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KR102555798B1 - 반도체 프로세싱에서 사용되는 장비 피스를 수리하기 위한 방법 - Google Patents

반도체 프로세싱에서 사용되는 장비 피스를 수리하기 위한 방법 Download PDF

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KR102555798B1
KR102555798B1 KR1020177034772A KR20177034772A KR102555798B1 KR 102555798 B1 KR102555798 B1 KR 102555798B1 KR 1020177034772 A KR1020177034772 A KR 1020177034772A KR 20177034772 A KR20177034772 A KR 20177034772A KR 102555798 B1 KR102555798 B1 KR 102555798B1
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프랭크 발마
마이클 파커
제프 춘하
알렉산더 베이트서
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와틀로 일렉트릭 매뉴팩츄어링 컴파니
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Abstract

본 발명은 반도체 프로세싱 챔버에서 사용되는 반도체 프로세싱 피스를 수리하기 위한 방법에 관한 것이다. 프로세스는 기계가공된 표면을 형성하기 위해 반도체 프로세싱 피스의 부분을 머신 오프하는(machining off) 단계, 부분을 교체하기 위해 기계가공된 표면 위에 새로운 부품을 위치시키는 단계, 새로운 부품과 기계가공된 표면 간에 브레이즈 층(braze layer)을 배치하는 단계, 및 새로운 부품과 반도체 프로세싱 피스 간에 밀폐 조인트(hermetic joint)를 형성하기 위해 적어도 브레이징 층을 가열하는 단계를 포함한다. 반도체 프로세싱 피스는 가열기 또는 정전 척일 수 있다. 조인트 재료는 추후에 반도체 제조 프로세스 동안 프로세스 챔버 내의 환경들을 견디도록 적응된다.

Description

반도체 프로세싱에서 사용되는 장비 피스를 수리하기 위한 방법
[0001] 본 발명은 반도체 프로세싱 장비를 수리하기 위한 방법들에 관한 것이며, 보다 상세하게는 기판 지지 받침대(substrate support pedestal)를 수리하는 것에 관한 것이다.
[0002] 세라믹들의 제조 및 세라믹 재료들의 결합은 매우 높은 온도 및 매우 높은 접촉 압력을 요구하는 프로세스들을 수반할 수 있다. 예컨대, 액상 소결(liquid phase sintering)은 세라믹 재료들을 함께 결합하는데 사용될 수 있다. 크고, 복잡한 세라믹 피스의 열간 프레싱(hot pressing)/소결은 매우 특수화된 프로세스 오븐 내에서 큰 물리적 공간을 요구한다. 반도체 프로세싱에 사용되는 가열기들 및 정전 척들(electrostatic chucks)은 세라믹으로 제조될 수 있고, 열간 프레싱 프로세스를 사용하여 제조될 수 있다.
[0003] 반도체 프로세싱에서 사용되는 기판 지지 받침대들에서 세라믹들의 사용은 지난 20 년에 걸쳐 실질적으로 증가하고 있다. 기판 지지 받침대들(일반적으로 가열기들, 정전 척들(또는 e-척들 또는 ESC들), 진공 척들, 진공 받침대들 또는 단지 받침대들로 불림)은 종종 반도체 디바이스들의 프로세싱에서 능동적인 참여자들(active participants)이고, 원하는 프로세스 결과들을 생성하는 것을 돕기 위해 다수의 기능들을 제공할 수 있다. 이러한 기능들은 가열, 냉각, (정전기적으로 또는 진공을 통한) 기판 클램핑, 가스들 또는 진공을 기판 및 그의 프로세싱 환경에 제공하는 것 및 다른 기능들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 세라믹들은 세라믹 재료들의 특정 특성들, 즉, 양호한 전기 절연, 높은 작동 온도들, 특정 전기장들에 대한 투명성(transparency), 탁월한 내식성(corrosion resistance) 및 양호한 기계적 안정성으로 인해 많은 이러한 기판 지지 받침대들을 위한 선택 재료가 되었다.
[0004] 세라믹들의 사용에 대한 하나의 결점은 세라믹 재료들을 사용하여 이러한 기판 지지 받침대들을 제조하는 것과 연관된 고비용이다. 세라믹 기판 지지 받침대들은 통상적으로 각각 수만 달러의 비용이 들고, 일부 경우들에서, 수십만 달러를 초과할 수 있다. 통상적인 반도체 제조 시설은 수천 개의 기판 지지 받침대들을 갖는다. 열악한 작동 환경들로 인해, 세라믹 기판 지지 받침대들은 유한한 수명을 갖는데, 통상적으로 단지 1 내지 3 년 동안 지속된다. 대형 반도체 제조 공장은 세라믹 기판 지지 받침대들의 교체에 연간 수천만 달러를 소비할 수 있다.
[0005] 척 또는 가열기의 경우 더 일반적인 고장들 중 하나는, 최상부 표면이 손상될 수 있다는 것인데, 이는 최상부 표면 상의 피팅(pitting) 또는 뒤틀림(warping)을 포함할 수 있다. 이러한 타입들의 고장들은, 가열기 또는 척의 수명인 3 개월이 되자마자 나타날 수 있다. 세라믹 기판 지지 받침대들에 대한 통상적인 수명 종료는, 세라믹 기판 지지 받침대가 원하는 프로세스 결과를 생성하는데 효과적이지 않게 하는, 세라믹의 최상부 표면의 마모, 에칭, 균열 또는 달리 손상에 의해 발생된다.
[0006] 현재, 기판 지지 받침대의 손상된 최상부 표면은 새롭고, 평활하고, 결함이 없는 최상부 표면으로 머신 다운(machining down)함으로써 리프레시될 수 있다. 이는 많은 디바이스들에서 한 번 또는 때때로 더 많이 이루어질 수 있다. 매립된 가열기 위 또는 RF 안테나 위의 세라믹 층은 너무 두껍지는 않는데, 왜냐하면 상부 층이 너무 두꺼운 경우, 받침대가 고성능 레벨로 기능하지 않을 것이기 때문이다. 따라서, 최상부 표면의 반복되는 기계가공을 허용하는데 이용 가능한 재료가 많지는 않다. 또한, 기판 지지 받침대들은 특정 상부 층 두께를 갖고 사용하도록 설계 또는 튜닝될 수 있다. 오리지널 디바이스와 동일한 두께의 상부 층을 발생시킬 수 있는 수리 절차가 선호될 수 있다.
[0007] 기판 지지 받침대들의 수리를 허용하여, 이러한 매우 고가의 아이템들의 수명이 연장될 수 있게 하는 수리 방법이 요구된다.
[0008] 도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 프로세싱에서 사용되는 플레이트 및 샤프트 디바이스의 도면이다.
[0009] 도 2는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 플레이트에 대한 고온 프레스 및 오븐의 스케치이다.
[0010] 도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 복수의 플레이트들에 대한 고온 프레스 및 오븐의 스케치이다.
[0011] 도 4는 플레이트 및 샤프트 디바이스에 대한 고온 프레스 및 오븐의 스케치이다.
[0012] 도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 플레이트와 샤프트 디바이스의 도면이다.
[0013] 도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 제조에서 사용되는 플레이트 및 샤프트 디바이스의 부분적 횡단면도이다.
[0014] 도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 플레이트 및 샤프트 디바이스의 부분적 횡단면도이다.
[0015] 도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 새로운 상부 세라믹 층의 부분적 횡단면도이다.
[0016] 도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 조인트의 SEM 횡단면도이다.
[0017] 도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 조인트의 SEM 횡단면도이다.
[0018] 도 11은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 조인트의 SEM 횡단면도이다.
[0019] 도 12는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 조인트의 SEM 횡단면도이다.
[0020] 도 13은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 조인트의 SEM 횡단면도이다.
[0021] 도 14는 조인트의 조인트 무결성을 나타내는 도면이다.
[0022] 도 15는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 둘레 밀봉 링을 갖는 받침대의 예시적인 도면이다.
[0023] 도 16은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 예시적인 단면도이다.
[0024] 일 실시예에서, 반도체 프로세싱 챔버에서 사용되는 반도체 프로세싱 피스를 수리하기 위한 프로세스가 제공된다. 프로세스는 기계가공된 표면을 형성하기 위해 반도체 프로세싱 피스의 부분을 머신 오프(machine off)하는 단계를 포함할 수 있다. 새로운 부품은 그 부분을 교체하기 위해 기계가공된 표면 위에 위치될 수 있고, 브레이즈 층이 새로운 부품과 기계가공된 표면 간에 배치될 수 있다. 적어도 브레이징 층은 새로운 부품과 반도체 프로세싱 피스 간의 밀폐 조인트를 형성하도록 가열될 수 있다.
[0025] 아래에 제시되는 본 발명의 실시예들은 본 발명의 예들이고, 일부 경우들에서, 본 발명의 전술된 실시예보다 폭넓을 수 있지만, 본 발명의 전술된 실시예의 폭 또는 본 발명의 폭을 제한하도록 의도되지 않는다. 이러한 실시예에 제시되는 본 발명의 부가적인 특징들은 선택적이다. 아래에 제시되는 임의의 실시예의 특징은, 아래에 제시되는 임의의 실시예의 임의의 다른 특징과 함께 또는 이러한 특징 없이, 전술된 실시예와 결합될 수 있다. 아래의 방법들의 모든 특성들, 단계들, 파라미터들 및 특징들은 아래에 제시된 특정 실시예들 또는 특정 부분들로 제한되지 않지만, 대신에 본 발명의 전술된 실시예 및 본 발명의 모든 실시예들에 동일하게 적용 가능하다. 폭넓은 용어들 및 서술자들은 본 개시내용을 특정 용어 또는 서술자로 제한하는 것이 아니라 단지 논의 및 이해를 용이하게 하기 위해 더 특정한 용어들 및 서술자들로 대체된다.
[0026] 일 실시예에서, 반도체 프로세싱 피스는 기판 지지 받침대일 수 있다. 일 실시예에서, 반도체 프로세싱 피스는 외부 표면을 갖고, 기계가공 단계는 외부 표면을 머신 어웨이(machining away)하는 것을 포함하고, 방법은 외부 표면과 동등한 반도체 프로세싱 피스에 대한 교체 표면을 형성하기 위해 새로운 부품을 기계가공하는 것을 더 포함한다.
[0027] 일 실시예에서, 수리될 반도체 프로세싱 피스는 가열기 또는 정전 척일 수 있다. 본 발명의 일 방법은 그러한 가열기 또는 척의 부분을 수리하는 것을 수반하고, 그러한 수리에서 세라믹 상부 층과 같은 새로운 부품을 사용할 수 있다. 그러한 가열기 또는 정전 척의 수리를 위한 일 방법에서, 세라믹 상부 층을 사용하여, 가열기 또는 정전 척은 손상된 최상부 표면을 갖는 가열기 또는 척의 부분을 제거하고, 새로운 최상부 표면을 갖는 새로운 부품의 결합을 허용하도록 머신 다운될 수 있다. 새로운 상부 피스들은 알루미늄 질화물일 수 있고, 피스들은 제어되는 분위기 하에서 알루미늄 합금으로 브레이징될 수 있다. 조인트 재료는 기판 프로세싱 동안에 프로세스 챔버 내의 환경들, 및 가열기 또는 정전 척의 샤프트 내에서 볼 수 있는 산화된 분위기 둘 모두를 나중에 견디도록 적응된다.
