KR101348650B1 - 정전 척 - Google Patents

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히로아키 호리
히로키 마츠이
이쿠오 이타쿠라
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토토 가부시키가이샤
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Abstract

전극이 표면에 형성된 세라믹 유전체와, 세라믹 유전체를 지지하는 세라믹 기판과, 세라믹 유전체와 세라믹 기판을 접합하는 제 1 접합제를 구비하고, 제 1 접합제는 유기재료를 포함하는 주제와, 무기재료를 포함하는 무정형 필러와, 무기재료를 포함하는 구형 필러를 갖고, 제 1 주제 내에는 제 1 무정형 필러와 제 1 구형 필러가 분산 배합되어서 이루어지고, 제 1 주제, 제 1 무정형 필러, 및 제 1 구형 필러는 전기절연성 재료로 이루어지고, 제 1 구형 필러의 평균 직경은 제 1 무정형 필러 단축의 최대값보다 크고, 제 1 접합제의 두께는 제 1 구형 필러의 평균 직경과 같거나 또는 큰 것을 특징으로 한다.

Description

정전 척{ELECTROSTATIC CHUCK}
본 발명은 정전 척에 관한 것이다.
피처리 기판을 진공 챔버 내에서 처리하는 프로세스에 있어서, 피처리 기판을 유지 고정하는 수단으로서 정전 척이 사용된다. 최근, 택트 타임의 단축 목적을 위해서 고밀도 플라즈마를 사용하는 프로세스가 일반화되고 있다. 이 때문에, 고밀도 플라즈마로부터 피처리 기판으로 유입되는 열류속을 효율적으로 정전 척 밖으로 제거하는 방법이 요구되고 있다.
예를 들면, 정전 척의 하측에 온도 조절 플레이트를 접합제에 의해 접합시킨 구조가 개시되어 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조). 이 구조에서는 도전체의 금속 베이스 기판 상에 전극이 부착된 세라믹판을 고무 등의 접합제에 의해 접착하고 있다. 피처리 기판에 유입된 열류속은 정전 척을 통과하여 냉매체를 유통시킨 온도 조절 플레이트로 전도되고, 냉매체에 의해 정전 척 밖으로 열배출된다.
그러나, 금속 베이스 기판, 세라믹판의 열전도율에 비해서 수지로 구성된 접합제의 열전도율은 1, 2자리 낮다. 따라서, 접합제는 열에 대한 저항이 될 수 있다. 이 때문에, 효율적으로 열을 열배출하기 위해서는 가능한 한 접합제를 얇게 할 필요가 있다. 그러나, 접합제를 얇게 하면 금속 베이스 기판과 세라믹판의 온도차, 또는 금속 베이스 기판과 세라믹판의 열팽창계수차에 의해 발생하는 금속 베이스 기판과 세라믹판의 어긋남이 접합제로 완화할 수 없게 되어 그 접착력이 저감되어버린다.
이에 대하여 접합제의 열전도율을 향상시키기 위해서 열전도 필러를 접합제에 혼합 분산시킨 구조가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
일본 특허 공개 소 63-283037호 공보 일본 특허 공개 평 02-027748호 공보
그런데, 열전도 필러를 혼합 분산시킨 접합제에 의해 정전 척의 구성 부품인 세라믹 유전체와 세라믹 기판을 접착할 경우, 세라믹 유전체측에 크랙이 발생하는 경우가 있다. 이것은 접합제에 혼합 분산시킨 열전도 필러가 무정형이며, 또한 크기에 편차(분포)가 있기 때문이다.
예를 들면, 세라믹 유전체와 세라믹 기판은 그 사이에 접합제를 개재시키고, 접합제를 핫프레스에 의해 경화시켜서 접착한다. 이때, 무정형 필러의 크기에 편차가 있으면 접합제의 두께는 무정형 필러의 크기로 결정되어버린다.
특히, 큰 형상의 무정형 필러가 존재하면 핫프레스 경화시에는 이 무정형 필러에 압력이 집중되어 무정형 필러가 접촉하는 세라믹 유전체에 과잉의 응력이 인가된다. 그 결과, 세라믹 유전체측에 크랙이 발생하는 경우가 있다.
본 발명의 과제는 접합제가 얇고, 높은 열전도율을 갖고, 또한 정전 척의 구성 부품에 크랙이 발생하기 어려운 정전 척을 제공하는 것이다.
제 1 발명은 정전 척에 관한 것으로서, 전극이 표면에 형성된 세라믹 유전체와, 상기 세라믹 유전체를 지지하는 세라믹 기판과, 상기 세라믹 유전체와 상기 세라믹 기판을 접합하는 제 1 접합제를 구비하고, 상기 제 1 접합제는 유기재료를 포함하는 제 1 주제(主劑)와, 무기재료를 포함하는 제 1 무정형 필러와, 무기재료를 포함하는 제 1 구형 필러를 갖고, 상기 제 1 주제 내에는 상기 제 1 무정형 필러와 상기 제 1 구형 필러가 분산 배합되어서 이루어지고, 상기 제 1 주제, 상기 제 1 무정형 필러, 및 상기 제 1 구형 필러는 전기절연성 재료로 이루어지고, 상기 제 1 구형 필러의 평균 직경은 모든 상기 제 1 무정형 필러 단축의 최대값보다 크고, 상기 제 1 접합제의 두께는 상기 제 1 구형 필러의 평균 직경과 같거나 또는 큰 것을 특징으로 한다.
세라믹 기판과 전극이 형성된 세라믹 유전체를 대향시켜서 각각을 제 1 접합제로 접착하여 일체화시킴으로써 전극 주위의 전기절연성을 확보할 수 있다. 여기에서, 세라믹 기판 및 세라믹 유전체 재질의 주성분은 세라믹 소결체이며, 수지제의 정전 척에 비해서 정전 척의 내구성, 신뢰성이 우수하다.
또한, 제 1 구형 필러 및 제 1 무정형 필러는 무기재료이기 때문에 각각의 크기(예를 들면 지름)를 제어하기 쉽다. 이 때문에, 제 1 접합제의 제 1 주제와의 혼합 분산이 용이해진다. 제 1 접합제의 제 1 주제, 제 1 무정형 필러, 및 제 1 구형 필러는 전기절연성 재료이기 때문에 전극 주위의 전기절연성을 확보할 수 있다.
또한, 제 1 구형 필러의 평균 직경은 모든 제 1 무정형 필러 단축의 최대값보다 크다. 이 때문에, 제 1 구형 필러에 의해 제 1 접합제의 두께를 제 1 구형 필러의 평균 직경과 같거나 또는 평균 직경보다 크게 제어할 수 있다. 이에 따라, 제 1 접합제의 핫프레스 경화시에는 무정형 필러에 의해 세라믹 유전체에 국부적인 응력이 인가되지 않아 세라믹 유전체의 크랙 발생을 방지할 수 있다.
제 2 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 상기 제 1 구형 필러의 평균 직경은 상기 제 1 무정형 필러 단축의 최대값보다 10㎛ 이상 큰 것을 특징으로 한다.
제 1 구형 필러의 평균 직경을 제 1 무정형 필러 단축의 최대값보다 10㎛ 이상 크게 하면, 제 1 접합제를 핫프레스 경화할 때에 제 1 접합제의 두께를 제 1 무정형 필러의 크기가 아니라 제 1 구형 필러의 직경으로 제어할 수 있다. 즉, 핫프레스 경화시에 있어서 제 1 무정형 필러에 의해 세라믹 기판, 세라믹 유전체에 국소적인 응력이 인가되기 어려워진다. 이에 따라, 세라믹 유전체의 크랙 발생을 방지할 수 있다.
또한, 제 1 접합제의 상하에 위치하는 세라믹 기판과 세라믹 유전체의 평면도, 두께의 편차가 10㎛ 이하(예를 들면 5㎛)일 경우, 제 1 구형 필러의 평균 직경을 제 1 무정형 필러 단축의 최대값보다 10㎛ 이상으로 함으로써 세라믹 기판 및 세라믹 유전체의 표면 요철을 제 1 접합제에 의해 흡수(완화)할 수 있다.
