KR20050090409A - 미세-가공되고 일체화된 유체 전달 시스템 - Google Patents

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존 더블유. 레인
마이클 제이. 데첼리스
크리스 멜서
에리카 알. 포라스
애니쉬 쿨라르
발라라베 엔. 모하메드
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

공간-보전적인 일체화된 유체 전달 시스템을 개시하며, 이는 반도체 처리 장치의 가스 분배에 특히 유용하다. 또한, 본 발명은 일체화된 유체 유동 네트워크 구조물에 관한 것이며, 이는 유체 유동 채널들을 포함하는 적층형 기판에 추가하여, 다양한 유체 취급 및 감지 구성요소들을 포함할 수 있다. 적층형 기판은 확산 결합되고 다양한 유체 취급 및 감지 구성요소들은 설계 및 물질 요구사항에 따라 부분적으로 일체화된 또는 전체적으로 일체화된 기판이 될 수 있다.

Description

미세-가공되고 일체화된 유체 전달 시스템{MICROMACHINED INTERGRATED FLUID DELIVERY SYSTEM}
본 출원은, 2002년 12월 20일 출원되어 현재 절차 계속중인 미국 출원 번호 10/328,135의 일부의 연속 출원이다.
본 발명은 반도체 처리 장치에서 가스 분배에 특히 유용한 공간-보전적인 일체화된 유체 전달 시스템에 관련된 것이다. 또한, 본 발명은 간결한 설계의 온/오프(on/off) 밸브에 관한 것으로, 반도체 처리 장치에서 가스의 유동을 허용하거나 또는 방지하는데 적합하다. 또한, 본 발명은 필터, 압력 센서, 유체 열 센서, 층류 소자, 압력 제어기, 제어 밸브, 유동 제한기, 및 체크 밸브와 같이 일체화되어 서로 다른 정도의 유체 전달 네트워크 구조물 구조가 될 수 있는 기타 일체화된 유동 구성요소에 관한 것이다.
통상 유체 취급에 의존하는 화학 처리에서 그리고 취급될 유체가 위험하고 반응성 물질인 경우, 개선된 시스템 유출 신뢰도 및 유체 취급 장치 및 네트워크 구조물의 일반적 처리 시스템으로의 안정적 일체화가 매우 중요하다. 추가로, 유체 취급에 사용되는 모든 구성요소 장치가 전체적인 유체 유동 네트워크 구조물로 만족스럽게 일체화되어 시스템 유출 신뢰도를 보장하고, 크기 감소를 제공하고, 그리고 유연한 제어를 가능하게 하는 것이 중요하다. 반도체 처리와 같은 실시예에서 예를 들면 유체 구성요소 장치는 유체 전달 처리의 세정을 보장하는 특별한 특징을 만족해야 하며, 그 결과 조립된 고체 상태 장치가 성능 및 신뢰도에 영향을 주도록 오염되지 않을 수 있다.
가장 널리 사용되는 유체 구성요소 장치중 하나는, 과거 입자 오염의 공급원이었던 온/오프 밸브이다. 유체 온/오프 밸브는 소정의 특정 성능을 만족해야 한다. 먼저, 유체 유동을 허용하거나 방지해야 하며, 이는 일 기압의 압력차에서 헬륨 약 1 x 10-9cc/sec 정도의 적은 양의 사실상 절대적인 차단 및 사실상 0(또한 일 기압의 압력차에서 헬륨 약 1 x 10-9cc/sec)의 외부 유출을 포함한다. 헬륨은 그 작은 원자크기, 확산도 및 높은 이동성 때문에 유출 시험에서 전형적으로 사용된다. 이는, 종종 극도로 유독하거나 부식성 처리 유체 환경에 노출되는 것을 방지하는 능력의 지표이다. 유체 온/오프 밸브는 필수적으로 유체의 높은 정화도를 유지해야 하며, 이는 다소의 입자량을 주지 않음을 뜻하며, 상기 입자는 밸브의 습윤한 부분 내의 마모 부분에 의해 전형적으로 생성된다. 유체 온/오프 밸브는 유체의 부식에 대해 훌륭한 저항성을 갖고 처리해야 한다. 전달되는 다수의 유체의 독성으로 인해, 매우 놓은 시스템 유체 신뢰도 및 긴 수명(차단 및 부품 교환 필요의 회피)이 매우 중요하다. 또한, 간결한 설계 및 합리적인 가격이 중요하다.
현재 유지되는 공간 일체화된 유체 전달 시스템에서의 작업 동안, 온/오프 밸브는 전술한 다수의 장점을 제공하도록 설계되었다. 일체화된 유체 전달 시스템의 기술에 추가하여, 온/오프 밸브는 본 명세서에서 상세히 개시된다.
본 발명은, 일체화된 유체 유동 시스템에 관한 개념이 개선된 성능뿐만 아니라 조립시 많은 비용의 감축을 허용하는 새로운 일체화 수준을 취하도록 한다. 감소된 조립 비용으로 인해 그리고 적정하게 균형잡힌 모듈 방식 수준의 결과로서, (본 설계의 일체화된 모듈의 일부분인) 각각의 구성요소 장치에 관해서 긴 유지 및 보수 작업을 위해 시스템을 차단하는 것보다 일체화된 모듈을 대체함으로써 유체 전달 시스템의 유지 비용을 감소하는 것이 가능하다.
반도체 산업에서 매우 높은 시스템 유출 신뢰도 및 긴 수명(차단 및 부품 교환 필요의 회피)의 중요성은, 온/오프 밸브의 설계에 대해서 고려되어야 하는 인자들에 의해 설명된다. 예를 들어, 유체 유동 밸브에서 습윤한-유체 부분들 각각은 높은 내부식성 물질로 조립되어야 한다. 일반적인 화학 처리 산업에서, 처리 제어 밸브들은 종종 내부식성 플라스틱 또는 탄성체 밸브 시트(seat)들을 채용한다. 금속 밸브 시트들은 밸브 시트 유지 및 유체 세정 유지 면에서 장점을 제공하지만, 금속 밸브 시트는 철저한 차단을 신뢰할 수 있도록 제공하기 위해 중합체 시트에 비해 높은 시팅력(seating force)를 필요로 한다. 그 결과, 모든 금속 밸브 시트들이 중합체 시트의 밸브에 비해서 크기 및 비용이 전형적으로 매우 크다. 모든 금속 밸브의 추가적인 장점은, 높은 온도로 가열되면 매우 높은 건조 특성이 있다는 성능을 포함한다.
가스의 유동을 제어하도록 금속-금속 시팅을 갖는 바람직한 밸브 중 하나의 예시는 밸브 내에 장착된 유연한 금속 격막(diaphragm)을 채용하는 것이며, 상기 격막은 금속 시트가 가스 통로를 폐쇄 및 개방하면서 밀봉 접촉부 내외부로 각각 이동할 수 있다. 밸브 시트는, 가스 유동 통로 주변으로 연장되는 시팅 섹션(seating section) 둘레에서 비교적 작은 단면적 반지름의 둥근 금속 밀봉 돌출부를 갖는다. 유연한 금속 격막은, 가수 유동 통로의 좁힘 또는 폐쇄 동안 격막에 강하게 접촉하는 금속 백킹 부재(metal backing member)를 채용한 액튜에이터(actuator)에 의해서 시트의 금속 밀봉 돌출부를 구비한 실링 접촉부 안팎으로 이동된다. 이러한 모든 금속 밸브에 대한 추가적인 정보를 위해, 당업자는 루이스 올리비에(Louis Ollivier)의 1988년 5월 26일 공보된 미국 특허 제 5,755,428 호를 참조할 것이다.
전술한 바와 같이, 기계적 밸브에서 유체 외부 누출 처리 및/또는 유체 공격 처리의 잠재적인 문제는, (다른 폐쇄 기술 중에서) 금속의 습윤 부분들을 갖는 격막 밸브의 사용으로 처리된다. 그러나 전술한 설계에서, 밸브 시트가 금속인 경우, 중합체 밸브 시트에 비해 특히 높은 시팅력이 필요하다. 전형적으로, 플라스틱 시트가 높은 사이클의 실시예에서 사용되는 경우, 시트의 플라스틱 변형은 보다 낮은 밸브 신뢰도를 이끈다. 밸브는 전형적으로 일반적-폐쇄 위치에서 작동되어 액튜에이터의 (전기식 또는 공기식) 원동력의 손실 이벤트에서 "고장 안전(fail-safe)"을 제공한다. 액튜에이터가 금속 밸브 시트에 필요한 큰 힘의 인가 가능한 3cm 내지 10cm의 차수 길이의 스프링(또는 스프링들)을 채택하는 경우, 밸브 그 자체가 비싸서 유사한 성능의 플라스틱-시트된 밸브 가격에 비해 약 5 ~ 6배에 종종 이른다. 모든 습윤한-유체 부분이 금속이며 밸브가 설계상 간결하고 최종 사용시 일체화시키기에 용이한 내부식성 온/오프 밸브를 갖는 것이 매우 바람직하다.
일체화된 제어 시스템을 구비한 채널 및 유체 유동 장치의 일체화된 네트워크 구조물에 있어서, 보다 높은 정도의 일체성, 단순성, 및 작동 용이성의 일정하게 필요하다. 실시 및 취급상 장점에 부가하여, 일체화된 유체 유동 시스템은 가격 경쟁력이 있어야 한다. 이는, 다양한 유체 취급 장치, 상호 연결 네트워크 구조물 및 일체화된 제어 시스템을 위한 조립 방법이, 대량 생산, 다양한 제조 요구 및 효과적인 가격의 NRE(Non-recurring Engineering: 비회귀기술) 비용을 위해 용이하게 치수 조정 가능할 필요가 있다는 것을 의미한다.
도 1은, 본 발명의 온/오프 밸브의 일 실시예의 개략적인 단면도이며,
도 2는, 도 1에서 도시된 온/오프 밸브(100) 실시예의 개략적인 3차원상 측면도이며,
도 3a는, 확산 결합을 사용하여 조립된 온/오프 밸브(300)의 일 실시예의 개략적인 단면도이며,
도 3b는, 도 3a에서 도시된 밸브의 3/4의 개략적인 3차원 도면이며,
도 3c는, 도 3b 밸브의 개략도로서, 일시적으로 강하지만 분해 가능한 지지부(363) 또한 도시하고, 상기 지지부는 온/오프 밸브(300)의 하부 섹션(303)의 확산 결합 동안 격막(302) 및 아래에 놓인 층(348)으로부터 시트(314)를 멀리서 잡는데 사용되며,
도 4a는, 고리형 밀봉의 일 실시예의 확대도이며, 이는 본 발명의 제어 밸브의 일 실시예에서 금속성 밸브 시트로서 사용될 수 있으며,
도 4b는, 도 4a에서 도시된 고리형 밀봉의 측면도이며,
도 5a는, 서로 다르게 패턴화되고 화학적으로 또는 전기화학적으로 에칭된 일련의 금속층(510, 520, 530, 540, 및 550)의 평면도를 도시하고, 이는 확산 결합되어 유체 취급 구조물을 형성할 수 있으며,
도 5b는, 도 5a에서 도시된 패턴화된 금속층의 조립체의 3차원 분해도를 도시하며, 이는 180도 회전되지는 않은 것이고, 금속층(530)이 5회 반복되어 적당한 형태의 치수를 9-층 구조물 내에서 제조하며
도 6a는, 그 일부는 다른 것보다 일체화되어 아래에 놓인 기판(605)이 되는 다양한 구성요소 장치(620)에 부가하여, 다수의 확산-결합된 (도 5b에서 도시된 구조물(500)과 유사한) 서브-유닛(610)을 포함하는 가스 분배 네트워크 구조물 조립체(600)의 개략적인 측면도이며,
도 6b는, 도 6a에서 도시된 조립체와 유사한 가스 분배 네트워크 구조물 조립체의 3차원적 분해도이며, 다양한 구성요소 장치의 높은 정도의 일체화로 아래에 높인 기판이 되며,
도 7a는, 완전히 일체화되어 다-적층형 유체 취급 네트워크 구조물이 될 수 있는 종류의 일체화 가능한 다-적층형 압력 센서(700)의 개략적인 3차원 도면이며,
도 7b는, 도 7a에서 도시된 압력 센서(700)의 측면(702)의 개략적인 측면도이고, 그 위에 단면도를 위한 선 A-A가 도시되어 있으며,
도 7c는, 도 7a에서 도시된 압력 센서(700)의 측면(704)의 개략적인 측면도이고, 그 위에 단면도를 위한 선 B-B가 도시되어 있으며,
도 7d는, 도 7b에서 도시된 압력 센서(700)의 A-A에서의 개략적인 단면도이고,
도 7e는, 도 7c에서 도시된 압력 센서(700)의 B-B에서의 개략적인 단면도이고,
도 7f는, 도 7a에서 도시된 압력 센서(700)의 3차원적 분해도이며, 이는 완전히 일체화 가능한 압력 센서를 만드는 각각의 구성요소 층을 설명하며,
도 7g는, 세라믹 디스크(724)의 아랫면(742)의 확대도이며, 이는 중앙 전극(744) 및 외측 전극(746)을 설명하며,
도 8a는, 완전히 일체화 가능한 인-라인 필터(in-line filter)를 포함하는 적층형 구조물(830)을 형성하기 위한 시작형 구조물(800)의 개략적인 분해도이며,
도 8b는, 시작형 구조물(800)로부터 제조된 적층형 구조물(830)의 평면도를 개략적으로 도시하고, 그 위에 단면도를 위한 선 A-A가 도시되어 있으며,
도 8c는, 완전히 일체화 가능한 입자들의 인-라인 필터(850)를 포함하는 적층형 구조물(830)의 A-A에 따른 단면도를 개략적으로 도시하며,
도 8d는, 적층형 구조물(830)의 개략적인 3차원적 3쿼터뷰(quarter view)로서 보다 많이 도시하고 인-라인 필터(850)의 입구(832) 및 출구(834)를 설명하며,
도 9a는, 일체화된 유체 전달 시스템(900)의 평면도이며, 이는 도 6b에서 도시된 종류의 가스 분배 조립체(910) (가스 스틱: gas stick) 다수를 포함하고, 이는 매니폴딩 시스템(manifolding system)(930 및 940)이 부착된 가스 스틱을 구비하며,
도 9b는, 도 9a에서 도시된 일체화된 유체 전달 시스템(900)의 3차원적 도면이며,
도 10은, 스테인레스 강 표면이 좋은 내부식성을 갖도록 하는 부동화(passivation) 처리를 위한 흐름도이다.
본 발명은 반도체 처리 장치에서 가스 분배에 특히 유용한 공간-보전적인 일체화된 유체 전달 시스템에 관한 것이다. 본 발명은, 간결한 설계의 일체화된 온/오프 밸브, 필터, 압력 센서, 유체 열 센서, 및 층류 소자를 포함하는 다양하게 일체화된 유체 취급 장치로서, 반도체 처리 실시예에서 가스의 유동을 정밀하게 제어하는데 적합하다. 온/오프 밸브와 같은 일체화된 유체 취급 장치 및 일체화된 유체 전달 시스템은, 장치에 따라 다양한 정도의 적층형 기판 기술을 채용한다. 적층형 기판 기술에서 유체 유동 채널, 구성요소 장치 구조의 일부분은 그리고 소정의 실시예에서의 완전한 구성요소 장치 구조는 일체화되어 유체를 취급하며 상호 연결된 네트워크 구조물이 된다. 유체 유동 채널은 패턴화된 금속 및 금속 합금층을 사용하여 제조되고, 이는 선행 기술상 공지된 어떤 방법에 의해서도 패턴화될 수 있으나, 화학적으로 또는 전기화학적으로 에칭되거나 또는 서로 부착되어 적층형 기판을 제조한다. 패턴화된 금속층을 부착하는 바람직한 방법 중 한 가지는 확산 결합(diffusing bond)이다. 구성요소 장치 구조 및 완전한 장치 구조의 일부분은 패턴화된 금속 및 함께 부착된 금속 합금 층을 사용하여 제조되며, 전형적으로 동시에 유체 유동 네트워크를 형성하도록 유체 유동 채널을 구비한다. 부분적으로 일체화된 또는 전체적으로 일체화된 장치 구조를 적층형 기판으로 하는 확산 결합은 이하 상세히 개시된다.
