KR20050040114A - 복합재료와 웨이퍼 유지부재 및 이들의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합재료와 웨이퍼 유지부재 및 이들의 제조방법에 관한 것으로서, 복합재료는 SiC와, SiO2와, Al 또는 Si 중 적어도 1종으로 이루어지고, He 누출율이 1.3×10-10Pa·m3/sec 이하이며, 이러한 구성에 의해 높은 진공기밀성 및 우수한 열전도율을 갖고 열팽창 계수가 조절 가능하며, 강도 편차가 적고 높은 신뢰성을 갖는 복합재료 및 상기 복합재료를 사용한 웨이퍼 유지부재가 얻어지는 것을 특징으로 한다.

Description

복합재료와 웨이퍼 유지부재 및 이들의 제조방법{COMPOSITE MATERIAL AND WAFER SUPPORTING MEMBER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 세라믹스(ceramics) 성분과 금속성분으로 이루어진 복합재료 및 그 제조방법, 또한 상기 복합재료를 사용한 웨이퍼 유지부재에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 스퍼터링(sputtering), SOD(Spin-on Dielectric), SOG(Spin-on Glass) 등의 성막 공정이나 에칭공정에서 반도체 기판이나 액정기판 등의 웨이퍼를 유지하기 위한 웨이퍼 유지부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
금속과 세라믹스로 이루어진 복합재료는 열팽창 계수가 금속과 세라믹스의 비율에 의해 임의로 조정할 수 있는 것을 특징으로 하고, 상기 열전도율도 열전도율이 큰 금속종이나 세라믹스종을 선택함으로써 원하는 열전도율이 얻어진다. 그래서, IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor) 방열기판 등, 세라믹스 기판의 Cu메탈라이즈(metalized)층에 납땜된 IC칩(chip)이 발생하는 열을 제거하기 위해 상기 세라믹스 기판의 이면에 금속 접합재 등으로 상기의 복합재료가 접합되고, 소위 히트 싱크(heat sink)의 역할을 수행해 왔다.
또한, 반도체 제조장치의 분야에서 복합재료의 전개가 현저하다. 반도체 장치를 제조하는 반도체 웨이퍼의 처리공정인 CVD, PVD, 스퍼터링 등의 성망공정이나 에칭공정에서는 피처리물인 웨이퍼에 균일한 두께로 균질한 막을 성막하는 것이나, 성막한 막에 균일한 깊이로 에칭을 실시하는 것이 중요하고, 웨이퍼의 온도관리가 용이한 웨이퍼 유지부재가 사용되고 있다. 웨이퍼 유지부재로서 예를 들어 판형상 기체(基體)의 한쪽의 주면을 웨이퍼 배치면으로 하고, 또한 상기 기판형상 기체 중의 배치면측에 흡착용 내부 전극을 구비하고, 웨이퍼를 배치면에 얹어 웨이퍼와 내부전극 사이에 정전 흡착력을 발현시킴으로써 웨이퍼를 배치면에 흡착 고정하는 정전척(chuck)이 있다.
또한, 상기 판형상 기체의 다른쪽 주면 근방에는 가열용 내부 전극을 구비하고 있고, 웨이퍼를 가열할 수 있는 웨이퍼 유지부재도 있다. 상기 정전 흡착용 내부전극 및 가열용 내부전극에는 각각 급전단자가 전기적으로 접속되어 있고, 웨이퍼를 배치면에 얹어 급전단자에 전압을 인가함으로써, 웨이퍼와 흡착용 전극 사이에 정전 흡착력을 발현시켜 웨이퍼를 배치면에 단단하게 흡착 고정시킬 수 있다. 또한, 동시에 웨이퍼를 고온에서 가열할 수 있다.
또한, 상기 웨이퍼 유지부재의 하면에 금속제 플레이트를 접합한 웨이퍼 유지부재는 상기 플레이트와 대향전극(도시하지 않음) 사이에 RF전압을 인가하면 웨이퍼의 위쪽에 플라즈마를 효율적으로 발생시킬 수 있다.
그러나 최근, 반도체 디바이스의 내부 배선은 종래의 알루미늄 배선으로부터 동(銅) 배선으로 이행이 진행되고, 동 배선에서는 웨이퍼를 고온으로 가열할 필요는 없어지고, 실온 부근에서 웨이퍼를 유지하는 정전흡착기능을 구비한 웨이퍼 유지부재가 필요로 되고 있다. 상기 웨이퍼 유지부재의 배치면에 얹힌 웨이퍼는 Cu나 Ar등의 플라즈마에 노출되어 온도가 상승되므로, 상기 온도상승을 억제하기 위해 웨이퍼 유지부재에는 열전도율이 150W/(m·K) 이상으로 큰 Al과 SiC의 복합재료, 또는 Al과 Si와 SiC의 복합재료로 이루어진 플레이트가 브레이징재 또는, 땜납 등에 의해 접합되고, 상기 플레이트에 수냉 또는 공냉을 통하여 Cu 또는 Ar 플라즈마에 노출되어 가열된 웨이퍼로부터 열을 제거 냉각하는 방법이 고안되어 있다. 이와 같은 조건하에서 사용되는 웨이퍼 유지부재에 접합되어 있는 복합재료로 이루어진 플레이트는 열전도율이 160W/(m·K) 이상인 것, 열팽창 계수가 웨이퍼 유지부에 사용되는 세라믹스에 가까운 것, He누출율(leak rate)이 1.3×10-10Pa·㎥/sec 이하인 것을 요구되고 있다.
선행문헌 1(일본 특개평10-32239호 공보)에는 도 4에 도시한 바와 같이, 정전흡착용 전극(20)을 매설한 세라믹스로 이루어진 판형상 기체(24)와, 세라믹스와 Al으로 이루어진 플레이트(23)를 접합한 정전척이 제안되어 있다. 상기 플레이트(23)에 포함되는 세라믹스 성분으로서 SiC가 제안되고, 상기 판형상 기체(24)와 상기 플레이트(23)는 브레이징재 또는 땜납으로 접합되고, 또한 상기 플레이트(23) 중의 세라믹스 성분의 비율에 따라서 접합온도를 150~630℃의 범위에서 선택하여 일체로 접합하는 방법이 제안되어 있다.
선행문헌 2(일본 특개평15-155575호 공보)에는 알루미늄과 SiC로 이루어진 복합부재의 표면에 도금층을 설치하여 다른 물체와 접합하는 방법이 제안되어 있지만, 이들 특허문헌 1, 2에 기재된 플레이트는 세라믹스와 Al 또는 SiC와 Al으로 이루어진 플레이트이고, 근본적으로 다공성이다. 왜냐하면, 용융한 금속과 SiC와 같은 세라믹스는 열팽창 계수차가 있으므로 용융한 금속을 세라믹스 프리폼 중에 함침시킨 후 또는, 용융금속과 세라믹스의 혼합물을 주형 중에 주입한 후에 냉각시켜 갈 때, 반드시 금속종과 세라믹스종의 열팽창 계수차로부터 그 수축에 차이가 발생하고 기공을 발생하기 때문이다.
선행문헌 3(일본 특개평3-3249호 공보)에는 Al으로 이루어진 수냉전극과 세라믹으로 이루어진 정전척의 접합하는 면에 In층을 도금하여 170℃ 이하에서 융착시키는 방법이 제안되어 있다.
선행문헌 4(일본 특개2003-37158호 공보)에는 도 5에 도시한 바와 같이 기체(34)의 상면에 절연층(36)을 형성하고 그 위에 전극(37)이 형성되고, 상기 전극을 덮도록 유전체층(38)을 형성하여 이루어진 정전척에서, 상기 기체(34)의 표면에 금속층(35)이 형성되고, 기체(34)는 금속에 세라믹스 분말을 복합시킨 금속 세라믹스 복합재료로 이루어지고, 상기 유전체층(38)은 1×108~5×1013Ω·㎝의 체적 고유 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 정전척이 제안되어 있다.
선행문헌 5(일본 특개2003-80375호 공보)에는 금속부재와 세라믹스 부재를 금속층을 통하여 접합한 웨이퍼 유지부재가 개시되어 있다.
그러나, 상기 Al과 SiC의 2성분으로 이루어진 복합재 플레이트 또는 Al과 Si와 SiC의 복합재료로 이루어진 플레이트는, 그 플레이트 자체가 다공성인 점에서, 웨이퍼를 배치하는 웨이퍼 유지부를 이루는 판형상 기체와 플레이트를 브레이징재 또는 땜납 등으로 접합해도 반도체 제조장치 중에서 필요로 되는 He 누출율 1.3×10-10Pa·m3/sec 이하의 진공기밀성을 유지할 수 없었다.
또한 최신의 반도체 제조공정에 사용되는 웨이퍼 유지부재는 He 누출율을 1.3×10-10Pa·㎥/sec 이하로 하고, 재료자체의 강도 편차를 나타내는 와이블 계수(Weibull modulus)를 5 이상으로 하고, 열전도율을 160W/(m·K) 이상으로 하고 열팽창 계수를 세라믹스에 가까운 4~6×10-6/℃의 범위로 하는 것이 필요하고, 지금까지의 복합재료는 상기 He 누출율, 강도편차, 열전도율이나 열팽창 계수를 모두 동시에 만족시킬 수 없었다.
또한, 플라즈마로 가열된 Si웨이퍼의 열을 효율 좋게 이동시키기 위해서는 열전도율을 크게 할 필요가 있고, 상기 열전도율을 크게 하기 위해서, 판형상 체와 Al으로 이루어진 플레이트를 Al브레이징 또는 In브레이징으로 접합한 웨이퍼 유지부재는 CVD, PVD, 스퍼터링 등의 성막장치나 에칭장치에서 요구되는 -40℃~100℃의 냉열 사이클을 가하면 Al으로 이루어진 플레이트와 판형상 기체의 열팽창율의 큰 차이에 의해 판형상 기체에 균열이 발생한다는 문제가 있었다.
또한, 알루미늄과 SiC로 이루어진 2성분 복합재 플레이트와 판형상 세라믹스체를 금속으로 접합하는 경우에는 상기 알루미늄과 금속 접합층의 젖음성이 바람직하지 않고 금속 접합하여 상기 2성분 복합재 플레이트와 판형상 세라믹스체를 일체화할 수 있어도, 어떻게 해도 금속 접합층과 알루미늄의 젖음성의 악화로부터 접합계면에 공동이 발생했다. 상기 공동이 발생하므로, 선행문헌 1(일본 특개평10-32239호 공보)나 선행문헌 4(일본 특개2003-37158호 공보)에 제안된 바와 같이 종래의 제조방법에서는 CVD, PVD, 스퍼터링, SOD, SOG 등의 성막장치나 에칭장치에서 요구되는 -40℃~150℃의 냉열 사이클에 대한 신뢰성을 확보할 수 없었다.
반도체 장치의 제조공정인 CVD공정, PVD공정, 스퍼터링, SOD, SOG 등에서의 성막장치나 에칭장치의 웨이퍼 유지부재는 모두 진공중에서의 처리가 되므로, 배치면(20a)측은 고진공 중에 노출되어 복합재 플레이트(23)측은 대기압에서 사용된다.
이 때, 가스도입구(21)를 통하여, Ar등의 냉각가스 등이 도입되므로, 복합재(22)에는 일반적으로 -40℃~150℃의 냉열 사이클에 노출되므로, 접합재(22)의 신뢰성이 요구된다.
종래예를 나타낸 도 4에서, 정전척으로서 사용하는 경우에는 가스도입구(21)로부터 어떤 가스종이 Si웨이퍼 이면에 도입되므로 접합재(22)에 He 누출율 1.3×10-10Pa·㎥/sec 정도의 진공기밀성이 요구되지만, 알루미늄과 SiC의 2성분 복합재 플레이트를 사용하고 있으므로, 접합재에 금속을 사용한 경우에는 어떻게 해도 상기 알루미늄과 금속접합재의 젖음성이 나쁘고, 금속 접합재와 상기 알루미늄 사이에 미세한 공동이 발생하므로, 냉열사이클의 신뢰성을 유지할 수 없었다.
또한, 웨이퍼를 배치면에 흡착하고, 진공 챔버 중에서 CVD법, PVD법, 스퍼터링법, SOD법, SOG법에 의해 웨이퍼상에 원하는 성막이나 원하는 에칭을 실시한 후에 웨이퍼를 배치면으로부터 빠르게 이탈시키고, 다음 공정으로 진행할 필요가 있다. 정전 흡착용 전극(20)에 전압을 인가하고, 배치면(20a)에 흡착하여, 성막 또는 에칭 공정 종료후에 웨이퍼를 이탈하기 위해 전압의 인가를 정지시켜도 바로 배치면(20a)에 축적된 전하가 중화되지 않고 웨이퍼를 흡착하는 힘이 남는, 소위 잔류 흡착력의 문제가 있었다. 잔류 흡착력이 발현하고 있는 동안에 웨이퍼를 배치면으로부터 제거하고자 해도, 웨이퍼가 이탈하지 않고, 이탈해도 웨이퍼의 위치가 어긋나 기계적 이상이 발생하는, 또는 최악의 경우 웨이퍼를 배치면으로부터 억지로 이탈시키고자 하여 웨이퍼를 파괴한다는 문제가 있었다.
또한, 정전 흡착용 전극에 급전단자를 통하여 전압을 가하고, 정전흡착력을 발현시켜 웨이퍼(W)를 흡착하고, 진공 챔버내에 웨이퍼(W)에 성막 또는 에칭을 실시하고, 성막 또는 에칭 공정 종료후에 웨이퍼(W)를 이탈시키므로 급전단자로의 전압의 인가를 정지하는 공정을 1만회 정도 반복하면 잔류 흡착력이 발현할 우려가 있었다.
