KR100239075B1

KR100239075B1 - 실리콘 카바이드 소자 접합 방법

Info

Publication number: KR100239075B1
Application number: KR1019970016031A
Authority: KR
Inventors: 지텐드라 에스. 겔라; 리 이. 번즈
Original assignee: 제럴드 케이. 화이트; 씨브이디, 인코오포레이티드
Priority date: 1996-05-03
Filing date: 1997-04-29
Publication date: 2000-01-15
Also published as: JPH1087376A; JP3092796B2; EP0804991A1; KR970077380A; US5683028A; TW426639B

Abstract

본 발명은 제 1 실리콘 카바이드 부품을 제 2 실리콘 카바이드 부품에 접합하는 방법을 개시하고 있다. 제 1 실리콘 카바이드 부품은 수납용 암 죠인트 부재를 제공하고 제 2 실리콘 카바이드 부품은 삽입용 수 죠인트 부재를 제공한다. 암수 부재는 각각 수 부재가 암 부재에 삽입되는 방향에 거의 평행한 대향 측벽을 구비한다. 수 죠인트 부재와 암 죠인트 부재는 그 죠인트 부재들의 대향 측벽 사이에 약 0.003 인치(0.76 mm)까지의 평균 간극(들)을 제공하도록 형성된다. 또한, 암 죠인트 부재는 수 죠인트 부재가 암 죠인트 부재내에 완전히 삽입될 때 실리콘이 수용되는 저장 수단을 구비하며, 그 저장 수단은 간극(들)과 유체 연통된다. 저장 수단에는 고체 상태, 즉 분말 형태의 실리콘이 충전된다. 수 죠인트 부재는 암 죠인트 부재속에 삽입되고, 제 1 및 제 2 실리콘 카바이드 부품은 실리콘이 용융되기에 충분한 시간 동안 실리콘의 융점 이상으로 가열되며, 용융된 실리콘은 모세관 작용에 의해 수 죠인트 부재와 암 죠인트 부재의 대향 측벽 사이의 간극(들)속으로 들어간다. 조립된 부품에 대한 후속의 냉각 단계에서 실리콘을 응고시키며, 이에 따라 응고된 실리콘이 수 죠인트 부재와 암 죠인트 부재의 대향 측벽 사이에 접합부를 형성함으로써 죠인트가 암수 부재 사이에 고정된다.

Description

실리콘 카바이드 소자 접합 방법

본 발명은 실리콘 카바이드 소자 또는 부품, 특히 화학 증착된 실리콘 카바이드(CVD-SiC)로 제조된 실리콘 카바이드 소자를 접합하는 방법에 관한 것이다.

실리콘 카바이드(SiC), 특히 CVD-SiC는 그것을 특수한 재료로서 적용하기에 특히 적합하게 하는 독특한 특성의 조합을 가진다. 열전도성이 높고, 화학적 및 산화적으로 안정적이며, 열적으로 안정하고, 단단하며, 내스크래치성(scratch-resistance)이고, 전기적 저항성이 있으며, 이론적으로 밀도가 높은 CVD-SiC의 일예가 피커링(Pickering) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,374,412호에 개시되어 있으며, 그 특허의 기술 내용은 본원에 참고로 포함된다. CVD-SiC의 용도의 예로서는 기술 내용이 본원에 참고로 포함되는 예컨대, 겔라(Goela) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,071,596호 경량 세라믹 거울; 예컨대, 미국 특허 제 5,465,184호 하드 디스크 드라이브가 있는데, 실리콘 웨이퍼가 고온의 환경에서 처리 및 제조되는 반도체 장치(furniture)의 제작을 포함하는데, 상기 특허의 내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.

SiC, 특히 CVD-SiC는 특정 용도에서 매우 바람직한 여러 가지 특성을 가지는 반면, CVD-SiC는 이들 동일 특성중 몇가지에 의해 그로부터 물품을 제작하기 어려운 재료가 된다. 예컨대, SiC는 그것의 경도로 인해 가공이 어렵다. SiC의 고밀도, 특히 이론적으로 밀도가 높은 CVD-SiC는 접착제를 사용한 SiC 소자의 접합을 용이하게 할 수 있는 기공을 거의 내지는 전혀 제공하지 않는다.

통상, CVD-SiC는 모놀리식 구조(monolithic structure)로서 맨드럴, 예컨대 그라파이트 맨드럴상에 증착된다. 맨드럴의 형상은 어느 정도까지는 제조 대상물의 형상을 형성하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 오목한 거울 블랭크가 적절하게 형상이 이루어진 볼록한 그라파이트 맨드럴상에 증착될 수 있다. 마찬가지로, CVD-SiC 시이트 또는 블록에 대한 증착후 가공(post-deposition machining)은 전술한 미국 특허 제 5,465,184에 개시된 바와 같은 하드 디스크 드라이브 또는 읽기/쓰기 헤드와 같은 소정의 대상물을 형성하는데 사용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, SiC, 특히 이론적으로 밀도가 높은(완전히 기공이 없는) CVD-SiC의 가공 및 접합의 곤란성으로 인해, 하나의 모놀리식 증착 시이트 또는 블록으로 실질적으로 제조되기에는 지나치게 복잡하거나 지나치게 부피가 큰 물품을 제작하기가 상당히 곤란하다. 또한, CVD-SiC 물품이 종종 적용되는 특수한 용도에서는 어떠한 접착제라도 극한 온도와 같은 극한 상황에 견뎌야 한다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 다수의 CVD-SiC 부품으로 반도체 장치를 제조하는데 있어, 거의 모든 유기 접착제들은 반도체 가공 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 분해되기 때문에 전체적으로 부적절할 수 있다.

