KR20160105764A - 웨이퍼 유지대 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20160105764A
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가즈마 오바
데츠야 가와지리
히데요시 츠루타
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엔지케이 인슐레이터 엘티디
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Abstract

웨이퍼 유지대(10)는, 세라믹제의 정전척(12)과 금속제의 냉각판(14) 사이에 수지제의 접착층(16)을 구비하고 있다. 접착층(16)은, 정전척(12)에 접하는 제1 층(16a)과, 냉각판(14)에 접하는 제2 층(16b)과, 제1 층(16a)과 제2 층(16b) 사이에 위치하는 중간층(16c)을 포함한다. 내열성에 대해서는, 제1 층(16a) 및 중간층(16c)이 제2 층(16b)보다 높고, 유연성에 대해서는 제2 층(16b)이 제1 층(16a) 및 중간층(16c)보다 높으며, 각 층은 기밀하게 접하고 있다.

Description

웨이퍼 유지대 및 그 제조 방법{WAFER HOLDER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 웨이퍼 유지대 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
세라믹제의 정전척(정전척 히터, 서셉터)과 금속제의 냉각판을 접착시킨 웨이퍼 유지대에 있어서, 정전척과 냉각판의 접착에는, 수지성 접착 테이프나 접착재를 사용하는 것이 일반적이다(예컨대 특허문헌 1 등). 이러한 웨이퍼 유지대는, 수지의 내열성에 의해 사용 온도가 제한된다(일반적으로 100℃ 이하, 고온에서 사용할 수 있는 것이어도 기껏해야 150℃ 이하임). 내열성이 있는 수지를 사용하고자 하면, 수지의 탄성률이 높고, 세라믹과 냉각판의 열팽창차를 흡수할 수 없어, 변형이나 균열이 발생해 버리기 때문에, 웨이퍼 유지대로서 사용하기 어려워진다. 금속 땜납재 등으로 접합하는 경우에는, 접합할 수 있다면 고온에서도 사용 가능하지만, 세라믹과 냉각판(금속)의 열팽창을 맞추지 않으면 접합 시에 변형이나 균열이 발생해 버린다.
한편, 특허문헌 2에는, 세라믹 기체(基體)와 수로를 구비한 베이스 플레이트 사이에, 내열층, 접착층 및 단열층을 형성한 장치가 개시되어 있다. 내열층은, 폴리이미드 등의 절연성 수지, 저융점 유리, 알루미나, 실리카 등의 무기계 재료를 베이스로 한 무기 접착재 등이다. 접착층 및 단열층은, 실리콘 등의 절연성 수지이다. 이러한 장치를 제조하기 위해서는, 먼저, 베이스 플레이트 상에 단열층을 형성한다. 구체적으로는, 필러를 함유한 실리콘 등의 절연성 수지를 베이스 플레이트 상에 라미네이트하고, 그 수지를 필요에 따라 압박하면서 경화 온도 이상으로 가열하여 경화시킨다. 다음으로, 세라믹 기체의 한쪽 면에 내열층을 형성한다. 내열층을 형성하기 위해서는, 필름 상의 재료를 라미네이트하여 경화시켜도 좋고, 액상 또는 페이스트상의 재료를 도포하여 경화시켜도 좋다. 다음으로, 단열층 상에 접착층을 형성하고, 접착층을 경화시키기 전에, 세라믹 기체의 내열층측이 접착층에 접하도록 세라믹 기체를 접착층 상에 탑재한다. 그 후, 접착층을 경화 온도 이상으로 가열하여 경화시킨다. 이러한 장치에서는, 사용 온도를 종래보다 높게 할 수 있다. 또한, 유연성을 갖는 접착층을 형성하고 있기 때문에, 가열 시에 응력이 발생한 경우에도, 발생한 응력을 접착층으로 완화시킬 수 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2009-71023호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2013-120835호 공보
그러나, 특허문헌 2의 장치에서는, 접착층이 내열층보다 유연성이 풍부한(탄성률이 낮음) 것이기 때문에, 접착층과 단열층 사이나 접착층과 내열층 사이에서 박리가 발생할 우려가 있었다. 이는, 이 장치를 제조하는 과정에서, 내열층과 단열층 사이에 경화시키기 전의 접착층을 끼워 넣고, 그 상태에서 가열하여 접착층을 경화시키며, 경화시키기 전의 접착층은 변형하기 쉽기 때문에 평탄을 유지할 수 없어, 층 사이에 기포가 들어가기 쉬운 것이 한 가지 원인이라고 생각된다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 정전척과 냉각판의 접착 상태를 고온에서도 양호하게 유지할 수 있는 웨이퍼 유지대를 제공하는 것을 주목적으로 한다.
본 발명의 웨이퍼 유지대는,
세라믹제의 정전척과 금속제의 냉각판 사이에 수지제의 접착층을 구비한 웨이퍼 유지대로서,
상기 접착층은, 상기 정전척에 접하는 제1 층과, 상기 냉각판에 접하는 제2 층과, 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 위치하는 중간층을 포함하고, 내열성에 대해서는 상기 제1 층 및 상기 중간층이 상기 제2 층보다 높고, 유연성에 대해서는 상기 제2 층이 상기 제1 층 및 상기 중간층보다 높으며, 각 층이 기밀하게 접하고 있는 것이다.
