具有低热导率的轴的高温用基座的制作方法

1.本公开涉及一种基座(susceptor)及其制造方法，并且涉及一种具有低热导率的轴的高温用基座及其制造方法。


背景技术：

2.在半导体装置的制造工艺中，对作为加工对象的半导体晶圆进行诸如成膜加工和蚀刻加工的各种类型的加工。用于对半导体晶圆执行这种加工的半导体制造装置采用基座作为支撑半导体晶圆的构件。
3.基座包括：板，用于支撑晶圆，该板由诸如氮化铝的陶瓷材料形成；以及轴，用于在用于半导体制造的腔室中支撑板。
4.图1是示意性地示出常规基座的结构的示图。
5.参照图1，基座1包括用于支撑衬底的板10和用于支撑板的轴20。
6.板10可以包括用于加热衬底的加热元件(未示出)或温度传感器(未示出)。这些部件通过诸如电极、电极棒和/或端子的连接单元经由轴20的内部连接到基座外部的电源或控制器。
7.优选地，基座的板10使用具有高热导率的材料来实施，以便尽可能保持由基座支撑的衬底热导率上的温度分布的均匀性(热均匀性)，而支撑板的轴20使用具有低热导率的材料来实施。
8.例如，第4311922号的日本专利公开了一种基座，其具有热导率为80w/mk或以上的板以及热导率为20w/mk或以下的轴。在这种情况下，热导率相对较高的氮化铝、碳化硅、氧化铝、氮化硅等用作板的材料，并且热导率相对较低的氧化铝、氮化硅、莫来石、莫来石氧化铝复合材料等用作轴的材料。在该专利中，中间接合部用于连接板和轴，并且由于板和轴之间的形状或热导率不同而产生的热应力被施加到中间接合部，因此中间接合部减小了轴上的应力。中间接合部可以使用与轴相同的构件或具有在板的热导率和轴的热导率之间的中间热导率的材料来实施。
9.然而，由于多种原因，这种常规基座难以用作在650℃或更高的高温下进行衬底加工的基座。最重要的是，应考虑到基座的结构或材料，以应对由于在650℃或更高的高温下板的体积电阻急剧下降而引起的泄漏电流等，但是常规基座没有考虑到这一点。此外，常规基座使用不同的材料，以实现板、轴和中间接合部的不同的热导率，并且因此无法避免在高温重复加热处理期间由于热膨胀系数的差异而产生的热应力。
10.此外，常规基座由于加入了大量的活性金属或玻璃相粘合剂来接合板和轴，因此在高温时不可避免地在耐热性、耐腐蚀性、机械性能等方面较弱。
11.现有技术文件
12.专利文献
13.(专利文献1)第4311922号的日本专利


技术实现要素：

14.本公开是为了解决现有技术中的上述问题而作出的，本公开的一方面是提供一种适用于在650℃或更高的高温半导体处理工艺中支撑晶圆的基座结构。
15.本公开的另一方面是提供一种基于氮化铝的基座结构，其中在基座制造工艺和半导体处理工艺中的热处理期间板和轴具有相似的热膨胀系数。
16.本公开的又一方面是提供一种新颖的基座接合结构，其包括具有高体积电阻的板和适于支撑该板的具有低热导率的轴。
17.本公开的又一方面是提供一种即使在650℃或更高的高温处理工艺中也具有高机械特性的基座结构。
18.本公开的又一方面是提供一种用于制造上述基座结构和接合结构的方法。
19.根据本公开的一方面，提供了一种基座，该基座包括用于晶圆安装的板和联接到该板的轴，其中板和轴各自包括具有90wt％或更多的aln相的烧结体，板的烧结体是在650℃下具有5*108ω
·
cm或更大的体积电阻的含镁aln烧结体，并且轴的烧结体是具有100w/mk或更低的室温导热率的aln烧结体。
20.在本公开中，板的烧结体可以包含以mgo计为0.05-3.0wt％的镁。另外，板的烧结体可以包含以tio2计为0.05-0.5wt％的钛
21.在本公开中，基座可以进一步包括介于板与轴之间的缓冲构件。
22.缓冲构件在其烧结体中aln相可以为90wt％或更多，并且可以包含以y2o3计为3-8wt％的钇。
23.在本公开中，缓冲构件可以具有毯状、环形或圆形形状。
24.在本公开中，当板、缓冲构件和轴的烧结体中的aln颗粒的平均粒径分别为第一平均粒径、第二平均粒径和第三平均粒径时，可以建立第一平均粒度《第二平均粒度《第三平均粒度的关系。
