TWI688064B - 積體式加熱器及製造方法 - Google Patents

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TWI688064B
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庫特 英格利
派翠克 馬格維奧
凱文 史密斯
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美商瓦特洛威電子製造公司
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Abstract

一種構成加熱器之方法包括以下步驟：提供一基材；在該基材中形成至少一溝；在該基材上且在該至少一溝中沈積一功能材料以形成一功能元件；及提供與該功能元件接觸之一電終端。

Description

積體式加熱器及製造方法
本揭示係大致關於電加熱器，且更特別地關於具有一更均一結構及更均一加熱效能之電加熱器及其製造方法。
在這部份中之說明只提供關於本揭示之背景資訊且可不構成習知技術。
電加熱器通常包括：一基材；設置在該基材上之一介電層；設置在該介電層上之一電阻加熱層；及設置在該電阻加熱層上之一保護層。該介電層、該電阻加熱層及該保護層可廣義地稱為「功能層」。該等電加熱器之該等功能層中的一或多數層可藉由在一表面或一基材上沈積一材料而呈一薄膜形式。
以一微觀尺度來說，因為在該基材表面上存在多數形貌體或多數溝，所以一沈積薄膜具有一凹凸表面。該沈積薄膜之一頂表面通常接受一平坦化處理以使該頂面平坦及提供該功能層更均一之效能。但是，該平坦化處理會由該沈積薄膜不必要地移除過多材料，使該最後沈積薄膜之厚度偏離其設計之厚度。此外，當該沈積薄膜係 埋設有一電元件之一介電層時，該薄膜之介電完整性會因為該介電層之厚度減少而減損，因此使該電加熱器之效能變差。
在一態樣中，提供一種構成加熱器之方法。該方法包括以下步驟：提供一基材；在該基材中形成至少一溝；在該基材上且在該至少一溝中沈積一功能材料以形成一功能元件；及提供與該功能元件接觸之一電終端。
其他應用之領域可由在此提供之說明了解。應了解的是該說明及特定例子只是為了要說明而不是意圖限制本揭示之範圍。
10:電加熱器
12:加熱器層
14:布線層
16:黏合層
17:保護層
18,30,70:基材
20,32,72,82:溝
21:第一溝段
22:電阻加熱元件
24:第二溝段
26:端子墊
28,36:端子插腳
33:溝段
34:布線元件
38:下表面
40:第一表面
42:第二表面
46:硬遮罩層
48:光阻層
50:光阻圖案
52:硬遮罩圖案
54:擴大孔
62:墊孔
64,68,80:通孔
66:電阻材料
67:頂表面
69:終端
74:第一功能材料
76:第一功能元件
78:介電層
79:通路
84:第二功能材料
86:第二功能元件
90:第一柱孔
92:第二柱孔
100,200:方法
102,104,106,108,110,112,114,116,118,122,124, 126,128,130,132,134,202,204,206,208,210,212,214,216:步驟
本揭示可由詳細說明及附圖更完整地了解，其中：圖1係依據本揭示之教示構成的一電加熱器的橫截面圖；圖2A至2D顯示依據本揭示之教示製造圖1之電加熱器的一加熱器層的步驟；圖2E顯示依據本揭示之教示製造圖1之電加熱器的一布線層的步驟；及圖3顯示依據本揭示之教示製造電加熱器之一方法的變化例的步驟。
在圖式之數個圖中對應符號表示對應部件。
以下說明在本質上只是示範而不是意圖限制本揭示、應用或用途。
請參閱圖1，依據本揭示之教示構成的一電加熱器10包括一加熱器層12、一布線層14、設置在該加熱器層12與該布線層16間之一黏合層16、及設置在該加熱器層12上之一保護層17。該黏合層16黏合該加熱器層12及該布線層14。該保護層17使該加熱器層12電絕緣。
