TW202123358A - 使用低溫電漿噴流的近似淨形積層製造 - Google Patents

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Abstract

一種系統包括具有一噴嘴的設備。一元件係環繞著該設備設置。一進料部係配置以將材料的粉末供應至該設備中。一氣體來源係配置以將前驅物氣體供應至該設備中、及配置以將惰性氣體供應以在該元件與該設備之間的空間中進行環流並離開該噴嘴的周圍。一電漿產生器係設置在該設備中，且配置以將該前驅物氣體離子化和將該粉末霧化、且配置以經由該噴嘴而將由經霧化的該粉末與經離子化的該前驅物氣體所構成的複數微粒之噴流噴射至一基板上，其中該基板係相鄰於該噴嘴設置。

Description

使用低溫電漿噴流的近似淨形積層製造
本揭露整體上係關於矽構件的製造，更具體而言係關於使用低溫電漿噴流以進行近似淨形（near net shape）矽構件的積層製造（additive manufacturing）。 [相關申請案的交互參照]
本申請案是主張2019年8月23日提交的美國臨時申請案第62/890,779號之優先權。上述申請案的整體揭露係以參照的方法引入本文中。
此處所提供之先前技術描述係為了一般性呈現本揭露之背景的目的。本案列名發明人的工作成果、至此先前技術段落的所述範圍、以及申請時可能不適格作為先前技術的實施態樣，均不明示或暗示承認為對抗本揭露內容的先前技術。
基板處理系統通常包括複數處理腔室（亦稱為處理模組），以執行例如蝕刻基板（例如，半導體晶圓）的處理。在處理期間，係將基板設置在該基板處理系統的處理腔室中的基板支撐件上方，該基板支撐件例如為基座、靜電卡盤（ESC）等。在蝕刻期間，係將包括蝕刻氣體的氣體混合物導引至該處理腔室中，並且點燃電漿以啟動化學反應。在待進行基板處理的程序中，受電腦控制的機器人通常會將基板從一處理腔室轉移至另一者。
一種系統包括具有一噴嘴的設備。一元件係環繞著該設備設置。一進料部係配置以將材料的粉末供應至該設備中。一氣體來源係配置以將前驅物氣體供應至該設備中、及配置以將惰性氣體供應以在該元件與該設備之間的空間中進行環流並離開該噴嘴的周圍。一電漿產生器係設置在該設備中，且配置以將該前驅物氣體離子化和將該粉末霧化、且配置以經由該噴嘴而將由經霧化的該粉末與經離子化的該前驅物氣體所構成的複數微粒之噴流噴射至一基板上，其中該基板係相鄰於該噴嘴設置。
在另一特徵中，該材料係選自於由矽、陶瓷、及耐火金屬所組成的群組。
在另一特徵中，該系統更包括一控制器，配置以將該基板的溫度、及沉積在該基板上之複數材料的溫度保持在低於該材料的延性脆性變換溫度。
在另一特徵中，該設備在該基板上沉積該等微粒的一或更多層。
在另一特徵中，該系統更包括一控制器，配置以藉由控制該進料部、該氣體來源、及該電漿產生器之中的一或更多者，以改變複數位置處之電性質、熱性質、與化學性質之中的一或更多者，其中該複數位置係位於該基板上所沉積的該等微粒之單一層中、或橫跨複數層。
在另一特徵中，該系統更包括一控制器，配置以在該基板上沉積該等微粒的一或更多層期間，選擇一摻質以添加至該設備中的該材料。
在另一特徵中，該系統更包括一控制器，配置以在該基板上沉積該等微粒的一或更多層期間，選擇下列至少一者：該材料的類型；以及由該進料部供應之所選該材料的進料速率。
在另一特徵中，該系統更包括一控制器，配置以在該基板上沉積該等微粒的一或更多層期間，選擇下列至少一者：該前驅物氣體的類型；以及由該氣體來源供應之所選該前驅物氣體的流量。
在另一特徵中，該系統更包括一控制器，配置以在該基板上沉積該等微粒的一或更多層期間，選擇供應至該電漿產生器的功率。
在其他特徵中，該系統更包括一高架系統，配置以移動該設備及該基板之中的至少一者；以及一控制器，配置以在該基板上沉積該等微粒的一或更多層期間，移動該高架系統。
在其他特徵中，該設備係具有圓形形狀、以及形成該噴嘴的錐形端部，且其中該元件係同心地環繞著該設備設置。
在仍其他特徵中，一種方法包括將材料的粉末供應至具有噴嘴的一設備中；將前驅物氣體供應至該設備中；以及在該設備中產生電漿，以將該前驅物氣體離子化並將該粉末霧化。該方法更包括將惰性氣體繞著該設備進行環流，以使該電漿與周邊大氣之間的交互作用最小化，並且將複數材料所構成的電漿噴流集中至一基板上，其中該等材料係包括經霧化的該粉末、及經離子化的該前驅物氣體，且該基板係與該設備的該噴嘴相鄰設置。該方法更包括將該基板的溫度、及沉積在該基板上之該等材料的溫度控制在低於該材料的延性脆性變換溫度。