본 발명의 목적은 높은 진공기밀성 및 우수한 열전도율을 갖고, 열팽창 계수가 조절 가능하고, 강도 편차가 작고 높은 신뢰성을 갖는 복합재료 및 그 제조방법, 및 상기 복합재료를 사용한 웨이퍼 유지부재를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 엄격한 냉열 사이클 시험에도 높은 내구성 및 높은 신뢰성을 나타내고, 잔류 흡착력이 작고 장수명의 웨이퍼 유지부재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 복합재료는 SiC와, SiO2와 Al 또는 Si 중 적어도 1종으로 이루어지고, He 누출율이 1.3×10-10Pa·㎥/sec 이하이다.
본 발명에서 SiC를 69~79질량%, Al을 10.6~20.6질량%, Si를 5.4~15.4질량%, SiO2를 0.01~5질량% 함유하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 SiC를 71.5~76.5질량%, Al을 13.1~18.1질량%, Si를 7.9~12.9질량%, SiO2를 0.05~2질량% 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 웨이퍼 유지부재는 판형상 기체의 한쪽 주면을 웨이퍼를 얹는 배치면으로 하고, 상기 판형상 기체의 다른쪽 주면 또는 내부에 전극을 구비한 웨이퍼 유지부와,
상술한 복합재료로 이루어진 플레이트를 구비하고,
상기 플레이트의 열팽창 계수가 상기 판형상 기체의 열팽창 계수의 0.8~1.2배이며,
상기 판형상 기체와 상기 플레이트가 금속 접합재로 접합되어 있다.
본 발명에서 상기 금속 접합재는 6~15질량%의 Si와, 0.1~5질량%의 Mg 또는 Cu를 함유하고, 잔부가 Al으로 이루어진 주성분과, 상기 주성분에 대해서 첨가성분으로서 Ni, Au, Ag으로부터 선택되는 적어도 1종을 0.01~10질량% 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 복합재료의 제조방법은 SiC와 Al 또는 Si 중 적어도 1종으로 이루어진 재료에 알킬실리케이트(alkyl silicate)를 함침시키고, 계속해서 건조시키는 공정을 포함하고, 이에 의해 상술한 복합재료가 얻어진다.
또한, 본 발명에 관한 웨이퍼 유지부재는 판형상 세라믹스체의 한쪽 주면을 웨이퍼의 배치면으로 하고, 상기 판형상 세라믹스체의 다른쪽 주면 또는 내부에 전극을 갖는 웨이퍼 유지부,
SiC와 알루미늄과 실리콘을 포함하는 복합재 플레이트,
상기 웨이퍼 유지부의 배치면과 반대측 표면에 설치된 제 1 금속층 및
상기 복합재 플레이트의 표면에 설치된 제 2 금속층을 구비하고,
제 1 금속층과 제 2 금속층 사이의 금속접합재를 통하여 상기 웨이퍼 유지부와 상기 복합재 플레이트가 접합되고,
제 2 금속층의 두께(tm)와 상기 금속접합재의 두께(t)의 비 tm/t가 0.01~1의 범위이다.
본 발명에서 제 2 금속층은 알루미늄, 금, 은, 동, 니켈로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 주성분으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 금속접합재가 알루미늄 또는 인듐을 주성분으로 하는 브레이징재인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 전극이 정전흡착전극인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 관한 웨이퍼 유지부재는 판형상 세라믹스체의 한쪽의 주면을 웨이퍼의 배치면으로 하고, 상기 판형상 세라믹스체의 다른쪽 주면 또는 내부에 전극을 구비하고,
상기 판형상 세라믹스체의 체적 고유 저항이 108~1011Ω·㎝로서,
상기 배치면과는 반대측의 면에 도체층을 구비하고,
상기 도체층의 면적이 상기 배치면의 면적의 100% 이상이다.
본 발명에서 상기 도체층의 면적이 상기 배치면의 면적의 115%이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 판형상 세라믹스체의 두께가 15㎜ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 판형상 세라믹스체를 관통하는 관통구멍과,
상기 배치면에 설치되고 상기 관통구멍과 연결된 홈을 구비하고,
상기 홈의 깊이가 10~500㎛인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 홈이 상기 판형상 세라믹스체의 중심으로부터 주변으로 방사상으로 연장되는 방사홈을 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서, 상기 방사홈의 길이가 상기 판형상 세라믹스체의 반경의 1/3 이상인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 관한 웨이퍼 유지부재의 제조방법은 상기 웨이퍼 유지부의 배치면과 반대측 표면 및 상기 복합재 플레이트의 표면에 각각 금속층을 형성하는 공정,
제 1 금속층과 제 2 금속층 사이에 브레이징재를 설치하는 공정, 및
브레이징재를 가압하면서 가열하고, 웨이퍼 유지부와 상기 복합재료를 접합하는 공정을 포함하고, 이에 의해 상술한 웨이퍼 유지부재가 얻어진다.
본 발명에 의하면 복합재료의 조성을 엄선함으로써 상기 복합재료 자체의 He 누출율 1.3×10-10Pa·㎥/sec 이하의 진공기밀성을 유지할 수 있음과 동시에, 복합재료의 조성을 충분히 음미함으로써, 판형상 기체와 접합해도 He 누출율을 1.3×10-10Pa·㎥/sec 이하로 할 수 있다.
또한, 복합재료의 강도 편차를 나타내는 와이블 계수를 5이상으로 하고, 열전도율을 160W/(m·K) 이상으로 하고, 열팽창 계수를 판형상 기체에 가까운 4~6×10-6/℃로 할 수 있으므로 CVD, PVD, 스퍼터링 등의 성막장치나 에칭장치에서 요구되는 -40℃~100℃의 냉열 사이클을 가해도 판형상 기체에 균열이 발생하는 일이 없고, 웨이퍼의 열을 효율 좋게 웨이퍼 유지부재를 통하여 외부에 방산할 수 있고, 또한 복합재료의 강도 편차가 작은 점에서 신뢰성이 높은 웨이퍼 유지부재를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 5~50%의 기공율을 갖는 복합재를 세라믹스제 정전척에 접합한 경우에도 -40~150℃의 냉열 사이클 시험에 10000사이클 이상 견딜 수 있는 신뢰성이 얻어지는 웨이퍼 유지부재를 실현할 수 있다.
또한, 잔류 흡착력이 작고 웨이퍼를 빠르게 제거할 수 있고 반복하여 웨이퍼를 흡착해도 웨이퍼가 항상 빠르게 이탈할 수 있고, 또한 10만회 이상의 웨이퍼의 흡착/이탈을 반복해도 잔류 흡착이 발현하지 않는 웨이퍼 유지부재를 실현할 수 있다.
이하, 도면을 참조하면서 바람직한 실시형태를 설명한다.
(실시형태 1)
도 1a는 본 발명의 제 1 실시형태를 도시한 단면도이고, 도 1b는 누출율을 측정하는 방법을 도시한 설명도이다.
웨이퍼 유지부재(1)는 판형상 기체(7)의 한쪽 주면을 웨이퍼를 얹는 배치면(7a)으로 하고, 상기 판형상 기체(7)의 다른쪽 주면 또는 내부에 전극(10)을 구비한 웨이퍼 유지부(2)와, SiC와 SiO2와 Al 또는 Si 중 적어도 1종으로 이루어진 플레이트(4)를 구비하고, 상기 웨이퍼 유지부(2)의 배치면(7a)과 반대측의 표면에 금속 접합재(3)를 통하여 상기 유지부(2)와 상기 플레이트(4)가 접합되어 있다.
판형상 기체(7)는 알루미나 등의 산화물 세라믹스나 질화물, 탄화물 등의 세라믹스로 이루어진 것이 바람직하고, 배치면(7a)에는 홈(도시하지 않음)이 형성되어 웨이퍼 유지부(2)를 관통하는 가스 도입구(6)로부터 아르곤 가스 등이 공급되어 웨이퍼(W)와 홈으로 형성된 공간에 가스가 충전되고, 웨이퍼(W)와 배치면(7a) 간의 열전도를 높여, 웨이퍼(W)의 열을 이동시킬 수 있도록 이루어져 있다.
또한, 플레이트(4)는 금속과 세라믹의 복합재로 이루어지고, 이와 같은 구조로 함으로써 판형상 기체(7)와 플레이트(4)의 열팽창 계수를 접근시킬 수 있음과 동시에, 플레이트(4)의 열전도율이 약 160W/(m·K)으로 큰 재료가 얻어지고, 플라즈마 등의 분위기로부터 웨이퍼(W)에 전달된 열을 플레이트(4)를 통하여 제거하는 것이 용이해져 바람직하다.
그리고, 플레이트(4)에는 냉각매체를 통과하는 유로(4a)가 구비되고, 냉각매체를 통하여 웨이퍼(W)의 열을 웨이퍼 유지부재(1)의 외부로 제거할 수 있는 점에서 웨이퍼(W)의 온도를 냉각매체의 온도로 조절하는 것이 용이해진다.
그리고, 배치면(7a) 상에 웨이퍼(W)를 배치하고, 흡착용 전극(10) 사이에 수백 V의 흡착전압을 급전단자(5a, 5b)로부터 인가하고, 흡착용 전극(10)과 웨이퍼(W) 사이에 정전 흡착력을 발현시키고, 웨이퍼(W)를 배치면(7a)에 흡착시킬 수 있다. 또한, 플레이트(4)와 대향전극(도시하지 않음) 사이에 RF전압을 인가하면 웨이퍼(W)의 위쪽에 플라즈마를 효율적으로 발생시킬 수 있다.
본 발명의 복합재료는 상기 플레이트(4)에 사용할 수 있는 재료이고, 원하는 형상의 세라믹스의 다공성 프리폼을 형성하고, 비산화성 가스중에서 용융한 Al 또는 Si 또는 Al과 Si의 합금을 상기의 프리폼 중에 함침시키는 방법으로 용융 고화체를 제작한다. 또는 세라믹스와 용융한 Al 또는 Si 또는 Al과 Si의 합금을 섞으면서 분산시키고, 균일하게 분산된 세라믹스와 금속 혼합물을 원하는 형상이 얻어지는 주형에 흘려 넣음으로써, 용융 고화체를 제작할 수 있다. 그리고, 이들의 용융 고화체로 이루어진 재료의 기공을 메우기 위해 메틸실리케이트나 에틸실리케이트 등의 알킬실리케이트를 함침시켜, 건조시키거나 SiO2를 용융 고화체 중에 잔존시켜 용융 고화체의 기공을 밀봉하여 복합재료로 했다.
본 발명의 복합재료는 SiC와, SiO2와 Al 또는 Si 중 적어도 1종으로 이루어진 복합재료의 He 누출율이 1.3×10-10Pa·㎥/sec 이하인 것을 특징으로 한다. 그 이유는 He 누출율이 1.3×10-10Pa·㎥/sec를 초과하면 반도체 소자의 0.13㎛ 이하의 초미세 패턴을 형성하는 고순도 프로세스에서 사용하는 웨이퍼 유지부재의 플레이트로서 사용할 수 없기 때문이다.
또한, 선행기술 1, 2에 기재되는 플레이트를 이루는 복합재료는 세라믹스와 Al 또는 SiC와 Al로 이루어진 복합재료이고, 상기 복합재료는 근본적으로 다공성이고 헬륨이 누출되는 재료인 점이 본 발명품과 완전히 다른 점이다.
본 발명의 복합재료는 SiC와, Al 또는 Si 중 적어도 1종으로 이루어진 용융 고화체의 기공을 메우기 위해 에틸실리케이트나 메틸실리케이트 등의 알킬 실리케이트를 함침시키고 건조시킴으로써, SiO2를 용융 고화체 중에 잔존시키고, 용융 고화체 중의 기공을 밀봉하는 것이 He 누출율 확보를 위해 유효한 것을 발견했다. 그 때문에 SiC와, SiO2와, Al 또는 Si 중 적어도 1종으로 이루어진 복합재료로 함으로써, SiO2가 상기 용융 고화체 중의 기공을 메우기 위해, He 누출을 억제하는 것이 가능해지는 것이다.
또한, 본 발명의 복합재료는 SiC를 69~79질량%의 범위로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 SiC가 69질량% 미만에서는 복합재료의 강도 편차가 커지고, 와이블 계수가 5미만으로 작아지는 점에서, 본 발명의 복합재료를 웨이퍼 유지부재의 플레이트(4)로서 사용했을 때, 플레이트(4)와 판형상 기체(7)의 접합시나 접합후의 실제의 프로세스에서, -40℃~100℃의 냉열 사이클에 의해 플레이트(4)에 균열이 발생하기 쉽기 때문이다. 한편, 79질량%를 초과하면 용융 고화체 중의 기공은 존재하지만, 기공의 직경이 작아지므로 SiO2를 함침시키기 어려워진다. 그 결과 복합재료는 다공성 그대로가 되고, 8.0×10-11Pa·㎥/sec의 보다 작은 He 누출율을 달성하는 것이 곤란해지기 때문이다.
