JP5709600B2

JP5709600B2 - 吸着用部材の製造方法

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Publication number: JP5709600B2
Application number: JP2011065159A
Authority: JP
Inventors: 万平田中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2031-03-24
Also published as: JP2012204419A

Description

本発明は、吸着用部材の製造方法に関する。

従来、半導体ウェハを固定する治具として、緻密質セラミックスからなる支持部の凹部に半導体ウェハを載置する載置部が設けられた真空吸着装置がある（例えば、特許文献１参照）。この載置部は、例えば、セラミックスとガラスとからなる多孔質体から形成され、この載置部を介して半導体ウェハを吸引することにより、載置部上に半導体ウェハを吸着させて固定することができる。このような真空吸着装置の製造方法としては、例えば、緻密質セラミックスからなる支持部の凹部にガラスペーストを塗布し、その後、予め作製した多孔質体からなる載置部（吸着部）を凹部にはめ込んで加熱するという方法がある。

特開２０１０−２０５７８９号公報

しかし、従来の製造方法では、凹部の底面と吸着部との間の接合強度が弱く、凹部底面と吸着部との間に隙間が生じやすい。このように隙間が生じると、吸着部を介して半導体ウェハを吸引した場合に、隙間から空気が漏れて、吸引力が低下するという問題があった。

従って、支持部に設けられた凹部の底面と吸着部との隙間を低減することができる吸着用部材の製造方法が求められている。

本発明の一態様による吸着用部材の製造方法は、凹部が設けられたセラミック焼結体か
らなる支持部と、該凹部の内部に設けられた、対象物を吸着するための吸着部とを有する吸着用部材の製造方法であって、前記支持部として、凹部を有するセラミック焼結体を準備する準備工程と、前記凹部の内部に、セラミック粒子と第１ガラス粒子とを含む第１原料を供給して下部層を形成する下部層形成工程と、前記凹部の内部に、前記セラミック粒子と前記第１ガラス粒子よりも軟化点の低い第２ガラス粒子とを含む第２原料を供給して上部層を形成する上部層形成工程と、前記下部層および前記上部層を加圧することにより、前記凹部の内部において成形体を形成する成形工程と、前記成形体を前記第１ガラス粒子の軟化点よりも高い温度で加熱することにより前記第１ガラス粒子および前記第２ガラス粒子を軟化させるとともに、前記第１ガラス粒子を前記第２ガラス粒子よりも高い粘度で軟化させる熱処理工程とを有し、前記熱処理工程において、前記上部層の前記セラミック粒子同士が前記第２ガラス粒子によって結合され、前記下部層の前記セラミック粒子と前記凹部の底面とが前記第１のガラス粒子によって接合されて、前記吸着部が作製されることを特徴とする。

本発明の一態様による吸着用部材の製造方法によれば、支持部に設けられた凹部の底面と吸着部との隙間を低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係る吸着用部材を示す斜視図である。（ａ）は、図１の吸着用部材を示す上面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ１−Ａ１線における断面図である。図１の吸着用部材に対象物を吸着させた状態を示す断面図である。図２（ｂ）のＤ部の拡大図である。（ａ）は、吸着部における上部の断面をＳＥＭにより撮影したときの撮影図であり、（ａ）は、吸着部における下部の断面をＳＥＭにより撮影したときの撮影図である。（ａ）は、本発明の実施の形態による吸着用部材の一部の断面をＳＥＭにより撮影したときの撮影図であり、（ｂ）は、従来の吸着用部材の一部の断面をＳＥＭにより撮影したときの撮影図である。（ａ）〜（ｅ）は、図１の吸着用部材の製造方法を模式的に示した図である。（ａ），（ｂ）は、図１の吸着用部材の製造方法を模式的に示した図である。

以下、図１〜図８を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

吸着用部材は、対象物を吸着する際に用いられる。図１乃至図３に示すように、吸着用部材１は、対象物Ｗが吸着される吸着面２を有する吸着部３と、吸着部３の周囲に設けられた支持部４とを有する。

支持部４は、アルミナなどの緻密質セラミックスからなる。支持部４は、凹部５を有する。吸着部３は、凹部５の内部に設けられる。支持部４は、この凹部５により、吸着部３の吸着面２に対向する表面、すなわち吸着部３の下面を支持している。支持部４は、アルミナを主成分とするセラミックスからなることが好ましい。また、支持部４の気孔率は０．１％以下が好ましい。

