CN113474313A - 包括氮化硼和二硼化钛的陶瓷复合物加热器 - Google Patents

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Abstract

提供在2D和3D加热元件应用中使用的包括氮化硼(BN)和二硼化钛(TiB2)的陶瓷复合物。所述陶瓷复合物可在没有防护性涂层的情况下在加热器应用中使用。所述陶瓷复合物可对于氧气和湿气是耐蚀的直至例如900℃的温度，并且可提供增大的对于熔融或气化金属(包括铝)的耐蚀性。所述陶瓷复合物可为足够刚性的并且可不需要另外的介电结构支撑体。所述陶瓷复合物可为足够耐破裂的，以使得能够以高的盘绕长度对宽度或厚度的纵横比机械加工精细且复杂的图案和设计。所述陶瓷复合物可对于任意的加热器形状、取向和尺寸使用。

Description

包括氮化硼和二硼化钛的陶瓷复合物加热器
技术领域
本公开总体上涉及加热器，并且更具体地涉及包含包括(i)氮化硼(BN)和(ii)导电陶瓷材料的陶瓷复合材料的加热器、和制造这样的材料的方法。在多个实施方式中，所述复合材料包括氮化硼和硼化钛材料(例如二硼化钛(TiB2))。
背景技术
在半导体、电子器件、显示器、传感器、太阳能电池等的工业生产中采用高温真空工艺。在化学、金属、陶瓷和玻璃加工工业中也使用高温真空工艺。例如，金属蒸镀为高温真空工艺的常见应用，并且可需要1200℃以上的温度和低于10-2托的压力以通常实现技术上或经济上可行的工艺。
在这些真空工艺中用于达到高温的常规加热元件材料对由氧气、氮气、氢气、湿气和熔融或气化金属(金属蒸气，vapor metal)引起的腐蚀经常呈现出差的耐受性。常规加热元件材料例如石墨、热解石墨、难熔金属(例如钨、钼和钽)、碳纤维复合物(复合材料，composite)等无法在超过400℃的温度下经受住氧气、氮气、氢气或湿气腐蚀。这些加热元件材料还对通过暴露于熔融或气化金属例如铝的腐蚀是敏感的，铝为对于使用高温真空工艺的金属蒸镀而言最常用的金属之一。
由于对氧气、氮气、氢气、湿气和熔融或气化金属差的耐蚀性，引入这些材料的加热元件在操作寿命和操作灵活性方面受限。为对抗这些问题，加热元件经常涂覆有陶瓷、氮化物、碳化物等，并且涉及无法容易地机械加工的更复杂的工程(engineering)。例如，难熔的丝和箔需要介电结构支撑体。即使可将加热元件材料例如石墨机械加工，为满足每单位面积的电阻规格所需的盘绕长度(盘条长度，带卷长度，coil length)对宽度或厚度的纵横比也难以实现。防护性涂层和设计造成额外的制造加热元件的成本。进一步地，尽管防护性涂层可阻止加热元件材料的腐蚀，但防护性涂层还可降低系统的操作压力和温度。例如，碳化硅由于硅在真空工艺中从涂层蒸发而负面地影响系统。难熔的丝和箔还诟病于由重结晶和/或蠕变和/或卷曲而引起的脆性，从而影响性能，即在易产生机械冲击的环境中的温度均匀性和可靠性。
结果，需要能够充分地机械加工并且在高温真空工艺和其它应用中在不需要防护性涂层的情况下使用的加热元件材料。需要对由氧气、氮气、氢气、湿气和熔融或气化金属引起的腐蚀耐受的加热元件材料。
发明内容
下面给出本公开的概要以提供一些方面的基本理解。该概要不拟识别关键或核心元素或限定实施方式或权利要求的任何限制。此外，该概要可提供对一些方面的简化概述，所述一些方面可在本公开的其它部分中更详细地描述。
提供在2D和3D加热元件应用中使用的陶瓷复合物，其包括(i)氮化硼(BN)和(ii)导电陶瓷材料，所述导电陶瓷材料为金属的硼化物、碳化物、铝化物或硅化物。导电陶瓷材料还可被认为是金属间化合物，因为其是由两种金属(或金属和准金属(metalloid))形成的。
在一个实施方式中，导电陶瓷材料选自钛-硼材料。钛-硼材料例如TiB2被认为是金属间的，因为其形成两种金属(钛和硼)的化合物，但TiB2还可被描述为导电陶瓷。为了本公开的意图，词语金属间复合物和陶瓷复合物可互换地使用。钛-硼金属间材料可包括任意的可为适合的钛对硼的比率。其包括TiB2以及包括但不限于如下的其它比率：TiB1.5至TiB3.5，其包括在那些值之间的比率(例如TiB2.3-3.5)。
陶瓷复合物可在有或没有防护性涂层的情况下在包括高温真空工艺的加热器应用中使用。除高温真空工艺外，陶瓷复合物还可用于代替大气加热元件合金材料，例如钼-硅化物、镍-铬和铁-铬-铝，其典型地在大气条件例如材料加工和燃料电池以及电子和电气消费品例如电子烟、医用设施、住宅供暖、汽车内部和发动机应用等中使用。
