CN107079532A - 单涂层封装的石墨加热器和工艺 - Google Patents

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陆中浩
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松井诚彦
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Abstract

本发明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。

Description

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-Coat Encapsulated GraphiteHeater and Process”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。
技术领域
本发明涉及一种石墨加热器及其制造工艺。具体地，本发明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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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，本发明提供了一种加热器，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，本发明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、碳氮化物或氮氧化物中的至少一种或其两种或多种的复合物和/或组合物的材料。
本技术还提供根据前述实施例中任一项所述的方法，其中结构插入件和涂层包括相同的材料。
本技术还提供了根据前述实施例中任一项所述的方法，其中结构插入件的材料具有热膨胀系数，涂层的材料具有热膨胀系数，并且结构插入材料的热膨胀系数在涂层材料的热膨胀系数的40％内。
该方法提供了优于需要去除石墨桥和多个涂覆工艺以在加热器本体上提供足够涂层的常规加热器构造工艺的优点。特别地，采用陶瓷材料的分离插入结构的本方法和组件允许施加单个涂覆操作以封装加热器本体。这可以就时间和材料成本方面降低加热器的成本和加工。
附图说明
图1(A)是根据本发明的实施例的圆柱形加热器的立体图；
图1(B)是图1(A)的一部分的放大图；
图2是图1(A)的加热器的侧视平面图；
图3是图1(A)的加热器的俯视平面图；
图4(A)是根据本发明另一实施例的圆柱形加热器的立体图；
图4(B)是图4(A)的一部分的放大图；
图5是图4(A)的加热器的侧视平面图；
图6是图4(A)的加热器的俯视平面图；
图7(A)是根据本发明另一实施例的扁平加热器的立体图；
图7(B)是图7(A)的一部分的放大图；
图8是图7(A)的加热器的俯视图；
图9(A)是根据本发明另一实施例的扁平加热器的立体图；
图9(B)是图9(A)的一部分的放大图；
图10是图9(A)的加热器的俯视图；
图11是根据本发明另一实施例的扁平加热器的立体图；和
图12是根据本发明的实施例的圆柱形加热器的立体图；
除非另有说明，否则附图不是按比例的。附图是为了说明本发明的方面和实施例的目的，并且不旨在将本发明限制于其中所示的那些方面。参考以下详细描述可进一步理解本发明的方面和实施例。
具体实施方式
本发明提供一种加热器，其包括石墨主体、支撑构件和封装石墨主体和支撑构件的涂层。支撑构件可以是例如由氮化物、碳化物、碳氮化物、氮氧化物或其两种或更多种的组合构成的一个或多个结构插入件，用于为石墨主体提供结构支撑，并且涂覆层可以包含封装石墨主体的氮化物、碳化物、碳氮化物、氮氧化物或其两种或更多种的组合。
