KR101148510B1 - 실리콘 부재들을 결합시키기 위한 플라즈마 분사 - Google Patents

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페로텍 (유에스에이) 코포레이션
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Abstract

2개의 실리콘 부재들(32, 36)을 결합하는 방법, 및 상기 부재들이 틈(40)에 대해 정렬되도록 배치되게 조립된 결합 어셈블리가 개시된다. 실리콘 분말로부터 유도된 실리콘은 틈에 대해 플라즈마 분사되고, 틈의 각 측면상의 실리콘 부재들에 결합되는 실리콘 코팅(44)을 형성한다. 플라즈마 분사된 실리콘은 스핀-온 유리의 하부 결합부를 밀봉시키거나, 1차 결합부로서 작용하고, 각각의 경우 모티스 홀들을 관통하여 2개의 실리콘 층들은 모티스 홀들의 대향 단부들상에서 플라즈마 분사된다. 실리콘 웨이퍼 타워(10) 또는 보트는 최종 제품이 될 수 있다. 상기 방법은 세그먼트들(102) 또는 원형으로 배치된 스테이브들로부터 링(128) 또는 관을 형성하는데 사용될 수 있다. 플라즈마 분사 실리콘은 실리콘 부재(162)에 형성된 크랙 또는 칩(160)을 수리할 수 있다.

Description

실리콘 부재들을 결합시키기 위한 플라즈마 분사{PLASMA SPRAYING FOR JOINING SILICON PARTS}
본 발명은 일반적으로 플라즈마 분사에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반도체 제조 설비에 사용되는 실리콘 부재들을 결합시키는 것에 관한 것이다.
일괄(batch) 기판 처리는 반도체 집적회로들 및 유사한 마이크로 구조 어레이들을 제조하는데 지속적으로 사용되고 있다. 일괄 처리에서, 많은 실리콘 웨이퍼들 또는 다른 형태들의 기판들은 처리 챔버의 웨이퍼 지지 고정체상에 함께 배치되어 동시에 처리된다. 가장 최근의 배치 처리는 예를 들어, 산화물 또는 질화물의 평면층들을 증착하거나, 이전에 증착된 층들 또는 존재하는 층들로 주입된 도펀트들을 어닐링할 때 고온으로의 노광(exposure) 연장을 포함한다. 수평으로 배치된 웨이퍼 보트(boat)들이 원래 사용되었지만, 최근에는 수직으로 배치된 웨이퍼 타워들이 적층된 많은 웨이퍼들을 지지하는 지지 고정체로서 사용된다.
과거에, 타워들과 보트들은 대부분 석영으로 이루어지거나 종종 고온의 도포를 위한 실리콘 카바이드로 이루어졌다. 그러나, 석영 및 실리콘 카바이드는 많은 개선된 처리들에 대해 불만족스러운 것으로 입증되었다. 개선된 집적회로들의 허용가능한 수율은 매우 낮은 레벨의 입자들과 처리 환경에서의 금속 오염물들에 좌 우된다. 석영 타워들은 몇몇 사이클들 이후에 과도한 입자들을 형성하고, 재조정하거나 폐기되어야 한다. 더욱이, 많은 프로세스들은 1000℃ 이상 또는 1250℃ 이상의 고온에서 처리를 필요로 한다. 실리콘 카바이드는 훨씬 더 높은 온도에서 그 강도를 유지하지만 이러한 고온들에서 석영은 늘어진다. 그러나, 이러한 두 물질들에 대해 고온은 석영 또는 실리콘 카바이드에서 반도체 실리콘으로의 불순물들의 확산을 활성화시킨다. 실리콘 카바이드의 몇가지 문제점들은 하부의 소결된 실리콘 카바이드에서 오염물들을 밀봉시키는 화학적 기상 증착(CVD)에 의해 증착되는 얇은 SiC 표면 코팅으로 소결된 SiC를 코팅시킴으로써 해결되어왔다. 이러한 방법은 그 비용에도 불구하고 문제를 갖고 있다. 0.13㎛ 이하의 피쳐 크기들을 갖는 집적회로들은 실리콘 웨이퍼에서 슬립(slip) 결함들이 발생하기 때문에 종종 실패한다. 실리콘 웨이퍼들이 실리콘과 상이한 열 팽창을 갖는 물질의 타워들상에 지지될 때 초기 열처리 동안 슬립이 발생하는 것으로 판단된다.
이러한 많은 문제들은 Boyle 외의 미국특허 제6,450,346호에 기술된 것처럼, 특히 원시(virgin) 폴리실리콘으로 이루어진 실리콘 타워들의 사용에 의해 해결되었고, 상기 미국특허는 그 전체가 본 발명에 참조로 포함된다. 도 1에 도시된 실리콘 타워(10)는 그 단부들에서 2개의 실리콘 베이스들(14)에 결합된 3개 이상의 실리콘 레그(leg)들(12)을 포함한다. 각각의 레그(12)는 몇도 만큼 상향하게 경사지고 그 내부 팁들(20) 근처에 형성된 수평 지지 표면들(18)을 갖는 내향하게 돌출된 톱니(16)를 형성하기 위한 슬롯들로 절단(cut)된다. 다수의 웨이퍼들(22)(이 중 하나만 도시됨)은 타워(10)의 축을 따라 평행한 수평 배향으로 지지 표면들(18)상에 지지된다. 매우 고온의 처리를 위해, 4개의 레그들(12)이 있는 것이 바람직하고, 지지 표면들(18)은 중앙으로부터 웨이퍼 반경의 0.707에서 사각형 패턴으로 배치되는 것이 바람직하다. 보트는 많은 동일한 구조물을 갖지만 수평으로 배치된 보트를 지지하도록 일측상에 구성된 두개의 베이스들을 갖는다. 웨이퍼들은 상기 슬롯들의 저면과 상기 톱니의 팁들에서 수직으로부터 몇도로 지지된다.
실란(SiH4) 또는 클로로실란(SiClH3, SiCl2H2, SiCl3H, 또는 SiCl4)을 프리커서로서 갖는 화학적 기상 증착에 의해 형성된 벌크 실리콘인 원시 폴리실리콘으로부터 레그들(12)이 기계가공되면 우수한 결과물들이 얻어진다. 원시 폴리는 웨이퍼들이 절단되는 실리콘 잉곳(ingot)들의 Czochralski 성장에 사용되는 다중-센티미터 잉곳들로 형성되는 프리커서 물질이다. 이 물질은 매우 낮은 레벨의 불순물들을 갖는다. 원시 폴리가 베이스들(14)에 대한 바람직한 물질이지만, 일반적으로 큰 크기들에서 이용가능하지 않는다. Czochralski 실리콘은 베이스들(14)에 대해 사용될 수 있다. 베이스들(14)이 웨이퍼들(22)과 접촉하지 않기 때문에 더 높은 불순물 레벨은 덜 중요하다.
특히 원시 폴리로부터 실리콘 타워 또는 보트를 제조하는 것은 몇가지 개별 단계들을 필요로 하고, 그 중 하나는 가공된 레그들(12)을 베이스들(14)과 결합시키는 것이다. 도 2에 개념적으로 도시된 것처럼, 블라인드 모티스(blind mortise) 홀들(24)은 비원형 형상으로 레그들(12)의 단부들(26) 보다 다소 더 큰 단부들을 갖도록 각각의 베이스(14)로 기계가공된다. Boyle 외는 알코올 등으로 박막화된 스핀-온 유리(SOG)의 사용을 선호한다. SOG는 결합되는 영역의 하나의 부재 또는 두개의 부재들에 도포된다. 상기 부재들은 조립된 다음 상기 부재들 사이의 틈(seam)에서 SOG를 유리화하기 위해 600℃ 이상에서 어닐링된다.
