DE69635745T2

DE69635745T2 - Elektrostatische Haltevorrichtung und Herstellungsverfahren derselben

Info

Publication number: DE69635745T2
Application number: DE69635745T
Authority: DE
Inventors: Yoshio Akashi-shi HARADA; Junichi Kobe-shi Takeuchi
Original assignee: Tocalo Co Ltd
Current assignee: Tocalo Co Ltd
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1996-08-22
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2016-08-23
Also published as: CA2183709C; KR970013180A; EP0762491A2; KR100268052B1; CA2183709A1; US5909354A; JPH0969554A; EP0762491B1; JP2971369B2; EP0762491A3; DE69635745D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft elektrostatische Haltvorrichtungen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Man verwendet die elektrostatischen Haltevorrichtungen, wird ein Leiterbauteil, ein Halbleiterbauteil, ein Isolationsbauteil oder dergleichen mithilfe von statischer Elektrizität in einem Adsorptionszustand gehalten, und sie werden insbesondere in eine Trockenätzvorrichtung, eine Ionenimplantationsvorrichtung, eine CVD-Vorrichtung oder eine PVD-Vorrichtung eingebaut, die beim Produktionsverfahren für groß angelegte Integrationen oder Flüssigkristallanzeigen verwendet werden.
Beschreibung des verwandten Fachgebiets
Behandlungen, wie Trockenätzen, Ionenimplantation, CVD, PVD und der gleichen sind Teil des Produktionsverfahrens für groß angelegte Integrationen oder Flüssigkristallbildschirme, und im Hinblick auf Automatisierung und die Bekämpfung von Umweltverschmutzung wandeln sie sich seit kurzem zum Beispiel bei einer Produktionsvorrichtung für Halbleiter von einem Nassverfahren in ein Trockenverfahren. In der Regel findet ein größerer Teil der Behandlung mit den Trockenverfahren unter Vakuum statt.
Bei der Trockenbehandlung wird es im Hinblick auf eine hohe Integration von Schaltkreisen und die Feinarbeit seit neuerem immer wichtiger, dass die Positionierungsgenauigkeit bei der Herstellung von Mustern beispielsweise auf Silizium-Wafer, Glasplatte oder dergleichen, die als Substrat verwendet werden, verbessert wird.
Zur Erfüllung dieses Bedarfs hat man bisher eine Vakuumhaltevorrichtung oder eine mechanische Haltevorrichtung für den Transport, die Adsorption und die Fixierung des Substrats eingesetzt. Weil die Vakuumhaltevorrichtung aber unter Vakuum verwendet wird, ist der Druckunterschied klein und der Adsorptionseffekt geringer. Sogar wenn das Substrat adsorbiert werden kann, ist der absorbierende Abschnitt örtlich beschränkt, wodurch eine Spannung im Substrat hervorgerufen wird. Zudem kann keine Gaskühlung durchgeführt werden, so dass die Temperatur bei der Wafer-Behandlung steigt. Daher kann die Vakuumhaltevorrichtung nicht bei dem neueren Produktionsverfahren für Hochleistungs-Halbleitervorrichtungen eingesetzt werden. Die mechanische Haltevorrichtung andererseits hat eine komplizierte Struktur und benötigt viel Zeit für ihre Wartung und Inspektion.
Zur Vermeidung der obigen Nachteile bei der herkömmlichen Technik hat man seit kurzen eine elektrostatische Haltevorrichtung unter Verwendung von statischer Elektrizität entwickelt und weitverbreitet angewendet. Für diese Technik werden jedoch die folgenden Probleme genannt.
Wird das Substrat mit einer solchen elektrostatischen Haltevorrichtung adsorbiert und gehalten, verbleibt Ladung zwischen dem Substrat und der elektrostatischen Haltevorrichtung (aufgrund der Wirkung der Adsorptionskraft), sogar nachdem die angelegte Spannung gestoppt wird, so dass das Ablösen des Substrats nicht erfolgen kann, bis die Ladung vollständig beseitigt ist.
Zu diesem Zweck hat man versucht, das in der elektrostatischen Haltevorrichtung verwendete isolierende dielektrische Material zu verbessern. Es werden zum Beispiel vorgeschlagen: (1) JP-A-6-8089 ... Ein gesinterter Körper aus einer Mischung von Aluminiumnitrid-Pulver und Titannitrid-Pulver oder eine aufgesprühte Schicht daraus wird als stark isolierendes Material verwendet; (2) JP-A-6-302677 ... Titanoxid wird auf das stark isolierende Material aufgebracht, und darauf wird Aluminium aufgebracht, das zu einer Si+SiC-Platte einen Kontakt bildet; (3) JP-Y-6-36583 ... Verwendung einer stark isolierenden Substanz (Aluminiumoxid); (4) JP-A-4-304942, JP-A-5-235152, JP-A-6-8089 ... Verwendung von Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zinkoxid, Quarz, Bornitrid, Sialon und dergleichen; (5) JP-A-62-94953, JP-A-2-206147, JP-A-3-147843, JP-A-3-204924 und dergleichen ... Zur Verbesserung der statischen Elektrizität wird der Volumenwiderstand gesenkt durch Zugabe von TiO₂ (Titanoxid) mit einer hohen Dielektrizitätskonstante zu dem stark isolierenden Material, falls eine noch höhere statische Elektrizität benötigt wird.
Bei der herkömmlichen aufgesprühten Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ (Aluminiumoxid-Titanoxid) müssen jedoch die folgenden Probleme gelöst werden.