일체화된 온/오프 밸브의 하나의 실시예는, (예시적이고 이에 한정되는 것은 아닌) 반도체 처리 공정에서 유체 체리를 제어하도록 사용되는데 적합한 것과 같은 것으로, 조립되어서 밸브의 습윤한-유체 표면이 내부식성 금속 또는 금속 합금으로부터 구성되고, 밸브의 습윤한 섹션을 밸브의 비 습윤 구동 섹션으로부터 분리하는 금속 격막을 포함한다. 습윤한 섹션에서는 처리 유체는 하나 또는 그 이상의 입구 포트(entrance port)를 통해 진입한다. 습윤한 섹션으로부터의 출구 포트는 환형 금속 밸브 시트를 포함한다. 밸브 시트는 출구 포트의 내부 립(lip)으로서 또는 내부 립 위에서 형성된다. 밸브가 폐쇄되는 경우, 유체 유동은 밸브 시트에 대해 단단히 가압된 격막의 섹션에 의해 저지된다. 유체는 어느 방향으로도 유동할 수 있다.
금속 밸브 시트는, 격막 및 그 백킹 디스크에 의해 가압되는 경우 탄성적으로 변형되는 동적 시트가 바람직하며, 그 결과 시트가 밸브가 폐쇄되고 재개방되는 각각의 시각에 밸브의 폐쇄에 의해 영구적으로 변형된다기보다는 회복(recover)된다.
밸브의 습윤한 섹션에서, 금속-금속 결합은 확산 결합을 사용하여 바람직하게 이루어질 수 있다. 확산 결합은 직접적인 결합 처리이며, 이는 용접된 조인트가 그러하듯 처리 유체를 흡수하거나 릴리싱하지 않고 처리 유체에 불순물을 부가하지 않는 강한 결합을 제공한다. 어떠한 접착제(또는 접착제 찌꺼기)도 습윤한 유동 통로 위에 존재하지 않는다는 것이 중요하다. 확산 결합은 비싼 밀링(milling) (기계가공) 없이 복잡한 형태의 구조를 허용한다.
확산 결합이 가장 효과적이도록 확산 결합 전 결합되는 금속 표면이 약 0.1Ra 내지 최대 약 30Ra 범위에서 평균 표면 거칠기(surface roughness)를 가져야 한다. 전형적으로, 결합되는 금속 표면은 약 0.5Ra 내지 최대 약 10Ra의 범위에서 표면 거칠기를 갖는다. 금속 표면이 약 1.5Ra 내지 최대 약 3.0Ra의 범위에서 표면 거칠기를 가질 때 확산 결합이 가장 잘 이루어진다는 것을 발견하였다.
일부 경우에는, 확산 결합 전 금속 표면이 전해 연마 또는 기계적 평탄화에 의해 바람직한 표면 거칠기를 갖도록 미리 처리될 필요가 있을 것이다. 예를 들어, 스테인레스 강은, 선행 기술상 공지된 표준적 방법에 따라 염화 제 2 철을 사용하여 화학적으로 또는 전기화학적으로 에칭될 수 있다. 헤이스텔로이®(HASTELLOY®)와 같이 에칭하기 어려운 물질의 전기화학적 에칭을 위한 처리는, 게하르트(Gebhart)의 2001년 4월 24일 공보된 미국 특허 제 6,221,235 호에 개시된다. 특정 물질은, 바람직한 범위 내의 표면 거칠기를 얻도록 화학적 또는 전기화학적 에칭 처리 전에 표면을 매끄럽게 하는 기계적 평탄화를 필요로 할 수 있다. 금속 표면의 기계적인 평탄화는 공지된 선행 기술에 따라서 실시될 수 있다.
다른 실시예로서, 금속 표면은 바람직한 표면 거칠기 내에서 제조될 수 있고, 확산 결합 전에 전기화학적 또는 기계적으로 미리 처리될 필요가 없을 수 있다. 예를 들어, 미국 재료 시험 협회(ASTM) 규격의 (롤형의(rolled)) 스테인레스 강 시트를 위한 표면 거칠기는 (ASTM 480 BA - bright annealed; 브라이트 어닐링된 상태에서) 0.5Ra 내지 4.0Ra이다. 확산 결합 전, 어떠한 전기적으로 매끄럽게 하는 것도 이러한 물질을 위해 필요하지 않다. 그러나 확산 결합 이후, 이러한 강 표면의 내부식성을 개선하도록 부식 물질과 접촉하게 될 강 표면을 처리하는 것이 필요하다.
밸브의 비-습윤 구동 섹션에서는 슬라이딩 실린더(sliding cylinder)가 상하로 움직이며 하부 수평 부재를 가압하고, 이는 전형적으로 격막에 대해 볼록한 접촉 표면을 포함하며, 상기 격막은 밸브에 근접한 밸브 시트에 대해 차례로 가압한다. 상기 격막은 밸브 시트로부터 멀어지도록 이동하여 밸브를 개방한다. 슬라이딩 실린더는 수직 부재에 의해 보다 작은 하부 수평 부재에 연결된 상부 수평 부재를 갖는다. 슬라이딩 실린더는 단일 부품으로 구성될 수 있다. 밸브는, 슬라이딩 실린더의 상부 수평 부재의 위에서 인가된 스프링 힘에 의해 일반적으로-폐쇄된 위치에서 유지된다. 스프링은 슬라이딩 실린더의 하부 수평 부재를 구동하며, 이는 격막에 대해 (백킹 디스크와 같이 작동하는) 볼록한 표면을 포함한다. 슬라이딩 실린더는, 상부 수평 부재 및 하부 수평 부재 모두의 둘레에서 기밀식 밀봉(gas-tight seal)을 갖는다. 전형적인 기밀식 밀봉은 "O"자형 고리 중합체이다. 밸브는, 슬라이딩 실린더의 상부 수평 부재와 하부 수평 부재 사이의 공간에서 인가되는 가압 가스로부터의 공기력에 의해 개방된다. 가압 가스가 상기 공간 내에 인가될 때, 가압 가스는 상부 수평 부재 위에 배치된 스프링 조립체 또는 스프링을 압축하고, 슬라이딩 실린더가 올라가도록 허용하고, 그리고 하부 수평 부재 아래쪽에 있는 격막이 금속성 시트 위쪽으로 올라가서 유체가 금속성 시트 내의 환형 개구부를 통해 유동하도록 허용한다.
폐쇄하는 힘을 제공하기 위한 벨리빌 스프링(Belleville spring)의 사용은 코일 스프링(coil spring)의 사용보다 매우 간결한 밸브 액튜에이터를 허용한다.
유체의 의한 비-습윤 밸브의 구동 섹션에서, 금속-금속 결합은 고-강도 접착제를 사용하여 바람직하게 이루어질 수 있으며, 습윤 섹션에서 확산 결합을 수행하는데 관여된 증가된 압력 및 온도를 기계적 밸브가 받을 필요가 없고, 보다 적은 부식/침식 저항성이긴 하나 간단하고 낮은 비용의 대안적인 확산 결합을 제공한다.
온/오프 밸브의 습윤 부분의 제조와 관련하여 전술한 화학적 또는 전기화학적인 에칭 및 확산 결합 기술은, 반도체 처리와 같은 부식성 환경에서 사용되는 전체적으로 일체화된 유체 전달 네트워크 구조물의 준비에서 사용될 수 있다. 일체화된 유체 전달 네트워크 구조물은 적어도 하나의 가스 분배 채널을 채용한 조립체를 포함하며, 상기 조립체는 함께 확산 결합된 다수의(즉, 적어도 2개의) 금속층을 채용한 구조물를 포함한다. 금속층은, 스테인레스 강(전형적으로 400시리즈 스테인레스 강, 헤이스텔로이®(전형적으로, 헤이스텔로이® C-22), 엘질로이®(ELGILOY®), 및 이들의 조합체로 구성된 그룹으로부터 전형적으로 선택된다. 각각의 금속층은 전형적으로 약 0.0005인치 내지 약 0.06인치의 범위에서; 보다 전형적으로 약 0.002인치 내지 약 0.05인치의 범위에서; 보다 전형적으로 약 0.025인치의 두께를 갖는다.
금속층은 전형적으로 일련의 통공(through-hole)을 포함하며, 그 결과 층들이 특정 방법에 의해 적층될 때, 정렬된 통공의 조합이 적층 내에서 바람직한 특정 내부 형상을 제공한다. 내부 형상은 채널 또는 다른 기능적인 장치 구조를 포함한다. 통공은 형태 면에서 전형적으로 둥글거나 또는 장방형이며, 그 결과 유체 전달 시스템의 작동 동안 마모되거나 입자를 제공하는 어떠한 날카로운 모서리도 없다. 금속층은 화학적 에칭, 전기화학적 에칭 또는 이들의 조합을 사용하여 바람직하게 에칭되어서 층들이 함께 결합하여 기능적인 유체 취급 네트워크 구조물이 되도록 확산 결합 처리되기 이전에 통공을 제공한다. 화학적 에칭, 그리고 바람직하게 전기화학적 에칭의 사용은 통공의 보다 매끄러운 표면을 제공하는 경향이 있으며, 이는 유체 취급 네트워크 구조물로부터의 오염 입자의 공급을 감소하도록 한다. 일부 실시예에서, 통공 에칭 전에 금속층의 표면 조건에 따라서, 화학적 또는 전기화학적 에칭 처리는 또한 확산 결합 처리 동안 결합되는 표면의 거칠기를 감소시키며, 보다 훌륭하게 확산 결합이 되도록 한다.
(예시적이고 이에 한정되는 것은 아닌) 층류 장치, 대량 유동 제어기 또는 유동 감지 장치, 유동 제한기, 온/오프 밸브, 체크 밸브, 필터, 압력 제어기, 및 압력 센서와 같은 다양한 구성요소 장치들은 전술한 적층형 구조물의 적어도 일부분으로 채택될 수 있다. 소정의 실시예에서는, 장치의 요소들을 다-적층형 구조물에서 포함하는 것이 실질적이지 않은 경우 구성요소 장치의 일부분이 유동 취급 네트워크 구조물에 장착된 표면일 수 있다.
결합 전에 구성요소 장치의 적어도 일부분을 금속층의 적층 내에서 채택함으로써 다양한 구성요소 장치를 다-적층형 구조물 내에서 일체화하는 것이 바람직하다. 확산 결합된 다-적층형 구조를 채택하기에 매우 적합한 구성요소들은 필터, 압력 센서, 및 밸브를 포함하며, 예시적이고 이에 한정되는 것은 아니다.
다-적층형을 사용하도록 하는 가스 분배 조립체의 일 실시예로서 확산 결합된 요소는 이하의 단계를 포함하는 방법에 의해 조립된다. 다수의 금속층을 제공하는 단계; (소정의 실시예에서 모든 층들이 에칭될 필요는 없으며) 하나 이상의 금속층에서 적어도 하나의 형태를 에칭하는 단계; 다수의 금속층을 정렬하는 단계; 그리고 다수의 금속층을 확산 결합하는 단계를 포함한다. 전형적으로 에칭은 전기화학적 에칭으로, 에칭된 금속층의 표면 마감 면에서 이점을 제공한다.
내부식성 금속층의 확산 결합 면에서, 각각의 금속층이 400시리즈 스테인레스 강인 경우 또는 금속층의 대부분이 낮은 확산 결합 온도에서 결합된 물질의 층과 조합되어 400시리즈 스테인레스 강인 경우, 확산 결합은 전형적으로 약 1000℃ 내지 약 1300℃의 범위 내에서의 온도에서, 약 3000psi 내지 약 5000psi의 범위 내에서의 압력에서, 약 3시간 내지 약 6시간의 범위의 시간 동안 실시된다. 각각의 금속층이 헤이스텔로이® C-22이거나 또는 금속층의 대부분이 낮은 확산 결합 온도에서 결합된 물질의 층과 조합된 헤이스텔로이® C-22인 경우, 확산 결합은 전형적으로 약 1000℃ 내지 약 1300℃의 범위 내에서의 온도에서, 약 8000psi 내지 약 10,000psi의 범위 내에서의 압력에서, 약 3시간 내지 약 6시간의 범위의 시간 동안 실시된다. 400시리즈 스테인레스 강 층과 헤이스텔로이® C-22 층의 조합이 확산 결합된 경우, 확산 결합은 전형적으로 약 1000℃ 내지 약 1300℃의 범위 내에서의 온도에서, 약 4000psi 내지 약 10,000psi의 범위 내에서의 압력에서, 약 3시간 내지 약 6시간의 범위의 시간 동안 실시된다. 400시리즈 스테인레스 강 층과 엘질로이® 층의 조합이 확산 결합된 경우, 확산 결합은 전형적으로 약 1000℃ 내지 약 1300℃의 범위 내에서의 온도에서, 약 4000psi 내지 약 10,000psi의 범위 내에서의 압력에서, 약 3시간 내지 약 6시간의 범위의 시간 동안 실시된다.
또한, 반도체 처리 챔버 구성요소를 확산 결합 처리를 사용하는 반도체 처리 챔버에 부착하는 것도 가능하다. 반도체 처리 챔버 구성요소는 가스 분배 네트워크 구조물이거나 또는 수동 밸브, 자동 밸브, 압력 및 온도 센서, 유동 제어기, 필터, 압력 제어기, 체크 밸브, 계량 밸브(metering valve), 니들 밸브(needle valve), 및 정화기로 구성된 그룹으로부터 선택된 구성요소 장치일 수 있으며, 이는 예시적이고 이에 한정되는 것은 아니다. 구성요소가 결합되는 반도체 처리 챔버는 전형적으로 챔버, 화학 증착 챔버(CVD chamber: chemical vapor deposition chamber), 물리 증착 챔버(PVD chamber: physical vapor deposition chamber)를 에칭할 수 있으며, 이는 예시적이고 이에 한정되는 것은 아니다. 사용되는 특정 확산 결합은, 결합될 표면 영역의 접근성 및 형태 뿐만 아니라 챔버 및 챔버 구성요소의 구성 물질에 의할 것이다.
또한, (헤이스텔로이 C-22와 같은) 화학적 에칭에 저항성이 있는 미세-구조(microstructure)를 갖는 금속의 에칭성을 증가시키는 방법이 여기서 개시될 것이다. 이는, 금속에 내부식성을 제공하는 미세-구조를 순간적으로 제거함으로써 달성된다. 미세-구조는, 적어도 몇 분의 간격 동안 약 1800℉ 내지 약 2000℉의 범위의 온도에서 금속을 가열함으로써 금속으로부터 제거된다. 열-처리된 금속은 열처리 전보다 화학적으로 용이하게 에칭될 수 있다. 화학적 에칭에 이어서, 금속이 본래의 내부식성을 다시 획득하도록 미세-구조가 금속으로 회귀해야 한다. 이는, 적어도 약 30분 동안 약 2100℉보다 높은 온도로 금속을 가열하고, 이어서 약 300℉ 이하의 온도에서 약 5분의 시간 동안 금속을 빠르게 냉각함으로써 달성된다. 제 2 열처리 단계는 2개 또는 그 이상의 금속층의 확산 결합과 동시에 수행될 수 있다. 전술한 방법은, 약 43 내지 약 71중량%(weight%) 사이의 니켈 및 약 1 내지 약 30중량% 사이의 크롬을 포함하는 내부식성 금속 합금의 처리에 특히 유용하며, 이는 예시적이고 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 서설에서와 같이, 문장이 명확하게 지시하지 않더라도, 본 설명부 및 이하 청구범위에서 사용되는 "a", "an", 및 "the"의 각각의 형태는 많은 의미를 내포하고 있음을 주지하여야 한다. 금속 또는 금속성이 사용되는 경우, 이는 금속 합금을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 이해를 위해 중요한 다른 용어들도 본 실시예를 통해 문장 내에서 정의된다.
