JP7039734B2 - 集積化ヒーターとその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は概して電気ヒーターに関し、より具体的には、より均一な構造およびより均一な加熱性能を有する電気ヒーター、ならびにそれらを製造する方法に関する。

この項の記載は、本開示に関連する背景情報を提供するだけであり、必ずしも公知技術を構成するものではない。

層状構造を有するいくつかの形態の電気ヒーターは、一般に、基板と、基板上に配置された誘電体層と、誘電体層上に配置された抵抗加熱層と、抵抗加熱層上に配置された保護層とを含む。誘電体層、抵抗加熱層、および保護層は、広く「機能層」と呼ばれることがある。電気ヒーターの機能層の１つまたは複数は、面すなわち基板上に材料を堆積させたフィルムの形態であり得る。

微視的スケールでは、堆積されたフィルムは、基板表面上の既存の特徴またはトレンチのために、不均一な表面を有し得る。堆積されたフィルムの上面は、一般に、平坦化プロセスを受けて平坦化され、機能層のより均一な性能を提供するようにされる。しかしながら、平坦化プロセスは、堆積されたフィルムから過剰な材料を除去することにより、堆積されたフィルムの最終的な厚さがその設計された厚さから逸脱することになる可能性がある。さらに、堆積されたフィルムが電気素子の埋め込まれた誘電体層である場合、誘電体層の厚さが減少することによりフィルムの誘電性の完全性が損なわれ、電気ヒーターの性能が低下する可能性がある。

本開示は、電気ヒーターの設計および性能に関連するこれらの問題を扱う。

一形態では、ヒーターを製造する方法が提供される。この方法は、セラミック基板およびその中に埋め込まれた複数の第１のスラグを含む焼結アセンブリを形成するステップと、焼結アセンブリの相互に反対側の表面の一方に機能要素を形成して、機能要素が複数の第１のスラグに接続されるようにするステップと、機能要素および複数の第１のスラグが埋め込まれたモノリシック基板を形成するステップとを有する。

別の形態に係るヒーターを製造する方法は、セラミック基板およびその中に埋め込まれた複数の第１のスラグを含む焼結アセンブリを形成するステップと、焼結アセンブリの相互に反対側の表面の一方および複数の第１のスラグの一部に少なくとも１つのトレンチを形成するステップと、機能性要素を形成するように機能性材料を少なくとも１つのトレンチに堆積させて、機能性要素が複数の第１のスラグに接続されるようにするステップと、焼結アセンブリの相互に反対側の表面の他方に材料層を設けて材料層が第１のスラグに接続されるようにするステップと、機能要素、第１のスラグ、および材料層が埋め込まれているモノリシック基板を形成するステップとを有する。

適用性のさらなる領域は、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。説明および特定の例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。

本開示は、発明の詳細な説明および添付の図面からより十分に理解されるであろう。

本開示の教示に従って作られた電気ヒーターの断面図である。

本開示の教示に従う、図１の電気ヒーターのヒーター層を製造するステップを示す図である。 本開示の教示に従う、図１の電気ヒーターのヒーター層を製造するステップを示す図である。 本開示の教示に従う、図１の電気ヒーターのヒーター層を製造するステップを示す図である。 本開示の教示に従う、図１の電気ヒーターのヒーター層を製造するステップを示す図である。

本開示の教示に従う、図１の電気ヒーターの経路層を製造するステップを示す図である。

本開示の教示に従う、電気ヒーターを製造する方法の変形例のステップを示す図である。

本開示の教示に従って作られた電気ヒーターを含む支持ペデスタルの断面図である。

本開示の教示に従う、図４の支持ペデスタルを製造するステップを示す図である。 本開示の教示に従う、図４の支持ペデスタルを製造するステップを示す図である。 本開示の教示に従う、図４の支持ペデスタルを製造するステップを示す図である。 本開示の教示に従う、図４の支持ペデスタルを製造するステップを示す図である。

対応する参照番号は、図面のいくつかの図にわたる対応するエレメントを示す。

以下の説明は、本質的には単なる例示であり、本開示、応用、または使用を制限することを意図するものではない。

図１に示されるように、本開示の教示に従って作られた電気ヒーター１０は、ヒーター層１２、経路層１４、ヒーター層１２と経路層１４との間に配置された結合層１６、およびヒーター層１２上に配置された保護層１７を含む。結合層１６は、ヒーター層１２を経路層１４に結合する。保護層１７は、ヒーター層１２を電気的に絶縁する。

ヒーター層１２は、少なくとも１つのトレンチ２０を画定する基板１８と、トレンチ２０内に配置された少なくとも１つの抵抗加熱要素２２とを含む。複数のトレンチ２０が基板１８内に形成された場合、複数の抵抗加熱要素２２を複数のトレンチ２０内に配置して、複数の加熱ゾーンを画定することができる。トレンチ２０は、複数の第１のトレンチセクション２１と、電気的終端のために拡大されたトレンチ領域を有する少なくとも２つの第２のトレンチセクション２４とを画定することができる。トレンチ２０は、約１から１０ミクロンの深さ、好ましくは約３から５ミクロンの深さを画定する。

