KR100507046B1 - 웨이퍼 연마장치용 테이블에 적합한 탄화규소·금속 복합체 - Google Patents

웨이퍼 연마장치용 테이블에 적합한 탄화규소·금속 복합체 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 탄화규소결정(21, 22)에 의하여 구성되는 다공질 조직 중에 개방기공(23)이 존재하고, 그 개방기공 중에 금속이 함침되어 있는 탄화규소·금속 복합체에 있어서, 상기 탄화규소결정의 평균 입자직경이 20㎛ 이상, 기공율이 30% 이하, 열전도율이 160W/m·K 이상이고, 탄화규소 100중량부에 대하여 15중량부 ∼ 50중량부의 금속이 함침되어 있는 탄화규소·금속 복합체가 제공된다.

Description

웨이퍼 연마장치용 테이블에 적합한 탄화규소·금속 복합체{Silicon carbide metal composite suitable for use in table for wafer polishing machine}
본 발명은, 탄화규소·금속 복합체에 관한 것으로, 상세하게는 반도체 웨이퍼를 연마하는 장치에 사용되는 테이블에 적합한 탄화규소·금속 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 대부분의 전기제품에는, 실리콘 칩 상에 미세한 도체회로를 형성하여 이루어지는 반도체 디바이스가 이용되고 있다. 이와 같은 반도체 디바이스는, 일반적으로, 단결정 실리콘의 잉곳을 출발재료로 하여 하기된 바와 같은 수순을 거쳐 제조된다.
우선, 단결정 실리콘의 잉곳을 얇게 슬라이스하여, 이 슬라이싱에 의해 얻어진 피스를 래핑공정 및 폴리싱공정에서 연마한다. 이들 공정을 거쳐 얻어진 베어 웨이퍼는, 거울면을 가지고 있기 때문에, 미러 웨이퍼라고 불려지고 있다. 래핑공정 후 또한 폴리싱공정 전에 에피택셜(epitaxial) 성장층 형성공정을 행하여 얻어지는 베어 웨이퍼는, 특히 에피택셜 웨이퍼라고 불려지고 있다.
계속해서 웨이퍼 처리공정에 있어서는, 베어 웨이퍼에 대하여 산화, 에칭, 불순물 확산이 반복해서 행해진다. 그리고, 상기 공정을 거친 베어 웨이퍼를 다이싱 공정에서 적당한 크기로 커트하는 것에 의해, 최종적으로 소망하는 반도체 디바이스가 완성된다.
상기 일련의 공정에 있어서는, 반도체 웨치퍼의 디바이스 형성면을 어떠한 수단을 사용하여 연마할 필요가 있다. 여기에서, 이와 같은 연마를 행하기에 유효한 수단으로서, 종래로부터 각종의 웨이퍼 연마장치(래핑머신이나 폴리싱머신)가 제안되기에 이르고 있다.
통상의 웨이퍼 연마장치는, 테이블, 푸셔 플레이트, 냉각 재킷을 구비하고 있다. 테이블은 냉각 재킷의 상부에 고정되어 있다. 케이블 및 냉각 재킷은, 함께 스텐레스 등과 같은 금속재료로 이루어진다. 냉각 재킷 내에는, 테이블의 냉각에 이용되는 냉각수를 순환시키기 위한 유로가 설치되어 있다. 테이블의 상방에 배치된 푸셔 플레이트의 지지면(하면)에는, 연마될 웨이퍼가 열가소성 왁스를 이용하여 부착된다. 회전하는 푸셔 플레이트에 지지된 웨이퍼는, 테이블의 연마면(상면)에 대하여 상방으로부터 가압된다. 그 결과, 연마면에 웨이퍼가 미끄럼 접촉되고, 웨이퍼의 편측면이 균일하게 연마된다. 그리고, 이 때 웨이퍼에 발생된 열은, 테이블을 통하여 냉각 재킷에 전도되는 동시에, 그 냉각 재킷 내의 유로를 순환하는 냉각수에 의하여 장치의 외부로 배출된다.
웨이퍼 연마장치용 테이블은, 연마작업시에 고온으로 가열되는 일이 많다. 이 때문에, 테이블을 형성하기 위한 재료에는, 내열성이나 내열충격성이 요구된다. 또, 테이블의 연마면에는 끊임없이 마찰력이 작용하기 때문에, 테이블을 형성하기 위한 재료에는 내마모성도 요구된다. 더욱이, 대구경·고품질의 웨이퍼를 실현하기 위해서는, 웨이퍼에 휘어짐을 초래하는 열응력의 발생을 회피하여야만 하고, 그 때문에는 테이블 내의 온도 불균일을 최대한 작게 하는 것이 필요하다. 그러므로, 상기 재료에는 높은 열전도성도 요구된다.
이상과 같은 사정 아래, 지금까지의 금속재료에 대신하는 적합한 테이블 형성용 재료로서, 물리적·기계적으로 우수한 성질을 가지는 일부 세라믹재료(소위 뉴 세라믹 또는 엔지니어링 세라믹)가 최근 주목되고 있으며, 그 중에서도 탄화규소(SiC)가 특히 주목되고 있다.
탄화규소는, 열전도성, 내열성, 내열충격성, 내마모성, 경도, 내산화성, 내식성 등이 우수하다고 하는 적합한 특성을 가진다. 그러므로, 탄화규소는, 기계적 시일이나 베어링 등의 내마모 재료를 시작으로 하여, 고온로용의 내화재, 열교환기, 연소관 등의 내열구조재료, 산이나 알칼리에 바래기 쉬운 펌프부품 등의 내부식 재료 등, 널리 이용 가능한 재료라고 할 수 있다. 그리고, 근년에는 상기 탄화규소가 가지는 제특성, 특히 높은 열전도성에 착안하여, 이것을 테이블에 부여하고자 하는 움직임이 있다. 이것에 더하여, 탄화규소의 다공질체에 존재하는 개방기공 중에 금속을 함침하는 것에 의해, 비함침체보다도 더욱 열전도성이 우수한 탄화규소·금속 복합체를 제조하는 것도 제안되고 있다.
그런데, 탄화규소 소결체에는, 열을 효율 좋게 전도한다는 성질이 있기 때문에, 소결체 내부에 온도 불균일이 생기기 어렵다고 하는 이점이 있다. 따라서, 소결체에는 높은 균열성·열응답성이 부여된다. 또, 열응력의 발생이 회피되어 기재(基材)가 휘어지기 어렵게 되는 결과, 형상 안정성이 높아진다.
그렇지만, 탄화규소 소결체는 다른 세라믹스 소결체에 비교하여 열전도율이 높다고 하기는 하지만, 다공질체에 있어서의 열전도율 값은 10W/m·K ∼ 70W/m·K 정도에 지나지 않는다. 또, 탄화규소 비함침체에 비교하여 탄화규소·금속 복합체는 열전도율이 높다고 하기는 하지만, 현시점에 있어서의 열전도율 값은 100W/m·K ∼ 150W/m·K 정도이었다.
따라서, 한층 더 균열(均熱)성, 열응답성, 형상 안정성이 우수한 재료를 실현하기 위해서는, 말할 필요도 없이 열전도성의 향상이 필수라고 생각되고 있었다. 또, 이 재료를 테이블에 이용한 경우에 관하여도 마찬가지로, 대구경·고품질 웨이퍼의 실현을 위해서는 열전도성의 향상이 필수라고 생각되고 있었다.
또, 탄화규소·금속 복합체로 이루어진 복수매의 기재(基材)를 적층하여, 이들을 수지제의 접착제로 접합시키는 동시에, 접합계면(接合界面)에 유로를 설치한 테이블에 있어서는, 이하와 같은 문제가 있었다.
즉, 종래에 있어서 기재끼리를 접합하는 방법으로서 열전도울이 낮은 접착제를 이용하고 있었기 때문에, 접착제가 접합계면에 있어서의 열저항의 증대를 초래하여, 테이블 전체적으로 열전도율의 저하를 가져오고 있었다. 따라서, 열전도율이 높은 탄화규소·금속 복합체를 기재에 이용하고 있음에도 불구하고, 실제로는 충분한 균열성이나 열응답성을 실현하는 것이 불가능했다. 또, 탄화규소·금속 복합체와 접착제는 열팽창계수가 크게 다르기 때문에, 접합계면에 있어서의 크랙이나 떨어짐이 발생하기 쉬웠다. 그러므로, 히트 사이클을 받으면 테이블이 파괴되기 쉽고, 장기 신뢰성이 낮아졌다. 또, 접착제를 대신하여 기재끼리의 접합에 로우재를 이용한 경우, 열저항의 증대에 관한 문제는 해소되는 반면, 열팽창계수차에 기인한 크랙이나 떨어짐의 발생에 관하여는 회피할 수가 없었다.
본 발명의 제1 목적은, 균열성, 열응답성 및 형상 안정성이 극히 우수한 탄화규소·금속 복합체를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제2 목적은, 이와 같은 적합한 복합체를 확실하게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제3 목적은, 대구경·고품질 웨이퍼의 제조에 적합한 웨이퍼 연마장치용 부재, 웨이퍼 연마장치용 테이블을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제1 태양에서는, 탄화규소결정에 의하여 구성되는 다공질 조직 중에 개방기공이 존재하고, 그 개방기공 중에 금속이 함침되어 있는 탄화규소·금속 복합체가 제공된다. 탄화규소결정의 평균 입자직경이 20㎛ ~ 100㎛, 기공율이 5% ~ 30%, 열전도율이 160W/m·K ~ 280W/m·K 이고, 탄화규소 100중량부에 대하여 15중량부 ∼ 50중량부의 금속이 함침되어 있다.
삭제
본 발명의 제2 태양에서는, 탄화규소결정에 의하여 구성되는 다공질 조직 중에 개방기공이 존재하고, 그 개방기공 중에 탄화규소 100중량부에 대하여 15중량부 ∼ 50중량부의 금속이 함침되고, 탄화규소결정의 평균 입자직경이 20㎛ ~ 100㎛, 기공율이 5% ~ 30%, 열전도율이 160W/m·K ~ 280W/m·K 인 탄화규소·금속 복합체를 제조하는 방법이 제공된다. 평균 입자직경 5㎛ ∼ 100㎛의 α형 탄화규소의 조분말 100중량부에 대하여, 평균 입자직경 0.1㎛ ∼ 1.0㎛의 α형 탄화규소의 미분말이 10중량부 ∼ 100중량부 배합되고, 그 조분말과 미분말이 균일하게 혼합된다. 혼합공정에 의해 얻어진 혼합물을 소정형상으로 성형하는 것에 의해 성형체가 얻어진다. 성형체를 1700℃ ∼ 2400℃의 온도범위에서 소성하는 것에 의해 소결체가 얻어진다. 성형체 또는 소결체에 금속이 함침된다.
본 발명의 제3 태양에서는, 웨이퍼 지지 플레이트에 지지되는 반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 연마면을 가지는 테이블이 제공된다. 테이블은, 상기 탄화규소·금속 복합체로 이루어지고, 서로 접합된 복수의 기재와, 기재의 접합계면에 형성된 유체유로를 구비한다.
본 발명의 제4 태양에서는, 웨이퍼 지지 플레이트에 지지되는 반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 연마면을 가지는 테이블이 제공된다. 테이블은, 각각이 함규소세라믹으로 이루어진 다공질체의 개방기공 중에 금속실리콘을 함침한 세라믹·금속 복합체인 복수의 기재와, 각 기재끼리를 접합하는 상기 금속실리콘으로 이루어진 접합층과, 기재의 접합계면에 형성된 유체유로를 구비한다.
