KR100618530B1 - 정전 척과 그 제조 방법 및 알루미나 소결 부재와 그 제조방법 - Google Patents

정전 척과 그 제조 방법 및 알루미나 소결 부재와 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

넓은 온도 범위에서 높은 흡착력과 양호한 탈착 응답성을 보이며, 기판으로의 누설 전류가 저감된 정전 척을 제공한다.
정전 척은 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상, 300℃ 에 서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체로 이루어지는 세라믹스 유전체층과, 세라믹스 유전체층의 한 쪽 면에 형성된 면형의 전극을 구비한다.

Description

정전 척과 그 제조 방법 및 알루미나 소결 부재와 그 제조 방법{ELECTROSTATIC CHUCKS AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, AND ALUMINA SINTERED MEMBER AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME }
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단극형 정전 척의 구조를 도시하는 평면도 및 1b-1b 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 쌍극형 정전 척의 구조를 도시하는 평면도 및 2b-2b 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 히터 매설형 정전 척의 구조를 도시하는 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정전 척의 제조 방법을 도시하는 공정도.
도 5는 정전 척의 체적 고유 저항치의 온도 의존성을 도시하는 그래프.
도 6은 정전 척의 흡착력의 온도 의존성을 도시하는 그래프.
도 7은 정전 척의 탈착 응답성의 온도 의존성을 도시하는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 세라믹스 기체
2, 22a, 22b : 전극
3 : 세라믹스 유전체층
4, 24a, 24b : 전극 단자
5 : 히터 부재
5a, 5b : 히터 부재 단자
10, 20, 30 : 정전 척
11 : 세라믹스 성형체
12 : 인쇄 전극
13 : 알루미나 소결체
본 발명은 정전 척과 그 제조 방법 및 알루미나 소결 부재와 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 공정이나 액정 디스플레이 제조 공정에서는, 실리콘 웨이퍼나 유리 등의 기판을 고정하는 데에 정전 척이 널리 사용되고 있다. 정전 척은 정전기력을 이용한 기판의 고정 방법으로, 일반적으로는 전극 위에 유전체층을 적층한 구조를 갖는다. 정전 척은 유전체층 상에 고정하여야 할 기판을 얹어 놓고, 기판과 전극 사이에 생기는 쿨롱력이라 불리는 정전기력을 이용하여, 기판을 유전체층 상에 고정한다. 혹은, 정전 척은 유전체층의 표면과 기판 사이에 생기는 죤슨·라벡력(이하, 「J-R력」이라 함)이라 불리는 정전기력을 이용하여, 기판을 유전체층 상에 고정한다.
쿨롱력을 이용한 정전 척(이하, 「쿨롱 타입의 정전 척」이라 함)에서는, 유전체층으로서 사용 온도에서의 체적 고유 저항치가 1014 Ω·cm 이상인 고절연성 재료가 사용되고 있다. J-R력을 이용한 정전 척(이하 「J-R 타입의 정전 척」이라 함)에서는, 유전체층으로서 사용 온도에서의 체적 고유 저항치가 1013 Ω·cm 이하인 재료가 사용되고 있다.
유전체층의 재료로는 폴리이미드 등의 수지 재료나, 질화알루미늄(AlN)이나 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹스 재료를 사용한 것이 알려져 있다. 폴리이미드 등의 수지 재료를 사용한 정전 척은 저렴하지만, 내부식성이나 내열성에 한계가 있다. 예컨대, 100℃를 넘는 고온 영역에서는 사용이 곤란하게 된다. 이에 대하여, 질화알루미늄이나 알루미나 등의 세라믹스 재료를 사용한 정전 척은 내식성 및 내열성의 점에서 양호한 특성을 갖는다.
질화알루미늄은 애당초 매우 높은 체적 고유 저항치를 얻기 어려우며, 쿨롱 타입의 정전 척으로서 사용하는 경우에는 사용 온도 범위가 좁아져 버리기 때문에, J-R 타입의 정전 척으로서 사용되는 경우가 많다.
알루미나로 이루어지는 유전체층으로는, 공정 비용의 저감을 위해, 용사법으로 제작된 것이 알려져 있다. 플라즈마 용사법으로 얻어지는 알루미나는 체적 고유 저항치가, 예컨대, 20℃에서 1014 Ω·cm 이하로, 그다지 고저항의 것은 얻지 못하고 있다. 그 때문에, 알루미나에 TiO2 등의 첨가물을 가하여, 체적 고유 저항치 를 100℃ 이하에서 109∼1011 Ω·cm로 조정한 정전 척이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조). 또, 내식성이나 강도를 개선하기 위해서, 알루미나에 SiC를 첨가하여, 실온에서의 체적 고유 저항치를 108∼1015 Ω·cm로 한 정전 척이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 2 참조).
또한, 체적 고유 저항치를 200℃ 이하에서 1014∼1016 Ω·cm로 조정한 알루미나 소결체를 이용한 정전 척도 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 3 참조). 이와 같이, 종래의 알루미나를 유전체층으로 사용한 정전 척은 체적 고유 저항치의 저하나, 내부식성이나 강도의 개선을 목적으로 하여, 첨가물을 가한 알루미나의 유전체층을 사용하고 있었다. 또, 비교적 높은 체적 고유 저항치를 이용하는 정전 척이라도, 알루미나의 유전체층의 체적 고유 저항치는 1016 Ω·cm 이하였다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 평3-204924호 공보, 청구항 1 및 표 3
특허문헌 2 : 일본 특허 3348140호, 청구항 1, 단락 [0027]
특허문헌 3 : 일본 특허 공개 2003-152065호 공보, 단락 [0010]
그러나, 세라믹스 재료 중에서 질화알루미늄을 유전체층으로 사용한 정전 척은 질화알루미늄의 체적 고유 저항치가 비교적 작고, 반도체적 성질을 갖기 때문에, 저항의 온도 의존성이 크고, 저온에서부터 고온에 이르기까지의 넓은 온도 영역에서 높은 흡착력을 유지하는 것이 곤란했다. 또, 누설 전류를 억제하는 것도 곤란했다.
이와 같이, 유전체층의 저항이 비교적 낮은 질화알루미늄을 이용한 J-R 타입의 정전 척에서는 누설 전류의 문제를 피할 수 없었다. 한편, 쿨롱 타입의 정전 척에서는 누설 전류의 문제는 적지만, 정전 척 표면에 잔류 전하가 남기 쉽다. 그 때문에, 유전체층의 체적 고유 저항치가 충분히 높지 않은 경우에는 기판의 탈착 응답성이 나쁘다고 하는 과제가 있었다.
더욱이, 종래의 첨가물을 가하여, 비교적 낮은 저항으로 한 알루미나를 유전체층으로서 사용한 정전 척은 웨이퍼 오염이나 누설 전류의 문제가 있었다. 또, 비교적 높은 저항으로 한 알루미나를 유전체층으로서 사용한 정전 척이라도, 온도를 올리면 그 체적 고유 저항치가 저하되어 기판의 탈착 응답성이 악화되었다. 즉, 종래의 정전 척은 좁은 온도 범위에서밖에 사용할 수 없다고 하는 과제가 있었다. 또, 넓은 온도 범위에서 높은 절연성을 유지하는 알루미나 부재도 제공되지 못하고 있었다.
그래서, 본 발명은 넓은 온도 범위에서 안정된 흡착력을 유지할 수 있고, 기판으로의 누설 전류를 저감시킨, 탈착 응답성이 양호한 정전 척, 넓은 온도 범위에서 높은 절연성을 유지하는 알루미나 소결 부재 및 이들의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 정전 척은, 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상 이며, 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체로 이루어지는 세라믹스 유전체층과, 세라믹스 유전체층의 한 쪽 면에 형성된 면형의 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 정전 척은 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상이며, 200℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체로 이루어지는 세라믹스 유전체층과, 세라믹스 유전체층의 한 쪽 면에 형성된 면형의 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이들 정전 척에 따르면, 종래의 알루미나 소결체에 비교하여, 넓은 온도 범위에서 매우 높은 체적 고유 저항치를 갖는 알루미나 소결체로 세라믹스 유전체층을 형성할 수 있다. 그 때문에, 정전 척은 쿨롱 타입의 정전 척으로서 넓은 온도 범위에서 안정된 흡착력을 제공할 수 있다. 또한, 정전 척은, 정전 척에서 기판으로의 누설 전류를 저감할 수 있다. 더욱이, 정전 척은 세라믹스 유전체층 중에 전하가 대부분 존재하지 않기 때문에, 기판 탈착시의 응답 속도가 빨라, 양호한 탈착 응답성을 얻을 수 있다.
또, 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체를 이용하는 정전 척의 경우, 알루미나 소결체는 400℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 정전 척은 보다 넓은 온도 범위에서 높은 흡착력을 유지할 수 있고, 누설 전류를 저감할 수 있으며, 양호 한 탈착 응답성을 얻을 수 있다.
더욱이, 어느 쪽의 정전 척에 있어서도, 알루미나 소결체는 순도가 99.5 중량% 이상이며, 밀도가 3.80∼4.00 g/cm3인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 정전 척은 넓은 온도 범위에서 높은 체적 고유 저항치를 지니며, 기판의 오염원으로 될 우려가 없고, 내부식성이 높은 세라믹스 유전체층을 지닐 수 있다.
더욱이, 알루미나 소결체는 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성된 것이 바람직하다. 이에 따르면, 정전 척은 핫프레스법에 의해 가해지는 압력에 의해 치밀하게 된, 높은 체적 고유 저항치를 갖는 알루미나 소결체로 이루어지는 세라믹스 유전체층을 가질 수 있다.
또, 세라믹스 유전체층은 두께가 0.05 mm∼0.50 mm인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 정전 척은 세라믹스 유전체층 상에 적재된 기판과 전극과의 사이에 발생하는 정전기력(쿨롱력)을 높일 수 있어, 높은 흡착력을 발휘할 수 있다.
더욱이, 정전 척은 전극을 통해 세라믹스 유전체층과 접합된 세라믹스 기체(基體)를 지닐 수 있다. 이 경우, 세라믹스 유전체층, 전극 및 세라믹스 기체는 핫프레스법을 이용하여 소성된 일체 소결품인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 정전 척은 접착제층이 개재되지 않고서, 세라믹스 유전체층, 전극 및 세라믹스 기체가 간극 없이 접합되기 때문에, 내부식성을 높일 수 있다.
세라믹스 기체는 알루미나 소결체인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 정전 척은 세라믹스 유전체층과 세라믹스 기체가 동종의 세라믹스로 형성되기 때문에, 세라믹스 유전체층과 세라믹스 기체와의 열팽창 계수차를 거의 없앨 수 있어, 양자의 접합 부분에서 열 응력이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 정전 척 제조 방법은 알루미나를 99.5 중량% 이상 포함하는 세라믹스 원료 분말을 이용하여, 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성하여 알루미나 소결체를 제작하는 공정과, 면형의 전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 정전 척의 제조 방법에 따르면, 종래의 알루미나 소결체에 비해, 넓은 온도 범위에서 매우 높은 체적 고유 저항치를 갖는 고순도의 알루미나 소결체를 얻을 수 있다. 더욱이, 이 알루미나 소결체를 세라믹스 유전체층으로 사용한 쿨롱 타입의 정전 척을 제공할 수 있다. 따라서, 이러한 제조 방법에 따르면, 넓은 온도 범위에서 안정된 흡착력을 발휘할 수 있으며, 정전 척에서 기판으로의 누설 전류를 저감할 수 있고, 양호한 탈착 응답성을 보이는 정전 척을 제공할 수 있다. 더욱이, 이러한 제조 방법에 따르면, 세라믹스 유전체층의 순도를 높일 수 있기 때문에, 기판의 오염원으로 되지 않는 정전 척을 제공할 수 있다.
