DE102006056990A1 - Langlebiges Graphitverbindungselement und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents

Langlebiges Graphitverbindungselement und Verfahren zum Herstellen desselben Download PDF

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Douglas Alan Brecksville Longworth
Zhong-Hao Chagrin Falls Lu
Timothy J. Independence Hejl
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Abstract

Ein Gegenstand mit einem Graphitteil, das mit einem pyrolytischen Graphit (pG) beschichtet ist, um eine erhöhte mechanische Festigkeit zu erzielen, die mindestens 25% über der eines nicht beschichteten Graphitteils ist. In Anwendungen von Verbindungsstücken zur Verwendung in Halbleiterverarbeitungsbaugruppen, wie etwa einer Heizvorrichtung, wird das mit pG beschichtete Bauteil mit mindestens einer schützenden Schicht eines elektrisch isolierenden Materials überzogen, wobei ein Teil des mit pG beschichteten Graphitteils bloßgestellt (nicht mit der schützenden Schicht beschichtet) ist, um eine elektrische Verbindung mit der Baugruppe bereitzustellen.

Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein hermetisch abgeschlossenes Graphitteil und in einer Ausführungsform auf ein beschichtetes Graphitverbindungselement, um eine verlängerte nützliche Lebensdauer in einer Wafer-Verarbeitungsvorrichtung zu erzielen.
  • Hintergrund
  • Graphit wird allgemein in Hochtemperaturanwendungen verwendet, wie etwa in der Halbleiterverarbeitung oder in metallurgischen Prozessen, die geschmolzene Metalle und Legierungen einbeziehen. Graphit weist einen Schmelzpunkt von 3550°C auf, was der höchste unter den Elementen ist und verfügt dabei im Vergleich zu anderen Materialien über eine bessere Wärmebeständigkeit. Das Material ist leicht bearbeitbar, besitzt eine gute elektrische Leitfähigkeit, verfügt über eine außergewöhnliche Beständigkeit gegenüber thermischen Schocks und weist einen hohen Grad an Feuerbeständigkeit und Festigkeit bei extrem hohen Temperaturen auf. Auch sind Graphitbauteile weniger teuer als metallische oder keramische Bauteile ähnlicher Größe.
  • Graphit wird häufig eingesetzt als Verbindungsstäbe für Heizvorrichtungen, um Wafersubstrate in einer Plasmakammer zu tragen. US Patent Anmeldung Nr. 5,343,022 offenbart eine derartige Anwendung, wobei Stäbe aus Graphit verwendet werden, um die Heizelemente der Heizvorrichtung an ein externes Netzgerät anzuschließen. Die US Patent Offenlegungsschrift Nr. 2004/173161 offenbart eine Waferträger-Baugruppe mit einem konzentrischen Stäben aus Graphit (entweder massiv oder hohl) zum Anschließen der Heizvorrichtung an ein externes Netzgerät. US Patent Nr. 5,233,163 offenbart eine Heizvorrichtung mit einem säulenförmigen Teil und einem Paar von Graphit-"Beinen" oder Verbindungsstäben.
  • In einer Ausführungsform des im US Patent Nr. 5,343,022 und der US Patent Offenlegungsschrift Nr. 2004/173161 offenbarten Stand der Technik sind die Graphitstäben mit mindestens einer schützenden Schicht beschichtet, beispielsweise Bornitrid, Aluminiumnitrid und dergleichen, wodurch das Graphit vor der reaktiven Umgebung geschützt wird. Jedoch müssen bestimmte Teile der Graphitstäbe bloßgestellt sein, so dass eine elektrische Verbindung mit dem Graphitstäben und somit mit der Heizvorrichtung hergestellt werden kann. Die Beschichtungsschicht stellt einen Schutz der Graphitteile in einer korrosiven Umgebung bereit. Jedoch weist Graphit, das zum Aufnehmen einer Beschichtung geeignet ist, typischerweise eine schlechte mechanische Festigkeit auf, wobei die Zugfestigkeit und die Biegefestigkeit von 1–4 ksi reicht. Die typischen Werte der Zugfestigkeit und der Biegefestigkeit von Metallen, die für derartige Verbindungen eingesetzt werden, beispielsweise Tantal und Molybdän, betragen 100 ksi. Die schlechte mechanische Festigkeit von Graphit kann zu Rissbildung oder Bruchbildung in dem Graphitteil, d.h. dem Graphitstab, führen, wenn eine Belastung oder eine Spannung aufgebracht wird. Dies kann während der Verbindung des Graphitstabs mit dem externen Heizgerät, während des Durchlaufens von thermischen Zyklen, während der Installation in das Prozesswerkzeug und manchmal sogar während des Transports auftreten. Das fehlerhafte Teil ist in den meisten Fällen in dem Bereich initiiert, der nicht von einer schützenden Beschichtungsschicht verkapselt ist. Beschichtete Graphitabschnitte haben in Prozessen auch ziemlich häufig versagt, obwohl nicht so häufig wie die nicht beschichteten Teile. Jede der beiden Fehlermöglichkeiten in dem beschichteten Abschnitt oder in dem nicht beschichteten Abschnitt des Graphitteils, wird dazu führen, dass die Heizeinheit nicht funktionell ist.