抵抗加熱要素２２は、拡大されたトレンチ領域を有する第２のトレンチセクション２４に配置された少なくとも２つの端子パッド２６を含む。抵抗加熱要素２２は、モリブデン、タングステン、白金、またはそれらの合金からなる群から選択された抵抗材料からなる。さらに、抵抗加熱要素２２の抵抗材料は、抵抗加熱要素２２がヒーターおよび温度センサーとして機能するように、十分な抵抗温度係数（ＴＣＲ）特性を有するようにすることができる。

ヒーター層１２は、抵抗加熱要素２２の端子パッド２６と直接接触し、端子パッド２６から基板１８および結合層１６を通って経路層１４まで延びる一対の端子ピン２８をさらに含む。

経路層１４は、少なくとも１つのトレンチ３２を画定する基板３０と、トレンチ３２内に配置された経路要素３４とを含む。使用態様に応じて、１つまたは複数の経路要素３４を設けるようにすることができる。経路要素３４は、ヒーター層１２の抵抗加熱要素２２を外部電源（図示せず）に接続するように機能する。経路層１４のトレンチ３２は、ヒーター層１２のトレンチ２０の第２のトレンチセクション２４に対応する少なくとも２つのトレンチセクション３３を有するようにすることができる。経路層１４は、少なくとも２つのトレンチセクション３３に配置されて経路要素３４から基板３０を通って基板３０の下面３８を越えて延びる一対の端子ピン３６をさらに含む。経路層１４の端子ピン３６は、ヒーター層１２の端子ピン２８と整合した状態で接触している。

ヒーター層１２の基板１８および経路層１４の基板３０は、窒化アルミニウムや酸化アルミニウムなどのセラミック材料からつくるようにすることができる。

図２Ａから図２Ｅに示されるように、図１の電気ヒーター１０を製造する方法１００は、ヒーター層１２を製造する（図２Ａから２Ｄに示される）サブプロセス、および経路層１４を製造する（図２Ｅに示される）サブプロセスを有し、それらのサブプロセスに続いて、（図２Ｅにも示されるように）ヒーター層１２と経路層１４を一緒に結合するようになっている。２つのサブプロセスは、同時に実行することも、順次に実行することもできる。

ヒーター層１２を製造するサブプロセスにおいて、ステップ１０２でブランク形態の基板１８が提供される。基板１８は、相互に反対側にある第１の表面４０および第２の表面４２を有する。ステップ１０４で、第１の表面４０上に堆積などによってハードマスク層４６が形成される。

次に、ステップ１０６において、ハードマスク層４６上にフォトレジスト層４８が堆積される。ステップ１０８において、フォトレジスト層４８がエッチングされて、ハードマスク層４６上にフォトレジストパターン５０が形成される。このステップでは、フォトレジスト層４８をパターン化するためのフォトマスク（図示せず）をフォトレジスト層４８の上に配置し、紫外線（ＵＶ）光をフォトマスクを通してフォトレジスト層４８に当て、ＵＶ光で露光されたフォトレジスト層４８の部分を現像し、続いてフォトレジスト層４８の露光部分または非露光部分をエッチングして、フォトレジストパターン５０を形成する。フォトレジストパターン５０は、フォトレジスト層４８の露光部分と非露光部分のどちらをエッチングして除去するかに応じて、ポジティブパターンまたはネガティブパターンとすることができる。

図２Ｂに示されるように、ステップ１１０で、ハードマスク層４６はマスクとしてのフォトレジストパターン５０を使用してエッチングされ、ハードマスクパターン５２が形成される。その後、ステップ１１２において、フォトレジストパターン５０が除去され、基板１８の第１の表面４０上にハードマスクパターン５２が残される。ハードマスクパターン５２は、少なくとも２つの拡大された開口部５４を含む。

次に、ステップ１１４において、ハードマスクパターン５２をマスクとして使用して基板１８の第１の表面４０上でエッチングプロセスが行われ、基板１８内に少なくとも１つのトレンチ２０を形成する。トレンチ２０は、複数の第１のトレンチセクション２１と、拡大された領域を有する少なくとも２つの第２のトレンチセクション２４とを画定する。少なくとも２つの第２のトレンチセクション２４は、ハードマスクパターン５２の少なくとも２つの拡大された開口部５４に対応する。少なくとも１つのトレンチ２０は、レーザー除去プロセス、機械加工、３Ｄ焼結／印刷／積層造形、未焼結状態、成形、ウォータージェット、ハイブリッドのレーザー／水、ドライプラズマエッチングによって形成するようにすることもできる。

基板１８にトレンチ２０が形成された後に、ステップ１１４において、ハードマスクパターン５２が除去され、基板１８が洗浄されて、基板１８の第１の表面４０上に所望のトレンチパターンを有するトレンチ２０を有する基板１８が形成される。