설명의 목적으로서, 적층형 구조물 개념의 일 실시예가 간결한 유체 온/오프 밸브의 설계 면에서 개시될 것이며, 여기에서 간결한 유체 온/오프 밸브의 일부분이 일체화되어 유체 취급 네트워크 구조물이 된다. 도 1 및 도 2는 발명된 형상을 다수 채택한 밸브(100)의 일 실시예를 설명한다. 도 1 및 도 2에서, 밸브를 통해 유동하는 유체를 접하는(유체에 의해 습윤해진) 모든 부분들은 금속성이다. 특히 부분들(102, 103, 및 104)은 습윤해진 부분들이다. 전형적으로, 금속성 물질은 높은 내부식성이 있다. 밸브(100)는 금속 격막(102)을 포함하며, 이는 밸브(100)의 습윤한 섹션(104)을 밸브(100)의 구동 섹션(106)으로부터 분리한다. 밸브(100)가 일반적으로-폐쇄된 위치에 있는 경우, 금속 격막(102)은 금속 밸브 시트(114)에 대해 밀봉을 제공한다. 화살표(107)로서 도시된 유체가 일단 입구 포트(108)를 통해 진입하면, 격막(102)의 하부 표면(115)은 밸브(100)가 개방되거나 폐쇄될 때 모두 유체와 접한다. 내부식성 물질을 격막(102)의 표면(115) 위에 사용하는 것이 바람직하다. 격막(102)은, 높은 내부식성이 있는 것에 부가하여, 수많은 개방-폐쇄 사이클의 긴 간격에서도 작동한다면 훌륭한 휨(flexure) 특성을 가져야 한다. 환경으로의 어떠한 유출도 없음을 보장하도록, 밸브(100)의 습윤한 부분(104)으로부터 밸브(100)의 구동 섹션(106)으로의 처리 가스 누출은, 적어도 15초 동안 밸브 밀봉 인터페이스(103S)를 가로지르는 1atm He의 기압 차에서 1 x 10-9cc/sec 또는 그 미만(SEMI F1 standard: 세미 에프1 규격)이어야 한다. 챔버(131)는 격막(102)의 대기 측에서 낮은 압력이며, 이러한 챔버는 격막 윗면 측면 환기구(side vent)(138)에 의해 전형적으로 환기되며, 그 결과 압력이 만들어질 수 없다.
금속 격막(102)은, 엘질로이®, (세이코 일렉트론(Seiko Electron)으로부터 입수 가능한) 스프론(SPRON)TM 510, 스프론TM 100, 헤이스텔로이®, 또는 인코넬®(INCONEL®)과 같은 니켈-코발트 합금으로 바람직하게 제작될 수 있다. 격막은 단일 두께를 갖거나 또는 적층형 일 수 있다. 많은 경우, 격막은 다-적층형이며 2개 내지 3개의 (결합될 필요 없이) 적층형 격막일 것이다. 다-적층형 격막은 보다 나은 밀봉을 제공하고 탄성을 부가한다. 각각의 격막은 약 0.001 내지 약 0.007인치(0.1밀 내지 7밀)의 범위 내에서 전형적으로 두께를 가질 것이다. 다-적층형 격막 내에 있는 각각의 격막은 (반드시 필요하지는 않지만) 전형적으로 동일한 물질일 것이다. 대안적으로, 다-적층형 격막을 사용하는 대신, 다양한 두께로 기계가공되었던 각각의 격막이 사용될 수 있다.
격막(102)은 습윤한 바디 섹션(103)의 표면(103S)에 부착된 그 가장자리에 의해 자리잡혀 있으며, 그 결과 격막(102)은 하부 습윤 바디 섹션(103)과 비-습윤 구동 바디 섹션(117) 사이에서 유지된다. 격막(102)과 습윤 바디 섹션(103) 사이의 조인트(joint)는 전형적으로 확산 결합된 조인트이다. 대안적으로, 조인트는 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다. 그러나 확산 결합이 보다 강하고 신뢰성 있는 결합을 전형적으로 제공한다.
밸브(100)의 하부 바디 섹션(103)은 밸브(100)를 통과하는 유체에 의해 습윤하게 된 표면(105)을 포함한다. 전형적으로, 400시리즈 스테인레스 강, 헤이스텔로이® C-22(인디아나, 코코모(Kokomo, Indiana)의 하이네스 인터내셔널 사(Haynes International, Inc.)의 등록 상표), 인코넬®(뉴욕, 뉴 하트포드(New Hartford, New York)에 사무실을 갖는 화사 그룹인 스페셜 매터리얼스 매탈 사(Special Materials Metal Corp.)의 등록 상표), 및 엘질로이®(일리노이, 엘진(Elgin, Illinois)의 엘질로이 스페셜티 메탈스(Elgiloy Specialty Metals)의 등록 상표)와 같은 내부식성 금속 또는 금속 합금으로 하부 바디 섹션(103)을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 동일한 물질들은 격막(102)을 제작하는데 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 격막(102)은 다소 유연할 수 있으며, 격막의 두께는 전형적으로 약 0.025mm 내지 약 0.18mm의 범위 내에 있으며, 그리고 기술할 실시예에서는 격막이 0.1mm 두께이다.
밸브(100)의 구동 섹션(106)은 이러한 동일한 물질들로 제작될 수 있으며 또는 구동 섹션(106)의 구성요소의 표면이 밸브(100)를 통해 유동하는 유체들에 의해 습윤해지지 않기 때문에 내부식성 같은 특성이 없는 보다 싼 물질들로 제작될 수 있다. 예를 들어, 하우징(137) 및 슬라이딩 실린더(121)가 알루미늄 및 스테인레스 강으로 제작될 수 있다. 그러나 원뿔형 디스크 스프링(122)은 ASTM A510과 같은 고탄소강으로 전형적으로 제조된다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 밸브의 작동 동안 그 기능 면에서 밸브의 다양한 부분들이 이하 개시될 것이다.
화살표(107)로 지시되는 처리 유체(또는 유체들)는 밸브(100)의 하부 바디 섹션(103) 내에 존재하는 입구 포트(108)(포트들(108))를 통해서 진입한다. 그러는 동안, 처리 유체는 습윤한 섹션(104)에 있는 하부 바디 섹션(103) 내의 표면(105)과 접한다. 밸브(100)가 개방된 조건 또는 부분적으로 개방된 조건에 있는 경우, 유체를 화살표(109)로 도시되는 밸브(100)를 통해 유동하도록 허용하며, 빠져 나가는 유체가 환형 금속성 밸브 시트(114)의 내부 립(112)을 넘어서 출구 포트(110) 밖으로 유동할 것이다.
밸브(100)가 폐쇄된 위치에 있는 경우, 유체 유동은 격막(102)의 섹션에 의해 중단되며, 상기 격막(102)은 슬라이딩 실린더(121)의 하부 수평 부재(116)에 의해 금속 밸브 시트(114)에 대해 단단히 가압된다. 하부 수평 부재(116)의 하부 표면(123)은 볼록 형태여서, 격막(102) 뒤의 백킹 디스크와 같이 작용할 수 있다. 하부 수평 부재(116)가 밸브(100)를 통과하는 유체에 의해 습윤해지지 않기 때문에, 하부 수평 부재(116)는 구동 섹션(106)의 일부분으로 고려된다. 격막(102)은 자유로이 이동할 수 있거나 또는 하부 수평 부재(116)의 볼록 표면(123)에 예를 들면 e-빔 용접(e-beam welding), 또는 직접 결합, 또는 선행 기술 상의 어떠한 다른 결합 기술에 의해 결합될 수 있다. 격막(102)에 접하는 하부 수평 부재(116)의 볼록 표면(123)은, 격막 물질에 비해 경도가 낮은 물질로 전형적으로 제조된다. 만약 격막(102)이 니켈-코발트 합금(예시적으로, 이를 한정하는 것은 아니며 엘질로이®, 스프론TM 510, 스프론TM 100, 헤이스텔로이®, 또는 인코넬®)으로 제조된다면, 볼록 표면(123)은 304 스테인레스 강으로 제조될 수 있으며, 이는 예시적이고 이를 한정하는 것은 아니다.
금속성 밸브 시트(114)는 출구 포트(110)의 내부 립(112)의 일부분으로서 또는 그 위에서 형성될 수 있다. 그 설계에 따라서, 금속 밸브 시트(114)는 스테인레스 강, 엘질로이®, 스프론TM 100, 또는 스프론TM 510과 같은 금속 또는 금속 합금으로 바람직하게 제작될 수 있으며, 이는 예시적이고 이를 한정하는 것은 아니다. 가장 전형적으로 금속성 밸브 시트(114)는 400시리즈 스테인레스 강으로 제작된다. 금속성 밸브 시트(114)는, 예를 들면 마이크로플렉스 테크놀로지스 사(Microflex Technologies LLC.)의 마이크로실®(MICROSEAL®) 고리형 밀봉과 같이 상업적으로 입수 가능한 C-밀봉일 수 있고, 이는 예시적이고 이를 한정하는 것은 아니며, 이는 도 4에서 도시되며 도일(Doyle)에 의해 2002년 3월 19일에 공보된 미국 특허 제 6,357,760 호에서 상세히 개시된다. 그 특징적인 기하학적 형상 때문에 마이크로실® 고리형 밀봉은 전형적으로 다른 어떠한 상업적으로 입수 가능한 밀봉보다 나은 탄성 범위를 가지며, 본 발명의 밸브 시트에 사용되기 위해 바람직한 유연성을 제공한다.
도 4a를 참조하여, 도시된 고리형 밀봉은 본 발명의 밸브의 밸브 시트로서 유용하며, 환형 바디 요소(3)를 갖고, 축방향으로 정렬된 중앙 홀(4)을 구비하여 이를 통해 가스 또는 유체의 통로를 허용한다. 밀봉은, 도 4b에서 도시된 바와 같이, 방사형 내부 표면(5), 방사형 외부 표면(6), 제 1 축선 표면(11), 및 제 2 축선 표면(17)을 갖는다. 이러한 표면들 각각은 어떠한 수의 구성을 취할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에서 도시된 고리형 밀봉은, 밀봉의 방사형 외부 표면(6)으로부터 밀봉의 중심 홀(4)을 향해 안으로 돌출된 다수의 보어(25)를 더 포함한다. 보어(25)를 형성하는 비-축선 정렬 측벽(27)은 밀봉을 위한 실시예가 특별한 로드에 대한 큰 변형이 필요한 경우 특히 적합한 것으로 믿어지며, 이러한 종류의 고리형 밀봉은 본 발명의 밸브에서 매우 실시성이 좋다. 다른 고리형 밀봉이 사용될 수 있으며, 밸브 설계가 전술한 특별한 고리형 밀봉을 채용하는 것 하나에 의해 제한되는 것이 의도된 것이 아니다.
높은 내부식성에 추가하여, 금속성 밸브 시트(114)는 동적 시트가 되는 특성을 갖는다. 격막(102)에 의해 가압될 때, 크로스-시트(cross-seat) 유출의 바람직한 수준까지 출구 포트(110)를 밀봉하기 충분하게 변형되도록 시트가 설계되고 시트의 물질 또는 구성의 물질들이 선택된다. 밸브(100)가 일반적으로 폐쇄된 위치에 있을 때, 크로스-시트 유출 수준은, 적어도 15초 동안, 밸브 격막/시트 인터페이스를 넘어 1atm He의 기압 차에서 약 1 x 10-9cc/sec 또는 그 이하(SEMI F1 규격)를 초과하지 않는 것이 필요하다. 바람직하게, 금속성 시트(114) 변형은 탄성 체제에서 유지되고, 그 결과 금속성 시트(114)는 밸브(100)가 폐쇄되고 다시 개방되는 각각의 시간에 밸브 폐쇄에 의해 영구적으로 변형되기보다는 회복된다. 이러한 형상이 밸브의 신뢰도 및 유용한 수명을 매우 증가시키는 것으로 예상된다.
밸브(100) 비-습윤 바디 섹션(117)을 하부 습윤 바디 섹션(103)에 결합시키는 것과 금속성 밸브 시트(114)를 환형 금속성 밸브 시트(114)의 내부 립(112)에 결합시키는 것은 확산 결합에 의해 바람직하게 이루어질 수 있다. 확산 결합은, 용접된 조인트가 그러하듯 처리 유체를 흡수하거나 릴리싱하지 않고 처리 유체에 불순물을 부가하지 않는 매끄럽고 강한 결합을 제공하는 직접적인 결합 처리이다. 2개의 금속성 구성요소의 확산 결합 절차는 마주하는 면이 매우 청결하고 매끄럽고 편평한 표면 마감이 되도록 마감하게 하며, 그 다음 각각의 표면의 원자들이 상호 확산되지 않을 때까지 가압 및 가열을 인가하고, 표면들 어느 하나의 액화 및 빈 곳(void), 움푹 들어간 곳(fit), 또는 포섭된 것(inclusion)의 관여 없이 연동하는 층을 형성하게 한다. 2단계 확산 결합 처리가 바디 섹션(103)을 조립하도록 사용되는 경우, 레이저 용접과 같은 또 다른 처리가 사용될 수 있다.
효과적인 확산 결합을 위해, 확산 결합 전 결합될 금속 표면이 약 0.5Ra 내지 약 30Ra의 범위 내에서 표면 거칠기를 가져야 한다. 전형적으로, 표면 거칠기는 약 0.5Ra 내지 약 10Ra의 범위, 보다 전형적으로 약 1.5Ra 내지 약 5Ra의 범위 내에서 표면 거칠기를 갖는다. 금속 표면이 약 1.5Ra 내지 약 3.0Ra의 범위 내에서 표면 거칠기를 가질 때 확산 결합이 매우 훌륭하게 작동한다는 것을 발견하였다.
많은 실시예에서, 확산 결합 전 바람직한 표면 거칠기를 갖도록 금속 표면은 화학적 에칭 또는 기계적 평탄화와 화학적 에칭의 조합에 의해 미리 취급될 필요가 있을 것이다. 예를 들어, 스테인레스 강은, 선행 기술상 공지된 표준적 방법에 따라 염화 제 2 철을 사용하여 화학적으로 에칭될 수 있다. 헤이스텔로이와 같이 에칭하기 어려운 물질의 전기화학적 에칭을 위한 처리는, 게하르트의 2001년 4월 24일 공보된 미국 특허 제 6,221,235 호에 개시된다.
특정 물질들은, 바람직한 범위에서 표면 거칠기를 획득하도록 화학적 에칭 처리를 실시하기 전 표면을 매끄럽게 하기 위해 기계적 평탄화가 필요할 수 있다. 금속 표면의 기계적 평탄화는 선행 기술에서 공지된 방법에 따라 실시될 수 있다.
소정의 실시예들에서, 금속 표면은 바람직한 표면 거칠기 내에서 제조될 수 있으며, 확산 결합 전 어떠한 화학적 또는 기계적인 서전 취급이 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어, 미국 재료 시험 협회(ASTM) 규격의 (롤형의(rolled)) 스테인레스 강 시트를 위한 표면 거칠기는 (ASTM 480 BA) 0.5Ra 내지 4.0Ra이다
결합될 금속 표면이 바람직한 표면 거칠기까지 개선되면, 확산 결합이 실시된다. 확산 결합 처리 동안 인가되는 특별 압력 및 확산 결합 처리가 실시될 때 특별 온도는 결합될 물질에 따를 것이다. 전술한 종류의 유사하거나 또는 비유사한 금속 표면들 사이에서 성공적인 확산 결합을 형성하기 위한 소정의 전형적인 조건들이 이하의 표 1에서 설명된다.
