KR20140048048A - 정전 척 유전체층 및 정전 척 - Google Patents

Abstract

플라즈마 가스에 대한 내식성이 뛰어난 존슨·라벡형 정전 척을 제공한다.
산화 알루미늄으로 이루어지는 제1상과 티탄을 포함하는 복합 탄질화물(Ti, Me)(C, N)을 미세한 입자로 제2상으로서 갖는 세라믹스 재료로 정전 척의 적어도 유전체층을 제작함으로써 해결하였다. Me는 전이 원소를 가리키며, 특히 유효한 것은 Mo, W 등의 4~6족 금속이다. 제2상이 0.05~2.5부피%를 차지한 세라믹스는 존슨·라벡형 정전 척에 필요한 10⁸~10¹³(Ω·cm) 정도의 부피 저항값을 가진다. 또한, 복합 탄질화물은 산화 알루미늄의 소결 과정에서의 입자 성장을 억제하는 효과가 높다. 그 때문에, 사용시에 입자의 탈락 크기도 작게 할 수 있고, 더욱이 플라즈마 내성에 의한 소모량도 저감할 수 있었다.

Description

정전 척 유전체층 및 정전 척{Electrostatic chuck dielectric layer and electrostatic chuck}

본 발명은 정전 척 유전체층 및 그 유전체층을 갖는 정전 척에 관한 것이다.

종래 반도체 제조 장치나 액정 디스플레이 제조 장치 등에서는 Si 등의 웨이퍼, 사파이어 기판, FPD용 유리 기판, TFT 기판 등 각종 기판(이후, 단지 「기판」이라고도 나타냄)을 흡착 보유지지하기 위해 정전 척이 사용되고 있다. 정전 척은 내열성이나 내식성이 뛰어난 산화 알루미늄이나 질화 알루미늄 등을 주상(主相)으로 하는 재료로 구성되는 경우가 많다. 그 중에서도 산화 알루미늄 재료는 매우 입수하기 쉬운 재료로 제조도 용이하다.

정전 척은 일반적으로 도 1에 도시된 구조를 가진다. 기판을 흡착 보유지지하는 부재를 「유전체층(2)」이라고 한다. 이 유전체층(2)으로 기판을 보유지지하는 면은 「설치면(a)」이다. 설치면(a)의 이면에는 정전 흡착에 필요한 전류를 공급하는 「전극(6)」을 가진다. 전극(6)을 사이에 두고 유전체층(2)을 보유지지하는 「베이스(4)」를 가지며, 유전체층(2)과 베이스(4)로 전극(6)을 밀봉한다. 이들 유전체층(2), 전극(6)과 베이스(4)를 합하여 「정전 척(10)」이라고 부른다. 베이스(4) 중에는 히터(8)를 매설하는 경우도 있다. 또한, 유전체층(2)과 베이스(4)는 같은 재료로도 되고 다른 재료로도 된다. 가능하면 같은 재질의 종류로 일체의 구조로도 된다.

상기 정전 척(10)은 백킹 플레이트(20) 상에 고정된다. 백킹 플레이트(20)는 일반적으로 알루미늄 합금의 표면을 알마이트 처리한 고열 전도 금속으로 이루어진다. 백킹 플레이트(20)는 내부에 냉각수로(22)를 통과하여 온도 조정을 하는 경우가 많다.

이상 서술한 정전 척(10)과 백킹 플레이트(20)를 합하여 「척 유닛(100)」이라고 부른다.

반도체 제조 장치 등에 사용되는 정전기를 이용한 정전 척의 유전체층은 크게 쿨롱력을 사용하는 형(쿨롱형)과 존슨·라벡(Johnsen-Rhabek)력을 사용하는 형(존슨·라벡형)으로 나눌 수 있다.

이 중에서 존슨·라벡형은 쿨롱형에 비해 흡착력이 크고 저전압으로 흡착하는 이점이 있다. 또한, 흡착, 이탈시의 전압이 비교적 낮아도 되는 이점이 있다. 한편, 후술하는 누설 전류가 발생할 가능성이 있다.