トレンチ２０の数および拡大された第２のトレンチセクション２４の数は、トレンチ２０内に形成される抵抗加熱要素２２の加熱ゾーンの数に依る。トレンチ２０の第１および第２のトレンチセクション２１、２４の深さおよび幅は、抵抗加熱要素２２の所望の機能および性能に依る。例えば、基板１８にトレンチ２０が１つだけ形成される場合、トレンチ２０は、一定のまたは変化する深さおよび／または幅を有し得る。複数のトレンチ２０が基板１８に形成される場合、トレンチ２０のいくつかはより広く、他はより狭くなるようにすることができ、またトレンチ２０のいくつかはより深く、他はより浅くすることができる。

図２Ｃに示されるように、所望のトレンチパターンを有するトレンチ２０が基板１８に形成された後、ステップ１１８で、トレンチ２０の拡大された第２のトレンチセクション２４のそれぞれにおいて機械加工プロセスが実行されて、パッド開口部６２と基板を通るビアホール６４とが形成される。パッド開口部６２は、ビアホール６４と拡大された第２のトレンチセクション２４との間に配置される。ビアホール６４は、パッド開口部６２から基板１８の第２の表面４２まで延びる。

その後、ステップ１２２において、抵抗材料６６が基板１８の第１の表面４０上およびトレンチ２０内に堆積される。一例として、抵抗材料６６は、基板１８上およびトレンチ２０内に形成され得る。

ステップ１２４において、抵抗材料６６が熱処理される。一例として、基板１８のトレンチ２０および第１の表面４０の両方に配置された抵抗材料６６を有する基板１８は、アニーリングのために炉内に置かれる。

図２Ｄでは、抵抗材料６６が熱処理された後、ステップ１２６において、化学的機械研磨／平坦化（ＣＭＰ）プロセスが抵抗材料６６に対して行われて、基板１８の第１の表面４０が露出するまで過剰な抵抗材料６６が除去され、それによってトレンチ２０内の抵抗加熱要素２２を形成する。このステップにおいて、基板１８の第１の表面４０は、露出されて抵抗材料６６によって覆われない状態となる。トレンチ２０内に残っている抵抗材料６６は、基板１８の第１の表面４０と同一平面上にある上面６７を有する抵抗加熱要素２２を形成する。

最後に、ステップ１２８において、基板１８の第１の表面４０および抵抗加熱要素２２の上面６７上に保護層１７が形成される。保護層１７は、抵抗加熱要素２２を電気的に絶縁する。保護層１７は、予め形成された保護層を基板１８に結合することによって、基板１８上に形成され得る。結合プロセスは、ろう付けプロセスまたはガラスフリット接合とすることができる。あるいは、複数のトレンチ２０が基板１８に形成される場合、いくつかのトレンチ２０、好ましくは基板１８の周辺に位置するトレンチは、結合剤で満たされ、いくつかのトレンチ２０内の結合剤が基板１８を保護層１７に結合するようにすることができる。基板１８上に保護層１７が形成された後、ヒーター層１２が完成する。

前述のように、トレンチ２０の深さおよび幅は、トレンチ２０の長さに沿って変化するように構成され得る。トレンチ２０が様々な深さおよび幅を有することにより、抵抗加熱要素２２がその長さに沿って変化する厚さおよび幅で形成されることを可能にし、それによって抵抗加熱要素２２の長さに沿ってワット数が変化するようにすることができる。さらに、トレンチ２０を使用して抵抗加熱要素２２の形状を画定するようにしているので、同じトレンチの異なる部分に異なる材料を堆積すること、または同じトレンチ２０に２つ以上の材料層を堆積することが可能である。例えば、抵抗材料を最初にトレンチ２０に堆積させ、次に抵抗材料の上に結合剤を堆積させることができる。したがって、トレンチ２０内の材料は、その上に保護層を結合するための結合剤としても使用することができる。設計された層またはドープされた材料はまたトレンチ２０の異なる部分に堆積され、その長さに沿って異なる材料特性を有する抵抗加熱要素を形成するようにすることができる。

図２Ｅに示されるように、経路層１４を製造するサブプロセスは、経路材料を貫通するビアを機械加工するステップを含み且つ保護層を接着するステップを含まないことを除いて、前述のヒーター層１２を製造するサブプロセスのステップと同様のステップを含む。また、ヒーター層１２と経路層１４は機能が異なるため、抵抗加熱要素２２と経路要素３４を形成するための材料は異なる。

より具体的には、経路層１４を製造するサブプロセスは、図２Ａから図２Ｄに関連して前述したステップ１０２からステップ１２６と同様のステップを含む。したがって、これらのステップの詳細な説明は、ここでは省略する。経路層１４のトレンチ３２を埋める材料は、ヒーター層１２のトレンチ２０を埋める材料とは異なる。ヒーター層１２は熱を発生するように構成されているため、基板１８のトレンチ２０を埋める材料は、熱を発生させるために比較的高い抵抗率を有する抵抗材料である。経路層１４において、基板３０のトレンチ３２を埋める材料は、ヒーター層１２の抵抗加熱要素２２を外部電源に電気的に接続するために、比較的高い導電性を有する導電性材料である。