여러 가지 기술이 SiC 부품 또는 소자를 접합시키기 위해 제안되어 왔다. 이러한 기술에는 직접 접합(인용 문헌 1 및 2), 중간층과 그린 보디(green body)의 응축(인용 문헌 3), 적절한 SiC 분말의 고온 압축(인용 문헌 4), 중합체 전구물질을 이용한 접합(인용 문헌 5), 경납땜(인용 문헌 1 및, 6-9), 반응성 금속 접합(인용 문헌 10), "가압 연소 반응", 테이프를 사용한 반응 및 사용하지 않은 반응(인용 문헌 12-14) 및, 마이크로파 접합(인용 문헌 15 및 16)이 포함된다. 이러한 기술들은 로의 환경을 오염시킬 수 있는 충전재를 사용하는 것, 죠인트가 높은 사용 온도에 견딜 수 없는 것, 그리고 접합 공정중 매우 높은 온도 또는 압력이 필요하다는 것과 같은 하나 이상의 단점으로 인해 반도체 분야에는 제한된 효용성을 갖는다. 또한, 이들 인용 문헌의 대부분에서는, 예컨대 로드(rod)가 구멍속에 삽입된 후 접합 단계가 수행되는 암/수 죠인트에 관심을 기울이지 않고 있다. 그러한 암/수 죠인트는 반도체 산업용 웨이퍼 캐리어 및 다른 로 지지용 소자를 제조하는데 특히 바람직하다.

인용 문헌

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2. 디. 델류(D. Deleeuw) 저, "확산-접합식 실리콘 카바이드의 강도 및 미세구조상에 압력 및 변형이 미치는 효과(Effects of Pressure and Deformation on the Strength and Microstructure of Diffusion-Bonded Silicon Carbide)," J. Amer. Ceram. Soc., 75, 725-727(1992).

3. 씨.에이치. 베이츠, 등(C.H. Bates, et al.) 저, " 고압 장치에 대한 비산화 세라믹의 결합(Joining of Non-Oxide Ceramics for High-Temperature Applications)," Amer. Ceram. Soc. Bull.,69, 350-356(1990).

4. 티. 이즈키, 케이. 아라카와 및 에이치. 스즈끼(T. Iseki, K. Arakawa and H. Suzuki) 저, "고온 가압에 의한 밀도가 높은 실리콘 카바이드의 접합(Joining of Dense Silicon Carbide by Hot Pressing)," J. Mater. Sci. Letters, 15, 1049-1050(1980).

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9. 제이.알.맥더미드 및 알.에이.엘. 드루(J.R. McDermid and R.A.L. Drew) 저, "실리콘 카바이드 접합을 위한 열역학 경납땜 합금 구성(Thermodynamic Brazing Alloy Design for Joining Silicon Carbide)," J. Amer. Ceram. Soc., 74, 1855-1860 (1991).

10. 에스. 모로즈미, 등(S. Morozumi, et al.) 저, "실리콘 카바이드와 반응성 금속으로 이루어진 얇은 금속판의 사이의 접합 메카니즘(Bonding Mechanism Between Silicon Carbide and Thin Foils of Reactive Metals)," J. Mater. Sci.20, 2976-3982 (1985).

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12. 비.에이치.라빈(B.H. Rabin) 저, "Ti-C-Ni 계에서의 연소 반응을 이용한 SiC/SiC 복합물과 밀도가 높은 SiC와의 결합( Joining of SiC/SiC Composites and Dense SiC Using Combustion Reactions in the Ti-C-Ni system), J. Amer. Ceram. Soc., 75, 131-135 (1992).

13. 비.에이치.라빈, 지.에이. 무어(B.H. Rabin, G.A. Moore) 저, "반응 굽힘 방법에 의한 SiC-기 세라믹의 접합(Joining of SiC-Based Ceramics by Reaction Bending Methods)," J. Mat. Synth. & Proc., 1, 195-201 (1993).

14. 비.에이치.라빈(B.H. Rabin) 저, "세라믹 접합을 위한 변형 테이프 캐스팅 방법: 실리콘 카바이드의 접합에 적용(Modified Tape Casting Method for Ceramic Joining: Application to Joining of Silicon Carbide)," J. Amer. Ceram. Soc., 73, 2757-2759 (1990).

15. 이. 아메드 및 알. 실베르그릿(I. Ahmed and R. Silberglitt) 저, "마이크로파 에너지를 사용한 세라믹 접합(Joining Ceramics Using Microwave Energy)," Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 314, 119-130 (1993).