SOG는 비교적 저가이고 매우 높은 순도를 가지므로 박막 층간 유전체 층들을 형성하기 위해 반도체 산업에서 널리 사용된다. SOG는 집적회로들상의 실리케이트 유리 층들을 형성하도록 반도체 제조시 널리 사용되는 화학제들에 대한 일반명사이다. 상업적 공급자들은 Allied Singal, 펜실베니아 버틀러의 Filmtronics 및 Dow Corning을 포함한다. SOG 프리커서들은 수소와 다른 가능한 구성물질들 및 실리콘과 산소를 모두 포함하는 하나 이상의 화학제들을 포함한다. 프리커서의 일 예는 테트라에틸오소실리케이트(TEOS) 또는 그 변형물들 또는 실록산(siloxane) 또는 실세스퀴옥산(silsesquioxane)과 같은 유기-실란이다. 이러한 사용에서, SOG는 종종 집적회로들에 대해 수행되는 바와 같은 붕소 또는 인을 포함하지 않는 것이 바람직하다. 실리콘 및 산소 함유 화학제는 알코올, 메틸 아이소부틸 케톤, 또는 휘발성 메틸 실록산 혼합물과 같은 기화가능한 캐리어에 용해된다. SOG 프리커서는 SiO2의 적절한 혼합을 갖는 실리카 망을 형성하도록 특히 상승되는 온도에서 프리커서가 화학적으로 반응한다는 점에서 실리카 결합제로서 작용한다.
Boyle은 2003년 4월 23일자로 제출된 미국 가출원 시리얼 넘버 60/465,021의 개선된 SOG 결합 방법을 개시하였으며, 이는 그 전체가 본 발명에 참조로 포함된다. 이러한 방법에서 실리콘 분말은 슬러리를 형성하도록 액체 SOG 프리커서에 부 가된다. 테르피네올(terpineol) 알코올은 설정 시간을 감소시키도록 부가된다. 상기 분말은 1 내지 50㎛의 입자 크기를 갖는 것이 바람직하고 원시 폴리실리콘으로부터 마련된다. 슬러리 접착제는 조립 이전에 접합부에 도포되고 통상 85% 이상인 폴리실리콘 부분으로 실리카/폴리실리콘 매트릭스를 형성하는 순수 SOG 접착제와 유사하게 경화된다. 개선된 SOG/폴리실리콘 접착제는 순수 SOG 접착제 보다 더 강하고, SOG로부터 훨씬 더 소량의 실리카를 포함함으로써 오염물을 감소시키지만 오염물을 완전 제거하지 못하고 접합부가 HF에 용해되는 경향을 제거하지 못한다.
결합되는 2개의 실리콘 부재들은 약 50㎛(2mils)의 두께를 갖는 갭에 의해 분리된다. 갭의 두께는 레그(12)의 단부(26)가 모티스 홀(24)에 적어도 슬라이딩가능하게 설치될 때 레그(12)와 베이스(14)의 평균적인 분리를 나타낸다. 복잡한 형상들을 형성하는데 기계가공이 요구되고 지지 표면들과 다른 부분들의 정확한 정렬을 허용하는데 조립된 부재들의 풀림이 요구되기 때문에, 갭 두께는 추가적으로 용이하게 감소될 수 없다. 액체 SOG 프리커서 또는 SOG/실리콘-분말 혼합물의 코팅은 선택적 실리콘 분말을 갖는 SOG 프리커서가 도 3의 갭(34)을 충진시키도록 2개의 부재들(12, 14)이 조립되기 이전에 결합 표면들 중 적어도 하나에 도포된다. 통상 600℃ 이상의 온도에서 경화 및 유리화(vitrification) 어닐링 이후, 선택적 실리콘 분말을 갖는 SOG 프리커서는 실리콘과 산소 원자들 및 그 결합들의 3차원 망에서 실리케이트 유리의 구조를 가지면서 삽입된 실리콘 결정들의 더 큰 부분에 대해 매트릭스를 선택적으로 형성하는 고체로 변화한다.
이러한 방법에 의해 형성되는 실리콘 타워들과 보트들은 몇가지 애플리케이 션들에서 우수한 성능을 제공하였다. 그럼에도 불구하고, 결합된 구조물과 특히 결합되는 물질은 여전히 오염될 수 있다. 실리콘 타워들의 사용 또는 세정에 이용된 매우 높은 온도들은 종종 1300℃ 이상으로서 오염물을 악화시킬 수 있다. 오염물들의 한가지 가능한 원인은 결합되는 부재들 사이의 접합부를 충진시키는데 사용되는 비교적 많은 양의 SOG이다. 반도체 제조에 통상 사용되는 실록산 SOG는 약 400℃에서 경화되고 결과적인 유리는 일반적으로 고온의 염소에 노출되지 않는다. 그러나, 그 효과가 입증되지 않았지만 매우 높은 온도는 약간이지만 가능한 매우 많은 SOG의 오염물들을 감소시키는 것이 가능할 수 있다. SOG/실리콘 혼합물은 SOG의 양을 감소시키지만 이를 완전히 제거하지 못한다.
몇몇 집적회로 제조 설비들은 플루오르화수소산(HF)에서 타워들의 주기적 세정을 요구한다. 그러나, 실리카는 SOG-결합 타워들이 HF 세정 이후에 떨어질 수 있도록 HF에 의해 에칭된다.
실리콘 타워들은 흔들림(rocking) 없이 웨이퍼들을 지지하기 위해 통상적으로 25㎛의 크기의 정렬 공차들로 조립될 필요가 있다. 큰 기계적 지그(jig)들은 부재들 사이의 결합이 종료되기 이전에 조립된 타워들의 부재들을 정렬시키는데 사용된다. SOG 접착제는 정렬을 유지하는데 두 가지 제조상의 어려움들이 있다. 통상 스핀-온은 1시간 미만의 실온에서 부분적으로 굳어지거나 경화된다. 경화 시간은 상업적으로 이용가능한 SOG 프리커서를 알코올 등으로 희석시킴으로써 다소 연장될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 약 1시간만이 SOG를 결합 부재들에 도포하고 상기 부재들을 조립하며 지그에서 상기 부재들을 정렬시키는데 이용가능하다. 이 는 신속한 제조를 가능하게 하지만, 에러 또는 예기치 못한 지연들을 위한 여지가 없으며 작용 스케쥴링과 충돌한다. 더욱이, 600℃ 및 통상 더 높은 1200℃에서 스핀-온 유리의 최종 경화 동안 상기 정렬이 유지되어야 한다. 결과적으로, 상기 정렬은 어닐링 고로(furnace)에서 타워를 지지해야 한다. 따라서, 그 이후 경화 온도로 상승되는 냉각된 고로에서 상기 정렬이 수행되거나, 지그 및 그 지지되는 조립 타워가 다소 상승된 온도에서 유지될 수 있는 고로에 삽입된다. 즉, 그 지지 타워를 갖는 상기 지그를 어닐링 고로에 배치하는 것은 가능하지만, 이러한 프로세스는 불편하며 처리량을 감소시킨다.
Zehavi 외의 미국특허 제6,284,997호에는, 실리콘 부재들과 함께 용접됨으로써 SOG 및/또는 SOG/실리콘 혼합물의 사용을 방지하고 그 잠재적 단점들을 방지하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, Zehavi 외는 용접 단계가 실리콘의 용융점 1416℃ 이상으로 국부화된 영역의 용접 틈을 가열하기 이전에 실리콘 부재들을 적어도 600℃로 사전-가열함에 의해서만 용접되는 실리콘에서 크랙들이 방지될 수 있음을 개시한다. 상기 용접 방법은 본질적으로 오염물이 없는 무 크랙 용접들을 형성하는데 성공적인 것으로 입증되었다. 그러나, 부재들의 600℃ 용접은 어렵고 성가신 공정이다. 더욱이, 600℃의 사전-가열은 정렬 지그에 수용된 부재들에 수행되는 것을 필요로 한다. 즉, 실리콘 용접은 가능하지만 단점들을 갖는다.
