TW201521148A - 氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法，該方法係包含以下步驟：提供第一層氮化鋁生片進行刮刀成型、落料；該第一層氮化鋁生片之一面進行網版印刷金屬電極，其中該金屬之油墨配方主成分以高熔點之金屬為主；提供第三層氮化鋁生片之一面疊層於該第二層之金屬電極上；以低溫低壓方式將第一層氮化鋁生片、第二層金屬電極及第三層氮化鋁生片之異質陶瓷層壓成型；該層壓成型之異質陶瓷以一燒結溫度曲線進行共燒，製得氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷，可減少金屬電極與氮化鋁陶瓷之間的燒結收縮比例差異，進而提升金屬電極與氮化鋁生片之間的界面強度與均勻附著性。

Description

氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法
本發明係為一種異質疊層共燒陶瓷之製備方法，特別是關於氮化鋁靜電吸盤之異質陶瓷共燒結合，尤其是以金屬與陶瓷間共燒結合之方法，藉由本發明提供之方法可減少金屬電極與氮化鋁陶瓷之間的燒結收縮比例差異，提升金屬電極之界面強度與附著性。
習知，半導體晶圓製程設備已經以介電質材料層產生靜電力(Electrostatic force)的靜電吸盤(Electrostatic Chuck,ESC)取代傳統的機械式晶圓座，以此靜電力吸附晶片，它除了可解決晶圓拱起變形、邊緣排除效應、微粒污染與使用壽命等機械式晶圓座所面臨的問題之外，亦可改善晶圓的接觸，增加熱傳效果，使冷卻效果加強，而且它並無直接暴露在電漿中，故製程效率和產能及品質皆大為提高。因此，靜電吸盤已成為現今半導體設備中極為重要的關鍵零組件。
一般ESC之設計是在電極上包含數層的介電層，這些介電材料扮演著重要的角色，影響著吸附力大小、吸放之反應時間、工作電壓、熱傳效果、化學機械強度及耐用性等。有些ESC在介電質中埋藏金屬電極，介電質可能包括陶瓷(有良好的機械特性及熱傳導效果)、Polyimide或是其他高分子材料，使ESC能在很短的反應時間內達到固定(Chuck)以及鬆開(De-chuck)晶圓的效果，以及能快速的將晶圓散熱，而ESC沒有機械組件暴露在電漿環境中，不易造成零件損耗，因此可以大幅的增加使用壽命。ESC加入介電層之原因是因為ESC必須靠此層才會有靜電吸引力產生，並且可避免電極與晶圓直接的電性接觸，而干擾施加在晶圓上的RF，進而影響製程。一般可拿來作為ESC介電層之介電材料如表一所示。
表一、ESC常用介電材料之性質比較
現今業界常用之靜電吸盤，其電極部分是以鋁金屬製成，表面因為要增加其硬度以及平整度，所以在電極上會作表面陽極處理，在鋁材表面可以形成一層50μm的氧化鋁介電層。然而隨著半導體製程技術的進步，使用電漿功率與密度逐漸增加，氧化鋁介電層已逐漸無法承受高功率密度的電漿轟擊，使得耐用性變差；除此之外，氧化鋁較差的熱導係數，使其無法有效排除伴隨高功率密度電漿轟擊而產生之巨大熱量，也無法應用於高溫或低溫等需控制溫度的製程。因此具有高散熱性的陶瓷材料應用在ESC介電層上就顯得極為重要。氮化鋁具有高的熱傳導率(170-230W/mK)，約為氧化鋁的8-10倍；低熱膨脹係數(4.5×10-6/℃)與矽及其它半導體匹配；高的電絕緣性和低的介電常數，且機械強度高於氧化鋁；具有優秀的抗腐蝕能力及耐用性，因此氮化鋁十分適合用來做為需在高溫環境及高功率密度電漿下操作的ESC介電層材料，以維持ESC在嚴苛環境下操作的耐用性。
按，陶瓷散熱基板中與燒結相關之製程有低溫共燒多層陶瓷基板(LTCC,Low-Temperature Co-fired Ceramic)，此技術需先將陶瓷材料粉末與玻璃材料加上有機黏結劑，使其混合均勻成為泥狀的漿料，利用刮刀成型為生胚，鑽導通孔為各層訊號的傳遞，LTCC內部線路則運用網版印刷，分別於生胚上填孔及印製線路，使用內外電極並將各生胚進行疊層，於850℃~900℃下燒結成型。高溫共燒多層陶瓷(HTCC,High-Temperature Co-fired Ceramic)，該製程無需加入玻璃材料，於乾燥生胚上鑽導通孔，接著以網版印刷技術填孔與印製線路，最後再於1300℃~1600℃環境下疊層燒結成型，主要因燒結溫度較高，使金屬導體材料選擇受限。
LTCC及HTCC製程必須疊層後再進行燒結成型，使得各層會有收縮比例問題，過去在金屬電極內埋入氮化鋁陶瓷進行一次燒結成型的製程中，燒結過後金屬電極無法與氮化鋁之間產生良好的界面強度與附著性，且兩 者之燒結收縮比例不一致，也容易導致巨觀或微觀缺陷的產生，使得金屬電極與氮化鋁之間異質結合效果不佳，金屬線路精度變低、良率及電性變差。而本發明將提出氮化鋁異質疊層共燒陶瓷技術，以解決該問題。
