CN1806321A - 用于连接硅部件的等离子喷涂 - Google Patents

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Abstract

一种将两个硅部件(32，36)连接在一起的方法及该黏合起来的组件，该部件被组装于该组件中，以使该部件隔着一接缝(40)相互对齐。从硅粉末得到的硅被等离子喷涂而横跨该接缝并形成一硅涂层(44)，其黏合至位于该接缝的两侧上的该硅部件，借以将该部件黏合在一起。被等离子喷涂的硅可密封一下部的旋压玻璃(SOG)黏合层或作为主要黏合剂，在该例子中，穿通的榫眼是较佳的，使得两层硅层被等离子喷涂在榫眼的相反端上。一硅片塔(10)或晶舟可以是最终的产品。可利用该方法将片段或侧片安排成圆圈状而形成一环(128)或一管。等离子喷涂硅可修补形成在硅部件(162)上的裂痕或碎片(160)。

Description

用于连接硅部件的等离子喷涂
技术领域
本发明涉及等离子喷涂。详言之，本发明有关于连接使用在半导体制造设备中的硅部件。
背景技术
批次衬底处理持续被使用在制造半导体集成电路及类似的微形结构阵列上。在批处理中，许多硅片或其它种类的衬底一起被放在一处理室中的一硅片(wafer)支撑夹具上且同时被处理。目前，大多数的批处理包括在沉积氧化物或氮化物的平坦层时或将先前沉积的层退火时或将掺质植入到既有的层中时的延长曝露在高温下。虽然刚开始是使用水平安排的硅片舟(boat)，但现今垂直安排的硅片塔已被用作为该支撑固定装置，用来支撑许多一个叠在另一个上的硅片。
在过去，硅片塔及硅片舟大多数是用石英制成或有时候在高温应用中是用碳化硅来制成。然而，石英及碳化硅在许多先进的应用中已被证明有所不足。先进的集成电路的一可被接受的成品率依赖在处理环境中的一非常低的微粒及金属污染水平。通常，石英塔在多个循环之后就会产生大量的微粒且必须被重新调整或被抛弃。又，许多处理需要在高于1000℃或甚至高于1250℃的高温中进行处理。虽然碳化硅在如此高温下仍可保持其强度，但石英在这样的高温下会下垂。然而，对于这两种材质而言，高温让杂质活化，从石英或碳化硅扩散至半导体硅片中。与碳化硅有关的一些问题已经通过利用化学气相沉积(CVD)将该烧结的SiC涂上一层薄的SiC表面涂层来解决，其将污染物密封在下的烧结碳化硅中。此方法(虽然其很昂贵)有其本身的问题。具有特征尺寸在0.13微米或以下的集成电路通常会失败，因为在硅片上会产生滑移缺陷(slipdefect)。一般认为滑移是在硅片被支撑在由具有热膨胀系数不同于硅的材质制成的硅片塔上时的最初的热处理期间发生的。
许多这些问题已通过使用硅塔，特别是初生多晶硅(virgin polysilicon)制成的硅塔(如揭示于Boyle等人的美国专利第6,450,346号中者，该案通过此参照而被并于本文中)而被解决。示于图1中的硅塔10包括三个或更多个硅脚12，硅脚在其端部被结合至两个硅基座14。每一脚12都被切出有槽道用以形成向内突伸出的齿16，其向上倾斜几度且具有在靠近它们的内尖端处具有水平的支撑表面18。多片硅片22，只有一片被示出，以平行水平的方式沿着塔10的轴被支撑在该支撑表面18上。对于非常高温的处理而言，有四支脚12及支撑表面18被安排成在离中心的0.707硅片半径处的方形图案。一晶舟具有大致相同的结构，只是两基座被建构在一侧用以支撑该被水平地安排的晶舟。硅片在槽道的底部及在齿的尖部都被支撑成偏离垂直几度。
如果脚12是由初生多晶硅加工而成的话则可获得绝佳的结果，初生多晶硅为用硅烷(SiH4)或氯硅烷(SiClH3，SiCl2H2，SiCl3H，或SiCl4)作为先驱物的化学气相沉积所形成的大块硅。初生多晶硅为形成为多公分的锭块的先驱物材料，其被用来供硅锭的Czochralski生长之用。其具有一极低水平的杂质。虽然初生多晶硅对于基座14而言是较佳的材质，但这么大尺寸的初生多晶硅并不是经常可获得的。Czochralski硅可被用来供基座14之用。其较高的杂质水平是较不重要的，因为基座14并不与硅片22接触。
制造一硅塔或晶舟，特别是不用初生多晶硅，需要多个分离的步骤，其中一个步骤为将加工过的脚12与基座14相连接。如图2所示的，每一基座14上被形成有非圆形的未穿通的榫眼24与脚12的端部26相对应且比其稍大。Boyl e等人喜欢使用一旋压玻璃(SOG)其已用酒精或类此物将其弄薄。该SOG被施用到将被结合的两部件的接合区上。该部件被组装，然后在600℃或更高的温度下被退火用以将位于部件之间的接缝内的SOG玻璃化。
SOG被广泛地使用在半导体工业中用来形成薄的层间介电层，使得其相对便宜且有相当高的纯度。SOG为被广泛地使用在半导体制造中用以制造形成硅酸盐玻璃层于集成电路上的化学物的一个总称。商业上的供应者包括AlliedSignal，Filmtronics of Butler，Pennsylvania，及Dow Corning。SOG先驱物包括一或多种含有硅及氧以及氢及其它构成物的化学物。此先驱物的一个例子为四乙氧基硅(TEOS)或其变异物或一有机硅烷，如硅氧烷或硅倍半氧烷。在此例子中，SOG不包含硼或磷是较佳的。含有硅及氧的化学物被溶解在一可蒸发的载体中，如酒精、甲基异丁基酮、或挥发性甲基硅氧烷掺合物。该SOG先驱物的作用如二氧化硅桥接剂一般，因为该先驱物化学地反应，特别是在高温下，用以形成一具有SiO2的近似组成的二氧化硅网状物。