さらに、経路層１４の基板３０は、ヒーター層１２の基板１８のトレンチ２０とは異なるトレンチパターンを有するトレンチ３２を有する。図２Ｅを参照すると、経路層１４のトレンチ３２は、ヒーター層１２のトレンチ２０よりも広いことが示されている。

図２Ｅに示されるように、ステップ１３０において、経路材料は、経路要素３４を形成するために熱処理および平坦化される。このステップで、基板３０の上面は、経路要素３４の上面と同一平面上となる。ヒーター層１２と同様に、経路層１４は、一対の端子ピン３６と、経路要素３４の少なくとも２つの部分に接続された一対の端子端６９とを含む。

次に、経路要素３４は、経路要素３４の上面から端子端６９まで延びる一対のビアホール６８を画定するように機械加工される。その後、ヒーター層１２が経路層１４の上に配置される。基板１８の第２の表面４２を越えて延びるヒーター層１２の端子ピン２８は、ビアホール６８に挿入されて、経路層１４の端子端６９と接触するようにされる。その結果、ヒーター層１２の抵抗加熱要素２２が経路要素３４に電気的に接続され、そして経路要素３４が外部電源に電気的に接続される。

図３を参照すると、本開示の教示に従う電気ヒーターを製造する変形例の方法２００が説明されている。この方法は、基板のトレンチを埋める機能性材料のタイプに応じて、静電チャックの電極層やＲＦアンテナ層などの別の電気部品を形成するために適用することができる。

この方法２００は、ステップ２０２において、基板７０を提供し、基板７０に少なくとも１つのトレンチ７２を形成することから始まる。基板７０は、窒化アルミニウムを含み得る。このステップでは、少なくとも1つのトレンチは、レーザー除去/切断プロセス、マイクロビーズブラスト、機械加工、３Ｄ焼結/印刷/積層造形、未焼結状態、成形、ウォータージェット、ハイブリッドのレーザー/水、またはドライプラズマエッチングなどのハードマスクパターンを使用しない機械的方法によって形成できる。マイクロビーズブラストプロセスを使用する場合、ビーズの粒子サイズは１００μｍ未満、好ましくは５０μｍ未満である。

次に、ステップ２０４において、第１の金属を含む第１の機能性材料７４がトレンチ７２を埋めるとともに基板７０の上面に設けられる。第１の機能性材料７４は、とりわけ、厚膜、薄膜、溶射、またはゾルゲルに関連するプロセスを使用して、基板または別の層への材料の塗布または蓄積を含む層状プロセスによって形成され得る。あるいは、第１の機能性材料７４は、図２Ｃのステップ１２２に関連して前述したように、ろう付けリフロープロセスを使用して、基板７０上およびトレンチ７２内に堆積することができる。例えば、第１の機能性材料７４は、金属箔を基板７０上に配置し続いて金属箔を溶融して、溶融材料がトレンチ７２を埋めるとともに基板の上面にリフローするようにすることによって形成され得る。

次に、図２Ｃに関連して説明したステップ１２４と同様に、ステップ２０４において、第１の機能性材料７４がアニーリングなどによって熱処理され得る。その後、ステップ２０６で、過剰な第１の機能性材料７４が基板７０から除去され、それにより、第１の機能性材料７４を基板７０の少なくとも１つのトレンチ７２内に残して、第１の機能要素７６を形成する。除去プロセスは、化学的機械プロセス（ＣＭＰ）、エッチング、または研磨とすることができる。次に、ステップ２０８において、第１の機能要素７６上および基板７０上に誘電体層７８が堆積される。

次に、ステップ２１０において、少なくとも２つの対応する位置で、少なくとも１つのビア７９が誘電体層７８を通して形成されて、第１の機能要素７６の一部を露出させる。ビア７９は、ビアホール８０およびトレンチ８２を含み得る。このステップは、誘電体層７８にトレンチ８２を形成するステップ、および誘電体層７８を通して第１の機能要素７６にビアホール８０を形成するステップを含む。トレンチ８２は、ビアホール８０が形成される前または後に形成され得る。ビア７９は、レーザー切断によって形成することができる。トレンチ８２は、約１００ｎｍから１００μｍの範囲の深さを有し得る。

ステップ２１２において、第２の機能性材料８４が、ビアホール８０およびトレンチ８２を含むビア７９と誘電体層７８の上面とに堆積され、その結果、第２の機能性材料８４は第１の機能要素材料７６と接触する。

