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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der US Anmeldung Nr. 60/752,677,
eingereicht am 21. Dezember 2005 und US Patent Anmeldung Seriennr.
10/875861, eingereicht am 25. Juni 2003, welche Patentanmeldungen
hierin vollständig
durch Verweis mit aufgenommen sind.
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Wafer-Bearbeitungsvorrichtung
zur Verwendung bei der Herstellung von Halbleitern und ein Verfahren zum
Herstellen derselben. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere
auf eine Wafer-Bearbeitungsvorrichtung,
die exzellente Ätzwiderstandsfähigkeit
gegenüber
Fluor zeigt und eine geringere Erzeugung von rückseitige Teilchen und weniger
Verunreinigung im Waferprozess zeigt als im Vergleich mit der gesinterten,
geschichteten Struktur aus dem Stand der Technik.
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Wafer-Bearbeitungsvorrichtungen,
beispielsweise Heizvorrichtungen und elektrostatische Spannvorrichtungen
("ESC", Englisch: Electrostatic Chucks)
werden in einer Anzahl von Systemanwendungen, wie etwa Molekularstrahlepitaxie,
Raumfahrtexperimenten, Substratheizvorrichtungen für Elektronenmikroskopie
und beim Aufwachsen von superleitfähigen Schichten, usw. verwendet.
Eine Wafer-Bearbeitungsvorrichtung kann einen Suszeptor bzw. Halter
zum Tragen eines Wafers und eine Vielzahl von unter dem Suszeptor
angeordneten Heizvorrichtungen zum Heizen des Wafers umfassen. Der
Halbleiter-Wafer wird innerhalb einer abgeschlossenen Umgebung in
einem Verarbeitungsbehälter
auf einer relativ hohen Temperatur und häufig in einer hoch korrosiven
Atmosphäre
aufgeheizt.
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AlN
zeigt außerordentliche Ätzwiderstandseigenschaften,
was es einen hervorragenden Kandidaten als Konstruktionsmaterial
für Wafer-Bearbeitungsvorrichtungen
macht. US Patent Nr. 6,744,618 offenbart eine elektrostatische Spannvorrichtung
mit einer siebgedruckten Filmelektrode, die auf einer Oberfläche eines
gesinterten keramischen Substrats aufgebracht ist, und einer gesinterten
keramischen Schicht, die auf der Oberseite der Filmelektrodenstruktur
darüber
geformt ist. Die Filmelektrode umfasst W, Mo, oder Legierungen davon.
Die keramische Schicht umfasst Materialien, wie etwa AlN, Al2O3, BN, Si3N4 und Kombinationen
davon, mit AlN in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Ein
wohl bekanntes Problem mit den gesinterten, ätzbeständigen Heizvorrichtungen aus
AlN aus dem Stand der Technik ist ihre niedrige thermische Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Schock bzw. Stößen, was
ihre maximale Rampe auf etwa 12 bis 20°C/min begrenzt. Zusätzlich wird
die Erzeugung von rückseitigen
Teilchen ein ernst zu nehmender Gesichtspunkt, wenn in dem Prozess
gesintertes AlN den Wafer berührt.
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Die
Probleme im Stand der Technik werden zumindest teilweise gelöst durch
die Wafer-Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 12 und das Verfahren
zum Herstellen einer Wafer-Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch
18 oder 19.
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Weitere
Vorteile, Aspekte und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung sind
aus den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen
offensichtlich.
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Wafer-Behandlungsvorrichtung
mit einer geschichteten Struktur, die mindestens eine Filmschicht aus
AlN als eine obere Beschichtung aufweist, die exzellente Ätzwiderstandsfähigkeit
gegenüber
Fluor und eine geringere Erzeugung von rückseitigen Teilchen und weniger
Verunreinigung des Wafers im Prozess zeigt als im Vergleich zu der
gesinterten, geschichteten Struktur aus dem Stand der Technik.
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In
einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Wafer-Verarbeitungsvorrichtung,
die durch Ablagern einer Filmelektrode auf der Oberfläche eines
Basissubstrats hergestellt wird, wobei die Struktur dann mit einer
schützenden,
beschichteten Filmschicht überzogen
wird, 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
besteht, und Kombinationen davon, wobei die Filmelektrode einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten (CTE, Englisch: Coefficient of Thermal
Expansion) aufweist, der dem CTE der Basissubstratschicht genauso
wie an den CTE der schützenden
Abdeckschicht angepasst ist.
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In
einem Aspekt der Erfindung umfasst die Filmelektrode mindestens
eines der folgenden: Molybdän,
Wolfram, Ruthenium und Legierungen davon, und die schützende Abdeckschicht
umfasst mindestens eines der folgenden: Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid,
Aluminiumoxinitrid oder Kombinationen davon.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung weist die Filmelektrode einen
CTE auf, der von 0,75 bis 1,25-mal dem CTE der Basissubstratschicht
bzw. dem CTE der schützenden
Abdeckschicht reicht.
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In
noch einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren
zum Herstellen einer Wafer-Verarbeitungsvorrichtung, umfassend die
folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Basissubstrats, das mindestens
eines der folgenden umfasst: Graphit, hochschmelzende Metalle und
Legierungen, ein Oxid, Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid
von Elementen, die ausgewählt
sind aus einer Gruppe, die aus B, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen
besteht, oder ein Oxid, Oxinitrid von Aluminium und Kombinationen
davon; und mit oder ohne einer elektrisch isolierenden Schicht;
b) Aufbringen einer Filmelektrode auf das Basissubstrat, wobei die
Filmelektrode einen CTE aufweist, der von 0,75 bis 1,25-mal dem
CTE der Basissubstratschicht reicht; c) Überziehen der Filmelektrode
mit einer beschichtenden Filmschicht, die einen CTE aufweist, der
von 0,75 bis 1,25-mal in Bezug auf den CTE der Filmelektrode reicht.
