TW202342789A - 純金屬主體的擴散接合 - Google Patents

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Abstract

一種方法包括將為第一化學成分之接合層塗覆至第一金屬主體的第一表面。金屬主體有第二化學成分。該方法進一步包括將為第二化學成分之第二金屬主體安置成抵靠第一金屬主體，以使得接合層在第一金屬主體的第一表面與第二金屬主體的第二表面之間。金屬主體抗擴散接合。接合層促進了金屬主體之擴散接合。該方法進一步包括加熱第一金屬主體及第二金屬主體。該方法進一步包括施加壓力以將第二金屬主體壓靠第一金屬主體。該方法進一步包括回應於加熱及施加壓力歷時一持續時間而在金屬主體之間產生擴散接合。

Description

純金屬主體的擴散接合
本揭示案之實施例係關於使用擴散接合形成物品。更具體而言，本揭示案之實施例係關於使用擴散接合由純金屬主體形成物品。
在製造及處理系統（例如，處理腔室）中，鄰近工件（例如，基板、半導體晶圓，等）處之條件會決定處理的結果。條件受處理系統之部件影響。在一些應用中，將在惡劣環境中處理基板，例如，高溫、腐蝕性環境（例如，電漿環境、氟氣環境）、高電壓，等。製程可能對經選擇用以構造處理設備之部件的材料敏感。舉例而言，鋁可能並不適合於高溫環境。在一些情形下，部件的材料中之少量污染物（例如，合金劑）可能滲入基板中並導致意外或不可接受之效能。
在一些情形下，部件會具有複雜的幾何形狀。複雜幾何形狀（尤其為複雜的內部幾何形狀）之部件可能不便於、難以或不可能進行機加工。擴散接合為構造具有複雜內部幾何形狀之部件的一種方法。擴散接合利用（例如，兩種不同材料之）濃度梯度以驅動兩個金屬主體之間的原子交換以便使其結合在一起成為一種固體物件或物品。擴散接合大體不適用於接合由相同金屬組成之兩個純金屬主體。
以下為本揭示案之簡化概述，以便提供對本揭示案之一些態樣的基本理解。此概述並非本揭示案之廣泛概述。其既不旨在識別本揭示案之根本或關鍵要素，亦不旨在描繪本揭示案之特定實施的任何範疇或申請專利範圍之任何範疇。其唯一目的在於，以簡化形式呈現本揭示案之一些概念，作為稍後呈現之更詳細描述的序言。
在本揭示案之一個態樣中，所揭示之一種方法包括將為第一化學成分之接合層塗覆至第一金屬主體的第一表面。金屬主體有第二化學成分。第二化學成分與第一化學成分不同。該方法進一步包括將為第二化學成分之第二金屬主體安置成抵靠第一金屬主體，以使得接合層在第一金屬主體的第一表面與第二金屬主體的第二表面之間。第一金屬主體及第二金屬主體抵抗擴散接合。接合層促進第二金屬主體擴散接合至第一金屬主體。該方法進一步包括加熱第一金屬主體及第二金屬主體。該方法進一步包括施加壓力以將第二金屬主體壓靠第一金屬主體。該方法進一步包括回應於加熱及施加壓力歷時一持續時間而在第二金屬主體與第一金屬主體之間產生擴散接合。
在本揭示案之另一態樣中，揭示一種用於處理腔室之腔室部件。該腔室部件包括第一大體上純的金屬主體。第一主體由第一化學成分組成。該腔室部件進一步包括第二大體上純的金屬主體。第二主體由第一化學成分組成。第一化學成分抵抗擴散接合。該腔室部件進一步包括在第一金屬主體的第一表面與第二金屬主體的第二表面之間的擴散接合，其中該擴散接合包括第一化學成分及接合層之第二化學成分自第一金屬主體穿過該接合層至第二金屬主體的空間梯度。
在本揭示案之另一態樣中，揭示一種處理腔室。該處理腔室包括噴頭。該噴頭包括第一大體上純的金屬主體，其有第一化學成分。該噴頭包括第二大體上純的金屬主體，其有第一化學成分。第一化學成分抵抗擴散接合。該噴頭進一步包括在第一金屬主體的第一表面與第二金屬主體的第二表面之間的擴散接合。該擴散接合包括第一化學成分及接合層之第二化學成分自第一金屬主體穿過該接合層至第二金屬主體的空間梯度。
本文中描述關於製造製程腔室的部件之改良方法的技術。特定而言，揭示用以藉由擴散接合製造製程腔室的純金屬部件（諸如，可用作用於半導體處理之處理設備的部件之彼些）之改良方法。處理設備之部件可包括內部結構，諸如，通道、開口，等。部件之性質（例如，尺寸，包括內部尺寸）會影響接近藉由處理設備生產之產品處的條件。鄰近工件處之條件決定了成品的性質。舉例而言，處理腔室可用以處理基板，諸如，半導體晶圓。處理腔室之部件的性質會影響基板所經受之處理條件。接近條件決定產品之效能（例如，最終產品是否表現出目標性質值）。
在一些實施例中，目標處理部件（例如，目標幾何尺寸）可能不便於或不可能由原始材料之固體件（諸如，具有複雜內部結構之部件）進行機加工。在一些習知系統中，可進行折衷以實現構造之可行性，諸如，設計具有可機加工結構或利用夾緊、膠合或以其他方式接合在一起的多個件之部件。
一些製造製程對污染物敏感。對於此種製造製程而言，可選擇構成部件之材料以避免可能污染目標產品之材料。舉例而言，一些材料可能自處理部件滲出且負面地影響半導體晶圓之效能。藉由接合劑固持在一起之多件式部件可能受此種對污染物的敏感性影響，因為許多接合劑包括可能污染製造製程之材料。
擴散接合為基於固態擴散原理進行操作之結合技術。在某些條件下，兩個固體金屬化表面之原子會隨著時間相互穿插。可藉由在高溫環境中向兩個金屬主體施加高壓來實施擴散接合。兩個主體之原子隨著時間互換，直至兩種物品之間的界面消失且形成一個物品為止。
