TW201717697A - 高溫管狀加熱器 - Google Patents

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Abstract

一種加熱器總成包括：一加熱構件；一安裝構件，其將該加熱構件安裝在一外部組件之一壁上；及一絕緣體，其設置在該加熱構件與該壁之間。該絕緣體使該加熱構件與該壁電絕緣且阻斷由該加熱構件至該外部組件之該壁的一接地通路。

Description

高溫管狀加熱器
相關申請案之交互參照
本申請案主張2015年9月9日申請且名稱為「高溫管狀加熱器(HIGH TEMPERATURE TUBULAR HEATERS)」之美國暫時申請案第62/216,003號，且該申請案之內容在此全部加入作為參考。
此揭示係有關於半導體加工裝置，且特別有關於用於該等半導體加工裝置之加熱器。
在這部份中之說明只提供關於此揭示之背景資訊且可不構成習知技術。
半導體加工包括在一加工腔室中實施之各種製程。在這些製程中，使用加熱器維持欲加工之晶圓基材在一目標高溫。該等加熱器可各以種態樣實施。例如，該等加熱器可直接結合在晶圓加工腔室中或該等加熱器可與其他加工工具獨立地使用。
一加熱器通常包括電絕緣一電阻加熱元件之一介電材料，且該電阻加熱元件產生熱。由於該介電材料之限制，通常在該等加工腔室中使用之加熱器通常只可 在830℃以下之一溫度下操作。這是因為該介電材料之絕緣強度通常會隨著操作溫度增加而減少。當該介電材料之絕緣強度減弱時，會發生介電崩潰且會導致該加熱器之短路。
此外，漏電流在一特定電壓下隨著溫度指數地增加。隨著該介電材料強度之降低，該漏電流之增加會增加漏電流流過接地之風險，使該加熱器故障。
另外，由於氧環境之低分壓及暴露於該加工腔室中之攻擊性加工氣體，該加熱器之外高放射率保護表面會逐漸劣化。該加熱器之劣化外表面導致放射率改變及由該電阻加熱元件傳送通過該加熱器之外表面到達周圍環境的熱減少。因此，該加熱器之一內部溫度會變得比該加熱器之一外部溫度高，更加減弱該介電材料之絕緣強度及增加洩漏通過該介電材料之電流。
於此揭示的一個態樣中，一種加熱器總成包括：一加熱構件；一安裝構件，其將該加熱構件安裝在一外部組件之一壁上；及一絕緣體，其設置在該加熱構件與該壁之間。該絕緣體使該加熱構件電絕緣且阻斷由該加熱構件至該外部組件之該壁的一接地通路。
於另一個態樣中，一種加熱器總成包括：一加熱元件；一金屬外殼，其包圍該加熱元件；一介電材料，其設置在該加熱元件與該金屬外殼之間；及一塗層，其設置成環繞該金屬外殼。該塗層包括一防滲材料。
其他應用之領域可由在此提供之說明了解。應了解的是該說明及特定例子只是為了要說明且不是意圖限制此揭示之範圍。
10,80,120,180,220‧‧‧加熱器總成
12,82,122,182,222‧‧‧加熱元件
14,84,124,184,224‧‧‧安裝構件
16,196,242‧‧‧壁
18,106,241‧‧‧內表面
20,108‧‧‧外表面
22,70‧‧‧絕緣體
23‧‧‧絕緣部
30‧‧‧鉤部份
32‧‧‧彎曲連接部份
40‧‧‧長腿部
42‧‧‧短腿部
44‧‧‧彎曲部份
50,86,130,186‧‧‧金屬外殼
52‧‧‧空間
56‧‧‧電阻元件
58,128‧‧‧介電材料
60‧‧‧相對端
62‧‧‧末端銷
64‧‧‧塗層
65,74,110‧‧‧端表面
70,88,132,188,226‧‧‧絕緣體
72,94,96,138,140‧‧‧開口
90,134‧‧‧內凸緣
92,136‧‧‧外凸緣
98‧‧‧內段
100‧‧‧外段
102‧‧‧真空密封
104‧‧‧螺孔或螺栓孔
126‧‧‧電阻加熱元件
142‧‧‧內段
144‧‧‧外段
148‧‧‧擴大開口
150‧‧‧金屬軸環
152‧‧‧內端面
154‧‧‧外端面
156,158,192,194,248‧‧‧O環
160‧‧‧固結裝置
190‧‧‧套筒
191‧‧‧焊接區域
200‧‧‧蓋
204‧‧‧限制墊圈
