KR20200138243A - 정전 척 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

이 정전 척 장치(1)는, 일주면이 판상 시료를 재치하는 재치면(19)인 기체(11)와, 기체(11)에 있어서, 재치면(19)과는 반대 측에 마련된 정전 흡착용 전극(13)을 구비하고, 기체(11)는 세라믹스 재료를 형성 재료로 하며, 세라믹스 재료는, 산화 알루미늄과 탄화 규소를 주성분으로 하고, 상기 산화 알루미늄의 입계에 층상의 그래핀이 존재한다.

Description

정전 척 장치 및 그 제조 방법

본 발명은, 정전 척 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본원은, 2018년 3월 30일에 출원된 일본 특허출원 2018-066941호에 근거하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.

최근, 플라즈마 공정을 실시하는 반도체 제조 장치에서는, 간단하게 판상 시료(웨이퍼)를 고정할 수 있는 정전 척 장치가 이용되고 있다. 정전 척 장치는, 기체(基體)와, 정전 흡착용 전극을 구비하고 있다. 기체는, 일주면(一主面)이 웨이퍼를 재치(載置)할 수 있는 재치면으로 되어 있다. 정전 흡착용 전극은, 재치면에 재치한 웨이퍼와의 사이에 정전기력(쿨롱력)을 발생시킨다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

국제 공개공보 제2015/137270호

최근, 반도체 제조 프로세스에 있어서는, 소자의 고집적화나 고성능화에 따라, 미세 가공 기술의 가일층의 향상이 요구되고 있다. 그에 따라, 정전 척 장치에는, 다음과 같은 성능이 요구된다.

먼저, 정전 척 장치는, 충분한 정전 흡착력을 발현하는 것이 요구된다.

예를 들면, 반도체 장치의 제조 공정에 있어서는, 반도체 장치의 적층화에 따라, 다층막을 에칭하는 것이 요구되고 있다. 다층막을 에칭하는 경우, 에칭 방향이나 개구 직경이 균일한 구멍을 단시간으로, 또한 깊게까지 형성하는 것이 요구되는 경우가 있다. 다층막을 에칭하는 경우에 이용되는 에칭 장치는, 종래의 에칭 장치와 비교하여, 고출력(고전압, 고전류)의 전력을 투입하여 가공을 행한다.

이와 같은 경우, 정전 척 장치는, 고주파를 효율적으로 투과시키지 않으면, 즉 고주파를 많이 흡수하면, 정전 척 장치 자체가 발열해 버려, 웨이퍼 등의 처리 대상물의 온도가 상승하는 원인이 된다. 이와 같이 처리 대상물의 온도가 상승하면, 처리 조건이 일정하게 되지 않아, 가공 정밀도를 유지할 수 없다는 과제가 발생할 수 있다. 또, 다층막이 성막된 웨이퍼는, 열응력에 의한 변형량이 큰 경향이 있다. 그 때문에, 정전 척 장치는, 다층막을 에칭하는 경우에 종래의 웨이퍼를 가공하는 경우와 비교하여, 높은 흡착력으로 고정하는 것이 요구된다.

정전 척 장치에 있어서는, 정전 흡착용 전극에 인가되는 인가 전압을 높게 함으로써, 높은 정전 흡착력이 얻어진다. 한편, 정전 척 장치에 있어서 인가 전압을 높게 하면, 가공 대상물인 웨이퍼 상의 반도체 소자를 손상시키는 경우가 있다. 그 때문에, 정전 척 장치에 있어서는, 인가 전압을 증가시키지 않고 흡착력을 증가시키는 것이 요구되고 있었다.

또한, 에칭 장치에 이용되는 정전 척 장치는, 웨이퍼를 고정하는 기능에 더하여, 에칭 처리에 이용되는 플라즈마를 발생시키는 고주파용 전극으로서의 기능도 담당한다.

그 때문에, 정전 척 장치의 기체는, 양호한 고주파 투과 성능을 갖고, 고주파 투과창으로서의 기능을 담당하는 것이 필요해진다.

정전 척 장치의 정전 흡착력은, 기체를 구성하는 유전체의 비유전율에 의존한다. 즉, 기체는, 비유전율이 높을수록 정전 흡착력이 높아지기 때문에 바람직하다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 높은 흡착력과, 적합하게 고주파를 투과시키는 것이 가능한 정전 척 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제1 양태는, 일주면이 판상 시료를 재치하는 재치면인 기체와, 상기 기체에 있어서, 상기 재치면과는 반대 측에 마련된 정전 흡착용 전극을 구비하고, 상기 기체는 세라믹스 재료를 형성 재료로 하며, 상기 세라믹스 재료는, 산화 알루미늄과 탄화 규소를 주성분으로 하고, 상기 산화 알루미늄의 입계에 층상의 그래핀이 존재하는 소결체인 정전 척 장치를 제공한다.

본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 소결체는, β-SiC형의 탄화 규소를 더 포함하는 구성으로 해도 된다.

본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 세라믹스 재료는, 주파수 10Hz에 있어서의 비유전율이 12.3 이상이며, 또한 주파수 1MHz에 있어서의 비유전율이 12.5 이하인 구성으로 해도 된다.

본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 소결체가 포함하는 상기 β-SiC는, 상기 소결체의 4체적% 이상 15체적% 이하여도 된다.

본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 정전 흡착용 전극은, 도전성을 갖는 세라믹스를 형성 재료로 해도 된다.

본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 기체는 상기 세라믹스 재료만으로 이루어져도 되고, 상기 탄화 규소가 β-SiC형인 탄화 규소만으로 이루어져도 된다.

본 발명의 일 양태에 있어서는, 제1 세라믹스 재료에 있어서, 산화 알루미늄의 결정립의 평균 결정 입경이 2μm 이하이며, 탄화 규소의 결정립의 평균 결정 입경이 0.2μm 이하이고, 층상의 그래핀의 두께가, 5nm 이상 1000nm 이하여도 된다.

본 발명의 제2 양태는, 본 발명의 제1 양태의 정전 척 장치의 제조 방법으로서, 산화 알루미늄 입자와 탄화 규소 입자의 혼합 입자로 이루어지는 과립을 성형하여 이루어지는 성형체를 승온 속도 0.3℃/min 이상으로 500℃ 이하의 온도에서 열처리하는 공정과, 열처리 후의 성형체를 소결하여, 산화 알루미늄과 탄화 규소를 주성분으로 하고, 상기 산화 알루미늄의 입계에 층상의 그래핀이 존재하는 소결체를 형성하는 공정을 갖는 정전 척 장치의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 성형체를 소결하는 공정이, 상기 불활성 가스 분위기하에서의 소결 전에, 진공 분위기에서, 1600℃ 이하에서 상기 성형체의 가열을 행하는 서브 공정을 포함해도 된다.

본 발명의 일 양태에 있어서는, 상기 열처리하는 공정이, 불활성 가스 분위기하, 상압에서 행해져도 된다.

본 발명에 의하면, 높은 흡착력과 높은 고주파 투과성을 갖는 정전 척 장치 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 실시형태에 관한 정전 척 장치의 일례의 개략 단면도이다.
도 2는 실시예 1에 있어서의 재치판을 나타내는 주사형 투과 전자 현미경상(像)이다.
도 3은 실시예 2에 있어서의 재치판을 나타내는 주사형 투과 전자 현미경상이다.
도 4는 비교예 1에 있어서의 재치판을 나타내는 주사형 투과 전자 현미경상이다.
도 5는 비교예 2에 있어서의 재치판을 나타내는 주사형 투과 전자 현미경상이다.
도 6은 실시예 1과 실시예 2 및 비교예 1과 비교예 2의 정전 척 장치의 재치판의 비유전율의 측정 결과를 나타내는 도이다.

본 발명의 정전 척 장치 및 그 제조 방법의 실시형태의 바람직한 예에 대하여 설명한다. 또한, 이하의 모든 도면에 있어서는, 도면을 보기 쉽게 하기 위하여, 각 구성 요소의 치수나 비율 등은 적절히 다르게 하고 있다.

또한, 본 실시형태는, 발명의 취지를 보다 잘 이해시키기 위하여 구체적으로 설명하는 것이며, 특별히 지정이 없는 한, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 즉, 본 발명은, 이하에 나타내는 실시형태에만 한정되는 것은 아니고, 그 효과를 나타내는 범위에서 적절히 변경하여 실시하는 것이 가능하다. 예를 들면, 본 발명의 주지를 벗어나지 않는 범위에서, 수나 수치나 양이나 비율이나 형상이나 위치나 특성 등에 대하여, 생략이나 추가나 변경을 하는 것이 가능하다.

<정전 척 장치>

이하, 도 1을 참조하면서, 본 실시형태에 관한 정전 척 장치(1)의 바람직한 예에 대하여 설명한다.

또한, 이하에 설명하는 도면에 있어서는, 도면을 보기 쉽게 하기 위하여, 각 구성 요소의 치수나 비율 등은 적절히 다르게 하고 있다.

