一种高导热氮化铝陶瓷静电卡盘及其制备方法与流程

本申请涉及半导体制造设备，具体涉及一种高导热氮化铝陶瓷静电卡盘及其制备方法。

背景技术：

1、静电卡盘（esc）是半导体先进制程中用于固定和控温晶圆的核心部件。氮化铝陶瓷因其高导热性和与硅匹配的热膨胀系数，已成为高端静电卡盘介电层的理想材料。

2、为调控电阻率，现有技术通常在氮化铝中均匀掺杂y2o3等烧结助剂。但高掺杂量会引入大量晶界相，严重降低热导率。近年来有方案提出采用多层突变结构，将介电层分为成分不同的独立子层，分别承担调控电阻率和维持高导热的功能。然而，该方案在层间存在清晰物理界面，导致声子在界面处强烈散射而产生附加界面热阻，且各层热膨胀系数差异引发界面应力集中，在热循环中易产生微裂纹。

3、因此，如何在氮化铝静电卡盘中实现电阻率与热导率的协同优化，同时消除多层结构中的界面热阻和热应力失配问题，是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本申请提供了一种高导热氮化铝陶瓷静电卡盘及其制备方法。通过在介电层厚度方向上构建y2o3掺杂浓度从高到低连续变化的梯度分布，使电阻率沿厚度方向平滑过渡，从而在保持表面层高电阻率以满足静电吸附性能的同时，使底层维持低掺杂甚至无掺杂状态以最大化热导率。

2、本发明公开了一种高导热氮化铝陶瓷静电卡盘，包括介电层、电极层和基底层。所述介电层为氮化铝陶瓷，其中y2o3掺杂浓度沿厚度方向从晶圆吸附面侧至电极侧呈连续单调递减分布，使得在任意相邻微区间的浓度变化平缓，整个介电层不存在成分突变的宏观界面；所述介电层吸附面侧的体积电阻率为108~1011ω·cm，所述介电层电极侧的热导率≥180 w/(m·k)。

3、进一步地，在任意厚度位置处，相邻微区的y2o3浓度变化率不超过0.5 wt%/mm，从而确保介电层中各区域性能过渡的均匀性。介电层吸附面侧的y2o3掺杂浓度优选为1.5 wt%~3.0 wt%；电极侧的y2o3掺杂浓度优选为0.1 wt%~0.5 wt%。

4、本发明还公开了上述静电卡盘的制备方法，包括以下步骤：

5、配制y2o3掺杂浓度呈梯度系列变化的氮化铝（aln）浆料；

6、采用多层共流延技术，按掺杂浓度从高到低的顺序依次流延，形成具有成分阶梯分布的生坯；

7、对生坯进行排胶处理后，在氮气气氛下进行一体烧结，使相邻微层间的y2o3通过固相扩散实现成分的平滑过渡，形成连续梯度掺杂介电层；

8、在所述连续梯度掺杂介电层表面印刷电极浆料，通过共烧结或扩散焊接将电极和基底层集成。

9、上述制备方法中，多层共流延技术是实现连续梯度掺杂的关键。通过配制y2o3掺杂浓度呈梯度变化的系列浆料，并严格控制相邻流延层的掺杂浓度差值和单层厚度，能够在烧结前形成成分近似阶梯分布的微层堆叠结构。在后续的一体烧结过程中，相邻微层间的y2o3通过高温固相扩散实现成分的平滑过渡，最终形成无宏观界面的连续梯度掺杂结构。相比现有技术需要分别配制多种粉料并采用逐级液压成型，本申请的方法流程更短、操作更简单，适合工业化量产。

10、上述制备方法中，所述相邻流延层的y2o3掺杂浓度差值≤0.5 wt%，所述多层共流延技术中，形成的单层流延层厚度≤50 μm。所述排胶处理的温度为400℃~600℃，时间为2~4小时。所述一体烧结的温度为1800℃~1900℃，保温时间为4~8小时，施加的轴向压力为5mpa~30 mpa。

11、本申请具有如下有益效果：

12、本申请通过y2o3掺杂浓度沿厚度方向连续单调递减的梯度结构设计，使介电层在吸附面侧具有目标所需的电阻率，而在电极侧保持高导热性，从而实现电阻率与热导率的协同优化。本申请采用连续梯度结构替代多层突变结构，可有效避免多层结构带来的热应力集中问题，显著提升热传输效率和结构在热循环下的长期可靠性。本申请采用多层共流延结合一体烧结的制备方法，仅需配制系列浆料并依次流延，无需复杂的逐级液压和冷等静压工序，工艺流程短，易于工业化生产。

1.一种高导热氮化铝陶瓷静电卡盘，包括介电层、电极层和基底层，其特征在于：所述介电层为氮化铝陶瓷，其中y2o3掺杂浓度沿厚度方向从晶圆吸附面侧至电极侧呈连续单调递减分布，使得在任意相邻微区间的浓度变化平缓，整个介电层不存在成分突变的宏观界面；所述介电层吸附面侧的体积电阻率为108~1011 ω·cm，所述介电层电极侧的热导率≥180 w/(m·k)。

2.根据权利要求1所述的一种高导热氮化铝陶瓷静电卡盘，其特征在于：在任意厚度位置处，相邻微区的y2o3浓度变化率不超过0.5 wt%/mm。

3.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于：所述吸附面侧的y2o3掺杂浓度为1.5wt%~3.0 wt%。

4.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于：所述电极侧的y2o3掺杂浓度为0.1 wt%~0.5 wt%。

5.一种如权利要求1~4任一项所述静电卡盘的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述系列浆料中，相邻流延层的y2o3掺杂浓度差值≤0.5 wt%。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述多层共流延技术中，形成的单层流延层厚度≤50 μm。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述排胶处理的温度为400℃~600℃，时间为2~4小时。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述一体烧结的温度为1800℃~1900℃，保温时间为4~8小时，施加的轴向压力为5 mpa~30 mpa。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述电极浆料为钨浆料或钼浆料，所述基底层为铝合金，所述扩散焊接在真空或惰性气体气氛下进行。