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CN104823274A - 具有金属接合保护层的基板支撑组件 - Google Patents

具有金属接合保护层的基板支撑组件 Download PDF

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CN104823274A
CN104823274A CN201380063414.2A CN201380063414A CN104823274A CN 104823274 A CN104823274 A CN 104823274A CN 201380063414 A CN201380063414 A CN 201380063414A CN 104823274 A CN104823274 A CN 104823274A
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CN
China
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metal
protective layer
ceramic main
electrostatic chuck
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CN201380063414.2A
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English (en)
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V·D·帕科
K·R·纳伦德拉斯
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Applied Materials Inc
Original Assignee
Applied Materials Inc
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Abstract

基板支撑组件包含陶瓷主体及接合至陶瓷主体的下表面的导热基底。基板支撑组件进一步包含金属接合至陶瓷主体的上表面的保护层，其中保护层为整体烧结陶瓷制品。

Description

具有金属接合保护层的基板支撑组件
技术领域
本发明的一些实施例大体上是关于具有抗等离子体保护层的基板支撑组件，诸如静电夹盘。其他实施例是关于反应性多层箔及反应性多层箔的制造。
背景技术
在半导体工业中，装置是由产生具有不断降低的尺寸的结构的多个制造工艺制造。一些制造工艺(诸如，等离子体蚀刻及等离子体清洗工艺)使基板支撑件(例如，在晶圆处理期间的基板支撑件的边缘及在腔室清洗期间的整个基板支撑件)暴露至高速等离子体流以蚀刻或清洗基板。等离子体可能为强腐蚀性的，且可能腐蚀暴露于等离子体的处理腔室及其他表面。
另外，传统静电夹盘包括硅树脂接合至金属冷却板的陶瓷圆盘。此类传统静电夹盘中的陶瓷圆盘是由多步骤制造工艺制造，该多步骤制造工艺可能高成本地形成嵌入电极及加热元件。
反应性多层箔(本文称为反应性箔)用于形成基板之间的金属接合。传统反应性箔是以平坦的无特征结构片制造。传统反应性箔通常不适于接合具有不平坦表面的基板。另外，若传统反应性箔用于接合具有表面特征结构的基板，则该反应性箔经机械加工(例如，通过激光钻孔、化学蚀刻等)以在反应性箔中形成对应特征结构。此类机器加工可诱发反应性箔上的热负荷并且致使反应性箔点燃。此外，传统反应性箔具有预置尺寸，诸如9平方英寸。当传统反应性箔用于接合大于反应性箔的基板时，则多个反应性箔片用于执行接合。此举通常在反应性箔片之间引入漏失路径(诸如，裂缝、凹槽、线等)，并且致使生成的金属接合不被真空密封。
发明内容
在一个实施例中，静电夹盘包括陶瓷主体及接合至陶瓷主体的下表面的导热基底。陶瓷主体可通过金属接合或通过硅树脂接合而接合至导热基底。静电夹盘制造为具有保护层，该保护层通过金属接合而接合至陶瓷主体的上表面，该保护层包含整体烧结陶瓷制品。
在另一实施例中，制造反应性箔。提供具有一或更多个表面特征的模板。铝及镍的交替纳米级层沉积在模板上以形成反应性箔片。从模板移除反应性箔片。生成的反应性箔片具有对应于一或更多个表面特征结构的一或更多个箔特征结构。
附图说明
在随附图式的诸图中以举例而非限制的方式图示本发明，在随附图式中，类似元件符号代表类似元件。应注意，在本揭示案中对「一」实施例或「一个」实施例的不同引用不必指相同的实施例，并且此类引用意谓至少一个。
图1图示处理腔室的一个实施例的截面图；
图2图示基板支撑组件的一个实施例的分解图；
图3图示基板支撑组件的一个实施例的侧视图；
图4图示基板支撑件的一个实施例的分解侧视图；
