CN107527851A - 陶瓷静电卡盘装置及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷静电卡盘装置及其制备工艺，属于半导体晶片加工技术领域，所述陶瓷静电卡盘装置包括介电层、电极层、绝缘层，在所述介电层靠近所述电极层的表面设置有第一金属化层，在所述第一金属化层靠近所述电极层的表面设置有第一镀镍层，在所述绝缘层靠近所述电极层的表面设置有第二金属化层，在所述第二金属化层靠近所述电极层的表面设置有第二镀镍层。本发明的静电卡盘装置气密性高，静电吸附力均匀，并且制造方法简单易行、方便加工。
Description
技术领域
本发明涉及半导体晶片加工装置，特别是指一种陶瓷静电卡盘装置及其制备工艺。
背景技术
氮化铝陶瓷具有优异的高导热性、高温绝缘性、低介电常数及与硅相近的热膨胀系数，因而特别适合于作为大规模集成电路及大功率器件的基体材料，主要应用于微波真空、微电子、光电器件中，尤其是在大功率IC、HIC(沉积薄膜微末混合集成电路)、MCM(多芯片组件)、半导体器件、电真空器件中一直是制备高导热性元件的重要陶瓷材料。
氮化铝陶瓷不仅具有高的导热性能、高的电绝缘性能，而且无毒性，是理想的集成电子封装材料。
静电卡盘(Electrostatic Chuck，英文缩写ESC)用于在半导体生产工艺中被用来固定和支撑晶圆。静电卡盘利用静电吸附原理将待加工的晶圆吸附在其表面，避免了晶片在生产过程中发生移动或错位，广泛应用于物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、刻蚀(Etching)等工艺。静电卡盘通常包含一个或多个导电电极，这些电极在绝缘层的下面，在这个层可以形成一个静电夹紧电场，实现对晶片的吸附固定。静电卡盘与传统的机械卡盘或真空吸盘相比具有很多有优点。静电卡盘减少了在使用过程中，由于压力、碰撞等机械原因对晶片造成的不可修复的损伤；由于采用静电吸盘没用机械固定，增大了晶片的有效加工面积；减少了由于机械碰撞产生的颗粒污染；由于静电卡盘与晶片的完全接触更加有利于进行热传导；并且克服了真空吸盘的致命缺陷，可以在高真空反应腔室中使用。
目前现有的静电卡盘通常采用陶瓷与电极高温共烧(HTCC)而成。由于是在很高的温度下进行陶瓷静电卡盘共烧工艺，电极材料和陶瓷材料之间的热膨胀系数的差异会引起静电卡盘的内应力增加。这些内应力会导致陶瓷静电卡盘金属电极层的翘曲，影响静电卡盘吸附力的均匀性。在某些情况下，甚至会导致陶瓷静电卡盘的实际损伤。
发明内容
本发明提供一种吸附力均匀、方便加工的陶瓷静电卡盘装置及其制备工艺。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一方面，本发明提供一种陶瓷静电卡盘装置，包括介电层、电极层、绝缘层，在所述介电层靠近所述电极层的表面设置有第一金属化层，在所述第一金属化层靠近所述电极层的表面设置有第一镀镍层，在所述绝缘层靠近所述电极层的表面设置有第二金属化层，在所述第二金属化层靠近所述电极层的表面设置有第二镀镍层。
进一步的，所述介电层和绝缘层为氮化铝陶瓷。
进一步的，所述电极层为镍箔。
进一步的，所述第一金属化层为设置在所述介电层表面金属化的钨或钼，所述第二金属化层为设置在所述绝缘层表面金属化的钨或钼。
进一步的，所述电极层的厚度为10-25um，纯度大于等于99％。
进一步的，所述第一金属化层和第二金属化层的厚度为10-20um，纯度大于等于99％。
进一步的，所述第一镀镍层和第二镀镍层的厚度为5-10um。
另一方面，本发明还提供一种上述的陶瓷静电卡盘装置的制备工艺，包括：
S1.将介电层和绝缘层表面钨或钼厚膜丝网印刷；
S2.将介电层和绝缘层陶瓷放入氢气气氛炉中进行表面金属化，金属化后进行研磨、抛光；
S3.将介电层和绝缘层放入电镀液中，对其金属化层表面电镀镍；
S4.将介电层和绝缘层表面镀镍层进行抛光，利用金相砂纸逐级将电极层打磨干净，以除去氧化层,并用丙酮进行清洗；
S5.将介电层、电极层和绝缘层经精密对位叠片，放入上下预设的石墨垫板之间，进入真空扩散焊接炉内，抽真空；
S6.当真空度不高于5*10-3Pa时，开始加热，加热至1091-1165℃，并保温10-60min；
