JP2021527612A - セラミックと金属を接合するためのろう付けプロセス、およびそれを使用した半導体処理と産業機器 - Google Patents
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Abstract
Description
いくつかの電気フィードスルーは、標準コネクタで使用されるピン接点を備えたガラスと金属のシールを有している。他のいくつかのアプローチでは、金属フランジに取り付けられたセラミック金属ろう付けピンが使用される。多くの電気フィードスルーは、セラミック絶縁体の金属の熱膨張係数を一致させるためにコバールを使用している。コバールには、高価な電子ビーム溶接を使用しなければならない可能性など、溶接に関して明確な欠点がある。必要なのは、セラミック絶縁体と熱膨張がよく一致する材料を使用し、安価に製造できる電気フィードスルーである。
第1のピースは、任意の適切なセラミック、任意の適切な金属、または前述の任意の組み合わせを含む、任意の適切な材料から作ることができ、第2のピースは、任意の適切なセラミック、任意の適切な金属、または前述の任意の組み合わせを含む、任意の適切な材料から作ることができる。例えば、第1のピースと第2のピースの両方は、任意の適切なセラミックから作ることができ、第1のピースと第2のピースの両方は、任意の適切な金属から作ることができ、または第1のピースは、任意の適切なセラミックから作ることができ、第2のピースは、任意の適切な金属から作ることができる。セラミックは、窒化アルミニウム、アルミナ、酸化ベリリウム、またはジルコニアを含む、任意の適切なタイプのものであり得る。
例えば、ろう付け要素は、任意選択で、3.5から25原子パーセントの炭素(C)、63.5から87.5原子パーセントの鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)または前述の任意の組み合わせから選択される1つまたは複数の元素、および0から35原子パーセントのチタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、シリコン(Si)または前述の任意の組み合わせから選択される1つまたは複数の元素を含むことができる。例えば、ろう付け要素は、任意選択で、8から13原子パーセントの範囲の炭素、70から85原子パーセントの範囲のニッケル、および7から20原子パーセントの範囲のモリブデンから構成することができる。ろう付け要素は、任意選択で、5.7から17.3原子パーセントの範囲の炭素、63から94原子パーセントの範囲のニッケル、および4から23原子パーセントの範囲のモリブデンから構成することができる。
例えば、ろう付け要素は、任意選択でコバルトおよび炭素を含むことができる。例えば、ろう付け要素は、任意選択で、8から10原子パーセントの炭素の範囲の炭素を含むことができ、ろう付け要素の残りはニッケルである。例えば、ろう付け要素は、任意選択で、1から80原子パーセントの炭素の範囲の炭素を含むことができ、ろう付け要素の残りはニッケルである。
プロセスチャンバから酸素を除去するステップは、任意選択で、1×10E−4トール未満の圧力をプロセスチャンバに加えることを含むことができる。
本発明の接合プロセスは、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、モリブデン(Mo)および炭素(C)を任意選択で、典型的にはグラファイト(Cg)として、しかしさらにダイヤモンド(CD)および炭素ブラック(CB)としても利用でき、セラミックとセラミック(例えば、AlN、Al2O3、ZrO2、グラファイト、SiC、Si3N4など)、セラミックと金属(例えば、Ni、Mo、Co、ニオブ、鉄、およびそれらの合金、例えば、鋼および超合金)および金属と金属(超合金と超合金、Moと超合金、Niと超合金など)のろう付けを使用するためにさまざまな比率で合金化される。ろう付け材料は、任意選択で、65〜80%のニッケル、20〜35%のMo、および0.1〜4%のCgを含むことができる。接合材料は、任意選択で、3.5から25原子%の炭素、63.5から87.5原子%の鉄、コバルト、およびニッケルからなる群からの元素または元素の組み合わせ、ならびに0から35原子%のTi、Zr、Hf、Nb、Ta、CR、Mo、W、およびSiからなる群からの元素または元素の組み合わせを含むことができる。
