KR20210120806A - 정전 척 장치 - Google Patents

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KR20210120806A
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chuck device
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요시아키 모리야
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삼성전자주식회사
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Abstract

흡착 고정한 기판을 균일하게 냉각 또는 가열할 수 있는 정전 척 장치가 제공된다. 실시형태에 따른 정전 척 장치는 정전 척판과, 정전 척판의 이면에 접합한 접합제를 포함하는 접합층과, 접합층에 접합한 접합면을 포함하고, 접합면의 중앙부에서 외주부를 향해 방사상으로 연장된 복수의 돌기가 형성된 베이스를 구비한다. 각 돌기의 중앙부측의 단부는 간격을 두고 배치될 수 있다.

Description

정전 척 장치{Electrostatic Chuck Device}
본 발명은 정전 척 장치에 관한 것이다.
정전 척(Electrostatic Chuck) 장치는 웨이퍼(Wafer) 등의 시료를 정전기력에 의해 흡착하는 정전 척판과, 냉각기구를 포함하는 베이스(base)를 구비한다. 정전 척판을 베이스 상에 접합하는 접합제에 인듐(Indium)이나 알루미늄(Aluminum)을 사용할 경우에는 접합층의 두께는 마스킹 테이프(Masking Tape)나 와이어(Wire)에 의해 제어되어 있다. 혹은 접합층의 두께는 이와 같은 두께를 제어하는 부재를 도입하지 않고, 접합제를 도포하는 막 두께에 의해 제어되는 경우도 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는 인듐을 사용한 접합에 있어서, 접합층의 두께는 마스킹 테이프를 사용하여 제어되는 것이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는 접합층의 두께는 접합제를 도포하는 막 두께 또는 박막에 의해 제어되는 것이 기재되어 있다.
일본 특개 2019-104964호 공보 일본 특허 제 3485390호 공보
그러나, 특허문헌 1의 방법에서는 마스킹 테이프의 두께 편차가 그대로 접합층의 두께 편차에 반영되므로, 접합층의 두께의 정밀도를 유지하는 것이 곤란하다.
또한, 와이어를 배치하여 접합층의 두께를 제어하는 방법에서는 와이어를 배치하는 위치의 특정이 곤란하다. 예를 들면, 와이어의 배치에 의해 베이스와 정전 척판의 접촉 열전달(Heat Transfer)에 편차가 생긴다. 또한, 와이어의 배치에 의해 접합제로의 이물의 혼입이 일어날 수 있다. 이것에 의해 국소적으로 접합제의 성질이 변화되고, 응력집중의 원인도 된다.
또한, 와이어의 배치에 의해 접합제를 분단하게 되어, 열팽창 차이에 의한 신장이나 수축시에 접합제의 이동을 저해하기도 한다. 이로 인해, 접합 후의 접합층의 두께에 편차가 생기고, 접촉 열전달의 불균일이 생기기 쉽다. 또한, 열팽창(Thermal Expansion)이나 열수축(Thermal Contraction)을 수반하는 사용 환경하에서는 접합제의 파손이 생기기 쉽다. 와이어의 재질에 의해 접합시에 필요한 압력을 인가할 수 없고, 접합층의 두께에 편차가 생기는 경우도 있다.
이와 같이, 마스킹 테이프나 와이어를 사용하는 방법은 접합층의 두께를 고정밀도로 제어하는 것이 곤란하다.
특허문헌 2의 방법에서는 접합층의 두께를 조정하는 스톱퍼의 역할을 하는 것이 없기 때문에, 접합층의 두께 편차를 수정하는 것이 곤란하고, 결과적으로 접합층의 두께를 고정밀도로 제어할 수 없다.
그 외, 수지 접착제의 경우에는 수지 접착제의 경화체나 세라믹판을 사용하여 접합층의 두께를 제어하는 방법도 있다. 그러나, 경화체의 경우에는 하중변형이 일어나 두께 조정에 필요한 충분한 하중을 인가할 수 없다. 세라믹판을 사용할 경우에는 와이어와 마찬가지로 응력집중이 생기고, 정전 척판의 파손으로 연결되기도 한다.
본 발명은 상기 문제에 비추어 행해진 것이며, 정전 척판과 베이스 사이의 접합층의 두께를 고정밀도로 제어할 수 있고, 흡착 고정한 시료를 균일하게 냉각 또는 가열할 수 있는 정전 척 장치를 제공한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 정전 척 장치는 정전 척판과, 상기 정전 척판의 이면에 접합한 접합제를 포함하는 접합층과, 상기 접합층에 접합한 접합면을 포함하고, 상기 접합면의 중앙부에서 외주부를 향해 방사상으로 연장된 복수의 돌기가 형성된 베이스를 구비한다.
상기 정전 척 장치에 있어서, 각 돌기의 상기 중앙부측의 단부는 간격을 두고 배치될 수 있다.
상기 정전 척 장치에 있어서, 상기 접합면은 상기 중앙부에 상기 단부로 둘러싸인 평탄한 중앙 평탄부를 가질 수 있다.
상기 정전 척 장치에 있어서, 상기 복수의 상기 돌기는 상기 돌기가 연장된 방향의 길이가 제1 길이의 복수의 제1 돌기와, 상기 제1 길이보다도 작은 제2 길이의 복수의 제2 돌기를 가지며, 상기 제2 돌기의 중앙부측의 단부를, 상기 제1 돌기의 상기 중앙부측의 단부보다도 외주부측에 배치될 수 있다.
상기 정전 척 장치에 있어서, 상기 제2 돌기의 상기 중앙부측의 단부의 근방에는 상기 접합면에 홀이 형성될 수 있다.
상기 정전 척 장치에 있어서, 적어도 2개의 상기 돌기의 상기 중앙부측의 단부는 연결될 수 있다.
상기 정전 척 장치에 있어서, 상기 돌기는 상기 접합제에 매설될 수 있다.
상기 정전 척 장치에 있어서, 상기 돌기는 상기 이면에 직접 접촉하고, 상기 돌기가 상기 이면에 접촉한 면적은 상기 이면 면적의 60% 이하일 수 있다.
상기 정전 척 장치에 있어서, 상기 베이스는 냉매가 흐르는 유로를 포함할 수 있다.
상기 정전 척 장치에 있어서, 상기 베이스의 영률은 200[GPa] 이상이며, 상기 베이스의 열팽창률과 상기 정전 척판의 열팽창률 차이는 1×10-6[/℃] 이내이며, 상기 베이스의 열전도율은 50[W/(mK)] 이상일 수 있다.
상기 정전 척 장치에 있어서, 상기 베이스는 알루미늄, 금속기 복합재료, 탄화 실리콘 및 실리콘, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 정전 척 장치에 있어서, 상기 정전 척판은 내부전극을 포함하고, 산화 이트륨, 탄화 실리콘, 산화 알루미늄 및 질화 알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 정전 척 장치에 있어서, 상기 정전 척판은 내부전극을 포함하고, 산화 이트륨, 탄화 실리콘, 산화 알루미늄 및 질화 알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 정전 척 장치에 있어서, 상기 접합제는 인듐, 알루미늄, 은 및 주석 중 적어도 하나를 포함하는 것이거나, 인듐, 알루미늄, 은 및 주석 중 적어도 하나를 포함하는 합금이거나, 또는, 실리콘 수지, 아크릴 수지 및 에폭시 수지 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 접합제는 가열 경화형 수지를 포함하고, 4.0[W/(mK)] 이상의 열전도율을 가지고, -150[℃]에 있어서 1[GPa] 이하의 영률을 가질 수 있다.
