JP4664284B2 - シリコン部品を接合するためのプラズマ溶射 - Google Patents

Description

本発明は、概して、プラズマ溶射に関し、特に半導体製造装置で使用するシリコン部品の接合に関する。

半導体集積回路および類似のマイクロ構造体アレイを製造する際には、バッチ基板処理が引き続き使用されている。バッチ処理の場合には、処理チャンバ内のウェハ支持固定具上に多くのシリコン・ウェハまたは他のタイプの基板が一緒に置かれ、同時に処理される。現在、大部分のバッチ処理は、例えば、酸化物または窒化物の平らな層の堆積、または前に堆積した層または現在の層内に注入したドーパントをアニールする際の長時間の高温への加熱を含む。元来は水平方向に配置したウェハ・ボートを使用していたが、現在ではほとんどの場合垂直に配置されたウェハ・タワーが、上下に積み重ねた多くのウェハを支持するための支持固定具として使用されている。

過去においては、タワーおよびボートは、ほとんどの場合、クォーツで作られたか、場合によっては高温用の炭化ケイ素で作られた。しかし、クォーツおよび炭化ケイ素は、多くの高度のプロセスには満足できないものであることが分かっている。高度の集積回路の歩留まりを許容できるものにするには、処理環境内の粒子および金属汚染物を非常に低いレベルにしなければならない。多くの場合、クォーツ・タワーは、数回のサイクルの後で過度の粒子を発生し、再調整しなければならないか、廃棄しなければならない。さらに、多くのプロセスは、１０００℃またはさらには１２５０℃以上の高温処理を必要とする。このような高温では、クォーツは撓むが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）は遥かに高い温度になってもその強度を維持する。しかし、両方の材料の場合、高温は、クォーツまたは炭化ケイ素から半導体シリコン内への不純物の拡散を起こす。炭化ケイ素に関連する問題のうちのあるものは、焼結ＳｉＣを化学蒸着（ＣＶＤ）により堆積した薄いＳｉＣの表面コーティングでコーティングすることにより解決してきた。この表面コーティングは、汚染物を下に位置する焼結炭化ケイ素内に密封する。このアプローチは、高価な上にそれ自身の問題を有している。０．１３μｍおよびそれ以下のフィーチャ・サイズを有する集積回路は、多くの場合失敗する。何故なら、シリコン・ウェハ内にスリップ欠陥が発生するからである。スリップは、シリコン・ウェハが、シリコンとは異なる熱膨張をする材料のタワー上に支持されている場合に、初期熱処理の間に発生するものと考えられている。

これらの問題の多くは、参照によりその全文を本明細書に組み込むものとする米国特許第６，４５０，３４６号でＢｏｙｌｅ他が開示しているように、シリコン・タワー、特に未使用のポリシリコンからできているシリコン・タワーを使用することにより解決されてきた。図１に正射投影法により示すシリコン・タワー１０は、その端部のところで２つのシリコン・ベース１４と接合している３つ以上のシリコン脚部１２を含む。各脚部１２は、数度の角度で上方に傾斜していて、その内部の先端２０の近くに形成されている水平支持面１８を有する内側に突出している歯１６を形成するためのスロットを含む。そのうちの１つだけを図示している複数のウェハ２２は、タワー１０の軸に沿って平行に水平方向に、支持面１８上に支持されている。非常な高温で処理が行われるために、脚部１２は４本あることが好ましく、支持面１８は、中心からウェハ半径の０．７０７のところに正方形の形に配置することが好ましい。ボートも大体同じ構造をしているが、両方のベースは、水平方向に配列されたボートを支持するために１つの側面上に形成されている。ウェハは、スロットの底部のところおよび歯の先端のところで垂線から数度の角度で支持されている。

前駆体としてのシラン（ＳｉＨ_４）またはクロロシラン（ＳｉＣｌＨ_３、ＳｉＣｌ_２Ｈ_２、ＳｉＣｌ_３Ｈ、またはＳｉＣｌ_４）による化学蒸着により形成したバルク・シリコンである未使用のポリシリコン（未使用ポリ）から脚部１２を機械加工すると優れた結果が得られる。未使用ポリは、ウェハが切り出されるシリコン・インゴットのチョクラルスキー成長のために使用される多重センチメートル・インゴット内で形成された前駆体材料である。未使用ポリの不純物のレベルは非常に低い。未使用ポリは、ベース１４用の好適な材料であるが、通常、このような大きなサイズでは入手できない。チョクラルスキー・シリコンは、ベース１４用に使用することができる。その不純物のレベルはもっと高いが、それはあまり重要ではない。何故なら、ベース１４はウェハ２２と接触しないからである。

特に未使用ポリからシリコン・タワーまたはボートを製造するには、いくつかの別々のステップが必要であるが、そのうちの１つが機械加工した脚部１２をベース１４と接合するステップである。図２の略図に示すように、脚部１２の端部２６に対応して、脚部１２の端部２６より若干大きな円形でない形に、各ベース１４内に盲ホゾ穴２４が機械加工される。Ｂｏｙｌｅ他は、アルコール等で薄めたスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）の使用を推奨している。ＳＯＧは、接合部へのエリア内の部材の片方または両方に塗布される。部材は組み立てられ、次に、部材間のシーム内のＳＯＧをガラス質に変えるために、６００℃以上の温度でアニールされる。

ＳＯＧは、比較的安価でありかなり純度が高いために、薄い層間誘電体層を形成するために、半導体業界では広く使用されている。ＳＯＧは、集積回路上にケイ酸塩ガラス層を形成するために、半導体製造で広く使用されている化学物質の一般的名称である。供給業者としては、Ａｌｌｉｅｄ Ｓｉｇｎａｌ社、Ｆｉｌｍｔｒｏｎｉｃｓ ｏｆ Ｂｕｔｌｅｒ社、Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ社およびＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ社等がある。ＳＯＧ前駆体は、シリコンおよび酸素の両方および水素およびおそらく他の成分を含む１つまたは複数の化学薬品を含む。このような前駆体の一例としては、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）またはそれを修正したもの、またはシロキサンまたはシルセスキオキサンのようなオルガノシランがある。その使用に際しては、好適には、時々集積回路の場合そうであるように、ＳＯＧはホウ素またはリンを含んでいないことが好ましい。シリコンと酸素を含む化学物質は、アルコール、メチルイソブチルケトン、または揮発性メチルシロキサン混合物のような蒸発可能なキャリア内に溶解する。ＳＯＧ前駆体は、ほぼＳｉＯ_２の組成を有するシリカ・ネットワークを形成するために、特に高温の場合、前駆体が化学的に反応するシリカ架橋剤としての働きをする。