25.根据本公开的另一方面，提供了一种基座的制造方法，该方法包括：提供叠层结构，其具有含镁aln烧结体的板、含钇aln预烧结体或烧结体的缓冲构件、以及具有100w/mk或更低的热导率的aln烧结体的轴；并且对叠层结构进行烧结。
26.在提供本公开的叠层结构时，缓冲构件可以是aln烧结体，并且板和缓冲构件可以以整体烧结的状态来提供。
27.在这种情况下，板的烧结体可以包含以mgo计为0.5-3.0wt％的镁，并且可以包含以tio2计为0.05-0.5wt％的ti。
28.在提供本公开的叠层结构时，缓冲构件可以包含以氧化钇计为3-8wt％的钇。
29.另外，在提供叠层结构时，当板、缓冲构件和轴的烧结体中的aln颗粒的平均粒径分别为第一平均粒径、第二平均粒径和第三平均粒径时，可以建立第一平均粒度《第二平均粒度《第三平均粒度的关系。
30.根据本公开，可以提供具有晶片支撑板的基座结构，其在650℃或更高的高温半导体处理工艺中具有高体积电阻。
31.此外，根据本公开，通过在基座制造工艺和半导体制造工艺中的热处理期间允许板和轴具有相似的热膨胀系数，可以最小化基座的接合结构中出现的热应力。
32.此外，本公开可以在具有高体积电阻的板与具有低热导率的轴之间提供良好的接
合结构。
附图说明
33.图1是示意性地示出用于高温下使用的常规基座的结构的示图。
34.图2是示意性地示出根据本公开的实施例的基座的接合结构的截面图。
35.图3a至图3c是示意性地示出根据本公开的其他实施例的基座的接合结构的截面图。
36.图4是示意性地放大图3a的部分区域的截面的示图。
37.图5a至图5c是示出根据本公开的实施例的各种叠层结构的示意图。
38.图6是通过拍摄根据本公开的实施例制造的叠层接合体的截面而获得的图像。
39.图7是通过拍摄根据本公开的实施例制造的叠层接合体的接合接口而获得的图像。
具体实施方式
40.下文中，将参照附图详细描述本发明。在每幅附图中，相同的部件由相同的附图标记表示。进一步地，将省略已知功能和/或部件的具体实施方式。以下公开的内容主要描述了理解根据实施例的操作所需的部分，并且将省略对使描述的主旨模糊的元件的描述。此外，附图中的部件中的一些可能被夸大、省略或示意性地示出。每个部件的尺寸并不完全反映真实尺寸，因此本文所公开的内容不受附图所示部件的相对尺寸或间隔的限制。
41.如本文所使用的，术语“叠层”用于指代每层的相对位置关系。表述“层a上的层b”是指层a和层b的相对位置关系，不一定要求层a和层b接触，可以在这两者之间插入第三层。类似地，表述“层a和层b间插入层c”不排除在层a与层c之间或者层b与层c之间插入第三层。
42.图2是示意性地示出根据本公开的实施例的基座100的结构的截面图。
43.参照图2，轴120联接到板110的一个表面。
44.在图2中，板110和轴120各自包括陶瓷烧结体。优选地，本公开中的每个烧结体可以包括包含氮化铝(aln)为主相的烧结体。本文中，烧结体是指每个部件的基础材料。例如，板可以进一步包括内含物，诸如附着在其表面或安装在其中的金属导线或金属网，但是本文中的板的烧结体是指排除上述异质元素的均质部分的基础材料。
45.在本公开的烧结体中，aln相是指具有aln晶体结构的相，并且可以包括微量杂质在aln晶体结构中处于置换或间隙固溶状态的相。本文中，氮化铝烧结体含有作为主相的aln相，但也可以部分含有alon相(即，al
23o27
n5)。在本公开中，alon相可以来源于aln粉末中包含的微量氧或人工添加的al2o3。
46.如关于aln相所述，alon相还可以包括其中微量杂质在晶体结构中处于置换或间隙固溶体状态的同时保持其晶体结构的相。
47.在本公开中，烧结体可以包含除了aln和alon相之外的附加相。附加相主要是由于添加了烧结助剂。例如，当mgo用作烧结助剂时，烧结体可以包含mgo或作为衍生自mgo的第二相的尖晶石相，诸如mgal2o4或mg-al-o-n。
48.本公开的基座的构成部件，例如板或轴，附加地，缓冲构件，可以是包含aln相作为主相的烧结体。这些成分中aln相的含量可以为90wt％或以上、92wt％或以上、或95wt％或
以上。
49.板110和轴120的相同之处在于均包括以aln相作为主相的烧结体，但在具体的组成和属性方面不同。