图5图示用于制造静电夹盘的工艺的一个实施例；
图6图示用于制造静电夹盘的工艺的另一实施例；
图7图示用于执行金属接合工艺的工艺的一个实施例；
图8图示用于制造具有预先形成箔特征结构的反应性箔的工艺的一个实施例；
图9A图示纳米级金属层至具有表面特征结构的模板上的沉积；
图9B图示具有预先形成箔特征结构的反应性箔片；
图10A图示纳米级金属层至不平坦模板上的沉积；
图10B图示不平坦反应性箔片；及
图11图示互锁的反应性箔片。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种基板支撑组件(例如，静电夹盘)，该基板支撑组件具有形成在基板支撑组件的陶瓷主体上方的保护层。保护层可提供抗等离子体腐蚀性以用于陶瓷主体的保护。保护层可为使用纳米接合技术金属接合至陶瓷主体的整体烧结陶瓷制品(例如，陶瓷晶圆)。各种接合材料(诸如，In、Sn、Ag、Au、Cu及其合金)可与反应性箔一起使用。
在一个实施例中，陶瓷主体是整体烧结陶瓷主体(例如，另一陶瓷晶圆)。当陶瓷主体不包括夹持电极时，金属接合可用作静电夹盘的夹持电极。陶瓷主体可另外通过另一金属接合而金属接合至导热基底。导热基底可包括加热元件以及可用于通过使液体流动以加热及/或冷却来调节温度的通道。在导热基底与陶瓷主体之间的金属接合提供良好的热接触，且使得导热基底能够在处理期间加热及冷却陶瓷主体、保护层及由静电夹盘固持的任一基板。实施例提供可比制造习知静电夹盘便宜4倍(4x)的静电夹盘。此外，实施例提供可快速调整温度且为抗等离子体的静电夹盘。可快速加热或冷却静电夹盘及正被支撑的基板，在一些实施例中赋能2℃/s或更快的温度改变。此举使得静电夹盘能够用于多步骤工艺中，在该多步骤工艺中，例如，晶圆可在20-30℃下被处理且随后被快速升温至80-90℃用于进一步处理。本文所述的实施例可用于含铌(Columbic)静电夹持应用及Johnson Raybek夹持应用两者。
在另一实施例中，制造具有预先形成表面特征结构的反应性箔。可通过使两种反应性材料(诸如，铝及镍)的交替纳米级层沉积至具有表面特征结构的模板上来制造反应性箔。模板的表面特征结构可对应于反应性箔将用于接合的一或更多个基板的表面特征结构。举例而言，若一或更多个基板在基板中具有孔洞，则模板可具有对应于孔洞的台阶。此等台阶可致使形成在模板上的反应性箔具有对应于基板中的孔洞的预先形成孔洞。
图1是具有基板支撑组件148设置在半导体处理腔室100中的半导体处理腔室100的一个实施例的截面图。基板支撑组件148具有已金属接合至基板支撑组件148的陶瓷主体的整体陶瓷的保护层136。金属接合可包括金属的组合，诸如铟、锡、铝、镍及一或更多种额外金属(例如，金或银)的组合。下文更详细地描述金属接合工艺。
保护层可为整体陶瓷(例如，陶瓷晶圆)，诸如Y2O3(氧化钇(yttria/yttriumoxide))、Y4Al2O9(YAM)、Al2O3(氧化铝)、Y3Al5O12(YAG)、YAlO3(YAP)、石英、SiC(碳化硅)、Si3N4(氮化硅(silicon nitride))、硅铝氮氧化物(Sialon)、AlN(氮化铝)、AlON(氮氧化铝)、TiO2(二氧化钛)、ZrO2(二氧化锆)、TiC(碳化钛)、ZrC(碳化锆)、TiN(氮化钛)、TiCN(碳氮化钛)、Y2O3稳定化ZrO2(YSZ)等。保护层亦可为陶瓷复合材料，诸如分散在Al2O3基材中的Y3Al5O12、Y2O3-ZrO2固溶体或SiC-Si3N4固溶体。保护层亦可为包括含有固溶体的氧化钇(yttrium oxide)(亦称为氧化钇(yttria)及Y2O3)的陶瓷复合材料。举例而言，保护层可为由化合物Y4Al2O9(YAM)及固溶体Y2-xZrxO3(Y2O3-ZrO2固溶体)组成的陶瓷复合材料。应注意，纯氧化钇以及含有固溶体的氧化钇可掺杂有ZrO2、Al2O3、SiO2、B2O3、Er2O3、Nd2O3、Nb2O5、CeO2、Sm2O3、Yb2O3或其他氧化物的一或更多者。亦应注意，可使用纯氮化铝以及具有ZrO2、Al2O3、SiO2、B2O3、Er2O3、Nd2O3、Nb2O5、CeO2、Sm2O3、Yb2O3或其他氧化物的一或更多者的掺杂氮化铝。或者，保护层可为蓝宝石或MgAlON。
保护层可为由陶瓷粉末或陶瓷粉末的混合物产生的烧结陶瓷制品。举例而言，陶瓷复合材料可由Y2O3粉末、ZrO2粉末及Al2O3粉末的混合物产生。陶瓷复合材料可包括在50-75莫耳％的范围内的Y2O3、在10-30莫耳％的范围内的ZrO2及在10-30莫耳％的范围内的Al2O3。在一个实施例中，HPM陶瓷复合材料含有约77％Y2O3、15％ZrO2及8％Al2O3。在另一实施例中，陶瓷复合材料含有约63％Y2O3、23％ZrO2及14％Al2O3。在另一实施例中，HPM陶瓷复合材料含有约55％Y2O3、20％ZrO2及25％Al2O3。相对百分比可为莫耳比。举例而言，HPM陶瓷复合材料可含有77莫耳％Y2O3、15莫耳％ZrO2及8莫耳％Al2O3。此等陶瓷粉末的其他分散亦可用于陶瓷复合材料。
