CN108476560B - 高温管状加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加热器组件(10)，其包括：加热构件(12)；安装构件(14)，该安装构件(14)将该加热构件(12)安装到外部部件的壁(16)；以及绝缘体(22)，该绝缘体(22)被布置在该加热构件(12)和壁(16)之间。该绝缘体(22)使该加热构件(12)与壁(16)电绝缘，并且阻断从该加热构件(12)到该外部部件的壁(16)的接地通路。

Description

高温管状加热器
技术领域
本公开内容涉及半导体加工设备，且更具体地，涉及用于半导体加工设备的加热器。
背景技术
在此部分中的陈述仅提供与本公开内容有关的背景信息且可以不构成现有技术。
半导体加工涉及在加工腔室中执行的多种工艺。在这些工艺中，加热器被用来将晶片衬底保持在目标升高温度下被加工。该加热器可以以各种形式来实施。例如，加热器可以被直接集成到晶片加工腔室内或者加热器可以独立于其他加工工具而被使用。
加热器通常包括介电材料，该介电材料使产生热的电阻加热元件电绝缘。由于介电材料方面的限制，在加工腔室中使用的典型加热器通常只能在低于830℃的温度下工作。这是因为介电材料的绝缘强度通常随着操作温度增加而降低。当介电材料的绝缘强度减弱时，将发生介电击穿并且可能导致加热器的短路。
此外，泄漏电流在特定的电压下随着温度指数地增加。伴随降低的介电材料的绝缘强度，增加的泄漏电流增加了泄漏电流流动通过接地的风险，引起加热器故障。
另外，由于氧环境的低分压和暴露于加工腔室中的腐蚀性加工气体，加热器的高发射率保护表面可能逐渐劣化。加热器的劣化的外表面导致发射率改变且导致从电阻加热元件、通过加热器的外表面、到周围环境的减小的热传递。结果是，加热器的内部温度可能变得比加热器的外部温度更高，使介电材料的绝缘强度的减弱恶化，并且使通过介电材料的电流泄漏增加。
发明内容
在本发明的一个形式中，加热器组件包括：加热构件：安装构件，该安装构件将该加热构件安装到外部部件的壁；以及绝缘体，该绝缘体被布置在该加热构件和该壁之间。该绝缘体使该加热构件电绝缘且阻断从该加热构件到该外部部件的壁的接地通路。
在另一形式中，加热器组件包括：加热元件；金属护套，该金属护套包围该加热元件；介电材料，该介电材料被布置在该加热元件和该金属护套之间；以及涂层，该涂层被布置成围绕该金属护套。该涂层包括防渗材料。
从本文提供的说明，其他适用性领域将变得明显。应理解的是，说明和特定的实施例旨在出于仅例示的目的，且不用于限制本公开内容的范围。
附图说明
为了可以很好地理解本公开内容，现将参考所附附图，描述以实施例方式给出的本公开内容的多种形式，其中：
图1是根据本公开内容的第一形式构造的加热器组件的侧视图；
图2是根据本公开内容的教导构造的加热器组件的立体图；
图3是图1的加热器组件的部分剖视图，示出了加热器组件的内部结构；
图4是沿图1的线A-A截取的加热器组件的横截面视图；
图5是根据本公开内容的第二形式构造的加热器组件的侧视图；
图6是根据本公开内容的第三形式构造的加热器组件的立体图；
图7是图6的加热器组件的侧视图；
图8是沿图7的线B-B截取的加热器组件的横截面视图；
图9是根据本公开内容的第四形式构造的加热器组件的横截面视图；
图10是根据本公开内容的第五形式构造的加热器组件的横截面视图；
图11是根据本公开内容的第六形式构造的加热器组件的横截面视图。
本文描述的附图仅出于例示目的且不用于以任何方式限制本公开内容的范围。
具体实施方式
以下说明实质上仅仅是示例性的且不用于限制本公开内容、应用或用途。
如图1中所示，根据本申请的公开内容的加热器组件总体上由符号10指示。加热器组件10包括加热构件12和安装构件14，该安装构件14将加热构件12安装到外部部件的壁16，诸如半导体加工腔室的壁或者加工工具或设备的壁。加热构件12从加工腔室的壁16的内表面18突出。安装构件14被布置成与壁16的外表面相邻。加热构件12还包括绝缘体22，绝缘体22被布置在该加热构件12和该安装构件14之间且被布置成与壁16的内表面18相邻。绝缘体22使该加热构件12与壁16电绝缘，从而在加热器发生故障的情况下阻断从加热构件12通过壁16的接地通路，这将在下文更详细地描述。
