KR20070032966A

KR20070032966A - 정전척

Info

Publication number: KR20070032966A
Application number: KR20067027690A
Authority: KR
Inventors: 사토루 카미타니; 키요시 요코야마
Original assignee: 쿄세라 코포레이션
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2007-03-23
Also published as: KR101142000B1; TW200625501A; TWI267940B; CN100470756C; CN101010791A; WO2006001425A1; US20080037194A1; US7586734B2

Abstract

본 발명은 균열성이 양호하고, 웨이퍼가 포화온도에 도달하는 시간이 짧은 정전척을 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기 목적을 달성하기 위해, 한 쌍의 주면을 구비하고 그 한쪽 주면을 웨이퍼(W)를 탑재하는 탑재면(8a)으로 하는 판상체(8)와, 그 판상체의 다른 쪽 주면 또는 내부에 형성된 흡착용 전극(6)으로 구성되는 정전척(1)에 있어서, 상기 판상체에 관통되도록 형성된 적어도 한개의 가스 도입용 관통공(5)과, 서로 이간된 복수의 볼록부(8b)에 의하여 상기 탑재면 위에 형성되고, 또한 상기 관통공과 연통되도록 형성된 가스유로(8d)와, 상기 판상체 외주에 형성된 환형벽부(8c)를 구비하며, 상기 볼록부의 평면 형상이 4개의 변과 그 4개의 변을 연결하는 호형부로 이루어지며, 상기 볼록부가 상기 탑재면 상에 똑같이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

정전척{ELECTROSTATIC CHUCK}

본 발명은 반도체 제조 공정에서 반도체 웨이퍼를 정전 흡착하거나 액정기판을 흡착하는 플랫 디스플레이 제조 공정에 사용되는 정전척에 관한 것이다.

종래의 반도체 제조 공정에서는 반도체 웨이퍼(이하 웨이퍼라고 약칭)에 미세가공을 실시하기 위한 에칭공정이나 박막을 형성하기 위한 성막공정에 있어서 웨이퍼를 정전 흡착력으로 고정하는 정전척이 사용되고 있다.

정전척은 유전체층의 표면을 피흡착물인 웨이퍼를 탑재하는 탑재면으로 함과 아울러 상기 유전체층의 아래쪽 면에 정전 흡착용 전극을 구비한 것으로 상기웨이퍼와 정전 흡착용 전극 사이에 전압을 인가(印加)하여 정전 흡착력을 발현시킴으로서 웨이퍼를 탑재면에 고정하도록 되어 있다.

그러나, 오늘의 반도체 제조 공정에 있어서 웨이퍼에 대하여 에칭가공이나 성막가공을 실시할 때 웨이퍼 전면의 에칭 비율을 균일하게 하거나 균일하게 성막하는 것이 요구되고 있다. 따라서 웨이퍼의 온도를 일정하게 유지하고, 또한 웨이퍼 면내의 온도차를 작게 할 필요성이 있다. 또한 근래에는 반도체 산업의 급격한 확대로 인하여 단위시간당 웨이퍼 처리 매수를 향상시킬 필요성이 있고 웨이퍼가 포화온도에 이를 때까지의 시간을 짧게 하는 것이 요구되고 있다.

특허문헌 1에는 웨이퍼와 이 웨이퍼를 가열하는 가스의 접촉면적을 크게하고 웨이퍼의 온도를 균일하게 하기 위하여 선단부가 밑부분보다 작은 형상을 가진 복수의 미소한 볼록부를 웨이퍼 탑재면에 설치하여 웨이퍼가 상기 볼록부 선단부에서 점접촉을 함으로써 유지되는 정전척이 제안되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는 웨이퍼와 정전척 표면의 접촉면적을 작게 하고, 또한 볼록부의 높이를 작게 함으로써 접촉부 이외로부터 흡착력을 얻을 수 있어 접촉면적이 작아도 웨이퍼를 큰 힘으로 유지할 수 있고 웨이퍼의 온도를 균일하게 할수 있는 것이 제안되어 있다.

그러나, 특허문헌 1, 2에 기재된 정전척에서는 웨이퍼와 정전척의 접촉면적이 작기 때문에 흡착력이 큰 존슨-라벡력을 발현하는 정전척인 경우에는 좋지만 흡착력이 작은 쿨롱력을 발휘하는 정전척인 경우에 있어서는 정전척의 가스유로에 가스를 흐르게 하면 정전척의 가스압으로 인하여 웨이퍼가 정전척으로부터 떨어져 버린다. 정전척으로부터 웨이퍼가 떨어지지 않게 하기 위하여 가스압을 낮추면 웨이퍼가 포화온도에 이르는 시간이 길어져 단위시간당 처리하는 웨이퍼 처리 매수가 적게 되어 버린다.

웨이퍼가 정전척으로부터 떨어지지 않게 웨이퍼와 탑재면의 접촉면적을 크게 하기 위하여, 특허문헌 3에는 정전척의 가스 홈이 등간격으로 배치된 복수의 방사상 홈과, 그 방사상 홈과 연통되고 동심원상에 배치된 복수의 환상 홈과, 중심으로부터 첫 번째 환상 홈 이후의 영역에서 서로 이웃하고 있는 2개의 환상 홈과 서로 이웃하고 있는 2개의 방사상 홈으로 둘러싸인 각 설치면을 2개 이상으로 분단하는 적어도 한개의 방사방향으로 뻗어지는 칸막이 홈으로 구성되며, 서로 이웃하고 있는 2개의 환상 홈과 서로 이웃하고 있는 2개의 방사상 홈으로 둘러싸인 설치면과 서로 이웃하고 있는 2개의 환상 홈과 방사상 홈 및 칸막이 홈으로 둘러싸인 설치면과, 서로 이웃하고 있는 2개의 환상 홈과 서로 이웃하고 있는 2개의 칸막이 홈으로 둘러싸인 설치면을 각각 대략 동등한 면적으로 함으로써 웨이퍼가 포화온도에 이를 때까지의 시간이 짧고, 또한 포화온도에서의 균열성이 뛰어난 정전척을 제공할 수 있는 것이 제안되어 있다.

또한, 특허문헌 4에 기재되어 있듯이, 형상이 원형인 볼록부가 웨이퍼 탑재면에 격자모양으로 배열된 정전척이 개시되어 있다.

(특허문헌 1) 일본 특허공개 평9-172055호 공보

(특허문헌 2) 일본 특허공개 2002-222851호 공보

(특허문헌 3) 일본 특허공개 2002-170868호 공보

(특허문헌 4) 일본 특허공개 평7-153825호 공보

그러나, 특허문헌 3에 기재된 정전척에서는 웨이퍼와의 접촉면적이 크고 가스유로에 가스가 흘러 웨이퍼가 정전척으로부터 떨어져 버리는 일은 없지만 가스가 홈의 분기점에서 순조롭게 유동하지 않아 근년에 요구하는 균열성을 얻을 수 없으며 웨이퍼가 포화온도에 이를 때까지의 시간을 짧게 할 수 없다는 문제가 있었다. 또한, 특허문헌 4에는 도5에 도시된 바와 같이 상면으로부터 본 볼록부의 형상은 원형이고 도5의 b, c방향의 가스 흐름은 좋게 되지만 a방향의 가스 흐름은 순조롭지 않기 때문에 외주 온도가 포화온도에 이를 때까지의 시간이 길어지는 문제가 있었다.

또한, 이러한 정전척에 있어서 균열성을 향상시키기 위하여 가스유로를 크게 하면 가스유로를 확대시킨 것에 의해 웨이퍼와의 접촉면적이 감소되어 정전척의 웨이퍼를 흡착하는 흡착력이 감소되어 버린다. 이 흡착력을 가스유로를 축소시키지 않고 크게 하기 위해서는 정전척에 매설된 전극에 고전압을 인가할 필요성은 있지만, 이와 같이 고전압을 인가하여 고전압 인가 해제 사이클을 반복하면 정전척의 유전체층이 절연파괴되어 버리는 문제가 있었다.

그래서, 본 발명은 균열성이 양호하며 웨이퍼가 포화온도에 이를 때까지의 시간이 짧고, 또한 전압인가 사이클에 대한 내구성이 양호한 정전척을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기 과제를 감안하여 열심히 연구한 결과, 복수의 볼록부가 격자모양으로 배열되어 이루어지는 가스유로를 구비한 정전척에 있어서 이 볼록부의 형상을 직사각형으로 하면, 상기 관통공으로부터 도입된 가스가 그 진행방향에 대하여 횡방향으로 확산되기 어렵고, 반대로 볼록부의 형상을 약 원형(圓形)으로 하면, 상기 관통공으로부터 도입된 가스가 그 진행방향에 대하여 횡방향으로는 잘 확산되지만 진행방향으로는 확산도기 어려워, 상기 어느 경우에나 똑같은 가열을 실현하는 것은 불가능하지만, 상기 볼록부 형상을 직사각형의 코너부가 원호상(円弧狀)으로 형성된 형상으로 하면, 가스를 똑같이 확산시킬 수 있고, 포화온도에 이르는 시간을 짧게 할 수 있으며, 또한 균열성을 향상시킬 수 있는 것을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 제1발명은 한 쌍의 주면을 구비하고, 그 한쪽 주면을 웨이퍼를 탑재하는 탑재면으로 하는 판상체와, 그 판상체의 다른 쪽 주면 또는 내부에설치된 흡착용 전극으로 구성되는 정전척에 있어서, 상기 판상체에 관통하도록 형성된 적어도 1개의 가스 도입용 관통공과, 서로 이간된 복수의 볼록부에 의해 상기 탑재면 위에 형성되고, 또한 상기 관통공과 연통되도록 형성된 가스유로와, 상기 판상체의 외주에 형성된 환형벽부를 구비하며, 상기 볼록부의 평면 형상이 4개의 변과 그 4개의 변을 연결하는 호형부로 구성됨과 아울러, 가스 도입용 관통공으로부터 도입된 가스를 똑같이 확산시키도록 상기 볼록부가 상기 탑재면 상에 똑같이 배설되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전척에 있다.

본 발명에 따른 정전척에 있어서, 상기 볼록부가 격자모양으로 배열되어 있는 것이 바람직하다. 상기 볼록부를 격자모양으로 배열함으로써 관통공으로부터 도입된 가스를 똑같이 확산시킬 수 있어 웨이퍼를 똑같이 가열할 수 있다.

