DE112018005933B4

DE112018005933B4 - Keramiksockelanordnung und Verfahren zur Bildung einer Keramiksockelanordnung

Info

Publication number: DE112018005933B4
Application number: DE112018005933.2T
Authority: DE
Inventors: Mohammad Nosrati; Kevin Ptasienski
Original assignee: Watlow Electric Manufacturing Co
Current assignee: Watlow Electric Manufacturing Company St Lou Us
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2021-11-18
Anticipated expiration: 2038-11-21
Also published as: KR20200079555A; KR102188366B1; US10483147B2; DE112018005933T8; TW201933525A; TWI704643B; DE112018005933T5; JP6820451B1; US20190157127A1; CN212874436U; WO2019104040A1; JP2021504970A

Abstract

Keramiksockelanordnung (22), umfassend:
- ein Substrat (30) mit einer ersten Funktionsschicht (42) und einer zweiten Funktionsschicht (44), wobei die erste und die zweite Funktionsschicht (42, 44) auf gegenüberliegenden Seiten (32, 34) des Substrats (30) angeordnet sind; und
- mindestens eine Durchkontaktierung (136) durch das Substrat (30), umfassend:
- eine obere Durchkontaktierung (138), die einen Hohlraum (154) definiert; und
- eine untere Durchkontaktierung (140), die einen korrespondierenden Einsatz (160) definiert, wobei
- die erste Funktionsschicht (42), die zweite Funktionsschicht (44) und die mindestens eine Durchkontaktierung (136) ein Material mit einer Schmelztemperatur von mehr als 2000 °C und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger als der des Substrates (30) ist, aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleiterverarbeitungsvorrichtungen und insbesondere Substratträgersockel zum Tragen und Erwärmen eines Substrats wie eines Wafers auf.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Erfindung und stellen möglicherweise keinen Stand der Technik dar.
US 6 310 755 B1 offenbart eine elektrostatische Spannvorrichtung zum Halten eines Substrats in einer Kammer. Die elektrostatische Spannvorrichtung umfasst ein elektrostatisches Element und einen Träger unter dem elektrostatischen Element. Das elektrostatische Element weist ein Dielektrikum mit einer zur Aufnahme des Substrats geeigneten Oberfläche auf, wobei das Dielektrikum eine Elektrode bedeckt, die zum elektrostatischen Halten des Substrats aufladbar ist. Der Träger weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der in einem Bereich von etwa ±30 % eines Wärmeausdehnungskoeffizienten des elektrostatischen Elements beträgt. Der Träger umfasst einen Hohlraum, der zum Halten von Gas geeignet ist.
Eine Waferträgeranordnung wie ein Sockel für die Halbleiterverarbeitung ist in einer Halbleiterverarbeitungskammer angeordnet und umfasst typischerweise einen Waferträgerabschnitt und eine Welle, die an einem zentralen Bereich des Waferträgerabschnitts befestigt ist. Der Waferträgerabschnitt kann eine Widerstandsschicht mit einem Widerstandsheizelement zum Erzeugen von Wärme und elektrischen Anschlüssen zum Verbinden der Widerstandsheizelemente mit einer externen Energiequelle enthalten. Die elektrischen Anschlüsse sind neben dem zentralen Bereich des Waferstützabschnitts angeordnet und erstrecken sich in die Welle. Typischerweise werden beim Integrieren von mehr als einer Widerstandsschicht eine Leit(Routing)schicht und Durchkontaktierungen (vias) oder Verbindungen verwendet, um die Heizschaltungen im zentralen Bereich des Waferträgerabschnitts zu verbinden und zu beenden.
Die oberen und unteren Schichten des Wafer-Trägerabschnitts sind beispielsweise durch Diffusionsbindung oder unterstütztes Heißpresssintern miteinander verbunden. Dieses Hochdruckverfahren mit geringer Dehnung bildet ein Pulver oder verdichtetes Pulver bei einer Temperatur, die hoch genug ist, um das Sintern zu induzieren, um eine Komponente/einen Presskörper mit hoher Dichte zu bilden. Typischerweise wird das verdichtete Pulver in eine Form gegeben und hohe Temperaturen und Druck werden zum Verdichten und Sintern angewendet. Die Form besteht aus einem Material, das den hohen Temperaturen und Drücken standhält, wie beispielsweise Graphit.
Zu den Herausforderungen, die mit integrierten Durchkontaktierungen oder Verbindungen während des Sinterns in der Heißpresse verbunden sind, gehören induzierte Spannungen aufgrund des Schrumpfens der Keramik, unkontrollierbare und unvorhergesehene Verschiebungen, hohe plastische Verformung sowie Versagen und Brechen der elektrisch leitenden Durchkontaktierungen. Ein weiteres Problem ist die Wechselwirkung der Durchkontaktierungen und des Keramikmaterials während des Heißpresssinterprozesses mit Kohlenstoff, der aus Graphitformen emittiert wird. Diese Herausforderungen, unter anderem Herausforderungen bei der Verwendung von Keramiksockeln bei der Halbleiterverarbeitung, werden in der vorliegenden Erfindung angesprochen.
ZUSAMMENFASSUNG
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Keramiksockelanordnung (Keramikpedestals) bereit, die ein Substrat mit einer ersten Funktionsschicht und einer zweiten Funktionsschicht umfasst, wobei die erste und die zweite Funktionsschicht an gegenüberliegenden Seiten des Substrats angeordnet sind. Die Keramiksockelanordnung umfasst ferner mindestens eine Durchkontaktierung durch das Substrat, wobei jede Durchkontaktierung eine obere Durchkontaktierung eines Hohlraums und eine untere Durchkontaktierung eines korrespondierenden Einsatzes umfasst. Die erste Funktionsschicht, die zweite Funktionsschicht und die Durchkontaktierungen ein Material mit einer Schmelztemperatur von mehr als 2000 °C und einem Wärmeausdehungskoeffizienten (CTE), der niedriger ist als der des Substrats, aufweisen.