228‧‧‧安裝板
230‧‧‧第一圓柱形部份
232‧‧‧第二擴大圓柱形部份
234‧‧‧第一端面
236‧‧‧第二端面
244‧‧‧第一固結裝置
246‧‧‧第二固結裝置
250‧‧‧中央開口
252‧‧‧焊料
為了可充分了解此揭示，以下將藉由舉例且參照附圖說明其各種態樣，其中：圖1係依據此揭示之一第一態樣構成的一加熱器總成的側視圖；圖2係依據此揭示之教示構成的一加熱器總成的立體圖；圖3係圖1之加熱器總成的部分切除圖，顯示該加熱器總成之內側結構；圖4係沿圖1之線A-A所截取之該加熱器總成的橫截面圖；圖5係依據此揭示之一第二態樣構成之一加熱器總成的側視圖；圖6係依據此揭示之一第三態樣構成之一加熱器總成的立體圖；圖7係圖6之加熱器總成的側視圖；圖8係沿圖7之線B-B所截取之該加熱器總成的橫截面圖；圖9係依據此揭示之一第四態樣構成之一加熱器總成的橫截面圖；圖10係依據此揭示之一第五態樣構成之一 加熱器總成的橫截面圖；及圖11係依據此揭示之一第六態樣構成之一加熱器總成的橫截面圖。
在此所述之圖式只是為了說明且無論如何不是意圖限制此揭示之範圍。
以下說明在本質上只是示範且不是意圖限制此揭示、應用或用途。
如圖1所示，依據本申請案之揭示的一加熱器總成大致以符號10表示。該加熱器總成10包括一加熱元件12及一安裝構件14，該安裝構件14將該加熱元件12安裝在一外部組件之一壁16上，例如一半導體加工腔室之一壁或一加工工具或裝置之一壁上。該加熱元件12由該加工腔室之壁16的一內表面18突出。該安裝構件14設置成與該壁16之一外表面20相鄰。該加熱元件12更包括一絕緣體22，該絕緣體22設置在該加熱元件12與該安裝構件14之間且設置成與該壁16之內表面18相鄰。該絕緣體22使該加熱元件12與該壁16電絕緣以便藉此在以下將更詳細說明地在產生一加熱器故障時，阻斷由該加熱元件12通過該壁16之一接地通路。
請參閱圖2，該加熱元件12包括一管狀構造且可包括一對鉤部份30、及連接在該等鉤部份30間之一彎曲連接部份32。該等鉤部份30沿一水平方向，即，如圖2所示之X軸分開。該等鉤部份30各包括一長腿部40、一短 腿部42、及連接該長腿部40與該短腿部42間之一彎曲部份44。在各鉤部份30中之長腿部40及短腿部42垂直地，即，沿一Z軸分開。該彎曲連接部份32在該X-Y平面上延伸，而該等彎曲部份44在該Y-Z平面上延伸。該絕緣體22包括對應於該等鉤部份30之長腿部40的一對絕緣部23。
請參閱圖3，該加熱元件12在一示範態樣中可為一管狀加熱器且可包括界定一空間52之一金屬外殼50、收納在該空間52中之一電阻元件56、及填充在該空間52中且使該電阻元件56電絕緣之一介電材料58。該電阻元件56可呈電阻線圈或線之形態且包括高電阻率。該金屬外殼50大致具有一金屬管狀結構且包括例如不鏽鋼之一耐熱金屬、例如Inconel®商標合金之一鎳鉻合金或其他耐高溫金屬。該介電材料58可為具有一所需介電強度、導熱率及壽命之一材料且可包括氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、或氮化鋁(AlN)。該電阻元件56設置在該金屬外殼50內且延伸通過其中一鉤部份30、通過該彎曲連接部份32到達該加熱元件12之金屬外殼50。該電阻元件56具有例如藉由焊接與一對末端銷62連接之相對端60(在圖3中只顯示一端)。該等末端銷62延伸通過該絕緣體22之對應絕緣部23及該壁16且與一外部電源連接。該金屬外殼50端接在該絕緣體22之一端表面65。在一態樣中，該介電材料之一熱傳導性係在60與180W/mK之間。
如圖4所示，該加熱元件12更包括在該金屬外殼50之整個外表面上的一外塗層64。該塗層64對可防止 存在該加工腔室中之加工環境，例如腐蝕性氣體滲入且因此會以一非常低之速率劣化。該塗層64包括一具有高放射率之材料，例如石墨、複合材或氧化物材料，特別是鎳鉻鎂氧化物，且可具有在0.8至1之範圍內的一放射率。由於該高放射率性質，該塗層64可將熱由該金屬外殼50之表面更快地輻射至周圍環境。因此，該加熱元件12之內部溫度可維持在一預定範圍內而不會過度加熱。該塗層64可減少可能介電崩潰及因此該加熱器之操作。一防滲高放射率塗層64亦有助於提高輻射熱傳送之效率、整體壽命可靠性及該加熱器功能之穩定性。
