KR20220015405A - 다중 구역 기능을 갖는 고온 알루미늄 질화물 히터 - Google Patents

다중 구역 기능을 갖는 고온 알루미늄 질화물 히터 Download PDF

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Abstract

전기 히터 장치의 실시예가 개시된다. 일 실시예에서, 전기 히터 장치는: (a) 전기 절연 재료를 포함하는 제1 열 전도성 층; (b) 제1 열 전도성 층의 상단면에 배열된 하나 이상의 홈에 배치된 하나 이상의 전기 전도성 가열 요소; 및 (c) 하나 이상의 가열 요소 위의 제1 열 전도성 층의 상단면에 배치된 제2 열 전도성 층;을 포함한다. 하나 이상의 가열 요소는 탄소, 질소, 알루미늄, 이트륨 또는 산소 중 적어도 하나로 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속을 포함한다. 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속은 도핑되지 않은 내화성 경금속에 비해 주변 온도에서 약 850˚C 범위의 작동 온도에 걸쳐 온도에 둔감한 전기 저항을 포함한다. 하나 이상의 가열 요소는 하나 이상의 가열 영역을 제공하도록 독립적으로 제어 가능하다.

Description

다중 구역 기능을 갖는 고온 알루미늄 질화물 히터
상호 참조
본 출원은 2019년 5월 3일에 출원된 미국 가 특허 출원 제62/843,241호의 이익을 주장하며, 이 가 출원은 전체가 참고로 여기에 포함된다.
발명의 분야
본 개시는 전기 히터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘 웨이퍼, 갈륨 비소 웨이퍼 등과 같은 반도체 웨이퍼의 제조에 사용하기 위한 히터에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 제조에 사용하기 위한 전기 히터는, 재료 증착(예: 물리적 또는 화학적 기상 증착), 재료 제거(예: 에칭 또는 평탄화), 패터닝(예: 리소그래피) 및 전기적 특성 수정(예: 도핑 및 어닐링)을 포함하여, 웨이퍼의 제조/가공의 다양한 단계에 사용될 수 있다. 이러한 전기 히터는 부식성이 높은 환경을 견딜 수 있어야 하고, 급격한 온도 변화에 따른 열 충격에 강하고, 장기간 극도로 높은 온도를 견딜 수 있어야 한다. 그러나, 본 개시 전에, 반도체 웨이퍼 제조용으로 알려진 전기 히터는: (1) 복잡하고 값비싼 온도 제어의 필요성을 유발하는 고온에서 전기 저항률의 비교적 큰 변화가 발생하기 쉽고, (2) 다중 구역 가열이 용이하지 않으며, (3) 열 응력 및 열 순환으로 인해 균열 또는 파손되기 쉬운 구성 요소가 있어 내구성 및 수명이 부족하고, (4) 열팽창 계수가 다르기 때문에 함께 소성할 수 없는 구성 요소가 있어 조립을 위한 추가 제조 단계가 발생한다.
결과적으로, 이러한 문제 및 다른 문제를 해결하는 장치가 필요하다.
본 개시의 한 실시예에서, 전기 히터 장치는 하나 이상의 열 전도성 층 및 하나 이상의 열 전도성 층 내에 또는 하나 이상의 열 전도성 층 사이에 매립된 하나 이상의 가열 요소를 포함하고, 하나 이상의 가열 요소는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 또는 탄소(C), 질소(N), 알루미늄(Al) 또는 산소(O) 중 하나 이상으로 도핑된 임의의 다른 내화성 경금속을 포함한다. 일 실시예에서, 전기 히터 장치의 가열 요소는 탄화물 함량이 5%보다 크도록 몰리브덴 및 몰리브덴 탄화물(Mo2C)을 포함한다.
본 개시에 따른 전기 히터 장치의 가열 요소는 다른 이점 중에서 특히 약 300℃ 내지 약 850℃ 범위, 그러나 또한 대략 주위 온도 내지 대략 850°C까지의 범위에 걸친 고온에서 전기 저항률의 개선된 안정성을 나타낸다.
다른 실시예에서, 웨이퍼 처리 챔버에서 반도체 웨이퍼를 처리하는데 사용되는 전기 히터 장치가 개시되며, (a) 전기 절연 재료, 상단면 및 바닥면을 포함하는 제1 열 전도성 층; (b) 제1 열 전도성 층의 상단면에 배열된 하나 이상의 홈 중 각각의 홈에 배치된 하나 이상의 전기 전도성 가열 요소 - 하나 이상의 가열 요소는 탄소, 질소, 알루미늄, 이트륨, 또는 산소 중 적어도 하나로 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속을 포함하고, 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속은 도핑되지 않은 내화성 경금속과 비교하여 주위 온도 내지 약 850℃ 범위의 작동 온도에 걸쳐 온도에 둔감한 전기 저항을 포함하고, 여기서 하나 이상의 가열 요소는 제1 열 전도성 층의 상단면을 따라 하나 이상의 가열 영역을 제공하도록 독립적으로 제어 가능함 - ; 및 (c) 하나 이상의 가열 요소 위의 제1 열 전도성 층의 상단면에 배치된 제2 열 전도성 층을 포함한다.
제1 열 전도성 층은 디스크를 포함할 수 있다. 제1 열 전도성 층은 소결될 수 있고, 하나 이상의 가열 요소는 제1 열 전도성 층을 소결하기 전에 먼저 분말, 페인트, 또는 폴리머 시트로부터의 사전 절단 패턴 중 고하중의 것을 포함할 수 있다. 탄소의 농도는 약 0.1 원자% 내지 약 50 원자%로 변하도록 허용될 수 있고, 알루미늄의 농도는 약 0.1 원자% 내지 약 20 원자%로 변하도록 허용될 수 있고, 질소의 농도는 약 0 원자% 내지 약 20 원자%로 변할 수 있고, 산소의 농도는 약 0 원자% 내지 약 5 원자%로 변하도록 허용될 수 있고, 이트륨의 농도는 약 0 원자% 내지 약 3 원자%로 변하도록 허용될 수 있다. 제1 열 전도성 층은 질화알루미늄을 포함한다.
상기 전기 히터 장치는 상기 제1 열 전도성 층의 바닥면에 배치된 제3 열 전도성 층을 포함할 수 있다. 제3 열 전도성 층은 허브를 포함할 수 있다. 제2 및 제3 열 전도성 층은 질화알루미늄을 포함할 수 있다. 전기 히터 장치는 허브에 부착된 소결 라이저를 포함할 수 있다. 대안적으로, 소결된 라이저가 허브에 접합될 수 있고 접합된 라이저는 허브와 헬륨 기밀 밀봉을 생성할 수 있다. 전기 히터 장치는 제1 열 전도성 층의 바닥 측에 배열된 하나 이상의 채널 중 각각의 채널에 배치된 하나 이상의 전기 상호 접속부를 포함할 수 있다. 상호 접속부는 허브로부터 하나 이상의 가열 요소로 그리고 하나 이상의 가열 요소로부터 허브로 회로에서 전기를 전달하도록 구성될 수 있다. 상호 접속부는 하나 이상의 온도 센서에서 허브로 센서 데이터를 통신하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 온도 센서는 제1 열 전도성 층의 바닥면 및 제3 열 전도성 층 아래에 배열된 하나 이상의 채널 각각에 배치될 수 있다. 제3 열 전도성 층은 하나 이상의 온도 센서 위에 배치될 수 있다.
하나 이상의 가열 요소 및 제1 열 전도성 층은 전기 히터 장치에서 유해한 균열 또는 틈을 피하기 위해 기능적으로 유사한 열팽창 계수를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 웨이퍼 처리 챔버에서 반도체 웨이퍼를 처리하는데 사용되는 전기 히터 장치가 개시되며, (a) 열 전도성 및 전기 절연성 재료, 상단면 및 바닥면을 포함하는 소결 디스크; (b) 디스크의 상단면에 배열된 하나 이상의 홈 중 각각의 홈에 배치된 하나 이상의 전기 전도성 가열 요소 - 하나 이상의 가열 요소는 탄소, 질소, 알루미늄, 이트륨, 또는 산소 중 적어도 하나로 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속을 포함하고, 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속은 도핑되지 않은 내화성 경금속과 비교하여 주위 온도 내지 약 850℃ 범위의 작동 온도에 걸쳐 온도에 둔감한 전기 저항을 포함하고, 여기서 하나 이상의 가열 요소는 디스크의 상단면을 따라 하나 이상의 가열 영역을 제공하도록 독립적으로 제어 가능함 - ; (c) 하나 이상의 가열 요소 위의 디스크의 상단면에 배치된 제1 열 전도성 층; (d) 디스크의 바닥면에 배열된 하나 이상의 채널 중 각각의 채널에 배치된 하나 이상의 상호 접속부; 및 (e) 허브를 포함하고, 하나 이상의 상호 접속부 위의 디스크의 바닥면에 배치된 제2 열 전도성 층 - 하나 이상의 전기 전도성 가열 요소는 화학적 공격으로부터 보호됨 - ;을 포함한다.
탄소의 농도는 약 0.1 원자% 내지 약 50 원자%로 변하도록 허용되고, 알루미늄의 농도는 약 0.1 원자% 내지 약 20 원자%로 변하도록 허용될 수 있고, 질소의 농도는 약 0 원자% 내지 약 20 원자%로 변할 수 있고, 산소의 농도는 약 0 원자% 내지 약 5 원자%로 변할 수 있고, 이트륨의 농도는 약 0 원자% 내지 약 3 원자%로 변하도록 허용될 수 있다. 열 전도성 및 전기 절연성 재료는 질화알루미늄일 수 있다. 제1 및 제2 열 전도성 층은 질화알루미늄을 포함할 수 있다.
전기 히터 장치는 허브에 부착된 라이저를 포함할 수 있다. 라이저는 허브에 접합될 수 있으며, 접합된 라이저는 허브와 헬륨 기밀 밀봉을 생성할 수 있다. 상호 접속부는 하나 이상의 전기 상호 접속부를 포함할 수 있고, 전기 상호 접속부는 허브로부터 하나 이상의 가열 요소로 그리고 하나 이상의 가열 요소로부터 허브로 회로에서 전기를 전달하도록 구성될 수 있다.
전기 히터 장치는 하나 이상의 채널에 배치된 하나 이상의 온도 센서를 포함할 수 있다. 제2 열 전도성 층은 하나 이상의 온도 센서 위에 배치될 수 있다. 하나 이상의 가열 요소 및 디스크는 전기 히터 장치에서 유해한 균열 또는 틈을 피하기 위해 기능적으로 유사한 열 팽창 계수를 포함할 수 있다. 하나 이상의 가열 요소는 디스크의 상단면을 따라 하나 이상의 가열 영역을 제공하도록 독립적으로 제어될 수 있다.
