DE112020002030T5

DE112020002030T5 - Hochdichte korrosionsbeständige schichtanordnung für elektrostatische spannvorrichtungen

Info

Publication number: DE112020002030T5
Application number: DE112020002030.4T
Authority: DE
Inventors: Chengtsin Lee
Original assignee: Morgan Advanced Ceramics Inc
Current assignee: Morgan Advanced Ceramics Inc
Priority date: 2019-04-19
Filing date: 2020-04-10
Publication date: 2022-01-05
Also published as: GB2583911A; CN113597665A; JP2022530320A; GB201906266D0; KR20210153616A; WO2020214494A1; US20220199451A1; JP7418468B2

Abstract

Eine Schichtanordnung für eine elektrostatische Spannvorrichtung umfasst eine erste Keramikschicht; eine zweite Keramikschicht; eine metallisierte Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Keramikschicht angeordnet ist. Die erste Keramikschicht umfasst zumindest 90,0 Gew.-% 5 Aluminiumoxid, Titandioxid, ZrO2, Y2O3, AIN, Si3N4, SiC, Übergangsmetalloxide oder Kombinationen davon; und im Bereich von 0,1 bis 10,0 Gew.-% Tantaloxid (Ta2O5).

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Schichtanordnung für eine elektrostatische Spannvorrichtung; ein Verfahren zum Herstellen dieser; und elektrostatische Spannvorrichtungen, die die Schichtanordnung enthalten. Insbesondere betrifft die Offenbarung eine Metallisierungsschicht, die zwischen einer oberen dielektrischen Schicht und einer Isolierschicht in einer elektrostatischen Spannvorrichtung angeordnet ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrostatische Spannvorrichtungen (ESC, electrostatic chucks) werden weitgehend verwendet, um Substrate wie z. B. Siliciumwafer in Prozessen zum Herstellen von Halbleitern niederzuspannen. ESCs sind Schichtstrukturen, bei denen elektrisch leitfähige Schichten zwischen Keramikisolatoren sandwichartig aufgenommen sind, um zu verhindern, dass sie mit den Geräten in direkten Kontakt gelangen. Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid sind die in ESCs am häufigsten verwendeten Keramiken. Die leitfähigen Schichten, die häufig „Spuren“ oder „Elektroden“ genannt werden, sind typischerweise aus feuerfesten Metallen wie z. B. Molybdän und Wolfram hergestellt. Die Spuren sind ferner durch leitfähige Leitungen zwischen den Schichten, die „Durchkontaktierung“ bzw. „Vias“ genannt werden, die durch die Keramikschichten laufen, verbunden, um elektrische Energie von externen Leistungsquellen bereitzustellen.
Das US-Patent 5,671,116 lehrt eine Co-Brennungs-Methodik (Co-Firing) zum Herstellen von Keramik-ESCs. Bei diesem Prozess werden Keramikbänder zunächst durch Bandgießen von Pulvern gebildet, die mit diversen organischen und anorganischen Bindemitteln für deren Zusammenhalt vermischt sind. Die leitfähigen Spuren werden dann oben auf den Keramikbänder in einem Grünzustand metallisiert. Die metallisierten Grünbänder werden danach aufeinander gestapelt und anschließend gepresst, um diese zu laminieren. Die Durchkontaktierungen werden durch Einsetzen von feuerfester Metallpaste oder feuerfesten Metallpulvern in die Durchkontaktierungslöcher in den Keramikschichten gebildet. Das entstehende laminierte Grünteil wird danach bei hoher Temperatur einer Co-Brennung unterzogen, um einen monolithischen ESC-Körper herzustellen.
Die obere Keramikschicht auf der ESC wird häufig dielektrische Schicht genannt, die mit dem Wafer in direkten Kontakt gelangt und die wichtigste Keramikschicht in der ESC ist. Ihre primäre Funktion liegt in der Bereitstellung einer Isolierschicht zwischen dem Wafer und der darunterliegenden Elektrode. Ihre dielektrische Stärke muss der Durchschlagskraft des elektrischen Feldes, das zur Einspannung des Wafers angelegt wird, standhalten. Sie schützt auch vor jedweden metallischen Verunreinigungen, die während der Verarbeitung vom Elektrodenmaterial auf das Gerät wandern. In Prozesskammern wie z. B. Ätzen und Abscheidung werden aggressive Gase wie z. B. Fluor und Chlor verwendet, die zunehmend korrosiver werden. In solchen Fällen ist es von höchster Wichtigkeit, dass die Zusammensetzung der Keramikschichten durch die korrosiven Prozessgase nicht gelöst wird und das Gerät kontaminiert.
Um eine hohe dielektrische Durchschlagskraft aufrechtzuerhalten, muss die Keramik beinahe vollständig dicht sein. Die US-Patente US4678683 , US5207437 und US5104834 offenbaren allesamt die Verwendung von Siliciumdioxid mit Calcia und Magnesia als Flüssigphasensinterhilfe, um die Keramiken während des Sinterns von metallisierten Schichtstrukturen zu verdichten. Wenngleich solche Zusammensetzungen in Aluminiumoxid einen dichten Sinterkörper hervorbringen, sind sie mit einigen Schwierigkeiten verbunden:

• die Zusammensetzungen werden während des Halbleiterfertigungsprozesses von Halogenplasmagasen wie z. B. Fluor und Chlor angegriffen; und
• die Zusammensetzungen haben einen relativ hohen Gehalt an Verunreinigungen, der auf die Flüssigphasenbildung zurückzuführen ist. Durch den hohen Gehalt an Verunreinigungen eignen sich die Zusammensetzungen nicht für Hochtemperaturverarbeitungsumgebungen, da die Verunreinigungen stärker dazu neigen, durch die dielektrische Schicht; und in die gasförmige Verarbeitungsumgebung und schadhaft auf die Oberfläche der Siliciumwafer zu mitigieren.

Aus diesem Grund besteht der Bedarf an der Entwicklung einer ESC, die sowohl korrosionsbeständig als auch bezüglich der Mitigation von Verunreinigungen in die Verarbeitungsumgebung widerstandsfähig ist.
KURZDARSTELLUNG
Unter einem ersten Aspekt wird eine Schichtanordnung für eine elektrostatische Spannvorrichtung bereitgestellt, die umfasst:

A. eine erste Keramikschicht;
B. eine zweite Keramikschicht;
C. eine metallisierte Geschichtete, die zwischen der ersten und der zweiten Keramikschicht angeordnet ist,

(i) Aluminiumoxid, Titandioxid, ZrO₂, Y₂O₃, AIN, Si₃N₄, SiC oder Kombinationen davon; oder
(ii) Aluminiumoxid, das mit einem Übergangsmetalloxid dotiert ist; und