陶瓷复合物可对于氧气、氮气、氢气、氨气和湿气是耐蚀的直至例如约900℃的温度，并且可提供增大的对于熔融或气化金属(包括铝、铜和锡)的耐蚀性。陶瓷复合物可为足够刚性的并且可不需要另外的介电结构支撑体。陶瓷复合物可为足够耐破裂的，以使得能够以高的在单位面积内的盘绕长度对宽度或厚度的纵横比机械加工精细且复杂的图案和设计。例如，每单位面积的纵横比可为在1平方英寸的加热器表面内高至100、在1平方英寸的加热器表面内最高达60、或在1平方英寸的加热器表面内最高达50。在一些实施方式中，所述纵横比的范围可为在1平方英寸或约6.5cm2的加热器表面内5-100。所得的包括陶瓷复合物的加热元件的宽度或厚度可低至1mm并且在1平方英寸的加热器表面内的盘绕长度可高至宽度或厚度的100倍。
陶瓷复合物可通过热压BN和导电陶瓷(如在一个实施方式中的硼化钛(例如TiB2))与烧结助剂或粘结剂的共混物而制造。烧结助剂或粘结剂可包括：氧化钙，选自碱土金属的其它金属氧化物，铝及其相关化合物例如氮化铝，硅及其相关化合物(包括碳化硅或氮化硅)，碳，选自钨、钛、镍、钴、铁、铬等的过渡金属的金属化合物或金属，及其两种或更多种的组合。陶瓷复合物可为能机械加工的并且容许用金刚石工具通过计算机数控(CNC)机械加工(切割、车床加工、铣削、钻孔)成本有效地制作复杂的2D和3D形状。其它材料除去技术例如EDM、激光、喷水、喷砂、锯削、研磨等也可用于机械加工包括陶瓷复合物的加热器。加热横档(棒条，连接条，rung)可通过任何机械加工工艺进行机械加工以形成任何期望的加热横档的形状和取向，例如蛇形(serpentine)图案。使用BN/TiB2陶瓷复合物的2D或3D加热器可被涂覆或可以裸露或未涂覆的形式使用。
加热器的每单位面积的电阻可通过改变厚度和每单位面积的纵横比而调节和操控。陶瓷复合物可具有高的热导率和低的热膨胀系数(CTE)以及优良的抗热冲击性，例如大于200℃/s或大于1000℃/分钟。陶瓷复合物可使得能够实现高的功率通量密度，例如大于10W/cm2、大于25W/cm2或大于50W/cm2。在一个实施方式中，电阻率还可通过减小或增大TiB2比率或通过添加硼化物、硅化物、铝化物、或碳化物或来自周期表的其它金属而向上或向下调节。还可使用导电陶瓷例如氧化物陶瓷和玻璃来调节高温电阻率。非导电陶瓷、铝以及烧结助剂和粘结剂也可用于调节电阻率。所述复合物的电阻率可从300MOC(微欧姆厘米)至10000MOC变化。
在机械加工成加热器的最终形状之前或之后，可将包括陶瓷复合物的加热器在大于1800℃的温度下脱气或真空烧结以减少在加热器的操作期间的脱气和电阻变化。结果，陶瓷复合物可进一步使得每单位面积的电阻能够以40安培以下的电流在约1500℃的加热器操作温度下实现高至60W/cm2的功率密度。除真空脱气外，包括未反应的烧结助剂和挥发性化合物的加热器还可通过使用无机或有机酸、碱或溶剂的化学浸出而清除。
陶瓷复合物可用于向加热器提供具体应用或预期的终端用途所需的任意形状、取向和/或尺寸。加热器可作为具有总体上平坦或均匀的表面(当以横截面观察时具有基本上实心或块(block)形状)的本体(body)提供，或加热器可提供有总体上T-形、总体上C-形、总体上U-形、总体上I-形或总体上H-形横截面。这些结构可增大每单位面积的电阻而不损害高纵横比的蛇形图案的加热器的结构强度。
加热器可包括多个加热横档。加热横档可与平面基本上水平或基本上竖直。加热横档可与平面基本上平行或基本上垂直。加热器可包括多于一个区或电极路径。多区加热器可在不同位置处具有不同的功率通量密度，这通过操控盘绕长度对宽度或厚度的纵横比以改变每单位面积的电阻而实现。至少两个区可各自包括加热器的一半或者至少两个区可沿着它们的长度彼此相邻。各加热横档可具有相同的宽度或不同的宽度，并且单个加热横档的宽度可在其整个长度上变化。
在一种实施方式中，加热器可包括本体。加热器本体可包括至少一个加热表面，所述加热表面为总体上光滑且总体上平坦的，在本体中形成凹槽，本体的至少一部分具有选自如下的横截面形状：总体上T-形、总体上C-形、总体上U-形、总体上I-形和总体上H-形，和其中所述横截面形状沿着本体的至少一部分延伸。
在一种实施方式中，加热器可包括上表面和下表面以及多个加热横档，其中加热横档可包括与由上表面限定的平面水平取向的主要部分(大部分，major portion)。在一种实施方式中，加热器可包括第一表面和第二表面以及多个加热横档，其中加热横档可包括以与由第一表面限定的平面竖直取向的主要部分。
在一种实施方式中，加热器组装体可包括本体。所述本体可具有第一表面和第二表面。所述本体可具有限定预定路径的构造(configuration)，所述预定路径限定多个加热横档。
在一种实施方式中，加热器的本体可进一步包括至少两个区或电极路径。多区加热器可在不同位置处具有不同的功率通量密度。操控盘绕长度对宽度或厚度的纵横比以改变每单位面积的电阻将导致不同的功率通量密度。在一种实施方式中，所述本体可包括串联连接的两半，其中每一半具有限定预定路径的构造，所述预定路径限定多个加热横档。在一种实施方式中，所述本体可包括多个加热横档，其沿着它们的长度彼此相邻取向。