상기 접합제에 있어서, 23[℃]에서 -150[℃]까지 냉각한 경우의 영률의 변화율은 500[%] 미만이며, 23[℃]에서 -150[℃]까지 냉각한 경우의 인장하중은 12.6[cm2]의 면적당 15배 이하일 수 있다.
상기 접합제는 실리콘 수지, 에폭시 수지, 아크릴 수지 중 적어도 하나를 포함하고, 260[℃] 이상의 분해온도를 가질 수 있다.
상기 접합제는 열전도성 필러를 35[%] - 45[%] 포함하고, 상기 열전도성 필러는 입경 D90으로 25[㎛] 이하이며, 입경 D50으로 10[㎛] 미만이며, 상기 접합제의 점도는 10[Pa·s] 이하일 수 있다.
상기 접합제의 가열 경화 전의 분해온도는 300[℃] 이상이며, 상기 접합제는 열전도성 필러를 포함하고, 상기 열전도성 필러는 입경 D90으로 25[㎛] 이하이며, 입경 D50으로 10[㎛] 미만일 수 있다.
상기 접합제에 포함되는 열전도성 필러는 질화 알루미늄, 질화 실리콘, 질화 붕소, 탄화 실리콘 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 정전 척판 및 상기 베이스는 모두 알루미늄, 산화 이트륨, 탄화 실리콘, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 정전 척판 및 상기 베이스의 열팽창 차이는 23[℃]에서 -100[℃]까지의 각 온도에 있어서, 1Х10-6[/℃] 이내일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 의해 흡착 고정한 시료를 균일하게 냉각 또는 가열할 수 있는 정전 척 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시형태 1에 따른 정전 척 장치를 예시한 단면도이다.
도 2는 실시형태 1에 따른 정전 척 장치에 있어서, 베이스의 접합면을 예시한 평면도이다.
도 3은 실시형태 1에 따른 정전 척 장치에 있어서, 베이스의 접합면을 예시한 사시도이다.
도 4는 실시형태 1에 따른 정전 척 장치에 있어서, 베이스의 접합면을 예시한 확대도이며, 도 3의 IV영역을 확대해서 나타낸다.
도 5는 실시형태 1에 따른 정전 척 장치에 있어서, 베이스의 돌기를 예시한 단면 사시도이다.
도 6은 실시형태 1에 따른 정전 척 장치에 있어서, 냉각 중인 접합제의 열수축 과정을 예시한 평면도이다.
도 7은 실시형태 1에 따른 정전 척 장치에 있어서, 냉각 중인 접합제의 열수축 과정을 예시한 단면도이며, 도 6의 VII-VII선의 단면을 나타낸다.
도 8은 실시형태 1에 따른 정전 척 장치에 있어서, 돌기의 사이에 배치된 접합제에 발생하는 응력을 산출하는 모델을 예시한 도면이다.
도 9는 실시형태 1에 따른 정전 척 장치의 제조방법을 예시한 순서도이다.
도 10은 실시형태 1의 변형예에 따른 정전 척 장치에 있어서, 베이스의 접합면을 예시한 사시도이다.
도 11은 실시형태 1의 변형예에 따른 정전 척 장치에 있어서, 냉각 중인 접합제의 열수축 과정을 예시한 평면도이다.
도 12는 실시형태 1의 변형예에 따른 정전 척 장치에 있어서, 냉각 중인 접합제의 열수축 과정을 예시한 단면도이며, 도 11의 XII-XII선의 단면을 나타낸다.
도 13은 실시형태 1의 변형예에 따른 정전 척 장치에 있어서, 냉각 중인 접합제의 열수축 과정을 예시한 단면도이며, 도 11의 XII-XII선의 단면을 나타낸다.
도 14는 비교예에 따른 정전 척 장치에 있어서, 베이스의 접합면을 예시한 사시도이다.
설명의 명확화를 위해서 이하의 기재 및 도면은 적절히 생략 및 간략화가 이루어졌다. 또한, 각 도면에 있어서, 동일한 요소에는 동일한 부호가 부여되었고, 필요에 따라 중복되는 설명은 생략하였다.
(실시형태 1)
이하, 실시형태 1에 따른 정전 척 장치를 설명한다. 먼저, <정전 척 장치의 구성>을 설명한다. 그 후, 정전 척 장치를 구성하는 <정전 척판>, <접합층> 및 <베이스>의 각 구성을 설명한다. 그리고, <정전 척 장치의 제조방법>을 설명한다. 다음으로, 실시형태 1을 변형시킨 <변형예> 및 실시형태 1과의 비교를 위해서 <비교예>를 설명한다. 그 후, 실시형태 1, 변형예 및 비교예에 대한 <정전 척 장치의 평가>를 <실시예1-1> 내지 <실시예1-4>로 설명한다.
<정전 척 장치의 구성>
도 1은 실시형태 1에 따른 정전 척 장치를 예시한 단면도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 정전 척 장치(1)는 정전 척판(10)과, 접합층(20)과, 베이스(30)를 구비하고 있다. 정전 척 장치(1)는 정전 척판(10)의 흡착면(11)에 정전기력에 의해 시료를 흡착 고정시킨다. 시료는 예를 들면, 판상의 웨이퍼, 스퍼터링 타깃 등이다. 한편, 시료는 흡착면(11)에 흡착되는 것이면, 웨이퍼, 스퍼터링 타깃 등으로 한정되지 않는다.
여기서, 정전 척 장치(1)의 설명의 편의 위해서 XYZ 직교 좌표축계를 도입한다.
정전 척판(10)의 흡착면(11)에 직교하는 방향을 Z축 방향으로 한다. 정전 척판(10)의 흡착면(11)에 평행한 면을 XY 평면으로 한다. 예를 들면, 정전 척판(10)의 흡착면(11)측을 상방으로 하고 +Z축 방향으로 한다. 정전 척판(10)의 이면(12)측을 하방으로 하고 -Z축 방향으로 한다. 한편, 상방 및 하방은 정전 척 장치(1)의 설명의 편의를 위한 것이고, 실제의 정전 척 장치(1)의 사용시에 배치되는 방향을 나타낸 것이 아니다.
<정전 척판>
정전 척판(10)은 판상이며, 시료를 정전기력에 의해 흡착시키는 흡착면(11) 및 흡착면(11)의 반대측 이면(12)을 가지고 있다. 정전 척판(10)은 예를 들면, 원판상이다. 한편, 정전 척판(10)은 원판상으로 한정되지 않으며, 직사각형의 판상 등 형상에는 구애되지 않는다.
정전 척판(10)은 내부에 도시하지 않은 내부전극을 포함하고 있다. 정전 척판(10)은 내부전극에 전압을 인가하고, 시료를 정전기력에 의해 흡착면(11)에 흡착 고정시킨다.
정전 척판(10)은 재료로서, 예를 들면 세라믹(Ceramics)을 포함하고 있다. 정전 척판(10)은 예를 들면, 산화 알루미늄(Al2O3) 및 질화 알루미늄(AlN) 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
표 1은 재료 특성의 비교를 예시한 표이다. 하기의 표 1에는 산화 알루미늄(Al2O3), 금속기 복합재료(Metal Matrix Composites, 이하, MMC라고 한다.), 질화 알루미늄(AlN), 탄화 실리콘(SiC), 인듐(Indium) 및 실리콘 수지(Silicone)에 있어서의 밀도[kg/㎥], 열팽창률[10-6/℃], 영률[GPa], 푸아송비 및 열전도율[W/(mK)]을 나타낸다.
