KR102485282B1 - 재료들을 결합하기 위한 고온 방법 및 이를 활용한 디바이스들 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2 개의 피스들 사이에서 결합 재료의 층을 브레이징하는 단계를 포함하는 기밀 밀봉된 조인트를 갖는 세라믹 피스들의 결합을 위한 방법에 관한 것이다. 세라믹 피스들은 알루미늄 질화물 또는 다른 세라믹들일 수 있고, 이 피스들은 제어된 분위기 하에서 실리콘을 포함하는 브레이징 엘리먼트와 결합될 수 있다. 조인트 재료는 추후 기판 프로세싱 동안 프로세스 챔버 내의 환경들 그리고 가열기 또는 정전 척의 내부에서 겪게 될 수 있는 산소화된 분위기 양자 모두를 견디도록 적응된다.

Description

재료들을 결합하기 위한 고온 방법 및 이를 활용한 디바이스들
[0001] 본 발명은 물체들을 함께 결합하기 위한 방법들에 관한 것으로, 더 구체적으로는 세라믹 물체들을 결합하기 위한 브레이징(brazing) 방법들에 관한 것이다.
[0002] 반도체 프로세싱 및 유사한 제조 프로세스들은 통상적으로, 박막 증착 기술들, 이를테면, CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), VPE(Vapor Phase Epitaxy), 반응성 이온 에칭, 및 다른 프로세싱 방법들을 채용한다. CVD 프로세싱뿐만 아니라 다른 제조 기술들에서, 실리콘 웨이퍼와 같은 기판은, 가열기(heater) 또는 정전 척(electrostatic chuck)과 같은 반도체 프로세싱 설비를 사용하여 프로세싱 챔버 내에 고정되고, 프로세스의 특정 프로세싱 조건들에 노출된다. 가열기 또는 정전 척은 본질적으로, 기판을 고정하는데 부가하여 일부 예들에서 기판을 가열하는 데 또한 사용될 수 있는 페디스털(pedestal)이다.
[0003] 가열기들이 높은 동작 온도들 및 부식성 프로세스 가스들에 노출됨에 따라, 그리고 양호한 온도 제어를 위해 양호한 열 전도도가 요구되기 때문에, 종래 기술의 가열기들은 AlN(aluminum nitride) 세라믹 또는 PBN, 실리콘 이산화물(석영), 흑연 및 알루미늄 합금들, 니켈 합금들, 스테인리스 강 합금들, 인코넬 등과 같은 다양한 금속들과 같은 재료들의 매우 제한된 선택으로 제조되었다. 반도체 프로세싱 또는 챔버 세정을 위해 통상적으로 사용되는 반응성 프로세스 가스들은 일반적으로, 금속 합금들로 제조된 가열기들과 반응한다. 이러한 반응들은 부식성 부산물들, 및 다른 효과들을 생성할 수 있는데, 이는 원하는 프로세스 결과들에 유해할 수 있다. 세라믹 재료들은 통상의 프로세스 가스들과의 반응들, 및 반응 부산물들로부터의 부식에 대해 훨씬 더 내성이 있을 수 있다. 그러나, 세라믹 재료들은, 내재적인(inherent) 재료 특징들로 인해 제한된 제조 방법들을 갖고 높은 제조 비용들을 가질 수 있다.
[0004] 세라믹 샤프트 및 세라믹 플레이트를 갖는 가열기들 및 정전 척들과 같은, 세라믹들을 사용한 반도체 프로세싱 설비의 제조는 현재, 하위 컴포넌트들을 부분 밀도로 열간 프레싱(hot pressing)하고, 그 후에 전체 밀도가 획득될 때까지 전체 조립체를 다시 열간 프레싱하는 것을 수반한다. 이러한 유형의 제조에서, 적어도 2개의 결점들이 확인된다. 첫 번째로, 크고 복잡한 세라믹 피스의 고온 프레싱/소결은 큰 물리적 공간을 요구하며, 다수의 순차적인 소결 단계들이 요구된다. 두 번째로, 완성된 피스의 부분이 손상되거나 또는 마모로 인해 고장난다면, 큰 피스를 분해하기 위해 이용가능한 어떠한 보수 방법도 없어서, 큰 피스가 폐기되는 것이 초래될 가능성이 있다. 이미 전체 밀도로 프레싱된 2개 또는 그 초과의 피스들로 제조하는 경우, 적어도 2개의 결점들이 또한 존재한다. 첫 번째로, 주요 컴포넌트들의 초기 소결 이후에, 이들 컴포넌트들(예컨대, 알루미늄 질화물의 경우)은 통상적으로, 주요 컴포넌트들을 결합하기 위해 액상 소결 프로세스를 사용하여 결합되는데, 액상 소결 프로세스는 높은 열, 높은 압축력, 및 고온들과 높은 압축력 양자 모두를 제공할 수 있는 프로세스 오븐에서의 상당한 양의 시간을 필요로 한다. 이를테면, 세라믹 가열기를 생성하는 프로세스에서 행해지는, 플레이트에 대한 이러한 소결 동안 샤프트에 인가되는 높은 압축력은 종종, 환형 샤프트 벽들이, 이러한 압축력들을 지지하기 위해 완성된 제품에서 요구되는 것보다 더 두꺼운 단면 두께를 가질 것을 요구한다. 그 후에, 샤프트는, 샤프트 아래로의 열 흐름을 최소로 유지하기 위해 요구되는 더 작은 최종 두께까지 기계 가공될 필요가 있을 수 있다. 두 번째로, 완성된 피스의 부분이 손상되거나 또는 마모로 인해 고장난다면, 이러한 방식으로 결합된 큰 피스를 성공적으로 분해하기 위해 이용가능한 어떠한 보수 방법도 없어서, 큰 피스가 폐기되는 것이 초래될 가능성이 있다.
[0005] 플레이트 및 샤프트 엘리먼트들을 갖는 가열기 및 정전 척들과 같은 반도체 프로세싱 설비의 이러한 피스들의 보수와 관련하여 추가의 우려가 있을 수 있다. 예컨대, 이를테면, 아킹(arcing)으로 인해 설비의 다중-피스 조립체의 부분이 손상되면, 설비의 피스를 분해하고 피스의 부분들을 재사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 부분들은 상당한 재정적 가치를 보유할 수 있다. 예컨대, 세라믹 가열기들과 관련하여 현재의 제조 방법들을 이용시, 일부 부분들의 교체 및 그 설비의 일부 부분들의 재사용을 허용할, 설비의 보수를 허용할 어떠한 이용가능한 방법도 없다.
[0006] 미국 특허 제 8,789,743호는 다른 종래 프로세스의 위에서 언급된 결점들을 해결하는 세라믹 재료들을 결합하기 위한 방법을 개시한다. 이 방법은 확산 없이 양호하고 완벽한 습식 및 기밀 조인트들을 유발하는 온도들에서 고순도 알루미늄 브레이징 재료를 사용하는 단계를 포함한다. 그러나, 이러한 조인트들에 대한 제한은, 이러한 조인트들을 사용하여 제조된 설비는 더 고온들, 이를테면 700 ℃ 내지 1400 ℃에서 사용될 수 없다는 것인데, 이는, 이러한 온도가 알루미늄 브레이즈 재료의 고상선 온도(solidus temperature)보다 훨씬 높기 때문이다.
[0007] 기밀 시일(hermetic seal)을 제공하고, 세라믹들로 확산하지 않고 따라서 보수들을 허용하고, 더 고온들에서 실행되는 프로세스들에 대한 후속적인 노출에 견딜 수 있는 세라믹 피스들을 결합하기 위한 결합 방법이 주장된다.
[0008] 도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 프로세싱에서 사용되는 플레이트 및 샤프트 디바이스의 도면이다.
[0009] 도 2는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 플레이트에 대한 고온 프레스 및 오븐의 스케치이다.
[0010] 도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 복수의 플레이트들에 대한 고온 프레스 및 오븐의 스케치이다.
[0011] 도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 플레이트 및 샤프트 디바이스에 대한 고온 프레스 및 오븐의 스케치이다.
[0012] 도 5a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 플레이트와 샤프트간의 조인트의 횡단면도이다.
[0013] 도 5b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 플레이트와 샤프트간의 조인트의 횡단면도이다.
[0014] 도 5c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 스탠드오프들을 갖는 샤프트 단부의 사시도이다.
[0015] 도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 제조에서 사용되는 플레이트 및 샤프트 디바이스의 부분적 횡단면도이다.
[0016] 도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 플레이트와 샤프트간의 조인트의 확대 횡단면도이다.
[0017] 도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 플레이트 및 샤프트 디바이스의 도면이다.
[0018] 도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 조립체를 위해 준비중인 플레이트 및 샤프트의 예시이다.
[0019] 도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 조립체를 위해 준비중인 픽스처링(fixturing)을 갖는 플레이트 및 샤프트의 예시이다.
[0020] 도 11은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 조립체를 위해 준비중인 픽스처링을 갖는 플레이트 및 샤프트의 예시이다.
[0021] 도 12는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 실리콘 조인트를 갖는 세라믹 조립체의 사진이다.
[0022] 도 13은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 실리콘 조인트를 갖는 세라믹 조립체의 사진이다.
[0023] 도 14는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다중층 플레이트 조립체의 횡단면도이다.
[0024] 도 15는 Ni-Si 합금들에 대한 상태도이다.
[0025] 도 16은 Fe-Si 합금들에 대한 상태도이다.
[0026] 도 17은 Cr-Si 합금들에 대한 상태도이다.
[0027] 도 18은 Si-Ge 합금들에 대한 상태도이다.
[0028] 본 발명의 일 실시예에서, 세라믹 피스들을 기밀 밀봉된 조인트로 결합하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은 2개의 피스들 사이에 결합 재료 층을 브레이징하는 단계를 포함한다. 세라믹 피스들은 알루미늄 질화물 또는 다른 세라믹들일 수 있다. 일 실시예에서, 피스들은 고순도 실리콘 또는 실리콘 합금으로 브레이징될 수 있다. 일 실시예에서, 피스들은 실리콘 및 합금 엘리먼트로 브레이징될 수 있다. 브레이징은 제어된 분위기 하에서 발생할 수 있다. 조인트 재료는 기판 프로세싱 동안 프로세스 챔버 내의 환경들, 및 가열기 또는 정전 척의 내부에서 볼 수 있는 산소화된 분위기 모두를 나중에 견디도록 적응될 수 있다.
[0029] 세라믹 재료들의 결합을 위한 일부 종래 프로세스들은 재료들을 결합하기 위해 특수화된 오븐들 및 오븐들 내의 압축 프레스들을 필요로 했다. 예컨대, 액상 소결의 경우, 2개의 피스들이 매우 고온들 및 접촉 압력들 하에서 함께 결합될 수 있다. 고온 액상 소결 프로세스는 1700 ℃ 범위의 온도들 및 2500psi 범위의 접촉 압력들을 겪을(see) 수 있다.
