材質強度が不足する傾向にある。強度不足を解消するために、本発明では原料に自己焼結性炭素を用いることを特徴とする。自己焼結性炭素は、ピッチバインダーを添加せずに、成形後焼結することで炭素粉末同士が強固に焼結して高強度カーボン材料となる炭素粉末であり、原料粒子自体が強固な結合力を示すため、気孔率の大きい多孔体であっても高強度なポーラスカーボンを得ることができる。

しかし、強度の高い自己焼結性炭素材料で作られたポーラスカーボンでもプレス成形時による局部的な不均一により、局部的に見ると粒子が脱落しやすい部分もあり、加圧減圧の繰り返し応力により、その部分に炭素の脱落が微量発生し、発塵する可能性もある。

そこで粉塵の発生を防ぐ方法として、熱硬化性樹脂またはガラス状カーボンで被膜する方法を用いる。
被膜する方法は自己焼結性炭素材料で形成されたポーラスカーボンへ真空含浸装置を用い、濃度調整した熱硬化性樹脂を真空含浸させる。真空含浸後に加圧含浸しても良いが樹脂濃度が低いため、含浸液の粘度は１Ｐ以下となり、特に加圧する必要はない。

熱硬化性樹脂として、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アリル樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂等があり、いずれでも良いが、接着強度が高く、半導体使用液にも充分に耐える耐薬品性を有し、さらに安価であることが望ましく、接着強度が高く、耐薬品性にも優れ、比較的安価なフェノール樹脂またはエポキシ樹脂が良い。

濃い濃度の熱硬化性樹脂をポーラスカーボンへ含浸硬化すると、ポーラスカーボンの気孔の一部または全部を塞いでしまい性能が著しく低下するため、熱硬化性樹脂を溶媒で薄める必要がある。含浸樹脂濃度を１０ｗｔ％以下に希釈すると被覆層部は１μm以下に薄くすることが可能となる。更に言うなら、含浸前の気孔率を殆ど低下させない３〜４ｗｔ％の濃度が望ましい。

溶媒は熱硬化性樹脂が溶解する有機溶剤が条件となる。有機溶剤としてアセトン、エタノール、イソプロピルアルコール、メタノール、ベンジン等が挙げられるが、汎用性、安全性、安価な物が良い。例えば、フェノール樹脂を使用した場合はエタノール、イソプロピルアルコールが望ましい。

真空含浸後、含浸樹脂の硬化処理および有機溶剤の除去処理を行う。例えば、フェノール樹脂に溶媒としてエタノールを使用した場合、特に温度指定はないが、１８０℃程度に加温することにより、エタノールを除去すると共に、フェノール樹脂を完全に硬化させる事が出来る。

ガラス状カーボンは熱硬化性樹脂を炭化させて生成させるため、熱硬化性樹脂の炭化率が高い方が炭化させる熱硬化性樹脂の濃度を低くすることが出来、内部まで均一にガラス状炭素にすることが出来る。

炭化させる熱硬化性樹脂を特定する必要はないが、その中でも炭化率が高く比較的安価なフェノール樹脂が望ましい。炭化処理は樹脂の炭化温度以上で実施する必要がある。例えば、フェノール樹脂の場合、不活性な雰囲気下で８００℃以上で焼成することで、炭化する事が出来る。

この様に、自己焼結性炭素で出来たポーラスカーボンの自己焼結性炭素の骨格の表面を熱硬化性樹脂から低熱膨張であるガラス状カーボンへ変化させることにより、周囲の環境での温度変化に対しても吸着面の平面度を維持できる。

