CN107527852A - 陶瓷静电卡盘装置及其制造工艺 - 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造工艺，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上层绝缘层、电极层和下层绝缘层，所述上层绝缘层和下层绝缘层采用氮化铝陶瓷，所述下层绝缘层的上表面金属化一层钨金属浆料形成电极层，所述下层绝缘层的上表面边缘区域设置有用于封接上层绝缘层和下层绝缘层的烧结区域，所述烧结区域印刷有氮化铝浆料。本发明可以降低电极层翘曲程度，保障平面度、使所述装置的静电吸附力均匀，同时本发明所采用的制造工艺简单，制造容易，成本较低，易推广及量产。
Description
技术领域
本发明涉及半导体晶片固定装置，特别是指一种陶瓷静电卡盘装置及其制造工艺。
背景技术
静电卡盘(Electro Static Chuck，简称ESC或E-CHUCK)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；并且客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而成,将印刷有电极的多层生瓷片层压在一起，再进行高温共烧制成最终的陶瓷静电卡盘。如图1中1A-1D所示为现有技术制备烧结陶瓷静电卡盘的方法所涉及的步骤，其中1A所示为装配前卡盘部件，1B为上层生瓷片1和下层生瓷片3将电极2夹在中间装配在一起时共烧前部件4，1C示出的是共烧后处于变形状态的陶瓷静电卡盘，1D示出的是对外表面进行打磨以回复平坦后的陶瓷静电卡盘。因为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的翘曲，影响静电卡盘吸附力均匀性，或 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
本发明提供一种降低电极层翘曲程度、保持静电吸附力均匀的陶瓷静电卡盘装置及其制造工艺。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
本发明提供一种陶瓷静电卡盘装置，包括上层绝缘层、电极层和下层绝缘层，所述上层绝缘层和下层绝缘层采用氮化铝陶瓷，所述下层绝缘层的上表面中心区域金属化一层钨金属浆料形成电极层，所述下层绝缘层的上表面边缘区域，即所述下层绝缘层上表面未进行金属化区域，设置有用于封接上层绝缘层和下层绝缘层的烧结区域，所述烧结区域印刷有氮化铝浆料。
进一步的，所述氮化铝浆料的成分包括氮化铝粉末、封接玻璃粉和有机载体；
所述钨金属浆料的成分包括钨粉、氧化钇、封接玻璃粉和有机载体。
进一步的，所述有机载体为乙基纤维素和松油醇。
本发明还提供了上述陶瓷静电卡盘装置的制造工艺，包括：
在下层绝缘层上表面中心区域厚膜丝网印刷钨浆料；
下层绝缘层上表面中心区域金属化，并进行研磨、抛光；
下层绝缘层上表面边缘区域印刷氮化铝浆料；
将上层绝缘层与下层绝缘层进行精密对位叠片，其中上层绝缘层的下表面与上层绝缘层的上表面对应；
将上述组装好的工件进行干燥、排胶，然后在1000～1200℃条件下烧结45～60分钟，封接所述上层绝缘层和下层绝缘层。
本发明具有以下有益效果：
与现有技术相比，使用时，本发明的陶瓷静电卡盘装置及其制造工艺，降低了传统集成工艺中陶瓷高温烧结后易出现物理损伤的风险，克服了制备过程中由于内应力增加而相关部件产生的翘曲，从而可改善静电卡盘装 置电极层的平面度，提高了静电卡盘装置的静电吸附力的均匀性。同时本发明所采用的制造工艺简单，制造容易，成本较低，可广泛推广应用以及实现量产。
附图说明
图1现有技术中的静电卡盘装置的剖面结构示意图；1A是装配前的卡盘部件，1B是烧结前装配到一起的部件，1C是烧结处于变形状态的卡盘，1D是对表面进行修复后的卡盘；
图2本发明的陶瓷静电卡盘装置的剖面结构示意图，其中2A是装配前的卡盘部件，2B是烧结前装配在一起的卡盘，2C是烧结后最终形成的卡盘；
图3为本发明的陶瓷静电卡盘装置电极层和烧结区域的横截面结构示意图。
图中：1.上层生瓷片；2.电极；3.下层生瓷片；4.共烧前部件；5.上层绝缘层；6.电极层；7.下层绝缘层；8.烧结区域。
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。
本发明提供一种陶瓷静电卡盘装置，如图2-3所示，包括上层绝缘层5、电极层6和下层绝缘层7，上层绝缘层5和下层绝缘层7采用氮化铝陶瓷，下层绝缘层7的上表面中心区域金属化一层钨金属浆料形成电极层6，所述下层绝缘层7的上表面边缘区域，即所述下层绝缘层7上表面未进行金属化区域，设置有用于封接上层绝缘层5和下层绝缘层7的烧结区域8，烧结区域8印刷有氮化铝浆料。
与现有技术相比，本发明的陶瓷静电卡盘装置，降低了传统集成工艺中陶瓷高温烧结后易出现物理损伤的风险，克服了制备过程中由于内应力增加而引起的相关部件的翘曲，从而改善了静电卡盘装置电极层的平面 度，提高了静电卡盘装置静电吸附力的均匀性。
本发明中的上层绝缘层5和下层绝缘层7都采用氮化铝陶瓷，二者的平面度都可以保证在0.02mm内，在下层绝缘层7的上表面高温金属化一层钨电极，形成电极层6。
作为本发明的一种改进，氮化铝浆料的成分可以包括氮化铝粉末、封接玻璃粉和有机载体，以便有效实现电极层和绝缘层的集成。
钨金属浆料的成分可以包括钨粉、氧化钇、封接玻璃粉和有机载体，以便有效实现电极和绝缘层的集成。
本发明中，有机载体优选为乙基纤维素和松油醇。