[0030] 다른 종래 프로세스들은 결합 층의 세라믹으로의 확산 및/또는 세라믹의 결합 층으로의 확산을 활용할 수 있다. 이러한 프로세스들에서, 조인트 영역에서의 반응은 조인트 근처 영역에서 세라믹의 재료 조성의 변화들을 야기할 수 있다. 이 반응은 확산 반응을 촉진하기 위해 분위기 내의 산소에 의존할 수 있다.
[0031] 앞서 언급한 확산 프로세스들과는 달리, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 결합 방법들은 액상 소결 또는 확산에 의존하지 않는다.
[0032] 결합된 세라믹들의 최종 제품들이 사용되는 일부 적용들에서는, 조인트 강도가 핵심 설계 요소가 아닐 수 있다. 일부 적용들에서는, 조인트의 기밀성은 조인트의 어느 한쪽에서 분위기들의 분리를 허용하는 것이 요구될 수 있다. 또한, 세라믹 조립체 최종 제품이 노출될 수 있는 화학물질들에 내성이 있도록 결합 재료의 조성이 중요할 수 있다. 결합 재료는 화학물질들에 내성이 있을 필요가 있을 수 있는데, 그렇지 않으면 조인트의 변질(degeneration) 및 기밀 시일의 손실을 야기할 수 있다. 결합 재료들은 또한, 완성된 세라믹 디바이스에 의해 나중에 지원되는 프로세스들에 부정적으로 간섭하지 않는 유형들의 재료일 필요가 있을 수 있다.
[0033] 기판들의 프로세싱에서, 많은 프로세스들은 기판이 반도체 프로세싱 설비 컴포넌트들, 이를테면 가열기 또는 정전 척에 의해 지지될 것을 요구한다. 이러한 컴포넌트들은 진공 상태들, 고온들, 열 사이클링, 부식성 분위기들에서 유지될 수 있거나 작동할 것이 요구될 수 있으며, 반도체 제조 프로세스들 또는 다른 프로세스들 동안 이들의 사용 중에 손상될 수 있다. 일부 양태들에서, 이러한 컴포넌트들은 세라믹, 이를테면 알루미늄 질화물로 실질적으로 구성되거나 완전히 구성될 수 있다. 이러한 재료로 이러한 컴포넌트들을 제조하는 것은, 비용이 많이 드는 재료가 소요되고, 시간 및 설비 집약적이어서, 매우 고가의 최종 제품을 야기한다.
[0034] 세라믹 재료들을 사용하는 가열기들 및 정전 척들과 같은 컴포넌트들을 제조하는 종래 방법들은 특정 분위기들(이를테면, 진공, 불활성 또는 환원 분위기들), 매우 고온들 및 매우 높은 접촉 압력들을 갖는 프로세스 단계들을 필요로 한다. 접촉 압력들은 프레스들을 사용하여 가해질 수 있으며, 이러한 프레스들은 특정 분위기들, 이를테면 진공 및 고온들을 제공하는 프로세스 챔버 내에서 작동하도록 적응될 수 있다. 이는 프로세스 챔버 내에서 내화 재료들, 이를테면 흑연으로 만들어진 특정 프레스들 및 픽스처링(fixturing)을 필요로 할 수 있다. 이러한 셋업들의 비용 및 복잡도는 매우 높을 수 있다. 또한, 프레싱될 필요가 있는 컴포넌트가 클수록, 그러한 프로세스 오븐에 넣을 수 있는 컴포넌트들이 적다. 프레스들을 구비한 프로세스 오븐들에서의 프로세스들의 지속기간이 며칠 동안 측정될 수 있기 때문에 그리고, 프로세스 오븐들/프레스들의 제조 및 운영 모두와 연관된 큰 비용을 감안할 때, 컴포넌트들의 제조 중에 매우 고온, 특수 분위기들 및 매우 높은 접촉 압력들을 제공하는 이러한 프로세스 오븐들을 사용하는 단계들의 수의 감소는 큰 절감을 야기할 것이다.
[0035] 도 1은, 반도체 프로세싱에서 사용되는, 가열기와 같은, 예시적인 플레이트 및 샤프트 디바이스(100)를 예시한다. 일부 양태들에서, 플레이트 및 샤프트 디바이스(100)는 알루미늄 질화물과 같은 세라믹으로 구성된다. 알루미나, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물 또는 베릴륨 산화물과 같은 다른 재료들이 사용될 수 있다. 다른 양태들에서, 플레이트는 알루미늄 질화물일 수 있고, 샤프트는 지르코니아, 알루미나, 또는 다른 세라믹일 수 있다. 가열기는, 결과적으로 플레이트(102)를 지지하는 샤프트(101)를 갖는다. 플레이트(102)는 최상부 표면(103)을 갖는다. 샤프트(101)는 중공 실린더일 수 있다. 플레이트(102)는 편평한 디스크일 수 있다. 다른 하위 컴포넌트들이 존재할 수 있다. 일부 현재의 프로세스들에서, 플레이트(102)는, 세라믹 플레이트가 형성되는 프로세스 오븐이 연관된 초기 프로세스에서 개별적으로 제조될 수 있다. 도 2는, 프레스(121)를 구비한 프로세스 오븐(120)을 개념적으로 예시한다. 플레이트(122)는, 프레스(121)에 의해 프레싱되도록 적응된 픽스처(123)에서의 온도 하에서 압축될 수 있다. 플레이트(122)의 포메이션은, 매우 특수화된 프로세스 오븐으로 수행될 필요가 있는 많은 프로세스들 중 하나일 것이다. 샤프트(101)는 또한, 프로세스 단계에서 유사하게 제조될 수 있다. 샤프트(163)의 포메이션은, 매우 특수화된 프로세스 오븐으로 수행될 필요가 있는 프로세스들 중 다른 하나일 것이다. 전형적인 프로세스에서, 플레이트 및 샤프트는, 약 4중량 %의 이트리아와 같은 소결 보조제를 포함하는 알루미늄 질화물 분말의 몰드 내로의 로딩, 이어서 알루미늄 질화물 분말의, 전형적으로 "그린(green)" 세라믹으로 지칭되는 "솔리드(solid)" 상태로의 압축, 이어서 알루미늄 질화물 분말을 솔리드 세라믹 본체 내로 치밀화하는 고온 액상 소결 프로세스에 의해 형성된다. 고온 액상 소결 프로세스는 1700℃ 범위의 온도들 및 2500psi 범위의 접촉 압력들을 겪을 수 있다. 그 다음에, 다이아몬드 연마재들을 사용하는 표준 그라인딩 기술들에 의해, 본체들은 요구되는 기하학적형상으로 성형된다.
[0036] 샤프트의 다수의 기능들이 있다: 하나는, 가열기 엘리먼트들에 전력을 적용하기 위해 진공 챔버의 벽을 통해 진공-기밀 전기적 연통뿐만 아니라, 가열기 플레이트 내에 매립될 수 있는 다양한 다른 전극 유형들을 제공하는 것이다. 또다른 하나는, 써모커플과 같은 모니터링 디바이스를 사용하여 가열기 플레이트의 온도 모니터링을 허용하는 것이고; 그리고, 써모커플의 재료들과 프로세스 화학물질들 사이의 상호작용, 예컨대, 부식을 회피하기 위해 써모커플이 프로세싱 챔버 환경의 외부에 상주하는 것을 허용하며, 뿐만 아니라 신속한 응답을 위해, 써모커플 접합부가 비-진공 환경에서 동작하는 것을 허용한다. 또다른 기능은, 앞서 언급된 전기적 연통에 사용되는 재료들을 프로세싱 환경으로부터 격리시키는 것을 제공하는 것이다. 전기적 연통에 사용되는 재료들은 전형적으로 금속성이며, 이로써, 프로세싱 환경에서 사용되는 프로세스 화학물질들과, 프로세싱 결과들에 유해할 수 있는 그리고 전기적 연통에 사용되는 금속성 재료들의 수명에 유해할 수 있는 방식들로 상호작용할 수 있다.
[0037] 플레이트의 비교적 편평한 특성을 고려해보면, 도 3에 개념적으로 도시된 바와 같이, 복수의 플레이트 몰딩 픽스처들(plate molding fixtures)(143)을, 프로세스 오븐(140) 내에 상주하는 프레스(141)의 축 방향을 따라서 적층함으로써 복수의 플레이트들(142)이 단일 프로세스에서 형성될 수 있다. 샤프트들은 또한, 프로세스 오븐에서 프레스를 사용하여 유사한 프로세스에서 형성될 수 있고, 다수의 샤프트들은, 예컨대, 나란히(side by side) 동시에 만들어진다.
[0038] 반도체 프로세싱에 사용되는 가열기를 제조하는 전체 프로세스에서, 플레이트들을 형성하는 단계와 샤프트들을 형성하는 단계 양자 모두는 상당한 시간과 에너지의 사용을 필요로 한다. 특정 고온 오븐들의 가격, 그리고 플레이트들을 형성하고 샤프트들을 형성하는 프로세스 단계들 각각이 수 일 동안 특수화된 프로세스 오븐의 사용을 필요로 할 수 있다는 점을 고려할 때, 단지, 샤프트 및 플레이트가 완성된 지점까지 전체 프로세스를 도달하게 하기 위해, 시간과 돈 양자 모두의 상당한 투자가 투입되었다. 플레이트를 샤프트에 부착하기 위해, 특수화된 프로세스 오븐에서의 또다른 추가적인 단계가 현재 프로세스들에 요구된다. 이러한 단계의 예는, 프레스를 갖는 특정 고온 프로세스 오븐에서 액상 소결 단계를 사용하여 샤프트를 플레이트에 결합시키는 것일 것이다. 가열기의 조립된 구성은 샤프트의 길이와 플레이트의 직경 양자 모두를 포함하기 때문에, 특수화된 프로세스 오븐에서의 이러한 제 3 단계는 또한, 그러한 프로세스 오븐에 상당한 공간을 필요로 한다. 단지 샤프트들만의 제조는 유사한 양의 축방향 길이를 취할 수 있음에도 불구하고, 샤프트들의 직경은, 다수의 샤프트들이 단일 프로세스에서 병렬로 생산될 수 있도록 되어 있다.
[0039] 도 4에 도시된 바와 같이, 샤프트를 플레이트에 소결시키기 위한 결합 프로세스는, 프레스(161)를 갖는 프로세스 오븐(160)의 사용을 다시 요구한다. 플레이트(162) 및 샤프트(163)를 포지셔닝시키고 그리고 프레스(161)에 의해 이송되는 압력을 전달하기 위해, 픽스처링(164, 165)의 세트가 사용된다.
[0040] 일단 가열기가 완성되면, 가열기는 반도체 프로세싱에서 사용될 수 있다. 가열기는, 부식성 가스들, 고온, 열 사이클링, 및 가스 플라즈마들을 포함하는 열악한 조건들에서 사용될 수 있다. 추가로, 가열기는 의도하지 않은 충격들을 받을 수 있다. 플레이트 또는 샤프트가 손상된다면, 액상 소결에 의해 결합된 플레이트 및 샤프트 디바이스의 보수 기회들은 제한적이며, 어쩌면 존재하지 않는다.
