JP7349439B2 - 経路層を持つ複数領域ペデスタルヒーター - Google Patents

Description

本出願は、２０１７年１１月２１日に出願された「複数領域セラミックペデスタル（Multi-Zone Ceramic Pedestal）」と題された米国仮出願第６２／５８９，０２３号の優先権および利益を主張し、その内容は参照により全体として本明細書に組み入れられる。

本開示は、一般に、半導体処理装置に関し、より詳細には、ウエハーなどの基板を載置し支持して加熱するための基板支持ペデスタルに関する。

ここでの説明は、本開示に関連する背景情報を提供するだけであり、必ずしも公知技術を説明するものではない。

半導体処理用のペデスタルなどのウエハー支持アセンブリは、半導体処理チャンバ内に配置され、通常、ウエハー支持部と、ウエハー支持部の中央領域に固定されたシャフトとを含む。ウエハー支持部は、熱を発生させるための抵抗加熱素子と、抵抗加熱素子を外部電源に接続するための電気端子とを含むことができる。電気端子は、ウエハー支持部の中央領域に隣接して配置されてシャフト内に延びる。抵抗加熱素子は、ウエハー支持部の中央領域の外側に配置され、通常、中央シャフトエリアの近くには電気端子があるため抵抗加熱素子はない。その結果、通常、中央領域にはコールドスポットが生じ、コールドスポットの面積を減らすために中央領域のサイズは比較的に小さくされる。

しかしながら、中央領域のサイズの縮小により、中央領域に配置することができる電気端子の数が制限され、その結果、独立して制御することができる加熱領域の数が制限される。ペデスタルに温度検知デバイスを組み込むことの複雑さとシャフト領域の近くのコールド領域のため、従来のウエハー支持ペデスタルは、一般に、１つまたは２つの加熱領域のみを提供するように構成される。加熱領域が限られていると、半導体処理チャンバ内にあってウエハー支持部の局所的な温度に影響を与える可能性のある様々な要因により、ウエハー支持部にわたる所定の加熱プロファイルを提供することができない。

さらに、中央領域のサイズの縮小は、ウエハー支持部の温度を監視するために使用できる温度センサの数も制限する。限られた数の温度センサでは、ウエハー支持部の温度の正確なモニタリングができない。したがって、ウエハー支持部の抵抗加熱素子は、典型的には、比率制御（すなわち、開ループ）を使用して操作される。

本開示は、少なくとも２つの領域を有する抵抗層、経路層、および複数の導電ビアを含む支持部材を有する支持ペデスタルを提供する。抵抗層および経路層は、支持部材の異なる面に配置され、複数のビアによって接続される。抵抗層の領域の数は、経路層に結合されたワイヤーの数以上である。

１つの形態では、抵抗層および経路層は支持部材に対して垂直な平面に配置され、抵抗層および経路層は、抵抗層が支持部材の中央領域を横断して延びるように、オーバーラップする。

別の形態では、支持部材は、相互に反対側の表面を有するメイン基板を含む。抵抗層および経路層は、メイン基板の相互に反対側の表面上に配置され、複数の導電ビアがメイン基板を通って延在する。この形態では、複数の導電ビアは相互に反対側の表面に対して垂直に配置され得る。

別の形態では、抵抗層は、複数の加熱領域を画定する複数の抵抗加熱素子を含み、経路層は、中央部分と、中央部分から延びる複数のアーム部分とを含む。複数のアーム部分は加熱領域に電気的に接続され、アーム部分の数は、抵抗加熱素子の数と一致する。支持部材は、経路層の中央部分に接続された複数の電気端子をさらに含むことができる。

さらに別の形態では、支持部材は上面および底面を画定するメイン基板を含む。メイン基板はさらに、その中に導電ビアを受け入れるための複数のビア開口と、底面に開口した複数の盲凹部とを画定する。複数のビア開口は、メイン基板の上面から底面まで延在することができ、メイン基板の上面および底面と面一である。加えて、盲凹部に挿入される電気端子を提供するようにすることができる。経路層は、複数のアーム部分を含むことができ、各アーム部分は、一対の導電ビアに接続された一端と、一対の電気端子に接続された他端とを有する。電気端子は、メイン基板の底面と面一となるようにすることができる。

さらに別の形態では、支持部材は、上層、メイン基板、および下層をさらに含み、抵抗層は、上層とメイン基板との間に配置され、経路層は下層との間に配置される。

別の形態では、支持ペデスタルは、経路層と同じ平面に沿って配置された第２の抵抗層をさらに含む。この形態では、経路層は、第２の抵抗層の抵抗よりも高い抵抗を有し、第２の抵抗層の一部とオーバーラップするか、または第２の抵抗層に当接する。別の形態では、第２の抵抗層の抵抗以下の遷移トレースが、第２の抵抗層および経路層と同じ平面に沿って配置される。

さらなる形態では、抵抗層は、２線式ヒーター構成、抵抗層を外部電源に接続するためのマトリクス配線構成、および抵抗層を外部電源に接続するための複数並列配線構成のうちの１つまたは複数を有する。

