JP6382295B2 - Multi-zone heater - Google Patents
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Description
本発明は、半導体加工で使用されるヒータに関し、より具体的には複数のヒータゾーンを備えたヒータ及びそのゾーンをモニタするための熱電対に関する。 The present invention relates to a heater used in semiconductor processing, and more particularly to a heater having a plurality of heater zones and a thermocouple for monitoring the zones.
半導体製造において、シリコン基板(ウェハ)は、数多くの異なる材料を蒸着するために高温で処理される。温度は通常300−550℃の範囲に及ぶが、時には750℃あるいはそれ以上の高温になる場合がある。蒸着された材料は、ウェハ表面上の層で「成長」する。これらの材料の多くは極めて温度に敏感な成長速度を有しているため、ウェハ内の温度変動は薄膜の局所的な成長速度に影響を与えて、ウェハ内の成膜時の膜厚変動を引き起こすことがある。 In semiconductor manufacturing, silicon substrates (wafers) are processed at high temperatures to deposit a number of different materials. Temperatures typically range from 300-550 ° C, but can sometimes be as high as 750 ° C or higher. The deposited material “grows” in layers on the wafer surface. Many of these materials have extremely high temperature-sensitive growth rates, so temperature fluctuations within the wafer affect the local growth rate of the thin film, resulting in film thickness fluctuations during film deposition within the wafer. May cause.
蒸着される薄膜の厚み変動を制御することが望まれている。ウェハ中心でより厚い(ドーム状の)薄膜を有することが望まれる場合がある。端部でより厚い(クレーター又はディンプル状の)薄膜を有することが望まれる場合がある。可能な限り均一な(数十オングストローム以内の)膜厚を有することが望まれる場合がある。 It is desired to control the thickness variation of the deposited thin film. It may be desirable to have a thicker (dome-shaped) film at the wafer center. It may be desirable to have a thicker (crater or dimple-like) film at the edges. It may be desirable to have a film thickness that is as uniform as possible (within tens of angstroms).
ウェハの温度、従って成膜直後の膜厚のプロファイルを制御するための最も直接的な方法の1つは、ウェハをヒータ上に置くことである。ウェハ上に所望の温度プロファイルを作り出す特定のワット密度「マップ」を備えるヒータを設計することにより、所望の膜厚プロファイルを作り出すことができる。ウェハ上の高温が望まれる位置では下部にあるヒータのワット密度を増大させ、低温が望まれる位置では減少させる。 One of the most direct ways to control the temperature of the wafer, and thus the film thickness profile immediately after deposition, is to place the wafer on a heater. By designing a heater with a specific watt density “map” that creates the desired temperature profile on the wafer, the desired film thickness profile can be created. At locations where higher temperatures on the wafer are desired, the watt density of the underlying heater is increased and decreased at locations where lower temperatures are desired.
チップ製造業者は、同一の処理チャンバで種々のプロセスを実行する能力をもつことを望んでいる。成膜用の資本的設備は非常に高価なので(1つの処理チャンバにつき100万ドル以上)、所要の処理チャンバの使用率を最大にすると共にその数を最小にすることが望まれる。種々の化学反応を用いた種々の温度プロセスを同一のチャンバで行って種々の薄膜を作り出す。また、これらの種々の薄膜は、異なる成長速度対温度の挙動を有する場合がある。このためにチップ製造業者は、所定の処理チャンバにあるヒータのワット密度マップを「動作中に」変更して所望の膜厚プロファイルを達成する能力を望むことになる。 Chip manufacturers want to have the ability to perform various processes in the same processing chamber. Since the capital equipment for deposition is very expensive (more than $ 1 million per process chamber), it is desirable to maximize the number of required process chambers and minimize their number. Different temperature processes using different chemical reactions are performed in the same chamber to produce different thin films. Also, these various thin films may have different growth rate versus temperature behavior. To this end, chip manufacturers will desire the ability to change the watt density map of the heaters in a given process chamber “on the fly” to achieve the desired film thickness profile.
さらに、チップ製造業者は、複数の処理チャンバで正確に同じ「レシピ」を実行し、適合する膜厚プロファイル(並びに、膜応力、屈折率などの温度に影響される可能性のある他の特性)を有する薄膜を製造する能力をもつことを望んでいる。それゆえ、ユニット毎に非常に反復性のあるワット密度マップを有するヒータを製作することが望まれている。 In addition, the chip manufacturer performs the exact same “recipe” in multiple processing chambers to match the film thickness profile (as well as other characteristics that may be affected by temperature, such as film stress, refractive index). We hope to have the ability to produce thin films with It is therefore desirable to produce a heater with a watt density map that is very repeatable from unit to unit.
ヒータ内部に複数の独立したヒータ回路を使用することにより、ワット密度マップを変更する能力を備えたヒータを作ることができる。異なる回路に印加される電圧及び電流を変化させることによって、個々の回路の各位置において電力レベルを変えることができる。これら特定回路の位置を「ゾーン」と呼ぶ。所定のゾーンに対して電圧(従って、これらヒータ素子はすべて抵抗ヒータなので電流)を増加させることで、そのゾーンの温度は上昇する。逆に、ゾーンに対する電圧を減少させると、そのゾーンの温度は低下する。このようにして、個々のゾーンに対する電力を変化させることにより、種々のワット密度マップを同一のヒータで作り出すことができる。 By using multiple independent heater circuits within the heater, a heater with the ability to change the watt density map can be made. By varying the voltages and currents applied to the different circuits, the power level can be varied at each location of the individual circuit. The positions of these specific circuits are called “zones”. Increasing the voltage for a given zone (and hence the current because these heater elements are all resistive heaters) raises the temperature of that zone. Conversely, when the voltage to a zone is decreased, the temperature of that zone decreases. In this way, various watt density maps can be created with the same heater by varying the power for the individual zones.
効率的にマルチゾーンヒータを使用するためには、少なくとも2つの制約がチップ製造業者の能力に影響を与える。第1の制約は、現状技術のヒータは、1つの制御用熱電対しか備えていない、ということである。現在ヒータ用に使用されているプレート−シャフト設計は、ヒータプレートの中心にのみ、又はヒータプレート中心から半径約1インチ以内に熱電対の位置設定を許容するので、僅か1つの制御用熱電対しか使用できない。熱電対はウェハの処理環境と適合しない金属で作られており、それゆえ処理環境から隔離しなければならない。さらに、熱電対(TC)を最速応答させるには、熱電対を通常の処理チャンバの真空環境ではなく、大気圧環境で動作させることが最良である。従って、熱電対は、処理環境と連通しないヒータシャフトの中央の中空領域内にのみ配置可能である。ヒータシャフトから直径2インチ以上外側にヒータゾーンが設けた場合、どのような熱電対でも、そのゾーンの温度をモニタして温度制御を助けるように取り付けることはできない。 In order to use a multi-zone heater efficiently, at least two constraints affect the ability of the chip manufacturer. The first constraint is that the state-of-the-art heater has only one control thermocouple. The plate-shaft design currently used for heaters allows for thermocouple positioning only at the center of the heater plate or within a radius of about 1 inch from the center of the heater plate, so there is only one control thermocouple. I can not use it. Thermocouples are made of metal that is incompatible with the wafer processing environment and must therefore be isolated from the processing environment. Further, for the fastest response of the thermocouple (TC), it is best to operate the thermocouple in an atmospheric pressure environment rather than the normal processing chamber vacuum environment. Thus, the thermocouple can only be placed in the central hollow region of the heater shaft that is not in communication with the processing environment. If a heater zone is provided outside the heater shaft by more than 2 inches in diameter, no thermocouple can be installed to monitor the temperature of that zone and help control the temperature.
ヒータ中央領域より外側に配置されたヒータゾーンを制御するために、「スレーブ」出力比率を使用することによって、この制約に取り組んできた。所望のワット密度マップを作り出す、中央ゾーン及び他ゾーンの各々に対して印加される電力の比率が設定される。中央制御TCは中央ゾーンの温度をモニタし、中央ゾーンに印加される電力(中央制御TCのフィードバックに基づく)は、次に事前設定された比率によって調節されて全ゾーンに印加される。例えば、2ゾーンヒータに関して、所望の温度プロファイルを作り出す外側ゾーンと内側ゾーンとに印加される電力の1.2対1.0という比率を仮定する。ヒータ制御システムは、中央制御TCにより提供される温度データを読み取ることによって、適切な温度を達成するために100VACの電圧が必要であると決定すると仮定する。スレーブ比率制御法を用いて、外側ヒータゾーンには120VACの電圧が印加され、内側ゾーンには100VACの電圧が印加されることになる。従って、スレーブ比率を変えることにより、ワット密度マップを調節することができる。 This constraint has been addressed by using “slave” power ratios to control heater zones located outside the heater central region. The ratio of power applied to each of the central zone and other zones is set to produce the desired watt density map. The central control TC monitors the temperature of the central zone, and the power applied to the central zone (based on central control TC feedback) is then adjusted by a preset ratio and applied to all zones. For example, for a two zone heater, assume a ratio of 1.2 to 1.0 of the power applied to the outer and inner zones that creates the desired temperature profile. Assume that the heater control system determines that a voltage of 100 VAC is required to achieve the proper temperature by reading the temperature data provided by the central control TC. Using the slave ratio control method, a voltage of 120 VAC is applied to the outer heater zone and a voltage of 100 VAC is applied to the inner zone. Therefore, the watt density map can be adjusted by changing the slave ratio.
これが第2の制約につながる。現状技術のヒータは、埋め込まれたヒータ抵抗の固有のばらつきを有する。現在のセラミックヒータの製造工程で要求される高温と高圧のため、達成可能な抵抗公差は50%に達することがある。言い換えれば、半導体グレードのセラミックヒータ素子用の典型的な抵抗値は、1.8−3.0オーム(室温において:ヒータ素子の材料は通常モリブデンであり、動作温度が上昇するにつれてその抵抗値が増大する)の範囲内にある。 This leads to a second constraint. State of the art heaters have inherent variations in the embedded heater resistance. Due to the high temperatures and high pressures required in current ceramic heater manufacturing processes, the achievable resistance tolerance can reach 50%. In other words, a typical resistance value for a semiconductor grade ceramic heater element is 1.8-3.0 ohms (at room temperature: the heater element material is usually molybdenum, and its resistance value increases as the operating temperature increases. In the range of (increased).
このばらつきが、スレーブ比率法によって制御されるマルチゾーンヒータを用いて、ユニット毎に反復性のあるワット密度マップを維持することに対する問題を引き起こす。単一ゾーンヒータに対しては、抵抗のばらつきは問題とならないかもしれない。なぜならば、制御TCを実際の動作温度をモニタするために利用し、ヒータに与える電力レベルを適宜調節するからである。しかしながら、マルチゾーンヒータを備え、そのヒータ素子の抵抗のばらつきが50%に達する場合には、スレーブ比率制御法はユニット毎に反復性のあるワット密度マップを作り出すことができない。 This variability causes problems for maintaining a repeatable watt density map from unit to unit using a multi-zone heater controlled by the slave ratio method. For single zone heaters, resistance variation may not be a problem. This is because the control TC is used to monitor the actual operating temperature, and the power level applied to the heater is appropriately adjusted. However, when a multi-zone heater is provided and the resistance variation of the heater element reaches 50%, the slave ratio control method cannot create a repeatable watt density map for each unit.
必要とされることは、フィードバックと制御とを直接的に可能とするために個々のヒータゾーン内に物理的に配置可能な複数の制御TCの取り付けを許容するが、依然としてTCを処理チャンバ内の処理環境から隔離状態に保つヒータ設計を確立することである。 What is needed allows for the installation of multiple control TCs that can be physically located within individual heater zones to allow direct feedback and control, but still allow TCs in the processing chamber. It is to establish a heater design that keeps it isolated from the processing environment.
本明細書に示す図面は、多くの面で概略的であるが、単に例示を目的とするものであって、本開示の範囲の限定を意図したものではない。 The drawings shown in this specification are schematic in many respects, but are merely for illustrative purposes and are not intended to limit the scope of the present disclosure.
本発明の一実施形態では、異なるヒータゾーンを温度に関して独立してモニタできるように、複数の熱電対を備えたマルチゾーンヒータが設けられる。独立した熱電対は、そのリード線をヒータのシャフトから通路又は凹部内へ配線することができ、この通路又は凹部は、シャフトの内部雰囲気と処理チャンバ内のプロセス化学物質との両方に耐えるように構成された気密封止をもたらす接合処理で閉じることができる。独立した熱電対は、そのリード線をヒータのシャフトからプレート層間の空間、凹部、又はキャビティ内へ配線することができ、各プレート層は、シャフトの内部雰囲気と処理チャンバ内のプロセス化学物質との両方に耐えるように構成された気密封止をもたらす接合処理で接合することができる。底部プレート層とすることができる第1プレート層又は通路カバーは、第2プレート層又はヒータプレートにアルミ等の任意の適切な接合材料でろう付けする接合処理を用いて、熱電対及びそのリード線を閉じ込めることができる。 In one embodiment of the present invention, a multi-zone heater with multiple thermocouples is provided so that different heater zones can be monitored independently with respect to temperature. Independent thermocouples can route their leads from the heater shaft into a passage or recess that can withstand both the internal atmosphere of the shaft and the process chemicals in the processing chamber. It can be closed with a bonding process that provides a configured hermetic seal. Independent thermocouples can route their leads from the heater shaft into the spaces, recesses, or cavities between the plate layers, each plate layer being connected to the internal atmosphere of the shaft and the process chemicals in the processing chamber. They can be joined with a joining process that provides a hermetic seal configured to withstand both. The first plate layer or passage cover, which can be the bottom plate layer, is a thermocouple and its lead wire using a bonding process that brazes the second plate layer or heater plate with any suitable bonding material such as aluminum. Can be trapped.