[0041] 세라믹 샤프트들을 세라믹 플레이트들에 결합시키기 위한 다른 종래의 방법은 플레이트에 샤프트를 볼트체결(bolting)시키는 것을 수반한다. 이러한 시스템들은, 심지어 시일의 품질을 향상시키기 위해 인접 표면들이 연마되는 곳일지라도 기밀하지 않다. 프로세스 가스 침투를 감소시키기 위해 샤프트 내부에 일정한 포지티브 퍼지 가스 압력이 요구된다.
[0042] 반도체 프로세싱 설비를 제조하기 위한 개선된 방법은, 위에 설명된 샤프트 및 플레이트를, 고온들 및 높은 접촉 압력들을 이용하는 시간 소모적이고 고비용의 부가적인 액상 소결 단계 없이, 최종 결합된 조립체로 결합시키는 것을 수반할 수 있다. 샤프트 및 플레이트는 세라믹들을 결합시키기 위한 브레이징 방법으로 결합될 수 있다. 제 1 및 제 2 세라믹 물체들을 함께 결합시키기 위한 브레이징 방법의 예는, 실리콘 바인더와 함께 제 1 및 제 2 물체들을 가져오는 단계, 실리콘 바인더를 진공에서 적어도 1414 ℃의 온도로 가열하는 단계, 및 바인더가 경화되어 제 1 부재를 제 2 부재에 결합시키기 위한 기밀 시일을 생성하도록, 실리콘 바인더의 용융점 미만의 온도로 실리콘 바인더를 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다. 다른 양태들에서, 고상선 온도를 감소시키거나 약간 감소시키기 위해 실리콘의 합금들이 사용될 수 있다. 완성된 세라믹 피스로 작동되도록 의도된 프로세스들에 의존하여, 반도체 프로세싱 설비의 경우에, 프로세스 온도 초과의 고상선 온도를 갖고 프로세싱 환경과 양립가능한 조성물을 갖는 실리콘 합금이 선택될 수 있다. 본원에서 설명된 방법들에 따라 다양한 기하학적 형상들의 브레이즈 조인트들이 구현될 수 있다.
[0043] 도 5a는 조인트의 제 1 실시예의 횡단면을 도시하며, 여기서, 예컨대 세라믹 샤프트(181)일 수 있는 제 1 세라믹 물체가, 동일하거나 상이한 재료로 만들어질 수 있고 예컨대 세라믹 플레이트(182)일 수 있는 제 2 세라믹 물체에 결합될 수 있다. 브레이즈 필러 재료(180)가 포함될 수 있는데, 이는, 본원에 설명된 브레이즈 재료들 또는 바인더들의 조합들로부터 선택될 수 있고, 본원에 설명된 방법들에 따라 조인트에 이송될 수 있다. 도 5a에 묘사된 조인트에 대해, 샤프트(181)는, 결합될 표면들, 예컨대 샤프트(181)의 단부(185)의 단부 표면(183)과 플레이트(182)의 인터페이스 표면(184) 간에 개재되는 브레이즈 필러만을 이용하여 플레이트에 인접하도록 포지셔닝된다. 조인트의 두께는 예시의 명확성을 위해 과장되어 있다.
[0044] 본 발명의 양태들에 따른 세라믹들의 결합을 예시하기 위해 활용되는 예시적 실시예는, 이를테면 반도체 프로세싱에서 사용되는 가열기 또는 정전 척을 제조할 때 이루어질 수 있는, 플레이트를 샤프트에 결합시키는 것이지만, 본 발명의 양태들에 따라 실리콘으로 세라믹들을 결합시키는 것이 이러한 실시예들로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본원에서 설명된 바와 같은 실리콘 브레이징 방법들로 세라믹들을 결합시키는 것은, 그 자체로 신규하고 유용한, 세라믹들을 결합시키기 위한 접근법이다.
[0045] 도 5b는 조인트의 제 2 실시예의 횡단면을 도시하고, 여기에서, 예컨대 세라믹 샤프트(191)일 수 있는 제 1 세라믹 물체는 제 2 세라믹 물체에 결합될 수 있고, 제 2 세라믹 물체는 동일한 또는 상이한 재료로 제조될 수 있고, 예컨대 세라믹 플레이트(192)일 수 있다. 본원에서 설명되는 브레이즈 재료들 또는 바인더들의 조합들로부터 선택될 수 있는 브레이즈 필러 재료(190)와 같은 결합 재료가 포함될 수 있고, 본원에서 설명되는 방법들에 따라 조인트에 이송될 수 있다. 도 5b에 묘사된 조인트에 대해, 샤프트(191)는, 결합될 표면들, 예컨대 샤프트의 표면(193)과 플레이트의 표면(194) 사이에 브레이즈 필러만이 개재된 채로 샤프트(191)가 플레이트에 인접하도록 포지셔닝된다. 플레이트(192)의 인터페이스 표면(194)은 플레이트 내의 리세스(195)에 상주할 수 있다. 조인트의 두께는 예시의 명확성을 위해 과장된다.
[0046] 도 5a 및 도 5b에 예시된 바와 같은 실시예들은 최소 브레이즈 층 두께를 유지하도록 적응된 복수의 스탠드오프들을 포함할 수 있다. 도 5c에 보이는 바와 같은 일부 실시예들에서, 샤프트(191)는 플레이트에 결합될 샤프트(191)의 단부(172) 상의 복수의 메사(mesas)(171)를 활용할 수 있다. 메사(171)는 샤프트(191)와 동일한 구조의 부분일 수 있고, 샤프트로부터 구조를 기계가공하여 메사를 남김으로써 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 메사는 플레이트의 정합 표면(mating surface)으로부터의 샤프트 단부(172)의 나머지의 최소 브레이즈 층 두께를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 브레이즈 필러 재료는, 브레이징 이전에, 샤프트 단부와 플레이트 사이에서 메사에 의해 유지되는 거리보다 더 두꺼울 것이다. 플레이트의 그리고 샤프트 및 메사의 인터페이스 표면에 대한 적절한 허용오차 제어로, 브레이징 단계 동안에 메사가 플레이트 인터페이스와 접촉하도록 이동함에 따라, 완성된 플레이트 및 샤프트 디바이스의 허용오차 제어가 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다른 방법들이 최소 브레이즈 층 두께를 설정하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 세라믹 구체들이 최소 브레이즈 층 두께를 설정하기 위해 사용될 수 있다.
[0047] 도 6에 도시된 바와 같이, 브레이징 재료는 2 개의 별개의 분위기들 사이에서 브리징(bridge)할 수 있고, 이들 양자 모두는 종래 브레이징 재료들에 대해 상당한 문제점들을 제시할 수 있다. 가열기(205)와 같은 반도체 프로세싱 설비의 외부 표면(207) 상에서, 브레이징 재료는, 가열기(205)가 사용될 반도체 프로세싱 챔버(200)에서 발생하는 프로세스들 및 반도체 프로세싱 챔버(200)에 존재하는 환경(201)과 양립가능해야만 한다. 가열기(205)는 샤프트(204)에 의해 지지되는 플레이트(203)의 최상부 표면에 부착된 기판(206)을 가질 수 있다. 가열기(205)의 내부 표면(208) 상에서, 브레이징 재료는 산소화된 분위기일 수 있는 상이한 분위기(202)와 양립가능해야만 한다. 세라믹들과 함께 사용된 종래 브레이징 재료들은 이들 기준들 양자 모두를 만족시키는 것이 가능하지 않았었다. 예컨대, 구리, 은, 또는 금을 포함하는 브레이즈 엘리먼트들은 프로세싱되고 있는 실리콘 웨이퍼의 격자 구조와 간섭할 수 있고, 그에 따라, 적절하지 않다. 그러나, 가열기 샤프트에 가열기 플레이트를 결합하는 브레이징된 조인트의 경우에서, 샤프트의 내부는 전형적으로, 고온을 겪으며, 중공 샤프트의 중심 내에 산소화된 분위기를 갖는다. 이 분위기에 노출될 브레이즈 조인트의 부분은 산화될 것이고, 조인트 내로 산화될 수 있어서, 조인트의 기밀성의 실패를 초래할 수 있다. 구조적 어태치먼트에 추가로, 반도체 제조에서 사용될 이들 디바이스들의 플레이트와 샤프트 간의 조인트는, 대부분 또는 모든 사용들이 아니라면 다수의 사용들에서 기밀이어야만 한다.
[0048] 그러한 디바이스에서 조인트에 걸쳐 측들 양자 모두 상에서 겪는 분위기들 양자 모두와 양립가능할 브레이즈 재료는 실리콘이다. 브레이즈 재료는 시트, 분말, 박막의 형태일 수 있거나, 또는 본원에서 설명되는 브레이징 프로세스들에 적합한 임의의 다른 폼 팩터(form factor)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 두께가 0.001 내지 0.010 인치인 브레이즈 층들이 사용된다. 일부 실시예들에서, 99 %보다 큰 순도를 갖는 실리콘이 사용된다. 일부 실시예들에서, 98 %보다 큰 순도를 갖는 실리콘이 사용된다. 순수 실리콘의 고상선 온도는 거의 1414 ℃이다. 결합 재료로서 실리콘이 노출될 수 있는 최대 실용 온도는 거의 1625 ℃이고, 이 지점에서, 실리콘은 과도한 속도로 증발되기 시작한다.
[0049] 일부 양태들에서, "순수" 실리콘은 브레이즈 층으로서 사용된다. "순수" 실리콘은, 기술 언어에서, "순수" 실리콘으로 지칭되는 많은 이용가능한 상업 제품들 중 하나일 수 있지만, 이들은 일부 공통 예들을 사용하기 위해 98.6 %, 99.0 %, 또는 99.7 %일 수 있다. 본 발명에 대해, 순수 실리콘은 98 % 순도를 초과하거나 99 % 순도보다 더 큰 실리콘일 수 있다. 일 실시예에서, 98 % 순도의 실리콘은 98 중량 % 실리콘을 의미하고, 99 % 순도의 실리콘은 99 중량 % 실리콘을 의미한다. 실리콘의 브레이즈 층을 사용하는 다른 양태는, 아래에서 논의되는 실리콘 합금과는 대조적으로, 실리콘이, 브레이징될 때, Si와의 화합물을 유발하는 어떠한 것도 실리콘에 혼합되지 않았다면, 그것이 비-화합 엘리먼트로 지칭된다는 것이다. 이와 대조적으로, Si 합금이 브레이징 동안에 Si와 화합하는 엘리먼트를 활용하면, 이는 화합 엘리먼트로 지칭되고, 브레이징을 위해 가열될 때, Si 공정(eutectic) 또는 Si 포정(peritactic) 브레이징의 포메이션을 유발한다.
