TWI813879B - 具有多區域能力之高溫氮化鋁加熱器及製造方法 - Google Patents

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安納德拉 拉爾
阿吉特 桑尼
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美商加州善姆艾克斯有限責任公司
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Abstract

本發明揭示一種電加熱器裝置之實施例。在一實施例中，一電加熱器裝置包含：(a)一第一導熱層，其包括一電絕緣材料；(b)一或多個導電加熱元件，其或其等安置於配置於該第一導熱層之該頂側上之一或多個溝槽中；及(c)一第二導熱層，其安置於該第一導熱層之該頂側上之該一或多個加熱元件上方。該一或多個加熱元件包含摻雜有碳、氮、鋁、釔或氧之至少一者之一或多個耐火硬金屬。與無摻雜耐火硬金屬相比，該經摻雜一或多個耐火硬金屬包含在自周圍溫度至約850℃之範圍內之操作溫度內之一溫度不敏感電阻。該一或多個加熱元件可獨立控制以提供一或多個加熱區域。

Description

具有多區域能力之高溫氮化鋁加熱器及製造方法
本發明係關於電加熱器，且更特定言之，本發明係關於用於製造半導體晶圓(諸如矽晶圓、砷化鎵晶圓及類似者)之加熱器。
用於半導體晶圓製造中之電加熱器可用於晶圓之製造/處理中之各種步驟，包含材料沈積(例如物理或化學氣相沈積)、材料移除(例如蝕刻或平坦化)、圖案化(例如微影)及電性質之修改(例如摻雜及退火)。此等電加熱器必須能夠承受高度腐蝕環境、抵抗快速溫度變化下之熱衝擊且能夠耐受極高溫度達長時間週期。然而，在本發明之前，已知用於半導體晶圓製造之電加熱器：(1)易受高溫下之電阻率之相對高變動影響，此驅動對複雜及昂貴溫度控制之需要，(2)不容易能夠多區域加熱，(3)具有易受歸因於熱應力及熱循環之裂開或故障影響且因此缺乏耐久性及長壽性之組件，及(4)具有歸因於具有不同熱膨脹係數而無法共同燒製在一起之組件，此引起用於其等組裝之額外製造步驟。
因此，需要一種解決此等及其他問題之裝置。
在本發明之一實施例中，一種電加熱器裝置包含一或多個 導熱層及嵌入該一或多個導熱層內或介於一或多個導熱層之間的一或多個加熱元件，該一或多個加熱元件包括鉬(Mo)、鎢(W)或摻雜有碳(C)、氮(N)、鋁(Al)或氧(O)之至少一者或多者之任何其他耐火硬金屬。在一實施例中，該電加熱器裝置之該加熱元件包括鉬及碳化鉬(Mo2C)，使得碳化物含量大於5%。
根據本發明之一電加熱器裝置之該加熱元件展現(除其他優點之外)高溫下(特定言之在約300℃至約850℃之範圍內，但亦跨自約周圍溫度至約850℃之範圍)之電阻率之一改良穩定性。
在另一實施例中，揭示一種用於處理一晶圓處理腔室中之一半導體晶圓之電加熱器裝置，其包含：(a)一第一導熱層，其包括一電絕緣材料、一頂側及一底側；(b)一或多個導電加熱元件，其或其等安置於配置於該第一導熱層之該頂側上之一或多個溝槽之各自者中，該一或多個加熱元件包括摻雜有碳、氮、鋁、釔或氧之至少一者之一或多個耐火硬金屬，與無摻雜耐火硬金屬相比，該經摻雜一或多個耐火硬金屬包括在自周圍溫度至約850℃之範圍內之操作溫度內之一溫度不敏感電阻，其中該一或多個加熱元件可獨立控制以沿該第一導熱層之該頂側提供一或多個加熱區域；及(c)一第二導熱層，其安置於該第一導熱層之該頂側上之該一或多個加熱元件上方。
該第一導熱層可包含一圓盤。該第一導熱層可燒結，且在燒結該第一導熱層之前，該一或多個加熱元件最初可包含一粉末、一塗料或來自一聚合物薄片之一預切割圖案之高度負載之一者。可允許碳之一濃度自約0.1原子%至約50原子%變動，可允許鋁之一濃度自約0.1原子%至約20原子%變動，可允許氮之一濃度自約0原子%至約20原子%變動，可 允許氧之一濃度自約0原子%至約5原子%變動且可允許釔之一濃度自約0原子%至約3原子%變動。該第一導熱層包含氮化鋁。
該電加熱器裝置可包含安置於該第一導熱層之該底側上之一第三導熱層。該第三導熱層可包含一轂。該第二導熱層及該第三導熱層可包含氮化鋁。該電加熱器裝置可包含貼附至該轂之一燒結豎柱(riser)。替代地，一燒結豎柱可接合至該轂，且該接合豎柱可產生與該轂之一氦密密封。該電加熱器裝置可包含安置於配置於該第一導熱層之該底側上之一或多個通道之各自者中之一或多個電互連件。該等互連件可經構形以在一電路中將電自該轂傳達至該一或多個加熱元件及自該一或多個加熱元件傳達至該轂。該等互連件可經構形以將感測器資料自該一或多個溫度感測器傳達至該轂。該一或多個溫度感測器可安置於配置於該第一導熱層之該底側上及該第三導熱層下方之一或多個通道之各自者中。該第三導熱層可安置於該一或多個溫度感測器上方。
該一或多個加熱元件及該第一導熱層可包含一功能類似熱膨脹係數以避免該電加熱器裝置中之有害裂縫或裂痕。
在另一實施例中，揭示一種用於處理一晶圓處理腔室中之一半導體晶圓之電加熱器裝置，其包含：(a)一燒結圓盤，其包括一導熱及電絕緣材料、一頂側及一底側；(b)一或多個導電加熱元件，其或其等安置於配置於該圓盤之該頂側上之一或多個溝槽之各自者中，該一或多個加熱元件包括摻雜有碳、氮、鋁、釔或氧之至少一者之一或多個耐火硬金屬，與無摻雜耐火硬金屬相比，該經摻雜一或多個耐火硬金屬包括在自周圍溫度至約850℃之範圍內之操作溫度內之一溫度不敏感電阻，其中該一或多個加熱元件可獨立控制以沿該圓盤之該頂側提供一或多個加熱區域； (c)一第一導熱層，其安置於該圓盤之該頂側上之該一或多個加熱元件上方；(d)一或多個互連件，其或其等安置於配置於該圓盤之該底側上之一或多個通道之各自者中；及(e)一第二導熱層，其安置於該圓盤之該底側上之該一或多個互連件上方，該第二導熱層包括一轂，其中該一或多個導電加熱元件被保護免遭化學侵蝕。
可允許碳之一濃度自約0.1原子%至約50原子%變動，可允許鋁之一濃度自約0.1原子%至約20原子%變動，可允許氮之一濃度自約0原子%至約20原子%變動，且可允許氧之一濃度自約0原子%至約5原子%變動且可允許釔之一濃度自約0原子%至約3原子%變動。該導熱及電絕緣材料可為氮化鋁。該第一導熱層及該第二導熱層可包含氮化鋁。
該電加熱器裝置可包含貼附至該轂之一豎柱。該豎柱可接合至該轂，且該接合豎柱可產生與該轂之一氦密密封。該等互連件可包含一或多個電互連件，且該等電互連件可經構形以在一電路中將電自該轂傳達至該一或多個加熱元件及自該一或多個加熱元件傳達至該轂。
該電加熱器裝置可包含安置於該一或多個通道中之一或多個溫度感測器。該第二導熱層可安置於該一或多個溫度感測器上方。該一或多個加熱元件及該圓盤可包含一功能類似熱膨脹係數以避免該電加熱器裝置中之有害裂縫或裂痕。該一或多個加熱元件可獨立控制以沿該圓盤之該頂側提供一或多個加熱區域。
