CN115910892A - 使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法，本发明的特征在于，包括如下的步骤，即，在下部环和上部环的接合面形成结合凹凸结构；将上述下部环和上部环装配在硅部件接合装置；向下部环和上部环的接合面的结合凹凸结构放入单晶硅粉末；以及加热熔接上述下部环与上部环之间的接合面，而本发明具有如下的优点，即，通过使用所述组装结构的硅粉和高频加热装置熔接结合硅部件，从而可提高蚀刻及成膜的质量。

Description

使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法
技术领域
本发明涉及一种使用硅粉(powder)和高频加热装置的硅部件的接合方法。
背景技术
通常，半导体器件通过在半导体基板(即，硅晶圆)形成半导体薄膜、导电薄膜或绝缘薄膜并蚀刻其中一部分来制造。
在进行薄膜的形成工序和蚀刻工序时，将使用等离子技术，例如在蚀刻工序中，通过向等离子蚀刻腔体供给反应气体并向腔体施加高频电源，来使得反应气体处于被激发的等离子状态。
在这种半导体制造工序中，在所使用的蚀刻及在薄膜形成工序方面，为了提高蚀刻效率和成膜效率，对所使用的腔体使用各种硅部件，以支撑晶圆及均匀分布等离子、引入和排出导入气体等。
尤其，作为硅部件之一，在韩国授权实用新型公报第20-0478935 号中公开的C环(C-Ring)作为消耗性硅部件，槽加工时需要激光或放电等高级设备或先进的技术，由于槽加工部分处于漂浮在空中的状态，而没有单独的固定装置，因此难以稳定地固定，而对于脆性大的硅而言，具有如下的问题，即，因槽部分容易断裂而导致加工收率低、材料损失大。
为了改善这种问题，在韩国授权专利第10-2102132号、第 10-2040281号及韩国授权实用新型第20-0491165号中公开了单独制造上部环和下部环并为了结合而通过第三连接部件或螺纹结合等方法制造C环的方法。
但是，这些组装结构在结构上复杂，各部件之间会因结合部分而生成微粒，因此存在蚀刻及成膜的质量差等问题。
发明内容
本发明用于解决如上所述的现有技术的问题，其目的在于，提供一种使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法，即，可通过使用所述组装结构的硅粉和高频加热装置熔接结合硅部件，从而简化结构并提高蚀刻及成膜的质量。
为了实现上述目的，本发明的使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法的特征在于，包括如下的步骤：在下部环和上部环的接合面形成结合凹凸结构；将上述下部环和上部环装配在硅部件接合装置；向下部环和上部环的接合面的结合凹凸结构放入单晶硅粉末；以及加热熔接上述下部环与上部环之间的接合面。
本发明的特征在于，上述在下部环和上部环的接合面形成结合凹凸结构的步骤中，在上部环的下部面形成突出部，在上述下部环的上部面形成凹槽，以与上述突出部相结合。
本发明的特征在于，上述凹槽为圆形槽，以下部环的上部面中心圆周线为中心对称而成并形成于下部环的上部面的整体宽度。
本发明的特征在于，在上述凹槽中，从下部环的上部面形成的最深处为3mm～5mm，在最深处的下部环的上部面的宽度方向上，相同深度的长度达到下部环上部面的总宽度的70％以内。
本发明的特征在于，在上述上部环的底面形成定位上部突起，在上述下部环的上部面的一部分形成定位下部槽，以与上述上部环的定位上部突起相结合，上述定位下部槽形成在下部环的中心圆周线与外侧圆周线之间的外侧中心线与外侧圆周线之间，或者形成在下部环的中心圆周线与内侧圆周线之间的内侧中心线与内侧圆周线之间。
本发明的特征在于，上述定位下部槽为半球形槽。
