CN107207367A - 用于制造大型共烧物件的改进的方法 - Google Patents

Abstract

一种形成一个或多个高温共烧陶瓷物件的方法，其包括以下步骤：a)通过包括对包括陶瓷和有机粘结剂的粉末进行干压以形成生坯的过程来形成（34）多个生坯；b)将导体或导体前体布置（38）到所述多个生坯中的至少一个的至少一个表面以形成至少一个图案化生坯；c)将所述至少一个图案化生坯与所述多个生坯或图案化生坯或二者中的一个或多个进行组装以形成层压组件；d)等静（40）压制层压组件以形成压制的层压组件；e)以足以将陶瓷层烧结在一起的温度对压制的层压组件进行焙烧（42）。

Description

用于制造大型共烧物件的改进的方法

技术领域

本发明涉及改进的高温共烧陶瓷（HTCC）处理方法，其能够产生大尺寸多层陶瓷器件。典型的应用将是在半导体制造中使用的晶片加热和静电静态卡盘装置的制造中。

背景技术

许多技术领域要求具有嵌入式电导体的大型陶瓷体。作为非限制性示例，在半导体制造过程中，可以使用晶片加热或卡盘夹紧装置。在半导体晶片或显示器的处理中，衬底支撑物被用于在特定制造过程期间（诸如在芯片制造过程期间）保持衬底。衬底支撑物在本领域中通常已知为静电卡盘（ESC），这是因为它在制造过程期间（诸如在物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）处理系统和蚀刻系统中）静电夹持到衬底（例如半导体晶片）上。在衬底处理设备中，静电卡盘可以被可拆卸地固定到处理室内的基座，所述基座能够升高和降低ESC和衬底的高度。ESC的温度还可以被控制成加热或冷却衬底材料。这样的装置通常是位于CVD、PVD、蚀刻或热离子注入器件的处理室内部的盘形部分。ESC依赖于相反电荷的吸引来保持绝缘衬底和导电衬底二者，并通常包括嵌入在卡盘体内以创建顶介电层或半导电材料的一个或多个电极。卡盘体还包括介电层下面的第二层，其还称为绝缘基底且通常由绝缘材料制成。

当电压被施加到电极时，跨介电层生成静电夹持场。衬底与ESC之间的夹力与介电层的介电属性成比例，特别是与介电层的厚度成比例。其他影响因素包括衬底与ESC之间的间隙尺寸。因而，在ESC的制造中必不可少的是：ESC的尺度特别是介电层的厚度不仅被制成符合非常紧的尺度容限，而且被制成大体上平坦的以最大化衬底与ESC的夹持表面之间的接触表面面积。由于半导体晶片被制造成符合非常紧的容限，因此ESC的夹持表面中的任何翘曲或不平整将是非常不期望的且在极端情况下甚至可能损坏半导体晶片。

在ESC的制造中遇到的其他问题是陶瓷绝缘材料与金属电极之间热膨胀系数中的差异，从而当ESC操作于高温或热循环时导致ESC体内的应力和最终破裂。为了克服热膨胀中的这样的差异，陶瓷绝缘卡盘可以被制成更厚以提供必要的强度并防止热循环期间的断裂。

在近些年中，Si晶片的尺寸已经从200mm增加到300mm，并且在不久的将来在市场中预计使用450mm晶片。随着晶片尺寸增加，处置晶片的加热器和静电卡盘的尺寸也增加，并且该更大尺寸对晶片处置器件的制造来说是一种挑战。

在近些年中，热离子注入已经由于它的提高器件性能（例如，FinFET）的无缺陷掺杂的优势而创造更多关注。然而，对于热离子注入而言，需要高温加热器（例如，到600℃）。使用玻璃或低温金属接合的当前晶片加热和卡盘夹紧装置中的一些不能够处置该高温要求。

需要改进的加热器和静电卡盘制造方法以提供能够满足用于热离子注入的高温要求的器件；但是本发明具有更广泛的适用性。

US6225606（Hideyoshi Tsuruta等人）描述了一种制造用于晶片处理的加热器的方法。由诸如钼（Mo）之类的材料制成的金属网状物通常被用作加热元件。该网状物被放置在模具中并嵌入在陶瓷中，所述陶瓷在热压步骤中填充该网状物中的空隙。然而，与无压烧结方法相比，热压的成本较高；此外，压强趋向于破坏模具内部的金属网状物。网状物导体的进一步供应导致穿孔的导体，其需要具有比未穿孔的导体更宽的宽度，像电流承载横截面面积所需要的那样。

此外，在热压方法中，难以产生诸如中空冷却通道或盲孔之类的某些特征；因此，存在开发用于晶片加热和卡盘夹紧器件的有成本效益的制造方法的需要。

高温共烧陶瓷（HTCC）是常规用于产生小型电子封装和加热器的处理方法。共烧陶瓷器件是通过在作为最终步骤而将多个层（生带（green tape））组装成器件之前独立地处理该多个层来制成的。共烧器件可以包括具有各个层的金属化（例如，具有钨或钼金属化部）的多层陶瓷（例如，氧化铝或氮化铝）。通常，共烧用于较小器件（例如，直到100mm）。

在制成晶片加热器和卡盘时变得明显的问题是尺寸。将需要在宽度上为~600mm的生带以产生足够宽以用于处置450mm晶片的器件。厚的带（>1mm）被优选以减少所需的层的数目，这是由于器件具有相当厚的尺度；例如9mm，以及根据经验，用于HTCC器件的焙烧产量随着层的横向尺寸和数目增加而降低。

在高温共烧中，存在两个主要带制造方法被使用——刮刀法和辊压实法。

在刮刀法中，溶剂（其可以是但不必然是水）中的陶瓷粒子和其他添加物（例如，粘结剂、分散剂、增塑剂）的浆被施加到移动衬底，并且随着衬底在刮刀下移动，浆展开以在衬底上形成并涂覆薄片材。