다양한 금속에서 확산 결합을 위한 조건들
결합되는 물질 온도 압력 접촉 시간
316L 스테인레스 강 - 316L 스테인레스 1000 ~ 1300℃ 3000 ~ 5000psi 3 ~ 6시간
410 스테인레스 강 - 410 스테인레스 1000 ~ 1300℃ 3000 ~ 5000psi 3 ~ 6시간
헤이스텔로이®C-22 - 헤이스텔로이C-23 1000 ~ 1300℃ 8000 ~ 10,000psi 3 ~ 6시간
400시리즈 스테인레스 강 -헤이스텔로이®C-22 1000 ~ 1300℃ 4000 ~ 10,000psi 3 ~ 6시간
400시리즈 스테인레스 강 -엘질로이® 1000 ~ 1300℃ 4000 ~ 10,000psi 3 ~ 6시간
위에서 설명된 범위의 압력 및 온도는, 소정의 해로운 물질들이 밸브의 구동 섹션(106)에 존재함을 증명하며, 이는 도 3a 및 3b에서 도시된 종류의 밸브(300)의 조립체를 계획하는데 있어서 고려되어야 한다. 예를 들어, 밸브(300)의 제조에 있어서, 높은 온도의 확산 결합 처리가 먼저 구동하여 도 3a 및 도 3b에서 도시된 (층들(358, 360, 및 362)은 접착 결합됨) 층들(338 내지 356)을 결합한다. 예를 들어 (340) 및 (342)와 같은 층들이 전형적으로 약 0.025인치(약 0.0635mm) 두께이기 때문에, 밸브 구조물로 확산 결합하기 위한 패턴화된 시트 물질들을 제조하도록, 선행 기술에서 공지된 기술을 사용하여 패턴이 화학적으로 또는 전기화학적으로 에칭되어 습윤해 진다. 화학적 또는 전기화학적 에칭은 패턴화된 영역에 매끄러운 표면을 제공하며, 상기 매끄러운 표면은 내부가 습윤한 밸브 구조물 표면들에서 보인다. 이는 밸브를 통해 유동하는 유체의 오염의 가능성을 감소시킨다. 0.025인치의 두께의 금속층을 사용하는 것은, 금속층의 이러한 두께가 공급자들로부터 용이하게 입수 가능하고 에칭시 합리적인 패턴을 제공하고, 그리고 구성요소 장치의 표면 장착을 위해 사용되는 형식의 카운터보어(counterbore) 내에서 C-밀봉(c-seal)을 수용하는데 적합한 두께이기 때문에 바람직하다. 조립되고 결합된 구조물은, 복잡하고 비용이 비싼 기계가공의 필요 없이 복잡한 형태를 채용할 수 있다. (슬라이딩 실린더(321), 슬라이딩 밀봉(313 및 320), 및/또는 금속성 시트(314)와 같은) 다른 구성요소들은 그 후에 접착/결합될 수 있다. 슬라이딩 실린더(321)의 피스톤 부분(316)은 확산 결합 전에 리프트될 수 있으며, 이는 조립 전에 수행된다.
금속성 시트(314)는 2개의 다른 기술에 의해서 층(348)에 결합된다. 도 3b를 참조하여, 제 1 기술에서는, 층들(338, 340, 342, 344, 346, 및 348)을 포함하는 층들의 제 1 조립체는 확산 결합될 수 있다. 그 다음, 다른 층들을 적층형 기판(303)에 조립하기 전에, 금속성 시트(314)가 레이저 용접 또는 확산 결합 중 어느 것을 사용하여 층(348)에 결합될 수 있다. 층들(350, 302, 354, 및 356)의 제 2 조립체는 함께 확산 결합될 수 있다. 그 다음, 층들의 제 1 조립체가 층들의 제 2 조립체와 확산 결합될 수 있다. 금속성 시트(314)에 과도한 압력을 위치시키는 것을 피하는 동안 이러한 기술은 적층형 기판(303)의 확산 결합을 가능하게 한다. 도 3c를 참조하여, 금속성 시트(314)를 결합하기 위한 제 2 기술에서는, 강하지만 분해 가능한 지지부(363)가 단일 단계에서 확산 결합을 하게 하도록 사용될 수 있다. 분해 가능한 지지부(363)는 중앙 돔형 섹션(domed section)(367)을 포함하며, 이는 확산 결합 처리 동안 격막(302)이 지지부(363)의 상부 표면(365)으로부터 멀어지도록 잡는다. 추가로, 강하고 분해 가능한 지지부(363)은 컵형 립(369)을 포함할 수 있으며, 이는 금속성 시트(314)의 하부 표면 밑에 놓인다. 적층형 기판(303)의 결합 이후, 강하고 분해 가능한 지지부(363)는 적정 용액에 의해 분해된다. 강하고 분해 가능한 지지부는 확산 결합 동안 기판에 의해 겪는 온도에 견딜 수 있어야 하며, 신뢰도 있게 실시되도록 밸브의 성능에 효과를 미치는 입자 잔여물을 통과하지 않은 채 분해 가능해야 한다. 격막(302) 밑의 내부 공간은, 분해 가능한 지지부(363)가 제거되는 단계 이후 층(348)의 상부 표면에 잔존하는 어떠한 찌꺼기라도 제거하는 세정 용액(cleaning solution)으로서 선택적으로 세정될 수 있다. 적층형 기판(303)의 내부 개방 표면은 질소 또는 다른 불활성 가스를 사용하여 통풍 건조될 수 있으며, 바람직한 경우 사용되는 분해 용액 및/또는 세정 용액에 따라 가열 및 진공을 사용하여 건조될 수 있다. 그 다음 금속성 밀봉(314)이 포트(310)를 통해 층(348)에 결합된다.
(전술한 바와 같은) 확산 결합 기술은, 유동률 제어부, 필터, 및 센서와 같은 다른 가스 취급 요소들의 제조에 사용될 수 있으며, 이는 예시적이고 이를 한정하는 것은 아니다. 후속적으로 기술될 적층형 기판 기술에 관하여 상세히 설명될 것이다.
밸브의 구동 섹션(306)에서, 습윤 섹션(304)을 고립시키는 격막 위에서 슬라이딩 실린더(321)는 안팎으로 이동하여, 슬라이딩 실린더(321)의 하부 수평 부재(316)의 볼록 표면(323)이 격막(302)에 대해 가압하고 습윤 섹션(304) 내의 유체의 유동을 제한한다. 챔버(331)는 격막(302)의 대기측에서 낮은 압력이며, 이러한 챔버는 격막 윗면 측면 환기구(364)에 의해 전형적으로 환기되며, 그 결과 압력이 만들어질 수 없다. 슬라이딩 실린더(321)의 이동은, 하우징(337) 내에 위치한 스프링(322)에 의해 (수직 부재(334)에 의해 하부 수평 부재(316)에 구속된) 상부 수평 부재(318)에 인가되는 힘과 공기압 챔버(339) 내에 존재하는 유체에 의해 하부 수평 부재(316)에 인가되는 힘의 균형을 맞춤으로서 이루어진다. 슬라이딩 실린더(321)는, 상부 수평 부재(318) 주변에서의 (전형적으로 "O"형 고리인) 기밀식 슬라이딩 밀봉(320) 및 하부 수평 부재(316)의 둘레 주변에서의 기밀식 슬라이딩 밀봉(313)을 갖는다. 슬라이딩 밀봉은 밸브(300)를 통과하는 유체와 접하지 않기 때문에, 이들은 금속일 필요 없으며 중합체 물질을 포함할 수 있다. (O형 고리인) 슬라이딩 밀봉들(320 및 313)은 탄성 물질에 의해 전형적으로 제작된다.
밸브(300)는, 슬라이딩 실린더(321)의 상부 수평 부재(318)의 스프링(322)에 의해 인가되는 힘에 의해 일반적으로 폐쇄된 위치에서 유지된다. 밸브 시트(314)가 금속성인 경우, (15초 동안 밸브를 가로질러 1atm He의 압력차에서 1 x 10-9cc/sec보다 적은 유체 유동의) 절대적 차단을 위한 시팅력은, 밸브 시트(314)의 밀봉 접촉면(319)에서 1000N/cm2의 범위이다. 이는, 약 0.70cm의 외부 지름 및 약 0.233cm2의 총 접촉 표면적을 갖는 환형 밸브 시트(314)를 위해 개략적으로 200 내지 250N(뉴턴)의 힘을 전달한다. 도 3a 및 도 3b는, 상부 수평 부재(318)의 상부 표면(328)에 힘을 인가하도록 사용되는 스프링(322)을 "벨리빌" 스프링으로서 도시하며, 이는 원뿔형 디스크 스프링으로 언급될 수도 있다. 벨리빌 스프링의 실시예는, 도 3a 및 도 3b에서 도시된 바와 같이, 꼭대기에서 볼록면에 오목면이 적층된 서로 적층된 일련의 원뿔형 디스크 형태를 전형적으로 취한다.
도 3a 및 도 3b는 8개의 원뿔형 디스크 스프링을 도시하며, 여기에서 언급되는 힘은 원뿔형 8개의 디스크 스프링에 관한 것이며, 실시예에 따라 이러한 스프링의 다른 개수가 사용될 수 있다. 벨리빌 스프링은 코일 스프링에 비해 보다 작은 수직 거리 "d" 내에서 필요한 폐쇄력(closing force)을 제공한다. 이는 코일 스프링을 사용하여 달성될 수 있는 것이 비해 매우 짧은 밸브 액튜에이터를 허용한다. 철저한 차단을 제공하도록 코일 스프링을 사용하는 도 1에서 도시된 금속-시팅된 밸브는 전형적으로 약 2.0cm 내지 약 3.0cm 범위에서 "d"를 필요로 하는 반면에, 벨리빌 스프링 조합은 전형적으로 약 0.5cm 내지 약 2.0cm 범위에서 "d"를 필요로 한다.
밸브(300)는 공기압 힘에 의해 개방되며, 이는 (도시되지 않은) 가압 가스를 포트(324)를 통해 공기압 챔버(309)에 적용함으로써 인가된다. 슬라이딩 실린더(321)의 상부 수평 부재(318)의 이동 가능한 표면 영역(330)은 하부 수형 부재(316)의 이동 가능한 표면 영역(311)보다 매우 크며, 가압 가스는 스프링(322)의 작동에 대해 상방 이동을 제공한다. (도시되지 않은) 가압 가스는, 40 ~ 75psig의 외부의 압축 공기 가스 공급부로부터 하나 또는 그 이상의 포트(324)를 통해 인가된다. 그 다음, 상부 수평 부재(318)의 공기압은 대항하는 스프링(322) 힘을 극복하고, 슬라이딩 실린더(321)를 상방으로 강요하여, 압력 양의 일부분에서 가압 가스를 통해 인가된다. 슬라이딩 실린더(321)가 상방으로 이동함에 따라, 하부 수형 부재(316)는 상방으로 이동하고, 격막(302) 위의 압력을 경감하고, 상기 격막(302)은 금속성 밸브 시트(314)로부터 멀리 이동하며, 가압 가스를 통해 인가되는 압력의 일부분의 양으로서 밸브를 개방한다. 도 3a 및 도 3b에서 도시된 종류의 밸브를 위해, 이동 가능한 표면 영역(330)이 약 1.5cm2이고 이동 가능한 표면 영역(311)이 약 0.40cm2인 경우, 밸브를 개방하도록 스프링(322)에 의해 상부 수평 부재(318)의 표면(328)에 인가되는 하방의 힘은 약 220N이다. 인가된 가압 가스 압력은, 8개의 스프링 밸브에서 상기 밸브를 개방하기 위해 약 1,480kPa의 범위 내일 것이며, 완전한 유동을 제공하기 위해 약 2,220kPa의 범위 내일 것이다. 가압 가스가 슬라이딩 밀봉(320)을 넘어서 유출되는 이벤트(event)에서는, 가스는 하우징(337) 내의 개구부(들)(332)을 통해 환기되어 나갈 수 있다.
밸브(300)의 구동 섹션(306)에서는, 필요한 금속-금속 결합이 고강도 접착제를 사용하여 바람직하게 이루어질 수 있다. 접착제는 확산 결합과 같은 강하고 신뢰도 있는 결합을 제공하지 못하지만, 구동 섹션(306)에 존재하는 기계적인 밸브는 습윤한 섹션(304)에 사용되는 확산 결합을 실시하는 정도의 보다 높은 온도 및 압력을 받을 필요가 없다. 또한, 접착제는 확산 결합에 비해 매우 싸고 간단하게 사용된다. 본 실시예에서 사용되는 접착제는 24℃에서 3,000psi보다 낮은 전단 강도 및 45,000psi보다 낮은 전단 탄성률을 전형적으로 제공한다. 이러한 실시예를 만족시켰던 접착제 중 하나의 예시는 스카치-웰드TM 에폭시 접착제 2216(비/에이 회색)(SCOTCH-WELDTM epoxy adhesive 2216 (B/A grey))이며, 이는 특별한 물질이 결합되는 것에 관한 제조업에서 추천되는 방법으로 인가되고 결합 처리될 수 있다. 이러한 특별한 접착제는 밀봉제 및 접착제로서 작용한다. 당업자는, 상온 내지 약 40℃에서 기능성을 전형적으로 필요로 하는 본 실시예에 사용될 수 있는 다른 접착제/밀봉제 혼합물을 찾을 수 있을 것이다. 보다 높은 온도에서의 실시예를 위해, 보다 높은 온도의 기능성을 갖는 접착제/밀봉제가 선택될 수 있다.
반도체 처리 장치의 제조에 사용되는 종류의 내부식성 물질의 높은 비용으로 인하여, 그리고 반도체 제작 시설의 클린룸(clean room) 환경 내의 공간의 높은 비용으로 인하여, 사용되는 유체 취급 장치의 크기를 감소하는 구동이 있다. 특히, 최근 강조되는 것은, 유체 취급 시스템, 통상 전체적인 처리 플로어 공간의 실질적인 부분을 과거 점유했었던 장치의 크기의 감소이다.
여기에서 개시되는 것은, 화학적 처리 산업에서 사용되기 위한 공간 유지하는 일체화 가능한 유체 취급 네트워크 구조물로서, 반도체 처리 장치에서와 같이 공간이 관련된 경우이다. 유체 전달 네트워크는, 전술한 격막 밸브의 하부 섹션(303)과 관련된 전술한 확산 결합 기술 및 화학적 에칭을 사용하여 제조될 수 있다.
소정의 실시예에서는, 확산 결합될 금속들이 특히 에칭하기 어려운 경우, 전기화학적 에칭을 사용하여 에칭 처리를 구동하는 것이 필요할 수 있다.
일체화된 유체 취급 네트워크 구조물은 가스 분배 조립체를 포함하며, 이는 함께 확산 결합되었던 (적어도 2개의) 금속층 다수를 포함하는 구조물을 포함한다. 특히 가스 분배 조립체에서의 금속층의 개수는 일반적으로 약 3개 내지 약 15개의 범위 내이다. 각각의 금속층들은 전형적으로 약 0.0005인치 내지 약 0.06인치의 범위에서, 보다 전형적으로 약 0.003인치 내지 약 0.05인치의 범위에서, 보다 전형적으로 약 0.025인치의 두께를 갖는다. 층들은, 바람직한 최종 구조물에 따라서 동일한 두께를 가질 수 있으며, 두께를 변화시킬 수 있다.
금속층은 사로 다른 내부식성 물질 다수로부터 선택된다. 여기에서는 설명의 목적으로서, 금속층들이 스테인레스 강, 헤이스텔로이®, 및 엘질로이® 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 전형적으로 선택된다. 400시리즈 스테인레스 강, 헤이스텔로이® C-22 및 엘질로이®의 요구 조건이 아래의 표 2에서 나타난다.