处理腔室100包括腔室主体102及封闭内部体积106的盖104。腔室主体102可由铝、不锈钢或其他适合材料制造。腔室主体102大体包括侧壁108及底部110。外衬116可邻近侧壁108设置以保护腔室主体102。外衬116可制造及/或涂布有抗等离子体材料或抗含卤素气体材料。在一个实施例中，外衬116由氧化铝制造。在另一实施例中，外衬116是用氧化钇、钇合金或钇合金氧化物制造或涂布有氧化钇、钇合金或钇合金氧化物。
排气口126可界定在腔室主体102中，且可使内部体积106耦接至泵系统128。泵系统128可包括用于排空及调节处理腔室100的内部体积106的压力的一或更多个泵及节流阀。
盖104可支撑在腔室主体102的侧壁108上。盖104可打开以允许接触处理腔室100的内部体积106，且盖104可在关闭时提供对处理腔室100的密封。气体控制板158可耦接至处理腔室100以经由作为盖104的一部分的气体分配组件130而提供处理气体及/或清洗气体到内部体积106。可以用于在处理腔室中处理的处理气体的实例包括含卤素气体(诸如，C2F6、SF6、SiCl4、HBr、NF3、CF4、CHF3、CH2F3、Cl2及SiF4等)以及其他气体(诸如，O2或N2O)。载气的实例包括N2、He、Ar及对于处理气体为惰性的其他气体(例如，非反应性气体)。气体分配组件130在气体分配组件130的下游表面上可具有多个孔132以将气流导引至基板144的表面。另外，气体分配组件130可具有中心孔洞，在该中心孔洞，穿过陶瓷气体喷嘴馈入气体。气体分配组件130可由陶瓷材料(诸如，碳化硅、氧化钇等)制造及/或涂布以提供对含卤素化学物的抗性以防止气体分配组件130受腐蚀。
基板支撑组件148设置在气体分配组件130下方的处理腔室100的内部体积106中。基板支撑组件148在处理期间固持基板144。内衬118可涂布在基板支撑组件148的周边上。内衬118可为抗含卤素气体的材料，诸如参照外衬116论述的彼等抗含卤素气体的材料。在一个实施例中，内衬118可由与外衬116相同的材料制造。
在一个实施例中，基板支撑组件148包括支撑底座152的安装板162，及静电夹盘150。在一个实施例中，静电夹盘150进一步包括通过金属或硅树脂接合138接合至静电圆盘166的导热基底164。或者，如参照图3更详细描述的，可使用简单陶瓷主体代替静电圆盘166。由金属接合至静电圆盘166的保护层136覆盖静电圆盘166的上表面。在一个实施例中，保护层136设置在静电圆盘166的上表面上。在另一实施例中，保护层136设置在包括导热基底164及静电圆盘166的外周边及侧周边的静电夹盘150的整个表面上。安装板162耦接至腔室主体102的底部110并且包括用于将设施(例如，流体、电源线、传感器引线等)路由至导热基底164及静电圆盘166的通道。
导热基底164及/或静电圆盘166可包括一或更多个可选嵌入式加热元件176、嵌入式热隔离器174及/或导管168、170，以控制支撑组件148的横向温度分布。导管168、170可流体地耦接至使温度调节流体穿过导管168、170循环的流体源172。在一个实施例中，嵌入式隔离器174可设置在导管168、170之间。加热器176是由加热器电源178调节。导管168、170及加热器176可用于控制导热基底164的温度，从而加热及/或冷却正被处理的静电圆盘166及基板(例如，晶圆)。可使用数个温度传感器190、192监测静电圆盘166及导热基底164的温度，可使用控制器195监测该等数个温度传感器190、192。
静电圆盘166及/或保护层可进一步包括可形成在圆盘166及/或保护层的上表面中的多个气体通道(诸如，凹槽)、台面及其他表面特征结构。气体通道可流体地耦接至热量传递(或背面)气体源，诸如在圆盘166中钻的氦通孔。在操作中，背面气体可在受控压力下被提供到气体通道中以增强在静电圆盘166与基板144之间的热量传递。
在一个实施例中，静电圆盘166包括受夹持电源182控制的至少一个夹紧电极180。在替代性实施例中，金属接合可用作夹紧电极。或者，保护层可包括嵌入式夹紧电极(亦称为夹持电极)。电极180(或设置在圆盘166或保护层中的其他电极)可经由匹配电路188进一步耦接至一或更多个射频电源184、186，用于维持由处理腔室100内部的处理及/或其他气体形成的等离子体。源184、186大体能够产生具有从约50kHz至约3GHz的频率及高达约10000瓦特的功率的RF信号。在一个实施例中，RF信号施加至金属基底，交流电流(AC)施加至加热器且直流电流(DC)施加至夹持电极。
