KR20020070340A - 정전척 부재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

흡착력이 강하고, 한쪽에서 전압의 인가를 중지하였을 때의 응답성능 (릴리스 특성) 이 우수한 정전척 부재를 제공하는 것을 목적으로 하며, 기재 상의 적어도 한쪽 표면에 금속질층으로 이루어지는 언더코트를 갖고, 그 언더코트 상에 Al2O3세라믹스로 이루어지는 하부 절연층을 갖고, 그 절연층 상에 금속질 전극층을 가지며, 그 전극층 위에는 톱코트로서 Al2O3세라믹스로 이루어지는 상부 절연층을 형성하여 이루어지는 정전척 부재.

Description

정전척 부재 및 그 제조방법 {ELECTROSTATIC CHUCK MEMBER AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}
최근 반도체나 액정의 제조 프로세스, 예컨대 반도체 제조 장치에서, 그 장치의 일부를 구성하고 있는 건식 에칭, 이온 주입, CVD, PVD 등의 처리가 자동화 및 공해 방지의 입장에서 습식법에서 건식법에 의한 처리로 변화하고 있다. 그 건식법에 의한 처리의 대부분은 진공 또는 감압 분위기하에서 실행되는 것이 보통이다.
이러한 건식처리에 있어서는, 회로의 고집적화나 미세가공화를 도모한다는 관점에서 실리콘 웨이퍼나 유리판과 같은 기판의 패터닝시에 위치 결정 정밀도를 향상시킬 필요가 있다.
이러한 요청에 대응하는 방법으로서, 종래에는 기판의 반송이나 흡착 고정시에 진공척이나 기계식 척을 이용해 왔다. 그러나, 진공척은 진공하에서 사용하게 되므로 압력차를 크게 할 수 없어 흡착력이 약하고, 비록 흡착할 수 있었다고 해도 흡착 부분이 국부적이 되므로 기판에 변형이 생긴다는 결점이 있었다. 게다가, 웨이퍼 처리의 고온화로 인하여 가스 냉각이 불가능하기 때문에 최근의 고성능 반도체 제조 프로세스에는 적용할 수 없다는 불편이 있었다. 한편, 기계식 척의 경우 장치가 복잡할 뿐만 아니라 보수와 점검에 시간을 필요로 한다는 결점이 있었다.
이러한 종래 기술의 결점을 보완하기 위하여 최근 정전기력을 이용한 정전척이 개발되어 널리 채용되고 있다. 그러나, 이 기술도 다음과 같은 문제점이 있다.
이러한 정전척에 의해 기판을 흡착 유지하는 경우, 인가 압전을 중단한 후에도 기판과 정전척 사이에 전하가 잔류 (흡착력이 작용) 하기 때문에, 완전히 전하를 제거한 후가 아니면 기판을 분리할 수 없다는 문제점이 있다.
그 대책으로서 종래 정전척에 사용하는 절연성 유전체 재질 자체의 개량이 시도되고 있다. 예컨대,
① 일본 공개특허공보 평6-8089호에는 고절연물로서 질화알루미늄 분말과 질화티탄 분말 혼합물의 소결체 또는 용사 피막을 사용하는 예가 개시되어 있다.
② 일본 공개특허공보 평6-302677호에는 고절연물의 표면에 산화티탄을 피복한 후 그 위에 알루미늄을 피복하여 Si + SiC 플레이트를 접촉시키는 것이 개시되어 있다.
③ 일본 특허공보 평6-36583호에는 고절연체로서 산화알루미늄을 사용하는 예가 개시되어 있다.
④ 일본 공개특허공보 평5-235152호 및 일본 공개특허공보 평6-8089호에는고절연체로서 산화알루미늄, 질화알루미늄, 산화아연, 석영, 질화붕소, 사이알론 (sialon) 등을 사용하는 것이 개시되어 있다.
⑤ 일본 공개특허공보 평3-147843호 및 일본 공개특허공보 평3-204924호에는 더 큰 정전기력을 필요로 하는 경우 고절연체에 유전율이 높은 TiO2를 첨가하여 체적 고유저항값을 내려서 정전기력을 향상시키는 방법이 개시되어 있다.
⑥ TiO2를 함유하는 Al2O3등의 고절연체는 전원을 OFF 해도 잠시 동안 흡착력이 잔류하는 결점이 있다. 그래서, 이 결점을 극복하는 기술로서 일본 공개특허공보 평11-111826호나 일본 공개특허공보 평11-69855호 등에는 실리콘 웨이퍼의 이탈 시간을 단축하기 위해 전극의 극성을 반전시키는 방법을 개시하고 있다.