본 발명의 웨이퍼 유지대에서는, 접착층 중 정전척에 접하는 제1 층이 내열성을 담당하고, 접착층 중 냉각판에 접하는 제2 층이 유연성, 즉 응력 완화를 담당한다. 일반적으로 내열성이 높은 수지 재료는, 탄성률이 높기 때문에, 이것을 세라믹 및 금속과의 접착층의 재료로 이용한 경우에는 양자의 열팽창차를 흡수하기 어려워, 변형이나 균열이 발생하기 쉽다. 한편, 일반적으로 유연성이 높은 수지 재료는, 내열성이 낮기 때문에, 이것을 세라믹 및 금속과의 접착층의 재료에 이용한 경우에는 열에 의해 취화(脆化)되어 버려, 박리가 발생하기 쉽다. 이러한 점에서, 본 발명에서는, 제1 층이 내열성을 담당하고, 냉각판측의 제2 층이 유연성을 담당하도록 하여 내열성과 응력 완화 양자의 밸런스(balance)를 달성하였다. 또한, 제1 층과 제2 층 사이의 중간층은, 내열성이 높은 수지 재료, 즉 탄성률이 높아 변형하기 어려운 수지 재료로 했기 때문에, 열경화에 의해 접착층을 형성하는 단계에서 각 층 사이에 공기가 들어가지 않아, 열경화 후에 각 층 사이가 기밀하게 접하는 상태가 된다. 이 때문에, 고온 상태에서도 각 층 사이에서 박리가 발생하는 일이 없다. 따라서, 본 발명의 웨이퍼 유지대에 의하면, 정전척과 냉각판의 접착 상태를 고온(예컨대 150℃ 이상)에서도 양호하게 유지할 수 있다.
본 발명의 웨이퍼 유지대를 제조하는 방법은,
상기 정전척의 한쪽 면에, 상기 제1 층이 열경화하기 전의 제1 층 전구체의 층을 형성하고, 또한 상기 냉각판의 한쪽 면에, 상기 제2 층이 열경화하기 전의 제2 층 전구체의 층을 형성하며, 상기 정전척의 상기 제1 층 전구체의 층과 상기 냉각판의 상기 제2 층 전구체의 층 사이에, 상기 중간층에 상당하며 열경화가 끝난 평탄한 수지 시트를 끼워 넣음으로써 적층체로 하고, 상기 적층체를 주머니 내에 넣어 상기 주머니 내를 감압한 후 상기 주머니의 외부로부터 가압하면서 가열함으로써, 상기 제1 층 전구체의 층 및 상기 제2 층 전구체의 층을 열경화시키는 것이다.
이 제조 방법에서는, 정전척의 제1 층 전구체의 층과 냉각판의 제2 층 전구체의 층 사이에, 중간층에 상당하며 열경화가 끝난 평탄한 수지 시트를 끼워 넣은 적층체를, 주머니 내에 넣어 감압한 후 주머니째로 가압하에서 가열하여, 제1 층 전구체의 층 및 제2 층 전구체의 층을 열경화시킨다. 이 때문에, 적층체를 제작하는 단계에서 각 층 사이에 공기가 들어가지 않고, 그 결과, 열경화 후에 각 층 사이가 기밀하게 접하는 상태가 된다. 따라서, 얻어진 웨이퍼 유지대는 고온 상태에서도 각 층 사이에서 박리가 발생하는 일이 없다. 이러한 제조 방법은, 본 발명의 웨이퍼 유지대를 얻는 데 적합한 방법이라고 할 수 있다.
도 1은 웨이퍼 유지대(10)의 단면도.
도 2는 웨이퍼 유지대(10)의 제조 공정도.
도 3은 전단 시험 장치의 설명도.
본 발명의 웨이퍼 유지대의 일 실시형태를 도 1에 도시한다. 도 1은 웨이퍼 유지대(10)의 단면도이다.
웨이퍼 유지대(10)는, 세라믹제의 정전척(12)과 금속제의 냉각판(14) 사이에 수지제의 접착층(16)을 구비한 것이다.
정전척(12)으로서는, 예컨대, 알루미나제나 질화알루미늄제의 세라믹 기재(基材)에 정전 전극(12a)과 히터 전극(12b)이 내장된 주지의 것을 이용할 수 있다. 정전 전극(12a)에는, 접착층(16) 및 냉각판(14)을 관통하는 급전 부재(13a)에 의해 외부로부터 전력이 공급된다. 또한, 히터 전극(12b)에는, 접착층(16) 및 냉각판(14)을 관통하는 급전 부재(13b)에 의해 외부로부터 전력이 공급된다. 한편, 각 급전 부재(13a, 13b)는, 냉각판(14)과 전기적으로 절연되어 있다. 정전척(12)의 상면은 웨이퍼를 배치하는 면이며, 배치된 웨이퍼는, 정전 전극(12a)의 정전기력으로 그 면에 흡착 유지되고, 또한 히터 전극(12b)에 의해 가열된다.
냉각판(14)으로서는, 냉각액 등의 냉매가 순환 가능한 냉매 통로(14a)가 내장된 주지의 것을 이용할 수 있다. 냉각판(14)은, 열전도성이 좋은 재료, 예컨대 알루미늄이나 알루미늄 합금 등의 금속 재료로 제작되어 있다. 냉각판(14)은 냉매 통로(14a)를 내장하고 있기 때문에, 정전척(12)을 고온으로 하는 경우에도, 냉각판(14)은 냉매(예컨대 냉각액)에 의해 낮은 온도로 설정된다.