다른 실시예에서, 웨이퍼 처리 챔버에서 반도체 웨이퍼를 처리하는데 사용되는 전기 히터 장치를 제조하는 방법이 개시되며, (a) 약 3 내지 약 5 중량%의 이트리아를 포함하는 소결 보조제을 포함하는 질화알루미늄, 상단면 및 바닥면을 포함하는 디스크를 준비하는 단계; (b) 디스크의 상단면에 하나 이상의 홈을 제작하는 단계; (c) 디스크의 상단면에 배열된 하나 이상의 홈 중 각각의 홈에 하나 이상의 전기 전도성 가열 요소를 증착하는 단계 - 하나 이상의 가열 요소는 탄소, 질소, 알루미늄, 이트륨, 또는 산소 중 적어도 하나로 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속을 포함하고, 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속은 도핑되지 않은 내화성 경금속과 비교하여 주위 온도 내지 약 850℃ 범위의 작동 온도에 걸쳐 온도에 둔감한 전기 저항을 포함하고, 여기서 하나 이상의 가열 요소는 디스크의 상단면을 따라 하나 이상의 가열 영역을 제공하도록 독립적으로 제어 가능함 - ; (d) 하나 이상의 가열 요소 위의 디스크의 상단면에 질화알루미늄을 포함하는 제1 분말을 증착하는 단계; (e) 다이에서 디스크를 적어도 한 번 가압하여 제1 분말을 고화시키는 단계; (f) 디스크의 바닥면에 하나 이상의 채널을 제작하는 단계; (g) 디스크 바닥면의 하나 이상의 채널에 하나 이상의 전기 전도성 상호 접속부를 증착하는 단계; (h) 질화알루미늄을 포함하는 제2 분말을 하나 이상의 상호 접속부 위의 디스크의 바닥면에 증착하는 단계; (i) 다이에서 디스크를 적어도 한 번 가압하여 제2 분말을 고화시키는 단계; (j) 허브를 포함하도록 가압된 디스크를 기계 가공 및 연삭하는 단계 - 가압된 및 기계 가공된 디스크는 매립된 가열 요소 및 상호 접속부를 갖는 질화알루미늄 매트릭스를 정의함 - ; (k) 질화알루미늄 매트릭스를 약 1600˚C 내지 약 1850˚C 범위의 온도에서 소결하는 단계 - 소결 단계는 제어된 가열 하에 질소 환경에서 수행되어 질화알루미늄 매트릭스 내의 임의의 임시 결합제를 연소시키고, 여기서 탄소의 양은 이트리아와 관련되지 않은 질화알루미늄 매트릭스에서 질화알루미늄의 산소 함량 미만으로 유지되어, 알루미나와 이트리아의 액상 조성이 소결된 질화알루미늄 매트릭스에서 Al2O3/Y2O3 몰비가 10:3 내지 0.1:1이 되도록 이루어지고, 여기서 탄소의 양의 일부가 하나 이상의 전기 전도성 가열 요소의 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속에 혼입되고, 여기서 소결은 소결된 질화알루미늄 매트릭스 내에 고밀도화된 하나 이상의 전기 전도성 가열 요소를 포함하는 고밀도화된 질화알루미늄 매트릭스를 형성함 - ; 및 (l) 소결된 라이저를 허브에 접합하는 단계;를 포함한다.
이들 및 다른 실시예가 여기에서 설명된다.
본 개시에 설명된 특징의 더 나은 이해를 위해, 도면에 도시된 실시예를 참조할 수 있다. 도면의 구성요소는 반드시 일정한 비율로 도시된 것은 아니며, 본 명세서에 기재된 신규한 특징을 강조하고 명확하게 설명하기 위해 관련 구성요소는 생략될 수 있다. 또한, 시스템 구성요소는 당업계에 공지된 바와 같이 다양하게 배열될 수 있다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 달리 명시되지 않는 한 상이한 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 전기 히터의 일 실시예의 저면 사시도이다.
도 2는 도 1의 전기 히터의 일부의 분해 상부 사시도를 도시한다.
도 3은 디스크 조립체의 디스크의 상단면에 도시된 홈을 갖는 도 1의 전기 히터의 디스크 조립체의 상부 사시도를 예시한다.
도 4는 각각의 내부 및 외부 가열 요소와 함께 도 3의 디스크의 상부 분해 사시도를 도시한다.
도 5는 각각의 내부 및 외부 가열 요소를 디스크의 홈에 설치한 후의 도 4의 디스크의 상부 사시도를 도시한다.
도 6은 디스크의 상단면에 열 전도성 분말을 증착한 후의 도 5의 디스크의 상부 사시도를 도시한다.
도 7은 도 6의 디스크 상에 열 전도성 분말을 압축한 후의 도 6의 디스크의 상부 사시도를 도시한다.
도 8은 디스크의 바닥면에 도시된 홈을 갖는 도 7의 디스크의 저면 사시도를 도시한다.
도 9는 상호 접속부 및 열전대(들)와 함께 도 8의 디스크의 하부 분해 사시도를 도시한다.
도 10은 상호 접속부 및 열전대(들)의 설치 후의 도 9의 디스크의 저면 사시도를 도시한다.
도 11은 디스크 바닥면에 열 전도성 분말의 증착 후 도 8 내지 도 10의 디스크의 저면 사시도를 도시한다.
도 12는 열 전도성 분말을 디스크의 바닥면에 압축한 후, 기계 가공한 후, 및 소결하여 완성된 디스크 조립체를 형성한 후 도 8 내지 도 11의 디스크의 저면 분해 사시도를 도시한다. 또한 디스크를 소결하기 전이나 후에 설치될 수 있는 각각의 열전대 소켓 및 가열 요소 소켓이 도시된다.
도 13은 도 12의 디스크 조립체의 평면도를 도시한다.
도 14는 14-14 선을 따라 취한 도 13의 디스크 조립체의 단면도이다.
도 15는 도 13의 디스크 조립체의 저면 사시도이다.
도 16은 라이저 포스트와 함께 도 15의 디스크 조립체의 저면 분해 사시도이다.
도 17 및 도 18은 라이저 포스트가 결합된 전기 히터 장치를 형성하기 위해 설치된 위치에서 도시된 도 16의 라이저 포스트와 함께 도 15의 디스크 조립체의 각각의 상부 및 하부 사시도이다.
도 19는 도 18의 전기 히터 장치의 일 실시예의 상부 투명 평면도이다.
도 20 및 도 21은 각각 20-20 및 21-21 라인을 따라 취한 도 19의 전기 히터 장치의 단면도이다.
도 22는 본 개시의 전기 히터의 실시예를 제조하기 위한 방법을 예시하는 흐름 개략도이다.
도 23은 본 발명의 전기 히터 장치의 다른 실시예의 단면도이다.
도 24는 순수 텅스텐 및 순수 몰리브덴의 온도의 함수로서 전기 저항을 예시하는 대표적인 그래프이다.
도 25는 SEM/EDS 스펙트럼 분석이고, 도 26은 여기에 개시된 대로 구성된 샘플 디스크 조립체에서 질화알루미늄 매트릭스의 단면 내의 가열 요소 단면에서 도 25의 스펙트럼(8)에서 취한 대표적인 원소 농도이다.
도 27은 열 시뮬레이션에 따른 전력 대 온도 플롯이다.
도 28은 본 개시의 대표적인 가열 요소로부터 캡처된 저항 데이터를 예시한다.
본 명세서에 기재된 특징, 방법, 장치 및 시스템이 다양한 형태로 구현될 수 있지만, 일부 예시적이고 비제한적인 실시예가 도면에 도시되고 이후에 설명될 것이다. 그러나, 본 개시에 설명된 도시된 컴포넌트들 모두가 요구되는 것은 아닐 수 있고, 일부 구현들은 본 개시에서 명시적으로 설명된 것들로부터 추가적인, 상이하거나 더 적은 컴포넌트들을 포함할 수도 있다. 구성요소의 배열 및 유형의 변형은 본 명세서에 기재된 청구범위의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 따라서, 본 명세서의 도면을 참조하여 논의된 실시예의 특징 중 임의의 것이 본 개시의 다른 실시예와 관련하여 논의된 특징과 결합되거나 이를 대체할 수 있음을 이해해야 한다.
본 개시는 반도체 웨이퍼를 제조하기 위한 전기 히터 장치의 적어도 하나의 실시예의 다양한 양태를 설명한다. 전기 히터 장치의 다양한 실시예는 많은 이점을 제공한다. 예를 들어, 본 개시의 전기 히터 장치는 동일한 테스트 온도에서 금속 대응물과 비교하여 약 주위 온도 내지 약 850℃의 범위, 특히 약 300°C 내지 약 850°C 범위에서 작동하는 동안 비교적 낮은 저항 변화(즉, 전기 저항이 온도 변화에 상대적으로 둔감함)를 갖는 전기 저항성 히터를 제공한다. 다른 장점은 다음과 같다:
a. 가열 요소 구성 및 다공성은 질화알루미늄의 수축과 양립할 수 있는 수축을 허용한다. 수축에 과도한 불일치가 없기 때문에, 질화알루미늄 매트릭스에 매립된 하나 이상의 가열 요소를 포함하는 생성된 가열 요소는 유해한 내부 균열 또는 틈을 생성하지 않는다.
b. 질화알루미늄으로 소결할 때 가열 요소 조성은 열팽창 계수가 질화알루미늄에 합리적으로 근접하여 히터의 성능에 해로운 균열이 없도록 한다.
c. 여기에 설명된 실시예는 다층 가열 요소 디스크 및 헬륨 누출을 방지할 수 있는 강한 조인트를 갖는 라이저 조립체를 포함한다.
d. 여기에 설명된 실시예는 단일 또는 다중 가열 영역을 제공하기 위한 확장 가능한 설계를 제공하며, 약 주변 온도에서 약 850°C까지의 범위에서 기능적 온도 균일성을 갖는 다양한 다중 구역 히터 구성의 설계를 허용한다.
e. 여기에 설명된 실시예는 알려진 장치 이상의 추가 또는 다중 열전대 온도 센서를 허용하고 - 이들 모두 히터 제작 과정에서 살아남을 수 있고, 구성요소의 압축, 구성요소의 매립, 및 구성요소를 약 1600°C 내지 약 1850°C 범위의 높은 소결 온도에 노출시키는 단계를 포함한다.
f. 여기에서 설명하는 실시예는 높은 복사열 손실로 인해 고온 작동에 필요한 높은 전력을 전달할 수 있는 솔루션을 제공한다.
g. 여기에 설명된 실시예는, 고온 사용에 적합하고 여기에 개시된 히터 제조 프로세스를 견딜 수 있는 전력 및 센서 전도체를 열 요소에 연결하는 전기 연결 시스템을 포함한다.
h. 여기에 설명된 실시예는 가열 요소가 온도에 따른 큰 저항 변화를 갖지 않기 때문에, 전기 히터 장치를 작동하기 위해 표준 온도 제어 시스템을 통합하거나 사용할 수 있는 능력을 허용한다. 따라서, 작동 온도 범위에 걸쳐 상대적으로 온도에 둔감한 전기 저항을 갖는 가열 요소를 사용하면 더 복잡한 제어기, 제어 고려 사항 및 스위칭 부품의 필요성을 피할 수 있다.
i. 여기에 설명된 실시예는 주변 온도에서 약 850℃까지의 작동 온도를 가능하게 하도록 구성된 다중 구역 전기 히터 장치를 제공한다.
j. 본 명세서에 기술된 실시예는 내식각성이다.
