專利名稱：陶瓷基板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷基板，特別涉及一種具有平坦表面的陶瓷基板。
背景技術(shù)：
陶瓷材料因具有良好的機(jī)械、熱傳導(dǎo)及耐高溫特性，尤其具有極佳的介電特性，近 年來已廣泛應(yīng)用于通訊、計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)、甚至軍事用途。其中，以陶瓷材料所制成的陶瓷基 板，進(jìn)一步可應(yīng)用到半導(dǎo)體、儲存元件、發(fā)光二極管、及光電產(chǎn)品的制備工藝，例如在陶瓷基 板表面加工制作各種微機(jī)電或是作為太陽能電池、發(fā)光二極管的承載基板，都為目前相當(dāng) 熱門的應(yīng)用之一。但是，傳統(tǒng)陶瓷材料的缺點(diǎn)之一就是其表面粗糙度過高，表面會有許多大小不一 的坑洞，這種現(xiàn)象會造成以陶瓷材料制成的陶瓷基板表面的平整度不佳，尤其，在陶瓷基板 表面運(yùn)用半導(dǎo)體制備工藝進(jìn)行加工、或是在其上形成太陽能電池或發(fā)光二極管所需的膜層 時(shí)，陶瓷基板高的表面平均粗糙度(roughness average)經(jīng)常會導(dǎo)致制備工藝良率的大幅 降低。為了解決陶瓷基材表面粗糙度過高的問題，現(xiàn)行所采用的方法有一般機(jī)械研 JSfe (mechanical polishing)I^fiifJSfe (chemical mechanicalplanarization> CMP)、化學(xué)蝕刻法、涂布式玻璃(spin-on glass)法、或是硼磷硅玻璃(Boron Phosphorous Silicated Glass、BPSG)高溫重流法。一般來說，利用機(jī)械研磨法來提升陶瓷基材表面的 平整度，由于陶瓷材料本身的關(guān)系，在機(jī)械研磨過程中又會產(chǎn)生新的坑洞；化學(xué)機(jī)械研磨法 除了所使用的化學(xué)漿料相對基材本身而言相當(dāng)昂貴，制備工藝復(fù)雜且不容易掌控，并且缺 乏有效的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)偵測系統(tǒng)，以及研磨過程易導(dǎo)入污染物；硼磷硅玻璃(BPSG)制 備工藝所需的B2H6及PH3都為具有毒性的氣體，且僅適用于金屬化前的隔離；至于涂布式玻 璃制備工藝，僅能提供局部(local)的平坦，且對于陶瓷基材的附著力(adhesive)不佳，此 外尚有殘余溶劑出氣(outgassing)的問題。綜上所述，已知的陶瓷基材平坦方法除了都需 付出相當(dāng)?shù)某杀就?，并受限原始基板的熱膨脹系?shù)，無法與高溫制備工藝兼容，在使用上與 效能上，都具有一定程度上的限制。為解決上述問題，玻化(Vitreous)物質(zhì)被使用來作為某些陶瓷基材的涂層(或緩 沖層)，以改善陶瓷基材的表面性質(zhì)(抗化學(xué)侵蝕性、不透液體與氣體、較光滑，耐磨耗、及 增加機(jī)械強(qiáng)度)，進(jìn)而增加其實(shí)用性及提高附加價(jià)值。而較高的制備工藝溫度可使元件具有 較佳的接合與較佳的電性表現(xiàn)，因此對陶瓷基材的熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion, CTE)要求也愈來愈高。舉例來說，像是包含陶瓷基材的光學(xué)元件，若陶瓷基材 具有較高熱膨脹系數(shù)，則陶瓷基材與其它光學(xué)材料(玻璃或石英)的熱膨脹系數(shù)差異會產(chǎn) 生應(yīng)力(造成變形或扭曲)，導(dǎo)致原先設(shè)定的光學(xué)性質(zhì)改變；此外，例如以陶瓷基材作為發(fā) 光二極管(LED)或太陽能電池(solar cell)的承載基板時(shí)，過大的熱膨脹系數(shù)差異將導(dǎo)致 之后沉積于其上的膜層或元件產(chǎn)生翹曲或拱起的現(xiàn)象，另外其粗糙的表面，將會使元件發(fā) 生失效的問題。
