CN104488074A - 用于层状加热器的复合衬底 - Google Patents

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Abstract

一种形成供使用于半导体制程的加热设备的方法，其包括：热固定加热器衬底至应用衬底；以及在加热器衬底固定至应用衬底后，施加层状加热器至加热器衬底。层状加热器的施加包括：施加第一电介质层至加热器衬底上，施加电阻加热层至第一电介质层上，以及施加第二电介质层至电阻加热层上。加热器衬底限定材料具有与所述第一电介质层的热膨胀系数和所述电阻加热层的热膨胀系数中至少一个匹配的热膨胀系数。

Description

用于层状加热器的复合衬底
与相关申请的交叉引用
本申请要求2012年7月3日提交的美国专利申请第13/541,006号的权益。上述申请的公开内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本申请涉及到层状加热器，更特别地，本申请涉及到结合至半导体制程装置的层状加热器，该层状加热器具有改进的在高温中的可靠性。
背景技术
本部分中的陈述仅提供与本申请相关的背景信息并且不构成现有技术。
层状加热器通常包括多个通过分层工艺施加在衬底上的功能层。多个功能层可以包括衬底上的电介质层，电介质层上的电阻加热层，以及电阻加热层上的保护层。用于不同功能层和衬底的材料被小心地选择以具有兼容的热膨胀系数(CTE)，从而减少在高温中在结合界面处产生的切应力。切应力可以在结合界面处引起裂缝或分层的产生，导致加热器故障。
只有有限数量的材料能够通过特定的分层工艺被用于形成不同的功能层，从而限制了用于衬底的材料的选择，衬底应该具有与施加在衬底上的电介质层的热膨胀系数匹配的，或者与加热层的热膨胀系数匹配的热膨胀系数。例如，当氧化铝陶瓷被用于形成电介质层时，由于氧化铝氮化物或钼与氧化铝陶瓷的化学和热膨胀系数的兼容性，氧化铝氮化物或钼通常被使用以形成衬底。
在某些应用中，层状加热器可以需要被结合至加热目标。例如，层状加热器可以被结合至静电卡盘以形成加热静电卡盘。然而，用于衬底的材料的有限的选择使结合层状加热器至静电卡盘变得困难。当层状加热器的衬底具有与卡盘主体的热膨胀系数不匹配的热膨胀系数，由于在高温中在结合界面处裂缝或分层的产生，加热静电卡盘很可能失效。
发明内容
在一种形式中，一种形成供使用于半导体制程的加热设备的方法包括：热固定加热器衬底至应用衬底；以及在加热器衬底固定至应用衬底后，施加层状加热器至加热器衬底。层状加热器的施加包括：施加第一电介质层至加热器衬底上，施加电阻加热层至第一电介质层上，以及施加第二电介质层至电阻加热层上。加热器衬底限定材料具有与第一电介质层的材料的热膨胀系数匹配的热膨胀系数。
通过本文提供的说明，其它应用领域将变得明显。应理解说明书和具体实施例仅旨在用于说明的目的而不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明的目的并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。
为了本发明可以被更好地理解，现在将会描述本发明的实施方案，通过举例的方式给出，随附图进行参考，其中：
图1是根据本申请的教导构造的层状加热器的分解图；
图2是根据本申请的教导构造的包括层状加热器和加热目标的加热设备的截面图；
图3是根据本申请的教导构造的包括层状加热器和加热目标的加热设备的变体的截面图；
图4是形成供用于半导体制程的加热设备的方法的流程图；以及
图5是形成供用于半导体制程的另一种加热设备的方法的流程图。
相应的附图标记指示全部绘图的各个视图中的相应的部件。
