氧化铍基座的制作方法

本发明涉及用于高温应用的陶瓷基座。特别地，本发明涉及用于半导体生产工艺的包含氧化铍的基座。

背景技术：

1、在许多高温衬底处理应用中，在高温处理室中对衬底进行处理，例如，蚀刻、涂布、清洁和/或激活其表面能。为了进行处理，将加工气体引入加工室，然后通电以达到等离子体状态。该通电可通过将rf电压施加到电极(例如，阴极)并将阳极电接地以在加工室中形成电容场来完成。然后利用在加工室内产生的等离子体处理衬底以在其上蚀刻或沉积材料。

2、在该工艺中，衬底必须被支撑(并保持在适当位置)。在许多情况下，采用陶瓷基座来实现这一目标。在一些实例中，使用静电卡盘组件(作为基座的一部分)将衬底保持在适当位置。其他支撑机构也是已知的，例如机械和真空。静电卡盘通常包括由电介质覆盖的电极。当电极被充电时，反向静电电荷在衬底中累积，由此产生的静电力将衬底保持在静电卡盘上。一旦衬底牢固地被保持在卡盘上，等离子体处理就继续进行。

3、一些已知的等离子体工艺通常在稍微高温和高腐蚀性气体中进行。例如，蚀刻铜或铂的工艺是在250℃至600℃的温度下进行的，相比之下，蚀刻铝在100℃至200℃的温度下进行。这些温度和腐蚀性气体使用于制造卡盘的材料热降解。常规的陶瓷基座采用各种氧化物、氮化物和合金，例如，氮化铝、氧化铝、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、蓝宝石、氧化锆或石墨或阳极化金属作为主要组分。在一些情况下，这些要求可以通过常规陶瓷材料，例如氧化铝或氮化铝来满足。

4、然而，随着技术的进步，需要更高的衬底处理操作条件(温度)，例如高于650℃、高于750℃或高于800℃的温度。遗憾的是，发现在这些较高的温度下，常规陶瓷基座材料存在结构问题，例如，分解、热和/或机械降解、粉化和分层。

5、此外，发现在操作过程中，常规的陶瓷基座显示出在基座板表面的温度均匀性不一致，这可能是由于氮化铝、二氧化硅或石墨的固有特性所致。这进而导致在半导体晶片的处理中存在问题的不一致。已经进行了改进常规基座板的温度均匀性的尝试。但这些尝试包括更复杂得多的加热配置和控制机构，例如，增加加热区和热电偶的数量，这增加了成形工艺的成本和不确定性。

6、此外，常规的非铍基座难以提供将晶片保持在适当位置所需的足够的夹紧力(夹持压力)，特别是在较高温度下。常规的基座在高温下也会遇到与微裂纹、表面粉化、(热)分解以及降低的吸热系数(effusivity)有关的问题。即使在适中的温度下，常规的基座也会出现释放时间(yrglygomrk xmq i)的问题，这可能是由于高电容造成的。

7、此外，许多常规的基座采用层状结构，这些层状结构依赖于粘合型粘结，例如，使用钎焊材料，或通过扩散粘结进行的层压以将金属导体固定在多个(陶瓷)层中。然而，这种层压结构反复出现结构问题和通常是由于高温操作的应力造成的分层。

8、另外，为了在较窄的温度范围内维持衬底或清洁基座、衬底或腔室，可能理想的是要快速冷却衬底。但是，由于rf能量和等离子体离子密度在衬底上的耦合变化，高功率等离子体中会发生温度波动。这些温度波动可能导致衬底温度的迅速升高或降低，这需要稳定。因此，理想的是在清洁过程中需要很少或不需要冷却的基座，例如，可以在操作温度下清洁、且/或需要很少或不需要清洁循环时间的基座，这有利地改进了工艺效率(通过减少/消除停机时间)。

9、即使考虑到常规的基座技术，仍然需要具有改进性能的改进的基座组件，例如，分解减少、热力减小、微裂纹减少和/或机械降解、改进的温度均匀性和/或更好的夹持压力，特别是在较高温度下，例如在高于650℃，同时不表现出层间分层。