  • Es besteht eine Notwendigkeit dafür, die Lebensdauer von Graphitteilen zu verlängern und Graphitteile zu verstärken, insbesondere als Verbindungsstäbe für Heizvorrichtungen, ohne die inhärenten Eigenschaften von Graphit, wie etwa außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit und Beständigkeit gegenüber thermischen Schocks zu beeinträchtigen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Graphitteil mit einer Beschichtungsschicht, die pyrolytisches Graphit (pG) mit einer mittleren Dicke von 0,001'' bis 0,10'' umfasst, wobei das Graphitteil eine Zugfestigkeit aufweist, die mindestens 25% höher ist als die eines entsprechenden Graphitteils ohne die Beschichtungsschicht aus pG. In einer Ausführungsform ist das Graphitteil ferner mit mindestens einer schützenden Beschichtungsschicht versehen, die mindestens eines der folgenden enthält: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen und Kombinationen davon besteht.
  • In einer Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf ein Graphitverbindungselement zur Verwendung beim Tragen eines Wafersubstrathalters in einer Heizvorrichtung und zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung mit Heizelementen in der Heizvorrichtung. Das Graphitverbindungselement ist ferner mit mindestens einer Schicht aus pyrolytischem Graphit (pG) und einer überziehenden, schützenden Schicht, die mindestens eine Schicht aus pBN oder AlN umfasst, beschichtet. Mindestens ein Ende des mit pG beschichteten Graphitverbindungsteils ist bloßliegend (weder mit pBN und/oder AlN beschichtet), um die Heizelemente mit einem externen Netzteil zu verbinden.
  • In einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen Gegenstand (Element), der ein mit pyrolytischem Graphit (pG) beschichtetes Graphitteil umfasst, um die mechanische Festigkeit auf mindestens 50% über der eines nicht beschichteten Graphitteils zu erhöhen. In Anwendungen von Verbindungselementen zur Benutzung in einer Halbleiterverarbeitungsvorrichtung, wie etwa einer Heizvorrichtung, ist das mit pG beschichtete Bauteil mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material beschichtet, wobei ein Teil des mit pG beschichteten Graphitteils bloßliegend (nicht mit einer schützenden Schicht beschichtet) ist, um elektrische Verbindungen mit dem Bauteil bereitzustellen.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Vergrößern der Zugfestigkeit, und anschließend der Arbeitslebensdauer eines Graphitteils in einer Hochtemperaturumgebung, in dem das Graphitteil mit einer Abdeckschicht aus pyrolytischem Graphit mit einer mittleren Dicke von 0,001'' bis 0,10'' versehen wird. In einer Ausführungsform wird das mit pG beschichtete Graphitteil ferner mit einer überziehenden Schutzschicht versehen, die mindestens eines der folgenden umfasst: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen und Kombinationen davon besteht. In einer Ausführungsform ist mindestens ein Teil des mit pG beschichteten Graphitteils bloßliegend (nicht beschichtet), um zu bewirken, dass das Graphitteil als ein elektrischer Leiter wirkt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1A ist eine Aufsicht einer Heizvorrichtung, die das langlebige/verstärkte Verbindungselement nach der Erfindung einsetzt, um eine Heizvorrichtung mit einer Doppelstabbaugruppe zu erhalten. 1B ist eine Querschnittsansicht der Heizvorrichtung der 1A.
  • 2A ist eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Graphitverbindungselements mit einem hohlen Kern. 2B ist eine Querschnittsansicht eines Kernelements, das zum Einfügen in den hohlen Kern des Graphitverbindungselements der 2A verwendet wird.
  • 3 ist ein Schaubild, das den Spannungszustand in einem massiven Graphitverbindungselement veranschaulicht.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform einer Heizvorrichtung, die das verstärkte Graphitverbindungselement nach der Erfindung in der Form einer einheitlichen oder "pilzartigen" Baugruppe einer Heizvorrichtung umfasst.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform einer Heizvorrichtung, die das verstärkte Graphitverbindungselement nach der Erfindung einsetzt.
  • 6 ist ein Schaubild, das die Oxidationsrate eines beschichteten Graphitverbindungselements gegenüber einem nicht beschichteten Teil bei erhöhten Temperaturen vergleicht.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Wie hierin verwendet, bezeichnen die Ausdrücke "erster", "zweiter" und dergleichen keine Reihenfolge oder Wichtigkeit, sondern werden dazu verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Ausdrücke "der" bzw. "die" bzw. "das", "ein" und "eine" bezeichnen keine Beschränkung der Anzahl, sondern bezeichnen das Vorhandensein von mindestens einem der bezeichneten Gegenstände. Alle hierin offenbarten Bereiche sind einschließlich und kombinierbar. Des Weiteren sind alle hierin offenbarten Bereiche einschließlich der Endpunkte und sind unabhängig voneinander kombinierbar. Wie in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet, kann der Ausdruck "umfassend" die Ausführungsformen "bestehend aus" und "im wesentlichen bestehend aus" umfassen.