또한, 세라믹 기판의 표면에 설치된 전극의 평면도, 두께의 편차가 10㎛ 이하(예를 들면 5㎛)일 경우, 제 1 구형 필러의 평균 직경을 제 1 무정형 필러 단축의 최대값보다 10㎛ 이상으로 함으로써 전극의 표면 요철을 제 1 접합제에 의해 흡수(완화)할 수 있다. 이 경우, 제 1 구형 필러는 세라믹 기판, 세라믹 유전체에 접촉하지 않고 전극의 표면에 접촉한다. 이 때문에, 세라믹 유전체의 크랙 발생을 억제할 수 있다.
제 3 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 상기 제 1 구형 필러의 체적 농도(vol%)는 상기 제 1 무정형 필러를 함유시킨 상기 제 1 접합제의 체적에 대하여 0.025vol%보다 크고 42.0vol% 미만인 것을 특징으로 한다.
제 1 구형 필러의 체적 농도(vol%)를 제 1 무정형 필러를 함유시킨 제 1 접합제의 체적의 0.025vol%보다 크게 하면 제 1 구형 필러의 제 1 접합제 내에서의 분산이 양호해진다. 즉, 제 1 구형 필러를 제 1 접합제 내에서 골고루 분포시킬 수 있다. 이에 따라, 제 1 접합제의 두께는 제 1 구형 필러 평균 직경과 같거나 또는 제 1 구형 필러 평균 직경보다 두꺼워진다. 이 때문에, 제 1 접합제를 핫프레스 경화할 때에 제 1 무정형 필러에 의해 세라믹 유전체에 국소적인 압력이 인가되기 어려워진다. 그 결과, 세라믹 유전체의 크랙 발생을 억제할 수 있다.
또한, 그 체적 농도(vol%)를 42.0vol% 미만으로 함으로써 제 1 구형 필러를 제 1 무정형 필러를 함유시킨 제 1 접합제 내에서 충분히 교반할 수 있다. 즉, 체적 농도(vol%)가 42.0vol% 미만이면 제 1 무정형 필러를 함유시킨 제 1 접합제 내에서의 제 1 구형 필러의 분산이 균일해진다.
제 4 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 상기 제 1 접합제의 상기 제 1 주제의 재질은 실리콘 수지, 에폭시 수지, 불소 수지 중 어느 1개인 것을 특징으로 한다.
제 1 접합제의 제 1 주제의 재질을 변화시킴으로써 제 1 주제를 경화시킨 후의 제 1 주제의 특성을 적당하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 경화시킨 후의 제 1 접합제에 유연성이 요구될 경우에는 비교적 경도가 낮은 실리콘 수지 또는 불소 수지가 사용된다. 경화시킨 후의 제 1 접합제에 강성이 요구될 경우, 비교적 경도가 높은 에폭시 수지가 사용된다. 경화시킨 후의 제 1 접합제에 플라즈마 내구성이 요구될 경우, 불소 수지가 사용된다.
제 5 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 상기 제 1 구형 필러 및 상기 제 1 무정형 필러의 열전도율은 상기 제 1 접합제의 상기 제 1 주제의 열전도율보다 높은 것을 특징으로 한다.
제 1 접합제의 제 1 주제보다 제 1 구형 필러 및 제 1 무정형 필러의 열전도율이 높기 때문에, 주제 단체의 접합제보다 제 1 접합제의 열전도율이 높아져서 냉각 성능이 향상된다.
제 6 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 상기 제 1 구형 필러의 재질과 상기 제 1 무정형 필러의 재질이 다른 것을 특징으로 한다.
제 1 구형 필러를 제 1 접합제에 첨가하는 목적은 제 1 접합제 두께의 균일화를 도모하거나 세라믹 유전체에 인가되는 응력을 분산시키기 위해서이다. 제 1 무정형 필러를 제 1 접합제에 첨가하는 목적은 제 1 접합제의 열전도율의 증가나 열전도율의 균일화를 도모하기 위해서이다.
이렇게, 각 목적에 합치된 보다 좋은 재질을 선택함으로써 보다 높은 퍼포먼스를 얻을 수 있다.
제 7 발명에서는 제 5 발명에 있어서, 상기 제 1 구형 필러의 열전도율은 상기 제 1 무정형 필러의 열전도율보다 낮은 것을 특징으로 한다.
예를 들면, 세라믹 기판, 세라믹 유전체, 또는 세라믹 유전체에 설치된 전극에 제 1 구형 필러가 접촉했을 경우, 이 접촉하는 부분과 그 밖의 부분의 열전도율의 차가 작아진다. 이에 따라, 세라믹 유전체의 면내 온도 분포의 균일화를 도모할 수 있다.
제 8 발명에서는 제 7 발명에 있어서, 상기 제 1 구형 필러의 열전도율은 상기 제 1 무정형 필러와 상기 제 1 주제의 혼합물의 열전도율과 같거나 또는 작은 것을 특징으로 한다.
제 1 구형 필러의 열전도율을 제 1 무정형 필러와 제 1 주제의 혼합물의 열전도율과 같거나 또는 작게 하면 제 1 접합제 내의 열전도율이 보다 균일해지고, 열전도시의 제 1 접합제 내에서의 핫스폿 또는 콜드스폿과 같은 온도의 특이점의 발생이 억제된다.
제 9 발명에서는 제 8 발명에 있어서, 상기 제 1 구형 필러의 열전도율은 상기 제 1 무정형 필러와 상기 제 1 주제의 상기 혼합물의 열전도율의 0.4배∼1.0배의 범위에 있는 것을 특징으로 한다.
제 1 구형 필러의 열전도율을 제 1 무정형 필러와 제 1 주제의 혼합물의 열전도율의 0.4배∼1.0배의 범위로 함으로써 보다 바람직하게 제 1 접합제 내의 열전도율을 균일하게 할 수 있다. 그 결과, 열전도시의 제 1 접합제 내에서의 핫스폿 또는 콜드스폿과 같은 온도의 특이점의 발생이 억제된다.
제 1 구형 필러의 열전도율을 제 1 무정형 필러와 제 1 주제의 혼합물의 열전도율의 0.4배 미만으로 하면 제 1 구형 필러 및 그 주변의 제 1 접합제의 열전도율이 낮아진다. 그 결과, 세라믹 유전체 및 피흡착물인 피처리 기판에 열류속을 부여했을 때 제 1 접합제 내에 핫스폿이 발생한다.
제 1 구형 필러의 열전도율을 제 1 무정형 필러와 제 1 주제의 혼합물의 열전도율의 1.0배보다 크게 하면 제 1 구형 필러 및 그 주변의 제 1 접합제의 열전도율이 높아진다. 그 결과, 세라믹 유전체 및 피흡착물인 피처리 기판에 열류속을 부여했을 때 제 1 접합제 내에 콜드스폿이 발생한다.
제 10 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 상기 세라믹 유전체의 두께는 상기 세라믹 기판의 두께와 같거나 또는 얇은 것을 특징으로 한다.
세라믹 기판의 두께를 세라믹 유전체보다 동일하거나 또는 두껍게 하면 세라믹 유전체를 세라믹 기판에 의해 확실하게 유지 고정할 수 있다. 이에 따라, 세라믹 유전체와 세라믹 기판을 접착시킨 후에 있어서 세라믹 유전체를 가공해도 세라믹 유전체의 균열 발생을 방지할 수 있다. 또한, 가공 후의 세라믹 유전체의 평면도 및 두께의 균일성이 양호해진다.
제 11 발명에서는 제 10 발명에 있어서, 상기 제 1 구형 필러의 비커스 경도는 상기 세라믹 유전체의 비커스 경도보다 작은 것을 특징으로 한다.