該加熱器層12包括界定至少一溝20之一基材18及設置在該溝20中之至少一電阻加熱元件22。當在該基材18中形成多數溝20時，可在該等多數溝20中設置多數電阻加熱元件22以界定多數加熱區域。該溝20可界定多數第一溝段21及至少二第二溝段24，該等第二溝段24具有用於電端接之一擴大溝區域。該溝20界定大約1至10微米之一深度，且宜為大約3至5微米之一深度。
該電阻加熱元件22包括至少二端子墊26，該等端子墊26設置在具有擴大溝區域之該等第二溝段24中。該電阻加熱元件22具有選自於由鉬、鎢、鉑或其合金構成之群組的一電阻材料。此外，該電阻加熱元件22之電阻材料可具有足夠電阻溫度係數(TCR)特性使得該電阻加熱元件22具有作為一加熱器及作為一溫度感測器之功能。
該加熱器層12更包括一對端子插腳28，該對端子插腳28與該電阻加熱元件22之端子墊26直接接觸且由該等端子墊26延伸通過該基材18及該黏合層16至該布線層14。
該布線層14包括界定至少一溝32之一基材30及設置在該溝32中之一布線元件34。一或多數布線元件34可依據應用來設置。該布線元件34係用於連接該加熱器層12之電阻加熱元件22及一外電源(未圖示)。該布線層14之溝32可包括至少二溝段33，且該等溝段33對應於該加熱器層12之溝20的第二溝段24。該布線層14更包括一對端子插腳36，該對端子插腳36設置在該等至少二溝段33中且由該布線元件34延伸通過該基材30並超出該基材30之一下表面38。該布線層14之端子插腳36與該加熱器層12之端子插腳28對齊且接觸。
該加熱器層12之基材18及該布線層14之基材30可包括一陶瓷材料，例如氮化鋁及氧化鋁。
請參閱圖2A至2E，構成圖1之電加熱器10的一方法100包括製造該加熱器層12之一子製程(如圖2A至2D所示)及製造該布線層14之一子製程(如圖2E所示)，接著將該加熱器層12及該布線層14黏合在一起(亦顯示在圖2E中)。該等二子製程可同時或一個接著一個地施行。
在製造該加熱器層12之子製程中，在步驟102中提供呈一胚料形式之一基材18。該基材18具有相對第一與第二表面40與42。在步驟104中，例如藉由沈積在該第一表面40上形成一硬遮罩層46。
接著，在步驟106中，在該硬遮罩層46上沈積一光阻層48。在步驟108中，蝕刻該光阻層48以便在該硬遮罩層46上形成一光阻圖案50。在這步驟中，將用於 使該光阻層48圖案化之一光罩(未圖示)放在該光阻層48上方，且使一紫外(UV)光穿過該光罩照射在該光阻層48上以使暴露於該UV光之光阻層48的某些部份顯影，接著蝕刻該光阻層48之暴露部份或未暴露部份以形成該光阻圖案50。依據蝕刻及移除該光阻層48之暴露或未暴露部份，該光阻圖案50可為一正圖案或一負圖案。
請參閱圖2B，在步驟110中，藉由使用該光阻圖案50作為一遮罩來蝕刻該硬遮罩層46以形成一硬遮罩圖案52。然後，在步驟112中移除該光阻圖案50並在該基材18之第一表面40上留下該硬遮罩圖案52。該硬遮罩圖案52包括至少二擴大孔54。
接著，在步驟114中，藉由使用該硬遮罩圖案52作為一遮罩在該基材18之第一表面40上施行一蝕刻製程以便在該基材18中形成至少一溝20。該溝20界定多數第一溝段21及具有擴大區域之至少二第二溝段24。該等至少二第二溝段24對應於該硬遮罩圖案52之至少二擴大孔54。該至少一溝20可藉由雷射移除製程、切削、3D燒結/列印/加成製造、生胚狀態(green state)、模塑、水刀、混合雷射/水、乾電漿蝕刻來形成。
在該基材18中形成該溝20後，在步驟114中，移除該硬遮罩圖案52且清潔該基材18以形成具有一溝20之一基材18，且該溝20在該基材18之第一表面40上具有一所需溝圖案。
該等溝20之數目及該等第二溝段24之數目 取決於欲形成在該溝20中之電阻加熱元件22的加熱區域數目。該溝20之第一與第二溝段21與24的深度與寬度取決於該電阻加熱元件22所需之功能及效能。例如，當在該基材18中只形成一溝20時，該溝20可具有一固定或變化深度及/或寬度。當在該基材18中形成多數溝20時，某些溝20可較寬而其他溝可較窄；某些溝20可較深而其他溝可較淺。
請參閱圖2C，在該基材18中形成具有一所需溝圖案之溝20後，在步驟118中，在該溝20之各擴大第二溝段24中施行一切削製程以形成穿過該基材18之一墊孔62及一通孔64。該墊孔62設置在該通孔64與該擴大第二溝段24之間。該通孔64由該墊孔62延伸至該基材18之第二表面42。