  • Wie hierin verwendet, kann eine näherungsweise Ausdrucksweise eingesetzt werden, um eine quantitative Darstellung zu verändern, die variieren kann, ohne zu einer Veränderung der grundlegenden Funktion, auf die sie sich bezieht, zu führen. Dementsprechend kann ein Wert, der durch einen Ausdruck oder Ausdrücke, wie etwa "etwa" und "im wesentlichen" modifiziert ist, in einigen Fällen nicht auf den angegebenen exakten Wert beschränkt sein.
  • Wie ebenfalls hierin verwendet, kann der Ausdruck "Waferbearbeitungsvorrichtung" auswechselbar verwendet werden mit "Heizvorrichtung", "Spannvorrichtung", "elektrostatische Spannvorrichtung", "ESC", und "Haltevorrichtung", in der Einzahl- oder Mehrzahlform, und bezieht sich auf ein Gerät zum Tragen eines Wafers, eines Substrats oder eines anderen Typs eines Werkstücks bei der Herstellung von Halbleitergeräten. In einer Ausführungsform einer Waferbearbeitungsvorrichtung wird ein Wafer an der zur Befestigung dienenden Oberfläche durch die elektrostatische Kraft befestigt, die zwischen einer externen Elektrode und einer in der Waferbearbeitungsvorrichtung eingebetteten Elektrode erzeugt wird. Die ESC kann vom Columbic-Typ oder vom Johnson-Rahbek-Typ sein.
  • Wie hierin verwendet, kann "schützende Beschichtungsschicht" auswechselbar verwendet werden mit "Schutzfilmabdeckschicht", "Beschichtungsschicht" oder "Beschichtungsfilm" oder "Schutzschicht" oder "schützende Abdeckschicht", in der Einzahl- oder Mehrzahlform„ was die Anwesenheit von mindestens einer Schicht oder einer Vielzahl von Schichten zum Beschichten des Teils andeutet.
  • Wie hierin verwendet, kann der Ausdruck "Verbindungsbauteil" auswechselbar verwendet werden mit "Verbinder" Bauteil oder Einfach "verbinder" bzw. "Verbindungselement", einem Graphitteil zur Verwendung beim Verbinden von zwei verschiedenen Teilen oder Strukturen, wobei eine Notwendigkeit für eine elektrische Verbindung zwischen den zwei Teilen besteht. Das Graphitteil kann mit einem der zwei Teile oder Strukturen ein integrales Teil sein, beispielsweise für ein Heizvorrichtungsbauteil, oder das Graphitteil kann ein Stab oder ein mit dem Heizvorrichtungskörper integrales Verbindungselement sein, um das Heizvorrichtungsbauteil an einem externen Netzteil anzuschließen.
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zum Verstärken eines Graphitteils, wobei immer noch die Eigenschaften von Graphit mit seiner außergewöhnlichen elektrischen Leitfähigkeit und Beständigkeit gegenüber thermischem Schock aufrecht erhalten bleiben. Weil durch Hinzufügen einer dünnen Beschichtung aus pyrolytischem Graphit an ein Graphitbauteil die Zugfestigkeit und die Biegefestigkeit von pyrolytischem Graphit ungefähr 10-mal der von Graphit ist (in dem Bereich von 12–20 ksi im Vergleich zu 1–4 ksi für Graphit), wird die Festigkeit des zusammengesetzten Teils vergrößert, während die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften des Graphitteils erhalten bleiben.
  • Beschichtetes Graphitverbindungselement: In einer Ausführungsform ist mindestens ein Teil des Graphitteils mit einer Beschichtungsschicht aus pyrolytischem Graphit ("PG") beschichtet, um dem Graphitstab strukturelle Integrität hinzuzufügen. Die Abdeckschicht aus pG wird mit ausreichender Dicke aufgebracht, um dem Graphitteil eine Vergrößerung der Zugfestigkeit von mindestens 25% in Bezug auf ein nicht beschichtetes Teil zu verleihen. In einer Ausführungsform wird die Beschichtungsschicht mit einer ausreichenden Dicke aufgebracht, damit das beschichtete Graphitteil einen Zuwachs in seiner Zugfestigkeit von mindestens 50% in Bezug auf ein nicht beschichtetes Graphitteil aufweist. In noch einer anderen Ausführungsform weist das beschichtete Graphitteil einen Zuwachs in der Zugfestigkeit von mindestens 70% auf. In einer Ausführungsform weist die pG Beschichtungsschicht eine mittlere Dicke auf, die von 0,001'' bis 0,10'' (0,00254 bis 0,254 cm) reicht. In einer zweiten Ausführungsform weist die pG Beschichtungsschicht eine Dicke auf, die von 0,005'' bis zu 0,05'' (0,0127 bis 0,127 cm) reicht. In einer dritten Ausführungsform weist die Beschichtungsschicht eine Dicke von mindestens 0,0254'' auf. In einer vierten Ausführungsform weist die Beschichtungsschicht eine Dicke von weniger als 0,05'' (0,0254 cm) auf.