S7.保温开始时对氮化铝陶瓷板和镍箔施加5-30MPa的轴向压力，保温结束后卸除压力；
S8.随炉冷却，得到介电层、电极层和绝缘层的集成部件。
进一步的，所述将氮化铝陶瓷板金属化工件和电极层放入真空扩散焊接炉内，抽真空之前还包括：利用单面抛光机将氮化铝陶瓷金属化镀镍层抛光成镜面，利用金相砂纸逐级将电极层打磨干净，以除去氧化层，将氮化铝陶瓷金属化工件和电极层放入丙酮中进行超声清洗。
本发明具有以下有益效果：
与现有技术相比，本发明的陶瓷静电卡盘装置，通过氮化铝陶瓷金属化后扩散焊接集成工艺，可减少传统的陶瓷高温共烧(HTCC)中大尺寸共烧设备欠缺、工艺控制困难的风险；该工艺真空扩散焊的温度较低，可大大减少由于不同材料之间的热膨胀系数差异而产生的内应力，避免了电极翘曲问题，提高了电极层的平面度，进而改善了静电卡盘静电吸附力的均匀性。另外，采用氮化铝陶瓷金属化后扩散焊接集成工艺后，扩散焊接界面紧密，焊接平面性良好，平行精度高，集成部件的气密性高，特别适合于半导体行业设备中多层高导热性的氮化铝陶瓷与电极集成的静电卡盘。而且，本发明所采用方案工艺简单，制造容易，成本较低，可广泛推广使用。
附图说明
图1为本发明的陶瓷静电卡盘装置的制备工艺的一个实施例的流程图；
图2为本发明的陶瓷静电卡盘装置的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
一方面，本发明提供一种陶瓷静电卡盘装置，如图2所示，包括介电层1、电极层2、绝缘层3，在介电层1靠近电极层2的表面设置有第一金属化层7，在第一金属化层靠近电极层的表面设置有第一镀镍层6，在绝缘层3靠近电极层2的表面设置有第二金属化层4，在金属化层4靠近电极层2的表面设置有第二镀镍层5。
与现有技术相比，本发明的陶瓷静电卡盘装置，本发明的陶瓷静电卡盘装置，通过氮化铝陶瓷金属化后扩散焊接集成工艺，可减少传统的陶瓷高温共烧(HTCC)中大尺寸共烧设备欠缺、工艺控制困难的风险；该工艺真空扩散焊的温度较低，可大大减少由于不同材料之间的热膨胀系数差异而产生的内应力，避免了电极翘曲问题，提高了电极层的平面度，进而改善了静电卡盘静电吸附力的均匀性。规避了传统的陶瓷高温共烧(HTCC)中大尺寸共烧设备欠缺、工艺控制困难的风险，同时避免了电极翘曲问题，提高了电极层的平面度，进而改善了静电卡盘静电吸附力的均匀性。而且，集成后的静电卡盘装置的气密性高，特别适合于半导体行业设备中多层高导热性的氮化铝陶瓷与电极集成的静电卡盘。
进一步的，介电层1和绝缘层3优选为氮化铝陶瓷。
进一步的，电极层2可以为镍箔。
进一步的，第一金属化层7可以为设置在介电层1表面金属化的钨或钼，第二金属化层4可以为设置在绝缘层3表面金属化的钨或钼。
进一步的，所述电极层2的厚度可以为10-25um，纯度大于等于99％。
进一步的，第一金属化层和第二金属化层的厚度优选为10-20um，纯度大于等于99％。
进一步的，第一镀镍层6和第二镀镍层5的厚度可以为5-10um。
另一方面，如图1和图2所示，本发明还提供一种上述的陶瓷静电卡盘装置的制备工艺，包括：
S1.将介电层1和绝缘层3表面钨或钼厚膜丝网印刷；
本步骤中，介电层和绝缘层采用氮化铝(AlN)陶瓷，在AlN陶瓷表面钨或钼厚膜丝网印刷具体操作如下：
1)选用平面度和表面粗糙度符合要求的AlN陶瓷，依次进行稀硝酸清洗、丙酮超声清洗、无水乙醇清洗，以确保AlN陶瓷表面清洁无任何污染颗粒存在，然后放入干燥箱中在80-100℃温度下，干燥15min；
2)将AlN陶瓷放置在丝网印刷平台上，调整好丝网印刷模板与被印AlN陶瓷之间平行度和间隙在2-3mm，丝网模板一般选用250-350目尼龙丝网模板，丝网模板上可以设计成不同的电极图案；
3)W(或Mo)浆料丝网印刷：将制备的W(或Mo)浆料通过丝网印刷模板印刷于氮化铝陶瓷表面，得到所需要的电极图案，丝网印刷W(或Mo)膜厚度在25-40μm。所采用的W(或Mo)金属浆料成分为：钨粉(或钼)+氧化钇+封接玻璃粉+有机载体，有机载体主要成分：乙基纤维素和松油醇。
4)W(或Mo)膜的干燥与排胶：将丝网印刷好的AlN陶瓷先放入干燥箱中，在120℃干燥1h或以上。然后放在电阻加热炉中，在空气环境中，以缓慢的加热速率加热至320℃，保温90min或以上，进行空气气氛中排胶，将金属浆料中的大部分有机载体排除掉。
