CN110957254A - 一种无烧结的氮化铝的静电卡盘 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无烧结的氮化铝(AlN)静电卡盘,自下而上依次包括基座、绝缘体、电极及电介质层,其中电介质在不进行烧结工序和粘接工序下通过喷涂结合在电极上。本发明具有优异的静电性能和导热性,且电介质层与电极之间具有优异的结合强度。

Description

一种无烧结的氮化铝的静电卡盘
技术领域
本发明是关于无烧结氮化铝(AlN)的静电卡盘,尤其是作为晶圆加工时固定晶圆的电介质层无烧结的静电卡盘(不进行烧结工序和粘合工序下结合电介质层,其特征是具有优异的静电特性同时还具有优异的结合强度及导热性)。
背景技术
一般来说,在半导体元件的蚀刻、蒸镀等工序中使用的反应室中,晶圆必须被固定在卡盘上,以确保加工的精密度。用于这类的固定的静电卡盘中,晶圆的固定一般都是利用被静电卡盘的静电力。
也就是说,静电卡盘一般是用在等离子化学蒸镀设备和蚀刻设备等一些制造半导体的设备上,是利用介电分极现象产生的静电力瞬间性地使半导体吸附或脱落的半导体设备的零部件。为此,具有在反应室内使等离子和卡盘之间产生静电而吸附基板的结构。此时,卡盘应具备作为静电力源的电介质和能够施加电压的电极,在静电卡盘中,为了提高薄膜的均匀性,消除热应力及缺陷集中等问题,必须在真空氛围下正确、均匀的加热/冷却,以使温度及静电力分布均匀。在通过电介质的卡盘的表面上制造出均匀的静电力及可进行调节的温度是尤为重要的,因此,需要选择具有优异的介电特性和热导率的材料来制造卡盘。
通常,静电诱导的电极在电介质内以浮动状态插入,在卡盘的背面布线使反应室内的等离子之间可以施加电压。大部分静电卡盘所使用的电介质材料有聚酰亚胺、氧化铝(Al2O3/黑色Al2O3)、硅胶、氮化铝(AlN)等,特别是其中的氮化铝(AlN)作为涂层材料进行了特性对比,如表1所示,与其他涂层材料相比不仅具有高介电率和高热传导性,而且耐等离子性也很好,作为今后电介质材料有很高的利用价值。
表1 不同涂层材料的性能对比
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但是,在大部分的静电卡盘的制造中,通常是采用插入电极后将电介质烧结的方法。可是,氮化铝(AlN)属于难烧结性材料,烧结很困难,即使烧结了,烧结了的氮化铝(AlN)电介质和基板的结合力也很差。因此,为了将氮化铝(AlN)作为电介质材料使用,就需要用无烧结方式的结合。
另外,也有采用一部分无烧结方式的情况,在海外制造的静电卡盘是在将氮化铝/电极/氮化铝以三桅帆船形态插入电极后进行烧结工序来制造的,用粘合剂将铝基板(卡盘母材)与三桅帆船形态的材料结合的生产方式制造。但是,在这种情况下,由于三桅帆船形态的材料与基板的粘合力明显不足且接触部位不均匀会在工程中产生火花等问题。
发明内容
发明目的:解决现有技术中问题电介质层材料性能差,而性能良好的氮化铝(AlN)材料又难烧结的问题。
为了解决这种现有技术的问题,本发明在静电卡盘方面,目的在于提供一种无烧结的氮化铝(AlN)静电卡盘,自下而上依次包括基座、绝缘体、电极及电介质层,其中电介质在不进行烧结工序和粘接工序下通过喷涂结合在电极上。
进一步地,所述绝缘体层,通过低温高速喷射涂层法将氮化铝粉末堆积形成。
进一步地,所述基板由铝合金、铜、铜合金或陶瓷构成;通过低温高速喷涂在上述基板上形成绝缘体层;在上述绝缘体层上,从上述绝缘体的外表面上的中心侧到一定间隔隔离的隔离部之间形成电极,通过低温高速喷射将上述电极全体及上述隔离部覆盖生成的电介质层。
进一步地,所述绝缘体层的厚度为0.2~1.5mm、电极的厚度为0.01~1.5mm,第电介质层的厚度为0.05~1mm。