本发明的特征在于，在上述上部环与下部环之间，作为熔接剂的硅粉末首先填充到熔接部，之后将上部环和下部环分别装配于硅部件接合装置的钼材质的上部固定装置及钼材质的下部固定装置。
本发明的特征在于，加热熔接上述下部环与上部环之间的接合面的步骤包括如下的步骤：形成真空气氛至90torr～110torr；通过通入氩气来将真空度维持在50Torr～70Torr；通过使用上部固定装置及下部固定装置，来在所装配的上部环与下部环之间施加压力；通过运行上部加热器和下部加热器来提高装配有坩埚的真空炉的气氛温度；通过运行能够实现高频感应加热的侧面加热器来局部加热上述接合面的熔接部；以及冷却上述熔接部。
本发明的特征在于，通过运行能够实现高频感应加热的侧面加热器，使熔融熔接部的温度在1500℃～1600℃的范围内。
本发明的特征在于，在冷却上述熔接部的步骤中，熔接部被熔融后切断能够实现高频感应加热的侧面加热器的电源，使上述上部加热器和下部加热器的温度降到1400℃、1200℃、1000℃、900℃、700℃、 500℃、300℃，在各个区间分别维持10～20分钟。
根据如上所述的结构，本发明的特征在于，包括如下的步骤：在下部环和上部环的接合面形成结合凹凸结构；将上述下部环和上部环装配在硅部件接合装置；向下部环和上部环的接合面的结合凹凸结构放入单晶硅粉末；以及加热熔接上述下部环与上部环之间的接合面，因此具有如下的优点，即，可通过简单的结构提高蚀刻及成膜的质量。
附图说明
图1为示出使用硅粉和高频加热装置的使硅部件熔接结合的装置的正面剖视图。
图2为示出作为硅部件的一例的C环的结构的立体图。
图3为示出在图2的剖切面观察的C环中的下部环和上部环的接合面的结合凹凸结构的一例的剖视图。
图4为示出在图2的剖切面观察的C环中的下部环和上部环的接合面的结合凹凸结构的另一例的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图，详细说明本发明的使用硅粉和高频加热装置的熔接结合硅部件的方法的优选实施例。
通常，在等离子处理腔体等制造半导体时，硅部件将用于蚀刻装置，由单晶硅(Single Crystal Si)、多晶硅(Poly Si)、蓝宝石(Sapphire)、氧化钇(Y2O3)、碳化硅(SiC)、石英(Quartz)、氮化硅(Si3N4)、二氧化锆(ZrO2)、单晶碳及多晶碳(C)等中的一种材料构成，是指消耗性部件，例如韩国授权实用新型公报第20-0478935号中的构成图 1中的等离子处理腔体的限制环(confinement ring-以下，简称“C环”) 等。
以下，为了便于说明，本发明中以C环的接合方法为中心进行说明，但是本发明的硅部件并不限定于C环，使用硅部件的设备也并不限定于等离子处理腔体是显而易见的。
首先，本发明的通过使用硅粉和高频加热装置熔接结合C环的装置可通过改造使用与在韩国授权专利第10-0916843号和韩国公开专利第10-2011-0038040号等中公开的技术领域中的生产硅铸块的硅铸块制造装置非常相似的设备来实现，可以利用与用于其的加热装置、冷却装置、加热冷却装置的控制、坩埚的固定结构等相关的技术，因此省略其详细说明。
但是，为了容易地理解本发明，在图1中示出使用硅粉和高频加热装置的使硅部件熔接结合的装置的整个结构。
如图1所示，真空炉10包括：坩埚80，形成可收容待结合的硅部件A(相当于图2中的示例性部件C环的上部环)和硅部件B(相当于图2中的示例性的部件C环的下部环)的空间；侧面加热器50，能够实现高频感应加热，可对硅部件A和硅部件B进行加热；水冷式的电阻加热方式的上部加热器60及水冷式的电阻加热方式的下部加热器70；钼材质的下部固定装置20，可固定装配硅部件B；以及钼材质的上部固定装置30，可固定装配硅部件A并以加压的方式上下移动。