参考图2，加热构件12包括管状构造且可以包括一对钩部分30和连接在钩部分30之间的弯曲连接部分32。钩部分30沿着水平方向(即，图2中所示的X轴)间隔开。每个钩部分30包括长腿40、短腿42，以及连接在长腿40和短腿42之间的弯曲部分44。每个钩部分30中的长腿40和短腿42竖直地(即，沿着Z轴)间隔开。弯曲连接部分32在X-Y平面上延伸，而弯曲部分44在Y-Z平面上延伸。绝缘体22包括对应于钩部分30的长腿40的一对绝缘部分23。
参考图3，加热构件12在一个示例性形式中可以是管状加热器，并且可以包括金属护套50，该金属护套50限定了空间52、接收在空间52中的电阻元件56，以及填充在空间52中且使电阻元件56电绝缘的介电材料58。该电阻元件56可以是电阻线圈或电阻线的形式并且包括高电阻率。金属护套50大体上具有金属管状结构且包括耐热金属(诸如，不锈钢)、镍铬合金(诸如，
Figure GDA0002581461060000031
牌合金)或其他高难熔金属。介电材料58可以是具有期望的介电强度、热导率和寿命的材料，且可以包括氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、或氮化铝(AlN)。电阻元件56被布置在金属护套50内部且延伸通过钩部分30中的一个、通过弯曲连接部分32到加热构件12的另一个钩部分30。电阻元件56具有例如通过焊接被连接到一对端子引脚62的相对端60(图3中仅示出一个)。端子引脚62延伸穿过绝缘体22的对应的绝缘部分23和壁16并且被连接到外部电源。金属护套50终止于绝缘体22的端表面65。在一个形式中，介电材料的热导率在60-180W/mK之间。
如图4中所示，加热构件12还包括在金属护套50的整个外表面上的外涂层64。涂层64对可能存在于加工腔室中的加工环境(诸如腐蚀性气体)不可渗透，且因此可以以相对低的速率劣化。涂层64包括具有高发射率的材料，诸如石墨、复合材料或氧化物材料，特别是镍铬镁氧化物，且可以具有0.8至1范围内的发射率。由于高发射率性质，该涂层64可以更快速地将热从金属护套50的表面辐射到周围环境。因此，加热构件12的内部温度可以被维持在预定范围内，而不会过热。涂层64可以降低可能的介电击穿，且因此在加热器的操作中。防渗高发射率涂层64还有助于改善辐射热传送的效率、加热器功能的整体寿命可靠性和稳定性。
如图1和图3中所示，绝缘体22被布置在安装构件14和加热构件12之间，尤其是金属护套50和壁16之间，以提供金属护套50和壁16之间的电绝缘。连接到电阻元件56的端子引脚62延伸穿过绝缘体22和壁16，以被连接到外部电源。然而，金属护套50终止于绝缘体22的端表面65。端子引脚62也与壁16电绝缘。当加热器组件12正常运行时，电流流过电阻元件56且不会流过金属护套50。加热器组件在升高的温度下操作时，介电材料的介电强度变得减弱且涂层64可能劣化，引起介电击穿并且电流通过介电材料泄漏到金属护套50。通过在金属护套50和壁16之间提供绝缘体22，从金属护套50到壁16的接地通路被阻断。结果是，加热构件12可以继续在较高温度下运行。因此，介电材料58的介电强度不再是加热器设计中的限制因素。可以使用高熔点电阻材料来形成电阻元件56，以将加热器组件10的运行温度增加至850℃以上或甚至1000℃以上的温度。即使在介电击穿的情况下，加热器组件10将继续运行，直到由于该电阻元件56烧坏且断开而形成开路为止。
绝缘体22被设置成与加热构件12的冷部段相邻，即，在该冷部段电阻元件56的相对端60被连接到端子引脚62。端子引脚62可以延伸通过绝缘体23的对应的绝缘部分23，而金属护套50终止于绝缘体22的端表面65。因此，加热器是电浮动的且通过电阻元件56、绝缘体22和金属护套50的泄漏电流被抑制。因此加热器组件10可以继续运行，而没有不起作用的风险。
如图5中所示，在另一种形式中，绝缘体70可以呈馈通形式，该馈通被插入穿过壁16的开口72。金属护套50终止于绝缘体70的一个端表面74，而连接到电阻元件56的端子引脚62延伸穿过绝缘体70和安装构件14，以被连接到外部电源。
参考图6至图8，根据本公开内容的第三形式的加热器组件80包括加热构件82和安装构件84，该安装构件84将加热构件82安装到半导体加工腔室的壁或者其他工具的壁。出于清楚目的，仅示出了被布置成与安装构件84相邻的加热构件82的一部分。注意到，加热构件82可以具有与图2中示出的配置类似的配置，或者在不背离本公开内容的范围的情况下，根据加热要求可以具有现有技术中已知的任何其他配置。