도면을 참조하면, 전기 히터 장치의 다양한 실시예가 도시되어 있다. 예를 들어, 도 1은 본 발명에 따른 전기 히터 장치(100)의 일 실시예를 도시한다. 전기 히터 장치(100)는 그에 부착된 라이저 포스트(150)를 포함한다. 라이저 포스트(150)는 전기 히터 장치(100)를 반도체 웨이퍼 처리 챔버 외부의 대기 환경으로 전이시키기 위해 피드스루(도시되지 않음)에 부착하도록 구성된다.
도 2 내지 도 18을 참조하면, 전기 히터 장치(100)의 다양한 양태가 도시되어 있다. 예를 들어, 전기 히터 장치(100)는 디스크 조립체(105) 및 그에 부착된 라이저 포스트(150)를 포함한다. 디스크 조립체(105)는 하나 이상의 가열 요소(110) 및 디스크(120)의 상단면(115)에 위치된 열 전도성 층(140)을 포함한다. 디스크 조립체(105)는 상호 접속부(125), 열 전도성 층(145), 및 디스크(120)의 바닥면(116)에 위치한 소켓(135)을 포함한다. 전기 히터 장치(100)의 라이저 포스트(150)는 일반적으로 관형이고, 디스크 조립체(105)에 결합된 후 디스크(120)의 바닥면(116)으로부터 수직으로 연장된다. 통상의 기술자는 디스크(120)의 상단면(115)이 웨이퍼 측면이고, 바닥면(116)이 웨이퍼 처리 챔버의 외부에 대한 연결 부분을 제공한다는 것을 이해할 것이다.
디스크(120)는 디스크 또는 플레이트로 구성될 수 있고, 원형, 반원형 또는 임의의 다른 평면 형상을 가질 수 있다. 도면에 도시된 실시예에 따르면, 디스크(120)는 원형 평면 형상을 가지며, 예를 들어 150 mm, 200 mm, 300 mm 또는 450 mm 직경과 같은 임의의 직경으로 제조될 수 있다. 디스크(120)는 열 전도성 및 전기 절연성 재료로 구성될 수 있다. 도면에 도시된 실시예에서, 적절한 열 전도성 및 전기 절연 재료는 약 3wt% 내지 약 5wt%의 양으로 이트리아를 포함할 수 있는 소결 보조제를 포함하는 질화알루미늄을 포함한다. 다른 실시예에서, 이트리아에 추가적으로 또는 대신에, 질화알루미늄 분말은 산화칼슘을 포함하는 알칼리 토금속 산화물의 소량(즉, 5 중량% 미만)을 포함할 수 있다. 질화알루미늄 및 소결 보조제가, 존재하는 경우, 적절한 결합제와 조합될 수도 있다. 결합제를 갖는 질화알루미늄 세라믹 분말은 디스크(120)를 형성하기 위해 몰드에서 충분한 압력 하에 고화될 수 있다. 디스크 조립체(105)의 열 전도성 층(140, 145)은 또한 서로 열적 적합성을 보장하기 위해 알루미늄 질화물로 제조될 수 있다.
디스크(120)는 하나 이상의 가열 요소(110)를 수용하기 위해 디스크(120)의 상단면(115)에 위치된 홈(155)으로 구성된다. 이러한 방식으로, 디스크(120)는 하나 이상의 가열 요소(110)를 위한 기판으로서 작용할 수 있다. 도 3, 도 4 및 도 19의 실시예에서 가장 잘 예시된 바와 같이, 홈(155)은 내부 홈(156) 및 외부 홈(157)을 포함하며, 각각은 시작 또는 끝이 없는 연속 채널로 정의된다. 다른 실시예에서, 홈(155) 중 하나 이상은 끝이 정의된 구불구불한 모양 또는 다른 모양을 가질 수 있다. 홈(155)의 내부 홈(156) 및 외부 홈(157)은 공통 평면에서 디스크(120)의 상단면(115)을 가로질러 지그재그로 형성되는 복수의 아치형 이격된 채널 부분에 의해 추가로 정의된다. 다른 실시예에서, 홈(155)은 단일 가열 요소를 수용하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 홈(155)은 2개 초과의 가열 요소를 수용하도록 구성될 수 있다.
디스크(120)의 외부 홈(157)의 이격된 채널 부분이 도 3에 도시된 바와 같이 서로 대략 방사상으로 등거리에 있지만, 내부 홈(156)의 이격된 지그재그 채널 부분 중 적어도 일부는 내부 홈(156)의 이격된 다른 지그재그 채널 부분보다 서로 반경 방향으로 더 가깝다. 이러한 방식으로, 채널 부분의 반경 방향 밀도는 디스크(120)의 상단면(115)의 상이한 부분 또는 영역에서 더 높거나 더 낮을 수 있다. 일부 실시예에서, 아치형 지그재그 채널 부분의 방사상 간격은 채널이 디스크(120)의 상단면(115)의 중심으로부터 방사상 외측으로 아치형 및 지그재그 패턴으로 횡단함에 따라 서로에 대해 상대적으로 일정할 수 있다. 다른 실시예에서, 아치형의 지그재그 채널 부분의 방사상 간격은 변할 수 있다. 일부 실시예에서, 채널 부분의 원주 방향 간격은 디스크(120)의 상단면(115)의 다른 부분 또는 영역에서 상대적으로 일정할 수 있거나, 변할 수 있거나, 더 높거나 더 낮을 수 있다.
다른 실시예에서, 홈(155)의 패턴 및 기하학적 구조는 임의의 원하는 패턴, 깊이 및 폭을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 홈(155)은 디스크(120)의 상단면(115)에 나선형으로 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 홈(155)의 내부 기하학적 구조는 평평한 바닥 벽을 포함할 수 있고 바닥 벽에 수직으로 배향된 대향 측벽을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 홈(155)의 내부 기하학적 구조는 경사진, 원추형 또는 둥근 측벽 및/또는 바닥 벽 또는 임의의 다른 기하학적 구조를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 채널의 폭은 최적의 열 균일성을 달성하기 위해 열 분석을 사용하여 디스크(120)를 가로질러 또는 국부적으로 최적화될 수 있다.
도 4 및 도 5의 실시예에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 가열 요소(110)는 각각의 내부 홈(156) 및 외부 홈(157) 내에 위치되거나 이에 의해 수용되는 내부 가열 요소(111) 및 외부 가열 요소(112)를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 가열 요소(110)는 열 전도성 층(140, 145) 및/또는 디스크(120) 내에 또는 그 사이에 매립될 수 있다. 예를 들어, 디스크(120)의 상단면(115)에 홈(155)을 형성하는 대신에, 홈(155)은 하나 이상의 가열 요소를 수용하기 위해 열 전도성 층(140)의 바닥면에 대신 배치될 수 있다. 한 쌍의 가열 요소가 도면에 도시되어 있지만, 다른 실시예에서 단지 하나의 가열 요소 또는 2개 이상의 가열 요소가 디스크(120)의 상단면(115)에 배열될 수 있다. 디스크(120)의 상단면(115)에 걸쳐 차등 가열 또는 실질적으로 균일한 가열을 제공하기 위해 다수의 가열 요소가 제어기에 의해 제어될 수 있다.
적어도 이 실시예에서, 하나 이상의 가열 요소(110)는 도핑된 몰리브덴 또는 몰리브덴 함유 탄화물, 또는 텅스텐 또는 이들의 합금과 같은 내화성 경금속의 등가 화합물을 포함한다. 몰리브덴의 바람직한 도핑은 탄소, 알루미늄 및 가능하면 질소, 산소 및 이트륨을 포함한다.
탄소 도펀트는 디스크 조립체(105)를 소결하는 동안 결합제 연소 동안 전기 전도성 하나 이상의 가열 요소(110)와 관련된 금속 분말에 생성되거나 그렇지 않으면 첨가된다. 이 공정 동안, 부품은 원하는 양의 잔류 탄소를 생성하는 방식으로 결합제를 열분해하기 위해 불활성 또는 실질적으로 불활성 분위기에서 약 1600°C 내지 약 1850°C 범위에서 가열된다. 이 과정에서 생성된 탄소의 양은 이트리아와 관련이 없는 질화알루미늄의 산소 함량 미만으로 유지된다. 알루미나와 이트리아의 액상 조성은 소결체에서 Al2O3/Y2O3 몰비가 10:3 내지 0.1:1이 되도록 한다. 이 탄소의 일부는 몰리브덴 분말에 통합되어 수축 및 소결되어 질화알루미늄 매트릭스 내에 조밀한 가열 요소를 생성한다. 나머지 탄소는 Al2O3와 반응하여 질화알루미늄과 일산화탄소를 형성한다. 일반적으로 약 1600°C 내지 약 1850°C 범위의 고온에서, 질소 분위기에서 질화알루미늄, 몰리브덴, 탄소 및 알루미나-이트리아의 소결 보조제(위에서 설명한 바와 같음) 간의 상호작용으로 인해, 하나 이상의 가열 요소(110)의 조성은 화학적 평형에 접근하도록 허용되어 하나 이상의 가열 요소(110)의 원하는 조성을 발생시킨다. 알루미늄, 질소, 산소 및 이트륨과 같은 다른 도펀트는 전도성 가열 요소 구성요소와 주변의 질화알루미늄 매트릭스 사이의 고온 상호작용에 의해 간단히 추가될 수 있다. 탄소, 알루미늄, 질소, 산소 및 이트륨의 농도는 다음 범위 내에서 다양하게 허용될 수 있다.