(제1 실시예)
이하, 제1 실시예의 웨이퍼 연마장치(1)를 도 1 ∼ 도 4에 근거하여 상세하게 설명한다.
도 1에는, 본 실시예의 웨이퍼 연마장치(1)가 개략적으로 도시되어 있다. 동 웨이퍼 연마장치(1)를 구성하고 있는 테이블(2)은 원반형상이다. 테이블(2)의 상면은, 반도체 웨이퍼(5)를 연마하기 위한 연마면(2a)이 된다. 이 연마면(2a)에는 도시되지 않은 연마 크로스가 부착되어 있다. 본 실시예의 테이블(2)은, 냉각 재킷을 이용하지 않고, 원기둥형상을 한 회전축(4)의 상단면에 대하여 수평으로 또한 직접적으로 고정되어 있다. 따라서, 회전축(4)을 회전 구동시키면, 그 회전축(4)과 함께 테이블(2)이 일체적으로 회전된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이 웨이퍼 연마장치(1)는, 복수(도 1에서는 도시의 편의상 2개)의 웨이퍼 지지 플레이트(6)를 구비하고 있다. 플레이트(6)의 형성재료로서는, 예컨대 글라스나, 알루미나 등의 세라믹 재료나, 스텐레스 등의 금속재료 등이 채용된다. 각 웨이퍼 지지 플레이트(6)의 편측면(비지지면(6b))의 중심부에는, 푸셔 봉(7)이 고정되어 있다. 각 푸셔 봉(7)은 테이블(2)의 상방에 위치되는 동시에, 도시되지 않은 구동수단에 연결되어 있다. 각 푸셔 봉(7)은 각 웨이퍼 지지 플레이트(6)를 수평으로 지지하고 있다. 이때, 지지면(6a)은 테이블(2)의 연마면(2a)에 대향되는 상태가 된다. 또, 각 푸셔 봉(7)은 웨이퍼 지지 플레이트(6)와 함께 회전하는 것이 가능할 뿐 아니라, 소정 범위 내에서 상하이동하는 것이 가능하다. 플레이트(6) 측을 상하이동시키는 방식에 대신하여, 테이블(2) 측을 상하이동시키는 구조를 채용하여도 관계 없다. 웨이퍼 지지 플레이트(6)의 지지면(6a)에는, 반도체 웨이퍼(5)가 예컨대 열가소성 왁스 등의 점착제를 이용하여 점착된다. 반도체 웨이퍼(5)는, 지지면(6a)에 대하여 진공흡인에 의해 또는 정전적으로 흡착되어도 좋다. 이때, 반도체 웨이퍼(5)에 있어서의 피연마면(5a)은, 테이블(2)의 연마면(2a) 측을 향하고 있을 필요가 있다.
다음에, 테이블(2)의 구성에 관하여 상세하게 설명한다.
도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 테이블(2)은, 2매의 다공질 탄화규소 소결체 제의 기재(11A, 11B)로 이루어진 적층 세라믹스 구조체이다. 상측 기재(11A)의 이면에는, 유체유로인 냉각용수로(12)의 일부를 구성하는 홈(13)이 소정 패턴형상으로 형성되어 있다. 2매의 기재(11A, 11B) 끼리는, 은 로우재 층(14)을 통하여 서로 접합되는 것에 의해, 일체화되어 있다. 그 결과, 기재(11A, 11B)의 접합계면에 수로(12)가 형성된다. 하측 기재(11B)의 대략 중심부에는, 관통구멍(15)이 형성되어 있다. 이들 관통구멍(15)은, 회전축(4) 내에 설치된 유로(4a)와, 수로(12)를 연통시키고 있다.
수로(12)의 일부를 구성하는 홈(13)은, 상측 기재(11A)의 이면을 생가공 후 또한 소성 전에 연삭가공하는 것에 의해 형성된 연삭홈이다. 홈(13)의 깊이는 3㎜ ∼ 10㎜ 정도로, 폭은 5㎜ ∼ 20㎜ 정도로 각각 설정되는 것이 좋다.
여기서 본 실시예에서는, 다공질 조직을 구성하는 탄화규소결정의 평균 입자직경이, 20㎛ 이상이라고 하는 비교적 큰 값으로 설정되어 있다. 열이 결정의 내부를 전도하는 효율은, 열이 결정 사이를 전도하는 효율에 비하여 일반적으로 높기 때문에, 평균 입자직경이 큰 만큼 열전도율이 높아진다. 또, 기공율이 40% 이하라고 하는 작은 값으로 설정되어 있다. 이것도 열전도성의 향상에 기여하고 있다. 즉, 기공율이 작아지면 소결체 내에 있어서의 공극이 감소되는 결과, 열이 전도되기 쉬워지기 때문이다.
이 때문에, 열전도율이 80W/m·K 보다도 상당히 낮은 값인 종래의 다공질체에 비하여, 소결체 내부에 온도 불균일이 생기기 어렵게 된다. 그 결과, 소결체에 극히 높은 균열성 및 열응답성이 부여된다. 또, 열응력의 발생이 확실하게 회피되어 기재가 휘어지기 어렵게 되는 결과, 소결체에 극히 높은 형상 안정성이 부여된다.
이 경우, 탄화규소결정의 평균 입자직경이 20㎛ 미만이거나, 기공율이 30%를 넘는 것이라면, 열전도율을 80W/m·K 이상의 높은 값으로 하는 것이 곤란하게 된다. 따라서, 균열성, 열응답성 및 형상 안정성의 향상을 충분하게 달성하는 것이 불가능하게 된다. 또, 열전도율의 값은 80W/m·K 이상인 것이 필요하고, 더욱이는 100W/m·K 이상인 것이 바람직하고, 100W/m·K ∼ 180W/m·K 인 것이 특히 바람직하다.
탄화규소결정의 평균 입자직경은, 20㎛ ∼ 100㎛로 설정되는 것이 바람직하고, 30㎛ ∼ 90㎛로 설정되는 것이 보다 바람직하고, 40㎛ ∼ 70㎛로 설정되는 것이 가장 바람직하다. 평균 입자직경이 지나치게 커지면, 공극 부분이 많아져서, 소결체의 밀도가 저하되어 버릴 우려가 있다.
개방기공의 기공율은, 5% ∼ 30%로 설정되는 것이 바람직하고, 10% ∼ 25%로 설정되는 것이 보다 바람직하고, 10% ∼ 20%로 설정되는 것이 가장 바람직하다.
또, 소결체는, 평균 입자직경이 0.1㎛ ∼ 1.0㎛인 가는 탄화규소결정(이하, 세결정(細結晶; 21)이라고 한다)을 10체적% ∼ 50체적% 포함하고, 또한, 평균 입자직경이 25㎛ ∼ 65㎛인 굵은 탄화규소결정(이하, 조결정(粗結晶; 22)이라고 한다)을 50체적% ∼ 90체적% 포함하는 것이 바람직하다.
상기된 바와 같이, 세결정(21)과 조결정(22)이 적절한 비율로 포함된 소결체의 경우, 조결정(22) 사이에 형성된 공극이 세결정(21)으로 메워진 상태가 되기 쉽고, 실질적인 공극의 비율이 작아진다. 그 결과, 소결체의 열저항이 한층 더 작아지고, 이것이 열전도성의 향상에 크게 공헌하고 있는 것으로 생각된다.
세결정(21)의 평균 입자직경은, 0.1㎛ ∼ 1.0㎛로 설정되는 것이 좋고, 0.1㎛ ∼ 0.9㎛로 설정되는 것이 보다 좋고, 0.1㎛ ∼ 0.7㎛로 설정되는 것이 가장 바람직하다. 세결정(21)의 평균 입자직경을 극히 작게 하면, 고가인 미분말 사용이 필요하게 되기 때문에, 재료 코스트의 증가로 이어질 우려가 있다. 역으로, 세결정(21)의 평균 입자직경이 지나치게 커지면, 조결정(22) 사이에 형성된 공극을 충분하게 메울 수 없게 되어, 소결체의 열저항을 충분하게 저감시킬 수 없을 우려가 있다.
소결체에 있어서 세결정(21)은, 10체적% ∼ 50체적% 포함하는 것이 좋고, 15체적% ∼ 40체적% 포함하는 것이 보다 바람직하고, 20체적% ∼ 40체적% 포함하는 것이 가장 바람직하다. 세결정(21)의 함유비율이 지나치게 작아지면, 조결정(22) 사이에 형성된 공극을 메우는데 충분한 양의 세결정(21)이 확보되기 어렵게 되고, 소결체의 열저항을 확실하게 저감시킬 수 없을 우려가 있다. 역으로, 세결정(21)의 함유비율이 지나치게 커지면, 공극을 메울 세결정(21)이 오히려 남게 되고, 본래 열전도성의 향상에 필요한 정도의 조결정(22)이 확보되지 않게 된다. 따라서, 소결체의 열저항이 커지게 될 우려가 있다.
더욱이, 소결체에 있어서 조결정(22)의 평균 입자직경은, 25㎛ ∼ 150㎛로 설정되는 것이 좋고, 40㎛ ∼ 100㎛로 설정되는 것이 보다 바람직하고, 60㎛ ∼ 80㎛로 설정되는 것이 가장 바람직하다. 조결정(22)의 평균 입자직경을 극히 작게 하면, 세결정(21)과의 입자직경 차이가 작아지게 되는 결과, 세결정(21)과 조결정(22)의 혼합에 의한 열저항 저감효과를 기대할 수 없게 될 우려가 있다. 역으로, 조결정(22)의 평균 입자직경이 지나치게 커지면, 조결정(22) 사이에 형성되는 개개의 공극이 커지게 되기 때문에, 가령 충분한 양의 세결정(21)이 있다고 하여도 당해 공극을 충분하게 메우는 것은 곤란하게 된다. 따라서, 소결체의 열저항을 충분하게 저감시킬 수 없게 될 우려가 있다.
소결체에 있어서 조결정(22)은, 50체적% ∼ 90체적% 포함하는 것이 좋고, 60체적% ∼ 85체적% 포함하는 것이 보다 바람직하고, 60체적% ∼ 80체적% 포함하는 것이 가장 바람직하다. 조결정(22)의 함유비율이 지나치게 작아지면, 본래 열전도율의 향상에 필요한 정도의 조결정(22)이 확보되지 않게 되며, 오히려 소결체의 열저항이 커지게 될 우려가 있다. 역으로, 조결정(22)의 함유비율이 지나치게 커지면, 상대적으로 세결정(21)의 함유비율이 작아져 버려, 조결정(22) 사이에 형성되는 공극을 충분하게 메울 수 없게 된다. 따라서, 소결체의 열저항을 확실하게 저감시킬 수 없게 될 우려가 있다.
다음에, 테이블(2)을 구성하는 다공질 탄화규소 소결체의 제조방법에 관하여 설명한다.
이 다공질 탄화규소 소결체는, 조분말에 미분말을 소정 비율로 배합하여 혼합하는 재료 조제공정, 성형공정 및 소성공정을 거쳐 제조된다.
재료 조제공정에 있어서는, 평균 입자직경 5㎛ ∼ 100㎛의 α형 탄화규소의 조분말 100중량부에 대하여, 평균 입자직경 0.1㎛ ∼ 1.0㎛의 α형 탄화규소의 미분말을 10중량부 ∼ 100중량부를 배합하고, 이것을 균일하게 혼합하는 것을 행한다.
