KR20160131007A

KR20160131007A - 유전체 재료 및 정전 척 장치

Info

Publication number: KR20160131007A
Application number: KR1020167024011A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 이시즈카; 히로아키 나가토모
Original assignee: 스미토모 오사카 세멘토 가부시키가이샤
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2016-11-15
Also published as: US9944561B2; JP6103046B2; KR101757793B1; CN105980331B; WO2015137270A1; CN105980331A; US20170057875A1; JPWO2015137270A1

Abstract

본 발명의 유전체 재료는, 절연성 재료 중에 도전성 입자를 분산한 복합 소결체로 이루어지는 유전체 재료이며, 주파수 40Hz에 있어서의 유전율은 10 이상, 또한, 이 복합 소결체의 표면 내에서 주파수 1MHz에 있어서의 유전 손실의 최댓값과 최솟값의 차는 0.002 이하이다.

Description

유전체 재료 및 정전 척 장치{DIELECTRIC MATERIAL AND ELECTROSTATIC CHUCKING DEVICE}

본 발명은, 유전체 재료 및 정전 척 장치에 관한 것이다.

본원은, 2014년 3월 10일에, 일본에 출원된 특허출원 2014-046815호에 근거하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

최근, 반도체 제조 프로세스에 있어서는, 소자의 고집적화나 고성능화에 따라, 미세 가공 기술의 추가적인 향상이 요구되고 있다. 이 반도체 제조 프로세스 중에서도 에칭 기술은, 미세 가공 기술의 중요한 하나이다. 최근에는, 에칭 기술 내에서도, 고효율 또한 대면적의 미세 가공이 가능한 플라즈마 에칭 기술이 주류를 이루고 있다.

이 플라즈마 에칭 기술은 드라이 에칭 기술의 일종이다. 구체적으로 설명하면, 가공 대상이 되는 고체 재료 위에 레지스트로 마스크 패턴을 형성하고, 이 고체 재료를 진공 중에 지지한 상태에서, 이 진공 중에 반응성 가스를 도입하여, 이 반응성 가스에 고주파의 전계를 인가한다. 이로써, 가속된 전자가 가스 분자와 충돌하여 플라즈마 상태가 된다. 그리고, 이 플라즈마로부터 발생하는 라디칼(프리 라디칼)과 이온을 고체 재료와 반응시켜 반응 생성물로서 제거함으로써, 고체 재료에 미세 패턴을 형성하는 기술이다.

한편, 원료 가스를 플라즈마의 작용으로 화합시켜, 얻어진 화합물을 기판 위에 퇴적시키는 박막 성장 기술의 하나로서, 플라즈마 CVD법이 있다. 이 방법에서는, 원료 분자를 포함하는 가스에 고주파의 전계를 인가함으로써 플라즈마 방전시킨다. 그리고, 이 플라즈마 방전으로 가속된 전자에 의하여 원료 분자를 분해시켜, 얻어진 화합물을 퇴적시키는 성막 방법이다. 저온에서는 열적 여기만으로는 일어나지 않았던 반응도, 플라즈마 중에서는, 계 내의 가스가 상호 충돌하여 활성화되고 라디칼이 되기 때문에, 반응이 가능하게 된다.

플라즈마 에칭 장치나, 플라즈마 CVD 장치 등의 플라즈마를 이용한 반도체 제조 장치에 있어서는, 종래부터, 시료대에 간단하게 피처리물인 웨이퍼를 장착하고, 고정시킴과 함께, 이 웨이퍼를 원하는 온도로 유지하는 장치로서, 정전 척 장치가 사용되고 있다.

이 정전 척 장치는, 웨이퍼가 재치되는 대략 원판 형상의 유전체판과, 이 유전체판의 내부에 매설된 정전 흡착용 전극을 구비한 것이다. 이 유전체판과, 이 유전체판 상에 재치되는 웨이퍼의 사이에 직류 전압을 인가함으로써, 쿨롱힘 혹은 미소한 누설 전류에 의한 정전 흡착력을 발생시킨다. 그리고 이 정전 흡착력에 의하여 웨이퍼를 유전체판 상에 고정하고 있다.

이 정전 척 장치에 이용되는 유전체판으로서는, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 및 산화 이트륨 등의 세라믹스가 일반적으로 이용되고 있다.

이와 같은 정전 척 장치로서는, 예를 들면, 질화 규소를 5~40체적% 포함하는 질화 규소 함유 산화 이트륨 소결체를 이용하여, 실온에 있어서의 체적 저항률이 1×10¹⁵Ω·cm 이상, 또한 비유전율이 10 이상의 세라믹스 부재로 이루어지는 정전 척의 기체를 구성함으로써, 높은 흡착력과 우수한 피처리물의 탈착 응답성을 실현한 정전 척 장치가 제안되어 있다(특허문헌 1).

또, 반도체 프로세스에 있어서의 칩의 수율이나 신뢰성을 향상시키기 위해서는, 웨이퍼의 표면 온도의 면내 편차를 작게 할 필요가 있다. 따라서, 웨이퍼의 표면의 중심부 및 외주부를 포함하는 복수의 측정점에서 측정한 상대 밀도의 평균값이 98% 이상, 50℃의 체적 고유 저항값의 평균값이 10⁷Ω·cm~10¹²Ω·cm, 주파수가 1MHz에 있어서의 유전 손실의 평균값이 50×10^-4 이하, 및 유전 손실의 최댓값과 최솟값의 차가 상기 평균값의 50% 이하인 질화 알루미늄 소결체를 이용함으로써, 실리콘 웨이퍼 등의 반도체 기판의 균일한 처리를 행할 수 있는, 정전 척이 제안되어 있다(특허문헌 2).

한편, 잔류 흡착의 억제력이 경시적으로 열화되기 어려운 정전 척으로서, 산화 알루미늄이나 질화 알루미늄을 절연 기체에 이용한 정전 척이 제안되어 있다(특허문헌 3).

이 정전 척에서는, 절연 기체에 이용하는 재료의 유전 손실을 1×10^-4 이하로 함으로써, 이 절연 기체의 표면에 있어서의 온도 분포가 개선되며, 그 결과, 표면 온도의 불균일이 개선되었다고 되어 있다.

일본 공개특허 특개2006-225185호 공보 일본 공개특허 특개2003-40674호 공보 재공표 WO2012/014873호 공보

그러나, 특허문헌 1에 기재된 질화 규소 함유 산화 이트륨 소결체에서는, 흡착력이 우수하지만, 질화 규소가 소결체 중에서 편재한 경우에는 유전 손실의 편차가 커진다. 그 편차에 의하여, 고주파 전압에 의한 발열이 소결체의 면내에서 상이한 것이 되며, 그 결과, 피처리물의 면내 온도에 온도차가 발생한다. 이로 인하여, 각종 처리가 불균일해져 불량품이 발생할 확률이 높아져, 얻어진 제품의 신뢰성이 저하된다는 문제점이 있었다. 또, 산화 이트륨은 희토류 산화물이기 때문에, 다른 금속 산화물 등과 비교하여 고가라는 문제점도 있다.

또, 특허문헌 2에 기재된 질화 알루미늄 소결체에서는, 유전 손실의 편차는 작지만, 체적 저항값이 낮은 점에서 내전압이 낮다. 따라서, 누설 전류나 절연 파괴에 의하여 피처리물이 파괴될 우려가 있다는 문제점이 있었다.

또, 특허문헌 3에 기재된 정전 척에서는, 산화 알루미늄이나 질화 알루미늄 등의 고순도 절연성 재료를 사용하고 있기 때문에, 균일한 온도 분포는 얻어지지만, 유전율이 낮아, 높은 흡착력이 얻어지지 않는다는 문제점이 있었다.

따라서, 체적 저항값을 높게 하면, 흡착력을 발현시킨 전하가 방출되기 어려워져, 탈착 응답성이 나빠진다는 문제점이 있었다.

또한, 도전성의 재료를 제2 층 중에 분산시킨 재료로는, 제2 층이 유전 손실을 크게 하는 원인이 된다. 이 점에서, 정전 흡착력이 너무 커져 버려, 정전 흡착력과 피처리물의 면내 온도의 균일성을 양립시킨 정전 척을 실현하는 것이 곤란했다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 충분한 정전 흡착력, 양호한 탈착 응답성 및 높은 내전압이 얻어지고, 복합 소결체의 표면 내에 온도차가 발생하지 않으며, 또한 저렴한 유전체 재료, 및 이 유전체 재료를 기체에 이용한 정전 척 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기의 과제를 해결하기 위하여 예의 검토를 행한 결과, 본 발명을 제공함에 이르렀다. 즉, 절연성 재료 중에 도전성 입자를 분산한 복합 소결체의 유전율 및 유전 손실의 최댓값과 최솟값의 차를 제어함으로써, 정전 흡착력, 탈착 응답성 및 내전압이 향상되고, 또한 복합 소결체의 표면 내에 있어서의 온도차도 매우 작아지는 것, 추가로, 체적 저항률, 내전압, 열전도율 등을 제어함으로써, 정전 흡착력, 탈착 응답성 및 내전압이 더 향상되고, 또한 복합 소결체의 표면 내에 있어서의 온도차도 발생하지 않는 것을 발견하여, 본 발명을 완성함에 이르렀다.

즉, 본 발명의 제1 양태인 유전체 재료는, 절연성 재료 중에 도전성 입자가 분산된 복합 소결체로 이루어지는 유전체 재료로서, 주파수 40Hz에 있어서의 유전율은 10 이상, 또한, 상기 복합 소결체의 표면 내에서 주파수 1MHz에 있어서의 유전 손실의 최댓값과 최솟값의 차는 0.002 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 유전체 재료는 이하의 특징을 갖는 것이 바람직하다.

상기 유전체 재료의, 20℃에 있어서의 체적 저항률은 10¹³Ω·cm 이상, 내전압은 5kV/mm 이상인 것이 바람직하다.

상기 유전체 재료의, 120℃에 있어서의 체적 저항률은 10¹³Ω·cm 이상, 내전압은 5kV/mm 이상인 것이 바람직하다.

상기 유전체 재료의, 열전도율은 20W/m·K 이상인 것이 바람직하다.