Ｂｏｙｌｅは、２００３年４月２３日出願の米国仮特許出願第６０／４６５，０２１号でＳＯＧ接合方法の改善を開示している。上記出願の全文は参照により本明細書に組み込むものとする。この方法の場合、スラリを形成するために、シリコン粉末が液体ＳＯＧ前駆体に添加される。硬化時間を遅らせるためにテルピネオール・アルコールが添加される。好適には、粉末は、１乃至５０μｍの範囲の粒子サイズを有することが好ましく、未使用ポリシリコンから作ることが好ましい。スラリ状の接着剤は、組立ての前に接合部に塗布され、シリカ／ポリシリコン・マトリックスを形成するために、純粋なＳＯＧ接着剤と同様な方法で硬化する。ポリシリコンの量は、通常８５％以上である。改良したＳＯＧ／ポリシリコン接着剤は、純粋なＳＯＧ接着剤より強力であり、ＳＯＧからのかなり少ない量のシリカを含み、それにより汚染問題を低減すると考えられている。しかし、ある量のシリカが残り、それにより汚染およびＨＦ内で溶解する接合部の傾向が低減するが、完全になくなるわけではない。

接合される２つのシリコン部材は、約５０μｍ（２ミル）の厚さを有するギャップにより分離している。ギャップの厚さは、脚部１２とベース１４との平均分離を表す。そのため、脚部１２の端部２６は、少なくともホゾ穴２４内にスライドにより適合する。複雑な形を形成するために必要な機械加工のため、および支持面と他の部材を正確に整合できるようにするために、組立てた部材にはある程度の遊びが必要であるので、ギャップの厚さをさらに狭くすることは簡単にはできない。液体ＳＯＧ前駆体またはＳＯＧ／シリコン粉末の混合物のコーティングが、オプションとしてのシリコン粉末を含むＳＯＧ前駆体が図４のギャップ３８を満たすように、２つの部材１２、１４が組立てられる前に、係合面の少なくとも一方に塗布される。硬化した後および通常６００℃以上の温度でのガラス化アニールの後で、オプションとしてのシリコン粉末を含むＳＯＧ前駆体は、シリコン原子および酸素原子およびその結合部の三次元ネットワーク内にケイ酸塩ガラスの構造を有し、オプションとしてもっと大量の埋込みシリコン結晶のマトリックスを形成する固体に変化する。

この方法で作ったシリコン・タワーおよびボートは、いくつかの用途で優れた性能を示す。しかし、接着構造および特に接着材が依然として汚染される恐れはある。場合により１３００℃以上になるシリコン・タワーの使用中またはクリーニング中の非常な高温により、汚染が悪化する恐れがある。考えられる１つの汚染源は、接合する部材間の接合部を充填するために使用する比較的大量のＳＯＧである。半導体の製造の際に通常使用するシロキサンＳＯＧは、約４００℃で硬化し、結果として得られるガラスは、通常、高温の塩素に曝されない。しかし、この効果によりガラス質にならなくても、非常な高温が、ＳＯＧ内の少数ではあるが、おそらくかなりの数の汚染物を発生する可能性はある。ＳＯＧ／シリコン混合物は、ＳＯＧの量を低減はするが、根絶するわけではない。

ある種の集積回路製造施設は、フッ化水素酸（ＨＦ）によるタワーの周期的クリーニングを必要とする。しかし、シリカは、ＨＦにより腐蝕する傾向があり、そのためＳＯＧ結合タワーはＨＦクリーニングの後で分解する場合がある。

シリコン・タワーは、揺れを起こさないでウェハを支持するために、通常２５μｍ程度の整合許容誤差で組立てなければならない。部材間の結合を完了する前に、組立てたタワーの部材を整合するために大型の機械的ジグを使用する。ＳＯＧ接着剤は、整合を維持する際に２つの製造上の困難な問題を抱えている。通常、スピン・オンは、１時間以内に室温でその一部が固まるか、または硬化する。アルコール等を含む市販のＳＯＧ前駆体で希釈することにより、硬化時間を幾分長くすることができる。しかし、部材を組立て、ジグで部材を整合するために、約１時間で接合部材にＳＯＧを塗布しなければならない。このような迅速な製造は可能であるが、誤差または予期しない遅延が起こる可能性があり、作業スケジュールに影響を与える可能性も若干ある。さらに、６００℃および通常１２００℃以上の温度でのスピン・オン・グラスの最終硬化中、整合を維持しなければならない。その結果、アラインメント・ジグは、焼鈍炉内でタワーを支持しなければならない。それ故、整合は、後で硬化温度に加熱される冷却した炉の中で行われるか、またはジグおよびその支持している組立てたタワーを、幾分高い温度に維持することができる炉の中に挿入する。この場合も、ジグをその支持しているタワーと一緒に焼鈍炉内に入れることができるが、このようなプロセスは不便であり、処理能力を低下させる。

Ｚｅｈａｖｉ他は、米国特許第６，２８４，９９７号で、シリコン部材を一緒に溶接し、それによりＳＯＧの使用を避けるか、および／またはＳＯＧ／シリコン混合物およびその潜在的欠点を回避する方法を開示している。しかし、Ｚｅｈａｖｉ他は、溶接ステップの前にシリコン部材を少なくとも６００℃に予備加熱し、溶接シームの局所化したエリアをシリコンの融点１４１６℃を超えて加熱することによってだけ、シリコンの溶接中のクラックを避けることができると記述している。この溶接方法は、本質的に汚染がなくクラックのない溶接を行うという点でうまくいくことが分かっている。しかし、６００℃で部材の溶接を行うことは困難であり、過酷なプロセスである。さらに、６００℃の予備加熱は、部材をアラインメント・ジグ内に保持しながら行わなければならない。それ故、この場合も、シリコン溶接はできるが、いくつかの欠点がある。

