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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zum Regeln
der Temperatur eines Substrats in einer Halbleiterverarbeitungskammer
zum Regeln der Temperatur einer Metall- oder Keramikgießform einschließlich einer
Glasschmelzform, zum Ausgasen, zum Legieren oder für andere
industrielle Prozesse, die Temperaturregelungen erfordern.
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Widerstandsheizvorrichtungen
sind aufgrund der hohen Energieeffizienz und der leichten Messung und
Steuerung verbreitete Mittel zum Aufheizen des Objekts. Unter diesen
Widerstandsheizvorrichtungen werden typischerweise keramische Heizvorrichtungen
ausgewählt,
wenn höhere
Temperaturen erforderlich sind als diejenigen, die herkömmliche
metallische Heizvorrichtungen überleben
können.
Keramische Heizvorrichtungen werden auch für Prozesse eingesetzt, die
empfindlich sind in Bezug auf Metallverunreinigungen. Halbleiterprozesse,
Schmelzen von Metall oder Keramik, Ausgasen und Legieren sind Beispiele
von Anwendungsbereichen, wo typischerweise keramische Heizvorrichtungen
eingesetzt werden. Anwendungen in diesen Anwendungsbereichen erfordern
typischerweise, dass das Objekt die Temperaturen von 600°C oder höher erreicht.
Die Temperatursteuerung des Heizobjekts, d.h. des Halbleiter-Wafers
oder der Schmelzform, ist kritisch, um die erforderliche Prozessqualität bzw. -leistungsfähigkeit
zu erzielen.
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Thermische
Regelungsgeräte,
die eine Widerstandsheizvorrichtung enthalten, können zwischen dem Objekt und
der Widerstandsheizvorrichtung auch ein separates Teil eines Objekttrageelements
enthalten. Derartige Aufbauten sind beispielsweise gewünscht, wenn
die Widerstandsheizvorrichtung vor rauer Prozessumgebung, mechanischen Belastungen
oder Verunreinigungen geschützt
werden muss. Ein derartiges Objekttrageelement ist auch wünschenswert,
wenn auf dem Heizobjekt eine verbesserte Temperaturgleichförmigkeit
erforderlich ist. In derartigen Aufbauten gibt es allgemein zwei Gesichtspunkte,
die Beachtung verdienen und die sich auf die Temperatursteuerung
des Heizobjekts beziehen. Der erste Gesichtspunkt ist die Wärmeübertragung
zwischen dem Heizobjekt und der Oberfläche des Objektträgers und
der zweite ist die thermische Regelung des Objektträgers aus
dem Vorrichtungsaufbau heraus. Zusammengebaute Thermogeräte weisen
typischerweise das Problem des thermischen Kontaktwiderstands auf.
Dies wird unter Vakuum oder in einer Umgebung mit niedrigem Gasdruck
(20 Pa oder weniger), wo Konvektionswärmeübertrag durch Gas weniger effektiv
ist, sogar ein wichtigerer Gesichtspunkt. Allgemein wird ein Unterstützungsgas
(Englisch: Backside Gas), wie etwa Argon oder Helium, als ein Wärmeübertragungsmedium
zwischen dem Substrat und dem Objektträger verwendet, um eine solche
Schwierigkeit der Wärmeübertragung
zu kompensieren.
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Das
Objekttrageelement kann eine Funktionalität, beispielsweise Einspannen
vermittels Vakuum oder elektrostatisch, aufweisen, um das Heizobjekt
in einer Position zu halten. Als ein anderes Beispiel der Funktionalität kann der
Objektträger
als eine Hochfrequenz-Elektrode (RF Electrode) für Plasmaverarbeitung fungieren.
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Der
zweite Gesichtspunkt ist die thermische Regulierung des Objektträgers. Die
thermische Regulierung des Objektträgers aus der Vorrichtung heraus
wird allgemein durch eine innerhalb der Vorrichtung angeordnete
metallische Kühlplatte
bewirkt. Die Verbesserung der Wärmeübertragung
durch Wärmeleitfäigkeit durch
Materialien mit einem Fest-zu-fest-Kontakt ermöglicht höhere Wärmeübertragungsraten, weil die
thermische Leitfähigkeit durch
feste Materialien mit einer höheren
Rate auftritt als im Gegensatz zur thermischen Übertragung durch Luftzwischenräume oder
Leerräume,
einschließlich
Zwischenräumen,
die durch Oberflächenunregelmäßigkeiten
(Flachheit, Rauhigkeit, etc.) in den zusammenpassenden Oberflächen erzeugt werden.
Es ist eine verbesserte Energieeffizienz zum schnelleren Heizen/Kühlen und
zum Schutz von nicht-wärmebeständigen Teilen
in der Vorrichtung, wie etwa einem O-Ring aus Elastomer, angestrebt.
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Schichten
aus thermischem Grenzflächenmaterial
(TIM: Thermal Interface Material) sind eingesetzt worden, um den
Fest-zu-fest-Kontakt zwischen dem keramischen Träger und der Kühlplatte
zu maximalisieren.
US Patent
Nummer 6,292,346 offenbart die Verwendung einer Metallfolie
oder Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von weniger als 500 μm.
US Patent Nummer 6,563,686 offenbart
die Verwendung einer auf Zwischengitterplätzen gelegenen bzw. interstitiellen
Schicht (Interstitial Layer) aus konformem Graphit, um eine verbesserte
thermische Leitfähigkeit
zu bewirken. Um jedoch die beste Leistungsfähigkeit aus den Graphit- oder
Kohlenstoffschichten zu erhalten, ist eine ausreichende Kompression
gegen das Heizelement und das Objekttrageelement erforderlich, um
die Luftzwischenräume
oder Leeräume
in den zusammenpassenden Oberflächen
zu minimalisieren.