復按，以網版印刷法將加熱器材料塗佈於靜電吸盤之吸覆面之背側，且以加熱硬化，藉由安裝此加熱器之方法將金屬薄片或片狀導電材料黏貼於附帶加熱器功能之靜電吸盤裝置中，使用有機黏結劑將靜電吸盤部與溫度調整用基座部黏合時，有機黏結劑層會產生細孔，或者是在其間有塌陷未黏接之部分，將電壓施加於該加熱器中，靜電吸盤部與溫度調整用基座部會導通即短路不良現象，而有絕緣破壞之虞。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明提出製備氮化鋁靜電吸盤模組以氮化鋁/金屬電極/氮化鋁陶瓷的生片疊層結構共燒之製備方法，解決不同材料的燒結收縮比例控制問題，以增加內埋金屬電極的可靠度，以及氮化鋁積層共燒陶瓷的結構尺寸穩定性。本發明與先前技術的差異，主要在於內埋線路不是以內埋金屬一次燒結成型的方式，而是改採陶瓷與金屬線路多層堆疊共燒成之方式，除了可於燒結前以高精密網印技術塗佈上高精確度之金屬線路之外，多層陶瓷堆疊共燒技術還可於較低溫度下進行疊層共燒結合，改善過去內埋金屬陶瓷一次燒結成型技術需在較高溫度燒結時，所產生之內埋金屬線路精確度、良率及電性的問題。本發明提出之金屬電極線路/氮化鋁陶瓷生片疊層同時完成燒結的方式，與一般層狀陶瓷燒結後，再與金屬電極進行組合之方法不同，可減少加工程序，並有效提昇燒結成品之穩定性與可靠度。
一般而言，網版印刷在適當的基材上製成厚膜圖案，並經由適當的熱反應使厚膜於機械性、電性、光學特性等能表現出期望的特性，網版印刷中除了厚膜材料之選擇外，在基材上製作厚膜圖案及適當的熱反應是厚膜技術中最主要的步驟，厚膜材料通常會施以印刷金屬導電膏於元件之內電極角色，以製備出高容質之基層陶瓷元件。不當的印刷品質影響厚膜元件的導電(電阻)特性及相關的耐電壓或信賴性。
本發明主要目的提供一種氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法，該方法係包含以下步驟：提供以刮刀成型之氮化鋁生片後，進行落料， 其中該氮化鋁生片之厚度為0.4mm至0.8mm，形成第一層氮化鋁生片；形成第二層金屬電極，該金屬電極係以該第一層氮化鋁生片之一面進行金屬網版印刷，其中該金屬之油墨配方主成分以高熔點之金屬為主；提供第三層氮化鋁生片之一面疊層於該第二層之金屬電極上；以低溫低壓方式將第一層氮化鋁生片、第二層金屬電極及第三層氮化鋁生片異質陶瓷層壓成型；層壓成型之異質陶瓷以一燒結升溫曲線進行共燒，形成一異質共燒陶瓷結構，藉由調控氮化鋁生片之厚度與金屬電極之金屬材料，搭配經設計之燒結溫度曲線，製得氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷，可減少金屬電極與氮化鋁陶瓷之間的燒結收縮比例差異，進而提升金屬電極與氮化鋁生片之間的界面強度與附著性。
其中該金屬電極或加熱電極之材質係為鎢或鉬，第一層與第二層之氮化鋁生片均以刮刀成型後進行落料。其中層壓成型之低溫低壓係為70~130℃及30~50MPa，該燒結溫度曲線係以二段式升溫，達到共燒溫度1600~1900℃，再以二段式降溫至室溫。
以上之概述與接下來的詳細說明，是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其它目的及優點，將在後續的說明中加以闡述。
S110~S150‧‧‧步驟
S210~S270‧‧‧步驟
11‧‧‧第一層氮化鋁生片
12‧‧‧金屬電極
13‧‧‧第二層氮化鋁生片
21‧‧‧第一層氮化鋁生片
22‧‧‧金屬電極
23‧‧‧第二層氮化鋁生片
24‧‧‧加熱電極
25‧‧‧第三層氮化鋁生片
第一圖係為本發明之異質疊層共燒陶瓷製備方法之流程示意圖。
第二圖係為本發明之異質疊層共燒陶瓷結構示意圖。
第三圖係為本發明之五層異質疊層共燒陶瓷製備方法之流程示意圖。
第四圖係為本發明之五層異質疊層共燒陶瓷結構示意圖。
以下係藉由特定具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示內容輕易地瞭解本發明之其它優點與功效。
實施例一
請參閱第一圖異質疊層共燒陶瓷製備方法之流程示意圖，及第二圖異質疊層共燒陶瓷結構示意圖所示，本實施例係提供以刮刀成型之第一層氮化鋁生片11後，進行落料S110；以第一層氮化鋁生片11之一面進行金屬電極 12網版印刷S120；取第二層氮化鋁生片13之一面疊層於金屬電極12上S130；以低溫低壓方式將該生片、電極及生片之三層結構層壓成型S140；提供一燒結溫度曲線進行異質共燒陶瓷S150。
實施例二
請參閱第三圖五層之異質疊層共燒陶瓷製備方法之流程示意圖，及第四圖五層之異質疊層共燒陶瓷結構示意圖所示，本實施例係提供以刮刀成型之第一層氮化鋁生片21後，進行落料S210；以第一層氮化鋁生片21之一面進行金屬電極22網版印刷S220；取第二層氮化鋁生片23之一面疊層於金屬電極22上S230；於第二片氮化鋁生片23之另一面進行加熱電極24塗佈S240；取第三片氮化鋁生片25之一面疊層於加熱電極24上S250；以低溫低壓方式將該生片及電極之五層結構層壓成型S260；提供一燒結溫度曲線進行異質共燒陶瓷S270。
本發明之實施例是以刮刀成型之氮化鋁生片，進行落料；以金屬網版印刷於第一層氮化鋁生片之一面形成金屬電極；以另一氮化鋁生片之一面疊層於金屬電極上；以70~130℃溫度及30~50MPa壓力將氮化鋁生片及金屬電極層壓成型；層壓成型之異質陶瓷結構以一升溫速率2~5℃/min，先達到1000~1300℃，持溫1~2小時，再以升溫速率1~3℃/min上昇到共燒溫度1600~1900℃，持溫8~15小時，接著以降溫速率1~3℃/min下降到1000~1300℃，持溫1~2小時，最後以降溫速率1~3℃/min下降至室溫。藉由調控氮化鋁生片之厚度與金屬電極之金屬材料，搭配經設計之燒結溫度曲線，製得氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷，可減少金屬電極與氮化鋁陶瓷之間的燒結收縮比例差異，進而提升金屬電極與氮化鋁生片之間的界面強度與附著性。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
