KR20180121645A - 원통형 히터 - Google Patents
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Abstract
가열 어셈블리가 본 출원에 개시된다. 본 히터 어셈블리는 원통형 몸체를 포함하여 구성된다. 원통형 몸체는 가열 경로에 배치된 흑연 코어를 포함할 수 있다. 흑연 코어는 오버코트 층으로 코팅될 수 있다. 원형 몸체는 원형 몸체의 부분들 사이에서 열전달을 차단할 수 있는 슬릿을 포함할 수 있다. 본 히터 어셈블리는 히터의 상부 표면에 실질적인 직립으로 배치되므로 수직으로 배치되는 주 부분을 가지는 복수의 가열단을 포함하여 구성되는 구조형태를 가질 수 있다. 본 히터 어셈블리는 제1 말단에 플랜지와 제2 말단에 주둥이부를 포함할 수 있다. 본 히터 어셈블리 구조 형태는, 특히 다른 디자인들에 비해, 감소된 열 응력 및/또는 감소된 CTE 부정합 응력을 나타내는 히터를 제공한다.
Description
본 발명은 히터 어셈블리에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반도체 처리 디바이스에서 반도체 웨이퍼를 가열하는 것을 포함하나 이에 제한되지 않는 광범위의 다양한 용도에 적합한 코팅된 흑연 히터 어셈블리 구성에 관한 것이다.
반도체 디바이스 또는 반도체 재료의 제조에서, 반도체 웨이퍼는 상대적으로 높은 온도(예를 들어, 1000℃ 이상)에서 반응 챔버를 구획하는 인클로져(enclosure) 내에서 처리되고, 이때 웨이퍼는 전원에 연결된 저항 히터와 인접하여 또는 접촉하여 배치된다. 원통형 히터의 경우, 웨이퍼는 지지체 위에 놓일 수 있고, 이 지지체는 히터로 가열될 수 있다. 이러한 프로세스에서, 히터는 약 1℃ 내지 10℃ 범위에서 변화하는 반도체 웨이퍼의 온도를 실질적으로 일정하고 균일하게 유지하려고 한다.
미국 특허 제5,343,022호는 열분해 질화 붕소 베이스 상에 적층된 열분해 흑연("PG")으로 된 가열 요소를 포함하여 구성되는, 반도체 웨이퍼 처리 공정에 사용하기 위한 가열 유닛을 개시하고 있다. 흑연 층은, 외부 전원의 소스에 연결되는 2개의 단부를 가지며, 가열될 영역을 구획하는, 나선형 또는 사행형(serpentine) 구조로 기계 가공된다. 그 다음, 전체 가열 어셈블리는 열분해 질화 붕소("PBN") 층으로 코팅된다. 미국 특허 제6,410,172호는 PBN 기판 상에 장착된 PG 요소를 포함하여 구성되는 가열 요소, 웨이퍼 캐리어(wafer carrier) 또는 정전 척(electrostatic chuck)을 개시하며, 여기서 전체 어셈블리는 화학 부식으로부터 보호하기 위해 후에 AIN의 외부 코팅으로 화학 증착(chemical vapor deposition: CVD) 코팅된다.
흑연은 경제적이고 내열성(temperature resistant)이 있는 내화 물질이지만, 흑연은 일부 웨이퍼 처리 화학 환경에 의해 부식되어, 입자 및 분진을 발생하기 쉽다. 통상적으로 기계 가공된 흑연 히터의 불연속적인 표면으로 인해, 전력 밀도(power density)가 가열될 영역에 걸쳐 크게 다양하다. 또한, 흑연 몸체는, 특히 사행 구조로 기계가공 후에, 부서지기 쉽고, 그 기계적 완전성이 불량하다. 따라서 비교적 큰 단면 두께를 갖는 경우에도, 예를 들어 반도체 흑연 히터 용도에 전형적인 약 0.1 인치 이상인 경우에도, 히터는 여전히 매우 약하여 조심스럽게 취급되어야 한다. 또한, 흑연 히터는, 휘어짐(bowing) 또는 오정렬을 유발하는 어닐링으로 인해, 시간이 지남에 따라 치수가 변하여, 전기 단락을 초래한다. 전기 전도성일 수 있는 막을 반도체위에 부착하는 것은 또한 반도체 웨이퍼 처리에서 통상적이다. 이러한 막은 히터 위에 변하기 쉬운 코팅(fugitive coatings)으로 부착하여, 전기 단락, 전기적 특성의 변화의 요인이 될 수 있고, 또는 추가적인 휘어짐 및 왜곡을 유발할 수 있다.
흑연 히터의 안정성을 개선하기 위한 하나의 접근법은, 흑연 몸체를 질화 붕소와 같은 질화물로 코팅하거나, 가열 요소들 사이에 질화 붕소 브릿지(bridges)를 제공하는 것이다. 이러한 설계는 (흑연과 질화 붕소 재료 사이의) 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion: CTE) 부정합 응력(mismatch stress) 및 상승된 작동온도에서의 열 응력으로부터의 고 응력을 여전히 나타낼 수 있다. 고 응력은 가열 디바이스의 조기 고장을 초래할 수 있다. 다른 태양에서, 이러한 흑연 히터는 종종 히터 전반에 걸쳐 불규칙한 열 특징(heat signatures)을 갖는다.
다음은 몇몇 태양에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해 제시되는 본 발명의 개요이다. 이 개요는 핵심 또는 중요 요소를 확인시키고자 하는 것도 아니며, 구현예들 또는 청구항들의 여하한 제한을 정의하고자 하는 것도 아니다. 또한, 이 개요는 본 명세서의 다른 부분들에서 더 상세하게 기술될 수 있는 몇몇 태양들의 간략한 개관을 제공할 수 있다.
본 발명은 물체의 제어된 가열을 위한 히터 어셈블리를 제공한다. 히터 어셈블리는 열분해 흑연 물질을 포함하여 구성될 수 있는 전도성 코어를 포함하여 구성된다. 상기 코어는 원하는 가열 경로로 형상화될 수 있다. 코어는 보호층으로 코팅될 수 있다. 보호층은 열분해 질화 붕소를 포함하여 구성될 수 있다. 히터 어셈블리는 일반적으로 관형 또는 원통형 몸체를 포함하여 구성될 수 있다. 몸체는 제 1 말단에 플랜지와 제 2 말단에 주둥이부(lip)를 포함하여 구성될 수 있다. 하나 이상의 슬릿 또는 개구가 상기 몸체를 관통하여 배치될 수 있다. 슬릿은 상부 몸체와 하부 몸체 사이의 열전달을 차단(cut-off)할 수 있다.
적어도 하나의 태양에서, 가열 경로는 사행 패턴과 같은 소정의 경로를 포함하여 구성될 수 있다. 사행 패턴은 복수의 가열단(rung)을 갖는 연속적인 패턴을 포함하여 구성될 수 있다. 가열단의 주 측부(predominant sides)는 원하는 가열 프로파일에 따라 수직으로, 수평으로 또는 다르게 배향될 수 있다. 부 측부들(subordinate sides)은 가열단의 주 측부들을 전기적으로 연결할 수 있다. 부 측부들은, 비확장 만곡부(non-exaggerated bend)에 비해, 가열단들 사이의 분리 또는 간격을 증가시킬 수 있는 확장 만곡부(exaggerated bend)를 포함하여 구성될 수 있다. 확장 만곡부는 "Y 자형", "T 자형"등일 수 있다.
적어도 하나의 태양에서, 히터 어셈블리는 원위 말단에 주둥이부를 포함할 수 있다. 주둥이부는 서셉터(susceptor)와 같은 디바이스(예를 들어, 지지체) 또는 재료를 받아들이도록 구성될 수 있다. 서셉터는 가열을 위한 웨이퍼를 받아들이도록 구성될 수 있다. 주둥이부는 히터 어셈블리의 원위 말단에서 균등한 또는 대체로 균일한 가열 프로파일을 제공할 수 있다.