进一步地,通过对绝缘体层进行喷涂形成无烧结氮化铝(AlN)电介质层。
进一步地,所述绝缘体层及电介质层,是将氮化铝粉末通过低温高速喷射涂层法堆积形成的。
有益效果:本发明的无烧结氮化铝(AlN)静电卡盘,可以通过在低温高速喷射涂层法(Cold Spray)的应用中实现低温工程,从而可以消除高温喷射涂层法的弱点。再者,从物理学的角度来看,由于涂层的材料是为了在固体状态下形成膜而被堆积,因此能够保持涂层材料原有的物性,能够防止作为母材的基板的氧化。再加上,作为基板的材料,可以选择低熔点材质的材料,从而扩大基板材料的选择范围,因此也可以选择低熔点、高热传导性的金属材料。因为不会对使用低温高速喷射涂层法涂覆的氮化铝(AlN)进行烧结,从而可以避免氧化有关的问题。此外,还能够减少基板的残余应力,从而能够生成具有高密度、高强度、加工硬度的涂层膜,能够涂覆低氧化度的厚膜。进而,能够同时得到低孔隙率(致密度>99%)和高涂层效率(>98%)的静电卡盘,能够以低的制造成本大量生产静电卡盘。
附图说明
图1为关于本发明的无烧结氮化铝静电卡盘的一个实施例的静电卡盘的截面图。
图2为关于本发明的无烧结氮化铝静电卡盘的一个实施例的静电卡盘的平面图。
图3为本发明的低温高速喷射涂层系统的整体概略图。
图1~3中:10为电介质,15为绝缘体,20为基板,25为隔离部,30为电极,40为辅助孔,50为治具。
具体实施方式
为解决上述问题,本发明提供无烧结氮化铝静电卡盘,在静电卡盘中,电介质层由氮化铝的涂覆层构成,下面将结合附图及实施例详细说明。
实施例
以下,参照附图详细说明本发明的无烧结氮化铝静电卡盘。
作为本发明的优选实施例,本发明的无烧结氮化铝(AlN)静电卡盘从下往上包括基板20、绝缘体15、电极30及电介质10。
图1和图2分别为本发明的无烧结氮化铝(AlN)静电卡盘的实施示例截面图和平面图。
在本发明的无烧结氮化铝(AlN)静电卡盘中,氮化铝的涂层可通过多种涂层方法形成。
特别是,本发明的涂层可通过例如气态蒸镀法、溶射法(Hot Spray)或低温高速喷射法中的任一方法形成。也就是说,上述涂层法大致分为气态蒸镀和溶射两种方式,其中气态蒸镀方式,可以适用于脉冲激光蒸镀(PLD)法、溅射法、蒸汽(Evaporation)法、CVD法等,喷射方式可以使用等离子喷雾涂层法、HOVF法、溶射涂层法、低温喷射法等。
其中,由于超音速所加速的粒子是在比基板及粒子的熔点低的温度下被进行喷涂的,所以能够维持粒子的物性,不改变基板的物性下也能进行喷涂,并且能同时解决以往的喷射法中基板的氧化和基板的应力、不能对低熔点基板进行喷涂等问题,所以最好使用低温高速喷射法。
作为本发明的优选实施例,如图1及图2所示,上述静电卡盘,由铝合金、铜、铜合金或陶瓷构成的基板20、在上述基板上通过低温高速喷射喷涂生成第1氮化铝(AlN)层15、在上述第1氮化铝(AlN)层15上从上述第1氮化铝的外周开始到中心侧有由一定间隔隔离形成的隔离部25形成电极30,以及,对上述电极30全体及上述隔离部25进行喷涂,通过低温高速喷射涂层生成的第2氮化铝(AlN)层10,以上构成静电卡盘。
基板20可采用普通基板材料,优选为在导热度或化学稳定性等方面可使用铝合金、铜、铜合金或陶瓷材料,更优选的是使用在强度和热传导度、重量等方面特别好的6xx系列的经过阳极氧化处理的铝合金。
基板20上形成的绝缘体15起到防止基板20与电极30之间形成电流的作用,可以使用一般的绝缘物质。在本发明中,使用氮化铝(AlN)作为绝缘体的材料,特别地,通过使用涂层法、最好是低温高速喷射喷涂形成第1氮化铝层15。另外,考虑到绝缘性和可操作性,绝缘层15的厚度可以是0.2~1.5mm,优选为0.5~0.9mm,进一步优选为0.7mm。