접착층(16)은, 정전척(12)에 접하는 제1 층(16a)과, 냉각판(14)에 접하는 제2 층(16b)과, 제1 층(16a)과 제2 층(16b) 사이에 위치하는 중간층(16c)을 포함한다. 접착층(16)은, 고온의 정전척(12)과 저온의 냉각판(14) 사이에 끼워져 있기 때문에, 접착층(16)의 내부에는 온도 분포가 생긴다. 그 때문에, 접착층(16)을 구성하는 각 층에는 그 온도 분포에 따른 온도에 견딜 수 있는 재료를 이용한다. 제1 층(16a) 및 중간층(16c)은, 발열하는 정전척(12)에 가까워, 제2 층(16b)에 비해 고온이 되기 쉽기 때문에, 제2 층(16b)보다 내열성이 높은 재료를 이용한다. 제2 층(16b)은, 냉각판(14)에 가까워, 제1 층(16a) 및 중간층(16c)에 비해 저온이 되기 쉽기 때문에, 제1 층(16a) 및 중간층(16c)보다 유연성이 높은 재료를 이용하여, 정전척(12)과 냉각판(14)의 열팽창차에 의해 발생하는 응력을 완화시킨다. 또한, 제1 층(16a)과 중간층(16c), 중간층(16c)과 제2 층(16b)은 각각 기밀하게 접하고 있다. 여기서, 기밀하게 접하고 있다는 것은, 층 사이에 φ1 ㎜ 이상의 기포가 없고, 또한 φ1 ㎜ 미만의 기포가 706.5 ㎠당 20개 이하인 것을 말한다. 예컨대, 정전척(12)의 상면으로부터 접착층(16)이 비쳐 보이거나 냉각판(14)의 하면으로부터 접착층(16)이 비쳐 보이는 경우에는, 육안에 의해 기포의 유무를 판단해도 좋다. 혹은, 웨이퍼 유지대(10)를 순수(純水) 내에 넣고, 초음파 탐상(探傷) 장치로 기포의 유무를 조사해도 좋다. 초음파 탐상 장치에 의한 기포 유무의 판단은, 정전척(12)이나 냉각판(14)이 투명한지의 여부에 관계없이 실시할 수 있다.
제1 층(16a) 및 중간층(16c)은, 200℃(바람직하게는 250℃)에서 내열(耐熱)을 나타내는 폴리이미드계 수지층, 에폭시계 수지층 또는 PEEK(폴리에테르에테르케톤) 수지층인 것이 바람직하다. 폴리이미드계 수지층은, 적어도 이미드 결합을 갖는 고분자 재료를 포함하는 수지층이다. 에폭시계 수지층은, 반응성의 에폭시기를 갖는 프리폴리머와 경화제의 반응에 의해 생성되는 삼차원 경화물을 포함하는 수지층이다. 프리폴리머로서는, 예컨대 수소 이동형의 중부가(重付加; polyaddition)가 가능한 것 등을 들 수 있다. 이는 정전척(12)으로부터의 열전달에 의해 제1 층(16a) 및 중간층(16c)은 이러한 온도까지 상승할 우려가 있기 때문이다. 또한, 폴리이미드계 수지, 에폭시계 수지 또는 PEEK 수지는 모두 내열성이 우수하기 때문이다. 중간층(16c)은 평탄한 수지 시트인 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 각 층 사이가 기밀하게 접한 상태가 되기 쉽기 때문이다.
제2 층(16b)은, 에폭시-아크릴 혼합 수지층인 것이 바람직하고, 실온에 있어서 전단의 탄성률(Z)(㎫)이 0.048≤Z≤2.350인 것이 바람직하다. 제2 층의 전단의 탄성률(Z)이 전술한 범위 내에 있으면, 고온 시에 정전척(12)과 냉각판(14)의 열팽창차에 의해 접착층(16)에 전단 응력이 발생했다고 해도 그 응력을 완화할 수 있기 때문이다. 한편, 이러한 에폭시-아크릴 혼합 수지층은, 예컨대 일본 특허 공개 제2014-183077호 공보에 개시되어 있다. 제1 층(16a) 및 중간층(16c)은, 탄성률(Z)이 제2 층(16b)보다 크며, 그 때문에, 제2 층(16b)에 비해 유연성이 없고 딱딱하다. 제2 층(16b)의 두께는, 제1 층(16a)과 중간층(16c)의 두께의 합보다 얇은 것이 바람직하며, 예컨대 100 ㎛∼500 ㎛인 것이 바람직하고, 150 ㎛∼400 ㎛인 것이 보다 바람직하다. 제2 층(16b)의 두께가 100 ㎛∼500 ㎛인 경우에 비해 150 ㎛∼400 ㎛인 경우에, 보다 고온에 견딜 수 있다.
제2 층(16b)은, 에폭시-아크릴 혼합형 접착제를 경화시킨 것이 바람직하다. 이러한 접착제는, (A) 수소 이동형의 중부가가 가능한 에폭시 수지(프리폴리머), (B) 아크릴산에스테르 또는 메타크릴산에스테르의 중합체(프리폴리머), (C) 경화제를 포함하는 것으로 해도 좋다. 이하, 이 접착제의 성분 및 조성에 대해 설명한다.
성분 (A)인 수소 이동형의 중부가가 가능한 에폭시 수지로서는, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 AD형 에폭시 수지, 페놀노볼락형 에폭시 수지, 크레졸노볼락형 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 이러한 에폭시 수지는, 경화 반응 시에 저분자 물질을 발생시키지 않거나, 거의 발생시키지 않는다.
