JP3663215B2

JP3663215B2 - 真空吸着装置とその製造方法

Info

Publication number: JP3663215B2
Application number: JP15244794A
Authority: JP
Inventors: 裕之森岡; 和彦三嶋; 浩一長崎; 新一山口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1994-07-04
Filing date: 1994-07-04
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2020-06-22
Also published as: JPH0819927A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、多孔質部からなる吸着部と緻密質部からなる支持部とを備える吸着板を具備した真空吸着装置とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、真空吸着装置には、吸着板の吸着部材が多孔質体からなるポーラスタイプのものと、吸着部材に多数のピン孔を穿設した多ピンタイプのものがあるが、被加工物を載置面の全面で均一に吸着固定できるポーラスタイプの吸着板を具備した真空吸着装置が好適に使用されている。
【０００３】
上記ポーラスタイプの吸着板は、例えば図４（ａ），（ｂ）に示すように、中央に吸着部材１１として円板状の多孔質セラミック材を備え、その周囲に支持部材１２としてリング状の緻密質セラミック材をガラス１３で接合したものがあった。そして、吸着部材１１をなす多孔質セラミック材の気孔を吸引孔とし、真空ポンプ（不図示）により吸引することで被加工物１４を載置面１０ａ上に吸着固定するようになっていた。このとき載置面１０ａは、凹凸面であると被加工物１４との間に隙間が生じ吸着力が低下することから、平滑平坦な面に仕上げられていた。
【０００４】
また、上記吸着板１０を構成するセラミック材としては、セラミック主原料に所定の焼結助剤とバインダーとをぞれぞれ添加して混練乾燥したのち顆粒を製作し、この顆粒を金型中に充填して各々所定の形状に成形し、支持部材１２をなす緻密質セラミック材は通常の焼成温度で、吸着部材１１をなす多孔質セラミック材は通常の焼成温度より少し低い温度で焼成されたものであった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような真空吸着装置の吸着板１０は、吸着部材１１と支持部材１２をガラス接合するためにガラス１３の融点近傍まで加熱するために、軟化したガラス１３の一部が吸着部材１１を構成する多孔質セラミック材の気孔中に流入して接合部全面にガラス１３を介在させることができず、十分な接合強度を得ることができなかった。その為、このような吸着板１０を真空吸着装置に装着して使用すると、吸引力に耐えきれず吸着部材１１が支持部材１２から脱落する恐れがあった。
【０００６】
また、吸着部材１１をなす多孔質セラミック材は通常の焼成温度より低い温度で焼成されたものであるためにセラミック粒子同士が完全に焼結されておらず、支持部材１２をなす緻密質セラミック材に比べ硬度が低かった。その為、載置面１０ａ全体に切削加工を施すと、支持面１２ａに比べ吸着面１１ａが多く削られてしまい、載置面１０ａ全体を平滑平坦な面とすることが難しかった。
【０００７】
さらに、被加工物１４がＳｉウエハなどである場合、載置面１０ａをクリーンな状態に保たなければならないことから頻繁に洗浄が繰り返えされるのであるが、上記多孔質セラミック材はセラミック粒子同士が完全に焼結したものでないことから耐薬品性が低く、強酸や強アルカリの洗浄液によってセラミック粒子同士を結合させるガラス成分などが浸食を受け、数回の洗浄により表面のセラミック粒子が脱落して載置面１０ａが凹凸面となり、その度に切削加工を施さなければならないといった不都合があった。しかも、支持部材１２をなす緻密質セラミック材と吸着部材１１をなす多孔質セラミック材もガラス１３で接合されているために、洗浄の繰り返しにより接合強度が低下し、使用中に吸着部材１１が支持部材１２から脱落する恐れもあった。さらに、洗浄以外でもＳｉウエハのエッチング又はラッピング処理工程においても強アルカリの液が使用されるため、上述のような課題があった。
【０００８】