在另一實施例中，揭示一種製造用於處理一晶圓處理腔室中之一半導體晶圓之一電加熱器裝置之方法，其包括：(a)製備一圓盤、一頂側及一底側，該圓盤包括氮化鋁，該氮化鋁包括一助燒結劑，該助燒結劑包括自約3重量%至約5重量%之氧化釔；(b)在該圓盤之該頂側上製造 一或多個溝槽；(c)將一或多個導電加熱元件沈積於配置於該圓盤之該頂側上之一或多個溝槽之各自者中，該一或多個加熱元件包括摻雜有碳、氮、鋁、釔或氧之至少一者之一或多個耐火硬金屬，與無摻雜耐火硬金屬相比，該經摻雜一或多個耐火硬金屬包括在自周圍溫度至約850℃之範圍內之操作溫度內之一溫度不敏感電阻，其中該一或多個加熱元件可獨立控制以沿該圓盤之該頂側提供一或多個加熱區域；(d)將包括氮化鋁之一第一粉末沈積於該圓盤之該頂側上之該一或多個加熱元件上方；(e)在一模具中壓擠該圓盤至少一次以固結該第一粉末；(f)在該圓盤之該底側上製造一或多個通道；(g)將一或多個導電互連件沈積於該圓盤之該底側上之該一或多個通道中；(h)將包括氮化鋁之一第二粉末沈積於該圓盤之該底側上之該一或多個互連件上方；(i)在一模具中壓擠該圓盤至少一次以固結該第二粉末；(j)加工及研磨該壓擠圓盤以包含一轂，該經壓擠及加工圓盤界定具有嵌入式加熱元件及互連件之氮化鋁基質；(k)在自約1600℃至約1850℃之範圍內之溫度下燒結該氮化鋁基質，其中燒結之步驟在控制加熱下在氮環境中執行以燒盡該氮化鋁基質中之任何暫時黏結劑，其中碳之量維持於低於與氧化釔不相關聯之該氮化鋁基質中之氮化鋁之氧含量，使得氧化鋁及氧化釔之一液相之一組合物係使得該經燒結氮化鋁基質中之Al2O3/Y2O3莫耳比率係10：3至0.1：1，其中碳之量之一部分被併入該一或多個導電加熱元件之該經摻雜一或多個耐火硬金屬中，其中燒結形成包含該經燒結氮化鋁基質內之緻密化一或多個導電加熱元件之一緻密化氮化鋁基質；及(l)將一燒結豎柱接合至該轂。
本文中描述此等及其他實施例。
100:電加熱器裝置
105:圓盤總成
110:加熱元件
111:內加熱元件
112:外加熱元件
115:頂側
116:底側
120:圓盤
122:孔
125:互連件
126:加熱元件互連件
127:內加熱元件熱電偶
128:外加熱元件熱電偶
129:加熱元件互連件
130:內端介面
131:內端介面
135:插座
137:端子
138:端子
140:導熱層
142:內轂
145:導熱層
146:柱
147:柱
150:豎柱
155:溝槽
156:內溝槽
157:外溝槽
160:管狀延伸部分
162:通孔
163:通孔
164:通孔
165:溝槽
166:加熱元件互連溝槽
167:內熱電偶互連溝槽
168:外熱電偶互連溝槽
170:互連通孔
171:互連通孔
172:互連通孔
173:互連通孔
174:插座
175:插座
176:熱電偶插座
178:環形溝槽
180:環形突出
182:凸緣
183:環形突出
184:頂面
186:底壁
188:外壁
190:外壁
192:內壁
194:內壁
300:步驟
305:步驟
310:步驟
315:步驟
320:步驟
325:步驟
330:步驟
335:步驟
340:步驟
345:步驟
350:步驟
355:步驟
360:步驟
365:步驟
400:電加熱器裝置
401:氮化鋁層
402:氮化鋁層
402a:功率分佈層
403:氮化鋁層
404:軸件
405:金屬腔室安裝凸緣
406:饋通件
407:嵌入式加熱元件/導電加熱元件
409:通孔
410:電極進入點
411:加熱元件/電極組件/剛性銷
412:加熱元件/電極組件/彈簧
413:加熱元件/電極組件
420:圓盤總成
為了本發明中所描述之特徵之一更佳理解，可參考圖式中所展示之實施例。圖式中之實施例未必按比例繪製，且相關元件可被省略以強調及清楚地繪示本文中所描述之新穎特徵。另外，系統組件可經各種配置，如本技術中已知。在圖中，除非另有指定，否則相同元件符號可係指不同圖中之相同部件。
圖1係本發明之一電加熱器之一實施例之一仰視透視圖。
圖2繪示圖1之電加熱器之一部分之一分解俯視透視圖。
圖3繪示圖1之電加熱器之圓盤總成之一俯視透視圖，其中溝槽展示於圓盤總成之圓盤之頂側中。
圖4繪示圖3之圓盤以及各自內加熱元件及外加熱元件之一俯視分解透視圖。
圖5繪示在將各自內加熱元件及外加熱元件安裝至圓盤中之溝槽中之後之圖4之圓盤之一俯視透視圖。
圖6繪示在將一導熱粉末沈積於圓盤之頂側上之後之圖5之圓盤之一俯視透視圖。
圖7繪示在將導熱粉末壓實至圖6之圓盤上之後之圖6之圓盤之一俯視透視圖。
圖8繪示圖7之圓盤之一仰視透視圖，其中溝槽展示於圓盤之底側中。
圖9繪示圖8之圓盤以及互連件及(若干)熱電偶之一仰視分解透視圖。
圖10繪示在安裝互連件及(若干)熱電偶之後之圖9之圓盤之一仰視透視圖。
圖11繪示在將導熱粉末沈積於圓盤之底側上之後之圖8至圖10之圓盤之一仰視透視圖。
圖12繪示在將導熱粉末壓實至圓盤之底側上之後、在加工之後及在燒結以形成經完成圓盤總成之後之圖8至圖11之圓盤之一仰視分解透視圖。亦展示各自熱電偶插座及加熱元件插座，其等可在燒結圓盤之前或之後安裝。
圖13繪示圖12之圓盤總成之一俯視平面圖。
圖14係沿線14-14取得之圖13之圓盤總成之一橫截面圖。
圖15係圖13之圓盤總成之一仰視透視圖。
圖16係圖15之圓盤總成以及豎柱之一仰視分解透視圖。
圖17及圖18係圖15之圓盤總成以及展示於安裝位置中以形成具有接合豎柱之一電加熱器裝置之各自俯視透視圖及仰視透視圖。
圖19係圖18之電加熱器裝置之一實施例之一俯視透明平面圖。
圖20及圖21分別係沿線20-20及21-21取得之圖19之電加熱器裝置之橫截面圖。
圖22係繪示用於製造本發明之電加熱器之一實施例之一方法之一流程示意圖。
圖23係本發明之一電加熱器裝置之另一實施例之一橫截面圖。
圖24係繪示依據純鎢及純鉬之溫度而變化之電阻率之一代表性圖表。
圖25係一SEM/EDS光譜分析且圖26係自如本文中所揭示 般構形之一樣本圓盤總成中之氮化鋁基質之橫截面內的加熱元件橫截面中之圖25之光譜8取得之一代表性元素濃度。
圖27係根據一熱模擬之一功率對溫度作圖。
圖28繪示自本發明之一代表性加熱元件擷取之電阻資料。
交叉參考
本申請案主張2019年5月3日申請之美國臨時專利申請案第62/843,241號之權利，該案之全部內容以引用的方式併入本文中。