支持部４は、複数の吸引孔６を有する。吸引孔６の開口は、吸着部３の下面に対向する表面に設けられる。よって、吸引孔６から空気を吸引すると、吸着部３の内部の空気が吸引されて、吸着部３の吸着面２に載置された対象物Ｗが、吸着面２に吸着される。

さらに、支持部４の下方には、吸着用部材１を支持し、固定するための固定ベース（不図示）が備えられる。支持部４と固定ベース（不図示）とは、例えば、等間隔に設置された取り付け穴７にボルト等を介して連結、固定される。

吸着部３は、複数のセラミック粒子８と、セラミック粒子８同士を結合するガラス９とを含む。セラミック粒子８の材質は、アルミナ、または炭化珪素のいずれかを主成分とすることが好ましい。また、吸着部３に含まれるセラミック粒子８と支持部４の材質は同じであることが好ましい。

吸着部３は、図４に示すように、上部多孔質層１０と下部多孔質層１１とを有する。上部多孔質層１０と下部多孔質層１１は、上述したように、複数のセラミック粒子８と、セラミック粒子８同士を結合するガラス９ａ，９ｂ（特に区別しない場合は、「ガラス９」という。）とをそれぞれ有する。下部多孔質層１１では、セラミック粒子８間のほとんどがガラス９ｂによって充填されている。

一方、吸着部３の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって撮影した場合、ガラス９は白色を示す。図５を参照すると、ＳＥＭ写真においてガラスを示す白色部分は吸着部３の
下部に集中し、その白色部分の上縁部分を境界として上部多孔質層１０と下部多孔質層１１とをそれぞれ個別に認識することができる。上部多孔質層１０と下部多孔質層１１に含まれるセラミック粒子８は同じ材質であることが好ましい。

また、吸着部３の上部多孔質層１０は、複数の連通孔（図４において１２で示される）を含む。このとき、上部多孔質層１０の気孔率は、２５〜５０体積％の範囲内であることが好ましい。また、上部多孔質層１０の平均気孔径は、２０〜１００μｍの範囲内であることが好ましい。

本実施の形態による吸着用部材１において、下部多孔質層１１のガラス９ｂの軟化点は、上部多孔質層１０のガラス９ａの軟化点よりも高い。これにより、吸着用部材１を製造する際の熱処理工程において、下部多孔質層１１のガラス９ｂは上部多孔質層１０のガラス９ａよりも軟化が遅れることから、支持部４の凹部５の底面により近い下部においてガラス９ｂの粘性がより高く保持される。従って、下部では、セラミック粒子８間およびセラミック粒子８と凹部５の底面との間にガラス９ｂが留まることになり、その結果隙間はガラスで充填される。

図６を参照すると、支持部の凹部にガラスペーストを塗布し、吸着部をはめ込んだ従来の吸着用部材（図６（ｂ）参照）と比較して、本実施の形態による吸着用部材（図６（ａ）参照）は、凹部５の底面と吸着部３との隙間がガラスで充填され、凹部５の底面と吸着部３との隙間が低減されている。なお、図６（ｂ）において、従来の吸着用部材の吸着部には「３’」の符号を付し、支持部には「４’」の符号を付した。

また、吸着部３において、セラミック粒子８は、粒径の標準偏差σが５０μｍ以下であることが好ましい。これによって、セラミック粒子８の脱粒を特に抑制することができる。この理由は、セラミック粒子８の粒径の標準偏差σが５０μｍ以下であると、セラミック粒子８の粒径ばらつきが小さいので、ガラス９によるセラミック粒子８同士の結合力のばらつきが小さくなるためである。

標準偏差σは、吸着部３を平面研磨し、顕微鏡などを用いて研磨面に観察されるセラミック粒子８の大きさを多数測定して求めることができる。この場合、研磨面の観察とともに、Ｘ線マイクロアナライザー等を用いた研磨面の組成分析を行うとよい。このように組成分析を行うと、セラミック粒子８とガラス９とを判別することがより容易となる。すなわち、ガラス９がセラミック粒子８の周囲に存在するなどして、観察だけではセラミック粒子８とガラス９との判別が困難な場合にも、組成分析を行うと判別が容易となり、セラミック粒子８の標準偏差σをより容易に求めることができる。なお、標準偏差σは、後述の原料におけるセラミック粉末のみの粒径分布から予め測定しても同じ値が得られる。