また、このような吸着板１０を製造する場合、多孔質セラミック材と緻密質セラミック材とをそれぞれ別々に製作したあとに、各セラミック材同士をガラス１３で接合しなければならず製造効率が悪かった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、多孔質部からなる吸着部と緻密質部からなる支持部とを備える真空吸着装置の吸着板全体を、同一組成のセラミックスにより形成し、吸着部をなす多孔質部と、該多孔質部を囲繞する支持部をなす緻密質部とを一体構造としたものであり、さらに、吸着部をなす多孔質部の気孔率を５．０〜３５％で、且つ平均気孔径を１５〜４５μｍの範囲で設けたものである。また、本発明は、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素のうち一種からなる主原料に対し、所望の焼結助剤とバインダーとをそれぞれ添加したセラミック原料と、さらに、焼成時に燃えてなくなる焼失材を添加したセラミック原料とを、金型中の所定位置にそれぞれ充填して圧縮成形し、しかるのち１１００〜２０００℃の焼成温度にて焼成することにより、支持部をなす多孔質部を一体的に形成した真空吸着装置の吸着板を製造したものである。
【００１０】
【作用】
本発明によれば、吸着板全体を同一組成のセラミックスにより一体的に形成してあるため、吸着部をなす多孔質部と支持部をなす緻密質部との境界には接合部が存在せず、また、多孔質部は完全に焼結されたセラミックスからなる。その為、吸着板のどの部分をとっても同程度の硬度を有するとともに、機械的強度、耐薬品性及び耐熱性に優れている。
【００１１】
また、本発明によれば、主原料に対し、所望の焼結助剤とバインダーとをそれぞれ添加したセラミック原料と、さらに、焼成時に燃えてなくなる焼失材を添加したセラミック原料とを、金型中の所定位置にそれぞれ充填して成形し、しかるのち主原料を完全に焼結させる温度で焼成して吸着板を形成するというように、一度の成形及び焼成工程を経るだけで、吸着部をなす多孔質部と支持部をなす緻密質部とを一体的に形成した吸着板を効率的に製造することができる。しかも、吸着板の多孔質部を形成するために、主原料に焼失材を適宜調整して添加してあることから、主原料を完全に焼結させる温度で焼成することができる。その為、セラミック粒子同士が完全に焼結した多孔質部とすることができるとともに、吸引面から吸着面にかけて連通する貫通気孔を備えている。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明実施例を説明する。
【００１３】
図１（ａ）は本発明実施例に係る真空吸着装置の概略を示す斜視図であり、図１（ｂ）は（ａ）に示す吸着板１のＸ−Ｘ線断面図である。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、本発明実施例に係る真空吸着装置は、中央に多孔質セラミックス４からなる吸着部２と、該吸着部２の周囲に緻密質セラミックス５からなる支持部３とを備える円板状の吸着板１を具備してなり、上記吸着板１の載置面１ａ上に被加工物１４を載置して他方の吸引面２ｂより吸引管１５を介して真空ポンプ（不図示）により吸引することで、被加工物１４を載置面１ａ上に吸着固定するようになっている。なお、吸着板１の載置面１０ａは、凹凸面であると被加工物１４との間に隙間を生じ吸着力が低下することから、平滑平坦な面に仕上げてある。
【００１５】
また、上記吸着板１は全体を同一組成のセラミックスにより構成してあり、吸着部２をなす多孔質部４と、該多孔質部４を囲繞する支持部３をなす緻密質部５とは一体的に形成してある。即ち、図１（ｂ）に示すように、吸着部２をなす多孔質部４及び支持部３をなす緻密質部５は互いが完全に焼結した同一組成のセラミックスからなるため、多孔質部４は、緻密質部５と同程度の硬度を有するとともに、耐薬品性及び耐熱性に優れている。さらに、多孔質部４と緻密質部５との境界には接合部が存在しない一体構造となっているため、緻密質部３を構成するセラミック粒子同士の結合力と同程度の力で緻密質部３のセラミック粒子と多孔質部２のセラミック粒子とが焼結しており機械的強度にも優れている。
【００１６】
その為、この吸着板１の載置面１ａに切削加工を施せば、多孔質部２及び緻密質部３とも同じ量だけ切削することができることから、載置面１ａを容易に平滑平坦な面とすることができる。しかも、耐薬品性及び耐熱性にも優れることから、吸着板１を強酸や強アルカリの洗浄液に浸したとしてもセラミック粒子の脱落や、吸着板１の破損を生じることがなく、また、高温下で使用したとしても図４（ａ），（ｂ）に示す従来の吸着板１０のように大きな強度劣化を生じ吸着部材１１が支持部材１２から脱落するといったことがない。
【００１７】
