JP6590675B2 - 真空吸着装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、半導体ウエハなどの基板を保持する真空吸着装置に関する。

本出願人により半導体ウエハなどの基板を吸着保持するための真空吸着装置が提案されている（特許文献１参照）。真空吸着装置を構成する載置部、環状載置部および支持部が直接的に密接されているので、装置全体の強度向上および基板吸着面の平坦度の向上が図られている。

特許第４４０５８８７号公報

しかし、環状載置部は、載置部と比較して気孔率が低くて硬度が高いため、基板が真空吸着された際に載置部のほうが環状載置部よりも沈み込み量が大きくなることにより、基板の平坦度がごく微少であるが低下する可能性がある。

そこで、本発明は、基板の平坦度の向上を図りながら、当該基板を吸着保持することができる真空吸着装置を提供することを目的とする。

本発明の真空吸着装置は、上端面が平坦に形成され、かつ、外側面が上部から下部にかけて断続的または連続的に外側に拡張するように形成されているセラミックス／ガラス複合体からなる第１多孔質体と、上端面が前記第１多孔質体の上端面と同一平面を構成するように平坦に形成され、内側面が前記第１多孔質体の外側面上部に対して全周にわたり接合され、かつ、下端面が存在する場合は当該下端面が前記第１多孔質体の下部に対して全周にわたり接合されている筒状のセラミックス／ガラス複合体からなる第２多孔質体と、少なくとも前記第１多孔質体の外側面下部および前記第２多孔質体の外側面のそれぞれに対して接合され、かつ、前記第１多孔質体の気孔に連通する連通経路が形成され、前記第２多孔質体の開気孔率は前記第１多孔質体の開気孔率よりも小さいことを特徴とする。

本発明の真空吸着装置によれば、基板がその内側領域を第１多孔質体の上端面に当接させ、かつ、当該内側領域に全周にわたり隣接するその環状の外側領域を第２多孔質体の上端面に当接させた状態で、真空吸着装置の上端面に載置される。この状態で、緻密質体に形成された連通経路を通じて第１多孔質体の気孔が減圧されることで基板が真空吸着装置により保持される。この際、基板から第１多孔質体および第２多孔質体のそれぞれに直接的に力が作用するが、第２多孔質体に作用した力はその内側面に接合されている第１多孔質体の外側面上部およびその下端面に接合されている第１多孔質体の外側面下部のうち少なくとも一方により受け止められる。このため、第２多孔質体の下端面の少なくとも一部が緻密質体に接合している場合と比較して、第１多孔質体の沈み込み量と第２多孔質体の沈み込み量との均等化が図られる。これにより、基板の平坦度の向上を図りながら、当該基板が真空吸着装置によって吸着保持される。

なお、「上」および「下」は真空吸着装置の使用時における姿勢を表わすものではなく、上端面が横または下に向けられた姿勢で真空吸着装置が使用されてもよい。

本発明の一態様の真空吸着装置において、前記第１多孔質体と前記第２多孔質体との接合界面の少なくとも一部にガラス層が存在する。

当該構成の真空吸着装置によれば、ガラス層の介在により、第２多孔質体の上面からその開気孔を通じて空気が第１多孔質体に流入することが防止されるので、基板に対して吸着保持に十分な負圧を作用させることができる。

本発明の真空吸着装置は、複数の前記第１多孔質体が、その上端面が同一平面を構成するように隣接して配列され、複数の前記第２多孔質体のそれぞれが、隣接する他の前記第２多孔質体と一部を相互に共通または隣接させるように連結されている。

本発明の真空吸着装置によれば、第１多孔質体の個数に応じた複数の基板が、前記のように複数の基板のそれぞれの平坦度の向上を図りながら、当該複数の基板のそれぞれが同時に吸着保持される。また、複数の第２多孔質体のそれぞれが、隣接する他の第２多孔質体と一部を相互に共通または隣接させるように連結されている。これにより、単独で複数の第２多孔質体が配置されている場合よりも全体的な剛性の維持を図りながら、隣接する第１多孔質体の間隔の短縮、ひいては複数の基板が載置されるスペースの確保が図られている。

