KR20210056323A - 세라믹 및 금속을 접합하기 위한 브레이징 방법, 이를 사용하는 반도체 가공 및 산업 장비 - Google Patents

세라믹 및 금속을 접합하기 위한 브레이징 방법, 이를 사용하는 반도체 가공 및 산업 장비 Download PDF

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Abstract

세라믹을 세라믹에, 세라믹을 금속에 및 금속을 금속에 접합하기 위해 금속 탄소 합금을 사용하는 브레이징 방법이 개시된다. 접합된 조각은 매우 다양한 응용에 사용될 수 있으며, 히터 및 척과 같은 반도체 가공 장비 조각 및 내마모성이 높은 표면 층을 갖는 산업 장비 성분을 포함할 수 있다.

Description

세라믹 및 금속을 접합하기 위한 브레이징 방법, 이를 사용하는 반도체 가공 및 산업 장비
본 발명은 세라믹 및 금속의 브레이징(brazing), 보다 특히 금속 탄소 합금을 사용하는 브레이징에 관한 것이다.
세라믹 재료의 접합은 매우 높은 온도 및 매우 높은 접촉 압력을 요구하는 공정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 액상 소결이 세라믹 재료를 함께 접합하는 데 사용될 수 있다. 이러한 유형의 제조에서, 적어도 2가지의 결점이 나타난다. 첫째, 크고 복잡한 세라믹 조각의 열간 프레싱/소결은 매우 특수화된 공정 오븐 내에서의 큰 물리적 공간을 요구한다. 둘째, 완성된 조각의 일부분이 손상되거나 또는 마모로 인하여 고장난 경우, 큰 조각을 분해하기 위해 이용가능한 수리 방법이 없다. 특수 고정장치, 고온 및 이러한 조립체의 분해 불능은 항상 매우 높은 제조 비용을 낳는다.
다른 공정은 강도에 맞춰 설계될 수 있으며, 조각들 사이에 강한 결합을 생성할 수 있지만, 이는 구조적으로 충분할지라도, 조각들을 기밀 밀봉하지 않는다. 일부 공정에서는, 확산 결합(diffusion bonding)이 사용되며, 이는 상당한 양의 시간이 소요될 수 있고, 또한 개별 조각을 변화시켜 이들이 접합부(joint) 근처에 새로운 화합물을 형성하도록 할 수 있다. 이는 이들이 특정 응용에 적합하지 않도록 할 수 있으며, 재작업 또는 수리 및 재접합이 불가능하도록 할 수 있다. 요구되는 것은 더 낮은 온도에서 세라믹 조각을 접합하기 위한 접합 방법으로서, 상기 방법은 기밀 밀봉을 제공하고, 수리를 허용한다.
전기 피드스루(electrical feedthrough)는 통상적으로 진공 챔버 내의 장치 및 진공 챔버 외부에 위치한 장비 사이에 전력 및 전기 신호를 전달하는 데 사용된다. 예를 들어, 열 증발 소스 또는 기재 히터와 같은 진공 챔버 내의 일부 장치는 진공 챔버 외부로부터의 전력을 필요로 한다. 또한, 온도 센서 또는 측정 장치와 같은 진공 챔버 내의 일부 장치는 분석을 위해 진공 챔버 외부의 장비로 신호를 전송해야 한다.
이러한 환경을 위한 전기 피드스루는 일반적으로 진공 챔버의 벽 상에 장착된 밀폐 통로(airtight passage)이다. 하나 이상의 전도체가 전기 피드스루에 제공될 수 있다. 각각의 전도체는 절연체에 의해 둘러싸여, 이것이 챔버의 벽으로부터 절연 상태를 유지하도록 한다. 절연체는 유리 또는 세라믹 재료일 수 있다.
일부 전기 피드스루는 표준 커넥터와 함께 사용되는 핀 접점을 갖는 유리 대 금속 씰(glass-to-metal seals)을 갖는다. 일부 다른 접근법은 금속 플랜지 상에 장착된 세라믹-금속 브레이징된 핀을 사용한다. 다수의 전기 피드스루는 세라믹 절연체의 금속의 열팽창 계수와 일치하기 위하여 코바르(Kovar)를 사용한다. 코바르는 고가의 e-빔 용접이 사용되어야 하는 가능성을 비롯하여 용접에 관한 뚜렷한 단점을 갖는다. 필요한 것은, 세라믹 절연체에 열 팽창이 잘 일치하는 재료를 사용하고 저렴하게 제조될 수 있는 전기 피드스루이다.
반도체 제조에서, 부식성일 뿐만 아니라 고온인 고에너지 가스 플라즈마를 사용하여, 집적 회로의 제조에 필요한 가공을 수행한다. 다수의 응용에서, 플라즈마를 함유하고 안내하기(direct) 위해 가공 환경에서 성분들이 사용된다. 전형적으로, 에지 링(edge ring), 포커스 링(focus ring), 가스 링, 가스 플레이트, 차단기 플레이트 등으로 흔히 지칭되는 이러한 성분들은 석영, 실리콘, 알루미나 또는 질화알루미늄으로 제조된다. 플라즈마에 의한 부품의 침식이 공정 드리프트(process drift) 및 오염을 초래하여 짧은 사용가능 시간 후 성분의 교체를 요구하기 때문에, 이들 성분이 수 시간으로 측정되는 수명을 갖는 것은 드물지 않다. 일부 응용에서, 플라즈마는 세라믹 노즐의 어레이를 사용하여 가공 환경 내로 주입된다. 이들 노즐은, 복잡한 기하구조를 가지며, 플라즈마의 유량 및 패턴을 제어하기 위해 대략 0.010" 직경의 작은 오리피스를 갖는 단일체 부품이다. 이들 노즐에 대한 전형적인 재료는 산화알루미늄 또는 질화알루미늄이다. 심지어 이러한 첨단 세라믹을 사용하더라도, 고에너지 플라즈마에 의한 오리피스 침식으로 인하여 노즐의 수명은 3개월이다. 이는, 전형적으로 20개 초과의 개별 노즐을 포함하는 노즐 어레이를 교체하기 위해 3개월마다 기계가 완전히 셧다운되는 것을 요구한다. 노즐이 침식되는 동안, 이들은 플라즈마 내로 오염물질을 방출하여 가공 수율을 감소시킨다. 또한, 노즐의 수명이 다해감에 따라, 오리피스의 침식으로 인하여 플라즈마의 유동이 증가하기 시작하며, 이는 공정 성능이 변화되도록 하여 수율을 더욱 감소시킨다. 다른 첨단 세라믹 재료, 예컨대 사파이어(sapphire) 및 산화이트륨은 상기 플라즈마 환경에서 상당히 더 낮은 침식 속도를 갖는다. 에지 링 및 인젝터 노즐과 같은 성분이 이들 재료로 제조될 수 있는 경우, 상당한 수명 및 성능 개선을 가져올 수 있다. 그러나, 상기에서 언급된 제조 및 비용 제한은 상기 응용을 위한 이러한 재료의 사용을 제한한다. 필요한 것은, 현재 재료의 비용에 근접한 비용으로 최상의 재료의 성질을 이용하는 방법이다.
본 발명의 측면은, 사파이어 (단결정질 산화알루미늄), 산화이트륨 및 부분 안정화된 산화지르코늄 (PSZ)과 같은 침식 및 부식에 가장 적합한 재료의 성질을 산화알루미늄과 같은 저비용 첨단 세라믹 재료와 조합하는 방법을 제공한다. 첨단 세라믹 재료를 그들 자신 및 다른 재료에 접합하기 위한 브레이징 재료로서 다양한 합금을 사용하는 본 발명의 구현예에 따른 방법을 이용하여, 이제, 최고 성능의 첨단 세라믹 재료의 성질을 알루미나와 같은 저비용 및 간단한 제조가능성의 세라믹의 비용 및 제조가능성과 결합하는 것이 가능하다. 이러한 방법은 높은 수준의 내식성 및 내침식성을 갖는 접합부를 생성하며, 상기 접합부는 상승된 온도에서 작동할 수 있고, 접합된 재료 사이의 열 팽창의 상당한 변화를 견딜 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 접합된 세라믹 조립체의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 상이한 분위기를 연결하는 접합부의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 가공에 사용되는 플레이트 및 샤프트 장치의 도식이다.
도 4는 본 발명에 따른 플레이트 및 샤프트 사이의 접합부의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 반도체 제조에 사용되는 플레이트 및 샤프트 장치의 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 샤프트 및 플레이트 사이의 접합부의 확대 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 다층 플레이트를 갖는 히터의 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 다층 플레이트의 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 다층 플레이트의 부분 단면도이다.
도 10은 웨이퍼 주변의 가스 분배 링의 도식이다.
도 11은 가스 분사 노즐의 도식이다.
도 12는 본 발명에 따른 가스 분사 노즐의 정면부의 도식이다.
도 13은 본 발명에 따른 가스 분사 노즐의 정면부의 도식이다.
도 14는 본 발명에 따른 포커스 링이다.
도 15는 본 발명에 따른 포커스 링이다.
도 16은 유압식 교환 펌프의 도식이다.
도 17은 마모된 로터의 도식이다.
도 18은 본 발명에 따른 로터 샤프트이다.
도 19는 본 발명에 따른 로터 기저 구조체이다.
도 20은 본 발명에 따른 단부 캡(end cap)이다.
도 21은 피드스루의 사진이다.
도 22는 피드스루의 단면 스케치이다.
도 23은 피드스루의 단면 스케치이다.
도 24는 본 발명에 따른 피드스루의 예시이다.
도 25는 본 발명에 따른 피드스루를 예시한다.
도 26은 본 발명에 따른 피드스루를 예시한다.
도 27은 본 발명에 따른 피드스루를 예시한다.
도 28은 본 발명에 따른 피드스루를 예시한다.
도 29는 Ni-C 상평형도(phase diagram)이다.
도 30은 Ni-C 및 Ni-NiNi2C 상평형도이다.
도 31은 Ni-Cg 공융 합금(eutectic alloy)의 고착 방울(sessile drop)의 포토매크로그래프(photomacrograph)이다.
도 32는 C-Ni-Mo 상평형도이다.
도 33은 C-Co-M 상평형도이다.
도 34는 AlN 상의 C-Ni-Mo 공융 합금 고착 방울이다.
도 35는 Co-Ni 상평형도이다.
도 36은 C-Co 상평형도의 Co-풍부 부분이다.
도 37은 Ni-Mo-Cg/AlN 브레이징된 접합부의 초음파 검사도(sonogram)이다.
도 38은 교정 표시된(marked up) 원소 주기율표이다.
도 39a는 C-Cr-Ni에 대한 3원 상평형도이다.
도 39b는 도 39a의 상 교차점 및 3원 상평형도에 관한 다른 정보이다.
도 40a는 C-Ni-Ti에 대한 3원 상평형도이다.
도 40b는 도 40a의 상 교차점 및 3원 상평형도에 관한 다른 정보이다.
도 41a는 C-Cr-Fe에 대한 3원 상평형도이다.
도 41b는 도 41a의 상 교차점 및 3원 상평형도에 관한 다른 정보이다.
도 42a는 C-Fe-Mo에 대한 3원 상평형도이다.
도 42b는 도 42a의 상 교차점 및 3원 상평형도에 관한 다른 정보이다.
도 43a는 C-Ni-Si에 대한 3원 상평형도이다.
도 43b는 도 43a의 상 교차점 및 3원 상평형도에 관한 다른 정보이다.
도 44a는 본 발명에 따른 관련 3원 공융 조성 및 공융 온도를 나타내는 표이다.
도 44b는 본 발명에 따른 관련 3원 공융 조성 및 공융 온도를 나타내는 표이다.
도 45는 본 발명에 따른 C-Me1-Me2 3원 합금에 대한 상평형도이다.
도 46은 본 발명에 따른 접합 준비가 된 2개의 조각의 단면도이다.
도 47은 본 발명에 따른 접합 준비가 된, 함께 압축된 2개의 조각의 단면도이다.
도 48은 본 발명에 따른 접합 공정의 초기 단계의 단면도이다.
도 49는 본 발명에 따른 접합 공정의 중간 단계의 단면도이다.