具体实施方式
如下描述仅为示例性性质并且不旨在限制本公开或其应用或用途。
参考图1，根据本申请的教导构造的层状加热器10包括应用衬底12，加热器衬底14，形成在加热器衬底14上的第一电介质层16，形成在第一电介质层16上的电阻加热层18，以及形成在电阻加热层18上的第二电介质层20。第一电介质层16，电阻加热层18和第二电介质层20是通过分层工艺形成，比如厚膜法，薄膜法，热喷涂法和溶胶凝胶法。
参考图2，层状加热器10被结合至加热目标22以形成加热设备25。例如，加热目标22可以是用于半导体制程的加热静电卡盘的卡盘顶。应用衬底12和加热器衬底14是由不同材料制备，并且通过硬钎焊(brazing)结合以形成复合卡盘。
硬钎焊层24形成在应用衬底12和加热器衬底14之间。硬钎焊材料可以是银钎焊材料。其它结合工艺，比如焊接、软钎焊、扩散粘结、环氧树脂胶合、硫化，可以被使用以结合应用衬底12和加热器衬底14而不背离本申请的范围。相似地，应用衬底12可以通过任何传统的结合方法结合至加热目标22，比如硬钎焊、焊接、软钎焊、扩散粘结、环氧树脂胶合、硫化。
应用衬底12包括具有与加热目标22的热膨胀系数(CTE)匹配的热膨胀系数的材料。或者，应用衬底12可以是加热目标的组成部分，来自层状加热器的热量传输至加热目标。加热器衬底14包括具有与第一电介质层16的热膨胀系数匹配的热膨胀系数的材料。换句话说，应用衬底12的材料取决于加热目标22的材料，而加热器衬底14的材料取决于第一电介质层16的材料。
例如，当第一电介质层16包括氧化铝陶瓷时，加热器衬底14可以由氧化铝氮化物或钼制备。应用衬底12可以包括具有可以容易地匹配多数适合用于加热目标22的材料的热膨胀系数的热膨胀系数的材料，无关第一电介质层16和加热器衬底14的材料。应用衬底12可以包括奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢具有匹配广泛的材料选择的热膨胀系数。因此，层状加热器10能够相对容易地结合至加热目标22.
层状加热器10可以是通过厚膜，薄膜，热喷涂和溶胶凝胶工艺形成的层状加热器。通过在整个第一电介质层14施加电阻层，接着通过激光去除工艺以形成电路图案，电阻加热层18可以形成。
在另一种形式中，电阻加热层18由具有足够电阻温度系数的材料形成，从而加热层18同时起到加热器和温度传感器的作用，一般称之为“两线控制”。这种加热器和它们的材料被公开在，例如，美国专利第7,196,295号和美国专利申请第11/475,534号，此二专利与本申请有共同受让人，而它们公开的内容通过全文引用结合与此。
参考图3，加热设备30具有与图2中的加热设备10的结构相似的结构，只是加热设备30的层状加热器进一步包括粘合层32和顶部涂层34。粘合层32施加在加热器衬底14上。顶部涂层34施加在第二电介质层20上。
虽然在本申请中两个衬底被描述以形成复合衬底，多于两个的衬底可以用来形成复合衬底，复合衬底在多层衬底间提供了热膨胀系数的渐变。
参考图4，形成供使用于半导体制程的加热设备25的方法40包括：在步骤42中粘合应用衬底12至加热目标22，当应用衬底12是加热目标22的组成部分时，此步可以去除；然后在步骤44中加热器衬底14热固定至应用衬底12，热固定可以包括硬钎焊、焊接、软钎焊、扩散粘结、环氧树脂胶合、在第一温度硫化；在应用衬底12结合至加热目标22之后，层状加热器然后施加至加热器衬底14。