존슨·라벡형 정전 척의 유전체층에는 일반적으로 10⁸~10¹³(Ω·cm) 정도의 부피 저항률이 요구된다. 이 부피 저항률보다 유전체층의 부피 저항률이 낮으면, 양호한 흡착 특성을 얻을 수 없는 것 이외에 내전압이 낮아짐으로써 기판에 전류가 누설되어 기판 상에 형성된 회로 소자를 파괴할 우려가 있다. 이 기판 측에 흐르는 전류를 누설 전류라고 한다.

부피 저항률 이외에 존슨·라벡형 정전 척용 유전체층에는 이하의 특성이 요구된다.

우선, 반도체 장치 내의 분위기에 대해 내식성을 충분히 갖는 특성이 필요하게 된다. 특히 플라즈마 에칭 공정에서는, 부식성이 높은 할로겐계 플라즈마 가스가 사용된다. 따라서, 플라즈마 가스에 대한 내식성(이하, 단지 「내식성」이라고도 기재함)이 필요하게 된다. 이 내식성이 낮으면, 정전 척 성분과 플라즈마 가스에 의해 형성된 반응 생성물이 장치 내로 확산된다. 확산된 생성물은 파티클이 되어 기판 상에 부착됨으로써 컨태미네이션이나 회로 단락 등의 악영향을 준다.

또한, 기판을 정상적으로 흡착함에 있어서 정전 척 표면 및 내부의 기공(氣孔)은 바람직하지 않다. 기공은 기판의 흡착에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 기공이 파티클을 보유지지하기 때문에 이들 기판에 부착을 유발하는 것 이외에 장치 내의 세정을 어렵게 한다.

다음에, 기판의 대구경화와 회로의 미세화에 따라 정전 척에는 높은 형상 정밀도가 요구된다. 다결정 세라믹스재의 가공 정밀도는 결정입자 크기에 크게 의존하고, 입자경이 작은 재료일수록 엣지각이 샤프해지는 등 고정밀도 가공이 가능하게 된다.

더욱이 입자경이 비교적 큰 세라믹스로 정전 척이 구성되어 있는 경우, 웨이퍼와의 접촉이나 가공시에 생길 가능성이 있는 입자 탈락(脫粒) 흔적도 커진다. 이 입자 탈락 흔적은 전술한 기공과 같이 파티클을 보유지지하기 때문에 기판 품질을 악화시킨다.

또한, 결정입자경이 커짐에 따라 기계 특성, 특히 굽힘 강도가 저하된다. 기계 특성의 저하는 부재의 파손이나 입자 탈락에 의한 파티클을 발생시킨다.

즉, 정전 척에 이용되는 재료로서는 미세 결정 조직을 갖는 재료가 바람직하다.

정전 척에 이용되고 있는 재료로서는 알루미늄의 산화물기나 질화물기의 것이 많이 제안되어 있다. 특히 산화 알루미늄이 많은데, 산화 알루미늄 단상재(單相材)는 부피 저항률이 10¹⁵(Ω·cm) 이상으로 매우 높아 존슨·라벡형 정전 척에는 그대로 이용할 수는 없다.

또한, 예를 들면 99.5% 이상의 순수한 산화 알루미늄 단상재는 기공을 내포 한 채로의 입자 성장이 현저하며, 통상의 소결법으로는 치밀한 소결체를 얻기는 어렵다. 정전 척용 재료로서는 입자경을 작게 하는 것이 바람직하다.

한편, 쿨롱형 정전 척은 유전체층이 10¹³Ω·cm이상이면 사용할 수 있고, 그 밖에 요구되는 특성은 존슨·라벡형과 동일하다.

산화 알루미늄기, 질화 알루미늄기의 재료에 1종 혹은 복수의 첨가물을 가함으로써 존슨·라벡형 정전 척 재료로 한 예가 특허문헌 1~특허문헌 3에 나타나 있다.

특허문헌 1에는 질화 알루미늄을 주성분으로 하고, TiN을 10~30mol%, Ce를 산화물 환산으로 5~20mol%를 포함한 질화 알루미늄기의 정전 척이 개시되어 있다. 절연체의 질화 알루미늄에 도전성 TiN을 첨가함으로써 부피 저항값을 내려 존슨·라벡형 정전 척을 얻는 것으로 언급하고 있다.

