TWI406320B - 用於連接矽部件之電漿噴塗 - Google Patents

Description

用於連接矽部件之電漿噴塗

本發明係有關於電漿噴塗。詳言之，本發明係有關於連接使用在半導體製造設備中之矽部件。

批次基材處理持續被使用在製造半導體積體電路及類似的微形結構陣列上。在批次處理中，許多矽晶圓或其它種類的基材一起被放在一處理室中的一晶圓支撐夾具上且同時被處理。目前，大多數的批次處理包括在沉積氧化物或氮化物的平坦層時或將先前沉積的層退火時或將摻質植入到既有的層中時之延長曝露在高溫下。雖然剛開始是使用水平安排的晶圓舟(boat)，但現今垂直安排的晶圓塔已被用作為該支撐固定裝置，用來支撐許多一個疊在另一個上的晶圓。

在過去，晶圓塔及晶圓舟大多數是用石英製成或有時候在高溫應用中是用碳化矽來製成。然而，石英及碳化矽在許多先進的應用中已被證明有所不足。先進的積體電路的一可被接受的良率依賴在處理環境中之一非常低的微粒及金屬污染水平。通常，石英塔在數個循環之後就會產生大量的微粒且必需被重新調整或被拋棄。又，許多處理需要在高於1000℃或甚至高於1250℃的高溫中進行處理。雖然碳化矽在如此高溫下仍可保持其強度，但石英在這樣的高溫下會下垂。然而，對於這兩種材質而言，高溫讓雜質 活化，從石英或碳化矽擴散至半導體矽晶圓中。與碳化矽有關的一些問題已經藉由利用化學氣相沉積(CVD)將該燒結的SiC塗上一層薄的SiC表面塗層來解決，其將污染物密封在下的燒結碳化矽中。此方法(雖然其很昂貴)有其本身的問題。具有特徵尺寸在0.13微米或以下的積體電路通常會失敗，因為在矽晶圓上會產生滑移缺陷(slip defect)。一般咸認滑移是在矽晶圓被支撐在由具有熱膨脹係數不同於矽的材質製成的晶圓塔上時之最初的熱處理期間發生的。

許多這些問題已藉由使用矽塔，特別是初煉多晶矽(virgin polysilicon)製成的矽塔(如揭示於Boyle等人的美國專利第6,450,346號中者，該案藉由此參照而被併於本文中)而被解決。示於第1圖中的矽塔10包括三個或更多個矽腳12，矽腳在其端部被結合至兩個矽基座14。每一腳12都被切出有槽道用以形成向內突伸出的齒16，其向上傾斜幾度且具有在靠近它們的內尖端處具有水平的支撐表面18。複數片晶圓22，只有一片被示出，以平行水平的方式沿著塔10的軸被支撐在該等支撐表面18上。對於非常高溫的處理而言，有四支腳12及支撐表面18被安排成在離中心的0.707晶圓半徑處的方形圖案。一晶舟具有大致相同的結構，只是兩基座被建構在一側用以支撐該被水平地安排的晶舟。晶圓在槽道的底部及在齒的尖部都被支撐成偏離垂直幾度。

如果腳12是由初煉多晶矽加工而成的話則可獲得絕 佳的結果，初煉多晶矽為用矽烷(SiH₄ )或氯矽烷(SiClH₃ ，SiCl₂ H₂ ，SiCl₃ H，或SiCl₄ )作為先趨物的化學氣相沉積所形成的大塊矽。初煉多晶矽為形成為數公分的錠塊的先趨物材料，其被用來供矽錠的Czochralski生長之用。其具有一極低水平的雜質。雖然初煉多晶矽對於基座14而言是較佳的材質，但這麼大尺寸的初煉多晶矽並不是經常可獲得的。Czochralski矽可被用來供基座14之用。其較高的雜質水平是較不重要的，因為基座14並不與晶圓22接觸。

製造一矽塔或晶舟，特別是不用初煉多晶矽，需要數個分離的步驟，其中一個步驟為將加工過的腳12與基座14相連接。如第2圖所示的，每一基座14上被形成有非圓形的未穿通的榫接孔24與腳12的端部26相對應且比其稍大。Boyle等人喜歡使用一旋塗玻璃(SOG)其已用酒精或類此者將其弄薄。該SOG被施用到將被結合的兩構件的接合區上。該等構件被組立，然後在600℃或更高的溫度下被退火用以將位在構件之間的接縫內的SOG玻璃化。

SOG被廣泛地使用在半導體工業中用來形成薄的層間介電層，使得其相對便宜且有相當高的純度。SOG為被廣泛地使用在半導體製造中用以製造形成矽酸鹽玻璃層於積體電路上之化學物的一個總稱。商業上的供應者包括Allied Signal,Filmtronics of Butler,Pennsylvania,及Dow Corning。SOG先趨物包括一或多種含有矽及氧以及氫及其它構成物之化學物。此先趨物的一個例子為四乙氧基矽(TEOS)或其變異物或一有機矽烷，如矽氧烷或矽倍半 氧烷。在此例子中，SOG不包含硼或磷是較佳的。含有矽及氧的化學物被溶解在一可蒸發的載體中，如酒精、甲基異丁基酮、或揮發性甲基矽氧烷摻合物。該SOG先趨物的作用如二氧化矽橋接劑一般，因為該先趨物化學地反應，特別是在高溫下，用以形成一具有SiO2的近似組成之二氧化矽網狀物。