In einer Alternative besteht das Substrat aus einem Aluminiumnitridmaterial und die mindestens eine Durchkontaktierung, die erste Funktionsschicht und die zweite Funktionsschicht bestehen aus einem Molybdänmaterial.
In anderen Alternativen ist die untere Durchkontaktierung durch den Hohlraum der oberen Durchkontaktierung derart aufgenommen ist, dass eine Interferenzpassung zwischen der oberen und unteren Durchkontaktierung gebildet ist, wenn das Keramiksubstrat erwärmt wird, ist ein oberer Abschnitt der oberen Durchkontaktierung und ein unterer Abschnitt des unteren Durchkontaktierung sind verjüngt ausgebildet und/oder weisen der Hohlraum der oberen Durchkontaktierung und der korrespondierende Einsatzes des unteren Hohlraums eine Querschnittsform, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus polygonal, planar, kreisförmig, oval, dreieckig und elliptisch, auf. Die erste Funktionsschicht kann eine Widerstandsheizschicht mit mindestens einem Widerstandsheizelement sein, und die zweite Funktionsschicht ist eine Leitschicht, wobei jedes Widerstandsheizelement mindestens eine Widerstandsheizzone definiert.
In einer weiteren Alternative umfasst die Keramiksockelanordnung weiterhin mindestens eine Opferschicht über mindestens einer der ersten Funktionsschicht und der zweiten Funktionsschicht. Die Opferschicht(en) können aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Wolfram, Wolframcarbid und Bornitrid besteht.
In einer weiteren Variation enthält die Keramiksockelanordnung ferner eine Hochfrequenz(HF)gitterschicht.
In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Keramiksockelanordnung zur Verfügung, die ein Keramiksubstrat umfasst, das eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche definiert, und mindestens eine Durchkontaktierung durch das Keramiksubstrat. Die mindestens eine Durchkontaktierung umfasst eine obere Durchkontaktierung, die einen sich verjüngenden Hohlraum definiert, und eine untere Durchkontaktierung, die einen korrespondierenden sich verjüngenden Einsatz definiert. Die Keramiksockelanordnung umfasst ferner eine obere leitende Folienschicht, die sich über die obere Oberfläche des Keramiksubstrats erstreckt, und eine untere leitende Folienschicht, die sich über die untere Oberfläche des Keramiksubstrats erstreckt. Die obere Durchkontaktierung, die untere Durchkontaktierung und die leitenden Folienschichten weisen ein Material mit einer Schmelztemperatur von mehr als 2000 °C und einem Wärmeausdehungskoeffizienten (CTE) auf, der niedriger oder gleich demjenigen des Keramiksubstrats ist. Ein oberer Teil der Durchkontaktierung und ein unterer Abschnitt der unteren Durchkontaktierung sind verjüngend ausgebildet. Die untere Durchkontaktierung wird vom Hohlraum der oberen Durchkontaktierung so aufgenommen, dass beim Erhitzen des Keramiksubstrats eine Presspassung zwischen der oberen und der unteren Durchkontaktierung gebildet wird.
In anderen Ausführungsformen kann die Keramiksockelanordnung weiterhin mindestens eine Opferschicht über mindestens eine der oberen und unteren leitenden Folienschichten umfassen. Die Opferschicht kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Wolfram, Wolframcarbid und Bornitrid. Ein oberer Abschnitt der oberen Durchkontaktierung und ein unterer Abschnitt der unteren Durchkontaktierung können sich verjüngend ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Bildung einer Keramiksockelanordnung bereit. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bildens eines Keramiksubstrats in einem grünen Zustand mit mindestens einer Öffnung, wobei eine obere Durchkontaktierung, die einen sich verjüngenden Hohlraums definiert, durch eine obere Oberfläche des Keramiksubstrats angeordnet wird, wobei eine untere Durchkontaktierung, die einen korresondierenden, sich verjüngenden Einsatz bildet, durch eine untere Oberfläche des Keramiksubstrats angeordnet wird, Anordnen einer oberen leitenden Folienschicht über der oberen Oberfläche des Keramiksubstrats, Anordnen einer unteren leitenden Folienschicht, die sich über die untere Oberfläche des Keramiksubstrats erstreckt, und Heißpressen der Anordnung in einer uniaxialen Richtung. In dieser Ausführungsform weisen die obere Durchkontaktierung, die untere Durchkontaktierung und die leitenden Folienschichten ein Material mit einer Schmelztemperatur von mehr als 2000 °C und einem Wärmeausdehungskoeffizienten (CTE), der niedriger oder gleich dem des Keramiksubstrats ist, auf. Die Anordnung kann in einer Graphitform angeordnet werden.
In einer Ausfürhungsform besteht das Keramiksubstrat aus einem Aluminiumnitridmaterial, und die obere Durchkontaktierung, die untere Durchkontaktierung und die obere und untere leitfähige Folienschicht bestehen aus einem Molybdänmaterial.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin das Sintern der Druckanordnung bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1700 °C bis etwa 2000 °C.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin das Aufbringen mindestens einer Opferschicht auf mindestens einer der oberen leitenden Folienschicht und der unteren leitenden Folienschicht und das anschließende Entfernen der Opferschicht. Die Opferschicht ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wolfram, Wolframcarbid und Bornitrid.