16. 알. 실베르그릿, 이. 아메드, 더블유. 머레이 블랙 및 제이.디. 캣츠(R. Silberglitt, I. Ahmed, W. Murray Black and J.D. Katz) 저, 마이크로파 접합에 있어서의 최근의 발전(Recent Developments in Microwave Joining), MRS Bulletin, 47-50 (1993, 11).

현재에는, 특히 매우 밀접한 치수 공차가 요구되는 경우, 암/수 죠인트를 부착시키는 적절한 방법이 없다. 본원에서, 암/수 죠인트는 삽입용 (수)부재가 수납용 (암)부재속에 수납되어 접합되고, 암수 부재의 측벽이 삽입 방향에 거의 평행한, 즉 10도 내로 거의 완전히 평행한 죠인트로 폭넓게 한정된다. 그러한 암/수 죠인트는, 예컨대 수납용 일단 구멍에 삽입된 로드이거나 평행한 측면이 수납용 슬롯 또는 그로우브(grove)에 수납된 시이트일 수 있다. 그러한 죠인트를 접합시킴에 있어서는, 제조된 물품에 양호한 안정성이 제공되도록 측벽 사이가 접합되는 것이 바람직하다. 버트 죠인트(butt joint)에서와는 달리, 암수 부재 사이의 측벽을 따라 압력을 제공하는 것은 불가능하다. 따라서, 암수 죠인트 부재의 대향 측벽을 따라 접합이 이루어지도록, 암/수 죠인트를 사용하여 SiC 부품을 함께 접합하는 방법을 제공하는 것이 일반적인 목적이다.

도 1은 (수) 원통형 로드와 (암) 일단 구멍과의 사이에 형성된 암/수 죠인트의 단면도,

도 2A는 도 1에 대하여 예시된 바와 같은 죠인트에 부착되어 있는 구성 부품으로 형성된 CVD-SiC 웨이퍼 홀더의 사시도,

도 2B는 도 2A의 웨이퍼 홀더의 레일을 형성하는데 사용되는 4개의 로드중 하나의 입면도,

도 2C는 도 2A의 웨이퍼 홀더를 형성하는데 사용되는 2개의 단부판중 하나의 입면도,

도 3A는 본 발명의 방법에 따라 접합된 CVD-SiC 소자를 사용한 경량 거울 기판의 배면도,

도 3B는 도 3A의 경량 거울 기판의 측면도,

도 3C는 도 3A의 선 3C-3C를 따라 취한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 죠인트

12, 14 : CVD-SiC 부품

13 : 암 죠인트 부재

15 : 수 죠인트 부재

17 : 원통축

21, 22 : 측벽

24 : 피복

29 : 간극

40 : 웨이퍼 캐리어

42 : 레일

44 : 단부판

60 : 거울 기판

62 : 면판

본 발명은 제 1 실리콘 카바이드 부품을 제 2 실리콘 카바이드 부품에 접합하는 방법을 제공하는데, 제 1 실리콘 카바이드 부품은 수납용 암 죠인트 부재를, 제 2 실리콘 카바이드 부품은 삽입용 수 죠인트 부재를 제공한다. 암수 죠인트 부재는 각각 수 부재가 암 부재속에 삽입되는 방향에 거의 평행한 대향 측벽을 구비하며, 암수 죠인트 부재는 대향 측벽 사이에 약 0.003 인치(0.76 mm)의 평균 간극(들)이 제공되도록 조절된다. 또한, 암 죠인트 부재는 고체 상태의 실리콘을 수용하는 저장 수단을 구비하는 동시에 수 죠인트 부재가 암 죠인트 부재속에 완전히 삽입될 수 있게 하며, 그 저장 수단은 간극(들)과 유체 연통된다. 저장 수단에는 고체 실리콘, 즉, 분말 형태의 실리콘이 충전되고; 수 죠인트 부재는 암 죠인트 부재속에 삽입되고; 제 1 및 제 2 부품은 실리콘이 용융되기에 충분한 시간 동안 실리콘의 용융점 이상으로 가열되고; 용융된 실리콘은 모세관 작용에 의해 암수 죠인트 부재의 대향 측벽 사이의 간극(들)속으로 들어간다. 조립 부품에 대한 후속의 냉각 단계에 의해 실리콘이 응고되고, 이에 따라 응고된 실리콘이 암수 죠인트 부재의 대향 측벽 사이에 접합부를 형성함으로써 죠인트가 암수 죠인트 부재 사이에 고정된다.

노출된 실리콘이 바람직하지 않다고 생각되는 용도에 있어서, 암수 죠인트 부재 사이의 간극(들)은 화학 증착(CVD)에 의해 접합 부품상에 실리콘 카바이드의 층을 증착시킴으로써 밀봉된다. 소정의 용도, 즉, 어떠한 실리콘도 SiC 표면에 있는 것이 바람직하지 않다고 여겨지는 경우에 바람직한 방법에서, 실리콘 카바이드는 CVD 증착을 위해서는 충분하게 상승된 온도이나 실리콘의 융점 이하인 온도에서 증착된다. 이러한 방법에서, 간극(들)을 밀봉한 후, 온도는 실리콘의 융점 이상으로 상승되고 실리콘이 용융되기에 충분한 시간동안 유지되어 용융된 실리콘이 대향 측벽 사이의 간극(들)내로 모세관 이동되는 것을 보장한다. 그러나, (용융 실리콘) 죠인트가 형성되도록 실리콘을 용융시키고 후속하여 죠인트를 실리콘 카바이드로 밀봉시킴으로써 접합부가 형성되는 것은 본 발명의 범위내에 있고; 또는, 실리콘 카바이드 시일(seal)의 증착 및 죠인트를 형성하기 위한 실리콘의 용융이 동시에 이루어질 수 있다.