在另一特徵中，該方法更包括從由矽、陶瓷、及耐火金屬所組成的群組中選擇該材料。
在另一特徵中，該方法更包括在該基板上沉積該材料的一或更多層。
在另一特徵中，該方法更包括藉由控制該材料的類型、該粉末的供應速率、該前驅物氣體的類型、及該前驅物氣體的供應速率之中的一或更多者，以控制複數位置處之電性質、熱性質、與化學性質之中的一或更多者，其中該複數位置係位於該基板上所沉積的該材料之單一層中、或橫跨複數層。
在另一特徵中，該方法更包括在該基板上沉積該材料的一或更多層期間，控制將摻質供應至該設備中。
在另一特徵中，該方法更包括在該基板上沉積該材料的一或更多層期間，進行下列至少一者：選擇該材料的類型；以及控制所選該材料的進料速率。
在另一特徵中，該方法更包括在該基板上沉積該材料的一或更多層期間，進行下列至少一者：選擇該前驅物氣體的類型；以及控制所選之該前驅物氣體的流量。
在另一特徵中，該方法更包括在該基板上沉積該材料的一或更多層期間，控制用於產生該電漿而供應的功率。
在另一特徵中，該方法更包括在該基板上沉積該材料的一或更多層期間，移動該設備及該基板之中的至少一者。
根據實施方式、申請專利範圍、及圖式，本揭露的進一步應用領域將變得顯而易知。該實施方式及特定示例係僅意旨於說明目的，且並非意旨於限制本揭露的範圍。
在基板處理系統與處理腔室中所使用的各種構件係製造以具有高精確性。這些構件中的一些構件係由金屬所製成，而其他則由例如矽和陶瓷的材料所製成。基板處理系統與處理腔室的示例係參照圖1而顯示並描述於下，以提供這些構件、與這些構件所操作於其中的嚴峻電性、化學性、和熱環境之示例。
當前用於進行陶瓷的積層製造之方法包括選擇性雷射燒熔、聚合物黏合噴流、及立體微影術。在這些方法中，將熔點為攝氏1414度的矽熔化所需的高溫係造成大量殘留的熱應力。黏合噴流及立體微影術將聚合物用以黏合矽/陶瓷粉末而形成構件，接著則需要大量的後處理，包括化學黏合劑移除及燒結。這些方法的另一缺點在於所製造的構件係多孔的，故並非完全密集。此外，當前使用的材料和處理、以及使用它們所製造的構件尚未合格、或確保能與基板處理系統與處理腔室中所使用的電漿和化學物質共同使用。
此外，由於這些構件中的一些構件還會因為暴露至嚴峻環境而耗損，故可使用積層製造來修復已耗損構件中的一些構件。若可將已耗損構件中的一些構件翻新及/或修復至某種程度，在該程度下係達到它們的效能需求或規格（例如，導電性），則可節省大量材料與時間。目前，當僅有小部分的材料受到腐蝕時，便將已耗損構件報廢或替換而造成大量的廢料。
簡而言之，本揭露提出一種用於矽和陶瓷構件的近似淨形積層製造之低溫電漿噴流方法。將矽和陶瓷粉末注入電漿噴霧中並在該處將其霧化（atomized）。將噴流在兩個維度中以數值地進行設置，而在基板上列印特定圖案。接著，在該基板上逐層地將膜進行沉積以建構三維構件。
所提出的系統包括安裝在三軸高架系統（three axis gantry system）上的低溫大氣電漿噴流，使得材料可沉積在三維中的預編程位置處，並可數值地控制移動與沉積處理。使用氣體（或液體）流將粉末原料注入電漿噴流中。這種粉末可包括矽、矽氧化物、或陶瓷材料。陶瓷材料包括無機、非金屬、常晶形氧化物、氮化物、或碳化物材料。取決於應用，粉末可為奈米微粒或微米微粒的形式。
電漿（例如，RF電漿）係被點燃以將氣體離子化，並且使粉末霧化。將鞘流氣體（sheath gas）添加至電漿噴流周圍，以保持電漿狀態並使該電漿噴流集中。經霧化的微粒離開電漿噴流，並沉積至基板或構築平台上而作為膜。氣體組成係基於對該構件授予特定摻質、或性質所需的電漿化學品而決定。當需要性質梯度時，可在整個構件的不同區域上改變組成。可在單一層中、以及橫跨不同層的不同區域中改變該組成。
使用以數值控制的移動系統，可將電漿噴流（或是基板、或兩者）進行移動以在該基板上沉積特定的2D圖案，接著可將其逐層構築以形成3D構件。此外，可在現有構件已被腐蝕的區域中沉積該膜，以復原它們的機械、電性、熱、及化學性質。
於是，所提出的處理可用以在現存構件上添加材料、或是用以列印全新構件。使用近似淨形及積層製造可最小化高價材料的廢料，並可實施新穎的設計與材料。舉例來說，該處理可用以修復已腐蝕的構件、以及用以列印如靜電卡盤、噴淋頭、溫度控制窗、氣體注入器、邊緣環等的構件。對於所提出的處理之這些與其他特點將詳細地解釋於下。