성분 (B)인 아크릴산에스테르 또는 메타크릴산에스테르의 중합체로서는, 알킬아크릴레이트 또는 알킬메타크릴레이트를 주성분으로 하는 에폭시기 함유 아크릴 고무, 알킬아크릴레이트 또는 알킬메타크릴레이트를 주성분으로 하는 카르복실기 함유 아크릴 고무 등을 들 수 있다. 이러한 중합체도, 경화 반응 시에 저분자 물질을 발생시키지 않거나 거의 발생시키지 않는다.
성분 (C)인 경화제로서는, DICY(디시안디아미드) 경화제, 이미다졸계 경화제, 아민계 경화제 등을 들 수 있다.
접착제의 조성은, 예컨대, 성분 (A)를 5 질량%∼80 질량%만큼, 성분 (B)를 15 질량%∼90 질량%만큼, 성분 (C)를 0.1 질량%∼5 질량%만큼 포함하도록 해도 좋다. 특히, 냉각판(14)에 구멍이 뚫려 있었던 경우, 그 구멍으로 접착제가 나오는 것을 억제하고 싶다면, 성분 (A)의 질량%를 성분 (B)의 질량%보다 작게 하는 것이 바람직하고, 성분 (A)를 19 질량%∼36 질량%만큼, 성분 (B)를 60 질량%∼80 질량%만큼, 성분 (C)를 1 질량%∼4 질량%만큼 포함하도록 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 그 외의 성분으로서, 말단 카르복실·부타디엔-아크릴로니트릴 공중합 액상 고무(CTBN)를 1 질량% 미만으로 첨가해도 좋다.
제2 층(16b)용의 접착제 시트, 즉 제2 층 전구체의 층(26b)을 이하의 (1)∼(5)에 예시한다. 한편, 이러한 접착제 시트는, 각 성분을 휘발성 용제(아세톤이나 헥산 등)로 희석한 접착제로부터 휘발성 용제를 휘발시켜 시트 형상으로 한 것이다. 이들을 열경화한 후의 전단의 탄성률(Z)을 측정한 결과, 모두 0.23 전후였다.
(1) 비스페놀 F형 에폭시 수지를 19 질량%만큼, 부틸아크릴레이트를 주성분으로 하는 에폭시기 함유 아크릴 고무를 80 질량%만큼, DICY(디시안디아미드) 경화제를 1 질량%만큼 포함하는 접착제 시트.
(2) 크레졸노볼락형 에폭시 수지를 29 질량%만큼, 에틸아크릴레이트를 주성분으로 하는 에폭시기 함유 아크릴 고무를 70 질량%만큼, 이미다졸계 경화제를 1 질량%만큼 포함하는 접착제 시트.
(3) 비스페놀 A형 에폭시 수지를 36 질량%만큼, 부틸아크릴레이트를 주성분으로 하는 카르복실기 함유 아크릴 고무를 60 질량%만큼, 아민계 경화제를 4 질량%만큼 포함하는 접착제 시트.
(4) 비스페놀 F형 에폭시 수지를 57 질량%만큼, 부틸아크릴레이트를 주성분으로 하는 에폭시기 함유 아크릴 고무를 40 질량%만큼, DICY 경화제를 3 질량%만큼 포함하는 접착제 시트.
(5) 비스페놀 F형 에폭시 수지를 76 질량%만큼, 부틸아크릴레이트를 주성분으로 하는 에폭시기 함유 아크릴 고무를 20 질량%만큼, DICY 경화제를 4 질량%만큼 포함하는 접착제 시트.
다음으로, 전술한 웨이퍼 유지대(10)의 제조 방법의 일례를 설명한다. 여기서는, 편의상, 급전 부재(13a, 13b)에 대해서는 설명을 생략한다. 도 2는 웨이퍼 유지대(10)의 제조 공정도이다.
먼저, 정전척(12)의 한쪽 면에, 제1 층(16a)이 열경화하기 전의 제1 층 전구체의 층(26a)을 형성한다. 그와 함께, 냉각판(14)의 한쪽 면에, 제2 층(16b)이 열경화하기 전의 제2 층 전구체의 층(26b)을 형성한다. 또한, 중간층(16c)에 상당하는 열경화가 끝난 평탄한 수지 시트(26c)를 준비한다. 이 수지 시트(26c)는, 열경화가 끝났기 때문에 접착성은 없다. 그리고, 정전척(12)의 제1 층 전구체의 층(26a)과 냉각판(14)의 제2 층 전구체의 층(26b) 사이에 평탄한 수지 시트(26c)를 끼워 넣음으로써 적층체를 형성한다. 이 적층체를 주머니 내에 넣고 주머니 내를 감압하고, 그 주머니를 오토클레이브(autoclave)에 넣어 가압하면서 가열한다. 이렇게 함으로써, 제1 층 전구체의 층(26a) 및 제2 층 전구체의 층(26b)은 열경화하여 각각 제1 층(16a) 및 제2 층(16b)이 된다. 제1 층 전구체의 층(26a)은 가열되어 연화 또는 용융된 후 냉각되어 경화될 때에, 평탄한 수지 시트(26c), 즉 중간층(16c)을 정전척(12)과 접착시킨다. 또한, 제2 층 전구체의 층(26b)은 가열되어 연화 또는 용융된 후 냉각되어 경화될 때에, 평탄한 수지 시트(26c), 즉 중간층(16c)을 냉각판(14)과 접착시킨다. 이러한 방식으로 전술한 요소들을 접착시킨다. 이때, 열경화가 끝난 평탄한 수지 시트(26c)를 제1 층 전구체의 층(26a)과 제2 층 전구체의 층(26b) 사이에 개재시키고 있기 때문에, 열경화 후에 각 층 사이에 기포가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이상 설명한 웨이퍼 유지대(10)에서는, 정전척(12)측의 제1 층(16a)이 내열성을 담당하고, 냉각판(14)측의 제2 층(16b)이 유연성을 담당하는 것으로 하였다. 또한, 제1 층(16a)과 제2 층(16b) 사이의 중간층(16c)은, 내열성이 높은 수지 재료, 즉 탄성률이 높아 변형하기 어려운 수지 재료로 했기 때문에, 열경화에 의해 접착층(16)을 형성하는 단계에서 각 층 사이에 공기가 들어가지 않아, 열경화 후에 각 층 사이가 기밀하게 접하는 상태가 된다. 이 때문에, 고온 상태에서도 각 층 사이에서 박리가 발생하는 일이 없다. 따라서, 웨이퍼 유지대(10)에 의하면, 정전척(12)과 냉각판(14)의 접착 상태를 고온(예컨대 150℃ 이상)에서도 양호하게 유지할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 실시형태에 조금도 한정되는 일은 없으며, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한, 여러 가지 양태로 실시할 수 있는 것은 물론이다.