また、被加工物１４を載置面１ａの全面で均一に吸着固定するためには、吸着部２をなす多孔質部４には、適度な大きさの径を有する気孔が吸着面２ａから吸引面２ｂにかけて連通する貫通気孔２ｃを備えていなければならないことから、吸着部２をなす多孔質部４の気孔率を５．０〜３５％で、且つ平均気孔径を１５〜４５μｍの範囲に設けてある。
【００１８】
即ち、多孔質部４の気孔率が５．０％未満であると、内部に殆ど気孔が存在しておらず、吸着面２ａから吸引面２ｂにかけて連通する貫通気孔２ｃが少ないため十分な吸着力が得られないからである。ただし、多孔質部４の気孔率が３５％より大きくなると、機械的強度並びに硬度が大幅に低下するとともに、製造が困難となる。また、多孔質部４の平均気孔径が１５μｍ未満であると、気孔の径が小さすぎるために十分な吸引力を得ることができず、載置面１ａ上に被加工物１４を吸着固定することができず、逆に、多孔質部４の平均気孔径を４５μｍより大きくすることは製造が困難となるからである。
【００１９】
さらに、上記吸着板１を構成することができるセラミックスとしては、アルミナセラミックス、ジルコニアセラミックスなどの酸化物系セラミックスや、炭化珪素質セラミックスや窒化珪素質セラミックスなどの非酸化物系セラミックスなどさまざまなものを使用することができ、これらは使用目的および使用条件などに応じて適宜設定すればよい。
【００２０】
次に、図１に示す吸着板１を例にとってその製造方法を説明する。
【００２１】
まず、主原料をなすセラミック粉末に、所定の焼結助剤あるいは安定化剤とバインダーをそれぞれ添加したセラミック原料を用意する。例えば、Ａｌ₂Ｏ₃に対しては焼結助剤としてＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ₂のうち少なくとも一種を添加し、ＺｒＯ₂に対しては安定化剤としてＭｇＯ、ＣａＯ、Ｙ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂等のうち少なくとも一種を、ＳｉＣに対してはＣ、Ｂ、Ｂ₄Ｃ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃等のうち少なくとも一種を、Ｓｉ₃Ｎ₄に対しては周期律表2a、3a族元素の酸化物や窒化物のうち少なくとも一種をそれぞれ焼結助剤として添加する。また、高純度の吸着板１を製造する時には、高純度のセラミック粉末を準備すれば良い。
【００２２】
そして、このセラミック原料を２つに分け、一方のセラミック原料に３〜２０重量％の範囲で焼失材を添加混合する。ここで、焼失材とは焼成時に燃えてなくなる材質のことであり、例えば、粉末ポリエチレン、酢酸ビニール、セルロース、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、アクリル樹脂などの樹脂剤、あるいは炭酸マグネシウム、炭酸カルシウムなどを好適に用いることができる。
【００２３】
一方、図２に示すように、一軸方向加圧成形機の金型２０中に、ステンレス、プラスチック、樹脂などからなる薄肉円筒状の仕切り板２１を載置し、この仕切り板２１により仕切られた円筒の内側２２に焼失材を含むセラミック原料Ａを、円筒の外側２３に焼失材を含まないセラミック原料Ｂをそれぞれ充填したあと、上記仕切り板２１を取り除いて上下のパンチ２４，２５により圧縮成形することで、中央が焼失材を含んだセラミック原料Ａからなり、焼失材を含まないセラミック原料Ｂが上記セラミック原料Ａを囲繞した円板状の成形体を得る。
【００２４】
なお、上記成形工程において、焼失材を含んだセラミック原料Ａと焼失材を含まないセラミック原料Ｂとを区隔する仕切り板２１は、抜き取りの時、各々のセラミック原料Ａ，Ｂに充填密度のバラツキを生じないようにするため、できるだけ薄肉のものを使用することが重要で、少なくとも肉厚ｈが１０ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下の仕切り板２１を使用すれば、充填密度のバラツキを生じることなく成形することができる。また、一軸方向加圧成形機以外に、硬質ゴムからなる型の中に仕切り板２１を配置して焼失材を含んだセラミック原料Ａと焼失材を含まないセラミック原料Ｂとをそれぞれ所定位置に充填したあと、均一に静水圧をかけて成形するＣＩＰ（冷間静水圧プレス）やＨＩＰ（熱間静水圧プレス）により成形することもできる。
【００２５】