Siemens 외의 미국특허 제5,070,228호는 제한된 수의 특정 반응 금속들로 구성된 부재들을 결합시키는 플라즈마 분사(spraying)의 사용을 개시한다. 이러한 방법은 복잡한 구조물들로의 적용가능성을 제한하고, 복잡한 장치를 이용하는 비-반응성 환경에서 부재들의 예열을 요구한다.
본 발명에서, 2개의 실리콘 부재들, 특히 실리콘 구조 부재들은 플라즈마 분사 실리콘에 의해 결합되거나, 조립되는 부재들 사이의 틈에 액체 실리콘 또는 실리콘 증기의 방울들을 증착시킴으로써 결합될 수 있다. 분사되는 실리콘 코팅은 2개의 실리콘 부재들을 함께 결합시킨다.
플라즈마 분사법은 실리콘 분말을 기체 플라즈마에 주입시키는 단계와 상기 기체 흐름을 상기 틈에 유도하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 링들과 관들을 포함하는 많은 형태들의 실리콘 구조물들의 제조에 제공될 수 있다. 다수의 웨이퍼들을 지지하기 위해 톱니를 갖는 실리콘 베이스들과 실리콘 레그들로부터 형성되는 타워를 제조하는데 특히 바람직하다.
경사면(bevel)들은 상기 틈에 인접한 하나 또는 두개의 부재들로 절단될 수 있다. 경사면들은 원뿔형 둥근 홈(chamfer)들의 형태일 수 있다.
실리케이트 유리를 형성하도록 어닐링된 이후, 스핀-온 유리(SOG) 또는 SOG의 혼합물과 실리콘 분말은 부재들 사이의 제 1 접착제로서 사용될 수 있으며, 이 경우 상기 분사된 실리콘은 하부의 스핀-온 유리를 밀봉시킨다. 다른 제 1 접착제들로 대체될 수 있다.
제 1 부재는 제 2 부재에 형성된 모티스 홀(mortise hole)에 배치됨으로써, 통상적으로 상기 틈에 수직인 2개의 부재들의 주표면들을 형성할 수 있다. 상기 모티스 홀은 블라인딩(blinding)될 수 있다. 보다 바람직하게는, 모티스 홀은 제 2 부재를 통해 연장되고, 실리콘 층들은 제 1 부재의 축을 따라 이격된 지점들에서 2개의 부재들을 함께 결합시키도록 상기 모티스 홀의 양 단부들에서 플라즈마 분사된다.
작은 실리콘 태크(tack)들은 최종 결합 층의 최종 플라즈마 분사 이전에 또는 스핀-온 유리 접착제의 어닐링 동안 정렬 지그로부터 구조물의 제거를 허용하도록 피이스들을 일시적으로 결합시키기 위해 플라즈마 분사될 수 있다. 실리콘의 크랙들은 바람직하게는 크랙이 보다 일정한 형상으로 가공된 이후에, 실리콘을 크랙으로 플라즈마 분사함으로써 수리될 수 있다.
도 1은 실리콘 웨이퍼 타워의 정사영도이다.
도 2는 타워의 두개의 부재들과 이들이 결합되는 방법의 정사영도이다.
도 3은 실리콘 베이스의 둥근홈 블라인드 모티스 홀의 횡단면도이다.
도 4는 도 3의 모티스 홀로 삽입된 실리콘 레그를 나타내는 횡단면도이다.
도 5는 레그를 베이스에 결합시키는 플라즈마 분사 실리콘 층을 나타내는 횡단면도이다.
도 6은 도 5에 해당하는 부분 평면도이다.
도 7은 접합부 주변에서 평활화(smooth)되는 실리콘 층을 나타내는 횡단면도이다.
도 8은 실리콘 레그와 베이스와 임시적으로 결합되는 실리콘 태크를 나타내는 횡단면도이다.
도 9는 플라즈마 분사된 실리콘 층으로 커버되는 태크를 나타내는 횡단면도이다.
도 10은 실리콘 베이스에서 둥근 홈 관통 모티스 홀을 나타내는 횡단면도이다.
도 11은 모티스 홀을 통해 삽입된 실리콘 레그를 나타내는 횡단면도이다.
도 12는 레그를 베이스에 결합시키는 2개의 플라즈마 분사 실리콘 층들을 나타내는 횡단면도이다.
도 13은 실리콘 접합부를 평활화하는 마감 그라인딩을 나타내는 횡단면도이다.
도 14는 통상적인 쉐도우 링의 횡단면도이다.
도 15는 링을 형성하는데 사용되는 단일 둥근홈 실리콘 세그먼트의 횡단면도이다.
도 16은 링을 형성하는데 선택적으로 사용되는 이중 둥근홈 실리콘 세그먼트의 횡단면도이다.
도 17은 링을 형성하도록 접합될 때 도 15의 2개의 세그먼트들의 평면도이다.
도 18은 도 17에 해당하는 외향하는 반경 입면도이다.
도 19 및 도 20은 접합부가 2개의 플라즈마 분사 실리콘 층들과 결합된 이후 도 17 및 도 18에 각각 해당하는 평면도 및 입면도이다.
도 21은 도 17 및 18의 결합된 세그먼트들의 결합된 다각형 원의 평면도이 다.
도 22는 실리콘 관을 형성하는데 사용되는 실리콘 스테이브(stave)의 축 단부의 평면도이다.
도 23은 링을 형성하도록 접합되는 도 22의 2개의 실리콘 스테이브를 나타내는 평면도이다.
도 24는 도 23에 해당하는 외향하는 반경 입면도이다.
도 25 및 도 26은 2개의 인접 스테이브들을 결합시키는 2개의 플라즈마 분사 실리콘 층들을 나타내는 도 23 및 도 24에 해당하는 평면도 및 입면도이다.
도 27은 결합된 실리콘 스테이브들의 다각형 링의 축 단부의 평면도이다.
도 28은 실리콘 부재의 크랙의 정사영도이다.
도 29는 더 크고 보다 일정한 형상으로 가공된 이후 도 28의 크랙의 정사영도이다.
도 30은 크랙을 충진하는 플라즈마 분사 실리콘 층의 정사영도이다.
도 31은 평활하게 연마된 이후 도 30의 실리콘 층의 정사영도이다.
2개의 인접한 실리콘 부재들을 분리시키는 틈에 대한 플라즈마 분사 실리콘은 상기 부재들이 결합되는 동안 실리콘의 용융점 훨씬 이하의 온도에서 유지될 때에도 상기 두 부재들에 밀착 결합되는 실리콘 층을 형성하는 것으로 입증되었다. 분사된 실리콘 코팅은 예를 들어, 스핀-온 유리(SOG) 또는 SOG/실리콘 혼합물의 하부 접착제를 밀봉하는데 사용될 수 있거나, 상기 부재들 사이의 1차 결합으로서 사 용될 수 있다. 선택적으로, 더 작은 면적의 접합부에 분사되는 실리콘 층은 2개의 부재들을 일시적으로 홀딩하기 위해 태크(tack) 또는 스폿 용접과 유사한 태크로서 사용될 수 있다.
본 발명은 다른 실리콘 부재들과 구조물들에 적용될 수 있지만, 이하의 설명은 실리콘 웨이퍼 타워들의 예를 사용한다. 실리콘 보트의 부재들을 결합시키기 위한 프로세스는 매우 유사하다. 이러한 구조물들은 큰 실리콘 부분에 구성된 실리콘 구조 부재들로부터 형성되고, 상기 구조물을 위한 주 기계적 지지부를 제공한다. 사전 조립과 상기 실리콘 부재들의 결합은 독립적이다. 도 3의 횡단면도에 도시된 것처럼, 통상적으로 비-원형 형상의 블라인드 모티스 홀(30)은 실리콘 베이스(32)에 부분적으로 기계가공된다. 그러나, 둥근 홈(34)은 홀(30)의 상부에서 베이스(32)로 기계가공된다. 둥근 홈(34)은 베이스(32)의 상면에 대하여 20°내지 60°의 각도를 갖는 것이 바람직하며, 45°가 만족스러운 타협안이다. 틈에 인접한 두개의 부재들을 해제하도록 둥근홈의 원뿔형 경사면 대신에 다른 형상들의 경사면들이 사용될 수 있지만, 직선형 둥근홈이 일반적으로 바람직하다. 동일한 구조물이 타워의 두개의 베이스들의 모든 모티스 홀들에 대해 형성된다.