In anderen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Bilden mindestens einer Heizschicht in der oberen leitenden Folienschicht, das Bilden einer Leitschicht in der unteren leitenden Folienschicht und das Bilden einer HF-Gitterschicht.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus dieser Beschreibung ersichtlich werden.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Figuren nähergehend beschrieben werden, wobei:

1 ist eine Seitenansicht einer Keramiksockelanordnung, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
2 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Keramiksockelanordnung, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
3 stellt einen grünen Zustand (Grünling) der Keramiksockelanordnung gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung dar;
4 ist eine perspektivische Draufsicht auf ein Keramiksubstrat gemäß einer Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung;
5A ist eine Querschnittsansicht einer Durchkontaktierung, die sich durch ein Keramiksubstrat erstreckt, das sich gemäß der vorliegenden Erfindung in einem grünen Zustand befindet;
5B ist eine Querschnittsansicht von Durchkontaktierungen mit einem abgeschrägten Einsatz und einem abgeschrägten Hohlraum gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5C ist eine Querschnittsansicht von Durchkontaktierungen mit im Allgemeinen rechteckigen Querschnitten;
6 stellt einen Sinterzustand der Keramiksockelanordnung gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung dar;
7 ist eine vergrößerte Ansicht einer Durchkontaktierung von 6, die sich durch ein Keramiksubstrat und in einem gesinterten Zustand gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung erstreckt;
8 ist eine perspektivische Ansicht einer oberen leitenden Folienschicht als eine Widerstandsheizschicht, die auf einem Keramiksubstrat gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
9 ist eine perspektivische Ansicht einer unteren leitenden Folienschicht als eine auf einem Keramiksubstrat gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung gebildete Leitschicht; und
10 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Bildung einer Keramiksockelanordnung gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung darstellt.

Gleichlautende Bezugszeichen geben entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Figuren an.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf 1 kann ein Trägersockel 20, der gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, in einer Halbleiterverarbeitungskammer zum Tragen und Erwärmen eines zu erhitzenden Bauteils, wie beispielsweise eines Wafers, dazu verwendet werden. Der Stützsockel 20 umfasst eine Keramiksockelanordnung 22 und eine rohrförmige Welle 24, die an einem zentralen Bereich 23 der Sockelanordnung 22 angebracht ist. Die Sockelanordnung 22 umfasst eine obere Oberfläche 25 zum Tragen eines Substrats, wie beispielsweise eines Wafers (nicht gezeigt), auf dieser und eine untere Oberfläche 27, an der die rohrförmige Welle 24 angebracht ist. Der Stützsockel 20 umfasst weiterhin mehrere elektrische Kabel 26, die in der rohrförmigen Welle 24 aufgenommen sind, um mindestens ein elektrisches Element/eine elektrische Schicht (nicht gezeigt) zu verbinden, die in die Sockelanordnung 22 eingebettet und mit einer externen Stromquelle verbunden ist. Die elektrische Schicht kann je nach Anwendung eine Widerstandsheizschicht, ein Temperatursensor, eine Elektrode für ein elektrostatisches Spannfutter (ESC) oder eine Hochfrequenzantenne (HF) usw. sein. In den Zeichnungen nicht gezeigt ist, dass die Sockelanordnung 22 optional eine Gasleitung zum Aufnehmen eines Spülgases und eine Vakuumleitung aufweisen kann, um eine Vakuumklemmung für den Wafer bereitzustellen. Zusätzliche Informationen bezüglich des Stützsockels wurden in der US-amerikanischen Anmeldung US 62/589,023 (provisional application) offenbart.
In 2 ist eine Teilseitenquerschnittsansicht der Keramiksockelanordnung 22 gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform umfasst die Keramiksockelanordnung 22 ein Keramiksubstrat 30, das eine obere Oberfläche 32 und eine untere Oberfläche 34 aufweist. Die Anordnung 22 umfasst ferner mindestens eine Durchkontaktierung 36, die sich durch das Keramiksubstrat 30 erstreckt, eine obere leitende Folienschicht 42 und eine untere leitende Folienschicht 44. In dieser Ausführungsform bestehen die mindestens eine Durchkontaktierung 36, die obere leitende Folienschicht 42 und die untere leitende Folienschicht 44 aus einem Material mit einer Schmelztemperatur von mehr als 2000 °C und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), der niedriger oder gleich demjenigen des Keramiksubstrats 30 ist, was nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Die mindestens eine Durchkontaktierung 36 erstreckt sich durch das Keramiksubstrat 30, so dass eine obere Oberfläche 46 der Durchkontaktierung 36 mit der oberen leitenden Folienschicht 42 in Kontakt steht und eine untere Oberfläche 56 der Durchkontaktierung 36 mit der unteren leitenden Folienschicht 44 in Kontakt steht. Die Durchkontaktierungen 36 sind ebenfalls ein leitendes Material, und die Durchkontaktierungen 36 stellen einen elektrischen Durchgang zwischen der oberen leitenden Folienschicht 42 und der unteren leitenden Folienschicht 44 zur Verfügung.
In einer Form ist die leitende Folienschicht 42 eine Widerstandsschicht zum Erzeugen von Wärme, und die untere leitende Folienschicht 44 ist eine Leitschicht. Insbesondere umfasst die Widerstandsschicht mehrere Widerstandsheizelemente, die unabhängig voneinander steuerbar sind und eine oder mehrere Heizzonen definieren. Die Leitschicht ist elektrisch mit einem oder mehreren der Kabel 26 verbunden und ist konfiguriert, um die Leistung zu steuern, die den Heizzonen der Widerstandsschicht zugeführt wird. Die Durchkontaktierungen 36 erstrecken sich durch das Substrat 30 und verbinden elektrisch die Widerstandsschicht und die Leitschicht, die auf gegenüberliegenden Seiten/Oberflächen des Substrats 30 angeordnet sind. Somit versorgt die Leitschicht eine oder mehrere Zonen der Widerstandsschicht über die Durchkontaktierungen 36 mit Strom.