상기 유전체 재료의, 주파수 40Hz에 있어서의 유전 손실은 0.01 이상 또한 0.05 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 양태인 정전 척 장치는, 기체의 일 주면에 판 형상 시료를 정전 흡착하는 정전 척 장치로서, 상기 기체가 본 발명의 제1 양태인 유전체 재료를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 기체가 상기 유전체 재료에 의하여 형성되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 유전체 재료에 의하면, 절연성 재료 중에 도전성 입자를 분산한 복합 소결체의 주파수 40Hz에 있어서의 유전율을 10 이상, 또한, 이 복합 소결체의 표면 내에서 주파수 1MHz에 있어서의 유전 손실의 최댓값과 최솟값의 차를 0.002 이하로 했다. 이와 같이, 복합 소결체의 유전율, 및 유전 손실의 최댓값과 최솟값의 차를 제어함으로써, 정전 흡착력, 탈착 응답성 및 내전압을 향상시킬 수 있고, 복합 소결체의 표면 내에 있어서의 온도차를 매우 작게 할 수 있다. 따라서, 유전체 재료의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또, 이 유전체 재료의 체적 저항률, 내전압, 열전도율, 주파수 40Hz에 있어서의 유전 손실 중 어느 하나의 특성 또는 이들 복수의 특성을 바람직하게 제어한다. 이로써, 정전 흡착력, 탈착 응답성 및 내전압을 더 향상시킬 수 있고, 복합 소결체의 표면 내에 있어서의 온도차를 없앨 수 있다. 따라서, 유전체 재료의 신뢰성을 장기에 걸쳐 유지할 수 있다.

본 발명의 정전 척 장치는, 판 형상 시료를 정전 흡착하는 기체에 본 발명의 유전체 재료를 이용하여 형성하고 있다. 이로 인하여, 판 형상 시료의 정전 흡착력 및 탈착 응답성을 향상시킬 수 있고, 기체 자체의 내전압을 향상시킬 수 있다. 또한, 판 형상 시료를 정전 흡착하는 기체의 일 주면에 있어서의 온도차를 매우 작게 할 수 있다. 따라서, 판 형상 시료의 전체면에 걸쳐 각종 처리를 균일하게 행할 수 있어, 얻어진 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태의 정전 척 장치의 예를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태의 정전 척 장치의 변형예를 나타내는 단면도이다.

본 발명의 유전체 재료 및 정전 척 장치를 실시하기 위한 바람직한 형태의 예에 대하여, 도면에 근거하여 설명한다.

또한, 이 형태는, 발명의 취지를 보다 잘 이해시키기 위하여 구체적으로 설명하는 것이며, 특별히 지정이 없는 한, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

본 발명은, 유전체 재료 및 정전 척 장치에 관한 것이며, 더 상세하게는, 반도체 장치, 액정 디스플레이 장치 등의 제조 프로세스에 적용되는 에칭 장치, 스퍼터링 장치, CVD 장치 등의 진공 프로세스 장치에 적합하게 이용된다. 본 발명의 장치는, 판 형상 시료 등의 피처리물의 흡착력이 높아, 이 피처리물을 재치하는 재치면에 고주파를 인가했을 때의 균열성이 우수하다. 이로써, 얻어지는 반도체 장치, 액정 디스플레이 장치 등의 수율 저하를 방지하는 것이 가능하다.

[유전체 재료]

본 실시형태의 유전체 재료는, 절연성 재료 중에 도전성 입자를 분산하여 이루어지는 복합 소결체로 이루어지는 유전체 재료이다. 주파수 40Hz에 있어서의 유전율은 10 이상, 또한, 이 복합 소결체의 표면 내에서 주파수 1MHz에 있어서의 유전 손실의 최댓값과 최솟값의 차는 0.002 이하이다.

절연성 재료의 예로서는, 절연성 세라믹스 외, 폴리이미드 수지나 실리콘 수지 등의 각종 유기 수지도 있지만, 유기 수지는 발열에 의한 절연 특성의 열화가 발생하기 쉽다는 결점이 있다.

따라서, 본 실시형태에서는, 발열에 의한 절연 특성의 열화가 발생하기 어려운 절연성 세라믹스를 이용했다. 단 절연성 세라믹스에 한정되지 않으며 다른 재료를 이용해도 된다.

이 절연성 세라믹스의 예로서는, 산화 알루미늄(Al₂O₃), 산화 이트륨(Y₂O₃), 산화 규소(SiO₂), 산화 지르코늄(ZrO₂), 멀라이트(3Al₂O₃·2SiO₂), 산화 하프늄(HfO₂), 산화 스칸듐(Sc₂O₃), 산화 네오디뮴(Nd₂O₃), 산화 나이오븀(Nb₂O₅), 산화 사마륨(Sm₂O₃), 산화 이터븀(Yb₂O₃), 산화 어븀(Er₂O₃), 산화 세륨(CeO₂) 등의 산화물을 들 수 있다. 이들 산화물은, 1종만을 선택하여 이용해도 되고, 2종 이상을 혼합하여 복합 산화물로서 이용해도 된다.

또, 상기 이외의 절연성 세라믹스로서는, 질화 알루미늄(AlN), 질화 규소(Si₃N₄), 질화 붕소(BN) 등의 질화물을 들 수 있다. 이들 질화물은, 1종만을 선택하여 이용해도 되고, 2종 이상을 혼합하여 복합 질화물로서 이용해도 되는데, 화학적 안정성의 점에서, 1종만을 단독으로 이용하는 것이 바람직하다.

이들 절연성 세라믹스 중에서도, 특히 산화 알루미늄(Al₂O₃)은, 내열성이 우수하고, 이 산화 알루미늄(Al₂O₃) 중에 도전성 입자를 분산하여 복합 소결체로 한 경우의 기계적 특성도 양호하기 때문에, 본 실시형태의 유전체 재료로서 적합하다.

여기에서, 절연성 세라믹스 중의 알루미늄(Al)의 함유량을 적게 하고자 하는 경우나 내식성을 더 높이고자 하는 경우에는, 산화 이트륨(Y₂O₃), 이트륨·알루미늄·가닛(YAG: 3Y₂O₃·5Al₂O₃) 등을 절연성 세라믹스로서 이용할 수도 있다.

이들 평균 절연성 세라믹스의 평균 입자경은 임의로 선택할 수 있는데, 예를 들면 1μm 이하여도 된다. 예를 들면 평균 입자경의 하한은 0.001μm여도 되고, 0.01μm여도 되며, 0.05μm여도 된다. 상한은 1μm여도 되고, 0.7μm여도 되며, 0.5μm여도 된다.

절연성 세라믹스로서 산화 알루미늄(Al₂O₃)을 이용하는 경우, 산화 알루미늄(Al₂O₃)의 원료 분체로서는, 평균 입자경이 1μm 이하 또한 고순도인 것이 특히 바람직하지만, 특별히 한정되지 않는다. 평균 입자경은 임의로 선택할 수 있는데, 예를 들면 1μm 이하여도 된다. 예를 들면 평균 입자경의 하한은 0.001μm여도 되고, 0.01μm여도 되며, 0.05μm여도 된다. 상한은 1μm여도 되고, 0.5μm여도 된다.

또한 상기 평균 입자경은, SEM 사진으로부터 계측한 평균 1차 입자경이다.

여기에서, 산화 알루미늄(Al₂O₃) 분체의 평균 입자경을 1μm 이하가 바람직하다고 한 것은, 이하의 이유 때문이다. 산화 알루미늄 분체의 평균 입자경이 1μm를 초과하면, 이 산화 알루미늄 분체를 소성하여 얻어진 산화 알루미늄 소결체 중의 산화 알루미늄 입자의 평균 입자경이 2μm를 초과하는 것이 된다. 이 소결체를 이용하여 정전 척 장치의 기체를 제작하면, 이 기체의 판 형상 시료를 재치하는 측의 상면이 플라즈마에 의하여 에칭되기 쉬워져, 이 기체의 상면에 스퍼터링 흔적이 형성될 가능성이 있다. 그 결과, 실리콘 웨이퍼 등의 피처리물을 경우에 따라서는 오염시킬 가능성이 있기 때문이다.

도전성 입자로서는, 절연성 재료의 전기적 특성을 열화시키지 않고, 이 절연성 재료(절연성 입자) 중에 분산할 수 있는 것이면 되며, 특별히 제한은 없다. 탄화 규소(SiC) 입자 등의 도전성 세라믹스 입자, 몰리브데넘(Mo) 입자, 텅스텐(W) 입자, 탄탈럼(Ta) 입자 등의 고융점 금속 입자, 탄소(C) 입자의 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하다. 특히 절연성 재료(절연성 입자)와 고용체나 반응 생성물을 생성하지 않은 도전성 입자를 이용하는 것이 바람직하다.

여기에서, 도전성 입자가 절연성 재료(절연성 입자)와 고용체나 반응 생성물을 생성한 경우, 전기적 특성의 온도 변화가 커지고, 따라서, 120℃에서의 체적 저항률이 10¹³Ω·cm 이상, 내전압이 5kV/mm 이상의 특성이 얻어지지 않게 되기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명에서는, 복합 소결체는, 도전성 입자와 절연성 재료의 고용체나 반응 생성물이 아닌 것이 바람직하다.

단, 도전성 입자의 표면 등에 불가피하게 존재하는 산화물층 등의 비도전성 성분이 절연성 재료(절연성 입자)와 고용체나 반응 생성물을 형성한 경우에는, 이 고용체나 반응 생성물은 도전성 입자의 전기적 특성에 영향을 미치지 않기 때문에 전혀 문제는 없다.

이들 도전성 입자 중에서도, 탄화 규소(SiC) 입자는, 그 자체가 반도체이기 때문에 도전성을 갖고 있다. 이로 인하여, 이것을 산화 알루미늄(Al₂O₃) 입자와 복합화한 경우, 얻어지는 복합 소결체는, 전기적 특성의 온도 의존성이 작고, 할로젠 가스에 대한 내식성이 우수하며, 내열성, 내열 충격성이 풍부하고, 또한 고온하의 사용에 있어서도 열응력에 의한 손상의 가능성이 작기 때문에, 바람직하다.

탄화 규소(SiC) 입자로서는, 도전성이 우수한 점에서 β형의 결정 구조를 갖는 탄화 규소 입자를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이 탄화 규소 입자의 도전성을 적정한 범위로 제어하기 위해서는, 탄화 규소 입자 중의 불순물로서 포함되는 질소의 함유율을 적절히 제어하는 것이 바람직하다.

탄화 규소(SiC) 입자로서는, 플라즈마 CVD법, 전구체법, 열탄소 환원법, 레이저 열분해법 등의 각종 방법에 의하여 얻어진 탄화 규소 입자를 이용할 수 있다. 특히, 본 실시형태의 유전체 재료를 반도체 프로세스에 이용하는 경우, 반도체 프로세스에서의 유전체 재료에 의한 오염 등의 악영향을 방지하기 위하여, 순도가 높은 것을 이용하는 것이 바람직하다.

복합 소결체를 제작하는 경우, 원료에 이용하는 도전성 입자로서는, 평균 입자경이 상이한 것을 2종이나 3종이나 4종 등 복수종 혼합한, 혼합 도전성 입자로서 사용하는 것이 바람직하다.