50.本公开中的烧结体的具体组成可以根据每个部件的特性进行调整。例如，优选地，板110的高温体积电阻较高。轴120需要具有低热导率，以抑制板的热损失。因此，板110和轴120可以被设计成具有不同的成分。
51.本公开的板110可以是含镁的氮化铝烧结体。板的烧结体可以进一步包含ti。所添加的mg或ti大大改善了氮化铝烧结体的颗粒边界和颗粒内电阻，从而使烧结体能够具有≥0.5e9ω〃cm的体积电阻，其对应于烧结体可以用于650℃高温工艺的水平。本公开的板的体积电阻可以在650℃下为0.5e9ω
·
cm或更大、0.8e9ω
·
cm或更大、1.0e9ω
·
cm或更大、或5.0e9ω
·
cm或更大。
52.这可以通过下面描述的机制来解释。本公开还可以通过本文未描述的其他机制来描述。
53.作为烧结助剂而添加的mgo与aln原料粉末中包括的氧发生反应，以形成诸如mg尖晶石的化合物。因此，aln晶格结构中的固溶体中的氧含量降低。当aln晶格结构中的固溶体中作为杂质的氧含量降低时，由aln晶格结构中的固溶体中的氧在晶格中产生的铝空缺减少，因此体积电阻增加。另一方面，可以通过添加mg形成的mg化合物，例如mgo或mgal2o4，具有高体积电阻。因此，mg化合物的析出率较低，可能对体积电阻产生负面影响。
54.另一方面，作为烧结助剂而添加的tio2与aln晶格内的铝空缺结合，从而防止晶格中的铝空缺促进离子传导。因此，aln颗粒的体积电阻增加。
55.aln烧结体的热导率通过添加mgo而降低。这可能是由于通过添加mgo而析出的诸如尖晶石的晶界相的热导率低。然而，因为板处于650℃或更高的高温操作环境中，所以板暴露在高温环境中，使得aln材料的热导率降低，aln的组成元素之间的热导率差异逐渐减小，因此，热导率并不作为设计的主要因素。
56.在本公开中，mgo和tio2的添加量需要在最低限度或以上才能呈现有效效果，并且因为增加添加量可能达到饱和状态，所以需要添加恰当的量。
57.例如，在本公开的板110的烧结体中，镁的含量以mgo计可以为0.1wt％或更多、0.5wt％或更多或者1.0wt％或更多，并且可以为3.0wt％或更少、2.5wt％或更少、2.4wt％或更少、2.3wt％或更少、2.2wt％或更少、2.1wt％或更少或者2.0wt％或更少。
58.在板110的烧结体中，ti的含量以tio2计可以为0.05wt％或更多、0.1wt％或更多、0.15wt％或更多、或者0.2wt％或更多。烧结体中的ti含量可以为0.5wt％或更少、0.4wt％或更少、0.3wt％或更少、或者0.25wt％或更少。
59.本公开的轴120由具有低热导率的aln烧结体组成。
60.优选地，轴120在常温下具有70-100w/m
·
k的热导率。优选地，轴120在550℃的温度下具有35-65w/m
·
k的热导率，并且在650℃的温度下具有30-60w/m
·
k的热导率。
61.构成本公开的基座的板、缓冲构件和轴的示例性热导率范围如下表1所示。
62.表1
[0063][0064]
通过调整烧结助剂的添加量，可以获得本公开的具有低热导率的aln烧结体。aln晶格中的固溶体中的氧降低aln的热导率。因此，抑制诸如ca和mg的碱土金属、诸如钇(y)的稀土金属以及被称为烧结助剂的诸如ti的过渡金属的含量可以在晶格中保持诸如氧和空缺的声子散射元素，并且可以产生具有低热导率的aln烧结体。例如，轴可以是含有为2wt％或更少的氧化钇作为烧结助剂的aln烧结体，并且其热导率可以通过诸如氧化钇的烧结助剂的含量来控制。
[0065]
可选地，可以考虑将杂质人工引入aln，例如添加al2o3。然而，这些杂质可能导致alon相的过度生成，从而导致轴和板之间的热膨胀系数差异。
[0066]
作为另一示例，烧结体中的单个金属元素的含量可以保持在1000ppm或更少。在这种情况下，可以实现热导率非常低的轴。
[0067]
图3a至图3c是示意性地示出根据本公开的其他实施例的基座100的结构的截面图。
[0068]