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Bei einigen Ausführungsformen wurde herausgefunden, dass relativ kleine Mengen an Tantaloxid (z. B. weniger als 2,0 Gew.-%) bei Verwendung als Sinterhilfe in der Lage sind, eine hochdichte, hochreine Keramik zu produzieren. Bei diesen Ausführungsformen umfasst die erste Keramikschicht vorzugsweise zumindest 90,0 Gew.-% Aluminiumoxid, Titandioxid, ZrO₂, Y₂O₃, AIN, Si₃N₄, SiC oder Kombinationen davon
Bei anderen Ausführungsformen kann mehr Ta₂O₅ erforderlich sein (z. B. 2,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% oder 10 Gew.-% oder mehr), um eine Ta₂O₂-Flüssigphase zur Verdichtung der ersten Keramikschicht zu bilden. Bei diesen Ausführungsformen umfasst die erste Keramikschicht vorzugsweise zumindest 90,0 Gew.-% Aluminiumoxid, das mit Übergangsmetalloxiden dotiert ist, wie z. B. Titandioxid. Ta₂O₅ ist in den meisten Umgebungen äußerst inert und neigt daher wenig dazu, in die Verarbeitungsumgebung zu mitigieren. Die Verarbeitungsumgebung kann über 450 °C oder über 550 °C oder über 650 °C oder über 750 °C liegen.
Vorzugsweise sind zumindest 92,0 Gew.-% oder zumindest 94,0 Gew.-% oder zumindest 96,0 Gew.-% oder zumindest 98,0 Gew.-% oder zumindest 99,0 Gew.-% Aluminiumoxid, Titandioxid, ZrO₂, Y₂O₃, AIN, Si₃N₄, SiC, Übergangsmetalloxide oder Kombinationen davon vorhanden.
Die erste Schicht kann zumindest 95,0 Gew.-% oder zumindest 97,0 Gew.-% oder zumindest 98,0 Gew.-% oder zumindest 99,0 Gew.-% oder zumindest 99,5 Gew.-% oder zumindest 99,8 Gew.-% Tantaloxid und Aluminiumoxid, Titandioxid, ZrO₂, Y₂O₃, AIN, Si₃N₄, SiC, Übergangsmetalloxide oder Kombinationen davon umfassen.
Die erste Keramikschicht umfasst vorzugsweise Aluminiumoxid oder Aln.
Die erste Keramikschicht umfasst vorzugsweise höchstens 8,0 Gew.-% Ta₂O₅ oder höchstens 6,0 Gew.-% oder höchstens 4,0 Gew.-% Ta₂O₅ oder höchstens 2,0 Gew.-% oder höchstens 1,5 Gew.-% Ta₂O₅ oder höchstens 1,0 Gew.-% oder höchstens 0,8 Gew.-% Ta₂O₅ oder höchstens 0,7 Gew.-% oder höchstens 0,6 Gew.-% Ta₂O₅ oder höchstens 0,5 Gew.-% oder höchstens 0,4 Gew.-%. Vorzugsweise umfasst die erste Keramikschicht mindestens 0,2 Gew.-% Ta₂O₅ oder mindestens 0,3 Gew.-% Ta₂O₅. Die erforderliche Menge an Ta₂O₅ kann von der Zusammensetzung der ersten Keramikschicht; der erforderlichen Zieldichte und/oder der Zielsintertemperatur und - dauer; sowie der Verarbeitungsumgebung, der die Schichtanordnung ausgesetzt sein wird, abhängen. Höhere Ta₂O₅-Mengen können in dem Verdichtungsprozess keinen signifikanten zusätzlichen Nutzen liefern; geringere Mengen hingegen sind ggf. nicht ausreichend, um die Zieldichteanforderungen bei den Zielbedingungen bereitzustellen.
Vorzugsweise ist die erste Keramikschicht eine obere dielektrische Schicht. Die obere dielektrische Schicht kann mit dem Wafer in der Verarbeitungskammer in direkten Kontakt gelangen und somit ist die Oberfläche der dielektrischen Schicht vorzugsweise im Wesentlichen frei von flüchtigen Verunreinigungsspezies (z. B. Cu und Na).
Vorzugsweise umfasst die erste Keramikschicht eine Ta₂O₅-Phase an der Grenzfläche der ersten Keramikschicht und der metallisierten Schicht.
Bei einer Ausführungsform wird die Schichtanordnung während eines Co-Brennungsprozesses bei der Herstellung der Schichtanordnung für einen festgelegten Zeitraum auf unter den Schmelzpunkt von Ta₂O₅ erhitzt, wodurch eine Ta₂O₅-Aluminiumoxid-Flüssigphase gebildet wird, die nach unten in Richtung der poröses Region um die Metallisierungsschicht und der benachbarten zweiten Keramikschicht gezogen wird. Vorzugsweise ist Ta₂O₅ in der Lage, bei höchstens 1600 °C und mehr bevorzugt bei höchstens 1400 °C innerhalb der ersten Keramikschicht eine Flüssigphase zu bilden.
Folglich ist die Ta₂O₅-Konzentration auf einer Oberseite der oberen dielektrischen Schicht (Ta₂O₅-defiziente Phase) eine geringere Ta₂O₅-Konzentration als eine Ta₂O₅-Phase (z. B. Glas) an einer Grenzfläche der ersten Keramikschicht und der metallisierten Schicht. Vorzugsweise ist die Ta₂O₅-Konzentration an der Oberseite der ersten Keramikschicht zumindest 20 % oder 50 % von 80 % geringer als die Ta₂O₅-Konzentration in der Ta₂O₅-Phase an der Grenzfläche zwischen der Metallisierungsschicht und der ersten Keramikschicht. Die Verteilung des Ta₂O₅ ist vorteilhaft, da es, wenngleich Ta₂O₅ gegenüber den meisten gasförmigen Umgebungen nicht reaktiv ist, es dazu neigt, mit Fluorgas zu reagieren. Aus diesem Grund weist die Oberfläche, die mit der gasförmigen Umgebung direkt in Kontakt steht, einen geringeren Ta₂O₅-Gehalt auf. Darüber hinaus geht man davon aus, dass Ta₂O₅ bei Ausführungsformen, bei denen Keramikoxid als Aluminiumoxid verwendet wird, ein Glas auf Aluminiumoxidbasis ausbildet, das gegen Fluorgas stärker korrosionsbeständig als Ta₂O₅ allein sein kann.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Querschnittsfläche der Tantalphasen proximal der Metallisierungsschicht (z. B. eine Mindestprobenquerschnittsfläche von etwa 300 µm² oder mehr (z. B. 20 µm × 15 µm) an einem maximalen Punkt nicht mehr als 30 µm von der Metallisierungsschicht entfernt) mehr als 20 % oder mehr als 40 % oder mehr als 80 % oder mehr als 100 % oder mehr als 150 % oder mehr als 200 % der Querschnittsfläche der Tantalphasen proximal der Oberfläche der oberen dielektrischen Schicht (z. B. eine Mindestprobenquerschnittsfläche von etwa 300 µm² oder mehr (z. B. 20 µm × 15 µm) an einem maximalen Punkt nicht mehr als 30 µm von der Oberfläche entfernt).
Die Ta₂O₅-Phase hat einen relativ hohen Schmelzpunkt und einen relativ geringen Dampfdruck. Die Ta₂O₅-Phase ist nicht nur korrosionsbeständig und bei einer Temperatur von bis zu 1000 °C oder höher nicht flüchtig, sondern bildet eine Barriere, um zu verhindern, dass flüchtigere Verunreinigungen durch die erste Keramikschicht und in die Verarbeitungskammer mitigieren. Somit hat die Schichtanordnung den Vorteil, dass sie in der Lage ist, zuverlässig in einer korrosiven Hochtemperaturumgebung zu arbeiten, ohne dass sie den Wafer bei der Produktion von Halbleitern kontaminiert.
Insbesondere ergeben ESCs aus mit Tantaloxid dotiertem Aluminiumoxid bei Nicht-Ätzanwendung wie z. B. Ionimplantatkammern eine viel reinere Verarbeitungsumgebung, da Ta₂O₅ einen geringeren Dampfdruck als andere Bindemittel wie z. B. Magnesia und Calcia aufweist.