재료 특성 비교 Al2O3 MMC AlN SiC Indium Silicone
밀도[kg/㎥] 3900 3000 3300 3100 7300 1030
열팽창률[10-6/℃] 7 7 4 3 30 20
영률[GPa] 380 260 330 430 11.5 1×10-3
푸아송비 0.23 0.20 0.24 0.17 0.45 0.50
열전도율[W/(mK)] 30 160 150 150 80 0.2
표 1에 나타낸 바와 같이, 정전 척판(10)의 재료를 산화 알루미늄(Al2O3)으로 하고, 베이스(30)의 재료를 금속기 복합재료(MMC)로 한 경우에는 정전 척판(10)과 베이스(30)의 열팽창률 차이를 1×10-6[/℃] 이하로 할 수 있다. 또한, 정전 척판(10)의 재료를 질화 알루미늄(AlN)으로 하고, 베이스(30)의 재료를 탄화 실리콘(SiC)으로 한 경우에는 정전 척판(10)과 베이스(30)의 열팽창률 차이를 1×10-6[/℃] 이하로 할 수 있다. 이러한 재료를 사용하는 것에 의해 정전 척판(10)과 베이스(30) 사이에 발생하는 응력을 완화할 수 있다.
<접합층>
접합층(20)은 정전 척판(10)과 베이스(30) 사이에 배치되어 있다. 접합층(20)은 정전 척판(10)의 이면(12) 및 베이스(30)의 접합면(31)에 접합한 접합제를 포함하고 있다. 접합제는 예를 들면 인듐, 알루미늄, 은 및 주석 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. 또한, 접합제는 인듐, 알루미늄, 은 및 주석 중 적어도 하나를 포함하는 합금일 수 있다. 또한, 접합제는 실리콘 수지, 아크릴 수지 및 에폭시 수지 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
예를 들면, 표 1에 나타낸 바와 같이, 접합제를 인듐 또는 실리콘 수지로 한 경우에는 정전 척판(10) 및 베이스(30)와 접합제 사이에서 열팽창률이 크게 다르지만, 본 실시형태의 정전 척 장치(1)에서는 이하에 나타내는 베이스(30)의 돌기(32)에 의해 열팽창률 차이의 영향을 저감할 수 있다.
접합층(20)을 구성하는 접합제의 기공 함유율을 기공율로 하면, 접합제의 기공율은 5% 이하가 바람직하다. 이것에 의해 정전 척판(10)과 베이스(30) 사이에서 열전도율 및 열전달율을 향상시켜, 열팽창 및 열수축에 의한 파손을 억제할 수 있다.
<베이스>
베이스(30)는 정전 척판(10)의 이면(12)에 접합층(20)을 통해 접합되어 있다. 베이스(30)에 있어서, 접합층(20)에 접합한 면을 접합면(31)이라고 한다. 따라서, 베이스(30)는 접합층(20)에 접합한 접합면(31)을 포함한다.
베이스(30)는 강성을 가지는 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 베이스(30)는 재료로서 알루미늄(Al), 금속기 복합재료(MMC), 탄화 실리콘(SiC) 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 표 1을 이용하여 상술한 바와 같이, 적절히 재료를 선택하는 것에 의해 정전 척판(10)과 베이스(30) 열팽창률 차이를 1×10-6[/℃] 이하로 할 수 있다.
베이스(30)는 영률이 200[GPa] 이상의 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 영률을 200[GPa] 이상으로 함으로써 의해 베이스(30)의 재료에 강성을 갖게 할 수 있다. 따라서, 임의의 압력으로 정전 척판(10)을 접합층(20)을 통해 접합면(31)에 확실히 누를 수 있다. 이것에 의해 접합면(31)에 형성시킨 돌기(32)를 이용하여 정전 척판(10)과 베이스(30) 사이의 접합제를 포함하는 접합층(20)의 두께를 고정밀도로 제어할 수 있다.
또한, 베이스(30)의 열전도율은 50[W/(mK)] 이상인 것이 바람직하다. 이것에 의해 베이스(30)로부터 접합층(20)을 통해 정전 척판(10)으로의 열전달을 향상시킬 수 있다.
도 2는 실시형태 1에 따른 정전 척 장치(1)에 있어서, 베이스(30)의 접합면(31)을 예시한 평면도이다. 도 3은 실시형태 1에 따른 정전 척 장치(1)에 있어서, 베이스(30)의 접합면(31)을 예시한 사시도이다. 도 4는 실시형태 1에 따른 정전 척 장치(1)에 있어서, 베이스(30)의 접합면(31)을 예시한 확대도이며, 도 3의 IV영역을 확대해서 나타낸다. 도 5는 실시형태 1에 따른 정전 척 장치(1)에 있어서, 베이스(30)의 돌기(32)를 예시한 단면 사시도이다. 한편, 도면이 번잡해지지 않도록 몇 개의 돌기(32) 및 홀(36)에만 부호를 부여하고, 몇 개의 돌기(32) 및 홀(36)의 부호를 생략하였다.
도 2 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 베이스(30)의 접합면(31)에는 복수의 돌기(32)가 형성되어 있다. 복수의 돌기(32)는 접합면(31)의 중앙부에서 외주부를 향해 방사상으로 연장되어 있다. 각 돌기(32)의 중앙부측의 단부는 이웃하는 돌기(32)의 중앙부측의 단부와 간격을 두고 배치되어 있다. 따라서, 접합면(31)은 중앙부에, 각 돌기(32)의 중앙부측의 단부로 둘러싸인 평탄한 중앙 평탄부(33)를 가지고 있다.
베이스(30)의 접합면(31)은 중앙부에 형성된 평탄한 중앙 평탄부(33)와, 중앙 평탄부(33)를 둘러싸도록 환상으로 형성된 돌기 배치부(34)와, 돌기 배치부(34)를 둘러싸도록 환상으로 형성된 외주부(35)를 가지고 있다. 복수의 돌기(32)는 돌기 배치부(34)에 형성되어 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 돌기(32)의 폭(32w)은 예를 들면, 5-10[mm]이다. 돌기(32)의 높이(32h)는 예를 들면, 50[㎛]-1[mm]이며, 바람직하게는 100[㎛]이다. 한편, 돌기(32)의 폭(32w) 및 높이(32h)는 이들 값으로 한정되지 않으며, 적절히 변경할 수 있다.
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 복수의 돌기(32)는 돌기(32)가 연장된 방향의 길이가 다른 복수의 돌기(32p) 및 복수의 돌기(32q)를 가질 수 있다. 돌기(32q)의 길이는 돌기(32p)의 길이보다도 작다(돌기(32p)의 길이 > 돌기(32q)의 길이). 그리고, 돌기(32q)의 중앙 평탄부(33) 측의 단부를 돌기(32p)의 중앙 평탄부(33)측의 단부보다도 외주부(35) 측에 배치시켰다. 한편, 돌기(32p) 및 돌기(32q)를 총칭하여 돌기(32)라고 한다.
돌기(32p)의 중앙 평탄부(33) 측의 단부는 중앙 평탄부(33)와 돌기 배치부(34)의 경계에 위치하고 있다. 돌기(32q)의 중앙 평탄부(33) 측의 단부는 중앙 평탄부(33)와 돌기 배치부(34)의 경계보다도 돌기 배치부(34) 측에 위치하고 있다. 돌기(32p) 및 돌기(32q)의 외주부(35) 측의 단부는 돌기 배치부(34)와 외주부(35)의 경계에 위치하고 있다. 중앙 평탄부(33)의 직경은 예를 들면, 직경 300[mm]의 접합면(31)의 경우에 있어서, 50[mm] 이상이 바람직하다.
돌기(32)는 접합층(20)에 있어서, 접합제에 매설될 수 있다. 돌기(32)는 정전 척판(10)의 이면(12)에 직접 접촉할 수 있다. 그리고, 돌기(32)가 정전 척판(10)의 이면(12)에 접촉한 면적은 이면(12) 면적의 60% 이하인 것이 바람직하다. 이것에 의해 정전 척판(10)과 베이스(30) 사이에서 열전달율을 향상시킬 수 있다. 또한, 접합제의 열팽창 및 열수축에 의한 파손을 억제할 수 있다.