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Das
durch die oben zitierten Patente offenbarte Verfahren der Verwendung
einer einzigen TIM Schicht ist jedoch auf keramische Heizvorrichtungen nicht
leicht anwendbar. Obwohl keramische Heizvorrichtungen eine Vielzahl
von Vorteilen gegenüber herkömmlichen
metallischen Heizvorrichtungen aufweisen, weisen keramische Teile
normalerweise inhärente
Nachteile bezüglich
Brüchigkeit
bzw. Sprödigkeit
auf. Es ist schwierig, eine ausreichende Kompression gegen die Heizvorrichtung
zu erzielen, um die Leistungsfähigkeit
der TIM Schicht zu maximalisieren, ohne das Heizelement zu beschädigen. Ineffektiver
Wärmeübertrag,
verursacht durch unzureichende Kompression, war ein verbreitetes
Problem der keramischen Heizvorrichtungen. Darüber hinaus versagen die Lösungen mit
TIM Kompression im Stand der Technik darin, auf dem Heizobjekt eine gleichförmige Temperaturverteilung
bereitzustellen, was für
Halbleiterprozesse und Linsenschmelz- bzw. -formprozesse ein Erfordernis
ist. Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit waren andere Probleme
in Bezug auf den unzureichenden Kontakt mit der TIM. Die Leistungsfähigkeit
ist sensibel in Bezug auf die tatsächliche Kontaktfläche, die
von der Variation von Bauteil zu Bauteil und von der Variation durch
das Bedienpersonal beim Zusammenbau abhängen.
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Daher
besteht eine Notwendigkeit für
eine Heizvorrichtung mit verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften mit
minimalen Effekten auf das Heizelement.
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Die
vorliegende Erfindung beabsichtigt, zumindest einige der obigen
Probleme zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur nach dem unabhängigen Anspruch
1, die Verwendung dieser Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch
14, und eine Heizvorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 15 und die
Verwendung dieser Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 17.
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Weitere
Vorteile, Merkmale, Aspekte und Einzelheiten der Erfindung sind
aus den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen
offensichtlich. Es ist beabsichtigt, dass die Ansprüche als
ein erster, nicht begrenzender Ansatz zum Definieren der Erfindung
in allgemeinen Ausdrücken
verstanden werden.
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In
einem allgemeinen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung
zum Regeln der Temperatur eines Heizobjekts, und zum Tragen eines Heizobjekts.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum
Regeln der Temperatur (eines Objekts) und zum Tragen eines Objekts
in einer Prozesskammer, wie etwa eine Wafer-Verarbeitungskammer oder einer Hochtemperatur-Schmelzformkammer,
wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: einen Objektträger zum
Tragen des Wafer-Substrats oder der Gieß- bzw. Schmelzform; ein keramisches Heizelement
zum Heizen des Objekts auf eine Temperatur von mindestens 300°C; eine zwischen
dem Objektträger
und der keramischen Heizschicht angeordnete, erste thermisch leitfähige Schicht;
eine unterhalb der keramischen Heizschicht angeordnete, zweite Schicht.
Die erste Schicht und die zweite Schicht umfassen beide ein Material
mit einem Elastizitätsmodul
von weniger als 5 GPa, um die keramische Heizschicht vorzuspannen,
ohne eine Beschädigung
der keramischen Schicht zu bewirken, während noch stets eine gleichförmige und
außergewöhnliche
Erwärmung
des Substrats bereitgestellt wird.
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In
einer Ausführungsform
umfassen sowohl die erste als auch die zweite Schicht das gleiche
Material, wie etwa Graphit. In einer zweiten Ausführungsform
umfasst die erste Schicht eine Graphit-Lage bzw. -Schicht und die
zweite Schicht umfasst ein keramisches Filzmaterial. In einer dritten
Ausführungsform
weist die zweite Schicht eine Dicke von mindestens 500 μm auf.
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In
einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung
einer oben beschriebenen Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines Heizobjekts
und Tragen eines Heizobjekts in einer Prozesskammer.
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In
einer weiteren Ausführungsform
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Heizvorrichtung
zum Heizen und Tragen eines Heizobjekts in einer Prozesskammer,
wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: einen Objekttrageelement
mit einer oberen Oberfläche
und einer unteren Oberfläche, wobei
die obere Oberfläche
zum Tragen des Heizobjekts angepasst ist; ein keramisches Heizelement zum
Heizen des Heizobjekts auf eine Temperatur von mindestens 300°C, wobei
das keramische Heizelement eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist;
eine zwischen dem Objekttrageelement und dem keramischen Heizelement
angeordnete erste Schicht, wobei die erste Schicht gegen die obere
Oberfläche
des keramischen Heizelements vorgespannt ist, wobei die erste Schicht
eine thermische Leitfähigkeit
von mindestens 20 W/mK in einer Ebene parallel zu dem keramischen
Heizelement und ein Elastizitätsmodul
von weniger als 1 GPa aufweist; eine unterhalb des keramischen Heizelements angeordnete
zweite Schicht, wobei die zweite Schicht gegen die untere Oberfläche des
keramischen Heizelements vorgespannt ist, wobei die zweite Schicht
ein Material mit einem Elastizitätsmodul von
weniger als 1 GPa umfasst, wobei das keramische Heizelement eine Überzugsschicht
mit einer der folgenden Verbindungen umfasst: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid,
Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe,
die aus B, Al, Si, Ga, Y, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen und
Kombinationen davon besteht; ein Zirkoniumphosphat mit einer NZP
Struktur von NaZr2(PO4)3; eine Glas-Keramik-Zusammensetzung, die mindestens
ein Element enthält,
das ausgewählt
ist aus der Gruppe, die die Elemente der Gruppe 2a, der Gruppe 3a
und der Gruppe 4a enthält;
ein BaO-Al2O3-B2O3-SiO2-Glas;
und eine Mischung aus SiO2 und einem plasma-beständigen Material,
die ein Oxid oder Fluorid von Y, Sc, La, Ce, Gd, Eu, Dy und Yttrium-Aluminium-Granat
(YAG) umfasst.