然後，在步驟122中，在該基材18之第一表面40上且在該溝20中沈積一電阻材料66。舉例而言，該電阻材料66可形成在該基材18上且在該溝20中。
在步驟124中熱處理該電阻材料66。舉例而言，該電阻材料66沈積在該溝20中且在該基材18之第一表面40上的基材18可放在一用於退火之爐中。
請參閱圖2D，在熱處理該電阻材料66後，在步驟126中，在該電阻材料66上施行一化學機械拋光/平坦化(CMP)製程以便移除多餘電阻材料66直到暴露該基材18之第一表面40為止，藉此在該溝20中形成一電阻加熱元件22。在這步驟中，該基材18之第一表面40暴露且未被任 何電阻材料66覆蓋。留在該溝20中之電阻材料66形成具有一頂表面67之電阻加熱元件22，且該頂表面67與該基材18之第一表面40齊平。
最後，在步驟128中，在該基材18之第一表面40及該電阻加熱元件22之頂表面67上形成一保護層17。該保護層17使該電阻加熱元件22電絕緣。該保護層17可藉由黏合一預成形保護層及該基材18而形成在該基材18上。該黏合製程可為一硬焊製程或一玻料黏合。或者，當在該基材18中形成多數溝20時，某些溝20，最好是設置成環繞該基材18之周邊的溝可填充一黏合劑使得在某些溝20中之黏合劑可黏合該基材18及該保護層17。在該基材18上形成該保護層17後，完成一加熱器層12。
如前所述，該溝20之深度及寬度可組配成沿著該溝20之長度變化。藉由變化之深度及寬度，該溝20容許該電阻加熱元件22沿其長度具有變化厚度及寬度，藉此沿著該電阻加熱元件22之長度獲得可變瓦特數。此外，藉由使用該溝20來界定該電阻加熱元件22之形狀，可在相同溝之不同部份中沈積不同材料，或在相同溝20中設置二或二以上層之材料。例如，可先在該溝20中沈積一電阻材料，接著在該電阻材料之頂部沈積一黏合劑。因此，亦可使用該溝20中之材料作為一黏合劑將一保護層黏合在該材料上。亦可在該溝20之不同部份中沈積多數設計層或多數摻雜材料以獲得沿其長度具有不同材料性質的一電阻加熱元件。
請參閱圖2E，製造一布線層14之子製程包括類似於前述製造一加熱器層12之子製程步驟的步驟，但製造一布線層14之子製程包括切削一通孔穿過該布線材料之一步驟且未包括黏合一保護層之一步驟。此外，因為該加熱器層12及該布線層14具有不同功能，所以用於形成該電阻加熱元件22及該布線元件34之材料不同。
更詳而言之，製造該布線層14之子製程包括類似於先前參照圖2A至圖2G所述之步驟102至步驟126的步驟。因此，為清楚起見，在此省略這些步驟之詳細說明。填充在該布線層14之溝32中的材料與填充在該加熱器層12之溝20中的材料不同。該加熱器層12係組配成可產生熱且因此填充在該基材18之溝20中的材料係具有比較高電阻率之一電阻材料以便產生熱。在該布線層14中，填充在該基材30中之溝32的材料係具有比較高導電性之一導電材料以便電連接該加熱器層12之電阻加熱元件22及一外電源。
此外，該布線層14之基材30具有一溝32，該溝32具有與該加熱器層12之基材18之溝20的溝圖案不同的一溝圖案。如圖2E所示，該布線層14之溝32係顯示為比該加熱器層12之溝20寬。
請參閱圖2E，在步驟130中，熱處理該布線材料且使該布線材料平坦化以形成一布線元件34。在這步驟中，該基材30之頂表面與該布線元件34之頂表面齊平。類似於該加熱器層12，該布線層14包括與該布線元 件34之至少二部份連接的一對端子插腳36及一對終端69。
接著，切削該布線元件34以界定由該布線元件34之一頂表面延伸至該等終端69的一對通孔68。然後，將該加熱器層12放在該布線層14之頂部。將延伸超出該基材18之第二表面42的該加熱器層12之端子插腳28插入該等通孔68使得該加熱器層12之端子插腳28與該布線層14之終端69接觸。因此，該加熱器層12之電阻加熱元件22與該布線元件34電連接，且該布線元件34接著與一外電源電連接。
請參閱圖3，說明依據本揭示之教示製造一電加熱器之一方法200的一變形例。依據填充在該基材之溝中的功能材料種類，該方法可應用於形成另一電組件，例如一靜電吸盤之一電極層及一RF天線層。