図1に半導体加工で使用されるヒータなどの例示的なプレート・シャフト機構100を示す。いくつかの態様では、プレート・シャフト機構100は窒化アルミなどのセラミックで構成される。ヒータは、プレート102を支持するシャフト101を備える。プレート102は、上面103を備える。シャフト101は中空円筒とすることができる。プレート102は平坦な円板とすることができる。他の補助部品が存在する場合もある。いくつかの現状工程では、プレート102を、セラミックプレートを形成する処理オーブンを伴う初期の工程で個別に製造することができる。いくつかの実施形態では、以下に説明する低温気密接合処理を用いてプレートをシャフトに接合することができる。
FIG. 1 shows an exemplary plate and shaft mechanism 100 such as a heater used in semiconductor processing. In some embodiments, the plate shaft mechanism 100 is constructed of a ceramic such as aluminum nitride. The heater includes a
図2は、例えばセラミックシャフト191である第1セラミック体が、同一、又は別の材料で製造することができる、例えばセラミックプレート192である第2セラミック体に接合されている断面図を示す。本明細書に記載するろう付け層材料の組み合わせから選択できる、ろう付け層190などの接合材料を含むことができ、その接合材料は、本明細書に記載する方法に従って接合部へ供給することができる。いくつかの態様では、プレートは窒化アルミとすることができ、シャフトは窒化アルミ、ジルコニア、アルミナ、又は他のセラミックとすることができる。いくつかの態様では、より低い熱伝導伝達係数を有するシャフト材料をいくつかの実施形態で使用することが望ましい場合がある。
FIG. 2 shows a cross-sectional view in which a first ceramic body, for example a
図2に示される接合部では、シャフト191は、シャフト191がプレートに当接するように位置決めされるのがよく、接合する表面の間には、例えばシャフト表面193とプレート表面194との間にろう付け層のみが介在する。プレート192の接合面194は、プレート内の凹部195に存在するのがよい。接合部の厚さは、説明を明確にするために誇張されている。1つの例示的な実施形態では、プレート及びシャフトは共に窒化アルミ製とすることができ、共に液相焼結法を使用して事前に別々に形成することができる。いくつかの実施形態では、プレートはおよそ直径9−13インチ、厚さ0.5−0.75インチとすることができる。シャフトは、壁厚さが0.1インチで外径が1−3インチの範囲にある、長さ5−10インチの中空円筒とすることができる。プレートは、シャフトの第1端部の外部表面を受け入れるように構成された凹部を備えるのがよい。
In the joint shown in FIG. 2, the
図3から分かるように、ヒータ又は他の機構に使用される接合部のろう材は2つの全く別の雰囲気の間に跨る場合があり、従来のろう材に関しては重大な問題を生じることがある。半導体ウェハチャックのヒータ205などの半導体処理装置の外部表面207上で、ろう材は、ヒータ205を使用することになる半導体処理チャンバ200内に生じるプロセスと存在する環境とに適合する必要がある。処理チャンバ200内に存在する環境201は、フッ素化物を含む場合がある。ヒータ205はシャフト204により支持されたプレート203の上面に付着した基板206を有するのがよい。ヒータ205の内部表面208では、ろう付け層の材料は、酸化性雰囲気の場合のある別の雰囲気202と適合する必要がある。セラミックと共に使用される従来のろう材は、これら両方の基準を満たすことができなかった。例えば、銅、銀、又は金を含有するろう付け要素は、処理されるシリコンウェハの格子構造と干渉する場合があるので適切ではない。しかしながら、ヒータプレートをヒータシャフトに接合するろう付け接合部の場合には、シャフトの内側は通常高温を受け、中空シャフトの中央内部に酸化性雰囲気を持つ。この雰囲気に曝されるろう付け接合部のこの部分は酸化されることになって、接合部の中へ酸化が進み、接合部の気密性不全をもたらす場合がある。構造的な連結に加えて、半導体製造で使用されるこれら機構のシャフトとプレート間の接合部は、ほとんど又はすべてではないとしても、多くの用途で密封する必要がある。
As can be seen from FIG. 3, the joint brazing material used in heaters or other mechanisms may straddle between two completely different atmospheres, which can cause significant problems with conventional brazing materials. . On the
図4には、半導体処理チャンバで使用されるヒータカラムの一実施形態の概略図を示す。セラミックヒータであるのがよいヒータ300は、高周波アンテナ310、ヒータ素子320、シャフト330、プレート340、及び取り付けフランジ350を含むのがよい。
FIG. 4 shows a schematic diagram of one embodiment of a heater column used in a semiconductor processing chamber. The
本発明のいくつかの実施形態では、図5に見られるように、ウェハチャック又はヒータ500などの半導体製造用の装置を備えることができる。装置は細長いシャフト516を含むのがよく、シャフトは円筒形であり、第1及び第2の反対側の端部517、518と、端部517、518の間に延びる長手方向中心軸519とを備えるのがよい。通路すなわち中央穴504は、シャフト516を貫通して第1端部517から第2端部518まで延びている。プレート521は、シャフト516の第1端部517に接合することができる。プレート521は円柱形などの任意の適切な形状とすること及び軸519を中心とすることができる。一実施形態ではプレート521は、シャフト516の半径より大きい半径を有する。一実施形態ではプレート521は、軸519からシャフト516を越えて半径方向外側へ延びる環状部分などの部分522を有する。シャフト516及びプレート521の各々は、セラミック材料などの任意の適切な材料で作ることができ、一実施形態ではシャフト及びプレートは、各々、窒化アルミ製である。プレート521は複数のヒータゾーンを備えるのがよく、各ヒータゾーンは少なくとも1つのヒータを有する。一実施形態ではプレート521は、例えば軸519を中心とするのがよい第1又は中央ヒータゾーン526、第2又は中間ヒータゾーン527、及び第3又は端部ゾーン528を備える。各ヒータゾーンは任意の適切な形状でよく、一実施形態では、平面内で中央ゾーン526は円形であり、中間ゾーン527及び端部ゾーン528は各々環状である。ヒータゾーンは、例えば図5に示すようにオーバーラップすること、又はオーバーラップせずに互いに間隔をおいて配置することができる。
In some embodiments of the present invention, as seen in FIG. 5, an apparatus for semiconductor manufacturing such as a wafer chuck or
装置500は複数の温度センサを備えるのがよく、例えば各ヒータゾーンに対して少なくとも1つの温度センサを備えるのがよい。一実施形態では、第1温度センサ505をプレート521の中央ヒータゾーン526の近傍に又は隣接して配置し、第2温度センサ506を中間ヒータゾーン527の近傍に又は隣接して配置し、第3温度センサ507を端部ヒータゾーン528の近傍に又は隣接して配置する。一実施形態では各温度センサをそれぞれのヒータゾーンの半径方向中心に配置するが、それぞれのヒータゾーンに対して相対的な温度センサの他の位置選定も、本発明の範囲内にある。一実施形態では、第2及び第3の温度センサ506、507の各々をプレート521の部分522に配置する。一実施形態では温度センサ505、506、507を互いに半径方向に間隔をおいて配置し、一実施形態では第2温度センサ506を第1温度センサ505から半径方向外側に間隔をおいて配置し、第3温度センサ507を第2温度センサ506から半径方向外側に間隔をおいて配置する。各温度センサは任意の適切なタイプでよく、一実施形態では各温度センサは熱電対である。
The
電気リード線は、各温度センサからシャフト516の第1端部517へ、そして中央穴504を通ってシャフトの第2端部518へ延びる。この際、第1電気リード線531は、一端で第1センサ505に電気的に接続又は接合され、第2電気リード線532は一端で第2センサ506に電気的に接続又は接合され、第3電気リード線533は一端で第3センサ507に電気的に接続又は接合されている。各リード線は、シャフト516の第2端部518でアクセス可能であるように、そしてプレート521の温度を独立してモニタする、より具体的にはそれぞれの温度センサの近傍、従ってそれぞれのヒータゾーン526、527、528の近傍で、プレート温度をモニタすることが可能となるように、シャフトを通って延びている。
Electrical leads extend from each temperature sensor to the
プレート521は任意の適切な方法で形成することができ、一実施形態では複数の平面層などの複数層で製造される。一実施形態では、装置500の第1プレート層又はカバープレート501を、ヒータシャフトの中空コア504と隣接するか又は連通することができる中空領域又は凹部503を覆いながら、装置500の第2プレート層又はヒータプレート502の裏面に接着することができる。凹部は温度センサのリード線531−533用の導管として機能することができ、リード線531−533の内の1つ又は2以上を凹部又は通路の各々に配置することができる。覆われた中空領域などの放射状フィーダ、凹部、又は通路を利用することによって、各ヒータゾーン、例えばマルチゾーンヒータ500のヒータゾーン526−528における局所的な温度を直接モニタするために、個々の制御用熱電対を使用することが可能となる。熱電対505、506、507を、各個別ヒータゾーンに配置されたそれぞれの熱電対穴508、509,510の内部に取り付けることができる。覆われた中空領域又は通路503の内部に配置されたこれらの穴に熱電対を取り付けることができる。いくつかの実施形態では、温度センサ又は熱電対505−507をより深く取り付けることを可能にするため、プレートの機械加工を通路503に施す場合がある。その後で、ヒータプレート裏面上でヒータプレートとシャフトとの間に位置決めされるセラミックのカバープレート501で熱電対を覆うことができる。その後に、ヒータプレート502、中空領域のカバープレート501、及びヒータシャフト516を互いに接着することができる。こうして熱電対を処理環境から隔離し、従来制御のために各ヒータゾーンの温度の直接的なフィードバックを提供する。いくつかのヒータ設計では、プレートの製造工程中、ヒータをプレート内部に完全に埋め込む。この処理は1700℃程度の高温を伴い、プレート形成中は高い加圧接触力を伴う場合がある。ヒータ素子自体はこの処理に耐えるように適合させることができるが、インコネルで作られる場合がある熱電対505−507及びこの熱電対へのリード線531−533は、この処理に耐えられない。その結果、セラミックプレート521の最終焼結と加圧の後に熱電対505−507を取り付けることで、ヒータ500がその使用中に曝されることになるプロセス化学物質から熱電対を保護する必要がある。別個のヒータを有するプレート521の複数領域の温度をモニタする複数の熱電対を利用することにより、実際の温度測定値に基づいたプレートのこれらの領域の温度制御を行うことが可能になる。
The
熱電対穴は、プレート521の中をヒータ素子まで達するのがよい。いくつかの実施形態では、ヒータ素子は開口領域を備えることができ、熱電対穴がヒータ素子の中までのびるのではなく、ヒータ素子の隙間又は空間が存在する領域においてヒータ素子と同じ深さまでのびるようになっている。いくつかの実施形態では、内部にマルチゾーンヒータ素子を備えたヒータプレートを製造した後で、ヒータプレートの中に中空領域503及び熱電対穴を機械加工することができる。マルチゾーンヒータ素子は、セラミックのヒータプレートが製造された時点でそのプレート内に存在することができる。本明細書に記載する低温接合処理を利用して、中空領域のカバープレート502をヒータプレート501に、いくつかの態様ではシャフト516の一部分又は端部517にも接合することができる。
The thermocouple hole may reach through the
図6は、シャフトを備えた、例えばシャフト516が取り付けられたプレート、例えば半導体処理用ウェハチャック500のプレート521の底面図である。凹部、溝又は中空の通路領域503は、中空シャフト516の中央部内に存在するプレートの一部から半径方向外向きに広がる。それぞれのヒータゾーン、例えば中間ヒータゾーン527及び端部ヒータゾーン528に設けられたそれぞれのヒータ素子に対する温度センサ又は熱電対の挿入を可能にする1つ又は2以上の熱電対穴は、この中空の通路領域503の内部に存在でき、そうでなければ温度を直接モニタすることはできない。
FIG. 6 is a bottom view of a plate having a shaft, for example, a plate to which a
図7は、本発明のいくつかの実施形態による、凹部、空間、又は中空領域503と、カバープレート501とを備えるヒータプレート502の一部分、例えば半導体製造用ヒータ又はウェハチャックの一部分として含まれる部分の断面図を示す。カバープレート501は、ヒータプレートの底部に設けられたスロット、凹部、または開口部に適合するように構成されているのがよい。溝、通路、凹部、又はスロットは、ヒータプレート502及びカバープレート501の少なくとも一方に設けられる。一実施形態では、図7の断面図に示す凹部又は通路503は、スロットの下方に存在して電気リード線又はカップリング520を温度センサ又は熱電対からシャフト中心へ引き回すことができる。特に適切な温度センサ又は熱電対は、シャフトの外半径を半径方向に越えてプレートに配置されるので、シャフト上に横たわることはない。適切な接合部521は、例えば本明細書で開示される接合層のいずれかとすることができ、接合部521は、カバープレート501をヒータプレート502に取り付けると、通路503は酸化される可能性があるヒータシャフト中央部内の雰囲気に遭遇する可能性があるので異なる雰囲気を跨ぐ。通路内のこの雰囲気は、通路領域内にある熱電対に対して格段に良好な熱電対機能を可能にすることができる。接合部の反対側は、処理チャンバ内のフッ素化物などの腐食性処理ガスを含有することができる雰囲気に遭遇することになる。適切な接合方法は、これら種々の雰囲気に適合性のある接合、例えば本明細書で開示するタイプの気密接合をもたらす。図7に示すデバイス又はヒータの電気リード線520は、このようなデバイスが使用される半導体処理チャンバの環境から気密封止される凹部、通路、又は通路内でヒータプレート502を貫通して延びる。
FIG. 7 illustrates a portion of a
図8は、例えば半導体製造用のヒータ又はウェハチャックの一部分として含まれる、第2プレート層又は中空のカバープレート530を、第1プレート層又はヒータプレート502の底部に接合するように構成された、第1プレート層又はヒータプレート502の一部分の断面図を示す。ヒータプレート502及びカバープレート530は、プレート521のようなヒータプレートを形成するのがよい。中空のカバープレート530は、ヒータプレートの底部で熱電対穴、並びに電気リード線又は熱電対結合ワイヤ520を覆うのがよい。半導体処理チャンバの環境から気密封止され、ヒータのシャフトから半径方向外向きに延びる、ヒータプレートの一部分に配置された温度センサ又は熱電対に接続される電気リード線又はワイヤ520のための導管として機能するのに適した溝、通路、凹部、又はスロット545を形成するために、ヒータプレート502の反対面及びカバープレート530のうち少なくとも1つは、溝、通路、凹部、又はスロットを備える。適切な接合層又は接合部546は、例えば本明細書に開示される接合層のいずれかとすることができ、カバープレート530をヒータプレート502に取り付けて、それら間に気密封止を形成することができる。図8の例示的な実施形態では、通路545は、ヒータプレート又は構造体502の内部にあるか又は貫通して延びのとは対照的に、カバープレート530の内部にあるか又は貫通して延びている。
FIG. 8 is configured to join a second plate layer or
図9及び図10は、それぞれ斜視図及び部分的な分解組立斜視図で、本発明のいくつかの実施形態によるヒータ500を示す。ヒータ550は前述のヒータと類似しており、そのようなヒータ及びヒータ550の同じ構成部品を記述するために同じ参照数字が使用されている。中空のカバープレート551が設けられており、カバープレートは、シャフト516とヒータプレートの底部502との間に存在するように構成された連続リング部品又はリング552を備えることができる。一実施形態では、カバープレート551とリング部品又はリング552とは同一材料で一体成形されており、別個の部品ではない。半導体処理チャンバの環境から気密封止され、ヒータ550のシャフト516から半径方向外向きに延びる、ヒータプレート521の一部分に配置された温度センサ又は熱電対に接続される電気リード線532、533のための導管として機能するのに適した溝、通路、凹部、又はスロットを形成するために、ヒータプレート502の反対面及びカバープレート551のうち少なくとも1つは、溝、通路、凹部、又はスロットを備える。ヒータ550では、温度センサのリード線のための溝、通路、凹部、又はスロットは、ヒータプレート又は構造体502の内部にあるか又は貫通して延びるのとは対照的に、カバープレート551の内部にあるか又は貫通して延びている。中空のカバープレート551によって、熱電対リード線又はワイヤ532、533をプレート521底部のシャフト516の周囲の外側からシャフトの中心まで引き回すことができる。いくつかの実施形態では、ヒータプレート502、リング部品552を備えた中空カバープレート551、及びシャフト516は、各構成部品を一緒にろう付けする単一の加熱作業で、同時に結合することができる。本明細書に開示される接合処理及び接合層のいずれも、この関連で利用することができる。
9 and 10 are a perspective view and a partially exploded perspective view, respectively, illustrating a
本発明のいくつかの実施形態では、図11の拡大図に見られるように、プレート・シャフト機構556、例えばヒータ又はウェハチャックは、プレート組立体又はプレート557及びシャフト558を備えることが分かる。プレート組立体557は層561、562、563を備えており、それらの層はプレートア組立体557への組立前に十分に焼成されたセラミック層とすることができる。第1又は最上部プレート層561は、電極層564が最上部プレート層561と第2又は中間層562との間に存在した状態で、第2又は中間層562の上に横たわる。中間層562は、ヒータ層565が中間層562と最下層563との間に存在した状態で、最下層563の上に横たわる。
In some embodiments of the present invention, it can be seen that the plate and
いくつかの実施形態では、異なる位置で温度をモニタするために、熱電対を各プレート層間に実装することができる。多層プレート組立体は、セラミックプレート層の最終焼成の後に表面の機械加工を行い得るように、1つ又は2以上のプレートの1つ又は2以上の表面にある領域にアクセスすることを可能にする。さらに、この表面へのアクセスは、プレート層の表面及びプレート層間の空間への構成部品の組み付けをも可能にする。 In some embodiments, thermocouples can be mounted between each plate layer to monitor temperature at different locations. The multi-layer plate assembly allows access to areas on one or more surfaces of one or more plates so that surface machining can be performed after final firing of the ceramic plate layers. . Furthermore, this access to the surface also allows the assembly of components into the surface of the plate layer and the space between the plate layers.
