CN108431940B - 减小的线数量的加热器阵列块 - Google Patents
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Abstract
热系统包括多个热元件。在一种形式中,热元件中的每一个限定了电阻器和限流装置。多个热元件具有并联热元件的至少第一子集和并联热元件的至少第二子集。系统还具有连接至多个热元件的多个电源线。电源线成对配置用于将电能提供至并联设置连接的多个热元件的子集。电源线对中的每一个与子集中相邻并联设置的热元件共享共用电源线。此外,在子集中相邻并联设置的热元件的每个限流装置是相对的。并联热元件的第一和第二子集共享共用电源线。
Description
技术领域
本公开内容涉及加热器系统和相关控制,特别是能够在操作期间向加热目标传递精准加热分布的加热器系统,以便补偿热损失和/或其他偏差,在半导体加工应用中作为卡盘或基座使用。
背景技术
本部分中的陈述内容仅仅提供关于本公开内容的背景信息并不构成现有技术。
在半导体加工技术中,例如,使用卡盘或基座来保持衬底(或晶元)并在加工期间向衬底提供均匀温度分布。参见附图1,示出了用于静电卡盘的支撑组件10,该支撑组件包括具有嵌入电极14的静电卡盘12,以及通过粘合剂层18粘结至静电卡盘12的加热板或目标16,粘合剂层18典型为有机硅粘合剂。加热器20固定至加热板或目标16,作为实例,加热器可以为蚀刻箔加热器。这种加热器组件再次通过粘合剂层24粘结至冷却板22,其中粘合剂层典型为有机硅粘合剂。衬底26设置在静电卡盘12上,并且电极14连接至电压源(未示出)使得生成静电能,静电卡盘12将衬底26保持在适当的位置上。射频(RF)或微波电源(未示出)可以耦接至围绕支承组件10的等离子反应器腔室中的静电卡盘12。因此,加热器20在腔室内等离子半导体加工步骤期间提供所需热量来保持衬底26上的温度,加工步骤包括等离子增强膜沉积或蚀刻。
在衬底26的全部加工阶段期间,严格控制静电卡盘12的温度分布是重要的以便减小衬底26正在蚀刻中的加工偏差,同时减少总加工时间。除了其他应用,用于改进衬底上的均温度匀性的改进装置和方法在半导体加工技术中是一直期望的。
发明内容
热系统包括多个热元件。热元件中的每一个限定了电阻器和限流装置。多个热元件具有并联热元件的至少第一子集和并联热元件的至少第二子集。系统还具有连接至多个热元件的多个电源线。电源线成对配置用于将电能提供至多个并联设置连接的热元件的子集。电源线对中的每一个与子集中相邻并联设置的热元件共享共用电源线。此外,在子集中相邻并联设置的热元件的每个限流装置是相对的。并联热元件的第一和第二子集共享共用电源线。
加热器系统包括加热目标和固定至加热目标的加热器。加热器具有多个热元件。热元件中的每一个限定了电阻器和限流装置。多个热元件具有并联热元件的至少第一子集和并联热元件的至少第二子集。系统还具有连接至多个热元件的多个电源线。电源线成对配置用于将电能提供至多个并联设置连接的热元件的子集。电源线对中的每一个与子集中相邻并联设置的热元件共享共用电源线。此外,在子集中相邻并联设置的热元件的每个限流装置是相对的。并联热元件的第一和第二子集共享共用电源线。
进一步应用领域将根据本文中的描述变得显而易见,应当理解的是描述和具体实例仅仅是用于描述性目的并不用于限定本公开内容的范围。
附图说明
为了本公开内容可以得到良好的理解,将参见附图,通过实例以多种形式进行描述,其中:
附图1为现有技术中的静电卡盘的放大侧视图;
附图2A为具有调谐层并且根据本公开内容的一种原理形式构造的加热器的部分侧视图;
附图2B为另一种形式的并且根据本公开内容的原理构造的具有调谐层的加热器或调谐加热器的分解侧视图;
附图2C为根据本公开内容构造的加热器的立体分解视图,其示出了用于基底加热器的四(4)个示例性区域和用于调谐加热器的十八(18)个区域;
附图2D为具有补充调谐层并且根据本公开内容的原理构造的另一种形式的高分辨率(high definition)加热器系统的侧视图;