  • Wenn das Graphitteil nach der Erfindung als Verbindungselemente oder Stab in Wafertragevorrichtungen in Halbleiterverarbeitungsanwendungen eingesetzt wird, beispielsweise in Heizvorrichtungen, dann gibt es noch einen zusätzlichen Vorteil. In diesen Anwendungen ist ein Großteil des Graphitteils (mit Ausnahme des bloßliegenden Endes eines Verbindungselements zum elektrischen Anschließen an ein Netzteil) mit einem schützenden elektrischen Isolationsmaterial, wie etwa pBN, AlN und dergleichen, beschichtet. In dem "verstärkten" Graphitteil, in dem der Graphitbereich mit einer pG Schicht beschichtet ist, neigt das pG dazu, die Poren in dem Graphit (mit einer typischen Volumenporosität von 10% bis 20% in einem Beispiel) aufzufüllen, wodurch die Festigkeit der Zusammensetzung des Graphitteils weiter verbessert wird.
  • Es besteht noch ein anderer Vorteil eines mit einer pG Beschichtung verstärkten Graphitteils. Abhängig von dem verwendeten Graphit weist Graphit typischerweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizient (CTE, Englisch: Coefficient of Thermal Expansion) im Bereich von 1,2 bis 8,2 × 10–6/K auf. Pyrolytisches Graphit weist einen CTE von 0,5 × 10–6/K für die a-b Richtung und von 20 × 10–6/K für die c Richtung auf. Pyrolytisches Bornitrid weist einen CTE von 2 × 10–6/K in der a-b Richtung und von 40 × 10–6/K in der c Richtung auf. In einer Ausführungsform eines verstärkten Graphitverbindungselements für eine mit pBN beschichtete Heizvorrichtung (mit Ausnahme der bloßliegenden/nicht beschichteten elektrischen Verbindungsteile) gibt es eine bessere Haftung zwischen pBN und pG, weil die überziehende pG Schicht einen CTE aufweist, der dicht an den der benachbarten pBN Schicht angepasst ist, wodurch das Ablösen oder Rissbildungsdefekte in dem Heizvorrichtungsteil in der Gesamtheit ermäßigt werden.
  • Die pG Beschichtungsschicht schützt das darunter liegende Graphitteil ferner, indem die Ätzrate auf Graphit in einer oxidierenden Umgebung verlangsamt wird. Graphit ist dafür bekannt, dass es oxidationsanfällig ist, beginnend bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, und dies wird bei anwachsenden Temperaturen zunehmend ernsthafter, wie das durch die Veränderung des Graphitteils gemessen werden kann. In einer Ausführungsform ist das Graphitteil mit einer ausreichend dicken Schicht von pG beschichtet, damit das verstärkte Graphitteil eine Oxidationsrate (wie aus dem Gewichtsverlust in eine Dickenabnahme des Substrats konvertiert) von weniger als 10 nm/min. bei einer Temperatur von mindestens 800°C. In einer zweiten Ausführungsform weist das mit pG beschichtete Teil eine Oxidationsrate von weniger als 5 nm/min. bei einer Temperatur von mindestens 600°C auf. In einer dritten Ausführungsform weist das mit pG beschichtete Teil eine Oxidationsrate von weniger als 2 nm/min. bei einer Temperatur von mindestens 500°C auf.
  • Es sei angemerkt, dass in Ausführungsformen von verstärkten Graphitverbindungselementen zur Verwendung als Verbindungselemente in Heizvorrichtungen die schützende Abdeckschicht nicht auf pBN beschränkt ist. Die schützende Abdeckschicht kann aus einem beliebigen der folgenden ausgewählt werden: Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen und Kombinationen davon besteht. In einer Ausführungsform weist die Beschichtungsschicht einen CTE auf, der von 2,0 × 10–6/K bis 10 × 10–6/K in einem Temperaturbereich von 25 bis 1000°C reicht. In einer Ausführungsform weist die Beschichtung eine Dicke von größer als oder gleich etwa 2 Mikrometer (μm) und weniger als 500 μm auf. In einer anderen Ausführungsform ist die Dicke der schützenden Beschichtung größer als oder gleich wie etwa 10 μm. In einer dritten Ausführungsform ist die Dicke größer als oder gleich wie etwa 50 μm. In noch einer anderen Ausführungsform ist die Dicke größer als oder gleich wie etwa 75 μm. In einer vierten Ausführungsform reicht die Dicke von 5 bis 300 μm.
  • In einer Ausführungsform ist die schützende Beschichtungsschicht eine der folgenden: pyrolytisches Bornitrid, Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid, Aluminiumoxinitrid, Siliziumnitrid oder Komplexverbindungen davon. In einer anderen Ausführungsform ist die Beschichtungsschicht eine Mehrfachschicht aus mehreren Beschichtungen desselben Materials, beispielsweise AlN, AlON, Al2O3, usw., oder mehrere verschiedene Schichten aus AlN, AlON, pBN, SiN, usw., die nacheinander beschichtet worden sind. In noch einer anderen Ausführungsform wird das Graphitteil zunächst mit pG beschichtet, gefolgt von einer Beschichtung aus pBN, einer anderen Schicht einer pG Beschichtung, um anschließend von einer AlN Beschichtung gefolgt zu werden, die nacheinander aufgebracht werden.