擴散接合受材料之整體（例如，兩種不同金屬）或局部（例如，兩種不同的局部環境）濃度驅動。不同金屬常常為用於擴散接合之良好候選者。由於合金包括多種組成材料之事實，因此合金亦能夠以擴散接合而結合。然而，在一些應用中，目標部件將由無污染物材料之純金屬構成。在此些應用中，金屬主體抵抗擴散接合且擴散接合不可行。
本揭示案之態樣解決了習知方法之此些缺點中的至少一些。本文中揭示腔室部件及用於經由擴散接合製作純金屬的腔室部件之技術。實施例使得能夠製造為單一純金屬成分及/或複雜內部結構之主體。該等主體可能不含污染材料。在一些實施例中，將第二材料之薄層放置在純金屬的主體之間，其中該第二材料與純主體之材料不同。接著採用擴散接合程序。純材料與第二材料之間的濃度梯度驅動材料之間原子的互換。不同於釬焊或以其他方式膠合之物品，經擴散接合之物品可能不具有明顯的接合層。實情為，經擴散接合之物品可表現出自純金屬至一區域之濃度梯度，該區域中第二材料已擴散至純金屬中，從而在兩個金屬主體之間的區域處產生混合材料（例如，合金）並返回至純金屬。
在本揭示案之一些態樣中，一種方法包括使第一大體上純的金屬主體成形。該第一大體上純的金屬主體包括第一化學成分。該方法進一步包括使第二大體上純的金屬主體成形，其包括第一化學成分。該方法進一步包括將包括第二化學成分之接合層塗覆至第一金屬主體之第一表面，其中該第二化學成分與該第一化學成分不同。該方法進一步包括佈置金屬主體以使得接合層在第一金屬主體的第一表面與第二金屬主體的第二表面之間。該方法進一步包括藉由施加壓力及溫度歷時一持續時間以接合第一主體及第二主體而在第一金屬主體與第二金屬主體之間產生擴散接合。
在本揭示案之另一態樣中，揭示一種用於處理腔室之腔室部件。該腔室部件包括第一大體上純的金屬主體，其包括第一化學成分。該腔室部件進一步包括第二大體上純的金屬主體，其包括第一化學成分。該腔室部件進一步包括在第一金屬主體的第一表面與第二金屬主體的第二表面之間的擴散接合。該擴散接合包括第一化學成分及接合層之第二化學成分自第一金屬主體穿過該接合層至第二金屬主體的空間梯度。第二化學成分可與第一化學成分不同。舉例而言，第一化學成分可為純金屬，且第二化學成分可為純金屬之合金。該腔室部件之化學成分繼而包括自第一金屬主體穿過接合層至第二金屬主體之空間梯度。
在本揭示案之另一態樣中，揭示一種處理腔室。該處理腔室包括噴頭。該噴頭包括第一大體上純的金屬主體，其有第一化學成分。該噴頭包括第二大體上純的金屬主體，其有第一化學成分。第一化學成分抵抗擴散接合。該噴頭進一步包括在第一金屬主體的第一表面與第二金屬主體的第二表面之間的擴散接合。該擴散接合包括第一化學成分及接合層之第二化學成分自第一金屬主體穿過該接合層至第二金屬主體的空間梯度。
第1圖根據一些實施例描繪具有可藉由擴散接合由大體上純的金屬製造之一或更多個腔室部件的處理腔室100之截面圖。處理腔室100可包括具有複雜內部結構（例如，可能無法由固體塊進行機加工的內部結構）之部件，諸如，噴頭。處理腔室100可用於其中提供具有電漿處理條件之腐蝕性電漿環境的製程。舉例而言，處理腔室100可為用於電漿蝕刻機或電漿蝕刻反應器、電漿清潔器等之腔室。處理腔室100可用於對污染物敏感之製程，諸如，半導體晶圓處理。可為處理腔室100的一部分之腔室部件的實例包括基板支撐組件104、靜電卡盤(electrostatic chuck; ESC)、環（例如，處理套件環或單環）、腔室壁、底座、氣體分配板、噴頭106、噴嘴、蓋、內襯、內襯套件、護罩、電漿罩、均流器、冷卻底座、腔室觀察孔、腔室蓋，等。
在一個實施例中，處理腔室100包括腔室主體108及封閉內部空間110之噴頭106。噴頭可包括噴頭底座及噴頭氣體分配板。或者，在一些實施例中，噴頭106可被蓋及噴嘴替換。腔室主體108可由鋁、不鏽鋼、鎳或其他適當材料製造。腔室主體108大體包括側壁112及底部114。噴頭106（或蓋及/或噴嘴）、側壁112及/或底部114中之任一者可包括抗電弧及/或電漿之塗層。
排氣埠116可被限定在腔室主體108中，且可將內部空間110耦接至泵送系統118。泵送系統118可包括一或更多個泵及節流閥，其用以排空並調節處理腔室100之內部空間110的壓力。
噴頭106可被支撐在腔室主體108之側壁112上。可打開噴頭106（或蓋）以允許進入處理腔室100之內部空間110，並可在關閉時為處理腔室100提供密封。氣體分配盤120可耦接至處理腔室100以經由噴頭106或蓋及噴嘴將製程氣體及/或清潔氣體提供至內部空間110。噴頭106用於處理腔室，該等處理腔室用於介電蝕刻（介電材料之蝕刻）。噴頭106包括氣體分配板(gas distribution plate; GDP)，其具有貫穿GDP之多個輸氣孔。噴頭106為可使用本揭示案中所述之擴散接合技術製造的部件之實例。噴頭106可包括複雜內部結構。噴頭106可由大體上純的金屬組成。在一些實施例中，「大體上純的」指示具有至少99.9%之純度的金屬。在一些實施例中，用以使用擴散接合製造部件（例如，噴頭106）之材料的純度可為至少99.99%。在一些實施例中，用以使用擴散接合製造部件之材料的純度可為至少99.999%。在一些實施例中，噴頭106可由大體上純的鎳組成。
對於用於導體蝕刻（導電材料之蝕刻）的處理腔室而言，可使用蓋而非噴頭。蓋可包括適配至蓋的中心孔中之中心噴嘴。蓋可為諸如Al 2O 3、Y 2O 3、YAG之陶瓷，或包括Y 4Al 2O 9及Y 2O 3-ZrO 2的固溶體之陶瓷化合物。噴嘴亦可為諸如Y 2O 3、YAG之陶瓷，或包括Y 4Al 2O 9及Y 2O 3-ZrO 2的固溶體之陶瓷化合物。蓋、噴頭底座、GDP及/或噴嘴可塗佈有抗電弧及/或電漿之塗層。
