KR20190110023A - 경취성 재료로 만들어진 가공물의 표면처리 방법 - Google Patents

경취성 재료로 만들어진 가공물의 표면처리 방법 Download PDF

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KR20190110023A
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Abstract

경취성(hard-brittle) 재료로 만들어진 가공물의 표면처리 방법은, 돌기들 및 상기 돌기들 사이에 형성된 오목부들을 갖는 3차원 요철 형상을 상기 가공물의 표면에 형성하기 위해 상기 가공물의 기재의 경도보다 높은 경도의 연마 입자들을 이용하는 제 1 블라스팅, 및 상기 제 1 블라스팅에 의해 형성된 상기 요철 형상을 유지하면서 상기 가공물상의 돌기들 및 오목부들의 표면에 1.6 μm 이하의 산술평균 거칠기(Ra)를 얻도록 상기 요철 형상이 형성된 가공물의 표면을 폴리싱하기 위해 연마 입자들이 낮은 반동 탄성을 갖는 탄성체로 만들어진 탄성체 상 및/또는 내에 보유된 구조를 갖는 탄성 연마재를 이용하는 제 2 블라스팅을 포함한다.

Description

경취성 재료로 만들어진 가공물의 표면처리 방법{METHOD FOR SURFACE TREATMENT OF WORKPIECE MADE FROM HARD-BRITTLE MATERIAL}
본 발명은 경취성(hard-brittle) 재료로 만들어진 가공물의 표면처리 방법에 관한 것이다. 예를 들어, 본 발명은 정전 척(electrostatic chuck) 장치 상에 마련된 세라믹 유전층의 기판 흡착면 상에 다수의 미세 돌기들을 형성하고, 그 미세 돌기들이 흡착면 상에 형성된 후에 기판 흡착면을 폴리싱하는 표면처리 방법에 관한 것이다. 이 방법에서는, 세라믹처럼 단단하면서 부서지기 쉬운(경취성) 재료로 만들어진 가공물의 표면이 대략 수십 μm 내지 수 mm의 폭을 갖는 미세 돌기들 및 오목부로 구성된 3차원 요철 형상으로 처리된다. 그리고 3차원 형상으로 처리된 가공물의 표면이 3차원 형상을 유지하면서 폴리싱된다.
경취성 재료로 만들어진 물품의 일 예로서 반도체를 제조하는 공정에서 사용되는 정전 척 장치의 흡착면을 구성하는 유전층의 일 예를 개시할 것이다.
반도체의 제조 또는 제작에 있어서, 반도체 웨이퍼, 유리 등 같은 기판이 서셉터(susceptor)라고 불리는 고정체 상에 놓여지고, 기판이 처리 장비 내부에 고정 상태로 고정된 상태로 막 형성, 노광 및 에칭 같은 다양한 공정들이 실시된다. 기판을 서셉터 상으로 당겨서 기판을 그 상면에 고정하기 위해 정전 척 같은 고정 장치가 기판 흡착면 상에 제공된다.
이런 정전 척(10)은 예를 들어 도 6에 도시되어 있는 것처럼 구성된다. 정전 척(10)은 전극으로서 기능하는 금속 전극층(12), 및 세라믹으로 만들어지며 기판(15)을 그 상면에 부착하기 위한 흡착면을 형성하는 유전층(13)을 포함한다. 기판(15)이 흡인에 의해 유전층(13)의 표면쪽으로 당겨지게 하여 금속 전극층(12)과 기판(15) 사이에서 발생하는 쿨롱힘에 의해 유전층 상에 고정되게 하기 위해 전극층(12) 및 기판(15)을 통해 예를 들어 전압이 인가된다.
이런 유전층(13)의 기판 흡착면에는 편평한 형상이 형성된다. 그러나 기판과의 접촉면적을 줄여서 누출 전류를 줄이기 위해(특허문헌 1의 [0004] 단락 참조) 또는 유전층과 기판 사이에 가열 매체로서 기능하는 가스를 도입하여 기판의 가열 균일성을 향상시키기 위해(특허문헌 2의 [0067] 단락 참조), 세라믹 유전층의 기판 흡착면이 다수의 미세 돌출부들 및 홈들이 형성된 3차원 요철면으로 형성된다(특허문헌 1 및 2 참조).
반도체 제품의 수율 및 신뢰성에 유해한 영향을 주는 입자들(이물질 입자들) 같은 미세 오염물의 발생을 피하기 위한 반도체 제조에서의 요구가 있다. 이는 이런 정전 척의 유전층의 흡착면은 바람직하게는 입자들이 발생하기 쉽지 않은 상태를 얻도록 처리된다는 것을 의미한다.
도 7에 확대도로 도시한 바와 같이, 유전층(13)의 기판 흡착면의 표면 거칠기가 거칠고 다수의 예리한 피크들이 거칠기 형상에서 미시적으로 나타날 때, 거칠기 형상에서의 이런 피크부들(t)은 분리되어 입자들을 형성할 수 있다.
유전층(13)의 표면 상의 오목부들 및 돌기들에 있어서, 돌기들(21)의 상면(22)의 단부에 형성된 예리한 엣지들(e)이 있을 때, 이런 예리한 엣지들(e)은 쉽게 분리되어 입자들이 발생할 수 있다.
따라서, 이런 입자들의 발생을 억제하기 위해서, 유전층(13)의 기판 흡착면이 바람직하게는 폴리싱에 의해 매끈하게 되고, 엣지들(e)이 바람직하게는 폴리싱에 의해 둥글게 된다.
특허문헌 2는 숫돌을 이용하는 폴리싱과 연마 입자들이 현탁되어 있는 연마재(랩핑제)를 이용하는 랩핑 공정을 포함하는, 이런 유전층의 폴리싱 방법을 개시한다(특허문헌 2의 [0068] 단락).