α형 탄화규소 조분말의 평균 입자직경은, 5㎛ ∼ 100㎛로 설정되는 것이 좋고, 15㎛ ∼ 75㎛로 설정되는 것이 보다 바람직하고, 25㎛ ∼ 60㎛로 설정되는 것이 가장 바람직하다. α형 탄화규소 조분말의 평균 입자직경이 5㎛ 미만이면, 이상 입자성장을 억제하는 효과가 낮아지게 될 우려가 있다. 역으로, α형 탄화규소 조분말의 평균 입자직경이 60㎛를 넘으면, 성형성이 악화되는 것에 더하여, 얻어지는 다공질체의 강도가 저하될 우려가 있다.
α형 탄화규소 미분말의 평균 입자직경은, 0.1㎛ ∼ 1.0㎛로 설정되는 것이 좋고, 0.1㎛ ∼ 0.8㎛로 설정되는 것이 보다 바람직하고, 0.2㎛ ∼ 0.5㎛로 설정되는 것이 가장 바람직하다. α형 탄화규소 미분말의 평균 입자직경이 0.1㎛ 미만이면, 입자성장의 억제가 곤란하게 되는 것에 더하여, 재료 코스트의 상승을 회피할 수 없게 된다. 역으로, α형 탄화규소 미분말의 평균 입자직경이 1.0㎛를 넘으면, 조결정(22) 사이에 형성되는 공극이 메워지기 어렵게 될 우려가 있다. 또, 미분말로서 α형을 선택한 이유는, β형에 비하여 결정의 배향성이 향상되기 때문에, 열전도율이 어느 정도 높아지는 경향이 있기 때문이다.
미분말의 배합량은, 10중량부 ∼ 100중량부인 것이 좋고, 15중량부 ∼ 65중량부인 것이 보다 바람직하고, 20중량부 ∼ 60중량부인 것이 가장 바람직하다. 미분말의 배합량이 지나치게 적으면, 조결정(22) 사이에 형성되는 공극을 메우기에 충분한 양의 세결정(21)이 확보되기 어렵게 되고, 소결체의 열저항을 충분하게 저감시킬 수 없게 될 우려가 있다. 또, 20㎛ 이상이라고 하는 소정의 기공직경을 얻기 위해서 소성온도를 극히 고온으로 설정할 필요가 생겨, 코스트적으로 불리하게 된다. 역으로, 미분말의 배합량이 지나치게 많으면, 열전도성의 향상에 필요한 정도의 조결정(22)이 확보되지 않게 되는 결과, 소결체의 열저항이 커질 우려가 있다. 또, 강도가 우수한 소결체를 얻는 것도 곤란하게 된다.
상기의 재료 제조공정에 있어서는, 상기 2종의 분말과 함께, 성형용 바인더나 분산용매가 필요에 따라서 배합된다. 그리고, 이것을 균일하게 혼합·혼련하여 점도를 적절히 조제하는 것에 의해, 우선 원료 슬러리가 얻어진다. 또, 원료 슬러리를 혼합하는 수단으로서는, 진동 밀, 아트라이터, 볼 밀, 콜로이드 밀, 고속 믹서 등이 있다. 혼합된 원료 슬러리를 혼련하는 수단으로서는, 예컨대 니더 등이 있다.
성형용 바인더로서는, 폴리비닐알콜, 메틸셀룰로즈, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시에틸셀룰로즈, 폴리에틸렌글리콜, 페놀수지, 에폭시수지, 아크릴수지 등이 있다. 성형용 바인더의 배합 비율은, 일반적으로 탄화규소 분말의 합계 100중량부에 대하여, 1중량부 ∼ 10중량부의 범위인 것이 적합하다. 이 비율이 1중량부 미만이면, 얻어진 성형체의 강도가 불충분하게 되고, 취급성이 나빠지게 된다. 역으로, 이 비율이 10중량부를 넘으면, 건조 등에 의해 성형용 바인더를 제거하는 경우에 성형체에 크랙이 생기기 쉽게 되고, 제품에 대한 원료의 비율이 악화되어 버린다.
분산용매로서는, 벤젠, 시클로헥산 등의 유기용제, 메탄올 등의 알콜, 물 등이 사용 가능하다.
다음에, 원료 슬러리를 이용하여 탄화규소의 과립이 형성된다. 탄화규소 분말을 과립화하는 방법으로서는, 분무건조에 의한 과립화법(소위 스프레이 드라이법)과 같이, 종래로부터 있는 범용기술을 이용할 수 있다. 즉, 원료 슬러리를 고온상태로 유지된 용기 내로 분무하고, 급속하게 건조를 행하는 방법 등이 적용 가능하다.
여기서, 과립수분율은 0.1중량% ∼ 2.0중량%인 것이 좋고, 0.2중량% ∼ 1.0중량%인 것이 더욱 좋다. 그 이유는, 과립수분율이 상기 범위 내에 있으면, 성형체 밀도 및 소결체 밀도가 높아지는 결과, 열전도율이 높아지기 때문이다. 과립수분율이 0.1중량% 미만이면, 성형체 밀도 및 소결체 밀도가 충분하게 높아지지 않아, 열전도율이 높아지기 어렵게 된다. 역으로, 과립수분율이 2.0중량%를 넘으면, 건조시에 성형체에 크랙이 생기기 쉽게 될 우려가 있고, 제품에 대한 원료의 비율이 악화되어 버린다.
계속되는 성형공정에 있어서는, 재료 조제공정에 의해 얻어진 혼합물로 이루어진 과립을 소정형상으로 성형하여 성형체를 제작한다.
그 때의 성형압력은, 1.0t/㎠ ∼ 1.5t/㎠인 것이 좋고, 1.1t/㎠ ∼ 1.4t/㎠인 것이 더욱 좋다. 그 이유는, 성형체 홈 및 소결체 밀도가 높아지는 결과, 열전도율이 높아지기 때문이다. 성형압력이 1.0t/㎠ 미만이면, 성형체 밀도 및 소결체 밀도가 충분하게 높아지지 않고, 열전도율이 높아지기 어렵게 된다. 역으로, 1.5t/㎠ 보다도 큰 압력으로 성형을 행한 경우, 성형체 밀도 등을 충분하게 높이는 것이 가능한 반면, 전용 프레스장치가 필요하게 되어, 설비 코스트의 상승이나 제조의 곤란화를 초래하는 결과가 된다.
또, 성형체의 밀도는, 2.0g/㎤ 이상으로 설정되는 것이 좋고, 특히 2.2g/㎤ ∼ 2.7g/㎤로 설정되는 것이 바람직하다. 그 이유는, 성형체의 밀도가 지나치게 작으면, 탄화규소입자 서로의 결합개소가 적어지기 때문이다. 따라서, 얻어진 다공질체의 강도가 낮아지게 되고, 취급성이 나빠진다. 역으로, 성형체의 밀도를 크게 하려면, 상기된 바와 같은 전용 프레스 장치가 필요하게 되고, 설비 코스트의 상승이나 제조의 곤란화를 초래하는 결과가 된다.
계속되는 소성공정에 있어서는, 성형공정에 의하여 얻어진 성형체를 1700℃ ∼ 2400℃의 온도범위에서, 바람직하게는 2000℃ ∼ 2300℃의 온도범위에서, 특히 바람직하게는 2000℃ ∼ 2300℃의 온도범위에서 소성하여 소결체를 제작한다.
소성온도가 지나치게 낮으면, 탄화규소입자끼리를 결합하는 네크부를 충분하게 발달시키는 것이 곤란하게 되고, 고열전도율 및 고강도를 달성할 수 없는 경우가 있다. 역으로, 소성온도가 지나치게 높으면, 탄화규소의 열분해가 개시되는 결과, 소결체의 강도저하를 초래하여 버린다. 게다가, 소성로에 가해지는 열 에너지 양이 증대되는 결과, 코스트적으로 불리하게 된다.
또, 소성시에 있어서 소성로의 내부는, 예컨대 아르곤, 헬륨, 네온, 질소, 수소 및 일산화탄소 중에서 선택된 적어도 한 종으로 이루어지는 가스 분위기(즉 비산화성 분위기, 불활성 분위기)로 유지되어야 한다. 또, 이때 소성로 내를 진공상태로 하여도 좋다.
더욱이 소성시에 있어서는, 네크부의 성장을 촉진하기 위하여, 성형체로부터의 탄화규소의 휘산(揮散)을 억제하는 것이 유리하다. 성형체로부터의 탄화규소의 휘산을 억제하는 방법으로서는, 외기의 침입을 차단할 수 있는 내열성의 용기 내에 성형체를 장입하는 것이 유효하다. 내열성 용기의 형성재료로서는, 흑연 또는 탄화규소가 적합하다.
그리고, 이상의 각 공정을 실시하려면, 균열성, 열응답성 및 형상 안정성이 극히 우수한 다공질 탄화규소 소결체를 확실하게 제조하는 것이 가능하다.
이하, 본 실시예를 보다 구체화시킨 몇몇 참고예를 소개한다.
[참고예 1-1]
참고예 1-1의 제작에 있어서는, 출발재료로서, 평균 입자직경 30㎛의 α형 탄화규소의 조분말(#400)과, 평균 입자직경 0.3㎛의 α형 탄화규소의 미분말(GMF-15H2)을 준비하였다. 그리고, 조분말 100중량부에 대하여, 미분말을 30중량부를 배합하고, 이것을 균일하게 혼합하였다.
이 혼합물 100중량부에 대하여, 폴리비닐알콜 5중량부, 물 50중량부를 배합한 후, 볼 밀 중에서 5시간 혼합하는 것에 의해, 균일한 혼합물을 얻었다. 이 혼합물을 소정 시간 건조하여 수분을 어느 정도 제거한 후, 그 건조 혼합물을 적정량 채취하여 과립화하였다. 이때, 과립의 수분율을 약 0.8중량%가 되도록 조절하였다. 다음에, 혼합물의 과립을, 금속제 형틀을 이용하여 1.3t/㎠의 프레스 압력으로 성형하였다. 얻어진 원반형상의 생성형체(50㎜φ, 5㎜t)의 밀도는 2.6g/㎤이었다.
계속해서, 후에 상측기재(11A)가 될 성형체의 저면을 연삭가공하는 것에 의해, 깊이 5㎜ 또한 폭 10㎜의 홈(13)을 저면의 대략 전역에 형성하였다.
다음에, 도가니에 생성형체를 장입하고, 탄만형 소성로를 사용하여 그 소성을 행하였다. 소성은 1기압의 아르곤가스 분위기 중에서 실시하였다. 또, 소성시에 있어서는 10℃/분의 승온속도로 최고온도인 2200℃까지 가열하고, 그 후에는 그 온도로 4시간 유지하는 것으로 하였다.
얻어진 다공질 탄화규소 소결체 제의 기재(11A, 11B)의 개방기공(23)의 기공율은 20%, 열전도율은 130W/m·K, 밀도는 2.5g/㎤이었다. 또, 탄화규소결정의 평균 입자직경은 30㎛이었다. 구체적으로는, 평균 입자직경이 1.0㎛인 세결정(21)을 20체적% 포함하고, 또한, 평균 입자직경이 40㎛인 조결정(22)을 80체적% 포함하고 있었다. 도 4c에 참고예 1-1의 소결체에 있어서의 입도(粒度)분포 그래프를 나타낸다.