可用以在處理腔室100中處理基板之處理氣體的實例包括含鹵素氣體，諸如，C 2F 6、SF 6、SiCl 4、HBr、NF 3、CF 4、CHF 3、CH 2F 3、F、NF 3、Cl 2、CCl 4、BCl 3及SiF 4（除其他以外），及諸如O 2或N 2O之其他氣體。載氣之實例包括N 2、He、Ar，及對製程氣體呈惰性之其他氣體（例如，非反應性氣體）。基板支撐組件104安置在處理腔室100之內部空間110中，在噴頭106或蓋下方。基板支撐組件104在處理期間固持基板102。環（例如，單環）可覆蓋支撐組件104（例如，晶座122）的一部分，且可在處理期間保護被覆蓋部分免於暴露至電漿。在一個實施例中，環可為矽或石英。基板支撐組件104可包括基座124，及晶座122。
第2圖根據一些實施例描繪包括擴散接合腔室202的截面圖之擴散接合系統200。擴散接合系統200可經配置以執行由大體上純的金屬（諸如，大體上純的（例如，99.9%純度或更大）鎳）組成之兩個主體的擴散接合。
擴散接合系統200包括擴散接合腔室202，其具有被壁及底部環繞之內部體積204。在一些實施例中，內部體積204可為能夠維持低壓或高壓條件之密封腔室，或可能能夠在惰性氣體之環境中處理物品，且可耦接至適當氣流源。在一些實施例中，擴散接合腔室202包括爐206，該爐206可（例如）以圓柱形方式封閉擴散接合腔室202。爐206可為可程式化的，且包括安置在熱壓腔室202內之一或更多個溫度感測器以提供用以維持目標溫度之反饋。氣流系統亦可為可程式化的，且擴散接合腔室202可包括一或更多個壓力感測器。爐206亦可能能夠以目標速率升至目標溫度。在一些實施例中，爐206可以可操作方式耦接至計算元件。計算元件可運行控制爐206、氣流系統等之條件的一個或許多個已儲存之配方（其可為預定義或由操作者定義）。擴散接合腔室202可在執行主體212A～212B之擴散接合的同時維持高溫。在一些實施例中，該溫度可在包括第一及第二主體的材料之絕對熔化溫度的50%與90%之間。在一些實施例中，該溫度可在包括第一及第二主體的材料之絕對熔化溫度的60%與80%之間。在一些實施例中，該溫度可為包括第一及第二主體的材料之絕對熔化溫度的70%。在一些實施例中，鎳可在1000°F與2300°F之間、1400°F與2000°F之間、在約1700°F或在此些值之任何子範圍內進行擴散接合。如本文所使用，「約」指示接近於所指示值之範圍，例如，該值+/-10%。
擴散接合腔室202可包括開口210。已在其上形成接合層214之一或更多個主體212A～212B可插入擴散接合腔室202中。在第3圖至第6圖中更詳細地論述沉積接合層214之方法。壓力機215可接著施加壓力以將主體212A～212B壓在一起。在爐206加熱主體212A～212B及接合層214的同時，壓力機215（亦稱作衝壓機）施加壓力。注意，僅示出單個上部壓力機215。然而，在實施例中，亦可使用下部壓力機，其在與上部壓力機215相反之方向上按壓。在一些實施例中，將壓力施加至金屬主體以使主體之總厚度減小0.1%至5%。在一些實施例中，將壓力施加至金屬主體以使主體之總厚度減小約1%。熱及壓力導致接合層214及純金屬主體212A～212B形成單個擴散接合物品，諸如，處理腔室之部件。在一些實施例中，維持熱及壓力達數小時。在一些實施例中，維持熱及壓力達至少5小時。在一些實施例中，維持熱及壓力達至少10小時。在一些實施例中，維持熱及壓力達約24小時。
在一些實施例中，習知技術並不適合於製造腔室部件。在一些習知系統中，可使用釬焊技術製造具有複雜內部結構之部件。釬焊包括將具有較低熔點之材料的薄箔放置在兩個主體之間，且加熱組件以使該箔熔化並使兩個主體接合在一起。此種技術可能不適用於其中部件將在高溫應用中使用之情形，尤其當該部件之預期用途涉及足夠高的溫度以熔化（或弱化）接合材料時。在擴散接合系統（諸如，系統200）中，用作接合層214之材料可為適合於高溫環境之材料。在一些實施例中，用作接合層214之材料可具有比主體212A～212B的材料更高之熔化溫度。另外，釬焊材料時常會污染物件之內結構。釬焊材料通常不擁有高抗腐蝕性。
在一些實施例中，主體212A～212B可由大體上純的材料（例如，相同之大體上純的材料）組成。在一些實施例中，主體212A～212B可由大體上純的鎳組成。接合層214可由金屬、合金、非金屬等組成以產生用於驅動擴散之濃度梯度並消除經擴散接合之物品的各層之間的界面。在一些實施例中，接合層214可由一種材料組成，以使得該材料之原子可替換包括主體212A～212B之晶格中的原子。舉例而言，主體212A及主體212B可各自由純鎳組成，且可選擇接合層214之材料以使得原子可在主體212A～212B的材料與接合層214的材料之間互換。自接合層214擴散之原子可能佔用主體212A～212B之晶格位置，例如，經由取代式擴散接合。舉例而言，金及銅為可替換鎳晶格中之鎳原子的材料之實例。可選擇接合層214之材料以使得該材料（例如）經由填隙式擴散接合中斷主體212A～212B之晶格結構。舉例而言，可藉由擴散並消除各層之間的邊界使諸如鋁、硼或鈦之材料與鎳擴散接合，以使得接合材料中斷鎳原子晶格。可選擇接合層214之材料以藉由使用合金引入濃度梯度來驅動擴散。舉例而言，主體212A～212B可由大體上純的鎳組成，且接合層214可由鎳合金組成。在一些實施例中，接合層214可含有磷。在一些實施例中，接合層214可為無電鎳電鍍。接合層214可為材料之薄層。在一些實施例中，所沉積之接合層可小於10 μm、小於5 μm、或小於1 μm厚。接合層214之原子可在擴散接合期間遷移（例如，擴散）至主體212A～212B中，且主體212A～212B之原子可遷移至接合層214中。已完成之物品可能在各層之間不具有邊界，而為自第一主體中之大體上純金屬的區域至混合材料之區域並返回至第二主體中之純金屬的區域之材料濃度梯度。