因此，設(shè)計(jì)出具有較低表面粗糙度及整體熱膨脹系數(shù)較匹配的陶瓷基板，以解決 上述問題，實(shí)為陶瓷材料技術(shù)上極需研究的重點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有較低表面粗糙度且整體熱膨脹系數(shù)較匹配的陶 瓷基板。綜上所述，本發(fā)明提出一種陶瓷基板，其具有一陶瓷主體及一平坦緩沖層形成于 其上，該平坦緩沖層可通過改變組成來調(diào)控其熱膨脹系數(shù)以匹配具有較低的熱膨脹系數(shù)的 陶瓷主體。該陶瓷基板除了可通過該平坦緩沖層達(dá)到降低表面粗糙度的目的外，由于平坦 緩沖層的熱膨脹系數(shù)可被調(diào)控至接近后續(xù)膜層或元件的熱膨脹系數(shù)，可以緩和因熱膨脹系 數(shù)的差異所的殘留應(yīng)力。此外，該平坦緩沖層同時(shí)可作為一阻障層，阻隔不純物擴(kuò)散至后續(xù) 的膜層或元件。本發(fā)明所述的陶瓷基板，包含一陶瓷主體；以及一平坦緩沖層(planar bufferlayer, PBL)配置于該陶瓷主體之上，其中該平坦緩沖層由以下成份組成30_95重 量份的氧化硅；1-40重量份的氧化鋁；2-35重量份的氧化硼、氧化磷及堿土族氧化物；以 及0. 1-46重量份的二氧化鋯(ZrO2)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO2)、氧化釔(Y2O3)、氧化 鑭(La2O3)、氧化鎢(WOx)、氧化錫(SnO2)及二氧化鍺(GeO2)，其中χ為2或3 ；其中為了維持 陶瓷基板的翹曲度<0.5%，該陶瓷主體的熱膨脹系數(shù)CTEm與該平坦緩沖層的熱膨脹系數(shù) CTEp符合關(guān)系式(1)I CTEm-CTEp I ( 3 X 10_6/°C 關(guān)系式(1)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可針對具有較低熱膨脹系數(shù)的陶瓷主體提供一可調(diào)控?zé)崤蛎?系數(shù)的平坦緩沖層形成于其表面上，由于該平坦緩沖層可通過組成改變達(dá)到調(diào)控?zé)崤蛎浵?數(shù)的目的，因此本發(fā)明所述的平坦緩沖層具有的熱膨脹系數(shù)小于7X 10_6/°C，更甚者可介 于2X10_6/°C至7X10_6/°C之間，非常適合該熱膨脹系數(shù)不大于10X10_6/°C的陶瓷主體。 此外，所形成的陶瓷基板非常適合應(yīng)用于太陽能電池(solar cell)、發(fā)光二極管(light emitting diode)、IC封裝、微機(jī)電、電子裝置、或是薄膜晶體管。以下通過數(shù)個(gè)實(shí)施例及比較實(shí)施例，以更進(jìn)一步說明本發(fā)明的方法、特征及優(yōu)點(diǎn)， 但并非用來限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍應(yīng)以所附的權(quán)利要求書的范圍為基準(zhǔn)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一陶瓷基板，通過改變涂層熱膨脹系數(shù)，使之與承載元件具有相近的 熱膨脹系數(shù)，減緩陶瓷主體與后續(xù)薄膜之間熱膨脹系數(shù)差異所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，避免掉后續(xù) 制備工藝產(chǎn)生的缺陷，故稱之為平坦緩沖層(PBL)，用以改善上述問題，可以適用于太陽能 電池、發(fā)光二極管、IC封裝、微機(jī)電、電子裝置、或是薄膜晶體管。