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Die
Erfindung ist auch auf eine Vorrichtung zum Ausführen der offenbarten Verfahren
gerichtet und umfasst Vorrichtungsteile zum Ausführen von jedem der beschriebenen
Verfahrensschritte. Diese Verfahrensschritte können vermittels Hardwarekomponenten,
einem durch geeignete Software programmierten Computer oder jede
Kombination der zwei, oder in einer beliebigen anderen Weise ausgeführt werden.
Des Weiteren ist die Erfindung auch auf Verfahren gerichtet, durch
die die beschriebene Vorrichtung betrieben wird. Es enthält Verfahrensschritte zum
Ausführen
von jeder Funktion der Vorrichtung.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht
und werden im Folgenden ausführlicher
beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:
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1 ist
ein Querschnittsschaubild von einer Ausführungsform der Wafer-Bearbeitungsvorrichtung
nach der Erfindung.
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2 ist
ein Querschnittsschaubild einer zweiten Ausführungsform der Wafer-Bearbeitungsvorrichtung
nach der Erfindung, damit das Basissubstrat durch eine elektrisch
isolierende Schicht überzogen
werden kann.
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3 ist
ein Querschnittsschaubild einer zweiten Ausführungsform der Wafer-Bearbeitungsvorrichtung
der Erfindung mit einer Schnittstellen-Haftvermittlungsschicht zwischen
dem Basissubstrat und der elektrisch isolierenden Schicht.
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4 ist
ein Querschnittsschaubild einer Ausführungsform einer Heizvorrichtung
nach der Erfindung mit einer mittleren Welle zum Stützen.
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5 ist
ein Schaubild, das die Rampenraten einer Scheibenheizvorrichtung
mit der Ausführungsform
der 1 veranschaulicht.
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6 ist
ein Schaubild, das die Rampenrate einer Scheibenheizvorrichtung
mit der Ausführungsform
der 2 veranschaulicht.
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Wie
hierin verwendet, bezeichnen die Ausdrücke "erster", "zweiter" und dergleichen
keine Reihenfolge der Wichtigkeit, sondern sie werden verwendet,
um ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Ausdrücke "der bzw. die bzw.
das", "ein" und "einer" bezeichnen keine
Begrenzung der Quantität,
sondern bezeichnen das Vorhandensein von mindestens einem der bezeichneten
Gegenstände.
Alle hierin offenbarten Bereiche sind einschließend und kombinierbar. Des
Weiteren sind alle hierin offenbarten Bereiche einschließlich der
Endpunkte und sind unabhängig
voneinander kombinierbar. Ebenfalls 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
Ausdrucksform verwendet werden, um jede beliebige quantitative Darstellung
zu verändern,
die variieren kann, ohne zu einer Veränderung der grundlegenden Funktion,
auf die sie sich bezieht, zu führen.
Dem entsprechend darf ein Wert, der durch einen Ausdruck oder Ausdrücke, wie
etwa "ungefähr" und "im wesentlichen" modifiziert ist,
in einigen Fällen nicht
auf den exakten, angegebenen Wert beschränkt werden. Zumindest in einigen
Fällen
kann die näherungsweise
Sprache der Genauigkeit eines Instruments zum Messen des Werts entsprechen.
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Wie
hierin verwendet, können "Substrat" oder "Substrate" auswechselbar verwendet
werden mit "Basisoberfläche" oder "Basisschicht".
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Wie
hierin verwendet, kann der Ausdruck "Wafer-Bearbeitungsvorrichtung" austauschbar verwendet
werden mit "Heizvorrichtung", "Spannvorrichtung", "elektrostatische
Spannvorrichtung", "ESC" und "Suszeptoren", in der Einzahl-
oder in der Mehrzahlform, und bezeichnet eine Vorrichtung zum Tragen
eines Wafers, eines Substrats oder eines anderen Typs eines Werkstücks während der
Herstellung von Halbleitergeräten.
In einer Ausführungsform
einer Wafer-Bearbeitungsvorrichtung wird ein Wafer an einer spannhalternden
Oberfläche
durch die elektrostatische Kraft, die zwischen einer externen Elektrode
und einer in der Wafer-Bearbeitungsvorrichtung eingebetteten Elektrode
erzeugt wird, befestigt. Die ESC kann vom Coulomb-Typ oder vom Johnson-Rahbek
Typ sein.
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Wie
hierin verwendet, kann "schützende Beschichtung" Schicht auswechselbar
verwendet werden mit "schützende Film-Beschichtungsschicht", "Abdeckschicht" oder "Abdeckfilm", oder "Schutzschicht" oder "schützende Abdeckschicht", verwendet in der
Einzahl- oder Mehrzahlform, was anzeigt, dass mindestens eine Schicht
oder eine Vielzahl von Schichten die Wafer-Bearbeitungsvorrichtung
beschichten.
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In
einer Ausführungsform,
wie in dem schematischen Schaubild der 1 veranschaulicht,
ist die Wafer-Verarbeitungsvorrichtung 10 nach der Erfindung
in der Form einer Heizvorrichtung mit einem Basissubstrat 8,
einer darauf aufgebrachten Filmelektrode 6 und einer die
gesamte Struktur überziehenden,
schützenden
Abdeckschicht 5.
