(57)【要約】  高レベルの腐食及び／又は浸食を受ける半導体処理環境で使用するようになったサファイアのような高摩耗セラミックのスキン又はカバリングとのアルミナのような比較的廉価なセラミックの複合アセンブリ。複合アセンブリの設計寿命は、以前に使用された構成要素よりも有意に長いと考えられる。複合アセンブリは、複合アセンブリがそれに露出される場合がある腐食態様に対して接合部が弱くないように、そのセラミック部分をアルミニウムと互いに接合させることができる。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高度に浸食性の環境に使用するための半導体処理チャンバ構成要素であって、
１又は２以上の識別された高摩耗露出面を有する構造的支持部分と、
１又は２以上の磨耗表層と、
前記１又は２以上の磨耗表層を前記構造的支持部分に接合し、金属アルミニウムを含む１又は２以上の接合層と、
を含むことを特徴とする半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項２】
前記構造的支持部分は、アルミナを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項３】
前記構造的支持部分は、窒化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項４】
前記１又は２以上の表層は、サファイアを含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項５】
前記１又は２以上の表層は、サファイアを含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項６】
前記接合層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムを含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項７】
前記接合層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムを含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項８】
産業構成要素が、注入器ノズルであり、
前記構造的支持部分は、内部通路を含む、
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項９】
産業構成要素が、注入器ノズルであり、
前記構造的支持部分は、内部通路を含む、
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項１０】
半導体処理チャンバ構成要素が、フォーカスリングであり、
前記構造的支持部分は、カラー及びフォーカスチューブを含み、
前記１又は２以上の磨耗表層は、前記フォーカスチューブの内面に接合される、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項１１】
前記構造的支持部分は、アルミナを含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項１２】
前記構造的支持部分は、窒化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項１３】
前記１又は２以上の表層は、サファイアを含むことを特徴とする請求項１１に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項１４】
前記１又は２以上の表層は、サファイアを含むことを特徴とする請求項１２に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項１５】
処理中にウェーハを支持するようになったエッジリングであることを特徴とする請求項１に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項１６】
前記構造的支持部分は、アルミナを含むことを特徴とする請求項１５に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項１７】
前記１又は２以上の表層は、サファイアを含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項１８】
前記構造的支持部分は、窒化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１５に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項１９】
前記１又は２以上の表層は、サファイアを含むことを特徴とする請求項１８に記載の半導体処理チャンバ構成要素。
【請求項２０】
高度に浸食性の環境に使用するようになったフォーカスリングであって、
カラーと、
フォーカスチューブと、
前記カラーを前記チューブに接合し、金属アルミニウムを含む接合層と、