(1) Wird Al₂O₃ im Gemisch mit TiO₂ als aufgesprühte Schicht mit elektrostatischer Adsorptionsleistung verwendet, ist der Volumenwiederstand klein, und es fließt ein kleiner Strom. Daher kann man erwarten, dass sich die statische Elektrizität aufgrund des Johnson-Rahbeck-Effekts verbessert. TiO₂ (Titanoxid) ist jedoch eine Halbleitersubstanz, so dass die Wanderungsrate von elektrischer Ladung langsam und die Reaktionsfähigkeit (Zeit des Eintreffens von gesättigter Adsorption, Zeit des Verschwindens der Adsorption) beim Stoppen der angelegten Spannung schlecht ist. Diese Reaktionsfähigkeit ist in einer Niedrigtemperaturumgebung noch ausgeprägter. Damit der Wert für den Volumenwiderstand in einen praktikablen Bereich von zum Beispiel 1 × 10⁹ Ω·cm gebracht wird, müssen 25 Gew.-% Titanoxid zugegeben werden. Beim Verfahren zur Herstellung von Halbleitern bedeutet die Zugabe einer großen Menge Titanoxid das Einbringen von Verunreinigungen, wodurch sich die Qualität verschlechtert und die Arbeitsumgebung verunreinigt wird. Steigt zudem die Temperatur des Halbleiter-Wafers, der adsorbiert werden soll, auf mehr als Raumtemperatur, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass ein großer Kriechstrom zum Wafer-Stromkreis fließt und diesen unterbricht, weil der Volumenwiderstand zu klein ist.
(2) Die aufgesprühte Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ wird durch ein Sprühverfahren hergestellt. in der erhaltenen Schicht sind jedoch der Volumenwiderstand und die Adsorptionskraft breit gestreut. Zudem ist die Produktivität klein, und somit sind die Kosten hoch.
(3) Die aufgesprühte Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ ist porös, so dass keine Hochglanzendbearbeitung der Oberfläche durchgeführt werden kann. Dies verursacht oft eine verbleibende Adhäsion von Fremdsubstanz. Zudem ist die Adhäsion an das Substrat klein, so dass die aufgebrachte Schicht sich unter Einsatzbedingungen, insbesondere bei Temperaturänderung, vom Substrat schält.

Die Erfindung will eine elektrostatische Haltevorrichtung bereitstellen mit einem großen Volumenwiderstand, der wenig gestreut ist, sowie mit stabiler Qualität.
Die Erfindung will zudem eine elektrostatische Haltevorrichtung bereitstellen mit starker Adsorptionskraft und ausgezeichneter Reaktionsfähigkeit (Freisetzungseigenschaft) beim Stoppen der angelegten Spannung.
Die Erfindung will auch eine Technik etablieren, mit der die elektrostatische Haltevorrichtung mit den obigen Eigenschaften bei hoher Produktivität vorteilhaft hergestellt werden kann.
Die Erfinder haben verschiedene Studien im Hinblick auf die elektrostatische Haltevorrichtung mit den obigen Problemen, insbesondere im Hinblick auf eine Vorrichtung mit einer auf einem Substrat hergestellten, aufgesprühten Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, unternommen und die folgenden Erkenntnisse gewonnen.

(1) Die Erfinder haben anhand von Experimenten bestätigt, dass das Problem bei der herkömmlichen aufgesprühten Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ hauptsächlich von TiO₂ (Titanoxid) herrührt. Es wurde zudem gefunden, dass diese Ursache beseitigt werden kann, wird TiO₂ in die Kristallform Ti_nO_2n-1 (n = 1-9) überführt.
(2) Es wurde gefunden, dass die folgenden Verfahren zuverlässig die Gewinnung einer Ti_nO_2n-1 (n = 1-9) enthaltenden aufgesprühten Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ bewirken.

a. Verfahren zum Sprühen eines Al₂O₃·TiO₂-Materials unter einer Atmosphäre mit niedrigem Sauerstoffpartialdruck, so dass Sauerstoff aus TiO₂ abgezogen und dieses in Ti_nO_2n-1 (n = 1-9) umgewandelt wird. Auf diese Weise wird TiO₂ in Ti_nO_2n-1 (n = 1-9) umgewandelt, wodurch sich die Reaktionsfähigkeit verbessert, die Streuung des Volumenwiderstands klein ist und zudem Qualität und Produktivität besser werden.
b. Die Ti_nO_2n-1 (n = 1-9) enthaltende, aufgesprühte Schicht wird erhalten durch Sprühen in einer Atmosphäre, die im Wesentlichen keinen Sauerstoff enthält, oder in einer Luftatmosphäre, die auf einen Druck unterhalb von Atmosphärendruck eingestellt werden kann, mit einem Plasma, das Wasserstoff als Wärmequelle enthält. Erfolgt das Sprühen und einem Druck unterhalb von Atmosphärendruck, haben die in die Wärmequelle fliegenden Sprühpartikel eine hohe Aufschlagskraft auf dem Substrat, weil der Widerstand aufgrund von Gas klein ist. So wird eine dichte aufgebrachte Schicht mit guter Adhäsionskraft gebildet. Die dichte aufgesprühte Schicht kann zudem einer Hochglanz-Oberflächenendbearbeitung unterworfen werden und hat ferner die Wirkung, dass die Streuung des Volumenwiderstands kleiner wird.
c. Wird Wasserstoff mit starker Reduktionswirkung als Sprühwärmequelle in Plasma verwendet, erfolgt die Umwandlung von TiO₂ in Ti_nO_2n-1 (n = 1-9) schnell. Die Punktion und der Mechanismus der obigen Punkte a und b können effizienter herbeigeführt werden.