如圖1與圖3所示，該絕緣體22設置在該安裝構件14與該加熱元件12之間，特別是在該金屬外殼50與該壁16之間以便在該金屬外殼32與該壁16之間產生電絕緣。與該電阻元件56連接之末端銷62延伸穿過該絕緣體22及該壁16而與一外部電源連接。但是，該金屬外殼50端接在該絕緣體22之一端表面65。該等末端銷62亦與該壁16電絕緣。當該加熱器總成12正常工作時，電流流過電阻元件56且不流過該金屬外殼50。當該加熱器總成在一高溫下操作時，該介電材料之介電強度減弱且該塗層64會劣化，造成該介電崩潰及該漏電流通過該介電材料至該金屬外殼50。藉由在該金屬外殼50與該壁16之間提供該絕緣體22，可阻斷由該金屬外殼50至該壁16之一通路。因此，該加熱元件12可繼續在較高溫度下操作。因此，該介電材料58之介電強度不再是該加熱器設計之一 限制因子。可使用一高熔點電阻材料來形成該電阻元件56以增加該加熱器總成10之操作溫度至一850℃以上或甚至1000℃以上之溫度。即使在介電崩潰下，該加熱器總成10亦會繼續操作，直到由於該電阻元件56燒毀且分離而形成一開路為止。
該絕緣體22係設置成與該加熱元件12之冷段，即，該電阻元件56之相對端60與該等末端銷62連接處相鄰。該等末端銷62可延伸通過該絕緣體23之該等對應絕緣部23，而該金屬外殼50端接在該絕緣體22之端表面65。因此，該加熱器電浮接且防止漏電流通過電阻元件56、該絕緣體22及該金屬外殼50。該加熱器總成10因此可以連續運轉而無未能運轉的風險。
如圖5所示，在另一態樣中，該絕緣體70可呈插穿該壁16之一開口72的一饋通態樣。該金屬外殼50端接在該絕緣體70之一端表面74，而與該電阻元件56連接之該末端銷62則延伸通過該絕緣體70及該安裝構件14而與一外部電源連接。
請參閱圖6至8，依據此揭示之一第三態樣的一加熱器總成80包括一加熱元件82及一安裝構件84，該安裝構件84將該加熱元件82安裝在一半導體加工腔室之一壁或其他工具之一壁上。為了看清楚，只顯示設置成與該安裝構件84相鄰之該加熱元件82的一部份。應注意的是該加熱元件82可具有類似於圖2所示者之一組態或可在不偏離此揭示之範圍的情形下依據加熱要求具有在 所屬技術領域中習知之任何其他組態。
該加熱元件82包括：一金屬外殼86，其中封閉一電阻加熱元件及一介電材料(顯示於圖3中，但未顯示於圖6至8中)；及一絕緣體88，其包圍該金屬外殼86之一部份且靠近該安裝構件84。該絕緣體88可由聚醚醚酮(「PEEK」)或陶瓷構成，且使該金屬外殼86與該安裝構件84電絕緣。當在該加熱元件82之介電材料中發生介電崩饋時，該絕緣體88阻斷由該金屬外殼86通過該安裝構件84到達該加工腔室之壁的一接地通路。
該安裝構件84可包括靠近該半導體加工腔室內側之一內凸緣90及遠離該半導體加工腔室內側之一外凸緣92。該等內與外凸緣90、92可由鋁構成。該內凸緣90及該外凸緣92各界定一開口94、96，且該絕緣體88設置於該等開口94、96中。圖8所示之內凸緣90比該外凸緣92厚。可了解的是該內凸緣90及該外凸緣92可形成為具有相同厚度。
該絕緣體86可包括一內段98、一外段100及在該內段98與該外段100間之一真空密封102。該真空密封102在該真空密封102與該安裝構件84之間產生一氣密界面以避免氣體通過在該加熱元件82與安裝構件84間之界面洩漏進入該半導體加工腔室或由該半導體加工腔室洩漏。該真空密封102可設置在該內凸緣90之開口94內。或者，該絕緣體88可由具有一密封性質之單件式組件形成以便相對該安裝構件84密封。
該內與外凸緣90與92均可包括螺孔或螺栓孔104。螺絲或螺栓(未圖示)插入該等螺孔或螺栓孔104中以將該加熱器總成80固定在該加工腔室之壁上。雖然所示之絕緣體88由該安裝構件84之一內表面106及一外表面108突出，但該絕緣體88可形成為具有與該安裝構件84之內與外表面齊平之端表面110。