儘管本文中所描述之特徵、方法、器件及系統可以各種形式體現，但在圖式中展示且在下文將描述一些例示性及非限制性實施例。然而，並不需要本發明中所描述之所有所描繪之組件，且一些實施方案可包含除本發明中明確描述之外的額外、不同或更少組件。可在不背離如本文中所闡述之發明申請專利範圍之精神或範疇之情況下進行組件之配置及類型之變動。因此，應瞭解參考本文中之圖討論之一實施例之特徵之任何者可與結合本發明中之其他實施例討論之特徵組合或替代結合本發明中之其他實施例討論之特徵。
本發明描述用於製造半導體晶圓之一電加熱器裝置之至少一實施例之各種態樣。一電加熱器裝置之各種實施例提供多種優點。例如，本發明之電加熱器裝置與其等在相同測試溫度內之金屬對應物相比，提供在於約周圍溫度至約850℃之範圍內且特定言之在約300℃至約850℃之範圍內操作期間具有相對低電阻變化(即，電阻對溫度變化相對不敏感)之一電阻式加熱器。其他優點包含：
a.加熱元件組合物及其多孔性允許可與氮化鋁之收縮相容之收縮。因為不存在收縮之過度失配，因此包括嵌入氮化鋁基質中之一或多個加熱元件之所得加熱元件不產生有害內部裂痕或裂縫。
b.在氮化鋁燒結之後，加熱元件組合物具有適度地接近氮化鋁之熱膨脹係數之一熱膨脹係數，使得不存在對加熱器之效能有害之裂縫。
c.本文中所描述之實施例包括具有能夠係氦密封之一強接頭之一多層加熱元件圓盤及豎柱總成。
d.本文中所描述之實施例提供一種用於提供單一或多個加熱區域之可縮放設計，且允許具有在約周圍溫度至約850℃之範圍內之功能溫度均勻性之各種多區域加熱器構形之設計。
e.本文中所描述之實施例允許超出已知器件之熱電偶溫度感測器的額外或多個熱電偶溫度感測器，所有熱電偶溫度感測器能夠在加熱器製程後殘存，該加熱器製程包含涉及壓縮組件、嵌入組件及使組件曝露於自約1600℃至約1850℃之範圍內之高燒結溫度之步驟。
f.本文中所描述之實施例提供一種能夠輸送高溫操作歸因於高輻射熱損失而所需之高功率之解決方案。
g.本文中所描述之實施例包含電連接系統，其等將電源及感測器導體連接至適合於高溫用途且可耐受如本文中所揭示之加熱器製程之熱元件。
h.本文中所描述之實施例允許併入或使用標準溫度控制系統以操作電加熱器裝置之能力，此係因為加熱元件不具有溫度內之大電阻變化。因此，使用具有對範圍內之操作溫度內之溫度相對不敏感之一電阻之一加熱元件避免對更複雜控制器、控制考量及開關組件的需要。
i.本文中所描述之實施例提供一種多區域電加熱器裝置，其經構形以 實現自周圍溫度至約850℃之操作溫度。
j.本文中所描述之實施例係抗蝕刻的。
轉至圖，展示一電加熱器裝置之各種實施例。例如，圖1展示根據本發明之一電加熱器裝置100之一實施例。電加熱器裝置100包含貼附至其之豎柱150。豎柱150經構形用於附接至一饋通件(feedthrough)(未展示)以將電加熱器裝置100過渡至半導體晶圓處理腔室外部之一大氣環境。
參考圖2至圖18，展示電加熱器裝置100之各種態樣。例如，電加熱器裝置100包含圓盤總成105及貼附至其之豎柱150。圓盤總成105包含定位於圓盤120之頂側115上之一或多個加熱元件110及導熱層140。圓盤總成105包含定位於圓盤120之底側116上之互連件125、導熱層145及插座135。電加熱器裝置100之豎柱150係大體上管狀且在接合至圓盤總成105之後自圓盤120之底側116垂直延伸。一般技術者應瞭解圓盤120之頂側115係晶圓側，且底側116提供至晶圓處理腔室之外部之連接之一部分。
圓盤120可構形為一圓盤或一板且可具有一圓形、半圓形或任何其他平面幾何形狀。根據圖中所展示之實施例，圓盤120具有一圓形平面幾何形狀且可以任何直徑(諸如(例如)150mm、200mm、300mm或450mm直徑)製造。圓盤120可經構形為具有一導熱及電絕緣材料。在圖中所展示之實施例中，一適合導熱及電絕緣材料包括氮化鋁，氮化鋁包括助燒結劑，該助燒結劑可包含自約3重量%至約5重量%之量之氧化釔。在其他實施例中，除氧化釔之外或替代氧化釔，氮化鋁粉末可包含小量(即，小於5重量%)之鹼土金屬氧化物，包含氧化鈣。氮化鋁及助燒結劑 (若存在)亦可與適合黏結劑組合。具有黏結劑之氮化鋁陶瓷粉末可在一模具中在足夠壓力下固結以形成圓盤120。圓盤總成105之導熱層140、145亦可由氮化鋁製成以確保彼此之熱相容性。
圓盤120經構形為具有定位於圓盤120之頂側115上之溝槽155以接納一或多個加熱元件110。依此方式，圓盤120可充當一或多個加熱元件110之一基板。如圖3、圖4及圖19之實施例中最佳繪示，溝槽155包含內溝槽156及外溝槽157，各界定為不具有開端或末端之一連續通道。在其他實施例中，溝槽155之一或多者可具有一蛇形或具有界定端之其他形狀。溝槽155之內溝槽156及外溝槽157由在一共同平面中跨圓盤120之頂側115呈Z字形之複數個弧形、隔開通道部分進一步界定。在其他實施例中，溝槽155可經構形以接納一單一加熱元件。在其他實施例中，溝槽155可經構形以接納兩個以上加熱元件。
儘管圓盤120之外溝槽157之隔開通道部分近似彼此徑向等距(如圖3中所展示)，但內溝槽156之至少一些隔開、Z字形通道部分比內溝槽156之其他隔開、Z字形通道部分徑向更靠近彼此。依此方式，通道部分之徑向密度可在圓盤120之頂側115之不同部分或區域中較高或較低。在一些實施例中，弧形、Z字形通道部分之徑向間距可在通道以一弧形及Z字形圖案自圓盤120之頂側115之中心徑向向外橫穿時相對於彼此相對恆定。在其他實施例中，弧形、Z字形通道部分之徑向間距可變動。在一些實施例中，通道部分之圓周間距可相對恆定、可變動或在圓盤120之頂側115之不同部分或區域中較高或較低。
在其他實施例中，溝槽155之圖案及幾何形狀可包含任何所要圖案、深度及寬度。例如，在一些實施例中，溝槽155可螺旋地配置 於圓盤120之頂側115上。在一些實施例中，溝槽155之內部幾何形狀可包括一平坦底壁且具有定向為垂直於底壁之相對側壁。在其他實施例中，溝槽155之內部幾何形狀可包含傾斜、圓錐形或圓形側壁及/或底壁或任何其他幾何形狀。在一些實施例中，通道之寬度可跨圓盤120或局部地使用熱分析最佳化以達成一最佳熱均勻性。
如圖4及圖5之實施例中所展示，一或多個加熱元件110包含定位於一各自內溝槽156及外溝槽157中或由一各自內溝槽156及外溝槽157接納之內加熱元件111及外加熱元件112。在一些實施例中，一或多個加熱元件110可嵌入導熱層140、145及/或圓盤120內或介於導熱層140、145及/或圓盤120之間。例如，溝槽155可替代地安置於導熱層140之底側中以接納一或多個加熱元件而非使溝槽155形成於圓盤120之頂側115中。儘管圖中展示一對加熱元件，但在其他實施例中，僅一加熱元件或兩個以上加熱元件可配置於圓盤120之頂側115上。多個加熱元件可由一控制器控制以跨圓盤120之頂側115提供差別加熱或實質上均勻加熱。