图2图示基板支撑组件148的一个实施例的分解图。基板支撑组件148图示静电夹盘150及底座152的分解图。静电夹盘150包括静电圆盘166或其他陶瓷主体，以及附接至静电圆盘166或陶瓷主体的导热基底164。静电圆盘166或其他陶瓷主体具有盘状形状，该盘状形状具有可实质上匹配位于该静电圆盘166或其他陶瓷主体上的基板144的形状及尺寸的环形周边222。在一个实施例中，静电圆盘166或其他陶瓷主体可由陶瓷材料制造。陶瓷材料的适当实例包括氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氧化钛(TiO)、氮化钛(TiN)、碳化硅(SiC)等。在一个实施例中，陶瓷主体是可为晶圆形式的整体烧结陶瓷。
附接在静电圆盘166或陶瓷主体下方的导热基底164可具有盘状主要部分224及从主要部分224向外延伸并且位于底座152上的环形凸缘220。在一个实施例中，导热基底164可由金属(诸如，铝或不锈钢)或其他适当材料制造。或者，导热基底164可由陶瓷的复合材料(诸如，渗入铝硅合金的SiC或钼以匹配陶瓷主体的热膨胀系数)制造。导热基底164应提供良好的强度及耐久性以及热传递性质。保护层136的上表面可具有外环216、多个台面210及在台面之间的通道208、212。
图3图示静电夹盘150的横截面侧视图。参照图3，导热基底164通过第一金属接合304耦接至陶瓷主体302。陶瓷主体302可为整体烧结陶瓷，诸如氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氧化钛(TiO)、氮化钛(TiN)、碳化硅(SiC)等。陶瓷主体302可被提供例如为薄陶瓷晶圆。在一个实施例中，陶瓷主体具有约1mm的厚度。陶瓷主体302可具有(例如，通过穿过陶瓷主体钻孔并且用导电材料填充孔)形成在陶瓷主体302中的电极连接306。电极连接306可使用作夹紧电极的金属接合连接至夹持电源及/或连接至射频源。
第一金属接合304促进陶瓷主体302与导热基底164之间的热能交换并且可减少陶瓷主体302与导热基底164之间的热膨胀失配。金属基底164可包括多个导管(例如，内导管168及外导管170)，流体可流动穿过该等导管以加热或冷却静电夹盘150及基板144。金属基底164可另外包括可为电阻加热元件的一或更多个嵌入式加热器176。
第一金属接合304使导热基底164机械地接合至陶瓷主体302。在一个实施例中，金属接合材料304包括锡及/或铟。或者，可使用其他金属。另外，第一金属接合304可包括两个其他金属层之间(例如，两个锡层之间)的铝及镍的薄层(例如，在一个实施例中具有约2-4密耳的厚度)。在一个实施例中，薄层最初为由反应性材料(诸如，铝及镍)的交替纳米级层组成的反应性多层箔(本文称为反应性箔)。在室温金属接合工艺期间，反应性箔可经活化(例如，点燃)，形成近乎瞬间反应，产生超过1500℃的温度。此情况可致使作为焊料的金属上层及金属下层熔融并且回流以使导热基底164接合至陶瓷主体302。在一个实施例中，反应性箔为由Indium Corporation of America(美国铟公司)制造的
静电夹盘150另外包括通过第二金属接合308耦接至陶瓷主体302的保护层136。保护层136可被提供例如为薄陶瓷晶圆。台面(未图示)可形成在保护层的表面上，且保护层及陶瓷主体可包括用于氦的流动的孔洞及用于升举销的孔洞。此类孔洞可在保护层136接合至陶瓷主体之前或之后形成。第二金属接合308可实质上类似于第一金属接合304，且可能已经使用室温接合工艺(例如，使用可点燃反应性箔)产生了该第二金属接合308。在一个实施例中，反应性箔具有对应于保护层及/或陶瓷主体的表面特征结构的预先形成箔特征结构。举例而言，反应性箔可具有对应于保护层中的氦孔洞及升举销孔洞的预先形成孔洞。下文关于图8A至图11更详细地描述具有预先形成箔特征结构的反应性箔。
在一个实施例中，同时形成第一金属接合304及第二金属接合308两者。举例而言，可用夹具将整个结构压在一起，且可在与活化保护层与陶瓷主体之间的反应性箔几乎相同的时间活化导热基底与陶瓷主体之间的反应性箔以并行形成两个金属接合。接合厚度可为约25微米至500微米(例如，在一个实施例中为150微米至250微米)。
保护层136的厚度可经选择以提供期望的介电性质，诸如特定击穿电压。在一个实施例中，当静电夹盘将用于含铌模式时，保护层具有在约150-500微米(且在一个示例性实施例中为约200-300微米)之间的厚度。若静电夹盘将用于JohnsonRaybek模式，则保护层可具有约1mm的厚度。