다음의 발명의 설명 및 도면들은 다양한 예시적인 태양을 개시한다. 일부 개선점 및 새로운 태양은 명백하게 확인될 수 있지만, 다른 것들도 발명의 설명 및 도면들로부터 명백하게 될 수 있다.
첨부 도면들은 다양한 시스템, 장치, 디바이스 및 관련된 방법을 도시한 것이며, 여기서 같은 도면 부호는 전체적으로 같은 부분을 가리킨다.
도 1a는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 히터 어셈블리의 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 히터 어셈블리의 평면도이다.
도 1c는 도 1a의 히터 어셈블리의 측면도이다.
도 2a는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 확장 만곡부 및 주둥이부를 포함하여 구성되는 히터 어셈블리의 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 히터 어셈블리의 평면도이다.
도 2c는 도 2a의 히터 어셈블리의 측면도이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 히터 어셈블리의 단면도이다.
도 4는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 따라 제조하는 동안의 히터 어셈블리의 단면도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 따라 제조하는 동안의 히터 어셈블리의 다른 단면도이다.
도 6은 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 히터 어셈블리의 단면도이다.
도 7a는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 확장 만곡부, 주둥이부 및 하나 이상의 슬릿을 포함하여 구성되는 히터 어셈블리의 사시도이다.
도 7b는 도 7a의 히터 어셈블리의 평면도이다.
도 7c는 도 7a의 히터 어셈블리의 측면도이다.
도 8은 도 7a의 히터 어셈블리에 대한 부분 확대도이다.
도 9는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 다른 히터 어셈블리 및 도가니(crucible)의 사시도이다.
도 10은 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 주로 수평인(horizontally predominant) 가열단을 포함하여 구성되는 히터 어셈블리의 사시도이다.
도 11a는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한, 플랜지에 슬릿들을 포함하여 구성되는 다른 히터 어셈블리의 사시도이다.
도 11b는 도 11a의 히터 어셈블리의 평면도이다.
도 12a는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한, 확장 만곡부 및 주둥이부를 포함하여 구성되는 히터 어셈블리 전체에 걸친 온도를 도시한 그래프이다.
도 12b는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 확장 만곡부 또는 주둥이부가 없는 히터 어셈블리 전체에 걸친 온도를 도시한 그래프이다.
도 1a는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 히터 어셈블리의 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 히터 어셈블리의 평면도이다.
도 1c는 도 1a의 히터 어셈블리의 측면도이다.
도 2a는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 확장 만곡부 및 주둥이부를 포함하여 구성되는 히터 어셈블리의 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 히터 어셈블리의 평면도이다.
도 2c는 도 2a의 히터 어셈블리의 측면도이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 히터 어셈블리의 단면도이다.
도 4는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 따라 제조하는 동안의 히터 어셈블리의 단면도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 따라 제조하는 동안의 히터 어셈블리의 다른 단면도이다.
도 6은 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 히터 어셈블리의 단면도이다.
도 7a는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 확장 만곡부, 주둥이부 및 하나 이상의 슬릿을 포함하여 구성되는 히터 어셈블리의 사시도이다.
도 7b는 도 7a의 히터 어셈블리의 평면도이다.
도 7c는 도 7a의 히터 어셈블리의 측면도이다.
도 8은 도 7a의 히터 어셈블리에 대한 부분 확대도이다.
도 9는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 다른 히터 어셈블리 및 도가니(crucible)의 사시도이다.
도 10은 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 주로 수평인(horizontally predominant) 가열단을 포함하여 구성되는 히터 어셈블리의 사시도이다.
도 11a는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한, 플랜지에 슬릿들을 포함하여 구성되는 다른 히터 어셈블리의 사시도이다.
도 11b는 도 11a의 히터 어셈블리의 평면도이다.
도 12a는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한, 확장 만곡부 및 주둥이부를 포함하여 구성되는 히터 어셈블리 전체에 걸친 온도를 도시한 그래프이다.
도 12b는 본 명세서에 개시된 하나의 구현예에 의한 확장 만곡부 또는 주둥이부가 없는 히터 어셈블리 전체에 걸친 온도를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들에 도시된 바람직한 구현예들을 들어 본 발명을 설명하기로 한다. 다른 구현예들이 이용될 수 있고 구조적 및 기능적 변화가 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 다양한 구현예들의 특징들이 결합되거나 변경될 수 있다. 그래서, 다음의 설명은 단지 설명을 위한 것이며, 예시된 구현예들에 대해 만들어 질 수 있는 다양한 대안들 및 수정들을 어떤 식으로든 제한하는 것은 아니다. 본 개시 내용에서, 다수의 특정 세부 사항은 본 발명의 완전한 이해를 제공한다. 본 개시 내용의 태양들은 본 명세서에 기술된 모든 태양들을 필수적으로 포함하지 않는 다른 구현예와 함께 실시될 수 있음을 이해해야 한다.
본 명세서에서 사용된, "예" 및 "예시적인"이라는 단어는 사례 또는 실례를 의미한다. "예" 또는 "예시적인"이라는 단어는 하나의 핵심 또는 바람직한 태양 또는 구현을 가리키는 것은 아니다. "또는"이라는 단어는 문맥상 달리 명시하지 않는 한, 배타적이 아니라 포괄적인 의미로 사용된다. 예를 들어, "A가 B 또는 C를 사용한다"는 표현은 임의의 포괄적인 순열(permutation)을 포함한다(예 : A는 B를 사용한다; A는 C를 사용한다; 또는 A는 B와 C를 모두 사용한다). 또한, "하나의(a, an)"라는 관사는, 문맥상 달리 명시하지 않는 한, "하나 이상"을 의미하는 것으로 의도된 것이다.
본 명세서에 설명된 구현예들은 관형 또는 원통형 히터 어셈블리에 관한 것이지만, 본 발명의 구현예들은 상이한 형상의 히터들을 포함할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 구현예들이 실린더, N-변(N-sided) 프리즘(예를 들어, 여기서 N은 수임), 원뿔(또는 그 일부) 등을 일반적으로 나타내는 형상들을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 이러한 히터 어셈블리의 용도는 비한정적이며, 예를 들어 반도체 웨이퍼의 제조와 같은 다양한 용도에 이용될 수 있다.
일부 통상적인 히터에서, 히터는 BN 몸체 또는 PBN 코팅된 흑연 히터를 포함할 수 있다. 이 히터에는 가열 요소들 사이에 PBN 브릿지가 포함될 수 있다. 그러나 이러한 히터들은 실온에서의 CTE 부정합 응력 및 상승된 작동 온도에서의 열 응력 모두로부터의 고 응력(high stress)을 가질 수 있다. 또 하나의 태양에서, 이러한 히터는 원하는 열 프로파일에 따라 열 에너지를 관리하지 못할 수 있다. 예를 들어, 원위 말단(예를 들어, 설계에 따라 맨 위 및/또는 맨 밑)은 다른 부분들 보다 낮은 온도를 가질 수 있다. 그러한 온도 차이(temperature variations)는 일관성이 없는 온도 프로파일을 초래할 수 있다.
본 명세서에 설명된 다양한 구현예는 열의 발생 및/또는 전달을 용이하게 할 수 있는 히터 어셈블리에 관한 것이다. 본 발명의 히터 어셈블리는 열 응력을 완화시키고, CTE 부정합 응력을 완화시키며, 다양한 치수의 신뢰할 수 있는 설계를 포함하고, 다른 히터들에 비해 더 균일한 온도 프로파일을 발생하도록 구성된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 히터 어셈블리는 질화물, 탄화물, 탄질화물, 옥시질화물 등으로 된 하나 이상의 층이 코팅된 흑연 코어를 포함하여 구성될 수 있다.