일례를 들면, 이 혼합 도전성 입자에는, 입자경이 40nm 이하인 도전성 입자와, 입자경이 80nm 이상인 도전성 입자가 포함되어 있는 것이 바람직하다. 입자경이 40nm 이하인 도전성 입자의 양은 임의로 선택할 수 있는데, 1~40질량%인 것이 바람직하고, 20~40질량%인 것이 보다 바람직하다.

입자경이 80nm 이상인 도전성 입자의 양은 임의로 선택할 수 있는데, 1~40질량%인 것이 바람직하고, 20~40질량%인 것이 보다 바람직하다. 또, 이 혼합 도전성 입자의 입도 분포를 측정한 경우에는, 적산 입자경의 함유율의 곡선이 입자경에 대하여 완만해져 있는 것이 바람직하지만, 필요에 따라 복수의 피크를 갖고 있어도 된다.

혼합 도전성 입자는 입자경이 40nm보다 크고 80nm보다 작은 도전성 입자를 더 포함하는 것도 바람직하다. 양은 임의로 선택할 수 있는데, 20~98질량%인 것이 바람직하고, 20~60질량%인 것이 보다 바람직하다.

구체적인 혼합 도전성 입자의 예를 들면, 평균 입자경 0.03μm의 SiC 입자와, 평균 입자경 0.05μm의 SiC 입자와, 평균 입자경 0.1μm의 SiC 입자를, 질량비로 1:1:1의 비율로 혼합한 혼합 입자 등이 적합하게 이용된다.

또한 상기 입자경은, TEM 사진으로부터 계측한 입자경이다.

이와 같이, 원료에 이용하는 도전성 입자의 입도 분포를 가로로 넓게 함으로써, 소성 과정에서의 온도 이력이나 소성 분위기 등의 영향을 받기 어려워진다. 따라서, 얻어진 소결체인 도전성 입자의 미구조의 변화가 억제되고, 그 결과, 복합 소결체 중에서의 도전성 입자의 분산 상태에 대해서는, 이 복합 소결체의 중심부와 외주부에서 차가 없어지며, 따라서, 이 복합 소결체의 면내에 있어서 균일한 유전 손실을 얻을 수 있다.

이 유전체 재료 중에 있어서의 도전성 입자의 함유율은, 4질량% 이상 또한 20질량% 이하인 것이 바람직하고, 5질량% 이상 또한 20질량% 이하인 것이 보다 바람직하며, 5질량% 이상 또한 12질량% 이하인 것이 더 바람직하다.

여기에서, 도전성 입자의 함유율의 범위를 상기의 범위로 한 이유는, 도전성 입자의 함유율이 4질량% 미만에서는, 도전성 입자의 양이 절연성 재료의 양에 대하여 너무 적어져 버려, 양호한 도전성이 얻어지지 않게 될 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다.

한편, 도전성 입자의 함유율이 20질량%를 초과하면, 도전성 입자의 양이 절연성 재료의 양에 대하여 너무 많아져 버려, 이 유전체 재료의 내전압 특성이 저하될 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다.

또, 20질량%를 초과하면 도전성 입자가 응집하기 쉬워진다. 이로 인하여, 이 응집이나 소성 시의 이상입성장(異常粒成長) 등에 의하여 도전성 입자 자체의 입자경이 커지기 쉽고, 경우에 따라서는 2μm 이상의 도전성 입자가 많이 발생하기 쉬워진다. 이 거친 입자를 이용하여 성형·소성하여 유전체 재료, 즉 복합 소결체를 제작하면, 이 복합 소결체의 판 형상 시료를 재치하는 측의 상면이 플라즈마에 의하여 에칭되기 쉬워진다. 따라서, 이 복합 소결체의 상면에 스퍼터링 흔적이 형성되기 쉬워질 가능성이 있어, 실리콘 웨이퍼 등의 판 형상 시료를 오염시키는 원인이 될 가능성이 있다.

본 발명의 유전체 재료는, 성형·소성하여 얻어진 복합 소결체 중에, 도전성 입자와 절연성 재료가 반응하여 발생된 고용체나 화합물이 존재하고 있지 않은 것이 중요하다.

또한, 이 유전체 재료에 있어서의 도전성 입자의 함유율은, 사용하는 절연성 재료의 종류나 필요한 특성에 따라 상이하기 때문에, 도전성 입자의 함유율을 사용하는 절연성 재료의 종류나 필요한 특성에 따라 상기의 범위 내에서 최적화하는 것이 바람직하다.

[유전체 재료의 전기적 특성]

(1) 유전율 및 유전 손실

유전체 재료의 유전율 및 유전 손실은, 유전율 측정 장치, 예를 들면, 유전체 측정 시스템 126096W(도요 테크니카사제) 등을 이용하여 측정할 수 있다.

본 발명의 유전체 재료는, 주파수 40Hz에 있어서의 유전율은 10 이상인 것이 바람직하고, 12 이상인 것이 보다 바람직하며, 13 이상인 것이 더 바람직하다. 상한값은 특별히 없고 임의로 선택할 수 있는데, 예를 들면, 200 이하나, 150 이하인 것을 들 수 있다.

여기에서, 주파수를 40Hz로 한 것은, 유전체 재료가 실제로 정전 흡착력을 발현시키는 것은 직류 전압을 인가한 경우이지만, 직류로 유전율을 측정할 간편한 방법이 없다. 따라서, 교류로 유전율을 측정하는 것을 채용하고, 그때의 주파수를 실용적으로 가장 낮은 주파수인 40Hz로 했다.

또, 주파수 40Hz에 있어서의 유전율을 10 이상으로 한 이유는, 유전체 재료의 유전율은, 전압을 인가했을 때에 흡착력을 발현하기 위하여 표면에 발생하는 전하의 양과 상관하고 있어, 유전율이 클수록 흡착력이 커지기 때문이다. 특히, 체적 저항값이 10¹³Ω·cm 이상인 쿨롱형의 정전 척 장치에서는, 유전율이 10 이상일 때에 충분한 흡착력이 얻어지기 때문이다. 이 정전 척 장치에서는, 또한 유전율을 12 이상으로 함으로써, 정전 척 장치의 표면에 돌기나 홈을 형성한 경우에 있어서도, 양호한 흡착 특성을 얻을 수 있다.

본 발명의 유전체 재료에서는, 그 표면 내에서 주파수 1MHz에 있어서의 유전 손실의 최댓값과 최솟값의 차는 0.002 이하인 것이 바람직하다.

주파수를 1MHz로 한 이유는, 정전 척 장치가 사용되는 플라스마 처리 장치 등의 반도체 제조 장치에 있어서는 플라즈마를 발생시키는 고주파의 주파수가 13.56MHz 또는 수십 MHz이기 때문에, 유전체 재료에 대해서는, 흡착 특성에 영향을 주는 유전율보다, 높은 주파수에서의 유전 특성이 요구 되기 때문이다.

유전 손실의 크기는, 유전체 재료에 고주파를 인가했을 때에, 이 유전체 재료로부터 발생하는 발열량과 비례하고 있으며, 주파수가 높을수록 커진다.

여기에서, 유전체 재료의 전체가 동일한 유전 손실을 갖고, 동일한 발열량이면, 부설되어 있는 가열 장치나 냉각 장치를 이용하여 온도 관리를 행할 수 있기 때문에 문제는 없다. 그러나, 유전체 재료의 부분마다 유전 손실의 편차가 있는 경우에는, 유전체 재료의 측정 개소마다 발열량이 바뀐다. 이로 인하여, 가열 장치나 냉각 장치에서는 온도 관리를 할 수 없어, 판 형상 재료에 온도 분포가 발생하기 때문에 바람직하지 않다.

이들을 고려하면, 유전체 재료에 온도 분포가 발생하지 않는 유전 손실의 편차 폭의 상한은 0.002이다. 따라서, 이 유전 손실의 편차를 0.002 이하로 함으로써, 유전 손실이 높은 경우에 있어서도 균일한 온도 분포를 얻을 수 있다.

(2) 유전 손실의 수치 범위

본 발명의 유전체 재료에 있어서는, 주파수 40Hz에 있어서의 유전 손실은 0.01 이상 또한 0.05 이하인 것이 바람직하다.

여기에서, 주파수 40Hz에 있어서의 유전 손실을 상기의 범위로 한 이유는, 주파수 40Hz에 있어서의 유전 손실을 0.01 이상으로 하면, 전압의 인가를 정지하여 판 형상 재료를 탈리시킬 때에, 흡착력을 발현시키는 전하가 유전 손실에 의하여 소멸되기 쉬워지기 때문이다.

특히, 체적 저항값이 10¹³Ω·cm 이상인 쿨롱형의 정전 척 장치에서는, 누설 전류에 의한 전하의 소실을 기대할 수 없다. 따라서, 우수한 탈리 특성을 얻기 위해서는, 유전 손실이 0.01 이상인 것이 바람직해진다.

한편, 주파수 40Hz에 있어서의 유전 손실이 0.05를 초과하면, 이 유전체 재료에 고주파 전압을 인가한 경우에, 이 인가에 의하여 발열이 발생할 가능성이 있다. 이로 인하여, 이 발열에 의한 온도 상승을, 정전 척 장치에 일반적으로 부설되어 있는 가열 장치나 냉각 장치에서는 제어할 수 없게 될 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다.

상기와 같이 유전 손실이 제어된 유전체 재료는, 유전 손실의 편차가 매우 작다. 이로 인하여, 예를 들면, 정전 척 장치의 기체에 사용한 경우에, 흡착 특성 및 탈착 특성이 우수하여, 판 형상 시료의 처리를 균일하게 행할 수 있고, 또, 생산성을 높일 수 있다.

(3) 체적 저항률

유전체 재료의 체적 저항률은, 3단자법으로 측정할 수 있다.

이 유전체 재료의 체적 저항률은, 20℃에 있어서도, 또한, 120℃에 있어서도, 10¹³Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 그 이유는, 체적 저항률이 10¹³Ω·cm 이상이면, 이 유전체 재료에 전압을 인가함으로써 흡착력을 발현시키는 전하가 표면에 발생하고, 쿨롱형의 정전 척 장치로서 기능하기 때문이다. 한편, 체적 저항률이 10¹³Ω·cm 미만에서는, 유전체 재료에 인가한 전압에 의하여, 이 유전체 재료의 내부를 전하가 이동하여 누설 전류가 발생하거나, 혹은 내전압이 저하되거나 하는 등의 문제가 발생하기 때문에 바람직하지 않다. 유전체 재료의 체적 저항률의 상한은 임의로 선택할 수 있지만, 10¹⁵Ω·cm 이하인 것이 바람직하다.