进一步的，下层绝缘层7上表面的边缘区域设置有烧结区域8，通过预留的烧结区域8，可以有效减少烧结过程中电极层与绝缘层由于热膨胀系数不匹配而产生的过大内应力。
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：
一、在下层绝缘层上表面中心区域厚膜丝网印刷钨浆料：
1)选用平面度和表面粗糙度符合要求的氮化铝陶瓷作为下层绝缘层，依次进行稀硝酸清洗、丙酮超声清洗、无水乙醇清洗，以确保氮化铝陶瓷表面清洁，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)将氮化铝陶瓷放置在丝网印刷平台上，调整好丝网印刷模板与被印氮化铝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)钨浆料丝网印刷：将制备的钨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，丝网印刷钨膜厚度在25-40μm。所采用的钨金属浆料成分为：钨粉+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)钨膜的干燥与排胶：将丝网印刷好的氮化铝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。
二、下层绝缘层上表面中心区域金属化，并进行研磨、抛光：
1)将排胶后的下层绝缘层工件，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氮化铝陶瓷表面钨金属化层。
2)利用单面抛光机将氮化铝陶瓷金属化层进行抛光，使其抛光后的平面度优于0.02mm。，然后将氮化铝陶瓷金属化工件放入丙酮中进行超声清洗；
三、下层绝缘层上表面边缘区域印刷氮化铝浆料：
1)将下层绝缘层放置在丝网印刷平台上，调整好丝网印刷模板与被印下层绝缘层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；
3)氮化铝浆料丝网印刷：将制备的氮化铝浆料通过丝网印刷模板印刷于下层绝缘层上表面边缘区域，得到所需要的图案，丝网印刷氮化铝膜厚度在25-40μm。为保证烧结集成后工件的封接强度和气密性等要求，下层绝缘层边缘区域的内外径差一般为10-20mm，即单边环宽度为5-10mm。所采用的氮化铝浆料成分：氮化铝粉末、封接玻璃粉和有机载体，有机载体主要成分：乙基纤维素和松油醇。
四、将上层绝缘层与下层绝缘层进行精密对位叠片，作为组装后的工件，其中上层绝缘层的下表面与上层绝缘层的上表面对应；
1)将下层绝缘层放置在石墨垫板上；
2)利用专门的定位工装，将上层绝缘层与下层绝缘层进行精密对位叠片，使其边缘对齐，上层绝缘层的下表面与上层绝缘层的上表面对应。
五、将上述组装好的工件进行干燥、排胶、烧结，封接所述上层绝缘层和下层绝缘层。
1)氮化铝膜的干燥与排胶：将组装好的下层绝缘层和上层绝缘层工件先放入干燥箱中，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，将浆料中的大部分有机载体排除掉。
2)将排胶后的工件，置于H2或者H2/N2气气氛炉中，在1000～1200℃条件下烧结45～60分钟。
本发明所采用的制造工艺简单，制造容易，成本较低，可广泛推广应用以及实现量产。
综上，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所采用的制造工艺减少了传统集成工艺中陶瓷高温烧结后物理损伤的风险；
2、本发明所采用的制造工艺克服了制备过程中由于内应力增加而引起的相关部件的翘曲，改善了静电卡盘装置电极层的平面度，提高了静电卡盘装置静电吸附力的均匀性；
3、本发明所采用的制造工艺简单，制造容易，成本较低，可广泛推广应用以及易实现量产。
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 (5)
1.一种陶瓷静电卡盘装置，其特征在于，包括上层绝缘层、电极层和下层绝缘层，所述上层绝缘层和下层绝缘层采用氮化铝陶瓷，所述下层绝缘层的上表面中心区域金属化一层钨金属浆料形成电极层，所述下层绝缘层的上表面边缘区域，即所述下层绝缘层上表面未进行金属化区域，设置有用于封接上层绝缘层和下层绝缘层的烧结区域，所述烧结区域印刷有氮化铝浆料。
2.根据权利要求1所述的陶瓷静电卡盘装置，其特征在于，所述氮化铝浆料的成分包括氮化铝粉末、封接玻璃粉和有机载体；
所述钨金属浆料的成分包括钨粉、氧化钇、封接玻璃粉和有机载体。
3.根据权利要求2所述的陶瓷静电卡盘装置，其特征在于，所述有机载体为乙基纤维素和松油醇。
4.一种权利要求1至3中任一所述的陶瓷静电卡盘装置的制造工艺，其特征在于，包括：
在所述下层绝缘层的上表面中心区域厚膜丝网印刷钨浆料；
在所述下层绝缘层的上表面中心区域金属化，并进行研磨、抛光；
在所述下层绝缘层的上表面边缘区域印刷氮化铝浆料；
将上层绝缘层与下层绝缘层进行精密对位叠片，作为组装好的工件，其中上层绝缘层的下表面与上层绝缘层的上表面对应；
将上述组装好的工件进行干燥、排胶，然后在一定温度下烧结一定时间，将所述上层绝缘层和下层绝缘层进行封装。
5.根据权利要求4所述的陶瓷静电卡盘装置的制造工艺，其特征在于，烧结时的温度范围为1000～1200℃，烧结时间范围为45-60分钟。
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