本揭露係整理如下。首先，基板處理系統的示例係參照圖1而顯示與描述，其中該基板處理系統係包括處理腔室。根據本揭露而用以列印及修復構件的系統示例係參照圖2A、2B、及2C而顯示與描述。根據本揭露而用以列印及修復構件的處理之示例係參照圖3而顯示且進行描述。
在本揭露的通篇中，雖然系統及方法的示例係以使用矽粉末來顯示與描述，但本揭露的教示並不受限於矽構件。相反地，該等教示同時也適用於其他材料，例如但不限於陶瓷、氧化鋁、耐火金屬、及介金屬（Intermetallic）。
現在請參照圖1，其顯示根據本揭露的基板處理系統110之示例。該基板處理系統110可用以執行使用電容耦合電漿（CCP）的蝕刻術。該基板處理系統110包括處理腔室122，該處理腔室122圍繞著基板處理系統110的其他構件，並容納RF電漿（若有使用）。
當在工具中設置電漿處理腔室122時，該電漿處理腔室可包括基板通口，該基板通口可打開以面對真空轉移模組中而不破除真空。一般來說，該基板通口具有稍微大於待處理基板之直徑的水平開口尺寸、以及明顯比該水平開口尺寸還小的垂直開口尺寸。通常，該垂直開口尺寸係足夠寬，以允許機器人的端接器將基板放置在基板支撐件的升降銷上。
基板處理系統110包括上電極124、以及例如靜電卡盤（ESC）的基板支撐件126。在操作期間，基板128係放置在該基板支撐件126上。僅舉例說明，上電極124可包括將處理氣體進行導引與分佈的氣體分佈裝置129，例如噴淋頭。該氣體分佈裝置129可包括桿部，該桿部包括連接至該處理腔室之頂表面的一端部。基部通常是圓柱形的，並且從該桿部的相對端部徑向往外延伸，該相對端部係位在與該處理腔室之該頂表面分隔開的位置處。噴淋頭的該基部之面向基板表面或面板係包括複數孔洞，其中前驅物、反應物、蝕刻氣體、惰性氣體、載體氣體、其他處理氣體、或吹掃氣體係穿過該複數孔洞而流動。或者，上電極124可包括導電板，而以另一方式來導入處理氣體。
基板支撐件126包括作為下電極的底板130。該底板130支撐著加熱板132，其中該加熱板132可對應於陶瓷多區域加熱板。在加熱板132與底板130之間可設置接合層134。在一些示例中，接合層134還提供熱抗性。底板130可包括用於使冷卻劑流經該底板130的一或更多通道136。
RF產生系統140產生RF電壓，並將該RF電壓輸出至上電極124與下電極（例如，基板支撐件126的底板130）的其中一者。該上電極124與底板130的另一者可為DC接地的、AC接地的、或是浮動的。僅舉例說明，該RF產生系統140可包括產生RF電漿功率的RF來源142，其中該RF電漿功率係藉由匹配和分配網路144而饋送至上電極124或底板130。在其他示例中，可感應地、或遠端地產生電漿。
氣體運輸系統150包括一或更多氣體來源152-1、152-2、…、及152-N（統稱為氣體來源152），其中N為大於零的整數。氣體來源152係藉由閥部154-1、154-2、…、及154-N（統稱為閥部154）、以及MFC 156-1、156-2、…、及156-N（統稱為MFC 156）而連接至歧管160。在MFC 156與歧管160之間可使用輔助閥部。在一些示例中，輔助閥部（未顯示）係配置在MFC 156與歧管160之間。雖然係顯示單一氣體運輸系統150，但可使用二或更多氣體運輸系統。
溫度控制器163可與配置在加熱板132內的複數熱控制元件（TCE）164連接。溫度控制器163可用以控制該複數TCE 164而控制基板支撐件126與基板128的溫度。溫度控制器163可與冷卻劑組件166通信以控制經過通道136的冷卻劑流。舉例來說，冷卻劑組件166可包括冷卻劑幫浦、儲存槽、及/或一或更多溫度感測器。溫度控制器163將該冷卻劑組件166進行操作，以將冷卻劑選擇性地流經通道136而使基板支撐件126冷卻。
閥部170與幫浦172可用以將反應物從處理腔室122抽除。系統控制器180可用以控制基板處理系統110的構件。在電漿處理期間，邊緣環系統182可設置在基板128的徑向外側，其中該邊緣環系統182包括一或更多邊緣環。邊緣環高度調整系統184包括一或更多升降銷（顯示於下），其中所述升降銷可用以調整該邊緣環系統182之一或更多邊緣環相對於該基板128的高度。在一些示例中，該邊緣環系統182之一或更多邊緣環還可藉由所述升降銷而升起、被機器人的端接器移除、並在不破除真空的情況下以另一邊緣環進行取代。
圖2A-2C係根據本揭露而顯示用以列印及修復構件的系統200之示例。在圖2A中，系統200包括錐形設備202，該錐形設備202包括位於錐體頂點附近的電漿產生器204。電漿產生器204的示例係顯示在圖2B及2C中。亦可將包括電漿產生器204的該錐形設備202稱為頭部。
