CN112135806A - 带有结合沟槽的陶瓷铝组件 - Google Patents

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Abstract

一种组件，包括：第一构件，与第一构件相邻的第二构件以及铝材料。第一构件和第二构件中的至少一个定义至少一个沟槽。铝材料设置在沟槽内，并且将第一构件沿着相邻的面结合至第二构件。在一种形式中，沿着相邻的面，第一构件和第二构件之间的间隙小于5μm。

Description

带有结合沟槽的陶瓷铝组件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年4月17日提交的美国申请号为15/955431的优先权和权益。上述申请的公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及一种对物体进行接合的方法，并且更具体地，涉及一种对陶瓷材料进行接合的方法以及所得的接合组件。
背景技术
本节中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
支撑基座通常用于半导体加工中。支撑基座通常包括用于在其上支撑晶片的板构件以及设置在该板构件下方的管状轴。该板构件可包括陶瓷基板和嵌入在陶瓷基板中的多个功能元件，例如加热元件。
陶瓷基板可以通过热压形成。热压是一种高压、低应变的过程，可以增强粉末或紧密的预成型件在高温下的致密化。通常，将粉末或紧密的预成型件放入模具中，并施加高温和高压以致密化和烧结。
嵌入在陶瓷基板中的功能元件在热压过程中必须承受高温和高压。因此，用于形成功能元件的材料受到限制。而且，热压需要高温高压设备，从而增加了制造成本。
在某些情况下，可以通过钎焊将两个或更多个陶瓷基板结合在一起。但是，由于陶瓷材料的润湿性差以及钎焊金属与陶瓷材料之间的热膨胀系数(CTE)不相容，因此钎焊的接头并非没有问题。由于钎焊金属和陶瓷基板的热膨胀差异显著，因此在升高温度的情况下，它们之间可能会出现裂纹或分层。
除其他挑战之外，本公开解决了在制造陶瓷支撑基座中的这些挑战。
发明内容
在本公开的一种形式中，提供了一种组件。该组件包括第一构件和与第一构件相邻设置的第二构件，其中，第一构件和第二构件中的至少一个定义了至少一个沟槽。该组件还包括设置在沟槽内并且将第一构件沿着相邻的面结合至第二构件的铝材料，其中，沿着相邻的面，第一构件和第二构件之间的间隙小于5μm。
在本公开的另一种形式中，第一构件和第二构件的相邻的面的表面粗糙度在5μm至100nm之间。
在本公开的又一种形式中，沟槽限定正方形、矩形、弓形和多边形几何形状中的至少一个。在本公开的至少一种形式中，沟槽限定深度和宽度，并且沟槽的宽度为沟槽的深度的5至20倍。同时，本公开的变型还包括多个沟槽，该多个沟槽的间隔小于2mm。或者，在本公开的其他形式中，多个沟槽彼此平行。
在本公开的若干形式中，第一构件和第二构件选自于由陶瓷、氮化铝(AlN)、氧化铝，氧化锆和碳化硅(SiC)组成的组。
在本公开的另一种形式中，第一构件和第二构件均为氮化铝(AlN)。
在本公开的一种形式中，第一构件是平板，并且，第二构件是平板和空心轴中的至少一者。
在本公开的一些一种形式中，该至少一个沟槽是至少三个沟槽或至少五个沟槽。
在本公开的至少一种形式中，铝材料是铝箔。
在本公开的另一种形式中，提供了一种接合的方法。该方法包括：制备第一构件和第二构件；在第一构件或第二构件中的至少一个中形成至少一个沟槽；在第一构件和第二构件之间跨越沟槽而放置条状的固态铝材料；将第一构件和第二构件放在一起以接触固态铝材料并形成该组件；将力和热量施加于该组件，达到固态铝材料的熔点以上，以使固态铝材料流入沟槽；将另外的热量施加于该组件，达到形成有沟槽的构件的润湿温度或者该润湿温度之上，以将第一构件沿着相邻的面结合至第二构件；和对该组件进行冷却，其中，沿着相邻的面，第一构件和第二构件之间的间隙小于5μm。
在本公开的至少一种形式中，制备第一构件和第二构件的步骤包括：使第一构件和第二构件的相邻的面的表面粗糙度在5μm至100nm之间。在本公开的一些形式中，固态铝材料通过物理气相沉积(PVD)工艺来施加。
根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
通过详细描述和附图，将更加全面地理解本公开，其中：