Boyle在2003年4月23日提申的美国临时申请案第60/465,021号中揭示了SOG连接方法的改良，该案内容通过此参照而被并于本文中。在此方法中，硅粉末被添加至液态SOG先驱物中用以形成泥浆。品醇被添加用以减慢固化时间。该粉末最好是具有一介于1至50微米之间的微粒大小且是从初生多晶硅制备的。该泥浆黏合剂在组装之前被施用到该接合点上且被硬化，与纯的SOG黏合剂类似形成二氧化硅/多晶硅矩阵，该多晶硅比例典型地为85％或更高。该改良的SOG/多晶硅黏合剂被认为是比纯的SOG黏合剂强且包含一低很多的二氧化硅比例，因而降低了污染问题。然而，一定数量的二氧化硅仍留着，因而只是降低并非是消除污染且该接合点有溶解在HF中的倾向。
两个将被连接的硅部件被一间隙隔开，该间隙具有约50微米(2米尔)的厚度。该间隙的厚度代表脚12的端部26被嵌设到该榫眼24中时，脚12与基座14之间的一平均距离。该间隙厚度无法被轻易地进一步缩小，因为形成如此复杂的形状所需要的加工及因为必须要损失一些组装好的部件用以达到支撑表面与其它零件之间的精准对齐。一液态SOG先驱物或SOG/硅粉末混合物的涂层在两个部件12，14被组装之前被施加到至少一匹配表面上，使得该具有硅粉末的SOG先驱物会填入到图3中的间隙34中。在高于600℃下的硬化及玻璃化退火之后，该具有硅粉末的SOG先驱物改变为一具有硅酸盐玻璃的结构的固体，该硅酸盐玻璃结构为硅及氧原子及它们的化学键的三维网络，且非必要地形成较大比例的嵌埋的硅结晶的一矩阵。
用此方法制造的硅塔及晶舟在多个应用中可提供绝佳的性能。然而，该被黏合的结构，特别是黏合材料，仍有可能被污染。在硅塔的使用或清洁期间所经历的极高的温度，有时超过1300℃，会让污染情况恶化。一可能的污染源为用来填充介于将被连接的部件之间的接合点的大量的SOG。典型地被使用在半导体制造中的硅氧烷SOG在约400℃下被硬化且得到的玻璃通常不会被曝露在高温氯中。然而，非常高的温度极有可能抽出在SOG中的污染物。该SOG/硅混合物可降低SOG的量但并无法消除它。
某些集成电路制造设备要求定期在氢氟酸(HF)中清洁硅塔。然而，二氧化硅会被HF侵蚀使得用SOG黏合的塔在HF清洁之后会崩塌。
硅塔必须要在约25微米的对准精度下被组装才能够在支撑硅片时摇动。在部件黏合完成之前需要使用到大型的机械式夹具来对准一被组装的塔的部件。一SOG黏合剂在保持对准上有两项制造上的难题。典型地，该旋压(spin-on)在室温下在一小时内即会部分地硬化。硬化时间可通过用酒精或类此物稀释市面上可购得的SOG先驱物来加以延长。然而，只有约一小时的时间来将SOG施用到将被连接的部件上，来组装部件，及来将部件对准于夹具内。虽然如此快速的制造是可能的，但只预留很小的弹性给错误或预期不到的延迟及工作日程。又，该对准在该旋压玻璃600℃，甚至是高达1200℃的最终硬化期间应被保持。其结果为对准夹具应支撑在退火炉中的硅塔。因此，对准可在一冷却的炉中被实施(该炉之后才被升温至硬化温度)，或是该夹具及其所支撑的组装塔可被插入到一炉子中(该炉子被保持在一高温状态)。将该夹具及其所支撑的塔放入到一退火炉中是可能的，但此一处理并不方便且产出率低。
在美国专利第6,284,997号中，Zehavi等人揭示了一种将硅部件焊接在一起的方法，以此避免使用SOG及/或一SOG/硅粉末混合，并可避免它们可能的缺点。然而，Zehavi等人提出，裂痕只能通过在焊接步骤将焊接缝的局部区域加热至高于硅的熔点1416℃之前，将硅部件预热到至少600℃的温度才能被避免掉。该焊接方法已被证明在制造无裂痕焊接及无污染上是成功的。然而，焊接600℃部件是一困难且令人讨厌的处理。又，该600℃预热需要在部件被保持在该对准夹具中来实施。因此，硅焊接是可能的，但有其缺点。
Siemens等人在美国专利第5,070,228号中揭示了使用等离子喷涂来连接由限量的特定反应性金属组成的部件。该方法对于复杂结构的应用性有限且需要使用一复杂的设备将部件放在一非反应性的环境下预热。
发明内容
两个硅部件，特别是硅结构部件，可通过等离子喷涂硅或其它沉积液体硅的液滴或硅蒸气至介于将被组装的部件之间的接缝上而被连接。该被喷涂的硅涂层将两个硅部件黏合在一起。
等离子喷涂可包括将硅粉末射入到一气态等离子中及将该气体流导至该接缝。
该方法可被应用到包括环及管在内的许多种类的硅结构的制造上。其在制造一由硅基座与带有用来支撑多片硅片的齿的硅脚的硅塔上特别有利。
在与该接缝相邻的一或两个部件上可切出斜面。斜面可以是圆锥型的切面形式。
旋压玻璃(SOG)或SOG与硅粉末的混合物在被会退火形成一硅酸盐玻璃之后可被用作为部件之间的主要黏合剂，在此例子中，该被喷涂的硅将底下的旋压玻璃密封起来。其它的主要黏合剂可被取代。
一第一部件可被放入到一形成在该第二部件上的榫眼中，借以形成两个部件的主表面，其在接缝处正交。该榫眼为盲孔(未穿通的孔)。更佳地，该榫眼延伸穿过该第二部件，及硅层在该榫眼的两端被等离子喷涂用以在沿着该第一部件的轴隔开来的位置处将两个部件黏合在一起。
小型的硅平头钉可被等离子喷涂用以暂时地将部件黏在一起，以容许该结构在一种的黏合层的最终等离子喷涂或一旋压玻璃黏合剂的退火之前从一对准夹具上取下。
在硅上的裂痕可通过将硅等离子喷涂至该裂痕中来加以修补，最好是在该裂痕已被加工成为一较规则的形状之后。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为一硅片塔的立体图；
