專利名稱：包含復(fù)雜形狀的摩擦焊接鋁部件的半導(dǎo)體處理設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般而言，本發(fā)明關(guān)于用鋁基體制造半導(dǎo)體處理設(shè)備的一種方法。更具體地，本發(fā)明關(guān)于一種用于制造復(fù)雜形狀的方法，此復(fù)雜形狀可以隨后被陽(yáng)極氧化以提供至少一個(gè)抗等離子體表面，并且特別是一種抗含鹵素的等離子體表面。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體處理涉及很多不同的化學(xué)和物理工藝，微小的集成電路藉此被構(gòu)造在一個(gè)基底上。組成這些集成電路的物質(zhì)層是通過(guò)例如化學(xué)氣相淀積、物理氣相淀積和外延生長(zhǎng)建立的。一些物質(zhì)層通過(guò)光致抗蝕掩膜和濕和干蝕刻技術(shù)來(lái)形成圖案。通過(guò)在特定的位置注入攙雜劑還可以在層之間形成圖案。集成電路構(gòu)造在其上的基底可以是硅、砷化鎵、磷化銦、玻璃、或任何其它適合的材料。
很多用于制造集成電路的半導(dǎo)體工藝采用鹵素或含有鹵素的氣體或等離子體，這些氣體或等離子體對(duì)于它們接觸的處理設(shè)備表面來(lái)說(shuō)，具有腐蝕性。有些工藝使用含有鹵素的液體。另外，因?yàn)橹圃旒呻娐返墓に噷⑽廴疚锏矸e在處理設(shè)備的表面，這種淀積通常是通過(guò)等離子體清洗技術(shù)來(lái)清除的，而這種等離子體清洗技術(shù)采用至少一種含有鹵素的氣體，這種含鹵素的氣體也是腐蝕性的。
鋁被廣泛地用作半導(dǎo)體制造設(shè)備的構(gòu)造材料，很多時(shí)候是因?yàn)樗膶?dǎo)電性，而更一般地是因?yàn)樗诩庸ぶ圃旆矫娴暮?jiǎn)易性和合理的價(jià)格。然而，鋁容易與諸如氯、氟和溴這類鹵族元素反應(yīng)而生成例如AlCl3(或Al2Cl6)、或AlF3(或AlBr3)。鋁-氟化合物會(huì)使工藝設(shè)備零件的表面剝落，致使零件自己逐漸腐蝕掉，并成為工藝腔室(和在此腔室中制造出來(lái)的零件)的一種微粒污染源。多數(shù)含有鋁和氯的化合物和很多含有鋁和溴的化合物在半導(dǎo)體處理?xiàng)l件下是氣態(tài)的，并且使鋁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生孔隙(void)，這些孔隙會(huì)使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，并且其產(chǎn)生的表面的完整性也是有問(wèn)題的。
鋁半導(dǎo)體處理設(shè)備表面的多孔性得到深切關(guān)注。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一大塊鋁合金坯料例如6061被加工制造一種復(fù)雜形狀，例如一種處理容器的襯里，被加工過(guò)的表面顯示出很高程度的多孔性。發(fā)明人考慮擠壓一根管，作為一種獲得改進(jìn)鋁晶粒結(jié)構(gòu)的技術(shù)，然后把這根管和一個(gè)頂板連接以獲得一個(gè)處理腔室的襯里形狀。然而，之后，問(wèn)題轉(zhuǎn)移到連接所述管和所述頂板。當(dāng)焊接所述管和所述頂板的時(shí)候，在焊接過(guò)程中連接在一起的材料的界面上(在焊接的接縫處)，通常會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)，而此雜質(zhì)常常會(huì)提高焊縫處的多孔性。雜質(zhì)可以以焊接工藝中所用的填充材料的形式或者可能是鋁合金自身出現(xiàn)的雜質(zhì)形式出現(xiàn)，這些雜質(zhì)在焊接過(guò)程中遷移到焊縫區(qū)。焊接通常被定義為一種在有或者沒(méi)有施加壓力的情況下，和有或者沒(méi)有使用一種填充材料的情況下，通過(guò)加熱到合適的溫度所產(chǎn)生的金屬的接合。一些更普遍采用的焊接技術(shù)包括電子束焊接、激光焊接、和固相焊接。固相焊接工藝包括，例如，擴(kuò)散焊接、摩擦焊接、和超聲焊接。固相焊接工藝通常不用熔化基體材料也不用添加填充材料就可以形成連接。一般需要施加壓力，而且通常情況下需要提供一定的熱量。擴(kuò)散焊接一般采用爐加熱，而摩擦熱是在超聲焊接和摩擦焊接中被發(fā)展出來(lái)的。
焊接通常在焊縫處和焊縫附近的材料中產(chǎn)生應(yīng)力。通常用熱處理或者退火來(lái)消除應(yīng)力。鋁合金在溫度接近345攝氏度的時(shí)候，開(kāi)始顯示出晶粒長(zhǎng)大，這會(huì)引起非鋁金屬在晶粒邊界的析出。在焊縫被機(jī)械加載時(shí)，此析出可能會(huì)導(dǎo)致沿著一些焊縫出現(xiàn)裂紋，而且在加工過(guò)程中，這種沉積可導(dǎo)致沿著焊縫產(chǎn)生裂紋。此析出也會(huì)通過(guò)影響部件中合金成分的均勻性，降低合金的機(jī)械性能。
如果一種鋁合金在大量半導(dǎo)體處理設(shè)備的應(yīng)用中表現(xiàn)良好，它也應(yīng)該具有期望的機(jī)械性能。而且，機(jī)械性能應(yīng)該使加工能夠提供一種具有期望的最終尺寸的部件。例如，如果合金太軟，它就很難用于鉆孔，因?yàn)椴牧馅呄蛴谠阢@孔時(shí)粘住而不是被鉆頭鉆去。控制加工部件的尺寸更加困難。也會(huì)提高加工成本。另外，根據(jù)部件的作用的不同，部件的機(jī)械性能會(huì)影響部件在真空下的運(yùn)行。例如，一個(gè)處理腔室必須顯示出足夠的結(jié)構(gòu)剛性和抗變形性以便于它在高真空度下能被很好地密封。
關(guān)于對(duì)含鹵素等離子體的抵抗性，一個(gè)優(yōu)選的用于保護(hù)處理設(shè)備中鋁表面的方法是用一種陽(yáng)極氧化鋁的涂層。陽(yáng)極氧化通常是一個(gè)電解氧化工藝，此工藝在鋁表面上產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)多孔的氧化鋁的整體涂層。盡管采用了陽(yáng)極氧化鋁保護(hù)層，由于保護(hù)性陽(yáng)極氧化膜的逐漸退化，半導(dǎo)體處理設(shè)備的陽(yáng)極氧化鋁零件的壽命還是有限的。另外，以前，部件的機(jī)械性能和部件表面的抗侵蝕性的結(jié)合沒(méi)有被充分的注意到。為了獲得部件的鋁合金主體所需要的機(jī)械性能，可能用一種方法影響鋁合金的表面，以便氧化鋁層(陽(yáng)極氧化的)不與鋁合金形成一個(gè)很好的界面。此方法會(huì)導(dǎo)致多孔性，例如在氧化鋁層和下面的鋁表面之間形成孔隙。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在焊縫上形成一個(gè)保護(hù)的陽(yáng)極氧化涂層尤其困難。在常規(guī)的焊縫處出現(xiàn)的多孔和雜質(zhì)會(huì)干擾在焊縫表面的鋁的陽(yáng)極氧化。這種多孔性會(huì)加劇保護(hù)性氧化鋁層的破壞，導(dǎo)致微粒的形成，并導(dǎo)致保護(hù)性氧化鋁膜的不斷加速的退化。
由于保護(hù)性氧化性膜的退化，不僅在設(shè)備維護(hù)和儀器替換方面需要很大的開(kāi)支，而且如果一個(gè)基座，舉例來(lái)說(shuō)，表面形成明顯的缺陷，這些缺陷可能通過(guò)基座頂上的硅晶片傳遞，導(dǎo)致儀器漏電或甚至短路。由于一個(gè)晶片造成的整個(gè)設(shè)備的損失費(fèi)用可能高達(dá)50000到60000美元或更多。