在至少此實施例中，一或多個加熱元件110包含摻雜鉬或含有鉬之碳化物或耐火硬金屬(諸如鎢或其等合金)之等效化合物。鉬之較佳摻雜涉及碳、鋁及可能氮、氧及釔。
在燒結圓盤總成105的同時黏結劑燒盡期間，碳摻雜物產生或以其他方式添加至與導電的一或多個加熱元件110相關聯之金屬粉末。在此程序期間，部分在一惰性或實質上惰性氛圍中在約1600℃至約1850℃之範圍內加熱以熱解黏結劑，使得產生所要量之殘留碳。由此程序產生之碳之量保持低於與氧化釔不相關聯之氮化鋁之氧含量，使得氧化鋁及氧化釔之液相之組合物係使得燒結本體中Al2O3/Y2O3莫耳比率介於 10：3至0.1：1之間。此碳之一部分被併入收縮及燒結以在氮化鋁基質內產生一緻密加熱元件之鉬粉中。碳之剩餘部分與Al2O3反應以形成氮化鋁及一氧化碳。在高溫(通常在約1600℃至約1850℃之範圍內)下，歸因於氮化鋁、鉬、碳與氧化鋁-氧化釔之助燒結劑(如上文所描述)之間的相互作用，在氮氛圍中，允許一或多個加熱元件110之組合物接近化學平衡，從而導致一或多個加熱元件110之所要組合物。其他摻雜物(諸如鋁、氮、氧及釔)可簡單地藉由導熱元件成分與周圍氮化鋁基質之間的高溫相互作用添加。可允許碳、鋁、氮、氧及釔之濃度在以下範圍內變動：
碳：0.1原子%至50原子%
鋁：0.1原子%至20原子%
氮：0原子%至20原子%
氧：0原子%至5原子%
釔：0原子%至3原子%
應注意SEM/EDS分析可對微量至小量硼不敏感。通常，若硼濃度變得大於~10%，則可偵測光譜分析中是否不存在來自其他元素之干擾。由於硼可由於其用作為氮化硼(或氮化硼與氮化鋁可加工陶瓷組合)而存在以在黏結劑燒盡及/或燒結期間提供惰性支援，因此其無法自一可能組合物排除。因此，依上文對於摻雜物(諸如鋁、氮及氧)所描述之一方式，硼可在燒結期間的高溫相互作用期間添加，但其可使用傳統SEM/EDS分析偵測。因此，作為通常在自0至偵測極限(其約為10原子%)之範圍內之一摻雜物，硼無法被排除。
一或多個加熱元件110之組合物涉及非金屬元素(諸如碳、氮及氧)連同微量硼及氮化鋁陶瓷中發現之元素(即，鋁、釔)，所有元素 皆藉由SEM/EDS分析判定。非金屬元素可藉由直接添加前驅體(諸如在其等在黏結劑燒盡步驟中之熱解期間產生殘留量之碳之有機黏結劑)或藉由直接添加顆粒性碳(其將僅被併入形成鉬及碳之一固體溶液或碳化鉬(Mo2C或MoC)之加熱元件中)而添加。X射線繞射分析展示加熱元件含有鉬及碳化鉬之一混合物連同歸因於峰值之數目不足之微量未識別相。在一情況中，鉬與碳化鉬(諸如Mo2C)比接近2：1。
由於部分在氮氛圍中使用形成氧化物燒結相(A2O3-Y2O3)之一液體燒製，因此一或多個加熱元件110之組合物可包含微量至小量鋁、釔及氧。由於熟知添加小量摻雜物可影響金屬及陶瓷(金屬及一非金屬之一化合物)之電性質，因此必須考量加熱元件/電極組合物中存在微量至小量元素。
所描述之一或多個加熱元件110提供若干高度所要特性，包含：(1)耐受熱應力之一能力(即，一熱膨脹係數足夠接近圓盤總成105之陶瓷基質之熱膨脹係數)；(2)相對於陶瓷基質之化學相容性(即，惰性)；(3)與陶瓷基質共同燒製之一能力；及(4)特別注意，依據溫度而變化(尤其在高操作溫度下)之電阻率之一改良穩定性。事實上，觀察到歸因於相對於具有相同溫度內之0.005(1/K)之一電阻率係數之純鉬之自約周圍溫度至約850℃量測為近似0.001(1/K)之一相對低電阻率係數相比，所描述之一或多個加熱元件110在約周圍溫度至約850℃之所要操作範圍內具有電阻率之相對低變化(即，電阻對溫度變化相對不敏感)。在一實施例中，如圖28中所展示，在自約300℃至約600℃之範圍內之一溫度內，電阻在自約4.18歐姆至約4.28歐姆之範圍內。
圖6展示最初以氮化鋁粉末之形式安置於圓盤120之頂側 115上之導熱層140。粉末在壓力下用黏結劑固結以形成一可加工表面。如圖7中所展示，複合圓盤120/導熱層140在3個位置中被鑽孔以形成用於圓盤總成105之分度、計時之孔122。如圖19中所展示，孔122不干擾一或多個加熱元件110或互連件125。
圓盤120經構形為具有定位於圓盤120之底側116上以接納互連件125之溝槽165。如圖8至圖9之實施例中最佳繪示，溝槽165包含加熱元件互連溝槽166、內熱電偶互連溝槽167及外熱電偶互連溝槽168。為了本發明的目的，如圖2及圖9中所繪示，互連件125包含加熱元件互連件126、129、內加熱元件熱電偶127及外加熱元件熱電偶128。在一些實施例中，互連件125可嵌入導熱層140、145及/或圓盤120內或介於導熱層140、145及/或圓盤120之間。例如，溝槽165可替代地安置於導熱層145之頂側中以接納一或多個加熱元件而非使溝槽165形成於圓盤120之底側116中。
如圖10中所展示，加熱元件互連件126、129定位於各自互連溝槽166中或由各自互連溝槽166接納，內加熱元件熱電偶127定位於互連溝槽167中或由互連溝槽167接納，且外加熱元件熱電偶128定位於互連溝槽168中或由互連溝槽168接納。溝槽165係大體上弧形且稍微徑向配置於一共同平面中。互連通孔170、171、172、173允許將功率傳達至一或多個加熱元件110且允許來自內熱電偶127及外熱電偶128之感測器信號通過圓盤120至頂側115或自頂側115通過圓盤120以透過導體(諸如位於豎柱內部之任何電極及熱電偶延伸線)及最終透過一饋通件(未展示)通信。
具體而言，各自加熱元件互連件126之柱146插入各自通孔170中或由各自通孔170接納以將功率傳達至外加熱元件112。一柱146將 電輸送至外加熱元件112，且另一柱146將電自外加熱元件112之一相對端返回至一饋通件(未展示)以完成電路。
加熱元件互連件126之一者在其內端介面130處接收電且將電輸送至其柱146。加熱元件互連件126之另一者自其柱146接收電且將電輸送至其內端介面130。如圖9及圖12中所展示，內端介面130接收自插入定位於圓盤120之內轂142上之通孔163中之一各自插座174輸送至其之電。當然，電可在相反方向上流動。
類似地，加熱元件互連件129之柱147(未展示)插入通孔172中或由通孔172接納以將功率傳達至內加熱元件111。柱147將電輸送至內加熱元件111，且端子137將電自內加熱元件111之一相對端返回至一饋通件(未展示)以完成電路。
加熱元件互連件129在其內端介面131處接收電且將電輸送至其柱147。如圖9及圖12中所展示，內端介面131接收自插入定位於圓盤120之內轂142上之通孔162中之一插座174輸送至其之電。端子137將電自內加熱元件111之相對端輸送至插入定位於圓盤120之內轂142上之通孔171中之一插座174。當然，電可在相反方向上流動。