を含むことを特徴とするフォーカスリング。
【請求項２１】
前記カラーは、アルミナを含むことを特徴とする請求項２０に記載のフォーカスリング。
【請求項２２】
前記フォーカスチューブは、サファイアを含むことを特徴とする請求項２１に記載のフォーカスリング。
【請求項２３】
前記カラーは、窒化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項２０に記載のフォーカスリング。
【請求項２４】
前記フォーカスチューブは、サファイアを含むことを特徴とする請求項２３に記載のフォーカスリング。
【請求項２５】
高度に浸食性の環境に使用するための半導体処理チャンバ構成要素を製造する方法であって、
１又は２以上の摩耗表層を半導体チャンバ処理構成要素主支持構造体の上に該１又は２以上の摩耗表層と該支持構造体の間に配置されて金属アルミニウムを含む１又は２以上のろう付け層を用いて配置する段階と、
事前ろう付けサブアセンブリを処理チャンバの中に置く段階と、
前記処理チャンバから酸素を除去する段階と、
７７０Ｃよりも高い温度まで加熱することによって前記摩耗表層を前記主支持構造体に接合し、それによって気密接合部を用いて該摩耗表層を該主支持構造体に接合する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
前記処理チャンバから酸素を除去する前記段階は、前記構成要素の前記加熱中に１ｘ１０Ｅ−４よりも低い圧力まで真空を印加する段階を含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記主支持構造体は、窒化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記１又は２以上の表層は、サファイアを含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記ろう付け層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムを含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記主支持構造体は、アルミナを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
前記１又は２以上の表層は、サファイアを含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記ろう付け層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムを含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記接合温度は、７７０−１２００Ｃの範囲にあることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記ろう付け層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３５】
前記接合温度は、７７０−１２００Ｃの範囲にあることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願への相互参照〕
この出願は、この引用により本明細書にその内容全体が組み込まれる２０１７年３月２１日出願のＥｌｌｉｏｔ他に付与された米国仮特許出願第６２／４７４，５９７号に対する優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、耐腐食性アセンブリ、すなわち、高磨耗面上の高摩耗材料を有するセラミックアセンブリに関する。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１】ウェーハの周りのガス分配リングの図面である。
【図２】ガス注入ノズルの図面である。
【図３Ａ】本発明の一部の実施形態によるガス注入ノズルの前部分の図面である。
【図３Ｂ】本発明の一部の実施形態によるガス注入ノズルの前部分の図面である。
【図３Ｃ】本発明の一部の実施形態によるガス注入ノズルの前部分の図面である。
【図４Ａ】フォーカスリングの写真である。
【図４Ｂ】本発明の一部の実施形態によるフォーカスリングの図である。
【図４Ｃ】本発明の一部の実施形態によるフォーカスリングの図である。
【図５Ａ】本発明の一部の実施形態によるエッジリングの図である。
【図５Ｂ】本発明の一部の実施形態によるエッジリングの部分断面図である。
【図６】本発明の一部の実施形態によるサファイア表層を有するアルミナディスクの写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