次に、本発明の吸着用部材１の製造方法について説明する。

吸着用部材１の製造方法は、支持部４として、凹部１５を有するセラミック焼結体を準備する工程と、凹部５の内部に、セラミック粒子８と第１ガラス粒子とを含む第１原料を供給して下部層を形成する下部層形成工程と、凹部の内部に、セラミック粒子８と第１ガラス粒子よりも軟化点の低い第２ガラス粒子とを含む第２原料を供給して上部層を形成する上部層形成工程と、下部層および上部層を加圧することにより、凹部５の内部において成形体を形成する成形工程と、成形体を第１ガラス粒子の軟化点よりも高い温度で加熱することにより第１ガラス粒子を軟化させるとともに、当該軟化した第１ガラス粒子よりも低い粘度で第２ガラス粒子を軟化させる熱処理工程とを有する。この製造方法によれば、支持部４に設けられた凹部５の底面と吸着部３との隙間を低減することができる。

以下に、具体的に説明する。

まず、図７（ａ）に示すように、緻密質のセラミック焼結体からなる支持部４を準備する。支持部４には、予め吸引孔６が設けられている。吸引孔６の開口は、凹部１５の底面に設けられている。なお、図７（ｂ）以降の図では、吸引孔６の符号を省略する。

吸引孔６には、この時点で、高温になると蒸発する有機物が充填されている。この有機物は、後述する熱処理時に蒸発し、その結果、吸引孔６が空洞になる。

次に、図７（ｂ）に示すように、凹部１５の内部に原料（以下、「第１原料」という。）１６を供給する。この第１原料１６は、平均粒径５０〜２５０μｍのアルミナ粒子からなるセラミック粉末、ガラス粉末、水、およびバインダーを混合することにより作られる。アルミナ粉末とガラス粉末の割合は、アルミナ粉末が１００質量％としたときに、ガラス粉末が５〜１０質量％である。

第１原料１６に含まれるガラス粉末（「第１ガラス粒子」ともいう。）は、平均粒径が４〜４０μｍ、軟化点が８５０〜９４０℃である。

水は、セラミック粉末とガラス粉末の合計１００質量部に対して、５〜１０質量部である。第１原料１６は、固形粒子の集合物であり、その安息角は、概ね２５〜４５°である。すなわち、第１原料１６はスラリーほど流動性の高いものではない。このように、凹部１５の内部に第１原料１６を供給することにより、下部層を形成する。

次に、凹部１５の内部における下部層上に、第２原料１７を供給する。第２原料１７は、第１原料１６に含まれるセラミック粉末と同じセラミック粉末と、第１ガラス粒子よりも軟化点が低い第２ガラス粒子からなるガラス粉末とを有する。第２原料に含まれるガラス粉末（「第２ガラス粒子」ともいう。）は、平均粒径が４〜４０μｍ、軟化点が８００〜８９０℃である。第２原料１７は、これらセラミック粉末およびガラス粉末に加えて、水およびバインダーを混合することにより作られる。セラミック粉末とガラス粉末の割合並びに水およびバインダーの種類などの条件は、第１原料１６と同様である。このように、凹部１５の内部に第２原料１７を供給することにより、上部層を形成する。なお、以下では、第１原料および第２原料をまとめて原料１８ともいう。

次に、図７（ｃ）に示すように、凹部１５内の第１原料１６および第２原料１７（原料１８）を加圧、圧縮する。加圧時の圧力は、例えば０．０４５〜０．２５Ｍｐａである。この加圧により、凹部１５の内部において成形体が形成される。ここで、原料１８が漏れないようにするために、金型などの成形用治具１９が取り付けられていてもよい。