(4) 내전압

이 유전체 재료의 내전압은, 20℃에 있어서도, 또한, 120℃에 있어서도, 5kV/mm 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 7kV/mm 이상, 더 바람직하게는 8kV/mm 이상이다. 여기에서, 내전압을 5kV/mm 이상으로 한 이유는, 내전압이 5kV/mm 미만이면, 정전 척 장치로서 사용한 경우에, 흡착시키기 위한 전압을 5kV/mm 이상으로 높일 수 없고, 충분한 흡착력이 얻어지지 않을 가능성이 있기 때문이다. 상한값은 임의로 선택할 수 있지만, 20kV/mm 이하인 것이 바람직하며, 15kV/mm 이하여도 된다.

(5) 열전도율

이 유전체 재료의 열전도율은, 20W/m·K 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 25W/m·K 이상이다.

여기에서, 열전도율을 20W/m·K 이상으로 한 이유는, 열전도율이 20W/m·K 미만이면, 정전 척 장치로서 사용한 경우에, 부설되어 있는 가열 장치나 냉각 장치의 온도를, 흡착면 내에 균일하게 전달할 수 없기 때문이다. 상한값은 임의로 선택할 수 있는데, 50W/m·K 이하인 것이 바람직하다.

[유전체 재료의 제조 방법]

본 실시형태의 유전체 재료는, 절연성 재료의 원료 분체와 도전성 입자의 원료 분체와 분산매를 혼합하여 슬러리로 하고, 이 슬러리를 분무 건조하여 과립으로 하며, 이 과립을 1MPa 이상 또한 100MPa 이하의 가압하에서 소성함으로써, 제작할 수 있다.

다음으로, 이 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

먼저, 절연성 재료의 원료 분체와 도전성 입자의 원료 분체와 분산매를 혼합하여 슬러리로 한다.

이 슬러리에 이용되는 분산매로서는, 물 및 유기 용매가 사용 가능하다.

유기 용매로서는, 예를 들면, 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 뷰탄올, 옥탄올 등의 1가 알코올류 및 그 변성체; α-터피네올 등의 단환식 모노터펜에 속하는 알코올류; 뷰틸카비톨 등의 카비톨류; 아세트산 에틸, 아세트산 뷰틸, 락트산 에틸, 프로필렌글라이콜모노메틸에터아세테이트, 프로필렌글라이콜모노에틸에터아세테이트, 뷰틸카비톨아세테이트, γ-뷰티로락톤 등의 에스터류; 다이에틸에터, 에틸렌글라이콜모노메틸에터(메틸셀로솔브), 에틸렌글라이콜모노에틸에터(에틸셀로솔브), 에틸렌글라이콜모노뷰틸에터(뷰틸셀로솔브), 다이에틸렌글라이콜모노메틸에터, 다이에틸렌글라이콜모노에틸에터 등의 에터류; 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸아이소뷰틸케톤, 아세틸아세톤, 사이클로헥산온 등의 케톤류; 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠 등의 방향족 탄화 수소; 다이메틸폼아마이드, N,N-다이메틸아세트아마이드, N-메틸피롤리돈 등의 아마이드류; 가 적합하게 이용된다.

이들 유기 용매는, 이들 중 1종만을 단독으로 이용해도 되고, 2종 이상을 혼합하여 이용해도 된다.

이 슬러리를 조제할 때에 분산제나 바인더를 첨가해도 된다.

분산제나 바인더로서는, 예를 들면, 폴리카복실산 암모늄염 등의 폴리카복실산염, 폴리에틸렌글라이콜, 폴리바이닐알코올, 폴리바이닐피롤리돈 등의 유기 고분자 등이 적합하게 이용된다.

얻어진 유전체 재료 내에서 유전 손실의 편차를 작게 하기 위해서는, 슬러리 내에 생성되는 응집체를 파괴하여 미립자로 하고, 이 미립자 상태에서 균일하게 분산시키는 것이 중요하다.

생성되는 응집체를 파괴하기 위해서는, 슬러리끼리를 고압에서 분산 및 교반하는, 바람직하게는 충돌시키는 방법이 바람직하다.

그때의 압력으로서는, 100MPa 이상 또한 250MPa 이하가 바람직하다. 그 이유로서는, 생성되는 응집체를 파괴하기 위해서는 100MPa 이상의 압력이 필요하기 때문이며, 한편, 장치의 기계적 강도를 고려하면, 250Mpa가 한계이기 때문이다.

이 분산 처리 시에는, 초음파 호모지나이저, 비즈 밀 등의 분산기를 이용하여 분산 처리를 가하는 것도 바람직하다.

또한, 절연성 입자의 원료 분체와 도전성 입자의 원료 분체가 균일하게 혼합되어 있지 않으면, 이 불균일에 혼합된 슬러리를 이용하여 복합화하여 얻어지는 유전체 재료 중의 도전성 입자의 분포도 불균일해지고, 유전 손실 등의 전기적 특성의 재현성 및 그 소결체 내에서의 조성의 균일성이 악화될 가능성이 있다. 따라서, 분산매나 분산제, 분산 처리 조건을 선정하여 균일하게 혼합하는 것이 바람직하다.

이어서, 이 슬러리를 분무 건조법에 의하여 분무 건조한다. 분무 건조 장치는 임의로 선택할 수 있는데, 스프레이 드라이어 등이 적합하게 이용된다.

여기에서는, 슬러리를 가열된 기류 중에 분무하여 건조시킴으로써, 슬러리 중의 절연성 재료와 도전성 입자가 균일하게 분산된 상태에서, 분산매만이 산일(散逸)되어, 절연성 재료 중에 도전성 입자가 균일하게 분산된 과립(조립분)이 얻어진다. 이때의 과립의 평균 입자경은, 30~150μm인 것이 바람직하고, 50~100μm인 것이 보다 바람직하다. 이 평균 입자경은 진동체를 이용하여 측정된 값이다.

이어서, 이 과립을 통상의 성형 수단으로부터 선택할 수 있는 방법에 의하여 소정 형상으로 성형하고, 성형체로 한다. 예를 들면, 정전 척 장치의 기체에 이용되는 유전체 재료를 제작하는 경우에는, 성형하고 소성하여 복합 소결체로 한 경우의 형상이나 두께를 고려하여, 성형체의 형상이나 두께를 설정할 필요가 있다.

이어서, 이 성형체를 소성한다. 본 실시형태에서는, 이 성형체를, 0.2mm 이하의 평면도를 갖는 판, 바람직하게는 카본판으로 협지한다. 여기에서, 상기 판의 표면의 평면도를 0.2mm 이하로 한 이유는, 상기 판의 표면에 0.2mm보다 큰 요철이 있으면, 성형체에 대한 가압이 불균일해져, 얻어진 복합 소결체에 불균일한 가압에 기인하는 소결 밀도의 편차가 발생하고, 이 소결 밀도의 편차가 유전 손실과 같은 전기적 특성이 불균일한 요인이 되기 때문이다.

이어서, 상기 판으로 협지된 성형체를, 소정의 소성 분위기에서, 임의로 선택할 수 있는 가압하, 바람직하게는 1MPa 이상 또한 100MPa 이하, 보다 바람직하게는 5~50MPa의 가압하에서 소성하고, 복합 소결체로 이루어지는 유전체 재료로 한다.

여기에서, 소성 분위기로서는 임의로 선택할 수 있는데, 도전성 입자로서 도전성 탄화 규소(SiC) 입자, 몰리브데넘(Mo) 입자, 텅스텐(W) 입자, 탄탈럼(Ta) 입자 등을 이용한 경우, 이들의 산화를 방지할 필요가 있는 점에서, 비산화성 분위기, 예를 들면, 아르곤(Ar) 분위기, 질소(N₂) 분위기 등이 바람직하다.

여기에서, 소성 시의 압력을 1MPa 이상 또한 100MPa 이하로 한 이유는, 압력이 1MPa 미만에서는, 얻어진 복합 소결체의 소결 밀도가 낮아져, 내식성이 저하될 가능성이 있기 때문이다. 또, 치밀한 소결체가 얻어지지 않아, 도전성도 높아지고, 반도체 제조 장치용 부재로서 사용할 때에 용도가 한정되어 버려, 범용성이 저해될 가능성이 있기 때문이다. 한편, 압력이 100MPa를 초과하면, 얻어진 복합 소결체의 소결 밀도, 도전성 모두 문제는 없지만, 반도체 장치용 부재의 대형화에 따라, 대형 복합 소결체의 소성 장치를 설계할 때에, 가압 면적에 제한이 발생할 가능성이 있기 때문이다.

또, 소성 온도는, 사용하는 절연성 재료에 이용되는 통상의 소성 온도를 적용할 수 있다. 예를 들면, 절연성 재료에 산화 알루미늄(Al₂O₃)을 사용하는 경우에는, 1500℃ 이상 또한 1900℃ 이하가 바람직하다.

여기에서, 절연성 재료에 산화 알루미늄(Al₂O₃)을 사용한 성형체를 1500℃ 이상 또한 1900℃ 이하에서 소성하는 것이 바람직한 이유는, 소성 온도가 1500℃ 미만에서는, 소결이 불충분한 것이 되어, 치밀한 복합 소결체가 얻어지지 않을 가능성이 있기 때문이며, 한편, 소성 온도가 1900℃를 초과하면, 소결이 너무 진행되어 이상입성장 등이 발생하는 등의 가능성이 있고, 그 결과, 치밀한 복합 소결체가 얻어지지 않을 가능성이 있기 때문이다.

또, 소성 시간은, 치밀한 복합 소결체가 얻어지는 데에 충분한 시간이면 되고, 예를 들면, 1~6시간 정도이다.

이와 같이 하여 얻어진 본 실시형태의 유전체 재료는, 절연성 재료와 도전성 입자가 고용이나 반응 등을 하지 않고 균일하게 분산됨으로써, 절연성 재료의 절연성을 저하시키지 않고 유전체 재료의 유전율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 넓은 온도 범위에 있어서 높은 절연성과 높은 유전율을 양립시킬 수 있다.

이상에 의하여, 본 실시형태의 유전체 재료는, 유전 손실의 면내 편차가 작아, 정전 척 장치용 기체로서 적합하게 이용할 수 있다.