從上述討論中很明顯地看出，對(duì)于制造一種具有復(fù)雜形狀的半導(dǎo)體設(shè)備組件(例如，組件不僅僅是一種平板)存在著長(zhǎng)期的需要，對(duì)于預(yù)期的應(yīng)用，所述組件有足夠的機(jī)械性能，而且此組件被陽(yáng)極氧化涂層保護(hù)著，此保護(hù)涂層能經(jīng)受住腐蝕性等離子體環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開(kāi)了制作形狀復(fù)雜的鋁合金部件(article)的一種方法，其中用焊接制造所述部件，其中在包括焊縫的所述部件的一個(gè)表面上產(chǎn)生陽(yáng)極氧化鋁涂層，并且當(dāng)被暴露于腐蝕性的等離子體環(huán)境中時(shí)，與所屬技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)相比，所述陽(yáng)極氧化鋁涂層提供改進(jìn)的性能。
用摩擦焊接或者相似的技術(shù)焊接鋁合金部件的各個(gè)元件以形成一個(gè)復(fù)雜形狀，此相似技術(shù)允許在不導(dǎo)致鋁合金中含有的大量雜質(zhì)向焊縫遷移的前提下實(shí)施焊接。大量是用來(lái)表示一定數(shù)量，此數(shù)量將顯著地?fù)p害隨后的陽(yáng)極氧化鋁保護(hù)涂層的形成，此陽(yáng)極氧化鋁保護(hù)涂層在包括焊縫的鋁合金表面上形成。顯著地?fù)p害是指陽(yáng)極氧化鋁部件的性能壽命(performance lifetime)的縮短。例如，在本發(fā)明之前，與陽(yáng)極氧化的未被焊接的部件相比，陽(yáng)極氧化的焊接的鋁部件的性能壽命要短80％。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述用于制造設(shè)備的一個(gè)部件(article)的主體的特殊鋁合金可以被鑄造、擠壓或者軋制，而且應(yīng)該有下列組成部分(按重量百分比)含量在大約0.1％到大約6.0％的鎂，和含量少于2.0％的可變雜質(zhì)原子?？勺冸s質(zhì)原子包括除了鎂以外的其它金屬原子，還包括過(guò)渡金屬，半導(dǎo)體，和形成半導(dǎo)體化合物的原子。應(yīng)特別引起注意的可變雜質(zhì)包括硅、鐵、銅、鉻、鈦和鋅。當(dāng)設(shè)備的所述部件在大于250攝氏度的操作溫度下使用的時(shí)候，鋁部件中鎂的含量應(yīng)該占此部件的重量的大約0.1％到大約1.5％的范圍內(nèi)，而且可變雜質(zhì)的含量按重量百分比計(jì)算應(yīng)該低于0.2％。
在另外一個(gè)實(shí)施例中，一種特殊的鋁合金被用來(lái)制作半導(dǎo)體設(shè)備部件的主體，此例提供了極好的結(jié)果，接下來(lái)對(duì)此例進(jìn)行詳細(xì)描述。未加工的鋁合金坯料可以被鑄造、擠壓或者扎制。此鋁合金應(yīng)該具有下列按重量百分比計(jì)算的組分(除了鋁之外)鎂濃度在大約3.5％到大約4.0％的范圍內(nèi)、硅濃度在0％到大約0.03％的范圍內(nèi)、鐵濃度在0％到大約0.03％的范圍內(nèi)、銅濃度在大約0.02％到大約0.07％的范圍內(nèi)、錳濃度在大約0.005％到大約0.015％的范圍內(nèi)、鋅濃度在大約0.08％到大約0.16％的范圍內(nèi)、鉻濃度在大約0.02％到大約0.07％的范圍內(nèi)、和鈦濃度在0％到大約0.01％的范圍內(nèi)，其余雜質(zhì)單個(gè)含量各自不超過(guò)大約0.03％、并且這些其余所有雜質(zhì)總含量不超過(guò)0.1％。在有些實(shí)例中，根據(jù)雜質(zhì)的不同，所述其余所有雜質(zhì)的含量可以被允許提高到按重量百分比大約0.2％。另外，鋁合金需要符合一個(gè)關(guān)于由可變雜質(zhì)形成的微粒的特定的規(guī)范。在雜質(zhì)化合物形成的微粒凝聚團(tuán)中，至少95％的微粒尺寸必須小于5微米；5％的微粒尺寸可以在5微米到20微米的范圍內(nèi)；最后，不多于0.1％的微?？梢源笥?0微米，但是不能有大于40微米的微粒。所述高純度的鋁合金在下文中指LPTM合金。LPTM是加利福尼亞州圣克拉拉市的應(yīng)用材料有限公司(Applied Materials，Inc.of Santa Clara，California)的商標(biāo)。
當(dāng)焊接鋁合金部件的各個(gè)元件來(lái)形成一個(gè)形狀復(fù)雜的部件之后，在氧化鋁保護(hù)膜被制造在所述部件的表面之前，鋁合金可以可選擇地在大約330℃或者更低的溫度下消除應(yīng)力。所述部件的最終用途決定應(yīng)力消除是否必要。熱處理工藝另外一個(gè)好處是它為所述合金提供了額外的硬度，盡管現(xiàn)有技術(shù)關(guān)于這一點(diǎn)對(duì)鋁合金有相反的主張。非常重要的是，當(dāng)運(yùn)用熱處理工藝的時(shí)候，與通常推薦的鋁合金的峰值溫度相比，所述熱處理是在較低的峰值溫度下執(zhí)行的。采用小于大約330℃的應(yīng)力消除的峰值溫度，確保合金與晶粒結(jié)構(gòu)有關(guān)的期望性能、非鋁金屬分布性能和生產(chǎn)的所述部件的機(jī)械性能。通過(guò)在應(yīng)力消除過(guò)程中控制鋁合金的晶粒尺寸和合金內(nèi)的雜質(zhì)分布，有可能避免或者至少顯著地降低在一個(gè)合金部件表面附近的雜質(zhì)的形成，此雜質(zhì)干擾所述部件表面的陽(yáng)極氧化的氧化鋁涂層的形成。這確保了在整個(gè)部件表面形成一個(gè)均勻的陽(yáng)極氧化涂層，包括所述部件中任何焊縫。這種應(yīng)力消除的方法用在所述LPTM合金上效果尤其好。
陽(yáng)極氧化的氧化鋁保護(hù)膜通常是用電解氧化工藝來(lái)施加的。一般地，將要被陽(yáng)極氧化的部件被當(dāng)作陽(yáng)極浸入一種酸性電解液中，然后施加直流電流。在表面上，所述鋁合金被電化學(xué)地轉(zhuǎn)變成一層氧化鋁。
在所述陽(yáng)極氧化過(guò)程之前，化學(xué)清洗和拋光鋁合金的表面很重要。清洗可以通過(guò)所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的方法進(jìn)行。特別有效的清洗可以通過(guò)用鋁部件的表面接觸一種酸性溶液來(lái)進(jìn)行，此酸性溶液包括60％到90％的工業(yè)級(jí)的磷酸，其比重大約1.7，和重量百分比大約1％-3％的硝酸。清洗過(guò)程中部件的溫度一般是在約100℃的范圍內(nèi)，而且部件表面與清洗溶液接觸的時(shí)間一般在大約30到大約120秒的范圍內(nèi)。此清洗過(guò)程之后常常是一個(gè)用去離子水的沖洗過(guò)程。
制造氧化鋁表面的鋁合金表面的隨后的陽(yáng)極氧化過(guò)程可以通過(guò)所屬技術(shù)領(lǐng)域中公知的技術(shù)進(jìn)行。一個(gè)特別好的陽(yáng)極氧化保護(hù)涂層可以在水基溶液中電解地獲得，此水基溶液包括重量百分比10％到20％的硫酸和大約0.5％到3.0％的草酸。陽(yáng)極氧化的溫度一般被設(shè)定在5℃到25℃的溫度范圍內(nèi)，而且常常是在約7℃到約21℃的范圍內(nèi)。要被“陽(yáng)極氧化”的部件作為陽(yáng)極，而標(biāo)準(zhǔn)6061鋁片作為陰極。一般地，在電解氧化過(guò)程中的電流密度，在電解池中以安培/平方英寸(ASF)為計(jì)算單位，其在5ASF到36ASF的范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，氧化鋁膜基體上的“阻擋層”的厚度可以通過(guò)控制操作(陽(yáng)極氧化)電壓來(lái)控制，此電壓一般在15V到30V的范圍內(nèi)。