도 50은 본 발명에 따른 접합 공정의 후반 중간 단계의 단면도이다.
도 51은 본 발명에 따른 접합부의 단면도이다.
도 52는 본 발명에 따른 AlN 세라믹 플레이트 사이의 브레이즈(braze) 접합부의 광학 현미경 사진이다.
도 53은 본 발명에 따른 C-Ni-Mo 브레이징된 AlN 세라믹의 저배율 SEM 현미경 사진이다.
도 54는 본 발명에 따른 AlN 세라믹 플레이트 사이의 브레이즈 접합부의 고배율 SEM 현미경 사진이다.
도 55는 본 발명에 따른 C-Ni-Mo 브레이즈에 존재하는 상의 조성을 나타내는 SEM EDX 데이터이다.
임의의 적합한 유형의 제1 조각을 임의의 적합한 유형의 제2 조각에 접합하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 제1 조각의 제1 계면 영역 및 제2 조각의 제2 계면 영역 사이에 임의의 적합한 유형의 브레이징 요소(brazing element)를 배치하여 접합 예비조립체(joining pre-assembly)를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 접합 예비조립체는 공정 챔버 내에 배치되며, 공정 챔버로부터 산소가 선택적으로(optionally) 제거된다. 접합 예비조립체의 적어도 브레이징 요소가 공정 챔버에서 가열되어 제1 조각을 제2 조각에 접합한다.
제1 조각은 임의의 적합한 세라믹, 임의의 적합한 금속 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있고, 제2 조각은 임의의 적합한 세라믹, 임의의 적합한 금속 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 제1 조각 및 제2 조각 둘 모두가 임의의 적합한 세라믹으로 제조될 수 있거나, 제1 조각 및 제2 조각 둘 모두가 임의의 적합한 금속으로 제조될 수 있거나, 또는 제1 조각은 임의의 적합한 세라믹으로 제조될 수 있고, 제2 조각은 임의의 적합한 금속으로 제조될 수 있다. 세라믹은 질화알루미늄, 알루미나, 산화베릴륨 또는 지르코니아를 포함하는 임의의 적합한 유형의 것일 수 있다.
브레이징 요소는 임의의 적합한 유형의 것일 수 있다. 예를 들어, 브레이징 요소는 탄소 및 임의의 다른 적합한 재료를 포함할 수 있다.
예를 들어, 브레이징 요소는 선택적으로 3.5 내지 25 원자%의 탄소 (C), 63.5 내지 87.5 원자%의, 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni) 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 원소, 0 내지 35 원자%의, 티타늄 (Ti), 지르코늄 (Zr), 하프늄 (Hf), 니오븀 (Nb), 크롬 (Cr), 몰리브덴 (Mo), 텅스텐 (W), 규소 (Si) 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 브레이징 요소는 선택적으로 8 내지 13 원자% 범위의 탄소, 70 내지 85 원자% 범위의 니켈 및 7 내지 20 원자% 범위의 몰리브덴으로 이루어질 수 있다. 브레이징 요소는 선택적으로 5.7 내지 17.3 원자% 범위의 탄소, 63 내지 94 원자% 범위의 니켈 및 4 내지 23 원자% 범위의 몰리브덴으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 브레이징 요소는 선택적으로 니켈 및 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 브레이징 요소는 선택적으로 8 내지 10 원자% 탄소 범위의 탄소를 포함할 수 있고, 브레이징 요소의 나머지는 니켈이다. 예를 들어, 브레이징 요소는 선택적으로 1 내지 80 원자% 탄소 범위의 탄소를 포함할 수 있고, 브레이징 요소의 나머지는 니켈이다.
예를 들어, 브레이징 요소는 선택적으로 코발트 및 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 브레이징 요소는 선택적으로 8 내지 10 원자% 탄소 범위의 탄소를 포함할 수 있고, 브레이징 요소의 나머지는 니켈이다. 예를 들어, 브레이징 요소는 선택적으로 1 내지 80 원자% 탄소 범위의 탄소를 포함할 수 있고, 브레이징 요소의 나머지는 니켈이다.
예를 들어, 브레이징 요소는 선택적으로, 세라믹을 함께, 세라믹을 금속에 및 금속을 금속에 브레이징하기 위한 니켈-탄소(예를 들어, 흑연으로서) 합금, 니켈-탄소(예를 들어, 흑연으로서)-몰리브덴 합금, 및 니켈-코발트-탄소(예를 들어, 흑연으로서)-몰리브덴 합금일 수 있다.
공정 챔버로부터 산소를 제거하는 단계는 선택적으로 1 x 10E-4 Torr 미만의 압력을 공정 챔버에 가하는 단계를 포함할 수 있다.
적어도 브레이징 요소를 가열하는 단계는 선택적으로, 적어도 브레이징 요소를 브레이징 요소의 공융 온도 미만의 제1 온도로 가열하고, 그 후에 적어도 브레이징 요소를 브레이징 요소의 공융 온도 초과의 제2 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 접합 공정은 선택적으로, 제1 가열 단계가 공융 온도 미만인 2단계 가열 공정을 사용할 수 있다. 제1 가열 단계는 선택적으로, 공융 온도 미만이지만 공융 온도의 100℃ 이내일 수 있다. 제1 가열 단계는 선택적으로, 공융 온도 미만이지만 공융 온도의 80℃ 이내일 수 있다. 제1 가열 단계는 선택적으로, 공융 온도 미만이지만 공융 온도의 60℃ 이내일 수 있다. 제1 가열 단계는 선택적으로, 공융 온도 미만이지만 공융 온도의 40℃ 이내일 수 있다. 이어서, 제2 가열 단계는 공융 온도 이상이다.
본원의 공정에 의해 생성된 접합부는 선택적으로 밀폐형일 수 있다.
본 발명의 접합 공정은 세라믹을 세라믹 (예를 들어, AlN, Al2O3, ZrO2, 흑연, SiC, Si3N4 등)에, 세라믹을 금속 (예를 들어, Ni, Mo, Co, 니오븀, 철 및 이들의 합금, 예를 들어 강(steel) 및 초합금(superalloy))에 및 금속을 금속에 (예를 들어, 초합금을 초합금에, Mo를 초합금에 및 Ni를 초합금에) 브레이징하는 데 사용하기 위해 상이한 비로 합금화된 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 몰리브덴 (Mo) 및 탄소 (C) (전형적으로 흑연 (Cg)으로서, 그러나 또한 다이아몬드 (CD) 및 카본 블랙 (CB)으로서)를 선택적으로 이용할 수 있다. 브레이즈 재료는 선택적으로 65 내지 80%의 니켈, 20 내지 35%의 Mo 및 0.1 내지 4%의 Cg를 포함할 수 있다. 접합 재료는 선택적으로 3.5 내지 25 원자%의 탄소, 63.5 내지 87.5 원자%의, 철, 코발트 및 니켈로 이루어지는 군으로부터의 원소 또는 이들 원소의 조합, 및 0 내지 35 원자%의, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, CR, Mo, W 및 Si로 이루어지는 군으로부터의 원소 또는 이들 원소의 조합을 포함할 수 있다.
문헌 [M. Singleton and P. Nash, "The C-Ni (Carbon-Nickel) System", Bulletin of Alloy Phase Diagrams, Vol. 10, No.2, 1989]는 Ni-C (흑연) 합금 시스템에 대한 평형 상평형도를 기술한다. Ni 및 C (흑연으로서 = Cg)는 도 29에 도시된 바와 같이, 약 1325℃의 평형 용융 온도를 갖는, 조성 Ni-2 중량% Cg의 2원 공융물(eutectic)을 형성한다. 유사하지만 준안정성(metastable) Ni3C 화합물의 형성 효과를 포함하는 평형도가 도 30에 제공되어 있다.
Ni 및 C의 혼합 분말을 사용하여 다양한 실험이 수행되었고, 여기서 Ni는 3 내지 4 미크론 크기의 상용 분말이거나 또는 나노분말 형태였으며, 탄소 분말은 나노입자, 다이아몬드 또는 카본 블랙의 형태였다. 고농도의 다이아몬드 (56 중량%)를 가지며, 펠릿으로 압축되고, 1330℃에서 2시간 동안 고진공에서 열 처리된 Ni-다이아몬드 혼합 분말은, 습윤되며 흑연에 강하게 결합되고 세라믹 (예를 들어, AlN)에 점착된(stuck), 액상을 삼출시키는 소결된 압착물을 낳았다. 이어서, 도 29에서 보여지는 바와 같은 평형 Ni-C 공융 조성 (Ni-2 중량% Cg)의 혼합 분말은 펠릿으로 압축되고, 2시간 동안 1320℃에서 고진공 하에 가열되었다. 이는, 약 1/32" 두께로 스웨이징되며(swaged) AlN 플레이트 사이에 배치된 조밀 압착물을 낳았다. 추가의 플레이트를 상부 상에 배치하여 추가 중량을 제공하고, 조립체를 고진공에서 1325℃로 가열하였다. 이 샘플과 함께, 동일한 조성의 압축된 펠릿을 세라믹 (예를 들어, AlN) 플레이트 또는 조각의 상부 상에 배치하였다. 고진공 열 처리는 두 펠릿 모두의 완전한 용융을 낳았다. 세라믹 (AlN) 퍽(puck)들 또는 조각들을 함께 단단히 결합하고, 독립형 펠릿을 세라믹 (AlN) 조각에 단단히 부착된 고착 방울 내로 끌어올렸다. 또 다른 실험에서, Ni-C 공융 조성의 펠릿을 열간 압축된 질화붕소 (HPBN)의 플레이트의 상부 상에 배치하고, 1325℃의 고진공에서 열 처리하였다. 펠릿이 완전히 용융되어 HPBN 상에 볼(ball)을 형성하였지만, HPBN에 점착되거나 또는 이와 반응하지는 않았다.
Ni-2 중량% Cg 포일(foil) 또는 브레이징 요소는, 고순도 Ni 및 Cg 분말을 함께 아크 용융시키고, 상이한 두께로 열간 압연함으로써 제조되었다. 브레이징 요소의 조각을 세라믹 (예를 들어, AlN)의 플레이트들 또는 조각들 사이에 그리고 세라믹 (예를 들어, Al2O3)의 블록들 또는 조각들 사이에 배치하고, 5분 동안 1330℃로 가열하였다. 용융은 관찰되지 않았지만, 10분 동안 1340℃로 가열하는 것은 브레이징 요소를 완전히 용융시키고, 세라믹 조각들이 함께 결합되도록 하였다. 이 실험은 새롭게 배합된 포일 또는 브레이즈 샘플로 반복되었다. 고진공 하에 분당 30℃의 속도로 1325℃까지 가열하고 3분 동안 유지하는 것은, 브레이징 요소를 용융시키지 않았지만, 실온으로 냉각한 후 1330℃로의 제2 가열은 브레이징 요소를 완전히 용융시키고, 세라믹 (AlN) 샘플들 또는 조각들이 함께 결합되도록 하였다. Ni-2 중량% Cg 조성의 브레이징 요소의 조각들을 세라믹 (Al2O3)의 블록들 또는 조각들 사이에, 세라믹 (Al2O3)의 블록 또는 조각의 상부 상에 그리고 세라믹 (AlN)의 블록 또는 조각의 상부 상에 배치하였다. 이들은 고진공 하에 5분 동안 1330℃로 열 처리되었다. 포일 또는 브레이즈 요소가 완전히 용융되어, 세라믹 블록들 또는 조각들의 상부 상에 고착 방울을 형성하고, Al2O3 블록들 또는 조각들을 함께 단단히 결합시켰다. 이들 고착 방울의 사진은 도 31에 도시되어 있다. 상기 방울은 Ni-Cg 공융물 (0.040" 두께의 포일 또는 브레이징 요소)이다: Al2O3 (흰색) (및 AlN (회색)) 상의 고착 방울 - 5분 동안 1330℃에서 고진공 열 처리 (HVHT)되었다.