在一种实施方式中，各加热横档可具有基本上相同的宽度。在另一种实施方式中，至少一个加热横档的宽度可比至少另一个加热横档的宽度窄。在本体的上表面的顶部处的最上面的加热横档的宽度可比至少另一个加热横档窄。在另一种实施方式中，在本体的上表面的顶部处的最上面的加热横档的宽度小于或等于至少另一个加热横档的宽度的一半。
附图说明
本发明的其它目的和优势可在结合附图阅读时从下面的说明书中获悉，在所述附图中：
图1显示按照本文中公开的方面的包括陶瓷层的加热器的一种实施方式；
图2显示加热器，其中图2(a)为其局部平面图并且图2(b)为沿着图2(a)中的B-B截取的放大的横截面；
图3为加热器的平面图；
图4为沿着图3中的A-A截取的放大的横截面；
图5为体现盘旋形(spiral)形状的加热器的平面图；
图6为体现矩形形状的加热器的平面图；
图7为加热器的其它实施方式的平面图；
图8为图7的加热器沿着线7-7截取的放大的横截面视图；
图9为加热器的其它实施方式的平面图；
图10为图9的加热器沿着线9-9截取的放大的横截面视图；
图11为加热器的透视图；
图12为图11的加热器的平面顶视图；
图13为图11的加热器的平面正视图；
图14为图11的加热器的平面侧视图；
图15为加热器的透视图；
图16为描绘按照本文中公开的方面的包括陶瓷层的图1中的加热器在多次热循环测试期间的温度随时间的图示；
图17为描绘按照本文中公开的方面的包括陶瓷层的图1中的加热器在两次热循环测试的第一次期间的温度随时间的图示；
图18为描绘按照本文中公开的方面的包括陶瓷层的图1中的加热器在第一次热循环测试的升温(斜升，ramp)部分期间的温度随时间的图示；和
图19为描绘按照本文中公开的方面的包括陶瓷层的图1中的加热器在热循环测试期间在1500℃下的电阻随时间的图示。
所述图并非按比例的，除非另有说明。所述图用于说明本发明的方面和实施方式的意图并且不希望将本发明限制到其中说明的那些方面。本发明的方面和实施方式可参考下面的详细描述进一步理解。
具体实施方式
现在将详细地参考(论述)本发明的示例性实施方式，其实例在附图中说明。应理解，可使用其它实施方式并且可做出结构和功能变化而不偏离本发明的各自范围。而且，各种实施方式的特征可组合或变更而不偏离本发明范围。因此，以下描述仅作为说明而给出并且无论如何不应限制可对说明的实施方式做出的并且仍在本发明精神和范围内的各种各样的替代和改变。
公开了在2D和3D加热元件应用中使用的陶瓷复合物，其包括(i)氮化硼(BN)和(ii)导电陶瓷材料。导电陶瓷材料选自金属的硼化物、碳化物、铝化物或硅化物。导电陶瓷材料可被认为是金属间的，因为其形成两种金属(或金属和准金属)的化合物，例如在硼化钛材料的情形中的钛和硼的化合物。为了本公开的意图，词语金属间复合物和陶瓷复合物可互换地使用。
导电陶瓷材料选自金属的硼化物、碳化物、铝化物和/或硅化物。在一个实施方式中，导电陶瓷材料中的金属可选自Ti、Cu、Ni、Mg、Ta、Fe、Zr、Nb、Hf、V、W、Mo、Cr等。适合的铝化物的实例包括但不限于Ti、Cu、Ni、Mg、Ta、Fe等的铝化物。在一个实施方式中，铝化物选自TiAl、TiAl3、Cu2Al、NiAl、Ni3Al、TaAl3、TaAl、FeAl、Fe3Al、Al3Mg2等。导电陶瓷还可为过渡金属的硼化物、碳化物或硅化物。适合的硼化物、碳化物或硅化物的实例包括Ti、Zr、Nb、Ta、Hf、V、W、Mo、Cr等的硼化物、碳化物或硅化物。适合的硼化物的实例包括但不限于TiB2、TiB、ZrB2、NbB2、TaB2、HfB2、VB2、TaB、VB等。适合的碳化物的实例包括但不限于TiC、TaC、WC、HfC、VC、MoC、TaC、Cr7C3等。将认识到，导电陶瓷材料可包括可适合于具体意图或预期用途的不同的相应原子比率。
陶瓷复合物可包括如对于具体意图或预期应用所需的不同导电陶瓷组分(ii)的混合物或组合。这可包括不同类型的导电陶瓷(例如硼化物和碳化物)的组合。这还可包括在给定的导电陶瓷类别内的不同材料，例如硼化物、碳化物、硅化物、铝化物等的两种或更多种不同类型。
在一个实施方式中，复合材料包括硼化钛材料。钛-硼材料包括钛和硼以各种比率的组合。最常见形式为TiB2。如本文中使用的钛-硼材料还包括其它比率的，其包括但不限于TiB1.5-3.5。陶瓷复合物可在没有防护性涂层的情况下在包括高温真空工艺的加热器应用中使用。除高温真空工艺外，陶瓷复合物还可用于代替大气加热元件合金材料，例如钼-硅化物、镍-铬和铁-铬-铝，其典型地在大气条件例如材料加工和燃料电池以及电子和电气消费品例如电子烟、医用设施、住宅供暖、汽车内部和发动机应用等中使用。
氮化硼对导电陶瓷材料的比率可对于具体意图或预期用途按需选择。在一个实施方式中，氮化硼对导电陶瓷的(重量)比率选自10:90、20:80、30:70、40:60、50:50、60:40、70:30、80:20、90:10等。