ステップ２１４において、過剰な第２の機能性材料８４が誘電体層７８から除去され、それにより、第２の機能性材料８４をビア７９内に残して、第１の機能要素７６への電気的終端を形成する。このステップにおいて、トレンチ８２内に残っている第２の機能性材料８４は、第２の機能要素８６を形成する。除去工程後の第２の機能性材料８４の上面は、誘電体層７８の上面と同一平面上にある。あるいは、第２の機能性材料８４をエッチングして、所望のプロファイルを形成することもできる。

方法２００が電気ヒーターを形成するために使用される場合には、第１の機能要素７６は抵抗加熱要素であり、第２の機能要素８６は抵抗加熱要素を外部電源に接続するための経路要素であるようにすることができる。方法２００を使用して静電チャックの電極層を形成する場合には、第１の機能要素７６は電極要素であり、第２の機能要素８６は電極要素を外部電源に接続するための経路要素であるようにすることができる。

あるいは、第１の機能要素７６は経路要素であり、第２の機能要素は抵抗加熱要素または電極要素であるようにすることができる。この場合、ビアホール８０は、第１の機能要素７６と同じ材料、または所望の電気伝導のための異なる材料で満たされるようにすることができる。

その後に任意選択的に、ステップ２１６で、第１のポストホール９０または第２のポストホール９２を形成することができる。第１のポストホール９０は、誘電体層９２およびその下にある第１の機能要素７６を通って延びる。第２のポストホール９２は、第２の機能要素８６を通って延びる。第１および第２のポストホール９０、９２は、レーザー切断プロセスまたはビードブラストプロセスによって形成され得る。

第１の機能要素７６および／または第２の機能要素８６を別のヒーター層、調整層、温度感知層、冷却層、電極層、および／またはＲＦアンテナ層のような別の電気コンポーネントに接続するために、追加の端子ピン（図示せず）を第１のポストホール９０および／または第２のポストホール９２に挿入することができる。その結果、追加のヒーター層、調整層、冷却層、電極層、またはＲＦアンテナ層を同じ経路要素および外部電源に接続することができる。追加のヒーター層、調整層、冷却層、電極層、ＲＦアンテナ層は、図２Ａから図３に関連して説明した方法１００または２００によって製造され得る。

図２Ａから図２Ｅに関連して開示された方法１００に関して、本開示の方法は、ヒーター層１２および経路層１４を製造するサブプロセスを含むように説明されているが、方法１００は、同様の手順を使用して追加の１つまたは複数の電気コンポーネントを製造する追加の１つまたは複数のサブプロセスを含み得る。例えば、方法１００は、別のヒーター層、調整層、冷却層、電極層、およびＲＦアンテナ層などを製造するためのサブプロセスをさらに含み得る。

あるいは、ヒーター層１２を製造するサブプロセスを使用して、トレンチ内を異なる材料で埋めることにより別の電気部品を形成することができる。例えば、ペルチェ材料が基板のトレンチを埋めれば、冷却層が形成され得る。電極材料がトレンチを埋めれば、静電チャック用の電極層が形成され得る。適切なＲＦアンテナ材料がトレンチを埋めれば、ＲＦアンテナ層が形成され得る。比較的低い熱伝導率を有する材料がトレンチを埋めれば、遮熱層が形成され得る。比較的高い熱伝導率を有する材料がトレンチを埋めれば、熱スプレッダーが形成され得る。

本開示の方法１００、２００によって製造された電気ヒーター１０は、埋め込まれた加熱回路および埋め込まれた経路回路、ならびに基板全体にわたってより平面的である複数の機能層を有する。したがって、電気ヒーターは、より均一な構造およびより均一な加熱性能を有することができる。

図４に示す本開示の教示に従って作られた支持ペデスタル３００は、プレートアセンブリ３０２と、結合部３０６を介してプレートアセンブリ３０２に結合された管状シャフト３０４とを含む。支持ペデスタル３００は、半導体処理において、その上にウェーハを支持するように構成されている。プレートアセンブリ３０２は、電気ヒーター、静電チャック、またはセラミック基板およびセラミック基板に埋め込まれた機能要素を含む任意のデバイスの形態であり得る。

例示的な形態では、プレートアセンブリ３０２は電気加熱プレートであり、セラミック基板３０８、抵抗加熱要素３１０、および経路要素３１２を含む。抵抗加熱要素３１０および経路要素３１２は、セラミック基板３０８に埋め込まれている。セラミック基板３０８は、ホットプレスによって形成されたモノリシック基板であり、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などのセラミック材料で作ることができる。プレートアセンブリ３０２は、抵抗加熱要素３１０を経路要素３１２に電気的に接続するための複数の第１の終端部分３１４と、経路要素３１２の中央部分に隣接して配置された一対の第２の終端部分３１６とをさらに含む。一対のリード線３１８は、第２の終端部分３１６に接続され、経路要素３１２を外部電源（図示せず）に接続するために管状シャフト３０４の内側に延びる。第１の終端部分３１４の数は、抵抗加熱要素３１０によって画定される加熱ゾーンの数に依る。

