DE112018005969T5

DE112018005969T5 - Multi-Zonen-Stützsockel-Heizgerät mit einer weiterleitenden Schicht

Info

Publication number: DE112018005969T5
Application number: DE112018005969.3T
Authority: DE
Inventors: Kevin Ptasienski; Stanton Hopkins Breitlow; Mohammed Nosrati; Kevin Smith; Brittany Phillips; Ken Ames; Patrick Margavio; Kurt ENGLISH
Original assignee: Watlow Electric Manufacturing Co
Current assignee: Watlow Electric Manufacturing Company St Lou Us
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2020-08-06
Also published as: KR102613392B1; JP2021504971A; TWI710053B; US20220338305A1; US20190159291A1; TWI756494B; US11343879B2; US20220210873A1; US20190153598A1; JP2021504925A; DE112018005962T5; TW201926539A; WO2019104048A1; TW201926540A; KR102664620B1; WO2019104060A1; KR20200086357A; US11895741B2; KR20200087852A; CN212365925U

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Stützsockel zur Verfügung, der ein Stützteil umfasst, das eine resistive Schicht, die wenigstens zwei Zonen aufweist, eine weiterleitende Schicht und eine Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen umfasst. Die resistive Schicht und die weiterleitende Schicht sind in verschiedenen Ebenen des Stützteils angeordnet und sind durch die Vielzahl von Durchkontaktierungen verbunden. Die Anzahl der Zonen der resistiven Schicht ist größer als oder gleich einer Anzahl von Drähten, die an die weiterleitende Schicht gekoppelt sind. Die weiterleitende Schicht kann eine Vielzahl von Armteilen umfassen, die sich von einem zentralen Teil der weiterleitenden Schicht weg erstrecken. Der Stützsockel kann des Weiteren eine zweite resistive Schicht umfassen, die entlang derselben Ebene wie die weiterleitende Schicht angeordnet ist.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität auf die und die Vorteile aus der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/589,023 , die den Titel „Multi-Zone Ceramic Pedestal“ trägt, die am 21. November 2017 eingereicht worden ist und deren Inhalte in vollem Umfang durch Verweis hier mit eingeschlossen sind.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich in der Regel auf Vorrichtungen, die Halbleiter verarbeiten, und im Besonderen auf Substrat-Stützsockel, die dazu dienen, um darauf ein Substrat, wie zum Beispiel einen Wafer, zu stützen und zu erhitzen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Aussagen in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung und stellen möglicherweise keinen Stand derTechnik dar.
Eine Wafer-Halterungsbaugruppe, wie z. B. ein Sockel für die Halbleiterverarbeitung, ist in einer Halbleiterverarbeitungskammer angeordnet und umfasst typischerweise einen Wafer-Halterungsteil und eine Welle, die an einem zentralen Bereich des Wafer-Halterungsteils befestigt ist. Der Wafer-Stützteil kann ein resistives Heizelement zur Erzeugung von Wärme und elektrische Klemmen für das Verbinden des resistiven Heizelements mit einer externen Stromquelle enthalten. Die elektrischen Klemmen sind neben dem mittleren Bereich des Wafer-Stützteils angeordnet und erstrecken sich in den Schaft. Das resistive Heizelement ist außerhalb des Zentralbereichs des Wafer-Trägerteils angeordnet, und normalerweise befinden sich in der Nähe des mittleren Schaftbereichs aufgrund der elektrischen Klemmen keine resistiven Heizelemente. Infolgedessen wird typischerweise ein kalter Fleck in der zentralen Region erzeugt, und die Größe der zentralen Region wird daher relativ klein gemacht, um die Fläche des kalten Flecks zu reduzieren.
Die verringerte Größe des Zentralbereichs begrenzt jedoch die Anzahl der elektrischen Klemmen, die in den Zentralbereichen angeordnet werden können, und folglich auch die Anzahl der Heizzonen, die unabhängig voneinander gesteuert werden können. Aufgrund der Komplexität der Integration von Temperaturfühlern in einen Sockel und einen kalten Bereich in der Nähe des Schaftbereichs wird ein konventioneller Wafer-Support-Sockel im Allgemeinen so konfiguriert, dass er nur eine oder zwei Heizzonen bietet. Bei begrenzten Heizzonen kann ein vorbestimmtes Heizprofil über den Wafer-Stützteil aufgrund verschiedener Faktoren, die in einer Halbleiter-Bearbeitungskammer vorhanden sein können, um eine lokale Temperatur des Wafer-Stützteils zu beeinflussen, nicht bereitgestellt werden.
Darüber hinaus begrenzt die reduzierte Größe des zentralen Bereichs auch die Anzahl der Temperatursensoren, die zur Überwachung der Temperatur des Wafer-Stützteils verwendet werden können. Die begrenzte Anzahl von Temperatursensoren ermöglicht keine präzise Überwachung der Temperatur des Wafer-Stützteils. Daher wird das resistive Heizelement des Wafer-Stützteils typischerweise mit Verhältnissteuerung (d.h. mit offenem Regelkreis) betrieben.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenlegung sieht einen Stützsockel vor, der ein Stützteil umfasst, das eine resistive Schicht mit mindestens zwei Zonen, eine weiterleitende Schicht und eine Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen umfasst. Die resistive Schicht und die weiterleitende Schicht sind in verschiedenen Ebenen des Stützteils angeordnet und durch die Vielzahl von Durchkontaktierungen verbunden. Die Anzahl der Zonen der resistiven Schicht ist größer oder gleich einer Anzahl von Drähten, die mit der weiterleitenden Schicht verbunden sind.
In einer Form sind die resistive Schicht und die weiterleitende Schicht in einer Ebene, die normal zu dem Stützteil angeordnet ist, angeordnet und überlappen sich so, dass sich die resistive Schicht über einen zentralen Bereich des Stützteils hinweg erstreckt.
In einer anderen Form umfasst das Stützteil ein Hauptsubstrat, das einander gegenüberliegenden Oberflächen aufweist. Die resistive Schicht und die weiterleitende Schicht sind auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen des Hauptsubstrats angeordnet, und die Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen erstreckt sich durch das Hauptsubstrat hindurch. In dieser Form kann die Vielzahl der leitfähigen Durchkontaktierungen rechtwinklig zu den gegenüberliegenden Oberflächen angeordnet sein.
In einer anderen Form umfasst die resistive Schicht eine Vielzahl von resistiven Heizelementen, die eine Vielzahl von Heizzonen definieren, und die weiterleitende Schicht umfasst einen zentralen Teil und eine Vielzahl von Armteilen, die sich von dem zentralen Teil weg erstrecken. Die Vielzahl von Armteilen ist elektrisch mit den Heizzonen verbunden, und die Anzahl der Armteile korrespondiert mit der Anzahl der resistiven Heizelemente. Das Stützteil kann des Weiteren eine Vielzahl von elektrischen Klemmen enthalten, die mit dem Mittelteil der weiterleitenden Schicht verbunden sind.
In einer weiteren Form umfasst das Stützteil ein Hauptsubstrat, das eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche definiert. Das Hauptsubstrat definiert des Weiteren eine Vielzahl von Durchkontaktierungs-Öffnungen, die dazu dienen, um darin die leitfähigen Durchkontaktierungen aufzunehmen, und eine Vielzahl von blinden Vertiefungen, die sich zu der unteren Oberfläche hin öffnen. Die Vielzahl von Durchkontaktierungs-Öffnungen können sich von der oberen Oberfläche zu der unteren Oberfläche des Hauptsubstrats hin erstrecken und sind bündig mit der oberen und der unteren Oberfläche des Hauptsubstrats. Darüber hinaus können elektrische Klemmen vorgesehen werden, die in die blinden Vertiefungen eingesetzt werden. Die weiterleitende Schicht kann eine Vielzahl von Armteilen umfassen, wobei jeder Armteil ein Ende aufweist, das mit einem Paar von leitfähigen Durchkontaktierungen verbunden ist, und ein anderes Ende aufweist, das mit einem Paar von elektrischen Klemmen verbunden ist. Die elektrische Klemme kann bündig mit der unteren Oberfläche des Hauptsubstrats sein.
In noch anderer Form umfasst das Stützteil des Weiteren eine obere Schicht, ein Hauptsubstrat und eine untere Schicht, wobei die resistive Schicht zwischen der oberen Schicht und dem Hauptsubstrat und die weiterleitende Schicht zwischen dem Hauptsubstrat und der unteren Schicht angeordnet ist.