탄소: 0.1 - 50 at%
알루미늄: 0.1 - 20 at%
질소: 0 - 20 at%
산소: 0 - 5 at%
이트륨 0 - 3 at%
SEM/EDS 분석은 미량 내지 소량의 붕소에 둔감할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 일반적으로 붕소 농도가 ~10%보다 높아지면, 스펙트럼 분석에서 다른 요소의 간섭이 없는 경우 검출될 수 있다. 붕소는 결합제 연소 및/또는 소결 동안 불활성 지지체를 제공하기 위해 질화붕소(또는 질화알루미늄 가공 세라믹과 조합된 질화붕소)로서의 사용으로 인해 존재할 수 있기 때문에, 가능한 조성에서 배제될 수 없다. 따라서, 알루미늄, 질소 및 산소와 같은 도펀트에 대해 위에서 설명한 방식으로, 붕소는 소결 중 고온 상호 작용 중에 추가될 수 있지만, 전통적인 SEM/EDS 분석을 사용하여 검출되지 않을 수 있다. 따라서 일반적으로 0 내지 검출 한계(약 10 at%)의 범위에 있는 도펀트로서의 붕소를 배제할 수 없다.
하나 이상의 가열 요소(110)의 조성은 미량의 붕소와 함께 탄소, 질소 및 산소와 같은 비금속 원소와 질화알루미늄 세라믹에서 발견되는 원소, 즉 알루미늄, 이트륨을 포함하고, 모두 SEM/EDS 분석에 의해 결정되었다. 비금속 원소는 결합제 연소 단계에서 열분해 동안 잔류량의 탄소를 생성하는 유기 결합제와 같은 전구체를 직접 첨가하거나, 또는 미립자 탄소를 직접 첨가하여 첨가할 수 있고, 이는 몰리브덴과 탄소 또는 몰리브덴 탄화물(Mo2C 또는 MoC)의 고용체를 형성하는 가열 요소에만 통합된다. X선 회절 분석 결과, 가열 요소에는 몰리브덴과 몰리브덴 탄화물의 혼합물이 포함되어 있으며 피크 수가 충분하지 않아 미량의 미확인 상이 포함되어 있다. 한 경우에, Mo2C로서의 몰리브덴 대 몰리브덴 탄화물의 비율은 거의 2:1이었습니다.
부품이 액체 형성 산화물 소결 상(A2O3-Y2O3)을 갖는 질소 분위기에서 소성되기 때문에, 하나 이상의 가열 요소(110)의 조성은 미량 내지 소량의 알루미늄, 이트륨 및 산소를 포함할 수 있다. 소량의 도펀트를 첨가하면 금속 및 세라믹(금속과 비금속의 화합물)의 전기적 특성에 영향을 줄 수 있다는 것은 잘 알려져 있으므로, 가열 요소/전극 조성에 미량 내지 소량의 원소가 존재하는지를 고려해야 한다.
설명된 바와 같은 하나 이상의 가열 요소(110)는 몇 가지 매우 바람직한 특성을 제공하며, 다음을 포함한다: (1) 열 응력을 견디는 능력(즉, 디스크 조립체(105)의 세라믹 매트릭스의 열 팽창 계수에 충분히 근접한 열 팽창 계수); (2) 세라믹 매트릭스에 대한 화학적 상용성(즉, 불활성); (3) 세라믹 매트릭스와 함께 소성되는 능력; 및 (4) 특히 높은 작동 온도에서 온도의 함수로서 전기 저항률의 개선된 안정성. 사실, 동일한 온도에서 0.005(1/K)의 전기 저항 계수를 갖는 순수 몰리브덴과 비교하여 약 주변 온도에서 약 850°C까지 약 0.001(1/K)에서 측정된 상대적으로 낮은 전기 저항 계수로 인해, 설명된 바와 같은 하나 이상의 가열 요소(110)는 약 주위 온도 내지 약 850℃의 원하는 작동 범위에서 전기 저항의 비교적 낮은 변화(즉, 전기 저항은 온도 변화에 비교적 둔감함)를 갖는 것으로 관찰된다. 일 실시예에서, 도 28에 도시된 바와 같이, 전기 저항은 약 300℃ 내지 약 600℃ 범위의 온도에 걸쳐 약 4.18 ohm 내지 약 4.28 ohm 범위였다.
도 6은 질화알루미늄 분말의 형태로 디스크(120)의 상단면(115) 상에 초기에 배치된 열 전도성 층(140)을 도시한다. 분말은 기계 가공 가능한 표면을 형성하기 위해 압력을 가해 결합제와 통합된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 복합 디스크(120)/열 전도성 층(140)은 디스크 조립체(105)의 인덱싱, 클록킹을 위한 구멍(122)을 형성하기 위해 3 곳에서 드릴링된다. 도 19에 도시된 바와 같이, 구멍(122)은 하나 이상의 가열 요소(110) 또는 상호 연결부(125)를 간섭하지 않는다.
디스크(120)는 상호 접속부(125)를 수용하기 위해 디스크(120)의 바닥면(116)에 위치된 홈(165)으로 구성된다. 도 8 내지 도 9의 실시예에서 가장 잘 예시된 바와 같이, 홈(165)은 가열 요소 상호 접속 홈(166), 내부 열전대 상호 접속 홈(167), 및 외부 열전대 상호 접속 홈(168)을 포함한다. 본 개시의 목적을 위해, 도 2 및 도 9에 예시된 바와 같이, 상호 연결부(125)는 가열 요소 상호 연결부(126, 129), 내부 가열 요소 열전대(127), 및 외부 가열 요소 열전대(128)를 포함한다. 일부 실시예에서, 상호 접속부(125)는 열 전도성 층(140, 145) 및/또는 디스크(120) 내에 또는 그 사이에 매립될 수 있다. 예를 들어, 디스크(120)의 바닥면(116)에 홈(165)을 형성하는 대신에, 홈(165)은 하나 이상의 가열 요소를 수용하기 위해 열 전도성 층(145)의 상단면에 대신 배치될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 가열 요소 상호 연결부(126, 129)는 각각의 상호 연결 홈(166)에 위치되거나 이에 의해 수용되고, 내부 가열 요소 열전대(127)는 상호 연결 홈(167)에 위치되거나 이에 의해 수용되며, 외부 가열 요소 열전대(128)는 상호 연결 홈(168)에 위치되거나 이에 의해 수용된다. 홈(165)은 일반적으로 아치형이고 공통 평면에서 다소 방사상으로 배열된다. 상호 연결 통과 구멍(170, 171, 172, 173)은 하나 이상의 가열 요소(110)에 대한 전력 전달 및 내부 및 외부 열전대(127, 128)로부터의 센서 신호가, 라이저 포스트 내부에 있는 모든 전극 및 열전대 연장 와이어와 같은 도체를 통한 그리고 궁극적으로 피드스루(표시되지 않음)를 통한 통신을 위해 디스크(120)를 통해 상단면(115)으로 또는 그로부터 통과하도록 허용한다.
구체적으로, 각각의 가열 요소 상호 연결부(126)의 포스트(146)는 외부 가열 요소(112)에 전력을 전달하기 위해 각각의 관통 구멍(170)에 삽입되거나 이에 의해 수용된다. 하나의 포스트(146)는 외부 가열 요소(112)로 전기를 전달하고, 다른 포스트(146)는 회로를 완성하기 위해 외부 가열 요소(112)의 반대쪽 단부에서 피드스루(도시되지 않음)으로 전기를 되돌려 보낸다.
가열 요소 상호 연결부(126) 중 하나는 내부 단부 인터페이스(130)에서 전기를 수신하고 전기를 그 포스트(146)로 전달한다. 가열 요소 상호 연결부(126) 중 다른 하나는 그 포스트(146)로부터 전기를 수신하고 전기를 그의 내부 말단 인터페이스(130)로 전달한다. 도 9 및 도 12에 도시된 바와 같이, 내부 말단 인터페이스(130)는 디스크(120)의 내부 허브(142)에 위치된 관통 구멍(163)에 삽입되는 각각의 소켓(174)으로부터 전기를 수신한다. 물론 전기가 반대 방향으로 흐를 수도 있다.
유사하게, 가열 요소 상호 연결부(129)의 포스트(147)(도시되지 않음)는 내부 가열 요소(111)에 전력을 전달하기 위해 관통 구멍(172)에 삽입되거나 이에 의해 수용된다. 포스트(147)는 내부 가열 요소(111)로 전기를 전달하고, 단자(137)는 회로를 완성하기 위해 내부 가열 요소(111)의 반대쪽 끝에서 피드스루(도시되지 않음)으로 전기를 되돌려 보낸다.
가열 요소 상호 연결부(129)는 내부 말단 인터페이스(131)에서 전기를 수신하고 전기를 그 포스트(147)로 전달한다. 도 9 및 도 12에 도시된 바와 같이, 내부 말단 인터페이스(131)는 디스크(120)의 내부 허브(142)에 위치한 관통 구멍(162)에 삽입되는 소켓(174)으로부터 전기를 수신한다. 단자(137)는 내부 가열 요소(111)의 반대쪽 단부로부터 디스크(120)의 내부 허브(142)에 위치된 관통 구멍(171)에 삽입되는 소켓(174)으로 전기를 전달한다. 물론 전기가 반대 방향으로 흐를 수도 있다.
내부 및 외부 열전대(127, 128)는 온도-비례 밀리볼트 신호를 생성하고, 각각의 관통 구멍(164)에 삽입된 각각의 소켓(175)에 연결된 단자(138)를 통해 해당 신호를 전달한다.