타워는 도 4의 횡단면도에 도시된 것처럼, 각각의 모티스 홀(30)에 설치된 레그(36)의 각 단부와 조립된다. 레그(36)의 단부는 정렬을 위한 용이한 삽입과 제한된 탄력성을 허용하는 갭(38)을 형성하도록 모티스 홀(30) 보다 다소 더 작다. 통상 약 50 내지 100㎛인 갭(38)은 그 외부의 레그(36)와 함께 도시된다. 레그(36)와 베이스(32)가 정렬된 이후, 이들의 형상은 그러한 정렬을 수용하기 위해 일정하지 않다. 상기 도면은 모티스 홀(30)의 저면을 거의 충진하는 레그(36)를 도시하지만, 원한다면 더 넓은 공간이 남겨질 수 있다.
일 실시예에서, 액체 SOG 프리커서 또는 SOG의 슬러리와 실리콘 분말이 도 5의 횡단면도에 도시된 것처럼, 조립된 부재들 사이에 접착 영역(40)을 형성하도록 결합되는 하나 또는 두개의 부재들에 조립 이전에 제공된다. 조립 이후, 정렬 지그는 웨이퍼 지지 타워들에 요구되는 약 25 내지 50㎛의 공차들로 상기 타워를 정렬시킨다. 타워가 정렬된 이후, 타워와 지그는 약 1300℃까지의 온도들에서 접착 영역(40)의 SOG를 경화시키도록 어닐링 고로(furnace)로 이동된다. 접착제가 플라즈마 분사 실리콘에 의해 적절히 밀봉되면 다른 접착제들과 경화 프로세스들로 대체될 수 있다. 선택적으로, 상기 타워는 냉각 고로 내부의 지그에 정렬되고, 그 이후 상기 고로는 요구되는 어닐링 온도로 상승된다.
접착제 경화 이후, 결합된 강성(rigid) 타워는 상기 고로와 지그로부터 제거된다. 접합부로부터 떨어진 레그(36)와 베이스(32)의 부분들은 예를 들어, 몰리브덴 막에 의해 마스킹된다. 그 다음, 도 6의 평면도에 도시된 것처럼, 비교적 얇은 실리콘 층(44)을 증착하기 위해 실리콘의 저온 플라즈마 분사가 수행되며, 둥근 홈(34)을 충진시켜서 베이스(32)의 평면형 주표면과 레그(36)의 원통형, 일반적으로 비-원형 주표면과 접촉된다. 이러한 2개의 주표면들은 서로 수직이다. 실리콘 층(44)의 두께는 더 얇은 층들이 일부 상황들에서 사용될 수 있지만 적어도 1/32˝(0.8mm)인 것이 바람직하다. 선택적으로, 도 7의 횡단면도에 도시된 것처럼, 실리콘 층(44)은 둥근홈(34) 상부로 거의 돌출되지 않는 평활한 형상의 칼라 (collar)(46)를 형성하도록 마감 연마(finish grind)될 수 있다.
실리콘 층(44) 또는 감소된 칼라(46)는 두가지 목적들을 갖는다. 접합부에 부가적인 기계적 강도를 제공하고 실리콘 아래의 접착제(40)를 밀봉시키는 것이다. 본 발명에 필수적이진 않지만, 둥근홈 또는 경사면(34)은 기계적 강도를 증가시키고 마감 표면으로부터 접착제를 함몰(depress)시키는데 유용하다.
본 발명의 제 2 실시예에서, 접착제는 결합되는 영역들에 제공되고, 타워는 조립 및 지그된다. 그러나, 도 8의 횡단면도에 도시된 것처럼, 지그에 정렬되는 타워와의 접착제 어닐링 이전에, 실리콘의 작은 태크(48)가 둥근홈(34)의 작은 원형 부분으로 플라즈마 분사된다. 태크(48)는 베이스(32)와 레그(36) 사이의 작은 영역 접촉을 형성하여 이들을 일시적으로 결합시킬 때 태크 또는 스폿 용접부와 유사하게 작용한다. 플라즈마-분사된 태크는 각각의 레그(36)의 단부를 그 각각의 베이스(32)에 유사하게 결합시킨다. 태크(48)들은 상기 타워에 충격을 주지않고자 보호하려면, 지그로부터 제거 이후 상기 타워의 정렬을 유지하기 위해 충분한 기계적 강도를 제공한다. 움직이지 않게 결합된 타워는 접착제 어닐링을 위해 어닐링 고로로 이동된다. 그 다음, 상기 타워는 고로로부터 제거되고, 그 접합부들은 마스킹되며, 도 8의 횡단면도에 도시된 것처럼 실리콘 층(44)은 둥근 홈(34)을 완전 충진시키도록 플라즈마 분사된다. 이러한 실시예는 어닐링 고로 내부에서 타워를 지그(jig)할 필요가 없다.
제 3 실시예에서, 어떠한 접착제도 사용되지 않지만, 분사된 실리콘 층은 접합부를 위한 주요 본딩을 제공한다. 원할 경우, 태크는 정렬 지그에서 구조물과 함께 플라즈마 분사될 수 있으며, 최종 플라즈마 분사는 지그로부터 제거된 상기 구조물과 함께 수행된다. 블라인드 모티스 홀과 함께, 실리콘 층(44)은 레그(36)의 비교적 좁은 축 연장부상에만 분사된다. 결과적으로, 접합부의 기계적 강도가 감소된다. 이것은 웨이퍼 타워들에 불충분할 수 있지만, 훨씬 적은 충격을 받은 다른 실리콘 구조물들에 대해 제한된 결합 여역이 충분한 강도를 제공할 수 있다.
플라즈마 분사는 접착제에 대한 필요성 없이 강한 접합부를 제공하기 위해 관통 모티스 홀과 함께 사용될 수 있다. 도 10의 횡단면도에 도시된 것처럼, 관통 모티스 홀(50)은 실리콘 베이스(32)를 관통한다. 상부 및 하부 둥근홈들(52, 54)은 모티스 홀(50)의 대향 단부들에서 베이스로 기계가공된다. 도 11에 도시된 것처럼, 실리콘 레그(36)는 레그(36)와 베이스(50) 사이에 남겨진 갭(56)을 가지면서 모티스 홀(50)을 관통하여 삽입된다. 레그(36)의 축 면(58)의 축 위치는 베이스(50)의 평면형 저면(60) 근처에 있어야 하지만, 다소 그 위 또는 아래에 있을 수 있다. 위 또는 아래 여부의 최종 위치는 최종 정렬에 좌우될 수 있다. 도 12에 도시된 것처럼, 실리콘 칼라(64)는 상부 둥근홈(52)을 충진시키고 레그(36)의 측면들에 베이스(32)를 결합시키도록 베이스(32)의 일 측면상에서 플라즈마 분사된다. 실리콘 갭(66)은 축 면(58)과 레그(36)의 측면 부분들을 커버하고, 하부 둥근홈(54)과 베이스(32)의 저면(60)의 평면형 부분들을 충진시키도록 베이스의 다른 측면상에서 분사된다.
2개의 플라즈마 분사된 층들(64, 66)은 모티스 홀(50)의 대향 단부들에서 레그(36)의 부분들을 결합시키고, 이에 따라 임의의 접착제에 대한 필요성 없이 강한 접합부를 제공할 수 있다. 그러나, 원한다면, 갭(56)을 충진시키도록 조립 이전에 상기 부재들에 접착제가 제공될 수 있다. 다공성일 수 있는 플라즈마 분사된 실리콘을 통한 실질적인 누출을 방지하기 위해 진공 챔버 내부에서 상기 구조물이 사용된다면 부가적인 접착제가 특히 유용하다.
