KR20170139457A - 소결체, 그 제조 방법, 및 정전 척 - Google Patents

소결체, 그 제조 방법, 및 정전 척 Download PDF

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Abstract

소결체는, 소결 산화물 입자를 포함하는 세라믹 기판; 상기 세라믹 기판에 형성되는 관통 구멍 ― 상기 관통 구멍의 내벽으로부터 노출된 상기 산화물 입자의 측면이 평탄한 면을 형성함 ―; 및 상기 관통 구멍 내에 배치되는 다공체(porous body) ― 상기 다공체는, 구형(spherical) 산화물 세라믹 입자, 및 상기 구형 산화물 세라믹 입자를 바인딩(binding)하도록 구성되는 혼합 산화물을 포함함 ― 를 포함한다.

Description

소결체, 그 제조 방법, 및 정전 척{SINTERED BODY, METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, AND ELECTROSTATIC CHUCK}
본 발명은 소결체, 소결체의 제조 방법 및 소결체를 갖는 정전 척에 관한 것이다.
종래에는, 다수의 기공이 내부에 형성된 다공성 세라믹이 있다. 이러한 세라믹은, 정전 척 또는 다양한 필터의 열전달 가스용 도관부로서 사용된다.
일본국 특허출원 공개 제2004-508728호 공보 일본국 특허출원 공개 제2010-228935호 공보 일본국 특허출원 공개 제2010-228946호 공보 일본국 특허출원 공개 제2014-8432호 공보 일본국 특허출원 공개 제2014-135310호 공보
예비 기술로 후술되는 바와 같이, 정전 척은, 세라믹 기판 내에 배치되는 다공체로 구성되는 가스 도관부를 갖는다.
세라믹 기판에 다공체를 배치하는 방법으로서는, 소결체로서의 다공체 및 세라믹 기판을 별개로 제작하고, 세라믹 기판의 관통 구멍 내에 다공체를 삽입해서 일체화하는 방법이 있다.
또한, 다공체의 전구체(precursor)인 다공체용 페이스트를 미(未)소결 세라믹 조성체의 관통 구멍에 충전하고, 세라믹 조성체와 페이스트를 동시에 소결시키는 방법이 있다.
이들 방법은 가스 도관부의 크기를 줄이는 데 한계가 있으며, 가스 도관부의 형상, 크기, 및 위치의 정밀도가 충분히 얻어지지 않는다는 문제가 있다. 또한, 미소결 세라믹 조성체의 관통 구멍의 내벽에는 미소한 요철이 있는 표면을 갖기 때문에, 관통 구멍에 다공체용 페이스트를 충전하기 곤란해, 관통 구멍이 불균일하게 충전되기 쉽다.
본 발명의 예시적인 실시예는, 세라믹 기판의 관통 구멍 내에 다공체를 높은 신뢰성으로 배치할 수 있는 신규한 구조를 갖는 소결체, 소결체의 제조 방법, 및 정전 척을 제공한다.
예시적인 실시예에 따른 소결체는,
소결 산화물 입자를 포함하는 세라믹 기판;
상기 세라믹 기판에 형성되는 관통 구멍 ― 상기 관통 구멍의 내벽으로부터 노출된 상기 산화물 입자의 측면은 평탄한 면을 형성함 ―; 및
상기 관통 구멍 내에 배치되는 다공체(porous body) ― 상기 다공체는, 구형(spherical) 산화물 세라믹 입자, 및 상기 구형 산화물 세라믹 입자를 바인딩(binding)하도록 구성되는 혼합 산화물을 포함함 ― 를 포함한다.
예시적인 실시예에 따른 정전 척은,
소결 산화물 입자를 포함하는 세라믹 기판;
상기 세라믹 기판에 형성되는 관통 구멍 ― 상기 관통 구멍의 내벽으로부터 노출된 상기 산화물 입자의 측면은 평탄한 면을 형성함 ―; 및
상기 관통 구멍 내에 배치되는 다공체를 포함하는 가스 도관부 ― 상기 다공체는, 구형 산화물 세라믹 입자, 및 상기 구형 산화물 세라믹 입자를 바인딩하도록 구성되는 혼합 산화물을 포함함 ―; 및
상기 세라믹 기판 내에 배치된 정전 전극을 포함한다.
예시적인 실시예에 따른 소결체를 제조하는 방법은,
소결 세라믹 기판을 준비하는 단계;
상기 세라믹 기판에 관통 구멍을 형성하는 단계;
상기 관통 구멍에, 구형 산화물 세라믹 입자 및 혼합 산화물을 포함하는 페이스트로 충전하는 단계; 및
상기 페이스트를 소결함으로써, 상기 혼합 산화물에 의해 바인딩된 상기 구형 산화물 세라믹 입자를 포함하는 다공체를 상기 관통 구멍 내에 형성하는 단계를 포함한다.
다음의 개시에 따르면, 소결체에 있어서, 다공체는 산화물 입자를 소결시켜 형성된 세라믹 기판의 관통 구멍 내에 배치된다.
소결체는, 소결 세라믹 기판의 관통 구멍을 형성하고 그 관통 구멍에 다공체의 전구체인 다공체용 페이스트를 충전해서 소결함으로써 얻어진다.
이 경우, 세라믹 기판의 관통 구멍의 내벽으로부터 노출된 복수의 산화물 입자의 측면이 평탄한 면을 형성하고, 이에 따라 관통 구멍의 내벽은 평탄한 면을 갖는다. 따라서, 세라믹 기판의 관통 구멍에 다공체용 페이스트를 충전할 경우, 저항이 작다. 따라서, 관통 구멍에 다공체용 페이스트를 만족스럽게 충전할 수 있다.