S2.将介电层1和绝缘层3放入氢气气氛炉中进行表面金属化，金属化后进行研磨、抛光；
本步骤中，将陶瓷表面金属化具体可以为：将排胶后的AlN陶瓷表面印有W(或Mo)工件，置于H2或者H2/N2气气氛炉中，在1450～1600℃，金属化烧结45-60min，金属化烧结气氛通常采用湿氢气氛，湿氢露点在25～30℃。烧结完成后可以得到AlN陶瓷表面W(或Mo)金属化层。然后进行研磨、抛光。
在上述AlN陶瓷表面W(或Mo)金属化，需要进行打磨、抛光后其平面度优于0.02mm。
在上述AlN陶瓷金属化镀镍基板，抛光后其平面度优于0.02mm。
S3.将介电层1和绝缘层3放入电镀液中，对其金属化层表面电镀镍；
将AlN陶瓷表面的W(或Mo)金属化层进行打磨、抛光后，放入电镀液中进行金属层表面电镀镍，本步骤中的镀镍厚度优选在5～10μm。
S4.将介电层1和绝缘层3表面镀镍层进行抛光，利用金相砂纸逐级将电极层打磨干净，以除去氧化层，并用丙酮进行清洗；
扩散焊接工件前需要进行焊前清理，利用单面抛光机将AlN陶瓷金属化镀镍层抛光成镜面，利用05、06号金相砂纸逐级将中间层-镍箔打磨干净，以除去氧化层。最后将AlN陶瓷金属化工件和中间层-镍箔放入丙酮中进行超声清洗。
S5.将介电层1、电极层2和绝缘层3经精密对位叠片，放入上下预设的石墨垫板之间，进入真空扩散焊接炉内，抽真空；
为防止氮化铝陶瓷被污染，需要将石墨垫板放置在静电卡盘装置的上部和下部。本发明的陶瓷静电卡盘装置，自下而上顺序组装，在下层石墨垫板上放置氮化铝陶瓷金属化镀镍工件，其中金属化镀镍层朝上。然后放置中间层-镍箔，在镍箔层上放置另一氮化铝陶瓷金属化镀镍工件，其中金属化镀镍层朝下，再在氮化铝陶瓷金属化工件上放置上层石墨垫板。
本发明的实施例通过AlN陶瓷金属化后扩散焊接集成工艺，可以实现多层AlN陶瓷与金属电极层的焊接集成，其平面度、平行度优于0.02mm，扩散焊接界面紧密，焊接平面性良好，平行精度高，真空扩散焊接后气密性高(小于1.0x10-10Pa·m3/sec)，特别适合于半导体行业设备中多层高导热性的AlN陶瓷与电极集成的陶瓷ESC部件的制备。
S6.当真空度不高于5*10-3Pa时，开始加热，加热至一定温度后，保温一定时间；
加热温度通常为镍熔点的0.75-0.8倍，大约为1091-1165℃，保温时间为10-60min。
S7.保温开始时对被焊接工件施加轴向压力，保温结束后卸除压力；
保温开始时施加的轴向压力范围为5-30Mpa。
S8.随炉冷却，得到介电层1、电极层2和绝缘层3的集成部件。
本发明的陶瓷静电卡盘装置的制备工艺，通过氮化铝陶瓷金属化后扩散焊接集成工艺，可减少传统的陶瓷高温共烧(HTCC)中大尺寸共烧设备欠缺、工艺控制困难的风险；该工艺真空扩散焊的温度较低，可大大减少由于不同材料之间的热膨胀系数差异而产生的内应力，避免了电极翘曲问题，提高了电极层的平面度，进而改善了静电卡盘静电吸附力的均匀性。另外，采用氮化铝陶瓷金属化后扩散焊接集成工艺后，扩散焊接界面紧密，焊接平面性良好，平行精度高，集成部件的气密性高，特别适合于半导体行业设备中多层高导热性的氮化铝陶瓷与电极集成的静电卡盘。而且，本发明所采用方案工艺简单，制造容易，成本较低，可广泛推广使用。
进一步的，将氮化铝陶瓷板金属化工件和电极层放入真空扩散焊接炉内，抽真空之前还包括：利用单面抛光机将氮化铝陶瓷金属化镀镍层抛光成镜面，利用金相砂纸逐级将电极层打磨干净，以除去氧化层，将氮化铝陶瓷金属化工件和电极层放入丙酮中进行超声清洗。
本发明的陶瓷静电卡盘装置在组装时，在下层石墨垫板上放置氮化铝陶瓷金属化镀镍工件，其中金属化镀镍层朝上；
在金属化镀镍层上放置中间层-镍箔，在镍箔层上放置另一氮化铝陶瓷金属化镀镍工件，其中金属化镀镍层朝下；
在氮化铝陶瓷金属化镀镍工件上放置上层石墨垫板。
本发明实施例中制备的氮化铝陶瓷与电极扩散焊接集成部件用于半导体行业陶瓷静电卡盘等领域。
综上，本发明具有以下有益效果：
1、本发明减少传统的陶瓷高温共烧(HTCC)中大尺寸共烧设备欠缺、工艺控制困难的风险；
2、本发明克服了传统的陶瓷高温共烧(HTCC)工艺中电极共烧翘曲变形问题。
3、本发明所采用的工艺过程提升电极层的平整性，提高静电吸附力的均匀性；