도 1에 본 발명의 방법에 따라 형성된 암/수 죠인트(10)가 예시되어 있다. 죠인트(10)는 원통형의 일단 구멍인 암 죠인트 부재(13)를 안에 구비한 블록으로 예시된 제 1 CVD-SiC 부품(12)과, 원통형 로드이고, 그 로드의 하향으로 좁아지는 원통형 단부 부분인 수 죠인트 부재(15)를 구비한 제 2 CVD-SiC 부품(14)과의 사이에 형성된다. 예시된 특정의 죠인트(10)에서, 하향으로 좁아지는 단부 부분은 수 죠인트 부재를 제공하고, 또한 원통축(17)에 대해 횡방향인 환형 쇼울더(16)가 마련되도록 가공된다. 로드(14)의 주요부(18)의 직경은 수 죠인트 부재(15)에 대해 비례하여, 쇼울더(16)는 수 죠인트 부재(15)가 암 죠인트 부재(13)내에 삽입될 때 제 1 죠인트 부품(12)의 외표면(19)상에 안착된다. 수 죠인트 부재(15)의 (축방향으로의) 길이는 암 죠인트 부재(13)의 깊이보다 작으며, 따라서 암수 죠인트 부재의 내측 단부 사이에 공간(space) 또는 저장부(20)가 제공된다. 암 부재(13)의 직경은 수 부재(15)의 외경에 대해 비례하여, 암 부재의 측벽(21)과 수 부재의 측벽(22)과의 사이에 약 0.003 인치(통상은, 0.001 내지 0.003 인치)까지의 간극(29)이 있게 되고, 측벽(21,22)은 삽입 방향을 형성하는 원통축(17)에 평행하다. (따라서, 암 부재(13)의 직경은 수 부재(15)의 직경보다 큰 약 0.006 인치(0.152mm)까지이다. 0.003 인치까지의 간극(29)의 간격 조정은, 2개의 부품(12, 14)이 원통축(17)을 따라 완전히 중심으로 안착될 필요는 없기 때문에 평균 간격 조정이 된다.) 도 1에 도시된 바와 같은 죠인트(10)를 형성함에 있어, 깊이가 약 1 내지 약 3 mm 사이인 저장부(20)가 통상적이나, 이는 특별한 죠인트를 접합하는데 요구되는 실리콘의 양에 따라 광범위하게 변할 수 있다.

실리콘이 간극에 유입되도록 대향 측벽 사이에는 소정의 간극이 요구되는 반면, 간극의 두께(thinness)에 대한 이론적인 제한은 없다. 간극이 극히 좁으면, 간극 사이로의 실리콘의 이동은 모세관 작용에 의한 것보다 간극에 유입되는 실리콘 증기에 의한 것이 더 클 수 있다고 여겨지지만, 그러한 이동은 본 발명의 범위내에서 고려된다. 통상, 약 0.0005 인치보다 작은 간극이 제공되도록 SiC 부품을 가공하기는 어려우며, 간극은 통상 0.001 인치 내지 0.003 인치이다.

2개의 부품(12, 14)을 서로 부착시키기 위해, 고체 상태(특히 분말화된) 실리콘을 저장부(20;본원에서는 암 죠인트 부재(13)의 바닥 또는 내측 단부)에 넣는다. 도 1에 예시된 죠인트(10)는 반도체 처리에 사용되는 장치용으로 의도된 것이다. 실리콘 웨이퍼가 처리될 때 실리콘은 로의 환경을 오염시키는 것으로 여겨지는 반면, 접합용 실리콘에 의해 흡수되거나 흡착되는 가스와 같은 불순물이 오염물이 되는 것으로 여겨질 수 있다. 또한, 접합용 실리콘을 후속되는 고압의 사용중 기체-빼기(out-gassing)로부터 보호하고 죠인트(10)에 의해 일부가 형성된 물품의 세정중 산 또는 염에 의해 그 접합용 실리콘이 부식되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 따라서, 죠인트(10)는 CVD-SiC 층 또는 피복(24)을 물품상에 증착시킴으로써 밀봉된다. CVD-SiC 층(24)의 증착은 층 또는 피복(24)을 충분히 상승된 온도, 즉, 1350℃에서 증착시키기 위한 것이나, 그 온도는 실리콘의 융점(1420℃) 미만이다. CVD-SiC 피복(24)이 증착된 후, 바람직하게는 로로부터 물품을 분리하지 않고 온도가 실리콘의 융점 이상, 즉, 약 1450℃ 내지 약 1500℃ 사이로 상승되어, 죠인트(10)의 저장부(20)내에 수용된 실리콘이 용융된다. 용융된 실리콘은 모세관 작용에 의해 암수 죠인트 부재(15, 13)의 대향 측벽(21, 22) 사이의 간극으로 들어간다. 냉각시, 실리콘이 응고되고, 이에 따라 죠인트 부재(13, 15)가 접합된다.

