多层烧结陶瓷体及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多层烧结陶瓷体，所述多层烧结陶瓷体包括：至少一个第一层，所述至少一个第一层包含至少一个YAG晶相，其中所述至少一个第一层具有至少一个表面；和至少一个第二层，所述至少一个第二层包含氧化铝以及稳定的氧化锆和部分稳定的氧化锆中的至少一种，其中所述至少一个第一层的所述至少一个表面包含孔隙，其中如通过SEM测量的，所述孔隙具有0.1μm至5μm的最大尺寸，并且其中所述至少一个第一层和所述至少一个第二层中的每一者具有热膨胀系数(CTE)，其中如根据ASTM E228

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多层烧结陶瓷体及制备方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请根据35 U.S.C.
§
119(e)要求2021年6月29日提交的美国临时专利申请号63/216,356、2021年3月12日提交的美国临时专利申请号63/160,666和2020年10月15日提交的美国临时专利申请号63/092,451的优先权，这些专利申请的内容以引用方式并入本文。


[0003]本专利技术涉及耐腐蚀的多层烧结陶瓷和由其形成的部件、生产该陶瓷的方法以及在半导体等离子体加工室内的用途。

技术介绍

[0004]半导体加工需要与高电场和磁场组合使用基于卤素的气体以产生等离子体环境。该等离子体环境在真空室内产生，用于在半导体衬底上蚀刻或沉积材料。这些真空室包括部件零件，诸如盘或窗、衬垫、注射器、环和圆筒。在半导体等离子体加工期间，衬底通常由衬底架支撑在真空室内，如例如在US 5,262,029和US 5,838,529中所公开的。用于产生等离子体加工环境的工艺气体可以通过各种供气系统供给到所述室。一些工艺涉及射频(RF)场的使用，并且将工艺气体引入到加工室中，同时将RF场施加到工艺气体以生成工艺气体的等离子体。用于形成这些部件的陶瓷材料，尤其是用于RF应用的陶瓷材料，需要具有近似1
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‑3和更小的低介电损耗角正切。比这更高的介电损耗在使用期间引起部件内的过热和热点，导致制程变异性和成品率损失。由高纯度起始粉末制造的部件和保持初始纯度的制造工艺的使用将提供满足这些低损耗要求的烧结陶瓷。苛刻的等离子体加工环境需要对室部件使用高度耐腐蚀和侵蚀的材料。这些部件已经由在等离子体环境中提供腐蚀和侵蚀耐受性的材料形成，并且已经例如在US 5,798,016、US 5,911,852、US 6,123,791和US 6,352,611中有描述。此外，等离子体加工室已经被设计成包括诸如盘、环和圆柱的部件，这些部件将等离子体限制在正在加工的晶圆上。然而，在等离子体加工室中使用的这些零件不断地受到等离子体攻击，并且因此最终腐蚀、侵蚀或积聚污染物和聚合物堆积。等离子体蚀刻和沉积条件导致室零件暴露于等离子体的表面的腐蚀和粗糙化。这种腐蚀通过将颗粒从部件表面释放到室中而促成晶圆级污染，从而导致半导体装置的成品率损失。
[0005]为了解决这个问题，室部件通常具有在暴露于工艺气体时耐腐蚀和耐侵蚀的表面层。表面层形成在可具有优异的机械特性、电学特性或其他优选特性的基底或衬底上。已知例如氧化钇或钇铝石榴石的耐腐蚀薄膜或涂层会沉积在由不同材料(诸如氧化铝)形成的基底或衬底上，耐腐蚀薄膜或涂层比大多数耐腐蚀材料价格更低且强度更高。此类薄膜或涂层已经通过几种方法制成。气相沉积法已经用于在衬底上沉积耐腐蚀薄膜，然而由于内部薄膜应力，气相沉积限于相对薄的层，并且通常在薄膜中存在小孔。这些内部薄膜应力产生差的层间粘附并导致通常在耐腐蚀膜和基材之间的界面处分层，致使这些层易于开裂和剥落，从而导致不期望的微粒污染。通过气溶胶或等离子体喷涂技术制成的耐腐蚀涂层或
薄膜通常表现出3％至约50％的高水平孔隙率，以及相应的低密度。此外，通过气溶胶或喷涂方法生产的这些薄膜在衬底材料与耐腐蚀层之间表现出差的界面粘附，导致掉片和脱落以及随后的室污染。
[0006]可商购获得的用于在烧结衬底上沉积薄膜的方法将薄膜厚度限制为小于约0.45mm和更小。此类薄膜厚度通常具有由下面的衬底中的不均匀性产生的孔，并且孔的存在和受限的薄膜厚度使得薄膜表面层易于破裂，从而在加工期间将下面的衬底暴露于腐蚀性的工艺气体和颗粒生成。
[0007]形成耐腐蚀、高强度烧结体和/或部件的其他方法包括层压预制薄膜，向薄膜施加压力以形成层压材料，接着共烧结该层压材料。这些方法通常使用无压烧结，并且烧结层压材料的平整度取决于各薄膜的烧结速率的紧密匹配。例如，如果顶部薄膜的烧结速率大于底部层的烧结速率，则烧结的陶瓷层压材料将具有凹曲率，而如果底部薄膜的烧结速率大于顶部薄膜的烧结速率，则烧结的陶瓷层压材料将具有凸曲率(两者都被配置为顶部薄膜朝上)。烧结速率的变化在烧结的层压材料中产生残余应力，使其易于破损和开裂，尤其是在大尺寸时。因此，选择用于共烧结的材料限于如本领域技术人员已知的具有相同或非常相似的烧结时间、温度和持续时间曲线的那些材料。另外，这些烧结层压材料通常在层之间表现出差的界面粘附，导致顶层的脱皮和剥落，以及低密度，使得它们易于破损、分层和开裂。
[0008]随着半导体衬底尺寸的增加，需要耐腐蚀、高强度的烧结陶瓷体，并且尤其是大尺寸(大于100mm，例如从100mm到625mm)的烧结陶瓷体，以能够大规模制造半导体装置。
[0009]因此，本领域需要一种用于等离子体加工室中的多层烧结陶瓷体，其具有耐腐蚀性和耐侵蚀性、层间高粘附性、低介电损耗角正切、高热导率和高机械强度的组合特性。

