KR20060103142A - 정전 척 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

정전 척은 세라믹으로 형성된 베이스 플레이트와, 이 베이스 플레이트 상에 형성되고 100 ℃에서의 체적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상이며 베이스 플레이트의 주성분과 동일한 세라믹으로 형성된 유전체 층, 그리고 정전 흡착력을 발생시키는 전극을 포함한다. 베이스 플레이트의 열전도율은 유전체 층의 열전도율보다 높다.

Description

정전 척 및 그 제조 방법{ELECTROSTATIC CHUCK AND METHOD OF MANUFACTURING ELECTROSTATIC CHUCK}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정전 척을 도시하는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11: 베이스 플레이트
11a: 구멍
12: 유전체 층
12d: 기판 접촉면
20: 전극
21: 단자
100: 정전 척
본 발명은 정전 척 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 반도체 제조 공정과 액정 제조 공정에서는 반도체 기판이나 유리 기판 등을 흡착하고, 유지하는 정전 척이 사용되고 있다. 정전 척에는 쿨롱힘 또는 존 슨·라벡힘을 이용하여 기판을 흡착하는 것이 있다. 쿨롱힘은 정전 척의 유전체 층 표면에 적재된 기판과, 정전 척의 전극 사이에 발생하는 정전 흡착력이다. 쿨롱힘을 이용하여 기판을 흡착하는 정전 척에서는, 기판의 이탈 특성을 향상시키기 위해서 사용 온도 범위에서의 높은 체적 저항률이 요구된다.
일반적으로는, 상온에서 높은 체적 저항률을 나타내고, 저렴한 알루미나 등이 이용되고 있다(예컨대, 특허 공개 평9-283607호 공보 참조).
그러나, 최근에는 반도체 제조 장치에서 사용되는 정전 척도 점점 고온 환경에 노출되는 경향이 있다. 예컨대, 정전 척은 CVD 장치 등에서의 기판의 가열이나 에칭 장치나 PVD 장치에서의 고플라즈마화를 위한 기판으로의 고입열 환경과 같이, 새로운 구성 재료의 성막이나 에칭 등의 목적을 위하여 고온 환경에 노출되어 왔다. 이에 따라, 정전 척에 대해서, 균열성 향상이나 기판의 열을 효율적으로 방출하기 위해서 높은 열전도율이 요구되고 있다.
알루미나의 열전도율은 30 W/mK 이하로 낮다. 이에 따라, 베이스 플레이트의 재료에 알루미나가 이용되면 기판의 방열성이 낮다고 하는 문제가 있었다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 세라믹으로 형성된 베이스 플레이트와, 정전 흡착력을 발생시키는 전극, 그리고 이 전극 상에 형성된 유전체 층을 포함하는 정전 척이 제공된다. 유전체 층은 베이스 플레이트 상에 형성되고 100 ℃에서의 체 적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상이며 베이스 플레이트와 주성분이 동일한 세라믹으로 형성되고, 베이스 플레이트의 열전도율은 유전체 층의 열전도율보다 높은 것인 정전 척이 제공된다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 세라믹으로 이루어진 베이스 플레이트를 형성하는 공정과, 정전 흡착력을 발생시키는 전극을 형성하는 공정, 그리고 이 전극 상에, 100 ℃에서의 체적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상이고 베이스 플레이트와 주성분이 동일한 세라믹으로 이루어진 유전체 층을 형성하는 공정을 포함하고, 베이스 플레이트의 열전도율은 유전체 층의 열전도율보다 높은 것인 정전 척 제조 방법이 제공된다.
〔정전 척〕
도 1에 도시한 바와 같이, 정전 척(100)은 베이스 플레이트(11)와, 전극(20)과, 유전체 층(12)과, 단자(21)를 구비한다.
정전 척(100)은 열전도율이 유전체 층(12)보다 높은 세라믹으로 형성된 베이스 플레이트(11)와, 정전 흡착력을 발생시키는 전극(20), 그리고 전극(20) 상에 형성되고 100 ℃, 150 ℃ 및 200 ℃에서의 체적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상이고, 베이스 플레이트(11)와 주성분이 동일한 세라믹으로 형성된 유전체 층(12)을 구비한다. 이에 따르면, 고온 환경에서 체적 저항률과 열전도율이 높은 정전 척으로서 기능할 수 있다.
정전 척(100)은 베이스 플레이트(11)와, 유전체 층(12) 사이에 전극(20)이 개재되는 구성으로 되어 있다. 정전 척(100)은 쿨롱힘을 이용하는 정전 척이며, 유전체 층(12)은 유전층으로서 기능한다. 정전 척(100)은 유전체 층(12)의 표면[이하 기판 접촉면(12d)]으로 기판을 흡착한다.