シーメンス他は、米国特許第５，０７０，２２８号で、少ない数の指定の反応性金属からなる部品を接合するためのプラズマ溶射の使用を開示している。この方法は、複雑な構造には適用するのが難しく、複雑な装置により非反応性環境内で部品の予備加熱を行わなければならない。
米国特許第６，４５０，３４６号 米国仮特許出願第６０／４６５，０２１号 米国特許第６，２８４，９９７号 米国特許第５，０７０，２２８号

２つのシリコン部品、特にシリコン構造部材は、シリコンをプラズマ溶射することにより、またはそうでない場合には、組立てた部品間のシームに数滴の液体シリコンまたはシリコン蒸気を堆積することにより接合することができる。溶射シリコン・コーティングは、２つのシリコン部材を一緒に結合する。

プラズマ溶射は、ガス状のプラズマ内にシリコン粉末を注入し、ガスの流れをシームの方向に向けるステップを含むことができる。
この方法は、リングおよびチューブを含む多くのタイプのシリコン構造の製造に適用することができる。この方法は、複数のウェハを支持するための歯を含むシリコン・ベースとシリコン脚部からなるタワーを製造する際に特に有利である。

斜面は、シームに隣接する１つまたは２つの部材に分割することができる。斜面は、円錐形の面取りの形をしてもよい。
スピン・オン・グラス（ＳＯＧ）またはＳＯＧおよびシリコン粉末の混合物は、ケイ酸塩ガラスを形成するためにアニールした後で、部材間の一次接着剤として使用することができる。その場合、シリコン上に溶射されたものが下に位置するスピン・オン・グラスを密封する。他の一次接着剤も代わりに使用することができる。

第１の部材は、第２の部材内に形成されたホゾ穴内に挿入することができ、それによりシームのところで垂直になっている２つの部材の主要面を通常形成する。ホゾ穴は盲ホゾ穴であってもよい。より好適には、ホゾ穴は第２の部材を通して延びることが好ましく、シリコン層は、第１の部材の軸に沿って間隔を有する位置のところで２つの部材を一緒に結合するために、ホゾ穴の両端部のところに溶射されたプラズマであることが好ましい。

小さなシリコン・タックは、完全な接着層の最終プラズマ溶射の前に、アラインメント・ジグから構造を取り出すことができるように、またはスピン・オン・グラス接着剤をアニールするために、これらの部材を一緒に一時的に接着するために溶射されたプラズマであってもよい。
シリコン内のクラックは、好適にはもっと正規の形状にクラックを機械加工した後で、クラック内にシリコンをプラズマ溶射することにより修理することができる。

２つの並置しているシリコン部品を分離しているシームを横切るプラズマ溶射シリコンは、上記シリコン部品が、接着中シリコンの融点よりかなり低い温度に保持されている場合でも、両方の部品に強力に結合しているシリコン層を形成することが証明されている。溶射されたシリコン・コーティングは、例えば、スピン・オン・グラス（ＳＯＧ）またはＳＯＧ／シリコン混合物の下に位置する接着剤を密封するために使用することができ、または溶射したシリコン・コーティングは、上記部品間の主結合として使用することができる。別の方法としては、接合部のもっと小さなエリア上に溶射されたシリコン層は、２つの部品を一時的に一緒に保持するためのタックまたはスポット溶接に類似のタックとして使用することができる。

本発明は、他のシリコン部品および構造にも適用することができるが、下記の説明は、シリコン・ウェハ・タワーの例を使用する。シリコン・ボートの部品を接合するプロセスは、非常によく似ている。このような構造は、構造体用の主要な機械的支持を行うシリコンの大きな部品からなるシリコン構造部材から形成される。組立てる前および接合する前は、シリコン部材は自立形の部材である。図３の断面図に示すように、通常円形でない盲ホゾ穴３０は、シリコン・ベース３２内へ機械加工した部品である。しかし、面取り３４は、穴３０の頂部のところでベース３２内に機械加工される。好適には、面取り３４は、ベース３２の頂面に対して、２０度乃至６０度の範囲のある角度を有していることが好ましいが、４５度が満足すべき折り合う角度である。シームに隣接する２つの部材を解放するための面取りの円錐斜面の代わりに、他の形の斜面も使用することができるが、直線的面取りで通常十分である。タワーの両方のベース内のすべてのホゾ穴のために同じ構造が形成される。

次に、図４の断面図に示すように、脚部３６の各端部を各ホゾ穴３０に挿入することによりタワーが組立てられる。容易に挿入できるように、また整合のために多少の遊びのためのギャップ３８を形成するために、脚部３６の端部はホゾ穴３０より若干小さい。通常約５０乃至１００μｍであるギャップ３８は、脚部３６とともに正確な縮尺になっていない。脚部３６およびベース３２を整合すると、その形は整合に合わせて歪む。図では、脚部３６がホゾ穴３０の底部をほぼ占有しているが、必要に応じて、もっと大きな空間を残すことができる。

一実施形態の場合には、液体ＳＯＧ前駆体またはＳＯＧおよびシリコン粉末のスラリが、組立ての前に、図５の断面図に示すように、組立てた部品間に接着剤領域４０を形成するために、接合する部品の一方または両方に塗布される。組立てた後で、アラインメント・ジグが、ウェハ支持タワーにとって必要な約２５乃至５０μｍの許容範囲にタワーを整合する。タワーが整合した後で、最高約１３００℃の温度で接着剤領域４０内のＳＯＧを硬化するために、タワーおよびジグが焼鈍炉内に入れられる。プラズマ溶射されたシリコンにより正しく接着剤が密封された場合には、他の接着剤および硬化プロセスを代わりに使用することができる。別の方法としては、冷却した炉内でタワーをジグに整合させ、その後で、炉の温度を必要な焼なまし温度に上げることができる。