プレート組立体557の層561、562、563は、ヒータの場合には窒化アルミといったセラミック、静電チャックの場合にはアルミナ、ドープアルミナ、AlN、ドープAlN、べリリア、ドープされたべリリアなどを含む別材料のセラミックとすることができる。基板支持体を構成するプレート組立体の層561、562、563は、プレート組立体557へ導入する前に十分に焼成されたセラミックとすることができる。例えば、層561、562、563を、高温高接触圧力用の特殊オーブン、又はテープキャスト、又は放電プラズマ焼結、又は他の方法でプレートとして十分に焼成し、その後、それらの用途とプレート組立体の積層での位置とによって必要とされる最終寸法へ機械加工することができる。このプレート層561、562、563は、接合層567を用いたろう付け処理を使用して一緒に接合することができ、これによってプレート組立体557の最終組立を高接触応力用途の加圧機を備えた特殊な高温オーブンを必要とすることなく行うことができる。
プレート・シャフト機構の場合のようにシャフトもまた最終組立体の一部である実施形態において、プレート組立体557とシャフト558の接合処理ステップは、同様に高接触応力用途の加圧機を備えた特殊な高温オーブンを必要とせずに行われるろう付け処理を利用することができる。いくつかの実施形態では、プレート層の接合と、シャフトとプレート組立体の接合とを同時の処理ステップで行うことができる。シャフト558を接合層568でプレート組立体557へ接合することができる。いくつかの実施形態では、接合層568は、接合層567と同一のろう付け要素とすることができる。
In embodiments where the shaft is also part of the final assembly, as in the case of the plate and shaft mechanism, the joining process step of the
プレート又はプレート組立体の改善された製造方法は、前述され以下でさらに詳細に説明される、プレート組立体の層を接合して手間と費用のかかる高温高圧接触力を用いる付加的な処理ステップを行うことなく、最終プレート組立体にする方法を含むことができる。本発明の実施形態に従って、セラミックを接合するためのろう付け法でプレート層を接合することができる。第1及び第2のセラミック体を接合するためのろう付け法の例は、第1セラミック体を第2セラミック体に接合するために、アルミ及びアルミ合金から成るグループから選択されたろう付け層を第1及び第2セラミック体の間に配置して第1及び第2セラミック体を結び付けるステップと、ろう付け層を少なくとも800℃の温度まで加熱するステップと、ろう付け層を硬化させて気密封止を作り出すようにろう付け層をその融点以下の温度に冷却するステップと、を含むことができる。様々な形状のろう付け接合部を本明細書に記載する方法に従って実装することができる。 An improved method of manufacturing a plate or plate assembly includes the additional processing steps described above and described in more detail below, which join the layers of the plate assembly and use laborious and costly high temperature and high pressure contact forces. A method of making the final plate assembly can be included without doing so. According to an embodiment of the present invention, the plate layers can be joined by a brazing method for joining ceramics. An example of a brazing method for joining the first and second ceramic bodies includes a brazing layer selected from the group consisting of aluminum and an aluminum alloy for joining the first ceramic body to the second ceramic body. Placing the first and second ceramic bodies together between the first and second ceramic bodies, heating the braze layer to a temperature of at least 800 ° C., and curing the braze layer to provide a hermetic seal. Cooling the braze layer to a temperature below its melting point to create. Various shapes of brazed joints can be implemented according to the methods described herein.
本発明のいくつかの実施形態では、各プレート層の間にスタンドオフが存在するように複数層を備えたプレート組立体を提示することができて、その結果、接合層が加熱されて僅かな圧力が軸方向にプレートに加わる際に、1つのプレート上のスタンドオフが隣接するプレートに接触するまで接合層が適度に薄くなるように僅かな軸方向圧縮が存在することになる。いくつかの態様では、これにより接合部厚さを制御するだけでなく、プレート組立体の寸法と公差の制御が可能になる。例えば種々のプレートの特徴部の平行度は、プレート層への機械公差により規定される場合があり、スタンドオフの利用によってこの態様は接合工程中に保持することができる。いくつかの実施形態では、接合後の寸法制御は、軸方向の整合性を提供するために隣接層上の内側リングの上に横たわるプレート層上の円周外側リングを利用して達成することができる。いくつかの実施形態では、位置的な制御を軸方向にも達成するように、外側リング又は内側リングのうちの1つは、プレートに垂直な軸方向で隣接するプレートと接触することもできる。このように軸方向の位置制御は、2つの隣接するプレート間の接合層の最終厚さを決定することもできる。 In some embodiments of the present invention, a plate assembly with multiple layers can be presented such that there is a standoff between each plate layer, so that the bonding layer is heated and slightly When pressure is applied to the plates in the axial direction, there will be a slight axial compression so that the bonding layer is reasonably thin until the standoff on one plate contacts the adjacent plate. In some aspects, this allows not only control of the joint thickness, but also control of the dimensions and tolerances of the plate assembly. For example, the parallelism of various plate features may be defined by mechanical tolerances to the plate layer, and this aspect can be maintained during the joining process by the use of standoffs. In some embodiments, post-join dimensional control can be achieved utilizing a circumferential outer ring on the plate layer that overlies the inner ring on the adjacent layer to provide axial alignment. it can. In some embodiments, one of the outer ring or inner ring can also contact an adjacent plate in the axial direction perpendicular to the plate so that positional control is also achieved in the axial direction. Thus, axial position control can also determine the final thickness of the bonding layer between two adjacent plates.
本発明のいくつかの実施形態では、層間の電極は接合層と同一材料とすることができ、接合層と電極の両方の2重の能力で機能することができる。例えば、静電チャックにおいて以前は電極が占めていた領域を代わりに接合層で占めることができて、その接合層は例えば静電クランプ力を提供する電極としての機能と、接合層の介在する2つのプレートを接合するために接合層としての機能との2重機能を有する。そのような実施形態では、2つの接合されたプレートの外周の周りにラビリンスが存在し、見切り線とプレートの外部領域から帯電した電極への通常のアクセスとが最小になる。 In some embodiments of the present invention, the interlayer electrode can be the same material as the bonding layer and can function in the dual capacity of both the bonding layer and the electrode. For example, an area previously occupied by an electrode in an electrostatic chuck may be occupied by a bonding layer instead, and the bonding layer functions as an electrode for providing an electrostatic clamping force, for example, and the bonding layer intervenes 2. In order to join two plates, it has a dual function of functioning as a joining layer. In such an embodiment, there is a labyrinth around the perimeter of the two joined plates, minimizing the parting line and normal access to the charged electrodes from the outer area of the plate.
図12は、本発明のいくつかの実施形態によるプレート組立体の部分断面図を示す。プレート組立体は、ヒータと電極とが異なる層間に存在する多層プレート組立体である。複数層をろう付け要素で接合し、プレート主平面に垂直な方向のプレート最終位置をプレート上のスタンドオフ578、579によって規定する。
FIG. 12 shows a partial cross-sectional view of a plate assembly according to some embodiments of the present invention. The plate assembly is a multilayer plate assembly in which a heater and an electrode exist between different layers. The layers are joined with brazing elements and the final plate position in the direction perpendicular to the plate major plane is defined by
第1すなわち最上部プレート層571は、第2すなわち下部プレート層572の上に横たわる。下部プレート層572は第3すなわち最下部プレート層573の上に横たわる。図12には3つのプレート層で説明されているが、特定用途のニーズに応じて異なる数のプレート層を利用することができる。多機能接合層576を利用して、最上部プレート層571を下部プレート層572に接合する。多機能接合層576は、最上部プレート層571を下部プレート層572に接合すると共に電極になるように構成される。このような電極は、実質的に円板の接合層とすることができ、接合層はまた電極としても機能する。図12から分かるように、スタンドオフ578は、プレート層の主平面に直交する垂直方向への、最上部プレート層571の下部プレート層572に対する位置制御を可能にするように構成される。最上部プレート層571の外周部は、周縁部において2つのプレート間の境界577の沿った見切り線をなくすように構成される。プレート組立体を加熱して接合するステップの前に、接合層576が最上部プレート層571及び下部プレート層572と接触するように、接合層576の厚さを決めることができる。
The first or
下部プレート層572は最下部プレート層573の上に横たわる。ヒータ574は下部プレート層572と最下部プレート層573との間に存在する。これに関連して、ヒータ574を受け入れるための凹部、キャビティ、又は空間580を形成するように、下部プレート層572及び最下部プレート層573の対向する表面の少なくとも1つの上に、凹部、キャビティ、又は空間が設けられる。図12に示す一実施形態では、ヒータを受け入れるために最下部プレート573の上面に凹部又はキャビティ580を形成している。凹部580は任意の適切なサイズ及び形状とすることができ、例えば円柱状凹部のように平面視では円形とすることができる。接合層575は、下部プレート層572を最下部プレート層573に接合する。接合層575は、プレート層外周の環状リングとすることができる。スタンドオフ579は、プレート層の主平面に直交する垂直方向への、下部層572の最下部プレート層573に対する位置制御を可能にするように構成される。プレート組立体の接合ステップの間に、図12に示す構成部品は予め組み立てることができ、本明細書に記載するプロセスを利用してこの組立済みプレートを接合し、完全なプレート組立体を形成することができる。いくつかの実施形態では、完全なプレート・シャフト機構を単一の加熱工程で接合できるように、この組立済みプレートをさらにシャフト及びシャフト接合層に予め組み付けることができる。この単一加熱処理は、高温オーブン又は高接触応力を提供するように適合させた加圧機付きの高温オーブンを必要としない場合もある。さらに、いくつかの実施形態では完成したプレート・シャフト組立体は、接合後の機械加工を全く必要としないにもかかわらず、それでもなお半導体製造で実使用されるこのようなデバイスの公差要求を満足することができる。
The
いくつかの実施形態では、最上部プレート層及び最下部プレート層は窒化アルミである。いくつかの実施形態では、接合層はアルミである。接合処理及び材料の例を後述する。 In some embodiments, the top and bottom plate layers are aluminum nitride. In some embodiments, the bonding layer is aluminum. Examples of the bonding process and materials will be described later.