图2为该塔的两个部件的立体图，其显示它们是如何被连接的；
图3为在一硅基座上的被切角的未穿通的榫眼的剖面图；
图4为一剖面图，其显示一硅脚被插入到图3的榫眼中；
图5为一剖面图，其显示等离子喷涂的硅层将脚黏合到基座上；
图6为相应于图5的部分剖面的平面图；
图7为一剖面图，其显示在该接合点周围将被平滑化的硅层；
图8为一剖面图，其显示一硅平头钉暂时地将该硅脚连接至该基座上；
图9为一剖面图，其显示该平头钉被该等离子喷涂的硅层所覆盖；
图10为一剖面图，其显示在该硅基座上的一被切角的穿通榫眼；
图11为一剖面图，其显示该硅脚被插穿过该榫眼；
图12为为一剖面图，其显示两层等离子喷涂的硅层将该脚黏合至该基座；
图13为一剖面图，其显示最后的碾磨用以让该硅接点平滑；
图14为一传统的遮蔽环的剖面图；
图15为用来形成一环的单切角的硅片段的剖面图；
图16为用来形成一环的一双切角的硅片段的剖面图；
图17为图15的两个片段相抵接以形成该环时的一平面图；
图18为对应图17的径向端视图；
图19及图20为在接合点已用两个等离子喷涂的硅层黏合之后的分别为对应图17及图18的平面及端视图；
图21为17及图18的黏合片段所构成的多边形圈的平面图；
图22为用来形成一硅管的一硅横木的轴端的平面图；
图23为一平面图，其显示两个图22所示的硅横木相抵接形成一环；
图24为对应于图23的径向端视图；
图25及图26为分别对应图23及图24的平面及端视图，其显示两层等离子喷涂的硅层将两个相邻的横木连接在一起；
图27为黏合的硅横木所构成的多边形环的轴端平面图；
图28为在一硅部件上的裂痕的立体图；
图29为图28中的裂痕在被加工成为一较大且较规则的形状的裂痕的立体图；
图30为一填入到该裂痕中的一等离子喷涂的硅层的立体图；
图31为图30的硅层被平滑研磨之后的立体图。
其中，附图标记：
10：硅片塔        12：脚
14：硅基座        16：齿
18：支撑表面      20：内尖端
22：硅片          24：未穿通的榫眼
26：端部          30：未穿通的榫眼
32：硅基座        34：切角
36：脚            38：间隙
40：黏合区        42：硅层
44：硅层               46：环圈
48：硅平头钉           50：穿通的榫眼
52：上切角             54：下切角
56：间隙               58：轴面
60：底面               64：硅环圈
66：硅盖               80：底部环圈
90：遮蔽环             92：突出物
94：第一向下的突起     96：第二向下突起
100：单切角片段        102：上表面
104：内表面            106：第一平的端面
108：第二平的端表面    110：第一上切角
112：第二上切角        114：双切角片段
116：第一内切角        118：第二内切角
102：双切角片段        100a、100b：片段
120：下切角            122：下切角
124：上硅层            126：下硅层
130：横木              132：内表面
134：外表面            136：第一侧面
138：第二侧面          140、142：内切角
146、148：外切角       130a、130b：横木
150：内硅层            152：外硅层
144：沟槽              154：多边形管件
160：裂痕              162：硅部件
164、166：表面         168：孔
170：硅层
具体实施方式
横跨将两个并列的硅部件隔开来的接缝的等离子喷涂的硅已被展示，用以形成一强固地黏合至这两个部件的硅层，即使是在黏合期间这两个部件被保持在一个比硅的熔点低许多的温度下亦然。该喷涂的硅涂层可被用来密封一底下的旋压玻璃(SOG)或SOG/硅混合物黏合剂，或该喷涂的硅涂层可被用作为部件之间的主要黏合。或者，一被喷涂到该接合点的一较小的区域上的硅层可被用作为一类似平头钉或点焊的平头钉，用以暂时将两个部件维持在一起。
虽然本发明可被应用到其它的硅部件及结构上，但下面的讨论将使用硅片塔为例子。将一硅片舟的部件连接起来的处理是极为相似的。此结构是由包含在大型的硅部件中的硅结构部件所形成，其提供该结构的主要机械支撑。在组装及连接之前，该硅部件是自由站立的。如第3图的剖面图所示的，一未穿通的榫眼30(其典型地为非圆形的形状)被加工形成在一硅基座32上。然而，一切角34被形成在该基座32位于该孔30的顶端处。切角34最好是具有一相对基座的顶面的角度，其介于20度至60度之间，最好是45度。虽然其它形状的斜面可被用来取代一切角相对于两个与该接缝相邻的部件的圆锥形的斜面，但通常一直的切角就可以了。相同的结构被形成在该塔的基座的所有的榫眼上。
然后，以一脚36的每一端嵌设到各自的榫眼30中，如图4的剖面图所示，来组装该塔。脚36的端部比榫眼30稍小用以形成一间隙38，其可让插入较容易且可容许有限度的对齐弹性。间隙38(其典型地约50至100微米宽)与脚36一起被示出。在脚36及基座32被对准之后，其形状对于容纳该对准而言是较不规则的。图中显示，脚36几乎填入到榫眼30的底部，但如果需要的话在该处可留下一大的空间。