⑦ 일본 공개특허공보 평8-64663호에는 실리콘 웨이퍼의 이탈을 신속하게 행하기 위하여 절연층의 일부에 도전성을 갖는 피복을 형성하는 방법이 개시되어 있다.
⑧ 일본 공개특허공보 평8-330403호나 일본 공개특허공보 평11-26564호 등에는 정전척의 작업중 온도상승과 그로 인한 성능의 저하를 방지하기 위하여 수냉 구조를 갖는 정전척 부재가 개시되어 있다.
그런데, 정전척에 사용되는 Al2O3·TiO2계 고절연성 용사층은 다음과 같은 과제가 있었다.
(1) TiO2를 혼합한 Al2O3계 용사층은 체적 고유저항이 작고 미소전류가 흐르기 때문에 젠센 ·라벡 효과 (A. Jensen & K.Rahbek's force) 에 의한 정전기력의 향상을 기대할 수 있다. 그러나, TiO2는 반도체 물질이기 때문에 전하의 이동속도가 느리고 전압의 인가를 중단했을 때의 응답특성 (포화흡착력 도달시간, 흡착력 소멸시간) 이 나쁘며, 이 특성은 특히 저온환경에서는 한층 더 현저해진다.
또한, 체적 고유저항값을, 예컨대 실용상태인 1 ×109Ω·cm 로 하기 위해서는 TiO2을 25wt% 정도도 혼합해야 한다. 그러나, 반도체 제조 프로세스에서 TiO2의 다량 첨가는, 불순물의 혼입을 의미하므로 품질의 저하를 초래함과 동시에 작업 환경을 오염시키는 원인이 된다.
게다가, 흡착하는 반도체 웨이퍼가 실온 이상인 경우에는 체적 고유저항이 너무 낮기 때문에, 큰 누설 전류가 흘러 웨이퍼 회로가 파괴될 가능성이 높다.
(2) Al2O3·TiO2계 용사층은 용사법에 의해서 시공되지만, 이 방법에 의해 얻어지는 그 피막은 체적 고유저항 및 흡착력의 편차가 크고 생산성이 낮기 때문에 비용 상승의 원인으로 되어 있다.
따라서, 본 발명의 주된 목적은 체적 고유저항이 크고 그 편차가 작으며 품질이 좋은 정전척 부재를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 흡착력이 강하고, 한편으로는 전압의 인가를 중단하였을 때의 응답성능 (릴리스 특성) 이 우수한 정전척 부재를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 실리콘 웨이퍼와의 접촉이나 플라즈마 등에 의한 물리적 침식작용, 또는 환경중에 함유되어 있는 할로겐 화합물에 의한 화학적 침식작용에 의해 손상되어 환경을 오염시킬 우려가 있는 TiO2를 사용하지 않는 정전척 부재용 용사피막을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 소결법에 의해 제조되고 있는 종래의 Al2O3절연기판은 사용환경의 온도변화에 의해 손상되기 쉽다는 결점이 있기 때문에, 그것을 극복하기 위한 대체기술을 제안하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 금속제 전극의 주위에 세라믹스를 용사하여 이루어지는 종래의 정전척 부재가 안고 있는 결점을 극복하기 위하여, 절연층 뿐만 아니라 전극을 포함하여 그 대부분을 용사법에 의해 형성함으로써, 높은 생산성과 양호한 피막 밀착성을 갖게 하고 우수한 정전특성을 발휘하게 하는 것에 있다.
본 발명은, 도전성 부재, 반도전성 부재, 절연성 부재 등을 정전기에 의해 흡착 유지할 때 사용되는 정전척 부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발명의 개시
본 발명에 관한 정전척 부재는 금속제 기판의 표면에 금속질 전극층 뿐만 아니라 전기저항이 큰 산화물 세라믹스로 이루어지는 절연층을 용사에 의해 적층하여 형성된 것이다.
즉, 본 발명의 기본적인 구성은 기재상의 적어도 한쪽 표면에 금속질의 언더코트를 가지고, 그 언더코트 위에 Al2O3세라믹스로 이루어지는 하부 절연층을 가지며, 그 하부 절연층 위에 금속질 전극층을 가지며, 다시 그 전극층 위에는 Al2O3세라믹스로 이루어지는 상부 절연층을 톱코트로서 형성하여 이루어지는 정전척 부재이다.