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In
einer weiteren Ausführungsform
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Heizvorrichtung
zum Heizen und Tragen eines Heizobjekts in einer Prozesskammer,
wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: ein Objekttrageelement
mit einer oberen Oberfläche
und einer unteren Oberfläche,
wobei die obere Oberfläche
zum Tragen des Heizobjekts ausgebildet ist, wobei das Objekttrageelement
ein transparentes oder undurchsichtiges Quarzmaterial umfasst; ein
keramisches Heizelement zum Heizen des Heizobjekts auf eine Temperatur
von mindestens 300°C,
wobei das keramische Heizelement eine obere Oberfläche und
eine untere Oberfläche
aufweist; eine zwischen dem Objekttrageelement und dem keramischen
Heizelement angeordnete, erste Schicht, wobei die erste Schicht
gegen die obere Oberfläche des
keramischen Heizelements vorgespannt ist, wobei die erste Schicht
ein Material mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 20 W/mK
in einer Ebene parallel zu dem keramischen Heizelement aufweist
und eine Kompressibilität
von mindestens 20% aufweist; eine unterhalb des keramischen Heizelements
angeordnete, zweite Schicht, wobei die zweite Schicht gegen die
untere Oberfläche
des keramischen Heizelements vorgespannt ist, wobei die zweite Schicht
ein Material mit einer Ausdehnungseigenschaft von mindestens 5%
umfasst.
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In
einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf
die Verwendung der oben beschriebenen Heizvorrichtung zum Heizen
und Tragen eines Heizobjekts in einer Prozesskammer.
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Folglich
wird eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines Heizobjekts
und zum Tragen eines Heizobjekts, wie etwa einem Halbleiter-Substrat
oder einer Metall/Keramikschmelzform oder für andere industrielle Prozesse,
die Temperaturregelungen erfordern, wie etwa Ausgasen oder Ausheizen, bereit
gestellt. In einer Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung einen Heizobjektträger zum Tragen des Heizobjekts,
ein keramisches Heizelement zum Heizen des Heizobjekts auf eine
Temperatur von mindestens 300°C,
eine zwischen dem Substratträger und
der keramischen Heizschicht angeordnete, erste thermisch leitfähige Schicht;
eine unterhalb der keramischen Heizschicht angeordnete, zweite Schicht. Sowohl
die erste Schicht als auch die zweite Schicht in der Heizvorrichtung,
weisen ein Elastizitätsmodul von
weniger als 5 GPa auf, um die keramische Heizschicht vorzuspannen,
ohne eine Beschädigung
an der keramischen Schicht zu bewirken, während noch stets ein gleichförmiges und
außergewöhnliches
Aufheizen des Substrats ermöglicht
wird.
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Die
Erfindung wird besser verstanden durch Verweis auf die folgende
Beschreibung von Ausführungsformen
der Erfindung zusammengenommen mit den beigefügten Zeichnungen, für die gilt:
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1 stellt
eine perspektivische Ansicht dar, die eine Ausführungsform einer keramischen
Heizvorrichtung zeigt.
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2A, 2B und 2C sind
Querschnittsansichten von verschiedenen Ausführungsformen der keramischen
Heizvorrichtung der 1 mit unterschiedlich geschichteten
Konfigurationen.
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3 stellt
eine Explosionsansicht einer Ausführungsform der Heizvorrichtung
gemäß der Erfindung
dar.
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4 stellt
eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform der Heizvorrichtung
gemäß der Erfindung
dar.
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5 stellt
eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform der Heizvorrichtung
gemäß der Erfindung
dar.
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Wie
hierin benutzt, können
sprachliche Formulierungen in einem näherungsweisen Sinne angewandt
werden, um eine beliebige quantitative Darstellung zu modifizieren,
die variieren kann, ohne zu einer Veränderung der grundlegenden Funktion,
auf die sie sich bezieht, zu führen.
Dem entsprechend kann ein Wert, der durch einen Ausdruck oder Ausdrücke, wie
etwa "ungefähr" und "im wesentlichen", modifiziert wird,
in einigen Fällen
nicht auf den genauen, angegebenen Wert begrenzt werden.
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Wie
hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck "Objekt" oder "Substrat" auf den Halbleiter-Wafer oder die Schmelzform,
die durch die Heizvorrichtung nach der Erfindung getragen/erwärmt wird.
Wie hierin ebenfalls verwendet, kann "Behandlungsvorrichtung" auswechselbar verwendet
werden mit "Heizer", "Heizvorrichtung", "Heizgerät" oder "Verarbeitungsvorrichtung", die sich auf eine
Vorrichtung, mit mindestens einem Heizelement und/oder einem Kühlgerät zum Regulieren
der Temperatur des darauf getragenen Substrats beziehen.