본 실시형태의 유전체 재료에 의하면, 절연성 재료 중에 도전성 입자를 분산하여 이루어지는 복합 소결체의 주파수 40Hz에 있어서의 유전율을 10 이상, 또한, 이 복합 소결체의 표면 내에서 주파수 1MHz에 있어서의 유전 손실의 최댓값과 최솟값의 차를 0.002 이하로 했기 때문에, 복합 소결체의 유전율 및 유전 손실의 최댓값과 최솟값의 차를 제어함으로써, 정전 흡착력, 탈착 응답성 및 내전압을 향상시킬 수 있고, 복합 소결체의 표면 내에 있어서의 온도차를 매우 작게 할 수 있다. 따라서, 유전체 재료의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또, 이 유전체 재료의 체적 저항률, 내전압, 열전도율, 주파수 40Hz에 있어서의 유전 손실 중 어느 하나의 특성 또는 이들 복수의 특성을 제어함으로써, 정전 흡착력, 탈착 응답성 및 내전압을 더 향상시킬 수 있고, 복합 소결체의 표면 내에 있어서의 온도차를 없앨 수 있다. 따라서, 유전체 재료의 신뢰성을 장기에 걸쳐 유지할 수 있다.

[정전 척 장치]

도 1은, 본 발명의 일 실시형태의 정전 척 장치의 예를 나타내는 단면도이다. 이 정전 척 장치(1)에 있어서는, 상면(일 주면)(2a)이 실리콘 웨이퍼 등의 각종 웨이퍼(판 형상 시료)(W)를 재치하는 재치면이기 때문에 정전 척 부재(기체)(2)와, 이 정전 척 부재(2)의 하면(다른 일 주면)(2b)측에 마련된 정전 흡착용 전극(3)에 의하여, 정전 척부(4)가 구성되어 있다. 그리고, 이 정전 흡착용 전극(3)에는, 시트 형상 또는 필름 형상의 (제1) 유기계 접착제층(5)을 통하여 시트 형상 또는 필름 형상의 절연층(6)이 접착된다. 이 시트 형상 또는 필름 형상의 절연층(6) 및 정전 척부(4)에는, (제2) 유기계 접착제층(7)을 통하여, 정전 척부(4)를 지지함과 함께 웨이퍼(W)를 온도 조절하는 베이스부(기대)(8)가 접착되어 있다.

이하, 이 정전 척 장치(1)에 대하여 상세하게 설명한다.

정전 척 부재(2)는, 본 실시형태의 유전체 재료로 이루어지는 원판 형상의 부재이다. 그 두께는 0.3mm 이상 또한 5mm 이하가 바람직하고, 0.4mm 이상 또한 3mm 이하가 보다 바람직하다. 그 이유는, 정전 척 부재(2)의 두께가 0.3mm를 하회하면, 정전 척 부재(2)의 기계적 강도를 확보할 수 없을 가능성이 있기 때문이다. 한편, 정전 척 부재(2)의 두께가 5mm를 상회하면, 웨이퍼(W)를 흡착하는 상면(2a)과 정전 흡착용 전극(3)의 사이의 거리가 증가되고, 흡착력이 저하된다. 그 저하와 함께, 정전 척 부재(2)의 열용량이 커져, 재치되는 웨이퍼(W)와의 열교환 효율이 저하되고, 웨이퍼(W)의 면내 온도를 원하는 온도 패턴으로 유지하는 것이 곤란해지기 때문이다.

이 정전 척 장치(1)의 온도 분포에 관한 특성을 향상시키기 위해서는, 이 정전 척 부재(2)의 웨이퍼(W)를 재치하는 상면(2a)의 표면 조도 Ra는 0.002μm보다 큰 것이 바람직하고, 0.005μm보다 큰 것이 보다 바람직하다.

여기에서, 상면(2a)의 표면 조도 Ra를 0.002μm보다 크게 한 이유는, 표면 조도 Ra가 0.002μm 이하이면, 이 상면(2a)에 있어서의 열전달 효과가 불충분한 것이 되므로, 바람직하지 않기 때문이다.

한편, 이 정전 척 장치(1)의 파티클의 발생에 대한 문제를 없애기 위해서는, 정전 척 부재(2)의 웨이퍼(W)를 재치하는 상면(2a)은 경면 연마되어 있는 것이 바람직하다. 이 상면(2a)의 표면 조도 Ra는 0.5μm 이하인 것이 바람직하고, 0.15μm 이하인 것이 보다 바람직하다.

또, 이 정전 척 부재(2)의 상면(2a), 즉 웨이퍼(W)의 흡착면과 웨이퍼(W)의 사이에 He 가스, N₂ 가스 등의 열매체를 순환시키는 유로를 형성하는 것으로 해도 된다.

또한, 이 정전 척 부재(2)의 상면(2a)에 돌기, 홈, 돌기 및 홈 중 어느 하나를 형성하여 요철면으로 해도 된다.

정전 흡착용 전극(3)은, 전하를 발생시켜 정전 흡착력으로 웨이퍼(W)를 정전 척 부재(2)의 상면(2a)에 고정하기 위한 정전 척용 전극으로서 이용된다. 그 용도에 따라, 그 형상 및 크기가 적절히 조정된다.

이 정전 흡착용 전극(3)을 구성하는 재료로서는, 도전성을 갖는 비자성 재료인 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등의 금속, 타이타늄, 텅스텐, 몰리브데넘, 백금 등의 고융점 금속, 그래파이트, 카본 등의 탄소 재료, 탄화 규소(SiC), 질화 타이타늄(TiN), 탄화 타이타늄(TiC), 탄화 텅스텐(WC) 등의 도전성 세라믹스, TiC-Ni계, TiC-Co계, B₄C-Fe계 등의 시멘트 등이 적합하게 이용된다. 이들 재료의 열팽창계수는, 정전 척 부재(2)의 열팽창계수에 가능한 한 근사한 것이 바람직하다.

이 정전 흡착용 전극(3)의 두께는, 특별히 한정되는 것이 아니지만, 플라즈마 발생용 전극으로서 사용하는 경우에는, 5μm 이상 또한 200μm 이하가 바람직하고, 특히 바람직하게는 10μm 이상 또한 100μm 이하이다. 그 이유는, 두께가 5μm를 하회하면, 충분한 도전성을 확보할 수 없을 가능성이 있기 때문이다. 한편, 두께가 200μm를 초과하면, 정전 척 부재(2)와 정전 흡착용 전극(3)의 사이의 열팽창율차에 기인하여, 정전 척 부재(2)와 정전 흡착용 전극(3)의 접합 계면에 크랙이 들어가기 쉬워짐과 함께, 정전 흡착용 전극(3)의 하면 전체를 유기계 접착제층(5)으로 덮을 수 없게 되어, 이 정전 흡착용 전극(3)의 측면 방향의 절연성이 저하될 가능성이 있기 때문이다.

이와 같은 두께의 정전 흡착용 전극(3)은, 스퍼터링법이나 증착법 등의 성막법, 혹은 스크린 인쇄법 등의 도공(塗工)법에 의하여 용이하게 형성할 수 있다.

이 정전 척부(4)에서는, 그 상면(2a)에 웨이퍼(W)를 재치하고, 이 웨이퍼(W)와 정전 흡착용 전극(3)의 사이에 소정의 전압을 인가함으로써, 정전기력을 이용하여 웨이퍼(W)를 정전 척 부재(2)의 상면(2a)에 흡착 고정하는 것이 가능한 구조로 되어 있다.

유기계 접착제층(5)은, 아크릴, 에폭시, 폴리에틸렌 등으로 이루어지는 시트 형상 또는 필름 형상의 접착제이며, 열압축식의 유기계 접착제 시트 또는 필름인 것이 바람직하다.

바람직한 이유는, 열압축식의 유기계 접착제 시트 또는 필름은, 정전 흡착용 전극(3) 상에 중첩되어, 진공으로 배기한 후, 열압착함으로써, 정전 흡착용 전극(3)과의 사이에 기포 등이 발생하기 어렵고, 따라서, 박리되기 어려워져, 정전 척부(4)의 흡착 특성이나 내전압 특성을 양호하게 유지할 수 있기 때문이다.

이 유기계 접착제층(5)의 두께는, 특별히 한정되는 것은 아니다. 접착 강도 및 취급 용이성 등을 고려하면, 5μm 이상 또한 100μm 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 10μm 이상 또한 50μm 이하이다.

두께가 5μm 이상 또한 100μm 이하이면, 이 유기계 접착제층(5)과 정전 흡착용 전극(3)의 하면의 사이의 접착 강도가 향상되고, 또한, 이 유기계 접착제층(5)의 두께가 보다 균일해진다. 그 결과, 정전 척 부재(2)와 베이스부(8)의 사이의 열전달률이 균일해져, 재치된 웨이퍼(W)의 가열 특성 혹은 냉각 특성이 균일화되고, 이 웨이퍼(W)의 면내 온도가 균일화된다.

또한, 이 유기계 접착제층(5)의 두께가 5μm를 하회하면, 정전 척부(4)와 베이스부(8)의 사이의 열전달성은 양호해지지만, 유기계 접착제층(5)의 두께가 너무 얇아질 가능성이 있다. 이 점에서, 이 유기계 접착제층(5)과 정전 흡착용 전극(3)의 하면의 사이의 접착 강도가 약해져, 이 유기계 접착제층(5)과 정전 흡착용 전극(3)의 하면의 사이에 박리가 발생하기 쉬워질 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 두께가 100μm를 초과하면, 유기계 접착제층(5)의 두께가 너무 두꺼워질 가능성이 있는 점에서, 정전 척부(4)와 베이스부(8)의 사이의 열전달성을 충분히 확보할 수 없게 되어, 웨이퍼(W)를 온도 조절하는 경우의 가열 효율 혹은 냉각 효율이 저하되므로, 바람직하지 않다.

이와 같이, 유기계 접착제층(5)을 시트 형상 또는 필름 형상의 접착제로 함으로써, 유기계 접착제층(5)의 두께가 균일화되어, 정전 척 부재(2)와 베이스부(8)의 사이의 열전달률이 균일해진다. 따라서, 웨이퍼(W)의 온도 조절 기능의 향상에 의하여 가열 특성 혹은 냉각 특성이 균일화되며, 이 웨이퍼(W)의 면내 온도가 균일화된다.

절연층(6)의 형성에는, 정전 척부(4)에 있어서의 인가 전압을 견딜 수 있는 절연성 수지로 이루어지는 시트 형상 또는 필름 형상의 절연성 재료이며, 예를 들면, 폴리이미드, 폴리아마이드, 방향족 폴리아마이드 등이 적합하게 이용된다. 이 절연층(6)의 외주부는, 정전 척 부재(2)의 외주부보다 내측으로 되어 있다.

이와 같이, 절연층(6)을 정전 척 부재(2)보다 내측에 마련함으로써, 이 절연층(6)의 산소계 플라즈마에 대한 내플라즈마성, 부식성 가스에 대한 내부식성이 향상되고, 파티클 등의 발생도 억제된다.

이 절연층(6)의 두께는 임의로 선택되는데, 40μm 이상 또한 200μm 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 50μm 이상 또한 100μm 이하이다.