베이스 플레이트(11)는 전극(20) 및 유전체 층(12)을 지지한다. 베이스 플레이트(11)는 열전도율이 유전체 층(12)보다 높은 세라믹에 의해 구성된다. 베이스 플레이트(11)의 열전도율은 80 W/mK 이상인 것이 바람직하다. 이 경우, 베이스 플레이트(11)의 열전도율이 높아서, 기판의 방열성을 향상시킬 수 있다. 베이스 플레이트(11)의 열전도율은 150 W/mK 이상인 것이 보다 바람직하다.
베이스 플레이트(11)는 유전체 층(12)과 주성분이 동일한 세라믹에 의해 구성된다. 이에 따르면, 베이스 플레이트(11)는 유전체 층(12)과의 밀착성을 향상시킬 수 있다.
베이스 플레이트(11)는 질화 알루미늄을 주성분으로 함유하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 베이스 플레이트(11)의 열전도율을 보다 향상시킬 수 있다. 베이스 플레이트(11)를 질화 알루미늄 소결체로 구성한 경우, 그 상대 밀도는 98 % 이상인 것이 바람직하다. 이에 따르면 베이스 플레이트(11)의 치밀성 및 절연성을 향상시킬 수 있다.
베이스 플레이트(11)에는 마그네시아, 산화이트륨, 산화티탄, 사마리아, 알루미나, 이테르븀, 산화세륨 등을 소결조제로서 함유할 수 있다. 그러나, 주성분의 원료 이외의 성분 총량은 10 wt% 이하인 것이 바람직하다. 베이스 플레이트(11)는 원반형 등의 판형으로 형성될 수 있고, 단자(21)를 삽입하기 위한 구멍 (11a)을 갖는다.
유전체 층(12)은 전극(20)을 사이에 두고 베이스 플레이트(11) 상에 형성된다. 유전체 층(12)은 100 ℃, 150 ℃ 및 200 ℃에서의 체적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상이고, 베이스 플레이트(11)와 주성분이 동일한 세라믹에 의해 형성된다. 이 경우, 유전체 층(12)은 고온 환경에서 체적 저항률이 높아서, 기판과 접촉하는 유전체 층(12)의 표면인 기판 접촉면(12d)과 기판 사이에서 발생하는 쿨롱힘을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 유전체 층(12)은 고온 환경에서의 체적 저항률이 높고 쿨롱힘을 이용하는 정전 척(100)의 유전층으로서 기능할 수 있다.
유전체 층(12)은 질화 알루미늄을 주성분으로 함유하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 유전체 층(12)의 열전도율을 향상시킬 수 있다. 이에 따르면, 유전체 층(12)은 높은 체적 저항률과 열전도율을 지닐 수 있다.
유전체 층(12)은 질화 알루미늄을 주성분으로 함유하고, 0.4 내지 2.5 wt%의 마그네슘과 2.0 내지 5.0 wt%의 이트륨을 함유하며, 유전체 층(12)의 평균 입자 지름은 1.0 μm 이하인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 유전체 층(12)은 체적 저항률이 더 향상됨으로써, 기판 접촉면(12d)과 기판 사이에서 발생하는 쿨롱힘을 더욱 향상시킬 수 있다. 보다 바람직한 질화 알루미늄 소결체에 함유되는 마그네슘의 양은 0.5 내지 2.5 wt%이다. 이에 따르면, 유전체 층(12)의 체적 저항률을 더욱 향상시킬 수 있다.
유전체 층(12)은 진공 중, 실온으로 유지되고, 1 분간의 전압 인가 2 kV/mm 에서의, 체적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 유전체 층(12)은 고전압 환경에서 높은 정전 흡착력을 얻을 수 있다. 진공 중, 실온으로 유지되고, 1 분간의 전압 인가 2 kV/mm에서의, 보다 바람직한 유전체 층(12)의 체적 저항률은 1×1016 Ω·cm이다.
또한, 유전체 층(12)은 진공 중, 100 ℃로 유지되어 1 분간의 전압 인가 2 kV/mm에서의, 체적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 마찬가지로 유전체 층(12)은 진공 중, 150 ℃로 유지되어 1 분간의 전압 인가 2 kV/mm에서의, 체적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 또한, 유전체 층(12)은 진공 중, 200 ℃로 유지되어 1 분간의 전압 인가 2 kV/mm에서의, 체적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 유전체 층(12)은 고온, 고전압 환경에 있어서 높은 정전 흡착력을 얻을 수 있다. 진공 중, 200 ℃로 유지되어 1 분간의 전압 인가 2 kV/mm에서의, 보다 바람직한 유전체 층(12)의 체적 저항률은 1×1016 Ω·Cm이다.