構造的支持部分に接合された摩耗層を有するアセンブリを提供する。アセンブリは、任意的にセラミックアセンブリと呼ぶことができる。本発明のアセンブリは、例えば、本明細書により具体的に開示するように、注入器ノズル、フォーカスリング、エッジリング、ガスリング、ガスプレート、ブロッカープレートのようなあらゆる適切なタイプの半導体処理チャンバ構成要素又は機器部品を任意的に含むことができる。構造的支持部分は、支持部分、支持体、又は本体と任意的に呼ぶことができ、かつ任意的にセラミック材料のようなあらゆる適切な材料から作ることができる。セラミック材料は、あらゆる適切な廉価なセラミック、アルミナ、及び窒化アルミニウムを任意的に含むことができる。摩耗層は、スキン層、スキン、カバー層、カバー、係合層、層、作動層、又は高摩耗層と任意的に呼ぶことができ、かつ任意的に貴重な材料、貴重なセラミック、比較的高価なセラミック、サファイア、又は例えば半導体処理環境内の高レベルの腐食又は浸食に耐えることができる材料のようなあらゆる適切な材料から作ることができる。摩耗層は、任意的にろう付け層を含むことができるろう付けのようなあらゆる適切な工程によって構造的支持本体に接合することができる。ろう付け層は、任意的に接合層と呼ぶことができ、かつ任意的にアルミニウム、純粋アルミニウム、金属アルミニウム、８９重量％よりも多いアルミニウム、８９重量％よりも多い金属アルミニウム、９９重量％よりも多いアルミニウム、又は９９重量％よりも多い金属アルミニウムのようなあらゆる適切な材料から作ることができる。接合工程又は段階では、ろう付け層は、少なくとも７７０Ｃ、少なくとも８００Ｃ、１２００Ｃ未満、７７０Ｃと１２００Ｃの間、８００Ｃと１２００Ｃの間、又は７７０Ｃから１０００Ｃの範囲内を任意的に含むことができるあらゆる適切な接合温度まで加熱することができる。接合工程又は段階は、非酸化性の環境、酸素を含まない環境、酸素不在下の環境を任意的に含むことができるあらゆる適切な環境で行うことができ、真空環境は、真空、１ｘ１０Ｅ−４トルよりも低い圧力での環境、１ｘ１０Ｅ−５トルよりも低い圧力での環境、アルゴン（Ａｒ）雰囲気の環境、他の希ガスの雰囲気の環境、又は水素（Ｈ２）雰囲気の環境である。
【０００５】
本発明の一部の態様では、高レベルの腐食及び／又は浸食を受ける半導体処理環境に使用するようになったサファイアのような高摩耗セラミックのスキン又はカバリングとのアルミナのような比較的廉価なセラミックの複合アセンブリを提供する。複合アセンブリの設計寿命は、以前に使用された構成要素よりも有意に長いと考えられる。複合アセンブリは、接合部が、複合アセンブリがそれに露出される場合がある腐食態様に弱くないように、アルミニウムと互いに接合されたそのセラミック部分を有することができる。
【０００６】
半導体製造では、集積回路を作るのに必要な処理を達成するのに腐食性及び高温の両方である高エネルギガスプラズマが使用される。多くの用途では、プラズマを閉じ込めて誘導する構成要素は、処理環境内で使用される。典型的には、一般的にエッジリング、フォーカスリング、ガスリング、ガスプレート、ブロッカープレートなどと呼ばれるこれらの構成要素は、石英、シリコン、アルミナ、又は窒化アルミニウムから作られる。プラズマによる部品の浸食が処理ドリフト及び汚染を引き起こし、短い使用時間の後での構成要素の交換を必要とするので、これらの構成要素が数時間の寿命を有することは珍しくない。一部の用途では、プラズマは、セラミックノズルのアレイの使用によって処理環境の中に注入される。これらのノズルは、複合形状を有し、かつプラズマの流量及びパターンを制御するために０．０１０’’程度の直径の小さいオリフィスを有するモノリシック部品である。これらのノズルのための典型的な材料は、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムである。これらの最新セラミックの使用によっても、ノズルの寿命は、高エネルギプラズマによるオリフィスの浸食に起因して３か月である。これは、機械を３か月毎に完全に停止し、典型的に２０よりも多い個々のノズルを含むノズルアレイを交換することを必要とする。ノズルが浸食されている間に、それらは、処理の収率を低減する汚染物質をプラズマの中に放出する。更に、ノズルがこれらの使用寿命に近づくと、プラズマの流れは、オリフィスの浸食に起因して増加し始め、これは、処理性能を変化させて収率を更に低減する。サファイア及び酸化イットリウムのような他の最新セラミック材料は、そのプラズマ環境内で有意に低い浸食速度を有する。エッジリング及び注入器ノズルのような構成要素をこれらの材料で作ることができると考えられる場合に、有意な寿命及び性能改善がもたらされるであろう。しかし、上述の製造及びコスト限界は、この用途に対するそのような材料の使用を制限する。必要なことは、現在の材料のものに近いコストで最良の材料の特質を利用する方法である。
【０００７】
本発明の態様は、サファイア（単結晶酸化アルミニウム）、酸化イットリウム、及び部分安定化酸化ジルコニウム（ＰＳＺ）のような浸食及び腐食に対して最良の材料の特質を酸化アルミニウムのようなより低いコストの最新セラミック材料と組み合わせる方法を提供する。最新セラミック材料をそれら自体及び他の材料に接合するためのろう付け材料としてアルミニウムを使用する本発明の実施形態による方法を利用すると、最高性能の最新セラミック材料の特質をアルミナのようなセラミックのより低いコスト及び単純な製造可能性のコスト及び製造可能性と接合することがここで可能である。そのような工程は、高温で作動することができ、かつ接合された材料間の熱膨張の有意な変動に耐えることができる高レベルの耐腐食性及び耐浸食性を有する接合部を生成する。
