CN1225342C - 一种陶瓷基座 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷基座，其固定晶片面具有很好的等温性，适用于半导体装置和液晶装置。在盘状烧结体1中，设置电阻加热元件2。烧结陶瓷体外边界1a和电阻加热区域外边界2a之间的拉伸距离L的变化范围为±0.8%，固定晶片面的整个表面的额定等温线变化范围在±1.0%左右，并且当所述的L控制在±0.5%时，额定等温线控制在±0.5%。

Description

一种陶瓷基座

技术领域

本发明涉及陶瓷加热器，尤其涉及半导体和液晶产品制造中，使用的CVD装置、等离子体CVD装置、蚀刻装置以及等离子体蚀刻装置中用到的陶瓷基座加热器。

技术背景

对于薄膜沉积室里的CVD(化学汽相沉积)装置、等离子体CVD装置、蚀刻装置以及等离子体蚀刻装置中的膜层形成率或蚀刻率，为了使其同步发生，必须严格控制晶片表面的温度。为了实现这种温度控制，在固定晶片元件中设置一个加热器，固定晶片元件表面被加热，并且通过热传感器使得半导体材料的晶片被加热。具有热阻、耐腐蚀、和绝缘性能的陶瓷，比如氮化铝和氮化硅等已经被用作制作该种固定晶片元件。

按照以下方法制成一内部设置有前述的加热器的由陶瓷制成的固定晶片元件：烧结氮化铝，安装一个钼线圈，通过将钼线圈镶嵌进凹槽(比如通过一盘状的氮化铝盘)，用另外一个同样的氮化铝盘与其形成夹层，并用热压机烧结该夹层。

由陶瓷制成的内部带有加热器的固定晶片元件，(例如陶瓷基座)，加热器的组成成分电阻加热元件相对于制作硅晶片的半导体材料或液晶材料而言被看作是杂质，甚至是痕量，其可以成为半导体芯片和液晶的故障来源。

为了免除杂质的影响，电阻加热元件必须完全嵌入陶瓷基座以保证其不会露在表面，或者在半导体加工装置里，将陶瓷上的电阻加热元件覆盖一保护层，从而，有一部分不会被覆盖，即一非热面将处于陶瓷基座的外部。陶瓷传递电阻加热元件产生的热量到达表面，再从表面由气体通过热传递消散。这意味着在圆盘状或矩形盘状的陶瓷基座里，外边界是热量最容易消散的地方。

同时考虑前面提到的两个因素，陶瓷基座的外边界是温度最容易下降的部分。基于该问题，对陶瓷利用一种高传导率的材料，快速向着外边界扩散由电阻加热元件产生的热量，消除温度差异，这种做法已经被采用。类似地，有另外一种方式消除温度差异，该方法通过提高线圈的绕组密度和电阻加热元件的模式密度，电阻加热元件尽可能向外，以提高热密度，用内部的热量补偿外部的热量。

当镶嵌进模具陶瓷体凹槽的线圈夹在模具陶瓷体之间和工作在热压力下时，它被挤成不确定形状，电阻加热元件的外边界被破坏。尽管电阻加热元件经过等温设计，并严格计算多少热量产生并补偿热散失给未加热部分和边界热消失部分，事实上，物质热流域在边界被破坏，这使得在陶瓷基座表面不可能得到理想的额定等温。

同时，随着近年来半导体晶片尺寸的成比例增大，陶瓷基座加热晶片的等温要求越来越严格，关于固定晶片面的额定等温要求至少在±1.0％以内，最好是在±0.5％以内。

发明内容

基于上述情况，本发明的一个目的，是发明一种陶瓷基座，具有盘状烧结陶瓷体，其内部具有线圈形状的电阻加热元件，其固定晶片面的整个表面具有优于等温属性的特性。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种陶瓷基座，包括：

一盘状烧结陶瓷体；

一电阻加热元件，位于所述陶瓷体内或表面上，所述的电阻加热元件形成一个具有外边界的区域；其特征在于烧结陶瓷体外边界和电阻加热区域外边界之间的拉伸距离(pullback length)的变化范围为±0.8％。另外，上述的拉伸距离的变化范围最好为±0.5％。

所述的烧结陶瓷体至少由以下物质之一构成：氮化铝，氮化硅，碳化硅和氧化铝。

所述的电阻加热元件至少由以下金属之一构成：钨，钼，银，铂，钯，镍和铬。

根据本发明，按照线圈形状的电阻加热元件镶嵌进盘状烧结陶瓷体的陶瓷基座，通过控制烧结陶瓷体外边界和电阻加热区域之间的拉伸距离的变化范围，固定晶片面的整个表面的额定等温可以达到要求的±1.0％左右，更进一步，该额定等温可以达到出色的±0.5％左右。