유전체 층(12)을 질화 알루미늄 소결체로 구성한 경우, 그 상대 밀도는 98% 이상인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 유전체 층(12)을 치밀하게 할 수 있다. 유전체 층(12)을 질화 알루미늄 소결체로 구성한 경우, 그 입자 지름은 1.0 μm 이하인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 유전체 층(12)의 체적 저항률을 향상시킬 수 있다.
유전체 층(12)에는 마그네시아, 산화이트륨, 산화티탄 등을 소결조제로서 함유할 수 있다. 단지, 주성분의 원료 이외의 성분 총량은 12 wt% 이하인 것이 바람직하다.
유전체 층(12)의 두께가 0.5 mm 이하인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 높은 정전 흡착력을 얻을 수 있다. 유전체 층(12)의 두께는 0.4 mm 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한, 기판 접촉면(12d)의 중심선 평균 표면 조도(Ra)(JIS B0601)는 1.6 μm 이하인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 흡착력 향상과 기판 이면에 백 사이드 가스가 유입된 경우에 가스 누설량을 작게 할 수 있다. 중심선 평균 표면 조도(Ra)는 0.8 μm 이하인 것이 보다 바람직하다.
전극(20)은 기판 접촉면(12d)과 기판 사이에서 쿨롱힘을 발생시킨다. 전극(20)은 베이스 플레이트(11)와 유전체 층(12) 사이에 개재된다. 정전 척(100)에서는, 전극(20)은 베이스 플레이트(11)와 유전체 층(12) 사이에 매설되어 있다. 전극(20)은 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 탄탈(Ta), 하프늄(Hf), 백금(pt), 탄화텅스텐(WC) 및 이들 합금이나 화합물 등의 고융점 재료를 이용할 수 있다. 베이스 플레이트(11) 및 유전체 층(12)에 질화 알루미늄을 주성분으로서 이용한 경우, 전극 재료로서는 몰리브덴, 텅스텐 또는 탄화텅스텐이 질화 알루미늄과 열팽창 계수가 가깝고, 베이스 플레이트(11)와 유전체 층(12)의 밀착성을 좋게 할 수 있다.
전극(20)은 도 1의 단극 형상에 한정되지 않고, 쌍극 또는 복수로 분할되더라도 좋다. 전극(20)의 형상은 한정되지 않고, 원반형, D형, 인터디지털 핑거 또는 임의의 형상일 수 있다.
전극(20)은 인쇄 페이스트를 인쇄한 것, 메쉬 금속, 벌크 금속, 시트 금속, CVD(Chemical Vapor Deposition)나 PVD(Physical Vapor Deposition)에 의한 박막 등으로 형성될 수 있다.
단자(21)는 납땜 등에 의해 전극(20)에 접속되어 있다.
베이스 플레이트(11)와, 유전체 층(12)은 주성분이 동일하고, 전극(20)이 일체 소결체로 되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 베이스 플레이트(11)와 전극(20)의 치밀성을 향상시키고, 베이스 플레이트(11), 전극(20) 및 유전체 층(12)의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 베이스 플레이트(11)와, 전극(20)과, 유전체 층(12)은 특히, 핫 프레스법에 의해 일체 소결체로 소결된 것이 바람직하다.
전극(20)은 베이스 플레이트(11)와 유전체 층(12) 사이에 위치되어 있지 않더라도 좋다. 예컨대, 전극(20)은 유전체 층(12)에 매설되어 있더라도 좋다.
또한, 정전 척(100)은 베이스 플레이트(11)에 저항 발열체를 매설시켜, 기판을 가열 가능한 정전 척으로 할 수도 있다. 저항 발열체는 니오브, 몰리브덴, 텅스텐 등을 이용할 수 있다. 저항 발열체는 선형, 코일형, 띠형, 메쉬형, 막형 등의 것을 이용할 수 있다. 저항 발열체는 전력 공급을 받아 발열한다.
〔제조 방법〕
이러한 정전 척(100)은 열전도율이 유전체 층(12)보다 높은 세라믹 베이스 플레이트(11)를 형성하는 공정과, 베이스 플레이트(11)상에 100 ℃에서의 체적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상이고, 베이스 플레이트(11)와 주성분이 동일한 세라믹 유전체 층(12)을 형성하는 공정과, 정전 흡착력을 발생시키는 전극(20)을 형성하는 공정에 의해 제조될 수 있다. 또한, 베이스 플레이트(11)는 열전도율이 80 W/mK 이상인 것이 바람직하다. 또한, 유전체 층(12)은 150 ℃ 및 200 ℃에서의 체적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상인 것이 바람직하다.
베이스 플레이트(11)를 형성하고, 베이스 플레이트(11) 위에 전극(20)을 통해 유전체 층(12)을 형성하는 경우를 예로 들어 설명한다.