請參閱圖9，依據此揭示之一第四態樣構成之一加熱器總成120包括一加熱元件122及用以將該加熱元件122安裝在一半導體加工壁之一壁或一加工工具之一壁上的一安裝構件124。該加熱元件122包括一電阻加熱元件126、一介電材料128及一金屬外殼130，該金屬外殼130中包圍且封閉該電阻加熱元件126及該介電材料128。該加熱元件122更包括一絕緣體132，該絕緣體132係設置成環繞該金屬外殼130且靠近該安裝構件124。當在該加熱元件122中發生介電崩潰時，該絕緣體132使該加熱元件122與該安裝構件124電絕緣。
該安裝構件124包括靠近該半導體加工腔室內側之一內凸緣134、及遠離該半導體加工腔室內側之一外凸緣136。該等內與外凸緣134與136各界定一開口138與140，且該絕緣體132設置在該等開口138與140中。
該絕緣體122包括分別在該等內與外凸緣134與136之開口138與140中的一內段142及一外段144。該內段142中界定用以收納一金屬軸環150之一擴大開口148。該金屬軸環150包圍該加熱元件122之金屬外殼 138且設置在該安裝構件124之內凸緣134內。該金屬軸環150具有一內端面152及一外端面154。該金屬軸環150之內端面152焊接在該絕緣體132之內段142上。一O環156設置在該金屬軸環150之外端面154與該絕緣體132之外段144間之一界面上。另一O環158設置在該絕緣體132之外段144與該安裝構件124之外凸緣136間之一界面上。例如螺絲或螺栓之固結裝置160可設置在該安裝構件124之內凸緣134上，用以將該安裝構件124附接在該半導體加工腔室之壁或該加工工具之壁上。類似地，該絕緣體122可由聚醚醚酮(「PEEK」)或陶瓷構成。
請參閱圖10，依據此揭示之一第五態樣構成之一加熱器總成180包括一加熱元件182及包圍該加熱元件182之一安裝構件184。如先前之態樣，該加熱元件182可包括一金屬外殼186、一介電材料(未圖示)、及設置在該金屬外殼186內之一電阻加熱元件(未圖示)。
該安裝構件184包括一絕緣體188及包圍該加熱元件182之金屬外殼186的一套筒190。該絕緣體188包圍該套筒190且可由聚醚醚酮(「PEEK」)或陶瓷構成。該套筒190可在一焊接區域191焊接在該加熱元件182之金屬外殼186上。一O環192設置在該套筒190與該絕緣體188之間，特別在該絕緣體188之一溝槽中以便在該套筒190與該絕緣體188之間提供一密封界面。另一O環194設置在該絕緣體188與該半導體加工腔室之一壁196之間以便在其間提供一密封界面。該安裝構件184更包括一蓋 200以便覆蓋在該絕緣體188與該壁199間之界面。該蓋200由不鏽鋼材料製成。或者，一限制墊圈204可附接在該絕緣體188之一端面上。
請參閱圖11，依據此揭示之一第六態樣構成之一加熱器總成220包括一加熱元件222及一安裝構件224用以將該加熱元件222安裝在一半導體加工腔室之一壁242或一加工工具之一壁上。
該安裝構件224包括一絕緣體226及附接在該絕緣體226上之一安裝板228。該絕緣體226包括延伸通過該壁242之一第一圓柱形部份230、及設置成靠近該壁242之一內表面241的一第二擴大圓柱形部份232。該第二擴大圓柱形部份232包括面對該壁242之內表面241的一第一端面234、及面對該安裝板228之一第二端面236。該安裝板228藉由例如螺絲或螺栓之一第一固結裝置244附接在該絕緣體226之第二擴大圓柱形部份232。該安裝板228及該絕緣體226之第二擴大圓柱形部份232設置在該半導體加工腔室內。該絕緣體226及該安裝板228界定一中央開口250，且該加熱元件22延伸穿過該中央開口250。該加熱元件222可藉由一焊料252固定在該安裝構件224，特別是該安裝板228上。該安裝構件224藉由一第二固結裝置246固定在該壁242上。
