CN113698208B - 一种等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法及碳化硅载盘 - Google Patents

一种等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法及碳化硅载盘 Download PDF

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Abstract

本申请属于载盘技术领域，具体涉及一种等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法及碳化硅载盘。碳化硅载盘的制造方法包括如下步骤：（1）素胚成型：采用固相烧结体系的碳化硅造粒粉体，通过先干压后等静压或者直接等静压工艺成型出满足尺寸要求的碳化硅素胚；（2）素胚加工：根据等离子刻蚀载盘的成品尺寸和高温烧结收缩率，对外圆、总厚度、正反面槽深预留一定的烧结余量，对成型的素胚进行加工；（3）高温烧结：将加工后的碳化硅载盘素胚进行高温烧结；（4）精加工：先对载盘外圆进行精密研磨和平面研磨，然后以反面槽深为基准，加工载盘的反面；再以载盘总厚度要求为基准，加工载盘的正面；最后进行晶圆槽的精密磨加工，达到槽深要求即可。

Description

一种等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法及碳化硅载盘
技术领域
本申请属于载盘技术领域，具体涉及一种等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法及碳化硅载盘。
背景技术
ICP刻蚀（Inductively Coupled Plasma Etch），即感应耦合等离子体刻蚀。利用高频辉光放电效应，使反应气体激活成活性粒子，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀部位，与被刻蚀材料进行反应，形成挥发性反应物而被去除。其优势在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌。应用于干法刻蚀GaAs、GaN、InGaAs、HfOx和ZnO等半导体材料。
ICP刻蚀经常使用含多种成分的复合气体，其中最主要的是刻蚀反应气体，与被刻蚀材料发生化学反应生成挥发性产物。如Cl2、CF4、SF6等。还包括起抑制作用的气体，可以在侧壁形成阻挡层，实现高的各项异性刻蚀。如CHF3、BCl3、SiCl4、CH4等。这两类气体都具有非常强的腐蚀性。
温度对刻蚀速率的影响主要体现在化学反应速率的变化，因此为了保证刻蚀速率的均匀性和重复性，必须精准的控制衬底温度。因此，对载盘的导热率有较高的要求。
综合以上所述，ICP刻蚀对载盘材料要求：良好的导热性、耐电浆冲击性、低膨胀系数、高比刚度和均温性能，碳化硅陶瓷成为该工艺载盘材料的最优选择。
目前ICP工艺用碳化硅陶瓷载盘的制造方法通常为：首先由材料供应商提供一定厚度的碳化硅圆盘毛坯，然后加工厂商经过外圆加工、平面加工、背部凹槽加工以及正面凹槽加工得到具有一定凹槽深度的碳化硅载盘。该制造工艺中，材料供应商和加工厂商往往相互沟通不通畅，对材料和加工的理解不到位，加工时间比较长，加工成本高，在终端用户出现问题时找不到合理的解决方法。因此，急需一种一体化的、低成本的碳化硅载盘的制造方法。
发明内容
为了解决现有技术中碳化硅载盘制造过程中材料供应商和加工厂商对于材料和加工理解不到位，加工时间比较长，加工成本高，在终端用户出现问题时找不到合理的解决方法的问题，以及直接在成品碳化硅圆盘上加工凹槽具有加工应力高、槽深受限、报废率高的问题，本申请公开了一种等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法及碳化硅载盘，该制造方法将碳化硅材料的制造和载盘结构的加工融为一体，随着碳化硅材料的制造逐步加工出载盘结构，有效提高了生产效率，大幅降低了生产成本。
第一方面，本申请提供一种碳化硅微反应组件的制造方法，采用如下的技术方案：
一种等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法，包括如下步骤：