우선, 열전도율이 유전체 층(12)보다 높아지는 베이스 플레이트(11)의 세라믹 원료 분말에 바인더, 필요에 따라서 유기 용제, 분산제 등을 첨가하여 혼합하고, 슬러리를 제작한다. 세라믹 원료 분말은 주성분이 되는 세라믹 분말과, 소결조제를 함유할 수 있다. 예컨대, 질화 알루미늄 분말을 주성분으로 하고, 마그네시아, 산화이트륨, 산화티탄, 사마리아, 알루미나, 이테르븀, 산화세륨 분말 등을 소결조제로서 첨가한다. 단지, 주성분의 원료 이외의 성분 총량은 10 wt% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 질화 알루미늄을 주성분으로서 원료 분말에 이용한 경우, 평균 입자 지름은 1 μm 정도인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 소결 온도를 낮출 수 있다.
얻은 슬러리를 분무 조립법 등에 의해 조립하여 조립 과립을 얻는다. 얻은 조립 과립을 금형 성형법, CIP(Cold Isostatic Pressing)법, 슬립캐스트법 등의 성 형 방법에 의해 성형한다.
얻은 성형체를 세라믹 원료 분말에 따른 소결 조건(소결 분위기, 소결 방법, 소결 온도, 소결 시간 등)으로 소결하고, 세라믹 베이스 플레이트(11)를 형성한다. 질화 알루미늄을 주성분으로서 원료 분말에 이용한 경우, 구체적으로는 일축방향으로 가압하면서 질소 가스나 아르곤 가스 등의 불활성 가스 분위기 속에서 1400 내지 2000 ℃에서 소결하는 것이 바람직하다. 소결 온도가 1400 ℃ 미만인 경우, 치밀화하기 어렵게 되어 버린다. 소결 온도가 2000 ℃를 넘으면, 유전체 층의 체적 저항률이 저하되어 버린다. 보다 바람직한 온도는 1600 내지 2000 ℃이며, 얻은 베이스 플레이트(11)의 특성을 보다 안정화할 수 있다. 또한, 최고 온도까지는 승온 속도 200 ℃/시간 이하로 승온하는 것이 바람직하다. 또한, 최고 온도에서는 1 내지 10 시간 유지하는 것이 바람직하다.
소결 방법은 한정되지 않지만, 핫 프레스법을 이용하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 치밀한 질화 알루미늄 소결체로 할 수 있고, 얻은 질화 알루미늄 소결체의 체적 저항률을 보다 향상시킬 수 있다. 이 경우에 부가되는 압력은 10 내지 30 MPa가 바람직하다. 이에 따르면, 베이스 플레이트(11)로서 보다 치밀한 소결체를 얻을 수 있다.
예컨대, 형성된 성형체에 프레스 압력 20 MPa, 최고 온도 1830 ℃에서 2 시간 가열함으로써 소결한다.
다음에, 베이스 플레이트(11)상에 전극(20)을 형성한다. 예컨대, 전극(20)은 베이스 플레이트(11) 표면에 인쇄 페이스트를 스크린 인쇄법 등을 이용하여 반 원 형상이나 빗살형, 메쉬 형상으로 인쇄함으로써 형성할 수 있다. 전극(20)을 인쇄에 의해 형성하는 경우, 텅스텐, 니오븀, 몰리브덴, 탄화텅스텐 등의 고융점 재료의 분말과, 베이스 플레이트(11)와 동종의 세라믹 분말과, 바인더로서 셀룰로오스, 아크릴, 폴리비닐 부티랄 등을 혼합한 인쇄 페이스트를 이용하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 전극(20)과, 베이스 플레이트(11)의 열팽창 계수를 가깝게 할 수 있고, 베이스 플레이트(11)와, 전극(20)의 치밀성을 향상시킬 수 있다.
또한, 전극(20)은 베이스 플레이트(11) 표면에 메쉬형이나 구멍이 천공된 Mo,Nb 또는 W등의 금속제 시트형의 전극(20)을 적재함으로써 형성할 수도 있다. 또한, 전극(20)은 베이스 플레이트(11) 표면에 전극(20)의 박막을 CVD나 PVD에 의해 증착하더라도 좋다.