本発明の一実施形態としての真空吸着装置の上面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。 第１および第２多孔質体の他の接合態様その１に関する説明図。 第１および第２多孔質体の他の接合態様その２に関する説明図。 第１および第２多孔質体の他の接合態様その３に関する説明図。 第１および第２多孔質体の他の接合態様その４に関する説明図。 本発明の変形実施形態としての真空吸着装置の上面図。 図４のＶ−Ｖ線断面図。 本発明の他の実施形態としての真空吸着装置の図２に相当する断面図。

（構成）
図１に示されている本発明の一実施形態としての真空吸着装置は、厚さＤ１の略円板状の第１多孔質体１と、軸線方向の長さがＤ２（＜Ｄ１）の略円筒状の第２多孔質体２と、内部に第１多孔質体１および第２多孔質体２が収容されている略有底円筒状の緻密質体４と、を備えている。

第１多孔質体１は、第１セラミックス（たとえば、アルミナまたは炭化珪素）および第１ガラス（たとえばアルミノ珪酸塩系ガラス（軟化点：約１０００［℃］））の複合体により構成されている。当該複合体は、外部に連通する開気孔が形成されている多孔質組織を有する。第１多孔質体１の上端面１０は平坦に形成されている。第１多孔質体１の外側面１２が上部１２１から下部１２２にかけて断続的に径方向外側に拡張するように形成されている。すなわち、第１多孔質体１は、小径の上部円板と大径の下部円板とが軸線を同一にして上下に連結された略段差付きの略円板状に形成されている。

圧力損失の過大による吸着保持力および機械的強度の低下、ならびに真空吸着保持装置の上端面（吸着面）の平坦性の低下を防止する観点から、第１多孔質体１の開気孔率は２０〜５０％の範囲に含まれていることが好ましい。平均気孔径の過小による圧力損失の増大および吸着保持力の低下を防止し、かつ、平均気孔径の過大による吸着面の平坦度の低下を防止する観点から、第１多孔質体１の平均気孔径は１０〜１５０［μｍ］の範囲に含まれていることが好ましい。

第２多孔質体２は、第２セラミックス（たとえば、アルミナまたは炭化珪素）および第２ガラス（軟化点が第１ガラスよりも低温のホウ珪酸系ガラス（軟化点：９００℃以下）などのガラス）の複合体により構成されている。当該複合体は、外部に連通する開気孔が形成されている多孔質組織を有する。第２多孔質体２の上端面２０は、第１多孔質体１の上端面１０と同一平面を構成するように平坦に形成されている。第２多孔質体２の内側面２１は、第１多孔質体１の外側面上部１２１に対して全周にわたり接合され、かつ、下端面２４が第１多孔質体の外側面下部１２２（または第１多孔質体１の外側面１２の段差部分）に対して全周にわたり接合されている。第１多孔質体１を構成する第１ガラスと、第２多孔質体２を構成する第２ガラスとが融着されていることにより第１多孔質体１および第２多孔質体２が気密に接合されている。

圧力損失の過大による吸着保持力および機械的強度の低下、ならびに真空吸着保持装置の上端面（吸着面）の平坦性の低下を防止する観点から、第２多孔質体２の開気孔率は２０〜５０％の範囲に含まれていることが好ましい。平均気孔径の過小による第１多孔質体１と第２多孔質体２の機械的強度の偏差または段差の過大を防止し、かつ、平均気孔径の過大による吸気漏れを防止する観点から、第２多孔質体２の平均気孔径は第１多孔質体１の平均気孔径の５〜６０％の範囲に含まれていることが好ましい。第２多孔質体２の開気孔率は第１多孔質体１の開気孔率よりも小さい。

緻密質体４は、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素およびジルコニアから選ばれた緻密質のセラミックス焼結体により構成されている。緻密質体４の内側面４１は、第１多孔質体１の外側面下部１２２および第２多孔質体２の外側面２２のそれぞれに対して接合されている。緻密質体４の底面４４は、第１多孔質体１の下端面１４に全面的に当接している。緻密質体４には、その底部を貫通して第１多孔質体１の気孔に連通する複数の連通経路４６が形成されている。

