JP7418327B2 - 高温耐性ニッケル合金接合部を備えた半導体処理装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

＜関連出願の相互参照＞
本出願は、本引用によって全体の内容が本明細書中に組み込まれる２０１７年１１月２９日出願のエリオットらへの米国仮特許出願第６２／５９２，３４８号の優先権を主張するものである。

本発明は、物体を一緒に接合する方法、より詳細には、セラミック物体を接合するためのろう付け方法に関する。

半導体処理及び類似の製造プロセスは、典型的には、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、物理気相蒸着（ＰＶＤ）、気相成長（ＶＰＥ）、反応性イオンエッジング、または他の処理方法のような薄膜蒸着技術を採用する。ＣＶＤ処理では、他の製造技術同様、シリコンウエハのような基板が、ヒータまたは静電チャックのような半導体処理装置を使用するプロセスチャンバ内に固定され、プロセスの特定処理条件の作用に曝される。ヒータまたは静電チャックは、実質的には、基板を固定することに加えて、場合によっては基板を加熱するのに使用することもできるペデスタルである。堆積した化学物質を搬送するために使用されるシャワーヘッドのようなチャンバ―内の他の装置もまた、このようなプロセスで使用される。

半導体処理装置は高い作動温度及び腐食性プロセスガスに曝されるので、良好な温度制御のために優れた熱伝導性が求められるため、従来技術のヒータは、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックまたはＰＢＮ、二酸化ケイ素（石英）、グラファイトや、アルミニウム合金、ニッケル合金、ステンレス鋼、インコネルなどの種々の金属のような非常に限定された材料から製造されてきた。現在は、半導体処理、またはチャンバをクリーニングするために典型的に使用される反応性プロセスガスは、メタル合金で作製されたヒータと一般的に反応すると考えられている。これらの反応は、腐食性副生成物を生成し、所望のプロセス結果に対して有害となる場合のある他の結果をもたらすと考えられている。セラミック材料は、典型的なプロセスガスとの反応、及び反応副生成物からの腐食に対してかなりの耐性を有することができる。しかしながら、セラミック材料は固有の材料特性のため製造方法が限定され、高額な製造コストを有する。

セラミックシャフト及びセラミックプレートを有するヒータや静電チャックのようなセラミックを使用する半導体処理装置の製造は、現在、サブコンポーネントを部分密度まで高温プレスする工程と、次いで、完全密度が得られるまで組立体全体を再び高温プレスする工程と、を伴う。このタイプの製造では、大きく複雑なセラミックピースの高温プレス／焼結する工程が、大きな物理的スペースを必要とし、かつ多数の連続焼結工程が必要である。既に完全密度までプレスされている２つまたは３つ以上のピースから製造する場合、少なくとも２つの欠点がある。第１に、主要構成要素の最初の焼結の後、これら構成要素は、典型的には液相焼結プロセスを使用して、主要構成要素（例えば、窒化アルミニウムの場合）を接合させるが、この工程が、高熱、高い圧縮力、及び高温と高い圧縮力との両方を提供する能力のあるプロセスオーブンにおいてかなりの時間を必要とする。例えば、セラミックヒータを作製するプロセスにおいて行われる、このプレートへの焼結中にシャフトに加えられる高い圧縮力は、これらの圧縮力を支持するために、環状シャフト壁が完成品で望まれる断面厚よりも厚い厚さを有する必要がしばしばある。次いで、シャフトは、シャフト下方の熱流を最小限に保つように所望のより小さい最終厚まで機械加工される必要がある。第２に、使用される高温は、高い接触圧力と同様、セラミックセクション間の構成要素配置の均一性の欠如をもたらす。例えば、高周波アンテナは多少動くか、そうでなければ変形するまたは異なる厚さを有することがあり、これはアンテナが後段のプロセスのサポートに使用されるとき、半導体ウエハの不均一な処理をもたらす場合がある。

米国特許第８，７８９，７４３号明細書は、他の従来のプロセスの上述の欠点を解決するセラミック材料の接合方法を開示している。この方法は、良好且つ完全ぬれ状態と拡散なしの密封接合とをもたらすことができる温度で高純度のアルミニウムろう付け材料を使用する工程を含む。しかしながら、これらの接合の欠点は、これらの接合を使用して作製された装置が、アルミニウムろう付け材料の固相線温度を超える温度での使用に適さない場合があることである。

米国特許第８，７８９，７４３号明細書

密封シールを提供するセラミックピースを接合する接合方法であり、例えば摂氏７００度を超える、より高い温度で実行されるプロセスに対する次の曝露に耐えることができるセラミックピースを接合することのできる接合方法である。

本発明のいくつかの実施形態による半導体処理に使用されるプレート及びシャフト装置の側面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるプレート用の高温プレスオーブンの概略図である。 本発明のいくつかの実施形態による複数プレート用の高温プレスオーブンの概略図である。 本発明のいくつかの実施形態によるプレート及びシャフト装置用の高温プレスオーブンの概略図である。 本発明のいくつかの実施形態によるプレートとシャフト間の接合部の断面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるプレートとシャフトの間の接合部の断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による絶縁体を備えたシャフト端部の斜視図である。 本発明のいくつかの実施形態による半導体の製造に使用されるプレート及びシャフト装置の部分断面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるシャフトとプレート間の接合部の部分断面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるプレート及びシャフト装置の側面図である。 本発明のいくつかの実施形態の形態を示すニッケルアルミニウム合金の相図である。 本発明のいくつかの実施形態の形態を示すニッケルチタニウム合金の相図である。 本発明のいくつかの実施形態による静電チャックの断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による多層プレート組立体の断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による化学蒸着シャワーヘッドの断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による化学蒸着シャワーヘッドの断面図である。 本発明のいくつかの実施形態の形態を示すＮｉ－Ｓｉ合金の相図である。 本発明のいくつかの実施形態の形態を示すＮｉ－Ｃｒ合金の相図である。 本発明のいくつかの実施形態による多層プレート組立体の断面図である。

半導体処理装置を形成するために密封的にシールされた接合部を用いてセラミックピースを接合する方法を提供することができる。セラミックピースは、随意的に窒化アルミニウムまたは他のセラミックであるのがよく、これらピースは、制御された雰囲気下でニッケル及び１つまたは２つ以上の合金要素と随意的に接合されるのがよい。完成された接合部は、随意的に、完全にまたは実質的にニッケルとなることができる。本明細書中で用いるとおり、密封性は、随意的に１秒あたり１×１０－９ｓｃｃｍ未満のＨｅの真空漏れ速度（＜１×１０Ｅ－９ ｓｃｃｍ Ｈｅ／ｓｅｃ）を備えると定義することができる。

接合材料は、基板処理中のプロセスチャンバ内部の環境及びヒータまたは静電チャックの内側内部に生じる場合がある酸化雰囲気の両方に耐えることができる。セラミックを備える半導体処理装置は、ニッケル合金と接合され、高温と同様、フッ素化学反応のようなプロセス化学反応に耐えるように構成されている。

第１インターフェース領域を有する第１のセラミックピースと第２インターフェース領域を有する第２のセラミックピースとを接合する方法を提供することができ、第１のセラミックピースの第１インターフェース面と第２のセラミックピースの第２インターフェース領域との間の接合インターフェース領域にろう付け要素を配置して接合予備組立体を生成する工程を含むことができる。ろう付け要素は、ニッケル及び合金要素を含むことができる。合金要素は、随意的にアルミニウムとすることができる。合金要素は、随意的にチタニウムとすることができる。合金要素は、随意的にケイ素とすることができる。合金要素は、随意的にクロムとすることができる。接合予備組立体は、プロセスチャンバ内に配置することができる。プロセスチャンバから酸素を随意的に除去することができる。接合予備組立体は、適当な接合温度に、例えば、第１のセラミックピースが第２のセラミックピースに密封的に接合するように合金要素の固相線温度にまたはこの温度を超えて加熱される。

合金要素がアルミニウムの場合、ニッケルアルミニウム化合物の範囲は、随意的に９５～９７重量％ニッケルであるのがよい。合金要素がアルミニウムの場合、ニッケルアルミニウム化合物の範囲は、随意的に９３～９８．５重量％ニッケルでもよい。合金要素がアルミニウムの場合、ニッケルアルミニウム化合物の範囲は、随意的に９１～１００重量％ニッケルであればよい。合金要素がチタニウムの場合、ニッケルチタニウム化合物の範囲は、随意的に９６～９８重量％ニッケルであるのがよい。合金要素がチタニウムの場合、ニッケルチタニウム化合物の範囲は、随意的に９０～９９重量％ニッケルでもよい。合金要素がチタニウムの場合、ニッケルチタニウム化合物の範囲は、随意的に８５～１００重量％ニッケルであればよい。合金要素がケイ素の場合、ニッケルケイ素化合物の範囲は、随意的に９２～９６重量％ニッケルであるのがよい。合金要素がケイ素の場合、ニッケルケイ素化合物の範囲は、随意的に９１～９９重量％ニッケルでもよい。合金要素がケイ素の場合、ニッケルケイ素化合物の範囲は、随意的に９０～１００重量％ニッケルであればよい。合金要素がクロムの場合、ニッケルクロム化合物の範囲は、随意的に６０～８０重量％ニッケルであるのがよい。合金要素がクロムの場合、ニッケルクロム化合物の範囲は、随意的に５０～９０重量％ニッケルでもよい。合金要素がクロムの場合、ニッケルクロム化合物の範囲は、随意的に３０～９９重量％ニッケルであればよい。