在辊压实法中，包括陶瓷粉末和其他添加物（例如，粘结剂、分散剂、增塑剂）的原料通过两个相对旋转的辊子而被推动，且被充分地压实以形成粘合带。

这两种方法在产生大且厚的带时都有问题。

刮刀法由于必须在干燥和焙烧中被移除的浆的高粘结剂和溶剂含量而难以用于产生厚带。商用生带极少在厚度上超过1mm以及在宽度上超过300mm。

辊压实法可以产生厚带，但是，由于辊子的压强限制而难以产生大尺寸。此外，辊压实带在烧结期间显现出不均匀收缩。例如，由于在辊压实期间的压强差异，通过辊压实而产生的氧化铝带可以具有沿辊压方向的1.15的收缩因子和垂直于辊压方向的1.19的收缩因子。由于晶片处置器件所需的精度尺度控制，不均匀收缩将是晶片处置器件的制造期间的主要问题。

本发明解决了这些问题并引入了改进的HTCC处理方法以产生大且厚的多层陶瓷器件，例如加热器和卡盘。

发明内容

本发明在其最宽泛的方面中包括通过对常规用在辊压实中的种类的粉末进行干压来形成片材以及使用这些片材以通过HTCC处理形成物件到精确的厚度和密度。本发明提供了一种形成一个或多个高温共烧陶瓷物件的方法，其包括以下步骤：

a)通过包括对包括陶瓷和有机粘结剂的粉末进行干压以形成生坯的过程来形成多个生坯；

b)将导体或导体前体布置到所述多个生坯中的至少一个的至少一个表面以形成至少一个图案化生坯；

c)将所述至少一个图案化生坯与所述多个生坯或图案化生坯或二者中的一个或多个进行组装以形成层压组件；

d)对层压组件进行等静压制以形成压制的层压组件；

e)以足以将陶瓷层烧结在一起的温度对压制的层压组件进行焙烧。

与辊压实相比，对通过在单轴压制上的粉末压实而形成的陶瓷粉末进行干压提供了更均匀的收缩，从而使该技术适合于制造下述这样的部件：其不仅使高度的尺度容限成为必要，而且可以被制成相对大尺寸或直径（例如，在静电卡盘的制造中）。根据本发明的一个实施例的干压的一个示例是单轴压制或模压或等压（iso-pressing）或其组合。对层压组件进行共烧提供了多个生坯之间的无缝接合，因此创建了其中嵌入有一个或多个电导体的单片绝缘陶瓷体。

优选地，布置导体或导体前体的步骤包括下述步骤：将金属化层施加到所述多个生坯中的至少一个的至少一个表面以形成至少一个图案化生坯。其他示例包括将箔片施加到生坯的至少一个表面或甚至导体前体，诸如由层上的金属前体构成的印刷墨（例如，喷墨印刷），其随后在焙烧期间转换成金属导体。在箔片图案或电线沉积在层上的情况下，压强的施加将箔片嵌入在生陶瓷层内，以便在箔片图案周围有效地“铸模”生陶瓷。为了在焙烧物件中创建一个或多个孔洞或间隙（通路）诸如用于在焙烧部分中提供通孔或进入区以用于电连接到导体或金属化层的目的，优选地，步骤c）进一步包括将由无常（fugitive）材料形成的一个或多个形状定位在至少两个生坯之间，无论任一或二者是否被图案化；继步骤d）之后，无常材料被移除以在物件内留下中空通道。这移除了分别在生部分和/或焙烧部分中冲孔或钻孔出一个或多个孔洞的需要，且从而减少了用作静电卡盘或加热器的部分的制作中的制造步骤的数目。使用无常材料以在焙烧陶瓷部分中保持内部空隙还提供了用于诸如空气或液体之类的流体的通路或通道。在其中ESC要求衬底冷却的情况下，可以在焙烧陶瓷部分内创建至少一个热传递流体回路，以便生成防止衬底过热的散热器。

由于半导体晶片（例如，硅）的尺寸或直径这些年来已经增加，因此存在对于静电卡盘的增长的需要以适应半导体晶片的增加的大小。通过本发明的制造过程，优选地，焙烧物件具有大于200mm的至少一个正交X和Y尺度以及小于X和Y尺度的正交尺度Z。更优选地，这两个正交X和Y尺度均大于200mm。在干压生坯的制造中，可选地，粉末是经喷雾干燥的粉末。

优选地，根据本发明的一个实施例，一个或多个高温共烧陶瓷物件可以被用在加热器的制造中，由此导体充当电加热元件。更优选地和/或结合加热器，高温共烧陶瓷物件可以被用在静电卡盘的制造中；所述静电卡盘包括：

绝缘基底；

布置在所述绝缘基底上的一个或多个导电电极；以及

介电顶层，其具有顶表面和相对的底表面，以使得所述电极被布置在所述绝缘基底与所述介电顶层之间。

一旦被焙烧，多个生坯或图案化生坯中的一个或多个的组件就定义绝缘基底。为了创建充分的静电力以保持一个或多个半导体晶片而不产生短路，最重要的是：形成介电层的衬底支撑物被制成充分薄以与底下的一个或多个电极相互作用，以便在衬底表面上生成充足的静电场。介电层由第二绝缘材料形成，所述第二绝缘材料被层压到绝缘基底以防止短路。优选地，介电层具有大体上小于1mm或小于0.5mm或小于0.25mm或小于0.1mm的厚度。由于介电层的厚度薄是必要的，因此在本发明的一个实施例中，介电层可选地由带铸材料制作。优选地，为了提供介电层与绝缘基底之间的收缩方面的均匀性（特别是在脱脂（debinding）和/或焙烧期间），优选地，介电层由形成绝缘基底的相同的生坯构成。由通过不同过程（例如，带铸）形成的层（特别是介电层）制作ESC冒着在脱脂或焙烧期间绝缘陶瓷体的剩余部分与介电层之间的差异化收缩的风险，这可能是由于其不同粘结剂含量、通过其特定制作过程的不同内应力、导致介电层从绝缘体的其余部分的可能的分层。通过由与绝缘基底相同的处理技术和材料（例如，生坯）制作介电层，移除了该差异化收缩，从而导致更均质的焙烧部分。为了实现介电层的必要厚度，一旦被焙烧，焙烧（单片）部分的一个面就被向下机器加工到与形成嵌入在其中的电极的金属化部相互作用所必需的所需厚度，以当电压被施加到电极时创建静电场。