Es versteht sich, dass die Folienschichten 42, 44 in einer anderen Ausführungsform als in Folienform bereitgestellt werden können, wie beispielsweise in einer „geschichteten“ Ausbildung, wobei „geschichtet“ als eine Ausbildung ausgelegt werden sollte, die hergestellt wird durch Verfahren wie Dünnfilm, Dickfilm, thermisches Sprühen und Sol-Gel, wobei die Schicht durch Aufbringen oder Ansammeln eines Materials auf ein Substrat gebildet wird. Daher sollten die Folienschichten 42, 44 und ihre Anordnung relativ zum Keramiksubstrat 30 keinesfalls so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der vorliegenden Erfindung einschränken. Dementsprechend können diese Schichten im weiteren Sinne auch als „Funktionsschichten“ bezeichnet werden, so dass die vorliegende Erfindung nicht auf die leitfähige Folie oder die spezifischen Funktionen einer Heizung und einer Leitschicht beschränkt ist, wie hierin dargestellt und beschrieben.
Darüber hinaus kann die Keramiksockelanordnung 22 zusätzliche Schichten enthalten (z. B. zusätzliche Funktionsschichten wie unter anderem eine Verbindungsschicht, dielektrische Schicht, Sensorschicht und Schutzschicht), wobei sie durch die vorliegende Erfindung abgedeckt ist. In einer beispielhaften Form umfasst die Keramiksockelanordnung 22 ferner eine integrierte Hochfrequenz (HF)-Gitterschicht, die elektrisch mit dem Erdungsanschluss verbunden ist, um das von der Verarbeitungskammer auferlegte HF-Plasma oder Magnetfeld zu kompensieren. Alternativ ist mindestens eine der oberen leitenden Folienschicht 42 und der unteren leitenden Folienschicht 44 eine HF-Gitterschicht. Im Allgemeinen wird die HF-Gitterschicht als Antenne verwendet, um HF-Plasma oder Magnetfeld, das von der Verarbeitungskammer angelegt wird, durch den Erdungsanschluss und die Abschirmung zu leiten und Heizungsschaltungen und Sensorvorrichtungen zu schützen.
Das Bilden der Keramiksockelanordnung 22 umfasst das Aufnehmen von Pulver, das bereits in eine gewünschte Form gebracht wurde, und das Umwandeln des Pulvermaterials in einen dichten Feststoff durch Erhitzen der Anordnung, d.h. Sintern. Ein grüner Zustand (Grünling) bezieht sich auf das geformte Pulver oder den geformten grünen Körper, bevor die Anordnung erhitzt wird.
3, 4 und 5A veranschaulichen das Bilden der Keramiksockelanordnung 22 basierend auf den Lehren der vorliegenden Erfindung. Zur Bildung der Keramiksockelanordnung 22 ist ein Keramiksubstrat 130 vorgesehen, das sich im grünen Zustand befindet. Das Keramiksubstrat 130 hat eine obere Oberfläche 132 und eine untere Oberfläche 134 und definiert mindestens eine Öffnung 166 (4), die sich durch das Keramiksubstrat 130 erstreckt, um eine Durchkontaktierung 136 (3) aufzunehmen. Die Anzahl der Öffnungen 166 entspricht der Anzahl der Durchkontaktierungen 136. Das Keramiksubstrat 130 im grünen Zustand kann beispielsweise durch kaltisostatisches Pressen (CIP) gebildet werden, wodurch die gewünschte Festigkeit zum Handhaben, Bearbeiten und Sintern der Keramiksockelanordnung bereitgestellt wird.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 3 und 5A umfassen jeweils die Durchkontaktierung 136 eine obere Durchkontaktierung 138, die einen sich verjüngenden Hohlraum 154 definiert, und eine untere Durchkontaktierung 140 mit einem entsprechenden sich verjüngenden Einsatz 160. Die obere Durchkontaktierung 138 umfasst einen sich verjüngenden oberen Abschnitt 150, der eine obere Oberfläche 146 aufweist, und umfasst einen Hals 152, der sich von dem sich verjüngenden oberen Abschnitt 150 weg erstreckt. Der Hals 152 bildet den sich verjüngenden Hohlraum 154 und weist ferner eine Stirnfläche 148 auf. Der entsprechende sich verjüngende Einsatz 160 der unteren Durchkontaktierung 140 erstreckt sich von einem sich verjüngenden Bodenabschnitt 158 weg. Der sich verjüngende untere Abschnitt 158 hat eine untere Oberfläche 156 und eine obere Oberfläche 162, die sich radial von einem distalen Ende des Einsatzes 160 erstreckt. Die untere Durchkontaktierung 140 wird von dem Hohlraum 154 der oberen Durchkontaktierung 138 aufgenommen, und eine Interferenz/enge Passung wird zwischen der oberen Durchkontaktierung 138 und der unteren Durchkontaktierung 140 gebildet, wenn das Keramiksubstrat 31 gesintert wird, was nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
In einer Ausbildungsform haben der Hohlraum 154 der oberen Durchkontaktierung 136 und der entsprechende Einsatz 130 der unteren Durchkontaktierung 140 eine kreisförmige Querschnittsform. Es versteht sich jedoch, dass der Querschnitt eine andere geeignete Form aufweisen kann und nicht auf einen kreisförmigen Querschnitt beschränkt sein sollte. Alternative Ausbildungen des Hohlraums 154 und des entsprechenden Einsatzes 160 sind in den 1 und 2 gezeigt. 5B und 5C zeigen eine Querschnittsform, die abgeschrägt bzw. rechteckig ist. Darüber hinaus können der Hohlraum 154 und der entsprechende Einsatz 160 eine Querschnittsform aufweisen, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: polygonal, planar, oval, dreieckig, elliptisch und jede andere Form, die die Bildung einer Interferenz/engen Passung zwischen der oberen und der unteren Durchkontaktierung erlaubt, wenn das Keramiksubstrat 130 gesintert ist. Das Design der oberen und unteren Durchkontaktierungen kann so entworfen sein, dass das Schrumpfen der Keramik während des Heißpressensinterns ausgeglichen wird. Beispielsweise kann die Graphitform so konstruiert sein, dass die Verschiebungen und das Schrumpfen der Keramik und der Durchkontaktierungen in X- und Y-Richtung begrenzt werden, wobei eine kontrollierte Verschiebung in Z-Richtung der Axialbelastung der Heißpresse auftritt.