Boyle在2003年4月23日提申的美國臨時申請案第60/465,021號中揭示了SOG連接方法的改良，該案內容藉由此參照而被併於本文中。在此方法中，矽粉末被添加至液態SOG先趨物中用以形成泥漿。萜品醇被添加用以減慢固化時間。該粉末最好是具有一介於1至50微米之間的微粒大小且是從初煉多晶矽製備的。該泥漿黏合劑在組立之前被施用到該接合點上且被硬化，與純的SOG黏合劑類似形成二氧化矽/多晶矽矩陣，該多晶矽比例典型地為85%或更高。該改良的SOG/多晶矽黏合劑被認為是比純的SOG黏合劑強且包含一低很多之二氧化矽比例，因而降低了污染問題。然而，一定數量的二氧化矽仍留著，因而只是降低並非是消除污染且該接合點有溶解在HF中的傾向。

兩個將被連接的矽構件被一間隙隔開，該間隙具有約50微米(2米爾)的厚度。該間隙的厚度代表腳12的端部26被嵌設到該榫接孔24中時，腳12與基座14之間的一平均距離。該間隙厚度無法被輕易地進一步縮小，因為形成如此複雜的形狀所需要的加工及因為必需要損失一些組立好的構件用以達到支撐表面與其它零件之間的精準對 齊。一液態SOG先趨物或SOG/矽粉末混合物的塗層在兩個構件12，14被組立之前被施加到至少一匹配表面上，使得該具有矽粉末的SOG先趨物會填入到第3圖中的間隙34中。在高於600℃下的硬化及玻璃化退火之後，該具有矽粉末的SOG先趨物改變為一具有矽酸鹽玻璃的結構的固體，該矽酸鹽玻璃結構為矽及氧原子及它們的鍵結的三維網絡，且非必要地形成較大比例之嵌埋的矽結晶的一矩陣。

用此方法製造的矽塔及晶舟在數個應用中可提供絕佳的性能。然而，該被黏合的結構，特別是黏合材料，仍有可能被污染。在矽塔的使用或清潔期間所經歷之極高的溫度，有時超過1300℃，會讓污染情況惡化。一可能的污染源為用來填充介於將被連接之構件之間的接合點之大量的SOG。典型地被使用在半導體製造中之矽氧烷SOG在約400℃下被硬化且得到的玻璃通常不會被曝露在高溫氯中。然而，非常高的溫度極有可能抽出在SOG中的污染物。該SOG/矽混合物可降低SOG的量但並無法消除它。

某些積體電路製造設備要求定期在氫氟酸(HF)中清潔矽塔。然而，二氧化矽會被HF侵蝕使得用SOG黏合的塔在HF清潔之後會崩塌。

矽塔必需要在約25微米的對準精度下被組立才能夠在支撐晶圓時搖動。在構件黏合完成之前需要使用到大型的機械式夾具來對準一被組立的塔的構件。一SOG黏合劑在保持對準上有兩項製造上的難題。典型地，該旋塗 (spin-on)在室溫下於一小時內即會部分地硬化。硬化時間可藉由用酒精或類此者稀釋市面上可購得的SOG先趨物來加以延長。然而，只有約一小時的時間來將SOG施用到將被連接的構件上，來組立構件，及來將構件對準於夾具內。雖然如此快速的製造是可能的，但只預留很小的彈性給錯誤或預期不到的延遲及工作排程。又，該對準在該旋塗玻璃600℃，甚至是高達1200℃的最終硬化期間應被保持。其結果為對準夾具應支撐在退火爐中的矽塔。因此，對準可在一冷卻的爐中被實施(該爐之後才被升溫至硬化溫度)，或是該夾具及其所支撐的組立塔可被插入到一爐子中(該爐子被保持在一高溫狀態)。將該夾具及其所支撐的塔放入到一退火爐中是可能的，但此一處理並不方便且產出率低。

在美國專利第6,284,997號中，Zehavi等人揭示了一種將矽構件焊接在一起的方法，藉此避免使用SOG及/或一SOG/矽粉末混合，並可避免掉它們可能的缺點。然而，Zehavi等人提出，裂痕只能藉由在焊接步驟將焊接縫的局部區域加熱至高於矽的熔點1416℃之前，將矽構件預熱到至少600℃的溫度才能被避免掉。該焊接方法已被證明在製造無裂痕焊接及無污染上是成功的。然而，焊接600℃構件是一困難且令人討厭的處理。又，該600℃預熱需要在構件被保持在該對準夾具中來實施。因此，熂焊接是可能的，但有其缺點。