附图说明

图1是本发明实施例中，电阻加热元件的电路平面示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图的详细说明，对本领域的熟练人员来讲，本发明的前述的和其他的技术效果和优点，是显而易见的。

本发明在相关调查研究的基础上，发现，当在烧结陶瓷体内部形成电阻加热元件，通过实现烧结陶瓷体外边界和电阻加热区域外边界之间的拉伸距离的变化范围为±0.8％，可以满足固定晶片面的整个表面的额定等温可以达到要求的±1.0％。

同样地，发现通过实现烧结陶瓷体外边界和电阻加热区域之间的拉伸距离的变化范围为±0.5％，可以满足固定晶片面的整个表面的额定等温可以达到要求的±0.5％。

图1所示为本发明的一个实施例的电路示意图，该电阻加热元件镶嵌在烧结陶瓷体中。镶嵌在烧结陶瓷体1中的电阻加热元件2形成线圈形状的电路模式，距离L为烧结陶瓷体1的外边界1a和电阻加热元件2形成的电阻加热元件物质区域外边界2a之间的距离，是拉伸距离。从它的两个电路终端2b穿过导线是可行的，电阻加热元件2形成线圈形状得到实施，由电源提供电能使其产生热量。由此可知，图1所示的电路模式只是电阻加热元件2的一个简单示例，本发明并不受限于此。

如果电阻加热元件的电路模型形成于模具陶瓷体或印刷电路基板上，烧结其基座，持续到电路模型皱缩并且变得紧密。在这种情况下，达到均匀的紧缩相当困难，由于作为烧结助聚剂的氧化物的非一致挥发，以及烧结助聚剂的非一致性和沉积后的碳渣的非一致性和以及燃烧室内部的温度和空气温度变化，电阻加热元件构成的区域容易弯曲。类似的，热压力烧结钼线圈，将其定型为加热器，同时将一个钼基板放置于模具陶瓷体上，将电阻加热元件区域的外边界变形，因为在热压力烧结过程中，线圈和极板渐渐被挤压，粉碎、弯曲和变形。

尽管烧结陶瓷体的外边界可以经过处理以确保其精度，但如果电阻加热元件区域变形，烧结陶瓷体外边界和电阻加热区域之间的拉伸距离范围将终止变化。严格控制这些因素使其达到一致，实现烧结陶瓷体外边界和电阻加热区域之间的拉伸距离变化范围在±0.8％以内，更进一步，可以在±0.5％以内，以形成上面提到的良好的等温性能。可以得知，拉伸距离可以按照晶片或相似地目标被定义。

作为控制拉伸距离在一定范围内变化的一个方法，用含有电阻加热元件成分和烧结助聚剂的混合物混合、压制，并用一个烧结时不会再变形的烧结陶瓷体，随后将其打印在保证精度的表面使得电阻加热元件电路不变形的前提下烘干电路。进而烧结陶瓷体，烘干电阻加热元件电路，并且等外径的烧结陶瓷体，应用绑定材料，里面带有电阻加热元件的陶瓷基座就制成了。另一种办法，用保护层覆盖电阻加热元件，包括电阻加热元件的陶瓷基座也是容易制作的。

从耐腐蚀属性，热传导等等方面考虑，形成烧结陶瓷体的陶瓷材料推荐下列物质之一：氮化铝，氮化硅，碳化硅和氧化铝。

类似地，具有生热的耐腐蚀和内在抗值的金属，推荐下列物质之一：钨，钼，银，铂，钯，镍和铬，用于电阻加热元件。

实施例1

按比例向氧化铝粉末里加0.8％的作为烧结助聚剂的氧化钇，作为粘合剂的聚乙烯醇，并用乙醛作为溶剂，将这些成份用球磨机搅拌使其分散均匀，然后喷射烘干该混合物使之成颗粒状。

将得到的颗粒状粉末烧结后，用单轴将其压进两个盘子里进行模制加工，所述的两个盘子的直径355mm，厚度5mm。将该加工后的所得物放进800℃的氮气流中进行脱脂处理，然后再放至1850℃的温度下进行烧结，由此烧结成氮化铝盘。其热传导是180W/mK，再用金刚砂对它的上下表面磨光处理。

接下来，将一个线圈形状的模型印在一个烧结的氮化铝盘上，用钨粉及其1％重量的钇混合成钨浆，将乙烷基纤维素作为粘合剂加入到其中。得到的钨模型的外边界和烧结氮化铝盘的外边界的拉伸距离为1.0mm，将烧结氮化铝盘在90℃的氮气流里进行脱脂处理，再在1800℃的温度下烘焙2小时。