Durch die inerte Beschaffenheit der ESC mit einer oberen dielektrischen Ta₂O₅-Schicht innerhalb korrosiver Gasförmiger kann die ESC auch ihre mechanische Integrität über einen längeren Zeitraum als herkömmliche ESCs aufrechterhalten.
Die Ausbildung einer Ta₂O₂-Flüssigphase während des Hochtemperatursinterns unterstützt auch die Haftung der Keramikschichten an die eine oder mehreren metallisierten Schichten, wodurch eine Delaminierung der verschiedenen Schichten in der ESC verhindert wird.
Die Dicke der ersten Keramikschicht liegt typischerweise zwischen 10 µm und 1,0 mm oder zwischen 20 µm und 500 µm oder zwischen 30 µm und 400 µm oder zwischen 40 Mikrometern und 300 µm oder zwischen 50 µm und 200 µm, einschließlich aller Teilbereiche und Werte dazwischen, je nach spezifischer Anwendung und Zusammensetzung der ersten Keramikschicht. Wenn die erste Keramikschicht eine obere dielektrische Schicht für eine ESC ist, die in dem Ionenimplantationsprozess verwendet wird, dann muss die dielektrische Schicht einem Spannungsbereich von 500 V bis 2000 V standhalten. Für eine ESC, die bei Ätz- oder Abscheidungsprozessen verwendet wird, muss die dielektrische Schicht womöglich einer Spannung von 3000 V bis 6000 V, vorzugsweise 1000 V bis 3000 V, standhalten.
Bei einer Ausführungsform weist die obere dielektrische Spannung eine Durchschlagsspannung von zumindest 60 V/µm oder zumindest 70 V/µm oder zumindest 80 V/µm auf.
Für eine dielektrische Schicht aus Al₂O₃ (99,5 Gew.) und Ta₂O₅ (0,5 Gew.-%) beträgt die dielektrische Durchschlagsspannung etwa 2000 V/mil oder 80 V/µm. Wenn ein Sicherheitsspiel hinzugefügt wird, kann die ungefähre Dicke der dielektrischen Schicht zwischen 10 µm oder 20 µm und 200 µm liegen. Die überragende dielektrische Durchschlagskraft der Schichtanordnung von Ausführungsformen hierin ermöglicht die Verwendung einer dünneren dielektrischen Schicht für die gleiche Anlegungsspannung als bei herkömmlichen hochreinen dielektrischen Schichten wie z. B. Al-995™ und Al-998™ (erhältlich von Morgan Advanced Ceramics, Hayward, CA).
Die Dichte der ersten Keramikschicht ist vorzugsweise mehr als 97 %, mehr bevorzugt mehr als 98 % und noch mehr bevorzugt mehr als 99 % der theoretischen maximalen Dichte des Keramikmaterials mit einer Porosität von 0 %. Alternativ beträgt der Porengehalt der ersten Keramikschicht vorzugsweise weniger als 3 % Vol./Vol., mehr bevorzugt weniger als 2 % Vol./Vol. und noch mehr bevorzugt weniger als 1 % Vol./Vol.
Die Dichte der ersten Keramikschicht kann größer als 3,90 g/cm³ oder größer als 3,91 g/cm³ oder größer als 3,92 g/cm³ oder größer als 3,93 g/cm³ oder größer als 3,94 g/cm³ oder größer als 3,95 g/cm³ sein.
Die Dichte der zweiten Keramikschicht ist vorzugsweise geringer als die Dichte der ersten Keramikschicht. Die zweite Keramikschicht umfasst vorzugsweise zumindest 95 Gew.-% und mehr bevorzugt zumindest 95 Gew.-% Aluminiumoxid, Titandioxid, ZrO₂, Y₂O₃, AIN, Si₃N₄, SiC oder Kombinationen davon.
Das Keramikmaterial, das die erste und die zweite Schicht bildet, hat vorzugsweise eine mittlere Partikelgröße zwischen ungefähr 0,5 und 5 µm und mehr bevorzugt zwischen 1 und 3 µm.
Die erste und die zweite Keramikschicht umfasst vorzugsweise die gleichen Keramikkomponenten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste und die zweite Keramikschicht Aluminiumoxid. Im Rahmen dieser Ausführungsform weist die zweite Keramikschicht vorzugsweise einen höheren Aluminiumoxidgehalt auf (z. B. Al-998™). Das Aluminiumoxid mit höherer Reinheit ist schwieriger zu sintern und zu verdichten, da eine Sinterhilfe im Wesentlichen fehlt. Daher ist die Dichte der zweiten Keramikschicht im Allgemeinen geringer als die erste Keramikschicht und ermöglicht daher die Mitigation der Ta₂O₅-Flüssigphase in Richtung der zweiten Keramikphase und in diese. Die Mitigation der Ta₂O₅-Flüssigphase in die zweite Keramikphase kann nur angrenzend an die Metallisierungsschichtgrenzfläche erfolgen (d. h., kann sich nicht auf die gesamte zweite Keramikschicht ausdehnen).
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste Keramikschicht ein elektrostatische Ladung ableitendes Material, das mit einem Übergangsmetalloxid dotiertes Aluminiumoxid und zwischen 0,1 Gew.-% oder 0,5 Gew.-% und 10,0 Tantaloxid (Ta₂O₅) umfasst. Das Übergangsmetalloxid ist bezogen auf das Gesamtgewicht des Keramikmaterials in der ersten Keramikschicht vorzugsweise in einer Menge im Bereich von 1,0 Gew.-% und 8,0 Gew.-% (vorzugsweise im Bereich von 1,5 Gew.-% bis 7,5 Gew.-% oder im Bereich von 2,0 Gew.-% bis 7,0 Gew.-%) vorhanden. Im Rahmen dieser Ausführungsform macht das mit einem Übergangsmetalloxid dotierte Aluminiumoxid vorzugsweise zumindest 90 Gew.-% der ersten Keramikschicht aus.
Durch das Dotieren des Aluminiumoxids ist es möglich, den spezifischen Widerstand des dotierten Aluminiumoxids zu steuern, wie in der US 6,641,939 offenbart, die darin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Das Übergangsmetalloxid kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Oxiden von Re, Ti, V, Fe, Cr, Co, Mn, Ni, Mo und Nb besteht. Das Übergangsmetalloxid ist vorzugsweise Titandioxid.
Die Kontinuität der Korngrenzenphasen sowie der Benetzungswinkel einer Ta₂O₅-Titanat-Flüssigphase soll den spezifischen Widerstand des dotierten Aluminiumoxids steuern. Bei einer Co-Brenntemperatur von höchstens 1600 °C musste eine höhere Menge an Ta₂O₅ zu dem mit Titandioxid dotierten Aluminiumoxid als zu hochreinem Aluminiumoxid hinzugefügt werden, um die Ta₂O₅-Titanat-Flüssigphase zu bilden (z. B. in dem Bereich von 2,0 Gew.-% bis 10 Gew.-% Ta₂O₅).
Bei Ausführungsformen, die eine erste Keramikschicht aus mit Übergangsmetalloxid dotiertem Aluminiumoxid umfassen, weist die erste Keramikschicht vorzugsweise eine Durchschlagsspannung von zumindest 20 V/µm oder zumindest 30 V/µm oder zumindest 40 V/µm auf.
Unter einem zweiten Aspekt wird eine elektrostatische Spannvorrichtung bereitgestellt, die die Schichtanordnung des ersten Aspekts umfasst.
Unter einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen einer Schichtanordnung für eine elektrostatische Spannvorrichtung bereitgestellt, das die Schritte umfasst:

A. Bilden einer ersten oder einer zweiten Keramikschicht, um eine Basisschicht im Grünzustand zu bilden;
B. Auftragen einer metallisierten Schicht auf die Basisschicht;
C. Anordnen der ersten oder der zweiten Keramikschicht über der metallisierten Schicht, um eine obere Schicht im Grünzustand zu bilden; wobei die erste Keramikschicht im co-gebrannten Zustand umfasst: zumindest 90 Gew.-% Aluminiumoxid, Titandioxid, ZrO₂, Y₂O₃, AIN, Si₃N₄, SiC, Übergangsmetalloxide oder Kombinationen davon und ausreichend Tantaloxid (Ta₂O₅), um die erste Keramikschicht auf zumindest 97 % oder 98 % oder 98,5 % oder 99,0 % der theoretischen Dichte der ersten Keramikschicht zu verdichten. Das Tantaloxid (Ta₂O₅) ist vorzugsweise in dem Bereich von 0,1 bis 10,0 Gew.-% vorhanden
D. Co-Brennen der Schichten bei einer ausreichenden Temperatur und ausreichend lange, um eine Ta₂O₂-Flüssigphase zu bilden,

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Unter einem vierten Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen einer Schichtanordnung für eine elektrostatische Spannvorrichtung bereitgestellt, das die Schritte umfasst:

A. Bilden einer Basisschicht, die ein erstes Material in einem Grünzustand umfasst;
B. Auftragen eines feuerfesten metallisierungsbildendes Materials auf die Basisschicht, um eine Metallisierungsschicht zu bilden;
C. Anordnen einer oberen Schicht, die ein zweites Material in einem Grünzustand umfasst, über der Metallisierungsschicht;
D. Co-Brennen der Basis-, der Metallisierungs- und der oberen Schicht bei einer ausreichenden Temperatur und ausreichend lange, um eine Ta₂O₅-Flüssigphase zu bilden,

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Andere Verfahren zum Bilden der Schichtanordnung sind möglich, z. B. das Verwenden eines Klebstoffs, um die Schichten aneinander zu haften, anstatt der Co-Brennung. Die Co-Brennung wird jedoch im Allgemeinen bevorzugt, da sie den Ta₂O₅-Konzentrationsgradienten von der Oberfläche der oberen Schicht zu der Metallisierungsschicht fördert zum:

• Erzeugen einer Barriere auf oder proximaler der Metallisierungsschicht, um die Mitigation von flüchtigen Verunreinigungen in Richtung der Oberfläche der dielektrischen Schicht zu verhindern;
• Erzeugen einer Haftschicht zwischen der dielektrischen Schicht und der Metallisierungsschicht, um die Delaminierung der dielektrischen Schicht und der Metallisierungsschicht zu verhindern; und
• Vorsehen einer inerten Oberfläche der dielektrischen Schicht, die im Wesentlichen frei von flüchtigen Verunreinigungen und in der Lage ist, unter kritischen atmosphärischen Umgebungen wie z. B. in Ionenimplantationskammern zu arbeiten.

Vorzugsweise ist die zweite Keramikschicht die Basisschicht und ist die erste Keramikschicht die obere Schicht.
Weitere Schichten (z. B. eine Heizschicht) können vor der Co-Brennung zu der Anordnung hinzugefügt werden. Die weiteren Schichten werden vorzugsweise auf die Basisschicht hinzugefügt, wodurch die erste Keramikschicht als obere Schicht beibehalten wird.
Die Grenzfläche zwischen der Metallisierungsschicht und angrenzender Keramikschichten neigt aufgrund und Porenbildung zur Delaminierung, die teilweise auf eine Nichtübereinstimmung bezüglich der Wärmeausdehnung oder und/Porenbildung zurückzuführen ist. Die Ta₂O₅-Flüssigphase in der ersten Keramikschicht mitigiert in Richtung der Metallisierungsschichtgrenzflächen, um eine sicherere Haftung zwischen der Metallisierungsschicht und den angrenzenden Keramikschichten zu bilden.
Typischerweise sind die Temperatur und die Dauer zur Verdichtung der ersten Keramikschicht auf mehr als 97,0 Gew.-% der theoretischen maximalen Dichte der ersten Keramikschicht ausreichend, damit die Ta₂O₂-Flüssigphase die Adhäsion der Metallisierungsschicht verbessert. Hält man die Bedingungen der Co-Brennung länger aufrecht (z. B. länger als 1 Stunde oder länger als 2 Stunden), so kann dies jedoch einen weiteren positiven Effekt haben. Eine verlängerte Co-Brenndauer kann auch dazu führen, dass die Mengen von Ta₂O₅ in der Oberfläche der ersten Keramikschicht im Vergleich zu der Oberfläche im Grünzustand aufgrund der Mitigation der Ta₂O₅-Phase verringert sind. Geringere Mengen (z. B. 10 % oder 20 % oder 50 % weniger als bei der Oberfläche im Grünzustand) von Ta₂O₅ in der Oberflächenschicht führt zu einer Oberfläche, die sich für Anwendungen in Umgebungen mit Chlorgas (CL₂ und BCl₃) oder sogar Umgebungen mit Fluorgas eignet.
Vorzugsweise ist eine Dichte der zweiten Keramikschicht während des Verdichtungsprozesses geringer als eine Dichte der ersten Keramikschicht, da ein höherer Porengehalt in der zweiten Keramikphase sowie um die Schichtgrenzen herum die Mitigation der Ta₂O₂-Flüssigphase in Richtung der zweiten Keramikschicht fördert.
Die erste und die zweite Keramikschicht können durch eine beliebige geeignete Technik gebildet werden, einschließlich Trockenpressen oder Bandgießen. Bei einer Ausführungsform wird die zweite Schicht durch Trockenpressen gebildet und die erste Schicht durch Bandgießen. Details zu einem solchen Prozess finden sich in der US 20170057880 , die durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Bandgießen wird vorzugsweise verwendet, wenn die dielektrische Schicht eine Dicke von weniger als 200 µm und mehr bevorzugt weniger als 100 µm aufweist.
Die Dicke der zweiten Grünkeramikschichten kann stark variieren, wobei sie größtenteils von ihrer bestimmten Anwendung abhängig ist. Im Allgemeinen reicht ihre Dicke jedoch von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 5 mm. Vorzugsweise weist die Grünkeramikschicht eine gleichmäßige oder zumindest im Wesentlichen gleichmäßige Dicke auf.
Metallisierung
Die Metallisierungsschicht kann ein feuerfestes metallisierungsbildendes Material umfassen, d. h., während der Co-Brennung bildet das feuerfeste metallisierungsbildende Material die elektrisch leitfähige feuerfeste Metallphase auf dem Substrat. Im Allgemeinen ist das metallisierungsbildende Material auf dem Fachgebiet bekannt und im Handel erhältlich. Das metallisierungsbildende Material weist vorzugsweise eine Schmelztemperatur auf, die signifikant unter der Temperatur der Co-Brennung liegt (z. B. 50 °C oder 100 °C darunter). Das Metallisierungsmaterial ist vorzugsweise ein Metall, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Platin, Palladium, Wolfram, Molybdän, Niob, Tantal und Legierungen davon besteht.
Für gewöhnlich liegt das metallisierungsbildende Material in Form einer Paste oder Tinte vor, die feuerfeste Metallpartikel in Suspension in organischem Bindemittel und Lösungsmittel umfasst. Das Metallisierungsmaterial kann auch einige glasbildende Komponenten (z. B. SiO₂, MgCO₃, Kaolin) enthalten, die die Anhaftung des Metalls an dem Substrat weiter unterstützen. Da die gebildete Ta₂O₂-Flüssigphase die Anhaftung der Metallisierungsschicht an dem Substrat verbessern kann, sind solche Zusätze jedoch optional.
Im Allgemeinen reicht die Größe der feuerfesten Metallpartikel von ungefähr 0,1 Mikrometern bis ungefähr 20 Mikrometer.
Das feuerfeste Metall kann ein beliebiges Metall sein, dessen Partikel während des Sinterns der vorliegenden sinterbaren Keramikzusammensetzung miteinander gesintert werden können, um eine durchgehende elektrisch leitfähige Phase zu erzeugen. Das refraktäre Metall muss während des Sinterns der Keramikzusammensetzung ein Feststoff sein und ist vorzugsweise Wolfram oder Molybdän.
Das Metallisierungsmaterial kann durch eine Reihe von herkömmlichen Techniken mit der Keramikschicht in Kontakt gebracht werden. Im Allgemeinen wird es in einem vorab ausgewählten Elektrodenmuster der elektrostatischen Spannvorrichtung darauf und/oder darin abgeschieden oder gedruckt. Für gewöhnlich wird es mittels Siebdruck darauf aufgebracht.
Fertigung
Bei der Fertigung eines monolithischen Körpers mit einem mehrschichtigen Keramiksubstrat wird eine Mehrzahl von Grünkeramikschichten produziert und das Metallisierungsmaterial wird in einem vorab ausgewählten Muster mit dem Großteil oder sogar allen davon in Kontakt gebracht oder darauf gedruckt. Durchkontaktierungen oder Durchgangslöcher können je nach Verbindung der Schichten untereinander in die Bleche gestanzt und mit dem Metallisierungsmaterial für gewöhnlich in Form einer Paste gefüllt werden. Die Bleche werden dann in einer vorab ausgewählten Weise zusammen gestapelt, d. h. einander überlagert, so dass im Allgemeinen ein Sandwich gebildet wird. Der Stapel kann unter einem Druck und einer Temperatur laminiert werden, die größtenteils anhand seiner bestimmten Zusammensetzung bestimmbar sind, für gewöhnlich jedoch weniger als ungefähr 100 °C, um eine laminierte Struktur zu bilden, die danach co-gebrannt wird.
Nachdem Metallisierungsfarbe aufgetragen wurde, können mehrere Schichten von Grünbändern und/oder trockengepressten Grünblechen mithilfe von isostatischem Pressen zusammengefügt werden. Ein typischer Druck kann bis zu ungefähr 103 MPa (15 k psi) betragen, je nach Bedarf kann jedoch auch ein höherer Druck verwendet werden. Durch das isostatische Pressen wird zwischen den Bändern nicht nur eine gute Laminierung erzeugt, sondern auch ein gleichmäßiges Schrumpfen der mehrschichtigen Bandstruktur während des Brennen gewährleistet.
Wenn die gebrannte laminierte Baugruppe als elektrostatische Spannvorrichtung verwendet wird, müsste die Außenfläche oder -seite des co-gebrannten Keramikteils im Wesentlichen flach sein, um zu gewährleisten, dass zwischen dem Substratwafer und der Trägerfläche der dielektrischen Schicht ein maximaler Oberflächenkontakt besteht. Um die Flachheit des co-gebrannten Keramikteils zu erhalten, umfasst ein Verfahren zum Flachbrennen einer Schichtanordnung die Schritte:

a) Trägern der Schichtanordnung auf einem Isoliersetter mit zumindest einer im Wesentlichen flachen Oberfläche;
b) Anbringen oder Zusammenfügen eines Isoliergewichts mit zumindest einer im Wesentlichen flachen Oberfläche auf der Schichtanordnung, so dass die Schichtanordnung zwischen der im Wesentlichen flachen Oberfläche des Isoliersetters und dem Isoliergewicht liegt.

Schritt (a) und (b) werden danach in einer inerten (z. B. N₂) oder reduzierenden gasförmigen Umgebung (z. B. H₂) auf die Sintertemperatur gebrannt. Vorzugsweise werden die zumindest eine Oberfläche des Setters und/oder Gewichts in Angrenzung an das Erzeugnis im Wesentlichen flachgearbeitet. Indem zumindest eine Seite des Setters und/oder des Gewichts in Kontakt mit dem Grünerzeugnis im Wesentlichen flachgearbeitet wird, behält die Grünschichtanordnung entweder ihre Flachheit oder nimmt die Flachheit der Oberfläche des Setters und/oder des Gewichts während des Brennens an. Im letzteren Fall beispielsweise, in dem die Grünschichtanordnung infolge ihres Bildungsprozesses wie z. B. Trockenpressens oder Isopressens oder sogar durch ihre Handhabung nicht ganz flach ist oder Fehlerstellen aufweist, bewirkt der durch das Gewicht angelegte Druck beim Brennen der Grünschichtanordnung zwischen im Wesentlichen flachen Oberflächen des Setters und des Gewichts, dass die Schichtanordnung die Flachheit der flachen Oberflächen des Setters und/oder des Gewichts im Wesentlichen annimmt.
Die vorliegende Struktur wird vorzugsweise co-gebrannt, um eine Sinterstruktur zu produzieren, die aus einem Sinterkeramiksubstrat ohne Poren größer als ungefähr 5 Mikrometer und einer adhärenten elektrisch leitfähigen Phase von feuerfestem Metall besteht.
Während des Sinterns umfasst die erste Keramikschicht vorzugsweise eine Ta₂O₅-Flüssigphase zum Produzieren eines Keramiksubstrats mit einer gewünschten Dichte. Vorzugsweise haftet die Ta₂O₂-Flüssigphase die Sintermetallpartikel an die angrenzenden Keramikschichten. Während des Sinterns wandert ein Teil der Flüssigphase, der das Sintern der Keramik ermöglicht, durch Kapillarwirkung in die Zwischenräume zwischen den feuerfesten Sintermetallpartikeln, wodurch eine Phase, für gewöhnlich eine glasartige Phase, erhalten wird, die mit der durchgehenden Phase von feuerfestem Metall vermischt ist, wodurch die Adhärenz der feuerfesten Metallphase an dem Substrat unterstützt wird. Die Sintertemperatur kann stark variieren und hängt dabei größtenteils von der bestimmten Keramikzusammensetzung ab, liegt im Allgemeinen jedoch über 1300 °C und liegt für gewöhnlich im Bereich von ungefähr 1350 °C bis ungefähr 2100 °C. Beispielsweise ist eine Sintertemperatur von ungefähr 1500 °C bis ungefähr 1600 °C für eine sinterbare Flüssigphasen-Ta₂O₅-Aluminiumoxid-Zusammensetzung typisch.
Weitere Details zu der Verarbeitung von Komponenten zur Bildung einer elektrostatischen Spannvorrichtung sind in der US 20170057880 zu finden, die durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
Tantal ist der Einfachheit halber als Oxidform (Ta₂O₅) angegeben und es wird darauf hingewiesen, dass Tantal in anderen Formen vorhanden sein kann.
Figurenliste