【０００８】
本発明の一部の実施形態では、保護表層が、浸食性要素への高い露出の区域で下に重なる構造体に接合される。一部の態様では、表層はサファイアである。一部の態様では、下に重なる構造体はアルミナである。これは、下に重なる構造体に対してアルミナのような遙かに生成しやすいセラミックの使用を可能にする。
【０００９】
サファイア表層は、あらゆる適切な方式で下に重なる構造体に固定することができる。一実施形態では、表層は、腐食性処理化学作用に耐えることができる接合層によって下に重なるセラミック構造体に取り付けられる。一実施形態では、腐食性処理化学作用は、水圧破砕化学物質に関連している。一実施形態では、接合層は、ろう付け層によって形成される。一実施形態では、ろう付け層は、アルミニウムろう付け層である。
【００１０】
一実施形態では、サファイア表層は、あらゆる適切な温度で接合ろう付け層によって下に重なるセラミック構造体に接合される。一部の態様では、温度は、少なくとも７７０Ｃである。一部の態様では、温度は、少なくとも８００Ｃである。一部の態様では、温度は、１２００Ｃ未満である。一部の態様では、温度は、７７０Ｃと１２００Ｃの間である。一部の態様では、温度は、８００Ｃと１２００Ｃの間である。一部の態様では、より高い温度で材料特性劣化懸念を有する場合があるセラミックを使用する時に、使用する温度は、７７０Ｃから１０００Ｃの範囲にあるとすることができる。
【００１１】
一実施形態では、サファイア表層は、適切な環境で本明細書に開示する温度のいずれかを含むあらゆる適切な温度でろう付け層を接合することによって下に重なるセラミック構造体に接合される。一部の態様では、環境は、非酸化性の環境である。一部の態様では、環境は酸素を含まない。一部の態様では、環境は酸素不在である。一部の態様では、環境は真空である。一部の態様では、環境は１ｘ１０Ｅ−４トルよりも低い圧力にある。一部の態様では、環境は１ｘ１０Ｅ−５トルよりも低い圧力にある。一部の態様では、環境はアルゴン（Ａｒ）雰囲気である。一部の態様では、環境は他の希ガスの雰囲気である。一部の態様では、環境は水素（Ｈ２）雰囲気である。
【００１２】
一部の態様では、サファイア表層は、ろう付け層により、本明細書に開示する環境のいずれかを含む適切な環境で本明細書に開示する温度のいずれかを含むあらゆる適切な温度で下に重なるセラミック構造体に接合される。一部の態様では、ろう付け層は、純粋アルミニウムである。一部の態様では、ろう付け層は、８９重量％よりも多い金属アルミニウムである。一部の態様では、ろう付け層は、８９重量％よりも多いアルミニウムを有する。一部の態様では、ろう付け層は、９９重量％よりも多い金属アルミニウムである。一部の態様では、ろう付け層は、９９重量％よりも多いアルミニウムを有する。
【００１３】
一部の実施形態では、サファイア表層は、本明細書に開示するアルミニウムろう付け層のいずれかによって形成されたアルミニウム接合層を含むアルミニウム接合層により、本明細書に開示する環境のいずれかを含む適切な環境内で本明細書に開示する温度のいずれかを含むあらゆる適切な温度で下に重なるセラミック構造体に接合される。一部の態様では、アルミニウム接合層は、拡散結合を含まない。一部の態様では、サファイア層とアルミニウム接合層の間に拡散結合はない。一部の態様では、セラミック構造体とアルミニウム接合層の間に拡散結合はない。一部の態様では、アルミニウム接合層は、サファイア表層とセラミック構造体の間に気密シールを形成する。一部の態様では、アルミニウム接合層は、サファイア表層とセラミック構造体の間に＜１ｘ１０Ｅ−９ｓｃｃｍ  Ｈｅ／ｓｅｃの真空漏出速度を有する気密シールを形成する。一部の態様では、アルミニウム接合層は、腐食性処理化学作用に耐えることができる。一部の態様では、腐食性処理化学作用は、ＣＶＤ関連化学作用である。
【００１４】
下に重なるセラミック構造体は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム又はアルミナ、サファイア、酸化イットリウム、ジルコニア、及び酸化ベリリウムを含むあらゆる適切な材料から作ることができる。
【００１５】
上記で見るように、ろう付け層の厚みは、様々な材料間の異なる熱膨張係数に起因する応力に耐えることができるようになっている。残留応力が、以下に説明するろう付け段階から冷却中に生じる場合がある。これに加えて、室温からの高速初期温度勾配は、アセンブリにわたる何らかの温度不均一性を引き起こす場合があり、これは、ろう付け中に生じた残留応力と組み合わされる場合がある。
【００１６】