本開示は、複数の加熱領域を画定する複数の抵抗加熱素子、中央部分と中央部分から延びる複数のアーム部分とを有する経路層、複数の抵抗加熱素子および経路層との間に配置されたメイン基板、およびメイン基板を通って延在し複数の抵抗加熱素子に接続された複数対の導電ビア、を含む支持ペデスタルをさらに提供する。各アーム部分は、導電ビアの対応するペアに接続され、加熱領域の数は、経路層に結合されたワイヤーの数以上である。

様々な形態において、抵抗層の加熱素子への電力を調整するための複数の電力変換器を含む制御システムを設けるようにすることができる。

本開示は、第１の表面および第２の表面を有する基板、少なくとも２つの領域を有し、基板の第１の表面上に配置された第１の抵抗層、基板の第２の表面上に配置され２つの領域を有する第２の抵抗層、および第２の抵抗層と同じ平面上に配置された経路層、を含む支持ペデスタルをさらに提供する。複数の導電ビアが、経路層を第１の抵抗層に電気的に接続する。第１の抵抗層および第２の抵抗層のうちの少なくとも一方における領域の数は、経路層に結合されたワイヤーの数以上である。

応用範囲のさらなる領域は、本明細書の説明から明らかになるであろう。本明細書の説明および特定の例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定することを意図していない。

本開示は、詳細な説明および添付の図面からより十分に理解されるであろう。

図１は、本開示の教示に従って構成された支持ペデスタルの上面図である。

図２は、図１の支持ペデスタルの側面図である。

図３は、図１および図２の支持ペデスタルの支持部材の分解図である。

図４は、図３の支持部材の導電ビアの分解斜視図である。

図５は、図３の支持部材の電気端子の斜視図である。

図６は、図３の支持部材のメイン基板の上面斜視図である。

図７は、図６のメイン基板の底面斜視図である。

図８は、図３の支持部材のメイン基板および複数の導電ビアの上面斜視図である。

図９は、図８のＡ部の拡大断面図であり、メイン基板のビアホールへの導電ビアの挿入を示す。

図１０は、図３の支持部材のメイン基板上に形成された抵抗層の斜視図である。

図１１は、図３の支持部材の最上層およびメイン基板の斜視図である

図１２は、互いに結合されて単一プレートを形成する最上層およびメイン基板の斜視図である。

図１３は、図１の支持ペデスタルの断面図である。

図１４は、図１３のＢ部の拡大断面図である。

図１５は、図１４のＣ部の拡大断面図である。

図１６は、図３の支持部材の部分断面図であり、メイン基板に挿入された導電ビアおよび２つの電気端子を示す。

図１７は、図１６のＤ部分の拡大断面図である。

図１８は、図３の支持部材の概略図であり、抵抗層、導電ビア、経路層、電気端子、および外部ケーブルへの電気ケーブルの間の接続を示す。

図１９は、支持部材の変形例の概略図であり、メイン基板、抵抗層、および上層の上面斜視図を示す。 図２０は、支持部材の変形例の概略図であり、メイン基板、経路層、および下層の底面斜視図を示す。

図２１は、図３の支持ペデスタルの抵抗層を制御するための配線構造の概略図である。

図２２は、本開示の教示による電力変換システムを有する制御システムのブロック図である。

図２３は、本開示の教示による電力変換システムの電力変換器のブロック図である。

図２４Ａは、本開示の教示による異なる入力条件に基づく電力変換器の異なる出力電圧の波形を示す。 図２４Ｂは、本開示の教示による異なる入力条件に基づく電力変換器の異なる出力電圧の波形を示す。 図２４Ｃは、本開示の教示による異なる入力条件に基づく電力変換器の異なる出力電圧の波形を示す。 図２４Ｄは、本開示の教示による異なる入力条件に基づく電力変換器の異なる出力電圧の波形を示す。

図２５は、本開示の教示による厚い経路層用の２層ペデスタルを示す。

図２６は、経路層によって引き起こされるペデスタルのホットスポットを示す。 図２７は、経路層によって引き起こされるペデスタルのホットスポットを示す。

図２８は、本開示の教示による薄い加熱層および厚い経路層構成を示す。

図面のいくつかの図を通して対応する参照番号は対応する部分を示す。

以下の説明は本質的には単なる例示であり、本開示、用途、または使用を限定することを意図するものではない。

図１及び図２を参照すると、本開示の教示に従って構成された支持ペデスタル１０は、ウエハーなどの加熱ターゲットをその上で支持および加熱するために半導体処理チャンバで使用することができる。支持ペデスタル１０は、支持部材１２と、支持部材１２の中央領域１５に取り付けられた管状シャフト１４とを含む。支持部材１２は、ウエハー（図示せず）などの基板を支持する上面１６と、管状シャフト１４が取り付けられる底面１８とを有する。支持ペデスタル１０はさらに、支持部材１２に埋め込まれ、外部電源に接続される少なくとも１つの電子または電気素子／層２４（図３に示す）を接続するために管状シャフト１４に受け入れられた複数の電気ケーブル２０を有する。層２４は、用途に応じて、抵抗加熱層、温度センサ、静電チャック（ＥＳＣ）用の電極、または無線周波数（ＲＦ）アンテナなどとすることができる。図面には示されていないが、支持部材１２は、随意に、パージガスを受けるためのガス導管と、ウエハーに真空クランプを提供するための真空導管とを画定するようにすることができる。