Siemens等人在美國專利第5,070,228號中揭示了使用 電漿噴塗來連接由由限數量的特定反應性金屬組成的部件。該方法對於複雜結構的應用性有限且需要使用一複雜的設備將部件放在一非反應性的環境下預熱。

兩個矽部件，特別是矽結構構件，可藉由電漿噴塗矽或其它沉積液體矽的液滴或矽蒸氣至介於將被組立的部件之間的接縫上而被連接。該被噴塗的矽塗層將兩個矽構件黏合在一起。

電漿噴塗可包括將矽粉末射入到一氣態電漿中及將該氣體流導至該接縫。

該方法可被應用到包括環及管在內之許多種類的矽結構的製造上。其在製造一由矽基座與帶有用來支撐複數片晶圓的齒之矽腳的矽塔上特別有利的。

在與該接縫相鄰的一或兩個構件上可切出斜面。斜面可以是圓錐型的切面形式。

旋塗玻璃(SOG)或SOG與矽粉末的混合物在被會退火形成一矽酸鹽玻璃之後可被用作為構件之間的主要黏合劑，在此例子中，該被噴塗的矽將底下的旋塗玻璃密封起來。其它的主要黏合劑可被取代。

一第一構件可被放入到一形成在該第二構件上的榫接孔中，藉以形成兩個構件的主表面，其在接縫處正交。該榫接孔為盲孔(未穿通的孔)。更佳地，該榫接孔延伸穿過該第二構件，及矽層在該榫接孔的兩端被電漿噴塗用以在 沿著該第一構件的軸隔開來的位置處將兩個構件黏合在一起。

小型的矽平頭釘可被電漿噴塗用以暫時地將構件黏在一起，以容許該結構在一種的黏合層的最終電漿噴塗或一旋塗玻璃黏合劑的退火之前從一對準夾具上取下。

在矽上的裂痕可藉由將矽電漿噴塗至該裂痕中來加以修補，最好是在該裂痕已被加工成為一較規則的形狀之後。

橫跨將兩個並列的矽部件隔開來的接縫之電漿噴塗的矽已被展示，用以形成一強固地黏合至這兩個部件的矽層，即使是在黏合期間這兩個部件被保持在一個比矽的熔點低許多的溫度下亦然。該噴塗的矽塗層可被用來密封一底下的旋塗玻璃(SOG)或SOG/矽混合物黏合劑，或該噴塗的矽塗層可被用作為部件之間的主要黏合。或者，一被噴塗到該接合點的一較小的區域上的矽層可被用作為一類似平頭釘或點焊之平頭釘，用以暫時將兩個部件維持在一起。

雖然本發明可被應用到其它的矽部件及結構上，但下面的討論將使用矽晶圓塔為例子。將一矽晶圓舟的部件連接起來的處理是極為相似的。此等結構是由包含在大型的矽構件中之矽結構構件所形成，其提供該結構的主要機械支撐。在組立及連接之前，該等矽構件是自由站立的。如第3圖的剖面圖所示的，一未穿通的榫接孔30(其典型地為非圓形的形狀)被加工形成在一矽基座32上。然而，一 切角34被形成在該基座32位在該孔30的頂端處。切角34最好是具有一相對基座的頂面的角度，其係介於20度至60度之間，最好是45度。雖然其它形狀的斜面可被用來取代一切角相對於兩個與該接縫相鄰的構件的圓錐形的斜面，但通常一直的切角就可以了。相同的結構被形成在該塔的基座的所有的榫接孔上。

然後，以一腳36的每一端嵌設到各自的榫接孔30中，如第4圖的剖面圖所示，來組立該塔。腳36的端部比榫接孔30稍小用以形成一間隙38，其可讓插入較容易且可容許有限度的對齊彈性。間隙38(其典型地約50至100微米寬)與腳36一起被示出。在腳36及基座32被對準之後，其形狀對於容納該對準而言是較不規則的。圖中顯示，腳36幾乎填入到榫接孔30的底部，但如果需要的話在該處可留下一大的空間。

在一實施例中，該液體SOG或該SOG與矽粉末的泥漿在把該將被結合的一或兩個部件組立之前被施用。用以形成一黏合區40於被組立的部件之間，如第5圖的剖面圖所示。在組立之後，一對準夾具將塔對準至晶圓支撐塔所要求的約20至50微米的公差。在該塔被對準之後，塔及夾具被移至一退火爐中用以將在黏合區40中的SOG在高於1300℃的溫度下硬化。其它的黏合劑及硬化處理亦可被使用，如果該黏合劑可被該電漿噴塗的矽所密封的話。或者，該塔可被對準至一位在該冷卻的爐中的夾具，之後該爐子被升溫所需要的退火溫度。