계속해서, 종래 공지의 수법에 의한 면내기 가공을 행한 후, 은 로우재를 이용하여 2매의 기재(11A, 11B)를 접합하여 일체화하였다. 더욱이, 상측 기재(11A)의 표면에 연마가공을 시행하는 것에 의해, 최종적으로 테이블(2)을 완성하였다.
이와 같이 하여 얻어진 참고예 1-1의 테이블(2)을 상기 각종의 연마장치(1)에 세트하고, 수로(12) 내에 냉각수(W)를 상시 순환시킨 채, 각종 사이즈의 반도체 웨이퍼(5)의 연마를 행하였다. 그리고, 각종의 연마장치(1)에 의한 연마를 거쳐 얻어진 반도체 웨이퍼(5)를 관찰한 바, 웨이퍼 사이즈의 여하를 불문하고, 웨이퍼(5)에는 손상이 생기지 않았었다. 또, 웨이퍼(5)에 큰 휘어짐이 생기지도 않았다. 즉, 본 참고예의 테이블(2)을 이용한 경우, 대구경·고품질의 반도체 웨이퍼(5)가 얻어지는 것을 알았다.
또, 도 3은 참고예 1-1의 테이블(2)을 확대하여 개념적으로 도시한 단면도이다. 이 테이블(2)을 구성하는 다공질 탄화규소 소결체는, 세결정(21)과 조결정(22)을 포함하고 있다. 조결정(22) 사이에 형성된 공극은, 세결정(21)으로 대략 메워진 상태가 되어 있다. 따라서, 실질적인 공극의 비율, 즉 개방기공(23)의 기공율은 매우 작은 것이 파악될 수 있다.
[참고예 1-2]
참고예 1-2의 제작에 있어서는, 평균 입자직경 35㎛의 α형 탄화규소의 조분말(#360)을 이용하는 동시에, 조분말 100중량부에 대하여, 미분말을 30중량부를 배합하고, 이것을 균일하게 혼합하였다. 그것 이외의 조건에 관하여는, 기본적으로 참고예 1-1과 마찬가지로 하였다.
그 결과, 얻어진 다공질 탄화규소 소결체 제의 기재(11A, 11B)의 개방기공(23)의 기공율은 17%, 열전도율은 145W/m·K, 밀도는 2.55g/㎤이었다. 또, 탄화규소결정의 평균 입자직경은 36㎛이었다. 구체적으로는, 평균 입자직경이 1.0㎛인 세결정(21)을 20체적% 포함하고, 또한, 평균 입자직경이 45㎛인 조결정(22)을 80체적% 포함하고 있었다. 도 4b에 참고예 1-2의 소결체에 있어서의 입도분포 그래프를 나타낸다.
참고예 1-1과 동일한 수순으로 테이블(2)을 완성시킨 후, 그것을 상기 각종의 연마장치(1)에 세트하여, 각종 사이즈의 반도체 웨이퍼(5)의 연마를 행하였는 바, 참고예 1-1과 대략 마찬가지의 우수한 결과가 얻어졌다.
[참고예 1-3]
참고예 1-3의 제작에 있어서는, 평균 입자직경 57㎛의 α형 탄화규소의 조분말(#240)을 이용하는 동시에, 조분말 100중량부에 대하여, 미분말을 30중량부를 배합하고, 이것을 균일하게 혼합하였다. 그것 이외의 조건에 관하여는, 기본적으로 참고예 1-1과 마찬가지로 하였다.
그 결과, 얻어진 다공질 탄화규소 소결체 제의 기재(11A, 11B)의 개방기공(23)의 기공율은 15%, 열전도율은 150W/m·K, 밀도는 2.6g/㎤이었다. 또, 탄화규소결정의 평균 입자직경은 65㎛이었다. 구체적으로는, 평균 입자직경이 1.0㎛인 세결정(21)을 20체적% 포함하고, 또한, 평균 입자직경이 80㎛인 조결정(22)을 80체적% 포함하고 있었다. 도 4a에 참고예 1-3의 소결체에 있어서의 입도분포 그래프를 나타낸다.
참고예 1-1과 동일한 수순으로 테이블(2)을 완성시킨 후, 그것을 상기 각종의 연마장치(1)에 세트하여, 각종 사이즈의 반도체 웨이퍼(5)의 연마를 행하였는 바, 참고예 1-1과 대략 마찬가지의 우수한 결과가 얻어졌다.
[비교예 1]
비교예 1의 제작에 있어서는, 평균 입자직경 10㎛의 α형 탄화규소의 조분말을 이용하는 동시에, 조분말 100중량부에 대하여, 평균 입자직경 0.7㎛의 α형 탄화규소의 미분말을 45중량부를 배합하고, 이것을 균일하게 혼합하였다. 그것 이외의 조건에 관하여는, 기본적으로 참고예 1-1과 마찬가지로 하였다.
이 혼합물 100중량부에 대하여, 폴리비닐알콜 5중량부, 물 50중량부를 배합한 후, 볼 밀 중에서 5시간 혼합하는 것에 의해, 균일한 혼합물을 얻었다. 이 혼합물을 소정시간 건조하여 수분을 어느 정도 제거한 후, 그 건조 혼합물을 적정량 채취하여 과립화하였다. 다음에, 혼합물의 과립을, 금속제 형틀을 이용하여 0.6t/㎠의 프레스 압력으로 성형하였다. 얻어진 원반형상의 생성형체의 밀도는 2.0g/㎤이었다.
계속해서, 후에 상측기재(11A)가 될 성형체의 저면을 연삭가공하는 것에 의해, 깊이 5㎜ 또한 폭 10㎜의 홈(13)을 저면의 대략 전역에 형성하였다.
다음에, 외기를 차단할 수 있는 흑연제 도가니에 생성형체를 장입하고, 탄만형 소성로를 사용하여 그 소성을 행하였다. 소성은 1기압의 아르곤가스 분위기 중에서 실시하였다. 또, 소성시에 있어서는 10℃/분의 승온속도로 최고온도인 1700℃까지 가열하고, 그 후에는 그 온도로 4시간 유지하는 것으로 하였다.
그 결과, 얻어진 다공질 탄화규소 소결체 제의 기재(11A, 11B)의 개방기공(23)의 기공율은 38%, 열전도율은 50W/m·K, 밀도는 2.0g/㎤이었다. 또, 탄화규소결정의 평균 입자직경은 10㎛이었다.
따라서, 본 실시예의 각 참고예에 의하면 이하와 같은 효과를 얻을 수 있다.
(1) 각 참고예의 테이블(2)을 구성하는 다공질 탄화규소 소결체는, 어떤 것이라도 탄화규소결정의 평균 입자직경이 20㎛ ∼ 100㎛, 기공율이 5% ∼ 30%, 열전도율이 80W/m·K 이상으로 되어 있다. 또, 이들 소결체는, 어떤 것이라도 평균 입자직경이 0.1㎛ ∼ 1.0㎛인 세결정(21)을 10체적% ∼50체적% 포함하고, 또한, 평균 입자직경이 25㎛ ∼ 65㎛인 조결정(22)을 50체적% ∼90체적% 포함하고 있다.
그러므로, 열전도율 값이 100W/m·K를 넘게 되면, 테이블(2)에 극히 높은 열전도성이 부여된다. 이 때문에, 종래에 비하여 소결체 내부에 온도 불균일이 생기기 어렵게 된다. 그 결과, 소결체에 극히 높은 균열성 및 열응답성이 부여된다. 또, 열응력의 발생이 확실하게 회피되어 기재(11A, 11B)가 휘어지기 어렵게 되는 결과, 소결체에 극히 높은 형상 안정성이 부여된다. 그리고, 이것에 의해 웨이퍼(5)의 대구경화·고품질화를 확실하게 달성하는 것이 가능하게 된다.
(2) 이 테이블(2)의 경우, 기재(11A, 11B)의 접합계면에 존재하는 수로(12)에 냉각수(W)를 흘릴 수가 있다. 그 때문에, 반도체 웨이퍼(5)의 연마시에 발생한 열을 테이블(2)로부터 직접 또한 효율 좋게 배출시킬 수 있고, 게다가 온도제어를 세밀하게 행할 수 있다. 따라서, 냉각 재킷에 테이블(2)을 올려놓아 간접적으로 냉각을 행하는 종래 장치에 비하여, 테이블(2) 내의 온도 불균일이 극히 작아지고, 균열성 및 열응답성도 현격히 향상된다. 그러므로, 이 장치(1)에 의하면, 웨이퍼(5)가 열에 의해 악영향을 받기 어렵게 되고, 웨이퍼(5)의 대구경화에 대응하는 것이 가능하게 된다. 게다가, 웨이퍼(5)를 높은 정밀도로 연마하는 것이 가능하게 되기 때문에, 고품질화에도 대응할 수 있게 된다.
또, 본 실시예는 이하와 같이 변경시키는 것이 가능하다.
· 기재(11A, 11B) 끼리는, 로우재로 대표되는 금속계 접합재를 이용하여 접합되어도 좋고, 수지로 이루어진 접착제(예컨대 에폭시수지 등)를 이용하여 접합시켜도 좋다.
· 기재(11A, 11B) 끼리는, 반드시 로우재 층(14)을 통하여 접합되어야만 하는 것은 아니라도 좋고, 예컨대 로우재 층(14)을 생략하는 대신에, 기재(11A, 11B) 끼리를 볼트와 너트의 체결에 의해 일체화하여도 상관없다.
·2층 구조를 이루는 실시형태의 테이블(2)에 대신하여, 3층구조를 이루는 테이블로 구체화하여도 좋다. 물론, 4층 이상의 적층구조로 하여도 상관없다.
·홈(13)은 상측 기재(11A)에만 형성되어 있어도 좋고, 하측 기재(11B)에만 형성되어 있어도 좋으며, 혹은 양쪽 기재(11A, 11B)에 형성되어 있어도 좋다.
·본 실시예의 테이블(2)의 사용에 있어서, 수로(12) 내에 물 이외의 액체를 순환시켜도 좋고, 더욱이는 기체를 순환시켜도 좋다.
·본 발명의 다공질 탄화규소 소결체는, 웨이퍼 연마장치에 있어서의 테이블(2)에 이용되어도 좋고, 테이블 이외의 부재(웨이퍼 탑 플레이트 등)에 이용되어도 좋다. 물론, 본 발명은, 웨이퍼 연마장치용 테이블(2) 등으로 대표되는 반도체 제조장치의 구성재료로 이용되는 것만으로 그치지 않는다. 예컨대, 동 소결체를 전자부품 탑재용 기판의 방열체로 이용하여도 좋다. 또, 동 소결체를, 기계적인 시일이나 베어링 등의 내마모재료, 고온로용의 내화재, 열교환기, 연소관 등의 내열구조재료, 펌프부품 등의 내부식재료 등에 이용하는 것도 물론 가능하다.
(제2 실시예)
이하, 제2 실시예의 테이블(2)을 도 5에 근거하여 설명한다. 또, 제1 실시예와 공통의 구성에 관하여는 상세한 설명을 생략한다.
본 실시예의 탄화규소·금속 복합체는, 탄화규소결정의 평균 입자직경이 20㎛ 이상, 기공율이 30% 이하, 열전도율이 160W/m·K 이상으로 되어 있다. 또, 탄화규소 100중량부에 대하여 15중량부 ∼ 50중량부의 금속이 함침되어 있다.