In einer anderen Form umfasst der Stützsockel des Weiteren eine zweite resistive Schicht, die entlang derselben Ebene wie die weiterleitende Schicht angeordnet ist. In dieser Form hat die weiterleitende Schicht einen Widerstand, der größer als derjenige der zweiten resistiven Schicht ist, und überlappt entweder einen Teil der zweiten resistiven Schicht oder grenzt an die zweite resistive Schicht an. In einer anderen Form ist eine Übergangsbahn entlang derselben Ebene wie die zweite resistive Schicht und die weiterleitende Schicht angeordnet, und der Widerstand der Übergangsbahn ist kleiner als oder gleich einem Widerstand der zweiten resistiven Schicht.
In einer weiteren Form weist die resistive Schicht eine oder mehrere der folgenden Konfigurationen auf: eine Heizgeräte-Konfiguration mit zwei Drähten, eine Matrix-Verdrahtungs-Konfiguration für das Verbinden der resistiven Schicht mit einer externen Stromquelle, und eine Mehrfach-Parallel-Verdrahtungs-Konfiguration zum Verbinden der resistiven Schicht mit einer externen Stromquelle.
Die vorliegende Offenlegung stellt des Weiteren einen Stützsockel zur Verfügung, der eine Vielzahl von resistiven Heizelementen, die eine Vielzahl von Heizzonen definieren, eine weiterleitende Schicht, die einen zentralen Teil und eine Vielzahl von Armteilen umfasst, die sich von dem Mittelteil weg erstrecken, ein Hauptsubstrat, das zwischen der Vielzahl von resistiven Heizelementen und der weiterleitenden Schicht angeordnet ist, und eine Vielzahl von Paaren von leitfähigen Durchkontaktierungen umfasst, die sich durch das Hauptsubstrat hindurch erstrecken und mit der Vielzahl von resistiven Heizelementen verbunden sind. Jeder Armteil ist mit einem entsprechenden Paar der leitfähigen Durchkontaktierungen verbunden, und die Anzahl der Heizzonen ist größer oder gleich einer Anzahl von Drähten, die mit der weiterleitenden Schicht verbunden sind.
In den verschiedenen Formen kann ein Steuersystem vorhanden sein, das eine Vielzahl von Stromwandlern für ein Anpassen von Leistung an die Heizelemente der resistiven Schicht umfasst.
Die vorliegende Offenlegung stellt des Weiteren einen Stützsockel zur Verfügung, der ein Substrat, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, eine erste resistive Schicht, die wenigstens zwei Zonen aufweist und die auf der ersten Oberfläche des Substrats angeordnet ist, eine zweite resistive Schicht, die wenigstens zwei Zonen aufweist und die auf der zweiten Oberfläche des Substrats angeordnet ist, und eine weiterleitende Schicht umfasst, die auf derselben Ebene wie die zweite resistive Schicht angeordnet ist. Eine Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen koppeln die weiterleitende Schicht elektrisch an die erste resistive Schicht. Die Anzahl der Zonen von mindestens einer der ersten resistiven Schicht und der zweiten resistiven Schicht ist größer als oder gleich einer Anzahl von Drähten, die mit der weiterleitenden Schicht verbunden sind.
Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Es ist zu verstehen, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur der Veranschaulichung dienen und nicht den Umfang der vorliegenden Offenlegung einschränken sollen.
Figurenliste
Die vorliegende Offenlegung wird durch die detaillierte Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in denen:

1 eine Draufsicht auf einen Stützsockel ist, der in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Offenlegung konstruiert wurde;
2 eine Seitenansicht des Stützsockels aus der 1 ist;
3 ist eine Explosionsdarstellung eines Stützteils des Stützsockels aus den 1 und 2;
4 ist eine perspektivische Explosionszeichnung einer leitfähigen Durchkontaktierung eines Stützteils aus der 3;
5 ist eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Klemme eines Stützteils aus der 3;
6 ist eine perspektivische Ansicht von oben auf ein Hauptsubstrat eines Stützteils aus der 3;
7 ist eine perspektivische Ansicht von unten auf das Hauptsubstrat aus der 6;
8 ist eine perspektivische Ansicht von oben auf ein Hauptsubstrat und eine Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen eines Stützteils aus der 3;
9 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von Teil A der 8, die das Einsetzen einer leitfähigen Durchkontaktierung in ein Durchgangsloch des Hauptsubstrats zeigt;
10 ist eine perspektivische Ansicht einer resistiven Schicht, die auf einem Hauptsubstrat eines Stützteils aus der 3 gebildet wurde;
11 ist eine perspektivische Ansicht einer oberen Schicht und eines Hauptsubstrats des Stützteils aus der 3;
12 ist eine perspektivische Ansicht einer oberen Schicht und eines Hauptsubstrats, die miteinander verbunden sind, um eine monolithische Platte zu bilden;
13 ist eine Querschnittsansicht eines Stützsockels aus der 1;
14 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von Teil B der 13;
15 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von Teil C der 14;
16 ist eine teilweise Querschnittsansicht des Stützteils aus der 3, die eine leitfähige Durchkontaktierung und zwei elektrische Klemmen zeigt, die in ein Hauptsubstrat eingefügt sind;
17 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von Teil D der 16;
18 ist eine schematische Ansicht eines Stützteils aus 3, die Verbindungen zwischen der resistiven Schicht, den leitfähigen Durchkontaktierungen, der weiterleitenden Schicht, den elektrischen Klemmen und elektrischen Kabeln zu einer externen Stromquelle zeigt;
19 und 20 sind schematische Ansichten einer Variante eines Stützteils, wobei 19 eine perspektivische Ansicht von oben auf ein Hauptsubstrat, eine resistive Schicht und eine obere Schicht zeigt, und wobei 20 eine perspektivische Ansicht von unten auf ein Hauptsubstrat, eine weiterleitende Schicht und eine untere Schicht zeigt;
21 ist ein schematisches Diagramm einer Verdrahtungsstruktur für das Steuern der resistiven Schicht des Stützsockels aus der 3;
22 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems, das ein Stromrichtersystem in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenlegung umfasst;
23 ist ein Blockdiagramm eines Stromwandlers des Stromwandlersystems in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenlegung;
24A, 24B, 24C und 24D stellen Wellenformen von unterschiedlichen Ausgangsspannungen des Stromrichters auf der Grundlage unterschiedlicher Eingangsbedingungen in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Offenlegung dar;
25 stellt einen zweischichtigen Sockel für eine dicke weiterleitende Schicht in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Offenlegung dar;
26 und 27 stellen einen Hotspot eines Sockels dar, der durch eine weiterleitende Schicht verursacht wird; und
28 stellt eine dünne Heizschicht und eine dicke weiterleitende Schichtkonfiguration in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenlegung dar.

Entsprechende Referenzzahlen zeigen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen an.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die vorliegende Offenlegung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 2 kann ein Stützsockel 10, der in Übereinstimmung mit den Lehren dieser Offenlegung konstruiert wurde, in einer Halbleiter-Bearbeitungskammer verwendet werden, um ein Heiztarget, wie z. B. einen Wafer, darauf abzustützen und zu erhitzen. Der Stützsockel 10 umfasst ein Stützteil 12 und einen rohrförmigen Schaft 14, der an einem zentralen Bereich 15 des Stützteils 12 befestigt ist. Das Stützteil 12 umfasst eine obere Oberfläche 16 zum Stützen eines Substrats, wie z. B. eines Wafers (nicht abgebildet), und eine untere Oberfläche 18, an der der rohrförmige Schaft 14 befestigt ist. Der Stützsockel 10 enthält des Weiteren eine Vielzahl von elektrischen Kabeln 20, die in dem rohrförmigen Schaft 14 aufgenommen werden, um mindestens ein elektronisches oder elektrisches Element/Schicht 24 (in der 3 dargestellt) zu verbinden, das/die in das Stützteil 12 eingebettet und mit einer externen Stromquelle verbunden ist. Die elektrische Schicht 24 kann je nach Anwendung eine resistive Heizschicht, ein Temperatursensor, eine Elektrode für eine elektrostatische Spannvorrichtung (ESC) oder eine Radiofrequenzantenne (RF) usw. sein. Obwohl nicht in den Zeichnungen dargestellt, kann das Stützteil 12 optional eine Gasleitung zur Aufnahme eines Spülgases und eine Vakuumleitung für eine Vakuumklemmung des Wafers definieren.