1 ist eine Explosionsansicht einer Schichtanordnung, die eine elektrostatische Spannvorrichtung bildet (nicht maßstabsgetreu).
2 ist eine SEM-Aufnahme einer ersten Keramikschicht (oben); einer Metallisierungsschicht; und einer zweiten Keramikschicht gemäß einer Ausführungsform.
3 ist eine vergrößerte SEM-Aufnahme von 2.
4 ist ein Graph zum Gewichtsverlust (x 10^-4 g/cm²) einer Al₂O₃-Ta₂O₅-Zusammensetzung nach einem Korrosionstest.
5 ist die Biegefestigkeit (MPa) einer Al₂O₃-Ta₂O₅-Zusammensetzung nach einem Korrosionstest.
6 ist eine SEM-Aufnahme eines Querschnitts der Schichtanordnung.
7 ist eine SEM-Aufnahme eines Querschnitts des oberen Abschnitts der dielektrischen Schicht.
8 ist eine SEM-Aufnahme eines Querschnitts des mittleren Abschnitts der dielektrischen Schicht.
9 ist eine SEM-Aufnahme eines Querschnitts des unteren Abschnitts der dielektrischen Schicht.
10 ist eine SEM-Aufnahme und EDS-Spektren heben das Vorhandensein einer Tantalphase in der dielektrischen Schicht hervor.
Die 11a-c sind ein Teilbereich der SEM-Aufnahme von 9, der mit der Digitalbildgebungssoftware bearbeitet wurde.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine elektrostatische Spannvorrichtung 10 mit einem Durchmesser von 300 mm gezeigt, umfassend eine obere dielektrische Schicht 20 mit einer Oberseite 22, die durch Trockenpressen gebildet wurde, mit einer Dicke von 150 µm; eine Elektrodenschicht 30 (20 µm), umfassend eine Farbzusammensetzung auf Molybdänbasis, eine trockengepresste Isolierschicht 40 mit einer Dicke von ungefähr 50 µm; eine Heizschicht (20 µm) 50, umfassend eine Farbzusammensetzung auf Molybdänbasis; und eine Basisschicht mit einer Dicke von 150 µm.
Die dielektrische Schicht 20, die Isolierschicht 40 und die Basisschicht 60 umfassten jeweils hochreines Aluminiumoxid. Die dielektrische Schicht 20 umfasste 99,5 Gew.-% Al₂O₃, 0,5 Gew.-% Ta₂O₅ und Spurenmengen an Verunreinigungen. Sowohl die dünne Isolierschicht 40 als auch die Basisschicht 60 wurden aus Aluminiumoxidpulver mit einer Nennreinheit von 99,8 Gew.-% Al₂O₃ (Al-998™) gebildet. Ein anderes geeignetes Aluminiumoxidpulver ist unter anderem Al-995™. Ein hochreines Aluminiumoxid bildet die Basis für Aluminiumoxidformulierungen (Al-998™, AL-995™ und die E-1-Ausbildung), wobei die mittlere Partikelgröße der Aluminiumoxidpartikel ~ 1,2 µm beträgt; die Oberfläche - 3,5 m²/g beträgt).
Die Keramikschichten wurden unter Verwendung von gesprühtem getrocknetem Aluminiumoxid; Bindemitteln; Dispergiermittel und anderen Zusatzstoffen trockengepresst, wie in der US 20170057880 , Absatz 57 bis 62, beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 2 umfasst die co-gebrannte Schichtanordnung 10 eine dielektrische Schicht 20, die kleine darin verteilte Poren enthält. Der obere Abschnitt 70 der dielektrischen Schicht 20 soll einen geringeren Anteil an Ta₂O₅ als die Grenzflächenregion 80 zwischen der dielektrischen Schicht 20 und der Metallisierungsschicht 30 aufweisen. Die Metallisierungsschicht umfasst gesinterte metallische Partikel und eine glasartige Phase, wobei ein Teil davon Teil der Metallisierungszusammensetzung gewesen sein kann und ein Teil davon aus dem Ta₂O₅ in der dielektrischen Schicht stammen kann. Die Isolierschicht 40 umfasst einen größeren Anteil an Poren als die dielektrische Schicht 30.
Eine vergrößerte Aufnahme der Grenzflächenregion 80 zeigt den größeren Anteil an Poren in dieser Region als in der Masse der dielektrischen Schicht 20.
Beispiele:
Proben
Probe E-1 weist eine Zusammensetzung von 99,5 Gew.-% Al₂O₃ und 0,5 Gew.-% Ta₂O₅ auf. Andere Verunreinigungen machen weniger als 0,1 Gew.-% aus. Ta₂O₅ hat eine mittlere Partikelgröße von weniger als 1,0 µm, wobei eine kleinere Partikelgrößenverteilung (als Al₂O₃) die gleichmäßige Verteilung von Ta₂O₅ im Al₂O₃ unterstützt. E-1 weist eine Dichte von 3,96 g/cm³ auf.
Probe CE-1 ist Al-995™, erhältlich von Morgan Advanced Ceramics (Hayward, CA), weist eine Zusammensetzung von 99,5 Gew.-% Al₂O₃ und 0,5 Gew.-% andere Materialien (außer Ta₂O₅), darunter glasbildende Materialien, auf. CE-1 weist eine Dichte von 3,91 g/cm³ auf. Die Proben (E-1 und CE-1) wurden bei Raumtemperatur unter einem Druck von 15 kpsi laminiert und danach bei 1575 °C 2 Stunden lang in H₂ co-gebrannt.
Probe E-2 weist eine Zusammensetzung von 2,0 Gew.-% TiO₂; 4,0 Gew.-% Ta₂O₅ auf; andere Verunreinigungen sind weniger als 0,1 Gew.-% und der Rest Al₂O₃. E-2 weist eine Dichte von 3,96 g/cm³ auf.
Probe CE-2 ist eine handelsübliche Zusammensetzung, wobei eine Analyse durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS, Energy-dispersive X-ray Spectroscopy) das Vorhandensein einer Al₂O₃-Hauptkomponente und Nebenkomponenten von TiO₂; MgO, CaO und SiO₂ bestätigt. CE-2 weist eine Dichte von 3,85 g/cm³ auf.
Die Proben (E-2 und CE-2) wurden bei Raumtemperatur unter einem Druck von 15 kpsi laminiert und danach bei 1600 °C 2 Stunden lang in H₂ co-gebrannt.
Korrosionsbeständigkeit und Biegefestigkeit
Proben von CE1 und E1 mit bekanntem Gewicht und bekannter Biegefestigkeit und jeweils mit einer durchschnittlichen Probenoberfläche von 15,5 cm² wurden bei 90 °C 11 Wochen lang in einem Teflon™-Testgefäßen mit 150 ml wässrigen Chlorwasserstoffsäure-, Schwefelsäure-, Salpetersäure- oder Kaliumhydroxidlösungen mit einer Konzentration von jeweils 20 % Vol./Vol. platziert. Die Proben wurden danach erneut gewogen und erneut auf Biegefestigkeit getestet, wobei die durchschnittlichen Ergebnisse in den 4 und 5 angegeben sind.
Die Ergebnisse zeigen die verbesserte Korrosionsbeständigkeit und Biegefestigkeit von Probe E-1 (Alumiumoxid-Ta₂O₅) gegenüber der Probe CE-1 (Aluminiumoxid-MgO-Siliciumdioxid).
Dielektrische Eigenschaften
Probe E-1

Die Durchschlagsspannung wurde bei Raumtemperatur gemäß ASTM D149 bestimmt. Die Ergebnisse (Tabelle 1) indizieren, dass die dielektrische Schicht aus Al₂O₃ und Ta₂O₅ weit mehr als die zweifache Durchschlagsspannung als herkömmliche dielektrische Schichten aus hochreinem Aluminiumoxid aufweist, wodurch dünnere dielektrische Schichten verwendet werden können. Tabelle 1

Dicke (mil)	Durchschlagsspannung (V)	Durchschlagsspannung (V/mil) [V/µm]
5,5	9759	1774 [69,8]
5,5	9959	1774 [69,8]
5,5	11002	2000 [78,7]
5,5	> 11.000	2000 [78,7]
5,5	> 11.000	2000 [78,7]
Durchschnitt	10.543	1910 [75,2]

Probe CE-1 weist bei Raumtemperatur eine berichtete dielektrische Durchschlagsspannung von 800 V/mil auf.