技术实现思路

[0010]为了满足这些和其他需要，并且鉴于其目的，本公开提供了多层烧结陶瓷体和用于制备具有改善的机械特性、电学特性和热特性以及能够被处理的大的多层烧结陶瓷体的方法的实施方案。
[0011]本文描述了烧结陶瓷体(本文也称为多层烧结陶瓷体)及制造方法。这些陶瓷体提供对基于氯和氟的工艺气体的高耐腐蚀性、低介电损耗角正切(tanδ)、高热导率和高机械强度，因此期望用作利用基于卤素的工艺气体的半导体等离子体加工室中的部件。陶瓷体特别适合用作尺寸为100mm和更大的大室部件。
[0012]实施方案1.一种多层烧结陶瓷体，所述多层烧结陶瓷体包括：至少一个第一层，所述至少一个第一层包含至少一个YAG晶相，其中所述至少一个第一层具有至少一个表面；和至少一个第二层，所述至少一个第二层包含氧化铝以及稳定的氧化锆和部分稳定的氧化锆中的至少一种，其中所述至少一个第一层的所述至少一个表面包含孔隙，其中如通过SEM测量的，所述孔隙具有0.1μm至5μm的最大尺寸，并且其中所述至少一个第一层和所述至少一个第二层中的每一者具有热膨胀系数(CTE)，其中如根据ASTM E228
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17测量的，所述至少一个第一层的CTE和所述至少一个第二层的CTE相差0至0.6
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‑6/℃。
[0013]实施方案2.根据实施方案1所述的多层烧结陶瓷体，其中所述多层烧结陶瓷体具有100mm至625mm的最大尺寸。
[0014]实施方案3.根据实施方案1或实施方案2所述的多层烧结陶瓷体，其中如通过SEM测量的，所述孔隙具有0.1μm至2μm的最大尺寸。
[0015]实施方案4.根据前述实施方案中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中如通过SEM测量的，所述孔隙具有0.1μm至1μm的最大尺寸。
[0016]实施方案5.根据前述实施方案中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中所述孔隙的特征在于如使用SEM和图像处理方法测量的累积孔隙分布为约2μm2/mm2至约600μm2/mm2。
[0017]实施方案6本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种多层烧结陶瓷体，所述多层烧结陶瓷体包括：至少一个第一层，所述至少一个第一层包含至少一个YAG晶相，其中所述至少一个第一层具有至少一个表面；和至少一个第二层，所述至少一个第二层包含氧化铝以及稳定的氧化锆和部分稳定的氧化锆中的至少一种，其中所述至少一个第一层的所述至少一个表面包含孔隙，其中如通过SEM测量的，所述孔隙具有0.1μm至5μm的最大尺寸，并且其中所述至少一个第一层和所述至少一个第二层中的每一者具有热膨胀系数(CTE)，其中如根据ASTM E228
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17测量的，所述至少一个第一层的CTE和所述至少一个第二层的CTE相差0至0.6
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‑6/℃。2.根据权利要求1所述的多层烧结陶瓷体，其中所述多层烧结陶瓷体具有100mm至625mm的最大尺寸。3.根据权利要求1或权利要求2所述的多层烧结陶瓷体，其中如通过SEM测量的，所述孔隙具有0.1μm至2μm的最大尺寸。4.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中如通过SEM测量的，所述孔隙具有0.1μm至1μm的最大尺寸。5.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中所述孔隙的特征在于如使用SEM和图像处理方法测量的累积孔隙分布为约2μm2/mm2至约600μm2/mm2。6.根据权利要求5所述的多层烧结陶瓷体，其中如通过SEM测量的，所述孔隙分布为约2μm2/mm2至约300μm2/mm2。7.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中如通过SEM测量的，所述至少一个表面具有按所述至少一个表面的总面积的百分比计0.0005％至1％的孔隙率。8.根据权利要求7所述的多层烧结陶瓷体，其中按所述至少一个表面的总面积的百分比计的所述孔隙率为0.005％至2％。9.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中所述至少一个第一层的相对密度和所述至少一个第二层的相对密度为99％至100％。10.根据权利要求9所述的多层烧结陶瓷体，其中所述相对密度在所述多层烧结体的最大尺寸上变化5％或以下。11.根据权利要求10所述的多层烧结陶瓷体，其中所述相对密度在所述最大尺寸上变化3％或以下。12.根据权利要求11所述的多层烧结陶瓷体，其中所述相对密度在所述最大尺寸上变化1％或以下。13.根据权利要求10
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12中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中所述最大尺寸为400mm至625mm。14.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中所述至少一个第一层和所述至少一个第二层之间的热膨胀系数(CTE)之差为0至0.3