以下実施例を示す。
＜実施例１〜４＞
○カーボンの製造工程
平均粒径２０μmに調整した自己焼結性炭素粉をφ１２０ｍｍの金型を用い油圧プレスで成形圧０．４、０．５、０．７、０．８t/cm²でそれぞれ成形し、φ１２０×０×１０ｍｍの円板成形体を得た。その円板成形体を非酸化雰囲気で昇温速度３０℃／ｈｒで１０００℃まで昇温して、３０分保持し放冷した。
得られた焼結体をφ１００×０×５ｍｍに加工後、十分に洗浄し、ポーラスカーボンを得た。加工物に対しアルキメデス法により開気孔を測定した結果、開気孔率はそれぞれ、５０、４０、２０、１０ｖｏｌ％であった。このポーラスカーボンを超音波洗浄機でアセトンを用い１０分間洗浄し、充分に乾燥させた。得られたポーラスカーボンは真空含浸装置を用い、真空条件下で１時間脱気した後、エタノールを溶媒に４ｗｔ％に調整したレゾール型フェノール樹脂を投入し、充分に含浸させた。続いて乾燥炉にて昇温速度１０℃／ｈｒで２００℃まで昇温して、３０分保持することにより、溶媒に使用したエタノールを除去するとともに、フェノール樹脂を加熱硬化させた。この処理でポーラスカーボンの骨格がフェノール樹脂で被膜された。上記工程で得た吸着パッド用ポーラスカーボンをアルキメデス法により開気孔を測定した結果、開気孔率はそれぞれ、５０、４０、２０、１０ｖｏｌ％であった。ここで得られた自己焼結性炭素の骨格表面を熱硬化性樹脂で被膜した吸着パッド用ポーラスカーボンを実施例１，２，３，４の材料とした。

＜実施例５〜８＞
平均粒径２０μmに調整した自己焼結性炭素粉をφ１２０ｍｍの金型を用い油圧プレスで成形圧０．４、０．５、０．７、０．８t/cm²でそれぞれ成形し、φ１２０×０×１０ｍｍの円板成形体を得た。その円板成形体を非酸化雰囲気で昇温速度３０℃／ｈｒで１０００℃まで昇温して、３０分保持し放冷した。
得られた焼結体をφ１００×０×５ｍｍに加工後、十分に洗浄し、ポーラスカーボンを得た。加工物に対しアルキメデス法により開気孔を測定した結果、開気孔率はそれぞれ、５０、４０、２０、１０ｖｏｌ％であった。このポーラスカーボンを超音波洗浄機でアセトンを用い１０分間洗浄し、充分に乾燥させた。
得られたポーラスカーボンは真空含浸装置を用い、真空条件下で１時間脱気した後、エタノールを溶媒に４ｗｔ％に調整したレゾール型フェノール樹脂を投入し、充分に含浸させた。続いて乾燥炉にて昇温速度１０℃／ｈｒで２００℃まで昇温して、３０分保持することにより、溶媒に使用したエタノールを除去するとともに、フェノール樹脂を加熱硬化させた。更に、フェノール樹脂で被膜された吸着パッド用ポーラスカーボンを非酸化雰囲気で昇温速度３０℃／ｈｒで９００℃まで昇温して、３０分保持することにより、フェノール樹脂を炭化処理してガラス状カーボンとした。この炭化処理により、フェノール樹脂が炭化され、吸着パッド用ポーラスカーボンの自己焼結性炭素の骨格表面をガラス状カーボンで被膜した。上記工程で得た吸着パッド用ポーラスカーボンをアルキメデス法により開気孔を測定した結果、開気孔率はそれぞれ、５０、４０、２０、１０ｖｏｌ％だった。ここで得られた自己焼結性炭素の骨格表面にガラス状カーボンを被膜した吸着パット用ポーラスカーボンを実施例５，６，７，８の材料とした。