[0028] 세라믹 재료들의 결합을 위한 일부 이전의 프로세스들은, 재료들을 결합하기 위해, 특수화된 오븐들, 및 오븐들 내의 압축 프레스들을 요구하였다. 예컨대, 액상 소결의 경우에, 2 개의 피스들은 매우 높은 온도들 및 접촉 압력들 하에서 함께 결합될 수 있다. 고온 액상 소결 프로세스는 1700℃ 범위의 온도들 및 2500 psi 범위의 접촉 압력들을 겪을(see) 수 있다. 기판 지지 받침대가 그러한 프로세스들을 사용하여 제조될 때, 상당량의 시간이 필요로 되고, 특수화된 오븐들, 프레스들 및 픽스처링(fixturing) 및 전체 프로세스가 매우 고가이다.
[0029] 상술된 고온 프로세스와 대조적으로, 본 발명의 실시예들에 따라 제조될 수 있는 결합된 세라믹 최종 제품과 같은 제품의 예는 반도체 프로세싱에서 사용되는 가열기 조립체, 또는 다른 타입의 기판 지지 받침대의 수리이다. 도 1은, 반도체 프로세싱에서 사용되는, 가열기와 같은, 기판 지지 받침대(100) 형태의 예시적인 반도체 프로세싱 피스를 예시한다. 일부 양태들에서, 기판 지지 받침대(100)는 알루미늄 질화물과 같은 세라믹으로 구성된다. 가열기는 결과적으로 플레이트(102)를 지지하는 샤프트(101)를 갖는다. 플레이트(102)는, 외부 표면(103)으로 지칭될 수 있는 최상부 표면(103)을 포함하는 부분을 갖는다. 샤프트(101)는 중공 실린더일 수 있다. 플레이트(102)는 편평한 디스크일 수 있다. 다른 하부 컴포넌트들이 존재할 수 있다. 여기서 플레이트 직경에 대해 좁은 샤프트를 갖는 것으로 예시되지만, 본원에서 설명되는 수리 프로세스들은 물론 폭넓은 베이스들을 갖는 기판 지지 받침대들에 적용될 수 있다.
[0030] 도 2는, 프레스(121)를 구비한 프로세스 오븐(120)을 개념적으로 예시한다. 플레이트(122)는, 프레스(121)에 의해 프레싱되도록 적응된 픽스처(123)에서의 온도 하에서 압축될 수 있다. 샤프트(101)는 또한, 프로세스 단계에서 유사하게 제조될 수 있다. 통상적인 프로세스에서, 플레이트 및 샤프트는, 약 4중량 %의 이트리아와 같은 소결 보조제를 포함하는 알루미늄 질화물 분말의 몰드 내로의 로딩, 이어서 알루미늄 질화물 분말의, 전형적으로 "그린(green)" 세라믹으로 지칭되는 "솔리드(solid)" 상태로의 압축, 이어서 알루미늄 질화물 분말을 솔리드 세라믹 본체 내로 치밀화하는 고온 액상 소결 프로세스에 의해 형성된다. 고온 액상 소결 프로세스는 1700℃ 범위의 온도들 및 2500psi 범위의 접촉 압력들을 겪을 수 있다. 그 다음에, 다이아몬드 연마재들을 사용하는 표준 그라인딩 기술들에 의해, 본체들은 요구되는 기하학적형상으로 성형된다.
[0031] 샤프트의 다수의 기능들이 있는데, 하나는, 가열기 엘리먼트들에 전력을 적용하기 위해 진공 챔버의 벽을 통해 진공-기밀 전기적 연통뿐만 아니라, 가열기 플레이트 내에 매립될 수 있는 다양한 다른 전극 유형들을 제공하는 것이다. 또 다른 하나는, 써모커플과 같은 모니터링 디바이스를 사용하여 가열기 플레이트의 온도 모니터링을 허용하고; 그리고, 써모커플의 재료들과 프로세스 화학물질들 사이의 상호작용, 예컨대, 부식을 회피하기 위해 써모커플이 프로세싱 챔버의 외부에 상주하는 것을 허용할 뿐만 아니라 신속한 응답을 위해, 써모커플 접합부가 비-진공 환경에서 동작하는 것을 허용한다는 것이다. 또 다른 기능은, 앞서 언급된 전기적 연통에 사용되는 재료들을 프로세싱 환경으로부터 격리시키는 것을 제공하는 것이다. 전기적 연통에 사용되는 재료들은 전형적으로 금속성이며, 이로써, 프로세싱 환경에서 사용되는 프로세스 화학물질들과, 프로세싱 결과들에 유해할 수 있는 그리고 전기적 연통에 사용되는 금속성 재료들의 수명에 유해할 수 있는 방식들로 상호작용할 수 있다.
[0032] 플레이트의 비교적 편평한 특성을 고려해보면, 도 3에 개념적으로 도시된 바와 같이, 복수의 플레이트 몰딩 픽스처들(plate molding fixtures)(143)을, 프로세스 오븐(140) 내에 상주하는 프레스(141)의 축 방향을 따라서 적층함으로써 복수의 플레이트들(142)이 단일 프로세스에서 형성될 수 있다. 샤프트들은 또한, 프로세스 오븐에서 프레스를 사용하여 유사한 프로세스에서 형성될 수 있다.
[0033] 반도체 프로세싱에 사용되는 가열기 받침대를 제조하는 전체 프로세스에서, 플레이트들을 형성하는 단계와 샤프트들을 형성하는 단계 양자 모두는 상당한 시간과 에너지의 투입을 필요로 한다. 물리적 프레스들을 갖는 특정 고온 오븐들의 비용, 그리고 플레이트들을 형성하고 샤프트들을 형성하는 프로세스 단계들 각각이 수 일 동안 특수화된 프로세스 오븐의 사용을 필요로 할 수 있다는 점을 고려할 때, 단지, 샤프트 및 플레이트가 완성된 지점까지 전체 프로세스를 도달하게 하기 위해, 시간과 돈 양자 모두의 상당한 투자가 투입되었다. 플레이트를 샤프트에 부착하기 위해, 특수화된 프로세스 오븐에서의 또 다른 추가적인 단계가 현재 프로세스들에 요구된다. 이러한 단계의 예는, 프레스를 갖는 특정 고온 프로세스 오븐에서 액상 소결 단계를 사용하여 샤프트를 플레이트에 결합시키는 것일 것이다. 가열기의 조립된 구성은 샤프트의 길이와 플레이트의 직경 양자 모두를 포함하기 때문에, 특수화된 프로세스 오븐에서의 이러한 제3 단계는 또한, 그러한 프로세스 오븐에 상당한 공간을 필요로 한다. 단지 샤프트들만의 제조는 유사한 양의 축방향 길이를 취할 수 있음에도 불구하고, 샤프트들의 직경은, 다수의 샤프트들이 단일 프로세스에서 병렬로 생산될 수 있도록 되어 있다.
[0034] 도 4에 도시된 바와 같이, 샤프트를 플레이트에 소결시키기 위한 결합 프로세스는, 프레스(161)를 갖는 프로세스 오븐(160)의 사용을 다시 요구한다. 플레이트(162) 및 샤프트(163)를 위치시키고 그리고 프레스(161)에 의해 이송되는 압력을 전달하기 위해, 픽스처링(164, 165)의 세트가 사용된다.
[0035] 일단 가열기 받침대가 완성되면, 이는 반도체 프로세싱에서 사용될 수 있다. 가열기 받침대는, 부식성 가스들, 고온, 열 사이클링, 및 가스 플라즈마들을 포함하는 열악한 조건들에서 사용될 수 있다. 추가로, 가열기 받침대는 의도하지 않은 충격들을 받을 수 있다. 플레이트 또는 샤프트가 손상된다면, 이러한 디바이스들을 수리하기 위한 제한적인 기회들이 존재하였다.
[0036] 도 5는 반도체 프로세싱 챔버에 사용되는 가열기 받침대 컬럼의 개략적 예시의 일 실시예를 도시한다. 세라믹 가열기 받침대일 수 있는 가열기 받침대(300)는 라디오 주파수 안테나(310), 가열기 엘리먼트(320), 샤프트(330), 플레이트(340) 및 장착 플랜지(350)를 포함할 수 있다. 라디오 주파수 안테나(310)는 장착 플레이트의 최상부 표면에 매우 가까울 수 있다.
[0037] 도 6에 도시된 바와 같이, 기판 지지 받침대는 2 개의 별개의 분위기들 사이에서 브리징(bridge)할 수 있고, 이들 양자 모두는 종래 브레이징 재료들에 대해 상당한 문제점들을 제시할 수 있다. 가열기(205)와 같은 반도체 프로세싱 설비의 외부 표면(207) 상에서, 브레이징 재료는, 가열기(205)가 사용될 반도체 프로세싱 챔버(200)에서 발생하는 프로세스들 및 반도체 프로세싱 챔버(200)에 존재하는 환경(201)과 양립가능해야만 한다. 이들은 불소 화학물들, 및 다른 극도의 휘발성 또는 부식성 화학물들을 포함할 수 있다. 가열기(205)는 샤프트(204)에 의해 지지되는 플레이트(203)의 최상부 표면에 부착된 기판(206)을 가질 수 있다. 가열기(205)의 내부 표면(208) 상에서, 재료들은 산화된 분위기일 수 있는 상이한 분위기(202)와 양립가능해야만 한다. 구리, 은, 또는 금을 포함하는 재료들은 프로세싱되고 있는 실리콘 웨이퍼의 격자 구조를 간섭할 수 있고, 그에 따라, 적절하지 않다. 수리 프로세스의 부분으로서 브레이징을 사용할 수 있는 임의의 수리들에 대해, 브레이즈 재료는 중공 샤프트의 중심 내의 산화된 분위기에 노출될 수 있다. 이 분위기에 노출될 브레이즈 조인트의 부분은 산화될 것이고, 조인트 내로 산화될 수 있어서, 조인트의 기밀성의 실패를 초래할 수 있다. 구조적 부착에 이외에, 반도체 제조에서 사용될 이들 디바이스들의 플레이트와 샤프트의 영역에서 사용되는 브레이즈 재료들은, 대부분 또는 모든 사용들이 아니라면 다수의 사용들에서 기밀이어야만 한다.
[0038] 예시적 실시예에서, 플레이트 및 샤프트는 양자 모두 알루미늄 질화물로 이루어질 수 있다. 플레이트는 일부 실시예들에서 두께가 0.5 내지 0.75 인치이고 직경이 약 9-13 인치일 수 있다. 샤프트는 0.1 인치의 벽 두께를 갖고 길이가 5-10 인치인 중공 실린더일 수 있다.
[0039] 본 발명의 일부 실시예들에서, 도 7의 확대도에서 볼 수 있는 바와 같이, 플레이트 및 샤프트 디바이스(200)는 플레이트 조립체(201) 및 샤프트(202)와 함께 도시된다. 플레이트 조립체(201)는 층들(203, 204, 205)을 갖는다. 최상부 플레이트 층(203)은 최상부 플레이트 층(203)과 중간 층(204) 사이에 놓이는 전극 층(206)을 구비한 중간 층(204) 위에 놓인다. 중간 층(204)은 중간 층(204)과 저부 층(205) 사이에 놓이는 가열기 층(207)을 구비한 저부 층(205) 위에 놓인다.