4、本发明所采用方案工艺简单，制造容易，成本较低，可广泛推广使用。
5、本发明的静电卡盘装置的气密性高，特别适合于半导体行业设备中多层高导热性的氮化铝陶瓷与电极集成的静电卡盘。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种陶瓷静电卡盘装置，其特征在于，包括介电层、电极层、绝缘层，在所述介电层靠近所述电极层的表面设置有第一金属化层，在所述第一金属化层靠近所述电极层的表面设置有第一镀镍层，在所述绝缘层靠近所述电极层的表面设置有第二金属化层，在所述第二金属化层靠近所述电极层的表面设置有第二镀镍层。
2.根据权利要求1所述的陶瓷静电卡盘装置，其特征在于，所述介电层和绝缘层为氮化铝陶瓷。
3.根据权利要求1所述的陶瓷静电卡盘装置，其特征在于，所述电极层为镍箔。
4.根据权利要求1所述的陶瓷静电卡盘装置，其特征在于，所述第一金属化层为设置在所述介电层表面金属化的钨或钼，所述第二金属化层为设置在所述绝缘层表面金属化的钨或钼。
5.根据权利要求1-4中任一所述的陶瓷静电卡盘装置，其特征在于，所述电极层的厚度为10-25um，纯度大于等于99％。
6.根据权利5所述的陶瓷静电卡盘装置，其特征在于，所述第一金属化层和第二金属化层的厚度均为10-20um，纯度大于等于99％；所述第一镀镍层和第二镀镍层的厚度均为5-10um。
7.一种权利要求1-6中任一所述的陶瓷静电卡盘装置的制备工艺，其特征在于，包括：
S1.将介电层和绝缘层表面钨或钼厚膜丝网印刷；
S2.将介电层和绝缘层陶瓷放入氢气气氛炉中进行表面金属化，金属化后进行研磨、抛光；
S3.将介电层和绝缘层放入电镀液中，对其金属化层表面电镀镍；
S4.将介电层和绝缘层表面镀镍层进行抛光，利用金相砂纸逐级将电极层打磨干净，以除去氧化层，并用丙酮进行清洗；
S5.将介电层、电极层和绝缘层经精密对位叠片，放入上下预设的石墨垫板之间,进入真空扩散焊接炉内，抽真空；
S6.当真空度不高于5*10-3Pa时，开始加热，加热至一定温度后保温一段时间；
S7.保温开始时，对介电层、电极层和绝缘层施加轴向压力，保温结束后，卸除压力；
S8.随炉冷却，得到介电层、电极层和绝缘层的集成部件。
8.根据权利要求7所述的陶瓷静电卡盘装置的制备工艺，其特征在于，所述加热至一定温度后保温一段时间中，保温的温度范围为1091-1165℃，保温时间为10-60min。
9.根据权利要求7所述的陶瓷静电卡盘装置的制备工艺，其特征在于，所述对介电层、电极层和绝缘层施加轴向压力的范围为5-30Mpa。
10.根据权利要求7所述的陶瓷静电卡盘装置的制备工艺，其特征在于，所述将介电层、电极层和绝缘层放入真空扩散焊接炉内，抽真空之前还包括：利用单面抛光机将氮化铝陶瓷金属化镀镍层抛光成镜面，利用金相砂纸逐级将电极层打磨干净，以除去氧化层，将氮化铝陶瓷金属化工件和电极层放入丙酮中进行超声清洗。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 100176 floor 2, building 2, yard 19, Kechuang 10th Street, Beijing Economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing (Yizhuang group, high-end industrial area of Beijing Pilot Free Trade Zone) Applicant after: BEIJING U-PRECISION TECH Co.,Ltd. Address before: 100084 room b902, learning and research complex building, Tsinghua University, Haidian District, Beijing Applicant before: BEIJING U-PRECISION TECH Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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