當(dāng)下面描述連同下列附圖一起考慮的時(shí)候，可以獲得對(duì)本發(fā)明更好的理解，其中圖1A顯示電子束焊接結(jié)構(gòu)100的掃描電子顯微鏡的示意性截面圖，其中LPTM鋁合金102的焊接采用了4047含鋁填充材料104。焊接103的一個(gè)截面顯示有裂紋106。陽(yáng)極氧化涂層出現(xiàn)在焊接結(jié)構(gòu)100的上表面。出現(xiàn)在所述LPTM合金102的邊界107的所述陽(yáng)極氧化涂層108較厚。出現(xiàn)在邊界105具有焊縫界面103的陽(yáng)極氧化涂層110，和具有4047填充材料104的邊界109較薄，而且雜質(zhì)微粒112出現(xiàn)在，并且在某些情況下，一直延伸到陽(yáng)極氧化涂層110。
圖1B顯示的是圖1A中指定區(qū)域結(jié)構(gòu)的放大視圖。它顯示所述4047填充材料的邊界109在指示的位置具有薄的陽(yáng)極氧化涂層110。這個(gè)放大視圖更好地顯示了微粒(雜質(zhì)凝聚團(tuán))112，它出現(xiàn)在整個(gè)所述4047填充材料104內(nèi)，其中一些微粒112在位置114一直延伸到陽(yáng)極氧化涂層110。
圖2A顯示一個(gè)具有側(cè)壁202和一個(gè)焊接延伸(welding extension)204的預(yù)成型腔室的襯里的主體部分200的一個(gè)示意剖視圖。此襯里主體部分以LPTM合金擠壓管的形式出現(xiàn)，其中此管的中心線標(biāo)記為206。
圖2B顯示圖2A中所示的預(yù)成型腔室襯里主體部分200一個(gè)示意的俯視圖，其中207表示中心線。
圖2C顯示一個(gè)帶有凸緣的預(yù)成型的頂板220的一個(gè)示意剖面圖，此頂板要被摩擦焊接到預(yù)成型腔室襯里主體部分200上。帶有凸緣的頂板220包括基座208、凸緣(flange)210、緣邊(lip)212、和中心線216。
圖2D是圖2C中所示的帶有凸緣的頂板220的一個(gè)示意性俯視圖，其中217表示中心線。
圖2E顯示擠壓管結(jié)構(gòu)200和所述帶有凸緣的頂板220組合后的一個(gè)示意性剖面圖，它們處于摩擦焊接前的對(duì)齊狀態(tài)，其中擠壓管結(jié)構(gòu)200的中心線206與帶有凸緣的頂板220的中心線216對(duì)齊。擠壓管結(jié)構(gòu)200的焊接延伸204和帶有凸緣的頂板220的焊接延伸212將在摩擦焊接過(guò)程中被損耗，或至少部分被損耗掉，這些要被損耗的部分隨著焊瘤被擠出，以在焊接界面(未顯示)提供一個(gè)干凈新鮮的表面。
圖3A顯示試樣(test coupon)300的截面，其是從一個(gè)摩擦焊接的處理容器襯里中取樣的(未以整體顯示)。用于制造此襯里的合金是LPTM。腔室的主體襯里(擠壓管)結(jié)構(gòu)302被摩擦焊接到帶有凸緣的頂板306(從一個(gè)平板擠壓坯加工而成)上，其中焊接線在區(qū)域304內(nèi)。
圖3B顯示腔室主體襯里(擠壓管)結(jié)構(gòu)302中的鋁晶粒的顯微結(jié)構(gòu)302m，其中鋁晶粒未受到焊接工藝的干擾。
圖3C顯示摩擦焊接304區(qū)域內(nèi)的鋁晶粒的顯微結(jié)構(gòu)304m。
圖3D顯示帶有凸緣的頂板306中的鋁晶粒的顯微結(jié)構(gòu)306m，其中鋁晶粒沒(méi)有受到焊接過(guò)程的干擾。
圖4顯示的試樣400取自參照?qǐng)D3A到圖3D中描述的摩擦焊接襯里。此試樣加工成用于彎曲的試樣，由“被夾持部分(dog ear)”402和406組成。在彎曲試樣的中心處具有摩擦焊縫404的地方進(jìn)行彎曲。
圖5A顯示的是試樣500的一個(gè)截面，其取自與參照?qǐng)D3論述的相同的摩擦焊接處理腔室襯里，在清洗和施加陽(yáng)極氧化鋁保護(hù)膜之后。
圖5B顯示的是腔室主體襯里結(jié)構(gòu)502的外表面(邊界)503上覆蓋的陽(yáng)極氧化涂層502a的厚度。
圖5C顯示的是焊縫區(qū)域504的外表面(邊界)505上覆蓋的陽(yáng)極氧化涂層504a的厚度。
圖5D顯示的是帶有凸緣的頂板506的外表面(邊界)507上覆蓋的陽(yáng)極氧化涂層506a的厚度。
圖6顯示的是對(duì)于一個(gè)原型(prototype)腔室襯里焊接，焊接工藝變量作為焊接時(shí)間的函數(shù)顯示出極好的焊接效果。
圖7顯示的是對(duì)于另一個(gè)原型(prototype)腔室襯里焊接，焊接工藝變量作為焊接時(shí)間的函數(shù)顯示出極好的焊接效果。
具體實(shí)施例方式
作為詳述部分的一個(gè)前序，應(yīng)該注意的是，就象用在此說(shuō)明書(shū)和所附的權(quán)利要求書(shū)中的一樣，單數(shù)形式的“一個(gè)(a，an)”和”此(the)”包括復(fù)數(shù)個(gè)指示物，除非上下文清楚的表明并非這樣。
以前，形狀復(fù)雜的半導(dǎo)體處理設(shè)備部件和器件一般是通過(guò)加工一個(gè)鋁合金坯料來(lái)制造的。用來(lái)制造所述設(shè)備部件的大金屬錠和坯料本身具有多孔性。此多孔性在腔室襯里和其它從此錠加工出來(lái)的元件的已加工表面上明顯顯示，而且這種多孔表面不能被可靠地陽(yáng)極氧化。當(dāng)一個(gè)設(shè)備部件被暴露在腐蝕性的等離子體環(huán)境中，其表面上的被不良地陽(yáng)極氧化的氧化鋁保護(hù)層影響此部件的抗腐蝕性。一個(gè)具有可控晶粒結(jié)構(gòu)而且在多孔性方面更好(相對(duì)于金屬錠)的鋁合金的來(lái)源是擠壓坯料，例如一根擠壓管。盡管把一個(gè)擠壓管作為襯里的側(cè)壁是很理想的，但是問(wèn)題是怎么把一個(gè)帶有凸緣的頂板固定在這個(gè)側(cè)壁上。我們將擠壓管焊接到一個(gè)帶凸緣的板上，并且在這個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的外表面形成一個(gè)陽(yáng)極氧化涂層。帶有焊縫的襯里區(qū)域很難被陽(yáng)極氧化。我們嘗試了很多不同的焊接方法，例如，包括激光焊接、電子束焊接、和鎢極惰性氣體(TIG)焊接，但是并不限于這些焊接方法。用例如會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)域的和熔融填充材料的熔焊技術(shù)，以及冷卻和再結(jié)晶，可以使焊接區(qū)域的顯微結(jié)構(gòu)不同于母體材料上的顯微結(jié)構(gòu)。沒(méi)有一種所述焊接方法能夠在焊縫區(qū)域施加令人滿意的陽(yáng)極氧化涂層。更糟糕的是，半導(dǎo)體材料經(jīng)常被放置在面向等離子體處理腔室的頂部的位置，導(dǎo)致腔室襯里的所述焊接區(qū)域被暴露在高密度的等離子體中。結(jié)果，恰恰是襯里的這個(gè)部分需要陽(yáng)極氧化涂層來(lái)保護(hù)以使其更具有抗腐蝕性。