제 1 구형 필러에 의해 제 1 접합제의 두께는 제 1 구형 필러의 평균 직경과 같거나 또는 평균 직경보다 큰 값으로 제어된다. 가령, 제 1 구형 필러 중에서 평균 직경보다 큰 개체가 분산 혼합된 경우라도 제 1 구형 필러의 비커스 경도를 세라믹 유전체의 비커스 경도보다 작게 함으로써 제 1 접합제의 핫프레스 경화시에 평균 직경보다 큰 구형 필러의 개체가 세라믹 유전체보다 먼저 파괴된다. 이 때문에, 세라믹 유전체에 국부적인 응력이 인가되지 않아 세라믹 유전체의 크랙 발생을 방지할 수 있다.
제 12 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 상기 세라믹 기판에 접합되는 온조부(溫調部)와, 상기 세라믹 기판과 상기 온조부를 접합하는 제 2 접합제를 더 구비하고, 상기 제 2 접합제는 유기재료를 포함하는 제 2 주제와, 무기재료를 포함하는 제 2 무정형 필러와, 무기재료를 포함하는 제 2 구형 필러를 갖고, 상기 제 2 주제 내에는 상기 제 2 무정형 필러와 상기 제 2 구형 필러가 분산 배합되어서 이루어지고, 상기 제 2 주제, 상기 제 2 무정형 필러, 및 상기 제 2 구형 필러는 전기절연성 재료로 이루어지고, 상기 제 2 구형 필러의 평균 직경은 모든 상기 제 2 무정형 필러 단축의 최대값보다 크고, 상기 제 2 접합제의 두께는 상기 제 2 구형 필러의 평균 직경과 같거나 또는 크고, 상기 제 2 구형 필러의 평균 직경은 상기 제 1 구형 필러의 평균 직경보다 큰 것을 특징으로 한다.
제 2 구형 필러의 평균 직경은 모든 제 2 무정형 필러 단축의 최대값보다 크기 때문에, 제 2 구형 필러에 의해 제 2 접합제의 두께를 제 2 구형 필러의 평균 직경과 같거나 또는 평균 직경보다 크게 제어할 수 있다. 이에 따라, 제 2 접합제를 핫프레스 경화할 때에 무정형 필러에 의해 세라믹 기판에 국부적인 응력이 인가되지 않아 세라믹 기판의 크랙 발생을 방지할 수 있다.
또한, 세라믹 기판에 온조부(온도 조절 플레이트)를 접착함으로써 세라믹 기판의 강성이 증가한다. 또한, 세라믹 유전체를 가공할 때에는 세라믹 유전체의 균열 발생을 방지할 수 있다. 제 2 접합제에는 구형 필러가 분산 배합됨으로써 균일한 두께로 세라믹 기판을 유지 고정할 수 있다. 그 결과, 세라믹 유전체에 가공을 실시해도 세라믹 유전체의 균열 발생을 방지할 수 있다.
또한, 온조부가 금속제일 경우에는 온조부의 선팽창계수가 세라믹 기판의 선팽창계수보다 커진다. 제 2 구형 필러의 평균 직경을 제 1 구형 필러의 평균 직경보다 크게 함으로써 제 2 접합제의 두께는 제 1 접합제의 두께보다 두꺼워진다. 이에 따라, 세라믹 기판과 온조부 사이의 열팽창 수축차가 제 2 접합제 내에서 흡수되기 쉬워지고, 세라믹 기판의 변형이나 세라믹 기판과 온조부의 박리가 발생하기 어려워진다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면 접합제가 얇고, 높은 열전도율을 갖고, 또한 정전 척의 구성 부품에 크랙이 발생하기 어려운 정전 척이 실현된다.
도 1은 정전 척의 요부 단면 모식도이며, 도 1(b)는 도 1(a)의 화살표(A)로 나타내는 부분의 확대도이고, 도 1(c)는 도 1(b)의 화살표(B)로 나타내는 부분의 확대도이다.
도 2는 세라믹 유전체에 크랙 발생이 일어났을 경우의 모식도이다.
도 3은 접합제의 단면 SEM상이며, 도 3(a)는 구형 필러 및 무정형 필러가 혼합 분산된 접합제의 단면 SEM상이고, 도 3(b)는 무정형 필러가 혼합 분산된 접합제의 단면 SEM상이다.
도 4는 무정형 필러의 단축을 설명하는 도면이다.
도 5는 정전 척의 효과의 일례를 설명하는 도면이다.
이하에, 구체적인 실시형태를 도면을 참조하면서 설명한다. 이하에 설명하는 실시형태에는 상술한 과제를 해결하기 위한 수단의 내용도 포함된다.
최초에, 본 발명의 실시형태에서 사용되는 어구에 대하여 설명한다.
(세라믹 기판, 세라믹 유전체)
세라믹 기판(지지 기판, 중간 기판이라고도 칭함)이란 세라믹 유전체를 지지하는 스테이지이다. 세라믹 유전체란 피처리 기판을 적재하기 위한 스테이지이다. 세라믹 기판 및 세라믹 유전체에 있어서는 그 재질이 세라믹 소결체이며 두께가 균일하게 설계되어 있다. 세라믹 기판 및 세라믹 유전체의 주면의 평면도에 있어서도 소정의 범위 내에 설계되어 있다. 각각의 두께가 균일하고, 또는 각각의 주면의 평면도가 확보되어 있으면 핫프레스 경화시에 세라믹 기판 및 세라믹 유전체에 국소적인 응력이 인가되기 어렵다. 또한, 세라믹 기판 및 세라믹 유전체에 끼워진 접합제의 두께를 구형 필러의 평균 직경에 의해 제어할 수 있다.
세라믹 기판의 직경은 300㎜ 정도이며 두께는 2∼3㎜ 정도이다. 세라믹 유전체의 직경은 300㎜ 정도이며 두께는 1㎜ 정도이다. 세라믹 기판 및 세라믹 유전체의 평면도는 20㎛ 이하이다. 세라믹 기판 및 세라믹 유전체의 두께의 편차는 20㎛ 이하이다. 또한, 세라믹 기판 및 세라믹 유전체의 평면도, 두께의 편차에 관해서는 10㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.
(접합제)
접합제란 세라믹 기판과 세라믹 유전체, 또는 세라믹 기판과 온조부를 접착하기 위한 접합제이다. 접합제(접착제, 접합층이라고도 칭함)에 있어서는 가열 경화 온도가 낮고, 경화 후의 유연성을 확보하는 형편상 유기재료인 접합제가 바람직하다. 접합제의 주제의 재질은 실리콘 수지, 에폭시 수지, 불소계 수지 중 어느 하나이다. 예를 들면, 접합제로서 비교적 경도가 낮은 실리콘 수지 접합제 또는 불소계 수지 접합제가 사용된다. 실리콘 수지 접합제의 경우, 2액 부가형이 보다 바람직하다. 실리콘 수지 접합제를 2액 부가형으로 하면 탈옥심형이나 탈알콜형에 비해서 접합제의 심부에 있어서의 경화성이 높고, 또한 경화시에 기체(보이드)가 발생하기 어려워진다. 또한, 2액 부가형으로 하면 1액 부가형보다 경화 온도가 낮아진다. 이에 따라, 접합제 내에서 발생하는 응력이 보다 작아진다. 또한, 접합제에 높은 강성을 요구할 경우에는 에폭시 수지 접합제 또는 불소계 수지가 사용된다. 또한, 접합제에 높은 내플라즈마 내구성을 요구할 경우에는 불소계 접합제가 사용된다.