在黏合劑硬化之後，該被黏合且剛硬的塔從該爐子及夾具中被移出。腳36及基座32之遠離接合點的部分被鉬膜所遮蔽。矽的低溫電漿噴塗接著被實施，用以沉積一相對厚的矽層44，如第6圖所示，其填補該切角34並與基座32之平面的主表面及腳36之柱狀形(經常是非圓形的)的主表面相接觸。這兩個主表面彼此相正交。矽層44的厚度最好是至少1/32”(0.8mm)，雖然內層可在某些情形中被使用。非必要地，如第7圖的剖面圖所示的，矽層44可被拋光研磨用以形成一光滑的環圈46其幾乎沒有突伸超出該切角34外。

該矽層44或該環圈46有兩個作用，其提供額外的機械強度給該接合點並且將矽底下的黏合劑40密封起來。雖然對於本發明而言並非是精華所在，但切面或斜面34在提高機械強度及將黏合劑壓抑在最終表面底下上是有用的。

在本發明的第二實施例中，黏合劑被施用至將被連接的區域上，且該塔被組立及被用夾具固定。然而，在黏合劑與仍和該夾具對準之該塔一起被退火之前，如第8圖的剖面圖所示，一小型的矽平頭釘48被電漿噴塗至該切角34的一小腳度的部分中。該平頭釘48的作用與一平頭釘或一點焊相類似，在基座32與腳36之間形成一面積的接觸，用以暫時地將它們黏合在一起。一電漿噴塗的平頭釘相類似地將每一腳36的每一端連接到各自的基座32上。平頭釘48提供足夠的機械強度可在該塔從該夾具上取下時保持對準，如果小心移動不震動該塔的話。該被去除夾 具但仍被連結的塔被移至該退火爐中進行黏合劑的退火。該塔然後從該爐子中被移出，其接合點被遮罩，且該矽層44如第8圖的剖面圖所示的被電漿噴塗用以完全填滿該切角34。此實施例省掉了將該塔用夾具固定在該退火爐中的處理。

在第三實施例中，沒有使用黏合劑，而該被噴塗的矽層提供接合點主要的黏合。如果需要的話，該平頭釘可在該結構位在該對準夾具中時被電漿噴塗且該最終的電漿噴塗是在該結構從該夾具上被取下時實施的。因為該未穿通的榫接孔的關係，該矽層44只被噴塗在該腳36的一相對窄的軸向延伸上。其結果為，該接合點的機械強度被降低。這對於晶圓塔而言可能不足，但對於遇到的衝擊小很多的其它矽結構而言，此有限的黏合區亦能提供足夠的強度。

電漿噴塗可與一穿通的榫接孔一起使用，用以在無需黏合劑下提供一強韌的連接。如第10圖的剖面圖所示，一穿通的榫接孔50被形成在該矽基座32上。上及下切角52，54被形成在該榫接孔50的相反端上。如第11圖所示的，矽腳36被插入穿過該榫接孔50，使得一間隙56被流在腳36與基座32之間。該腳36的一軸面58的該軸向位置應靠近該基座32的平面的底面60，但可在該底面的稍微上方或下方。此最終位置與最終的對準有關。如第12圖所示的，一矽環圈64被電漿噴塗在該基座32的一側上用以填補該上切角52及用以將基座32黏合至角36的側邊上。一矽蓋66被電漿噴塗到該基座32的另一側上用以覆 蓋該腳36的軸面58及側邊部分，並填補下切角54及該基座32的底面60的平面部分。

將位在榫接孔50的相反端上之腳36的部分黏合起來的這兩個電漿噴塗層64，66可在無需任合黏合劑下提供一強軔的結合。然而，如果需要的話，黏合劑可在組立之前被施用到部件上用以填入該間隙56中。額外的黏合劑會特別有用，如果該結構是意被使用在一真空室中以防止經過該電漿噴塗的矽的實質滲漏。

如果需要的話，可進一步加工將表面平滑化，如第13圖所示。環圈64可被拋光用以形成一幾乎不突伸超出該切角52的環圈82。該矽蓋66及腳36的端部可被拋光用以形成一底部環圈80。如果第12圖的腳面58的底部在基座的底面60的背面上是下陷的話，則在研磨之後，該矽蓋66的一部分會伸出橫越該底部環圈80的中心。該平滑的底部表面在下基座上是特別需要的，用以提供一平滑的支撐表面。

暫時的矽平頭釘可被電漿噴塗在該榫接孔50的一端上用以容許該塔較早從該對準夾具上取下。每一榫接孔50只需要有一個平頭釘。

如先前提到的，本發明可被應用到除了晶圓支撐塔以外的矽結構上。在形成大型矽環的應用上是特別有用的。一個環的例子為被示於第14圖的剖面圖中之遮蔽環90。該遮蔽環90被設置在一矽晶圓的周圍用來保護它的邊緣不會被濺鍍黏到支撐該晶圓的托盤上且亦可保護托盤不會 被塗敷。該遮蔽環具有一複雜的環圈形狀，有一突出物92稍微外突到該晶圓的周邊之外。一第一向下的突起94將該遮蔽環90支撐在該托盤上。一第二向下的突起96具有一擋板的作用且可在晶圓的輸送期間將該遮蔽環90舉離該托盤。對於濺鍍300mm的晶圓而言，該遮蔽環90可具有一高達450mm的直徑。遮蔽環90的較佳材質為矽，因為矽的污染性低起其具有與矽晶圓相同的熱膨脹係數。大片的空白矽可被用來形成一整體的遮蔽環，但相對昂貴，且在該中央孔從一單一的空白片上被去除掉時會造成大量矽被浪費掉。