이 문헌에 나타난 정전 척은 주성분이 질화 알루미늄이기 때문에 열전도율은 높게 할 수 있지만, TiN은 CF₄ 등의 부식 플라즈마 가스 플라즈마에의 내성이 낮아 가능한 한 적게 하는 것이 기판의 품질 유지를 위해 바람직하다. 그러나, 이 문헌에서는 최소한 10mol%(약 9부피%) 포함하기 때문에, Ti에 의한 기판의 품질 저하는 피할 수 없다.

특허문헌 2에는 주성분으로서 산화 알루미늄이 99.4중량% 이상, 산화 티탄이 0.2~0.6중량%의 조성으로 실온에서의 부피 저항률이 10⁸~10¹¹(Ω·cm)인 정전 척이 개시되어 있다. 이 구성으로 함으로써 피흡착체의 흡착, 이탈 특성이 뛰어나고 응답성이 좋은 정전 척을 얻을 수 있다고 기재되어 있다.

그러나, 산화 티탄의 산화 알루미늄에의 첨가는 소성 온도나 소성 분위기의 조건에 따라 부피 저항률이 크게 변화하기 때문에, 소결 제법으로 부피 저항률을 정확하게 제어하기는 어렵다. 또한, 소결 조건의 약간의 변화에 의해 색조가 변화하기 때문에 양산에는 적합하지 않다. 이들은 산화 알루미늄과 산화 티탄으로부터 티탄산 알루미늄 등의 복합 산화물을 생성하는 것이 하나의 원인이다. 또한, 산화 티탄을 첨가하는 것으로는 산화 알루미늄의 입자 성장을 충분히 억제할 수는 없다.

특허문헌 3에는 Al₂O₃, ZrO₂, Si₃N₄, AlN의 절연체 세라믹스 중에 TiC, TiN, WC, TaC, MoC, NbC, VC 중 어느 1종 이상의 도전성 세라믹스가 분산되고, 1×10^-2(Ω·cm) 이하의 부피 저항률을 가지며, 도전성 세라믹스 입자가 2㎛ 이하인 세라믹스가 나타나 있다. 그러나, 이 범위의 부피 저항률로는 원하는 정전 척은 얻을 수 없다.

특허문헌 1: 일본특허공개 2000-143349호 공보 특허문헌 2: 일본특허공개 2006-049356호 공보 특허문헌 3: 일본특허공개 2008-087988호 공보

정전 척이 높은 흡착력을 발현하기 위해서는 그 유전체층이 적절한 부피 저항률을 갖는 것이 중요하다. 산화 알루미늄은 전술한 바와 같이 비교적 저가이고 내식성도 높다. 그러나, 산화 알루미늄 단상의 세라믹스는 특히 존슨·라벡력을 이용하는 정전 척으로서 기능함에 있어서 적절한 부피 저항률을 가지지 않는다. 그 때문에, 산화 알루미늄의 제1상에 덧붙여 약간의 도전성(10⁸~10¹³Ω·cm)을 부여하기 위한 제2상의 존재가 필요하다.

그러나, 정전 척에는 흡착 특성에 덧붙여 파티클 및 컨태미네이션의 저감이나 용이하게 입자가 이탈하지 않을 정도의 기계적 강도도 요구되는 것은 전술한 바와 같다. 예를 들면, 고스루풋화를 목적으로서 에칭 프로세스의 고에너지화와 비분해에서의 클리닝이 도입되고, 정전 척은 보다 심한 할로겐계 부식성 가스의 플라즈마 환경에 노출되게 되어 있다. 한편, 산화 알루미늄보다 내식성이 떨어지는 제2상을 일정량 이상 포함하는 종래 기술의 정전 척용 유전체층은 그 부식량을 줄일 수 없다.

문제점이 내식성에만 있다면, 제2상의 함유량을 줄임으로써 부식 가스 플라즈마에의 내성 열화를 억제하는 것은 가능하다. 그러나, TiO₂를 제외한 첨가물의 경우는 소량의 첨가로는 부피 저항률을 충분히 내릴 수는 없다. 한편, TiO₂를 첨가한 경우는 소량으로 부피 저항률을 충분히 내리는 것은 가능하지만, 산화 알루미늄 입자는 매우 크게 성장한다. 그 때문에, 입자가 탈락한 경우는 유전체층을 크게 파손시킨다. 또한, 전술한 바와 같이 양산에는 적합하지 않다.