アルミニウムは、酸化アルミニウムの自己制限層を形成する特質を有する。この層は、ほぼ均質であり、かつ形成された状態で追加の酸素又は他の酸化化学作用（フッ素化学作用のような）がベースアルミニウムを貫通して酸化工程を続けることを防止する又は有意に制限する。このようにして、アルミニウムの酸化又は腐食の初期の短い期間が存在し、これは、次に、アルミニウムの面上に形成された酸化物（又はフッ化物）層によって実質的に停止又は減速される。ろう付け材料は、箔シート、粉末、薄膜の形態にあるか又は本明細書に説明するろう付け工程に適切なあらゆる他の形状因子のものである場合がある。例えば、ろう付け層は、０．０００１９インチから０．０１１インチに及ぶ又はそれよりも大きい厚みを有するシートとすることができる。一部の実施形態では、ろう付け材料は、約０．００１２インチの厚みを有するシートとすることができる。一部の実施形態では、ろう付け材料は、約０．００６インチの厚みを有するシートとすることができる。典型的に、アルミニウム内の合金成分（例えば、マグネシウムのような）は、アルミニウムの粒界の中間に沈殿物として形成される。それらは、アルミニウム結合層の耐酸化性を低減する可能性があるが、典型的に、これらの沈殿物は、アルミニウムを通る連続通路を形成せず、それによって全アルミニウム層を通る酸化剤の貫通を許さず、従って、アルミニウムのその耐浸食性を提供する自己制限酸化物層特性をそのままの状態に残す。沈殿物を形成することができる成分を含有するアルミニウム合金を使用する実施形態では、冷却プロトコルを含む処理パラメータは、粒界内の沈殿物を最小にするようになっていると考えられる。例えば、一実施形態では、ろう付け材料は、少なくとも９９．５％の純度を有するアルミニウムとすることができる。一部の実施形態では、９２％よりも高い純度を有することができる市販アルミニウム箔を使用することができる。一部の実施形態では、合金が使用される。これらの合金は、Ａｌ−５重量％Ｚｒ、Ａｌ−５重量％Ｔｉ、市販合金＃７００５、＃５０８３、及び＃７０７５を含むことができる。これらの合金は、一部の実施形態では１１００Ｃの接合温度で使用することができる。これらの合金は、一部の実施形態では８００Ｃと１２００Ｃの間の温度で使用することができる。これらの合金は、一部の実施形態ではより低い又は高い温度で使用することができる。一部の態様では、接合層ろう付け材料は、９９重量％よりも多いアルミニウムとすることができる。一部の態様では、接合層ろう付け材料は、９８重量％よりも多いアルミニウムとすることができる。
【００１７】
本発明の一部の実施形態による接合方法は、接合されるセラミック部分に対する接合材料の湿潤及び流れの制御に依存する。一部の実施形態では、接合工程中の酸素の不在は、接合区域内の材料を変化させる反応なしに適正な湿潤を可能にする。接合材料の適正な湿潤及び流れを用いて、気密密封接合部は、例えば、液相焼結に対して低温で達成することができる。
【００１８】
ろう付け工程中の有意な量の酸素又は窒素の存在は、接合部インタフェース区域の完全湿潤と干渉する反応を生成する場合があり、これは、次に、気密ではない接合部をもたらす場合がある。完全湿潤なしでは、非湿潤区域が、接合部インタフェース区域での最終接合部の中に導入される。十分に連続的な非湿潤区域が導入される時に、接合部の気密性は失われる。
【００１９】
一部の実施形態では、接合工程は、非常に低い圧力を提供するようになった処理チャンバ内で行われる。本発明の実施形態による接合工程は、気密密封接合部を達成するために酸素の不在を必要とする場合がある。一部の実施形態では、工程は、１ｘ１０Ｅ−４トルよりも低い圧力で行われる。一部の実施形態では、工程は、１ｘ１０Ｅ−５トルよりも低い圧力で行われる。
【００２０】
窒素の存在は、窒素が溶融アルミニウムと反応して窒化アルミニウムを形成することに至る場合があり、この反応形成は、接合部インタフェース区域の湿潤と干渉する場合がある。同様に、酸素の存在は、酸素が溶融アルミニウムと反応して酸化アルミニウムを形成することに至る場合があり、この反応形成は、接合部インタフェース区域の湿潤と干渉する場合がある。５ｘ１０−５トルよりも低い圧力の真空雰囲気を使用することは、接合部インタフェース区域の十分にロバストな湿潤及び気密接合部を可能にするのに十分な酸素及び窒素の除去が行われたことを示している。一部の実施形態では、大気圧を含むが、ろう付け段階中の処理チャンバ内の例えば水素のような非酸化ガス又はアルゴンのような純粋希ガスを使用するより高圧の使用も、接合部インタフェース区域のロバストな湿潤及び気密接合部に至っている。上述の酸素反応を回避するために、ろう付け工程中の処理チャンバ内の酸素の量は、接合部インタフェース区域の完全湿潤が悪影響を受けないように十分に少なくしなければならない。上述の窒素反応を回避するために、ろう付け工程中の処理チャンバに存在する窒素の量は、接合部インタフェース区域の完全湿潤が悪影響を受けないように十分に少なくしなければならない。
【００２１】
最小接合部厚みの維持と共にろう付け工程中の適正な雰囲気の選択は、接合部の完全湿潤を可能にすることができる。反対に、不適正な雰囲気の選択は、不十分な湿潤、空隙に至り、非気密接合部に至る場合がある。ろう付け中の適正な材料選択及び温度と共に制御された雰囲気及び制御された接合部厚みの適切な組合せは、気密接合部を有する材料の接合を可能にする。