可使用適合於在表面上沉積材料層之任何方法將接合層214塗覆至主體212A及/或212B之表面，包括電鍍、氣相沉積（例如，諸如濺射或蒸鍍之物理氣相沉積、諸如原子層沉積之化學氣相沉積，等）、離子輔助沉積、電漿沉積、無電電鍍，或其他適當技術。第3圖至第6圖描繪可用以在物品的表面上沉積薄膜之數個實例系統。
第3圖根據一些實施例描繪用於執行氣溶膠沉積之沉積系統300的例示性架構。系統300可用於將各種塗層塗覆至處理設備之部件。系統300可用以塗覆許多類型之材料，包括聚合物塗層（例如，高介電強度塗層）、陶瓷塗層（例如，抗電漿塗層）、包括多種成分（諸如，聚合物相及陶瓷相）之塗層，或其他類型的塗層。系統300可用以沉積前驅物材料以進行反應以便在主體表面上形成塗層，例如，可用在氣溶膠輔助化學氣相沉積中。系統300包括沉積腔室302。沉積腔室可包括用於安裝要塗佈之部件306（例如，第2圖之主體212，等）的平台304。可經由真空系統308減小腔室302之內部空間303中的環境壓力，該真空系統308經由被限定在腔室302的主體中之排氣埠309耦接至內部空間303。氣溶膠腔室310含有用於塗佈部件306之塗層粉末，諸如，聚合物粉末、金屬氧化物粉末、粉末的混合物、用以在化學氣相沉積中形成薄層之反應物，等。在一些實施例中，可以不同方式引入材料，例如，可經由噴嘴314與載氣一起共同噴灑液體。氣溶膠腔室310耦接至氣體容器312。氣溶膠腔室310中之塗層材料可呈細小粉末的形式，例如，可具有大小範圍自數微米至數百微米之顆粒。載氣自氣體容器312流經氣溶膠腔室310流至內部空間303。載氣推動塗層粉末經過噴嘴314，以用於將塗層粉末導向至部件306上以形成塗層。
部件306可為用於半導體製造之部件。部件306可為蝕刻反應器、熱反應器、半導體處理腔室或其類似者之部件。可能部件之實例包括蓋、基板支撐件、製程套件環、腔室內襯、噴嘴、噴頭、壁、底座、氣體分配板，等。部件306可由諸如鋁、矽、石英、金屬氧化物、陶瓷化合物、聚合物、複合物等之材料形成。
在一些實施例中，部件306之表面可經研磨以減小部件306之表面粗糙度。減小表面粗糙度可改良塗層厚度及均勻性。在一些實施例中，減小表面粗糙度，直至其低於塗層之目標厚度為止。在一些實施例中，在塗覆接合層之前，可清潔主體之表面，例如，使金屬氧化物層被移除。可使用任何適當技術移除金屬氧化物層（或另一表面污染物），該等技術諸如，酸洗、介層窗濺射，等。在一些實施例中，不應塗佈部件306之所有區域。可遮住或遮蔽部件306之未經接合的區域（例如，其不與接合件相鄰，諸如，在成品內部之通道或孔洞），或以其他方式從氣溶膠粉末所進入之區域移除該些區域。在一些實施例中，在塗佈之後，可自不被塗佈之區域移除塗層材料。
在塗層沉積期間，可將部件306安裝在沉積腔室302中之平台304上。平台304可為可移動平台（例如，機動平台），其可在一維、二維或三維上移動及/或在一或更多個維度上旋轉，以使得平台304可移動至不同位置以促進藉由自噴嘴314推動之塗層粉末來塗佈部件306。舉例而言，可移動平台304以塗佈部件306之不同部分或側。噴嘴314可自各種角度及定向選擇性地瞄準部件306之某些部分。
在一些實施例中，可使用真空系統308抽空沉積腔室302。在內部空間303中提供真空環境可促進塗層之塗覆。舉例而言，當內部空間303處於真空時，自噴嘴314推動之塗層粉末在其行進至部件306時會遭遇到較小阻力。塗層粉末可以更高的速率等更規律地衝擊部件306，此可促進對部件306之黏附，促進塗層的形成，減少塗層材料的浪費，等。
氣體容器312保持經加壓之載氣。可使用的經加壓之載氣包括惰性氣體，諸如，氬、氮、氪，等。經加壓之載氣在壓力下自氣體容器312行進至氣溶膠腔室310。當經加壓之氣體自氣溶膠腔室310行進至噴嘴314時，載氣朝向噴嘴314推動來自氣溶膠腔室310之塗層粉末的一部分。
在一些實施例中，系統300可用以將單一材料沉積至部件306之一或更多個表面上。在一些實施例中，系統300可用以將多種材料沉積至部件306上。在一些實施例中，可在部件306上沉積包括多種聚合物之聚合物層。在一些實施例中，可在部件306上沉積包括多種陶瓷材料類之陶瓷層。在一些實施例中，可在部件306上沉積包括聚合物相及陶瓷相之材料。在一些實施例中，可沉積多種塗層前驅物。可藉由向氣溶膠腔室310提供粉末狀材料之混合物而共同沉積多種材料。在替代實施例中，兩個或更多個氣溶膠腔室可耦接至經加壓氣體且耦接至噴嘴314，其中各者單獨地向噴嘴314提供材料。在替代實施例中，多個噴嘴可自耦接至經加壓載氣之多個氣溶膠腔室接收材料。此些實施例可允許同時沉積多種材料。在一些實施例中，將依序沉積不同材料。在一些實施例中，允許進行反應以產生塗層之材料。在一些實施例中，可固化（例如，UV固化、烘箱固化，等）經塗佈主體以促成反應以便形成目標塗層。