附图3为描述了根据本公开内容的原理的热系统的示意图;
附图4为描述了具有二十四个热元件的六个热系统的示意图;
附图5为描述了根据本公开内容的原理的具有控制系统的热系统的示意图;
附图6为描述了控制热系统的方法的流程图;
附图7为描述了用于控制根据本公开内容的原理的附图3、4和5中的热系统的控制系统的示意图。
本文中描述的附图仅仅是用于描述性目的并不以任何方式用于限定本公开内容的范围。
具体实施方式
以下说明书在本质上仅仅是示例性的并不用于限定本公开内容,应用或使用。例如,以下本公开内容中的形式针对在半导体加工中使用的卡盘,在一些实例中为静电卡盘。然而,应当理解的是本文中提供的加热器和系统可以用于多种应用并且并不限于半导体加工应用。应当理解的是通过附图,相应的附图标记指代相似或相应的部分和特征。
参见附图2A,本公开内容的一种形式的加热器50包括基底加热器层52,基底加热器层具有嵌入在其中的至少一个加热器电路54。基底加热器层52具有形成的至少一个孔径56,通过(或经由)孔径用于将加热器电路54连接至电源(未示出)。基底加热器层52提供主加热,同时如所示的靠近加热器层52设置的调谐加热器层60用于对加热器50提供的热分布进行微调。调谐层60包括多个单独的嵌入其中的独立控制的加热元件62。至少一个通过调谐层形成的孔径64用于将多个单独的加热元件62连接至电源和控制器(未示出)。如进一步所示,布线层66设置在基底加热器层52和调谐层60之间并限定了一个内部空腔68。第一组电引线70通过加热层孔径56延伸,将加热器电路54连接至电源。除了基底加热器层52中的孔径55,第二组电引线72将多个加热元件62连接至电源并通过布线层66的内部空腔68延伸。应当理解的是布线层66是可选的,并且加热器50可以不与布线层66一起使用,而是仅仅具有基底加热器层52和调谐加热器层60。
在另一种形式中,除了提供加热分布的微调,调谐层60可以选择性的用于测量卡盘12中的温度。这种形式提供了多个温度相关电阻电路的特定区域或考虑位置。这些温度传感器中的每一个能够经由多路复用开关布置单独读取以允许使用相对于所需信号线数量更多的传感器来测量每个单独的传感器,例如与本申请一同转让的美国专利申请No.US9,123,756中所示,其公开内容通过引用全部并入本文。温度感测反馈能够提供用于控制决策的必要信息,例如,控制后部冷却气体压力的特定区域来调节从衬底26至卡盘12的热通量。这种相同的反馈还能够用于替换或增加安装在基底加热器50附近的温度传感器用于基底加热区域54的温度控制或经由辅助冷却流体热交换器(未示出)用于平衡板冷却流体温度。
在一种形式中,通过将加热器电路54和调谐层加热元件62封闭在用于中温应用(通常低于250℃)的聚酰亚胺材料中形成基底加热器层50和调谐加热器层60。进一步,聚酰亚胺材料可以与材料进行掺杂以便增加热传导性。
在另一种形式中,基底加热器层50和/或调谐加热器层60由分层工艺形成,其中通过使用与厚膜,薄膜,热喷涂或溶胶-凝胶等相关的工艺将材料应用或沉积至衬底或其他层而形成层。
在一种形式中,基底加热电路54由 形成以及调谐层加热元件62为镍材料。但在另一种形式中,调谐层加热元件62由具有足够电阻温度系数的材料形成使得元件起到加热器和温度传感器的作用。与本申请一同转让的美国专利申请No.7,196,295和No.8,378,266中公开了该加热器和加热器材料并且其公开内容通过引用全部并入本文。
通过知晓或测量应用至热阻抗调谐层60中的每个单独元件的电压和/或电流,由乘法和除法转换为电功率和电阻,相应在第一实例中等同于来自这些元件中的每一个的热通量,以及在第二实例中等同于与元件温度的已知关系,本公开内容的多种形式包括在层加热元件62上的基于温度,功率,和/或热阻抗的控制。这些一起应用能够用于计算和监控每个元件上的热阻抗负载以允许操作者或控制系统来探测和补偿特定区域的热改变,该热改变可能由于但不限于由使用或维护,加工误差和设备退化引起的腔室或卡盘中的物理改变。可替换地,热阻抗调谐层60中的每个单独控制的加热元件能够被指定为与相同或不同特定温度对应的设定点电阻,于是修改或门控(gate)从衬底上的相应区域至基底加热器层52的热通量以在半导体加工期间控制衬底温度。