Unter Bezugnahme auf die 3 enthält das Stützteil 12 in einer Form eine Vielzahl von Schichten, die zu einer integrierten Struktur laminiert sind. Die Vielzahl von Schichten umfasst eine obere Schicht 22, eine resistive Schicht 24 für die Erzeugung von Wärme, ein Hauptsubstrat 26, eine weiterleitende Schicht 28 und optional eine untere Schicht 30, die in der Reihenfolge von oben nach unten angeordnet sind. Die resistive Schicht 24 und die weiterleitende Schicht 28 sind auf gegenüberliegenden Oberflächen des Hauptsubstrats 26 angeordnet und in verschiedenen Ebenen angeordnet. Die resistive Schicht 24 enthält eine Vielzahl von resistiven Heizelementen 78, die unabhängig voneinander gesteuert werden können und die eine Vielzahl von Heizzonen definieren. In der 3 sind sechs resistive Heizelemente 78 dargestellt, die sechs resistive Heizzonen definieren. Eine beliebige Anzahl der resistiven Heizelemente 78 kann verwendet werden, ohne dass von dem Umfang der vorliegenden Offenlegung abgewichen wird. Auch kann eine Vielzahl von Substraten 26 ebenfalls verwendet werden, ohne dass der Geltungsbereich dieser Offenlegung überschritten wird.
Es ist zu verstehen, dass das Stützteil 12 nicht durch diese spezifische Mehrschichtstruktur begrenzt ist und dass das Stützteil 12 darüber hinaus zusätzliche Funktionsschichten (z. B. Verbindungsschicht, dielektrische Schicht, Sensorschicht und Schutzschicht, u.a.) enthalten kann, während es immer noch in den Geltungsbereich dieser Offenlegung fällt. In einem Beispiel umfasst das Stützteil 12 des Weiteren eine integrierte Hochfrequenz (HF)-Gitterschicht, die elektrisch mit einer Erdungsklemme verbunden ist, um das von der Verarbeitungskammer auferlegte HF-Plasma oder Magnetfeld zu kompensieren. Alternativ ist die resistive Schicht 24 und/oder die weiterleitende Schicht 28 eine HF-Gitterschicht. Im Allgemeinen wird die RF-Gitterschicht als Antenne verwendet, um RF-Plasma oder das von der Verarbeitungskammer auferlegte Magnetfeld durch die Erdungsklemme und die Abschirmung zu leiten und Heiz- und Sensorvorrichtungen zu schützen.
Das Stützteil 12 enthält des Weiteren eine Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen 32 (nur eine ist in der 3 dargestellt) und eine Vielzahl von elektrischen Klemmen 34 (nur eine ist in der 3 dargestellt), die in einer Ebene N, die normal zu dem Stützteil 12 angeordnet ist, angeordnet sind. Die Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen 32 erstrecken sich durch das Hauptsubstrat 26 hindurch und verbinden die resistive Schicht 24 und die weiterleitende Schicht 28, die auf zueinander gegenüberliegenden Seiten/Oberflächen des Hauptsubstrats 26 angeordnet sind. Die Vielzahl von elektrischen Klemmen 34 sind benachbart zu der Seite/Oberfläche des Hauptsubstrats 26 angeordnet, wo die weiterleitende Schicht 28 angeordnet ist, um die weiterleitende Schicht 28 mit den elektrischen Kabeln 20 zu verbinden, die in dem zentralen Bereich 15 angeordnet sind und die ihrerseits mit einer externen Stromquelle (nicht abgebildet) verbunden sind.
Die weiterleitende Schicht 28 kann so konfiguriert sein, dass sie einen zentralen Teil 80 und eine Vielzahl von Armteilen 82 umfasst, die sich von dem zentralen Teil 80 in einer im Wesentlichen radialen Richtung weg erstrecken, um ein entsprechendes Paar leitfähiger Durchkontaktierungen 32 und folglich ein entsprechendes resistives Heizelement 78 in Eingriff zu nehmen. In dieser Form ist jeder Armteil 82 der weiterleitenden Schicht 28 eine weiterleitende Schaltung für das Verbinden eines entsprechenden Paares elektrischer Klemmen 34 mit einem entsprechenden Paar leitfähiger Durchkontaktierungen 32 für das Steuern einer entsprechenden Heizzone der resistiven Schicht 24.
Die 3 zeigt, dass die resistive Schicht 24 sechs unabhängig gesteuerte resistive Heizelemente 78 und die weiterleitende Schicht 28 sechs Armteile 82 enthält. Die resistive Schicht 24 kann über eine beliebige Anzahl von resistiven Heizelementen 78 und resistiven Heizzonen verfügen, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenlegung abzuweichen. Die Anzahl der Armteile 82 der weiterleitenden Schicht 28 und die Anzahl der leitfähigen Durchkontaktierungen 32 und die Anzahl der elektrischen Klemmen 34 hängen von der Anzahl der resistiven Heizelemente 78 und der Heizzonen ab. Wenn die resistive Schicht 24 (n) resistive Heizelemente 78 enthält, die (n) Heizzonen definieren, dann sind (2n) leitfähige Durchkontaktierungen 32 und (2n) elektrische Klemmen 34 vorhanden, um (n) resistive Heizelemente 78 über (n) Armteile 82 der weiterleitenden Schicht 28 mit einer externen Stromquelle zu verbinden, wobei jeder Armteil 82 eine weiterleitende Schaltung ist.
Die resistive Schicht 24 und die weiterleitende Schicht 28 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Hauptsubstrats 26 (z. B. obere Oberfläche 60 und untere Oberfläche 62 des Hauptsubstrats 26, wie in der 6 und 7 gezeigt) so angeordnet, dass die resistive Schicht 24 und die weiterleitende Schicht 28 rechtwinklig zu der Ebene N, die normal zu dem Stützteil 12 angeordnet ist, positioniert sind. Bei dieser Anordnung überlappt die weiterleitende Schicht 28 die resistive Schicht 24 und ermöglicht es der resistiven Schicht 24, sich über den zentralen Bereich 15 des Stützteils 12 hinweg zu erstrecken, obwohl die elektrischen Klemmen 34 in dem zentralen Bereich 15 angeordnet sind, wodurch die kalten Stellen in dem zentralen Bereich 15 erheblich reduziert oder beseitigt werden.
Die obere Schicht 22, das Hauptsubstrat 26 und die untere Schicht 30 können aus keramischen Materialien, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AIN), bestehen und die Form einer gesinterten oder maschinell bearbeiteten Keramikplatte haben. Die Vielzahl der leitfähigen Durchkontaktierungen 32 kann die Form eines einzelnen leitfähigen Stifts haben oder aus mehreren Teilen bestehen.
Unter Bezugnahme auf die 4 umfasst in einer Form die Vielzahl der leitfähigen Durchkontaktierungen 32 jeweils einen Durchkontaktierungskopf 36 und eine Durchkontaktierungsbasis 38. Der Durchkontaktierungskopf 36 enthält einen vergrößerten Kopfteil 40 und einen zylindrischen Teil 42, der an dem vergrößerten Kopfteil 40 befestigt ist. Die Durchkontaktierungsbasis 38 weist einen vergrößerten Bodenteil 46 und einen rohrförmigen Teil 44 auf, der an dem vergrößerten Bodenteil 46 befestigt ist. Die Durchkontaktierungsbasis 38 definiert ein Durchgangsloch 50, das sich über ihre Länge erstreckt, um den zylindrischen Teil 42 des Durchkontaktierungskopfes 36 darin aufzunehmen. Der vergrößerte Bodenteil 46 der Durchkontaktierungsbasis 38 definiert ein Paar Ausschnitte 48, die dazu beitragen, die weiterleitende Schicht 28 an den leitfähigen Durchkontaktierungen 32 zu befestigen. Die leitfähigen Durchkontaktierungen 32 umfassen jeweils eine obere Oberfläche 70 und eine untere Oberfläche 72.
Unter Bezugnahme auf die 5 enthält die elektrische Klemme 34 einen oberen Teil 52 und einen unteren vergrößerten Teil 54. Die elektrische Klemme 34 kann die Form eines Sockels haben, der ein Einführungsloch 56 für das Aufnehmen eines Anschlussendes 92 (in der 14 dargestellt) eines entsprechenden elektrischen Kabels 20 definiert.