[0040] 플레이트 조립체(201)의 층(203, 204, 205)은 가열기의 경우에 알루미늄 질화물, 또는 정전 척의 경우에 알루미나, 도핑된 알루미나, AlN, 도핑된 AlN, 베릴리아, 도핑된 베릴리아 등을 포함하는 다른 재료들과 같은 세라믹으로 이루어질 수 있다. 플레이트 조립체의 층들(203, 204, 205)이 도 7에서 별개인 것으로 도시될 수 있지만, 실제로, 층들 모두는 고체 세라믹 피스의 부분일 수 있고, 여기서 샤프트, 플레이트 층들, 가열기 및 전극을 포함하는 컴포넌트들 모두는 세라믹의 열간 프레싱 동안에 함께 조립되었다. 그 다음에, 기판 지지 받침대는 통상적으로 세라믹 최상부 표면을 가질 것이고, 가열기 또는 RF 안테나 또는 클램핑 전극 중 어느 것은 최상부 표면 아래에 있다. 기판 지지 받침대는, 다음의 하부 부분(가열기 등) 위의 최상부 표면의 두께가 설계의 중요한 양태인 것으로 설계되었을 수 있다.
[0041] 기판 지지 받침대의 최상부 표면이 손상되었을 때, 받침대는, 최상부 표면이 수리되면, 단지 추가의 유틸리티로 이루어질 수 있다. 일부 양태들에서, 최상부 표면은 결함들(imperfections)을 감소시키거나 제거하기 위해 최상부 표면을 그라인드 다운함으로써 수리될 수 있다. 이러한 접근법의 한계는, 최상부 표면이 때때로, 0.006 인치만큼 이미 매우 얇을 수 있고, 결함들(flaws)을 제거하기에 충분한 그라인딩을 허용하기에 충분한 재료가 없을 수 있다는 것이다. 이러한 접근법의 다른 한계는, 최상부 표면이 그라인딩될 때, 최상부 표면의 전체 두께가 오리지널 최상부 표면 층의 두께 미만이고, 이는 기판 지지 받침대의 최적보다 더 적은 성능을 초래할 수 있다는 것이다.
[0042] 본 발명의 일부 실시예들에서, 반도체 프로세싱 피스, 예컨대, 기판 지지 받침대의 최상부 상의 손상된 재료는, 이를테면, 다이아몬드 비트들을 갖는 회전식 테이블을 사용하는 방법들을 사용하여 그라인드 다운된다. 받침대 최상부 표면은 최상부 세라믹 층 중 일부를 통해 그라인드 다운되거나, 세라믹 내에 매립된 특징부들에 추가로 들어갈 수 있다. 일부 실시예들에서, 그라인딩은 RF 안테나를 제거할 수 있다. 그 다음에, 새로운 부품은, 위에서 논의된 바와 같이, 새로운 부품, 예컨대, 새로운 최상부 시트를 밀폐 밀봉으로 부착할 재료와 브레이징하고, 받침대가 겪게 될 수 있는 환경들에 의해 불리하게 영향을 받지 않을 브레이즈 재료를 사용함으로써 기판 지지 받침대의 그라인딩된 표면 ― 이는 때때로 본원에서 기계가공된 표면으로 지칭됨 ― 에 부착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 브레이즈 층은 받침대의 새로운 최상부 표면 시트를 간단히 부착하는데 사용된다. 일부 실시예들에서, 브레이즈 층은 RF 안테나를 대체하고, 이로서 기능한다. 새로운 최상부 시트는 초기에, 핸들링 손상 및 설치 동안의 손상을 제한하기 위해 최종 제품에서 원하는 것보다 더 두꺼울 수 있다. 그 다음에, 최상부 층은 오리지널 받침대와 동일하거나, 매립된 가열기 위의 최상부 표면의 깊이와 같은 중요한 파라미터들에 관련하여 동일한 치수를 마감된 받침대에 제공하기 위해 그라인드 다운될 수 있다.
[0043] 일부 양태들에서, 새로운 세라믹 최상부 층 또는 다른 새로운 부품을 반도체 프로세싱 피스에 부착하는 브레이징 층이 밀폐 조인트를 제공하는 것이 중요할 수 있다. 오리지널 받침대의 최상부 표면이 그라인드 다운될 때, 양태들은, 받침대가 나중에 반도체들의 제조에 사용될 챔버 내부의 환경을 견딜 수 없는 표면이 될 수 있다. 또한, 임의의 가상 누설들을 제거하기 위해 양호하고 완전한 습윤(wetting) 및 기밀성이 요구되고, 여기서 비-밀폐 브레이즈 층은 브레이즈 내의 공극(void)에 갇힌 가스들을, 받침대가 나중에 사용되는 챔버로 "누설"시킬 수 있다. 이는 바람직한 조건이 아니다. 또한, 공극이 없고, 완전한 습윤, 밀폐 조인트는 받침대의 최상부 표면과 매립된 가열기 간에, 더 동일한 열전도율(thermal conductivity)과 함께 더 일관되고, 균등한 열적 경로를 제공할 것이다.
[0044] 예시적인 실시예에서, 자신의 외부 표면에 대한 약간의 손상을 갖는 기판 지지 받침대 형태의 반도체 프로세싱 피스는 수리될 준비가 된다. 최상부 또는 외부 표면을 포함하는 손상된 부분은, 예컨대, 세라믹을 통해 그라인드 다운된다. 일 실시예에서, 그 부분은 RF 안테나로 그라인드 다운된다. 일부 실시예들에서, RF 안테나의 깊이는, 기계가공이 알려진 절단 깊이까지 내려가도록 설정될 수 있는 충분한 정확도로 알려진다. 일단 RF 안테나가 노출되면, 기계가공은 RF 안테나가 제거될 때까지 계속될 수 있다. RF 안테나 아래로부터 나오는 리드들(leads)에 사전에 부착될 수 있는 RF 안테나의 리드 패드들이 보여질 수 있어서, 리드들의 위치를 표시한다. RF 안테나에 커플링된 동일한 리드들은 대체된 RF 안테나로의 리드들로서 남아있을 것이다. 예컨대, 아래에서 논의되는 바와 같이 알루미늄의 브레이징 층은 기계가공된 받침대의 최상부에 배치 또는 증착될 수 있다. 그 다음에, 새로운 부품, 예컨대, 일부 양태들에서 AlN일 수 있는 새로운 세라믹 최상부 층은 사전-조립체 상에 배치된다. 그 다음에, 사전-조립체는 진공 챔버일 수 있는 프로세스 오븐에 배치될 수 있다. 그 다음에, 조립체는 함께 브레이징된다. 브레이징 후에, 새로운 세라믹 최상부 층은, 받침대의 오리지널 높이일 수 있는 원하는 높이를 받침대에 제공하도록 기계가공될 수 있다.
[0045] 예시적인 실시예에서, 받침대의 최상부 층은, 새로운 세라믹 최상부 층에서와 같이, 알루미늄 질화물이다. 브레이징 층은 99.9 % 알루미늄이고, 받침대 상에 증착되었고, 두께가 30 미크론이다. 일부 실시예들에서, 브레이징 층은 알루미늄 포일일 수 있고, 브레이징 전에 두께가 15-200 미크론일 수 있다. 새로운 세라믹 최상부 층은 설치 및 브레이징 동안에 두께가 .125 인치이고, 그 다음에, 0.040 인치로 머신 다운될 수 있다. 브레이징은 850℃에서 10 분 동안에 이루어진다. 브레이징은 1 x 10E-4 Torr 미만의 압력에서 이루어진다.
[0046] 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 2 분 내지 10 분 동안 800℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다. 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 10 분 내지 100 분 동안 800℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다. 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 2 분 내지 100 분 동안 1200℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다. 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 2 분 내지 10 분 동안 770℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다. 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 10 분 내지 100 분 동안 770℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다. 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 2 분 내지 100 분 동안 1200℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다. 가장 가까운 50℃ 증분으로 반올림될(rounded) 때, 요구되는 최소 온도는 800℃일 수 있다. 가장 가까운 10℃ 증분으로 반올림될 때, 요구되는 최소 온도는 770℃일 수 있다.
[0047] 본 발명의 일부 실시예들에서, 기판 지지 받침대 또는 다른 반도체 프로세싱 피스의 최상부 상의 손상된 재료는, 이를테면, 다이아몬드 비트들을 갖는 회전식 테이블을 사용하는 방법들을 사용하여 그라인드 다운된다. 받침대 최상부 표면은 최상부 세라믹 층 중 일부를 통해 그라인드 다운되거나, 세라믹 내에 매립된 특징부들에 추가로 들어갈 수 있다. 일부 실시예들에서, 그라인딩은 클램핑 전극을 제거할 수 있다. 그 다음에, 새로운 최상부 시트는, 위에서 논의된 바와 같이, 최상부 시트를 밀폐 밀봉으로 부착할 재료와 브레이징하고, 받침대가 겪게 될 수 있는 환경들에 의해 불리하게 영향을 받지 않을 브레이즈 재료를 사용함으로써 기판 지지 받침대의 그라인딩된 표면에 부착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 브레이즈 층은 클램핑 전극을 대체하고, 이로서 기능한다. 새로운 최상부 시트는 초기에, 핸들링 손상 및 설치 동안의 손상을 제한하기 위해 최종 제품에서 원하는 것보다 더 두꺼울 수 있다. 그 다음에, 최상부 층은 오리지널 받침대와 동일하거나, 매립된 가열기 위의 최상부 표면의 깊이와 같은 중요한 파라미터들에 관련하여 동일한 치수를 마감된 받침대에 제공하기 위해, 또는 기판의 정전 그립(electrostatic grip)을 가능하게 하기 위해 그라인드 다운될 수 있다.
[0048] 일부 양태들에서, 새로운 세라믹 최상부 층 또는 다른 부품을 받침대에 부착하는 브레이징 층이 밀폐 조인트를 제공하는 것이 중요할 수 있다. 오리지널 받침대의 최상부 표면이 그라인드 다운될 때, 양태들은, 받침대가 나중에 반도체들의 제조에 사용될 챔버 내부의 환경을 견딜 수 없는 표면이 될 수 있다. 또한, 임의의 가상 누설들을 제거하기 위해 양호하고 완전한 습윤 및 기밀성이 요구되고, 여기서 비-밀폐 브레이즈 층은 브레이즈 내의 공극들에 갇힌 가스들을, 받침대가 나중에 사용되는 챔버로 "누설"시킬 수 있다. 이는 바람직한 조건이 아니다. 또한, 공극이 없고, 완전한 습윤, 밀폐 조인트는 받침대의 최상부 표면과 매립된 가열기 간에, 더 동일한 열전도율과 함께 더 일관되고, 균등한 열적 경로를 제공할 것이다.
[0049] 예시적인 실시예에서, 자신의 최상부 표면에 대한 약간의 손상을 갖는 기판 지지 받침대는 수리될 준비가 된다. 최상부 표면은 세라믹을 통해 클램핑 전극으로 그라인드 다운된다. 일부 실시예들에서, 클램핑 전극의 깊이는, 기계가공이 알려진 절단 깊이까지 내려가도록 설정될 수 있는 충분한 정확도로 알려진다. 일단 클램핑 전극이 노출되면, 기계가공은 클램핑 전극이 제거될 때까지 계속될 수 있다. 클램핑 전극 아래로부터 나오는 리드들에 사전에 부착될 수 있는 클램핑 전극의 리드 패드들이 보여질 수 있어서, 리드들의 위치를 표시한다. 클램핑 전극에 커플링된 동일한 리드들은 대체된 클램핑 전극으로의 리드들로서 남아있을 것이다. 아래에서 논의되는 바와 같이 알루미늄의 브레이징 층은 기계가공된 받침대의 최상부에 배치 또는 증착될 수 있다. 그 다음에, 일부 양태들에서 AlN일 수 있는 새로운 세라믹 최상부 층은 사전-조립체 상에 배치된다. 그 다음에, 사전-조립체는 진공 챔버일 수 있는 프로세스 오븐에 배치될 수 있다. 그 다음에, 조립체는 함께 브레이징된다. 브레이징 후에, 새로운 세라믹 최상부 층은, 받침대의 오리지널 높이일 수 있는 원하는 높이를 받침대에 제공하도록 기계가공될 수 있다.