第１接合温度は、随意的にろう付け要素の液相線温度である、またはこの温度を超えることができる。第１のセラミックピース及び第２のセラミックピースの片方または両方は、それぞれ随意的に窒化アルミニウムを備えることができる。第１のセラミックピース及び第２のセラミックピースの片方または両方は、それぞれ随意的に窒化アルミニウムを備えることができる。第１のセラミックピース及び第２のセラミックピースの片方または両方が、それぞれ随意的に窒化ケイ素を備えてもよい。第１のセラミックピース及び第２のセラミックピースの片方または両方が、それぞれ随意的に炭化ケイ素を備えてもよい。第１のセラミックピース及び第２のセラミックピースの片方または両方が、それぞれ随意的に酸化ベリリウムを備えてもよい。第１のセラミックピースが随意的に窒化アルミニウムであり、第２のセラミックピースが随意的にジルコニア、アルミナ、又は別のセラミックでもよい。合金要素は随意的に、例えば、１．５～７重量％アルミニウムの範囲のアルミニウムとすることができる。合金要素は随意的に、例えば、１～１０重量％チタニウムの範囲のチタニウムでもよい。合金要素は随意的に、例えば１～９重量％ケイ素の範囲のケイ素でもよい。合金要素は随意的に、例えば１．０～１０．０重量％クロムの範囲のクロムでもよい。

半導体処理に使用することのできる多層プレート組立体を提供することができ、セラミックを備え外周部を有する第１プレート層と、セラミックを備え外周部を有する第２プレート層と、第１プレート層及び第２プレート層の外周部の間の第１プレート層と第２プレート層との間に配置され、第１プレート層と第２プレート層との間に接合部を形成するための環状ろう付け層と、を有することができる。ろう付け層は、ニッケルと合金要素とを含むことができる。合金要素は随意的に、アルミニウムとすることができる。合金要素は随意的に、チタニウムとすることができる。合金要素は随意的に、ケイ素とすることができる。合金要素は随意的に、クロムとすることができる。ろう付け層は、第１プレート層と第２プレート層との間に内側スペースを提供することができる。ろう付け層は、内側スペースを接合部の外側の領域から密封的にシールする。

合金要素がアルミニウムの場合、ニッケルアルミニウム化合物の範囲は、随意的に９５～９７重量％ニッケルの範囲とすることができる。合金要素がアルミニウムの場合、ニッケルアルミニウム化合物の範囲は、随意的に９３～９８．５重量％ニッケルの範囲でもよい。合金要素がアルミニウムの場合、ニッケルアルミニウム化合物の範囲は、随意的に９１～１００重量％ニッケルの範囲であればよい。合金要素がチタニウムの場合、ニッケルアルミニウム化合物の範囲は、随意的に９６～９８重量％ニッケルの範囲とすることができる。合金要素がチタニウムの場合、ニッケルアルミニウム化合物の範囲は、随意的に９０～９９重量％ニッケルの範囲でもよい。合金要素がチタニウムの場合、ニッケルアルミニウム化合物の範囲は、随意的に８５～１００重量％ニッケルの範囲であればよい。合金要素がケイ素の場合、ニッケルケイ素化合物の範囲は、随意的に９２～９６重量％ニッケルの範囲とすることができる。合金要素がケイ素の場合、ニッケルケイ素化合物の範囲は、随意的に９１～９９重量％ニッケルの範囲でもよい。合金要素がケイ素の場合、ニッケルケイ素化合物の範囲は、随意的に９０～１００重量％ニッケルの範囲であればよい。合金要素がクロムの場合、ニッケルクロム化合物の範囲は、随意的に６０～８０重量％ニッケルの範囲とすることができる。合金要素がクロムの場合、ニッケルクロム化合物の範囲は、随意的に５０～９０重量％ニッケルの範囲でもよい。合金要素がクロムの場合、ニッケルクロム化合物の範囲は、随意的に３０～９９重量％ニッケルの範囲であればよい。

第１プレート層及び第２プレート層の片方または両方は、随意的に窒化アルミニウムをそれぞれ備えることができる。第１プレート層及び第２プレート層の片方または両方は、随意的に窒化ケイ素をそれぞれ備えてもよい。第１プレート層及び第２プレート層の片方または両方は、随意的に炭化ケイ素をそれぞれ備えてもよい。第１プレート層及び第２プレート層の片方または両方は、随意的に酸化ベリリウムをそれぞれ備えてもよい。合金要素は、随意的に例えば、１．５～７重量％アルミニウムの範囲のアルミニウムとすることができる。合金要素は、随意的に例えば、１～１０重量％チタニウムの範囲のチタニウムとすることができる。合金要素は、随意的に例えば、１～９重量％ケイ素の範囲のケイ素とすることができる。合金要素は、随意的に例えば、１．０～１０．０重量％クロムの範囲のクロムとすることができる。多層プレート組立体は、更に随意的に、第１プレート層と第２プレート層の間に電極を有することができる。電極は、随意的にろう付け層と同じ材料で構成されてもよい。ろう付け層は、随意的に電極の外周部の周りの環状リングとすることができる。

本発明のもう１つの形態では、第１インターフェース領域を有し第１のセラミック材料である第１のセラミック半導体処理装置ピースと、第２インターフェース領域を有し第２のセラミック材料である第２のセラミック半導体処理装置ピースと、から半導体処理装置を製造する方法を提供することができ、この方法は、第１のセラミックピースの第１インターフェース面上及び第２のセラミックピースの第２インターフェース領域上にチタニウムの層を配置する工程と、第１のセラミックピース上のチタニウムの層上及び第２のセラミックピース上のチタニウムの層上にニッケルの層を配置する工程であって、ニッケルは固相線温度を有している工程と、第２のセラミックピースのニッケルの層に対して第１のセラミックピースのニッケルの層をプレスして接合予備組立体を生成する工程と、ニッケルの固相線温度より低い接合温度まで接合予備組立体を加熱する工程と、第１のセラミックピースを第２のセラミックピースに密封的に接合させるように接合予備組立体を冷却する工程と、を含むことができる。

第１のセラミック材料及び第２のセラミック材料は、それぞれ随意的に窒化アルミニウムを備えることができる。第１のセラミックピース及び第２のセラミックピースの各々のチタニウムの層は、随意的に０．０１～０．２ミクロンの厚さを有することができる。第１のセラミックピース及び第２のセラミックピースの各々のチタニウムの層は、随意的に０．０５～１．５ミクロンの厚さを有してもよい。第１のセラミックピース及び第２のセラミックピースの各々のチタニウムの層は、随意的に０．１ミクロンの厚さを有するのがよい。第１のセラミックピース及び第２のセラミックピースの各々のニッケルの層は、随意的に５～１０ミクロンの厚さを有することができる。第１のセラミックピース及び第２のセラミックピースの各々のニッケルの層は、随意的に７．５ミクロンの厚さを有するのがよい。接合温度は、随意的に少なくとも摂氏１１５０度とすることができる。接合温度は、随意的に摂氏１１５０～１３００度でもよい。接合温度は、随意的に摂氏１２００度であるのがよい。

本発明のもう１つの形態では、第１インターフェース領域を有し第１のセラミック材料である第１のセラミック半導体処理装置ピースと、第２インターフェース領域を有し第２のセラミック材料である第２のセラミック半導体処理装置ピースと、から半導体処理装置を製造する方法を提供することができ、この方法は、第１のセラミックピースの第１インターフェース面上及び第２のセラミックピースの第２インターフェース領域上にチタニウムの層を配置する工程と、第１のセラミックピース上のチタニウムの層上及び第２のセラミックピースのチタニウムの層上にニッケルの層を配置する工程と、第１のセラミックピースのニッケルの層の上及び第２のセラミックピースのニッケルの層の上にニッケルリンの層を配置する工程であって、ニッケルは固相線温度を有している工程と、第２のセラミックピースのニッケルリンの層に対して第１のセラミックピースのニッケルリンの層をプレスして接合予備組立体を生成する工程と、接合温度まで接合予備組立体を加熱する工程と、第１のセラミックピースを第２のセラミックピースに密封的に接合させるように接合予備組立体を冷却する工程と、を含むことができる。

第１のセラミック材料及び第２のセラミック材料は、それぞれ随意的に窒化アルミニウムを備えることができる。第１のセラミックピース及び第２のセラミックピースの各々のチタニウムの層は、随意的に０．１ミクロンの厚さを有することができる。第１のセラミックピース及び第２のセラミックピースの各々のニッケルの層は、随意的に１０ミクロンの厚さを有することができる。第１のセラミックピース及び第２のセラミックピースの各々のニッケルリンの層は、随意的に１０００～２０００ミクロンの範囲の厚さを有することができる。接合温度は、随意的に摂氏８８０～９４０度の範囲とすることができる。