このようにして得た成形体を、主原料がＡｌ₂Ｏ₃に対しては１６００〜１７５０℃の焼成温度で、主原料がＺｒＯ₂に対しては１４００〜１７００℃の焼成温度で、主原料がＳｉＣに対しては、１７００〜１９００℃の焼成温度で、Ｓｉ₃Ｎ₄に対しては１８００〜２０００℃の焼成温度というように、各セラミック粉末を完全に焼結させる温度にて焼成すれば、セラミック原料Ａ中の焼失材が燃えてなくなり、その跡が気孔となって残るため、図１に示すような中央が多孔質部４からなり、緻密質部５が上記多孔質部４を囲繞するとともに、多孔質部２と緻密質部３とが一体構造をなし完全に焼結されている真空吸着装置の吸着板１を得ることができる。
【００２６】
なお、上記実施例では、中央が円板状の多孔質部２からなり、その周囲を環状の緻密質部３が囲繞した吸着板１についてのみ示したが、その他の実施例として、例えば、図３（ａ）に示すような緻密質部５からなる円板状支持体３’の中央に２つの直方体をした吸着部２をなす多孔質部４を並設した吸着板１を形成することができ、この場合、金型２０の中央に２つの角筒体をした仕切り板２１を並設して載置し、各々の仕切り板２１の内側にセラミック原料Ａを、その外側にセラミック原料Ｂを充填して仕切り板２１を取り除いたあと、成形及び焼成すれば良い。また、図３（ｂ）に示すような支持部３，３''をなす緻密質部５，５''と吸着部２，２''をなす多孔質部４，４''が同心円状に交互に設けられた吸着板１も形成することができ、この場合、金型２０中に直径の異なる３つの円筒状をした仕切り板２１を同心円状に載置し、中央からセラミック原料Ａ、セラミック原料Ｂ、セラミック原料Ａ、セラミック原料Ｂという順序で充填して各仕切り板２１を取り除き、成形・焼成すれば良い。特に図３（ｂ）に示す吸着板１は、一つの吸着板１で大きさの異なる被加工物を吸着固定することができ、吸着板１として最適である。
【００２７】
また、吸着部２をなす多孔質部４の気孔率及び平均気孔径は、焼失材の粒子径や添加量を適宜調整することにより、所望の大きさに調整することができ、異なる気孔率及び平均気孔径を有する多孔質部４を持った吸着板１を形成することもできる。
【００２８】
上述のように製造すれば、一度の成形・焼成工程を経ることにより、多孔質部２と緻密質部３とを一体的に形成した吸着板１を効率的に製造することができ、従来のように各セラミック材を別々に製作したあとガラス接合する必要がない。しかも、この方法によれば、多孔質部２及び緻密質部３ともに完全に焼結した吸着板１とすることができるため、図４（ａ），（ｂ）に示す従来の吸着板１０と比べ機械的強度並びに硬度が高く、且つ耐薬品性、耐熱性に優れた吸着板１とすることができる。
【００２９】
（実施例）
ここで、アルミナセラミック製の吸着板の具体的実施例を示す。
【００３０】
まず、主原料として純度９９％、平均粒子径０．１〜１．０μｍ程度のアルミナ粒子を用い、このアルミナ粉末に焼結助剤としてＭｇＯ、ＳｉＯ₂、ＣａＯとバインダーとをそれぞれ所定量添加して２種類のセラミック原料を用意するとともに、そのうちの一方に焼失材として直径９０μｍの球状をした粉末ポリエチレンを７重量％添加混合した。次に、肉厚１ｍｍ程度のステンレスにより形成した薄肉円筒状の仕切り板を金型中に配置し、仕切り板の内側に焼失材を混合したセラミック原料を、仕切り板の外側には焼失材を混合していないセラミック原料をそれぞれ充填したあと、仕切り板を取り除き１ｔｏｎ／ｃｍ²の成形圧で圧縮形成した。次に、得られた成形体を焼成温度１７００℃程度で焼成することにより、中央の多孔質部と、該多孔質部を囲繞する緻密質部からなるアルミナセラミック製の吸着板を得た。なお、この吸着板の特性はアルミナ純度が９３％で、吸着部をなす多孔質部の気孔率が１０．６％、ロックウエル硬度（Ｈ_R15Y）が９７．９ｋｇ／ｃｍ²であり、吸着面から吸引面にかけて連通する貫通気孔を備えていた。
【００３１】
（実験例）
ここで、焼失材の添加量をそれぞれ変えて、上記アルミナセラミック製の吸着板を形成したときの成形性および吸着板としての使用可能性について実験を行った。
【００３２】
吸着板の製造条件は上記実施例の通り行い、まず、焼失材として直径９０μｍの球状をした粉末ポリエチレンを０〜３０重量％の範囲でそれぞれ添加して成形体を形成した時の成形性を確認し、次に、成形体を焼成して得た吸着板の載置面上に被加工物として８インチのＳｉウエハを載置し、真空ポンプにより吸引して吸着固定できるか否かの使用可能性について確認した。
【００３３】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００３４】
【表１】

【００３５】
表１より判るように、比較例の試料Ｎｏ．１は、焼失材の添加量が０重量％であるために内部に殆ど気孔が存在せず、また、吸着面から吸引面にかけて連通する貫通気孔を備えていなかった。その為、８インチのＳｉウエハを載置面上に吸着固定することができなかった。
【００３６】