본 발명에 있어서, 상기 금속질 언더코트는 그 두께가 30∼300㎛ 인 용사층이고, 하부 절연층 및 상부 절연층은 그 두께가 각각 100∼500㎛ 인 용사층이고, 금속질 전극층은 그 두께가 5∼100㎛ 인 용사층이고, 또한 이 금속질 전극층 중에 함유되는 산소량은 2.0wt% 이하, 기공율이 1∼7% 의 범위에 있는 것이 바람직하다.
Al2O3세라믹스로 이루어지는 하부 및 상부 절연층은 각각 순도 98.0wt% 이상인 용사재료 분말을 용사하여 기공율이 1∼8% 의 범위내가 되도록 형성한 것이 바람직하다.
상기 하부 절연층 및 상부 절연층은 그들 중 적어도 한 쪽 표면이 유기계 또는 무기계 규소 화합물을 함침시킴으로써 실링되고, 또한 이 층은 체적 고유저항값이 1×1013∼1×1015Ω·cm 의 범위로 하는 것이 바람직하다.
금속질 전극층은 W, Al, Cu, Nb, Ta, Mo, Ni 및 이들 금속원소를 1 종 이상 함유하는 합금 중에서 선택되는 어느 1 종 이상의 용사재료를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
기판과 Al2O3세라믹스로 이루어지는 하부 절연층 사이에 위치하여 양자의 결합력을 향상시키기 위해 시공되는 금속질 언더코트는 Ni, Al, Cr, Co, Mo 및 이들 금속원소를 1 종 이상 함유하는 합금 중에서 선택되는 어느 1 종 이상의 용사재료를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 정전척 부재의 최표층부를 차지하는 Al2O3세라믹스의 상부 절연층인 톱코트는, 그 위에 지지되는 실리콘 웨이퍼와의 접촉면이 기계가공에 의해 표면조도 Ra : 0.1∼2.0㎛ 정도로 마무리되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 정전척 부재의 제조에 사용하는 용사법으로는, 금속질 언더코트의 시공에 관해서는 저속 및 고속 프레임 용사법, 아크 용사법, 대기 플라즈마 용사법, 감압 플라즈마 용사법, 폭발 용사법 등 어느 방법이든 사용할 수 있다. 한편, Al2O3세라믹스 절연 피막의 시공에 관해서는 대기 플라즈마 용사법, 감압 플라즈마 용사법 등을 채용하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에 있어서 상기 막형성예는 용사법에만 한정하여 서술하였으나 경우에 따라서는 동등한 막형성 수단, 예컨대 CVD, PVD, 이온 플레이팅 등으로 대신하여 시공하는 것도 가능하다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 본 발명의 정전척의 단면 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명에 관한 정전척을 용사법에 의해 제조하는 예에 관하여 설명한다.
먼저, 금속제 기재의 표면을 블라스트 처리하고, 그후 조면화 처리한 기재 표면에 금속질 용사재료를 용사하여 언더코트를 형성한다. 그 언더코트 위에는 용사법에 의해 Al2O3세라믹스로 이루어지는 하부 용사 절연층을 형성한다. 그리고, 그 하부 용사 절연층의 표면에는 마찬가지로 용사법에 의해, 바람직하게는 주연부를 남기고 금속질 용사 전극층을 형성하여, 이것을 전극으로 사용할 수 있게한다. 그리고, 상기 금속질 용사 전극층 위에는 Al2O3세라믹스를 용사함으로써 상부 용사 절연층을 형성한다. 이와 같이 하여, 도 1 에 나타낸 바와 같은 적층구조를 갖는 정전척 부재를 제조한다.
이와 같이, 금속질 용사 전극층을 상하에서 Al2O3세라믹스의 용사 절연층에 의해 샌드위치 모양으로 끼워 내장해 두면, 어떠한 사용환경하에서도 환경 중의 부식성 가스나 플라즈마에 의해서도 영향을 받지 않고 장기간에 걸쳐 초기의 성능을 오랫동안 유지할 수 있다.
금속질 용사 전극층의 직경은, Al2O3세라믹스 상부·하부 절연층의 직경보다 적어도 5㎜ 이상은 작은 것을 사용하는 것이 바람직하다. 그 이유는 전극의 단면이 외부에 노출되지 않도록 하는 것에 있다.
또, 도 1 에서, 부호 1 은 금속제 기판, 2 는 금속질 용사층으로 이루어지는 언더코트, 3 은 Al203세라믹스로 이루어지는 하부 용사 절연층, 4 는 금속질 용사 전극층, 5 는 톱코트가 되는 Al2O3세라믹스로 이루어지는 상부 용사 절연층, 6 은 실리콘 웨이퍼, 7 은 직류전원, 8 은 어스, 9 는 전압 부하용 구리선이다. 언더코트 (2) 로부터 톱코트 (5) 까지의 각 막(층)은 모두 용사법에 의해 시공한다. 또, 도면 중 부호 10 은 상부 용사 절연층 (3) 및 하부 절연층 (5) 의 각 Al2O3세라믹스 용사 절연층이 직접 접촉하고 있는 곳이다.
