(57)【要約】  コーティングされたグラファイトヒーター。そのヒーターは複数の加熱素子を備える構成を有し、加熱素子は、ヒーターの上面に対して平行に配置される主要部分を有し、主要部分は水平に配置される。そのヒーター構成は、主要部分がヒーターの上面の平面に対して垂直に向けられる加熱素子を有する設計と比べて、特に、低減された熱応力及び／又は低減されたＣＴＥ不一致応力を示すヒーターを提供する。【選択図】図１Ａ
2017521824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒーターであって、
電気流路のパターンを形成するように構成される少なくとも１つの加熱素子を備えるグラファイト本体と、
前記グラファイト本体に挿入するように構成される構造挿入体であって、前記構造挿入体は前記グラファイト本体に対する支持を与える、構造挿入体と、
前記パターン化されたグラファイト本体と、前記構造挿入体とを封入するコーティング層と、
を備える、ヒーター。
【請求項２】
前記構造挿入体は、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物若しくは酸窒化物、又はその２つ以上の複合物及び／又は組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のヒーター。
【請求項３】
前記構造挿入体は、熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）、窒化アルミニウム、窒化チタンアルミニウム、窒化チタン、炭窒化チタンアルミニウム、炭化チタン、炭化シリコン及び窒化シリコン、又はその２つ以上の複合物及び／又は組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載のヒーター。
【請求項４】
前記構造挿入体は、熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）を含む、請求項３に記載のヒーター。
【請求項５】
前記少なくとも１つの加熱素子は、前記少なくとも１つの加熱素子間に間隙を画定する連続経路を画定し、前記構造挿入体は前記間隙内に配置される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒーター。
【請求項６】
前記間隙は、前記加熱素子の第１の内面と前記加熱素子の第２の内面との間の空間によって画定され、前記第１の内面及び前記第２の内面はそれぞれスロットを画定し、前記構造挿入体は前記スロット内に位置決めされる、請求項５に記載のヒーター。
【請求項７】
前記加熱素子の平面を画定する外面を有し、前記構造挿入体は、前記加熱素子の前記平面内に向けられる、請求項５に記載のヒーター。
【請求項８】
前記加熱素子の平面を画定する外面を有し、前記構造挿入体は、前記加熱素子の前記平面に対して垂直に向けられる、請求項５に記載のヒーター。
【請求項９】
前記ヒーターは外面を画定し、前記構造挿入体は、前記ヒーターの前記外面の一部の中に挿入される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒーター。
【請求項１０】
複数の構造挿入体を備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載のヒーター。
【請求項１１】
前記構造挿入体はロック機構を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のヒーター。
【請求項１２】
前記ロック機構は、鳩尾又は鍵穴の形状を有する構造挿入体を含む、請求項１１に記載のヒーター。
【請求項１３】
前記コーティングは、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物若しくは酸窒化物、又はその２つ以上の複合物及び／又は組み合わせを含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のヒーター。
【請求項１４】
前記構造挿入体及び前記コーティング層は同じ材料を含み、前記材料は、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物若しくは酸窒化物、又はその２つ以上の複合物及び／又は組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のヒーター。
【請求項１５】
前記構造挿入体及び前記コーティング層はそれぞれ、熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）を含む、請求項１４に記載のヒーター。
【請求項１６】
ヒーターを形成する方法であって、
電気流路のパターンを形成するように構成される少なくとも１つの加熱素子を備えるグラファイト本体を設けることと、
構造挿入体が前記グラファイト本体に対する支持を与えるように、前記グラファイト本体に前記構造挿入体を挿入することと、
前記パターン化されたグラファイト本体と、前記構造挿入体とを封入するコーティング層を塗布することと、
を含む、方法。
【請求項１７】