本発明の第１の形態に関して、セラミック材料の接合のためのいくつかの従来のプロセスは、材料を接合するために専用オーブン及びオーブン内部の圧縮プレス機を必要とした。例えば、液相焼結を用いて、２ピースが、非常に高い温度及び接触圧力下で一緒に接合されるのがよい。高温液相焼結プロセスは、摂氏１７００度の範囲の温度と２５００ｐｓｉの範囲の接触圧力とを生じさせることができる。

他の従来のプロセスは、セラミックへの接合層及び／または接合層へのセラミックの拡散を活用してもよい。このようなプロセスでは、接合領域のところでの反応は、接合部近傍の領域でセラミックの材料化合物への変化を引き起こす。この反応は、雰囲気中の酸素に応じて拡散反応を促進することができる。前述のプロセスとは異なり、本発明のいくつかの実施形態による接合方法は、液相焼結に依存しない。

セラミックが結合された最終生成物が使用されたいくつかの用途では、接合強度は主要設計要素にならない場合がある。いくつかの用途では、接合部の密封性は、接合部の両側から雰囲気の分離を可能にするために必要とされる。また、接合材料の化合物は、セラミック組立体最終生成物が曝露される可能性のある化学物質に対して耐性があるために重要である。接合材料は化学物質に対して耐性がある必要があり、そうでなければ接合の劣化を引き起こし、密封シールの損失を引き起こす可能性がある。接合材料は、更に、完成したセラミック装置によってサポートされる後段のプロセスに悪影響を及ぼさないタイプの材料である必要がある。

いくつかの用途では、静電チャック（ＥＳＣ）のような接合材料が、プレート層間で接合層として、更にはＲＦ電極としても使用されるのがよい。例えば、ろう付け材料は、電極として、更には電極から電気的に絶縁されているがプレート組立体の周縁部の周りでシーリングリングとして機能する円環状のディスクを形成する。このような用途では、電極の均一性は、そのＲＦ及び電気的特性に関して重要なパラメータである。例えば、接合層が合金の場合、電極層の均一性を崩壊させる電極を形成する最終層内部にほとんどまたは全く化合物を有さないことが重要である。

基板の処理では、ヒータや静電チャックのような多くのプロセスは、基板が半導体処理装置構成要素によってサポートされることを必要とする。また、ＣＶＤシャワーヘッドのような他の構造もこのようなプロセスで使用される。これら構成要素は、真空条件、高温、熱サイクル、腐食性雰囲気で作動するように維持され、または求められ、半導体製造プロセス中のこれらの使用中、または他の方法で損傷する場合がある。いくつかの形態では、これら構成要素は、窒化アルミニウムのようなセラミックで実質的に、または完全に構成されている。このような材料からのこれら構成要素の製造は、高価な材料と集中的な時間及び装置とを必要とし、非常に高価な最終生成物をもたらす。

セラミック材料を使用したヒータ及び静電チャックのような構成要素を製造する従来技術は、（真空の、非活性の、または還元雰囲気のような）特殊化した雰囲気、非常に高い温度、非常に高い接触圧力での処理ステップを必要としてきた。接触圧力は、プレス機を使用して付与され、これらプレスは、真空、高温のような特殊化した雰囲気を提供するプロセスチャンバの内側に作動するように構成されている。これは、特殊化したプレス機及び黒鉛のような耐火材料で作られたプロセスチャンバ内への取付けを必要とする。これら装置の費用及び複雑性は非常に高くなるだろう。加えて、プレスするのに必要な備品が大きいほど、そのようなプロセスオーブン内に入れることのできる構成要素は少なくなる。プレスを備えるプロセスオーブンの処理の所要時間は数日単位で測定されるので、プロセスオーブン／プレス機の製造及び可動の両方に関する大きな経費を考えるとば、構成要素の製造中に非常に高い温度、特殊雰囲気、及び非常に高い接触圧力を提供するこれらプロセスオーブンを使用するステップ数の削減は、大きな節約をもたらす。

図１は、半導体処理に使用されるヒータのような例示のプレートとシャフト装置１００とを示す。プレート及びシャフト装置１００は、随意的に窒化アルミニウムのようなセラミックで構成されることができる。アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素または酸化ベリリウムのような他の材料が、随意的に使用されてもよい。他の形態では、プレートは随意的に窒化アルミニウムであり、シャフトは随意的にジルコニア、アルミナ、または他のセラミックである。ヒータは、プレート１０２を順次支持するシャフト１０１を有する。プレート１０２は、頂面１０３を有する。シャフト１０１は、随意的に中空の円筒体であるのがよい。プレート１０２は随意的に平坦なディスクである。他のサブコンポーネントが随意的に存在してもよい。プレート１０２は随意的に、セラミックプレートを形成するプロセスオーブンを必要とする最初のプロセスで独立して製造されるのがよい。図２は、プレス機１２１を備えるプロセスオーブンを概念的に示す。プレート１２２は、プレス機１２１によってプレスされるように構成された固定具１２３での温度で随意的に圧縮されるのがよい。プレート１２２の形成は、随意的に非常に特殊なプロセスオーブンで実行する必要のある多くのプロセスの１つとなる場合がある。シャフト１０１は、また随意的にプロセスステップで同様に製造されてもよい。シャフト１６３の形成は、随意的に非常に特殊なプロセスオーブンで実行する必要のあるプロセスのもう１つとなる場合がある。例えば、プレート及びシャフトは随意的に、約４重量％のイットリアのような焼結助剤を混合した窒化アルミニウム粉末を型内に加え、次に窒化アルミニウム粉末を典型的には「グリーン」セラミックと称される「個体」状態に圧縮し、その後窒化アルミニウム粉末を固体セラミック本体に高密度化する高温液相焼結プロセスによって随意的に形成されてもよい。高温液相焼結プロセスは、随意的に、摂氏１７００度の範囲の温度及び２５００ｐｓｉの範囲の接触圧力を生じる。そして、本体は、例えばダイアモンド研磨剤を使用する標準的な研磨技術によって、必要な幾何学形状に随意的に形作られる。

シャフトは複数の機能を有することができる。考えられる機能の１つは、加熱プレート内部に随意的に埋め込まれた種々の他のオプションの電極タイプと同様にオプションの加熱要素に電力を流すために真空チャンバの壁を介して真空密の電気的接続を提供することである。考えられる別の機能は、熱電対計のようなモニタリング装置を使用して加熱プレートの温度のモニタリングを可能にし、熱電対計の材料と処理化学物質との間で腐食のような相互作用を避けるために、熱電対計の接合部が、プロセスチャンバ環境の外部に熱電対計を据え付けられることを可能にするだけでなく、迅速な反応のために非真空環境で作動することを可能にすることである。考えられる別の機能は、前述の電気的接続に使用される材料の処理環境からの絶縁を提供することである。電気的接続に使用される材料は、随意的に金属とすることができ、したがって、処理結果に有害であり、電気的接続に使用された金属材料の寿命に不利になる可能性のある方法で、処理環境で使用されたプロセス化学物質と相互作用する場合がある。

オプションの相対的に平坦なプレートの特性を考慮すると、図３に概念的に示されるように、複数のプレート１４２は、プロセスオーブン１４０内に据え付けられたプレス機１４１の軸方向に沿って複数のプレート成形固定具１４３を積み重ねることによって随意的に単一のプロセスで形成されるのがよい。シャフトは、プロセスオーブンのプレス機を使用する同様のプロセスで、例えば、複数のシャフトが同時に並列で作製されるように随意的に形成されるのがよい。

半導体処理で使用されるヒータを製造する従来技術プロセスでは、プレートを形成するステップ及びシャフトを形成するステップの両方が、時折、時間とエネルギーのかなりの投入を必要とする。専用の高温オーブンの費用と、プレートを形成するステップ及びシャフトを形成するステップとが、それぞれ専用プロセスオーブンを数日使用することを必要とすることを考慮すると、時間と金銭の両方の相当な投資が、シャフト及びプレートが完成する時点まで全体プロセスを得るためだけになされてきた。そして、専用プロセスオーブンでの更なるステップが、プレートをシャフトに固定する本プロセスでしばしば必要となる。このステップの例は、プレス機を備える専用の高温プロセスオーブンで液相焼結ステップを使用してシャフトをプレートに接合することである。また、専用プロセスオーブンでのこの第３のステップは、ヒータの組立てられた構成がしばしばシャフトの長さとプレートの直径の両方を含むので、このようなプロセスオーブン内にしばしばかなりのスペースを必要とする。シャフトのみの製造が同様の量の軸方向長さ及びシャフトの直径をとるが、複数のシャフトは単一のプロセスで並列に製造される。

図４に示すとおり、プレートにシャフトを再焼結させる結合プロセスは、随意的に、プレス機１６１を備えたプロセスオーブン１６０を使用する必要がある。一組の固定具１６４、１６５を、プレート１６２及びシャフト１６３を位置決めし、プレス機１６１によって加えられた圧力を伝達するために使用することができる。ヒータが完成すると、随意的に半導体処理で使用されるのがよい。ヒータはしばしば、腐食性ガス、高温度、熱サイクル、ガスプラズマを含む厳しい条件で使用される。