원할 경우, 도 13에 도시된 것처럼, 추가적인 기계가공으로 표면들을 평활하게 한다. 칼라(64)는 둥근홈(52) 상부로 거의 돌출되지 않는 형상화된 칼라(82)를 형성하도록 연마될 수 있다. 실리콘 캡(66)과 레그(36)의 단부는 저면 칼라(80)를 형성하도록 평활하게 연마될 수 있다. 도 12의 저면 레그 면(58)이 저면 베이스 표면(60)의 후방에서 요입(recess)되면, 연마 이후에 실리콘 캡(66)의 일부가 저면 칼라(80)의 중심에 대해 연장된다. 평활한 저면은 평활한 지지 표면을 제공하도록 하부 베이스상에서 특히 바람직할 수 있다.
일시적인 실리콘 태크들은 정렬 지그로부터 타워의 빠른 제거를 허용하기 위해 관통 모티스 홀(50)의 일 단부상에서 플라즈마 분사될 수 있다. 하나의 태크만이 각각의 모티스 홀(50)에 요구된다.
전술한 것처럼 본 발명은 웨이퍼 지지 타워들 이외에 실리콘 구조물들에 적용될 수 있다. 본 발명은 큰 실리콘 링들을 형성하는데 특히 바람직할 수 있다. 이러한 링은 도 14의 단면도로 도시된 바와 같은 쉐도우 링(90)이다. 쉐도우 링(90)은 그 에지가 웨이퍼를 지지하는 페디스털로 스퍼터링 결합되는 것을 방지하고 상기 페디스털이 코팅되는 것을 방지하기 위해 실리콘 웨이퍼 주위에 배치된다. 웨이퍼의 주변으로 거의 돌출되지 않는 리지 부분(92)을 갖는 다소 복잡한 원형 형 상을 갖는다. 제 1 하향 돌출부(94)는 페디스털상에서 쉐도우 링(90)을 지지한다. 제 2 하향 돌출부(96)는 배플(baffle)로서 작용하고 웨이퍼 전달 동안 페디스털로부터 쉐도우 링(90)을 지지하도록 작용한다. 300mm 웨이퍼들로의 스퍼터링을 위해, 쉐도우 링(90)은 450mm까지의 직경을 가질 수 있다. 실리콘은 적은 오염물과 접촉될 수 있는 실리콘 웨이퍼와 동일한 열팽창 계수를 갖기 때문에 쉐도우 링(90)을 위한 바람직한 물질이다. 실리콘의 많은 블랭크들은 집적 쉐도우 링을 형성하는데 이용가능하지만, 이들은 매우 고가이고 중앙 개구가 단일 블랭크로부터 가공될 때 많은 양의 실리콘이 소모된다.
본 발명은 원형으로 함께 결합되는 훨씬 더 적은 실리콘 세그먼트들의 수로부터 큰 실리콘 링들의 용이한 제조를 가능하게 한다. 단일한 둥금홈 세그먼트(100)는 도 15에 정사영으로 도시된다. 이는 상면(102)과 미도시된 평행한 저면, 내면(104)과 미도시된 평행한 저면을 가지며 내면(104)과 미도시된 후면에 수직인 일반적으로 사각형 부재이다. 그러나, 상기 부재는 링 반경에 대해 서로 오프셋되는 제 1 평탄 단부 표면(106)과 제 2 평탄 단부 표면(108)을 가지며, 그 중 적어도 하나는 전면(104)과 수직이 아니다. 각도 오프셋의 정도는 링을 형성하는데 사용되는 이러한 세그먼트들(100)의 개수 N에 좌우된다. 일반적으로, 오프셋은 360°/N이다. 더욱이, 제 1 상부 둥근홈(110)은 제 1 단부 표면(106)과 상면(102) 사이에서 기계가공되며 미도시된 제 1 저면 둥근홈은 제 1 단부 표면(106)과 저면 사이에서 기계가공된다. 유사하게, 제 2 상부 둥근홈(112)과 미도시된 제 2 하부 둥근홈은 제 2 단부 표면(108)에 인접한 세그먼트(100)의 다른 축 단부에서 절단된다.
도 16에 도시된 이중 둥근홈 세그먼트(114)는 제 1 단부 표면(106)과 내면(104) 및 제 1 단부 표면(106)과 외면 사이에서 각각 기계가공되는 제 1 내부 둥근홈(116) 및 해당 외부 둥근홈을 부가적으로 구비한다. 유사하게, 제 2 내부 둥근홈(118)과 해당 외부 둥근홈은 제 2 단부 표면(108)과 전면(104) 및 제 2 단부 표면(108)과 후면 사이에서 각각 기계가공된다. 외부 둥근홈들은 원형 기계가공 동안 연마되기 때문에 세그먼트(114)가 나중에 원형화되는 경우 제거될 수 있다.
링의 제조는 단일 둥근홈 세그먼트(100)의 사용으로 기술되지만, 거의 동일한 프로세스가 이중 둥근홈 세그먼트(102)와 함께 사용될 수 있다. 도 17의 평면도에 도시되고 도 18의 방사형 외향 입면도에 도시된 것처럼, N개의 세그먼트들(102), 단지 2개의 세그먼트들(100a, 100b)이 인접 세그먼트(100a)의 제 2 단부 표면(108)에 인접하는 하나의 세그먼트(100b)의 제 1 단부 표면(106)과 함께 폐쇄된 원형을 형성하도록 지그(jig)로 배치 및 정렬된다. 링은 임의의 다수개의 세그먼트들로 형성될 수 있지만, 적어도 4개, 보다 바람직하게는 적어도 6개의 세그먼트들이 소모되는 실리콘의 양을 감소시킨다. 상부 둥근홈들(110, 112)은 링의 일측면상에 V-형상 함몰부(depression)를 형성하고, 하부 둥근홈들(120, 122)은 링의 다른 측면상에 다른 V-형상 함몰부를 형성한다.
도 19의 평면도에 도시되고 도 20의 방사형으로 외향하는 도면에 도시된 것처럼, 상부 실리콘 층(124)은 상부 둥근홈들(110, 112)을 충진시키고 상면(102)의 평탄부들과 접촉되도록 2개의 세그먼트들(100a, 100b) 사이의 접합부에서 링의 상부상에 플라즈마 분사된다. 유사하게, 저면 실리콘 층(126)은 저면 둥근홈들(120, 122)을 충진시키고 저면의 평탄부들과 접촉되도록 링의 저면상에 플라즈마 분사된다. 따라서, 2개의 실리콘 층들(124, 126)은 2개의 세그먼트들(100a, 100b)에 결합되어 이들을 영구적으로 고정시킨다. 유사하게, 실리콘 층들은 중앙 축 주위에 배치되고 상기 축을 따라 연장되는 개구부를 갖는 도 21의 평면도에 도시된 다각형 링(128)을 형성하기 위해 다른 N-1개 접합부들에서 플라즈마 분사된다. 실리콘 층들(124, 126)은 링의 상면 및 저면을 평탄화시키도록 연마될 수 있다. 그러나, 이러한 평탄화는 도 14의 쉐도우 링(90)과 같이, 링을 원형화하고 원하는 횡단면을 형성하는데 요구되는 기계가공과 조합될 수 있다. 세그먼트들(100)이 원하는 링의 곡률과 동일한 곡률을 갖는 아크들로서 실리콘 블랭크들로부터 절단되는 경우 실리콘의 원형화 및 소모가 최소화될 수 있다.