首先，係參照圖2A而簡述系統200於下，其中係概略介紹該系統200的所有元件。接下來，係參照圖2B及2C而敘述電漿產生器204。隨後，詳細地對系統200進行描述，其中係對該系統200之元件的進一步操作細節進行解說。
簡單來說，在圖2A中，原料部206將矽粉末（或其他合適材料如陶瓷、氧化鋁、或耐火金屬）供應至錐形設備202。任選地，可取決於應用而將摻質添加至該錐形設備202中的矽粉末。將一或更多前驅物氣體210（或液體）供應至該錐形設備202。摻質通常是處於一或更多前驅物氣體的形式。前驅物氣體的非限制性示例包括矽烷、六甲基二矽氧烷、四氯化矽、以及甲烷。此外，可使用含碳或金屬的各種氣體（或液體）。電源212將功率（例如，RF功率）供應至電漿產生器204。該電漿產生器204將前驅物氣體點燃以形成電漿。該電漿將粉末霧化、並將前驅物氣體部分離子化。電漿噴流216離開錐形設備202的頂點並且在基板214上沉積微粒。
鞘流氣體218（例如，惰性氣體如氮、或氬）係經由錐形設備202與第二錐型元件220之間的中空空間而繞著該錐形設備202進行同心環流，其中該第二錐型元件220係圍繞著該錐形設備202設置。如虛線222處所顯示，當電漿噴流216離開錐形設備202的頂點時，鞘流氣體218將該電漿噴流216包圍。鞘流氣體218維持著該電漿噴流216的電漿狀態、使該電漿噴流216與周邊大氣的交互作用最小化、並如虛線222所顯示地將該電漿噴流216集中至基板214上。
應注意，錐形設備202、以及圍繞著該錐形設備202而設置的第二錐型元件220不必從始至終均為錐型的。在一些實行例中，錐形設備202及第二錐型元件220的頂部可為圓柱形的，而可僅有底部為如圖所示的圓錐形。整體來說，元件202及222可包括具有圓形外貌的設備、以及具有噴嘴的圓錐端部。無論所使用的實行例為何，圓錐部分之底部的頂點、或尖端係一種噴嘴的形式，以將電漿噴流216噴射至基板214上。
定位系統（例如，三軸高架系統）224將基板214、或系統200的其餘元件（包括錐形設備202）、或是兩者進行移動。在一些情況下，錐形設備202與基板214的相對定位可使用五軸機器手臂來進行。控制器226控制著系統200的所有元件，包括錐形設備202與基板214的移動、原料部206的類型與進料速率、添加摻質的類型與量、前驅物氣體210的類型與流量、鞘流氣體218的類型與流動、以及施加至電漿產生器204的功率。
圖2B顯示電漿產生器204的示例。舉例來說，電漿產生器204包括陰極230以及陽極232，其為環體形式，且電源212係將功率供應至其以產生電漿234。經由輸入口236將冷卻劑（例如，水）供應至該電漿產生器。經由輸出口238使冷卻劑離開該電漿產生器204。作為替代，可使用任何其他類型的電漿產生器。
舉例來說，圖2C顯示電漿產生器250，其中該電漿產生器250係使用感應耦合電漿以將粉末206霧化、並將前驅物氣體210部分離子化。將功率供應至感應線圈252以產生電漿254。
現在將更詳細地對系統200進行描述。在使用傳統高溫雷射燒熔系統所製造的構件中，在燒熔過後往往存在著劇烈的熱梯度，這種熱梯度可能造成構件的破裂，而因此可能導致較差的列印品質，並在該構件內缺乏機械完整性。在傳統的熱噴塗類型系統中，沉積速率係十分緩慢。
相較之下，與傳統燒結與燒熔處理相比，系統200將粉末進料與電漿結合，使材料膜可在較快的速率、及相對低的溫度下以任何特定圖案沉積在基板214上。此外，基板214上的膜沉積可在空氣的存在下執行，而不使用任何受控環境，例如真空腔室、或以惰性氣體填充的腔室。因此，可將系統200稱為大氣電漿噴流系統。然而，在一些情況下，可如反應物化學品及安全需求所要求的，而將系統200包圍在真空 、或惰性氣體腔室中。
在系統200中，使用前驅物氣體210的氣流將矽粉末從原料部206注入至電漿噴流中。粉末的霧化係在電漿放電區域中產生，其中該電漿放電區域係介於陰極與陽極之間、或是位於感應區域內部。粉末的霧化係執行以避免多孔性，並在構件中形成最佳化的晶粒結構。前驅物氣體210係基於在基板上待沉積的膜類型而加以選擇。
將前驅物氣體210點燃以形成電漿，該電漿與經霧化的進料微粒產生交互作用，並將其傳輸至基板214。在該基板214上係沉積來自粉末206與前驅物氣體210的原子膜。比起傳統的熱噴塗類型沉積系統，該膜可在較快的速率、以及較低的溫度下以在該基板214上進行沉積。