本發明可用數片較小的矽片段黏結成為一圓圈來輕易地製造出大型的矽環。一單一切角的片段100被示於第15圖的立體圖中。其為一大致矩形的構件，具有一上表面102及一沒有被示出之平行的下表面，一內表面104及一沒有被示出的背面。然而，該構件具有一第一平的端表面106及一第二平的端表面108，它們相對於一環半徑彼此偏移(offset)且它們兩者中的至少一者是沒有與正面104直交的。該角度偏移量與用來形成該環圈的片段100的數量(N)有關。大體上，偏移量為360度/N。又，一第一上切角110被形成在該第一端表面106與該上表面102之間，且一未被示出的第一下切角則被形成在第一端表面106與下表面之間。相類似地，一第一上切角112及未被示出的第二下切角是被形成在該片段100的另一軸端上與該第二端表面108相鄰。

一示於第16圖中之雙切角片段114額外地具有一第一內切角116及一相應的外切角，其分別形成在該第一端表面106與該內表面104及外表面之間。相類似地，一第二內切角118及一相應的外切角分別被形成在第二端表面108與正面104及背面之間。外切角可被消除掉，如果該片段114稍後會被圓圈化，因為這些外切角在圓形加工時會被研磨掉。

該環圈的製造將以單切角的片段100為例來加以說明，但幾乎相同的處理可被使用到該雙切角的片段102上。如在第17圖的平面圖及第18圖的端視圖上所示的，N個片段102(只有兩個片段100a，100b被示出)被安排且被對齊在一夾具中用以形成一閉合的圓圈，其中一片段100b的第一端106與相鄰的片段100a的第二端面108相抵接。雖然該環圈可由任何整數數量的片段來形成，但至少要有四個且最好是六個片段，用以減少矽被浪費掉的數量。該上切角110，112形成一V型的凹陷於該環圈的一側上，且該下切角120，122則形成另一V型的凹陷於該環圈的另一側上。

如第19圖的平面圖及第20圖的端視圖所示的，一上矽層124被電漿噴塗在該環圈的頂端的介於兩個片段100a，100b的接合點處，用以填補上切角110，112並接觸上表面102的平面部分。相類似地，下矽層126被電漿噴塗在該環圈的底部上用以填補下切角120，122並與該下表面的平面部分相接觸。藉此，兩個矽層124，126黏合至 片端110a，110b並將它們永久結合在一起。相類似地，矽層被電漿噴塗在其它的N-1接合點上用以形成一示於第21圖中之多邊形環圈128，其被安排在一中心軸的周圍並具有一孔沿著該中心軸延伸。矽層124，126可被研磨用以將該環圈的上及下面便平坦化。然而，該平滑化可與將該環圈圓圈化所需的加工相結合用以製造所想要的剖面，如第14圖所示的遮蔽環90。該矽的圓圈化及浪費可被最小化，如果片段100是從空白矽上以圓弧形被切割下來且具有一等於該所想要的環圈的曲率相同的曲率的話。

非必要地，黏合劑可在組立之前被施用到端面108，106之間且在最終的矽電漿噴塗之前被硬化。如果環圈90是要被使用在真空室中的話，則該黏合劑可減少從矽層124，126之間的小接點空隙漏出來的洩漏。

其它種類的矽環，如夾環，電漿環，在快速熱處理(RTP)中濺鍍晶圓之細縫環，及托盤緣都可用相通的方式來製造。

類似的技術可被用來形成大型的管狀體，如爐子及反應器襯裡及使用筒形橫木(stave)的反應器真空室壁。Boyle等人描述了橫木技術於前述的專利中，但其係使用SOG黏合劑作為主要黏合劑。一示於第22圖的剖面圖中之橫木130被加工成為一被截頭的楔形物，其延伸一段與該圖的平面垂直的距離。該橫木130具有一內表面132及一平行的外表面134。該第一及第二側面136，138彼此偏移且它們兩者中的至少一者沒有與內及外表面132，134直交。內切角140，142分別被形成在該內表面132與側面136，138 之間。相類似地，外切角144，146分別被形成在該外表面134與側面136，138之間。為了要方便對準，一舌件143被形成在該第一測面136上且一相應的溝槽144被形成在該第二側面138上。所有這些結構特徵最好是軸向地沿著該橫木130的整個軸向長度延伸，該長度對應於該最終的管件的長度。橫木130的切角140，142對應於第16圖中的雙切角片段114的切角116，118，且橫木130對於片段的切角110，112的求要少很多。