또한, 상기 가스유로의 저면과 상기 볼록부 혹은 상기 환형벽부가 연결되는 부위를 원호형으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써 관통공으로부터 도입된 가스가 기판에 대하여 좌우 방향으로 확산하기 쉬워져 상기와 같이 똑같은 가열을 실시할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 정전척에서는, 상기 가스유로 저면의 산술 평균 거칠기(Ra)가 2㎛이하인 것을 특징으로 한다. 산술 평균 거칠기(Ra)를 2㎛이하로 하면 가스유로의 저면이 매끄럽게 되어 저압의 가스를 순조롭게 가스유로 내에 확산시킬 수 있으며, 웨이퍼(W)의 표면온도가 소정의 온도로 될 때까지의 포화시간을 짧게 할 수 있어, 면내 온도차를 작게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 정전척은, 상기 환형벽부의 폭이 0.5∼10㎜이고 상기 볼록부의 대변(對邊)의 간격이 1.5∼10㎜임과 아울러, 상기 볼록부 및 상기 환형벽부의 최상면의 총면적이 상기 탑재면 면적의 50∼80%이고, 또한 상기 가스유로 저면으로부터 상기 볼록부 최상면까지의 거리가 10∼100㎛인 것을 특징으로 한다. 접촉면적을 50∼80%로 함으로써 웨이퍼가 정전척으로부터 떨어지는 것을 방지할 수 있고, 또한 가스가 흐르는 영역이 작아지는 것에 의한 웨이퍼 면내 온도차의 확대를 방지할 수 있다. 또한 상기 가스유로의 저면으로부터 상기 볼록부 최상면까지의 거리를 10∼100㎛로 하면 가스가 순조롭게 전면에 퍼질 수 있고, 또한 웨이퍼와 전극 사이에 전압을 인가하는 것에 의한 절연파괴를 방지할 수 있다.

상기 관통공은 상기 탑재면의 중심에 1개, 그 중심으로부터 동심원상에 복수개 구비되어 있는 것이 바람직하다. 상기 구성으로 함으로써, 단시간에 탑재면 전체에 가스를 공급할 수 있어 웨이퍼(W)의 면내 온도가 일정하게 될 때까지의 포화시간을 짧게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 정전척은, 상기 환형벽부를 탑재면의 최외주와 내측에 구비하고, 최외주 환형벽부와 내측 환형벽부 사이에 복수의 관통공을 구비하고, 내측 환형벽부의 내측에 관통공을 더 구비하고 있는 것을 특징으로 한다. 최외주 환형벽부와 내측 환형벽부 사이의 관통공과 내측 환형벽부의 내측 관통공에, 각각 가스 유량을 바꾸어서 가스를 공급함으로써 탑재면의 내측과 외측에서 탑재면과 웨이퍼 사이의 열전도율을 조정할 수 있기 때문에 웨이퍼 면내의 온도차를 작게 할 수 있다.

여기서, 상기 판상체는 최대 직경이 180∼500㎜이고, 상기 관통공은 직경이 0.1∼5㎜이며, 4∼100개를 구비하고 있는 것이 바람직하다. 가스를 가스유로에 균일하게 확산시킬 수 있고, 웨이퍼가 포화온도에 이르는 시간을 짧게 할 수 있으며, 균열성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 판상체의 다른 쪽 주면에 열교환 부재를 설치하는 것이 바람직하다. 상기 열교환 부재에 의하여 탑재면의 열을 상기 판상체로부터 효율적으로 흡수할 수 있어 웨이퍼의 온도 상승을 억제할 수 있다.

특히, 상기 열교환 부재는 금속판으로 구성되는 것이 바람직하다. 열교환 부재로서 금속판을 사용함으로써 탑재면의 열을 가장 효율적으로 흡수할 수 있다.

본 발명에 따른 정전척에 있어서 상기 판상체는 알루미나 또는 질화알루미늄을 주성분으로 하는 소결체로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 재료는 내플라즈마성이 뛰어나기 때문에 바람직하다.

또한, 본 발명자들은 정전척에 매설된 전극에 고전압을 인가 해제하고, 이와 같은 사이클을 반복하면, 정전척의 유전체층이 절연파괴되어 버린다는 과제에감안하여 연구를 진행한 결과, 유전체층의 개기공율이 반복적인 전압인가 해제 사이클에 대한 내구성에 영향을 미쳐서 상기 유전체층의 개기공율을 1%이하로 하면 전압 인가와 해제를 장시간에 걸쳐 반복했다고 하여도, 탑재면과 전극 사이에 개재된 유전체층이 절연파괴를 일으키지 않고, 상기 사이클에 대한 내구성을 향상시킬 수 있는 것, 또한 상기 전극으로부터 상기 웨이퍼 탑재면까지의 평균거리를 0.015cm이상으로 하고, 상기 전극과 상기 탑재면 사이의 유전체층의 체적 고유 저항값와 상기 평균거리의 곱을 1×10⁷∼5×10¹⁶Ω·㎠로 함과 아울러, 상기 유전체층을 형성하는 질화알루미늄의 평균입경을 1∼20㎛로 하면, 상기와 같이 전압인가 해제 사이클에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 제2발명은 상기 판상체가 질화알루미늄을 주성분으로 하는 유전체로 이루어지고, 상기 전극으로부터 상기 탑재면까지의 평균거리가 0.015cm이상이고, 상기 전극과 상기 탑재면 사이의 유전체층의 체적 고유 저항값과 상기 평균거리의 곱이 1×10⁷∼5×10¹⁶Ω·㎠임과 아울러, 상기 유전체층을 형성하는 질화알루미늄의 평균입경이 1∼20㎛이고, 또한 상기 유전체층의 개기공율이 1%이하인 것을 특징으로 하는 정전척에 있다.

본 발명에 따른 정전척은, 상기 유전체층에는 입자내 기공과 입계 기공이 존재하고 입계 기공의 평균 직경이 질화알루미늄의 평균 결정입경보다 작은 것을 특징으로 한다. 이와 같이 입계 기공의 평균 직경을 질화알루미늄의 평균 결정입경보다 작게 함으로써 개기공율을 억제할 수 있고, 그것에 의해 전압인가 해제 사이클을 반복하여도 유전체층이 절연파괴되지 않는 정전척으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 정전척은, 상기 유전체층의 입계 기공의 비율(Sg)과 입자내 기공의 비율(Sc)의 비(Sg/Sc)가 1.0이하인 것을 특징으로 한다. 상기 비(Sg/Sc)를1.0이상으로 하면 입계 기공의 존재 비율이 증가하고, 기계 가공에 의해 질화알루미늄 입자의 탈립이 증가하여 개기공율이 증가함으로 바람직하지 않다.

상기 유전체층은 질화알루미늄을 주성분으로 하여 3a족 금속 산화물로 이루어지는 부성분을 0.2∼15질량% 포함하는 것이 바람직하다. 상기 부성분을 0.2∼15질량%로 포함함으로써 체적 고유 저항값을 임의의 소망하는 값으로 제어할 수 있다.

상기 3a족 금속이 세륨인 것이 바람직하다. 세륨은 반복적인 전압인가 해제 사이클에 대한 내구성이 가장 양호하다.

본 발명에 따른 정전척은, 상기 질화알루미늄으로 이루어지는 판형 세라믹스체가 0.2∼200MPa인 비산화성 분위기 중에서 1800∼1900℃이하의 온도로 0.5∼20시간 이내 유지하여 소결시킨 것임을 특징으로 한다. 이런 조건 하에서 소성시킴으로써 유전체층이 소망하는 평균입경과 개기공율을 가지는 정전척으로 할 수 있다.

(발명의 효과)

이상과 같이 본 발명에 따른 정전척에 의하면 판상체의 한쪽 주면을 웨이퍼를 탑재하는 탑재면으로 하고, 상기 판상체의 다른 쪽 주면 또는 내부에 흡착용전극을 구비한 정전척에 있어서, 상기 판상체의 한쪽 주면에 관통공, 복수의 볼록부, 외주에 구비된 환형벽부 및 이러한 볼록부 사이에 구비된 가스유로를 가짐과 아울러, 상기 볼록부의 평면 형상이 4개의 변과 4개의 변을 연결하는 원호형부를 구비하고, 상기 볼록부가 상기 탑재면에 똑같이 형성되어 있음으로써 상기 관통공으로부터 도입된 가스를 그 진행방향 및, 그 진행방향에 대하여 횡방향으로 적절한 비율로 똑같이 확산시킬 수 있고, 그 때문에 포화온도에 이르는 시간을 짧게 할 수 있고또한 균열성을 향상시킬 수 있다.

도1(a)는 본 발명에 따른 정전척을 도시한 개략 평면도이고, 도1(b)는 (a)의 X－X선 단면도이다.

도2(a)는 본 발명에 따른 정전척을 도시한 개략 평면도이고, 도2(b)는 (a)의 X－X선 단면도이다.

도3(a)는 본 발명에 따른 정전척의 다른 예의 개략을 도시한 평면도이고, 도3(b)는 (a)의 X－X선 단면도이다.

도4는 본 발명에 따른 정전척을 도시한 개략도이다.

도5는 종래의 정전척을 도시한 개략도이다.

도6은 본 발명의 웨이퍼 유지부재의 단면도이다.

도7은 종래의 웨이퍼 유지부재의 단면도이다.

이하, 본 발명의 정전척에 대하여 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 정전척(1)의 일례를 도시한 개략도이다. 이 정전척(1)은 판상체(8) 내부에 흡착용 전극(6)을 구비하고, 상기 판상체(8)의 한쪽 주면을 웨이퍼(W)를 탑재하는 탑재면(8a)으로 하며, 상기 전극(6)에 접속한 급전단자(7)를 판상체(8) 다른 면의 주면측에 구비하고 있다. 또한 필요에 따라 판상체(8)의 다른 쪽 주면에 열교환 부재(9)가 접합되어 있다.

그리고, 판상체(8)의 한 쪽 주면에 관통공(5)을 구비하고 있고, 관통공(5)으 로부터 He 등의 가스가 공급되어 가스유로(8d)에 흘러 웨이퍼(W)와 탑재면(8a)으로 형성되는 공간에 가스를 충전시킬 수 있다.

정전척(1)은 도시하지 않은 감압 용기에 설치되고 웨이퍼(W)를 탑재면(8a)에 탑재하고 정전 흡착용 전극(6)에 전압을 인가하여 웨이퍼(W)를 흡착할 수 있다. 그리고 상기 감압 용기 내에 아르곤 가스 등을 도입하여 웨이퍼(W) 위쪽에 플라즈마를 발생시켜 웨이퍼(W)에 에칭처리 또는 성막처리를 할 수 있다.

이 때 플라즈마에 의하여 웨이퍼(W)가 가열되어 탑재면(8a)의 온도가 상승한다. 그래서 정전척(1)의 가스유로(8d)에 관통공(5)으로부터 가스를 흐르게 하여 탑재면(8a)과 웨이퍼(W) 사이의 열전도율을 높여 산열시킴으로서 웨이퍼(W)의 표면온도를 보다 균일하게 할 수 있다.