（1）素胚成型：采用固相烧结体系的碳化硅造粒粉体，通过先干压后等静压或者直接等静压工艺成型出满足尺寸要求的碳化硅素胚；
（2）素胚加工：根据等离子刻蚀载盘的成品尺寸和高温烧结收缩率，对外圆、总厚度、正反面槽深预留一定的烧结余量，对成型的碳化硅素胚进行加工中心加工；
（3）高温烧结：将加工后的碳化硅载盘素胚进行高温烧结；
（4）精加工：首先对载盘的外圆进行精密研磨和平面研磨，然后以反面槽深要求为基准，加工载盘的反面；再以载盘总厚度要求为基准，加工载盘的正面；最后进行晶圆槽的精密磨加工，达到槽深要求即可。
作为优选，上述步骤（2）素胚加工中，正面槽加工出槽的外部轮廓，槽内保留有未加工去除的支撑部分，用于在步骤（3）高温烧结的过程中起到支撑作用。
作为优选，上述支撑部分是与正面槽为同心圆的圆环结构，所述圆环结构至少具有一个。
作为优选，上述圆环结构将步骤（2）素胚加工所得的正面槽按直径均等分隔，所述圆环结构中环的宽度为5-15mm。
作为优选，上述步骤（3）中的高温烧结为叠压烧结。
作为优选，上述叠压烧结是将加工后的碳化硅载盘素胚固定于石墨板之间进行高温烧结，控制烧结变形。
作为优选，上述石墨板在与载盘素胚接触的一面设有排气槽，所述石墨板的厚度为10-15mm，所述排气槽的深度为0.2-3mm。
作为优选，上述步骤（3）高温烧结之后，载盘反面的加工余量为0.05-0.2mm，载盘正面的加工余量为0.2-0.3mm；
所述步骤（4）中加工载盘的反面是指对载盘的反面进行0.05-0.2mm的平面加工，加工载盘的正面是指对载盘的正面进行0.2-0.3mm的平面加工，晶圆槽的精密磨加工是指对载盘正面的槽进行0.1-0.2mm的精密磨加工；
所述步骤（4）中加工载盘的反面之后，载盘反面的槽深为0.15-0.2mm。
作为优选，上述的等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法，还包括步骤（5）清洗包装：对加工后的载盘进行碱液清洗、水洗和真空包装。
第二方面，本申请提供一种碳化硅载盘，采用如下的技术方案：
一种碳化硅载盘，采用上述的等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法制造而成。
本申请具有如下的有益效果：
（1）本申请中等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法将碳化硅材料的制造和载盘结构的加工融为一体，随着碳化硅材料的制造逐步加工出载盘结构，缩短了加工时间，加工时间可以从传统制造方法的30小时降低到10小时左右，有效提高了生产效率，同时大幅降低了生产成本；
（2）本申请在素胚加工过程中，正面槽加工出槽的外部轮廓，槽内保留未加工除去的支撑部分，该支撑部分可以在高温烧结过程中起到有效的支撑作用，避免因正面槽的槽底到载盘反面的厚度过小而造成烧结变形量过大，进而影响反面槽的尺寸，在此基础上，后续对载盘反面的加工过程中，才可以只以反面槽深为基准，对载盘反面进行精加工，而无需对反面槽进行磨加工；
（3）本申请中正面槽加工过程中未加工去除的支撑部分是与正面槽为同心圆的圆环结构，设置为圆环结构而非圆饼结构可以具有较小的加工余量，后期精加工过程中只需要将相应的圆环部分加工去除即可，减小加工量，提高加工效率，当正面槽的直径较小时（比如在100mm左右或100mm以内），只设置一个同心的圆环结构即可起到较好的支撑作用，当正面槽的直径较大时（比如在150mm左右或超过150mm），一个同心的圆环结构无法起到有效的支撑作用，则需要设置两个或两个以上同心的圆环结构，以确保在高温烧结过程中起到有效的支撑作用；
（4）本申请中正面槽加工过程中未加工去除的圆环结构将步骤（2）素胚加工所得的正面槽按直径均等分隔（即，当设置一个同心的圆环结构时，该圆环结构的外径为正面槽内径的一半±10mm左右，当设置两个同心的圆环结构时，最内圈圆环结构的外径为正面槽内径的三分之一±10mm左右，外面的圆环结构的外径为正面槽内径的三分之二±10mm左右），圆环结构中环的宽度为5-15mm，发明人经过精确的计算和大量的试验，最终确定该方式设置的圆环结构作为支撑部分可以起到最好的支撑效果，最大程度上减小烧结变形量；