정전 척(10)의 유전층(13)을 폴리싱하는 방법과는 관련 없지만, 유리, 실리콘 웨이퍼 또는 세라믹 기판 같은 경취성 재료로 만들어진 기판의 폴리싱 방법에 대한 제안이 있다. 이 방법에서, 폴리싱은 가공물의 피처리면과 기공들을 갖는 다공질체로 만들어진 연마 입자들이 고정된 고정 연마 입자 폴리싱 공구 사이에 자유 연마 입자 슬러리를 도입함으로써 실시된다(특허문헌 3 참조).
도 8에 도시된 바와 같이, 기층(31)의 일측면에 형성된 좌대(32)에 제공된 기둥형 또는 절두형 팁부들(33)을 갖는 폴리싱 패드(30)를 이용하여 폴리싱을 실시하는 유리, 세라믹 및 금속의 폴리싱 방법에 대한 제안도 있다(특허문헌 4 참조).
또한, 정전 척의 유전층의 폴리싱과는 관계 없지만, 본 출원의 출원인은 경취성 재료로 만들어진 기판의 측부들을 폴리싱하는 방법과 관련된 출원서를 제출하였다. 이 방법에서, 탄성 기재 속에 분산된 폴리싱용 연마 입자들을 갖거나 탄성 기재의 표면에 부착된 폴리싱용 연마 입자들을 갖는 탄성 연마재가 방출 노즐로부터 압축 가스와 함께 경취성 재료로 만들어진 기판으로 구성된 가공물의 측부쪽으로 방출되므로, 탄성 연마재가 측부에 충돌하여 가공물의 측부를 폴리싱하게 된다. 상기 출원은 이미 특허로 허가되었다(특허문헌 5).
또한 탄성 연마제를 사용하는 몰드의 표면처리 방법에 대한 제안도 있다. 이 방법에서는, 제조된 몰드의 표면에 제 1 블라스팅을 실시하여 그 표면 상에 생성된 경화층의 제거 및/또는 표면 거칠기의 조정을 행한다. 그리고, 제 2 블라스팅을 실시하여 그 표면 상에 미세 오목부들 및 돌기들을 형성한 후, 제 3 블라스팅을 실시하여 그 표면 상에 형성된 오목부들 및 돌기들의 피크부를 제거하는 추가의 평탄화 공정을 실시한다. 제 3 블라스팅에 있어서, 탄성체 속에 반죽된 연마 입자들 및/또는 탄성체의 표면 내 및/또는 상에 보유된 연마 입자들을 갖는 탄성 연마재가 몰드의 표면에 대하여 기울어진 방출 각도로 방출되어 방출된 연마재가 몰드의 표면 위로 슬라이드하게 한다 (특허문헌 6의 청구항 1 및 2 참조).
특허문헌 2에 설명된 숫돌을 이용한 폴리싱 및 랩핑 공정, 및 특허문헌 3에 설명된 폴리싱 방법은 각각 평면에 대한 폴리싱 방법이며, 평면을 갖는 정전 척의 유전층을 폴리싱하는데 적절히 적용된다.
그러나, 전술한 바와 같이 다수의 미세 돌출부들이 상면에 형성된 3차원 요철 형상이 유전층(13)의 표면에 형성될 때, 도 7에 도시된 바와 같이 오목부들 및 돌기들 중의 돌기들(21)의 상면(22)은 숫돌을 사용하는 폴리싱이나 랩핑 공정에서 폴리싱될 수 있지만, 돌기들(21)의 측면(23)도 오목부들(24)의 바닥면(25)도 폴리싱될 수 없다. 그 결과, 이런 부분들의 표면 거칠기가 원래의 거친 상태로 남게 되어 전술한 바와 같이 이런 부분들로부터 입자들이 생성될 수 있다.
특허문헌 4에 설명된 폴리싱 패드(30)을 이용하는 폴리싱에 있어서는(도 8 참조), 폴리싱면의 표면이 곡면 등으로 굽어지거나 파형을 갖는 경우라도, 폴리싱 패드(30)의 기층(31)을 변형시켜서 폴리싱면의 형상 변화에 맞춤에 의해 폴리싱 패드(30)의 선단부들(33)이 폴리싱면과 접촉하고 있는 상태가 폴리싱 중에 유지될 수 있다.
그러나, 폴리싱면이 전술한 바와 같이 그 상면에 미세한 오목부들 및 돌기들이 형성됨에 의한 3차원 형태를 가질 때, 폴리싱 패드(30)의 선단부들(33)은 오목부들(24) 속으로 들어갈 수가 없고 따라서 돌기들(21)의 측면(23)과 오목부들(24)의 바닥면(25)은 이 방법으로 폴리싱될 수 없다.
게다가, 전술한 폴리싱 방법들의 각각에서 돌기들(21)의 상면(22)에 폴리싱이 집중되기 때문에, 전술한 폴리싱 방법들은 초기의 요철 형상을 유지하면서 폴리싱할 수가 없는데, 이는 폴리싱 전에 가공물의 표면에 형성된 요철 형상이 폴리싱에 의해 변하기 때문이다.
게다가, 유전층(13)에 오목부들 및 돌기들을 형성하는 상기 폴리싱 방법들의 각각에 있어서는, 이후의 폴리싱과 비교하여 완전히 다른 방법, 장치 및 장비들이 이용된다. 이는 처리 공정들을 복잡하게 만들어서 결국 각 처리에 필요한 처리 장비 등을 제공하기 위한 높은 초기 투자 요건이 된다.
특허문헌 5는 경취성 재료인 유리로 만들어진 기판의 단부(측면)를 탄성 연마재로 유리를 블라스팅함으로써 마감 거울면으로 폴리싱하는 것을 개시한다.
그러나, 특허문헌 5에서 폴리싱된 유리 기판의 단부들(측면들)은 그 상면에 돌출부 등이 형성되지 않은 편평한 평면이나 곡면이며, 정전 척(10)의 유전층(13)의 표면 같은 다수의 오목부들 및 돌기들이 형성된 3차원 형상을 갖는 표면이 아니다.