前記グラファイト本体は、前記本体の第１の内面と前記本体の第２の内面との間に画定される空間を有する連続経路を画定し、前記構造挿入体を挿入することは、前記構造挿入体を前記空間の中に挿入することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の内面はスロットを画定し、前記第２の内面はスロットを画定し、前記構造挿入体を挿入することは、前記構造挿入体を前記スロットに挿入することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの加熱素子は長手方向平面を画定し、前記構造挿入体は前記長手方向平面の平面内に挿入される、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの加熱素子は長手方向平面を画定し、前記構造挿入体は前記長手方向平面に対して垂直に挿入される、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記構造挿入体は、底面に複数のペグを備えるプレートであり、前記構造挿入体を挿入することは、前記複数のペグを、前記グラファイト本体の外面における複数の対応するスロットの中に挿入することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記構造挿入体及び前記コーティングは独立して、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物若しくは酸窒化物、又はその２つ以上のその複合物及び／又は組み合わせのうちの少なくとも１つから選択された材料を含む、請求項１６〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記構造挿入体及び前記コーティングは同じ材料を含む、請求項１６〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記構造挿入体の材料は或る熱膨張係数を有し、前記コーティングの材料は或る熱膨張係数を有し、前記構造挿入体材料の前記熱膨張係数は、前記コーティング材料の前記熱膨張係数の４０％以内である、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、引用することによりその全体が本明細書の一部をなす、２０１４年６月１３日に出願された「One-Coat Encapsulated Graphite Heater and Process」と題する米国仮特許出願第６２／０１１，６４６号の優先権及び恩典を主張する。
【０００２】
本発明はグラファイトヒーター、及びそれを製造するプロセスに関する。詳細には、本発明は、ワンコート封入プロセスを用いて製造される封入グラファイトヒーターに関する。結果として形成されるワンコート封入グラファイトヒーター構成は、限定はしないが、半導体処理デバイス内で半導体ウェハーを加熱することを含む、多種多様な適用例に適している。
【背景技術】
【０００３】
半導体デバイス又は半導体材料の作製において、半導体ウェハーが、１０００℃を超える相対的に高い温度にある反応チャンバを画定する容器内で処理され、ウェハーは電源に結合される抵抗ヒーターに隣接して、又は接触して配置される。円筒形ヒーターの場合、ウェハーを支持体上に配置し、支持体をヒーターによって加熱することができる。このプロセスにおいて、半導体ウェハーの温度は、実質的に一定かつ均一に保持され、約１℃〜１０℃の範囲において変動する。
【０００４】
特許文献１は、熱分解窒化ホウ素ベース上に重ね合わせられる熱分解グラファイト（「ＰＧ」）の加熱素子を備える、半導体ウェハー処理プロセスにおいて使用するための加熱ユニットを開示している。グラファイト層は、加熱されるエリアを画定する渦巻き又は蛇行構成に機械加工され、２つの端部が外部電源に接続される。その後、加熱アセンブリ全体が、熱分解窒化ホウ素（「ｐＢＮ」）層でコーティングされる。特許文献２は、ｐＢＮ基板上に実装されるＰＧ素子を備える、加熱素子、ウェハーキャリア又は静電チャックを開示しており、アセンブリを化学攻撃から保護するために、アセンブリ全体が、その後、ＡｌＮの外部コーティングでＣＶＤコートされる。
【０００５】
グラファイトは、経済的で、耐熱性がある耐火材料であるが、グラファイトは、ウェハー処理化学環境のうちの幾つかによって腐食し、微粒子及び塵を生成しがちである。従来の機械加工されたグラファイトヒーターの不連続な表面に起因して、電力密度が、加熱されるエリアにわたって著しく変化する。さらに、グラファイト本体は、特に蛇行形状に機械加工した後に、脆弱であり、その機械的完全性は劣っている。したがって、半導体グラファイトヒーターの適用例の場合に一般的であるような、例えば、約０．１インチを超える相対的に厚い断面厚であっても、そのヒーターは依然として極めて弱く、注意して取り扱われなければならない。さらに、グラファイトヒーターは、焼きなましに起因して経時的に寸法が変化し、湾曲又は位置合わせ不良を引き起こし、結果として、電気的に短絡が生じる。導通する場合がある半導体上に膜を堆積するのも、半導体ウェハー処理において従来通りである。そのような膜は、ヒーター上に一時的なコーティングとして堆積する場合があり、その膜は電気的な短絡、電気的特性の変化の一因になる可能性があるか、又は更なる湾曲及び歪みを引き起こす可能性がある。
【０００６】