本発明のNi−Mo−C合金またはろう付け要素の形成は、さまざまに異なるプロセスを使用して行うことができる。それらは、アーク溶融され、続いてホイルに圧延されて、上記のようにろう付けフィラー材料のシートを提供するか、またはそれらは、上記で使用されるように混合粉末からなり得るが、ろう付け充填材の薄いシートにも広がり得る。代替として、さまざまな元素を蒸発させ、スパッタし、CVDプロセスまたは他の技術を介して薄膜に同時にまたは層ごとに形成して、所望のろう付けの厚さおよび組成を達成することができる。一例として、AlNまたは他のセラミック基板またはピース上に、CVDを使用して1.2ミクロンの厚さのアモルファス炭素(ダイヤモンドライク炭素)層を形成し、続いて9.1ミクロンの厚さのNi層をスパッタし、続いて4.7ミクロンの厚さのMo層をスパッタした。このようなコーティングされた2つのピース、例えばAlN基板を、コーティングを対面させて高真空炉に配置し、1200℃で2時間熱処理して合金化した後、1275℃で20分間加熱して、共晶液相を形成し、ピースを一緒にろう付けする。本発明のろう付け要素を作成する前述の方法は、本明細書に開示されるすべてのろう付け要素に適用可能である。
加熱ステップの完了時に、接合アセンブリを冷却することができる。ここで、第1のピース600は、図51に示されるように、接合部614で第2のピース601に接合される。接合部は均一にすることができる。MoとCで飽和している可能性があるが、ニッケルがいくらか残っている可能性がある。
さ0.050インチのNi 200シートの間に、比較的純粋なグレードの市販ニッケル、MoをスパッタしたNi−2Wt%Cgホイルを配置した。このサンドイッチアセンブリは、高真空環境で約400psiの圧力下で1280℃に加熱された。ニッケルピースは強く相互に接合していた。別の実験では、Ni−Mo−C合金ホイルを使用して、Ni 200シートをHastalloy X(市販の超合金)プレートにろう付けすることに成功した。
第1のピース、第2のピース、および接合された第1および第2のピースは、例えば腐食性または侵食性の環境において、任意の適切な用途またはプロセスで使用することができる。そのような腐食性または侵食性の環境は、任意選択で、半導体処理環境を含むことができる。例えば、第1のピース、第2のピース、または第1および第2のピースの組み合わせは、任意の適切な半導体ウェーハ製造装置ピースであり得、これは、例えば、半導体処理の間のシリコンウェーハを支持するためのヒーター、チャック、プレートまたはプレートアセンブリ、あるいはプレートとシャフトデバイスを含み得る。第1のピース、第2のピース、または第1および第2のピースの組み合わせは、任意選択で、セラミックなどの任意の適切な材料の基板に接合された、任意の適切な材料、例えばサファイアの耐摩耗性の高い表面層を有する産業機器コンポーネントであり得て、本明細書で開示されたろう付けのいずれかなどの任意の適切なタイプの金属炭素合金ろう付けを伴う。
保護表面層は、本発明に従って、侵食性要素への高い曝露の領域において、基礎となる構造に任意選択で接合することができる。炭化タングステンから作られた前述の例とは対照的に、第1のピースと呼ぶことができる代替ロータは、基礎となる構造に第1のセラミックを利用し、表面摩耗保護層に第2のセラミックを利用して作ることができ、これは第2のピースと呼ぶことができる。表面層は、任意選択でサファイアであり得る。基礎となる構造は、任意選択でアルミナであり得る。これにより、アルミナなど、製造がはるかに容易な基礎となる構造にセラミックを使用できる。