图1是根据本公开的教导而构造的接合组件的截面图；
图2是图1的接合组件的第二构件的侧视图；
图3是图2的A部分的放大图；
图4是根据本公开的教导的一种结合材料的方法的流程图；
图5A至图5E描述了使用图4的方法来结合材料的步骤，其中：
图5A描绘了将固态铝材料放置在第一构件和第二构件之间的步骤；
图5B描述了熔化固态铝材料并使熔化的铝材料流入第二构件的沟槽中的步骤；
图5C描绘了将第一构件和第二构件彼此挤压以减小它们之间的间隙的步骤；
图5D描绘了将组件加热到高于润湿温度的温度，以使熔化的铝材料符合沟槽的几何形状的步骤；
图5E是图5D的B部分的放大图；
图6是根据本公开的教导而构造的接合组件的一种变型的示意图；和
图7是根据本公开的教导而构造的接合组件的另一种变型的示意图。
对于整个附图中的这些视图，相应的附图标记指示相应的部件。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并且无意于限制本公开、应用或用途。
参考图1，根据本公开的教导而构造的接合组件10包括沿着第一构件12和第二构件14的外周由铝材料16结合的第一构件12和第二构件14。第一构件12和第二构件14可以由陶瓷材料制成，例如氮化铝(AlN)、氧化铝、氧化锆和碳化硅(SiC)。当接合组件10用于在半导体处理中形成支撑基座时，第一构件12和第二构件14都可以由氮化铝(AlN)制成，并且功能层(未示出)可以设置在第一构件12和第二构件14之间。
这种形式的第一构件12和第二构件14均具有板构造并且定义了面向彼此的相邻的面18。在一种形式中，相邻的面18具有小于5μm的表面平坦度和小于3μm的表面粗糙度。在一种应用中，相邻的面18的表面粗糙度可以在100nm至5μm之间的范围内。在本公开的一种形式中，沿着相邻的面，第一构件12和第二构件14之间的间隙小于5μm。
参考图2和图3，第一构件12和第二构件14中的至少一个沿其外周并且在相邻的面18上定义了结合特征20。结合特征20可以是所示的一个或多个沟槽22的形式。铝材料16填充在沟槽22中，下文将更详细地描述。靠近第二构件14的中心的沟槽22中的一个可以比其他沟槽22更深。尽管在所示的形式中在第二构件14中示出了总共四个沟槽22，但是结合特征20可以具有任意数量的沟槽并且可以形成在第一构件12和/或第二构件14中，而不脱离本公开的范围。此外，取决于应用需求，沟槽22可沿着第一构件12和/或第二构件14中的每一个采用任何路径，除了其他路径之外，该路径还可以是圆的、蜿蜒的或线性的。
在图3中，描绘了固态铝材料16以示出当固态铝材料16放置在第一构件12与第二构件14之间时固态铝材料16相对于沟槽22的位置。以这种形式，固态铝材料16放置为与两个最外面的沟槽22交叠。以这种形式，更靠近于第二构件12的中心的最深的沟槽发挥作用以限制熔化的铝材料流向中心以及流向结合区域之外。
当形成多个沟槽22时，多个沟槽22可以被构造成彼此平行并且间隔开小于2mm的距离。使沟槽22彼此靠近可以将结合区域的尺寸减小到小于2mm。较小的结合区域的优点是可以减小需要加热到润湿温度的区域，并在结合过程中在结合区域上实现了均匀加热，这将在下面更详细地描述。并且，较小的结合区域降低了铝流入布置有诸如通孔、布线电路、终端等功能元件的相邻区域的风险。沟槽22还配置为用于限制铝或除铝之外可以在结合区域中使用的其他结合材料的流动。
在一种形式中，沟槽22的数量为至少三个或至少五个。每个沟槽22的横纵比(即，宽度/深度)在5到20之间。换句话说，每个沟槽的宽度为每个沟槽20的深度的5至20倍。较浅的沟槽22有助于小于10-9mbar-l/sec的期望的气密性。结合区域的宽度可以小于3mm。沟槽22的深度小于50μm，并且在一种形式中小于20μm，以减小由于结合材料(即，铝)和陶瓷构件(即，AlN)之间的热膨胀差异而引起的热应力。当使用较深的沟槽(例如，大于100μm)时，应当使沟槽22更宽，以实现所需的密封性。
当第一构件12和第二构件14是圆形构件时，多个沟槽22被构造成沿着第一构件12和第二构件14的外周具有环形形状。然而，沟槽22的形状(或路径)可以根据应用要求而变化，并且可以进一步具有变化的宽度(而不是如本文所示的恒定宽度)，其仍在本公开的范围内。