Unter Bezugnahme auf die 6 und 7 enthält das Hauptsubstrat 26 eine obere Oberfläche 60, eine untere Oberfläche 62, eine Vielzahl von Durchkontaktierungs-Öffnungen 64, die sich durch das Hauptsubstrat 26 hindurch erstrecken, um die Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen 32 aufzunehmen, eine Vielzahl von blinden Vertiefungen 66, die zu der unteren Oberfläche 62 hin offen sind, um die Vielzahl von elektrischen Klemmen 34 aufzunehmen, und eine Vielzahl von Ausrichtungslöchern 68. Die Anzahl der Durchkontaktierungs-Öffnungen 64 korrespondiert mit der Anzahl der leitfähigen Durchkontaktierungen 32. Die Anzahl der blinden Vertiefungen 66 korrespondiert mit der Anzahl der elektrischen Klemmen 34. Wie in der 3 deutlich zu erkennen ist, haben die obere Schicht 22 und die untere Schicht 30 auch korrespondierende Ausrichtungslöcher 68, die mit den Ausrichtungslöchern 68 des Hauptsubstrats 26 ausgerichtet sind, um die Ausrichtung der oberen Schicht 22, des Hauptsubstrats 26 und der unteren Schicht 30 zu erleichtern, wenn diese Schichten zu einer integrierten Einheit verklebt oder gesintert werden.
Unter Bezugnahme auf die 8 und 9 ist die Vielzahl der Durchkontaktierungs-Öffnungen 64 so konfiguriert, dass sie die Vielzahl der leitfähigen Durchkontaktierungen 32 darin aufnehmen, wobei die oberen Oberflächen 70 und die unteren Oberflächen 72 der leitfähigen Durchkontaktierungen 32 (genauer gesagt die oberen Oberflächen 70 der Durchkontaktierungsköpfe 36 und die unteren Oberflächen 72 der Durchkontaktierungsbasen 38) mit der oberen Oberfläche 60 bzw. der unteren Oberfläche 62 des Hauptsubstrats 26 bündig sind. Zwölf (12) Durchkontaktierungen 64 sind in der 8 dargestellt, um zwölf (12) leitfähige Durchkontaktierungen 32 aufzunehmen. Der Durchkontaktierungskopf 36 kann mit jeder herkömmlichen Befestigungsmethode an der Durchkontaktierungsbasis 38 befestigt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Gewindeverbindung, Reibungspassung, Schmelzhartlöten und Sintern. Zusätzliche Informationen in Bezug auf das Sintern solcher Durchkontaktierungen sind in der gleichzeitig eingereichten und parallel anhängigen Anmeldung des Anmelders, die den Titel „DUAL-PURPOSE VIAS FOR USE IN CERAMIC PEDESTALS“ trägt, offenbart worden, die gemeinsam mit der vorliegenden Offenlegung Eigentum des Anmelders ist und deren Inhalte in vollem Umfang durch Verweis hier mit eingeschlossen sind. Die blinden Vertiefungen 66, die elektrischen Klemmen 34 und der zentrale Teil 80 der weiterleitenden Schicht 28 sind in dem zentralen Bereich 15 des Stützgliedes 12 angeordnet.
Es ist zu verstehen, dass, obwohl gezeigt ist, dass die Durchkontaktierungs-Öffnungen 64 sich vollständig durch das Hauptsubstrat 26 hindurch erstrecken (z. B. von der oberen Oberfläche 60 zu der unteren Oberfläche 62), dass die Durchkontaktierungs-Öffnungen 64 nur teilweise in das Hauptsubstrat 26 hineinreichen können, so dass jede Durchkontaktierungs-Öffnung 64 nur zu der oberen oder untern Oberfläche 60, 62 des Hauptsubstrats 26 hin offen ist, was immer noch im Rahmen der vorliegenden Offenlegung bleibt.
Unter Bezugnahme auf die 10 ist die resistive Schicht 24 zwischen der oberen Schicht 22 und dem Hauptsubstrat 26 angeordnet und kann auf der oberen Oberfläche 60 des Hauptsubstrats 26 z. B. durch physikalische Dampfabscheidung (PVD), Sputtern, dünne Folie oder andere bekannte Methoden gebildet werden.
Unter Bezugnahme auf die und kann nach der Bildung der resistiven Schicht 24 auf der oberen Oberfläche 60 des Hauptsubstrats 26 die obere Schicht 22 mit der oberen Oberfläche 60 des Hauptsubstrats 26 durch heißgepresstes Diffusionsbonden verbunden werden, um die resistive Schicht 24 dazwischen einzukapseln und eine monolithische Struktur aus Aluminiumnitrid (AIN) zu erzeugen. Wahlweise kann die untere Schicht 30 auch mit der unteren Oberfläche 62 des Hauptsubstrats 26 in dem gleichen Schritt oder in einem anderen Schritt verbunden werden, wobei die weiterleitende Schicht 28 zwischen dem Hauptsubstrat 26 und der unteren Schicht 30 angeordnet wird, um die obere Schicht 22, die resistive Schicht 24, das Hauptsubstrat 26, die weiterleitende Schicht 28 und die untere Schicht 30 miteinander zu verbinden. In ähnlicher Weise kann die weiterleitende Schicht 28 auf der unteren Oberfläche 62 des Hauptsubstrats 26 durch PVD, Sputtern, dünne Folie oder andere konventionelle Verfahren gebildet werden.
Unter Bezugnahme auf die 13 ist der rohrförmige Schaft 14 mit dem Stützteil 12 verbunden und definiert einen Aufnahmeraum 90, in dem die Vielzahl der elektrischen Kabel 20 angeordnet sind.
Unter Bezugnahme auf die 14 bis 17 ist die Vielzahl der blinden Vertiefungen 66 von der unteren Oberfläche 62 des Hauptsubstrats 26 ausgespart, um die Vielzahl der elektrischen Klemmen 34 darin aufzunehmen. Die untere Schicht 30 enthält eine Vielzahl von Durchgangslöchern 98, die mit der Vielzahl von blinden Vertiefungen 66 ausgerichtet sind. Die elektrischen Kabel 20 haben jeweils ein Anschlussende 92, das durch die Durchgangslöcher 98 der unteren Schicht 30 und in das Einführungsloch 56 der elektrischen Klemmen 34 hinein eingeführt wird, die in den blinden Vertiefungen 66 des Hauptsubstrats 26 aufgenommen werden, um eine elektrische und physikalische Verbindung zwischen den elektrischen Kabeln 20 und den elektrischen Klemmen 34 herzustellen. Es wird davon ausgegangen, dass die Anschlussenden 92 der elektrischen Kabel 20 mit allen herkömmlichen Methoden mit den elektrischen Klemmen 34 verbunden werden können, ohne auf die hier beschriebene Methode beschränkt zu sein.
Unter Bezugnahme auf die 18 enthält die resistive Schicht 24 eine Vielzahl von resistiven Heizelementen 78 und ist über der weiterleitenden Schicht 28 angeordnet. Die resistive Schicht 24 und die weiterleitende Schicht 28 sind in verschiedenen Ebenen des Stützteils 12 angeordnet. Daher kann sich die resistive Schicht 24 über den zentralen Bereich 15 des Stützteils 12 hinweg erstrecken, um kalte Stellen in dem zentralen Bereich 15 zu reduzieren. Da die resistive Schicht 24 und die weiterleitende Schicht 28 in verschiedenen Ebenen angeordnet sind, sind die resistiven Heizelemente 78 jeweils mit einem entsprechenden Armteil 82 der weiterleitenden Schicht 28 durch ein entsprechendes Paar leitfähiger Durchkontaktierungen 32 verbunden, die in einer Ebene N, die normal zu dem Stützteil 12 angeordnet ist, angeordnet sind. Jeder der Armteile 82 der weiterleitenden Schicht 28 ist eine weiterleitende Schaltung, um das resistive Heizelement 78 mit einem Paar elektrischer Klemmen 34 zu verbinden, die in dem mittleren Bereich 15 des Stützteils 12 angeordnet sind. Die elektrischen Klemmen 34 sind mit den elektrischen Kabeln 20 verbunden, die ihrerseits an eine externe Stromquelle angeschlossen sind.
Da die resistive Schicht 24 und die weiterleitende Schicht 28 in verschiedenen Ebenen liegen, kann die resistive Schicht 24 so konfiguriert sein, dass sie die weiterleitende Schicht 28 überlappt, was zu mehr verfügbaren Abdeckungsbereichen für die resistive Schicht 24 führt. So kann das Stützteil 12 so konfiguriert sein, dass es mehrere Heizzonen mit verteilter Wattzahl in dem Keramiksubstrat aufweist. Des Weiteren kann die resistive Schicht 24, die mehrere Heizzonen aufweist, auch als Temperatursensoren verwendet werden, indem die Widerstandsänderung der resistiven Heizelemente 78 genutzt wird. Daher kann die Verdrahtungsstruktur des Stützteils 12 vereinfacht werden, was im Folgenden näher beschrieben wird.