또한, 다공체는, 원하는 공극률이 얻어지고 소결 중에 수축이 억제되도록, 구형 산화물 세라믹 입자를 혼합 산화물로 바인딩함으로써 제조된다.
따라서, 세라믹 기판의 관통 구멍에 다공체를 높은 신뢰성으로 배치할 수 있다. 따라서, 가스 도관부로서 다공체를 사용할 경우, 가스 도관부의 형상, 크기, 및 위치의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 예비 기술에 따른 다공체를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 2a 및 도 2b는 각각 일 실시예에 따른 다공체를 갖는 소결체를 나타내는 사시도 및 부분 단면도.
도 3은 비교예의 세라믹 기판의 관통 구멍의 내벽의 양태를 나타내는 단면도.
도 4a 내지 도 4c는 실시예의 소결체의 제조 방법의 제1 부분을 나타내는 단면도.
도 5a 내지 도 5c는 실시예의 소결체의 제조 방법의 제2 부분을 나타내는 단면도.
도 6은 실시예의 정전 척을 나타내는 단면도.
도 7은 구형(spherical) 산화물 세라믹 입자의 공극률과 직경의 관계를 나타내는 그래프.
도 8은 헬륨 가스 압력 강하와 구형 산화물 세라믹 입자의 직경의 관계를 나타내는 그래프.
도 9는 헬륨 가스 유량과 구형 산화물 세라믹 입자의 직경의 관계를 나타내는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 실시예를 설명한다.
실시예들의 설명에 앞서, 그 기초가 되는 예비 기술을 설명한다. 예비 기술에 대한 설명에서는, 발명가의 개인 조사 내용으로서 미공지의 새로운 기술 내용이 포함된다.
정전 척 각각은, 전면(前面) 측에 열전달 가스를 공급하기 위해 형성된 가스 도관부를 갖는다. 드라이 에칭 장치 등에 사용 가능한 정전 척 중 일부는, 가스 도관부에서의 방전을 방지하기 위해 다공체로 구성된 가스 도관부를 갖는다. 이러한 정전 척에 있어서, 다공체는 두께 방향으로 연장되도록 세라믹 기판 내에 배치된다.
다공체를 세라믹 기판 내에 배치하는 방법에 있어서는, 우선 소결 다공체와 소결 기판을 별개로 제조한다.
소결 다공체를 제조하는 방법에 따르면, 미소결의 일반적인 세라믹 조성체에, 미리 정해진 체적 비율을 차지하도록 기공 형성제가 첨가되고, 이어서 소결이 행해지고, 기공 형성제가 제거되어 소결 다공체가 얻어진다. 기공 형성제로서는, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등을 사용할 수 있다.
이러한 방식으로, 다수의 세라믹 입자(100a)가 소결되고 기공 형성제의 작용에 의해 내부에 형성된 기공(P)이 도 1에 나타내는 바와 같이 연결되는 다공체(100)를 얻을 수 있다.
기공 형성제를 사용하는 소결 다공체의 이러한 제조 방법은, 외부와 차단된 폐쇄 기공이 형성되고 기공(P)의 크기를 제어할 수 없다는 문제가 있다.
소결 다공체 및 관통 구멍을 갖는 소결 기판을 별개로 준비하고, 소정 형상으로 가공한다. 그리고, 소결 기판의 관통 구멍에 소결 다공체를 삽입해서 일체화한다. 소결 다공체가 관통 구멍으로부터 빠져나가는 것을 방지하기 위해, 소결 다공체와 소결 기판의 계면에는, 에폭시 수지 등의 접착 매체를 마련한다.
또한, 소결 기판의 관통 구멍 내에 소결 다공체를 삽입하고, 접착 매체를 사용하지 않고, 소결 온도에 가까운 고온으로 가열 처리를 행함으로써 소결 다공체를 고정하는 방법이 있다.
이 방법은, 소결 다공체를 작은 크기로 가공해서 소결 다공체를 소결 기판의 관통 구멍에 정밀하게 삽입하는 데 한계가 있다. 따라서, 세라믹 기판의 관통 구멍의 직경을 약 3㎜보다 작게 줄이는 것은 곤란하다.
또한, 어떠한 접착 매체도 사용하지 않을 경우에는, 소결 다공체를 정밀하게 가공해서 모든 소결 다공체가 소결 기판의 해당 관통 구멍의 내벽 전체에 접촉하도록 삽입할 필요가 있다. 그러나, 이 작업은 현실적으로 어렵다.
모든 소결 다공체가 소결 기판의 해당 관통 구멍의 내벽 전체와 접촉하지 않으면, 서로 고정되는 소결 다공체와 소결 기판의 표면이 불균일해지므로, 소결 다공체 내의 가스의 플로우 특성의 저하를 야기한다.
또한, 소결 다공체를 접착 매체로 고정할 경우, 접착 매체가 플라즈마로 인해 열화되어, 정전 척의 결함을 야기한다.
또한, 다른 방법으로서, 미소결 세라믹 조성체에 관통 구멍을 형성하고, 이 관통 구멍에 다공체의 전구체인 다공체용 페이스트를 충전해서 동시에 소결시키는 방법이 있다.
이 방법에서, 소결 다공체 및 소결 기판은 소결에 의한 제조시 수축한다. 따라서, 소결 다공체의 크기가 관통 구멍의 크기와 일치하기 어려워, 분리가 생기기 쉽다. 따라서, 소결 다공체로 구성되는 가스 도관부의 형상, 크기, 및 위치의 정밀도를 충분히 얻을 수 없다.