이상을 감안하여 본 발명은 이하에 나타내는 특성을 갖는 정전 척 유전체층을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1)존슨·라벡력에 의한 흡착에 적합한 부피 저항률을 나타내는 것

(2)산화 알루미늄에 첨가하는 첨가물의 부피량이 충분히 적고 기판에 유해한 파티클의 발생이 적은 것

(3)기공이 적은 것. 즉, 상대 밀도가 충분히 높은 것

(4)미세 조직으로 이루어져 높은 기계 강도와 높은 가공 정밀도를 가지며 탈락 입자 크기가 작은 것

(5)소결 조건 등의 약간의 변화에 따라 부피 저항률, 색조가 영향을 받지 않고 안정적으로 양산이 가능한 것

본 발명의 정전 척 유전체층은 알루미늄 산화물(Al₂O₃)을 주상(主相)으로 하는 세라믹스이다. 산화 알루미늄은 단체(單體)로는 10¹⁵(Ω·cm) 이상의 부피 저항률을 갖는 절연체이다.

전술한 바와 같이, 존슨·라벡형 정전 척은 부피 저항률로 10⁸~10¹³(Ω·cm) 정도가 필요하다. 그 때문에, 부피 저항률을 내리는 첨가물을 주상에 대해 첨가한다.

첨가하는 것은 티탄과 전이 원소의 복합 탄질화물이다. 이 복합 탄질화물은 화학식으로 (Ti, Me)(C, N)으로 나타난다. 각 성분을 고려하면, (Ti_x, Me_{1 -x})(C_y, N_{1 -y})라고 더 나타낼 수 있다. 식 중 Me는 Ti를 제외한 주기율표 3족~11족의 전이 원소의 1종 또는 2종 이상을 나타낸다. Ti, Me 모두 필수인데, 특히 x는 0.02 이상 0.3 이하를, y는 0.1 이상 0.7 이하의 값을 취한다.

이 복합 탄질화물은 NaCl 구조를 가지며, x가 0.3을 넘으면 단상으로서 안정하게 존재하기가 어렵다. x가 0.02보다 작은 경우, 분말이 산화되기 쉬워진다. 또한, y가 0.7을 넘으면, 분말 제조시에 N가 빠지기 쉬워져 품질이 안정된 분말이 얻어지기 어렵다. y가 0.1보다 작은 경우는 x와 같이 분말이 산화되기 쉬워진다.

상기 전이 원소 중에서 보다 적합한 원소 Me는 주기율표의 4~6족의 전이 금속이며, 구체적으로 Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 중 1종 또는 2종 이상이다.

상기 복합 탄질화물은 소결체 중에 0.05~2.5부피% 분산되어 있는 것이 바람직하다. 상기 복합 탄질화물은 도전성 입자로서, 후술하지만 미소한 입자이다. 탄질화물을 미소한 입자로 하고 소결체 중에 0.05부피% 이상 분산시킴으로써, 유전체층의 저항률을 용이하게 10⁸~10¹³(Ω·cm) 범위로 할 수 있다. 0.05부피% 미만에서는 부피 저항률이 상기 범위까지 내려가지 않는 경우가 있고, 한편 2.5부피%를 넘으면 부피 저항률이 너무 내려가는 경우가 있다.

상기 복합 탄질화물의 평균 입자경은 바람직하게는 10nm 이상 300nm 이하이다. 출발 원료로서의 복합 탄질화물은 Ti와 전이 원소를 복합화하는 것 및 탄질화물로 하는 것 모두를 만족시킴으로써 10~300nm으로 매우 미세하게 생성하는 것이 가능하다. 한편, 전이 원소 단체의 탄질화물, 복합 전이 원소의 탄화물, 복합 전이 원소의 질화물은 모두 이 크기까지 미립화하는 것은 현재 기술로는 어렵다.