當載氣推動塗層粉末之懸浮體自噴嘴314進入沉積腔室302時，塗層粉末被推向部件306。在一個實施例中，載氣經加壓，以使得塗層粉末以在150 m/s與500 m/s之間的速率被推向部件306。在一些實施例中，可調諧（若干）塗層粉末之顆粒大小及（若干）載氣之（若干）壓力以獲得塗層粉末之目標速度分配。
在一些實施例中，噴嘴314經形成而耐磨損。由於塗層粉末以高速移動經過噴嘴314，因此噴嘴314可能迅速磨損並降級。噴嘴314可以一定形狀形成且由一定材料形成以使得磨損得以減少。
在一些實施例中，在衝擊部件306之後，塗層粉末之顆粒會由於動能而斷裂並變形，以產生黏附至部件306之層。隨著塗層粉末的塗覆繼續進行，該等顆粒藉由彼此接合而成為塗層或膜。部件306上之塗層藉由塗層粉末之顆粒持續碰撞在部件306上而持續生長。在一些實施例中，顆粒在真空下以機械方式以高速彼此碰撞且與基板碰撞以碎成更小的顆粒以便形成緻密的層，而非熔化。在一些實施例中，經由塗覆至部件306，保存了氣溶膠腔室310中之塗層粉末的顆粒之晶體結構。在一些實施例中，當動能轉換成熱能時，可能發生顆粒的熔化。在一些實施例中，氣溶膠沉積可在室溫、或在15℃與35℃之間執行。在一些實施例中，部件306不需要被加熱，且氣溶膠塗覆製程可能不會明顯增加部件306之溫度。諸如此之塗覆可用以塗佈可能在高溫環境中會損壞之組件。舉例而言，由用在低溫下熔化之接合層貼附在一起的多個部分形成之部件可能會在高溫下執行之沉積製程中被損壞。作為又一實例，由具有不同熱膨脹性質之多種材料的多個部分形成之部件可能在沉積期間由於該等部分以不同速率膨脹、膨脹至不同大小等而被損壞。此些部件在環境溫度下可能不太可能由於塗佈而損壞。
在一些實施例中，可在高溫下執行氣溶膠沉積。在一些實施例中，可在氣溶膠沉積之前或在其期間加熱部件306。此種加熱可能促使塗層粉末熔化。在一些實施例中，在沉積發生之後，可將部件306放置在烘箱中以加熱該部件及塗層材料達一定時間。部件306及塗層之溫度可增加，以使得塗層部分地或完全地熔化。可允許塗層在部件306的表面之上流動，例如，以改良塗層之均勻性，允許塗層到達部件306的表面之新區域，等。
在一些實施例中，經塗佈部件可經歷塗佈後製程。舉例而言，陶瓷塗層可在塗覆至部件306之後經受研磨或拋光。經塗佈部件可經歷其他塗佈後製程，諸如，熱處理。在一些實施例中，熱處理在塗層與部件之間形成塗層界面。舉例而言，氧化鋁(Al 2O 3)部件之上的氧化釔(Y 2O 3)塗層可形成釔鋁石榴石(YAG)層，其有助於黏附並為部件提供進一步保護。阻障層可減少分層、碎裂、剝落、剝離等的發生。熱處理亦可變更塗層之化學成分—雙氧化釔/氧化鋁塗層可藉由（例如）熱處理轉換成YAG塗層。
第4A圖至第4B圖根據一些實施例描繪用於執行利用高能粒子的沉積技術之機制及裝置。第4A圖描繪適用於利用高能粒子之多種沉積技術（諸如，離子輔助沉積(ion assisted deposition; IAD)）的沉積機制。例示性IAD方法包括併入離子轟擊之沉積製程，諸如，存在離子轟擊的情況下之蒸鍍（例如，活化反應性蒸鍍(activated reactive evaporation; ARE)）及濺射，以形成如本文所述之塗層。可在存在反應性氣體物質（諸如，O 2、N 2、鹵素，等）的情況下執行IAD方法中之任一者。
如所示出，在存在高能粒子403（諸如，離子）的情況下，藉由沉積材料402之累積形成薄塗層415。沉積材料402包括原子、離子、自由基或其混合物。高能粒子403可在薄的最終塗層415形成時撞擊並壓實該塗層415。
在一個實施例中，利用IAD以形成薄塗層415，如本文中先前在別處所述。第4B圖描繪IAD沉積裝置之示意圖。如所示出，材料源450提供沉積材料452之通量以用於物品460上的沉積，而高能粒子源455提供高能粒子453之通量，該兩者均貫穿IAD製程撞擊在製品460上。高能粒子源455可為氧或其他離子源。高能粒子源455亦可提供其他類型之高能粒子，諸如，惰性自由基、中子原子及奈米大小之粒子，該等奈米大小之粒子來自於粒子產生源（例如，來自電漿、反應性氣體，或來自提供沉積材料之材料源）。IAD可利用一或更多種電漿或束以提供材料及高能離子源。亦可在塗層之沉積期間提供反應性物質。
藉由IAD製程，高能粒子453可由高能離子（或其他粒子）源455獨立於其他沉積參數進行控制。根據高能離子通量之能量（例如，速度）、密度及入射角，可操縱薄膜保護層之成分、結構、晶向及晶粒大小。可調整之額外參數為在沉積期間物品之溫度以及沉積之持續時間。粒子能量可粗略分類為低能離子輔助及高能離子輔助。相比於低能離子輔助，離子在高能離子輔助下以更高速度投射。大體上，在高能離子輔助下已展現出優異的效能。沉積期間之基板（物品）溫度可粗略劃分成低溫（在一個實施例中為約120℃～150℃）及高溫（在一個實施例中為約270℃）。
第5圖根據一些實施例描繪用於噴霧沉積技術之電漿噴霧沉積裝置500的示意圖。電漿噴霧裝置500可包括外殼502，其包裹噴嘴陽極506及陰極504。外殼502准許氣流508經過電漿噴霧元件500並在噴嘴陽極506與陰極504之間流動。外部電源可用以在噴嘴陽極506與陰極504之間施加電壓電位。該電壓電位在噴嘴陽極506與陰極504之間產生電弧，該電弧點燃氣流508以產生電漿氣體。經點燃之電漿氣流508產生高速電漿羽流514，其被導向至噴嘴陽極506外部並朝向物品520。