다음에, 유전체 층(12)을 형성한다. 베이스 플레이트(11)의 주성분과 같고, 100 ℃, 150 ℃, 200 ℃에서의 체적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상이 되는 세라믹 원료 분말에 바인더, 필요에 따라서 물, 분산제 등을 첨가하여 혼합하고, 슬러리를 제작한다. 세라믹 원료 분말은 주성분이 되는 세라믹 분말과, 소결조제를 함유할 수 있다. 예컨대, 질화 알루미늄 분말을 주성분으로 하고, 마그네시아, 산화이트륨, 산화티탄 분말 등을 소결조제로서 첨가한다. 단지, 주성분의 원료 이외의 성분 총량은 12 wt% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 질화 알루미늄을 주성분으로서 원료 분말에 이용한 경우, 평균 입자 지름은 1 μm 정도인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 소결 온도를 낮출 수 있다. 얻은 슬러리를 분무 조립법 등에 의해 조립하 여 조립 과립을 얻는다. 금형 등에 전극(20)이 형성된 베이스 플레이트(11)를 세팅하고, 베이스 플레이트(11) 및 전극(20)상에 얻은 조립 과립을 충전하며, 베이스 플레이트(11)상에 유전체 층(12)이 되는 성형체를 형성한다. 또는, 조립 과립을 이용하여 금형 프레스 성형법, CIP(Cold Isostatic Presslng)법, 슬립캐스트법 등에 의해 유전체 층(12)이 되는 성형체를 형성하고, 베이스 플레이트(11)상에 유전체 층(12)이 되는 성형체를 적재하여 프레스함으로써, 베이스 플레이트(11)상에 유전체 층(12)이 되는 성형체를 형성하더라도 좋다.
그리고, 베이스 플레이트(11)와, 전극(20)과, 유전체 층(12)이 되는 성형체를 핫 프레스법에 의해 성형체의 세라믹 원료 분말에 따른 소결 조건(소결 분위기, 소결 방법, 소결 온도, 소결 시간 등)에서 일체로 소결하여 일체 소결체를 얻는다. 이에 따라, 유전체 층(12)을 형성할 수 있다. 질화 알루미늄을 주성분으로서 원료 분말에 이용한 경우, 일축방향으로 가압하면서 질소 가스나 아르곤 가스등의 불활성 가스 분위기 속에서, 1550 내지 2000 ℃에서 소결하는 것이 바람직하다. 소결 온도가 1550 ℃ 미만인 경우, 치밀화하기 어렵게 되어 버린다. 소결 온도가 2000 ℃를 넘는 경우에는 소결체의 체적 저항률이 저하되어 버린다. 보다 바람직한 온도는 1600 내지 2000 ℃이며, 얻은 유전체 층(12)의 체적 저항률을 보다 안정화할 수 있다. 또한, 최고 온도까지는 승온 속도 200 ℃/시간 이하로 승온하는 것이 바람직하다. 또한, 최고 온도에서는 1 내지 10 시간 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 부가하는 압력은 10 내지 30 Mpa가 바람직하다. 이에 따르면, 유전체 층(12)으로서 보다 치밀한 소결체를 얻을 수 있다.
또한, 공정 단계는 임의로 변경될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 예컨대, 먼저 유전체 층(12)을 형성하고, 유전체 층(12)상에 전극(20)을 형성하며, 유전체 층(12) 및 전극(20)상에 베이스 플레이트(11)가 되는 성형체를 형성하여 일체로 소결하더라도 좋다.
이와 같이, 베이스 플레이트(11) 또는 유전체 층(12) 중 어느 하나를 소결하여 얻은 후에 전극(20)을 형성하여, 일체로 형성함으로써, 전극(20)의 평탄도를 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 정전 척의 정전 흡착력의 균일성이나 균열성을 향상시킬 수 있다.
또한, 베이스 플레이트(11)가 되는 성형체와, 전극(20)과, 유전체 층(12)이 되는 성형체와의 적층체를 형성하고, 얻은 적층체를 핫 프레스법 등에 의해 일체로 소결하더라도 좋다.
전극(20)은 베이스 플레이트(11)와 유전체 층(12) 사이에 개재되는 대신에, 유전체 층(12)에 매설되어 있더라도 좋다.
다음에, 얻은 일체 소결체를 가공한다. 구체적으로는, 유전체 층(12)의 두께가 0.5 mm 이하가 되도록 유전체 층(12)을 연삭하는 것이 바람직하다. 또한, 유전체 층(12)의 기판 접촉면(12d)의 중심선 평균 표면 조도(Ra)가 1.6 μm 이하가 되도록 유전체 층(12)을 연삭 가공하는 것이 바람직하다. 또한, 베이스 플레이트(11)에 단자(21)를 삽입하기 위한 구멍(11a)을 천공 가공에 의해 형성한다. 마지막으로, 단자(21)를 베이스 플레이트(11)의 구멍(11a)에 삽입하고, 단자(21)를 전극(20)에 납땜함으로써, 정전 척(100)을 얻는다.
이와 같이, 열전도율이 유전체 층(12)보다 높은 세라믹 베이스 플레이트(11)를 형성하는 공정과, 베이스 플레이트(11)상에 100 ℃, 150 ℃ 및 200 ℃에서의 체적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상이고, 베이스 플레이트(11)와 주성분이 동일한 세라믹 유전체 층(12)을 형성하는 공정과, 정전 흡착력을 발생시키는 전극(20)을 형성하는 공정을 포함함으로써, 고온 환경에서 쿨롱힘을 이용하는 정전 척에 관해서, 체적 저항률과 열전도율이 높은 정전 척을 얻을 수 있다. 그리고, 이러한 제조 조건의 범위 내에서 원료 분말의 평균 입자 지름, 조성, 소결 온도나 소결 시간, 소결 방법 등의 소결 조건 등을 조정하여 소결체의 조성이나 개기공률, 부피 밀도, 평균 입자 지름 등을 적절하게 조정할 수 있다. 그 결과, 얻은 정전 척의 열전도율, 체적 저항률 등을 적절하게 조정할 수 있다.