Unter einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine elektrostatische Haltevorrichtung bereit, umfassend:
ein Metallsubstrat,
eine Unterlage aus einer aufgesprühten metallischen Schicht, ausgebildet auf dem Metallsubstrat; und
eine aufgesprühte Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, die 2-30 Gew.-% TiO₂ enthält auf der aufgesprühten metallischen Schicht derart, dass mindestens ein Teil der TiO₂ mindestens eine Ti_nO_2n-1-Verbindung enthält, worin n = 1-9 ist.
Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 ausgeführt.
Unter einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrostatischen Haltevorrichtung bereit, das beinhaltet: Unterwerfen eines Metallsubstrats einer Strahlbehandlung, Ausbilden einer Unterlage aus einer metallischen aufgesprühten Schicht auf einer Oberfläche des Substrats und Aufbringen eines keramischen Sprühmaterials auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, das 2-30 Gew.-% TiO₂ enthält, darauf unter Argongas- oder Luftatmosphäre, eingerichtet auf einen Druck von 30-750 hPa durch ein Plasmasprühverfahren, das Wasserstoffgas enthält, so dass eine obere aufgesprühte Schicht ausgebildet wird, in der ein Teil oder das gan ze TiO₂ in dem Sprühmaterial verändert ist zu einer kristallinen Verbindung, die repräsentiert wird durch Ti_nO_2n-1 (n = 1-9).
Bevorzugte Merkmale des Verfahrens sind in den beigefügten abhängigen Ansprüchen 8 bis 10 ausgeführt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und, um zu zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, wird im Folgenden als Beispiel auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen. Es zeigt:
1 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Atmosphärendruck beim Plasmasprühen unter Verwendung eines keramischen Sprühmaterials auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ und der Porosität der erhaltenen aufgesprühten Schicht zeigt; und
2 schematisch eine Apparatur zum Messen des Volumenwiderstands von einer elektrostatischen Haltevorrichtung, die mit einer aufgesprühten Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, aufgebracht durch ein Plasmasprühverfahren, ausgestattet ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass die Komponente der aufgesprühten Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, die auf dem Substrat ausgebildet wird, eine kristalline Verbindung enthält, die repräsentiert wird durch Ti_nO_2n-1 (n = 1-9).
Die erfindungsgemäße elektrostatische Haltevorrichtung wird in der Reihenfolge der Produktionsschritte zusammen mit dem Verfahren zur Herstellung der aufgesprühten Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ sowie ihrer Funktion und ihrem Mechanismus beschrieben.
(1) Ausbilden der Unterlage auf einem Metallsubstrat
Bei der erfindungsgemäßen elektrostatischen Haltevorrichtung wird Al, Mo, W, C oder dergleichen als Substrat verwendet. Dann wird eine Oberfläche des Metallsubstrats gleichmäßig aufgeraut und gereinigt, indem Al₂O₃-Partikel (# 60) darauf gestrahlt werden.
Dann wird eine Unterlage aus einer metallischen aufgesprühten Schicht mit einer Dicke von 30-150 μm ausgebildet durch Sprühen eines Metalls aus Ni, Al, Cr, Co, Mo oder einer Legierung davon als Sprühmaterial mithilfe eines Bogensprühverfahrens oder eines Plasmasprühverfahrens.
Die Wirkung der metallischen aufgesprühten Schicht basiert darauf, dass nicht nur die Adhäsionskraft an das Substrat, sondern auch die Adhäsionskraft an eine keramische aufgesprühte Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, die anschließend als Deckschicht gebildet wird, berücksichtigt wird. Beträgt die Dicke dieser Schicht weniger als 30 μm, hat sie nur eine kleine Wirkung als Unterlage. Übersteigt sie 150 μm, wird keine ausgeprägte Wirkung erhalten, und die Bildung der Schicht dauert unerwünscht lang.
(2) Ausbilden der Deckschicht
Nach Herstellung der metallischen aufgesprühten Schicht wird darauf die keramische aufgesprühte Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ als Deckschicht ausgebildet. Im Folgenden wird die keramische aufgesprühte Schicht im einzelnen beschrieben.
Die aufgesprühte Schicht, die erhalten wird durch Plasmasprühen des kommerziell erhältlichen Sprühmaterials auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, zeigt mittels Röntgenbeugung nachgewiesene starke Peaks von Al₂O₃ und TiO₂. Daraus wird deutlich, dass die Komponenten des Sprühmaterials als solche zu Schichtkomponenten geworden sind. Die aufgebrachte Schicht aus diesen kristallinen Komponenten bereitet jedoch die Probleme, dass die Reaktionsrate klein und der Kriechstrom hoch ist, wie oben erwähnt.
Erfindungsgemäß wird deshalb das gleiche kommerziell erhältliche, keramische Sprühmaterial auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ verwendet und unter einer Ar-Gas-Atmosphäre, die im Wesentlichen keine Luft (keinen Sauerstoff) enthält, oder unter einer Atmosphäre, die wenig Luft enthält, unter Verwendung von Wasserstoffgas mit starker Reduktionswirkung als Plasma-Arbeitsgas gesprüht. Es wurde gefunden, dass in diesem Fall ein Teil des TiO₂ Sauerstoff freisetzt und sich in eine kristalline Verbindung umwandelt, die repräsentiert wird durch die allgemeine Formel Ti_nO_2n-1 (n = 1-9).
Als Grund für die Freisetzung von Sauerstoff aus TiO₂ unter Bildung von Ti_nO_2n-1 (n = 1-9) beim Plasmasprühen des keramischen Sprühmaterials auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ unter Verwendung von Wasserstoffgas wird angenommen, dass Ar, He, H₂ oder dergleichen als Sprühwärmequelle in dem Plasma zu Ionen und Elektronen isoliert wird, so dass sich ein Bereich bildet, der zwar das Plasma als Ganzes elektrisch neutral belässt, in dem es aber örtlich eine hohe Elektronendichte gibt, so dass TiO₂-Sprühpartikel, die diesen Bereich durchqueren, Sauerstoff freisetzen und sich in die Form der Ti_nO_2n-1 (n = 1-9)-Verbindung umwandeln.