(무정형 필러)
무정형 필러는 접합제의 열전도율의 증가를 도모하기 위한 첨가재이다. 이 때문에, 그 형상은 무정형인 것이 바람직하다. 접합제의 주제와 무정형 필러를 혼합 분산시킨 접합제에서는 주제만인 접합제에 비해서 열전도율이 높아진다. 예를 들면, 접합제의 주제 단체에서는 열전도율이 0.2(W/mK) 정도였던 것에 대해서 실리콘 주제와 알루미나 무정형 필러를 혼합했을 경우 열전도율이 0.8∼1.7(W/mK)까지 증가한다. 또한, 접합제의 주제로의 충전율을 향상시키기 위해서 2종류 이상의 평균 지름의 무정형 필러를 혼합 분산시켜도 좋다. 무정형 필러의 재질은 무기재료이다. 구체적인 재질로서는 예를 들면 알루미나, 질화알루미늄, 실리카 등이 해당된다. 무정형 필러와 접합제의 주제의 친화성을 높이기 위해서 무정형 필러 표면을 처리하는 경우도 있다. 무정형 필러의 중량 농도는 접합제의 주제에 대하여 70∼80(wt%)이다.
(구형 필러)
구형 필러는 접합제의 두께를 제어하기 위한 첨가재이다. 접합제의 두께를 정밀도 좋게 컨트롤하기 위해서는 그 형상은 구형인 것이 바람직하다. 구형 필러의 재질은 무기재료이다. 단, 구형 필러의 재질과 무정형 필러의 재질은 다르다. 구형 필러의 재질은 예를 들면 유리 등이 해당된다. 필러 형상이 구형이 되면 접합제로의 혼합 분산이 용이해진다. 또한, 접착시에 있어서 구형 필러와 세라믹 기판 또는 세라믹 유전체 사이에 무정형 필러가 존재해도 구형 필러의 형상이 구형이기 때문에 무정형 필러가 접합제 내에서 움직이기 쉬워진다. 구형 필러의 형상은 진구형에 가깝고, 또한 직경의 분포가 좁은 편이 바람직하다. 이에 따라, 접합제의 두께를 보다 정확하게 컨트롤할 수 있다. 또한, 무정형 필러보다 구형 필러의 직경이 큰 것이 접합제의 두께를 컨트롤하는 점에서 보다 바람직하다.
구형 필러의 「구형」이란 진구 형상뿐만 아니라 진구 형상에 근사한 형상, 즉 전체 중 90% 이상의 입자가 형상 인자 1.0∼1.4의 범위에 있는 것을 말한다. 여기에서, 형상 인자란 현미경에서 확대하여 관찰한 수 백개(예를 들면 200개)의 입자의 장축과, 장축에 직교하는 단축의 비의 평균값으로부터 산출된다. 따라서, 완전한 구형 입자만이라면 형상 인자는 1.0이고, 이 형상 인자가 1.0에서 벗어날수록 비구형이 된다. 또한, 여기에서 말하는 무정형이란 이 형상 인자 1.4를 초과하는 것을 말한다.
또한, 구형 필러의 입자지름 분포 폭은 무정형 필러의 입자지름 분포 폭보다 좁다. 즉, 구형 필러의 입자지름의 편차는 무정형 필러의 입자지름의 편차보다 작다. 여기에서, 입자지름 분포 폭이란 예를 들면 입자지름 분포의 반값 폭, 입자지름 분포의 반의 반값 폭, 표준편차 등을 이용하여 정의된다.
구형 필러를 접합제에 첨가하는 목적은 접합제 두께의 균일화를 도모하거나 세라믹 유전체에 인가되는 응력을 분산시키기 위해서이다. 한편, 무정형 필러를 접합제에 첨가하는 목적은 접합제의 열전도율의 증가나 열전도율의 균일화를 도모하기 위해서이다. 이렇게, 각 목적에 합치되는 보다 좋은 재질을 선택함으로써 보다 높은 퍼포먼스를 얻을 수 있다.
제 1 구형 필러의 직경 분포는 JIS R6002(연삭 숫돌용 연마제의 입도의 시험 방법)의 체선별 시험 방법에 의거하여 이하와 같은 분포로 되어 있다.
제 1 구형 필러의 직경 분포는 10%경 및 90%경이 50%경의 ±10% 이하로 제한되어 있다. 여기에서, 90%경이란 63㎛메쉬에서 메쉬 상에 90% 잔류하는 구형 필러의 직경이며, 10%경이란 77㎛메쉬에서 메쉬 상에 10% 잔류하는 구형 필러의 직경이며, 50%경이란 70㎛메쉬에서 메쉬 상에 50% 잔류하는 구형 필러의 직경이다. 본 실시형태에서는 50%경을 제 1 구형 필러의 목적값으로 한다.
(평균 직경)
평균 직경이란 예를 들면 모든 구형 필러의 직경을 서로 더한 수치를 모든 구형 필러의 수로 나눈 값이다.
(단축)
단축이란 무정형 필러의 길이 방향에 직교하는 폭 방향의 길이이다(도 4 참조).
(단축의 최대값)
단축의 최대값이란 모든 무정형 필러 단축 중 최대의 단축값이다.
(비커스 경도)
제 1 구형 필러의 비커스 경도는 세라믹 유전체의 비커스 경도보다 작은 것이 바람직하다.
제 1 구형 필러에 의해 제 1 접합제의 두께는 제 1 구형 필러의 평균 직경과 같거나 또는 평균 직경보다 큰 값으로 제어된다. 가령, 제 1 구형 필러 중에서 평균 직경보다 큰 개체가 분산 혼합된 경우라도 제 1 구형 필러의 비커스 경도를 세라믹 유전체의 비커스 경도보다 작게 함으로써 제 1 접합제의 핫프레스 경화시에 평균 직경보다 큰 구형 필러의 개체가 세라믹 유전층보다 먼저 파괴된다. 이 때문에, 세라믹 유전체에 국부적인 응력이 인가되지 않아 세라믹 유전체의 크랙 발생을 방지할 수 있다.
여기에서, 비커스 경도 시험은 JIS R 1610에 의거하여 실시하고 있다. 비커스 경도 시험기는 JIS B 7725 또는 JIS B 7735에 규정된 기기를 사용하고 있다.
(열전도율)
제 1 구형 필러의 열전도율은 제 1 무정형 필러와 제 1 주제의 혼합물의 열전도율과 같거나 또는 작게 한다. 보다 바람직하게는 제 1 구형 필러의 열전도율을 제 1 무정형 필러와 제 1 주제의 혼합물의 열전도율의 0.4배∼1.0배의 범위로 설정한다. 이 범위에 있어서, 제 1 접합제 내의 열전도율이 보다 균일해진다. 그 결과, 열전도시의 제 1 접합제 내에서의 핫스폿 또는 콜드스폿과 같은 온도의 특이점의 발생이 억제된다.
제 1 구형 필러의 열전도율은 제 1 무정형 필러와 제 1 주제의 혼합물의 열전도율의 0.4배∼1.0배의 범위에 있는 것이 바람직하다.
제 1 구형 필러의 열전도율을 제 1 무정형 필러와 제 1 주제의 혼합물의 열전도율의 0.4배∼1.0배의 범위로 함으로써 보다 바람직하게 제 1 접합제 내의 열전도율을 균일하게 할 수 있다. 그 결과, 열전도시의 제 1 접합제 내에서의 핫스폿 또는 콜드스폿과 같은 온도의 특이점의 발생이 억제된다.
제 1 구형 필러의 열전도율을 제 1 무정형 필러와 제 1 주제의 혼합물의 열전도율의 0.4배 미만으로 하면 제 1 구형 필러 및 그 주변의 제 1 접합제의 열전도율이 낮아진다. 그 결과, 세라믹 유전체 및 피흡착물인 피처리 기판에 열류속을 부여했을 때 제 1 접합제 내에 핫스폿이 발생한다.
제 1 구형 필러의 열전도율을 제 1 무정형 필러와 제 1 주제의 혼합물의 열전도율의 1.0배보다 크게 하면 제 1 구형 필러 및 그 주변의 제 1 접합제의 열전도율이 높아진다. 그 결과, 세라믹 유전체 및 피흡착물인 피처리 기판에 열류속을 부여했을 때 제 1 접합제 내에 콜드스폿이 발생한다.
제 1 구형 필러의 재질을 유리로 했을 경우, 열전도율은 0.55∼0.8(W/mK)의 범위에 있다. 제 1 구형 필러의 열전도율은 실리콘 주제와 알루미나 무정형 필러를 혼합한 혼합물의 열전도율[0.8∼1.7(W/mK)]에 대하여 바람직한 혼합으로 할 수 있다.