[0050] 예시적인 실시예에서, 받침대의 최상부 층은, 새로운 세라믹 최상부 층에서와 같이, 알루미늄 질화물이다. 브레이징 층은 99.9 % 알루미늄이고, 받침대 상에 증착되었고, 두께가 30 미크론이다. 일부 실시예들에서, 브레이징 층은 알루미늄 포일일 수 있고, 브레이징 전에 두께가 15-200 미크론일 수 있다. 새로운 세라믹 최상부 층은 설치 및 브레이징 동안에 두께가 .125 인치이고, 그 다음에, 예컨대, 0.008 내지 0.040 인치로 머신 다운될 수 있다. 브레이징은 850℃에서 10 분 동안에 이루어진다. 브레이징은 1 x 10E-4 Torr 미만의 압력에서 이루어진다.
[0051] 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 2 분 내지 10 분 동안 800℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다. 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 10 분 내지 100 분 동안 800℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다. 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 2 분 내지 100 분 동안 1200℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다. 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 2 분 내지 10 분 동안 770℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다. 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 10 분 내지 100 분 동안 770℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다. 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 2 분 내지 100 분 동안 1200℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다. 가장 가까운 50℃ 증분으로 반올림될 때, 요구되는 최소 온도는 800℃일 수 있다. 가장 가까운 10℃ 증분으로 반올림될 때, 요구되는 최소 온도는 770℃일 수 있다.
[0052] 본 발명의 일부 실시예들에서, 기판 지지 받침대의 최상부 상의 손상된 재료는, 이를테면, 다이아몬드 비트들을 갖는 회전식 테이블을 사용하는 방법들을 사용하여 그라인드 다운된다. 받침대 최상부 표면은 최상부 세라믹 층 중 일부를 통해 그라인드 다운되거나, 세라믹 내에 매립된 특징부들에 추가로 들어갈 수 있다. 일부 실시예들에서, 그라인딩은 가열기 위의 세라믹만을 제거할 수 있다. 그 다음에, 새로운 최상부 시트는, 위에서 논의된 바와 같이, 최상부 시트를 밀폐 밀봉으로 부착할 재료와 브레이징하고, 받침대가 겪게 될 수 있는 환경들에 의해 불리하게 영향을 받지 않을 브레이즈 재료를 사용함으로써 기판 지지 받침대의 그라인딩된 표면에 부착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 브레이징 층은 받침대의 새로운 최상부 표면 시트를 부착하는데 간단히 사용된다. 새로운 최상부 시트는 초기에, 핸들링 손상 및 설치 동안의 손상을 제한하기 위해 최종 제품에서 원하는 것보다 더 두꺼울 수 있다. 그 다음에, 최상부 층은 오리지널 받침대와 동일하거나, 매립된 가열기 위의 최상부 표면의 깊이와 같은 중요한 파라미터들에 관련하여 동일한 치수를 마감된 받침대에 제공하기 위해, 또는 기판의 정전 그립을 가능하게 하기 위해 그라인드 다운될 수 있다.
[0053] 일부 양태들에서, 새로운 세라믹 최상부 층을 받침대에 부착하는 브레이징 층이 밀폐 조인트를 제공하는 것이 중요할 수 있다. 오리지널 받침대의 최상부 표면이 그라인드 다운될 때, 양태들은, 받침대가 나중에 반도체들의 제조에 사용될 챔버 내부의 환경을 견딜 수 없는 표면이 될 수 있다. 또한, 임의의 가상 누설들을 제거하기 위해 양호하고 완전한 습윤 및 기밀성이 요구되고, 여기서 비-밀폐 브레이즈 층은 브레이즈 내의 공극들에 갇힌 가스들을, 받침대가 나중에 사용되는 챔버로 "누설"시킬 수 있다. 이는 바람직한 조건이 아니다. 또한, 공극이 없고, 완전한 습윤, 밀폐 조인트는 받침대의 최상부 표면과 매립된 가열기 간에, 더 동일한 열전도율과 함께 더 일관되고, 균등한 열적 경로를 제공할 것이다.
[0054] 예시적인 실시예에서, 자신의 최상부 표면에 대한 약간의 손상을 갖는 기판 지지 받침대는 수리될 준비가 된다. 최상부 표면은 세라믹을 통해 가열기 위의 일정 거리까지 그라인드 다운된다. 가열기를 손상시키지 않기 위해, 가열기 위의 타겟 잔여 세라믹은 0.100 인치일 수 있다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 알루미늄의 브레이징 층은 기계가공된 받침대의 최상부에 배치 또는 증착될 수 있다. 그 다음에, 일부 양태들에서 AlN일 수 있는 새로운 세라믹 최상부 층은 사전-조립체 상에 배치된다. 그 다음에, 사전-조립체는 진공 챔버일 수 있는 프로세스 오븐에 배치될 수 있다. 그 다음에, 조립체는 함께 브레이징된다. 브레이징 후에, 새로운 세라믹 최상부 층은, 받침대의 오리지널 높이일 수 있는 원하는 높이를 받침대에 제공하도록 기계가공될 수 있다.
[0055] 예시적인 실시예에서, 받침대의 최상부 층은, 새로운 세라믹 최상부 층에서와 같이, 알루미늄 질화물이다. 브레이징 층은 99.9 % 알루미늄이고, 받침대 상에 증착되었고, 두께가 30 미크론이다. 일부 실시예들에서, 브레이징 층은 알루미늄 포일일 수 있고, 브레이징 전에 두께가 15-200 미크론일 수 있다. 새로운 세라믹 최상부 층은 설치 및 브레이징 동안에 두께가 .125 인치이고, 그 다음에, 예컨대, 0.040 내지 0.060 인치로 머신 다운될 수 있다. 브레이징은 850℃에서 10 분 동안에 이루어진다. 브레이징은 1 x 10E-4 Torr 미만의 압력에서 이루어진다.
[0056] 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 2 분 내지 10 분 동안 800℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다. 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 10 분 내지 100 분 동안 800℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다. 일부 실시예들에서, 새로운 세라믹 최상부 층은 2 분 내지 100 분 동안 1200℃에서 받침대에 브레이징될 수 있다.
[0057] 도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 받침대 최상부 플레이트(260)의 횡단면을 예시한다. 받침대 최상부 플레이트(260)는, 상이한 층들 사이에 존재하는 전극과 가열기 양자 모두를 갖는 다층 플레이트 조립체이다. 새로운 최상부 층은 브레이징 엘리먼트(266)에 의해 결합된다. 일부 실시예들에서, 플레이트들의 평면에 대해 수직한 방향으로의 새로운 최상부 플레이트 층의 최종 위치는, 플레이트들 상의 스탠드오프(268)들에 의해 지시된다.
[0058] 새로운 세라믹 최상부 층(261)은 하부 부분(262) 위에 놓인다. 최상부 플레이트 층(261)은 다기능 결합 층(266)을 이용하여 하부 부분(262)에 결합된다. 다기능 결합 층(266)은 하부 플레이트 부분(262)으로의 새로운 세라믹 최상부 층(261)의 결합을 제공하고 그리고 전극이 되도록 구성된다. 이러한 전극은, 실질적으로 원판(circular disc)인 결합 층일 수 있으며, 여기서 결합 재료가 또한 전극으로서 기능한다. 도 36에 도시된 바와 같이, 스탠드오프(268)는 플레이트 층들의 주 평면에 대해 수직한 수직 방향으로 하부 플레이트 층(262)으로 상부 플레이트 층(261)의 위치 제어를 제공하도록 적응된다. 일부 실시예들에서, 브레이징 층은, 위치 제어가 필요로 되거나 구현되지 않을 정도로 얇을 수 있다. 최상부 플레이트 층(261)의 림(rim)은, 두 개의 플레이트들 주변부에서 두 개의 플레이트들 사이 경계부(267)를 따라 가시선(line of sight)을 제거하도록 적응된다. 결합 층(266)의 두께는, 결합 층(266)이 플레이트 조립체의 가열 및 결합 단계 사전에 최상부 플레이트 층(261) 및 하부 플레이트 층(262)과 접촉하도록 크기가 정해질 수 있다.
[0059] 새로운 세라믹 최상부 층을 결합하기 위한 플레이트 조립체의 결합 단계 동안에, 도 8에 도시된 컴포넌트들이 사전-조립될 수 있고, 그 다음에, 이러한 플레이트 사전-조립체는 완전히 수리된 기판 지지 받침대를 형성하기 위해 본원에 설명된 프로세스들을 사용하여 결합될 수 있다.
[0060] 본 발명의 일부 실시예들에서, 도 15에 도시된 바와 같이, 정전 척(300)은 샤프트(302)에 결합된 플레이트 조립체(301)를 가질 수 있다. 샤프트(302)는 중공일 수 있고, 장착 플랜지(303)를 가질 수 있다. 플레이트 조립체(301)는 프로세싱 동안에 웨이퍼 또는 다른 기판을 지지하도록 적응된 새로운 최상부 표면(308)을 갖는다. 새로운 최상부 층(305)은 브레이즈 층(306)을 사용하여 하부 플레이트 부분(304)에 결합될 수 있다. 클램핑 전극(307)은 최상부 층(305)과 하부 플레이트 부분(304) 간에 있을 수 있다. 클램핑 전극(307)은 챔버로부터 전극의 전기적 격리를 제공하기 위해 갭(309)만큼 브레이즈 층(306)으로부터 분리될 수 있다.
[0061] 도 16은 기판의 제거를 위한 핀들을 갖는 정전 척에서 사용될 수 있는 클램핑 전극(336)의 양태들을 예시한다. 도 16은 상부 플레이트 층과 중간 플레이트 층 간의 제1 밀봉 링(334)을 통해 수직 단면도를 도시할 수 있다. 클램핑 전극(336)은 정전 척에 의해 지지되는 기판에 클램핑 힘을 제공하도록 적응된다. 플레이트 층(330)의 원주 둘레(circumferential perimeter) 주위에 제1 밀봉 링(334)이 도시된다. 제1 밀봉 링(334)과 클램핑 전극(336) 간의 갭(333)은 갭(335)을 통해 전기적 격리를 제공한다. 핀 홀들(331) 각각은 자신들의 둘레 주위에 밀봉 링들(332)을 갖는다. 밀봉 링들(332)은 밀봉 링들(332)과 클램핑 전극(336) 간의 갭들(333)을 갖는다.
[0062] 본 발명의 일부 실시예들에 따른 결합 방법들은 결합될 세라믹 피스들에 대한 결합 재료의 습윤 및 유동의 제어에 의존한다. 일부 실시예들에서, 결합 프로세스 동안에 산소의 부재는, 조인트 영역의 재료들을 변경하는 반응들 없이 적절한 습윤을 허용한다. 결합 재료의 적절한 습윤 및 유동을 통해, 예컨대, 액상 소결에 대해 저온에서 밀폐식으로 밀봉된 조인트가 획득될 수 있다.