한편, 본 발명의 정전 척의 제조 방법에 있어서, 상기 공정 순서는 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 세라믹스 원료 분말을 이용하여 알루미나 성형체를 성형하고 그 알루미나 성형체의 한 쪽 면 위에 전극을 형성하여, 알루미나 성형체와 전극을 동시에 소성하더라도 좋다. 혹은, 상기 세라믹스 원료 분말을 이용하여 전극이 매설된 알루미나 성형체를 성형하여, 알루미나 성형체와 전극을 동시에 소성하더라도 좋다. 더욱이, 상기 세라믹스 원료 분말을 이용하여 성형한 알루미나 성형체를 소성한 후, 소결체의 한 쪽 면 위에 전극을 형성하더라도 좋다.
본 발명의 알루미나 소결 부재는 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상이며, 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 다른 알루미나 소결 부재는 실온에 있어서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상이며, 200℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015 Ω·cm 이상인 것을 특징으로 한다. 이들 알루미나 소결 부재에 따르면, 넓은 온도 범위에서 높은 절연성을 유지할 수 있다. 따라서, 알루미나 소결 부재는 넓은 온도 범위에서 높은 절연성을 필요로 하는 여러 가지 용도에 이용할 수 있다.
또한, 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 알루미나 소결 부재는 400℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 알루미나 소결 부재는 보다 넓은 온도 범위에서 높은 절연성을 유지할 수 있어, 보다 광범한 온도 범위에서 고절연성이 필요하게 되는 용도로 사용할 수 있다.
더욱이, 어느 쪽의 알루미나 소결 부재도 순도가 99.5 중량% 이상이며, 밀도가 3.80∼4.00 g/cm3 이상인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 넓은 온도 범위에서 높은 체적 고유 저항치를 지니며, 오염원으로 될 우려가 없고, 내부식성이 높은 알루미나 소결 부재를 제공할 수 있다.
알루미나 소결 부재는 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성된 것임이 바람직하다. 이에 따르면, 알루미나 소결 부재는 핫프레스법에 의한 압력에 의해 치밀하게 되어, 높은 체적 고유 저항치를 지닐 수 있다.
본 발명의 알루미나 소결 부재의 제조 방법은, 알루미나를 99.5 중량% 이상 포함하는 세라믹스 원료 분말을 이용하여 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성함으로써, 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상이며, 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체를 제작하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 알루미나 소결 부재의 제조 방법은, 알루미나를 99.5 중량% 이상 포함하는 세라믹스 원료 분말을 이용하여 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성함으로써, 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상이며, 200℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체를 제작하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이들과 같은 알루미나 소결 부재의 제조 방법에 따르면, 넓은 온도 범위에서 매우 높은 체적 고유 저항치를 갖는 고순도의 알루미나 소결 부재를 제작할 수 있다. 따라서, 이러한 제조 방법에 따르면, 넓은 온도 범위에서 높은 절연성을 유지할 수 있고, 오염원으로 될 우려가 없는 알루미나 소결 부재를 제공할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 정전 척과 그 제조 방법 및 알루미나 소결 부재와 그 제조 방법에 관해서 설명한다.
(정전 척)
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정전 척(10)의 구조를 도시하며, 도 1a 는 평면도이고, 도 1b는 단면도이다. 정전 척(10)은 세라믹스 유전체층(3)과, 세라믹스 유전체층(3)의 한 쪽 면에 형성된 면형의 전극(2)과, 전극(2)을 통해 세라믹스 유전체층(3)과 접합된 세라믹스 기체(1)와, 전극 단자(4)를 구비한다. 세라믹스 기체(1) 상에 전극(2)과 세라믹스 유전체층(3)이 배치되며, 전극(2)이 세라믹스 기체(1)와 세라믹스 유전체층(3) 사이에 매설된 상태로 되어 있다.
세라믹스 유전체층(3)의 표면이 기판 적재면(3a)으로 되며, 실리콘 웨이퍼나 유리 등의 기판이 기판 적재면(3a) 상에 적재되어 고정된다. 세라믹스 기체(1), 세라믹스 유전체층(3)은, 예컨대 도 1에 도시한 바와 같이 원반형으로 되어 있다. 또, 정전 척(10)은 전극(2)을 하나만 구비하는 단극형이다.
정전 척(10)은 세라믹스 유전체층(3)으로서 넓은 온도 범위에서 매우 높은 체적 고유 저항치를 보이는 알루미나 소결체를 사용한 쿨롱 타입의 정전 척이다. 이하, 보다 구체적으로 정전 척의 구조에 관해서 설명한다.
세라믹스 유전체층(3)은 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm이상, 또, 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체로 형성되고 있다.
혹은, 세라믹스 유전체층(3)은 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω· cm 이상, 또한 200℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체에 의해 형성되더라도 좋다.
이와 같이 세라믹스 유전체층(3)은 넓은 온도 범위에서 매우 높은 체적 고유 저항치를 갖기 때문에, 쿨롱 타입의 정전 척으로서 넓은 온도 범위에서 높은 흡착력을 안정적으로 발휘할 수 있다. 쿨롱 타입의 정전 척(10)은 전극(2)과 세라믹스 유전체층(3) 상에 적재된 기판과의 사이에 이하의 식 (1)에 의해 나타내어지는 흡착력(F)을 발생한다. 따라서, 기판은 흡착력(F)으로 흡착된다.
F = (1/2) ε2 εo (V/d)2 (1)
식 (1)에 있어서, ε는 세라믹스 유전체층(3)의 유전률, εo는 진공 유전률, V는 전극(2)에의 인가 전압, d는 전극(2)과 기판과의 거리, 즉 세라믹스 유전체층(3)의 두께이다. 세라믹스 유전체층(3)이 넓은 온도 범위에서 높은 체적 고유 저항치를 유지함으로써, 식 (1)에 있어서의 유전률(ε)을 높게 할 수 있다. 그 결과, 정전 척(10)은 높은 흡착력(F)을 실온에서부터 200℃ 또는 300℃라는 넓은 온도 범위에서 유지할 수 있다. 더욱이, 이러한 세라믹스 유전체층(3)은 실온 이하라도 높은 체적 고유 저항치를 유지할 수 있기 때문에, 매우 넓은 온도 범위에서 높은 흡착력을 유지할 수 있다.
또한, 정전 척(10)은 넓은 온도 범위에서 높은 체적 고유 저항치를 유지할 수 있기 때문에, 정전 척(10)으로부터 기판으로의 누설 전류를 저감할 수 있어, 거의 완전하게 방지할 수 있다. 따라서, 정전 척(10)은 미소한 누설 전류가 소자 특 성에 영향을 주는 차세대 반도체 공정에도 적용할 수 있다.
더욱이, 정전 척(10)은 세라믹스 유전체층(3) 중에 전하가 거의 존재하지 않기 때문에, 기판 탈착시의 응답 속도가 빨라서 양호한 탈착 응답성을 보일 수 있다. 종래의 쿨롱 타입의 정전 척 중에는 실온에서 1×1014∼1×1016 Ω·cm 정도의 비교적 높은 체적 고유 저항치를 갖는 유전체층 재료를 사용한 것이 있었다. 그러나, 그와 같은 정전 척이라도, 온도가 높아지면 체적 고유 저항치가 저하되어 버리고 있었다. 그 때문에, 전극에의 인가 전압 해제 후에도 유전체층에 잔류 전하가 남아, 흡착력이 유지되어 버리고 있었다. 따라서, 기판이 탈착되기 위해서, 잔류 전하가 어느 정도, 유전체층 밖으로 이동할 필요가 있어서, 이를 위한 시간이 기판을 탈착할 때까지 필요했다.
즉, J-R 타입의 정전 척에 사용되는, 1×1012 Ω. cm 이하의 비교적 낮은 체적 고유 저항치를 갖는 유전체층은 유전체층 내의 잔류 전하가 신속히 흐르기 때문에, 탈착 응답 시간은 비교적 짧다. 그러나, 1×1012∼1×1014 Ω·cm 정도의 비교적 높은 체적 고유 저항치를 갖는 유전체층에서는, 인가 전압 제거후에 유전체층 내에 잔류된 전하가 전극측 혹은 기판측으로 이동하기 위해서 시간이 걸려, 기판의 탈착 응답성이 나쁘다.
이에 대하여, 정전 척(10)은, 실온에서 1×1017 Ω·cm 이상의 매우 높은 체적 고유 저항치를 갖는 알루미나 소결체를 세라믹스 유전체층(3)으로서 사용하고 있기 때문에, 기판과 전극(2)이 완전히 분극하여 세라믹스 유전체층(3) 안을 흐르는 전하가 대부분 존재하지 않는다. 그 때문에, 인가 전압 제거후에 세라믹스 유전체층(3) 안을 흐르는 잔류 전하의 영향에 의한 탈착 응답성의 악화를 방지할 수 있다. 구체적으로는, 세라믹스 유전체층(3)의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상이라면 인가 해제와 거의 동시에, 1×1014 Ω·cm 이상이라면 인가 해제에서부터 5, 6초 이내에 기판의 탈착이 가능하게 된다. 이와 같이, 정전 척(10)은 기판 탈착시의 응답 속도가 매우 빠르고, 탈착 응답성이 우수하다.
더욱이, 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 세라믹스 유전체층(3)을 형성하는 알루미나 소결체는 400℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 정전 척(10)은 보다 넓은 온도 범위, 구체적으로는, 실온 이하에서부터 400℃라는 넓은 온도 범위에서 높은 흡착력을 유지할 수 있고, 누설 전류를 저감할 수 있으며, 양호한 탈착 응답성을 얻을 수 있다.
또한, 세라믹스 유전체층(3)을 형성하는 알루미나 소결체는 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015 Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 또, 세라믹스 유전체층(3)을 형성하는 알루미나 소결체는 200℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 이들에 따르면, 정전 척(10)은 탈착 응답성을 더욱 높일 수 있다.
세라믹스 유전체층(3)의 두께(d)는 얇은 쪽이 바람직하다. 구체적으로는, 세라믹스 유전체층(3)의 두께는 0.05 mm∼0.50 mm인 것이 바람직하며, 0.05 mm∼0.40 mm인 것이 보다 바람직하다. 이에 따르면, 정전 척(10)은 세라믹스 유전체층(3) 상에 적재된 기판과 전극(2) 사이에 발생하는 정전기력(쿨롱력)을 높일 수 있어, 높은 흡착력을 발휘할 수 있다.