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In
einer zweiten Ausführungsform,
wie in 2 veranschaulicht, umfasst die Wafer-Verarbeitungsvorrichtung 10 ein
durch eine Basisschicht 9 überzogenes Substrat 8,
eine auf der Basisschicht 9 aufgebrachte Filmelektrode 6 und
eine die gesamte Struktur überziehende,
schützende
Abdeckschicht 5.
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In
einer dritten Ausführungsform,
wie in 3 veranschaulicht, umfasst die Wafer-Verarbeitungsvorrichtung 10 ein
mit einer ersten Haftvermittlerschicht 2 beschichtetes
Substrat 8, das dann durch die Basisschicht 9 überzogen
ist, eine auf der Basisschicht 9 aufgebrachte Filmelektrode 6 und
eine die gesamte Struktur überziehende,
schützende
Abdeckschicht 5.
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In
einer vierten Ausführungsform,
wie in 4 veranschaulicht, umfasst die Wafer-Verarbeitungsvorrichtung 10 eine
Plattform 20 zum Tragen des zu heizenden Objekts. Die Plattform 20 weist
ein Substrat 8 mit einer oberen und einer unteren Oberfläche und
einer auf der unteren Oberfläche
des Substrats 8 aufgebrachten Filmelektrode 6 auf.
Die Plattform 20 wird durch eine sich im Wesentlichen quer
zu der Plattform erstreckenden Welle 30 getragen. Die Welle 20 kann
aus dem gleichen Material bestehen wie das Substrat 8 oder
aus einem von dem Material des Substrats 8 verschiedenen
Material, und umfasst ferner zwei Leiter oder elektrische Anschlüsse 11 in einer
konzentrischen Anordnung oder einem anderen Muster. Ein Metallweg
oder Kontaktloch 12 ist zur Verwendung in Zusammenarbeit
mit einer Montagestruktur, Pfosten oder Sockelpfosten, um die Wafer-Verarbeitungsvorrichtung
zu tragen auf die Welle 30 aufgelötet.
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Im
Folgenden wird die Erfindung ausführlicher erläutert, beginnend
mit der äußersten
Schicht der Vorrichtung nach der Erfindung und dann nach innen gehend,
d.h. von der schützenden
Abdeckschicht, der Filmelektrode, der optionalen Basisabdeckschicht
und der optionalen Haftvermittlerschicht in einigen Ausführungsformen,
bis zu der innersten Schicht, die das Basissubstrat darstellt.
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Schützender
Abdeckfilm: In einer Ausführungsform
umfasst der schützende
Abdeckfilm 5 mindestens eines der folgenden: ein Nitrid,
Carbid, Carbonitrid oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind
aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen
besteht, und Kombinationen davon, die einen CTE aufweisen, der von
2,0 × 10–6/K
bis 10 × 10–6/K in
einem Temperaturbereich von 25 bis 1000°C reicht.
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In
einer Ausführungsform
ist das Nitrid ausgewählt
aus einem der folgenden: pyrolytisches Bornitrid, Aluminiumnitrid
(AlN), Aluminiumoxid, Aluminiumoxinitrid, Siliziumnitrid, oder Komplexverbindungen
davon. Wie hierin verwendet, bezieht sich Aluminiumnitrid auf AlN,
AlON oder Kombinationen davon. In einer Ausführungsform ist die schützende Abdeckschicht 5 eine
einzelne Schicht aus AlN, AlON, Al2O3 oder Kombinationen davon. In einer anderen
Ausführungsform
ist sie eine Mehrfachschicht aus mehreren Beschichtungen desselben
Materials, beispielsweise AlN, AlON, Al2O3, usw. oder mehreren verschiedenen Schichten
aus AlN, AlON, pBN, SiN, usw., die aufeinanderfolgend beschichtet
worden sind.
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Die
schützende
Abdeckschicht 5 kann durch Vorgänge, die die folgenden umfassen,
auf Substraten aufgebracht werden: expandierendes thermisches Plasma
(ETP), Ionenplattieren, chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasma-gestützte chemische
Gasphasenabscheidung (PECVD, Englisch: Plasma Enhanced Chemical
Vapor Deposition), metall-organische chemische Gasphasenabscheidung
(MOCVD, Englisch: Metal Organic Chemical Vapor Deposition) (auch
organo-metallische chemische Gasphasenab scheidung (OMCVD) genannt), metall-organische
Gasphasenepitaxie (MOVPE, Englisch: Metal Organic Vapor Phase Epitaxy),
physikalische Abscheidungsvorgänge
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
Dicke der schützenden
Abdeckschicht 5 kann in Abhängigkeit von der Anwendung
und den verwendeten Prozessen, beispielsweise CVD, Ionenplattieren,
ETP, etc. variiert werden, und kann in Abhängigkeit von der Anwendung
von 1 μm
bis zu einigen 100 μm
variieren. Längere
Lebensdauern werden allgemein erwartet, wenn dickere Schutzschichten
verwendet werden. In einer Ausführungsform weist
die schützende
Abdeckschicht eine Dicke von etwa 1 bis etwa 5 μm auf und erlaubt allgemein
einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Wafer und der elektrostatischen
Spannvorrichtung, jedoch hält sie
nicht so lange, wie Beschichtungen mit größeren Dicken. Beschichtungen
mit Dicken von größer als
5 μm haben
jedoch längere
Lebensdauern als Beschichtungen mit Dicken von weniger als 5 μm. In einer
Ausführungsform
weist die Beschichtung eine Dicke von größer als oder etwa gleich wie
2 Mikrometer (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.
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Die
schützende
Abdeckschicht 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass sie widerstandsfähig in Bezug auf Ätzen ist
oder dass sie in einer Umgebung, die Halogene umfasst, oder wenn
sie Plasmaätzen,
reaktivem Ionenätzen,
Plasmareinigen und Gasreinigen ausgesetzt ist, eine niedrige Ätzrate aufweist. Die Ätzrate für die schützende Beschichtung
ist gleich oder niedriger als die von gesinterten Beschichtungen
einer ähnlichen
chemischen Zusammensetzung im Stand der Technik und verlängert so das
Leben bzw. die Lebensdauer der Wafer-Verarbeitungsvorrichtung.