게다가, 제 2 블라스팅에 의해 미세 오목부들 및 돌기들이 형성된 후에 금속 몰드의 표면에 대하여 탄성 연마재를 사용하여 블라스팅(제 3 블라스팅)을 실시하는 특허문헌 6의 구성의 개시가 있다. 그러나 제 3 블라스팅은 제 2 블라스팅에 의해 형성된 오목부들 및 돌기들의 피크부들을 스크래핑함으로써 평탄화하는데 제 3 블라스팅을 이용한다. 따라서, 이는 제 2 블라스팅에 의해 형성된 요철 형상을 유지하면서 돌기들의 측면과 오목부들의 바닥면을 폴리싱하는 방법과는 관계 없다.
따라서, 상면에 제공된 요철 형상을 유지하면서 돌기들의 상면뿐만 아니라 돌기들의 측면과 오목부들의 바닥면도 폴리싱할 수 있도록, 미세 돌출부들이 형성된 요철면이 제공된 가공물의 표면에 그리고 특히 전술한 정전 척의 유전층 같은 반도체 제조 장치에 이용되는 고정 장치의 기판 흡착면에 실시되는 폴리싱 방법이 요구된다.
특허문헌 1: 일본국 특개 제 2002-334920호 특허문헌 2: 일본국 특개 제 2008-112751호 특허문헌 3: 일본국 특개 제 2006-192546호 특허문헌 4: 일본국 특개 제 2014-018893호 특허문헌 5: 일본국 특허 제 5793014호 특허문헌 6: 일본국 특허 제 5606824호
본 발명은 전술한 종래 기술의 결점들을 해결하도록 구성된 것으로서, 가공물의 표면 상에 미세 돌출부 등을 갖는 3차원 요철 형상을 형성할 수도 있고 비교적 간단하고 유사한 타입의 작업을 이용하여 요철 형상이 형성된 가공물의 표면을 폴리싱할 수도 있는, 경취성 재료로 만들어진 가공물의 표면처리 방법을 제공한다. 또한 이 방법은 가공물의 표면에 제공된 요철 형상을 유지하면서 돌기들의 상면 및 측면과 오목부들의 바닥면 등을 포함한 오목부들 및 돌기들의 전체 표면을 폴리싱할 수도 있다.
이하에서 상기 문제점들을 해결하기 위한 수단을 바람직한 실시형태들의 상세한 설명에 사용되는 참조 번호들로 설명한다. 이들 참조 번호들은 청구범위에서의 설명과 바람직한 실시형태들의 상세한 설명에서의 설명간의 대응을 분명히 하려는 것이며, 당연히 이들 참조 번호들은 본 발명의 기술적 범위를 엄격하게 해석하기 위해 사용되어서는 안 된다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른, 세라믹, 유리 등 같은 경취성 재료로 만들어진 가공물의 표면처리 방법은,
다수의 돌기들(21) 및 상기 돌기들(21) 사이에 형성된 다수의 오목부들(24)를 가지며 상기 돌기들(21) 사이의 가장 좁은 부분에서의 폭(w)이 적어도 50 μm인 3차원 요철 형상을 가공물의 표면 상에 형성하기 위해 가공물의 기재의 경도보다 높은 경도의 연마 입자들을 이용하여 제 1 블라스팅을 실시하는 단계, 및
제 1 블라스팅에 의해 형성된 요철 형상을 유지하면서 가공물 상의 돌기들(21) 및 오목부들(24)의 표면 상에 1.6 μm 이하의 산술평균 거칠기(Ra)를 얻도록 요철 형상이 형성된 가공물의 표면을 폴리싱하기 위해 오목부들(24)의 폭(w)보다 작은 입경을 갖는 연마 입자들이 낮은 반동 탄성을 갖는 재료 만들어진 탄성체 상 및/또는 내에 보유된 구조를 갖는 탄성 연마재를 이용하여 제 2 블라스팅을 실시하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제 1 블라스팅에 의해 편평한 상면(22)을 갖는 상기 돌기(21)들이 형성될 때, 상기 돌기들(21)의 상면(22)의 단부에 형성된 엣지들은 상기 제 2 블라스팅에 의해 10 μm 이상의 반경으로 둥글게 된다.
또한, 상기 경취성 재료로 만들어진 가공물의 표면은 정전 척 같은 반도체 제조 장비에 마련된 기판 고정 공구의 기판 흡착면일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제 2 블라스팅은 평면도 상에서 적어도 4방향으로부터 상기 가공물의 표면에 대하여 상기 탄성 연마재를 방출하는 것을 포함한다.
상기 제 2 블라스팅에 이용되는 상기 탄성 연마재는 낮은 반동 탄성을 갖는 고무나 엘라스토머의 탄성체 내 및/또는 상에 보유된 연마 입자들을 포함하며, 상기 연마 입자들은 다이아몬드, 질화붕소, 카보런덤, 그린 카보런덤, 알루미나, 화이트 알루미나 및 탄화붕소로 구성된 군에서 선택되는 재료로 만들어진다. 상기 연마 입자들의 평균 입경은 0.1 μm 내지 100 μm의 범위에 있고 상기 오목부(24)들의 폭보다 작다.
바람직하게는, 상기 반도체 제조 장비에 마련된 기판 고정 공구의 기판 흡착면 상의 돌기들의 상면은 상기 제 2 블라스팅에 의해 산술평균 거칠기(Ra) 0.2 μm 이하까지 폴리싱된다.
전술한 바와 같이 구성되는 본 발명에 의해 전술한 본 발명의 표면처리 방법은 다음과 같은 중요한 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제 1 블라스팅에 의해, 3차원 요철 형상이 비교적 쉽게 가공물의 표면 상에 형성될 수 있으며, 탄성 연마재를 이용하는 제 2 블라스팅에 의해, 제 1 블라스팅에 의해 형성된 요철 형상을 유지하면서도 돌기들(21)뿐만 아니라 오목부들(24)의 바닥면(25) 등을 포함한 3차원 요철 형상의 전체 표면이 비교적 쉽게 1.6 μm 이하의 표면 거칠기(Ra)(산술평균 거칠기)를 가질 수 있다.