接着剤の硬化の後で、結合した硬化タワーは、炉およびジグから取り出される。接合部から遠い脚部３６およびベース３２の一部は、例えばモリブデン・フォイルのようなものでマスクされる。次に、図６の平面図に示すように、シリコンの比較的厚い層４４を堆積するために、シリコンの低温プラズマ溶射が行われる。このシリコン層４４により、面取り３４が充填され、ベース３２の平らな主要面および脚部３６の円筒状で通常は円形でない主要面と接触する。これら２つの主要面は互いに直交している。好適には、シリコン層４４の厚さは、少なくとも１／３２インチ（０．８ｍｍ）であることが好ましいが、ある状況の下ではもっと薄い層も使用することができる。必要に応じて、図７の断面図に示すように、面取り３４上にほとんど突き出ていない平滑な形のカラー４６を形成するように、シリコン層４４を仕上げ研磨することができる。

シリコン層４４または低いカラー４６は２つの目的を果たす。シリコン層４４または低いカラー４６は、接合部へさらなる機械的強度を与え、またシリコンの下の接着剤４０を密封する。本発明にとって本質的なものではないが、面取りまたは斜面３４は、機械的強度を増大し、最後の面から接着剤を押し込む際に役に立つ。

本発明の第２の実施形態の場合には、接着剤は、接合するエリアに塗布され、タワーが組立てられ、ジグで固定される。しかし、タワーがジグで依然として整合している状態で接着剤をアニールする前に、図８の断面図に示すように、シリコンの小さなタック４８が、面取り３４の小さな角度の部分にプラズマ溶射される。タック４８は、２つを一緒に一時的に結合するために、ベース３２と脚部３６との間に小さなエリアの接点を形成する際に、タックまたは点溶接に類似の動作を行う。プラズマ溶射したタックは、同様に、各脚部３６の各端部をその各ベース３２に接合する。タック４８は、タワーにショックを与えないように注意すれば、ジグから取り出した後でも、タワーを整合状態に維持するのに十分な機械的強度を供給する。ジグから外したが接合しているタワーは、接着剤をアニールするために焼鈍炉内に入れられる。次に、タワーは炉から取り出され、その接合部がマスクされ、面取り３４を完全に充填するために、図９の断面図に示すシリコン層４４がプラズマ溶射される。この実施形態の場合には、焼鈍炉内でタワーをジグで固定する必要がない。

第３の実施形態の場合には、接着剤は使用しないが、溶射されたシリコン層が接合部に対する主要な結合を行う。必要に応じて、アラインメント・ジグの構造でタックをプラズマ溶射することができ、ジグから取り出した構造で最後のプラズマ溶射が行われる。盲ホゾ穴により、シリコン層４４が脚部３６の比較的狭い軸方向の延長部だけに溶射される。その結果、接合部の機械的強度が低下する。これだけではウェハ・タワーに対して不十分な場合もあるが、遥かに低い衝撃しか受けない他のシリコン構造の場合には、狭い接着エリアでも十分な強度とすることができる。

プラズマ溶射は、接着剤を使用しない接合部を強力なものにするために貫通ホゾ穴と一緒に使用することができる。図１０の断面図に示すように、貫通ホゾ穴５０がシリコン・ベース３２を貫通して設けられている。上部および下部面取り５２、５４は、ホゾ穴５０の対向端部のところでベース内に機械加工される。図１１に示すように、シリコン脚部３６は、脚部３６とベース５０との間にギャップ５６を残してホゾ穴５０を通して挿入される。脚部３６の軸方向の面５８の軸方向の位置は、ベース５０の平らな底面６０近くに位置していなければならないが、それより幾分高い場所または低い場所に位置することもできる。上であれ、下であれ、最後の位置は最終整合により異なる場合がある。図１２に示すように、上の面取り５２を充填し、ベース３２を脚部３６の側面に結合するために、シリコン・カラー６４をベース３２の一方の側面上にプラズマ溶射することができる。下部面取り５４、およびベース３２の底面６０の平らな部分を充填する目的で、脚部３６の軸方向の面５８および側部をカバーするために、ベースの他の側面上にシリコン・キャップ６６をプラズマ溶射することができる。

２つのプラズマ溶射した層６４、６６は、ホゾ穴５０の対向端部のところで脚部３６の一部を結合し、それにより接着剤を全然使用しなくても強力な接合部を形成する。しかし、必要に応じて、ギャップ５６を充填するために組立ての前に上記部品に接着剤を塗布することができる。真空チャンバ内で構造を使用する場合には、場合によっては多孔性の場合もあるプラズマ溶射したシリコンを通して、事実上の漏洩を防止するために追加の接着が特に役に立つ。

必要に応じて、図１３に示すように、表面を平滑にするためにさらに機械加工が行われる。面取り５２上にほとんど突出しないように、ある形のカラー８２を形成するためにカラー６４を研磨することができる。底部カラー８０を形成するために、シリコン・キャップ６６およびおそらく脚部３６の端部を平滑に研磨することができる。図１２の底部脚部面５８が、底部ベース面６０の背面に凹状にへこんでいる場合には、研磨した後でシリコン・キャップ６６の一部が、底部カラー８０の中央を横切って延びる。平滑な支持面を形成するためには、下のベース上の底面が平滑であることと特に望ましい。

一時的なシリコン・タックは、アラインメント・ジグからタワーを速く取り出すことができるようにするために、貫通ホゾ穴５０の一方の端部上にプラズマ溶射することができる。各ホゾ穴５０に対しては、タックは１つだけでよい。

すでに説明したように、本発明は、ウェハ支持タワー以外のシリコン構造にも適用することができる。この適用は、大型のシリコン・リングを形成する際に特に有利である。このようなリングの一例が、図１４の断面図に示すシャドー・リング９０である。シャドー・リング９０は、その縁部がウェハを支持している台にスパッタ結合するのを防止するために、また台がコーティングされるのを防止するために、シリコン・ウェハの周囲に配置される。シャドー・リングは、ウェハの周囲からほとんど突出しない棚の部分９２を含む幾分複雑な環状をしている。第１の下向きの突起９４は、台上でシャドー・リング９０を支持する。第２の下向きの突起９６は、バッフルとしての働きをするし、またウェハの移送中シャドー・リング９０を台に触れないように支持する働きもする。３００ｍｍのウェハ上にスパッタするために、シャドー・リング９０は、最大４５０ｍｍの直径を有することができる。汚染が少なく、接触する恐れがあるシリコン・ウェハと熱膨張率が同じであるために、シリコンは、シャドー・リング９０にとって好適な材料である。一体型シャドー・リングを形成するために、シリコンの大きなブランクを入手することができるが、このようなブランクは非常に高値であり、一枚のブランクから中央アパーチャを機械加工する場合には、大量のシリコンが無駄になる。