본 발명의 접합 재료 또는 브레이징 요소는 선택적으로, 9 원자%의 탄소 및 나머지 니켈을 갖는 Ni-C (이는 1325℃의 공융 온도를 갖는 공융 조성물임)일 수 있다. 탄소 원자%는 선택적으로 8 내지 10% 범위일 수 있다. 탄소 원자%는 선택적으로 8 내지 12 원자% 범위일 수 있다. 탄소 원자%는 선택적으로 최대 80 원자%일 수 있다. 탄소 원자%는 선택적으로 1 내지 80 원자% 범위일 수 있다.
본 발명의 접합 재료 또는 브레이징 요소는 선택적으로, 11.6 원자%의 탄소 및 나머지 코발트를 갖는 Co-C (이는 1324℃의 공융 온도를 갖는 공융 조성물임)일 수 있다. 탄소 원자%는 선택적으로 10 내지 13% 범위일 수 있다. 탄소 원자%는 선택적으로 10 내지 16 원자% 범위일 수 있다. 탄소 원자%는 선택적으로 최대 80 원자%일 수 있다. 탄소 원자%는 선택적으로 1 내지 80 원자% 범위일 수 있다.
본 발명의 결합 재료 또는 브레이징 요소는 선택적으로, 17.1 원자%의 탄소 및 나머지 Fe를 갖는 Fe-C (이는 1130℃의 공융 온도를 갖는 공융 조성물임)일 수 있다. 탄소 원자%는 선택적으로 13 내지 25% 범위일 수 있다. 탄소 원자%는 선택적으로 5 내지 80 중량% 범위일 수 있다.
문헌 [M. Groschner, et al, "The melting behavior of Ni-Mo-C and Co-Mo-C alloys," La Revue de Metallurgie-CIT/Science et Genie des Materiaux, Vol. 91, No. 12, pp 1767-1776 (1994)]은 Ni 또는 Co와 Mo 및 Cg의 혼합 금속 분말의 용융 (이는 각각의 3원 합금 상 평형도의 확립으로 이어짐)에 관한 실험을 기술한다. 이들 평형도는 도 32 (Ni-Mo-C) 및 도 33 (Co-Mo-C)에 도시되어 있다. 이러한 특정한 평형도뿐만 아니라 하기에서 논의되는 다른 평형도는 "액상 투영도(liquidous projection)"로 지칭된다. 이들 투영도는, 수직 축 (종이의 평면에 수직인 제4 축)이 온도이고, 액체에 의해서만 다뤄지는(covered) 상이한 조성 및 온도의 표면을 나타내는 일종의 지형도로서 보여진다. 온도 등온선이 일반적으로 나타내어지며, 교차 선은 "협곡(ravine)"으로서 보여질 수 있다.
이러한 3원 시스템에서의 Ni-풍부 합금은 현재, Ni-2 중량% Cg 공융에 대한 온도보다 더 낮은 온도에서 세라믹 (예를 들어, AlN 및 Al2O3)에 결합하고, 세라믹을 세라믹에 (예를 들어, AlN을 AlN에 그리고 Al2O3를 Al2O3에) 브레이징할 뿐만 아니라, 세라믹 (예컨대, AlN)을 Mo에 브레이징하고, Ni를 Ni에 그리고 Ni를 Ni의 고온 합금 ("초합금"으로서 알려져 있음)에 브레이징하는 것으로 확인되었다. 이들 조성물은 또한, 다른 세라믹 재료에 결합하고 이들을 브레이징할 수 있을 뿐만 아니라 이들을 금속에 브레이징할 수 있다. 공융을 생성하는 비의 니켈, 몰리브덴 및 탄소의 혼합물은 상기 문헌의 저자 Groschner, et al.에 의해 도 32에 나타낸 바와 같이 약 1250℃ +/- 10℃의 평형 융점을 갖는다. 이들 저자에 따르면, 공융점(eutectic point)의 조성은 Ni-68.25 중량%, Mo-29.50 중량%, C-2.25 중량%이다. 공융점은, 액상선(liquidus) (합금이 완전히 액체인 최저 온도) 및 고상선(solidus) (합금이 완전히 고체인 최고 온도)이 동일한 최저 온도를 정의한다. 공융점에서 떨어진 조성에서 고상선은 동일하게 유지되지만, 액상선 온도는 증가한다. 이 공융 온도 미만의 온도에서, 평형 조건 하에 3개의 고체상 (하나는 니켈-몰리브덴-탄소 고용체이고, 하나는 탄화몰리브덴 (Mo2C)이고, 하나는 탄소 (아마도 흑연 형태)임) 중 적어도 2개가 발견될 것이다.
공융 조성물 근처의 이러한 다양한 Ni-Mo-C 합금 조성물은, 고진공 분위기에서 공융 용융 온도 (고상선 평면) 초과에서 약 1280℃까지 가열되는 경우, 부분적으로 용융되고, 특정 정도로 습윤되고, AlN과 같은 세라믹에 단단히 결합할 것이다. 이는, 본 발명자들에 의해, Ni, Mo 및 C (흑연)의 개별 분말을 상기에 가까운 비로 혼합하고, 펠릿을 압착하고, 펠릿을 세라믹 (AlN) 조각 상에 배치하고, 이들 조립체를 Mo 시트 캔(sheet can) 내부에 배치하고, 이를 고진공 고온 로(furnace) 내에 배치하고, 이들을 고진공 하에 가열함으로써, 결정되었다. 950℃ 내지 1350℃ 범위의 온도가 탐색되었다. 조성에 따라 다양한 온도에서, 펠릿은 다양한 정도로 용융되고, 세라믹에 단단히 결합되었다. 펠릿으로 압축되고 세라믹 시트 상에 배치된 Ni-76.3 중량%, Mo-21.1 중량% 및 흑연-2.6 중량%의 분말 혼합물은 1275℃로 고진공 열 처리되었다. 냉각 시 약간의 반응 및 용융이 관찰되었지만, 이는 불완전하였다. 다시 1280℃로 가열하는 것은 완전한 용융 및 세라믹 시트 상의 고착 방울의 형성을 낳았다. 이는 도 34에 도시되어 있다.
이 브레이즈 합금을 이용하여 세라믹 플레이트, 예를 들어 AlN 플레이트 내에 Ni-합금/다이아몬드계 MMC의 펠릿을 브레이징하기 위한 실험이 설계되었다. 이는, 예를 들어 Ni-76.3 중량%, Mo-21.1 중량% 및 흑연 2.6 중량%의 혼합물, 예를 들어 분말 혼합물로 코팅된 MMC를 세라믹 플레이트 또는 조각에 뚫린 구멍 내에 배치하는 것으로 이루어졌다. 제1 조각을 제2 조각, 예를 들어 AlN의 얇은 시트 상에 배치하였다. 이어서, 이를 상술한 바와 같이 가열하였다. 이번에도, 합금 조성물은 용융되어, 세라믹에 단단히 결합되었다.
Ni-2 중량% Cg 및 Ni-Mo-Cg 합금 둘 모두는 고농도의 Ni를 이용하기 때문에, Ni가 주(main) 구성성분인 니켈계 금속 합금 및 Ni를 결합시키는 데 적합할 수 있다. 이를 조사하기 위해, 본 발명자들은 비교적 순수한 등급의 상업적으로 입수가능한 니켈인 Ni 200 시트의 0.050 인치 두께의 2개의 조각 사이에, Mo가 스퍼터링된 Ni-2 중량% Cg 포일 조각을 배치하였다. 이 샌드위치 조립체를 고진공 환경에서 약 400 psi 압력의 힘 하에 1280℃에서 가열하였다. 니켈 조각은 서로 강하게 결합되었다. 또 다른 실험에서, Ni-Mo-C 합금 포일 또는 브레이즈를 사용하여 Ni 200 시트 조각을 Hastalloy X (상업적으로 입수가능한 초합금) 플레이트 조각에 성공적으로 브레이징하였다.
2개의 조각, 예를 들어 세라믹 조각, 예컨대 AlN 퍽 사이에 브레이징 요소, 예를 들어 포일을 배치하는 결합 실험을 또 다시 반복하였지만, 약간 상이한 재료를 사용하였다. 이 실험에서, Ni-2 중량% Cg 포일 또는 브레이즈는 양면 상에 15μ의 Mo로 스퍼터-코팅되었고, 샘플은 20분 동안 1350℃로 가열되었다. (샘플 # 180312-B2). 이번에도, 합금 조성물은 용융되어, 세라믹에 단단히 결합되었다. 브레이즈 접합부의 초음파 평가인 Sonoscan이 도 37에 도시되어 있다.
도 30에 표시된 준안정성의 특성을 나타내는 Ni와 Mo 및 Cg의 혼합물, 예를 들어 혼합 분말의 샘플의 용융 및 세라믹 (예컨대, AlN)에 대한 결합을 탐구하는 실험이 수행되었다. 이들 샘플은 1025℃만큼 낮은, 상당히 더 낮은 온도에서 용융되었으며, 일부 샘플은 975℃에서 액상이 존재하는 징후를 나타낸다.
본 발명의 Ni-Mo-C 합금 또는 브레이징 요소의 형성은 다양한 상이한 공정을 사용하여 일어날 수 있다. 이들은 아크 용융되고, 이어서 포일로 압연되어, 상기 언급된 바와 같은 브레이즈 용가재(braze filler material)의 시트를 제공할 수 있거나, 또는 이들은 상기에서 사용된 바와 같은 혼합 분말로 이루어질 수 있지만 또한 브레이즈 용가재의 얇은 시트 내로 확산될 수 있다. 대안적으로, 다양한 요소는 CVD 공정 또는 다른 기술을 통해 동시에 또는 층별 방식으로 박막 내로 증발되고, 스퍼터링되고, 형성되어, 목적하는 브레이즈 두께 및 조성을 달성할 수 있다. 예로서, AlN 또는 다른 세라믹 기재 또는 조각 상에, CVD를 사용하여 1.2 미크론 두께의 비정질 탄소 (다이아몬드-유사 탄소) 층을 형성하고, 이어서 9.1 미크론 두께의 Ni 층을 스퍼터링하고, 이어서 4.7 미크론 두께의 Mo 층을 스퍼터링하였다. 면대면(face-to-face) 코팅을 갖는 2개의 이러한 코팅된 조각, 예를 들어 AlN 기재를 고진공 로(furnace) 내에 배치하고, 이들을 2시간 동안 1200℃에서 열 처리하여 이들을 합금화한 다음, 이들을 20분 동안 1275℃로 가열하여, 공융 액상을 형성하여, 상기 조각들을 함께 브레이징하였다. 본 발명의 브레이징 요소를 생성하는 상기 방법은 본원에 개시된 모든 브레이징 요소에 적용가능하다.
본원에 기술된 방법은 선택적으로 브레이징 공정으로서 지칭될 수 있다. 본원에 기술된 공정은 선택적으로 천이 액상 결합 공정(transient liquid phase bonding process)으로서 간주될 수 있다. 예를 들어, 별개의 스퍼터링된 층으로, 이들은 선택적으로 천이 액상 결합 공정으로서 간주될 수 있다. 공융 조성은 구성성분의 원자 백분율을 사용하여 논의되지만, 개별 구성성분은 선택적으로 개별 층에 증착될 수 있다. 개별 층 두께는 선택적으로, 전체의 백분율로서 각각의 구성성분의 원자 백분율이 유지되도록 선택될 수 있다.
본 발명에 따라 제2 조각(601)에 접합되는 제1 조각(600)이 도 46에 도시되어 있다. 제1 조각은 선택적으로 세라믹, 예를 들어 질화알루미늄 또는 알루미나일 수 있다. 제2 조각은 선택적으로 세라믹, 예를 들어 질화알루미늄 또는 알루미나일 수 있다. 비정질 탄소 층(602)은 제1 조각(600)의 접합 표면 상에 배치되었으며, 예를 들어 스퍼터링되었다. 또 다른 비정질 탄소 층(603)이 제2 조각(601)의 접합 표면 상에 배치되었으며, 예를 들어 스퍼터링되었다. 니켈 층(604)이 탄소 층(602) 상에 배치되었으며, 예를 들어 스퍼터링되었다. 또 다른 니켈 층(605)이 탄소 층(603) 상에 배치되었으며, 예를 들어 스퍼터링되었다. Mo 층(606)이 니켈 층(604) 상에 배치되었으며, 예를 들어 스퍼터링되었다. Mo의 또 다른 층(607)이 니켈 층(605) 상에 배치되었으며, 예를 들어 스퍼터링되었다.