（5）本申请中碳化硅载盘正反面的槽是在高温烧结之前的素胚加工过程中，通过预留一定的烧结余量加工获得，使烧结后获得的载盘只具有非常少的加工余量，之后在精加工过程中再分别以反面的槽深和载盘总厚度为基准进行厚度上的加工，并进一步针对正面的槽进行精密磨加工，达到槽深要求；由于传统载盘上凹槽的加工是直接在成品碳化硅圆盘上进行，具有较高的加工应力，加工难度大，槽深受到限制，通常只能达到0.6 mm左右；而本申请将正反面槽的初步加工放在高温烧结之前的素胚加工步骤，此时素胚的硬度较低，便于加工，不仅可以缩短加工时间，而且可加工的槽深度更大，可以达到1.2mm，比传统加工方法获得的载盘槽深提高了一倍，载盘的使用寿命显著提高；
（6）由于传统加工方法直接使用成品碳化硅圆盘进行加工，具有较高的加工应力，提高了加工难度，加工过程中容易碎盘，报废率高，而且载盘内应力较大，导致使用寿命较低；而本申请是在素胚上预加工槽，然后进行高温烧结，获得厚度上具有微小余量的载盘，然后分别进行反面和正面的平面加工，以及正面槽的精密磨加工即可，此过程中只对载盘反面进行平面加工，大大降低了载盘的加工应力，可有效降低破损率，并有利于提高载盘寿命；
（7）本申请中的高温烧结为叠压烧结，将待烧结的载盘放置于带排气槽的石墨板之间，排气槽可进行脱粘排气，使内外温差更小，应力变形小，载盘的厚度可控。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请进一步说明。
图1是本申请高温烧结过程中所用石墨板的结构示意图；
图2是实施例1制备载盘过程中步骤（2）素胚加工后获得的载盘正面照片；
图3是实施例1制备载盘过程中步骤（2）素胚加工后获得的载盘反面照片；
图4是实施例1制备载盘过程中步骤（3）高温烧结后获得的载盘正面照片；
图5是实施例1制备载盘过程中步骤（3）高温烧结后获得的载盘反面照片；
图6是实施例1制备载盘过程中步骤（4）精加工后获得的载盘正面照片；
图7是实施例1制备载盘过程中步骤（4）精加工后获得的载盘反面照片；
图中：1、石墨板；2、排气槽。
具体实施方式
现在结合实施例对本申请作进一步详细的说明。
碳化硅材料在高温烧结过程中，各个方向都有20%左右的体积收缩，因此，素胚加工过程中，可根据收缩率计算具体的加工参数，使高温烧结后得到的载盘外圆、总厚度、正反面槽深与设计尺寸相比，只有微小的余量。
实施例1
所制备的碳化硅载盘参数：直径380 mm，总厚度4.4 mm，反面槽深0.15 mm，反面槽宽5 mm，正面槽深1.2 mm，正面槽直径101 mm。
制造方法如下：
（1）素胚成型：采用固相烧结体系的碳化硅造粒粉体，通过先干压后等静压或者直接等静压工艺成型出满足尺寸要求的碳化硅素胚。
（2）素胚加工：根据等离子刻蚀载盘的成品尺寸和高温烧结收缩率，对外圆、总厚度、正反面槽深预留一定的烧结余量，对成型的碳化硅素胚进行加工中心加工。此步骤加工后碳化硅素胚的直径为464.8 mm，总厚度为5.8 mm，反面槽深为0.4 mm，反面槽宽为6.1mm，正面槽深为1.6 mm，正面槽直径为119.3 mm，正面槽内圆环结构的外径为63.15mm，环的宽度为7mm。图2和图3分别为素胚加工后所获得的载盘素胚的正反面照片。
（3）高温烧结：将加工后的碳化硅载盘素胚固定于带有排气槽2的石墨板1之间进行高温烧结，控制烧结变形；高温烧结的条件为：2100-2150℃，0.5 h；高温烧结后得到的载盘参数为：直径383 mm，总厚度4.8 mm，反面槽深0.3mm，反面槽宽5 mm，正面槽深1.3 mm，正面槽直径97.2 mm。图4和图5分别为高温烧结后所获得的载盘的正反面照片。
（4）精加工：首先对载盘的外圆进行精密研磨和平面研磨，使载盘直径达到380mm，然后以反面槽深要求为基准，对载盘的反面进行平面加工，使反面槽深达到0.15 mm；再以载盘总厚度要求为基准，对载盘的正面进行平面加工，使载盘的总厚度达到4.4 mm；最后加工去除正面槽内的圆环结构，进行晶圆槽的精密磨加工，使载盘晶圆槽的槽深达到1.2mm，槽直径达到101 mm。图6和图7分别为精加工后所获得的载盘的正反面照片。图6中所示的正面槽边缘部位向外延伸的小凹槽是载盘上设置的方便取片的结构，精加工过程中加工出相应的部分即可。