그 결과, 다수의 미세 돌출부들을 형성하기 위해 정전 척(10)의 유전층(13)상의 기판 흡착면 같은 진공증착막 형성 장비 내에 이용되는 부품에 본 발명의 방법을 적용함에 의해, 본 발명의 방법에 의해 처리된 정전 척(10)의 유전층(13)은 기판과 접촉하는 부분들(돌기들(21)의 상면(22))뿐만 아니라 돌기들(21)의 측면과 오목부들(24)의 바닥면(25)까지도 폴리싱된다. 그 결과, 정전 척(10)의 유전층(13)은 실리콘 웨이퍼 같은 기판(15)에 대한 오염원(입자 발생원)이 되기 쉽지 않다.
본 발명의 표면처리 방법에 있어서, 오목부 및 돌기 형성 단계와 후속의 폴리싱 단계는 모두 블라스팅에 의해 형성될 수 있으며, 따라서 상기 양 단계에서의 처리가 유사한 작업 흐름으로 달성될 수 있다. 이는 처리를 단순하게 하며, 전체 블라스팅 장치 또는 블라스팅 장치의 일부 요소들의 공용에 의해 제조비를 줄일 수 있게 한다.
이렇게 가공물이 유리 등 같은 투명한 재료로 만들어진 물품인 경우, 본 발명에 따른 처리를 받은 가공물은, 초기의 요철 형상을 유지하면서 돌기들(21)뿐만 아니라 오목부들(24)의 바닥면(25)의 비교적 단순한 폴리싱에 의해 폴리싱 후에 투명하게 될 수 있다. 게다가 표면을 매끈하게 함으로써, 이 처리는 오물 등이 부착하기 쉽지 않으며 오물이 부착한다고 해도 쉽게 제거될 수 있는 표면 상태를 얻을 수 있다.
제 1 블라스팅에 의해 형성된 돌기들(21)이 편평한 상면(22)을 포함하는 형상을 갖고 상면의 단부에 형성된 엣지들(e)에 예리한 형상이 형성되는 경우, 이런 부분들은 전술한 바와 같이 쉽게 분리되어 입자발생원이 될 수 있다. 그러나, 돌기들(21)의 상면(22)의 단부에 형성된 엣지(e)들이 제 2 블라스팅에 의해 반경 10 μm 이상으로 둥글게 되기 때문에, 엣지들(e)이 입자발생원이 되는 것 또는 치핑(chipping) 같은 파손 원인이 되는 것이 적절히 방지될 수 있다.
본 발명의 목적들 및 이점들은 첨부도면과 관련하여 제공되는 바람직한 이후의 바람직한 실시형태들의 상세한 설명으로 명백하게 될 것이다.
도 1은 실시예 1에서 가공물의 표면의 주사전자현미경(SEM) 화상을 도시하는 것으로서, 도 1a는 제 1 블라스팅 후의 상태를 도시하고, 도 1b는 제 2 블라스팅 후의 상태를 도시한다.
도 2는 실시예 1에서 가공물의 표면 상의 돌기들의 레이저 현미경 화상 및 형상 측정 데이터를 도시하는 것으로서, 도 2a는 제 1 블라스팅 후의 상태를 도시하고, 도 2b는 제 2 블라스팅 후의 상태를 도시한다.
도 3은 실시예 1에서 가공물의 표면 상의 오목부들의 바닥면의 레이저 현미경 화상 및 형상 측정 데이터를 도시하는 것으로서, 도 3a는 제 1 블라스팅 후의 상태를 도시하고, 도 3b는 제 2 블라스팅 후의 상태를 도시한다.
도 4는 실시예 2에서 가공물의 표면 상의 돌기의 레이저 현미경 화상과, 돌기의 상면 및 측면의 측정된 단면 형상 및 거칠기 형상을 도시한다.
도 5는 제 2 블라스팅 후 실시예 2에서 가공물의 표면 상의 돌기의 레이저 현미경 화상과, 돌기의 상면 및 측면의 측정된 단면 형상 및 거칠기 형상을 도시한다.
도 6은 정전 척의 개략설명도이다.
도 7은 정전 척의 유전층 상의 돌출부들이 형성된 표면의 개략설명도이다.
도 8은 폴리싱 패드의 설명도(특허문헌4)이다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태들에 대하여 설명한다.
가공물
본 발명의 표면처리 방법을 받을 가공물들은 일반적으로 단단하면서 부서지기 쉬운 재료로 만들어진 가공물들을 포함한다. 이런 경취성(hard-brittle) 재료들의 예들은 알루미나, 탄화규소, 질화규소, 사파이어, 지르코니아, 질화알루미늄, 서멧(cermet), 석영유리(quartz glass), 소다유리(soda glass) 등을 포함한다.
가공물의 표면 예로서 정전 척(electrostatic chuck)의 세라믹 유전층의 기판 흡착면을 예시하겠지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서, 가공물들로서는 일반적으로 돌출부들, 홈들 등이 형성된 요철 형상을 갖는 표면을 구비하는 경취성 재료로 만들어진 어떤 물품이라도 적용 가능할 수 있다.
제 1 블라스팅
제 1 블라스팅에서, 경취성 재료로 만들어진 가공물의 기재의 경도보다 높은 경도의 연마 입자들이 가공물에 대하여 방출되어, 가공물의 표면 상에 형성된 다수의 돌기들(21)과 그 돌기(21) 사이에 형성된 오목부들(24)을 포함하는 소정의 3차원 요철 형상을 형성한다.
요철 형상에는 원기둥이나 각기둥 같은 기둥 형상 또는 원추대(truncated cone)나 각추대(truncated pyramid) 같은 절두 형상을 갖는 돌출부들이 형성되거나, 또는 다수의 홈 또는 구멍들을 형성함에 의해 요철 형상이 형성될 수 있다. 이런 홈이나 구멍들은 막힌 구멍이거나 통공일 수 있다.