此外，藉由調整電漿組成（例如，藉由改變前驅物氣體210），可對構件授予任何所需的摻雜與化學組成物。因此，在沉積期間，可對該基板214上的一層中之特定位置處、或橫跨複數層的沉積化學品進行動態控制。舉例來說，第一層可由導電材料所組成，而與該第一層相鄰的第二層可由介電材料所組成。此外，取決於從原料部206所噴射的材料類型及/或所使用的摻質、以及取決於所使用的電漿本質，可對該基板214上的一層中、或橫跨複數層的特定電性（例如，電導率）、熱性質（例如，熱膨脹係數或CTE）、及化學性質進行控制。
惰性氣體（例如，氮或氬）的鞘流係繞著頭部進行同心環流（亦即，繞著錐形設備202），以保護正在該頭部內進行反應的材料。尤其，鞘流氣體218係用以使與周邊大氣進行交互作用的電漿最小化，並使電漿噴流216集中至基板214上。
數值控制的定位系統224係用以藉由將噴射出電漿噴流216的頭部進行移動同時使基板214保持靜止、藉由將該基板214進行移動同時使該頭部保持靜止、或是藉由移動該兩者，以在基板214上的一膜層之頂部上沉積另一膜層而建構一構件。舉例來說，是否移動頭部與基板214的決策可有關於慣性。例如，若是正在製造、或修復小型、輕量構件，則移動該基板214可能係較容易的，原因在於伴隨著粉末進料、氣體供應組件、及功率供應的頭部係比該基板214更加複雜且難以移動。相反地，若是正在製造、或修復大型或重型構件，則可能較容易移動該頭部而並非移動基板214。在作出決策時所進一步考慮的可能係製造或維修處理中的準確性。舉例來說，在一些情況下，移動基板214可提供準確性，而在其他情況下移動頭部反而可提供準確性。
矽的延性脆性變換（DBTT）點約為攝氏700~900度。矽在高於DBTT點的溫度下為延性的，而在低於該DBTT點的溫度下為脆性的。因此，在未適當退火及冷卻控制的情況下，在高於該DBTT點的溫度下進行矽的列印係具挑戰性的。然而，電漿的使用允許列印溫度維持低於該DBTT點，並最小化破裂的發生。亦即，電漿噴流216的溫度、以及被沉積於基板214上的材料之溫度係維持低於該材料的DBTT點或是溫度。因此，所列印之構件各處的熱梯度係比傳統3D列印方法中的熱梯度還低。舉例來說，控制器226將沉積在基板214上的材料之溫度控制（例如，藉由控制供應至電漿產生器204的功率）在低於該材料的DBTT點或是溫度。因此，可在低於矽的DBTT點的溫度下（即，在小於約攝氏700~900度的溫度下）列印矽的構件（及上述其他材料，如陶瓷等），而不具破裂的問題。
本揭露的方法不限於利用矽、氧化鋁、及陶瓷材料來列印構件。該方法可用以利用耐火金屬（例如，鎢）來列印構件，其中耐火金屬係對熱與磨損特別具有抗性的一種金屬分類。對於所有的這些材料，可在大幅低於各自材料之熔點的溫度下進行列印。
圖3係根據本揭露而顯示用於列印及修復構件的方法300。該方法300係透過控制器226而執行。在方塊301處，方法300將錐狀設備定位在基板上的所需起始位置處，其中該錐狀設備包括如參照圖2A-2C所描述於上的電漿產生器（此後稱為頭部），且在該基板上係待建構、或修復一構件。
在方塊302處，方法300將材料（例如，矽、陶瓷、耐火金屬等）的粉末供應至該頭部。在方塊308處，方法300將一或更多前驅物氣體供應至該頭部。方法300係取決於所建構或修復的構件來選擇該一或更多前驅物氣體。在方塊310處，方法300供應鞘流氣體以繞著該頭部進行同心流動。在方塊312處，方法300藉由點燃該一或更多前驅物氣體而產生電漿。取決於所建構或修復的構件，可在該電漿中添加一或更多摻質（包含在前驅物化合物中）。鞘流氣體使電漿與周邊大氣的交互作用最小化，並將在基板上進行沉積所用的電漿噴流集中。
在方塊314處，方法300在基板上沉積受離子所束縛的經霧化微粒層。在方塊316處，方法300控制著高架系統並將頭部移動朝向基板的其他端部，同時使基板保持靜止。在一些實行例中，方法300控制著高架系統並將基板進行移動，同時使頭部保持靜止。在一些其他實行例中，方法300控制著高架系統並將頭部與基板兩者進行移動。
在方塊318處，方法300判定是否已沉積該層。若該層尚未沉積，則方法300續行至方塊302。在從方塊302至方塊316時，方法300能夠改變電漿噴流的組成（例如，藉由選擇不同的一前驅物氣體、複數前驅物氣體、或兩者）。因此，方法300可變更位於層中之一或更多位置處的電、熱、化學性質之中的一或更多者。
在將層進行沉積後，在方塊320處，方法300判定是否已將所有層進行沉積。若尚未沉積所有層，則方法300續行至方塊301。若已沉積所有層，則結束方法300。