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Wie
hierin verwendet, kann der Ausdruck "Stromkreis" auswechselbar verwendet werden mit "Elektrode" und der Ausdruck "Heizelement" kann auswechselbar
verwendet werden mit "Widerstand", "Heizwiderstand" oder "Heizer". Der Ausdruck "Stromkreis" kann entweder in
der Einzahl- oder der Mehrzahlform verwendet werden, was andeutet, dass
mindestens eine Einheit vorhanden ist.
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Wie
hierin verwendet, kann der Ausdruck "Lage" auswechselbar
verwendet werden mit "Schicht".
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Die
Vorrichtung, wie etwa ein Heizgerät, stellt eine effektive Wärmeleitung
zwischen einem Heizelement und einem Objekt, beispielsweise ein
Wafer-Heizsubstrat, eine Heizschmelze oder ein Behälter zum
Aufheizen von anderen Formen von Proben, wobei die Heizobjekte auf
eine Temperatur von mindestens 300°C aufgeheizt werden. Die Vorrichtung bewirkt
eine relativ gleichförmige
Temperaturverteilung an dem Objekt, selbst für Heizelemente mit einer nicht
perfekten, beispielsweise unebenen Kontaktoberfläche. Ausführungsformen der Vorrichtung
werden durch eine Beschreibung der eingesetzten Materialien, der
Vorrichtung der Komponenten und deren Herstellungsprozess und ebenfalls
mit Verweis auf die Zeichnungen wie folgt veranschaulicht.
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Allgemeine
Ausführungsformen
des keramischen Heizelements: In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung
eine keramische Heizvorrichtung, wie in 1 veranschaulicht.
Der keramische Heizer 33 umfasst ein scheibenförmiges,
dichtes, keramisches Substrat 12 mit einem darin versenkten Heizwiderstand 16 (nicht
gezeigt), dessen obere Oberfläche 13 als
eine Trageoberfläche
für ein
Heizobjekt, d.h. einen Wafer, eine Schmelzform oder ein anderes
Behältnis
S für eine
Probe dient. Elektrische Anschlüsse 15 zum
Zuführen
von Elektrizität
an den Heizwiderstand können
an dem Mittelpunkt der unteren Oberfläche des keramischen Substrats
oder in einer Ausführungsform
an den Seiten des keramischen Substrats befestigt werden.
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In
einer Ausführungsform
wie in 2A veranschaulicht, umfasst
das keramische Basissubstrat eine Scheibe oder ein Substrat 18,
die ein elektrisch leitfähiges
Material enthält
und eine elektrisch isolierende Überzugsschicht 19 aufweist
und optional einen Haftvermittler (nicht gezeigt), um dazu beizutragen,
die Adhäsion
bzw. Anhaftung zwischen der Schicht 19 und dem Basissubstrat 18 zu
verbessern. Beispiele des elektrisch leitfähigen Materials umfassen Graphit,
hochschmelzende Metalle, wie etwa W und Mo, Übergangsmetalle, Seltenerd-Metalle
und Legierungen; Oxide und Carbide des Hafniums, Zirkoniums und
des Cers und Mischungen davon. Bezüglich der Überzugsschicht 19 gilt,
dass diese Schicht mindestens eines der folgenden umfasst: Oxide,
Nitride, Carbide, Carbonitride oder Oxinitride von Elementen, die
ausgewählt
sind aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, Y, hochschmelzenden
Hartmetallen, Übergangsmetallen
besteht; Oxide, Oxinitride des Aluminiums, und Kombinationen davon.
Bezüglich
des optionalen Haftvermittlers gilt, dass diese Schicht mindestens
eines der folgenden umfasst: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid, Borid,
Oxid, Oxinitrid von Elementen ausgewählt aus Al, Si, hochschmelzenden
Metallen einschließlich
Ta, W, Mo, Übergangsmetallen,
einschließlich
Titan, Chrom, Eisen, und Mischungen davon. Beispiele umfassen TiC,
TaC, SiC, MoC und Mischungen davon.
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In
einer Ausführungsform,
wie in 2B veranschaulicht, umfasst
das Basissubstrat 18 ein elektrisch isolierendes Material
einschließlich
gesinterter Keramik, das beispielsweise ausgewählt ist aus der Gruppe, die
enthält:
Oxide, Nitride, Carbide, Carbo nitride oder Oxinitride von Elementen,
die ausgewählt sind
aus einer Gruppe, die aus B, Al, Si, Ga, Y besteht, Zirkoniumphosphate,
die thermisch hochstabil sind und die die NZP Struktur von NaZr2(PO4)3 aufweisen,
hochschmelzende Hartmetalle, Übergangsmetalle;
Oxide, Oxinitride von Aluminium, und Kombinationen davon, die jeweils
einen hohen Verschleißwiderstand
und hohe Hitzebeständigkeitseigenschaften
aufweisen. In einer Ausführungsform umfasst
das Basissubstrat 18 AlN mit einer Reinheit von >99,7% und ein gesintertes
Mittel, das aus Y2O3, Er2O3 und Kombinationen
davon ausgewählt
ist.
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In
einer Ausführungsform,
wie in 2C veranschaulicht, ist eine
Elektrode 16 mit einem optimierten Schaltkreisentwurf in
dem keramischen Substrat 12 "versenkt". Das Heizelement 16 umfasst
ein Material, das ausgewählt
ist aus der Gruppe, die aus folgenden besteht: pyrolytischer Graphit,
Wolfram, Molybdän,
Rhenium und Platin oder Legierungen davon; Carbide und Nitride von
Metallen, die zu den Gruppen IVa, Va und Via des Periodensystems
der Elemente gehören;
Carbide oder Oxide des Hafniums, Zirkoniums und des Cers sowie Kombinationen davon.