在一种形式中,基底加热器50粘结至卡盘51,例如,通过使用有机硅粘合剂或者甚至压敏粘合剂。因此,加热器层52提供主加热,且调谐层60微调或调整加热分布使得提供均匀或理想的温度分布至卡盘51,并因此提供均匀或理想的温度分布至衬底(未示出)。
在本公开内容的另一种形式中,当暴露于应变载荷时,调谐层加热元件62的热膨胀系数(CTE)与调谐加热层衬底60的CTE匹配以便改进调谐层加热元件62的热敏性。多种适合用于双线控制的材料显示出了与电阻器温度装置(RTDs)相似的特性,包括对于温度和应变的电阻灵敏性。调谐层加热元件62的CTE与调谐加热层衬底60的CTE匹配减小了实际加热元件上的应变。并且随着操作温度的增加,应变水平趋向于增加,因此CTE匹配成为了更多考虑的因素。在一种形式中,调谐层加热元件62为具有大约15ppm/℃的CTE的高纯度镍-铁合金,并且封闭调谐层加热元件62的聚酰亚胺材料具有大约16ppm/℃的CTE。在这种形式中,将调谐加热器层60粘结至其他层的材料显示出了弹性特性,这种弹性特性将调谐加热器层60从卡盘12的其他组件上物理分离。应当理解的是还可以使用其他具有可相匹配的CTEs的材料,这属于本公开内容的范围。
现在参见附图2B-2D,示出了一个具有基底加热器层和调谐层的示例性形式的加热器(通常如附图2A中所示)并且通常由附图标记80表示。加热器80包括基板或目标82(也被称为冷却板),其中一种形式为大约16mm厚的铝板。在如附图所示的一种形式中,使用弹性粘结层86将基底加热器84固定至基板或目标82。衬底88设置在基底加热器84的顶部并且,根据本公开内容的一种形式,衬底88为大约1mm厚的铝材料。衬底88被设计为具有热传导性以分散来自基底加热器84的所需能量。因为基底加热器84具有相对高的能量,在不具有所需热传导性的情况下,这种基底加热器84将在邻近部件上留下“参考”标记(来自电阻电路迹线),从而减小加热器系统的整体表现。
调谐加热器90设置在衬底88的顶部上并且如上所述使用弹性粘结层94固定至卡盘92。卡盘92的一种形式为大约2.5mm厚度的铝氧化物材料。应当理解的是本文中所述的材料和尺寸仅仅是示例性的,因此,本公开内容并不限于本文中所述的特定形式。此外,调谐加热器90的能量低于基底加热器84,并且如上所述,衬底88用于分散来自基底加热器84的能量使得不会再调谐加热器90上形成“参考”标记。
在附图2C中更详细的示出了基底加热器84和调谐加热器90,其中对于基底加热器84示出了示例性的四(4)个区域,对于调谐加热器90示出了十八(18)个区域。在一种形式中,加热器80适合于与450mm尺寸的卡盘一起使用,然而,由于加热器80高度调节热分布的能力,加热器80可以与更大或更小尺寸的卡盘一起使用。此外,高分辨率加热器80可以围绕卡盘的外围使用,或者卡盘两端的预定位置使用,而不是在本文中所示的层叠/平面结构中使用。进一步,除了半导体加工设备中的其他部件,高分辨率加热器80还可以在加工装备,腔室壁,盖子,输气管线和淋浴头中使用。还应当理解的是本文中所示和所述的加热器和控制系统可以在多种应用中使用,因此,示例性的半导体加热器卡盘并不应解释为对于本公开内容范围的限定。
本公开内容还构想了基底加热器84和调谐加热器90并不限于加热功能。应当理解的是这些组件中的一个或多个分别被称为“基底功能层”和“调谐功能层”,可以选择性的为温度传感器层或其他功能层,这属于本公开内容的范围。
如附图2D所示,可以通过在卡盘12的顶部表面上具有第二调谐层加热器99来提供双调谐能力。第二调谐层可以选择性的作为温度感测层使用而不是加热层,这属于本公开内容的范围。此外,可以使用多个调谐层,而不应限于本文中的所示和所述。还应当理解的是在下文中所述的热阵列可以与单个加热器或多个加热器一起使用,是否分层或是其他结构,这都属于本公开内容的范围。