內熱電偶127及外熱電偶128產生一溫度比例毫伏信號且經由連接至插入各自通孔164中之各自插座175之端子138傳達該信號。
製造加熱元件互連件126、129及插座135之組合物及方法可類似於一或多個加熱元件110之組合物及方法以在此等組件中包含在範圍內之操作溫度內之電阻之低變化之益處。如本文中所揭示，電阻之低變化(即，電阻對溫度變化相對不敏感)最小化對熱非均勻性之熱貢獻。因此，加熱元件互連件126、129及插座135可如本文中所描述般針對一或多 個加熱元件110摻雜。在一些實施例中，亦可接受加熱元件互連件126、129及插座135未被摻雜，但在此等情況中，與一或多個加熱元件110相比，未摻雜加熱元件互連件126、129及插座135在任何溫度下必須具有足夠低的電阻。此可藉由控制(例如)加熱元件互連件126、129及插座135之幾何形狀使得電阻足夠小來達成。在一些實施例中，包括如本文中所揭示之一或多個耐火硬金屬之加熱元件互連件126、129及插座135之組合物可不需要摻雜或至少僅在各自組件之電阻部分所需之程度上摻雜。
如圖11中所展示，導熱層145最初以氮化鋁粉末之形式安置於圓盤120之底側116上。粉末在壓力下用黏結劑固結以形成一可加工表面。如圖12中所展示，底側116已被壓擠及加工以形成經完成導熱層145。插座135包含加熱元件插座175及熱電偶插座176。圖13至圖15展示經完成圓盤總成105。圓盤總成105之底側116包含形成於環形突出180中以接納豎柱150之凸緣182之環形溝槽178。此刻，為了提供對一晶圓提升機構之接取，孔122可放大至其最終直徑。插座135可在燒結圓盤120/圓盤總成105之前或之後插入圓盤120中。
圖16展示安裝豎柱150之前之圓盤總成105，且圖17至圖18展示安裝豎柱150之後之圓盤總成105。豎柱150包含具有位於一端(頂端)上之凸緣182及位於相對端(底端)上之環形突出183之管狀延伸部分160。凸緣182之頂面184經構形以與環形溝槽178之底壁186配合。同樣地，凸緣182之外壁188經構形以與環形溝槽178之外壁190配合，且凸緣182之內壁192經構形以與環形溝槽178之內壁194配合。環形突出183經構形以接合一饋通件(未展示)或其他結構以過渡至晶圓處理腔室外部之大氣條件。
豎柱150可使用任何適用接合方法接合至圓盤總成105以產 生具有亦係一氦密密封之能力之一強接頭。例如，可取決於程序要求而使用擴散接合、金屬化硬焊、具有高溫密封之機械接頭、玻璃或玻璃陶瓷接合技術或其他技術。標題為「Diffusion-Bonded Assembly of AlN Ceramic Bodies and Heat Dissipation Member Constituted Thereby」之美國專利第5,096,863號中揭示一適合接合方法，該專利之全部內容以引用的方式併入本文中。本專利中教示之接合程序產生豎柱150與圓盤總成105之間的一氦密密封。
應注意與本文中所揭示之原理一致之電加熱器裝置之任何幾何形狀或構造係可行的。例如，一些最終使用者可需要包含一接地平面或嵌入圓盤總成105內之一靜電卡盤電極之一構造。此等額外特徵可在不背離本文之教示之情況下容易地併入。另外，可部署不同電氣佈線方案以適應多個加熱元件及/或加熱區域，同時最小化貫通連接之數目。另外，圓盤總成105可包含多於上述層之數目，其中互連件在不同層上之組件之間傳達信號(即，功率信號、感測器信號等等)。
轉至圖22，展示用於製造電加熱器裝置100之一實施例之各種步驟。例如，在步驟300處，以藉由在一模具中之足夠高壓力下使用黏結劑之固結粉末形成且具有所要直徑及初始厚度之由一導熱及電絕緣材料(諸如氮化鋁)製成之「生坯」圓盤120開始，在圓盤120之頂側115上產生溝槽155以接納一或多個加熱元件110，且在圓盤120之底側116上產生溝槽165以接納互連件125。在其他實施例中，溝槽165可與溝槽155在不同時間產生。為製造溝槽155、165，一遮蔽膜可施敷於各自頂側115/底側116且可部署一雷射雕刻技術。另外，類似技術可用於在不背離本發明之教示之情況下製造溝槽155、165。例如，當圓盤120最初被壓擠及形成 時，溝槽155、165可形成於生坯圓盤120上。替代地，溝槽155、165可在圓盤120之最初形成之後加工至圓盤120中。
孔122可在此刻產生以在圓盤表面覆蓋有氮化鋁粉末之後實現/確保圓盤120之計時/分度。在步驟305處，將一或多個加熱元件110安置於溝槽155中。為此，施敷或安置(如適用)以下項之至少一者以填充溝槽155：(1)包括一或多個耐火硬金屬(諸如鉬、鎢及/或鉭等等)之一高度負載塗料，(2)來自包括一或多個高度負載耐火金屬(諸如鉬、鎢及/或鉭等等)之一聚合物薄片之一預切割圖案，或(3)耐火硬金屬(諸如鉬、鎢及鉭等等)之一高度負載粉末，所有前述包括如本文中所揭示或將自由一般技術者瞭解之本文中所揭示之教示自然發生之一組合物/濃度。在步驟310處，將一導熱粉末(諸如氮化鋁粉末)施敷於圓盤120之頂側115。在步驟315處，在壓力下使用黏結劑固結粉末以形成一可加工表面。在步驟320處，將互連件125安裝於溝槽165中，且施敷或安置一粉末、一塗料或來自如上文所揭示之一聚合物薄片之一預切割圖案之一高度負載之一者以填充溝槽165，各包括本文中所揭示之組合物/濃度之一或多個耐火硬金屬(諸如鉬、鎢及/或鉭等等)。在步驟325處，將一導熱粉末(諸如氮化鋁粉末)施敷於圓盤120之底側116。在步驟330處，在壓力下使用黏結劑固結粉末以形成一可加工表面。在步驟335處，將電源及熱電偶插座135安裝於圓盤120之底側116上之氮化鋁粉末中之各自通孔中。在步驟340處，將圓盤120之兩側加工至接近最終尺寸以形成圓盤總成105。在步驟345處，圓盤總成105在控制加熱下經受氮氛圍中之黏結劑燒盡及燒結以產生小量殘留碳。此碳之一部分被併入收縮及燒結以產生氮化鋁基質內之一緻密一或多個加熱元件110之鉬粉中。碳之剩餘部分與Al2O3反應以形成氮化鋁及一氧化 碳。在高溫(通常在自約1600℃至約1850℃之範圍內)下，歸因於氮化鋁、鉬、碳與氧化鋁-氧化釔之助燒結劑之間的相互作用，在氮氛圍中，允許一或多個加熱元件110之組合物接近化學平衡，從而導致一或多個加熱元件110之所要組合物。
在步驟350處，對圓盤總成105執行最終加工及/或研磨操作以達成最終尺寸形式。在步驟355處，使用如本文中所揭示之任何適用接合方法將豎柱150接合至圓盤總成105。在步驟360處，可組裝一饋通件(若由單獨組件製成)，且在步驟365處，可將饋通件安裝於豎柱150上。