加热器包括具有限定预定路径的构造的石墨主体，该预定路径限定多个加热元件。加热器可以是一体式，其中路径可以是包括多个加热元件的连续路径。在一个实施例中，加热器包括石墨主体，其包括串联连接的两个半部，其中每个半部包括处于预定构造的多个加热元件。
根据本发明的方面，石墨主体包括作为支撑构件的多个结构插入件。结构插入件的位置基于包括但不限于诸如尺寸、形状(例如，圆柱形对扁平加热器)的加热器设计、加热路径构造等的因素来确定。任何适当的构造或数量的结构插入件可以被选择使得结构插入件为石墨主体提供足够的支撑。
图1-图12示出了根据本技术的方面的实施例。在图1A-图6中，加热器被示出为包括上表面60的圆柱体。加热器10包括第一半部40和第二半部44。第一半部从端子48延伸，并且第二半部从端子52延伸。每个半部40和44分别限定底表面64和68。加热器本体10的每一个半部被机械加工成限定了多个加热器元件14和18的预定电流路径。端子48和52分别包括端子连接孔34和56，端子连接孔34和56是用于电源向加热器提供电流的附接点。在一个实施例中，加热元件150、160(或路径)的主要部分可以与加热器的上表面平行地定向，并且次要部分在路径中限定转弯。如图1-图6所示，相应的蜿蜒图案从每个端子线性地和垂直地延伸，然后转向以形成水平定向并与加热器的上表面的平面平行的主要部分。
如图所示，在连续的加热元件之间存在间隙或空间22、26。在一个实施例中，间隙可以在连续的加热元件之间包括在转弯处是均匀的。在另一个实施例中，可以提供在蜿蜒路径的转弯附近限定的间隙，使得其形成尺寸为具有大于加热元件的主要部分之间的间隙的尺寸的一个或多个尺寸。例如，在转弯附近的间隙的高度或宽度可以大于加热元件的主要部分之间的间隙。如图1、图2、图4和图5所示，在路径的转弯附近的间隙30可以设置有几何形状，包括但不限于矩形、正方形、圆形、三角形、五边形、六边形、七边形等。较大的间隙30可以渐缩或导向加热元件之间的间隙。如图1、图2、图4和图5所示，在蜿蜒路径的转弯附近的间隙30是圆形的，以提供“锁孔(keyhole)”间隙。通过给加热元件布置被水平地定向到加热器的上表面的平面的主要部分而提供的具有相对大的横截面的这种设计允许在蜿蜒路径的转弯附近包括较大的间隙。在转弯附近的较大间隙可以进一步减小加热器的热应力。这样的配置在美国临时申请61/846,386中描述，其通过引用整体并入本文。
根据本技术的方面，加热器本体设置有支撑构件，例如结构插入件20。如图1A、图1B和图2所示，加热器10包括设置在间隙中的结构插入件20或在路径中的加热元件之间限定的空间22和/或26。加热器在加热元件的表面中设置有槽24，并且结构插入件设置在槽内。槽可以通过任何合适的方法(例如通过机械加工)形成。
在图1A、图1B和图2中，结构构件沿垂直于路径的方向设置。在图4A、图4B和图5中，加热器10'与图1-3中的加热器10相同，除了插入件20'在与加热元件14和18共面方向上定向以外。
应当理解，电流路径可以形成任何适当的图案，包括但不限于螺旋图案、蜿蜒图案、螺旋图案、Z字形图案、连续的迷宫图案、螺旋线圈图案、涡旋图案或随机回旋图案。另外，根据特定目的或预期应用的需要，加热器本体可以设置为任何合适的形状。虽然图1-图6中的加热器被示出为圆柱形形状，但是加热器可以形成为选定形状(例如正方形、矩形等)的多边形。另外，路径可以被配置成以堆叠取向提供加热器元件(如图1-图6所示)或在同一平面中提供加热元件以提供大致扁平的加热器构造(例如，图7-图10)。
图7A-图10示出了扁平加热器100和100'。加热器100和100'包括在相邻加热元件之间具有空间或间隙106、108和/或110的加热元件102和104。在图7A-图8中，加热器100包括结构插入件112、114、116、118和120。在图7A-图8中，插入件在加热元件的平面中定向。另外，取决于插入件被定位的位置，结构插入件112、114、116、118和120设置有不同的形状(例如，矩形、L形、T形或弯曲)。如图11所示，结构插入件124可以配置为提供锁定特征，以防止结构插入件被远离石墨主体拉开。例如，结构插入件可以是“燕尾”形状或钥匙孔形状。这些形状可以保持结构插入件牢固地附接到石墨主体，并且可以防止结构插入件被远离石墨主体拉开。具有类似或其它类型的锁定特征的结构插入件可与其它加热器几何结构一起使用。