이 절연층(6)의 두께가 40μm를 하회하면, 정전 흡착용 전극(3)에 대한 절연성이 저하되고, 정전 흡착력도 약해져, 웨이퍼(W)를 상면(2a)(재치면)에 양호하게 고정할 수 없게 될 가능성이 있기 때문이다. 한편, 두께가 200μm를 초과하면, 정전 척부(4)와 베이스부(8)의 사이의 열전달성을 충분히 확보할 수 없게 되어, 웨이퍼(W)의 온도 조절 기능의 저하, 즉 가열 효율 혹은 냉각 효율이 저하될 가능성이 있기 때문이다.

유기계 접착제층(7)은, 정전 척부(4) 및 절연층(6)과 베이스부(8)를 접착·고정한다. 유기계 접착제층(7)은, 정전 흡착용 전극(3), 유기계 접착제층(5) 및 절연층(6)을 덮도록 마련됨으로써, 산소계 플라즈마나 부식성 가스로부터 보호한다. 내플라즈마성이 높고, 열전도율이 높으며, 베이스부(8)로부터의 온도 조절 효율, 즉 가열 효율 혹은 냉각 효율이 높은 재료가 바람직하다. 예를 들면, 내열성, 탄성이 우수한 수지인 실리콘계 수지 조성물이 바람직하다.

이 실리콘계 수지 조성물은, 실록세인 결합(Si-O-Si)을 갖는 규소 화합물이며, 예를 들면, 열경화 온도가 70℃~140℃인 실리콘 수지를 이용하는 것이 바람직하다.

여기에서, 열경화 온도가 70℃를 하회하면, 정전 척부(4) 및 절연층(6)과 베이스부(8)를 접합할 때에, 접합 과정 도중에서 경화가 시작되어 버려, 접합 작업에 지장을 초래할 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 열경화 온도가 140℃를 초과하면, 정전 척부(4) 및 절연층(6)과 베이스부(8)의 열팽창차를 흡수할 수 없을 가능성이 있다. 그 결과, 정전 척 부재(2)의 재치면에 있어서의 평탄도가 저하될 뿐만 아니라, 정전 척부(4) 및 절연층(6)과 베이스부(8)의 사이의 접합력이 저하되어, 이들 사이에서 박리가 발생할 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다.

유기계 접착제층(7)의 열전도율은, 0.25W/mk 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5W/mk 이상이다.

여기에서, 유기계 접착제층(7)의 열전도율을 0.25W/mk 이상으로 한정한 이유는, 열전도율이 0.25W/mk 미만에서는, 베이스부(8)로부터의 온도 조절 효율, 즉 가열 효율 혹은 냉각 효율이 저하되어, 정전 척부(4)의 상면(2a)에 재치되는 웨이퍼(W)를 효율적으로 가열 혹은 냉각할 수 없게 될 가능성이 있기 때문이다.

이 유기계 접착제층(7)의 두께는, 50μm 이상 또한 500μm 이하가 바람직하다.

이 유기계 접착제층(7)의 두께가 50μm를 하회하면, 이 유기계 접착제층(7)이 너무 얇아져 버려, 그 결과, 접착 강도를 충분히 확보할 수 없게 되어, 절연층(6) 및 정전 척부(4)와 베이스부(8)의 사이에서 박리 등이 발생할 가능성이 있기 때문이다. 한편, 두께가 500μm를 초과하면, 절연층(6) 및 정전 척부(4)와 베이스부(8)의 사이의 열전달성을 충분히 확보할 수 없게 되어, 가열 효율 혹은 냉각 효율이 저하될 가능성이 있기 때문이다.

또한, 이 유기계 접착제층(7)의 열전도율을, 상기의 유기계 접착제층(5)의 열전도율 및 절연층(6)의 열전도율과 동등 또는 그 이상으로 함으로써, 이 유기계 접착제층(7)의 온도 상승을 억제할 수 있고, 이 유기계 접착제층(7)의 두께 편차에 의한 면내 온도의 편차를 저감시킬 수 있다. 그 결과, 재치되는 웨이퍼(W)의 온도를 균일화할 수 있고, 이 웨이퍼(W)의 면내 온도를 균일화할 수 있기 때문에, 바람직하다.

이 유기계 접착제층(7)에는, 평균 입경이 1μm 이상 또한 10μm 이하인 필러, 예를 들면, 질화 알루미늄(AlN) 입자의 표면에 산화 규소(SiO₂)로 이루어지는 피복층이 형성된 표면 피복 질화 알루미늄(AlN) 입자가 함유되어 있는 것이 바람직하다.

이 표면 피복 질화 알루미늄(AlN) 입자는, 실리콘 수지의 열전도성을 개선하기 위하여 혼입된 것으로, 그 혼입률을 조정함으로써, 유기계 접착제층(7)의 열전달률을 제어할 수 있다.

베이스부(8)는, 정전 척부(4)에 재치되는 웨이퍼(W)를, 가열 혹은 냉각하여 온도를 조정하기 위한 두께가 있는 원판 형상의 온도 조절용 부재이다. 유기계 접착제층(5), 절연층(6) 및 유기계 접착제층(7)을 통하여 정전 척부(4)를 가열 혹은 냉각함으로써, 웨이퍼(W)를 원하는 온도 패턴으로 조정할 수 있다. 이 베이스부(8)는 외부의 고주파 전원(도시하지 않음)에 접속되어 있으며, 이 베이스부(8)의 내부에는, 필요에 따라, 가열 혹은 냉각용 혹은 온도 조절용 물, 절연성의 열매 혹은 냉매를 순환시키는 유로가 형성되어 있다.

이 베이스부(8)를 구성하는 재료로서는, 열전도성, 전기 도전성, 가공성이 우수한 금속, 금속-세라믹스 복합 재료 중 어느 하나이면 특별히 제한은 없다. 예를 들면, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 스테인리스강(SUS) 등이 적합하게 이용된다. 이 베이스부(8)의 측면, 즉 적어도 플라즈마에 노출되는 면은, 알루마이트 처리, 혹은 산화 알루미늄, 산화 이트륨 등의 절연성 용사(溶射) 재료로 피복되어 있는 것이 바람직하다.

이 베이스부(8)에서는, 적어도 플라즈마에 노출되는 면에 알루마이트 처리 또는 절연막의 성막이 실시되어 있음으로써, 내플라즈마성이 향상되는 것 외에, 이상 방전이 방지되며, 따라서, 내플라즈마 안정성이 향상된 것이 된다. 또, 표면이 손상되기 어려워지기 때문에, 스크래치의 발생을 바람직하게 방지할 수 있다.

이 정전 척 장치(1)에서는, 정전 척부(4)와 베이스부(8)의 사이의 열전달률은 100W/m²K 이상 또한 3000W/m²·K 이하인 것이 바람직하고, 300W/m²·K 이상 또한 1000W/m²·K 이하인 것이 보다 바람직하다.

여기에서, 열전달률을 100W/m²K 이상으로 한 이유는, 베이스부(8)를 이용하여 유전체 재료로 이루어지는 정전 척부(4)의 온도 제어를 할 때의 응답성을 확보하기 위함이다. 한편, 열전달률을 3000W/m²K 이하로 한 이유는, 베이스부(8)와 정전 척부(4)의 사이의 열전달률이 3000W/m²K를 초과하면, 베이스부(8)로부터의 열량이 정전 척부(4)에 전해지지 않고, 접합 부분으로부터 주변 외부로 비산해 버려, 외주 부분 근방의 온도 제어를 하기 어려워지기 때문이다.

이 정전 척 장치(1)에서는, 정전 척부(4)와 베이스부(8)의 사이의 열전달률은, 면내에 있어서, 최댓값과 최솟값의 차가 100W/m²K 이하인 것이 바람직하다. 그 이유로서는, 최댓값과 최솟값의 차가 100W/m²K를 초과하면, 베이스부(8)의 온도를, 흡착면 내에 균일하게 전달할 수 없기 때문이다.

이 정전 척 장치(1)에서는, 정전 척부(4)와 베이스부(8)의 사이의 유기계 접착제층(7)에 정전 척부(4)를 가열하기 위한 히터를 구비해도 된다. 이 히터로서는, 유기계 접착제층(7)의 두께를 얇게 하기 위하여, 박막 형상의 것을 이용하는 것이 바람직하다.

또, 고주파에 의한 발열을 없애기 위해서는, 이 히터의 재질에, 비자성체의 금속 또는 도전성 세라믹스를 사용하는 것이 바람직하다.

본 실시형태의 정전 척 장치(1)에 의하면, 본 실시형태의 유전체 재료를 원판 형상의 정전 척 부재(2)에 이용했다. 이로 인하여, 판 형상 시료(W)의 정전 흡착력 및 탈착 응답성을 향상시킬 수 있고, 정전 척 부재(2) 자체의 내전압을 향상시킬 수 있다. 또한, 판 형상 시료(W)를 정전 흡착하는 정전 척 부재(2)의 상면(2a)에 있어서의 온도차를 매우 작게 할 수 있다. 따라서, 판 형상 시료(W)의 전체면에 걸쳐 각종 처리를 균일하게 행할 수 있어, 얻어진 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 2는, 본 실시형태의 정전 척 장치의 변형예를 나타내는 단면도이다. 이 정전 척 장치(11)가 상술한 정전 척 장치(1)와 상이한 점은, 정전 흡착용 전극(3)의 하면을 덮도록 절연성 세라믹스로 이루어지는 지지판(12)이 마련되고, 이 지지판(12)은, 정전 척 부재(2)와 일체화됨과 함께, 유기계 접착제층(7)을 통하여 베이스부(8)에 접착되어 있는 점이다. 이외의 점에 대해서는, 상술한 정전 척 장치(1)와 동일하기 때문에, 설명을 생략한다.

지지판(12)의 성분인 절연성 세라믹스로서는, 상술한 정전 척 부재(2)에 이용되는 절연성 세라믹스와 동일 조성의 절연성 세라믹스여도 되고, 상이한 조성의 절연성 세라믹스여도 된다.

특히, 지지판(12)과 정전 척 부재(2)의 사이의 열팽창차에 의한 휨이나 미세 크랙의 발생 등을 방지하기 위해서는, 지지판(12)과 정전 척 부재(2) 각각에 이용되고 있는 절연성 세라믹스의 열팽창계수의 차가 10% 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 지지판(12)과 정전 척 부재(2)에 동일한 조성의 절연성 세라믹스를 이용하는 것이 보다 바람직하다.

또, 고주파에 의한 발열은 절연성 재료에서도 발생하기 때문에, 이용하는 절연성 세라믹스로서는, 주파수 1MHz에서 측정한 유전 손실의 편차가 0.002 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

지지판(12)과 정전 척 부재(2)를 일체화하는 방법으로서는 다양한 방법이 있으며, 예를 들면 다음과 같은 방법이 있다.