예컨대, 전술한 실시형태에 있어서, 정전척(12)의 표면의 온도가 200℃, 냉각판(14)의 온도가 100℃, 접착층(16)의 두께가 0.4 ㎜인 경우(열전도율은 균일하게 함), 접착층(16)을 두께 방향으로 보았을 때의 중간 위치는 150℃가 된다. 이 경우, 제1 층(16a)은, 200℃(바람직하게는 250℃)에서 내열성을 나타내고, 제2 층(16b)은, 150℃에서 내열성을 나타내는 것이 바람직하다. 이와 같이, 각 층의 내열 온도는, 실제의 정전척(12) 및 냉각판(14)의 온도에 따라 적절히 설정하는 것이 바람직하다.
전술한 웨이퍼 유지대(10)에서는, 제1 층(16a)과 제2 층(16b) 사이에 하나의 중간층(16c)을 형성하였으나, 예컨대, 온도나 디자인 등을 고려하여 중간층(16c)을 2개 이상 형성해도 좋다.
실시예
1. 웨이퍼 유지대 샘플의 제작
[실험예 1∼실험예 13]
실험예 1∼실험예 13은 제1 층 및 중간층으로서 내열성 수지를 이용하고, 제2 층으로서 유연성 수지를 이용한 예이다. 각 실험예의 웨이퍼 유지대의 샘플을 이하의 순서에 따라 제작하였다. 이 샘플은, 도 1에 있어서 급전 부재(13a, 13b)를 생략한 것이다. 먼저, 냉각수로를 갖는 직경 300 ㎜의 Al제의 냉각판에 응력 완화층의 전구체인, 미경화이며 변형 용이한 접착제 시트를 부착하였다. 여기서는, 접착제 시트로서, 본 발명의 실시형태 관련 부분에서 설명한 접착제 시트 (3)을 이용하였다. 다음으로, 그 접착성 시트 위에 중간층이 되는 평탄한 수지 시트를 접합하였다. 평탄한 수지 시트는, 열경화 후의 내열성 수지 시트로서, 접착성이 없고, 평탄을 유지할 수 있는 것이다. 다음으로, 평탄한 수지 시트 위에, 내열층의 전구체인, 미경화의 접착성 시트를 접합하였다. 단, 내열층의 전구체가 페이스트상인 경우(예컨대 에폭시계의 경우)에는, 평탄한 수지 시트 위에 그 페이스트를 도포하였다. 다음으로, 내열층의 전구체 위에, 전극이 매설된 직경 300 ㎜, 두께 4 ㎜∼5 ㎜의 세라믹 기체를 접합함으로써, 적층체를 제작하였다. 다음으로, 이 적층체를 내열성이 높은 천으로 감쌌다. 이것을 또한 수지제의 배깅(bagging) 주머니에 넣고, 주머니 내를 진공화하였다. 진공화한 주머니를 오토클레이브에 넣고, 150℃∼180℃, 1.0 ㎫로 접착하였다. 이에 의해, 응력 완화층의 전구체 및 내열층의 전구체가 각각 열경화되어 응력 완화층 및 내열층이 되고, 웨이퍼 유지대의 샘플이 완성되었다. 그 후, 웨이퍼 유지대의 샘플을 오토클레이브로부터 꺼냈다. 실험예 1∼실험예 13에서 이용한 각 층의 구체적인 재료나 두께를 표 1에 나타낸다.