도 1은, 정전 척 장치(1)의 일례의 개략 단면도이다. 도 1에 나타내는 정전 척 장치(1)는, 정전 척부(2)와, 온도 조절용 베이스부(3)와, 수지층(8)을 갖고 있다. 정전 척부(2)의 상면은, 반도체 웨이퍼 등의 판상 시료(W)를 재치하는 재치면(19)이다. 온도 조절용 베이스부(3)는, 정전 척부(2)를 원하는 온도로 조정한다. 수지층(8)은, 정전 척부(2)와 온도 조절용 베이스부(3)를 접착 일체화한다. 이하의 설명에 있어서는, 재치면(19) 측을 "상", 온도 조절용 베이스부(3) 측을 "하"로 하여 기재하며, 각 구성의 상대 위치를 나타내는 경우가 있다.

[정전 척부]

정전 척부(2)는, 재치판(기체)(11)과, 지지판(12)과, 정전 흡착용 전극(13)과, 절연재층(14)을 갖고 있다. 재치판(기체)(11)의 상면은, 반도체 웨이퍼 등의 판상 시료(W)를 재치하는 재치면(19)으로 한다. 지지판(12)은, 재치판(11)의 재치면(19)과는 반대 측에 마련된다. 절연층(14)은, 재치판(11)과 지지판(12)에 협지되어, 정전 흡착용 전극(13)의 주위를 둘러싼다.

[재치판(기체)]

재치판(11)은, 재치면(19)에 직경이 판상 시료(W)의 두께보다 작은 돌기부(30)가 복수 개 형성되어 있다. 정전 척 장치(1)는, 복수의 돌기부(30)가 판상 시료(W)를 지지하는 구성으로 되어 있다.

또, 재치면(19)의 주연(周緣)에는, 주연벽(17)이 형성되어 있다. 주연벽(17)은, 돌기부(30)와 동일한 높이로 형성되어 있으며, 돌기부(30)와 함께 판상 시료(W)를 지지한다.

재치판(11)의 형성 재료는, 예를 들면 세라믹스 재료이다. 재치판(11)의 형성 재료는, 바람직하게는 주파수 10Hz에 있어서의 비유전율이 12.3 이상이며, 또한 주파수 1MHz에 있어서의 비유전율이 12.5 이하인 세라믹스 재료이다. 상기 형성 재료의 주파수 10Hz에 있어서의 비유전율은, 예를 들면 12.3 이상이며, 바람직하게는 12.4 이상 보다 바람직하게는 12.5 이상이고, 13.0 이상인 것이 더 바람직하다. 주파수 1MHz에 있어서의 비유전율은, 예를 들면 12.5 이하이며, 12.3 이하인 것이 더 바람직하다.

재치판(11)의 형성 재료는, 예를 들면 세라믹스 재료이다. 재치판(11)의 형성 재료는, 바람직하게는 주파수 0.2kHz에 있어서의 비유전율이 12.25 이상이며, 또한 주파수 1MHz에 있어서의 비유전율이 12.5 이하인 세라믹스 재료이다. 상기 형성 재료의 주파수 0.2kHz에 있어서의 비유전율은, 바람직하게는 12.25 이상이며, 보다 바람직하게는 12.3 이상이고, 12.4 이상이나, 12.5 이상이어도 된다. 주파수 1MHz에 있어서의 비유전율은, 예를 들면 12.5 이하이며, 12.3 이하인 것이 더 바람직하다.

이하, 재치판(11)의 형성 재료인 세라믹스 재료를 "제1 세라믹스 재료"라고 칭하는 경우가 있다. 또한 재치판(11)은, 세라믹스 재료만으로 이루어지는 것이 바람직하다.

재치판(11)은, 상기 형성 재료의 주파수 10Hz에 있어서의 비유전율이 상술한 범위인 것에 의하여, 정전 흡착용 전극(13)에 전압을 인가했을 때에, 재치면(19)에 있어서 양호하게 웨이퍼를 유지할 수 있다. 또, 재치판(11)은, 형성 재료의 주파수 0.2kHz에 있어서의 비유전율이 상술한 범위인 것에 의해서도 정전 흡착용 전극(13)에 전압을 인가했을 때에, 재치면(19)에 있어서 양호하게 웨이퍼를 유지할 수 있다.

또, 재치판(11)은, 주파수 1MHz에 있어서의 비유전율이 상술한 범위인 것에 의하여, 정전 흡착용 전극(13)에 전압을 인가했을 때에, 재치면(19)에 있어서 양호하게 웨이퍼를 유지할 수 있다.

여기에서, "주파수 10Hz"는, 정전 흡착력에 영향을 주는 직류에 가까운 주파수이다. 주파수 10Hz 이하의 전압에는, 직류 전압을 포함한다.

또, "주파수 1MHz"는, 에칭 장치에 있어서 플라즈마를 발생시키는 주파 대역을 포함하는 주파수이다.

재치판(11)의 형성 재료는, -80℃ 이상 130℃ 이하의 온도 범위에 있어서의 체적 고유 저항값이 5×10¹³Ω·cm 이상인 것이 바람직하고, -80℃ 이상 150℃ 이하의 온도 범위에 있어서도 체적 고유 저항값이 5×10¹³Ω·cm 이상인 것이 보다 바람직하며, 1×10¹⁴Ω·cm 이상인 것이 보다 바람직하다. 상한값은 임의로 선택할 수 있지만, 예를 들면 1×10¹⁶ 이하 등을 들 수 있다. 또, 재치판(11)의 형성 재료는, -80℃ 이상 130℃ 이하의 온도 범위에 있어서의 체적 고유 저항값이 1×10¹⁴Ω·cm 이상인 것이 보다 바람직하고, -80℃ 이상 150℃ 이하의 온도 범위에 있어서도 체적 고유 저항값이 1×10¹⁴Ω·cm 이상인 것이 더 바람직하다.

재치판(11)의 형성 재료를 이와 같은 제1 세라믹스 재료로 함으로써, 저온역부터 고온역까지의 넓은 온도 범위에 대응하여, 흡착력이 높고, 양호한 고주파 투과성을 갖는 정전 척 장치로 할 수 있다.

상술한 바와 같은 제1 세라믹스 재료로서는, 절연 재료를 매트릭스로 하고, 매트릭스 중에 도전성 재료를 분산시킨 복합 재료인 것이 바람직하다. 도전성 재료는, 도전성을 갖는 재료이다. 이와 같은 복합 재료의 비유전율, 유전 손실, 체적 고유 저항값의 각 값에 대해서는, 이하와 같이 생각할 수 있다.

복합 재료의 비유전율은, 내부의 분극 구조에 의존한다. 분극은, 크게 전자 분극, 이온 분극, 배향 분극, 계면 분극으로 분류된다. 복합 재료의 비유전율은, 이들 각 분극에 기인하는 비유전율의 합이다. 정전 척 장치의 형성 재료로서 이용되는 것을 생각한 경우, 고주파에 노출된다는 사용 환경이 상정된다. 그 경우, 복합 재료의 비유전율은, 전자 분극과 계면 분극의 영향을 크게 받는다.

전자 분극은, 유전체 내의 전하의 이동을 수반하지 않는다. 그 때문에, 고주파수역에서도 분극이 유지된다.

이에 대하여, 계면 분극은 유전체의 전하의 이동을 수반한다. 전하의 이동은, 주파수가 높아지면 극의 변화(반전)에 추종할 수 없게 된다. 그 때문에, 계면 분극에 기인하는 비유전율은, 주파수가 높은 영역에 있어서는 주파수의 증가에 따라 증가하지 않는다. 한편, 계면 분극에 기인하는 비유전율은, 주파수가 낮은 영역에 있어서 주파수의 증가에 따라 증가한다. 여기에서, 이 예에 한정하는 것은 아니지만, 주파수가 높은 영역이란, 예를 들면 1MHz 이상의 영역이나, 20MHz 이상의 영역을 말하고, 주파수가 낮은 영역이란, 예를 들면 200Hz 이하의 영역이나, 20Hz 이하의 영역을 말한다.

계면 분극은, 전기 저항이 다른 재료의 계면에서 발생한다. 그 때문에, 상술한 복합 재료 등의 매트릭스인 절연 재료에, 도전성 재료 등의 절연 재료보다 저항값이 낮은 재료를 분산시킴으로써, 계면 분극을 발생시킬 수 있다.

계면 분극은, 계면의 면적에 의존한다. 복합 재료에 있어서 계면의 면적이 커지면, 계면 분극하는 개소가 증가한다. 즉, 복합 재료에 있어서 계면의 면적이 커지면, 계면 분극에 기인하는 비유전율이 증가한다. 예를 들면, 도전성 재료의 입자경이 작으면, 계면의 면적이 커져, 복합 재료의 비유전율이 커진다.