【００２２】
一部の態様では、下に重なる構造体セラミックは、表層に対するその熱膨張係数の緊密な整合を提示するように選択される。熱膨張係数は、温度に伴って変化する場合があり、従って、整合する熱膨張係数の選択は、室温からサポートしようとする処理温度を通して、更に接合層のろう付け温度までを通した整合の程度を考慮すべきである。
【００２３】
例示的実施形態では、表層はサファイアであり、下に重なる構造体はアルミナである。それぞれ２０Ｃ（２９３Ｋ）、５１７Ｃ（８００Ｋ）、及び１０１７Ｃ（１３００Ｋ）でのサファイア（単一結晶酸化アルミニウム）の熱膨張係数は、５．３８、８．５２、及び９．７４ｘ１０Ｅ−６／Ｋである。それぞれ２０Ｃ、５００Ｃ、及び１０００Ｃでの焼結アルミナの熱膨張係数は、４．６、７．１、及び８．１ｘ１０Ｅ−６／Ｋである。これらは、良好な整合を提示する。例示的実施形態では、ろう付け層は、８９重量％を超える純度を有するアルミニウムであり、かつ９９重量％を超えるＡｌとすることができる。
【００２４】
アルミナのようなより実用的なセラミックの下に重なる構造体の上のサファイアのような高度に耐腐食性の表層の使用は、高摩耗浸食環境に露出される構成要素に対する現在の手法に勝る有意な改善を提供する。アルミナに対するサファイアの良好な熱膨張整合は、材料の良好な組合せを提供する。
【００２５】
上述の結合工程の低温は、サファイアに加えてＭｇ−ＰＳＺ、窒化珪素、及びＹＴＺ材料の使用を可能にする。ＭｇＰＳＺを他の材料に結合する現在の公知の工程は、＞１２００Ｃでの金属化を必要とする。１２００Ｃでの又はそれよりも高い温度でのこれらの工程中に、ＭｇＰＳＺ上の強靭化相が劣化し、正方晶ジルコニアがキュービックジルコニアを形成する。材料は熱過剰によって劣化する。ＭｇＰＳＺが高摩耗用途において良好な材料である理由は、材料に対する浸食物質の摩耗硬化効果によるものである。ＭｇＰＳＺが浸食によって摩耗すると、それは、ジルコニア内の相転移から面圧縮応力を生じる。擦られた時に、正方晶ジルコニアは、圧潰して単斜晶ジルコニアになり、容積膨張がジルコニアに生じて圧縮面応力を生成する。これは、セラミックの耐磨滅性を改善する。本発明による工程は、材料を劣化させることなくＭｐＰＳＺをアルミナに結合することができる唯一のものであると考えられる。
【００２６】
一部の態様では、高浸食及び／又は高腐食作動環境に曝される構成要素を設計して製造する方法は、多くの産業用途では最新セラミック、金属−マトリックス−複合材、及び陶性合金のような硬質材料を利用する段階を含む。これらの材料の特質は、腐食性、高温、及び／又は浸食環境が存在する用途での性能及び寿命の利益を提供する。しかし、これらの材料の別の特質は、多くの場合にそれらが互いに接合するのが困難であるということである。これらの材料をそれら自体及び他の材料に接合するのに現在使用されている典型的な方法は、接着剤、グラシン、活性ろう付け、直接結合、及び拡散結合を含む。これらの方法の全ては、作動温度、耐浸食性、又は異なる熱膨張係数の接合材料のいずれにおいても限界を有する。例えば、接着剤は、高温では使用することができず、かつ耐浸食性が限られる。活性ろう付けは、耐浸食性が劣り、ガラスは、耐浸食性が限られ、かついずれの熱膨張不一致にも耐えることができない。直接結合及び拡散結合も、いずれの熱膨張不一致にも耐えることができず、並びに高価で困難な工程である。これらの材料の多くのものの別の特性は、それらが製造することが困難かつ高価であるということであり、それらの性質そのものにより、それらは極度に硬い。それらを必要な形状に成形するのに、多くの場合にダイヤモンド工具によって何百時間もの研削を必要とする可能性がある。これらの材料のうちで最も強くかつ最も硬いものの一部、例えば、サファイア及び部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ又はセラミック鋼として公知）は、作業するのに非常に高価かつ困難であるので、それらの産業用途は極度に限られている。
【００２７】
この手法を利用することにより、ＰＳＺの層が固くそれに接合された下に重なるアルミナ構造体は、必要な形状を達成するのに必要な寸法安定性を提供する。ＰＳＺは、必要とされる耐浸食性能を提供し、アルミナの製造可能性及びコストは、構造体の大部分を提供するのに使用される。サファイアも使用することができるが、サファイアのコスト増加及びＰＳＺの耐浸食性は、一部の場合にＰＳＺをより良い選択肢にする。他の例では、構成要素は、炭化タングステン、極度に硬いセラミック材料で作られる。そのような構成要素の製造は極度に高価である。摩耗を示す場所でのＰＳＺの使用は、構成要素寿命を有意に延ばすと考えられ、摩耗を受けない構成要素区域でのアルミナセラミック材料の使用は、全体のコストを実質的に低減すると考えられる。この手法は、限られた区域内でのみ必要であると考えられる高摩耗材料で全体的に又は実質的な部分で以前は作られていた構成要素と共に使用することができる。高摩耗材料で全体的に又は実質的な部分で作られた構成要素は、高コストをもたらす場合があり、これは、本明細書に説明するような手法で下げることができる。