선택적으로, 접착제는 조립 이전에 단부 표면(108, 106) 사이에 제공될 수 있으며 최종 실리콘 플라즈마 분사 이전에 경화될 수 있다. 링(90)이 진공 챔버에 사용되는 경우, 접착제는 실리콘 층들(124, 126A) 사이의 작은 접합 보이드로부터 실질적인 누출을 감소시키지만 내부 및 외부 측면들상에 노출된다.
클램프 링들, 플라즈마 링들, 급속 열처리(RTP)로 웨이퍼를 지지하기 위한 슬립 링들과 같은 다른 형태의 실리콘 링들과 페디스털 림(rim)들이 유사한 방식으로 형성될 수 있다.
배럴 스테이브(barrel stave)들의 사용에 의해 고로, 반응기 라이너들, 반응기 진공 챔버 벽들과 같은 큰 관형 몸체들을 형성하는데 유사한 기술들이 사용될 수 있다. Boyle 외는 전술한 특허에서 스테이브 기술을 기재하고 있지만, 1차 결 합제로서 SOG 접착제를 사용한다. 도 22의 축 단면도에 도시된 스테이브(130)는 도면의 평면에 수직인 실질적인 거리만큼 연장되는 일반적으로 절단된 쐐기(wedge)로서 형상화되도록 기계가공된다. 스테이브(130)는 내면(132) 및 평행한 외면(134)을 갖는다. 제 1 및 제 2 측면들(136, 138)은 서로 오프셋되고 이들 중 적어도 하나는 내면 및 외면(132, 134)과 수직이 아니다. 내부 둥근홈들(140, 142)은 내면(132)과 각각의 측면(136, 138) 사이에서 기계가공된다. 유사하게, 외부 둥근홈들(144, 146)은 외면(134)과 각각의 측면(136, 138) 사이에서 기계가공된다. 선택적으로 정렬을 용이하게 하기 위해, 제 1 측면(136)에 텅그(tongue)(143)가 기계가공되고, 제 2 측면(138)에 해당 그루브(144)가 기계가공된다. 이러한 모든 피쳐들은 최종 관의 길이에 해당하는 스테이브(130)의 실질적인 축 길이를 따라 축상으로 연장되는 것이 바람직하다. 스테이브(130)의 둥근홈들(140, 142)은 도 16의 이중 둥근홈 세그먼트(114)의 둥금홈들(116, 118)에 해당하고, 스테이브(130)는 세그먼트의 둥근홈들(110, 112)에 대한 필요성을 거의 갖지 않는다.
2개의 측면들(136, 138) 사이의 각도 오프셋은 폐쇄된 링을 형성하는데 사용되는 스테이브들(130)의 개수 N에 좌우된다. 지그는 원형으로 나란히 N개 스테이브들(130)을 정렬시킨다. 비록 텅그와 그루브가 없지만 2개의 스테이브들(130a, 130b)이 도 23의 축 단면도, 및 다른 스테이브(130a)의 제 2 측면(138)에 인접하는 하나의 스테이브(130b)의 제 1 측면(136)을 갖는 도 24의 외향하는 방사형 입면도에 도시된다. 도 25의 축 단면도와 도 26의 외향하는 방사형 입면도에 도시된 것처럼, 내부 둥근홈들(140, 142)을 충진시키는 축상으로 연장되는 내부 실리콘 층 (150), 및 외부 둥근홈들(146, 148)을 충진시키는 해당 축상으로 연장되는 외부 실리콘 층(152)을 증착하는데 플라즈마 분사가 사용된다. 태크들이 사용되면, 2개의 태크들이 각 접합부의 대향하는 축 단부들상에 증착되어야 한다. 결과적인 다각형 관(154)은 중앙 축 주위에 상기 축을 포함하는 개구부를 갖도록 배치된 도 27의 축 단면도에 도시된다. 내면 및 외면은 원형화되거나 필요에 따라 평활화될 수 있다. 관(154)이 진공 벽으로서 사용되면, 접착제는 스테이브들(130) 사이에 인가되고 최종 플라즈마 분사 이전에 경화되어야 한다. 원한다면, 실리콘의 실질적인 두께가 이후에 원형화될 수 있는 플라즈마 분사 실리콘의 연속층들을 형성하기 위해 내면 또는 외면 또는 둘다에 플라즈마 분사될 수 있다.
본 발명은 실리콘 구조물들을 제조하는데 사용될 뿐만 아니라 복잡한 구조물로 이미 조립되었다 하더라도, 실리콘 부재를 수리하는데 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 타워(10)는 그 제조에 상당한 비용이 요구된다. 특히, 레그(12)는 실리콘이 연성 금속이라기 보다 깨지기 쉬운 내화성 물질이고 그 가공이 보다 용이하며 각각의 슬롯들을 형성하는데 다수의 작은 절단부들이 요구되는 연마를 필요로 하기 때문에 비싸다. 종종, 타워 또는 보트가 웨이퍼들의 처리를 위해 사용될 때, 어닐링에서의 반복적인 온도 주기 이후에, 도 28의 정사영도에 도시된 크랙(160)이 타워의 부분을 형성하는 실리콘 부재(162)에서 발생한다. 이러한 크랙들은 베이스들에서 가장 자주 생기는 것으로 보인다. 일반적으로, 이러한 크랙들은 부재(162)의 2개의 면들(164, 166) 사이의 코너로부터 발생하는 것으로 보인다. 이러한 크랙들은 상기 2개의 면들(164, 166)을 따라 짧은 거리만큼 전파되고 성장이 멈춘다. 그 원인은 명확하지 않으며, 타워들은 이러한 몇몇 크랙들(160)이 발생된 이후에도 성공적으로 사용되어 왔다. 그럼에도 불구하고, 크랙들은 오염물의 소스를 나타내는 것이다. 더욱이, 지속적인 사용시, 타워가 처리 동작의 중간에 손상되어 귀중한 웨이퍼들을 파괴할 수 있을 정도로 크랙들이 팽창되거나 결합될 수도 있다. 유사한 표면 결함들은 평탄한 표면들의 코너들에서 형성되는 작은 쉐도우 칩들이다.
플라즈마 분사의 사용에 의해, 크랙(160)은 수리될 수 있으며, 타워 또는 다른 구조물이 다시 서비스될 수 있다. 동일한 기술이 칩들을 수리하는데 사용될 수 있다. 도 29에 도시된 것처럼, 부재(162)는 바람직하게는 경사면들을 갖는 보다 개방된 애스팩트 비율로 보다 일정한 홀(168)을 형성하기 위해 크랙(160)의 영역에서 기계가공된다. 이러한 기계가공을 위해 밀링 머신 또는 드릴이 사용될 수 있다. 선택적으로, 요구되는 제한된 정도의 기계가공을 수행하기 위해 Dremel 툴이 수동으로 동작될 수 있다. 도 30의 정사영도에 도시된 것처럼, 실리콘은 기계가공된 홀(168)을 충진시고 홀(168)을 둘러싸는 원래 표면들 상부로 연장되는 연속적인 실리콘 층(170)을 형성하기 위해 2개의 면들(164, 166)상에 플라즈마 분사된다. 원한다면, 도 31에 도시된 것처럼, 2개의 면들(164, 166)은 2개의 부재 면들(164, 166)과 동일 평면인 수직 면들을 갖는 평탄화된 실리콘 층(172)을 형성하기 위해 기계가공된 홀(168)에 실리콘 층(170)을 규정하도록 평활하게 연마될 수 있다. 크랙(160)이 상기 면에 대한 제한된 처리에 의해 실리콘 부재들의 일 면에만 나타나면 동일한 일반적 과정이 수반된다. 크랙(160)이 조립된 구조물의 다른 부재들에 매우 인접하지 않으면, 수리는 상기 구조물의 해체 없이 수행될 수 있다. 더욱이, 조립되지 않은 실리콘 부재가 크랙 수리를 필요로 하는 상황들이 있을 수 있다.