316L 및 400시리즈 스테인레스 강, 헤이스텔로이® C-22 및 엘질로이®의 요구 조건
요구 조건 316L시리즈 스테인레스 강 400시리즈 스테인레스 강(타입 410) 헤이스텔로이® C-22 엘질로이®
구성(중량에 대한 % 최대) 61.8 Fe, 18 Cr, 14 Ni, 3 Mo, 2 Mn, 1 Si, 0.1 N, 0.045 P, 0.03 C, 0.03 S 잔량 Fe, 12 Cr, 1 Mn, 1 Si, 0.50 Ni,0.15 C 0.04 P, 0.03 S 56 Ni, 22 Cr, 13 Mo, 3 W, 3 Fe, 2.5 Co, 0.50 Mn, 0.35 V, 0.08 Si, 0.010 C 41 Co, 21 Cr, 16 Ni, 11.4 Fe, 8 Mo, 2.5 Mn, 0.15 C
평균 표면 거칠기(Ra) 0.5 ~ 40 5 ~ 30 5 ~ 30 5 ~ 30
강도, 록웰(Rc)시트플레이트 25 43 1515 4560
녹는점 온도(℃) 2500 ~ 2550 1482 ~ 1532 1357 ~ 1399 1427 ~ 1457
평균 열팽창 계수(m/m·°K)-18 내지 315℃20 내지 600℃24 내지 649℃0 내지 500℃ 0.5 x 10-6 11.6 x 10-6 14.6 x 10-6 15.2 x 10-6
열 전도율(W/m2·°K)27℃48℃100℃ 0.63 24.9 10.1 12.5
52℃에서의 비열(J/kg·°K) 500 459 414 430
금속층은 일련의 통공을 포함하도록 패턴화되고, 상기 통공은 전형적으로 둥글거나 장방형의 형태이며, 그 결과 유체 전달 시스템의 작동 동안 입자들을 생성하고 마모될 수 있는 날카로운 모서리가 없다. 금속층은, 화학적 에칭, 전기화학적 에칭 또는 이들의 조합을 사용하여 바람직하게 에칭되어, 기능적인 유체 취급 장치가 되도록 함께 층들이 함께 섞이는 확산 결합 이전에 통공의 패턴을 제조한다. 화학적, 특히 전기화학적 에칭의 사용은 통공의 보다 매끄러운 표면을 제조하는 경향이 있으며, 이는 유체 취급 시스템으로부터의 입자 오염의 공급원을 감소시킨다. 일부 실시예에서는, 통공 에칭 전 금속층의 표면 조건에 따라, 전기화학적 에칭 처리가, 확산 결합 처리 동안 결합되는 표면의 거칠기 또한 감소시켜서 보다 낮은 거칠기의 확산 결합을 가능하게 한다.
층들에서 개구부 패턴을 제조하기 위한 금속층들의 화학적 또는 전기화학적 에칭은 선행 기술 상의 공지된 방법에 따라 전형적으로 실시되며, 이는 에칭될 특정 금속이 따른다. 전기화학적 기계가공은 수십 년 동안 금속을 닦고 제거하는데 사용되었던 기술이다. 에칭하기 어려운 물질을 에칭하게 하는 전기화학 처리의 구동력의 사용은 선행 기술에서 공지되어 있다. 예를 들어, 이러한 요점에 관하여, 디. 엠. 앨런(D. M. Allen)과 피. 제이. 길뱅스(P. J. Gillbanks)의 "에칭하기 다소 어려운 금속들의 광화학적 기계가공"의 제목의 논문이 넵콘 웨스트:패킹 프로덕션 테스팅(NEPCON WEST: Packing Production Testing)에서 1986년 2월 25일~27일에 발표되었다. 동일 컨퍼런스에서, 산디아 국립 연구소(Sandia Notional Laboratories)의 티. 에이. 앨런(T. A. Allen)은 광저항 마스크(photoresist mask)를 통한 몰르브덴의 화학적 기계가공을 수행하는 전기화학적 셀(cell)의 맥동에 대한 연구를 발표했다.
스테인레스 강은 선행 기술상 공지된 표준적 방법에 따라 염화 제 2 철을 사용하여 화학적으로 또는 전기화학적으로 에칭될 수 있다. 강의 전기화학적 에칭을 위한 처리는, 게하르트의 2001년 4월 24일 공보된 미국 특허 제 6,221,235 호에 개시된다. 게하르트의 특허는, 새크리피셜 코어(sacrificial core)의 완전한 대량 분해를 포함하지만, 게하르트에 의해 개시된 종류의 펄스 전류의 실시예 또한 마스크를 통한 금속의 에칭에 적용될 수 있으며, 이는 1998년 9월, IBM J. Res. Dev. 제 42 권 제 5 호 665 페이지 내지 669 페이지에서, 다타(Datta)에 의해 개시된다. 다타는, 게하르트의 특허에서 개시된 종류의 펄스 전기화학적 분해에 대한 패턴화된 광저항을 채용하는 에칭 처리에 대량 생산을 조합한다. 전술한 바와 같이, 전기화학적 기계가공 기술은 몰리브덴에 사용되었으며, 상기 처리는 헤이스텔로이® 및 엘질로이®의 에칭에 적용될 수 있다.
내부식성 표면을 제공하는 미세-구조를 순간적으로 제거하는 화학적 또는 전기화학적 기술에 의한 에칭 패턴을 보다 용이하게 하는 헤이스텔로이® 및 엘질로이®와 같은 높은 내부식성 금속을 만드는 것이 가능하다. 이는, 금속을 약 1800℉ 내지 약 2000℉의 범위에서의 온도로, 보다 전형적으로 약 1825℉ 내지 약 1975℉의 범위에서의 온도로, 가장 전형적으로 약 1900℉의 온도로 가열함으로써 달성될 수 있다. 열처리는, 최소 몇 분 내의 시간 동안 세정된 질소의 공기에서 수행된다. 그 다음, 금속은 약 5분 내지 30분 정도 범위의 시간에 걸쳐서 냉각된다. 그 다음, 금속의 화학적 또는 전기화학적 에칭은 선행 기술에서 공지된 방법 및 전술한 방법에 따라 수행된다. 전기화학적 에칭 전에 내부식성 금속의 미세-구조 제어를 위한 이러한 방법의 사용은, 특정 합금에 따라 에칭율을 100 내지 1,000배 범위의 인자로서 증가시킬 것으로 예상된다.
화학적 또는 전기화학적 기술에 의한 금속의 패턴 에칭에 이어서, 금속의 미세-구조는, 본래의 내부식성을 다시 획득하도록 금속으로 회귀해야 한다. 이는, 금속을 최소 몇 분 동안 약 1,135℃ 이상의 온도(전형적으로, 약 1,200℃보다 크지 않은 온도)로 가열하고, 이어서 약 5분 또는 그 이하의 시간에 걸쳐서 약 130℃ 또는 그 이하의 온도 범위로 금속을 신속히 냉각(담금질)함으로써 달성된다. 미세-구조가 금속으로 회귀하는 온도는 전형적으로 금속이 확산 결합되는 온도에 매우 근접하며, 그 결과 미세-구조는 확산 결합 처리 동안 금속에 전형적으로 회귀한다. 그러나 확산 결합 처리 동안의 금속의 가열에 이어, 금속의 미세-구조가 회귀하도록, 약 5분보다 적은 시간 동안 금속이 약 135℃ 이하의 온도(전형적으로, 약 80℃ 내지 약 135℃의 범위 내의 온도)로 냉각되어야 한다. 선택적으로, 열 처리/신속한 냉각 처리는 확산 결합 처리 전에 분리된 처리 단계로서 수행될 수 있다. 전술한 방법은, 약 43 내지 약 71중량% 사이의 니켈 및 약 1 내지 약 30중량% 사이의 크롬을 포함하는 내부식성 금속 합금의 처리에 특히 유용하며, 상기 합금은 헤이스텔로이® B-2, 헤이스텔로이® B-3, 헤이스텔로이® C-4, 헤이스텔로이® C-22, 헤이스텔로이® C-2000, 헤이스텔로이® C-276, 헤이스텔로이® G-30, 헤이스텔로이® N을 포함하는 (인디아나, 코코모의 하이네스 인터내셔널 사로부터 입수 가능한) 헤이스텔로이® 합금 시리즈이다. 당업자들은, 최소한의 실험으로서, 어떠한 가열 및 담금질 사이클이 용이한 에칭을 위해 미세-구조를 제어하고 유사한 가열 및 담금질 사이클을 사용한 에칭 이후에 본래의 내부식성 특성으로 미세-구조를 회귀시키도록 하는지 결정할 수 있다.
예시적이고 이에 제한되는바 없이, 스테인레스 강 410은 강의 미세-구조를 제어할 필요 없이 세정하고 확산 결합되도록 할 수 있음에도, 도 3b에서 도시된 금속성 시트(314) 아래에 놓인 강 층의 경도는 확산 결합 이후 개선될 필요가 있다. 금속성 시트(314) 아래에 놓인 금속층(348)이 적어도 300 비커스 경도(Vickers hardness)를 만족시키지 못한다면 금속성 시트(314)가 적합한 밀봉을 제공할 수 없다. 스테인레스 강 410의 경도를 개선하도록 금속 미세-구조를 제어하는 것은, 약 3분 내지 약 10분의 시간 동안 적어도 980℃의 온도에서 금속을 가열하고, 이어서 약 5분 이하의 간격 동안 약 135℃의 범위의 온도에서 담금질하는 것에 의해 달성된다.
스테인레스 강 316L 경도 개선은 보다 어렵다. 316L 스테인레스 강은 경화를 위한 표면 작업을 필요로 한다. 이는, 확산 결합 이후 적층형 기판 층(348)의 표면의 롤러 광택에 의해 이루어질 수 있다.
금속성 시트(314) 아래에 놓인 스테인레스 강 층의 경도를 제어하는 것에 추가하여, 부식성 유체에 접하는 스테인레스 강의 표면은 확산 결합 단계 이후 부식에 대한 저항을 개선하도록 처리되어야 한다. 내부식성을 개선하기 위한 처리는, 층이 316L 스테인레스 강인 경우 스테인레스 강 층(348)의 표면의 롤러 광택 이전에 수행된다. 내부식성을 개선하기 위한 스테인레스 강 층의 처리는 후속적으로 개시할 것이다.
기계가공의 다른 방법들에 걸친 화학적 또는 전기화학적 에칭의 이점 중 하나는, 구성요소의 설계를 용이하게 변경할 수 있으며 가격이 싸다는 점이다. 에칭될 구성요소의 적거나 많은 양을 만드는 것이 가능하고, 제조되는 구성요소의 개수가 증가함에 따라 비용이 보다 효과적인 처리가 된다.
통상, 확산 결합이 가장 효과적이도록 확산 결합 전 결합되는 금속 표면이 약 0.1Ra 내지 약 5Ra 범위에서 평균 표면 거칠기를 가져야 하며, 최대 표면 거칠기가 약 30Ra를 넘어서는 안된다. 전형적으로, 결합되는 금속 표면은 약 0.5Ra 내지 약 5Ra의 범위에서 표면 거칠기를 갖는다. 금속 표면이 약 1.5Ra 내지 약 3.0Ra의 범위에서 표면 거칠기를 가질 때 확산 결합이 가장 잘 이루어진다는 것을 발견하였다.
전술한 바와 같이, 요구되는 표면 거칠기를 만족하는 일정 등급의 스테인레스 강을 직접 구입하는 것이 가능하며, 확산 결합 이전에 바람직한 표면 거칠기를 갖도록 금속 표면이 미리 처리될 필요는 없을 것이다. 바람직한 표면 거칠기 물질이 입수 가능하지 않다면, 바람직한 표면 거칠기를 제공하도록 선행 기술 상의 공지된 기술을 사용하여 316L 및 400시리즈 스테인레스 강을 전기적으로 마무리할 수 있다. 바람직한 표면 거칠기가 이루어지면, 스테인레스 강 층은 확산 결합되어 바람직한 적층형 기판 조립체가 될 수 있다. 확산 결합 이후, 부식성 유체에 노출되는 스테인레스 강 표면을 보다 내부식성을 갖게 만들도록 처리하는 것이 필요하다. 이러한 이유로, 부식성 유체에 노출되는 적층형 기판 층들은 헤이스텔로이® 또는 엘질로이®와 같은 내부식성 물질로 제작되는 것이 추천된다. 그러나 적층형 기판 내의 부식성 유체에 노출되는 위치에서 스테인레스 강 층을 사용하도록 고려되는 경우, 부식성 유체에 노출될 스테인레스 강 층들의 표면들은 확산 결합 단계 이후 부동화될 것이다. 부동화 단계는, 전형적으로 강 내에 있는 크롬을 강 표면에 보다 많이 가져오는 경향이 있다. 부동화 단계는, 스테인레스 강 기판을 도 10에서 도시된 일련의 단계들에 통과시키는 단계를 포함한다.
특히, 도 10을 참조하여, 부동화된 스테인레스 강 표면들을 포함하는 확산 결합된 적층형 기판은 도 10에서 도시된 방법(1800)을 사용하여 처리된다. 스테인레스 강 표면들은, 제 1 세척제(detergent)에 또는 세정 작용제(cleaning agent)에 의해 세정된다(1802). 확산 결합 후 표면들 중 어느 하나라도 기계가공된다면, 표면들은 그리스(grease), 기계 줄밥(metal filings), 또는 커팅/드릴링 유체를 제거하도록 탈지될 필요가 있다. 이러한 목적을 위한 좋은 세정 작용제는 탈이온수 부피의 약 35% 수산화 칼륨의 용액이라는 것을 발견하였다. 세정 작용제 용액은 세정될 표면 위에 스프레이되어 표면에서 훌륭히 섞이며, 그 다음 홀 및 캐비티(cavity)들을 세정하도록 그 부분이 (전형적으로 초음파적으로 섞인) 용액에 적셔진다. 전형적으로 적셔진 용액 온도는 약 60℃이며, 전형적인 처리 시간은 약 20분이다. 세척제에 의한 세정 이후 적층형 기판(또는 다른 스테인레스 강 부분)은 탈이온수를 사용하여 헹구어지고/세정되고(1804), 이어서 전형적으로 약 65℃ 내지 약 75℃의 범위의 온도인 고온의 질소 가스를 사용하여 건조된다(1806). 그 다음, 10배율 또는 그 이상의 측정기(magnifying glass)를 사용하여 처리된 표면의 세정도를 검사하고, 표면이 그 기능을 실시하는 표면의 능력에 영향을 줄 수 있는 오염이 없다면, 스테인레스 강 표면을 포함하는 처리된 표면은 질산 부동화를 위해 보내진다(1808). 만약 표면에 오염이 있다면, 그러한 표면이 적절히 세정될때까지 상기 (1802) 단계부터 (1808) 단계까지 반복된다(1810).
질산 부동화 처리(1812)는, 세정된 스테인레스 강 표면을 탈이온수 부피의 약 20% 질산 용액으로 처리하는 것을 포함한다. 스테인레스 강 부분들은, 약 25분 내지 약 30분의 범위의 시간 동안, 약 45℃ 내지 약 50℃의 범위의 온도에서 질산 용액과 접한다.
질산 용액 처리 이후, 스테인레스 강 표면은 탈이온수에 의해 헹구어지고(1814), 이어서 제 2 세척이 처리된다. 당업자가 적절한 세척제를 선택할 수 있음에도, 인산 3 나트륨인 알코녹스® 분말형 정밀 세정제(ALCONOX® Powdered Precision Cleaner)의 탈이온수 중량 1% 용액이 작업을 잘 함을 발견하였다. 스테인레스 강 표면은, 탈이온수 1갤런에 알코녹스® 분말형 정밀 세정제의 약 2.5 내지 3티스푼으로 제조된 순환 용액(circulating bath)에 적셔졌으며, 약 30분의 시간 동안 약 40℃ 내지 약 50℃의 온도에서의 용액에서 남아 있도록 하였다. 이러한 세정 단계(1814)에 이어 탈이온수에 의한 세정/헹굼 단계(1816)가 이어진다.