Die obere Durchkontaktierung 138 ist in der Öffnung 166 der oberen Oberflächenseite 132 des Keramiksubstrats 130 so angeordnet, dass die obere Oberfläche 146 der oberen Durchkontaktierung 138 im Wesentlichen bündig mit der oberen Oberfläche 132 des Keramiksubstrats 130 ist. Die entsprechende untere Durchkontaktierung 140 ist in der Öffnung 166 von der Unterseite 134 des Keramiksubstrats 130 so angeordnet, dass die Unterseite 156 der unteren Durchkontaktierung 140 im Wesentlichen bündig mit der Unterseite 134 des Keramiksubstrats 130 ist. Der Einsatz 160 der unteren Durchkontaktierung 140 wird von dem Hohlraum 154 der oberen Durchkontaktierung 138 aufgenommen (3 und 5). In einer Form hat der Einsatz 160 ein sich verjüngend ausgebildetes Ende, das mit dem Hohlraum 154 ausgerichtet ist und von diesem aufgenommen wird, um die Ausrichtung/Passung zu verbessern und Herstellungstoleranzen und thermische Schwankungen zwischen der oberen Durchkontaktierung 138 und der unteren Durchkontaktierung 140 und dem Keramiksubstrat 130 auszugleichen.
Nachdem die obere Durchkontaktierung 138 und die untere Durchkontaktierung 140 durch das Keramiksubstrat 130 angeordnet sind, wird eine obere leitende Folienschicht 142 über/entlang der oberen Oberfläche 132 des Keramiksubstrats 130 angeordnet und eine untere leitende Folienschicht 144 wird über/entlang der unteren Oberfläche 134 des Keramiksubstrats 130 angeordnet (3). Die obere Folienschicht 142 steht in Kontakt mit der oberen Oberfläche 132 des Keramiksubstrats 130 und der oberen Oberfläche 146 der oberen Durchkontaktierung 138. Die untere Folie 144 steht in Kontakt mit der unteren Oberfläche 134 des Keramiksubstrats 130 und der unteren Oberfläche 156 der unteren Durchkontaktierung 140. Vor dem Sintern können das Keramiksubstrat 130 mit den Durchkontaktierungen 136 und den Schichten 142 und 144 allgemein als Keramiksockelanordnung im grünen Zustand bezeichnet werden.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Keramiksockelanordnung im grünen Zustand ferner mindestens eine Opferschicht 164 über mindestens eine der oberen leitenden Folienschicht 142 und der unteren leitenden Folienschicht 144. Die Opferschicht 164 reduziert die Kreuzkontamination während des Sinterns und wird nach dem Sintern entfernt. Beispielsweise absorbiert die Opferschicht emittierten Kohlenstoff aus der Graphitform und reduziert die Keramikreaktion und Wechselwirkung mit überschüssigem emittiertem Kohlenstoff. Es verhindert auch Verfärbungen in dem Material und der Oberfläche der Keramik. Die Opferschicht 164 ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wolfram, Wolframcarbid und Bornitrid. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Materialien verwendet werden können, wodurch der Gegenstand der vorliegenden Erfindung nicht verlassen wird.
Die Komponenten der Keramiksockelanordnung 22 können aus einer Vielzahl von Materialien bestehen, und in einer Ausgestaltung sind die obere Durchkontaktierung 138, die untere Durchkontaktierung 140, die obere leitende Folienschicht 142 und die untere leitende Folienschicht 144 aus einem Material mit einer Schmelztemperatur von mehr als 2000 °C und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), der gleich oder niedriger als, oder mit anderen Worten, kleiner oder ungefähr gleich demjenigen des Keramiksubstrats ist. Beispielsweise kann das Keramiksubstrat 130 ein Aluminiumnitrid(AIN)-Material sein und die obere Durchkontaktierung 138, die untere Durchkontaktierung 140 und die oberen leitenden Folienschichten 142 und die untere leitende Folienschicht 144 aus einem Molybdän(Mo)-Material sein. Molybdän ist in der Lage, Temperaturen von mehr als 2000 °C standzuhalten, und sein Wärmeausdehungskoeffizient (CTE) ist vergleichbar oder niedriger als AIN. Es versteht sich, dass auch andere Materialkombinationen für die Durchkontaktierungen und das Keramiksubstrat verwendet werden können, vorausgesetzt, die Materialien können Temperaturen von mehr als 2000 °C standhalten und der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) der Durchkontaktierungen ist niedriger als der des Keramiksubstrats. Daher sollte die Verwendung von Mo und AIN nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verstanden werden.