다공질 조직을 구성하는 탄화규소결정의 평균 입자직경은, 20㎛ 이상이라고 하는 비교적 큰 값으로 설정되어 있다. 그 이유는, 열이 결정의 내부를 전도하는 효율은 열이 결정 사이를 전도하는 효율에 비하여 일반적으로 높기 때문에, 평균 입자직경이 큰 만큼 열전도율이 높아지기 때문이다. 또, 다공질 조직의 기공율이 30% 이하라고 하는 작은 값으로 설정되어 있는 것도 열전도성의 향상에 기여하고 있다. 즉, 기공율이 작아지면 다공질 조직 내에 있어서의 공극이 감소되는 결과, 열이 전도되기 쉬워지기 때문이다. 더욱이, 탄화규소 100중량부에 대하여 15중량부 ∼ 50중량부의 금속이 함침되어 있는 것도, 열전도율의 향상에 기여하고 있다.
이 때문에, 전체적인 열전도율이 160W/m·K 보다도 상당히 낮은 값인 종래의 다공질체에 비하여, 내부에 온도 불균일이 생기기 어렵게 된다. 그 결과, 복합체에 극히 높은 균열성 및 열응답성이 부여된다. 또, 열응력의 발생이 확실하게 회피되어 기재(11A, 11B)가 휘어지기 어렵게 되는 결과, 소결체에 극히 높은 형상 안정성이 부여된다.
이 경우, 탄화규소결정의 평균 입자직경이 20㎛ 미만이거나, 기공율이 30%를 넘는 것이라면, 함침을 행한다고 하여도 열전도율을 160W/m·K 이상의 높은 값으로 하는 것이 곤란하게 된다. 따라서, 균열성, 열응답성 및 형상 안정성의 향상을 충분하게 달성하는 것이 불가능하게 된다. 또, 열전도율의 값은 160W/m·K 이상인 것이 필요하고, 더욱이는 180W/m·K ∼ 280W/m·K 인 것이 바람직하고, 200W/m·K ∼ 260W/m·K 인 것이 특히 바람직하다.
본 실시예에서는, 탄화규소 100중량부에 대하여 15중량부 ∼ 50중량부의 금속이 함침되어 있을 필요가 있다. 금속함침을 행하면, 금속이 소결체의 개방기공(23) 내에 메워져 들어가는 것에 의해 겉보기 상은 치밀체로 되고, 결과적으로 열전도성 및 강도의 향상이 도모되기 때문이다.
상기의 함침용 금속으로서는, 특히 금속 실리콘(24)을 선택하는 것이 좋다. 금속 실리콘(24)은 탄화규소와의 융화가 좋은 물질인 것에 더하여, 그것 자체가 높은 열전도율을 가지고 있다. 그러므로, 금속 실리콘(24)을 소결체의 개방기공 내에 충전하는 것에 의해, 열전도성 및 강도의 향상을 확실하게 달성하는 것이 가능하기 때문이다.
이 경우, 금속 실리콘(24)은, 탄화규소 100중량부에 대하여 15중량부 ∼ 45중량부 함침되어 있는 것이 좋고, 더욱이는 15중량부 ∼ 30중량부 함침되어 있는 것이 바람직하다. 함침량이 15중량부 미만이면, 개방기공(23)을 충분히 메우는 것이 불가능하게 되고, 복합체의 열저항을 확실하게 저감시킬 수 없게 될 우려가 있다. 역으로, 함침량이 30중량부를 넘게 되면, 결정부분의 비율이 상대적으로 저하되어 버리는 결과, 경우에 따라서는 오히려 열전도율이 저하되어 버릴 가능성이 있다.
또, 금속 실리콘(24) 이외의 것, 예컨대 금속 알루미늄을 선택한 경우에는, 그것이 탄화규소 100중량부에 대하여 20중량부 ∼ 50중량부 함침되어 있는 것이 좋다. 함침량이 상기 범위를 일탈하면, 열전도율의 저하를 가져올 우려가 있기 때문이다.
다음에, 테이블(2)을 구성하는 다공질 탄화규소 소결체의 제조방법에 관하여 설명한다.
본 실시예의 다공질 탄화규소 소결체는, 조분말에 미분말을 소정 비율로 배합하여 혼합하는 재료 제조공정, 성형공정 및 소성공정, 금속 함침공정을 거쳐 제조된다. 금속 함침공정은, 소성공정 후에 행해져도 좋고, 소성공정 전에 행해져도 좋다. 또, 재료 조제공정, 성형공정 및 소성공정에 관하여는, 제1 실시예에서 상술하였으므로 여기에서는 그 설명을 생략한다.
소성공정 후에 이루어지는 금속 함침공정에서는, 이하와 같이 하여 소결체(즉 미(未)함침 복합체)에 금속을 함침한다.
예컨대, 금속 실리콘(24)을 함침하도록 한 경우, 앞에 든 소결체에 탄소질(炭素質) 물질을 함침하는 것이 바람직하다. 이와 같은 탄소질 물질로서는, 예컨대 퍼푸랄(furfural)수지, 페놀수지, 리그닌술폰산염, 폴리비닐알콜, 콘스타치, 당밀(糖蜜), 콜타르피치, 알긴산염과 같은 각종 유기물질이 사용 가능하다. 또, 카본블록, 아세틸렌블록과 같은 열분해탄소도 마찬가지로 사용 가능하다.
탄소질 물질을 사전에 함침하는 이유는, 소결체의 개방기공(23)의 표면에 새로운 탄화규소의 막이 형성되기 때문에, 이것에 의해 용융 실리콘과 다공질체와의 결합이 견고하게 되기 때문이다. 또, 탄소질 물질의 함침에 의해, 소결체의 강도도 커지게 되기 때문이다.
또, 금속 실리콘(24)을 개방기공(23) 중에 충전하는 방법으로서는, 예컨대 금속 실리콘(24)을 가열 용융시켜 함침하는 방법이 있다. 또, 미분화된 금속 실리콘(24)을 분산매액(分散媒液) 중에 분산시키고, 이 분산액을 다공질체에 함침시켜 건조시킨 후, 금속 실리콘의 용융온도 이상으로 가열하는 방법도 적용 가능하다.
무엇보다도 금속함침공정은, 성형체에 대하여, 바꿔 말하면 소성공정 전에 행하여져도 좋다. 이 방법에 의하면, 얻어진 제품의 품질은 약간 질이 떨어지는 반면, 전력의 절약을 도모하는 것으로 비용 절감을 달성하는 것이 가능하다.
이하, 본 실시예를 보다 구체화시킨 몇몇 참고예를 소개한다.
[참고예 2-1]
참고예 2-1의 제작에 있어서는, 출발재료로서, 평균 입자직경 30㎛의 α형 탄화규소의 조분말(#400)과, 평균 입자직경 0.3㎛의 α형 탄화규소의 미분말(GMF-15H2)을 준비하였다. 그리고, 조분말 100중량부에 대하여, 미분말을 30중량부를 배합하고, 이것을 균일하게 혼합하였다.
이 혼합물 100중량부에 대하여, 폴리비닐알콜 5중량부, 페놀레진 3중량부, 물 50중량부를 배합한 후, 볼 밀 중에서 5시간 혼합하는 것에 의해, 균일한 혼합물을 얻었다. 이 혼합물을 소정 시간 건조하여 수분을 어느 정도 제거한 후, 그 건조 혼합물을 적정량 채취하여 과립화하였다. 이때, 과립의 수분율을 약 0.8중량%가 되도록 조절하였다. 다음에, 혼합물의 과립을, 금속제 형틀을 이용하여 1.3t/㎠의 프레스 압력으로 성형하였다. 얻어진 원반형상의 생성형체(50㎜φ, 5㎜t)의 밀도는 2.6g/㎤이었다.
계속해서, 후에 상측기재(11A)가 될 성형체의 저면을 연삭가공하는 것에 의해, 깊이 5㎜ 또한 폭 10㎜의 홈(13)을 저면의 대략 전역에 형성하였다.
다음에, 흑연제 도가니에 생성형체를 장입하고, 탄만형 소성로를 사용하여 그 소성을 행하였다. 소성은 1기압의 아르곤가스 분위기 중에서 실시하였다. 또, 소성시에 있어서는 10℃/분의 승온속도로 최고온도인 2200℃까지 가열하고, 그 후에는 그 온도로 4시간 유지하는 것으로 하였다.
다음에, 얻어진 다공질 소결체에 페놀수지(탄화율 30중량%)를 사전에 진공 함침하고, 또한 건조시킨다. 그 후, 다공질 소결체의 표면에, 금속 실리콘(24)을 포함하는 슬러리를 코팅하였다. 여기서는 슬러리로서, 평균 입자직경이 20㎛, 순도가 99.9999중량% 이상의 금속 실리콘 분말 100중량부와, 5% 아크릴 산 에스테르·벤젠 용액 60중량부를 혼합시킨 것을 사용하였다. 그리고, 금속 실리콘(24)을 코팅한 다공질 소결체를 아르곤 가스 기류 중에서 450℃/시간의 승온속도로 가열하고, 최고온도 1450℃로 약 1시간 유지하였다. 이와 같은 처리에 의해 금속 실리콘을 다공질 소결체 중으로 침투시켜, 탄화규소·금속 복합체를 얻었다. 또, 여기서는 탄화규소 100중량부에 대한 금속 실리콘(24)의 함침량을, 30중량부로 설정하였다.
얻어진 탄화규소·금속 복합체 제의 기재(11A, 11B)로는, 다공질 조직에 있어서의 개방기공(23)의 기공율이 20%, 전체적인 열전도율이 210W/m·K, 전체적인 밀도가 3.0g/㎤이었다. 또, 탄화규소결정의 평균 입자직경은 30㎛이었다. 구체적으로는, 평균 입자직경이 1.0㎛인 세결정(21)을 20체적% 포함하고, 또한, 평균 입자직경이 40㎛인 조결정(22)을 80체적% 포함하고 있었다. 도 4c의 그래프는 참고예 2-1에 있어서의 입도분포를 나타내는 것이다.
계속해서, 종래 공지의 수법에 의한 면내기 가공을 행한 후, 은 로우재를 이용하여 2매의 기재(11A, 11B)를 접합하여 일체화하였다. 더욱이, 상측 기재(11A)의 표면에 연마가공을 시행하는 것에 의해, 최종적으로 테이블(2)을 완성하였다.
이와 같이 하여 얻어진 참고예 2-1의 테이블(2)을 상기 각종의 연마장치(1)에 세트하고, 수로(12) 내에 냉각수(W)를 상시 순환시킨 채, 각종 사이즈의 반도체 웨이퍼(5)의 연마를 행하였다. 그리고, 각종의 연마장치(1)에 의한 연마를 거쳐 얻어진 반도체 웨이퍼(5)를 관찰한 바, 웨이퍼 사이즈의 여하를 불문하고, 웨이퍼(5)에는 손상이 생기지 않았었다. 또, 웨이퍼(5)에 큰 휘어짐이 생기지도 않았다. 즉, 본 참고예의 테이블(2)을 이용한 경우, 대구경·고품질의 반도체 웨이퍼(5)가 얻어지는 것을 알았다.