또한, Al을 10.6~20.6질량%의 범위로 한다. 그 이유는 Al이 10.6질량% 미만에서는 복합재료의 열전도율이 160W/(m·K) 미만으로 너무 작아지므로, 상기 복합재료로 이루어진 플레이트(4)를 냉매에 의해 냉각해도 Ar 또는 Cu 플라즈마에 노출된 Si웨이퍼에 의해 가열된 판형상 기판(7)으로부터의 열을 냉매에 전달하기 어려우므로, Si 웨이퍼가 반도체 제조 공정상의 원하는 온도보다 올라감으로써, IC칩의 수율을 저하시킬 우려가 있기 때문이다. 한편, Al이 20.6질량%를 초과하면 복합재료의 열팽창 계수가 6×10-6/℃ 보다 커지므로, 복합재료를 사용한 플레이트(4)와 판형상 기체(7)의 열팽창차가 커지고, 반도체 제조장치의 웨이퍼 유지부재(1)로서 요구되는 -40℃∼100℃의 냉열 사이클 하에서는 판형상 기체(7)에 절단이 발생하기 때문이다.
또한, Si를 5.4~15.4질량%의 범위로 한다. 그 이유는 Si가 5.4질량% 미만에서는 복합재료의 열팽창 계수가 6×10-6/℃ 보다 커지므로, 복합재료를 사용한 플레이트(4)와 판형상 기체(7)의 열팽창차가 커지고, 반도체 제조장치의 웨이퍼 유지부재(1)로서 요구되는 -40℃~100℃의 냉열 사이클하에서는 판형상 기체(7)에 균열이 발생하기 때문이다. 한편, Si가 15.4질량%를 초과하면 복합재료의 열전도율이 160W/(m·K) 미만으로 너무 작아지므로, 상기 복합재료로 이루어진 플레이트(4)를 냉매에 의해 냉각해도 Ar 또는 Cu 플라즈마에 노출된 Si 웨이퍼에 의해 가열된 판형상 기체(7)로부터의 열을 냉매에 전달하기 어려우므로, Si 웨이퍼가 반도체 제조 공정상의 원하는 온도보다 올라감으로써, IC칩의 수율을 저하시킬 우려가 있기 때문이다.
또한, SiO2를 0.01~5질량%의 범위로 한다. 그 이유는 SiO2가 0.01질량% 미만에서는 SiO2의 양이 너무 적으므로 용융 고화체 중의 기공을 충분히 메울 수 없으므로, 8.0×10-11Pa·㎥/sec 보다 작은 He 누출율을 달성하는 것이 곤란하기 때문이다. 또한, 5질량%를 초과하면, SiO2의 무름이 복합재료에 나타나 파괴원으로서 작용하므로 복합재료 자체의 강도 편차가 커지고, 와이블 계수를 5이상으로 할 수 없기 때문이고, 또한 복합재료의 열팽창 계수가 4×10-6/℃ 미만으로 작아지므로 복합재료를 사용한 플레이트(4)와 판형상 기체(7)의 열팽창차가 커지고, 반도체 제조장치의 웨이퍼 유지부재(1)로서 요구되는 -40℃~100℃의 냉열 사이클 하에서는 판형상 기체(7)에 균열이 발생할 우려가 있기 때문이다.
SiC를 69~79질량%, Al을 10.6~20.6질량%, Si를 5.4~15.4질량%, SiO2를 0.01~5질량% 함유하는 복합재료로 하면 복합재료 자체의 He 누출율로서 8.0×10-11Pa·㎥/sec를 달성하는 것이 가능하고, 복합재료의 와이블 계수가 5이상이고, 열전도율이 160 W/(m·K) 이상이고 열팽창계수가 4~6×10-6/℃의 범위의 복합재료가 얻어진다.
더욱 바람직한 범위로서, 본 발명의 복합재료는 SiC를 71.5 ~ 76.5질량%의 범위로 한다.
그 이유는 SiC가 71.5질량% 미만에서는 복합재료의 강도의 편차가 커지고, 와이블 계수가 8미만으로 작아지므로, 복합재료로 이루어진 플레이트(4)와 판형상 기체(7)의 접합시나 접합후의 실제의 공정에서, -40℃~200℃의 냉열 사이클에서 플레이트(4)에 균열이 발생하기 쉬워지기 때문이다. 한편, 76.5질량%를 초과하면, 용융 고화체 중의 기공은 존재하지만, 기공의 직경이 작아지므로 SiO2를 함침시키기 어려워진다. 그 결과 복합재료는 다공성 상태가 되고, 3×10-11Pa·㎥/sec 보다 작은 He 누출율을 달성하는 것이 곤란해지기 때문이다.
또한, Al을 13.1~18.1질량%의 범위로 한다. 그 이유는 Al이 13.1질량% 미만에서는 복합재료의 열전도율이 200W/(m·K) 미만이 되므로, 상기 복합재료로 이루어진 플레이트(4)를 냉매에 의해 냉각해도 Ar 또는 Cu 플라즈마에 노출된 Si 웨이퍼에 의해 가열된 판형상 기체(7)로부터의 열을 냉매에 전달하기 어려워지므로, Si 웨이퍼가 반도체 제조 공정상의 원하는 온도보다 올라감으로써, IC칩의 수율을 저하시킬 우려가 있기 때문이다. 한편, Al이 18.1질량%를 초과하면 복합재료의 열팽창 계수가 5.5×10-6/℃ 보다 커지므로, 복합재료를 사용한 플레이트(4)와 판형상 기체(7)의 열팽창차가 커지고, 반도체 제조장치의 웨이퍼 유지부재(1)로서 요구되는 -40℃~200℃의 냉열 사이클하에서는 판형상 기체(7)에 절단이 발생할 우려가 있기 때문이다.
또한, Si를 7.9~12.9질량%의 범위로 한다. 그 이유는 Si가 7.9질량% 미만에서는 복합재료의 열팽창 계수가 5.5×10-6/℃ 보다 커지므로, 복합재료를 사용한 플레이트(4)와 판형상 기체(7)와의 열팽창차가 커지고, 반도체 제조장치의 웨이퍼 유지부재(1)로서 요구되는 -40℃~200℃의 냉열 사이클 하에서는 판형상 기체(7)에 균열이 발생하기 때문이다. 한편, Si가 12.9질량%를 초과하면 복합재료의 열전도율이 200W/(m·K) 미만으로 작아지므로, 상기 복합재료로 이루어진 플레이트(4)를 냉매에 의해 냉각해도 Ar 또는 Cu 플라즈마에 노출된 Si 웨이퍼에 의해 가열된 판형상 기체(7)로부터의 열을 냉매에 전달하기 어려워지므로, Si 웨이퍼가 반도체 제조 공정상의 원하는 온도보다 올라감으로써, IC칩의 수율을 저하시킬 우려가 있기 때문이다.
또한, SiO2를 0.05~2질량%의 범위로 한다. 그 이유는 SiO2가 0.05질량% 미만에서는 SiO2의 양이 작아 용융 고화체 중의 기공을 충분히 메울 수 없으므로, 3×10-11Pa·㎥/sec 보다 작은 He 누출율을 달성하는 것이 곤란하기 때문이다. 또한, 2질량%를 초과하면, SiO2의 무름이 복합재료에 드러나 파괴원으로서 작용하여 복합재료 자체의 강도 편차가 커지고, 와이블 계수를 8이상으로 할 수 없기 때문이다. 또한, 복합재료의 열팽창 계수가 4.5×10-6/℃ 미만으로 작아지므로 복합재료를 사용한 플레이트(4)와 판형상 기체(7)의 열팽창차가 커지고, 반도체 제조장치의 웨이퍼 유지부재(1)로서 요구되는 -40℃~200℃의 냉매 사이클 하에서는 판형상 기체(7)에 균열이 발생할 우려가 있기 때문이다.
따라서, SiC를 71.5~76.5질량%, Al을 13.1~18.1질량%, Si를 7.9~12.9질량%, SiO2를 0.05~2질량% 함유하는 복합재료로 하면 복합재료 자체의 He 누출율로서 3×10-11Pa·㎥/sec를 달성하는 것이 가능하고, 복합재료의 와이블 계수가 8이상이고, 열전도율이 200W/(m·K) 이상에서 열팽창 계수가 4.5~5.5×10-6/℃의 범위가 되어 더욱 바람직한 복합재료가 얻어진다.
또한, 본 발명의 웨이퍼 유지부재(1)는 판형상 기체(7)의 한쪽 주면을 웨이퍼를 얹는 배치면으로 하고, 상기 판형상 기체(7)의 다른쪽 주면 또는 내부에 전극을 구비한 웨이퍼 유지부(2)와, 상술한 복합재료로 이루어진 플레이트(4)를 구비하고, 상기 플레이트(4)의 열팽창 계수가 상기 판형상 기체(7)의 열팽창 계수의 0.8~1.2배이고, 상기 판형상 기체(7)와 상기 플레이트(4)가 금속 접합재(3)로 접합되어 있다.
그 이유는 판형상 기체(7)의 열팽창 계수가 플레이트(4)의 열팽창 계수의 0.8배 미만에서는 판형상 기체(7)와 플레이트(4)의 열팽창차가 커지므로, 판형상 기체(7)에 균열이 발생할 우려가 있기 때문이다. 한편, 판형상 기체(7)의 열팽창 계수가 플레이트(4)의 열팽창 계수의 1.2배를 초과하면, 판형상 기체(7)와 플레이트(4)의 열팽창차가 커지므로, 역시 판형상 기체(7)에 균열이 발생할 우려가 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 웨이퍼 유지부재(1)의 금속접합재(3)는 6~15질량%의 Si와, 0.1~5질량%의 Mg 또는 Cu를 함유하고, 잔부가 Al으로 이루어진 주성분과, 상기 주성분에 대해서 첨가성분으로서 Ni, Au, Ag으로부터 선택되는 1종 이상을 0.01~10질량% 함유한다.
그 이유는 본 발명의 금속접합재(3)는 열전도율이 크고 플레이트(4)가 SiO2로 기공을 밀봉하고 있는 것이 바람직하고, 너무 높은 온도까지 올려 접합하는 것은 기공을 밀봉하고 있는 SiO2 자체에 크랙이 들어가, 바람직하지 않으므로, 600℃ 이하에서 판형상 기체(7)와 복합재료로 이루어진 플레이트(4)를 접합할 수 있음과 동시에 증기압이 낮아 반도체 제조장치 내를 오염시키지 않는 것이 필수이다. 이러한 점에서, 어느 정도 열전도율이 커도 Ag브레이징과 같이 접합온도가 800℃정도가 되는 금속 접합재는 사용할 수 없다. 또한, 접합온도가 600℃ 이하이어도, 증기압이 높은 Zn, Sn, Cd, Pb을 포함하는 땜납 또는 알루미늄 땜납 등의 금속 접합재는 반도체 제조장치내를 오염시킬 가능성이 있으므로 사용할 수 없다. 그러나, 본 발명의 금속 접합재(3)는 접합온도를 600℃ 이하로 할 수 있을 뿐만 아니라 증기압도 낮으므로, 반도체 제조장치 내를 오염시키는 일도 없고 열전도율이 크므로 반도체 제조장치 내에서 사용하는 데에 가장 적합한 접합재료로 이루어지기 때문이다.
그리고, 금속접합재(3)의 조성은 6~15질량%의 Si와, 0.1~5질량%의 Mg 또는 Cu를 함유하고, 잔부가 Al으로 이루어진 주성분과, 상기 주성분에 대해서 첨가성분으로서 Ni, Au, Ag으로부터 선택되는 적어도 1종 이상을 0.01~10질량% 함유하는 것이 중요하다.
Si는 6질량% 이상이 아니면 브레이징 온도가 600℃ 이하가 되지 않는다. 또한, 15질량%를 초과하면 브레이징 온도가 600℃를 초과하는 것으로부터 적절하지 않다. 또한, Si가 6질량% 미만에서도 16질량%를 초과해도 브레이징 자체가 물러지므로, 냉열 사이클에서 브레이징재에 크랙이 발생하기 쉬워져, He 누출율이 커질 우려가 있다.
또한, Mg과 Cu는 어느 한쪽을 0.1~5질량% 첨가함으로써 Al 브레이징재 용융시의 점도를 저하시키고, Al납재층과 판형상 기체(7) 또는 플레이트(4)의 젖음성을 향상시키고, 접합을 보다 강화시킬 수 있으므로 크게 유효하다. Al과 Si는 금속이므로, 600℃ 정도의 온도에서 접합할 때에는 접합로 중에 존재하는 약간의 산소 분위기에 의해 납재 표면이 산화되므로 Al 브레이징재의 점도가 올라가지만, Mg과 Cu 중 어느 1종 이상을 첨가함으로써 브레이징시의 브레이징으로의 분위기 중에 존재하는 산소와 결합하여, Al과 Si의 산화를 방지한다. 이 때문에, Al브레이징재의 점도는 브레이징재에 고유의 점도로 유지되어, Al브레이징재층과 판형상 기체(7) 또는 플레이트(4)의 젖음성을 향상시키는 것이 가능해진다. Mg과 Cu는 어느 한쪽을 0.1질량% 미만에서는 Al 및 Si의 산화방지효과는 얻어지지 않으므로, 접합층 중에서 접합되어 있는 부분과 접합되어 있지 않은 부분이 발생하므로, 냉열 사이클 시험에서 크랙이 발생한다. 한편, 5질량%를 초과하면, 브레이징재 자체가 물러지므로, 역시 냉열 사이클 시험에서 크랙이 발생하기 쉬워지므로 바람직하지 않다.