本発明を使用すれば、円形内で一緒に結合している多数の遥かに小さいシリコン・セグメントから大きなシリコン・リングを容易に製造することができる。図１５は、１回面取りしたセグメント１００の正射投影図である。このセグメントは、一般に、頂面１０２および図示していない平行な底面、内面１０４および図示していない平行な底面、およびこれに垂直な内面１０４および図示していない背面を有する長方形の部材である。しかし、この部材は、リングの半径に対して相互にズレている第１の平らな端面１０６および第２の平らな端面１０８を有し、そのうちの少なくとも一方は前面１０４に垂直でない。角度のズレの大きさは、リングを形成するために使用するこのようなセグメント１００の数Ｎにより異なる。一般に、ズレは３６０度／Ｎである。さらに、第１の上部面取り１１０が、第１の端面１０６と頂面１０２との間で機械加工され、もう１つの図示していない第１の底部面取りが、第１の端面１０６と底面との間で機械加工される。同様に、第２の上部面取り１１２およびもう１つの図示していない第２の底部面取りが、第２の端面１０８に隣接するセグメント１００の他の軸方向の端部のところで切断される。

図１６に示す２回面取りしたセグメント１１４は、さらに、それぞれ第１の端面１０６および内面１０４および外面の間で機械加工された第１の内部面取り１１６、および対応する外部面取りを有する。同様に、第２の内部面取り１１８および対応する外部面取りが、それぞれ第２の端面１０８および前面１０４および背面の間で機械加工される。セグメント１１４を後で円形にする場合には、外部面取りは使用しなくてもよい。何故なら円形にするための機械加工中、外部面取りが研磨により除去される可能性があるからである。

１回面取りしたセグメント１００を使用したリングの製造について説明するが、２回面取りしたセグメント１０２の場合にもほぼ同じプロセスを使用することができる。図１７の平面図および図１８の半径方向に外側を向いている立面図に示すように、図には２つのセグメント１００ａ、１００ｂしか示していないＮ個のセグメント１０２は、一方のセグメント１００ｂの第１の端面１０６が隣接するセグメント１００ａの第２の端面１０８と端接している状態で、閉じた円を形成するためにジグ内に配置され整合している。リングは任意の複数の整数のセグメントから形成することができるが、少なくとも４つ、より好適には、少なくとも６つのセグメントを使用すれば、シリコンの無駄になる量を少なくすることができる。上部面取り１１０、１１２は、リングの一方の面上にＶ字形の凹部を形成し、下部面取り１２０、１２２は、リングの他方の面上にもう１つのＶ字形の凹部を形成する。

図１９の平面図および図２０の半径方向に外側を向いている図に示すように、頂部シリコン層１２４が、頂部面取り１１０、１１２を充填し、頂面１０２の平らな部分と接触するように、２つのセグメント１００ａ、１００ｂ間の接合部のところでリングの頂部上にプラズマ溶射される。同様に、底部シリコン層１２６が、底部面取り１２０、１２２を充填し、底面の平らな部分と接触するように、リングの底部上にプラズマ溶射される。これにより、２つのシリコン層１２４、１２６が、２つのセグメント１００ａ、１００ｂに結合され、これらのセグメントを一緒に永久に固定する。同様に、中央軸の周囲に配置されていて、その軸に沿って延びるアパーチャを有する図２１の平面図に示す多角形のリング１２８を形成するために、他のＮ−１接合部のところにシリコン層がプラズマ溶射される。シリコン層１２４、１２６は、リングの頂面および底面を平らにするために研磨することができる。しかし、この平滑プロセスを、リングを円形にし、図１４のシャドー・リング９０のような所望の断面にするために必要な機械加工と一緒に行うことができる。セグメント１００を、所望のリングの湾曲と等しい湾曲を有するアークのようなシリコン・ブランクから切り出せば、円形化プロセス手順およびシリコンの無駄を最小限度に少なくすることができる。

必要に応じて、接着剤を、組立ての前に端面１０８、１０６間に塗布し、最終シリコン・プラズマ溶射の前に硬化することができる。真空チャンバ内でリング９０を使用する場合には、接着剤は、シリコン層１２４、１２６Ａ間に位置しているが、内側面および外側面上に露出している小さな接合部の隙間からの事実上の漏洩を低減する。

急速熱処理（ＲＴＰ）中、ウェハを支持しているクランプ・リング、プラズマ・リング、スリップ・リングのような他のタイプのシリコン・リング、および台の縁部を同様な方法で形成することができる。

たる形ステーブを使用して、炉および反応装置のライナーおよび反応装置の真空チャンバの壁部のような大型の管状本体を形成するために類似の技術を使用することができる。Ｂｏｙｌｅ他は、上記特許内にステーブ技術を開示しているが、ＳＯＧ接着剤を一次接着剤として使用している。図２２の軸方向の断面図に示すステーブ１３０は、図の面に垂直なかなりの距離を延びる全体的に先端を切ったウェッジの形に機械加工される。ステーブ１３０は、内面１３２および平行な外面１３４を有する。第１および第２の側面１３６、１３８は相互にズレていて、そのうちの少なくとも一方は、内面および外面１３２、１３４に対して垂直ではない。内部面取り１４０、１４２は、内面１３２および各側面１３６、１３８の間で機械加工される。同様に、外部面取り１４４、１４６は、外面１３４と各側面１３６、１３８との間で機械加工される。必要に応じて、整合を容易にするために、舌状体１４３が第１の側面１３６内に機械加工され、対応する溝１４４が第２の側面１３８内に機械加工される。好適には、これらすべてのフィーチャは、最終チューブの長さに対応するステーブ１３０の軸方向の全長に沿って軸方向に延びることが好ましい。ステーブ１３０の面取り１４０、１４２は、図１６の２回面取りしたセグメント１１４の面取り１１６、１１８に対応し、セグメントの面取り１１０、１１２に対するステーブ１３０の需要は遥かに少ない。