또한, 복합 탄질화물은 그 자체도 소결 온도에서의 입자 성장이 거의 발생하지 않는다. 그 때문에, 원료 분말의 입자경과 동등하거나 약간 입자경이 커지는 데에 그친다(예: 200nm의 원료가 소결체 중에서 300nm). 이는 복합 탄질화물의 특징이다. 전술한 단체 원소의 탄화물이나 질화물, 복합 탄화물, 복합 질화물 입자 등은 출발 원료의 입자경을 복합 탄질화물만큼 작게 하기가 어려울 뿐만 아니라 소결 온도에서의 입자성장이 비교적 용이하게 일어난다. 그 때문에, 이들 원료를 이용하면 소결 후에 300nm 이하의 평균 입자경을 갖는 것은 현저히 어렵다.

복합 탄질화물의 평균 입자경이 작은 것은 설치면의 면거칠기의 유지에도 기여한다. 내식성이 산화 알루미늄과 비교하여 떨어지는 복합 탄질화물의 입자가 300nm 이하이면, 특히 부식 후의 설치면의 면거침이 작게 억제된다.

복합 탄질화물은 산화 알루미늄의 소결 온도(1200~2000℃ 정도)에서 어느 것과도 화학적으로 반응하지 않고 서로 안정된다. 예를 들면, 반응상이나 입계에서의 조성 변화 등은 모두 인정되지 않는다.

평균 입자경이 300nm 이하인 미세한 탄질화물을 첨가함으로써 산화 알루미늄의 결정립계에 비교적 소량으로 도전 패스를 형성하기 쉬워지기 때문에, 전술한 단체 원소의 탄화물이나 질화물, 복합 탄화물, 복합 질화물 입자 등에 비해 소량 첨가로 부피 저항률을 저감하는 것이 가능하게 된다.

전술한 바와 같이 TiC 등의 통상 첨가재는 부식 가스 플라즈마에의 내성이 낮아 파티클 및 컨태미네이션을 발생시키고 기판에 큰 결함을 줄 가능성이 있어 그 함유량은 적을수록 좋다. 한편, 산화 알루미늄은 전술한 바와 같이 내부식성이 충분히 높기 때문에, 장치 내의 오염이라는 의미에서는 매우 적합한 재료이다. 산화 알루미늄에 대해 탄질화물을 소량으로 눌러 원하는 부피 저항률로 하는 것은 이 이점이 있다.

(Ti, Me)(C, N)으로 나타나는 복합 탄질화물은 산화 알루미늄의 입자성장 억제 효과가 높다. 상기 복합 탄질화물은 매우 미세한 입자로 하는 것이 가능하고, 0.05부피%로 적은 첨가량으로도 입자성장 억제 효과가 발현된다. 특히, 0.5부피% 이상으로 현저히 입자 성장을 억제할 수 있다.

복합 탄질화물의 입자 성장 억제 효과로서는 출발 원료의 입자경에는 좌우되는데, 전형적으로 산화 알루미늄의 평균 입자경을 5㎛ 이하로 할 수 있다. 그 때문에, 높은 기계적 강도를 실현할 수 있는 것 이외에 사용시에 입자 탈락이 발생해도 파티클 발생은 최소한으로 억제된다. 또, 설치면의 면거침도 작다.

산화 알루미늄과 상기 복합 탄질화물 이외에 소결조제 등의 첨가도 가능하다. 예로서는 MgO, ZrO₂, Y₂O₃, TiC, CaO, Ce₂O₃, La₂O₃, SiO₂ 등을 가해도 된다. 또한, 산화 알루미늄과 복합 탄질화물에 덧붙여 그 밖의 화합물을 포함하는 것도 허용할 수 있다. 그 때에 허용되는 양은 산화 알루미늄에 대해 약 5부피% 이하이다. 즉, 산화 알루미늄을 주성분으로 하는 제1상(주상)에 차지하는 산화 알루미늄의 부피 비율은 전형적으로 95부피% 초과이다.

산화 알루미늄에 TiO₂를 가한 세라믹스가 소결 조건 등의 약간의 변화에 따라 그 부피 저항률, 색조 변화가 일어나는 것은 전술한 바와 같다. 이는 소결 온도나 분위기에 의해 TiO₂의 환원 상태가 다른 것 이외에 산화 알루미늄과 TiO₂가 소결 온도에서 화학적인 반응이나 고용(固溶) 등을 일으키기 때문이다. 본 발명의 정전 척을 구성하는 산화 알루미늄과 (Ti, Me)(C, N)은 서로 고용이나 반응을 일으키지 않는다. 그 때문에, 조성비나 출발 원료의 입자경을 제어하면, 부피 저항률이나 색조 변화 없이 제조가 가능하다.