一般陶瓷主體的熱膨脹系 數(shù)通常較高，若涂層的熱膨脹系數(shù)過低，兩者易在結(jié)合的過程中，產(chǎn)生翹曲，經(jīng)由實(shí)驗(yàn)與計(jì) 算結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)ICTEm-CTEpI >3X10_6/°C，無論使用哪一種PBL材料，在不同厚度下， 仍會造成基板的翹曲>0.5%，造成后續(xù)制備工藝的困擾，因此本發(fā)明深入研究此類陶瓷基 板，提出最佳的實(shí)施結(jié)構(gòu)。參照表1，是顯示已知技術(shù)所公開可作為陶瓷主體的涂層組合物的熱膨脹系數(shù)范圍(4. 9 9. 0)，其低熱膨脹系數(shù)部份(< 7. 0)，添加了堿金族、氧化鉛或氧化鐵，使之具有 較低的軟化溫度，易于與陶瓷主體結(jié)合，而這類元素容易在高溫的制備工藝中，擴(kuò)散至后續(xù) 薄膜中，造成元件效能衰減表 1 已知作為陶瓷基材主體的涂層，當(dāng)形成于熱膨脹系數(shù)較低的陶瓷基材主體(例如 熱膨脹系數(shù)接近玻璃的陶瓷材料(CTE:2.6 3.3X10_7°C))之上時(shí)，其熱膨脹系數(shù)差值 將對其后續(xù)應(yīng)用產(chǎn)生隱患(扭曲、破裂、變形等問題)。本發(fā)明提供的一種陶瓷基板，包含一陶瓷主體；以及一平坦緩沖層配置于該陶 瓷主體之上，其中該陶瓷主體的熱膨脹系數(shù)CTEm與該平坦緩沖層的熱膨脹系數(shù)CTEp符合關(guān) 系式(1)CTEm-CTEp 彡 3X10_6/°C 關(guān)系式(1)；其中該陶瓷基板的翹曲度< 0. 5% ；該陶瓷主體的軟化溫度不小于800°C ；該平坦 緩沖層的軟化溫度不小于500°C。本發(fā)明所述的陶瓷基板，包含一平坦緩沖層(PBL)配置于該陶瓷主體之上。該 平坦緩沖層由以下成份組成30-95重量份的氧化硅；1-40重量份的氧化鋁；以及2-35重 量份的氧化硼、氧化磷及堿土族氧化物。上述的陶瓷基板的平坦緩沖層成份組成可更包括 0. 1-46重量份的二氧化鋯(ZrO2)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO2)、氧化釔(Y2O3)、氧化鑭 (La2O3)、氧化鎢(WOx)、氧化錫(SnO2)及二氧化鍺(GeO2)，其中χ為2或3。其中該陶瓷主體 的熱膨脹系數(shù)CTEm與該平坦緩沖層的熱膨脹系數(shù)CTEp符合關(guān)系式(1)I CTEm-CTEp | 彡 3 X 1(T6/°C 關(guān)系式(1)。該平坦緩沖層的厚度不大于200 μ m,較佳是介于5 150 μ m。值得注意的是，本發(fā) 明所述的平坦緩沖層并不包含堿金族金屬氧化物(例如力^0、或1(20)，避免堿金族原子在 處理過程中擴(kuò)散(diffuse)；此外，本發(fā)明所述的平坦緩沖層不包含氧化鉛，以符合安全性 的需求。而為了增加陶瓷基板的高溫穩(wěn)定性，因此平坦緩沖層的組成中2-35重量份的氧化 硼、氧化磷及堿土族氧化物，當(dāng)氧化硼與堿土族氧化物比例大于1. 56時(shí)具有較高的軟化溫 度，而當(dāng)此比例小于1. 56時(shí)，可適當(dāng)添加二氧化鋯(ZrO2)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO2)、 氧化釔(Y2O3)、氧化鑭(La2O3)、氧化鎢(WOx)、氧化錫(SnO2)及二氧化鍺(GeO2)于成份之中， 達(dá)到較高的軟化溫度。除此之外，也可以調(diào)整氧化硼與氧化硅的比例，當(dāng)大于0. 182時(shí)具 有較高的軟化溫度，而當(dāng)此比例小于0. 182時(shí)，可適當(dāng)添加二氧化鋯(&02)、氧化鋅(ZnO)、 二氧化鈦(TiO2)、氧化釔(Y2O3)、氧化鑭(La2O3)、氧化鎢(WOx)、氧化錫(SnO2)及二氧化鍺 (GeO2)于成份之中，達(dá)到較高的軟化溫度。