내열층 및 중간층에 이용하는 내열성 수지의 선정은, 이하와 같이 하여 행하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, 세로 25 ㎜×가로 35 ㎜×두께 10 ㎜의 질화알루미늄판을 2장 준비하고, 2개의 질화알루미늄판을 어긋나게 한 상태에서 시험 대상의 수지로 접합하여, 전단 시험용의 접합체를 제작하였다. 수지 부분은 세로 25 ㎜×가로 25 ㎜×두께 0.01 ㎜∼0.40 ㎜로 하였다. 한편, 두께가 이 범위 내에 있으면, 경험상, 얻어지는 결과는 거의 동일하였다. 전단 시험은, 접합체의 한쪽의 질화알루미늄판의 25 ㎜×10 ㎜의 면이 아래가 되도록 접합체를 지지대에 올려 놓고, 다른쪽의 질화알루미늄판에 연직 하향의 하중(힘)을 가함으로써 행하였다. 시험 시의 온도는 250℃ 또는 200℃로 하고, 분위기는 대기 분위기로 하였다. 이러한 전단 시험에서는, 열 이력을 가하기 전후에 측정을 행하였다. 전단 시험의 결과로부터 전단 강도를 구하였다. 열 이력으로서는, 전단 시험용의 접합체를, 시험 시와 동일한 온도, 동일한 분위기에서 1000시간 노출시켰다. 응력 계산에 의하면, 250℃ 또는 200℃에서 필요한 전단 강도가 0.3 ㎫ 이상이기 때문에, 0.3 ㎫ 이상의 전단 강도를 갖는 수지를, 250℃ 또는 200℃에서 내열성이 있다고 판단하였다. 표 1에서 내열층 및 중간층에 이용한 내열성 수지(폴리이미드계, 에폭시계, PEEK)는, 250℃에서도 200℃에서도 내열성이 있었던 것을 이용하였다. 덧붙여서 말하면, 실리콘계는, 250℃에서도 200℃에서도 내열성이 없었다.
수지의 전단의 탄성률(Z)(㎫)(=강도/변형)은, 실온에 있어서 전술한 전단 시험에 의해 얻어진 전단 강도(㎫)와 전단 변형을 이용하여 산출하였다.
또한, 전술한 전단 시험에 있어서, 한쪽의 질화알루미늄판을 동일한 치수의 알루미늄판으로 변경하고, 질화알루미늄판과 알루미늄판을 접합시키는 접합층으로 하여 본 발명의 3층 구조(질화알루미늄판에 제1 층, 알루미늄판에 제2 층을 접착시킴)를 채용한 결과, 제1 층, 중간층에 비해 제2 층의 신장이 커졌다. 이에 의해, 제2 층이 다른 층보다 유연성이 있는 것, 탄성률이 작은 것을 확인할 수 있었다. 한편, 웨이퍼 유지대의 제품의 접착층을 평가하기 위해서는, 제품으로부터 샘플을 잘라내어 전술한 전단 시험을 행함으로써 마찬가지로 평가하는 것이 가능하다.
[실험예 14∼실험예 18]
실험예 14∼실험예 18은 접착층을 내열성 수지의 제1 층(즉, 단층)만으로 구성한 예이다. 이들은, 냉각판에 제2 층의 전구체인 접착성 시트를 부착하지 않은 것, 중간층이 되는 평탄한 수지 시트를 이용하지 않은 것 이외에는, 실험예 1∼실험예 13과 동일하게 하여 웨이퍼 유지대의 샘플을 제작하였다. 실험예 14∼실험예 18에서 이용한 제1 층의 구체적인 재료나 두께를 표 1에 나타낸다.
[실험예 19∼실험예 23]
실험예 19∼실험예 23은 접착층을 내열성 수지의 제1 층 및 유연성 수지의 제2 층(즉, 2층)으로 구성한 예이다. 이들은, 중간층이 되는 평탄한 수지 시트를 이용하지 않은 것 이외에는, 실험예 1∼실험예 13과 동일하게 하여 웨이퍼 유지대의 샘플을 작성하였다. 실험예 19∼실험예 23에서 이용한 각 층의 구체적인 재료나 두께를 표 1에 나타낸다.
2. 평가 시험
[휘어짐량]
각 실험예의 웨이퍼 유지대의 샘플을, 세라믹 기체의 표면이 아래가 되도록 수평한 대 위에 놓고, 3차원 측정기로, 세라믹 기체의 표면의 85개의 지점에 대해 Z좌표를 측정하였다. 측정한 Z좌표의 최대값과 최소값의 차를 평면도[휘어짐량(㎛)]로서 구하였다. 휘어짐량이 50 ㎛ 이하인 것을 사용 가능하다고 판단하였다. 각 실험예의 초기(제작 직후)의 휘어짐량을 표 1에 나타낸다.
[기포의 유무]
각 실험예에 대해, 세라믹 기체 대신에 유리를 이용한 것(유리 샘플)을 제작하였다. 유리 샘플을 유리측으로부터 육안으로 관찰하여, 기포의 유무를 확인하였다. 또한, 유리 샘플을 순수 내에 넣고, 초음파 탐상 장치로 기포의 유무를 확인하였다. 초음파 탐상 장치에서는, 순수 내의 제품에 25 ㎒의 펄스파를 적용시켜, 기포가 있는 부분은 매질의 변화에 의해 반사파가 발생하기 때문에, 반사파의 유무에 의해 기포의 유무를 확인하였다. 구체적으로는, φ1 ㎜ 이상의 기포가 없고, 또한 φ1 ㎜ 미만의 기포가 706.5 ㎠당 20개 이하인 경우에 대해 기포 없음이라고 판단하였다. 초음파 탐상 장치에서는, 디스플레이에 나타나는 화상으로 기포의 직경이나 개수를 확인하였다. 한편, 기포의 유무는, 육안으로도 초음파 탐상 장치에서도 동일한 결과가 얻어지기 때문에, 육안 및 초음파 탐상 장치 중 적어도 하나로 판단하면 된다. 각 실험예의 초기의 기포의 유무를 표 1에 나타낸다.