본 발명에 따르면, 상기 (1)부터 (5)의 특성을 갖는 정전 척 유전체층을 제공할 수 있다. 또한, 존슨·라벡형 정전 척에 대해 조직을 미세화하여 플라즈마 가스에 대한 내식성, 기계적 강도를 높일 수 있다.

도 1은 정전 척의 일반적인 구조를 나타낸다.

본 발명의 정전 척 유전체층은 전형적으로 이하의 형태로 제조, 사용할 수 있다.

원료 분말은 주상용으로서 평균 입자경이 0.2~3㎛인 산화 알루미늄을 이용한다. 산화 알루미늄은 순도가 높은 것으로도 되고, 소량의 MgO, ZrO₂, TiO₂, TiC, Y₂O₃, CaO, Ce₂O₃, La₂O₃, SiO₂ 등의 소결조제 등을 부가한 것으로도 된다.

복합 탄질화물은 Ti를 반드시 포함한 전이 원소의 복합 탄질화물이다. 전이 원소를 Me로 나타내면, (Ti, Me)(C, N)의 화학식으로 나타난다. 정전 척의 원료 분말에 사용하는 복합 탄질화물의 출발 원료는 평균 입자경이 10~200nm이다. 이 복합 탄질화물은 환원법, 기상법이나 액상법으로 얻어진 것으로도 되고, 분쇄법으로 얻어진 것으로도 된다. Me는 전술한 바와 같이 주기율표의 4~6족의 전이 원소(Ti를 제외함)가 바람직하고, 특히 바람직한 것은 W, Mo 중 1종 또는 둘 다이다.

양자의 혼합비는 부피비로 산화 알루미늄의 주상이 97.5~99.95부피%, 복합 탄질화물 상이 0.05~2.5부피%가 되도록 칭량(稱量)한다. 예를 들면 소결조제와 같은 Al₂O₃, 복합 탄질화물 이외의 첨가물을 넣을 때에는, 이들은 전부 주상에 들어가는 것으로서 취급한다. 중요한 것은 복합 탄질화물의 부피 분율이기 때문이다.

분말 칭량 후에, 상기 비율로 혼합, 경우에 따라서는 분쇄도 행한다. 이 작업에 사용하는 것은 볼 밀, 어트리터, 뇌궤기, 비즈 밀 등을 대표로서 들 수 있는데, 충분히 혼합할 수 있다면 방법은 상관없다. 습식도 건식도 된다. 습식의 경우는 이 후에 더 건조시켜 혼합 분말을 얻는다.

혼합 분말을 분말인 채로 혹은 분말을 한 번 기계적으로 프레스하여 압분체로 한 상태로 핫프레스용 몰드에 투입한다.

핫프레스는 공지의 방법으로 행하면 좋다. 특별히 기록해야 할 온도 및 압력은 1100~2000℃, 5~30MPa이다. 보유지지 시간은 10분~2시간 정도가 적합하다.

냉각 후에 핫프레스체를 취출하고 기계 가공으로 면형상을 조정하여 최종 형상으로 가공한다.

이상은 핫프레스에 의한 소결에 대해 기재하였지만, 특히 금형 프레스나 소결 전의 정형을 행하는 경우는 분말의 혼합 후에 성형용 바인더를 첨가해도 된다. 성형용 바인더는 파라핀, PVA(폴리비닐알코올), PEG(폴리에틸렌글리콜) 등의 공지의 유기 바인더로 된다. 유기 바인더는 소결 전에 고온으로 함으로써 200~600℃ 범위에서 기화, 증발한다. 이러한 탈지체를 진공 중에서 환원 분위기 가스 중에서 소결하는 것도 가능하다.

실시예

본 실시예에서는, 여러 가지 조건으로 본 발명의 정전 척 유전체층을 얻는 조건 및 물성값을 나타낸다.

주상을 구성하는 산화 알루미늄은 평균 입자경이 0.5㎛로 순도 99.9%의 시판 분말을 사용하였다.

주상에 임의로 포함되는 소결조제 등인 TiO₂, TiC에 대해서는 평균 입자경이 1~2㎛로 순도가 99% 이상의 원료 분말을 사용하였다.