グラファイトヒーターの安定性を改善する１つの手法は、グラファイト本体を、窒化ホウ素のような窒化物のコーティング層と、通常、コーティング層と同じ材料の保護用オーバーコート層とでコーティングすることである。一般的に、グラファイト本体は、加熱素子による加熱経路を画定する所望の形状又は構成に機械加工される。経路は、例えば、隣接する加熱素子間の空間又は間隙を有する連続経路とすることができる。取り扱い及びコーティングのために十分な支持を構造に与えるために、グラファイト本体は、加熱素子間にグラファイトブリッジを残すように機械加工される。保護用コーティング、例えば、熱分解窒化ホウ素が、グラファイト本体に塗布される。グラファイト本体にコーティング層を塗布することによって、グラファイトブリッジの上に重なるコーティング層材料からなる接続層が生成される。コーティングされたヒーター本体は、その後、その場所に残されていたならヒーターを短絡させることになったグラファイトブリッジを構造から除去するように機械加工される。これは、コーティングを貫通して機械加工することを必要とし、露出したグラファイトのエリアを残す。ヒーターは、コーティング材料から形成される接続層を残すように機械加工することができる。
【０００７】
この接続層はグラファイトヒーターに支持を与えることができるが、露出したグラファイトのエリアをコーティングするために、ヒーターは再びコーティングされなければならない。この設計は依然として、（グラファイトと窒化ホウ素材料との間の）熱膨張係数（ＣＴＥ）不一致応力に起因する高い応力と、高い動作温度における熱応力とを示す場合がある。高い応力の結果として、加熱デバイスの早期の故障につながる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，３４３，０２２号
【特許文献２】米国特許第６，４１０，１７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、ヒーター内の熱応力、ＣＴＥ不一致応力又そのような両方の応力を緩和するように構成されるワンコート封入グラファイトヒーターを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一態様では、本発明は、電気流路のためのパターンを形成するように構成される少なくとも１つの加熱素子を備えるグラファイト本体を備えるヒーターを提供する。構造挿入体がグラファイト本体に対する支持を与えるように、グラファイト本体の中に挿入する構造挿入体が構成され、コーティング層が、パターン化されたグラファイト本体と、構造挿入体とを封入する。
【００１１】
一実施形態では、構造挿入体は、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属、希土類金属からなる群から選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物若しくは酸窒化物、又はその複合物及び／又は組み合わせから選択される。一実施形態では、構造挿入体は、熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）、窒化アルミニウム、窒化チタンアルミニウム、窒化チタン、炭窒化チタンアルミニウム、炭化チタン、炭化シリコン及び窒化シリコン、又はその２つ以上の複合物及び／又は組み合わせのうちの少なくとも１つを含む。一実施形態では、構造挿入体は、熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）を含む。
【００１２】
また、本技術は、少なくとも１つの加熱素子が少なくとも１つの加熱素子間に間隙を画定する連続経路を画定し、構造挿入体が間隙に配置される、先行する実施形態のいずれかによるヒーターも提供する。
【００１３】
また、本技術は、少なくとも１つの加熱素子間の間隙が加熱素子の第１の内面と加熱素子の第２の内面との間の空間によって画定される、先行する実施形態のいずれかによるヒーターも提供する。第１の内面及び第２の内面はそれぞれスロットを画定し、構造挿入体がスロット内に位置決めされる。
【００１４】
また、本技術は、ヒーターが加熱素子の平面を画定する外面を含み、構造挿入体が加熱素子の平面内に向けられる、先行する実施形態のいずれかによるヒーターも提供する。
【００１５】
また、本技術は、ヒーターが加熱素子の平面を画定する外面を含み、構造挿入体が加熱素子の平面に対して垂直に向けられる、先行する実施形態のいずれかによるヒーターも提供する。
【００１６】
また、本技術は、ヒーターが外面を画定し、構造挿入体がヒーターの外面の一部の中に挿入される、先行する実施形態のいずれかによるヒーターも提供する。
【００１７】
また、本技術は、複数の構造挿入体を備える、先行する実施形態のいずれかによるヒーターも提供する。
【００１８】
また、本技術は、構造挿入体がロック機構を含む、先行する実施形態のいずれかによるヒーターも提供する。一実施形態では、ロック機構は、鳩尾又は鍵穴の形状を有する構造挿入体を備える。
【００１９】
また、本技術は、コーティングが、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物若しくは酸窒化物、又はその２つ以上の複合物及び／又は組み合わせを含む、先行する実施形態のいずれかによるヒーターも提供する。
【００２０】