Das Phänomen wird noch deutlicher, wird das Plasmasprühen unter derartigen Bedingungen durchgeführt, dass die Sprühatmosphäre Wasserstoff, aber keinen Sauerstoff enthält.
Den Experimenten der Erfinder zufolge findet man Ti₃O₅, Ti₂O₃, TiO, Ti₄O₇, Ti₅O₉, Ti₆O₁₁, Ti₈O₁₅, Ti₇O₁₃, Ti₉O₁₇ und Ti₁₀O₁₉ als die Ti_nO_2n-1 (n = 1-9)-Verbindung. Darunter sind Ti₃O₅ und Ti₂O₃ wirksam.
Bei der Herstellung der keramischen aufgesprühten Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, die Ti_nO_2n-1 (n = 1-9) enthält, als erfindungsgemäße Deckschicht verringert sich bei der Herstellung der Schicht unter einer Atmosphäre, die keinen Sauerstoff enthält, unter einem Druck unterhalb von Atmosphärendruck der Widerstand des Gases gegenüber den Sprühpartikeln, die in die Wärmequelle fliegen, so dass die Aufprallenergie der Sprühpartikel auf dem Substrat groß wird, womit eine große Abscheidungsdichte der Partikel einhergeht, so dass die Porosität der aufgebrachten Schicht sehr klein wird. Man kann sagen, dass dieses Verfahren geeignet ist.
1 zeigt beispielsweise den Zusammenhang zwischen der Porosität der mittels Plasma aufgesprühten Schicht, die bei Verwendung von kommerziell erhältlichem Sprühmaterial mit 85 Gew.-% Al₂O₃ – 15 Gew.-% TiO₂ erhalten wird, und dem Druck der Sprühatmosphäre. Aus diesem Ergebnis lässt sich ersehen, dass die Porosität der aufgebrachten Schicht unter einem kleineren Druck kleiner wird.
Da die erfindungsgemäße Deckschicht der aufgesprühten Schicht eine Porosität von nicht mehr als 3% besitzen darf, beträgt der Sprühatmosphärendruck, der die obige Bedingung erfüllt, nicht mehr als 750 hPa, wie aus der obigen Figur ersichtlich ist.
Weil die aufgesprühte keramische Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, die Ti_nO_2n-1 (n = 1-9) enthält und eine Porosität von nicht mehr als 3% aufweist, Eigenschaften entwickelt, die sie als Beschichtung für die elektrostatische Haltevorrichtung geeignet machen, d.h. eine kleine Streuung des Volumenwiderstands, ist eine Hochglanz-Oberflächenendbearbeitung möglich und dergleichen. Die aufgebrachte Schicht mit einer Porosität von mehr als 3% hat insbesondere die Nachteile, dass die Streuung des Volumenwiderstands groß ist, wodurch sich der Ausschussanteil erhöht, keine glatt polierte endbearbeitete Oberfläche erhalten wird und dergleichen.
Bei der erfindungsgemäßen keramischen aufgesprühten Schicht muss die durchschnittliche Oberflächenrauheit Ra in einem Bereich von 0,1-2,0 μm liegen. Sie liegt bevorzugt im Bereich von 0,1-1,0 μm. Hat die endbearbeitete Oberfläche eine Ra unterhalb von 0,1 μm, ist die Anzahl der Polierschritte unökonomisch groß und die verbleibende Adsorptionskraft an den Wafer hoch. Übersteigt die Oberflächenrauheit Ra 2,0 μm, wird die Streuung des Volumenwiderstands hoch, und die Ungenauigkeit bei der Fixierung des Silizium-Wafers wird unerwünscht groß bei Verwendung als elektrostatische Haltevorrichtung.
Die Menge an TiO₂, die in die erfindungsgemäße keramische aufgesprühte Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ eingebracht wird, beträgt 2-30 Gew.-%, vorzugsweise 5-15 Gew.-%. Ist die Menge TiO₂ kleiner als 2 Gew.-%, ist der Wert für den Volu menwiderstand der aufgesprühten Schicht zu hoch. Übersteigt sie 30 Gew.-%, ist der Wert für den Volumenwiederstand ad zu kein, und es fließt ungewünscht ein großer Kriechstrom.
Die Dicke der Deckschicht liegt in einem Bereich von 50-500 μm, vorzugsweise 100-300 μm. Ist die Dicke kleiner als 50 μm, wird keine ausreichende Funktion als Deckschicht entwickelt, und die Durchschlagfestigkeit ist ungeeignet klein. Übersteigt sie 500 μm, benötigt die Herstellung eine lange Zeit, was die Produktivität verschlechtert. Zudem wird durch thermischen Schock leicht Abschälen verursacht.
(3) Versiegelungsbehandlung für die polierte Oberfläche
Wenn nötig, wird auf die erfindungsgemäße keramische aufgesprühte Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, die eine Ti_nO_2n-1 (n = 1-9)-Verbindung enthält und eine vorgegebenen Polierrauheit besitzt, eine organische Siliziumverbindung (ein kommerziell erhältliches organisches Silikonharz) oder einer anorganische Siliziumverbindung (eine kommerziell erhältliche Siliziumalkoxid-Verbindung) aufgebracht und dann für 1-5 Stunden auf 120-350°C erhitzt.
Dieses Verfahren soll die verbleibende Adhäsion von Fremdsubstanz verhindern, indem die Siliziumverbindung die feinporigen Teile der aufgesprühten Schicht ausfüllt.
Im Allgemeinen ist die Porosität der erfindungsgemäßen keramischen aufgesprühten Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, die eine Ti_nO_2n-1 (n = 1-9)-Verbindung enthält, sehr klein und beträgt nicht mehr als 3%, so dass die Versiegelungsbehandlung kein wesentlicher Schritt ist. Die Versiegelungsbehandlung gilt jedoch als vorteilhaft, weil die versiegelte Oberfläche die Adhäsion von Fremdsubstanz beim industriellen Einsatz als elektrostatische Haltevorrichtung verhindert.
Die folgenden Beispiele werden zur Veranschaulichung der Erfindung gegeben und sollen nicht als Beschränkungen für diese aufgefasst werden.
Beispiel 1
Bei diesem Beispiel wurde untersucht, welchen Einfluss die Art des Atmosphärengases und die Dicke auf den Zustand der Bildung von Ti_nO_2n-1 (n = 1-9) in der aufgesprühten Schicht beim Plasmasprühen von Sprühmaterial auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ haben.