在一实施例中，该液体SOG或该SOG与硅粉末的泥浆在把该将被结合的一或两个部件组装之前被施用。用以形成一黏合区40于被组装的部件之间，如图5的剖面图所示。在组装之后，一对准夹具将塔对准至硅片支撑塔所要求的约20至50微米的公差。在该塔被对准之后，塔及夹具被移至一退火炉中用以将在黏合区40中的SOG在高于1300℃的温度下硬化。其它的黏合剂及硬化处理也可被使用，如果该黏合剂可被该等离子喷涂的硅所密封的话。或者，该塔可被对准至一位于该冷却的炉中的夹具，之后该炉子被升温所需要的退火温度。
在黏合剂硬化之后，该被黏合且刚硬的塔从该炉子及夹具中被移出。脚36及基座32的远离接合点的部分被钼膜所遮蔽。硅的低温等离子喷涂接着被实施，用以沉积一相对厚的硅层44，如图6所示，其填补该切角34并与基座32的平面的主表面及脚36的柱状形(经常是非圆形的)的主表面相接触。这两个主表面彼此相正交。硅层44的厚度最好是至少1/32”(0.8mm)，虽然内层可在某些情形中被使用。非必要地，如图7的剖面图所示的，硅层44可被抛光研磨用以形成一光滑的环圈46其几乎没有突伸超出该切角34外。
该硅层44或该环圈46有两个作用，其提供额外的机械强度给该接合点并且将硅底下的黏合剂40密封起来。虽然对于本发明而言并非是精华所在，但切面或斜面34在提高机械强度及将黏合剂压抑在最终表面底下上是有用的。
在本发明的第二实施例中，黏合剂被施用至将被连接的区域上，且该塔被组装及被用夹具固定。然而，在黏合剂与仍和该夹具对准的该塔一起被退火之前，如图8的剖面图所示，一小型的硅平头钉48被等离子喷涂至该切角34的一小脚度的部分中。该平头钉48的作用与一平头钉或一点焊相类似，在基座32与脚36之间形成一面积的接触，用以暂时地将它们黏合在一起。一等离子喷涂的平头钉相类似地将每一脚36的每一端连接到各自的基座32上。平头钉48提供足够的机械强度可在该塔从该夹具上取下时保持对准，如果小心移动不震动该塔的话。该被去除夹具但仍被连结的塔被移至该退火炉中进行黏合剂的退火。该塔然后从该炉子中被移出，其接合点被屏蔽，且该硅层44如图8的剖面图所示的被等离子喷涂用以完全填满该切角34。此实施例省掉了将该塔用夹具固定在该退火炉中的处理。
在第三实施例中，没有使用黏合剂，而该被喷涂的硅层提供接合点主要的黏合。如果需要的话，该平头钉可在该结构位于该对准夹具中时被等离子喷涂且该最终的等离子喷涂是在该结构从该夹具上被取下时实施的。因为该未穿通的榫眼的关系，该硅层44只被喷涂在该脚36的一相对窄的轴向延伸上。其结果为，该接合点的机械强度被降低。这对于硅片塔而言可能不足，但对于遇到的冲击小很多的其它硅结构而言，此有限的黏合区也能提供足够的强度。
等离子喷涂可与一穿通的榫眼一起使用，用以在无需黏合剂下提供一强韧的连接。如图10的剖面图所示，一穿通的榫眼50被形成在该硅基座32上。上及下切角52，54被形成在该榫眼50的相反端上。如图11所示的，硅脚36被插入穿过该榫眼50，使得一间隙56被流在脚36与基座32之间。该脚36的一轴面58的该轴向位置应靠近该基座32的平面的底面60，但可在该底面的稍微上方或下方。此最终位置与最终的对准有关。如图12所示的，一硅环圈64被等离子喷涂在该基座32的一侧上用以填补该上切角52及用以将基座32黏合至角36的侧边上。一硅盖66被等离子喷涂到该基座32的另一侧上用以覆盖该脚36的轴面58及侧边部分，并填补下切角54及该基座32的底面60的平面部分。
将位于榫眼50的相反端上的脚36的部分黏合起来的这两个等离子喷涂层64，66可在无需任合黏合剂下提供一强轫的结合。然而，如果需要的话，黏合剂可在组装之前被施用到部件上用以填入该间隙56中。额外的黏合剂会特别有用，如果该结构是意被使用在一真空室中以防止经过该等离子喷涂的硅的实质渗漏。
如果需要的话，可进一步加工将表面平滑化，如图13所示。环圈64可被抛光用以形成一几乎不突伸超出该切角52的环圈82。该硅盖66及脚36的端部可被抛光用以形成一底部环圈80。如果图12的脚面58的底部在基座的底面60的背面上是下陷的话，则在研磨之后，该硅盖66的一部分会伸出横越该底部环圈80的中心。该平滑的底部表面在下基座上是特别需要的，用以提供一平滑的支撑表面。
暂时的硅平头钉可被等离子喷涂在该榫眼50的一端上用以容许该塔较早从该对准夹具上取下。每一榫眼50只需要有一个平头钉。
如先前提到的，本发明可被应用到除了硅片支撑塔以外的硅结构上。在形成大型硅环的应用上是特别有用的。一个环的例子为被示于图14的剖面图中的遮蔽环90。该遮蔽环90被设置在一硅片的周围用来保护它的边缘不会被溅镀黏到支撑该硅片的托盘上且也可保护托盘不会被涂敷。该遮蔽环具有一复杂的环圈形状，有一突出物92稍微外突到该硅片的周边的外。一第一向下的突起94将该遮蔽环90支撑在该托盘上。一第二向下的突起96具有一挡板的作用且可在硅片的输送期间将该遮蔽环90举离该托盘。对于溅镀300mm的硅片而言，该遮蔽环90可具有一高达450mm的直径。遮蔽环90的较佳材质为硅，因为硅的污染性低起其具有与硅片相同的热膨胀系数。大片的空白硅可被用来形成一整体的遮蔽环，但相对昂贵，且在该中央孔从一单一的空白片上被去除掉时会造成大量硅被浪费掉。