一般技術者將瞭解各種積層製造方法可經調適以製造圓盤總成105及/或電加熱器裝置100。如下文對於電加熱器裝置400所描述，一適合積層製程可包含用於藉由堆疊由一卷對卷程序饋送之雷射切割紙之薄片而產生3D物件之由Helysis Inc.開發之被稱為層壓物件製造之一程序，其全部內容以引用的方式併入本文中。
現轉至圖23，展示本發明之一電加熱器裝置400之另一實施例。在此實施例中，圓盤總成420包含具有嵌入式加熱元件407、通孔409及功率分佈層402a之氮化鋁層401、402、403、軸件404及饋通件406、金屬腔室安裝凸緣405、加熱元件/電極組件411、412、413及電極進入點410。
概念地被展示為組件411、412、413之一加熱元件/電極系統用於在進入點410處將電流提供至加熱元件407。剛性銷411係不受限於鉬或鎢之一導電金屬，此係因為其不接合至進入點410。在一些實施例中，亦可利用一鎳合金。410與411之間的介面產生電接觸饋送電流。由彈簧412施加向上力。一撓性導體連接至外部系統。其密封於饋通件406 處。此連接系統可用於加熱器及熱電偶感測器。為了簡單而僅展示1組組件。此連接系統允許高溫下之組件之熱延伸。較佳地由鋁製成之一金屬腔室安裝凸緣405用密封組件及緊固件將基座安裝至腔室壁或提升載台。
在至少此實施例中，加熱元件407包含摻雜鉬或含有鉬之碳化物，或耐火硬金屬(諸如鎢或其等之合金)之等效化合物。鉬之較佳摻雜涉及碳、鋁及可能氮、氧及釔。
在燒結圓盤總成420的同時黏結劑燒盡期間，碳摻雜物產生或以其他方式添加至與導電加熱元件407相關聯之金屬粉末。在此程序期間，部分在一惰性或實質上惰性氛圍中在約1600℃至約1850℃之範圍內加熱以熱解黏結劑，使得產生所要量之殘留碳。由此程序產生之碳之量保持低於與氧化釔不相關聯之氮化鋁之氧含量，使得氧化鋁及氧化釔之液相之組合物係使得燒結本體中Al2O3/Y2O3莫耳比率介於10：3至0.1：1之間。此碳之一部分被併入收縮及燒結以在氮化鋁基質內產生一緻密加熱元件之鉬粉中。碳之剩餘部分與Al2O3反應以形成氮化鋁及一氧化碳。在高溫(通常在約1600℃至約1850℃之範圍內)下，歸因於氮化鋁、鉬、碳與氧化鋁-氧化釔之助燒結劑(如上文對於圓盤120所描述)之間的相互作用，在氮氛圍中，允許加熱元件407之組合物接近化學平衡，從而導致加熱元件407之所要組合物。其他摻雜物(諸如鋁、氮、氧及釔)可簡單地藉由導熱元件成分與周圍氮化鋁基質之間的高溫相互作用添加。可允許碳、鋁、氮、氧及釔之濃度在以下範圍內變動：
碳：0.1原子%至50原子%
鋁：0.1原子%至20原子%
氮：0原子%至20原子%
氧：0原子%至5原子%
釔：0原子%至3原子%
應注意SEM/EDS分析可對微量至小量硼不敏感。通常，若硼濃度變得大於~10%，則可偵測光譜分析中是否不存在來自其他元素之干擾。由於硼可由於其用作為氮化硼(或氮化硼與氮化鋁可加工陶瓷組合)而存在以在黏結劑燒盡及/或燒結期間提供惰性支援，因此其無法自一可能組合物排除。因此，依上文對於摻雜物(諸如鋁、氮及氧)所描述之一方式，硼可在燒結期間的高溫相互作用期間添加，但其可使用傳統SEM/EDS分析偵測。因此，作為通常在自0至偵測極限(其約為10原子%)之範圍內之一摻雜物，硼無法被排除。
加熱元件407之組合物涉及非金屬元素(諸如碳、氮及氧)連同微量硼及氮化鋁陶瓷中發現之元素(即，鋁、釔)，所有元素皆藉由SEM/EDS分析判定。非金屬元素可藉由直接添加前驅體(諸如在其等在黏結劑燒盡步驟中之熱解期間產生殘留量之碳之有機黏結劑)或藉由直接添加顆粒性碳(其將僅被併入形成鉬及碳之一固體溶液或碳化鉬(Mo2C或MoC)之加熱元件中)而添加。X射線繞射分析展示加熱元件含有鉬及碳化鉬之一混合物連同歸因於峰值之數目不足之微量未識別相。在一情況中，鉬與碳化鉬(諸如Mo2C)比接近2：1。
由於部分在氮氛圍中使用形成氧化物燒結相(A2O3-Y2O3)之一液體燒製，因此加熱元件407之組合物可包含微量至小量鋁、釔及氧。由於熟知添加小量摻雜物可影響金屬及陶瓷(金屬及一非金屬之一化合物)之電性質，因此必須考量加熱元件/電極組合物中存在微量至小量元素。
所描述之加熱元件407提供若干高度所要特性，包含：(1)耐受熱應力之一能力(即，一熱膨脹係數足夠接加熱器基座圓盤總成420之陶瓷基質之熱膨脹係數)；(2)相對於陶瓷基質之化學相容性(即，惰性)；(3)與陶瓷基質共同燒製之一能力；及(4)特別注意，依據溫度而變化(尤其在高操作溫度下)之電阻率之一改良穩定性。事實上，觀察到歸因於相對於具有相同溫度內之0.005(1/K)之一電阻率係數之純鉬之自約周圍溫度至約850℃量測為近似0.001(1/K)之一相對低電阻率係數相比，所描述之加熱元件407在約周圍溫度至約850℃之所要操作範圍內具有電阻率之相對低變化(即，電阻對溫度變化相對不敏感)。在一實施例中，如圖28中所展示，在自約300℃至約600℃之範圍內之一溫度內，電阻在自約4.18歐姆至約4.28歐姆之範圍內。
如本文中所揭示之電加熱器裝置之多層結構當安裝於一真空晶圓處理腔室中時，亦不洩露且提供可容納多個區域之一可縮放設計，因此呈現能夠具有用於更佳溫度均勻性之一單一加熱區域或多個加熱區域之一解決方案。構造亦允許添加一或多個熱電偶(例如溫度感測器)。熱電偶添加於層402與403之間且在陶瓷製程中殘存。
另外，涉及鉬之摻雜之碳及鋁及可能氧之前述濃度產生電阻對溫度之降低敏感度之意外發現，此允許更容易的溫度控制、高溫下之化學相容性及在總成之共同燒製/燒結期間與氮化鋁基板之相容性。
在本文中所揭示之至少此實施例中，電加熱器裝置400可根據以下步驟建構：
a.製備包括氮化鋁之一生坯本體(即，藉由在一模具中在足夠高壓力下使用黏結劑固結陶瓷粉末而形成之一自支撐本體)。接著，加工生坯本 體以產生加熱元件407可印刷及/或定位於其上之一圓盤狀基板。
b.使用若干已知塗料或膏製造技術之任一者，製備包括鉬粉、有機黏結劑及溶劑之導電加熱元件組合物。替代地，可製備一粉末、一塗料或來自如上文對於電加熱器裝置100所揭示之一聚合物薄片之一預切割圖案之一高度負載之一者，各包括本文中所揭示之組合物/濃度之一或多個耐火硬金屬(諸如鉬、鎢及/或鉭等等)。
c.接著，將一遮蔽膜施敷於生坯本體圓盤之表面之一者且使用一雷射雕刻技術來產生包括所需深度、寬度及長度之一淺溝渠之一明確界定之圖案。
d.接著，施敷鉬塗料以均勻填充溝渠，使得鉬表面及氮化鋁表面在相對於基線表面之相同高度處。替代地，施敷或安置一粉末、一塗料或來自如上文所揭示之一聚合物薄片之一預切割圖案之高度負載之一者以填充溝渠，各包括本文中所揭示之組合物/濃度之一或多個耐火硬金屬(諸如鉬、鎢及/或鉭等等)。接著，填充通孔409，以產生連接至相對表面之電源引線。