또한, 상기 미소결 세라믹 조성체의 관통 구멍의 내벽은 미소한 요철이 있는 표면을 가지기 때문에, 관통 구멍에 다공체용 페이스트를 충전할 경우, 관통 구멍이 불균일하게 충전되기 쉬워, 관통 구멍을 만족스럽게 충전하기 곤란하다.
이하에 설명하는 실시예의 소결체에 따르면, 상술한 문제를 해결할 수 있다.
(실시예)
또한, 도 2a 및 도 2b는 일 실시예의 소결체를 설명하기 위한 도면이고, 도 4a 내지 도 5c는 본 실시예의 소결체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 실시예의 정전 척을 나타내는 도면이다.
도 2a에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 소결체(1)는, 내부에 두께 방향으로 관통 구멍(TH)이 형성된 세라믹 기판(10)과, 이 관통 구멍(TH) 내에 배치되는 다공체(20)를 포함한다. 다공체(20)는 가스 도관부(G)를 구성한다.
도 2b는 도 2a의 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)과, 이 관통 구멍 내에 배치되는 다공체(20)의 양태를 나타내는 부분 확대 단면도이다.
도 2b에 나타내는 바와 같이, 세라믹 기판(10)은 복수의 산화물 입자(10a)를 소결함으로써 제조된다. 산화물 입자(10a)의 바람직한 예는 산화알루미늄 입자이다. 산화물 입자(10a)의 직경은, 예를 들면, 약 5㎛이다.
세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)은, 후술하는 바와 같이 기판을 소결한 후 드릴 등으로 세라믹 기판(10)을 두께 방향으로 보링(boring)해서 형성된다.
따라서, 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)의 내벽으로부터, 복수의 산화물 입자(10a)의 가공면은 해당 면이 수직 방향으로 적층된 상태로 노출된다. 또한, 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)의 내벽으로부터 노출되는 복수의 산화물 입자(10a)의 측면은 평탄한 면을 형성하기 때문에, 관통 구멍(TH)의 내벽은 평탄한 면을 갖는다.
이와 같이, 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)의 벽면에는, 수직 방향으로 적층된 복수의 산화물 입자(10a)의 측면이 평탄한 면(S)을 형성하고 있다.
세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH) 내에 있게 되는 각각의 다공체(20)는, 복수의 구형 산화물 세라믹 입자(22)와, 복수의 구형 산화물 세라믹 입자(22)의 바인딩용 혼합 산화물(24)로 형성되어 있다.
구형 산화물 세라믹 입자(22)의 직경은 30㎛ 내지 1000㎛의 범위에 있고, 바람직하게는 100㎛ 내지 300㎛의 범위에 있다. 구형 산화물 세라믹 입자(22)의 바람직한 예로서, 구형 산화알루미늄 입자가 있다. 또한, 다공체(20)에는 구형 산화물 세라믹 입자(22)가 80중량% 이상(97중량% 이하) 포함되어 있다.
혼합 산화물(24)은 구형 산화물 세라믹 입자(22)의 외면(구면(球面))의 일부에 부착해서 지지한다. 또한, 혼합 산화물(24)은 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)의 내벽에 부착된다. 구형 산화물 세라믹 입자(22)의 직경은, 예를 들면 약 100㎛이다.
이러한 방식으로, 다공체(20) 내에 기공(P)이 형성된다. 다공체(20)에 형성된 기공(P)의 공극률은 다공체(20)의 체적의 20% 내지 50%이다. 기공(P)의 내면으로부터, 구형 산화물 세라믹 입자(22) 및 혼합 산화물(24)의 외면의 일부가 노출된다.
다공체(20) 내의 기공(P)은 가스가 하부 측에서 상부 측으로 통과할 수 있도록 외부와 연결된다.
상술한 바와 같이, 다공체(20)에는, 미리 정해진 공극률이 얻어지도록 구형 산화물 세라믹 입자(22)가 분산되고, 구형 산화물 세라믹 입자(22)의 외면의 일부에는 혼합 산화물(24)이 부착된다.
다공체(20)의 혼합 산화물(24)은 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 및 이트륨으로부터 선택되는 2종 이상의 산화물로 구성될 수 있다.
또한, 다공체(20)는 산화알루미늄을 주성분으로 하여 형성되고, 산화알루미늄의 중량비는 80중량% 내지 97중량%로 설정하는 것이 바람직하다.
세라믹 기판(10)이 산화알루미늄으로 형성될 경우, 세라믹 기판(10)은 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 및 이트륨을 기타 성분으로서 포함한다.
세라믹 기판(10) 중의 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 및 이트륨의 조성비는, 혼합 산화물(24) 중의 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 및 이트륨의 조성비와 동일하게 설정된다.
세라믹 기판(10) 중의 불순물의 조성비를, 상술한 바와 같이 혼합 산화물(24) 중의 불순물의 조성비와 동일하게 설정하면, 다음의 제조 방법으로 소결체를 제조할 경우, 그들 간의 물질 이동(mass transfer)이 일어나지 않는다. 따라서, 세라믹 기판(10)과 다공체(20)의 계면의 평탄성을 확보할 수 있다.
또한, 다공체(20)의 혼합 산화물(24)은 결정질 미립자 물질 및 비정질 물질로 구성된다. 구체적으로는, 소결에 의해 얻어지는 혼합 산화물(24)은 산화실리콘(SiO2), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화알루미늄(Al2O3), 및 산화이트륨(Y2O3)을 포함한다.