２つの側面１３６、１３８間の角度のズレは、閉じたリングを形成するために使用するステーブ１３０の数Ｎにより異なる。ジグは円内にＮ個のステーブ１３０を並べて整合する。このような２つのステーブ１３０ａ、１３０ｂは、舌状体および溝を含んでいないが、図２３の軸方向の断面図および図２４の外側を向いている半径方向の立面図に示してあり、一方のステーブ１３０ｂの第１の側面１３６は、他方のステーブ１３０ａの第２の側面１３８に端接している。図２５の軸方向の断面図および図２６の外側を向いている半径方向の立面図に示すように、内部面取り１４０、１４２を充填している軸方向に延びる内部シリコン層１５０、および外部面取り１４６、１４８を充填している対応する軸方向に延びる外部シリコン層１５２を堆積するためにプラズマ溶射が使用される。タックを使用する場合には、２つのタックを各接合部の対向する軸方向の端部上に配置しなければならない。その軸を含むアパーチャを有する中央軸の周囲に配置されている図２７の軸方向の断面は、結果として得られる多角形のチューブ１５４を示す。内面および外面は円形にすることができ、そうでない場合には、必要に応じて、平滑にすることができる。チューブ１５４を真空壁部として使用する場合には、接着剤をステーブ１３０間に塗布すべきであり、最終プラズマ溶射の前に硬化すべきである。必要に応じて、後で円形にすることができるプラズマ溶射したシリコンの連続している層を形成するために、内面または外面または両方上に、かなりの厚さのシリコンをプラズマ溶射することができる。

本発明は、シリコン構造を製造するために使用できるばかりでなく、複雑な構造にすでに組立てられている場合でも、シリコン部材を修理するために使用することができる。図１のタワー１０は、その製造にかなりの費用を必要とする。特に、脚部１２を機械加工するのにコストがかかる。何故なら、シリコンは延性を有する金属というよりは、脆い耐火材料であり、その機械加工は、各スロットを形成するために、多数の小さなカットを必要とする研磨と表現すれば、その内容をもっとはっきり示すことができる。場合によっては、アニーリング中、反復温度サイクルの後で、タワーまたはボートをウェハを処理するために使用する場合には、図２８の正射投影図に示すクラック１６０が、タワーの一部を形成しているシリコン部材１６２に発生する。このようなクラックはほとんどの場合、ベースに発生するように思われる。通常、クラックは、部材１６２の２つの面１６４、１６６の間の隅から発生するように見える。クラックはこれら２つの面１６４、１６６に沿って短い距離を伝搬してから止まるように見える。その原因ははっきりしないし、いくつかのこのようなクラック１６０が発生した後でも、タワーをうまく使用することができた。しかし、クラックは汚染の原因になる。さらに、連続的に使用した場合、タワーが処理プロセスの最中に破壊するほどにクラックが拡がったり、一緒に接合したりして、高価なウェハの破損を避けることができない事態になる恐れがある。類似の面欠陥としては、平面上の隅のところに形成される小さな浅い欠けがある。

プラズマ溶射を使用することにより、クラック１６０を修理することができ、タワーまたは他の構造を再度使える状態にすることができる。同じ技術をチップの修理に使用することができる。図２９に示すように、好適には、傾斜側面を有することが好ましい、もっと大きいオープン・アスペクト比を有するもっと正確な孔部１６８を形成するために、クラック１６０のエリア内で部材１６２が機械加工される。機械加工には、フライス盤またはドリルを使用することができる。別の方法としては、必要な少しの機械加工を行うためにドレメル工具を手動で操作することができる。図３０の正射投影図に示すように、機械加工した孔部１６８を充填し、孔部１６８の周囲の元の表面上を延びる連続しているシリコン層１７０を形成するために、面１６４、１６６の両方上にシリコンがプラズマ溶射される。必要に応じて、図３１に示すように、２つの部材面１６４、１６６と同一平面上に位置する垂直な面を含む、平坦にしたシリコン層１７２を形成するために、シリコン層１７０を機械加工した孔部１６８の容積に制限するために、両方の面１６４、１６６を平滑に研磨することができる。クラック１６０がシリコン部材の１つの面だけに生じた場合には、処理をその面に制限して、同じ一般的な手順を行うことができる。クラック１６０が組立てた構造の他の部材にあまり近くない場合には、構造を分解しないで修理を行うことができる。さらに、組立てていないシリコン部材がクラックの修理を必要とする場合がある。

図１のシリコン・タワー１０は、現在２つのタイプのシリコンからなる部材を含む。脚部１２は、未使用ポリシリコンからできている。この未使用ポリシリコンの純度は特に高く、それにより、高温処理の間に脚部の歯１６上に支持されているウェハ２２の汚染が低減する。未使用ポリシリコンを機械加工するには、Ｂｏｙｌｅ他が上記特許内に開示している前焼鈍が必要な場合がある。一方、ベース１４は、現在チョクラルスキーまたは鋳造ポリシリコンからできている。何故なら、必要な大きなシリコン・ブランクは、現在未使用ポリシリコンの形で入手できないからである。チョクラルスキー・シリコンは、最大３００ｍｍの直径のインゴットの形で市販されていて、特殊用途に対する使用は、場合によってはもっと大きい。別の方法としては、未使用ポリシリコンのいくつかの比較的狭い長方形のプレートを一緒に結合するために、本発明のプラズマ溶射を使用することができる。その後で、結合したプレートはベースのために所望の形に機械加工される。

種々のタイプのシリコンの任意の組合せを接合するために本発明のプラズマ溶射を使用することができる。例えば、単結晶チョクラルスキー・シリコンまたは鋳造または押出しシリコンのような他のタイプのシリコンを入手することができる。後者は特に薄い平らなシートの形で入手することができる。シリコンのプラズマ溶射の最もよく使用されるタイプは、例えば、プラズマ内に混入され、プラズマ内で液化される１５乃至４５μｍの範囲の直径を有するシリコン粉末を使用する。Ｃｅｒａｃ社が、少なくとも９９．９９９９％の純度（ｓｉｘ ９ｓ ｐｕｒｉｔｙ）を有するシリコン粉末を市販している。ＭＥＭＣ社が、かなり高い純度の未使用ポリシリコン粉末を市販しているが、このような純度は、高温処理の際にウェハ支持エリアから遠い部品にとっては必要ない。本発明は、すべてが非常に純度が高いシリコン結合でシリコン構造を接合する際に特に役に立つが、本発明はこれに限定されず、もっと純度の低いシリコンにも適用することができる。本発明の種々の目的のためには、シリコンは、別段の指示がない限り、１重量％程度の故意のまたは故意でないドーパントまたは他の汚染物および不純物を含むものと見なされる。