【００２８】
例えば、半導体製造に使用されるガスプラズマ注入ノズルを用いて、オリフィスを作るのにサファイアの小片を使用することができる。ノズルの残余は、既に使用されている製造方法及びコストを利用してアルミナ又は窒化アルミニウムを用いてオリフィスなしで製造することができる。サファイアオリフィスは、次に、本明細書に説明するアルミニウムろう付け工程を利用して定位置に結合される。このようにして、サファイアのプラズマ耐浸食性は、元のアルミナノズルの製造可能性及びコストと組み合わされる。
【００２９】
図１は、複数のＣＶＤ注入器ノズル１１０に結合されたガス分配リング１０１を示している。この工程は、半導体ウェーハである場合がある基板１０３に向けたものである。注入器ノズル１１０からの流出１０２は、基板１０３の処理に寄与する。図２は、ＣＶＤ注入器ノズル１１０を示している。ノズル１１０は、通路出口１１２で終わる内部通路１１１を有し、通路出口では、内部通路１１１を通過するガス又は他の材料がノズル１１０を出る。ガス又は他の材料は、通路入口１１４でノズルに入る。注入器ノズル１１０は、注入器ノズル１１０をガス分配リング１０１に結合するようになった機械的インタフェース１１３を有することができる。
【００３０】
図３Ａ〜Ｃは、本発明の一部の実施形態によるＣＶＤ注入器ノズルを示している。本発明の一部の実施形態では、図３Ａに見られるように、内部通路１２１を有するノズル本体１２０の前端が見られる。一部の態様では、ノズル本体１２０はアルミナである。一部の態様では、ノズル本体１２０は窒化アルミニウムである。内部通路１２１の先端では、ノズル本体１２０の前部で座ぐり穴に位置するディスク１２３がある。ディスク１２３は、サファイアのような耐摩耗材料である。ディスク１２３は、内部通路１２１の内径よりも小さい内径を有することができる。ディスク１２３は接合層１２２を用いてノズル本体１２０に接合することができる。接合層１２２は、金属アルミニウムのものとすることができる。ディスク１２３は、本明細書に説明するろう付け方法を使用してノズル本体１２０に接合することができる。ディスク１２３は、アルミニウムろう付け層１２２を用いてノズル本体１２０に接合することができ、ノズル本体１２０の中又はディスク１２３の中への接合層１２２の拡散はない。ノズルの浸食が主としてノズルの先端で発生する用途では、サファイアのような耐摩耗材料を含むディスク１２３の使用は、識別された高摩耗区域内の高度に耐摩耗性の材料の高耐摩耗性及び耐浸食性の利益を得ながら、アルミナのような低コスト材料から主として製造されるノズルの使用を可能にする。
【００３１】
本発明の一部の実施形態では、図３Ｂに見られるように、内部通路１３１を有するノズル本体１３０の前端が見られる。一部の態様では、ノズル本体１３０はアルミナである。一部の態様では、ノズル本体１３０は窒化アルミニウムである。内部通路１３１の先端では、ノズル本体１３０の前部で内部通路の拡大部分内に存在する内部スリーブ１３３がある。内部スリーブ１３３は、サファイアのような耐摩耗材料である。内部スリーブ１３３は、内部通路１３１の内径よりも小さい内径を有することができる。内部スリーブ１３３は、接合層１３２を用いてノズル本体１３０に接合することができる。接合層１３２は金属アルミニウムのものとすることができる。内部スリーブ１３３は、本明細書に説明するろう付け方法を使用してノズル本体１３０に接合することができる。内部スリーブ１３３は、アルミニウムろう付け層１３２を用いてノズル本体１３０に接合することができ、ノズル本体１３０の中又は内部スリーブ１３３の中への接合層１３２の拡散はない。ノズルの浸食がノズルの先端で主として発生する用途では、サファイアのような耐摩耗材料を含む内部スリーブ１３３の使用は、識別された高摩耗区域内の高度に耐摩耗性の材料の高耐摩耗性及び耐浸食性の利益を得ながら、主としてアルミナのような低コスト材料から製造されるノズルの使用を可能にする。
【００３２】
本発明の一部の実施形態では、図３Ｃに見られるように、摩耗先端１４２を通る通路１４４として続く内部通路１４１を有するノズル本体１４０の前端が見られる。一部の態様では、ノズル本体１４０はアルミナである。一部の態様では、ノズル本体１４０は窒化アルミニウムである。ノズル本体の前端には摩耗先端１４２がある。摩耗先端１４２は、サファイアのような耐摩耗材料である。摩耗先端１４２は、内部通路１４１の内径よりも小さい内径を有することができる。摩耗先端１４２は、接合層１４３を用いてノズル本体１４０に接合することができる。接合層１４３は金属アルミニウムのものとすることができる。摩耗先端１４２は、本明細書に説明するろう付け方法を使用してノズル本体１４０に接合することができる。摩耗先端１４２は、アルミニウムろう付け層１４３を用いてノズル本体１４０に接合することができ、ノズル本体１４０の中又は摩耗先端１４２の中への接合層１４３の拡散はない。ノズルの浸食がノズルの先端で主として発生する用途では、サファイアのような耐摩耗材料を含む摩耗先端１４２の使用は、識別された高摩耗区域内の高度に耐摩耗性の材料の高耐摩耗性及び耐浸食性の利益を得ながら、アルミナのような低コスト材料から主として製造されるノズルの使用を可能にする。