또, 복합 재료에 포함되는 도전성 재료의 양이 많으면, 복합 재료의 비유전율이 커진다. 그러나, 도전성 재료가 너무 많으면, 도전성 재료끼리가 접촉하여, 도전성 재료를 개재한 도전성 패스가 형성되어 버린다. 그 때문에, 복합 재료에 포함되는 도전성 재료의 양은, 도전성 재료끼리가 접촉하지 않는 범위인 것이 바람직하다. 여기에서 도전성 패스는, 도전성이 있는 경로를 말한다.

복합 재료의 유전 손실은, 매트릭스인 절연 재료에 포함되는 금속 불순물량이 많으면 커진다. 또, 복합 재료에 포함되는 도전성 재료의 양이 많으면, 복합 재료의 유전 손실이 커진다.

복합 재료의 체적 고유 저항값은, 복합 재료에 포함되는 도전성 재료의 양이 많으면 낮아진다.

또, 상술한 복합 재료의 체적 고유 저항값은, 매트릭스인 절연 재료 중의 금속 불순물 함유량이 많으면 낮아진다.

또한, 매트릭스인 절연 재료로서, 공유 결합성이 높고, 격자 결함이 적으며, 불순물량이 적은 재료를 이용하면, 고온 온도 영역에 있어서의 복합 재료의 체적 고유 저항값이 낮아진다.

또한, 도전성 재료로서는, 도전성 재료에 포함되는 불순물 원소나 절연 재료와 반응하기 어렵거나, 또는 반응했다고 해도 절연 재료보다 체적 고유 저항값이 낮은 상을 생성하기 어려운 재료가 바람직하다. 또한, 도전성 재료로서, 매트릭스에 확산되었을 때, 매트릭스인 절연 재료에 격자 결함을 발생시키지 않는 재질이 적합하다.

또한 높은 고주파 투과성을 갖는다는 것은, 주파수의 변화와 유전율의 차에 의하여 확인해도 된다. 예를 들면 주파수 0.2kHz와 1000kHz에서의 유전율의 차가, 0.2 이상이며 또한 0.2kHz에서의 비유전율이 12.25 이상을 갖는 것에 의하여 확인해도 된다. 또, 10Hz와 1000kHz에서의 유전율의 차가, 0.25 이상이며 또한 10Hz에서의 비유전율이 12.3 이상을 갖는 것에 의하여 확인해도 된다.

(조성)

상술한 바와 같은 물성을 갖는 제1 세라믹스 재료는, 산화 알루미늄과 탄화 규소를 주성분으로 하며, 산화 알루미늄의 입계에 층상의 그래핀이 존재하는 소결체이다. 상기 재료는, 산화 알루미늄, 층상의 그래핀, 및 탄화 규소로서 β-SiC형의 탄화 규소를 포함하는, 소결체인 것이 바람직하다. 이하, β-SiC형의 탄화 규소를, 간단히 "β-SiC"라고 칭한다. 또한 상기 주성분이란, 제1 세라믹스 재료를 형성하는 원재료에, 산화 알루미늄이 가장 많이 포함되고, 탄화 규소가 두번째로 많은 것을 의미해도 된다. 혹은, 형성된 제1 세라믹스 재료 중에 가장 많이 포함되는 재료가 산화 알루미늄이며, 두번째로 많이 포함되는 것이 탄화 규소여도 된다. 후자의 경우, 세번째로 많이 포함되는 재료는 그래핀이어도 된다. 또한 제1 세라믹스 중에서 차지하는 산화 알루미늄과 탄화 규소의 합계의 비율은, 90~99.999체적%여도 되고, 97~99.99체적%여도 된다.

또, 제1 세라믹스 재료는, 산화 알루미늄과 그래핀을 주성분으로 하는 소결체여도 된다.

탄화 규소의 열분해 등에 의하여 그래핀이 형성되어도 된다. 제1 세라믹스 재료 중에 있어서, 형성된 그래핀의 양은, 바람직한 효과가 얻어지는 한, 상기 재료에 포함되는 탄화 규소의 양보다 적어도 되고, 혹은 많아도 된다. 탄화 규소로부터 그래핀이 형성되는 비율은 임의로 선택되지만, 예를 들면 제1 세라믹스 재료에 포함되는 탄화 규소의 총량에 대하여, 그래핀의 양이 0.1~20%인 것이 바람직하고, 0.5~10이어도 된다.

산화 알루미늄과 탄화 규소의 비율은, 임의로 선택할 수 있지만, 예를 들면 체적비로서는, 산화 알루미늄:탄화 규소=96:4~85:15인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 94:6~90:10인 것이 보다 바람직하다.

제1 세라믹스 재료는, 탄화 규소, 바람직하게는 β-SiC의 결정립이, 매트릭스 재료인 산화 알루미늄에 둘러쌓인 상태로 분산되어 있는 것이 바람직하다.

제1 세라믹스 재료에 있어서, 산화 알루미늄의 입계에 층상의 그래핀이 존재하고 있다. 산화 알루미늄의 입계에 층상의 그래핀이 존재하고 있다는 것은, 산화 알루미늄의 결정립끼리가, 적어도 일부에 있어서 층상의 그래핀을 개재하여 모여 있는 것을 나타낸다.

층상의 그래핀의 층의 수는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 1 이상이나, 3 이상이나, 5 이상이어도 된다. 상한수는 임의로 선택할 수 있지만, 예를 들면 3000 이하여도 되고, 200 이하나, 20 이하여도 된다.

이와 같은 제1 세라믹스 재료를 이용하여 재치판(11)을 형성한 경우, 후술하는 정전 흡착용 전극(13)에 정전 흡착용 직류 전압을 인가하면, 절연 재료인 산화 알루미늄의 결정립과, 도전성 재료인 탄화 규소, 바람직하게는 β-SiC의 결정립과, 층상의 그래핀의 계면에 있어서 계면 분극을 발생한다. 여기에서 말하는 계면은, 산화 알루미늄의 결정립과 β-SiC의 계면과, 산화 알루미늄의 결정립과 층상의 그래핀의 계면과, β-SiC와 층상 그래핀의 계면을 모두 포함해도 된다. 그 결과, 산화 알루미늄만으로 구성된 세라믹스 재료와 비교하여 비유전율이 증가한다.

한편, 제1 세라믹스 재료를 이용하여 형성한 재치판(11)에서는, 에칭 장치에 있어서 플라즈마의 발생 및 플라즈마 상태의 제어를 위하여 인가하는 고주파에 대하여, 상술한 결정립의 계면 분극은 추종하기 어렵다. 그 때문에, 제1 세라믹스 재료를 이용하여 형성한 재치판(11)은, 산화 알루미늄만으로 형성한 재치판과 비교하여, 고주파에 대한 비유전율의 증가가 없어, 고주파 투과성이 저하되기 어렵다.

제1 세라믹스 재료에 있어서, 제1 세라믹스 재료 전체(이하, 간단히 "소결체 전체"라고 칭하는 경우가 있음)에서 차지하는 탄화 규소, 바람직하게는 β-SiC의 체적비는, 예를 들면 4체적% 이상인 것이 바람직하고, 6체적% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, 소결체 전체에서 차지하는 탄화 규소, 바람직하게는 β-SiC의 체적비는, 예를 들면 15체적% 이하인 것이 바람직하고, 10체적% 이하인 것이 보다 바람직하다. β-SiC의 체적비에 대하여, 상한값 및 하한값은 임의로 조합할 수 있다.

제1 세라믹스 재료에 있어서는, 탄화 규소의, 바람직하게는 β-SiC의 체적비를 소결체 전체의 4체적% 이상으로 함으로써, 소결체의 비유전율을 증가시킬 수 있다. 또, 제1 세라믹스 재료에 있어서는, 탄화 규소의, 바람직하게는 β-SiC의 체적비를 소결체 전체의 15체적% 이하로 함으로써 SiC 입자끼리의 접촉을 억제하여, SiC 입자를 개재한 전하 이동을 발생하기 어렵게 할 수 있다. 이로써, 소결체의 저항값의 저하를 억제할 수 있다.

제1 세라믹스 재료에 있어서, 제1 세라믹스 재료 전체에서 차지하는 산화 알루미늄의 체적비는, 예를 들면 85체적% 이상인 것이 바람직하고, 87체적% 이상인 것이 보다 바람직하며, 90체적% 이상인 것이 더 바람직하다. 상기 체적비는, 96체적% 이하인 것이 바람직하고, 94체적% 이하인 것이 보다 바람직하다.

