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Technisches Gebiet der Erfindung
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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.
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Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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.
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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.
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3 ist
ein Schaubild, das den Spannungszustand in einem massiven Graphitverbindungselement
veranschaulicht.
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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.
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5 ist
eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform einer Heizvorrichtung,
die das verstärkte
Graphitverbindungselement nach der Erfindung einsetzt.
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6 ist
ein Schaubild, das die Oxidationsrate eines beschichteten Graphitverbindungselements
gegenüber
einem nicht beschichteten Teil bei erhöhten Temperaturen vergleicht.
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Beschreibung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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BEISPIEL
Es werden hierin Beispiele angegeben, um die Erfindung zu veranschaulichen,
es ist jedoch nicht beabsichtigt, dass diese den Schutzumfang der
Erfindung begrenzen.
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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.
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Beispiel
1 wurde wiederholt, jedoch wurden die Graphitstäbe wie in dem US Patent Nr.
5,343,022 und ohne eine verstärkende
pG Abdeckschicht aufgebaut.
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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.
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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.
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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.