흑연 코어는 전류의 흐름을 위한 경로를 구획하는 구조를 가질 수 있다. 하나의 태양에서, 상기 전류 경로는 사행 패턴과 같은 소정의 패턴을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 전류 경로 패턴은 원하는 가열 프로파일을 달성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전류 경로 패턴은 히터 장치 전체에 열을 균일하게 분배하도록 구성될 수 있다.
흑연 코어는 하나 이상의 층으로 코팅될 수 있다. 적어도 하나의 구현예에서, 흑연 코어는 제 1 코팅층 및 제 2 코팅층으로 코팅될 수 있다. 코팅층은 B, Al, Si, Ga, 내화성 경질 금속 금속, 전이 금속 및 희토류 금속 또는 이들 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 원소의 질화물, 탄화물, 탄질화물 또는 옥시질화물 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 또 하나의 태양에 의하면, 코팅층은 PBN, 질화 알루미늄, 질화 알루미늄 티타늄, 질화 티타늄, 탄질화 티타늄 알루미늄, 탄화 티타늄, 탄화 규소 및 질화 규소 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 제 1 코팅층과 제 2 코팅층은 동일하거나, 유사하거나, 또는 상이한 재료를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 히터 어셈블리는 플랜지 또는 장착 베이스를 포함하여 구성될 수 있다. 플랜지는 히터 어셈블리의 몸체의 제 1 말단에 대체로 외접하고, 그리고/또는 그곳으로부터 연장할 수 있다. 플랜지는 하나 이상의 전기 접점을 포함하여 구성될 수 있다. 전원은 하나 이상의 전기 접점에 연결될 수 있다. 전력은 전기 접점 및 흑연 코어에 의해 구획된 가열 경로를 통해 흐를 수 있다. 상기 몸체의 제 2 말단은 주둥이부 또는 렛지(ledge)를 포함하여 구성될 수 있다. 주둥이부는, 주둥이부를 가지지 않는 말단과 비교하여, 원하는 재료로의 복사 열 전달을 증가시킬 수 있다. 하나의 태양에서, 위의 원하는 재료는, 웨이퍼를 유지 또는 지지할 수 있는 서셉터 재료와 같은, 가열될 피가열 재료일 수 있다. 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼 등일 수 있다. 구현예들이 예시적인 목적을 위한 웨이퍼의 가열을 기술하고 있지만, 개시된 구현예들은 다른 재료 또는 대상물을 가열하는 데 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.
하나의 구현예에서, 히터의 몸체는 제 1 코팅층, 제 2 코팅층 및/또는 흑연 코어 중 하나 이상을 관통하여 형성될 수 있는 하나 이상의 개구를 포함하여 구성될 수 있다. 개구는 방열(heat sink)을 차단 또는 방해하고, PBN 코팅된 흑연 히터가 제공하는 것과 대등한 온도를 발생시키도록 구성될 수 있다. 개구는 플랜지에 근접하게 배치된 하나 이상의 슬릿을 포함하여 구성될 수 있다. 슬릿은 플랜지에 대해 손실되는 열을 감소시키거나 차단시킬 수 있다. 또 다른 태양에서, 개구는 역치 온도(threshold temperature)에서 또는 그 아래의 온도에서 플랜지에 근접한 영역 및/또는 플랜지를 포함하는 영역의 온도를 역치 온도(threshold temperature)로 또는 그 아래의 온도로 유지하도록 구성될 수 있다.
하나의 예시적인 구현예에서, 히터 어셈블리는 원통 형상으로 부착되거나(deposited) 달리 형성된 PBN 베이스 층(예를 들어, 제 1 코팅층)을 포함하는 몸체를 포함하여 구성될 수 있다. PG 층(예컨대, 흑연 코어)은 PBN 베이스 층에 적층될 수 있다. PG 층은 전극 또는 전류 경로를 형성 또는 구획하도록 패턴화될 수 있다. 예를 들어, PG 층은 복수의 가열단을 포함하여 구성되는 연속 경로로서 패턴화될 수 있다. 가열단은, 몸체의 플랜지에 실질적으로 수직하게 배향된 주 부분(a major portion) 및 플랜지에 실질적으로 평행할 수 있는 부 부분들(minor portions)을 가질 수 있다. 또 다른 태양에서, PBN 오버코트 층이 PG 층 위에 그리고 PBN 베이스 코트의 적어도 일부 위에 적층될(superimposed) 수 있다. PBN/PG/PBN 히터 어셈블리는 대체로 관형 또는 원통형 형상과 같은 원하는 형상으로 구성될 수 있다. 위의 층, 코트, 베이스 등에 대한 언급은 본 명세서에 개시된 바람직한 히터 어셈블리를 형성하는 바람직한 방법을 필수적인 것으로 하지도 않고 암시하지도 않는 것임을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 명세서가 단일 PBN 층 또는 코팅에 대하여 언급하더라도, 구현예들은 다중 층 또는 코팅, 제조 공정의 상이한 시간 또는 단계에서 형성된 복수의 층 등을 포함하여 구성될 수 있는 것이다.
하나의 주둥이부가 플랜지에 대해 원위인 몸체의 말단에 형성될 수 있다. 예를 들어, 히터 어셈블리는 도가니 내에 배치될 수도 있고 그리고/또는 도가니를 포함하여 구성될 수도 있다. 전원은 히터 어셈블리의 전기 접점에 연결될 수 있다. 전력이 가열 어셈블리에 공급될 수 있고, 가열단이 열을 복사할(radiate) 수 있다. 사용자 등은 피가열 재료를 몸체에 의해 구획된 공동 내에 배치할 수 있다. 히터 어셈블리는 피가열 재료를 원하는 온도로 가열할 수 있다. 히터 어셈블리는 복수의 가열단을 구획하는 소정의 경로를 구획하는 구성을 갖는 흑연 코어를 포함하여 구성될 수 있다. 히터는, 위의 경로가 복수의 가열단을 포함하여 구성되는 연속 경로일 수 있는, 일체형 몸체로 될 수 있다. 하나의 구현예에서, 히터는 직렬 또는 병렬로 연결된 두 개의 반부(halves)를 포함하여 구성되는 흑연 몸체를 포함하여 구성되며, 각 반부는 소정 구조 형태의 복수의 가열단을 포함하여 구성된다. 적어도 하나의 구현예에서, 몸체는 직렬 또는 병렬로 연결된 두 개의 반부를 포함하여 구성되며, 각 반부는 다수의 가열단을 구획하는 소정의 경로를 구획하는 구조형태를 가지며, 여기서 가열단은 몸체의 상부 표면에 실질적으로 평행하게 배향된 주 부분을 갖는다.
본 발명의 하나의 구현예에서, 각각의 가열단은 실질적으로 동일한 폭을 갖는다. 다른 하나의 구현예에서, 적어도 하나의 가열단의 폭은 적어도 하나의 다른 가열단의 폭보다 좁을 수 있다. 몸체의 상부 표면의 맨 위에 있는 최상부 가열단의 폭은 적어도 하나의 다른 가열단보다 좁을 수 있다. 다른 구현예에서, 몸체의 상부 표면의 최상부에 있는 최상위 가열단의 폭은 적어도 하나의 다른 가열단의 폭의 절반 이하이다. 본 발명의 다른 태양에서, 히터 어셈블리는 코팅된 흑연 몸체를 포함한다. 코팅된 흑연 몸체는 상부 표면과 하부 표면을 갖는다. 몸체는 복수의 가열단을 구획하는 소정의 경로를 구획하는 구조형태를 가질 수 있고, 각 가열단의 주 부분은 상기 상부 표면에 실질적으로 평행하게 배향된다. 하나 이상의 가열단의 폭은 다른 가열단의 폭보다 좁다.