상술한 금속질 언더코트 (2) 를 형성하기 위한 용사재료는 Ni, Al, Cr, Co,Mo 등의 금속 또는 그들 합금 중 어느 1 종 이상이 매우 적합하고, 막두께는 30∼300㎛, 특히 50∼150㎛ 으로 하는 것이 바람직하다. 그것은 막두께가 30㎛ 보다 얇아지면 불균일막이 되는 결점이 있고, 한편 300㎛ 보다 두꺼워지면 언더코트로서의 기능에 각별한 향상이 인정되지 않기 때문에 경제상 또는 작업상의 면에서 좋은 방법이 아니다.
상기 언더코트 (2) 위에 형성되며 또한 금속질 용사 전극층 (4) 의 상부, 하부에 위치하여 이것을 샌드위치하도록 형성되는 Al2O3세라믹스에 관한 상부 용사 절연층, 하부 용사 절연층은 전기절연성, 내식성, 내플라즈마부식성이 우수할 것이 요구된다. 따라서, 이 층은 순도가 높고 치밀한 것이어야 한다. 발명자들이 실험에 의해 확인한 바에 따르면, 순도 98.0% 이상, 바람직하게는 99.0% 이상에서 용사피막의 기공율로서 1∼8%, 바람직하게는 1∼5% 의 범위내로 하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
또, Al2O3세라믹스로 이루어지는 상부·하부 용사 절연층의 층두께는 각각 100∼500㎛ 의 범위가 좋고, 100㎛ 보다 얇으면 전기절연성이 불충분하며 500㎛ 보다 두껍게 해도 각별한 효과를 얻을 수 없기 때문에 비경제적이다. 바람직하게는, 130∼400㎛ 이 좋다.
하부 용사 절연층의 표면에 형성하는 금속질 용사 전극층은 W, Al, Cu, Nb, Ta, Mo, Ni 및 이들 금속을 1 종 이상 함유하는 합금 중에서 선택되는 어느 1 종 이상을 용사하여 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 그 두께는 5∼100㎛ 의 범위가 좋다. 그 이유는, 막두께가 5㎛ 보다 얇으면 층이 다공질이 되어 전극으로서의 작용기능이 저하하기 때문이다. 한편, 100㎛ 보다 두껍더라도 전극으로서의 특성이 각별히 향상되지는 않기 때문에 비경제적이다. 특히, 10∼30㎛ 이 바람직하다.
이 용사전극층의 기공율은 작을수록 좋지만, 용사법에 의한 막형성에서는 1∼8% 의 범위라면 특별히 문제가 되는 일이 없다는 것을 실험에 의해 확인하였다. 또, 이 기공율을 1% 이하로 하기 위해서는 대기 중에서 용사 막형성하는 것은 곤란하다. 한편, 기공율이 7% 보다도 크면 분위기 중에 함유되어 있는 부식성 가스가 침입하거나 전압을 부하하였을 때 전기저항이 커져 발열하여 전극층이 고온화하기 때문에 바람직하지 못하다.
이 전극 용사층의 경우, 금속을 대기 중에서 용사하였을 때 생성되는 산화막은 전기저항원이 되기 때문에 바람직한 것이 아니다. 실험결과에 의하면, 2.0wt% 이하의 혼입량이면 용사 전극층으로서 특별히 지장은 없다는 것이 확인되어 있기 때문에, 본 발명에서는 산소함유량이 2.0wt% 이하인 용사 전극층을 형성하는 것으로 하였다.
다음으로, 최상층에 톱코트로서 형성되는 Al2O3세라믹스로 이루어지는 상부 용사 절연층은 그 표면이 기계가공(연삭)에 의하여 금속제 기재의 표면과 평행해지도록 연삭됨과 동시에 표면조도 (Ra) 가 0.1∼2.0㎛ 이하가 되도록 마무리하는 것이 바람직하다.