도 47은, 이들의 Mo 층이 가열 단계 전에 접촉하도록 배치되었을 때의 제1 조각(600) 및 제2 조각(601)을 예시한다. 접합 예비조립체는 공정 챔버 내에 배치되고, 고진공으로 될 수 있다. 압력은 선택적으로 1 x 10E-4 Torr 미만일 수 있다. 압력은 선택적으로 1 x 10E-5 Torr 미만일 수 있다. Ni-Mo-C에 대한 공융 온도는 대략 1250℃이다. 제1 가열 단계는 선택적으로 사용되며, 예비조립체는 1200℃까지 진행된다. 제1 가열 단계는 2시간의 지속기간을 가질 수 있다. 도 48에서 보여지는 바와 같이, 탄소 층은 니켈 층 내로 확산되어, 제1 조각(600) 상의 Ni-C 층(608) 및 제2 조각(601) 상의 또 다른 Ni-C 층(609)을 낳을 수 있다. 이어서, 공융 온도 이상에서 제2 가열 단계가 선택적으로 수행될 수 있다. Ni-Mo-C 접합 재료의 이러한 예에서, 제2 가열 단계는 1275℃일 수 있다.
온도가 공융 온도 이상으로 상승함에 따라, 도 49에서 보여지는 바와 같이, Ni-C 층(609) 및 Mo 층(607)의 계면에서 용융이 시작될 것이다. Ni-C 층(609) 및 Mo 층(607)의 접합부에서의 용융(611)은 공융 조성에서 또는 그 부근의 조성으로부터 일어날 것이고, 이 용융은 상기 접합부에서 이로부터 계속 이동할 것이다. 유사하게, Ni-C 층(608) 및 Mo 층(606)의 계면에서 용융(610)이 시작될 것이다. 도 50은 상부 용융(612) 및 하부 용융(613)이 확대되었을 때 시간에 따라 진행되는 공정을 예시한다. 제2 가열 단계는 20분의 지속기간을 가질 수 있다. 단일 가열 단계는 선택적으로 공융 온도 이상에서 사용될 수 있다.
가열 단계의 완료 시, 접합 조립체는 냉각될 수 있다. 이제, 도 51에 도시된 바와 같이, 제1 조각(600)은 접합부(614)로 제2 조각(601)에 접합된다. 접합부는 균일할 수 있다. 이는 Mo 및 C로 포화될 수 있지만, 약간의 니켈이 남아있을 수 있다.
상기에서 Ni-Mo-C 공융에 대해 논의되었지만, 유사하게 다른 구성성분이 사용될 수 있다. 도 44a는 추가적인 합금 구성성분을 사용하는 니켈-탄소, 코발트-탄소 및 철-탄소 시스템의 표를 나타낸다. 각각의 시스템에서, 탄소가 조성물에 사용되며, 표에 예시된 공융 조성에서의 공융 온도가 있다. 도 44b는 본 발명의 구현예에 따른 브레이즈 재료에 대한 범위를 포함하며, 보여지는 바와 같이 구성성분의 원자 백분율에 대한 더 좁은 범위 및 더 넓은 범위를 포함한다. 도 45는 탄소-me1-Me2 시스템에 대한 일반화된 3원 상평형도의 Me1-풍부 부분, 뿐만 아니라 도 44a에 도시된 공융 조성에 대한 공융점을 예시하는 3원 공융 표를 나타낸다. 도 45의 점 A-B-C-D-E-F를 연결하는 선에 의해 경계가 설정된 다각형은, 선택적으로 사용될 수 있는 조성의 범위를 예시한다. 선 AB 및 DE는 각각 탄소에 대한 일정한 조성을 나타내고, 선 CD 및 AF는 각각 Me2에 대한 일정한 조성을 나타낸다. Me1 (Ni, Co, Fe 또는 이들의 혼합물)에 대한 조성의 범위는 약 63 원자%에서 약 98 원자%까지 확장되며, Me2에 대한 조성 범위는 0 원자%에서 약 25 원자%까지 확장되고, 탄소 (C)에 대한 조성의 범위는 약 0.5 원자%에서 25 원자%까지 확장된다.
코발트는 니켈과 화학적으로 매우 유사한 원소이다. Ni-코발트 2원 평형 상평형도가 도 35에 도시되어 있다. 시스템 Ni-코발트는 연속적인 일련의 고용체를 형성하며, 즉 Co는 별개의 뚜렷한 화합물의 형성 없이 결정 격자 구조에서 Ni를 직접 대체한다. 따라서, 임의의 화학적 상호작용에서 니켈 대신 Co를 부분적으로 내지 완전하게 대체하는 것은 유사한 결과를 얻을 수 있지만, 그 결과는 약간 상이한 조성 및 성질 - 상이한 용융 온도, 상이한 전기적 거동 등을 나타낼 것으로 예상된다. 문헌 [Ishida and Nishizawa, J. Phase Equilibria, 12 (4) 1991]에 논의된 C-Co 상평형도가 도 36에 도시되어 있다. Ni-C 상평형도와의 유사성에 주목한다. 실제로, Co-Mo-C 상평형도는, M. Groschner, et al에 의해 상기 인용된 문헌에 나타낸 바와 같이, Ni-Mo-C 시스템과 유사한 거동을 나타낸다.
본 발명자들은, 상기와 유사한 (Ni, Co) - Mo - Cg의 혼합 분말을 사용한 실험에서 Ni를 Co로 50 중량%로 대체함으로써 이를 어느 정도까지 탐구하였다. 또 다른 예시적인 구현예에서, 42.3 원자% Ni, 42.3 원자% Co, 7.9 원자% Mo 및 7.5 원자% C의 분말 조성물의 얇은 압축 펠릿을 84.6 원자% Ni, 7.9 원자%의 Mo 및 7.5 원자% C의 얇은 압축 펠릿과 함께 사용하여 2개의 세라믹 (예를 들어, AlN) 조각을 접합하였다. 제1 AlN 조각은 4 중량%의 Y2O3를 가졌고, 제2 AlN 조각은 99.7%의 순수 AlN이었다. 조립체는 제1 가열 단계에서 2시간 동안 1000℃에서 및 이어서 제2 가열 단계에서 1075℃에서 20분 동안 고진공 열 처리되었다. 도 52는 브레이즈 합금에 존재하는 입자 구조 및 상의 일부를 나타내는 브레이즈 접합부의 광학 현미경사진이다. 도 53은 접합부의 균일성을 예시하는 브레이징된 접합부의 저배율 SEM 이미지를 나타내며, 도 54는 EDX를 사용하여 화학적으로 조사된 영역을 갖는 브레이즈 접합부의 고배율을 나타낸다. 도 55는 브레이즈 합금의 EDX 분석 결과를 나타낸다. 3종의 뚜렷한 상이 있다: 1) 고용체에 소량의 Mo 및 C와 함께 주로 Ni 및 Co를 함유하는 매트릭스 상, 2) 주로 Mo로 이루어지는 밝은 상, 및 3) 주로 C로 이루어지는 어두운 상. 3종의 상 모두, 용해된 Al의 증거를 나타내었으며, 이는 세라믹 AlN과의 약간의 반응을 나타낸다.
Ni-2 중량% Cg 및 Ni-Mo-Cg 합금 둘 모두는 이들이 고농도의 Ni를 이용하기 때문에 Ni 및 니켈계 금속 합금 또는 조각 (여기서, Ni가 주 구성성분임)을 결합시키는 데 적합해야 한다. 이를 조사하기 위해, 본 발명자들은 상업적으로 입수가능한 비교적 순수한 등급의 니켈인 Ni 200 시트의 0.050 인치 두께의 2개의 조각 사이에, Mo가 스퍼터링된 Ni-2 중량% Cg 포일의 조각을 배치하였다. 이 샌드위치 조립체를 고진공 환경에서 약 400 psi 압력의 힘 하에 1280℃에서 가열하였다. 니켈 조각들은 함께 강하게 결합되었다. 또 다른 실험에서, Ni-Mo-C 합금 포일을 사용하여 Ni 200 시트의 조각을 Hastalloy X (상업적으로 입수가능한 초합금) 플레이트의 조각에 성공적으로 브레이징하였다.
더 넓은 카테고리의 합금 시스템은 유사한 용융 특성을 가질 수 있으며, 상술한 바와 같이 사용될 수 있다. IVB족, VB족 및 VIB족 전이 금속 원소는 모두 카바이드를 형성하며, Fe, Ni, Co 및 C와 조합하여 이들은 브레이징 용가재 금속 합금으로서 사용될 수 있는 저용융 공융물을 형성할 수 있다. 원소 주기율표에서 상기 족은 도 38에 도시되어 있다. 시스템 Ni-Cr-C, Ni-Ti-C, Fe-Cr-C 및 Fe-Mo-C에 대한 3원 상평형도는 각각 도 39a, 40a, 41a 및 42a에 도시되어 있다. 또한, Ni-Si-C 시스템이 있으며, 이에 대한 상평형도는 도 43a에 도시되어 있다. 도 39b 내지 43b의 각각의 표에서, 도 39a 내지 43a의 각각의 상평형도의 상 교차점이 숫자로 열거되어 있고, 각각의 숫자로 열거된 상 점(phase point)의 위치는 도 39a 내지 43a의 각각의 상평형도 상에 해당 상 점의 숫자와 함께 나타내어져 있다. 3원 상평형도는 온도를 나타내는 등온선을 가지며, 이는 전형적으로 상 교차점 쪽으로 하강한다.
상기에서 논의된 바와 같이, 니켈(Ni)-탄소(흑연(Cg)으로서) 합금, Ni-Cg- 몰리브덴(Mo) 합금 및 Ni-코발트(Co)-Cg-Mo 합금은, 세라믹을 함께, 세라믹을 금속에 및 금속을 금속에 브레이징하는 데 적합한 것으로 밝혀졌다.
제1 조각, 제2 조각 및 접합된 제1 및 제2 조각은, 예를 들어 부식성 또는 침식성 환경에서 임의의 적합한 응용 또는 공정에 사용될 수 있다. 이러한 부식성 또는 침식성 환경은 선택적으로 반도체 가공 환경을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 조각, 제2 조각 또는 조합된 제1 및 제2 조각은 임의의 적합한 반도체 웨이퍼 제조 장비 조각일 수 있으며, 이는, 예를 들어 히터, 척, 반도체 가공 동안 실리콘 웨이퍼를 지지하기 위한 플레이트 또는 플레이트 조립체, 또는 플레이트 및 샤프트 장치를 포함할 수 있다. 제1 조각, 제2 조각 또는 조합된 제1 및 제2 조각은 선택적으로, 본원에 개시된 브레이즈 중 임의의 것과 같은 임의의 적합한 유형의 금속 탄소 합금 브레이즈로 세라믹과 같은 임의의 적합한 재료의 기재에 접합된, 임의의 적합한 재료 (예를 들어, 사파이어)의 내마모성이 높은 표면 층을 갖는 산업 장비 성분일 수 있다.
세라믹의 접합을 위한, 반도체 가공 장비의 제조에서의 본 발명의 브레이징 요소의 사용은 반도체 가공 화학물질에 내성을 가지면서 고온에서의 가공의 지지를 허용한다. 이들 반도체 가공 화학물질은 할로겐, 브롬, 염소, 불소 및 이들의 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 하기에서 논의되는 바와 같이, 산업 가공 장비의 제조에 이러한 합금을 사용하는 것은 고온에서의 작업을 지지할 수 있는 장비의 제조를 허용한다.