図３を参照すると、一形態では、支持部材１２は、積層されて一体構造を形成する複数の層を含む。複数の層は、上から下に順に配置された、上層２２、熱を生成するための抵抗層２４、メイン基板２６、経路層２８、および任意選択的に下層３０を有する。抵抗層２４および経路層２８は、メイン基板２６の相互に反対側の表面に配置され、異なる平面に配置される。抵抗層２４は、独立して制御可能であり、複数の加熱領域を画定する複数の抵抗加熱素子７８を含む。図３においては、６つの抵抗加熱領域を画定するために６つの抵抗加熱素子７８が示されている。本開示の範囲から逸脱することなく、任意の数の抵抗加熱素子７８を使用することができる。また、本開示の範囲内に留まりながら、複数の基板２６を使用することもできる。

支持部材１２は、この特定の多層構造によって限定されず、本開示の範囲内において、追加の機能層（例えば、結合層、誘電体層、検知層、保護層）をさらに含み得る。一例では、支持部材１２はさらに、処理チャンバ―によって加えられるＲＦプラズマまたは磁場を補償するために接地端子に電気的に接続される集積無線周波数（ＲＦ）グリッド層を備える。あるいは、抵抗層２４および／または経路層２８が、ＲＦグリッド層とされる。ＲＦグリッド層は通常、処理チャンバによって与えられるＲＦプラズマまたは磁場を接地端子を通して導いてヒーターとセンサデバイスを保護するためのアンテナとして使用される。

支持部材１２はさらに、支持部材１２に対して垂直な平面Ｎ上に配置された、複数の導電ビア３２（１つのみが図３に示されている）および複数の電気端子３４（１つだけが図３に示されている）を含む。複数の導電ビア３２は、メイン基板２６を通って延び、メイン基板２６の両側／表面に配置された抵抗層２４と経路層２８を接続している。複数の電気端子３４は、経路層２８が配置されているメイン基板２６の側面／表面に隣接して配置され、経路層２８を電気ケーブル２０に接続している。電気ケーブル２０は、中央領域１５に配置されて、（表示されていない）外部電源に接続される。

経路層２８は、中央部分８０と、中央部分８０から実質的に半径方向に延びて、対応する一対の導電ビア３２および結果として対応する抵抗加熱素子７８に係合する複数のアーム部分８２とを含むように構成され得る。この形態では、経路層２８の各アーム部分８２は、対応する一対の電気端子３４と対応する一対の導電ビア３２とを接続して、抵抗層２４の対応する加熱領域を制御するための経路回路を構成する。

図３は、抵抗層２４が６つの独立して制御される抵抗加熱素子７８を含み、経路層２８が６つのアーム部分８２を含むことを示す。抵抗層２４は、本開示の範囲から離れることなく、任意の数の抵抗加熱素子７８および抵抗加熱領域を有することができる。経路層２８のアーム部分８２の数、ならびに導電ビア３２の数および電気端子３４の数は、抵抗加熱素子７８および加熱領域の数により決まる。抵抗層２４がｎ個の加熱領域を画定するｎ個の抵抗加熱素子７８を含む場合、経路層２８の経路回路を構成しているｎ個のアーム部分８２を介して、このｎ個の抵抗加熱素子７８を外部電源に接続するために、２ｎ個の導電ビア３２および２ｎ個の電気端子３４が設けられている。

抵抗層２４および経路層２８は、メイン基板２６の相互に反対の側（例えば、図６および７に示されるようにメイン基板２６の上面６０および底面６２）に配置され、その結果、抵抗層２４および経路層２８は、支持部材１２に垂直な平面Ｎに対して垂直に配置される。この構成では、経路層２８は、抵抗層２４とオーバーラップし、電気端子３４が中央領域１５に配置されているにもかかわらず、抵抗層２４が支持部材１２の中央領域１５を横断して延びることを可能にする。これにより、中央領域１５のコールドスポットを大幅に低減または排除している。

上層２２、メイン基板２６、および下層３０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミック材料で作られてもよく、焼結または機械加工されたセラミックプレートの形態であってもよい。複数の導電ビア３２は、単一の導電ピンの形態であってもよく、または複数のピースを有するように形成されてもよい。

図４に示すように、一形態では、複数の導電ビア３２はそれぞれ、ビアヘッド３６およびビアベース３８を含む。ビアヘッド３６は、拡大ヘッド部分４０と、拡大ヘッド部分４０に取り付けられた円筒部分４２とを含む。ビアベース３８は、その長さに沿って延在し、その中にビアヘッド３６の円筒部分４２を受け入れるための貫通孔５０を画定する。ビアベース３８の拡大底部４６は、経路層２８を導電ビア３２に固定するのを助ける一対のカットアウト４８を有する。導電ビア３２はそれぞれ上面７０と底面７２を含む。

図５に示すように、電気端子３４は、上部５２および下部拡大部５４を含む。電気端子３４は、対応する電気ケーブル２０の（図１４に示す）端子端９２を受け入れるための挿入穴５６を画定するソケットの形態とすることができる。