또, 도 5는 참고예 2-1의 테이블(2)을 확대하여 개념적으로 도시한 단면도이다. 이 테이블(2)을 구성하는 탄화규소·금속 복합체는, 세결정(21)과 조결정(22)을 포함하고 있다. 조결정(22) 사이에 형성된 공극은, 세결정(21)으로 대략 메워진 상태가 되어 있다. 따라서, 실질적인 공극의 비율, 즉 개방기공(23)의 기공율은 매우 작은 것이 파악될 수 있다. 이것에 더하여, 남아 있는 공극에는 금속 실리콘(24)이 메워져 들어간 상태가 되어 있다.
[참고예 2-2]
참고예 2-2의 제작에 있어서는, 평균 입자직경 35㎛의 α형 탄화규소의 조분말(#360)을 이용하는 동시에, 조분말 100중량부에 대하여, 미분말을 40중량부를 배합하고, 이것을 균일하게 혼합하였다. 그것 이외의 조건에 관하여는, 기본적으로 참고예 2-1과 마찬가지로 하였다.
그 결과, 얻어진 탄화규소·금속 복합체 제의 기재(11A, 11B)의 다공질 조직의 개방기공의 기공율은 17%, 전체의 열전도율은 220W/m·K, 밀도는 3.0g/㎤이었다. 또, 탄화규소결정의 평균 입자직경은 36㎛이었다. 구체적으로는, 평균 입자직경이 1.0㎛인 세결정(21)을 20체적% 포함하고, 또한, 평균 입자직경이 45㎛인 조결정(22)을 80체적% 포함하고 있었다. 도 4b의 그래프는 참고예 2-2에 있어서의 입도분포를 나타낸다.
참고예 2-1과 동일한 수순으로 테이블(2)을 완성시킨 후, 그것을 상기 각종의 연마장치(1)에 세트하여, 각종 사이즈의 반도체 웨이퍼(5)의 연마를 행하였는 바, 참고예 2-1과 대략 마찬가지의 우수한 결과가 얻어졌다.
[참고예 2-3]
참고예 2-3의 제작에 있어서는, 평균 입자직경 57㎛의 α형 탄화규소의 조분말(#240)을 이용하는 동시에, 조분말 100중량부에 대하여, 미분말을 40중량부를 배합하고, 이것을 균일하게 혼합하였다. 그것 이외의 조건에 관하여는, 기본적으로 참고예 2-1과 마찬가지로 하였다.
그 결과, 얻어진 탄화규소·금속 복합체 제의 기재(11A, 11B)의 개방기공(23)의 기공율은 15%, 열전도율은 230W/m·K, 밀도는 3.1g/㎤이었다. 또, 탄화규소결정의 평균 입자직경은 65㎛이었다. 구체적으로는, 평균 입자직경이 1.0㎛인 세결정(21)을 20체적% 포함하고, 또한, 평균 입자직경이 80㎛인 조결정(22)을 80체적% 포함하고 있었다. 도 4a의 그래프는 참고예 2-3에 있어서의 입도분포를 나타낸다.
참고예 2-1과 동일한 수순으로 테이블(2)을 완성시킨 후, 그것을 상기 각종의 연마장치(1)에 세트하여, 각종 사이즈의 반도체 웨이퍼(5)의 연마를 행하였는 바, 참고예 2-1과 대략 마찬가지의 우수한 결과가 얻어졌다.
[비교예 2]
비교예 2의 제작에 있어서는, 평균 입자직경 10㎛의 α형 탄화규소의 조분말을 이용하는 동시에, 조분말 100중량부에 대하여, 평균 입자직경 0.7㎛의 α형 탄화규소의 미분말을 45중량부를 배합하고, 이것을 균일하게 혼합하였다. 그것 이외의 조건에 관하여는, 기본적으로 참고예 2-1과 마찬가지로 하였다.
이 혼합물 100중량부에 대하여, 폴리비닐알콜 5중량부, 물 50중량부를 배합한 후, 볼 밀 중에서 5시간 혼합하는 것에 의해, 균일한 혼합물을 얻었다. 이 혼합물을 소정시간 건조하여 수분을 어느 정도 제거한 후, 그 건조 혼합물을 적정량 채취하여 과립화하였다. 다음에, 혼합물의 과립을, 금속제 형틀을 이용하여 0.6t/㎠의 프레스 압력으로 성형하였다. 얻어진 원반형상의 생성형체의 밀도는 2.0g/㎤이었다. 그 후, 참고예 1-1과 동일한 조건에서 금속 실리콘(24)의 함침을 행하였다.
계속해서, 후에 상측기재(11A)가 될 성형체의 저면을 연삭가공하는 것에 의해, 깊이 5㎜ 또한 폭 10㎜의 홈(13)을 저면의 대략 전역에 형성하였다.
다음에, 흑연제 도가니에 생성형체를 장입하고, 탄만형 소성로를 사용하여 그 소성을 행하였다. 소성은 1기압의 아르곤가스 분위기 중에서 실시하였다. 또, 소성시에 있어서는 10℃/분의 승온속도로 최고온도인 1700℃까지 가열하고, 그 후에는 그 온도로 4시간 유지하는 것으로 하였다.
그 결과, 얻어진 탄화규소·금속 소결체 제의 기재(11A, 11B)의 다공질 조직의 개방기공(23)의 기공율은 38%, 열전도율은 130W/m·K, 밀도는 2.8g/㎤이었다. 또, 탄화규소결정의 평균 입자직경은 10㎛이었다.
따라서, 본 실시예의 각 참고예에 의하면 이하와 같은 효과를 얻을 수 있다.
(1) 각 참고예의 테이블(2)을 구성하는 복합체는, 어떤 것이라도 탄화규소결정의 평균 입자직경이 20㎛ ∼ 100㎛, 다공질 조직의 기공율이 5% ∼ 30%, 전체적인 열전도율이 160W/m·K 이상으로 되어 있다. 또, 탄화규소 100중량부에 대하여 15중량부 ∼ 45중량부의 금속 실리콘(24)이 함침되어 있다.
게다가, 이들 복합체는, 어떤 것이라도 평균 입자직경이 0.1㎛ ∼ 1.0㎛인 세결정(21)을 10체적% ∼50체적% 포함하고, 또한, 평균 입자직경이 25㎛ ∼ 150㎛인 조결정(22)을 50체적% ∼90체적% 포함하고 있다.
그러므로, 열전도율 값이 160W/m·K를 넘게 되면, 테이블(2)에 극히 높은 열전도성이 부여된다. 이 때문에, 종래에 비하여 복합체 내부에 온도 불균일이 생기기 어렵게 된다. 그 결과, 복합체에 극히 높은 균열성 및 열응답성이 부여된다. 또, 열응력의 발생이 확실하게 회피되어 기재(11A, 11B)가 휘어지기 어렵게 되는 결과, 복합체에 극히 높은 형상 안정성이 부여된다. 그리고, 이것에 의해 웨이퍼(5)의 대구경화·고품질화를 확실하게 달성하는 것이 가능하게 된다.
(2) 이 테이블(2)의 경우, 기재(11A, 11B)의 접합계면에 존재하는 수로(12)에 냉각수(W)를 흘릴 수가 있다. 그 때문에, 반도체 웨이퍼(5)의 연마시에 발생한 열을 테이블(2)로부터 직접 또한 효율 좋게 배출시킬 수 있고, 게다가 온도제어를 세밀하게 행할 수 있다. 따라서, 냉각 재킷에 테이블(2)을 올려놓아 간접적으로 냉각을 행하는 종래 장치에 비하여, 테이블(2) 내의 온도 불균일이 극히 작아지고, 균열성 및 열응답성도 현격히 향상된다. 그러므로, 이 장치(1)에 의하면, 웨이퍼(5)가 열에 의해 악영향을 받기 어렵게 되고, 웨이퍼(5)의 대구경화에 대응하는 것이 가능하게 된다. 게다가, 웨이퍼(5)를 높은 정밀도로 연마하는 것이 가능하게 되기 때문에, 고품질화에도 대응할 수 있게 된다.
또, 본 실시예는 이하와 같이 변경시키는 것이 가능하다.
· 소결체에 함침되는 함침용 금속은, 본 실시예에서 나타낸 금속 실리콘(24) 만으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 알루미늄, 금, 은, 동, 티탄 등과 같은 각종의 도전성 금속재료를 이용하여 함침을 행하여도 물론 관계없다.
(제3 실시예)
다음에, 도 6, 도 7에 근거하여 제3 실시예의 테이블(2) 및 그 제조방법을 설명한다. 또, 상기 각 실시예와 공통의 구성에 관하여는 상세한 설명을 생략한다.
본 실시예의 테이블(2)은, 로우재 층(14)이 없는 금속 실리콘(24)으로 이루어진 접합층(31)을 통하여, 탄화규소·금속 복합체(18) 끼리가 접합되어 있다.
탄화규소·금속 복합체(18) 및 금속 실리콘(24)으로 이루어진 접합층(31)의 열팽창계수 차이는 극히 작다. 이 때문에, 상기 구성에 의하면, 접합계면에 있어서의 크랙이나 떨어짐의 발생을 방지하는 것이 가능하다. 그러므로, 히트 사이클을 받아도 파괴되기 어렵고, 장기 신뢰성이 우수한 복합체(18)가 된다. 또, 금속 실리콘(24)은 일반적인 접착제에 비하여 현격하게 높은 열전도율을 가지기 때문에, 접합계면에 있어서의 열저항을 증대시킨다고 하는 걱정도 없다. 따라서, 열전도성이 우수한 복합체(18)로 하는 것이 가능하다.
금속 실리콘(24)으로 이루어진 접합층(31)의 두께는, 10㎛ ∼ 1500㎛인 것이 좋고, 더욱이는 100㎛ ∼ 500㎛인 것이 보다 좋다. 그 이유는, 접합층(31)이 10㎛ 보다도 얇으면, 충분한 접합강도가 얻어지지 않을 우려가 있기 때문이다. 역으로, 접합층(31)을 1500㎛ 보다도 두껍게 하면, 함침할 때의 온도, 시간 등의 조건설정이 어렵게 되고, 접합작업이 곤란하게 될 우려가 있기 때문이다.
여기에서, 함침용 금속으로서 특히 금속 실리콘(24)을 선택한 이유는, 금속 실리콘(24)은 원래 탄화규소와의 융화가 좋은 물질인 것에 더하여, 그것 자체가 높은 열전도율을 가지고 있기 때문이다. 그러므로, 금속 실리콘(24)을 다공질체(17)의 개방기공(23) 내에 충전하는 것에 의해, 열전도성 및 강도의 향상을 확실하게 달성하는 것이 가능하기 때문이다. 또한, 금속 실리콘(24)은, 접착제와 같은 수지재료와는 다르게 열팽창계수가 탄화규소와 매우 비슷하기 때문에, 접합층(31)의 재료로서 적절하기 때문이다.
다음에, 이 테이블(2)의 제조수순을 도 3에 근거하여 설명한다.
탄화규소의 다공질체(17)는, 조분말에 미분말을 소정비율로 배합하여 혼합하는 재료 조제공정, 성형공정 및 소성공정, 금속함침·기재 접합공정을 거쳐 제조된다. 재료 조제공정, 성형공정 및 소성공정에 관하여는, 상기 실시예에서 이미 상술하였으므로, 여기서는 그 설명을 생략한다.
소성공정에 이어지는 금속함침·기재 접합공정은, 이하와 같이 하여 미함침 다공질체(17)에 금속 실리콘(24)을 함침한다. 또, 금속 실리콘(24)의 함침에 즈음하여, 사전에 다공질체(17)에 탄소질 물질을 함침해 두는 것이 바람직하다.