가열 요소 상호 연결부(126, 129) 및 소켓(135)을 제조하는 조성 및 방법은 하나 이상의 가열 요소(110)의 구성 및 방법과 유사하여 이들 구성요소의 작동 온도 범위에 걸쳐 낮은 저항 변화의 이점을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같이 전기 저항의 낮은 변화(즉, 전기 저항은 온도 변화에 상대적으로 둔감함)는 열적 불균일성에 대한 열 기여를 최소화한다. 결과적으로, 가열 요소 상호 연결부(126, 129) 및 소켓(135)은 하나 이상의 가열 요소(110)에 대해 본 명세서에 설명된 바와 같이 도핑될 수 있다. 일부 실시예에서, 가열 요소 상호 연결부(126, 129) 및 소켓(135)이 도핑되지 않도록 허용될 수도 있다. 그러나 그러한 상황에서, 도핑되지 않은 가열 요소 상호 연결부(126, 129) 및 소켓(135)은 하나 이상의 가열 요소(110)와 비교하여 임의의 온도에서 충분히 낮은 전기 저항을 가져야 한다. 이것은 예를 들어 전기 저항이 충분히 작도록 가열 요소 상호 연결부(126, 129) 및 소켓(135)의 기하학적 구조를 제어함으로써 달성될 수 있다. 일부 실시예에서, 여기에 개시된 하나 이상의 내화성 경금속을 포함하는 소켓(135) 및 가열 요소 상호 접속부(126, 129)의 조성은 도핑을 필요로 하지 않거나 적어도 각각의 구성요소의 저항성 부분에 필요한 정도로만 필요할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 열 전도성 층(145)은 처음에 질화알루미늄 분말의 형태로 디스크(120)의 바닥면(116)에 배치된다. 분말은 기계 가공 가능한 표면을 형성하기 위해 압력을 가해 결합제와 통합된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 바닥면(116)은 가압되고 기계 가공되어 완성된 열 전도성 층(145)을 형성한다. 소켓(135)은 가열 요소 소켓(175) 및 열전대 소켓(176)을 포함한다. 도 13 내지 도 15는 완성된 디스크 조립체(105)를 보여준다. 디스크 조립체(105)의 바닥면(116)은 라이저 포스트(150)의 플랜지(182)를 수용하기 위해 환형 돌출부(180)에 형성된 환형 홈(178)을 포함한다. 이 시점에서, 홀(122)은 웨이퍼 리프팅 메커니즘에 대한 접근을 제공할 목적으로 최종 직경으로 확대될 수 있다. 소켓(135)은 디스크(120)/디스크 조립체(105)를 소결하기 전 또는 후에 디스크(120)에 삽입될 수 있다.
도 16은 라이저 포스트(150)의 설치 전의 디스크 조립체(105)를 도시하고, 도 17 내지 도 18은 라이저 포스트(150) 설치 후의 디스크 조립체(105)를 보여준다. 라이저 포스트(150)는 일 단부(상부 단부) 상에 플랜지(182) 및 대향 단부(하부 단부) 상에 환형 돌출부(183)를 갖는 관형 연장부(160)를 포함한다. 플랜지(182)의 상부 표면(184)은 환형 홈(178)의 바닥 벽(186)과 정합되도록 구성된다. 마찬가지로, 플랜지(182)의 외벽(188)은 환형 홈(178)의 외벽(190)과 정합되도록 구성되고, 플랜지(182)의 내벽(192)은 환형 홈(178)의 내벽(194)과 정합되도록 구성된다. 환형 돌출부(183)는 웨이퍼 처리 챔버 외부의 대기 조건으로 전이하기 위해 피드스루(도시되지 않음) 또는 다른 구조와 맞물리도록 구성된다.
라이저 포스트(150)는 또한 헬륨 기밀 밀봉이 되는 능력을 갖는 강한 조인트를 생성하기 위해 임의의 적용 가능한 결합 방법을 사용하여 디스크 조립체(105)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 확산 접합, 금속 브레이징, 고온 밀봉이 있는 기계적 접합, 유리 또는 유리 세라믹 접합 기술 또는 다른 기술이 공정 요구 사항에 따라 사용될 수 있다. 하나의 적합한 접합 방법은 "AlN 세라믹 본체 및 이에 의해 구성되는 방열 부재의 확산 접합 조립체"라는 발명의 명칭의 미국 특허 제5,096,863호에 개시되어 있으며, 이는 그 전체가 본원에 참고로 포함된다. 이 특허에서 교시된 결합 프로세스는 라이저 포스트(150)와 디스크 조립체(105) 사이에 헬륨 기밀 밀봉을 생성한다.
본 명세서에 개시된 원리와 일치하는 전기 히터 장치의 임의의 기하학적 구조 또는 구성이 가능함을 주목해야 한다. 예를 들어, 일부 최종 사용자는 디스크 조립체(105) 내에 매립된 정전기 척 전극 또는 접지면을 포함하는 구성을 요구할 수 있다. 이러한 추가 특징은 본 명세서의 교시를 벗어나지 않고 쉽게 통합될 수 있다. 또한, 관통 연결의 수를 최소화하면서 다중 가열 요소 및/또는 가열 영역을 수용하기 위해 다른 전기 배선 방식이 배치될 수 있다. 추가로, 디스크 조립체(105)는 상이한 층 상의 구성요소 사이에서 신호(즉, 전력, 센서 등)를 전달하는 상호 접속부를 갖는 위에서 설명된 층보다 많은 수를 포함할 수 있다.
도 22를 참조하면, 전기 히터 장치(100)의 일 실시예를 제조하기 위한 다양한 단계가 도시되어 있다. 예를 들어, 단계(300)에서, 몰드 및 원하는 직경 및 초기 두께의 충분히 높은 압력 하에서 결합제와 통합 분말에 의해 형성된, 질화알루미늄과 같은, 열 전도성 및 전기 절연성 재료로 제조된 "그린" 디스크(120)로 시작하여, 홈(155)은 하나 이상의 가열 요소(110)를 수용하기 위해 디스크(120)의 상단면(115)에 생성되고, 홈(165)은 상호 접속부(125)를 수용하기 위해 디스크(120)의 바닥면(116)에 생성된다. 다른 실시예에서, 홈(165)은 홈(155)과 다른 시간에 생성될 수 있다. 홈(155, 165)을 제조하기 위해, 마스킹 필름이 각각의 상단면(115)/바닥면(116)에 적용될 수 있고 레이저 조각 기술이 전개될 수 있다. 다른 유사한 기술이 본 개시의 교시를 벗어나지 않고 홈(155, 165)을 제조하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 홈(155, 165)은 디스크(120)가 초기에 가압되어 형성될 때 그린 디스크(120)에 형성될 수 있다. 대안적으로, 홈(155, 165)은 디스크(120)의 초기 형성 후에 디스크(120)로 기계 가공될 수 있다.
구멍(122)은 디스크 표면이 질화알루미늄 분말로 덮인 후 디스크(120)의 클로킹/인덱싱을 가능하게/보장하기 위해 이 지점에서 생성될 수 있다. 단계(305)에서, 하나 이상의 가열 요소(110)가 홈(155)에 배치된다. 이를 위해, 다음 중 하나 이상: (1) 몰리브덴, 텅스텐 및/또는 탄탈륨 등과 같은 하나 이상의 내화성 경금속을 포함하는 고하중 페인트, (2) 몰리브덴, 텅스텐 및/또는 탄탈륨 등과 같은 하나 이상의 고하중 내화 금속을 포함하는 폴리머 시트의 사전 절단된 패턴, 또는 (3) 몰리브덴, 텅스텐 및 탄탈륨 등과 같은 내화성 경금속의 고하중 분말 - 상기 모두는 당업자에 의해 인식되는 바와 같이 본 명세서에 개시된 바와 같은 또는 본 명세서에 개시된 교시로부터 자연스럽게 흘러나오는 바와 같은 조성물/농도를 포함함 - 홈(155)을 채우기 위해 적용되거나 (적용 가능한 경우) 놓이게 된다. 단계(310)에서, 질화알루미늄 분말과 같은 열 전도성 분말이 디스크(120)의 상단면(115)에 도포된다. 단계(315)에서, 분말은 기계 가공 가능한 표면을 형성하기 위해 압력 하에 결합제와 통합된다. 단계(320)에서, 상호 접속부(125)는 홈(165)에 설치되고, 본 명세서에 개시된 조성/농도의 몰리브덴, 텅스텐 및/또는 탄탈 등과 같은 하나 이상의 내화성 경금속을 각각 포함하는 폴리머 시트로부터의 분말, 페인트, 또는 사전 절단된 패턴 중 고하중의 것이 홈(165)을 채우기 위해 도포되거나 깔린다. 단계(325)에서, 질화알루미늄 분말과 같은 열 전도성 분말이 디스크(120)의 바닥면(116)에 도포된다. 단계(330)에서, 분말은 기계 가공 가능한 표면을 형성하기 위해 압력 하에 결합제와 통합된다. 단계(335)에서, 전력 및 열전대 소켓(135)은 디스크(120)의 바닥면(116)에 있는 질화알루미늄 분말의 각각의 관통 구멍에 설치된다. 단계(340)에서, 디스크(120)의 양면은 디스크 조립체(105)를 형성하기 위해 거의 최종 치수로 기계 가공된다. 단계(345)에서, 디스크 조립체(105)는 소량의 잔류 탄소를 생성하기 위해 제어된 가열 하에 질소 분위기에서 결합제 연소 및 소결을 거친다. 이 탄소의 일부는 질화알루미늄 매트릭스 내에 조밀한 하나 이상의 가열 요소(110)를 생성하기 위해 수축 및 소결되는 몰리브덴 분말에 포함된다. 나머지 탄소는 Al2O3와 반응하여 질화알루미늄과 일산화탄소를 형성한다. 질소 분위기에서 질화알루미늄, 몰리브덴, 탄소 및 알루미나-이트리아의 소결 보조제 사이의 상호작용으로 인해, 일반적으로 약 1600°C 내지 약 1850°C 범위의 고온에서, 하나 이상의 가열 요소(110)의 조성이 화학적 평형에 접근하도록 허용되어 하나 이상의 가열 요소(110)의 원하는 조성을 발생시킨다.
단계(350)에서, 최종 치수 형태를 달성하기 위해 디스크 조립체(105)에 최종 기계 가공 및/또는 연삭 작업이 수행된다. 단계(355)에서, 라이저 포스트(150)는 여기에 개시된 바와 같은 임의의 적용 가능한 결합 방법을 사용하여 디스크 조립체(105)에 결합된다. 단계(360)에서 피드스루가 조립될 수 있고(별도의 구성요소로 제조된 경우), 단계(365)에서 피드스루가 라이저 포스트(150)에 설치될 수 있다.
통상의 기술자는 디스크 조립체(105) 및/또는 전기 히터 장치(100)를 제조하기 위해 다양한 적층 제조 방법이 적용될 수 있음을 이해할 것이다. 전기 히터 장치(400)에 대해 후술하는 바와 같이, 적절한 적층 제조 공정은 롤-투-롤 프로세스에 의해 공급된 레이저 절단 용지 시트를 적층하여 3D 물체를 생성하기 위해 전체가 여기에 참조로 포함되는 Helysis Inc.에 의해 개발된 적층 물체 제조(Laminated Object Manufacturing)라 불리는 공정을 포함할 수 있다.
