一种半导体设备用氧化铝陶瓷制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体陶瓷材料领域，特别是涉及一种半导体设备用氧化铝陶瓷制备方法，该方法以氧化铝、氟化镁为原料，通过简单的混料

【技术实现步骤摘要】
一种半导体设备用氧化铝陶瓷制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体陶瓷材料领域，特别是涉及一种半导体设备用氧化铝陶瓷制备方法，用该方法获得的氧化铝陶瓷结构件具有较高的耐腐蚀性能，可广泛应用于半导体刻蚀设备中。

技术介绍

[0002]等离子体处理装置被广泛用于半导体制造中，其主要用于刻蚀、表面清洗等工艺。其工作原理是将反应室中含卤化合物气体电离成等离子体，并用等离子体中的自由基去轰击或溅射被刻蚀材料的表面分子，形成易挥发物质，从而实现刻蚀的目的。而反应室中的构件暴露在等离子体中，受到不同程度的等离子体腐蚀，除了降低构件的使用寿命外也增加了等离子体处理装置的使用成本，等离子体腐蚀所产生的金属/陶瓷颗粒还会污染反应室和被加工工件表面，影响被加工工件的质量，因此在利用化学气相沉积(CVD)等的沉积设备或利用等离子体蚀刻等的蚀刻设备等的半导体制造工艺中所使用的腔室针对高腐蚀性的气体或等离子体等的耐蚀性的必要性越来越高。为了提高构件的抗等离子体腐蚀性能，采取了多种工艺措施，如在金属构件喷涂氧化钇、氧化铝等无机物涂层，但喷涂的涂层与金属构件的结合力不强，且无机物涂层与金属构件的膨胀系数不匹配，在使用过程中存在脱落的风险。如CN1288108C公开了一种耐等离子体构件方法，通过在氧化铝基材上热进行的Y2O3或YAG热喷涂层提高材料的耐等离子蚀刻能力。为了提高构件的附着力，其对氧化铝基材表面进行化学蚀刻调整氧化铝基材的表面粗糙度。该方法制备复杂，且无法获得具有较厚耐腐蚀层的复合构件，同时该方法获得的薄膜与基板之间的粘附性差,体积孔隙率高,导致颗粒脱落到工艺室中，而且氧化钇的机械性能较差，氧化钇较低的力学性能导致刻蚀机腔室部件在制造、运输和服役过程中更容易产生剥落和损坏现象。对于制备致密陶瓷而言，氧化钇高达2430℃的熔点使得其致密化通常需要的温度较高，在制备氧化钇陶瓷中常加入添加剂促进氧化钇陶瓷的致密化，这也将会导致产生耐腐蚀薄弱区。此外也有用烧结致密的陶瓷材料制作构件，如氧化铝、氧化钇等陶瓷材料，在抗等离子体腐蚀性能方面有一定提升，但氧化铝、氧化钇等陶瓷材料的制备过程中加入的一些烧结助剂容易被等离子体腐蚀，以及陶瓷材料在烧结过程中晶粒的异常长大会造成陶瓷微观结构不良而使得陶瓷的性能劣化，大大缩短了陶瓷构件的使用寿命，另外稀土化合物价格较为昂贵且机械性能较差。
[0003]氧化铝陶瓷是价格低廉、综合性能优良、应用最广的陶瓷材料，它具有耐热性、耐腐蚀、高强度以及介质损耗小等特性，广泛应用于半导体、液晶用高频等离子蚀刻装置部件， 但是目前使用的高纯型氧化铝陶瓷中还含有较高含量的 SiO2、MgO、CaO等杂质相，如CN1288872A公开了半透明氧化铝烧结体及其制备方法，其选择基本上无破裂表面的多面体初级颗粒的α
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氧化铝粉末，通过严格控制烧结陶瓷材料中碱金属元素和碱土金属元素的总含量获得具有较好耐腐蚀性的高纯氧化铝陶瓷，其认为氧化铝陶瓷烧结过程中加入烧结剂，如含碱金属或碱土金属离子的烧结剂时，烧结剂中的金属离子会掺杂到氧化铝陶瓷中，当使用时氧化铝陶瓷会与等离子体和卤素气体以及酸溶液或碱溶液等发生化学反应。但该
陶瓷材料所需原料纯度较高，对生产条件要求苛刻，在实际生产中较难实现。另一方面，氧化铝陶瓷致密度还有待于提高，仍然存在一定数量的孔隙等缺陷。在等离子体和反应气体的共同作用下，在氧化铝陶瓷内部有孔隙的不致密的区域会产生缺陷、颗粒、金属杂质等问题。此外目前制备大尺寸且超高纯度氧化铝陶瓷也存在容易变形、开裂，难于烧结致密等问题。如果将耐腐蚀氧化铝陶瓷膜直接沉积在烧结衬底上，这样的膜厚度无法做到满足需求，即便人为将薄膜增厚，厚膜涂层大都具有固有的裂纹和孔，导致陶瓷结构件耐腐蚀性能变差。
[0004]此外目前半导体高端制程刻蚀设备用的高性能氧化铝陶瓷的产业主要集中在美国、日本等发达国家，主要包括日本Kyocera、美国CoorsTEK等国际一流的陶瓷生产企业。由于行业和应用的特殊性，国内在该方面的研究较为少见。
[0005]鉴于此，有必要开发一种便于产业上使用的具有较高耐腐蚀性能的厚膜氧化铝陶瓷材料及器件。