우선, 다공질체(17)를 복수매 적층하고, 또한 그 적층물의 최상부에 고체상의 금속 실리콘(24)을 얹어 놓는다(도 7a, b 참조). 고체상의 금속 실리콘(24)으로서, 본 실시형태에서는 괴상(塊狀)의 것이 이용되고 있다. 이외에도, 예컨대 분말상의 것, 입상의 것, 시트상의 것 등을 이용하여도 관계없다. 또, 고체상의 금속 실리콘(24)을 대신하여 페이스트상의 금속 실리콘(24)을 이용하고, 그것을 적층물의 최상부에 도포하여도 좋다.
그리고, 적층물을 가열로 내에 세트하고, 소정시간 또한 소정온도에서 가열한다(도 7c 참조). 그 결과, 고체상 또는 페이스트상이었던 금속 실리콘(24)이 용융되는 동시에, 다공질체(17)의 개방기공(23) 내를 통과하여 흘러내린다. 그 결과, 다공질체(17) 내에 금속 실리콘(24)이 함침되고, 소정의 탄화규소·금속 복합체(18)가 얻어진다. 그리고, 이와 동시에, 금속 실리콘(24)으로 이루어진 접합층(31)을 통하여 복합체(18) 끼리가 접합된 상태로 된다.
이 때의 가열온도는, 1500℃ ∼ 2000℃로 설정되는 것이 바람직하다. 그 이유는, 1500℃ 보다도 낮으면, 금속 실리콘(24)을 완전하게 용융시켜 유동화시킬 수가 없어, 복합체(18) 내에 미함침부분이 생기거나, 접합계면에 미접합부분이 생기거나 할 우려가 있기 때문이다. 역으로, 2000℃ 보다도 높으면, 금속 실리콘(24)이 기화(승화)되는 결과, 충분한 양의 금속 실리콘(24)이 접합계면에 남아있지 않게 되고, 오히려 접합강도의 저하를 가져올 우려가 있기 때문이다. 또, 가열시에 열 에너지를 낭비하게 되기 때문에, 경제성이나 생산성이 저하될 우려도 있기 때문이다.
또, 가열시간은 1시간 이상으로 설정시키는 것이 바람직하다. 그 이유는, 1시간 미만이면, 복합체(18) 내에 미함침부분이 생기거나, 접합계면에 미접합부분이 생기거나 할 우려가 있기 때문이다.
적층물의 가열은 감압 하에서, 특히 5torr 이하의 조건 하에서 행해지는 것이 바람직하다. 그 이유는, 감압 하에서라면, 다공질체(17) 내의 공기가 개방기공으로부터 빠져나오기 쉽게 되고, 그만큼 금속 실리콘(24)을 스무드하게 함침시키는 것이 가능하게 되기 때문이다. 또, 산소가 적은 환경으로 하는 것에 의해, 금속 실리콘(24)의 산화를 방지하기 때문이다.
이하, 본 실시예를 보다 구체화시킨 몇몇 참고예를 소개한다.
[참고예 3-1]
참고예 2-1의 제작에 있어서는, 출발재료로서, 평균 입자직경 30㎛의 α형 탄화규소의 조분말(#400)과, 평균 입자직경 0.3㎛의 α형 탄화규소의 미분말(GMF-15H2)을 준비하였다. 그리고, 100중량부의 조분말에 대하여, 미분말을 30중량부를 배합하고, 이것을 균일하게 혼합하였다.
이 혼합물 100중량부에 대하여, 폴리비닐알콜 5중량부, 페놀레진 3중량부, 물 50중량부를 배합한 후, 볼 밀 중에서 5시간 혼합하는 것에 의해, 균일한 혼합물을 얻었다. 이 혼합물을 소정 시간 건조하여 수분을 어느 정도 제거한 후, 그 건조 혼합물을 적정량 채취하여 과립화하였다. 이때, 과립의 수분율을 약 0.8중량%가 되도록 조절하였다. 다음에, 혼합물의 과립을, 금속제 형틀을 이용하여 1.3t/㎠의 프레스 압력으로 성형하였다. 얻어진 원반형상의 생성형체(50㎜φ, 5㎜t)의 밀도는 2.6g/㎤이었다.
계속해서, 후에 상측기재(11A)가 될 성형체의 저면을 연삭가공하는 것에 의해, 깊이 5㎜ 또한 폭 10㎜의 홈(13)을 저면의 대략 전역에 형성하였다.
다음에, 흑연제 도가니에 생성형체를 장입하고, 탄만형 소성로를 사용하여 그 소성을 행하였다. 소성은 1기압의 아르곤가스 분위기 중에서 실시하였다. 또, 소성시에 있어서는 10℃/분의 승온속도로 최고온도인 2200℃까지 가열하고, 그 후에는 그 온도로 4시간 유지하는 것으로 하였다.
계속되는 금속함침·기재 접합공정에서는, 얻어진 다공질체(17)에 페놀수지(탄화율 30중량%)를 사전에 진공 함침하고, 또한 건조시킨다. 그리고, 다공질체(17)를 2매 적층하고, 그 적층물의 최상부에 괴상의 금속 실리콘(24)을 얹어 놓는다. 또, 여기에서는 순도가 99.99중량% 이상인 괴상의 금속 실리콘(24)을 사용하였다. 그리고, 괴상의 금속 실리콘(24)이 얹혀진 적층물을 가열로 내에 세트하고, 이것을 1torr의 감압 하에서 가열하여, 최고온도 1800℃에서 약 3시간 유지하였다. 이와 같은 처리의 결과, 고체상이었던 금속 실리콘(24)을 용융시켜, 다공질체(17) 내에 금속 실리콘(24)을 함침시켰다. 이와 동시에, 금속 실리콘(24)으로 이루어진 접합층(31)을 통하여, 복합체(18) 끼리를 접합시켰다. 또, 여기서는 탄화규소 100중량부에 대한 금속 실리콘(24)의 함침량을, 30중량부로 설정하였다. 또, 금속 실리콘(24)으로 이루어진 접합층(31)의 두께를 150㎛로 설정하였다.
얻어진 탄화규소·금속 복합체(18) 제의 기재(11A, 11B)로는, 다공질 조직에 있어서의 개방기공(23)의 기공율이 20%, 전체적인 열전도율이 210W/m·K, 전체적인 밀도가 3.0g/㎤이었다. 또, 탄화규소결정(21, 22)의 평균 입자직경은 30㎛이었다. 구체적으로는, 평균 입자직경이 1.0㎛인 세결정(21)을 20체적% 포함하고, 또한, 평균 입자직경이 40㎛인 조결정(22)을 80체적% 포함하고 있었다.
또, 본 실시예의 다공질체(17)의 열팽창계수는 4.0×10-6/℃이었다. 한편, 금속 실리콘(24)으로 이루어진 접합층(31)의 열팽창계수는 4.2×10-6/℃이고, 다공질체(17)의 그것과 매우 비슷하였다. 금속 실리콘(24)으로 이루어진 접합층(31)의 열전도율은 150W/m·K이고, 고열전도체라고 할 수 있는 것이었다.
계속해서, 상측 기재(11A)의 표면에 연마가공을 시행하는 것에 의해, 최종적으로 테이블(2)을 완성하였다.
이와 같이 하여 얻어진 참고예 3-1의 테이블(2)의 굽힘강도를 종래 공지의 방법에 의해 복수회 측정하였는 바, 그 평균치는 약 550MPa이었다.
도 6b에 있어서 개략적으로 도시된 바와 같이, 다공질체(17) 내에 함침되어 있는 금속 실리콘(24)과, 접합층(31)을 구성하는 금속 실리콘(24)은, 경계선 없이 연속적으로 존재하는 상태이다. 그러므로, 이 것이 굽힘강도의 향상에 어느 정도 기여하고 있는 것으로 생각되고 있다.
또, 히트사이클을 일정시간 행한 후, 테이블(2)을 두께 방향을 따라서 절단하고, 그 절단면을 육안 및 현미경에 의해 관찰하였다. 그 결과, 접합계면에 있어서의 크랙이나 떨어짐은 전혀 확인되지 않았다.
이와 같이 하여 얻어진 참고예 3-1의 테이블(2)을 상기 각종의 연마장치(1)에 세트하고, 수로(12) 내에 냉각수(W)를 상시 순환시킨 채, 각종 사이즈의 반도체 웨이퍼(5)의 연마를 행하였다. 그리고, 각종의 연마장치(1)에 의한 연마를 거쳐 얻어진 반도체 웨이퍼(5)를 관찰한 바, 웨이퍼 사이즈의 여하를 불문하고, 웨이퍼(5)에는 손상이 생기지 않았었다. 또, 웨이퍼(5)에 큰 휘어짐이 생기지도 않았다. 즉, 본 참고예 3-1의 테이블(2)을 이용한 경우, 대구경·고품질의 반도체 웨이퍼(5)가 얻어지는 것을 알았다.
[참고예 3-2]
참고예 3-2의 제작에 있어서는 접합층(31)의 두께를 50㎛로 설정하고, 그것 이외의 조건에 관하여는, 기본적으로 참고예 3-1과 마찬가지로 하여 테이블(2)을 제작하였다.
얻어진 테이블(2)의 굽힘강도를 복수회 측정한 바, 그 평균치는 약 550MPa이었다. 또, 일정시간의 히트사이클 후에 테이블(2)의 절단면을 관찰한 바, 접합계면에 있어서 크랙이나 떨어짐은 전혀 확인되지 않았다.
더욱이, 테이블(2)을 상기 각종의 연마장치(1)에 세트하고, 각종 사이즈의 반도체 웨이퍼(5)의 연마를 행한 바, 참고예 3-1과 대략 마찬가지의 우수한 결과가 얻어졌다. 즉, 웨이퍼(5)의 손상이나 휘어짐이 확인되지 않고, 대구경·고품질의 반도체 웨이퍼(5)가 얻어지는 것을 알았다.
[참고예 3-3]
참고예 3-3의 제작에 있어서는 접합층(31)의 두께를 1500㎛로 설정하고, 그것 이외의 조건에 관하여는 기본적으로 참고예 3-1과 마찬가지로 하여 테이블(2)을 제작하였다.
얻어진 테이블(2)의 굽힘강도를 복수회 측정한 바, 그 평균치는 약 550MPa이었다. 또, 일정시간의 히트사이클 후에 테이블(2)의 절단면을 관찰한 바, 접합계면에 있어서 크랙이나 떨어짐은 전혀 확인되지 않았다.
더욱이, 테이블(2)을 상기 각종의 연마장치(1)에 세트하고, 각종 사이즈의 반도체 웨이퍼(5)의 연마를 행한 바, 참고예 3-1과 대략 마찬가지의 우수한 결과가 얻어졌다. 즉, 웨이퍼(5)의 손상이나 휘어짐이 확인되지 않고, 대구경·고품질의 반도체 웨이퍼(5)가 얻어지는 것을 알았다.
[비교예 3-1]
비교예 3-1에 있어서는, 사전에 다공질체(17)마다 개별적으로 금속 실리콘(24)의 함침을 행하여 기재(11A, 11B)를 제작하고, 다음에 Ag-Cu-Ti 로 이루어진 로우재를 이용하여 기재(11A, 11B)끼리를 접합하였다. 그것 이외의 조건에 관하여는, 기본적으로 참고예 3-1과 마찬가지로 하여, 테이블(2)을 제작하였다. 또, 로우재의 열전도율은, 금속 실리콘(24)의 그것보다도 약간 높아, 170W/m·K이었다. 로우재의 열행창계수는 18.5×10-6/℃이고, 금속 실리콘(24)의 그것보다도 어느 정도 컸다.