【００３３】
例示的実施形態では、プラズマのような高摩耗環境に摩耗に起因して交換の繰り返しを以前に受けている場合があるその外部の各部分を露出させる半導体処理構成要素は、代わりに、高摩耗環境に露出されるその外部の１又は複数の部分上の磨耗表層を用いて作られる。半導体処理構成要素は、アルミナ又は窒化アルミニウムのような機械加工しやすいセラミックで作られたその構造的主本体を有することができる。１又は複数の磨耗面は、次に、これらの場所で主本体に接合された高耐磨耗性表層又はスキンを有することができる。磨耗表層は、本明細書に説明する工程による金属アルミニウムを使用して接合することができる。一部の態様では、主本体は、下を切るか又は他に下げることができ、そのために磨耗表層の外面は、接合された状態で、その点までは主本体の同じ寸法にある。態様では、磨耗表層は、単一単体部分とすることができる。一部の態様では、磨耗表層は、互いに重なる又は複雑なインタフェースを有するか又は互いに当接する複数の部分から構成することができる。
【００３４】
図４Ａは、半導体処理に使用するフォーカスリングの写真である。本発明の一部の実施形態では、図４Ｂに見られるように、カラー１５１を有するフォーカスリング１５０は、接合層１５３を用いてフォーカスチューブ１５２の上面に接合される。一部の態様では、カラー１５１はアルミナである。一部の態様では、カラー１５１は窒化アルミニウムである。一部の態様では、カラー１５２はサファイアである。
【００３５】
本発明の一部の実施形態では、図４Ｃに見られるように、フォーカスリング１６０は、フォーカスリング構造体１６３を有し、これは、接合層１６２を用いてフォーカスチューブスリーブ１６１にその内径に沿って接合される。フォーカスチューブスリーブ１６１は、円筒形スリーブである場合がある。一部の態様では、フォーカスリング構造体１６３はアルミナである。一部の態様では、フォーカスリング構造体１６３は窒化アルミニウムである。一部の態様では、フォーカスチューブスリーブ１３１はサファイアである。一部の態様では、フォーカスチューブスリーブ１３１は、単体部分である。一部の態様では、フォーカスチューブスリーブ１３１は、複数の部分から構成される。
【００３６】
一部の態様では、図５Ａ及び５Ｂに見られるように、基板処理中にウェーハを取り囲むようになったエッジリング７０１は、摩耗、浸食、又は他の悪影響を受ける面上に磨耗表層７０３又はスキンを有することができる。エッジリング主支持構造体７０２は、アルミナ又は窒化アルミニウム又は他の適切なセラミックのものである場合があり、磨耗表層は、サファイアのものである場合がある。磨耗表層は、本明細書に説明するように、金属アルミニウムの接合層を用いて主支持構造体に接合することができる。一部の態様では、主支持構造体７０２は窒化アルミニウムである。一部の態様では、磨耗表層７０３はサファイアである。一部の態様では、磨耗表層７０３は単体部分である。一部の態様では、磨耗表層７０３は、複数の部分から構成される。
【００３７】
例示的実施形態では、図６に見られるように、サファイア表層６０２を有する酸化アルミニウムの２インチ径ディスク６０１が見られる。ディスクは、中心を通る孔を有する。接合層６０３は、サファイアの比較的透明な上面層の下である暗色材料として見られる。灰色酸化アルミニウム層が、この例では接合層が酸化アルミニウムディスクの縁部まで実施されなかったので、上部層を通して見られる。ろう付け層は、金属アルミニウムであり、かつ０．００２インチ厚である。ろう付けする段階は、１ｘ１０Ｅ−４トル未満の圧力で３０分にわたって８５０Ｃで行われた。スキン磨耗表層は、０．０１０インチ厚である。
【００３８】
上述のような構成要素の設計の一部として、セラミックの熱膨張差が精査される。ろう付け層の厚み及び／又は面セラミック層の厚みは、ろう付け中及びその後の冷却中に及び使用中に許容可能なレベルよりも低い応力レベルを維持するように選択することができる。
【００３９】
以上の説明から明らかなように、本明細書に与えた説明から広範な実施形態を構成することができ、追加の利点及び修正が当業者には容易に想起されるであろう。本発明は、そのより広い態様では、従って、図示して説明した特定の詳細及び例示的な実施例に限定されない。従って、そのような詳細からの逸脱は、本出願人の全体的な発明の精神又は範囲から逸脱することなく行うことができる。
【符号の説明】
【００４０】
１２０  ノズル本体
１２１  内部通路
１２２  接合層
１２３  ディスク
【図１】
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2020512691.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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