본 발명의 태양들에 따라 그 위에 프린팅된 히터를 가지는 히터 또는 장치가, 광범위한 용도에 사용하기에 적합할 수 있다. 상이한 전력 밀도 구배를 갖는 복수의 히터 소자를 포함하여 구성되는 히터는, 가열 프로파일의 정확한 제어를 제공하고, 상이한 가열 구역 또는 전극 경로(electrode paths)에 인가된 전력을 변화시킴으로써 가열 프로파일의 변화를 허용하는 것이 바람직한 용도에 특히 적합하다. 히터 어셈블리 또는 히터 어셈블리를 포함하여 구성되는 컨테이너의 적합한 용도는, 예를 들어, 분자 빔 에피택셜(molecular beam epitaxial) 용도, 금속 증발(metal evaporation), 열 증발(thermal evaporation), 태양 전지 성장(solar cell growth), 금속 유기 화학 증착(metal organic chemical vapor deposition: MOCVD), 플라즈마 강화 화학 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition: PECVD), 유기 금속 화학 증착(organometallic chemical vapor deposition: OMCVD), 유기 금속 증기상 에피택시(metal organic vapor phase epitaxy: MOVPE), 수직 구배 빙결(vertical gradient freeze: VGF), 결정 성장 프로세스 등을 포함하되 그에 한정되지 아니한다.
도 1a 내지 도 1c는 원위 말단(102) 및 근위 말단(104)을 갖는 몸체(110)를 포함하여 구성될 수 있는 히터 어셈블리(100)의 예시적인 구현예를 도시한다. 몸체(110)는 가열 경로(120)를 형성하는 복수의 가열단(140)을 포함한다. 다른 하나의 태양에서, 몸체(110)는 하부 몸체(136), 하나 이상의 몸체 절연 영역(114) 및 상부 몸체(138)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 몸체 절연 영역(114)은 절개(cut through)되어 있지 않다. 몸체(110)는 플랜지(130)로부터 원위 말단(102)을 향해 연장될 수 있다. 원위 말단(102)에서, 몸체(110)는 주둥이부(lip) 없이 끝날 수 있다. 구현예들이 본 명세서에 설명된 주둥이부(lip)를 포함할 수도 있음을 이해하여야 한다. 히터 어셈블리(100)는 개시된 구현예들에 비해 고르지 않은 열 프로파일을 가질 수도 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 개시된 구현예들은 히터의 원위 말단에 있는 주둥이부, 절개된 하나 이상의 절개 영역, 가열단 내의 확장 만곡부 등을 포함할 수도 있다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 태양들 및 구현예들에 의한 히터 어셈블리(200)의 하나의 구현예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 히터 어셈블리(200)는 원위 말단(202) 및 근위 말단(204)을 가진 몸체(210)를 포함하여 구성될 수 있다. 몸체(210)는 원위 말단(202)에 있는 주둥이부(212), 하나 이상의 수평 절연 구역(214), 및 가열 경로(220)를 포함하여 구성될 수도 있다. 플랜지(230)는 근위 말단(204)에 또는 그 근처에 배치될 수 있다. 히터 어셈블리(200)는 설명의 간결함을 위해 도시되지 않은 다른 구성 및/또는 구성 요소를 포함하여 구성될 수도 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 히터 어셈블리(200)는 도가니, 서셉터 등을 포함하여 구성될 수도 있고 그리고/또는 그들에 부착될 수도 있다.
몸체(210)는 전도 경로 또는 가열 경로(220)를 형성하는 재료의 하나 이상의 층을 포함하여 구성될 수 있다. 하나의 예에서, 몸체(210)는 제 1 층 또는 베이스 코트를 포함하여 구성될 수 있다. 베이스 코트는 PBN 베이스 코트를 포함하여 구성될 수 있다. PBN 베이스 코트는 PG 층을 포함하여 구성될 수도 있는 코어 또는 중간층과 적층될 수 있다. PG 층은 가열 경로(220)를 구획하도록 형성될 수 있다. 하나의 태양에서, PG 층은 화학 증착(chemical deposition), 화학적 에칭, 기계적 처리 등을 통해 패터닝되거나 원하는 패턴으로 형성될 수 있다. PG 층은 PBN 층으로 오버 코팅될 수 있다. 적어도 하나의 태양에서, 베이스 PBN 층 및 PBN 오버 코트는 PG 층을 대체로 커버하여 외부 대기에 노출되지 않도록 할 수도 있다. PG 층의 일부는 전기 접점에서 또는 그 부근에서 노출될 수도 있음을 이해하여야 한다. 또한, 몸체(210)는 상이한 수의 층, 다르게 형성된 층 등을 포함하여 구성될 수도 있음을 이해하여야 한다. 또 다른 태양에서, 다양한 상이한 층들이 적절한 프로세스에 따라 형성될 수 있다. 이러한 프로세스에는, 예를 들어, 화학 증착, 화학 에칭, 기계적 에칭, 물리적 가공, 몰딩(예를 들어, 주조 등) 등을 포함할 수도 있다.
하나의 태양에서, 가열 경로(220)는 하나 이상의 가열단(240)을 포함하여 구성될 수 있다. 각각의 가열단(240)은 주 측부(242) 및 부 측부(244)를 포함하여 구성될 수 있다. 적어도 하나의 구현예에서, 주 측부(242)는 원위 말단(202) 및/또는 근위 말단(204)과 대체로 수직으로 연장될 수 있다. 부 측부(244)는 원위 말단(202) 및/또는 근위 말단(204)과 대체로 평행하게(예를 들어, 주 측부(242)와 수직으로) 뻗을 수 있다. 또 하나의 태양에서, 주 측부(242)는 일반적으로 부 측부(244)의 제 2 길이보다 큰 제 1 길이를 가질 수 있다. 다양한 구현예들이 원위 말단(202) 및/또는 근위 말단(204)과 대체로 평행한 주 측부(242)를 포함하여 구성될 수 있음을 이해하여야 한다. 유사하게, 부 측부(244)는 주 측부(242), 원위 말단(202) 및/또는 근위 말단(204)과 수직일 수도 있음을 이해하여야 한다. 또한, 주 측부(242) 및 부 측부(244)는 폭이 대체로 같을 수도 있음을 이해하여야 한다.
다양한 구현예들이 수평, 수직으로 배치되거나 또는 다른 방향으로 배향된 가열단(240)으로 묘사될 가열단(240)을 기술할 수도 있다. 상기 방향은 주 측부(242)가 뻗는 방향을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 수직으로 배향된 가열단(240)이 원위 말단(202) 및/또는 근위 말단(204)과 대체로 수직인 주 측부(242)를 포함하여 구성될 수도 있다. 유사하게, 수평으로 배향된 가열단(240)이 원위 말단(202) 및/또는 근위 말단(204)과 대체로 평행한 주 측부(242)를 포함하여 구성될 수도 있다. 그러한 붙여진 표지(labels)(예를 들어, 수평 배향된, 수직 배향된 등)는 설명의 명료성을 위해 사용됨을 이해하여야 한다. 그래서, 다양한 다른 명명법이 가열단(240)의 상대적인 배향을 기술하기 위해 이용될 수도 있다. 또한, 가열단(240)은 원위 말단(202) 및/또는 근위 말단(204)과 수직 및/또는 평행이 아닌 것일 수도 있음을 이해하여야 한다. 다른 또 하나의 태양에서, 원위 말단(202) 및/또는 근위 말단(204)은 형상이 불규칙할 수도 있다.
가열단(240)은 절연 영역(246)에 의해 적어도 부분적으로 떨어지거나 분리되거나 구획될 수 있다. 절연 영역(246)은, PG를 포함하여 구성되지 않는 영역을 포함하여 구성되거나 그리고/또는 전기 절연 재료를 포함하여 구성되는 영역을 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 절연 영역(246)은 PBN, 공기(air)(예를 들어, 재료 없음) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 하나의 태양에서, 절연 영역(246)은 확장 만곡부(248)를 포함하여 구성될 수도 있다. 확장 만곡부(248)는 본 명세서에서 설명된 바와 같이 삼각 형상, 원 형상 또는 본 명세서에 기술된 다른 형상을 포함할 수도 있는 영역을 포함하여 구성될 수도 있다. 도 1a에 도시된 바와 같은 원형의 형상은, 가열단이 서로 만나는 부 측부(244)에 추가의 절연을 제공할 수도 있다.