Die grüne Keramiksockelanordnung wird in eine Heißpressform 184 gegeben, die aus einem Material hergestellt ist, das dem Heißpresssintern standhalten kann, wie beispielsweise Graphit. Bezugnehmend auf die 6 und 7 wird die Keramiksockelanordnung im grünen Zustand in einer uniaxialen Richtung heißgepresst und bei einer Temperatur im Bereich von beispielsweise etwa 1700 °C bis etwa 2000 °C gesintert. Während des Heißpressensinterns, bei dem unter hohen Temperaturen Druck ausgeübt wird, bestehen die obere Durchkontaktierung 138, die untere Durchkontaktierung 140, die obere leitende Folienschicht 142 und die untere leitende Folienschicht 144 aus Material mit einem hohen Schmelzpunkt (z.B. Mo-Material von ca. 2620 °C), behalten ihre Form und werden durch den Sinterprozess nicht verzogen.
Weiterhin drückt uniaxialer Druck die obere Durchkontaktierung 138 und die untere Durchkontaktierung 140 zusammen, so dass der Hals 152 der oberen Durchkontaktierung 138 mit dem Einsatz 160 der unteren Durchkontaktierung 140 in Eingriff steht und der Einsatz 160 den Hohlraum 154 weiter durchdringt. In einer Ausbildung wirkt die Oberseite 162 des sich verjüngenden Bodenabschnitts 158 als Anschlag für den Hals 152, so dass die Stirnfläche 148 des Halses 152 an der Oberseite 162 des sich verjüngenden Bodenabschnitts 158 der unteren Durchkontaktierung 140 anliegt. Alternativ kann die Stirnfläche 148 des Halses 152 über der Oberseite 162 des sich verjüngenden Bodenabschnitts 158 positioniert sein, so dass dort ein kleiner Spalt zwischen diesen definiert ist. Die uniaxiale Kompression verbindet ferner die obere leitende Folienschicht 142 und die untere leitende Folienschicht 144 mit der oberen Oberfläche 132 bzw. der unteren Oberfläche 134 des Keramiksubstrats 130.
Da AIN einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) als Mo aufweist, dehnt sich das AIN-Substrat 130 während des Sinterprozesses aus, während die aus Mo-Material hergestellte Durchkontaktierung 136 ihre ursprüngliche Form beibehalten kann. Das expandierende Substrat 130 übt zusätzliche Druckkräfte in alle Richtungen auf die Durchkontaktierung 136 aus, so dass das Substrat 130 während des Schrumpfens die Durchkontaktierung 136 im Wesentlichen einkapselt und die obere Durchkontaktierung 138 und die untere Durchkontaktierung 140 innerhalb des Substrats 130 fest sichert.
Während des Sinterns wird die vertikale Position und Ausrichtung der Durchkontaktierung 136 innerhalb des Substrats 130 durch den sich verjüngenden oberen Abschnitt 150 und den Hohlraum 154 der oberen Durchkontaktierung 138 und den sich verjüngenden unteren Abschnitt 58 und den Einsatz 160 der unteren Durchkontaktierung 140 geregelt. Beispielsweise greift der sich verjüngende obere Abschnitt 150 in die Seiten der Öffnung 166 ein, während die obere Oberfläche 146 der oberen Durchkontaktierung 138 im Wesentlichen bündig mit der oberen Oberfläche 132 des Keramiksubstrats 130 bleibt. Der sich verjüngende untere Abschnitt 158 funktioniert auf ähnliche Weise wie der sich verjüngende obere Abschnitt 150.
Ferner sind der Einsatz 160 und der Hals 152 mit dem Hohlraum 154 so konfiguriert, dass sie miteinander in Eingriff stehen, um zu verhindern, dass die Durchkontaktierung 136 über die oberen und unteren Oberflächen 132 und 134 des Keramiksubstrats hinausragt. Nach dem Sintern bilden die obere Durchkontaktierung 138 und die untere Durchkontaktierung 140 eine einzige leitende Durchkontaktierung.
Durch die Verwendung von Molybdän für zumindest die Durchkontaktierung 136 können sich die obere Durchkontaktierung 138 und die untere Durchkontaktierung 140 während des Komprimierens und Schrumpfens selbst einstellen, da das Mo-Material ein hochfestes Metall ist, formbar, duktil und mit einer körperzentrierten kubischen Kristallstruktur. Darüber hinaus erfährt Molybdän während des Sinterprozesses eine viel geringere plastische Verformung, Restspannung und Bruch.
Zusätzlich fängt Molybdän den Kohlenstoff ein, der von der Graphitform 184 abgegeben wird. Mit anderen Worten, Molybdän zieht den Kohlenstoff an, der aus der Graphitform 184 freigesetzt wird, wodurch die unerwünschte Wechselwirkung und Verfärbung des AIN-Substrats 130, die während des Sinterprozesses auftreten kann, verringert wird.
Nach dem Sintern können die obere leitende Folienschicht 142 und die untere leitende Folienschicht 144 auf verschiedene geeignete Arten basierend auf der gewünschten Konfiguration der endgültigen Keramiksockelanordnung konfiguriert werden. Beispielsweise kann in einer Form die obere Leitungsfolienschicht 142 als Widerstandsschicht zum Erzeugen von Wärme ausgebildet sein und die untere leitende Folienschicht 144 kann eine Leitschicht zum Verbinden der Widerstandsschicht mit einer Stromquelle (nicht gezeigt) oder einem anderen Element des Stützsockels 20 sein.