혼합 산화물(24)에서, Al2O3, MgO, 및 Y2O3의 중량비를 증가시키면, 커런덤상(corundum phase)(Al2O3), 스피넬상(MgAl2O4), 및 가넷상(3Y2O3-5Al2O3)으로 구성되는 결정질 미립자 물질이 석출된다. SiO2 및 CaO는 비정질 물질로서 제조된다.
혼합 산화물(24)은 커런덤상, 스피넬상, 및 가넷상 중 적어도 하나의 결정질 미립자 물질을 포함하기만 하면 된다.
혼합 산화물(24)에 결정질 미립자 물질을 석출시킴으로써, 내플라즈마성을 향상시킬 수 있다.
또한, 내플라즈마성을 고려할 필요가 없을 경우, 혼합 산화물(24) 전체가 비정질 물질로 구성될 수 있다.
또한, 다공체(20)의 구형 산화물 세라믹 입자(22)는 커런덤상(Al2O3)으로 구성된다.
세라믹 기판(10)의 상면 및 다공체(20)의 상면은 평탄한 면을 형성한다. 또한, 마찬가지로, 세라믹 기판(10)의 하면 및 다공체(20)의 하면은 평탄한 면을 형성한다.
소결체(1)를 정전 척의 척 유닛으로서 사용할 경우, 상면이 평탄한 면이기 때문에, 높은 신뢰성으로 웨이퍼를 흡인할 수 있다.
도 3은 비교예의 세라믹 기판(100)의 관통 구멍(TH)의 내벽의 양태를 나타낸다. 도 3의 비교예에서, 예비 기술에 관해서 기술한 바와 같이, 미소결체 세라믹 조성체의 관통 구멍에 다공체의 전구체인 다공체용 페이스트를 충전하고, 세라믹 조성체와 페이스트를 동시에 소결함으로써, 소결체를 제조한다. 이러한 방식으로, 세라믹 기판(100), 및 관통 구멍 내에 배치된 다공체(200)가 얻어진다.
이 경우, 도 3에 나타내는 바와 같이, 산화물 입자(100a)의 구면은 세라믹 기판(100)의 관통 구멍(TH)의 내벽으로부터 노출된다. 왜냐하면, 관통 구멍(TH)은 소결 후 세라믹 기판(100)을 가공함으로써 형성되지 않고, 미소결 세라믹 조성체 내에 형성되고, 이에 따라 소결 후에도 산화물 입자(100a)의 입자 형상이 유지되기 때문이다.
따라서, 도 3의 비교예에서는, 산화물 입자(100a)가 마이크로미터 정도의 크기를 가지면, 세라믹 기판(100)의 관통 구멍(TH)의 내벽은 연결되는 구면으로 이루어지는 미소 요철이 있는 면(SX)을 갖는다. 따라서, 다공체용 페이스트를 미소결 세라믹 조성체의 관통 구멍에 충전할 경우, 관통 구멍을 충전하는 것이 곤란해, 관통 구멍이 불균일하게 충전되기 쉽다.
본 실시예에서, 상술한 도 2b에 나타내는 바와 같이, 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)의 내벽으로부터 노출되는 복수의 산화물 입자(10a)의 측면은 평탄한 면을 형성한다. 따라서, 관통 구멍에 다공체용 페이스트를 균일하게 충전할 수 있다.
또한, 본 실시예의 다공체(20)에서는, 기공(P)의 내벽으로부터 비교적 조도(roughness)가 낮은 구형 산화물 세라믹 입자(22)의 외면이 노출된다. 또한, 다공체(20)는 원하는 공극률이 얻어지도록 혼합 산화물(24)로 구형 산화물 세라믹 입자(22)를 바인딩함으로써 형성된다. 따라서, 기공(P)의 크기의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 가스 도관부에 가스가 흐를 때, 도관의 마찰 저항을 감소시키고, 압력 손실을 감소시킬 수 있다.
또한, 후술하는 바와 같이, 세라믹 기판(10)을 소결하고, 관통 구멍(TH)에 페이스트를 충전하고, 페이스트를 소결함으로써 다공체(20)를 얻는다. 다공체(20)는 소결 중에 거의 수축하지 않는 상태로 제작된다.
따라서, 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)의 크기를 작게 할 수 있고, 다공체(20)로 구성되는 가스 도관부(G)의 형상, 크기, 및 위치의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
이하, 다공체(20)를 갖는 도 2a 및 도 2b의 상술한 소결체(1)의 제조 방법을 설명한다.
(제1 예의 제조 방법)
제1 예의 제조 방법에서, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 우선, 두께 약 5㎜, 순도 94%의 산화알루미늄 기판(11)을 준비한다.
산화알루미늄 기판(11)은 약 1500℃의 온도에서 세라믹 조성체를 소결함으로써 얻을 수 있는 소결체이다. 산화알루미늄 기판(11)은 상대 밀도가 90% 이상이 되도록 소결된다. 산화알루미늄 기판(11)은 상술한 도 2b의 세라믹 기판(10)의 일례이다.
계속해서, 도 4b에 나타내는 바와 같이, 산화알루미늄 기판(11)을 두께 방향으로 드릴로 보링함으로써 관통 구멍(TH)이 형성된다.
결과적으로, 도 2b를 참조해서 상술한 바와 같이, 산화알루미늄 기판(11)을 구성하는 산화알루미늄 입자(도시 생략)의 측면, 즉 입자의 절단면은 평탄한 면을 형성하고, 관통 구멍(TH)의 내벽은 평탄한 면(S)을 갖는다. 산화알루미늄 입자는 상술한 도 2b의 산화물 입자(10a)의 예이다.