알루미나 소결체로 이루어지는 세라믹스 유전체층(3)의 제조 방법은 특별히 한정되지 않지만, 핫프레스법을 사용하여 소결시킨 것이 바람직하다. 이에 따르면, 종래의 상압 소결법을 이용하여 대기중 혹은 불활성 가스 분위기 속에서 소성한 알루미나 소결체와 비교하여, 높은 체적 고유 저항치를 실현할 수 있다. 특히, 알루미나 소결체는 환원 분위기 또는 불활성 가스 분위기 속에서 핫프레스법에 의해 소성된 것이 바람직하다.
이에 따르면, 알루미나 소결체는 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상, 또한 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상이라는 특성이나, 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상, 또한 200℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015 Ω·cm 이상이라는 특성을, 보다 확실하게 얻을 수 있다. 따라서, 정전 척(10)은 핫프레스법에 의해 가해지는 압력에 의해 치밀하게 된, 높은 체적 고유 저항치를 갖는 알루미나 소결체로 이루어지는 세라믹스 유전체층(3) 을 지닐 수 있다.
불활성 가스는 예컨대, 질소나 아르곤을 이용할 수 있다. 불활성 가스 분위기는, 예컨대 감압하에 질소나 아르곤을 도입하여 형성할 수 있다. 또, 여러 번(예컨대 2회) 소성을 하여, 적어도 1회, 예컨대 최후(2회째) 소성에 있어서, 환원 분위기 또는 불활성 가스 분위기 속에서 핫프레스법에 의해 소성을 하도록 하더라도 좋다. 이에 의해서도 보다 확실하게 상기한 체적 고유 저항치를 얻을 수 있다. 이와 같이, 환원 분위기 또는 불활성 가스 분위기 속에서의 핫프레스법에 의한 소성은 적어도 1번 이루어지면 된다. 여러 번 소성을 하는 경우에는 예컨대, 핫프레스법에 의한 소성을 1회로 하고, 그 이외에는 상압소결법으로 행함으로써, 보다 간이하게 제조할 수 있다.
또한, 알루미나 소결체의 체적 고유 저항치는 순도(불순물의 농도), 결정성, 치밀성, 결정립계의 상태 등, 복수 요소가 복합적으로 영향을 준다. 그 때문에, 이들 요소를 조정하여 알루미나 소결체의 체적 고유 저항치를 조정할 수 있다.
예컨대, 세라믹스 유전체층(3)을 형성하는 알루미나 소결체의 순도는 99.5 중량% 이상인 것이 바람직하며, 밀도는 3.80∼4.00 g/cm3인 것이 바람직하다. 이에 의하면, 정전 척(10)은 넓은 온도 범위에서 높은 체적 고유 저항치를 지니고, 기판의 오염원으로 될 우려가 없으며, 내부식성이 높은 세라믹스 유전체층(3)을 지닐 수 있다.
특히, 세라믹스 유전체층(3)의 기판 적재면(3a)은 기판에 직접 접촉하는데, 알루미나 소결체의 순도가 99.5 중량% 이상으로 높고, 실리콘 웨이퍼나 유리 등의 기판의 오염원으로 되는 첨가제의 농도가 낮게 억제되고 있다. 그 때문에, 정전 척(10)은 기판을 세라믹스 유전체층(3) 위에 직접 얹어 놓은 경우라도, 기판의 오염을 방지할 수 있고, 기판으로부터 제조되는 반도체 소자 등의 오염을 방지할 수 있다. 더구나, 세라믹스 유전체층(3)은 밀도가 3.80∼4.00 g/cm3로 매우 높고 치밀하기 때문에, 정전 척(10)은 매우 높은 내부식성을 지닐 수 있다. 보다 바람직한 알루미나 소결체의 순도는 99.7 중량% 이상이며, 보다 바람직한 알루미나 소결체의 밀도는 3.93∼4.00 g/cm3이다.
더욱이, 세라믹스 유전체층(3)을 형성하는 알루미나 소결체의 굽힘 강도(JIS R1601)는 350 MPa 이상인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 알루미나 소결체는 구멍 뚫기 가공 등의 가공시에 깨어짐 등의 파손이 발생하기 어렵다. 더구나, 이러한 알루미나 소결체를 이용한 정전 척(10)은 사용중에도 결손이 생기기 어렵기 때문에, 입자의 발생을 방지할 수 있고, 내구성도 향상시킬 수 있다. 보다 바람직한 굽힘 강도는 365 MPa 이상이다.
또한, 세라믹스 유전체층(3)의 표면 거칠기(Ra)(JIS B0601)는 0.5 μm 이하인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 기판의 이면과 세라믹스 유전체층(3)의 기판 적재면(3a) 사이에 백사이드 가스(backside gas)를 흘릴 때에, 백사이드 가스의 흐름이 흐트러지는 것을 방지할 수 있어, 기판 온도를 균일하게 할 수 있다. 세라믹스 유전체층(3)의 표면 거칠기(Ra)는 작을수록 바람직한데, 가공 비용을 억제하기 위해서는 0.1∼0.5 μm인 것이 바람직하다.
더욱이, 세라믹스 유전체층(3)을 구성하는 알루미나 소결체의 개기공율은 0%인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 내전압을 크게 할 수 있다. 또, 세라믹스 유전체층(3)을 구성하는 알루미나 소결체의 최대 기공 직경은 100 μm 이하인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 내전압을 크게 할 수 있다. 최대 기공 직경은 50 μm 이하인 것이 보다 바람직하다. 또, 세라믹스 유전체층(3)을 구성하는 알루미나 소결체의 내전압은 15 kV/mm 이상인 것이 바람직하다. 내전압은 18 kV/mm 이상인 것이 보다 바람직하다.
또, 세라믹스 유전체층(3)의 직경은 기판 적재면(3a)에 적재되는 기판의 직경보다도 작은 것이 바람직하다. 이에 따르면, 기판을 얹어 놓았을 때에, 기판으로 세라믹스 유전체층(3)을 덮을 수 있어, 세라믹스 유전체층이 노출되지 않도록 할 수 있다. 그 때문에, 예컨대 정전 척(10)을 건식 에칭 장치 등의 플라즈마 환경에서 사용하는 경우에, 플라즈마 충격에 의해서 세라믹스 유전체층(3)의 성분이 비산되어 기판이 오염되는 것을 방지할 수 있다. 단, 세라믹스 유전체층(3)의 형상은 특별히 한정되지 않고, 사용 환경에 맞춰, 기판보다 넓은 기판 적재면(3a)을 갖더라도 상관없다.
전극(2)은 전압이 인가되어, 정전기력(쿨롱력)을 발생한다. 전극(2)은, 예컨대 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), WC 등의 고융점 금속을 이용할 수 있으며, 그 형태는 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 전극(2)은 금속 분말을 포함하는 인쇄 페이스트를 인쇄, 건조, 소성에 의해 형성한 인쇄 전극이나, 스퍼터나 이온빔 증착 등 의 물리적 증착, CVD 등의 화학적 증착에 의해 형성한 금속 박막 등의 막형 전극을 이용할 수 있다. 금속 박막은 에칭 등에 의해 특정한 형상(패턴)의 전극(패턴 전극)으로 하더라도 좋다. 혹은 전극(2)으로서 철망 전극(메쉬형 전극), 펀칭 금속, 금속판 등의 벌크 금속을 사용하더라도 좋다. 한편, 인쇄 전극을 형성하는 경우에는 세라믹스 유전체층(3)이나 세라믹스 기체(1)의 열팽창 계수를 가깝게 하기 위해서, 알루미나 분말이나 세라믹스 기체(1)에 이용되고 있는 세라믹스 분말과, 금속 분말을 혼합한 인쇄 페이스트를 이용하는 것이 바람직하다.
전극(2)은 도 1에 도시한 바와 같이, 세라믹스 기체(1)와 세라믹스 유전체층(3)의 접합체 내에 완전히 매설되어, 외부에 노출되지 않은 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 정전 척(10)이 부식 가스 분위기 속에서 사용되는 경우라도, 그 내부식성을 향상시킬 수 있다. 전극(2)에는 전압을 인가하기 위한 전극 단자(4)가 납땜 등에 의해 접속되어 있다.
세라믹스 기체(1)는 세라믹스 소결체로 이루어지며, 전극(2)과 세라믹스 유전체층(3)을 지지한다. 세라믹스 기체(1)는 세라믹스 소결체라면, 그 종류는 한정되지 않지만, 알루미나 소결체인 것이 바람직하다. 이와 같이, 세라믹스 유전체층(3)과 세라믹스 기체(1)가 동일한 종류의 재료로 형성되기 때문에, 세라믹스 유전체층(3)과 세라믹스 기체(1)와의 열팽창 계수차를 거의 없앨 수 있어, 양자의 접합 부분에서 열팽창 계수의 차이에 기인하는 열 응력이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
세라믹스 기체(1)는 순도가 99 중량% 이상인 알루미나 소결체로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 세라믹스 기체(1)도 높은 절연성, 내열성, 내부식성을 갖출 수 있다. 단, 세라믹스 기체(1)에는 세라믹스 유전체층(3)을 구성하는 알루미나 소결체와 같은 정도의 높은 체적 고유 저항치는 요구되지 않는다. 세라믹스 기체(1)는 알루미나 소결체 이외에도 예컨대, 질화알루미늄(AlN) 소결체, 질화규소(Si3N4) 소결체, 탄화규소(SiC) 소결체 또는 스피넬(MgAl2O4 ) 등으로 이루어지는 것을 이용할 수 있다. 더욱이, 기체로는 세라믹스 이외에, 금속 재료나 세라믹스와 금속의 복합 재료 등으로 이루어지는 것을 이용할 수 있다.
세라믹스 유전체층(3), 전극(2) 및 세라믹스 기체(1)는 핫프레스법을 이용하여, 일체로 소성된 일체 소결품인 것이 바람직하다. 정전 척(10)은 핫프레스법에 의한 소성에 의해 일체화된 구조로 함으로써, 세라믹스 기체(1)와 세라믹스 유전체층(3)은 양자의 접합면에 접착제층 등을 통하지 않고서 접합할 수 있는 동시에, 세라믹스 유전체층(3), 전극(2) 및 세라믹스 기체(1)가 간극 없이 접합된다. 즉, 접합 계면을 거의 남기지 않고서 일체화된 정전 척(10)으로 할 수 있다. 따라서, 내부식성을 향상시키는 것이 가능하다. 즉, 매설된 전극(2)을 완전히 외부 분위기와 차단할 수 있기 때문에, 정전 척(10)은 부식성 가스 중에서의 사용에 대하여 높은 내부식성을 유지할 수 있다.
정전 척의 구조는 도 1에 도시한 단극형의 정전 척(10) 이외에, 도 2에 도시한 바와 같은 2개의 전극을 구비하는 쌍극형의 정전 척(20)의 구조로 할 수도 있다. 도 2는 정전 척(20)의 구조를 나타내며, 도 2a는 평면도 및 도 2b는 단면도이 다. 정전 척(20)은 세라믹스 기체(1)와, 2개의 전극(22a, 22b)과, 세라믹스 유전체층(3)과, 2개의 전극 단자(24a, 24b)를 구비한다.