(결정 입경)

또, 제1 세라믹스 재료에 있어서, 산화 알루미늄의 결정립의 평균 결정 입경은 임의로 선택할 수 있지만, 2μm 이하인 것이 바람직하고, 1.5μm 이하여도 된다. 탄화 규소의, 바람직하게는 β-SiC의 결정립의 평균 결정 입경은 임의로 선택할 수 있지만, 0.2μm 이하인 것이 바람직하고, 0.1μm 이하여도 된다. 상기 입경의 하한값은 임의로 선택할 수 있지만, 예를 들면 0.01μm 이상이어도 된다. 또한, 상기 평균 결정 입경의 값은 경면(鏡面) 연마하여, 에칭 처리를 한 면을, 예를 들면 주사 전자 현미경(SEM)을 이용한 SEM 관찰법으로 측정함으로써 얻을 수 있다. 하한에 대해서는 예를 들면 투과형 전자 현미경에 의한 측정에 의하여 얻을 수 있다.

제1 세라믹스 재료를 구성하는 산화 알루미늄 및 탄화 규소의, 바람직하게는 β-SiC의, 평균 결정 입경이 상기와 같은 값이면, 산화 알루미늄과 β-SiC 등의 탄화 규소의 접촉 면적이 커진다. 계면 분극은, 산화 알루미늄과 β-SiC 등의 탄화 규소의 계면에서 발생한다. 그 때문에, 동일한 양의 SiC양의 첨가에 있어서는, β-SiC 등의 탄화 규소를 미세하게 하여, β-SiC 비표면적을 크게 함으로써 산화 알루미늄과 β-SiC의 접촉 면적이 커져, 계면 분극의 효과를 높일 수 있다.

또, 제1 세라믹스 재료를 구성하는 산화 알루미늄 및 β-SiC 등의 탄화 규소의 평균 결정 입경이 상기와 같은 값이면, 재치판(11)이 플라즈마에 노출된 경우에, 다음과 같은 이유에 의하여 재치판(11)의 표면이 조화(粗化)하기 어려워진다. 즉 조화가 일어나지 않아 바람직하다.

먼저, 산화 알루미늄은, 육방정계이기 때문에 결정 방위에 따라 플라즈마에 의한 에칭 속도에 차이가 발생한다. 이 때문에, 재치판(11)이 플라즈마에 노출된 경우, 재치판 표면의 산화 알루미늄 부분에서는, 에칭 속도의 차이에 기인한 요철을 발생하기 쉽다. 그러나, 산화 알루미늄의 결정 입경을 2μm 이하로 작게 함으로써, 결정 방위에 기인한 에칭 속도 차에 의한 요철을 경감시킬 수 있다.

또, β-SiC 등의 탄화 규소는, 산화 알루미늄과 비교하여, 플론계의 플라즈마에 대한 내식성이 뒤떨어진다. 그러나, β-SiC는, 정방정계이기 때문에 결정 방위에 따른 에칭 속도의 차이가 없다. 이 때문에, 재치판(11)이 플라즈마에 노출된 경우, 재치판 표면의 β-SiC 부분에서는, 에칭 속도의 차이에 기인한 요철이 발생하기 어렵다.

이에 더하여, 상기 제1 세라믹스 재료의 β-SiC 등의 탄화 규소의 평균 결정 입경은, 산화 알루미늄의 평균 결정 입경과 비교하여 충분히 작다. 그 때문에, 가령 재치판 표면의 β-SiC 부분이 모두 에칭되었다고 해도, 형성되는 오목부는 산화 알루미늄의 결정립에 대하여 충분히 작아, 고저차를 발생하기 어렵다.

이상으로부터, 상기 제1 세라믹스 재료를 형성 재료로 하는 재치판 표면에 있어서는, 요철이 발생하기 어려워진다.

제1 세라믹스 재료에 있어서, 층상의 그래핀이란, 그라파이트를 구성하는 단원자 박막이다. 그라파이트는, 탄소 원자가 평면 상에서 허니콤 구조(정육각형이 간극없이 나열된 구조)를 갖는 그래핀이 적층된 것이다. 본 실시형태에서는, 층상의 그래핀은 20층 이하인 것이 바람직하다. 20층 이하가 바람직한 이유는, 적층수가 많아짐에 따라, 그래핀 특유의 우수한 전기 전도성이 저하되기 때문이다.

층상의 그래핀의 두께는 임의로 선택할 수 있지만, 0.1nm 이상 1000nm 이하인 것이 바람직하고, 0.3nm 이상 100nm 이하인 것이 보다 바람직하다.

제1 세라믹스 재료를 구성하는 층상의 그래핀의 두께가 상기와 같은 값이면, 산화 알루미늄과 층상의 그래핀의 접촉 면적이 커진다. 계면 분극은, 산화 알루미늄과 층상의 그래핀의 계면에서도 발생한다. 그 때문에, 층상의 그래핀의 두께를 작게 하여, 층상의 그래핀의 비표면적을 크게 함으로써, 산화 알루미늄과 층상의 그래핀의 접촉 면적이 커진다. 즉, 층상의 그래핀의 두께가 상술한 바와 같은 범위에 있음으로써 계면 분극의 효과를 높일 수 있다.

층상의 그래핀의 유무나 두께는, 예를 들면 기체의 박편을 제작하고, 관측 배율 5만~50만배의 주사형 투과 전자 현미경상을, 위치를 변경하여, 20매의 상을 촬영하여, 층상의 그래핀의 유무나 두께를 확인해도 된다.

(그 외)

제1 세라믹스 재료 중에 β-SiC가 포함되면, 재치판(11)의 표면이 플라즈마에 노출된 경우에, 이하와 같은 메커니즘에 의하여, 재치판 표면의 이상 방전에 의한 손상을 저감시킬 수 있다.

재치판(11)이 플라즈마에 노출된 경우, 플라즈마 중의 전자, 이온은 재치판(11)의 표면에 충돌하여, 표면으로부터 2차 전자가 방출된다. 이로써, 재치판(11)의 표면은 양으로 대전한다. 또, 대전한 재치판(11)의 표면에, 플라즈마 중의 전자가 더 충돌함으로써 추가로 대전한다. 또한, 재치판(11)의 표면이 양으로 대전하면, 전자를 재치판(11)의 표면으로 끌어당긴다. 그 때문에, 재치판(11)의 표면이 양으로 대전하면 가속된 전자가 재치판(11)에 충돌한다. 그 결과, 재치판(11)의 표면에서는 뇌방전이 발생하여, 재치판(11)의 표면의 손상 및 재치판(11)의 절연 파괴를 유발한다.

한편, 재치판(11)을 구성하는 제1 세라믹스 재료에 있어서, 산화 알루미늄의 매트릭스 중에 β-SiC의 결정립이 분산되어 있는 경우, β-SiC로부터 전자가 공급됨으로써, 재치판(11)의 표면의 대전이 억제된다. 그 결과, 재치판의 손상(뇌방전에 의한 방전 파괴)을 억제할 수 있다.

또, β-SiC 입자가 산화 알루미늄 입자와 비교하여 작기 때문에 β-SiC 입자에 전계가 집중되기 어렵다. 즉, β-SiC에 전계가 집중되는 것에 의한 방전을 저감시킬 수 있다. 동일하게, 층상의 그래핀의 두께가 산화 알루미늄 입자와 비교하여 작음으로써, 층상의 그래핀에 전계가 집중되기 어렵다. 즉, 층상의 그래핀에 전계가 집중되는 것에 의한 방전을 저감시킬 수 있다.

[지지판]

지지판(12)은, 정전 흡착용 전극(13)을 하측으로부터 지지하고 있다. 지지판(12)은, 절연성을 갖는 세라믹스 재료를 형성 재료로 하고 있다. 상세하게는, 지지판(12)은, 주파수 1MHz에 있어서의 비유전율이 12.5 이하인 세라믹스 재료를 형성 재료로 하고 있다. 그 때문에, 지지판(12)은, 양호한 고주파 투과창으로서의 기능을 갖는다.

또, 지지판(12)은, 열팽창 계수가 후술하는 정전 흡착용 전극(13)의 열팽창 계수에 근사하고 있는 것이 바람직하다. 지지판(12)의 열팽창 계수가 정전 흡착용 전극에 근사하고 있음으로써, 사용 시에 있어서의 지지판(12)과 정전 흡착용 전극(13)의 계면 박리를 억제할 수 있다.

지지판(12)은, 기계적인 강도와 부식성 가스 및 플라즈마에 대한 내구성을 갖는 절연성의 세라믹스 소결체로 이루어지는 것이 바람직하다. 이와 같은 지지판(12)의 형성 재료로서는, 하기에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 산화 알루미늄-탄화 규소(Al₂O₃-SiC) 복합 소결체, 산화 알루미늄(Al₂O₃) 소결체, 질화 알루미늄(AlN) 소결체, 산화 이트륨(Y₂O₃) 소결체이다.

또, 지지판(12)을 폴리이미드 등의 절연성의 수지로 함으로써, 저가이며 또한 가공이 용이한 구조를 갖는 것으로 해도 된다.

[정전 흡착용 전극]

정전 흡착용 전극(13)에서는, 전압을 인가함으로써, 재치면(19)에 판상 시료(W)를 유지하는 정전 흡착력이 발생한다.