在静电卡盘的一些应用中，控制衬底的温度是必要的。优选地，绝缘基底包括加热器，更优选地，加热器包括形成电加热元件的一个或多个电导体嵌入在其中。

在本发明的可替换实施例中，高温共烧陶瓷物件是包括绝缘陶瓷体的加热器，所述绝缘陶瓷体具有形成电加热元件的一个或多个导体嵌入在其中。

当焙烧层压组件被用作静电卡盘时，共烧陶瓷部分的外表面或面将需要大体上是平坦的，以便确保在衬底晶片与介电层的支撑表面之间存在最大表面面积接触。为了提供共烧陶瓷部分的平坦度，本发明提供了一种平烧物件的方法，其包括以下步骤：

a. 在具有至少一个大体上平坦表面的绝缘装定器（setter）上支撑物件；

b. 在物件上安装或组装具有至少一个大体上平坦表面的绝缘重物，以使得物件位于绝缘装定器和绝缘重物的大体上平坦表面之间。

步骤(a)和(b)然后在氢气中被焙烧到烧结温度，如上所讨论。优选地，邻近物件的装定器和/或重物的至少一个表面被机器加工成大体上平坦的。通过将重物和/或装定器的与生物件接触的至少一个面机器加工成大体上平坦的，生物件将在焙烧期间维持其平坦度或者承接装定器和/或重物的表面的平坦度。例如，在其中生物件作为其形成过程（诸如干压或等压或甚至处置）的结果而不完美平坦或具有缺点的后一种情况下，通过焙烧装定器和重物的大体上平坦表面之间的生物件，由重物施加的压强使物件大体上承接装定器和/或重物的平坦表面的平坦度。此外，由重物施加的压强允许生陶瓷层在焙烧和致密化期间在沉积的导体或金属化层周围形成或在其周围“铸模”，以便创建生陶瓷坯与图案化生坯之间的无缝界面。优选地，装定器和/或重物包括氧化铝。

本发明的另外的细节和特征将从参考附图作出的随附权利要求和以下描述中显而易见，在附图中，

图1图示出产生由干压法生成的四层加热器的制造过程的处理流程图；

图2图示出在对硬板的硬研磨和铜焊之后的四层加热器；

图3图示出用于制造300mm直径加热器或ESC以用于晶片处理的流程图；

图4（a和b）示出具有用基于Mo的加热器图案钻孔和丝网印刷的通孔的干压生陶瓷片材的层，并且（b）示出具有金属化层和对准孔洞的干压生陶瓷片材的放大视图；

图5（a和b）示出供干压薄板形成干压板的组件的层压过程；（a）示出夹在橡胶垫之间的干压生陶瓷片材的组件；（b）被放置在真空等压袋内部；

图6（a）示出在组件的脱脂/粘结剂烧尽期间被放置在钼丝网上的干压生片材的组件；

图6（b）示出装定器与重物之间的生层压组件的平烧过程。

图6（c）示出用于在湿氢气熔炉中干压生陶瓷片材的焙烧的设置。

图7示出到焙烧部分的下侧的电馈通和铜焊支撑固定装置（例如，安装销）的存在；

图8示出使用附着到加热器的热电偶且展示出600℃的达到温度的真空室中的加热器的测试。

图9示出图7中示出的焙烧部分的沿X-X线的横截面；

图10示出形成ESC的经研磨的平烧部分的顶面；

图11示出图10中示出的经研磨的平烧部分的沿Y-Y线的部分的横截面；

图12示出焙烧部分中的空隙形成；

图13是使用带铸材料作为介电层的加热器/ESC装置的示意性图示。

图14是基于三个干压陶瓷坯的加热器/ESC装置的示意性图示。

具体实施方式

已知的是，用于带形成的辊压实过程以具有有机粘结剂的陶瓷粉末的喷雾干燥开始，随后为将陶瓷粉末馈送到辊子中以产生薄带。两个辊子之间的粉末的压制导致在XY方向上具有不均匀收缩的带。本发明通过使用干压法以产生薄片材来解决这些问题。干压技术的示例包括但不限于单轴压制、模压、等压或其组合。为了维持薄片材的柔性和层压属性并且出于图示本发明的一个示例的目的，与通常在辊压实带形成过程中使用的那些陶瓷粉末类似的具有有机添加物的陶瓷粉末被用作用于干压带的原始材料。

取决于干压的模具尺寸，可以产生大直径（例如，直到1m或更大）、从1mm直到50mm的范围内的厚度的生片材（也可以是小于1mm的厚度的片材）。这样的干压片材具有良好的柔性，且能够接收被丝网印刷或以其他方式施加（例如，喷墨印刷、喷涂、旋涂、浸涂、数字控制的分配）的金属化涂料以产生大且厚的HTCC器件。

类似于标准带处理，机械冲孔、喷水、激光或其他手段可以被用于使层成形并在生片材中产生通孔。

在施加金属化涂料之后，等静压制被用于组装多层的生带和/或干压生片材。典型的压强高达大约103MPa（15k psi），但更高的压强可以被按需使用。等静压制不仅在带之间产生良好的层压，而且确保焙烧期间多层带结构的均匀收缩。

为了展示本发明的可行性，一批99.5%的氧化铝粉末与其他无机物、粘结剂、增塑剂、分散剂和水进行了混合以形成浆，且随后被喷雾干燥以形成包括无机物、粘结剂、增塑剂和分散剂的粉末。

在表1中列出经喷雾干燥的粉末的无机成分的组成。所使用的氧化铝粉末是形成其数据单的来自Almatis, Inc.的A152 SG，具有~1.2μm的平均粒子尺寸和~4.3m²/g的表面面积。