在步驟202中，該方法由提供一基材70及在該基材70中形成至少一溝72開始。該基材70可包括氮化鋁。在這步驟中，可在未使用一硬遮罩圖案之情形下藉由一機械方法，例如一雷射移除/切割製程、微珠噴擊、切削、3D燒結/列印/加成製造、生胚狀態(green state)、模塑、水刀、混合雷射/水、或乾電漿蝕刻來形成該至少一溝。當使用一微珠噴擊製程時，該等珠之粒徑小於100μm，且宜小於50μm。
接著，在步驟204中，在該溝72中且該基材70之一頂表面上填充包括一第一金屬之一第一功能材料 74。該第一功能材料74可藉由一層疊製程形成，該層疊製程包括使用與厚薄膜、薄薄膜、熱噴塗或溶膠-凝膠等相關之製程將一材料施加或累積在一基材或另一層上。或者，可如先前參照圖2C之步驟122所述地使用一硬焊回流製程(braze reflow process)在該基材70上且在該溝72中沈積該第一功能材料74。例如，可藉由將一金屬箔放在該基材70上，接著藉由熔化該金屬箔使得該熔融金屬可填充在該溝72中且重熔流布至該基材之一頂表面來形成該第一功能材料74。
接著，類似參照圖2C所述之步驟124，在步驟204中，可例如藉由退火來熱處理該第一功能材料74。然後，在步驟206中，由該基材70移除多餘第一功能材料74以藉此在該基材70之至少一溝72內留下該第一功能材料74以便形成一第一功能元件76。該移除製程可為一化學機械製程(CMP)、蝕刻或拋光。接著，在步驟208中，在該第一功能元件76上且在該基材70上沈積一介電層78。
接著，在步驟210中，在至少二對應位置穿過該介電層78形成至少一通路79以暴露該第一功能元件76之一部份。該通路79可包括一通孔80及一溝82。這步驟包括在該介電層78中形成一溝82之一步驟及穿過該介電層78且進入該第一功能元件76形成一通孔80之一步驟。該溝82可在該通孔80形成前或後形成。該通路79可藉由雷射切割形成。該溝82可具有在大約100nm至100μm之範圍 內的一深度。
在步驟212中，在包括該通孔80及該溝82之通路79中及該介電層78之一頂表面沈積一第二功能材料84使得該第二功能材料84與該第一功能元件76接觸。
在步驟214中，由該介電層78移除多餘之第二功能材料84，藉此在該通路79內留下該第二功能材料84以形成與該第一功能元件76連接之電終端。在這步驟中，留在該通孔80中之第二功能材料84形成一第二功能元件86。該第二功能材料84之頂表面在該移除步驟後與該介電層78之頂表面齊平。或者，可蝕刻該第二功能材料84以形成一所需輪廓。
當使用該方法200來形成一電加熱器時，該第一功能元件76可為一電阻加熱元件且該第二功能元件86可為用於連接該電阻加熱元件及一外電源之一布線元件。當使用該方法200來形成一靜電吸盤之一電極層時，該第一功能元件76可為一電極元件且該第二功能元件86可為用於連接該電極元件及一外電源之一布線元件。
或者，該第一功能元件76可組配為一布線元件，而該第二功能元件可組配為一電阻加熱元件或一電極元件。在這情形中，該通孔80可用該第一功能元件76之相同材料或用於一所需電傳導之一不同材料來填充。
然後且選擇地，可在步驟216中形成一第一柱孔90或一第二柱孔92。該第一柱孔90延伸穿過該介電層92及該下方第一功能元件76。該第二柱孔92延伸穿過該第 二功能元件86。該等第一與第二柱孔90與92可藉由一雷射切割製程或一珠噴擊製程來形成。
在該第一柱孔90及/或該第二柱孔92中可插入其他端子插腳(未圖示)用於連接該第一功能元件76及/或該第二功能元件86與另一電組件，例如另一加熱器層、一調整層、一溫度感測層、一冷卻層、一電極層及/或一RF天線層。因此，該另一加熱器層、調整層、冷卻層、電極層或RF天線層可與相同布線元件及一外電源連接。該另一加熱器層、調整層、冷卻層、電極層、RF天線層可藉由參照圖2A至3所述之方法100或200來製造。
關於參照圖2A至2E所揭露之方法100，雖然本揭示之方法說明包括製造該加熱器層12及該布線層14之子製程，但該方法100可包括使用類似步驟製造另外一或多數電組件之另外一或多數子製程。例如，該方法100可更包括用於製造另一加熱器層、調整層、冷卻層、電極層及RF天線層等之一子製程。