또한, 판상체(8) 주변에 위치한 환형벽부(8c)와 가스유로(8d)와 웨이퍼(W)로 형성된 공간에 관통공(5)으로부터 가스가 공급되지만 환형벽부(8c)와 웨이퍼(W) 사이로부터 미량의 가스가 용기 내에 새어 나오고 있다. 그러나 웨이퍼(W)로의 성막처리에 영향이 없는 진공도 범위에서 상기 가스가 정전척(1) 밖으로 새어 나가는 구조로 되어 있다. 이 가스 압력은 정전척(1)의 흡착력보다 작은 일정한 압력으로 설정되어 있어, 이 가스 압력에 의하여 웨이퍼(W)가 정전척(1)으로부터 떨어지는 일은 없다.

본 발명의 정전척(1)은 탑재면(8a)으로의 투영면으로부터 보아 볼록부(8b)의 평면 형상은 4개의 변과 그것을 연결하는 호형부로 이루어지고, 볼록부(8b)가 탑재면(8a)에 똑같이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 볼록부(8b)의 형상이 대략 정 사각형이면 더욱 바람직하다.

또한, 똑같이 형성되어 있다는 것은, 관통공이나 환형벽부의 주변을 제외하고 대략 등간격으로 배치되어 있다는 것을 말한다. 그리고 호형부는 원형, 타원형, 쌍곡선이나 스프라인 곡선 등의 일부로 형성할 수 있는 형상을 갖고 있다.

그리고, 예를 들어 도1에 있어서, 관통공(5)으로부터 공급되는 가스가 a방향으로 직선상의 가스유로를 통하여 순조롭게 외주에까지 흐른다. 또한 볼록부(8b)의 형상을 4개의 변과 그것을 연결하는 원호형부로 함으로써 b, c방향으로도 가스가 순조롭게 흘러 바람직하다. 따라서 관통공(5)으로부터 공급되는 가스가 단시간에 가스유로(8d)를 통하여 웨이퍼 이면(裏面)의 전면에 공급될 수 있다. 그 결과 단시간 내에 웨이퍼(W)의 면내 온도차가 작아지고 또한 온도 변화가 작아질 때까지의 포화시간 이 짧아져 바람직하다. 또한 볼록부(8b)의 형상은 상기 이유로 볼록부(8b)를 둘러싸는 4개의 변을 좌우로 연장시킨 4개의 직선으로 둘러싸이는 형상이 정사각형 모양이면 가장 바람직하지만, 도3에 도시된 부채꼴 모양이라도 좋다. 도3에 나타낸 바와 같이 볼록부(8b) 형상이 탑재면(8a)의 중심에 대하여 중심 대칭이면, 가스가 중심으로부터 주변으로 균일하게 확산되어 웨이퍼(W) 면내의 온도차가 작아져서 바람직하다. 또 마찬가지로, 볼록부(8b) 형상은 반도체 소자의 형상에 맞춰서 직사각형이나 마름모꼴이라도 좋다.

또한, 본 발명의 볼록부와 같이 4개의 변과 이것을 연결하는 호형부로 구성되면, 최근 채용되고 있는 대형 칩(chip)의 칩내 막두께나 특성이 균일하게 되어 우수한 것이 판명되었다. 그 이유는 웨이퍼(W)에 대하여 중심 대칭의 온도 분포나 흡착이 요구되고 있지만, 대형 칩에서는 이들 특성 이외에 사각형의 칩 각각 중에서 균일성이 중요하기 때문이라고 보아진다. 이와 같이 칩내의 막두께나 막특성을 균일화 함으로써 한개의 웨이퍼(W)로부터 전기 특성이 뛰어난 많은 소자가 얻어져 제품 비율을 높일 수 있다.

또한, 상기 호형부는 원호형 R형상인 것이 바람직하다. 그리고 이 R형상의 크기는 0.1㎜∼2㎜인 것이 바람직하다. 이 범위로 함으로써 a, b, c방향으로 가스가 보다 균일하게 흐를 수 있고 웨이퍼(W)의 온도가 포화하는 시간이 짧아지며, 또한 웨이퍼(W) 면내의 온도차가 작이지고 균열성이 향상하기 때문이다. 호형부의 R형상 크기가 0.1㎜미만이면 도1의 a방향으로의 가스 흐름은 좋지만 b, c방향으로는 흐름이 나빠져 웨이퍼 온도가 포화하는 시간이 길어진다. 즉 관통공(5)으로부터 a방향의 가스유로(4)가 외주를 향해 직선으로 되어 있는 부분에서의 웨이퍼 온도차는 작아 우수하지만 b, c방향에서의 웨이퍼 온도차가 커 나쁘게 된다. 그리고 포화온도에 이르는 시간도 a방향에 비해 b, c방향에서는 포화온도에 이르는 시간이 길어져 바람직하지 않다. 이것은 호형부의 R형상 크기가 작기 때문에 관통공으로부터 공급된 가스가 직선 부분인 a방향으로 많이 흘러 a방향의 온도로부터 포화되였다고 생각된다. 반대로 상기 R형상의 크기가 2㎜를 초과하면 b, c방향의 가스 흐름은 좋아지지만, 외주 온도가 포화하는 시간이 길어지는 우려가 있다. 즉 관통공(5) 근방으로부터 온도가 소정의 온도에 이르고, 외주 온도가 소정의 온도에 이르기까지의 시간이 걸린다는 것을 알 수 있다. 이것은 호형부의 R형상이 크기 때문에, 도1의 b, c방향으로 흐르는 가스 양이 많아 가스가 공급되는 관통공(5) 주위로부터 소정 의 온도에 이르렀다고 생각된다. 이로부터 R의 크기는 0.1㎜∼2㎜인 것이 이상적이라는 것을 알 수 있다.

또한, 가스유로(8d)의 저면과 볼록부(8b)가 연결되는 곡면의 R형상 크기가0.01∼0.1㎜인 것이 바람직하다. R형상을 0.01∼0.1㎜로 함으로써 웨이퍼 온도가 소정의 온도에 이를 때까지의 시간이 짧고 균열성이 향상된다. 0.01㎜미만에서는 가스가 가스유로(8d)의 저면과 볼록부(8b)에 연결되는 곡면 부분에 체류해 버려 가스흐름이 나빠지기 때문에 웨이퍼(W) 면내 온도차가 커지는 우려가 있다. R형상이 0.1㎜를 초과하면 홈 깊이도 0.1㎜를 초과하여야 하며 전극과 홈 저면까지의 거리가 작아지기 때문에 웨이퍼(W)와 전극 사이에 필요한 전압을 인가하면 홈(4)의 저면으로부터 전극까지의 사이에서 절연파괴될 가능성이 있다. 이로부터 가스유로(8d) 저면과 볼록부(8b)가 연결되는 곡면의 R형상 크기를 0.01∼0.1㎜로 하면 좋은 것을 알 수 있다.

또한, 상기 곡면의 R형상 크기는 볼록부(8b)의 변과 볼록부(8b) 최상면에 수직인 면내에서 측정한 반경의 크기로 표현할 수 있다.

또한, 가스유로(8d) 저면의 산술 평균 거칠기는 2㎛이하이면 좋고 1㎛이하이면 더욱 바람직하다. 2㎛이하로 함으로써 가스유로(8d) 저면이 매끄럽게 되어 저압 가스가 순조롭게 홈으로 흐르기 때문이다. 그러나 2㎛를 초과하면 가스와 홈 저면의 충돌 저항이 커져 가스가 순조롭게 가스유로(8d)를 흐르지 못하는우려가 있기 때문이다. 그리고 웨이퍼(W) 표면온도가 소정의 온도로 균일하게 될 때까지의 포화시간이 길어지고 면내 온도차도 커지는 우려가 있다.

또한, 볼록부(8b) 및 외주 환형벽부(8c) 최상면의 총면적은 웨이퍼 탑재면(8a) 면적의 50∼80%이고 가스유로(8d) 저면으로부터 볼록부(8b) 최상면까지의 거리가 10∼100㎛이면 바람직하다. 쿨롱력을 발휘하는 정전척(1)은 흡착력이 작으므로, 가능한 한 웨이퍼(W)와의 접촉면적을 크게 하여 흡착력을 크게 할 필요가 있다. 접촉면적을 50%이상으로 하면 가스유로(8d)에 가스를 공급하여도 웨이퍼(W)가 정전척(1)으로부터 떨어지는 우려가 없어 바람직하다. 그리고 볼록부(8b) 및 외주 환형벽부(8c) 최상면의 총면적이 웨이퍼 탑재면 면적의 80%를 초과하면 가스유로(8d) 면적이 지나치게 작아져 가스가 흐르는 영역이 작아지며 웨이퍼(W) 면내 온도차가 커지는 우려가 있다. 이로부터 웨이퍼와의 접촉면적, 즉 볼록부 및 외주 환형벽부 최상면의 총면적은 탑재면 면적의 50∼80%인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

또한, 가스유로(8d) 저면에서 볼록부(8b) 최상면까지의 거리를 10∼100㎛로 하는 것이 바람직하다. 특허문헌 1에서는 이 거리가 5∼10㎛이면 좋다고 하지만, 이 경우에는 정전척과 웨이퍼의 접촉면적이 5∼10%로 작기 때문에 홈 깊이가 작아도 가스가 전면에 순조롭게 확산될 수 있지만, 본 발명에 따른 정전척은 정전척과 웨이퍼의 접촉면적이 50∼80%로서 커서 가스가 순조롭게 전면에 확산되기에는 적어도 10㎛이상의 홈 깊이가 필요하다.

한편, 가스유로(8d) 저면으로부터 볼록부(8b) 최상면까지의 거리를 100㎛이하로 하는 것이 바람직하다. 쿨롱력을 발휘하는 정전척 전극으로부터 탑재면까지의 거리는 작을 수록 흡착력이 커지며 200∼400㎛ 정도로 하는 것이 필요하다. 홈(4) 깊이가 100㎛를 초과하면 홈 바닥으로부터 전극까지의 거리가 100∼300㎛를 하회하고 웨이퍼와 전극 사이에 소정의 전압을 인가하면 홈(4)의 바닥으로부터 전극까지의 사이에서 절연파괴가 발생할 가능성이 있다. 이로부터 가스유로로부터 볼록부(8b) 선단까지의 거리가 10∼100㎛이면 바람직하다는 것을 알 수 있다. 또한 가스유로(8d) 저면으로부터 볼록부(8b) 최상면까지의 거리는 가스유로(8d)의 R형상을 제외한 저면으로부터 볼록부(8b)까지의 5개소의 평균치로 하여 구할 수 있다.