また、比較例の試料Ｎｏ．２は、焼失材を１重量％添加してあるため、吸着面から吸引面にかけて連通する貫通気孔を備えていたものの、吸着部の平均気孔径が小さすぎるため、充分な吸引力を得ることができず、８インチのＳｉウエハを載置面上に吸着固定することができなかった。
【００３７】
一方、比較例の試料Ｎｏ．９では、焼失材の添加量が３０重量％と多すぎるために、成形工程において焼失材の弾性回復が大きすぎ、成形体にラミネーションを生じ、吸着板を製造することができなかった。
【００３８】
これに対し、本発明の範囲にある試料Ｎｏ．３〜８は、焼失材を３〜２０重量％の範囲で添加してあるため、吸着部の気孔率が５．０〜３５％で、且つ平均気孔径が１５〜４５μｍの範囲にあり、吸着面から吸引面まで連通する貫通気孔を備えていた。その為、充分な吸引力が得られ、８インチのＳｉウエハを載置面上に強固に吸着固定することができた。
【００３９】
この結果より、吸着板として使用するためには、焼失材の添加量は３〜２０重量％の範囲で添加すれば良いことが判る。
【００４０】
なお、上記実験例では、アルミナセラミック製の吸着板についてのみ示したが、他にジルコニアセラミックスや窒化珪素質セラミックス、あるいは炭化珪素質セラミックスにより形成した吸着板であっても、焼失材を３〜２０重量％の範囲で添加すれば、吸着部をなす多孔質部の気孔率が５．０〜３５％で、且つ平均気孔径が１５〜４５μｍの範囲あり、且つ吸引面から吸着面にかけて連通する貫通気孔を備えた吸着板を形成することができ、Ｓｉウエハなどの被加工物を載置面上に強固に吸着固定することができた。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明の真空吸着装置に備える吸着板は、吸着部をなす多孔質部と支持部をなす緻密質部とが共に同一組成のセラミックスにより一体的に形成してあることから、多孔質部は緻密質部と同程度の硬度を有するとともに、機械的強度、耐薬品性、及び耐熱性に優れている。その為、載置面を容易に平滑平坦な面とすることができるため、被加工物を強固に吸着固定することができるととに、吸引力により支持部から吸着部が脱落することがない。また、洗浄を繰り返したとしてもセラミック粒子の脱落がなく、高温下での使用においても大幅な強度劣化を生じることがないため、長期間にわたり使用することができる。
【００４２】
また、本発明は、吸着板の吸着部をなす多孔質部を構成するために、セラミック原料中に焼成時に燃えてなくなる焼失材を添加して成形し、しかるのちセラミック粉末を完全に焼結させる温度で焼成して製造したことにより、従来のように各セラミック材を別々に制作し、その後ガラス接合するというような面倒な作業をすることなく、一度の成形・焼成工程を経るだけで、多孔質部と緻密質部とを一体的に形成した吸着板を効率良く製造することができる。しかも、この方法により製造すれば多孔質部も完全に焼結したセラミックスとすることができる。
【００４３】
その為、上記吸着板を備える本発明の真空吸着装置を用いれば、長期間にわたり被加工物を吸着板の載置面上に強固に固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る真空吸着装置の概略を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す吸着板のＸーＸ線断面図である。
【図２】本発明の真空吸着装置に備える吸着板の成形工程を示す斜視図である。
【図３】（ａ），（ｂ）はそれぞれ本発明に係る真空吸着装置に備える吸着板の他の実施例を示す斜視図である。
【図４】（ａ）は従来の真空吸着装置の概略を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す吸着板のＹーＹ線断面図である。
【符号の説明】
１…吸着板
２…吸着部
３…支持部
４…多孔質部
５…緻密質部
２０…金型
２１…仕切り板

Claims

多孔質部からなる吸着部と緻密質部からなる支持部とを備える吸着板を具備した真空吸着装置の製造方法であって、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素のうち一種からなる主原料に対し、所望の焼結助剤とバインダーを添加したセラミック原料と、さらに、焼成時に燃えてなくなる焼失材を添加したセラミック原料とを、薄肉円筒状の仕切り板により仕切られた型内の所定位置にそれぞれ充填した後、仕切り板を取り除いて圧縮成形し、しかるのち１１００〜２０００℃の温度範囲にて焼成することにより、吸着部をなす多孔質部と、支持部をなす緻密質部を一体的に形成した吸着板を製作する工程からなる真空吸着装置の製造方法。