一O環248設置在該絕緣體226之第二擴大圓柱形部份232的第一與第二端面234與236的各端面上，以便在該第一端面234與該壁242之內表面241之間提 供一密封界面及在該安裝板228與該絕緣體226之間提供一密封界面。該絕緣體226可由聚醚醚酮(「PEEK」)或陶瓷構成。
在此形態中，當在該加熱元件222中發生介電崩潰時，該絕緣體226使該加熱元件222與該半導體加工腔室之壁242電絕緣以阻斷一接地通路。因此，即使在該加熱元件222之一金屬外殼內發生電崩潰，該加熱元件222亦可繼續操作。
應注意的是此揭示不限於所述及所示作為例子之態樣。已說明了多種修改例且更多修改例係所屬技術領域中具有通常知識者之知識的一部分。在不脫離此揭示及本專利之保護範圍的情形下，這些及其他修改例以及技術等效物之取代例可加入該說明及圖中。
10‧‧‧加熱器總成
12‧‧‧加熱元件
14‧‧‧安裝構件
16‧‧‧壁
18‧‧‧內表面
22‧‧‧絕緣體
30‧‧‧鉤部份
65‧‧‧端表面

Claims (20)

  1. 一種加熱器總成，其包含：一加熱構件；一安裝構件，其將該加熱構件安裝在一外部組件之一壁上；及一絕緣體，其設置在該加熱構件與該外部組件之該壁之間且使該加熱構件與該壁電絕緣並且阻斷由該加熱構件至該外部組件之該壁的一接地通路。
  2. 如請求項1之加熱器總成，其中該加熱構件係一管狀加熱器。
  3. 如請求項1之加熱器總成，其中該加熱元件包含：一電阻元件；一介電材料，其包圍且電絕緣該電阻元件；及一金屬外殼，其包圍該介電材料及該電阻元件。
  4. 如請求項3之加熱器總成，其中該絕緣體使該金屬外殼與該外部組件之該壁電絕緣。
  5. 如請求項4之加熱器總成，其中該金屬外殼端接在該絕緣體之一端表面上。
  6. 如請求項3之加熱器總成，更包含多數末端銷，該等末端銷延伸穿過該絕緣體且與該電阻元件連接。
  7. 如請求項3之加熱器總成，其中該加熱元件更包括在該金屬外殼之一外表面上的一防滲塗層。
  8. 如請求項7之加熱器總成，其中該防滲塗層具有在0.8至1之範圍內的一放射率。
  9. 如請求項7之加熱器總成，其中該防滲塗層包括選自於由石墨、複合材料、氧化物材料及鎳鉻鎂氧化物構成之群組的一材料。
  10. 如請求項4之加熱器總成，其中該介電材料係選自於由氧 化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)及氮化鋁(AlN)構成之群組。
  11. 一種加熱器總成，其包含：一加熱元件；一金屬外殼，其包圍該加熱元件；一介電材料，其設置在該加熱元件與該金屬外殼之間；及一塗層，其設置成環繞該金屬外殼，其中該塗層包括一防滲材料。
  12. 如請求項11之加熱器總成，更包含一絕緣體，該絕緣體使該金屬外殼與一外部組件電絕緣，而該加熱器總成安裝在該外部組件上。
  13. 如請求項12之加熱器總成，其中該金屬外殼抵靠該絕緣體之一端表面。
  14. 如請求項11之加熱器總成，其中該介電材料具有在60與180W/mK間之一熱傳導性。
  15. 如請求項14之加熱器總成，其中該介電材料係氮化鋁(AlN)。
  16. 如請求項12之加熱器總成，更包含一末端銷，該末端銷與該電阻元件連接且延伸穿過該絕緣體。
  17. 如請求項11之加熱器總成，其中該防滲材料具有在0.8至1之範圍內的一放射率。
  18. 如請求項11之加熱器總成，其中該防滲材料包括選自於由石墨、複合材料、氧化物材料及鎳鉻鎂氧化物構成之群組的一材料。
  19. 如請求項11之加熱器總成，其中該介電材料係選自於由氧化鎂(MgO)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)及氮化鋁(AlN)構成之群組。
  20. 如請求項11之加熱器總成，其中該電阻元件具有在1300至1400℃之範圍內的一高熔點。
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