In einer Ausführungsform
umfasst das Heizelement 16 ein Material mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten (CTE, Coefficient of Thermal Expansion),
der an den CTE des Substrats (oder seiner Überzugsschichten) dicht angepasst
ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
wie in den 2A–2B veranschaulicht,
umfasst das Heizelement 33 eine Filmelektrode 16 mit
einer von 5–1000 μm reichenden
Dicke, die auf dem elektrisch isolierenden Basissubstrat 18 (der 2B)
oder der Überzugsschicht 19 (der 2A)
aufgebracht ist durch im Stand der Technik bekannte Prozesse bzw.
Verfahren, einschließlich
Siebdruck, Rotationsbeschichtung, Plasma-Zerstäubung, Zerstäubungspyrolyse, Abscheidung
durch reaktive Zerstäubung,
Sol-Gel, Verbrennungslötlampe
(Combustion Torch), Lichtbogen, Ionenplattieren, Ionenimplantation,
Sputterabscheiden, Laserablation, Verdampfung, Elektroplattieren
und Legieren der Oberfläche
vermittels Laser. In einer Ausführungsform
umfasst die Filmelektrode 16 ein Metall mit einem hohen
Schmelzpunkt, beispielsweise Wolfram, Molybdän, Rhenium und Platin, oder
Legierungen davon. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Filmelektrode 16 mindestens eines
der folgenden Carbide oder Oxide des Hafniums, Zirkoniums, Cers
und Mischungen davon.
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In
der Heizvorrichtung nach der Erfindung können eine oder mehrere Elektroden
eingesetzt werden. In Abhängigkeit
von der Anwendung kann die Elektrode als ein Widerstandsheizelement,
als eine ein Plasma erzeugende Elektrode, eine Elektrode einer elektrostatischen
Spannvorrichtung oder eine Elektronenstrahl-Elektrode funktionieren.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung, wie in den 2A und 2B veranschaulicht,
ist der keramische Heizer 33 ferner beschichtet mit einem ätz-beständigen Schutzüberzugsfilm 25,
der mindestens eines der folgenden umfasst: ein Nitrid, Carbid, Carbonitrid
oder Oxinitrid von Elementen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe,
die aus B, Al, Si, Ga, Y, hochschmelzenden Hartmetallen, Übergangsmetallen
besteht, und Kombinationen davon; ein Zirkoniumphosphat mit einer
NZP Struktur von NaZr2(PO4)3; eine Glas-Keramik-Zusammensetzung, die
mindestens ein Element enthält,
das ausgewählt
ist aus der Gruppe, die aus den Elementen der Gruppe 2a, Gruppe
3a und Gruppe 4a besteht; ein BaO-Al2O3-B2O3-SiO2 Glas; und eine Mischung von SiO2 und einem plasma-beständigen Material, das ein Oxid
oder Fluorid von Y, Sc, La, Ce, Gd, Eu, Dy und Yttrium-Aluminium-Granat
(YAG) umfasst. In einer Ausführungsform
umfasst der Überzugsfilm
ein Material mit einem CTE, der von 2,0 × 10–6/K
bis 10 × 10–6/K
in einem Temperaturbereich von 25 bis 1000°C reicht. In einer anderen Ausführungsform umfasst
die Schicht 25 hochthermisch stabile Zirkoniumphosphate
mit der NZP Struktur von NaZr2(PO4)3, die auch den
isotrukturellen Phosphaten und Siliziumphosphaten mit einer ähnlichen
Kristallstruktur zugehörig
sind. In einer dritten Ausführungsform
enthält die
Schicht 25 eine Glas-Keramik-Zusammensetzung, die zumindest
ein Element enthält,
das ausgewählt
ist aus der Gruppe, die die Elemente der Gruppe 2a, der Gruppe 3a
und der Gruppe 4a des Periodensystems der Elemente enthält. Beispiele
von geeigneten Glas-Keramik-Zusammensetzungen umfassen Lanthanaluminosilikat
(LAS), Magnesiumaluminosilikat (MAS), Calciumaluminosilikat (CAS)
und Yttriumaluminosilikat (YAS). Die Dicke der schützenden Überzugsschicht 25 variiert
in Abhängigkeit
von der Anwendung und dem verwendeten Prozess, beispielsweise CVD,
Ionenplattieren, ETP etc., und variiert in Abhängigkeit von der Anwendung
von 1 μm
bis zu einigen hundert μm.
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Allgemeine
Ausführungsformen
der Vorrichtung: In einer Ausführungsform
ist das Temperaturregelungsgerät,
beispielsweise das Heizelement 33, ganz oder teilweise
von einem Heizergehäuse
umschlossen und der Wärmeübertragungsmodus
zwischen dem Heizelement und dem Heizergehäuse wird durch Wärmeleitung
dominiert. In einer anderen Ausführungsform
ist das Heizergehäuse
transparent, was zusätzlich
zu der Wärmeleitung
eine direkte Erwärmung
durch Strahlung durch das Heizergehäuse hindurch auf das Heizobjekt
S erlaubt. In noch einer anderen Ausführungsform ist das Heizergehäuse undurchlässig. In
einer Ausführungsform
wird die Verarbeitung des Heizobjekts S allgemein in einem Teil-Vakuum
ausgeführt,
wobei ein Unterstützungsgas
(Backside Gas) verwendet wird, um die Wärmeübertragung zwischen dem Substrat
S und dem keramischen Heizer 10 zu verbessern.