또한, 상기 주성분에 대해서 첨가성분으로서 Ni, Au, Ag으로부터 선택되는 적어도 1종 이상을 0.01~10질량% 함유하는 것이 바람직하다. 그 이유는 금속접합재(3)와 판형상 기체(7)나 플레이트(4)의 젖음성을 좋게 하기 위해, 판형상 기체(7) 및 플레이트(4)의 접합표면에 도금 등의 방법을 사용하여 금속층을 설치하고 나서 판형상 기체(7)와 플레이트(4)를 금속 접합재(3)로 접합하지만, 접합한 후에는 반드시 Ni, Au, Ag 금속층은 금속접합재(3) 중에 확산된다. 이 때문에, 접합전에는 판형상 기체(7)의 금속층, 금속접합용 브레이징재, 복합재 플레이트(4)의 금속층과 3층이 되어 있던 것이, 접합후에는 금속 접합재(3)의 조성으로서는 6~15질량%의 Si와, 0.1~5질량%의 Mg 또는 Cu를 함유하고, 잔부가 Al으로 이루어진 주성분과, 상기 주성분에 대해서 첨가성분으로서 Ni, Au, Ag으로부터 선택되는 1종 이상을 0.01~10질량% 함유하는 조성으로 이루어져 있는 것을 발견했다. 상기 Ni, Au, Ag의 금속성분은 접합시의 금속접합재(3)의 젖음성을 향상시킬 뿐만 아니라, 접합종료까지 금속접합재 중에 확산되고, 금속접합재(3)와 판형상 기체(7) 또는 플레이트(4)의 접합을 단순한 앵커 효과 뿐만 아니라, 상호 확산에 의해 단단한 것으로 하고 있는 것으로 생각된다.
주성분에 대해서 첨가성분으로서 Ni, Au, Ag으로부터 선택되는 적어도 1종 이상이 0.01질량% 미만에서는 금속접합재(3) 중에 확산되는 양이 적으므로, 금속접합재(3)와 판형상 기체(7) 또는 플레이트(4)의 단단한 접합이 얻어지지 않고, -40℃~200℃의 냉열 사이클 시험에서 크랙이 발생하기 쉬워지므로 바람직하지 않다. 한편, 주성분에 대해서 첨가성분으로서 Ni, Au, Ag으로부터 선택되는 적어도 1종 이상이 10질량%를 초과하면, 납재 자체가 물러지므로, 역시 냉열 사이클 시험에서 크랙이 발생하기 쉬워지므로 바람직하지 않다.
이 때문에, 금속접합재(3)의 조성으로서는 6~15질량%의 Si와, 0.1~5질량%의 Mg 또는 Cu를 함유하고, 잔부가 Al으로 이루어진 주성분과, 상기 주성분에 대해서 첨가성분으로서 Ni, Au, Ag으로부터 선택되는 1종 이상을 0.01~10질량% 함유함으로써, -40℃~200℃의 냉열 사이클 시험에서도 크랙이 발생하지 않는 웨이퍼 유지부재(1)로 할 수 있다.
본 발명의 플레이트(4)의 제조방법으로서 미리 용융시킨 Al 또는 Si, 또는 Al과 SiC를 분산시키고, 원하는 형상의 틀에 흘려 넣어 용융 고화체를 형성하는 방법과, SiC의 다공성 소결체를 제작해 두고 용융시킨 금속성분을 함침시켜 용융 고화체를 형성하는 방법이 있다. 또한, SiO2는 SiC와 Al 또는 Si, 또는 Al, Si, SiC로 이루어진 용융 고화체를 형성한 후에 메틸실리케이트나 에틸실리케이트 등의 알킬실리케이트 함침시키고, 건조시킴으로써 SiO2를 플레이트 중에 잔존시키는 것이 바람직하다.
이와 같은 제조방법을 취함으로써, 반도체 제조장치 중에서 필요로 되는, He누출율이 1.3×10-10Pa·㎥/sec를 달성하는 것이 가능함과 동시에, 만약 1회의 기공 밀봉 처리에서 He 누출이 발생하는 모든 구멍을 밀봉할 수 없었다 해도 2회째, 3회째로 복수회 처리하는 것이 가능하고, 원하는 He 누출율을 얻기까지 알킬실리케이트에 의한 기공 밀봉 처리를 반복함으로써, 원하는 He 누출율의 복합재 플레이트를 얻는 것이 가능해진다.
또한, He 누출율의 측정방법은 복합재 플레이트를 제작하고, 5㎛ 다이아몬드로 복합재 플레이트의 표면을 Ra 0.1㎛~0.2㎛로 마무리한 후, 상기 복합재 플레이트의 표면에 내부직경 30㎜, 외부직경 34㎜의 O링을 내장한 금속제의 통을 눌러 부착하여 통의 내부를 진공으로 하기 위해 진공상태를 형성하고, 상기 진공을 형성한 상태에서 비닐봉지 또는 원하는 형상의 하우징에 넣어 He 가스를 채운다. 누출부분 전체에서 He가스가 금속제의 통 내부에 도입되므로, 누출의 간과는 없다. He을 계속 분사하고 진공도의 저하를 확인하여 He 누출율을 산출한다.
다음에 본 발명의 복합재료로 이루어진 플레이트(4)를 접합한 웨이퍼 유지부재(1)로서 정전척의 제조방법을 설명한다.
정전척을 구성하는 판형상 기체(7)로서는 질화 알루미늄질 소결체를 사용할 수 있다. 질화 알루미늄질 소결체의 제조에 있어서는 질화 알루미늄 분말에 중량 환산으로 10질량% 정도의 제 3a 족 산화물을 첨가하고, IPA(isopropyl alcohol)와 우레탄볼을 사용하여 볼밀(ball mill)에 의해 48시간 혼합하고, 얻어진 질화 알루미늄의 슬러리(slurry)를 200메시에 통과시켜 우레탄볼이나 볼밀벽의 찌꺼기를 제거한 후, 방폭 건조기에서 120℃에서 24시간 건조하여 균질인 질화 알루미늄질 혼합 분말을 얻는다. 상기 혼합분말에 아크릴계의 바인더와 용매를 혼합하여 질화 알루미늄질의 슬립을 제작하고, 닥터 블레이드(doctor blade)법으로 테입 성형을 실시한다. 얻어진 질화알루미늄의 테입을 복수매 적층하고, 그 위에 정전 흡착용 전극(10)으로서 W(tungsten)을 스크린 인쇄법으로 형성하고, 무지의 테입에 원하는 밀착액을 도포하고, 테입을 복수매 겹쳐 프레스 성형을 실시한다.
얻어진 성형체를 비산화성 가스기류 중에서 500℃에서 5시간 정도의 탈지를 실시하고, 또한 비산화성 분위기에서 1900℃에서 5시간 정도의 소성을 실시하여 전극(10)을 매설한 질화알루미늄질 소결체를 얻는다.
이렇게 하여 얻어진 질화알루미늄질 소결체에 원하는 형상, 원하는 절연층 두께가 얻어지도록 기계 가공을 실시하고, 웨이퍼 유지부(2)로 한 후에 도금, 납땜 도금, 스퍼터링, 메탈라이즈 등의 방법에 의해 정전 흡착부의 배치면과 반대측 면에 금속층을 형성한다.
플레이트(4)는 세라믹스 입자에 용융한 금속을 함침시키고, 함침 중은 세라믹스 입자와 용융 금속에 열만을 가하고 압력은 가하지 않는다. 함침이 종료된 시점에서, 10~100rpm의 회전수의 교반 블레이드에 의해 용융금속이 함침된 세라믹스 입자를 가열하면서 1~10시간 혼합한다. 그 후, 주입 성형에 의해 원하는 형상으로 성형한다. 그 후, 에틸실리케이트 중에 10분간 침지하고, 100℃에서 3시간 건조하여 플레이트(4)로 했다. 플레이트(4)의 표면에 잔존하는 SiO2분에 대해서는 플레이트(4)와 동일 재질의 블레이드로 깎아 내었다.
그리고, SiC와 Al과 Si와 SiO2를 포함하는 플레이트(4)의 접합면측에 도금, 땜납 도금, 스퍼터링, 메탈라이즈 등의 방법에 의해 금속층을 형성했다. 그리고, 플레이트(4)와 상기 질화알루미늄제 웨이퍼 유지부(2)를 금속 접합재(3)로 접합한다. 이 때, 금속 접합재로서는 6~15질량%의 Si와, 0.1~5질량%의 Mg 또는 Cu를 함유하고, 잔부가 Al으로 이루어진 주성분과, 상기 주성분에 대해서 첨가성분으로서 Ni, Au, Ag으로부터 선택되는 1종 이상을 0.01~10질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 금속 접합재(3)인 것이 바람직하다.
그리고, 원하는 하중, 온도를 가하면서 비산화성 분위기 중에서 접합하거나 또는 열간프레스법으로 가압하면서, 원하는 온도, 원하는 압력하에서 접합하여 정전척인 웨이퍼 유지부재(1)를 얻을 수 있다.
(실시형태 2)
도 2는 본 발명의 제 2 실시형태를 도시한 단면도이고, 도 3은 그 평면도이다.
웨이퍼 유지부재(1)는 판형상 세라믹스체(7)의 한쪽 주면을 웨이퍼를 얹는 배치면(7a)으로 하고, 상기 판형상 세라믹스체(7)의 다른쪽 주면 또는 내부에 전극(10)을 구비한 웨이퍼 유지부(2)와, SiC와 알루미늄과 실리콘을 포함하는 복합재 플레이트(4)를 구비하고, 상기 웨이퍼 유지부(2)의 배치면(7a)과 반대측 표면에 금속층(8)과, 상기 복합재 플레이트(4)의 표면에 금속층(9)을 구비하고, 상기 2개의 금속층(8, 9)과 금속 접합재(3)를 통하여 상기 웨이퍼 유지부(2)와 상기 복합재 플레이트(4)가 접합되어 있다.
판형상 세라믹스체(7)는 알루미나 등의 산화물 세라믹스나 질화물, 탄화물 등의 세라믹스로 이루어진 것이 바람직하고, 배치면(7a)에는 홈(도시하지 않음)이 형성되어 웨이퍼 유지부재(1)를 관통하는 가스 도입구(6)로부터 아르곤 가스 등이 공급되어 웨이퍼(W)와 홈으로 형성된 공간에 가스가 충전되고, 웨이퍼(W)와 배치면(7a) 사이에 열전도를 높이고, 웨이퍼(W)의 열을 이동시키도록 하고 있다.
또한, 복합재 플레이트(4)는 금속과 세라믹의 복합재로 이루어지고, 3차원 코 구조의 다공질 세라믹체를 골격으로 하고, 그 기공에 빈틈없이 알루미늄 실리콘 합금을 충전한 복합재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 구조로 함으로써, 판형상 세라믹스체(7)와 복합재 플레이트(4)의 열팽창 계수를 접근시킬 수 있다.
또한, 상기의 복합재 플레이트(4)의 열전도율이 약 160W/(m·K)으로 큰 재료가 얻어지고, 플라즈마 등의 분위기로부터 웨이퍼(W)에 전달된 열을 복합재 플레이트(4)를 통하여 제거하는 것이 용이해져 바람직하다.
그리고, 복합재 플레이트(4)에는 냉각매체를 통과하는 유로(4a)가 구비되고, 냉각매체를 통하여 웨이퍼(W)의 열을 웨이퍼 유지부재(1)의 외부로 제거할 수 있으므로, 웨이퍼(W)의 온도를 냉각매체의 온도로 컨트롤하는 것이 용이해진다.
그리고, 배치면(7a) 상에 웨이퍼(W)를 얹고 흡착용 전극(10) 사이에 수백 V의 흡착전압을 급전단자(5a, 5b)로부터 인가하여, 흡착용 전극(10)과 웨이퍼(W) 사이에 정전 흡착력을 발현시키고, 웨이퍼(W)를 배치면(7a)에 흡착시킬 수 있다. 또한, 복수재 플레이트(4)와 대향전극(도시하지 않음) 사이에 RF(radio frequency) 전압을 인가하면 웨이퍼(W)의 위쪽에 플라즈마를 효율적으로 발생시킬 수 있다.
본 발명의 웨이퍼 유지부재(1)는 알루미늄과 SiC로 이루어진 2성분 복합재가 아니고, SiC와 알루미늄과 실리콘을 포함하는 복합재 플레이트(4)에 1~200㎛의 두께의 금속층(9)을 형성하고 있다. 복합재 플레이트(4) 중의 알루미늄과 실리콘의 조합으로부터, 복합재 플레이트(4)로서 제조했을 때 알루미늄·실리콘계의 공정(共晶)재료를 형성하고 있으므로, 금속층(9)과의 밀착성이 개선된다. 실리콘 자체의 금속층(9)과 밀착성이 바람직하므로 복합재 플레이트(4)에서는 금속층(9)과의 강한 밀착성이 얻어진다.
복합재 플레이트(4)에 형성된 금속층(9)은 알루미늄과 SiC의 2성분 복합재에 비해, 금속 접합재(3)와의 젖음성이 대폭 개선되고 SiC와 알루미늄과 실리콘의 복합재와 금속 접합재 사이에 공동이 발생하는 일이 없으므로 -40℃~150℃의 냉열 사이클에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.
그리고, 동일한 금속층(8)은 판형상 세라믹스체(7)의 이면에도 형성되어 있는 것이 필요하다. 금속층(8)이 판형상 세라믹스체(7)에 형성되어 있지 않은 경우에는 금속 접합재(3)와 판형상 세라믹스체(7)는 앵커 효과에 의해서만 결합되지만, 판형상 세라믹스체(7)에 금속층(8)이 형성되어 있으면 금속층(8)과 금속 접합재(3)의 상호 확산에 의해, 단순한 앵커 효과만의 밀착에 비해 강한 밀착성이 얻어진다.