セラミックシャフトをセラミックプレートに接合する別の従来の方法は、プレートへのシャフトのボルト留めを伴う。このようなシステムは、隣接表面がシールの質を向上させるために研磨されている場所でさえ典型的には密封ではない。一定のパージガスの正圧は、プロセスガスの進入を低減させるためにシャフトの内側にしばしば必要とされる。

半導体処理装置を製造するための本発明の改良された方法は、時間消費及び高温及び高い接触圧力での追加の液相焼結の高価なステップなしで、最終接合組立体へ上述してきたシャフト及びプレートの接合を随意的に伴う。シャフト及びプレートは随意的に、セラミックを接合するろう付け手法で接合される。第１及び第２のセラミック体を共に接合するろう付け手法の一例は、随意的に、第１及び第２の物体を共にニッケル合金ろう付け層でろう付けするステップと、ニッケル合金ろう付け層をその固相線温度を超えるまで真空中で加熱するステップと、融点よりも低い温度まで冷却してろう付け層が固まり、第１の部材を第２の部材に接合させるように密封シールを生成するステップとを含む。完全体なセラミックピースを用いて実行することを意図したプロセスに応じて、半導体処理装置の場合、処理温度を超える固相線温度を有し、処理環境と適合性のある構成を有するニッケル合金が随意的に選択されるのがよい。ろう付け接合部の種々の幾何学配置が、随意的に本明細書中で説明される方法によって実施される。接合される材料は、随意的に窒化アルミニウムのようなセラミックで構成されている。アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化ベリリウム、または前述の組合せのような他の材料が、随意的に使用されてもよい。いくつかの形態では、他のセラミック、鉱石または金属を随意的に接合することができる。

本発明による方法を使用して生産されるセラミック半導体処理装置の例は、随意的に、基板支持ペデスタル、静電チャック、ＣＶＤシャワーヘッドを有するが、これに限定されない。

図５は、セラミックシャフト１８１である第１のセラミック体が、同一または異なる材料で随意的に構成され随意的にセラミックプレート１８２となる第２のセラミック体に接合された接合部の第１実施形態の断面図を示す。ろう付け充填材料１８０は、本明細書中で随意的に説明されたろう付け材料または結合剤の組合せから選択され、本明細書中で説明された方法によって接合部に加えられる。図５に示す接合部に関して、接合された表面の間、例えば、シャフト１８１の端部１８５の端部表面１８３とプレート１８２のインターフェース面１８４の間に挿入されたろう付け充填材のみを用いて、シャフト１８１はプレートに随意的に当接するように位置決めされる。接合部の厚さは図示の明確化のために、図５では誇張されている。

本発明の形態によるセラミックの接合部を図示するのに用いた例示の実施形態は、半導体処理で使用されるヒータまたは静電チャックを製造する際に行われるような、プレートへのシャフトの接合であるが、セラミックとニッケル合金の接合は、このような実施形態に限定されるものではないことは理解されるべきである。本明細書中で説明したセラミックとニッケル合金の接合のろう付け方法は、それ自体が新規であり、セラミックの結合に対する有用なアプローチである。

図６は、随意的にセラミックシャフト１９１である第１のセラミック体が、随意的に同一または異なる材料であるセラミックプレート１９２である第２のセラミック体に接合された接合部の断面図である。ろう付け充填材料１９０のような接合材料は、随意的には、本明細書中で説明されたろう付け材料または結合剤の組合せから選択される材料を含むことができ、本明細書中で説明された方法のいずれかによって接合部に加えられる。図６に示す接合部に関して、接合された表面の間、例えば、シャフトの表面１９３とプレートの表面１９４の間にろう付け充填材のみが介在した状態で、シャフト１９１は、随意的にプレートに当接するように位置決めされる。プレート１９２のインターフェース面１９４は、随意的に、プレートの凹部１９５内にある。図６の接合部の厚さは、図示の明確化のために誇張されている。

図５及び図６に示す実施形態及び本発明のあらゆる他の実施形態は、随意的に、最小ろう付け層厚を維持するために構成された複数の絶縁体を有する。図７に示すように、シャフト１９１は、随意的に、プレートに接合されたシャフト１９１の端部１７２の複数のメサ形１７１を利用するのがよい。メサ形１７１は、随意的にシャフト１９１と同一の構造の一部であり、随意的にシャフトから離して構造体で機械加工することによって形成され、メサ形を残す。メサ形は、随意的にプレートの係合面からシャフト端部１７２の残部の最小ろう付け層厚を生成するように使用されるのがよい。ろう付け充填材料は、ろう付けの前にメサ形によって保たれるシャフトとプレートの間の距離よりも厚くすることができる。シャフト及びメサ形と、プレートのインターフェース面の適当な公差制御に関しては、出来上がったプレート及びシャフト装置の適当な公差の制御は、ろう付けステップ中にプレートインターフェースを当接するようにメサ形を動かすにつれて達成される。他の方法が、随意的に、最小ろう付け層厚を確保するために使用されてもよい。セラミック球体が、随意的に、最小ろう付け層厚を確保するために使用されてもよい。

図８に示すように、ろう付け材料は随意的に、従来のろう付け材料の重大な問題として存在する両方の２つの異なる雰囲気の間をかけ渡す。ヒータ２０５のような半導体処理装置の外側表面２０７では、ろう付け材料が、ヒータ２０５が使用される半導体プロセスチャンバ２００に生じるプロセス及びそこに存在する環境２０１としばしば適合性がなければならない。ヒータ２０５は、随意的に、シャフト２０４によって支持されているプレート２０３の頂面に固定された基板２０６を有する。ヒータ２０５の内部表面２０８では、ろう付け材料は、随意的には酸化雰囲気であるしばしば異なる雰囲気２０２と適合性がなければない。セラミックと共に使用される従来技術のろう付け材料は、これら要件の両方を満たすことができなかった。例えば、銅、銀、または金を含有するろう付け要素は、処理されているシリコンウエハの格子構造の妨げになり、適切でない。しかしながら、ヒータシャフトにヒータプレートを接合するろう付け接合の場合、シャフトの内部は、典型的には高温が生じ、しばしば酸化雰囲気を中空シャフトの中心内部に有する。この雰囲気に曝されるろう付け接合部の部分は、典型的には酸化し、接合部内で酸化する可能性があり、しばしば接合部の密封性を失うことになる。構造的取付けに加えて、半導体製造工程で使用されるこれら装置のシャフト及びプレートの間の接合部は、多くの、そうでないならば大部分または全ての用途で密封されていなければならない。密封性は、随意的に１秒あたりのＨｅの真空漏れ速度が１秒あたり１×１０Ｅ－９ｓｃｃｍ未満（＜１×１０Ｅ－９ｓｃｃｍ Ｈｅ／ｓｅｃ）を有することによって証明され、例えば、商業的に利用可能な標準的な質量分析ヘリウム漏れ検出器によって証明される。本明細書中で用いるとおり、密封性は、随意的に１秒あたりのＨｅの真空漏れ速度が１×１０Ｅ－９ｓｃｃｍ未満で（＜１×１０Ｅ－９ｓｃｃｍ Ｈｅ／ｓｅｃ）あると定義することができる。

図９は、シャフト２１４にプレート２１５を接合するために使用されるオプションの接合部２２０を示す。接合部２２０は、随意的に、シャフト２１４にプレート２１５の取付けを構造的に支持する構造的かつ密封的な接合部を生成するように機能することができる。接合部２２０は、シャフト２１４の内側表面及びプロセスチャンバ内部に沿って生じるチャンバ雰囲気２１１からシャフト２１４の内表面２１８によって生じるシャフト雰囲気２１２を絶縁させる密封シールを生成するように随意的に機能することができる。接合部２２０は、随意的に、シャフト雰囲気及びチャンバ雰囲気の両方によって曝露され、しばしば、したがってこのような密封シールの損失をもたらす曝露に劣化なしに耐えることができなければならい。接合部は、随意的にニッケル合金及びプレートでもよく、シャフトは随意的に、任意の適当なセラミック、例えば窒化アルミニウムでもよい。

図１０は、半導体処理チャンバで使用されるヒータコラムの概略図である。随意的にセラミックヒータであるヒータ３００は、随意的に無線周波数アンテナ３１０と、ヒータ要素３２０と、シャフト３３０と、プレート３４０と、取付フランジ３５０と、前述の任意の組合せとを有する。両方またはどちらか片方が窒化アルミニウムでできているヒータ３００を形成するシャフト３３０及びプレート３４０を一緒に接合することのできるろう付け方法は、随意的に次の通り実施される。多結晶ＡｌＮを随意的に使用することができ、随意的に９６％のＡｌＮと４％のイットリアで構成されている。このようなセラミックは、液相焼結中はセラミックの製造に使用されるため、随意的に産業的な用途で使用され、低温が随意的に使用される。焼結助剤のない多結晶ＡｌＮとは異なり、低温プロセスはしばしば、セラミックの製造コストを削減する。イットリアを加えた多結晶ＡｌＮは、随意的に、更に、脆性が少ないという好ましい材料特性を有する。イットリア及び他のドーパントは、しばしば製造性及び材料特性の転換のために使用される。適当な多結晶ＡｌＮ、例えば、９６％ＡｌＮ－４％イットリアセラミックでは、ＡｌＮの結晶粒が存在するセラミックはアルミン酸イットリウムを散在させる。

