单涂层封装的石墨加热器和工艺制造技术

本发明专利技术公开一种涂覆石墨加热器。加热器具有包括多个加热元件的构造，多个加热元件具有与加热器的上表面平行设置的主要部分，使得主要部分水平设置。加热器构造提供了加热器，其呈现减小的热应力和/或减小的CTE失配应力，特别是与具有垂直于加热器的上表面的平面而定向的主要部分的加热元件的设计相比而言。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】单涂层封装的石墨加热器和工艺相关申请的交叉引用本申请要求于2014年6月13日提交的题为“One-CoatEncapsulatedGraphiteHeaterandProcess”的美国临时申请No.62/011,646的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及一种石墨加热器及其制造工艺。具体地，本专利技术涉及使用单涂层封装工艺制造的封装石墨加热器。所得的单涂层封装石墨加热器构造适合于各种各样的应用，包括但不限于，在半导体加工装置中加热半导体晶片。
技术介绍
在半导体器件或半导体材料的制造中，在限定反应室的外壳中在高于1000℃的相对高的温度下处理半导体晶片，其中晶片被放置成邻近或接触被耦合到电源的电阻加热器。对于圆柱形加热器，晶片可以放置在支撑件上，并且支撑件由加热器加热。在该工艺中，半导体晶片的温度保持大致恒定和均匀，在约1℃至10℃的范围内变化。美国专利No.5,343,022公开了一种用在半导体晶片加工工艺中的加热单元，包括叠加在热解氮化硼基底上的热解石墨(“PG”)加热元件。石墨层被机械加工成限定待加热的区域的螺旋或蜿蜒构造，其两端连接到外部电源。然后，整个加热组件涂覆有热解氮化硼(“pBN”)层。美国专利No.6,410,172公开了一种加热元件、晶片载体或静电卡盘，其包括安装在pBN衬底上的PG元件，随后整个组件用AlN的外涂层进行CVD涂覆，以保护组件免受化学侵蚀。虽然石墨是经济且耐温的耐火材料，但是石墨被一些晶片处理化学环境腐蚀，并且它易于产生颗粒和粉尘。由于常规机械加工的石墨加热器的不连续表面，导致功率密度在待加热区域上显着变化。此外，石墨主体，特别是在机械加工成蜿蜒几何形状之后，是脆的并且其机械完整性差。因此，即使具有相对较大的横截面厚度，例如，对于半导体石墨加热器应用来说典型的大约0.1英寸以上，加热器仍然非常脆弱并且必须小心处理。此外，石墨加热器由于退火而随时间改变尺寸，这导致弓形或不对准，从而导致电短路。在半导体晶片处理中常规的是在半导体上沉积膜，其可以是导电的。这种膜可能在加热器上沉积为短效涂层，这可能造成电短路，电性能的变化或引起额外的弓形和扭曲。一种改进石墨加热器的稳定性的方法是用氮化物涂层(例如氮化硼)和保护外涂层涂覆石墨主体，该保护外涂层通常由与氮化物涂层相同的材料制成。通常，石墨主体被机械加工成期望的形状或构造，其限定了具有加热元件的加热路径。该路径可以是例如在相邻加热元件之间具有空间或间隙的连续路径。为了提供具有用于处理和涂覆的足够支撑的结构，石墨主体被机械加工以在加热元件之间留下石墨桥。将保护涂层，例如热解氮化硼施加到石墨主体上。将涂层施加到石墨主体上产生了由覆盖石墨桥的涂层材料组成的连接层。然后对被涂覆的加热器主体进行机械加工以从结构中除去石墨桥，如果留在原位，这将导致加热器短路。这需要通过涂层进行机械加工，这留下暴露出的石墨的区域。加热器可以被机械加工以留下由涂层材料形成的连接层。虽然该连接层可以为石墨加热器提供支撑，但是加热器必须被再次涂覆以涂覆暴露出的石墨的区域。该设计可能仍然表现了来自热膨胀系数(CTE)失配应力(石墨和氮化硼材料之间)的高应力和在升高的操作温度下的热应力。高应力可导致加热装置的早期故障。
技术实现思路
本专利技术提供适于在加热器中减轻热应力、CTE失配应力或这两种应力的单涂层封装的石墨加热器。在一个方面，本专利技术提供了一种加热器，其包括石墨主体，该石墨主体包括被配置为形成用于电流路径的图案的至少一个加热元件。结构插入件配置为插入石墨主体中，使得结构插入件为石墨主体提供支撑，并且涂层封装图案化的石墨主体和结构插入件。在一个实施例中，结构插入件选自由B、Al、Si、Ga、耐火硬金属、过渡金属和稀土金属组成的组的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或氮氧化物，或者其复合物和/或组合物。在一个实施例中，结构插入件包括热解氮化硼(pBN)、氮化铝、氮化铝钛、氮化钛、碳氮化钛铝、碳化钛、碳化硅和氮化硅中的至少一种，或者其两种或更多种的复合物和/或组合物。在一个实施例中，结构插入件包括热解氮化硼(pBN)。本技术还提供了根据前述实施例中任一个的加热器，其中至少一个加热元件限定了连续路径，其限定所述至少一个加热元件之间的间隙，并且所述结构插入件设置在所述间隙中。本技术还提供了根据前述实施例中任一个所述的加热器，其中至少一个加热元件之间的间隙由加热元件的第一内表面和加热元件的第二内表面之间的空间限定。第一和第二内表面各自限定槽，并且结构插入件定位在槽中。本技术还提供了根据前述实施例中任一实施例的加热器，其中加热器包括限定加热元件的平面的外表面，并且结构插入件在加热元件的平面中定向。本技术还提供了根据前述实施例中任一实施例的加热器，其中加热器包括限定加热元件的平面的外表面，并且结构插入件垂直于加热元件的平面定向。本技术还提供了根据前述实施例中任一实施例的加热器，其中加热器限定外表面，并且结构插入件插入加热器的外表面的一部分中。