[0063] 결합된 세라믹들의 최종 제품들이 사용되는 일부 애플리케이션들에서, 조인트의 세기는 핵심 설계 팩터는 아닐 수 있다. 일부 애플리케이션들에서, 조인트의 어느 한 측 상에서 분위기들의 분리를 허용하기 위해 조인트의 기밀성이 요구될 수 있다. 일부 애플리케이션들에서, 조인트의 기밀성은 브레이즈 층의 가상 누설들을 방지하는데 요구될 수 있다. 또한, 세라믹 조립체 최종 제품이 노출될 수 있는 화학 물질에 결합 재료가 견디도록 하기 위해서는, 결합 재료의 조성(composition)이 중요할 수 있다. 결합 재료는 화학 물질들에 견딜 필요가 있을 수 있고, 그렇지 않다면, 결합 재료는 조인트의 퇴화(degeneration) 및 밀폐 밀봉의 손실을 야기할 수 있다. 결합 재료는 또한, 마감된 세라믹 디바이스에 의해 나중에 지원되는 프로세스를 부정적으로 간섭하지 않는 재료의 타입을 가질 필요가 있을 수 있다.
[0064] 도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 조인트(10)의 횡단면도이다. 이미지는 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 관찰되고 20,000배 배율로 촬상된다. 제1 세라믹 피스(11)는 결합 층(13)으로 제2 세라믹 피스(12)에 결합되었다. 이러한 예시적 실시예에서, 제1 세라믹 피스 및 제2 세라믹 피스는 단결정질 알루미늄 질화물(AlN)로 이루어진다. 결합 층은 0.4중량% Fe를 갖는 알루미늄 포일로서 시작된다. 결합 온도는 1200℃이고, 120분 동안 유지되었다. 결합은 결합 동안 약 290 psi의, 조인트에 걸친 물리적 접촉 압력으로 7.3 x 10E-5 Torr의 진공 하에서 이루어졌다.
[0065] 아래의 논의는 밀폐 조인트들을 발생시키는 브레이징 프로세스들의 예들을 수반한다. 도 9는 제1 세라믹 피스(11)와 결합 층(13) 사이의 상부 경계(15) 및 결합 층(13)과 제2 세라믹 피스(12) 사이의 하부 경계(16)를 갖는 조인트를 예시한다. 20,000배 배율의 경계 영역들에서 볼 수 있는 바와 같이, 세라믹 피스들 내로의 결합 층의 어떠한 확산도 나타나지 않는다. 어떠한 세라믹들 내의 반응의 흔적도 나타나지 않는다. 경계들은 어떠한 공극들의 흔적도 나타내지 않으며, 결합 프로세스 동안 알루미늄에 의한 경계들의 완전한 습윤이 존재하였다는 것을 나타낸다. 결합 층에 나타난 밝은 스팟들(14)은 알루미늄-철 화합물이고, 철은 결합 층을 위해 사용되는 포일로부터의 잔류물이다.
[0066] 도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 조인트(20)의 횡단면도이다. 도면은 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 관찰된 것이며 8,000배 배율이다. 제1 세라믹 피스(21)는 결합 층(23)으로 제2 세라믹 피스(22)에 결합되었다. 이러한 예시적 실시예에서, 제1 세라믹 피스 및 제2 세라믹 피스는 단결정질 알루미늄 질화물(AlN)로 이루어진다. 결합 층은 0.4중량% Fe를 갖는 알루미늄 포일로서 시작된다. 결합 온도는 900℃였고, 15분 동안 유지되었다. 결합은 결합 동안 조인트에 걸친 최소의 물리적 접촉 압력으로 1.9 x 10E-5 Torr의 진공 하에서 이루어졌다. 결합 층(23)은, 제1 세라믹 피스(21)와 제2 세라믹 피스(22)의 결합 이후, 알루미늄의 잔류 층이 결합 피스들 사이에 남아있는 것을 예시한다.
[0067] 도 10은 제1 세라믹 피스(21)와 결합 층(23) 사이의 상부 경계(24) 및 결합 층(23)과 제2 세라믹 피스(22) 사이의 하부 경계(25)를 갖는 조인트를 예시한다. 8,000 배 배율의 경계 영역들에서 볼 수 있는 바와 같이, 세라믹 피스들 내로의 결합 층의 어떠한 확산도 나타나지 않는다. 세라믹들 내의 반응의 어떠한 흔적도 나타나지 않는다. 경계들은 어떠한 공극들의 흔적도 나타내지 않으며, 결합 프로세스 동안 알루미늄에 의한 경계들의 완전한 습윤이 존재한다는 것을 나타낸다. 결합 층에서 보여지는 밝은 스팟들(26)은 결합 층을 위해 사용되는 포일로부터의 Fe 잔류물을 포함한다.
[0068] 도 9 및 도 10은 단결정질 알루미늄 질화물과 같은 세라믹들이 결합 프로세스 동안 완전한 습윤을 달성한 알루미늄의 결합 층과 결합되는 본 발명의 실시예들에 따른 조인트들을 예시한다. 조인트들은 세라믹들 내로의 결합 층의 어떠한 확산 흔적도 나타내지 않으며, 세라믹 피스들 또는 결합 층 내의 반응 영역들의 어떠한 흔적도 나타내지 않는다. 세라믹 피스들이나 결합 층 내에 화학 변환의 어떠한 흔적도 존재하지 않는다. 결합 프로세스 이후 존재하는 알루미늄의 잔류 층이 존재한다.
[0069] 도 11은 다결정질 알루미늄 질화물 세라믹을 사용하는 본 발명의 실시예들에 따른 조인트(30)를 예시한다. 도 11에서, 결합 층(32)은 하부 세라믹 피스(31)에 결합된 것으로 나타나있다. 도면은 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 보여진 것이며, 4,000배 배율이다. 이러한 예시적 실시예에서, 제1 세라믹 피스는 다결정질 알루미늄 질화물(AlN)로 이루어진다. 결합 층은 0.4중량% Fe를 갖는 알루미늄 포일로서 시작된다. 결합 온도는 1200℃였고, 60분 동안 유지되었다. 결합은, 대략 470psi의 결합 동안 조인트에 걸친 물리적 접촉 압력으로, 2.4 x 10E-5 Torr의 진공 하에서 이루어졌다.
[0070] 일부 실시예들에서, 도 11 내지 도 13에 도시된 세라믹과 같은 다결정질 AlN은 96% AlN과 4% 이트리아(Yttria)로 구성된다. 이러한 세라믹은 세라믹을 제조하기 위해 사용된 액상 소결 동안, 더 낮은 온도가 사용될 수 있기 때문에, 산업적 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 단결정질 AlN과 대조적으로, 더 낮은 온도 프로세스는 세라믹의 제조 에너지 소비 및 비용들을 감소시킨다. 다결정질 재료는 또한 더 적은 취성(brittle)과 같은 양호한 특성들을 가질 수 있다. 이트리아 및 Sm2O3 같은 다른 도펀트들이 종종 재료 특성의 튜닝 및 제조성을 위해 사용된다.
[0071] 도 11은 도 9 및 도 10에 도시된 단결정질 예들에서 나타난 바와 같이 다결정질 AlN 세라믹인 제1 세라믹 피스(31)와 결합 층(32) 사이의 경계(33)의 확산이 마찬가지로 없다는 것을 예시한다. 경계(33)가 도 9 및 도 10에 도시된 것보다 다소 더 거친 것으로 나타날 수 있지만, 이는 더 거친 원래 표면의 결과이다. 경계를 따라 어떠한 확산도 나타나지 않는다.
[0072] 도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같은 96% AlN-4% 이트리아 세라믹과 같은 다결정질 AlN에서, 세라믹은 이트륨 알루미네이트가 산재된 AlN의 결정립들(grains)을 나타낸다. 이 세라믹이 본 발명의 일부 실시예들에 따른 결합 층들과 같이 알루미늄으로 제공될 때, Al의 액상선 온도를 초과하는 것과 같은 더 높은 온도에서, Al 브레이징 재료는 이트륨 알루미네이트와 반응하여 세라믹의 표면에 AlN 결정립들 중 일부의 분리(dislodging) 및 해제를 초래한다.
[0073] 도 12는 다결정질 알루미늄 질화물 세라믹을 사용한, 본 발명의 실시예들에 따른 조인트(40)를 예시한다. 도 12에서, 하부 세라믹 피스(41)에 상부 세라믹 피스(42)를 결합하는 결합 층(43)이 도시되어 있다. 이 도면은 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 본 것이며, 8,000배 배율이다. 이러한 예시적 실시예에서, 제1 세라믹 피스는 다결정질 알루미늄 질화물(AlN)로 이루어진다. 결합 층은 99.8% Al을 갖는 알루미늄 포일로서 시작된다. 결합 온도는 1120℃였고, 60분 동안 유지되었다. 결합은 결합 동안 조인트에 걸친 최소의 물리적 접촉 압력으로 2.0 x 10E-5 Torr의 진공 하에 이루어졌다.
[0074] 도 12는 결합 층(43) 내의 AlN의 일부 결정립들(46)을 예시한다. 결정립들(46)은 상부 세라믹 피스(42)의 표면(44) 및/또는 하부 세라믹 피스(41)의 표면(45)으로부터 이동되었다. AlN 결정립들은 다결정질 AlN의 결정립들 사이의 이트륨 알루미네이트를 공격한 결합 층의 알루미늄에 기인하여 표면으로부터 분리되었다. AlN 결정립들 자체는 알루미늄 결합 층과 반응하지도 않고, 나타난 AlN 결정립들로의 알루미늄의 확산의 어떠한 징후도 없다. 본 발명의 실시예들에 따른 프로세스들의 조건들 하에서 알루미늄에 의한 확산에 대한 AlN의 비-민감성(non-susceptibility)은 도 9 및 도 10의 단결정질 AlN의 예에서 사전에 나타나며, 도 12의 다결정질 예에서 유지된다.
[0075] 도 13은 다결정질 알루미늄 질화물 세라믹을 사용하는 본 발명의 실시예들에 따른 조인트(50)를 예시한다. 도 13에서, 상부 세라믹 피스(51)에 결합된 결합 층(52)이 도시되어 있다. 이 도면은 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 관찰된 것이며, 2,300배 배율이다. 이러한 예시적 실시예에서, 제1 세라믹 피스(51)는 다결정질 알루미늄 질화물(AlN)로 이루어진다. 결합 층은 5중량% Zr을 갖는 알루미늄 분말로 시작된다. 결합 온도는 1060℃이고, 15분 동안 유지되었다. 결합은 약 8 psi의 결합 동안 조인트에 걸친 물리적 접촉 압력으로 4.0 x 10E-5 Torr의 진공 하에 이루어졌다.
[0076] 도 9 내지 도 13의 예에서 볼 수 있는 바와 같은, 본 발명에 따라 형성된 조인트는 세라믹 피스들 사이의 기밀 밀봉 조인트가 요구되는 애플리케이션에 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 애플리케이션은 제1 세라믹 피스를 제2 세라믹 피스에 결합하는 것이다. 일 실시예에서, 애플리케이션은 제1 반도체 프로세싱 장비 피스를 제2 반도체 프로세싱 장비 피스에 결합하는 것이다. 일 실시예에서, 애플리케이션은 제1 세라믹 반도체 프로세싱 장비 피스를 제2 세라믹 반도체 프로세싱 장비 피스에 결합하는 것이다. 일 실시예에서, 애플리케이션은 새로운 부품을 반도체 프로세싱 피스에, 이를테면, 새로운 최상부 세라믹 층을 기판 지지 받침대에 부착하는 것이다. 그러한 애플리케이션들 모두는 수리 프로세스의 부분일 수 있다.