また、本技術は、構造挿入体及びコーティング層が同じ材料から形成され、その材料が、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物若しくは酸窒化物、又はその複合物及び／又は組み合わせから選択される、先行する実施形態のいずれかによるヒーターも提供する。
【００２１】
また、本技術は、構造挿入体及びコーティング層がそれぞれ熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）を含む、先行する実施形態のいずれかによるヒーターも提供する。
【００２２】
一態様では、本発明は、ヒーターを形成する方法を提供し、この方法は、電気流路のパターンを形成するように構成される少なくとも１つの加熱素子を備えるグラファイト本体を設けることと、構造挿入体がグラファイト本体に対する支持を与えるように、グラファイト本体の中に構造挿入体を挿入することと、パターン化されたグラファイト本体及び構造挿入体を封入するコーティング層を塗布することとを含む。
【００２３】
一実施形態では、グラファイト本体は、本体の第１の内面と本体の第２の内面との間に画定される空間を有する連続経路を画定し、構造挿入体を挿入することは、構造挿入体を空間の中に挿入することを含む。
【００２４】
また、本技術は、本体の第１の内面がスロットを画定し、本体の第２の内面がスロットを画定し、構造挿入体を挿入することは、構造挿入体をスロットの中に挿入することを含む、先行する実施形態のいずれかによる方法も提供する。
【００２５】
また、本技術は、少なくとも１つの加熱素子が長手方向平面を画定し、構造挿入体が長手方向平面の平面内に挿入される、先行する実施形態のいずれかによる方法も提供する。
【００２６】
また、本技術は、少なくとも１つの加熱素子が長手方向平面を画定し、構造挿入体が長手方向平面に対して垂直に挿入される、先行する実施形態のいずれかによる方法も提供する。
【００２７】
また、本技術は、構造挿入体が下面上に複数のペグを備えるプレートであり、構造挿入体を挿入することは、複数のペグをグラファイト本体の外面における複数の対応するスロットに挿入することを含む、先行する実施形態のいずれかによる方法も提供する。
【００２８】
また、本技術は、構造挿入体及びコーティングが独立して、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物若しくは酸窒化物、又はその２つ以上の複合物及び／又は組み合わせのうちの少なくとも１つから選択された材料を含む、先行する実施形態のいずれかによる方法も提供する。
【００２９】
また、本技術は、構造挿入体及びコーティングが同じ材料を含む、先行する実施形態のいずれかによる方法も提供する。
【００３０】
また、本技術は、構造挿入体の材料が或る熱膨張係数を有し、コーティングの材料が或る熱膨張係数を有し、構造挿入体材料の熱膨張係数が、コーティング材料の熱膨張係数の４０％以内である、先行する実施形態のいずれかによる方法も提供する。
【００３１】
その方法は、ヒーター本体上に十分なコーティングを与えるためにグラファイトブリッジの除去及び複数のコーティングプロセスを必要とする従来のヒーター構成プロセスより優れた利点を提供する。詳細には、セラミック材料製の別個の挿入体構造を利用する本発明の方法及びアセンブリは、単一のコーティング作業を適用して、ヒーター本体を封入することを可能にする。これは、時間及び材料コストの観点から、ヒーターのコスト及び処理を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】本発明の一実施形態による、円筒形ヒーターの斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの一部の拡大図である。
【図２】図１Ａのヒーターの側面図である。
【図３】図１Ａのヒーターの上面図である。
【図４Ａ】本発明の別の実施形態による円筒形ヒーターの斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａの一部の拡大図である。
【図５】図４Ａのヒーターの側面図である。
【図６】図４Ａのヒーターの上面図である。
【図７Ａ】本発明の別の実施形態による、フラットヒーターの斜視図である。
【図７Ｂ】図７Ａの一部の拡大図である。
【図８】図７Ａのヒーターの上面図である。
【図９Ａ】本発明の別の実施形態による、フラットヒーターの斜視図である。
【図９Ｂ】図９Ａの一部の拡大図である。
【図１０】図９Ａのヒーターの上面図である。
【図１１】本発明の別の実施形態による、フラットヒーターの斜視図である。
【図１２】本発明の一実施形態による、円筒形ヒーターの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
他に言及されない限り、図面は縮尺どおりではない。図面は本発明の態様及び実施形態を例示することを目的としており、本発明を、本明細書において例示されるこれらの態様に限定することは意図していない。本発明の態様及び実施形態は、以下の詳細な説明を参照することにより更に理解することができる。
【００３４】