관통 구멍(TH)의 직경은, 예를 들면, 1㎜ 내지 3㎜이다. 산화알루미늄 기판(11)의 복수의 관통 구멍(TH)은 동일한 직경을 갖거나 또는 상이한 직경을 가질 수 있다.
드릴 대신에, 레이저를 사용해서 산화알루미늄 기판(11)에 관통 구멍(TH)을 형성할 수 있다. 이 경우에도, 유사하게, 관통 구멍(TH)의 내벽은 평탄한 면을 갖는다.
계속해서, 도 4c에 나타내는 바와 같이, 산화알루미늄 기판(11)은 릴리스 시트(도시 생략)를 사이에 두고 스테이지(5) 상에 탑재된다. 또한, 도 2b를 참조해서 상술한 다공체(20)의 전구체로서 페이스트(20a)를 준비한다.
페이스트(20a)는 직경 10㎛의 구형 산화물 세라믹 입자를 83.3중량% 포함한다. 페이스트(20a)의 다른 성분은 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 알루미늄(Al), 및 이트륨(Y)의 다섯 가지 성분을 포함하는 산화물, 유기 바인더, 및 용매로 구성된다.
유기 바인더로서는, 폴리비닐부티랄이 사용될 수 있다. 용제로서는 알코올이 사용될 수 있다.
구형 산화알루미늄 입자는 상술한 도 2b의 구형 산화물 세라믹 입자(22)의 예이다.
또한, 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 및 이트륨의 다섯 가지 성분을 포함하는 산화물이 상술한 도 2b의 혼합 산화물(24)의 물질의 예이다.
이어서, 페이스트(20a)를 스퀴지(6)에 의해 횡 방향으로 쓸어, 산화알루미늄 기판(11)의 관통 구멍(TH)에 페이스트(20a)를 충전한다.
이러한 방식으로, 산화알루미늄 기판(11)의 복수의 관통 구멍(TH)은 도 5a에 나타내는 바와 같이 페이스트(20a)로 충전된다.
산화알루미늄 기판(11)은 이미 소결되어 있으므로, 후속하는 소결 공정에서 수축 등에 의해 기판이 변형되지 않는다. 따라서, 관통 구멍(TH)의 크기 및 위치의 변화를 방지할 수 있다. 또한, 산화알루미늄 기판(11)의 관통 구멍(TH)이 3㎜ 이하의 작은 직경을 가질 경우에도, 관통 구멍(TH)에 페이스트(20a)를 쉽게 충전할 수 있다.
계속해서, 도 5b에 나타내는 바와 같이, 페이스트(20a)는 산화알루미늄 기판(11)의 소결 온도보다 약 100℃ 낮은 약 1400℃의 온도에서 소결되어, 다공체(20)가 산화알루미늄 기판(11)의 관통 구멍(TH) 내에 형성된다.
이때, 상술한 바와 같이, 산화알루미늄 기판(11) 및 페이스트(20a)의 혼합 산화물은 동일한 조성비의 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 및 이트륨을 갖는다.
따라서, 소결 동안, 산화알루미늄 기판(11)과 페이스트(20a) 사이에서 물질 이동이 일어나지 않는다. 따라서, 다공체(20)와 산화알루미늄 기판(11)의 관통 구멍(TH)의 내벽의 계면의 평탄성을 확보할 수 있다.
또한, 이 때, 다공체(20)는 산화알루미늄 기판(11)의 관통 구멍(TH)의 상단으로부터 상방으로 돌출하도록 형성된다.
이 때문에, 산화알루미늄 기판(11)과 다공체(20)의 상면에서 표면 연삭을 행함으로써, 산화알루미늄 기판(11)의 상면과 다공체(20)의 상면을 평탄화해서, 도 5c에 나타내는 바와 같이 평탄한 면을 형성한다.
또한, 필요에 따라, 산화알루미늄 기판(11)과 다공체(20)의 하면에도 표면 연삭을 행함으로써, 하면을 평탄화한다.
이러한 방식으로, 산화알루미늄 기판(11)의 관통 구멍(TH)에 다공체(20)가 배치됨으로써, 가스 도관부(G)가 얻어진다.
상술한 도 2b에 나타내는 바와 같이, 다공체(20)는 구형의 산화물 세라믹 입자(22), 및 입자의 바인딩용 혼합 산화물(24)로 형성되고, 혼합 산화물(24)은 산화알루미늄 기판(11)의 관통 구멍(TH)의 내벽에 부착된다.
이러한 방식으로, 다공체(20)로 구성되는 가스 도관부(G)를 갖는 소결체(1)가 제조된다.
상술한 바와 같이, 제1 예에서, 구형 산화알루미늄 입자는 상술한 도 2b의 구형 산화물 세라믹 입자(22)로서 사용된다. 또한, 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 및 이트륨의 다섯 가지 성분의 산화물이 도 2b의 혼합 산화물(24)로서 사용된다.
실제로 제1 예의 제조 방법에 의해 다공체(20)를 제조했을 경우, 공극률은 31%였다.
(제2 예의 제조 방법)
제2 예의 제조 방법에서, 도 4a 및 도 4b를 참조해서 제1 예에서 설명한 바와 같이, 우선 산화알루미늄 기판(11)에 관통 구멍(TH)이 형성된다.