上述水冷式的电阻加热方式的上部加热器60可配置为使得埋入在上部固定装置30的碳电阻加热器等的电阻加热线被埋入的形态，也可以配置为下部加热器70埋入在可固定装配硅部件B的钼材质的下部固定装置20的碳电阻加热器等的电阻加热线被埋入的形态。
而且，显而易见的是，可额外设置用于未图示的硅铸块制造装置或蚀刻成膜装置的加热装置、供给冷却水的泵、真空维持装置、温度控制装置、氩(Ar)等的气氛维持进气排气装置。
以下，对使用硅粉和高频加热装置的熔接结合硅部件的步骤进行说明(参照韩国公开专利公报第10-2016-0001838号)。
以下，为了便于说明，假设待熔接的硅部件之一的C环(C-Ring， confinementring，也称为限制环)的上部环为硅部件A、下部环为硅部件B来进行说明。即，在图2的C环中，将有缝隙的部分称作上部环，但这只是为了便于说明，因此将C环中有缝隙的部分称作下部环也无妨。
在步骤1中，在上部环制造步骤准备通过韩国授权实用新型第 10-0478935号中的限制环(confinement ring，C环)或韩国授权专利第 10-2102132号中所公开的锯切(sawing)工序来切割的硅圆盘。
通过执行在硅圆盘形成贯通孔的取心钻孔(或者，取芯)工序来形成硅环体。
通过使用磨床或加工中心(MCT，Machining center)对所取芯的硅环体进行内径及外径加工，通过利用放电加工机并通过形成各种孔的硅部件的加工方法来进行附加工序。
在步骤2中，下部环制造步骤将通过与韩国授权实用新型第 10-0478935中的限制环或韩国授权专利第10-2102132号中的限制环的制造方法相同的方法来执行。
更详细地，准备通过锯切工序切割的硅圆盘，通过执行在上述硅圆盘形成贯通孔的取芯工序来形成硅环体。
并且，通过使用磨床或加工中心对所取芯的硅环体进行内径及外径加工，通过利用放电加工机并通过形成各种孔的硅部件的加工方法来进行附加工序。
步骤3为用于在下部环和上部环的接合面形成结合凹凸结构的工序，首先在与上部环相接触的下部环的上部面形成可填充单晶硅粉末并与在后述的上部环的下部面所形成的突出部相结合的凹槽。
上述凹槽为圆形槽，以下部环的上部面中心圆周线(虚拟圆周线) 为中心对称而成并形成于下部环的上部面的整体宽度，形成在整个下部环的上部面。
并且，优选地，在凹槽中，从下部环的上部面形成的最深处为 3mm～5mm，在最深处的下部环的上部面的宽度方向上，相同深度的长度达到下部环上部面的总宽度的70％以内。
并且，为了在与后述的上部环相结合时实现定位，而在凹槽的一部分形成定位下部槽。
具体地，如图3和图4所示，在上述上部环的底面形成定位上部突起，在上述下部环的上部面的一部分形成定位下部槽，以与上述上部环的定位上部突起相结合，上述定位下部槽可形成在下部环的中心圆周线与外侧圆周线之间的外侧中心线与外侧圆周线之间，或者形成在下部环的中心圆周线与内侧圆周线之间的内侧中心线与内侧圆周线之间。
在下部环的上部面的中心圆周线中，定位下部槽可以在下部环的上部面的外侧或内侧形成1个至2个，考虑到机械强度等，其位置位于中心圆周线与下部环的上部面外侧圆周线之间的中间点，或者中心圆周线与下部环的上部面内侧圆周线之间的中间位置为合适的位置。
并且，上述定位下部槽为大小方面的最大突出高度为1mm左右且最大直径为1mm的半球形槽。
所述的定位下部槽的加工可以使用磨床或加工中心，或者可通过放电加工来进行，也可通过蚀刻来进行。
在步骤4中，将下部环和上部环装配于图1中所示的硅部件接合装置。
但是，在该步骤中，在上述下部环与上部环之间，首先将作为熔接剂的硅粉末填充到熔接部，之后可将下部环和上部环装配于硅部件接合装置的钼材质的上部固定装置30及钼材质的下部固定装置20。
并且，虽然未示出用于将上部环和下部环装配在钼材质的上部固定装置30及钼材质的下部固定装置20的装配部，但可以利用本领域惯用的机械部件固定装置，可根据硅部件的形状来形成简单的平板形状。