如上所述，保护层136为整体烧结陶瓷。在一个实施例中，保护层为如上所述的陶瓷复合材料，该陶瓷复合材料具有在等离子体处理期间抗磨损(归因于由于在基板与圆盘之间的热性质失配导致的相对运动)的高硬度。在一个实施例中，陶瓷复合材料提供在约5GPa与约11GPa之间的维氏硬度(5Kgf)。在一个实施例中，陶瓷复合材料提供约9-10GPa的维氏硬度。另外，在一个实施例中，在室温下，陶瓷复合材料可具有约4.90g/cm3的密度、约215MPa的挠曲强度、约1.6MPa.m1/2的破裂韧度、约190GPa的杨氏模数、约8.5×10-6/K(20-900℃)的热膨胀、约3.5W/mK的导热率、约15.5(在20℃、13.56MHz下量测)的介电常数、约11×10-4(20℃、13.56MHz)的介电损耗正切以及大于1015Ω·cm的体积电阻率。
在另一实施例中，保护层为YAG。在另一实施例中，保护层为蓝宝石。在又一实施例中，保护层为氧化铝钇(YxAlyOz)。
垫圈310可设置在保护层136与陶瓷主体302之间静电夹盘150的周边处。在一个实施例中，垫圈310为氟聚合物可压缩O形环。在另一实施例中，垫圈为在压力下固化以形成垫圈的液态聚合物。垫圈310提供保护金属接合308不暴露于等离子体或腐蚀性气体的保护性密封。类似垫圈可环绕并且保护第一金属接合304。亦应注意，类似类型的垫圈314可用于密封电极连接306并且使电极连接306与第一金属接合304隔离。
石英环146或其他保护环围绕并且覆盖静电夹盘150的部分。基板144经下放到静电圆盘166上方，并且经由静电力被固持在适当位置。
若静电夹盘150将用于含铌夹持，则保护层(电极上方的介电质)的厚度可为约200微米至约1mm。若静电夹盘150将用于Johnson Raybek夹持，则保护层的厚度可为约1mm至约1.5mm。
图4图示静电夹盘400的一个实施例的横截面侧视图。静电夹盘400具有通过金属接合420金属接合至保护层415且通过硅树脂接合或其他接合496进一步接合至金属板455的陶瓷主体410。在一个实施例中，陶瓷主体具有约3mm的厚度。陶瓷主体410可包括一或更多个加热元件418。在一个实施例中，陶瓷主体410包括嵌入在陶瓷主体410中的电极。在另一实施例中(如图所示)，电极485可嵌入保护层415。在又一实施例中，金属接合420可充当电极。在一个实施例中，位于电极485上方的保护层415的上部492具有大于200微米的厚度(例如，在一个实施例中为5密耳)。保护层415的上部492的厚度可经选择以提供期望的介电性质，诸如特定击穿电压。
在置放保护层415(且在一些实施例中研磨保护层415至最终厚度)之后，台面418形成在保护层415的上表面上。可例如通过珠粒喷击(bead blasting)或盐类喷击(salt blasting)保护层415的表面来形成台面418。在一些实施例中，台面可为约3-50微米高(在一个实施例中为约10-15微米)且直径为约200微米。
另外，钻多个孔洞475穿过陶瓷主体410及/或保护层415。可在保护层415接合至陶瓷基底410之前或之后钻此等孔洞475，且保护层415中的孔洞可与陶瓷主体410及/或基底455中的孔洞对齐。在一个实施例中，在执行接合之后，钻孔洞穿过保护层415、陶瓷主体410及基底455。或者，可独立地钻孔洞且随后在接合之前对准该等孔洞。孔洞可与在用于形成陶瓷主体410与保护层415之间的金属接合420的反应性箔中的预先形成孔洞对齐。在一个实施例中，垫圈490置放或形成在金属接合420的周边处，且在金属接合420的周边处，孔洞475接触金属接合420。在金属接合420不用作电极的一些实施中，可省略绕孔洞475形成的垫圈。在一个实施例中，孔洞475具有约4-7密耳的直径。在一个实施例中，通过激光钻孔形成孔洞。孔洞475可将导热气体(诸如，氦)输送至台面418之间的凹部或导管。氦(或其他导热气体)可促进基板与静电夹盘400之间的热量传递。将台面418沉积在基板支撑件的顶部(例如，沉积到保护层415上)亦是可能的。陶瓷塞(未图示)可填充孔洞。陶瓷塞可为多孔的，且可允许氦流动。然而，陶瓷塞可防止流动等离子体的飞弧。
图5图示用于制造静电夹盘的工艺500的一个实施例。在工艺500的方块505处，提供陶瓷主体。所提供的陶瓷主体可为陶瓷晶圆。陶瓷晶圆可能已经历一些处理，例如以形成电极连接器，但是可能无加热元件、冷却通道及嵌入电极。
在方块510处，通过执行金属接合工艺使陶瓷主体的下表面接合至导热基底以形成第一金属接合。在方块515处，通过金属接合工艺使整体烧结陶瓷保护层接合至陶瓷主体的上表面以形成第二金属接合。保护层可为具有约700微米至约1-2mm的厚度的陶瓷晶圆。参照图7描述金属接合工艺。在一个实施例中，在将陶瓷主体的上表面接合至保护层之前将该上表面抛光为平坦的。在方块520处，第二金属接合耦接至密封的电极连接。此耦接可由于形成第二金属接合的金属接合工艺发生。
在方块525处，将保护层的表面研磨至所要厚度。保护层可为夹紧电极上方的介电材料，且因此所要厚度可为提供特定击穿电压的厚度(例如，在一个实施例中为约200-300微米)。