図13はプレート・シャフト機構600の例示的な断面図であり、これはヒータ、ウェハチャック、台座又はサセプタとすることができ、本発明のいくつかの実施形態による多層プレート601を利用する複数のヒータゾーン及び複数の熱電対を備える。第1端部641と反対側の第2端部642、及び端部641、642間に延びる長手方向軸643を有する細長いシャフトを備える。シャフト602の第1端部641は、本明細書に開示するものを含む任意の適切な手段でプレート601の底部中央に結合することができる。これらの実施形態では、気密性があり、また腐食性のプロセス化学物質に耐えるようになった接合層を、隣接するプレートを接合するために使用することができ、シャフト602の内側603で取り囲まれた領域の半径外側に広がるプレート601の一部分605の中に温度センサを挿入することが可能となり、それでもなおヒータが被る可能性がある腐食性処理ガスから保護されるようになっている。例えば、図13に示すように、プレート601は、適切なリフト用ピンホール又は開口部630を備えることができる。
FIG. 13 is an exemplary cross-sectional view of a plate and
いくつかの実施形態では、多層プレートの利用により、別の方法ではモニタできない領域中の、熱電対を配置することのできる層間の空間へアクセスすることが可能になる。例えば、図13に見られるようなプレート・シャフト機構600では、全ての出力及びモニタリングは、通常、シャフト602の中空中央部又は中央通路603を通ってチャンバ貫通部を経由して処理チャンバの外へ配線される。セラミックのプレート・シャフト機構全体が一緒に高温焼結される従来技術の機構では、熱電対を埋め込んで遠隔計測器を中空シャフトに沿って下方へ配線するために唯一利用可能な領域は中空シャフトの中央部内の領域にあった。例えば、中空シャフトの中央部に沿って下りるようになった長いドリルを使用して、プレート底部に穴を開けることが可能である。その後、熱電対をその穴へ挿入し、プレートの温度をその中央領域のみでモニタするために使用することが可能である。熱電対を取り付けられる位置の制約は、中空シャフトの内部から外れた位置での温度モニタを不可能にする。
In some embodiments, the use of multi-layer plates allows access to the space between layers where thermocouples can be placed in areas that cannot be otherwise monitored. For example, in a plate and
本発明のいくつかの実施形態では、シャフト内に存在する可能性のある雰囲気からの、プレート層の層間スペースの封止を助けるために中央ハブ604を利用することができる。このような実施形態では、中央ハブ604は、シャフト602の中央部分及びプレート層の層間スペースからの貫通部として機能することができる。
In some embodiments of the present invention, a
いくつかの実施形態では、ヒータ600のプレート601は、3つのプレート層から組み立てることができる。各プレート層は、窒化アルミなどの十分に焼成されたセラミック製とすることができる。多層プレート組立体へ組み立てる前に、各プレート層を最終の又はほぼ最終寸法まで予め機械加工することができる。第1すなわち最上部プレート層612は第2すなわち中間プレート層611の上に横たわることができ、第2すなわち中間プレート層611は同様に第3すなわち最下部プレート層610に横たわることができる。各プレート層は、円柱形状とすることができ、一実施形態では各プレートは同一の横断寸法又は直径を有しており、その寸法はプレート601の横断寸法又は直径と等しい。中間プレート層は、その外周部で接合層614を用いて最下部プレート層に接合することができる。最上部プレート層612と中間プレート層611との間にある金属層613は、RF層として及びこのようなプレート層間の接合層として機能することができる。プレート601は、シャフト602を越えて軸643から半径方向外側に広がる部分605を有する。
In some embodiments, the
中間プレート層611と下部プレート層610との間に、1つ又は2以上のヒータ素子が存在してもよい。中間プレート層611は、ヒータ素子621が中間プレート層611の底部の溝620に存在するようにヒータ素子を受け入れるように構成されている。マルチゾーンヒータの素子配列の例は、図17に示される。ヒータ素子は、3つの半径方向ゾーンに分割され、その各々は2つの半部分を有するので、合計6ゾーンに分割される。これに関連して、プレ―ト602は、環状であり第1及び第2の中央半部分ゾーン647a、647bに分割することができる中央ヒータゾーン647と、環状であり第1及び第2の中間半部分ゾーン648a、648bに分割することができる中間ヒータゾーン648と、環状であり第1及び第2の端部半部分ゾーン649a、649bに分割することができる端部ヒータゾーン649とを含む。このような半部分ゾーンの各々は半環状とすることができる。中央ヒータゾーン647は軸643を中心とすることができ、中間ヒータゾーンは軸643及び中央ヒータゾーン647から半径方向外側に配置することができ、端部ヒータゾーンは軸及び中間ヒータゾーンから半径方向外側に配置することができる。2つの半径方向ゾーン、つまり中間ヒータゾーン648及び端部ヒータゾーン649は、プレート601の一部分605にあって中空シャフトの内側の外周から十分に外側にある。ヒータ素子621はモリブデン製とすることができ、AlNポッティング化合物622を用いて溝内にポッティングすることができる。ヒータ素子621用の電力リード線646は、中央ハブから外に広がって個別のヒータ回路へ電力を送るようになっている。
One or more heater elements may exist between the
一実施形態では、例えば図17に示すように、少なくとも1つの第1温度センサ651をプレート601の中央ヒータゾーン647に近傍又は隣接して配置し、少なくとも1つの第2温度センサ652をプレートの中間ヒータゾーン648に近傍又は隣接して配置し、少なくとも1つの第3温度センサ653をプレートの端部ヒータゾーン649に近傍又は隣接して配置する。それぞれのヒータゾーンに対する温度センサの任意の適切な位置選定も、本発明の範囲内にある。一実施形態では、第2及び第3の温度センサ652、653の各々は、プレート601の一部分605に配置する。従って、温度モニタを可能にするように構成され、ヒータゾーン648、649に配置された温度センサは、シャフト602の内径よりも大きな半径方向距離をおいてプレートに配置する。一実施形態では、温度センサ651、652、653は、互いに半径方向に間隔をおいて配置し、一実施形態では、各第2温度センサ652は、少なくとも1つの第1温度センサ651から半径方向外側に間隔をおいて配置し、各第3温度センサ653は、少なくとも1つの第2温度センサ652から半径方向外側に間隔をおいて配置する。各温度センサは、任意の適切なタイプとすることができ、一実施形態では、各温度センサは熱電対である。
In one embodiment, for example, as shown in FIG. 17, at least one
電気リード線661は、温度センサ651−653の各々からシャフト601の第1端部641へ、そして中心穴603を通ってシャフトの第2端部642へ延びる。各リード線661は、シャフトの第2端部642でアクセス可能であるように、及びプレート601の温度を独立してモニタする、より具体的には個別のヒータゾーン647、648、649の近傍でプレート温度をモニタすることが可能となるように、シャフト601を貫通して延びる。
Electrical leads 661 extend from each of the temperature sensors 651-653 to the
図13−16の実施形態では、中間プレート層611の底面に種々の構成部品が取り付けられていることが分かる。いくつかの態様では、ヒータ素子621及び電気リード線661を取り付けるために、1つ又は2以上の凹部、通路、溝、又はスロット662をこの表面に機械加工することができる。このような1つ又は2以上の凹部は、単一のキャビティを含むことができ、例えば、円柱状とすることができ、一実施形態では軸643を中心とすることができる。この表面には、熱電対651−653の取り付け用の熱電対穴として機能する穴を開けることができる。この機械加工の後で、ヒータ素子621を取り付けてポッティングすることができる。いくつかの実施形態では、ヒータ素子は、溝に配置されたモリブデンワイヤとすることができる。いくつかの実施形態では、厚膜蒸着技術を利用して溝の中にヒータ素子を蒸着することができる。さらに、熱電対651−653を組み込んでポッティングすることができる。ヒータ素子は、バスバーとすることができる電力リード線646に取り付けることができる。中央ハブを利用する実施形態では、電力リード線646及び熱電対リード線661は、中央ハブ経由で配線することができる。多層プレート積層601は、例えば上下逆の様式で組み立てることができ、ろう付け層を含む全要素は、組立済みとすることができ、その後、これは最終の完全なヒータ組立体へ加工される。本明細書の記載のろう付けステップは、酸素化雰囲気及びフッ素化物を含む場合があり、半導体製造を維持する間にヒータが遭遇することになる雰囲気に耐えるようになった気密封止を用いて、全ての構成部品を接合することになる。
In the embodiment of FIGS. 13-16, it can be seen that various components are attached to the bottom surface of the
インコネル外側を有する熱電対リード線などのリード線を中央ハブ604経由で配線することで、これらのリード線は、中央ハブを経由して配線して、ろう付け要素で封止することもできる。例えば、段付き穴を備えた中央ハブの穴を経由してリード線を配線することができ、ろう付けステップの前に円筒形状のろう付け要素をリード線の周りに配置することができる。また、中央ハブ604は、中間プレート層611と最下部プレート層610との間のプレート間の空間をシャフト内部空間から気密封止することを可能にする。図14に示すように、最下部プレート層610の底部からシャフトを封止するために、接合層615を利用することができ、最下部プレート層610の上面から中央ハブ604を封止するために別の接合層616を利用することができる。いくつかの実施形態では、ろう付けステップ中に真空中でヒータ組立体全体を加熱して種々の接合層によって取り付けられることになる種々の表面のすべてを接合する際に、プレート間スペースを気密封止で真空状態に封止することができる。いくつかの実施形態では、熱電対を実装するプレート間の空間を有することにより、実装された部分を除く領域に見られる温度から熱電対を良好に遮熱することができる。
By routing lead wires, such as thermocouple leads having Inconel outer sides, via the
図15及び図16は、中央ハブをそれぞれ上面図及び部分断面図で示す。中間プレート層611と最下部プレート層610との間のプレート間の空間からシャフトの中央領域を隔離する気密性のある貫通部として、中央ハブを利用することができる。ヒータに電力を供給するリード線646及び熱電対リード線661は、中央ハブを経由して配線し、他の構成部品を互いに接合及び封止する同一のろう付け処理ステップでろう材を用いて封止することができる。
15 and 16 show the central hub in top view and partial cross-sectional view, respectively. A central hub can be used as an airtight penetration that isolates the central region of the shaft from the space between the plates between the
図17は、マルチゾーンヒータ素子、例えば本発明のいくつかの実施形態に見られるヒータ600を示す。ヒータ素子は図17の平面図に示されるプレート601において3つの半径方向ゾーン647、648、649に分割され、その各々は2つの半部分を有するので、合計で6つのヒータゾーン647a、647b、648a、648b、649a、649bに分割される。半径方向ゾーンのうちの2つ、中間ヒータゾーン648及び端部ヒータゾーン649は、プレートの一部分605にあって中空シャフト602内部の外周から十分に外側にある。一実施形態では、少なくとも1つの第1温度センサ又は熱電対651は、プレート601の各中央ヒータゾーン647a、647bに設けられ、少なくとも1つの第2温度センサ又は熱電対652は、プレート601の各中間ヒータゾーン648a、648bに設けられ、少なくとも1つの第3温度センサ又は熱電対653は、プレート601の各端部ヒータゾーン649a、649に設けられる。一実施形態では、図17のように、このようなヒータゾーンを平面視する場合、温度センサは、それぞれのヒータゾーン647a、647b、648a、648b、649a、649bの範囲内に設けられる。一実施形態では、プレート601のヒータゾーンはほぼ平面であり、平面視するとある領域を規定し、このようなヒータゾーンに関係する少なくとも1つの温度センサがこのようなヒータゾーンの領域内の、ヒータゾーン平面に又は軸643に沿ってこの平面から間隔をおいて存在する。このように、温度センサはヒータゾーンの近くにある。一実施形態では、プレート601の各ヒータゾーンはほぼ平面であり、軸643に対してほぼ垂直に広がる。温度センサ651−653のすべて又はいくつかをそのように設けることが可能であることが理解される。
FIG. 17 illustrates a multi-zone heater element, such as the
本発明のいくつかの実施形態による接合方法は、接合するセラミック部品に対して相対的な接合材料の濡れと流動の制御に依存する。いくつかの実施形態では、接合中に酸素が存在しないことにより、接合部領域の材料を変化させる反応なしで適切な濡れが可能になる。接合材料の適切な濡れと流動で、気密封止された接合部を比較的低温で達成することができる。本発明のいくつかの実施形態では、接合処理の前に接合部領域にあるセラミックのプレ金属化を行う。 The joining method according to some embodiments of the invention relies on controlling the wetting and flow of the joining material relative to the ceramic parts to be joined. In some embodiments, the absence of oxygen during bonding allows proper wetting without a reaction that changes the material in the bond area. With proper wetting and flow of the joining material, a hermetically sealed joint can be achieved at relatively low temperatures. In some embodiments of the invention, premetallization of the ceramic in the joint area is performed prior to the joining process.
接合されたセラミックの最終製品が使用されるいくつかの用途では、接合部の強度が主設計要素ではない場合がある。いくつかの用途では、接合部両側の雰囲気を分離できるように、接合部の気密性を必要とする場合がある。また、セラミック組立体の最終製品が曝される可能性のある化学物質に対して耐性があるように、接合材料の組成が重要となる場合がある。接合材料は、化学物質に対する耐性を必要とする場合があり、さもなければ、化学物質が接合部の変質と気密封止の喪失を引き起こすことがある。接合材料はまた、後に完成したセラミック機構によって支援されるプロセスに有害な方法で干渉しないタイプの材料であることを必要とする場合がある。 In some applications where a bonded ceramic end product is used, the strength of the bond may not be the primary design factor. In some applications, the tightness of the joint may be required so that the atmosphere on both sides of the joint can be separated. Also, the composition of the bonding material may be important so that the final product of the ceramic assembly is resistant to chemicals that may be exposed. Bonding materials may require resistance to chemicals, otherwise the chemicals can cause joint deterioration and loss of hermetic seal. The bonding material may also need to be of a type that does not interfere in a detrimental manner with processes that are subsequently supported by the finished ceramic mechanism.
本発明のいくつかの実施形態では、接合されたセラミック組立体は窒化アルミなどのセラミックで構成される。アルミナ、窒化シリコン、炭化シリコン又は酸化ベリリウムなどの他の材料を使用することができる。いくつかの態様では、第1セラミック部品は窒化アルミとすることができ、第2セラミック部品は窒化アルミ、ジルコニア、アルミナ、又は他のセラミックとすることができる。いくつかの現行プロセスでは、接合されたセラミック組立体の構成部品は、第1部品及び第2部品が形成される処理オーブンを伴う初期工程で最初に個別的に製造することができる。いくつかの実施形態では、嵌合部品の1つに凹部を含む場合があり、もう片方の嵌合部品がその凹部内に存在することが可能となる。 In some embodiments of the present invention, the bonded ceramic assembly is comprised of a ceramic such as aluminum nitride. Other materials such as alumina, silicon nitride, silicon carbide or beryllium oxide can be used. In some aspects, the first ceramic component can be aluminum nitride and the second ceramic component can be aluminum nitride, zirconia, alumina, or other ceramic. In some current processes, the components of the bonded ceramic assembly can be initially manufactured individually in an initial step with a processing oven in which the first and second parts are formed. In some embodiments, one of the mating parts may include a recess, allowing the other mating part to be present in the recess.
いくつかの実施形態では、最小ろう付け層厚さを保持するようになった複数のスタンドオフを含むことができる。いくつかの実施形態では、シャフトなどのセラミック部品の1つには、例えばプレートに接合されるシャフト端部に、或いはカバーをプレートに接合する部分の表面に、複数のスタンドオフメサを利用することができる。このメサはセラミック部品と同じ構造体の一部分とすることができ、メサを残してセラミック部品から構造体を削り出すことにより形成することができる。このメサは、接合処理の後でセラミック部品の端部に当接することができる。いくつかの実施形態では、接合部用の最小ろう付け層厚さをもたらすためにこのメサを利用することができる。いくつかの実施形態では、ろう付け前のろう付け層材料は、シャフト端部とプレートとの間のメサ又は粉末粒子により保持される距離より厚くすることができる。いくつかの実施形態では、最小ろう付け層厚さを設定するために別の方法を使用することができる。いくつかの実施形態では、最小ろう付け層厚さを設定するためにセラミック球を使用することができる。いくつかの態様では、スタンドオフと隣接界面との間からろう材の全くすべてが押し出されることはないので、接合部厚さは、スタンドオフの寸法又は機構を決定づける別の最小厚さより僅かに厚い場合がある。いくつかの態様では、アルミろう付け層の一部がスタンドオフと隣接界面との間に見つかる場合がある。いくつかの実施形態では、ろう材はろう付け前に0.006インチで、完成した接合部の最小厚さが0.004インチとすることができる。ろう材は、0.4wt%Fe含有のアルミとすることができる。いくつかの実施形態では、スタンドオフを利用しない。 In some embodiments, a plurality of standoffs adapted to maintain a minimum braze layer thickness can be included. In some embodiments, one of the ceramic parts, such as the shaft, utilizes a plurality of standoff mesas, for example, at the end of the shaft that is joined to the plate, or on the surface of the part that joins the cover to the plate. Can do. This mesa can be part of the same structure as the ceramic part and can be formed by scraping the structure from the ceramic part leaving the mesa. This mesa can abut the end of the ceramic part after the joining process. In some embodiments, this mesa can be utilized to provide a minimum braze layer thickness for the joint. In some embodiments, the brazing layer material prior to brazing can be thicker than the distance held by the mesa or powder particles between the shaft end and the plate. In some embodiments, another method can be used to set the minimum braze layer thickness. In some embodiments, ceramic spheres can be used to set the minimum braze layer thickness. In some aspects, since not all of the brazing material is extruded from between the standoff and the adjacent interface, the joint thickness is slightly thicker than another minimum thickness that determines the size or mechanism of the standoff. There is a case. In some embodiments, a portion of the aluminum brazing layer may be found between the standoff and the adjacent interface. In some embodiments, the brazing material can be 0.006 inches before brazing and the minimum thickness of the finished joint can be 0.004 inches. The brazing material can be aluminum containing 0.4 wt% Fe. In some embodiments, no standoff is utilized.