在一个实施方式中，复合材料包括约90％至约10％重量的氮化硼和约10％至约90％重量的导电陶瓷；约75％至约25％重量的氮化硼和约25％至约75％重量的导电陶瓷；约60％至约40％重量的氮化硼和约40％至约60％重量的导电陶瓷；或约50％重量的氮化硼和约50％重量的导电陶瓷。
在一个实施方式中，陶瓷复合物包括氮化硼(BN)和钛-硼材料(例如二硼化物(TiB2))。任何比率的BN:TiB对于加热器均可为合适的，其包括比率10:90、20:80、30:70、40:60、50:50、60:40、70:30、80:20、90:10等。如前面讨论的，可使用另外的导电陶瓷例如碳化物、铝化物和/或硅化物代替TiB2以获得所公开的加热器。
陶瓷复合物对于氧气、氮气、氢气、氨气和湿气是耐蚀的直至例如900℃的温度，并且提供增大的对于熔融或气化金属(包括铝)的耐蚀性。陶瓷复合物是足够刚性的并且不需要另外的介电结构支撑体。陶瓷复合物是足够耐破裂的，使得能够以高的盘绕长度对宽度或厚度的纵横比机械加工精细且复杂的图案和设计。例如，所述纵横比可为在1平方英寸的加热器表面内高至100。在一些实施方式中，所述纵横比可为在1平方英寸或约6.5cm2的加热器表面内5-100的范围。
所得的包括陶瓷复合物的加热元件的宽度或厚度可低至1mm并且1平方英寸内的盘绕长度可高至宽度或厚度的100倍。陶瓷复合物和其加热元件即使在这些较小的厚度下也可经受住安装和清洁期间的热和机械冲击。所得的包括陶瓷复合物的加热元件的宽度和厚度还可大于1mm，包括5mm、10mm、15mm、20mm等。例如，加热元件的宽度和厚度可在0.5mm至50mm范围内。
加热器可通过任何机械加工工艺进行机械加工以形成任意期望的加热横档的形状和取向，例如蛇形图案。在一种实施方式中，加热横档的制造方法包括用金刚石工具进行计算机数控(CNC)机械加工(切割、车床加工、铣削、钻孔)。例如，所述陶瓷复合物使得能够用金刚石工具通过CNC机械加工实现薄至1mm的高纵横比蛇形特征。其它材料除去技术例如EDM、激光、喷水、喷砂、锯削、研磨等也可用于机械加工包括陶瓷复合物的加热器。在一种实施方式中，陶瓷复合物的制造方法包括热压BN和导电陶瓷(例如TiB)材料与烧结助剂或粘结剂的共混物。烧结助剂或粘结剂可包括氧化钙，选自碱土金属的其它金属氧化物，铝及其相关化合物例如氮化铝，硅及其相关化合物(包括碳化硅或氮化硅)，碳，选自钨、钛、镍、钴、铁、铬等的过渡金属的金属化合物或金属，及其两种或更多种的组合。
加热器的每单位面积的电阻可通过改变每单位面积的纵横比和厚度而调节和操控。蛇形图案可实现高的每单位面积的电阻。陶瓷复合物具有高热导率和低热膨胀系数(CTE)以及优良的抗热冲击性例如大于200℃/s或大于1000℃/分钟。陶瓷复合物使得能够实现高功率通量密度例如大于10W/cm2、大于25W/cm2或大于50W/cm2。在机械加工成加热器的最终形状之后或之前，可将包括陶瓷复合物的加热器在大于1800℃的温度下脱气或真空烧结以减少在加热器的操作期间的脱气和电阻变化。结果，陶瓷复合物进一步使得每单位面积的电阻能够以40安培以下的电流在约1500℃操作温度下实现高至60W/cm2的功率密度。
除真空脱气外，包括未反应的烧结助剂和挥发性化合物的加热器还可通过使用无机或有机酸、碱或溶剂的化学浸出而清除。适合的酸包括HF、乙酸和HCl；适合的碱包括稀的NaOH和NH4OH；并且适合的溶剂包括热甲醇或水或前述的任意者的两种或更多种的组合。可使用化学浸出来减少脱气，并且调节加热器材料的电阻率或使其稳定化。
使用本发明陶瓷复合物的2D或3D加热器可被涂覆或可以裸露或未涂覆的形式使用。导电陶瓷例如TiB2提供导电性。BN提供陶瓷复合物中的使得陶瓷复合物能够被机械加工的结构。BN因其柔软性而辅助陶瓷复合物的机械加工性、因其高的热导率而辅助陶瓷复合物的抗热冲击性、因其高的电阻率(即使在1500℃的高温下)而具有实现高的每单位面积的电阻的能力、和补充和/或增补导电陶瓷例如TiB2的耐化学性的优良的耐化学性。BN可用于增大或调节电阻率。TiB2可用于增大或调节电阻率。电阻率还可通过减少或增多TiB2或通过添加来自周期表第3、4、5、6等副族的金属的硼化物、硅化物、铝化物或碳化物而向上或向下调节。还可使用导电氧化物陶瓷和玻璃来调节电阻率。每单位面积的电阻可通过如下进行调节：机械加工高纵横比的特征(如上详述的)和/或改变基本原料的电阻率，目的在于以期望的电流实现期望的功率通量密度。