不同于图2所示的基座的结构，图3a至图3c的基座的结构进一步包括缓冲构件130a和130b。在本公开中，缓冲构件130a和130b可以使用与板110和轴120类似的aln烧结体来实现。
[0069]
缓冲构件130a和130b包含能够在aln烧结体的烧结温度下至少局部形成液相的烧结助剂。例如，能够形成液相的烧结助剂可以是稀土元素的氧化物。优选地，烧结助剂可以是y2o3。在这种烧结温度下产生的液相可以在缓冲构件与板之间以及缓冲构件与轴之间的接口中流动，以促进接合。
[0070]
本公开的缓冲构件130的烧结体可以包含以y2o3计3wt％或更多、3.5wt％或更多、或者4wt％或更多的钇金属作为烧结助剂。烧结体可以包含8wt％或更少、7wt％或更少、6％wt或更少或者5wt％或更少的y2o3作为烧结助剂。
[0071]
本公开的缓冲构件的烧结体可以通过添加诸如钇的稀土元素的烧结助剂而包含额外的相，诸如y2o3、yag、yap或yam。缓冲构件的烧结体可以进一步包含存在于晶界或aln相的三相点中的非晶相。
[0072]
在本公开中，缓冲构件130a和130b可以具有如图3a所示的、与轴的接触表面的形状相符的环形，或者可以具有如图3c所示的圆形。不同于此，缓冲构件可以具有如图3b所示的、与板的形状相符以覆盖板的表面的毯状。
[0073]
如图3a至图3c所示，本公开的板110、轴120以及缓冲构件130a、130b均为基于aln相的材料。因此，可以最大限度地抑制其之间的热膨胀系数差异。
[0074]
图4是示意性地示出图3a的接合部b附近的烧结体的微观结构的示图。
[0075]
如图所示，轴120、缓冲构件130和板110可以由具有不同平均粒度的颗粒组成。例如，轴120的颗粒的平均粒径大于板110的颗粒的平均粒径，并且构成缓冲构件130的颗粒的平均粒径优选地具有介于两者之间的值。
[0076]
本文中，“颗粒”是指构成烧结体的晶粒，根据情况也可以称为“微粒”。如本文所使用的，术语“氮化铝颗粒”是指aln相和/或alon相的晶粒。如上所述，aln相不仅包括纯aln，而且包括微量杂质在aln晶体结构中处于置换或间隙固溶体中的同时保持其aln晶体结构的相。alon相也是如此。
[0077]
在本公开中，构成烧结体的颗粒的颗粒尺寸或平均粒径可以根据astm e112标准来计算，其中颗粒尺寸数通过设定测量区域并计数该区域中的颗粒数量来确定。不同于此，平均颗粒尺寸可以通过分析程序，使用截距法、平面投影法和平面分类法方式，利用图像分析软件计算得到。
[0078]
在板的烧结体中，为了提高高温下的机械强度，优选地，构成微粒的颗粒尺寸较小。在本公开中，在尽可能排除烧结助剂的同时对轴进行烧结，因此需要更高的烧结温度。因此，轴的烧结体可以具有比板的烧结体更大的颗粒尺寸。在本公开中，优选地，缓冲构件的烧结体具有在板的烧结体的颗粒尺寸与轴的烧结体的颗粒尺寸之间的中间颗粒尺寸。
[0079]
轴的颗粒的平均粒径例如可以为10μm或更大，板的颗粒的平均粒径可以为3μm或更小。缓冲构件的颗粒的平均粒径可以为4-9μm。
[0080]
作为另一示例，轴的颗粒的平均粒径例如可以为大于5μm，并且板的颗粒的平均粒径可以小于1μm。缓冲构件的颗粒的平均粒径可以为1-5μm。作为又一示例，缓冲构件的平均粒径可以为5-9μm，轴的颗粒的平均粒径可以为10μm或更大，板的颗粒的平均粒径可以为4μm或更小。在本公开中，优选地，轴的颗粒的平均粒径可以小于30μm。
[0081]
尽管到目前为止已经描述了轴的颗粒的平均粒径大于板的颗粒的平均粒径的情况，但是本公开不限于此。例如，轴的颗粒的平均粒径例如可以具有比板的颗粒的平均粒度更小的值。而且，在这种情况下，构成缓冲构件130的颗粒的平均粒径具有轴的颗粒的平均粒径与板的颗粒的平均粒径之间的值。
[0082]
在本公开中，烧结体的颗粒的平均粒径当然可以通过改变初始原料的平均粒径来控制。
[0083]
图5a至图5c是示出用于制造包括缓冲构件的叠层结构的本公开的各个实施例的示意图。
[0084]
参照图5a，缓冲构件130设置在板110与轴120之间。该结构类似于上述结构。缓冲构件130可以是板状氮化铝烧结体。通过使用如上所述的这种板状烧结体，可以在没有附加粘合剂的情况下制造板110/缓冲构件130/轴120的叠层结构。图5a所示的叠层结构可以通过诸如热压的接合而一体形成。