돌출부들을 형성함으로써 가공물의 표면 상에 요철 형상이 형성될 때, 이들 돌출부들은 위에서 언급한 돌기들(21)이며, 오목부들(24)은 이들 돌기들(21) 사이에 형성된다.
게다가, 홈들이나 구멍들을 형성함으로써 가공물의 표면 상에 요철 형상이 형성될 때, 홈들이나 구멍들이 형성된 부분들은 위에서 언급한 오목부들(24)이며, 나머지 다른 부분들(홈들이나 구멍들이 형성되지 않은 부분들)은 위에서 언급한 돌기들(21)이다.
이런 요철 형상에서, 오목부들(24)의 폭이 너무 작으면, 후술하는 제 2 블라스팅에서 탄성 연마제가 돌기들(21)의 측면들(23)과 오목부들(24)의 바닥면들(25)을 충분하게 폴리싱할 수 없다. 따라서, 요철 형상은 오목부들(24)의 가장 좁은 부분에서의 폭(w)이 50 μm 이상이 되도록 형성된다.
제 1 블라스팅을 실행하기 전에, 물품의 표면에 블라스팅 저항 마스킹 부재를 부착하여, 요구에 따라서 절삭되지 않을 부분들을 보호할 수 있다.
마스킹 부재를 부착함으로써 가공물의 표면 상에 소정 패턴의 돌출부들 및 홈들이나 구멍 등이 형성되어 가공물의 표면 상에 소정의 3차원 요철 형상이 제공되게 할 수 있다.
제 1 블라스팅에서 이용되는 연마 입자들은 가공물의 기재의 경취성 재료보다 높은 경도를 갖는다. 그 일예로서 알루미나, 화이트 알루미나, 카보런덤, 그린 카보런덤, 탄화붕소, 다이아몬드 등의 연마 입자들을 포함하는데, 이들은 가공물의 기재의 경도에 따라서 선택될 수 있다. 이용되는 연마 입자의 형상은 또한 다각형 형상(그릿) 및/또는 코너가 없는 구형상(숏(shot))이 될 수 있다.
이용되는 연마 입자들의 입경은 형성되는 오목부들 및 돌기들의 치수, 처리되는 가공물의 기재에 이용되는 재료에 따라서 선택되며, 그 평균 입경은 1 μm 내지 1000 μm의 범위, 바람직하게는 3 μm 내지 200 μm의 범위, 보다 바람직하게는 10 μm 내지 60 μm의 범위다.
상기 연마 입자들은 다양한 공지의 타입의 블라스팅 장치를 이용하여 방출될 수 있다. 소정의 방출 속도 및 처리될 가공물의 표면에 대한 방출 각도로 연마재를 방출하는 광범위한 가능한 블라스팅 장치들의 예들은 압축 공기 같은 압축 유체를 이용하여 마모재를 방출하는 건식 블라스팅 또는 습식 블라스팅을 이용하는 블라스팅 장치들과 임펠러를 회전시켜서 연마재에 원심력을 부여하여 연마재를 방출하는 원심법(임펠러법) 및 스탬핑 로터에 의해 연마재를 투척함으로써 연마제가 추진되는 스탬핑법을 이용하는 그 외의 블라스팅 장치들을 포함한다. 그러나, 방출 압력, 방출 속도, 방출 범위 등을 제어하기가 비교적 쉽기 때문에 공기를 이용하는 건식 블라스팅 장치가 바람직하게 이용된다.
이런 건식 공기 타입 블라스팅 장치들의 상업적으로 이용 가능한 예들은 압축 기체를 방출함에 의해 발생하는 음압을 이용하여 연마재를 흡입하고 연마재를 압축 기류에 합쳐서 연마재를 방출하는 흡입 타입 블라스팅 장치, 연마재 탱크로부터 떨어지는 연마재가 압축 가스에 의해 운반되어 방출되도록 하는 중력 타입 블라스팅 장치, 연마재가 채워진 탱크 속으로 압축 가스가 도입되고 연마재 탱크로부터의 연마재류를 별개로 제공된 압축 가스 공급원으로부터의 압축 기류와 합침에 의해 연마재가 방출되는 직압(direct pressure) 타입 블라스팅 장치, 및 이런 직압 타입 블라스팅 장치로부터의 압축 기류를 블로어 유니트에 의해 발생한 기류로 운반하여 방출하는 블로어 타입 블라스팅 장치를 포함한다. 상기 어떤 것이라도 전술한 제 1 블라스팅에 이용될 수 있다.
에어 타입 블라스팅 장치의 연마 입자들이 추진되는 속도 및 방출 압력 등은 연마재에 원하는 속도 및 에너지를 부여하도록 설정할 수 있고, 처리 목적, 이용되는 연마재, 가공물의 재료 및 그 외의 조건들에 따라서 선택될 수 있다. 블라스팅 장치로서 에어 타입 블라스팅 장치가 이용될 때, 방출 압력은 예를 들어 0.05 MPa 내지 0.6 MPa의 범위에 있도록 조정될 수 있다.
가공물에 대한 연마재의 방출 각도는 가공물의 피처리면의 형상 등에 따라서 10° 내지 90°의 범위에 있도록 조정 가능하다. 방출 노즐의 선단으로부터 가공물의 표면까지의 거리(방출 거리)는 가공물의 처리 목적 및 형상, 이용되는 연마재, 가공물의 재료 및 그 외의 조건들에 따라서 0.5 mm 내지 300 mm의 범위에 있도록 조정 가능하다.
제 2 블라스팅
제 1 블라스팅으로 절삭함으로써 형성된 3차원 요철 형상을 갖는 표면은 연마재의 충격 때문에 미시적으로 거친 표면이다. 따라서, 위에서 언급한 입자들이 쉽게 발생되며, 치핑(chipping) 또는 크랙이 쉽게 발생한다. 게다가, 이 표면은 가공물이 투명한 재료로 구성되었을 때 젖빛 유리(frosted glass)처럼 불투명하게 된다.