なお、前記実施形態では円形状の基板Ｗを吸着保持するため、第１多孔質体１が略円板状（段差付き円板状）に形成され、第２多孔質体２が略円筒状に形成されたが、基板Ｗの形状に応じて第１多孔質体１が楕円板状、矩形板状、台形板状または正多角形板状などの様々な形状に形成され、かつ、第２多孔質体２が楕円筒状、矩形筒状、台形筒状または正多角形筒状などの様々な形状に形成されてもよい。

（製造方法）
前記構成の真空吸着装置を製造するため、まず、緻密質体４が作製される。具体的には、アルミナ等のセラミックス粉末に所定量のバインダが添加されて造粒処理され、当該造粒粉末が一軸プレス成形され、かつ、ＣＩＰ成形されることによって略円板状の成形体が作製される。成形体の上側中央部が円柱状に窪んだ形状に加工され、中央部底部に貫通孔（連通経路４６）が形成される。このように加工された成形体が、必要に応じて脱脂処理された後、所定の雰囲気、温度および時間で焼成されることにより、緻密質体４が作製される。なお、略円板状の成形体が仮焼されることで作製された仮焼結体の上側中央部が円柱状に窪んだ形状に加工され、中央部底部に貫通孔（連通経路４６）が形成されてもよい。

第１多孔質体１を形成するための第１スラリーが調製される。具体的には、第１セラミックス粉末および第１ガラス粉末に、水またはアルコール等の溶剤が加えられたうえで、ボールミルまたはミキサー等の公知の方法を用いて混合されることにより第１スラリーが作製される。水またはアルコール等の添加量は、第１セラミックス粉末の粒度、第１ガラス粉末の添加量を考慮して、第１スラリーの流動性の観点から適当に調節される。

原料粉末である第１セラミックス粉末の粒度分布の調整によって第１多孔質体１の開気孔率および平均気孔径が調節される。そのほか、第１セラミックス粉末と第１ガラス粉末との配合比率、第１スラリーの粘度、第１スラリーの緻密質体４の窪みへの充填率、または、粒子状樹脂、繊維状樹脂もしくはカーボン粉末等の焼失材の添加量の調節によっても、第１多孔質体１の開気孔率および平均気孔径が調節されうる。

第１ガラス粉末として、第１セラミックス粉末と比較して平均粒径が小さいものが用いられることが好ましい。具体的には、第１ガラス粉末の平均粒径は、第１セラミックス粉末の平均粒径の１／３以下であることが好ましく、１／５以下であることがより好ましい。これは、第１ガラス粉末の平均粒径が第１セラミックス粉末よりも大きいと、第１セラミックス粉末の充填が阻害されて焼成収縮が生じ、その結果として第１多孔質体１にクラックが発生し、かつ、組織の均一性が損なわれるためである。

第１セラミックス粉末に対する第１ガラス粉末の添加量が過多である場合、第１セラミックス粉末の充填が阻害されて焼成収縮が生じる可能性がある。これとは逆に当該添加量が過少である場合、第１セラミックス粉末の結合強度が低下して脱粒または欠落等が生ずる可能性はある。このため、第１ガラス粉末の添加量は第１セラミックス粉末１００質量部に対して５〜３０質量部とすることが好ましい。

第１ガラスとして、第１セラミックスと比較して熱膨張係数が小さいものが用いられることが好ましい。これにより、第１多孔質体１および緻密質体４の接合界面の気密性が確保され、かつ、第１多孔質体１において結合材としての役割を有する第１ガラスに圧縮応力が残留した状態が実現される。第１ガラスは一般的に引張強度が低いため、圧縮応力が残留した状態の実現により、第１多孔質体１の強度が高められ、研削加工時の脱粒または欠け等の発生が抑制される。

緻密質体４の連通経路４６に樹脂等の焼失材料が充填されたうえで、第１スラリーが緻密質体４の中央部（凹部）に充填される。必要に応じて、第１スラリーが真空脱泡処理されて残留気泡が除去され、または第１スラリーが振動されて充填率の向上が図られる。緻密質体４の中央部に充填された第１スラリーが十分に乾燥された後、第１ガラスの軟化点以上の温度で焼成されることにより、セラミックス／ガラス複合体が形成される。焼成温度が第１ガラスの軟化点より低い場合、セラミックス／ガラス複合体と緻密質体４とを気密に接合することができないが、焼成温度が過剰に高い場合、セラミックス／ガラス複合体の変形または収縮が生じるため、当該軟化点以上である範囲で可能な限り低温に焼成温度が調節されることが好ましい。