금속층(8, 9)은 복합재 플레이트(4)와 금속접합재(3)의 젖음성의 개선 및 판형상 세라믹스체(7)와 금속 접합재(3)의 강한 밀착성을 얻기 위해서 뿐만 아니라, 접합 강도를 균일화시키는 효과가 크다. 금속 접합재(3)를 복합재 플레이트(4)나 판형상 세라믹스체(7)와 직접 접합하는 경우에는 반드시 복합재 플레이트(4)측이나 판형상 세라믹스체(7)측 중 어느 한쪽에 접합 강도가 약한 부분이 존재하므로, 접합강도가 약한 부분은 금속 접합재에 의한 접합시에 크랙을 발생시키기 쉬워진다. 이 때문에, 본 발명의 효과를 얻기 위해서는 반드시 금속화면은 복합재 플레이트(4)와 금속 접합재(3) 사이, 및 판형상 세라믹스체(7)와 금속 접합재(3) 사이의 양쪽에 형성할 필요가 있다.
여기에서, 금속 접합재(3)의 두께(t)와 금속층(9)의 두께(tm)의 비 tm/t는 0.01~1로 한다. 상기 비가 0.01이하에서는 복합재 플레이트(4)를 구석구석까지 금속층(8)으로 덮을 수 없을 우려가 있어 접합강도의 편차가 커질 우려가 있다. 또한, tm/t가 1을 초과하면, 금속층(9)과 복합재 플레이트(4)나 판형상 세라믹스체(7) 또는 금속접합재(3)의 열팽창 계수의 차로부터 금속층(8)에 미세한 크랙이 발생하기 쉬워지고, 역시 접합 강도에 편차가 발생하기 쉬워지기 때문이다.
상기 비 tm/t를 0.01~1로 하면, 직경 300㎜의 판형상 세라믹스체(7)와, 금속접합재(3), 복합재 플레이트(4), 급전단자(5) 가스 도입구(6)와 배치면(7a)을 구비하고, 판형상 세라믹스체(7) 및 복합재 플레이트(4) 사이의 계면에 형성된 금속층(8, 9)으로 이루어진 정전척이어도 -40~150℃의 냉열 사이클 시험에 1000사이클 이상 견딜 수 있는 신뢰성이 얻어진다.
또한, 선행문헌 5는 비교적 접합이 용이한 웨이퍼 유지부와 금속부재를 접합한 구성이고, 상기 금속부재와 다른 복합재 플레이트를 접합하는 점이 전혀 다른 것이다.
또한, 선행문헌 6의 복합부재의 조성은 알루미늄과 SiC를 주성분으로 하는 데에 비해 본 발명은 이에 실리콘을 포함시키는 점이 크게 다르고, 또한 금속층을 복합부재 플레이트측과 웨이퍼 유지부측의 양쪽에 구비함으로써, 상승효과를 두드러지게 하여 본 발명에 이르는 것으로, 완전히 그 발명 사상이 다른 것이다.
또한, 금속층(9)이 알루미늄, 금, 은 동, 니켈로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 주성분으로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 금속접합재(3)로서 알루미늄과 실리콘으로 이루어진 알루미늄 브레이즈를 사용한 경우에는 알루미늄브레이즈와의 상용성, 젖음성이 좋은 알루미늄, 금, 은, 동, 니켈로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 주성분으로 한 금속층(9)을 선택하면, 매우 강한 밀착성이 얻어진다. 그리고, 직경 300㎜의 판형상 세라믹체(7)와 복합재 플레이트(4), 급전단자(5), 가스도입구(6)와 배치면(7)으로 이루어진 웨이퍼 유지부재(1)에서, 판형상 세라믹스체(7) 및 복합재 플레이트(4)의 계면에 형성된 금속층(8)을 형성하면, -40~150℃의 냉열 사이클 시험에 10000 사이클 이상 견딜 수 있는 점에서 신뢰성이 있는 웨이퍼 유지부재(1)가 얻어지기 때문이다.
또한, 상기 금속 접합재(3)는 알루미늄을 주성분으로 하는 브레이징재인 것이 바람직하고, 또한 인듐(In)을 주성분으로 하는 브레이징재에서도 동일한 효과가 얻어져 바람직하다.
또한, 금속접합재(3)와 금속층(8, 9)의 재질의 조합으로서는 다른 종류의 금속재를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 급전단자(5a, 5b)를 통하여 전극(10)에 전압을 가하고, 정전 흡착력을 발현시켜 웨이퍼(W)를 흡착하고, 진공 챔버 내에서 웨이퍼(W)에 성막 또는 에칭을 실시하고, 성막 또는 에칭 공정 종료 후에 웨이퍼(W)를 이탈하기 위해 급전단자(5a, 5b)로의 전압의 인가를 정지하고, 배치면(7a)에 축적된 전하를 중화시켜 웨이퍼를 빠르게 이탈시키기 위해서는 판형상 세라믹스체의 체적 고유 저항은 108~1011Ω·㎝인 것이 바람직하고, 배치면(7a)과는 반대측 면에 도체층으로 이루어진 금속층(8, 9)이나 접합층(4), 또한 복합재 플레이트(4)를 구비하고, 이들 도체층의 배치면(7a)으로의 투영면적이 배치면(7a)의 면적의 100% 이상인 것이 바람직하고, 또한 115% 이상인 것이 보다 바람직하다. 이것은 배치면(7a)에 전하를 축적하여 존슨(Johnson)-라벡(rahbeck)력에 의한 정전 흡착력을 발현시키기 위해서는 108Ω·㎝이상인 것이 중요하지만, 흡착후에 빠르게 웨이퍼를 이탈시키기 위해서는 배치면(7a)에 축적된 전하가 빠르게 이탈할 필요가 있으므로, 체적 고유 저항이 1011Ω·㎝을 초과하여 크면, 상기 전하의 이산이 일어나지 않으므로, 잔류 흡착력이 장시간 남을 우려가 있기 때문이다. 잔류 흡착력을 억제하기 위해서는 판형상 세라믹스체(7)의 체적 고유 저항은 1011Ω·㎝이하인 것이 중요하다.
그러나, 전극(10)에 급전단자(5a, 5b)를 통하여 전압을 가하고, 정전 흡착력을 발현시켜 웨이퍼(W)를 흡착하고, 진공 챔버 내에서 웨이퍼(W)에 성막 또는 에칭을 실시하고, 성막 또는 에칭 공정 종료후에 웨이퍼(W)를 이탈시키기 위해 급전 단자(5a, 5b)로의 전압의 인가를 정지한다는 공정을 1만회 정도 반복하면 잔류 흡착력이 발현되는 경우가 있었다. 웨이퍼의 흡착 이탈을 10만회 반복해도 순식간에 배치면(7a)에 축적된 전하를 이산시켜, 웨이퍼(W)를 이탈시키기 위해서는 배치면(7a)에 축적된 전하의 이동장소가 필요하고, 전하의 이동장소인 상기 도체층의 투영면적이 배치면(7a)의 면적의 100% 이상으로 함으로써 10만회 이상 웨이퍼(W)의 흡착/이탈을 반복해도 큰 잔류흡착력이 발현하지 않는 웨이퍼 유지부재(1)가 얻어진다. 이것은, 흡착면(7a)에 축적된 전하는 급전단자(5a, 5b)로의 전압의 인가를 정지하면 중화되는 방향으로 이동하지만, 판형상 세라믹스체(7) 내가 모두 전기적으로 중화되기 전에 다음의 급전단자(5a, 5b)로의 전압 인가되면 이동하지 못하는 전하가 잔류하기 쉽지만, 배치면(7a)의 면적의 100% 이상의 투영면적을 갖는 도체층인 금속층(8, 9), 금속접합재(3)나 복합재 플레이트(4)가 전기적으로 접합되어 있어, 전기적으로 비평형인 전하는 빠르게 도체층에 흡수되기 때문이다. 이에 의해, 웨이퍼 유지부재(1)는 10만회 이상의 웨이퍼의 흡착/이탈을 반복해도 잔류 흡착력의 발현을 작게 할 수 있다. 또한, 본 발명자들은 예의 연구의 결과, 복합재 플레이트(4)인 도체층의 투영면적이 배치면(7a)의 면적의 115% 이상으로 함으로써, 20만회 이상 웨이퍼의 흡착/이탈을 반복해도 잔류 흡착이 발현하지 않는 웨이퍼 유지부재(1)가 얻어지는 것을 발견했다. 이것은 115% 이상에서는 흡착면(7a)에 축적된 전하가 판형상 세라믹스체(7)를 통과하여 도체층인 복합재 플레이트(4)에 흡수될 뿐만 아니라 판형상 세라믹스체(7)의 표면을 통과하여 전하가 복합재 플레이트(4)에 흡수되기 때문이라 생각된다.
또한, 배치면(7a)에 남은 잔류전하를 효율 좋게 하면의 도체층에 이동시키는데에는 상기 배치면(7a)으로부터 도체층까지의 거리가 작은 것이 바람직하고, 판형상 세라믹스체(7)의 체적고유저항이 상기 범위인 것으로부터 판형상 세라믹스체(7)의 두께가 15㎜ 이하인 것이 바람직하다. 상기 두께가 15㎜ 이하이면 배치면(7a)의 잔류 전하를 3초 이하로 단시간에 빠르게 도체층에 이동시킬 수 있는 점에서, 잔류 흡착력이 단시간에 소멸되어 바람직하다. 또한 바람직하게는 11㎜ 이하이고 더욱 바람직하게는 8㎜이하이다.
또한, 판형상 세라믹스체(7)를 관통하는 관통구멍(6)과, 배치면(7a)에 상기 관통구멍(6)에 연결된 홈을 구비하고, 상기 홈의 깊이가 10~500㎛인 것이 바람직하다. 홈의 깊이가 10㎛를 하회하면, 홈에 도입된 아르곤 가스 등에 의해 배치면(7a)과 웨이퍼의 사이의 열전도율이 저하되고 웨이퍼의 냉각효율이 저하되어 바람직하지 않다. 또한, 500㎛를 초과하면 배치면(7a)의 표면의 잔류전하가 표면을 따라 도체층에 전달되기 어려울 우려가 있기 때문이다. 더 바람직한 것은 50~300㎛이다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 배치면(7a)의 표면의 잔류 전하는 표면을 따라 도체층에 전달되는 경우에는 배치면(7a)의 중심부의 잔류 전하가 이동하기 어렵고, 특히 배치면(7a)의 중심부에 섬형상의 볼록부(7c)가 형성되어 있으면 볼록부의 저면의 잔류 전하가 이동하기 어려운 점에서, 배치면(7a)의 중심부의 잔류 전하가 빠르게 배치면의 외주부에 전달되기 쉽도록 홈은 판형상 세라믹스체(7)의 중심부로부터 주변에 방사상으로 연장되는 방사홈(7b)을 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 방사홈(7b)은 판형상 세라믹스체(7)의 반경의 1/3이상이면 배치면(7a)의 중심부의 잔류 전하가 배치면(7a)의 주변에 전달되기 쉽고 잔류 흡착력이 단시간에 작아지고 웨이퍼의 이탈이 용이해져 바람직하다.
또한, 상기 복합재 플레이트(4) 중의 Al과 Si의 중량비(Al/Si)는 0.1~6이 바람직하다. Al과 Si의 중량비가 0.1미만에서는 Si가 과다하게 되고, 복합재 플레이트(4)와 금속 접합층(3)의 계면이 너무 물러지므로, 접합시에 크랙을 발생시킬 우려가 있다. 또한, Al은 SiC, Si모두 기본적으로는 젖음성이 나쁘고 편재하기 쉬운점에서, Al은 Si에 비해 표면에 석출되기 쉽고, Al과 Si의 중량비(Al/Si)가 6을 초과하면 상기 복합재 플레이트(4)의 금속층에 접촉하는 면에서 Al이 점유하는 면적이 80%를 초과할 우려가 있고, Al의 점유면적이 80%를 초과하면 Al의 다른 금속재료와의 젖음성의 저하가 현저하게 나타나, 금속층(8, 9)이나 금속접합재(3)에 공동, 보이드(void)가 발현하고, 상기의 진공기밀성을 악화시켜 바람직하지 않다. 또한, 상기 중량비(Al/Si)가 0.1을 하회하면 Al의 점유면적이 5% 미만이 되고, Al의 점유면적이 5% 미만이 되면, 판형상 세라믹스체(7)와 복합재 플레이트(4) 사이의 열 전달율이 너무 저하되어, 웨이퍼 유지부재(1)로서의 냉각기능이 성립하지 않게 될 우려가 있어 바람직하지 않다.
또한, 상기 웨이퍼 유지부(2)와 복합재 플레이트(4)를 상기 금속 접합재(3)로 접합하기에는 서로의 접합면에 수직인 방향으로 평균압력이 10~200kPa의 억압력을 인가하는 것이 바람직하다.
그 이유는 상기 웨이퍼 유지부(2)와 복합재 플레이트(4)의 금속 접합은 접합면에 원하는 하중을 가하거나, 또는 열간프레스법으로 가압하면서, 원하는 온도, 원하는 압력하에서 접합하지만, 이 때 금속 접합재(3)의 두께의 편차는 중심값 ±30% 이하가 바람직하고, 금속 접합재(3)의 두께의 편차를 중심값 ±30%이하를 달성하기 위해서는 접합을 위해 가하는 하중은 10~200kPa의 범위인 것이 바람직하다. 상기 하중이 10kPa 미만에서는 금속 접합재의 두께의 균일성이 충분히 얻어지지 않으므로, 직경이 200㎜를 초과하는 정전척을 접합하는 경우에는 부분적인 박리가 발생하여 He 누출율이 커진다.