抵抗加熱要素３１０は、熱を発生させるために、モリブデン、タングステン、白金、またはそれらの合金からなる群から選択されるもののような比較的高い抵抗率を有する抵抗材料でできている。さらに、抵抗加熱要素３１０の抵抗材料は、抵抗加熱要素２２がヒーターおよび温度センサーとして機能するように、十分な抵抗温度係数（ＴＣＲ）特性を有するようにすることができる。経路要素３１２は、抵抗加熱要素３１０を外部電源に電気的に接続するために比較的高い導電性を有する導電性材料でできている。

プレートアセンブリ３０２が静電チャックとして形成される場合には、抵抗加熱要素の代わりに電極要素が形成されることを理解されたい。

図５Ａから５Ｄには、支持ペデスタル３００を製造する方法４００が示されている。この方法４００は、ステップ４０２において、複数のスラグを熱間静水圧プレスチャンバ４５０内に配置し、チャンバ工具（図示せず）に位置合わせすることから始まる。複数のスラグは、複数の第１のスラグ４５２および一対の第２のスラグ４５４を含み得る。第２のスラグ４５４は、第１のスラグ４５２よりも短い長さを有し、熱間静水圧プレスチャンバ４５０の中央部分に隣接して配置される。第１および第２のスラグ４５２、４５４は、後続のステップで、それぞれ、第１および第２の終端部分３１４、３１６（図４）にされる。

次に、ステップ４０４において、（ステップ４０２にのみ示される）熱間静水圧プレスチャンバ４５０がＡｌＮ粉末などのセラミック粉末４５５で満たされる。次に、ステップ４０６において、セラミック粉末４５５ならびに第１および第２のスラグ４５２、４５４が、熱間静水圧プレスチャンバ４５０内でホットプレスプロセスを受けて、焼結アセンブリ４５６が形成される。ホットプレスは、焼結およびクリーププロセスを誘発するために十分に高い温度での、粉末成形体に対する高圧で低ひずみ速度の粉末冶金プロセスとして知られている。これは、熱と圧力を同時に加えることによって行われる。焼結アセンブリ４５６においては、第１および第２のスラグ４５２、４５４は、プレスされ、焼結されて、セラミック基板４５７に埋め込まれている。焼結アセンブリ４５６は、第１の表面４５８および第２の表面４６０を有する。第１のスラグ４５２は、第１の表面４５８から第２の表面４６０まで延びて、第１および第２の表面４５８、４６０から露出している。第２のスラグ４５４は、第２の表面４６０のみに露出している。高レベルの表面平坦度と平行度を達成するために、焼結アセンブリ４５６にラップ加工を行うことができる。

図５Ｂに示されるように、ステップ４０８において、少なくとも１つのトレンチ４６２が焼結アセンブリ４５６に形成される。トレンチ４６２は、第１の表面４５８に沿って形成され、また第１のスラグ４５２に形成される。トレンチ４６２は、平面図において蛇行構成を有し得る。少なくとも１つのトレンチ４６２は、レーザー除去／切断プロセス、マイクロビーズブラスト、機械加工、３Ｄ焼結／印刷／積層造形、未焼結状態、成形、ウォータージェット、ハイブリッドのレーザー／水またはドライプラズマエッチングなどの機械的方法によって形成することができる。トレンチ４６２は、第２のスラグ４５４内に延在しない。複数の加熱ゾーンが望まれる場合、複数の加熱ゾーンに対応する複数の抵抗加熱要素３１０を形成するために、複数のトレンチ４６２が形成される。

次に、ステップ４１０において、機能性材料４６４が、焼結アセンブリ４５６の第１の表面４５８に設けられて、トレンチ４６２を埋めるとともに第１の表面４５８全体を覆うようにされる。この機能性材料４６４は、堆積、スパッタリング、または任意の従来の方法によって設けるようにすることができる。あるいは、機能性材料４６４は、とりわけ厚膜、薄膜、溶射、またはゾルゲルに関連するプロセスを使用して、基板または別の層への材料の塗布または蓄積を行う層状プロセスによって形成され得る。あるいは、機能性材料４６４は、ろう付けリフロープロセスを使用して、焼結アセンブリ４５６上およびトレンチ４６２内に堆積することができる。例えば、機能性材料４６４は、焼結アセンブリ４６５の第１の表面４５８上に金属箔を配置し続いて金属箔を溶融して、溶融材料がトレンチ４６２を埋めるとともに焼結アセンブリの４５６の第１の表面４５８にリフローするようにすることによって形成され得る。

機能性材料４６４は、モリブデン、タングステン、白金、またはそれらの合金などの比較的高い抵抗率を有する抵抗材料とすることができる。静電チャックが望まれる場合は、機能性材料４６４は電極に適した材料とすることができる。次に、ステップ４１２において、機能性材料４６４に対して平坦化プロセスが実行されて第１の表面４５８が露出するまで過剰な機能性材料が除去され、それにより、トレンチ２０内に機能要素を形成するようにする。この形態では、機能要素は、第１のスラグ４５２に接続されている抵抗加熱要素である。平坦化プロセスは、化学的機械研磨／平坦化（ＣＭＰ）プロセス、エッチング、研磨とすることができる。