図６および図７に示すように、メイン基板２６は、上面６０、底面６２、複数の導電ビア３２を受けるためにメイン基板２６を通って延びる複数のビア開口６４、複数の電気端子３４を受け入れるための底面６２に開いた複数の盲凹部６６、および複数の位置合わせ穴６８を含む。ビア開口６４の数は、導電ビア３２の数に対応する。盲凹部６６の数は、電気端子３４の数に一致する。図３に明確に示されるように上層２２および下層３０はまた、メイン基板２６の位置合わせ穴６８に対して整列された対応する位置合わせ穴６８を有し、上層２２、メイン基板２６、および下層３０が結合または焼結されて１つの統合ユニットとされるときに、それらの整列を容易にする。

図８および図９に示すように、複数のビア開口６４は、複数の導電ビア３２を中に受け入れるように構成され、導電ビア３２の上面７０および底面７２（より具体的には、ビアヘッド３６の上面７０およびビアベース３８の底面７２）が、メイン基板２６の上面６０および底面６２とそれぞれ面一となっている。図８には１２個のビア開口６４が示されており、１２個の導電ビア３２を受け入れるようにされている。ビアヘッド３６はどのような従来の固定方法によってビアベース３８に固定されてもよく、その従来の固定方法には、ねじ接続、摩擦嵌合、溶融ろう付け、および焼結が含まれるがこれらに限定されない。そのようなビアの焼結に関する追加の情報は、本開示とともに共有され、その内容が参照により本明細書に組み込まれる、「セラミックペデスタルで使用するための二重目的のビア（DUAL-PURPOSE VIAS FOR USE IN CERAMIC PEDESTALS）」という同時出願係属中の出願に開示されている。盲凹部６６、電気端子３４、および経路層２８の中央部分８０は、支持部材１２の中央領域１５に配置されている。

ビア開口６４は、メイン基板２６を貫通して（例えば、上面６０から底面６２まで）延在するように示されているが、本発明の開示の範囲内において、部分的にのみメイン基板２６に延在して各ビア開口６４がメイン基板２６の上面６０または底面６２に対してのみ開口するようにすることができる。

図１０を参照するに、抵抗層２４は、上層２２とメイン基板２６との間に配置されるものであり、メイン基板２６の上面６０上に、例えば、物理蒸着（ＰＶＤ）、スパッタリング、薄いホイルなどの当該分野で知られている方法により形成するようにすることができる。

図１１および１２では、抵抗層２４がメイン基板２６の上面６０上に形成された後、上層２２を、ホットプレス拡散接合によってメイン基板２６の上面６０に接合して、抵抗層２４をそれらの間に封入し、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の単一構造体とするようにすることができる。必要に応じて、下層３０は、同じステップまたは異なるステップでメイン基板２６の底面６２に結合されるようにしてもよく、経路層２８をメイン基板２６と下層３０との間に配置し、上層２２、抵抗層２４、メイン基板２６、経路層２８、および下層３０を一緒に結合するようにすることができる。経路層２８は、同様に、ＰＶＤ、スパッタリング、薄いホイル、または他の任意の従来の方法によって、メイン基板２６の底面６２上に形成することができる。

図１３に示すように、管状シャフト１４は、支持部材１２に接続されて、複数の電気ケーブル２０が配置される収容空間９０を画定する。

図１４から図１７に示すように、複数の盲凹部６６は、メイン基板２６の底面６２から凹んでおり、その中に複数の電気端子３４を受け入れる。下層３０は、複数の盲凹部６６と整列した複数の貫通穴９８を含む。電気ケーブル２０はそれぞれ、下層３０の貫通穴９８を通り、メイン基板２６の盲凹部６６に受け入れられた電気端子３４の挿入穴５６に挿入された端子端９２を有し、電気ケーブル２０と電気端子３４との間の電気的および物理的接続を確立する。電気ケーブル２０の端子端９２は、本明細書に開示される方法に限定されることなく、任意の従来の方法を使用して電気端子３４に接続され得る。

図１８に示されるように、抵抗層２４は、複数の抵抗加熱素子７８を含み、経路層２８の上方位置に配置される。抵抗層２４と経路層２８は、支持部材１２の異なる平面に配置される。したがって、抵抗層２４は、支持部材１２の中央領域１５を横断して延在して、中央領域１５におけるコールドスポットを低減することができる。抵抗層２４と経路層２８が異なる平面にあるので、抵抗加熱素子７８はそれぞれ、支持部材１２に対して垂直な平面Ｎ上に配置された対応する一対の導電ビア３２によって経路層２８の対応するアーム部分８２に接続されている。経路層２８の各アーム部分８２は、抵抗加熱素子７８を支持部材１２の中央領域１５に配置された一対の電気端子３４に接続するための経路回路である。電気端子３４は、電気ケーブル２０に接続され、電気ケーブル２０は外部電源に接続される。

さらに、抵抗層２４と経路層２８が異なる平面にあるので、抵抗層２４は経路層２８とオーバーラップするように構成することができ、その結果、抵抗層２４が利用できるカバー領域が増える。したがって、支持部材１２は、セラミック基板へのワット数が分散された複数の加熱領域を有するように構成することができる。さらに、複数の加熱領域を有する抵抗層２４は、抵抗加熱素子７８の抵抗変化を使用することによって温度センサとして使用することもできる。したがって、支持部材１２の配線構造を簡略化することができるが、これについては後に詳述する。