上述系統與方法可用以修復、或列印基板處理系統及處理腔室的各種構件。非限制性示例包括如下。舉例來說，可使用矽、或氧化鋁來列印具有極大量精細孔洞的噴淋頭，而這種噴淋頭對於使用傳統的除去式加工方法來說係幾乎不可能的。此外，不像是僅可鑽出筆直孔洞的傳統方法，使用本揭露的系統及方法可列印出彎曲孔洞，其中該彎曲孔洞可避免電漿形成在噴淋頭的背側上。可將用以使氣體分布至噴淋頭的氣室與該噴淋頭一起列印，以消除與將該氣室連結至該噴淋頭相關的問題。
該系統與方法還可用以列印及修復邊緣環、氣體注入器、ESC的特徵部（例如，多區域加熱器的內部幾何）、升降銷、及用於測量冷卻、電壓、及溫度的探針等。該系統與方法還可使用合適的材料以列印及修復人體所用的植入物、及其他應用物，例如航太載具及核反應器之構件。
以下為設備尺寸、及粉末與各種氣體流量的一些示例。舉例來說，噴嘴孔口的橫剖面面積可介於0.1mm2 – 10mm2 的範圍內。舉例來說，粉末的流量可介於10 – 500公克/分鐘的範圍內。舉例來說，粉末的微粒尺寸分佈可介於10 – 100 µm的範圍內。舉例來說，前驅物氣體的流量可介於0.01 – 0.5標準公升/分鐘的範圍內。舉例來說，鞘流氣體的流量可介於0.05 – 1標準公升/分鐘的範圍內。
雖然提供各種流量示例，但應當注意的是，這些流量係取決於各種因素，並可因此基於各種因素而選擇流量。該等因素包括但不限於粉末的材料類型、粉末的微粒尺寸分佈、粉末的流動性、噴嘴的橫剖面面積、所執行的處理（亦即，建構、或修復構件）、正進行建構或修復的構件之材料與設計、設備的設計（例如，設備的尺寸和形狀、用以產生電漿之線圈的長度等）、前驅物氣體及鞘流氣體的類型、摻質的類型與量（亦即，濃度）等。
列印期間，可將一些流量進行變更。此外，粉末與前驅物氣體的流量應足以允許將粉末霧化。鞘流氣體的流量應大於前驅物氣體的流量，使得該鞘流氣體可將離開噴嘴的材料保持集中並導引至基板。該鞘流氣體還可為惰性氣體，並且可較重於該前驅物氣體（亦即，可具有比前驅物氣體更大的原子序）。此外，雖然係將設備顯示並描述成圓形，但該設備可具有任何其他形狀（例如，矩形、六角形等）。
前述的實施方式在本質上僅為說明性的，且並非意旨對本揭露、其應用、或使用進行限制。本揭露的廣義教示得以各種形式而實施。因此，雖然本揭露包括特定示例，但本揭露的真實範圍應當不因此而受限，原因在於在對圖式、說明書、及下列申請專利範圍的研讀後，其他的修正將變得顯而易知。應當理解，在不變更本揭露之原則的情況下，一方法中的一或更多步驟得以不同順序（或同時地）執行。
此外，雖然係將各實施例在上方描述成具有某些特徵，但可將對於本揭露之任何實施例所描述的任一或更多這些特徵實施在、及/或組合至任何其他實施例的特徵，即使該組合並未明確地描述。換言之，所描述的實施例並非是彼此互斥的，且一或更多實施例的彼此替換仍落入本揭露的範圍內。
在複數元件之間（例如，在模組、電路元件、半導體層等之間）的空間與功能性關係可使用各種術語來加以描述，包括「連接」、「接合」、「耦接」、「相鄰」、「在…旁」、「在…的頂部」、「上方」、「下方」、以及「設置在…」。除非明確地描述為「直接」，否則在上述揭露中描述第一與第二元件之間的關係時，該關係可為在第一與第二元件之間不存在其他中間元件的直接關係，亦可為在第一與第二元件之間存在一或更多中間元件（不論是空間性、或功能性）的非直接關係。
如本文中所使用，應該將詞組A、B、及C的至少一者視為是代表使用非排他性的邏輯OR的邏輯（A或B或C），而不應該被視為是代表「至少一個A、至少一個B、與至少一個C」。
在一些實行例中，控制器為系統的一部份，該系統可為上述示例的一部分。這樣的系統可包括半導體處理設備，該半導體處理設備包括一或更多處理工具、一或更多腔室、用於處理的一或更多平台、及/或特定處理組件（晶圓台座、氣體流動系統等）。這些系統可與電子元件進行整合，以在半導體晶圓、或基板的處理之前、期間、與之後控制它們的操作。
所述電子元件可被稱為「控制器」，其可控制一或更多系統的各種組件或子部件。取決於處理需求、及/或系統類型，可將控制器進行編程以控制本文所揭露的任何處理，包括處理氣體的運輸、溫度設定（例如，加熱、及/或冷卻）、壓力設定、真空設定、功率設定、射頻（RF）產生器設定、RF匹配電路設定、頻率設定、流量設定、流體運輸設定、定位及操作設定、對於一工具、及其他傳輸工具、及/或連接至或與特定系統相互連接的傳送室之晶圓傳輸進出。