[소크(고온 환경 하에서의 샘플 방치)]
각 실험예의 웨이퍼 유지대의 샘플을 진공 챔버 내에 세팅하고, 냉각판에 냉각수를 흘렸다. 세라믹 기체의 상면에 히터를 세팅하였다. 그리고, 세라믹 하면이 소정의 고온(250℃ 또는 200℃)이 되도록, 또한 냉각판 상면이 100℃가 되도록 조절하고, 그 상태로 1000시간 동안 방치하였다. 소크 후, 각 실험예의 웨이퍼 유지대의 휘어짐량과 기포를 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
한편, 표 1에는, 200℃에서의 제2 층의 최고 온도와 250℃에서의 제2 층의 최고 온도를 나타내었다. 이들은, 세라믹 하면의 온도, 냉각판 상면의 온도 및 층의 두께로부터 계산으로 구한 것이다.
Figure pct00001
3. 평가 결과
실험예 1∼실험예 10은 제1 층 및 중간층으로서 폴리이미드계 수지를 이용하고, 제2 층으로서 에폭시-아크릴 혼합 수지를 이용한 예이다. 실험예 1∼실험예 10은 모두, 제작 직후(초기)에는 기포가 없어, 제1 층, 중간층 및 제2 층이 기밀하게 접하고 있으며, 균열이나 박리는 보이지 않았다.
이 중, 실험예 1∼실험예 6은 제1 층의 두께를 10 ㎛, 중간층의 두께를 390 ㎛(제1 층과 중간층의 두께의 합은 400 ㎛)로 고정하고, 제2 층의 두께를 100 ㎛∼500 ㎛의 범위에서 할당한 예이다. 이 실험예 1∼실험예 6에서는, 모두 200℃ 소크 후의 휘어짐량을 50 ㎛ 이하로 억제할 수 있었기 때문에, 세라믹 기체와 냉각판의 접착 상태를 200℃에서도 양호하게 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 실험예 2∼실험예 5는 제2 층의 두께가 150 ㎛∼400 ㎛인 것인데, 모두 250℃ 소크 후의 휘어짐량을 50 ㎛ 이하로 억제할 수 있고, 세라믹 기체와 냉각판의 접착 상태를 250℃에서도 양호하게 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다. 한편, 실험예 1에서는, 제2 층의 두께가 얇았기 때문에, 250℃ 소크에서는 충분히 응력을 완화시킬 수 없었다고 생각된다. 또한, 실험예 6에서는, 제2 층의 두께가 두꺼웠기 때문에, 250℃ 소크에서는 중간층의 근처 부분까지 냉각판의 냉각 효과가 미치지 않아 내열 온도를 초과하여 취화되고(계산상 183℃), 그 결과 제2 층과 중간층 사이에서 박리가 발생했다고 생각된다.
실험예 7, 8은 제2 층의 두께를 200 ㎛로 고정하고, 제1 층 및 중간층의 두께의 합계가 400 ㎛이 되도록 적절히 설정한 예이다. 이들에 대해서도, 실험예 2∼실험예 5와 마찬가지로, 200℃ 소크 후 및 250℃ 소크 후의 휘어짐량을 50 ㎛ 이하로 억제할 수 있고, 세라믹 기체와 냉각판의 접착 상태를 200℃에서도 250℃에서도 양호하게 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다.
실험예 9, 10은 제1 층의 두께를 10 ㎛로 고정하고, 중간층의 두께를 140 ㎛, 190 ㎛으로 설정하고, 제2 층의 두께를 150 ㎛, 200 ㎛로 설정한 예이다. 이들에 대해서도, 실험예 2∼실험예 5와 마찬가지로, 200℃ 소크 후 및 250℃ 소크 후의 휘어짐량을 50 ㎛ 이하로 억제할 수 있고, 세라믹 기체와 냉각판의 접착 상태를 200℃에서도 250℃에서도 양호하게 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다.
실험예 11∼실험예 13은 실험예 3의 재료를 변경한 예이다. 실험예 11은 중간층을 PEEK계 수지로 한 것 이외에는 실험예 3과 동일하고, 실험예 12는 제1 층을 에폭시계 수지로 한 것 이외에는 실험예 3과 동일하며, 실험예 13은 제1 층을 에폭시계 수지, 중간층을 PEEK계 수지로 한 것 이외에는 실험예 3과 동일하다. 실험예 11∼실험예 13에 대해서도, 실험예 3과 마찬가지로, 200℃ 소크 후 및 250℃ 소크 후의 휘어짐량을 50 ㎛ 이하로 억제할 수 있고, 세라믹 기체와 냉각판의 접착 상태를 200℃에서도 250℃에서도 양호하게 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다.
실험예 14∼실험예 18은 접착층을 내열성 수지의 제1 층(즉, 단층)만으로 구성한 예이다. 실험예 14, 15는 제1 층을 폴리이미드계 수지로 하고 두께를 50 ㎛, 400 ㎛로 설정한 예이며, 실험예 16∼실험예 18은 제1 층을 에폭시계 수지로 하고 두께를 50 ㎛, 200 ㎛, 400 ㎛로 설정한 예이다. 실험예 14∼실험예 18은 모두, 제작 직후(초기)에 균열이 발생하였다. 이와 같이 접착층을 내열성 수지의 제1 층만으로 구성하면, 수지의 탄성률이 높고 유연성이 낮기 때문에, 세라믹 기체와 냉각판의 열팽창차를 흡수할 수 없어, 균열이 발생했다고 생각된다.