このような装置の接合部をわたって両側に生じる両方の雰囲気と適合性のあるろう付け材料は、随意的に低い割合のアルミニウムを有するニッケル合金とすることができる。ろう付け材料は、随意的に、シート、粉末、薄膜の形態、または本明細書中で説明されたろう付けプロセスに適した他の形成要素でもよい。ろう付け層は、随意的に、約０．０２５～０．２５４ミリメートル（０．００１～０．０１０インチ）の厚さとすることができる。ニッケル合金は、例えば低い割合のアルミニウム、クロム、チタニウム、またはケイ素と共に使用することができる。純ニッケルは典型的には、セラミックでぬれず、またはよくぬれないことは、従来技術において理解されている。強度及び密封性の両方が接合部の重要な特性である用途では、セラミックとぬれると典型的に知られていない純ニッケルは、適切でない場合がある。従来技術で知られたいくつかのニッケル合金は、しかしながら、これらは、しばしば半導体処理で生じるフッ化化合物に対して耐性のない構成成分を有し、さらに、電気的特性の均一性を妨害する化合物（相）を含有する場合がある。ろう付け材料は、随意的に、接合されたセラミックピースのセラミック面に直接接合されるのがよい。例えば、ニッケル合金が窒化アルミニウムを接合するのに使用された場合、ニッケル合金は、随意的に窒化アルミニウムピースの窒化アルミニウム面に直接配置されてもよい。ニッケル合金は、随意的に、ニッケル単体及びアルミニウム、クロム、チタニウム、またはケイ素のグループの１つの要素で構成されてもよい。ニッケル合金は、随意的に、ニッケル、及びアルミニウム、クロム、チタニウム、またはケイ素のグループの１つまたは２つ以上の要素で構成されてもよい。

１×１０Ｅ－４トルよりも低い真空を随意的に、本発明のプロセスで使用することができる。１×１０Ｅ－５トルよりも低い真空を随意的に使用してもよい。このステップに関する注釈は、典型的にはシャフト、プレート、またはプレートシャフト装置のようなセラミック構成要素の製造中に必要となる高い接触圧力固定を有する高温オーブンを随意的に、本発明によるシャフト及びプレートの接合のために提供することができない点である。加熱サイクルを開始すると温度がゆっくりと上昇し、標準化された温度、例えば液相線温度が摂氏６０度より低い温度まで、次いで少なくとも固相線温度に随意的になる接合温度まで上昇し勾配を最小化する、あるいは他の理由のために真空が加熱後に回復することを可能にする固定滞留時間の間各温度が維持される。接合温度は、随意的に、少なくとも液相線温度になる場合がある。ろう付け温度に到達したとき、温度はろう付けに影響する時間の間、維持することができる。滞留温度は、随意的に、選択された合金の液相線温度で、またはこの温度を僅かに超えてもよく、滞留時間は１０分である。十分なろう付け滞留時間を達成すると、炉は、随意的に１分あたり摂氏２０度の速度で、低い場合にはそれより低い速度で室温まで冷却される。加熱オーブンは大気圧までもっていってもよく、開放ろう付け組立体は、点検、性質決定、及び／または評価のために取り外されてもよい。温度滞留時間は、随意的に１分～１時間の間であればよい。温度滞留時間は、随意的に２分～１０分の間であるのがよい。

ろう付け要素を、制御雰囲気下で随意的には真空の場合で固相線温度を超える温度まで随意的に上昇させることができる。ろう付け要素を、随意的には真空である制御雰囲気下で随意的に溶解（液相線）温度を超える温度まで上昇させることができる。次いで、所望のろう付け温度では、ろう付け要素は、充填材料に隣接した基板面に流入またはこれをぬらすことができ、したがって所望の接合のベースを形成する。真空環境は、接合領域に存在する残留ガスが取り除かれるのを助け、あらゆる輪部、気孔、裂け目への液体充填剤の注入を有する接合面のより完全な浸透を確実にし、最終接合アイテムを備える構成要素の表面に存在する粒間状スペースへの容易にアクセス可能にする。

ろう付け層の浸透及び流入は、種々の要素にとって重要である。問題の要素は、随意的に、ろう付け材料化合物、セラミック化合物、接合プロセス中のチャンバ内の酸素レベル、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わたって加えられる物理的圧力、及び前述の任意の組み合わせを含む接合プロセス中の周囲雰囲気の化合物を含むことができる。

プロセスオーブンは、随意的にパージされ、純粋の脱水された純希ガス、例えば、アルゴンガスで酸素を除去するように再度充填されることができる。プロセスオーブンは、随意的にパージされ、精製された水素で再度充填され酸素を除去する。これらの例では、ろう付けは、上記のとおり、ガスを有する非常に低い酸素環境で生じる。

図１１は、重量％ニッケル及び温度に関するニッケルアルミニウムの相図４０１である。まず、図の右からみると、領域４０２では、優性、または単に相は、その内部に溶液中のアルミニウムを有するニッケル相であることがわかる。これは、４０４までのびる。線４０６の右側の合金比、即ち約９６重量％を超えるニッケル（Ｎｉ）濃度では、液相線温度４０８を超える温度でろう付けされるとき、混合物中のアルミニウムの割合に応じて多少変化するが、液体ろう付け材料が冷却されると、液体ろう付け材料は、散在したアルミニウムを有するニッケルを形成するが、典型的には他の化合物を形成しない。約８７～９６重量％のニッケル割合では、ろう付けは、冷却されるときにアルミニウムが散在したニッケル及びＡｌＮｉ３も同時に形成し、これは、線４０４及び４０５によって囲まれた全体領域の領域４０３内で生じる。さらに相図の左側からわかるように、重量％ニッケルスケールのボトムで約８７％であるニッケル割合は、材料が冷却するにしたがって生成されるアルミニウムが散在するニッケルの相はもはや存在せず、相図でＡｌＮｉ３と記載された領域である化合物Ｎｉ３Ａｌが存在するだけであることがわかる。例えば、無線周波数アンテナに対して需要のある、または無線周波数アンテナに必要とさるような均一な電気的特性を維持しようとする場合、依然として密封接合を達成しながら典型的には可能な限り多くのニッケル相を維持するのが望ましい。これらの目的を達成する９６～１００重量％ニッケルの範囲を示す例示の線４０６が、相図に示されている。図１１は、例えば一般的な領域４０３にみられるように、Ｎｉ３Ａｌに対してアルミニウムが散在されたニッケルの平衡割合を示す。線４１０は、垂直線４０９によって示されるニッケル対アルミニウムの重量比が摂氏７００度まで冷却されている状態を示す。この状態では、アルミニウムを散在させたニッケルのＮｉ３Ａｌに対する比は、線４０９と線４０４との間の線４１０の長さに対する、ライン線と線４０５との間の線４１０の長さの比である。一例として線４０９を用いて、線４０９で見られる重量割合比合金が液相線を超える温度から冷却されるので、初めにＮｉとＡｌの固体のみが凝固する。次いで、冷却中に温度が線４０４と線４０９との交差部の温度より低い温度まで下がると、Ｎｉ３Ａｌが析出し始める。相図は平衡条件を表し、実際には運動要素がこれらの状態に到達するのを阻害する可能性があるということが理解される。

ＲＦアンテナに対して需要のある、またはＲＦアンテナに必要とされるような均一の電気的特性を維持しようとする場合、依然として密封接合を達成しながら典型的には可能な限りニッケル相を維持するのが望ましい。これらの目的を達成する９６～１００重量％ニッケルの範囲を示す例示の線４０６が相図に表されている。ろう付けに使用されるニッケルアルミニウム化合物の例示の範囲は、随意的に９５～９７重量％ニッケルの範囲である。この範囲は、随意的に９３～９８．５重量％ニッケルでもよい。この範囲は、随意的に９１～１００重量％ニッケルであればよい。

合金化合物は、随意的に他の化合物の形成なしに可能な限り合金要素を維持するのに使用される。少量の配合要素は、随意的に強度または他の要素に関する理由で望まれてもよい。

図１２は、ニッケル割合及び温度に対するニッケルチタニウムの相図５０１である。図の右からみると、領域５０２では、優性、または単に相は、その内部に溶液中のチタニウムを有するニッケルの相であることが分かる。この領域での約１００～９５重量％のニッケルの合金比では、液相線温度５０８を超える温度でろう付けされるとき、混合物中のチタニウムの割合に応じて多少変化するが、液体ろう付け材料が冷却されると、液体ろう付け材料は、散在したチタニウムと共にニッケルを形成するが、典型的には他の化合物を形成しない。チタニウムのわずかに高いパーセンテージでは、ろう付けは、冷却されるときに散在したチタニウムと共にニッケル及びＴｉＮｉ３も同時に形成し、これは、線５０４及び５０７によって囲まれた全体領域において、前述の領域５０２のすぐ左の領域５０３内で生じる。相図のさらに左側からわかるように、より低い重量％ニッケルスケールのボトムで約７８％であるニッケルの割合では、材料が冷却するにしたがって生成されるチタニウムが散在するニッケルの相はもはや存在せず、ＴｉＮｉ３相だけである。例えば、無線周波数アンテナに対して需要のある、または必要とされるような、均一な電気的特性を維持しようとする場合、依然として密封接合を達成しながら、可能な限り多くのニッケル相を維持する需要がある。これらの目的を達成する割合までのチタニウムの範囲を示す例示的な線５０６が、相図に示されている。