廣義來說，控制器可定義成具有各種積體電路、邏輯、記憶體、和／或軟體的電子設備，以接收指令、發送指令、控制操作、啟動清除操作、啟動終點測量等。所述積體電路可包括以韌體形式儲存程式指令的晶片、數位訊號處理器（DSP）、定義為特殊應用積體電路（ASIC）的晶片、和／或一或更多執行程式指令（例如，軟體）的微處理器或微控制器。
程式指令可係以各種獨立設定（或程式檔案）形式而傳送至控制器的指令，而定義出用於在半導體基板上、或針對半導體基板、或對系統執行特定步驟的操作參數。在一些實施例中，操作參數可係為由製程工程師所定義之配方的一部分，以在將一或更多層、材料、金屬、氧化物、矽、二氧化矽、表面、電路、及/或晶圓的晶粒進行加工的期間完成一或更多的處理步驟。
在一些實行例中，控制器可為電腦的一部分、或耦接至電腦，所述電腦係整合並耦接至所述系統，或係以其他方式網路連接至所述系統，或是其組合。例如，控制器可位於「雲端」中、或FAB主電腦系統的全部、或一部分而可允許基板處理的遠端存取。電腦可使對系統的遠端存取能夠監控加工操作的當前進程、檢視過去加工操作的歷史、檢視來自複數加工操作的趨勢或性能度量、變更當前處理的參數、設定當前處理之後的處理步驟、或是開始新的處理。
在一些示例中，遠端電腦（例如，伺服器）可透過網路向系統提供處理配方，其中該網路可包括區域網路、或網際網路。遠端電腦可包括使用者介面，而能夠對參數及/或設定進行輸入或編寫，所述參數及/或設定則接著從遠端電腦傳達至系統。在一些示例中，控制器接收數據形式的指令，所述指令為在一或更多操作期間待執行之每一處理步驟指定參數。應當理解的是，所述參數可特定於待執行的步驟類型，及控制器所配置以連接或控制的工具類型。
因此，如上所述，控制器可例如藉由包括一或更多離散控制器而進行分佈，所述離散控制器係彼此以網路連接且朝向共同的目的（例如本文所述的步驟與控制）而運作。為此目的所分佈的控制器之示例將係位於腔室上的一或更多積體電路，其與遠端設置（例如，位於平台層或作為遠端電腦的一部分）、且結合以控制腔室上之步驟的一或更多積體電路連通。
不具限制地，示例性系統可包括電漿蝕刻腔室或模組、沉積腔室或模組、旋轉–清洗腔室或模組、金屬電鍍腔室或模組、清潔腔室或模組、晶邊蝕刻腔室或模組、物理氣相沉積（PVD）腔室或模組、化學氣相沉積（CVD）腔室或模組、原子層沉積（ALD）腔室或模組、原子層蝕刻（ALE）腔室或模組、離子植入腔室或模組、軌道腔室或模組、或可有關於或使用於半導體晶圓之加工及/或製造中的其他半導體處理系統。
如上所述，取決於工具所待執行的一或更多處理步驟，控制器可連通至一或更多其他工具電路或模組、其他工具組件、群集式工具、其他工具介面、相鄰工具、鄰近工具、遍布於工廠的工具、主電腦、另一控制器、或材料輸送中所使用的工具，而將基板的容器帶進及帶出半導體製造工廠的工具位置、和/或裝載通口。
110:基板處理系統 122:處理腔室 124:上電極 126:基板支撐件 128:基板 129:氣體分佈裝置 130:底板 132:加熱板 134:接合層 136:通道 140:RF產生系統 142:RF來源 144:匹配和分配網路 150:氣體運輸系統 152,152-1~152-N:氣體來源 154,154-1~154-N:閥部 156,156-1~156-N:MFC 160:歧管 163:溫度控制器 164:熱控制元件（TCE） 166:冷卻劑組件 170:閥部 172:幫浦 180:系統控制器 182:邊緣環系統 184:邊緣環高度調整系統 200:系統 202:錐形設備 204:電漿產生器 206:原料部 210:前驅物氣體 212:電源 214:基板 216:電漿噴流 218:鞘流氣體 220:第二錐型元件 222:虛線 224:定位系統 226:控制器 230:陰極 232:陽極 234:電漿 236:輸入口 238:輸出口 250:電漿產生器 252:感應線圈 254:電漿 300:方法 301~320:方塊
本揭露將根據實施方式與隨附圖式而更加完整理解，其中：
圖1顯示包括處理腔室的基板處理系統之示例；
圖2A係根據本揭露而顯示一種用以對基板處理系統之構件進行列印與修復的系統之示意圖；
圖2B及2C係顯示圖2A之系統中所使用的電漿產生器之示例；
圖3係根據本揭露而顯示一種用於對基板處理系統之構件進行列印與修復的方法之流程圖。
在該等圖式中，可將元件符號重新使用以指明類似、及/或相同的元件。
200:系統
202:錐形設備