베이스(30)는 냉매가 흐르는 도시하지 않은 유로를 포함할 수 있다. 예를 들면, 베이스(30)는 유로를 내장하고 있다. 베이스(30)의 접합면(31)에는 홀(36)이 형성될 수 있다. 홀(36)에는 예를 들면, 정전 척판(10)의 내부전극의 배선 등을 통할 수 있다. 홀(36)을 형성하는 경우에는 돌기(32q)의 중앙부측의 단부의 근방에 형성하는 것이 바람직하다. 이것에 의해 중앙 평탄부(33)의 면적을 크게 할 수 있고, 접합제의 열팽창 및 열수축에 의한 파손을 억제할 수 있다.
도 6은 실시형태 1에 따른 정전 척 장치(1)에 있어서, 냉각 중인 접합제의 열수축 과정을 예시한 평면도이다. 도 7은 실시형태 1에 따른 정전 척 장치(1)에 있어서, 냉각 중인 접합제의 열수축 과정을 예시한 단면도이며, 도 6의 VII-VII선의 단면을 나타낸다.
도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 베이스(30)의 접합면(31)에는 방사상으로 연장된 복수의 돌기(32)가 형성되어 있다. 접합제는 냉각 중에 열수축한다. 접합제가 열수축하는 방향(21)은 접합면(31)에 있어서 반경방향이다. 따라서, 돌기(32)가 연장되는 방향과, 접합제의 열수축 방향(21)이 일치하므로, 정전 척판(10) 및 베이스(30)와, 접합층(20) 사이에 발생하는 응력을 완화할 수 있다. 한편, 이러한 응력완화는 정전 척 장치(1)의 제조 과정에 있어서의 냉각시뿐만 아니라, 정전 척 장치(1)의 사용시에 있어서의 승온시의 열팽창 및 강온시의 열수축에도 유효하다.
또한, 베이스(30)의 접합면(31)에는 중앙 평탄부(33)가 형성되어 있다. 중앙 평탄부(33)에 있어서, 접합제의 신장이나 수축을 조정할 수 있다. 따라서, 제조 과정에 있어서의 냉각시의 열수축, 사용시에 있어서의 승온시의 열팽창 및 강온시의 열수축시에, 접합제는 자유롭게 변형될 수 있다. 이것에 의해 접합층(20)의 열팽창 또는 열수축에 의한 싱크마크나 결함을 억제할 수 있다.
접합층(20)의 두께에 의해 돌기(32)의 배치의 피치를 최적화하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 접합층(20)의 두께가 작은 경우에는 돌기(32)의 피치를 크게 한다. 그러면, 수평방향으로 납작한 접합제를 포함하는 접합층(20)이 된다. 한편, 접합층(20)의 두께가 큰 경우에는 돌기(32)의 피치를 작게 한다. 그러면, 연직 방향으로 가늘고 긴 접합제를 포함하는 접합층(20)이 된다. 양자의 접합층(20)에 포함되는 접합제는 동일한 양으로 할 수 있다.
도 8은 실시형태 1에 따른 정전 척 장치(1)에 있어서, 돌기(32)의 사이에 배치된 접합제에 발생하는 응력을 산출하는 모델을 예시한 도면이다. 베이스(30)의 열팽창률이 작으므로, 도 8에 나타낸 바와 같이, 온도 T[℃]에서 온도 T+△T[℃]로 변화된 경우에 있어서, 접합제의 응력(σ) 및 접합제에 발생하는 힘(F)은 이하의 수학식 1 및 수학식 2로 산출된다. 여기서, α는 열팽창률를 나타내고, β는 온도차를 나타내고, E는 영률을 나타내고, A는 접합제의 단면적을 나타낸다. 단면적(A)은 돌기(32)의 사이 접합제 높이(H) 및 폭(W)으로 산출된다.
<수학식1>
　σ＝－α△ＴＥ
<수학식2>
　Ｆ＝－α△ＴＥＡ
표 2는 접합제를 인듐으로 하고, 응력(σ)을 산출하는 파라미터를 예시한 것이다.
Indium 기호
열팽창률[10-6/℃] 30 α
영률[GPa] 11.5 E
온도차[℃] -250 △T
변화전 온도[℃] 150 T
변화후 온도[℃] -100 T+△T
응력[MPa] 86.25 σ
여기서, 표 2에 나타낸 바와 같이, 열팽창률 α=30×10-6[/℃], 영률 E=11.5[GPa], 온도차 △T=-250[℃]로 하면, 응력σ=86.25[MPa]으로 산출된다. 응력(σ)이 양인 경우에는 인장응력을 나타내고, 응력(σ)이 음인 경우에는 압축응력을 나타낸다. 또한, 힘(F)이 양의 값인 경우에는 인장하중을 나타내고, 힘(F)이 음인 경우에는 압축하중을 나타낸다.
표 3은 실시형태 1에 따른 정전 척 장치(1)에 있어서, 돌기(32)의 사이에 배치된 접합제의 단면적(A) 및 생기는 힘(F)을 예시한 것이다.
단면적(A)[㎟] 1.4 4.8 7.0 24 2.5
높이(H)×폭(W) 0.1×14 0.1×48 0.5×14 0.5×48 0.5×5
발생하는 힘(F)[N] 120.8 414 603.8 2070 215.6
표 3에 나타낸 바와 같이, 접합제의 단면적(A)이 커질수록 접합제에 발생하는 힘(F)이 커진다. 예를 들면, 접합제의 높이(H)를 일정하게 한 경우에는 접합제의 폭(W)이 클 수록 힘(F)이 커진다. 또한, 접합제의 폭(W)을 일정하게 한 경우에는 접합제의 높이(H)가 클 수록 힘(F)이 커진다. 따라서, 접합층(20)에 발생하는 힘을 균일하게 하기 위해서는 접합제의 단면적(A)을 일정하게 하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서는 복수의 돌기(32)는 접합면(31)에 있어서 방사상으로 연장되어 있다. 따라서, 이웃하는 돌기(32)의 간격은 외주부(35)측일수록 넓어진다. 즉, 외주부(35)측일수록 접합제의 폭(W)이 커진다. 이에, 복수의 돌기(32)는 복수의 돌기(32p)와, 돌기(32p)의 길이보다도 작은 길이의 복수의 돌기(32q)를 가지도록 하고 있다. 그리고, 돌기(32q)의 중앙 평탄부(33) 측의 단부를 돌기(32p)의 중앙 평탄부(33) 측의 단부보다도 외주부(35) 측에 배치시켰다. 이것에 의해 접합제의 외주부(35) 측의 폭(W)을 작게 할 수 있으므로, 접합제에 발생하는 힘(F)을 균일화할 수 있다.
<정전 척 장치의 제조방법>
다음으로, 정전 척 장치(1)의 제조방법을 설명한다. 도 9는 실시형태 1에 따른 정전 척 장치(1)의 제조방법을 예시한 순서도이다. 도 9의 스텝 S11에 나타낸 바와 같이, 베이스(30)에 유로를 형성한다. 예를 들면, 베이스(30)의 하부를 구성하는 하부부재에 기계가공을 시행하여 유로가 되는 홈을 형성한다. 그리고, 홈을 형성한 하부부재에 베이스(30)의 상부를 구성하는 상부부재를 알루미늄 브레이징 재료로 접합한다. 이것에 의해 유로를 내포한다. 이와 같이 하여 베이스(30)에 유로를 형성한다.