실험예 19∼실험예 23은 접착층을 내열성 수지의 제1 층 및 유연성 수지의 제2 층(즉, 2층)으로 구성한 예이다. 실험예 19, 20은 제1 층을 폴리이미드계 수지로 하고 두께를 50 ㎛, 400 ㎛로 설정하고, 제2 층을 에폭시-아크릴 혼합 수지로 하고 두께를 200 ㎛로 한 예, 실험예 21∼실험예 23에서는, 제1 층을 에폭시계 수지로 하고 두께를 50 ㎛, 200 ㎛, 400 ㎛로 설정하고, 제2 층을 에폭시-아크릴 혼합 수지로 하고 두께를 200 ㎛로 한 예이다. 실험예 19∼실험예 23은 모두, 제작 직후(초기)에 있어서 제1 층과 제2 층 사이에서 박리가 발생하였다. 박리의 원인은, 제1 층과 제2 층 사이에 기포가 존재하고 있었던 것에 의한다고 생각된다. 샘플 제작 시, 세라믹 기체에는 제1 층 전구체의 층인 미경화의 폴리이미드계 접착제의 층이 형성되고, 냉각판에는 제2 층 전구체의 층인 미경화의 에폭시-아크릴계 접착제의 층이 형성되어 있었으나, 이들 2개의 층은 형상이 불안정하기 때문에 양자가 접한 상태에서 가열되면 기포가 남기 쉽다.
이상의 실험예 1∼실험예 23 중, 실험예 1∼실험예 13은 본 발명의 실시예에 상당하고, 실험예 14∼실험예 23은 비교예에 상당한다. 한편, 실험예 1∼실험예 10에 있어서, 내열층으로서 폴리이미드계 수지 대신에 에폭시계 수지(내열성 수지라고 판단된 것)를 이용한 경우에도, 거의 동일한 결과가 얻어졌다.
본 출원은 2014년 9월 4일에 출원된 미국 가출원 제62/045,745호를 우선권 주장의 기초로 하고 있으며, 인용에 의해 그 내용 모두가 본 명세서에 포함된다.
한편, 전술한 실험예는 본 발명을 어떠한 방식으로도 한정하는 것이 아닌 것은 물론이다.
본 발명은 정전척과 냉각판을 접착시킨 웨이퍼 유지대에 이용할 수 있다.
10: 웨이퍼 유지대 12: 정전척
12a: 정전 전극 12b: 히터 전극
13a: 급전 부재 13b: 급전 부재
14: 냉각판 14a: 냉매 통로
16: 접착층 16a: 제1 층
16b: 제2 층 16c: 중간층
26a: 제1 층 전구체의 층 26b: 제2 층 전구체의 층
26c: 수지 시트

Claims (8)

  1. 세라믹제의 정전척과 금속제의 냉각판 사이에 수지제의 접착층을 구비한 웨이퍼 유지대로서,
    상기 접착층은, 상기 정전척에 접하는 제1 층과, 상기 냉각판에 접하는 제2 층과, 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 위치하는 중간층을 포함하고, 내열성에 대해서는 상기 제1 층 및 상기 중간층이 상기 제2 층보다 높고, 유연성에 대해서는 상기 제2 층이 상기 제1 층 및 상기 중간층보다 높으며, 각 층이 기밀하게 접하고 있는 것인 웨이퍼 유지대.
  2. 제1항에 있어서, 실온에서 상기 제2 층의 탄성률이 상기 제1 층 및 상기 중간층의 탄성률보다 작은 것인 웨이퍼 유지대.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 층은, 에폭시-아크릴 혼합 수지층이고, 실온에서 전단의 탄성률(Z)(㎫)이 0.048≤Z≤2.350인 것인 웨이퍼 유지대.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층 및 상기 중간층은, 200℃에서 내열성(耐熱性)을 나타내는 폴리이미드계 수지층, 에폭시계 수지층 또는 PEEK 수지층이고,
    상기 제2 층은, 에폭시-아크릴 혼합 수지층인 것인 웨이퍼 유지대.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 층 및 상기 중간층은, 250℃에서 내열성을 나타내는 폴리이미드계 수지층, 에폭시계 수지층 또는 PEEK 수지층인 것인 웨이퍼 유지대.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 층의 두께는, 상기 제1 층과 상기 중간층의 두께의 합보다 얇으며, 150 ㎛∼400 ㎛인 것인 웨이퍼 유지대.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 웨이퍼 유지대를 제조하는 방법으로서,
    상기 정전척의 한쪽 면에, 상기 제1 층이 열경화하기 전의 제1 층 전구체의 층을 형성하고, 또한 상기 냉각판의 한쪽 면에 상기 제2 층이 열경화하기 전의 제2 층 전구체의 층을 형성하며, 상기 정전척의 상기 제1 층 전구체의 층과 상기 냉각판의 상기 제2 층 전구체의 층 사이에, 상기 중간층에 상당하며 열경화가 끝난 평탄한 수지 시트를 끼워 넣음으로써 적층체로 하고, 상기 적층체를 주머니 내에 넣어 상기 주머니 내를 감압한 후 상기 주머니의 외부로부터 가압하면서 가열함으로써, 상기 제1 층 전구체의 층 및 상기 제2 층 전구체의 층을 열경화시키는 것인 웨이퍼 유지대의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 층 전구체의 층은, (A) 수소 이동형의 중부가(重付加; polyaddition)가 가능한 에폭시 수지, (B) 아크릴산에스테르 또는 메타크릴산에스테르의 중합체, (C) 경화제를 포함하는 접착재의 층인 것인 웨이퍼 유지대의 제조 방법.
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