本発明は、グラファイト本体と、支持部材と、グラファイト本体及び支持部材を封入するコーティング層とを備えるヒーターを提供する。支持部材は、例えば、グラファイト本体に対する構造的支持を与えるための、窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物又はその２つ以上の組み合わせから構成される１つ又は複数の構造挿入体とすることができ、コーティング層は、グラファイト本体を封入する、窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物又はその２つ以上の組み合わせを含むことができる。
【００３５】
ヒーターは、複数の加熱素子を画定する所定の経路を画定する構成を有するグラファイト本体を備える。ヒーターは一体型本体とすることができ、経路は、複数の加熱素子を備える連続経路とすることができる。一実施形態では、ヒーターは、直列に接続される２つの半分部分を含むグラファイト本体を備え、各半分部分は所定の構成において複数の加熱素子を備える。
【００３６】
本発明の態様によれば、グラファイト本体は、支持部材（複数の場合もある）として複数の構造挿入体を備える。構造挿入体の場所は、限定はしないが、サイズ、形状（例えば、円筒形ヒーター対フラットヒーター）、加熱経路構成等のヒーター設計を含む要因に基づいて決定される。構造挿入体がグラファイト本体に対する十分な支持を与えるように、任意の適切な構成又は数の構造挿入体を選択することができる。
【００３７】
図１〜図１２は、本技術の態様による実施形態を示す。図１Ａ〜図６では、ヒーターは、上面６０を備える円筒形本体として示される。ヒーター１０は、第１の半分部分４０及び第２の半分部分４４を備える。第１の半分部分は端子４８から延在し、第２の半分部分は端子５２から延在する。各半分部分４０及び４４はそれぞれ、底面６４及び６８を画定する。ヒーター本体１０の各半分部分は、複数の加熱素子１４及び１８を画定する所定の電気流路に機械加工される。端子４８及び５２はそれぞれ端子接続穴３４及び５６を含み、それらの端子接続穴は、ヒーターに電流を与える電源のための取付け場所である。一実施形態では、加熱素子１５０、１６０（又はその経路）の主要部分は、ヒーターの上面と平行に向けることができ、わずかな部分が経路内の方向転換部を画定する。図１〜図６に示されるように、それぞれの蛇行パターンは、各端子から直線的に、垂直に延在し、その後、方向転換し、ヒーターの上面の平面に対して水平かつ平行に向けられる主要部分を形成する。
【００３８】
例示されるように、連続する加熱素子間に間隙又は空間２２、２６が存在する。一実施形態では、間隙は、方向転換部を含む、連続する加熱素子間で均一にすることができる。別の実施形態では、蛇行経路の方向転換部付近において画定される間隙は、加熱素子の主要部分間の間隙の寸法より大きい１つ又は複数の寸法を有する大きさになるように設けることができる。例えば、方向転換部付近の間隙の高さ又は幅を、加熱素子の主要部分間の間隙より大きくすることができる。図１、図２、図４及び図５に示されるように、経路の方向転換部付近の間隙３０に、限定はしないが、長方形、正方形、円形、三角形、五角形、六角形、七角形等を含む幾何学的形状を与えることができる。より大きな間隙３０は、先細りにすることができるか、又は加熱素子間の間隙につながることができる。図１、図２、図４及び図５に示されるように、蛇行経路の方向転換部付近の間隙３０は、「鍵穴」間隙を設けるために円形である。主要部分がヒーターの上面の平面に対して水平に向けられるようにして加熱素子を配置することによって相対的に大きな断面積が与えられる本設計によれば、蛇行経路の方向転換部付近に、より大きな間隙を含むことができるようになる。方向転換部付近の間隙を大きくすることによって、ヒーターの熱応力を更に低減することができる。そのような構成が、引用することによりその全体が本明細書の一部をなす米国仮特許出願第６１／８４６，３８６号において記述される。
【００３９】
本技術の態様によれば、ヒーター本体には、支持部材、例えば、構造挿入体２０が設けられる。図１Ａ、図１Ｂ及び図２に示されるように、ヒーター１０は、経路内の加熱素子間に画定される間隙又は空間２２及び／又は２６内に配置される構造挿入体２０を備える。ヒーターは、加熱素子の表面内にスロット２４を設けられ、構造挿入体はスロット内に配置される。スロットは、任意の適切な方法によって、例えば、機械加工によって形成することができる。
【００４０】
図１Ａ、図１Ｂ及び図２において、構造部材は、経路に対して垂直な方向に配置される。図４Ａ、図４Ｂ及び図５において、ヒーター１０’は図１〜図３のヒーター１０と同じであるが、挿入体２０’が加熱素子１４及び１８と同一面をなす方向に向けられる点が異なる。
【００４１】
電気流路は、限定はしないが、渦巻きパターン、蛇行パターン、らせんパターン、ジグザグパターン、連続した迷路のようなパターン、らせん状に巻かれたパターン、旋回パターン又はランダムに入り組んだパターンを含む、任意の適切なパターンを形成できることが理解されよう。さらに、ヒーター本体は、特定の目的のために、又は意図した目的のために、所望に応じて任意の適切な形状において設けることができる。図１〜図６におけるヒーターは円筒形として示されるが、ヒーターは、選択された形状の多角形、例えば、正方形、長方形等として形成することができる。さらに、経路は、（図１〜図６に示すように、）積み重ねられる向きに加熱素子を設けるように構成することができるか、又は概ね平坦なヒーター構成（例えば、図７〜図１０）を与えるために同じ平面内に加熱素子を設けるように構成することができる。