図１９および２０を参照するに、本開示の教示に従って構築された支持部材の変形は、メイン基板は抵抗層と経路層を受け入れるためのトレンチ（溝）が設けられている点を除いて、図３の支持部材１２と同様の構造を有する。一例として、支持部材は、ダマシン製造プロセスによって形成されてもよい。ダマシン製造プロセスでは、メイン基板は誘電体層を含み、誘電体層は金属層の形状を有するトレンチを形成するようにされ、トレンチ内に金属層を形成するようにされる。ダマシン製造プロセスは、フォトリソグラフィ法、すなわちまずフォトレジストパターンをマスクとして金属パターンをメイン基板上に形成し、その後金属パターンの周囲に誘電材料を印刷または堆積して平面を形成するフォトリソグラフィ法とは対照的である。

より具体的には、支持部材１２０は、上から下に順に配置された、上層１２２、抵抗層１２４、メイン基板１２６、経路層１２８、および下層１３０を含む。メイン基板１２６は、相互に反対側の上面１３２および底面１３４を有する。上面１３２は、その中に抵抗層１２４を受け入れるための抵抗層１２４の形状に対応する形状を有する第１のトレンチ１３６を画定する。メイン基板１２６の底面１３４は、その中に経路層１２８を受け入れるための経路層１２８の形状に対応する形状を有する第２のトレンチ１３８を画定する。抵抗層１２４および経路層１２８は、第１および第２のトレンチ１３６、１３８のそれぞれに１つまたは複数の金属材料を堆積させることによって、それぞれ第１および第２のトレンチ１３６、１３８内に形成することができる。あるいは、抵抗層１２４および経路層１２８は、所望の形状／パターンを有する金属シートの形態であってもよく、第１のトレンチ１３６および第２のトレンチ１３８内に配置される。

図３の支持部材１２のように、支持部材１２０は複数の導電ビア１４０を含む。この複数の導電ビア１４０は、一形態において、支持部材１２０に平行な方向Ｎに沿って延在し、メイン基板１２６を貫通している対応するビアキャビティ（図示せず）に配置される。同様に、電気端子１４２は、メイン基板１２６の底面１３４に形成され、経路層１２８を電気ケーブル（図１９および２０には図示せず）に接続する。

上層１２２、メイン基板１２６、および下層１３０は、窒化アルミニウム（すなわち、アルミナ）などのセラミック材料でできている。上層１２２、メイン基板１２６、および下層１３０は、それぞれ未焼結セラミックプレートなどとされ、ホットプレスなどによって一緒に焼結されて、抵抗層１２４および経路層１２８を封入した単一体のセラミック基板を形成し得る。

あるいは、上層１２２、メイン基板１２６、および下層１３０は、機械加工されたセラミックプレートであり、焼結プロセスなしに、熱結合および拡散結合などの任意の従来の結合方法によって一緒に結合される。あるいは、上層１２２、メイン基板１２６、および下層１３０のうちの１つまたは複数は未焼結状態であり、他は機械加工されたプレートとされる。機械加工されたプレートは、ホットプレス拡散接合によって焼結構造に接合されて、焼結プレートと焼結拡散接合の両方を含むハイブリッド構造を形成し得る。

本開示の支持部材１２、１２０においては、特に記載および図示はされていないが、上層、メイン基板および下層の表面に１つまたは複数の誘電体層を形成するようにすることができ、本開示の範囲から逸脱することなく、抵抗層および経路層を絶縁したり、抵抗層および経路層のメイン基板への結合を容易にしたりすることができる。複数の導電ビアおよび電気端子は、抵抗加熱層および経路層が異なる平面にあり、経路層を電気ケーブルに適切に接続できることができる限り、支持部材に垂直な平面Ｎ上に、または垂直な平面Ｎに対してある角度をもって延びるように配置するようにすることができる。

図２１を参照すると、複数の加熱領域を有する抵抗層２４、１２４を制御するための制御システムが記載されている。支持部材１２、１２０は、適応型熱システム（ＡＴＳ）技術を使用することにより閉ループ制御を使用して制御システムに接続し、追加のセンサなしですべての加熱領域を制御することができる。適応型熱システムは、ヒーターの設計と制御システムを組み合わせて、システム統合を簡素化しながら差別化された閉ループ制御を実現する。抵抗層２４、１２４の抵抗加熱素子７８は、モリブデン、チタン、ニッケルなどの比較的高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する材料を含み、したがって、抵抗層２４、１２４自体も、抵抗加熱回路の抵抗変化に基づいて温度情報を提供するためのセンサとして使用することができる。

換言すれば、抵抗加熱素子７８の温度は、比較的高い抵抗温度係数を有する抵抗加熱素子の抵抗変化によって推定される。したがって、熱電対などの追加の温度センサは不要であり、それにより、支持ペデスタル１０内の配線接続が単純化される。熱電対ではなく抵抗加熱素子７８を使用すると、複数の加熱領域でより良い温度フィードバックと閉ループ制御を提供して、高温でのセラミック破損のリスクを軽減できる。この「２線式（ｔｗｏ－ｗｉｒｅ）」構成のさまざまな形式について、以下で詳しく説明する。