实施例2
所制备的碳化硅载盘参数：直径380 mm，总厚度4.4 mm，反面槽深0.2 mm，反面槽宽5 mm，正面槽深1.2 mm，正面槽直径102 mm。
制造方法如下：
（1）素胚成型：采用固相烧结体系的碳化硅造粒粉体，通过先干压后等静压或者直接等静压工艺成型出满足尺寸要求的碳化硅素胚。
（2）素胚加工：根据等离子刻蚀载盘的成品尺寸和高温烧结收缩率，对外圆、总厚度、正反面槽深预留一定的烧结余量，对成型的碳化硅素胚进行加工中心加工。此步骤加工后碳化硅素胚的直径为463.8 mm，总厚度为5.8 mm，反面槽深为0.45mm，反面槽宽为6.1mm，正面槽深为1.6mm，正面槽直径为120.5 mm，正面槽内圆环结构的外径为62.75mm，环的宽度为5mm。
（3）高温烧结：将加工后的碳化硅载盘素胚固定于带有排气槽2的石墨板1之间进行高温烧结，控制烧结变形；高温烧结的条件为：2100-2150℃，1 h；高温烧结后得到的载盘参数为：直径382 mm，总厚度4.8 mm，反面槽深0.35 mm，反面槽宽5 mm，正面槽深1.3 mm，正面槽直径98 mm。
（4）精加工：首先对载盘的外圆进行精密研磨和平面研磨，使载盘直径达到380mm，然后以反面槽深要求为基准，对载盘的反面进行平面加工，使反面槽深达到0.2 mm；再以载盘总厚度要求为基准，对载盘的正面进行平面加工，使载盘的总厚度达到4.4 mm；最后加工去除正面槽内的圆环结构，进行晶圆槽的精密磨加工，使载盘正面晶圆槽的槽深达到1.2 mm，槽直径达到102 mm。
实施例3
所制备的碳化硅载盘参数：直径380 mm，总厚度3.2 mm，反面槽深0.15 mm，反面槽宽5 mm，正面槽深1 mm，正面槽宽直径100.5 mm。
制造方法如下：
（1）素胚成型：采用固相烧结体系的碳化硅造粒粉体，通过先干压后等静压或者直接等静压工艺成型出满足尺寸要求的碳化硅素胚。
（2）素胚加工：根据等离子刻蚀载盘的成品尺寸和高温烧结收缩率，对外圆、总厚度、正反面槽深预留一定的烧结余量，对成型的碳化硅素胚进行加工中心加工。此步骤加工后碳化硅素胚的直径为463.8 mm，总厚度为4.4 mm，反面槽深为0.4mm，反面槽宽为6.1 mm，正面槽深为1.4 mm，正面槽直径为119 mm，正面槽内圆环结构的外径为64.5mm，环的宽度为10mm。
（3）高温烧结：将加工后的碳化硅载盘素胚固定于带有排气槽2的石墨板1之间进行高温烧结，控制烧结变形；高温烧结的条件为：2100-2150℃，1.5 h；高温烧结后得到的载盘参数为：直径382 mm，总厚度3.6 mm，反面槽深0.3 mm，反面槽宽5 mm，正面槽深1.15 mm，正面槽直径97 mm。
（4）精加工：首先对载盘的外圆进行精密研磨和平面研磨，使载盘直径达到380mm，然后以反面槽深要求为基准，对载盘的反面进行平面加工，使反面槽深达到0.15 mm；再以载盘总厚度要求为基准，对载盘的正面进行平面加工，使载盘的总厚度达到3.2 mm；最后加工去除正面槽内的圆环结构，进行晶圆槽的精密磨加工，使载盘正面晶圆槽的槽深达到1mm，槽直径达到100.5 mm。
实施例4
所制备的碳化硅载盘参数：直径380 mm，总厚度4 mm，反面槽深0.2 mm，反面槽宽5mm，正面槽深1.4 mm，正面槽直径101 mm。
制造方法如下：
（1）素胚成型：采用固相烧结体系的碳化硅造粒粉体，通过先干压后等静压或者直接等静压工艺成型出满足尺寸要求的碳化硅素胚。
（2）素胚加工：根据等离子刻蚀载盘的成品尺寸和高温烧结收缩率，对外圆、总厚度、正反面槽深预留一定的烧结余量，对成型的碳化硅素胚进行加工中心加工。此步骤加工后碳化硅素胚的直径为463.8mm，总厚度为5.35 mm，反面槽深为0.4 mm，反面槽宽为6.1mm，正面槽深为1.91 mm，正面槽直径为119.1 mm，正面槽内圆环结构的外径为63.55mm，环的宽度为8mm。
（3）高温烧结：将加工后的碳化硅载盘素胚固定于带有排气槽2的石墨板1之间进行高温烧结，控制烧结变形；高温烧结的条件为：2100-2150℃，2 h；高温烧结后得到的载盘参数为：直径382 mm，总厚度4.4 mm，反面槽深0.3 mm，反面槽宽5 mm，正面槽深1.55 mm，正面槽直径97 mm。