然后，将乙烷基纤维素与氧化钇-氧化铝混合，其中该氧化钇-氧化铝在这里作为粘合剂使用，将上述混合物印在进一步烧结的氮化铝盘上。将其在900℃的氮气流中进行脱脂处理。作为粘合材料，钨材料的外部和两个烧结氮化铝盘的绑定材料外部结合在一起，在1750℃，50g/cm²的条件下将其进行热压力绑定。其后，结合体的外围形成了一个直径350mm的圆形轮廓。

通过电路的外部可接入导线端给陶瓷基座供电，加热钨电阻加热元件，固定晶片外部的额定等温值的测量结果较为满意，其值是500±0.40％。在这种情况下，陶瓷基座沿径向突破，钨电阻加热元件区域的外边界和烧结陶瓷体的外边界的拉伸距离(设定距离：1.0mm)通过测量，其变化范围为±0.2％。

实施例2

一种陶瓷基座，除了通过改变钨电阻加热元件的模型，使得其外边界变形外，与实施例1的制造方法相同，电阻加热元件区域的外边界和烧结陶瓷体的外边界的拉伸距离变化范围同实施例1中的测量方法，相关的陶瓷基座有三种，并且固定晶片外部的额定等温也被测量。

结果表明，当拉伸距离变化范围为±0.5％时，固定晶片外部的额定等温为500℃±0.5％。同样地，当拉伸距离变化范围为±0.75％，固定晶片外部的额定等温为500℃±0.7％，更进一步，当拉伸距离变化范围为±0.8％，固定晶片外部的额定等温为500℃±0.95％。

实施例3

按比例加0.8％重的炭化硼作为烧结助聚剂，聚乙烯醇作为粘合剂，将两者放进碳化硅粉末里，用乙醛作为溶剂，将这些成份用球磨机搅拌使分散均匀，然后喷射烘干混合物使之成粒状。

将得到的粒状粉末烧结后，用单轴压进两个盘子里做成模具，盘子的直径355mm，厚度5mm。900℃的条件下在氮气流中进行脱脂处理，然后放在1950℃的条件下烧结5小时，由此烧结成碳化硅盘子。其热传导是180W/mK，用金刚砂对它的上下表面进行磨光处理。

钨电阻加热元件电路的形成和两个烧结盘的绑定用实施例1中的方法实施；对陶瓷基座进行与实施例1同样的估计，此时拉伸距离变化范围为±0.3％，而固定晶片外部的额定等温为500℃±0.46％。

实施例4

向氮化硅粉末里加2％重的钇和1％重的铝组成的烧结助聚剂，聚乙烯醇作为粘合剂，用乙醛作为溶剂，将这些成份用球磨机搅拌使分散均匀，然后喷射烘干混合物使之成粒状。

将得到的粒状粉末烧结后，用单轴压进两个盘子里做成模具，盘子的直径为355mm，厚度5mm。900℃条件下在氮气流中进行脱脂处理，然后放进1600℃条件下进行烧结4小时，由此烧结成氮化硅盘子。它的热传导是22W/mK，用金刚砂对它的上下表面磨光处理。

进一步将乙烷基纤维素与低熔点的玻璃绑定材料混合，将上述混合物印在一个进一步烧结的氮化硅盘上。在700℃的气流中进行脱脂处理，作为粘合材料，钨材料的外部和两个烧结氮化铝盘的绑定材料外部结合在一起，在800℃，10g/cm2的条件下进行热压力绑定。其后，结合体的外围形成了一个直径350mm的圆形轮廓。

对烧结的陶瓷基座实施同实施例1中同样的估计，结果表明拉伸距离变化范围为±0.3％，此时的额定等温为500℃±0.45％。

实施例5

往氮化铝粉末里加其1％重的氧化镁烧结助聚剂，聚乙烯醇作为粘合剂，然后烘干混合物，将得到的粒状粉末烧结后，用单轴压进两个盘子里做成模具，盘子的直径355mm，厚度5mm。

在700℃的空气流中进行脱脂处理，然后在1600℃条件下烧结3小时，由此烧结成氮化硅盘子。其热传导是20W/MK，用金刚砂对其上下表面进行磨光处理。

钨电阻加热元件电路的形成和两个烧结盘的绑定方式同实施例4，电阻加热元件区域的外边界和烧结陶瓷体的外边界的拉伸距离变化范围同实施例1中的方法测量，结果表明，当拉伸距离变化范围为±0.3％时，固定晶片外部的额定等温为500℃±0.46％。

实施例6

除了粘接形成电阻加热元件电路外，加1％的钇和钼粉混合，聚乙烯醇作为粘合剂，与实施例1中方法相同，从烧结的氮化铝盘里制成结合体，进而以同样的方式制成陶瓷基座。

同实施例1的方式测量陶瓷基座，此时钼电阻加热元件区域的外边界和氮化铝磁体的外边界的拉伸距离变化范围±0.3％，这时的固定晶片外部的额定等温为500℃±0.46％。