在方块530处，台面形成在保护层的上表面上。在方块535处，孔洞(例如，通过激光钻孔)形成在保护层及陶瓷主体中。应注意，方块530的操作可在将保护层接合至陶瓷主体(如图所示)之后执行，或可在此接合之前执行。塞可随后形成在孔洞中。在替代性实施例中，陶瓷主体可在形成台面之后、在形成孔洞之后及/或在接合保护层之后接合至基底。
图6图示用于制造静电夹盘的工艺的另一实施例。在工艺600的方块605处，提供陶瓷主体。所提供的陶瓷主体可为包括一或更多个加热元件的陶瓷圆盘。陶瓷圆盘可包括或可不包括嵌入电极。
在方块610处，陶瓷主体的下表面接合至导热基底。在一个实施例中，接合可为硅树脂接合。在另一实施例中，接合材料可为具有丙烯基化合物及硅树脂基化合物的至少一者的导热糊膏或带。在又一实施例中，接合材料可为具有丙烯基化合物及硅树脂基化合物的至少一者的热糊膏或带，该接合材料可具有混合或添加到该接合材料中的金属或陶瓷填充剂。金属填充剂可为Al、Mg、Ta、Ti或其组合的至少一者，且陶瓷填充剂可为氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、二硼化钛(TiB2)或其组合的至少一者。
在方块615处，通过金属接合工艺将整体烧结陶瓷保护层接合至陶瓷主体的上表面以形成金属接合。参照图7描述金属接合工艺。
在方块620处，将保护层的表面研磨至所要厚度。保护层可为夹紧电极上方的介电材料，且因此所要厚度可为提供特定击穿电压的厚度。
在方块625处，台面形成在保护层的上表面上。在方块630处，孔洞(例如，通过激光钻孔)形成在保护层及陶瓷主体中。在替代性实施例中，陶瓷主体可在形成台面之后、在形成孔洞之后或在接合保护层之后接合至基底。
图7图示用于执行金属接合工艺的一个实施例。在方块705处，第一主体的表面涂布有第一金属层。金属层可为锡、铟或另一金属。在方块710处，第二主体的表面涂布有第二金属层。第一主体及第二主体可为例如保护层、陶瓷主体或导热基底。对于陶瓷主体(例如，陶瓷主体或保护层)，用金属层涂布表面的步骤可包括首先在表面上形成钛层的步骤。钛具有(诸如，通过形成与陶瓷中的氧分子的接合)使钛形成与陶瓷的强接合的性质。金属层可随后形成在钛上方。
例如，金属层可为锡或铟。若锡用于金属层，则可使用静电夹盘执行低于250℃的工艺，因为锡具有250℃的熔融温度。若铟用于金属层，则可使用静电夹盘执行低于150℃的工艺，因为铟具有150℃的熔融温度。若将执行较高温度工艺，则具有较高熔融温度的金属应用于金属层。可通过蒸发、电镀、溅镀或其他金属沉积或生长技术形成钛层及后续金属层。或者，第一金属层可为抵靠第一主体定位的第一焊料片(例如，锡或铟片)，且第二金属层可为抵靠第二主体定位的第二焊料片。在一个实施例中，第一金属层及第二金属层各为约1-20密耳厚(例如，在一个实施例中为25-100微米)。
在方块715处，垫圈施用在第一主体或第二主体的涂布表面的周边上。垫圈将保护涂布表面不与腐蚀性气体或等离子体相互作用。在一个实施例中，垫圈为可压缩的O形环。或者，垫圈可为在压力下固化以形成垫圈的液体。
在方块720处，第一主体的涂布表面抵靠第二主体的涂布表面定位，在第一主体的涂布表面与第二主体的涂布表面之间具有反应性箔。在一个实施例中，反应性箔为约50-150微米厚。在方块725处，施加压力以抵靠第二主体压缩第一主体。在一个实施例中，压力可为约50磅/平方英寸(PSI)。当施加压力时，在方块730处活化反应性箔。可通过诸如通过使用光学能源、电能源或热能源提供局部能量的小丛发来活化反应性箔。反应性箔的点燃导致发生化学反应，该化学反应产生高达约1500℃的热量的突然且瞬时局部丛发，该热量丛发熔融第一金属层及第二金属层，使该等第一金属层及第二金属层重流入单个金属接合。用于形成金属接合的此纳米接合技术精确输送不渗透正被接合的主体的局部热量。因为未加热主体，所以主体可具有热膨胀系数(coefficients of thermal expansion；CTE)的显著失配，但无不利效应(例如，不诱发应力或翘曲)。
图8图示用于制造具有预先形成箔特征结构的反应性箔片的工艺800的一个实施例。在工艺800的方块805处，提供具有表面特征结构的模板。在一个实施例中，模板可为任一刚性材料。模板可具有大体上平坦表面，该表面具有一或更多个表面特征结构。或者，模板可具有不平坦表面，该表面具有或不具有表面特征结构。
表面特征结构可包括模板的表面中的正台阶(例如，间隙)及/或负台阶(例如，孔洞或凹槽)。台阶可具有足以致使覆盖台阶的沉积反应性箔片的第一部分与覆盖模板的剩余部分的反应性箔片的第二部分不连续的高度或深度。举例而言，间隙可具有约1-25mm的高度，且孔洞/凹槽可具有约1-25mm的深度。在一个特定实施例中，台阶具有约2-10mm的高度或深度。实情为，沉积反应性箔可具有不平坦区域的形状。