在图9A-图10中，提供了与加热器100相同的加热器100'，除了加热器100'包括垂直于加热元件102和104的平面定向的插入件122。可以理解，插入件不必沿相同的方向定向，并且加热器可以设置有沿共面方向定向的插入件和垂直于加热元件的平面定向的插入件的组合。
图1-图11示出了在由加热器主体的相应加热元件限定的空间之间设置的结构插入件。在另一个实施例中，支撑构件可以围绕加热器主体的外表面设置。图12示出了加热器本体10”，其与加热器本体10和10'相同，除了加热器本体10”不包括在加热元件之间的空间中设置的插入件20。在图12中，加热器本体10”包括围绕加热器本体的外表面设置的结构支撑构件70。支撑构件覆盖多个加热元件。支撑构件70可以以任何合适的方式连接到加热器主体。在一个实施例中，支撑构件70包括配置为插入在加热器本体的加热元件的表面上设置的相应槽或孔中的多个突起(例如，桩、支架等)。
根据特定目的或预期应用的需要，加热器本体可由任何合适的材料形成。如本文所述，石墨特别适合于形成加热器主体。石墨材料的具体类型可以根据特定目的或预期应用的需要选择。另外，石墨形式的厚度可以根据对成品部件的电气计算和加热器的尺寸约束(例如内径和外径)来确定。成品加热器电阻的基本计算是本领域已知的，即基于蜿蜒电路径的长度、宽度和厚度，其中电路径的厚度被设计到石墨基底中。
结构插入件可由任何合适的材料形成，以向加热器本体提供结构支撑。在一个实施例中，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一种或多种，或其复合物和/或组合物。实例包括热解氮化硼(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。
在一个实施例中，结构插入件包含pBN。在第二实施例中，插入件包括AlN。在第三实施例中，插入件包括AlN和BN的复合物。在第四实施例中，插入件包括热解氮化硼(PBN)和小于约3wt％的量的碳掺杂剂的组合物，使得其电阻率小于1014Ω-cm。还在第五实施例中，插入件包括氮化铝，其中添加少量的Y2O3，例如相对于100wt％的氮化铝的5wt％的量。pBN和AlN都具有优异的绝缘和导电性能，并且可以容易地从汽相沉积。它们还具有高温稳定性。此外，它们具有与热解石墨基底(黑色)不同的颜色(白色)，使得在形成电图案的步骤中，可以容易地在视觉上区分涂层和图案。在又一个实施例中，插入件可以是碳化硅(SiC)。在另一个实施例中，插入件可以是碳化钽(TaC)。
结构插入件的尺寸和形状可根据特定目的或预期应用的需要而定。可以选择插入件的厚度、尺寸、形状、数量和位置以向加热器提供足够的支撑。如图7A-图8所示，例如，采用不同形状的插入件。插入件的厚度没有特别限制。在一个实施例中，插入件可以具有从约0.5mm至约3mm的厚度。类似地，可以根据需要选择槽的深度，以提供足够的支撑或将插入件保持在适当位置。槽可以相对浅或者可以相对深。槽可以通过进行机械加工和从加热器主体去除石墨而形成。
结构插入件可以以任何适当的方式插入加热器中。垂直于加热元件的平面定向的插入件可以直接插入到适当的槽中。为了插入与加热元件的平面共面定向的结构插入件，可以操纵石墨加热器以暴露出槽或允许插入件被正确定位。
在已经放置结构插入件之后，石墨主体设置有足够厚度的大致连续的涂层，以提供期望的耐腐蚀性。该涂层还可以在机械加工步骤中提供额外的结构完整性和支撑。在一个实施例中，涂层大致封装石墨基底和结构插件的所有暴露表面。涂层还可以用于将插入件保持在适当位置。在本发明工艺的另一个实施例中，涂层简单地覆盖石墨基底的顶部或外表面，以用于耐腐蚀性和结构支撑。