技术实现思路

[0006]基于此，有必要提供一种能够制备出耐等离子体腐蚀性能较好的半导体设备用氧化铝陶瓷制备方法。
[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种具有优良耐等离子刻蚀的氧化铝陶瓷体及其制造方法，该氧化铝陶瓷可以同时实现厚膜、良好的机械性能及耐腐蚀性强等效果，另外该制备方法工艺简单，成本很低，完全可以满足产业上的应用。
[0008]本专利技术提供一种半导体设备用氧化铝陶瓷制备方法，包括如下步骤：（1）称取氧化铝陶瓷原料及MgF2添加剂；按照MgF2添加剂的重量为氧化铝陶瓷重量的C1混合得到物料a，按照MgF2添加剂的重量为氧化铝陶瓷重量的C2混合得到物料b；所述氧化铝陶瓷原料为α
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Al2O3，纯度99.5％以上，平均粒径1～10μm。此方案中的氧化铝可直接采购，价格相对于高纯纳米氧化铝较为便宜，氧化铝粒径无特别限制，优选1~5μm，更优选1~3μm。较小粒径的氧化铝陶瓷原料经烧结处理后可以获得更致密的氧化铝陶瓷体，该陶瓷内部孔隙较少，陶瓷用于半导体设备中时有更好的耐等离子腐蚀能力。氟化镁在其中起到烧结助剂的作用，烧结时少量氟化镁的存在首先可以显著降低氧化铝的烧结温度，此外还可以抑制氧化铝晶粒长大，促使产品陶瓷更加致密化，提高产品耐腐蚀能力。此外在步骤1中，0.1%≤C1≤0.5％，0.5%≤C2≤3％，且C2≤10C1。申请人发现在含有氟化镁的α
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Al2O3烧结时，当烧结温度超过1300℃时，氟化镁能缓慢从氧化铝陶瓷相中逸出，因此在制作存在上下保护层的多层氧化铝陶瓷体时，将上下两层氧化铝生坯中烧结助剂的量降低到占氧化铝陶瓷重量的0.1%~0.5％时，在1300℃以上烧制4个小时后表层氧化铝中氟化镁可以实现近乎100%的逸出，使得氧化铝陶瓷中上下两层纯度进一步提高，极大的减少了残留助剂可能产生的腐蚀位点。当C1＜0.1%时，陶瓷烧结温度超过2000℃，能耗较高，且烧结后陶瓷晶粒尺寸变大；当C1＞0.5%时，烧结后氧化铝上下两层均出现MgF2残留，残留的助剂容易形成等离子腐蚀位点，且陶瓷产品介电损耗增加。当C2＜0.5%时，陶瓷烧结温度也有所升高，需要长时间烧结才能获得致密氧化铝，且介电损耗有所增加，同时烧结后陶瓷晶粒尺寸也有所增加；当C2＞3%时，中间层中的助剂会扩散到上下两层，导致上下两层均有一定的MgF2残留，残留的助剂会影响陶瓷材料的致密度，且容易形成等离子腐蚀位点，陶瓷产品介电损耗增加。
本申请中通过设置氧化铝中间层中高浓度的氟化镁能有效地实现氧化铝的完全烧结，另外也能在中间层与上下两层连接处形成固溶体相，使得三层连接力更强，提高了氧化铝陶瓷材料的整体强度。
[0009]（2）将物料a、b分别投入到球磨机球磨8~12h，磨球介质为锆球，球磨溶剂为乙醇，球磨结束后干燥处理，得到粉体；球磨采用常规的球磨装置，球本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体设备用氧化铝陶瓷制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）称取氧化铝陶瓷原料及MgF2添加剂；按照MgF2添加剂的重量为氧化铝陶瓷重量的C
1 混合得到物料a，按照MgF2添加剂的重量为氧化铝陶瓷重量的C2混合得到物料b；（2）将物料a、b分别投入到球磨机球磨8~12h，磨球介质为锆球，球磨溶剂为乙醇，球磨结束后干燥处理，得到粉体；（3）将步骤（2）得到的粉体分别投入到低速搅拌罐内，并向低速搅拌罐内加入粘结剂进行搅拌6~8h；（4）将步骤（3）获得的物料分别送入到离心造粒机内进行造粒，分别获得粉体A、B；（5）依次将质量M1的粉体A、质量M2的粉体B及质量M1的粉体A填入模具中并送入到冷等静压机内压制成型，获得陶瓷生坯；所述压力为100～200MPa，所述0.1M2≤M1≤5M2；（6）将冷等静压处理后的陶瓷生坯送入电炉或燃气炉中进行烧结，烧结采用两段式，第一段在500℃~700℃烧制2~3h，第二段为在温度为1300～1500℃下烧制4～10小时，冷却室温即得到氧化铝陶瓷。2.根据权利要求1所述的一种半导体设备用氧化铝陶瓷制备方法，其特征在于，0.1%≤C1≤0.5％，0.5%≤C2≤3％，且C2≤10C1。3.根据权利要求1所述的一种半导体设备用氧化铝陶瓷制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛酯(PVB)、乙烯

【专利技术属性】
技术研发人员：唐占银，高赛魁，高仁亮，
申请(专利权)人：无锡卓瓷科技有限公司，
类型：发明
国别省市：