このような機構の接合部を跨いで両側に前述の両タイプの雰囲気が見られる場合、これら両タイプの雰囲気に適合性のあるろう材はアルミである。アルミは、酸化アルミの自己抑制層を形成する特性を有している。この層は一般に均質であり、一旦形成されると、更なる酸素又は他の酸化性化学物質(フッ素化物など)の基部アルミへの侵入及び酸化プロセスの継続を妨げる又は著しく制限する。このように、アルミを酸化又は腐食させる初期の短い期間があり、アルミ表面に形成された酸化物(又はフッ化物)層により、その後の酸化又は腐食を実質的に防ぐか又は遅くする。ろう材は、シート状、粉末状、薄膜状であるか又は本明細書に記載するろう付け処理に適切な任意の別の形状因子とすることができる。例えば、ろう付け層は0.00019インチから0.011インチ以上の範囲の厚さを有するシートとすることができる。いくつかの実施形態では、ろう材は約0.0012インチの厚さを有するシートとすることができる。いくつかの実施形態では、ろう付け層は約0.006インチの厚さを有するシートとすることができる。通常、アルミ中の合金成分(例えばマグネシウムなど)は、アルミの粒界間に析出物として形成する。合金成分は、アルミ接合層の酸化耐性を低減させるが、通常これらの析出物はアルミを貫通する連続した通路を形成せず、その結果、酸化剤の全アルミ層貫通を許さず、従って腐食耐性を有したアルミの自己抑制的な酸化物層の特性をそのまま残す。析出物を形成可能な成分を含有するアルミ合金を使用する実施形態では、冷却手順を含むプロセスパラメータを粒界中の析出物を最小にするように適合させることになる。例えば、一実施形態では、ろう材は少なくとも99.5%の純度を有するアルミとすることができる。いくつかの実施形態では、92%を超える純度を有することができる。市販のアルミ箔を使うことができる。いくつかの実施形態では、合金を使用する。これらの合金は、Al−5wt%Zr、Al−5wt%Ti、市販の合金#7005、#5083、及び#7075を含むことができる。これらの合金は、いくつかの実施形態では接合温度1100℃で使用することができる。これらの合金は、いくつかの実施形態では800℃と1200℃の間の温度で使用することができる。これらの合金は、いくつかの実施形態ではより低温又はより高温で使用することができる。 When both types of atmosphere described above are seen on both sides across the joint of such a mechanism, the brazing material compatible with both types of atmosphere is aluminum. Aluminum has the property of forming a self-inhibiting layer of aluminum oxide. This layer is generally homogeneous and, once formed, prevents or severely restricts further oxygen or other oxidizing chemicals (such as fluorides) from entering the base aluminum and continuing the oxidation process. Thus, there is an initial short period of oxidation or corrosion of the aluminum and the oxide (or fluoride) layer formed on the aluminum surface substantially prevents or slows subsequent oxidation or corrosion. The brazing material can be in the form of a sheet, powder, thin film, or any other form factor suitable for the brazing process described herein. For example, the braze layer can be a sheet having a thickness in the range of 0.00019 inches to 0.011 inches or more. In some embodiments, the brazing material can be a sheet having a thickness of about 0.0012 inches. In some embodiments, the braze layer can be a sheet having a thickness of about 0.006 inches. Usually, alloy components (such as magnesium) in aluminum are formed as precipitates between the grain boundaries of aluminum. The alloying components reduce the oxidation resistance of the aluminum bonding layer, but usually these precipitates do not form a continuous passage through the aluminum and as a result do not allow the oxidant to penetrate the entire aluminum layer, and thus corrosion resistance. The characteristics of the self-inhibiting oxide layer of aluminum having the same are left as it is. In an embodiment using an aluminum alloy containing components capable of forming precipitates, process parameters including cooling procedures will be adapted to minimize precipitates in the grain boundaries. For example, in one embodiment, the brazing material can be aluminum having a purity of at least 99.5%. In some embodiments, it can have a purity greater than 92%. Commercially available aluminum foil can be used. In some embodiments, an alloy is used. These alloys can include Al-5 wt% Zr, Al-5 wt% Ti, and commercially available alloys # 7005, # 5083, and # 7075. These alloys can be used at a bonding temperature of 1100 ° C. in some embodiments. These alloys can be used at temperatures between 800 ° C. and 1200 ° C. in some embodiments. These alloys can be used at lower or higher temperatures in some embodiments.
本発明の実施形態による工程条件の下でのAlNのアルミを拡散させにくい性質は、プレート・シャフト組立体の製造でのろう付けステップ後の、セラミックの材料特性及び材料同一性の維持をもたらす。 The difficulty of diffusing AlN aluminum under process conditions according to embodiments of the present invention results in the maintenance of ceramic material properties and material identity after the brazing step in the manufacture of plate and shaft assemblies.
いくつかの実施形態では、非常に低い圧力を提供するようになった処理チャンバで接合処理を実行する。本発明の実施形態による接合処理は、気密封止された接合部を得るために無酸素状態を必要とする場合がある。いくつかの実施形態では、接合処理を1x10E−4Torr未満の圧力で実行する。いくつかの実施形態では、接合処理を1x10E−5Torr未満の圧力で実行する。いくつかの実施形態では、更なる酸素除去を処理チャンバ内にジルコニウム、又はチタニウムを配置することで達成する。例えば、接合する部品の周りにジルコニウム内室を配置することができる。 In some embodiments, the bonding process is performed in a processing chamber that is adapted to provide very low pressure. The joining process according to the embodiment of the present invention may require an oxygen-free state in order to obtain a hermetically sealed joint. In some embodiments, the bonding process is performed at a pressure of less than 1 × 10E-4 Torr. In some embodiments, the bonding process is performed at a pressure less than 1 × 10E-5 Torr. In some embodiments, further oxygen removal is achieved by placing zirconium or titanium in the processing chamber. For example, a zirconium inner chamber can be placed around the parts to be joined.
いくつかの実施形態では、気密封止を達成するために真空以外の雰囲気を使用することができる。いくつかの実施形態では、気密性のある接合部を得るためにアルゴン(Ar)雰囲気を使用することができる。いくつかの実施形態では、気密性のある接合部を得るために別の希ガスを使用する。いくつかの実施形態では、気密性のある接合部を得るために水素(H2)雰囲気を使用することができる。 In some embodiments, atmospheres other than vacuum can be used to achieve a hermetic seal. In some embodiments, an argon (Ar) atmosphere can be used to obtain an airtight junction. In some embodiments, another noble gas is used to obtain an airtight joint. In some embodiments, a hydrogen (H2) atmosphere can be used to obtain an airtight junction.
ろう付け層の濡れと流動は、種々の因子に敏感である場合がある。重要な因子には、ろう材の組成、セラミックの組成、処理チャンバ内雰囲気の化学的組成、特に接合処理中のチャンバ内の酸素レベル、温度、温度時間(time at temperature)、ろう材の厚さ、接合される材料の表面特性、接合される部品の形状、接合処理中に接合部全体に加わる物理的な圧力、及び/又は接合処理中に保持される接合部隙間が含まれる。 Brazing layer wetting and flow may be sensitive to various factors. Important factors include brazing material composition, ceramic composition, chemical composition of the atmosphere in the processing chamber, especially the oxygen level in the chamber during the bonding process, temperature, time at temperature, brazing material thickness The surface properties of the materials to be joined, the shape of the parts to be joined, the physical pressure applied to the entire joint during the joining process, and / or the joint gap retained during the joining process.
いくつかの実施形態では、接合のためにセラミック部品をチャンバに配置する前に、セラミック表面は金属化される場合がある。この金属化は、いくつかの実施形態では、摩擦による金属化とすることができる。摩擦による金属化には、アルミロッドの利用を含むことができる。回転式の工具を利用して、部品を接合する際にろう付け層に隣接することになる領域上でアルミロッドを回転させることができる。摩擦による金属化ステップは、一部のアルミをセラミック部品表面に残すことができる。摩擦による金属化ステップは、一部の酸化物を除去する等によってセラミック表面を幾分変えることができ、その結果、セラミック表面は、ろう材の濡れに対して良好に適合する。金属化ステップは、いくつかの実施形態では薄膜スパッタリングとすることができる。 In some embodiments, the ceramic surface may be metallized prior to placing the ceramic component in the chamber for bonding. This metallization can be friction metallization in some embodiments. Friction metallization can include the use of aluminum rods. A rotary tool can be used to rotate the aluminum rod over the area that will be adjacent to the brazing layer when joining the parts. The friction metallization step can leave some aluminum on the ceramic component surface. The metallization step by friction can change the ceramic surface somewhat, such as by removing some oxide, so that the ceramic surface is well suited to brazing wetting. The metallization step can be thin film sputtering in some embodiments.
第1及び第2セラミック体を接合するためのろう付け法の例は、第1セラミック体を第2セラミック体に接合するために、アルミ及びアルミ合金から成るグループから選択されたろう付け層を第1及び第2セラミック体の間に配置して第1及び第2セラミック体を結びつけるステップと、ろう付け層を少なくとも800℃の温度まで加熱するステップと、ろう付け層を硬化させて気密封止を作り出すようにろう付け層をその融点以下の温度に冷却するステップとを含むことができる。様々な形状のろう付け接合部を本明細書に記載する方法に従って実行することができる。 An example of a brazing method for joining the first and second ceramic bodies includes a first brazing layer selected from the group consisting of aluminum and an aluminum alloy for joining the first ceramic body to the second ceramic body. And between the first and second ceramic bodies to bond the first and second ceramic bodies, heating the brazing layer to a temperature of at least 800 ° C., and curing the brazing layer to create a hermetic seal. Cooling the brazing layer to a temperature below its melting point. Various shapes of brazed joints can be performed according to the methods described herein.
本発明のいくつかの実施形態による接合処理は、以下のステップの一部又はすべてを含むことができる。2つ又は3以上のセラミック部品を選択して接合する。いくつかの実施形態では、同じ処理ステップのセットで複数の接合層を使って複数の部品を接合することができるが、議論を明確にするため、本明細書では単一の接合層で接合される2つのセラミック部品を論じる。セラミック部品は窒化アルミ製とすることができる。セラミック部品は、単結晶又は多結晶の窒化アルミとすることができる。各部品の各部分は、他方に接合することになる各部品の領域として特定される。例示的な実施例において、セラミックプレート構造体の底部の一部分は、セラミックの中空円筒形構造体の上部に接合することになる。接合材料は、アルミ含有のろう付け層とすることができる。いくつかの実施形態では、ろう付け層は、アルミ含有率が99%を超える市販のアルミ箔とすることができる。ろう付け層は、いくつかの実施形態では複数層の金属箔から成る場合がある。 The joining process according to some embodiments of the present invention may include some or all of the following steps. Two or more ceramic parts are selected and joined. In some embodiments, multiple bonding layers can be used to bond multiple parts in the same set of processing steps, but for clarity of discussion, here a single bonding layer is bonded. Two ceramic parts are discussed. The ceramic component can be made of aluminum nitride. The ceramic component can be single crystal or polycrystalline aluminum nitride. Each part of each part is specified as an area of each part to be joined to the other. In an exemplary embodiment, a portion of the bottom of the ceramic plate structure will be joined to the top of the ceramic hollow cylindrical structure. The joining material can be an aluminum-containing brazing layer. In some embodiments, the braze layer can be a commercially available aluminum foil with an aluminum content greater than 99%. The brazing layer may consist of multiple layers of metal foil in some embodiments.
いくつかの実施形態では、接合されることになる特定の表面領域は、プレ金属化ステップを受けることになる。プレ金属化ステップは種々の方法で達成することができる。一方法では、材料ロッドを利用した摩擦によるプレ金属化プロセスを用いており、その材料ロッドはアルミ合金6061とすることができ、材料ロッドを回転式の工具で回転させて接合部領域でセラミックに押し付けることができ、その結果、2つのセラミック部品各々の上の接合部領域にいくらかのアルミを蒸着することができる。別の方法では、PVD,CVD,電解メッキ、プラズマ溶射、又は他の方法を、プレ金属化を適用するために利用することができる。 In some embodiments, the specific surface regions that are to be joined will undergo a pre-metallization step. The premetallization step can be accomplished in various ways. One method uses a friction pre-metallization process using a material rod, which can be aluminum alloy 6061, which is rotated with a rotary tool to become ceramic in the joint area. So that some aluminum can be deposited in the joint area on each of the two ceramic parts. Alternatively, PVD, CVD, electroplating, plasma spraying, or other methods can be utilized to apply premetallization.
処理チャンバ中にある間、何らかの位置制御を維持するために、接合前に2つの部品を相対的に固定することができる。また、この固定は、外部から加えられる荷重の付加に役立ち、温度が加わっている間に2つの部品間の接合部全域の接触圧力を生成するようになっている。接触圧力が接合部全域に加えられるように、固定部品の上部にウエイトを置くことができる。ウエイトは、ろう付け層の面積に比例することができる。いくつかの実施形態では、接合部全域に加えられる接触圧力は、接合部接触領域上で約2−500psiの範囲とすることができる。いくつかの実施形態では、接触圧力は2−40psiの範囲とすることができる。いくつかの実施形態では、最小限の圧力を使用することができる。このステップで使用される接触圧力は、従来プロセスに見られる高温のプレス/焼結を利用する接合ステップに見られる接触圧力より著しく低く、従来の接合ステップでは2000−3000psiの範囲の圧力を使用する場合がある。 In order to maintain some position control while in the processing chamber, the two parts can be relatively fixed prior to joining. In addition, this fixing is useful for applying an externally applied load, and generates a contact pressure across the joint between the two parts while the temperature is applied. A weight can be placed on top of the stationary part so that contact pressure is applied across the joint. The weight can be proportional to the area of the brazing layer. In some embodiments, the contact pressure applied across the junction can range from about 2-500 psi on the junction contact area. In some embodiments, the contact pressure can range from 2-40 psi. In some embodiments, minimal pressure can be used. The contact pressure used in this step is significantly lower than the contact pressure found in joining steps that utilize the high temperature pressing / sintering found in conventional processes, and conventional joining steps use pressures in the range of 2000-3000 psi. There is a case.