また、成形方法は、上述したようにプレス成形でもよいが、例えば、加圧中、第１原料１６および第２原料１７（原料１８）を振動させてもよい。この加圧および振動は、金型２０を用いて原料１８を上方から押し付け、加圧するとともに、金型２０の上方から１軸振動する振動体２１を金型２０に密着させて押し付け、その状態で、加圧・圧縮方向に振動機を振動させることにより得られる。ここで、振動の振幅は、０．５〜５ｍｍである。振動中は、第１原料１６および第２原料１７中の水が、セラミック粉末とガラス粉末の配列を促進する役割を果たすことから、振動が、第１原料１６および第２原料１７中の凹部１５内にあるセラミック粒子とガラス粉末に均一に伝わる。このため、振動を与えない場合に比べて低い圧力で、密度の高い成形体２２を作製することができる。

なお、振動体２１の振動数は１００〜２５０Ｈｚであることが好ましい。この範囲の振動数に設定することによって、低い圧力で加圧した場合でも成形体２２の密度を高めるこ
とができるので、セラミック粒子とガラスの結合力が向上する。その結果、セラミック粒子の脱粒をさらに抑制できる吸着用部材１を製造することができる。

また、振動を与えることによって、凹部１５の底面近くにある第１原料１６に圧力が良好に伝わるだけでなく、凹部１５の側面近くにある第１原料１６および第２原料１７にも圧力が良好に伝わる。よって、凹部１５内にある第１原料１６および第２原料１７全体が均一に加圧され、得られる成形体２２の密度ばらつきを小さくすることができる。

また、上述のように、固形粒子の集合体である第１原料１６を用いるとともに、加圧する際にこの第１原料１６を振動させることにより、充填後から加圧終了までの間に、原料１６中でガラス粉末が偏析することを抑制することができる。よって、成形体２２中のガラスの濃度は、成形体全体に渡って均一となる。

成形体２２の上部は、支持部４の上面から若干はみ出ていてもよい。はみ出た部分は、後述する熱処理後にさらに研磨して除去できる。

次に、成形体２２を加熱（熱処理）する。これにより、成形体２２中の水分が蒸発し、原料１６中のセラミック粒子がガラスによって結合される。ここで、熱処理温度は、第１ガラス粒子および第２ガラス粒子が軟化する温度、すなわち第１ガラス粒子の軟化点よりも大きい温度であり、好ましくは１０００〜１２００℃である。この熱処理温度は、ガラスが流動する温度によって適宜設定される。
セラミック粒子は、この熱処理によって焼結せず、粒成長することもないため、熱処理しても、得られる熱処理体の体積が熱処理前後で実質的に変化しない。熱処理後は、図７（ｄ）に示すように成形体２２は吸着部３となる。

なお、支持部４の凹部１５に第１原料１６を充填する前に、凹部１５の底面および側面にガラスペーストを塗布してもよい。この場合の塗布厚みは、４０〜２００μｍが好ましい。ガラスペーストに含まれるガラス粉末の軟化点は、第１原料１６中に含まれるガラス粉末と同じまたは略同じであることが好ましい。

また、凹部１５に塗布されたガラスペーストに含まれるガラス粉末は、成形後の熱処理によって軟化し、第１原料１６中のセラミック粒子と結合する。ガラスペーストに含まれるガラス粉末と、原料中に含まれるガラス粉末は、互いに溶融し合うため、凹部１５と原料の界面に存在するセラミック粒子がガラスによって強固に結合される。なお、熱処理中に、ガラスが成形体内を大きく移動することはほとんどないため、ガラスの濃度は、熱処理後も均一である。

上述したように成形体２２の密度ばらつきが殆どなく、熱処理しても体積が実質的に変化しない（成形体２２が実質的に収縮しない）ため、凹部１５と吸着部３との隙間が小さく、両者が強固に密着した構造の吸着用部材１を作製することができる。また、ガラスの濃度が熱処理体全体に渡って均一である。

熱処理後、図７（ｅ）に示すように、吸着面が、所定の平面度となるように、研磨加工する。研磨の際に用いる砥石２３は、例えばダイヤモンド砥石でダイヤモンドの粒径の番手は、例えば＃２３０（粒径６８μｍ）である。研磨しろは、０．５〜２ｍｍ程度である。研磨後、支持部４の上面と吸着部３の上面は面一になる。

以上のようにして作製された吸着用部材１は、断面視した場合に、図５に示すように、上部多孔質層１０と下部多孔質層１１とを有する。上部多孔質層１０と下部多孔質層１１にそれぞれ含まれるガラスの軟化点は、熱機械分析装置（ＴＭＡ）によって測定可能であ
る。具体的には、次のように測定する。