  • In einer Ausführungsform eines Graphitverbindungselements in der Form eines Stabs oder eines Rohrs (mit einer hohlen oder teilweise hohlen Mitte) wird das Verbindungselement weiter verstärkt, indem auch die außen- und/oder innenseitige Oberfläche des hohlen Verbindungselements mit der Beschichtungsschicht aus pyrolytischem Graphit beschichtet wird. In noch einer anderen Ausführungsform eines hohlen Graphitverbindungselements oder Stabs, wie in 2A veranschaulicht, wird die strukturelle Integrität des Graphitverbindungselements weiter verstärkt, indem ein Kernelement, wie etwa ein Metallstab, in den hohlen Kern eingeführt wird.
  • In einer Ausführungsform ist das Kernelement ein massiver Stab mit einer Größe, die ausreichend ist, so dass der Stab ganz in die hohle Mitte des Graphitverbindungselements eingeführt werden kann. In einer zweiten Ausführungsform wird das Kernelement teilweise in das Verbindungselement eingeführt. In einer dritten Ausführungsform ist das Kernelement in der Form eines zylindrischen Rohres, wie in 2B veranschaulicht, mit einem Schlitz entlang seiner Länge über die gesamte Länge (oder einen Teil der Länge), was es ermöglicht, dass das Kernelement leicht in den hohlen Kern des Verbindungselements hineingleitet und/oder die durch die thermische Fehlanpassung zwischen den verschiedenen Teilen verursachte Spannung zu verringern.
  • In einer Ausführungsform mit einem hohlen Kernelement zum Verleihen von ausreichender struktureller Festigkeit an ein Graphitverbindungselement, bietet das tragende Kernelement noch zusätzliche Vorteile im Hinblick auf die Verringerung der Wärmeübertragung entlang des Stabs. Wie in dem Schaubild der 3, ein Spannungsmodell, veranschaulicht, ist an dem festen Ende eines als Stab (mit massivem Kern) ausgebildeten Verbindungselements und in der Nähe der Mittelachse des stabförmigen Verbindungselements die Spannung beinahe Null. Weil die Spannung linear entlang des Radius des Stabs zunimmt, ist die Spannung entlang des Umfangs des Querschnitts konzentrierter, wie gezeigt. Wenn man daher von einem massiven Verbindungselement (wie etwa einem Stab) zu einem hohlen Verbindungselement (wie etwa ein Rohr) übergeht, verringert sich die Festigkeit des Stabs nicht wesentlich. Weil jedoch die Wärmeleitfähigkeit proportional zu der Querschnittsfläche ist, verringert der Übergang von einem massiven Verbindungselement zu einem hohlen Verbindungselement die Wärmeleitfähigkeit signifikant, was die Temperatur an dem Ende des Verbindungselements weiter erniedrigt.
  • Verfahren zum Herstellen: Pyrolytisches Graphit ("PG") kann auf dem Graphitteil ausgebildet werden, indem eine pyrolytische Reaktion einer gasförmigen Kohlenwasserstoffverbindung ausgeführt wird, um das pyrolytische Graphit auf der Oberfläche des Graphitverbindungselements abzuscheiden. Die schützende Abdeckschicht, beispielsweise pG und andere Beschichtungsmaterialien, können auf einem Graphitteil durch beliebige der im Stand der Technik bekannten Verfahren abgeschieden werden, beispielsweise expandierendes thermisches Plasma (ETP), Ionenplattieren, Innenplasma-Abscheidung (oder Kathodenlichtbogen-Abscheidung), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) (auch organometallische chemische Gasphasenabscheidung (OMCVD) genannt), metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE), physikalische Abscheidungsprozesse aus der Dampfphase, wie etwa Sputtern, reaktive Elektronenstrahl (E-Strahl)-Abscheidung und Plasmasprühen. Beispielhafte Prozesse sind ETP, CVD und Ionenplattieren.
  • Die Konfiguration mit dem Graphitteil enthält, ist jedoch nicht beschränkt auf, einen Graphitstab, einen hohlen Graphitstab, einen Stumpf, einen Draht, eine Gewindenuss und dergleichen. Das mit pG beschichtete/verstärkte Graphitteil nach der Erfindung mit vergrößerter Festigkeit und verlängerter Lebensdauer kann auch in anderen Anwendungen als Graphitverbindungselemente/Stäbe in der Halbleiterverarbeitung eingesetzt werden. In einer Ausführungsform wird das mit pG beschichtete/verstärkte Graphitteil zumindest für einen Teil eines oberen Bereichs einer Elektrode in einem Heizmechanismus für eine in einen Ofen hineinragende Kristallziehvorrichtung, wenn eine Heizvorrichtung angehoben wird, verwendet.