ろう付けに使用されるニッケルチタニウム化合物の例示の範囲は、随意的に９６～９８重量％ニッケルである。この範囲は、随意的に９０～９９重量％ニッケルでもよい。この範囲は、随意的に８５～１００重量％ニッケルであればよい。

図１３は、本発明による半導体処理で使用されるオプションのヒータの実例の実施形態である。本例では、ヒータは、シャフトに取り付けられた多層プレート組立体から構成される。トッププレート６０２及びボトムプレート６０３は、ＲＦアンテナ６０７または他の電極装置と、シーリングリング６０８からギャップ６０９で物理的に分離されている円周シーリングリング６０８との両方を生成するのに使用されるニッケル合金ろう付け結合で取り付けられている。ギャップ６０９は、随意的に、電極及びシーリングリングの間の視線を妨げる物理的ラビリンスまたは他の特性を有してもよい。ベース６０５を備えるシャフト６０４は、随意的に、シャフトろう付け結合シール６０６と共に多層プレート組立体にろう付けられる。シャフト６０４は、随意的に中空であり、電気的接続及び／またはプレート組立体の底までシャフトを介して組み立てられた他のアイテムを通すことができるように構成されている。シーリングリング６０８、電極６０７、シャフトろう付けシールは、随意的に同一のニッケル合金であり同一プロセスステップで随意的にろう付けされることができる。

ろう付け後に組立体で保持された要素またはろう付け後に組立体に保持された他の化合物とは別にろう付けプロセスの前にのみ生じ、次いで、ろう付けの間に蒸発または燃焼するろう付け層の材料が存在する。特定の例として、ろう付け層として使用されるニッケル合金粉末を適切に配置するのを助けるように結合剤が随意的に使用されるのがよい。溶媒と混合されたメチルセルロースのような結合剤は、ろう付け層に対して所望の配置で粉末を配置するのに使用されるのがよい。結合剤は典型的には、ろう付け温度に近づく温度の前に消失する。合金ろう付け層の割合について議論するとき、ろう付け後の割合、結合剤が消失した後の割合は、随意的にろう付け層の割合としてみなす。例えば、事前ろう付けろう付け層材料のかなりの割合が、メチルセルロースのようなものに含まれれば、この割合はろう付けのために加熱した後に最終ろう付け層の割合ではない。

図１４は、本発明のオプションのプレート組立体の部分断面図を示す。多層プレート組立体は、本明細書で説明したプロセスで随意的に作られるもう１つの装置である。プレート組立体２４０は、随意的に、シャフトに接合されるように構成され、プレート及びシャフト組立体を完成させる。第１の、即ちトッププレート層２４１は、随意的に、半導体処理ステップの間、基板を支持するように構成された円盤である。ヒータ２４４は、随意的に、トッププレート層２４１の下方に存在するように構成されている。ヒータは、随意的に、プレート層の一方あるいは両方に取り付けられ、または付着されてもよい。トッププレート層２４１は、第２の、即ちボトムプレート層２４２に重なっている。任意の適当なタイプの接合層２４３は、第１の、即ちトッププレート層２４１を第２の、即ちボトムプレート２４２に結合する。接合層は、随意的に環状ディスクであるのがよい。トッププレート層及びボトムプレート層は、随意的にセラミックであり、即ちセラミック材料である。トッププレート層及びボトムプレート層は、随意的に窒化アルミニウムとすることができる。接合層は、随意的にニッケル合金であり、随意的には、合金要素のほぼ全てが有するように介在性要素として冷却されたろう付け層内に保持されるように選択される。結合相は、随意的に本明細書で開示された任意の他の接合層となることができる。

ニッケル合金金属結合剤あるいは粉末のシートまたは他のタイプの充填剤は、プレート層間及びシャフトとプレートとの間に随意的に提供される。ニッケル合金は、随意的に、スパッタリング技術を適用される。ニッケル合金は、上述のとおり、随意的に結合剤と混合された粉末として用いられ、適用される。ろう付け層は、随意的に、合金の少なくとも固相線温度の温度まで真空で加熱され、充填材料を融解させる。引き続きの冷却は、結合剤または充填剤が凝固することを可能にし、互いのプレート層及びプレートに対するシャフトに密封シール接合部を形成する。前記ヒータのシャフトは、随意的に中実材料であっても、または中空構造であってもよい。

プレート及びシャフトは、随意的に、両方とも窒化アルミニウムでもよく、随意的に、両方とも液相焼結プロセスを用いて従来的に別体で形成することができる。プレートは、随意的に直径約２２８．６～３３０．２ミリメートル（約９～１３インチ）、随意的に厚さ約１２．７～１９．１ミリメートル（約０．５～０．７５インチ）とすることができる。シャフトは、随意的に、随意に２．５４ミリメートル（０．１インチ）の壁厚を有する長さ１２７～２５４ミリメートル（５～１０インチ）の中空円筒体であるのがよい。前述の図５に示すように、プレート１８２は、随意的に、シャフト１８１の第１端の外側表面を受け入れるように構成された凹部１８５を有してもよい。プレート１８２及びシャフト１８１は、随意的に、シャフトの端部に沿ったプレートの凹部内のピースの間に配置されたニッケル合金粉末のろう付け材料１８０との接合ステップのために一緒に固定されるのがよい。ろう付け材料は、ろう付け前に０．２５ミリメートル（０．００１インチ）かそれ以上の厚さであるのがよい。

単純接触以外の非常にわずかな物理的圧力が、随意的に接合のために必要である場合がある。本方法を使用してシャフトにプレートを接合するのに必要な低い接触圧力は、随意的に、接触圧力を提供するように重力を使用して固定具上に配置された質量体を随意的に有する単純な固定具を使用して提供することができる。シャフトのインターフェース部分とろう付け要素との間の接触は、プレートのインターフェース部分とろう付け要素との間の接触と同様、接合に十分な接触圧力を提供する。したがって、固定具組立体は、固定具組立体自体とは別体のプレスによって作用される必要はない。固定具組立体は、次いで、随意的に、プロセスオーブン内に配置することができる。オーブンは、随意的に、１×１０Ｅ－５トルの圧力まで排気することができる。残留酸素を除去するために随意的に真空を適用することができる。

プレート及びシャフトは、随意的に異なるセラミックを有するのがよい。シャフトは、随意的に、プロセスチャンバの取り付け空間に向かうシャフトから熱が失われないようにより低い熱伝導係数を提供するように構成される一方で、プレートは、随意的に高い熱伝導係数を提供するように構成されるのがよい。例えば、プレートは随意的に、窒化アルミニウムから作製され、シャフトは随意的に、ジルコニアから作製されるのがよい。

図１５に示すように、ＣＶＤシャワーヘッド７０１は、随意的に、セラミック本体７０２及びカバー７０４から構成されるのがよい。セラミック本体７０２及びカバー７０４のピース方または両方は、随意的に窒化アルミニウムとすることができる。この複数ピース構造では、シャワーヘッド内のガス流路及び他の側面は、随意的にセラミック本体７０２内に機械加工され、製造を著しく容易にさせる。カバー７０４は、随意的にプロセスガス７０５が本体７０２内の通路を通り、シャワーヘッドから出ることができるが穴を随意的に有するのがよい。本体７０２及びカバー７０４は、随意的に、ニッケル合金接合層７０３と一緒に、例えば上述のろう付け技術または本明細書に開示されたどの他の接合層によってろう付けされてもよい。更に、ＣＶＤシャワーヘッドは、随意的に、高温、例えば摂氏７００～１０００度またはそれより高温の範囲で実施されるプロセス用途で使用されてもよい。

図１６は、本発明のオプションとしてのシャワーヘッド７５０を示し、随意的に、トップ層７５１はセラミック、中間層はセラミック、ボトム層７５５はセラミックであるのがよい。すべての層を、随意的に窒化アルミニウムとすることができる。接合層７５４は、随意的に、ニッケル合金ろう付け層、または本明細書に開示されたどの他のろう付け層あるいは接合層であってもよい。第２のニッケル合金層７５２は、随意的に、プラズマ操作または他のプロセスステップをサポートする電極として使用されてもよい。