实施例7

同实施例1的方法制成两个烧结氮化铝盘，加烧结助聚剂和聚乙烯醇粘合剂，并与银和钯粉混合，在一个盘上形成电路，在900℃条件下烘焙，再用实施例4的方法与一个进一步烧结的氮化铝盘结合在一起。

用实施例1的方法测量陶瓷基座。结果表明，银钯电阻加热元件区域的外边界和氮化铝磁体的外边界的拉伸距离变化范围为±0.3％，这时的固定晶片外部的额定等温为500℃±0.45％。

实施例8

同实施例1的方法制成两个烧结氮化铝盘，加烧结助聚剂和聚乙烯醇粘合剂，并与镍铬粉混合，在一个盘上形成电路，在700℃时烘焙，再用实施例4的方法与一个进一步烧结的氮化铝盘结合在一起。

用实施例1的方法测量陶瓷基座。结果表明，镍铬电阻加热元件区域的外边界和氮化铝磁体的外边界的拉伸距离变化范围为±0.3％，这时的固定晶片外部的额定等温为500℃±0.46％，。

实施例9

烘焙钨电阻加热元件的粘合对象同实施例1的方法制成，在这个电阻加热元件上摊开100μm的粘合剂，其中加入氧化钇和乙烷基纤维素，然后将这些成份与氧化铝粉末混合。再在900℃的氮气流中脱脂，在1800℃条件下下烘干2小时。

用实施例1的方法测量陶瓷基座。结果表明，镍铬加热元件区域的外边界和氮化铝磁体的外边界的拉伸距离变化范围为±0.3％，这时的固定晶片外部的额定等温为500℃±0.40％，。

对比实例1：

同实施例1制成两个氮化铝盘，一个盘同实施例1中的钨胶展开，而另一盘同实施例1用同样的绑定材料。两个盘结合在钨胶外部。施加50kfg/cm²压力在1850℃下烘焙。

用实施例1的方法测量陶瓷基座。结果表明，这时的固定晶片外部的额定等温为500℃±1.30％。更进一步，陶瓷基座沿径向突破，镍铬加热元件区域的外边界和氮化铝磁体的外边界的拉伸距离变化范围为±1.2％，

对比实例2

同实施例1的方法制成两个氮化铝盘。两个盘里各有一个宽4.5mm，深2.5mm的凹槽，钼线圈镶嵌进凹槽里，将两个模制的盘子堆叠在一起，能够伸进钼线圈里，然后在1850℃，100kfg/cm²的氮气里烧结2小时。

得到陶瓷基座后，用实施例1中的方法测定，结果表明此时的固定晶片外部的额定等温为500℃±1.70％，进一步，陶瓷基座沿径向裂开，测量钨电阻加热元件的区域的外边界和烧结氮化铝陶瓷体的外边界的拉伸距离的变化范围为±1.5％。

以上列举的实施例仅为了说明本发明，事实上，对本领域的一般技术人员，从前述对本发明的描述，可以明显地看出，可以做各种改动和变化而不会脱离权利要求定义的本发明的保护范围。更进一步，前面实施例中对本发明的描述仅为了解释本发明，并不能限制权利要求定义的本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种陶瓷基座，包括：

一盘状烧结陶瓷体；

一电阻加热元件，位于所述陶瓷体内或表面上，所述的电阻加热元件形成一个具有外边界的区域；其特征在于：

烧结陶瓷体外边界和电阻加热区域外边界之间的拉伸距离的变化范围为±0.8％。

2.如权利要求1所述的陶瓷基座，其特征在于，所述的拉伸距离的变化范围为±0.5％。

3.如权利要求1所述的陶瓷基座，其特征在于，所述的烧结陶瓷体至少由以下物质之一构成：氮化铝，氮化硅，碳化硅和氧化铝。

4.如权利要求2所述的陶瓷基座，其特征在于，所述的烧结陶瓷体至少由以下物质之一构成：氮化铝，氮化硅，碳化硅和氧化铝。

5.如权利要求1所述的陶瓷基座，其特征在于，所述的电阻加热元件至少由以下金属之一构成：钨，钼，银，铂，钯，镍和铬。

6.如权利要求2所述的陶瓷基座，其特征在于，所述的电阻加热元件至少由以下金属之一构成：钨，钼，银，铂，钯，镍和铬。

7.如权利要求3所述的陶瓷基座，其特征在于，所述的电阻加热元件至少由以下金属之一构成：钨，钼，银，铂，钯，镍和铬。

8.如权利要求4所述的陶瓷基座，其特征在于，所述的电阻加热元件至少由以下金属之一构成：钨，钼，银，铂，钯，镍和铬。

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