204:電漿產生器
206:原料部
210:前驅物氣體
212:電源
214:基板
216:電漿噴流
218:鞘流氣體
220:第二錐型元件
222:虛線
224:定位系統
226:控制器

Claims (20)

  1. 一種系統，包括： 一設備，具有一噴嘴； 一元件，環繞著該設備設置； 一進料部，配置以將材料的粉末供應至該設備中； 一氣體來源，配置以將前驅物氣體供應至該設備中、及配置以將惰性氣體供應以在該元件與該設備之間的空間中進行環流並離開該噴嘴的周圍；以及 一電漿產生器，設置在該設備中，且配置以將該前驅物氣體離子化和將該粉末霧化、且配置以經由該噴嘴而將由經霧化的該粉末與經離子化的該前驅物氣體所構成的複數微粒之噴流噴射至一基板上，其中該基板係相鄰於該噴嘴設置。
  2. 如請求項1所述之系統，其中該材料係選自於由矽、陶瓷、及耐火金屬所組成的群組。
  3. 如請求項1所述之系統，更包括一控制器，配置以將該基板的溫度、及沉積在該基板上之複數材料的溫度保持在低於該材料的延性脆性變換溫度。
  4. 如請求項1所述之系統，其中該設備在該基板上沉積該等微粒的一或更多層。
  5. 如請求項1所述之系統，更包括一控制器，配置以藉由控制該進料部、該氣體來源、及該電漿產生器之中的一或更多者，以改變複數位置處之電性質、熱性質、與化學性質之中的一或更多者，其中該複數位置係位於該基板上所沉積的該等微粒之單一層中、或橫跨複數層。
  6. 如請求項1所述之系統，更包括一控制器，配置以在該基板上沉積該等微粒的一或更多層期間，選擇一摻質以添加至該設備中的該材料。
  7. 如請求項1所述之系統，更包括一控制器，配置以在該基板上沉積該等微粒的一或更多層期間，選擇下列至少一者： 該材料的類型；以及 由該進料部供應之所選該材料的進料速率。
  8. 如請求項1所述之系統，更包括一控制器，配置以在該基板上沉積該等微粒的一或更多層期間，選擇下列至少一者： 該前驅物氣體的類型；以及 由該氣體來源供應之所選該前驅物氣體的流量。
  9. 如請求項1所述之系統，更包括一控制器，配置以在該基板上沉積該等微粒的一或更多層期間，選擇供應至該電漿產生器的功率。
  10. 如請求項1所述之系統，更包括： 一高架系統，配置以移動該設備及該基板之中的至少一者；以及 一控制器，配置以在該基板上沉積該等微粒的一或更多層期間，移動該高架系統。
  11. 如請求項1所述之系統，其中該設備係具有圓形形狀、以及形成該噴嘴的錐形端部，且其中該元件係同心地環繞著該設備設置。
  12. 一種方法，包括： 將材料的粉末供應至具有噴嘴的一設備中； 將前驅物氣體供應至該設備中； 在該設備中產生電漿，以將該前驅物氣體離子化並將該粉末霧化； 將惰性氣體繞著該設備進行環流，以使該電漿與周邊大氣之間的交互作用最小化，並且將複數材料所構成的電漿噴流集中至一基板上，其中該等材料係包括經霧化的該粉末、及經離子化的該前驅物氣體，且該基板係與該設備的該噴嘴相鄰設置；以及 將該基板的溫度、及沉積在該基板上之該等材料的溫度控制在低於該材料的延性脆性變換溫度。
  13. 如請求項12所述之方法，更包括從由矽、陶瓷、及耐火金屬所組成的群組中選擇該材料。
  14. 如請求項12所述之方法，更包括在該基板上沉積該材料的一或更多層。
  15. 如請求項12所述之方法，更包括藉由控制該材料的類型、該粉末的供應速率、該前驅物氣體的類型、及該前驅物氣體的供應速率之中的一或更多者，以控制複數位置處之電性質、熱性質、與化學性質之中的一或更多者，其中該複數位置係位於該基板上所沉積的該材料之單一層中、或橫跨複數層。
  16. 如請求項12所述之方法，更包括在該基板上沉積該材料的一或更多層期間，控制將摻質供應至該設備中。
  17. 如請求項12所述之方法，更包括在該基板上沉積該材料的一或更多層期間，進行下列至少一者： 選擇該材料的類型；以及 控制所選該材料的進料速率。
  18. 如請求項12所述之方法，更包括在該基板上沉積該材料的一或更多層期間，進行下列至少一者： 選擇該前驅物氣體的類型；以及 控制所選之該前驅物氣體的流量。
  19. 如請求項12所述之方法，更包括在該基板上沉積該材料的一或更多層期間，控制用於產生該電漿而供應的功率。
  20. 如請求項12所述之方法，更包括在該基板上沉積該材料的一或更多層期間，移動該設備及該基板之中的至少一者。
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