Unter Bezugnahme auf die 19 und 20 hat eine nach den Lehren der vorliegenden Offenlegung konstruierte Variante eines Stützteils eine ähnliche Struktur wie das Stützteil 12 aus der 3, außer dass das Hauptsubstrat Gräben zur Aufnahme der resistiven Schicht und der weiterleitenden Schicht darin aufweist. Als Beispiel kann das Stützteil durch einen Damascene-Prozess gebildet werden. In einem Damascene-Prozess enthält das Hauptsubstrat eine dielektrische Schicht, die so strukturiert ist, dass sie einen Graben in Form einer Metallschicht bildet, gefolgt von der Bildung der Metallschicht in dem Graben. Der Damascene-Prozess steht im Gegensatz zu einem fotolithografischen Verfahren, bei dem das Metallmuster zuerst auf dem Hauptsubstrat unter Verwendung eines Fotolackmusters als Maske gebildet wird, gefolgt von dem Drucken oder Abscheiden eines dielektrischen Materials um das Metallmuster herum, um eine ebene Oberfläche zu bilden.
Genauer gesagt umfasst das Stützteil 120 eine obere Schicht 122, eine resistive Schicht 124, ein Hauptsubstrat 126, eine weiterleitende Schicht 128 und eine untere Schicht 130, die in der Reihenfolge von oben nach unten angeordnet sind. Das Hauptsubstrat 126 hat eine obere Oberfläche 132 und eine untere Oberfläche 134, die einander gegenüberliegen. Die obere Oberfläche 132 definiert einen ersten Graben 136 mit einer Form, die mit der Form der resistiven Schicht 124 korrespondiert, um darin die resistive Schicht 124 aufzunehmen. Die untere Oberfläche 134 des Hauptsubstrats 126 definiert einen zweiten Graben 138 mit einer Form, die mit der Form der weiterleitenden Schicht 128 korrespondiert, um darin die weiterleitende Schicht 128 aufzunehmen. Die resistive Schicht 124 und die weiterleitende Schicht 128 können in den ersten und zweiten Gräben 136 bzw. 138 gebildet werden, indem ein oder mehrere metallische Materialien in jedem der ersten und zweiten Gräben 136 und 138 abgeschieden werden. Alternativ können die resistive Schicht 124 und die weiterleitende Schicht 128 in Form eines Metallblechs mit der gewünschten Form/Muster vorliegen und werden in den ersten Graben 136 und den zweiten Graben 138 eingebracht. Es ist zu verstehen, dass eine Vielzahl
Wie das Stützteil 12 aus der 3 umfasst auch das Stützteil 120 eine Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen 140, die sich in einer Form entlang einer Richtung N parallel zu dem Stützteil 120 erstrecken und in den entsprechenden Durchkontaktierungshohlräumen (nicht abgebildet) durch das Hauptsubstrat 126 angeordnet sind. In ähnlicher Weise sind elektrische Klemmen 142 an einer unteren Oberfläche 134 des Hauptsubstrats 126 ausgebildet, um die weiterleitende Schicht 128 mit den elektrischen Kabeln zu verbinden (nicht in den 19 und 20 dargestellt).
Die obere Schicht 122, das Hauptsubstrat 126 und die untere Schicht 130 bestehen aus keramischen Materialien, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (d.h. Aluminiumoxid). Die obere Schicht 122, das Hauptsubstrat 126 und die untere Schicht 130 können jeweils eine grüne Keramikplatte sein und können zusammengesintert werden, z. B. durch Heißpressen, um ein monolithisches Keramiksubstrat zu bilden, um die resistive Schicht 124 und die weiterleitende Schicht 128 darin einzukapseln.
Alternativ sind die obere Schicht 122, das Hauptsubstrat 126 und die untere Schicht 130 maschinell bearbeitete Keramikplatten und sind durch beliebige herkömmliche Verbindungsmethoden, wie zum Beispiel thermisches Verbinden und Diffusionsbonden, ohne jeglichen Sinterprozess miteinander verbunden. Alternativ dazu befinden sich eine oder mehrere aus der oberen Schicht 122, dem Hauptsubstrats 126 und der unteren Schicht 130 in dem grünen Zustand, während die andere(n) eine maschinell bearbeitete Platte ist (sind). Die maschinell bearbeitete Platte kann durch heißgepresstes Diffusionsbonden mit der gesinterten Struktur verbunden werden, um eine Hybridstruktur zu bilden, die sowohl grüne Platten als auch gesinterte Diffusionsverbindung umfasst.
In den Stützteilen 12, 120 der vorliegenden Offenlegung können, auch wenn sie in den Abbildungen nicht besonders beschrieben und gezeigt werden, eine oder mehrere dielektrische Schichten auf den Oberflächen der oberen Schicht, des Hauptsubstrats und der unteren Schicht gebildet werden, um die resistive Schicht und die weiterleitende Schicht zu isolieren oder um die Verbindung der resistiven Schicht und der weiterleitenden Schicht mit dem Hauptsubstrat zu erleichtern, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenlegung abzuweichen. Die Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen und die elektrischen Klemmen können so angeordnet werden, dass sie sich in der Ebene N, die normal zu dem Stützteil angeordnet ist, oder in einem Winkel relativ zu der normalen Ebene N erstrecken, solange die resistive Heizschicht und die weiterleitende Schicht in verschiedenen Ebenen verbunden werden können und die weiterleitende Schicht ordnungsgemäß mit den elektrischen Kabeln verbunden werden kann.
Unter Bezugnahme auf die 21 wird ein Steuersystem für das Steuern der resistiven Schicht 24, 124 mit mehreren Heizzonen beschrieben. Das Stützteil 12, 120 kann an ein Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis angeschlossen werden, indem die ATS-Technologie (Adaptive Thermal System) verwendet wird, um alle Heizzonen ohne zusätzliche Sensoren zu steuern. Das adaptive thermische System kombiniert die Konstruktion des Heizgeräts mit einem Steuersystem, um eine differenzierte Steuerung mit geschlossenem Regelkreis zu ermöglichen und gleichzeitig die Systemintegration zu vereinfachen. Die resistiven Heizelemente 78 der resistiven Schicht 24, 124 enthalten ein Material, das einen relativ hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR) hat, wie zum Beispiel Molybdän, Titan, Nickel, so dass die resistive Schicht 24, 124 selbst auch als Sensor verwendet werden kann, um Temperaturinformationen auf der Grundlage der Widerstandsänderung der resistiven Heizkreise zu liefern.
Mit anderen Worten, die Temperatur der resistiven Heizelemente 78 wird über die Widerstandsänderung des resistiven Heizelements abgeleitet, das einen relativ hohem Temperaturkoeffizienten des Widerstands hat. Daher werden keine zusätzlichen Temperatursensoren, wie zum Beispiel Thermoelemente, benötigt, was die Verdrahtung in dem Stützsockel 10 vereinfacht. Die Verwendung von resistiven Heizelementen 78 an Stelle von Thermoelementen kann eine bessere Temperaturrückkopplung und eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis für mehrere Heizzonen bieten, um das Risiko eines Keramikbruchs bei höheren Temperaturen zu verringern. Verschiedene Formen dieser „Zwei-Draht“-Konfiguration werden im Folgenden näher beschrieben.
Darüber hinaus sind Matrix- und Multiparallel-Verdrahtungstopologien mit kundenspezifischen Steueralgorithmen integriert. Wie in der 21 dargestellt, sind die resistiven Heizelemente 78 und die Verdrahtungen für das Verbinden der resistiven Heizelemente 78 mit einer externen Stromquelle so angeordnet, dass zwischen jedem Drahtpaar 150 ein resistives Heizelement 78 angeschlossen ist. Eine solche Verdrahtungsanordnung ist in dem US-Patent Nr. 9,123,755 , das den Titel „System and Method for Controlling a Thermal Array“ trägt, und in den zu diesem gehörenden Patenten / Anmeldungen beschrieben worden, die gemeinsam mit der vorliegenden Anmeldung übertragen worden sind und deren Inhalte in vollem Umfang durch Verweis hier mit eingeschlossen sind. Die Verdrahtungsanordnung ermöglicht die gleichzeitige Leistungssteuerung und Temperaturerfassung aller resistiven Heizelemente 78, um die Keramikmaterialien des Stützteils 12, 120 vor Bruch zu schützen, wenn eine Temperatur in bestimmten Bereichen des Stützteils 12, 120 zu hoch wird und eine Schwellentemperatur überschreitet. Darüber hinaus ermöglicht das Steuerschema die Verwendung von weniger Verdrahtungen mit besserer Steuerung, um eine bessere thermische Leistung des Stützsockels 10 zu erreichen. So ist zum Beispiel in einer Form die Anzahl der Heizgeräte, die mit den hier beschriebenen Verdrahtungstopologien angeschlossen werden können, gleich n (n-1) / 2, worin n die Anzahl der Drähte ist. Dementsprechend ist die Anzahl der Heizgeräte / Zonen im Allgemeinen größer als oder gleich der Anzahl der Drähte.