또한, 볼록부(8b), 환형벽부(8c), 가스유로(8d)를 형성할 때에는 샌드블래스트가공, 기계 가공, 초음파 가공 등 가공 방법을 이용하면 좋지만 가공 정밀도, 형상 자유도, 가공 코스트로부터 보면 샌드블레스트 가공을 이용하는 것이 바람직하다.

여기서, 볼록부(8b)의 크기는 작은 편이 바람직하다. 이것은 웨이퍼(W)와의 접촉면적을 감소시키는 편이 가스에 의한 열전달 효과가 커져 웨이퍼(W) 면내 온도차가 작아지기 때문이다. 그러나 상술한 바와 같이 웨이퍼(W)와의 접촉면적은 50∼80%로 하는 것이 필요하고 볼록부(8b)의 크기는 적절한 범위가 있다는 것을 알 수 있다. 또한 홈 폭이 0.5㎜를 하회하면 가스가 흐르는 유로가 너무 작아 웨이퍼(W) 면내 온도차가 커지는 우려가 있다. 따라서 접촉면적이 50%를 하회하지 않는 볼록부의 최소 크기는 볼록부의 대변 간격이 약 1.5㎜이상이면 좋은 것을 알 수 있다. 또한 볼록부의 대변 간격이 10㎜를 초과하면 볼록부 중심부에 대응하는 웨이퍼 온도가 저하되어 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는 대변의 간격이 2∼8㎜이다. 더욱 바람직하게는 3∼7㎜이다.

또한 도2에 도시된 듯이 상기 관통공(5)은 탑재면 중심에 1개와 중심으로부터 동심원상에 복수의 관통공(5)을 구비하면 좋다. 관통공(5)을 중심에 형성하고 중심 관통공(5)으로부터 가스를 흐르게 함으로써 중심으로부터 외주에 걸쳐서 균일하게 가스가 흐르게 된다. 또한 동심원상에 복수의 관통공(5)을 형성하여 거기로부터도 가스를 흐르게 함으로써 단시간에 탑재면(8a) 전체에 가스가 공급될 수 있어 웨이퍼(W) 면내 온도가 일정하게 될 때까지의 포화시간이 짧아져서 바람직하다.

도4에 도시된 듯이 환형벽부(8c)를 탑재면의 최외주와 그 내측에 구비하고, 최외주의 환형벽부(8c)와 내측의 환형벽부(8c) 사이에 복수의 관통공(15)을 구비하고, 내측 환형벽부(8c)의 내측에 관통공(16)을 구비하면 웨이퍼(W) 직경이 300㎜이상인 대형 웨이퍼(W)의 면내 온도차를 작게 하는 점에서 바람직하다. 그 이유는 최외주의 환형벽부(8c)와 내측의 환형벽부(8c) 사이의 관통공(15)과 내측 환형벽부(8c)의 내측 관통공(16)에 다른 계통을 통하여 가스를 공급함으로써, 가스 유량을 각각 바꿀 수 있기 때문에, 탑재면(8a) 내측과 외측에서 탑재면(8a)와 웨이퍼(W) 사이의 열전도율을 조정할 수 있으므로 웨이퍼(W) 내측과 외측의 차이를 콘트롤 할 수 있어 웨이퍼(W) 면내의 온도차가 작게 되고 균열성이 향상된다.

또한, 판상체(8)의 외경이 180∼500㎜, 보다 바람직하게는 180∼350㎜인 경우에 있어서, 상기 관통공(5, 15, 16)의 직경은 0.1∼5㎜로, 관통공(5, 15, 16)을 4∼100개 구비하는 것이 바람직하다. 관통공(5, 15, 16)의 직경을 0.1∼5㎜로, 관통공 수를 4∼100개로 함으로써 가스가 가스유로(8d)에 균일하게 흘러 웨이퍼가 포화온도에 이르는 시간이 짧아지며, 웨이퍼(W) 면내 온도차가 작아 균열성이 향상된 다. 관통공(5, 15, 16)의 직경이 0.1㎜미만에서는 관통공 직경이 작기 때문에 가스 공급이 충분하지 못하고, 웨이퍼(W)의 온도가 포화될 때까지의 시간이 길어지는 우려가 있기 때문이다. 그리고 관통공(5, 15, 16)의 직경이 5㎜를 초과하면 관통공 부근에 가스가 집중되어 관통공 부근의 온도가 높아지고 그 외의 탑재면 온도가 낮아지는 우려가 있어, 웨이퍼(W)의 균열성이 나빠지는 우려가있기 때문이다. 또한 관통공(5, 15, 16)의 수는, 0개일 때에는 가스유로에 가스가 공급될 수 없기 때문에 웨이퍼의 균열성이 나빠진다. 또한 100개를 초과하면 1개의 관통공으로부터 흐르는 가스가 다른 관통공으로부터 흐르는 가스와 간섭하여 가스 흐름이 나빠지기 때문에 웨이퍼(W)의 균열성이 저하된다. 이로부터 상기 관통공의 직경은 0.1∼5㎜로 하고, 4∼100개를 구비하고 있으면 좋다.

또한, 상기 판상체(8)의 다른 쪽 주면에 열교환 부재(9)를 설치하면 좋다. 플라즈마에 의하여 웨이퍼(W)가 가열되어 탑재면(8a)에 열이 다량으로 흘러들지만 판상체(8)의 다른 쪽 주면에 열교환 부재(9)를 설치함으로써 탑재면(2a)의 열을 효율적으로 판상체(8)로부터 열교환 부재(9)로 흐르게 할 수가 있어, 탑재면(2a)의 온도 상승을 억제하고 웨이퍼(W)의 온도 상승을 억제할 수 있다. 열교환 부재(9)는 열전도율이 큰 금속으로 구성되는 것이 좋고, 특히 알루미늄이 바람직하다. 또한 열교환 부재(9)와 판상체(8)는 인듐 접합, 실리콘 접착제 등의 방법으로 접합하는 것이 바람직하다. 또한 열교환 부재(9)는 그 내부에 수냉이나 공냉하기 위한 통로(9a)를 설치하여 열을 외부로 배출시키는 것이 바람직하다. 통로(9a)에 냉각용 물이나 가스를 흐르게 함으로써 열교환이 용이해져 보다 효율적으로 탑재면(2a)을 냉각시킬 수 있기 때문이다.

또한, 정전척(1)을 구성하는 판상체(8) 재료로서는 알루미나, 질화알루미늄, 질화규소를 주성분으로 하는 소결체를 이용할 수 있고, 그 중에서도 내플라즈마성이 뛰어난 알루미나, 질화알루미늄을 주성분으로 하는 소결체를 이용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 판상체(8)에 매설하는 흡착용 전극(6) 재질로서는 판상체(8)를 형성하는 소결체와의 열팽창 차이가 작은 것이 좋고 몰리브덴, 텅스텐, 텅스텐 카바이트 등을 이용하면 좋다.

이상, 본 실시형태에서는 도1에 도시된 구조의 정전척(1)을 예를 들어 설명하였지만 본 발명의 정전척(1)은 도1에 도시된 구조에만 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 유전체(2) 중에 히터용 전극을 매설하여도 좋으며, 이 경우에는 히터용 전극에 의해 정전척(1)을 직접 발열시킬 수 있기 때문에 간접 가열방식에 비해 열 손실이 적다.

또한, 정전 흡착용 전극(4) 이외에 플라즈마 발생용 전극을 구비하여도 좋으며, 이 경우에는 성막장치나 에칭장치의 구조를 간략화 할 수 있듯이 본 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위에서 개량이나 변경할 수 있음은 말할 나위도 없다.

또한, 본 발명의 정전척(1)은 질화알루미늄으로 구성되는 판형 세라믹스체(2)의 한쪽 주면을 웨이퍼 탑재면(2a)으로 하고, 상기 판형 세라믹스체(2)의 다른 쪽 주면 또는 내부에 전극(3)을 구비하며 전극(3)으로부터 탑재면(2a)까지의 유전체층(2b)의 평균거리(t)가 0.015cm이상임과 아울러, 전극(3)으로부터 탑재면(2a) 사이의 유전체층(2b)의 체적고유 저항값(R)과 상기 평균거리의 곱(=t×R)이 1×10⁷∼5×10¹⁶Ω·㎠임과 아울러 유전체층(2b)을 형성하는 질화알루미늄의 평균입경이 1∼20㎛이고, 또한 유전체층(2b)의 개기공율이 1%이하인 것을 특징으로 한다.

그리고, 전극(3)으로부터 탑재면(2a)까지의 유전체층(2b)의 평균거리(t)는, 탑재면(2a)이 균일한 평면이면 탑재면(2a)으로부터 전극(3)까지의 평균거리(t)이다. 탑재면(8a)에 가스유로가 형성되어 있는 경우에는 탑재면(8a)의 가스유로 저면(8d)으로부터 흡착용 전극(6)까지의 거리 평균값(t)이다. 보다 구체적으로 말하면, 탑재면(8a)의 가스유로 저면(8d)으로부터 흡착용 전극(6)까지의 거리를 10개소에서 측정하여 그 평균값을 평균거리(t)로 하여 구할 수가 있다. 또한 가스유로 저면(8d)으로부터 흡착용 전극(6)까지의 거리를 초음파 등으로 직접 측정할 수 없는 경우에는, 볼록부(8b)로부터 흡착용 전극(6)까지의 거리를 측정하여 그 측정점 근처의 가스유로 저면(8d)의 최대 깊이를 차감하여 저면(8d)으로부터 흡착용 전극(6)까지의 거리로 할 수 있다. 그리고 10개소의 측정값의 평균값으로 하여 평균거리(t)를 구할 수 있다. 예를 들면 전극으로부터 탑재면까지의 평균거리는 초음파법으로 측정할 수 있다. 초음파법에서는 기존의 시료로 전극과 탑재면까지의 거리와 초음파의 반사로 구하여지는 거리의 관계를 구하여 실제 거리를 구할 수 있다. 이들의 실측값의 10점 평균치로 하여 평균거리(t)를 구할 수 있다. 보다 구체적으로는, 같은 유전체층(2b)으로 구성되는 정전척의 전극(3)으로부터 탑재면(2a)까지의 거리를, 초음파법(SONOSCAN 회사 제조 C-SAM　D-9000)으로 측정한다. 그리고 그 측 정한 개소를 탑재면에 수직인 단면으로 절단하여 전극으로부터 탑재면까지의 실제 거리를 측정한다. 초음파법으로 측정한 값과 실제 단면 절단한 값의 차이를 초음파 측정기에 보정값으로서 입력함으로써 측정 오차가 작은 평균거리(t)를 구할 수 있다.