S110~S150‧‧‧步驟

Claims (11)

  1. 一種氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法，該方法係包含以下步驟：(A)提供以刮刀成型之氮化鋁生片後，進行落料，其中該氮化鋁生片之厚度為0.4mm至0.8mm，形成第一層氮化鋁生片；(B)形成第二層金屬電極，該金屬電極係以該第一層氮化鋁生片之一面進行金屬網版印刷，其中該金屬之油墨配方主成分以高熔點之金屬為主；(C)提供第三層氮化鋁生片之一面疊層於該第二層之金屬電極上；(D)以低溫低壓方式將第一層氮化鋁生片、第二層金屬電極及第三層氮化鋁生片之異質陶瓷層壓成型；(E)層壓成型之異質陶瓷以一燒結溫度曲線進行共燒，形成一異質共燒陶瓷結構，藉由調控氮化鋁生片之厚度與金屬電極之金屬材料，搭配經設計之燒結溫度曲線，製得氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷，可減少金屬電極與氮化鋁陶瓷之間的燒結收縮比例差異，進而提升金屬電極與氮化鋁生片之間的界面強度與附著性。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之一種氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法，其中步驟(B)之該金屬係可為鎢或鉬。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之一種氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法，其中步驟(C)之氮化鋁生片係以刮刀成型及落料，該氮化鋁生片厚度為0.4mm至0.8mm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之一種氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法，其中步驟(D)之該低溫低壓範圍係為70~130℃及30~50MPa。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之一種氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法，其中步驟(E)之該燒結溫度曲線係以二段式升溫，達到共燒溫度1600~1900℃，再以二段式降溫至室溫。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之一種氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法，其中該燒結溫度曲線之二段式升溫係包含第一持溫時間1~2小時及第二持溫時間8~15小時。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之一種氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法，其中該燒結溫度曲線之二段式降溫係包含第一持溫時間1~2小時。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之一種氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法，其中步驟(D)之層壓成型更可包含第四層金屬電極、第五層氮化鋁生片，其中第四層金屬電極係為加熱電極。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之一種氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法，其中該第四層之金屬電極係為鎢或鉬。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之一種氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法，其中該第四層之金屬電極係以該第三層氮化鋁生片之另一面進行金屬網版印刷。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之一種氮化鋁靜電吸盤之異質疊層共燒陶瓷製備方法，其中該層壓成型後之第一層氮化鋁生片、第二層金屬電極、第三層氮化鋁生片、第四層加熱電極及第五層氮化鋁生片，搭配設計之燒結升溫曲線，製得五層之異質共燒陶瓷結構。
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