  • Andere Beispiele für das Graphitteil nach der Erfindung umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Elementträger, Tragebalken und Befestigungen zur Anwendung in (CVD) Heizofen; allgemeine Metallwaren-Bauteile, wie etwa Platten, Schraubenmuttern, Stäbe, Abstandshalter, Bolzen, Manschetten, Scheiben, Rohre, Unterlegscheiben, Stifte; allgemeine Anwendungen von kinetischen Beschlägen einschließlich Zahnrädern, Walzen, Schaften, Gleitplatten, Hebearmen, Lagern, Schubstangen, Anschlagstangen und dergleichen; und allgemeinen Beschlägen für Heizvorrichtungen, wie etwa Verbindungselemente (wie in den Figuren veranschaulicht), Leistungszuleitungen, Leisten und Heizelemente. In Abhängigkeit von der Anwendung, je nachdem ob ein Schutz bezüglich schwieriger/korrosiver Umgebung erforderlich ist, kann das Teil ferner mit mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht, wie etwa pBN, AlN, usw., beschichtet werden. Wenn elektrische Leitfähigkeit erforderlich ist, wird zumindest ein Teil der pG Abdeckschicht bloßgelegt, um eine elektrische Verbindung mit einem Netzteil zu ermöglichen. Verschiedene Ausführungsformen eines verstärkten Graphitverbindungselements nach der Erfindung zur Verwendung in einer beispielhaften Anwendung von Heizvorrichtungen in der Halbleiterverarbeitungsindustrie werden wie folgt durch Verweis auf die Abbildungen veranschaulicht.
  • In einer Ausführungsform werden die verstärkten Graphitteile in einer Heizvorrichtung 10 mit doppelten Graphitstäben eingesetzt, wie in 1A veranschaulicht, die eine Draufsicht ist von einer Heizvorrichtung mit einem beschichteten Graphitkörper 10 mit im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und zwei sich von dem Körper 10 erstreckenden Laschen 2. Der Graphitkörper 10 (mit Ausnahme der Struktur der der Heizvorrichtung oder der Nuten 16) ist mit mindestens einer schützenden Schicht 9 (nicht gezeigt) vollständig beschichtet. Das Heizelement 1 legt das Graphit unter der Abdeckschicht bloß, um einen elektrischen Stromkreis durch die Nuten 6 auszubilden. Löcher 3 werden durch die Laschen 2 gebohrt, um die Graphitverbindungselemente oder die Stäbe 11 an dem beschichteten Graphitteil 10 zu befestigen.
  • In 1B enthalten die Stabverbinder Graphitstäbe 12 und 13 und Graphitschrauben 14 und 15. Die Graphitstäbe weisen an einem Ende mit Gewinde versehene Löcher 16 und 17 zum Aufnehmen der Schrauben 14 und 15 zum Verbinden mit beschichteten Graphitkörpers der 1A auf. An dem anderen Ende der Stäbe sind bloßliegende Abschnitte 18 und 19 vorhanden zum Anschluss an ein externes Netzteil (nicht gezeigt). Ein Paar von flexiblen Unterlegscheiben 7 und 8 aus Graphit wird für jeden Stabverbinder 11 verwendet, um eine massive physikalische und elektrische Befestigung zwischen jedem Stabverbinder 11 und dem Heizelement 1 bereitzustellen. Die Graphitstäbe 11 sind mit mindestens einer schützenden Schicht 9 beschichtet, mit Ausnahme des mit einem Gewindebohrer gebohrten Lochs 18 (zur linken) oder dem Ring 19 (zur rechten), die zum Anschluss an das externe Netzteil ungeschützt verbleiben. Die schützende Schicht 9 umfasst ein Material, wie etwa ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid, Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Metallen, Übergangsmetallen und deren Kombinationen besteht. In einer Ausführungsform ist sie pyrolytisches Bornitrid. In einer zweiten Ausführungsform ist sie Aluminiumnitrid.
  • In noch einer anderen Ausführungsform ist das verstärkte Graphitverbindungselement in der Form einer Welle zur Verwendung in einem einheitlichen Bauteil einer "pilzartigen" Waferheizvorrichtung, wie in 4 veranschaulicht. In der Figur umfasst die Vorrichtung 20 eine Plattform 22 und eine Montagestruktur 24 in der Form einer Welle, diesich von der Plattform 22 erstreckt und die im Wesentlichen schräg zu der longitudinalen Achse der Plattform 22 verläuft. Die äußere Oberfläche der Vorrichtung ist mit mindestens einer schützenden Schicht 9 beschichtet, mit Ausnahme der tatsächlichen Enden 26 der Welle 24, welches nicht beschichtete Ende zum Verbinden mit einem externen Netzteil dient. Der Schaft 24 kann aus einem massiven Körper aus Graphit heraus gearbeitet werden, um einen hohlen Graphitkern auszubilden, der später mechanisch an einer Plattform aus Graphit befestigt wird. In einer anderen Ausführungsform wird die Welle zusammen mit der Ausbildung der Plattform 22 aus Graphit hergestellt, so dass die Welle 24 und die Plattform 22 einen einzelnen, einheitlichen Graphitkörper bilden. Elektrische Leiter 25 werden an den Enden mit einem externen Netzteil durch das bloßliegende (nicht mit einer Schutzschicht beschichtete) Ende 26 befestigt.