技术实现思路

1、在一些实施方式中，本发明涉及包括轴和基板的基座组件，所述轴包含含有氧化铍和氟/氟离子(1ppb至1000ppm或10ppb至800ppm)的第一氧化铍组合物，所述基板包含含有至少95wt％氧化铍和可选地氟/氟离子的第二氧化铍组合物。基板在800℃下表现出至少133kpa的夹持压力和/或大于1x 105ohm-m的体电阻率。第一氧化铍组合物可包含比第二氧化铍组合物更多的氟/氟离子，并且可进行加工以达到氟/氟离子浓度。第一氧化铍组合物还可包括：小于50wt％的氧化镁和小于50wt％ppm的二氧化硅和/或1ppb至50wt％的氧化铝；1ppb至10000ppm的亚硫酸盐；和/或1ppb至1wt％ppm的硼、钡、硫或锂，或其组合，包括氧化物、合金、复合材料或同素异形体，或其组合。第一氧化铍组合物可具有大于0.1微米的平均晶界和/或小于100微米的平均晶粒尺寸。第二氧化铍组合物还可包含1ppb至10wt％的氧化镁和1ppb至10wt％的二氧化硅和/或1ppb至10wt％ppm的三硅酸镁和/或1ppb至1wt％的氧化锂。第一氧化铍组合物可包含比第二铍组合物更多的氧化镁和/或三硅酸镁。第一氧化铍组合物可包含小于75wt％的氮化铝和/或第二氧化铍组合物可包含小于5wt％的氮化铝。第一氧化铍组合物在室温下可具有小于300w/m-k的电导率和/或可具有在90％至100％范围内的理论密度，第二氧化铍组合物在室温下可具有小于400w/m-k的电导率。在加热到高于700℃的温度时，基板可表现出小于±3℃的温度方差，和/或在800℃下的体电阻率大于1×104ohm-m，和/或腐蚀损失小于0.016wt％，和/或介电常数小于20，和/或45n级的表面硬度为至少50洛氏硬度，和/或整个基板的热膨胀系数为5至15，和/或基板上的最小横向尺寸值为至少100mm，和/或平坦度(flatness)为在300mm的距离内弯度(camber)小于50微米。基板还可包括封装在基板和/或台面中的加热元件，任选地，具有大于1微米的高度。基板可包含小于2层的叠层和/或没有分离层。轴可包括具有相似的热膨胀系数的短节部分(stubportion)。

2、本发明还涉及具有顶部和底部且包括氧化铍组合物的基板，氧化铍组合物含有至少95wt％氧化铍和可选地氟/氟离子。基板可在至少600℃的温度下表现出至少133kpa的夹持压力，和/或在大于1600℃的温度下表现出小于1wt％的分解变化，和/或当加热到高于700℃的温度时表现出小于±3％的温度方差；和/或大于1x 108的体电阻率；和/或小于0.016wt％的腐蚀损失；和/或小于20的介电常数；和/或45n级的表面硬度至少为50洛氏硬度；和/或在800℃下的体电阻率大于1x 105ohm-m，和/或在整个基板上的热膨胀系数为5至15(热膨胀系数可以从顶部至底部变化小于25％)，和/或清洁循环时间小于2小时，和/或温度方差小于±3％。基板可以包括氧化铍组合物，该氧化铍组合物包含1ppb至10wt％ppm(例如1ppm至5wt％)的氧化镁、1ppb至10wt％ppm(例如1ppm至5wt％)的二氧化硅、和/或1ppb至10wt％ppm(例如1ppm至5wt％)的三硅酸镁。基板可以不包含分离层，可以具有从顶部至底部递减的热导率梯度；和/或从顶部至底部递减的电阻率梯度；和/或从顶部至底部递减的纯度梯度；和/或从顶部至底部递减的理论密度梯度；和/或从顶部至底部递增的介电常数梯度。基板还可包括可选地包括铌和/或铂的加热元件，可选地包括卷绕和/或卷曲的加热元件和/或天线。最高纯度可以比最低纯度高至少0.4％。