セラミックス／ガラス複合体の外側面上部が機械加工により縮径されることにより、緻密質体４の中央に第１多孔質体１が形成される。これにより、第１多孔質体１の外側面上部と緻密質体４の内側面との間に、第１多孔質体１の厚さよりも浅い環状の溝が形成された状態になる。付加的に、緻密質体４の内側面が機械加工により除去されることで、当該除去箇所が当該環状溝を構成していてもよい。

第２多孔質体２を形成するための第２スラリーが第１スラリーと同様に調整される。具体的には、第２セラミックス粉末および第２ガラス粉末に、水またはアルコール等の溶剤が加えられたうえで、ボールミルまたはミキサー等の公知の方法を用いて混合されることにより第２スラリーが作製される。第２多孔質体２の開気孔率および平均気孔率の調節の観点から、第２セラミックス粉末として平均粒径が１０〜１００［μｍ］のものが用いられる。

第２ガラス粉末として、第２セラミックス粉末と比較して平均粒径が小さいものが用いられることが好ましい。具体的には、第２ガラス粉末の平均粒径は、第２セラミックス粉末の平均粒径の１／３以下であることが好ましく、１／５以下であることがより好ましい。第２ガラス粉末の添加量は第２セラミックス粉末１００質量部に対して５〜３０質量部とすることが好ましい。第２セラミックスに対して第２ガラスに要求される熱膨張性等の性質は、第１セラミックスに対して第１ガラスに要求される熱膨張性等の性質と同様である。

第２スラリーが環状溝に充填され、乾燥後に第２ガラスの軟化点以上の温度で焼成されることにより略円筒状の第２多孔質体２が形成される。その上で、真空吸着装置の吸着面（第１多孔質体１の上端面１０、第２多孔質体２の上端面２０および緻密質体４の上端面）が研削または研磨処理されることにより、その平坦度がたとえば１０［μｍ］未満に調節される。これらの手順を経て前記構成の真空吸着装置が作製される。環状溝の深さは第２多孔質体２の厚さに相当するため、第２多孔質体２を構成する成分とともに厚さによって吸着時の基板Ｗに作用する力が変化し、基板Ｗの平坦度に影響する。

（機能）
前記構成の真空吸着装置によれば、基板Ｗがその内側領域を第１多孔質体１の上端面１０に当接させ、かつ、当該内側領域に全周にわたり隣接するその環状の外側領域を第２多孔質体２の上端面２０に当接させた状態で、真空吸着装置の上端面に載置される（図２参照）。この状態で、緻密質体４に形成された連通経路４６を通じて第１多孔質体１の気孔が減圧されることで基板Ｗが真空吸着装置により保持される。この際、基板Ｗから第１多孔質体１および第２多孔質体２のそれぞれに直接的に力が作用するが、第２多孔質体２に作用した力はその内側面２１に接合されている第１多孔質体１の外側面上部１２１およびその下端面２４に接合されている第１多孔質体１の外側面下部１２２のうち少なくとも一方により受け止められる。このため、第２多孔質体２の下端面２４の少なくとも一部が緻密質体４に接合している場合と比較して、第１多孔質体１の沈み込み量と第２多孔質体２の沈み込み量との均等化が図られる。これにより、基板Ｗの平坦度の向上を図りながら、当該基板Ｗが真空吸着装置によって吸着保持される。

（実施例）
（実施例１）
緻密質体４が外径φ５００［ｍｍ］、高さ（厚さ）５０［ｍｍ］、内径φ４５０［ｍｍ］、凹部の深さ４０［ｍｍ］の略有底円筒状のアルミナ焼結体（熱膨張係数：８．０×１０^−６／℃）により構成された。