石墨主体的涂层可以是与结构插入件相同的材料或不同的材料。涂层和结构支撑件可以是不同的材料。与结构插入件一样，涂层可以包括选自由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，或其复合物和/或组合物。在一个实施例中，涂层包括pBN、AlN、SiC或SiN。优选地，当涂层和结构支撑件包括不同的材料时，不同材料的热膨胀系数(CTE)值通常是相同的。在一个实施例中，插入材料的CTE在涂层的CTE的40％内，在涂层的CTE的20％内，在涂层的CTE的15％内，在涂层的CTE的10％内，在涂层的CTE的5％内，甚至在涂层的CTE的1％内。
在一个实施例中，涂层具有0.001至0.10英寸(约0.025mm至约2.5mm)的厚度。在第二实施例中，涂层具有0.003英寸至0.05英寸(约0.07mm至约1.3mm)的厚度。在第三实施例中，该涂层为约0.005英寸至0.03英寸(约0.12mm至约0.8mm)。还在第四实施例中，涂层具有小于约0.02英寸(约0.5mm)的厚度。还在第四实施例中，涂层是厚度在约0.003英寸至约0.006英寸(约0.07mm至约0.15mm)范围内的pBN的扁平固体大致连续的表面层。
可以使用不同的方法将涂层沉积到石墨主体/衬底上。在一个实施例中，该层可以通过物理汽相沉积(PVC)施加，其中涂层材料，例如氮化硼和/或氮化铝在真空中通过纯物理方法转移到汽相中并沉积在待涂覆的表面上。可以使用多种方法变型。在一个实施例中，涂层材料在高真空下沉积在表面上，其中使用电阻加热、电子或激光轰击、电弧蒸发等将涂层材料加热以从固体经由液体转变为气态或直接从固态转变为气态。也可以使用溅射，其中由相应涂层材料组成的固体靶在真空中通过高能离子，例如，惰性气体离子，特别是氩离子，(其中离子源为例如惰性气体等离子体)而被原子化。最后，由相应涂层材料组成的靶也可以在真空下用离子束轰击，转移到汽相中并沉积在待涂覆的表面上。
也可以组合上述PVD方法，并且可以通过等离子体支持的汽相沉积来沉积涂层。
或者，在本发明的一个实施例中，涂层可以通过化学汽相沉积(CVD)来沉积。与PVD方法相反，CVD方法具有相关的化学反应。气体组分在约200-2000℃的温度下产生。通过热、等离子体、光子或激光活化的化学汽相沉积用惰性载气(例如通常在负压下的氩气)转移进入发生化学反应的反应室中。由此形成的固体组分被沉积到待涂覆的石墨主体上。挥发性反应产物与载气一起排出。
在一个实施例中，石墨主体通过CVD工艺涂覆有热解氮化硼层，如美国专利No.3,152,006中所述，其公开内容通过引用并入本文。在该工艺中，以适当比例的氨和气态卤化硼(诸如三氯化硼(BCl3))的蒸气用于在石墨基底的表面上形成氮化硼沉积物。
在另一个实施例中，涂层也可以使用热注射方法沉积，例如，通过等离子体注入法。其中，通过施加高频电磁场和气体(例如空气、氧气、氮气、氢气、惰性气体等)的相关离子化，借由等离子体燃烧器而将固定靶加热并转移到汽相中。靶可以由例如氮化硼或氮化铝组成，并转移到汽相中并以纯物理方式沉积在待涂覆的石墨主体上。靶也可以由硼组成，并且通过与离子化气体(例如氮气)反应而作为氮化硼沉积在待涂覆的表面上。
在另一个实施例中，使用热喷涂工艺，即使用火焰喷涂技术，其中粉末涂料原料借由燃烧火焰熔化，通常通过点燃氧气与另一种气体的气体混合物。在另一种称为电弧等离子喷涂的热喷涂工艺中，DC电弧产生电离气体(等离子体)，其用于以类似于喷涂漆的方式喷涂熔融的粉末状涂层材料。在另一个实施例中，涂层材料作为漆/喷雾被施加并且用空气喷雾器喷涂到石墨主体上。
在相对“厚”的涂层(即0.03英寸或更厚)的另一个实施例中，涂层材料简单地作为液体漆施加，并且然后在足够高的温度下干燥以使涂层干透。在其中BN用作涂层的一个实施例中，全部涂覆BN的石墨结构在至少75℃下干燥，在一个实施例中至少100℃的温度下干燥，以使涂层干透。
在一个实施例中，在如上所述的涂覆工艺之后，将涂覆的石墨结构加热至至少500℃的温度，以进一步将氮化物涂层结合到石墨主体上。
取决于被涂覆的材料，可以使用其它涂覆工艺。例如，TaC可以通过CVR(化学汽相反应)方法沉积，由此石墨的顶层被转化为碳化物。