另外,电极30形成于绝缘层15上,优选的是通过包含低温高速喷射喷涂的多种喷涂方法形成电极,可以增强电极与涂层之间的结合力。另外,当上述电极30露出到静电卡盘外部时会产生电弧,所以为了维持绝缘,最好在上述第1氮化铝(AlN)层15中从上述第1氮化铝涂覆层的外周开始向中心侧通过一定间隔形成一定距离的隔离部25。即,在电极层的表面,使其全部位于比第1氮化铝层15内侧,不露出到外部。用上述方法,保证电极30被氮化铝完全绝缘。
在本发明中,由于所述电极30的成分和厚度只要保证产生的静电力能够固定晶圆即可,所以本领域的技术人员可选择并应用公知的包含锡、铜、银(Ag)、铝等多种导体材料并加工成所需形状。在用于固定8英寸晶圆的静电卡盘时,优选电极30为锡、银(Ag)、铝或铜电极,厚度为0.01~0.5mm,以确保静电卡盘的适合配置,优选为0.1mm。
在本发明中,电极30可以由一个或两个构成,在这种情况下,将存在一个电极30的情况称为单极型(Unipolar Type)、两个的情况称为两极型(Bipolar Type),本发明可以适用于以上两种情况。
另外,通过将氮化铝(AlN)涂覆在电极30上形成与电极30绝缘产生静电的电介质10,如图1~2所示,将上述电极30整体及上述隔离部25涂覆而构成。另外,本发明的静电卡盘将上述氮化铝层(电介质层10)在电极30上通过包含低温高速喷射喷涂法的喷涂方法形成涂层,由此可以解决烧结难的问题,其优点包括氮化铝作为电介质的全部优点。上述电介质10为了确保静卡盘的适当配置和静电力,厚度为优选0.05~1mm,进一步优选为0.2mm。
另外,本发明的无烧结氮化铝(AlN)静电卡盘,如图2所示,可以根据设备结构和工程上的需要增加供气用辅助孔40。
本发明的无烧结氮化铝(AlN)静电卡盘,通过卡盘背面的配线向电极施加电源,通过电介质10与电极30的相互作用而产生静电力。
传统的静电卡盘的制造中,在使用作为电介质层10的氮化铝时,需要烧结氮化铝(AlN)来制造,但是由于氮化铝的难烧结性,制造起来比较困难,另一方面,本发明的无烧结氮化铝(AlN)静电卡盘通过无烧结制造,完全可以解决这样的问题,其优点是提供用不烧结的方法将导电率高、导热度良好的素材即氮化铝(AlN)作为电介质层使用的方法。
上述本发明不限于实施例和附图,并且在不脱离专利请求书中描述的本发明的思想和领域的范围内,当然本领域的技术人员进行多种修改和变更的信息也包括在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种无烧结的氮化铝静电卡盘,自下而上依次包括基板(20)、绝缘体(15)、电极(30)及电介质(10)层,其中电介质(10)在不进行烧结工序和粘接工序下通过喷涂牢固结合在电极(30)上。
2.根据权利要求1所述的一种无烧结的氮化铝静电卡盘,其特征在于:上述绝缘体层,通过低温高速喷射涂层法将氮化铝粉末堆积形成。
3.根据权利要求1所述的一种无烧结的氮化铝静电卡盘,其特征在于:
所述基板由铝合金、铜、铜合金或陶瓷构成,通过低温高速喷涂在上述基板上形成绝缘体层;在上述绝缘体层上,从上述绝缘体的外表面上的中心侧到一定间隔隔离的隔离部之间形成电极,通过低温高速喷射将上述电极全体及上述隔离部覆盖生成的电介质层。
4.根据权利要求3所述的一种无烧结的氮化铝静电卡盘,其特征在于:
上述绝缘体层的厚度为0.2~1.5mm、电极的厚度为0.01~1.5mm,电介质层的厚度为0.05~1mm。
5.根据权利要求1所述的一种无烧结的氮化铝静电卡盘,其特征在于:
通过对绝缘体层进行喷涂形成无烧结氮化铝(AlN)电介质层。
6.根据权利要求5所述的一种无烧结的氮化铝静电卡盘,其特征在于:
上述绝缘体层及电介质层,是将氮化铝粉末通过低温高速喷射涂层法堆积形成的。
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