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In
einer Ausführungsform
weist die schützende
Abdeckschicht 5 eine Ätzrate
von weniger als 1000 Angström
pro Minute (Å/min)
in einer Halogen enthaltenden Umgebung auf. In einer zweiten Ausführungsform
ist diese Rate weniger als 500 Angström pro Minuten (Å/min).
In einer dritten Ausführungsform
ist die Rate weniger als 100 Angström pro Minute (Å/min).
In einer vierten Ausführungsform
ist die ätz-beständige schützende Beschichtung
weniger als oder gleich wie etwa 30 Angström pro Minute (Å/min) in
einer reinigenden Halogene enthaltenden Umgebung, oder wenn sie
einer Umgebung mit reaktivem Ionenätzen ausgesetzt ist. In einer
Ausführungsform
ist die Ätzrate
weniger als oder gleich wie etwa 20 Å/min. In einer anderen Ausführungsform
ist die Ätzrate
weniger als oder gleich wie etwa 15 Å/min. In noch einer anderen
Ausführungsform
ist die Ätzrate
weniger als oder gleich wie etwa 5 Å/min. In einer weiteren Ausführungsform
ist die Ätzrate
weniger als oder gleich wie etwa 2 Å/min.
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Wenn
Gegenstände,
wie etwa heiße
Platten, elektrostatische Spannvorrichtungen, Wafer-Tragevorrichtungen
oder dergleichen in Halbleiterverarbeitungsvorgängen verwendet werden, werden
auf der Kontaktoberfläche
der Heizvorrichtung/Spannvorrichtungen häufig Teilchen gebildet, und
werden häufig
auf die Rückseite
des Wafers übertragen.
Die Bildung dieser Teilchen ist nicht gewünscht, weil sie auf die Rückseite
der Prozesswafer übertragen
werden können.
Wafer-Verarbeitungsvorrichtungen, die die schützende Abdeckschicht 5 nach
der Erfindung aufweisen, zeigen eine signifikante Verringerung in
der Anzahl derartiger ausgebildeter Teilchen.
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In
einer Ausführungsform
ist die Anzahl der auf der Rückseite
eines mit der schützenden
Beschichtung beschichteten Gegenstands ausgebildeten Teilchen um
mindestens 25% verringert gegenüber
den Wafer-Verarbeitungsvorrichtungen aus dem Stand der Technik mit
einer gesinterten, darüber
geformten oder oberen Abdeckschicht. In einer anderen Ausführungsform
ist die Anzahl der erzeugten Teilchen gegenüber einem vergleichbaren Gegenstand, der
nicht mit der schützenden
Beschichtung beschichtet ist, um mindestens 50% verringert. In einer dritten
Ausführungsform
ist die Anzahl der erzeugten Teilchen gegenüber einem vergleichbaren Gegenstand,
der nicht mit der schützenden
Beschichtung beschichtet ist, um mindestens 75% verringert.
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Die
schützende
Abdeckschicht 5 kann kleine Konzentrationen von anderen
nichtmetallischen Elementen enthalten, wie etwa Stickstoff, Sauerstoff und/oder
Wasserstoff, ohne irgendwelche schädliche Einflüsse auf
die Korrosionsbeständigkeit
oder die Ätzbeständigkeit.
In einer Ausführungsform
enthält die
Abdeckschicht bis hoch zu etwa 20 Atomprozent (atom%) Wasserstoff
und/oder Sauerstoff. In einer anderen Ausführungsform umfasst die schützende Beschichtung
Wasserstoff und/oder Sauerstoff bis hoch zu etwa 10 atom%.
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Filmelektrode:
Die Filmelektrode 6 der Vorrichtung 10 nach der
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Metall umfasst
mit einem Schmelzpunkt von höher
als 1500°C
und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE, Englisch: Coefficient
of Thermal Expansion), der dicht an den CTE der benachbarten, darauf
angeordneten Basisschicht 9 (oder Substrat 8 wie
in 1) und ebenso an den CTE der schützenden Abdeckschicht 5 angepasst
ist, d.h. dass sie einen CTE aufweist, der von 2,0 × 10–6/K
bis 10 × 10–6/K
in einem Temperaturbereich von 25 bis 1000°C reicht.
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Wie
hierin verwendet bedeutet, einen dicht angepassten CTE aufzuweisen,
dass der CTE der Filmelektrode zwischen 0,75 bis 1,25-mal von dem CTE
der benachbarten Schicht ist, beispielsweise die Basisabdeckschicht
oder die schützende
Abdeckschicht. In einer Ausführungsform
der Erfindung weist die Filmelektrode einen CTE auf, der von 0,90 bis
1,10-mal von dem CTE der benachbarten Schichten reicht, d.h. der
Basisabdeckschicht oder der schützenden
Abdeckschicht. In einer dritten Ausführungsform ist der CTE in dem
Bereich von 0,95 bis 1,05-mal von dem CTE der benachbarten Schicht.
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Für Ausführungsformen,
in denen für
die Basisschicht 9 oder die schützende Abdeckschicht 5 verschiedene
Materialien verwendet werden, beispielsweise eine Kombination von
AlN und einer zweiten Phase, wie etwa Graphit,, wobei AlN einen theoretischen,
gemittelten CTE von 4,9 × 10–6/K
aufweist und Graphit einen theoretischen CTE von 5,3 × 10–6/K
aufweist, kann der resultierende CTE unter Benutzung der Standardregeln
für Mischungen
mit Ansetzen der volumetrischen Proportionalitätsregeln für die Mittelwertbildung berechnet
werden.