[0077] 일부 실시예들에서, 스탠드오프들은 조인트를 위한 최소 브레이즈 층 두께를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 조인트의 최소 브레이즈 층 두께는 브레이즈 층 충전재 재료(filler material) 내에 분말형 재료를 통합함으로써 생성된다. 그 통합된 분말 재료의 최대 입자 크기는 최소 조인트 두께를 결정한다. 분말형 재료는 분말형 브레이즈 층 충전재 재료와 혼합될 수 있거나, 세라믹 조인트 표면 상에 페인팅되거나 적절한 두께의 브레이즈 층 충전재 포일 상에 페인팅되거나 적절한 두께의 브레이즈 층 충전재 재료 포일 내에 직접적으로 통합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 브레이즈 층 재료는 브레이징 이전에 플레이트와 샤프트 단부 사이의 분말 결정립들 또는 메사들(mesas)에 의해 유지되는 거리보다 더 두껍다. 일부 실시예들에서, 최소 브레이즈 층 두께를 설정하기 위해 다른 방법들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서 세라믹 구체들(sheres)이 최소 브레이즈 층 두께를 설정하기 위해 사용될 수 있다. 일부 양태들에서, 브레이즈 재료 모두가 완전히 인접한 계면 표면과 스탠드오프들 사이로부터 압착되어 밀려나게 되는 것은 아니기 때문에, 조인트 두께는 스탠드오프들 또는 다른 최소 두께 결정 디바이스의 치수보다 약간 더 두꺼울 수 있다. 일부 양태들에서, 알루미늄 브레이즈 층 중 일부는 인접한 계면 표면과 스탠드오프 사이에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 브레이징 재료는 세라믹의 표면 상에 0.0003 인치의 두께로 스퍼터링된 알루미늄일 수 있다. 일부 실시예들에서, 브레이징 재료는 브레이징 이전에 두께가 0.006 인치일 수 있으며, 완성된 조인트 최소 두께는 0.004 인치이다. 브레이징 재료는 0.4 중량% Fe를 갖는 알루미늄일 수 있다.
[0078] 일 실시예에서, 본 발명의 부분으로서 형성된 조인트는 알루미늄 조인트이다. 일 실시예에서, 이러한 조인트는 밀폐 알루미늄 조인트이다. 알루미늄은 산화된 알루미늄의 자체 제한 층을 형성하는 특성을 갖는다. 이 층은 일반적으로 균질성(homogenous)이고, 일단 형성되고 나면, 추가적 산소 또는 다른 산화 화학제들(이를테면, 불소 화학제들)이 베이스 알루미늄에 침투하고 산화 프로세스를 지속하는 것을 방지 또는 현저히 제한한다. 이 방식으로, 알루미늄의 산화 또는 부식의 초기의 짧은 기간이 존재하며, 이는 이후 알루미늄의 표면 상에 형성된 산화물(또는 불화물) 층에 의해 실질적으로 중단 또는 저속화된다. 알루미늄일 수 있는 브레이즈 재료는 시트, 분말, 박막의 형태일 수 있거나, 본 명세서에 설명된 브레이징 프로세스에 적합한 임의의 다른 폼 팩터를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 브레이징 엘리먼트, 재료 또는 층이라는 용어는, 브레이징 엘리먼트, 재료 또는 층에 부가되지만, 최종 브레이징된 조인트 또는 층에는 포함되지 않는, 즉, 브레이징을 위한 가열 후 또는 브레이징의 완료 후에는 임의의 바인더 또는 다른 재료를 포함하지 않는다. 일 예에서, 알루미늄 층일 수 있는 브레이징 층은 0.00019 인치 내지 0.011 인치 또는 그 초과의 범위의 두께를 갖는 시트일 수 있다. 일부 실시예들에서, 브레이즈 재료는 약 0.0012 인치의 두께를 갖는 시트일 수 있다. 일부 실시예들에서, 브레이즈 재료는 약 0.006 인치의 두께를 갖는 시트일 수 있다. 통상적으로, 알루미늄의 합금 성분들(이를테면, 예컨대, 마그네슘)은 알루미늄의 입자 경계들 사이에 침전물들로서 형성된다. 이들이 알루미늄 결합 층의 내산화성을 감소시킬 수 있지만, 통상적으로 이들 침전물들은 알루미늄을 통한 연속적 경로를 형성하지 않으며, 그에 의해, 전체 알루미늄 층을 통한 산화제들의 침투를 허용하지 않고, 따라서, 그의 내식성을 제공하는 알루미늄의 자체 제한 산화물 층 특성이 온전하게 둔다. 침전물들을 형성할 수 있는 성분들을 포함하는 알루미늄 합금을 사용하는 실시예들에서, 냉각 프로토콜들을 포함하는 프로세스 파라미터들은 입자 경계의 침전물들을 최소화하도록 적응될 것이다. 예컨대, 일 실시예에서, 브레이즈 재료는 적어도 99.5%의 순도를 갖는 알루미늄일 수 있다. 일 실시예에서, 브레이즈 재료는 적어도 89%의 순도를 갖는 알루미늄일 수 있다. 일 실시예에서, 브레이즈 재료는 89 중량% 초과의 알루미늄을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 브레이즈 재료는 적어도 98%의 순도를 갖는 알루미늄일 수 있다. 일 실시예에서, 브레이즈 재료는 98 중량% 초과의 알루미늄을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 브레이즈 재료는 적어도 99%의 순도를 갖는 알루미늄일 수 있다. 일 실시예에서, 브레이즈 재료는 99 중량% 초과의 알루미늄을 갖는다. 일 실시예에서, 브레이즈 재료는 금속성 알루미늄일 수 있다. 일부 실시예들에서, 92%보다 더 높은 순도를 가질 수 있는 상업적으로 입수할 수 있는 알루미늄 포일이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 합금들이 사용된다. 이들 합금들은 Al-5중량%Zr, Al-5중량%Ti, 상업적 합금들 #7005, #5083 및 #7075를 포함할 수 있다. 이들 재료들은 일부 실시예들에서 밀폐 조인트를 형성하기 위해 1100℃의 결합 온도에서 사용될 수 있다. 이들 재료들은 일부 실시예들에서 밀폐 조인트를 형성하기 위해 800℃ 내지와 1200℃의 온도에서, 사용될 수 있다. 이들 재료는 일부 실시예들에서 더 낮거나 더 높은 온도에서 사용될 수 있다. 가장 가까운 50℃ 증분으로 반올림될 때, 밀폐 조인트를 형성하는데 요구되는 최소 온도는 800℃일 수 있다. 가장 가까운 10℃ 증분으로 반올림될 때, 밀폐 조인트를 형성하는데 요구되는 최소 온도는 770℃일 수 있다. 일 실시예에서, 재료들은 밀폐 조인트를 형성하기 위해 적어도 800℃의 온도에서 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 재료들은 밀폐 조인트를 형성하기 위해 적어도 770℃의 온도에서 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 재료들은 밀폐 조인트를 형성하기 위해 적어도 800℃ 내지 1200℃ 범위의 온도에서 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 재료들은 밀폐 조인트를 형성하기 위해 적어도 770℃ 내지 1200℃ 범위의 온도에서 사용될 수 있다.
[0079] 본 발명의 실시예들에 따른 프로세스들의 조건들 하에서 알루미늄에 의한 확산에 대한 AlN의 비-민감성은 플레이트 및 샤프트 조립체의 제조에서 브레이징 단계 후에 세라믹의 재료 특성들 및 재료 동일성(identity)의 보존을 초래한다.
[0080] 일부 실시예들에서, 본 발명의 결합 프로세스는 매우 낮은 압력들을 제공하도록 적응된 프로세스 챔버에서 수행된다. 본 발명의 실시예들에 따른 결합 프로세스들은 밀폐식으로 밀봉된 조인트를 달성하기 위해 산소의 부재를 요구할 수 있다. 일 실시예에서, 산소는, 결합 프로세스의 부분으로서, 프로세스 챔버로부터 제거된다. 일부 실시예들에서, 프로세스는 1 x 10E-4 Torr 미만의 압력에서 수행된다. 일부 실시예들에서, 프로세스는 1 x 10E-5 Torr 미만의 압력에서 수행된다. 일부 실시예들에서, 추가의 산소 제거가 프로세스 챔버 내에서의 지르코늄 또는 티타늄의 배치에 의해 달성된다. 예컨대, 지르코늄 내부 챔버는 결합될 피스들 주위에 배치될 수 있다.
[0081] 일부 실시예들에서, 진공 외의 분위기들이 밀폐 밀봉을 달성하기 위해 본 발명의 결합 프로세스의 부분으로서 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아르곤(Ar) 분위기가 밀폐 조인트들을 달성하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다른 희가스(noble gas)들이 밀폐 조인트들을 달성하는데 사용된다. 일부 실시예들에서, 수소(H2) 분위기가 밀폐 조인트들을 달성하는데 사용될 수 있다.
[0082] 브레이징 층의 습윤 및 유동은 다양한 팩터들에 민감할 수 있다. 관련 팩터들은 브레이즈 재료 조성, 세라믹 조성, 프로세스 챔버의 분위기의 화학적 구성(makeup), 특히 결합 프로세스 동안 챔버 내의 산소의 레벨, 온도, 온도에서의 시간, 브레이즈 재료의 두께, 결합될 재료의 표면 특징들, 결합될 피스들의 기하학적 형상, 결합 프로세스 동안 조인트에 걸쳐 인가되는 물리적 압력 및/또는 결합 프로세스 동안 유지되는 조인트 갭을 포함한다.
[0083] 제1 및 제2 세라믹 물체들을 함께 결합하기 위한 브레이징 방법의 예는, 제1 및 제2 물체들을, 제1 세라믹 물체와 제2 세라믹 물체 사이에 배치되는 알루미늄 합금 및 알루미늄으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 브레이징 층과 함께 합치는 단계, 적어도 800℃의 온도 또는 적어도 770℃의 온도로 브레이징 층을 가열하는 단계, 및 브레이징 층을 그의 융점(melting point) 미만의 온도로 냉각시켜 브레이징 층이 경화되고 밀폐 밀봉을 생성하여서 제1 부재를 제2 부재에 결합하도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 브레이즈 조인트들의 다양한 기하학적 형상들이 본원에 설명된 방법들에 따라 구현될 수 있다. 가장 가까운 50℃ 증분으로 반올림될 때, 요구되는 최소 온도는 800℃일 수 있다. 가장 가까운 10℃ 증분으로 반올림될 때, 요구되는 최소 온도는 770℃일 수 있다.
[0084] 결합 사전에, 새로운 최상부 시트 또는 다른 제1 세라믹 피스 및 받침대 또는 다른 제2 세라믹 피스는 프로세스 챔버 내에 있는 동안 일부 위치적 제어를 유지하기 위해 서로에 대하여 픽스처링될 수 있다. 픽스처링은 또한, 온도의 적용 동안, 두 개의 피스들 사이에, 그리고 조인트에 걸쳐 접촉 압력을 생성하기 위해 외부적으로 인가되는 하중의 인가를 보조할 수 있다. 조인트에 걸쳐 접촉 압력이 인가되도록 픽스처 피스들의 최상부 상에 추(weight)가 배치될 수 있다. 추는 브레이징 층의 영역에 비례할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조인트에 걸쳐 인가되는 접촉 압력은 조인트 접촉 구역들 상에서 대략 2 내지 500 psi의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, 접촉 압력은 2 내지 40 psi의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, 최소 압력이 사용될 수 있다. 그 다음에, 픽스처링된 조립체가 프로세스 오븐에 배치될 수 있다. 오븐은 5 x 10E-5 Torr 미만의 압력으로 진공배기될 수 있다. 일부 양태들에서, 진공은 잔여 산소를 제거한다. 일부 실시예들에서, 1 x 10E-5 Torr 미만의 진공이 사용된다. 일부 실시예들에서, 픽스처링된 조립체는 산소 유인제(oxygen attractant)로서 작용하는 지르코늄 내부 챔버 내에 놓이고, 이는 프로세싱 동안 조인트를 향하는 그의 경로에서 발견될 수 있는 잔여 산소를 또한 감소시킨다. 일부 실시예들에서, 프로세스 오븐은, 산소를 제거하기 위해 아르곤 가스와 같은 순수하고, 탈수된 순수한 비활성 가스로 퍼징되고(purged) 재충전된다. 일부 실시예들에서, 프로세스 오븐은 산소를 제거하기 위해, 정화된 수소로 퍼징되고 재충전된다.