질화알루미늄으로 구성된 판형 세라믹스체(2)의 한쪽 주면을 웨이퍼 탑재면(2a)으로 하고, 상기 판형 세라믹스체(2)의 다른 쪽 주면 또는 내부에 전극(3)을 구비한 정전척(1)에 있어서, 전극(3)으로부터 웨이퍼 탑재면(2a)까지의 유전체층(2b) 평균거리를 0.015cm이상으로 한 이유는, 유전체층(2b)의 두께가 두꺼우면 두꺼울수록, 유전체층(2b)의 체적 고유 저항이 크면 클수록, 반복적인 전압인가 해제 사이클에 대한 내구성이 향상되지만 처음부터 유전체층(2)의 두께가 0.015cm미만에서는 유전체층(2)의 두께가 너무 얇기 때문에 본 발명이 목적으로 하는 반복적인 내전압 사이클에 대한 충분한 내구성이 얻어지지 않기 때문이다. 따라서 유전체층(2)의 두께는 평균값으로 0.015cm이상인 것이 중요하다.

또한, 전극(3)으로부터 웨이퍼 탑재면(2a)까지의 평균거리(t)와 전극(3)으로부터 웨이퍼 탑재면(1) 사이의 유전체층(2b)의 체적 고유 저항값(R)의 곱(t×R)이 1×10^7∼5×10¹⁵Ω·㎠인 것이 바람직하다고 한 것은, 상술한 바와 같이 유전체층(2b)의 두께t가 두꺼우면 두꺼울수록, 유전체층(2b)의 체적 고유 저항(R)이 크면 클수록 반복적인 전압인가 제거 사이클에 대한 내구성이 향상되는 것으로부터, 그 곱(t×R)이 반복적인 전압인가 제거 사이클에 관한 내구성을 대표하는 지수라고 생 각할 수 있다.

곱(t×R)이 1×10⁷Ω·㎠를 하회하면 유전체층(2b)의 두께가 너무 얇게 되거나 유전체층(2b)의 체적 고유 저항(R)이 너무 작게 되거나 중 어느 한쪽 혹은 양쪽 모두의 이유로 본 발명이 목적으로 하는 반복적인 전압인가 제거 사이클에 대한충분한 내구성을 얻을 수 없기 때문이다.

또, 곱(t×R)이 5×10¹⁵Ω·㎠를 초과하면 정전척에서는 반도체의 제조 공정인 CVD, PVD, 스퍼터링, SOD, SOG 등의 성막장치나 에칭장치에 있어서, 반도체 웨이퍼를 유지하는 웨이퍼 유지부재로서 특히 웨이퍼를 존슨-라벡력이나 쿨롱력으로 유지하여, 성막장치나 에칭장치 내의 진공 중에 두어도 웨이퍼(W)를 유지한 후에 전압을 해제하여 흡착한 웨이퍼(W)를 이탈시켜 다음 공정으로 넘어가는 것이 곤란하게 된다. 흡착한 웨이퍼(W)를 이탈시키기 위해서는 전극(3)에 전압을 인가하여 발현한 유전분극을 평형시키지 않으면 안되지만 곱(t×R)의 값이 5×10¹⁵Ω·㎠를 초과하면 유전체층(2b)의 두께가 너무 두껍거나 유전체층(2b)의 체적 고유 저항(R)이 너무 큰 탓에 유전분극한 전하가 평형이 될 때까지의 시간이 길어져 웨이퍼(W)가 이탈 가능해질 때까지의 시간이 너무 길어지기 때문에 본 발명이 목적으로 하는 반복적인 전압인가 해제 사이클에 대한 충분한 내구성은 얻을 수 있어도 정전척으로서는 전혀 바람직하지 않은 것으로 되어 버린다.

따라서, 전극(3)으로부터 웨이퍼 탑재면(2a)까지의 평균거리(t)와 전극(3)으로부터 웨이퍼 탑재면(2a) 사이의 유전체층(2b)의 체적 고유 저항값(R)의 곱을 1× 10⁷∼5×10¹⁵Ω·㎠로 하는 것이 중요하다.

또한, 유전체층(2b)을 형성하는 질화알루미늄의 평균입경을 1∼20㎛로 한이유는, 질화알루미늄의 평균입경이 본 발명이 목적으로 하는 반복적인 전압인가 해제 사이클에 대한 내구성에 크게 영향을 주는 것을 발견하였기 때문이다.

질화알루미늄의 평균입경이 1㎛미만인 경우이거나 20㎛를 초과한 경우에도 상기 평균입경은 본 발명이 목적으로 하는 반복적인 내전압 사이클에 대한 내구성에 대해서는 바람직하지 않다. 질화알루미늄의 평균입경이 1㎛미만에서 반복적인 전압인가 해제 사이클에 대한 내구성이 열화(劣化)되는 이유는, 질화알루미늄의 입경이 1㎛미만에서는 질화알루미늄의 입경이 너무 작아 각 입자의 내전압성이 부족해지기 때문에, 단극 1Kv인 전압을 1분간 인가한 후 전압을 해제하는 사이클에 있어서, 그 초기에는 절연파괴가 발생하지 않지만 반복적으로 함으로써 질화알루미늄 입자의 한개, 한개가 파괴되기 때문에, 1만 사이클에 도달하기 전에 절연파괴에 이르는 우려가 있다.

질화알루미늄의 평균입경이 20㎛를 초과하면 반복적인 전압인가 해제 사이클에 대한 내구성이 열화되는 이유는, 질화알루미늄의 입경이 20㎛를 초과하면 질화알루미늄의 입경이 너무 커서 절연파괴의 원인이 되는 격자결함이 입계층(粒界相)에 다량으로 발생하기 때문이다. 격자결함이 많으면 그 격자결함이 서서히 절연파괴가 되고 단극 1kV인 전압을 1분간 인가한 후 전압을 해제하는 전압인가 해제 사이클의 초기에는 절연파괴가 발생하지 않지만, 반복적으로 실시함으로써 절연파괴 된 격자결함이 이어져 발생하여 1만 사이클에 도달하기 전에 절연파괴에 이르는 우려가 있다.

따라서, 그 유전체층(2)을 형성하는 질화알루미늄의 평균 결정입경은 1∼20㎛로 하는 것이 중요하다.

또한, 질화알루미늄의 평균 결정입경을 구하기 위하여 탑재면(2a)을 형성하는 유전체층을 경면으로 연마한 후 에칭하였다. 그리고 에칭면을 SEM(주사전자현미경)으로 2000배 확대한 사진을 촬영하고 사진에 7cm 선을 3개 긋고, 그 선을 횡단하는 질화알루미늄의 결정 수로 선분 총길이를 나누어 평균 결정입경을 구하였다.

또한, 그 유전체층(2b)의 개기공율을 1%이하로 한 이유는, 본 발명자의 연구 결과, 반복적인 전압인가 해제 사이클에 대한 내구성에 영향을 주는 것은 유전체층(2b)의 개기공율에 있다는 것을 발견하였기 때문이다.

특허문헌 1에서는 기공율이 3%이하인 것이 기재되어 있지만, 질화알루미늄을핫-프레스법으로 소결한 것은 소결체의 표면층 근처의 개기공율이 1.3%로서 크고 정전척의 유전체층이 상기 소결체의 표면층 근처에 있기 때문에 개기공율을 1%이하로 억제할 수 없었다. 그래서 반복적인 내전압 사이클에 대한 내구성에는 완전히 부족한 발명에 지나지 않았다. 이 점에 있어서도 본 발명은 특허문헌 1과는 완전히 다른 발명이라는 것이 명백하다.

반복적인 전압인가 해제 사이클에 대한 내구성에 영향을 주는 것이 유전체층(2b)의 개기공율인 이유는, 유전체층(2b)에 개기공이 있으면 웨이퍼(W)의 흡착면과 개기공부의 저면 사이는 매우 얇은 공간이기 때문에, 방전이 발생하여 개기공부 로부터 서서히 절연파괴가 진행되어 최종적으로 유전체층(2b)이 절연파괴에 이르기 때문이다. 즉 정전척으로서 사용하기 시작한 초기에는 문제없이 사용할 수 있지만, 반복적으로 사용하는 동안에 서서히 유전체층(2)의 절연파괴가 진행되어 최종적으로 절연파괴에 이르는 것이다. 그러므로 유전체층(2)의 개기공율이 1%이하인 것이 중요하다.

본 발명에 의하면, 이상과 같이 질화알루미늄질 소결체로 구성된 판형 세라믹스체의 한쪽 주면을 웨이퍼 탑재면(1)으로 하고, 상기 판형 세라믹스체의 다른 쪽 주면 또는 내부에 전극(3)을 구비한 정전척에 있어서, 전극으로부터 웨이퍼 탑재면까지의 유전체층(2)의 평균거리가 0.015cm이상이고, 또한 전극으로부터 웨이퍼탑재면까지의 평균거리와 전극으로부터 웨이퍼 탑재면까지의 부분을 형성하는 유전체층(2)의 체적 고유 저항값의 곱이 1×10⁷∼5×10¹⁵Ω·㎠이고, 또 유전체층(2b)을 형성하는 질화알루미늄의 평균입경이 1∼20㎛이고, 또한 그 유전체층(2b)의 개기공율을 1%이하로 함으로써, 5kV인 전압을 1분간 인가한 후 전압을 해제하는 전압인가 해제 사이클을 1000사이클 반복하여도 유전체층(2b)이 절연파괴되지 않는 정전척(1)을 제공할 수 있다.

유전체층의 단면을 SEM으로 1만배∼6만배로 확대하여 관찰하면, 기공에는 결정입내에 있는 입자내 기공과 결정입계에 있는 입계 기공이 존재한다는 것을 알수 있다. SEM으로 1만배∼6만배 확대한 사진의 사방 5cm 중에서 입계 기공의 최대 직경을 구하고, 10장 사진의 최대 직경 평균값을 입계 기공의 평균 직경으로 하면 이 입계 기공의 평균 직경이 질화알루미늄의 평균 결정입경보다 작은 것이 중요하다. 이것은 개기공율을 0.8%이하로 하기 위하여서이다. 입계 기공의 평균 직경이 질화알루미늄의 평균 결정입경과 동등하거나 크면 질화알루미늄질 소결체를 구성하는 질화알루미늄 입자의 탈립이 발생하기 쉬워지기 때문에, 아무리 치밀하게 소결했다고 하여도 이후 기계 가공에 의해 탈립이 발생하기 때문에 개기공율을 발생시켜 버리기 때문이다. 이상과 같이 본 발명자들은 연구한 결과, 개기공율을 0.8%이하로 하기 위해서는 입계 기공의 평균 직경이 질화알루미늄의 평균 결정입경보다 작은 것이 중요하다는 것을 발견하였다.