電漿噴霧裝置500可位於腔室或大氣室中。在一些實施例中，氣流508可為氣體或氣體混合物，包括但不限於氬、氮、氫、氦及其組合。在其中使用噴霧系統執行漿料電漿噴霧的一些實施例中，電漿噴霧裝置500可裝備有一或更多個流體線路512以將漿料輸送至電漿羽流514中。在一些實施例中，自電漿羽流514產生粒子流516，且該粒子流516被推向物品520。在衝擊物品520之後，粒子流形成塗層518。
第6圖根據一些實施例繪示用於塗覆接合層塗層之電鍍系統600的示意圖。系統600包括陰極602及陽極604，其延伸至容器606中。容器606含有溶液608，其與陰極602及陽極604接觸。該溶液含有鹽（包括陽極604的材料）之離子。舉例而言，若陽極由銅組成，則該溶液可為可溶銅鹽，諸如，硫酸銅。在一些實施例中，陽極材料可抵抗電化學氧化，且可替代地在溶液中產生副產物。
DC電源610自陽極604汲取電子並將電子沉積在陰極602中。溶液608中之帶正電的金屬離子被汲取至陰極。金屬原子自溶液608沉積至塗層612中之陰極602上。以此方式，在陰極602之表面上產生來自溶液608之材料的塗層612。在一些實施例中，陽極604之材料補充溶液608中之離子。
在一些實施例中，將藉由擴散接合製造之物品係由諸多金屬主體製造，該等金屬主體由大體上純的金屬（例如，至少99.9%純的金屬）組成。金屬主體可經機加工或以其他方式形成為特定形狀，例如，可藉由機加工將要接合之諸多金屬主體而逐層形成通道或其他複雜的幾何形狀。在一些實施例中，清潔金屬主體之表面（例如，將被接合之表面）。清潔可包括自主體之表面移除氧化物層（例如，在塗覆接合層之前移除氧化物層）。可遮蔽將不經接合之區域（或將不藉由接合層材料電鍍之區域）。典型遮蔽材料包括帶、箔、漆、蠟，等。金屬主體可接著在電鍍系統（諸如，系統600）中用作陽極，以在主體之未經遮蔽的部分上產生接合材料之薄層。在其中陽極的材料與電鍍材料不同（例如，陽極材料不補充溶液中之金屬離子）之系統中，可隨著電鍍進行而將金屬鹽添加至溶液608中。該等主體可接著經組裝以使得將接合之主體在其間具有接合材料，並放置至擴散接合系統（例如，第2圖之系統200）中以被接合至單個物品（例如，製造系統之單個部件）中。
在一些實施例中，可使用無電電鍍沉積接合層。在無電電鍍製程之一些實施例中，在固體基板之表面上沉積鎳磷合金的均勻層。不同於電鍍，無電電鍍通常不會使電流通過待電鍍之材料。在一些應用中，電鍍可能由於不均勻之電流密度而沉積不均勻之材料層，該不均勻之電流密度可能由陰極的形狀引起。無電電鍍可不經受此些限制。
無電電鍍包括將待電鍍之主體浸沒在離子溶液中。在電鍍之前，該主體可經機加工、清潔、遮蔽，等。該溶液含有鎳陽離子之源及還原劑。在一個實施例中，溶液包括硫酸鎳及次磷酸根離子（例如，次磷酸鈉）。反應發生，其產生固體鎳、元素磷、正磷酸鹽、質子及分子氫。此反應在主體之表面上沉積鎳磷合金之層。無電電鍍可由鎳催化，且適合於藉由鎳合金塗佈純鎳主體之表面，從而產生濃度梯度並驅動原子擴散以用於擴散接合製程。
第7圖為根據一些實施例之用於製造由大體上純的金屬組成之擴散接合物品的方法700之流程圖。在方塊702處，使第一及第二金屬主體成形。該等金屬主體可由大體上純的金屬成形。在一些實施例中，金屬主體由純鎳組成。在一些實施例中，第一及第二主體由純金屬薄片成形。第一金屬主體及第二金屬主體之成分相同。使金屬主體成形可包括（例如）將通道、孔洞或其他幾何形狀機加工至一或更多個主體中。
在方塊704處，製備第一金屬主體之第一表面以用於接合層的塗覆。待塗覆之接合層有第二成分，其與第一金屬主體及第二金屬主體之成分不同。將使用擴散接合將該表面接合至第二金屬主體。第一表面之製備可包括清潔該表面。在一些實施例中，自該表面移除污染物。污染物可包括有機材料、無機材料、金屬氧化物，等。在一些實施例中，使用溶劑來移除污染物，諸如，有機溶劑、酸、鹼，等。在一些實施例中，使用濺射或另一方法自固體中移除材料來清潔該表面。製備第一表面可包括遮蔽不被接合之部分，例如，遮蔽通道或其他經機加工特徵，遮蔽將不與第二金屬主體接觸之側或區域，等。
在方塊706處，將接合層塗覆至第一金屬主體之第一表面。接合層包括第二化學成分，該第二化學成分與第一化學成分不同。使用適合於將材料之薄層沉積至表面上的任何技術將接合層塗覆至第一表面。可（例如）藉由執行物理氣相沉積、化學氣相沉積、電鍍、無電電鍍、原子層沉積、分子層沉積、離子輔助沉積等來塗覆接合層。在一些實施例中，接合層可小於10 μm厚。在一些實施例中，接合層可小於1 μm厚。在一些實施例中，接合層可小於100 nm厚。在一些實施例中，接合層可為約10 nm（例如，+/-10%）厚。
在方塊708處，佈置金屬主體（例如，第一主體及第二主體），以使得接合層在第一金屬主體的第一表面與第二金屬主體的第二表面之間。在一些實施例中，接合許多金屬主體以產生產品。在一些實施例中，可堆疊許多純金屬主體，以使得經塗佈之接合層穿插在純金屬主體之間。在一些實施例中，物品可由純金屬主體及接合層之交替層組成。
在方塊710處，藉由在金屬主體及接合層上執行擴散接合程序而產生經擴散接合之物品。藉由向金屬主體施加壓力及溫度歷時足夠的持續時間以將第一主體接合至第二主體來實現擴散接合。結合第2圖更詳細地論述擴散接合系統及技術。