다음에, 본 발명을 실시예에 의해 더 상세히 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예로만 한정되지는 않는다.
[정전 척]
(실시예 1 내지 4, 비교예 1, 2)
처음에, 베이스 플레이트를 형성하였다. 구체적으로는, 세라믹 원료 분말로서, 환원 질화법에 의해 얻은 질화 알루미늄 분말 92.5 내지 100.0 wt%와, 마그네시아 분말 0 내지 2.0 wt%와, 산화이트륨 분말 0 내지 5.0 wt%와, 산화티탄 분말 0 내지 0.5 wt%의 혼합 분말을 준비하였다. 세라믹 원료 분말에 아크릴계 수지 바인더를 첨가하고, 볼밀을 이용하여 혼합하여 슬러리를 얻었다.
분무 조립법에 의해 조립 과립을 제작하였다. 구체적으로는, 얻은 슬러리를 스프레이 드라이어에 의해 분무 건조시키고, 조립 과립을 제작하였다. 얻은 조립 과립을 금형 성형법에 의해 일축 가압 성형하여, 판형 성형체를 형성하였다.
성형체를 질소 가스 분위기에서 핫 프레스법에 의해 소결하여 질화 알루미늄 소결체를 얻었다. 구체적으로는, 20 MPa로 가압하면서 최고 온도까지 10 내지 150 ℃/시간의 승온 속도로 온도를 상승시키고, 최고 온도에서 2 시간 유지하였다. 또한, 최고 온도는 실시예에서는 1830 ℃, 비교예에서는 1700 ℃를 이용하였다. 질화 알루미늄 소결체를 연삭 가공하여 직경 215 mm 두께 10 mm의 원반을 제작하였다.
다음에, 탄화텅스텐(WC) 분말에 바인더로서 셀룰로오스, 아크릴, 폴리비닐 부티랄 등을 혼합하여 인쇄 페이스트를 제작하였다. 질화 알루미늄 소결체상에 스크린 인쇄법에 의해 두께 20 μm의 전극을 형성하여 건조시켰다.
다음에, 전극을 형성한 질화 알루미늄 소결체를 금형에 세팅하였다. 질화 알루미늄 소결체 및 전극상에 질화 알루미늄 조립 과립을 충전하여 가압하고, 프레스 성형을 행하였다.
일체로 성형된 질화 알루미늄 소결체, 전극, 질화 알루미늄 성형체를 카본제의 시스(sheath)에 세팅하고, 질소 가스 분위기에서 핫 프레스법에 의해 소결하였다. 구체적으로는, 20 MPa로 가압하면서 최고 온도 1700 ℃까지 10 ℃/시간의 승온 속도로 온도를 상승시켜, 이 최고 온도 1700 ℃에서 2 시간 유지하여 일체로 소결하였다.
유전체 층 표면을 다이아몬드 지석으로 평면 연삭 가공을 행하고, 유전체 층의 두께를 0.5 mm 이하로 하였다. 이와 같이 하여 유전체 층을 형성하였다.
또한, 기판 접촉면의 중심선 평균 표면 조도(Ra)가 0.8 μm 이하가 되도록 연삭 가공을 행하였다. 또한 질화 알루미늄 소결체 측면을 연삭하는 동시에, 필요한 천공 가공, 및 전극에 접속하는 단자를 접합함으로써 정전 척이 완성되었다.
얻은 정전 척에 관해서 다음 (1) 내지 (4)를 평가하였다.
(1) 체적 저항률 측정
JIS C2141에 준한 방법에 의해 유전체 층의 체적 저항률을 측정하였다. 구체적으로는, 진공 분위기 하에서 실온으로부터 150 ℃까지를 측정하였다. 시험 형상은 직경 200 mm×10 mm의 정전 척 표면에 주 전극 직경을 20 mm, 가드 전극 내직경을 30 mm, 가드 전극 외직경을 40 mm로 하고, 각 전극을 은 페이스트로 형성하였다. 정전 척 전극에 2 kV/mm를 인가하고, 전압 인가 후 1 분시의 전류를 판독하여 체적 저항률을 산출하였다.
(2) 열전도율 측정
JIS R1611에 준한 레이저 플래시법(laser flash method)에 의해 열전도율을 측정하였다.