該陶瓷主體的熱膨脹系數(shù)可不大于10 X 10-6/oC，該平坦緩沖層的熱膨脹系數(shù)小于 7 X IO-V0C，更甚者介于2 X IO-V0C 7 X 10_6/°C間，根據(jù)本發(fā)明其它實(shí)施例，該平坦緩沖層 的熱膨脹系數(shù)也可介于2X10_6/°C 4. 8X10_6/°C，且具有平坦緩沖層覆蓋的該陶瓷基板 表面平均粗糙小于150nm。該陶瓷主體可包含石墨、氮化硅、碳化硅、氧化硅、氧化鋁、富鋁紅 柱石(mullite)、花崗石、大理石、或其混合，此外該平坦緩沖層所包含的氧化硅及氧化鋁的 總重量百分比Wl與該陶瓷主體所包含的石墨、氮化硅、碳化硅、氧化硅、氧化鋁、富鋁紅柱 石(mullite)、花崗石、及大理石的總重量百分比W2符合關(guān)系式(2)0. 5 ^ W1/W2 彡 2 關(guān)系式(2)。本發(fā)明所使用的陶瓷主體的軟化溫度(temperature of softening point)可不 小于800°C，而該平坦緩沖層的軟化溫度可不小于500°C。本發(fā)明所述的陶瓷基板，其平坦緩沖層也可由以下成份組成30_75重量份的氧 化硅；5-40重量份的氧化鋁；以及0. 1-35重量份的氧化硼、氧化磷及堿土族氧化物。上述的 陶瓷基板的平坦緩沖層成份組成可更包括25-46重量份的二氧化鋯、氧化鋅、二氧化鈦、 氧化釔、氧化鑭、氧化鎢WOx、氧化錫及二氧化鍺，其中χ為2或3。該陶瓷基板的表面平均 粗糙小于lOOnm。該平坦緩沖層的厚度不大于150 μ m。本發(fā)明所述的陶瓷基板，其平坦緩沖層也可由以下成份組成76_95重量份的氧 化硅；1-25重量份的氧化鋁；以及4-35重量份的氧化硼、氧化磷及堿土族氧化物。上述的 陶瓷基板的平坦緩沖層成份組成可更包括0. 1-40重量份的二氧化鋯、氧化鋅、二氧化鈦、 氧化釔、氧化鑭、氧化鎢WOx、氧化錫及二氧化鍺，其中χ為2或3。該陶瓷基板的表面平均 粗糙小于lOOnm。其中該平坦緩沖層的厚度不大于150 μ m。本發(fā)明所述的陶瓷基板，其平坦緩沖層也可由以下成份組成30-85重量份的氧化硅；1-40重量份的氧化鋁；以及2_30重量份的氧化硼、氧化 磷及堿土族氧化物。上述的陶瓷基板的平坦緩沖層成份組成可更包括0. 1-50重量份的 二氧化鋯(&02)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO2)、氧化釔(Y2O3)、氧化鑭(La2O3)、氧化鎢 (WOx)、氧化錫(SnO2)及二氧化鍺(GeO2)，其中χ為2或3。本發(fā)明所述的陶瓷基板，其平坦緩沖層也可由以下成份組成30-55重量份的氧化硅；8-30重量份的氧化鋁；以及7_33重量份的氧化硼、氧化 磷及堿土族氧化物。上述的陶瓷基板的平坦緩沖層成份組成可更包括0. 1-46重量份的 二氧化鋯(&02)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO2)、氧化釔(Y2O3)、氧化鑭(La2O3)、氧化鎢 (WOx)、氧化錫(SnO2)及二氧化鍺(GeO2)，其中χ為2或3。根據(jù)本發(fā)明所述的陶瓷基板，其平坦緩沖層也可由以下成份組成56-77重量份的氧化硅；10_30重量份的氧化鋁；以及12_22重量份的氧化硼、氧 化磷及堿土族氧化物。上述的陶瓷基板的平坦緩沖層成份組成可更包括0.1-10重量份 的二氧化鋯(&02)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO2)、氧化釔(Y2O3)、氧化鑭(La2O3)、氧化鎢 (WOx)、氧化錫(SnO2)及二氧化鍺(GeO2)，其中χ為2或3。此外，根據(jù)本發(fā)明其它較佳實(shí)施例所述的陶瓷基板，其平坦緩沖層由以下成份組 成78-95重量份的氧化硅；1_10重量份的氧化鋁；以及15_17重量份的氧化硼、氧 化磷及堿土族氧化物。上述的陶瓷基板的平坦緩沖層成份組成可更包括0. 1-5重量份的