이러한 기술에는 여러 가지 두드러진 특징이 있다.

1. 암/수 죠인트 부재가 서로 접합된다.

2. 이 기술은, 접합 작용제인 실리콘이 실리콘 디바이스 처리중에는 오염물로 여겨지지 않기 때문에 반도체 산업에 사용하기 위한 복잡한 형상의 SiC 물품, 특히 CVD-SiC 물품을 제조하는데 사용될 수 있다.

3. 결과적으로 얻어진 죠인트는 모재(SiC)에 비교할 만한 기계적 강도를 갖는다.

4. 물품은 죠인트를 크게 약화시킴이 없이, 예컨대 1200 내지 1400℃의 고온까지 가열될 수 있다. CVD-SiC 피복은 접합용 실리콘을 죠인트내에 밀봉시키기 때문에, 몇몇 경우 접합된 물품이 훨씬 고온에서 사용될 수 있다.

5. CVD-SiC 피복은 부품에 있는 임의의 제조 결함(fabrication flaw)을 채워서 치유하고, 따라서 부품의 기계적 강도를 강화시킨다.

6. CVD-SiC 피복 단계 및 후속되는 실리콘 용융 단계의 양 단계는 동일한 로에 장입하는 동안 연속적으로 수행된다.

7. 실리콘 및 실리콘 카바이드는 유사한 열팽창 계수를 가지며; 따라서, 접합부는 반복되는 가열 및 냉각 사이클중 손상되지 않은 채 유지된다.

8. 실리콘이 주성분(silicone-rich)인 실리콘 카바이드는 공지되어 있고, 접합부 형성중, 실리콘이 실리콘 카바이드 내로 이동되면서 계면에 실리콘이 주성분인 실리콘 카바이드가 형성될 수 있고, 이에 따라 실리콘과 실리콘 카바이드 사이에 연속체와 같은 구역이 형성되는 것으로 여겨진다.

9. SiC가 저압에서 증착되고, SiC 증착이 종종 200 토르(torr) 또는 그 미만에서 이루어지면, SiC 증착으로 실리콘에 의해 점유되지 않은 임의의 공간에 있는 진공부(vacuum)가 밀봉되며, 그러한 진공부는 임의의 죠인트의 접합 강도를 강화시킨다.

도 2A에 예시된 웨이퍼 캐리어(40)는 도 1과 관련하여 전술한 바와 같은 죠인트를 사용하여 제작된다. 웨이퍼 캐리어(40)는 8개의 죠인트(10)로써 형성되며, 이에 따라 4개의 로드 또는 레일(42)(도 2B)은 각각 한쌍의 종단 수 죠인트 부재(15)를 제공하고(도 1에 따라), 2개의 단부판(도 2C)은 각각 4개의 암 죠인트 부재(13)를 제공한다(도 1에 따라). 각각의 레일(42)은 각각의 단부판(44)과 같이 모노릴식 부품인 CVD-SiC 로 제조된다. 도 2A에서, 레일(42)은 실리콘 웨이퍼가 고정되도록 조절되는 홈 또는 슬롯(46)을 구비하여 도시되어 있고; 이러한 홈(46)은 웨이퍼 캐리어(40)의 조립에 후속하여 절결되는 것이 바람직하다.

각각의 레일(42)은 원통형이고 각 단부에 가공된 수 죠인트 부재(15)를 구비한다. 각각의 단부판(44)은 각 코너에 암 죠인트 부재(13)가 뚫려 있는 통상의 사다리꼴 형상이다. 예시된 단부판(44)은 중량 감소를 위해 사다리꼴 개구부(48)를 구비하나, 이러한 개구부가 반드시 필요한 것은 아니다. 또한, 각각의 단부판(44)은 캐리어(40)에 의해 고정되는 웨이퍼가 노의 바닥 위쪽으로 이격되는 것을 보장하기 위해 사다리꼴의 좁은 단부에 한쌍의 레그(50)를 구비하여 형성된다. 캐리어를 형성하기 위해, 실리콘 분말(49)을 단부판(44)의 각각의 암 죠인트 부재(13)에 넣고, 암 죠인트 부재(13)의 바닥은 저장부로서 기능하며; 레일(42)의 단부에 있는 수 죠인트 부재(15)가 삽입되며; 우선 CVD-SiC 피복이 증착되어 있는 조립체가 노의 소정의 위치에 배치된 후 웨이퍼 캐리어(40)를 고체 실리콘 분말(49)이 용융되기에 충분하게 가열한다. 후속하여, 웨이퍼 캐리어(40)를 냉각하여 실리콘을 응고시킨다.

도 3A, 3B 및, 3C에 예시된 경량 거울 기판(60)에서, CVD-SiC 면판(faceplate ; 62)은 본 발명의 방법에 따라 그것에 접합되어 있는 CVD-SiC 리브(rib; 64)로써 강화된다. 피커링 등에게 허여된 전술한 미국 특허 제 5,374,412호에 주지된 바와 같이, CVD-SiC는 이론적으로 밀도가 높고 초고광택성이다. 따라서, CVD-SiC는 우주선에서도 사용될 수 있는 우수한 거울용 기판이다. 예시된 거울 기판(60)에서, 면판(62)의 전방면(70)에는 거울이 형성되어 있는 표면이 마련되어 있다. 이러한 경우, 거울-형성면(70)은 편평하지만, 볼록하거나 오목하거나 할 수 있다.