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3 zeigt
eine Explosionsansicht einer Ausführungsform eines Heizgeräts. Beginnend
von oben nach unten umfasst das Gerät mit einem Heizgehäuse 37 ein
Objekttrageelement 31, eine erste, thermisch leitfähige Schicht 32,
ein Heizelement 33, eine zweite Schicht 34, eine
optionale thermische Isolationsschicht 35 und ein Podest 36.
Ein Trageelement 31 ist bereitgestellt, um das Heizobjekt
S zu tragen. In einer Ausführungsform
sind das Trageelement 31 und das Podest 36 durch
mechanische Befestigungsmittel oder andere Befestigungsmittel 38 miteinander
verbunden, so dass ein Heizergehäuse 37 ausgebildet
wird, das die übrigen
Teile vollständig einschließt. Beispiele
für mechanische
Befestigungsmittel umfassen Stäbe,
Schrauben, Bolzen und dergleichen. In einer Ausführungsform wird das Trageelement 31 mit
der Plattform 36 durch die Verwendung von keramischen Bindungen,
Klebemitteln und dergleichen zusammen verbunden. In einer Ausführungsform
kann eine Feder oder ein anderes elastisches Mittel als das Befestigungsmittel 38 eingesetzt werden.
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In
einer Ausführungsform
spannt (presst) sowohl die erste als auch die zweite Schicht im
Betrieb gegen das Heizelement 33 und das Trageelement 31,
um einen innigen Kon takt zwischen den Schichten und dem Heizelement
bei einer Vorspannkraft gegen das Heizelement 33 im Bereich
von 0,05 bis 30 psi zu erzielen. In einer Ausführungsform ist die Vorspannkraft
gegen das Heizelement 33 (oder ein Temperaturregelungsgerät, wie etwa
ein Kühlgerät) im Bereich
von 0,10 bis 20 psi.
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In
anderen Ausführungsformen,
wie in 5 veranschaulicht, überdeckt das Heizergehäuse 37 teilweise
die innere Vorrichtung. In der Figur wird elektrische Leistung durch
den Netzteil-Block 39 des Heizelements 33 zugeführt. In
den 4 und 5 erstrecken sich Netzteil-Mittel
monolithisch von dem Heizelement 33. In noch einer anderen
Ausführungsform
(nicht gezeigt) umfassen die Netzteil-Mittel 39 flexible
Drähte,
die mit dem Heizelement 33 verbunden sind. Die Netzteil-Mittel
sind in einer Ausführungsform
so ausgebildet, dass sie die vertikale Verschiebung des Heizelements 33 nicht
beschränken, was
es ermöglicht,
dass sich das Heizelement 33 entsprechend der thermischen
Ausdehnung der Kohlenstoffschichten oder anderen Teilen des Heizgeräts frei
bewegt. In einer Ausführungsform,
wie in den 4 und 5 veranschaulicht,
ist die erste thermisch leitfähige
Schicht 32 auf der Heizobjekt-Seite S dünner als die zweite Schicht 34,
was durch Differenzieren des thermischen Widerstands eine effektivere Wärmeübertragung
in Richtung auf das Heizobjekt S erlaubt.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Gerät ferner
eine optionale Schicht eines unter der zweiten Schicht 34 angeordneten
thermischen Isolators 35, um mehr thermischen Widerstand
hinzuzufügen.
In einer Ausführungsform
(nicht gezeigt) ist zwischen der zweiten Schicht 34 und
dem Heizelement 33 eine thermische Isolationsschicht angeordnet.
In noch einer anderen Ausführungsform
ist unter der zweiten thermisch leitfähigen Schicht 34 eine
zusätzliche thermische
Isolationsschicht 35 angeordnet.
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In
einer Ausführungsform
der 5 umfassen Leistungszufuhrmittel Graphitpfosten
mit einer Gewindebohrung, die sich von dem Heizer 33 erstrecken
und die dazu entworfen sind, elektrisch leitfähige, mit einem Gewinde versehene
Stäbe aufzunehmen.
Die elektrisch leitfähigen,
mit einem Gewinde versehenen Stäbe
können
ferner mit flexiblen Drähten
(nicht gezeigt) verbunden sein. In einer Ausführungsform wird als das Heiz element
in dem Heizer 33 eine eingebettete Elektrode aus pyrolytischem
Graphit (PG) verwendet. In einer anderen Ausführungsform weitet sich ein
auf dem Podest 40 gegenüberstehender
Trageansatz von dem Objekttrageelement 31 aus, um den Heizer
aus keramischem PBN vor der Prozesslast zu schützen.
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Im
Betrieb wird das Substrat S durch Hindurchführen von Wärme (d.h. thermischer Energie) von
dem Heizelement 33 zu der ersten thermisch leitfähigen Schicht 32,
dem Objekttrageelement 31 und zu dem Substrat S thermisch
geregelt. Das Objekttrageelement 31 und das Podest 36 umfassen
das gleiche Material oder verschiedene Materialien, die aus der
Gruppe, die Kupfer, rostfreien Stahl, HSS-Stahl (High Speed Steel),
Wolfram, Molybdän,
Kovar® oder Legierungen
davon enthält,
ausgewählt
sind. Wenn die beiden Komponenten verschiedene Materialien umfassen,
dann weisen sie vorzugsweise einen angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizient (CTE,
Coefficient of Thermal Expansion) auf, d.h. das Material weist einen
CTE auf, der von 0,75 bis 1,25-mal
von dem CTE des zweiten Materials reicht. Alternativ können Keramiken
oder gesinterte harte Legierungen ausgewählt werden. Beispiele umfassen,
sind jedoch nicht beschränkt
auf: Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Graphit,
usw.