도 1의 실리콘 타워(10)는 2가지 형태들의 실리콘으로 이루어진 부재들을 포함하고 있다. 레그들(12)은 매우 높은 순도 레벨을 나타내는 원시 폴리실리콘으로 이루어지기 때문에, 고온의 처리 동안 레그들의 톱니(16)상에 지지되는 웨이퍼(22)의 오염물을 감소시킬 수 있다. 원시 폴리실리콘의 가공은 전술한 특허에서 Boyle 외에 의해 기술된 사전-어닐링을 요구할 수 있다. 한편, 요구되는 큰 실리콘 블랭크들이 원시 폴리실리콘에 현재 이용가능하지 않기 때문에, 베이스들(14)은 Czochralski 또는 캐스트 폴리실리콘으로 이루어진다. Czochralski 실리콘은 300mm까지의 직경들 및 특별한 사용용으로 더 커지는 직경들의 잉곳(ingot)들에서 상업적으로 이용가능하다. 선택적으로, 본 발명의 플라즈마 분사는 이후에 베이스에 대한 원하는 형상으로 가공되는 원시 폴리실리콘의 비교적 좁은 몇몇 사각형 플레이트들을 함께 결합시키는데 사용될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 분사는 실리콘 형태들의 임의의 조합물을 결합시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 단결정 Czochralski 실리콘 또는 캐스트 또는 돌출 실리콘과 같은 다른 형태들의 실리콘이 이용가능하며, 상기 돌출 실리콘은 특히 얇은 평면 시트들에서 이용가능하다. 가장 일반적인 형태의 플라즈마 분사 실리콘은 예를 들어, 플라즈마에 혼합되고 액화되는 15 내지 45㎛ 범위의 직경들을 갖는 실리콘 분말을 사용한다. 실리콘 분말은 적어도 six 9s 순도를 갖는 Cerac으로부터 상업적으로 이용가능하다. 상당히 고순도의 원시 폴리실리콘 분말은 MEMC로부터 획득할 수 있지만, 이러한 순도는 고온의 처리에서 웨이퍼 지지 영역으로부터 떨어진 부분들에 대해 불필요할 수 있다. 본 발명은 모든 고순도의 실리콘 접합제와 실리콘 구조물들을 결합시키기는데 특히 유용하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 순도가 더 낮은 실리콘에 적용될 수 있다. 본 발명의 목적들을 위해, 특별히 구체화되지 않으면 실리콘은 대략 1wt%의 의도적 또는 의도적이지 않은 도펀트들 또는 다른 오염물들 및 불순물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 사용되는 용어로서 플라즈마 분사는 플라즈마가 적어도 액화되고 가능한 증발되도록 통상적으로 분말 형태의 물질이 플라즈마에 주입되도록 하는 플라즈마 또는 다른 고온의 아크를 사용한다. 결과적인 액체 방울들 또는 한정된 물질 증기는 플라즈마 분사되는 반도체소재(workpiece)로 가이드된다. 액체 방울들 또는 증기의 물질 액체는 반도체소재와 충돌하여 즉시 냉각되고 기판 표면상에서 고체 형태로 변화됨으로써, 반도체소재를 코팅할 수 있다. 통상적으로 상기 분말은 스프레이 노즐과 인접한 플라즈마로 여기되는 아르곤 플로우에서 혼합된다. 플라즈마 분사는 매우 고온의 플라즈마 아크가 반도체소재로 연장되어 반도체소재 물질을 용융시키게 한다는 점에서 아크 용접 또는 커팅과 상이하다. 통상적으로, 반도체소재는 용접 아크를 위한 전극들 중 하나를 형성하도록 연마된다. 대조적으로, 플라즈마 분사는 반도체소재가 500℃까지의 온도에서 유지되는 상황들이 있을 수 있지만, 반도체소재의 벌크가 200℃ 이하의 온도에서 유지되는 저온 동작으로서 수행될 수 있다. 물질 소스로서 플라즈마 또는 아크로 삽입되는 고체 와이어를 사용할 수 있다. 그러나, 이는 로드(rod)와 반도체소재가 공통의 용융을 형성하지 않는다는 점에서 충진제에 의한 아크 용접과 상이하다. 통상적으로, 물질 액체와 응축된 증기가 산화되는 것을 방지하기 위해, 메인 분사 제트는 비활성 기체의 동축 보호덮개(shroud)에 밀봉된다.
플라즈마 분사에 의한 반도체소재 온도는 장점들 중 하나이지만, 상기한 특허들에서 Zehavi 외의 용접 작업은 적어도 600℃ 및 800℃의 온도에서 실리콘 반도체소재들을 유지함으로써 용접 동안 크랙들이 방지되었음을 나타내었다. 실리콘의 플라즈마 분사가 600℃ 이상의 반도체소재 온도들에서 바람직한 몇몇 상황들이 있을 수 있다.
2개의 부재들을 결합하는 실리콘 층을 증착하는데 다른 증착 방법들이 사용될 수 있다. 그러나, 플라즈마 분사는 기계 설비 환경에서 수행될 수 있는 탄력적이고 용이하게 사용되는 프로세스이다.
타워의 구조에서 실리콘 부재들을 결합시키는 플라즈마 분사는 발명자들의 가이드하에서 New Jersey, South Plainfield의 A & A Company에 의해 입증되었다. Colorado, Longmont의 Ionic Fusion Corporation은 저온 플라즈마 분사를 수행한다. 플라즈마 분사 토치(torch)들은 British Columbia의 Northwest Mettech로부터 상업적으로 이용가능하다. 노즐들은 플라즈마를 위한 애노드와 캐소드를 포함한다.
플라즈마 분사되는 실리콘 반도체소재들의 표면은 산화물 또는 다른 오염불들이 비교적 없어야 하지만, 실리콘상의 원시 산화물이 너무 얇아서 문제들을 발생시키지 않는다. 바람직하게는, 반도체소재들은 미리 세정된다. 실리콘 반도체소재들에 대한 분사된 실리콘의 접착은 피트(pit)들과 크랙들의 형태로 실리콘에 작동 손상을 형성하는 예를 들어 고순도 석영으로 미리 반도체소재들을 비드 발파(bead blasting)함으로써 개선될 수 있다. 이러한 형태의 미시적 거칠기는 증착된 실리콘 층의 접착을 증가시킨다.
저온 플라즈마 분사된 실리콘은 시각적으로 식별될 수 있다. 먼저, 분사된 실리콘 층과 실리콘 기판이 절단되면, 개별적인 틈이 2개의 실리콘 부분들로 분리시킨다. 높은 전력의 광학 현미경에서, 플라즈마 분사된 실리콘은 오렌지 껍질의 피부와 유사한 얼룩덜룩한(speckled) 표면을 갖는 것처럼 보인다. 이러한 구조물은 가능한 구리가 첨가된 플루오르화수소, 질화 수소 및 아세트산들의 혼합인 Sirtl로 표면을 처리함으로써 집약된다. 대조적으로, Czochralski 폴리실리콘은 공칭으로 정렬되는 마이크로결정의 구조물을 나타내고, 캐스트 폴리실리콘은 약 3 내지 6mm의 크기를 갖는 임의로 배향되는 결정들의 보다 비정형화된 구조물을 나타내고, 원시 폴리실리콘은 성장 시드(seed)로부터 연장되는 수상(dendritic) 다결정 구조물을 나타내며, Czochralski 단결정 실리콘은 미러와 같이 보인다.
따라서, 본 발명은 높은 세기를 가지면서 매우 낮은 불순물 레벨들을 나타내는 구조물을 형성하기 위해 특히 매우 높은 순도를 갖는 실리콘 부재들이 결합되도록 한다. 본 발명의 방법은 상업적으로 이용가능한 물질들을 사용하며, 용이하고 경제적으로 실시된다.