중량이 일종의 프리미엄(premium)인 우주선에서는 거울과 같은 임의의 부품을 가능한한 가볍게 제작하는 것이 바람직하다. 따라서, 면판(62)은 무게가 0.2"(5 mm)인 하나의 얇은 CVD-SiC로 제작될 수 있다. 그러한 얇은 층에 있어서 CVD-SiC는 매우 단단한 물질이지만, 그럼에도 약간의 가요성이 있다. 따라서, 매우 얇은, 약 0.040"(1 mm) 두께의 CVD-SiC 리브(64)가 면판(62)의 후면에 접합되어, 면판의 치수 안정성을 강화시킨다. 예시된 거울 기판(60)에서, 수직의 측벽(85)을 구비한 장방형 단면의 3개의 슬롯(75)이 가공되어 면판(62)의 후면(76)이 된다. 암 죠인트 부재로서 기능하는 슬롯(75)은 예시된 거울 기판 조립체(60)에서 삼각형 배열로 배치되나; 다른 리브 배치가 용이하게 고려될 수 있다. 이러한 경우, 도 3C에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 리브(64)의 연부(77)는 각각의 슬롯(75) 내에 수납되어 수 죠인트 부재로서 기능한다. 각각의 리브(64)를 삽입하기 전에, 각각의 슬롯에는 규제된 양의 실리콘 분말(79)이 충전되며, 각각의 슬롯(75)의 바닥은 저장부(89)로서의 역할을 한다. 리브(64)가 삽입된 후, 거울 기판 조립체(60)는 로에 위치되어 실리콘의 융점 이상의 온도까지 가열되고 그 온도에서 실리콘이 용융되어 모세관 작용에 의해 슬롯(75)의 측벽(83)과 리브(64)의 삽입된 연부의 측벽(85)과의 사이의 간극(81)으로 이동될 때까지 유지된다. 조립체(60)를 냉각시킬 때, 리브(64)와 면판(62)과의 사이에 우수한 접합부가 형성된다.

거울 기판(60)은 반도체 장치에 사용되지 않고, 고온에 다시 노출되지 않고, 가성 화학물(caustic chemical)로 반복적으로 세정되지 않게 된다. 따라서, 이와 같은 경우, 실리콘을 용융시키기 전에 CVD-SiC 코팅이 제공될 필요가 없다. 경량의 거울 기판을 제조하기 위한 본 발명의 이러한 접합 기술 사용의 장점은 다음과 같다:

1. 폐쇄된 후부를 갖는 거울 기판이 제조될 수 있다.

2. 균일한 리브로 이루어진 SiC 후부구조체가 제조될 수 있다. 이는 낮은 거울 중량으로 높은 강도(stiffness)를 제공할 수 있다.

3. 큰 종횡비(후부구조체의 셀 깊이 대 내접원의 직경의 비)를 갖는 경량 거울이 제조될 수 있다. 종횡비는 후부구조체의 깊이 대 내접원의 직경의 비와 같이 정해진다. 이러한 특성에 의해 중량비에 대해 큰 강도를 갖는 구조체가 얻어질 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적인 예에 의해 보다 상세히 설명한다.

예 1

7개의 CVD-SiC 샘플을 도 1에 도시된 바와 같은 접합부와 관련하여 설명된 본 발명의 방법에 의한 SiC-SiC 접합을 증명하기 위해 제조하였다. 공차는 로드와 홀과의 사이의 측면 간극의 범위가 0.001 내지 0.003 인치가 되도록 선택하였다. 이러한 간극은 모세관 작용에 의해 용융된 Si가 측면 간극내로 가압되도록 하는데 적합하다.

샘플을 접합시키는데 실리콘 분말을 사용하였다. 존슨 매티(Johnson Matthey)(애사르 ; Aesar)로 부터 구입한 이러한 분말은 순도가 99.999%였다. 소량의 Si 분말을 구멍속의 판의 단부에 위치시켰고 로드는 쇼울더에서 정지될 때까지 삽입하였다. 이러한 조립체를 4-박스 생산 런(four-box production run)중 하나의 증착 박스에 위치시켰다. 샘플을 아르곤 분위기에서 1350℃의 온도까지 가열하였다. 그후, SiC를 MTS, H₂, Ar의 혼합물을 증착 영역을 통해 통과시킴으로써 SiC를 3시간 동안 증착시켰다. 사용된 MTS, H₂, Ar의 유속은 각각 6.6 slpm, 41 slpm, 33 slpm 이다. 샘플은 작용제의 흐름이 샘플상에 충돌되도록 위치시켰다. 샘플의 암수 부품을 서로 고정시키는데 고정구는 전혀 사용하지 않았다.