다음으로, 스텝 S12에 나타낸 바와 같이, 돌기(32)를 형성한다. 예를 들면, 상부부재 및 하부부재를 접합한 후에, 다시 베이스(30)에 기계가공을 시행하고, 필요한 형상으로 가공한다. 그 후, 베이스(30)의 접합면(31)에 샌드 블라스트 가공 등으로 돌기(32)를 형성한다.
돌기(32)는 정전 척판(10)의 이면(12)에 형성시킬 수 있다고 생각될 수 있다. 그러나, 정전 척판(10)은 얇고, 접합시에 변형되기 쉽다. 따라서, 충분한 두께를 가지며, 변형되기 어려운 베이스(30)의 접합면(31)에 형성하는 것이 바람직하다.
돌기(32)의 배치는 접합층(20)의 두께에 맞춰 가변한다. 예를 들면, 접합층(20)의 접합력에 영향을 주지 않을 정도로 돌기(32)의 피치를 5-50[mm]의 범위에서 변화시킬 수 있다. 돌기(32)의 피치는 접합층(20)이 두꺼운 경우에는 좁게, 얇은 경우에는 넓게 하는 것이 바람직하다.
한편, 베이스(30)의 절연화 처리를 위해서 산화 알루미늄(Al2O3) 재료를 용사법으로 베이스(30) 표면에 성막할 수 있다. 이 경우에는 성막한 용사막에 동일한 돌기(32)를 형성할 수 있다.
다음으로, 스텝 S13에 나타낸 바와 같이, 정전 척판(10)과 베이스(30)를 접합층을 통해 접합한다. 예를 들면, 내부전극을 포함하는 정전 척판(10)의 이면(12)과 베이스(30)의 접합면(31)에 인듐 재료를 얹어 놓고, 200[℃]로 가열한다. 인듐 재료가 녹으면, 베이스(30)의 접합면(31)에 정전 척판(10)의 이면(12)을 서로 붙인다. 그리고, 정전 척판(10) 측에서 하중을 인가한다. 하중은 예를 들면, 3[kPa]이다.
한편, 하중은 없어도 되나, 정밀하게 두께를 제어하기 위해서는 1[kPa] 이상의 하중을 인가하는 것이 바람직하다. 하중을 인가한 상태로, 예를 들면 30[min] 가열한다. 그 후, 가열을 정지하고, 실온까지 냉각한다. 인듐이 고화된 것을 확인한다. 이와 같이하여, 정전 척 장치(1)를 제조할 수 있다.
<변형예>
다음으로, 본 실시형태의 변형예에 따른 정전 척 장치를 설명한다. 본 변형예의 정전 척 장치는 복수의 돌기(32)의 형상이 실시형태 1과 다르다. 구체적으로는 변형예의 복수의 돌기(32)는 중앙부에서 연결되어 있다.
도 10은 실시형태 1의 변형예에 따른 정전 척 장치에 있어서, 베이스(30a)의 접합면(31a)를 예시한 사시도이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 본 변형예의 정전 척 장치에 있어서, 복수의 돌기(32a)는 접합면(31a)에 있어서, 중앙부에서 외주부를 향해 방사상으로 연장되어 있는 것, 복수의 돌기(32a)는 복수의 돌기(32pa)와, 돌기(32pa)의 길이보다도 작은 길이의 복수의 돌기(32qa)를 가지는 것은 실시형태와 동일하다. 그러나, 변형예의 베이스(30a)의 접합면(31a)에는 중앙 평탄부(33)가 형성되어 있지 않다. 복수의 돌기(32pa)의 중앙부측의 단부는 중앙에서 서로 연결되어 있다.
도 11은 실시형태 1의 변형예에 따른 정전 척 장치에 있어서, 냉각 중인 접합제의 열수축 과정을 예시한 평면도이다. 도 12 및 도 13은 실시형태의 변형예에 따른 정전 척 장치에 있어서, 냉각 중인 접합제의 열수축 과정을 예시한 단면도이며, 도 11의 XII-XII선의 단면을 나타낸다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 본 변형예에서도 돌기(32a)가 연장되는 방향과, 접합제의 열수축 방향(21)이 일치하므로, 정전 척판(10) 및 베이스(30a)와 접합층(20) 사이에 발생하는 응력을 완화할 수 있다.
한편, 본 변형예에서는 베이스(30a)의 접합면(31a)에는 중앙 평탄부(33)가 형성되어 있지 않다. 돌기(32a)의 중앙부측의 단부는 중앙에서 연결되어 있다. 따라서, 경화 후의 열수축에 의해 접합면(31a)의 중앙에 있어서의 돌기(32a)의 교점 근방에서 결함이 발생한다. 예를 들면, 중앙부의 돌기(32a)를 연결한 부분으로부터 접합제가 박리된다.
구체적으로는 도 12에 나타낸 바와 같이, 변형예의 정전 척 장치(1a)에 있어서, 경화 처리 중에는 접합제는 정전 척판(10)과 베이스(30a) 사이에 충진된다. 그 후, 도 13에 나타낸 바와 같이, 경화 후의 수축으로 중앙 근방의 접합제는 박리된다. 이와 같이, 본 변형예에서는 정전 척판(10) 및 베이스(30a)와 접합제에서 열팽창률이 다르기 때문에 중앙부의 돌기(32a)의 측면에서 접합제의 신장과 수축이 생긴다. 따라서, 중앙부의 접합층(20)에 있어서, 스트레스 내성이 저감되고, 중앙부의 돌기(32a) 주변에서 접합제의 박리가 일어나기 쉽다.
<비교예>
다음으로, 비교예에 따른 정전 척 장치를 설명한다. 도 14는 비교예에 따른 정전 척 장치에 있어서, 베이스(130)의 접합면(131)을 예시한 사시도이다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 비교예의 정전 척 장치에 있어서는 베이스(130)의 접합면(131) 상에, 동심원상의 복수의 돌기(132)가 형성되어 있다. 돌기(132)는 예를 들면, 임의의 직경의 복수 와이어를 동심원상으로 배치하는 것에 의해 형성된다. 그 이외의 구성은 실시형태 1과 동일하다.
<정전 척 장치의 평가>
다음으로, 실시형태 1, 변형예 및 비교예에 따른 정전 척 장치의 평가에 대해서 설명한다.
정전 척 장치의 평가 항목은 1. 접합층(20)의 두께, 2. 접합층(20)의 결함, 3. 온도 사이클 시험 및 4. 웨이퍼를 시료로 하여 가열하였을 때의 온도 편차이다.
1. 접합층(20)의 두께는 삼차원 측정장치를 사용하여 정전 척 장치 전체의 두께로부터 접합층(20)의 두께를 산출한다. 2. 접합층(20)의 결함은 정전 척 장치의 정전 척판(10) 측에서부터 초음파 탐상장치로 결함 검사를 실시한다. 3. 온도 사이클 시험은 정전 척 장치에, -100[℃]-100[℃]의 온도 사이클 시험을 30회 실시하고, 시험 후에 다시 초음파 탐상장치로 결함 검사를 실시한다. 4. 웨이퍼를 시료로 하여 가열하였을 때의 온도 편차는 정전 척판(10)에 웨이퍼 기판을 흡착 고정시킨 상태에서, 3[kW]의 입열을 가하였을 때의 웨이퍼 기판의 온도 편차를 측정한다.
<실시예 1-1>
실시예 1-1의 정전 척 장치는 상술의 (실시형태 1)에서 설명한 정전 척 장치에 기초하며, 베이스(30)의 중앙부에 돌기(32)가 형성되지 않은 중앙 평탄부를 가지는 구성이다. 베이스(30)의 재료는 탄화 실리콘-알루미늄(SiC-Al) 복합재료이며, 정전 척판(10)의 재료는 산화 알루미늄(Al2O3)이며, 접합층(20)의 재료는 인듐이다. 또한, 베이스(30)의 접합면(31)은 도 2 내지 도 5에 나타낸 형상의 복수의 돌기(32)를 가지며, 돌기(32)의 높이는 100[㎛]이다.