表1

	Al2O3	碳酸镁	EPK瓷土
				重量百分比	99.2%	0.5%	0.3%

粘结剂可以是在干压之后在无机成分之间提供充足的粘附以给出粘附而柔性的片材的任何合适材料。典型的粘结剂包括例如丙烯酸胶乳、PVA、醇酸树脂、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙基恶唑啉、聚丙烯酸酯、聚乙烯吡咯烷酮、纤维素、聚乙烯、石蜡和许多更多粘结剂。

增塑剂可以是辅助材料的塑性变形的任何合适材料。这在干压阶段期间和在等静压制（层压）阶段期间都是有用的。合适的材料包括例如乙二醇、聚乙二醇、矿物油、邻苯二甲酸盐、酯类、邻苯二甲酸丁苄酯、类似于所使用的粘结剂但具有较低分子量的聚合物和许多更多材料。

在确保浆在喷雾干燥之前被良好地分散以使得经喷雾干燥的粉末具有良好的均质性方面，分散剂是有用的。典型的分散剂包括例如聚丙烯酸铵、柠檬酸铵、脂肪酸、玉米油、鱼油、胺类、聚酯、聚胺、pH控制物质（例如，HCl或NH₄OH）和许多更多分散剂。

粘结剂、增塑剂（如果有的话）和分散剂（如果有的话）的选择部分地取决于实现生坯中的期望属性的其相互兼容性和其在浆中的特性，如果喷雾干燥是用于形成粉末的途径的话。

典型地，无机成分包括按重量超过浆的50%，例如大约68%。典型的浆配方可能是：

。

在喷雾干燥之后，喷雾干燥粉末的一部分被用于生成辊压实带。来自同一批的剩余喷雾干燥粉末被用于生成干压片材。在表3中列出由辊压实带和干压片材形成的层压体的属性。

根据以上数据，清楚的是，干压片材具有比辊压实带的收缩更均匀的收缩。这两个方法已经实现了接近完全密度的烧结氧化铝体，但干压片材的收缩的超均匀性意味着特征可以被精确地定位在由干压片材形成的体中。虽然并不要求生陶瓷起始层是“带”，如通常在HTCC（高温共烧陶瓷）处理中所使用，但典型的带处理可以用于本发明。

改进的HTCC处理方法可以用于不仅产生大尺寸晶片处理装置以用在ESC中，而且可以用于产生多层加热器。以下示例用于展示改进的HTCC处理方法的多功能性。

示例1。

使用改进的HTCC方法作为小规模上的可行性的展示来产生多层加热器。

图1图示出用于制造四层加热器的处理流程图1。

所示出的过程使用先前提到的经喷雾干燥的99.5%纯的氧化铝粉末。应注意的是，本发明不限于99.5%的氧化铝，且可以用于其他陶瓷（例如，不同纯度（例如，90-99.9%）的氧化铝、ZrO2、Y₂O₃、AlN、Si₃N₄、SiC或实际上任何陶瓷）。

在步骤2处，将喷雾干燥粉末压制（或单轴压制）在2’’模具中以从经喷雾干燥的粉末产生大约1.5mm厚度的薄片材。然后在生状态中将干压生片材切割到期望的形状（步骤4），例如通过激光或喷水切割。

在切割生片材之后，对成形的干压生片材进行金属化以在其表面上沉积金属化层或金属前体（步骤6）。在特定实施例中，金属化涉及丝网印刷，但其他金属化技术在本发明中是可准许的，例如喷墨印刷、喷射等。金属前体的使用使诸如墨印之类的技术能够被使用。尽管在特定实施例中使用基于Mo（钼）的金属化部，但可以使用其他导电材料，诸如从包括铂、钯、金、钨、钼、铌、钽和任何前述各项的合金的组中选择的导电材料。在用基于Mo的金属化部（Wesgo 538涂料）对干压生片材进行丝网印刷之后，测量在厚度上近似25μm（其在焙烧之后导致~20μm的金属厚度）；在等静压制中以103MPa（15kpsi）的压强使用橡胶模具将四层干压生片材层压在一起（步骤8）。同样在图1中所示的是将导电的Mo涂料施加到层压生片材的侧或端（步骤10）。在层压的组件被共烧之后，可以可选地执行步骤10。

在层压之后，使用湿H₂气体在Astro™熔炉中以1atm的压强将生片材的压制组件烧结或共烧到~1600℃（步骤12），以形成具有嵌入在其中的一个或多个电导体的单片绝缘陶瓷体。

在烧结之后，将四层20加热器研磨到最终形状（步骤16）。在对焙烧的组件进行机器加工之前，在该阶段处可以可选地测试组件（步骤14）以测试共烧组件作为加热器20的性能。利用金属化层（例如借助于通孔）制成电接触部，并且使电流经过金属化层以测试加热器的加热性能。在特定实施例中，电极24（见图2）被铜焊到组件的外表面以将金属化层中的每一个电连接。然后使用活性铜焊合金（Cusil® ABA™）作为接触来对加热器的侧进行铜焊（步骤18）。

使用较低温铜焊合金（Incusil®）将可伐（kovar）硬板26铜焊在加热器顶上。

图2示出经铜焊的加热器组件20的最终形状，其示出具有印刷加热图案的经焙烧的干压生坯的层22的层压组件。使用电源而对加热器的测试暗示了加热器的良好的可靠性。

示例2。

该示例的目的是展示新HTCC处理方法可以被用于产生大尺寸晶片处理装置，诸如加热器和静电卡盘（ESC）组合或静电卡盘（ESC）。目标为确保300mm加热器能够以良好的温度均匀性在室温与600℃之间热循环。

图3图示出制造过程30的流程图。类似于图1，用于300mm晶片加热器件的制造过程以如之前所提到的使用氧化铝粉末对99.5%纯的氧化铝粉末进行喷雾干燥（步骤32）开始。