圖1A顯示一個(gè)典型的電子束焊接結(jié)構(gòu)100的掃描電子顯微鏡(SEM)的示意性截面圖，其中LPTM鋁合金102采用4047填充材料104焊接。焊縫103的一部分顯示有裂紋106。陽(yáng)極氧化涂層形成于焊接結(jié)構(gòu)100的上表面。出現(xiàn)在與LPTM合金102交界的邊界107的陽(yáng)極氧化涂層108較厚，而且，當(dāng)表面107被暴露于腐蝕性的等離子體環(huán)境中的時(shí)候，可以預(yù)料此陽(yáng)極氧化涂層可以對(duì)下面的LPTM合金102提供充分的保護(hù)。然而，出現(xiàn)在焊接界面103區(qū)域內(nèi)的交界105和在4047鋁基填充材料104區(qū)域內(nèi)的邊界109的陽(yáng)極氧化涂層110較薄，當(dāng)暴露于所述腐蝕性等離子體中的時(shí)候，會(huì)顯示出不可靠的性能。另外，對(duì)于在邊界109處的覆蓋在4047鋁合金104上的陽(yáng)極氧化涂層110的仔細(xì)檢查顯示，如在圖1B中圖解說(shuō)明的那樣，邊界109附近出現(xiàn)了大量雜質(zhì)微粒112，而且有些雜質(zhì)微粒延伸到陽(yáng)極氧化涂層110，例如114中的一些情況。
基于對(duì)焊接過(guò)程的觀察，發(fā)明人總結(jié)出焊接部分的表面不利于一個(gè)可靠的陽(yáng)極氧化涂層的形成，所述焊接過(guò)程涉及在焊接形成的時(shí)候填充材料的使用，或者涉及擴(kuò)散過(guò)程，此過(guò)程中鋁合金必須是在或者接近熔融狀態(tài)。
本領(lǐng)域中一些公知的高純度鋁合金對(duì)于提供在含鹵素等離子體中的抗腐蝕性有益。這些合金在1998年5月26日頒布的，授予Bercaw等人的題目為“Corrosion-Resistant Aluminum Article forSemiconductor Processing Equipment”的美國(guó)專利No.5756222中有描述。此專利公開(kāi)了一種半導(dǎo)體加工方面很有用的制造部件，此部件的主體由高純度鋁鎂合金制成，此合金在整個(gè)部件或至少在具有抗腐蝕性的表面區(qū)域含鎂量按重量百分比為約0.1到約1.5％，并且可變雜質(zhì)原子含量按重量百分比小于0.2％。可變雜質(zhì)原子被描述為由除去鎂之外的金屬原子、過(guò)渡金屬、半導(dǎo)體、和能形成半導(dǎo)體化合物的原子組成。可變雜質(zhì)原子特別地被指定為包括硅、鐵、銅、鉻和鋅。此高純度鋁-鎂合金可以被一個(gè)保護(hù)膜覆蓋，此膜是耐磨損的，例如氧化鋁或者氮化鋁膜。此專利所公開(kāi)的主題被完整地援引于此以供參考。
1998年9月22日授予Bercaw等人的美國(guó)專利No.5811195，其名稱為“Corrosion-Resistant Aluminum Article for SemiconductorEquipment”，進(jìn)一步公開(kāi)了鋁部件中的鎂的含量可以占整個(gè)鋁部件重量的大約0.1％到大約6.0％的范圍之內(nèi)。然而，對(duì)于操作溫度大于250攝氏度的部件，鋁部件中鎂的含量應(yīng)該占整個(gè)鋁部件重量的大約0.1％到大約1.5％之間的范圍內(nèi)。另外，描述了一個(gè)部件，在此特例中，除了鎂外的其余可變雜質(zhì)的重量百分比可以高達(dá)大約2.0％。一個(gè)實(shí)例是在部件主體的外層區(qū)域覆蓋有膜時(shí)，該膜包括氧化鋁或鋁。另一個(gè)實(shí)例中，鋁部件的外表面上覆蓋了至少0.0025微米的一層鹵化鎂層。此專利所公開(kāi)的主題被完整地援引于此以供參考。
卡伯特公司(Cabot Corporation)和其它公司提供了一種已經(jīng)銷售10多年，為一般銷售指定為C-276的高純度鋁合金。這種高純度鋁合金的化學(xué)組成對(duì)本發(fā)明可能是有用的。然而，C276合金的說(shuō)明書(shū)中包括關(guān)于雜質(zhì)化合物和凝聚團(tuán)的微粒尺寸和分布限制，它們會(huì)在鋁合金表面的陽(yáng)極氧化方面產(chǎn)生問(wèn)題。
前面所述的Bercaw等人的專利被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，而且在Bercaw等人所作出的發(fā)現(xiàn)之后，關(guān)于高純度鋁合金的其它工作已經(jīng)完成。特別是，一種新的高純度鋁合金被隨后發(fā)展出來(lái)，這種新的鋁合金滿足了對(duì)雜質(zhì)原子的特殊要求和對(duì)雜質(zhì)原子的凝聚和凝聚團(tuán)的微粒尺寸范圍的要求及其化合物的特殊要求。這里引用的新的高純度鋁合金如LPTM包括在以下范圍內(nèi)按重量百分比計(jì)的雜質(zhì)鎂濃度在大約3.5％到大約4.0％的范圍，硅濃度在0％到大約0.03％范圍，鐵濃度在0％到大約0.03％范圍，銅濃度在大約0.02％到大約0.07％范圍，錳濃度在大約0.005％到大約0.015％范圍，鋅濃度在大約0.08％到大約0.16％范圍，鉻濃度在大約0.02％到大約0.07％范圍，和鈦濃度在0％到大約0.010％范圍，并且其余單獨(dú)雜質(zhì)各自不超過(guò)0.03％，所述其余雜質(zhì)總含量不超過(guò)0.1％。所述合金成分是用GDMS的火花方法(Sparkingmethod)或者GDMS的熔融方法(Molten method)測(cè)量的。
除了成份的限制，申請(qǐng)人需要LPTM鋁合金有下面附加的規(guī)范。在雜質(zhì)化合物的微粒凝聚團(tuán)中，至少95％的微粒尺寸必須小于5微米；5％的微?？梢源笥?微米，但是最大尺寸必須小于20微米；最后，不多于0.1％的微粒可以大于20微米，但是沒(méi)有大于40微米的微粒。用于決定微粒尺寸和尺寸分布的分析技術(shù)是基于掃描電子顯微鏡(SEM)的背散射圖像分析(back scattered image analysis)。為了評(píng)定形成的微粒，將放大倍數(shù)定在500倍。每個(gè)圖像的區(qū)域大約為150微米×200微米。數(shù)字分辨率最小在0.2微米/像素。為了獲得對(duì)金屬微觀結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域的良好的評(píng)定，以確保統(tǒng)計(jì)分析有意義。至少?gòu)囊粋€(gè)直徑為0.75英寸的試樣區(qū)域中隨機(jī)獲得40個(gè)圖像。背散射圖像被數(shù)字化存儲(chǔ)以用于統(tǒng)計(jì)分析。這些圖像被傳輸?shù)揭粋€(gè)圖像分析器中，然后，平均原子數(shù)高于A1(圖像中白色的部分)的微粒分布被探測(cè)并測(cè)量。數(shù)字分辨率使能夠測(cè)量小到0.2微米的微粒。采用的圖像分析器是Zeiss的IBAS。微粒凝聚被顯示成析出微粒。用于決定晶粒尺寸分布的參數(shù)有等面積圓的直徑φ=2×A/π,]]>其中A是一個(gè)微粒的面積。等級(jí)界限如下0.2、1、2、3、4、5、20、40。每個(gè)等級(jí)的微粒數(shù)被測(cè)定然后把測(cè)量的微粒的總數(shù)歸一化到100％。
所述高純度LPTM鋁合金與普通鋁合金比較起來(lái)偏貴，這使得保存材料變得很重要。另外，由于必須的加工時(shí)間，而且儀器和程式化的加工指令需要根據(jù)各個(gè)不同的復(fù)雜設(shè)備形狀重新制定，加工一塊固體材料錠的加工費(fèi)用就很高。我們認(rèn)為采用一個(gè)擠壓管來(lái)獲得腔室襯里的側(cè)壁的近凈型(near net shape)尺寸在材料費(fèi)用和加工費(fèi)用兩方面非常吸引人。然而，怎樣把所述管和一個(gè)帶有凸緣的頂板焊接起來(lái)形成一個(gè)腔室襯里的問(wèn)題仍然存在。
