[发明专利]用于连接陶瓷和金属的钎焊工艺以及使用其的半导体加工及工业设备

说明书

钎焊工艺使用金属碳合金来将陶瓷连接到陶瓷，将陶瓷连接到金属以及将金属连接到金属。连接的制件可用于多种应用中，并且可包括诸如加热器和卡盘的半导体加工设备制件以及具有高度耐磨表面层的工业设备部件。

技术领域

本发明涉及陶瓷和金属的钎焊，并且更具体地涉及使用金属碳合金的钎焊。

背景技术

陶瓷材料的连接涉及需要非常高的温度和非常高的接触压力的工艺。例如，液相烧结可用于将陶瓷材料连接在一起。在这种类型的制造中，看出至少两个缺点。首先，大型、复杂的陶瓷制件的热压/烧结需要在非常专业的加工炉内有较大的物理空间。其次，如果成品的一部分由于磨损而损坏或不合格，则没有可用于拆卸大制件的修复方法。专业的夹具、高温以及无法拆卸这些组件一定导致非常高的制造成本。

其他工艺针对于强度，并且在制件之间可生成强的结合力，尽管结构上足够，但它们不会将制件气密密封。在某些工艺中，使用扩散结合，这会花费大量时间，并且还会更改单独的制件，使得它们在接头附近形成新的化合物。这会使它们不适用于某些应用，并且无法进行返工或修复和重新连接。所需要的是用于在低温下连接陶瓷制件、提供气密密封并且允许修复的连接方法。

电引线通常用于在真空腔室内的装置和位于真空腔室内的设备之间传输电力和信号。例如，真空腔室中的一些装置(例如热蒸发源或衬底加热器)需要来自真空腔室外部的电力。另外，真空腔室中的一些装置(例如温度传感器或测量装置)必须将信号发送到真空腔室外部的设备用以分析。

用于这些环境的电引线通常是安装在真空腔室的壁上的气密通道。一个或多个导体可以设置在电引线中。每个导体都被绝缘体包围，以使其与腔室的壁保持绝缘。绝缘体可以是玻璃或陶瓷材料。

一些电引线具有玻璃-金属的密封件，该密封件具有与标准连接器一起使用的插脚触点。一些其他方法使用安装在金属法兰上的陶瓷金属钎焊插脚。许多电引线使用可伐合金(Kovar)来尝试匹配陶瓷绝缘子的金属性的热膨胀系数。可伐合金在焊接方面有明显的缺点，包括可能必须使用昂贵的电子束焊接。所需要的是一种电引线，该电引线使用与陶瓷绝缘子具有良好热膨胀匹配并且能够廉价地制造的材料。

在半导体制造中，腐蚀性兼高温的高能气体等离子体被用于实现集成电路制造中必需的加工。在许多应用中，部件在加工环境中用于容纳和引导等离子体。典型地，这些部件(通常称为边缘环、聚焦环、气环、气板、锻板(blockerplates)等)由石英、硅、氧化铝或氮化铝制成。这些部件具有以小时计的使用寿命并不少见，因为等离子对零件的腐蚀引起工艺漂移和污染，从而在短的服务时间后需要更换部件。在某些应用中，通过使用陶瓷喷嘴阵列将等离子体注入加工环境。这些喷嘴是整体零件，具有复杂的几何形状，并具有直径约为0.010英寸的小孔，用于控制等离子体的流速和图案。这些喷嘴的典型材料是氧化铝或氮化铝。即使使用这些先进的陶瓷，由于高能等离子体腐蚀孔口，喷嘴的使用寿命也是3个月。这要求机器每三个月完全停工一次，以更换喷嘴阵列(其典型地包括20个以上的单独喷嘴)。当喷嘴被腐蚀时，它们将污染物释放到等离子体中，这降低了加工的产量。并且，随着喷嘴临近其寿命终期，由于孔口的腐蚀，等离子体的流量开始增加，这引起工艺性能发生变化，从而进一步降低产量。在该等离子体环境中，其他先进的陶瓷材料(例如蓝宝石和氧化钇)具有明显较低的腐蚀速率。如果可以使用这些材料制造诸如边缘环和注射喷嘴之类的部件，则会导致显著的使用寿命和性能。然而，上述制造和成本限制了这种材料在该应用中的使用。需要一种以接近当前材料的成本的成本来利用最佳材料的特性的方法。

发明内容

本发明的方面提供了一种将用于侵蚀和腐蚀的最佳材料(例如蓝宝石(单晶氧化铝)、氧化钇和部分稳定氧化锆(PSZ))的特性与低成本的先进陶瓷材料(例如氧化铝)结合的方法。利用根据本发明的实施方式的方法(其将不同的合金用作钎焊材料以将高级陶瓷材料连接到它们自身和其他材料)，现在可以将最高性能的高级陶瓷材料的性能与低成本和可简单制造的陶瓷(例如，氧化铝)的成本和可制造性相结合。这样的工艺产生具有高水平的抗腐蚀和侵蚀性的接头，其可以在高温下操作，并且可以承受连接的材料之间的热膨胀的显著变化。