スタンドオフとしてメサを利用するか又はセラミック球などの接合部厚さを制御する別の方法を利用する実施形態では、熱を加える前のろう付け層の元の厚はメサの高さより大きい場合がある。ろう付け層温度が液相温度に達してそれを超えると、接合される部品間のろう付け層全域での圧力は、第1部品上のメサが第2部品上の界面に接触するまで部品間の相対運動を引き起こすことになる。その時点で、接合部全域の接触圧力はもはや外力によって与えられない(もしあれば、ろう付け層内部の反発力に対する抗力を除いて)ことになる。メサは、セラミック部品が十分に濡れる前にろう付け層が接合部領域から外に押し出されるのを防止することができ、従って接合処理中に良好な及び/又は十分な濡れを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、メサを利用しない。 In embodiments utilizing a mesa as a standoff or utilizing another method of controlling the joint thickness, such as a ceramic sphere, the original thickness of the brazing layer before application of heat may be greater than the height of the mesa. is there. When the brazing layer temperature reaches and exceeds the liquidus temperature, the pressure across the brazing layer between the parts to be joined is increased between the parts until the mesa on the first part contacts the interface on the second part. Will cause relative movement. At that point, the contact pressure across the joint will no longer be applied by external forces (except for the resistance against the repulsive force inside the brazing layer, if any). The mesa can prevent the brazing layer from being pushed out of the joint area before the ceramic parts are sufficiently wetted, thus allowing good and / or sufficient wetting during the bonding process. it can. In some embodiments, no mesa is utilized.
固定された組立体は、処理オーブンに置くことができる。オーブンは、5x10E−5Torr未満の圧力へ真空排気することができる。いくつかの態様では、減圧が残留酸素を除去する。いくつかの実施形態では、1x10E−5Torr未満の真空度を使用する。いくつかの実施形態では、固定された組立体を、酸素誘因物質として働くジルコニウム製内室の内部に配置して、処理中に接合部に向かう可能性のある残留酸素をさらに低減する。いくつかの実施形態では、酸素を除去するために、処理オーブンをパージしてアルゴンガスなどの純度の高い、脱水された純希ガスで再充填する。いくつかの実施形態では、酸素を除去するために処理オーブンをパージして精製水素で再充填する。 The fixed assembly can be placed in a processing oven. The oven can be evacuated to a pressure of less than 5x10E-5 Torr. In some embodiments, the reduced pressure removes residual oxygen. In some embodiments, a vacuum of less than 1 × 10E-5 Torr is used. In some embodiments, the fixed assembly is placed inside a zirconium interior chamber that serves as an oxygen inducer to further reduce residual oxygen that may be directed to the joint during processing. In some embodiments, to remove oxygen, the processing oven is purged and refilled with a pure, dehydrated pure noble gas such as argon gas. In some embodiments, the processing oven is purged and refilled with purified hydrogen to remove oxygen.
次に、固定された組立体を昇温して接合温度に保持する。加熱サイクルの開始直後に、温度をゆっくりと、例えば毎分15℃で200℃まで、その後は毎分20℃で標準化された温度、例えば600℃の接合温度まで上昇させ、勾配を最小化するために及び/又は別の理由から、所定の滞留時間の間、各温度に保持して加熱後の真空度を回復させることができる。ろう付け温度に達すると、この温度をろう付け反応をもたらす時間だけ保持することができる。例示的な実施形態では、滞留温度は800℃、滞留時間は2時間とすることができる。別の例示的な実施形態では、滞留温度は1000℃、滞留時間は15分とすることができる。別の例示的な実施形態では、滞留温度は1150℃、滞留時間は30−45分とすることができる。いくつかの実施形態では、滞留温度は最大1200℃を超えない。いくつかの実施形態では、滞留温度は最大1300℃を超えない。十分なろう付け滞留時間に達するとすぐに、毎分20℃の割合で、又は炉固有の冷却率がよい小さい場合にはより低い割合で炉を常温まで冷却することができる。炉を大気圧にして開け、ろう付けされた組立体を検査、特性確認、及び/又は評価のために取り出すことができる。 Next, the temperature of the fixed assembly is raised and maintained at the bonding temperature. Immediately after the start of the heating cycle, the temperature is slowly increased, for example to 15 ° C./min to 200 ° C. and then to a standardized temperature at 20 ° C./min, for example to a junction temperature of 600 ° C., to minimize the gradient In addition, and / or for another reason, it is possible to restore the degree of vacuum after heating by maintaining each temperature for a predetermined residence time. When the brazing temperature is reached, this temperature can be held for a time that results in a brazing reaction. In an exemplary embodiment, the residence temperature can be 800 ° C. and the residence time can be 2 hours. In another exemplary embodiment, the residence temperature can be 1000 ° C. and the residence time can be 15 minutes. In another exemplary embodiment, the residence temperature can be 1150 ° C. and the residence time can be 30-45 minutes. In some embodiments, the residence temperature does not exceed a maximum of 1200 ° C. In some embodiments, the residence temperature does not exceed a maximum of 1300 ° C. As soon as sufficient brazing residence time is reached, the furnace can be cooled to room temperature at a rate of 20 ° C. per minute or at a lower rate if the furnace specific cooling rate is good and small. The furnace can be opened to atmospheric pressure and the brazed assembly can be removed for inspection, characterization and / or evaluation.
長時間にわたる過度の高温の使用は、著しいアルミ蒸発の結果として接合層内のボイド形成につながる場合がある。ボイドは接合層内に生じるので、接合部の気密性が失われる可能性がある。処理温度及びその持続時間は、アルミ層が蒸発しないように、そして気密性のある接合部を得るために制御することができる。前述の他のプロセスパラメータに加えて、適切な温度と処理持続時間の制御によって、連続的な接合部を形成することができる。本明細書に記載する実施形態によって得られた連続的な接合部は、部品の気密封止並びに構造的アタッチメントをもたらすことになる。 The use of excessively high temperatures for extended periods may lead to void formation in the bonding layer as a result of significant aluminum evaporation. Since voids are generated in the bonding layer, the airtightness of the bonding portion may be lost. The treatment temperature and its duration can be controlled so that the aluminum layer does not evaporate and to obtain an airtight joint. In addition to the other process parameters described above, continuous joints can be formed by appropriate temperature and process duration control. The continuous joint obtained by the embodiments described herein will provide a hermetic seal as well as a structural attachment of the part.
ろう材は流動して、接合されるセラミック材表面の濡れを可能にする。アルミのろう付け層を使用して本明細書に記載される十分に低レベルの酸素存在下で窒化アルミなどのセラッミックを接合する場合、接合部は気密性のあるろう付け接合部となる。これは、いくつかの従来のセラミック接合処理に見られる拡散接合とは対照的である。 The brazing material flows and allows wetting of the ceramic material surfaces to be joined. If an aluminum braze layer is used to join a ceramic such as aluminum nitride in the presence of a sufficiently low level of oxygen as described herein, the joint becomes a hermetic braze joint. This is in contrast to the diffusion bonding found in some conventional ceramic bonding processes.
いくつかの実施形態では、接合される部品は、ろう付け中にろう付け層全域に全く圧力がかからないように構成することができる。例えば、ポスト又はシャフトは、嵌合部品の皿穴又は凹部の中へ配置することができる。皿穴はポスト又はシャフトの外形寸法より大きいものとすることができる。これにより、その後にアルミ又はアルミ合金で埋めることのできるポスト又はシャフト周りの領域を作ることができる。このシナリオでは、接合中に2つの部品を保持するために2つの部品の間に加わる圧力は、ろう付け層全域で何らかの圧力ももたらすことはない。また、部品間にほとんど又は全く圧力がかからないように、固定具を利用して各部品を好ましい端部位置に保持することも可能である。 In some embodiments, the parts to be joined can be configured such that no pressure is applied across the braze layer during brazing. For example, the post or shaft can be placed into a countersink or recess in the mating part. The countersink can be larger than the external dimensions of the post or shaft. This can create a post or shaft area that can be subsequently filled with aluminum or an aluminum alloy. In this scenario, the pressure applied between the two parts to hold the two parts during joining does not cause any pressure across the braze layer. It is also possible to hold each component in a preferred end position using a fixture so that little or no pressure is applied between the components.
前述のように接合された接合組立体は、接合された部品間に気密封止を備える部品となる。従って、このような組立体は、組立体の使用上大気からの隔離が重要な態様である場所で使用することができる。さらに、例えば、接合組立体を後で半導体処理に使用する場合に種々の雰囲気に曝される可能性のある接合部の一部は、このような雰囲気で劣化することはなく、また後続の半導体処理を汚染することもない。 The joint assembly joined as described above becomes a part having a hermetic seal between the joined parts. Therefore, such an assembly can be used in locations where isolation from the atmosphere is an important aspect for use of the assembly. Further, for example, some of the junctions that may be exposed to various atmospheres when the bonding assembly is later used in semiconductor processing are not degraded in such atmospheres, and subsequent semiconductors It does not contaminate the process.
部品を分離するために大きな力を必要とするという点で、気密性接合及び非気密性接合の両方とも部品を強固に接合することができる。しかしながら、接合部が強固にという事実は、接合部が気密封止を備えるか否かを決定づけるものではない。気密性接合を得る能力は、接合部の濡れ性に関係する場合がある。濡れ性は、液体が別の材料の表面へ広がる能力又は傾向を表す。ろう付けされる接合部に十分な濡れ性がない場合、未接合の領域が存在することになる。非濡れ性の領域が十分に存在する場合、ガスが接合部を通過してリークを引き起こすことがある。濡れ性は、ろう材溶融の種々の段階での接合部全域の圧力に影響される場合がある。ろう付け層の特定の最小距離を越えた圧縮を制限するために、メサ形スタンドオフ、或いは適切な直径のセラミック球又は粉末粒子の挿入等の別のスタンドオフ機構の利用によって、接合部領域の濡れ性を向上させることができる。接合処理中にろう付け要素が経験する雰囲気を注意深く制御することで、接合部領域の濡れ性を向上させることができる。接合部厚さの注意深い制御と処理中に使用される雰囲気の注意深い制御とを組み合わせると、他のプロセスでは達成できない接合部界面の完全な濡れ性をもたらすことができる。さらに、メサ形スタンドオフの高さよりも厚くすることができる適切な厚さのろう付け層を使用すると、他の関連する因子と合わせて、非常に良く濡れた気密性のある接合部をもたらすことができる。種々の接合層の厚さでうまく行く場合もあるが、接合層の厚さの増加により、接合部の気密性の点での成功率を高めることができる。 Both the airtight joint and the non-airtight joint can firmly join the parts in that a large force is required to separate the parts. However, the fact that the joint is strong does not determine whether the joint has an airtight seal. The ability to obtain a hermetic bond may be related to the wettability of the joint. Wettability refers to the ability or tendency of a liquid to spread to the surface of another material. If the brazed joint does not have sufficient wettability, there will be unjoined areas. If there are enough non-wetting regions, the gas may pass through the joint and cause a leak. Wettability may be affected by pressure across the joint at various stages of brazing material melting. To limit the compression of the braze layer beyond a certain minimum distance, the use of a mesa-type standoff or another standoff mechanism such as the insertion of a ceramic sphere or powder particle of the appropriate diameter The wettability can be improved. Careful control of the atmosphere experienced by the brazing element during the joining process can improve the wettability of the joint area. The combination of careful control of the joint thickness and careful control of the atmosphere used during processing can result in complete wettability of the joint interface that cannot be achieved with other processes. In addition, the use of a brazing layer of an appropriate thickness that can be thicker than the height of the mesa standoff, in combination with other related factors, provides a very well-wet and airtight joint. Can do. Although various bonding layer thicknesses may work well, increasing the bonding layer thickness can increase the success rate in terms of hermeticity at the joint.
ろう付け処理中に大量の酸素又は窒素が存在すると、接合部界面領域の十分な濡れ性を妨げる反応を生じる場合があり、結果的に気密性のない接合部をもたらすことになる。十分な濡れ性がないと、非濡れ性の領域が接合部界面領域の最終的な接合部中に持ち込まれる。十分に連続的な非濡れ性の領域が持ち込まれると、接合部の気密性は失われる。 The presence of large amounts of oxygen or nitrogen during the brazing process can cause reactions that hinder sufficient wettability of the joint interface region, resulting in a joint that is not airtight. Without sufficient wettability, non-wetting regions are brought into the final joint in the joint interface region. If a sufficiently continuous non-wetting region is introduced, the tightness of the joint is lost.
窒素の存在は、窒素が溶融したアルミと反応して窒化アルミを形成することに通じる可能性があり、この反応生成は、接合部界面領域の濡れ性を妨げる場合がある。同様に、酸素の存在は、酸素が溶融したアルミと反応して酸化アルミを形成することに通じる可能性があり、この反応生成は、接合部界面領域の濡れ性を妨げる場合がある。十分な酸素及び窒素を除去して、十分にしっかりした接合部界面領域の濡れ性と気密性のある接合部とを可能とするために、5x10−5Torr未満の圧力の真空雰囲気を使用することを示した。いくつかの実施形態では、ろう付けステップ中の処理チャンバ内で、例えば大気圧を含むより高い圧力を使用するが、水素等の非酸化性ガス又はアルゴン等の純希ガスを利用すると、接合部界面領域のしっかりした濡れ性と気密性のある接合部が生じた。前述の酸素反応を回避するために、ろう付け処理中の処理チャンバ内にある酸素量は、接合部界面領域の十分な濡れ性に悪影響を与えないように十分に低くする必要がある。前述の窒素反応を回避するために、ろう付け処理中の処理チャンバ内にある窒素量は、接合部界面領域の十分な濡れ性に悪影響を与えないように十分に低くする必要がある。 The presence of nitrogen can lead to the reaction of the nitrogen with molten aluminum to form aluminum nitride, and this reaction generation can interfere with the wettability of the interface region of the joint. Similarly, the presence of oxygen can lead to the reaction of aluminum with molten aluminum to form aluminum oxide, and this reaction generation can interfere with the wettability of the joint interface region. Use a vacuum atmosphere at a pressure of less than 5 × 10 −5 Torr to remove enough oxygen and nitrogen to allow a sufficiently tight joint interface area wettability and airtight joint. Indicated. In some embodiments, higher pressures, such as atmospheric pressure, are used in the processing chamber during the brazing step, but using non-oxidizing gases such as hydrogen or pure noble gases such as argon, the junction A solid wettability and airtight joint in the interface area was produced. In order to avoid the aforementioned oxygen reaction, the amount of oxygen present in the processing chamber during the brazing process must be sufficiently low so as not to adversely affect the sufficient wettability of the joint interface region. In order to avoid the aforementioned nitrogen reaction, the amount of nitrogen present in the processing chamber during the brazing process must be sufficiently low so as not to adversely affect the sufficient wettability of the joint interface region.