따라서, 제 2 블라스팅은 탄성 연마재가 전술한 바와 같이 제 1 블라스팅에 의해 요철 형상이 형성된 가공물의 표면에 대하여 방출되도록 실시된다. 제 2 블라스팅에 의해, 돌기들(21)의 상면들(22) 및 돌기들(21)의 측면들(23)과 오목부들(24)의 바닥면들(25)이 폴리싱되어 마감 경면이 되며, 따라서 돌기들(21) 상의 상면들(22)의 단부들에 형성된 엣지(e)들이 둥글게 된다.
제 2 블라스팅에 이용되는 탄성 연마재는 연마 입자들이 고무나 엘라스토머 같은 낮은 반발 탄성을 갖는 재료로 만들어진 탄성체 내 및/또는 상에 보유되는 탄성 연마재일 수 있다. 연마 입자들은 연마 입자들을 탄성체의 표면에 부착시킴으로써 탄성체 상에 보유되거나, 연마 입자들을 탄성체 속으로 반죽함으로써 보유될 수 있다.
이런 구조를 갖는 탄성 연마재는 탄성 연마재가 가공물의 표면에 대하여 충돌할 때 반동으로 탄성체에 의해 압박되며, 탄성 연마재는 그 충격에 의해 파쇄되어 형상이 변형되면서 가공물의 표면을 따라서 슬라이드한다. 따라서 제 1 블라스팅중에 형성된 요철면의 거친 표면이 폴리싱되어 매끈하게 된다.
이용되는 탄성 연마재는 제 1 블라스팅에 의해 형성된 오목부들(24)의 폭(w)에 대하여 충분히 작은 크기의 연마 입자들을 보유하는 탄성 연마재다. 탄성 연마재의 크기는 50 μm 내지 2000 μm의 범위, 바람직하게는 100 μm 내지 1500 μm의 범위에 있도록 제 1 블라스팅에 의해 형성된 오목부들(24)의 폭(w)에 따라서 선택될 수 있다. 양호한 변형성을 갖는 탄성 연마재의 입경은 오목부들(24)의 폭(w)보다 큰 크기일 수 있다.
탄성체 내 및/또는 상에 보유될 연마 입자들은 가공물의 기재보다 높은 경도 그리고 오목부들의 폭(w)보다 작은 크기를 갖는다. 연마 입자들은 예를 들어 평균 입경이 0.1 μm 내지 100 μm인 다이아몬드, 질화붕소, 카보런덤, 그린 카보런덤, 알루미나, 화이트 알루미나 또는 탄화붕소의 연마 입자들에서 선택될 수 있다.
탄성 연마재는 또한 제 1 블라스팅과 유사하게 다양한 공지의 타입의 블라스팅 장치를 이용하여 제 2 블라스팅에서 방출될 수 있으며, 이를 위해서 에어 타입 블라스팅 장치가 마찬가지로 바람직하게 이용된다.
제 2 블라스팅이 에어 타입 블라스팅 장치에 의해 실시될 때, 방출 압력은 예를 들어 0.05 MPa 내지 0.6 MPa의 범위에 있도록 조정될 수 있다.
가공물에 대한 연마재의 방출 각도는 10° 내지 90°의 범위에 있도록 가공물의 처리 목적 및 형상에 따라서 조정될 수 있다.
제 2 블라스팅은 탄성 연마재를 가공물의 표면에 대한 소정의 경사각으로 방출하고, 방출 노즐과 가공물을 서로에 대하여 소정의 패턴으로 운동시키면서 탄성 연마재를 방출함으로써 요철면이 제공된 가공물의 표면 상의 각 부분으로 평면도상에서 적어도 4방향으로 탄성 연마재를 방출하도록 구성된다.
보다 바람직하게, 이런 상대 운동은 바람직하게는 방출 각도를 변화시켜 다수회 실시된다.
이런 구성을 채용하면 가공물의 표면 상에 형성된 오목부들(24)의 바닥면들(25)의 코너부분들까지 확실하게 폴리싱이 실시될 수 있게 하며, 따라서 잔여 폴리싱이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이런 상대 운동은 예를 들어 다축 로봇 장치를 이용하여 방출 노즐을 소정 패턴으로 움직임으로써 실시될 수 있다.
방출 노즐의 선단으로부터 가공물의 표면까지의 거리(즉, 방출 거리)는 3 mm 내지 300 mm의 범위에 있도록 가공물의 처리 목적 및 형상, 이용되는 연마재, 가공물의 재료 및 그 외의 조건들에 따라서 조정될 수 있다.
가공물의 표면 상에 형성된 돌기들(21) 및 오목부들(24)의 표면은 전술한 제 2 블라스팅에 의해 산술평균 거칠기(Ra)가 1.6 μm 이하, 바람직하게는 1.0 μm 이하가 된다. 특히 정전 척의 유전층을 처리할 때, 기판과 접촉하는 돌기들(21)의 상면들(22)은 폴리싱되어 산술평균 거칠기(Ra)가 0.2 μm 이하가 되며, 돌기들(21)의 상면(22)의 단부에 형성된 엣지들(e)은 둥글게 되어 반경이 10 μm 이상이 된다.
정전 척 등의 유전층의 표면 상에 돌출부들을 형성하는 것처럼 본 발명의 표면처리 방법을 이용하여 반도체 제조 장비에 이용되는 부분들을 처리함으로써 오염물 입자들이 발생되기 쉽지 않고, 치핑 및 크래킹이 발생하기 쉽지 않다.
가공물이 투명 재료로 형성될 때, 표면이 젖빛 유리처럼 불투명하게 되었던 가공물의 표면이 투명하게 또는 거의 투명하게 될 수 있다.
실시예
이하 경취성 재료의 표면들을 본 발명의 폴리싱 방법으로 처리하는 처리예들을 예로서 예시할 것이다.