In einer Form der vorliegenden Offenlegung werden die resistiven Heizelemente 78 der resistiven Schicht 24 für das Erzeugen von Wärme und für das Erfassen der Temperatur des Elements verwendet. Mit anderen Worten, die resistiven Heizelemente 78 sind „Zwei-Draht“-Heizelemente, so dass sie als Heizgeräte und als Temperatursensoren mit nur zwei statt vier Leitungsdrähten funktionieren, die mit dem Heizelement operativ verbunden sind (zum Beispiel zwei für das Heizelement und zwei für einen diskreten Temperatursensor). Eine solche Zwei-Draht-Fähigkeit ist zum Beispiel in dem US-Patent Nr. 7,196,295 offenbart worden, das gemeinsam mit der vorliegenden Anmeldung übertragen worden ist und das in vollem Umfang durch Verweis hier mit eingeschlossen ist.
In der Regel ist das Steuersystem, das mit dem ersten und dem zweiten Leitungsdraht in Verbindung steht, so konfiguriert, dass es Spannungsänderungen zwischen den beiden Leitungsdrähten misst. Genauer gesagt misst das Steuersystem Millivolt (mV)-Änderungen über die Zuleitungsdrähte und verwendet diese Spannungsänderungen dann zur Berechnung einer durchschnittlichen Temperatur des resistiven Heizelements. In einer Form kann das Steuersystem Spannungsänderungen messen, ohne die Stromzufuhr zu dem resistiven Heizelement zu unterbrechen. Dies kann zum Beispiel durch eine Ablesung in dem Nulldurchgang eines AC-Eingangsleistungssignals erreicht werden. In einer anderen Form wird die Stromversorgung unterbrochen und schaltet das Steuersystem von einem Heizmodus in einen Messmodus, um die Spannungsänderungen zu messen. Sobald die Durchschnittstemperatur bestimmt ist, schaltet das Steuersystem wieder in den Heizmodus zurück.
Verschiedene Heizelemente der resistiven Schicht können möglicherweise nicht mit der gleichen Geschwindigkeit erhitzt werden, obwohl die Heizelemente mit der gleichen Stromversorgung versorgt werden. Dies kann durch verschiedene Faktoren verursacht werden, wie zum Beispiel die Position der Heizelemente relativ zu Kühlkörpern und die Herstellungsungleichmäßigkeit in den Heizzonen. Wenn ein signifikanter Temperaturunterschied zwischen benachbarten Heizzonen auftritt, kann eine induzierte thermomechanische Spannung aufgrund eines signifikanten Unterschieds der Wärmeausdehnung in den benachbarten Heizzonen zu Rissen in dem Keramiksubstrat der Heizplatte führen. Um diese Bedenken auszuräumen, enthält das Steuersystem in einer Form der vorliegenden Offenlegung ein Stromwandlersystem, das einen oder mehrere Stromwandler für das Einstellen der an die resistive Schicht angelegten Leistung umfasst.
Unter Bezugnahme auf die 22 umfasst das Steuersystem eine Steuerung 200 und ein Stromwandlersystem 202, das eine Vielzahl von Stromwandlern 204 umfasst. Ein oder mehrere Stromwandler 204 sind mit Heizelementen einer resistiven Schicht eines Stützsockels 206 verbunden. Jeder Stromwandler 204 kann so betrieben werden, dass er eine Eingangsspannung (V_IN) von der Stromquelle 208 auf eine Ausgangsspannung (V_OUT) einstellt, die an die Heizelemente angelegt wird, wobei die Ausgangsspannung kleiner als oder gleich der Eingangsspannung ist.
Unter Bezugnahme auf die 23 enthält ein gegebener Stromwandler 204 eine Treiberschaltung 232 und einen Abwärtswandler 234, der einen Steuerschalter 236 umfasst, der ein Feldeffekttransistor ist. Die Treiberschaltung 232 betätigt den Steuerschalter 236 auf der Grundlage eines Eingangssignals von der Steuerung 200.
Im Allgemeinen kann der Abwärtswandler 234, da er ein Spannungs-Tiefsetzsteller ist, derart betrieben werden, dass er die Spannung von der Stromquelle 208 verringert. Im Besonderen wird die AC-Spannung von der Stromquelle 208 (z. B. 208 VAC) in eine DC-Spannung gleichgerichtet, die dann von dem Abwärtswandler 234 empfangen wird. Basierend auf dem Betrieb des Steuerschalters 236 senkt der Abwärtswandler 234 die Spannung und erhöht den Strom von der Stromquelle 208 und legt die eingestellte Spannung und den eingestellten Strom an die entsprechenden Heizelemente an. Die Durchflussrate des Steuerschalters steuert die Amplitude der Ausgangsspannung derart, dass eine niedrige Durchflussrate des Steuerschalters eine Ausgangsspannung mit einer niedrigen Amplitude und eine hohe Durchflussrate des Steuerschalters eine Ausgangsspannung mit einer hohen Amplitude ausgibt. Um die Spannungswelligkeit zu reduzieren, werden Filter, die aus Kondensatoren oder einer Kombination aus Kondensator und Induktivitäten aufgebaut sind, an dem Ausgang und/oder an dem Eingang des Abwärtswandlers 234 hinzugefügt. Zusätzliche Informationen in Bezug auf das Stromwandlersystem sind in der parallel anhängigen US-Anmeldung des Anmelders mit der Serien-Nr. 15/624,060 offenbart worden, die am 15. Juni 2017 eingereicht worden ist, die den Titel „POWER CONVERTER FOR A THERMAL SYSTEM“ trägt, die sich gemeinsam mit der vorliegenden Anmeldung im Eigentum des Anmelders befindet und deren Inhalte in vollem Umfang durch Verweis hier mit eingeschlossen sind.
Die Steuerung 200 enthält Elektronik einschließlich Mikroprozessor und Speicher und ist so konfiguriert, dass sie die Leistung steuert, die den resistiven Heizelementen durch das Stromrichtersystem 202 zugeführt wird. Die Steuerung 200 betreibt das Stromwandlersystem 202, um die Spannung, die an die Heizelemente angelegt ist, auf der Basis von Rückkopplungsdaten von den Heizelementen der Sockel und von vorab gespeicherten Steuer-Algorithmen und/oder-Prozessen einzustellen. Die Rückkopplungsinformationen umfassen mindestens einen der folgenden Parameter Widerstand, Laststrom und / oder Spannung. Der Laststrom und / oder die Lastspannung kann von einer Sensorschaltung 238 erfasst werden.
In einer Form der vorliegenden Offenbarung wird eine Eingangsspannung von der Stromquelle 208 unter Verwendung eines Skalierungsfaktors skaliert, wie es in den US-Patenten Nr. 7,257,464 und 8,423,193 offenbart worden ist, die gemeinsam mit der vorliegenden Anmeldung übertragen worden sind und deren Inhalte in vollem Umfang durch Verweis hier mit eingeschlossen sind. Die Eingangsspannung kann auf der Basis eines voreingestellten Benutzerwertes skaliert werden. Der voreingestellte Benutzerwert ist entweder der maximale Spannungsausgangspegel oder der maximale Leistungsausgangspegel, oder er kann in der Regel Strom, Spannung oder Leistung sein. Der Strom wird gleichzeitig mit dem Skalieren der Spannung und dem Bereitstellen von Leistung für das Heizgerät gemessen. Das Skalieren umfasst ein allmähliches Hochfahren, um die Eigenschaften des Heizgeräts während des Hochfahrens zu erkennen.