(3) 온도 측정
정전 척 상하면의 온도차를 측정하였다. 구체적으로는, 제작한 직경 200 mm×두께 10 mm의 정전 척 표면에 램프 히터에 의해 3 kW를 입열하였다. 정전 척 이면에 냉각 플레이트를 접촉시켜, 이면의 온도를 20 ℃로 고정시켰다. 이때의 정전 척 표면의 온도를 측정하여 정전 척 상하면의 온도차를 산출하였다.
(4) 흡착력 측정
진공 중에서 정전 척의 기판 접촉면상에 실리콘제 프로브를 접촉시켜, 정전 척의 전극과 실리콘제 프로브 사이에 2 kV/mm의 전압을 인가하고, 실리콘제 프로브를 정전 척에 흡착 고정시켰다. 전압 인가로부터 60 초 후에 전압을 인가한 채, 실리콘제 프로브를 적재면으로부터 떼어내는 방향으로 끌어올리고, 떼어내기 위해 필요한 힘을 흡착력으로서 측정하였다.
또한, 실리콘제 프로브 선단의 면적은 3 cm2로 하고, 실온 및 150 ℃에서 측정하였다.
(1) 내지 (4)의 평가 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.
[표 1]
아이템 유전체 층 베이스 플레이트
원료 분말에 첨가한 양 소결 온도 원료 분말에 첨가한 양 소결 온도
MgO Y2O3 TiO2 MgO Y2O3 TiO2
wt% wt% wt% ℃ wt% wt% wt% ℃
실시예 1 2 5 - 1700 - - - 1830
실시예 2 2 5 - 1700 - 5 - 1830
실시예 3 2 5 0.5 1700 - - - 1830
실시예 4 2 5 0.5 1700 - 5 - 1830
비교예 1 2 5 - 1700 2 5 - 1700
비교예 2 2 5 0.5 1700 2 5 0.5 1700
[표 2]
아이템 특성의 측정 결과
유전체 층의 체적 저항률 열전도율 온도차 ΔT 정전 흡착력
실온 2kV/mm 100℃ 2kV/mm 150℃ 2kV/mm 실온 2kV/mm 150℃ 2kV/mm
Ω·㎝ Ω·㎝ Ω·㎝ W/mK ℃ kPa kPa
실시예 1 >1.0×1015 >1.0×1015 >1.0×1015 90 10.6 >2.7 >2.7
실시예 2 >1.0×1015 >1.0×1015 >1.0×1015 170 5.5 >2.7 >2.7
실시예 3 >1.0×1015 >1.0×1015 >1.0×1015 89 10.4 >2.7 >2.7
실시예 4 >1.0×1015 >1.0×1015 >1.0×1015 170 5.6 >2.7 >2.7
비교예 1 >1.0×1015 >1.0×1015 >1.0×1015 48 20.0 >2.7 >2.7
비교예 2 >1.0×1015 >1.0×1015 >1.0×1015 41 23.9 >2.7 >2.7
실시예 1 내지 4는 주성분인 질화 알루미늄과 0 내지 5 wt%의 산화이트륨을 함유하고, 1830 ℃에서 소결한 베이스 플레이트와, 주성분인 질화 알루미늄과, 2 wt%의 마그네시아와, 5 wt%의 산화이트륨과, 0 내지 0.5 wt%의 산화티탄을 함유하며, 1700 ℃에서 소결한 유전체 층과, 전극을 갖는 정전 척이다. 실시예 1 내지 4의 성분량을 표 1에 나타낸다.
비교예 1, 2는 주성분인 질화 알루미늄과, 2 wt%의 마그네시아와, 5 wt%의 산화이트륨과, 0 내지 0.5 wt%의 산화티탄을 함유하고, 1700 ℃에서 소결한 베이스 플레이트와, 주성분인 질화 알루미늄과, 2 wt%의 마그네시아와, 5 wt%의 산화이트 륨과, 0 내지 0.5 wt%의 산화티탄을 함유하며, 1700 ℃에서 소결한 유전체 층과, 전극을 갖는 정전 척이다. 비교예 1, 2의 성분량을 표 1에 나타낸다.
실시예 1 내지 4는 베이스 플레이트를 1830 ℃에서 소결하여, 매우 높은 열전도율을 갖는 베이스 플레이트로 되어 있었다.
또한, 실시예 1 내지 4의 정전 척은 모두 열전도율이 89 내지 170 W/mK, 온도 측정에 의한 차가 5.5 내지 10.6 ℃이며, 열전도율이 41 내지 48 W/mK, 온도 측정에 의한 온도차가 20 내지 23.9 ℃인 비교예 1 내지 4의 정전 척에 비해 상온 100 ℃, 150 ℃에서의 체적 저항률을 유지하면서 열전도율과, 그에 수반하는 온도 측정에 의한 온도차가 향상되고 있었다.