层状加热器在加热器衬底14上的施加包括：在步骤46中施加第一电介质层16到加热器衬底14上；在步骤48中，电阻加热层18然后被施加在第一电介质层16上；电阻加热层18可以在施加在第一电介质层16上时被施加以形成电路图案；或者，通过在第一电介质层16的整个表面形成连续层，接着通过激光去除工艺以形成需要的电路图案，电阻加热层18可以施加；最终，在步骤50中第二电介质层20施加在电阻加热层18上；在步骤52中方法40结束。
参考图5，除了施加粘合层和顶部涂层的步骤以外，形成供使用于半导体制程的加热设备30的方法60与图4的方法40相似。更特别地，方法60包括：在步骤62中粘合应用衬底12至加热目标22；然后在步骤64中加热器衬底14热固定至应用衬底12，热固定可以包括硬钎焊、焊接、软钎焊、扩散粘结、环氧树脂胶合、在第一温度硫化；此后，在加热器衬底14结合至应用衬底12后，层状加热器施加于加热器衬底14。
层状加热器施加至加热器衬底14包括：在步骤66中施加粘合层32到加热器衬底14上；然后在步骤68中，第一电介质层16施加在粘合层32上；在步骤70中，电阻加热层18施加在第一电介质层16上；在步骤72中，第二电介质层20施加在电阻加热层18上；在步骤74中，顶部涂层34施加在第二电介质层20上；最终，在步骤76中部分顶部涂层34被去除以实现预定的表面平整度；在步骤78中方法60结束。
在本申请的方法40和方法60中，硬钎焊用于有效而可靠地结合加热器衬底14至应用衬底12。应用衬底12由具有与加热目标22的材料的热膨胀系数匹配的热膨胀系数的材料制备。加热器衬底14由具有与第一电介质层16的材料的热膨胀系数匹配的热膨胀系数的材料制备。复合衬底使层状加热器能够施加至具有不匹配(也就是，显著不同于)加热器衬底14的热膨胀系数的热膨胀系数的加热目标22。
此外，硬钎焊工艺需要相对高的温度，硬钎焊工艺在层状加热器的各个功能层施加在加热器衬底14之前进行。因此，层状加热器不承受在硬钎焊过程中不想要的高温，从而能够维持其完整性。
本方法通过使用应用衬底，使层状加热器的热膨胀系数能够更好地匹配任何加热目标22。本方法也通过在层状加热器的不同功能层形成在加热器衬底之前，将加热器衬底硬钎焊至应用衬底，保证了层状加热器的完整性。因此，本方法能够改进加热设备的物理/材料特性比如机械加工性、表面粗糙度、表面硬度、化学兼容性、导热性、导电性、辐射率、外观、成本等等。
本申请的描述仅为示例性性质，因此不偏离本申请的实质的变体形式旨在落入本申请的范围内。这些变体形式不被视为偏离本公开设想的范围。

Claims (25)

1.一种形成供使用于半导体制程的加热设备的方法包括：
热固定加热器衬底至应用衬底；
在所述加热器衬底固定至所述应用衬底之后，施加层状加热器至所述加热器衬底，所述层状加热器的施加包括：
施加第一电介质层至所述加热器衬底上；
施加电阻加热层至所述第一电介质层上；以及
施加第二电介质层至所述电阻加热层上，
其中所述加热器衬底限定材料具有与所述第一电介质层的热膨胀系数和所述电阻加热层的热膨胀系数中至少一个匹配的热膨胀系数。
2.根据权利要求1中所述的形成供使用于半导体制程的加热设备的方法，其中所述加热器衬底硬钎焊至应用衬底。
3.根据权利要求2中所述的形成供使用于半导体制程的加热设备的方法，其中银钎焊材料被使用。
4.根据权利要求1中所述的形成供使用于半导体制程的加热设备的方法，其中所述层状加热器的每一层通过热喷涂工艺施加。
5.根据权利要求4中所述的形成供使用于半导体制程的加热设备的方法，其中电路图案通过激光去除工艺形成在所述电阻加热层。
6.根据权利要求1中所述的形成供使用于半导体制程的加热设备的方法，其中所述第一电介质层是氧化铝材料，所述加热器衬底是钼材料，而所述应用衬底是奥氏体不锈钢材料。
7.根据权利要求1中所述的形成供使用于半导体制程的加热设备的方法进一步包括在施加所述第一电介质层前施加粘合层至所述加热器衬底。