  • 5 veranschaulicht noch eine andere Ausführungsform eines Graphitverbindungselements in der Form einer Säule. In der Figur umfasst eine Wafertragevorrichtung 30 einen zylindrischen Graphitkörper mit einer flachen Oberfläche 38, die das Waferhaltesubstrat ausbildet. In dem unteren Teil des Körpers wird eine Öffnung 39 ausgebildet, um ein Paar von näherungsweise parallelen Säulen 37 und parallelen Beinen oder Verbindungselementen 35 zu erzielen. Eine Vielzahl von Nuten (nicht gezeigt) wird auf den Säulen 37 ausgebildet, um ein Heizermuster zu erhalten. Das Heizelement ist über die Beinverbinder 35 an eine externe Heizerzuführung angeschlossen. Der gesamte zylindrische Körper, einschließlich der Säulen 37, der Beine 35, jedoch mit Ausnahme der bloßliegenden, mit pyrolytischem Graphit beschichteten Enden 36 der Beine ist mit mindestens einer schützenden Beschichtungsschicht (nicht gezeigt) beschichtet.
  • BEISPIEL Es werden hierin Beispiele angegeben, um die Erfindung zu veranschaulichen, es ist jedoch nicht beabsichtigt, dass diese den Schutzumfang der Erfindung begrenzen.
  • Beispiel 1: Eine pyrolytische Heizeinheit, wie im US Patent Nr. 5,343,022 offenbart, wurde für den Test verwendet, wobei die Graphitstäbe eine Abmessung von 3/8'' Durchmesser aufweisen und als das Graphitverbindungselement verwendet werden. Jedoch wurden die gesamten Graphitstäbe zuerst mit einer Graphitschicht mit einer Dicke von 0,005'' beschichtet, bevor sie zu der Heizvorrichtung zusammengebaut wurden. Weil das Ende der Graphitstäbe zum Erzielen von elektrische Leitfähigkeit bloßliegen sollte, wurde das Ende (etwa ½'' in Längsrichtung) in dem nächsten Schritt maskiert, um eine zusätzliche pBN Beschichtung zu erzielen. Es sei angemerkt, dass die bloßliegenden Graphitenden auch hätten erhalten werden können, indem der gesamte Stab einer pBN Beschichtung unterworfen wird und das pBN anschließend mechanisch entfernt oder geätzt wird.
  • Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch wurden die Graphitstäbe wie in dem US Patent Nr. 5,343,022 und ohne eine verstärkende pG Abdeckschicht aufgebaut.
  • Mit den Graphitstäben wurde ein 3-Punkt Biegetest ausgeführt. Die Testergebnisse zeigten an, dass die mit pG beschichteten Graphitstäben eine Zunahme in ihrer Zugfestigkeit von 70% im Vergleich zu den Graphitstäben ohne die pG Beschichtung des vergleichenden Beispiels aufwiesen. Dies übersetzt sich in eine entsprechende verlängerte Arbeitslebensdauer.
  • Beispiel 2: Mit pG beschichtete Graphitstäben des Beispiels 1 (jedoch ohne die zusätzliche pBN Beschichtung) und nicht beschichtete Graphitstäbe (ohne jedwede pG oder zusätzliche pBN Beschichtung) wurden jeweils in einem Ofen und in einem Rohrofen auf erhöhte Temperaturen aufgeheizt. Die Veränderung des Gewichts der Teile wurde aufgezeichnet, um die durch die Oxidation in dem Ofen oder den Röhrenofen hervorgerufene Veränderung des Gewichts zu bestimmen. Die Ergebnisse der Experimente sind wie in 6 veranschaulicht, wobei die Oxidationsrate von dem Gewichtsverlust in eine Dickenabnahme ausgedrückt in Nanometer pro Minute konvertiert worden ist.
  • Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele einschließlich der besten Ausführungsform, um die Erfindung zu offenbaren, und auch, um es einem Fachmann in dem technischen Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung wird durch die Patentansprüche definiert und kann dem Fachmann erscheinende, andere Beispiele umfassen. Es ist beabsichtigt, dass derartige andere Beispiele innerhalb des Schutzumfangs der Patentansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich vom Wortlaut der Patentansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zum Wortlaut der Patentansprüche enthalten.

Claims (15)

  1. Ein Graphitelement zur Verwendung in einer Baugruppe für eine Halbleiterverarbeitungsumgebung, umfassend einen Graphitkern, eine Abdeckschicht umfassend pyrolytisches Graphit mit einer mittleren Dicke von 0,001'' bis 0,10'', eine schützende Abdeckschicht, die auf zumindest einem Bereich der Abdeckschicht aus pyrolytischem Graphit aufgebracht ist, wobei die schützende Abdeckschicht zumindest eines der folgenden umfasst: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen und Kombinationen davon besteht; und wobei das Graphitelement eine Zugfestigkeit aufweist, die mindestens 25% höher als die eines entsprechenden Graphitartikels ohne die Abdeckschicht aus pyrolytischem Graphit und die schützende Abdeckschicht ist.
  2. Das Graphitelement nach Anspruch 1, wobei der Graphitelement eine Zugfestigkeit aufweist, die mindestens 50% höher als die eines entsprechenden Graphitelements ohne die Abdeckschicht aus pyrolytischem Graphit und die schützende Abdeckschicht ist.
  3. Das Graphitelement nach einem der Ansprüche 1–2, wobei die Abdeckschicht aus pyrolytischem Graphit eine Dicke von 0,005'' bis 0,05'' aufweist.