특히, 실시예 2는 질화 알루미늄과, 5 wt%의 산화이트륨을 함유하고, 1830 ℃에서 소결한 베이스 플레이트와, 질화 알루미늄과, 2 wt%의 마그네시아와, 5 wt%의 산화이트륨을 함유하며, 1700 ℃에서 소결한 유전체 층과, 전극을 갖는 정전 척이며, 열전도율이 170 W/mK, 온도 측정에 의한 온도차가 5.5 ℃와, 비교예 1, 2에 비해 비약적으로 향상하고 있었다.
또한, 실시예 4는 질화 알루미늄과, 5 wt%의 산화이트륨을 함유하고, 1830 ℃에서 소결한 베이스 플레이트와, 질화 알루미늄과, 2 wt%의 마그네시아와, 5 wt%의 산화이트륨과, 0.5 wt%의 산화티탄을 함유하며, 1700 ℃에서 소결한 유전체 층과, 전극을 갖는 정전 척이고, 열전도율이 170 W/mK, 온도 측정에 의한 온도차가 5.6 ℃로, 비교예 1, 2에 비해 비약적으로 향상하고 있었다.
이에 대해서, 비교예 1은 2 wt%의 마그네시아와 5 wt%의 산화이트륨을 함유 하고, 1700 ℃에서 소결한 베이스 플레이트와, 질화 알루미늄과, 2 wt%의 마그네시아와 5 wt%의 산화이트륨을 함유하며, 1700 ℃에서 소결한 유전체 층과, 전극을 갖는 정전 척이며, 열전도율이 매우 불량하였다. 이에 따른, 온도 측정의 온도차도 매우 불량하였다.
비교예 2는 2 wt%의 마그네시아와 5 wt%의 산화이트륨과, 0.5 wt%의 산화 티타늄과 1700 ℃에서 소결한 베이스 플레이트와, 질화 알루미늄과, 2 wt%의 마그네시아와 5 wt%의 산화이트륨과, 0.5 wt% 산화 티타늄을 함유하고, 1700 ℃에서 소결한 유전체 층과, 전극을 갖는 정전 척이며, 열전도율이 매우 불량하였다. 이에 따른, 온도 측정의 온도차도 매우 불량하였다.
본 발명에 의하면, 고온 환경에서 쿨롱힘을 이용하는 정전 척에 관해서, 체적 저항률과 열전도율이 높은 정전 척 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 세라믹으로 형성된 베이스 플레이트와;
    상기 베이스 플레이트 상에 형성되고 100 ℃에서의 체적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상이며 베이스 플레이트와 주성분이 동일한 세라믹으로 형성된 유전체 층; 그리고
    정전 흡착력을 발생시키는 전극
    을 포함하고, 상기 베이스 플레이트의 열전도율은 유전체 층의 열전도율보다 높은 것인 정전 척.
  2. 제1항에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 열전도율은 80 W/mK 이상인 것인 정전 척.
  3. 제1항에 있어서, 150 ℃에서의 상기 유전체 층의 체적 저항률은 1×1015 Ω·cm 이상인 것인 정전 척.
  4. 제1항에 있어서, 200 ℃에서의 상기 유전체 층의 체적 저항률은 1×1015 Ω·cm 이상인 것인 정전 척.
  5. 제1항에 있어서, 상기 세라믹은 질화 알루미늄을 주성분으로 함유하는 것인 정전 척.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유전체 층은 0.4 내지 2.5 wt%의 마그네슘과, 2.0 내지 5.0 wt%의 이트륨을 함유하고, 상기 유전체 층의 평균 입자 지름은 1.0 μm 이하인 것인 정전 척.
  7. 세라믹으로 이루어진 베이스 플레이트를 형성하는 공정과;
    상기 베이스 플레이트 상에, 100 ℃에서의 체적 저항률이 1×1015 Ω·cm 이상이고 베이스 플레이트와 주성분이 동일한 세라믹으로 형성된 유전체 층을 형성하는 공정과;
    정전 흡착력을 발생시키는 전극을 형성하는 공정
    을 포함하고, 상기 베이스 플레이트의 열전도율은 상기 유전체 층의 열전도율보다 높은 것인 정전 척 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 열전도율은 80 W/mK 이상인 것인 정전 척 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서, 150 ℃에서의 상기 유전체 층의 체적 저항률은 1×1015 Ω· cm 이상인 것인 정전 척 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 200 ℃에서의 상기 유전체 층의 체적 저항률은 1×1015 Ω·cm 이상인 것인 정전 척 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 베이스 플레이트 또는 베이스 플레이트가 되는 제1 성형체와, 상기 유전체 층 또는 유전체 층이 되는 제2 성형체, 그리고 상기 전극을 핫 프레스법에 의해 일체로 소결하는 소결 공정을 더 포함하는 것인 정전 척 제조 방법.
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