使用2500吨干压（单轴压制）以81cm直径模具对经喷雾干燥的粉末进行干压以生成具有大约2.5mm到6mm的范围内的厚度的81cm直径的生片材（步骤34）。在其中ESC与加热器组合使用的特定实施例中，组合可以基于组装由两个外侧干压片材和一中心干压片材形成的三个干压片材。这两个外侧压制片材具有大约5mm或6mm的厚度，并且该中心干压片材具有大约2.5mm的厚度。以下参考图14来讨论干压片材的布置的另外的细节。图4（a）示出根据本发明的实施例的干压生陶瓷片材50的示例。

然后将干压生片材喷水切割成具有对准孔洞的30cm直径（其一些或全部可以充当成品加热器中的提升销孔洞）（步骤36），如图4中所展示。干生片材中的孔洞54（见图4b）还充当从金属化层延伸到干压生片材的至少一个外部面以便提供与金属化层的电连接的通孔。通孔和孔洞被填充有蜡或其他无常材料（或可在稍后的处理中被移除的其他无常材料——见图4（b）），以使得在压制期间它们不闭合。

取决于该部分是被制作为仅ESC部分还是ESC/加热器组合，将电极和/或加热器图案丝网印刷（步骤38）到一个或多个干压生片材上。图4（b）示出具有金属化层52的图案化干压生片材的放大部分。在其中该部分被制作为仅ESC的情况下，静电卡盘电极图案被丝网印刷到干压生片材的表面上。然而，在其中该部分被制作为ESC和加热器组合的情况下，一个外侧干压片材被丝网印刷有加热器图案，并且另一个中心干压片材被丝网印刷有静电卡盘电极图案。在丝网印刷之后，在与支撑板（以下所描述）真空袋装在一起以及使用等静压制以大约103MPa（15kpsi）的压强而层压在一起（步骤40）（图5）之前，将具有基于Mo的涂料（Wesgo®538涂料，厚度~25μm）的（一个或多个）干压生片材与干压生片材的两个或更多层对准。在如图5中所示的本发明的特定实施例中，经对准的干压片材被夹在橡胶垫56之间（图5a）且然后被放置在真空等压袋58内部（见图5b）。支撑板是提供充分的刚性以使得经对准的干压生片材在压制过程期间不扭曲并保持平坦的板。支撑板的典型材料可能是铝或氧化铝板，由此氧化铝板的一个表面（支撑表面）已经被研磨得平坦，但其他材料可以满足。

将经层压和等静压制的部分60放置在Mo和氧化铝装定器66之上并在Astro™氢气熔炉中以1atm的压强以湿氢气大气压将该经层压和等静压制的部分60烧结到1600℃（图6c）以形成单片陶瓷与金属复合物（步骤42）。在静电卡盘的施加中最重要的是，共烧陶瓷部分的外面的或外部的面或表面（特别是介电层的支撑表面）在焙烧之后保持大体上平坦，否则在经焙烧的物件中引入的任何扭曲可能引起对衬底或半导体晶片的压痕。此外，介电层的支撑表面的平坦度确保了半导体晶片与介电层的支撑表面之间的最大表面面积接触。为了维持经焙烧的部分或组件的平坦度，干压生层压组件60在焙烧期间被夹在或位于氧化铝装定器66与重物64之间（见图6（b））。像装定器那样，重物也可以由氧化铝构成以便确保在重物和/或装定器与层压组件之间没有交叉污染。为了确保生层压组件或部分在焙烧期间保持平坦以及为了确信装定器或重物的与组件相邻的表面不会将任何缺点引入到最终共烧物件，装定器和/或重物的与生层压组件接触或相邻的表面或面中的至少一个被机器加工（研磨）成平坦，且可能被抛光成平坦（见图6b）。重物将充分的压强施加到生层压组件上以确保平烧过程。重物的另外的优势包括防止在粘结剂烧尽和/或焙烧期间生坯组件的不同层的分层。以上讨论的这样的平烧过程确保生层压组件中的任何扭曲作为等压或甚至处置的结果而被移除，这是由于层压组件的外部面或表面在焙烧期间呈现下面的装定器和上面的重物的形状或平坦度。

焙烧机制（步骤42）可以包括缓慢粘结剂烧尽阶段，其中温度以每分钟1℃的速率被升高直到足以烧掉粘结剂的温度（典型地，275至400℃），随后是在氢气中以大约3℃/分钟的速率斜坡上升直到烧结温度（典型地，1500℃至1600℃）。在2-3个小时之后在温度下，温度（例如，以3℃/分钟的速率）斜坡下降到足够低以移除烧结部分的温度。

在相同熔炉中实施粘结剂烧掉和烧结提供了单步过程，以及，在熔炉中同时处理多个样本的能力相比于热压的复杂性而言是有利的。然而，可以采用可替换过程，例如在分离的熔炉中进行粘结剂烧掉和烧结步骤。在一些情况下，在分离的炉/熔炉中处理经层压和等静压制的部分60是有利的，这是因为用于脱脂和/或粘结剂烧尽的条件对于焙烧可以不同。例如，对于脱脂/粘结剂烧掉而言，重要的是，在粘结剂烧尽期间生成的任何挥发物不在压制部分中引入任何缺陷或瑕疵，并且作为结果，用于粘结剂烧尽的设置对于焙烧不同。对于粘结剂烧尽而言，必要的是确保存在干压片材的整个外表面区域的充足的暴露以用于粘结剂移除，这是由于在粘结剂烧尽期间生成的挥发物将需要漏出和被清除。然而，由于在干压部分依靠在装定器66上时存在对干压部分的下侧的有限暴露，因此间隔物被用于将干压片材提升到装定器上面。这确保了存在充分的气流去往层压部分的下侧以促进粘结剂移除（粘结剂的热解）。在图6a中所示的特定实施例中，干压陶瓷部分60通过依靠在Mo丝网62上而与装定器66间隔开。这样的间隔物对于焙烧而言不是必要的，这是由于所有挥发物中的大多数已经通过之前的粘结剂烧尽阶段而被移除，并且生部分可以简单地被直接放置在装定器上以通过如上关于步骤42讨论的平烧过程确保在焙烧期间的平坦度。在一些情况下，为了促进粘结剂烧掉的适当材料和施加，可以通过将经层压和等静压制的部分放置在陶瓷粉末的床中来进行该过程，以使得粉末将粘结剂“带走（wick）”离开该部分。