参见附图3,示出了例如附图2A-2D中所述的在热阵列系统中使用的热系统100。热系统100包括多个热元件102a,102b,102c和102d。热元件102a-102d可以是能够产生热量的多个不同元件中的任一个。例如,热元件102a-102d可以是分层加热元件,蚀刻箔元件或绕线元件。
热元件102a-102d中的每一个可以限定电阻器和限流装置。更具体的,热元件102a具有电阻器104a和限流装置106a。热元件102b具有电阻器104b和限流装置106b。相似的,热元件102c具有电阻器104c和限流装置106c。最终,热元件102d具有电阻器104d和限流装置106d。限流装置106a-106d可以是二极管,可控硅整流器或可控硅开关。
因此,热元件102a-102d中的每一个具有相应的104a-104d,相应的104a-104d分别与每个限流装置106a-106d串联。进一步,热元件102a和102c彼此之间以并联方式连接。因此,热元件102a和102c形成第一子集并联热元件,同时热元件102b和102d形成第二子集并联热元件。
热系统100还包括具有第一节点109的第一电源线108,以及具有第二节点111的第二电源线110。第一电源线108连接至电阻器104a和104c,同时第二电源线110连接至电阻器104b和104d。因此,电源线108和110成对配置用于将电能提供至多个并联设置连接的热元件102a-102d的子集。
此外,系统100可以进一步包括具有共用节点113的共用电源线112。共用电源线112连接至限流装置106a-106d。因此,在子集中相邻并联设置的每个限流装置106a-106d是相对的。换言之,限流装置106a和106c彼此相对,同时限流装置106b和106d也彼此相对。
通过选择性的将电源信号或接地信号提供至电源线108,110和112,电流能够通过每个热元件102a-102d传输,从而当电流通过热元件102a-102d时产生热量。以下图表描述了电源线108,110和112的电源(PWR)信号或接地(GND)信号分别提供至节点109,111和113的每个组合。如图表所示,能够灵活控制加热电路加热热阵列系统。
如以上图表所示,热系统100取决于是否将电源或者接地应用至每个节点109,111和113,热系统100被配置为通过热元件102a-102d中的至少一个或仅仅热元件102a-102d中一个来提供电流。进一步,如图表中所示,能够使用三根线来选择性的激活四个不同的热元件。作为一个实例,如果阵列包括六个热系统100,则总共具有二十四个热元件,将需要十八根线来选择性的控制二十四个热元件中的每一个。因此,热系统100允许加热器阵列的线的数量的减小,同时允许独立的,有序的控制。此外,通过将线附接至电压源,热系统100允许全部的线保持低阻抗。
参见附图4,示出了热系统的阵列。其中,阵列包括六个单独的热系统1100,2100,3100,4100,5100和6100。热系统1100,2100,3100,4100,5100和6100中的每一个由先前描述的部件组成并且由相似的附图标记指代。
在该实例中,热系统1100具有三根线1108,1110和1112,每根线分别具有节点1109,1111和1113。以相似的方式,每个热阵列系统2100,3100,4100,5100和6100也具有三根线,每根线具有节点,则使得线的总数量为十八。如上所述,附图中已经使用的相似的附图标记指代相似的部件。
相似的,热阵列系统1100具有热元件1102a,1102b,1102c和1102d。同样的,热阵列系统2100,3100,4100,5100和6100中的每一个也具有四个热元件。热系统的阵列总共包含二十四个热元件。