第１セラミックス粉末として平均粒径３００［μｍ］のアルミナ粉末が用いられ、第１ガラス粉末として平均粒径５０［μｍ］のアルミノ珪酸ガラス（熱膨張係数：４５×１０^−７／℃、軟化点：９５０℃）の粉末が用いられて第１スラリーが調整された。第２セラミックス粉末として平均粒径８０［μｍ］のアルミナ粉末が用いられ、第２ガラス粉末として平均粒径２０［μｍ］のホウ珪酸ガラス（熱膨張係数：４０×１０^−７／℃、軟化点：７５０℃）の粉末が用いられて第２スラリーが調整された。第１スラリー注型後の焼成温度が１０００［℃］に調節されることで第１多孔質体１が作製された。第１多孔質体１は、厚さ４０［ｍｍ］（＝Ｄ１）、上部厚さ２０［ｍｍ］、下部厚さ２０［ｍｍ］、上部外径φ４４０［ｍｍ］、下部外径φ４５０［ｍｍ］の略段差付き円板状に形成された。第２スラリー注型後の焼成温度が８００［℃］に調節されることで第２多孔質体２が作製された。第２多孔質体２は、厚さ（軸線方向高さ）２０［ｍｍ］（＝Ｄ２）、外径φ４５０［ｍｍ］、内径φ４４０［ｍｍ］の略円筒形状に形成された。吸着面の平坦度が１０［μｍ］未満となるように研削および研磨加工が実施されることにより実施例１の真空吸着装置が製造された。

（実施例２）
Ｄ２＝５［ｍｍ］としたほかは実施例１と同様の条件下で実施例２の真空吸着装置が製造された。

（比較例）
第１多孔質体１が、厚さ４０［ｍｍ］、外径φ４５０［ｍｍ］の略円板状に形成された。第２多孔質体２は、厚さ４０［ｍｍ］、外径φ４５０［ｍｍ］、内径φ４４０［ｍｍ］の略円筒形状に形成された。第２多孔質体２の下端面２４が緻密質体４の底面４４に接合している。そのほかは実施例１と同一条件下で比較例の真空吸着装置が製造された。

（評価方法）
実施例および比較例のそれぞれの真空吸着装置の吸着面の平坦度が真直度測定装置により測定された。アスピレータを用いて０．０５［ＭＰａ］の吸引圧で真空吸着装置に吸着保持された際のφ４５０［ｍｍ］の基板Ｗの平坦度が真直度測定装置により測定された。真空吸着装置が破壊され、第１多孔質体１および第２多孔質体２の破片が試験片として採取され、アルキメデス法によりその開気孔率が測定され、水銀圧入法によりその平均気孔径が測定された。当該評価結果が表１に示されている。

表１から、実施例１および２の真空吸着装置によれば、比較例の真空吸着装置と比較して、吸着面および基板のそれぞれの平坦度が高くなっていることがわかる。

（本発明の他の実施形態）
前記実施形態では第１多孔質体１の軸線方向に延在する外側面上部１２１と第２多孔質体２の内側面２１とが接合され、かつ、第１多孔質体１の下部の径方向（水平方向）に延在する肩部と第２多孔質体２の下端面２４とが接合されていたが（図２参照）、これ以外の接合態様で第１多孔質体１および第２多孔質体２が接合されていてもよい。

たとえば、図３Ａに示されているように、第１多孔質体１の軸線方向に延在する外側面上部１２１と第２多孔質体２の内側面２１とが接合され、かつ、第１多孔質体１の下部の上から下にかけて徐々に拡径するように延在する肩部（傾斜面）と第２多孔質体２の下端面２４とが接合されていてもよい。図３Ｂに示されているように、第１多孔質体１の上から下にかけて徐々に拡径するように延在する外側面上部１２１と第２多孔質体２の内側面２１とが接合されていてもよい（この場合、第２多孔質体２に下端面は実質的に存在しない。）。図３Ｃに示されているように、第１多孔質体１の軸線方向に延在する外側面上部１２１と第２多孔質体２の内側面２１とが接合され、かつ、第１多孔質体１の下部の肩部に形成された円環溝部と第２多孔質体２の下端面２４とが接合されていてもよい。図３Ｄに示されているように、第１多孔質体１および緻密質体４の境界部分の全周にわたって第１多孔質体１および緻密質体４の両方が軸線方向に窪むように溝が加工され、当該溝に第２多孔質体２が形成されることで、第２多孔質体２の下端面または底面が第１多孔質体１および緻密質体４の両方に対してまたがるように接合されていてもよい。