반도체 제조에서, 부식성일 뿐만 아니라 고온인 고에너지 가스 플라즈마를 사용하여, 집적 회로의 제조에 필요한 가공을 수행한다. 다수의 응용에서, 플라즈마를 함유하고 안내하기 위해 가공 환경에서 성분들이 사용된다. 전형적으로, 에지 링, 포커스 링, 가스 링, 가스 플레이트, 차단기 플레이트 등으로 지칭되는 이러한 성분들은 석영, 실리콘, 알루미나 또는 질화알루미늄으로 제조된다. 플라즈마에 의한 부품의 침식이 공정 드리프트 및 오염을 초래하여 짧은 사용가능 시간 후 성분의 교체를 요구하기 때문에, 이들 성분이 수 시간으로 측정되는 수명을 갖는 것은 드물지 않다. 플라즈마는 세라믹 노즐의 어레이를 사용하여 가공 환경 내로 선택적으로 주입된다. 이들 노즐은, 복잡한 기하구조를 가지며, 플라즈마의 유량 및 패턴을 제어하기 위해 대략 0.010" 직경의 작은 오리피스를 갖는 단일체 부품이다. 이들 노즐에 대한 전형적인 재료는 산화알루미늄 또는 질화알루미늄이다. 심지어 이러한 첨단 세라믹을 사용하더라도, 고에너지 플라즈마에 의한 오리피스 침식으로 인하여 노즐의 수명은 3개월이다. 이는, 전형적으로 20개 초과의 개별 노즐을 포함하는 노즐 어레이를 교체하기 위해 3개월마다 기계가 완전히 셧다운되는 것을 요구한다. 노즐이 침식되는 동안, 이들은 플라즈마 내로 오염물질을 방출하여 가공 수율을 감소시킨다. 또한, 노즐의 수명이 다해감에 따라, 오리피스의 침식으로 인하여 플라즈마의 유동이 증가하기 시작하며, 이는 공정 성능이 변화되도록 하여 수율을 더욱 감소시킨다. 다른 첨단 세라믹 재료, 예컨대 사파이어 및 산화이트륨은 상기 플라즈마 환경에서 상당히 더 낮은 침식 속도를 갖는다. 에지 링 및 인젝터 노즐과 같은 성분이 이들 재료로 제조될 수 있는 경우, 상당한 수명 및 성능 개선을 가져올 수 있다. 그러나, 상기에서 언급된 제조 및 비용 제한은 상기 응용을 위한 이러한 재료의 사용을 제한한다. 필요한 것은, 현재 재료의 비용에 근접한 비용으로 최상의 재료의 성질을 이용하는 방법이다.
본 발명의 방법은, 사파이어 (단결정 산화알루미늄), 산화이트륨 및 부분 안정화된 산화지르코늄 (PSZ)과 같은 침식 및 부식에 가장 적합한 재료의 성질을 산화알루미늄과 같은 저비용 첨단 세라믹 재료와 조합할 수 있다. 첨단 세라믹 재료를 그들 자신 및 다른 재료에 접합하기 위한 브레이징 재료로서 알루미늄을 사용하는, 본 발명의 구현예에 따른 방법을 이용하여, 최고 성능의 첨단 세라믹 재료의 성질을 알루미나와 같은 저비용 및 간단한 제조가능성의 세라믹의 비용 및 제조가능성과 결합하는 것이 가능하다. 이러한 방법은 높은 수준의 내식성 및 내침식성을 갖는 접합부를 생성하며, 상기 접합부는 상승된 온도에서 작동할 수 있고, 접합된 재료 사이의 열 팽창의 상당한 변화를 견딜 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 접합부의 일 구현예의 단면도를 나타내며, 상기 접합부에서 제1 조각 (예를 들어, 세라믹 조각(72))이 제2 조각 (예를 들어, 제2 세라믹 조각(71)) (이는 동일하거나 또는 상이한 재료로 제조될 수 있음)에 접합된다. 접합 재료, 예컨대 접합 용가재(74)가 포함될 수 있으며, 이는 본원에 기술된 재료 또는 결합제의 조합으로부터 선택될 수 있고, 본원에 기술된 방법 중 임의의 것에 따라 접합부에 전달될 수 있다. 도 1에 도시된 접합부에 대하여, 제1 조각(72)은 제1 조각(72)의 접합부 계면 표면(73A)이 제2 조각(71)과 이의 접합부 계면 표면(73B)을 따라 인접하도록 위치되며, 오직 접합부 용가재는 접합될 표면들 사이에 개재된다. 접합부의 두께는 예시의 명확성을 위해 과장되었다. 함몰부(recess)가 선택적으로 정합(mating) 조각 중 하나 (이 예에서는 제1 조각(72))에 포함될 수 있으며, 이는 다른 정합 조각이 상기 함몰부 내에 있도록 한다.
도 2에서 보여지는 바와 같이, 접합 재료는 2개의 별개의 분위기 사이를 연결할 수 있으며, 이들 둘 모두는 브레이징 재료를 포함하는 이전 접합 재료에 대해 상당한 문제점을 제시할 수 있다. 접합부의 제1 표면 상에서, 접합 재료는, 접합된 세라믹 조립체가 사용될 반도체 가공 챔버에서 발생하는 공정 및 존재하는 환경(77)과 상용성일 필요가 있을 수 있다. 접합부의 제2 표면 상에서, 접합 재료는 산소화된 분위기일 수 있는 상이한 분위기(76)와 상용성일 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 구리, 은 또는 금을 함유하는 브레이즈 요소는 접합된 세라믹을 갖는 챔버에서 가공되는 실리콘 웨이퍼의 격자 구조를 방해할 수 있으며, 따라서 적절하지 않다. 그러나, 일부 경우에, 접합부의 표면은 고온 및 산소화된 분위기를 나타낼 수 있다. 이 분위기에 노출될 접합부의 부분은 산화될 것이며, 접합부 내부로 산화되어 접합부의 기밀성의 손상을 낳을 수 있다. 구조적 부착에 더하여, 반도체 제조에 사용되는 접합된 세라믹 조각들 사이의 접합부는, 대부분 또는 전부는 아니지만, 다수의 용도에서 밀폐형이어야 한다.
도 3은 본 발명에 따라 형성될 수 있는 반도체 가공에 사용되는 예시적인 플레이트 및 샤프트 장치(100), 예컨대 히터를 예시한다. 플레이트 및 샤프트 장치(100)는 선택적으로 질화알루미늄과 같은 세라믹으로 구성될 수 있다. 히터는 샤프트(101)를 가지며, 이는 결국 플레이트(102)를 지지한다. 플레이트(102)는 상부 표면(103)을 갖는다. 샤프트(101)는 중공 실린더일 수 있다. 플레이트(102)는 편평한 디스크일 수 있다. 다른 하위 성분이 존재할 수 있다. 플레이트(102)는 선택적으로, 세라믹 플레이트가 형성되는 공정 오븐을 포함하는 초기 공정에서 개별적으로 제조될 수 있다.
도 4는 접합부의 제2 구현예의 단면도를 도시하며, 상기 접합부에서 제1 대상물 또는 조각 (이는 선택적으로 예를 들어 샤프트(191)와 같은 임의의 적합한 유형의 세라믹 조각일 수 있음)이 제2 대상물 또는 조각 (이는 동일하거나 또는 상이한 재료로 제조될 수 있으며, 예를 들어 플레이트(192)와 같은 임의의 적합한 유형의 세라믹 조각일 수 있음)에 접합될 수 있다. 브레이징 층(190)과 같은 접합 재료가 포함될 수 있으며, 이는 본원에 기술된 브레이즈 층 재료의 조합으로부터 선택될 수 있고, 본원에 기술된 방법 중 임의의 것에 따라 접합부로 전달될 수 있다. 세라믹 플레이트 또는 조각(192)은 접합 계면 표면(194)을 갖고, 세라믹 샤프트 또는 조각(191)은 접합 계면 층(193)을 갖는다. 플레이트는 선택적으로 질화알루미늄일 수 있고, 샤프트는 지르코니아, 알루미나 또는 다른 세라믹일 수 있다. 선택적으로, 더 낮은 전도성 열 전달 계수를 갖는 샤프트 재료를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
도 5에서 보여지는 바와 같이, 접합 재료는 2개의 별개의 분위기 사이를 연결할 수 있으며, 이들 둘 모두는 이전 접합 재료에 대해 상당한 문제점을 제시할 수 있다. 히터(205)와 같은 반도체 가공 장비의 외부 표면(207) 상에서, 접합부 재료는 히터(205)가 사용될 반도체 가공 챔버(200)에서 발생하는 공정 및 존재하는 환경(201)과 상용성이어야 한다. 히터(205)는, 샤프트(204)에 의해 지지되는 플레이트(203)의 상부 표면에 부착된 기재(206)를 가질 수 있다. 히터(205)의 내부 표면(208) 상에서, 접합 층 재료는 산소화된 분위기일 수 있는 상이한 분위기(202)와 상용성이어야 한다. 예를 들어, 구리, 은 또는 금을 함유하는 접합부는 가공되는 실리콘 웨이퍼의 격자 구조를 방해할 수 있으며, 따라서 적절하지 않다. 그러나, 히터 플레이트를 히터 샤프트에 접합하는 접합부의 경우, 샤프트의 내부는 전형적으로 고온을 나타내며, 중공 샤프트의 중심 내에 산소화된 분위기를 갖는다. 이 분위기에 노출될 접합부의 부분은 산화될 것이며, 접합부 내로 산화되어 접합부의 기밀성의 손상을 낳을 수 있다. 구조적 부착에 더하여, 반도체 제조에 사용되는 이들 장치의 샤프트 및 플레이트 사이의 접합부는, 대부분 또는 전부는 아니지만, 다수의 용도에서 밀폐형이어야 한다.
도 6은 본 발명에 따른, 플레이트(215)를 샤프트(214)에 접합하는 데 사용되는 접합부(220)를 예시한다. 접합부(220)는, 샤프트(214)에 대한 플레이트(215)의 부착을 구조적으로 지지하는, 구조적이며 밀폐형인 접합부를 생성한다. 접합부(220)는, 샤프트(214)의 내부 표면(218)에 의해 보여지는 샤프트 분위기(212)를 샤프트(214)의 외부 표면(217)을 따라 그리고 공정 챔버 내에서 보여지는 챔버 분위기(211)로부터 격리시키는 기밀 밀봉을 생성하였다. 접합부(220)는 샤프트 분위기 및 챔버 분위기 둘 모두에 노출될 수 있으며, 따라서 기밀 밀봉의 손실을 초래할 수 있는 열화 없이 이러한 노출을 견딜 수 있어야 한다. 이 구현예에서, 플레이트 및 샤프트는 질화알루미늄과 같은 세라믹일 수 있다.
도 7의 확대도에서 보여지는 바와 같이, 플레이트 및 샤프트 장치(200)는 선택적으로, 플레이트 조립체(201) 및 샤프트(202)를 갖는 것으로 보여질 수 있다. 플레이트 조립체 (201)는 선택적으로 다수의 층, 예컨대 층(203, 204, 205)을 가질 수 있으며, 이들은 선택적으로 플레이트 조립체(201)로의 이들의 조립 전에 완전히 소성된 세라믹 층일 수 있다. 상부 플레이트 층(203)은, 상부 플레이트 층(203) 및 중간 층(204) 사이에 존재하는 전극 층(206)으로 중간 층(204)을 오버레이(overlay)한다. 중간 층(204)은, 중간 층(204) 및 하부 층(205) 사이에 존재하는 히터 층(207)으로 하부 층(205)을 오버레이한다.
플레이트 조립체(201)의 층(203, 204, 205)은 히터의 경우 질화알루미늄과 같은 세라믹, 또는 정전기 척의 경우 알루미나, 도핑된 알루미나, AlN, 도핑된 AlN, 베릴리아(beryllia), 도핑된 베릴리아 등을 포함하는 다른 재료의 것일 수 있다. 기재 지지체를 구성하는 플레이트 조립체의 층(203, 204, 205)은 플레이트 조립체(201)로의 이들의 도입 전에 완전히 소성된 세라믹일 수 있었다. 예를 들어, 층(203, 204, 205)은 고온 고접촉 압력 특수 오븐 또는 테이프 캐스트 또는 스파크-플라즈마 소결 또는 다른 방법에서 플레이트로서 완전히 소성된 다음, 플레이트 조립체의 스택에서의 이들의 사용 및 위치에 의한 요구에 따라 최종 치수로 기계가공될 수 있었다. 이어서, 플레이트 층(203, 204, 205)은 접합 층(208), 예를 들어 본원에 개시된 브레이즈 층 중 임의의 것으로 접합 공정을 사용하여 함께 접합될 수 있으며, 이는 플레이트 조립체(201)의 최종 조립이, 높은 접촉 응력을 위한 프레스가 장착된 특수 고온 오븐에 대한 필요 없이 수행되도록 한다.