【００４２】
図７Ａ〜図１０は、フラットヒーター１００及び１００’を示す。ヒーター１００及び１００’は、隣接する加熱素子間に空間又は間隙１０６、１０８及び／又は１１０を有する加熱素子１０２及び１０４を備える。図７Ａ〜図８において、ヒーター１００は、構造挿入体１１２、１１４、１１６、１１８及び１２０を備える。図７Ａ〜図８において、挿入体は、加熱素子の平面内に向けられる。さらに、構造挿入体１１２、１１４、１１６、１１８及び１２０は、その挿入体が位置決めされる場所に応じて異なる形状（例えば、長方形、Ｌ字形、Ｔ字形又は湾曲）を与えられる。図１１に示されるように、構造挿入体１２４は、構造挿入体がグラファイト本体から引き離されるのを防ぐロック機構を与えるように構成することができる。例えば、構造挿入体は、「鳩尾」形状又は鍵穴形状とすることができる。これらの形状は、構造挿入体をグラファイト本体に密着させておくことができ、構造挿入体がグラファイト本体から引き離されるのを防ぐことができる。他のヒーター形状とともに、類似のタイプ又は他のタイプのロック機構を備える構造挿入体を使用することができる。
【００４３】
図９Ａ〜図１０では、ヒーター１００’が提供され、ヒーター１００’はヒーター１００と同じであるが、加熱素子１０２及び１０４の平面に対して垂直に向けられる挿入体１２２を含む点が異なる。挿入体が同じ方向に向けられる必要はないこと、及び加熱素子の平面に対して、同一平面をなす方向に向けられる挿入体と、垂直に向けられる挿入体との組み合わせをヒーターに設けることができることが理解されよう。
【００４４】
図１〜図１１は、ヒーター本体のそれぞれの加熱素子によって画定される空間に配置される構造挿入体を示す。別の実施形態では、支持部材は、ヒーター本体の外面の周りに配置することができる。図１２は、ヒーター本体１０及び１０’と同じであるが、加熱素子間の空間内に配置される挿入体２０を含まない点が異なるヒーター本体１０’’を示す。図１２では、ヒーター本体１０’’は、ヒーター本体の外面の周りに配置される構造支持部材７０を含む。支持部材は、幾つかの加熱素子の上に重なる。支持部材７０は、任意の適切な方式でヒーター本体に接続することができる。一実施形態では、支持部材７０は、ヒーター本体の加熱素子の表面上に配置される対応するスロット又は穴の中に挿入されるように構成される複数の突起（例えば、ペグ、スタンド等）を備える。
【００４５】
ヒーター本体は、特定の目的のために、又は意図した適用例のために、所望に応じて任意の適切な材料から形成することができる。本明細書において説明されるように、ヒーター本体を形成するのにグラファイトが特に適している。特定の目的又は意図した適用例に合わせて、所望に応じて特定のタイプのグラファイト材料を選択することができる。さらに、グラファイト外形の厚さは、完成部品に関する電気的計算と、例えば、内径及び外径のようなヒーターの寸法に関する制約とから決定することができる。完成したヒーターの電気抵抗に関する基本計算は、当該技術分野において既知であり、すなわち、蛇行電気経路の長さ、幅及び厚さに基づき、電気経路の厚さはグラファイトベースで設計される。
【００４６】
構造挿入体は、ヒーター本体への構造的支持を与えるために、任意の適切な材料から形成することができる。一実施形態では、構造挿入体は、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物若しくは酸窒化物、又はその複合物及び／又は組み合わせのうちの１つ又は複数を含む。例として、熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）、窒化アルミニウム、窒化チタンアルミニウム、窒化チタン、炭窒化チタンアルミニウム、炭化チタン、炭化シリコン及び窒化シリコンが挙げられる。
【００４７】
一実施形態では、構造挿入体はｐＢＮを含む。第２の実施形態では、挿入体はＡｌＮを含む。第３の実施形態では、挿入体はＡｌＮ及びＢＮの複合物を含む。第４の実施形態では、挿入体は、その電気抵抗率が１０14Ω・ｃｍより小さくなるように、熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）と、約３ｗｔ％未満の量の炭素ドーパントとからなる組成物を含む。更に第５の実施形態では、挿入体は窒化アルミニウムを含み、少量のＹ2Ｏ3、例えば、１００ｗｔ％の窒化アルミニウムに対して５ｗｔ％の量のＹ2Ｏ3が加えられる。ｐＢＮ及びＡｌＮはいずれも優れた絶縁特性及び熱伝導特性を有し、気相から容易に堆積することができる。また、ｐＢＮ及びＡｌＮは高い温度安定性も有する。さらに、ｐＢＮ及びＡｌＮは、熱分解グラファイトベース（黒色）とは異なる色（白色）を有するので、電気的パターンを形成するステップにおいて、コーティング層をパターンと視覚的に容易に区別することができる。更に別の実施形態では、挿入体は炭化シリコン（ＳｉＣ）とすることができる。更に別の実施形態では、挿入体は炭化タンタル（ＴａＣ）とすることができる。
【００４８】