[0050] 브레이징 후에 조립체에 남아있거나, 브레이징 후에 조립체에 남아있는 다른 화합물들을 형성하는 엘리먼트들과 별개로, 브레이징 프로세스 전에만 존재하고, 이어서 브레이징 동안에 증발되거나 소각되는 브레이즈 층이 포함된 재료들이 존재할 수 있다. 특정 예로서, 바인더는 브레이즈 층 또는 엘리먼트로 사용될 Si 분말을 적절히 위치시키는 것을 돕기 위해 사용될 수 있다. 용매와 혼합된 메틸 셀룰로오스와 같은 바인더는, 특히, 분말 형태의 Si를 사용할 때, 브레이즈 층에 대한 원하는 위치에 Si를 위치시키는데 사용될 수 있다. 바인더는, 온도들이 Si 브레이즈 온도들에 접근하기 전에 사라질 것이다. 실리콘 브레이징 층의 순도를 논의할 때, 브레이징 후에, 바인더가 사라진 후에, 순도는 실리콘 브레이징 층의 순도로서 나타내어질 수 있다. 예컨대, 상당한 퍼센티지의 사전-브레이징된 브레이즈 층 재료가 메틸 셀룰로오스와 같은 어떤 것을 포함하였다면, 그 퍼센티지는 브레이징을 위한 가열 후에 최종 브레이즈 층에 있지 않을 것이다. 일 실시예에서, 용어 브레이징 엘리먼트 또는 층은, 브레이징 엘리먼트 또는 층에 부가되지만 최종 브레이징된 조인트 또는 층에 포함되지 않고, 브레이징을 위한 가열 후에 또는 브레이징의 완료 후에 있는 임의의 바인더 또는 다른 재료를 포함하지 않는다.
[0051] 일부 양태들에서, 브레이징 재료로서 실리콘을 사용하는 것의 이점들을 갖는 것이 바람직할 수 있지만, 그러한 고온에서 브레이징하는 것이 불리할 수 있다. 실리콘의 일부 합금들은 순수 실리콘의 것보다 훨씬 더 낮은 고상선 온도들을 갖는다. 나중에 겪게되는 프로세싱 화학적 특성들과 호환 가능하면, 다양한 합금들은 더 낮은 고상선 온도를 제공하는데 사용될 수 있어서, 더 실용적인 프로세스 오븐이 브레이즈를 실행하는데 사용될 수 있다.
[0052] 도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 플레이트(215)를 샤프트(214)에 연결하는데 사용되는 조인트(220)를 예시한다. 조인트(220)는, 샤프트(214)로의 플레이트(215)의 어태치먼트를 구조적으로 지지하는 구조적 및 기밀 조인트를 생성하였다. 조인트(220)는, 샤프트(214)의 외부 표면(217)을 따라 그리고 프로세스 챔버 내에서 겪게 되는 챔버 분위기(211)로부터 샤프트(214)의 내부 표면(218)에 의해 겪게 되는 샤프트 분위기(212)를 격리하는 기밀 시일을 생성하였다. 조인트(220)는 샤프트 분위기 및 챔버 분위기 양자 모두에 노출될 수 있고, 따라서, 기밀 시일의 손실을 발생시킬 수 있는 열화 없이, 그러한 노출을 견딜 수 있어야 한다. 이러한 실시예에서, 조인트는 실리콘일 수 있고, 플레이트 및 샤프트는 알루미늄 질화물과 같은 세라믹일 수 있다. 일부 실시예들에서, 조인트(220)는 실리콘일 수 있고, 이는 결합 프로세스 후에 실질적으로 조인트 구역에 남아있다. 잔여 실리콘은 보수, 재작업 또는 다른 이유들로 조인트의 결합해제를 허용할 수 있다.
[0053] 도 8은 반도체 프로세싱 챔버에 사용되는 가열기 컬럼의 개략적 예시의 일 실시예를 도시한다. 세라믹 가열기일 수 있는 가열기(300)는 라디오 주파수 안테나(310), 가열기 엘리먼트(320), 샤프트(330), 플레이트(340) 및 장착 플랜지(350)를 포함할 수 있다. 가열기(300)를 형성하기 위해 샤프트(330) 및 플레이트(340)(이들 중 어느 하나 또는 양자 모두는 알루미늄 질화물로 이루어질 수 있음)를 결합시키기 위한 브레이징 방법의 일 실시예가 다음과 같이 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다결정질 AlN이 사용되고, 96 % AlN 및 4 % 이트리아로 구성된다. 이러한 세라믹은 세라믹을 제조하기 위해 사용되는 액상 소결 동안 더 낮은 온도가 사용될 수 있기 때문에, 산업용 적용들에서 사용될 수 있다. 더 낮은 온도 프로세스는 소결 보조가 없는 다결정 AlN과 대조적으로, 세라믹의 제조 비용을 감소시킨다. 이트리아가 첨가된 다결정질 AlN은 또한 취약성이 덜한 것(being less brittle)과 같은 바람직한 재료 특징들을 가질 수 있다. 이트리아 및 다른 도펀트들은 종종 재료 특징들의 조정 및 제조 가능성을 위해 사용된다. 96 % AlN - 4 % 이트리아 세라믹과 같은 다결정질 AlN을 사용하면, 세라믹은 이트륨 알루미네이트가 산재하는 AlN의 입자들을 제공한다. 본 발명의 실시예들에 따른 프로세스들의 조건들 하에서 실리콘을 통한 확산에 대한 AlN의 비-민감성은 플레이트 및 샤프트 조립체의 제조시 브레이징 단계 이후에 세라믹의 재료 특징들 및 재료 아이덴티티를 보존하게 한다.
[0054] 실리콘 또는 실리콘 합금 금속 바인더의 시트 또는 분말 또는 다른 유형의 필러가 샤프트와 플레이트 사이에 제공될 수 있으며, 샤프트 및 플레이트는 그 사이에 배치된 실리콘 바인더의 시트와 합쳐질 수 있다. 일부 실시예들에서, 실리콘은 스퍼터링 기술들로 적용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 실리콘은 위에서 논의된 바와 같이 바인더와 혼합된 분말로서 적용되고 페인팅될 수 있다. 브레이즈 층은 그 후 진공에서 적어도 필러 재료를 용융시키는 1414 ℃의 온도(순수 실리콘의 경우)로 가열되고 그 후 냉각되어 바인더 또는 필러가 응고되는 것을 허용하고, 샤프트를 플레이트에 결합시키는 기밀 시일을 생성한다. 상기 가열기의 샤프트는 솔리드 재료로 이루어질 수 있거나 또는 형태 면에서 중공일 수 있다.
[0055] 예시적인 실시예에서, 플레이트 및 샤프트 양자 모두는 알루미늄 질화물로 이루어질 수 있고, 양자 모두는 액상 소결 프로세스를 사용하여 미리 별개로 형성되었을 수 있다. 플레이트는 일부 실시예들에서, 직경이 거의 9 내지 13 인치이고 두께가 0.5 내지 0.75 인치일 수 있다. 샤프트는 길이가 5 내지 10 인치이고 벽 두께가 0.1 인치인 중공 실린더일 수 있다. 도 5a에서 앞서 보여진 바와 같이, 플레이트(182)는 샤프트(181)의 제 1 단부의 외부 표면을 수용하도록 구성된 리세스(185)를 가질 수 있다. 도 5c에서 앞서 보여진 바와 같이, 플레이트에 접하는 샤프트의 단부 상에 메사들이 존재할 수 있다. 메사들은 높이가 0.004 인치일 수 있다. 플레이트(182) 및 샤프트(181)는 플레이트의 리세스 내에 그리고 샤프트의 단부를 따라 피스들 사이에 배치된 실리콘 또는 실리콘 합금 분말의 브레이징 재료(180)를 이용한 결합 단계를 위해 함께 픽스처링될 수 있다. 브레이징 재료는 0.004 인치의 완벽한 조인트 최소 두께로 브레이징하기 전에 0.006 인치의 두께일 수 있다. 브레이징 재료는 99 % 초과의 순도를 갖는 실리콘일 수 있다.
[0056] 단순 접촉 이외의 매우 약한 물리적인 압력이 결합을 위해 요구될 수 있다. 본 방법들을 사용하여 플레이트를 샤프트에 결합시키는데 필요한 낮은 접촉 압력들은 접촉 압력을 제공하기 위해 중력을 사용하여 픽스처링 상에 배치된 질량을 포함할 수 있는 단순한 픽스처링을 사용하여 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샤프트의 인터페이스 부분과 브레이징 엘리먼트 사이의 접촉은 물론, 플레이트의 인터페이스 부분과 브레이징 엘리먼트 사이의 접촉은 결합에 충분한 접촉 압력을 제공할 것이다. 따라서, 픽스처 조립체는 픽스처 조립체 자체와 별개의 프레스에 의해 작용될 필요는 없다. 픽스처링된 조립체는 그 후 프로세스 오븐에 배치될 수 있다. 오븐은 1 x 10E-5 Torr의 압력에서 진공배기(evacuate)될 수 있다. 일부 양태들에서, 잔류 산소를 제거하기 위해 진공이 적용된다. 일부 실시예들에서, 1 x 10E-4 Torr보다 낮은 진공이 사용된다. 일부 실시예들에서, 1 x 10E-5 Torr보다 낮은 진공이 사용된다. 이 단계와 관련하여 주목할 점은, 세라믹 컴포넌트들(샤프트 및 플레이트)의 제조 동안 요구되는 높은 접촉 압력 픽스처링을 갖는 고온 오븐이 샤프트 및 플레이트의 이러한 결합에 필요하지 않다는 것이다. 가열 사이클을 개시할 때, 온도는 표준화된 온도, 예를 들어 600 ℃ 그리고 그 다음에 결합 온도로 느리게 상승될 수 있고, 구배들(gradients)을 감소시키기 위해 그리고 /또는 다른 이유로, 가열 후 진공이 복원되도록 고정된 체류 시간 동안 각각의 온도에서 유지된다. 브레이즈 온도가 도달되면, 브레이즈 반응을 일으키기 위해 잠시 동안 온도가 유지될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 체류 온도는 1425 ℃일 수 있고 체류 시간은 10분일 수 있다. 충분한 브레이즈 체류 시간을 달성하면, 퍼니스는 분당 20 ℃ 또는 내재적인 퍼니스 냉각 속도가 낮을 때 더 낮은 속도로 실온으로 냉각될 수 있다. 퍼니스는 대기압 상태가 될 수 있으며 개방되고 브레이징된 조립체는 검사, 특성화 및/또는 평가를 위해 제거될 수 있다. 일부 양태들에서, 온도 체류 시간은 1분 내지 1시간일 수 있다. 일부 양태들에서, 온도 체류 시간은 2분 내지 10분일 수 있다. 일부 양태들에서, 체류 온도는 1420 내지 1460 ℃의 범위일 수 있다.