특히, 그 기계연삭한 상부 용사 절연층에는 필요에 따라 그 마무리면을 액상의 유기계 규소화합물 (유기규소 수지, 예컨대 메틸·실릴·트리·이소시아네이트, 페닐·실릴·트리·이소시아네이트) 또는 무기계 규소화합물 (예컨대 규소알콕시드화합물, 알칼리금속의 규소화합물) 을 도포한 후 120∼350℃, 1∼5 hrs 로 가열함으로써 실링 처리를 실시한다. 이 실링 처리는 용사층 중에 잔존하는 미세한 기공부에 규소화합물을 충전함으로써 이물의 부착을 방지함과 동시에 작업환경에서의 부식성 가스의 침입을 방지할 수 있다. 또, 이 실링 처리는 하부의 Al2O3세라믹스 용사 절연층에 대하여 행하여도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 금속질 용사층의 언더코트, 금속질 용사 전극층, Al2O3세라믹스로 이루어지는 상부·하부 용사 절연층의 시공은 플라즈마 용사법, 고속 프레임 용사법, 폭발 용사법, 아크 용사법 (단, 금속질만) 등을 사용할 수 있지만, 생산성, 품질의 안정성이라는 관점에서 특히 대기 플라즈마 용사법이나 감압 플라즈마 용사법을 사용하는 것이 바람직하다.
실시예 1
Al 기재 (폭 50㎜ ×길이 100㎜ ×두께 5㎜) 의 한 면을 블라스트 처리에 의해 조면화한 후 그 조화처리면상에 언더코트로서 80wt% Ni-20wt% Al 합금을 프레임 용사법에 의해 80㎛ 두께로 형성하였다. 그 언더코트 상에는 Al2O3세라믹스를 대기 플라즈마 용사법에 의해 150㎛ 두께로 형성하고, 계속해서 그 Al2O3세라믹스용사층 위에 용사 전극층인 금속 텅스텐(W) 을 대기 플라즈마 용사법에 의해 60㎛ 두께로 형성하였다. 또, 이 때 전극층 중의 산소량은 0.11wt% 이었다. 다음으로, 상기 금속 텅스텐 전극층의 표면에는 톱코트로서 두께 : 30㎛∼500㎛ 의 Al203세라믹스의 상부 용사 절연층을 대기 플라즈마 용사법에 의해 적층 형성하여 시험 샘플로 하였다.
이렇게 하여 제작한 상기 시험 샘플을 하기와 같은 부식성 환경하에 연속 200 시간 방치하여, 톱코트인 Al2O3세라믹스로 이루어지는 상부 용사 절연층의 기공부로부터 침입하는 부식성 성분에 의한 금속 텅스텐 전극층의 부식발생 상황을 조사하였다.
(1) 염수 분무시험 (JIS Z 2371)
(2) 내할로겐 부식시험 (CHF340㎖+Ar 60㎖) 의 혼합가스를 1 분당 120㎖ 플라스틱제의 부식시험장치에 도입한 분위기 중에 시험 샘플을 정치, 시험온도 60℃)
상기 부식시험 결과를 표 1 에 요약하여 나타낸다. 표 1 에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, Al2O3세라믹스로 이루어지는 상부 용사 절연층의 두께가 80㎛ 이상이면 염수 분무시험, 내할로겐 부식시험 모두 내부로 침입하는 부식성 성분이 차단되어 텅스텐 전극층에는 부식의 징후는 전혀 확인할 수 없고, 용사 직후의 외관상황을 유지하고 있었다. 이에 반하여, Al2O3세라믹스 절연층의 막두께가 50㎛, 30㎛ 인 것에서는 기공부를 통하여 부식성 성분이 침입하여 텅스텐전극층을 심하게 부식시키고 있어 전극으로서의 기능이 소실되는 경향이 나타났다.
No. 피막의 구성 부식시험 결과(300h후) 비고
전극층의 두께 상부 절연층의 두께 내식시험 내할로겐 부식시험
1 150 30 부식변색이 심함 부식변색이 심함 비교예
2 150 50 부식변색이 심함 부식변색이 심함
3 150 80 이상 없음 이상 없음 발명예
4 150 150 이상 없음 이상 없음
5 150 300 이상 없음 이상 없음
6 150 500 이상 없음 이상 없음
(비고) (1) 층두께의 단위는㎛(2) 부식시험후의 시험 샘플은 상부 절연층만 기계적으로 제거하여 전극 피막을 노출시키고 그 외관변화 및 이것과 접촉하고 있는 상부 절연층의 변색상황으로부터평가하였다.
실시예 2
이 실시예에서는 본 발명에 관한 정전척 부재와 비교예로서 선행기술 (예컨대 일본 공개특허공보 평6-36583호) 등에서 제안되어 있는 금속제 전극의 주위를 용사 형성한 것의 내열충격성을 시험하였다.