介於兩個側面136，138之間的角度偏移與用來形成一閉合的環圈的橫木130的數量(N)有關。一夾具將N個橫木130以側邊對側邊相接的方式對齊成為一圓圈。兩個這種橫木130a，130b(雖然沒有舌件及溝槽)被示於第23圖的剖面圖及第24圖的端視圖中，其中一橫木130b的第一側面136與另一橫木130a的第二側面相接。如在第25圖的剖面圖及在第26圖的軸向端視圖中所示的，電漿噴塗被用來沉積一填充內切角140，142的軸向延伸的內矽層150，及一相應之軸向延伸的外矽層152其填充外切角146，148。如果使用平頭釘的話，應有兩個平頭釘被沉積在每一接合點的軸向相反端上。一多邊形的管件154被示於第27圖的剖面圖中，其可被安排在一包含該軸的孔洞的中心軸周圍。內及外表面可依所需而被圓形化或平滑化。如果管件154是要被使用在一真空壁上的話，則黏合劑應被施用在橫木130之間且在最終的電漿噴塗之前被硬化。如果有需要的話，一相當厚度的矽層可被電漿噴塗在內表面或外 表面或兩個表面上，用以形成連續的電漿噴塗矽層，其之後可被圓形化。

本發明不只可被用來製造矽結構，還可被用來修理矽構件，即使是矽構件已被組成為一複雜的結構亦然。示於第1圖中的塔10在其製造時需要相當昂貴的成本。特別是，腳12的製造相當昂貴，因為矽是一易碎的耐火材料而不是一可延展的金屬且其加工特性可被描述為，形成每一溝槽都需要碾模無數的小切口來達成。當該塔或晶舟被用來處理晶圓時，在退火期間的反覆溫度循環之後，一裂痕160，如第28圖的立體圖所示者，被形成在構成該塔的一部分之矽構件162上。裂痕似乎大部分都發生在基座上。通常，裂痕一開始都出現在介於構件162的兩個面164，166之間的角落處。裂痕會沿著兩個表面164，166擴大一段短的距離然後停止變大。裂痕的成因並不清楚，且即使是有少數裂痕160出現在該塔上，塔亦能夠被使用無虞。然而，裂痕卻會成為一污染源。又，在連續使用時會存在著該等裂痕會擴大或結合到某種程度而讓整個塔在一處理運轉期間塌毀，而無可避免地傷及珍貴的晶圓。類似的表面陷為小型的淺薄屑片，其係形成在平面表面的角落處。

藉由使用電漿噴塗，裂痕160可被修復，且該塔或其它結構可被送回到生產線上。相同的技術可被用來修理晶片。如第29圖所示的，構件162的裂痕160所在的區域施工，用以形成一具有更開放的深寬比，最好是具有斜的側邊，之更為規則的孔168。一研磨機或一鑽研機可被用來 實施此加工。或者，一Dremel工具可被手動地操作用以實施所需要之有限的加工處理。如第30圖的立體圖所示的，矽被電漿噴塗到面164，166兩者上，用以形成一連續的矽層170，其可填補該被加工的孔168並延伸到包圍該孔168的原始表面之上。如果需要的話，面164，166兩者可如第31圖所示地被拋光研磨用以將該矽層170限制在該被加工的孔168的體積內，來形成一被平坦化的矽層172，其中直交的表面與兩個構件表面164，166齊平。如果裂痕160只出現在該等矽構件的一個面上且修理只侷限再該面上的話，則會依循上面所述的處理來實施修理。如果裂痕160太靠近該結構的其它構件的話，則修理可在不拆解該結構下實施。又，一尚未組立的矽構件亦有可能需要裂痕修補的處理。

第1圖所示的矽塔目前包括由兩種矽所組成的構件。腳12是由初煉多晶矽組成，其表現出一極高的純度，藉以降低被支撐在腳的齒16上之晶圓22在高溫處理期間的污染。初煉多晶矽的加工需要實施上文中提到之Boyle等人的專利所揭示的預退火處理。在另一方面，基座14目前是由Czochralski矽或鑄造的多晶矽所組成，因為其所需要之大型的矽空白片目前尚無法以初煉多晶矽形式獲得。Czochralski矽目前在市面上可以300mm直徑的碇塊形式被獲得且為了特殊用途有時還了以更大。或者，本發明的電漿噴塗可被用來將數個相當窄的矩形初煉多晶矽板黏合在一起，其然後被加工成為一具有所想要的形狀之基座。

本發明的電漿噴塗可被用來連接任何種類的矽組合。其它種類的矽亦可被使用，例如，單晶Czochralski矽或鑄造或擠製的矽，後者特別可以薄平板片的形式被獲得。目前最流行之矽的電漿噴塗種類為使用一矽粉末，其具有15至45微米的直徑，其被搭載在該電漿內且被液體化。矽粉末從Cerac購得，其具有至少六個9s的純度。純度高許多之初煉多晶矽粉末可從MEMC購得，但此一純度對於在高溫處理期間遠離晶圓支撐區的部件而言是不需要的。即使本發明對於用一矽黏合來連接矽結構而言是特別有用，但本發明並不侷限於此且可被施用到純度較低的的構件上。為了本發明的目的，除非有特定的其它說明，否則矽在本發明中包括包高於1%重量百分比的摻質或其它的污染物或雜質。