在焙烧过程中，填充孔洞的蜡熔化掉，从而留下用于电连接到（一个或多个）金属化层的进入点或通孔和/或用于在衬底处理中将静电卡盘定位在基座上的位置点。

在致密化之后，将焙烧部分68硬研磨（典型地通过布兰查德（Blanchard）研磨）到具有可选的气槽和各种提升销孔洞（用于晶片弹射的透孔）的最终尺度（步骤44）。

随后，使用高温铜焊（图7）（诸如，如上提到的Cusil® ABA™）将安装销和电馈通70铜焊到加热器/ESC板上（步骤46）。图7示出焙烧部分68的下侧，并示出铜焊支撑或安装固定装置70。

对层压组件进行共烧生成单片绝缘陶瓷体，该单片绝缘陶瓷体包括由金属化层提供的一层或多层电导体嵌入在其中。图9示出根据本发明的一个实施例的包括两个金属化层的经焙烧的单片陶瓷体68的横截面。较低金属化层76在连接到电源时充当加热器，并且顶金属化层78充当静电卡盘电极，其与顶介电层协作以生成静电场。此外，图9展示了绝缘陶瓷体68的顶面80和底面82的平坦度。在图9中还展示了不同的生的、干压陶瓷坯层之间的无缝接合和每个金属化层中的导体之间的陶瓷的迁移以产生具有嵌入在其中的两层电导体的单片绝缘陶瓷体，例如，贯穿绝缘体，氧化铝是均质的。

在其中如图9中所示ESC位于加热器顶上的实施例中，可以使用如图8中所示的装置来测试所述加热器的加热性能。加热器被放置在真空室中并附着到电源以使用被放置在焙烧的层压部分上的不同点处的热电偶72来测试加热器的性能（步骤48）。由如图8中所示的温度显示器74展示以良好的热均匀性加热直到600℃。

附加操作

空隙形成

提供如上所描述的蜡（或以其他方式）填充的孔洞准许跨物件的厚度延伸的通道的可选形成。例如，在对于静电卡盘而言要求冷却的情况下，一个或多个通道或空隙可以被并入到绝缘陶瓷体中。为了在通过该方法制成的物件的厚度内产生中空通道84，在干压片材的层之间压制由无常材料形成的形状并随后烧掉或以其他方式移除无常材料是可能的。

可使用的材料包括蜡、塑料、纸或柔性石墨（例如，Grafoil™）。图12示出具有以此方式形成的空隙或通道84的陶瓷的截面，其中柔性石墨/纸形状被放置在层之间，且在等静压制之后通过空气或湿氢气焙烧过程中的氧化而被移除。

这样的中空通道可以用于多种目的，包括：为了提供气体供给或提取通道；用于用材料（例如，用于提供大导体的金属）填充；或者甚至提供用于热传递流体的流动的通道以用于冷却目的。

介电层

为了生成跨静电卡盘的表面的静电力，形成介电层的陶瓷层的厚度必须充分平坦且薄到处于可接受的容限内，以便与下层电极协作。

虽然干压是形成甚至如例如0.25mm那样低的厚度的片材的卓越方式，但是片材越薄，则其形成越成问题。

当期望针对介电层提供仅薄表面层（例如，小于1mm、小于0.5mm、小于0.25mm、或小于0.1mm）时，那么，有利地可以可选地使用在较厚的干压片材之上层压带铸材料的层。当带铸的层小于例如干压片材的厚度的一半、或者小于干压片材的厚度的四分之一、或者小于干压片材的厚度的十分之一时，这特别如此。在这样的布置中，干压片材的收缩的均匀性可以占优势，或者甚至抑制带铸材料的收缩的均匀性的缺乏。

这样的过程可以用于在示例2中描述的加热器顶上形成静电卡盘。例如（如图13中所指示）：

1. 两个干压生片材91、92（例如，近似1mm或2.5mm或6mm厚度中的每一个）可以具有基于Mo的涂料（Wesgo®538涂料，厚度~25μm）以在一个干压生片材91上定义加热器图案93并在另一个干压生片材92上定义静电卡盘图案94。在特定实施例中，生干压片材中的一个具有大约6mm的厚度d₁且表示外侧片材91或层，并且另一个干压片材具有大约2.5mm的厚度d₂且表示了中心片材92。

2. 两层干压生片材可以与具有带铸层的形式的另外的更薄的d₃（例如，0.1mm厚）介电层95对准，以使得加热器图案93位于两个干压片材91、92之间并且静电卡盘图案94位于干压生片材92与带铸层95之间；层91和92中的合适孔洞或通孔96可以被提供以用于后续形成到静电卡盘图案和加热器图案的馈通。

3. 两层干压生片材和带铸层的组件然后可以被与支撑板真空袋装在一起且以如上描述的相同方式使用等静压制而层压在一起。

在其中干压生片材具有近似6mm的厚度的情况下，在焙烧之后，焙烧的干压片材收缩到近似5mm的厚度d₁’。对于2.5mm厚度的生干压片材而言，在焙烧之后，干压片材收缩到近似2mm的厚度d₂’。同样地，在焙烧之后，生带铸层的厚度收缩到更小厚度d₃’。在该过程中，带铸层充当介电层且是组件的最外层，但对于其他应用，带铸层可以位于组件内，例如，在两个干压片材之间。

尽管由于带铸层是通过与干压过程不同的过程（例如，单轴模压）来制作的，因此带铸层在产生理想作为介电层的薄层时是有利的，但是差异化收缩可能在脱脂和/或焙烧期间在带铸层与干压层之间产生。这可能是由于干压片材与带铸层之间的不同的粘结剂含量（其在它们的制作过程中也是固有的）与作为它们的特定处理技术的结果的不同内应力的组合而引起的。作为结果，在生片材的脱脂或焙烧期间，这样的差异化收缩可能使带铸层从干压片材分层或者甚至破裂。