제2 예에서 사용되는 페이스트(20a)는 직경 100㎛의 구형 산화알루미늄 입자를 87.0중량% 포함한다. 페이스트(20a)의 다른 성분은 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 및 이트륨의 네 가지 성분을 포함하는 산화물, 유기 바인더, 및 용매로 구성된다.
계속해서, 도 4c 내지 도 5b를 참조해서 제1 예에서 설명한 바와 같이, 산화알루미늄 기판(11)의 관통 구멍(TH)은 페이스트(20a)로 충전되고 소결이 행해짐으로써, 다공체(20)가 형성된다. 계속해서, 도 5c를 참조해서 제1 실시예에서 설명한 바와 같이, 산화알루미늄 기판(11)의 상면 및 다공체(20)의 상면은 표면 연삭에 의해 평탄한 면을 형성하도록 평탄화된다.
이러한 방식으로, 산화알루미늄 기판(11)의 관통 구멍(TH)에 다공체(20)가 배치됨으로써, 가스 도관부(G)가 얻어진다.
제2 실시예에서, 구형 산화알루미늄 입자는 상술한 도 2b의 구형 산화물 세라믹 입자(22)로서 사용된다. 또한, 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 및 이트륨의 네 가지 성분의 산화물이 도 2b의 혼합 산화물(24)로서 사용된다.
실제로 제2 예의 제조 방법에 의해 다공체(20)를 제조했을 경우, 공극률은 38%였다.
(제3 예의 제조 방법)
제3 예의 제조 방법에서, 도 4a 및 도 4b를 참조해서 제1 실시예에서 설명한 바와 같이, 우선 산화알루미늄 기판(11)에 관통 구멍(TH)을 형성한다.
제2 예에서 사용된 페이스트(20a)는 직경 100㎛의 구형 산화알루미늄 입자를 95.2중량% 포함한다. 페이스트(20a)의 다른 성분은 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 및 이트륨의 네 가지 성분을 포함하는 산화물, 유기 바인더, 및 용매로 구성된다.
계속해서, 도 4c 내지 도 5b를 참조해서 제1 예에서 설명한 바와 같이, 산화알루미늄 기판(11)의 관통 구멍(TH)은 페이스트(20a)로 충전되고, 소결이 행해짐으로써, 다공체(20)가 형성된다. 계속해서, 도 5c를 참조해서 제1 예에서 설명한 바와 같이, 산화알루미늄 기판(11)의 상면 및 다공체(20)의 상면은 표면 연삭에 의해 평탄한 면을 형성하도록 평탄화된다.
이러한 방식으로, 산화알루미늄 기판(11)의 관통 구멍(TH) 내에 다공체(20)가 배치됨으로써, 가스 도관부(G)가 얻어진다.
제3 예에서, 구형 산화알루미늄 입자는 상술한 도 2b의 구형 산화물 세라믹 입자(22)로서 사용된다. 또한, 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 및 이트륨의 네 가지 성분의 산화물이 도 2b의 혼합 산화물(24)로서 사용된다.
실제로 제3 예의 제조 방법에 의해 다공체(20)를 제조했을 경우, 공극률은 40%였다.
(제4 예의 제조 방법)
제4 예의 제조 방법에서, 도 4a 및 도 4b를 참조해서 제1 예에서 설명한 바와 같이, 산화알루미늄 기판(11)에 관통 구멍(TH)이 형성된다.
제4 예에서 사용된 페이스트(20a)는 직경 100㎛의 구형 산화알루미늄 입자를 94.1중량% 포함한다. 페이스트(20a)의 다른 성분은 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 및 이트륨의 다섯 가지 성분을 포함하는 산화물, 유기 바인더, 및 용매로 구성된다.
계속해서, 도 4c 내지 도 5b를 참조해서 제1 예에서 설명한 바와 같이, 산화알루미늄 기판(11)의 관통 구멍(TH)은 페이스트(20a)로 충전되고, 소결이 행해짐으로써, 다공체(20)가 형성된다. 계속해서, 도 5c를 참조해서 제1 실시예에서 설명한 바와 같이, 산화알루미늄 기판(11)의 상면 및 다공체(20)의 상면은 표면 연삭에 의해 평탄한 면을 형성하도록 평탄화된다.
이러한 방식으로, 산화알루미늄 기판(11)의 관통 구멍(TH) 내에 다공체(20)가 배치됨으로써, 가스 도관부(G)가 얻어진다.
제4 예에서, 구형 산화알루미늄 입자는 상술한 도 2b의 구형 산화물 세라믹 입자(22)로서 사용된다. 또한, 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 및 이트륨의 다섯 가지 성분의 산화물이 도 2b의 혼합 산화물(24)로서 사용된다.
실제로 제4 예의 제조 방법에 의해 다공체(20)를 제조했을 경우, 공극률은 37%였다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 소결체(1)의 다공체(20)는, 소결 세라믹 기판(10)에 관통 구멍(TH)을 형성하고, 관통 구멍(TH)에 페이스트(20a)를 충전해서 소결함으로써 얻어진다.
따라서, 미소결 세라믹 기판(10)과 다공체용 페이스트를 동시에 소결해서 다공체(20)를 제조할 경우와 달리, 산화물 입자(10a)의 절단면은 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)의 내벽의 평탄한 면(S)을 형성한다.
또한, 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)에 별개로 소결 다공체를 배치하는 방법과 달리, 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)과 다공체(20) 사이에 에폭시 수지 등의 접착 매체를 마련할 필요가 없다.