1. 접합층(20)의 두께
실시예 1-1의 정전 척 장치에서는 접합층(20)의 두께가 100±25[㎛]의 범위 내이며 합격이다.
2. 접합층(20)의 결함
실시예 1-1의 정전 척 장치에서는 접합층(20)에 큰 결함이 없고, 접합 면적이 99[%] 이상으로 합격이다.
3. 온도 사이클 시험
실시예 1-1의 정전 척 장치에서는 온도 사이클 시험의 전후에서 결함 검사의 결과에 변화가 없어 합격이다.
4. 웨이퍼를 시료로 하여 가열하였을 때의 온도 편차
실시예 1-1의 정전 척 장치에서는 웨이퍼 기판의 온도 편차는 ±3[℃] 이내이며 합격이다.
<실시예 1-2>
실시예 1-2의 정전 척 장치는 상술의 (실시형태)에서 설명한 정전 척 장치에 기초하며, 베이스(30)의 중앙부에 돌기(32)가 형성되지 않은 중앙 평탄부를 가지는 구성이다. 베이스(30)의 재료는 탄화 실리콘(SiC)에 산화 알루미늄(Al2O3)의 용사막을 형성한 것이며, 정전 척판(10)의 재료는 질화 알루미늄(AlN)이다. 또한, 베이스(30)의 접합면(31)은 도 2 내지 도 5에 나타낸 형상의 복수의 돌기(32)를 가지고, 돌기(32)의 높이는 100[㎛]이다.
1. 접합층(20)의 두께
실시예 1-2의 정전 척 장치에서는 접합층(20)의 두께가 100±25[㎛]의 범위내이며 합격이다.
2. 접합층(20)의 결함
실시예 1-2의 정전 척 장치에서는 접합층(20)에 큰 결함이 없고, 접합 면적이 99[%] 이상으로 합격이다.
3. 온도 사이클 시험
실시예 1-2의 정전 척 장치에서는 온도 사이클 시험의 전후에서 결함 검사의 결과에 변화 없어 합격이다.
4. 웨이퍼를 시료로 하여 가열하였을 때의 온도 편차
실시예 1-2의 정전 척 장치에서는 웨이퍼 기판의 온도 편차는 ±3[℃] 이내이며 합격이다.
<실시예 1-3>
실시예 1-3의 정전 척 장치는 상술의 <변형예>에서 설명한 정전 척 장치에 기초하며, 베이스(30)의 중앙부에 있어서 돌기(32)가 연결되어 있는 구성이다. 베이스(30)의 재료는 탄화 실리콘-알루미늄(SiC-Al) 복합재료에 산화 알루미늄(Al2O3)의 용사막을 형성한 것이며, 정전 척판(10)의 재료는 산화 알루미늄(Al2O3)이며, 접합층(20)의 재료는 인듐이다. 또한, 베이스(30a)의 접합면(31a)은 도 10에서 나타낸 형상의 복수의 돌기(32a)를 가지며, 돌기(32a)의 높이는 100[㎛]이다.
1. 접합층(20)의 두께
실시예 1-3의 정전 척 장치에서는 접합층(20)의 두께가 100±25[㎛]의 범위내이며 합격이다.
2. 접합층(20)의 결함
실시예 1-3의 정전 척 장치에서는 중앙부의 돌기(32)를 연결한 부분에서부터 접합제가 박리되고 있는 것이 확인되었다.
3. 온도 사이클 시험
실시예 1-3의 정전 척 장치에서는 중앙부의 돌기(32)를 연결한 부분에서부터 접합제가 박리되고 있는 것이 확인되었다.
4. 웨이퍼를 시료로 하여 가열하였을 때의 온도 편차
실시예 1-3의 정전 척 장치에서는 웨이퍼 기판의 중앙부가 비정상적으로 냉각되어 있는 것이 확인되었다.
<실시예 1-4>
실시예 1-4의 정전 척 장치는 상술의 <비교예>에서 설명한 정전 척 장치에 기초하며, 동심원상의 돌기(132)가 형성된 구성이다. 베이스(30)의 재료는 탄화 실리콘-알루미늄(SiC-Al) 복합재료이며, 정전 척판(10)의 재료는 산화 알루미늄(Al2O3)이며, 접합층(20)의 재료는 인듐이다. 또한, 베이스(30)의 접합면(31)상에는 도 14에서 나타낸 바와 같이, 임의의 직경의 복수의 돌기(132)가 동심원상으로 배치되어 있다. 돌기(32)의 높이는 100[㎛]이다.
1. 접합층(20)의 두께
실시예 1-4의 정전 척 장치에서는 접합층(20)의 두께 편차가 100±50[㎛]이며 불합격이다.
4. 웨이퍼를 시료로 하여 가열하였을 때의 온도 편차
실시예 1-4의 정전 척 장치에서는 웨이퍼 기판의 면내의 온도 편차가 ±7[℃]이며 불합격이다.
다음으로, 본 실시형태 및 변형예의 정전 척 장치의 효과를 설명한다. 본 실시형태 및 변형예의 정전 척 장치(1) 및 (1a)는 베이스(30) 및 (30a)(이하, 통합하여 베이스(30)라고 한다. 접합면(31a) 및 돌기(32a)도 각각 통합하여 접합면(31) 및 돌기(32)라고 한다.)의 접합면(31)에 방사상으로 연장된 복수의 돌기(32)를 가지고 있다. 따라서, 돌기(32)가 연장되는 방향은 접합제의 열팽창 및 열수축의 방향(21)을 따르고 있다. 이것에 의해 정전 척판(10), 접합층(20), 베이스(30)의 열팽창률 차이에 의한 응력을 완화할 수 있고, 접합층(20)의 두께를 균일화할 수 있다. 따라서, 열전달을 균일화할 수 있다.
한편, 비교예의 정전 척 장치에서는 돌기(132)는 동심원상의 형상으로 되어 있고, 접합제의 열팽창 및 열수축의 방향(21)을 따르지 않았다. 따라서, 정전 척판(10), 접합층(20), 베이스(130)의 열팽창률 차이에 의한 응력을 완화할 수 없고, 접합층(20)의 두께를 균일화할 수 없다.
본 실시형태 및 변형예의 정전 척 장치(1) 및 (1a)는 베이스(30)에 강성재료를 사용하고 있으므로, 베이스(30)에 정전 척판(10)을 접합할 때에 압력을 인가해도 변형을 억제할 수 있다. 따라서, 돌기(32)에 의해 제어되는 접합층(20)의 두께 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 돌기(32)는 접합제에 매설되게 배치되어 있다. 이것에 의해 접합제에 발생하는 응력을 고정밀도로 산출할 수 있고, 열응력을 완화할 수 있다.
베이스(30)의 돌기(32)가 정전 척판(10)의 이면(12)에 접촉한 면적은 이면(12) 면적의 60% 이하이다. 따라서, 접합층(20)은 응력을 견딜 수 있는 접합력을 가질 수 있다. 또한, 열전달을 고정밀도로 제어할 수 있다.
또한, 정전 척판(10) 및 베이스(30)와 열팽창 차이가 크게 다른 접합제를 사용해서 접합층(20)을 형성할 수 있다. 따라서, 접합제의 종류 및 사용 온도의 범위를 넓힐 수 있고, 사용 용도의 선택지를 넓힐 수 있다.