또한, 유전체층의 단면을 SEM으로 1만배∼6만배로 확대하여 관찰하면 기공에는 입자내 기공이 존재하지만 SEM으로 1만배∼6만배 확대한 사진을 10장 촬영하여이 사진의 각각 사방 5cm의 범위내에서 입자내 기공의 최대 직경을 구하고, 이들의 최대 직경과 같은 직경의 원의 면적을 평가범위 250cm²의 실제면적으로 나눈 값을 입자내 기공의 비율(Sc)로 하여 계산하였다. 또한 같은 방법으로 입계 기공의 비율(Sg)의 값을 산출하였다. 그리고 Sg와 Sc의 비(Sg/Sc)를 구하였다. 그리고 비(Sg/Sc)가 1.0이하인 것이 중요하다. 이것은 개기공율을 0.6%이하로 하기 위함이다. Sg/Sc가 1.0을 초과하여 입계 기공의 존재 비율이 증가하여 가면, 기계 가공에 의해 질화알루미늄 입자의 탈립이 증가하기 때문에 개기공율이 증가하여 버린다. 본 발명자들은 연구한 결과, 개기공율을 0.6%이하로 하기 위해서는 Sg/Sc가 1.0이하인 것이 중요하다는 것을 발견하였다.

또한, 유전체층이 질화알루미늄을 주성분으로 하여 3a족 금속 산화물로 구성되는 부성분을 0.2∼15질량% 함유하는 것이 바람직하다. 이것은 체적 고유 저항값을 임의의 소망한 값으로 제어할 수 있기 때문이다.

또한, 3a족 산화물을 형성하는 3a족 금속이 세륨인 것이 바람직하다. 이것은 3a족 금속 중에서도 세륨이 가장 반복적인 전압인가 해제 사이클성이 풍부하기 때문이다. 그 이유는, 산화세륨은 질화알루미늄질 소결체의 입계에 CeAlO₃로 나타나는 화합물을 형성하지만 이 CeAlO₃는 질화알루미늄 입자 표면을 가리는 극히 얇은 Al₂O₃층과 3가 Ce의 산화물인 Ce₂O₃가 반응해 형성되기 때문에, 질화알루미늄 입자와 입계층 사이의 결함 즉 입계결함을 거의 제로에 가깝게 할 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명의 정전척(1)은 그 질화알루미늄으로 구성되는 판형 세라믹스체(2)가 0.2∼200MPa인 비산화성 분위기 중에서 1800∼1900℃의 온도하에서 0.5∼20시간 유지하여 소결시켰다는 것은, 유전체층(2b)의 평균 입자 직경과 개기공율을 제어하기 위해서이다. 질화알루미늄의 판형 세라믹스체(2)의 제조방법은 핫-프레스법, 분위기 가압 소성법, HIP법 등이 있지만, 핫-프레스법에서는 카본틀과 제품이 직접 접촉하기 때문에 카본틀에 질화붕소 등을 도포하여 소결한다. 질화붕소와 질화알루미늄질 소결체의 반응에 의하여 개기공이 발생하기 쉽다. 핫-프레스법으로 얻은 질화알루미늄으로 구성된 판형 세라믹스체(2)의 개기공율을 저하시키기 위해서는, 핫-프레스면으로부터 적어도 0.5㎜이상을 연삭으로 제거할 필요가 있지만, 아주 양산성(量産性)이 부족하여 바람직하지 않다. 분위기 가압 소성법 또는 HIP법 에서는 소성 분위기를 비산화성 분위기 압력으로 0.2∼200MPa로 함으로써 개기공율을 0.5%이하로 할 수 있다. 또한 소성온도를 1800℃∼1900℃로 하고 소성보유시간을 0.5∼20시간으로 함으로써 질화알루미늄의 평균입경을 5∼15㎛로 하는 것이 가능해지고, 단극 1kV으로 인가시간 1분간의 전압인가 제거 사이클 시험에 있어서 1000사이클 이상의 전압인가 제거 사이클 시험을 반복하여도 유전체층(2b)이 절연파괴되지 않는 정전척(1)을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 정전척(1)의 기타 제조 방법을 설명한다.

정전척을 구성하는 판형 세라믹스체(2)로서는 질화알루미늄질 소결체를 이용할 수가 있다. 질화알루미늄질 소결체의 제조에 있어서는, 질화알루미늄 분말에 중량 환산으로 10질량% 이하 정도의 제3a족 산화물을 첨가하고, IPA와 우레탄 볼을 이용하여 볼밀로 48시간 혼합하여 얻은 질화알루미늄의 슬러리를 200메시로 통과하고, 우레탄 볼이나 볼밀벽의 부스러기를 없앤 후 방폭 건조기로 120℃하에서 24시간 건조시켜 균질한 질화알루미늄 혼합분말을 얻는다. 그리고 그 혼합분말에 아크릴계 바인더와 용매를 혼합하여 질화알루미늄질 슬립을 만들어 독터 블레이드법으로 테이프 성형을 실시한다. 얻은 질화알루미늄 테이프를 여러개 적층하여 그 위에 정전 흡착용 전극(3)으로서 텅스텐을 스크린 인쇄법으로 형성하여, 무지의 테이프에 소망하는 밀착액을 도포하고 테이프를 여러개 적층한 후 프레스 성형하여 성형체를 얻는다.

얻은 성형체를 비산화성 가스 기류 중에서 500℃에서 5시간 정도 탈지하고, 또한 비산화성 분위기에서 0.2∼200MP의 압력하에서 1800℃∼1900℃의 온도로 0.5 ∼20시간 유지하여 소결시킨다. 이와 같이 전극(3)을 매설한 질화알루미늄질 소결체를 얻는다.

이와 같이 얻은 질화알루미늄질 소결체에 소망하는 형상을 얻을 수 있도록 기계 가공을 실시한다. 더욱이 전극(3)에 전압을 인가하기 위한 금속 단자(4)를 메탈라이즈법 등의 방법을 이용하여 접합한다. 이와 같이 함으로써 도6에 도시된 본 발명의 정전척(1)을 얻을 수 있다.

실시예 1

이하, 본 발명의 정전척에 대하여 구체적인 예를 들어 설명한다.

우선, 알루미나(Al₂O₃)로 구성된 판상체에 대하여 예를 들어 설명한다. 평균입경이 1.0㎛이고 순도가 99.9질량%인 Al₂O₃분말에 소결 보조제로서 CaO와 SiO₂를 0.2질량% 첨가하고, 바인더와 용매를 첨가하여 슬러리를 만든 후 독터 블레이드법으로 알루미나 그린시트를 여러개 성형하였다.

이 중 한개의 알루미나 그린시트 위에 흡착용 전극이 되는 몰리브덴의 금속 페이스트를 스크린 인쇄법으로 소정의 전극 패턴 형상을 인쇄하였다. 그리고 상기 금속 페이스트 도포면과 반대면에 나머지 알루미나 그린시트를 적층하였다. 한편 상기 금속 페이스트를 인쇄하지 않는 알루미나 그린시트를 여러개 적층하고 소정의 위치에 직경이 5㎜인 급전구멍을 뚫었다. 또, 급전구멍은 상기 전극에 급전단자를 접속하는 구멍으로 하였다.

그리고, 각각의 적층체를 50℃온도로, 1.5×10⁷Pa 압력에서 열압착하였다. 또한, 상기 인쇄면과 상기 급전구멍을 뚫은 적층체를 전극이 되는 인쇄면을 가리도록 겹치여 50℃온도로, 1.7×10⁷Pa 압력에서 열압착하였다. 이와 같이 세라믹 적층체를 제작한 후 이 세라믹 적층체에 절삭가공을 실시하여 원판상으로 가공하였다

계속하여, 상기 세라믹 적층체를 질소와 수소의 혼합 분위기로 내에서 가열 탈지하고, 질소와 수소의 혼합 분위기로를 이용하여 상압의 1600℃ 온도에서 약 3시간 동안 소성하였다. 그리하여 흡착용 전극이 매설된 판상체를 얻었다.

그런 후, 판상체를 가공하여 판상체 중앙에 직경이 1㎜인 관통공을 형성하였다. 그리고 두께를 3㎜가 될 때까지 연마하고, 한쪽 주면(가장 넓은 면)을 최대 높이(Rmax)로 1㎛이하로 탑재면을 형성함과 아울러 정전 흡착용 전극과 도통하는 급전단자를 접합하였다.

또한, 블라스트 가공으로 볼록부와 환형벽부, 홈을 형성하여 직경이 200㎜, 두께가 3㎜인 정전척을 제작하였다. 그리고 알루미늄 열교환 부재를 실리콘 접착제로 상기 판상체에 접합하였다.

볼록부의 형상은 대변 거리가 6㎜인 대략 정사각형으로 하고, 변과 변을 연결하는 R형상의 크기를 0.05㎜, 0.1㎜, 0.5㎜, 2㎜, 2.5㎜로 한 정전척과, R형상이 없는 정전척을 제작하였다. 또한 볼록부의 간격은 어느 쪽이라도 1㎜로 하였다. 가스 공급의 관통공은 직경을 3㎜로 하고 탑재면의 중심에 형성하였다.

또한, 홈에서 볼록부 표면까지의 거리는 50㎛로, 홈 표면 거칠기(Ra)를 0.5㎛로 하였다.

그리고, 제작한 이들 6종류의 정전척을 진공 챔버 내에 설치하고 17개소 열전대가 설치된 측온용 실리콘 웨이퍼를 정전척 탑재면에 탑재하여, 이 상태에서 진공 챔버 내의 압력을 10^－1Pa까지 감압하였다. 그리고 정전척 흡착용 전극과 웨이퍼(W) 사이에 1000V 전압을 인가하고 쿨롱력을 발생시켜, 웨이퍼(W)를 탑재면에 흡착 고정함과 아울러 진공 챔버 내에 설치된 할로겐 히터를 발열시켜 웨이퍼를 100℃까지 가열시켰다. 그리고 관통공으로부터 1300Pa인 헬륨가스를 흐르게 하여 웨이퍼 온도가 포화온도에 이를 때까지의 시간과 포화온도에서의 웨이퍼의 온도 분포에 대하여 조사하는 실험을 실시하였다.

또, 포화온도는 웨이퍼의 평균 온도가 0.1℃/초 이하의 온도 변화율이 되었을 때의 평균온도를 말하며, 포화온도에 이르는 시간은 헬륨가스를 공급한 후부터 포화온도에 이를 때까지의 시간을 말한다.

또한, 웨이퍼의 평균 온도는 웨이퍼의 17개소에 설치한 열전대로 온도를 측정하여 그 평균값으로 하였다. 또한 포화온도에서의 웨이퍼 온도 분포는 웨이퍼의 17개소에 설치한 열전대로 온도를 측정하여 그 최대치와 최소치 차이를 온도 분포로 하였다.