その後、ステップ４１４において、焼結基板部品４７０を熱間静水圧プレスチャンバ４５０内に配置し、焼結アセンブリ４５６を、抵抗加熱要素３１０が焼結基板部品４７０に隣接する状態で、焼結基板部品４７０の上に配置する。あるいは、用途に応じて、焼結基板部品４７０を使用する代わりに、別の機能要素が埋め込まれた別の焼結アセンブリを焼結アセンブリ４５６に結合するようにすることができる。任意選択的に、ＡｌＮ粉末と焼結助剤の混合物４７２を、焼結アセンブリ４５６と焼結基板部品４７０との間に設けて、焼結アセンブリ４５６を焼結基板部品４７０に結合することを容易にすることができる。

図５Ｃに示されるように、ステップ４１６において、（第１の終端部分３１４となる）第１のスラグを（第２の終端部分３１６となる）第２のスラグに接続するために、材料層４７６が焼結アセンブリ４５６の第２の表面４６０上に形成される。材料層４７６は、箔の形態であり、第２の表面４６０の上部に配置されるか、または堆積によって第２の表面４６０上に形成されるようにすることができる。材料層４７６は、約５ミル（０．１２７ｍｍ）の厚さを有する。焼結アセンブリ４５６の第２の表面４６０上に材料層４７６が形成された後、静水圧プレスチャンバ４５０は、ＡｌＮ粉末および焼結助剤の別の混合物４７８で満たされる。

次に、ステップ４１８において、焼結アセンブリ４５６、焼結基板部品４７０、およびＡｌＮ粉末と焼結助剤の混合物４７８は、静水圧プレスチャンバ４５０内でホットプレスプロセスを受ける。これにより、単一のモノリシック基板３０８が形成され、抵抗加熱要素３１０、経路要素３１２（すなわち、材料層４７６）、第１および第２の終端３１４、３１６（すなわち、第１および第２のスラグ４５２、４５４）がその中に埋め込まれた状態となる。

次に、ステップ４２０において、ホール４８０がモノリシックセラミック基板３０８に開けられて、第２の終端部分３１６へのアクセスを可能にする。

最後に、ステップ４２２において、リード線３１８がホール４８０に挿入されて第２の終端部分３１６に結合され、管状シャフト３０４が結合部３０６によってモノリシックセラミック基板３０８に結合されて、支持ペデスタル３００が完成される。

結合部３０６は、管状シャフト３０４のプレートアセンブリ３０２への結合を容易にするためにアルミニウム材料で充填されたトレンチを含み得る。結合部は、本願出願人が２０１８年４月１７日に出願した「ボンディングトレンチを備えたセラミック－アルミニウムアセンブリ（Ｃｅｒａｍｉｃ－Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ｗｉｔｈ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｔｒｅｎｃｈｅｓ）」と題される同時係属中の米国特許第１５／９５５，４３１号に記載されており、その内容は、参照することにより全体が本明細書に組み込まれる。

この形態では、セラミック基板を通してビアホールを形成する必要はない。抵抗加熱要素３１０は、スラグの形態の第１の終端部分によって経路要素３１２に接続されている。経路要素は金属箔であり得る。したがって、抵抗を低減して良好な導電性を提供するために、経路要素および第１の終端部分を形成するための材料の幅広い選択が利用可能である。機能性材料を受け入れるためのトレンチを形成することにより、抵抗加熱要素を非常に薄くして、抵抗加熱要素の抵抗を増加させることができる。

本開示は、例として説明および図示された形式に限定されないことに留意されたい。多種多様な変更例が記載されており、より多くは当業者の知識の一部である。これらおよびさらなる変更、ならびに技術的同等物による置換は、本開示および本特許の保護の範囲を離れることなく、説明および図に追加することができる。

Claims (17)