실시예 1
(1) 처리의 개요
정전 척의 탄화규소(SiC) 유전층(직경 200 mm, 두께 5 mm) 상에 제 1 블라스팅을 실시하여, 균일한 패턴의 원추대 형상의 돌출부들을 형성하는데, 여기서 돌출부의 정점부의 직경(φ1)은 450 μm이고 바닥부의 직경(φ2)은 750 μm이고, 높이(h)는 180 μm이라서 가장 좁은 부분에서의 골 바닥의 폭(w)은 240 μm이다. 그리고 이런 돌출부들이 형성된 가공물의 표면을 제 2 블라스팅으로 폴리싱하였다.
(2) 블라스팅 조건
제 1 및 제 2 블라스팅 조건을 다음의 표1에 표시한다.
실시예 1의 블라스팅 조건
처리 조건 제 1 블라스팅 제 2 블라스팅
블라스팅 장치 흡입 타입 로봇 장치
SCM-4RBT-401 후지제작소 제조		 흡입 타입 로봇 장치
SFSR-4RBT-401 후지제작소 제조
연마재 "FUJIRUNDUM GC" SiC #400 (탄화규소) 후지제작소 제조 "SIZ-D030-8" Dia#3000 (다이아몬드) 후지제작소 제조 (입경 800 μm)
방출 압력 0.5 MPa 0.3 MPa
노즐 직경 φ8 mm φ10 mm
방출 거리 80 mm 60 mm
방출 각도 90° 30°
방출 시간 4시간 6시간
(3) 처리 결과
상기 블라스팅 조건 하에서 처리된 가공물의 표면의 주사전자현미경(SEM) 화상이 도 1에 도시되고, 레이저 현미경을 통한 돌기들에 대한 관찰 결과가 도 2에 도시되어 있으며, 레이저 현미경을 통한 오목부들의 바닥면에 대한 관찰 결과가 도 3에 도시되어 있다.
도 1의 SEM 화상으로부터 제 1 블라스팅 후의 가공물의 표면과 비교하여(도 1a참조), 제 2 블라스팅 후의 가공물의 표면(도 1b참조)이 돌기들의 상면 및 측면과 오목부들의 바닥면들이 모두 매끈한 광택 마무리를 갖는 표면으로 변하였음을 확인할 수 있다. 또한, 제 1 블라스팅 후에 표면 상에 예각을 갖는, 돌기들의 상면의 단부에 형성된 엣지들이 둥근 상태를 갖도록 변경되는 것을 확인할 수 있다.
레이저 현미경을 이용한 관찰 결과로서, 돌기들의 상면들의 단부에서 생기는 엣지들은 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이 제 1 블라스팅 후의 표면 상에서 5.717 μm의 반경을 갖지만 제 2 블라스팅 후의 표면 상에서는 27.431 μm의 반경으로 둥글게 되는 것이 관찰되는데, 즉 치핑 및 크래킹 등이 발생하기 쉽지 않은 상태로 폴리싱된다.
또한, 돌기들 사이에 형성된 오목부들의 표면의 경우, 도 3에 도시한 바와 같이, 이 표면은 제 1 블라스팅 후에는 산술평균 거칠기(Ra)가 0.445 μm이고 최대 높이(Rz)가 2.737 μm이지만, 제 2 블라스팅 후에는 그 표면 상에 거칠기가 60% 이상 감소하여 산술평균 거칠기(Ra)가 0.175 μm이고 최대 높이(Rz)가 1.036 μm인 매끈한 상태가 얻어졌다.
게다가, 도 2의 형상 측정 데이터에서 알 수 있듯이, 제 2 블라스팅 후에 돌기들의 표면은 매끈하였지만, 제 1 블라스팅 후의 돌기들에 비하여 높이 및 전체 형상에서의 변화는 거의 없었다. 이는 탄성 연마재를 이용하는 제 2 블라스팅을 실시함에 의해 제 1 블라스팅에 의해 부여된 요철 형상을 거의 변화 없이 유지하면서 가공물의 전체 표면에 걸쳐서 균일한 폴리싱이 얻어질 수 있다는 것을 확인하였다.
이렇게 본 발명의 방법을 이용하여 표면 상에 돌출부들(핀들) 및 돌기들(21)을 형성하도록 처리된 정전 척의 유전층의 경우, 기재와 접촉하는 돌기들의 상면들이 매끈하게 폴리싱되었을 뿐만 아니라 돌기들의 측면들과 돌기들 사이에 형성된 오목부의 바닥면들까지도 포함하는 전체 표면이 매끈하게 폴리싱되었다. 이는 정전 척을 증착막 형성 장치 내부에 배치함으로써 정전 척을 이용하여 기판을 고정하는 경우라도 그 표면은 입자들 같은 오염 발생원이 되기 쉽지 않다는 것을 의미한다.
게다가, 전체 표면은 돌기들의 상면 및 측면과 오목부들의 바닥면까지 매끈한 면으로 폴리싱되었다. 따라서 오일이나 이물 등 같은 오물이 정전 척의 유전층에 부착하기 쉽지 않으며, 심지어 오물이 부착한 경우라도 간단하게 제거할 수 있다.
실시예 2
(1) 처리의 개요
알루미나(40 mm × 40 mm × 1.5 mm)로 만들어진 기판 상에 제 1 블라스팅을 실시하여, 상측(s1)이 135 μm이고, 바닥측(s2)이 290 μm이며, 높이(h)가 110 μm이라서 오목부들의 바닥면의 폭(w)이 650 μm인 둑 형상을 갖는 소정 패턴의 돌기들을 형성한다. 그리고 이런 돌기들이 형성된 기판의 표면을 제 2 블라스팅으로 폴리싱하였다.
(2) 블라스팅 조건
제 1 및 제 2 블라스팅 조건이 다음의 표 2에 표시되어 있다.