（4）精加工：首先对载盘的外圆进行精密研磨和平面研磨，使载盘直径达到380mm，然后以反面槽深要求为基准，对载盘的反面进行平面加工，使反面槽深达到0.2 mm；再以载盘总厚度要求为基准，对载盘的正面进行平面加工，使载盘的总厚度达到4 mm；最后加工去除正面槽内的圆环结构，进行晶圆槽的精密磨加工，使载盘正面晶圆槽的槽深达到1.4mm，槽直径达到101 mm。
在叠压烧结过程中，将待烧结的碳化硅载盘素胚固定于带排气槽2的石墨板1之间，一般碳化硅载盘素胚的数量控制在10-15块，石墨板1的厚度为10-15mm，排气槽2的深度为0.2-3mm。此方法有利于控制载盘的烧结变形，排气槽2可进行脱粘排气，使内外温差更小，应力变形小，载盘的厚度可控。
在等离子刻蚀过程中，将要进行等离子刻蚀的Si载片或蓝宝石载片放置在载盘正面的凹槽中，进入到刻蚀腔体，在刻蚀气体下，气体会逐步的刻蚀载片两侧高出的部分，也就是高于槽深的部分会逐步被刻蚀掉。当槽深不能对载片进行很好的定位，通常就是槽深降低到0.2mm以内的时候，载盘就不能继续使用。因此可以看出，槽深跟寿命有直接的正比关系。本申请载盘正面槽深从传统的0.6mm左右（使用寿命3000次左右）增加到1.2mm（使用寿命6000次左右），槽深增加一倍，载盘寿命也提高了一倍。特别是当刻蚀气体腐蚀比较严重时，较小的槽深造成载盘的使用寿命很低，必须要提高槽深，本申请能够更好满足实际应用。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）素胚成型：采用固相烧结体系的碳化硅造粒粉体，通过先干压后等静压或者直接等静压工艺成型出满足尺寸要求的碳化硅素胚；
（2）素胚加工：根据等离子刻蚀载盘的成品尺寸和高温烧结收缩率，对外圆、总厚度、正反面槽深预留一定的烧结余量，对成型的碳化硅素胚进行加工中心加工；
（3）高温烧结：将加工后的碳化硅载盘素胚进行高温烧结；
（4）精加工：首先对载盘的外圆进行精密研磨和平面研磨，然后以反面槽深要求为基准，加工载盘的反面；再以载盘总厚度要求为基准，加工载盘的正面；最后进行晶圆槽的精密磨加工，达到槽深要求即可；
所述步骤（2）素胚加工中，正面槽加工出槽的外部轮廓，槽内保留有未加工去除的支撑部分，用于在步骤（3）高温烧结的过程中起到支撑作用；
所述支撑部分是与正面槽为同心圆的圆环结构，所述圆环结构至少具有一个；
所述圆环结构将步骤（2）素胚加工所得的正面槽按直径均等分隔；
所述步骤（3）中的高温烧结为叠压烧结；
所述叠压烧结是将加工后的碳化硅载盘素胚固定于石墨板之间进行高温烧结，控制烧结变形；
所述石墨板在与载盘素胚接触的一面设有排气槽。
2.如权利要求1所述的等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法，其特征在于：所述圆环结构中环的宽度为5-15mm。
3.如权利要求1所述的等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法，其特征在于：所述石墨板的厚度为10-15mm，所述排气槽的深度为0.2-3mm。
4.如权利要求1所述的等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法，其特征在于：所述步骤（3）高温烧结之后，载盘反面的加工余量为0.05-0.2mm，载盘正面的加工余量为0.2-0.3mm；
所述步骤（4）中加工载盘的反面是指对载盘的反面进行0.05-0.2mm的平面加工，加工载盘的正面是指对载盘的正面进行0.2-0.3mm的平面加工，晶圆槽的精密磨加工是指对载盘正面的槽进行0.1-0.2mm的精密磨加工；
所述步骤（4）中加工载盘的反面之后，载盘反面的槽深为0.15-0.2mm。
5.如权利要求1所述的等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法，其特征在于：还包括步骤（5）清洗包装：对加工后的载盘进行碱液清洗、水洗和真空包装。
6.一种碳化硅载盘，其特征在于：采用权利要求1-5任一项所述的等离子刻蚀用碳化硅载盘的制造方法制造而成。
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