＜比較例１＞
７０ｗｔ％のコークス粒と３０ｗｔ％のピッチを加圧混練機で加圧混練後、平均粒径２０μmに粉砕した混練粉を、φ１２０ｍｍの金型を用い油圧プレスで成形圧１．０t/cm²で成形し、φ１２０×０×１０ｍｍの円板成形体を得た。その円板成形体を非酸化雰囲気で昇温速度３０℃／ｈｒで１０００℃まで昇温して、３０分保持し放冷した。
得られた焼結体をφ１００×０×５ｍｍに加工後、十分に洗浄し、ポーラスカーボンを得た。加工物に対しアルキメデス法により開気孔を測定した結果、開気孔率は１５ｖｏｌ％であった。このポーラスカーボンを超音波洗浄機でアセトンを用い１０分間洗浄し、充分に乾燥させた。
得られたカーボンは真空含浸装置を用い、真空条件下で１時間脱気した後、エタノールを溶媒に４ｗｔ％に調整したレゾール型フェノール樹脂を投入し、充分に含浸させた。続いて乾燥炉にて昇温速度１０℃／ｈｒで２００℃まで昇温して、３０分保持することにより、溶媒に使用したエタノールを除去するとともに、フェノール樹脂を加熱硬化させた。この処理でポーラスカーボンの骨格がフェノール樹脂で被膜された。上記工程で得た吸着パッド用ポーラスカーボンをアルキメデス法により開気孔を測定した結果、開気孔率は１５ｖｏｌ％であった。ここで得られた自己焼結性炭素の骨格表面を熱硬化性樹脂で被膜した吸着パッド用ポーラスカーボンを比較例１の材料とした。

＜実験方法＞
図１に示す通りステンレス製吸着パッド治具３を製作し、そこに上記で得た吸着パッド用ポーラスカーボン２をエポキシ樹脂で接着部４を接着固定後、吸着面１を研磨にて平面度１μm以下に整えて吸着パッドＡを製作した。

次に図２に示す通り、得られた吸着パッドＡの吸引口５と真空ポンプ６とをバルブ１１および圧力計１４を介して接続しテスト装置とした。

吸着パッドＡ単独で（吸着パッドに何も吸着させない状態で）バルブ１１を開き、バルブ１２およびバルブ１３を閉じて真空ポンプ６を起動させ、吸着パッドＡ単独の圧力（吸着パッドの抵抗）を測定した後、吸着パッドＡに平面度が１μm以下のφ１５０ｍｍのガラス板Ｂを吸着させ、ガラス吸着時の圧力を測定した。吸着力はガラス吸着時と未吸着時との差圧×吸着面積として表し、３０ｋｇｆ以上を合格とした。更にバルブ１１を閉じ、バルブ１３を開くことにより窒素ボンベ１５から圧力調整弁１６で制御された０．４ＭＰａＧの窒素によりガラス板を開放することが出来る。

発塵量の評価はガラスＢの吸着を１分間、ガラスＢの開放を１分間の作業を１０００回繰り返し行い、その時の発塵量をパーティクルカウンタ１７により吸着部の表面上に存在する０．５μm以上の大きさの塵の数を測定し、３５２０００個／ｍ^３以下を合格とした。

結果を表１に示す。
本発明では、いずれの実施例においても、優れた吸着力を示し、発塵もなかった。

本発明のポーラスカーボンを用いた吸着パッドの実施例の説明図。 本発明の実施例における吸着力と発塵テストを行ったテスト装置の概略図。

符号の説明

１：吸着面、２：ポーラスカーボン、３：吸着パッド治具、４：接着部、５：吸引口、６：真空ポンプ、１１：バルブ、１２：バルブ、１３：バルブ、１４：圧力計、１５：窒素ボンベ、１６：圧力調整弁、１７：パーティクルカウンタ。

Claims (3)

1. 自己焼結性炭素で形成されたポーラスカーボンであって、その気孔率が１０〜５０ｖｏｌ％である、
   ことを特徴とする吸着パッド用ポーラスカーボン。
2. 前記ポーラスカーボンにおいて、自己焼結性炭素の骨格表面が熱硬化性樹脂で被膜されている、
   請求項１の吸着パッド用ポーラスカーボン。
3. 前記ポーラスカーボンにおいて、自己焼結性炭素の骨格表面がガラス状カーボンで被膜されている、
   請求項１の吸着パッド用ポーラスカーボン。
   

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