本发明可用数片较小的硅片段黏结成为一圆圈来轻易地制造出大型的硅环。一单一切角的片段100被示于图15的立体图中。其为一大致矩形的部件，具有一上表面102及一没有被示出的平行的下表面，一内表面104及一没有被示出的背面。然而，该部件具有一第一平的端表面106及一第二平的端表面108，它们相对于一环半径彼此偏移(offset)且它们两者中的至少一者是没有与正面104直交的。该角度偏移量与用来形成该环圈的片段100的数量(N)有关。大体上，偏移量为360度/N。又，一第一上切角110被形成在该第一端表面106与该上表面102之间，且一未被示出的第一下切角则被形成在第一端表面106与下表面之间。相类似地，一第一上切角112及未被示出的第二下切角是被形成在该片段100的另一轴端上与该第二端表面108相邻。
一示于图16中的双切角片段114额外地具有一第一内切角116及一相应的外切角，其分别形成在该第一端表面106与该内表面104及外表面之间。相类似地，一第二内切角118及一相应的外切角分别被形成在第二端表面108与正面104及背面之间。外切角可被消除掉，如果该片段114稍后会被圆圈化，因为这些外切角在圆形加工时会被研磨掉。
该环圈的制造将以单切角的片段100为例来加以说明，但几乎相同的处理可被使用到该双切角的片段102上。如在图17的平面图及图18的端视图上所示的，N个片段102(只有两个片段100a，100b被示出)被安排且被对齐在一夹具中用以形成一闭合的圆圈，其中一片段100b的第一端106与相邻的片段100a的第二端面108相抵接。虽然该环圈可由任何整数数量的片段来形成，但至少要有四个且最好是六个片段，用以减少硅被浪费掉的数量。该上切角110，112形成一V型的凹陷于该环圈的一侧上，且该下切角120，122则形成另一V型的凹陷于该环圈的另一侧上。
如图19的平面图及图20的端视图所示的，一上硅层124被等离子喷涂在该环圈的顶端的介于两个片段100a，100b的接合点处，用以填补上切角110，112并接触上表面102的平面部分。相类似地，下硅层126被等离子喷涂在该环圈的底部上用以填补下切角120，122并与该下表面的平面部分相接触。以此，两个硅层124，126黏合至片端110a，110b并将它们永久结合在一起。相类似地，硅层被等离子喷涂在其它的N-1接合点上用以形成一示于图21中的多边形环圈128，其被安排在一中心轴的周围并具有一孔沿着该中心轴延伸。硅层124，126可被研磨用以将该环圈之上及下面便平坦化。然而，该平滑化可与将该环圈圆圈化所需的加工相结合用以制造所想要的剖面，如图14所示的遮蔽环90。该硅的圆圈化及浪费可被最小化，如果片段100是从空白硅上以圆弧形被切割下来且具有一等于该所想要的环圈的曲率相同的曲率的话。
非必要地，黏合剂可在组装之前被施用到端面108，106之间且在最终的硅等离子喷涂之前被硬化。如果环圈90是要被使用在真空室中的话，则该黏合剂可减少从硅层124，126之间的小接点空隙漏出来的泄漏。
其它种类的硅环，如夹环，等离子环，在快速热处理(RTP)中溅镀硅片的细缝环，及托盘缘都可用相通的方式来制造。
类似的技术可被用来形成大型的管状体，如炉子及反应器衬里及使用筒形横木(stave)的反应器真空室壁。Boyle等人描述了横木技术在前述的专利中，但其使用SOG黏合剂作为主要黏合剂。一示于图22的剖面图中的横木130被加工成为一被截头的楔形物，其延伸一段与该图的平面垂直的距离。该横木130具有一内表面132及一平行的外表面134。该第一及第二侧面136，138彼此偏移且它们两者中的至少一者没有与内及外表面132，134直交。内切角140，142分别被形成在该内表面132与侧面136，138之间。相类似地，外切角144，146分别被形成在该外表面134与侧面136，138之间。为了要方便对准，一舌件143被形成在该第一测面136上且一相应的沟槽144被形成在该第二侧面138上。所有这些结构特征最好是轴向地沿着该横木130的整个轴向长度延伸，该长度对应于该最终的管件的长度。横木130的切角140，142对应于图16中的双切角片段114的切角116，118，且横木130对于片段的切角110，112的求要少很多。
介于两个侧面136，138之间的角度偏移与用来形成一闭合的环圈的横木130的数量(N)有关。一夹具将N个横木130以侧边对侧边相接的方式对齐成为一圆圈。两个这种横木130a，130b(虽然没有舌件及沟槽)被示于图23的剖面图及图24的端视图中，其中一横木130b的第一侧面136与另一横木130a的第二侧面相接。如在图25的剖面图及在图26的轴向端视图中所示的，等离子喷涂被用来沉积一填充内切角140，142的轴向延伸的内硅层150，及一相应的轴向延伸的外硅层152其填充外切角146，148。如果使用平头钉的话，应有两个平头钉被沉积在每一接合点的轴向相反端上。一多边形的管件154被示于图27的剖面图中，其可被安排在一包含该轴的孔洞的中心轴周围。内及外表面可依所需而被圆形化或平滑化。如果管件154是要被使用在一真空壁上的话，则黏合剂应被施用在横木130之间且在最终的等离子喷涂之前被硬化。如果有需要的话，一相当厚度的硅层可被等离子喷涂在内表面或外表面或两个表面上，用以形成连续的等离子喷涂硅层，其之后可被圆形化。