表面特征结构亦可包括不平坦区域，诸如凸块、凹块、曲线等。此等表面特征结构可不致使沉积反应性箔片的任一部分与反应性箔片的其他部分不连续。
在方块810处，至少两种反应性材料的交替纳米级层沉积至模板上以形成反应性箔片。在一个实施例中，反应性材料为溅镀至模板上的金属。亦可通过蒸发、电镀或其他金属沉积或生长技术形成反应性材料。两种反应性材料的数以千计的交替层可沉积至模板上。每一层可具有一纳米至数十纳米的等级的厚度。在一个实施例中，反应性箔为约10-500微米厚，该厚度取决于反应性箔包括的纳米级层的数目。在又一实施例中，反应性箔为约50-150微米厚。
在一个实施例中，两种反应性材料为铝(Al)及镍(Ni)，且反应性箔为Al/Ni层的堆迭。或者，两种反应性材料可为铝及钛(Ti)(产生Al/Ti层的堆迭)、钛及硼(B)(产生Ti/B层的堆迭)、铜(Cu)及镍(产生Cu/Ni层的堆迭)或钛及非晶硅(Si)(产生Ti/Si层的堆迭)。其他反应性材料亦可用于形成反应性箔。
对于一些表面特征结构，表面特征结构的高度或深度可致使沉积反应性箔片的一部分与反应性箔片的其他部分不连续。在很多情况下，意欲此等不连续性。然而，若不期望不连续性，则模板相对于沉积源的角度可受控制以消除任何此类不连续性。在一个实施例中，在沉积工艺期间旋转模板及/或改变模板相对于沉积源的角度。在另一实施例中，使用具有不同位置的多个沉积源。沉积源的排列可经设置以最大化不平坦表面及/或表面特征结构的覆盖率，同时最小化交替层的厚度变化。
在方块815处，从模板移除反应性箔片。反应性箔片可具有至模板的弱机械接合，使得反应性箔能够从模板移除而不撕裂。反应性箔片可具有对应于模板的表面特征结构的箔特征结构。举例而言，反应性箔片可具有对应于具有台阶的模板的区域的空隙。另外，反应性箔片可具有对应于模板中的三维特征结构的不平坦(例如，三维的)特征结构。特征结构可具有各种尺寸及形状。预先形成箔特征结构可对应于反应性箔经设计接合的一或更多个基板的表面特征结构。因此，形成的反应性箔可为有生产价值的。举例而言，反应性箔可设置在具有表面特征结构的基板上的适当位置并且经激励以产生金属接合，而无需首先机械加工反应性箔以容纳表面特征结构。
图9A图示纳米级金属层至具有表面特征结构的模板900上的沉积。模板900具有具三个表面特征结构910、915、922的大体平坦表面905。表面特征结构910及915为具有高度920的台阶。高度920为充分高的以致使沉积至特征结构910、915上的纳米级金属层925与沉积至模板表面905的剩余部分上的纳米级金属层925不连续。表面特征结构922为不平坦(例如，三维的)特征结构。沉积至特征结构922上的金属层925与沉积至模板表面905的剩余部分上的金属层连续。
图9B图示具有预先形成箔特征结构960、965、970的反应性箔片950。通过将交替纳米级金属层沉积至图9A的模板900上来形成反应性箔片950。反应性箔片950为大体平坦的。然而，反应性箔片950包括由模板900的表面特征结构922上方的沉积引起的不平坦特征结构970。箔特征结构960及965为反应性箔片950中的空隙，且箔特征结构960及965对应于模板900的表面特征结构910、920。
图10A图示纳米级金属层至具有不平坦表面1005的模板1000上的沉积。模板1000可具有如图所示的三维形状，或可具有任何其他三维形状。图10B图示具有匹配模板1000的三维形状的三维形状的不平坦反应性箔片1050。此三维形状可对应于两个基板的三维形状，反应性箔将用于将该两个基板接合在一起。因此，反应性箔片1050可以致使反应性箔片1050的形状及任何特征结构与基板的形状及特征结构对齐的定向及位置置放至基板的一者上。第二基板可随后置放在反应性箔片上方，且可点燃反应性箔片。因为反应性箔片具有匹配该反应性箔片将接合的基板的形状，所以反应性箔片不会变形或撕裂。此情况可最小化或消除可能由尝试使用平坦的反应性箔片接合不平坦表面引起的漏失路径。
具有本文描述的预先形成特征结构的反应性箔片可用于接合任何两个基板。反应性箔片可尤其有用于以下应用：在具有表面特征结构的基板之间非真空地形成迅速的室温接合。举例而言，反应性箔可用于将具有氦孔洞的静电圆盘接合至冷却基底板。本文描述的反应性箔片亦可用于接合喷淋头上方的保护层，该保护层可具有数以千计的气体分配孔洞以及围绕气体分配孔洞的间隔(divets)及/或间隙。反应性箔片亦可用于接合半导体装置、太阳能装置及其他装置。
图11图示由互锁反应性箔片1105、1110、1115、1120形成的连续反应性箔1100。反应性箔片1105-1120的周边可具有赋能反应性箔片1105-1120互锁的镶纹拼接形状。可通过将交替纳米级金属层沉积在绕具有镶纹拼接形状的模板的周边具有台阶的模板上方来形成镶纹拼接形状。因此，上述工艺800可用于产生互锁反应性箔片。此等互锁反应性箔片使得能够使用金属接合工艺接合任何尺寸基板而不引入漏失路径。