為了避免由于可變雜質(zhì)在焊接區(qū)域凝聚導(dǎo)致的微粒形成的可能，發(fā)明人想避免采用一種涉及使用可能成為雜質(zhì)來(lái)源的填充材料的焊接工藝。發(fā)明人還想避免使用一種焊接工藝，這種焊接工藝要求將被焊接的合金熔融或者近似熔融，這就使雜質(zhì)可遷移、凝聚和向被焊接的部件表面移動(dòng)。發(fā)明人選擇摩擦焊接作為焊接工藝，該焊接工藝提供了達(dá)到發(fā)明目標(biāo)的最大的可能。
新的問(wèn)題變成怎么摩擦焊接如一個(gè)腔室襯里所需要的那么大的表面區(qū)域，其中將要被焊接的表面區(qū)域在約45平方英寸(290平方厘米)的范圍內(nèi)。我們無(wú)法找到一個(gè)能處理這么大表面區(qū)域的摩擦焊接機(jī)。我們不得不靠經(jīng)驗(yàn)研制出一種摩擦焊接工藝，其可以被用來(lái)焊接一個(gè)處理腔室襯里所需要尺寸的LPTM合金結(jié)構(gòu)，和其它各種半導(dǎo)體設(shè)備應(yīng)用中采用的大結(jié)構(gòu)。
示例示例1為了說(shuō)明的目的，而不是為了限制，本發(fā)明將描述有關(guān)受讓人應(yīng)用材料公司(Applied Materials，Inc.)在很多不同的半導(dǎo)體處理系統(tǒng)中所使用的一種等離子體處理腔室襯里的制作方法。為了參考目的，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可能發(fā)現(xiàn)參考應(yīng)用材料公司(Applied Materials，Inc.)的以下產(chǎn)品信息是很有幫助的E-MaxTM腔室襯里、E-MaxTM陰極襯里和例如發(fā)明人在研究此發(fā)明中所制造出來(lái)的設(shè)備上的MXP+TM腔室襯里。這些處理設(shè)備元件的尺寸分別要求45平方英寸、35平方英寸、和45平方英寸的焊接表面積。
所述E-MaxTM處理腔室是用在半導(dǎo)體襯底上的對(duì)于結(jié)構(gòu)的等離子體蝕刻方面的。等離子體蝕刻通常采用含鹵素的等離子體來(lái)完成的，而這種等離子體腐蝕性非常強(qiáng)。參照我們研究的關(guān)于各種鋁合金性能的信息，決定制造一個(gè)原型LPTM鋁合金腔室襯里。襯里組件是用一個(gè)平板法蘭(flat plate flange)連接在一個(gè)圓柱型主體上制造的。此圓柱型主體用所述LPTM合金擠壓管制成。問(wèn)題在于連接所述兩個(gè)元件來(lái)形成形狀復(fù)雜的腔室襯里組件。在大量調(diào)查后，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)印第安那州的南本德的制造技術(shù)公司(Manufacturing Technology Incorporated(MIT))是美國(guó)國(guó)內(nèi)唯一一個(gè)能夠制造摩擦焊接和惰性氣體焊接機(jī)的制造商，他們擁有能容納e-Max 200毫米襯里組件的焊接機(jī)。此示例中的描述關(guān)于用此制造商提供的摩擦焊接工具制造的原型腔室襯里。
所述原型LPTM合金法蘭組件是從板坯料加工而成的，而所述圓柱型的襯里主體用相同材料的擠壓過(guò)的管狀坯料加工而成的。法蘭和襯里主體是在MTI用惰性氣體焊接而成的，此過(guò)程在發(fā)明人的指導(dǎo)下，以確定一個(gè)可以接受的摩擦焊接過(guò)程，同時(shí)建立起作為焊接參數(shù)的函數(shù)的焊接質(zhì)量。
參考圖2A，這個(gè)示意性剖視圖說(shuō)明一個(gè)預(yù)成型腔室襯里主體部分200，其具有側(cè)壁202和一個(gè)焊接延伸204。焊接延伸204的厚度204T大約1.05英寸(26.7毫米)，高度(長(zhǎng)度)204H大約1.5英寸(38毫米)。襯里主體部分的外徑D1大約14.65英寸(372毫米)，襯里主體部分(除了焊接延伸204以外)的內(nèi)徑D2大約11.45英寸(290毫米)。襯里主體部分的平行度在0.010英寸(0.25毫米)之內(nèi)，而且同心度是在0.008英寸(0.20毫米)之內(nèi)。圖2B是所述預(yù)成型腔室襯里主體部分200的俯視圖，其中207表示中心線，此中心線在圖2A中表示為206。
參考圖2C，這個(gè)示意剖面解說(shuō)明一個(gè)預(yù)成型的帶有凸緣的腔室襯里頂板220，其將被摩擦焊接到預(yù)成型腔室襯里主體部分200。帶有凸緣的腔室襯里頂板220包括底座208，其外徑D3大約為18.5英寸(470毫米)、凸緣210，其外徑大約為20.0英寸(508毫米)、和焊接延伸212，其中焊接延伸212末端的厚度212T大約1.05英寸(26.7毫米)，而高度(長(zhǎng)度)212H大約1.12英寸(28毫米)。此頂板部分的平行度在0.005英寸(0.13毫米)之內(nèi)；同心度是在0.008英寸(0.20毫米)之內(nèi)。圖2D是所述預(yù)成型的帶有凸緣的腔室襯里頂板220的俯視圖，其中217表示其中心線，此中心線在圖2C中表示為216。
圖2E顯示的是在摩擦焊接前，所述預(yù)成型腔室襯里主體部分200和預(yù)成型帶有凸緣的腔室襯里頂板220的一個(gè)裝配。
摩擦(惰性氣體)焊接工藝在MTI的450噸惰性氣體焊接機(jī)上進(jìn)行，此機(jī)器包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)頭架和一個(gè)不旋轉(zhuǎn)尾架。所需的焊接能量是通過(guò)驅(qū)動(dòng)一個(gè)固定在頭架上的慣性質(zhì)量到一個(gè)特定的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)PLC控制器控制如我們?cè)谝?guī)范中編程好了的所有機(jī)器功能。尾架被設(shè)計(jì)成在軸向運(yùn)動(dòng)，而且最開(kāi)始是被設(shè)置在使要被焊接的兩個(gè)組件之間的間隙(gap)為0.1英寸的位置。在焊接循環(huán)開(kāi)始的時(shí)候，頭架被加速到預(yù)期的RPM(轉(zhuǎn)數(shù)每分鐘)，然后驅(qū)動(dòng)單元脫離。在一個(gè)預(yù)先被編程好的線性運(yùn)動(dòng)和軸向力調(diào)度之后，尾架被推進(jìn)，使所述兩個(gè)元件接觸，產(chǎn)生摩擦熱并最終焊接。就象在大多數(shù)塑性變形焊接工藝中一樣，沒(méi)有出現(xiàn)熔融。隨著鐓壓力(upset force)的施加，局部熱量的產(chǎn)生導(dǎo)致材料性能降低和隨后的金屬流動(dòng)。來(lái)自組件最初配合面的熱影響材料，連同氧化物和污染物被排除在焊瘤中。為了給以下說(shuō)明做參考，采用以下的命名。焊瘤或者焊接焊瘤通常指由于軸向鐓壓力的施加從焊接界面擠壓出的材料。焊瘤將出現(xiàn)在部件被焊接區(qū)域，組件的外直徑(O.D.)和內(nèi)直徑(I.D.)處。焊接鐓壓量(weld upset)通常指焊接和未焊接的部件的長(zhǎng)度的差。鐓壓(upset)是由于焊接界面處的材料的塑性位移(plastic displacement)造成的，而且依賴于焊接能量、旋轉(zhuǎn)速度、和鐓壓載荷(upset load)。接觸面(faying surface)通常指將要被焊接的兩個(gè)部分相互接觸的各自表面。鐓壓力通常指施加在接觸面上來(lái)產(chǎn)生摩擦和鐓壓位移的軸向力。焊接效率通常指接縫處的強(qiáng)度和基體金屬的強(qiáng)度的比值(用百分比表示)。