(1) 본 발명에 관한 정전척 부재에 채용한 층구성
직경 100㎜, 두께 10㎜ 인 Al 제 기재의 한 면에 대기 플라즈마 용사법과 감압 플라즈마 용사법을 사용하여 다음과 같은 층을 형성시켰다.
① 언더코트 : 80wt% Ni-20wt% Al 을 대기 플라즈마 용사법으로 100㎛
② 하부 용사 절연층 : 99.5wt% Al203를 대기 플라즈마 용사법으로 150㎛
③ 금속질 전극층 : a. 금속 W 을 대기 플라즈마 용사법으로 30㎛
b. 금속 W 을 감압 플라즈마 용사법으로 30㎛
④ 상부 용사 절연층 : 99.5wt% Al203를 대기 플라즈마 용사법으로 150㎛
(2) 비교예의 층구성
① 언더코트 : a. 80wt% Ni-20wt% Al 을 대기 플라즈마 용사법으로 100㎛
두께로 형성
b. 언더코트 없음
② 절연층 : 99.5wt% Al203을 대기 플라즈마 용사법으로 150㎛ 두께로 형성
또, 비교예에서는 직경 100㎜, 두께 10㎜ 의 Al 제 기재의 전체 둘레에 대하여 피복하였다.
(3) 열충격 시험 조건
공기 중에서 350℃ ×15분간 가열한 후 25℃의 압축공기를 10분간 내뿜는 조작을 1 사이클로 하여 10 사이클의 시험을 실시하였다.
(4) 시험결과
상기 시험의 결과를 표 2 에 나타내었다. 이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, Al 제 기재의 전체 둘레에 걸쳐 용사한 비교예의 층은 언더코트의 유무에 상관없이 1∼3 사이클의 시험으로 균열이 발생하였다. 이 원인은, Al 제 기재와 Al2O3용사층의 열팽창율에 큰 차이가 있을 뿐만 아니라 기재의 전체 둘레에 걸쳐 층을 형성하였기 때문에 층에 큰 응력이 부하된 결과라고 생각된다.
이에 반하여, 본 발명에 관한 구성요건에 적합한 층은 10 사이클후에서도 양호한 상태를 유지하여 높은 내열충격성을 발휘하였다.
No. 피막의 구성 열충격 조건 비고
언더코트 하부 절연층 금속 전극층 상부 절연층 350℃×15min ↔공기냉각
1 유 유 유*(1) 유 10 사이클후에도 이상없음 발명예
2 유 유 유*(2) 유 10 사이클후에도 이상없음
3 유 무 무 유 3 사이클후에도 이상없음 비교예
4 무 무 무 유 1 사이클후에도 이상없음
(비고) (1) 언더코트는 80wt% Ni-20wt% Al 100㎛(2) 금속전극층 *(1)은 금속 W 을 대기 플라즈마 용사법 30㎛ (산소함유량 0.12wt%)*(2)는 감압 플라즈마 용사법 30㎛ (산소함유량 0.12wt%)(3) 절연층은 상하 모두 Al203를 사용하여 대기 플라즈마 용사법 150㎛
실시예 3
이 실시예에서는 정전척 부재에 실리콘 웨이퍼를 흡착하여 작업을 한 후 전원을 OFF 로 한 경우의 잔류흡착력의 시간경과에 따른 변화를 조사하였다.
(1) 본 발명에 적합한 조건하에서 제조한 전극 척 부재의 층구성
직경 6인치의 Al 기재 상에 하기의 용사층을 형성하였다.
① 언더코트 : 80wt% Ni-20wt% Al80㎛
② 하부 용사 절연층 : Al2O3를 150㎛
③ 금속질 전극층 : W 을 50㎛
④ 상부 용사 절연층 : Al2O3를 150㎛
(2) 비교예의 전극 척의 층구성
직경 6인치의 Al 기재 상에 하기의 용사층을 시공하였다.
① 언더코트 : 80wt% Ni-20wt% Al80㎛
② 톱코트 : 88wt% Al2O3-12wt% TiO2300㎛
잔류흡착력은, 0.01hpa 의 진공용기 중에서 실리콘 웨이퍼와 정전척 부재 사이에 1KV 의 전압을 1분간 부하한 후 전원을 OFF 로 하여 실리콘 웨이퍼를 정전척 부재로부터 떼어내는 힘 (Pa) 을 측정함으로써, 측정하였다.
그 결과, 본 발명에 관한 정전척 부재의 경우는 전원 OFF 후 즉시 흡착력을 소실하였지만, 비교예의 (종래 기술) 에 의한 Al2O3-TiO2제의 정전척 부재는 완전히 흡착력이 소실되기까지 30∼45초를 필요로 하였다.