[0085] 그 다음에, 픽스처 조립체는 온도가 증가되고, 결합 온도에서 유지되도록 처리될 수 있다. 가열 사이클을 개시할 때, 온도는 예컨대 600℃인 표준화된 온도들 그리고 결합 온도까지, 예컨대 분당 15℃로 200℃까지 그리고 그 후에 분당 20℃로 천천히 상승될 수 있고, 구배들(gradients)을 최소화하기 위해 및/또는 다른 이유들로 인해 가열 후에 진공이 회복하도록 허용하기 위해 각각의 온도에서 고정된 잔류(dwell) 시간 동안 유지될 수 있다. 브레이즈 온도가 도달될 때, 온도는 브레이즈 반응을 실행시키기 위해 일정한 시간 동안 유지될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 잔류 온도는 800℃ 일 수 있고, 잔류 시간은 2 시간일 수 있다. 일부 실시예들에서, 잔류 온도는 770℃ 내지 1200℃ 범위 내에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 잔류 온도는 적어도 770℃ 또는 적어도 800℃일 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 잔류 온도는 1000℃ 일 수 있고 잔류 시간은 15 분일 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 잔류 온도는 1150℃일 수 있고 잔류 시간은 30 내지 45 분일 수 있다. 일부 실시예들에서, 잔류 온도는 최대 1200℃를 초과하지 않는다. 일부 실시예들에서, 잔류 온도는 최대 1300℃를 초과하지 않는다. 충분한 브레이즈 잔류 시간을 달성할 때, 노(furnace)는 분당 20℃의 레이트로 또는 고유의 노 냉각 레이트가 더 적을 때는, 이보다 더 낮은 속도로 상온으로 냉각될 수 있다. 노는 대기압이 되게 개방될 수 있으며 브레이징된 조립체는 검사, 특징화 및/또는 평가를 위해 제거될 수 있다.
[0086] 너무 긴 시간 기간 동안, 너무 높은 온도의 사용은 현저한 알루미늄 증발의 결과로서 결합 층에서 공극들의 형성을 유도할 수 있다. 공극들이 결합 층에 형성될 때, 조인트의 기밀성이 손실될 수 있다. 너무 낮은 온도의 사용은 기밀되지 않는 조인트들을 유도할 수 있다. 프로세스 온도 및 프로세스 온도의 지속시간은, 알루미늄 층이 증발되지 않고, 이에 의해 밀폐 조인트가 달성되도록 제어될 수 있다. 위에서 설명된 다른 프로세스 파라미터들 이외에, 적절한 온도 및 프로세스 시간 지속시간 제어에 의해, 연속적인 조인트가 형성될 수 있다. 본원에 설명된 바와 같은 실시예들에 따라 달성되는 연속적인 조인트는 구조적 부착뿐만 아니라 부품들의 밀폐 밀봉을 초래할 것이다.
[0087] 브레이징 재료는 유동하고, 결합되는 세라믹 재료들의 표면들의 습윤을 허용할 것이다. 알루미늄 질화물과 같은 세라믹이 알루미늄 브레이징 층들을 사용하여 결합될 때 그리고 충분히 낮은 레벨들의 산소의 존재 시에 그리고 본원에 설명된 것과 같이, 조인트는 밀폐 브레이징된 조인트이다. 이는 일부 이전의 세라믹 결합 프로세스들에서 보이는 확산 결합(diffusion bonding)과 대조적인 상태에 있다.
[0088] 밀폐 및 비-밀폐 조인트들 둘 모두가 피스들을 강하게 결합할 수 있어서, 피스들을 분리시키기 위해 상당한 힘이 필요하다. 그러나, 조인트가 강하다는 사실은 조인트가 밀폐 밀봉을 제공하는지의 여부의 판정에 결정적인 것은 아니다. 밀폐 조인트들을 획득하기 위한 능력은 조인트의 습윤과 연관될 수 있다. 습윤은 다른 재료의 표면에 걸쳐 퍼지는 액체의 능력 또는 경향(tendency)을 설명한다. 브레이징된 조인트에 불충분한 습윤이 있다면, 어떠한 결합도 없는 영역들이 존재할 것이다. 충분한 습윤되지 않은 영역이 있다면, 가스가 조인트를 통과할 수 있으며, 이는 누설을 야기한다.
[0089] 조인트의 음향학적 이미징은 조인트의 균일성의 뷰잉, 및 공극들 및/또는 통로들이 조인트 내에 존재하는지 여부의 결정을 가능하게 한다. 기밀성인 것으로 테스트된 조인트들의 결과적 이미지들은 균일한, 공극이 없는 조인트들을 나타내는 반면, 비기밀성인 것으로 테스트된 조인트들의 이미지들은 세라믹 브레이즈 층 계면 영역에서 공극 또는 큰 비결합된 영역을 나타낸다. 음향학적 이미지들에 나타난 예들에서, 링들은 평탄한 표면에 결합되어 있다. 일 실시예에서, 링들은 1.40 인치 외부 직경, 1.183 인치 내부 직경이며, 약 0.44 제곱 인치의 조인트 계면 영역을 갖는다.
[0090] 도 14는 본 발명의 조인트의 조인트 무결성의 음향학적 감지를 사용하여 생성된 이미지이다. 조인트는 다결정질 알루미늄 질화물의 두 개의 피스들 사이에 있었다. 이 조인트에서, 메사 스탠드오프들은 최소 조인트 두께를 유지하기 위해 사용되었다. 세 개의 메사들이 원형 샤프트 엘리먼트 상에 있었다. 메사들은 0.004 인치 높이였다. 브레이징 재료는 99%를 초과하는 알루미늄이었다. 브레이징 층은 브레이징 이전에 두께가 0.006 인치였다. 결합 온도는 30분 동안 1200℃로 유지되었다. 결합은 1 x 10E-5 Torr 미만의 압력으로 유지되는 프로세스 챔버 내에서 이루어졌다. 18 파운드의 인가된 하중은 조인트에 걸쳐 압력을 인가하는데 사용되었다. 스탠드오프들은 조인트 두께가 스탠드오프 높이보다 더 낮아지는 것을 방지하였다. 스탠드오프 메사들의 세트를 사용한 이 경우에, 조인트의 습윤은 이전의 조인트 이미지들에서 보여지는 것보다 더 우수한 것으로 나타났다. 조인트의 완전한 습윤이 존재하고 공극들이 없다.
[0091] 브레이징 프로세스 동안 현저한 양의 산소 또는 질소의 존재는 조인트 계면 영역의 완전한 습윤을 간섭하는 반응들을 생성할 수 있고, 이는 결국 비기밀성 조인트를 초래할 수 있다. 완전한 습윤이 없는 상태에서, 비습윤 영역들이 조인트 계면 영역에서 최종 조인트에 도입된다. 충분한 연속적인 비습윤 영역들이 도입될 때, 조인트의 기밀성이 손실된다.
[0092] 질소의 존재는 질소가 용융 알루미늄(molten aluminum)과 반응하여 알루미늄 질화물을 형성하게 할 수 있으며, 이 반응 형성물은 조인트 계면 영역의 습윤을 간섭할 수 있다. 유사하게, 산소의 존재는 산소가 용융 알루미늄과 반응하여 알루미늄 산화물을 형성할 수 있게 하고, 이 반응 형성물은 조인트 계면 영역의 습윤을 간섭할 수 있다. 5 x 10-5 Torr보다 더 낮은 압력의 진공 분위기를 사용하는 것은 산소와 질소를 충분히 제거하여 조인트 계면 영역의 전체적으로 강력한 습윤과 밀폐 조인트들을 허용하는 것으로 나타났다. 일부 실시예들에서, 대기압을 포함하는 더 높은 압력들을 사용하지만, 예컨대, 브레이징 단계 동안 프로세스 챔버 내에 아르곤과 같은 순수 희가스 또는 수소와 같은 비산화성 가스들을 사용하는 것은 또한 조인트 계면 영역의 강력한 습윤과 밀폐 조인트들을 유도하였다. 위에서 언급된 산소 반응을 피하기 위해, 브레이징 프로세스 동안 프로세스 챔버 내의 산소의 양은, 조인트 계면 영역의 완전한 습윤이 부정적인 영향을 받지 않도록 충분히 낮아야만 한다. 위에서 언급된 질소 반응을 피하기 위해, 브레이징 프로세스 동안 프로세스 챔버 내에 존재하는 질소의 양은, 조인트 계면 영역의 완전한 습윤이 부정적인 영향을 받지 않도록 충분히 낮아야만 한다.
[0093] 최소 조인트 두께의 유지와 결부된, 브레이징 프로세스 동안의 적절한 분위기의 선택은 조인트의 완전한 습윤을 허용할 수 있다. 반대로, 부적절한 분위기의 선택은 열악한 습윤, 공극들을 유도하고, 비-밀폐 조인트를 유도할 수 있다. 브레이징 동안 적절한 재료 선택 및 온도와 함께 제어된 분위기 및 제어된 조인트 두께의 적절한 조합은 밀폐 조인트들에 의한 재료의 결합을 허용한다.
[0094] 본 발명의 방법은 유리하게 함께 결합되는 재료들 간에, 예컨대, 결합되는 2 개의 세라믹 피스들 간에 밀폐 조인트를 제공할 수 있다. 밀폐 조인트는 많은 애플리케이션들에서, 예컨대, 반도체 프로세스에서, 또는 프로세스 챔버 또는 반도체 프로세스에 사용되는 디바이스 또는 부품에서 중요할 수 있다. 일 실시예에서, 밀폐는 조인트가 기밀된다는 것을 의미한다. 일 실시예에서, 밀폐는, 조인트가 반도체 프로세스 동안에 기밀된다는 것을 의미한다. 일 실시예에서, 밀폐는, 반도체 또는 유사한 프로세스 동안에 조인트에 걸쳐, 예컨대, 반도체 프로세스 동안에 프로세스 챔버에서 공기의 어떠한 유동 또는 산소의 어떠한 유동도 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 일 실시예에서, 밀폐 조인트는 1 x 10E-9 sccm He/sec 미만의 진공 누설량을 갖는다.
[0095] 본원에 설명된 바와 같은 결합 방법의 다른 장점은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 제조된 조인트들이, 원하는 경우, 이들 두 개의 컴포넌트들 중 하나를 수리 또는 교체하기 위해 컴포넌트들의 분해(disassembly)를 허용할 수 있다는 것이다. 결합 프로세스가 세라믹 내로의 결합 층의 확산에 의해 세라믹 피스들을 개질시키지 않기 때문에, 따라서 세라믹 피스들은 재사용될 수 있다.