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In
einer Ausführungsform
enthält
die Filmelektrode 6 ein Metall, wie etwa, jedoch nicht
begrenzt auf, Molybdän
(Mo), Wolfram (W), Ruthenium (Ru) oder Kombinationen davon. Mo weist
einen theoretischen gemittelten CTE im Bereich von 20 bis 1000°C von 4,5 × 10–6/K
auf. Der theoretische mittlere CTE von W ist 4,5 × 10–6/K
und der von Ru ist 6,4 × 10–6/K. Weil
die Filmelektrode 6 nach der Erfindung einen CTE aufweist,
der an den der benachbarten Basisschicht 9 (oder dem Basissubstrat 8 wie
in 1) dicht angepasst ist, ermöglicht dies eine gute Haftung in
Bezug auf die Basis und verringert das Ablösen oder Rissbildungsdefekte
in der Elektrodenschicht.
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In
einer Ausführungsform
weist die Filmelektrode 6 eine von etwa 5 μm bis etwa
20 μm reichende Dicke
auf. In einer zweiten Ausführungsform
weist die Filmelektrode 6 eine von 0,1 bis 10 μm reichende Dicke
auf.
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Die
Filmelektrode 6 kann auf der Basisschicht durch im Stand
der Technik bekannte Prozesse ausgebildet werden, einschließlich Siebdrucken, Rotationsbeschichten,
Plasmasprühen,
Sprühpyrolyse,
reaktive Sprühabscheidung,
Sol-Gel, Verbrennungskerze (Englisch: Combustion Torch), Lichtbogen,
Ionenplattieren, Ionenimplantation, Sputte rabscheidung, Laser-Ablation,
Verdampfung. Elektroplattieren und Legieren der Oberfläche mittels
Laser.
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In
einer Ausführungsform
wird die Filmelektrode 6 durch Siebdrucken ausgebildet.
Siebdrucken ist im Stand der Technik bekannt. Eine allgemeine Beschreibung
des Siebdrucks ist beispielsweise dargestellt in „Screens
and Screen Printing",
veröffentlicht
von der International Society for Hybrid Microelectronics, 1991,
das hierin in seiner Gesamtheit durch Verweis mit aufgenommen wird.
In einer Ausführungsform
der Erfindung wird eine Paste, die Wolfram, Molybdän, Ruthenium
oder Legierungen davon enthält,
verwendet, um die Elektrode 6 auszubilden. Es kann ein
Seidensieb bzw. Schirm oder ein anderes feines Gitter verwendet
werden. Viele herkömmliche
Pasten zur Seidenrasterung enthalten Glasfritte, die der Paste zum
Verbessern der Adhäsion
hinzugefügt
wird. In einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird die Filmelektrode 6 ausgebildet, indem
seidenrasternde, glasfreie, leitfähige Pasten eingesetzt werden.
Im Vergleich mit herkömmlichen
Pasten, die Glasfritte enthalten, weisen Elektroden, die mit glasfreien
Pasten hergestellt werden, signifikant niedrigeren Widerstand auf
und verhindern so, dass sich die Filmelektrode 6 aufheizt,
wenn sie als eine Plasma erzeugende (RF) Elektrode oder als eine
Spannfutterelektrode benutzt wird.
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In
einer Ausführungsform
kann die Schichtelektrode auch durch Gasphasenabscheidungstechniken
ausgebildet werden, wie etwa beispielsweise chemische Gasphasenabscheidung
(CVD) oder physikalische Abscheidungen aus der Dampfphase (PVD).
Diese Techniken sind im Stand der Technik ebenfalls bekannt und
durch Siebdruck hergestellte Schichten werden als "dicke" Schichten bezeichnet, wohingegen
durch Gasphasenabscheidung hergestellte Schichten häufig als "dünne" Schichten bezeichnet werden.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
wird die Filmelektrode 6 unter Verwendung von reaktiven Sprühabscheidungstechnologien
(RSDT) ausgebildet. RSDT ist auch als flammengestützte Abscheidung
oder Plasmasprühen
bekannt, ein kostengünstiger
Verbrennungsvorgang zum Abscheiden von Filmen mit kontrollierbarer
Größe, Morphologie
und Kristallinität.
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Nachdem
eine Filmschicht, die W, Mo, Ru oder Kombinationen davon enthält, auf
der Basisschicht abgeschieden worden ist, kann dann exakt auf der
Mo (W) Schicht ein Entwurf eines Elektrodenmusters hergestellt werden
mit verschiedenen Techniken, beispielsweise, Laserschneiden, Drucken, Maskieren,
Drehen (Englisch: Lathing), trockenes/nasses Ätzen oder Sandstrahlen. Daher
kann eine präzise
Heizsteuerung leicht über das
präzise Ausbilden
eines Musters erhalten werden, und so ist auch die Heizgleichförmigkeit.
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Optionale
Basisbeschichtungsschicht: In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wie
in 2 veranschaulicht, wobei das Basiskernsubstrat 8 ein
Kernmetall aus mindestens einem leitfähigen Material umfasst, das
ausgewählt
ist aus der Gruppe von Graphit, hochschmelzenden Metallen und Legierungen
wie etwa Mo, W und dergleichen, wird das Substrat 8 mit
einer Basisabdeckschicht 9 überzogen, bevor die Filmelektrode 6 darauf
ausgebildet wird. Der Kern 8 aus Graphit, hochschmelzenden Metallen/Legierungen
verleiht der Basisabdeckschicht 9 die mechanische Integrität und den
Halt, der zur Verwendung im Betrieb erforderlich ist. Die Basisabdeckschicht 9 ist
elektrisch isolierend und stellt die elektrische Isolierung und
die CTE Anpassung zwischen der elektrischen Schicht 6 und
dem Basissubstrat 8 bereit.