도 8은 본 발명에 따라 형성될 수 있는 플레이트 조립체(240)의 부분 단면을 예시한다. 플레이트 조립체(240)는, 샤프트에 연결되어 플레이트 및 샤프트 조립체를 완성하도록 적합화될 수 있다. 상부 플레이트 층(241)은, 반도체 가공 단계 동안 기재를 지지하도록 적합화된 원형 디스크일 수 있다. 히터(244)는 상부 플레이트 층(241) 아래에 존재하도록 적합화된다. 히터는 플레이트 층 중 하나 또는 둘 모두에 부착되거나 또는 점착될 수 있다. 상부 플레이트 층(241)은 하부 플레이트 층(242)을 오버레이한다. 예를 들어 본 발명에 따른 접합 층(243)은 상부 플레이트 층(241)을 하부 플레이트(242)에 접합한다. 접합 층은 환형 디스크일 수 있다. 상부 플레이트 층 및 하부 플레이트 층은 선택적으로 세라믹일 수 있다. 상부 플레이트 층 및 하부 플레이트 층은 선택적으로 질화알루미늄일 수 있다. 접합 공정 및 재료의 예는 본원에 논의되어 있다. 도 9는 본 발명의 기재 지지 조립체(246)에서 본 발명의 접합 층(249)에 의해 함께 접합된 플레이트 층들(248) 사이의 히터 요소(247)를 예시한다. 기재 지지 조립체(246)의 일부분만이 도 9에 도시되어 있다.
도 10은 본 발명에 따른 복수의 CVD 인젝터 노즐(110)에 결합되는 가스 분배 링(101)을 예시한다. 공정은 반도체 웨이퍼일 수 있는 기재(103)를 향하도록 설계된다. 인젝터 노즐(110)로부터의 유출(102)은 기재(103)의 가공에 기여한다. 도 11은 CVD 인젝터 노즐(110)을 예시한다. 상기 노즐(110)은 통로 출구(112)에서 끝나는 내부 통로(111)를 가지며, 상기 내부 통로(111)를 통해 통과하는 가스 또는 다른 물질이 상기 통로 출구(112)에서 상기 노즐(110)을 빠져 나간다. 가스 또는 다른 물질은 통로 입구(114)에서 노즐로 들어간다. 인젝터 노즐(110)은 인젝터 노즐(110)을 가스 분배 링(101)에 결합하도록 적합화된 기계적 계면(113)을 가질 수 있다.
도 12 내지 13은, 본 발명에 따라 함께 접합될 수 있는 제1 및 제2 조각을 갖는 CVD 인젝터 노즐을 예시한다. 도 12에서 보여지는 바와 같이, 노즐 몸체(120)의 선단은 내부 통로(121)를 갖는 것으로 보여진다. 노즐 몸체(120)는 선택적으로 알루미나일 수 있다. 노즐 몸체(120)는 선택적으로 질화알루미늄일 수 있다. 내부 통로(121)의 끝에는 노즐 몸체(120)의 전방에 있는 카운터보어(counterbore)에 존재하는 디스크(123)가 있다. 디스크(123)는 사파이어와 같은 내마모성 재료이다. 디스크(123)는 내부 통로(121) 내경 미만의 내경을 가질 수 있다. 디스크(123)는 접합 층(122)으로 노즐 몸체(120)에 접합될 수 있다. 접합 층(122)은 본원에 기술된 브레이즈 합금의 것일 수 있다. 디스크(123)는 본원에 기술된 브레이즈 방법을 사용하여 노즐 몸체(120)에 접합될 수 있다. 디스크(123)는 브레이즈 층(122)으로 노즐 몸체(120)에 접합될 수 있으며, 여기서 노즐 몸체(120) 내로 또는 디스크(123) 내로의 접합 층(122)의 확산이 없다. 노즐의 침식이 주로 노즐의 끝에서 발생하는 응용에서, 사파이어와 같은 내마모성 재료를 포함하는 디스크(123)의 사용은 주로 알루미나와 같은 저비용 재료로 제조된 노즐의 사용을 허용하면서, 확인된 높은 마모 영역에서 높은 내마모성 재료의 높은 내마모성 및 내침식성의 이점을 얻는다.
도 13에서 보여지는 바와 같이, 노즐 몸체(130)의 선단은 내부 통로(131)를 갖는 것으로 보여진다. 노즐 몸체(130)는 선택적으로 알루미나일 수 있다. 노즐 몸체(130)는 선택적으로 질화알루미늄일 수 있다. 내부 통로(131)의 끝에는, 노즐 몸체(130)의 전방에서 내부 통로의 확대된 부분 내에 존재하는 내부 슬리브(133)가 있다. 내부 슬리브(133)는 사파이어와 같은 내마모성 재료이다. 내부 슬리브 (133)는 내부 통로(131) 내경 미만의 내경을 가질 수 있다. 내부 슬리브(133)는 접합 층(132)으로 노즐 몸체(130)에 접합될 수 있다. 접합 층(132)은 본원에 기술된 바와 같은 브레이징 요소의 것일 수 있다. 내부 슬리브(133)는 본원에 기술된 브레이즈 방법을 사용하여 노즐 몸체(130)에 접합될 수 있다. 내부 슬리브(133)는 브레이즈 층(132)으로 노즐 몸체(130)에 접합될 수 있으며, 여기서 노즐 몸체(130) 내로 또는 내부 슬리브(133) 내로의 접합 층(132)의 확산이 없다. 노즐의 침식이 주로 노즐의 끝에서 발생하는 응용에서, 사파이어와 같은 내마모성 재료를 포함하는 내부 슬리브(133)의 사용은 주로 알루미나와 같은 저비용 재료로 제조된 노즐의 사용을 허용하면서, 확인된 높은 마모 영역에서 높은 내마모성 재료의 높은 내마모성 및 내침식성의 이점을 얻는다.
도 14의 단면도에서 보여지는 바와 같이, 칼라(collar; 151)를 갖는 포커스 링(150)은 본 발명에 따라 접합 층(153)으로 포커스 튜브(focus tube; 152)의 상부 표면에 접합될 수 있다. 칼라(151)는 선택적으로 알루미나일 수 있다. 칼라(151)는 선택적으로 질화알루미늄일 수 있다. 포커스 튜브(152)는 선택적으로 사파이어일 수 있다.
도 15에서 보여지는 바와 같이, 포커스 링(160)은, 본 발명에 따라 이의 내경을 따라 접합 층(162)으로 포커스 튜브 슬리브(161)에 접합될 수 있는 포커스 링 구조체(163)를 갖는다. 포커스 튜브 슬리브(161)는 원통형 슬리브일 수 있다. 포커스 링 구조체(163)는 선택적으로 알루미나일 수 있다. 포커스 링 구조체(163)는 선택적으로 질화알루미늄일 수 있다. 포커스 튜브 슬리브(161)는 선택적으로 사파이어일 수 있다. 포커스 링 구조체(163)는 선택적으로 단일 조각일 수 있다. 포커스 링 구조체(163)는 선택적으로 복수의 조각으로 구성될 수 있다.
수압 파쇄 시스템은, 고압의 더 적은 연마성을 갖는 유체로부터 저압의 더 높은 연마성을 갖는 유체로 압력을 전달하는 회전 성분을 포함할 수 있는 유압식 압력 교환기 시스템을 포함할 수 있다. 연마성이 높은 유체는 모래, 고체 입자 및 파편을 포함할 수 있다. 이러한 장치의 로터 및 단부 커버(end cover)는 특히 마모되기 쉽다. 유압식 압력 교환기는 마모 요구를 충족시키기 위해 탄화텅스텐으로 제조될 수 있지만, 이 재료는 매우 고가이고, 또한 제조하기에 어렵다. 심지어 이 내마모성 재료로도, 성분은 침식을 겪고, 수리를 필요로 할 수 있다. 탄화텅스텐 시스템의 이러한 수리의 예는 US 2016/0039054에 제시되어 있다. 상기 개시에서의 수리는 대형 성분의 전체 단면을 톱으로 절단(sawing off)하고, 이들을 교체하는 것을 포함한다.
유압식 압력 교환기를 위한 개선된 시스템은 성분의 높은 마모 영역을 사파이어와 같이 내마모성이 매우 뛰어난 재료의 마모 표면 층 또는 스킨(skin)으로 덮는 것이다. 이 접근법은, 제한된 영역에서만 필요할 수 있는 고 마모 재료(high wear material)로 이전에 전체적으로 또는 상당 부분 제조된 성분과 함께 사용될 수 있다. 고 마모 재료로 전체적으로 또는 상당 부분 제조된 성분은 높은 비용을 초래할 수 있으며, 이는 본원에 기술된 바와 같은 접근법으로 낮아질 수 있다. 고 마모 표면 층을 사용하면, 성분의 대부분은 알루미나와 같이 저렴하고 제조하기에 더 용이한 재료로 제조될 수 있다. 본원에 기술된 합금과 같은 내식성 접합 층이 사용될 수 있다. 표면 층은 내식성 밀폐형 접합부가 생성되는 이러한 방식으로 기저 구조체에 브레이징될 수 있다. 이 시스템은 또한 확인된 고 마모 영역을 갖는 다른 산업 성분에 사용될 수 있다.
도 16은 회전식 등압 압력 교환기 (isobaric pressure exchanger; IPX)의 일 구현예의 분해도이다. 예시된 구현예에서, 회전식 IPX(30)는, 하우징(44) 및 로터(45)를 포함하는 일반적으로 원통형인 몸체부(42)를 포함할 수 있다. 회전식 IPX(30)는 또한, 각각 매니폴드(54 및 52)를 포함할 수 있는 2개의 단부 구조체(46 및 50)를 포함할 수 있다. 매니폴드(52)는 입구 및 출구 포트(58 및 56)를 포함하고, 매니폴드(54)는 입구 및 출구 포트(60 및 62)를 포함한다. 예를 들어, 입구 포트(58)는 고압 제1 유체를 수용할 수 있고, 출구 포트(56)는 IPX(30)로부터 멀어지도록 저압 제1 유체를 보내는 데 사용될 수 있다. 유사하게, 입구 포트(60)는 저압 제2 유체를 수용할 수 있고, 출구 포트(62)는 IPX(30)로부터 멀어지도록 고압 제2 유체를 보내는 데 사용될 수 있다. 단부 구조체(46 및 50)는, 각각 매니폴드 (50 및 46) 내에 배치되고 로터(45)와의 유체 밀봉 접촉에 적합화된, 일반적으로 편평한 단부 플레이트 (예를 들어, 단부 커버)(66, 64)를 포함한다. 상기에서 언급된 바와 같이, 로터(45), 단부 플레이트(66) 및/또는 단부 플레이트(64)와 같은 IPX(30)의 하나 이상의 성분은, 사전결정된 임계치보다 더 큰 경도 (예를 들어, 적어도 1000, 1250, 1500, 1750, 2000, 2250 또는 그 초과의 비커스 경도 수(Vickers hardness number))를 갖는 내마모성 재료 (예를 들어 카바이드, 초경합금(cemented carbide), 탄화규소, 탄화텅스텐 등)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 탄화텅스텐은 알루미나 세라믹과 같은 다른 재료와 비교하여 더 내구성이 있을 수 있고, 연마성 유체에 대한 개선된 내마모성을 제공할 수 있다.