복합 탄질화물 분말은 평균 입자경이 100nm, 순도 99.5% 이상의 분말을 사용하였다. 조성에 대해서는 (Ti, Me)(C, N)으로 나타난다.

또한, 상기 이외의 산화물, 탄화물, 질화물, 복합 탄화물, 복합 질화물의 출발 원료로서는 각각 평균 입자경이 0.5㎛(500nm)인 원료 분말을 이용하였다. 이들은 복합 탄질화물 분말보다 입자경이 큰데, 이보다 미세한 분말은 입수가 매우 어렵다.

이상 서술한 출발 원료를 표 1에 나타내는 배합 조성으로 혼합하였다.

이하, 혼합부터 평가에 대한 설명은 표 1 중의 No.3의 시료를 이용하여 설명한다.

표 1에 나타내는 조성으로 산화 알루미늄 분말, 복합 탄질화물 분말을 소결 후의 부피 분율로 99.5:0.5가 되도록 칭량하고, 메탄올과 알루미나 볼을 가하여 볼 밀에서 20시간 분쇄, 혼합하여 슬러리를 얻었다. 복합 탄질화물 분말로서는 (Ti_0.8Mo_0.2)(C_0.6N_0.4)의 분말을 이용하였다.

슬러리를 스프레이 드라이어로 건조, 조립(造粒)을 행하여 혼합 분말을 얻었다.

혼합 분말을 핫프레스 로(爐)에서 질소 가스 흐름 하에서 15MPa의 압력을 걸어 핫프레스를 행하였다. 소결 온도는 1400℃에서 우선 소결하고, 99% 이상의 상대 밀도를 얻을 수 없는 경우는 50℃ 온도를 올리는 방법으로 적합한 조건을 찾았다. 1650℃에서 상대 밀도의 99%를 넘었기 때문에, 이 온도를 소결 온도로 하였다(다른 시료도 동일한 방법으로 소결 온도를 설정하였다). 또, No.3 이외의 시료, 비교 시료에 대해 온도를 올려도 상대 밀도가 99%에 도달하지 않은 것은 얻어진 것 중에서 최고 상대 밀도를 기재하였다.

얻어진 소결체를 연삭반에서 부피 저항률 측정 시험편(φ20×1.5mm) 및 항절력 시험편(3×4×40mm) 형상으로 기계 가공하고, 산화 알루미늄의 평균 결정입자경, 부피 저항률 및 기계적 물성값을 각각 측정하였다. 부피 저항률은 JIS C 2151에 기재된 방법으로 측정하였다. 부피 저항률은 정전 척의 실제 사용 환경에 가까운 100℃에서 측정을 한 값이다.

이상의 방법으로 표 1에 나타내는 여러 가지 조성이 다른 시료도 동일한 시험을 행하였다. 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1의 결과로부터 하기의 것을 알 수 있다.

(결정입경)

본 발명의 범위의 시료인 시료 No.1~시료 No.10의 조직을 SEM(주사형 전자 현미경)을 이용하여 조직 관찰하였다. 본 발명의 시료 No.1~시료 No.10은 *비교 시료 No.11~19에 비해 산화 알루미늄의 결정 평균 입자경은 작은 것이 확인되었다. 즉, 다른 첨가제에 비해 높은 입자 성장 억제 효과를 갖는 미세한 복합 탄질화물(Ti, Me)(C, N)(단, Me는 Mo 또는 W)을 첨가함으로써 산화 알루미늄의 결정입자경을 충분히 작게 할 수 있었다. 이는 제2상의 첨가물을 같은 양 가한 시료 No.3과 *비교 시료 No.12 및 14, 시료 No.6과 *비교 시료 No.13, 15, 16, 17, 18의 대비로부터도 명확하다. 시료 No.10은 복합 탄질화물로서 (Ti_{0 .85}, W_{0 .15})(C_{0 .7}, N_{0 .3})을 이용한 예이다. (Ti, Mo)(C, N)을 이용한 시료에는 약간 떨어지지만, Me로서 Mo 이외의 전이 원소를 이용해도 산화 알루미늄의 결정입자경을 작게 하는 작용은 높은 것을 알 수 있었다.