실시예 2의 블라스팅 조건
처리 조건 제 1 블라스팅 제 2 블라스팅
블라스팅 장치 흡입 타입 로봇 장치
SCM-4RBT-401 후지제작소 제조		 흡입 타입 로봇 장치
SFSR-4RBT-401 후지제작소 제조
연마재 #400 (산화알루미늄) "FUJIRUNDUM WA" 후지제작소 제조 "SIZ-D030-8" Dia #3000 (다이아몬드) 후지제작소 제조 (입경 800 μm)
방출 압력 0.5 MPa 0.3 MPa
노즐 직경 φ8 mm φ10 mm
방출 거리 80 mm 60 mm
방출 각도 90° 30°
방출 시간 15 분 20 분
(3) 처리 결과
제 2 블라스팅 전후에 기판의 표면에 형성된 돌기들의 상면 및 측면의 표면 거칠기를 측정하고 돌기들의 상면들의 단부에 형성된 엣지들의 둥글기를 측정한 결과가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 블라스팅 후 및 제 2 블라스팅 후에 돌기들의 측면 및 상면의 표면 거칠기는 각각 산술평균 거칠기(Ra)가 1.856 μm 및 0.681 μm이지만, 이들은 제 2 블라스팅 후에 각각 0.973 μm 및 0.106 μm로 감소하였으며, 따라서 도 5에 도시된 바와 같이 표면 거칠기에서 상당한 향상이 확인되었다.
게다가, 돌기들의 상면들의 단부의 엣지에 관해서는, 반경이 4.150 μm이었던 제 1 블라스팅 후의 엣지와는 대조적으로, 제 2 블라스팅 후의 엣지들은 반경이 52.884 μm였으며, 따라서 엣지들의 둥근 상태가 확인되었다.
따라서 다음의 가장 넓은 특허청구범위는 특정 방식으로 구성된 기계에 관한 것이 아니다. 대신에 상기 가장 넓은 특허청구범위는 이 비약적인 발명의 핵심이나 본질을 보호하려는 것이다. 본 발명은 분명히 새롭고 유용하다. 또한, 전체로서 고려할 때 관련 기술을 고려하면 이는 본 발명이 만들어진 당시에 당업자들에게 자명한 것이 아니었다.
게다가 본 발명의 혁신적인 특성을 고려하면, 분명히 신개척 발명이다. 이와 같이 다음의 청구범위는 법률 문제로서 본 발명의 중심개념을 보호하도록 매우 넓게 해석될 권리가 있다.
따라서, 상술한 목적들과 상기 설명으로 명백하게 된 것들이 효과적으로 얻어지며, 본 발명의 범위로부터 이탈함 없이 상기 구성에서 특정 변화가 만들어질 수 있기 때문에 상기 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항들은 예시적인 의미로 해석되어야지 제한적 취지로 해석되어서는 안 된다는 것을 알 수 있을 것이다.
또한 다음의 청구범위는 여기서 설명한 본 발명의 일반적 특징 및 특정 특징들 모두와 언어적 문제로서 본 발명의 범위 내에 속한다고 말할 수 있는 본 발명의 범위의 모든 진술을 포함하려는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 정전 척 11 : 세라믹 플레이트
12 : 금속 전극층 13 : 유전층
15 : 기판 21 : 돌기
22 : 상면(돌기의) 23 : 측면(돌기의)
24 : 오목부 25 : 바닥면(오목부의)
30 : 폴리싱 패드 31 : 기층
32 : 대좌 33 : 선단부
t : 정점부 e : 엣지

Claims (6)

  1. 경취성(hard-brittle) 재료로 만들어진 가공물의 표면처리 방법으로서,
    다수의 돌기들 및 상기 돌기들 사이에 형성된 다수의 오목부들을 가지며 상기 돌기들 사이의 가장 좁은 부분에서의 폭이 적어도 50 μm인 3차원 요철 형상을 상기 가공물의 표면에 형성하기 위해 상기 가공물의 기재의 경도보다 높은 경도의 연마 입자들을 이용하여 제 1 블라스팅을 실시하는 단계, 및
    상기 제 1 블라스팅에 의해 형성된 상기 요철 형상을 유지하면서 상기 가공물상의 돌기들 및 오목부들의 표면에 1.6 μm 이하의 산술평균 거칠기(Ra)를 얻도록 상기 요철 형상이 형성된 가공물의 표면을 폴리싱하기 위해 상기 오목부들의 폭보다 작은 입경을 갖는 연마 입자들이 낮은 반동 탄성의 탄성체 상 및/또는 내에 보유된 구조를 갖는 탄성 연마재를 이용하여 제 2 블라스팅을 실시하는 단계를 포함하는 표면처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 블라스팅에 의해 편평한 상면을 갖는 상기 돌기들이 형성되며,
    상기 돌기들의 상면의 단부에 형성된 엣지들은 상기 제 2 블라스팅에 의해 10 μm 이상의 반경으로 둥글게 된 표면처리 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 경취성 재료로 만들어진 가공물의 표면은 반도체 제조 장비에 마련된 기판 고정 공구의 기판 흡착면인 표면처리 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 블라스팅은 평면도상에서 적어도 4방향으로부터 상기 가공물의 표면에 대하여 상기 탄성 연마재를 방출하는 것을 포함하는 표면처리 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 한 항에 있어서,
    상기 제 2 블라스팅에 이용되는 상기 탄성 연마재는 낮은 반동 탄성을 갖는 고무나 엘라스토머의 탄성체 상 및/또는 내에 보유된 연마 입자들을 포함하며, 상기 연마 입자들은 평균 입경이 상기 오목부들의 폭보다 작고 0.1 μm 내지 100 μm의 범위에 있는 다이아몬드, 질화붕소, 카보런덤, 그린 카보런덤, 알루미나, 화이트 알루미나 및 탄화붕소 연마 입자들로 구성된 군에서 선택되는 표면처리 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 반도체 제조 장비에 마련된 기판 고정 공구의 기판 흡착면 상의 돌기들의 상면이 상기 제 2 블라스팅에 의해 산술평균 거칠기(Ra) 0.2 μm 이하까지 폴리싱되는 표면처리 방법.
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