[0096] 일 실시예에서, 반도체 프로세싱 챔버에서 활용되는 반도체 프로세싱 피스를 수리하기 위한 프로세스가 제공되고, 이는 기계가공된 표면을 형성하기 위해 반도체 프로세싱 피스의 부분을 머신 오프하는 단계, 부분을 교체하기 위해 기계가공된 표면 위에 새로운 부품을 위치시키는 단계, 새로운 부품과 기계가공된 표면 간에 브레이즈 층을 배치하는 단계 및 새로운 부품과 반도체 프로세싱 피스 간에 밀폐 조인트를 형성하기 위해 적어도 브레이징 층을 가열하는 단계를 포함한다.
[0097] 반도체 프로세싱 피스는 기판 지지 받침대일 수 있다. 반도체 프로세싱 피스는 외부 표면을 가질 수 있고, 기계가공 단계는 외부 표면을 머신 어웨이하는 단계를 포함할 수 있고, 이 방법은 외부 표면과 동등한, 반도체 프로세싱 피스에 대한 교체 표면을 형성하기 위해 새로운 부품을 기계가공하는 단계를 포함할 수 있다. 외부 표면은 평면 표면일 수 있고, 교체 표면은 교체 평면 표면일 수 있다. 기계가공 단계는 RF 안테나를 머신 스루(machining through)하고, 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 기계가공 단계는 클램핑 전극의 머신 스루 및 제거를 포함할 수 있다. 브레이징 층은 알루미늄일 수 있다. 브레이징 층은 적어도 89%의 순도를 갖는 알루미늄, 적어도 98%의 순도를 갖는 알루미늄, 및 적어도 99%의 순도를 갖는 알루미늄으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 가열 단계는 적어도 브레이징 층을, 적어도 770℃ 및 적어도 800℃로 구성된 그룹으로부터 선택된 결합 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 가열 단계는 적어도 브레이징 층을, 770 내지 1200℃ 및 800 내지 1200℃로 구성된 그룹으로부터 선택된 결합 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 가열 단계는 1 x 10E-4 Torr 미만의 압력을 갖는 진공 오븐에서 적어도 브레이징 층을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 가열 단계는 진공 오븐에서 적어도 브레이징 층을 가열하는 단계 및 가열 단계 동안에 진공 오븐으로부터 산소를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 프로세스는 새로운 부품과 반도체 프로세싱 피스 간의 확산 결합(diffusion bonding)이 없을 수 있다. 새로운 부품은 세라믹 새로운 부품일 수 있다.
[0098] 일 실시예에서, 기판 지지 받침대의 수리를 위한 프로세스가 제공되고, 이 프로세스는 제1 새로운 최상부 표면을 생성하기 위해 기판 지지 받침대의 최상부 표면을 머신 다운(machining down)하는 단계, 상기 기판 지지 받침대의 상기 제1 새로운 최상부 표면과 새로운 최상부 세라믹 층 간에 브레이즈 층을 배치하는 단계, 및 상기 새로운 최상부 세라믹 층을 상기 기판 지지 받침대의 상기 제1 새로운 최상부 표면에 브레이징하고, 이로써 상기 새로운 최상부 세라믹 층과 상기 기판 지지 받침대의 상기 제1 새로운 최상부 표면 간에 밀폐 조인트를 생성하는 단계를 포함한다.
[0099] 제1 새로운 최상부 표면을 생성하기 위해 기판 지지 받침대의 최상부 표면을 머신 다운하는 단계는 RF 안테나의 머신 스루 및 제거를 포함할 수 있다. 제1 새로운 최상부 표면을 생성하기 위해 기판 지지 받침대의 최상부 표면을 머신 다운하는 단계는 클램핑 전극의 머신 스루 및 제거를 포함할 수 있다. 브레이즈 층은 99 중량% 초과의 알루미늄일 수 있다. 상기 새로운 세라믹 최상부 층을 상기 기판 지지 받침대의 상기 제1 새로운 최상부 표면에 브레이징하는 단계는 800 내지 1200℃의 온도에서 브레이징하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 새로운 세라믹 최상부 층을 상기 기판 지지 받침대의 상기 제1 새로운 최상부 표면에 브레이징하는 단계는 770 내지 1200℃의 온도에서 브레이징하는 단계를 포함할 수 있다. 프로세스는, 상기 새로운 세라믹 최상부 층을 상기 기판 지지 받침대의 상기 제1 새로운 최상부 표면에 브레이징하는 단계 후에, 상기 새로운 최상부 세라믹 층의 최상부 표면을 머신 다운하는 단계를 더 포함할 수 있다. 브레이징하는 단계는 받침대 조립체를 1 x 10E-4 Torr 미만의 압력의 진공 오븐에 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 브레이즈 층은 98 중량% 초과의 알루미늄일 수 있다. 상기 새로운 세라믹 최상부 층을 상기 기판 지지 받침대의 상기 제1 새로운 최상부 표면에 브레이징하는 단계는 770 내지 1200℃의 온도에서 브레이징하는 단계를 포함할 수 있다. 브레이징하는 단계는 받침대 조립체를 1 x 10E-4 Torr 미만의 압력을 갖는 진공 오븐에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
[00100] 위의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 매우 다양한 실시예들이 본원에 주어진 설명으로부터 구성될 수 있고 부가적인 장점들 및 수정들은 당업자들에게 쉽게 떠오를 것이다. 그러므로, 더 넓은 양태들의 본 발명은, 도시되고 설명된 특정 세부사항들 및 예시적인 예들로 제한되지 않는다. 따라서, 출원인의 일반적인 발명의 사상 또는 범주를 벗어나지 않고 그런 세부사항들로부터의 일탈이 이루어질 수 있다.

Claims (14)

  1. 반도체 프로세싱 챔버의 열악한 조건들에 의해 손상된 반도체 프로세싱 피스의 외부 표면을 수리하기 위한 프로세스로서,
    기계가공된 표면을 형성하기 위해 상기 반도체 프로세싱 피스의 손상된 외부 표면의 부분을 머신 오프하는(machining off) 단계, 상기 부분을 교체하기 위해 상기 기계가공된 표면 위에 새로운 부품을 위치시키는 단계, 상기 새로운 부품과 상기 기계가공된 표면 간에 브레이즈 층(braze layer)을 배치하는 단계, 및 상기 반도체 프로세싱 챔버에서 사용하기 위한 상기 반도체 프로세싱 피스 상의 교체 외부 표면을 제공하도록, 상기 새로운 부품과 상기 반도체 프로세싱 피스 간에 밀폐 조인트(hermetic joint)를 형성하기 위해 적어도 상기 브레이즈 층을 가열하는 단계를 포함하고,
    상기 기계가공된 표면을 형성하기 위해 상기 반도체 프로세싱 피스의 손상된 외부 표면의 부분을 머신 오프하는 단계는, RF 안테나를 머신 스루하고(machining through) 제거하는 단계를 포함하고, 상기 브레이즈 층은 RF 안테나로서 기능하는,
    반도체 프로세싱 챔버의 열악한 조건들에 의해 손상된 반도체 프로세싱 피스의 외부 표면을 수리하기 위한 프로세스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 프로세싱 피스는 기판 지지 받침대(substrate support pedestal)이고, 상기 외부 표면은 상기 기판 지지 받침대의 최상부 표면인,
    반도체 프로세싱 챔버의 열악한 조건들에 의해 손상된 반도체 프로세싱 피스의 외부 표면을 수리하기 위한 프로세스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 표면은 평면 표면이고, 상기 교체 외부 표면은 교체 평면 외부 표면인,
    반도체 프로세싱 챔버의 열악한 조건들에 의해 손상된 반도체 프로세싱 피스의 외부 표면을 수리하기 위한 프로세스.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 브레이즈 층은 알루미늄인,
    반도체 프로세싱 챔버의 열악한 조건들에 의해 손상된 반도체 프로세싱 피스의 외부 표면을 수리하기 위한 프로세스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 브레이즈 층은 적어도 89%의 순도를 갖는 알루미늄, 적어도 98%의 순도를 갖는 알루미늄, 및 적어도 99%의 순도를 갖는 알루미늄으로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
    반도체 프로세싱 챔버의 열악한 조건들에 의해 손상된 반도체 프로세싱 피스의 외부 표면을 수리하기 위한 프로세스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는 적어도 상기 브레이즈 층을, 적어도 770℃ 및 적어도 800℃로 구성된 그룹으로부터 선택된 결합 온도(joining temperature)로 가열하는 단계를 포함하는,
    반도체 프로세싱 챔버의 열악한 조건들에 의해 손상된 반도체 프로세싱 피스의 외부 표면을 수리하기 위한 프로세스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는 적어도 상기 브레이즈 층을, 770 내지 1200℃ 및 800 내지 1200℃로 구성된 그룹으로부터 선택된 결합 온도로 가열하는 단계를 포함하는,
    반도체 프로세싱 챔버의 열악한 조건들에 의해 손상된 반도체 프로세싱 피스의 외부 표면을 수리하기 위한 프로세스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는 1 x 10E-4 Torr 미만의 압력을 갖는 진공 오븐(vacuum oven)에서 적어도 상기 브레이즈 층을 가열하는 단계를 포함하는,
    반도체 프로세싱 챔버의 열악한 조건들에 의해 손상된 반도체 프로세싱 피스의 외부 표면을 수리하기 위한 프로세스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는 진공 오븐에서 적어도 상기 브레이즈 층을 가열하는 단계 및 상기 가열하는 단계 동안에 상기 진공 오븐으로부터 산소를 제거하는 단계를 포함하는,
    반도체 프로세싱 챔버의 열악한 조건들에 의해 손상된 반도체 프로세싱 피스의 외부 표면을 수리하기 위한 프로세스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세스는 상기 새로운 부품과 상기 반도체 프로세싱 피스 간의 확산 결합(diffusion bonding)이 없는,
    반도체 프로세싱 챔버의 열악한 조건들에 의해 손상된 반도체 프로세싱 피스의 외부 표면을 수리하기 위한 프로세스.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 새로운 부품은 세라믹 새로운 부품인,
    반도체 프로세싱 챔버의 열악한 조건들에 의해 손상된 반도체 프로세싱 피스의 외부 표면을 수리하기 위한 프로세스.
  14. 반도체 프로세싱 챔버의 열악한 조건들에 의해 손상된 반도체 프로세싱 피스의 외부 표면을 수리하기 위한 프로세스로서,
    기계가공된 표면을 형성하기 위해 상기 반도체 프로세싱 피스의 손상된 외부 표면의 부분을 머신 오프하는(machining off) 단계, 상기 부분을 교체하기 위해 상기 기계가공된 표면 위에 새로운 부품을 위치시키는 단계, 상기 새로운 부품과 상기 기계가공된 표면 간에 브레이즈 층(braze layer)을 배치하는 단계, 및 상기 반도체 프로세싱 챔버에서 사용하기 위한 상기 반도체 프로세싱 피스 상의 교체 외부 표면을 제공하도록, 상기 새로운 부품과 상기 반도체 프로세싱 피스 간에 밀폐 조인트(hermetic joint)를 형성하기 위해 적어도 상기 브레이즈 층을 가열하는 단계를 포함하고,
    상기 기계가공된 표면을 형성하기 위해 상기 반도체 프로세싱 피스의 손상된 외부 표면의 부분을 머신 오프하는 단계는, 클램핑 전극(clamping electrode)을 머신 스루하고 제거하는 단계를 포함하고, 상기 브레이즈 층은 클램핑 전극으로서 기능하는,
    반도체 프로세싱 챔버의 열악한 조건들에 의해 손상된 반도체 프로세싱 피스의 외부 표면을 수리하기 위한 프로세스.
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