In den 8 und 9 ist ein Beispiel einer Widerstandsheizungsschicht 200 und einer Leitschicht 202 gezeigt. Die obere leitende Folienschicht 142 ist geätzt, um die Widerstandsschicht 200 zu bilden, die ein oder mehrere Widerstandsheizelemente enthält, die mindestens eine Heizzone definieren. In 8 sind sechs Widerstandsheizelemente 206 gezeigt, die sechs Heizzonen definieren, jedoch kann eine beliebige Anzahl von Widerstandsheizelementen 206 vorgesehen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die untere leitende Folienschicht 144 wird geätzt, um die Leitschicht 202 zum elektrischen Koppeln der Leistung an die Durchkontaktierungen 136 zu bilden. Somit koppeln die Durchkontaktierungen 136, wie oben beschrieben, die Leitschicht und die Widerstandsheizschicht elektrisch. Zusätzliche Informationen bezüglich resistiver Heizschichten und Frässchichten wurden in der US-amerikanischen Anmeldung US 62/589,023 (provisional application) offenbart.
Die leitenden Schichten können auf andere geeignete Weise konfiguriert werden und sollten nicht auf die Widerstandsschicht und die Leitschicht beschränkt sein. Beispielsweise kann in einer weiteren Ausbildung der vorliegenden Erfindung mindestens eine der oberen leitenden Folienschichten und der unteren leitenden Folienschichten als eine HF-Gitterschicht konfiguriert sein. In noch einer weiteren Ausbildung kann die untere leitende Folienschicht so konfiguriert sein, dass sie eine Leitschicht und eine zweite Widerstandsheizschicht enthält.
Bezugnehmend auf 10 ist ein Verfahren 300 zum Bilden einer Keramiksockelanordnung, wie oben beschrieben, in schematischer Form dargestellt. Bei 302 wird ein Keramiksubstrat in einem grünen Zustand bereitgestellt und kann beispielsweise durch CIP-Technologie gebildet werden. Das Keramiksubstrat weist eine oder mehrere Öffnungen auf. Bei 304 ist eine Durchkontaktierung in einer Öffnung angeordnet. Beispielsweise ist eine obere Durchkontaktierung von einer oberen Oberflächenseite des Keramiksubstrats in der Öffnung angeordnet, und eine untere Durchkontaktierung ist in einer Öffnung von einer unteren Oberflächenseite des Keramiksubstrats angeordnet.
Bei 306 ist eine erste (obere) leitende Folienschicht entlang der oberen Oberfläche des Keramiksubstrats angeordnet, und eine zweite (untere) leitende Folienschicht ist entlang der unteren Oberfläche des Keramiksubstrats angeordnet. Bei 308 wird die Anordnung, die den Keramiksockel im grünen Zustand, die Durchkontaktierungen und die leitenden Folienschichten enthält, in eine Heißpressform gegeben, und bei 310 wird ein Sinterprozess an der Anordnung durchgeführt, um die Keramiksockelanordnung zu bilden. Die Form besteht aus einem Material wie Graphit, das dem Sinterprozess standhält. Während des Sinterns wird die Baugruppe in uniaxialer Richtung heißgepresst und bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1700 °C bis etwa 2000 °C gesintert. Die uniaxiale Kompression bewirkt, dass sich die oberen und unteren Durchkontaktierungen aufeinander zu bewegen, um eine einzige, leitende Durchkontaktierung zu bilden, und die leitenden Folienschichten verbinden sich mit den Oberflächen des Keramiksubstrats. Infolgedessen werden die oberen und unteren leitenden Folienschichten durch die Durchkontaktierung elektrisch gekoppelt.
Das Verfahren 300 ist nur ein Beispiel zum Bilden der Keramiksubstratanordnung der vorliegenden Erfindung und kann andere oder alternative Schritte umfassen. Beispielsweise umfasst in einer anderen Ausbildung das Verfahren 300 weiterhin das Aufbringen mindestens einer Opferschicht (nicht gezeigt) entlang mindestens einer der leitenden Folienschichten, um eine Kreuzkontamination während des Sinterns zu verringern. Nach dem Sintervorgang wird die Opferschicht von der Baugruppe entfernt.
In noch einer anderen Ausbildung umfasst das Verfahren 300 nach dem Sinterprozess Ätzen der leitenden Folienschichten, um beispielsweise eine oder mehrere Widerstandsheizschichten und eine Frässchicht zu bilden.
In noch einer anderen Form kann das Verfahren 300 ein Ätzen mindestens einer leitenden Folienschicht umfassen, um eine HF-Gitterschicht zu bilden.
Die Keramiksockelanordnung 22 der vorliegenden Erfindung kombiniert das Keramiksubstrat 30 mit dem mindestens einen Durchgang 36, der oberen leitenden Folienschicht 42 und der unteren leitenden Folienschicht 44 im grünen Zustand und verbindet die Komponenten, wie hierin beschrieben, mit Heißpresssintern. Die Kombination der Durchkontaktierung 36, die aus einem hochschmelzenden Metall gebildet ist, mit dem Keramiksubstrat 30 vor dem Sinterprozess ermöglicht Druckkräfte während des Heißpressens, um eine fest gesicherte Verbindung zwischen den oberen und unteren Durchkontaktierungen 38 und 40 und zwischen der Durchkontaktierung 36 und dem Substrat 30 herzustellen. Darüber hinaus erzeugt das Einbeziehen der leitenden Folienschichten 42 und 44 im grünen Zustand vor dem Sintern, die durch die Durchkontaktierung 36 elektrisch miteinander gekoppelt sind, einen gleichmäßigen ohmschen Kontakt mit minimaler plastischer Verformung. Es versteht sich jedoch, dass die leitenden Folienschichten 42/44 oder andere funktionelle Schichten nach dem Sinterprozess zu dem Keramiksubstrat 30 hinzugefügt werden können, ohne den Gegenstand der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Darüber hinaus sind die zweiteiligen Durchkontaktierungen der vorliegenden Erfindung integrierte Durchkontaktierungen und Verbindungen im grünen Zustand. Dies kann die Verarbeitungsschritte der Heißpresse reduzieren und kostengünstiger sein als herkömmliche einteilige Durchkontaktierungen. Die zweiteiligen Durchkontaktierungen bewegen sich auch frei in Richtung der Axialbelastung der Heißpresse und kompensieren den Effekt des Keramikschrumpfens. Obwohl eine zweiteilige Durchkontaktierung dargestellt und beschrieben ist, kann eine beliebige Anzahl von Teilen/Komponenten verwendet werden, einschließlich mehr als zwei, um eine integrierte Durchkontaktierung zu bilden, ohne den Gegenstand der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

Keramiksockelanordnung (22), umfassend: - ein Substrat (30) mit einer ersten Funktionsschicht (42) und einer zweiten Funktionsschicht (44), wobei die erste und die zweite Funktionsschicht (42, 44) auf gegenüberliegenden Seiten (32, 34) des Substrats (30) angeordnet sind; und - mindestens eine Durchkontaktierung (136) durch das Substrat (30), umfassend: - eine obere Durchkontaktierung (138), die einen Hohlraum (154) definiert; und - eine untere Durchkontaktierung (140), die einen korrespondierenden Einsatz (160) definiert, wobei - die erste Funktionsschicht (42), die zweite Funktionsschicht (44) und die mindestens eine Durchkontaktierung (136) ein Material mit einer Schmelztemperatur von mehr als 2000 °C und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger als der des Substrates (30) ist, aufweisen.