本發明中所使用到的電漿噴塗一詞使用一電漿或其它高溫電弧來造成一粉末形式的物質被射入到該被液化的且可能被蒸氣化的電漿中。所得到的液滴或受限制的物質蒸氣被導引朝向該將被電漿噴塗的工件上。該物質流體，不論是液滴或蒸氣，會撞擊該工件並立即冷卻且在基材表面上轉變為固體形式，藉以塗覆該工件。典型地，該粉末被搭載在一氬氣流中，其被激勵成為一與該噴塗噴嘴相鄰的電漿。電漿噴塗與電弧焊接或切割不同，其中一非常高溫的電漿電弧延伸至該工件並重工件材質熔化。典型地，該工件被接地用以形成焊接電弧的一個電極。相反地，電漿噴塗可以一低溫操作來實施，其中該大塊的工件被保持在 一不高於200℃的溫度，雖然有些情形中工件會被保持在一高達500℃的溫度下。使用一固體電線差入到該電漿或電弧中作為物質來源是可能的。然而，這仍與電弧焊接不同，因為焊料棒與工件不會形成一共同的熔化物。典型地，為了要防止物質流體及凝結的蒸氣被氧化，只要的噴塗噴嘴被包覆在一鈍態氣體的同軸護罩中。

雖然電漿噴塗提供的低工件溫度是其一項優點，但在上文中提及的Zehavi等人的專利揭示了裂痕可藉由在焊接期間將矽工件保持在至少600℃及甚至是800℃的溫度下而被避免掉的焊接操作。所以，在某些情況中矽的電漿噴塗亦可藉由讓工件溫度保持在600℃以上而受惠。

其它的沉積方法可被用來沉積該矽層用來黏合兩個構件。然而，電漿噴塗為一有彈性，易於使用的處理，其可被實施在一機械修理工廠的環境中。

電漿噴塗用以結合在一晶圓塔結構中的矽部件的技術已在發明人的指導下由設在美國紐澤西州South Plainfield的A&A公司所證實。位在美國科羅拉多州的Longmont的Ionic Fusion公司亦實施低溫電漿噴塗。電漿噴塗噴嘴可從英屬哥倫比亞的Northwest Mettech購得。他們的噴嘴包含用於電漿的陰極與陽極。

該將被電漿噴塗的矽工件的表面應不含氧或其它污染物且在矽上之本來的氧太薄而不會造成問題。最好是，工件先被清潔過。被噴塗的矽對於矽工件的黏性可藉由先用高純度石英來對工件實施球珠噴砂用以在工件表面上形成 凹坑與裂痕而獲得改善。此種微型的粗糙化可提高被沉積的矽層的黏性。

低溫電漿噴塗的矽可用肉眼看出來。首先，如果該被噴塗的矽層與矽基材被分段的話，則一明顯的接縫會將這兩個矽部分分隔開來。在一高倍率的光學顯微鏡下，該電漿噴塗的矽顯示出具有一有斑點的表面與柳橙皮的表面類似。此結構可藉由用Sirtl來處理該表面而被加強，該Sirtl為氫氟酸，硝酸，醋酸及添加了銅的混合物。相反地，Czochralski多晶矽顯示出一正常地對齊的微結晶結構，鑄造的多晶矽顯示出一較參差不齊的結構其具具有大小約3至6mm之隨意排列的結晶，初煉多晶矽顯示出一樹突狀的多晶型結構從該生長種晶延伸出，及該Czochralski單晶型矽則看起來像一面鏡子。