Die Durchschlagsspannung wurde auch in einer ESC bestimmt, die eine obere dielektrische Schicht umfasst, die 99,8 Gew.-% Aluminiumoxid (Al998™, Morgan Advanced Ceramics) umfasst und gemäß den gleichen Bedingungen wie E-1 und CE-1 verarbeitet wurde. Die Dichte belief sich auf 3,92 g/cm³ und die Durchschlagsspannung variierte zwischen 569 und 943 V/mil und durchschnittlich 741 V/mil. Tabelle 2

Dicke (mil)	Durchschlagsspannung (V)	Durchschlagsspannung (V/mil) [V/pm]
7,0	6659	951 [37,5]
7,0	6582	940 [37,0]
7,0	6418	917 [36,1]
7,0	8044	1149 [45,2]
Durchschnitt	6926	989 [38,9]

CE-2 weist eine Durchschlagsspannung von 11 V/µm auf.
Der spezifische Volumenwiderstand von E-2 betrug 2 × 10^-11 ohm·cm im Vergleich zu 1 × 10^-11 ohm·cm von CE-2.
Die Schichtanordnung hierin ist in der Lage, eine größere Durchschlagsspannung (Tabelle 2), Korrosionsbeständigkeit; und Dichte als herkömmliches, elektrostatische Ladung ableitendes Material aus dem Stand der Technik (z. B. US 6,641,939 ) bereitzustellen.
Verdichtung der ersten Keramikschicht
Die Proben wurden wie zuvor beschrieben verarbeitet, mit der Ausnahme, dass die Sintertemperatur und -dauer angepasst wurden. Die Dichte der ersten Keramikschicht wurde durch die Temperatur und die Zeitdauer auf der Sintertemperatur beeinflusst. Wie in Tabelle 3 gezeigt, bewirkt eine Kombination aus Sintertemperatur und Dauer den Verdichtungsprozess. Wenn die Sintertemperatur ausreichend hoch ist, dann kann die Dauer der einschränkende Faktor sein, damit die Flüssigphase die Porenräume durchdringt und die Verdichtung erhöht. Tabelle 3

Sintertemperatur (°C) Dauer (h) Dichte (g/cm ³ ) [% theoretisch*]

1600 2 3,96 [99,25 %]

1530 2 3,95 [99,00%]

1530 0,5 3,89 [97,49%]

* die Dichte von Al₂O₃ wird mit 3,99 g/cm³ angenommen
Verteilung von Tantal in der ersten Keramikschicht
Unter Bezugnahme auf die 6 bis 9 wurde die Konzentration von Ta₂O₅ in der oberen Dielektrischen an einer Querschnittsfläche proximal der Oberfläche 170 (Probe (A)); einer Querschnittsfläche in der Mitte der dielektrischen Schicht 120 (Probe (B)); und einer Querschnittsfläche am Boden der dielektrischen Schicht 180 (Probe (C)) proximal der Metallisierungsschicht 130 bestimmt. In der zweiten Keramikschicht 140 wurden keine wesentlichen Mengen an Ta₂O₅ festgestellt, wenngleich dieses an der Grenzfläche der ersten und der zweiten Keramikschicht wahrscheinlicher vorhanden ist, anstatt durch das metallische Elektrodenmuster 130 der elektrostatischen Spannvorrichtung getrennt zu sein.
Die Querschnittsflächen der Komponenten der dielektrischen Schicht wurden unter Verwendung des Bildverarbeitungssoftware-Tools ImageJ™ bestimmt. Der Porenraum und die Artefakte in den Aufnahmen (schwarz identifiziert) wurden aus der Gesamtquerschnittsfläche ausgenommen. Die graphischen Daten wurden dann unter Verwendung eines Schwellenwerts auf Basis des Tons des Tantalabschnitts in einer binäres Format umgewandelt (weiß - Tantalabschnitt; schwarz - andere), wobei die Zusammensetzung anhand eines entsprechenden EDS-Spektrums verifiziert wurde, wie in der Verifizierung einer Tantalphase in Probe B angezeigt (10).. Das Verhältnis von schwarzen zu weißen Pixeln wurde danach verwendet, um die Querschnittsflächenanteile des Tantalabschnitts im oberen Bereich (A), mittleren Bereich (B) und unteren Bereich (C) der dielektrischen Schicht zu berechnen.
Der Bildanalyseprozess von Probe (C) ist in den 11a-c dargestellt, wobei die Probenaufnahmefläche (11a), die ursprünglich mit dem Bildverarbeitungstool gescreent wurde, um Poren und Artefakte zu entfernen (11b), danach verwendet wurde, um die identifizierte (11c) Querschnittsfläche der Tantalphase (weiß) gegenüber der restlichen Fläche (mit Ausnahme der in 11b identifizierten Poren- und Artefaktflächen) zu identifizieren. Die gleichen Verarbeitungsschritte wurden bei der Berechnung der Querschnittsfläche der Tantalphase in den Proben (A) und (B) verwendet.

Eine Probenquerschnittsfläche von etwa 312 µm² (26 µm × 12 µm) an einer maximalen Stelle von nicht mehr als 30 µm von der Metallisierungsschicht für (C) und einer maximalen Stelle von nicht mehr als 30 µm von der Fläche der dielektrischen Schicht für (A) entfernt) wurde verwendet, um die oberen (A), mittleren (B) und unteren (C) Teilbereiche der dielektrischen Schichten zu analysieren, wobei die Ergebnisse in Tabelle 4 unter Verwendung einer EDS-Analyse angegeben sind. Wie in Tabelle 4 gezeigt, war der Anteil von Tantal (in Bezug auf die gesamte effektive Fläche der Probe, d. h. die gesamte Probenfläche minus der von Poren und Artefakten eingenommenen Probenfläche) im unteren Bereich (C) der dielektrischen Schicht am höchsten und nahm der Anteil von Tantal hin zu dem oberen Bereich dielektrischen Schicht (A) schrittweise ab. Auf dies wird in den SEM-Aufnahmen einer Probenfläche A (7); Probenfläche B (8) und Probenfläche C (9) hingewiesen, wobei in 9 über der Metallisierungsschicht 130 beträchtlich mehr Ta₂O₅-Phasen (mit weißen Phasen gesprenkelt) vorhanden sind. Tabelle 4

Position der dielektrischen Schicht	Querschnittsfläche der Ta-Phase	% Veränderung gegenüber (A)
oberer Bereich (A)	0,29 %	-
mittlerer Bereich (B)	0,50 %	172 %
unterer Bereich (C)	0,73 %	252 %