(1) Zu verwendendes Substrat: Reine Aluminiumplatte (Größe: Breite 50 mm × Länge 100 mm × Dicke 8 mm)
(2) Unterlage für die aufgesprühte Schicht: Sie wurde in einer Dicke von 100 μm durch Plasmasprühen von 90 Gew.-% Ni - 10 Gew.-% Al in Luft hergestellt
(3) Deckschicht für die aufgesprühte Schicht: Sie wurde auf der Unterlage in einer Dicke von 300 μm unter Verwendung von Al₂O₃·15 Gew.-% TiO₂-Sprühmaterial durch ein Plasmasprühverfahren unter verschiedenen Drücken und verschiedenen Atmosphärenarten hergestellt.
(4) Sprühatmosphäre und Druck: (1) Ar-Gas: 30-1000 hPa (2) Luft: 30-1000 hPa
(5) Plasma-Arbeitsgas: Es wurde eine Gasmischung aus Ar und H₂ verwendet.
(6) Untersuchungsverfahren: Zur Messung der Porosität wurde jeder geschnittene Abschnitt der unter den obigen Bedingungen hergestellten, aufgesprühten Schichten mithilfe eines optischen Mikroskops begutachtet. Ein Teil der aufgebrachten Schicht wurde herausgenommen und in eine Röntgenbeugungsapparatur eingebracht, so dass eine Veränderung des TiO₂-Kristallsystems gemessen werden konnte.
(7) Testergebnisse: Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Aus den Ergebnissen der Tabelle 1 ist ersichtlich, dass unter den Bedingungen 30-750 hPa in einer Atmosphäre aus Ar und Luft die Porosität der aufgebrachten Schicht in einem Bereich von 0,4-3,0% lag, und ein Teil des TiO₂ in 90 Gew.-% Ni - 10 Gew.-% Al, die die aufgebrachte Schicht ausmachen, sich in Ti₃O₅, Ti₂O₃ und andere Kristallsysteme des Typs Ti_nO_2n-1 umgewandelt hatte. Insbesondere in Ar-Atmosphäre unter 30-200 hPa (Test Nr. 1 und 2) verschwindet der TiO₂-Peak vollständig, und ein großer Teil davon wandelt sich in den Typ Ti_nO_2n-1 (n = 1-9) mit einem kleineren Sauerstoffgehalt um.