(1) 정전 척 부재(2)의 하면(2b)에 정전 흡착용 전극(3)이 되는 전극 재료를 도포하고, 이 전극 재료를 덮도록, 지지판(12)이 되는 절연성 세라믹스 분체를 소정 형상으로 성형한 성형체를 재치하고, 이들을 소정의 온도에서 소성함으로써, 정전 척 부재(2), 정전 흡착용 전극(3) 및 지지판(12)을 일체화하는 방법.

(2) 정전 척 부재(2)의 하면(2b)에 정전 흡착용 전극(3)이 되는 전극 재료를 도포하고, 이 정전 척 부재(2)의 하면(2b) 중 전극 재료가 도포되어 있지 않은 영역에 지지판(12)이 되는 절연성 세라믹스 분체를 포함하는 재료를 도포하며, 이들을 소정의 온도 및 압력에서 핫 프레스함으로써, 정전 척 부재(2), 정전 흡착용 전극(3) 및 지지판(12)을 일체화하는 방법.

이들의 방법으로 얻어진 정전 척 장치(11)에서는, 지지판(12)과 정전 척 부재(2)를 합친 세라믹스 부재의 두께는, 5mm 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3mm 이하이다. 하한값은 임의로 선택할 수 있는데 0.1mm 이상인 것이 바람직하다.

세라믹스 부재의 두께를 5mm 이하로 얇게 함으로써, 유전 손실에 의한 발열량을 줄일 수 있고, 온도 분포를 보다 균일하게 할 수 있다.

이 정전 척 장치(11)에 재치되는 판 형상 시료를 가열할 필요가 있는 경우에는, 지지판(12)과 정전 척 부재(2) 증 어느 일방 또는 쌍방의 내부에, 판 형상 시료를 가열하기 위한 히터를 매립해도 된다.

여기에서, 히터를 매립한 경우의 지지판(12)과 정전 척 부재(2)를 합친 세라믹스 부재의 두께는, 7mm 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5mm 이하이다.

이 정전 척 장치(11)에 있어서도, 상술한 정전 척 장치(1)와 동일한 작용, 효과를 나타낼 수 있다.

또한, 정전 흡착용 전극(3)의 하면이 절연성 세라믹스로 이루어지는 지지판(12)에 의하여 덮여 있기 때문에, 승온 시의 휨을 저감시킬 수 있다.

또, 지지판(12)도 절연성 세라믹스에 의하여 구성되어 있기 때문에, 정전 척 장치(11)의 내구를 높일 수 있다.

실시예

이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이 실시예만에 의하여 한정되는 것이 아니다.

"실시예 1"

평균 입자경이 0.03μm인 탄화 규소(SiC) 분체와, 평균 입자경이 0.05μm인 탄화 규소(SiC) 분체와, 평균 입자경이 0.1μm인 탄화 규소(SiC) 분체를, 질량비로 1:1:1의 비율로 혼합하고, 탄화 규소(SiC) 혼합 분체를 얻었다.

이어서, 이 탄화 규소(SiC) 혼합 분체가 8질량%, 평균 입자경이 0.1μm인 산화 알루미늄(Al₂O₃) 분체가 92질량%가 되도록 이들을 칭량하여, 이들 분체의 전체 질량 100질량부에 대하여 물을 72질량부 첨가하고 교반하여, 슬러리를 얻었다.

이어서, 이 슬러리를 습식 제트 밀 장치((주)스기노 머신 HJP-25010)에 투입하여, 150MPa의 압력으로 가압하고, 슬러리끼리를 사향(斜向) 충돌시킴으로써 120분간의 분산 처리를 하여, 분산액을 얻었다.

이어서, 이 분산액을, 스프레이 드라이어를 이용하여 스프레이하고 200℃에서 건조시켜, 산화 알루미늄(Al₂O₃)의 함유율이 92질량%인 Al₂O₃-SiC 복합 분체를 얻었다.

이어서, 이 Al₂O₃-SiC 복합 분체를 성형기를 이용하여 소정 형상으로 형성했다. 이어서, 이 성형체를 평면도가 0.1mm인 카본판으로 협지하여, 이 성형체를 카본판으로 협지한 상태에서 핫 프레스에 수납하고, 아르곤(Ar) 분위기하, 1650℃, 압력 25MPa에서 2시간 소성을 행하여, Al₂O₃-SiC 복합 소결체를 얻었다.

이어서, 이 복합 소결체에 기계 가공을 실시하여, 직경 300mm, 두께 1.0mm의 원판 형상으로 가공하고, 실시예 1의 Al₂O₃-SiC 복합 소결체로 이루어지는 유전체판을 제작했다.

"실시예 2"

탄화 규소(SiC) 혼합 분체를 11질량%, 산화 알루미늄(Al₂O₃) 분체를 89질량%로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 2의 Al₂O₃-SiC 복합 소결체로 이루어지는 유전체판을 제작했다.

"실시예 3"

탄화 규소(SiC) 혼합 분체를 9질량%, 산화 알루미늄(Al₂O₃) 분체를 91질량%로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 3의 Al₂O₃-SiC 복합 소결체로 이루어지는 유전체판을 제작했다.

"실시예 4"

탄화 규소(SiC) 혼합 분체를, 9질량%에 대하여 평균 입자경이 0.1μm인 산화 알루미늄(Al₂O₃) 분체를 91질량%로 하고, 또한, 소성 온도를 1800℃, 압력을 40MPa로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 4의 Al₂O₃-SiC 복합 소결체로 이루어지는 유전체판을 제작했다.

"실시예 5"

평균 입자경이 0.03μm인 탄화 규소(SiC) 분체와, 평균 입자경이 0.05μm인 탄화 규소(SiC) 분체와, 평균 입자경이 0.1μm인 탄화 규소(SiC) 분체를, 질량비로 1:2:1의 비율로 혼합하고, 탄화 규소(SiC) 혼합 분체를 얻었다. 이 탄화 규소(SiC) 혼합 분체 10질량%에 대하여 평균 입자경이 0.1μm인 산화 알루미늄(Al₂O₃) 분체를 90질량%로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 5의 Al₂O₃-SiC 복합 소결체로 이루어지는 유전체판을 제작했다.

"실시예 6"

탄화 규소(SiC) 혼합 분체를 12질량%, 산화 알루미늄(Al₂O₃) 분체를 88질량%로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 6의 Al₂O₃-SiC 복합 소결체로 이루어지는 유전체판을 제작했다.

"실시예 7"

이어서, 이 탄화 규소(SiC) 혼합 분체가 10질량%, 평균 입자경이 0.1μm인 산화 이트륨(Y₂O₃) 분체가 90질량%가 되도록 이들을 칭량하여, 이들 분체의 전체 질량 100질량부에 대하여 물을 72질량부 첨가하고 교반하여, 슬러리를 얻었다.

이어서, 이 슬러리를 습식 제트 밀 장치에 투입하여, 150MPa의 압력으로 가압하고, 슬러리끼리를 사향 충돌시킴으로써 분산 처리하여, 분산액을 얻었다.

이어서, 이 분산액을, 스프레이 드라이어를 이용하여 스프레이하여 200℃에서 건조시켜, 산화 이트륨(Y₂O₃)의 함유율이 90질량%인 Y₂O₃-SiC 복합 분체를 얻었다.

이어서, 이 Y₂O₃-SiC 복합 분체를 성형기를 이용하여 소정 형상으로 성형했다. 이어서, 이 성형체를 평면도가 0.1mm인 카본판으로 협지하여, 이 성형체를 카본판으로 협지한 상태에서 핫 프레스에 수납하고, 아르곤(Ar) 분위기하, 1500℃, 압력 20MPa에서 2시간 소성을 행하고, 실시예 7의 Y₂O₃-SiC 복합 소결체를 얻었다.

이어서, 이 복합 소결체에 기계 가공을 실시하여, 직경 300mm, 두께 1.0mm의 원판 형상으로 가공하고, 실시예 7의 Y₂O₃-SiC 복합 소결체로 이루어지는 유전체판을 제작했다.

"비교예 1"

탄화 규소(SiC) 혼합 분체를, 평균 입자경이 0.05μm인 탄화 규소(SiC) 분체로 변환하여, 이 탄화 규소(SiC) 분체 8질량%에 대하여 평균 입자경이 0.1μm인 산화 알루미늄(Al₂O₃) 분체를 92질량%로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 비교예 1의 Al₂O₃-SiC 복합 소결체로 이루어지는 유전체판을 제작했다.

"비교예 2"

탄화 규소(SiC) 혼합 분체를, 평균 입자경이 0.03μm인 탄화 규소(SiC) 분체로 변환하여, 이 탄화 규소(SiC) 분체 10질량%에 대하여 평균 입자경이 0.1μm인 산화 알루미늄(Al₂O₃) 분체를 90질량%로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 비교예 2의 Al₂O₃-SiC 복합 소결체로 이루어지는 유전체판을 제작했다.

"비교예 3"

탄화 규소(SiC) 혼합 분체를, 평균 입자경이 0.05μm인 탄화 규소(SiC) 분체로 변환하여, 이 탄화 규소(SiC) 분체 9질량%에 대하여 평균 입자경이 0.1μm인 산화 알루미늄(Al₂O₃) 분체를 91질량%로 하고, 또한, 소성 온도를 1800℃, 압력을 40MPa로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 비교예 3의 Al₂O₃-SiC 복합 소결체로 이루어지는 유전체판을 제작했다.

"비교예 4"

탄화 규소(SiC) 혼합 분체를, 평균 입자경이 0.03μm인 탄화 규소(SiC) 분체로 변환하여, 이 탄화 규소(SiC) 분체 12질량%에 대하여 평균 입자경이 0.1μm인 산화 알루미늄(Al₂O₃) 분체를 88질량%로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 비교예 4의 Al₂O₃-SiC 복합 소결체로 이루어지는 유전체판을 제작했다.

"비교예 5"

탄화 규소(SiC) 혼합 분체를, 평균 입자경이 0.03μm인 탄화 규소(SiC) 분체로 변환하여, 이 탄화 규소(SiC) 분체 32질량%에 대하여 평균 입자경이 0.1μm인 산화 알루미늄(Al₂O₃) 분체를 68질량%로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 비교예 5의 Al₂O₃-SiC 복합 소결체로 이루어지는 유전체판을 제작했다.

"유전체판의 평가"

실시예 1~7 및 비교예 1~5 각각의 유전체판에 대하여, 체적 저항률, 유전율, 유전 손실, 내전압 및 온도 분포를 평가했다.