二氧化鋯(ZrO2)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO2)、氧化釔(Y2O3)、氧化鑭(La2O3)、氧化鶴 (WOx)、氧化錫(SnO2)及二氧化鍺(GeO2)，其中χ為2或3。以下，是列舉數(shù)個(gè)實(shí)施例，說明符合本發(fā)明所述的平坦緩沖層及包含其的陶瓷基 板。平坦緩沖層組合物的制備實(shí)施例1依表2所顯示的各成份及組成，分別制備平坦緩沖層1-33 (厚度20 μ m)。表2
平坦緩沖層組成 平坦緩沖層性質(zhì)測量實(shí)施例2對實(shí)施例1所制備出的平坦緩沖層1-33測量其軟化溫度及其20°C至300°C之間 溫度范圍的熱膨脹系數(shù)(CTE)，請參照表3 表3
如表3所示，本發(fā)明實(shí)施例所得的平坦緩沖層可通過特定的組成來控制其熱膨脹 系數(shù)，且該等平坦緩沖層的軟化溫度都不小于550°C。陶瓷基板的表面粗糙度測量實(shí)施例3取一陶瓷基材，作為后續(xù)形成的陶瓷基板的陶瓷主體，所使用的陶瓷基材其性質(zhì) 請參照表4 表 4 接著，分別依據(jù)表1所述的平坦緩沖層組成1、5、7、10、16、21、26、32、及33，形成平 坦緩沖層于陶瓷主體A或B之上，得到陶瓷基板1-10。最后，測量該陶瓷基板1-10的平均 表面粗糙度(Ra)及翹曲度(warpage)，結(jié)果請參照表5。表 5 如表5可知，本發(fā)明所述的具有平坦緩沖層的陶瓷基板的平均表面粗糙度(Ra)較 未形成有平坦緩沖層的陶瓷基材有明顯的改善。此外，本發(fā)明所述的具有平坦緩沖層的陶 瓷基板的平均表面粗糙度(Ra)較佳可小于lOOnm。根據(jù)本發(fā)明其它較佳實(shí)施例，本發(fā)明所述的陶瓷基板適用的制備工藝溫度> 400°C，且整體的基板翹曲度<0.5%。此外，該平坦層的工作溫度(與基板主體結(jié)合的溫 度)> 600°C，且該平坦層的軟化溫度(后續(xù)鍍膜或制備工藝的溫度)> 500°C。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技 藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍 當(dāng)視后附的權(quán)利要求書所界定的范圍為基準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種陶瓷基板，包含一陶瓷主體；以及一平坦緩沖層配置于該陶瓷主體之上，其中該陶瓷主體的熱膨脹系數(shù)CTEm與該平坦緩沖層的熱膨脹系數(shù)CTEp符合關(guān)系式(1)|CTEm CTEp|≤3×10 6/℃ 關(guān)系式(1)；其中該陶瓷基板的翹曲度＜0.5％；該陶瓷主體的軟化溫度不小于800℃該平坦緩沖層的軟化溫度不小于500℃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基板，其中該陶瓷主體的熱膨脹系數(shù)不大于 10X10_6/°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基板，其中該平坦緩沖層的熱膨脹系數(shù)不大于 