(Hinweis)

(1) Eine Ar/H₂-Gasmischung wurde als Plasmagas verwendet
(2) Ti_nO_2n-1-Verbindung ist eine Verbindung mit n = 4-9.
(3) Symbol in der Säule mit Röntgenbeugungsergebnis wie folgt: ⦾ : stärkster Beungungspeak, O : starker Peak, Δ : schwacher Peak, – : kaum zu erkennen

Beispiel 2
Bei diesem Beispiel wurde die Grenze für das Endpolieren gemessen, wobei die gleiche Schicht wie beim Beispiel 1 verwendet wurde. Ein thermischer Schock erfolgte zur Messung der Adhäsionsfähigkeit der aufgebrachten Schicht und der mechanischen Festigkeit bei thermischem Schock.

(1) Zu verwendendes Substrat: wie im Beispiel 1
(2) Unterlage für die aufgesprühte Schicht: wie im Beispiel 1
(3) Deckschicht für die aufgesprühte Schicht: wie im Beispiel 1
(4) Sprühatmosphäre und Druck: Ar-Gas: 60, 200, 750, 900, 1000 hPa
(5) Plasma-Arbeitsgas: wie im Beispiel 1.
(6) Untersuchungsverfahren: Die mit dem obigen Verfahren hergestellte Schicht wurde poliert, damit so weit wie möglich eine Spiegeloberfläche erhalten wurde, die in Luft bei 300°C 10 Minuten erhitzt und in Luft auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Dieses Verfahren wurde 10 Mal wiederholt, wobei eine Veränderung des Aussehens der aufgebrachten Schicht (die durchschnittliche Rauheit, Ra) gemessen wurde. Zudem wurde dieser Test an einer Schicht durchgeführt, auf die dreimal eine Siliziumalkoxid-Verbindung aufgebracht wurde und die einer Trocknungsbehandlung bei 200°C für 30 Minuten unterzogen wurde, um die Wirkung zu messen.
(7) Testergebnisse: Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die mittels Sprühen unter niedrigem Druck (60-750 hPa) hergestellte Schicht eine kleine Porosität sowie eine glatte endpolierte Oberfläche besaß. Betrug der Sprühdruck dagegen 900 hPa oder 1000 hPa, wurde keine glattpolierte Oberfläche erhalten. Es wird angenommen, dass die unter niedrigem Druck (30-750 hPa) hergestellte Schicht eine polierte Oberfläche mit Ra: 0,1-2,5 μm aufgrund der niedrigen Porosität besaß, während bei der aufgebrachten Schicht mit großer Porosität (900-1000 hPa) der poröse Abschnitt in Form von Löchern frei lag und daher die Oberflächenrauheit zwangsläufig groß war.

Die Beständigkeiten gegen thermischen Schock dieser aufgebrachten Schichten entwickelten dagegen unter diesen Testbedingungen unabhängig vom Vorliegen oder Fehlen des Versiegelungsmittels vergleichsweise gute Eigenschaften. Nur bei den aufgebrachten Schichten (Nr. 4 und 5), die kein Versiegelungsmittel enthielten, wurde das Auftreten kleiner Risse nach 8-maliger Wiederholung des Tests beobachtet.
Die obigen Ergebnisse bestätigen, dass Glattpolieren möglich ist, weil die erfindungsgemäße aufgebrachte Schicht dicht ist. Die Beständigkeit gegen thermischen Schock ist unter den Bedingungen dieses Beispiels unabhängig vom Versiegelungsmittel gut. Tabelle 2
(Hinweis)

(1) Ar/H₂-Gasmischung wurde als Plasmagas verwendet
(2) Kristalltyp der aufgebrachten Schicht ist der gleiche wie in Tabelle 1.
(3) Bedingungen für Wärmeschocktest sind 10 Mai Wiederholen von 344°C × 15 Minuten = Raumtemperatur.

Beispiel 3
Der Volumenwiderstand der erfindungsgemäßen aufgesprühten keramischen Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ wurde gemessen. Seine Streuung wurde mit derjenigen verglichen die bei dem herkömmlichen Sprühverfahren erhalten wird.

(1) Zu verwendendes Substrat: wie im Beispiel 1
(2) Unterlage für die aufgesprühte Schicht: wie im Beispiel 1
(3) Deckschicht für die aufgesprühte Schicht: Sie wurde in einer Dicke von 250 μm oder 500 μm unter Verwendung von Al₂O₅ - 14 Gew.-% TiO₂-Material durch ein Plasmasprühverfahren unter verschiedenen Drücken und verschiedenen Gasatmosphären hergestellt.
(4) Sprühatmosphäre und Druck: (1) Ar-Gas: 60, 750, 1000 hPa (2) Luft: 60, 750, 1000 hPa
(5) Plasma-Arbeitsgas: Verwendung einer Gasmischung von Ar/H₂
(6) Untersuchungsverfahren: Ein Dotit (Ag-Paste) wurde als Elektrode auf die Oberfläche der aufgesprühten Schicht aufgebracht. Ein Gleichstrom von 500 V wurde zwischen dem Dotit und dem Aluminiumsubstrat angelegt, und der spezifische Widerstand wurde gemessen, aus dem der Volumenwiderstand nach der folgenden Gleichung berechnet wurde. Volumenwiderstand ρ = RA/d (Ω·cm) A: Elektrodenfläche (cm²) d: aufgebrachte Schichtdicke (cm) R: spezifischer Widerstand (Ω) Die Messung erfolgte an 5 Positionen jeder aufgebrachten Schicht. Zudem wurde die Wirkung einer Versiegelungsbehandlung mit einer Siliziumalkoxid-Verbindung (200°C × 30 Minuten Trocknen nach Aufbringen, 3-malige Wiederholung) untersucht.
(7) Testergebnisse: Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt. Aus den Ergebnissen in Tabelle 3 ist ersichtlich, dass die aufgesprühten Vergleichsschichten (Nr. 5, 6, 11, 12), die unter Luft- oder Ar-Sprühatmosphäre bei 1000 hPa hergestellt wurden, eine große Streuung des Volumenwiderstands zeigten, und dass die Wirkung der Versiegelungsbehandlung unklar war.