SiC 증착이 완료된 후, 샘플은 이러한 접합 실험이 정규의 CVD-SiC 생산 런과 함께 수행되기 때문에 추가의 251.5시간 동안 1350℃의 온도에서 증착 챔버에 유지시켰다. 다음으로, 로 온도가 1485℃까지 증가되어 Si가 용융되고 SiC 샘플이 서로 접합되었다. 샘플을 1485℃에서 30분 동안 유지시킨 후 로 냉각을 시작하였다.

7개의 SiC 접합된 샘플을 시각적으로 검사하였다. SiC 코팅 및 접합된 조인트는 우수한 것으로 나타났다. 암수 부품은 접합된 샘플을 손으로 당겼을 때 분리되지 않았다. SiC 코팅의 두께는 약 0.022 인치였다.

7개의 SiC 샘플의 장력 강도를 인스트론(Instron^??) 머신으로 시험하였다. 아래의 표 Ⅰ에 장력 강도 시험에 대한 결과를 수록했다. 평균 장력 강도는 1536 psi로 측정되었다. 모든 경우에서, 재료의 장력은 감소되었고 접합부는 손상되지 않은 채 유지되었다. 이는 접합부의 강도가 1536 psi 보다 크다는 것을 나타낸다.

접합된 샘플을 장력 방식으로 시험하는 동안, 단축 장력 하중을 보장하기는 어렵다. 결과적으로, 접합부의 강도를 결정하기 위해, 3개의 접합된 샘플은 압축 방식으로 시험하였다. 장력 시험중 스템은 파열되었으나 접합 죠인트는 손상되지 않았기 때문에, 압축 시험을 위해 샘플 ＃s 5, 6 및, 7을 선택하였다. 이러한 샘플들을 기계 가공하여 양측면에 수 삽입부가 노출되었다. 그후, 수 삽입부가 암 부재로부터 벗어나도록 가압하기 위해 스텐레스강 다우얼(dowel)을 사용하였다.

아래의 표 Ⅱ에 압축 시험에 대한 결과가 나타나 있다. 모든 경우에서, 재료는 파손되었으나, 수 삽입부는 여전히 암 부재의 내측에 손상되지 않은 채 유지되었다. 평균 파손 강도는 6234 psi가 되는 것으로 측정되었다. 이는 접합부의 강도가 6234 psi 보다 크다는 것을 나타낸다.

예 2

도 2A 내지 도 2C와 관련하여 전술한 바와 같이, SiC 웨이퍼 캐리어를 본 발명의 접합 기술을 사용하여 성공적으로 형성하였다. 4개의 레일과 2개의 판은 CVD-SiC 벌크 재료로 제조하였고 본 발명의 접합 기술을 사용하여 서로 결합시켰다. 실리콘 분말을 접합 작용제로 사용하였고 레일을 2개의 단부판에 있는 구멍속에 삽입함으로써 웨이퍼 캐리어를 형성하였다. 그후, 웨이퍼 캐리어를 수평한 위치로 로에 위치시켰고 1350℃의 로 온도에서 3시간 동안 SiC를 증착시켰다. 증착을 완료한 후, 로 온도를 1500℃까지 상승시켜, 30분 동안 유지시킨 후 로 온도를 실온이 되게 하였다.

웨이퍼 캐리어를 시각적으로 검사하였다. 모든 죠인트는 견고한 것으로 나타났다. 이러한 것들은 SiC 코팅이 벗겨진 흔적을 보이지 않았다. 구조체가 비틀어짐(distortion) 또는 뒤틀림(warpage)에 대한 소정의 징후를 나타낸 경우를 알기 위해 웨이퍼 캐리어의 치수를 측정하였다. 구조체에서 심각한 뒤틀림은 전혀 발견되지 않았다. 이어서, 웨이퍼 캐리어에 25개의 웨이퍼 슬롯을 성공적으로 형성하였다. SiC 죠인트는 웨이퍼 슬롯의 가공에 따른 모든 응력을 견뎌냈다.

예 3

도 3A 내지 3C와 관련하여 전술한 바와 같은 경량의 SiC 거울 기판은 본 발명의 접합 기술을 사용하여 성공적으로 제작되었다. 2.25" × 2.25" × 0.2" 치수의 SiC 면판을 이용하였고 1-mm 폭과 1-mm 깊이의 슬롯을 하나의 표면상에 형성하였다. 이러한 슬롯은 삼각형 패턴으로 형성되었다. 이러한 슬롯에, SiC 분말을 위치시키고 각각 폭 1" × 길이 1.5" × 두께 1-mm 인 3개의 SiC 리브를 위치시켜 구조체를 1500℃까지 가열하여 SiC 면판에 결합시켰다. SiC 코팅은 이러한 구조체에 전혀 증착되지 않았다. 접합된 조립체를 검사하였고 SiC 면판과 SiC 리브와의 사이의 접합부는 견고한 것으로 나타났다.

본 발명에 따른 SiC 부품 접합 방법에 따라, 반도체 산업에 사용하기 위한 복잡한 형상의 SiC 물품, 특히 CVD-SiC 물품이 제조될 수 있으며, CVD-SiC 피복이 부품에 있는 임의의 제조 결함(fabrication flaw)을 채워서 치유하여, 부품의 기계적 강도가 강화되며, 접합용 실리콘이 죠인트내에 밀봉되기 때문에 소정의 접합된 물품은 훨씬 고온에서 사용될 수 있다.