さらに、マトリックスおよび複数並列配線トポロジーが、カスタム制御アルゴリズムと統合される。図２１に示されるように、抵抗加熱素子７８および抵抗加熱素子７８を外部電源に接続するための配線は、ワイヤー１５０のすべての対がそれらの間に接続された抵抗加熱素子７８を有するように構成される。そのような配線構成は、「サーマルアレイを制御するためのシステムおよび方法（System and Method for Controlling a Thermal Array）」と題された米国特許第９，１２３，７５５号、およびその関連特許／出願に記載されており、それらは共に本出願に割り当てられ、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。配線構成は、すべての抵抗加熱素子７８の電力制御と温度検知とを同時に行うことを可能にし、支持部材１２、１２０のセラミック材料を支持部材１２、１２０の特定の領域の温度が高くなりすぎて閾値温度を超えたときの破損から保護する。さらに、この制御方式により、より少ない制御でより少ない配線を使用して、支持ペデスタル１０の熱性能を向上させることができる。例えば、一形態では、本明細書に記載の配線トポロジーを使用して接続できるヒーターの数は、ｎ（ｎ－１）／２に等しく、ここでｎはワイヤーの数である。従って、ヒーター／領域の数は、通常、ワイヤーの数以上である。

本開示の一形態では、抵抗層２４の抵抗加熱素子７８は、熱を生成するため、および素子の温度を検出するために使用される。言い換えれば、抵抗加熱素子７８は「２線式」加熱素子であり、ヒーター及び温度センサとして機能し、４本（例えば、加熱素子に対して２本、別の温度センサに対して２本）ではなく２本のリード線が加熱素子に機能的に接続されている。このような２線式機能は、例えば、本出願と共に割り当てられ、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第７，１９６，２９５号に開示されている。

一般に、第１および第２のリード線と通信する制御システムは、２つのリード線間の電圧の変化を測定するように構成される。より具体的には、制御システムは、リード線にわたるミリボルト（ｍＶ）の変化を測定し、これらの電圧の変化を使用して、抵抗加熱素子の平均温度を計算する。一形態では、制御システムは、抵抗加熱素子への電力供給を中断することなく、電圧の変化を測定することができる。これは、例えば、ＡＣ入力電力信号のゼロ交差で読み取りを行うことによって達成され得る。別の形態では、電力供給が遮断され、制御システムが加熱モードから測定モードに切り替わって電圧の変化を測定する。平均温度が求められると、制御システムは加熱モードに戻る。

抵抗層の異なる加熱素子は、同じ電力が加熱素子に供給されている場合でも同じ速度で加熱されない場合がある。これは、ヒートシンクに対する加熱素子の位置や加熱領域での製造の不均一性など、さまざまな要因によって引き起こされる可能性がある。隣接する加熱領域間で大きな温度差が発生すると、隣接する加熱領域での熱膨張の大きな差によって引き起こされる熱機械的応力により、加熱プレートのセラミック基板に亀裂が生じる可能性がある。この懸念に対処するために、本開示の一形態では、制御システムは抵抗層に印加される電力を調整するための１つまたは複数の電力変換器を有する電力変換システムを含む。

図２２に示すように、制御システムは、制御器２００と、複数の電力変換器２０４を含む電力変換システム２０２とを含む。１つ以上の電力変換器２０４は、支持ペデスタル２０６の抵抗層の加熱素子に接続される。各電力変換器２０４は、電源２０８からの入力電圧（Ｖ_ＩＮ）を、加熱素子に印加される出力電圧（Ｖ_ＯＵＴ）に調整するように機能し、ここで出力電圧は入力電圧以下とされる。

図２３を参照すると、所与の電力変換器２０４は、ドライバー回路２３２と、電界効果トランジスタである制御スイッチ２３６を有する降圧変換器２３４とを含む。ドライバー回路２３２は、制御器２００からの入力信号に基づいて、制御スイッチ２３６を操作する。

降圧変換器２３４は、概括的にはステップダウン電圧変換器として、電源２０８からの電圧を減少させるように動作可能である。具体的には、電源２０８からのＡＣ電圧（例えば、２０８ＶＡＣ）はＤＣ電圧に整流され、降圧変換器２３４によって受け取られる。制御スイッチ２３６の動作に基づいて、降圧変換器２３４は、電圧を減少させて電源２０８からの電流を増加させ、調整された電圧および電流をそれぞれの加熱素子に印加する。制御スイッチの伝達速度は出力電圧の振幅を制御するようになっており、制御スイッチの低い伝達速度は低振幅出力電圧を出力し、制御スイッチの高い伝達速度は高振幅出力電圧を出力する。電圧リップルを低減するために、コンデンサまたはコンデンサとインダクタの組み合わせからなるフィルタが、降圧変換器２３４の出力および／または入力に追加される。電力変換システムに関する追加情報は、２０１７年６月１５日に出願され「熱システム用の電力変換器（POWER CONVERTOR FOR A THERMAL SYSTEM）」というタイトルの本出願人の同時係属出願、米国シリアル番号１５／６２４，０６０に開示されており、この情報は本出願とともに共有され、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