ろう付け処理中の適切な雰囲気の選択は、最小接合部厚さの保持と相まって接合部の十分な濡れ性を可能にすることができる。逆に、不適切な雰囲気の選択は、不十分な濡れ性及びボイドにつながり、非気密性の接合部をもたらす場合がある。適切な材料の選択及びろう付け中の適切な温度に加えて、制御された雰囲気と制御された接合部厚さとの適切な組み合わせにより、気密性のある接合部を備えた材料の接合が可能となる。 Selection of an appropriate atmosphere during the brazing process can allow sufficient wettability of the joint, coupled with maintaining a minimum joint thickness. Conversely, the selection of an inappropriate atmosphere can lead to poor wettability and voids, resulting in a non-hermetic joint. In addition to the right material selection and the right temperature during brazing, the right combination of controlled atmosphere and controlled joint thickness allows the joining of materials with tight joints Become.
ろう付けの前にアルミ薄膜のスパッタリングなどでセラミック表面の内の一方又は両方をプレ金属化する、本発明のいくつかの実施形態では、接合処理ステップは、より短い持続時間だけ保持されるより低温を使用することができる。加熱サイクルを開始するとすぐに、温度をゆっくりと、例えば毎分15℃で200℃まで、その後毎分20℃で標準化された温度、例えば600℃及び接合温度まで上昇させ、勾配を最小化するために及び/又は別の理由から、所定の滞留時間の間、各温度に保持して加熱後の真空度を回復させることができる。ろう付け温度に達すると、この温度をろう付け反応をもたらす時間だけ保持することができる。接合界面のうちの1つ又は2以上のプレ金属化を利用するいくつかの実施形態では、ろう付け温度は、600℃から850℃の範囲とすることができる。例示的な実施形態では、滞留温度は700℃、滞留時間は1分とすることができる。別の例示的な実施形態では、滞留温度は750℃、滞留時間は1分とすることができる。十分なろう付け滞留時間に達するとすぐに、毎分20℃の割合で、又は炉固有の冷却率がよい小さい場合にはより低い割合で炉を常温まで冷却することができる。炉を大気圧にして開け、ろう付けされた組立体を検査、特性確認、及び/又は評価のために取り出すことができる。 In some embodiments of the invention where one or both of the ceramic surfaces are pre-metallized, such as by sputtering of an aluminum thin film prior to brazing, the bonding process step is performed at a lower temperature that is held for a shorter duration. Can be used. As soon as the heating cycle is started, the temperature is slowly increased, eg to 15 ° C./min to 200 ° C. and then to a standardized temperature, eg 600 ° C./joining temperature at 20 ° C./min to minimize the gradient. In addition, and / or for another reason, it is possible to restore the degree of vacuum after heating by maintaining each temperature for a predetermined residence time. When the brazing temperature is reached, this temperature can be held for a time that results in a brazing reaction. In some embodiments that utilize pre-metallization of one or more of the bonding interfaces, the brazing temperature can range from 600 ° C to 850 ° C. In an exemplary embodiment, the residence temperature can be 700 ° C. and the residence time can be 1 minute. In another exemplary embodiment, the residence temperature can be 750 ° C. and the residence time can be 1 minute. As soon as sufficient brazing residence time is reached, the furnace can be cooled to room temperature at a rate of 20 ° C. per minute or at a lower rate if the furnace specific cooling rate is good and small. The furnace can be opened to atmospheric pressure and the brazed assembly can be removed for inspection, characterization and / or evaluation.
接合部界面領域上にアルミ層蒸着の無いアルミろう付け処理と比較すると、薄膜スパッタリング技術などでセラミックの表面にアルミ薄膜層を蒸着させたプロセスは、低温で、ろう付け温度での非常に短い滞留時間でもって気密性のある接合部をもたらす。界面上のアルミ蒸着層を利用することによって、表面を濡れ性にするのが比較的に容易であり、気密性のある接合部を得るために、より低温かつ短い滞留時間の利用が可能になり、必要なエネルギーをより少なくすることができる。 Compared with the aluminum brazing process where there is no aluminum layer deposition on the joint interface area, the process of depositing the aluminum thin film layer on the ceramic surface by thin film sputtering technology etc. is low temperature and very short residence time at the brazing temperature Over time will result in a tight joint. By utilizing an aluminum deposition layer on the interface, it is relatively easy to make the surface wettable, and a lower temperature and shorter residence time can be used to obtain an airtight joint. , Can require less energy.
このようなろう付け処理に関する工程の概要は以下の通りである。接合部は、多結晶窒化アルミの2つの部品の間にあった。ろう付け層材料は、0.003インチ厚の99.8%アルミ箔であった。リング状部品の接合部界面領域を、2μmの薄膜蒸着アルミを使用して金属化した。接合温度を、780℃で10分間維持した。6x10E−5Torr未満のより低い圧力に維持した処理チャンバで接合を行った。直径0.004インチのZrO2球を利用して、接合部厚さを維持した。第1部品(リング状部品)は、アルミの薄い層を蒸着する前にエッチング処理を受けた。接合部完全性の音響映像は、セラミック上への良好な濡れがあった位置に暗い単色を示した。接合部の良好で十分な完全性が見られた。この接合部は気密性があった。1x10E−9sccm He/secより小さな真空リーク速度を有することにより、気密性を確認した(標準的な市販の質量分析計型ヘリウムリーク検出器により確認できる)。 The outline of the process related to such brazing processing is as follows. The joint was between two parts of polycrystalline aluminum nitride. The braze layer material was 0.003 inch thick 99.8% aluminum foil. The joint interface area of the ring-shaped part was metallized using 2 μm thin film deposited aluminum. The bonding temperature was maintained at 780 ° C. for 10 minutes. Bonding was performed in a processing chamber maintained at a lower pressure of less than 6 × 10E-5 Torr. A junction thickness was maintained using a ZrO2 sphere having a diameter of 0.004 inches. The first part (ring-shaped part) was subjected to an etching process before depositing a thin layer of aluminum. The acoustic image of the joint integrity showed a dark single color where there was good wetting on the ceramic. Good and sufficient integrity of the joint was observed. This joint was airtight. Airtightness was confirmed by having a vacuum leak rate less than 1 × 10E-9 sccm He / sec (can be confirmed by a standard commercial mass spectrometer type helium leak detector).
本発明の実施形態による、ヒータゾーンの熱電対モニタを備えたマルチゾーンヒータ組立体の製造は、ヒータのセラミック部品の最終焼結の後に熱電対を挿入することを可能にする。また、半導体処理中にヒータが曝されることになり、腐食性ガスを含む場合のある外部環境から、相当な温度と腐食性ガスとに耐えるように構成された気密封止によって、熱電対は保護される。さらに、気密封止は構造的接合部でもあり、複数部品組立体は、単一のろう付けステップで構造的に連結して気密封止することができる。 The manufacture of a multi-zone heater assembly with a heater zone thermocouple monitor, according to embodiments of the present invention, allows the thermocouple to be inserted after final sintering of the ceramic parts of the heater. Thermocouples are also exposed by hermetic seals that are configured to withstand substantial temperatures and corrosive gases from external environments that may contain corrosive gases that would be exposed to the heater during semiconductor processing. Protected. In addition, hermetic sealing is also a structural joint, and multiple part assemblies can be structurally connected and hermetically sealed in a single brazing step.
本明細書に記載する接合方法のもう1つの利点は、本発明のいくつかの実施形態に従って作られた接合部が、必要であれば、それら2つの部品のうちの一方を修理又は交換するために、構成部品の分解を可能にすることである。接合処理は、接合層のセラミック中への拡散によりセラミック部品を変化させることはないので、セラミック部品は再利用することができる。 Another advantage of the joining method described herein is that a joint made in accordance with some embodiments of the present invention can repair or replace one of the two parts if necessary. In addition, it is possible to disassemble components. Since the bonding process does not change the ceramic component by diffusion of the bonding layer into the ceramic, the ceramic component can be reused.
いくつかの実施形態では、シャフトとプレートのアライメント及び位置を部品形状により維持し、固定作業と接合後の機械加工とを省く。ろう材が溶融する際の多少の軸方向移動を除いて、接合処理中に確実に移動しないようにするためにウエイトを使用することができる。プレートを逆さまに置いて、接合要素をプレート裏面の凹部に設けることができる。シャフトをプレートの凹部の中に垂直方向下向きに挿入することができる。接合処理中に何らかの接触圧力を与えるために、ウエイトをシャフト401上に置くことができる。 In some embodiments, the alignment and position of the shaft and plate is maintained by the part shape, eliminating the fixing operation and post-joining machining. A weight can be used to ensure that the brazing material does not move during the joining process, except for some axial movement when the brazing material melts. The plate can be placed upside down and the joining element can be provided in a recess on the back side of the plate. The shaft can be inserted vertically downward into the recess of the plate. A weight can be placed on the shaft 401 to provide some contact pressure during the joining process.
いくつかの実施形態では、シャフト/プレートの位置及び鉛直度は、固定具によって維持する。固定具は、熱膨張と機械加工公差のために精密ではない場合があり、それゆえ、接合後の機械加工を必要とする場合がある。シャフト径を大きくして、最終的な寸法要求を満たすように、必要とされる材料除去に対応することができる。同様に、ろう材が溶融する際の多少の軸方向移動を除いて、接合処理中に確実に移動しないようにするためにウエイトを使用することができる。プレートを逆さまに置いて、接合要素をプレート裏面上部に設けることができる。シャフトをプレート上へ配置してプレート・シャフトの事前組立体を作製することができる。固定具は、シャフトを支持して位置決めするように構成することができる。固定具は、プレートに対してキー留めすることができ、位置的な完全性をもたらすようになっている。接合処理中に何らかの接触圧力を与えるために、ウエイトをシャフト401上に置くことができる。 In some embodiments, the position / verticality of the shaft / plate is maintained by a fixture. Fixtures may not be precise due to thermal expansion and machining tolerances and may therefore require post-joining machining. The shaft diameter can be increased to accommodate the required material removal to meet the final dimensional requirements. Similarly, weights can be used to ensure that they do not move during the joining process, except for some axial movement as the brazing material melts. The plate can be placed upside down and the joining element can be provided on the upper back of the plate. The shaft can be placed on the plate to create a pre-assembly of the plate shaft. The fixture can be configured to support and position the shaft. The fixture can be keyed to the plate to provide positional integrity. A weight can be placed on the shaft 401 to provide some contact pressure during the joining process.
本発明の一態様は、接合用に選択されたアルミ又はアルミ合金の、温度と共に減少する引張強度で規定される、接合されたシャフト−プレートの最大作業温度である。例えば、接合材料として純アルミを使用する場合、シャフトとプレートとの間の接合の構造強度は、接合部温度が一般に660℃と見なされるアルミの融点に近づくにつれてかなり低くなる。実際問題として、99.5%又はより純度の高いアルミを使用する場合、シャフト−プレート組立体は、典型的なウェハ処理ツールで経験する通常の予期される応力すべてに600℃の温度まで耐えることになる。しかしながら、一部の半導体デバイス製造工程は、600℃より高い温度を必要とする。 One aspect of the present invention is the maximum working temperature of the joined shaft-plate, defined by the tensile strength that decreases with temperature, of the aluminum or aluminum alloy selected for joining. For example, when using pure aluminum as the bonding material, the structural strength of the bond between the shaft and the plate becomes much lower as the joint temperature approaches the melting point of aluminum, which is generally considered to be 660 ° C. As a practical matter, when using 99.5% or higher purity aluminum, the shaft-plate assembly can withstand all the usual expected stresses experienced with typical wafer processing tools up to a temperature of 600 ° C. become. However, some semiconductor device manufacturing processes require temperatures above 600 ° C.
本発明の実施形態によって接合された組立体を分離するための修理手順は以下のように行うことができる。接合部全域に引張力を付与するように構成された固定具を使用して、組立体を処理オーブンに置くことができる。固定具は、接合部接触領域上へ約2−30psiの引張応力を加えることができる。いくつかの実施形態では、固定具は接合部全域により大きな応力を加えることができる。その後、固定された組立体は、処理オーブン内に置くことができる。オーブンは真空排気することができるが。これらのステップ中では必要ない場合もある。温度をゆっくりと、例えば毎分15℃で200℃まで、その後毎分20℃で標準化された温度、例えば400℃まで、そして分離温度まで上昇させることができる。分離温度に達するとすぐに、部品はバラバラになることができる。分離温度は、ろう付け層に使用した材料に特有である。いくつかの実施形態では、分離温度は600−800℃の範囲とすることができる。いくつかの実施形態では、分離温度は800−1000℃の範囲とすることができる。固定具は、2つの部品の間の移動量を制限できるように構成することができ、分離の際に部品が損傷しないようになっている。分離温度は、アルミに関して450℃から660℃の範囲とすることができる。 A repair procedure for separating assemblies joined according to an embodiment of the present invention may be performed as follows. The assembly can be placed in a processing oven using a fixture configured to provide a tensile force across the joint. The fixture can apply a tensile stress of about 2-30 psi onto the joint contact area. In some embodiments, the fixture can apply more stress across the joint. The secured assembly can then be placed in a processing oven. Although the oven can be evacuated. It may not be necessary during these steps. The temperature can be slowly increased, for example, up to 200 ° C. at 15 ° C. per minute, then to a standardized temperature at 20 ° C. per minute, for example up to 400 ° C., and to the separation temperature. As soon as the separation temperature is reached, the parts can fall apart. The separation temperature is specific to the material used for the brazing layer. In some embodiments, the separation temperature can be in the range of 600-800 ° C. In some embodiments, the separation temperature can be in the range of 800-1000 ° C. The fixture can be configured to limit the amount of movement between the two parts, so that the parts are not damaged during separation. The separation temperature can range from 450 ° C. to 660 ° C. for aluminum.
セラミック製シャフト等の以前使用した部品を再利用する前に、この部品は、凹凸面を除去するように接合領域を機械加工することによって、再利用に向けて前処理することができる。いくつかの実施形態では、部品を新しい嵌合部品に接合する場合に接合部のろう材総量を管理するために、残余の全てのろう材を除去することが望ましいであろう。 Before reusing a previously used part, such as a ceramic shaft, the part can be pretreated for reuse by machining the joint area to remove the relief surface. In some embodiments, it may be desirable to remove all remaining brazing material in order to manage the total amount of brazing material at the joint when joining the part to a new mating part.