정전 척(20)에서는 세라믹스 기체(1)와 세라믹스 유전체층(3)과의 사이에 매설되는 면형의 전극이 둘로 분할되어 있다. 전극의 분할 방법은 한정되지 않는다. 예컨대, 전극을 2개의 반원형, 2개의 빗살형, 2개의 링형으로 분할할 수 있다. 그리고, 정전 척(20)은 전극(22a, 22b)으로 도 2에 도시하는 반원형이나, 빗살형, 링형 등의 전극을 이용할 수 있다. 더욱이, 전극은 2개가 아니라, 보다 많은 복수 전극으로 분할할 수도 있다. 정전 척(20)에서는 전극(22a, 22b) 각각에 전극 단자(24a, 24b)가 납땜 등에 의해 접속되어 있다. 이들 점 이외에는 정전 척(20)은 도 1에 도시한 정전 척(10)과 같은 식이다.
더욱이, 정전 척은 기판을 가열하기 위한 히터 부재를 구비하더라도 좋다. 도 3은 히터 부재(5)를 구비하는 쌍극형의 정전 척(30)의 구조를 나타내는 단면도이다. 정전 척(30)은 세라믹스 기체(1)와, 전극(22a, 22b)과, 세라믹스 유전체층(3)과, 히터 부재(5)와, 전극 단자(24a, 24b)와, 히터 부재 단자(5a, 5b)를 구비한다.
히터 부재(5)는 전압 인가에 의해 발열한다. 히터 부재(5)는 세라믹스 기체(1) 중에 매설되어 있다. 히터 부재(5)에는 전력을 공급하기 위한 히터 부재 단자(5a, 5b)가 납땜 등에 의해 접속되어 있다. 히터 부재 단자(5a, 5b)는 정전 척(30) 중심부로부터 빼내어져 있다.
히터 부재(5)는 저항 발열체이며, 예컨대 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), WC 등의 고융점 금속을 이용할 수 있으며, 그 형태는 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 히터 부재(5)는 선형, 코일형, 띠형의 벌크 금속, 금속 분말을 포함하는 인쇄 페이스트를 인쇄, 건조, 소성에 의해 형성한 인쇄 부재나, 금속 박막 등을 사용할 수 있다. 이들 점 이외에는 정전 척(30)은 도 2에 도시한 정전 척(20)과 같은 식이다.
(정전 척의 제조 방법)
이어서, 정전 척(10)의 제조 방법에 관해서 설명한다. 정전 척(10)은 알루미나를 99.5 중량% 이상 포함하는 세라믹스 원료 분말을 이용하여, 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성함으로써 알루미나 소결체를 제작하는 공정과, 면형의 전극을 형성하는 공정을 포함한다. 이들 공정의 순서는 한정되지 않는다.
예컨대, 상기 세라믹스 원료 분말을 이용하여 알루미나 성형체를 성형한 후, 알루미나 성형체의 한 쪽 면 위에 전극을 형성하여, 알루미나 성형체와 전극을 동시에 소성하더라도 좋다. 혹은, 상기 세라믹스 원료 분말을 이용하여 전극이 매설된 알루미나 성형체를 성형하고 전극 형성과 성형을 동시에 행한 후, 알루미나 성형체와 전극을 동시에 소성하더라도 좋다. 더욱이, 상기 세라믹스 원료 분말을 이용하여 성형한 알루미나 성형체를 소성한 후, 알루미나 소결체의 한 쪽 면 위에 전극을 형성하더라도 좋다.
더욱이, 정전 척의 제조 방법은 상기 세라믹스 원료 분말을 이용하여 알루미나 성형체를 성형하는 공정과, 알루미나 성형체 위에 전극을 형성하는 공정과, 알루미나 성형체 및 전극 위에 세라믹스 성형체를 성형하여 적층하는 공정을 구비하 며, 전극을 매설시킨 일체 성형체를 성형하는 공정과, 그 일체 성형체를 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성하는 공정을 갖더라도 좋다. 이에 따르면, 세라믹스 유전체층(3), 전극(2) 및 세라믹스 기체(1)의 일체 소결품인 정전 척을 제공할 수 있다.
혹은, 상기 세라믹스 원료 분말을 이용하여 알루미나 성형체를 성형하는 제1의 성형 공정과, 알루미나 성형체를 소성하여 알루미나 소결체를 제작하는 제1 소성 공정과, 알루미나 소결체의 한 쪽 면 위에 면형의 전극을 형성하는 공정과, 알루미나 소결체 및 전극 위에 세라믹스 성형체를 성형하여 적층하는 제2 성형 공정을 구비하며, 알루미나 소결체, 전극 및 세라믹스 성형체의 일체품을 제작하는 공정과, 그 일체품을 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성하는 제2 소성 공정을 갖더라도 좋다. 이에 의해서도, 세라믹스 유전체층(3), 전극(2) 및 세라믹스 기체(1)의 일체 소결품인 정전 척을 제공할 수 있다.
알루미나 소결체의 체적 고유 저항치는 순도(불순물의 농도), 결정성, 치밀성, 결정립계의 상태 등, 복수 요소가 복합적으로 영향을 준다. 그 때문에, 이들 요소를 조정하여 알루미나 소결체의 체적 고유 저항치를 조정할 수 있다. 예컨대, 사용하는 알루미나 분말의 순도나 평균 입자 직경, 소성 온도, 소성 분위기, 소성시에 가압하는 압력, 소성 방법, 소성 횟수 등의 소성 조건 등을 조정함으로써, 실온에 있어서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상, 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체나, 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상, 200℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체로 할 수 있다.
다음에, 도 4a 내지 도 4d를 참조하여, 정전 척(10)의 제조 방법의 일례를 설명한다. 우선, 도 4a에 도시한 바와 같이, 원반형의 알루미나 성형체를 성형하고 소성하여 알루미나 소결체(13)를 제작한다. 이 알루미나 소결체(13)는 최종적으로 세라믹스 유전체층(3)으로 되는 것인데, 후속되는 연삭 공정이나 핫프레스 소성 공정 등에 대하여 충분한 강도를 갖게 하기 위해서, 알루미나 소결체(13)의 두께는 최종적인 세라믹스 유전체층(3)의 두께보다 두꺼운 것으로 하는 것이 바람직하다. 예컨대, 최종적으로 0.5 mm 두께의 세라믹스 유전체층(3)을 형성하는 경우에는 수 mm∼10 mm의 두께로 해 둔다.
이러한 알루미나 소결체(13)를 제작하기 위해서는 우선, 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹스 원료 분말을 준비한다. 이 세라믹스 원료 분말로는, 알루미나 분말 외에 마그네시아(MgO) 등의 소결 조제 분말을 첨가하더라도 좋다. 단, 적어도 알루미나 분말의 함유량을 99.5 중량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 알루미나 분말의 순도는 99.5 중량% 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이 세라믹스 원료 분말에 바인더를 소정의 배합비로 조합하여, 트롬멜 등을 이용하여 혼합하여 슬러리를 얻는다. 이어서, 슬러리를 건조하여, 조립(造粒) 과립(顆粒)을 얻는다. 얻어진 조립 과립을 이용하여 알루미나 성형체를 제작한다(제1 성형 공정). 예컨대, 금형 성형법, CIP(Cold Isostatic Pressing)법, 슬립캐스 트법 등의 성형 방법을 이용하여, 원반형의 알루미나 성형체를 제작한다.
얻어진 성형체를, 예컨대 상압 소결법 등을 이용하여, 대기중 혹은 불활성 가스 분위기 속에서, 약 1600℃∼1700℃에서 약 2∼6시간 소성한다(제1 소성 공정). 이와 같이 하여 알루미나 소결체(13)를 얻는다. 소성 방법은 상압 소결법 이외의 방법을 사용하더라도 좋다. 상압 소결법을 사용하는 경우에는, 간이한 설비를 이용할 수 있어 바람직하다. 또한, 질소 분위기에서 상압 소결법에 의해 알루미나 소결체(13)를 제작하는 경우, 제1 소성 공정에 의해 얻어지는 알루미나 소결체(13)의 체적 고유 저항치는 실온에 있어서 약 1015 Ω·cm가 된다.
이어서, 도 4b에 도시한 바와 같이, 알루미나 소결체(13)의 한 쪽 면에 인쇄 전극(12)을 형성한다. 우선, 알루미나 소결체(13)의 한 쪽 면을 연삭 가공하여 평탄한 평면(평활면)을 형성한다. 얻어진 평활면 상에, W, Mo, MoC 등의 금속 분말을 포함하는 인쇄 페이스트를 스크린 인쇄법 등에 의해 인쇄하여, 면형의 인쇄 전극(12)을 형성하여 건조한다. 인쇄 페이스트에는 소성시의 열수축률을 조정하기 위해서, 알루미나 분말을 5 중량%∼50 중량% 첨가하는 것이 바람직하다. 또, 평활면 상에 스퍼터나 이온빔 증착 등의 물리적 증착, CVD 등의 화학적 증착에 의해 금속 박막의 막형 전극을 형성하더라도 좋다.
이어서, 예컨대 금형에 인쇄 전극(12)이 형성된 면이 노출되도록 알루미나 소결체(13)를 셋팅하여, 인쇄 전극(12)과 알루미나 소결체(13)의 상측으로부터 별도로 준비한 세라믹스 분말을 이용하여 제작한 조립 과립을 충전한다. 이와 같이 하여, 세라믹스 기체(1)가 되는 세라믹스 성형체(11)를 금형 성형법에 의해 성형한다(제2 성형 공정). 조립 과립은 알루미나 분말과 소결 조제 분말을 혼합하여 제작한 것이 바람직하다. 더욱이, 알루미나 분말의 순도는 알루미나 소결체(13)의 알루미나 분말보다도 낮더라도 상관없지만, 99 중량% 이상인 것이 바람직하다.
이러한 금형 성형법에 의해, 도 4c에 도시한 바와 같이, 알루미나 소결체(13), 인쇄 전극(12) 및 세라믹스 성형체(11)를 일체화하여 알루미나 소결체(13), 인쇄 전극(12) 및 세라믹스 성형체(11)의 일체품을 제작한다. 계속해서, 일체화한 알루미나 소결체(13), 인쇄 전극(12) 및 세라믹스 성형체(11)의 일체품을 핫프레스법에 의해, 도 4c에 도시한 바와 같이 일축 방향으로 가압하면서 소성한다(제2 소성 공정). 소성 조건은 한정되는 것은 아니지만, 감압하에 질소, 아르곤 등의 불활성 가스를 도입한 불활성 가스 분위기 중 또는 환원 분위기에서, 1600℃∼1700℃에서 약 1∼3시간 소성을 하는 것이 바람직하다. 또, 가하는 압력은 5 MPa∼30 MPa인 것이 바람직하다. 이에 따라, 알루미나 소결체(13), 인쇄 전극(12) 및 세라믹스 성형체(11)를 일체화한 일체 소결체를 얻는다.
2회의 소성 공정을 거침으로써, 알루미나 소결체(13)는 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상, 또한 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상에 달한다.