现在参考图4，在步骤52中，结合材料(特别是陶瓷材料)以制造图1的接合组件10的方法50开始于在相邻的面18中制备具有预定的表面粗糙度的第一构件12和第二构件14。第一构件12和第二构件14可以由氮化铝(AlN)、氧化铝、氧化锆和碳化硅(SiC)制成。第一构件和第二构件的相邻的面18的表面粗糙度均在100nm至5μm之间。
接下来，在步骤54中，在第一构件12和第二构件14中的至少一个的相邻的面18中形成至少一个沟槽22。参照图5A，在步骤56中，第一构件12和第二构件14彼此相邻地布置，固态铝材料被布置在它们之间。固态铝材料可以是铝箔，并且邻近至少一个沟槽22设置。该步骤在室温下进行。可选地，可以例如通过物理气相沉积(PVD)将铝材料喷镀到至少一个沟槽22中。
此后，在步骤58中，将力和热量施加于第一构件12和第二构件14和固态铝材料的组件达到高于固态铝材料的熔点。固态铝材料的熔点约为660℃。该力施加于第一构件12和第二构件14，以使第一构件和第二构件彼此压靠。在该步骤中，固态铝材料被熔化，并且熔化的铝材料流入沟槽22，如图5B所示。随着力继续施加在第一构件12和第二构件14上，第一构件12和第二构件14之间的间隙减小，直到大部分熔化的铝材料布置在沟槽22中。然而，如图5C所示，由于第一构件12或第二构件14的陶瓷材料的润湿性差，熔化的铝材料混乱(ballup)并且不符合沟槽壁的几何形状。在一种形式中，沿着相邻的面18，第一构件12和第二构件14之间的间隙小于5μm。
可以将热量局部地施加到第一构件12和第二构件14的结合区域，以降低损坏布置在第一构件12和第二构件14的其他区域的功能元件的风险。
接下来，在步骤60中，将另外的热量施加于组件达到第一构件12或第二构件14的润湿温度或润湿温度之上，其中，在第一构件12或第二构件14处形成沟槽22以将第一构件12沿着相邻的面18结合至第二构件14。对于氮化铝而言，润湿温度高于850℃。在该步骤中，将氧化铝原生氧化物破碎以实现陶瓷材料的润湿性。当铝的纯度大于或等于约97％，温度高于约800℃，压力约为0.1MPa至6.5MPa且真空条件约为10-3Torr并低于真空水平时，可以实现陶瓷的润湿性。根据本公开的教导，对真空水平和温度进行平衡以实现润湿性。可以在10-3Torr和1100℃或10-6Torr和800℃下实现润湿性。当在1到10个小时之间进行热处理时，铝开始扩散到氮化铝中以符合氮化铝的几何形状。因此，由于在熔化的铝材料和第一构件12或第二构件14的沟槽壁之间的润湿，熔化的铝材料的形状即使在微观尺度上也如图5D所示地符合沟槽22的几何形状。
类似地，可以将另外的热量局部施加到结合区域，而不是整个组件，以降低损坏设置在第一构件12和第二构件14的其他区域的功能元件的风险。
如图5E所示，熔化的铝材料具有良好的润湿性，因此铝可用于将两种陶瓷材料，特别是氮化铝(AlN)结合在一起，从而在其之间形成气密结合。
在第一构件12结合到第二构件14之后，在步骤62中对组件进行冷却。
参考图6，根据本公开内容的教导而构造的结合组件70的变型可以包括第一构件72和第二构件74，该第一构件72和第二构件74通过直接的表面至表面结合而通过铝材料76结合，而不在第一构件72或第二构件74中形成任何沟槽。在结合之前，第一构件72和第二构件74通过垫片78以这种形式暂时地间隔开，并且铝材料76的宽度大于2mm以实现气密性。
参照图7，根据本公开内容的教导而构造的接合构件90的另一变型可以包括第一构件92、第二构件94和填充在第一构件92和第二构件94之一的单个沟槽中的铝材料96。当使用一个以这种形式呈弓形的单个沟槽时，该沟槽应具有大于6mm的宽度和大于20μm的深度，以实现气密性。
应当理解的是，沟槽可以采用除本文所示的形状以外的任何形状，例如，除其他形状之外，包括锥形(向内或向外)、燕尾形或多边形。同样，本文所使用和要求保护的沟槽的“宽度”是指对于沟槽的任何给定几何形状，例如图7中的弓形形状，跨越沟槽的最大尺寸。此外，沟槽可以进一步包括在与形成有沟槽的构件的表面相交处的拐角半径，仍然保持在本公开的范围内。
利用本公开的结合方法，可以相对容易地结合陶瓷材料。该方法可以用于在半导体处理中制造陶瓷基座，但是，根据本公开的教导，可以预期其他应用。因此，各种功能层可以形成在多个陶瓷构件上，然后通过铝材料结合在一起以形成加热板。因此，可能不需要用于热压操作的高温高压设备来形成整料基板，从而降低了制造成本。