本发明不只可被用来制造硅结构，还可被用来修理硅部件，即使是硅部件已被组成为一复杂的结构亦然。示于图1中的塔10在其制造时需要相当昂贵的成本。特别是，脚12的制造相当昂贵，因为硅是一易碎的耐火材料而不是一可延展的金属且其加工特性可被描述为，形成每一沟槽都需要碾模无数的小切口来达成。当该塔或晶舟被用来处理硅片时，在退火期间的反复温度循环之后，一裂痕160，如图28的立体图所示，被形成在构成该塔的一部分的硅部件162上。裂痕似乎大部分都发生在基座上。通常，裂痕一开始都出现在介于部件162的两个面164，166之间的角落处。裂痕会沿着两个表面164，166扩大一段短的距离然后停止变大。裂痕的成因并不清楚，且即使是有少数裂痕160出现在该塔上，塔也能够被使用无余。然而，裂痕却会成为一污染源。又，在连续使用时会存在着该裂痕会扩大或结合到某种程度而让整个塔在一处理运转期间塌毁，而无可避免地伤及珍贵的硅片。类似的表面陷为小型的浅薄屑片，其形成在平面表面的角落处。
通过使用等离子喷涂，裂痕160可被修复，且该塔或其它结构可被送回到生产线上。相同的技术可被用来修理芯片。如图29所示，部件162的裂痕160所在的区域施工，用以形成一具有更开放的深宽比，最好是具有斜的侧边的更为规则的孔168。一研磨机或一钻研机可被用来实施此加工。或者，一Dremel工具可被手动地操作用以实施所需要的有限的加工处理。如图30的立体图所示的，硅被等离子喷涂到面164，166两者上，用以形成一连续的硅层170，其可填补该被加工的孔168并延伸到包围该孔168的原始表面之上。如果需要的话，面164，166两者可如图31所示地被抛光研磨用以将该硅层170限制在该被加工的孔168的体积内，来形成一被平坦化的硅层172，其中直交的表面与两个部件表面164，166齐平。如果裂痕160只出现在该硅部件的一个面上且修理只局限再该面上的话，则会依循上面所述的处理来实施修理。如果裂痕160太靠近该结构的其它部件的话，则修理可在不拆解该结构下实施。又，一尚未组装的硅部件也有可能需要裂痕修补的处理。
图1所示的硅塔目前包括由两种硅所组成的部件。脚12是由初生多晶硅组成，其表现出一极高的纯度，借以降低被支撑在脚的齿16上的硅片22在高温处理期间的污染。初生多晶硅的加工需要实施上文中提到的Boyle等人的专利所揭示的预退火处理。在另一方面，基座14目前是由Czochralski硅或铸造的多晶硅所组成，因为其所需要的大型的硅空白片目前尚无法以初生多晶硅形式获得。Czochralski硅目前在市面上可以300mm直径的碇块形式被获得且为了特殊用途有时还了以更大。或者，本发明的等离子喷涂可被用来将多个相当窄的矩形初生多晶硅板黏合在一起，其然后被加工成为一具有所想要的形状的基座。
本发明的等离子喷涂可被用来连接任何种类的硅组合。其它种类的硅也可被使用，例如，单晶Czochralski硅或铸造或挤制的硅，后者特别可以薄平板片的形式被获得。目前最流行的硅的等离子喷涂种类为使用一硅粉末，其具有15至45微米的直径，其被搭载在该等离子内且被液体化。硅粉末从Cerac购得，其具有至少六个9s的纯度。纯度高许多的初生多晶硅粉末可从MEMC购得，但此一纯度对于在高温处理期间远离硅片支撑区的部件而言是不需要的。即使本发明对于用一硅黏合来连接硅结构而言是特别有用，但本发明并不局限于此且可被施用到纯度较低的的部件上。为了本发明的目的，除非有特定的其它说明，否则硅在本发明中包括不高于1％重量百分比的掺质或其它的污染物或杂质。
本发明中所使用到的等离子喷涂一词使用一等离子或其它高温电弧来造成一粉末形式的物质被射入到该被液化的且可能被蒸气化的等离子中。所得到的液滴或受限制的物质蒸气被导引朝向该将被等离子喷涂的工件上。该物质流体，不论是液滴或蒸气，会撞击该工件并立即冷却且在衬底表面上转变为固体形式，借以涂覆该工件。典型地，该粉末被搭载在一氩气流中，其被激励成为一与该喷涂喷嘴相邻的等离子。等离子喷涂与电弧焊接或切割不同，其中一非常高温的等离子电弧延伸至该工件并重工件材质熔化。典型地，该工件被接地用以形成焊接电弧的一个电极。相反地，等离子喷涂可以一低温操作来实施，其中该大块的工件被保持在一不高于200℃的温度，虽然有些情形中工件会被保持在一高达500℃的温度下。使用一固体电线插入到该等离子或电弧中作为物质来源是可能的。然而，这仍与电弧焊接不同，因为焊料棒与工件不会形成一共同的熔化物。典型地，为了要防止物质流体及凝结的蒸气被氧化，只要的喷涂喷嘴被包覆在一钝态气体的同轴护罩中。
虽然等离子喷涂提供的低工件温度是其一项优点，但在上文中提及的Zehavi等人的专利揭示了裂痕可通过在焊接期间将硅工件保持在至少600℃及甚至是800℃的温度下而被避免掉的焊接操作。所以，在某些情况中硅的等离子喷涂也可通过让工件温度保持在600℃以上而受惠。
其它的沉积方法可被用来沉积该硅层用来黏合两个部件。然而，等离子喷涂为一有弹性，易于使用的处理，其可被实施在一机械修理工厂的环境中。
等离子喷涂用以结合在一硅片塔结构中的硅部件的技术已在发明人的指导下由设在美国纽泽西州South Plainfield的A&A公司所证实。位于美国科罗拉多州的Longmont的Ionic Fusion公司也实施低温等离子喷涂。等离子喷涂喷嘴可从英属哥伦比亚的Northwest Mettech购得。他们的喷嘴包含用于等离子的阴极与阳极。
该将被等离子喷涂的硅工件的表面应不含氧或其它污染物且在硅上的本来的氧太薄而不会造成问题。最好是，工件先被清洁过。被喷涂的硅对于硅工件的黏性可通过先用高纯度石英来对工件实施球珠喷砂用以在工件表面上形成凹坑与裂痕而获得改善。此种微型的粗糙化可提高被沉积的硅层的黏性。