为了减轻该问题，在本发明的可替换实施例中，介电层可以由附加干压生片材制作。取代以上参考图13描述的将金属化层与带铸层95层压，在本发明的可替换实施例中，用附加干压生片材替换带铸层；附加干压片材表示介电层。因而，在该特定实施例中，层压组件包括具有大约6mm的厚度的两个最外干压层和夹在两个最外干压层之间且具有大约2.5mm的厚度的中心干压层，即，层压组件包括三个干压生片材而不是两个干压生片材。因此，在图9中所示的焙烧部分68的横截面中，介电层由金属化层78上面的层86所引用。重复以上参考图13描述的处理步骤但是用附加干压层替换带铸层（见图14）；

1. 两个干压生片材91、92（例如，近似1mm或2.5mm或6mm厚度中的每一个）可以具有基于Mo的涂料（Wesgo®538涂料，厚度~25μm）以在一个外部干压生片材91上定义加热器图案93并在另一个（中心）干压生片材92上定义静电卡盘图案4。如上所讨论，干压片材中的一个具有大约6mm的厚度d₁且表示外侧片材91或层，厚度d₁在焙烧之后收缩到大约5mm的厚度d₁'，并且另一个干压片材具有大约2.5mm的厚度d₂且表示中心片材92，厚度d₂在焙烧之后收缩到大约2mm的厚度d₂'。

2. 两层干压生片材可以与还具有大约6mm的厚度d₄的另外的外部干压生片材98对准，并将形成介电层95，即，层压组件包括：两个外部干压片材91、98，每一个在生状态中具有大约6mm的厚度d₁、d₄；以及中心干片材92，其在生状态中具有大约2.5mm的厚度d₂。加热器图案93位于这两个干压片材91、92之间，并且静电卡盘图案94位于干压生片材92与另外的干压生片材98之间；如上所讨论，层91和92中的合适孔洞或通孔96可以被提供以用于随后形成到静电卡盘图案和加热器图案的馈通；

3. 三层干压生片材91、92和98的组件然后可以与支撑板真空袋装在一起，且以如上所描述的相同方式使用等静压制而层压在一起。

在使用以上讨论的平烧过程进行焙烧之后，层压组件形成单片金属复合部分（见图9）。为了实现所需的薄度并维持介电层的平坦度以便当与形成电极的下层金属化层78协作时提供充足的静电力，在组件的焙烧和致密化之后，顶干压片材98被向下机器加工到适合于表现为介电层95的所需厚度d₃容限。在特定实施例中，顶干压层98被从大约5mm的经致密化或焙烧的厚度（取生厚度为近似6mm）向下机器加工到大约0.1mm。为了易于解释，顶部经焙烧的干压层从厚度d₄收缩到d₄'（见图14）。因而，在机器加工期间从顶干压层98移除（d₄'-d₃）的材料以虚线示出。在现实中，经致密化的单片金属复合物的至少一个面被向下机器加工，以便在金属化层78或静电卡盘图案上面提供近似0.1mm厚度的绝缘陶瓷层（见图11）。可以通过研磨来向下机器加工顶层陶瓷层98，但实现这样的紧厚度容限的本领域中已知的其他机器加工过程在本发明中是可准许的。在本发明的特定实施例中，两阶段机器加工过程被用于在致密化之后形成介电层；第一阶段涵盖移除陶瓷材料的块体到近似厚度值d₃，并且第二机器加工阶段给出最终抛光阶段。在机器加工的第一阶段处，使用包括金刚石磨粒（例如，具有大体上20μm到100μm的范围内的粒子尺寸的金刚石）的研磨面将单片复合物的一个面向下研磨到所需厚度，到距下面的金属化层78近似0.1mm的厚度。介电层的所需厚度可以大体上小于1mm或小于0.5mm或小于0.25mm或小于0.1mm。在特定实施例中，介电层的厚度是近似0.1mm。机器加工过程的第二阶段涉及对经研磨的表面进行抛光以提供镜状的成品同时维持介电层的表面的平坦度。在特定实施例中，使用1μm-5μm金刚石膏将表示介电层的外部层98的经研磨的表面抛光到0.01mm（优选地，0.001mm）的厚度容限。

图10和11示出顶部平面视图，其示出平行于干压片材的平面或平表面而延伸的金属化层以及图9中所示的向下机器加工的经焙烧的层压部分的分别沿线Y-Y的横截面视图。为了展示顶介电陶瓷层的薄度，表示静电卡盘图案电极78（见图9）的下层金属化层变得从介电层的表面外部更加可见。在图11中所示的横截面中，静电卡盘包括绝缘基底88，形成布置在绝缘基底88和介电顶层86上的电极的顶金属化层78布置在绝缘基底88与介电顶层86之间。

组件中的金属化干压生片材的数目取决于组件是纯粹被用作ESC还是ESC连同加热器一起的组合。例如，在其中ESC被用于保持半导体晶片以用于清洁目的或蚀刻等的情况下，可能不要求加热器，并且表示加热器的金属化层76可能简单地不存在，即，ESC包括夹在两个干压生片材之间的静电电极图案78。在ESC与加热器组合使用的情况下，那么金属化层的数目增加；一个金属化层提供电极78，电极78与介电层86协作以生成用于静电夹持使用中的衬底（半导体晶片）的静电场，并且另外的金属化层76被施加在另一个干压生片材上以准许电加热。表示静电图案和/或加热器图案和/或空隙的干压生片材和金属化层的不同组合在本发明中是可准许的，每个组合取决于其特定应用，例如静电夹持目的或者静电夹持和加热或冷却的组合。

本发明具有提供适合于制造大型对象的HTCC过程的优势，且不要求热压或精密线网的处置（如US6225606那样）。

本发明的另外的特征、修改和使用将对期望通过高温共烧来制成对象的本领域技术人员而言显而易见，并被包含在本发明的范围内。

Claims (37)