例如，图1中显示的示范加热器由美国Momentive Quartz and Ceramics市售的AC6043级氮化硼复合物制成。典型性质于下：密度为约2.78gm/cm3，热膨胀系数(25-1500℃)为约7ppm/C，弹性模量为约107GPa，抗弯强度(绕曲强度)在25℃为约89.6Mpa并且在1500℃为约16.5Mpa，热导率在25℃为约70W/mK并且在1500C为约43W/mK，洛氏硬度(Rockwell Harness)为约123，和在25℃的体积电阻率在约400至1,600MOC(微欧姆-厘米)范围内。如本文中公开的，电阻率和其它机械性质例如机械加工性可通过调整TiB2和BN的比率而调节至大于上述值的范围。由于热压的TiB2的电阻率非常低、典型地在25℃低于30MOC，尽管用大于95％TiB2制成的材料可为导电的，但可能难以实现以40A以下的电流产生(deliver)高至60W/cm2的功率密度的每单位面积的电阻。进一步地，具有95％或更大％的TiB2的材料将对于操纵而言是脆的并且甚至用金刚石工具也难以机械加工，因为它们往往形成裂纹。在一些实施方式中，可实现约400至约10,000或400至约5,000MOC的体积电阻率。这些材料还将不能经受住如图1中的加热器所示范的热冲击。结果，另外的复合材料例如BN，以调节加热器的电阻率和其它机械性质。
所述陶瓷复合物可用于提供具有对于具体应用或预期的终端用途所需的任何形状、取向和/或尺寸的加热器。加热器可作为具有总体上平坦或均匀表面(当以横截面观察时具有基本上实心或块形状)的本体提供，或者加热器可提供有总体上T-形、总体上C-形、总体上U-形、总体上I-形或总体上H-形横截面。这些结构可增大每单位面积的电阻而不损害加热器的高纵横比蛇形图案的结构强度。
加热器可包括多个加热横档。加热横档可与平面基本上水平或基本上竖直。加热横档可与平面基本上平行或基本上垂直。加热器可包括多于一个区或电极路径。多区加热器可在不同位置处具有不同的功率通量密度，其通过操控盘绕长度对宽度或厚度的纵横比以改变每单位面积的电阻而实现。至少两个区可各自包括加热器的一半或至少两个区可沿着它们的长度彼此相邻。各加热横档可具有相同的宽度或不同的宽度，并且单个加热横档的宽度可在其整个长度上变化。尽管本文中公开了多种示例性加热器形状和结构，但要注意的是，加热器结构不限于任何特定的形状或设计并且还可使用任何未公开的加热器结构。
图1描绘包括多个2D取向的加热横档的加热元件400。加热横档可包括向上的加热横档410、440，水平的加热横档420、450，和向下的加热横档430、460。如对于所有描述的加热器构造，加热器包括包含氮化硼(BN)和二硼化钛(TiB2)的陶瓷复合物。在加热元件400的各个端部480、482处存在末端连接孔470、472。连接孔470、472为向加热元件400提供电流的电源的连接点。
图2A描绘包括矩形加热器本体的加热器，其包括具有连接孔的末端端部，其中在位置B-B处截取的横截面显示在图2B中。各末端端部在端部处具有变宽且扩大的形状以减小电阻。
图3描绘包括C-形加热器本体2的加热器1。在C-形加热器本体2的各个端部处有末端连接孔3a、3b，相对的外部端表面7a和7b被分隔开以在其间限定间隙G。连接孔3a和3b为向加热器1提供电流的电源的连接点。
图4为沿着图3中的A-A截取的放大的横截面，其中加热器本体2具有水平的上壁8，该水平的的上壁8具有光滑且平坦的加热用顶表面4，其上将直接或经由衬托器等间接地安装待加热的物体例如晶圆。加热器本体2下侧的中心部分凹陷以在一对相对的竖直侧壁或凸缘6a、6b之间形成伸长的沟槽或凹槽5，所述侧壁具有至少部分地限定凹槽5的内表面9a和9b。凹槽5和侧壁6a、6b在C-形加热器本体2的弧线方向(arcuate linear direction)上延伸以沿着加热器的中间部分7c(但不在加热器本体的端部处)提供倒置的U-形横截面。特别地，凹槽5在端表面5a和5b处终止，凹槽端表面5a和5b与各自的外部端表面la和lb之间的本体部分限定本体的各个端部。本体2沿着其整个长度(包括两个端部和其间的中间部分7c)具有相同的宽度W。本体2在端部处的全厚度维持在端部处相对较冷的温度但本体的均匀宽度改善热分布模式的控制。本体的中间部分7c具有减小的可用于电传导的横截面面积，从而增大和改善加热器电阻。
加热器本体可设计成盘旋形加热图案，例如图5中显示且如在日本专利公布No.2005-86117(A)中显示的加热器1’。在一些应用中，加热器本体形成为正方形或矩形图案，例如图6中显示的加热器1”。这些和其它加热器形状例如蛇形或螺旋形(helical)图案也在本发明的范围内。
图7和图8显示加热器的一种实施方式。加热器41可包括总体上C-形的加热器本体42。加热器本体42可包括末端连接孔43a、43b，其可位于C-形加热器本体42的各个端部处。相对的外部端表面47a和47b通常可分隔开以在其间限定间隙G2。连接孔43a和43b可为可向加热器41提供电流的电源(未显示)的连接点。作为非限制性实例，在这些实施方式中，加热器本体42可具有例如图8中显示的横截面形状。如图8中显示，加热器本体42可具有总体上水平对称的横截面形状，例如作为非限制性实例的总体上H-形横截面形状。在这些实施方式中，加热器本体42可包括总体上中心定位的和总体上水平的壁48。