第8A圖至第8B圖根據一些實施例描繪使用擴散接合由大體上純的金屬主體802形成之例示性物品800A～800B的截面圖。物品800A～800B可為各種部件中之任一者，包括製造部件、腔室部件，等。在一些實施例中，物品800A～800B為噴頭。大體上純的金屬主體802係由純金屬（例如，相同金屬，99.9%之純度或更大）組成。在一些實施例中，金屬主體802由鎳組成。在擴散接合之前，一或更多個主體802可能已成形、經機加工、清潔、使表面氧化物被移除，及/或以其他方式製備以用於擴散接合（例如，使表面經研磨以增加有效擴散面積，等）。一或更多個主體802亦可具有材料之薄層，其經添加以藉由在純金屬主體802與接合層804之間產生濃度梯度來驅動擴散接合。
接合層804可由若干類型之材料組成。接合層804可由可替換主體802之金屬晶格的原子之原子組成。在一些實施例中，諸如金及銅之材料可替換鎳金屬主體之晶格中的鎳原子。在一些實施例中，接合層804可由以填隙方式位於金屬主體802之晶格中的原子組成。諸如鋁、硼或鈦之材料可以填隙方式位於鎳原子之晶格中。在一些實施例中，接合層804可由主體802之材料的合金組成。鎳磷合金（諸如，在無電鎳電鍍中產生）可產生濃度梯度，且可用作接合層804。
第8A圖為在接合層804的沉積之後、在執行擴散接合操作之前對物品800A的表示。如所描繪之物品800A包括相異的層（在經擴散接合後），然而，原子在層之間互換（例如，自主體802至接合層804；自接合層804至主體802）。成品可包括成分之逐漸變化（例如，成分或濃度梯度），而非明顯邊界。
第8B圖為在執行擴散接合操作之後對物品800B的表示。物品800B可不包括金屬主體之間的明顯界面。物品800B可包括基本上與主體802（例如，與物品在擴散接合之前的同一區域）基本上相同材料之區域806。主體802及接合層804之原子可能已互換、擴散等，且層之間的清晰界面可能不再存在。實情為，可用過渡區域808替換接合層804。在過渡區域808中，存在濃度之空間梯度。在區域806附近，過渡區域808可由類似於純金屬主體802的成分之成分組成。物品800B之距物品800B的區域806較遠之部分的成分可能更類似於接合層804之成分，例如，可為主體802及接合層804之材料的合金，可具有比周圍區域更高濃度之接合層804的材料，等。
之前的描述闡述了諸多特定細節，諸如，特定系統、部件、方法等之實例，以便提供對本發明之若干實施例的良好理解。然而，熟習此項技術者將顯而易見，可在無此些特定細節的情況下實踐本發明之至少一些實施例。在其他情形下，未詳細描述或以簡單方塊圖的形式呈現熟知部件或方法，以便避免不必要地混淆本發明。因此，所述特定細節僅為例示性的。特定實施例可與此些例示性細節不同，且仍預期在本揭示案之範疇內。
貫穿本說明書對「一個實施例」或「一實施例」之引用指示結合實施例描述之特定特徵、結構或特性被包括在至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書在各處出現的短語「在一個實施例中」或「在一實施例中」不一定皆代表同一實施例。另外，術語「或」旨在意謂包括性的「或」而非排他性的「或」。當在本文中使用術語「約」或「大致」時，此旨在意謂所呈現之標稱值精確在±10%以內。
儘管本文中以特定次序示出並描述了方法之操作，但可變更每一方法的操作次序，以使得可以相反次序執行某些操作，或使得可至少部分地與其他操作同時執行某些操作。在另一實施例中，相異操作之指令或子操作可以間歇及/或交替的方式進行。
應理解，以上描述旨在為說明性的，而非限制性的。在閱讀並理解以上描述之後，熟習此項技術者將顯而易見許多其他實施例。因此，本發明之範疇應參考附加申請專利範圍連同此申請專利範圍所賦予之等效物的整個範疇來決定。
100:處理腔室 102:基板 104:基板支撐組件 106:噴頭 108:腔室主體 110:內部空間 112:側壁 114:底部 116:排氣埠 118:泵送系統 120:氣體分配盤 122:晶座 124:基座 200:擴散接合系統 202:擴散接合腔室 204:內部體積 206:爐 210:開口 212A:主體 212B:主體 214:接合層 215:壓力機 300:沉積系統 302:沉積腔室 303:內部空間 304:平台 306:部件 308:真空系統 309:排氣埠 310:氣溶膠腔室 312:氣體容器 314:噴嘴 402:沉積材料 403:高能粒子 415:薄塗層 450:材料源 452:沉積材料 453:高能粒子 455:高能粒子源 460:物品 500:電漿噴霧沉積裝置 502:外殼 504:陰極 506:噴嘴陽極 508:氣流 512:流體線路 514:高速電漿羽流 516:粒子流 518:塗層 520:物品 600:電鍍系統 602:陰極 604:陽極 606:容器 608:溶液 610:DC電源 612:塗層 700:方法 702:方塊 704:方塊 706:方塊 708:方塊 710:方塊 800A:物品 800B:物品 802:主體 804:接合層 806:區域 808:過渡區域
在隨附圖式之諸圖中藉助於實例而非藉助於限制繪示出本發明之實施例，在隨附圖式中，相同元件符號指示類似元件。應注意，在本揭示案中對「一」或「一個」實施例之不同引用不一定代表同一實施例，且此種引用意謂至少一個。