각각의 결과는 표 1에 표시한 바와 같다.

*표시는 본 발명의 범위 외인 것을 표시한다.

볼록부 변을 R형상으로 연결하는 시료 No.1∼5는 웨이퍼 온도 분포가 0.8∼1.2℃로서 작고 포화온도에 이르는 시간도 2.5∼3.2초로서 작아 우수하다는 것을 알 수 있다.

한편, 시료 No.6은 R형상이 형성되어 있지 않으므로 웨이퍼 온도 분포가 3.0℃로서 크고 포화온도에 이르는 시간도 5.0초로서 커 특성이 좋지 않았다. 그 원인은 관통공으로부터 직선방향으로 뻗은 홈 주변의 온도는 높고, 이 홈과 직교하는 방향의 주변 온도가 낮아 웨이퍼(W) 면내의 온도차가 큰 것임을 알 수 있었다. 또한 관통공으로부터 직선방향으로 뻗은 홈 주변의 온도는 빨리 높아지고, 이 홈과 직교하는 방향의 주변 온도는 늦게 상승하여 포화온도에 이르는 시간도 길어졌다.

또한, 시료 No.2∼4는 R형상의 크기가 0.1∼2㎜이고 웨이퍼의 온도 분포는 0.8∼1.0℃로서 작고 포화온도에 이르는 시간도 3.0초 이하로서 작아 더욱 바람직하다는 것을 알 수 있다.

실시예 2

실시예 1과 같은 방법으로 정전척을 제작하였다. 홈은 머시닝센터로 가공하고, 홈과 볼록부가 연결되는 곡면의 R형상 크기를 0.005, 0.01, 0.05, 0.1㎜로 하고, 볼록부의 변을 연결하는 R형상 크기를 0.5㎜로 하였다. 그리고 실시예 1의 No.3과 같은 정전척을 제작하였다. 다만 홈과 볼록부가 연결되는 R형상의 크기를 0.1㎜로 한 것은 홈의 깊이를 0.1㎜로 하였다. 이것을 실시예 1과 같이 평가하면 표 2에 표시한 결과와 같다.

홈의 저면과 볼록부가 연결되는 곡면의 R형상이 0.01∼0.1㎜인 시료No.8∼10은 웨이퍼의 온도 분포가 0.5∼0.7℃로서 작고 포화온도에 이르는 시간도 2.1∼2.2초로서 작아 우수하였다.

한편, 시료 No.7은 웨이퍼의 온도 분포가 0.8℃로서 약간 크고 포화온도에 이르는 시간도 2.4초로서 약간 컸다. 이것은 R형상이 작기 때문에 가스가 그 부분에 체류하기 쉬워져 가스 흐름이 나빠졌기 때문이라고 생각된다.

실시예 3

실시예 1과 같은 방법으로 정전척을 제작하였다. 볼록부(2)의 코너부 R을 0.5㎜로 하고, 샌드 블라스트의 지립(砥粒)을 변경하고 홈(4)의 산술 평균 거칠기(Ra)를 0.3, 0.5, 1.0, 2.0, 2.5로 하고, 나머지는 실시예 1과 같이 정전척을 제작하였다. 그리고 실시예 1과 같이 평가하면 표 3에 표시한 결과와 같다.

홈 저면의 산술 평균 거칠기(Ra)가 2이하인 시료 No.12∼15는 웨이퍼의 온도 분포가 0.4∼0.7℃로서 작고 포화온도에 이르는 시간은 2.0∼2.4초로서 작아 더욱 우수하였다. 산술 평균 표면 거칠기는 JIS규격 B0651을 기준하여 측정하였다.

한편, 홈 저면의 산술 평균 거칠기(Ra)가 2.5로서 큰 시료 No.16은 웨이퍼의 온도 분포가 1.2℃로서 약간 크고 포화온도에 이르는 시간도 3.2초로서 약간 컸다. 그 이유는 가스를 공급하고 있는 관통공 주위로부터 온도가 상승하여 온도 분포는 외주 부분의 온도가 높아지고 있다는 것을 알 수 있다. 홈의 표면 거칠기가 거칠어지면 가스와 홈 사이의 저항이 커져 가스가 순조롭게 흐르지 않는 것이 원인이라 생각된다.

실시예 4

볼록부의 변을 연결하는 원호형부의 R형상 크기를 0.5㎜로 하고, 볼록부의 대변 거리를 바꾸어 볼록부 최상면과 외주의 환형벽부 총면적을 웨이퍼 탑재면 면적의 40∼90%로 하고, 또한 홈 저면에서 볼록부 최상면까지의 거리를 5∼100㎛로 하였다. 다른 부분은 실시예 1의 시료 No.3과 같은 방법으로 정전척을 제작하였다.

그리고, 실시예 1과 같이 평가하면 표 4에 표시한 결과와 같다.

볼록부와 환형벽부 최상면의 총면적이 탑재면 면적의 50∼80%이고 홈 저면으로부터 볼록부 최상면까지의 거리가 10∼100㎛인 시료 No.22∼24, 27, 28은 웨이퍼의 온도 분포가 0.4∼0.7℃로서 작고 포화온도에 이르는 시간도 2.0∼2.4초로서 작아 우수하다는 것을 알 수 있다.

또한, 시료 No.25는 웨이퍼의 온도 분포가 1.0℃로서 약간 크고 포화온도에 이르는 시간도 3.0초로서 약간 컸다. 가스유로 부분의 면적이 작기 때문에 가스를 충분히 공급하지 못하고 온도 분포가 크고 또 포화온도에 이르는 시간도 길어졌다고 생각된다.

또한, 시료 No.26은 포화온도에 이르는 시간이 3.2초로서 약간 컸다. 홈 깊이가 작기 때문에 가스가 전면에 공급할 수 있는데는 시간이 걸렸기 때문이라고 생각된다.

실시예 5

가스를 공급하는 관통공을 탑재면의 중심과, 중심으로부터 같은 거리의 원상에 그 직경을 0.08, 0.1, 2, 5, 6㎜로 하고, 관통공의 수를 1, 10, 50, 100, 200개로 하여 실시예 1의 시료 No.3과 같은 정전척을 제작하였다.

또, 관통공을 탑재면의 중심에 한개 설치한 정전척이나 관통공이 없는 정전척을 제작하였다.

이것을 실시예 1과 같이 평가하면 표 5에 표시한 결과와 같다.

*표시는 본 발명의 범위 외인 것을 표시한다.

탑재면의 중심에 한개의 관통공이 있는 시료 No.31∼36은 온도 분포가 0.8∼1.2℃이고 포화온도에 이르는 시간도 2.5∼3.2초로서 약간 컸다.

또한, 탑재면의 중심에 한개의 관통공과 그 주위에 복수의 관통공을 구비한 시료 No.39∼46은 온도 분포가 0.4∼1.2℃로서 작고 포화온도에 이르는 시간이 2.0∼3.2로서 작아 바람직하다는 것을 알 수 있다.

또한, 관통공의 직경이 0.1∼5㎜이고 관통공을 4∼100개 구비한 시료No.39∼41, 43∼45는 온도 분포가 0.4∼0.7℃로서 더욱 작으며 포화온도에 이르는 시간이 2.0∼2.4초로서 작아 바람직하다는 것을 알 수 있다.

시료 No. 37은 포화온도에 이르는 시간이 10초이고 웨이퍼의 온도 분포가 5℃로서 컸다. 이것은 홈에 가스를 공급할 수 없기 때문에 포화온도에 이르는 시간도, 웨이퍼의 온도 분포도 커졌다고 생각된다.

실시예 6

질화알루미늄 분말에 중량 환산으로 10질량% 이하의 제3a족 산화물을 첨가하고 IPA와 우레탄 볼을 이용한 볼밀로 48시간 혼합하고, 얻은 질화알루미늄 슬러리를 200메시로 통과하고 우레탄 볼이나 볼밀벽의 부스러기를 없앤 후 방폭 건조기로 120℃에서 24시간 건조하여 균질한 질화알루미늄질 혼합분말을 얻는다. 얻은 질화알루미늄질 혼합분말에 아크릴계 바인더와 용매를 혼합하여 질화알루미늄질 슬립을만들고 독터 블레이드법으로 테이프 성형을 실시하였다.

얻은 질화알루미늄의 테이프를 여러개 적층하고 그 위에 전극으로서 텅스텐을 인쇄법으로 형성하고, 무지의 테이프에 소망하는 밀착액을 도포하고 테이프를 여러개 겹쳐서 프레스 성형을 실시하였다.

얻은 질화알루미늄과 텅스텐 전극의 혼합 성형체를 비산화성 가스 기류 중에서 500℃로 5시간 정도 탈지하고, 또한 비산화성 분위기의 0.1MPa 압력하에서 1900∼2050℃의 온도로 0.1∼20시간 소성하여 질화알루미늄질 소결체를 얻었다.

이와 같이 얻은 질화알루미늄질 소결체에 소망하는 형상이 얻어질 수 있게 기계 가공을 실시하였다. 기계 가공을 실시한 질화알루미늄질 소결체의 건조 중량, 수중 중량, 포수(抱水) 중량을 측정하고 아르키메데스법으로 개기공율을 구하였다. 또한 소망하는 가스 홈(도시생략)을 웨이퍼 탑재면에 샌드 블라스트 등의 방법으로 형성하였다. 그리고 전극에 전압을 인가하기 위한 금속단자를 은납을 이용한 메탈라이즈법으로 접합하였다.

그리고, 전극으로부터 탑재면까지의 평균거리는 초음파법으로 측정하였다. 중심부 1개소와 주변부 4개소의 5개소의 평균값으로 구하였다.

얻은 정전척을 사전에 초음파 검사하여 크랙이나 박리가 발생하지 않았는지를 확인한 후에 대기중 25℃의 환경에서 금속 단자(4)를 경유하여 전극(3)에 단극 1kV인 전압을 1분간 인가하고, 해제한다는 방법을 반복하여 내전압 사이클 시험을 절연파괴될 때까지 진행하였다. 이 때 웨이퍼 탑재면(1)에는 웨이퍼(도면 표시 없음)를 흡착시켜 실험을 실시하였다. 내전압 사이클 실험 종료 후에 제품을 절단하고 유전체층의 전극 부근 1개소, 탑재면 부근 1개소, 전극과 탑재면 중간 부근 1개소를 SEM으로 1000배 확대한 조직을 촬영하여 각 사진으로부터 임의로 20개의 질화알루미늄 입자의 입경을 측정하여 그 전평균을 산출하여 평균입경으로 하였다.

표 6에 그 결과를 나타낸다.