在这些实施方式中，加热器本体42的顶部和底部中心部分51、53可凹陷以在一对相对的竖直侧壁或凸缘46a、46b之间形成一对伸长的沟槽或凹槽45a、45b。凹槽45a、45b可定位在加热器本体42的顶部和底部两部分上。侧壁46a、46b可各自包括内表面49a、49b、49c和49d，其可至少部分地限定凹槽45a、45b。凹槽45a、45b和侧壁46a、46b可在总体上C-形的加热器本体42的弧线方向上延伸。这可沿着加热器41的至少中间部分47c提供总体上H-形横截面形状。竖直侧壁46a、46b可各自具有总体上光滑且平坦的加热表面44a、44b，其上可分别地直接或经由衬托器等间接地安装待加热的物体例如晶圆。
然而，总体上H-形横截面形状可不延伸到加热器本体42的端部47a、47b。作为非限制性实例，凹槽45a、45b可总体上在端表面55a和55b处终止，在凹槽端表面55a和55b与各自的外部端表面47a和47b之间的本体42的部分可限定本体42的各个端部57a、57b。如上指出的，本体42可沿着其整个长度(包括两个端部和其间的中间部分47c)具有宽度W。宽度W可沿着本体42的整个长度总体上一致。
在图9和10中显示加热器的实施方式。加热器61可包括总体上C-形的加热器本体62。加热器本体62可包括末端连接孔63a、63b，其可位于C-形加热器本体62的各端部处。相对的外部端表面67a和67b通常可分隔开以限定其间的间隙G3。连接孔63a和63b可为可向加热器61提供电流的电源(未显示)的连接点。作为非限制性实例，在这些实施方式中加热器本体62可具有例如图10中显示的横截面形状。
如图10中显示的，加热器本体62可具有总体上对称的横截面形状，例如作为非限制性实例的总体上I-形横截面形状。甚至进一步地，加热器本体62可具有总体上水平对称的横截面形状。在这些实施方式中，加热器本体62可包括一对总体上水平的壁68a和68b。第一壁68a可在本体62的顶部上并且第二壁68b可在本体62的底部上。水平壁68a和68b任一者或两者可具有总体上光滑且平坦的加热表面64，其上可直接或经由衬托器等间接地安装待加热的物体例如晶圆。
在这些实施方式中，加热器本体62的一对侧壁66a、66b可凹陷以形成一对伸长的沟槽或凹槽65a、65b。作为非限制性实例，凹槽65a、65b可以任意适当方式形成在这对相对的竖直侧壁66a、66b中。一旦可在竖直侧壁66a、66b中形成凹槽65a、65b，就可在加热器本体62中形成总体上中心的壁72。这可限定总体上I-形横截面加热器本体42。中心壁72的侧壁73a、73b可限定凹槽65a、65b。
凹槽65a、65b和侧壁73a、73b可在总体上C-形加热器本体62的弧线方向上延伸以沿着加热器61的至少中间部分67c提供总体上I-形横截面形状。然而，总体上I-形横截面形状可不延伸到加热器本体62的端部75a、75b。作为非限制性实例，凹槽65a、65b可在端表面75a和75b处终止。在凹槽端表面75a和75b与各自的外部端表面67a和67b之间的本体62的部分可限定本体62的各个端部77a、77b。
如上指出的，本体62可沿着其整个长度(包括两个端部77a、77b和其间的中间部分67c)具有宽度W。宽度W可沿着本体62的整体长度总体上一致。尽管以上描述示例性维度(尺寸)，但本教导不限于这些特定维度。所述维度仅为示例性的并且可按需变更。
加热器还可提供有3D结构，例如以提供在径向方向上的加热。在一种实施方式中，加热器包括具有限定预定路径的构造的本体，所述预定路径限定多个加热横档。加热器可为一体化本体，其中所述路径可为包括多个加热横档的连续路径。在一个实施方式中，加热器包括包含串联连接的两半的本体，其中每一半包括预定构造的多个加热横档。
按照本发明的方面，加热器本体包括上表面、下表面，并且所述本体具有限定预定路径的构造，所述预定路径限定多个加热横档，其中加热横档具有基本上平行于本体的上表面取向的主要部分。在一个实施方式中，所述本体包括串联连接的两半，其中每一半具有限定预定路径的构造，所述预定路径限定多个加热横档，其中加热横档具有基本上平行于本体的上表面取向的主要部分。
通过提供加热横档的主要部分基本上平行于本体的上表面取向的构造，加热器本体具有容许热膨胀在加热横档的整个长度上传播的较大的横截面面积，已经发现这减少加热器本体上的应力集中。
图11-14说明按照本技术的多个方面的一种实施方式。加热器100包括第一半110和第二半120。第一半从末端130延伸，并且第二半从末端140延伸。末端130和140分别包括末端连接孔132和142，其为用于向加热器提供电流的电源的连接点。
加热器100作为包括上表面102的圆柱形本体示出。每一半110和120分别限定底表面112和122。将加热器本体100的每一半机械加工成限定多个加热器横档150和160的预定路径。在图11-图14中，所述路径以蛇形布置提供，其中加热横档150、160(或路径)的主要部分平行于加热器的上表面取向，并且小部分(minor portion)限定路径中的转角。如图11、图12和图14中所示的，各自的蛇形图案从各末端线型且竖直地延伸并且然后转弯以形成以与加热器的上表面平面水平且平行取向的主要部分。如图15中显示，横档的主要部分也可竖直取向。