마지막으로, 도 4d에 도시한 바와 같이, 알루미나 소결체(13)를 연삭하고 두께가 0.05∼0.50 mm가 되도록 조정하여 세라믹스 유전체층(3)을 얻는다. 더욱이, 세라믹스 유전체층(3)의 기판 적재면의 표면 거칠기(Ra)를 0.5 μm 이하가 되도록 연마한다. 세라믹스 소결체에 전극 단자(4)를 삽입하는 구멍을 형성하여, 필요에 따라서, 전극 단자(4)의 주위를 덮는 원통형 세라믹스를 형성한 구멍에 삽입한다. 그리고, 전극(2)에 전극 단자(4)를 납땜 등에 의해 접속한다. 이와 같이 하여, 도 4d에 도시하는 정전 척(10)을 얻는다.
세라믹스 유전체층(3)은 알루미나 소결체(13)에 의해 형성된 것으로, 전극(2)은 인쇄 전극(12)에 의해 형성된 것이며, 세라믹스 기체(1)는 세라믹스 성형체(11)를 소성한 세라믹스 소결체에 의해 형성된 것이다. 한편, 도 4d에 도시한 바와 같이, 알루미나 소결체(13) 및 세라믹스 소결체의 측면을 연삭 가공하여, 기판 적재면의 면적을 좁게 하더라도 좋다.
이러한 정전 척의 제조 방법에 따르면, 2회의 소성 공정을 거침으로써, 실온에서 1×1017 Ω·cm 이상의 매우 높은 체적 고유 저항치를 갖는 알루미나 소결체로 이루어지는 세라믹스 유전체층(3)을 제작할 수 있다. 더욱이, 알루미나 소결체(13), 인쇄 전극(12) 및 세라믹스 성형체(11)를 제2 성형 공정 및 핫프레스법에 의한 소성(제2 소성 공정)에 의해 일체화하여 일체 소결체로 하기 때문에, 접합층을 갖지 않는 정전 척(10)을 얻을 수 있다. 특히, 세라믹스 성형체(11)의 원료 분말로서 알루미나 분말을 사용하는 경우에는, 알루미나 소결체(13)와의 접합이 양호하게 되어, 접합 계면이 거의 존재하지 않는 일체 소결체를 제작할 수 있다. 이 때문에, 얻어지는 정전 척(10)은 부식성 가스 분위기에서 사용하더라도 세라믹스 유 전체층(3)과 세라믹스 기체(1)와의 접합 부분으로부터 가스가 침입함에 의한 전극(2)의 부식을 방지할 수 있다.
또한, 이 제조 방법에서는 우선, 알루미나 소결체(13)를 단독으로 제작하여, 그 한 면을 연삭 가공하여 평탄한 평면(평활면)을 형성하고, 그 위에 인쇄 전극(12)을 형성하고 있다. 더욱이, 핫프레스법에 의한 소성 공정후에 연삭 가공에 의해 알루미나 소결체의 두께, 즉 세라믹스 유전체층(3)의 두께를 최종 조정한다. 그 때문에, 이 제조 방법에 따르면, 높은 정밀도로 세라믹스 유전체층(3)의 두께를 제어할 수 있다. 따라서, 이 제조 방법에 따르면, 세라믹스 유전체층(3)의 두께를 0.5 mm 이하로 매우 얇게 조정할 수 있고, 더구나, 그 두께를 균일하게 할 수 있다. 그 결과, 이 제조 방법에 따르면, 높은 흡착력을 발휘할 수 있으며, 흡착력이 면 내에서 균일한(흡착력의 면내 균일성을 확보한) 쿨롱 타입의 정전 척(10)을 제조할 수 있다.
한편, 소성 공정은 반드시 2회 행할 필요는 없으며, 1회의 핫프레스법에 의한 소성 공정만으로 정전 척(10)을 제조하더라도 좋다. 이 경우, 예컨대 금형을 이용한 프레스 성형법으로 원반형의 알루미나 성형체를 제작한다. 얻어진 알루미나 성형체를 별도의 금형 바닥부에 셋팅하고, 그 상면에, 예컨대 면형의 철망 전극 등의 벌크 금속을 얹어 놓는다. 그리고, 알루미나 성형체와 철망 전극의 상측으로부터 알루미나 분말 등의 세라믹스 원료 분체를 충전하여 프레스 성형한다. 이에 따라, 알루미나 성형체, 세라믹스 성형체가 일체화된 일체 성형체를 얻을 수 있다. 그리고, 얻어진 일체 성형체를 핫프레스법에 의해 소성하여 일체 소결체를 얻는다. 마지막으로, 도 4d에 도시한 제조 방법과 같은 방식으로 연삭 가공 등을 하여, 세라믹스 유전체층(3)을 소정의 두께로 조정할 수 있다.
또한, 예컨대 세라믹스 유전체층(3)이 되는 알루미나 소결체를 핫프레스법에 의한 소성 공정을 여러 번(예컨대 2회) 행하여 제작함으로써, 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상, 200℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체를 얻을 수 있다. 예컨대, 알루미나 성형체를 핫프레스법에 의해 소성하여 얻어진 알루미나 소결체를 세라믹스 성형체의 소성과 동시에 핫프레스법에 의해 소성하여, 핫프레스법에 의한 소성을 2회 행할 수 있다.
또한, 도 3에 도시한 히터 부재(5)를 구비하는 정전 척(30)을 제조하는 경우에는 코일형 등의 벌크 금속의 히터 부재(5)를 매설한 세라믹스 성형체(11)를 제작하거나 세라믹스 소결체 상에 인쇄 부재를 형성하여 세라믹스 성형체를 적층하거나 함으로써, 히터 부재(5)를 구비하는 세라믹스 기체(1)를 제작할 수 있다. 이 점 이외에는 정전 척(10)과 같은 방식으로 정전 척(30)을 제조할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 관해서 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예의 기재에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 상기 실시예에 따른 정전 척의 제조 방법에서는, 세라믹스 기체(1)도 핫프레스법을 이용하여 소성함으로써 제작하고 있지만, 세라믹스 유전체층(3)으로 되는 알루미나 소결체만을 핫프레스법에 의해 소성하고, 세라믹스 기체(1)에 대해서는 상압 소성법 등의 별도의 소성 방법으로 제작하더라도 좋다. 예컨대, 세라믹스 유전체층(3)으로 되는 알루미나 소결체만을 핫프레스 법을 이용하여 제작한 후, 알루미나 소결체의 한 면에 스크린 인쇄법이나 각종 증착법 등을 이용하여 막형 전극을 형성한다. 그리고, 막형 전극이 형성된 알루미나 소결체와 별도로 제작한 세라믹스 소결체를 접착제를 통해 접착한 간이한 구조의 정전 척으로 하더라도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는, 세라믹스 기체(1)를 사용하고 있지만, 세라믹스 이외의 기체를 사용할 수도 있다. 예컨대, 기체로서 금속 재료나 세라믹스와 금속의 복합 재료 등을 사용할 수 있다. 이 경우에는, 예컨대 절연성 접착재를 사용하여, 막형 전극이 형성된 알루미나 소결체와 기체를 접착하여 정전 척을 제작할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 이러한 정전 척(10∼30)에 의하면, 종래의 알루미나 소결체에 비교하여, 넓은 온도 범위에서 매우 높은 체적 고유 저항치를 갖는 알루미나 소결체로 세라믹스 유전체층(3)을 형성할 수 있다. 그 때문에, 정전 척(10∼30)은 쿨롱 타입의 정전 척으로서, 넓은 온도 범위에서 안정된 흡착력을 제공할 수 있다. 또, 정전 척(10∼30)은 정전 척(10∼30)에서 기판으로의 누설 전류를 저감할 수 있다. 더욱이, 정전 척(10∼30)은 세라믹스 유전체층(3) 중에 전하가 대부분 존재하지 않기 때문에, 기판 탈착시의 응답 속도가 빨라, 양호한 탈착 응답성을 얻을 수 있다.
최근, 반도체 소자의 미세화가 진행되어, 기판으로의 누설 전류가 반도체 소자의 특성에 큰 영향을 줄 우려가 생기고 있다. 또, 반도체 제조 공정이나 액정 디스플레이 제조 공정은 매우 다양화되어, 그 온도 조건의 다양화도 진행되고 있 다. 정전 척(10∼30)에 따르면, 저온에서부터 고온에 이르기까지의 넓은 온도 범위에서 안정된 흡착력을 유지할 수 있고, 누설 전류가 매우 적다. 그 때문에, 철저한 누설 전류의 억제가 요구되는, 미세한 반도체 소자의 제작을 목적으로 한 차세대의 반도체 제조 공정이나 다양화한 온도 조건에 대하여도 적절히 대응할 수 있어서 매우 유용하다.
더욱이, 상기 정전 척(10∼30)의 제조 방법에 따르면, 종래의 알루미나 소결체에 비교하여, 넓은 온도 범위에서 매우 높은 체적 고유 저항치를 갖는 고순도의 알루미나 소결체를 얻을 수 있다. 더욱이, 이 알루미나 소결체를 세라믹스 유전체층(3)으로 사용한 쿨롱 타입의 정전 척(10∼30)을 제공할 수 있다. 따라서, 이러한 제조 방법에 의하면, 넓은 온도 범위에서 안정된 흡착력을 발휘할 수 있고, 정전 척에서 기판으로의 누설 전류를 저감시킬 수 있어, 양호한 탈착 응답성을 보이는 정전 척(10∼30)을 제공할 수 있다. 더욱이, 이러한 제조 방법에 따르면, 세라믹스 유전체층(3)의 순도를 높일 수 있기 때문에, 기판의 오염원으로 되지 않는 정전 척(10∼30)을 제공할 수 있다.
(알루미나 소결 부재 및 그 제조 방법)
상기한 세라믹스 유전체층(3)에 이용한 알루미나 소결체는 정전 척(10∼30)의 세라믹스 유전체층(3)으로서 뿐만 아니라, 알루미나 소결 부재로서 단일체로 혹은 별도의 부재와 조합하여 사용할 수 있다. 즉, 알루미나 소결체는 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상, 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 알루미나 소결 부재나, 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상, 200℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015 Ω·cm 이상인 알루미나 소결 부재로서 이용할 수 있다.
이러한 알루미나 소결 부재에 따르면, 넓은 온도 범위에서 높은 절연성을 유지할 수 있다. 따라서, 알루미나 소결 부재는 넓은 온도 범위에서 높은 절연성을 필요로 하는 여러 가지 용도에 이용할 수 있다.
예컨대, 알루미나 소결 부재는 반도체 제조 장치 내에서 사용되는, 서셉터(susceptor), 히터 기재, 링재, 돔재 등으로서 사용할 수 있다. 더욱이, 알루미나 소결 부재는 넓은 온도 범위에서의 높은 절연성을 비롯하여, 내열성, 내부식성이 요구되는 부재로서 사용할 수 있다.
300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 알루미나 소결 부재도 400℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 알루미나 소결 부재는 보다 넓은 온도 범위에서 높은 절연성을 유지할 수 있어, 보다 광범한 온도 범위에서 고절연성이 필요로 되는 용도로 사용할 수 있다.
알루미나 소결 부재는 300℃에서의 체적 고유 저항치가, 1×1015 Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 또, 알루미나 소결 부재는 200℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015 Ω·cm 이상인 것이 바람직하다.