[0057] 일부 양태들에서, 브레이징 엘리먼트는, 진공일 수 있는 제어된 분위기 하에서 용융 (액상선) 온도 위의 온도가 된다. 원하는 브레이징 온도에서, 이후, 브레이징 엘리먼트는 필러 재료(습윤)에 인접하고 그리고 원하는 조인트의 기반을 형성하는 기판 표면들 위로 유동한다. 진공 대기(vacuum ambient)는, 임의의 윤곽선들, 공극들, 틈새들 및 최종 결합된 아이템들을 포함하는 부분들의 표면들에 존재할 수 있는 쉽게 접근할 수 있는 입계 공간들(intergranular spaces)로의 액체 필러의 주입을 포함하여 조인트 표면들의 보다 완벽한 습윤을 보장하기 위해 조인트 영역에 존재하는 잔류 가스가 제거되는 것을 보장하도록 돕는다.
[0058] 브레이징 층의 습윤 및 유동은 다양한 팩터들에 대해 민감할 수 있다. 우려되는 팩터들은 브레이즈 재료 조성물, 세라믹 조성물, 결합 프로세스 동안 챔버 내의 산소 레벨을 포함하는 결합 프로세스 동안 주위 분위기의 조성물, 온도, 온도에서의 시간, 브레이즈 재료의 두께, 결합될 재료의 표면 특성, 결합될 피스들의 기하학적 형상 및 결합 프로세스 동안 조인트에 걸쳐 인가되는 물리적 압력을 포함한다.
[0059] 일부 실시예들에서, 플레이트 및 샤프트는 상이한 세라믹을 포함할 수 있다. 플레이트는 높은 전도성 열 계수를 제공하도록 적응될 수 있는 반면, 샤프트는 더 낮은 전도성 열 계수를 제공하도록 적응될 수 있으므로, 열이 프로세스 챔버의 장착 부속물들을 향해 샤프트 아래로 손실되지는 않는다. 예를 들어, 플레이트는 알루미늄 질화물로 제조될 수 있고 샤프트는 지르코니아로 제조될 수 있다.
[0060] 도 9 내지 도 11은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 샤프트를 플레이트에 결합시킬 수 있는 결합 프로세스를 도시한다. 결합 프로세스는 이전 결합 작동들에서 보다 더 낮은 온도들, 접촉 압력들, 및 더 적은 시간 및 비용 약정들로 프로세스 오븐에서 실행될 수 있다.
[0061] 일부 실시예들에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 샤프트 및 플레이트의 정렬 및 위치는, 픽스처링 및 포스트-본드 기계가공(post-bond machining)을 제거하는, 부분 기하학적 형상들에 의해 유지된다. 웨이팅(weighting)은, 브레이즈 재료가 용융될 때 일부 축방향 움직임 이외에는, 본딩 프로세스 동안 움직임이 없는 것을 보장하는데 사용될 수 있다. 플레이트(400)는, 플레이트(400)의 이면(back surface) 내의 리세스(403) 내에 결합 엘리먼트(402)가 있는 상태로 거꾸로 배치될 수 있다. 샤프트(401)는 플레이트(400) 내의 리세스(403)에 수직으로 하향 삽입될 수 있다. 추(weight)(404)가, 결합 프로세스 동안 약간의 접촉 압력을 제공하기 위해 샤프트(401) 상에 배치될 수 있다.
[0062] 일부 실시예들에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 샤프트 및 플레이트의 위치는, 포스트-본드 기계가공을 감소시키는, 부분 기하학적 형상들에 의해 유지된다. 본드 프로세싱 동안 샤프트와 플레이트 사이의 직각성을 유지하기 위해서 픽스처링이 필요할 수 있다. 일부 실시예들에서, 플레이트의 메사 및 인터페이스 부분의 허용오차는 최종 조립체의 치수들 및 허용오차들을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 웨이팅은 또한, 브레이즈 재료가 용융될 때 일부 축방향 움직임 이외에는, 본딩 프로세스 동안 움직임이 없음을 보장하는데 사용될 수 있다. 플레이트(410)는, 플레이트(410)의 이면 내의 리세스(413) 내에 결합 엘리먼트(412)가 있는 상태로 거꾸로 배치될 수 있다. 샤프트(411)는 플레이트(410) 내의 리세스(413)에 수직으로 하향 삽입될 수 있다. 픽스처(415)는 샤프트(411)를 지지하고 위치시키기 위해 적응된다. 추(414)가, 결합 프로세스 동안 약간의 접촉 압력을 제공하기 위해 샤프트(411) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 추는 사용되지 않는다. 일부 실시예들에서, 결합될 아이템들의 질량은 결합될 아이템들 사이에 압력을 인가하기 위해 중력과 함께 힘을 제공할 수 있다.
[0063] 일부 실시예들에서, 도 11에 도시된 바와 같이, 샤프트/플레이트의 위치 및 직각성은 픽스처링에 의해 유지된다. 열팽창 및 기계가공 허용오차들로 인해 픽스처링이 정확하지 않을 수 있다 - 따라서, 포스트-본드 기계가공이 필요할 수 있다. 샤프트 직경은 최종 치수 요건들을 충족시키기 위해 필요한 재료 제거를 수용하도록 증가될 수 있다. 재차, 웨이팅은 브레이즈 재료가 용융될 때 일부 축방향 움직임 이외에는, 본딩 프로세스 동안 움직임이 없음을 보장하는데 사용될 수 있다. 플레이트(420)는, 플레이트(420)의 이면 위의 결합 엘리먼트(422)가 있는 상태로 거꾸로 배치될 수 있다. 샤프트(421)가 플레이트(420) 상으로 배치되어 플레이트 및 샤프트 예비 조립체를 생성할 수 있다. 픽스처(425)는 샤프트(421)를 지지하고 위치시키기 위해 적응된다. 픽스처(425)는 위치 무결성을 제공하기 위해 플레이트에 키잉될(keyed) 수 있다. 추(424)가, 결합 프로세스 동안 약간의 접촉 압력을 제공하기 위해 샤프트(411) 상에 배치될 수 있다.
[0064] 본 발명의 양태는, 결합을 위해 선택된 실리콘 또는 실리콘 합금의, 온도에 따라 감소하는 인장 강도에 의해 규정되는 바와 같은, 결합되는 샤프트-플레이트의 최대 동작 온도이다. 예컨대, 순수 실리콘이 결합 재료로서 사용되면, 일반적으로 1414 ℃인 것으로 간주되는 실리콘의 용융 온도에 조인트의 온도가 접근함에 따라, 샤프트와 플레이트 간의 결합의 구조적 강도는 상당히 낮아진다. 실제, 더 낮은 조인트 용융 온도를 갖는 실리콘 합금이 프로세싱 요구에 충분할 수 있다. 그러나, 일부 반도체 디바이스 제조 프로세스들, 또는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 조인트들을 사용하는 설비에 의해 지원되는 다른 유형들의 프로세스들은 1400 ℃만큼 고온들을 요구할 수 있다.
[0065] 메사들 또는 구체들(spheres)을 스탠드오프들로서 사용하는 실시예들에서, 열의 적용 이전의 브레이징 층의 오리지널 두께는 메사들 또는 다른 디바이스들에 의해 유지되는 최종 조인트 두께의 두께보다 약간 미만이거나, 그와 동일하거나, 또는 그 초과일 수 있다. 브레이징 층 온도가 액상선 온도에 도달하여 초과할 때, 결합되고 있는 피스들 간의 브레이징 층에 걸친 압력은, 제 1 피스 상의 메사들이 제 2 피스 상의 인터페이스 표면에 접촉할 때까지, 피스들 간의 상대 운동을 유발할 수 있다. 그 지점에서, 조인트에 걸친 접촉 압력은 (만약에 있다면, 브레이징 층 내의 척력들(repulsive forces)에 대한 저항을 제외하고) 외력에 의해 더 이상 공급되지 않을 것이다. 메사들 또는 다른 스탠드오프 기술, 이를테면 세라믹 구체들은, 브레이징 층이 세라믹 피스들의 완전한 습윤 이전에 조인트 영역의 밖으로 밀리는 것을 방지할 수 있으며, 따라서 더 나은 결합을 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 메사들은 사용되지 않는다.
[0066] 그 다음에, 픽스처링된 조립체가 프로세스 오븐에 배치될 수 있다. 오븐은 5 x 10E-5 Torr 미만의 압력으로 진공 배기될 수 있다. 일부 양태들에서, 진공은 잔류 산소를 제거한다. 일부 실시예들에서, 1 x 10E-5 Torr보다 더 낮은 진공이 사용된다. 일부 실시예들에서, 픽스처링된 조립체는 산소 유인제(oxygen attractant)로서 동작하는 지르코늄 내부 챔버 내에 배치되며, 이는 프로세싱 동안 조인트 쪽으로 향했을 수 있는 잔류 산소를 추가로 감소시킨다. 일부 실시예들에서, 산소를 제거하기 위해, 프로세스 오븐은 정화되며, 순수한 탈수된 순수 비활성 가스, 이를테면 아르곤 가스로 재충전된다. 일부 실시예들에서, 산소를 제거하기 위해, 프로세스 오븐은 정화되며, 정제된 수소로 재충전된다.
[0067] 그 다음, 픽스처 조립체는 온도의 증가들, 그리고 결합 온도에서의 유지를 겪는다. 가열 사이클을 개시하자마자, 온도는 200 ℃까지 느리게, 예컨대 분당 15 ℃로, 그리고 그 다음, 표준화된 온도들, 예컨대 1000 ℃ 및 결합 온도까지 분당 20 ℃로 이후 상승될 수 있으며, 구배들을 최소화시키기 위하여 그리고/또는 다른 이유들로, 가열 이후에 진공이 회복되도록 허용하기 위해, 고정된 체류 시간 동안 각각의 온도로 유지될 수 있다. 브레이즈 온도에 도달했을 때, 온도는 브레이즈 반응을 수행하기 위한 시간 동안 유지될 수 있다. 예시적 실시예에서, 체류 온도는 1440 ℃일 수 있으며, 체류 시간은 10분일 수 있다. 충분한 브레이즈 체류 시간을 달성하자마자, 퍼니스는 실온까지 분당 20 ℃의 속도로 냉각되거나, 또는 내재 퍼니스 냉각 속도가 더 낮을 때, 실온까지 더 느리게 냉각될 수 있다. 퍼니스는 대기압이 되며, 개방될 수 있으며, 브레이징된 조립체는 검사, 특징화, 및/또는 평가 동안 제거될 수 있다. 다른 예시적 실시예에서, 체류 온도는 1425 ℃일 수 있다.
[0068] 브레이징 재료는 유동하며, 결합되고 있는 세라믹 재료들의 표면들의 습윤을 허용할 것이다. 세라믹, 이를테면 알루미늄 질화물이, 실리콘 브레이징 층들을 사용하여 그리고 충분히 낮은 레벨들의 산소의 존재 하에 결합될 때, 본원에서 설명된 바와 같이, 조인트는 브레이징된 기밀 조인트이다.