여기에서, 열전도율의 측정은 구형 필러에 대해서는 JIS R 1611에 의거하여 실시하고, 주제와 무정형 필러의 혼합물에 대해서는 쿄토일렉트로닉스사 제 열전도율계 QTM-D3을 사용한 열선 프로브법에 의해 실시하고 있다.
이어서, 본 실시형태에 의한 정전 척의 구성에 대하여 설명한다. 상술한 어구의 설명과 중복되는 내용에 대해서는 적당하게 생략한다.
도 1은 정전 척의 요부 단면 모식도이며, 도 1(b)는 도 1(a)의 화살표(A)로 나타내는 부분의 확대도이고, 도 1(c)는 도 1(b)의 화살표(B)로 나타내는 부분의 확대도이다.
최초에, 정전 척(1)의 개요에 대하여 설명한다.
정전 척(1)은 전극(60)이 표면에 형성된 세라믹 유전체(10)와, 세라믹 유전체(10)를 지지하는 세라믹 기판(20)과, 세라믹 유전체(10)와 세라믹 기판(20)을 접합하는 제 1 접합제(40)를 구비한다.
접합제(40)는 실리콘 등의 유기재료를 포함하는 제 1 주제(41)와, 무기재료를 포함하는 제 1 무정형 필러(43)와, 무기재료를 포함하는 제 1 구형 필러(42)를 갖는다. 제 1 주제(41) 내에는 제 1 무정형 필러(43)와 제 1 구형 필러(42)가 분산 배합되어 있다. 제 1 주제(41), 제 1 무정형 필러(43), 및 제 1 구형 필러(42)는 전기절연성 재료이며, 제 1 구형 필러(42)의 평균 직경은 모든 제 1 무정형 필러(43) 단축의 최대값보다 크다. 제 1 접합제(40)의 두께는 제 1 구형 필러(42)의 평균 직경과 같거나 또는 크게 구성되어 있다.
또한, 정전 척(1)은 세라믹 기판(20)에 접합되는 온조부(30)와, 세라믹 기판(20)과 온조부(30)를 접합하는 제 2 접합제(50)를 구비한다. 제 2 접합제(50)에 대해서는 후술한다.
정전 척(1)의 상세에 대하여 설명한다.
상술한 바와 같이, 세라믹 유전체(10)와 세라믹 기판(20) 사이에는 제 1 접합제(40)가 설치되고, 세라믹 기판(20)과 온조부(30) 사이에는 제 2 접합제(50)가 설치되어 있다.
세라믹 유전체(10)는 체적 저항률(20℃)이 109∼1013Ω·㎝인 존슨-라벡(Johnson-Rahbeck) 소재이다. 그 직경은 300㎜이며 두께는 1㎜이다.
세라믹 유전체(10)의 비커스 경도는 15㎬ 이상이다.
세라믹 유전체(10)의 주면(하면측)에는 전극(60)이 선택적으로 설치되어 있다. 전극(60)에 전압을 인가하면 세라믹 유전체(10)가 정전기를 띤다. 이에 따라, 피처리 기판을 세라믹 유전체(10) 상에 정전 흡착할 수 있다. 전극(60)의 총 면적은 세라믹 유전체(10)의 하면 면적의 70%∼80%이다. 전극(60)의 두께는 0.8㎛이다.
세라믹 기판(20)은 예를 들면 그 주성분을 고순도 알루미나(순도: 99%)로 하고, 지름이 300㎜이며 두께가 2∼3㎜이다. 세라믹 기판(20)은 전극(60)과 온조부(30) 사이의 전기적인 절연을 도모하기 위한 부재이다. 또한, 세라믹 기판(20)은 세라믹 유전체(10)를 가공할 때의 스테이지가 된다. 세라믹 기판(20)이 세라믹 유전체(10)의 토대가 됨으로써 세라믹 유전체(10)에 연삭 가공을 실시해도 세라믹 유전체(10)의 평탄성을 확보할 수 있다.
온조부(30)는 예를 들면 그 주성분을 알루미늄(Al: A6061), 또는 알루미늄과 탄화규소(SiC)의 합금으로 하고 있다. 또한, 온조부(30)에는 브레이징(brazing) 가공에 의해 내부에 매체 경로(30t)가 형성되어 있다. 매체 경로(30t)에는 온도 조절용 매체가 유통한다. 온조부(30)의 직경은 320㎜이며 두께는 40㎜이다.
또한, 접합제(40)는 주제(41)와, 구형 필러(42)와, 무정형 필러(43)를 갖는다. 접합제(40)는 진공 접착, 핫프레스 경화 등에 의해 세라믹 유전체(10)와 세라믹 기판(20) 사이에 형성된다. 주제(41)에는 구형 필러(42)와 무정형 필러(43)가 혼합 분산되어 있다. 무정형 필러(43)의 농도는 접합제(40)의 80wt% 정도이다.
접합제(40)의 재질에 대해서는 주제(41)가 실리콘 수지, 무정형 필러(43)가 알루미나 입자, 구형 필러(42)가 소다 석회 유리이다. 주제(41)와 무정형 필러(43)의 혼합물의 열전도율은 1.0(W/mK)이며, 구형 필러(42)의 열전도율은 0.7W/mK이다. 또한, 구형 필러(42)의 비커스 경도는 6㎬ 이하였다.
구형 필러(42)의 평균 직경은 약 70㎛이며, 보다 상세하게는 90%경이 66.5㎛, 50%경이 69.2㎛, 10%경이 71.8㎛이다.
제 2 접합제(50)는 유기재료를 포함하는 제 2 주제(51)와, 무기재료를 포함하는 제 2 무정형 필러(53)와, 무기재료를 포함하는 제 2 구형 필러(52)를 갖는다. 제 2 주제(51) 내에는 제 2 무정형 필러(53)와 제 2 구형 필러(52)가 분산 배합되어 있다. 제 2 주제(51), 제 2 무정형 필러(53), 및 제 2 구형 필러(52)는 전기절연성 재료이다. 제 2 구형 필러(52)의 평균 직경은 모든 제 2 무정형 필러(53)의 단축의 최대값보다 크다. 제 2 접합제(50)의 두께는 제 2 구형 필러(52)의 평균 직경과 같거나 또는 크다. 제 2 구형 필러(52)의 평균 직경은 제 1 구형 필러(42)의 평균 직경보다 크게 구성되어 있다. 접합제(50)는 진공 접착, 핫프레스 경화 등에 의해 세라믹 기판(20)과 온조부(30) 사이에 형성된다. 주제(51)에는 평균 직경이 100∼330㎛(마이크로미터 계측)인 구형 필러(52)와 무정형 필러(53)가 혼합 분산되어 있다. 접합제(50)를 세라믹 기판(20)과 온조부(30) 사이에 개재시킴으로써 세라믹 기판(20)과 온조부(30)의 열팽창 수축의 차가 완화된다. 그 결과, 세라믹 기판(20)의 변형, 세라믹 기판(20)과 온조부(30)의 박리가 발생하기 어려워진다. 무정형 필러(53)의 농도는 접합제(50)의 80wt% 정도이다.
정전 척(1)에서는 세라믹 기판(20)과 전극(60)이 형성된 세라믹 유전체(10)를 대향시켜서 각각을 접합제(40)로 접착하여 일체화시킴으로써 전극(60) 주위의 전기절연성을 확보하고 있다. 세라믹 기판 및 세라믹 유전체 재질의 주성분은 세라믹 소결체므로 수지제의 정전 척에 비해서 정전 척의 내구성, 신뢰성이 높아진다.
구형 필러(42) 및 무정형 필러(43)는 무기재료이기 때문에 각각의 크기(예를 들면 지름)를 제어하기 쉽고, 접합제(40)의 주제(41)와의 혼합 분산이 용이해진다. 접합제(40)의 주제(41), 무정형 필러(43) 및 구형 필러(42)는 전기절연성 재료이기 때문에 전극(60) 주위의 전기절연성을 확보할 수 있다.