図４に示されているように、複数の第１多孔質体１が、その上端面１０が同一平面を構成するように隣接して配列され、複数の第２多孔質体２のそれぞれが、隣接する他の第２多孔質体２と一部を相互に共通（または隣接）させるように連結されていてもよい。複数の第１多孔質体１のそれぞれの中心が正方格子をなすように配置されているが、複数の第１多孔質体１のそれぞれの中心が三角格子をなすように配置されるなど、さまざまな形態で配置されていてもよい。第１多孔質体１および第２多孔質体２のそれぞれの外縁形状が円形のほか、楕円形、三角形、矩形または正多角形などの様々な形状であってもよい。

図５に示されているように、隣り合う第２多孔質体２の共有部分（または隣接部分）の厚さＤ２’が、緻密質体４に対して接合されている部分の厚さＤ２よりも大きくてもよい。当該共有部分の幅Ｗ２’は、緻密質体４に対して接合されている部分の幅Ｗ２に対してＷ２≦Ｗ２’＜２Ｗ２の関係が実現されるように設計されることが好ましい。

また、基板Ｗが第２多孔質体２の最外径より小さい場合は、基板Ｗが載せられた後、第２多孔質体２が露出している領域よりエアの流入が顕著に生じ、その結果吸着力が弱くなる。そこで、図６に示されているように、第２多孔質体２の内側面および下端面２４のそれぞれと第１多孔質体１との間に、ガラス層５１を介在させることが好ましい。ガラス層５１の介在により、第２多孔質体２の上面からその開気孔を流れる空気が第１多孔質体１に流入することが防止されるので、基板Ｗに対して吸着保持に十分な負圧を作用させることができる。ガラス層５１を構成するガラスとしては、溶融温度が第１多孔質体１および第２多孔質体２のそれぞれの焼成温度の中間温度となるガラスが選択される。ガラス層５１は、第１多孔質体１と第２多孔質体２との境界界面の少なくとも一部に存在すればよい。

１‥第１多孔質体、２‥第２多孔質体、４‥緻密質体、１０‥第１多孔質体の上端面、１２‥第１多孔質体の外側面、１２１‥第１多孔質体の外側面上部、１２２‥第１多孔質体の外側面下部、１４‥第１多孔質体の下端面、２０‥第２多孔質体の上端面、２１‥第２多孔質体の内側面、２２‥第２多孔質体の外側面、２４‥第２多孔質体の下端面、４２‥緻密質体の内側面、４４‥緻密質体の底面、４６‥連通経路、５１‥ガラス層。

Claims (2)

1. 上端面が平坦に形成され、かつ、外側面が上部から下部にかけて断続的または連続的に外側に拡張するように形成されているセラミックス／ガラス複合体からなる第１多孔質体と、
   上端面が前記第１多孔質体の上端面と同一平面を構成するように平坦に形成され、内側面が前記第１多孔質体の外側面上部に対して全周にわたり接合され、かつ、下端面が存在する場合は当該下端面が前記第１多孔質体の下部に対して全周にわたり接合されている筒状のセラミックス／ガラス複合体からなる第２多孔質体と、
   少なくとも前記第１多孔質体の外側面下部および前記第２多孔質体の外側面のそれぞれに対して接合され、かつ、前記第１多孔質体の気孔に連通する連通経路が形成されている緻密質体と、を備え、
   前記第２多孔質体の開気孔率は前記第１多孔質体の開気孔率よりも小さく、
   複数の前記第１多孔質体が、その上端面が同一平面を構成するように隣接して配列され、
   複数の前記第２多孔質体のそれぞれが、隣接する他の前記第２多孔質体と一部を相互に共通または隣接させるように連結されていることを特徴とする真空吸着装置。
2. 請求項１記載の真空吸着装置において、
   前記第１多孔質体と前記第２多孔質体との接合界面の少なくとも一部にガラス層が存在することを特徴とする真空吸着装置。