[0085]
图5b使出了叠层结构，其中，在板110/缓冲构件130/轴120的叠层结构中，附加接合剂层132和134被添加在板110与缓冲构件130之间以及缓冲构件130与轴120之间。所添加的接合剂层可以是陶瓷粘合剂或陶瓷浆料，以促进板110/缓冲构件130/轴120的接合。可以通过烧结如图3b所示的叠层结构来制造基座。在本公开中，陶瓷粘合剂或陶瓷浆料可以含有氮化铝作为主要原料，但不限于此。
[0086]
图5c示出了板110/缓冲构件130/轴120的叠层结构，其中在轴120与缓冲构件130
之间添加附加接合剂层136。所添加的接合剂层可以是陶瓷粘合剂或陶瓷浆料，以促进缓冲构件130/轴120的接合。根据本实施例的结构，首先在不具有接合剂层的情况下通过同时烧结板/缓冲构件来制造叠层结构，并且通过使用接合剂层将所制造的叠层结构接合到轴上，从而制造出最终产品。
[0087]
由于存在缓冲构件130，参照图5b和图5c描述的接合剂层132、134和136可以涂覆有非常薄的厚度。
[0088]
《示例1》
[0089]
根据烧结助剂的类型和含量的不同，在1700-1900℃的温度下制备aln烧结体。将德山公司的aln粉末用作aln粉末。aln粉末中的金属杂质和氧的含量如下表2所示。
[0090]
表2
[0091]
杂质组分casifeco含量≤100ppm≤30ppm≤15ppm≤600ppm≤1wt％
[0092]
表3示出了所制备的烧结体样品中的烧结助剂混合组分、烧结温度和烧结体平均粒径。
[0093]
表3
[0094]
类别mgotio2y2o3烧结温度(烧结法)平均粒径(μm)#11-3wt％0.1-0.5wt％-1700-1800℃(热压)≤3#20wt％0wt％-1800-1900℃(常压烧结)10.71#3
‑‑
4.75wt％1700-1800℃(热压)4.9
[0095]
测量了所制备样品的体积电阻和热导率，结果如表3所示。体积电阻和热导率测量条件如下。
[0096]
体积电阻：记录通过以下方式获得的体积电阻值：将烧结体制备成直径为40mm、厚度为1mm的试样，使电极具有20mm的主电极直径以及32mm(内径)和38mm(外径)的保护电极直径的形状，基于施加的电场将施加电压设置为100v/mm，并且保持电压施加时间60秒。
[0097]
热导率测量方法：烧结体的热扩散系数通过激光闪光法计算。热导率通过所计算的热扩散系数由公式“密度x比热容x扩散系数＝热导率(w/mk)”导出。
[0098]
表4
[0099][0100]
《示例2》
[0101]
由具有示例1中的组分#1的混合原料粉末制备成型体。在该成型体上，叠层由具有示例1的组成#3的混合原料粉末形成的成型体。所叠层的成型体在1700-1800℃的温度下通过热压烧结。
[0102]
图6是示出烧结体的截面的示图。图6的图像示出了加热元件和嵌入在下面的板内的网状电极。
[0103]
《示例3》
[0104]
在示例2中制备的具有叠层结构的烧结体中，在含有y2o3的烧结体的表面上涂覆有厚度为60μm(范围：50～70μm)的接合剂糊剂。接合剂糊剂使用的组合物中，al2o3、cao和y2o3添加到aln基体中。
[0105]
在涂覆有接合剂的表面上叠层轴的具有低热导率的烧结体，然后在用单独的夹具压缩叠层部位的同时进行接合处理。在1650℃-1780℃的温度下进行接合过程。图7是对所制备的叠层接合体的接合接口进行拍摄而得到的截面图像。
[0106]
为了更广泛地理解本发明，已经公开了本发明中的特定内容以及诸如特定元件的所限定的示例性实施例和附图，但是本发明不限于示例性实施例，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的实质特征的情况下进行各种修改和改变。因此，本发明的精神由所附权利要求书而不是由其后的说明书来定义，并且所有落入权利要求书的界限和范围内或者这种界限和范围的等效方案的变化和修改都旨在涵盖在本发明的精神范围内。