制御器２００は、マイクロプロセッサおよびメモリを含む電子機器を含み、電力変換システム２０２によって抵抗加熱素子に供給される電力を制御するように構成される。制御器２００は、ペデスタルの加熱素子からのフィードバックデータならびに予め記憶された制御アルゴリズムおよび／またはプロセスに基づいて、ヒーター素子に印加される電圧を調整するように電力変換システム２０２を操作する。フィードバック情報は、抵抗、負荷電流、および／または電圧の少なくとも１つを含む。負荷電流および／または電圧は、センサ回路２３８によって検出され得る。

本開示の一形態では、電源２０８からの入力電圧は、例えば、米国特許第７，２５７，４６４号および第８，４２３，１９３号に開示されているようなスケーリング係数を使用してスケーリングされる。この米国出願は本出願に共に割り当てられるものであり、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。入力電圧は、事前設定されたユーザー値に基づいてスケーリングできる。事前設定されたユーザー値は、最大電圧出力レベルと最大電力出力レベルのいずれかであり、通常、電流、電圧、またはワット数である。電流は、電圧のスケーリングとヒーターへの電力供給と同時に測定される。スケーリングはランプアップ中のヒーター特性を検出するための段階的なランプアップを含む。

本開示のもう１つの形態では、制御器２００は、センサ回路２３８からのデータに基づいて、また、ヒータータイプ、オープンヒーター、ショートヒーター、スタートアップ、ウォームアップ、定常状態、ヒーター温度などの加熱素子の動作状態に基づいて所与の電力変換器２０４の所望の出力電圧を求める。この例では、制御器は、所定の電力変換器からの電力がそれぞれの加熱素子の温度の変化に一致するように、ヒーターの加熱素子の温度に基づいて電圧を調整するように電力変換器を操作するように構成される。別の形態では、制御器は、加熱素子の動作モードに基づいて決定される選択されたデューティサイクルで制御スイッチを切り替える。たとえば、図２４Ａから２４Ｄは、それぞれ、スタートアップモード中、ウォームアップモード中、定常状態モード中、および外乱時に、ヒーターの１つ以上の加熱素子に電力を提供する電力変換器の出力電圧波形を示す。図示のように、加熱素子に印加される電圧波形は異なる。電圧は、加熱素子の抵抗、加熱素子に流れる電流、および加熱素子の温度に応じて変化する。温度が比較的低いスタートアップ時およびウォームアップ時には、電圧の振幅は比較的小さいため、ワット数は比較的低くなる。温度が比較的高い定常状態および外乱／サージの間は電圧の振幅が増加しワット数が高くなる。このような制御方式に関する追加情報は、２０１７年８月１０日に出願された、ヒーターへの電力を制御するためのシステム及び方法（System and Method for Controlling Power to a Heater）」と題され、本出願人の同時係属中の米国仮出願番号６２／５４３，４５７に開示されており、その出願および内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

電力変換システム２０２を有することにより、制御システムは、加熱素子、したがってヒーターの正確かつより安全な制御のために、加熱素子への電力を変化させる。例えば、ピーク電流を最小化するために又は加熱の初期段階およびシャットダウン中に加熱プレートの基板の熱亀裂を防止するために、１つ以上の加熱素子に低電力を供給するようにすることができる。制御器２００は、異なる電圧を出力するように電力変換システム２０２を制御し、個々の加熱領域の温度を制御する。したがって、制御システムは、異なる領域間の温度差を調整して、ペデスタルのヒーター全体に均一な温度を提供する。

上述のように、経路層２８、１２８は、抵抗加熱素子７８を電気端子３４、１４２に電気的に接続して抵抗加熱素子７８に電力を供給するように構成される。理想的な実装では、経路層２８、１２８は、支持部材１２、１２０の熱プロファイルに影響を及ぼさないようにできるだけ少ない熱を発する。しかし、いくつかの実装形態では、経路層２８、１２８は、経路層２８、１２８の表面に沿って「ホットスポット」を引き起こす可能性のある熱を生成する可能性があり、これは、セラミックペデスタルに沿ったホットスポットになり得る。

例えば、図２５は、第１の抵抗層２５２、経路層２５６、および第２の抵抗層２５８を有する２層ペデスタルを示す。この例では、第１の抵抗層２５２は、メイン基板２５４上に配置された上部加熱層であり、第２の抵抗層２５８は基板２５４の底面上に配置された底部加熱層である。上部加熱層２５２は、４つの外側の四分円形状の領域、中間のワッシャー形状の領域、および内側のディスク形状の領域を備えた６領域のヒーターである。底部加熱層２５８は、４つの外側四分円形状領域を備えた４領域のヒーターである。経路層２５６は、メイン基板２５４の中央領域と底部加熱層２５８との間に延在し、底部加熱層２５８と同じ平面上にある。経路層２５６は、ビアを介して上部加熱層２５２に接続され、回路トレースを介して底部加熱層２５８に電気的に接続される。一形態では、上記の配線トポロジーを使用して、上部加熱層２５２および／または底部加熱層２５８の領域の数は、経路層に接続されたワイヤーの数以上である。