長手方向チャネル70は、任意選択で、サファイアなどの耐摩耗性の高い材料の円筒形のライニングで裏打ちすることができる。サファイア円筒形ライニングは、本明細書に記載の接合方法に従って、ロータの基礎となる構造にろう付けすることができる。
アルミナなどのより実用的なセラミックの基礎となる構造の上に、サファイアなどの耐摩耗性の高い表面層を使用すると、耐摩耗性の高い侵食環境にさらされるコンポーネントへの現在のアプローチよりも大幅に改善される。サファイアとアルミナの良好な熱膨張の一致により、材料の良好な組み合わせが得られる。
ろう付け層の濡れと流れは、さまざまな要因に敏感である可能性がある。懸念される要因には、ろう付け材料の組成、セラミックの組成、セラミックの拡散に対する感受性、プロセスチャンバの雰囲気の化学的構成、特に接合プロセス中のチャンバの酸素レベル、温度、温度での時間、ろう付け材料の厚さ、接合される材料の表面特性、接合されるピースの形状、接合プロセス中に接合部に加えられる物理的圧力、および/または接合プロセス中に維持される接合ギャップが含まれる。
セラミックチューブ302は、任意選択で、アルミニウムで満たされる中空中心301を第2の中空部分305から分離する遮断部分307を有し得る。より狭い外面304もまた、ろう付けアセンブリ300のこの端部に見られ得る。
任意選択のキャップ306は、ろう付けアセンブリのより狭い外面304の周りに見られる。キャップ306は、任意選択でニッケルキャップであり得る。ニッケルキャップは、本発明に従って、ろう付けアセンブリのアルミナセラミックのより狭い外面に任意選択でろう付けすることができる。ニッケルキャップは、ろう付け材料がセラミックピースの主中空の内面に接合されるのと同じプロセスステップの間に、任意選択でアルミナ上にろう付けされてもよい。
上記の説明から明らかなように、本明細書に記載の説明から多種多様な実施形態を構成することができ、当業者にとって追加の利点および変更は容易に思い付くであろう。したがって、そのより広い態様における本発明は、示され説明されている特定の詳細および例示的な例に限定されない。したがって、そのような詳細からの逸脱は、出願人の発明の概要の趣旨または範囲から逸脱することなく行われ得る。
Claims (21)
- 第1のピースを第2のピースに接合する方法であって、前記第1のピースの第1の界面領域と前記第2のピースの第2の界面領域との間にろう付け要素を配置して、接合プレアセンブリを作成すること、前記ろう付け要素は、3.5から25原子パーセントの炭素と、鉄、コバルト、ニッケル、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される63.5から87.5原子パーセントの要素と、ならびにチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、クロム、モリブデン、タングステン、シリコン、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される0から35原子パーセントの要素と、を含むこと、前記接合プレアセンブリをプロセスチャンバに配置すること、前記プロセスチャンバから酸素を除去すること、ならびに前記第1のピースを前記第2のピースに接合するように前記接合プレアセンブリの少なくとも前記ろう付け要素を加熱すること、を含む方法。
- 前記第1のピースは、セラミックおよび金属からなる群から選択される材料から作製され、前記第2のピースは、セラミックおよび金属からなる群から選択される材料から作製されている、請求項1に記載の方法。
- 前記セラミックが、窒化アルミニウム、アルミナ、酸化ベリリウム、およびジルコニアからなる群から選択される、請求項2に記載の方法。
- 前記プロセスチャンバから酸素を除去する前記ステップは、1×10E−4トール未満の圧力を前記プロセスチャンバに加えることを含む、請求項1から3に記載の方法。
- 少なくとも前記ろう付け要素を加熱する前記ステップは、少なくとも前記ろう付け要素を前記ろう付け要素の共晶温度より低い第1の温度に加熱し、その後、少なくとも前記ろう付け要素を前記ろう付け要素の前記共晶温度より高い第2の温度に加熱することを含む、請求項1から3に記載の方法。