因此，本發明允許矽部件，特別是非常高純度的矽部件，被連結形成一具有高強度但表現出非常低的雜質水平的結構。該方法使用一般可獲得的材料且可被輕易且經濟地實施。

10‧‧‧晶圓塔

12‧‧‧腳

14‧‧‧矽基座

16‧‧‧齒

18‧‧‧支撐表面

20‧‧‧內尖端

22‧‧‧晶圓

24‧‧‧未穿通的榫接孔

26‧‧‧端部

30‧‧‧未穿通的榫接孔

32‧‧‧矽基座

34‧‧‧切角

36‧‧‧腳

38‧‧‧間隙

40‧‧‧黏合區

42‧‧‧矽層

44‧‧‧矽層

46‧‧‧環圈

48‧‧‧矽平頭釘

50‧‧‧穿通的榫接孔

52‧‧‧上切角

54‧‧‧下切角

56‧‧‧間隙

58‧‧‧軸面

60‧‧‧底面

64‧‧‧矽環圈

66‧‧‧矽蓋

80‧‧‧底部環圈

90‧‧‧遮蔽環

92‧‧‧突出物

94‧‧‧第一向下的突起

96‧‧‧第二向下突起

100‧‧‧單切角片段

102‧‧‧上表面

104‧‧‧內表面

106‧‧‧第一平的端面

108‧‧‧第二平的端表面

110‧‧‧第一上切角

112‧‧‧第二上切角

114‧‧‧雙切角片段

116‧‧‧第一內切角

118‧‧‧第二內切角

102‧‧‧雙切角片段

100a,100b‧‧‧片段

120‧‧‧下切角

122‧‧‧下切角

124‧‧‧上矽層

126‧‧‧下矽層

130‧‧‧橫木

132‧‧‧內表面

134‧‧‧外表面

136‧‧‧第一側面

138‧‧‧第二側面

140,142‧‧‧內切角

146,148‧‧‧外切角

130a,130b‧‧‧橫木

150‧‧‧內矽層

152‧‧‧外矽層

144‧‧‧溝槽

154‧‧‧多邊形管件

160‧‧‧裂痕

162‧‧‧矽構件

164,166‧‧‧表面

168‧‧‧孔

170‧‧‧矽層

第1圖為一矽晶圓塔的立體圖。

第2圖為該塔的兩個構件的立體圖，其顯示它們是如何被連接的。

第3圖為在一矽基座上之被切角的未穿通的榫接孔的剖面圖。

第4圖為一剖面圖，其顯示一矽腳被插入到第3圖的榫接孔中。

第5圖為一剖面圖，其顯示電漿噴塗的矽層將腳黏合到基座上。

第6圖為相應於第5圖之部分剖面的平面圖。

第7圖為一剖面圖，其顯示在該接合點周圍將被平滑化的矽層。

第8圖為一剖面圖，其顯示一矽平頭釘暫時地將該矽腳連接至該基座上。

第9圖為一剖面圖，其顯示該平頭釘被該電漿噴塗的矽層所覆蓋。

第10圖為一剖面圖，其顯示在該矽基座上的一被切角的穿通榫接孔。

第11圖為一剖面圖，其顯示該矽腳被插穿過該榫接孔。

第12圖為為一剖面圖，其顯示兩層電漿噴塗的矽層將該腳黏合至該基座。

第13圖為一剖面圖，其顯示最後的碾磨用以讓該矽接點平滑。

第14圖為一傳統的遮蔽環的剖面圖。

第15圖為用來形成一環之單切角的矽片段的剖面圖。

第16圖為用來形成一環之一雙切角的矽片段的剖面圖。

第17圖為第15圖的兩個片段相抵接以形成該環時的 一平面圖。

第18圖為對應第17圖的徑向端視圖。

第19及20圖為在接合點已用兩個電漿噴塗的矽層黏合之後之分別為對應第17及18圖的平面及端視圖。

第21圖為第17及18圖的黏合片段所構成的多邊形圈的平面圖。

第22圖為用來形成一矽管之一矽橫木的軸端的平面圖。

第23圖為一平面圖，其顯示兩個第22圖所示的矽橫木相抵接形成一環。

第24圖為對應於第23圖的徑向端視圖。

第25圖及26圖為分別對應第23及24圖的平面及端視圖，其顯示兩層電漿噴塗的矽層將兩個相鄰的橫木連接在一起。

第27圖為黏合的矽橫木所構成的多邊形環的軸端平面圖。

第28圖為在一矽構件上的裂痕的立體圖。

第29圖為第28圖中的裂痕在被加工成為一較大且較規則的形狀的裂痕的立體圖。

第30圖為一填入到該裂痕中之一電漿噴塗的矽層的立體圖。

第31圖為第30圖的矽層被平滑研磨之後的立體圖。

30‧‧‧未穿透的榫接孔

32‧‧‧基座

34‧‧‧切面

36‧‧‧腳

40‧‧‧黏著區

44‧‧‧矽層

Claims (12)

1. 一種連接兩矽部件的方法，至少包含：將矽電漿噴塗橫跨一將該兩矽部件分隔開來的接縫，用以形成一塗層於該兩矽部件之相鄰的表面區域上，其中該等矽部件在該電漿噴塗步驟過程中並列且由該接縫所分隔，且其中該電漿噴塗步驟塗覆矽至該等矽部件的兩者上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電漿噴塗步驟在大氣壓力下執行。
3. 如申請專利範圍第1或2項任一者所述之方法，其中該等部件與該接縫相鄰的部分被保持在一不高於500℃的溫度下。
4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該溫度不高於200℃。
5. 如申請專利範圍第1或2項任一者所述之方法，其中該電漿噴塗步驟包括將矽粉末射入到一氣體的電漿中。
6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該粉末包含直徑範圍在15至45微米內的顆粒。
7. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該粉末包含初 煉(virgin)多晶矽顆粒。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該兩部件的主要表面在該接縫處彼此直交。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中一斜面被形成在該二部件中的至少一者上之與該接縫相鄰處。
10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該兩部件中的另一者並沒有一斜面與該接縫相鄰。
11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中一斜面被形成在該二部件中的至少一者上之與該接縫相鄰處。
12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中一孔穿過該二部件中的一第一部件且該二部件中的第二部件被設置在該孔內，及其中該電漿噴塗步驟形成各自的矽層使位在該孔的相反端上的該第一及第二部件相接觸。