따라서, 정전 척 내에 소결체(1)를 사용할 경우, 플라즈마로 인해 열화되기 쉬운 접착 매체가 없기 때문에, 정전 척의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 다공체(20)의 기공(P)의 형성은, 실제로 구형 산화물 세라믹 입자(22)로 충전된 관통 구멍의 상태 및 이들 입자를 바인딩하는 혼합 산화물(24)의 분산에 의해 규정된다.
따라서, 페이스트(20a) 중의 구형 산화물 세라믹 입자(22)의 중량비 등을 제어함으로써, 소결 중 다공체(20)가 수축하기 어렵게 할 수 있다.
상술한 제1 내지 제4 예의 제조 방법에 예시된 바와 같이, 페이스트(20a) 중의 구형 산화알루미늄 입자(도 2b의 구형 산화물 세라믹 입자(22))의 중량비는 80중량% 이상으로 설정된다. 그 결과, 소결 중에 수축하기 어려운 다공체(20)가 얻어진다.
따라서, 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)의 내벽 전체에 다공체(20)를 갭 및 분리 없이 높은 신뢰성으로 부착할 수 있다. 또한, 다공체(20)로 구성된 가스 도관부(G)의 형상, 크기, 및 위치의 정밀성을 향상시킬 수 있다. 또한, 다공체(20)의 공극률을 설계하는 것이 가능해지고, 원하는 공극률을 갖는 가스 도관부(G)를 얻을 수 있다.
또한, 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)이 3㎜ 이하의 작은 직경을 갖는 경우에도, 관통 구멍에 페이스트(20a)를 충전하는 방법에 의해 관통 구멍(TH) 내에 다공체(20)로 구성된 가스 도관부(G)를 높은 신뢰성으로 형성할 수 있다.
다음으로, 구형 산화물 세라믹 입자의 직경에 대한 다공체의 공극률, 가스 도관부의 헬륨 가스 압력 강하 및 헬륨 가스 유량에 관해서 설명한다.
상기 예의 제조 방법에 의거하여 각각 직경 100㎛, 200㎛, 300㎛의 구형 산화알루미늄 입자를 94중량% 포함하는 페이스트를 사용해서 3개의 가스 도관부를 얻었고, 그들 다공체의 공극률, 가스 도관부의 헬륨 가스 압력 강하 및 헬륨 가스 유량을 측정했다. 각각의 결과를 도 7 내지 도 9에 나타낸다. 헬륨 가스 압력 강하 및 헬륨 가스 유량은 헬륨 공급 압력, 관통 구멍 직경 및 가스 도관부의 길이 등의 파라미터에 의해 변하기 때문에, 도 8 및 도 9는 이들 파라미터가 동일하게 설정된 경우의 상대 값을 나타낸다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 입경의 변화에 기인하는 다공체의 공극률의 변화는 작았다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 가스 도관부의 헬륨 가스 압력 강하에서, 입자 직경이 증가함에 따라 압력 강하의 값은 감소하였다. 가스 도관부의 헬륨 가스 유량에서, 도 9에 나타내는 바와 같이, 입자 직경이 증가함에 따라 유량의 값은 증가했다. 이들 결과로부터, 동일 조성 또는 동일 전도에서도 구형 산화물의 입경을 변화시킴으로써 가스 유량을 효과적으로 변화시킬 수 있음을 확인했다.
다음으로, 상술한 도 2a 및 도 2b의 소결체(1)를 사용하는 정전 척에 대해서 설명한다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 정전 척(2)에서, 상술한 도 2a 및 도 2b에 나타난 구조를 갖는 소결체(1)가 알루미늄 등으로 형성된 베이스판(40) 상에 배치된다.
상술한 바와 같이, 소결체(1)는 세라믹 기판(10), 및 이 세라믹 기판을 두께 방향으로 관통해 형성되는 관통 구멍 내에 배치된 다공체(20)를 갖는다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 소결체(1)를 정전 척(2)의 척 유닛으로서 사용할 경우, 세라믹 기판(10)의 내부에는, 정전 전극(30) 및 정전 전극과 접속되는 배선 단자(32)가 배치된다. 배선 단자(32)는 정전 전극(30)의 하면으로부터 세라믹 기판(10)의 하면까지 연장된다.
정전 전극(30) 및 배선 단자(32)가 내부에 배치된 세라믹 기판(10)은, 세라믹 기판(10) 형성용 그린 시트에 정전 전극(30) 및 배선 단자(32)가 되는 재료를 마련하고 그 적층물을 소결함으로써 얻어진다. 정전 전극(30) 및 배선 단자(32)의 재료로서는, 텅스텐 페이스트 등을 사용할 수 있다.
베이스판(40)은 세라믹 기판(10) 내에 형성된 다공체(20)에 접속되도록 판을 관통해 가스 공급 구멍(42)이 형성된다. 또한, 베이스판(40)은, 세라믹 기판(10)의 하면으로부터 노출되는 배선 단자(32)에 릴레이 배선 라인(44)이 접속된다.
소결체(1)의 세라믹 기판(10) 및 베이스판(40)은 실리콘 접착제 등에 의해 접착된다.
또한, 정전 척(2)의 세라믹 기판(10)에는, 흡착 대상물로서 웨이퍼(50)가 탑재된다. 그 후, 외부 전원으로부터 베이스판(40)의 릴레이 배선 라인(44) 및 세라믹 기판(10)의 배선 단자(32)를 통해 정전 전극(30)에 미리 정해진 전압이 인가된다.
그 후, 웨이퍼(50)는 세라믹 기판(10)과 웨이퍼(50) 사이에서 발생되는 힘에 의해 정전 척(2)에 정전 흡인된다.