한편, 금속 접합재(3)에 수직인 방향으로 가하는 압력이 200kPa가 초과하면 하중이 너무 높아 웨이퍼 유지부(2)의 중심부와 외주부의 금속 접합재(3)의 두께가 불균일해지기 쉽고, 중심부의 금속 접합재(3)가 너무 얇아져 충분한 앵커 효과가 얻어지지 않으며, He 누출율이 커져 바람직하지 않다.
다음에, 본 발명의 웨이퍼 유지부재(1)의 제조방법을 정전척을 예로 들어 설명한다.
정전척을 구성하는 판형상 세라믹스체(7)로서는 질화알루미늄질 소결체를 사용할 수 있다. 질화알루미늄질 소결체의 제조에 있어서는 질화알루미늄 분말에 중량 환산으로 10질량% 정도의 제 3a족 산화물을 첨가하고, IPA와 우레탄볼을 사용하여 볼밀에 의해 48시간 혼합하고, 얻어진 질화알루미늄의 슬러리를 200메시에 통과시켜, 우레탄볼이나 볼밀벽의 찌꺼기를 제거한 후, 방폭 건조기에서 120℃에서 24시간 건조하여 균질인 질화알루미늄질 혼합 분말을 얻는다.
상기 혼합분말에 알칼리계의 바인더와 용매를 혼합하여 질화알루미늄질의 슬립을 작성하고, 닥터 블레이드법으로 테입 성형을 실시한다. 얻어진 질화알루미늄의 테입을 복수매 적층하고, 그 위에 정전 흡착용 전극(10)으로서 텅스텐을 스크린 인쇄법으로 작성하고, 무지의 테입에 원하는 밀착액을 도포하고 테입을 복수매 겹쳐 프레스 성형을 실시한다.
얻어진 성형체를 비산화성 가스 기류중에서 500℃에서 5시간 정도의 탈지를 실시하고, 또한 비산화성 분위기에서 1900℃에서 5시간 정도의 소성을 실시하여, 전극(10)을 매설한 질화 알루미늄질 소결체를 얻는다.
이렇게 하여 얻어진 질화 알루미늄질 소결체에 원하는 형상, 원하는 절연층 두께가 얻어지도록 기계 가공을 실시하고, 웨이퍼 유지부(2)로 한 후에 도금, 땜납 도금, 스퍼터링, 메탈라이즈 등의 방법에 의해, 정전흡착부의 배치면과 반대측 면에 금속층(8)을 형성한다.
복합재 플레이트(4)는 세라믹스 입자에 용융한 금속을 함침시키고 함침중에는 세라믹스 입자와 용융 금속에 열만을 가하고 압력은 가하지 않으며, 함침이 종료된 시점에서 10~100rpm의 회전수의 교반 블레이드에 의해 용융 금속이 함침된 세라믹스 입자를 가열하면서 1~10시간 혼합한다. 그 후, 주입성형에 의해 원하는 형상으로 성형하여, 복합재 플레이트(4)로 한다.
그리고, SiC와 알루미늄과 실리콘을 포함하는 복합재 플레이트(4)의 웨이퍼 유지부(2)의 접합면측에도 금속층(9)을 형성하고, 웨이퍼 유지부(2)와 복합재 플레이트(4)를 금속 접합재(3)로 접합한다. 이 때, 금속 접합재(3)로서는 알루미늄브레이징, 인듐브레이징(이후 In브레이징이라 약칭) 등의 금속접합재(3)를 선택하면 좋다.
그리고, 원하는 하중, 온도를 가하면서 비산화성 분위기 중에서 접합하거나 또는 열간프레스법으로 가압하면서 원하는 온도, 원하는 압력하에서 접합하여 웨이퍼 유지부재(1)를 얻을 수 있다.
(실시예 1)
SiC 74질량%, Al 15.6질량%, Si 10.4질량%의 용융 고화체, 및 SiC 84.4질량%, Al 15.6질량%, Si 0질량%의 용융 고화체, SiC 89.6질량%, Al 0질량%, Si 10.4질량%의 용융 고화체를 제작하고, 그 후 각 용융 고화체를 에틸실리케이트에 침지하는 시간을 변화시켜 SiO2의 함유량을 변화시킨 복합재료를 제작했다. 제작한 복합재료의 크기는 50×50×5㎜로 했다.
그리고, He 누출율을 측정했다. He 누출율의 측정방법은 5㎛의 다이아몬드로 상기의 복합재료의 표면을 Ra 0.1㎛~0.2㎛로 마무리한 후, 상기 복합재료의 표면에 내부직경 30㎜, 외부직경 34㎜의 O-링을 내장한 금속제의 통을 눌러 부착시켜 통안을 진공으로 형성한 상태에서, 비닐봉지 또는 원하는 형상의 하우징에 넣어 He가스를 채웠다. 복합재료의 누출부분 전체로부터 He가스가 금속제의 통내부에 도입되고, 상기 가스량을 측정하여 He 누출율을 구했다. 복합재료의 각 합성의 함유량은 ICP에서 조성분석을 실시했다. 또한, SiC, SiO2의 함유량은 ICP에서 Si를 정량한 후, 산소 및 탄소의 정량분석을 실시하고, 탄소분은 모두 SiC, 산소분은 모두 SiO2로서 환산했다. Al에 결합한 산소도 약간 존재하지만, 상기 산소량은 극히 약간이므로 산소량은 모두 SiO2로서 결합하고 있다고 판단했다.
표 1에 그 결과를 도시한다.
본 발명의 SiC와, SiO2와, Al 또는 Si 중 적어도 1종으로 이루어지는 복합재료인 시료 No.101~No.106은 He 누출율이 1.3×10-10Pa·㎥/sec 이하로, 우수한 특성을 나타냈다.
그에 비해, 시료 No.107~No.108은 He 누출율이 1×10-9Pa·㎥/sec로 크게 진공밀착성을 떨어뜨렸다.
(실시예 2)
실시예 1에서 제작한 복합재료보다 더 작은 헬륨 누출율나 우수한 열적 특성, 기계적 특성을 갖는 복합재료의 조성역을 구하기 위해 SiC를 69~80질량%, Al을 9.6~21.6질량%, Si를 4.4~16.4질량%의 범위에서 조성을 변화시켜 각 용융고화체를 제작했다. 그리고, 상기 각 용융고화체를 에틸실리케이트에 침지하는 시간을 변화시켜 SiO2의 함유량을 변화시킨 각 복합부재를 제작했다. 제작한 각 복합부재의 크기는 50×50×5㎜로 했다.
그리고, 실시예 1과 동일하게 각 복합재료의 헬륨 누출율을 측정했다.
또한, 와이블 계수는 상기 각 용융 고화체를 제작한 후, 상기 각 용융고화체로부터 30개의 시험편을 잘라 내고, 에틸실리케이트에 침지하는 시간을 변화시켜, SiO2의 함유량을 변화시킨 복합재료를 제작했다. 그리고, 이것을 시험편으로 하여 JIS R1601-1995에 준거하여 4점 구부림 강도를 측정하고, 상기 강도 데이터로부터 최우법으로 와이블 계수를 산출했다.
열전도율의 측정은 상기의 각 용융 고화체를 제작한 후, 상기 각 용융 고화체로부터 φ10×2t의 시험편을 5개 잘라 내고, 에틸실리케이트에 침지하는 시간을 변화시켜, SiO2의 함유량을 변화시킨 복합재료를 제작했다. 그리고, 이를 시험편으로 하고 레이저 플래쉬(laser flash)법에 의해 측정했다.
열팽창 계수는 용융 고화체를 제작한 후, 상기 각 용융 고화체로부터 5개의 시험편을 잘라내어, 에틸실리케이트에 침지하는 시간을 변화시켜 SiO2의 함유량을 변화시킨 복합재료를 제작했다. 그리고, 이를 시험편으로 하고 JIS R1618-1994에 준거하여 측정을 실시했다.
복합재료의 조성은 ICP에서 조성분석을 실시하고 SiC, SiO2의 함유량에 대해서는 ICP에서 Si를 정량한 후, 산소 및 탄소의 정량분석을 실시하고, 탄소분은 모두 SiC, 산소분은 모두 SiO2라고 가정하여 함유량을 산출했다. Al에도 산소분은 있지만, Al2O3에 대해서는 매우 약간밖에 존재하지 않으므로 모두 SiO2라고 가정하여 산출했다.
표 2에 그 결과를 나타낸다.
시료 No.123은 복합재료 중의 SiC의 함유량이 68질량%인 것으로부터 와이블 계수가 4로 작고, 복합재료의 강도 편차가 약간 크다. 또한, 시료 No.124는 복합재료 중의 SiC의 함유량이 80질량%인 것으로부터 He누출율이 1.2×10-10Pa·㎥/sec로 약간 크다. 한편, 시료 No.121, 122는 SiC가 69, 79질량%이고, 모두 와이블 계수가 6으로 크고 헬륨 누출량도 7×10-11Pa·㎥/sec로 작고, SiC의 함유량은 69~79질량%가 좋은 것을 알 수 있다.
또한, 시료 No.127은 복합재료 중의 Al의 함유량이 9.6질량%인 것으로부터 열전도율이 140W/(m·K)으로 작다. 또한, 시료 No.128은 복합재료 중의 Al의 함유량이 21.6질량%인 것으로부터, 열팽창 계수가 6.5×10-6/℃로 커진다. 한편, 시료 No.125, 126은 Al이 함유량이 10.6, 20.6질량%이고, 열전도율이 170W/(m·K)이상으로 크고, 열팽창 계수도 5.5~5.7×10-6/℃로 바람직하고, Al함유량은 10.6~20.6질량%가 바람직한 것을 알 수 있다.
또한, 시료 No.131은 복합재료 중의 Si의 함유량이 4.4질량%인 것으로부터, 열팽창 계수가 6.1×10-6/℃로 약간 크다. 또한, 시료 No.132는 복합재료 중의 Si의 함유량이 16.4질량%인 점에서, 열전도율이 140W/(m·K)로 약간 작다. 그러나, 시료 No. 129, 130은 Si함유량이 5.4, 15.4질량%이고, 열팽창 계수가 5.6~5.8×10-6/℃으로 바람직하고, 열전도율도 170W/(m·K) 이상으로 크게 우수하고, Si함유량은 5.4~15.4질량%가 바람직한 것을 알 수 있다.
또한, 시료 No.135는 복합재료 중의 SiO2의 함유량이 0.005질량%인 점에서 He누출율이 1.1×10-10Pa·㎥/sec로 약간 크고, 시료 No. 136은 복합재료 중의 SiO2의 함유량이 6질량%인 점에서 와이블 계수가 4로 약간 작고, 열팽창 계수가 3.9×10-6/℃로 약간 작다. 이에 대해서, 시료 No. 133, 134는 He 누출율이 6~7×10-11Pa·㎥/sec로 작고, 와이블 계수는 5~8로 크고, 열팽창 계수도 4.5×10-6/℃로 바람직하고, SiO2의 함유량이 0.01~5질량%이면 바람직한 것을 알 수 있다.
따라서, 시료 No. 121, 122, 125, 126, 129, 130, 133, 134와 같이 SiC를 69~79질량%, Al을 10.6~20.6질량%, Si를 5.4~15.4질량%, SiO2를 0.01~5질량% 함유하는 조성범위로 함으로써, He 누출율이 8×10-11Pa·㎥/sec 이하를 달성하는 것이 가능하고, 와이블 계수가 5이상이고 열전도율이 160W/(m·K) 이상에서 열팽창 계수가 4~6×10-6/℃의 범위의 보다 바람직한 복합재료가 얻어졌다.
(실시예 3)
실시예 2에서 제작한 복합재료보다 더욱 작은 헬륨 누출율이나 우수한 열적 특성, 기계적 특성을 갖는 복합재료의 조성역을 구하기 위해, SiC를 71.5~76.5질량%, Al을 12.6~18.6질량%, Si를 7.4~13.4질량%의 범위에서 조성을 변화시켜 각 용융고화체를 제작하고, 실시예 2와 동일하게 복합재료를 제작했다. 그리고, 실시예 2와 동일하게 평가했다.
표 3에 그 결과를 나타낸다.
시료 No. 143은 복합재료 중의 SiC의 함유량이 71질량%인 점에서 와이블 계수가 7로 작고, 복합재료의 강도 편차가 약간 크다. 또한, 시료 No.144는 복합재료중의 SiC의 함유량이 77질량%인 점에서 He 누출율이 5.0×10-11Pa·㎥/sec로 약간 크다. 한편, 시료 No. 141, 142는 SiC가 71.5~76.5질량%이고, 모두 와이블 계수가 9로 크고 헬륨 누출량도 3×10-11Pa·㎥/sec로 작고, SiC의 함유량은 71.5~76.5질량%가 더욱 좋은 것을 알 수 있다.
또한, 시료 No.147은 복합재료 중의 Al의 함유량이 12.6질량%인 점에서 열전도율이 190W/(m·K)으로 크지 않다. 또한, 시료 No.148은 복합재료 중의 Al의 함유량이 18.6질량%인 점에서, 열팽창 계수가 5.7×10-6/℃로 약간 커진다. 한편, 시료 No.145, 146은 Al이 함유량이 13.1~18.1질량%이고, 열전도율이 205W/(m·K)으로 크고, 열팽창 계수도 5.3~5.4×10-6/℃로 바람직하고, Al 함유량은 13.1~18.1질량%가 더욱 바람직한 것을 알 수 있다.