Claims

제 1 실리콘 카바이드 부품을 제 2 실리콘 카바이드 부품에 접합하는 접합 방법으로서,

상기 제 1 실리콘 카바이드 부품에 수납용 암 죠인트 부재를 마련하는 단계 및;

상기 제 2 실리콘 카바이드 부품에 삽입용 수 죠인트 부재를 마련하는 단계를 포함하며;

상기 암수 죠인트 부재는 상기 수 죠인트 부재가 상기 암 죠인트 부재에 삽입될 방향에 거의 평행한 대향 측벽을 각기 구비하고, 상기 수 죠인트 부재가 상기 암 죠인트 부재속에 삽입될 때 상기 대향 측벽 사이의 간극(들)이 평균 약 0.003 인치(0.76 mm)에 이르도록 형성되고, 상기 암 죠인트 부재는 고화 상태의 실리콘을 수납하는 저장 수단을 구비하는 동시에 상기 수 죠인트 부재가 상기 암 죠인트 부재속에 완전히 삽입될 수 있게 하고, 상기 저장 수단은 상기 수 죠인트 부재가 상기 암 죠인트 부재속에 삽입될 때 상기 간극(들)과 유체 연통되며,

상기 저장 수단에 고체 상태의 실리콘을 공급하는 단계;

상기 암 죠인트 부재속에 상기 수 죠인트 부재를 삽입하는 단계;

상기 제 1 실리콘 카바이드 부품 및 제 2 실리콘 카바이드 부품을 상기 실리콘이 용융될 정도로 충분한 시간동안 실리콘의 융점 이상으로 가열하고, 용융된 실리콘 및/또는 실리콘 증기를 상기 암수 죠인트 부재의 상기 대향 측벽 사이의 상기 간극(들)에 유입시키는 단계 및;

후속하여 상기 제 1 부품 및 제 2 부품을 냉각하여 상기 실리콘을 응고시키며, 이에 따라 응고된 실리콘이 상기 암수 죠인트 부재의 상기 대향 측벽 사이에 접합부를 형성함으로써 상기 암수 죠인트 부재 사이에 죠인트를 고정하는 단계

를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
제1항에 있어서, 상기 제 1 실리콘 카바이드 부품 및 제 2 실리콘 카바이드 부품은 화학 증착에 의해 증착된 실리콘 카바이드로 형성되는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
제 1 실리콘 카바이드 부품을 제 2 실리콘 카바이드 부품에 접합하는 접합 방법으로서,

상기 제 1 실리콘 카바이드 부품에 수납용 암 죠인트 부재를 마련하는 단계 및;

상기 제 2 실리콘 카바이드 부품에 삽입용 수 죠인트 부재를 마련하는 단계를 포함하며;

상기 암수 죠인트 부재는 상기 수 죠인트 부재가 상기 암 죠인트 부재에 삽입될 방향에 거의 평행한 대향 측벽을 각기 구비하고, 상기 수 죠인트 부재가 상기 암 죠인트 부재속에 삽입될 때 상기 대향 측벽 사이의 간극(들)이 평균 약 0.003 인치(0.76 mm)에 이르도록 형성되고, 상기 암 죠인트 부재는 고화 상태의 실리콘을 수납하는 저장 수단을 구비하는 동시에 상기 수 죠인트 부재가 상기 암 죠인트 부재속에 완전히 삽입될 수 있게 하고, 상기 저장 수단은 상기 수 죠인트 부재가 상기 암 죠인트 부재속에 삽입될 때 상기 간극(들)과 유체 연통되며,

상기 저장 수단에 고체 상태의 실리콘을 공급하는 단계;

상기 암 죠인트 부재속에 상기 수 죠인트 부재를 삽입하는 단계;

상기 제 1 실리콘 카바이드 부품 및 제 2 실리콘 카바이드 부품을 상기 실리콘이 용융될 정도로 충분한 시간동안 실리콘의 융점 이상으로 가열하고, 용융된 실리콘 및/또는 실리콘 증기를 상기 암수 죠인트 부재의 상기 대향 측벽 사이의 상기 간극(들)에 유입시키는 단계;

상기 암수 죠인트 부재 사이의 실리콘이 밀봉되도록 a)상기 실리콘이 용융되기 전에 또는 b) 상기 실리콘이 용융됨과 동시에 또는 c) 상기 실리콘의 용융에 이어 상기 제 1 부품과 제 2 부품상에 상기 실리콘 카바이드의 피복을 화학 증기 증착하는 단계 및;

후속하여 상기 제 1 부품 및 제 2 부품을 냉각하여 상기 실리콘을 응고시키며, 이에 따라 응고된 실리콘이 상기 암수 죠인트 부재의 상기 대향 측벽 사이에 접합부를 형성함으로써 상기 암수 죠인트 부재 사이에 죠인트를 고정하는 단계

를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
제3항에 있어서, 상기 제 1 실리콘 카바이드 부품 및 제 2 실리콘 카바이드 부품은 화학 증착에 의해 증착된 실리콘 카바이드로 형성되는 것을 특징으로 하는 접합 방법.