構造挿入体は、特定の目的又は意図した適用例に合わせて所望に応じたサイズ及び形状にすることができる。挿入体の厚さ、サイズ、形状、数及び場所は、ヒーターに十分の支持を与えるように選択することができる。例えば、図７Ａ〜図８に示されるように、異なる形状の挿入体が利用される。挿入体の厚さは特に制限されない。一実施形態では、挿入体は、約０．５ｍｍ〜約３ｍｍの厚さを有することができる。同様に、スロットの深さは、十分な支持を与えるか、又は挿入体を適所に保持するために所望に応じて選択することができる。スロットは、相対的に浅くすることができるか、又は相対的に深くすることができる。スロットは、グラファイトを機械加工し、ヒーター本体からグラファイトを除去することによって形成することができる。
【００４９】
構造挿入体は、任意の適切な方式でヒーターの中に挿入することができる。加熱素子の平面に対して垂直に向けられる挿入体は、適切なスロットの中に直接挿入することができる。加熱素子の平面と同一平面をなすように向けられる構造挿入体を挿入するために、スロットを露出させるように、又は挿入体を適切に位置決めできるように、グラファイトヒーターを操作することができる。
【００５０】
構造挿入体が配置された後に、グラファイト本体には、所望の耐腐食性を与えるのに十分な厚さの実質的に連続したコーティング層が設けられる。また、コーティング層は、更なる構造的完全性及び機械加工ステップにおける支持も与えることができる。一実施形態では、コーティング層は、グラファイトベース本体及び構造挿入体の実質的に全ての露出した表面を封入する。また、コーティングは挿入体を適所に保持する役割を果たすこともできる。本発明のプロセスの別の実施形態では、コーティング層は耐腐食性及び構造的支持のために、グラファイトベース本体の上面又は外面を単に覆う。
【００５１】
グラファイト本体のコーティング層は、構造挿入体と同じ材料製とすることができるか、又は構造挿入体とは異なる材料製とすることができる。コーティング層及び構造挿入体は異なる材料製とすることができる。構造挿入体と同様に、コーティング層は、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物若しくは酸窒化物、又はその複合物及び／又は組み合わせのうちの少なくとも１つを含むことができる。一実施形態では、コーティング層はｐＢＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ又はＳｉＮを含む。コーティング層及び構造的支持が異なる材料を含むとき、異なる材料に関する熱膨張係数（ＣＴＥ）値は概ね同じであることが好ましい。一実施形態では、挿入体材料のＣＴＥは、コーティングのＣＴＥの４０％以内、コーティングのＣＴＥの２０％以内、コーティングのＣＴＥの１５％以内、コーティングのＣＴＥの１０％以内、コーティングのＣＴＥの５％以内、更にはコーティングのＣＴＥの１％以内である。
【００５２】
一実施形態では、コーティング層は、０．００１インチ〜０．１０インチ（約０．０２５ｍｍ〜約２．５ｍｍ）の厚さを有する。第２の実施形態では、コーティング層は、０．００３インチ〜０．０５インチ（約０．０７ｍｍ〜約１．３ｍｍ）の厚さを有する。第３の実施形態では、このコーティング層は、約０．００５インチ〜０．０３インチ（約０．１２ｍｍ〜約０．８ｍｍ）である。更に第４の実施形態では、コーティング層は、約０．０２インチ（約０．５ｍｍ）未満の厚さを有する。更に第４の実施形態では、コーティング層は、約０．００３インチ〜約０．００６インチ（約０．０７ｍｍ〜約０．１５ｍｍ）の範囲の厚さを有するｐＢＮ製の平坦べた状の（solid）実質的に連続した表面層である。
【００５３】
異なる方法を用いて、グラファイト本体／基板上にコーティング層を堆積することができる。一実施形態では、層は物理気相成長（ＰＶＣ）を通して塗布することができ、コーティング材料、例えば、窒化ホウ素及び／又は窒化アルミニウムは、純粋に物理的な方法を通して真空中で気相に変換され、コーティングされることになる表面上に堆積される。幾つかの方法変形形態を使用することができる。一実施形態では、コーティング材料は高真空下で表面上に堆積され、電気抵抗加熱、電子又はレーザ衝撃、電気アーク蒸発等を用いて、固体から液体を介して気体状態に移行させるか、又は固体から直接気体状態に移行させるために加熱される。スパッタリングを使用することもでき、それぞれのコーティング材料からなる固体ターゲットが、高エネルギーイオン、例えば、不活性ガスイオン、詳細にはアルゴンイオンによって真空中で微粒子化され、そのイオン源は、例えば、不活性ガスプラズマである。最後に、それぞれのコーティング材料からなるターゲットに更に、高真空下でイオンビーム衝撃処理を行い、ターゲットを気相に変換し、コーティングされることになる表面上に堆積することができる。
【００５４】
上記のＰＶＤ法は組み合わせることもでき、コーティング層は、例えば、プラズマ支援気相成長（plasma-supported vapor deposition）を通して堆積することができる。
【００５５】
代替的には、本発明の一実施形態では、コーティング層は、化学気相成長（ＣＶＤ）を通して堆積することができる。ＰＶＤ法とは対照的に、ＣＶＤ法は関連する化学反応を有する。熱、プラズマ、光子又はレーザ活性化化学気相成長を通して、約２００℃〜２０００℃の温度において生成される気体成分は、不活性キャリアガス、例えば、アルゴンとともに、通常は圧力をかけた状態で、化学反応が行われる反応チャンバの中に移送される。それにより形成された固体成分が、コーティングされることになるグラファイト本体上に堆積される。揮発性反応生成物は、キャリアガスとともに排出される。