[0069] 위에서 설명된 바와 같이 결합된 결합 조립체들은, 결합된 피스들 간의 기밀 시일링을 가지는 피스들을 초래한다. 그 다음, 이러한 조립체들은, 조립체들의 사용시, 분위기 분리가 중요한 양태인 경우에 사용될 수 있다. 또한, 결합된 조립체들이 반도체 프로세싱에서 나중에 사용될 때 다양한 분위기들에 노출될 수 있는 조인트의 부분은, 예컨대, 이러한 분위기들에서 저하되지도, 나중에 반도체 프로세싱을 오염시키지도 않을 것이다.
[0070] 기밀 및 비-기밀 조인트들 양자 모두는, 피스들을 분리하기 위해 상당한 힘이 필요하다는 점에서, 피스들을 강하게 결합할 수 있다. 그러나, 조인트가 강하다는 사실이 조인트가 기밀 시일을 제공하는지 여부를 결정하지는 않는다. 기밀 조인트들을 획득하기 위한 능력은 조인트의 습윤성과 관련될 수 있다. 습윤성은 또 다른 재료의 표면 상에 퍼지게 하기 위한 액체의 능력 또는 성향을 설명한다. 브레이징된 조인트에 불충분한 습윤성이 존재하면, 본딩이 없는 영역들이 존재할 것이다. 충분한 비-습윤성 영역이 존재하면, 가스가 조인트를 통과할 수 있어서, 누출을 야기할 수 있다. 습윤성은 브레이징 재료의 용융시에 상이한 스테이지들에서의 조인트에 걸친 압력에 의해 영향을 받을 수 있다. 소정의 최소 거리를 넘어 브레이징 층의 압착을 제한하기 위한, 메사 스탠드오프들 또는 다른 스탠드오프 디바이스의 사용, 이를테면, 적절한 직경의 세라믹 구체들 또는 분말 입자들의 삽입은, 조인트의 영역들의 습윤성을 향상시킬 수 있다. 결합 프로세스 동안 브레이징 엘리먼트에 의해 겪게 되는 분위기의 세심한 제어는 조인트의 영역들의 습윤성을 향상시킬 수 있다. 조합에서, 조인트 두께의 세심한 제어 및 프로세스 동안 사용되는 분위기의 세심한 제어는, 다른 프로세스들로 달성될 수 없는 조인트 인터페이스 영역의 완벽한 습윤성을 초래할 수 있다.
[0071] 본원에서 설명된 결합 방법의 다른 장점은, 본 발명의 일부 실시예들에 따라 이루어진 조인트들은, 원하는 경우, 이 2개의 컴포넌트들 중 하나를 보수하거나 또는 대체하도록, 컴포넌트의 조립해제를 허용한다는 것이다. 결합 프로세스는 세라믹으로의 결합 층의 확산에 의해 세라믹 피스들을 수정하지 않을 것이기 때문에, 따라서 세라믹 피스들이 가능하게는 재사용될 수 있다.
[0072] 예시적 실시예에서, 다결정질 알루미늄 질화물의 제 1 세라믹 피스는 실리콘 브레이징 층을 이용하여 다결정질 알루미늄 질화물(AlN)의 제 2 피스에 결합된다. 도 12 및 도 13에서 알 수 있는 바와 같이, 제 1 세라믹 피스(501)는 AlN의 원형 플레이트일 수 있다. 제 2 세라믹 피스(502)는 원통형 링일 수 있다. 제 1 세라믹 피스(501) 및 제 2 세라믹 피스(502)의 결합은 반도체 프로세싱을 지원하기 위해 사용되는 플레이트 및 샤프트, 이를테면, 가열기, 또는 정전 척의 결합을 예시한다. 실리콘 결합 층(503)은 제 1 피스(501)를 제 2 피스(502)에 기밀 결합하였다
[0073] 실리콘 결합 층(503)은 99.5 % Si 분말인 Si 분말이다. 브레이징 프로세스는 1 x 10E-4 Torr의 압력으로 프로세스 오븐에서 수행되었다. 브레이징 온도는 1425 ℃였으며, 10분 동안 유지되었다. 결과적인 조인트는 기밀이었다. 표준 상업적으로 이용가능한 질량 분광계 헬륨 누출 검출기에 의해 검증되는 바와 같이, 기밀성은 1 x 10E-9 sccm He/sec 미만의 진공 누출 속도를 가짐으로써 검증되었다.
[0074] 도 14는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 플레이트 조립체의 부분적 횡단면도를 예시한다. 다층 플레이트 조립체는 본원에서 설명된 프로세스들로 제조될 수 있는 다른 디바이스이다. 플레이트 조립체(240)는, 플레이트 및 샤프트 조립체를 완성하기 위해 샤프트에 결합되도록 적응될 수 있다. 최상부 플레이트 층(241)은 반도체 프로세싱 단계들 동안 기판을 지지하도록 적응된 원형 디스크일 수 있다. 가열기(244)는 최상부 플레이트 층(241) 아래에 상주하도록 적응된다. 가열기는 플레이트 층들 중 하나 또는 양자 모두에 부착되거나 또는 접착될 수 있다. 최상부 플레이트 층(241)은 저부 플레이트 층(242)을 오버레이한다. 결합 층(243)은 최상부 플레이트 층(241)을 저부 플레이트(242)에 결합시킨다. 결합 층은 환형 디스크일 수 있다. 일부 실시예들에서, 최상부 플레이트 층 및 저부 플레이트 층은 세라믹이다. 일부 실시예들에서, 최상부 플레이트 층 및 저부 플레이트 층은 알루미늄 질화물이다. 일부 실시예들에서, 결합 층은 실리콘이다.
[0075] 일부 양태들에서, 실리콘 합금이 사용될 수 있다. 순수 실리콘이 아닌 실리콘 합금 브레이즈 재료가 사용되는 경우, 브레이징 프로세스 온도는 순수 Si와 함께 사용되는 브레이징 프로세스 온도보다 낮을 수 있다. 순수 Si의 용융점 1414 ℃ 보다 상당히 낮은 온도들로 공정 또는 포정 반응들을 나타내는 Si와 화합물들을 형성할 수 있고, 부식성을 포함한 다양한 화학 반응들에서 사용되는 반도체 프로세싱 설비에서의 사용에 적절할 수 있는 엘리먼트들의 군이 존재한다. Si와 그러한 화합물들을 형성할 수 있는 엘리먼트들의 군은 바나듐(V), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 및 구리(Cu)를 포함한다.
[0076] 브레이징을 위해 Si와 함께 사용될 수 있는 합금 엘리먼트들이 다양한 팩터들을 기초하여 선택될 수 있다. 사용된 몰 % 및 엘리먼트에 따라, 고상선 온도가 결정된다. 예를 들어, 15 %의 Ni를 사용하는 것은 997 ℃의 고상선 온도를 야기한다. 특정 Si 합금의 적합성은, 결합된 세라믹 피스가 어떠한 최종 용도로 제안되는지에 의존될 수 있다. 예컨대, 반도체 프로세싱 설비의 제조에서, 결합된 세라믹 피스가 상주할 것인 프로세스 분위기/환경은, Si 합금이 충분히 내부식성을 가지거나, 그렇지 않다면 반도체 구조들 또는 프로세싱 챔버들을 부정적으로 간섭하지 않는 것을 확인하도록 평가되어야 한다. Si 합금들을 형성하는데 사용될 수 있는 아래 언급되는 엘리먼트들은, 반도체들을 프로세싱할 때, 비록 이러한 엘리먼트들 중 일부가 일부 프로세스들 동안 사용하기에 부적합할 수 있지만, 프로세스 챔버에서 세라믹 구조들을 형성하는 것을 돕기에 가능하게는 적합한 엘리먼트들로서 보여질 수 있다. 다른 팩터들, 예컨대 조인트의 강도가 또한 고려되어야 한다. 그렇지만, 전형적으로 중요한 것은 조인트의 내식성 및 조인트의 기밀 양태이지 조인트의 강도가 아니라는 점이 유의되는 것은 중요하다. 이는, 조인트의 강도가 조인트를 평가하는데 키 팩터(key factor)일 수 있는 경우의 다른 세라믹 결합 프로세스들과 상이하다.
[0077] Si 합금들을 사용하는 이점들은 다음과 같다: 제조되도록 요망되는 세라믹 구조의 부분일 수 있는 재료들에 손상을 주지 않기 위해 필요할 수 있는 순수 Si를 사용할 때보다 더 낮은 브레이징 온도; 브레이징 온도를 또한 낮추면서 세라믹(예컨대, 알루미늄 질화물)에 대한 Si의 습윤성을 유지함; 브레이징 온도를 또한 낮추면서 Si의 열팽창 계수에 가깝게 열팽창 계수를 유지함.
[0078] 아래에 있는 표는, 순수 Si의 용융점 1414 ℃에 상당히 아래에 있는 온도들에서 공정(eutectic) 반응 또는 포정(peritectic) 반응을 나타내는 실리콘과 함께 합금될 수 있는 공지된 엘리먼트들을 예시한다.
합금
엘리먼트		 이상적인 조성물 -몰 %
합금 엘리먼트		 적합한 조성물 범위- 몰 % 합금 엘리먼트(약) 고상선 온도( ℃) 최대 온도
( ℃)		 반응 반응 화합물들
Al(Aluminum) 88 50 내지 98 582 1625 공정 Si; Al(Si)
Cu(Copper) 68 30 내지 76.5 802 1625 공정 Si; Cu19Si6
Mg(Magnesium) 45 20 내지 66.6 947 1625 공정 Si; Mg2Si
Ni(Nickel) 20 15 내지 33.3 997 1625 포정 Si; NiSi2
Fe(Iron) 20 15 내지 30 1207 1625 공정 Si; Fe3Si7/FeSi2
Cr(Chrome) 12.5 5 내지 22 1332 1625 공정 Si; CrSi2
Ti(Titanium) 18 10 내지 25 1337 1625 공정 Si; TiSi2
Zr(Zirconium) 7.5 5 내지 15 1367 1625 포정 Si; ZrSi2
Ta(Tantalum) 5.1 3 내지 18 1387 1625 공정 Si; TaSi2
V(Vanadium) 3 1 내지 15 1402 1625 공정 Si; VSi2
W(Tungsten) 4 2 내지 15 1407 1625 공정 Si; WSi2
없음 1414 1625 M.P.
[0079] 실리콘 합금들은, 특히 화학 반응들을 프로세싱하도록 추후 노출을 고려하여 적합성에 관해서 신중하게 선택되어야 한다.