복수의 돌기(32)는 복수의 돌기(32p)와 돌기(32p)보다도 길이가 작은 복수의 돌기(32q)를 가진다. 그리고, 돌기(32q)의 중앙 평탄부(33) 측의 단부를 돌기(32p)의 중앙 평탄부(33)측의 단부보다도 외주부(35) 측에 배치시켰다. 이것에 의해 접합제에 발생하는 힘(F)을 균일화할 수 있다.
본 실시형태의 정전 척 장치(1)에서는 베이스(30)의 접합면(31)에 중앙 평탄부(33)가 형성되어 있다. 따라서, 접합층(20)의 열팽창 또는 열수축에 의한 싱크마크나 결함을 억제할 수 있다.
정전 척판(10)의 내부전극의 배선 등을 통하는 홀을 돌기(32q)의 중앙 평탄부(33) 측의 단부 근방에 형성하고 있으므로, 접합제에 발생하는 힘(F)의 균일화를 저해하지 않는다. 또한, 중앙 평탄부(33)의 기능을 저해하지 않는다.
(실시형태 2)
다음으로, 실시형태 2에 따른 정전 척 장치를 설명한다. 상술한 바와 같이, 정전 척 장치에 있어서의 정전 척판(10)과 베이스(30) 사이의 접합 기술에 있어서는, 용도에 따라 수지제 접합제를 이용할 수 있다. 정전 척판(10)과 베이스(30) 사이의 접합제는 정전 척판(10)과 베이스(30) 사이의 열응력을 완화하는 기능 및 정전 척판(10)에 흡착 고정된 시료에 유입되는 열을 베이스(30)에 원활하게 전달하는 기능을 주로 담당한다.
단, 수지성 접합제를 이용할 경우에는 사용되는 수지(실리콘, 에폭시, 아크릴 등)의 유리 전이점 및 분해점 등에 의해 정전 척 장치에 대한 사용 가능 온도가 결정된다. 이에 따라, 정전 척 장치에 대한 사용 가능 온도 폭은 좁아지는 경우가 많다.
또한, 수지는 애초에 열전도율이 낮아 정전 척판(10)에 흡착된 시료에 유입된 열을 원활하게 베이스(30)에 전달하는 것을 저해한다. 이에 따라, 저열전도성을 개선하기 위해 고열전도성의 재료를 필러로 추가할 수 있다. 예를 들면, 질화 알루미늄(AlN)이나 산화 알루미늄(Al2O3)의 필러를 첨가하여 열전도율을 개선하였다. 이 필러 첨가의 영향에 의해 특히, 영률(탄성율)이 낮은 실리콘 접합제에서는 경화체의 영률이 상승되어 열응력의 완화 능력이 현저히 저하된다. 또한, 필러를 지나치게 많이 첨가하면 접합제의 핸들링성이 저하되어 작업효율을 저하시킨다.
이에, 본 실시형태에서는 유리전이온도가 낮고, 필러가 첨가되어도 실온에서부터 극저온역에 있어서의 영률의 상승량을 억제할 수 있는 수지제 접합제를 이용한다. 수지는 열팽창 계수가 크기 때문에 우선 정전 척판(10) 및 베이스(30)의 열팽창률을 일치시킴으로써 불필요한 열응력이 가해지지 않는 구성으로 하였다. 또한, 필러 함유 접합제의 경화 조건을 최적화하는 것에 의해 실온역에서부터 극저온역의 폭넓은 온도대에서 사용 가능한 정전 척 장치를 제공한다. 이하에서, 수지성 접합제를 이용한 <실시예 2-1> 내지 <실시예 2-4>를 설명한다.
<실시예 2-1>
실시예 2-1의 정전 척 장치는 상술한 실시형태 1에서 설명한 정전 척 장치에 근거한 구성이다. 베이스(30), 정전 척판(10) 및 접합제에 포함되는 각 재료는 이하와 같다.
A. 재료
·베이스: SiC-Al 복합재료
·정전 척판: Al2O3
·접합제: 질화물 필러 함유 실리콘 접착제(4.5[W/mK])
B. 제조방법
본 실시형태의 정전 척 장치의 제조방법은 먼저 상술한 실시형태 1의 정전 척 장치의 제조방법과 마찬가지로, 도 9의 스텝 S11 및 스텝 S12를 수행한다.
다음으로, 스텝 S13에 있어서, 정전 척판(10) 및 베이스(30)에 접합제를 도포하고, 진공 상태에서 50[℃]에서 30[min]의 탈포처리를 한다. 그리고, 정전 척판(10)과 베이스(30)를 맞붙여 6[kPa]의 압력을 인가하고, 다시 진공상태에서 50[℃]에서 30[min]의 탈포처리를 한다.
다음으로, 대기압에 개방 후, 압력을 9[kPa]로 증가시키고 60[min] 정치한다. 그 후, 그 상태에서 90[℃]로 승온하여 20[h] 정치하고 경화 처리를 실시한다. 그리고, 압력을 인가한 상태에서 30[℃] 이하가 될 때까지 냉각한다. 실온까지 냉각하여 접합제가 경화된 것을 확인한다.
C. 평가방법
다음으로, 정전 척 장치의 평가방법을 설명한다. 삼차원 측정장치를 사용하여 정전 척 장치의 전체 두께로부터 변형을 산출한다. 본 실시예 2-1에서는 평면도는 80[㎛] 이하에 들어가 있어 합격인 것을 확인하였다.
정전 척 장치의 정전 척판(10) 측에서부터 초음파 탐상장치로 결함검사를 실시한다. 접합층에 큰 결함이 없고, 접합 면적이 99[%] 이상으로 합격으로 한다. 정전 척 장치를 -150[℃] - 100[℃]의 온도 사이클 시험을 30회 실시한다. 온도 사이클 시험 후에 다시 초음파 탐상장치로 결함검사를 실시한다. 본 실시예 2-1에서는 온도 사이클 시험 전 및 시험 후 모두 접합층에 큰 결함이 없어 합격인 것을 확인하였다.
정전 척판(10)에 웨이퍼 기판을 흡착 고정하고, -150[℃]로 냉각한 상태에서 5.5[kW]의 입열이 있었을 때의 웨이퍼 온도를 측정한다. 본 실시예 2-1에서 웨이퍼 온도는 -135[℃]이며 합격인 것을 확인하였다.
D. 인장하중 평가
전용 지그를 기계 가공으로 형성한다. 정전 척 장치의 제조방법과 동일한 조건, 작업 내용으로 정전 척판(10) 대신 전용 지그를 접합시킨다. 그리고, 샘플을 소정온도(23[℃], -150[℃])로 냉각시킨다. 냉각된 샘플을 만능 시험기에 장착한 후에 상하로 잡아당긴다. 접합된 전용 지그가 접합층(20)에서 파단하였을 때의 하중을 계측한다.
<실시예 2-2>
다음으로, 실시예 2-2를 설명한다. 실시예 2-2의 정전 척 장치에 있어서, 베이스(30), 정전 척판(10) 및 접합제에 포함되는 각 재료는 이하와 같다.
A. 재료
·베이스: SiC-Al 복합재료
·정전 척판: Al2O3
·접합제: 필러 무함유 실리콘 접착제(0.15[W/mK])
B. 제조방법
실시예 2-1과 동일하다.
C. 평가방법
본 실시예 2-2에서 평면도는 80[㎛] 이하에 들어가 있어 합격인 것을 확인하였다. 본 실시예 2-2에서는 온도 사이클 시험 전 및 시험 후 모두 접합층(20)에 변화가 없어 합격인 것을 확인하였다. 정전 척판(10)에 웨이퍼 기판을 흡착 고정하고, -150[℃]로 냉각한 상태에서 5.5[kW]의 입열이 있었을 때의 웨이퍼 온도는 -95[℃]이며 합격인 것을 확인하였다.