加热构件82包括金属护套86，该金属护套86在其中包封电阻加热元件和介电材料(在图3中示出，但在图6至图8中未示出)，以及绝缘体88，该绝缘体88包围该金属护套86的一部分且接近安装构件84。绝缘体88可以由聚醚醚酮(PEEK)或陶瓷制成，且使金属护套86与安装构件84电绝缘。当在加热构件82的介电材料中发生介电击穿时，绝缘体88阻断从金属护套86通过安装构件84到加工腔室的壁的接地通路。
安装构件84可以包括接近半导体加工腔室的内侧的内凸缘90和远离该半导体加工腔室的内侧的外凸缘92。内凸缘90和外凸缘92可以由铝制成。内凸缘90和外凸缘92各自限定开口94、96，绝缘体88被布置在开口94、96中。在图8中，内凸缘90被示出为比外凸缘92更厚。应理解，内凸缘90和外凸缘92可以被形成为具有相同的厚度。
绝缘体88可以包括内部段98、外部段100，以及内部段98和外部段100之间的真空密封件102。真空密封件102在真空密封件102和安装构件84之间建立气密界面，以避免通过加热构件82和安装构件84之间的界面泄漏气体到半导体加工腔室中或从半导体加工腔室中泄漏气体。真空密封件102可以被设置在内凸缘90的开口94内部。替代地，绝缘体88可以由具有密封性质的一件式部件形成，以抵靠安装构件84密封。
内凸缘90和外凸缘92都可以包括螺钉孔或螺栓孔104。螺钉或螺栓(未示出)被插入到螺钉孔或螺栓孔104中，以将加热器组件80固定到加工腔室的壁。同时绝缘体88被示出为从安装构件84的内表面106和外表面108突出，绝缘体88可以被形成为具有与安装构件84的内表面和外表面齐平的端表面110。
参考图9，根据本公开内容的第四形式构造的加热器组件120包括加热构件122和用于将加热构件122安装到半导体加工壁的壁或者加工工具的壁的安装构件124。加热构件122包括电阻加热元件126、介电材料128、其中包围和包封了该电阻加热元件126和该介电材料128的金属护套130。加热构件122还包括绝缘体132，该绝缘体132被布置成接近安装构件124围绕该金属护套130。在加热构件122中发生介电击穿的情况下，绝缘体132使加热构件122与安装构件124电绝缘。
安装构件124包括接近半导体加工腔室的内侧的内凸缘134和远离该半导体加工腔室的内侧的外凸缘136。内凸缘134和外凸缘136各自限定开口138和140，绝缘体132被布置在开口138和140中。
绝缘体132在内凸缘134的开口138和外凸缘136的开口140中分别包括内部段142和外部段144。内部段142限定用于将金属轴环150接收在其中的扩大开口148。金属轴环150包围加热构件122的金属护套130且被布置在安装构件124的内凸缘134内部。金属轴环150具有内端面152和外端面154。金属轴环150的内端面152被焊接到绝缘体132的内部段142。O形圈156被布置在金属轴环150的外端面154和绝缘体132的外部段144之间的交界处。另一个O形圈158被设置在绝缘体132的外部段144和安装构件124的外凸缘136之间的交界处。紧固装置160，诸如螺钉或螺栓，可以被设置在安装构件124的内凸缘134处，以将安装构件124附接到半导体加工腔室的壁或者加工工具的壁。类似地，绝缘体132可以由聚醚醚酮(“PEEK”)或陶瓷制成。
参考图10，根据本公开内容的第五形式构造的加热器组件180包括加热构件182和包围该加热构件182的安装构件184。如在先前形式中，加热构件182可以包括金属护套186、介电材料(未示出)，以及布置在金属护套186内部的电阻加热元件(未示出)。
安装构件184包括绝缘体188和包围加热构件182的金属护套186的套筒190。绝缘体188包围套筒190且可以由聚醚醚酮(“PEEK”)或陶瓷制成。套筒190可以在焊接区域191处被焊接到加热构件182的金属护套186。O形圈192被设置在套筒190和绝缘体188之间，特别是绝缘体188的凹槽中，以在套筒190和绝缘体188之间提供密封的界面。另一个O形圈194被设置在绝缘体188和半导体加工腔室的壁196之间，以在它们之间提供密封的界面。安装构件184还包括盖200，以覆盖绝缘体188和壁199之间的界面。盖200可以由不锈钢材料制成。可选地，限位垫圈204可以被附接至绝缘体188的端面。