정전 흡착용 전극(13)은, 내열성이 우수한 도전성 재료이면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 열팽창 계수가 정전 흡착용 전극(13) 및 지지판(12)의 열팽창 계수에 근사한 것이 바람직하다.

그 중에서도, 정전 흡착용 전극(13)은, 도전성을 갖는 세라믹스 재료인 것이 바람직하다. 이하, 정전 흡착용 전극(13)의 형성 재료를 "제2 세라믹스 재료"라고 칭하는 경우가 있다.

정전 흡착용 전극(13)의 형성 재료를, 몰리브덴, 텅스텐, 나이오븀 등의 금속 재료로 한 경우, 고온으로 가열되는 사용 시에, 이들 금속 원자가 재치판(11)의 내부에 확산되는 경우가 있다. 그러면, 재치판(11)에 확산된 이들 금속 원자가 재치판(11)에 포함되는 산화 알루미늄의 공유 결합성을 저하시켜, 재치판(11)의 고온에서의 체적 고유 저항값의 저하 및 이탈 특성의 저하를 발생시키는 경우가 있다.

또, 몰리브덴, 텅스텐, 나이오븀 등의 금속 재료는, 재치판(11)에 포함되는 β-SiC와 고온에서 반응하여, 각종 탄화물이나 규화물(실리사이드)을 생성한다. 이들 반응 생성물은, 재치판(11)의 내전압 저하의 원인이 된다.

이에 대하여, 정전 흡착용 전극(13)의 형성 재료로서, 도전성을 갖는 세라믹스 재료를 이용한 경우, 상술한 바와 같이 정전 흡착용 전극(13)의 형성 재료가 금속 재료였을 경우에 예상되는 문제를 회피할 수 있다.

정전 흡착용 전극(13)은, 재치판(11)과 소결 또는 열에 의하여 접합되어 있어도 된다. 또, 지지판(12)의 형성 재료가 세라믹스 재료인 경우, 정전 흡착용 전극(13)은 지지판(12)과 소결 또는 열에 의하여 접합되어 있어도 된다.

정전 흡착용 전극(13)은, 재치판(11)과 소결 또는 열에 의하여 접합되어 있는 경우, 제2 세라믹스 재료는, 절연성 세라믹스 재료와 도전성 재료의 복합 재료인 것이 바람직하다.

절연성 세라믹스 재료로서는, 재치판(11)과 소결 또는 열에 의한 접합을 발생하기 쉽기 때문에, 산화 알루미늄이 바람직하다.

도전성 재료의 예로서 들 수 있는 탄소를 포함하는 도전성 세라믹스 재료로서는, 내열성이 우수하기 때문에, 탄화 탄탈럼, 탄화 몰리브덴, 탄화 타이타늄, 탄화 규소가 바람직하다.

도전성 재료의 예로서 들 수 있는 탄소 재료로서는, 침상(針狀) 카본, 그라파이트를 예시할 수 있다.

제2 세라믹스 재료는, 제2 세라믹스 재료에 있어서의 도전성 재료의 함유율이, 1체적% 이상 60체적% 이하인 것이 바람직하고, 3체적% 이상 30체적% 이하인 것이 보다 바람직하다. 도전성 재료의 함유율이 1체적% 이상이면, 정전 흡착용 전극(13)으로서 필요한 도전성을 확보할 수 있다. 또, 도전성 재료의 함유율이 60체적% 이하이면, 재치판(11)과 정전 흡착용 전극(13)의 열팽창률 차에 의한 파손을 저감시킬 수 있다. 또, 도전성 재료의 함유율을 3% 이상 30% 이하로 함으로써, 보다 적합하게 상술한 효과를 얻을 수 있다.

정전 흡착용 전극(13)은, 고주파를 양호하게 투과시키기 위하여, 얇게 형성되어 있는 것이 바람직하다. 그 때문에 정전 흡착용 전극(13)은, 두께가 50μm 이하인 것이 바람직하고, 20μm 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 정전 흡착용 전극(13)은, 웨이퍼를 안정적으로 유지하는 관점에서 2μm 이상인 것이 바람직하고, 4μm 이상인 것이 더 바람직하다.

또, 정전 흡착용 전극(13)에 전압을 인가했을 때, 곧바로 정전 흡착력이 얻어지기 때문에, 정전 흡착용 전극(13)의 형성 재료의 체적 고유 저항값이 0.01Ω·cm 이상 10000Ω·cm 이하인 것이 바람직하고, 0.1Ω·cm 이상 10000Ω·cm 이하인 것이 보다 바람직하다.

[절연재층]

절연재층(14)은, 정전 흡착용 전극(13)을 위요(圍繞)하여 부식성 가스 및 그 플라즈마로부터 정전 흡착용 전극(13)을 보호한다. 이에 더하여, 절연재층(14)은, 정전 흡착용 전극(13)을 제외하고 재치판(11)과 지지판(12)의 경계부를 접합 일체화하고 있다.

절연재층(14)은, 재치판(11) 및 지지판(12)을 구성하는 재료와 동일 조성, 또는 주성분이 동일한 절연 재료에 의하여 구성되어 있다.

[히터 엘리먼트]

정전 척부(2)의 하면 측에는, 히터 엘리먼트(5)가 마련되어 있다. 히터 엘리먼트(5)는, 일례로서 두께가 0.2mm 이하, 바람직하게는 0.1mm 정도의 일정한 두께를 갖는 비자성(非磁性) 금속 박판, 예를 들면 타이타늄(Ti) 박판, 텅스텐(W) 박판, 몰리브덴(Mo) 박판 등을 포트리소그래피법이나 레이저 가공에 의하여 원하는 히터 형상, 예를 들면 띠상의 도전 박판을 사행시킨 형상의 전체 윤곽을 원환상으로 가공함으로써 얻어진다.

이와 같은 히터 엘리먼트(5)는, 정전 척부(2)에 비자성 금속 박판을 접착한 후에, 정전 척부(2)의 표면에서 가공 성형함으로써 마련해도 되고, 정전 척부(2)와는 다른 위치에서 히터 엘리먼트(5)를 가공 성형한 것을, 정전 척부(2)의 표면에 전사 인쇄함으로써 마련해도 된다.

접착층(4)은, 히터 엘리먼트(5)를 정전 척부(2)의 하면 측(지지판(12)의 바닥면)에 접착하기 위하여 마련되어 있다. 접착층(4)은, 히터 엘리먼트(5)와 동일한 평면 형상을 갖는다.

접착층(4)으로서는, 두께가 균일한 내열성 및 절연성을 갖는 시트상 또는 필름상의 접착성 수지를 이용할 수 있다. 접착층(4)의 형성 재료로서는, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지 등을 채용할 수 있다.

[온도 조정용 베이스부]

온도 조절용 베이스부(3)는, 정전 척부(2)를 원하는 온도로 조정하기 위한 것이며, 두께가 있는 원판상의 것이다. 이 온도 조절용 베이스부(3)로서는, 예를 들면 그 내부에 냉매를 순환시키는 유로(3A)가 형성된 액랭 베이스 등이 적합하다.

온도 조절용 베이스부(3)를 구성하는 재료로서는, 열전도성, 도전성, 가공성이 우수한 금속, 또는 이들 금속을 포함하는 복합재이면 특별히 제한은 없다. 하기의 예에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 구리(Cu), 구리 합금, 스테인리스강(SUS) 등이 적합하게 이용된다. 이 온도 조절용 베이스부(3)의 적어도 플라즈마에 노출되는 면은, 알루마이트 처리가 실시되어 있거나, 혹은 산화 알루미늄 등의 절연 재료의 용사막(溶射膜)이 성막되어 있는 것이 바람직하다.

[수지층]

수지층(8)은, 정전 척부(2)와 온도 조절용 베이스부(3)의 사이에 마련되어 있다. 수지층(8)은, 히터 엘리먼트(5)가 접착된 정전 척부(2)와 온도 조절용 베이스부(3)를 접착 일체화함과 함께, 사용 시에 정전 척부(2)가 가열되어 발생하는 열응력을 완화하는 작용을 갖는다.

수지층(8)은, 수지층(8)의 내부나, 수지층(8)과 정전 척부(2), 수지층(8)과 히터 엘리먼트(5), 수지층(8)과 온도 조절용 베이스부(3)의 계면에 공극이나 결함이 적은 것이 바람직하다. 이들의 위치에 공극이나 결함이 형성되어 있으면, 열전달성이 저하되어 판상 시료(W)의 균열성이 저해되는 경우가 있다.