로터(45)는 원통형일 수 있고, 하우징(44)에 배치되고, 로터(45)의 종축(68)을 중심으로 회전하도록 배열된다. 로터(45)는 로터(45)를 통해 실질적으로 종방향으로 연장되는 복수의 채널(70)을 가질 수 있으며, 각각의 단부에서 종축(68)을 중심으로 대칭적으로 배열된 개구(74, 72)를 갖는다. 로터(45)의 개구(74 및 72)는, 회전 동안 고압의 유체 및 저압의 유체를 각각 매니폴드(54, 52)에 교대로 유압식으로 노출시키는 이러한 방식으로 단부 플레이트(66, 64)와 유압 연통하도록 배열된다. 매니폴드(50 및 52)의 입구 및 출구 포트(54, 56, 58 및 60)는 하나의 단부 요소(46 또는 48)에 고압 유체를 위한 적어도 한 쌍의 포트를 형성하고, 대향 단부 요소(48 또는 46)에 저압 유체를 위한 적어도 한 쌍의 포트를 형성한다. 단부 플레이트(62, 64), 및 입구 및 출구 개구(74, 76, 78 및 80)는 원호 또는 원의 세그먼트 형태의 수직 유동 단면을 갖도록 설계된다. 침식성 파쇄 유체(erosive fracking fluid)와 접촉하는 이 시스템의 단부에 있는 성분은 특히 마모되기 쉽다. 이러한 마모의 예는 도 17에 도시되어 있으며, 로터(45)의 단부를 따라 마모 영역(100)을 갖는다.
보호 표면 층은 본 발명에 따라, 침식성 요소에 대한 높은 노출 영역에서 기저 구조체에 선택적으로 접합될 수 있다. 탄화텅스텐으로 제조된 상기 언급된 예와 대조적으로, 대체 로터 (이는 제1 조각으로서 지칭될 수 있음)는, 기저 구조체에 제1 세라믹을 이용하고, 표면 마모 보호 층에 제2 세라믹 (이는 제2 조각으로서 지칭될 수 있음)을 이용하여, 제조될 수 있다. 표면 층은 선택적으로 사파이어일 수 있다. 기저 구조체는 선택적으로 알루미나일 수 있다. 이는 알루미나와 같이 제조하기에 훨씬 더 용이한 기저 구조체에 세라믹을 사용하는 것을 허용한다.
사파이어 표면 층은 임의의 적합한 방식으로 기저 구조체에 부착될 수 있다. 표면 층은 본 발명에 따라 접합 층에 의해 기저 세라믹 구조체에 선택적으로 부착될 수 있으며, 이는 부식성 가공 화학물질을 견딜 수 있다. 부식성 가공 화학물질은 파쇄 화학물질과 관련될 수 있다. 접합 층은 선택적으로 브레이즈 층에 의해 형성될 수 있다. 브레이즈 층은 본원에 기술된 브레이징 요소 중 임의의 것일 수 있다. 표면 층 또는 스킨은 선택적으로, 서로 중첩될 수 있는 복수의 조각으로 구성될 수 있거나, 또는 래버린스(labyrinth) 계면을 가질 수 있거나, 또는 서로 인접할 수 있다.
도 18 내지 20은, 기저 구조체(87) 및 단부 캡(130)을 갖는 로터(86)를 예시한다. 기저 구조체(87)는 알루미나의 것일 수 있고, 단부 캡(130)은 사파이어의 것일 수 있다. 단부 캡(130)은 본원에 기술된 방법에 따라 알루미늄 접합 층으로 기저 구조체(87)에 접합될 수 있다. 기저 구조체(87)는, 감소된 직경 및 단부 캡(130)과 접하는 단부를 갖는 원통형이다. 단부 캡(130)은 원형 단부 플레이트를 갖는 원통형이다. 기저 구조체(87) 위에 단부 캡(130)을 사용하면, 로터(86)는 알루미나와 같은 더 실용적인 재료를 사용하여 제조될 수 있으며, 다른 접근법에서 이전에 보여진 것보다 훨씬 더 큰 내마모성을 갖는다.
로터 위에 단부 슬리브(end sleeve)가 선택적으로 사용될 수 있다. 원형 단부 캡이 선택적으로 로터와 함께 사용될 수 있다. 단부 슬리브 및 원형 단부 캡이 선택적으로 로터와 함께 사용될 수 있다.
종방향 채널(70)은 선택적으로 사파이어와 같은 내마모성이 높은 재료의 원통형 라이닝(lining)으로 라이닝될 수 있다. 사파이어 원통형 라이닝은 본원에 기술된 접합 방법에 따라 로터의 기저 구조체에 브레이징될 수 있다.
알루미나와 같은 더 실용적인 세라믹의 기저 구조체 위에 사파이어와 같은 내마모성이 높은 표면 층을 사용하는 것은 고 마모 침식성 환경에 노출된 성분에 대한 현재의 접근법에 비해 상당한 개선을 제공한다. 사파이어와 알루미나의 우수한 열 팽창 일치는 우수한 재료 쌍을 제공한다.
도 21은 선행기술의 전기 피드스루(100)의 예시적인 예이다. 용기 벽을 통해 통과하는 피드스루를 통해 전기 신호를 전달하는 것은 통상의 요구사항이다. 이러한 피드스루는, 필요한 전기 신호를 용기 벽으로부터 절연시키면서 필요한 작동 압력, 환경 및 온도를 견딜 수 있는 능력을 기본 요구사항으로서 갖는다. 진공 시스템에 이용되는 피드스루는 전형적으로, He의 <1x10-9sccm의 누설률(leak rate) 및 수백 섭씨 도의 온도를 가지며 1 ATM 차압으로 작동하면서, 전력, 무선 주파수, 계측 등을 포함할 수 있는 신호를 전달하도록 요구된다. 화학 가공, 오일 및 가스 응용 등과 같은 다른 유형의 응용은 상이한 작동 사양, 예컨대 더 높은 압력, 온도 및 화학적 상용성을 요구할 수 있다.
전기 피드스루(100)는 케이블링 커넥터(cabling connector; 106)로 전기 케이블에 결합하도록 적합화된 제1 단부(101)를 가질 수 있다. 커넥터 핀(103)이 제1 단부(101) 내에 존재할 수 있다. 제2 단부(102)는 절연체(105)에 의해 분리될 수 있는 전기 전도체(104)를 포함할 수 있다.
도 22 및 23은 코바르 하우징을 포함하는 선행기술의 전기 피드스루의 형상묘사 단면도이다. 세라믹 내로 브레이징되는 복수의 전기 전도체(202)와 함께 전기 절연을 위해 세라믹 부품(203), 예를 들어 산화알루미늄이 사용된다. 전도체(202)는, 예를 들어 니켈 또는 구리의 전도체 핀일 수 있다. 세라믹 절연체(203)의 외부 가장자리가 코바르 튜브(tubulation) 또는 하우징(204) 내로 브레이징되고 (코바르는 세라믹의 열 팽창과 일치하기 위해 사용됨), 이어서 코바르가 또 다른 금속(201), 예컨대 용기에의 연결 시 사용되는 스테인리스강 케이블링 하우징(201), 및 전기 신호를 전달하는 케이블링을 위한 스테인리스강 진공 용기 커넥터(205)와 같은 금속(205)에 용접된다. 금속(201 및 205) 각각은 (303, 304 또는 316)과 같은 스테인리스강 합금일 수 있다.
도 22 및 23에 도시된 전기 피드스루의 설계 및 제조의 경우 여러 결점이 있다. 이들 결점은 알루미나 세라믹 절연체에 대한 하우징으로서의 코바르의 사용에 관한 것이다. 코바르는 세라믹의 CTE와 일치하기 위해 사용된다. 제조 동안, 알루미나 절연체가 코바르에 브레이징된다. 브레이징은 전형적으로 구리-은 브레이징 합금과 함께 알루미나 상의 몰리브덴-망간 층(206)을 사용하여 수행되며, 이는 800℃ 초과의 온도에서 수행된다. 코바르 이외의 하우징이 사용되는 경우, 낮은 CTE 알루미나 및 높은 CTE 금속의 불일치로 인하여 생성되는 응력은 세라믹의 균열을 낳을 것이다. 코바르는 또한 일부 바람직하지 않은 특성을 갖는다. 코바르는 이것이 케이블링 또는 용기를 위한 우수한 커넥터가 되게 하기 위해 기계적 성질이 부족하다. 이는 용이하게 용접될 수 없다 - 우수한 커넥터에 필요한 성질을 갖는 스테인리스강에 이를 용접하는 것은 몇 군데 위치(207)에서 e-빔 용접의 사용을 요구하며, 이는 고가이고 느리다. 또한, 코바르 그 자체는 고가이며, 제한된 공급을 갖는다.
상기 언급된 설계와 대조적으로, 전기 커넥터, 예를 들어 본 발명에 따른 전기 피드스루는, 코바르를 사용하지 않고 습윤제로서 다른 재료, 예컨대 몰리브덴-망간을 사용하지 않으면서, 금속을 세라믹에 직접 브레이징하거나 또는 다른 접합을 허용한다. 세라믹 절연체는 선택적으로, 중공 부분 또는 중심 내로의 재료의 삽입을 허용하는 중공 중심 부분을 갖도록 형성화될 수 있다. 재료는 선택적으로 분말, 포일 또는 다른 형태로서 삽입될 수 있다. 이어서, 재료는 임의의 적합한 방식으로, 예를 들어 본 발명의 브레이징 요소 중 임의의 것에 의해, 밀폐형 접합부를 갖는 세라믹 절연체의 중공 중심의 내부 표면에 접합될 수 있다.
브레이징 층의 습윤 및 유동은 다양한 요인에 민감성일 수 있다. 관련 요인은 브레이즈 재료 조성, 세라믹 조성, 확산에 대한 세라믹의 민감도, 공정 챔버 내 분위기의 화학적 구성, 특히 접합 공정 동안 상기 챔버 내 산소의 수준, 온도, 온도에서의 시간, 브레이즈 재료의 두께, 접합할 재료의 표면 특성, 접합할 조각의 기하구조, 접합 공정 동안 접합부를 가로질러 가해지는 물리적 압력 및/또는 접합 공정 동안 유지되는 접합부 간격(gap)을 포함한다.
이어서, 예비조립체는 온도의 증가 및 접합 온도에서의 유지를 겪을 수 있다. 브레이즈 온도에 도달했을 때, 브레이즈 반응을 수행하도록 잠시 동안 온도가 유지될 수 있다. 충분한 브레이즈 체류 시간의 달성 시, 로(furnace)는 분당 20℃의 속도에서 또는 고유 로 냉각 속도(inherent furnace cooling rate)가 더 낮은 경우 더 낮은 속도에서 실온으로 냉각될 수 있다. 로는 대기압 상태가 되어 개방될 수 있으며, 브레이징된 조립체는 검사, 특성화 및/또는 평가를 위해 제거될 수 있다.
상술한 바와 같이 접합된 조립체는 알루미늄 중심 및 세라믹 튜브의 내부 표면 사이에 기밀 밀봉을 갖는 조각을 낳는다. 이어서, 이러한 조립체는, 분위기 격리가 조립체의 사용 시 중요한 측면인 경우 사용될 수 있다. 또한, 접합된 조립체가 이후에 반도체 가공에 사용되는 경우 다양한 분위기에 노출될 수 있는 접합부의 부분은, 예를 들어 이러한 분위기에서 열화되지 않을 것이며, 이후의 반도체 가공을 오염시키지도 않을 것이다.
도 24 및 25에서 보여지는 바와 같은 예시적인 구현예에, 완성된 전기 피드스루의 제조에서의 중간 단계를 나타내는 브레이징 조립체(300)가 도시되어 있다. 이러한 예시적인 구현예는 하나의 전기 접점을 통해 공급되지만, 다른 구현예는 더 많은 전기 접점을 통해 공급될 수 있다.
세라믹 튜브(302)는, 알루미늄으로 채워질 중공 중심(301)을 제2 중공 부분(305)으로부터 분리하는 차단 부분(307)을 선택적으로 가질 수 있다. 더 좁은 외부 표면(304)이 또한 브레이징 조립체(300)의 이 단부에서 보여질 수 있다.
선택적인(optional) 캡(306)이 브레이징 조립체의 더 좁은 외부 표면(304) 주위에서 보여진다. 캡(306)은 선택적으로 니켈 캡일 수 있다. 니켈 캡은 선택적으로, 본 발명에 따른 브레이징 조립체의 알루미나 세라믹의 더 좁은 외부 표면에 브레이징될 수 있다. 니켈 캡은, 브레이즈 재료가 세라믹 조각의 주(main) 중공의 내부 표면에 접합되는 동일한 공정 단계 동안 알루미나 상에 선택적으로 브레이징될 수 있다.