- 前記ろう付け要素が、8から13原子パーセントの範囲の炭素、70から85原子パーセントの範囲のニッケル、および7から20原子パーセントの範囲のモリブデンからなる、請求項1に記載の方法。
- 前記ろう付け要素が、5.7から17.3原子パーセントの範囲の炭素、63から94原子パーセントの範囲のニッケル、および4から23原子パーセントの範囲のモリブデンからなる、請求項1に記載の方法。
- 第1のピースを第2のピースに接合する方法であって、前記第1のピースの第1の界面領域と第2のピースの第2の界面領域との間にろう付け要素を配置して、接合プレアセンブリを作成すること、前記ろう付け要素がニッケルおよび炭素を含むこと、前記接合プレアセンブリをプロセスチャンバに配置すること、前記プロセスチャンバから酸素を除去すること、および前記第1のピースを前記第2のピースに接合するように少なくとも前記接合プレアセンブリの前記ろう付け要素を加熱することを含む方法。
- 前記第1のピースが、セラミックおよび金属からなる群から選択される材料から作製され、前記第2のピースが、セラミックおよび金属からなる群から選択される材料から作製されている、請求項8に記載の方法。
- 前記セラミックが、窒化アルミニウム、アルミナ、酸化ベリリウム、およびジルコニアからなる群から選択される、請求項9に記載の方法。
- 前記プロセスチャンバから酸素を除去する前記ステップは、1×10E−4トール未満の圧力を前記プロセスチャンバに加えることを含む、請求項8から10に記載の方法。
- 少なくとも前記ろう付け要素を加熱する前記ステップは、少なくとも前記ろう付け要素を前記ろう付け要素の共晶温度より低い第1の温度に加熱し、その後、少なくとも前記ろう付け要素を前記ろう付け要素の前記共晶温度より高い第2の温度に加熱することを含む、請求項8から10に記載の方法。
- 前記ろう付け要素が、8から10原子パーセントの炭素の範囲の炭素を含み、残りの前記ろう付け要素がニッケルである、請求項8に記載の方法。
- 前記ろう付け要素が、1から80原子パーセントの炭素の範囲の炭素を含み、残りの前記ろう付け要素がニッケルである、請求項8に記載の方法。
- 第1のピースを第2のピースに接合する方法であって、前記第1のピースの第1の界面領域と前記第2のピースの第2の界面領域との間にろう付け要素を配置して、接合プレアセンブリを作成すること、前記ろう付け要素がコバルトおよび炭素を含むこと、前記接合プレアセンブリをプロセスチャンバに配置すること、前記プロセスチャンバから酸素を除去すること、および前記第1のピースを前記第2のピースに接合するように少なくとも前記接合プレアセンブリの前記ろう付け要素を加熱することを含む方法。
- 前記第1のピースが、セラミックおよび金属からなる群から選択される材料から作製され、前記第2のピースが、セラミックおよび金属からなる群から選択される材料から作製されている、請求項15に記載の方法。
- 前記セラミックが、窒化アルミニウム、アルミナ、酸化ベリリウム、およびジルコニアからなる群から選択される、請求項16に記載の方法。
- 前記プロセスチャンバから酸素を除去する前記ステップは、1×10E−4トール未満の圧力を前記プロセスチャンバに加えることを含む、請求項15から17に記載の方法。
- 少なくとも前記ろう付け要素を加熱する前記ステップは、少なくとも前記ろう付け要素を前記ろう付け要素の共晶温度より低い第1の温度に加熱し、その後、少なくとも前記ろう付け要素を前記ろう付け要素の前記共晶温度より高い第2の温度に加熱することを含む、請求項15から17に記載の方法。
- 前記ろう付け要素が、8から10原子パーセントの炭素の範囲の炭素を含み、残りの前記ろう付け要素がニッケルである、請求項15に記載の方法。
- 前記ろう付け要素が、1から80原子パーセントの炭素の範囲の炭素を含み、残りの前記ろう付け要素がニッケルである、請求項15に記載の方法。
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