실시예 4
이 실시예에서는 본 발명에 관한 정전척 부재의 층으로서 Al 기재 (폭 50㎜ ×길이 50㎜ ×두께 5㎜) 를 블라스트 처리에 의해 조면화 처리한 후 80wt% Ni-20wt% Al을 아크 용사법에 의해 70㎛ 두께로 시공하고 그 위에 Al2O3를 플라즈마 용사법에 의해 180㎛ 두께로 형성하고, 이어서 그 위에 금속 W 을 플라즈마 용사법을 사용하여 50㎛ 두께로 시공하고, 다시 그 위에 Al2O3를 플라즈마 용사법에 의해 200㎛ 두께로 시공한 후 즉시 시판하는 액상 유기계 규소 수지를 실링제로서 도포하여 건조시킨 것을 시험 샘플로서 준비하였다.
이 시험 샘플의 일정한 표면 (10 ×10㎜) 이 노출되도록 다른 부분을 마스킹하고, 할로겐 화합물을 함유하는 가스 중에서 40시간 연속적으로 플라즈마를 방전시켜 노출부의 플라즈마침식에 의한 손실량을 최대 손실두께로 평가하였다.
시험조건 : 가스조성 CF4100㎖+O210㎖+Ar 1000㎖
고주파출력 1200W
압력 대기압
또한, 이 시험에서는 비교예로서 Al 기판을 알루마이트 처리하고 본 발명과 동일한 층구조이면서 상부 용사 절연층을 Al2O3+12wt% TiO2층을 200㎛ 두께로 시공한 것을 동일한 조건 하에서 시험해 보았다.
그 시험의 결과, 본 발명의 용사 절연층의 침식량은 12∼15㎛ 정도인 것에 비하여, 비교예의 알루마이트 처리막은 완전히 소실하여 기재의 Al 도 손상 (50∼70㎛) 되고, 또한 Al2O3+TiO2층에서는 31∼38㎛ 가 손상되어, 본 발명의 정전척 부재가 할로겐 화합물을 함유하는 플라즈마 환경 중에서도 매우 안정적이라는 것을 알 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 정전척 부재는 내식성, 내열 충격성, 내침식성이 우수한 것 외에 금속질 용사 전극층의 상하에 Al2O3세라믹스 용사 절연층을 위치시켜 샌드위치 모양으로 하였기 때문에 쿨롱력에 의해서만 실리콘 웨이퍼를 고정할 수 있어, 전원 차단시에는 유지력이 즉시 소실되어 실리콘 웨이퍼 등의 이탈을 쉽게 하여 작업효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 정전척 부재에서는, 톱코트 절연층을 Al2O3세라믹스의 용사피막으로 구성하였기 때문에, 실리콘 웨이퍼와의 접촉에 의한 마모작용이나 플라즈마침식 작용에 대하여 우수한 저항력이 있어, 용사층 성분의 미분화를 억제함과 동시에 화학적 안정도가 높아 환경 성분 (할로겐 화합물 등) 과의 부식반응도억제하여 환경의 오염방지 효과가 있다. 그리고, 본 발명의 정전척 부재는, 금속질의 용사 전극층이 환경에 직접 노출되어 있지 않으므로, 부식되거나 변질되는 일이 적고 장기간에 걸쳐 탁월한 기능을 유지하여, 실리콘 웨이퍼 등의 전자 재료 부재의 정밀가공 작업을 높은 효율과 고품질로 제조하는 것을 기대할 수 있다. 그리고, 종래 기술과 비교하면 금속전극의 전체 둘레를 절연성 세라믹스로 피복할 필요가 없기 때문에, 정전척 전체를 소형화할 수 있음과 동시에 제작공정을 현저하게 단축할 수 있다.
그리고, 본 발명은 특히 반도체나 액정의 제조 프로세스에 있어서 사용되는 건식 에칭 장치, 이온 주입 장치, CVD 장치 또는 PVD 장치 등에 장착하여 사용되는 부재로서 유용하다.