브레이징 공정 후, 브레이징 조립체(300)는 선택적으로, 이동되어 브레이징 후 조립체(post-brazing assembly; 400)가 될 수 있다. 도 26에 파선으로 도시된 세라믹 튜브의 일부분(404)은 도 26에서 보여지는 바와 같이, 본 발명에 따라 세라믹 튜브 내로 브레이징된 금속의 외부 표면(401)을 노출시키도록 제거될 수 있다. 금속(301)이 선택적으로 제거되어 알루미늄 튜브(403)를 형성할 수 있다. 차단 부분(307)은 금속 튜브(403) 내로부터 니켈 캡(306)으로의 연속적인 통로(402)를 허용하도록 선택적으로 제거될 수 있다.
도 27은 니켈 캡(306)에 용접될(502) 수 있는 전도체(501)의 삽입 후의 예시적인 단일 전도체 피드스루(500)를 예시한다.
상기 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본원에 주어진 설명으로부터 매우 다양한 구현예가 구성될 수 있으며, 추가적인 이점 및 변형이 당업계의 통상의 기술자에게 용이하게 일어날 것이다. 따라서, 더 넓은 측면에서 본 발명은, 도시 및 설명된 특정 세부사항 및 예시적인 예에 제한되지 않는다. 따라서, 본 출원인의 일반적인 발명의 취지 또는 범위를 벗어나지 않으면서 이러한 세부사항에서 벗어날 수 있다.

Claims (21)

  1. 하기 단계를 포함하는, 제1 조각을 제2 조각에 접합하기 위한 방법:
    상기 제1 조각의 제1 계면 영역 및 상기 제2 조각의 제2 계면 영역 사이에 브레이징 요소(brazing element)를 배치하여 접합 예비조립체(joining pre-assembly)를 생성하는 단계로서, 상기 브레이징 요소는 3.5 내지 25 원자%의 탄소, 63.5 내지 87.5 원자%의, 철, 코발트, 니켈 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 원소, 및 0 내지 35 원자%의, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니오븀, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 규소 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 원소를 포함하는, 단계,
    상기 접합 예비조립체를 공정 챔버 내에 배치하는 단계,
    상기 공정 챔버로부터 산소를 제거하는 단계, 및
    상기 접합 예비조립체의 적어도 상기 브레이징 요소를 가열하여 상기 제1 조각을 상기 제2 조각에 접합하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 조각이 세라믹 및 금속으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 제조되고, 상기 제2 조각이 세라믹 및 금속으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 제조된, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 세라믹이 질화알루미늄, 알루미나, 산화베릴륨 및 지르코니아로 이루어지는 군으로부터 선택된, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정 챔버로부터 산소를 제거하는 단계가 1 x 10E-4 Torr 미만의 압력을 상기 공정 챔버에 가하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 브레이징 요소를 가열하는 단계가, 적어도 상기 브레이징 요소를 상기 브레이징 요소의 공융 온도(eutectic temperature) 미만의 제1 온도로 가열하고, 그 후에 적어도 상기 브레이징 요소를 상기 브레이징 요소의 상기 공융 온도 초과의 제2 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 브레이징 요소가 8 내지 13 원자% 범위의 탄소, 70 내지 85 원자% 범위의 니켈 및 7 내지 20 원자% 범위의 몰리브덴으로 이루어지는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 브레이징 요소가 5.7 내지 17.3 원자% 범위의 탄소, 63 내지 94 원자% 범위의 니켈 및 4 내지 23 원자% 범위의 몰리브덴으로 이루어지는, 방법.
  8. 하기 단계를 포함하는, 제1 조각을 제2 조각에 접합하기 위한 방법:
    상기 제1 조각의 제1 계면 영역 및 상기 제2 조각의 제2 계면 영역 사이에 브레이징 요소를 배치하여 접합 예비조립체를 생성하는 단계로서, 상기 브레이징 요소는 니켈 및 탄소를 포함하는, 단계,
    상기 접합 예비조립체를 공정 챔버 내에 배치하는 단계,
    상기 공정 챔버로부터 산소를 제거하는 단계, 및
    상기 접합 예비조립체의 적어도 상기 브레이징 요소를 가열하여 상기 제1 조각을 상기 제2 조각에 접합하는 단계.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 조각이 세라믹 및 금속으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 제조되고, 상기 제2 조각이 세라믹 및 금속으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 제조된, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 세라믹이 질화알루미늄, 알루미나, 산화베릴륨 및 지르코니아로 이루어지는 군으로부터 선택된, 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정 챔버로부터 산소를 제거하는 단계가 1 x 10E-4 Torr 미만의 압력을 상기 공정 챔버에 가하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 브레이징 요소를 가열하는 단계가, 적어도 상기 브레이징 요소를 상기 브레이징 요소의 공융 온도 미만의 제1 온도로 가열하고, 그 후에 적어도 상기 브레이징 요소를 상기 브레이징 요소의 상기 공융 온도 초과의 제2 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 브레이징 요소가 8 내지 10 원자% 탄소 범위의 탄소를 포함하며, 상기 브레이징 요소의 나머지는 니켈인, 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 브레이징 요소가 1 내지 80 원자% 탄소 범위의 탄소를 포함하며, 상기 브레이징 요소의 나머지는 니켈인, 방법.
  15. 하기 단계를 포함하는, 제1 조각을 제2 조각에 접합하기 위한 방법:
    상기 제1 조각의 제1 계면 영역 및 상기 제2 조각의 제2 계면 영역 사이에 브레이징 요소를 배치하여 접합 예비조립체를 생성하는 단계로서, 상기 브레이징 요소는 코발트 및 탄소를 포함하는, 단계,
    상기 접합 예비조립체를 공정 챔버 내에 배치하는 단계,
    상기 공정 챔버로부터 산소를 제거하는 단계, 및
    상기 접합 예비조립체의 적어도 상기 브레이징 요소를 가열하여 상기 제1 조각을 상기 제2 조각에 접합하는 단계.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 조각이 세라믹 및 금속으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 제조되고, 상기 제2 조각이 세라믹 및 금속으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 제조된, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 세라믹이 질화알루미늄, 알루미나, 산화베릴륨 및 지르코니아로 이루어진 군으로부터 선택된, 방법.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정 챔버로부터 산소를 제거하는 단계가 1 x 10E-4 Torr 미만의 압력을 상기 공정 챔버에 가하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 브레이징 요소를 가열하는 단계가, 적어도 상기 브레이징 요소를 상기 브레이징 요소의 공융 온도 미만의 제1 온도로 가열하고, 그 후에 적어도 상기 브레이징 요소를 상기 브레이징 요소의 상기 공융 온도 초과의 제2 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제15항에 있어서, 상기 브레이징 요소가 8 내지 10 원자% 탄소 범위의 탄소를 포함하며, 상기 브레이징 요소의 나머지는 니켈인, 방법.
  21. 제15항에 있어서, 상기 브레이징 요소가 1 내지 80 원자% 탄소 범위의 탄소를 포함하며, 상기 브레이징 요소의 나머지는 니켈인, 방법.
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11229968B2 (en) * 2011-11-30 2022-01-25 Watlow Electric Manufacturing Company Semiconductor substrate support with multiple electrodes and method for making same
US20210017093A1 (en) * 2019-07-15 2021-01-21 Hutchinson Technology Incorporated Ceramic Dots Process
KR20240055053A (ko) * 2021-09-02 2024-04-26 램 리써치 코포레이션 합성 세라믹 바디들을 위한 결합 기법들 (joining techniques)
CN114749750B (zh) * 2021-12-31 2024-01-30 上海工程技术大学 一种用于3d打印产品的钎焊接头的成形控制方法
CN115121893B (zh) * 2022-08-03 2024-03-19 哈尔滨工业大学 采用高温CuPdW低热膨胀系数复合钎料钎焊碳基材料与镍基高温合金的方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4260666A (en) * 1979-06-18 1981-04-07 Allied Chemical Corporation Brazed metal articles
US4596354A (en) * 1985-07-03 1986-06-24 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Oxidation resistant filler metals for direct brazing of structural ceramics
US7651023B2 (en) * 2003-09-26 2010-01-26 General Electric Company Nickel-based braze alloy compositions and related processes and articles
US20160184912A1 (en) * 2014-12-31 2016-06-30 Component Re-Engineering Company, Inc. Method for making a high temperature resistant silicon alloy joint for the joining of ceramics and devices using same

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3091028A (en) * 1960-09-02 1963-05-28 Gen Electric Method and alloy for bonding to nonmetallic refractory members
JPS61193771A (ja) * 1985-02-20 1986-08-28 Mitsubishi Metal Corp 窒化ほう素基焼結材料部材を炭化タングステン基超硬合金部材に接合する方法
JPH0791610B2 (ja) * 1985-06-17 1995-10-04 日本電装株式会社 非酸化物セラミックヒータ用金属ロー材
US4719081A (en) * 1986-12-12 1988-01-12 Gte Products Corporation Palladium alloy for joining ceramics and method of use
DE3712271A1 (de) * 1987-04-10 1988-10-27 Vacuumschmelze Gmbh Nickelbasis-lot fuer hochtemperatur-loetverbindungen
JPH0226880A (ja) * 1988-07-15 1990-01-29 Demutetsuku Kk 黒鉛と金属のロー付け方法
JPH0885803A (ja) * 1994-09-16 1996-04-02 Nisshin Steel Co Ltd 非晶質合金の焼結方法
US6039918A (en) * 1996-07-25 2000-03-21 Endress + Hauser Gmbh + Co. Active brazing solder for brazing alumina-ceramic parts
US5916518A (en) * 1997-04-08 1999-06-29 Allison Engine Company Cobalt-base composition
WO2000071764A2 (en) 1999-05-07 2000-11-30 Rolls-Royce Corporation Cobalt-base composition and method for diffusion braze repair of superalloy articles
US6530971B1 (en) * 2001-01-29 2003-03-11 General Electric Company Nickel-base braze material and braze repair method
JP2003105466A (ja) 2001-09-27 2003-04-09 Tosoh Corp 水素発生用ニッケル合金電極
JP4766587B2 (ja) 2004-02-02 2011-09-07 第一高周波工業株式会社 クラッドパイプ
WO2008004552A1 (en) 2006-07-04 2008-01-10 Kabushiki Kaisha Toshiba Ceramic-metal bonded body, method for manufacturing the bonded body and semiconductor device using the bonded body
FR2957544B1 (fr) * 2010-03-16 2012-05-11 Commissariat Energie Atomique Procede d'assemblage de pieces en materiaux a base de sic par brasage non-reactif avec ajout d'un renfort, compositions de brasure, et joint et assemblage obtenus par ce procede.
FR2957543B1 (fr) * 2010-03-16 2012-07-27 Commissariat Energie Atomique Procede d'assemblage de pieces en materiaux a base de sic par brasage non-reactif, compositions de brasure, et joint et assemblage obtenus par ce procede.
US9624137B2 (en) * 2011-11-30 2017-04-18 Component Re-Engineering Company, Inc. Low temperature method for hermetically joining non-diffusing ceramic materials
US20130156555A1 (en) * 2011-12-15 2013-06-20 General Electric Company Braze materials, brazing processes, and components with wear-resistant coatings formed thereby
WO2014008537A1 (en) 2012-07-09 2014-01-16 Hugget Paul Brazing method and composites produced thereby
US8757471B2 (en) * 2012-08-27 2014-06-24 General Electric Company Active braze techniques on beta-alumina
US9056443B2 (en) * 2013-02-04 2015-06-16 General Electric Company Brazing process, braze arrangement, and brazed article
US11047398B2 (en) 2014-08-05 2021-06-29 Energy Recovery, Inc. Systems and methods for repairing fluid handling equipment

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4260666A (en) * 1979-06-18 1981-04-07 Allied Chemical Corporation Brazed metal articles
US4596354A (en) * 1985-07-03 1986-06-24 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Oxidation resistant filler metals for direct brazing of structural ceramics
US7651023B2 (en) * 2003-09-26 2010-01-26 General Electric Company Nickel-based braze alloy compositions and related processes and articles
US20160184912A1 (en) * 2014-12-31 2016-06-30 Component Re-Engineering Company, Inc. Method for making a high temperature resistant silicon alloy joint for the joining of ceramics and devices using same

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