将认识到，本体的电流路径可形成任意适当的图案，其包括但不限于盘旋形图案、蛇形图案、螺旋形图案、之字形图案、连续曲折图案、盘旋形盘绕的图案、涡旋图案或无规旋绕图案。另外，加热器本体可以对于具体意图或预期应用所需的任意适合的形状提供。
在图14的实施方式中，在本体的上表面的顶部处的最上面的加热横档的宽度300比其它加热横档的宽度310窄。在一个实施方式中，宽度300小于或等于宽度310的一半。
如所示的，在相继的加热横档之间存在间隙或间隔170、180。在一个实施方式中，所述间隙在相继的加热横档之间(包括在转角处)可为均匀的。在另一种实施方式中，在蛇形路径的转角附近限定的间隙可提供成使得其尺寸定为具有的一个或多个维度大于在加热横档的主要部分之间的间隙的维度。例如，在转角附近的间隙的高度或宽度可大于在加热横档的主要部分之间的间隙。如图11、图13和图14中显示的，在路径的转角附近的间隙172可提供有包括但不限于如下的几何形状：矩形、正方形、圆形、三角形、五角形、六角形、七角形等。较大的间隙172可成锥形或导致在加热横档之间的间隙。如图11、图13和图14中所示的，蛇形路径的转角附近的间隙172为圆形的以提供“键孔”间隙。具有通过布置主要部分与加热器的上表面平面水平取向的加热横档而提供的相对大的横截面面积的本设计容许在蛇形路径的转角附近包括较大间隙。在转角附近的较大间隙可进一步减小加热器的热应力。
加热横档的宽度没有特别限制。在一个实施方式中，各加热横档可具有基本上相同的宽度。在另一种实施方式中，两个或更多个加热横档的宽度可彼此不同或各异。例如，至少一个加热横档的宽度可窄于至少另一个加热横档的宽度。在一个实施方式中，在本体的上表面的顶部处的最上面的加热横档可窄于至少另一个加热横档。例如，最上面的加热横档的宽度可窄于在其正下方的加热横档的宽度。最上面的横档的宽度可窄于其它横档的每一个，并且其它横档的每一个可具有相同或不同的宽度。在一个实施方式中，每个加热横档的宽度是不同的并且从最低横档至最上面的横档减小。在另一种实施方式中，最上面的加热横档的宽度可小于或等于至少另一个加热横档的宽度的一半。例如，最上面的加热横档的宽度可小于或等于正下方的加热横档的宽度的一半。
在一个实施方式中，一个横档具有的宽度为另一个横档的宽度的约0.5倍；另一个横档的宽度的约0.4倍；该宽度的约0.3倍；该宽度的约0.2倍；甚至该宽度的约0.1倍。在另一种实施方式中，一个横档具有的宽度为另一个横档宽度的约0.05至约0.5倍；另一个横档宽度的约0.1至约0.4倍；甚至该宽度的约0.15倍至约0.3倍。
已经发现，改变加热横档的宽度影响功率密度。例如，相对于其它加热横档的宽度减小最上面的加热横档的宽度增大在加热器顶部处的功率密度。当最上面的加热横档的宽度小于或等于在其正下方的加热横档的宽度的一半时，在加热器顶部处的功率密度存在增大。通常，已经发现，可使用下式计算功率密度的变化：
Figure BDA0003181973920000151
因此，约0.466的宽度比导致1.15的功率密度比，这意味着功率密度增加约15％。因此，改变加热横档的宽度容许控制加热器的功率密度。
实施例
图1描绘包括多个2D取向的加热横档的加热元件400的一种实施方式。加热横档可包括向上的加热横档410、440，水平的加热横档420、450，和向下的加热横档430、460。加热元件400包括包含氮化硼(BN)和二硼化钛(TiB2)的陶瓷复合物，并且各加热横档410、420、430、440、450、460等可具有低至1mm的厚度。在加热元件400的各端部480、482处存在末端连接孔470、472。连接孔470、472为向加热元件400提供电流的电源的连接点。
图16为描绘包括陶瓷层的图1中的加热器在多次热循环测试期间的温度随时间的图示。在24小时过程内完成超过100次热循环测试，其中循环为约3.6kW达5分钟和0kW达5分钟。
图17为描绘包括陶瓷层的图1中的加热器在最初的两次热循环测试期间的温度随时间的图示。
图18为描绘包括陶瓷层的图1中的加热器在第一次热循环测试的升温部分期间的温度随时间的图示。如所示的，加热器可经受住大于200℃/s的升温。
图19为描绘包括陶瓷层的图1中的加热器在热循环测试期间的电阻随时间的图示。如所示的，加热器在1500℃下的电阻在高温下在超过100次热循环测试中是稳定的，其证明电阻的热和真空稳定性。
尽管在本文中描述具有蛇形图案的自立式加热器，但所述加热器可以嵌入式形式使用。例如，加热器可嵌入在具有热压的AlN、氧化铝或BN的静电吸盘中。加热器也可以可拆卸地镶嵌在周围的介电体中使用以防止与基底或晶圆的直接接触。在这些应用中，通过调整TiB2、BN、烧结剂的比率和热压工艺可调节蛇形的CTE以与周围的介电体材料匹配。在嵌入式形式下，也可使用蛇形加热器以在静电吸盘中产生吸盘电压。