8.根据权利要求1中所述的形成供使用于半导体制程的加热设备的方法进一步包括施加顶部涂层到所述第二电介质层上，并且随后通过加工去除部分顶部涂层以实现预定表面平整度。
9.一种形成供使用于半导体制程的加热设备的方法包括：
硬钎焊加热器衬底至应用衬底；
在加热器衬底固定至应用衬底之后施加层状加热器至加热器衬底，层状加热器的施加包括：
通过热喷涂工艺施加粘合层至所述加热器衬底上；
通过热喷涂工艺施加第一电介质层至所述粘合层上；
通过热喷涂工艺施加电阻加热层至所述第一电介质层上；以及
通过热喷涂工艺施加第二电介质层至所述电阻加热层上，
其中所述加热器衬底限定材料具有与所述第一电介质层的热膨胀系数和所述电阻加热层的热膨胀系数中至少一个匹配的热膨胀系数。
10.根据权利要求9中所述的形成供使用于半导体制程的加热设备的方法，其中银钎焊材料被使用。
11.根据权利要求9中所述的形成供使用于半导体制程的加热设备的方法，其中电路图案通过激光去除工艺形成在所述电阻加热层。
12.根据权利要求9中所述的形成供使用于半导体制程的加热设备的方法，其中所述第一电介质层是氧化铝材料，所述加热器衬底是钼材料，而所述应用衬底是奥氏体不锈钢材料。
13.一种形成供使用于半导体制程的加热设备的方法包括：
在高温中热固定加热器衬底至应用衬底；
在所述加热器衬底固定至所述应用衬底后，施加至少一层功能层至所述加热器衬底，
其中所述加热器衬底限定材料具有与所述功能层的材料的热膨胀系数匹配的热膨胀系数，所述功能层的材料不能抵抗所述热固定步骤的高温。
14.根据权利要求13中所述的形成供使用于半导体制程的加热设备的方法，其中所述功能层是粘合层，而所述方法进一步包括：
施加第一电介质层至所述粘合层上；
施加电阻加热层至所述第一电介质层上；以及
施加第二电介质层至所述电阻加热层上。
15.根据权利要求14中所述的形成供使用于半导体制程的加热设备的方法，其中所述每一层通过热喷涂工艺施加。
16.根据权利要求14中所述的形成供使用于半导体制程的加热设备的方法，其中所述加热器衬底硬钎焊至应用衬底。
17.一种供使用在半导体制程中的加热设备包括：
应用衬底；
加热器衬底，其通过热粘合工艺固定至所述应用衬底；以及
功能层，其通过分层工艺布置在所述加热器衬底上，
其中加热器衬底限定材料具有与所述功能层的材料的热膨胀系数匹配的热膨胀系数。
18.根据权利要求17中所述的供使用在半导体制程中的加热设备，其中所述加热器衬底硬钎焊至所述应用衬底。
19.根据权利要求17中所述的供使用在半导体制程中的加热设备，其中所述功能层热喷涂在所述加热器衬底上。
20.根据权利要求17中所述的供使用在半导体制程中的加热设备，其中所述功能层是粘合层并且所述层状加热器进一步包括布置在所述粘合层上的第一电介质层，布置在所述第一电介质层上的电阻加热层，以及布置在所述电阻加热层上的第二电介质层。
21.根据权利要求20中所述的供使用在半导体制程中的加热设备，其中所述每一层通过热喷涂工艺施加。
22.根据权利要求20中所述的供使用在半导体制程中的加热设备，其中电路图案通过激光去除工艺形成在所述电阻加热层。
23.根据权利要求20中所述的供使用在半导体制程中的加热设备，其中所述电阻加热层由具有足够电阻温度系数的材料形成，从而所述加热器层同时起到加热器和温度传感器的作用。
24.根据权利要求19中所述的供使用在半导体制程中的加热设备进一步包括布置在第二电介质层上的顶部涂层。
25.根据权利要求16中所述的供使用在半导体制程中的加热设备，其中应用衬底限定为具有陶瓷顶表面的金属体。
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