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Die
thermische Isolationsschicht 35 wird typischerweise aus
einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit hergestellt. Beispiele
umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf pyrolytisches Bornitrid,
Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkonium, Quarzglas, etc. Die Schicht
weist eine von 50 μm
bis 1 cm reichende Dicke auf. In einer Ausführungsform weist die Isolationsschicht 35 eine
Dicke von mindestens 100 μm
auf. In einer zweiten Ausführungsform
eine Dicke von weniger als 5 mm. In einer dritten Ausführungsform
weist die thermische Isolationsschicht eine von 100–2000 μm reichende
Dicke auf.
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Sowohl
die thermisch leitfähige
erste Schicht 32 als auch die zweite Schicht 34 sind
dadurch gekennzeichnet, dass sie verformbar bzw. duktil sind, d.h.
dass sie ein Material mit elastischen Eigenschaften/Flexibilität umfassen,
um der Schicht ein kissenarti ge/federhafte Eigenschaften zu verleihen,
um das Temperaturregelgerät
elastisch zu deformieren und zu komprimieren, beispielsweise das
Heizelement 33 gegen das Gehäuse 32, mit minimaler
oder ohne Beschädigung
am Heizelement. Beispielhafte Materialien umfassen, sind jedoch
nicht beschränkt
auf: Kohlenstoffschichten, keramisches Gewebe, keramischer Filz,
keramischer Schaum, Graphitschaum und dergleichen mit außergewöhnlicher
Verformbarkeit bzw. Duktilität.
In einer Ausführungsform
umfassen die erste und zweite Schicht dasselbe Material oder verschiedene
Materialien, wobei das Material der Konstruktion eine Dehnungseigenschaft
von mindestens 5% aufweist. In einer zweiten Ausführungsform weist
das Material einen Elastizitätsmodul
von weniger als 10 GPa auf. In einer dritten Ausführungsform umfassen
die Schichten ein Material mit einem Elastizitätsmodul von weniger 5 GPa.
In einer vierten Ausführungsform
weisen die Schichten ein Elastizitätsmodul von weniger als 1 GPa
auf. In einer fünften Ausführungsform
umfassen die Schichten ein Material mit einer Kompressibilität von mindestens
20%. In einer sechsten Ausführungsform
umfassen die Schichten ein Material mit einer Kompressibilität von mindestens
40%.
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Zusätzlich zu
der Verformungseigenschaft ist die erste Schicht 32 ferner
gekennzeichnet durch eine ausgezeichnete thermische Leitfähigkeitseigenschaft.
Die thermische Leitfähigkeitseigenschaft
ist für
die zweite Schicht kein Erfordernis. Jedoch umfasst die zweite Schicht 34 in
einer Ausführungsform ein
Material, das sowohl thermisch leitfähig als auch duktil bzw. verformbar
ist, wie etwa Graphit. In einer Ausführungsform umfasst die zweite
Schicht 34 ein Material, das thermisch isolierend und verformbar
ist, wie etwa keramischer Filz oder Schaum.
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In
einer Ausführungsform
umfasst die erste Schicht 32 ein verformbares bzw. duktiles
Material, wie etwa Kohlenstoff, mit einer thermischen Leitfähigkeit
von etwa 20 W/mK in einer Ebene parallel zu dem Heizelement. In
einer zweiten Ausführungsform umfasst
mindestens eine der ersten und zweiten Schichten eine Schicht aus
Graphitschaum mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 100
W/mK. In einer dritten Ausführungsform
umfasst sowohl die erste als auch die zweite Schicht eine Vielzahl
von Schichten aus verschiedenen Materialien, beispielsweise Zwischenschichten
aus Koh lenstofflagen und Graphitschaum. In einer Ausführungsform
umfasst die erste und zweite Schicht eine als Grafoil® kommerziell
verfügbare
Graphitschicht, die eine Kompressibilitätseigenschaft (ASTM F-36) von
43% und ein Elastizitätsmodul
von 1380 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist die erste Schicht
eine Grafoil® Schicht
und die zweite Schicht umfasst ein keramisches Gewebe mit einem
Elastizitätsmodul von
weniger als 2 GPa und einer Porosität von weniger als 20 vol%.
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In
einer Ausführungsform
weisen sowohl die thermisch leitfähige erste Schicht 32 als
auch die zweite Schicht 34 jeweils eine von 50 μm bis 10
mm reichende Dicke auf. In einer zweiten Ausführungsform weist jede Schicht
eine von 10 μm
bis 5 mm reichende Dicke auf. In einer dritten Ausführungsform weist
jede Schicht eine von 10 μm
bis 2 mm reichende Dicke auf, wobei die zweite Schicht 34 eine
Dicke von 1,5 bis 4-mal der Dicke der ersten thermisch leitfähigen Schicht 32 aufweist.
In einer vierten Ausführungsform
weist die erste Schicht 32 eine Dicke von 200 μm und die
zweite Schicht 34 eine Dicke von 600 μm auf.
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Weil
das Heizelement 33 zwischen zwei Schichten 32 und 34 eingebettet
ist, wobei jede Schicht außergewöhnliche
federnde Eigenschaften aufweist, füllen die Schichten den durch
die thermische Ausdehnung bei erhöhten Temperaturen verursachten
Raum zwischen dem keramischen Heizer 33 und dem Heizergehäuse aus.