尽管已经在附图中说明并且在前面的详细描述中描述了本发明的实施方式，但应理解本发明不限于仅公开的实施方式，而是本文中描述的发明能够进行大量的重排、修改和替换而不偏离下面的权利要求的范围。希望下面的权利要求包括所有修改和变更，只要它们进入权利要求或其等同物的范围内。

Claims (28)

1.加热器，其包括：
包括陶瓷复合物组合物的加热器本体，所述陶瓷复合物组合物包括(i)氮化硼、和(ii)导电陶瓷材料。
2.如权利要求1所述的加热器，其中所述导电陶瓷材料选自金属硼化物、金属氮化物、金属硅化物、金属碳化物、金属铝化物、或者其两种或更多种的组合。
3.如权利要求1或2所述的加热器，其中所述导电陶瓷材料包括选自如下的金属：Ti、Cu、Ni、Mg、Ta、Fe、Zr、Nb、Hf、V、W、Mo、Cr、或者其两种或更多种的组合。
4.如权利要求1-3任一项所述的加热器，其中所述导电陶瓷材料为钛-硼材料。
5.如权利要求4所述的加热器，其中所述钛-硼材料具有式TiB1.5-3.5。
6.如权利要求4所述的加热器，其中所述钛-硼材料为TiB2。
7.如权利要求1-6任一项所述的加热器，其中所述陶瓷复合物包括约10％至约90％重量的氮化硼和约10％至约90％的导电陶瓷材料。
8.如权利要求1-6任一项所述的加热器，其中所述复合物包含约10％至约90％重量的TiB2和约10％至约90％重量的BN。
9.如权利要求1-6任一项所述的加热器，其中所述复合物包含范围为40％至50％的TiB2。
10.如权利要求1-9任一项所述的加热器，其中所述加热器本体包括：
至少一个加热表面，所述加热表面为总体上光滑且总体上平坦的；
在所述本体中形成的凹槽，所述本体的至少一部分具有选自如下的横截面形状：总体上T-形、总体上C-形、总体上U-形、总体上I-形和总体上H-形；和
其中所述横截面形状沿着所述本体的至少一部分延伸。
11.如权利要求1-10任一项所述的加热器，其中所述加热器本体包括：
上表面；
下表面；和
限定预定路径的构造，所述预定路径限定多个加热横档，其中各加热横档的主要部分基本上平行于上表面取向。
12.如权利要求11所述的加热器，其中所述本体进一步包括串联连接的两半，其中每一半具有限定预定路径的构造，所述预定路径限定多个加热横档，其中各加热横档的主要部分基本上平行于上表面取向。
13.如权利要求12所述的加热器，其中所述本体为圆柱形本体。
14.如权利要求12所述的加热器，其中各加热横档具有基本上相同的宽度。
15.如权利要求12所述的加热器，其中至少一个加热横档的宽度比至少另一个加热横档的宽度窄。
16.如权利要求12所述的加热器，其中在所述本体的上表面的顶部处的最上面的加热横档的宽度比至少另一个加热横档窄。
17.如权利要求12所述的加热器，其中在所述本体的上表面的顶部处的最上面的加热横档的宽度小于或等于至少另一个加热横档的宽度的一半。
18.如权利要求11-17任一项所述的加热器，其中各加热横档形成2D蛇形图案和/或3D螺旋形图案。
19.如权利要求1-18任一项所述的加热器，其中所述加热器具有在每平方英寸加热器表面5-100范围内的纵横比。
20.如权利要求1-19任一项所述的加热器，其中复合材料具有大于30MOC(微欧姆厘米)的在25℃的电阻率。
21.如权利要求1-19任一项所述的加热器，其中复合材料具有300MOC至1600MOC的在25℃的电阻率。
22.如权利要求1-19任一项所述的加热器，其中复合材料具有1600MOC至10000MOC的在25℃的电阻率。
23.如权利要求1-22任一项所述的加热器，其中加热横档的宽度或厚度低至1mm并且在1平方英寸的加热器表面内的盘绕长度最高达所述宽度或厚度的100倍。
24.如权利要求1-23任一项所述的加热器，其中每单位面积的电阻容许所述加热器在约1500℃的操作温度下以40安培以下的电流在高至60w/cm2的功率通量密度下操作。
25.如权利要求1-24任一项所述的加热器，其中所述加热器包括具有第一纵横比的第一区域和具有第二纵横比的第二区域，其中第一纵横比不同于第二纵横比。
26.如权利要求1-25任一项所述的加热器，其中所述加热器包括具有第一功率密度的第一区域和具有第二功率密度的第二区域，其中第一功率密度不同于第二功率密度。
27.如权利要求1-26任一项所述的加热器，其中所述加热器本体包括烧结助剂或粘结剂，其选自碱土金属氧化物，氮化铝，氮化硅，碳化硅，碳，选自钨、钛、镍、钴、铁和铬的过渡金属的金属化合物或金属，或者其两种或更多种的组合。
28.如权利要求1-27任一项所述的加热器，其中所述加热器为自立式加热器或在介电体中的嵌入式加热器。
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