이제 도 23을 참조하면, 본 발명의 전기 히터 장치(400)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 디스크 조립체(420)는 매립된 가열 요소(407), 비아(409) 및 전력 분배 층(402a), 샤프트(404), 및 피드스루(406), 금속 챔버 장착 플랜지(405), 가열 요소/전극 구성요소(411, 412, 413) 및 전극 진입점(410)을 갖는 질화알루미늄 층(401,402,403)을 포함한다.
개념적으로 구성요소(411, 412, 413)로 도시된 가열 요소/전극 시스템은 진입점(410)에서 가열 요소(407)에 전류를 제공하는데 사용된다. 강성 핀(411)은 진입점(410)에 접합되지 않기 때문에 몰리브덴 또는 텅스텐으로 제한되지 않는 전기 전도성 금속이다. 일부 실시예에서, 니켈 합금이 또한 이용될 수 있다. 410과 411 사이의 인터페이스는 전기 접점 공급 전류를 생성한다. 스프링(412)에 의해 상향력이 가해진다. 가요성 도체는 외부 시스템에 연결된다. 이것은 피드스루(406)에서 밀봉된다. 이 연결 시스템은 히터 및 열전대 센서에 사용할 수 있다. 단순화를 위해 1세트의 구성요소만이 표시된다. 이 연결 시스템은 높은 온도에서 구성 요소의 열 확장을 허용한다. 금속 챔버 장착 플랜지(105)는 바람직하게는 알루미늄으로 만들어지고 밀봉 구성요소와 패스너는 챔버 벽 또는 리프팅 스테이지에 페데스탈을 장착한다.
적어도 이 실시예에서, 가열 요소(407)는 도핑된 몰리브덴 또는 몰리브덴 함유 탄화물, 또는 텅스텐 또는 이들의 합금과 같은 내화성 경금속의 등가 화합물을 포함한다. 몰리브덴의 바람직한 도핑은 탄소, 알루미늄 및 가능하면 질소, 산소 및 이트륨을 포함한다.
탄소 도펀트는 디스크 조립체(420)를 소결하는 동안 결합제 연소 동안 전기 전도성 가열 요소(407)와 관련된 금속 분말에 생성되거나 그렇지 않으면 첨가된다. 이 공정 동안, 부품은 원하는 양의 잔류 탄소를 생성하는 방식으로 결합제를 열분해하기 위해 불활성 또는 실질적으로 불활성 분위기에서 약 1600°C 내지 약 1850°C 범위에서 가열된다. 이 공정에 의해 생성된 탄소의 양은 이트리아와 결합되지 않은 질화알루미늄의 산소 함량 미만으로 유지되어, 알루미나와 이트리아의 액상 조성이 소결체에서 Al2O3/Y2O3 몰비가 10:3 내지 0.1:1 사이가 되도록 한다. 이 탄소의 일부는 몰리브덴 분말에 통합되어 수축 및 소결되어 질화알루미늄 매트릭스 내에 조밀한 가열 요소를 생성한다. 나머지 탄소는 Al2O3와 반응하여 질화알루미늄과 일산화탄소를 형성한다. 질소 분위기에서 질화알루미늄, 몰리브덴, 탄소 및 알루미나-이트리아의 소결 보조제(디스크(120)에 대해 전술한 바와 같음) 사이의 상호작용으로 인해, 일반적으로 약 1600°C 내지 약 1850°C 범위의 고온에서, 가열 요소(407)의 조성은 화학 평형에 접근하여 가열 요소(407)의 원하는 조성을 발생시킨다. 알루미늄, 질소, 산소 및 이트륨과 같은 다른 도펀트는 전도성 가열 요소 구성요소와 주변의 질화알루미늄 매트릭스 사이의 고온 상호작용에 의해 간단히 추가될 수 있다. 탄소, 알루미늄, 질소, 산소 및 이트륨의 농도는 다음 범위 내에서 다양하게 허용될 수 있다.
탄소: 0.1 - 50 at%
알루미늄: 0.1 - 20 at%
질소: 0 - 20 at%
산소: 0 - 5 at%
이트륨 0 - 3 at%
SEM/EDS 분석은 미량 내지 소량의 붕소에 둔감할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 일반적으로 붕소 농도가 ~10%보다 높아지면, 스펙트럼 분석에서 다른 요소의 간섭이 없는 경우 검출될 수 있다. 붕소는 결합제 연소 및/또는 소결 동안 불활성 지지체를 제공하기 위해 질화붕소(또는 질화알루미늄 기계 가공 세라믹과 조합된 질화붕소)로서의 사용으로 인해 존재할 수 있기 때문에, 가능한 조성에서 배제될 수 없다. 따라서 알루미늄, 질소 및 산소와 같은 도펀트에 대해 위에서 설명한 방식으로, 붕소는 소결 중 고온 상호 작용 중에 추가될 수 있지만, 전통적인 SEM/EDS 분석을 사용하여 검출되지 않을 수 있다. 따라서, 일반적으로 0 내지 검출 한계(약 10 at%)의 범위에 있는 도펀트로서의 붕소를 배제할 수 없다.
가열 요소(407)의 조성은 탄소, 질소 및 산소와 같은 비금속 요소와 미량의 붕소 및 질화알루미늄 세라믹에서 발견되는 원소들, 즉 알루미늄, 이트륨을 포함한다 - 이들 모두 SEM/EDS 분석에 의해 결정된다. 비금속 원소는 결합제 연소 단계에서 열분해 동안 잔류량의 탄소를 생성하는 유기 결합제와 같은 전구체를 직접 첨가하거나 미립자 탄소를 직접 첨가하여 첨가할 수 있고, 이는 몰리브덴과 탄소 또는 몰리브덴 탄화물(Mo2C 또는 MoC)의 고용체를 형성하는 가열 요소에만 통합된다. X선 회절 분석 결과 가열 요소에는 몰리브덴과 몰리브덴 탄화물의 혼합물이 포함되어 있으며 피크 수가 충분하지 않아 미량의 미확인 상이 포함되어 있다. 일 경우에, Mo2C로서의 몰리브덴 대 몰리브덴 탄화물의 비율은 거의 2:1이었다.
부품이 액체 형성 산화물 소결 상(A2O3-Y2O3)을 갖는 질소 분위기에서 소성되기 때문에, 가열 요소(407)의 조성은 미량 내지 소량의 알루미늄, 이트륨 및 산소를 포함할 수 있다. 작은 도펀트의 첨가가 금속과 세라믹(금속과 비금속의 화합물)의 전기적 특성에 영향을 줄 수 있다는 것은 잘 알려져 있기 때문에, 가열 요소/전극 조성에 미량 내지 소량의 원소가 존재하는지 고려해야 한다.
설명된 가열 요소(407)는 몇 가지 매우 바람직한 특성을 제공하며, 다음을 포함한다: (1) 열 응력을 견디는 능력(즉, 히터 페데스탈 디스크 조립체(420)의 세라믹 매트릭스의 열 팽창 계수에 충분히 가까운 열 팽창 계수); (2) 세라믹 매트릭스에 대한 화학적 상용성(즉, 불활성); (3) 세라믹 매트릭스와 함께 소성되는 능력; 및, (4) 특히 높은 작동 온도에서 온도의 함수로서 전기 저항률의 개선된 안정성. 사실, 순수한 몰리브덴과 비교하여 약 주변 온도에서 약 850°C까지 약 0.001(1/K)에서 측정된 상대적으로 낮은 전기 저항 계수로 인해, 설명된 바와 같은 가열 요소(407)는 약 주변 온도 내지 약 850℃의 원하는 작동 범위에서 전기 저항의 비교적 낮은 변화(즉, 전기 저항은 온도 변화에 상대적으로 둔감함)를 갖는 것으로 관찰된다. 동일한 온도에서 전기 저항 계수가 0.005(1/K)이다. 일 실시예에서, 도 28에 도시된 바와 같이, 전기 저항은 약 300℃ 내지 약 600℃ 범위의 온도에 걸쳐 약 4.18 ohm 내지 약 4.28 ohm 범위였다.
본 명세서에 개시된 전기 히터 장치의 다층 구조는 또한 진공 웨이퍼 처리 챔버에 장착될 때 누출이 없고 다중 구역을 수용할 수 있는 확장 가능한 설계를 제공하며, 따라서 더 나은 온도 균일성을 위해 단일 가열 영역 또는 다중 가열 영역이 가능한 솔루션을 제시한다. 구조는 또한 온도 센서와 같은 하나 이상의 열전대를 추가할 수 있다. 열전대는 층들(402와 403) 사이에 추가되었으며 세라믹 제조 공정에서 살아남았다.
또한, 몰리브덴의 도핑에 관여하는 앞서 언급한 탄소와 알루미늄, 그리고 산소의 농도는 조립체의 동시 소성/소결 동안 온도 제어, 고온에서의 화학적 상용성 및 질화알루미늄 기판과의 상용성을 보다 쉽게 허용하는 온도에 대한 전기 저항의 감소된 감도의 예상치 못한 발견을 생성한다.
본 명세서에 개시된 적어도 이 실시예에서, 전기 히터 장치(400)는 다음 단계에 따라 구성될 수 있다:
a. 질화알루미늄을 포함하는 그린 바디(즉, 금형에서 충분히 높은 압력 하에 세라믹 분말을 결합제와 통합하여 형성된 자체 지지 본체)를 준비하는 단계. 그 다음, 그린 바디는 가열 요소(407)가 인쇄 및/또는 위치 설정될 수 있는 디스크형 기판을 생성하도록 기계 가공된다.
b. 몇몇 공지된 페인트 또는 페이스트 제조 기술 중 임의의 하나를 사용하여, 몰리브덴 분말, 유기 결합제, 및 용매를 포함하는 전기 전도성 가열 요소 조성물을 제조한다. 대안적으로, 본 명세서에 개시된 조성/농도의, 각각 몰리브덴, 텅스텐, 및/또는 탄탈륨 등과 같은 하나 이상의 내화성 경금속을 포함하는 전기 히터 장치(100)에 대해 위에 개시된 바와 같은 폴리머 시트로부터의 분말, 페인트, 또는 사전 절단된 패턴 중 고하중의 것이 제조될 수 있다.
c. 그런 다음 마스킹 필름을 그린 바디 디스크의 표면 중 하나에 도포하고, 레이저 조각 기술을 사용하여 필요한 깊이, 폭 및 길이의 얕은 트렌치를 포함하는 잘 정의된 패턴을 생성한다.