In einer weiteren Form der vorliegenden Offenlegung bestimmt die Steuerung 200 die gewünschte Ausgangsspannung eines gegebenen Stromwandlers 204 auf der Basis von Daten von der Sensorschaltung 238 und auf der Basis des Betriebszustands des Heizelements, wie zum Beispiel Art des Heizgeräts, offenes Heizgerät, kurzgeschlossenes Heizgerät, Anlauf, Aufwärmen, stationärer Zustand und / oder Temperatur des Heizgeräts. In diesem Beispiel ist die Steuerung so konfiguriert, dass sie die Stromwandler so betreibt, dass die Spannung auf der Basis der Temperatur der Heizelemente des Heizgeräts so eingestellt wird, dass die Leistung eines gegebenen Stromwandlers mit der Änderung der Temperatur der jeweiligen Heizelemente korrespondiert. In einer anderen Form schaltet die Steuerung den Steuerschalter bei einem ausgewählten Arbeitszyklus, wobei der Arbeitszyklus auf der Basis eines Betriebsmodus der Heizelemente bestimmt wird. So stellen zum Beispiel die 24A bis 24D die Ausgangsspannungs-Wellenformen eines Stromwandlers dar, der Leistung an ein oder mehrere Heizelemente eines Heizgeräts während eines Anlauf-Modus, eines Aufwärm-Modus, eines Stationärer-Zustand-Modus bzw. bei einer Störung liefert. Wie gezeigt, sind die Spannungs-Wellenformen, die an die Heizelemente angelegt sind, unterschiedlich. Die Spannung ändert sich in Abhängigkeit von dem Widerstand der Heizelemente, dem Strom, der durch die Heizelemente fließt, und der Temperatur der Heizelemente. Wenn während des Anlaufs und des Aufwärmens die Temperatur relativ niedrig ist, dann hat die Spannung eine relativ kleine Amplitude, so dass die Wattzahl relativ niedrig ist. Wenn während des stationären Zustands und bei einer Störungen / einem Spannungsstoß die Temperatur relativ hoch ist, dann wird die Amplitude der Spannung erhöht, was zu einer höheren Wattzahl führt. Zusätzliche Informationen in Bezug auf ein solches Steuerschema sind in der parallel anhängigen vorläufigen US-Anmeldung des Anmelders mit der Serien-Nr. 62/543,457 offenbart worden, die am 10. August 2017 eingereicht worden ist, die den Titel „SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING POWER TO A HEATER“ trägt, die sich gemeinsam mit der vorliegenden Anmeldung im Eigentum des Anmelders befindet und deren Inhalte in vollem Umfang durch Verweis hier mit eingeschlossen sind.
Durch den Einsatz des Stromrichtersystems 202 variiert das Steuersystem die Leistung zu den Heizelementen für eine präzise und sichere Steuerung der Heizelemente und damit des Heizgeräts. So kann zum Beispiel einem oder mehreren Heizelementen eine geringere Leistung zugeführt werden, um den Spitzenstrom zu minimieren, oder sie kann in einem frühen Stadium der Erwärmung und während des Abschaltens bereitgestellt werden, um thermische Risse in dem Substrat der Heizplatte zu verhindern. Die Steuerung 200 steuert das Stromwandlersystem 202, um unterschiedliche Spannungen auszugeben, und steuert folglich die Temperatur der einzelnen Heizzonen. Dementsprechend passt das Steuersystem die Temperaturunterschiede zwischen unterschiedlichen Zonen aneinander an, um eine gleichmäßige Temperatur in dem gesamten Heizgerät des Sockels zu gewährleisten.
Wie oben dargelegt worden ist, ist die weiterleitende Schicht 28, 128 so konfiguriert, dass sie die resistiven Heizelemente 78 mit den elektrischen Klemmen 34, 142 elektrisch koppelt, um die resistiven Heizelemente 78 mit elektrischer Leistung zu versorgen. In einer idealen Ausführung strahlt die weiterleitende Schicht 28, 128 so wenig Wärme wie möglich ab, um das thermische Profil des Stützteils 12, 122 nicht zu beeinflussen. In einigen Implementierungen kann die weiterleitende Schicht 28, 128 jedoch Wärme erzeugen, die „Hot Spots“ entlang der Oberfläche der weiterleitenden Schicht 28, 128 verursachen kann, die sich auf Hot Spots entlang des keramischen Sockels übertragen können.
So stellt zum Beispiel die 25 einen zwei-schichtigen Sockel dar, der eine erste resistive Schicht 252, eine weiterleitende Schicht 256 und eine zweite resistive Schicht 258 umfasst. In diesem Beispiel ist die erste resistive Schicht 252 eine obere Heizschicht, die auf einem Hauptsubstrat 254 angeordnet ist, und ist die zweite resistive Schicht 258 eine untere Heizschicht, die auf einer unteren Oberfläche des Substrats 254 angeordnet ist. Die obere Heizschicht 252 ist ein Sechs-Zonen-Heizgerät mit vier äußeren Viertelkreis-förmigen Zonen, einer mittleren Unterlegscheiben-förmigen Zone und einer inneren Scheiben-förmigen Zone. Die untere Heizschicht 258 ist ein Vier-Zonen-Heizgerät mit vier äußeren Viertelkreis-förmigen Zonen. Die weiterleitende Schicht 256 erstreckt sich zwischen einem zentralen Bereich des Hauptsubstrats 254 und der unteren Heizschicht 258 und befindet sich auf derselben Ebene wie die untere Heizschicht 258. Die weiterleitende Schicht 256 ist mit Hilfe von Durchkontaktierungen mit der oberen Heizschicht 252 und mit Hilfe von Leiterbahnen mit der unteren Heizschicht 258 elektrisch gekoppelt. Bei Verwendung der weiter oben dargestellten Verdrahtungstopologien ist in einer Form die Anzahl der Zonen der oberen Heizschicht 252 und / oder der unteren Heizschicht 258 größer als oder gleich der Anzahl der Drähte, die mit der weiterleitenden Schicht gekoppelt sind.
In der Regel ist die Leiterbahn für eine Heizschicht sehr dünn (z. B. 1-2 mm), um den notwendigen Widerstand zur Erzeugung der erforderlichen Wattzahl zu erzeugen. Bei einer weiterleitende Schicht 256 erzeugt die dünne Bahn jedoch auf Grund der Stromdichte, die von der weiterleitende Schicht 256 getragen wird, zu viel Wärme und verursacht somit einen Hitzepunkt in dem thermischen Profil. Unter Bezugnahme auf die 26 und 27 weist zum Beispiel ein zu erwartendes thermisches Profil der Sockeloberfläche des Stützteils, das eine dünne Leiterbahn aufweist, einen Hot Spot 260 auf, der durch die weiterleitende Schicht unterhalb der Zonen 1 und 2 verursacht wird.
Unter Bezugnahme auf die 25 und 28 wird, um den Hot Spot 260 und die sich ändernde Temperatur über die Sockeloberfläche hinweg aufgrund der weiterleitenden Schicht 256 zu berücksichtigen, die Dicke der weiterleitenden Schicht 256 erhöht, während die Dicke der unteren Heizschicht 258 dünn ist. So wird zum Beispiel in einer Form der vorliegenden Offenlegung die weiterleitende Schicht 256 aus zwei Lagen Leiterbahnen (d. h. Folie) gebildet. Konkret bildet in (A) von 28 eine erste Leiterbahn 282 die untere Heizschicht 258 und die weiterleitende Schicht 256 mit einer ersten Dicke (von z. B. 2 mm) und wird eine zweite Leiterbahn 284, die eine zweite Dicke (von z. B. 5 mm) aufweist, oben auf die erste Leiterbahn 282 in Bereichen gelegt, die die weiterleitende Schicht 256 bilden. Dementsprechend weist die untere Heizschicht 258 eine dünne Dicke (von z. B. 2 mm) auf für das Erzeugen der notwendigen Wärme, und weist die Leiterbahn 256 eine dicke Dicke (von z. B. 7 mm) auf, um die Wärmeerzeugung deutlich zu reduzieren oder zu verhindern, wenn Strom durch die Leiterbahn 256 fließt.
In einer anderen Form der vorliegenden Offenlegung werden die weiterleitende Schicht 256 und die untere Heizschicht 258 durch zwei unterschiedliche Leiterbahnen gebildet, wobei eine Übergangsbahn die Heizschicht 258 und die weiterleitende Schicht 256 verbindet. Konkret bildet in (B) von 28 eine erste Leiterbahn 286, die eine erste Dicke (von z. B. 2 mm) aufweist, die untere Heizschicht 258 und bildet eine zweite Leiterbahn 288, die eine zweite Dicke (von z. B. 5 mm), die größer ist als die erste Dicke, aufweist, die weiterleitende Schicht 256. Eine Übergangsbahn 281, die eine Dicke (von z. B. 7 mm), die größer als oder gleich der ersten Dicke ist, aufweist, bildet einen Übergangsbereich, der die Heizschicht 258 und die weiterleitende Schicht 256 elektrisch koppelt. Ähnlich wie bei der Konfiguration in (A) weist die Heizschicht 258 eine dünne Dicke auf und weist die Leiterbahn 256 eine dicke Dicke auf.