低温等离子喷涂的硅可用肉眼看出来。首先，如果该被喷涂的硅层与硅衬底被分段的话，则一明显的接缝会将这两个硅部分分隔开来。在一高倍率的光学显微镜下，该等离子喷涂的硅显示出具有一有斑点的表面与柳橙皮的表面类似。此结构可通过用Sirtl来处理该表面而被加强，该Sirtl为氢氟酸，硝酸，醋酸及添加了铜的混合物。相反地，Czochralski多晶硅显示出一正常地对齐的微结晶结构，铸造的多晶硅显示出一较参差不齐的结构其具具有大小约3至6mm的随意排列的结晶，初生多晶硅显示出一树突状的多晶型结构从该生长种晶延伸出，及该Czochralski单晶型硅则看起来像一面镜子。
因此，本发明允许硅部件，特别是非常高纯度的硅部件，被连结形成一具有高强度但表现出非常低的杂质水平的结构。该方法使用一般可获得的材料且可被轻易且经济地实施。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种连接两硅部件的方法，其至少包含：将硅等离子喷涂横跨一将该两硅部件分隔开来的接缝，以在该两硅部件的相邻的表面区域上形成一涂层。
2.如申请专利范围第1项所述的方法，其中该部件在该等离子喷涂期间受到大气压力。
3.如申请专利范围第1或2项所述的方法，其中该部件与该接缝相邻的部分被保持在一不高于500℃的温度。
4.如申请专利范围第3项所述的方法，其中该温度不高于200℃。
5.如申请专利范围第1至4项任一项所述的方法，其中该等离子喷涂包括将硅粉末射入到一气体的等离子中。
6.如申请专利范围第5项所述的方法，其中该粉末包含直径范围在15至45微米间的颗粒。
7.如申请专利范围第5或6项所述的方法，其中该粉末包含初生(virgin)多晶硅颗粒。
8.如申请专利范围第1项所述的方法，其中该两部件的主要表面在该接缝处彼此直交(perpendicular)。
9.如申请专利范围第8项所述的方法，其中该部件中的至少一者被预先形成与该接缝相邻的一斜面。
10.如申请专利范围第9项所述的方法，其中该部件中的第一者被预先形成以一斜面，该部件中的第二者并没有与该接缝相邻的一斜面。
11.如申请专利范围第1项所述的方法，其中该部件中的至少一者被预先形成与该接缝相邻的一斜面。
12.如申请专利范围第1项所述的方法，其中该部件中的第一部件包含一孔贯穿其中，且该部件中的第二部件被设置在该孔内，以及其中该等离子喷涂形成各自的硅层，该些硅层分别与位于该孔相反端上的该第一及第二部件相接触。
13.如申请专利范围第1项所述的方法，其中该硅部件在该喷涂步骤中与用来将其分隔的该接缝并列，且其中该等离子喷涂将硅涂布在该两硅部件上。
14.如申请专利范围第1项所述的方法，其中在该等离子喷涂步骤之前，该两部件并列排放但不固定在一起，并在该等离子喷涂步骤之后，该涂层将该部件固定在一起。
15.一种修理在一硅部件表面上的表面缺陷的方法，其至少包含等离子喷涂硅，以将该表面缺陷覆盖起来。
16.如申请专利范围第15项所述的方法，其包括一机械性扩大该表面缺陷的先期步骤。
17.如申请专利范围第15或16项所述的方法，其包括一用来将该等离子喷涂的硅机械性地平滑化至与该表面齐平的后续步骤。
18.一种硅结构，其至少包含：
一第一硅部件；
一第二硅部件，其被设置成沿着一接缝与该第一硅部件相邻；
一硅层，其被黏合至该第一及第二硅部件两者，且桥接并覆盖该接缝。
19.如申请专利范围第18项所述的硅结构，其中该硅层包含一等离子喷涂的硅层。
20.如申请专利范围第18或19项所述的硅结构，其中该第一及第二部件中的每一部件都包含选自于由初生多晶硅、Czochralski单晶硅、Czochralski多晶硅、及铸造多晶硅所组成的组群中的硅。
21.如申请专利范围第18或19项所述的硅结构，其中该第一及第二硅部件的主表面在该接缝处彼此直交地延伸。
22.如申请专利范围第18或19项所述的硅结构，还包含一黏合剂，其在该接缝的一区域中将该第一部件与该第二部件黏着在一起。
23.一种硅衬底支撑固定装置，其至少包含：
一第一硅基座及一第二硅基座，每一基座都具有形成于其内的榫眼；
多支包含初生多晶硅的脚，其内具有切削出来的齿，用来以彼此平行的方式支撑多片衬底，且该脚被插入该榫眼内，以形成位于各对基座与脚之间的接缝；及
多层硅层，其横跨其各自的接缝而黏合至该基座及该脚，以将该脚连结至该基座。
24.如申请专利范围第23项所述的固定装置，其中该硅层包含等离子喷涂的硅层。
25.如申请专利范围第23或24项所述的固定装置，还包含一黏合剂，其在该接缝的多个区域中将该部件与该脚黏着在一起。
26.如申请专利范围第23或24项所述的固定装置，其中该基座的每一者包含选自于由初生多晶硅、Czochralski单晶硅、Czochralski多晶硅、及铸造多晶硅所组成的组群中的硅。
27.如申请专利范围第23或24项所述的固定装置，其中对于每一个榫眼而言，该榫眼穿过该基座，且该硅层被设置该基座的两侧上。
28.一种环状硅结构，其至少包含多个硅片段，该片段的相邻片段的端部被黏合至每一相邻片段的各自硅层所桥接，而设置成一环状的配置。
29.如申请专利范围第28项所述的结构，还包含被施用在相邻片段的端面之间的黏合剂，且该黏合剂被该硅层所覆盖。
30.如申请专利范围第28或29项所述的结构，其中该硅层包含等离子喷涂的硅。
31.如申请专利范围第28或29项所述的结构，其中该硅片段包含选自于由初生多晶硅、Czochralski单晶硅、Czochralski多晶硅、及铸造多晶硅所组成的组群中的硅。