Claims (16)

  1. 기재상의 적어도 한쪽 표면에 금속질의 언더코트를 갖고, 상기 언더코트 상에 Al2O3세라믹스로 이루어지는 하부 절연층을 갖고, 상기 하부 절연층 상에 금속질 전극층을 갖고, 상기 전극층 상에 Al2O3세라믹스로 이루어지는 상부 절연층을 톱코트로서 형성하여 이루어지는 정전척 부재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 언더코트는 두께가 30∼300㎛ 인 용사층이고, 상기 하부 절연층 및 상기 상부 절연층은 두께가 각각 100∼500㎛ 인 용사층이고, 상기 금속질 전극층은 두께가 5∼100㎛ 인 용사층인 것을 특징으로 하는 정전척 부재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 언더코트는 Ni, Al, Cr, Co, Mo 및 이들 금속원소를 1 종 이상 함유하는 합금 중에서 선택되는 어느 1 종 이상을 용사하여 형성한 금속질층인 것을 특징으로 하는 정전척 부재.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 절연층 및 상기 상부 절연층은 순도가 98.0wt% 이상인 Al2O3세라믹스 분말을 용사하여 기공율이 1∼8% 가 되도록 형성한 층인 것을 특징으로 하는 정전척 부재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 절연층 및 상기 상부 절연층은 그들 중 적어도 한쪽 표면이 유기계 또는 무기계의 규소화합물에 의해 실링 처리된 층이고, 체적 고유저항값이 1×1013∼1×1015Ω·cm 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 정전척 부재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속질 전극층은 W, Al, Cu, Nb, Ta, Mo, Ni 및 이들 금속원소를 1 종 이상 함유하는 합금 중에서 선택되는 어느 1 종 이상을 용사하여 형성된 층이고, 산소 함유량이 2.0wt% 이하, 기공율이 1∼7% 인 것을 특징으로 하는 정전척 부재.
  7. 기판의 적어도 한쪽 표면을 블라스트 처리한 후 상기 기판의 조화 (粗化) 표면에 금속 또는 합금을 용사하여 금속질층으로 이루어지는 언더코트를 형성하고, 상기 언더코트 상에 Al2O3세라믹스를 용사하여 하부 절연층을 형성하고, 상기 하부 절연층상에 금속을 용사하여 금속질 전극층을 형성하고, 상기 금속질 전극층 상에 Al2O3세라믹스를 용사하여 상부 절연층을 순서대로 적층 형성하는 것을 특징으로 하는 정전척 부재의 제조방법.
  8. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 실링 처리는, 상기 하부 절연층 및 상기 상부 절연층 또는 기계연삭 표면의 적어도 한 표면에 액상의 유기계 또는 무기계 규소 화합물을 도포한 후 120℃∼350℃ 에서 1∼5 시간 가열함으로써 실링 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 정전척 부재의 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 언더코트는 30∼300㎛ 의 두께로 용사하고, 상기 하부 절연층 및 상기 상부 절연층은 각각 100∼500㎛ 의 두께로 용사하고, 상기 금속질 전극층은 5∼100㎛ 의 두께로 용사하는 것을 특징으로 하는 정전척 부재.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 언더코트는 Ni, Al, Cr, Co, Mo 및 이들 금속원소를 1 종 이상 함유하는 합금 중에서 선택되는 어느 1 종 이상을 용사하여 형성하는 것을 특징으로 하는 정전척 부재.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 하부 절연층 및 상기 상부 절연층은 순도가 98.0wt% 이상인 Al2O3세라믹스의 분말을 용사하여 기공율이 1∼8% 가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 정전척 부재의 제조방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 하부 절연층 및 상기 상부 절연층은 그들 중 적어도 한쪽 표면을 액상의 유기계 또는 무기계의 규소 화합물에 의해 실링 처리하여 체적 고유저항값이 1×1013∼1×1015Ω·cm 가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 정전척 부재의 제조방법.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속질 전극층은 W, Al, Cu, Nb, Ta, Mo, Ni 및 이들 금속 원소를 1 종 이상 함유하는 합금 중에서 선택되는 어느 1 종 이상을 용사하여 산소함유량이 2.0wt% 이하, 기공율이 1∼7% 가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 정전척 부재의 제조방법.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속질 전극층은 절연층용 용사재료의 입경보다도 작은 입경의 금속용사 재료를 용사함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 정전척 부재의 제조방법.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 상부 절연층 및/또는 상기 하부 절연층에는 그들 중 어느 한쪽 표면에 액상의 유기계 또는 무기계의 규소화합물을 도포하여 120∼350℃ 에서 1∼5 시간 가열함으로써 실링 처리층을 형성하는 것을 특징으로 하는 정전척 부재의 제조방법.
  16. 제 7 항에 있어서,
    톱코트가 되는 상기 상부 절연층의 표면을 기계연삭하여 표면조도 Ra : 0.1∼2.0㎛ 정도로 마무리하는 것을 특징으로 하는 정전척 부재의 제조방법.
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