플랜지(230)는 몸체(210)로부터 근위 말단(204)에 근접하게 연장될 수 있다. 플랜지(230)는 몸체(210)로부터 대체로 수직하게 연장될 수 있다. 하나의 태양에서, 플랜지(230)는 대체로 평평 또는 편평할 수 있다. 예를 들어, 플랜지(230)는 몸체(210)를 지지하기 위해 표면(예를 들어, 플로어)과 접촉할 수 있다. 플랜지(230)는 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다. 또 다른 태양에서, 플랜지(230)는 물리적으로 서로 접촉하지 않을 수도 있는 하나 이상의 부분으로 분할될 수 있다. 플랜지(230)는 몸체(210)의 재료와 유사한 재료를 포함하여 구성될 수 있고 그리고/또는 금속, 합금 등과 같은 상이한 재료를 포함하여 구성될 수 있다. 하나의 태양에서, 플랜지(230)는 1000℃ 이상에서 탄성인 금속을 포함하여 구성될 수 있다.
적어도 하나의 구현예에 의하면, 플랜지(230)는 하나 이상의 개구(232)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 하나 이상의 개구(232)는 히터 어셈블리(200)를 표면에 고정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 개구(232)는 볼트 또는 다른 나사 부재를 수용하도록 구성될 수 있다. 또 다른 태양에서, 개구(232)는 전력 본선(power mains), 배터리 등과 같은 전원으로부터의 전기 접점을 수용하도록 구성될 수 있다. 하나의 예에서, 개구(232)는 PG의 노출된 부분을 포함하여 구성될 수 있다. 노출된 PG는 몸체(210)의 PG 층과 전기적으로 접촉할 수 있고 그리고/또는 PG 층을 포함하여 구성될 수 있다. 전원 연결은 가열 경로(220)를 통한 전력의 흐름을 허용할 수 있다. 전력은, 예를 들어 저항 가열을 통해 몸체(210)에 열을 유도할 수 있다.
하나의 태양에서, 플랜지(230)는 몸체(210)의 제 1 부분(예를 들어, 하부 몸체(236))에 인접하여 몸체(210)로부터 연장 및/또는 교차할 수 있다. 하부 몸체(236)는 수평 절연 영역(214)에 의해 몸체(210)의 제 2 부분(예를 들어, 가열단(240)을 포함하여 구성될 수도 있는 상부 몸체(238))으로부터 분리될 수 있다. 수평 절연 영역(214)은 전기(예를 들어, 유전) 절연 재료 및/또는 열 절연 재료를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 수평 절연 영역(214)은 열에 저항할 수 있는 그리고/또는 불량한 열전달 특성을 가지는 재료를 포함하여 구성될 수 있다. 상부 몸체(238)와 하부 몸체(236)의 분리는 상부 몸체(238)와 하부 몸체(236) 사이의 열 흐름을 방지하거나 차단할 수 있다. 열전달의 차단(cutting-off)은 플랜지(230)의 방열을 감소시킬 수 있다. 그래서, 히터 어셈블리(200)는 상부 몸체(238) 전체에 걸친 더 균일한 열 프로파일을 포함하여 구성될 수도 있고, 재료를 가열하기 위해 보다 적은 에너지를 이용할 수도 있고, 그 외에 다른 히터에 비해 더 효율적일 수 있다. 하나의 태양에서, 수평 절연 영역(214)은 10㎜ 보다 적은 폭을 가질 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 폭은 약 2mm 일 수 있다.
도 3은 히터 어셈블리(300)의 일부분의 단면도를 도시한다. 히터 어셈블리(300)는 다른 개시된 히터 어셈블리들과 유사한 태양 및/또는 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 이 단면도는 히터 어셈블리의 몸체(예를 들어, 상부 몸체(238))의 일부분을 포함할 수 있다. 히터 어셈블리(300)는 주로 베이스 층(310), 코어 층(320) 및 오버코트 층(330)을 포함하여 구성될 수 있다. 도 3과 대조하여 도 4 및 도 5를 참조하면, 예시적인 제조 프로세스의 다양한 단계 중의 히터 어셈블리(300)의 일부분의 단면도가 도시된다. 히터 어셈블리(300)는 다양한 다른 공정들에 의해 조립, 제조 등이 될 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 베이스 층(310)이 제공될 수 있다. 베이스 층(310)은 제 1 코팅층 또는 코팅층의 일부를 포함하여 구성될 수 있다. 코팅층은 B, Al, Si, Ga, 내화성 경질 금속, 전이 금속 및 희토류 금속 또는 이들 중 둘 이상의 조합으로 구성된 군에서 선택된 원소의 질화물, 탄화물, 탄질화물 또는 옥시질화물 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 층(310)은 PBN, 질화 알루미늄, 질화 티타늄 알루미늄, 질화 티타늄, 탄질화 티타늄 알루미늄, 탄화 티타늄, 탄화 규소 및 질화 규소 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 베이스 층(310)은 하나 이상의 형상으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 베이스 층(310)은 대체로 중공 원통형, 다각형, 불규칙한 형상 등으로 구성될 수 있다.
코어 층(320)은 베이스 층(310) 상에 또는 베이스 층(310)과 접촉하여, 부착되거나 또는 다르게 제공될 수 있다. 코어 층(320)은 전류의 흐름을 위한 경로를 구획하는 구성을 가질 수 있는 흑연 코어를 포함하여 구성될 수 있다. 하나의 예에서, 코어 층(320)은 전기를 전도하기 위한 PG를 포함하여 구성될 수 있다. 코어 층(320)은 임의의 적절한 수단에 의해 베이스 층(310) 위에 적층될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 코어 층(320)은 원하는 형상 및/또는 패턴으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 코어 층(320)은 주 측부 및 부 측부를 갖는 가열단 패턴으로 형성될 수 있다. 다른 태양에서, 상기 경로는 전류의 흐름을 위한 경로 및/또는 가열 경로(예를 들어, 가열 경로(220))를 포함하여 구성될 수 있다. 코어 층(320)은 기계적 에칭, 화학적 에칭, 그와 유사한 에칭 중 적어도 하나에 의해 형성될 수 있음을 이해하여야 한다.
도시된 바와 같이, 코어 층(320)의 재료는 가열단(340) 및/또는 절연 영역(346)을 형성하도록 제거될 수 있다. 가열단(340)은 본 명세서에서 설명된 가열 경로를 구획하는 영역을 포함하여 구성될 수 있다. 절연 영역(346)은 베이스 층(310)의 적어도 일부분을 노출시키기 위해 코어 층(320)을 통해 형성될 수 있는 하나 이상의 비아(vias)를 포함하여 구성될 수 있다. 단열 영역(346)에서 코어 층(320)의 완전한 제거를 보장하기 위해 베이스 층(310)의 일부가 제거될 수 있음을 이해하여야 한다.
절연 영역(346)은 도 3에 도시된 바와 같은 유전체로 채워질 수 있고 그리고/또는 유전체를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 코어 층(320) 및/또는 베이스 층(310)의 적어도 일부에 오버코트 층(330)(예를 들어, 제 2 코팅 층)이 적층될 수 있다. 오버코트 층(330)은 B, Al, Si, Ga, 내화 경질 금속, 전이 금속 및 희토류 금속 또는 이들 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 원소의 질화물, 탄화물, 탄질화물 또는 옥시질화물 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 오버코트 층(330)은 PBN, 질화 알루미늄, 질화 티타늄, 질화 티타늄, 탄질화 알루미늄 티타늄, 탄화 알루미늄, 탄화 티타늄, 탄화규소 및 질화규소 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
히터 어셈블리(300)는 상이한 층들을 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 히터 어셈블리(300)는 상이한 수의 코팅층을 포함하여 구성될 수 있다. 적어도 하나의 구현예에 의하면, 히터 어셈블리(300)는 부착 가능하게 (예를 들어, 제거 가능하게 또는 제거 불가능하게) 함께 조립될 수 있는 이질적으로(disparately) 형성된 층들을 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 변형은 본 발명의 범위 및 정신 내에서 고려된다.