Bei den erfindungsgemäßen aufgebrachten Schichten (Nr. 1-4, 7-10) war die Porosität klein, sie waren dicht, und ein Teil des TiO₂ im Sprühmaterial wandelte sich in Ti_nO_2n-1 (n = 1-9) um, so dass die Streuung des Messwerts kleiner wurde und der für die erfindungsgemäße elektrostatische Haltevorrichtung erforderliche Wert für den Volumenwiderstand in einem Bereich von 1 × 10⁹ – 10¹¹ Ω·cm lag. Dies bestätigt, dass die Qualitätskontrolle sehr leicht ist.
Beispiel 4
Die Adsorptionskraft an Silizium-Wafer und die Abnahmerate der verbleibenden Adsorptionskraft wurden an einer elektrostatischen Haltvorrichtung gemessen, die mit der erfindungsgemäßen aufgesprühten keramischen Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ ausgestattet war.
(1) Substrat für die elektrostatische Haltevorrichtung:
Eine scheibenförmige Aluminiumlegierung mit einer Dicke von 40 mm und einem Durchmesser von 200 mm wurde als Substrat verwendet und mit Aluminiumoxid bestrahlt. Eine Unterlage aus 90 Gew.-% Ni – 10 Gew.-% Al wurde darauf in einer Dicke von 100 μm durch ein Plasmasprühverfahren in Luft hergestellt. Danach wurde auf der Unterlage eine aufgesprühte Schicht aus Al₂O₃·8 Gew.-% TiO₂ in einer Dicke von 300 μm auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 hergestellt. Dann wurde Polymethylsiloxan-Polymer aufgebracht und einer Versiegelungsbehandlung bei 250°C für 1 Stunde unterzogen.
Als Vergleichsbeispiel wurde Al₂O₃·8 Gew.-% TiO₂ in einer Dicke von 300 μm in Luft aufgebracht.
(2) Untersuchungsverfahren:
2 zeigt eine Skizze einer Apparatur zum Messen der Adsorptionskraft an Silizium-Wafer und der Abnahmerate der verbleibenden Adsorptionskraft in der erfindungsgemäßen aufgesprühten Schicht. Diese Apparatur umfasste einen Vakuumbehälter 1, eine aufgesprühte Schicht 3, die über das Substrat 2 einer elektrostatischen Haltevorrichtung aus Aluminiumlegierung an einem mittleren Bereich des Behälters fixiert war, und einen Silizium-Wafer 4, der auf die aufgesprühte Schicht 3 statisch aufgebracht worden war. Zudem verfügte das Substrat 2 einer elektrostatischen Haltevorrichtung über ein Loch 5, durch das ein Kühlmittel zum Kühlen strömte, und sie war mit einer Spannungsquelle 6 verbunden, die sich außerhalb des Vakuumbehälters 1 befand. An dem Silizium-Wafer war zudem ein Erdleiter 7 angebracht, und isolierende Keramiken 8 waren in der oberen Hälfte der elektrostatischen Haltevorrichtung angeordnet.
(3) Testergebnisse:
Die elektrostatische Adsorptionskraft an Silizium-Wafer beim Anlegen von Spannung und der Abnahmezustand der verbleibenden Adsorptionskraft nach Beenden der angelegten Spannung sind in Tabelle 4 gezeigt.
Aus den Ergebnissen der Tabelle 4 ist ersichtlich, dass die Adsorptionskraft der aufgesprühten Vergleichsschicht 24-30 gf/cm² bei einer angelegten Spannung von 250 V und 30-150 gf/cm² bei einer angelegten Spannung betrug Die erfindungs gemäße aufgesprühte Schicht zeigte Adsorptionskräfte von etwa 100 gf/cm² bei der ersten Spannung bzw. 300-350 gf/cm² bei der zweiten Spannung.
Für die Abnahmerate der Adsorptionskraft wurde bei der aufgesprühten Schicht des Vergleichsbeispiels sogar noch 60 Sekunden nach Abtrennen der Spannung eine Verweilzeit von 3-10 gf/cm² beobachtet. Bei der erfindungsgemäßen aufgesprühten Schicht verschwand die Adsorptionskraft nach Abtrennen der Spannung innerhalb von 1 Sekunde vollständig.
Beispiel 5
Bei diesem Beispiel wurde die Adhäsionseigenschaft der aufgesprühten keramischen Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ in An- oder Abwesenheit der Unterlage für die aufgesprühte Schicht untersucht.
(1) Zu verwendendes Substrat:
Ein kommerziell erhältliches Material aus Al, Mo oder W wurde zu einem Substrat mit 50 mm Breite × 100 mm Länge × 8 mm Dicke geschnitten.
(2) Unterlage:
Sie wurde auf dem Substrat in einer Dicke von 30, 100 oder 150 μm unter Verwendung des gleichen Sprühmaterials wie bei Beispiel 1 durch ein Plasmasprühverfahren in Luft hergestellt.
(3) Deckschicht:
Sie wurde in einer Dicke von 300 μm unter Verwendung des gleichen Sprühmaterials wie bei Beispiel 1 und eines gemischten Plasma-Rahmens aus Wasserstoffgas und Ar-Gas in Ar mit 60 hPa hergestellt.
Als Vergleichsbeispiel wurde zudem die Deckschicht ohne Herstellung der Unterlage direkt auf dem Substrat hergestellt.
(4) Untersuchungsverfahren:
Nach dem Erhitzen des Teststücks mit der obigen aufgebrachten Schicht bei 300°C für 10 Minuten und Abkühlen mittels Aufblasen von Luft bei Raumtemperatur wurde dieses Verfahren 10-mal wiederholt, und das Vorliegen oder Fehlen von Rissen und Abschälen in der Deckschicht der aufgesprühten Schicht wurde gemessen.
(5) Testergebnisse:
Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt. Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, dass unabhängig von der Art des Substratmaterials in den Deckschichten ohne Unterlage (Nr. 10, 11, 12) nach 2-3-maligem Wiederholen des Wärmeschocktests Risse auftraten. Zudem wurden 30-50% der Deckschicht abgeschält.
Die erfindungsgemäßen Deckschichten mit Unterlage (Nr. 1-9) zeigten dagegen unabhängig von der Art des Substratmaterials eine gute Adhäsionseigenschaft und bereiteten sogar nach 10-maligem Wiederholen des Wärmeschocktests keine Probleme. Tabelle 5
(Hinweis)