先前描述阐述许多特定细节(诸如，特定系统、组件、方法等的实例)以提供对本发明的若干实施例的良好理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，无需此等特定细节亦可实践本发明的至少一些实施例。在其他情况中，不详细描述或仅以简单方块图格式呈现熟知组件或方法，以免不必要地模糊本发明。因此，阐述的特定细节仅为示例性的。特定实施可不同于此等示例性细节且仍认为在本发明的范围内。
贯穿整篇此说明书对“一个实施例”或“一实施例”的引用意谓结合该实施例描述的特定特征结构、结构或特征包括在至少一个实施例中。因此，在贯穿整篇此说明书中的不同地方出现的用语“在一个实施例中”、“在一实施例中”未必皆代表相同实施例。另外，术语“或”意欲意谓包含性“或”而非排他性「或」。当在本文使用术语“约”或“大约”时，提供的标称值意欲意谓精确在±10％内。
尽管以特定顺序图示并且描述本文的方法的操作，但是可改变每一方法的操作顺序，使得可以倒序执行某些操作或使得可至少部分地与其他操作同时执行某些操作。在另一实施例中，不同操作的指令或子操作可以间歇及/或交替方式执行。在一个实施例中，多个金属接合操作被执行为单个步骤。
应了解，上述描述意欲为说明性的而非限制。在阅读与理解了上述描述后，许多其他实施例对本领域技术人员而言为显而易见的。因此应参照随附权利要求连同被称为此等权利要求的等效物的整个范畴决定本发明的范畴。

Claims (15)

1.一种静电夹盘，所述静电夹盘包含：
陶瓷主体；
导热基底，所述导热基底接合至所述陶瓷主体的下表面；及
保护层，所述保护层通过金属接合而接合至所述陶瓷主体的上表面，所述保护层包含整体烧结陶瓷制品。
2.如权利要求1所述的静电夹盘，其中所述保护层为包含Y4Al2O9及Y2O3-ZrO2的固溶体的陶瓷化合物。
3.如权利要求1所述的静电夹盘，其中所述金属接合用作所述静电夹盘的电极，且其中所述陶瓷主体不包括任何电极。
4.如权利要求1所述的静电夹盘，其中所述导热基底通过额外金属接合而接合至所述陶瓷主体的所述下表面，且其中所述导热基底包含一或更多个加热元件。
5.如权利要求1所述的静电夹盘，其中所述金属接合的厚度为约5-20密耳且所述保护层的厚度为约200-900微米。
6.如权利要求1所述的静电夹盘，所述金属接合包含：
第一金属层，所述第一金属层包含锡或铟的至少一者；
第二金属层，所述第二金属层包含锡或铟的至少一者；及
第三金属层，所述第三金属层在所述第一金属层与所述第二金属层之间，所述第三金属层包含铝及镍的组合或铜及镍的组合的至少一者。
7.如权利要求1所述的静电夹盘，其中所述导热基底通过硅树脂接合接合至所述陶瓷主体的所述下表面，且其中所述陶瓷主体包含一或更多个加热元件。
8.如权利要求1所述的静电夹盘，所述静电夹盘进一步包含：
在所述陶瓷主体的所述上表面与所述保护层之间的垫圈，所述垫圈在所述上表面的外周边处以保护所述金属接合。
9.如权利要求1所述的静电夹盘，其中所述保护层包含YxAlyOz并且具有嵌入电极。
10.一种方法，所述方法包含以下步骤：
提供整体烧结陶瓷主体；
将所述整体烧结陶瓷主体的下表面接合至导热基底；及
通过室温金属接合工艺将所述整体烧结陶瓷主体的上表面接合至包含整体烧结陶瓷制品的保护层。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述室温金属接合工艺包含以下步骤：
用第一金属层涂布所述整体烧结陶瓷主体的所述上表面；
用第二金属层涂布所述保护层的表面；
抵靠所述陶瓷主体的涂布上表面定位所述保护层的涂布表面，在所述保护层的所述涂布表面与所述陶瓷主体的所述涂布上表面之间有反应性箔；及
基于熔融所述第一金属层及所述第二金属层点燃所述反应性箔以形成金属接合。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述第一金属层及第二金属层各自包含锡或铟的至少一者且所述反应性箔包含铝及镍的交替纳米级层。
13.如权利要求10所述的方法，所述方法进一步包含以下步骤：
使所述金属接合耦接至密封电极连接，所述密封电极连接使所述金属接合连接至夹持电源，以致使所述金属接合用作静电夹盘的电极。
14.如权利要求10所述的方法，其中涂布所述整体烧结陶瓷主体的所述上表面的步骤包含以下步骤：
在所述上表面上形成钛层；及
在所述钛层上形成所述第一金属层。
15.如权利要求10所述的方法，所述方法进一步包含以下步骤：
在将所述保护层的涂布下表面定位在所述陶瓷主体的涂布上表面上之前，将垫圈定位在所述整体烧结陶瓷主体的所述涂布上表面的外周边上；及
压缩所述垫圈。
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