【００５６】
一実施形態では、グラファイト本体は、 その開示が引用することにより本明細書の一部をなす、米国特許第３，１５２，００６号において記載されているように、ＣＶＤプロセスを介して熱分解窒化ホウ素の層でコーティングされる。このプロセスにおいて、適切な比率の、アンモニア及び三塩化ホウ素（ＢＣｌ3）のような気体ハロゲン化ホウ素の蒸気を用いて、グラファイトベースの表面上に窒化ホウ素堆積物を形成する。
【００５７】
更に別の実施形態では、コーティング層は、熱注入法（thermal injection methods）を用いて、例えば、プラズマ注入法によって堆積することもできる。その場合、固定されたターゲットが、高周波電磁場の印加と、それに関連するガス、例えば、空気、酸素、窒素、水素、不活性ガス等のイオン化とを通してプラズマバーナーによって加熱され、気相に変換される。ターゲットは、例えば、窒化ホウ素又は窒化アルミニウムからなることができ、気相に変換し、コーティングされることになるグラファイト本体上に純粋に物理的に堆積することができる。また、ターゲットはホウ素からなることができ、イオン化されたガス、例えば、窒素との反応を通して、コーティングされることになる表面上に窒化ホウ素として堆積することができる。
【００５８】
別の実施形態では、溶射プロセスが使用され、すなわち、粉体コーティング供給原料が、一般に酸素と別のガスとのガス混合物の点火を通して、燃焼炎によって溶融されるフレーム溶射法が使用される。アークプラズマ溶射と呼ばれる別の溶射プロセスでは、直流電気アークがイオン化されたガス（プラズマ）を生成し、イオン化されたガスを用いて、塗料を噴霧するのと同じようにして、溶融された粉体化コーティング材料を噴霧する。更に別の実施形態では、コーティング材料は、塗料／噴霧剤として塗布され、空気噴霧器を用いてグラファイト本体上に噴霧される。
【００５９】
相対的に「厚い」、すなわち、０．０３インチ以上の厚さのコーティング層を得るための別の実施形態では、コーティング材料を単に液体塗料として塗布し、その後、コーティングを完全に乾かすほど十分に高い温度において乾燥させる。ＢＮがコーティングとして使用される一実施形態では、コーティングを完全に乾かすために、ＢＮが上塗りされたグラファイト構造を少なくとも７５℃の温度において、一実施形態では少なくとも１００℃の温度において乾燥させる。
【００６０】
一実施形態では、上記のようなコーティングプロセス後に、窒化物コーティングをグラファイト本体に更に結合するために、コーティングされたグラファイト構造は、少なくとも５００℃の温度まで加熱される。
【００６１】
コーティングされる材料に応じて、他のコーティングプロセスを使用することができる。例えば、ＣＶＲ（化学気相反応）法によってＴａＣを堆積することができ、それにより、グラフの上層が炭化物に変換される。
【００６２】
グラファイト本体を実質的に連続したコーティング層でコーティングする：このステップでは、グラファイト本体は、ウェハー処理化学環境に対して改善された耐腐食性を得るためにコーティングされる。コーティング層は、グラファイト本体の上面及び底面の両方を覆うことができるか、又はコーティング層は単に、任意の露出したグラファイトを覆う保護層を提供することができる。
【００６３】
電気コンタクトを形成する。この最後のステップでは、外部電源に接続するための接触場所においてグラファイトを露出させるために、コーティング層を貫通して電気コンタクトが機械加工される。代替的には、コーティングプロセス前に、最初にグラファイトベースの中に電気コンタクト延長部を機械加工することができる。
【００６４】
本発明のヒーターは、異なる適用例、特に、半導体処理の適用例の場合に、ウェハーキャリアとして使用することができる。本発明のヒーターの機械的強度は、従来のグラファイトヒーターの強度に比べて著しく改善されることがわかっている。
【００６５】
半導体の適用例では、通常、異なるサイズ及び／又は形状のウェハーが処理される。それゆえ、本発明の広範な実践形態におけるヒーターは、想定される具体的な用途又は適用例に合わせて、必要に応じて任意の適切なサイズ及び形状／形態とすることができることが理解されよう。ヒーターは円筒形、フラットディスク、プラテン等とすることができる。ヒーターは、最も長い寸法（例えば、直径、長さ等）において約２インチ〜２０インチの寸法を有し、０．０５″インチ〜０．５０″インチの厚さを有することができる。一実施形態では、長さ２″×幅２″×厚さ０．０１″ｍｍの寸法を有するディスクとすることができる。円筒体の一実施形態では、ヒーターは、２″〜２０″の内径、０．１０″〜０．５０″の壁及び２″〜４０″の長さの寸法を有する。
【００６６】
本明細書において参照される全ての引用は、引用することにより本明細書の一部をなす。
【００６７】
本発明の実施形態がこれまで説明されてきたが、本明細書を読み、理解する他の人にも変更及び改変が思い浮かぶ場合がある。添付の特許請求の範囲は、変更及び改変が特許請求の範囲及びその均等物の範囲に入る限りにおいて、全ての変更及び改変を含むことを意図している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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