1. ヒーターを製造する方法であって、
   セラミック粉末と複数の第１のスラグをホットプレスして、セラミック基板およびその中に埋め込まれた該複数の第１のスラグを含む焼結アセンブリを形成するステップであって、該複数の第１のスラグが該焼結アセンブリの相互に反対側の表面の両方から露出するようにする、ステップと、
   該焼結アセンブリの相互に反対側の表面の一方に機能要素を形成するステップであって、該機能要素が該複数の第１のスラグに接続されるようにする、ステップと、
   焼結基板部品又は別の焼結アセンブリを該焼結アセンブリの相互に反対側の表面の該一方及び該機能要素に接触するようにして該焼結アセンブリ上に配置するステップと、
   該機能要素および該複数の第１のスラグが埋め込まれたモノリシック基板を形成するステップと、
   を有し、
   該機能要素を形成するステップが、
   該焼結アセンブリの相互に反対側の表面の該一方および該複数の第１のスラグの一部に少なくとも１つのトレンチを形成するステップと、
   該機能要素を形成するように機能性材料を該少なくとも１つのトレンチに堆積させるステップであって、該機能要素が該複数の第１のスラグに接続されるようにする、ステップと、
   を有する、方法。
2. 該焼結アセンブリの相互に反対側の表面の他方に材料層を形成して、該機能要素が該複数の第１のスラグによって該材料層に接続されるようにするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 該材料層が金属箔である、請求項２に記載の方法。
4. 該機能性材料を該少なくとも１つのトレンチに堆積させるステップが、
   該焼結アセンブリの相互に反対側の表面の該一方および該少なくとも１つのトレンチに該機能性材料を堆積させるステップと、
   該機能性材料が該少なくとも１つのトレンチ内のみに存在するように過剰な機能性材料を除去するステップと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
5. 該過剰な機能性材料を除去するステップが、化学的機械平坦化／研磨（ＣＭＰ）、エッチング、および研磨からなる群から選択されるプロセスを含む、請求項４に記載の方法。
6. 該焼結アセンブリを形成するステップが、
   該複数の第１のスラグを静水圧プレスチャンバ内に配置するステップと、
   該静水圧プレスチャンバを該セラミック粉末で満たすステップと、
   該セラミック粉末および該複数の第１のスラグをホットプレスして、該焼結アセンブリを形成するステップと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
7. 該モノリシック基板を形成するステップが、
   該焼結アセンブリと該焼結基板部品又は別の焼結アセンブリを熱間静水圧プレスチャンバ内に配置するステップと、
   該焼結アセンブリ、該機能要素、及び該焼結基板部品又は別の焼結アセンブリをホットプレスして、該モノリシック基板を形成するステップと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
8. 該焼結アセンブリの相互に反対側の表面の他方に材料層を形成して、該材料層が該複数の第１のスラグに接続されるようにするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 該焼結アセンブリが、該複数の第１のスラグよりも短い長さを有する複数の第２のスラグをさらに含み、該材料層が該複数の第２のスラグに接続されるようにされた、請求項８に記載の方法。
10. 該モノリシック基板を形成するステップが、
    該焼結アセンブリと該焼結基板部品又は別の焼結アセンブリを熱間静水圧プレスチャンバ内に配置するステップと、
    該熱間静水圧プレスチャンバを追加のセラミック粉末で満して、該焼結アセンブリが該追加のセラミック粉末と該焼結基板部品又は別の焼結アセンブリとの間に配置されるようにするステップと、
    該焼結アセンブリ、該機能要素、該材料層、該追加のセラミック粉末、および該焼結基板部品又は別の焼結アセンブリをホットプレスして、モノリシック基板を形成するステップと、
    を含み、
    該第１および第２のスラグ、該機能要素、および該材料層が、該モノリシック基板に埋め込まれるようにされた、請求項９に記載の方法。
11. 該第２のスラグへのアクセスを可能にするために該モノリシック基板にホールを開けるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. リード線を該第２のスラグに接続するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. ヒーターを製造する方法であって、
    セラミック基板およびその中に埋め込まれた複数の第１のスラグを含む焼結アセンブリを形成するステップであって、該複数の第１のスラグが該焼結アセンブリの相互に反対側の表面の両方から露出するようにする、ステップと、
    該焼結アセンブリの相互に反対側の表面の一方および該複数の第１のスラグの一部に少なくとも１つのトレンチを形成するステップと、
    機能性材料を該少なくとも１つのトレンチ内に堆積させて、該複数の第１のスラグに接続された機能要素を形成するステップと、
    焼結基板部品又は別の焼結アセンブリを該焼結アセンブリの相互に反対側の表面の該一方及び該機能要素に接触するようにして該焼結アセンブリ上に配置するステップと、
    該焼結アセンブリの相互に反対側の表面の他方に材料層を設けて、該材料層が該第１のスラグに接続されるようにするステップと、
    該機能要素、該第１のスラグ、および該材料層が埋め込まれたモノリシック基板を形成するステップと、
    を含む、方法。
14. 該焼結アセンブリが、該複数の第１のスラグよりも短い長さを有する複数の第２のスラグをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 該焼結アセンブリを形成するステップが、
    該複数の第１のスラグおよび該複数の第２のスラグを静水圧プレスチャンバ内に配置するステップと、
    該静水圧プレスチャンバをセラミック粉末で満たすステップと、
    該セラミック粉末ならびに該複数の第１および第２のスラグをホットプレスして、焼結アセンブリを形成するステップと、
    を含み、
    該第１および第２のスラグが該焼結アセンブリの厚さ方向に沿って延びるようにされた、請求項１４に記載の方法。
16. 該焼結基板部品又は別の焼結アセンブリを該焼結アセンブリとともにホットプレスして、ヒーターを該モノリシック基板に形成するステップとをさらに備える、請求項１５に記載の方法。
17. 該第２のスラグへのアクセスを可能にするために該モノリシック基板にホールを開けるステップをさらに備える、請求項１５に記載の方法。
    

Images