수지층(8)은, 예를 들면 실리콘계 수지 조성물을 가열 경화한 경화체 또는 아크릴 수지로 형성되어 있다. 수지층(8)은, 예를 들면 유동성을 갖는 수지 조성물을 정전 척부(2)와 온도 조절용 베이스부(3)의 사이에 배치한 후에, 가열 경화시킴으로써 형성하는 것이 바람직하다. 수지층(8)의 형성을 상기의 방법으로 행함으로써, 정전 척부(2)와 온도 조절용 베이스부(3)의 사이의 요철이, 수지층(8)에 의하여 충전되어, 수지층(8)은, 수지층(8)의 내부나, 수지층(8)과 정전 척부(2), 수지층(8)과 히터 엘리먼트(5), 수지층(8)과 온도 조절용 베이스부(3)의 계면에 공극이나 결함이 발생하기 어려워진다. 그 때문에, 수지층(8)의 열전도 특성을 면내에 균일하게 할 수 있어, 정전 척부(2)의 균열성을 높일 수 있다.

[그 외의 구성]

정전 척 장치(1)는, 정전 척부(2)를 두께 방향으로 관통하는 도시하지 않은 가스 공급 구멍, 및 리프트 핀 삽통(揷通) 구멍을 갖고 있다. 가스 공급 구멍 및 리프트 핀 삽통 구멍은, 재치면(19)에 개구되어 있다.

가스 공급 구멍에는, He 등의 냉각 가스가 공급된다. 가스 도입 구멍으로부터 도입된 냉각 가스는, 재치면(19)과 판상 시료(W)의 하면의 사이의 간극이나, 복수의 돌기부(30)의 사이를 흘러 판상 시료(W)를 냉각한다.

리프트 핀 삽통 구멍에는, 판상 시료(W)를 지지하여 판상 시료(W)를 상하 이동시키는 도시하지 않은 리프트 핀이 삽통되어 있다.

정전 척 장치(1)는, 이상과 같은 구성으로 되어 있다.

<정전 척 장치의 제조 방법>

다음으로, 본 실시형태의 정전 척 장치의 제조 방법의 바람직한 예에 대하여 설명한다. 이하의 설명에서는, 특히 상술한 재치판(11)의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 실시형태에 관한 정전 척 장치의 제조 방법은, 상술한 실시형태의 정전 척 장치의 제조 방법이다. 본 실시형태에 관한 정전 척 장치의 제조 방법은, 산화 알루미늄 입자와 탄화 규소 입자의 혼합 입자로 이루어지는 과립을 성형하여 이루어지는, 예를 들면 1축 성형하여 이루어지는, 성형체를 승온 속도 0.3℃/min 이상으로 500℃ 이하의 온도에서 열처리하는 공정(이하, "공정 A"라고 칭함)과, 열처리 후의 성형체를 소결하여, 산화 알루미늄과 탄화 규소를 주성분으로 하고, 산화 알루미늄의 입계에 층상의 그래핀이 존재하는 소결체를 형성하는 공정(이하, "공정 B"라고 칭함)을 갖는다.

재치판(11)의 출발 원료로서는, 예를 들면 산화 알루미늄 입자와 β-SiC 입자를 이용한다.

산화 알루미늄 입자는, 평균 입자경이 0.05μm 이상 0.5μm 이하인 것이 바람직하고, 0.05μm 이상 0.2μm 이하인 것이 보다 바람직하다.

이용하는 산화 알루미늄 입자는, 산화 알루미늄의 함유량이 99.99% 이상인 것이 바람직하다. 이와 같은 고순도의 산화 알루미늄 입자는, 명반법(明礬法)을 이용함으로써 조제 가능하다. 명반법을 이용하여 조제한 산화 알루미늄 입자는, 예를 들면 베이어법을 이용하여 조제한 산화 알루미늄 입자와 비교하면, 금속 불순물인 나트륨 원자의 함유량을 큰폭으로 저감시키는 것이 가능하다. 또, 원하는 순도의 산화 알루미늄 입자가 얻어진다면, 다양한 방법을 채용 가능하다. 예를 들면, 베이어법을 이용하여 조정한 산화 알루미늄이어도, 산화 알루미늄의 함유량이 99.99% 이상인 산화 알루미늄이면 이용할 수 있다.

β-SiC 입자는, 평균 입자경이 0.1μm 이하이며, 금속 불순물량이 200ppm 이하인 것이 바람직하다. 또, β-SiC 분말로서는 열플라즈마 CVD에 의하여 합성된 분말이 바람직하다. β-SiC 입자의 평균 입자경의 하한은 임의로 선택할 수 있지만, 예를 들면 0.01μm 이상이어도 된다.

열플라즈마 CVD로 합성된 β-SiC 입자는, 구형이며, 입자경의 불균일이 적고, 입자끼리의 고착이 적다. 그 때문에, 열플라즈마 CVD로 합성된 β-SiC 입자는, 용매로의 분산성이 우수하다.

이어서, 이들의 출발 원료를 분산제가 들어간 용액 중에 투입하여, 초음파 분산 장치를 이용하여 예비 분산시킨다. 그 후, 공지의 2류 입자 충돌형의 분쇄 혼합 장치를 이용하여, 분산매로 분산시킨 산화 알루미늄 입자와 β-SiC 입자를 각각 가압함으로써 고속으로 분사하여 서로 충돌시키면서 혼합한다. 이로써, 산화 알루미늄 입자와 β-SiC 입자가 분쇄된 분쇄 입자가 얻어진다. 또 이들의 분쇄 입자가 혼합된 혼합 입자를 포함하는 분산액이 얻어진다.

산화 알루미늄 입자와 β-SiC 입자를 충돌시킬 때, 큰 입자는, 충돌 시의 운동 에너지가 커, 분쇄되기 쉽다. 한편, 작은 입자는, 충돌 시의 운동 에너지가 작아, 분쇄되기 어렵다. 그 때문에, 2류 입자 충돌형의 분쇄 혼합 장치를 이용하여 얻어지는 산화 알루미늄 입자와 β-SiC 입자는, 조대(粗大) 입자나 과분쇄의 입자가 적은 입자이다. 바꾸어 말하면, 입도(粒度) 분포폭이 좁은 입자가 된다. 따라서, 2류 입자 충돌형의 분쇄 혼합 장치를 이용하여 분쇄 혼합한 혼합 입자를 이용하면, 공정 B(소결 공정)에 있어서, 조대 입자를 핵으로 하는 이상입성장(異常粒成長)을 억제할 수 있다.

또, 예를 들면 볼 밀이나 비즈 밀 등의 분쇄 매체(미디어)를 이용하여 분쇄 혼합하는 방법과 비교하여, 2류 입자 충돌형의 분쇄 혼합 장치를 이용하여 분쇄 혼합하는 방법은, 미디어의 파손에 기인한 불순물의 혼입을 억제하는 것이 가능하다.

그 때문에, 2류 입자 충돌형의 분쇄 혼합 장치를 이용하여 원료의 입자끼리를 혼합함으로써, 입자경이 보다 균일한 소결체를 얻을 수 있다.

이어서, 얻어진 분산액을 공지의 스프레이 드라이 장치로 건조시킴으로써, 산화 알루미늄 입자와 β-SiC 입자의 혼합 입자로 이루어지는 과립을 얻는다.

이어서, 목적으로 하는 소결체의 형상에 따라, 얻어진 과립을 성형하여, 원반상의 성형체로 한다. 과립의 형성은, 예를 들면 1축 성형(1축 프레스 성형) 등을 행한다. 이하, 1축 성형(1축 프레스 성형)하는 경우를 예에 기재한다.

이어서, 얻어진 성형체를, 불활성 가스 분위기하 1600℃ 이상 1850℃ 이하에서, 소결 압력 10MPa 이상 50MPa 이하의 범위로 소결한다(공정 B). 불활성 가스 분위기로서는, 아르곤 분위기가 바람직하다. 공정 B를 행할 때의 온도는, 1650℃ 이상 1850℃ 이하인 것이 바람직하고, 1700℃ 이상 1800℃ 이하인 것이 보다 바람직하다. 공정 B를 행할 때의 소결 압력은, 20MPa 이상 45MPa 이하인 것이 바람직하고, 25MPa 이상 40MPa 이하인 것이 보다 바람직하다.

또한, 공정 B에 앞서, 이하의 전처리(공정 A)를 행해도 된다.

먼저, 1축 성형한 성형체를 불활성 가스 분위기하, 상압에서, 프레스하지 않고, 열처리하여, 성형체에 포함되는 수분이나 분산매 등의 협잡물을 제거한다. 여기에서, 불활성 가스로서는, 이들에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 질소나 아르곤을 이용할 수 있다. 상압이란, 가압하지 않는 것을 가리킨다. 열처리할 때의 온도는, 성형체를 편성하지 않고 성형체로부터 협잡물을 제거할 수 있으면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 500℃이다.

상기 열처리(공정 A)에 있어서의 열처리 온도는, 500℃ 이하이며, 400℃ 이하인 것이 바람직하다. 공정 A에 있어서의 승온 속도는 0.3℃/min 이상이며 또한 2.0℃/min 이하인 것이 바람직하고, 0.5℃/min 이상이며 또한 1.5℃/min 이하인 것이 보다 바람직하다. 열처리 온도 및 승온 속도를 상술한 범위로 함으로써, 열처리(공정 A)에 있어서, 혼합 입자에 포함되는 산화 알루미늄 입자의 입계에 층상의 그래핀을 형성할 수 있다. 또 공정 A에 있어서의 승온 속도를 0.3℃/min 이상으로 함으로써, 주파수가 낮은 영역에 있어서도 충분한 유전율을 얻을 수 있다.