(1) Sprühmaterial für die Untertage besteht aus 90 Gew.-% Ni-10 Gew.-% Al.
(2) Das Sprühmaterial für die Deckschicht besteht aus Al₂O₃- 15 Gew.-% TiO₂

Aus dem Obigen geht hervor, dass die erfindungsgemäße keramische aufgesprühte Schicht, in der das mit Al₂O₃ koexistierende TiO₂ zum Teil oder vollständig in eine kristalline Verbindung umgewandelt wird, die repräsentiert wird durch die allgemeine Formel Ti_nO_2n-1(n = 1-9), eine starke Adsorptionskraft an Silizium-Wafer oder dergleichen besitzt, eine schnelle Abnahmerate der verbleibenden Adsorptionskraft und ganz ausgezeichnete grundlegenden Eigenschaften als elektrostatische Haltevorrichtung besitzt. Zudem sind die Adhäsionseigenschaften der Unterlage an das Substrat und der Deckschicht an die Unterlage sowie die Dichte ausgezeichnet bei stabiler Qualität.
Die Streuung des Volumenwiderstands ist zudem klein, so dass die Qualitätskontrolle leicht und die Produktivität hoch ist. Die Erfindung trägt somit zu einem großen Teil zur Entwicklung von Industriesektoren bei, die eine elektrostatische Haltevorrichtung verwenden.

Claims

Elektrostatische Haltevorrichtung, umfassend ein Metallsubstrat, eine Unterlage aus einer aufgesprühten metallischen Schicht, ausgebildet auf dem Metallsubstrat; und einer aufgesprühten Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, die 2 bis 30 Gew.% TiO₂ enthält, auf der aufgesprühten metallischen Schicht derart, dass mindestens ein Teil des TiO₂ mindestens eine Ti_nO_2n-1-Verbindung enthält, worin n = 1-9 ist.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Dicke der aufgesprühten metallischen Schicht 30 bis 150 Mikrometer ist und die Dicke der aufgesprühten Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, die eine Verbindung vom Typ Ti_nO_2n-1 (n = 1-9) enthält, 50 bis 500 Mikrometer ist.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die aufgesprühte Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, welche eine Verbindung enthält des Typs Ti_nO₂ (n = 1 bis 9), eine Porosität von 0,4 bis 3,0% besitzt und eine Oberflächenrauheit Ra von 0,1 bis 2,0 Mikrometer.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die aufgesprühte Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, welche eine Verbindung enthält des Typs Ti_nO_2n-1 (n = 1-9), auf der Oberfläche versehen ist mit einer versiegelnden Schicht einer organischen oder anorganischen Siliziumverbindung und die einen Volumenwiderstand besitzt von 1 × 10⁹ bis 1 × 10¹¹ Ω·cm.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die aufgesprühte metallische Schicht eine Schicht ist aus mindestens einer Startersubstanz, ausgewählt aus Ni, Al, Cr, Co, Mo und Legierungen, die mindestens eines dieser Metalle enthalten.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verbindung des Typs Ti_nO_2n-1(n = 1-9), in der aufgesprühten Schicht auf Basis von Al₂O₃·TiO₂ ein oder mehrere Verbindungen enthält, ausgewählt aus der Gruppe Ti₃O₅, Ti₂O₃, TiO, Ti₄O₇, Ti₃O₉, Ti₆O₁₁, Ti₈O₁₅, Ti₇O₁₃ und Ti₉O₁₇.
Verfahren zur Herstellung einer elektrostatischen Haltevorrichtung, das beinhaltet: Unterwerfen eines Metallsubstrats mindestens einer Strahlbehandlung, Ausbilden einer Unterschicht aus einer metallischen aufgesprühten Schicht auf einer Oberfläche des Substrats und Aufbringen eines keramischen Sprühmaterials auf Basis von Al₂O₃·TiO₂, die 20 bis 30 Gew.% TiO₂ darauf enthält, in unter Argongas oder Luftatmosphäre, eingerichtet auf einen Druck von 30 bis 750 hPa durch ein Plasmasprühverfahren, das Wasserstoffgas enthält, so dass eine obere aufgesprühte Schicht ausgebildet wird, in der ein Teil oder das ganze TiO₂ in dem Sprühmaterial verändert ist zu einer kristalline Verbindung, die repräsentiert wird durch Ti_nO_2n-1 (n = 1-9).
Verfahren zur Herstellung einer elektrostatischen Haltevorrichtung nach Anspruch 7, zudem umfassend den Schritt des Endpolierens der oberen aufgesprühten Schicht auf eine Oberflächenrauheit Ra von 0,1 bis 2,0 Mikrometer.
Verfahren zur Herstellung eines elektrostatischen Halteteils nach Anspruch 8, das zudem aufweist den Schritt des Unterwerfens der endpolierten Oberfläche einer Versiegelungsbehandlung mit einer Siliziumverbindung.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Versiegelungsbehandlung erfolgt durch Aufbringen einer organischen oder anorganischen Siliziumverbindung auf die Oberfläche der oberen aufgesprühten Schicht und dann durch 1 bis 5 Stunden Erwärmen auf 120 bis 350°C.