此外，根据本公开的结合方法涉及相对较低的温度和相对较低的压力。因此，可以使用更多的材料来形成陶瓷基板中的各种功能层。例如，在使用本发明的结合方法将第一构件和第二构件结合在一起之前，可以将由厚膜、薄膜、热喷涂或溶胶-凝胶工艺形成的层状加热器施加在第一构件和第二构件中的一个之上。在使用本公开的方法将第一构件和第二构件结合之前，可以将TiNiHf终止钎焊焊料、镍终止镀层或
Figure BDA0002783187510000081
锚固膏施加到第一构件和/或第二构件上。
结合方法还可以用于将加热板结合到支撑基座的管状轴上，以提供热电偶袋隔离(thermocouple pocket isolation)。该结合方法可用于制造薄的(厚度在10到50mm之间)平坦的(表面粗糙度小于10μm)AlN加热器组件，包括AlN静电吸盘组件在内的各种应用中。
此外，通过本公开的结合方法制造的支撑基座允许修理和更换加热板，从而增加支撑基座的寿命。
应当注意，本公开不限于描述和示出为示例的形式。已经描述了各种各样的修改，并且更多的修改是本领域技术人员的知识的一部分。在不脱离本公开和本专利的保护范围的情况下，可以将这些和进一步的修改以及技术上的等同替换替换为说明书和附图。

Claims (15)

1.一种组件，包括：
第一构件；
与所述第一构件相邻设置的第二构件，其中，所述第一构件和所述第二构件中的至少一个定义至少一个沟槽；和
铝材料，所述铝材料设置在所述沟槽内，并且所述铝材料沿着所述第一构件和所述第二构件的相邻的面将所述第一构件结合至所述第二构件，
其中，沿着所述相邻的面，所述第一构件和所述第二构件之间的间隙小于5μm。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第一构件和所述第二构件的所述相邻的面的表面粗糙度在5μm至100nm之间。
3.根据权利要求1所述的组件，其中，所述沟槽限定正方形、矩形、弓形和多边形几何形状中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的组件，其中，所述沟槽限定深度和宽度，并且所述沟槽的所述宽度为所述沟槽的所述深度的5至20倍。
5.根据权利要求1所述的组件，还包括多个沟槽，所述多个沟槽的间隔小于2mm。
6.根据权利要求5所述的组件，其中，所述多个沟槽彼此平行。
7.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第一构件和所述第二构件选自于由陶瓷、氮化铝(AlN)、氧化铝、氧化锆和碳化硅(SiC)组成的组。
8.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第一构件和所述第二构件均为氮化铝(AlN)。
9.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第一构件是平板，并且所述第二构件是平板和空心轴中的至少一者。
10.根据权利要求1所述的组件，其中，所述至少一个沟槽为至少三个沟槽。
11.根据权利要求10所述的组件，其中，所述至少一个沟槽为至少五个沟槽。
12.根据权利要求1所述的组件，其中，所述铝材料是铝箔。
13.一种接合方法，包括：
制备第一构件；
制备第二构件；
在所述第一构件或所述第二构件中的至少一个中形成至少一个沟槽；
在所述第一构件和所述第二构件之间跨越所述沟槽而放置条状的固态铝材料；
将所述第一构件和所述第二构件放在一起以接触所述固态铝材料并形成根据权利要求1-12中任一项所述的组件；
将力和热量施加于所述组件，达到所述固态铝材料的熔点以上，以使所述固态铝材料流入所述沟槽中；
将另外的热量施加于所述组件，达到或超过形成有所述沟槽的所述构件的润湿温度，以将所述第一构件沿着相邻的面结合至所述第二构件；和
对所述组件进行冷却，
其中，沿着所述相邻的面，所述第一构件和所述第二构件之间的间隙小于5μm。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，制备所述第一构件和所述第二构件的步骤包括：使所述第一构件和所述第二构件的所述相邻的面的表面粗糙度在5μm至100nm之间。
15.根据权利要求13所述的组件，其中，所述固态铝材料通过物理气相沉积(PVD)工艺来施加。
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