여기에서는, 직경 300mm, 두께 1.0mm의 유전체판의 중심 1점과, 외주부를 90°마다 4분할한 4점(0°, 90°, 180° 및 270°)의 합계 5점에 대하여, 체적 저항률, 유전율, 유전 손실, 내전압 및 온도 분포를 측정하여 평가했다. 외주부는 가장자리부부터 내부로 10mm의 개소를 측정했다.

이들 각 항목의 평가 방법은 다음과 같다.

(1) 체적 저항률

디지털 초고저항/전류계 R83040A(어드밴테스트사제)를 이용하여, 3단자법으로 측정했다. 여기에서는, 인가 전압을 500V로 하고, 이 전압을 60초간 유지했을 때의 전륫값을 기준으로 체적 저항률을 산출했다. 측정한 5점의 체적 저항률의 평균값을 표 1에 나타낸다. 체적 저항률은 10¹³Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 이때의 측정 시의 온도는 20℃이다.

(2) 유전율 및 유전 손실

유전체 측정 시스템 126096W(도요테크니카사제)를 이용하여, 40Hz에 있어서의 유전율, 및 40Hz와 1MHz의 유전 손실을 측정했다. 측정한 5점의 유전율의 평균값을 표 1에 나타낸다. 또, 측정한 5점 각각의 유전 손실의 값을 표 2에 나타낸다. 주파수 40Hz에 있어서의 유전 손실은 0.01 이상 또한 0.05 이하인 것이 바람직하고, 유전율은 10 이상인 것이 바람직하다.

(3) 내전압

유전체판을 평방 35mm의 실리콘 웨이퍼에 전극 간의 연면(沿面) 방전이 발생하지 않도록 협지하여, 10kV/mm까지는 1kV/mm마다, 10kV/mm 이상에서는 0.5kV/mm마다, 소정의 측정 전압까지 전압을 높여, 이 소정의 측정 전압을 인가한 1분간 유지 후의 전륫값을 측정했다. 이 경우, 1분간 유지 후의 전륫값이 유지 당초의 시점에서의 전륫값과 동등한 경우, 전압을 더 올리고, 1분간 유지 후의 전륫값이 유지 당초의 시점에서의 전륫값과 비교하여 상승하고 있는 경우에, 그 인가 전압을 내전압값으로 했다. 측정 결과를 표 1에 나타낸다. 유전체 재료의 내전압은, 5kV/mm 이상인 것이 바람직하다. 이때의 측정 시의 온도는 20℃이다.

(4) 온도 분포

유전체판에 있어서의 균열성을 조사하기 위하여, 유전체판의 표면에 있어서의 온도 분포를 측정하여 평가했다.

여기에서는, 유전체판을 이용하여 도 1에 나타내는 정전 척 장치(1)의 정전 척 부재(2)를 제작하여, 이 정전 척 부재(2)에 13.56MHz의 고주파를 인가하고, 표면 내의 온도 분포를 적외선 서모그래피로 측정하여, 최고 온도와 최저 온도의 차를 산출했다. 이 온도차의 결과를 온도 분포로서 표 1에 나타낸다. 온도 분포는 작을수록 바람직하다.

	체적 저항률 (Ω·cm)	유전율	내전압 (kV/mm)	온도 분포 (ΔK)
실시예 1	>10¹³	14	14	2
실시예 2	>10¹³	19	8	3
실시예 3	>10¹³	15	12	2
실시예 4	>10¹³	11	7	2
실시예 5	>10¹³	14	15	2
실시예 6	>10¹³	20	7	3
실시예 7	>10¹³	15	7	3
비교예 1	>10¹³	15	14	13
비교예 2	>10¹³	16	12	13
비교예 3	>10¹³	12	7	12
비교예 4	>10¹³	22	5	10
비교예 5	10²	<2	<2	측정하지 않음

	40Hz					1MHz
	중심	0°	90°	180°	270°	중심	0°	90°	180°	270°
실시예 1	0.0190	0.0200	0.0201	0.0200	0.0200	0.0050	0.0048	0.0048	0.0047	0.0050
실시예 2	0.0307	0.0333	0.0358	0.0389	0.0301	0.0045	0.0061	0.0060	0.0055	0.0060
실시예 3	0.0219	0.0212	0.0215	0.0219	0.0218	0.0045	0.0062	0.0055	0.0048	0.0050
실시예 4	0.0271	0.0180	0.0190	0.0222	0.0240	0.0047	0.0050	0.0051	0.0051	0.0050
실시예 5	0.0251	0.0223	0.0222	0.0222	0.0230	0.0041	0.0034	0.0035	0.0035	0.0038
실시예 6	0.0420	0.0401	0.0400	0.0405	0.0400	0.0048	0.0047	0.0047	0.0047	0.0048
실시예 7	0.0159	0.0160	0.0158	0.0158	0.0159	0.0016	0.0018	0.0016	0.0016	0.0018
비교예 1	0.0020	0.0600	0.0200	0.0201	0.0060	0.0044	0.0070	0.0044	0.0044	0.0068
비교예 2	0.0251	0.0600	0.0450	0.0280	0.0280	0.0041	0.0065	0.0041	0.0040	0.0042
비교예 3	0.0271	0.0271	0.0266	0.0230	0.0760	0.0042	0.0044	0.0046	0.0044	0.0078
비교예 4	0.0401	0.0808	0.0403	0.0403	0.0403	0.0055	0.0080	0.0054	0.0055	0.0053
비교예 5	측정하지 않음

표 1 및 표 2에 의하면, 실시예 1~6의 유전체판에서는, 비교예 1~4의 유전체판과 비교하여, 유전 손실의 편차가 작고, 고주파를 인가했을 때의 온도 분포가 좁아져 있는 것을 알 수 있다.

비교예 5의 유전체판에서는, 체적 저항률이 10²Ω·cm로 대폭 낮아져, 유전율이 2 미만, 내전압이 2kV/mm 미만이 되었다. 따라서, 유전체판의 표면에 있어서의 온도 분포 및 40Hz와 1MHz의 유전 손실에 대해서는 측정하고 있지 않다.

또한, 실시예 1의 유전체판을 이용한 정전 척 장치(1)를 준비하여, 정전 척 부재(2)와 베이스부(8)의 사이의 열전달률을 측정했다. 그 결과, 열전달률의 평균값은 625W/m²·K이며, 열전달률의 면내의 최댓값은 630W/m²·K, 최솟값은 617W/m²·K였다.

이와 같이, 본 실시형태의 유전체판을 도 1에 나타내는 정전 척 장치(1)의 정전 척 부재(2)에 이용함으로써, 고주파를 인가했을 때의 온도 분포가 좁은 정전 척 장치를 제공할 수 있는 것이 확인되었다.

산업상 이용가능성

충분한 정전 흡착력, 양호한 탈착 응답성 및 높은 내전압이 얻어지고, 복합 소결체의 표면 내에 온도차가 발생하지 않으며, 또한 저렴한 유전체 재료, 및 이 유전체 재료를 기체에 이용한 정전 척 장치를 제공한다.

1 정전 척 장치
2 정전 척 부재(기체)
2a 상면(일 주면)
2b 하면
3 정전 흡착용 전극
4 정전 척부
8 베이스부
11 정전 척 장치
12 지지판
W 판 형상 시료

Claims

절연성 재료 중에 도전성 입자가 분산된 복합 소결체로 이루어지는 유전체 재료로서,
주파수 40Hz에 있어서의 유전율은 10 이상, 또한, 상기 복합 소결체의 표면 내에서 주파수 1MHz에 있어서의 유전 손실의 최댓값과 최솟값의 차는 0.002 이하인 것을 특징으로 하는 유전체 재료.
제 1 항에 있어서,
20℃에 있어서의 체적 저항률은 10¹³Ω·cm 이상, 내전압은 5kV/mm 이상인 것을 특징으로 하는 유전체 재료.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
120℃에 있어서의 체적 저항률은 10¹³Ω·cm 이상, 내전압은 5kV/mm 이상인 것을 특징으로 하는 유전체 재료.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
열전도율은 20W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는 유전체 재료.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
주파수 40Hz에 있어서의 유전 손실은 0.01 이상 또한 0.05 이하인 것을 특징으로 하는 유전체 재료.
기체의 일 주면에 판 형상 시료를 정전 흡착하는 정전 척 장치로서,
상기 기체가 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 유전체 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 척 장치.
제 1 항에 있어서,
절연성 재료가, 절연성 세라믹스인 것을 특징으로 하는 유전체 재료.
제 1 항에 있어서,
절연성 재료가, 산화 알루미늄, 산화 이트륨, 산화 규소, 산화 지르코늄, 멀라이트, 산화 하프늄, 산화 스칸듐, 산화 네오디뮴, 산화 나이오븀, 산화 사마륨, 산화 이터븀, 산화 어븀, 산화 세륨, 질화 알루미늄, 질화 규소, 질화 붕소, 산화 이트륨, 이트륨·알루미늄·가닛으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 유전체 재료.
제 1 항에 있어서,
절연성 재료가, 평균 입자경이 1μm 이하인 분체로부터 얻어진 것을 특징으로 하는 유전체 재료.
제 1 항에 있어서,
도전성 입자가, 탄화 규소 입자, 몰리브데넘 입자, 텅스텐 입자, 탄탈럼 입자, 탄소 입자로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 유전체 재료.
제 1 항에 있어서,
도전성 입자가 탄화 규소 입자이며, 절연성 재료가 산화 알루미늄인 것을 특징으로 하는 유전체 재료.
제 1 항에 있어서,
유전체 재료에 있어서의 도전성 입자의 함유율이 4질량% 이상 또한 20질량% 이하인 것을 특징으로 하는 유전체 재료.
제 1 항에 있어서,
상기 복합 소결체가,
절연성 재료의 원료 분체와 도전성 입자의 원료 분체와 분산매를 혼합하여 슬러리를 형성하는 공정과,
100MPa 이상 또한 250MPa 이하의 가압하에서 상기 슬러리의 분체를 분산시키는 공정과,
상기 슬러리를 분무 건조하여 과립으로 하는 공정과,
상기 과립을 성형하여 성형체로 하고, 성형체를 0.2mm 이하의 평면도를 갖는 카본판으로 협지하여, 1MPa 이상 또한 100MPa 이하의 가압하에서 소성하는 공정을 이 순서로 포함하는 방법에 의하여 얻어진 것을 특징으로 하는 유전체 재료.
제 13 항에 있어서,
상기 분산매가 물 및 유기 용매 중 적어도 하나인, 유전체 재료.
제 13 항에 있어서,
절연성 재료의 원료 분체가 산화 알루미늄 분체이며, 도전성 입자의 원료 분체가 탄화 규소 입자인 것을 특징으로 하는 유전체 재료.