제 1 접합제(40)에 혼합 분산되어 있는 구형 필러(42)의 평균 직경에 대해서는 이하와 같이 검증되어 있다.
우선, 표 1에 구형 필러(42)가 혼합 분산되지 않고, 무정형 필러(43)만을 주제(41)에 혼합 분산시켰을 경우의 접합제(40)의 두께를 나타낸다. 측정용 시료로서 Ｎo.1∼Ｎo.26의 합계 26개의 시료를 제작했다. 이들 시료로부터 접합제(40) 두께의 편차를 구했다. 각 시료는 직경이 300㎜인 세라믹판끼리를 무정형 필러(43)만을 주제(41)에 혼합 분산시킨 접합제(40)에 의해, 핫프레스 경화에 의해 접합한 것이다.
측정점은 각 시료 외주부의 8개소, 중간부의 8개소, 중심부의 1개소의 계 17개소이다. 이들 개소로부터 각각의 시료의 최후부(最厚部)의 두께, 최박부(最薄部)의 두께, 및 두께의 평균값을 구했다.
표 1에 나타내는 바와 같이, 접합제(40)의 최후부는 22∼60㎛의 범위에서 불규칙하게 분포되어 있다. 접합제(40)의 최박부는 3∼46㎛의 범위에서 불규칙하게 분포되어 있다. 즉, 무정형 필러(43)의 길이 방향이 세라믹 유전체(10)의 주면에 대하여 비평행이라고 하면 무정형 필러(43)의 단축은 3∼60㎛의 범위에서 불규칙하게 분포되어 있다고 추정할 수 있다. 이 경우, 무정형 필러(43) 단축의 최대값은 60㎛로 추정할 수 있다.
또한, 무정형 필러(43)의 길이 방향이 세라믹 유전체(10)의 주면에 대하여 대략 수직일 경우, 무정형 필러(43)의 장축은 3∼60㎛의 범위에서 불규칙하게 분포되어 있다고 추정할 수 있다. 이 경우, 무정형 필러(43) 장축의 최대값은 60㎛로 추정할 수 있다.
Figure 112012076765479-pct00001
실제로, 다음에 나타내는 (1)∼(5)의 제조 프로세스로 정전 척을 제조하면 무정형 필러(43)만을 주제(41)에 혼합 분산시킨 접합제(40)를 사용했을 경우에는 세라믹 유전체(10)에 크랙의 발생이 보였다.
제조 프로세스는 다음에 나타내는 (1)∼(5)의 공정을 포함한다.
(1) 우선, 세라믹 유전체(10), 세라믹 기판(20), 온조부(30)를 각각 단독으로 제작한다.
(2) 이어서, 접합제(40)의 주제(41)에 무정형 필러(43)를 혼합 분산시키고, 또한 구형 필러(42)를 혼합 분산시킨다. 혼합 분산은 혼련기로 행한다.
(3) 이어서, 세라믹 유전체(10)와 세라믹 기판(20)의 각각의 접착면에 접합제(40)를 도포하고, 진공 챔버 내에 세팅한다. 진공 챔버를 진공으로 하고, 도포한 접합제(40)끼리를 합쳐서 진공 접착을 행한다.
(4) 이어서, 진공 접착 후 핫프레스 경화기로 핫프레스 경화를 행한다. 이 공정에서는 접합제(40)의 두께를 적당하게 조정한다. 핫프레스 경화 후, 오븐에서 접합제(40)의 경화를 행한다.
(5) 경화 후, 세라믹 유전체(10)를 소정 두께까지 연삭 가공하여 정전 척의 흡착면을 형성한다. 예를 들면, 세라믹 유전체(10)를 규정 두께(1㎜)까지 연삭하여 폴리쉬 가공을 행한다.
접합제(40)의 열경화를 끝낸 직후에 있어서는 세라믹 유전체(10)에 크랙의 발생은 보이지 않았다. 그러나, 세라믹 유전체(10)의 표면을 연삭 가공하면 크랙 발생이 보였다. 예를 들면, 그 형상을 도 2에 나타낸다.
도 2는 세라믹 유전체에 크랙 발생이 일어났을 경우의 모식도이다.
도 2(a)에 나타내는 세라믹 유전체(10)는 표면 연삭 가공 후의 표면 모식도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 크랙(15)은 세라믹 유전체(10)의 내부로부터 발생하여 그 말단을 세라믹 유전체(10)의 내부에서 끝내고 있다.
이 원인을 도 2(b)를 사용하여 설명한다.
도 2(b)에 나타내는 바와 같이, 60㎛ 정도의 큰 무정형 필러(43)가 세라믹 유전체(10)와 세라믹 기판(20) 사이에 개재된 상태로 핫프레스 경화가 이루어지면 무정형 필러(43)가 세라믹 유전체(10)에 접촉한 부분에 응력이 집중된다. 이 부분이 시점(始点)이 되어 크랙(15)이 발생하는 것이라고 추정된다.
그러나, 구형 필러(42)의 평균 직경을 무정형 필러(43) 단축의 최대값(60㎛)에 10㎛를 가산한 70㎛로 하면 핫프레스 경화시에는 구형 필러(42)가 세라믹 기판(20), 세라믹 유전체(10), 또는 전극(60)에 접촉하므로 상술한 크랙 발생을 억제할 수 있었다고 생각된다.
예를 들면, 표 2에 구형 필러(42) 및 무정형 필러(43)를 주제(41)에 혼합 분산시켰을 경우의 접합제(40)의 두께 결과를 나타낸다. 구형 필러(42)의 평균 직경은 70㎛이다.
측정용 시료로서 Ｎo.31∼Ｎo.34의 합계 4개의 시료를 제작했다. 이들 시료로부터 접합제(40) 두께의 편차를 구했다. 각 시료는 직경이 300㎜인 세라믹판끼리를 구형 필러(42) 및 무정형 필러(43)를 주제(41)에 혼합 분산시킨 접합제(40)에 의해, 핫프레스 경화에 의해 접합한 것이다.
측정점은 각 시료 외주부의 8개소, 중간부의 8개소, 중심부의 1개소의 계 17개소이다. 이들 개소로부터 각각의 시료의 최후부의 두께, 최박부의 두께, 및 17개소의 평균값을 구했다.
표 2에 나타내는 바와 같이, 접합제(40)의 최후부는 65∼68㎛의 범위로 억제되었다. 접합제(40)의 최박부는 57∼61㎛의 범위로 억제되었다. 환언하면 표 2의 결과는 표 1의 결과보다 편차의 정도가 저하되어 있다. 즉, 구형 필러(42)를 혼합 분산시키면 구형 필러(42)를 혼합 분산시키지 않을 경우에 비해서 접합제(40) 두께의 평균값, 최후부, 최박부의 편차가 작아지는 것을 알 수 있었다. 또한, 접합제(40) 두께의 평균값은 구형 필러의 평균 직경(70㎛)에 근사하는 것을 알 수 있었다.
Figure 112012076765479-pct00002
실제로, 상술한 (1)∼(5)의 제조 프로세스로 정전 척을 제조한 결과, 구형 필러(42) 및 무정형 필러(43)를 주제(41)에 혼합 분산시킨 접합제(40)를 사용했을 경우에는 세라믹 유전체(10)에 크랙의 발생이 보이지 않았다.