通过使用先前所述的十八根线来完成二十四个热元件的控制。因此,减小了加热器阵列的线的数量同时允许独立的,有序的控制,并且无需执行Matrix或Metcalf结构。这种阵列还具有通过将线附接至电压源,允许全部的线保持低阻抗的额外优点。这种阵列可以在来自外部温度传感器的反馈控制下运行,或者可以作为基于电阻的温度控制运行,该基于电阻的温度控制来自基于加热器电压除以加热器电流的比率的反馈。在这种情况下,二极管具有的电压误差可以由系统校准。
参见附图5,示出了热系统200的另一个实施例。其中,热系统200包括如上所述的热元件102a-102d以及电源线108,110和112。已经使用的相似的附图标记指代先前描述的元件。其中,热系统200包括控制系统210。控制系统210可以包括与存储器214通信的处理器212,该存储器包括用于将处理器配置为执行说明书中所述的多种不同方法中的任一个的指令。应当理解的是,处理器212可以多于一个。此外,如附图所示,存储器214可以与处理器212分离,或者,可以集成在一个处理器或多个处理器212中。
控制系统210可以配置为将电能提供至多个并联设置连接的热元件102a-102d的子集。控制系统210还可以配置为通过选择性应用电压(如之前图表所述)将用于多个热元件102a-102d中的至少一个的电流提供至电源线108,110和112。
现在参见附图6,提供一种用于控制热系统的方法300。方法300能够用于控制任一个所述的热阵列系统并且能够由任一个所述的控制系统执行。方法从框310开始。在框312中,控制器计算了阵列的每个热元件的设定点。例如,对于每个热元件的电阻设定点可以被设定为使得热元件能够作为触发器来停止提供电能至热元件的测量电阻。在框314中,计算每个热元件的时间窗口。时间窗口可以是分配用于给特定热元件供电的时间。但是,如果热元件电阻高于设定点,控制器可以保持时间窗口的剩余部分静止或可以直接移动至下一个时间窗口来给下一个热元件供电。然而,出于测量目的,理想的是对于每个热元件具有最小的等待时间使得电能不能时时提供至系统,从而加热元件超过了加热应用所需要的。
还应当理解的是,方法300可以使用外部温度传感器来确定一个或多个热元件的温度。因此,反馈控制来自外部温度传感器,或者基于电阻的温度控制来自基于加热器电压除以加热器电流的比率的反馈。在使用基于电阻的温度控制的情况下,二极管具有的电压误差可以由系统校准。
在框316中,控制器确定当前热元件的时间窗口是否已经结束。如果当前热元件的时间窗口已经结束,方法遵照线320至框322。在框322中,控制器在阵列中增加了下一个热元件并进入框316继续过程。如果时间窗口没有结束,方法遵照线318至框324。在框324中,控制器可以同时提供电能至热元件和测量热元件的电学特性。在框326中,控制器基于测量特性确定热元件是否已经超过电阻器电路设定点。如果已经超过设定点,方法可以等待直到时间窗口完成,或者在一定延迟之后,沿线328进入框322。在框322中,电阻器电路增加了下一个热元件并且过程进入框316。如果基于测量特性热元件并未超过设定点,过程遵照线330至框316继续过程。
任何一个所述的控制器,控制系统或机器可以在一个或多个计算机系统中应用。附图7提供了一个示例性系统。计算机系统400包括用于执行指令(例如之前方法中所述的指令)的处理器410。指令可以存储在计算机可读介质中,例如存储器412或存储装置414,例如磁盘驱动器,CD或DVD。计算机可以包括显示控制器416,该显示控制器416响应指令来在显示装置418(例如计算机显示器)上生成文本或图形显示。此外,处理器410可以与网络控制器420通信来将数据或指令传输至其他系统,例如其他一般计算机系统。网络控制器420可以通过以太网或其他已知协议通信来分配加工或通过多种网络拓扑(包括局域网,广域网,英特网或其他常用网络拓扑)提供信息远程访问。
本领域技术人员将容易知道,上述说明书应理解为实现本发明原理的说明。本说明书并不用于限定本发明的范围或应用,对于本发明的修改,变型和变换并不背离本发明的精神,本发明由权利要求限定。
Claims (22)
1.一种热系统,包括:
多个热元件,所述热元件中的每一个限定了电阻器和限流装置,所述多个热元件包括并联热元件的至少第一子集和并联热元件的至少第二子集,其中并联热元件的给定子集中的所述限流装置相对彼此具有相反极性;
多个电源线,连接至所述多个热元件,所述电源线成对配置用于将电能提供至并联热元件的所述第一子集和所述第二子集,以及
多个共用电源线,其数量等于电源线对的数量;
其中电源线对中的每一个共享所述共用电源线中相应的一个,使得并联热元件的所述第一和所述第二子集共享所述共用电源线中相应的一个,以及
其中所述多个热元件的所述电阻器中的每一个通过所述限流装置连接至所述共用电源线。
2.根据权利要求1所述的热系统,进一步包括控制系统,所述控制系统用于将电能提供至并联热元件的所述第一子集和所述第二子集。
3.根据权利要求2所述的热系统,其中所述控制系统被配置为通过所述多个热元件中的至少一个来提供电流。
4.根据权利要求2所述的热系统,其中所述控制系统被配置为通过所述多个热元件中的仅仅一个来提供电流。
5.根据权利要求1所述的热系统,其中所述电阻器和所述限流装置串联连接。
6.根据权利要求1所述的热系统,其中所述多个电源线中的每一个限定了节点。
7.根据权利要求1所述的热系统,其中所述限流装置从由二极管、可控硅整流器和可控硅开关构成的组中选择。
8.根据权利要求1所述的热系统,其中所述电阻器是从由分层加热元件、蚀刻箔元件或绕线元件构成的组中选择的加热元件。
9.根据权利要求1所述的热系统,其中:
所述多个电源线的数量为三根;以及
所述多个热元件的数量为四个。
10.根据权利要求9所述的热系统,进一步包括控制系统,所述控制系统用于将电能提供至并联热元件的所述第一子集和所述第二子集。
11.根据权利要求10所述的热系统,其中所述控制系统被配置为通过所述多个热元件中的至少一个来提供电流。
12.根据权利要求11所述的热系统,其中所述控制系统被配置为通过所述多个热元件中的仅仅一个来提供电流。
13.根据权利要求1所述的热系统,其中并联热元件的所述第一子集连接至相应电源线对的一个电源线,以及并联热元件的所述第二子集连接至相应电源线对的另一个电源线。
14.一种控制加热器温度的方法,包括应用根据权利要求1所述的热系统。
15.一种加热器系统,包括:
加热目标;
加热器,所述加热器固定至所述加热目标,所述加热器包括多个热元件,所述热元件中的每一个限定了电阻器和限流装置,所述多个热元件包括并联热元件的至少第一子集和并联热元件的至少第二子集,其中并联热元件的给定子集中的所述限流装置相对彼此具有相反极性;
多个电源线,所述多个电源线连接至所述多个热元件,所述电源线成对配置用于将电能提供至并联热元件的所述第一子集和所述第二子集,以及
多个共用电源线,其数量等于电源线对的数量;
其中电源线对中的每一个共享所述共用电源线中相应的一个,使得并联热元件的所述第一和所述第二子集共享所述共用电源线中相应的一个,以及其中所述多个热元件的所述电阻器中的每一个通过所述限流装置连接至所述共用电源线。
16.根据权利要求15所述的加热器系统,进一步包括控制系统,所述控制系统用于将电能提供至并联热元件的所述第一子集和所述第二子集。
17.根据权利要求16所述的加热器系统,其中所述控制系统被配置为通过所述多个热元件中的至少一个来提供电流。
18.根据权利要求16所述的加热器系统,其中所述控制系统被配置为通过所述多个热元件中的仅仅一个来提供电流。
19.根据权利要求15所述的加热器系统,其中所述电阻器和所述限流装置串联连接。
20.根据权利要求15所述的加热器系统,其中所述电阻器是从由分层加热元件、蚀刻箔元件或绕线元件构成的组中选择的加热元件。
21.根据权利要求15所述的加热器系统,其中:
所述多个电源线的数量为三根;以及
所述多个热元件的数量为四个。
22.根据权利要求15所述的加热器系统,其中并联热元件的所述第一子集连接至相应电源线对的一个电源线,以及并联热元件的所述第二子集连接至相应电源线对的另一个电源线。
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