표 6의 시료 No.115의 전극으로부터 탑재면까지의 평균거리는 0.014㎜로서 작고 전압인가 제거 사이클이 521회에 절연파괴가 발생하였다.

또한, 전극으로부터 탑재면까지의 평균거리(t)와 유전체층의 체적 고유 저항(R)의 곱이 1×10⁷Ω·㎠을 하회하는 시료 No.116은 전압인가 제거 사이클이 800회에 절연파괴가 발생하였다.

또한, 상기 평균거리(t)와 상기 체적 고유 저항(R)의 곱이 5×10¹⁵Ω·㎠을 초과한 시료(표(1)에는 기재가 없음)는 전압인가 제거 사이클을 1000회까지 진행하여도 절연파괴는 발생하지 않지만, 유전분극한 전하가 평형이 될 때까지의 시간이 길어 웨이퍼(W)가 이탈 가능해질 때까지의 시간이 너무 길기 때문에 정전척으로서 기능을 발휘하지 않았다.

따라서, 전극으로부터 탑재면까지의 평균거리(t)와 유전체층의 체적 고유 저항(R)의 곱의 값이 1×10⁷∼5×10¹⁵Ω·㎠인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

또한, 질화알루미늄의 평균입경이 0.9㎛로 작아 1㎛를 하회하는 시료 No.117은 전압인가 제거 사이클이 720회에 절연파괴가 발생하였다.

또한, 상기 평균입경이 20㎛를 초과한 시료 No.118은 전압인가 제거 사이클이 825회에 절연파괴가 발생하였다.

따라서, 유전체층을 이루는 질화알루미늄의 평균입경이 1∼20㎛인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

또한, 유전체층의 개기공율이 1.1%로 커서 1%를 초과한 시료 No.119는 전압인가 제거 사이클이 771회에 절연파괴가 발생하였다.

이상 결과로부터 평균거리가 0.015cm이상이고 곱(t×R)이 1×10⁷∼5×10¹⁵Ω·㎠이고, 평균입경이 1∼20㎛이고, 개기공율이 1%이하인 시료No.111∼114는 전압인가 제거 사이클이 1000회 이상으로 커서 절연파괴가 발생하기 어려운 뛰어난 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.

실시예 7

질화알루미늄 분말에 중량 환산으로 0.1∼20질량비의 제3a족 산화물을 첨가하고 IPA와 우레탄 볼을 이용한 볼밀로 48시간 혼합하여 얻은 질화알루미늄 슬러리를 200메시로 통과하여 우레탄 볼이나 볼밀벽의 부스러기를 없앤 후, 방폭 건조기로 120℃에서 24시간 건조하여 균질한 질화알루미늄질 혼합분말을 얻는다. 얻은 질화알루미늄질 혼합분말에 아크릴계 바인더와 용매를 혼합하여 질화알루미늄질 슬립을 만들고 독터 블레이드법으로 테이프 성형을 실시하였다.

얻은 질화알루미늄 테이프를 여러개 적층하고 그 위에 전극으로서 텅스텐을 인쇄법으로 형성하고, 무지의 테이프에 소망하는 밀착액을 도포한 후 테이프를 여러개 겹쳐서 프레스 성형을 실시하였다.

얻은 질화알루미늄과 텅스텐 전극의 혼합 성형체를 비산화성 가스 기류 중에서 500℃로 5시간 정도 탈지하고, 또한 비산화성 분위기의 0.1MPa 압력하에서 1900∼2050℃의 온도로 0.1∼20시간 소성하여, 질화알루미늄질 소결체를 얻었다. 그리고 실시예 6과 같이 정전척을 제작하여 평가하였다. 그 결과는 표 7에 나타낸다.

시료 No.121∼122이나 124∼135에 표시한 바와 같이, 입계 기공의 평균직경이 질화알루미늄의 평균 결정입경보다 작은 정전척은 절연파괴된 전압인가 제거 사이클수가 3800회 이상으로서 커 바람직하다는 것을 알 수 있다.

한편, 시료 No.123과 같이 입계 기공의 평균 직경이 질화알루미늄의 평균 결정입경보다 큰 것은 절연파괴된 전압인가 제거 사이클수가 2700회로서 상기 시료에 비해 작았다.

또한, 유전체층 입계 기공의 비율(Sg)과 입자내 기공의 비율(Sc)의 비(Sg/Sc)가 1.0이하인 시료 No.121∼122, 124∼126, 128∼135는 절연파괴된 전압인가 제거 사이클수가 4200회 이상으로서 커 더욱 바람직하다는 것을 알 수 있다.

또한, 시료 No.121∼135와 같이 유전체층의 부성분이 Yb, Y, Ce 등 3a족 금속 산화물이면 절연파괴될 때까지의 전압인가 제거 사이클수가 2700회 이상으로서 커 바람직하다는 것을 알 수 있다.

또한, 시료 No.128∼134와 같이 부성분의 3a족 금속 산화물의 함유량이 0.2∼15질량% 함유하는 것은 절연파괴될 때까지의 전압인가 제거 사이클수가 5050회 이상으로서 더욱 바람직하다는 것을 알 수 있다.

또한, 시료 No.127∼135는 부성분의 금속이 Ce원소이면 절연파괴될 때까지의 전압인가 제거 사이클수가 3800회 이상이므로 바람직하다는 것을 알 수 있다.

실시예 8

질화알루미늄질 소결체의 소성을 비산화성 분위기의 0.1MPa∼300MPa의 압력하에서 1700℃∼2000℃ 온도로 0.1시간∼20시간 소성을 행하여 유전체층의 평균입경과 개기공율을 실시예 6과 같이 측정하여 평가하였다.

그 결과는 표 8에 나타낸다.

시료 No.141∼155에 표시된 바와 같이, 질화알루미늄질 소결체의 소성을 비산화성 분위기의 0.2∼200MPa이하의 압력하에서 1800∼1900℃이하의 온도로 0.2∼20시간이하 실시함으로써 질화알루미늄질 소결체의 평균입경을 5∼15㎛이하로 할 수가 있고, 또한 개기공율을 0.5%이하로 함으로써 전압인가 제거 사이클이 2700회 이상 되어 더욱 바람직하다는 것이 판명되었다.

본 발명에 의하면 반복적으로 사용하여도 절연파괴가 발생하지 않는 정전척 을 제공하는 것이 가능해져 CVD, PVD, 스퍼터링, SOD, SOG 등의 성막장치나 에칭장치라고 하는 반도체 제조 장치 분야에서 획기적인 정전척을 제공할 수 있다.

Claims

한 쌍의 주면을 구비하고, 그 한쪽 주면을 웨이퍼를 탑재하는 탑재면으로 하는 판상체와, 그 판상체의 다른 쪽 주면 또는 내부에 설치된 흡착용 전극으로 구성되는 정전척에 있어서,

상기 판상체에 관통되도록 형성된 적어도 한개의 가스 도입용 관통공과, 서로 이간된 복수의 볼록부에 의하여 상기 탑재면 위에 형성되고 또한 상기 관통공과 연통되도록 형성된 가스유로와, 상기 판상체 외주에 형성된 환형벽부를 구비하며,

상기 볼록부의 평면 형상이 4개의 변과 그 4개의 변을 연결하는 호형부로 이루어지며, 상기 볼록부가 상기 탑재면에 똑같이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전척.
제1항에 있어서, 상기 볼록부가 격자모양으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 정전척.
제1항에 있어서, 상기 가스유로의 저면과 상기 볼록부 혹은 상기 환형벽부가 연결되는 부위가 원호형인 것을 특징으로 하는 정전척.
제1항에 있어서, 상기 가스유로 저면의 산술 평균 거칠기(Ra)가 2㎛이하인 것을 특징으로 하는 정전척.
제1항에 있어서, 상기 환형벽부 폭이 0.5∼10㎜이고, 상기 볼록부의 대변 간격이 1.5∼10㎜임과 아울러, 상기 볼록부 및 상기 환형벽부 최상면의 총면적이 상기 탑재면 면적의 50∼80%이고, 또한 상기 가스유로 저면으로부터 상기 볼록부 최상면까지의 거리가 10∼100㎛인 것을 특징으로 하는 정전척.
제1항에 있어서, 상기 관통공은 상기 탑재면 중심에 1개와 그 중심에 대한 동심원상에 여러개 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전척.
제1항에 있어서, 상기 환형벽부를 탑재면의 최외주와 내측에 구비하고, 최외주의 환형벽부와 내측 환형벽부 사이에 복수의 관통공을 구비하고, 내측 환형벽부의 내측에 관통공을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정전척.
제1항에 있어서, 상기 판상체의 최대 직경이 180∼500㎜이고, 상기 관통공은 직경이 0.1∼5㎜이고 ４∼100개 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 정전척.
제1항에 있어서, 상기 판상체의 다른 쪽 주면에 열교환 부재가 설치된 것을 특징으로 하는 정전척.
제9항에 있어서, 상기 열교환 부재가 금속판으로 구성되는 것을 특징으로 하 는 정전척.
제1항에 있어서, 상기 판상체는 알루미나 또는 질화알루미늄을 주성분으로 하는 소결체로 구성되는 것을 특징으로 하는 정전척.
제1항에 있어서, 상기 판상체가 질화알루미늄을 주성분으로 하는 유전체로 구성되며, 상기 전극으로부터 상기 탑재면까지의 평균거리가 0.015cm이상이고, 상기 전극과 상기 탑재면 사이의 유전체층의 체적 고유 저항값과 상기 평균거리의 곱이 1×10⁷∼5×10¹⁶Ω·㎠임과 아울러, 상기 유전체층을 형성하는 질화알루미늄의 평균입경이 1∼20㎛이고, 또한 상기 유전체층의 개기공율이 1%이하인 것을 특징으로 하는 정전척.
제12항에 있어서, 상기 유전체층에는 입자내 기공과 입계 기공이 존재하고, 입계 기공의 평균 직경이 질화알루미늄의 평균 결정입경보다 작은 것을 특징으로 하는 정전척.
제12항에 있어서, 상기 유전체층의 입계 기공의 비율(Sg)과 입자내 기공의 비율(Sc)의 비(Sg/Sc)가 1.0이하인 것을 특징으로 하는 정전척.
제12항에 있어서, 상기 유전체층은 주성분으로서 질화알루미늄을 함유하고, 또한 부성분으로서 3a족 금속 산화물을 0.2∼15질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 정전척.
제15항에 있어서, 상기 3a족 금속이 세륨인 것을 특징으로 하는 정전척.
제12항에 있어서, 상기 질화알루미늄으로 구성된 판형 세라믹스체는 0.2∼200MPa의 비산화성 분위기 중에서 1800∼1900℃이하의 온도로 0.5∼20시간 이내 유지하고 소결시켜 얻어지는 것을 특징으로 하는 정전척.