Claims (38)

  1. 2개의 실리콘 부재들(parts)을 결합하는 방법으로서,
    상기 2개의 실리콘 부재들의 인접한 표면 영역들상에 코팅을 형성하기 위해 상기 2개의 실리콘 부재들을 분리시키는 틈(seam)에 걸쳐서만 실리콘을 플라즈마 분사하는 단계
    를 포함하는 2개의 실리콘 부재들을 결합하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 부재들은 상기 플라즈마 분사 동안 대기압을 받는, 2개의 실리콘 부재들을 결합하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 틈에 인접한 상기 실리콘 부재들의 부분들은 200℃ 이하의 온도에서 유지되는, 2개의 실리콘 부재들을 결합하는 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 분사하는 단계는 실리콘 분말을 기체의 플라즈마에 주입시키는 단계를 포함하는, 2개의 실리콘 부재들을 결합하는 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 2개의 실리콘 부재들의 주표면들은 상기 틈에서 서로 수직인, 2개의 실리콘 부재들을 결합하는 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 틈에 인접한 경사면(bevel)이 상기 실리콘 부재들 중 적어도 하나에 미리 형성되는, 2개의 실리콘 부재들을 결합하는 방법.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 실리콘 부재들 중 제 1 실리콘 부재는 관통하는 홀을 포함하고,
    상기 실리콘 부재들 중 제 2 실리콘 부재는 상기 홀 내에 배치되며,
    상기 플라즈마 분사는 상기 홀의 대향 단부들상에서 상기 제 1 실리콘 부재 및 상기 제 2 실리콘 부재와 접촉하는 각각의 실리콘 층들을 형성하는, 2개의 실리콘 부재들을 결합하는 방법.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 실리콘 부재들은 상기 분사 단계 동안 상기 실리콘 부재들을 분리시키는 상기 틈과 나란히 놓이고, 상기 플라즈마 분사는 상기 2개의 실리콘 부재들 위에 실리콘을 코팅시키는, 2개의 실리콘 부재들을 결합하는 방법.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 분사 이전에 상기 2개의 실리콘 부재들은 나란하게 놓이지만 함께 고정되지 않으며, 상기 플라즈마 분사 이후에 상기 코팅은 상기 실리콘 부재들을 함께 고정시키는, 2개의 실리콘 부재들을 결합하는 방법.
  15. 실리콘 부재 표면의 표면 결함을 수리하는 방법으로서,
    상기 표면 결함을 기계적으로 확대시키는 단계; 및
    상기 표면 결함을 커버하기 위해 실리콘을 플라즈마 분사하는 단계
    를 포함하는 실리콘 부재 표면의 표면 결함을 수리하는 방법.
  16. 삭제
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 플라즈마 분사된 실리콘을 상기 실리콘 부재 표면의 높이로 기계적으로 평활하게 하는 후속 단계를 포함하는, 실리콘 부재 표면의 표면 결함을 수리하는 방법.
  18. 실리콘 구조물로서,
    제 1 실리콘 부재;
    틈을 따라 상기 제1 실리콘 부재에 인접하게 배치되는 제 2 실리콘 부재; 및
    상기 틈 위에 놓이고 상기 틈을 연결(bridging)하여, 상기 제1 실리콘 부재를 상기 제2 실리콘 부재에 결합하는 실리콘 층
    을 포함하는, 실리콘 구조물.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 실리콘 층은 플라즈마 분사된 실리콘 층을 포함하는, 실리콘 구조물.
  20. 삭제
  21. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 실리콘 부재의 주표면들은 상기 틈에서 서로 수직으로 연장하는, 실리콘 구조물.
  22. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 틈의 영역에서 상기 제 1 및 제 2 실리콘 부재를 함께 결합시키는 접착제를 더 포함하는, 실리콘 구조물.
  23. 실리콘 기판 지지 고정체(fixture)로서,
    내부에 형성된 모티스 홀(mortise hole)들을 각각 갖는 제 1 및 제 2 실리콘 베이스;
    원시 폴리실리콘을 포함하고, 평행한 관계로 다수의 기판들을 지지하기 위해 내부에 톱니모양 컷(teeth cut)을 갖는 다수의 레그(leg)들 - 다수의 레그들은 각각의 쌍들의 상기 베이스들 및 상기 레그들의 사이에 각각의 틈들을 형성하도록 상기 모티스 홀들 내에 삽입됨 -; 및
    상기 레그들을 상기 베이스들에 결합시키기 위해 상기 틈들의 각각의 틈에 걸쳐서 상기 베이스들과 상기 레그들에 결합되는 실리콘 층들
    을 포함하는 실리콘 기판 지지 고정체.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 실리콘 층들은 플라즈마 분사된 실리콘 층들을 포함하는, 실리콘 기판 지지 고정체.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 틈들의 영역들에서 상기 베이스들과 상기 레그들을 함께 결합시키는 접착제를 더 포함하는, 실리콘 기판 지지 고정체.
  26. 삭제
  27. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 모티스 홀들은 상기 베이스들을 관통하고, 상기 실리콘 층들은 각각의 상기 모티스 홀들에 대해 상기 베이스들의 양 측면들상에 배치되는, 실리콘 기판 지지 고정체.
  28. 다수의 실리콘 세그먼트들을 포함하는 환형 실리콘 구조물로서,
    사이에 틈(seam)들을 규정하는 다수의 실리콘 세그먼트들 중 인접하는 실리콘 세그먼트들의 단부들과 환형 배열(annular arrangement)로 배치되는 상기 다수의 실리콘 세그먼트들; 및
    상기 틈들을 연결(bridging)하고 상기 인접하는 실리콘 세그먼트들을 서로 결합하는 실리콘 층
    을 포함하는, 환형 실리콘 구조물.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 다수의 실리콘 세그먼트들 중 상기 인접하는 실리콘 세그먼트들의 단부면들 사이에 제공되고 상기 실리콘 층들에 의해 커버되는 접착제를 부가적으로 포함하는, 환형 실리콘 구조물.
  30. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,
    상기 실리콘 층들은 플라즈마 분사된 실리콘을 포함하는, 환형 실리콘 구조물.
  31. 삭제
  32. (a) 내부에 형성된 모티스 홀들을 각각 갖는 제 1 및 제 2 실리콘 베이스; 및
    (b) 실리콘을 포함하는 다수의 레그들 - 상기 다수의 레그들은 평행한 관계로 다수의 기판들을 지지하기 위해 내부에 톱니모양 컷을 가지며, 각각의 쌍들의 상기 베이스들과 상기 레그들 사이에 각각의 틈들을 형성하기 위해 상기 모티스 홀들 내에 삽입됨 -
    을 포함하는 실리콘 기판 지지 고정체의 부재들을 결합하는 방법으로서,
    상기 틈들에 걸쳐서 상기 레그들과 베이스들에 결합되는 실리콘 층들을 형성하기 위해 상기 틈들에 걸쳐서 실리콘에 플라즈마 분사하는 단계
    를 포함하는 실리콘 기판 지지 고정체의 부재들을 결합하는 방법.
  33. 삭제
  34. 삭제
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 플라즈마 분사하는 단계 이전에 상기 레그들과 베이스들을 함께 조립하는 단계를 더 포함하고,
    상기 레그들과 베이스들은 상기 플라즈마 분사하는 단계의 시작시점에서 함께 고정되는 것이 아니라 상기 플라즈마 분사하는 단계의 종료시점에서 함께 고정되는, 실리콘 기판 지지 고정체의 부재들을 결합하는 방법.
  36. 2개의 실리콘 부재들을 결합하는 방법으로서,
    상기 실리콘 부재들을 분리시키는 틈을 형성하기 위해 상기 2개의 실리콘 부재들을 나란히 배치하는 단계; 및
    상기 틈에 걸쳐서 상기 나란히 배치된 실리콘 부재들의 인접한 영역들 위의 실리콘 층에 플라즈마 분사하는 단계 - 상기 플라즈마 분사에 따라 상기 실리콘 층은 상기 2개의 실리콘 부재들을 함께 고정시킴 -
    를 포함하는 2개의 실리콘 부재들을 결합하는 방법.
  37. 삭제
  38. 삭제
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