无论是哪种结构，只要是可在硅部件的熔接过程中被固定的结构即可。
在步骤5中，向下部环和上部环的接合面的结合凹凸结构面放入单晶硅粉末，熔融在作为下部环与上部环的接合面的结合凹凸相向面之间，放入用于熔接结合上部环和下部环的熔融结合剂的单晶硅粉末。
其中，所放入的结晶硅粉末的放入量根据下部环和上部环的大小而不同，但是，尽可能以如下方式形成，即，在通过使单晶硅粉末被熔融并使得下部环和上部环相结合的情况下，考虑到机械强度及后续焊接面加工的效率性等，形成3mm的熔融部为优选，例如，使得基于单晶硅粉末的熔融厚度占70％，使得上部环和下部环的粘结面的熔融厚度占30％。
但是，这可根据硅部件的大小、材质的特性及接合面的形状而发生改变，因此并不限定于此。
步骤6为接合面加热熔接步骤，即，向上部环与下部环之间填充硅熔融粉末，将其装配到上述硅部件的熔接设备，之后通过加热和冷却来熔接上部环和下部环。
具体地，可将该步骤再细分为以下步骤。
在步骤6-1中，使用硅部件的熔接设备的真空泵来使真空气氛达到90torr～110torr。
在步骤6-2中，通过通入氩气(Ar gas)来将真空度维持在50Torr～ 70Torr。
在步骤6-3中，通过使用上部固定装置30及下部固定装置20来向所装配的上部环与下部环之间施加压力。
若通过能够实现高频感应加热的侧面加热器50对熔接部进行加热并对其进行冷却，则熔接部的硅会膨胀，因此为了对此进行控制及抑制而执行如上所述的步骤，所施加的压力可根据产品的尺寸而发生改变，尤其根据焊接部的厚度而发生改变。
作为一例，若采用C环并使得接合面的厚度达到6mm～7mm，则所施加的压力为1kg/cm2，对于用于半导体设备的硅部件而言，通常施加0.5kg/cm2～5kg/cm2范围的压力。
在步骤6-4中，通过运行上部加热器60和下部加热器70来将装配有坩埚的真空炉10的气氛温度上升至1300℃。
在此情况下，由于硅材质的特性，若瞬间产生300℃以上的热冲击，则会产生裂纹，因此在90torr的真空气氛(通过恒定供给氩气来维持真空度)中将作为真空腔体内部气氛温度加热用加热器(碳电阻加热器)的上部加热器60和下部加热器70的温度分别升温至300℃后维持30分钟，按步骤升温至1180℃后分别维持30分钟。
在此情况下，气氛温度用加热器使温度上升至1420℃，并将真空炉10的气氛温度维持在1300℃。
对于步骤6-5而言，该步骤为通过运行能够实现高频感应加热的侧面加热器50来局部加热熔接部的步骤。
具体地，首先通过加热能够实现高频感应加热的侧面加热器50来将其加热至可使熔接部被熔融的1550℃，在此情况下，以不产生热冲击的方式逐步提高加热温度。
在此情况下，有可能根据硅部件的厚度及形状等而产生差异，但最低温度约为1500℃，最高温度约为1600℃，最优选为1550℃。
若加热温度低于1500℃，则粉末被部分熔融，因而无法进行接合，若为1600℃以上，则部件的熔接面会崩塌。
对于步骤6-6而言，该步骤为熔接部的冷却步骤，在熔接部在 1550℃的温度下被熔融后切断(OFF)能够实现高频感应加热的侧面加热器50的电源，通过控制上部加热器60和下部加热器70来以1400℃、 1200℃、1000℃、900℃、700℃、500℃、300℃、100℃的温度使上部加热器60和下部加热器70的温度按步骤下降，在各个区间分别维持 10～20分钟。
在使温度下降至300℃后，将切断(OFF)上部加热器60和下部加热器70的电源。
之后，从300℃至100℃以下，将通过使用氩气进行自然冷却，之后冷却至100℃以下来结束硅部件之间的熔接。
之后，由于通过机械加工使熔接表面平坦化的工序为常用的工序，因此省略对其的具体说明。

Claims (10)