[0080] 전술된 Si 합금들의 경우, 통상적으로 혼합물이 가열됨에 따라, 혼합물은 M-Si 화합물을 형성하도록 반응하기 시작할 것이다(이 때, M은 합금 성분을 표시함). 온도를 증가시키는 경우, 화합물은 Si와 추가적으로 반응할 것이며, 고상선 온도에서 액상을 형성한다. 이러한 액상에서 형성되는 것의 예는, 예를 들어, Si 및 V 합금의 경우에 바나듐 디실리사이드이다. Si 합금에서 엘리먼트를 사용할 때, 공정/포정 곡선들은, 이상적인 조성물 및 적합한 범위 양자 모두에 대한 합금 엘리먼트들의 몰 퍼센티지들을 이해하는 것을 돕기 위해 중요하다. 이러한 공정 차트들의 상이한 양태들의 예들은 아래에 논의된다. 일부 양태들에서, 개별 엘리먼트 분말들의 적합한 몰 퍼센티지 혼합이 브레이징 엘리먼트, 예컨대 실리콘 및 니켈로서 사용된다.
[0081] 도 15는 니켈 디실리사이드 라인 및 실리콘 간에 형성되는 대략 1294K(997 ℃)의 포정점을 도시하는 Si-Ni 합금에 대한 상태도를 예시한다. Si-Ni 합금(니켈 디실리사이드 라인이 추후 프로세싱 환경들의 존재 시에 적절해야 함)은, 997 ℃의 고상선 온도를 갖는 실리콘으로 주로 구성되는 액상으로 브레이징 조인트를 허용하기 위해 사용될 수 있다. 이는 예컨대, 순수 실리콘의 용융 온도 아래에 최대 이용가능한 온도를 갖는 프로세스 오븐에서 결합을 허용할 것이다. 다양한 라인들 및 적어도 2개의 지점들이 이러한 상태도에서 관심을 받는다. 수평축은 합금 내의 실리콘의 몰 퍼센티지를 나타내며, 좌측에서 우측으로 작용할 때 니켈은 더 적고 실리콘은 더 많다. 수직선(606)은, 냉각된 브레이즈 재료가 100 % NiSi2의 순수 니켈 디실리사이드일 합금 퍼센티지를 표현한다. 이러한 디실리사이드 라인(606)의 우측(603)에 대한 영역에서, 브레이징 이후의 결과적인 냉각된 합금(반응 화합물들)은 부분적인 NiSi2 및 부분적인 Si일 것이다. 더 고온들을 표현하는 고상선(607) 위의 영역에서 그리고 이러한 2상 구역에서, 일부 고체의 Si를 갖는 액체가 존재하지만 Ni 모두가 액체일 것이다. 액상선(608) 위의 모든 재료는 액체이다. 이러한 합금에 관해, 지점(601)은 디실리사이드 라인의 Ni 퍼센티지보다 작은 Ni 퍼센티지에서 발생하고, 포정점(602)에서 겪게 되는 것보다 작은 Ni 퍼센티지에서 또한 발생한다. 결과적인 브레이즈 재료가 냉각될 때 Si가 아니라 NiSi 및 NiSi2를 가지므로, 이 지점의 Ni 퍼센티지를 사용하는 것은 적절하게 선택되지 않는다. 적절한 선택은 최소로서 일부 잔류 Si를 갖는 것일 것이다. 따라서, 구역(603) 내의 합금 퍼센티지가 추구된다. 적절한 조성물 범위(604)는 구역(603)에 걸쳐 수직 디실리사이드 라인(606)에서 선택된다. 이는 양호한 브레이징을 갖는데 충분한 액상을 제공하며, 잔류 Si는 세라믹, 이를테면 알루미늄 질화물에 대한 더 양호한 CTE 매치일 수 있다. Ni에 대해, 이는 15 내지 33.3 퍼센트일 수 있다. 이상적인 조성물(605)은, 또한 순수 Si에 비해 온도를 낮게 유지하지만 CTE 매치를 최대화시키고 충분한 액상을 보장하는 적절한 범위 내에서 선택된다. Ni에 대해, 이는 20 퍼센트일 수 있다. 수직선(605)의 몰 퍼센티지를 사용하면, 예컨대, 선호된 브레이즈 온도는 그 몰 퍼센티지에 대해 액상선(608)에 있거나 그 위에 있을 것이다. 고상선(607) 위의 온도들은 몇몇 예시들에서는 적절할 수 있지만, 프로세스는 오직 액상선(608) 위에만 있는 재료 모두를 액화시킬 것이다.
[0082] 도 16은 Si-Fe 합금에 대한 공정 상태도를 예시한다. Si-Fe 합금은, 1207 ℃의 고상선 온도를 갖는 실리콘으로 주로 구성되는 액상으로 브레이징 조인트를 허용하기 위해 사용될 수 있다. 이는 예컨대, 순수 실리콘의 용융 온도 아래에 최대 이용가능한 온도를 갖는 프로세스 오븐에서 결합을 허용할 것이다. 다양한 라인들 및 적어도 2개의 지점들이 이러한 상태도에서 관심을 받는다. 수평축은 합금 내의 실리콘의 몰 퍼센티지를 나타내며, 좌측에서 우측으로 작용할 때 철은 더 적고 실리콘은 더 많다. 수직선(616)은, 냉각된 브레이즈 재료가 이러한 온도 범위를 통해 냉각되었을 때 냉각된 브레이즈 재료가 어떠한 잔류 Si도 갖지 않을 합금 퍼센티지를 표현한다. 이러한 라인(106)의 우측(613)에 대한 영역에서, 브레이징 이후의 결과적인 냉각된 합금은 부분적인 FeSi2 및 부분적인 Si일 것이다. 더 높은 온도들을 표현하는 고상선(617) 위의 영역에서, 일부 고체의 Si를 갖는 일부 액체가 존재하지만 Fe 모두가 액체일 것이다. 액상선(618) 위에서, 모든 재료는 액체이다. 이러한 합금에 관해, 지점(611)은 Si 라인(626)의 Fe 퍼센티지보다 큰 Fe 퍼센티지에서 발생한다. 구역(613) 내의 합금 퍼센티지가 추구된다. 적절한 조성물 범위(614)는 구역(613)에 걸쳐 수직선(616)에서 선택된다. 반응 화합물들은 Fe3Si7, FeSi2, 및 Si이다. 이는 양호한 브레이징을 갖는데 충분한 액상을 제공하며, 잔류 Si는 세라믹, 이를테면 알루미늄 질화물에 대한 더 양호한 CTE 매치일 수 있다. Fe에 대해, 이는 15 내지 30 퍼센트일 수 있다. 이상적인 조성물(605)은, 또한 순수 Si에 비해 온도를 낮게 유지하지만 CTE 매치를 최대화시키고 충분한 액상을 보장하는 적절한 범위 내에서 선택된다. Fe에 대해, 이는 20 퍼센트일 수 있다. 다이어그램은 평형 상태 다이어그램이므로, 브레이징 및 후속 냉각 동안의 온도 변화들과 같은 동적 상황들에서 Fe3Si7이 FeSi2 및 Si에서 확산중인 경우와 같은 일부 변동들이 존재할 것임을 이해해야 한다. 브레이즈 이후의 결과적인 브레이즈 조성물들은 일부 변동성을 가질 수도 있다.
[0083] 도 17은 Si-Cr 합금들의 상태도를 도시하는 것을 이용하는 다른 경우를 예시한다. 공점점(621)은 디실리사이드 라인(626)보다 낮은 Cr 퍼센티지로 보여진다. 이러한 공정점(621)은 이상적인 몰 조성물일 수 있는 몰 조성물(622)이 된다. Cr에 대해, 이는 12.5 퍼센트이다. 적합한 범위(624)가 선택되며, Cr에 대해, 이는 10 내지 25 퍼센트 Cr일 수 있다.
[0084] 위에서 보는 바와 같이, Si를 갖는 금속 합금들은 충분한 액상을 유지하고, 브레이징을 위한 감소된 온도를 가지며, 냉각 이후 잔류 Si를 갖는 퍼센티지로 선택된다.
[0085] Si 합금에 사용될 수 있는 다른 엘리먼트는 Ge이다. Si-Ge 합금은, 연속적인 일련의 고용체들(solid solutions)에 대한 그 Si 및 Ge에서 위에서 설명된 Si 금속 합금들과는 상이하다. Si-Ge 합금들은 기밀 조인트들을 야기하는 것으로 나타났다. Si-Ge 합금들의 상태도가 도 18에서 보여진다. Si-Ge에 대한 이상적인 조성물은 각각의 성분의 50 %일 수 있다. 적합한 범위는 2 내지 70 % Ge일 수 있다.
[0086] 본 발명의 방법은, 함께 결합되는 재료들 사이에, 예컨대, 결합되는 2개의 세라믹 피스들 사이에 기밀 조인트를 유리하게 제공할 수 있다. 기밀 조인트는, 수많은 적용들에서, 예컨대, 반도체 프로세스에서, 또는 프로세스 챔버 또는 반도체 프로세스에 사용되는 디바이스 또는 부분에서 중요할 수 있다. 일 실시예에서, 기밀은 조인트가 밀폐됨(airtight)을 의미한다. 일 실시예에서, 기밀은 조인트가 반도체 프로세스 동안 밀폐됨을 의미한다. 일 실시예에서, 기밀은, 반도체 또는 유사한 프로세스 동안, 예컨대, 반도체 프로세스 동안의 프로세스 챔버에서 조인트에 걸쳐 공기의 유동이 존재하지 않거나 또는 산소의 유동이 존재하지 않음을 의미한다. 일 실시예에서, 기밀 조인트는, 1 x 10E-9 sccm He/sec 보다 낮은 진공 누출 속도를 갖는다.
[0087] 일 실시예에서, 제 1 인터페이스 영역을 갖는 제 1 세라믹 피스와 제 2 인터페이스 영역을 갖는 제 2 세라믹 피스의 결합을 위한 방법이 제공되며, 이 방법은 결합 예비 조립체를 생성하기 위하여 제 1 인터페이스 영역과 제 2 인터페이스 영역 사이에 브레이징 엘리먼트(브레이징은 실리콘을 포함함)를 배치하는 단계, 결합 예비 조립체를 프로세스 챔버 내부로 배치하는 단계, 프로세스 챔버로부터 산소를 제거하는 단계, 제 1 세라믹 피스를 제 2 세라믹 피스에 결합하기 위해 결합 예비 조립체를 결합 온도까지 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
[0088] 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 합금 엘리먼트로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 순수 실리콘일 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 결합 예비 조립체 내의 브레이징 엘리먼트와 함께 포함된 실리콘 분말 및 바인더일 수 있다. 제 1 세라믹 피스는 알루미늄 질화물을 포함할 수 있다. 제 2 세라믹 피스는 알루미늄 질화물을 포함할 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 98 중량 %보다 많은 실리콘을 포함할 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 99 중량 %보다 많은 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 프로세스 챔버로부터 산소를 제거하는 단계는, 1 x 10E-4 Torr보다 낮은 압력을 상기 프로세스 챔버에 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 결합 예비 조립체를 제 1 결합 온도까지 가열하는 단계는 상기 결합 예비 조립체를 1410 ℃ 내지 1625 ℃의 온도까지 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 프로세스 챔버로부터 산소를 제거하는 단계는, 순수하고, 탈수된 불활성 가스로 챔버를 정화(purging)하고 재충진하는 단계를 포함할 수 있다. 브레이징 엘리먼트는, 알루미늄, 구리, 마그네슘, 니켈, 철, 크롬, 티타늄, 지르코늄, 탄탈륨, 바나듐, 및 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 합금 엘리먼트들 및 실리콘을 포함할 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 게르마늄을 포함할 수 있다. 게르마늄은 2 내지 70 몰 퍼센트의 범위에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 알루미늄을 포함할 수 있다. 알루미늄은 50 내지 98 몰 퍼센트의 범위에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 구리를 포함할 수 있다. 구리는 30 내지 77 몰 퍼센트의 범위에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 마그네슘을 포함할 수 있다. 마그네슘은 15 내지 34 몰 퍼센트의 범위에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 니켈을 포함할 수 있다. 니켈은 15 내지 34 몰 퍼센트의 범위에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 철을 포함할 수 있다. 철은 15 내지 30 몰 퍼센트의 범위에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 크롬을 포함할 수 있다. 크롬은 5 내지 22 몰 퍼센트의 범위에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 티타늄을 포함할 수 있다. 티타늄은 10 내지 25 몰 퍼센트의 범위에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 지르코늄을 포함할 수 있다. 지르코늄은 5 내지 15 몰 퍼센트의 범위에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 탄탈륨을 포함할 수 있다. 탄탈륨은 3 내지 18 몰 퍼센트의 범위에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 바나듐을 포함할 수 있다. 바나듐은 1 내지 15 몰 퍼센트의 범위에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 텅스텐을 포함할 수 있다. 텅스텐은 2 내지 15 몰 퍼센트의 범위에 있을 수 있다.