또, 상기 소결(공정 B)은, 하기에 나타내는 예비 가열 공정을 더 포함하고 있어도 된다.

예비 가열 공정은, 공정 A에서 열처리된 성형체를, 공정 B에서의 소결을 행하기 전에 행하는 공정이다. 예비 가열 공정은, 성형체를, 진공 분위기에 있어서, 가열(예비 가열)한다. 예비 가열 공정에 있어서의 가열을, 이하, 예비 가열이라고 하는 경우가 있다. 예비 가열의 온도는, 1600℃ 이하이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 400℃부터 1300℃여도 되고, 500℃부터 1200℃여도 되며, 600℃부터 1000℃여도 된다. 또, 예비 가열의 시간은, 예를 들면 2시간부터 8시간이어도 되고, 4시간부터 6시간이어도 된다. 이 가열은, 상압에서 프레스하지 않고 행해도 된다. 혹은 예비 가열은, 가압 소결이어도 된다.

예비 가열 공정에 의하면, 예비 가열의 온도를 적절히 설정함으로써, 혼합 입자에 포함되는 알칼리 금속 등의 금속 불순물이 증발하여, 금속 불순물을 용이하게 제거할 수 있다. 그 때문에, 예비 가열 공정에 의하면, 혼합 입자의 순도를 향상시키기 쉬워져, 재치판(11)의 주파수 특성을 제어하기 쉬워진다.

따라서, 예비 가열 공정에 의하면, 혼합 입자의 순도를 향상시키기 쉬워져, 재치판(11)의 주파수 특성을 제어하기 쉬워진다.

또한, 본 실시형태에 있어서 "진공"이란, "대기압보다 낮은 압력의 기체로 채워진 공간 내의 상태"의 것이며, JIS 규격에 있어서 공업적으로 이용할 수 있는 압력으로서 정의된 상태를 가리킨다. 본 실시형태에 있어서는, 진공 분위기는, 저진공(100Pa 이상)이어도 되지만, 중진공(0.1Pa~100Pa)이면 바람직하고, 고진공(10^-5Pa~0.1Pa)이면 보다 바람직하다.

또, 본 실시형태에 있어서 "상압"이란, 대기압이어도 되고, 어떠한 장치 등에 의하여, 분위기를 가압하거나 감압을 하거나 하지 않는 조건으로 얻어지는 상태여도 된다.

본 실시형태에 있어서는, 예를 들면 진공 분위기하, 1200℃에서 4시간 이상 예비 가열한 후, 대기압까지 아르곤으로 기압을 되돌린다. 그 후, 상술한 조건으로 성형체를 소결함으로써, 재치판(11)의 원료인 소결체가 얻어진다.

이어서, 얻어진 소결체를 연삭하여 원판으로 하고, 가공을 더 실시하여 재치판(11)을 제작한다.

또, 재치판(11)과 동일하게 하여 형성된 소결체를 연삭하여 원판으로 하고, 또한 원판의 평면시 중앙부에 관통 구멍을 형성한다. 관통 구멍에는, 관통 구멍에 상보적으로 감합하는 도전성 세라믹스제의 원기둥을 삽입하여, 고정한다. 삽입한 원기둥의 높이는, 원판의 두께와 거의 동일하며, 원기둥의 양단부가 원판의 표면과 동일 평면으로 되어 있다. 이와 같이 가공된 원판은, 상술한 지지판(12)으로서 이용된다.

재치판(11)과 지지판(12)을 동일한 재질로 함으로써 재치판(11)과 지지판(12)의 열팽창의 차를 없앨 수 있다.

얻어진 지지판(12)에, 절연성 세라믹스 재료의 분말과 도전성 재료의 분말의 혼합 분말의 분산액을, 스크린 인쇄한다. 이 혼합 분말은, 정전 흡착용 전극을 형성하는, 상기 제2 세라믹스 재료의 원료이다.

또, 이 지지판(12)의 도포면에 있어서, 절연성을 부여해야 할 위치에는, 절연성 세라믹스 분말의 분산액을 스크린 인쇄한다. "절연성을 부여해야 할 위치"로서는, 재치면에 냉각용 가스를 공급하는 가스 공급 구멍을 형성하는 위치, 리프트 핀이 삽통되는 리프트 핀 삽통 구멍을 형성하는 위치, 지지판(12)의 주연부로서 상기 절연재층(14)에 대응하는 위치의 근방 등을 들 수 있다.

스크린 인쇄된 분산액을 건조시킨 후, 형성된 도막 상에 재치판(11)을 얹고, 재치판(11), 도막, 지지판(12)이 이 순서로 적층된 적층체를 얻는다. 이 적층체를 아르곤 분위기하, 적층체가 소결하는 온도의 최고 온도보다 낮은 온도로 가압 접합한다. 이와 같이 가공된 접합체는, 상술한 정전 척부(2)로서 이용된다.

얻어진 접합체의 지지판(12) 측의 면에, 두께가 균일한 내열성 및 절연성을 갖는 시트상 또는 필름상의 접착성 수지를 이용하여, 비자성 금속 박판을 접착한다. 그 후, 비자성 금속 박판을 에칭하여 히터 엘리먼트(5)를 제작한다.

이어서, 히터 엘리먼트(5)를 제작한 접합체에 대하여, 접합체를 관통하는 가스 공급 구멍, 및 리프트 핀 삽통 구멍을 바람직한 위치에 형성한다.

이어서, 히터 패턴에 급전용 전극을 용접한다.

이어서, 내열성이 높은 접착제를 이용하여 정전 척부(2)를 온도 조절용 베이스부(3)에 고정함으로써, 정전 척 장치(1)를 제작할 수 있다.

이상과 같은 구성의 정전 척 장치에 의하면, 실온부터 고온 영역까지 높은 흡착력과 양호한 이탈 특성을 가지며, 또한 양호한 고주파 투과성을 실현할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 히터 엘리먼트(5)를 갖는 것으로 했지만, 히터 엘리먼트(5)를 갖지 않는 정전 척 장치로 해도 된다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 적합한 실시형태 예에 대하여 설명했지만, 본 발명이 이러한 예에 한정되지 않는 것은 말할 것도 없다. 상술한 예에 있어서 나타낸 각 구성 부재의 모든 형상이나 조합 등은 일례이며, 본 발명의 주지로부터 벗어나지 않는 범위에 있어서 설계 요구 등에 근거하여 다양하게 변경 가능하며, 다양한 실시형태를 조합하여 행할 수 있다.

실시예

이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이하의 실시예에 있어서는, 적절히 상술한 실시형태에 있어서 이용한 부호를 사용하여 설명한다.

[실시예 1]

출발 원료로서, 평균 입자경이 0.03μm이며 열플라즈마 CVD로 합성된 β-SiC형의 탄화 규소(β-SiC) 입자와, 평균 입자경이 0.1μm인 산화 알루미늄(Al₂O₃) 입자를 이용했다.

β-SiC 입자와 Al₂O₃ 입자의 전체량에 대하여, β-SiC 입자가 8체적%가 되도록, 이들 입자를 칭량했다. 다음으로 이들 입자를 분산제가 들어간 증류수에 투입했다. β-SiC 입자와 Al₂O₃ 입자를 투입한 분산액에 대하여, 초음파 분산 장치로 분산 처리 후, 2류 입자 충돌형의 분쇄 혼합 장치를 이용하여 분쇄 혼합했다.

얻어진 혼합 용액을 스프레이 드라이 장치로 분무 건조시켜, β-SiC와 Al₂O₃의 혼합 입자로 했다.

혼합 입자를 프레스압 8MPa로 1축 프레스 성형하여, 직경 320mm×15mm 두께의 성형체로 했다.

이어서, 성형체를 질소 분위기하, 프레스압을 가하지 않고 승온 속도 0.5℃/min로 385℃까지 승온시켜 열처리하여, 수분 및 분산제(협잡물)를 제거했다.

얻어진 성형체를 흑연제의 몰드에 세팅하고, 가압 소결을 행했다. 소결 조건은, 1100℃까지는, 진공 분위기하, 프레스압 5MPa로 했다. 그 후, 아르곤 분위기하, 프레스압 40MPa, 1800℃까지 승온시켜 소결을 행했다.

얻어진 소결체를 가공하여, 직경 310mm×3mm 두께의 성형체를 제작했다. 얻어진 성형체는, 상기 실시형태에 있어서의 "재치판"에 해당한다.