第1圖根據一些實施例描繪具有可藉由擴散接合由大體上純的金屬製造之一或更多個腔室部件的處理腔室之截面圖。
第2圖根據一些實施例描繪包括擴散接合腔室的截面圖之擴散接合系統。
第3圖根據一些實施例描繪用於執行氣溶膠沉積之沉積系統的例示性架構。
第4A圖至第4B圖根據一些實施例描繪用於執行利用高能粒子的沉積技術之機制及裝置。
第5圖根據一些實施例描繪用於噴霧沉積技術之電漿噴霧沉積裝置的示意圖。
第6圖根據一些實施例描繪用於塗覆接合層塗層之電鍍系統的示意圖。
第7圖為根據一些實施例之用於製造由大體上純的金屬組成之擴散接合物品的方法之流程圖。
第8A圖至第8B圖根據一些實施例描繪使用擴散接合由大體上純的金屬主體形成之例示性物品的截面圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
700:方法
702:方塊
704:方塊
706:方塊
708:方塊
710:方塊

Claims (20)

  1. 一種方法，包括以下步驟： 將包括一第一化學成分之一接合層塗覆至包括一第二化學成分之一第一金屬主體的一第一表面，其中該第二化學成分與該第一化學成分不同； 將具有該第二化學成分之一第二金屬主體安置成抵靠該第一金屬主體，以使得該接合層在該第一金屬主體的該第一表面與該第二金屬主體的一第二表面之間，其中該第一金屬主體及該第二金屬主體抵抗擴散接合，且其中該接合層促進該第二金屬主體擴散接合至該第一金屬主體； 加熱該第一金屬主體及該第二金屬主體； 施加壓力以使該第二金屬主體壓靠該第一金屬主體；以及 回應於該加熱及該施加壓力歷時一持續時間而在該第二金屬主體與該第一金屬主體之間產生一擴散接合。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該第一金屬主體之一純度及該第二金屬主體之一純度為99.99%或更高。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該接合層具有5 μm或更小之一厚度。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該接合層具有100 nm或更小之一厚度。
  5. 如請求項1所述之方法，其中至少該第一金屬主體之該第一表面及該第二金屬主體之該第二表面係由大體上純的鎳組成。
  6. 如請求項1所述之方法，其中塗覆該接合層之步驟包括如下步驟各者中之至少一者： 執行物理氣相沉積； 執行化學氣相沉積； 執行電鍍； 執行無電電鍍； 執行原子層沉積；或 執行離子輔助沉積。
  7. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：在塗覆該接合層之前製備該第一金屬主體之該第一表面，其中製備該第一表面之步驟包括如下步驟各者中之一或更多者： 移除有機表面污染物； 移除無機表面污染物； 研磨該第一表面；或 自該第一表面移除金屬氧化物之一層。
  8. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：在塗覆該接合層之前遮蔽該第一金屬主體之區域，其中被遮罩區域不與該擴散接合相鄰。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該第一金屬主體及該第二金屬主體被加熱至一溫度，該溫度在該第一化學成分之一絕對熔化溫度的50%與90%之間。
  10. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：在塗覆該接合層之前使該第一金屬主體成形。
  11. 一種用於一處理腔室之腔室部件，包括： 一第一大體上純的金屬主體，包括一第一化學成分； 一第二大體上純的金屬主體，包括該第一化學成分，其中該第一化學成分抵抗擴散接合；以及 在該第一金屬主體的一第一表面與該第二金屬主體的一第二表面之間的一擴散接合，其中該擴散接合包括該第一化學成分及一接合層之一第二化學成分自該第一金屬主體穿過該接合層至該第二金屬主體的一空間梯度。
  12. 如請求項11所述之腔室部件，其中該第一金屬主體之一純度為99.99%或更高。
  13. 如請求項11所述之腔室部件，其中該第一化學成分由純鎳組成。
  14. 如請求項11所述之腔室部件，其中該第二化學成分為一鎳合金。
  15. 如請求項14所述之腔室部件，其中該第二化學成分為一鎳磷合金。
  16. 一種處理腔室，包括一噴頭，該噴頭包括： 一第一大體上純的金屬主體，包括一第一化學成分； 一第二大體上純的金屬主體，包括該第一化學成分，其中該第一化學成分抵抗擴散接合；以及 在該第一金屬主體的一第一表面與該第二金屬主體的一第二表面之間的一擴散接合，其中該擴散接合包括該第一化學成分及一接合層之一第二化學成分自該第一金屬主體穿過該接合層至該第二金屬主體的一空間梯度。
  17. 如請求項16所述之處理腔室，其中該第一金屬主體之一純度為99.99%或更高。
  18. 如請求項16所述之處理腔室，其中該第一化學成分由大體上純的鎳組成。
  19. 如請求項16所述之處理腔室，其中該第二化學成分包括該第一化學成分之一合金。
  20. 如請求項19所述之處理腔室，其中該第一化學成分含有大體上純的鎳，且其中該第二化學成分包括一鎳磷合金。
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