또한, 히터 어셈블리(300)는 다양한 형상 및 크기로 구성될 수 있음을 이해하여야 한다. 적어도 하나의 예에서, 코팅 층(예를 들어, 베이스 층(310) 및/또는 오버코트 층(330))은 코어 층(320) 주위에 약 1mm의 대체로 균일한 코팅을 포함하여 구성될 수 있다. 코팅층은 코어 층(320)에 대해 균일하게 적층될 수도 있고 균일하게 적층되지 않을 수도 있음을 이해하여야 한다. 또한, 코어 층(320)은 균일한 두께를 가질 수도 있고, 균일한 두께를 가지지 않을 수도 있음을 이해하여야 한다.
도 6은 개시된 다양한 태양들에 의한 히터 어셈블리(400)의 일부분의 단면도이다. 히터 어셈블리(400)는 설명된 다양한 구현예들과 동일하거나 유사한 태양들을 포함하여 구성될 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 어셈블리(400)는 더 큰 어셈블리 또는 시스템의 일부를 포함하여 구성될 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 히터 어셈블리(400)는 히터 어셈블리의 몸체(예를 들어, 히터 어셈블리(200)의 몸체(210))의 적어도 일부분을 포함하여 구성될 수 있다.
히터 어셈블리(400)는 주로 베이스 층(410), 코어 층(420) 및/또는 오버코트 층(430)을 포함하여 구성될 수 있다. 베이스 층(410) 및/또는 오버코트 층(430)은 유사하거나 동일한 재료를 포함하여 구성될 수 있음을 이해하여야 한다. 하나의 태양에서, 베이스 층(410) 및 오버코트 층(430)은 단일 코팅층으로 간주될 수도 있다. 코팅층은 PBN 및/또는 본 명세서에 기술된 바와 같은 다른 적절한 재료를 포함하여 구성될 수 있다. 또 다른 태양에서, 코팅층은 코어 층(420)을 캡슐화하여(encapsulate) 잠재적인 부식성 대기로부터 코어 층(420)의 재료를 보호하고 구조적 완전성 등을 제공할 수 있다. 코어 층(420)은, 도전성 재료를 포함하여 구성될 수 있는, PG와 같은, 흑연을 포함하여 구성될 수 있다. 흑연 코어는, 특정 화학 물질이나 환경에 노출되면 쉽게 손상되거나 열화될 수 있다.
하나의 태양에서, 도 6의 단면도는 히터 어셈블리(400)의 주 측부(442)를 도시한다. 주 측부(442)는 히터 어셈블리(400)의 가열단(rung)의 주 측부(예를 들어, 주 측부(242))를 나타낼 수 있다. 부 측부(444)는 전기 전도 및/또는 가열을 위한 연속적인 경로를 형성하도록 가열단을 서로 연결할 수 있다. 주 측부(442)는 하나 이상의 절연 영역(446)에 의해 분리될 수 있다. 절연 영역(446)은 재료가 실질적으로 제거된 영역을 포함하여 구성될 수 있다. 하나의 태양에서, 오버코트 층(430) 및/또는 베이스 층(410)의 외벽은 절연 영역(446)을 포함하여 구성될 수 있거나 절연 영역(446)을 구획할 수 있다. 하나의 태양에서, 절연 영역(446)은 히터 어셈블리(400)의 원하는 가열 프로파일을 달성하기 위해 재료가 제거될 수 있다.
절연 영역(446)은 가열단 사이에 지지체를 형성할 수 있는 PBN과 같은 재료를 포함하여 구성될 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 히터 어셈블리(400)의 구조적 완전성을 제공하기 위해, 하나 이상의 PBN 지주(posts)가 절연 영역(446)을 가로지를(span) 수 있다. 다양한 다른 구현예들이 본 발명의 범위 및 정신 내에서 유사한 또는 대안적인 설계를 제공할 수 있음을 이해하여야 한다.
도 7a 내지 도 7c는 상술한 다양한 태양에 의한 히터 어셈블리(500)를 도시한다. 그 도면은 평면도(502) 및 측면도(506)로 도시될 수 있다. 하나의 태양에서, 측면도(506)는 히터 어셈블리(500)의 원통형 몸체의 측면을 펼친 것처럼 도시한다. 도시된 바와 같이, 히터 어셈블리(500)는 몸체(510)를 포함하여 구성될 수 있다. 몸체(510)는 원위 말단(518)에 배치된 주둥이부(512)를 포함하여 구성될 수 있다. 주둥이부(512)는 몸체(510)의 내경(516)보다 대체로 작은 내경(513)을 가질 수 있다. 하나의 태양에서, 주둥이부(512)는 웨이퍼를 지지할 수 있는 서셉터를 수용하도록 구성될 수 있다. 주둥이부(512)는 주둥이부를 가지지 않는 다른 히터에 비해 서셉터로의 복사열 전달을 증가시킬 수 있다. 주둥이부(512)는 특정 목적 또는 의도된 용도에 팔요한, 임의의 적합한 금속 또는 세라믹 재료와 같은 하나 이상의 재료를 포함하여 구성될 수 있음을 이해하여야 한다. 하나의 태양에서, 주둥이부(512)는 비-전도체 또는 비-전도체 코팅을 포함하여 구성될 수 있다. 적합한 세라믹의 예로는 질화 규소, 탄화 규소, 질화 알루미늄, 산화 알루미늄, 산화 베릴륨, 질화 붕소 등을 들 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
몸체(510)는 가열 경로를 포함하여 구성될 수 있는 상부 몸체(538)와, 하부 몸체(536)를 포함하여 구성될 수 있다. 하나 이상의 슬릿(5341-4)이 상부 몸체(538)와 하부 몸체(536)를 분리하거나 그 사이에 배리어(barrier)를 제공할 수 있다. 상기 슬릿은 예를 들어 수평 절연 영역(514)을 통해 형성될 수 있다. 하나의 태양에서, 위의 하나 이상의 슬릿(5341-4)은 흑연 코어 또는 임의의 재료의 제거와 같이, 재료가 제거된 영역을 포함하여 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 몸체(510)는 4 개의 슬릿(5341, 5342, 5343 및 5344)과 같은 복수의 슬릿(5341-4)을 포함하여 구성될 수 있다. 하나의 태양에서, 슬릿(5341-4)은 몸체(510)를 관통하는 개구를 포함하여 구성될 수 있다. 슬릿(5341-4)은 하부 몸체(536)와 상부 몸체(538) 사이의 열전달을 감소시킬 수 있다. 적어도 하나의 구현예에서, 하부 몸체(536) 및/또는 플랜지(530)는 상부 몸체(538) 보다 낮은 온도로 유지될 수 있다.
구현예들에 있어서, 히터 어셈블리(500)는 PBN을 포함하여 구성될 수 있는 베이스 층, PG를 포함하여 구성될 수 있는 코어 층 및 PBN을 포함하여 구성될 수 있는 오버코트 층을 포함하여 구성될 수 있다. 하나의 태양에서, 히터 어셈블리(500)는 주로 원통형 또는 관형 몸체(510) 및 베이스 또는 플랜지(530)를 포함하여 구성될 수 있다. 몸체(510)는 사행 패턴 및/또는 가열단을 포함하여 구성될 수 있는 가열 경로(520)를 포함하여 구성될 수 있다. 몸체(510)는 하부 몸체(536) 및 상부 몸체(538)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 수평 절연 영역(514)(및/또는 슬릿(5341-4))은 하부 몸체(536)의 부분들을 상부 몸체(538)로부터 분리시킬 수 있다. 구현예들이 하나 이상의 슬릿(5341-4)을 포함하는 것으로 기술할 수 있지만, 구현예들은 하부 몸체(536)와 상부 몸체(538) 사이에서 열을 관리하고 그리고/또는 열전달을 감소시키는 다른 메커니즘을 포함하여 구성될 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 몸체(510)는 천공형 패턴(perforated-like pattern)의 복수의 개구를 포함하여 구성될 수 있다. 또 다른 태양에서, 슬릿(5341-4)은 상부 몸체(538)와 하부 몸체(536) 사이의 열전달을 방지 또는 감소시킬 수 있으면서, 상부 몸체(538)에 대한 구조적 지지를 제공하는 단열재를 포함하여 구성될 수 있다.