스테인레스 강 표면은 후속적으로 시트르산에 의해 처리되고(1820), 탈이온수 용액은 계면 활성제를 포함한 약 1.25의 비중 및 약 1.8의 pH를 갖는다. stellarsolutions.net의 스텔라 솔루션스(Stellar Solutions)로부터 입수 가능한 시트리서프TM 2050(CITRISURFTM 2050)을 사용하였으며, 이는 약 45℃ 내지 약 70℃ 범위의 온도에 걸친 사용에 추천된다. 스테인레스 강 표면을 약 30분 동안 약 65℃에서 순환 용액에 적셨다. 처리 단계(1820)에 이어 탈이온수 세정/헹굼(1822)이 이어지며, 이는 약 60℃ 내지 약 70℃ 범위의 온도에서 약 15분 동안 적셔진 용액에서 수행된다. 후속적으로, 스테인레스 강 표면은 약 10분 동안 약 70℃의 온도의 아르곤(argon) 대기에서 건조된다(1824).
그 다음 스테인레스 강 표면들은, 약 1시간의 시간 동안 깨끗하고 필터링된 아르곤 가스 대기에서 약 100℃에서 열처리된다(1826).
최종적으로, 스테인레스 강 표면들은 약 20분 내지 약 25분의 시간 동안 약 45℃ 내지 약 55℃ 범위의 온도에서 탈이온수 부피의 약 20% 질산으로 다시 처리된다(1828). 상기 처리(1828)에 이어서 약 10분 내지 약 15분 범위의 시간 동안 약 65℃ 내지 약 75℃ 범위의 온도에서 탈이온수 순환 용액으로 세정/헹굼 된다(1830). 상기 세정/헹굼 처리(1830)에 이어 전술한 방법에 의해 고온의 질소 가스를 이용하여 건조 단계(1832)가 이어진다.
전술한 바와 동일한 부동화 처리는, 통상 부식성 유체에 노출되는 층들의 스테인레스 강 표면들에 적용될 수 있다. 이는, 확산 결합에 필요한 온도에 저항하지 목하는 요소들을 포함하는 부분들 영역에서 스테인레스 강 층들이 사용되는 경우이며, 전술한 바와 같이 접착제가 결합 목적으로 사용되는 경우이다.
상기 부동화 처리 이후에, 부동화된 스테인레스 강 표면들 또는 결합되어 적층형 기판이 되도록 대기중인 스테인레스 강의 표면들을 포함하는 처리된 부분들은 저장을 위한 보호성 패키지(protective package) 내에 위치해야 한다. 수용 가능한 보호성 패키지는 폴리에틸렌 더블 백(double bag)을 둘러싸는 내부의 나일론 백이다. 상기 패키지는, 내부에 불활성 가스를 갖는 밀봉된 압력일 수 있으며 또는 진공 밀봉일 수 있다.
부동화 단계는, 대량의 스테인레스 강으로부터 스테인레스 강의 노출된 표면을 향해 크롬이 나오도록 하여, 노출된 표면에 크롬 강화를 제공한다. 크롬이 산화되어 노출된 기판 표면에 산화 크롬이 형성되는 것은 크롬 강화와 동시에 수행된다. 스테인레스 강에서 풍부한 크롬이 있는 표면은 부동화 단계에서의 이전 실시에 비해 화학적으로 보다 불활성이며 따라서 내부식성이 있다.
이하는, 적어도 부분적으로 확산 결합되어 네트워크 구조물의 일부분을 이루는 다양한 유체 유동 네트워크 구조물 구성요소의 제작에 관한 개시이다. 제 1 개시는 어떻게 기초적인 유체 유동 채널이 네트워크에 사용되도록 생성되는가에 관한 것을 포함하며, 이어서 어떻게 다양한 장치들이 기초적 유체 유동 채널을 포함하는 네트워크 구조물로 부분적으로 또는 완전히 일체화되는가에 대한 설명되고, 후속적으로 완전히 일체화 가능한 장치에 대해 개시되고, 그리고 최종적으로 (제어 시스템을 제외한) 네트워크 구조물을 설명하는 전체 가스 팰릿(pallet)이 개시된다.
도 5a는, 5개의 금속층들에 대한 평면도이며, 각각의 층들은 네트워크 채널 구조물을 형성하는데 사용되도록 서로 다르게 패턴화되었다. 패턴화된 금속층들(510, 520, 530, 540, 및 550) 각각은, 전술한 화학적 또는 전기화학적 에칭을 사용하여 형성된 통공을 만족한다. 이러한 통공들은 최종 가스 분배 조립체에서 다양한 기능을 한다. 예를 들어, 특정 통공(560) 및 "슬롯(slot)"들(565)은 가스 운반을 위해 사용된다. 다른 통공들(570)은 나삿니가 나서 표면-장착 구성요소들의 부착을 위해 사용될 수 있으며 또는 소정의 확산-결합된 (도 6a에서 도시된 구조물(600)과 같은) 서브-유닛들을 함께 나사 고정할 수 있다. 채널 네트워크의 일 실시예를 형성하도록 사용되는 총 조립체(580)는 9개의 층을 사용한다. 이러한 조립체가 도 5b에서 도시된다. 도 5a를 참고하여, 바닥층인 층 1(layer 1)은 가스 운반을 위해 형상화된 통공(560)을 포함한다. 층 2는 가스 운반을 위해 형상화된 추가적인 통공(560)을 포함한다. 층 3 내지 층 7은 가스 운반을 위해 형상화된 통공 슬롯(565)을 포함한다. 층 8 및 층 9는 가스 운반을 위해 형상화된 통공(560)을 포함한다.
통공을 형성하는 화학적 에칭에 이어, 확산 결합 전에 2개 또는 그 이상의 (도 5a에서 도시된 바와 같은) 금속층들이 적층되고 정렬된다. 도 5b는, 도 5a에서 도시된 패턴화된 금속층을 분해한 3차원적 도면이나 180도 회전되지 않았다. 도 5b는 층 3 내지 층 7을 포함한 모든 층들을 포함하며, 이는 도 5a의 패턴화된 금속층(530)이다. 하나의 층에서의 통공은 전형적으로 통공(560) 또는 형상화된 통공 슬롯(565)에 적어도 하나의 인접한 층과 정렬되어 적층된 금속층을 통해 구동하는 가스 유동 채널을 형성한다.
격막 밸브의 하부 금속 부분과 관련한 표 1에서 설명된 처리 조건에 따라, 격막 밸브의 하부 금속 부분의 제조 면에서 (도 5a에서 도시된 층들(510, 520, 530, 540, 및 550)과 같은) 금속층들의 확산 결합은 전술한 바와 같이 실시된다.
격막 밸브의 제조에 관해 전술한 바와 같이 네트워크 구조물의 소정의 층들은 화학 결합되는 반면에, 다른 층들은 금속의 고-강도 결합에 적합한 전통적인 접착제를 사용하여 결합될 수 있다. 확산 결합 또는 접착제 결합 중 어느 것을 사용할지에 대한 선택은, 네트워크 구조물 내의 각 층의 궁극적인 기능에 따른다. 일부 실시예에서는, 주어진 패턴의 소정의 층들이 특정 두께에 달하도록 사용도리 수 있다. 다른 실시예에서는 층의 기능 때문에, 확산 결합 가능한 물질이 필요하지 않고 층들은 접착제를 사용하여 적용될 수 있다.
확산 결합(또는 특정 층에 확산 결합 그리고 다른 층에 접착제 결합을 하는 조합)에 이어, (도시되지 않은) 결합된 구조물의 측면 가장자리(590)는 보다 매끄럽고 편평한 표면을 제공하도록 기계가공될 수 있다. (결합 전 도 5b에서 도시된 조립체의) 가장자리(590)의 기계가공은 선행 기술에서 공지된 종래의 기계가공 기술을 사용하여 실시될 수 있다. 기타 확산 결합 이후의 단계들은 카운터보어 밀봉 표면의 롤러 광택, 템퍼링(tempering), 홀 태핑(tapping), 및 전기적 광택 또는 화학적 부동화와 같은 표면 처리를 포함할 수 있다.
본 발명의 소정의 실시예에서, 다양한 구성요소 장치들이 네트워크 구조물의 일부인 가스 유동 채널의 네트워크에 장착되는 표면일 수 있다. 구성요소 장치들은, 가스 분배 조립체 내의 나삿니를 낸 개구부에 나사 고정된 나삿니를 낸 핀 또는 볼트들을 사용하여 네트워크 구조물에, 전형적으로 조립체의 가장자리에서, 전형적으로 부착된다. 이러한 목적을 위해 유용하게 형상화된 통공들이 도 5b에서 도시된 분해된 조립체에서 (나삿니를 도시되지 않은) 홀들(570)로 도시된다. 여기에 부착된 구성요소 장치들은, 확산 결합된 채널 네트워크 구조물의 상부 표면에 전형적으로 같은 높이로 장착된다. 이러한 구성요소 장치들은 밸브, 필터, 압력 센서, 액튜에이터, 압력 변환기, 및 유동 제어기를 포함하며, 이는 예시적이고 이에 한정되는 것은 아니다. 구성요소의 표면 장착은, 예들 들면 1999년 1월 19일 공보된 브르제지키(Brzezicki) 등의 미국 특허 제 5,860,676 호, 2001년 5월 15일 공보된 마르쿨렉(Markulec) 등의 미국 특허 제 6,231,260 호, 2001년 7월 17일 공보된 홀링쉐드(Hollingshead)의 미국 특허 제 6,260,581 호, 2003년 1월 7일 공보된 에이드스모어(Eidsmore) 등의 미국 특허 제 6,502,601 호에서 개시된다.
유체 유동 채널 네트워크 및 다양한 구성요소 장치들을 포함하는 네트워크 구조물은 도 6a에서 도시된다. 도 6a는 일체화된 구조물(600)을 도시하며, 여기에서는 다양한 구성요소 장치들의 부분들이 서로 다른 정도로 일체화되어 확산 결합된 기판(605)이 된다. 금속층들을 채택하여 확산 결합하는데 매우 적합한 구성요소들은 밸브, 압력 센서, 유동 센서, 온도 센서, 필터, 압력 제어기, 및 체크 밸브를 포함한다. (이는 예시적이고 이를 한정하는 것은 아니다.) 도 6a는, (도 5b에서 도시된 분해된 조립체와 유사하게 결합된 층들인) 기초 구조물(610)을 위해, 예를 들면 표면에 장착되는 구성요소들(620 및 625)에 추가하여 다수의 확산 결합된 층들을 포함하는 가스 분배 조립체(600)의 개략적인 측면도이다.
도 6b는, 가스 분배 조립체(630)의 3차원적인 분해도이며, 확산 결합된 기판으로 완전히 일체화되지 않는다면 구성요소 장치들이 높이 있다. 이러한 도시된 실시예에서, 가스 분배 조립체(630)는 확산 결합되는 각각의 서브-유닛들(617, 618, 619, 및 621)과 확산 결합되거나 또는 레이저 용접되는 다른 서브-유닛들(611, 612, 613, 614, 615, 및 616)을 포함한다. 부분적으로 일체화된 구성요소들은 밸브(622), 부분적인 밸브(623), 속도 센서(624), 필터(625), 압력 센서(626), 및 압력 제어기(627)를 포함한다.
도 7a 내지 도 7e는, 압력 센서(700)의 다양한 도면을 도시하며, 이는 화학적 에칭 및 여기에서 개시된 확산 결합 기술을 사용하도록 준비될 수 있으며 완전히 일체화되어 네트워크 구조물의 가스 채널 분배 네트워크 부분이 되는 구성요소 장치이다.
도 7a는 압력 센서(700)의 개략적인 3차원 도면을 도시하며, 이는 폐쇄면(702), 유체가 진입하고 빠져 나가는 개구부(706)를 구비한 유체 입구(또는 출구)면(704), 유닛의 위에 있는 게터 펌프(getter pump)(730), 전기적 접촉 핀들(732), 캡(cap)(728), 및 스페이서(spacer)(726)를 포함하며, 이는 도 7f를 참조하여 후술할 것이다.
도 7b는, 도 7a에서 도시된 압력 센서(700)의 폐쇄면(702)의 측면도를 개략적으로 도시하며, 단면도를 위한 선 A-A가 그 위에 있다. 도 7d는, 도 7b에서 도시된 압력 센서(700)의 A-A 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 7c는, 도 7a에서 도시된 압력 센서(700)의 측면(704)의 측면도를 개략적으로 도시하며, 이는 유체 유동을 위한 채널(715) 내로의 입구(또는 출구)(706)를 포함한다. 도 7e는, 도 7c에서 도시된 압력 센서의 B-B 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 7d는, 도 7b의 A-A 단면이며, (도 7f에서 도시된) 다양한 층들의 확산 결합되어 간결하고 일체화된 구조물을 형성한 이후 압력 센서(700)의 요소들의 부분들의 관계를 상세히 도시한다. 일체화된 구조물은 (도시되지 않은) 네트워크 구조물의 부분이며, 상기 구조물에서 층들의 적어도 일부분은 압력 센서(700)를 제조하고 상기 압력 센서(700)가 연장되어 다른 구성요소 장치들 또는 유체 채널 네트워크 또한 형성한다. 도 6b는, 예를 들어 네트워크 내의 단일 층이 하나 이상의 구성요소 장치의 부분으로서 어떻게 실시하는지를 도시한다. 보다 상세하게는, 도 7d는, 이를 통해 유체가 진입하고(또는 빠져 나가는) 유체 유동 채널(715)을 도시하며, 상기 채널(715)은 도 7f에서 도시된 것과 같은 층들(714)의 조립체 내에서 패턴화된 개구부가 함께 결합될 때 생성된다. 압력 센서(700)의 외측 바닥(710)에 근접하여, 유체 체적의 오직 하나의 부분만이 감지 영역을 향할 경우 유체 유동의 체적 변화의 효과에 반대하여 작동하는 슬롯(713)이 있다. 감지 영역으로 보내진 (도시되지 않은) 유체 유동의 일부분은 (도 7e에 도시된) 개구부(717)를 통해 층(716) 내에서 금속 격막(720) 아래의 제 1 챔버(719) 안으로 통과한다. 개구부(717)는 갑작스러운 유체 유동의 변동을 방지하는데 도움을 준다. 유체에 의해 금속 격막(720)에 가해진 압력은, (엘질로이®와 같은 물질의 (전형적으로 약 0.003인치 두께인) 비교적 얇은 층으로부터 제작된) 금속 격막(720)을 그 하부 표면에서 2개의 전극(744 및 746)을 갖는 (특히 세라믹인) 절연성의 절연체 디스크(724) 아래에 있는 제 2 챔버(723) 내에서 상방으로 변형시키며, 그 다음 디스크(724)의 (도시되지 않은) 상부 표면으로 전기적 접촉 핀(732)에 의해 접촉된 개구부(725)를 통과시킨다. 전기적으로 절연성 디스크(724)는 금속 격막(720)과 조합되어 커패시터의 일부분을 형성하고, 격막(720)이 변형되고 커패시터 내의 요소들 사이의 공간이 변화함에 따라, 전기적으로 절연성 디스크(724) 위의 전극들을 통과하는 전류의 양이 변화한다. 이러한 전류의 변화는 감지되는 압력 변화를 지시한다. 또한, 도 7d에서, (슬롯(713)을 포함하는) 층(712), 개구부(706)(도관(715))를 형성하는 4개의 융합된 층, 격막(720)에 접촉하는 유체를 제공하는 개구부(717)를 포함하는 층(716), 개구부/제 1 챔버(719)를 포함하는 층(718), 개구부/제 2 챔버(723)를 포함하는 층(722), 및 세라믹 디스크(724) 넘어서 놓인 제 3 챔버(729)의 형태를 허용하는 스페이서(726)가 도시된다. 게터 펌프(730)는 세라믹 디스크(724) 넘어서 놓인 제 3 챔버(729) 내의 진공을 유지한다. 진공은 감지 압력보다 많이 낮은 기준압(reference pressure)으로 작동하며, 그 결과 압력 변화가 격막의 오직 하나의 면에서만 있다. 제 3 챔버(729) 내의 진공의 사용은, 대기압에 비한 압력보다 절대 압력을 벗어나는 탐지를 허용한다.