[0089] 일 실시예에서, 세라믹 재료들의 결합(join)을 위한 방법이 제공되고, 결합 예비 조립체를 생성하기 위하여 제 1 세라믹 피스의 제 1 인터페이스 표면과 제 2 세라믹 피스의 제 1 인터페이스 영역 간의 결합 인터페이스 영역에 브레이징(brazing) 엘리먼트를 배치하는 단계 ― 상기 브레이징 엘리먼트는 실리콘을 포함함 ―; 결합 예비 조립체를 프로세스 챔버 내로 배치하는 단계; 가열 단계 이전에 상기 프로세스 챔버로부터 산소를 제거하는 단계; 및 상기 결합 예비 조립체를 제 1 결합 온도로 가열하여, 상기 제 1 세라믹 피스를 상기 제 2 세라믹 피스에 결합하는 단계를 포함할 수 있다.
[0090] 제 1 세라믹 피스는 알루미늄 질화물을 포함할 수 있다. 제 2 세라믹 피스는 알루미늄 질화물을 포함할 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 브레이징 후 98 중량 %보다 많은 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 프로세스 챔버로부터 산소를 제거하는 단계는 상기 프로세스 챔버에 1 x 10E-4 Torr보다 낮은 압력을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 결합 예비 조립체를 제 1 결합 온도로 가열하는 단계는 상기 결합 예비 조립체를 1410 ℃ 내지 1625 ℃의 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 프로세스 챔버로부터 산소를 제거하는 단계는, 순수하고, 탈수된 불활성 가스로 챔버를 정화(purging)하고 재충진(refilling)하는 단계를 포함할 수 있다.
[0091] 일 실시예에서, 세라믹 재료들의 결합을 위한 방법이 제공되고, 이 방법은 결합 예비 조립체를 생성하기 위하여 제 1 세라믹 피스의 제 1 인터페이스 표면과 제 2 세라믹 피스의 제 1 인터페이스 영역 간의 결합 인터페이스 영역에 브레이징 엘리먼트를 배치하는 단계 ― 상기 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 합금 엘리먼트를 포함함 ―; 결합 예비 조립체를 프로세스 챔버 내로 배치하는 단계; 가열 단계 이전에 상기 프로세스 챔버로부터 산소를 제거하는 단계; 및 상기 결합 예비 조립체를 제 1 결합 온도로 가열하여, 상기 제 1 세라믹 피스를 상기 제 2 세라믹 피스에 결합하는 단계를 포함할 수 있다.
[0092] 제 1 세라믹 피스는 알루미늄 질화물을 포함할 수 있다. 제 2 세라믹 피스는 알루미늄 질화물을 포함할 수 있다. 상기 프로세스 챔버로부터 산소를 제거하는 단계는 상기 프로세스 챔버에 1 x 10E-4 Torr보다 낮은 압력을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 알루미늄, 구리, 마그네슘, 니켈, 철, 크롬, 티타늄, 지르코늄, 탄탈륨, 바나듐, 및 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 실리콘 함유 합금 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 게르마늄과 합금된 실리콘을 포함할 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 게르마늄과 합금된 실리콘을 포함할 수 있다. 게르마늄은 2 내지 70 몰 퍼센트의 범위 내에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 알루미늄을 포함할 수 있다. 알루미늄은 50 내지 98 몰 퍼센트의 범위 내에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 구리를 포함할 수 있다. 구리는 30 내지 77 몰 퍼센트의 범위 내에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 마그네슘을 포함할 수 있다. 마그네슘은 15 내지 34 몰 퍼센트의 범위 내에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 니켈을 포함할 수 있다. 니켈은 15 내지 34 몰 퍼센트의 범위 내에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 철을 포함할 수 있다. 철은 15 내지 30 몰 퍼센트의 범위 내에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 크롬을 포함할 수 있다. 크롬은 5 내지 22 몰 퍼센트의 범위 내에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 티타늄을 포함할 수 있다. 티타늄은 10 내지 25 몰 퍼센트의 범위 내에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 지르코늄을 포함할 수 있다. 지르코늄은 5 내지 15 몰 퍼센트의 범위 내에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 탄탈륨을 포함할 수 있다. 탄탈륨은 3 내지 18 몰 퍼센트의 범위 내에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 바나듐을 포함할 수 있다. 바나듐은 1 내지 15 몰 퍼센트의 범위 내에 있을 수 있다. 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 텅스텐을 포함할 수 있다. 텅스텐은 2 내지 15 몰 퍼센트의 범위 내에 있을 수 있다.
[0093] 위의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 매우 다양한 실시예들이 본원에 주어진 설명으로부터 구성될 수 있고 부가적인 장점들 및 수정들은 당업자들에게 쉽게 떠오를 것이다. 그러므로, 더 넓은 양태들에서 본 발명은 도시되고 설명된 특정 세부사항들 및 예시적인 예들로 제한되지 않는다. 따라서, 출원인의 일반적인 발명의 사상 또는 범위에서 벗어남이 없이 그런 세부사항들로부터의 일탈이 이루어질 수 있다.

Claims (89)

  1. 제 1 인터페이스 영역을 가지며 제 1 세라믹 재료인 제 1 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스 및 제 2 인터페이스 영역을 가지며 제 2 세라믹 재료인 제 2 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스로부터 반도체 프로세싱 설비를 제조하기 위한 방법으로서,
    결합 예비 조립체를 생성하기 위해 상기 제 1 인터페이스 영역과 상기 제 2 인터페이스 영역 사이에 브레이징 엘리먼트를 배치하는 단계 ― 상기 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 게르마늄을 포함하고, 게르마늄은 상기 브레이징 엘리먼트의 2 내지 70 몰 퍼센트를 포함하며 상기 브레이징 엘리먼트의 잔부는 실리콘이고, 상기 제 1 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스는 알루미늄 질화물을 포함하고, 상기 제 2 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스는 알루미늄 질화물을 포함함 ―;
    프로세스 챔버 내로 상기 결합 예비 조립체를 배치하는 단계,
    상기 프로세스 챔버로부터 산소를 제거하는 단계, 및
    반도체 프로세싱 환경에서 사용하기에 적합한, 상기 제 1 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스와 상기 제 2 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스 사이에 기밀 밀봉되는 조인트를 형성하도록 상기 결합 예비 조립체를 결합 온도로 가열하는 단계를 포함하는,
    반도체 프로세싱 설비를 제조하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스는 플레이트이며,
    상기 제 2 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스는 샤프트인,
    반도체 프로세싱 설비를 제조하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스는 제 1 플레이트 층이며,
    상기 제 2 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스는 제 2 플레이트 층인,
    반도체 프로세싱 설비를 제조하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 브레이징 엘리먼트는 실리콘 분말이고, 바인더가 상기 결합 예비 조립체에서 상기 브레이징 엘리먼트와 함께 포함되는,
    반도체 프로세싱 설비를 제조하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기밀 밀봉되는 조인트는 0 보다 큰 두께를 갖는,
    반도체 프로세싱 설비를 제조하기 위한 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버로부터 산소를 제거하는 상기 단계는 1 x 10E-4 Torr 미만의 압력을 상기 프로세스 챔버에 적용하는 단계를 포함하는,
    반도체 프로세싱 설비를 제조하기 위한 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합 예비 조립체를 제 1 결합 온도로 가열하는 상기 단계는 1410 ℃ 내지 1625 ℃의 온도로 상기 결합 예비 조립체를 가열하는 단계를 포함하는,
    반도체 프로세싱 설비를 제조하기 위한 방법.
  10. 반도체 프로세싱 챔버에 사용하기 위한 디바이스로서,
    제 1 인터페이스 영역을 가지며 제 1 세라믹 재료인 제 1 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스,
    제 2 인터페이스 영역을 가지며 제 2 세라믹 재료인 제 2 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스,
    상기 제 1 인터페이스 영역과 상기 제 2 인터페이스 영역 사이에 배치되는 브레이징 엘리먼트에 의해 형성되는, 상기 제 1 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스와 상기 제 2 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스 사이에 기밀 밀봉되는 조인트를 포함하고,
    상기 브레이징 엘리먼트는 실리콘 및 게르마늄을 포함하고, 게르마늄은 상기 브레이징 엘리먼트의 2 내지 70 몰 퍼센트를 포함하며 상기 브레이징 엘리먼트의 잔부는 실리콘이고, 상기 제 1 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스는 알루미늄 질화물을 포함하고, 상기 제 2 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스는 알루미늄 질화물을 포함하며,
    상기 기밀 밀봉되는 조인트는 0 보다 큰 두께를 갖는,
    반도체 프로세싱 챔버에 사용하기 위한 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스는 플레이트이며,
    상기 제 2 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스는 샤프트인,
    반도체 프로세싱 챔버에 사용하기 위한 디바이스.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스는 제 1 플레이트 층이며,
    상기 제 2 세라믹 반도체 프로세싱 설비 피스는 제 2 플레이트 층인,
    반도체 프로세싱 챔버에 사용하기 위한 디바이스.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 세라믹 플레이트 층과 상기 제 2 세라믹 플레이트 층 사이에 상주하는 가열기를 더 포함하며,
    상기 기밀 밀봉되는 조인트는 상기 가열기의 외부 둘레 주위에 링을 포함하는,
    반도체 프로세싱 챔버에 사용하기 위한 디바이스.
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