이렇게, 구형 필러(42)의 평균 직경을 모든 무정형 필러(43) 단축의 최대값보다 크게 하면 구형 필러(42)에 의해 접합제(40)의 두께를 구형 필러(42)의 평균 직경과 같거나 또는 평균 직경보다 크게 할 수 있다. 그 결과, 접합제(40)의 핫프레스 경화시에는 무정형 필러(43)에 의해 세라믹 유전체(10)에 국부적인 응력이 인가되기 어려워져서 세라믹 유전체(10)의 크랙 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 구형 필러(42)의 평균 직경이 무정형 필러(43) 단축의 최대값보다 10㎛ 이상 크게 구성되어 있다. 구형 필러(42)의 평균 직경을 무정형 필러(43) 단축의 최대값보다 10㎛ 이상 크게 하면 접합제(40)의 핫프레스 경화시에는 접합제(40)의 두께가 무정형 필러(43)의 크기가 아니라 구형 필러(42)의 평균 직경으로 제어된다. 즉, 핫프레스 경화시에 있어서 무정형 필러(43)에 의해 세라믹 기판(20), 세라믹 유전체(10)에 국소적인 응력이 인가되기 어려워진다. 이에 따라, 세라믹 유전체(10)의 크랙 발생을 방지할 수 있다.
또한, 제 1 접합제의 상하에 위치하는 세라믹 기판과 세라믹 유전체의 평면도, 두께의 편차가 10㎛ 이하(예를 들면 5㎛)일 경우, 제 1 구형 필러의 평균 직경을 제 1 무정형 필러 단축의 최대값보다 10㎛ 이상으로 함으로써 세라믹 기판 및 세라믹 유전체의 표면 요철을 접합제(40)에 의해 완화(흡수)할 수 있다. 또한, 세라믹 기판(20)의 표면에 설치된 전극(60)의 평면도, 두께의 편차가 10㎛ 이하(예를 들면 5㎛)일 경우, 구형 필러(42)의 평균 직경을 무정형 필러(43) 단축의 최대값보다 10㎛ 이상으로 함으로써 전극(60)의 표면 요철을 접합제(40)에 의해 완화(흡수)할 수 있다. 이 경우, 구형 필러(42)는 세라믹 기판(20), 세라믹 유전체(10)에 접촉하지 않고 전극(60)의 표면에 접촉한다. 이 때문에, 세라믹 유전체(10)의 크랙 발생을 억제할 수 있다.
또한, 세라믹 기판(20)과 온조부(30) 사이의 접합제(50)에 있어서도 구형 필러(52)의 평균 직경이 모든 무정형 필러(53) 단축의 최대값보다 크다. 이 때문에, 구형 필러(52)에 의해 접합제(50)의 두께를 구형 필러(52)의 평균 직경과 같거나 또는 평균 직경보다 크게 할 수 있다. 이에 따라, 접합제(50)의 핫프레스 경화시에는 무정형 필러(53)에 의해 세라믹 기판(20)에 국부적인 응력이 인가되지 않아 세라믹 기판(20)의 크랙 발생을 방지할 수 있다.
또한, 세라믹 기판(20)의 하측에 온조부(30)가 존재함으로써 세라믹 기판(20)의 강성이 증가한다. 그 결과, 세라믹 유전체(10)를 가공할 때에는 세라믹 유전체(10)의 균열 발생을 방지할 수 있다. 접합제(50)에는 구형 필러(52)가 분산 배합됨으로써 균일한 두께로 세라믹 기판(20)을 유지 고정할 수 있다. 그 결과, 세라믹 유전체(10)에 가공을 실시해도 세라믹 유전체(10)에 손상을 주지 않는다.
또한, 온조부(30)가 금속제일 경우에는 온조부(30)의 선팽창계수가 세라믹 기판(20)의 선팽창계수보다 커진다. 구형 필러(52)의 평균 직경을 구형 필러(42)의 평균 직경보다 크게 함으로써 접합제(50)의 두께는 접합제(40)의 두께보다 두꺼워진다. 이에 따라, 세라믹 기판(20)과 온조부(30) 사이의 열팽창 수축차가 접합제(50) 내로 흡수되기 쉬워진다. 그 결과, 세라믹 기판(20)의 변형이나, 세라믹 기판(20)과 온조부(30)의 박리가 발생하기 어려워진다.
이어서, 구형 필러(42)의 접합제(40) 중의 배합량의 확인을 행했으므로 이하에 설명한다. 접합제(40)에는 미리 80wt%의 무정형 필러(43)가 함유되어 있다.
표 3에 구형 필러(42)의 배합량 시험 결과를 나타낸다. 이 시험에 있어서는 무정형 필러(43)를 함유시킨 접합제(40) 중에 구형 필러(42)가 혼합 분산 가능하게 되는 체적 농도의 확인을 행했다.
우선, 구형 필러(42)의 체적 농도가 0.020vol% 이하가 되면 접합제(40)의 두께가 얇아지고, 구형 필러(42) 또는 세라믹 유전체(10)에 크랙이 발생했다. 이 요인은 구형 필러(42)나 구형 필러(42)에 접촉하는 세라믹 유전체(10)에 핫프레스 경화시의 프레스압이 국소적으로 집중되었기 때문이라고 추정된다. 반대로, 구형 필러(42)의 체적 농도가 0.020vol%보다 커지면 구형 필러(42)의 접합제(40) 내에서의 분산이 양호해진다. 즉, 구형 필러(42)가 접합제(40) 내에서 골고루 분포되어서 핫프레스 경화시에 무정형 필러(43)에 의해 세라믹 유전체(10)에 국소적인 압력이 인가되기 어려워진다. 이 때문에, 세라믹 유전체(10)의 크랙 발생이 억제된다.
또한, 구형 필러(42)의 체적 농도가 46.385vol% 이상이 되면 구형 필러(42)가 접합제(40) 중에 충분히 분산되지 않는 것을 알 수 있었다. 구형 필러(42)의 체적 농도(vol%)가 42.0vol% 미만이면 무정형 필러(43)를 함유시킨 접합제(40) 내에서의 구형 필러(42)의 분산이 균일해진다.
이렇게, 구형 필러(42)의 체적 농도는 무정형 필러(43)를 함유시킨 접합제(40)에 대하여 0.025vol%보다 크고 42.0vol% 미만인 것이 바람직하다.
Figure 112012076765479-pct00003
도 3은 접합제의 단면 SEM상이며, 도 3(a)는 구형 필러 및 무정형 필러가 혼합 분산된 접합제의 단면 SEM상이며, 도 3(b)는 무정형 필러가 혼합 분산된 접합제의 단면 SEM상이다. 단면 SEM상의 시야는 800배이다.
도 3(a)에 나타내는 접합제(40)에 있어서는 구형 필러(42) 및 무정형 필러(43)가 혼합 분산되어 있다. 접합제(40)의 상하에는 세라믹 유전체(10), 세라믹 기판(20)이 관찰된다. 이 SEM상에서는 구형 필러(42)는 세라믹 유전체(10)의 하면과 세라믹 기판(20)의 상면에 도달하고 있지 않지만, 이것은 구형 필러(42)가 최대 지름보다 앞쪽(또는 안쪽)에서 절단되었기 때문이다. 구형 필러(42)의 지름은 대략 70㎛이다.
도 3(b)에 나타내는 접합제(40)에는 구형 필러(42)가 분산되어 있지 않고 있다. 즉, 세라믹 유전체(10)와 세라믹 기판(20) 사이에 주제(41)와 무정형 필러(43)만이 관찰된다. 단면 SEM상으로부터 무정형 필러(43) 단축의 최대값을 측정한 결과를 표 4에 나타낸다.
Figure 112012076765479-pct00004
표 4로부터 무정형 필러(43) 단축의 최대값은 9.73㎛∼26.73㎛의 범위에서 불규칙하게 분포되어 있다. 구형 필러(42)의 평균 직경은 70㎛이므로 구형 필러의 평균 직경은 모든 무정형 필러(43) 단축의 최대값보다 큰 것을 알 수 있다.
또한, 도 4는 무정형 필러의 단축을 설명하는 도면이다.
무정형 필러(43)의 단축이란 무정형 필러(43)의 길이 방향[화살표(C)]에 직교하는 폭 방향의 길이이다. 예를 들면, 도면 중의 d1, d2, d3 등이 해당된다. 단축의 최대값은 복수 있는 모든 무정형 필러(43) 단축 중 최대의 단축값을 말한다.