압력 센서는 챔버(729) 내에서의 압력이 감지된 압력보다 대체로 높도록 설계될 수 있으며, 이 경우 챔버(729) 내에서의 압력은 격막(720)이 하방으로 변형되도록 한다. 게다가, 어떠한 게터 펌프(730)도 필요하지 않다. 또한, 압력 센서는 특정 실시예에서 요구되는 경우 대기압에 비한 압력 게이지로 사용될 수 있다.
도 7e는, 도 7a에서 도시된 압력 센서(700)의 측면(704)의 개략적인 측면도이며, 도 7c의 B-B 단면이다. 압력 센서(700)의 이러한 도면은 개구부들(725)을 도시하며, 상기 개구부들(725)을 통해 진공 하에서 연결되어 유지된다.
도 7f는, 도 7a에서 도시된 압력 센서(700)의 개략적이고 3차원적인 분해도이며, 완전한 일체화 가능한 압력 센서를 제조하는 각각의 구성요소 층들을 도시한다. 특히, 바닥층(710)은 압력 센서(700)의 외부 바닥을 형성한다. 층(712)은 체적 변화 효과에 반대로 작용하는 슬롯(713)을 포함하며, 이는 센서(700) 내의 (도시되지 않은) 유체가 슬롯(721)을 통한 과도한 유체 통과로서 층(716) 내의 개구부(717)를 통과할 때 압력이 떨어지는 양을 감소시킨다. 슬롯(721)은 (713)과 조합되어 작동하여 체적 효과를 제어하며, 따라서 개구부(717)를 통과하는 유체의 압력 효과를 제어하도록 돕는다. 게다가 슬롯(721)은 유동 채널을 유체 유동 네트워크 내에 연결하도록 전형적으로 사용된다. 층(718)은 격막(720) 아래 그리고 유체가 통과하는 개구부(717) 위의 제 1 챔버(719)를 형성하도록 사용된다. 제 1 챔버(719) 내의 유체는 격막(720)에 대해 가압하여 격막(720)의 일부분의 변형을 야기하며, 상기 격막(720)은 층(722) 내에서 형성된 제 2 챔버(723)와 접촉한다. (특히 세라믹인) 전기 절연 디스크(724)는, 도 7g에서 도시된 바와 같이 그 아랫면(742) 위에 위치하는 전기적 접촉부(744 및 746)를 포함한다. 이러한 접촉부는 디스크(724)의 상부 표면 내에 (도시되지 않은) 개구부를 통과하여, 도 7d에서 도시된 바와 같이 전기적 접촉 핀(732)을 위한 접촉점을 제공한다. 이러한 접촉 핀(732)은, 전기 절연 아이렛(eyelet)(738)에 의해 압력 센서(700)의 일반적인 금속성 바디로부터 전기적으로 절연된다. 스페이서(726)의 내부는 디스크(724)의 표면 위에 제 3 챔버(729)를 생성할 정도로 충분히 두꺼우며, 이는 개구부(725)를 통해 챔버(723)에 연결된다. 캡(728)은 압력 센서(700)의 주요 상부 외부 표면을 형성하고 개구부(727)를 포함하며, 상기 개구부(727)를 통해 예를 들어 유리 절연체인 절연 아이렛에 의해 절연된 전기적 접촉 핀들(732)이 통과하여 디스크(724)의 상부 표면 위의 (도시되지 않은) 전기적 접촉부와 접촉한다. 전형적으로 티타늄으로 제작되고 캡(728)의 상부 표면 위에 있는 게터 펌프(730)는 주어진 온도에서 제 2 챔버(723) 및 제 3 챔버(729)를 지속적인 진공 상태로 유지하도록 사용된다.
다-적층형 압력 센서(700) 내에서 금속층의 전형적인 두께는 약 0.025인치이다. 층들의 대부분은 (전형적으로 400시리즈 스테인레스 강인) 스테인레스 강이다. 격막(720)은 전형적으로 약 0.003인치의 두께를 가지며 엘질로이® 또는 보다 스프링 같은 작용을 제공하는 유사 니켈/코발트/크롬 합금으로 제작된다. 전기적 접촉 핀들(732)은 전형적으로 구리로 제작되며, 게터 펌프(730)는 전형적으로 티타늄과 같은 물질을 포함하며, 이는 제 3 캐비티(729) 및 제 2 캐비티(723)로부터의 자유 유체 분자들을 적신다.
도 8a는, (도 8c 및 도 8d에서 도시된) 완전히 일체화 가능한 인-라인 필터(850)를 포함하는 적층형 기판(830)을 형성하기 위한 시작형 구조물(800)의 개략적인 분해도이다. 도 8a는, 도 5a 및 도 5b에서 도시되는 종류의 일련의 층들을 도시한다. 도 8a는 전체적으로 일체화 가능한 필터가 유체 유동 네트워크 내에서 어떻게 형성되어 유체가 네트워크 구조물을 통과할 때 한 줄로(in line) 필터링 되는지를 설명한다. 층들(808 내지 816) 각각은 소결 가능한 매개체(sinterable media)(848)가 그 내부에 위치할 슬롯(807)을 포함한다. 전형적으로, 소결 가능한 매개체(848)는, 그린 상태(green state)에서 층(806)의 상부 표면 상에서 블록 또는 형상화된 구조물(805) 내에 위치하여, 그 결과 모든 층들이 압축될 때 소결 가능한 매개체(848)가 모든 슬롯들(807)을 통과하여 도 8c 및 도 8d에서 도시된 것 처럼 슬롯들이 만드는 공간을 채울 것이다.
도 8b는, 확산 결합된 적층형 기판(830)의 개략적인 평면도를 도시하며, 최상층(822), 유체 입구(832) 및 유체 출구(834)를 도시한다. 또한, 도 8b는 그 위에 단면도를 위한 선 A-A가 도시되어 있다.
도 8c는, 적층형 기판 구조물(830)의 개략적인 단면도이다. 적층형 구조물(830)의 확산 결합 동안, 소결 가능한 매개체(848)가 유체 입구(832)와 유체 출구(834) 사이에서 규정된 공간을 채우도록 힘을 받는다. 소결 가능한 매개체는, 적층형 구조물(830)의 유체 유동 채널(836)에 진입할 수 있는 입자들을 필터링하기 위한 인-라인 필터(850)를 형성한다. 적층형 구조물(830)은 (도시되지 않은) 보다 넓은 적층형 구조물의 일부일 수 있으며, 또는 밸브와 같은 (도시되지 않은) 구성요소 장치가 유체 입구 개구부(832) 및 유체 출구 개구부(834)를 걸쳐 부착될 수 있다.
(보다 3차원적인 A-A 단면도인) 도 8c 및 도 8d에 도시된 층들(804 및 820)은 전형적으로 엘질로이®로 제작되어 구조물(830)의 확산 결합 동안 또는 그 이후 단단한 밀봉 표면을 제공한다. 구조물의 다른 층들은 400시리즈 스테인레스 강일 수 있으며, 이는 예시적이고 이를 한정하는 것은 아니다. 엘질로이 층의 두께는, 예시적이고 한정하는 것은 아닌 전형적으로 약 0.025인치의 범위 내에 있는 스테인레스 강 층들에 비해, 0.004인치의 범위 내에 있을 수 있으며, 이는 예시적이고 이를 한정하는 것은 아니다.
엘질로이® 층들은 전술한 밸브(300)의 결막(302) 및 센서(700)의 격막(720)으로서 사용될 수 있으며, 또한 표면 장착 구성요소들을 위해 사용되는 카운터보어를 위한 단단한 밀봉 표면을 제공한다.
도 9a는, (도 6b에서 도시된 것과 유사한) 표면-장착된 구성요소 장치들을 구비한 다수의 가스 분배 조립체(가스 스틱)(910)들을 포함하는 유체 전달 시스템(900)의 평면도이다. 일체화된 유체 전달 시스템(900)은 바닥 플레이트(920)에 장착되고 입력 매니폴드(930) 및 출력 매니폴드(940) 또한 포함한다. 도 9b는, 도 9a에서 도시된 일체화된 유체 전달 시스템(900)의 3차원적인 측면도이며, 확산 결합된 기판 내에서 개개의 구성요소 장치들의 일체화 양을 설명한다.
전술한, 그리고 도 9a 및 도 9b에서 도시된 일체화된 유체 전달 시스템은, 제조 공정 동안 다양한 가스들의 사용을 필요로 하는 어떠한 처리 장치와 연계되어 사용될 수 있다. 반도체 처리와 관련하여, 예시적이고 이에 한정되는 것 없이, 유체 전달 시스템은 에칭 챔버(etch chamber), 화학 증착(CVD) 챔버, 및 물리 증착(PVD) 챔버와 연계되어 사용될 수 있다.
도 9b에서 설명되는, 일체화된 유체 전달 시스템(900)의 장점 중 하나는 각각의 가스 분배 조립체(가스 스틱)(910)가 유체 전달 시스템으로부터 제거되고 합리적인 비용으로 새로운 가스 분배 조립체로 교환될 수 있다는 점이다. 이는, 하나 또는 그 이상의 유체 전달 구성요소 장치가 소정의 이유로 실시를 하지 못하는 경우 전체 반도체 처리 시스템의 중단 시간을 최소화하는 것을 가능하게 한다. 각각의 가스 분배 조립체는, 비싼 공사 또는 재공사 시간의 필요 없이 라인을 제거하고 정비할 수 있다. 각각의 가스 분배 조립체가 정비되면 구성 물질을 재활용될 수 있다.
제작에서 보다 적은 물질을 필요로 하고, 그리고 조립체를 제작하는데 사용되는 (화학적 에칭 및 확산 결합인) 제조 처리가 본 실시예를 만족하는 크기 면에서 크기 조절이 가능하고 제조 수량 면에서 크기 조절 가능하기 때문에, 본 발명의 공간 보존적인 일체화된 가스 분배 네트워크 구조물은 종래의 보다 큰 크기의 시스템보다 제작 비용이 싸며 경제적인 비용을 제공한다.
또한, 전술한 확산 결합 기술은 반도체 처리 챔버 구성요소를 유체 취급 네트워크 구성요소에 부착하는데 사용될 수 있다. 유체 취급 네트워크 구성요소는 가스 분배 조립체일 수 있으며, 예를 들어 수동 밸브, 자동 밸브, 압력 및 온도 센서, 유동 제어기, 필터, 압력 제어기, 체크 밸브, 계량 밸브, 니들 밸브, 및 정화기와 같이 전에 나열한 구성요소 장치중 하나일 수 있다. 유체 취급 네트워크 구성요소가 결합되는 반도체 처리 챔버 구성요소는, 예를 들어 플랜지 또는 에칭 챔버로의 입구, 화학 증착(CVD) 챔버 또는 물리 증착(PVD) 챔버일 수 있으며, 이는 예시적이고 이를 한정하는 것은 아니다.
여기에서 개시되고 청구되는 개념을 당업자가 이해할 수 있도록 전술한 실시예가 제공되며, 이는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아니다. 본 실시예의 개시 면에서, 당업자는 적층형 유체 채널, 센서, 액튜에이터, 및 밸브의 다양한 요소에 사용되는 물질 및 개념을 확대할 수 있으며, 이하 본 발명의 청구범위의 요점에 상응한다.

Claims (68)

  1. 부착된 금속층들의 조립체를 포함하는 유체 취급 구조물에 있어서,
    다수의 부착된 금속층들이, 상기 부착된 금속층들을 통과하는 하나 이상의 형상화된 개구부를 포함하도록 패턴화되고, 그 결과 상기 다수의 층들을 부착하면 유체 취급 구조물이 형성되는 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부착된 금속층들의 적어도 일부분은 확산 결합(diffusion bonding)에 의해 부착되는 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 부착된 금속층들의 적어도 일부분은 화학적으로 또는 전기화학적으로 에칭되어, 상기 금속층들을 통과하는 하나 이상의 형상화된 개구부를 제공하는 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들은 스테인레스 강, 내부식성 니켈 합금, 내부식성 코발트 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들은 스테인레스 강, 내부식성 니켈 합금, 내부식성 코발트 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들은 내부식성 니켈 합금을 포함하고, 상기 내부식성 니켈 합금은 헤이스텔로이®(HASTELLOY®)인 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들은 내부식성 코발트 합금을 포함하고, 상기 내부식성 코발트 합금은 엘질로이®(ELGILOY®)인 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들은 내부식성 니켈 합금을 포함하고, 상기 내부식성 니켈 합금은 헤이스텔로이®인 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들은 내부식성 코발트 합금을 포함하고, 상기 내부식성 코발트 합금은 엘질로이®인 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 확산 결합되는 금속층들은 약 0.0005인치 내지 약 0.06인치의 범위 내의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 두께는 약 0.003인치 내지 약 0.025인치의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 형상화된 통공(through-hole)은 인접한 층 내에 있는 형상화된 통공에 정렬되어, 상기 다수의 금속층들 내에 유체 유동 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들 중 하나 이상의 층은, 하나 이상의 구성요소 장치를 장착하는데 적합한 하나 이상의 통공을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구조물은 반도체 처리에 사용되는 유체 분배 네트워크의 일부분인 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  15. 제 3 항에 있어서,
    상기 구조물은 반도체 처리에 사용되는 유체 분배 네트워크의 일부분인 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 구조물은 반도체 처리에 사용되는 가스 분배 구조물인 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 구조물은 반도체 처리에 사용되는 가스 분배 구조물인 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  18. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유체 취급 구조물은 다수의 유체 취급 구성요소 장치를 포함하는 네트워크 구조물의 일체화된 부분인 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  19. 제 3 항에 있어서,
    상기 유체 취급 구조물은 소정의 유체 취급 구성요소 장치를 포함하는 네트워크 구조물의 일체화된 부분인 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 유체 취급 구조물은 유체 유동 채널들 및 구성요소 장치들의 조합을 포함하는 네트워크의 일체화된 부분이고, 상기 구성요소 장치들이 적층형 기판으로 적어도 부분적으로 일체화되는 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 유체 취급 구조물은 유체 유동 채널들 및 구성요소 장치들의 조합을 포함하는 네트워크의 일체화된 부분이고, 상기 구성요소 장치들이 적층형 기판으로 적어도 부분적으로 일체화되는 것을 특징으로 하는, 유체 취급 구조물.