参考图11，根据本公开内容的第六形式构造的加热器组件220包括加热构件222和安装构件224，该安装构件224用于将该加热构件222安装到半导体加工腔室的壁242或加工工具的壁。
安装构件224包括绝缘体226和附接到绝缘体226的安装板228。绝缘体226包括延伸穿过壁242的第一圆柱形部分230和被布置成接近壁242的内表面241的第二扩大圆柱形部分232。第二扩大圆柱形部分232包括面向壁242的内表面241的第一端面234，以及面向安装板228的第二端面236。安装板228通过第一紧固装置244(诸如螺钉或螺栓)被附接到绝缘体226的第二扩大圆柱形部分232。安装板228和绝缘体226的第二扩大圆柱形部分232被布置在半导体加工腔室内部。绝缘体226和安装板228限定中心开口250，加热构件222穿过该中心开口延伸。加热构件222可以通过焊缝252固定到安装构件224，特别是安装板228。安装构件224通过第二紧固装置246被固定到壁242。
O形圈248被设置在绝缘体226的第二扩大圆柱形部分232的第一端面234和第二端面236的每一个处，以在第一端面234和壁242的内表面241之间提供密封的界面以及在安装板228和绝缘体226之间提供密封的界面。绝缘体226可以由聚醚醚酮(“PEEK”)或陶瓷制成。
在本形式中，当在加热构件222中发生介电击穿时，绝缘体226使加热构件222与半导体加工腔室的壁242电绝缘，以阻断接地通路。因此，尽管加热构件222的金属护套内部发生介电击穿，但加热构件222可以继续运行。
应注意的是，本公开内容不限于所描述的且被例示为实施例的形式。已经描述了多种修改且更多修改是本领域技术人员的知识的部分。在不脱离本公开内容和本专利的保护范围的情况下，这些和其他修改以及通过技术等同物的任何替换可以被添加到说明书及附图中。

Claims (14)

1.一种加热器组件，其包括：
加热构件，所述加热构件包括电阻元件、包围所述电阻元件且使所述电阻元件电绝缘的介电材料；
安装构件，所述安装构件将所述加热构件安装到外部部件的壁；以及
绝缘体，所述绝缘体被布置在所述加热构件和所述外部部件的壁之间，以及使所述加热构件与所述壁电绝缘，和阻断从所述加热构件到所述外部部件的壁的接地通路；
其中在所述加热构件的正常运行期间，所述电阻元件通过所述介电材料和所述绝缘体来电绝缘，以及在所述介电材料的介电击穿期间，由于通过所述绝缘体阻断从所述电阻元件到所述外部部件的壁的接地通路，所述电阻元件通过所述绝缘体来保持电绝缘。
2.根据权利要求1所述的加热器组件，其中所述加热构件是管状加热器。
3.根据权利要求1所述的加热器组件，其中所述加热构件还包括包围所述介电材料和所述电阻元件的金属护套。
4.根据权利要求3所述的加热器组件，其中所述绝缘体使所述金属护套与所述外部部件的壁电绝缘。
5.根据权利要求4所述的加热器组件，其中所述金属护套终止于所述绝缘体的一个端表面。
6.根据权利要求3所述的加热器组件，还包括端子引脚，所述端子引脚延伸穿过所述绝缘体且被连接到所述电阻元件。
7.根据权利要求3所述的加热器组件，其中所述加热构件还包括在所述金属护套的外表面上的防渗涂层。
8.根据权利要求7所述的加热器组件，其中所述防渗涂层具有0.8至1范围内的发射率。
9.根据权利要求7所述的加热器组件，其中所述防渗涂层包括选自由石墨、复合材料和氧化物材料组成的组中至少之一的材料。
10.根据权利要求9所述的加热器组件，其中所述氧化物材料包括镍铬镁氧化物。
11.根据权利要求4所述的加热器组件，其中所述介电材料为选自由氧化镁（MgO）、氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）和氮化铝（AlN）组成的组中的至少之一。
12.根据权利要求3所述的加热器组件，其中所述介电材料具有高热导率。
13.根据权利要求12所述的加热器组件，其中所述介电材料是氮化铝（AlN）。
14.根据权利要求3所述的加热器组件，其中所述电阻元件具有1300-1400℃范围内的熔点。
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