Der Stützsockel 10 der vorliegenden Offenlegung hat den Vorteil, dass alle Funktionsschichten in einem grünen Zustand hergestellt werden und dass alle Funktionsschichten in einem Heißpressverfahren miteinander kombiniert werden. Einige der Schichten können sich in einem gesinterten Zustand befinden und werden durch Diffusionsbonden miteinander verbunden. Daher kann das Stützteil 12, 120 ein Hybrid aus grünem Zustand und gesinterter Bindung sein. Ein Dünnschicht-Dual-Damascene-Prozess kann für das Bilden der resistiven Schicht 24, 124, 252 und der weiterleitenden Schicht 28, 128, 256 verwendet werden. Die resistive Schicht 24, 124, 252 und die weiterleitende Schicht 28, 128, 256 sind auf unterschiedlichen Ebenen vorhanden, und die leitfähigen Durchkontaktierungen 32, 132 und die elektrischen Klemmen 34, 142 werden dazu verwendet, um die resistive Schicht 24, 124, 252 und die weiterleitende Schicht 28, 128, 256 mit den elektrischen Kabeln 20 und dann mit einer externen Stromquelle zu verbinden, wodurch das Verbinden der resistiven Schicht 24, 124, 252 mit den elektrischen Kabeln 20 in dem rohrförmigen Schaft 14 vereinfacht wird. Mit der vereinfachten Klemmenverbindung können mehr Heizkreise gebildet werden, und es können somit mehr Heizzonen in dem Stützteil 12, 120 zur Verfügung gestellt werden, ohne durch die Verbindung des Heizkreises mit den Elektrokabeln 20 begrenzt zu sein.
Obwohl beschrieben worden ist, dass der Stützsockel 10 für die Halbleiterverarbeitung verwendet werden soll, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass der Stützsockel 10 so modifiziert werden kann, dass nur das Stützteil 12 ohne den rohrförmigen Schaft 14 verwendet wird, um ein Heizgerät für einen allgemeinen Heizzweck zu bilden.
Obwohl es nicht in den Zeichnungen dargestellt ist, ist es selbstverständlich, dass andere Strukturen in den Tragsockel 10 integriert werden können, wie z. B. eine elektrostatische Spannvorrichtung, Kühlkanäle, HF-Antennen und Elektroniken / Festkörpergeräte.
Es ist zu beachten, dass sich die Offenlegung nicht auf die verschiedenen Formen beschränkt, die als Beispiele beschrieben und dargestellt worden sind. Es sind eine Vielzahl von Modifikationen beschrieben worden, und weitere gehören zum Wissen des Fachmanns. Diese und weitere Modifikationen sowie jede Ersetzung durch technische Äquivalente können der Beschreibung und den Figuren hinzugefügt werden, ohne den Schutzbereich der Offenbarung und des vorliegenden Patents zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62589023 [0001]
US 9123755 [0049]
US 7196295 [0050]

Claims

Ein Stützsockel, umfassend: - ein Stützteil, das eine resistive Schicht, die wenigstens zwei Zonen aufweist, eine weiterleitende Schicht und eine Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen umfasst, wobei die resistive Schicht und die weiterleitende Schicht in verschiedenen Ebenen des Stützteils angeordnet sind und durch die Vielzahl von Durchkontaktierungen verbunden sind, und wobei die Anzahl der Zonen der resistiven Schicht größer als oder gleich einer Anzahl von Drähten ist, die an die weiterleitende Schicht gekoppelt sind.
Der Stützsockel gemäß Anspruch 1, wobei die resistive Schicht und die weiterleitende Schicht in einer Ebene, die normal zu dem Stützteil angeordnet ist, angeordnet sind und sich derart überlappen, dass die resistive Schicht sich über einen zentralen Bereich des Stützteils hinweg erstreckt.
Der Stützsockel gemäß Anspruch 1, wobei das Stützteil ein Hauptsubstrat umfasst, das einander gegenüberliegenden Oberflächen aufweist, wobei die resistive Schicht und die weiterleitende Schicht auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen des Hauptsubstrats angeordnet sind, und wobei die Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen sich durch das Hauptsubstrat hindurch erstrecken.
Der Stützsockel gemäß Anspruch 1, wobei die resistive Schicht eine Vielzahl von resistiven Heizelementen umfasst, die eine Vielzahl von Heizzonen definieren, wobei die weiterleitende Schicht einen zentralen Teil und eine Vielzahl von Armteilen umfasst, die sich von dem zentralen Teil weg erstrecken, und wobei die Anzahl der Armteile mit der Anzahl der resistiven Heizelemente korrespondiert.
Der Stützsockel gemäß Anspruch 1, wobei das Stützteil ein Hauptsubstrat umfasst, das eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche definiert, wobei das Hauptsubstrat eine Vielzahl von Durchkontaktierungs-Öffnungen definiert, die dazu dienen, um darin die leitfähigen Durchkontaktierungen aufzunehmen, und wobei eine Vielzahl von blinden Vertiefungen sich zu der unteren Oberfläche hin öffnen.
Der Stützsockel gemäß Anspruch 5, wobei die Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen sich von der oberen Oberfläche zu der unteren Oberfläche des Hauptsubstrats hin erstrecken und bündig mit der oberen und der unteren Oberfläche des Hauptsubstrats sind.
Der Stützsockel gemäß Anspruch 5, des Weiteren umfassend eine Vielzahl von elektrischen Klemmen, die im Inneren der blinden Vertiefungen angeordnet sind.
Der Stützsockel gemäß Anspruch 7, wobei die weiterleitende Schicht eine Vielzahl von Armteilen umfasst, von denen jedes ein Ende aufweist, das mit einem Paar der Vielzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen verbunden ist, und ein anderes Ende aufweist, das mit einem Paar der Vielzahl von elektrischen Klemmen verbunden ist.
Der Stützsockel gemäß Anspruch 7, wobei wenigstens ein Teil der Vielzahl von elektrischen Klemmen bündig mit der unteren Oberfläche des Hauptsubstrats sind.
Der Stützsockel gemäß Anspruch 1, wobei das Stützteil des Weiteren eine obere Schicht, ein Hauptsubstrat und eine untere Schicht umfasst, wobei die resistive Schicht zwischen der oberen Schicht und dem Hauptsubstrat angeordnet ist, und wobei die weiterleitende Schicht zwischen dem Hauptsubstrat und der unteren Schicht angeordnet ist.
Der Stützsockel gemäß Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine zweite resistive Schicht, die entlang derselben Ebene wie die weiterleitende Schicht angeordnet ist, wobei die weiterleitende Schicht einen Widerstand, der größer als derjenige der zweiten resistiven Schicht ist, hat und einen Teil der zweiten resistiven Schicht überlappt.
Der Stützsockel gemäß Anspruch 11, wobei die weiterleitende Schicht einen Widerstand, der größer als derjenige der zweiten resistiven Schicht ist, hat und an die zweite resistive Schicht angrenzt.
Der Stützsockel gemäß Anspruch 11, des Weiteren umfassend eine Übergangsbahn, die entlang derselben Ebene wie die zweite resistive Schicht und die weiterleitende Schicht angeordnet ist, wobei ein Widerstand der Übergangsbahn kleiner als oder gleich einem Widerstand der zweiten resistiven Schicht ist.
Der Stützsockel gemäß Anspruch 1, wobei die resistive Schicht eine oder mehrere der folgenden Konfigurationen aufweist: eine Heizgeräte-Konfiguration mit zwei Drähten, eine Matrix-Verdrahtungs-Konfiguration für das Verbinden der resistiven Schicht mit einer externen Stromquelle, und eine Mehrfach-Parallel-Verdrahtungs-Konfiguration zum Verbinden der resistiven Schicht mit einer externen Stromquelle.
Der Stützsockel gemäß Anspruch 1, des Weiteren umfassend ein Steuersystem, das eine Vielzahl von Stromrichtern für ein Anpassen von Leistung an die wobei zwei Zonen der resistiven Schicht umfasst.