하나 이상의 수평 절연 영역(514)이 지지체(550)에서 만날 수 있다. 지지체(550)는 본 명세서에서 설명된 바와 같이 플랜지에 하나 이상의 슬릿을 포함할 수 있다. 또 다른 태양에서, 지지체(550)는 개구를 포함하지 않고, 절연 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전 재료 및/또는 단열 재료가 지지체(550)에 이용될 수 있다. 지지체(550)는 상부 몸체(538)를 구조적으로 지지하면서 열적 및/또는 전기적 절연을 제공하도록 구성될 수 있다.
하나의 태양에서, 슬릿(514)의 내부 표면은 일반적으로 PBN 층 또는 그 유사물과 같은 코팅층의 노출된 부분을 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같이, 코어 층(예를 들어, PG 층)은 잠재적으로 손상을 주는 또는 유해한 대기로부터 격리될 수 있다. 적어도 하나의 구현예에서, PG 층은 노출되거나 그리고/또는 다른 재료로 코팅될 수 있다.
도 8은 설명된 다양한 태양에 의한 히터 어셈블리(500)의 부분 확대도(570)를 도시한다. 그 확대도(570)는 가열 경로(520)의 부 측부(544) 근처에 있는 히터 어셈블리(500)의 일부분을 도시한다. 도시된 바와 같이, 부 측부(544)는 제 1 주 측부(540) 및 제 2 주 측부(542)를 전기적으로 연결할 수 있다. 가열 경로(520)를 구획하기 위해 제 1 주 측부(540)와 제 2 주 측부(542) 사이에 절연 영역(546)이 배치될 수 있다. 확장 만곡부(548)는 "T" 형상 또는 "Y" 형상을 포함할 수 있는 영역을 포함하여 구성될 수 있다. 확장 만곡부(548)는 부 측부(544)에서 추가 절연을 제공할 수 있다. 예를 들어, 확장 만곡부(548)는 원하는 가열 프로파일을 제공하기 위해 가열단이 서로 만나는 추가의 분리부를 제공하도록 구성될 수 있다. 하나의 예에서, T 형상 또는 Y 형상은 가열 프로파일을 제어하고 그리고/또는 부 측부들(544) 부근의 핫 스팟/콜드 스팟(hot/cold spots)을 감소시킬 수 있다. 주둥이부(512)는 서셉터 지지체와 같은 지지체를 수용하기 위해 부 측부들(544) 위에 배치될 수 있다. 하나의 태양에서, 부 측부(544)는 주둥이부(512)의 원위 측(502)으로부터 제 1 거리(574)에 있을 수 있다. 예를 들어, 부 측부(544)는 상기 원위 측(502)으로부터 약 2 내지 8mm, 예를 들어 5mm 일 수 있다. 또 다른 태양에서, 확장 만곡부(548)는 부 측부(544)의 말단으로부터 제 2 거리(572)에 있을 수 있는 말단(576)을 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 거리(572)는 약 2 내지 8mm, 예를 들어 약 5mm 일 수 있다. 히터 어셈블리(500)의 치수 및/또는 구성은 원하는 용도 및/또는 가열 프로파일에 따라 변할 수 있음을 이해하여야 한다.
도 9는 예시적인 가열 시스템(800)이다. 가열 시스템(800)은 히터 어셈블리(810) 내에 배치된 도가니(820)를 포함하여 구성될 수 있다. 히터 어셈블리(810)는 도 2 내지 도 8을 참조하여 설명된 것과 유사한 태양을 포함하여 구성될 수 있다. 도가니(820)는 가열 용도를 히터 어셈블리(810)를 적어도 부분적으로 외접할 수 있다.
도 10은 설명된 다양한 구현예들에 의한 히터 어셈블리(900)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 히터 어셈블리(900)는 하나의 말단에 배치된 플랜지(930) 및 제 2 말단에 배치된 주둥이부(912)를 갖는 몸체(910)를 포함할 수 있다. 몸체(910)는 여기서 뿐만 아니라 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 하나 이상의 재료를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 몸체(910)는 PBN 층과 같은 코팅층에 의해 둘러싸일 수 있는 흑연 코어를 포함하여 구성될 수 있다. 몸체(910)는 원하는 패턴 또는 디자인을 가질 수 있는 가열 경로(920)를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 가열 경로(920)는 하나 이상의 가열단(932)을 포함하여 구성될 수 있다. 가열단(932)은 주 측부(942) 및 부 측부(944)를 포함하여 구성될 수 있다. 주 측부(942)는 수평 구조로 배열될 수 있다. 하나의 태양에서, 몸체(910)는 그것을 관통하여 배치된 하나 이상의 슬릿(914)을 포함하여 구성될 수 있다. 슬릿(914)은 열전달, 예를 들어 몸체(910)로부터 플랜지(930)로의 열전달을 감소시키기 위해 열 차단부 또는 배리어를 제공할 수 있다. 하나의 태양에서, 감소된 열전달은 전원 공급부에 연결될 수 있는 연결부와 같은 가열 경로(920)의 노출된 부분에 대한 보호를 제공할 수 있다.
도 11a 내지 11b는 플랜지에 하나 이상의 슬릿을 포함하는 히터 어셈블리(1000)를 도시한다. 히터 어셈블리(1000)는 다른 도면을 참조하여 설명된 것과 유사한 태양들을 포함할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 히터 어셈블리(1000)는 주둥이부(lip), 수평 절연 영역의 슬릿 등을 포함하여 구성될 수 있다. 하나의 구현예에서, 히터 어셈블리(1000)는 몸체(1010), 플랜지(1030), 주둥이부(1012) 및 가열 경로(1020)를 포함한다. 플랜지(1030)는 관통 형성된 하나 이상의 슬릿(1032)을 포함할 수 있다. 플랜지(1030)는 i가 숫자(예를 들어, 1, 2, 3, 4 등)인 i개의 슬릿(1032)을 포함할 수 있다. 슬릿(1032)은 열로 인한 플랜지에서의 응력 감소가 일어나게 할 수 있다. 예를 들어, 히터 어셈블리(1000)는 고열을 받을 수 있다. 열로 인해 플랜지가 구부러지거나, 주름잡히거나 또는 변형될 수 있다. 슬릿(1032)은 응력 완화(stress relief)를 허용할 수도 있고, 재료의 팽창, 수축을 허용할 수도 있으며, 이와는 달리 열로 인한 응력을 경감시킬 수 있다.
슬릿(1032)은 플랜지(1030)의 외주(1060)로부터 내주(1062)를 향해 연장될 수 있다. 대체로 플랜지(1030)의 폭을 연장하는 것으로 도시되어 있지만, 슬릿(1032)은 대체로 플랜지(1030)의 폭보다 작게 외주(1060)로부터 연장할 수 있다. 구현예들에서, 슬릿들(1032)은 대체로 상호 등거리로 이격될 수 있고, 서로 크기 및 형상이 유사할 수 있다. 그러나 슬릿(1032)은 다양한 위치에 배치될 수 있고 서로 다르게 형성될 수 있음을 이해하여야 한다. 또 하나의 태양에서, 슬릿(1032)은 플랜지(1030)의 재료를 관통하여 형성되는 것으로 설명되지만, 슬릿(1032)은 홈 등을 포함할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 슬릿(1032)은 재료가 제거된 영역일 수도 있다.