또, 비교예 3-1의 경우, 금속 실리콘(24)의 함침작업과 기재(11A, 11B)끼리의 접합작업을 별개의 공정에서 행하고 있는 것이기 때문에, 3개의 참고예에 비하여 생산성 및 코스트성이 열악하였다.
다음에, 얻어진 테이블(2)에 대하여 굽힘강도를 복수회 측정한 바, 그 평균치는 약 400MPa이고, 3개의 참고예보다 낮은 값이었다. 또, 일정시간의 히트사이클 후에 테이블(2)의 절단면을 관찰한 바, 접합계면에 있어서 크랙이나 떨어짐이 확인되었다.
[비교예 3-2]
비교예 3-2에 있어서는, 사전에 다공질체(17)마다 개별적으로 금속 실리콘(24)의 함침을 행하여 기재(11A, 11B)를 제작하고, 다음에 수지제 접착제(세메다인사(社) 제)를 이용하여 기재(11A, 11B)끼리를 접착하였다. 그것 이외의 조건에 관하여는, 기본적으로 참고예 3-1과 마찬가지로 하여, 테이블(2)을 제작하였다. 또, 접착제의 열전도율은, 금속 실리콘(24)의 그것보다도 크게 낮아, 0.162W/m·K이었다. 동 접착제의 열행창계수는 65×10-6/℃이고, 금속 실리콘(24)의 그것보다도 상당히 큰 것이었다.
또, 비교예 3-2의 경우, 금속 실리콘(24)의 함침작업과 기재(11A, 11B)끼리의 접합작업을 별개의 공정에서 행하고 있는 것이기 때문에, 3개의 참고예에 비하여 생산성 및 코스트성이 열악하였다.
다음에, 얻어진 테이블(2)에 대하여 굽힘강도를 복수회 측정한 바, 그 평균치는 약 50MPa이고, 비교예 3-1보다도 더욱 낮은 값을 나타내었다. 또, 일정시간의 히트사이클 후에 테이블(2)의 절단면을 관찰한 바, 접합계면에 있어서 크랙이나 떨어짐이 발생되었다.
따라서, 본 실시예의 각 참고예에 의하면 이하와 같은 효과를 얻을 수가 있다.
(1) 참고예의 테이블(2)의 경우, 2매의 탄화규소·금속복합체(18)끼리가, 금속 실리콘(24)으로 이루어진 접합층(31)을 통하여 접합되어 있다. 접합층(31)의 열팽창계수와, 복합체(18)의 열팽창계수(실질적으로는 탄화규소의 열팽창계수와 대략 유사하다)와의 차이는, 약 0.2×10-6/℃으로서 매우 작다. 이 때문에, 열팽창계수 차이에 기인하는 열응력이 발생될 염려가 없고, 크랙이나 떨어짐의 발생을 방지할 수 있다. 그러므로, 히트사이클을 받아도 파괴되기 어렵고, 장기 신뢰성이 우수한 테이블(2)이 될 수 있다. 또, 금속 실리콘(24)은 접착제에 비하여 현격하게 높은 열전도율을 가지기 때문에, 접합계면에 있어서 열저항을 증대시킨다고 하는 염려도 없다. 따라서, 열전도성이 우수한 테이블(2)이 될 수 있다.
(2) 참고예에 의하면, 테이블(2)을 제조할 때, 금속 실리콘(24)의 함침작업과 복합체(18)끼리의 접합작업이 동시에 행해진다. 따라서, 상기 각 공정을 개별적으로 행하는 경우에 비하여, 효율 좋게 테이블(2)을 얻을 수 있다. 따라서, 상기와 같은 적절한 테이블(2)을 확실하고 값싸게 제조할 수 있다.
(3) 참고예에 의하면, 접합계면에 있어서의 크랙이나 떨어짐의 발생이 방지되고, 히트사이클을 받아도 파괴되기 어렵게 된다. 이 결과, 냉각용 수로(12)로부터의 누수도 미연에 방지되고, 장기 신뢰성이 우수한 테이블(2)이 된다. 또, 금속 실리콘(24)으로 이루어진 접합층(31)은 접합계면에 있어서 열저항을 증대시키지 않기 때문에, 열전도성이 극히 우수한 테이블(2)이 된다. 따라서, 테이블(2) 내부에 온도 불균일이 생기기 어렵게 되어, 극히 높은 균열성 및 열응답성이 부여된다. 이 때문에, 테이블(2)을 이용한 웨이퍼 연마장치(1)에서 연마를 행하면, 대구경·고품질 웨이퍼(5)를 확시하게 제조하는 것이 가능하다.
또, 본 실시예는 이하와 같이 변형되는 것이 가능하다.
· 함규소세라믹으로 이루어진 다공질체(17)로서, 탄화규소 이외의 것, 예컨대 질화규소 등을 이용하여 테이블(2)을 제조하여도 좋다. 또, 동종의 세라믹으로 이루어진 복수의 복합체(18)를 이용하는 것 대신에, 이종의 세라믹으로 이루어진 복수의 복합체(18)(예컨대 탄화규소와 질화규소와의 조합)로 하여도 좋다.
이상 설명한 제1 ∼ 제3 실시예는, 그것들로 한정되는 것이 아니다. 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구의 범위 내에서 개량되어도 좋다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 균열성, 열응답성 및 형상 안정성이 극히 우수한 탄화규소·금속 복합체가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 이와 같은 적합한 복합체를 확실하게 제조할 수 있는 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 대구경·고품질 웨이퍼의 제조에 적합한 웨이퍼 연마장치용 부재, 웨이퍼 연마장치용 테이블이 제공된다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시예의 웨이퍼 연마장치를 나타내는 개략도,
도 2는, 도 1의 웨이퍼 연마장치에 이용되는 테이블의 요부 확대단면도,
도 3은, 도 2의 테이블의 모식적인 확대단면도,
도 4a, 도 4b 및 도 4c는, 도 2의 테이블을 구성하는 다공질 탄화규소 소결체에 있어서의 입도분포를 나타내는 그래프,
도 5는, 본 발명의 제2 실시예의 테이블의 모식적인 확대단면도,
도 6a는, 본 발명의 제3 실시예의 요부 확대단면도, 도 6b는, 도 6a의 테이블의 모식적인 확대단면도,
도 7a, 도 7b 및 도 7c는, 도 6a의 테이블의 제조공정을 설명하기 위한 개략 단면도이다.

Claims (13)

  1. 탄화규소결정(21, 22)에 의하여 구성되는 다공질 조직 중에 개방기공(23)이 존재하고, 그 개방기공 중에 금속이 함침되어 있는 탄화규소·금속 복합체에 있어서,
    상기 탄화규소결정의 평균 입자직경이 20㎛ ~ 100㎛, 기공율이 5% ~ 30%, 열전도율이 160W/m·K ~ 280W/m·K 이고, 탄화규소 100중량부에 대하여 15중량부 ∼ 50중량부의 금속이 함침되어 있는 탄화규소·금속 복합체.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 탄화규소 100중량부에 대하여 15중량부 ∼ 45중량부의 금속실리콘이 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 탄화규소·금속 복합체.
  4. 제 1 항에 있어서, 탄화규소 100중량부에 대하여 20중량부 ∼ 50중량부의 금속알루미늄이 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 탄화규소·금속 복합체.
  5. 제 1 항에 있어서, 탄화규소결정은, 평균 입자직경이 0.1㎛ ∼ 1.0㎛이고, 또한 10체적% ∼ 50체적%의 가는 탄화규소결정(21)과, 평균 입자직경이 25㎛ ∼ 150㎛이고, 또한 50체적% ∼ 90체적%의 굵은 탄화규소결정(22)을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소·금속 복합체.
  6. 탄화규소결정(21, 22)에 의하여 구성되는 다공질 조직 중에 개방기공(23)이 존재하고, 그 개방기공 중에 탄화규소 100중량부에 대하여 15중량부 ∼ 50중량부의 금속이 함침되고, 상기 탄화규소결정의 평균 입자직경이 20㎛ ~ 100㎛, 기공율이 5% ~ 30%, 열전도율이 160W/m·K ~ 280W/m·K 인 탄화규소·금속 복합체를 제조하는 방법으로서,
    평균 입자직경 5㎛ ∼ 100㎛의 α형 탄화규소의 조분말 100중량부에 대하여, 평균 입자직경 0.1㎛ ∼ 1.0㎛의 α형 탄화규소의 미분말을 10중량부 ∼ 100중량부를 배합하고, 그 조분말과 미분말을 균일하게 혼합하는 공정과,
    상기 혼합공정에 의해 얻어진 혼합물을 소정형상으로 성형하여 성형체를 얻는 공정과,
    상기 성형체를 1700℃ ∼ 2400℃의 온도범위에서 소성하여 소결체를 얻는 공정과,
    상기 성형체 또는 상기 소결체에 금속을 함침하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 탄화규소·금속 복합체의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 성형체에는, 탄소원이 되는 유기물이 탄소중량 환산치로 1중량% ∼10중량% 배합되어 있는 것을 특징으로 하는 탄화규소·금속 복합체의 제조방법.
  8. 웨이퍼 연마장치에 사용되는 부재(2)로서, 청구항 1에 기재된 탄화규소·금속 복합체로 구성되는 웨이퍼 연마장치용 부재.
  9. 웨이퍼 지지 플레이트에 지지되는 반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 연마면(2a)을 가지는 테이블(2)에 있어서,
    테이블은, 각각이 청구항 1에 기재된 탄화규소·금속 복합체로 이루어지고, 서로 접합된 복수의 기재(11A, 11B)와,
    상기 기재의 접합계면에 형성된 유체유로(12)를 구비하는 웨이퍼 연마장치용 테이블.
  10. 웨이퍼 지지 플레이트에 지지되는 반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 연마면(2a)을 가지는 테이블(2)에 있어서,
    테이블은,
    각각이 함규소세라믹으로 이루어진 다공질체의 개방기공 중에 금속실리콘을 함침한 세라믹·금속 복합체인 복수의 기재(11A, 11B)로서, 상기 다공질체는, 평균 입자직경이 20㎛ ∼ 100㎛인 탄화규소결정(21, 22)을 포함하고, 기공율은 10% ∼ 50%, 열전도율은 160W/m·K ~ 280W/m·K 이고, 상기 금속실리콘은, 탄화규소 100중량부에 대하여 15중량부 ∼ 50중량부 함침되어 있는 상기 복수의 기재와,
    각 기재끼리를 접합하는 상기 금속실리콘으로 이루어진 접합층(14)과,
    기재의 접합계면에 형성된 유체유로(12)를 구비하는 웨이퍼 연마장치용 테이블.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 탄화규소결정은, 평균 입자직경이 0.1㎛ ∼ 1.0㎛이고, 10체적% ∼ 50체적%의 가는 탄화규소결정(21)과, 평균 입자직경이 25㎛ ∼ 150㎛이고, 50체적% ∼ 90체적%의 굵은 탄화규소결정(22)을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마장치용 테이블.
  13. 제 10 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 접합층의 두께는 10㎛ ∼ 1500㎛인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마장치용 테이블.
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