關(guān)于“焊瘤”，例如，圖3A顯示一個(gè)從焊接的腔室襯里主體300上切下的試樣，其中腔室襯里主體部分302和腔室襯里頂板和凸緣306在區(qū)域304被焊接在一起，其中焊熘308自腔室主體300脫出(exit)，焊熘310自頂板和凸緣306脫出。
采用4英寸厚，直徑大約20英寸的LPTM合金板制造一個(gè)預(yù)成型帶有凸緣的腔室襯里頂板220。板的一側(cè)被加工出5英寸高的焊接延伸212，按發(fā)明人基于計(jì)算的每個(gè)規(guī)范，特別適合于LPTM合金的物理性能。在擠壓預(yù)成型腔室襯里主體200上的配合焊接延伸204被加工成平的并且平行各自的公差都在0.010英寸內(nèi)。第一個(gè)焊接實(shí)驗(yàn)系列包括5套e-MaxTM原型腔室襯里的部件組。
用LPTM鋁合金制造的，所有五個(gè)原型腔室襯里都被用以下的方法焊接把帶凸緣的頂板220夾在所述可旋轉(zhuǎn)頭架上，然后把圓柱型的襯里主體部分200夾在不可旋轉(zhuǎn)的尾架上?；谧畛醯挠?jì)算和早期的實(shí)驗(yàn)，我們已經(jīng)估計(jì)到，焊接一個(gè)接觸面積大約45平方英寸的LPTM鋁合金，以在一個(gè)腔室主體襯里和一個(gè)帶有凸緣的頂板之間形成一個(gè)“鐓壓”接頭，焊接所需要的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該在大約350 RPM到大約750RPM之間；鐓壓載荷應(yīng)該在大約3000磅每平方英寸(psi)到大約4000磅每平方英寸(psi)之間；焊接所需的總能量應(yīng)該在大約1000英尺×磅(ft-lbs)到大約3500英尺×磅(ft-lbs)之間；而且焊接鐓壓量應(yīng)該在大約0.9英寸到大約1.25英寸。第一個(gè)原型腔室襯里的焊接是在焊接延伸的壁厚度大約1.05英寸(26.7毫米)的地方實(shí)施的，焊接區(qū)域大約45平方英寸，可旋轉(zhuǎn)頭架的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)是483，和鐓壓壓力為3730psi。此焊接看來(lái)似乎滿足了所有的要求，除了因?yàn)樵O(shè)備保持支撐的困難，焊接鐓壓量大約在1.67英寸，而且腔室襯里主體部分200在與帶有凸緣的頂板200結(jié)合的地方有擴(kuò)張。由于這個(gè)結(jié)果，在同樣的操作條件下，制造另外四個(gè)原型腔室襯里，但是對(duì)于所述襯里主體部分200改進(jìn)了保持支撐。后面的四個(gè)原型腔室襯里的焊接鐓壓量在約0.99到約1.08英寸的范圍內(nèi)。
一般的金相學(xué)對(duì)于一個(gè)可接受的焊接部件的要求如下用標(biāo)準(zhǔn)的金相方法檢驗(yàn)穿過(guò)焊接區(qū)域的一部分，在最小的結(jié)合區(qū)域內(nèi)必須是均勻的，參照ASTM-E2，ASTM-E112，或者AWS-B1.1的檢驗(yàn)。
參考圖3A到圖3D，如上面討論的，圖3A顯示一個(gè)從焊接的襯里腔室主體300上取下的一個(gè)試樣，其中腔室襯里主體部分302和腔室襯里頂板和凸緣306在區(qū)域304被焊接在一起，焊瘤308自襯里腔室主體300脫開(kāi)，焊瘤310自帶有凸緣的頂板306脫開(kāi)。圖3B顯示了一個(gè)LPTM合金的擠壓管的鋁晶粒結(jié)構(gòu)(顯微結(jié)構(gòu))的SEM圖，此合金是用來(lái)制造襯里腔室主體部分302的。圖3B中的放大倍數(shù)是大約50倍。很顯然，在圖3B中的晶粒322的尺寸一般是均勻的。圖3C顯示了焊接區(qū)域304的鋁晶粒結(jié)構(gòu)的一個(gè)SEM像。圖3C的放大倍數(shù)大約為50倍。很清楚，焊接區(qū)域的晶粒尺寸被顯著地減小了。圖3D顯示了一個(gè)LPTM合金的母板坯料的鋁晶粒結(jié)構(gòu)的SEM像，此合金是用來(lái)制造頂板和凸緣部分306的。圖3D的放大倍數(shù)是50倍。從母板坯料加工出來(lái)的頂板和凸緣306的晶粒尺寸也是均勻的。
示例2在另外一套實(shí)驗(yàn)中，另外兩個(gè)原型LPTM合金腔室襯里采用和上面描述的基本相同的方法制造。關(guān)于原型No.1，在焊接操作過(guò)程中，軸的每分鐘轉(zhuǎn)速為大約500，焊接鐓壓量為1.60英寸，并且鐓壓力大約為4000磅(lbs)。圖6顯示的是，在焊接操作過(guò)程中，作為時(shí)間的函數(shù)的加工變量的關(guān)系曲線圖600。具體地，軸604表示名義值，軸602表示時(shí)間，以秒為單位。曲線610表示的是軸的每分鐘轉(zhuǎn)速，其中軸604上名義值的數(shù)值等于軸的每分鐘轉(zhuǎn)速乘以10-3，即RPM×10-3；也就是說(shuō)，名義值軸604上的數(shù)值必須乘以103才能得到每分鐘的轉(zhuǎn)速。曲線608顯示的是鐓壓壓力，其中名義值軸604的數(shù)值等于鐓壓壓力乘以10-4，其以磅每平方英寸(psi)為單位；也就是說(shuō)，名義值軸604的數(shù)值必須乘以104才能得到鐓壓壓力，其以磅每平方英寸為單位。曲線610顯示的是鐓壓位移(upset displacement)，以英寸為單位。
關(guān)于原型No.2，在焊接操作的過(guò)程中，軸的每分鐘轉(zhuǎn)速是470，焊接鐓壓量是1.004英寸，鐓壓力是大約4000磅(lbs)。圖7顯示的是，在焊接操作過(guò)程中，作為時(shí)間的函數(shù)的加工變量的關(guān)系曲線圖700。具體地，軸704表示名義值，軸702表示時(shí)間，以秒為單位。曲線710表示的是軸的每分鐘轉(zhuǎn)速乘以10-3(RPM×10-3)；也就是說(shuō)，名義值軸704上的數(shù)值必須乘以103才能得到每分鐘的轉(zhuǎn)速。曲線708顯示的是鐓壓壓力乘以10-4；也就是說(shuō)，軸704的名義值的數(shù)值必須乘以104才能得到鐓壓力，以psi為單位。曲線710顯示的是鐓壓位移，以英寸為單位。
在腔室襯里主體和帶有凸緣的頂板之間的焊接線幾乎不可辨認(rèn)，即使暴露在醋酸侵蝕性溶液之后。電化學(xué)蝕刻被采用來(lái)解決焊接區(qū)域的晶粒結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，并且晶粒結(jié)構(gòu)的外觀與圖3C所示的非常相似。焊接線由非常細(xì)的晶粒帶指示，這是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的結(jié)果。
對(duì)于每一個(gè)原型都做了硬度測(cè)量。對(duì)于原型No.1，從焊接線開(kāi)始測(cè)量硬度，并且在頂板和凸緣材料方向以1/8英寸為間隔進(jìn)行。對(duì)于原型No.2，從焊接線開(kāi)始測(cè)量硬度，并且在擠壓的襯里腔室主體部分的方向以1/8英寸為間隔進(jìn)行。下面的表1顯示了顯微硬度測(cè)量的結(jié)果。
表1