3、本发明还涉及具有顶部和底部且包括氧化铍组合物的基板，其中所述基板具有：从顶部至底部递减的热导率梯度；和/或从顶部至底部递减的电阻率梯度；和/或从顶部至底部递减的纯度梯度；和/或从顶部至底部递减的理论密度梯度；和/或从顶部至底部递增的介电常数梯度。当在室温下测量时，基板的顶部热导率可以在125至400w/mk的范围内，且底部热导率可以在146至218w/mk的范围内；和/或当在800℃下测量时，顶部热导率在25w/mk至105w/mk的范围内，且底部热导率在1w/mk至21w/mk的范围内，当在室温下测量时，顶部热导率可选地比底部热导率大至少6％；和/或当在800℃下测量时，顶部热导率可选地比底部热导率大至少6％。顶部纯度可在99.0至99.9的范围内，底部纯度可在95.0至99.5的范围内。顶部纯度可比底部纯度高至少0.4％。顶部理论密度可在93％至100％的范围内，底部理论密度可在93％至100％的范围内。顶部理论密度可比底部理论密度高至少0.5％。顶部介电常数可在1至20之间，底部介电常数可在1至20之间。基板可以不包含分离层。基板可表现出上述夹持压力、温度方差和腐蚀损失。

4、本发明还涉及用于基座组件的轴，所述轴包括含有氧化铍和(10ppb至800ppm)氟/氟离子的氧化铍组合物。该氧化铍组合物具有大于0.1微米的平均晶界，和/或无定形晶粒结构，和/或小于100微米的平均晶粒尺寸，和/或可在室温下表现出小于300w/m-k的热导率，和/或在90至100范围内的理论密度。当在室温下测量时，该轴表现出顶部热导率在146w/mk至218w/mk的范围内，底部热导率在1w/mk至218w/mk的范围内；和/或当在800℃下测量时，顶部热导率在1w/mk至21w/mk之间，底部热导率在1w/mk至21w/mk之间，顶部理论密度可比底部理论密度大至少0.5％。所述氧化铍组合物可包括小于75wt％的氮化铝。第一氧化铍组合物可包括：1ppb至1000ppm的氟/氟离子，和/或小于50wt％的氧化镁，和/或小于50wt％ppm的二氧化硅，和/或1ppb至50wt％ppm的氧化铝，和/或1ppb至10000ppm的亚硫酸盐，和/或1ppb至1wt％ppm的硼、钡、硫或锂，或其组合，包括氧化物、合金、复合材料或同素异形体，或其组合。

5、本发明还涉及一种基座组件，其包括：前述任一实施方式的轴，含有可选地通过钎焊材料彼此粘结的多个层的基板，以及可选的印刷加热元件。

6、本发明还涉及具有顶部和底部且包含陶瓷组合物的基板，其中所述基板表现出：夹持压力为至少133kpa；当加热到高于700℃时，温度方差小于±3％；和/或在800℃的体电阻率大于1x 108；和/或腐蚀损失小于0.016wt％；和/或介电常数小于20；和/或45n级的表面硬度为至少50洛氏硬度；和/或整个基板的热膨胀系数在5至15的范围内。

7、本发明还涉及制造基板的方法，该方法包括以下步骤：提供第一beo粉末和第三beo粉末；由第一粉末和第三粉末形成第二粉末；由第一粉末形成第一(底部)区域；

8、由第二粉末形成第二(中部)区域；由所述第三粉末形成第三(顶部)区域以形成基板前驱体，其中所述第二区域设置在所述第一区域和所述第三区域之间；可选地将基板前驱体共混(co-mingling)以结合粉末，可选地将加热元件放置在这些区域中的一个和/或端子的卷边中，可选地对基板前驱体进行冷成型，并烧制基板前驱体以形成基板。第一和第三(和第二)粉末可能包含不同等级的原始beo。

9、本发明还涉及制造基座轴的方法，包括对氧化铍组合物进行处理以实现在1ppb至1000ppm氟/氟离子范围内的氟/氟离子浓度。

10、本发明还涉及清洁污染的基座组件的方法，包括：提供基座组件和晶片，晶片设置在基座组件上；将晶片加热至高于600℃的温度；将晶片冷却小于100℃至冷却温度(或完全不冷却)；在冷却温度下对板进行清洁；可选地将晶片再加热至600℃；其中从冷却步骤到再加热步骤的清洁循环时间小于2小时。清洁循环时间可以在0至10分钟之间。