e.移除遮罩且檢查通孔409以及加熱元件407之圖案之厚度均勻性且修復(若必要)。
f.接著，一模具中之連續粉末壓擠其後接著加工用於將加熱元件之導電圖案囊封或嵌入如圖23中所展示之一多層圓盤總成420結構中。
g.替代地，一積層製程可經調適以囊封或嵌入導電圖案中。可為此目的調適之一適合積層製程可包含用於藉由堆疊由一卷對卷程序饋送之雷射切割紙之薄片而產生3D物件之由Helysis Inc.開發之被稱為層壓物件製造之一程序，其全部內容以引用的方式併入本文中。藉由利用該程序之原理，可藉由本技術中已知之陶瓷製程(諸如壓擠(如本文中所描述)、滾 壓、鑄帶、噴射沈積等等)產生氮化鋁之薄片。一薄片之表面可對於貫通連接進行雷射切割且使用導電元件塗料印刷。然而，取代將粉末添加在包括一印刷導電元件圖案之一薄片之頂部上且再壓擠粉末，經印刷薄片可彼此上下堆疊且最初藉由使用根據標題為「Fabrication Techniques for Multi-Layer Ceramic Modules」之美國專利第4,024,629號之教示之溶劑接合，該專利之全部內容以引用的方式併入本文中。總成可藉由溫均壓、液壓成型或一等效成型技術進一步固結。上述層壓物件製程已高度自動化以產生複雜3D結構，其暗示用於製造本文中所描述之電加熱器裝置之程序亦可高度自動化。應注意此處所描述之產生兩個互連3D結構之原理：電絕緣但導熱之一3D結構及導電之另一3D結構可使用其他積層製程部署以產生含有加熱元件、互連件、感測器等等之導電圖案之本文中所描述之內部結構之氮化鋁之一基質。此等其他積層製造方法包含：黏結劑噴射、熔融細絲沈積、噴射沈積、含有如立體微影術中之高度負載陶瓷或金屬粉末之UV固化聚合物。在製造含有導電加熱元件、互連件、電源引線、熱電偶等等之如本文中所描述之一內部結構之氮化鋁之一生坯本體之後，下文所描述之程序步驟之剩餘部分可適用。
h.接著，所得圓盤總成420經受氮氛圍中之黏結劑燒盡及燒結。黏結劑燒盡在控制加熱下在氮環境中實施，使得產生小量殘留碳。由此程序產生之碳之量保持低於與氧化釔不相關聯之氮化鋁之氧含量，使得氧化鋁及氧化釔之液相之組合物係使得燒結本體中Al2O3/Y2O3莫耳比率介於10：3至0.1：1之間。此碳之一部分被併入收縮及燒結以在氮化鋁基質內產生緻密加熱元件/電極之鉬粉中。如先前所描述，其他摻雜物(諸如鋁、氮、氧、釔及可能硼)歸因於加熱元件407、通孔409與含有在燒結期間充當助燒結 劑之氧化鋁-氧化釔相之周圍氮化鋁基質之間的高溫相互作用而在燒結期間添加。碳之剩餘部分與Al2O3反應以形成氮化鋁及一氧化碳。在高溫(通常在約1600℃至約1850℃之範圍內)下，歸因於氮化鋁、鉬、碳與氧化鋁-氧化釔之助燒結劑之間的相互作用，在氮氛圍中，允許加熱元件407之組合物接近化學平衡，從而導致加熱元件407之所要組合物。此描述涵蓋一燒結氮化鋁圓盤加熱器之製造。接著，將其加工至接合至中空/管狀軸件404及接合後操作所需之最終尺寸。
i.使用適合於由氮化鋁製造物件之已知程序由氮化鋁製備中空/管狀軸件404，且加工至最終形式。更特定言之，藉由在用於燒結氮化鋁陶瓷(即，將粉末壓擠成一管狀預製件)之一標準程序之後加工該預製件以產生所要形狀及尺寸之一生坯本體，接著使其經受黏結劑燒盡及燒結來處理中空/管狀軸件404。接著，將燒結部分加工至產生準備接合至圓盤總成420之中空/管狀軸件404所需之最終尺寸。
j.燒結中空/管狀軸件404及燒結氮化鋁圓盤總成420使用任何可適用接合方法彼此附接。例如，可取決於程序要求而使用擴散接合、金屬化硬焊、具有高溫密封之機械接頭、玻璃或玻璃陶瓷接合技術或其他技術。標題為「Diffusion-Bonded Assembly of AlN Ceramic Bodies and Heat Dissipation Member Constituted Thereby」之美國專利第5,096,863號中揭示一適合接合方法，該專利之全部內容以引用的方式併入本文中。
k.管狀軸件404內之體積使用惰性氣體沖洗以防止組件氧化。
l.安裝由組件411、412、413概念地展示之一功率電極系統以在進入點410處將電流饋送至加熱元件407。
m.一撓性導體連接至外部系統且密封於饋通件406處。
n.儘管為了簡單僅展示一組加熱元件407及熱電偶感測器，但在其他實施例中，可部署多個加熱元件及熱電偶感測器。
o.此連接系統允許高溫下之組件之熱延伸。
可包含使用涉及使用大多數組件之顆粒組合物、控制黏結劑燒盡程序及燒結基座圓盤之一積層製程之此獨特製造方法產生具有如本文中所揭示之非預期結果之一溶液。
現轉至圖24，展示繪示依據純鎢及純鉬之溫度而變化之電阻率之一圖表，其展示電阻率在對於鎢自約0℃至約3400℃之範圍內且對於鉬自約0℃至約2200℃之範圍內之溫度內穩定增加。
圖25及圖26繪示如本文中所揭示般構形之一樣本圓盤總成中之加熱元件/電極附近之SEM/EDS光譜分析及代表性元素濃度。鈀及金光譜線來自樣品之一薄導電膜。在此樣品中，鉬之重量百分比係70.8%，碳之重量百分比係20.6%，氧之重量百分比係3.6%，氮之重量百分比係3.1%，鋁之重量百分比係1.9%且釔之重量百分比係0.0%，如圖26中所展示。
圖27展示根據一熱模擬之一功率對溫度作圖。此類型之一作圖可有助於一適當控制系統之組件定大小及選擇。高溫操作歸因於輻射熱損失而具有高功率要求。輻射熱轉移之史提芬-波茲曼定律(Stefan-Boltzmann Law)展示隨溫度之非線性增加(四次方)。本文中所揭示之實施例歸因於高輻射熱損失而對於約600℃至約800℃之範圍內之高溫操作輸送高功率，如圖25中所繪示。
圖28繪示自本發明之一代表性加熱元件擷取之電阻資料。資料展示高溫(即，自約500℃至約600℃，且在一定程度上自約300℃至 約500℃)下之電阻穩定。波動係歸因於功率變動及導體之加熱。電阻係自電壓及電流讀數計算。
本文中所描述之實施例係實施方案之可能實例且僅為了本文中所描述之特徵之原理之一清楚理解而闡述。可在實質上不背離本文中所描述之技術、程序、器件及系統之精神及原理之情況下對(若干)上述實施例進行許多變動及修改。所有此等修改意欲在本文中包含於本發明之範疇內且由以下發明申請專利範圍保護。
100:電加熱器裝置
105:圓盤總成
116:底側
120:圓盤
150:豎柱
160:管狀延伸部分
183:環形突出

Claims (27)

  1. 一種用於處理一晶圓處理腔室中之一半導體晶圓之電加熱器裝置，其包括：一第一導熱層，其包括一電絕緣材料、一頂側及一底側；一或多個導電加熱元件，其或其等安置於配置於該第一導熱層之該頂側上之一或多個溝槽之各自者中，該一或多個導電加熱元件包括摻雜有碳、氮、鋁、釔或氧之至少一者之一或多個耐火硬金屬，該經摻雜一或多個耐火硬金屬包括在自約300℃至約850℃之範圍內之溫度內之一溫度不敏感電阻，其中該一或多個導電加熱元件可獨立控制以沿該第一導熱層之該頂側提供一或多個加熱區域；及一第二導熱層，其安置於該一或多個導電加熱元件上方之該第一導熱層之該頂側上。