또한, 시료 No.151은 복합재료 중의 Si의 함유량이 7.4질량%인 점에서, 열팽창 계수가 5.6×10-6/℃로 약간 크다. 또한, 시료 No.152는 복합재료 중의 Si의 함유량이 13.4질량%인 점에서 열전도율이 190W/(m·K)으로 약간 작다. 그러나, 시료 No.149, 150은 Si함유량이 7.9~12.9질량%로 열팽창 계수가 5.3~5.4×10-6/℃로 바람직하고, 열전도율도 205W/(m·K)으로 크게 우수하다.
시료 No.155는 복합재료 중의 SiO2의 함유량이 0.04질량%인 점에서, He누출율이 4 ×10-11Pa·㎥/sec로 약간 크고, 시료 No.156은 복합재료 중의 SiO2의 함유량이 2.1질량%인 점에서, 와이블 계수가 7로 약간 작고, 열팽창 계수가 4.4×10-6/℃로 약간 작다. 이에 비해, 시료, No.153, 154는 He 누출율이 2~3×10-11Pa·㎥/sec로 작고, 와이블 계수는 8~14로 크고, 열팽창 계수도 4.5×10-6/℃로 바람직하고, SiO2의 함유량이 0.05~2질량%인 것이면 더욱 바람직한 것을 알 수 있다.
따라서, 시료 No. 141, 142, 145, 146, 149, 150, 153, 154와 같이 SiC를 71.5~76.5질량%, Al을 13.1~18.1질량%, Si를 7.9~12.9질량%, SiO2를 0.05~2질량% 함유하는 조성범위로 함으로써, He 누출율이 3×10-11Pa·㎥/sec 이하를 달성하는 것이 가능하고, 와이블 계수가 8이상이고 열전도율이 205W/(m·K) 이상에서 열팽창 계수가 4.5~5.4×10-6/℃의 범위의 보다 바람직한 복합재료가 얻어졌다.
(실시예 4)
AIN 분말에 중량 환산으로 10질량%의 산화물을 첨가하고 IPA와 우레탄볼을 사용하여 볼밀에 의해 48시간 혼합하고, 얻어진 AIN의 슬러리를 200메시에 통과시켜, 우레탄볼이나 볼밀벽의 찌꺼기를 제거한 후, 방폭건조기에서 120℃에서 24시간 건조하여 균질한 AIN질 혼합분말을 얻었다. 얻어진 AIN질 혼합분말에 아크릴계의 바인더와 용매를 혼합하여 AIN질 슬립을 제작하고, 닥터 블레이드법으로 테입성형을 실시했다.
얻어진 AIN의 테입을 복수매 적층하고, 그 위에 전극으로서 W(tungsten)을 스크린 인쇄법으로 형성하고, 무지의 테입에 원하는 밀착액을 도포하고, 테입을 복수매 겹쳐 프레스 성형했다.
얻어진 성형체를 비산화성 가스 기류중에서 500℃에서 5시간 정도의 탈지를 실시하고, 또한 비산화성 분위기에서 1900℃에서 5시간 정도의 소성을 실시하고, 유전체로 이루어진 AIN질 소결체를 얻었다.
이렇게 하여 얻어진 AIN질 소결체에 원하는 형상, 배치면과 전극의 절연막이 원하는 두께가 얻어지도록 기계 가공을 실시하여, 웨이퍼 유지부로 했다. 또한, 원하는 가스홈을 웨이퍼의 배치면에 샌드 블러스트 등의 방법으로 형성했다.
그리고, 도금법에 의해 웨이퍼 유지부의 배치면과 반대측 주면에 금속층을 형성했다.
상기와 동일하게 금속층을 형성한 SiC와 Al과 Si와 SiO2를 포함하는 플레이트를 Al브레이즈를 통하여 상기 웨이퍼 유지부와 접합했다. 또한, 복합재료 이루어진 플레이트와 판형상 기체의 열팽창 계수의 비(=복합재 플레이트의 열팽창 계수/판형상 기체의 열팽창 계수)가 0.79~1.21이 되도록 플레이트의 열팽창 계수를 조정했다.
또한, 웨이퍼 유지부와 플레이트의 접합은 1×10-6Pa정도의 진공로 중에서 실시하고, 550~600℃에서 98KPa(0.5㎏/㎠)의 하중을 가하여 접합하여, 웨이퍼 유지부재를 형성했다. 그 후, 웨이퍼 유지부재의 판형상 기체의 흡착면에 열전대를 붙여 -40℃ 이하의 온도에서 10분간 유지한 후에 100℃의 온도에서 10분간 유지하는 냉열시험을 100사이클 실시했다. 표 4에 그 결과를 나타낸다.
시료 No.166은 복합재료의 열팽창 계수가 판 형상 기체의 열팽창 계수의 0.79배인 점에서, 판형상 기체와 복합재료의 열팽창 차가 커지고, 냉열 사이클에서 판형상 기체에 크랙의 발생이 보였다.
시료 No.167은 복합재료의 열팽창 계수가 판형상 기체의 열팽창 계수의 1.21배인 점에서, 판형상 기체와 복합재료의 열팽창 차가 커지고, 냉열 사이클에서 판형상 기체에 크랙의 발생이 보였다.
복합재료의 열팽창 계수가 판형상 기체의 열팽창 계수의 0.8~1.2배인 본 발명의 범위내의 시료 No.161-165에 대해서는 냉열 사이클에서 판형상 기체에 크랙의 발생은 보이지 않는 점에서 우수한 것임을 알 수 있었다.
(실시예 5)
AIN분말에 중량 환산으로 10질량%의 Ce산화물을 첨가하고, IPA와 우레탄볼을 사용하여 볼밀에 의해 48시간 혼합하고, 얻어진 AIN의 슬러리를 200메시에 통과시켜, 우레탄볼이나 볼밀벽의 찌꺼기를 제거한 후, 방폭 건조기에서 120℃에서 24시간 건조하여, 균질한 AIN질 혼합분말을 얻는다. 얻어진 AIN질 혼합분말에 아크릴계 바인더와 용매를 혼합하여 AIN질 슬립을 제작하고, 닥터 블레이드법으로 테입성형을 실시했다.
얻어진 AIN 테입을 복수매 적층하고, 그 위에 전극으로서 W(tungsten)을 스크린 인쇄법으로 형성하고, 무지의 테입에 소망의 밀착액을 도포하고, 테입을 복수매 겹쳐 프레스 성형을 실시했다.
얻어진 성형체를 비산화성 가스 기류중에서 500℃에서 5시간 정도의 탈지를 실시하고, 또한 비산화성 분위기에서 1900℃에서 5시간 정도의 소성을 실시하고, 유전체로 이루어진 AIN질 소결체를 얻었다.
이렇게 하여 얻어진 AIN질 소결체에 원하는 형상, 배치면과 전극의 절연막이 원하는 두께가 얻어지도록 기계 가공을 실시하고, 또한 원하는 가스홈을 웨이퍼의 배치면에 샌드 블러스트 등의 방법으로 형성하여 판형상 기체로 했다.
그리고, 도금법에 의해 상기 판형상 기체의 배치면과 반대측의 주면에 금속층을 형성하여 웨이퍼 유지부로 했다.
상기와 동일하게 금속층을 형성한 SiC와 Al과 Si와 SiO2를 포함하는 플레이트와 상기 웨이퍼 유지부를 금속접합재의 조성을 변화시켜 접합했다. 또한, 플레이트와 판형상 기체의 열팽창 계수의 비(플레이트의 열팽창 계수/판형상 기체의 열팽창 계수)가 1.00이 되도록 플레이트의 열팽창 계수를 조정했다.
또한, 상기 접합은 1×10-6Pa 정도의 진공로 중에서 실시하고, 금속접합재의 조성을 변화시켜 550~600℃에서 98kPa(0.5㎏/㎠)의 하중을 가하여 접합하고, 웨이퍼 유지부재를 형성했다. 그 후, 웨이퍼 유지부재의 판형상 기체의 흡착면에 열전대를 붙이고, -40℃이하의 온도에서 10분간 유지한 후에 200℃의 온도에서 10분간 유지하는 냉열시험을 100사이클 실시했다. 또한, 냉열 사이클 시험에서 판형상 기체에 크랙이 발생하지 않았던 시료에 대해서는 도 1b에 도시한 바와 같이 중앙부의 관통구멍에 Si고무로 마개를 하고, 이면측으로부터 진공을 형성하고, He를 가하여 He누출시험을 실시했다.
표 5에 그 결과를 나타낸다.
시료 No.186은 금속접합재 중의 Si의 함유량이 5.00질량%인 점에서, 브레이징 온도가 650℃로 높아지고, 또한 냉열 사이클하에서 브레이징재에 크랙이 들어가고, He누출율이 1×10-7Pa·㎥/sec로 커졌다. 시료 No.187은 금속접합재 중의 Si의 함유량이 16.00질량%인 점에서 브레이징 온도가 670℃으로 높아지고, 또한 냉열 사이클하에서 브레이징에 크랙이 들어가고, He누출율이 1×10-7Pa·㎥/sec로 커졌다. 시료 No.188은 금속접합재 중의 Cu의 함유량이 0.09질량%인 점에서 냉열 사이클 시험에서 크랙이 들어가, He누출율이 1×10-7Pa·㎥/sec로 커졌다.
시료 No.189는 금속접합부재 중의 Cu의 함유량이 6.00질량%인 점에서 냉열 사이클 시험에서 크랙이 들어가 He누출율이 1.2×10-8Pa·㎥/sec로 커졌다. 시료 No.190은 금속접합재 중의 Mg의 함유량이 0.09질량%인 점에서, 냉열 사이클 시험에서 크랙이 들어가, He누출율이 1×10-7Pa·㎥/sec로 커졌다. 시료 No.191은 금속접합재 중의 Mg의 함유량이 6.00질량%인 점에서, 냉열 사이클 시험에서 크랙이 들어가, He누출율이 1×10-8Pa·㎥/sec로 커졌다.
시료 No.192는 금속접합재 중의 Ni의 함유량이 0.009질량%인 점에서, 냉열 사이클 시험에서 크랙이 들어가, He누출율이 1×10-8Pa·㎥/sec로 커졌다. 시료 No.193은 금속접합재 중의 Ni의 함유량이 11.00질량%인 점에서, 냉열 사이클 시험에서 크랙이 들어가, He누출율이 5×10-8Pa·㎥/sec로 커졌다. 시료 No.194는 금속접합재 중의 Au의 함유량이 0.009질량%인 점에서, 냉열 사이클 시험에서 크랙이 1×10-8Pa·㎥/sec로 커졌다.
시료 No.195는 금속 접합재 중의 Au의 함유량이 11.00질량%인 점에서 냉열 사이클 시험에서 크랙이 들어가, He누출율이 5×10-8Pa·㎥/sec로 커졌다. 시료 No.196은 금속접합재 중의 Ag의 함유량이 0.009질량%인 점에서, 냉열 사이클 시험에서 크랙이 들어가, He누출율이 1×10-8Pa·㎥/sec로 커졌다. 시료 No.197은 금속접합재 중의 Ag의 함유량이 11.00질량%인 점에서, 냉열 사이클 시험에서 크랙이 들어가, He 누출율이 5×10-8Pa·㎥/sec로 커졌다.
한편, 금속접합재가 6~15질량%의 Si와, 0.1~5질량%의 Mg 또는 Cu를 함유하고, 잔부가 Al으로 이루어진 주성분과, 상기 주성분에 대해서 첨가성분으로서 Ni, Au, Ag으로부터 선택되는 적어도 1종을 0.01~10질량% 함유하는 본 발명의 범위 내의 시료 No.181~185에 대해서는 크랙의 발생이 없고, He 누출율도 1.3×10-10Pa·㎥/sec 이하를 달성할 수 있어 우수한 웨이퍼 지지부재인 것을 알 수 있었다.
(실시예 6)
AIN분말에 중량 환산으로 10질량%의 제 3a족 산화물을 첨가하고, IPA로 우레탄볼을 사용하여 볼밀에 의해 48시간 혼합하고, 얻어진 AIN의 슬러리를 200메시를 통과시켜 우레탄볼이나 볼밀벽의 찌꺼기를 제거한 후, 방폭 건조기에서 120℃에서 24시간 건조하고, 균질인 AIN질 혼합분말을 얻는다. 얻어진 AIN질 혼합분말에 아크릴계의 바인더와 용매를 혼합하여 AIN질의 슬립을 작성하고, 닥터 블레이드법으로 테입 성형을 실시했다.
얻어진 AIN의 테입을 복수매 적층하고, 그 위에 전극으로서 W(tungsten)을 인쇄법으로 형성하고, 무지의 테입에 원하는 밀착액을 도포하고, 테입을 복수매 겹쳐 프레스 성형을 실시했다.
얻어진 AIN와 W전극의 혼합 성형체를 비산화성 가스 기류중에서 500℃에서 5시간 정도의 탈지를 실시하고, 또한 비산화성 분위기에서 1900℃에서 5시간 정도의 소성을 실시하고, 유전체로 이루어진 AIN질 소결체를 얻었다.