図１７は、ニッケル割合及び温度に関するニッケルケイ素の相図である。図の左側をみると、領域８０３では、優性な相は、その内部にケイ素を有するニッケルの相であることがわかる。この領域での合金割合は、液相線温度を超える温度でろう付けするとき、混合物中のケイ素のパーセンテージに応じて多少変化するが、液体ろう付け材料が冷却されるときにそれは散在するケイ素と共にニッケルを形成するが、領域８０３より上流の小さな領域によって表されるわずかなパーセンテージ以外他の化合物を形成しない。示されるように、これは、約９３％の重量でニッケル割合８０２で生じる。ケイ素のわずかに高いパーセンテージでは、ろう付けは冷却されたとき、ニッケルと散在したシリコン及び他の化合物の両方を形成し、これは、前述の領域８０３のすぐ右側の領域内で生じる。相図でさらに右でみられるように、材料が冷却されるにしたがって、シリコンが散在したニッケルの相がもはや存在しない約２２．５重量％ニッケルのケイ素パーセンテージが生成されるのを確認することができる。随意的に無線周波数アンテナに対して需要があるまたは求められるような均一な電気的特性の維持を求める場合、典型的には、例えば、密封接合を依然として達成しながら、可能な限り多くのニッケル相を維持することが望ましい。これらの目的を達成するパーセンテージまでのケイ素の範囲を示す例示的な線８０２を相図に示す。ろう付けに使用されるニッケルケイ素化合物の例示的な範囲は、随意的に、９２～９６重量％ニッケルの範囲とすることができる。この範囲は、随意的に９１～９９重量％ニッケルでもよい。この範囲は、随意的に９０～１００重量％ニッケルであればよい。

図１８は、ニッケル割合及び温度に関するニッケルクロムの相図である。図の左側からみると、最も左側の領域では、優性な相または単なる相が、その内部にクロムを有するニッケルの相となることがわかる。この領域での合金割合は、液相線温度を超える温度でろう付けするとき、混合物中のクロムのパーセンテージに応じて多少変化するが、液体ろう付け材料が冷却されると、液体ろう付け材料は散在したクロムと共にニッケルを形成するが、相図に示したスライバーによって表されるごくわずかなパーセンテージを除き、他の化合物を形成しない。わかるように、これは、約６８％の重量％のニッケルパーセンテージで生じる。クロムのわずかに高いパーセンテージでは、ろう付けは、冷却されるときにニッケルと散在したクロム及び第２の化合物との両方を形成し、これは、前述の領域のすぐ右側の領域内で生じる。相図でさらに右に移動すると、クロムが散在したニッケルの相に加えて形成されたもう１つの化合物が存在する。例えば、無線周波数アンテナが求められる、または必要とされるような、均一な電気的特性を維持することが望まれる場合、典型的には、密封接合を依然として達成しながら、可能な限り多くのニッケル相を維持することが望ましい。これらの目的を達成するパーセンテージへのクロムの範囲を示す例示的な線８１０を相図に示す。

ろう付けに使用されるニッケルクロム化合物の例示的な範囲は、随意的に、６０～８０重量％ニッケルの範囲とすることができる。この範囲は、随意的に５０～９０重量％ニッケルでもよい。この範囲は、随意的に、３０～９９重量％ニッケルであればよい。

ろう付け材料は、随意的にニッケル－クロム－アルミニウム合金であってもよい。ニッケルクロム比は、随意的に、オプションとしてアルミニウムを５．５重量％まで加え、８０／２０重量の分率で維持されるのがよい。ろう付け材料は、随意的に、ニッケルのバランスと共に２０重量％クロム、６重量％アルミニウム、を含有するニッケル－クロム－アルミニウム合金でもよい。これら合金は、全て、溶液中にアルミニウム及びクロムを有する実質的な単相ニッケルとなる。

固定組立体は、随意的にプロセスオーブン内に配置されるのがよい。オーブンは、随意的に、５×１０Ｅ－５トル未満の圧力まで排気することができる。真空は、随意的に残留酸素を除去する。１×１０Ｅ－５トル未満の真空を随意的に使用することができる。固定組立体は、随意的に、酸素誘引物として作用することができるジルコニウム内側チャンバ内に配置することができ、さらに、処理中に接合部に向かう経路を見つける可能性のある残留酸素を低減する。プロセスオーブンは、随意的にパージされ、純粋な脱水された純希ガス、例えばアルゴンガスで再度充填され、酸素を除去することができる。プロセスオーブンは、随意的にパージされ、純粋な脱水された純水素で再度充填され、酸素を除去することができる。

ろう付け材料は流れ、接合されているセラミック材料の表面のぬれを可能にする。窒化アルミニウムのようなセラミックがニッケル合金ろう付け層を使用して本明細書で説明されたように十分に低いレベルの酸素の存在下で接合される場合、接合は密封ろう付け接合である。

上述のように接合された接合組立体は、接合されたピース間で密封シールされているピースをもたらす。このような組立体は、雰囲気隔離が組立体の使用で重要な性質である場合に使用することができる。さらに、接合された組立体が後に半導体処理に使用されるとき、随意的に種々の雰囲気に曝される場合のある接合部の部分は、例えば、このような雰囲気で劣化せず、後段の半導体処理を汚染することもない。組立体は、さらに、前段の組立体がサポートすることができる温度より高い温度での処理をサポートするために使用することができる。

密封接合及び非密封接合の両方は、ピースを分離するのに典型的には大きな力が必要であるという点で、ピースを強力に接合することができる。しかしながら、接合部が強力であるという事実は、接合部が密封シールを提供するかどうかで決定されない。密封接合を有する能力は、接合のぬれに関連する場合がある。ぬれとは、液体がもう１つの材料の表面に広がる能力または傾向を表す。ろう付けされた接合部でのぬれが不十分である場合、典型的には、結合のない領域が存在する。十分な非ぬれ領域が存在する場合、ついで、ガスが接合部を通過し、漏出を引き起こす場合がある。ぬれは、ろう付け材料の溶融における異なる段階で接合部をわたる圧力によって影響される場合がある。接合プロセス中にろう付け要素によって生じる雰囲気の注意深い制御は、接合部の領域のぬれを向上させる。合金化合物の注意深い制御、接合厚の注意深い制御、及びプロセス中に使用される雰囲気の注意深い制御は、組合せで、他のプロセスでは達成できない接合インターフェース領域の完全なぬれをもたらすことができる。

本発明の第２の形態に関して、ニッケルを使用して半導体処理装置を製造する本発明の方法は、随意的に、高温及び高い接触圧力を伴う従来技術の追加の液相焼結の時間を消費しかつ高価であるステップもなしで、上述の最終接合組立体へのシャフト及びプレートの接合を伴う。シャフト及びプレートは、随意的に、セラミックを接合する固体状態の接合方法で接合されてもよい。第１及び第２のセラミック体を一緒に接合する方法の一例は、随意的に、第１及び第２の物体上にチタンの層を、次いで随意的に、ニッケルのより厚い層を置くステップと、構成要素を一緒にプレスするステップとを含むことができる。この層を有する構成要素またはピースは、次いで、適当な温度、例えば、ニッケルの固相線温度未満の温度に真空中で加熱することができる。連続の冷却は、第１の部材を第２の部材に接合するように密封シールを生成する。ろう付け接合の種々の幾何学的形状は、本明細書で説明された方法によって実施することができる。結合される材料は、随意的に、セラミック、例えば窒化アルミニウムから構成されてもよい。アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素または酸化ベリリウムなどの他の材料が随意的に使用されてもよい。他のセラミック、鉱物、または金属が、随意的に接合されてもよい。

窒化アルミニウムの場合がある第１のセラミックピースは、随意的に、チタンの薄層、例えば、０．１ミクロンの厚さで準備されるのがよい。ピースは、次いで、７．５ミクロンのニッケルで随意的にさらに積層させることができる。随意的に窒化アルミニウムとする場合のある第２のセラミックピースも同様に準備することができる。２つのセラミックピースは、次いで、適当な圧力、例えば、２０ｐｓｉの接触圧力で、適当な接合温度、例えば摂氏１２００度で、適当な時間、例えば８時間で随意的に一緒にすることができる。ピースは、随意的に適当な真空、例えば５×１０Ｅ－５トル未満に保持することができる。その結果としての接合は、２つのセラミックピースを密封してシールする。

チタニウム層は、随意的に０．０１～０．２ミクロンの範囲の厚さとすることができる。チタニウム層は、随意的に０．０５～１．５ミクロンの範囲の厚さでもよい。ニッケル層は、随意的に、５～１０ミクロンの範囲の厚さとすることができる。結合温度は随意的に、少なくとも摂氏１１５０度とすることができる。接合温度は、随意的に、摂氏１１５０～１３００度の範囲とすることができる。

本明細書に開示された半導体支持構造体は、例えば、図５～７に示すように、上述の固体状態接合方法を使用して接合された接合部を使用して随意的に製造されるのがよい。このような組立体でもたらされる接合部は、典型的には、強力、密封、導電性で、機械的に均一である。