本技术还提供了根据前述实施例中任一项所述的加热器，其包括多个结构插入件。本技术还提供了根据前述实施例中任一项所述的加热器，其中结构插入件包括锁定特征。在一个实施例中，锁定特征包括具有燕尾形或钥匙孔形状的结构插入件。本技术还提供了根据前述实施例中任一项的加热器，其中涂层包括选自由B、Al、Si、Ga、耐火硬金属、过渡金属和稀土金属组成的组的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或氮氧化物，或其两种或更多种的复合物和/或组合物。本技术还提供了根据前述实施例中任一项所述的加热器，其中结构插入件和所述涂层由相同的材料制成，所述材料为选自由B、Al、Si、Ga、耐火硬金属、过渡金属和稀土金属组成的组的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或氮氧化物或其两种或更多种的复合物和/或组合物。本技术还提供了根据前述实施例中任一项所述的加热器，其中结构插入件和涂层各自包含热解氮化硼(pBN)。在一个方面，本专利技术提供了一种形成加热器的方法，包括：提供石墨主体，该石墨主体包括被配置为形成用于电流路径的图案的至少一个加热元件；将结构插入件插入石墨主体中，使得结构插入件为石墨主体提供支撑；以及施加封装图案化的石墨主体和结构插入件的涂层。在一个实施例中，石墨主体限定具有在主体的第一内表面和主体的第二内表面之间限定的空间的连续路径，并且插入结构插入件包括将结构插入件插入到空间中。本技术还提供了根据前述实施例中任一项所述的方法，其中主体的第一内表面限定槽，主体的第二内表面限定槽，并且插入结构插入件包括将结构插入槽。本技术还提供了根据前述实施例中任一项所述的方法，其中至少一个加热元件限定纵向平面，并且结构插入件插入纵向平面的平面中。本技术还提供了根据前述实施例中任一项所述的方法，其中至少一个加热元件限定纵向平面，并且结构插入件垂直于纵向平面插入。本技术还提供根据前述实施例中任一项所述的方法，其中结构插入件是在其下表面上包括多个桩的板，并且插入结构插入件包括将多个桩插入石墨主体的外表面中的多个对应的槽中。本技术还提供了根据前述实施例中任一项所述的方法，其中结构插入件和涂层独立地包含选自由B、Al、Si、Ga、耐火硬金属、过渡金属和稀土金属组成的组的元素的氮化物、碳化物、碳氮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种加热器，包括：石墨主体，其包括被配置为形成用于电流路径的图案的至少一个加热元件；结构插入件，其被配置为插入所述石墨主体中，使得所述结构插入件为所述石墨主体提供支撑；和涂层，其封装图案化的石墨主体和所述结构插入件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.13 US 62/011,6461.一种加热器，包括：石墨主体，其包括被配置为形成用于电流路径的图案的至少一个加热元件；结构插入件，其被配置为插入所述石墨主体中，使得所述结构插入件为所述石墨主体提供支撑；和涂层，其封装图案化的石墨主体和所述结构插入件。2.根据权利要求1所述的加热器，其中所述结构插入件包括选自由B、Al、Si、Ga、耐火硬金属、过渡金属和稀土金属组成的组的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或氮氧化物中的至少一种，或其两种或更多种的复合物和/或组合物。3.根据权利要求2所述的加热器，其中所述结构插入件包括热解氮化硼(pBN)、氮化铝、氮化钛铝、氮化钛、碳氮化钛铝、碳化钛、碳化硅和氮化硅中的至少一种，或其两种或更多种的复合物和/或组合物。4.根据权利要求3所述的加热器，其中所述结构插入件包括热解氮化硼(pBN)。5.根据权利要求1-4中任一项所述的加热器，其中所述至少一个加热元件限定连续路径，所述连续路径限定所述至少一个加热元件之间的间隙，并且所述结构插入件设置在所述间隙中。6.根据权利要求5所述的加热器，其中所述间隙由所述加热元件的第一内表面和所述加热元件的第二内表面之间的空间来限定，所述第一内表面和第二内表面各自限定了槽，并且所述结构插入件定位在所述槽中。7.根据权利要求5所述的加热器，具有限定所述加热元件的平面的外表面，并且所述结构插入件在所述加热元件的平面中定向。8.根据权利要求5所述的加热器，具有限定所述加热元件的平面的外表面，并且所述结构插入件垂直于所述加热元件的平面而定向。9.根据权利要求1-4中任一项所述的加热器，其中所述加热器限定外表面，并且所述结构插入件插入到所述加热器的外表面的一部分中。10.根据权利要求1-9中任一项所述的加热器，包括多个结构插入件。11.根据权利要求1-10中任一项所述的加热器，其中所述结构插入件包括锁定特征。12.根据权利要求11所述的加热器，其中所述锁定特征包括具有燕尾形或钥匙孔形状的结构插入件。13.根据权利要求1-12中任一项所述的加热器，其中所述涂层包括选自由B、Al、Si、Ga、耐火硬金属、过渡金属和稀土金属组成的组的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或氮氧化物，或其...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆中浩，長谷川知勇，松井诚彦，森川裕次，
申请(专利权)人：莫门蒂夫性能材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US