用大致连续的涂层涂覆石墨主体：在该步骤中，涂覆石墨主体用于增强对晶片加工化学环境的耐腐蚀性。涂层可以覆盖石墨主体的顶表面和底表面，或者涂层可以简单地提供覆盖任何暴露的石墨的保护层。
形成电触点。在该最终步骤中，电接触被机械加工穿过涂层以在接触位置处暴露石墨而用于连接到外部电源。或者，电接触延伸部可以在涂覆工艺之前在开始处被机械加工到石墨基底中。
本发明的加热器可以用于不同的应用，特别是用于晶片载体的半导体加工应用。已经发现，相对于常规石墨加热器的强度，本发明的加热器的机械强度显着提高。
在半导体应用中，通常处理不同尺寸和/或形状的晶片。因此，应当理解，在本发明的广泛实践中的加热器可以具有任何合适的尺寸和形状/构造，如所设想的具体用途或应用所需要的。加热器可以是圆柱形、扁平盘、压板等。其在其最长尺寸(例如直径、长度等)可具有约2至20英寸的尺寸和0.05”至0.50”英寸的厚度。在一个实施例中，其可以是具有2”长×2”宽×0.01”mm厚的尺寸的盘。在圆柱形的一个实施例中，加热器具有2”至20”的内径，0.10”至0.50”壁和2”至40”长的尺寸。
本文引用的所有引用通过引用明确地并入本文。
上面已经描述了本发明的实施例，并且在阅读和理解本说明书之后，其他人可以想到修改和变化。如下的权利要求旨在包括落入权利要求或其等同物的范围内的所有修改和变更。

Claims (24)

1.一种加热器，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，或其两种或更多种的复合物和/或组合物。
14.根据权利要求1所述的加热器，其中所述结构插入件和所述涂层包括相同的材料，并且其中所述材料包括选自由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。
15.根据权利要求14所述的加热器，其中所述结构插入件和所述涂层各自包含热解氮化硼(pBN)。
16.一种形成加热器的方法，包括：
提供石墨主体，所述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
施加封装所述图案化的石墨主体和所述结构插入件的涂层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述石墨主体限定连续路径，所述连续路径具有被限定在所述主体的第一内表面和所述主体的第二内表面之间的空间，并且
插入所述结构插入件包括将所述结构插入件插入到所述空间中。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一内表面限定了槽，所述第二内表面限定了槽，并且插入所述结构插入件包括将所述结构插入件插入所述槽中。
19.根据权利要求16-18中任一项所述的方法，其中所述至少一个加热元件限定纵向平面，并且所述结构插入件被插入所述纵向平面的平面中。
20.根据权利要求16-18中任一项所述的方法，其中所述至少一个加热元件限定纵向平面，并且所述结构插入件垂直于所述纵向平面插入。
21.根据权利要求16所述的方法，其中所述结构插入件是在其下表面上包括多个桩的板，并且插入所述结构插入件包括将所述多个桩插入所述石墨主体的外表面中的多个对应的槽中。
22.根据权利要求16-21中任一项所述的方法，其中所述结构插入件和所述涂层独立地包括选自由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/或组合物的材料。
23.根据权利要求16-21中任一项所述的方法，其中所述结构插入件和所述涂层包括相同的材料。
24.根据权利要求16所述的方法，其中所述结构插入件的材料具有热膨胀系数，所述涂层的材料具有热膨胀系数，并且所述结构插入件的材料的热膨胀系数处于所述涂层的材料的热膨胀系数的40％内。
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