或者，可使用製造該加熱器層12之子製程來藉由在該溝中填充一不同材料形成另一電組件。例如，若在該基材之溝中填充一帕爾帖(Peltier)材料，可形成一冷卻層。若在該溝中填充一電極材料，可形成用於一靜電吸盤之一電極層。若在該溝中填充一適當RF天線材料，可形成一RF天線層。若在該溝中填充一具有比較低導熱率之一材料，可形成一熱障壁層。若在該溝中填充一具有比較高導熱率之一材料，可形成一散熱器。
由本揭示之方法100、200製成之電加熱器10具有一埋入加熱電路及一埋入布線電路，以及在整個該基材中更平坦之多數功能層。因此，該電加熱器可具有一更均一之結構及更均一之加熱效能。
應注意的是此揭示不限於所述及所示作為例子之實施例。在此已說明了多種修改例且更多修改例係所屬技術領域中具有通常知識者之知識的一部分。在不脫離此揭示及本專利之保護範圍的情形下，這些及其他修改例以及技術等效物之任何取代例可加入該說明及圖中。
10‧‧‧電加熱器
12‧‧‧加熱器層
14‧‧‧布線層
16‧‧‧黏合層
17‧‧‧保護層
18,30‧‧‧基材
20,32‧‧‧溝
21‧‧‧第一溝段
22‧‧‧電阻加熱元件
24‧‧‧第二溝段
26‧‧‧端子墊
28,36‧‧‧端子插腳
33‧‧‧溝段
34‧‧‧布線元件
38‧‧‧下表面

Claims (15)

  1. 一種構成加熱器之方法，其包含以下步驟：提供一基材；在該基材中形成至少一溝；在該基材的一頂部表面上且在該至少一溝中沈積一功能材料；由該基材的該頂部表面移除多餘功能材料，以藉此在該基材之該至少一溝內留下該功能材料以便形成一功能元件；及提供與該功能元件接觸之一電終端。
  2. 如請求項1之方法，更包含以下步驟：穿過該基材至該功能元件上之至少二對應位置形成至少一通路。
  3. 如請求項2之方法，更包含以下步驟：在該至少一通路中提供該電終端以使該電終端與該功能元件接觸。
  4. 如請求項1之方法，其中該形成至少一溝之步驟係藉由使用一沈積及硬遮罩蝕刻製程來達成，該沈積及硬遮罩蝕刻製程包含以下步驟：在該基材上沈積一硬遮罩；在該硬遮罩上沈積一光阻層；使該硬遮罩上之該光阻層顯影；蝕刻穿過該硬遮罩以形成圖案；移除該光阻層； 蝕刻穿過該圖案且進入該基材以形成該至少一溝；及移除該硬遮罩。
  5. 如請求項1之方法，其中在該基材上且在該至少一溝中沈積該功能材料後，熱處理該功能材料。
  6. 如請求項1之方法，其中該移除多餘功能材料之步驟包含選自於由一化學機械拋光/平坦化(CMP)製程、蝕刻及拋光構成之群組的一製程。
  7. 如請求項1之方法，其中藉由選自於由一雷射移除製程、一珠噴擊製程、切削、3D燒結/列印/加成製造、生胚狀態(green state)、模塑、水刀、混合雷射/水及乾電漿蝕刻構成之群組的一製程來形成該至少一溝。
  8. 如請求項1之方法，其中藉由使用選自於由厚薄膜、薄薄膜、熱噴塗及溶膠-凝膠構成之群組的一層疊製程、藉由使用一硬焊回流製程或藉由使一金屬箔熔入該至少一溝中，在該基材上且在該至少一溝中沈積該功能材料。
  9. 如請求項1之方法，更包含以下步驟：形成一第二溝、將一箔熔入一熔融材料中、將該熔融材料施加於該第二溝中；及藉由使用該熔融材料將該功能元件黏合在另一基材或電組件上。
  10. 如請求項9之方法，其中該第二溝係沿著該基材之一周邊形成。
  11. 如請求項1之方法，更包含以下步驟：使用如請求項1之方法形成一佈線層；及將該佈線層黏合在 該加熱器上。
  12. 一種加熱器，其依據請求項1之方法形成，其中該基材係來自氮化鋁及氧化鋁之群組的陶瓷且該功能元件係使用一硬焊回流製程形成在該至少一溝內的一鎳鈦合金。
  13. 如請求項12之加熱器，其中該至少一溝界定大約0.1至10μm，且宜為大約3至5微米之一深度。
  14. 如請求項12之加熱器，更包含在該至少一溝中之不同材料層。
  15. 如請求項12之加熱器，更包含設置在該溝內之一熱障壁或一散熱器。
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