이렇게 하여 얻어진 AIN질 소결체에 원하는 형상, 배치면과 전극의 절연막이 원하는 두께가 얻어지도록 기계 가공을 실시하여, 웨이퍼 유지부로 했다. 또한 원하는 가스홈을 웨이퍼의 배치면에 샌드 블러스트 등의 방법으로 형성했다.
그리고, 도금법에 의해 웨이퍼 유지부의 배치면과 반대측에 주면에 금속층을 형성했다.
상기와 동일하게 금속층을 형성한 SiC와 알루미늄과 실리콘을 포함하는 복합재 플레이트를 알루미늄 브레이징, In 브레이징 등의 금속접합재를 통하여 접합했다.
또한, 접합은 1×10-6Pa 정도의 진공로 중에서 실시하여, 알루미늄 브레이징의 경우는 550~600℃이고, In 브레이징의 경우에는 180~200℃ 정도에서 98kPa의 하중을 가하여 접합했다.
복합재 플레이트의 표면의 금속층의 두께는 웨이퍼 유지부재와 복합재 플레이트의 접합체를 절단하여 접합부를 1000배의 SEM사진을 촬영하여 금속층 및 금속접합재의 두께를 구하여 그 비를 산출했다.
또한, 각 두께는 중앙과 주변을 각 2 부분 측정하여 그 평균값을 구하여 금속층이나 금속접합재의 두께로 했다.
얻어진 웨이퍼 유지부재를 미리 초음파 검사하여 접합면에 크랙이나 박리가 발생하고 있지 않은 것을 확인한 후에 준비한 -40℃ 공기조와 150℃의 분위기 중에 각 1시간씩 유지하여 1000사이클 후에 다시 초음파 검사를 실시하여 크랙의 발생을 확인했다. 표 6에 그 결과를 나타낸다.
본 발명의 금속접합재 두께(t)와 복합재 플레이트측의 금속층 두께(tm)의 비 tm/t가 0.01~1인 시료 No.201~208은 -40℃~150℃의 냉열 사이클 1000사이클 후에서도 크랙의 발생이 없고 우수한 특성을 나타냈다.
그에 비해서, 시료 No.209, 210은 상기 비의 값이 0.008, 1.010으로 범위 밖인 점에서 금속 접합재에 크랙이 발생했다.
또한, 판형상 세라믹스체측의 금속층의 두께(tc)와 금속접합재의 두께(t)의 비 tc/t가 0.01~1인 것은 바람직한 특성이 얻어졌다.
(실시예 7)
실시예 6과 금속층의 종류를 바꾸어 웨이퍼 유지부재를 제작하고, -40℃~150℃의 냉열 사이클 10000 사이클 후의 결과를 평가했다. 그 결과를 표 7에 나타낸다.
복합재 플레이트(4) 표면의 금속층이 알루미늄, 금, 은, 동, 니켈로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 주성분으로 하는 시료 No.221~228은 -40℃~150℃의 냉열 사이클이 10000사이클 후에서도 크랙의 발생이 없고, 더욱 우수한 특성을 나타냈다.
(실시예 8)
실시예 6과 동일하게 복합재 플레이트(4)의 면적을 바꾸어 웨이퍼 유지부재를 제작하고, 전극에 급전단자를 통하여 1kV의 전압을 인가하여, 가로세로 25㎜의 Si 웨이퍼에 흡착시킨 후, 인가전압을 정지하고 3초후에 상기 웨이퍼를 기계적으로 떼어내고, 그 잔류 흡착력을 반복하여 측정하여, 잔류 흡착력을 평가했다. 첫회의 잔류 흡착력부터 반복하여 잔류 흡착력을 측정하여 연속된 제 수십회째까지의 잔류 흡착력의 평균값을 첫회의 잔류 흡착력으로 했다. 그리고, 상기 10회의 잔류 흡착력의 평균값이 2배를 초과하는 흡착력을 나타내는 반복 횟수를 잔류 흡착력의 발현점으로 했다. 그 결과를 표 8에 나타낸다.
복합재 플레이트(4)의 투영면적에 대한 배치면이 100% 이하에서는 잔류 흡착력의 발현은 흡착횟수가 10만회를 하회한 Si웨이퍼의 흡착/이탈에서 발생했다. 그러나, 100% 이상에서는 10만회 이상에서 발생하고, 115% 이상에서는 20만회 이상에서 발생하는 점에서, 배치면의 면적에 대한 도체층의 면적이 100% 이상이 바람직하고, 더욱 바람직한 것은 115% 이상이었다.
(실시예 9)
실시예 6과 동일하게 배치면의 크기가 300㎜인 정전척을 제작했다. 상기 정전척의 판형상 세라믹스체의 두께를 5~20㎜의 범위에서 변화시켜 제작한 것을 준비했다.
그리고, 관통구멍을 판형상 세라믹스체의 중심에 설치하고, 배치면에 깊이 5~1㎜이고 폭 2㎜의 홈을 제작했다. 중심에서 방사상으로 8개의 홈과, 중심으로부터 원고리 형상으로 45㎜ 간격으로 3개의 원고리 형상의 홈을 제작한 시료 No.261~265, No.269~272, 방사상의 8개의 홈의 길이를 중심으로부터의 길이로 배치면의 반경의 1/4, 1/3, 1/2로 한 시료 No.266~268로 했다.
또한, 비교용으로서 판형상 세라믹스체의 중심으로부터 나선형의 홈을 35㎜ 간극으로 제작한 시료 No.273을 준비했다.
그리고, 잔류 흡착력 측정은 진공중에서 실시하고, 가로세로 1인치의 Si웨이퍼를 흡착면에 배치하고, 500V를 2분간 인가한 후, 전압을 끊고 3초후에 Si웨이퍼를 끌어 올리고, 그 끌어 올리는 데에 필요한 힘을 로드셀(load cell)로 측정하여 그 값을 흡착면의 가로세로 1인치의 면적으로 나누고 단위 면적 당 잔류 흡착력으로 했다.
또한, 배치면의 웨이퍼를 얹어 복합재 플레이트를 수냉하고 웨이퍼를 흡착하여 웨이퍼의 온도를 측정하면서 상면으로부터 램프(lamp) 가열하여 10분후의 웨이퍼의 온도변화를 측정했다.
표 9에 그 결과를 기재했다.
판형상 세라믹스체의 두께가 20㎜인 시료 No.272는 잔류 흡착력이 3kPa로 약간 큰 것을 알 수 있었다.
그에 비해, 본 발명의 판형상 세라믹스체의 두께가 15㎜ 이하의 시료 No.261~271, 273은 잔류 흡착력이 1.5kPa 이하로 작고, 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
또한, 본 발명의 홈의 깊이가 10~500㎛인 시료 No.261~262, 264~269, 271, 272는 잔류 흡착력이 0.9kPa 이하로 작고, 온도변화도 24℃ 이하로 작아 바람직한 것을 알 수 있었다.
한쪽 홈의 깊이가 5㎛의 시료 No.263은 배치면의 온도가 50℃로 상승하여 웨이퍼 유지부재로서 바람직하지 않은 것이 판명되었다.
또한, 홈의 깊이가 1000㎛인 시료 No.270은 잔류 흡착력이 1.3kPa로 약간 큰 것을 알 수 있었다.
또한, 더 바람직하게는 홈의 깊이는 50~300㎛인 시료 No.261, 262, 265, 267~269는 잔류 흡착력이 0.3kPa 이하로 더욱 작고, 배치면의 온도변화도 17℃ 이하로 작아 바람직한 것을 알 수 있었다.
또한, 방사홈의 길이가 배치면의 반경의 1/4로 짧은 시료 No.266은 잔류 흡착력이 0.9kPa로 약간 컸다.
한편, 방사홈이 긴 정전척 시료 No.261~269로 잔류 흡착력이 0.9kPa 이하로 작아 바람직한 것을 알 수 있었다. 또한, 방사홈의 길이가 배치면의 길이의 1/3 이상인 시료 No.261~265, 267~272는 잔류 흡착력이 0.3kPa 이하로 더욱 바람직한 것을 알 수 있었다.
본 발명은 바람직한 실시형태 및 첨부도면과 관련하여 설명했지만, 여러가지 변화나 변경은 당사자에게 있어 자명하다. 이러한 변화나 변경은 첨부한 청구항에 의해 정의되고, 벗어나지 않으면 본 발명의 범위내에 있다고 이해해야 할 것이다.
본 발명에 따르면 높은 진공기밀성 및 우수한 열전도율을 갖고, 열팽창 계수가 조절 가능하고, 강도 편차가 작고 높은 신뢰성을 갖는 복합재료 및 그 제조방법, 및 상기 복합재료를 사용한 웨이퍼 유지부재를 제공할 수 있고, 엄격한 냉열 사이클 시험에도 높은 내구성 및 높은 신뢰성을 나타내고, 잔류 흡착력이 작고 장수명의 웨이퍼 유지부재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 제 1 실시형태를 도시한 단면도,
도 1b는 누출율을 측정하는 방법을 도시한 설명도,
도 2는 본 발명의 제 2 실시형태를 도시한 단면도,
도 3은 본 발명의 제 2 실시형태를 도시한 평면도,
도 4는 종래의 웨이퍼 유지부재의 일례를 도시한 단면도 및
도 5는 종래의 웨이퍼 유지부재의 다른 예를 도시한 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 웨이퍼 유지부재 3: 금속접합재
4: 복합재 플레이트 5a,5b: 급전단자
7: 판형상 세라믹스체 8, 9: 금속층
10: 흡착용 전극

Claims (17)

  1. SiC, SiO2, Al 또는 Si 중 적어도 1종으로 이루어진 복합재료로서, He누출율이 1.3×10-10Pa·㎥/sec 이하인 것을 특징으로 하는 복합재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    SiC를 69~79질량%, Al을 10.6~20.6질량%, Si를 5.4~15.4질량%, SiO2를 0.01~5질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 복합재료.
  3. 제 1 항에 있어서,
    SiC를 71.5~76.5질량%, Al을 13.1~18.1질량%, Si를 7.9~12.9질량%, SiO2를 0.05~2질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 복합재료.
  4. 판형상 기체의 한쪽 주면을 웨이퍼를 얹는 배치면과, 상기 판형상 기체의 다른쪽 주면 또는 내부에 전극을 구비한 웨이퍼 유지부와,
    청구항 1의 복합재료로 이루어진 플레이트를 구비하고,
    상기 플레이트의 열팽창 계수가 상기 판형상 기체의 열팽창 계수의 0.8~1.2배이며,
    상기 판형상 기체와 상기 플레이트가 금속 접합재로 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지부재.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 금속접합재는 6~15질량%의 Si와 0.1~5질량%의 Mg 또는 Cu를 함유하고, 잔부가 Al으로 이루어진 주성분과 상기 주성분에 대해서 첨가 성분으로서 Ni, Au, Ag으로부터 선택되는 적어도 1종을 0.01~10질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지부재.
  6. SiC와, Al 또는 Si 중 적어도 1종으로 이루어진 재료에 알킬실리케이트를 함침시키고, 계속해서 건조시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1 항에 기재된 복합재료의 제조방법.
  7. 판형상 세라믹스체의 한쪽 주면을 웨이퍼의 배치면으로 하고, 상기 판형상 세라믹스체의 다른쪽 주면 또는 내부에 전극을 갖는 웨이퍼 유지부,
    SiC와 알루미늄과 실리콘을 포함하는 복합재 플레이트,
    상기 웨이퍼 유지부의 배치면과 반대측 표면에 설치된 제 1 금속층,
    상기 복합재 플레이트의 표면에 설치된 제 2 금속층을 구비하고,
    제 1 금속층과 제 2 금속층 사이의 금속 접합재를 통하여, 상기 웨이퍼 유지부와 상기 복합재 플레이트가 접합되고,
    제 2 금속층의 두께(tm)와 상기 금속 접합재의 두께(t)의 비 tm/t가 0.01~1의 범위인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지부재.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 2 금속층은 알루미늄, 금, 은, 동, 니켈로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지부재.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속 접합재가 알루미늄 또는 인듐을 주성분으로 하는 브레이징재인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지부재.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 전극이 정전 흡착전극인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지부재.
  11. 판형상 세라믹스체의 한쪽 주면을 웨이퍼의 배치면으로 하고 상기 판형상 세라믹스체의 다른쪽 주면 또는 내부에 전극을 구비하고,
    상기 판형상 세라믹스체의 체적 고유 저항이 108~1011Ω·㎝로서, 상기 배치면과는 반대측 면에 도체층을 구비하고,
    상기 도체층의 면적이 상기 배치면의 면적의 100% 이상인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지부재.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 도체층의 면적이 상기 배치면의 면적의 115%이상인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지부재.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 판형상 세라믹스체의 두께가 15㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지부재.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 판형상 세라믹스체를 관통하는 관통구멍과,
    상기 배치면에 설치되고 상기 관통구멍과 연결된 홈을 구비하고,
    상기 홈의 깊이가 10~500㎛인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지부재.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 홈이 상기 판형상 세라믹스체의 중심으로부터 주변으로 방사상으로 연장되는 방사홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지부재.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 방사홈의 길이가 상기 판형상 세라믹스체의 반경의 1/3 이상인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 유지부재.
  17. 상기 웨이퍼 유지부의 배치면과 반대측의 표면 및 상기 복합재 플레이트의 표면에 각각 금속층을 형성하는 공정,
    제 1 금속층과 제 2 금속층 사이에 브레이징재를 설치하는 공정 및
    브레이징재를 가압하면서 가열하고 웨이퍼 유지부와 상기 복합부재를 접합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1 항에 기재된 웨이퍼 유지부재의 제조방법.
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