그 후, 베이스판(40)의 가스 공급 구멍(42)으로부터 세라믹 기판(10) 내에 형성된 다공체(20)로 구성되는 가스 도관부(G)에 열전달 가스가 공급된다. 열전달 가스로서는, 헬륨(He) 등의 불활성 가스를 사용할 수 있다.
또한, 정전 척(2)의 이면에 접촉하도록 냉각 재킷 및 히터 등의 온도 조정 수단을 설치하고, 웨이퍼(50)의 온도를 온도 조정 수단에 의해 정전 척(2)을 통해 원하는 온도로 조정한다.
이 때, 정전 척(2)과 웨이퍼(50) 사이에 열전달 가스를 공급함으로써, 정전 척(2)에 의해 웨이퍼(50)를 효율적으로 냉각하거나, 가열된 정전 척(2)의 열을 웨이퍼(50)에 효율적으로 전달할 수 있다.
본 실시예의 정전 척(2)에서, 가스 도관부(G)는 다공체로 구성된다. 따라서, 정전 척을 플라즈마 장치에서 사용할 경우, 가스 도관부(G)에서의 방전을 방지할 수 있고, 정전 척의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)의 내벽은 평탄한 면(S)을 갖고, 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH) 내에 배치된 다공체(20)는 구형 산화물 세라믹 입자(22) 및 이들 입자의 바인딩용 혼합 산화물(24)로 형성된다.
따라서, 가스 도관부(G)에서 열전달 가스가 흐를 때, 도관의 마찰 저항을 줄여서 압력 손실을 줄일 수 있다.
따라서, 가스 도관부(G)가 다공체(20)로 구성될 경우에도, 정전 척(2)과 웨이퍼(50) 사이에 열전달 가스를 충분히 공급할 수 있고, 이에 따라 높은 신뢰성으로 웨이퍼(50)의 온도 조정을 행할 수 있다.
또한, 세라믹 기판(10)의 관통 구멍(TH)의 내벽과 다공체(20) 사이에는, 플라즈마로 인해 열화되기 쉬운 접착 매체가 없다. 따라서, 정전 척을 플라즈마 장치에 적용했을 경우에 정전 척의 수명을 증가시킬 수 있고, 다양한 장치의 프로세스 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 실시예의 정전 척(2)은 반도체 웨이퍼에 대한 공정 및 액정 디스플레이용 소자 기판의 공정 등의 다양한 공정을 위한 드라이 에칭 장치, CVD 장치, 및 PVD 장치 등의 다양한 장치에서 바람직하게 사용될 수 있다.
또한, 본 실시예의 소결체(1)는 정전 척뿐만 아니라 필터 등의 다양한 다른 장치에도 적용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 소결(sintered) 산화물 입자를 포함하는 세라믹 기판;
    상기 세라믹 기판에 형성되는 관통 구멍 ― 상기 관통 구멍의 내벽으로부터 노출된 상기 산화물 입자의 측면은 평탄한 면을 형성함 ―; 및
    상기 관통 구멍 내에 배치되는 다공체(porous body) ― 상기 다공체는, 구형(spherical) 산화물 세라믹 입자, 및 상기 구형 산화물 세라믹 입자를 바인딩(binding)하도록 구성되는 혼합 산화물을 포함함 ― 를 포함하는
    소결체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공체 중의 구형 산화물 세라믹 입자의 중량비는 80중량% 이상인 소결체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다공체의 혼합 산화물은 결정질 미립자 물질 및 비정질 물질로 형성되는 소결체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 결정질 미립자 물질은 커런덤상(corundum phase), 스피넬상, 및 가넷상 중 적어도 하나를 포함하는 소결체.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다공체의 혼합 산화물은 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 및 이트륨으로부터 선택되는 2종 이상의 산화물로 형성되는 소결체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 세라믹 기판은 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 및 이트륨을 포함하는 산화알루미늄 기판이고,
    상기 다공체의 혼합 산화물 중의 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 및 이트륨의 조성비는, 세라믹 기판 중의 실리콘, 마그네슘, 칼슘, 및 이트륨의 조성비와 동일한 소결체.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다공체의 구형 산화물 세라믹 입자는 커런덤상을 포함하는 소결체.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다공체의 공극률은 20% 내지 50%인 소결체.
  9. 소결 산화물 입자를 포함하는 세라믹 기판;
    상기 세라믹 기판에 형성되는 관통 구멍 ― 상기 관통 구멍의 내벽으로부터 노출된 상기 산화물 입자의 측면은 평탄한 면을 형성함 ―; 및
    상기 관통 구멍 내에 배치되는 다공체를 포함하는 가스 도관부 ― 상기 다공체는, 구형 산화물 세라믹 입자, 및 상기 구형 산화물 세라믹 입자를 바인딩하도록 구성되는 혼합 산화물을 포함함 ―; 및
    상기 세라믹 기판 내에 배치된 정전 전극을 포함하는
    정전척.
  10. 소결 세라믹 기판을 준비하는 단계;
    상기 세라믹 기판에 관통 구멍을 형성하는 단계;
    상기 관통 구멍에, 구형 산화물 세라믹 입자 및 혼합 산화물을 포함하는 페이스트를 충전하는 단계; 및
    상기 페이스트를 소결함으로써, 상기 혼합 산화물에 의해 바인딩된 상기 구형 산화물 세라믹 입자를 포함하는 다공체를 상기 관통 구멍 내에 형성하는 단계를 포함하는
    소결체의 제조 방법.
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