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In
einer Ausführungsform
umfasst die elektrisch isolierende Abdeckschicht 9 (mit
einem hohen Volumenwiderstand) mindestens eines der folgenden: ein
Nitrid, Borid, Oxid, Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind
aus einer Gruppe, die aus W, Al, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen
besteht, und Kombinationen davon.
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Der
Widerstand der Basisabdeckschicht 9 wird gesteuert, indem
die Menge der Sauerstoff-, Oxinitrid-, Nitrid- und Borid-Bildung
während
der Ablagerung der metallischen Komponente und der Derivate gesteuert
wird. In einer Ausführungsform
weist die Schicht 9 einen Volumenwiderstand von > 108Ω-cm bei
25°C auf.
In einer zweiten Ausführungsform
weist die Schicht 9 einen Volumenwiderstand von > 1010Ω-cm bei
25°C auf.
In einer dritten Ausführungsform
einen Volumenwiderstand von > 1012Ω-cm bei
25°C. In
einer Ausführungsform
weist die Basisabdeckschicht einen CTE, der von 2,0 × 10–6/K
bis 10 × 10–6/K
in einem Bereich von 25 bis 1000°C reicht,
auf.
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Die
Basisabdeckschicht 9 kann auf den Basiskern 8 abgeschieden
werden durch Prozesse, die umfassen: expandierendes thermisches
Plasma (ETP), Ionenplattieren, chemische Gasphasenabscheidung (CVD),
plasma-gestützte
chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), metall-organische chemische
Gasphasenabscheidung (MOCVD) (auch organo-metallische 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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Optionaler
Haftvermittler: In einer dritten Ausführungsform, wie in 3 veranschaulicht,
wird vor der Abscheidung der Schicht 9 auf das Basiskernsubstrat 8,
ein zwischen zwei Flächen
liegender Haftvermittler 2 auf das Basissubstrat 8 eingefügt. Der
Zwischenflächen-Haftvermittler 2 trägt dazu
bei, die Adhäsion
zwischen der elektrisch isolierenden Basisabdeckschicht 9 und
dem Basissubstrat 8 zu verbessern. In einer Ausführungsform
umfasst der Zwischenschicht-Haftvermittler 2 mindestens
eines der folgenden: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid, Borid, Oxid,
Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus Al, Si, hochschmelzenden
Metallen einschließlich
Ta, W, Mo, Übergangsmetallen
einschließlich
Titan, Chrom, Eisen; und Mischungen davon. In einer Ausführungsform
umfasst der Haftvermittler mindestens eines der folgenden: TiC,
TaC, SiC, MoC und Mischungen davon.
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In
einer Ausführungsform,
bei der das Basissubstrat 8 ein Material umfasst, wie etwa
Graphit, und der Haftvermittler ein Metallcarbid umfasst, wird die
Haftvermittler-Oberfläche
ferner karburiert bzw. einsatzgehärtet, um ihre Stoichiometrie
wieder herzustellen, und zwar durch die Diffusion von Kohlenstoff
von der Oberfläche
in das Metallcarbid hinein, um so ein Gleichgewicht mit dem Graphitsubstrat
zu erreichen, was die Adhäsion
der Schichten verbessert. In einer Ausführungsform ist der Haftvermittler, der
ein hochschmelzendes Metallcarbid enthält, dadurch gekennzeichnet,
dass er ein Atomverhältnis von
Kohlenstoff zu Metall aufweist, das im Gleichgewicht mit Kohlenstoff
ist.
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Der
Zwischenschicht-Haftvermittler 2 kann auf dem Basiskernsubstrat 8 durch
chemische Gasphasenabscheidung (CVD) in einer herkömmlichen Weise,
durch Einführen
von Dämpfen
eines Metallhalids, beispielsweise Metallchlorid, mit oder ohne
einem reduzierenden Hilfsstoff, wie etwa Wasserstoff, in einen das
Graphitsubstrat enthaltenden, beheizten Reaktor abgeschieden werden.
Die Haftvermittlerschicht 2 kann auch auf dem Substrat 8 durch
andere herkömmliche
Beschichtungsverfahren abgeschieden werden, einschließlich Sputtern,
Molekularstrahlepitaxieverfahren (MBE), metallorganische chemische
Gasphasenabscheidung (MOCVD) oder Plasma CVD Verfahren (PCVD). In
einer Ausführungsform
kann eine Kohlenstoffquelle, wie etwa Methan, zusammen mit dem Metallhalid-Dampf
hinzugefügt werden,
um das C/Metallverhältnis
während
der Abscheidung zu steuern.
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Nachdem
das Basiskernsubstrat 8 mit der Haftvermittlerschicht 2 beschichtet
ist, kann dann die Basisabdeckschicht 9 unter Verwendung
von einem beliebigen der oben beschriebenen Prozesse auf den Haftvermittler 2 aufgebracht
werden, beispielsweise durch CVD, ETP, Ionenplattieren, PECVD, MOCVD,
OMCVD, MOVPE, Sputtern, Elektronen-Strahlabscheidung und Plasmasprühen.