시료 No.1~시료 No.10의 산화 알루미늄 상의 평균 입자경은 1.9~10.2㎛이었다. 특히 시료 No.3~7, 10은 매우 작아 1.9~3.3㎛ 범위이었다. 한편, 산화 알루미늄과 TiO₂를 0.5~2부피% 갖는 *비교 시료 No.12, 13 각각의 평균 입자경은 10.3㎛, 27.5㎛이었다. 일반적으로 세라믹 입자의 탈락은 입계 파괴에 따라 결정입자 단위로 발생한다. 그 때문에, 본 발명의 정전 척용 유전체층은 입자의 탈락이 발생하였다고 해도 종래 기술의 산화 알루미늄-TiO₂계 정전 척용 유전체층에 비해 탈락 크기 및 양이 매우 적다.

(부피 저항률)

본 발명의 범위인 시료 3~6과 *비교 시료 12~18은 제2상의 부피 분율은 같은 양이다. 시료 No.3과 *비교 시료 No.12 및 14, 시료 No.6과 *비교 시료 No.13, 15, 16, 17, 18의 부피 저항률의 비교에 있어서, 본 발명의 세라믹스가 보다 낮은 값을 나타내었다. 즉, 미세하고 소결 중에 거의 입자 성장하지 않는 복합 탄질화물(Ti, Mo)(C, N)을 이용함으로써 적은 제2상의 부피 분율로 부피 저항률을 내릴 수 있었다. 동등한 부피 저항률을 실현하기 위해 필요한 첨가량은 다른 첨가물에 비해 소량으로 되는 것을 알 수 있다. 더욱이 상술한 바와 같이 본 발명의 세라믹스가 평균 입경이 작고, 일반적으로 조성이 같은 경우는 조직의 입자경이 작을수록 강도나 경도가 높아 파손되기 어려운 것도 이점으로서 들 수 있다.

또한, 복합 탄질화물(Ti, Me)(C, N)(단, Me는 Mo 또는 W) 상의 양이 0.05부피%에서 2.5부피% 범위에 있는 시료 No.1~시료 No.10은 10⁸~10¹³(Ω·cm) 범위의 부피 저항률을 나타내며, 존슨·라벡형 정전 척에 적합하다.

(그 밖의 특성)

3점 굽힘 강도, 비커스 경도를 측정하였다. 굽힘 강도는 3점 굽힘법(JIS R 1601)으로 측정하였다. 비커스 경도는 가압력 1Kgf로 시험하였다. 부피 저항률은 실온에서 JIS C 2151에 기재된 방법으로 측정하였다.

본 발명의 정전 척용 유전체층을 구성하는 시료 No.1~시료 No.10은 그 3점 굽힘 항절력이 400(시료 No.1)~712(시료 No.7)MPa, 비커스 경도가 1517(시료 No.1)~2014(시료 No.5)Hv 범위이며, 정전 척용 유전체층으로서 사용함에 있어서 문제없는 특성을 가졌다.

Claims (7)

1. 산화 알루미늄을 주성분으로 하는 제1상 중에 (Ti, Me)(C, N)으로 나타나는 Ti와 Me의 복합 탄질화물(단, Me는 주기율표 3족~11족의 전이 원소 중 1종 또는 2종 이상)로 이루어지는 제2상이 분산된 세라믹스 재료로 이루어지는 정전 척 유전체층.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 세라믹스 재료에 차지하는 상기 제2상의 부피 비율이 0.05~2.5부피%인 정전 척 유전체층.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 Ti와 Me의 복합 탄질화물의 평균 입자경이 10~300nm인 정전 척 유전체층.
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 Me가 주기율표 4~6족 원소의 1종 또는 2종 이상인 정전 척 유전체층.
5. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 Me가 Mo 또는 Mo를 반드시 갖는 2종 이상의 전이 금속인 정전 척 유전체층.
6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 (Ti, Me)(C, N)을 (Ti_{1 -x}, Me_x)(C_{1 -y}, N_y)라고 나타내었을 때에,
   0.02≤x≤0.3 또한 0.1≤y≤0.7의 관계를 만족시키는 정전 척 유전체층.
7. 청구항 1 내지 6 중 어느 하나의 정전 척 유전체층을 갖는 정전 척.

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