  2. 如請求項1之電加熱器裝置，其中該第一導熱層包括一圓盤。
  3. 如請求項1之電加熱器裝置，其中該第一導熱層燒結，且其中在燒結該第一導熱層之前，該一或多個導電加熱元件最初包括一粉末、一塗料、及來自一聚合物薄片之一預切割圖案之一者。
  4. 如請求項1之電加熱器裝置，其中允許碳之一濃度自約0.1原子%至約50原子%變動，允許鋁之一濃度自約0.1原子%至約20原子%變動，允許氮之一濃度自約0原子%至約20原子%變動，允許氧之一濃度自約0原子%至 約5原子%變動且允許釔之一濃度自約0原子%至約3原子%變動。
  5. 如請求項1之電加熱器裝置，其中該第一導熱層包括氮化鋁。
  6. 如請求項1之電加熱器裝置，其包含安置於該第一導熱層之該底側上之一第三導熱層，該第三導熱層包括一轂。
  7. 如請求項6之電加熱器裝置，其中該第二導熱層及該第三導熱層包括氮化鋁。
  8. 如請求項6之電加熱器裝置，其包含貼附至該轂之一燒結豎柱。
  9. 如請求項6之電加熱器裝置，其包含接合至該轂之一燒結豎柱，且該燒結豎柱經接合形成與該轂之一氦密密封。
  10. 如請求項6之電加熱器裝置，其包含安置於配置於該第一導熱層之該底側上之一或多個通道之各自者中之一或多個電互連件。
  11. 如請求項10之電加熱器裝置，其中該等電互連件經構形以在一電路中將電自該轂傳達至該一或多個導電加熱元件及自該一或多個導電加熱元件傳達至該轂。
  12. 如請求項10之電加熱器裝置，其中該等電互連件經構形以將感測器 資料自一或多個溫度感測器傳達至該轂。
  13. 如請求項12之電加熱器裝置，其中該一或多個溫度感測器安置於配置於該第一導熱層之該底側上及該第三導熱層下方之一或多個通道之各自者中。
  14. 如請求項13之電加熱器裝置，其中該第三導熱層安置於該一或多個溫度感測器上方。
  15. 如請求項1之電加熱器裝置，其中該一或多個導電加熱元件及該第一導熱層包括一功能類似熱膨脹係數以避免該電加熱器裝置中之有害裂縫或裂痕。
  16. 一種用於處理一晶圓處理腔室中之一半導體晶圓之電加熱器裝置，其包括：一燒結圓盤，其包括一導熱及電絕緣材料、一頂側及一底側；一或多個導電加熱元件，其或其等安置於配置於該圓盤之該頂側上之一或多個溝槽之各自者中，該一或多個導電加熱元件包括摻雜有碳、氮、鋁、釔或氧之至少一者之一或多個耐火硬金屬，該經摻雜一或多個耐火硬金屬包括在自約300℃至約850℃之範圍內之溫度內之一溫度不敏感電阻，其中該一或多個導電加熱元件可獨立控制以沿該圓盤之該頂側提供一或多個加熱區域；一第一導熱層，其安置於該圓盤之該頂側上之該一或多個導電加 熱元件上方；一或多個互連件，其或其等安置於配置於該圓盤之該底側上之一或多個通道之各自者中；及一第二導熱層，其安置於該圓盤之該底側上之該一或多個互連件上方，該第二導熱層包括一轂，其中該一或多個導電加熱元件被保護免遭化學侵蝕。
  17. 如請求項16之電加熱器裝置，其中允許碳之一濃度自約0.1原子%至約50原子%變動，允許鋁之一濃度自約0.1原子%至約20原子%變動，允許氮之一濃度自約0原子%至約20原子%變動，且允許氧之一濃度自約0原子%至約5原子%變動且允許釔之一濃度自約0原子%至約3原子%變動。
  18. 如請求項16之電加熱器裝置，其中該導熱及電絕緣材料係氮化鋁。
  19. 如請求項16之電加熱器裝置，其中該第一導熱層及該第二導熱層包括氮化鋁。
  20. 如請求項16之電加熱器裝置，其包含貼附至該轂之一豎柱。
  21. 如請求項20之電加熱器裝置，其中該豎柱接合至該轂，且該豎柱經接合產生與該轂之一氦密密封。
  22. 如請求項16之電加熱器裝置，其中該等互連件包含一或多個電互連 件，且該等電互連件經構形以在一電路中將電自該轂傳達至該一或多個導電加熱元件及自該一或多個導電加熱元件傳達至該轂。
  23. 如請求項16之電加熱器裝置，其包含安置於該一或多個通道中之一或多個溫度感測器。
  24. 如請求項23之電加熱器裝置，其中該第二導熱層安置於該一或多個溫度感測器上方。
  25. 如請求項16之電加熱器裝置，其中該一或多個導電加熱元件及該圓盤包括一功能類似熱膨脹係數以避免該電加熱器裝置中之有害裂縫或裂痕。
  26. 如請求項16之電加熱器裝置，其中該一或多個導電加熱元件可獨立控制以沿該圓盤之該頂側提供一或多個加熱區域。
  27. 一種製造用於處理一晶圓處理腔室中之一半導體晶圓之一電加熱器裝置之方法，其包括：製備一圓盤，該圓盤包括氮化鋁粉末、一頂側及一底側，該氮化鋁粉末包括一助燒結劑，該助燒結劑包括自該氮化鋁粉末約3重量%至約5重量%之氧化釔；在該圓盤之該頂側上製造一或多個溝槽；將一或多個導電加熱元件沈積於配置於該圓盤之該頂側上之一或 多個溝槽之各自者中，該一或多個導電加熱元件包括摻雜有碳、氮、鋁、釔或氧之至少一者之一或多個耐火硬金屬，該經摻雜一或多個耐火硬金屬包括在自約300℃至約850℃之範圍內之溫度內之一溫度不敏感電阻，其中該一或多個導電加熱元件可獨立控制以沿該圓盤之該頂側提供一或多個加熱區域；將包括氮化鋁之一第一粉末沈積於該圓盤之該頂側上之該一或多個導電加熱元件上方；在一模具中壓擠該圓盤至少一次以固結該第一粉末；在該圓盤之該底側上製造一或多個通道；將一或多個導電互連件沈積於該圓盤之該底側上之該一或多個通道中；將包括氮化鋁之一第二粉末沈積於該圓盤之該底側上之該一或多個導電互連件上方；在一模具中壓擠該圓盤至少一次以固結該第二粉末；加工及研磨具有已沈積之該第一粉末及該第二粉末的經壓擠之該圓盤以包含一轂，具有已沈積之該第一粉末及該第二粉末的經壓擠及加工之該圓盤界定具有嵌入式加熱元件及互連件之氮化鋁基質；在自約1600℃至約1850℃之範圍內之溫度下燒結該氮化鋁基質，其中燒結之步驟在控制加熱下在氮環境中執行以燒盡該氮化鋁基質中之任何暫時黏結劑，其中碳之量維持於低於與氧化釔不相關聯之該氮化鋁基質中之氮化鋁之氧含量，使得氧化鋁及氧化釔之一液相之一組合物係使得該經燒結氮化鋁基質中之Al2O3/Y2O3莫耳比率係10：3至0.1：1，其中碳之量之一部分被併入該一或多個導電加熱元件 之該經摻雜一或多個耐火硬金屬中，其中燒結形成包含該經燒結氮化鋁基質內之緻密化一或多個導電加熱元件之一緻密化氮化鋁基質；及將一燒結豎柱接合至該轂。
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