1.一种使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法，其特征在于，包括如下的步骤：
在下部环和上部环的接合面形成结合凹凸结构；
将上述下部环和上部环装配在硅部件接合装置；
向下部环和上部环的接合面的结合凹凸结构放入单晶硅粉末；以及
加热熔接上述下部环与上部环之间的接合面。
2.根据权利要求1所述的使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法，其特征在于，上述在下部环和上部环的接合面形成结合凹凸结构的步骤中，在上部环的下部面形成突出部，在上述下部环的上部面形成凹槽，以与上述突出部相结合。
3.根据权利要求2所述的使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法，其特征在于，上述凹槽为圆形槽，以下部环的上部面中心圆周线为中心对称而成并形成于下部环的上部面的整体宽度。
4.根据权利要求2所述的使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法，其特征在于，在上述凹槽中，从下部环的上部面形成的最深处为3mm～5mm，在最深处的下部环的上部面的宽度方向上，相同深度的长度达到下部环上部面的总宽度的70％以内。
5.根据权利要求1或2所述的使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法，其特征在于，在上述上部环的底面形成定位上部突起，在上述下部环的上部面的一部分形成定位下部槽，以与上述上部环的定位上部突起相结合，上述定位下部槽形成在下部环的中心圆周线与外侧圆周线之间的外侧中心线与外侧圆周线之间，或者形成在下部环的中心圆周线与内侧圆周线之间的内侧中心线与内侧圆周线之间。
6.根据权利要求5所述的使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法，其特征在于，上述定位下部槽为半球形槽。
7.根据权利要求1所述的使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法，其特征在于，在上述上部环与下部环之间，作为熔接剂的硅粉末首先填充到熔接部，之后将上部环和下部环分别装配于硅部件接合装置的钼材质的上部固定装置及钼材质的下部固定装置。
8.根据权利要求1所述的使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法，其特征在于，加热熔接上述下部环与上部环之间的接合面的步骤包括如下的步骤：
形成真空气氛至90torr～110torr；
通过通入氩气来将真空度维持在50Torr～70Torr；
通过使用上部固定装置及下部固定装置，来在所装配的上部环与下部环之间施加压力；
通过运行上部加热器和下部加热器来提高装配有坩埚的真空炉的气氛温度；
通过运行能够实现高频感应加热的侧面加热器来局部加热上述接合面的熔接部；以及
冷却上述熔接部。
9.根据权利要求8所述的使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法，其特征在于，通过运行能够实现高频感应加热的侧面加热器，使熔融熔接部的温度在1500℃～1600℃的范围内。
10.根据权利要求8所述的使用硅粉和高频加热装置的硅部件的接合方法，其特征在于，在冷却上述熔接部的步骤中，熔接部被熔融后切断能够实现高频感应加热的侧面加热器的电源，使上述上部加热器和下部加热器的温度降到1400℃、1200℃、1000℃、900℃、700℃、500℃、300℃，在各个区间分别维持10～20分钟。
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