또, 동일하게 하여 얻어진 소결체를 가공하여, 직경 310mm×3mm 두께의 성형체로 하고, 또한 성형체의 중앙부에 직경 3mm의 관통 구멍을 형성했다. 형성한 관통 구멍에는, 산화 알루미늄-탄화 탄탈럼의 소결체(탄화 탄탈럼 30체적%)를 관통 구멍의 형상에 맞추어 가공한 원기둥을 삽입하여 고정했다. 얻어진 성형체는, 상기 실시형태에 있어서의 "지지판"에 해당한다.

산화 알루미늄 입자와, 침상 카본(폭방향 0.1μm, 길이 방향 2μm)과, 스크린 오일(테레핀올)을 혼합하여 도전성 분산액을 조제했다. 그때, 산화 알루미늄 입자와 침상 카본의 합계량에 대하여, 침상 카본이 5체적%가 되도록 혼합했다.

또, 산화 알루미늄과 스크린 오일을 혼합하여, 절연성 분산제를 조제했다.

스크린 인쇄 장치를 이용하여, 지지판의 표면에 대하여 정전 흡착용 전극의 형상으로 도전성 분산액을 인쇄했다. 또, 지지판의 표면에 대하여, 재치면에 냉각용 가스를 공급하는 가스 공급 구멍을 형성하는 위치, 리프트 핀이 삽통되는 리프트 핀 삽통 구멍을 형성하는 위치, 지지판(12)의 주연부이며 상기 절연재층(14)에 대응하는 위치의 근방에, 절연성 분산제를 인쇄했다.

지지판의 상기 인쇄를 실시한 측에 재치판을 중첩하여, 핫프레스 장치를 이용하여 가압 접합했다.

얻어진 접합체를, 재치판의 두께 0.5mm, 지지판의 두께 1.0mm, 외경 293mm가 되도록 가공했다. 또한, 접합체에 가스 공급 구멍 및 리프트 핀 삽통 구멍을 형성했다.

관통 구멍을 형성한 접합체의 재치판 측의 표면에 블라스트 가공을 실시하여, 주연벽(17)을 형성했다. 또, 블라스트 가공에 의하여, 재치판의 표면에 직경 0.5mm 높이 40μm의 원기둥 형상의 돌기부(30)를 형성하여, 정전 척부(2)를 얻었다.

정전 척부(2)와 알루미늄제의 온도 조절용 베이스부(3)를, 실리콘계 접착제를 이용하여 접착했다. 온도 조절용 베이스부(3)로서는, 상면 및 측면에 산화 알루미늄의 용사막이 형성되어 있는 것을 이용했다. 이상에 의하여, 실시예 1의 정전 척 장치를 얻었다.

[실시예 2]

성형체를 질소 분위기 중, 승온 속도 1.0℃/min로 385℃까지 승온시켜 열처리한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 2의 정전 척 장치를 얻었다.

[비교예 1]

성형체를 질소 분위기 중, 승온 속도 0.2℃/min로 385℃까지 승온시켜 열처리한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 비교예 1의 정전 척 장치를 얻었다.

[비교예 2]

성형체를 질소 분위기 중, 승온 속도 0.1℃/min로 385℃까지 승온시켜 열처리한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 비교예 2의 정전 척 장치를 얻었다.

[재치판의 주사형 투과 전자 현미경상]

실시예 1과 2 및 비교예 1과 2의 정전 척 장치의 재치판을, 주사형 투과 전자 현미경(STEM)에 의하여 관찰했다.

도 2에, 실시예 1에 있어서의 재치판의 주사형 투과 전자 현미경상을 나타낸다. 도 3에, 실시예 2에 있어서의 재치판의 주사형 투과 전자 현미경상을 나타낸다. 도 4에, 비교예 1에 있어서의 재치판의 주사형 투과 전자 현미경상을 나타낸다. 도 5에, 비교예 2에 있어서의 재치판의 주사형 투과 전자 현미경상을 나타낸다.

도 2 및 도 3의 결과로부터, 실시예 1 및 실시예 2에 있어서의 재치판에서는, 재치판을 구성하는 소결체에 있어서, 산화 알루미늄의 입계에 층상의 그래핀이 존재하고 있는 것이 확인되었다.

한편, 도 4 및 도 5의 결과로부터, 비교예 1 및 비교예 2에 있어서의 재치판에서는, 재치판을 구성하는 소결체에 있어서, 산화 알루미늄의 입계에 층상의 그래핀이 존재하고 있지 않는 것이 확인되었다.

또한, 비교예에서 층상의 그래핀이 형성되지 않았던 이유는, 승온 속도가 저하되면, 그래핀과 인접하는 산소 원자의 반응이 진행되기 쉬워져 CO나 CO₂ 등의 탈가스로서 계외로 배출되는 것 등이 상정된다.

[재치판의 비유전율]

실시예 1과 실시예 2 및 비교예 1과 비교예 2의 정전 척 장치의 재치면에 알루미늄제의 전극을 재치하여, 정전 흡착용 전극으로의 급전부와 알루미늄제의 전극의 사이의 정전 용량을, LCR 미터를 이용하여 측정하고, 측정값을 이용하여 비유전율을 산출했다. 결과를 표 1 및 도 6에 나타낸다. 또한, 도 6 중, 흰색 마름모꼴은 실시예 1을, 흑색 마름모꼴은 실시예 2를, 흰색 사각형은 비교예 1을, 흰색 동그라미는 비교예 2를 나타낸다.

표 1 및 도 6의 결과로부터, 실시예 1 및 실시예 2에 있어서의 재치판은, 비교예 1 및 비교예 2에 있어서의 재치판보다 비유전율이 높은 것이 확인되었다.

	승온 속도 [℃/min]	측정 주파수[kHz]
		0.2	1	10	100	1000
실시예 1	0.5	12.4	12.4	12.3	12.3	12.2
실시예 2	1	12.57	12.53	12.42	12.33	12.27
비교예 1	0.2	12.2	12.2	12.1	12.1	12.0
비교예 2	0.1	11.9	11.9	11.8	11.8	11.8

산업상 이용가능성

본 발명에 의하면, 높은 흡착력과, 적합하게 고주파를 투과시키는 것이 가능한 정전 척 장치 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

1…정전 척 장치
2…정전 척부
3…온도 조절용 베이스부
8…수지층
11…재치판(기체)
12…지지판
13…정전 흡착용 전극
14…절연재층
19…재치면
30…돌기부
W…판상 시료

Claims (10)

1. 일주면이 판상 시료를 재치하는 재치면인 기체와,
   상기 기체에 있어서, 상기 재치면과는 반대 측에 마련된 정전 흡착용 전극을 구비하고,
   상기 기체는 세라믹스 재료를 형성 재료로 하며,
   상기 세라믹스 재료는, 산화 알루미늄과 탄화 규소를 주성분으로 하고, 상기 산화 알루미늄의 입계에 층상의 그래핀이 존재하는 소결체인 정전 척 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 소결체는, β-SiC형의 탄화 규소를 더 포함하는 정전 척 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 세라믹스 재료는, 주파수 10Hz에 있어서의 비유전율이 12.3 이상이며, 또한 주파수 1MHz에 있어서의 비유전율이 12.5 이하인 정전 척 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 정전 척 장치의 제조 방법으로서,
   산화 알루미늄 입자와 탄화 규소 입자의 혼합 입자로 이루어지는 과립을 성형하여 이루어지는 성형체를 승온 속도 0.3℃/min 이상으로 500℃ 이하의 온도에서 열처리하는 공정과,
   열처리 후의 성형체를 소결하여, 산화 알루미늄과 탄화 규소를 주성분으로 하고, 상기 산화 알루미늄의 입계에 층상의 그래핀이 존재하는 소결체를 형성하는 공정을 갖는 정전 척 장치의 제조 방법.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 소결체가 포함하는 상기 β-SiC는, 상기 소결체의 4체적% 이상 15체적% 이하인, 정전 척 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 정전 흡착용 전극은, 도전성을 갖는 세라믹스를 형성 재료로 하는, 정전 척 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 기체는 상기 세라믹스 재료만으로 이루어지고,
   상기 탄화 규소가 β-SiC형의 탄화 규소만으로 이루어지는, 정전 척 장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   제1 세라믹스 재료에 있어서, 산화 알루미늄의 결정립의 평균 결정 입경이 2μm 이하이며, 탄화 규소의 결정립의 평균 결정 입경이 0.2μm 이하이고,
   층상의 그래핀의 두께가, 5nm 이상 1000nm 이하인, 정전 척 장치.
9. 제 4 항에 있어서,
   상기 성형체를 소결하는 공정이, 상기 불활성 가스 분위기하에서의 소결 전에,
   진공 분위기에서, 1600℃ 이하에서 상기 성형체의 가열을 행하는 서브 공정을 포함하는, 정전 척 장치의 제조 방법.
10. 제 4 항에 있어서,
    상기 열처리하는 공정이, 불활성 가스 분위기하, 상압에서 행해지는 정전 척 장치의 제조 방법.

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