더욱이, 알루미나 소결 부재는 순도가 99.5 중량% 이상, 밀도가 3.80∼4.00 g/cm3 이상인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 넓은 온도 범위에서 높은 체적 고유 저항치를 지니며, 순도가 매우 높기 때문에 오염원으로 될 우려가 없고, 치밀하기 때문에 내부식성이 높은 알루미나 소결 부재를 제공할 수 있다. 따라서, 알루미나 소결 부재는 반도체 제조 공정 등의 오염이 허용되지 않는 용도에 사용할 수 있다. 보다 바람직한 알루미나 소결 부재의 순도는 99.7 중량% 이상이며, 보다 바람직한 알루미나 소결 부재의 밀도는 3.93∼4.00 g/cm3이다.
또, 알루미나 소결 부재의 굽힘 강도는 350 MPa 이상인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 알루미나 소결 부재는 가공시에 깨어짐 등의 파손이 발생하기 어렵다. 더구나, 알루미나 소결 부재는 사용 중에도 결손이 생기기 어렵기 때문에, 입자의 발생을 방지할 수 있고, 내구성도 향상할 수 있다. 보다 바람직한 굽힘 강도는 365 MPa 이상이다. 또한, 알루미나 소결 부재의 개기공율, 최대 기공 직경, 내전압 등은 세라믹스 유전체층(3)을 구성하는 알루미나 소결체와 같은 것이 바람직하다.
또, 알루미나 소결 부재는 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성된 것이 바람직하다. 이에 따르면, 알루미나 소결 부재는 핫프레스법에 의한 압력에 의해 치밀하게 되어, 높은 체적 고유 저항치를 지닐 수 있다.
이러한 알루미나 소결 부재는 알루미나를 99.5 중량% 이상 포함하는 세라믹스 원료 분말을 이용하여, 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성함으로써, 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상이며, 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체, 또는 실온에 서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상이며, 200℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015 Ω·cm 이상의 알루미나 소결체를 제작하는 공정을 포함하는 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.
성형 방법이나 소성 방법은 세라믹스 유전체층(3)과 같은 방식으로 할 수 있다. 이러한 알루미나 소결 부재의 제조 방법에 따르면, 넓은 온도 범위에서 매우 높은 체적 고유 저항치를 갖는 고순도의 알루미나 소결 부재를 제작할 수 있다. 따라서, 이러한 제조 방법에 의하면, 넓은 온도 범위에서 높은 절연성을 유지할 수 있으며, 오염원으로 될 우려가 없고 내열성 및 내부식성이 우수한 알루미나 소결 부재를 제공할 수 있다.
실시예
이어서, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예에 하등 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
세라믹스 원료 분말로서, 순도 99.7 중량%의 알루미나 분말(평균 입자 직경 1 μm)과, 소결 조제인 MgO 분말과의 혼합 분말을 사용했다. 세라믹스 원료 분말 중의 MgO의 함유량은 0.04 중량%로 했다. 이 세라믹스 원료 분말에 물, 분산제, 바인더로서 폴리비닐알콜(PVA)을 첨가하고 트롬멜로 16시간 혼합하여, 슬러리를 제작했다. 얻어진 슬러리를 스프레이 드라이어를 이용하여 분무 건조하여, 평균 입자 직경 약 80 μm의 조립 과립을 제작했다.
다음에, 제작한 조립 과립을 고무 틀에 넣어, CIP(Cold Isostatic Pressing) 장치로 1 ton/cm2의 압력을 걸어 알루미나 성형체를 제작했다. 이 알루미나 성형체를 건조한 후, 알루미나제 내화토 용기에 알루미나 성형체를 셋팅하고, 대기 소성로 내에 내화토 용기마다 넣어 소성했다. 소성은 실온에서부터 500℃까지는 10℃/h로 승온하고, 500℃에서 5시간 유지하여 바인더를 제거한 후, 500℃에서 1650℃까지 30℃/h로 승온하고, 1650℃에서 4시간 유지하여 행했다. 이렇게 해서, 도 4a에 도시하는 알루미나 소결체(13)를 얻었다.
이어서, 알루미나 소결체를 연삭 가공하여, Φ300 mm, 두께 6 mm의 원반을 제작했다. 이 때, 한 쪽 면을 연삭 가공에 의해, 표면 거칠기(Ra)가 0.8 μm 이하인 평활면으로 되도록 마무리했다.
텅스텐(W) 60 중량%, 알루미나 분말 40 중량% 및 바인더인 테르피네올을 혼합하여 인쇄 페이스트를 제작했다. 제작한 인쇄 페이스트를 이용하여, 스크린 인쇄법에 의해 도 4b에 도시한 바와 같이, 알루미나 소결체의 평활면 위에 Φ290 mm, 두께 10 μm의 인쇄 전극(12)을 형성하여 건조시켰다.
그 후, 금형에 인쇄 전극(12)이 형성된 알루미나 소결체(13)를 셋팅하고, 별도로 준비한 세라믹스 원료 분말을 충전하여, 200 kg/cm2의 압력으로 프레스 성형을 실시했다. 한편, 충전한 세라믹스 원료 분말은 바인더를 첨가하지 않은 것 이외에는 알루미나 소결체(13)를 제작할 때와 같은 방법으로 준비했다.
이어서, 이 성형체를 카본제의 내화토 용기에 셋팅하여, 도 4c에 도시한 바와 같이, 핫프레스법을 이용하여 소성했다. 소성은 질소 가압 분위기(150 kPa)에서 10 MPa로 가압하면서, 300℃/h로 승온하고, 1600℃에서 2시간 유지하여 행했다. 이렇게 해서, 알루미나 소결체(13)와, 전극(2)과, 세라믹스 소결체가 일체화된 일체 소결체를 얻었다.
이 후, 2회의 소성 공정을 거친 알루미나 소결체(13)의 표면을 다이아몬드 지석으로 평면 연삭 가공을 하여, 알루미나 소결체(13)의 두께, 즉 매설한 전극에서부터 알루미나 소결체(13)의 표면까지의 두께를 0.1 mm로 했다. 더욱이, 세라믹스 유전체층(3)의 기판 적재면의 표면 거칠기(Ra)를 0.5 μm 이하가 되도록 연마했다. 또, 소성체의 측면을 연삭하는 동시에, 필요한 구멍 뚫기 가공, 전극 단자(4)의 주위를 덮는 원통형 세라믹스의 부착, 전극(2)에의 전극 단자(4)의 접속을 하여, 정전 척(10)을 완성했다.
<실시예 2>
실시예 1과 같은 순서로, 순도 99.7중량%의 알루미나 분말을 사용하여 평균 입자 직경 약 80 μm의 알루미나 조립 과립을 제작했다. 이 알루미나 조립 과립을 금형에 충전하여 200 kg/cm2의 압력으로 프레스 성형했다. 얻어진 알루미나 성형체 상에 선직경 Φ0.12 mm의 Mo제 철망 전극(메쉬형 전극)을 얹어 놓았다. 또한, 알 루미나 성형체 및 철망 전극 상에 동일한 알루미나 조립 과립을 충전하여 200 kg/cm2의 압력으로 프레스 성형을 했다.
얻어진 일체 성형체를 카본제의 내화토 용기에 셋팅하여 핫프레스법에 의해 소성했다. 소성은 질소 가압 분위기(150 kPa)에서, 10 MPa 가압하면서, 300℃/h로 승온하고, 1600℃에서 2시간 유지하여 행했다. 이렇게 해서, 알루미나 소결체(13)와, 전극(2)과, 세라믹스 소결체가 일체화된 일체 소결체를 얻었다.
이후, 세라믹스 유전체층(3)으로 되는 알루미나 소결체(13)의 표면을 다이아몬드 지석으로 평면 연삭 가공을 하여, 알루미나 소결체(13)의 두께, 즉 매설한 전극에서부터 알루미나 소결체(13)의 표면까지의 두께가 0.1 mm가 되도록 조정했다. 더욱이, 세라믹스 유전체층(3)의 기판 적재면의 표면 거칠기(Ra)를 0.5 μm 이하가 되도록 연마했다. 또, 필요한 구멍 뚫기 가공, 전극 단자(4)의 주위를 덮는 원통형 세라믹스의 부착, 전극(2)에 전극 단자(4)를 접속시켜, Φ300 mm의 정전 척(10)을 완성하였다.
<실시예 3>
세라믹스 원료 분말로서, 순도 99.7 중량%의 알루미나 분말(평균 입자 직경 1 μm)과, 소결 조제인 MgO 분말과의 혼합 분말을 사용했다. 세라믹스 원료 분말중의 MgO의 함유량은 0.04 중량%로 했다. 이 세라믹스 원료 분말에 물, 분산제, 바인더로서 폴리비닐알콜(PVA)을 첨가하고, 트롬멜로 16시간 혼합하여, 슬러리를 제작했다. 얻어진 슬러리를 스프레이 드라이어를 이용하여 분무 건조하고, 500℃ 에서 5시간 유지함으로써 바인더를 제거하여, 평균 입자 직경 약 80 μm의 조립 과립을 제작했다.
다음에, 제작한 조립 과립을 금형에 충전하여, 200 kg/cm2의 압력으로 프레스 성형을 하여, 알루미나 성형체를 제작했다. 얻어진 알루미나 성형체를 카본제의 내화토 용기에 셋팅하여 핫프레스법에 의해 소성했다. 소성은 질소 가압 분위기(150 kPa)에서 10 MPa로 가압하면서, 300℃/h로 승온하고, 1600℃에서 2시간 유지하여 행했다. 이와 같이 하여, 도 4a에 도시하는 알루미나 소결체(13)를 얻었다.
이어서, 알루미나 소결체를 연삭 가공하여, Φ300 mm, 두께 6 mm의 원반을 제작했다. 이 때, 한 쪽 면을 연삭 가공에 의해 표면 거칠기(Ra)가 0.8 μm 이하인 평활면으로 되도록 마무리했다.
텅스텐(W) 60 중량%, 알루미나 분말 40 중량% 및 바인더인 테르페네올을 혼합하여 인쇄 페이스트를 제작했다. 제작한 인쇄 페이스트를 이용하여 스크린 인쇄법에 의해, 도 4b에 도시한 바와 같이, 알루미나 소결체의 평활면 위에 Φ290 mm, 두께 10 μm의 인쇄 전극(12)을 형성하여 건조시켰다.
그 후, 금형에 인쇄 전극(12)이 형성된 알루미나 소결체(13)를 셋팅하고, 알루미나 소결체(13)에 이용한 조립 과립을 충전하여, 200 kg/cm2의 압력으로 프레스 성형을 했다. 이어서, 이 성형체를 카본제의 내화토 용기에 셋팅하여, 도 4c에 도시한 바와 같이, 핫프레스법을 이용하여 소성했다. 소성은 질소 가압 분위기(150 kPa)에서 10 MPa로 가압하면서, 300℃/h로 승온하고, 1600℃에서 2시간 유지하여 행했다. 이렇게 해서, 알루미나 소결체(13)와, 전극(2)과, 세라믹스 소결체가 일체화된 일체 소결체를 얻었다.