很顯然，焊接過(guò)程中所施加的慣性能的量最小限度地影響焊縫區(qū)域的LPTM合金的硬度，隨著離焊縫距離的增大，硬度減小。對(duì)于頂板材料，似乎要用3/4英寸來(lái)接近母體材料的硬度。對(duì)于擠壓的襯里腔室主體材料，在大約距離焊縫的第一個(gè)1/8英寸的間隔內(nèi)，焊縫的硬度便接近母體材料的硬度了。一般而言，表1表示在焊接界面處的加工硬化是最小的。
除了評(píng)價(jià)焊接結(jié)構(gòu)的顯微結(jié)構(gòu)和焊縫區(qū)域的LPTM合金的硬度之外，我們還檢測(cè)了焊接的彈性，來(lái)作為一種檢測(cè)焊接強(qiáng)度的方法。圖4顯示了一個(gè)用焊接的原型襯里制作的試樣，此原型襯里是在關(guān)于原型No.2提供的加工條件下焊接的，在試樣按照ASTM方法E-290進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)之后的狀態(tài)。試樣“被夾持部分”406含有擠壓的腔室襯里主體材料，而“被夾持部分”402含有頂板和凸緣材料。當(dāng)彎曲半徑＝1英寸而且試樣的厚度為大約0.3英寸，彎曲角高達(dá)90度的時(shí)候，焊縫404沒(méi)有顯示裂紋或者孔隙形成。
為了使得焊接的原型襯里抗等離子體，特別是可以抗含有鹵素的等離子體，必須施加一個(gè)保護(hù)涂層，此保護(hù)涂層在防止襯里表面被磨損的同時(shí)，也提供其它有用的功能。在施加涂層之前，要被施加涂層的襯里表面一般要被清洗。清洗方法可以是一個(gè)所屬技術(shù)領(lǐng)域中已知的方法。特別有效的清洗可以通過(guò)將鋁部件的表面接觸一種酸性溶液來(lái)進(jìn)行，該酸性溶液包括按重量計(jì)算的60％到90％的工業(yè)級(jí)的磷酸，其比重大約為1.7，和按重量計(jì)算的大約1％-3％的硝酸。清洗過(guò)程中部件的溫度是在100攝氏度的范圍內(nèi)，而且部件表面接觸清洗溶液的時(shí)間通常在大約30到大約120秒的范圍內(nèi)。如果清洗時(shí)間太短，污染物可能仍然殘留在部件表面。如果清洗時(shí)間太長(zhǎng)，就會(huì)在合金表面產(chǎn)生更多的孔隙，并且在部件的工藝壽命中，在合金表面和陽(yáng)極氧化膜層之間形成的界面就會(huì)退化的更快。通常地，清洗過(guò)程之后是一個(gè)用去離子水沖洗的過(guò)程，用所屬領(lǐng)域中已知的許多不同的清洗方法來(lái)做第一次清洗。
一個(gè)極好的、與鋁合金表面相適合的涂層是一種用電化學(xué)方法施加的氧化鋁保護(hù)膜。這個(gè)保護(hù)膜可以用任何一種所屬技術(shù)領(lǐng)域中已知的眾多方法施加。例如，在1991年8月13日公布的授予Miyashita等人的美國(guó)專利No.5039388中，描述了應(yīng)用于半導(dǎo)體處理腔室中的成對(duì)使用的等離子體形成電極。此電極用一種高純度鋁或者鋁合金制成，此種鋁或者鋁合金的電極表面有一層被鉻酸陽(yáng)極化的膜。當(dāng)用于一個(gè)有含氟元素的氣體存在的等離子體處理工藝中時(shí)，鉻酸陽(yáng)極化的表面據(jù)說(shuō)可以很大程度地提高耐久度。此電極被描述成是用高純度的鋁制造的，諸如JIS 1050、1100、3003、5052、5053和6061或者相似的合金，諸如含鎂的重量百分比在2％到6％的銀鎂合金。
我們采用一種內(nèi)部開(kāi)發(fā)的方法來(lái)電化學(xué)地施加一種氧化鋁保護(hù)膜。原型腔室襯里被作為陽(yáng)極浸入一個(gè)電解池中，此電解池包括一種水基溶液，這種水基溶液包括按重量計(jì)算10％到20％的硫酸，和按重量計(jì)算0.5％到3.0％的草酸。陽(yáng)極氧化的溫度一般被設(shè)定在大約5℃到大約25℃的范圍內(nèi)，而且往往是從大約7℃到約21℃的范圍內(nèi)。要被“陽(yáng)極氧化”的部件用作陽(yáng)極，而標(biāo)準(zhǔn)6061鋁片作為陰極。一般而言，在電解氧化工藝中的電流密度，在電解池中以安培每平方英尺(Amps/Square Foot(ASF))為單位計(jì)算，其范圍在5ASF到小于36ASF的范圍內(nèi)。此外，在氧化鋁膜基礎(chǔ)上的“阻擋層”的厚度可通過(guò)控制操作(陽(yáng)極氧化)電壓進(jìn)行控制，此電壓典型地在大約15V到大約30V的范圍內(nèi)。
圖5A圖解說(shuō)明一個(gè)試樣500的一個(gè)截面，此試樣取自參照?qǐng)D3A中討論相同的摩擦焊接處理腔室襯里，其處于經(jīng)過(guò)清洗和對(duì)處理腔室襯里進(jìn)行陽(yáng)極氧化后的狀態(tài)。所述腔室主體襯里(擠壓管)結(jié)構(gòu)502被摩擦焊接到帶有凸緣的頂板506上，焊接線在區(qū)域504內(nèi)，而且焊瘤508是腔室主體襯里結(jié)構(gòu)502上的一個(gè)焊接延伸(未顯示)的殘余物，此焊接延伸在摩擦焊接過(guò)程中被消耗掉了。焊瘤510是帶有凸緣的頂板506上的一個(gè)焊接延伸(未顯示出)的殘余物，此焊接延伸在摩擦焊接過(guò)程中被消耗掉了。一個(gè)陽(yáng)極氧化涂層502a在覆蓋于腔室主體襯里結(jié)構(gòu)502的外表面503上形成；陽(yáng)極氧化涂層504a在覆蓋于焊縫區(qū)域504的外表面505上形成；并且陽(yáng)極氧化涂層506a在覆蓋于帶有凸緣的頂板506的外表面507上形成。圖5B圖解說(shuō)明腔室主體襯里(擠壓管)結(jié)構(gòu)502的外表面503上覆蓋的陽(yáng)極氧化層502a的厚度，其中陽(yáng)極氧化涂層的平均厚度大約是1.6密爾(0.0016英寸)(0.041毫米)。圖5C圖解說(shuō)明焊縫區(qū)域504的外表面505上覆蓋的陽(yáng)極氧化涂層504a的厚度，其中陽(yáng)極氧化涂層的平均厚度略微上升到大約1.7密爾(0.043毫米)。圖5D圖解說(shuō)明帶有凸緣的頂板506的外表面507上覆蓋的陽(yáng)極氧化涂層506a的厚度，其中陽(yáng)極氧化涂層的平均厚度大約為1.6密爾(0.041毫米)。不但陽(yáng)極氧化涂層在焊縫和焊接附近區(qū)域始終是可靠的，而且覆蓋在焊縫上的所述涂層出乎意料地比覆蓋在帶有凸緣的頂板506的外表面507上的涂層厚。這些涂層厚度還沒(méi)有根據(jù)最后的應(yīng)用而被最優(yōu)化，而僅僅是預(yù)示著陽(yáng)極氧化涂層的均勻性，當(dāng)本發(fā)明中的方法被用來(lái)制作一個(gè)帶有陽(yáng)極氧化涂層的形狀復(fù)雜的焊接部件的時(shí)候，可以達(dá)到這種均勻性，而且此陽(yáng)極氧化涂層施加在包括焊接區(qū)域的至少一部分上。
上面描述的示例性實(shí)施例不是用于限制本發(fā)明的范圍，因?yàn)樗鶎偌夹g(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容，擴(kuò)大符合本發(fā)明要保護(hù)的主題的這些實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種包含形狀復(fù)雜的鋁部件的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中在所述鋁部件中存在摩擦焊接區(qū)域，其中在所述鋁部件的焊縫中不多于0.2％的微粒具有在50微米和20微米之間變化的計(jì)算有效直徑，而所有其他微粒的計(jì)算有效直徑更小，由此，所述焊縫中的有效直徑微粒尺寸不大于在所述鋁部件的非焊接區(qū)域中的有效直徑微粒尺寸，且其中所述鋁部件包括按重量從大約0.1％到大約6.0％變化的鎂，和選自由硅、鐵、銅、鉻、鈦和鋅組成的組中的其余雜質(zhì)，按重量所述其余雜質(zhì)的總含量小于2.0％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中所述鎂含量按重量從0.1％到1.5％變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中不多于0.1％的所述微粒具有在50微米和20微米之間變化的計(jì)算有效直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中所述計(jì)算有效直徑在40微米和20微米之間變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中所述計(jì)算有效直徑在40微米和20微米之間變化。