32.一种用来接合一硅衬底支撑固定装置的各部件的方法，该方法包括：(a)一第一部件与一第二部件，其分别具有多个榫眼形成于内部，以及(b)多个含有硅的脚，其内部具有切敲出的齿，用来以彼此平行的方式支撑多个衬底，且该脚插入该榫眼中，以在各对该基座与该脚之间形成各自的接缝；该方法包括等离子喷涂硅至横跨该接缝上的步骤，以形成多个硅层，该硅层横跨该接缝而黏合至该脚与该基座。
33.如申请专利范围第32项所述的方法，其在大气压力下执行。
34.如申请专利范围第32或33项所述的方法，其中在该等离子喷涂步骤中，该部件与该接缝相邻的部分保持在一不高于500℃的温度。
35.如申请专利范围第32或33项所述的方法，还包括在该等离子喷涂步骤之前，将该脚与该基座组合在一起，其中在该等离子喷涂步骤开始时，该脚与该基座未被固定在一起，但在该等离子喷涂步骤终了时，该脚与该基座则固定在一起。
36.一种接合两硅部件的方法，该方法包括：
并列该两硅部件，以形成被一接缝相隔开来的该硅部件；以及
将一硅层等离子喷涂于该并列硅部件的相邻区域上且横跨该接缝，使得该硅层将该两部件固定在一起。
37.如申请专利范围第36项所述的方法，其中该部件在该等离子喷涂步骤中受到大气压力。38.如申请专利范围第36或37项所述的方法，其中该部件与该接缝相邻的部分维持在一不高于500℃的温度。

Claims (27)

1.一种连接两硅部件的方法，其至少包含：将硅等离子喷涂横跨一将该两硅部件分隔开来的接缝，以在该两硅部件的相邻的表面区域上形成一涂层。
2.如申请专利范围第1项所述的方法，其中该部件在该等离子喷涂期间受到大气压力。
3.如申请专利范围第1或2项所述的方法，其中该部件与该接缝相邻的部分被保持在一不高于500℃的温度。
4.如申请专利范围第3项所述的方法，其中该温度不高于200℃。
5.如申请专利范围第1至4项的任一项所述的方法，其中该等离子喷涂包括将硅粉末射入到一气体的等离子中。
6.如申请专利范围第5项所述的方法，其中该粉末包含直径范围在15至45微米间的颗粒。
7.如申请专利范围第5或6项所述的方法，其中该粉末包含初生(virgin)多晶硅颗粒。
8.如中请专利范围第1项所述的方法，其中该两部件的主要表面在该接缝处彼此直交。
9.如申请专利范围第8项所述的方法，其中一斜面被形成在该部件中的至少一者的与该接缝相邻处内。
10.如申请专利范围第9项所述的方法，其中该部件中的另一者并没有与该接缝相邻的一斜面。
11.如申请专利范围第1项所述的方法，其中一斜面被形成在该部件中的至少一者的与该接缝相邻处内。
12.如申请专利范围第1项所述的方法，其中一孔穿过该部件中的第一部件，且该部件中的第二部件被设置在该孔内，及其中该等离子喷涂形成各自的硅层与位于该孔相反端上的该第一及第二部件接触。
13.一种修理在一硅部件表面上的表面缺陷的方法，其至少包含等离子喷涂硅，用以覆盖该表面缺陷。
14.如申请专利范围第13项所述的方法，其包括一用来机械性地扩大该表面缺陷的先期步骤。
15.如申请专利范围第13或14项所述的方法，其包括一用来将该等离子喷涂的硅机械性地平滑化至与该表面齐平的后续步骤。
16.一种硅结构，其至少包含：
一第一硅部件；
一第二硅部件，其被设置成沿着一接缝与该第一硅部件相邻；
一硅层，其被黏合至该第一及第二硅部件，且桥接并覆盖该接缝。
17.如申请专利范围第16项所述的硅结构，其中该硅层包含一层等离子喷涂的硅层。
18.如申请专利范围第16或17项所述的硅结构，其中该第一及第二部件中的每一部件都包含选自于由初生多晶硅、Czochralski单晶硅、Czochralski多晶硅、及铸造的多晶硅所组成的组群中的硅。
19.如申请专利范围第16或17项所述的硅结构，其中该第一及第二硅部件的主表面在该接缝处彼此直交地延伸。
20.一种硅衬底支撑固定装置，其至少包含：
第一及第二硅基座，每一基座都具有形成于其内的榫眼；
多支包含初生多晶硅的脚，其内具有切削出来的齿，用来以彼此平行的方式支撑多片衬底，且该脚被插入该榫眼内，以形成位于各对基座与脚之间的接缝；及
多层硅层，其横跨其各自的接缝而黏合至该基座及该脚，以将该脚连结至该基座。
21.如申请专利范围第20项所述的固定装置，其中该硅层包含等离子喷涂的硅层。
22.如中请专利范围第20或21项所述的固定装置，其中该基座的每一者包含选自于由初生多晶硅、Czochralski单晶硅、Czochralski多晶硅、及铸造的多晶硅所组成的组群中的硅。
23.如申请专利范围第20至22项的任一项所述的固定装置，其中对每一个榫眼而言，该榫眼穿过该基座，且该硅层被设置在该基座的两侧上。
24.一种环状硅结构，其至少包含多个硅片段，该片段的相邻片段的端部被黏合至每一相邻片段的各自硅层所桥接，而设置成一环状配置。
25.如申请专利范围第24项所述的结构，其还包含被施用在相邻片段的端面之间的黏合剂，且该黏合剂被该硅层所覆盖。
26.如申请专利范围第24或25项所述的结构，其中该硅层包含等离子喷涂的硅。
27.如中请专利范围第24或25项所述的结构，其中该硅片段包含选自于由初生多晶硅、Czochralski单晶硅、Czochralski多晶硅、及铸造的多晶硅所组成的组群中的硅。
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