  22. 반도체 처리 장치에 사용되는 유체 분배 네트워크 구조물에 있어서,
    상기 유체 분배 네트워크 구조물은, 함께 확산 결합된 금속층들 다수를 포함하는 유체 취급 구조물을 포함하고, 상기 다수의 금속층들은 상기 확산 결합 이전의 층들을 통해 화학적 또는 전기화학적으로 에칭된 하나 이상의 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들은 스테인레스 강, 내부식성 니켈 합금, 내부식성 코발트 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들은 내부식성 니켈 합금의 층을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 내부식성 니켈 합금은 헤이스텔로이®인 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들은 내부식성 코발트 합금의 층을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 내부식성 코발트 합금은 엘질로이®인 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  28. 제 22 항에 있어서,
    상기 유체 취급 구조물에서, 확산 결합되는 상기 유체 취급 구조물의 상기 금속층들은 약 0.0005인치 내지 약 0.06인치의 범위 내의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  29. 제 22 항에 있어서,
    상기 유체 취급 구조물의 형상의 적어도 일부분은 형상화된 통공을 각각 포함하는 다수의 금속층으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 형상화된 통공들 다수는 인접한 층 내의 통공에 정렬되어 유체 유동 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  31. 제 22 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들 중 하나 이상의 층은 하나 이상의 구성요소 장치의 장착에 적합한 하나 이상의 형상화된 통공을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 구성요소 장치는, 수동 밸브, 자동 밸브, 수동/자동 밸브 조합, 압력 및 온도 센서, 압력 제어기, 유동 감지 장치, 유동 제어기, 층류 장치, 체크 밸브, 필터, 및 정화기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  33. 제 22 항에 있어서,
    상기 구조물은 하나 이상의 구성요소 장치를 포함하고, 상기 구성요소 장치의 적어도 일부분은 상기 다수의 금속층들로 부분적으로 또는 전체적으로 일체화되고 확산 결합되는 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 구성요소 장치는, 수동 밸브, 자동 밸브, 수동/자동 밸브 조합, 압력 및 온도 센서, 압력 제어기, 유동 감지 장치, 유동 제어기, 층류 장치, 체크 밸브, 필터, 및 정화기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  35. 제 22 항에 있어서,
    상기 네트워크 구조물은 다수의 유체 취급 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 유체 취급 구조물의 적어도 일부분은 매니폴드가 부착된 유체 분배 조립체인 것을 특징으로 하는, 유체 분배 네트워크 구조물.
  37. 온/오프(on/off) 밸브에 있어서,
    유체-습윤 섹션으로서, 상기 유체-습윤 섹션은 조합되어 상기 습윤 섹션의 다른 요소들을 에워 싸는 하부 바디 섹션 및 격막을 포함하며, 유체가 하나 이상의 입구 포트를 통해 상기 하부 바디 섹션에 진입하고 상기 하부 바디 섹션에 있는 하나 이상의 출구 포트를 통해 빠져 나가며, 상기 출구 포트는 그 내부 립(lip)의 일부분으로서 또는 내부 립 위에 형성되고 환형 금속성 밸브 시트를 가지며, 그리고 상기 격막이 상기 금속성 밸브 시트에 대해 충분히 단단하게 가압되는 경우 상기 밸브가 처리 유체의 유동을 폐쇄하는, 유체-습윤 섹션;
    유체-비습윤 구동 섹션으로서, 상기 유체-비습윤 구동 섹션은 슬라이딩 실린더를 포함하고, 상기 슬라이딩 실린더는 상기 밸브의 제 1 상부 바디 표면에 대해 가압 밀봉되는 상부 수평 부재 및 상기 상부 수평 부재보다 짧고 상기 밸브의 제 2 상부 바디 표면에 대해 가압 밀봉되는 하부 수평 부재를 포함하고, 그 결과 공기압 챔버가 상기 상부 수평 부재와 상기 하부 수평 부재 사이에서 형성되며, 상기 상부 수평 부재는 상기 하부 수평 부재에 구속되며, 그리고 상기 슬라이딩 실린더는 상기 공기압 챔버의 공기압력에 따라서 상기 격막 위에서 상하로 이동하고 이로 인하여 상기 하부 수평 부재의 표면은 상기 격막에 대해 적어도 주기적으로 압박을 가하고, 스프링이 상기 상부 수평 부재의 윗면을 누르고 제어된 공기압력이 상기 공기압 챔버에 인가되어 상기 상부 수평 부재의 바닥면을 누르며, 그리고 상기 스프링과 상기 공기압력 사이의 균형이 유체를 유동시키도록 상기 밸브가 개방되는 정도를 결정하는, 유체-비습윤 구동 섹션을 포함하는 것을 특징으로 하는, 온/오프 밸브.
  38. 다수의 부착된 금속층들을 포함하는, 적층형 기판 내의 커패시턴스(capacitance) 이중 전극 압력 센서에 있어서,
    유체 유동 채널을 형성하는 부착된 층들의 조립체를 포함하고, 상기 조립체는 제 1 챔버를 포함하는 상부 중첩 층(overlying layer)과의 유체 접촉을 제공하는 다수의 개구부를 포함하는 층과 접촉하며, 상기 상부 중첩 층은 격막 층과 접촉하고 상기 격막층은 제 2 챔버를 포함하는 상부 중첩 층과 접촉하며, 상기 제 2 챔버는 그 위에 전극 한 쌍을 갖고 그 내부에 다수의 개구부를 갖는 상부 중첩 전기 절연 디스크와 소통되며, 상기 전기 절연 디스크는 스페이서(spacer)와 접촉하고 상기 스페이서는 상부 중첩 캡(cap)층(728)과 접촉하여 그 결과 제 3 챔버가 형성되고, 상기 제 3 챔버는 기준압(reference pressure)으로 유지되는 것을 특징으로 하는, 커패시턴스 이중 전극 압력 센서.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 부착될 층들의 적어도 일부분은 확산 결합되는 것을 특징으로 하는, 커패시턴스 이중 전극 압력 센서.
  40. 적층형 기판 내의 인-라인(in-line) 필터에 있어서,
    상기 인-라인 필터는 다수의 부착된 층들을 포함하고, 그 내부에 에칭되어진 형상화된 통공들을 갖는 일련의 층들을 포함하고, 상기 형상화된 통공들의 일부분은 정렬되어 캐비티를 형성하며, 상기 캐비티들은 여과제와 같이 작용하는 소결된 매개체들로 채워지며, 그리고 상기 형상화된 통공들의 다른 부분은 상기 인-라인 필터로의 입구 및 상기 인-라인 필터로부터의 출구를 제공하는 것을 특징으로 하는, 적층형 기판 내의 인-라인 필터.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 부착된 층들의 적어도 일부분이 확산 결합되는 것을 특징으로 하는, 적층형 기판 내의 인-라인 필터.
  42. 반도체 처리 장치에 사용하는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법에 있어서,
    a) 다수의 금속층들을 제공하는 단계;
    b) 상기 금속층들 중 하나 이상에서 하나 이상의 형상을 화학적으로 또는 전기화학적으로 에칭하는 단계;
    c) 상기 다수의 금속층들을 정렬하는 단계; 그리고
    d) 상기 다수의 금속층들을 확산 결합하는 단계
    를 포함하는, 반도체 처리 장치에 사용되는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들은 스테인레스 강, 내부식성 니켈 합금, 내부식성 코발트 합금 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 장치에 사용되는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들은 내부식성 니켈 합금을 포함하고, 상기 내부식성 니켈 합금은 헤이스텔로이®인 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 장치에 사용되는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들은 내부식성 코발트 합금을 포함하고, 상기 내부식성 코발트 합금은 엘질로이®인 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 장치에 사용되는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법.
  46. 제 42 항에 있어서,
    상기 확산 결합되는 금속층들은 약 0.0005인치 내지 0.06인치의 범위 내에서 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 장치에 사용되는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법.
  47. 제 42 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 형상은 형상화된 통공을 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 장치에 사용되는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 형상화된 통공은 확산 결합 이전에 인접한 층 내에 있는 형상화된 통공에 정렬되어, 확산 결합 이후에 상기 다수의 금속층들 내에 가스 유동 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 장치에 사용되는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법.
  49. 제 42 항에 있어서,
    상기 다수의 금속층들 중 하나 이상의 층은 하나 이상의 구성요소의 장착에 적합한 하나 이상의 형상화된 통공을 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 장치에 사용되는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법.
  50. 제 42 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 다수의 금속층들 내의 구성요소 장치의 적어도 일부분을 정렬하고 확산 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 장치에 사용되는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 구성요소 장치는, 수동 밸브, 자동 밸브, 압력 및 온도 센서, 유동 제어기, 필터, 압력 제어기, 체크 밸브, 계량 밸브, 니들 밸브 및 정화기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 장치에 사용되는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법.
  52. 제 43 항에 있어서,
    상기 금속층들 각각은, 400시리즈 스테인레스 강이고, 확산 결합이 약 1000℃ 내지 약 1300℃의 범위 내의 온도에서, 약 3000psi 내지 약 5000psi의 범위 내의 압력에서, 약 3시간 내지 약 6시간의 범위 내의 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 장치에 사용되는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법.
  53. 제 43 항에 있어서,
    상기 금속층들 각각은 헤이스텔로이® C-22이고, 확산 결합이 약 1000℃ 내지 약 1300℃의 범위 내의 온도에서, 약 8000psi 내지 약 10,000psi의 범위 내의 압력에서, 약 3시간 내지 약 6시간의 범위 내의 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 장치에 사용되는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법.
  54. 제 43 항에 있어서,
    상기 금속층들 중 하나 이상은 400시리즈 스테인레스 강이고, 상기 금속층들 중 하나 이상은 헤이스텔로이® C-22이고, 확산 결합이 약 1000℃ 내지 약 1300℃의 범위 내의 온도에서, 약 4000psi 내지 약 10,000psi의 범위 내의 압력에서, 약 3시간 내지 약 6시간의 범위 내의 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 장치에 사용되는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법.
  55. 제 43 항에 있어서,
    상기 금속층들 중 하나 이상은 400시리즈 스테인레스 강이고, 상기 금속층들 중 하나 이상은 엘질로이®이고, 확산 결합이 약 1000℃ 내지 약 1300℃의 범위 내의 온도에서, 약 4000psi 내지 약 10,000psi의 범위 내의 압력에서, 약 3시간 내지 약 6시간의 범위 내의 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 장치에 사용되는 가스 분배 조립체를 준비하는 방법.
  56. 화학적 에칭에 저항성이 있는 미세-구조를 갖는 금속의 에칭 가능성을 증가시키는 방법에 있어서,
    a) 상기 금속을 약 25분 내지 약 35분의 범위 내의 시간 동안 약 1800℉ 내지 약 2000℉의 범위 내의 온도로 가열시키는 단계;
    b) 상기 금속을 화학적 또는 전기화학적으로 에칭하는 단계;
    c) 상기 금속을 약 30분 이상의 시간 동안 약 2100℉보다 큰 온도로 가열시키는 단계; 그리고
    d) 상기 금속을 약 5분보다 적은 시간 동안 약 300℉보다 낮은 온도로 냉각시키는 단계;
    를 포함하는, 화학적 에칭에 저항성이 있는 미세-구조를 갖는 금속의 에칭 가능성을 증가시키는 방법.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 금속이 약 43 내지 약 71중량% 범위 내의 니켈 및 약 1 내지 약 30중량% 범위 내의 크롬을 포함하는 금속 합금인 것을 특징으로 하는, 화학적 에칭에 저항성이 있는 미세-구조를 갖는 금속의 에칭 가능성을 증가시키는 방법.
  58. 제 57 항에 있어서,
    상기 금속 합금이 헤이스텔로이® B-2, 헤이스텔로이® B-3, 헤이스텔로이® C-4, 헤이스텔로이® C-22, 헤이스텔로이® C-2000, 헤이스텔로이® C-276, 헤이스텔로이® G-30, 및 헤이스텔로이® N으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 화학적 에칭에 저항성이 있는 미세-구조를 갖는 금속의 에칭 가능성을 증가시키는 방법.
  59. 제 58 항에 있어서,
    상기 금속 합금이 헤이스텔로이® C-22인 것을 특징으로 하는, 화학적 에칭에 저항성이 있는 미세-구조를 갖는 금속의 에칭 가능성을 증가시키는 방법.
  60. 제 56 항에 있어서,
    상기 a) 단계에서, 상기 금속이 약 1825℉ 내지 약 1975℉의 범위 내의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는, 화학적 에칭에 저항성이 있는 미세-구조를 갖는 금속의 에칭 가능성을 증가시키는 방법.
  61. 제 56 항에 있어서,
    상기 c) 단계에서, 상기 금속이 약 2100℉ 내지 약 2200℉의 범위 내의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는, 화학적 에칭에 저항성이 있는 미세-구조를 갖는 금속의 에칭 가능성을 증가시키는 방법.
  62. 제 56 항에 있어서,
    상기 d) 단계에서, 상기 금속이 약 200℉ 내지 약 300℉의 범위 내의 온도로 냉각되는 것을 특징으로 하는, 화학적 에칭에 저항성이 있는 미세-구조를 갖는 금속의 에칭 가능성을 증가시키는 방법.
  63. 제 56 항에 있어서,
    상기 금속의 상기 c) 단계 열처리는, 상기 금속의 제 1 층을 상기 금속의 제 2 층에 확산 결합하는 것과 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는, 화학적 에칭에 저항성이 있는 미세-구조를 갖는 금속의 에칭 가능성을 증가시키는 방법.
  64. 반도체 처리 챔버 구성요소를 반도체 처리 챔버에 확산 결합하는 것을 포함하는, 반도체 처리 챔버 구성요소를 반도체 처리 챔버에 부착하는 방법.
  65. 제 64 항에 있어서,
    상기 반도체 처리 챔버 구성요소는 가스 분배 조립체인 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 챔버 구성요소를 반도체 처리 챔버에 부착하는 방법.
  66. 제 64 항에 있어서,
    상기 반도체 처리 챔버 구성요소는, 수동 밸브, 자동 밸브, 압력 및 온도 센서, 유동 제어기, 필터, 압력 제어기, 체크 밸브, 계량 밸브, 니들 밸브, 및 정화기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 챔버 구성요소를 반도체 처리 챔버에 부착하는 방법.
  67. 제 64 항에 있어서,
    상기 반도체 처리 챔버는, 에칭 챔버(etch chamber), 화학 증착(CVD) 챔버, 및 물리 증착(PVD) 챔버로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 챔버 구성요소를 반도체 처리 챔버에 부착하는 방법.
  68. 스테인레스 강 표면의 내부식성을 개선하기 위한 방법에 있어서,
    a) 상기 스테인레스 강 표면을 세척제 또는 기초 시약 또는 이들의 조합으로 세정하는 단계; 이어서
    b) 상기 스테인레스 강 표면을 탈이온수를 사용하여 다시 세정하는 단계; 이어서
    c) 상기 스테인레스 강 표면을 고온 질소 가스를 사용하여 건조하는 단계; 이어서
    d) 상기 세정된 스테인레스 강 표면을 검사하여, 상기 스테인레스 강 표면이 표면 오염에 대한 기준을 만족할 때까지 상기 a) 단계 내지 상기 c) 단계를 반복하는 단계; 이어서
    e) 상기 스테인레스 강을 질산 용액으로 처리하여 상기 스테인레스 강의 표면 구성을 개선하는 단계; 이어서
    f) 상기 스테인레스 강 표면을 탈이온수를 사용하여 다시 세정하는 단계; 이어서
    g) 상기 스테인레스 강 표면을 세척제로 처리하는 단계; 이어서
    h) 상기 스테인레스 강 표면을 탈이온수를 사용하여 다시 세정하는 단계; 이어서
    i) 상기 스테인레스 강을 시트르산 용액으로 처리하여 상기 스테인레스 강의 표면 구성을 개선하는 단계; 이어서
    j) 상기 스테인레스 강 표면을 탈이온수를 사용하여 다시 세정하는 단계; 이어서
    k) 상기 스테인레스 강 표면을 아르곤 대기에서 건조하는 단계; 이어서
    l) 상기 스테인레스 강 표면을 아르곤 대기에서 열처리하는 단계; 이어서
    m) 상기 스테인레스 강을 질산 용액으로 처리하여 상기 스테인레스 강의 표면 구성을 개선하는 단계; 이어서
    n) 상기 스테인레스 강 표면을 탈이온수를 사용하여 다시 세정하는 단계; 그리고
    o) 상기 스테인레스 강 표면을 고온 질소 가스를 사용하여 건조하는 단계;
    를 포함하는, 스테인레스 강 표면의 내부식성을 개선하기 위한 방법.
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