d. 그런 다음 몰리브덴 표면과 질화알루미늄 표면이 기준 표면에 대해 동일한 수준이 되도록 트렌치를 균일하게 채우기 위해 몰리브덴 페인트가 도포된다. 대안적으로, 본 명세서에 개시된 조성/농도의, 각각 몰리브덴, 텅스텐, 및/또는 탄탈륨 등과 같은 하나 이상의 내화성 경금속을 포함하는 상기 개시된 바와 같은 폴리머 시트로부터의 분말, 페인트, 또는 사전 절단된 패턴 중 고하중의 것은 트렌치를 채우기 위해 도포되거나 깔아진다. 비아(409)는 그 다음 반대쪽 표면에 연결되는 전원 리드를 생성하기 위해 채워진다.
e. 마스크가 제거되고, 가열 요소(407)의 패턴뿐만 아니라 비아(409)도 두께 균일성에 대해 검사되고 필요한 경우 수리된다.
f. 다이에서의 연속적인 분말 가압에 이어 기계 가공은 그 후 도 23에 도시된 바와 같이 다층 디스크 조립체(420) 구조에서 가열 요소의 전도성 패턴을 캡슐화하거나 매립하기 위해 사용된다.
g. 대안적으로, 적층 제조 공정이 전도성 패턴을 캡슐화하거나 매립하도록 적응될 수 있다. 이 목적에 적합할 수 있는 적절한 적층 제조 공정은 롤-투-롤 프로세스에 의해 공급된 레이저 절단 용지 시트를 적층하여 3D 물체를 생성하기 위해 전체가 여기에 참조로 포함되는 Helysis Inc.에 의해 개발된 적층 물체 제조라 불리는 공정을 포함할 수 있다. 해당 공정의 원리를 이용함으로써, 질화알루미늄 시트는 가압(본 명세서에 기재된 바와 같음), 롤 압축, 테이프 캐스팅, 스프레이 증착 등과 같은 당업계에 공지된 세라믹 제조 공정에 의해 생성될 수 있다. 시트의 표면은 통과 연결을 위해 레이저 절단되고, 전도성 요소 페인트로 인쇄될 수 있다. 그러나, 인쇄된 전도성 소자 패턴을 포함하는 시트의 상단에 분말을 첨가하고 이를 재가압하는 대신에, 인쇄된 시트는 "다층 세라믹 모듈을 위한 제조 기술"이라는 발명의 명칭의 미국 특허 제4,024,629호의 교시에 따라 서로의 상부에 적층되고 처음에 용매를 사용하여 접합될 수 있으며, 이 공보는 그 전체가 본원에 참조로 포함된다. 조립체는 온난 등압 프레싱, 하이드로포밍 또는 이에 상응하는 성형 기술을 통해 추가로 고화될 수 있다. 위에서 설명한 적층 물체 제조 공정은 복잡한 3D 구조를 생성하기 위해 고도로 자동화되었으며, 이는 여기에 설명된 전기 히터 장치를 제조하기 위한 공정도 고도로 자동화될 수 있음을 시사한다. 여기에 설명된 두 개의 상호 연결된 3D 구조를 생성하는 원리 - 하나는 전기 절연성이지만 열 전도성이고, 다른 하나는 전기 전도성임 - 는 가열 요소, 상호 접속부, 센서 등의 전기 전도성 패턴의 여기에 설명된 내부 구조를 포함하는 질화알루미늄 매트릭스를 생성하기 위해 다른 적층 제조 공정을 사용하여 전개될 수 있다. 이러한 다른 적층 제조 방법에는 결합제 분사, 융합 필라멘트 침착, 스프레이 침착, 광조형에서와 같이 고하중 세라믹 또는 금속 분말을 함유하는 UV 경화 폴리머가 포함된다. 전기 전도성 가열 요소, 상호 접속부, 전원 리드, 열전대 등의 내부 구조를 포함하는 질화알루미늄의 그린 바디를 제조한 후, 아래에 설명된 나머지 공정 단계를 적용할 수 있다.
h. 생성된 디스크 조립체(420)는 그 다음 결합제 연소 및 질소 분위기에서 소결된다. 결합제 연소는 제어된 가열 하에 질소 환경에서 수행되어 소량의 잔류 탄소가 생성된다. 이 과정에서 생성된 탄소의 양은 이트리아와 관련이 없는 질화알루미늄의 산소 함량 미만으로 유지되어, 알루미나와 이트리아의 액상 조성은 소결체에서 Al2O3/Y2O3 몰비가 10:3 내지 0.1:1이 되도록 한다. 이 탄소의 일부는 몰리브덴 분말에 통합되어 수축 및 소결되어 질화알루미늄 매트릭스 내에 조밀한 가열 요소/전극을 생성한다. 앞서 설명한 바와 같이, 가열 요소(407), 비아(409) 및 소결 동안 소결 보조제로서 작용하는 알루미나-이트리아 상을 함유하는 주변 알루미늄 질화물 매트릭스 사이의 고온 상호작용으로 인해, 알루미늄, 질소, 산소, 이트륨 및 가능하게는 붕소와 같은 다른 도펀트가 소결 동안 첨가된다. 나머지 탄소는 Al2O3와 반응하여 질화알루미늄과 일산화탄소를 형성한다. 질소 분위기에서 질화알루미늄, 몰리브덴, 탄소 및 알루미나-이트리아의 소결 보조제 사이의 상호작용으로 인해 일반적으로 약 1600°C 내지 약 1850°C 범위의 고온에서, 가열 요소(407)의 조성은 화학적 평형에 접근하도록 허용되어 가열 요소(407)의 원하는 조성을 발생시킨다. 이 설명은 소결된 질화알루미늄 디스크 히터의 제조를 다룬다. 그런 다음 중공/관형 샤프트(404)에 결합하고 결합 후 작업에 필요한 최종 치수로 기계 가공된다.
i. 질화알루미늄으로 물품을 제조하고 최종 형태로 기계 가공하는데 적합한 알려진 공정을 사용하여 질화알루미늄으로 중공/관형 샤프트(404)를 준비한다. 더 구체적으로, 중공/관형 샤프트(404)는 질화알루미늄 세라믹을 소결하기 위한 표준 공정, 즉 분말을 관형 예비 성형체로 압축하고, 예비 성형체를 기계 가공하여 원하는 형상 및 치수의 그린 바디를 생성한 다음 결합제 연소 및 소결을 받음으로써 처리된다. 그 다음 소결된 부품은 디스크 조립체(420)에 결합할 준비가 된 중공/관형 샤프트(404)를 생성하는데 필요한 최종 치수로 기계 가공된다.
j. 소결된 중공/관형 샤프트(404) 및 소결된 질화알루미늄 디스크 조립체(420)는 임의의 적용 가능한 결합 방법을 사용하여 서로 부착된다. 예를 들어, 확산 접합, 금속 브레이징, 고온 밀봉이 있는 기계적 접합, 유리 또는 유리 세라믹 접합 기술 또는 다른 기술이 공정 요구 사항에 따라 사용될 수 있다. 하나의 적합한 접합 방법은 "AlN 세라믹 본체 및 이에 의해 구성되는 방열 부재의 확산 접합 조립체"라는 발명의 명칭의 미국 특허 제5,096,863호에 개시되어 있으며, 이는 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
k. 관형 샤프트(404) 내의 체적은 구성요소가 산화되는 것을 방지하기 위해 불활성 가스로 퍼징된다.
l. 구성요소(411, 412, 413)에 의해 개념적으로 도시된 전력 전극 시스템은 진입점(410)에서 가열 요소(407)에 전류를 공급하기 위해 설치된다.
m. 가요성 도체는 외부 시스템에 연결되고 피드스루(406)에서 밀봉된다.
n. 단순함을 위해 가열 요소(407) 및 열전대 센서의 한 세트만이 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는, 다중 가열 요소 및 열전대 센서가 배치될 수 있다.
o. 이러한 연결 시스템은 높은 온도에서 구성 요소의 열 확장을 허용한다.
이러한 독특한 제조 방법은 대부분의 구성요소에 대한 입상 조성물의 사용, 제어된 결합제 연소 공정 및 페데스탈 디스크의 소결을 포함하는 적층 제조 공정을 사용하는 것을 포함할 수 있으며, 여기에 개시된 바와 같이 예상될 수 없는 결과를 가진 솔루션을 생성한다.
이제 도 24로 돌아가면, 순수한 텅스텐 및 순수한 몰리브덴의 온도의 함수로서 전기 저항을 나타내는 그래프가 도시되어 있으며, 이는 텅스텐의 경우 약 0°C에서 약 3400°C까지, 몰리브덴의 경우 약 0°C에서 약 2200°C 범위의 온도에 걸쳐 꾸준히 증가하는 전기 저항을 보여준다.
도 25 및 도 26은 본 명세서에 개시된 바와 같이 구성된 샘플 디스크 조립체에서 가열 요소/전극 부근의 SEM/EDS 스펙트럼 분석 및 대표적인 요소 농도를 예시한다. 팔라듐 및 금 스펙트럼 라인은 시편의 얇은 전도성 필름 코팅에서 비롯된다. 이 시편에서, 도 26에 나타낸 바와 같이, 몰리브덴의 중량%는 70.8%, 탄소는 20.6%, 산소는 3.6%, 질소는 3.1%, 알루미늄은 1.9%, 이트륨은 0.0%이다.
도 27은 열 시뮬레이션에 따른 전력 대 온도 플롯을 도시한다. 이러한 유형의 플롯은 구성요소 크기 조정 및 적절한 제어 시스템의 선택에 도움이 될 수 있다. 고온 작동은 복사열 손실로 인해 높은 전력 요구 사항이 있다. 복사 열 전달에 대한 스테판-볼츠만 법칙은 온도에 따라 비선형 증가(4승)를 나타낸다. 본 명세서에 개시된 실시예는 도 25에 도시된 바와 같이 높은 복사열 손실로 인해 약 600℃ 내지 약 800℃ 범위의 고온 작동을 위한 고 전력을 전달한다.
도 28은 본 개시의 대표적인 가열 요소로부터 캡처된 저항 데이터를 예시한다. 데이터는 고온, 즉 약 500℃ 내지 약 600℃, 및 어느 정도 약 300℃ 내지 약 500℃에서 안정화되는 저항을 나타낸다. 변동은 전력 변동 및 도체 가열로 인한 것이다. 저항은 전압 및 전류 판독값에서 계산된다.
여기에 설명된 실시예는 구현의 가능한 예이며 여기에 설명된 특징의 원리에 대한 명확한 이해를 위해 설명될 뿐이다. 본 명세서에 기술된 기술, 프로세스, 장치 및 시스템의 사상 및 원리를 실질적으로 벗어나지 않고 전술한 실시예(들)에 많은 변형 및 수정이 이루어질 수 있다. 이러한 모든 수정은 본 개시의 범위 내에 포함되고 다음 청구범위에 의해 보호되는 것으로 의도된다.