6.一種包含形狀復(fù)雜的鋁部件的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中在所述鋁部件中存在摩擦焊接區(qū)域，其中在所述鋁部件的焊縫中不多于0.2％的微粒具有在50微米和20微米之間變化的計(jì)算有效直徑，而所有其他微粒的計(jì)算有效直徑更小，由此，所述焊縫中的有效直徑微粒尺寸不大于在所述鋁部件的非焊接區(qū)域中的有效直徑微粒尺寸，且其中在焊接線和焊接母體材料之間的硬度差別小于大約15％。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中不多于0.1％的所述微粒具有在50微米和20微米之間變化的計(jì)算有效直徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中所述計(jì)算有效直徑在40微米和20微米之間變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中所述計(jì)算有效直徑在40微米和20微米之間變化。
10.一種包含形狀復(fù)雜的鋁部件的半導(dǎo)體處理設(shè)備，所述鋁部件具有摩擦焊接區(qū)域，其中所述焊接區(qū)域的至少一部分具有在其上形成的氧化鋁涂層，且其中在所述鋁部件中不多于0.2％的微粒具有在50微米和20微米之間變化的計(jì)算有效直徑，而所有其他微粒的計(jì)算有效直徑更小，且其中所述鋁部件包括按重量從大約0.1％到大約6.0％變化的鎂，和選自由硅、鐵、銅、鉻、鈦和鋅組成的組中的其余雜質(zhì)，按重量所述其余雜質(zhì)的總含量小于2.0％。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中所述鎂含量按重量從0.1％到1.5％變化。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中不多于0.1％的所述微粒具有在50微米和20微米之間變化的計(jì)算有效直徑。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中所述計(jì)算有效直徑在40微米和20微米之間變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中所述計(jì)算有效直徑在40微米和20微米之間變化。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中，在所述摩擦焊接區(qū)域處形成的氧化鋁涂層的厚度與在所述鋁部件的表面處形成的所述氧化鋁涂層的厚度相比，其差別小于10％。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中，在所述摩擦焊接區(qū)域處形成的氧化鋁涂層的厚度與在所述鋁部件的表面處形成的所述氧化鋁涂層的厚度相比，其差別小于10％。
17.一種包含形狀復(fù)雜的鋁部件的半導(dǎo)體處理設(shè)備，所述鋁部件具有摩擦焊接區(qū)域，其中所述焊接區(qū)域的至少一部分具有在其上形成的氧化鋁涂層，且其中在所述鋁部件中不多于0.2％的微粒具有在50微米和20微米之間變化的計(jì)算有效直徑，而所有其他微粒的計(jì)算有效直徑更小，且其中在焊接線和焊接母體材料之間的硬度差別小于大約15％。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中，在所述摩擦焊接區(qū)域處形成的氧化鋁涂層的厚度與在未被焊接的所述鋁部件的表面處形成的所述氧化鋁涂層的厚度相比，其差別小于10％。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中不多于0.1％的所述微粒具有在50微米和20微米之間變化的計(jì)算有效直徑。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中所述計(jì)算有效直徑在40微米和20微米之間變化。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中所述計(jì)算有效直徑在40微米和20微米之間變化。
22.一種包含形狀復(fù)雜的鋁部件的半導(dǎo)體處理設(shè)備，所述鋁部件具有摩擦焊接區(qū)域，其中所述焊接區(qū)域的至少一部分具有在其上形成的氧化鋁涂層，且其中在所述鋁部件中不多于0.2％的微粒具有在50微米和20微米之間變化的計(jì)算有效直徑，而所有其他微粒的計(jì)算有效直徑更小，且其中，在所述摩擦焊接區(qū)域處形成的氧化鋁涂層的厚度與在未被焊接的所述鋁部件的表面處形成的所述氧化鋁涂層的厚度相比，其差別小于10％。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中不多于0.1％的所述微粒具有在50微米和20微米之間變化的計(jì)算有效直徑。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中所述計(jì)算有效直徑在40微米和20微米之間變化。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中所述計(jì)算有效直徑在40微米和20微米之間變化。
全文摘要
本申請(qǐng)?zhí)峁┌螤顝?fù)雜的鋁部件的半導(dǎo)體處理設(shè)備，其中在所述鋁部件中存在摩擦焊接區(qū)域，其中在所述鋁部件的焊縫中不多于0.2％的微粒具有在50微米和20微米之間變化的計(jì)算有效直徑，而所有其他微粒的計(jì)算有效直徑更小，由此，所述焊縫中的有效直徑微粒尺寸不大于在所述鋁部件的非焊接區(qū)域中的有效直徑微粒尺寸，且其中所述鋁部件包括按重量從大約0.1％到大約6.0％變化的鎂，和選自由硅、鐵、銅、鉻、鈦和鋅組成的組中的其余雜質(zhì)，按重量所述其余雜質(zhì)的總含量小于2.0％。對(duì)于暴露在腐蝕性等離子體環(huán)境中的焊接部件，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，提供改進(jìn)的性能。
文檔編號(hào)B23K20/24GK101064243SQ20071010917
公開(kāi)日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2003年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月26日
發(fā)明者S·撒奇, J·Y·孫, S·J·吳, Y·林, C·C·斯托 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料有限公司