이후에 2회의 소성 공정을 거친 알루미나 소결체(13)의 표면을 다이아몬드 지석으로 평면 연삭 가공을 하여, 알루미나 소결체(13)의 두께, 즉 매설한 전극에서부터 알루미나 소결체(13)의 표면까지의 두께를 0.1 mm으로 했다. 더욱이, 세라믹스 유전체층(3)의 기판 적재면의 표면 거칠기(Ra)를 0.5 μm 이하가 되도록 연마했다. 또, 소성체의 측면을 연삭하는 동시에, 필요한 구멍 뚫기 가공, 전극 단자(4)의 주위를 덮는 원통형 세라믹스의 부착, 전극(2)에 전극 단자(4)를 접속시켜, 정전 척(10)을 완성하였다.
<비교예>
세라믹스 원료 분말로서, 순도 99.5 중량%의 알루미나 분말(평균 입자 직경 1 μm)과 소결 조제인 MgO 원료 분말의 혼합 분말을 사용했다. 한편, 세라믹스 원료 분말 중의 MgO의 함유량은 0.04 중량%로 했다. 이 세라믹스 원료 분말에, 바인더, 유기 용매를 첨가하여, 트롬멜로 16시간 혼합하여 슬러리를 제작했다. 한편, 바인더로서는 메타크릴산 이소부틸에스테르, 부틸에스테르 및 니트로셀룰로오스를 사용하고, 유기 용매로서는 트리클로로에틸렌 및 n부탄올을 사용했다. 이 슬러리를 이용하여, 닥터 블레이드법에 의해 두께 0.1 mm의 알루미나의 시트형 성형체를 제작했다.
이 알루미나 시트를 Φ300 mm로 절단했다. 실시예 1∼3과 같은 식의 인쇄 페이스트를 이용하여 스크린 인쇄법에 의해 알루미나 시트의 한 쪽 면에 Φ290 mm, 두께 10 μm의 전극을 형성하여 건조시켰다.
또한, 전술하는 방법과 같은 순서로 닥터 블레이드법에 의해서 제작한 시트형의 알루미나 성형체를 상기 전극이 형성된 알루미나 시트 위에 복수 층 적층했다. 이 알루미나 시트의 적층체를 금형 프레스를 이용하여, 전체를 압착하여 일체화했다.
이 후, 일체화된 적층체를 알루미나제 내화토 용기에 셋팅하여, 소성로 내에서 소성했다. 소성 분위기는 대기속으로 하고, 실온에서부터 500℃까지 10℃/h로 승온하고 500℃에서 5시간 유지하여 바인더를 제거한 후, 100℃에서부터 1650℃까지 30℃/h로 승온하고 1650℃에서 4시간 소성했다. 이 후, 필요한 연삭 가공, 구멍 뚫기 가공, 전극 단자의 주위를 덮는 원통형 세라믹스의 부착, 전극에 전극 단자를 접속하여, Φ300 mm의 정전 척을 완성하였다.
<평가 방법>
실시예 1∼3 및 비교예의 각 정전 척의 세라믹스 유전체층인 알루미나 소결체에 대해서, 알루미나 소결체의 체적 고유 저항치, 순도, 밀도, 개기공율, 최대 기공 직경, 열전도율, 내전압, 굽힘 강도, 함유 불순물에 관해서 평가했다.
(1) 체적 고유 저항치 : JIS C2141에 준한 방법에 의해 측정했다. 측정은 진공 분위기하, 실온(25℃), 100℃, 200℃, 300℃, 400℃, 500℃의 각 온도에서 행했다. 시편 형상은 Φ50×t1 mm로 하고, 주전극 직경을 20 mm, 가드 전극 내경을 30 mm, 가드 전극 외경을 40 mm, 인가 전극 직경을 45 mm가 되도록 각 전극을 은페 이스트로 형성했다. 인가 전압은 1000 V/mm로 하고, 전류를 읽어 들여, 체적 고유 저항치를 산출했다.
(2) 순도 : 불순물의 정량 결과를 이용하여 알루미나 소결체의 순도를 산출했다.
(3) 밀도 : 순수를 매체로 사용하여, 아르키메데스법을 이용하여 평가했다.
(4) 개기공율 : 순수를 매체로 사용하여, 아르키메데스법을 이용하여 평가했다.
(5) 최대 기공 직경 : 소결체의 표면을 경면 연마하고, 광학 현미경을 이용하여 400배의 배율로 관찰함으로써 측정했다.
(6) 열전도율: 레이저플래시법에 의해 측정했다.
(7) 내전압 : JIS C2141에 준한 방법에 의해 측정했다.
(8) 굽힘 강도 : JIS R1601에 준한 방법에 의해 실온 4점 굽힘 강도를 측정했다.
(9) 함유 불순물의 정량 : 유도 결합 플라즈마(ICP) 발광 스펙트럼 분석에 의해 정량했다.
또한, 실시예 1∼3 및 비교예의 정전 척에 대해서, 흡착력 및 탈착 응답 특성을 평가했다. 구체적인 측정 방법은 다음과 같다.
(10) 흡착력 : 진공 속에서 정전 척의 기판 적재면 상에 실리콘제 프로브(이하, 「실리콘 프로브」라 함)를 접촉시켜, 정전 척의 전극과 실리콘 프로브 사이에 DC 2000 V의 전압을 인가하여, 실리콘 프로브를 정전 척에 흡착 고정시켰다. 전압 인가에서부터 60초 후에 전압을 인가한 상태로, 실리콘 프로브를 정전 척의 기판 적재면에서 당겨 벗기는 방향으로 끌어올려, 당겨 벗기기 위해서 필요한 힘(흡착력)을 실온(25℃)∼400℃의 온도 범위에서 측정했다.
(11) 탈착 응답성 : 진공 속에서 정전 척의 기판 적재면 상에 실리콘 프로브를 접촉시키고, 정전 척의 전극과 실리콘 프로브 사이에 DC 2000 V의 전압을 인가하여, 실리콘 프로브를 정전 척에 흡착 고정시켰다. 전압 인가에서부터 30초 후에 5 Torr(6.7×102 Pa)의 힘으로 실리콘 프로브를 끌어올려, 그대로의 상태로 유지시켰다. 이 후, 전압 인가에서부터 60초 후에 인가 전압을 해제하여, 정전 척과 실리콘 프로브가 박리될 때까지 든 시간을 탈착 시간(sec)으로 하여, 실온(25℃)∼400℃의 온도 범위에서 측정했다.
<평가 결과>
(세라믹스 유전체의 체적 고유 저항치)
체적 고유 저항치의 측정 결과를 표 1 및 도 5에 도시한다. 도 5에서, 종축은 체적 고유 저항치(Ω·cm)를 나타내고, 그래프 상부의 횡축은 온도(℃)를 나타내고, 그래프 하부의 횡축은 1000/T(K-1)를 나타낸다.
[표 1]
각 온도에서의 체적 고유 저항치(Ω·cm)
실온 100℃ 200℃ 300℃ 400℃ 500℃
실시예 1 >1×1017 >1×1017 >1×1017 2×1015 2×1014 2×1013
실시예 2 >1×1017 >1×1017 >1×1017 1×1015 1×1014 1×1013
실시예 3 >1×1017 2×1015 2×1015 7×1013 5×1012 -
비교예 5×1015 1×1014 5×1012 - - -
표 1 및 도 5의 그래프에 나타낸 바와 같이, 실시예 1, 실시예 2의 정전 척의 세라믹스 유전체층(알루미나 소결체)은 실온∼200℃의 범위에서 1×1017 Ω·cm 이상의 높은 체적 고유 저항치를 나타냈다. 또, 200℃∼300℃의 온도 범위에서도 1×1015 Ω·cm 이상의 높은 체적 고유 저항치를 나타내고, 실온∼400℃ 이하의 넓은 온도 범위에서 1×1014 Ω·cm 이상의 높은 체적 고유 저항치를 나타냈다.
또, 실시예 3의 정전 척의 세라믹스 유전체층(알루미나 소결체)은 실온에서 1×1017 Ω·cm 이상의 높은 체적 고유 저항치를 나타냈다. 또, 100℃에서도 1×1016 Ω·cm 이상의 높은 체적 고유 저항치를 유지하고 있었다. 더욱이, 100℃∼200℃의 온도 범위에서도 1×1015 Ω·cm 이상의 높은 체적 고유 저항치를 나타내고, 실온∼200℃ 이하의 넓은 온도 범위에서 1×1015 Ω·cm 이상의 높은 체적 고유 저항치를 나타냈다.
이에 대하여, 대기 분위기에서 상압 소결법을 이용하여 제작한 비교예의 알루미나 소결체는 실온에서의 체적 고유 저항치가 실시예 1∼3의 실온에서의 체적 고유 저항치에 비교해서 매우 낮아 1×1015 Ω·cm였다. 더욱이, 100℃를 넘으면 체적 고유 저항치는 1×1014 Ω·cm 이하가 되고, 200℃에서는 체적 고유 저항치는 1012 Ω·cm 오더로 되어 버렸다. 이와 같이 비교예에서는 넓은 온도 범위에서 실 시예 레벨의 높은 체적 고유 저항치를 유지할 수는 없었다.
(세라믹스 유전체층의 순도, 밀도, 개기공율, 최대 기공 직경, 열전도율, 내전압, 굽힘 강도, 함유 불순물)
순도, 밀도, 개기공율, 최대 기공 직경, 열전도율, 내전압, 굽힘 강도의 측정 결과를 표 2에 나타낸다. 함유 불순물의 정량 결과를 표 3에 나타낸다.
[표 2]
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예
순도(중량 %) >99.5 >99.5 >99.5 >99.5
밀도(g/cm3) 3.95 3.94 3.93 3.90
개기공율(%) 0.0 0.0 0.0 0.1
최대 기공 직경(㎛) 100 10 10 200
열전도율(W/mK) 30 28 29 30
내전압(kV/mm) 18 20 20 13
굽힘 강도(Mpa) 370 380 368 310
표 2에 도시한 바와 같이, 실시예 1∼3의 알루미나 소결체의 순도는 99.5 중량% 이상으로 매우 높았다. 실시예 1∼3의 알루미나 소결체는 비교예에 비교해서 고밀도였다. 더욱이, 실시예 1∼3의 알루미나 소결체는 개기공율이 0.0(%)로, 개기공이 존재하지 않은 데 대하여, 비교예의 알루미나 소결체에는 개기공이 존재했다. 더욱이, 실시예 1∼3의 알루미나 소결체 최대 기공 직경은 100 μm 이하이며, 특히, 실시예 2, 3의 최대 기공 직경은 10 μm로 작았다. 이에 대하고, 비교예의 알루미나 소결체 최대 기공 직경은 200 μm로 컸다. 이와 같이, 실시예 1∼3에서는 매우 치밀한 알루미늄 소결체가 형성되고 있었다.
더욱이, 실시예 1∼3의 알루미나 소결체는 열전도율도 양호했다. 또한, 실시예 1∼3의 알루미나 소결체는 비교예에 비교해서 매우 높은 내전압을 갖추고 있 었다. 실시예 1∼3의 알루미나 소결체는 굽힘 강도가 모두 350 MPa를 넘고 있어, 비교예의 알루미나 소결체에 비교해서 매우 굽힘 강도가 높았다.