本発明で使用する場合、プラズマ溶射という用語は、通常、粉末の形をしている材料を少なくとも液化し、またできれば蒸発するためにプラズマ内に注入するために、プラズマまたは他の高温のアークを使用する。結果として得られる液滴または閉じこめられた材料の蒸気は、プラズマ溶射される作業片の方向に向けられる。材料の流体は、液滴であれ、蒸気であれ、作業片に衝突し、基板表面上で直ちに冷却して固体になり、それにより作業片をコーティングする。通常、粉末は、スプレー・ノズルに隣接するプラズマ内に励起されるアルゴンの流れの中に混入される。プラズマ溶射は、作業片に非常に高温のプラズマ・アークが延び、作業片の材料を溶融させる溶接または切断とは異なる。通常、作業片は、溶接アークのための電極のうちの１つを形成するために研磨される。対照的に、プラズマ溶射は、作業片のバルクが最高２００℃の温度に維持される低温作業として行われる。しかし、作業片が最高５００℃の温度に保持される場合もある。プラズマまたはアーク内に挿入された固体のワイヤを材料のソースとして使用することもできる。しかし、この方法も、依然として、ロッドおよび作業片が共通の溶融物を形成しないという点で、フィラーを使用するアーク溶接とは異なる。通常、材料の流体および凝縮蒸気が酸化するのを防止するために、主スプレー・ジェットは不活性ガスの同軸シュラウド内に封入される。

プラズマ溶射により得ることができる低い作業片温度は、その利点のうちの１つであるが、上記特許内のＺｅｈａｖｉ他の溶接作業は、シリコン作業片を少なくとも６００℃およびさらには８００℃の温度に維持することにより、溶接中のクラックを回避すると開示している。シリコンのプラズマ溶射が、６００℃以上の作業片の温度から得られる場合もある。

２つの部材を結合するシリコン層を堆積するために、他の堆積方法を使用することもできる。しかし、プラズマ溶射は、機械工場の環境内で実行することができる柔軟で簡単に使用できるプロセスである。

タワーの形にシリコン部材を接合するプラズマ溶射は、本発明者の指示により、ニュージャージー州サウス・プレインフィールドのＡ＆Ａ Ｃｏｍｐａｎｙ社により実地に行われた。コロラド州ロングモント所在のＩｏｎｉｃ Ｆｕｓｉｏｎ社も、低温プラズマ溶射を行っている。プラズマ溶射トーチが、ブリティッシュコロンビア州のＮｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｍｅｔｔｅｃｈ社から市販されている。そのノズルは、プラズマ用のアノードおよびカソードの両方を含む。

プラズマ溶射するシリコン作業片の表面は、比較的、酸化物または他の汚染物の少ないものでなければならないが、シリコン上の天然の酸化物は非常に薄いので問題を起こすことはない。好適には、作業片は、前もってクリーニングしておくことが好ましい。ピットおよびクラックの形でシリコン内に作業損傷を生成するために、例えば、高純度のクォーツにより、前もって作業片をビーズ・ブラスト処理を行って、シリコン作業片への溶射したシリコンをよりよく接着することができる。この形の顕微鏡的粗面形成は、堆積したシリコン層の接着を強化する。

低温でプラズマ溶射したシリコンは、視覚的に識別することができる。最初に、溶射したシリコン層およびシリコン基板が区分される場合には、はっきりしたシームが２つのシリコン部分を分離する。高解像度の光学顕微鏡で見ると、プラズマ溶射したシリコンは、オレンジの皮の肌理に似た斑点のある表面を有しているように見える。このような構造は、表面を銅を含んでいてもよいフッ化水素酸、硝酸、および酢酸の混合物であるＳｉｒｔｌで処理することにより強調される。対照的に、チョクラルスキー・ポリシリコンは、ほぼ整合している微結晶の構造を示し、鋳造ポリシリコンは、約３乃至６ｍｍのサイズを有するランダムに配向した微結晶のもっとざらざらした構造を示し、未使用ポリシリコンは、成長種から繁殖する樹状多結晶構造を示し、チョクラルスキー単結晶シリコンは、ミラーのように見える。

それ故、本発明を使用すれば、高い強度を有しているが、不純物のレベルが非常に低い構造を形成するために、シリコン部品、とくに非常に純度の高いシリコン部品を接合することができる。この方法は、通常入手することができる材料を使用し、容易に経済的に実行することができる。

シリコン・ウェハ・タワーの正射投影図である。 タワーの２つの部材の正射投影図であり、その接合方法である。 シリコン・ベース内の面取りした盲ホゾ穴の断面図である。 図３のホゾ穴内に挿入したシリコン脚部を示す断面図である。 ベースに脚部を結合するためにプラズマ溶射されたシリコン層を示す断面図である。 図５に対応する部分断面平面図である。 接合部の周囲を平滑にするシリコン層を示す断面図である。 シリコン脚部とベースとを一時的に接合するシリコン・タックを示す断面図である。 プラズマ溶射されたシリコン層でカバーされているタックを示す断面図である。 シリコン・ベース内の面取りした貫通ホゾ穴を示す断面図である。 ホゾ穴を通して挿入されたシリコン脚部を示す断面図である。 脚部をベースに接着している２つのプラズマ溶射したシリコン層を示す断面図である。 シリコン接合部を平滑にするための最終研磨を示す断面図である。 従来のシャドー・リングの断面図である。 リングを形成するために使用する１回面取りしたシリコン・セグメントの断面図である。 リングを形成するために使用する２回面取りしたシリコン・セグメントの断面図である。 リングを形成するために端接した、図１５の２つのセグメントの平面図である。 図１７に対応する外側へ半径方向に向かう立面図である。 接合部を２つのプラズマ溶射したシリコン層により接着した後の、図１７に対応する平面図である。 接合部を２つのプラズマ溶射したシリコン層により接着した後の、図１８に対応する立面図である。 図１７および図１８の結合したセグメントの結合した多角形円の平面図である。 シリコン・チューブを形成するために使用するシリコン・ステーブの軸方向の端部の平面図である。 リングを形成するために端接している図２２の２つのシリコン・ステーブを示す平面図である。 図２３に対応する外側へ半径方向に向かう立面図である。 ２つの隣接するステーブを接合している２つのプラズマ溶射したシリコン層を示す、図２３に対応する平面図である。 ２つの隣接するステーブを接合している２つのプラズマ溶射したシリコン層を示す、図２４に対応する立面図である。 接着したシリコン・ステーブの多角形リングの軸方向の端部の平面図である。 シリコン部材内のクラックの正射投影図である。 より大きくより正規の形状に機械加工した後の図２８のクラックの正射投影図である。 クラックを充填しているプラズマ溶射したシリコン層の正射投影図である。 平滑に研磨した後の図３０のシリコン層の正射投影図である。