吸着用部材１の吸着部から、適当な大きさの多孔質体を切り出す。切り出した試料に、先端が針状の測定用プローブを押圧しながら当接する。この状態で温度を上昇させていき、ガラスが軟化すると、プローブが試料に埋まり、押圧方向へ移動する。このようなプローブの動作を検知することにより、ガラスの軟化点を測定することができる。ここで、プローブの先端の当接箇所は、セラミック粒子の断面ではなく、ガラスが存在する箇所が好ましい。プローブをガラスに当接させると、ガラスの軟化を直接検知することができる。一方、プローブをセラミック粒子に当接させると、セラミック粒子は軟化することはないが、セラミック粒子の周囲のガラスが軟化することにより、プローブが試料に埋まり、押圧方向に移動する。この場合でも、間接的ではあるが、ガラスの軟化を検知することは可能である。これにより、上部多孔質層１０および下部多孔質層１１に含まれるガラスの軟化点の大小を測定することができる。

なお、吸着部３の形状は円板状に限らず、必要に応じて種々の形状にすることができる。また、隔離部１４を形成した形状でも製造可能である。これは、最初に支持部４を準備する段階で、隔壁部１４を設けた支持部４を準備し、隔壁部１４で仕切られた複数の凹部のそれぞれに原料１６を充填すればよい。その後の工程は、上述の製造方法と同じである。

また、上述の吸着用部材１，１ｂを用いた真空吸着装置は、上述した吸着用部材１、１ｂを固定ベース（不図示）に固定すると共に、吸引孔６に繋がる排気管（不図示）と、この排気管（不図示）に繋がる真空ポンプ（不図示）を備えている。真空ポンプにより排気管を介して吸引孔６内を吸引すると、吸着部３の連通孔から気体が排気され、対象物Ｗが吸着面２に真空吸着される。真空吸着を開放する場合は、排気管内の圧力が対象物Ｗの上面側と同じ圧力になるように、排気管内に空気を導入して真空吸着力を解放すれば良い。

１：吸着用部材
２：吸着面
３：吸着部
５：支持部
６：吸引孔
７：取り付け穴
８：セラミック粒子
９：ガラス
１０：上部多孔質層
１１：下部多孔質層
１２：連通孔
１５：凹部
１６：第１原料
１７：第２原料
１８：原料
１９：成形用治具
２０：金型
２１：振動体
２２：成形体
２３：砥石
Ｗ：対象物

Claims

凹部が設けられたセラミック焼結体からなる支持部と、該凹部の内部に設けられた、対象物を吸着するための吸着部とを有する吸着用部材の製造方法であって、
前記支持部として、凹部を有するセラミック焼結体を準備する準備工程と、
前記凹部の内部に、セラミック粒子と第１ガラス粒子とを含む第１原料を供給して下部層を形成する下部層形成工程と、
前記凹部の内部に、前記セラミック粒子と前記第１ガラス粒子よりも軟化点の低い第２ガラス粒子とを含む第２原料を供給して上部層を形成する上部層形成工程と、
前記下部層および前記上部層を加圧することにより、前記凹部の内部において成形体を形成する成形工程と、
前記成形体を前記第１ガラス粒子の軟化点よりも高い温度で加熱することにより前記第１ガラス粒子および前記第２ガラス粒子を軟化させるとともに、前記第１ガラス粒子を前記第２ガラス粒子よりも高い粘度で軟化させる熱処理工程と
を有し、
前記熱処理工程において、前記上部層の前記セラミック粒子同士が前記第２ガラス粒子によって結合され、前記下部層の前記セラミック粒子と前記凹部の底面とが前記第１のガラス粒子によって接合されて、前記吸着部が作製されることを特徴とする吸着用部材の製造方法。
前記下部層形成工程の前に前記凹部の底面に、前記第１ガラス粒子を含むガラスペースト塗布する塗布工程を有することを特徴とする請求項１に記載の吸着用部材の製造方法。
前記成形工程における加圧は、前記凹部の内部における前記第１原料および前記第２原料を振動させながら行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の吸着用部材の製造方法。