1.一种形成一个或多个高温共烧陶瓷物件的方法，其包括以下步骤：

a)通过包括对包括陶瓷和有机粘结剂的粉末进行干压以形成生坯的过程来形成多个生坯；

b)将导体或导体前体布置到所述多个生坯中的至少一个的至少一个表面以形成至少一个图案化生坯；

c)将所述至少一个图案化生坯与所述多个生坯或图案化生坯或二者中的一个或多个进行组装以形成层压组件；

d)等静压制层压组件以形成压制的层压组件；

e)以足以将陶瓷层烧结在一起的温度对压制的层压组件进行焙烧。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（b）包括以下步骤：将金属化层施加到所述多个生坯中的至少一个的至少一个表面以形成所述至少一个图案化生坯。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中：

步骤c）进一步包括将由无常材料形成的一个或多个形状定位在生坯中的至少两个之间，无论任一个或二者是否被图案化；

继步骤d）之后，无常材料被移除以在物件内留下中空通道。

4.一种形成一个或多个高温共烧陶瓷物件的方法，其包括以下步骤：

a)通过包括对包括陶瓷和有机粘结剂的粉末进行干压以形成生坯的过程来形成多个生坯；

b)将所述至少一个图案化生坯与由无常材料形成的布置在生坯中的至少两个之间的一个或多个形状进行组装以形成层压组件；

c)等静压制层压组件以形成压制的层压组件；

d)以足以将陶瓷层烧结在一起的温度对压制的层压组件进行焙烧；

继步骤d）之后，移除无常材料以在所述物件内留下中空通道。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述物件具有大于200mm的至少一个正交X和Y尺度以及小于X和Y尺度的正交尺度Z。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中正交X和Y尺度二者大于200mm。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述物件具有小于X和Y尺度中的较长者的10%的正交尺度Z。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述物件具有小于X和Y尺度中的较短者的10%的正交尺度Z。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述粉末进一步包括增塑剂。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述粉末进一步包括分散剂。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述粉末是经喷雾干燥的粉末。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤：将第二绝缘陶瓷材料与所述多个生坯或图案化生坯或二者中的一个或多个进行组装，以使得层压组件包括所述多个生坯或图案化生坯或二者中具有第二绝缘陶瓷材料的一个或多个。

13.根据权利要求12所述的方法，其中第二绝缘材料是带铸材料或生坯。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中第二绝缘材料形成层压组件的最外层。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中第二绝缘材料具有比所述多个生坯或图案化生坯中的任一个的厚度的一半更小的厚度。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中金属化部小于50μm厚。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中正交X和Y尺度二者都是300mm或更多。

18.根据权利要求17所述的方法，其中正交X和Y尺度二者都是450mm或更多。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中所述一个或多个高温共烧陶瓷物件是加热器。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中所述高温共烧陶瓷物件是静电卡盘，其包括：

绝缘基底；

布置在所述绝缘基底上的一个或多个导电电极；以及

介电顶层，其具有顶表面和相对的底表面，以使得所述电极被布置在所述绝缘基底与所述介电顶层之间。

21.根据权利要求12至18和权利要求20中任一项所述的方法，其中所述多个生坯或图案化生坯中的一个或多个定义绝缘基底，并且第二绝缘陶瓷材料定义介电层。

22.根据权利要求20或21所述的方法，进一步包括以下步骤：对高温共烧物件进行机器加工，以使得介电层具有大体上小于1mm或小于0.5mm或小于0.25mm或小于0.1mm的厚度。

23.一种通过权利要求1至22中任一项的方法形成的高温共烧陶瓷物件。

24.一种高温共烧陶瓷物件，具有大于200mm的至少一个正交X和Y尺度以及小于X和Y尺度的正交尺度Z，所述高温共烧陶瓷物件包括嵌入在其中的连续无孔金属导体。

25.根据权利要求24所述的高温共烧陶瓷物件，其中至少一个正交X和Y尺度是300mm或更多。

26.一种静电卡盘，其包括：

绝缘基底；

布置在所述绝缘基底上的一个或多个导电电极；

介电顶层，其具有顶表面和相对的底表面，以使得所述电极被布置在所述绝缘基底与所述介电顶层之间；其中所述静电卡盘具有大于200mm的至少一个正交X和Y尺度以及小于X和Y尺度的正交尺度Z。

27.根据权利要求26所述的静电卡盘，其中至少一个正交X和Y尺度是300mm或更多。

28.根据权利要求26或27所述的静电卡盘，其中所述绝缘基底包括加热器。

29.根据权利要求28所述的静电卡盘，其中一个或多个电导体被嵌入在所述绝缘基底内。

30.根据权利要求26至29中任一项所述的静电卡盘，其中所述绝缘基底和/或所述介电层是从由氧化铝、二氧化钛、氧化锆和包含前述各项中任一项的合金构成的组中选择的材料。

31.根据权利要求26至30中任一项所述的静电卡盘，其中一个或多个电极是从由铂、钯、金、钨、钼、铌、钽和前述各项中任一项的合金构成的组中选择的材料。

32.根据权利要求26至31中任一项所述的静电卡盘，其中所述静电卡盘是共烧单片陶瓷和金属复合物。

33.根据权利要求26至32中任一项所述的静电卡盘，其中所述介电层具有大体上小于1mm或小于0.5mm或小于0.25mm或小于0.1mm的厚度。

34.一种平烧物件的方法，其包括以下步骤：

a. 在具有至少一个大体上平坦表面的绝缘装定器上支撑物件；

b. 在物件上安装具有至少一个大体上平坦表面的绝缘重物，以使得物件位于绝缘装定器和绝缘重物的大体上平坦表面之间。

35.根据权利要求34所述的方法，其中装定器和/或重物的所述至少一个表面被机器加工成大体上平坦的。

36.根据权利要求34或35所述的方法，其中在装定器和/或重物中包括氧化铝。

37.根据权利要求34至37中任一项所述的方法，其中所述物件是如权利要求23至25中任一项中限定的高温共烧陶瓷物件。