7X1(T6,C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基板，其中該陶瓷基板的表面平均粗糙小于150nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基板，其中該平坦緩沖層的厚度不大于200μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基板，其中該陶瓷主體包含石墨、氮化硅、碳化硅、氧化 硅、氧化鋁、富鋁紅柱石、花崗石、大理石或其混合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基板，其中平坦緩沖層由以下成份組成 30-95重量份的氧化硅；1-40重量份的氧化鋁；以及2-35重量份的氧化硼、氧化磷及堿土族氧化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陶瓷基板，其中平坦緩沖層成份組成更包括0.1-46重量份 的二氧化鋯、氧化鋅、二氧化鈦、氧化釔、氧化鑭、氧化鎢WOx、氧化錫及二氧化鍺，其中χ為2 或3。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基板，其中該平坦緩沖層由以下成份組成 30-75重量份的氧化硅；5-40重量份的氧化鋁；以及0. 1-35重量份的氧化硼、氧化磷及堿土族氧化物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的陶瓷基板，其中平坦緩沖層成份組成更包括25-46重量份 的二氧化鋯、氧化鋅、二氧化鈦、氧化釔、氧化鑭、氧化鎢WOx、氧化錫及二氧化鍺，其中X為2 或3。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的陶瓷基板，其中該陶瓷基板的表面平均粗糙小于lOOnm。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的陶瓷基板，其中該平坦緩沖層的厚度不大于150μ m。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基板，其中該平坦緩沖層由以下成份組成 76-95重量份的氧化硅；1-25重量份的氧化鋁；以及4-35重量份的氧化硼、氧化磷及堿土族氧化物。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的陶瓷基板，其中平坦緩沖層成份組成更包括0.1-40重量 份的二氧化鋯、氧化鋅、二氧化鈦、氧化釔、氧化鑭、氧化鎢WOx、氧化錫及二氧化鍺，其中χ為 2或3。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的陶瓷基板，其中該陶瓷基板的表面平均粗糙小于lOOnm。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的陶瓷基板，其中該平坦緩沖層的厚度不大于150μ m。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基板，其中該陶瓷基板應(yīng)用于太陽能電池、發(fā)光二極 管、IC封裝、微機(jī)電、電子裝置、或是薄膜晶體管。
全文摘要
本發(fā)明提供一種陶瓷基板及其制造方法。該陶瓷基板，包含一陶瓷主體；以及一平坦緩沖層配置于該陶瓷主體之上，為了維持陶瓷基板的翹曲度＜0.5％，其中該陶瓷主體的熱膨脹系數(shù)CTEm與該平坦緩沖層的熱膨脹系數(shù)CTEp符合關(guān)系式(1)|CTEm-CTEp|≤3×10-6/℃ 關(guān)系式(1)。
文檔編號C04B41/81GK101928156SQ20101011045
公開日2010年12月29日 申請日期2010年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者葉昱昕, 林澤勝, 簡仁德 申請人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院