Keramiksockelanordnung (22) nach Anspruch 1, wobei das Substrat (30) aus einem Aluminiumnitridmaterial besteht und die mindestens eine Durchkontaktierung (136), die erste Funktionsschicht (42) und die zweite Funktionsschicht (44) aus einem Molybdänmaterial bestehen.
Keramiksockelanordnung (22) nach Anspruch 1, wobei die untere Durchkontaktierung (140) durch den Hohlraum (154) der oberen Durchkontaktierung (138) aufgenommen wird, so dass beim Erwärmen des Keramiksubstrats (30) eine Presspassung zwischen der oberen und unteren Durchkontaktierung (138, 140) gebildet ist.
Keramiksockelanordnung (22) nach Anspruch 1, wobei ein oberer Abschnitt (150) der oberen Durchkontaktierung (138) und ein unterer Abschnitt (158) der unteren Durchkontaktierung (140) verjüngend ausgebildet sind.
Keramiksockelanordnung (22) nach Anspruch 1, wobei die erste Funktionsschicht (42) eine Widerstandsheizschicht mit mindestens einem Widerstandsheizelement (206) ist und die zweite Funktionsschicht (44) eine Leitschicht ist, wobei jedes Widerstandsheizelement (206) mindestens eine Widerstandsheizzone definiert.
Keramiksockelanordnung (22) nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum (154) der oberen Durchkontaktierung (138) und der korrespondierende Einsatz (160) der unteren Durchkontaktierung (140) eine Querschnittsform, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus rechteckig, polygonal, planar, kreisförmig, oval, dreieckig und elliptisch, aufweisen.
Keramiksockelanordnung (22) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend mindestens eine Opferschicht (164) über mindestens einer der ersten Funktionsschicht (42) und der zweiten Funktionsschicht (44).
Keramiksockelanordnung (22) nach Anspruch 7, wobei die Opferschicht (164) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wolfram, Wolframcarbid und Bornitrid.
Keramiksockelanordnung (22) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Hochfrequenz-Gitterschicht.
Keramiksockelanordnung (22) nach Anspruch 1, wobei die erste Funktionsschicht (42) eine obere leitende Folienschicht ist, die sich über eine obere Oberfläche (32) des Substrats (30) erstreckt, und die zweite Funktionsschicht (44) eine untere leitende Folienschicht ist, die sich über eine untere Oberfläche (34) des Substrats (30) erstreckt.
Keramiksockelanordnung (22) nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum (154) der oberen Durchkontaktierung (138) verjüngt ausgebildet ist und die untere Durchkontaktierung (140) eine korrespondierende Verjüngung definiert.
Verfahren zur Bildung einer Keramiksockelanordnung (22), umfassend: - Bilden eines Keramiksubstrats (130) in einem grünen Zustand mit mindestens einer Öffnung (166); - Anordnen einer oberen Durchkontaktierung (138), die einen Hohlraum (154) definiert, durch eine obere Oberfläche (32) des Keramiksubstrats (30); - Anordnen einer unteren Durchkontaktierung (140), die einen korrespondierenden Einsatz (160) definiert, durch eine untere Oberfläche (34) des Keramiksubstrats (30); - Anordnen einer oberen leitenden Funktionsschicht (42) über der oberen Oberfläche (32) des Keramiksubstrats (30); - Anordnen einer unteren Funktionsschicht (44) auf der unteren Oberfläche (34) des Keramiksubstrats (30); und - Heißpressen der Anordnung in einer uniaxialen Richtung, wobei - die obere Durchkontaktierung (138), die untere Durchkontaktierung (140) und die Funktionsschichten (42, 44) ein Material mit einer Schmelztemperatur von mehr als 2000 °C und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten definieren, der gleich oder niedriger als der des Keramiksubstrats (30) ist.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend Sintern der Keramiksockelanordnung (22) bei einer Temperatur in einem Bereich von 1700 °C bis 2000 °C.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend Anordnen mindestens einer Opferschicht (164) über mindestens einer der oberen Funktionsschicht (42) und der unteren Funktionsschicht (44).
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend Anordnen der Keramiksockelanordnung (22) in einer Graphitform (184).
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend Bilden einer Hochfrequenz-Gitterschicht auf dem Substrat (30).