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Basissubstratschicht:
In Ausführungsformen der
Erfindung, wie in den 2 und 3 veranschaulicht,
ist das Basissubstrat 8 elektrisch leitfähig und
umfasst mindestens eines der folgenden: Graphit, hochschmelzende
Metalle, wie etwa W und Mo, Übergangsmetalle,
Selten-Erd-Metalle und Legierungen, und Mischungen davon. Weil es
eine Basisabdeckschicht 9 (und in einigen Beispielen eine
zusätzliche
Haftvermittlerschicht 2) gibt, die das Basissubstrat 8 von
der Elektrode 5 trennt, muss der CTE des Basissubstrats 8 nicht
dicht an den CTE der Elektrodenschicht 5 angepasst sein.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, wie in 1 veranschaulicht, wobei die
Elektrode direkt auf das Basissubstrat aufgebracht ist, ist das
Basissubstrat 8 elektrisch isolierend und umfasst mindestens
eines der folgenden: ein Oxid, Nitrid, Carbid, Carbonitrid oder
Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe,
die aus B, Si, Ga, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen
besteht; ein Oxid, Oxinitrid von Aluminium; und Kombinationen davon.
In einer Ausführungsform weist
das elektrisch isolierende Substrat eine Volumenwiderstandswert
im Isolatorbereich des Halbleiters auf, beispielsweise größer als
108Ω-cm
bei 25°C. In
einer zweiten Ausführungsform
weist das elektrisch isolierende Substrat einen Volumenwiderstand von
größer als
1010Ω-cm
bei 25°C
auf. In einer dritten Ausführungsform
einen Volumenwiderstand von größer als
1012Ω-cm
bei 25°C.
In einer Ausführungsform weist
das Basissubstrat 8 einen CTE auf, der von 2,0 × 10–6/K
bis 10 × 10–6/K
in einem Bereich von 25 bis 1000°C
reicht.
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In
einer Ausführungsform
der Vorrichtung in 1 umfasst das Basissubstrat 8 ein
Material, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine ausgezeichnete
Maschinen-Bearbeitbarkeit
und ebenso elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. In einer
Ausführungsform
umfasst das Basissubstrat 8 eine Mischung aus Bornitrid
und Aluminiumnitrid, was dem Basissubstrat die erforderliche Integrität und ebenso
die Bearbeitbarkeit in gewünschte
Formen verleiht. In einer Ausführungsform
umfasst die gesinterte Mischung eine Zusammensetzung, wie sie in
US Patent Nr. 4,960,734 offenbart ist, um eine Zusammensetzung mit
45 bis 5 Gewichtsprozent von AlN zu 55 bis 95 Gewichtsprozent von
BN zu erhalten und damit einen relativ kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
eine niedrige dielektrische Konstante und ausgezeichnete Bearbeitbarkeit
zu erzielen, während
sie eine hohe thermische Leitfähigkeit und
hohe elektrische Isolationseigenschaften aufrecht erhalten werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann das gesinterte Basissubstrat ferner gesinterte Hilfsstoffe, Metall-
oder Kohlenstoffdotierungen und Verunreinigungen enthalten. Beispiele
von geeigneten Sinterhilfsstoffen umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf,
Yttriumoxid (Y2O3),
Kalziumfluorid (CaF2), Kalziumoxid (CaO),
Kalziumcarbonat (CaCo3) und andere im Stand
der Technik bekannte. Metalldotierungen können umfassen: Eisen, Kupfer,
Nickel, Zink, Chrom, Kobalt, Natrium, Kalium, Magnesium, Kalzium,
Titan, Vanadium und Zirkonium.
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Ausbilden
von elektrischen Kontakten: In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst
die Vorrichtung 10 ferner einen elektrischen Kontakt 12.
Verfahren zum Ausbilden eines elektrischen Kontakts 12 an
der Elektrode 6 sind im Stand der Technik bekannt. Der
elektrische Kontakt 12 kann unter Verwendung im Stand der
Technik bekannten Lötmaterialien auf
die Elektrode gelötet
werden. In einer Ausführungsform
enthält
der elektrische Kontakt 12 zusammen mit der Elektrode 6 eine
Legierung mit einem Metall.
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Anwendungen
der Vorrichtung nach der Erfindung: Die Vorrichtung nach der Erfindung
mit einer schützenden
Abdeckschicht und Elektrode mit dicht angepasstem CTE kann in vorteilhafter
Weise für Halbleiterverarbeitungskomponenten
eingesetzt werden, wie etwa Substrate, Heizelemente, Wafer-Träger, elektrostatische
Spannvorrichtungen, Suszeptoren oder dergleichen. Die Vorrichtung
ist insbesondere geeignet für
Anwendungen mit Heizstufen, die von Raumtemperatur bis 1000°C oder höher reichen,
mit einer kurzen Zeitdauer, und ebenso für Anwendungen in rauen Umgebungen,
wie etwa Fluorplasmareinigen bei Temperaturen von mehr als oder
etwa 200°C.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird die Vorrichtung 10 durch mechanische
Träger
in einer Prozesskammer positioniert. An die Vorrichtung 10 wird
eine Spannung über
den Kontakt 12, der die Elektrode 6 mit einem
Netzteil verbindet, angelegt und dabei ein Werkstück, wie
etwa ein Halbleiter-Wafer auf der Oberfläche 1 der Spannvorrichtung
befestigt.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ermöglicht
die Vorrichtung 10, dass ein auf der Heizvorrichtung angeordnetes
Wafer-Substrat schnell auf eine Temperatur von über 800°C mit einer Rate von > 15°C pro Minute aufgeheizt wird.