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6/℃。15.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中所述至少一个第一层和所述至少一个第二层之间的热膨胀系数(CTE)之差的绝对值在环境温度至约1700℃的整个温度范围内得以保持。
16.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中所述至少一个第二层包含相对于所述至少一个第二层的体积，量为10体积％至25体积％的氧化锆。17.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中所述至少一个第二层包含部分稳定的氧化锆。18.根据权利要求17所述的多层烧结陶瓷体，其中所述至少一个第二层包含3摩尔％的氧化钇部分稳定的氧化锆。19.根据权利要求1
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16中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中所述至少一个第二层包含稳定的氧化锆。20.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中所述至少一个第二层包含相对于所述至少一个第二层的体积约16体积％的氧化锆。21.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中如使用XRD、SEM和图像处理方法所测量的，所述至少一个第一层包含量为98体积％至99.3体积％的YAG，并且余量部分包含选自由氧化铝、氧化钇、YAM和YAP以及它们的组合组成的组的至少一个晶相。22.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中如通过ICPMS测量的，所述至少一个第一层具有相对于所述至少一个第一层的质量小于25ppm的总杂质含量。23.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中所述至少一个第一层不含掺杂剂。24.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中所述至少一个第一层不含烧结助剂。25.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中如通过ICPMS测量的，所述至少一个第一层包含相对于所述至少一个第一层的质量，量为14ppm至25ppm的二氧化硅。26.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中如根据ISO标准25178
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2012测量的，所述至少一个第一层具有0.0005μm至1μm的Sa。27.根据权利要求26所述的多层烧结陶瓷体，其中如根据ISO标准25178
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2012测定的，所述Sa为0.001μm至0.020μm。28.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中如根据ISO标准25178
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2012测量的，所述至少一个第一层具有0.3μm至3μm的Sz。29.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中如根据ASTM B962
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17测量的，所述至少一个第二层具有4.19g/cc至4.46g/cc的密度。30.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中所述至少一个第二层包含量为16体积％的氧化锆并且如根据ASTM B962
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17测量的，具有约4.32g/cc的密度。31.根据权利要求30所述的多层烧结陶瓷体，其中如根据ASTM E228
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17测量的，所述至少一个第二层在约200℃至约1400℃的温度范围内具有6.98
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‑6/℃的热膨胀系数(CTE)。32.根据前述权利要求中任一项所述的多层烧结陶瓷体，其中如使用ICPMS方法测量的，所述至少一个第二层具有相对于所述至少一个第二层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：L，
申请(专利权)人：贺利氏科纳米北美有限责任公司，
类型：发明
国别省市：