<실시예 2-3>
다음으로 실시예 2-3을 설명한다. 실시예 2-3의 정전 척 장치에 있어서, 베이스(30), 정전 척판(10) 및 접합제에 포함되는 각 재료는 이하와 같다.
A. 재료
· 베이스: SiC-Al 복합재료
· 정전 척판: Al2O3
· 접합제: 산화물 필러 함유 실리콘 접착제(0.5[W/mK])
B. 제조방법
실시예 2-1과 동일하다.
C. 평가방법
본 실시예 2-3에서 평면도는 80[㎛] 이하에 들어가 있어 합격인 것을 확인하였다. 본 실시예 2-3에서 온도 사이클 시험 전 및 시험 후 모두 접합층(20)에 변화가 없어 합격인 것을 확인하였다. 정전 척판(10)에 웨이퍼 기판을 흡착 고정하고, -150[℃]로 냉각한 상태에서 5.5[kW]의 입열이 있었을 때의 웨이퍼 온도는 -110[℃]이며 합격인 것을 확인하였다.
<실시예 2-4>
다음으로 실시예 2-4를 설명한다. 실시예 2-4의 정전 척 장치에 있어서, 베이스(30), 정전 척판(10) 및 접합제에 포함되는 각 재료는 이하와 같다.
A. 재료
·베이스: Al재료
·정전 척판: Al2O3
·접합제: 질화물 필러 함유 실리콘 접착제(4.5[W/mK])
B. 제조방법
실시예 2-1과 동일하다.
C. 평가방법
본 실시예 2-4에서 평면도는 90-110[㎛] 이하에 들어가 있어 합격인 것을 확인하였다. 본 실시예 2-4에서 온도 사이클 시험 전 및 시험 후 모두 접합층(20)에 변화가 없어 합격인 것을 확인하였다. 정전 척판(10)에 웨이퍼 기판을 흡착 고정하고, -150[℃]로 냉각한 상태에서 5.5[kW]의 입열이 있었을 때의 웨이퍼 온도는 -135[℃]이며 합격인 것을 확인하였다.
이러한 실시예에 따르면, 예를 들면, 접합제는 가열 경화형 수지를 포함하고, 4.0[W/(mK)] 이상의 열전도율을 가지는 것이 바람직하다. 질화물 필러 함유 실리콘 접착제의 경우에는 실시예 2-1 및 실시예 2-4에 나타낸 바와 같이 열전도율이 4.5[W/mK]로 고평가를 나타낸다.
또한, 접합제는 -150[℃]에 있어서, 1[GPa] 이하의 영률을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 접합제에 있어서, 23[℃]에서 -150[℃]까지 냉각한 경우의 영률 변화율은 500[%] 미만인 것이 바람직하다. 또한, 접합제에 있어서, 23[℃]에서 -150[℃]까지 냉각한 경우의 인장하중은 12.6[㎠]의 면적당 15배 이하인 것이 바람직하다.
접합제는 실리콘 수지, 에폭시 수지, 아크릴 수지 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 접합제는 260[℃] 이상의 분해온도를 가지는 것이 바람직하다. 즉, 접합제는 260[℃] 미만에서 분해하지 않고 사용 가능하다.
접합제는 열전도성 필러를 35[%] ∼ 45[%] 포함하는 것이 바람직하다. 열전도성 필러는 입경 D90으로 25[㎛] 이하이며, 입경 D50으로 10[㎛] 미만인 것이 바람직하다. 열전도성 필러의 90[%]가 입경 25[㎛] 이하이며, 열전도성 필러의 50[%]가 입경 10[㎛] 미만인 것이 바람직하다. 또한, 접합제의 점도는 10[Pa·s] 이하인 것이 바람직하다.
접합제의 가열 경화전의 분해온도는 300[℃] 이상인 것이 바람직하다. 접합제에 포함되는 열전도성 필러는 질화 알루미늄(AlN), 질화 실리콘(Si3N4), 질화 붕소, 탄화 실리콘(SiC) 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
정전 척판(10) 및 베이스(30)는 모두 알루미늄(Al), 산화 이트륨, 탄화 실리콘(SiC), 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN) 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 정전 척판(10) 및 베이스(30)의 열팽창 차이는 23[℃]에서 -100[℃]까지의 각 온도에 있어서, 1Х10-6[/℃] 이하인 것이 바람직하다.
다음으로 본 실시형태의 효과를 설명한다. 본 실시형태의 정전 척 장치는 -100[℃] 정도의 극저온역에서도 사용 가능하게 할 수 있다. 구체적으로는 정전 척 장치에 있어서 극저온역에서도 접합층(20)의 영률은 상승하지 않는다. 따라서, 정전 척 장치의 열응력을 계속 완화할 수 있다. 또한, 열응력을 완화할 수 있으므로, 사용 중의 과도한 변형을 억제할 수 있다. 또한, 시료를 얹어놓는 스테이지의 변형을 적게 할 수 있으므로, 시료의 온도를 균일하게 제어할 수 있다. 또한, 고열전도성인 점에서 접합층(20)의 열 전달을 향상시킬 수 있다. 그 외의 구성 및 효과는 실시형태 1의 기재에 포함되어 있다.
본 발명은 상기 실시의 형태에 한정된 것이 아니고, 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적절히 변경이 가능하다. 예를 들면, 실시형태 1, 2 및 변형예의 각 구성은 서로 조합할 수 있다.
1, 1a 정전 척 장치
10 정전 척판
11 흡착면
12 이면
20 접합층
21 방향
30, 30a, 130 베이스
31, 31a, 131 접합면
32, 32a, 32p, 32pa, 32q, 32qa, 132 돌기
32h 높이
32w 폭
33 중앙 평탄부
34 돌기 배치부
35 외주부
36 홀

Claims (10)

  1. 정전 척판;
    상기 정전 척판의 이면에 접합한 접합제를 포함하는 접합층; 및
    상기 접합층에 접합한 접합면을 포함하고, 상기 접합면의 중앙부에서 외주부를 향해 방사상으로 연장된 복수의 돌기가 형성된 베이스
    를 포함하는 정전 척 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    각 돌기의 중앙부측의 단부는 간격을 두고 배치되어 있는,
    정전 척 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 접합면은 상기 중앙부에 상기 단부로 둘러싸인 평탄한 중앙 평탄부를 가지는,
    정전 척 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    적어도 2개의 상기 돌기의 중앙부측의 단부는 연결되어 있는,
    정전 척 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 상기 돌기는,
    상기 돌기가 연장된 방향의 길이가 제1 길이의 복수의 제1 돌기와,
    상기 제1 길이보다도 작은 제2 길이의 복수의 제2 돌기를 포함하고,
    상기 제2 돌기의 중앙부측의 단부는, 상기 제1 돌기의 상기 중앙부측의 단부보다도 외주부 측에 배치되는,
    정전 척 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 돌기의 상기 중앙부측의 단부의 근방에는 상기 접합면에 홀이 형성되는,
    정전 척 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 돌기는 상기 접합제에 매설된,
    정전 척 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 돌기는 상기 이면에 직접 접촉하고,
    상기 돌기가 상기 이면에 접촉한 면적은 상기 이면 면적의 60% 이하인,
    정전 척 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 접합제는 가열 경화형 수지를 포함하고,
    상기 접합제는 4.0[W/(mK)] 이상의 열전도율을 가지고, -150[℃]에 있어서, 1[GPa] 이하의 영률을 가지는,
    정전 척 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 접합제는 열전도성 필러를 35[%] 내지 45[%] 포함하고,
    상기 열전도성 필러는 입경 D90으로 25[㎛] 이하이며, 입경 D50으로 10[㎛] 미만이며,
    상기 접합제의 점도는 10[Pa·s] 이하인,
    정전 척 장치.
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