In noch einer anderen Ausführungsform
ermöglicht
die Vorrichtung 10, dass ein Wafersubstrat mit einer Rampenrate
von > 20°C/min aufgeheizt
wird. In einer dritten Ausführungsform
mit einer Rate von > 30°C/min. Selbst
mit den hohen Rampenraten ermöglicht
das Anpassen des CTE der schützenden
Beschichtungsschicht, der Filmelektrode und des Basissubstrats,
dass die Vorrichtung nach der Erfindung das Durchfahren von thermischen
Zyklen überstehen
kann, ohne zu reißen bzw.
zu brechen. Die schützenden
Beschichtungen weisen sehr wenige Risse auf und dieses Merkmal verleiht
eine signifikante Widerstandsfähigkeit
gegenüber Ätzen. In
einer Ausführungsform
werden keine Risse ausgebildet, wenn die schützende Beschichtung thermischen
Zyklen bis auf Temperaturen hinauf von 800°C unterworfen wird.
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Beispiele:
Beispiele werden hierin zum Veranschaulichen der Erfindung bereitgestellt,
sie sind jedoch nicht dazu gedacht, den Schutzumfang der Erfindung
zu begrenzen.
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Beispiel
1: Eine Heizvorrichtung mit dem in 1 veranschaulichten
Aufbau wurde aus einer gesinterten AlN Scheibe als die Basissubstratreferenz mit
4'' Durchmesser und
einer Dicke von 0,125" hergestellt.
Siebgedruckte Mo-Mn (30% frit) Elektroden wurden auf das Substrat
aufgedruckt, um eine Filmdicke von 50 μm zu erzielen. Die Struktur
wurde mit einer Schicht aus CVD AlN mit einer Dicke von 50 bis 100 μm beschichtet.
Der CVD Prozess zum Ausbilden von AlN Beschichtungen wurde in einem
Ofen bei einer Temperatur von etwa 1000°C ausgeführt, wobei ein Cl2 Strom
im Bereich von 1–3
slm durch heiße
Al Stäbe
bei etwa 350 bis 500°C
hindurchgeleitet wurde und ferner mit NH3 mit
einer Strömungsgeschwindigkeit
von 1–10
slm, N2 von 5–8 slm und H2 von
0,8–5
slm gemischt wurde.
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Der
Scheibenheizvorrichtung wurde Leistung zugeführt, um zwischen 200°C bis 600°C Zyklen mit
Rampenraten von 5°C,
15°C und
30°C zu
durchlaufen. Die Heizvorrichtung zeigte selbst nach den Heiztests
ausgezeichnete Beständigkeit
gegen thermischen Schock und ausgezeichnete mechanische Integrität. Jedoch
wurde beim schnellen Heizen beobachtet, dass wenn die Kontakte merkbar
kälter
waren als der Mittelpunkt (eine Differenz von > 50°C), Risse
auftreten würden,
wobei die Risse grob gesagt zwischen den beiden kälteren Kontakten
an den diametral gegenüberliegenden
Enden auftreten würden.
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5 ist
ein Schaubild, das die Ergebnisse des Rampentests zeigt, die veranschaulichen,
dass die Heizvorrichtung nach der Erfindung schnell hinauf gefahren
werden kann mit einer Rate, die diejenigen, die Heizvorrichtungen
aus dem Stand der Technik mit einer gesinterten Abdeckschicht erreichen, weit übertrifft.
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Beispiel
2: Eine Heizvorrichtung mit dem in 2 veranschaulichten
Aufbau wurde aus einer Scheibe von 4'' Durchmesser
mit einem Graphitkern mit einer Dicke von 0,25'' und
einer CVD AlN Abdeckschicht mit einer Dicke von 100 bis 200 μm als das Basissubstrat
hergestellt. Eine 10 μm
dicke TaC Haftvermittlerschicht wurde zwischen der CVD AlN Schicht
und dem Graphitkern verwendet. Mit Siebdruck aufgedruckte Mo-Mn (30% frit) Elektroden
wurden auf diese Substrate aufgedruckt, um eine Filmdicke von 50 μm zu erzielen,
und abschließend
mit einer anderen Schicht aus CVD AlN mit einer Schichtdicke von
50 bis 100 μm
beschichtet. Diesem Prototyp einer Scheibenheizvorrichtung wurde
Leistung zugeführt,
um zwischen 400°C
bis 600°C
Zyklen mit Rampenraten von 15°C
bis 30°C
zu durchlaufen. Der CVD Prozess zum Beschichten des AlN war derselbe wie
in Beispiel 1.
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6 ist
ein Schaubild, das die Ergebnisse des Rampentests zeigt, und veranschaulicht,
dass die Heizvorrichtung schnell in einer kurzen Zeitdauer hinaufgefahren
werden kann, während
sie immer noch ausgezeichnete thermische Schockbeständigkeit
und mechanische Integrität
aufrecht erhält.
Es wurden mehrere thermische Lebenszyklen ausgeführt, was die hervorstechende
Verlässlichkeit
dieses Aufbaus demonstriert.
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Diese
schriftliche Beschreibung benutzt Beispiele, einschließlich dem
besten Modus, um die Erfindung zu offenbaren und auch um zu ermöglichen, dass
ein Fachmann auf dem technischen Gebiet die Erfindung herstellen
und verwenden kann. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch
die Patentansprüche
definiert und kann andere Beispiele enthalten, die den Fachleuten
erscheinen. Es ist beabsichtigt, dass derartigen anderen Beispiele
innerhalb des Schutzumfangs der Patentansprüche sind, wenn sie strukturelle
Elemente aufweisen, die sich nicht vom Wortlaut der Patentansprüche unterscheiden oder
die äquivalente
strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden vom Wortlaut
der Patentansprüche
enthalten. Alle hierin bezeichneten Fundstellen werden durch Verweis
mit eingeschlossen.