그 밖에, 본 실시형태에 있어서는 구형 필러(42) 및 무정형 필러(43)의 열전도율은 접합제(40)의 주제(41)의 열전도율보다 높다. 접합제(40)의 주제(41)보다 구형 필러(42) 및 무정형 필러(43)의 열전도율이 높기 때문에, 접합제(40)가 주제 단체의 경우보다 열전도율이 높아져서 정전 척의 냉각 성능이 향상된다.
또한, 구형 필러(42)(유리)의 열전도율은 무정형 필러(43)(알루미나 등)의 열전도율보다 낮다. 예를 들면, 세라믹 기판(20), 세라믹 유전체(10), 또는 세라믹 유전체(10)에 설치된 전극(60)에 구형 필러(42)가 접촉했을 경우, 구형 필러(42)(유리)의 열전도율이 무정형 필러(43)(알루미나 등)의 열전도율보다 낮음으로써 구형 필러(42)가 접촉하는 부분과 그 밖의 부분의 열전도율의 차가 작아진다. 이에 따라, 세라믹 유전체(10)의 면내 온도 분포의 균일화를 도모할 수 있다.
또한, 세라믹 유전체(10)의 두께는 세라믹 기판(20)의 두께와 같거나 또는 얇다. 세라믹 기판(20)의 두께를 세라믹 유전체(10)보다 동일하거나 또는 두껍게 함으로써 세라믹 유전체(10)를 세라믹 기판(20)에 의해 확실하게 유지 고정할 수 있다. 이에 따라, 세라믹 유전체(10)와 세라믹 기판(20)을 접착시킨 후에 있어서 세라믹 유전체(10)에 가공을 실시해도 세라믹 유전체(10)의 균열 발생을 방지할 수 있다. 또한, 가공 후의 세라믹 유전체(10)의 평면도 및 두께의 균일성이 양호해진다.
또한, 도 5는 정전 척의 효과의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 도 5(a)에는 정전 척(1)의 단면 모식도가 나타내어져 있고, 도 5(b)에는 비교예가 나타내어져 있다.
구형 필러(42)는 구 형상이기 때문에, 큰 무정형 필러(43)가 세라믹 유전체(10)와 구형 필러(42) 사이에 존재했다고 해도 구형 필러(42)가 세라믹 유전체(10)측에 압박될 때에 무정형 필러(43)가 구형 필러(42)의 곡면에 의해 미끄러지기 쉽게 되어 있다. 이 때문에, 정전 척(1)에 있어서는 무정형 필러(43)가 구형 필러(42)와 세라믹 유전체(10) 사이에 남기 어려워진다.
이에 대하여 비교예에서는 단면이 직사각형상인 원통 형상 필러(420)를 사용했기 때문에, 무정형 필러(43)가 원통 형상 필러(420)와 세라믹 유전체(10) 사이에 끼워지기 쉽다. 이 때문에, 비교예에 있어서는 무정형 필러(43)가 원통 형상 필러(420)와 세라믹 유전체(10) 사이에 남기 쉽다. 따라서, 본 실시형태와 같이 구형 필러(42)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 구형 필러(42) 대신에 구형 필러(52)를 사용해도 동일한 효과가 얻어진다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했다. 그러나, 본 발명은 이들의 기술에 한정되는 것은 아니다. 상술한 실시형태에 관해서 당업자가 적당하게 설계 변경을 가한 것도 본 발명의 특징을 구비하고 있는 한 본 발명의 범위에 포함된다. 예를 들면, 각 요소의 형상, 치수, 재질, 배치 등은 예시한 것에 한정되는 것은 아니고 적당하게 변경할 수 있다.
또한, 상술한 각 실시형태가 구비하는 각 요소는 기술적으로 가능한 한에 있어서 조합시키거나 복합하거나 할 수 있고, 이들을 조합시킨 것도 본 발명의 특징을 포함하는 한 본 발명의 범위에 포함된다.
(산업상의 이용 가능성)
피처리 기판을 유지 고정하는 정전 척으로서 이용된다.
1 : 정전 척 10 : 세라믹 유전체
15 : 크랙 20 : 세라믹 기판
30 : 온조부 30t : 매체 경로
40, 50 : 접합제 41, 51 : 주제
42, 52 : 구형 필러 43, 53 : 무정형 필러
60 : 전극

Claims (12)

  1. 전극이 표면에 형성된 세라믹 유전체와,
    상기 세라믹 유전체를 지지하는 세라믹 기판과,
    상기 세라믹 유전체와 상기 세라믹 기판을 접합하는 제 1 접합제를 구비하고,
    상기 제 1 접합제는 유기재료를 포함하는 제 1 주제와, 무기재료를 포함하는 제 1 무정형 필러와, 무기재료를 포함하는 제 1 구형 필러를 갖고,
    상기 제 1 주제 내에는 상기 제 1 무정형 필러와 상기 제 1 구형 필러가 분산 배합되어서 이루어지고,
    상기 제 1 주제, 상기 제 1 무정형 필러, 및 상기 제 1 구형 필러는 전기절연성 재료로 이루어지고,
    상기 제 1 구형 필러의 평균 직경은 모든 상기 제 1 무정형 필러 단축의 최대값보다 크고,
    상기 제 1 접합제의 두께는 상기 제 1 구형 필러의 평균 직경과 같거나 또는 큰 것을 특징으로 하는 정전 척.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구형 필러의 평균 직경은 상기 제 1 무정형 필러 단축의 최대값보다 10㎛ 이상 큰 것을 특징으로 하는 정전 척.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구형 필러의 체적 농도(vol%)는 상기 제 1 무정형 필러를 함유시킨 상기 제 1 접합제의 체적에 대하여 0.025vol%보다 크고 42.0vol% 미만인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 접합제의 상기 제 1 주제의 재질은 실리콘 수지, 에폭시 수지, 불소 수지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 정전 척.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구형 필러 및 상기 제 1 무정형 필러의 열전도율은 상기 제 1 접합제의 상기 제 1 주제의 열전도율보다 높은 것을 특징으로 하는 정전 척.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구형 필러의 재질과 상기 제 1 무정형 필러의 재질이 다른 것을 특징으로 하는 정전 척.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 구형 필러의 열전도율은 상기 제 1 무정형 필러의 열전도율보다 낮은 것을 특징으로 하는 정전 척.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 구형 필러의 열전도율은 상기 제 1 무정형 필러와 상기 제 1 주제의 혼합물의 열전도율과 같거나 또는 작은 것을 특징으로 하는 정전 척.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 구형 필러의 열전도율은 상기 제 1 무정형 필러와 상기 제 1 주제의 상기 혼합물의 열전도율의 0.4배∼1.0배의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 정전 척.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 유전체의 두께는 상기 세라믹 기판 두께와 같거나 또는 얇은 것을 특징으로 하는 정전 척.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 구형 필러의 비커스 경도는 상기 세라믹 유전체의 비커스 경도보다 작은 것을 특징으로 하는 정전 척.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 기판에 접합되는 온조부와,
    상기 세라믹 기판과 상기 온조부를 접합하는 제 2 접합제를 더 구비하고,
    상기 제 2 접합제는 유기재료를 포함하는 제 2 주제와, 무기재료를 포함하는 제 2 무정형 필러와, 무기재료를 포함하는 제 2 구형 필러를 갖고,
    상기 제 2 주제 내에는 상기 제 2 무정형 필러와 상기 제 2 구형 필러가 분산 배합되어서 이루어지고,
    상기 제 2 주제, 상기 제 2 무정형 필러, 및 상기 제 2 구형 필러는 전기절연성 재료로 이루어지고,
    상기 제 2 구형 필러의 평균 직경은 모든 상기 제 2 무정형 필러 단축의 최대값보다 크고,
    상기 제 2 접합제의 두께는 상기 제 2 구형 필러의 평균 직경과 같거나 또는 크고,
    상기 제 2 구형 필러의 평균 직경은 상기 제 1 구형 필러의 평균 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 정전 척.
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