セラミック内部に拡散層を生成する接合方法とは対照的に、本発明のいくつかの実施形態による接合処理は、そのような拡散層をもたらすことはない。従って、セラミック及びろう材の材料特性は、ろう付けステップの前の材料特性を維持する。従って、分解後に部品の再利用が望まれる場合には、同一の材料と同一の材料特性とが部品に存在することになり、公知の組成及び特性でもって再利用することが可能になる。 In contrast to bonding methods that produce a diffusion layer within a ceramic, the bonding process according to some embodiments of the present invention does not result in such a diffusion layer. Thus, the material properties of the ceramic and brazing material maintain the material properties prior to the brazing step. Therefore, when it is desired to reuse the part after disassembly, the same material and the same material characteristics exist in the part, and the part can be reused with a known composition and characteristics.
一実施形態では、半導体製造工程に用いるウェハチャックが設けられ、このウェハチャックは所定の軸及び端部を有するシャフトと、シャフトの端部に接合されてシャフトを越えて軸から半径方向外向きに延びる部分を有するプレートと、プレートの一部に配置される温度センサと、半導体製造工程中に温度センサの周りのプレート温度を測定するために温度センサからシャフトを貫通して延びる電気リード線とを含むことができる。 In one embodiment, a wafer chuck for use in a semiconductor manufacturing process is provided, the wafer chuck having a shaft having a predetermined axis and end, and joined to the end of the shaft and extending radially outward from the axis beyond the shaft. A plate having an extending portion; a temperature sensor disposed on a portion of the plate; and an electrical lead extending from the temperature sensor through the shaft to measure the plate temperature around the temperature sensor during the semiconductor manufacturing process. Can be included.
プレートは、セラミック製プレートとすることができる。ウェハチャックはさらに、第1の温度センサ(そのように呼ぶ)から半径方向に距離を置いてプレートの一部分に配置された追加の温度センサと、追加の温度センサの周りでプレート温度を測定するために追加の温度センサからシャフトを貫通して延びる追加の電気リード線とを含むことができる。ウェハチャックはさらに、第1の温度センサ(そのように呼ぶ)の周りのプレート加熱用の第1ヒータと、第1ヒータから独立している追加の温度センサの周りのプレート加熱用の第2ヒータとを含むことができる。プレートは、少なくとも第1プレート層と、第1プレート層に気密接合して隣接する第2プレート層とから形成することができ、第1プレート層は第1表面を有し、第2プレート層は第1表面に対向する第2表面を有し、電気リード線を収容するための温度センサとシャフトとの間に延びる第1及び第2プレート層間の凹部を形成するために、第1及び第2表面のうちの少なくとも一方は、内部に凹部を有する。凹部は、第1の電気リード線を収容する第1通路と、追加の電気リード線を収容する第2通路とを含むことができる。凹部は、軸を中心とする円柱形キャビティを含むことができる。ウェハチャックはさらに、プレート層を気密接合するために第1プレートと第2プレートとの間に配置された接合層を含むことができる。温度センサは熱電対とすることができる。 The plate can be a ceramic plate. The wafer chuck further includes an additional temperature sensor disposed in a portion of the plate at a radial distance from a first temperature sensor (referred to as such) and a plate temperature around the additional temperature sensor. And an additional electrical lead extending through the shaft from the additional temperature sensor. The wafer chuck further includes a first heater for heating the plate around a first temperature sensor (referred to as such) and a second heater for heating the plate around an additional temperature sensor independent of the first heater. Can be included. The plate can be formed from at least a first plate layer and a second plate layer adjacent to and adjacent to the first plate layer, the first plate layer having a first surface, the second plate layer being First and second for forming a recess between the first and second plate layers having a second surface opposite the first surface and extending between the temperature sensor for receiving the electrical lead and the shaft. At least one of the surfaces has a recess inside. The recess may include a first passage that houses the first electrical lead and a second passage that houses the additional electrical lead. The recess can include a cylindrical cavity about the axis. The wafer chuck may further include a bonding layer disposed between the first plate and the second plate for hermetically bonding the plate layers. The temperature sensor can be a thermocouple.
一実施形態では、マルチゾーンヒータが設けられ、このマルチゾーンヒータは、ヒータプレートを含むことができ、ヒータプレートは、その中心から第1の半径方向距離区域に第1ヒータと、第1の半径方向距離区域内に第1熱電対穴と、第1熱電対穴内に第1熱電対と、第1半径方向距離区域よりもヒータプレート中心から遠い第2の半径方向距離区域に第2ヒータと、第2半径方向距離区域内に第2熱電対穴と、第2熱電対穴内に第2熱電対と、ヒータプレートとカバーとの間の通路と、通路を覆うカバーとを含むことができ、第2熱電対はこの通路を通って配線された遠隔計測用リード線を備える。 In one embodiment, a multi-zone heater is provided, the multi-zone heater can include a heater plate, the heater plate having a first radius and a first radius in a first radial distance area from its center. A first thermocouple hole in the directional distance zone; a first thermocouple in the first thermocouple hole; a second heater in a second radial distance zone that is farther from the center of the heater plate than the first radial distance zone; A second thermocouple hole in the second radial distance section, a second thermocouple in the second thermocouple hole, a passage between the heater plate and the cover, and a cover covering the passage; Two thermocouples have telemetry leads wired through this passage.
マルチゾーンヒータはさらに、ヒータプレートに取り付けられた中空のヒータシャフトを含むことができ、中空ヒータシャフトは内部表面と外部表面とを含む。第2熱電対穴は、ヒータプレートの、中空ヒータシャフトの内部で取り囲まれた領域の外側に配置することができる。第2熱電対の遠隔計測用リード線は、通路を通って中空ヒータシャフトの内部に配線することができる。カバーは、第1接合層を用いてヒータプレートに気密接合することができる。ヒータプレートは、窒化アルミを含むことができる。中空ヒータシャフトは、窒化アルミを含むことができる。第1接合層は、アルミを含むことができる。マルチゾーンヒータは、ヒータプレートと中空ヒータシャフトとの間に配置された第2接合層をさらに含むことができ、第2接合層はシャフトの外部からシャフトの内部空間を気密封止する。第2接合層は、アルミを含むことができる。 The multi-zone heater can further include a hollow heater shaft attached to the heater plate, the hollow heater shaft including an inner surface and an outer surface. The second thermocouple hole can be located outside the region of the heater plate surrounded by the hollow heater shaft. The second thermocouple telemetry lead can be routed through the passage and into the hollow heater shaft. The cover can be hermetically bonded to the heater plate using the first bonding layer. The heater plate can include aluminum nitride. The hollow heater shaft can include aluminum nitride. The first bonding layer can include aluminum. The multi-zone heater may further include a second bonding layer disposed between the heater plate and the hollow heater shaft, and the second bonding layer hermetically seals the internal space of the shaft from the outside of the shaft. The second bonding layer can include aluminum.
一実施形態では、マルチゾーンヒータが設けられ、このマルチゾーンヒータは、多層ヒータプレートを含むのがよく、多層ヒータプレートは、上部プレート層と、1つ又は2以上の中間プレート層と、下部プレート層と、これらのプレート層間に配置されてプレート層を接合する複数のプレート接合層と、個別に制御するように構成された2つのプレート層間の複数のヒータ素子領域と、2つのプレート層間に実装された複数の熱電対とを含むことができる。 In one embodiment, a multi-zone heater is provided, the multi-zone heater may include a multi-layer heater plate, the multi-layer heater plate including an upper plate layer, one or more intermediate plate layers, and a lower plate. Layers, a plurality of plate bonding layers arranged between the plate layers to bond the plate layers, a plurality of heater element regions between two plate layers configured to be individually controlled, and mounted between the two plate layers A plurality of thermocouples.
各熱電対は、多層ヒータプレートの中心から複数の距離に配置することができる。マルチゾーンヒータはさらに、中空ヒータシャフトを含むことができ、中空ヒータシャフトは、多層ヒータプレートの底面に取り付けられている。熱電対は、熱電対リード線を含むことができ、熱電対リード線は、中空ヒータシャフトの内部を通って配線することができる。1つ又は2以上の熱電対は、多層プレートに対するシャフトアタッチメントによって取り囲まれた領域の外側に配置することができる。マルチゾーンヒータはさらに、中空ヒータシャフトと多層プレートとの間に接合層を含むことができる。複数のプレート接合層は、アルミを含むことができる。中空ヒータシャフトと多層プレートとの間の接合層は、アルミを含むことができる。最上部プレート層及び最下部プレート層は、セラミックを含むことができる。中空ヒータシャフトは、アルミを含むことができる。複数のプレート接合層は、アルミを含むことができる。中空ヒータシャフトと多層プレートとの間の接合層は、アルミを含むことができる。マルチゾーンヒータはさらに、中空ヒータシャフトと多層プレートとの間に配置された中央ハブを含むことができる。 Each thermocouple can be arranged at a plurality of distances from the center of the multilayer heater plate. The multi-zone heater can further include a hollow heater shaft, which is attached to the bottom surface of the multilayer heater plate. The thermocouple can include a thermocouple lead, and the thermocouple lead can be routed through the interior of the hollow heater shaft. One or more thermocouples can be placed outside the area surrounded by the shaft attachment to the multilayer plate. The multi-zone heater can further include a bonding layer between the hollow heater shaft and the multilayer plate. The plurality of plate bonding layers can include aluminum. The joining layer between the hollow heater shaft and the multilayer plate can include aluminum. The top plate layer and the bottom plate layer can comprise ceramic. The hollow heater shaft can include aluminum. The plurality of plate bonding layers can include aluminum. The joining layer between the hollow heater shaft and the multilayer plate can include aluminum. The multi-zone heater can further include a central hub disposed between the hollow heater shaft and the multilayer plate.
前記の説明から明らかなように、本明細書の記載から多様な実施形態を構築することができ、当業者であれば付加的な利点及び変更を想定することは容易である。従って、本発明は、その広範な態様において、図示して説明した特定の詳細内容及び例示的な実施例に限定されることはない。従って、本出願者の全体的な発明の精神と範囲から逸脱することなく、このような詳細内容から逸脱することができる。 As is apparent from the above description, various embodiments can be constructed from the description herein, and it is easy for those skilled in the art to envision additional advantages and modifications. The invention in its broader aspects is therefore not limited to the specific details and illustrative embodiments shown and described. Accordingly, departures may be made from such details without departing from the spirit and scope of the applicant's general invention.
350 取り付けフランジ
500 ウェハチャック又はヒータ
501 第1プレート層又はカバープレート
502 第2プレート層又はヒータプレート
503 中空領域又は通路
504 中央穴
505 第1温度センサ
506 第2温度センサ
507 第3温度センサ
508 第1熱電対穴
509 第2熱電対穴
510 第3熱電対穴
516 シャフト
517 第1端部
518 第2端部
519 長手方向中心軸
521 プレート
522 プレートの一部
526 プレートの中央ゾーン
527 プレートの中間ゾーン
528 プレートの端部ゾーン
531 第1電気リード線
532 第2電気リード線
533 第3電気リード線
350
Claims (14)
前記凹部が、重量比92%より多くのアルミニウムを含むアルミニウムろう付け要素からできたアルミニウム接合部によって腐食性処理ガスから気密的にシールされ、前記プレートは前記アルミニウム接合部のまわりに拡散層を有しない、
ことを特徴とするウェハチャック。 A wafer chuck for use in a semiconductor manufacturing process, comprising: a shaft having a shaft and an end; and a plate having a portion joined to the end of the shaft and extending radially outward from the shaft beyond the shaft. A plate having a recess extending at the portion ; a temperature sensor disposed at the portion of the plate; and from the temperature sensor to measure the temperature of the plate around the temperature sensor during a semiconductor manufacturing process. In a wafer chuck comprising the recess and an electrical lead extending through the shaft ,
The recess is hermetically sealed from corrosive processing gas by an aluminum joint made of aluminum brazing elements containing more than 92% by weight of aluminum, and the plate has a diffusion layer around the aluminum joint. do not do,
A wafer chuck characterized by that.
請求項1に記載のウェハチャック。 The plate is a ceramic plate,
The wafer chuck according to claim 1.
請求項1に記載のウェハチャック。 An additional temperature sensor disposed in a portion of the plate at a radial distance from the temperature sensor, and the shaft from the additional temperature sensor to measure the temperature of the plate around the additional temperature sensor An additional electrical lead extending through the
The wafer chuck according to claim 1.
請求項3に記載のウェハチャック。 A first heater for heating the plate around the temperature sensor; and a second heater for heating the plate around the additional temperature sensor independent of the first heater. Yes,
The wafer chuck according to claim 3.
請求項3に記載のウェハチャック。 The plate is formed of at least a first plate layer and a second plate layer hermetically bonded adjacent to the first plate layer, the first plate layer having a first surface, and the second plate The layer has a second surface opposite the first surface, and at least one of the first and second surfaces is between the temperature sensor and the shaft between the first and second plate layers. It has a recess inside that forms a recess that extends into the electrical lead.
The wafer chuck according to claim 3.
請求項5に記載のウェハチャック。 The recess has a first passage that houses the electrical lead and a second passage that houses the additional electrical lead.
The wafer chuck according to claim 5.
請求項5に記載のウェハチャック。 The recess includes a cylindrical cavity centered on the axis.
The wafer chuck according to claim 5.
請求項1に記載のウェハチャック。 The aluminum joint is an aluminum joint formed from an aluminum brazing element heated to a temperature of at least 800 degrees Celsius;
The wafer chuck according to claim 1 .
請求項1に記載のウェハチャック。 The temperature sensor is a thermocouple;
The wafer chuck according to claim 1.
前記第1プレート層は第1表面を有し、前記第2プレート層は前記第1表面に対向する第2表面を有し、前記第1表面及び第2表面の少なくとも一方は、前記電気リード線を収容することができるように、前記部分に延びる凹部を形成する凹部を、前記第1プレート層と第2プレート層の間で内部に有している、The first plate layer has a first surface, the second plate layer has a second surface facing the first surface, and at least one of the first surface and the second surface is the electrical lead wire. Having a recess that forms a recess extending in the portion between the first plate layer and the second plate layer,
請求項1に記載のウェハチャック。The wafer chuck according to claim 1.
請求項10に記載のウェハチャック。The wafer chuck according to claim 10.
請求項1に記載のウェハチャック。The wafer chuck according to claim 1.
請求項12に記載のウェハチャック。The wafer chuck according to claim 12.
請求項12に記載のウェハチャック。The wafer chuck according to claim 12.
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