  4. Das Graphitelement nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Abdeckschicht aus pyrolytischem Graphit eine Dicke von 0,0254'' bis 0,05'' aufweist, und zur Verwendung ist als eines der folgenden: ein Elementträger, ein Tragebalken, eine Spannvorrichtung, eine Platte, eine Schraubenmutter, eine Stange, ein Abstandshalter, ein Bolzen, eine Manschette, eine Scheibe, ein Rohr, eine Unterlegscheibe, ein Stift, ein Zahnrad, eine Walze, eine Welle, eine Gleitplatte, ein Hochhebearm, ein Lager, eine Schubstange, eine Hemmstange, ein Verbindungsstück, eine Leistungszuleitung und eine Leiste.
  5. Das Graphitelement nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Graphitkern hohl ist und eine Oberfläche aufweist, und wobei zumindest ein Teil der Oberfläche auf dem hohlen Kern durch mindestens eine Schicht einer Abdeckschicht aus pyrolytischem Graphit mit einer mittleren Dicke von 0,001'' bis 0,10'' beschichtet ist.
  6. Das Graphitelement nach Anspruch 5, wobei die Abdeckschicht aus pyrolytischem Graphit ferner mit einer schützenden Abdeckschicht beschichtet ist, die zumindest eines der folgenden umfasst: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen und Kombinationen davon besteht.
  7. Das Graphitelement nach einem der Ansprüche 5–6, wobei der Graphitkern hohl ist und wobei das Graphitelement ferner umfasst: ein innerhalb des hohlen Kerns angeordnetes Trageelement, und wobei das Trageelement ein ein Metall enthaltendes Rohr ist.
  8. Das Graphitelement nach einem der Ansprüche 1–7, zur Verwendung in einer Waferverarbeitungsvorrichtung in einem Ofen zur chemischen Gasphasenabscheidung, und wobei das Graphitelement eine Oxidationsrate von weniger als 10 nm/min. bei einer Temperatur von mindestens 600°C aufweist.
  9. Das Graphitelement nach einem der Ansprüche 1–8, wobei das Element eine Oxidationsrate von weniger als 5 nm/min. bei einer Temperatur von mindestens 600°C aufweist.
  10. Das Graphitelement nach einem der Ansprüche 1–9, wobei die schützende Abdeckschicht eines von pyrolytischem Bornitrid und Aluminiumnitrid umfasst und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der von 2,0 × 10–6/K bis 10 × 10–6/K in einem Temperaturbereich von 25 bis 1000°C reicht.
  11. Das Graphitelement nach einem der Ansprüche 1–10, wobei mindestens ein Teil der Abdeckschicht aus pyrolytischem Graphit bloßliegend und nicht mit der schützenden Abdeckschicht beschichtet ist, zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung mit einem externen Netzteil.
  12. Eine Waferverarbeitungsvorrichtung zum Aufheizen eines Wafersubstrats, die Baugruppe umfassend: eine elektrische Heizvorrichtung umfassend ein Graphitsubstrat mit einer flachen Oberfläche zum Tragen des Wafersubstrats und mindestens einer Tragewelle zum Tragen der flachen Oberfläche, wobei die Tragewelle ein Graphitverbindungsstück zum Verbinden der elektrischen Heizvorrichtung mit einem Netzteilmittel umfasst, wobei das Graphitverbindungsstück mit mindestens einer Schicht aus pyrolytischem Graphit mit einer Dicke von 0,001'' bis 0,10'' beschichtet ist, und wobei das Graphitverbindungsstück eine Zugfestigkeit aufweist, die mindestens 25% höher als die eines entsprechenden Graphitelements ohne pG Abdeckschicht ist.
  13. Die Waferverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei das mit pyrolytischem Graphit beschichtete Graphitverbindungsstück ferner mit mindestens einer schützenden Verbindungsschicht auf mindestens einem Teil der Graphitabdeckschicht beschichtet ist, wobei die schützende Abdeckschicht mindestens eines der folgenden umfasst: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, feuerfesten Hartmetallen, Übergangsmetallen und Kombinationen davon besteht.
  14. Eine Waferverarbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12–13, wobei die Tragewelle ferner ein innerhalb der Welle angeordnetes Trageelement umfasst, und wobei das Trageelement ein ein Metall umfassendes Rohr ist.
  15. Ein Verfahren zum Verlängern der Lebensdauer eines Graphitteils in Baugruppen zum Einsatz in einer Halbleiterverarbeitungsanwendung, wobei das Verfahren umfasst: Beschichten des Graphitteils mit mindestens einer Schicht aus pyrolytischem Graphit (pG) mit einer Dicke von 0,001'' bis 0,10''; Beschichten von mindestens einem Teil des mit pG beschichteten Graphits mit einer Schicht, die eine Dicke von 2–500 μm aufweist und mindestens umfasst: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen und deren Kombinationen besteht, damit das Graphitteil eine Zugfestigkeit aufweist, die mindestens 25% höher als die eines entsprechenden Graphitteils ohne die pG Abdeckschicht und die äußere Schutzschicht ist.
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