위에 설명한 것은 것은 본 발명의 실시예들을 포함한다. 물론, 본 발명을 설명할 목적으로 구성 요소 또는 방법론의 가능한 모든 조합을 설명하는 것은 가능하지 않지만, 당업자는 본 발명의 많은 추가적인 조합 및 치환이 가능하다는 것을 인식할 수 있다. 따라서 본 발명의 설명은 첨부된 청구 범위의 정신 및 범위 내에 있는 그러한 모든 개조, 변형 및 변경을 망라하는 것으로 의도된다. 또한, 용어 "포함한다(includes)"가 상세한 설명 또는 청구 범위에서 사용되는 한, 그러한 용어는, "포함하여 구성되는(comprising)"이라는 표현이 청구항에서 전이어(transitional word)로 사용되는 것처럼, 용어 "포함하여 구성되는"과 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도된다.
실시예
이하, 본 발명의 태양들을 더 잘 이해할 수 있도록 다음의 실시예들을 참조하여 설명하기로 한다. 이 실시예들은 예시할 목적으로만 제공되는 것일 뿐, 여기에 제시되는 재료, 또는 공정 파라미터, 장비 또는 조건들은 본 발명을 제한하기 위한 것이 아님을 이해하여야 한다.
제 1 실시예에서, 히터 어셈블리는, 히터 어셈블리(1100) 등과 같이, PBN 코팅으로 캡슐화된 PG 코어를 포함하여 구성되었다. 히터 어셈블리(1100)는 히터 어셈블리(500)의 것과 유사한 가열 경로 및 확장 만곡부를 포함하였다. 도 12a는 그러한 히터 어셈블리로부터 취한 측정치들을 나타낸 것이다. 히터 어셈블리(110)의 플랜지(1130)는 몸체(110)보다 대체로 더 차가울 수 있다. 또 하나의 태양에서, 몸체(1110)는 온도에서 비교적 안정할 수 있다. 주둥이부(1112)는, 주둥이부(1112) 전체에 걸쳐 대체로 안정한 열 및/또는 균일한 열을 제공하도록 열을 관리하는데 도움을 줄 수 있다.
제 2 실시예에서, 히터 어셈블리(1200)는 도 2의 것처럼 주둥이부 또는 "T- 형"확장 만곡부를 가지지 않았다. 그보다는, 히터 어셈블리(1200)는 도 1의 히터 어셈블리(100)와 유사하게 원형의 확장 만곡부를 가졌다. 히터 어셈블리(1200)의 가열 프로파일은 가열 경로에 의해 적어도 부분적으로 관리되었다. 도 12b에서 알 수 있는 바와 같이, 가열 프로파일은 대체로 열이 플랜지(1230)에 근접하여 점진적으로 소산되는 부위들 또는 영역들로 분할되었다. 이로 인해 몸체는 대체로 불균일한 온도를 갖게 되었다.
전술한 설명은 히터 어셈블리의 다양한 비-제한적인 구현예들에 관한 것이다. 당 분야의 기술자 및 본 발명을 만들고 사용할 수 있는 자는 변형들을 도출해낼 수 있다. 개시된 구현예들은 예시할 목적으로 제공되는 것일 뿐, 본 발명의 범위 또는 청구 범위에 제시된 주제를 제한하기 위한 것은 아니다.
Claims (20)
- 몸체와 상기 몸체의 제1 말단에 배치된 플랜지를 포함하여 구성되고,
상기 몸체는, 가열 경로를 구획하도록 구성된 흑연 코어; 상기 흑연 코어의 적어도 일부를 캡슐화하는 오버코트 층; 및 상기 몸체에 배치되어, 상기 몸체의 제 1 부분과 상기 몸체의 제 2 부분 사이에서 열전달을 차단하도록 구성된 적어도 하나의 슬릿을 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리. - 제 1 항에 있어서, 상기 흑연 코어가 탄소, 흑연, 탄소-결합 탄소 섬유, 탄화 규소, 금속, 탄화 금속, 질화 금속, 규화 금속 또는 이들 중 둘 이상의 조합으로부터 선택된 재료를 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 흑연 코어가 열분해 흑연을 포함하여 구성되고, 여기서 상기 오버코트 층이 열분해 질화 붕소를 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 경로가 각 구역의 길이를 통해 가변 전력 밀도 구배를 갖는 적어도 2 개의 구역을 포함하여 구성되고, 상기 적어도 2개의 구역의 가변 전력 밀도 구배는 서로 다른, 히터 어셈블리.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 경로가 복수의 가열단(rung)을 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리.
- 제 5 항에 있어서, 상기 가열단의 주 측부들(predominant sides)이 대체로 수직인, 히터 어셈블리.
- 제 5 항에 있어서, 상기 가열 경로가 적어도 하나의 확장 만곡부를 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리.
- 제 5 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 확장 만곡부가 T-형 또는 Y-형 중 적어도 하나를 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 몸체의 제 2 말단에 배치된 주둥이부를 더 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리.
- 근위 말단 및 원위 말단을 갖는 원통형 몸체; 및 가열 경로를 포함하여 구성되고,
상기 가열 경로가 가열단들을 가지며, 상기 가열단들이 상기 근위 말단과 상기 원위 말단 사이에 수직으로 배향된 주 측부들과, 상기 가열단들 사이에 수평으로 배향된 부 측부들을 포함하여 구성되며, 상기 부 측부들이 적어도 하나의 확장 만곡부를 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리. - 제 10 항에 있어서, 상기 가열 경로가 흑연 코어를 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리.
- 제 11 항에 있어서, 상기 흑연 코어의 적어도 일부를 캡슐화하는 열분해 질화 붕소를 더 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리.
- 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 근위 말단에 배치된 플랜지를 더 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리.
- 제 13 항에 있어서, 상기 플랜지의 적어도 일부분을 상기 원통형 몸체의 적어도 일부분으로부터 분리하는 적어도 하나의 슬릿을 더 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리.
- 제 14 항에 있어서, 적어도 4 개의 슬릿을 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리.
- 제 14 항에 있어서, 상기 원위 말단에 배치된 주둥이부를 더 포함하여 구성되고, 상기 주둥이부가 상기 히터 어셈블리의 몸체의 내주의 길이보다 짧은 길이의 내주를 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리.
- 베이스 층을 제공하는 단계;
흑연 코어를 상기베이스 층에 적층하는 단계;
상기 흑연 코어를 가열 경로를 구획하도록 형성하는 단계; 및
적어도 상기 흑연 코어 위에 오버코트 층을 적층하는 단계;를 포함하여 구성되며,
여기서 상기 베이스 층과 상기 오버코트 층이 질화물, 탄화물, 탄질화물, 옥시질화물, B, Al, Si, Ga, 내화 경질 금속, 전이 금속 또는 희토류 금속 또는 이들 중 둘 이상의 조합으로부터 선택된 재료를 포함하여 구성되는,
히터 어셈블리의 제조 방법. - 제 18 항에 있어서, 적어도 상기 흑연 코어를 관통하는 적어도 하나의 개구형성하는 단계를 더 포함하여 구성되는, 히터 어셈블리의 제조 방법.
- (i) 몸체와 주둥이부를 포함하여 구성되는 히터 어셈블리를 가열될 재료에 근접하게 제공하는 단계; 및
(ii) 상기 재료를 상기 주둥이부에 근접하게 위치시키는 단계를 포함하여 구성되며,
여기서, 상기 몸체가 상부 말단, 하부 말단, 상부 말단과 하부 말단 사이에서 수직으로 배향된 길이를 갖는 가열 경로를 구획하는 흑연 코어, 및 상기 몸체의 제 1 부분과 상기 몸체의 제 2 부분을 분리하는 적어도 하나의 수평 슬릿을 포함하여 구성되는,
재료 가열 방법. - 제 19 항에 있어서, 상기 몸체를 1000℃ 이상으로 가열하는 단계를 더 포함하여 구성되는, 재료 가열 방법.
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