Claims (27)

  1. 웨이퍼 처리 챔버에서 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 전기 히터 장치로서,
    전기 절연 재료, 상단면 및 바닥면을 포함하는 제1 열 전도성 층;
    상기 제1 열 전도성 층의 상단면에 배치된 하나 이상의 홈 중 각각의 홈에 배치된 하나 이상의 전기 전도성 가열 요소 - 상기 하나 이상의 가열 요소는 탄소, 질소, 알루미늄, 이트륨, 또는 산소 중 적어도 하나로 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속을 포함하고, 상기 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속은 도핑되지 않은 내화성 경금속과 비교하여 주위 온도에서 약 850℃ 범위의 작동 온도에 걸쳐 온도에 둔감한 전기 저항을 포함하고, 상기 하나 이상의 가열 요소는 상기 제1 열 전도성 층의 상단면을 따라 하나 이상의 가열 영역을 제공하도록 독립적으로 제어 가능함 - ; 및
    상기 하나 이상의 가열 요소 위에 상기 제1 열 전도성 층의 상단면에 배치된 제2 열 전도성 층;을 포함하는, 전기 히터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열 전도성 층은 디스크를 포함하는, 전기 히터 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열 전도성 층은 소결되고, 상기 하나 이상의 가열 요소는 상기 제1 열 전도성 층을 소결하기 전에 폴리머 시트로부터 분말, 페인트, 또는 사전 절단된 패턴 중 고하중의 것을 초기에 포함하는, 전기 히터 장치
  4. 제1항에 있어서,
    탄소의 농도는 약 0.1 원자% 내지 약 50 원자%로 변하도록 허용되고, 알루미늄의 농도는 약 0.1 원자% 내지 약 20 원자%로 변하도록 허용되고, 질소의 농도는 약 0 원자% 내지 약 20 원자%로 변하도록 허용되고, 산소의 농도는 약 0 원자% 내지 약 5 원자%로 변하도록 허용되며, 이트륨의 농도는 약 0 원자% 내지 약 3 원자%로 변하도록 허용되는, 전기 히터 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열 전도성 층은 질화알루미늄을 포함하는, 전기 히터 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열 전도성 층의 바닥면에 배치된 제3 열 전도성 층을 포함하고, 상기 제3 열 전도성 층은 허브를 포함하는, 전기 히터 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 열 전도성 층은 질화알루미늄을 포함하는 전기 히터 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 허브에 부착된 소결 라이저를 포함하는, 전기 히터 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 허브에 접합된 소결 라이저를 포함하고, 상기 접합된 라이저는 허브와 헬륨 기밀 밀봉을 생성하는, 전기 히터 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1 열 전도성 층의 바닥면에 배열된 하나 이상의 채널 중 각각의 채널에 배치된 하나 이상의 전기 상호 접속부를 포함하는, 전기 히터 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 상호 접속부는 회로에서 허브로부터 하나 이상의 가열 요소로, 그리고 하나 이상의 가열 요소로부터 허브로 전기를 전달하도록 구성되는, 전기 히터 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 상호 접속부는 하나 이상의 온도 센서로부터의 센서 데이터를 허브로 통신하도록 구성되는, 전기 히터 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 온도 센서는 상기 제1 열 전도성 층의 바닥면 상에 및 제3 열 전도성 층 아래에 배열된 하나 이상의 채널의 각각에 배치되는, 전기 히터 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제3 열 전도성 층은 하나 이상의 온도 센서 위에 배치되는, 전기 히터 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 가열 요소 및 제1 열 전도성 층은 전기 히터 장치에서 유해한 균열 또는 틈을 피하기 위해 기능적으로 유사한 열 팽창 계수를 포함하는, 전기 히터 장치.
  16. 웨이퍼 처리 챔버에서 반도체 웨이퍼를 처리하는데 사용하기 위한 전기 히터 장치로서,
    열 전도성 및 전기 절연성 재료, 상단면 및 바닥면을 포함하는 소결 디스크;
    디스크의 상단면에 배열된 하나 이상의 홈 중 각각의 홈에 배치된 하나 이상의 전기 전도성 가열 요소 - 상기 하나 이상의 가열 요소는 탄소, 질소, 알루미늄, 이트륨, 또는 산소 중 적어도 하나로 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속을 포함하고, 상기 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속은 도핑되지 않은 내화성 경금속과 비교하여 주위 온도에서 약 850℃ 범위의 작동 온도에 걸쳐 온도에 둔감한 전기 저항을 포함하고, 상기 하나 이상의 가열 요소는 디스크의 상단면을 따라 하나 이상의 가열 영역을 제공하도록 독립적으로 제어 가능함 - ;
    하나 이상의 가열 요소 위의 디스크의 상단면에 배치된 제1 열 전도성 층;
    디스크의 바닥면에 배열된 하나 이상의 채널 중 각각의 채널에 배치된 하나 이상의 상호 접속부; 및
    하나 이상의 상호 접속부 위의 디스크의 바닥면에 배치되고 허브를 포함하는 제2 열 전도성 층;을 포함하고,
    상기 하나 이상의 전기 전도성 가열 요소는 화학적 공격으로부터 보호되는, 전기 히터 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    탄소의 농도는 약 0.1 원자% 내지 약 50 원자%로 변하도록 허용되고, 알루미늄의 농도는 약 0.1 원자% 내지 약 20 원자%로 변하도록 허용되고, 질소의 농도는 약 0 원자% 내지 약 20 원자%로 변하도록 허용되고, 산소 농도는 약 0 원자% 내지 약 5 원자%로 변하도록 허용되고, 이트륨 농도는 약 0 원자% 내지 약 3 원자%로 변하도록 허용되는, 전기 히터 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 열 전도성 및 전기 절연성 재료는 질화알루미늄인, 전기 히터 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 열 전도성 층은 질화알루미늄을 포함하는, 전기 히터 장치.
  20. 제16항에 있어서,
    허브에 부착된 라이저를 포함하는, 전기 히터 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 라이저는 허브에 접합되고, 상기 접합된 라이저는 허브와 헬륨 기밀 밀봉을 생성하는, 전기 히터 장치.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 상호 접속부는 하나 이상의 전기 상호 접속부를 포함하고, 상기 전기 상호 접속부는 허브로부터 하나 이상의 가열 요소로, 그리고 하나 이상의 가열 요소로부터 허브로 회로에서 전기를 전달하도록 구성되는, 전기 히터 장치.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 하나 이상의 채널에 배치된 하나 이상의 온도 센서를 포함하는, 전기 히터 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제2 열 전도성 층은 하나 이상의 온도 센서 위에 배치되는, 전기 히터 장치.
  25. 제16항에 있어서,
    상기 하나 이상의 가열 요소 및 디스크는 전기 히터 장치에서 유해한 균열 또는 틈을 피하기 위해 기능적으로 유사한 열 팽창 계수를 포함하는, 전기 히터 장치.
  26. 제16항에 있어서,
    상기 하나 이상의 가열 요소는 디스크의 상단면을 따라 하나 이상의 가열 영역을 제공하도록 독립적으로 제어 가능한, 전기 히터 장치.
  27. 웨이퍼 처리 챔버에서 반도체 웨이퍼를 처리하는데 사용되는 전기 히터 장치의 제조 방법으로서,
    약 3 내지 약 5 중량%의 이트리아를 포함하는 소결 보조제를 포함하는 질화알루미늄, 상단면, 및 바닥면을 포함하는 디스크를 준비하는 단계;
    상기 디스크의 상단면에 하나 이상의 홈을 제작하는 단계;
    상기 디스크의 상단면에 배열된 하나 이상의 홈 중 각각의 홈에 하나 이상의 전기 전도성 가열 요소를 증착하는 단계 - 상기 하나 이상의 가열 요소는 탄소, 질소, 알루미늄, 이트륨, 또는 산소 중 적어도 하나로 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속을 포함하고, 상기 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속은 도핑되지 않은 내화성 경금속과 비교하여 주위 온도에서 약 850℃ 범위의 작동 온도에 걸쳐 온도에 둔감한 전기 저항을 포함하고, 상기 하나 이상의 가열 요소는 상기 디스크의 상단면을 따라 하나 이상의 가열 영역을 제공하도록 독립적으로 제어 가능함 - ;
    상기 하나 이상의 가열 요소 위의 디스크의 상단면에 질화알루미늄을 포함하는 제1 분말을 증착하는 단계;
    다이에서 상기 디스크를 적어도 한 번 가압하여 제1 분말을 고화시키는 단계;
    상기 디스크의 바닥면에 하나 이상의 채널을 제작하는 단계;
    상기 디스크의 바닥면 상의 하나 이상의 채널에 하나 이상의 전기 전도성 상호 접속부를 증착하는 단계;
    상기 하나 이상의 상호 접속부 위의 디스크의 바닥면에 질화알루미늄을 포함하는 제2 분말을 증착하는 단계;
    다이에서 상기 디스크를 적어도 한 번 가압하여 제2 분말을 고화시키는 단계;
    허브를 포함하도록 상기 가압된 디스크를 기계 가공 및 연마하는 단계 - 상기 가압된 및 기계 가공된 디스크는 매립된 가열 요소 및 상호 접속부를 갖는 질화알루미늄 매트릭스를 정의함 - ;
    약 1600˚C 내지 약 1850˚C 범위의 온도에서 상기 질화알루미늄 매트릭스를 소결하는 단계 - 상기 소결 단계는 제어된 가열 하에 질소 환경에서 수행되어 질화알루미늄 매트릭스 내의 임의의 임시 결합제를 연소시키고, 탄소의 양은 이트리아와 관련되지 않은 질화알루미늄 매트릭스 내의 질화알루미늄의 산소 함량 미만으로 유지되어, 알루미나와 이트리아의 액상 조성이 소결된 질화알루미늄 매트릭스의 Al2O3/Y2O3 몰비가 10:3 내지 0.1:1이 되도록 이루어지고, 상기 탄소의 양의 일부는 하나 이상의 전기 전도성 가열 요소의 도핑된 하나 이상의 내화성 경금속에 혼입되고, 상기 소결은 소결된 질화알루미늄 매트릭스 내에 고밀도화된 하나 이상의 전기 전도성 가열 요소를 포함하는 고밀도화된 질화알루미늄 매트릭스를 형성함 - ; 및
    소결 라이저를 상기 허브에 접합하는 단계;를 포함하는, 방법.
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