또, 표 3에 나타낸 바와 같이, 알루미나 소결체에 포함되는 불순물의 양은 핫프레스법에 의한 소성을 실시한 실시예 1∼3과, 상압 소성법에 의한 소성을 한 비교예에서 달랐다. 비교예의 알루미나 소결체에는 실시예 1∼3의 알루미나 소결체에 비교해서, 다량의 칼슘(Ca), 산화이트륨(Y)이 포함되어 있었다. 이에 대하여, 실시예 1∼3의 알루미나 소결체는 Ca, Y의 함유량이 적고 고순도였다.
(흡착력, 탈착 응답성)
흡착력의 측정 결과를 도 6에, 탈착 응답성의 측정 결과를 도 7에 도시한다. 도 6에서, 종축은 흡착력(Torr)을 나타내고, 횡축은 온도(℃)를 나타낸다. 도 7에서, 종축은 탈착 시간(dechuck 시간)(초)을 나타내고, 횡축은 온도(℃)를 나타낸다.
도 6에 도시한 바와 같이, 실시예 1∼3의 정전 척은 실온에서부터 300℃까지의 넓은 온도 범위에서, 20 Torr(2.66×103 pa) 이상의 높은 흡착력을 유지하고 있었다. 더욱이, 실시예 1, 2의 정전 척은 300℃을 넘어서도 높은 흡착력을 유지하고, 실온에서부터 400℃까지의 보다 넓은 온도 범위에서 20 Torr(2.66×103 pa) 이상의 높은 흡착력을 유지하고 있었다.
더욱이, 도 7에 도시한 바와 같이, 실시예 1, 2의 정전 척은 실온에서부터 400℃까지의 넓은 온도 범위에서 기판의 탈착 응답 시간이 5초 이내로 빨라, 탈착 응답성에 매우 우수했다. 특히, 실시예 1, 2의 정전 척은 체적 고유 저항치가 1015 Ω·cm 이상인 300℃ 이하에서는 순간적으로 기판을 탈착할 수 있었다. 실시예 3의 정전 척은 실온에서부터 200℃까지의 넓은 온도 범위에서 기판의 탈착 응답 시간이 5초 이내로 빨라, 탈착 응답성에 매우 우수했다. 특히, 실시예 3의 정전 척은 150℃ 이하에서는 순간적으로 기판을 탈착할 수 있었다.
그러나, 비교예의 정전 척은 온도의 상승에 따라 흡착력이 저하되어 버렸다. 더욱이, 비교예의 정전 척은 어느 온도에서도 실시예 1∼3에 비교해서 탈착 응답성이 나빴다. 특히, 비교예의 정전 척은 체적 고유 저항치가 1014 Ω·cm 이하로 되어 버리는 150℃ 이상에서는 기판의 탈착 응답 시간이 30초 이상이나 필요했다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 넓은 온도 범위에서 안정된 흡착력을 유지할 수 있고, 기판에의 누설 전류를 저감시킨, 탈착 응답성이 양호한 정전 척, 넓은 온도 범위에서 높은 절연성을 유지하는 알루미나 소결 부재 및 이들의 제조 방법을 제공할 수 있다.

Claims (46)

  1. 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상이며, 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체로 이루어지는 세라믹스 유전체층과,
    상기 세라믹스 유전체층의 한 쪽 면에 형성된 면형의 전극
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 정전 척.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알루미나 소결체는 400℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미나 소결체는 순도가 99.5 중량% 이상이며, 밀도가 3.80∼4.00 g/cm3인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미나 소결체는 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성된 것을 특징으로 하는 정전 척.
  5. 제3항에 있어서, 상기 알루미나 소결체는 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분 위기에서 핫프레스법에 의해 소성된 것을 특징으로 하는 정전 척.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세라믹스 유전체층은 두께가 0.05 mm∼0.50 mm인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  7. 제3항에 있어서, 상기 세라믹스 유전체층은 두께가 0.05 mm∼0.50 mm인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  8. 제4항에 있어서, 상기 세라믹스 유전체층은 두께가 0.05 mm∼0.50 mm인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  9. 제5항에 있어서, 상기 세라믹스 유전체층은 두께가 0.05 mm∼0.50 mm인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극을 통해 상기 세라믹스 유전체층과 접합된 세라믹스 기체(基體)를 지니고,
    상기 세라믹스 유전체층, 상기 전극 및 상기 세라믹스 기체는 핫프레스법에 의해 소성된 일체 소결품인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  11. 제3항에 있어서, 상기 전극을 통해 상기 세라믹스 유전체층과 접합된 세라믹 스 기체를 지니고,
    상기 세라믹스 유전체층, 상기 전극 및 상기 세라믹스 기체는 핫프레스법에 의해 소성된 일체 소결품인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  12. 제4항에 있어서, 상기 전극을 통해 상기 세라믹스 유전체층과 접합된 세라믹스 기체를 지니고,
    상기 세라믹스 유전체층, 상기 전극 및 상기 세라믹스 기체는 핫프레스법에 의해 소성된 일체 소결품인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  13. 제5항에 있어서, 상기 전극을 통해 상기 세라믹스 유전체층과 접합된 세라믹스 기체를 지니고,
    상기 세라믹스 유전체층, 상기 전극 및 상기 세라믹스 기체는 핫프레스법에 의해 소성된 일체 소결품인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  14. 제6항에 있어서, 상기 전극을 통해 상기 세라믹스 유전체층과 접합된 세라믹스 기체를 지니고,
    상기 세라믹스 유전체층, 상기 전극 및 상기 세라믹스 기체는 핫프레스법에 의해 소성된 일체 소결품인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  15. 제7항에 있어서, 상기 전극을 통해 상기 세라믹스 유전체층과 접합된 세라믹 스 기체를 지니고,
    상기 세라믹스 유전체층, 상기 전극 및 상기 세라믹스 기체는 핫프레스법에 의해 소성된 일체 소결품인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  16. 제8항에 있어서, 상기 전극을 통해 상기 세라믹스 유전체층과 접합된 세라믹스 기체를 지니고,
    상기 세라믹스 유전체층, 상기 전극 및 상기 세라믹스 기체는 핫프레스법에 의해 소성된 일체 소결품인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  17. 제9항에 있어서, 상기 전극을 통해 상기 세라믹스 유전체층과 접합된 세라믹스 기체를 지니고,
    상기 세라믹스 유전체층, 상기 전극 및 상기 세라믹스 기체는 핫프레스법에 의해 소성된 일체 소결품인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  18. 제10항에 있어서, 상기 세라믹스 기체는 알루미나 소결체인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  19. 제11항에 있어서, 상기 세라믹스 기체는 알루미나 소결체인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  20. 제12항에 있어서, 상기 세라믹스 기체는 알루미나 소결체인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  21. 제13항에 있어서, 상기 세라믹스 기체는 알루미나 소결체인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  22. 제14항에 있어서, 상기 세라믹스 기체는 알루미나 소결체인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  23. 제15항에 있어서, 상기 세라믹스 기체는 알루미나 소결체인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  24. 제16항에 있어서, 상기 세라믹스 기체는 알루미나 소결체인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  25. 제17항에 있어서, 상기 세라믹스 기체는 알루미나 소결체인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  26. 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상이며, 200℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체로 이루어지는 세라믹스 유전체층과,
    상기 세라믹스 유전체층의 한 쪽 면에 형성된 면형의 전극
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 정전 척.
  27. 제26항에 있어서, 상기 알루미나 소결체는 순도가 99.5 중량% 이상이며, 밀도가 3.80∼4.00 g/cm3인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  28. 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 알루미나 소결체는 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성된 것을 특징으로 하는 정전 척.
  29. 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 세라믹스 유전체층은 두께가 0.05 mm∼0.50 mm인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  30. 제28항에 있어서, 상기 세라믹스 유전체층은 두께가 0.05 mm∼0.50 mm인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  31. 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 전극을 통해 상기 세라믹스 유전체층과 접합된 세라믹스 기체를 지니고,
    상기 세라믹스 유전체층, 상기 전극 및 상기 세라믹스 기체는 핫프레스법에 의해 소성된 일체 소결품인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  32. 제28항에 있어서, 상기 전극을 통해 상기 세라믹스 유전체층과 접합된 세라믹스 기체를 지니고,
    상기 세라믹스 유전체층, 상기 전극 및 상기 세라믹스 기체는 핫프레스법에 의해 소성된 일체 소결품인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  33. 제29항에 있어서, 상기 전극을 통해 상기 세라믹스 유전체층과 접합된 세라믹스 기체를 지니고,
    상기 세라믹스 유전체층, 상기 전극 및 상기 세라믹스 기체는 핫프레스법에 의해 소성된 일체 소결품인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  34. 제30항에 있어서, 상기 전극을 통해 상기 세라믹스 유전체층과 접합된 세라믹스 기체를 지니고,
    상기 세라믹스 유전체층, 상기 전극 및 상기 세라믹스 기체는 핫프레스법에 의해 소성된 일체 소결품인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  35. 제31항에 있어서, 상기 세라믹스 기체는 알루미나 소결체인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  36. 알루미나를 99.5 중량% 이상 포함하는 세라믹스 원료 분말을 이용하여 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성함으로써 알루미나 소결체를 제작하는 공정과,
    면형의 전극을 형성하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 척의 제조 방법.
  37. 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상이며, 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 것을 특징으로 하는 알루미나 소결 부재.
  38. 제37항에 있어서, 400℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 것을 특징으로 하는 알루미나 소결 부재.
  39. 제37항 또는 제38항에 있어서, 순도가 99.5 중량% 이상이며, 밀도가 3.80∼4.00 g/cm3인 것을 특징으로 하는 알루미나 소결 부재.
  40. 제37항 또는 제38항에 있어서, 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성된 것을 특징으로 하는 알루미나 소결 부재.
  41. 제39항에 있어서, 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성된 것을 특징으로 하는 알루미나 소결 부재.
  42. 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상이며, 200℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015 Ω·cm 이상인 것을 특징으로 하는 알루미나 소결 부재.
  43. 제42항에 있어서, 순도가 99.5 중량% 이상이며, 밀도가 3.80∼4.00 g/cm3인 것을 특징으로 하는 알루미나 소결 부재.
  44. 제42항 또는 제43항에 있어서, 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성된 것을 특징으로 하는 알루미나 소결 부재.
  45. 알루미나를 99.5 중량% 이상 포함하는 세라믹스 원료 분말을 이용하여 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성함으로써, 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상이며, 300℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1014 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체를 제작하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미나 소결 부재의 제조 방법.
  46. 알루미나를 99.5 중량% 이상 포함하는 세라믹스 원료 분말을 이용하여 불활성 가스 분위기 혹은 환원 분위기에서 핫프레스법에 의해 소성함으로써, 실온에서의 체적 고유 저항치가 1×1017 Ω·cm 이상이며, 200℃에서의 체적 고유 저항치가 1×1015 Ω·cm 이상인 알루미나 소결체를 제작하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미나 소결 부재의 제조 방법.
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