Eine Bezugnahme auf „1 Ausführungsform“, „gewisse Ausführungsformen“, „diverse Ausführungsformen“, „eine oder mehrere Ausführungsformen“ oder „eine Ausführungsform“ in dieser gesamten Schrift bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur, ein bestimmtes Material oder ein bestimmtes Charakteristikum, wie in Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben, in zumindest einer Ausführungsform der Offenbarung beinhaltet ist. Somit beziehen sich Ausdrücke wie z. B. „bei einer oder mehreren Ausführungsformen“, bei gewissen Ausführungsformen‟, „bei diversen Ausführungsformen“, „bei 1 Ausführungsform“ oder „bei einer Ausführungsform“ an diversen Stellen in dieser gesamten Schrift nicht zwingend auf die gleiche Ausführungsform der Offenbarung. Ferner können die bestimmten Merkmale, Strukturen, Materialien oder Charakteristika bei einer oder mehreren Ausführungsformen auf eine beliebige geeignete Weise kombiniert werden.
Auch wenn die Offenbarung hierin eine Beschreibung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen bereitstellt, wird darauf hingewiesen, dass diese Ausführungsformen die Grundsätze und Anwendungen der Offenbarung lediglich veranschaulichen. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass diverse Modifikationen und Abwandlungen an der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können, ohne sich von deren Geist und Umfang zu entfernen. Demgemäß wird angedacht, dass die vorliegende Offenbarung Modifikationen und Abwandlungen einschließt, die in den Umfang der beiliegenden Ansprüche und deren Äquivalente fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5671116 [0003]
US 4678683 [0005]
US 5207437 [0005]
US 5104834 [0005]
US 6641939 [0032, 0077]
US 20170057880 [0045, 0058, 0062]

Claims

Schichtanordnung für eine elektrostatische Spannvorrichtung, die umfasst: A. eine erste Keramikschicht; B. eine zweite Keramikschicht; C. eine metallisierte Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Keramikschicht angeordnet ist, wobei die erste Keramikschicht umfasst: zumindest 90,0 Gew.-% Aluminiumoxid, Titandioxid, ZrO₂, Y₂O₃, AIN, Si₃N₄, SiC, Übergangsmetalloxide oder Kombinationen davon; und im Bereich von 0,1 bis 10,0 Gew.-% Tantaloxid (Ta₂O₅).
Schichtanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Keramikschicht eine obere dielektrische Schicht ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 2, wobei die obere dielektrische Schicht eine Dicke im Bereich von 20 µm bis 200 µm aufweist.
Schichtanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Keramikschicht zumindest 98 Gew.-% Aluminiumoxid umfasst.
Schichtanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Keramikschicht zumindest 99,0 Gew.-% einer Gesamtsumme des Tantaloxids, Aluminiumoxids, Titandioxids, ZrO₂, Y₂O₃, AlN, Si₃N₄, SiC und Übergangsmetalloxide umfasst.
Schichtanordnung nach Anspruch 1, wobei die Metallisierungsschicht ein Metall umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Platin, Palladium, Wolfram, Molybdän, Niob, Tantal und Legierungen davon.
Schichtanordnung nach Anspruch 1, wobei die zweite Keramikschicht Aluminiumoxid, Titandioxid, ZrO₂, Y₂O₃, AlN, Si₃N₄, SiC oder Kombinationen davon umfasst.
Schichtanordnung nach Anspruch 1, die ferner eine Ta₂O₅-Phase an einer Grenzfläche der ersten Keramikschicht und der metallisierten Schicht umfasst.
Schichtanordnung nach Anspruch 1, wobei eine Ta₂O₅-Konzentration an oder proximal einer Oberseite der ersten Keramikschicht geringer als eine Ta₂O₅-Konzentration an oder proximal einer Grenzfläche der ersten Keramikschicht und der metallisierten Schicht ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 1, wobei eine Querschnittsfläche einer Ta₂O₅-Phase in der ersten Keramikschicht proximal der Metallisierungsschicht mehr als 20 % größer als eine Querschnittsfläche einer Ta₂O₅-Phasen in der ersten Keramikschicht proximal einer Oberseite der ersten Keramikschicht ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 1, wobei die Dichte der ersten Keramikschicht größer als 97 % einer theoretischen maximalen Dichte davon ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 1, wobei eine Dichte der zweiten Keramikschicht geringer als eine Dichte der ersten Keramikschicht ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Keramikschicht ein elektrostatische Ladung ableitendes Material umfasst, das mit einem mit Übergangsmetalloxid dotiertem Aluminiumoxid und zwischen 0,5 Gew.-% und 10,0 Gew.-% Ta₂O₅ umfasst, wobei das Übergangsmetalloxid bezogen auf ein Gesamtgewicht eines Keramikmaterials in der ersten Keramikschicht in einer Menge im Bereich von 1,0 Gew.-% und 8,0 Gew.-% vorhanden ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 13, wobei das Übergangsmetalloxid Titandioxid (TiO₂) umfasst.
Schichtanordnung nach Anspruch 13, wobei die erste Keramikschicht zwischen 2,0 Gew.-% und 6,0 Gew.-% Ta₂O₅ umfasst.
Schichtanordnung nach Anspruch 1, wobei die Schichtanordnung eine co-gebrannte Schichtanordnung ist.
Elektrostatische Spannvorrichtung, die die Schichtanordnung nach Anspruch 1 umfasst.
Elektrostatische Spannvorrichtung nach Anspruch 17, wobei die erste Keramikschicht eine Durchschlagsspannung von zumindest 60 V/µm aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Schichtanordnung für eine elektrostatische Spannvorrichtung, die umfasst: A. Bilden einer Basisschicht, die ein erstes Material in einem Grünzustand umfasst; B. Auftragen eines feuerfesten metallisierungsbildendes Materials auf die Basisschicht, um eine Metallisierungsschicht zu bilden; C. Anordnen einer oberen Schicht, die ein zweites Material in einem Grünzustand umfasst, über der Metallisierungsschicht; D. Co-Brennen der Basis-, der Metallisierungs- und der oberen Schicht bei einer ausreichenden Temperatur und ausreichend lange, um eine Ta₂O₅-Flüssigphase zu bilden, wobei die Ta₂O₅-Flüssigphase in Richtung der Grenzflächen zwischen der oberen Schicht; der Metallisierungsschicht und der Basisschicht wandert; und die obere Schicht im co-gebrannten Zustand ein erstes Keramikmaterial umfasst, das umfasst: zumindest 90,0 Gew.-% Aluminiumoxid, Titandioxid, ZrO₂, Y₂O₃, AlN, Si₃N₄, SiC oder Kombinationen davon; und im Bereich von 0,1 bis 10,0 Gew.-% Tantaloxid (Ta₂O₅).
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das erste Keramikmaterial mehr als 99,0 Gew.-% Aluminiumoxid und weniger als 1,0 Gew.-% Ta₂O₅ umfasst.
Produkt, das die mit dem Verfahren nach Anspruch 19 gebildete Schichtanordnung umfasst.
Prozess zum Herstellen eines Siliciumwafers in einer Halogengasumgebung, wobei der Siliciumwafer von einer mit dem Verfahren nach Anspruch 19 gebildeten elektrostatischen Spannvorrichtung elektrostatisch gehalten wird.
Prozess nach Anspruch 22, wobei die Halogengasumgebung Chlor- oder Bortrichloridgas umfasst.
Prozess nach Anspruch 22, wobei der Prozess eine Ionenimplantation umfasst.
Schichtanordnung für eine elektrostatische Spannvorrichtung, die umfasst: A. eine erste Keramikschicht; B. eine zweite Keramikschicht; C. eine metallisierte Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Keramikschicht angeordnet ist, wobei die erste Keramikschicht ein elektrostatische Ladung ableitendes Material umfasst, das mit einem Übergangsmetalloxid dotiertes Aluminiumoxid und zwischen 2,0 Gew.-% und 10,0 Gew.-% Ta₂O₅ umfasst, wobei das Übergangsmetalloxid bezogen auf das Gesamtgewicht des Keramikmaterials in der ersten Keramikschicht in einer Menge im Bereich von 1,0 Gew.-% und 8,0 Gew.-% vorhanden ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 25, wobei das mit einem Übergangsmetalloxid dotierte Aluminiumoxid zumindest 90 Gew.-% der ersten Keramikschicht ausmacht.