図１９は、半導体処理で使用される本発明によるオプションの半導体支持ペデスタル８０１である。半導体支持ペデスタルは、随意的にシャフトに取り付けられる多層プレート組立体から随意的に構成されることができる。第１即ちトッププレート６０２及び第２即ちボトムプレート６０３は、随意的に、無線周波数アンテナ８０７または他の電極装置、及びギャップ６０９でシーリングリング８０８から随意的に物理的に分離されている円周シーリングリング８０８との両方を作製するために使用されることができるニッケルチタニウム層で任意に取り付けられる。ギャップ６０９は、更に、電極とシーリングリングとの間の見通し線を妨げる場合のある物理的ラビリンスまたは他の特徴を随意的に有する。ベース６０５を有するシャフト６０４は、例えばシャフト接合部８０６で多層プレート組立体に随意的に接合されるのがよい。シャフト６０４は、随意的に中空であり、シャフトを介してプレート組立体の底部まで電気的接続及び／または他のアイテムが通るのを可能にするように構成されるのがよい。シーリングリング８０８、電極８０７、及びシャフト接合部８０６は、随意的に全て同じ材料であり、随意的に、全て同一プロセスステップでろう付けすることができる。上述したように、接合されるべき各セラミックピースの各表面は、随意的にチタニウム層で準備され、随意的にはスパッタされた層、またはそうでなければ堆積された層でもよい。チタニウム層は、随意的に０．１ミクロンの厚さであるのがよい。ニッケル層は、次いで、チタニウム層上に随意的に積層させることができる。ニッケル層は、随意的に７．５ミクロンの厚さとすることができ、随意的にスパッタリングまたは他の方法で堆積させることができる。準備後、組立体は、最終組立構成に随意的に組立てられ、例えば８時間の適当な時間、例えば摂氏１２００度の適当な温度まで加熱される間、例えば２０ｐｓｉの適当な接触圧力を受けさせることができる。最終組立体は、適当な真空、例えば１×１０Ｅ－４トル未満の圧力に随意的に保持することができる。

本発明の第３の形態に関して、半導体処理装置の製造に随意的に使用される場合のあるニッケルを用いたセラミックの接合方法は、チタニウム層、ニッケル層、及びニッケルリン層を随意的に使用するのがよい。ニッケルリン層は、無電解ニッケルめっき（ＥＮＰ）によって随意的に加えることができる。チタニウム層は、接着を促進するのに使用することができる。ニッケル層は、ＥＮＰがチタニウム上では困難であるため、シード層として使用することができる。ニッケル層は、窒化アルミニウムに対する熱膨張係数の不整合を保障するように延び性を提供する。ニッケルリン層は、リンでニッケルの熱膨張係数を低下させる。

上述のチタニウム－ニッケル－ニッケルリン法は、ハイブリッドろう付け／拡散結合接合プロセスとみなされる。チタニウムが拡散しないように約７５％の溶融物が随意的に存在する場合がある。

窒化アルミニウムセラミックピースは、随意的に、チタニウムのため層、例えば０．１ミクロンのチタニウムでスパッタリングされるのがよい。次いで、随意的に、チタニウム層上にニッケル層を、例えば１０ミクロンの厚さにスパッタリングされるのがよい。例えば８～１３％のリンを有するニッケルリン層を例えば１０００～２０００ミクロンの厚さの範囲でニッケル層に随意的に加えることができる。次いで、同様に準備された第２の窒化アルミニウムピースのニッケルリン層に対してニッケルリン層をプレスすることができる。例えば２０ｐｓｉの適当な接触力を使用して２つのピースを適当な真空圧力、例えば５×１０Ｅ－５トル以下で一緒にプレスすることができる。例えば摂氏８８０～９４０度の適当なろう付け温度を例えば１～４時間の適当な時間で利用することができる。

本明細書で説明された半導体処理装置は、上述の３層ろう付けプロセスを使用して随意的に構成されることができる。この接合は、かなりの強度を有し、気密性を有する。

上記の説明から証明されるように、本明細書で与えられた説明から幅広い多様な実施形態を構成し、追加の利点及び変形は当業者にとって容易に行うことができる。したがって、その幅広い形態における本発明は、図示及び説明された具体の詳細及び図示された例に限定されない。したがって、このような詳細から離れることを、出願人の概略の発明の概念または範囲から離れることなく行ってもよい。

Claims (15)

1. 第１インターフェース領域を有する第１のセラミックピースと第２インターフェース領域を有する第２のセラミックピースとを接合する方法であって、前記第１のセラミックピースの前記第１インターフェース領域と前記第２のセラミックピースの前記第２インターフェース領域との間の接合インターフェース領域にろう付け要素を配置して接合予備組立体を生成する工程であって、前記ろう付け要素は、ニッケルと、合金要素と、を含み、前記合金要素はアルミニウム、チタニウム、ケイ素及びクロムからなるグループから選択され、前記合金要素は、固相線温度を有する工程と、前記接合予備組立体をプロセスチャンバに配置する工程と、前記プロセスチャンバから酸素を除去する工程と、前記第１のセラミックピースが前記第２のセラミックピースに密封的に接合するように前記接合予備組立体を前記合金要素の前記固相線温度にまたはこの温度を超える接合温度に加熱する工程と、を含む、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記接合温度が、前記ろう付け要素の液相線温度であるまたはこの温度より高い、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のセラミックピース及び前記第２のセラミックピースが、それぞれ窒化アルミニウムを備える、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記合金要素は、１．５～７重量％アルミニウムの範囲のアルミニウム、１～１０重量％チタニウムの範囲のチタニウム、１～９重量％ケイ素の範囲のケイ素及び１．０～１０．０重量％クロムの範囲のクロムからなるグループから選択される、
   請求項３に記載の方法。
5. 半導体処理に使用することのできる多層プレート組立体であって、セラミックを備え外周部を有する第１プレート層と、セラミックを備え外周部を有する第２プレート層と、前記第１プレート層及び前記第２プレート層の外周部の間の前記第１プレート層と前記第２プレート層との間に配置され、前記第１プレート層と前記第２プレート層との間に接合部を形成するように構成された環状ろう付け層と、を有し、前記環状ろう付け層は、ニッケルと、合金要素と、を含み、前記合金要素は、アルミニウム、チタニウム、ケイ素及びクロムからなるグループから選択され、前記ろう付け層は、前記第１プレート層と前記第２プレート層との間の内側スペースを提供し、前記ろう付け層は、前記接合部の外側の領域から前記内側スペースを密封的にシールする、
   ことを特徴とする多層プレート組立体。
6. 前記第１プレート層及び前記第２プレート層がそれぞれ窒化アルミニウムを備える、
   請求項５に記載の多層プレート組立体。
7. 前記合金要素は、１．５～７重量％アルミニウムの範囲のアルミニウム、１～１０重量％チタニウムの範囲のチタニウム、１～９重量％ケイ素の範囲のケイ素及び１．０～１０．０重量％クロムの範囲のクロムからなるグループから選択される、
   請求項６に記載の多層プレート組立体。
8. 更に、前記第１プレート層と前記第２プレート層との間に電極を有し、前記電極が前記環状ろう付け層と同じ材料で構成されている、
   請求項７に記載の多層プレート組立体。
9. 前記環状ろう付け層は、前記電極の前記外周部の周りの環状リングである、
   請求項８に記載の多層プレート組立体。
10. 第１インターフェース領域を有し第１のセラミック材料である第１のセラミック半導体処理装置ピースと、第２インターフェース領域を有し第２のセラミック材料である第２のセラミック半導体処理装置ピースと、から半導体処理装置を製造する方法であって、前記第１のセラミック半導体処理装置ピースの前記第１インターフェース領域上及び前記第２のセラミック半導体処理装置ピースの前記第２インターフェース領域上にチタニウムの層を配置する工程と、前記第１のセラミックピース上の前記チタニウムの層上及び前記第２のセラミックピースの前記チタニウムの層上にニッケルの層を配置する工程と、前記第１のセラミックピースの前記ニッケルの層の上及び前記第２のセラミックピースの前記ニッケルの層の上にニッケルリンの層を配置する工程であって、前記ニッケルが固相線温度を有している工程と、前記第２のセラミックピースの前記ニッケルリンの層に対して前記第１のセラミックピースの前記ニッケルリンの層をプレスして接合予備組立体を生成する工程と、接合温度まで前記接合予備組立体を加熱する工程と、前記第１のセラミックピースを前記第２のセラミックピースに密封的に接合させるように前記接合予備組立体を冷却する工程と、を含む、
    ことを特徴とする方法。
11. 前記第１のセラミック材料及び前記第２のセラミック材料は、それぞれ窒化アルミニウムを備える、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１のセラミック半導体処理装置ピース及び前記第２のセラミック半導体処理装置ピースの各々の前記チタニウムの層は、０．１ミクロンの厚さを有する、
    請求項１０に記載の方法。
13. 前記第１のセラミック半導体処理装置ピース及び前記第２のセラミック半導体処理装置ピースの各々の前記ニッケルの層は、１０ミクロンの厚さを有する、
    請求項１０に記載の方法。
14. 前記第１のセラミック半導体処理装置ピース及び前記第２のセラミック半導体処理装置ピースの各々の前記ニッケルリンの層は、１０００～２０００ミクロンの範囲の厚さを有する、
    請求項１０に記載の方法。
15. 前記接合温度は、摂氏８８０～９４０度の範囲である、
    請求項１０に記載の方法。

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