Claims (16)

1. ２つのシリコン部品を接合するための方法であって、前記２つのシリコン部品の表面エリア上にコーティングを形成するために、前記２つのシリコン部品を分離しているシームを横切ってシリコンをプラズマ溶射するステップを含み、
   前記表面エリアは、前記シームと隣接するが前記シームとは分離していることを特徴とする方法。
2. 前記シームに隣接する前記部品の一部が、５００℃以下の温度に保持されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記２つの部品の主表面が、前記シームのところで相互に垂直であり、前記シームから分離した前記表面エリア上にシリコンをプラズマ溶射することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記部品の第１の部品は、前記第１の部品を貫通する孔部を含み、前記部品の第２の部品が孔部内に配置され、前記プラズマ溶射が、前記孔部の対向端部上で前記第１および第２の部品に接触する各シリコン層を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記シリコン部品が、前記シームが前記シリコン部品を分離している状態で、前記溶射ステップ中に並置され、前記プラズマ溶射が、前記シリコン部品両方上にシリコンをコーティングすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記プラズマ溶射の前に、前記２つの部品が並置されるが、一緒に固定されないで、前記プラズマ溶射後に、前記コーティングが前記部品を一緒に固定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記シーム内に接着剤を注入することにより、前記２つのシリコン部品を接合する先行するステップを含み、
   プラズマ溶射シリコンをコーティングすることにより、前記シーム内部に注入された前記接着剤を密封することを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. シリコン構造であって、
   第１のシリコン部品と、
   シームに沿って前記第１のシリコン部品に隣接して配置されている第２のシリコン部品と、
   前記第１および第２のシリコン部品の両方に接着していて、前記シーム上に位置して前記シームを架橋し、前記第１および第２のシリコン部品の表面エリア上をコーティングするプラズマ溶射されたシリコン層と、を備え、
   コーティングされた前記表面エリアは前記シームとは分離していることを特徴とするシリコン構造。
9. 前記第１および第２のシリコン部品の主表面が、前記シームのところで相互に垂直に延びる請求項８に記載のシリコン構造。
10. 前記シームのエリア内で、前記シーム内に注入され、前記第１および第２のシリコン部品を一緒に結合する接着剤をさらに含み、プラズマ溶射シリコンにより前記シーム内部の前記接着剤を密封することを特徴とする請求項８に記載のシリコン構造。
11. 複数のシリコン・セグメントからなる環状シリコン構造であって、
    前記第１および第２のシリコン部品は、隣接する前記セグメントの各端部において環状に配置され、
    前記隣接する複数のセグメントの各々は、前記プラズマ溶接されたシリコン層により架橋され、結合されることを特徴とする請求項８に記載のシリコン構造。
12. 前記セグメントの前記隣接するセグメントの端面間に塗布され、前記シリコン層をカバーしている接着剤をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の構造。
13. シリコン基板支持固定具であって、
    それぞれの内部にホゾ穴が形成された第１および第２のシリコン・ベースと、
    未使用ポリシリコンからなり、複数の基板を平行に支持するための歯状カットを有し、前記ベースの前記ホゾ穴内に挿入される複数の脚部と、
    前記脚部が前記ホゾ穴内に挿入されたことにより、前記ベースと前記脚部との間に形成されるシームと、
    前記ベースに前記脚部を接合するために、前記シームから離れたところで前記脚部と前記ベースとの一部分をコーティングし、前記シームを横切って前記ベースと脚部とを結合するプラズマ溶射されたシリコン層と、を備えることを特徴とする固定具。
14. 前記シームエリア内で、前記シーム内に注入され、前記ベースおよび脚部を一緒に結合する接着剤をさらに含み、プラズマ溶射シリコンにより前記シーム内部の前記接着剤を密封することを特徴とする請求項１３に記載の固定具。
15. シリコン基板支持固定具の部品を接合するための方法であって、
    前記シリコン基板支持固定具は、（ａ）それぞれの内部にホゾ穴が形成された第１および第２のシリコン・ベースと、（ｂ）シリコンからなり、複数の基板を平行に支持するための歯状カットを有し、前記ベースの前記ホゾ穴内に挿入される複数の脚部と、（ｃ）前記脚部が前記ホゾ穴内に挿入されたことにより、前記ベースと前記脚部との間に形成されるシームと、を備え、
    前記方法が、前記シームに隣接するが前記シームとは分離しているところで前記脚部の表面と前記ベースの表面とを前記シームを横切って結合しているシリコン層を形成するために、前記シームを横切ってシリコンをプラズマ溶射するステップを含むことを特徴とする方法。
16. ２つのシリコン部品を接合するための方法であって、
    前記シリコン部品を分離しているシームを形成するように、前記２つのシリコン部品を並置するステップと、
    前記シームに隣接するが前記シームとは分離している前記並置したシリコン部品のエリア上に、前記シームを横切ってシリコン層をプラズマ溶射し、それにより、前記シリコン層が前記２つのシリコン部品を一緒に固定するステップと、を含むことを特徴とする方法。

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