Weil die Schichten auf beiden Seiten des Heizelements 33 zusätzlich eine ebene
Stütze
auf die gesamte Fläche
der Oberfläche von
beiden Seiten des Heizers 33 bewirken, wird jede Biegung
auf dem Heizelement 33 gerade ausgerichtet, ohne übermäßige Kraft
auf die partiellen Plätze des
Heizelements 33 aufzubringen, was eine besonders wichtige
Funktion ist, wenn das Heizelement 33 aus brüchigen keramischen
Materialien konstruiert ist. Aufgrund der anisotropen thermischen
Leitfähigkeit
der ersten Schicht 32, die Materialien, wie etwa Kohlenstoff,
Graphit und dergleichen, umfasst, verteilt die erste Schicht 32 darüber hinaus
die Wärme
in der planaren Richtung, während
sie es der Wärme ermöglicht,
durch hindurch zu dem Heizobjekt S übertragen zu werden.
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Weil
die thermische Leitfähigkeit
von hexagonalem Kohlenstoff und/oder von Graphit in der Richtung
parallel zu den Schichten hoch ist und jedoch niedrig in der Richtung
durch die Dicke hindurch, verbessert diese anisotrope Eigenschaft
ferner die Temperaturgleichförmigkeit
auf dem Objekttrageelement 31 und mithin auf dem Heizobjekt
S. Weil in dem Heizelement erzeugte Wärme durch die erste thermisch
leitfähige
Schicht 32 und die zweite Schicht 34 hindurch
geleitet wird, kann auch mehr Wärme,
die sich in Richtung auf die erste Schicht 32 überträgt, gerichtet
werden durch Einstellen der Differenz des thermischen Widerstands
zwischen der ersten und zweiten Schicht, beispielsweise durch Bereitstellen
einer viel dickeren zweiten Schicht 34 oder Verwendung
eines thermisch isolierenden Materials, wie etwa keramischer Filz,
für die
zweite Schicht 34.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung mit der Verwendung des thermisch leitfähigen Materials für beide
Schichten 32 und 34 kann die thermische Leistungsfähigkeit
des Heizgeräts
mit großer
Genauigkeit vorhergesagt werden. Der thermische Kontaktwiderstand
zwischen Teilen in dem Heizgerät
ist aufgrund der schlechten Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit,
die durch die Variation von „Produkt
zu Produkt", die
Variation des Bedienpersonals beim Zusammenbau, die Oberflächen- und
Flachheitsbedingungen usw., verursacht sind, typischerweise schwierig
vorherzusagen. Eine derartige Unvorhersagbarkeit stellt ein Problem
dar, wenn ein Heizgerät entworfen
wird. Oft sind Experimente erforderlich, um den thermischen Kontaktwiderstand
zu bestimmen, was häufig
kostspielig und zeitaufwendig ist. Jedoch mit der Verwendung des
verformbaren Materials mit derselben thermischen Leitfähigkeit
und Elastizität für beide
Schichten 32 und 34, befindet sich das Heizelement 33 zwischen
Schichten desselben thermisch leitfähigen Materials, und die Kontaktbedingung
auf beiden Seiten des Heizers ist immer eben. Solange in dem Heizelement
eine vorbestimmte Leistung erzeugt wird, wird sie schlussendlich übertragen,
was eine Modellierung der hervorragenden thermischen Leistung zum
Heizen des Substrats auf Temperaturen im Bereich von 300–700°C erlaubt, während die
durch die Variation des thermischen Kontaktwiderstands verursachte
Variation der Leistungsfähigkeit
minimalisiert wird.
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Die
hierin veranschaulichten Ausführungsformen
sind für
eine Vorrichtung mit mindestens einem Heizelement zum Heizen eines
Heizobjekts. Jedoch sind Ausführungsformen
mit einem Kühlgerät innerhalb
des Umfangs der Erfindung, wobei das Kühlgerät in der Vorrichtung anstelle
des hierin beschriebenen Heizelements eingebaut ist. In einer Ausführungsform
wird zum Regeln der Substratstemperatur auf –80°C eine Kühlplatte anstelle des Heizelements
verwendet. In einer zweiten Ausführungsform
wird eine Kühlplatte
zusätzlich
zu dem Heizelement verwendet, um die Zieltemperatur im Bereich von –80°C bis 600°C zu regeln.
Die Verwendung der ersten thermisch leitfähigen Schicht 32 und
der zweiten Schicht 34 zusammen mit einem Kühlgerät in einer
Vorrichtung, wie etwa einem Halbleiter-Waferhalter ermöglicht,
dass die Temperatur eines Substrats gleichförmig eingestellt werden kann.
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Diese
schriftliche Beschreibung benutzt Beispiele, einschließlich dem
besten Modus, um die Erfindung zu offenbaren und auch um es jedem
Fachmann zu ermöglichen,
die Erfindung herzustellen und zu verwenden. Der patentierbare Schutzumfang
der Erfindung wird durch die Patentansprüche definiert und kann andere
Beispiele enthalten, die dem Fachmann erscheinen. Es ist beabsichtigt,
dass derartige andere Beispiele innerhalb des Schutzumfangs der Patentansprüche sind,
wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die nicht vom Wortlaut
der Patentansprüche
abweichen oder wenn sie äquivalente
strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden vom Wortlaut
der Patentansprüche
enthalten.
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Diese
Anmeldung beansprucht die Vorteile der
US Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/826,150 ,
eingereicht am 19. September 2006, welche Patentanmeldung hierin
durch Verweis vollständig
mit aufgenommen wird.
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Alle
hierin verwiesenen Fundstellen werden hierin durch Verweis ausdrücklich mit
aufgenommen.