加熱層の回路トレースはだいたい非常に薄く（たとえば、１～２ｍｍ）、必要なワット数を生成するために必要な抵抗を形成する。しかしながら、経路層２５６の場合、薄いトレースは、経路層２５６によって運ばれる電流密度のために過度の熱を生成し、したがって、熱プロファイルにヒートスポットを引き起こす。例えば図２６および図２７を参照すると、薄い経路層トレースを有する支持部材のペデスタル表面の予想される熱プロファイルは、領域１および２の下の経路層によって引き起こされるホットスポット２６０を含む。

図２５および２８を参照すると、経路層２５６に起因するペデスタル表面全体のホットスポット２６０および温度差に対処するために、底部加熱層２５８の厚さは薄いが経路層２５６の厚さは増加される。例えば、本開示の一形態では、経路層２５６は、２つの層のトレース（すなわち、フォイル）によって形成される。図２８の（Ａ）において、第１のトレース２８２は、第１の厚さ（例えば、２ｍｍ）で底部加熱層２５８および経路層２５６を形成し、第２の厚さ（例えば、５ｍｍ）を有する第２のトレース２８４は、経路層２５６を形成する領域で第１のトレース２８２の上に積層される。したがって、底部加熱層２５８は、必要な熱を生成するために薄い厚さ（例えば、２ｍｍ）を有し、経路層２５６は、厚い厚さ（例えば、７ｍｍ）を有し、経路層２５６を通って電流が流れるときの発熱を大幅に低減または防止する。

本開示の別の形態では、経路層２５６および底部加熱層２５８は、加熱層２５８と経路層２５６とを接続する遷移トレースを有する２つの異なるトレースによって形成される。具体的には、図２８の（Ｂ）に示すように、第１の厚さ（例えば２ｍｍ）を有する第１のトレース２８６が底部加熱層２５８を形成し、第１の厚さより大きい第２の厚さ（例えば５ｍｍ）を有する第２のトレース２８８が経路層２５６を形成する。第１の厚さ以上の厚さ（例えば、７ｍｍ）を有する遷移トレース２８１が、加熱層２５８と経路層２５６とを電気的に結合する遷移領域を形成する。（Ａ）の構成と同様に、加熱層２５８は薄い厚さを有し、経路層２５６は厚い厚さを有する。

本開示の支持ペデスタル１０は、すべての機能層を未焼結状態にしておき、すべての機能層をホットプレスプロセスで組み合わせるという利点を有する。一部の層は焼結状態とされ、拡散接合によって接合されるようにすることができる。したがって、支持部材１２、１２０は、未焼結状態と焼結結合のハイブリッドであってもよい。デュアルダマシン薄膜プロセスを使用して、抵抗層２４、１２４、２５２および経路層２８、１２８、２５６を形成することができる。抵抗層２４、１２４、２５２および経路層２８、１２８、２５６は、異なる平面上に提供され、導電ビア３２、１３２および電気端子３４、１４２が、抵抗層２４、１２４、２５２と経路層２８、１２８、２５６を電気ケーブル２０に、そして外部電源に接続するようにし、それにより、管状シャフト１４内の電気ケーブル２０への抵抗層２４、１２４、２５２の接続を単純化する。

支持ペデスタル１０は半導体処理に使用されるように説明されたが、一般的な加熱目的のヒーターを形成するために、管状シャフト１４なしで支持部材１２のみが使用されるように変更することができる。

図面には示されていないが、静電チャック、冷却チャネル、ＲＦアンテナ、および電子機器／固体デバイスなど、他の構造を支持ペデスタル１０に組み入れるようにすることができる。

本開示は、例として説明および図示された様々な形態に限定されるものではない。多種多様な変更が説明されており、さらに多くの変更は当業者の知識の一部である。これらおよびさらなる修正ならびに技術的同等物によるあらゆる置換は、本開示および本特許の保護の範囲を逸脱することなく、本明細書および図に追加され得る。

Claims (14)

1. 複数の加熱領域を画定する複数の抵抗加熱素子を有する抵抗層、経路層、複数の導電ビア、および該経路層に接続された複数の電気端子を含む支持部材であって、該複数の抵抗加熱素子が該複数の電気端子に直接的には接続されていない、支持部材を備え、
   該支持部材は相互に反対側の表面を有するメイン基板を含み、該抵抗層および該経路層は、該メイン基板の該相互に反対側の表面上に配置され、該メイン基板を貫通して延びる該複数の導電ビアによって接続され、
   該複数の抵抗加熱素子が、複数のワイヤーによって、該抵抗層の加熱領域の数が該経路層に接続された該複数のワイヤーの数以上となるように接続されている、支持ペデスタル。
2. 該抵抗層および該経路層は該支持部材に対して垂直な平面上に配置され、該抵抗層および該経路層は、該抵抗層が該支持部材の中央領域を横断して延びるように、オーバーラップする、請求項１に記載の支持ペデスタル。
3. 該経路層は、中央部分と、該中央部分から延びる複数のアーム部分とを含み、該複数のアーム部分の数は該抵抗加熱素子の数と一致する、請求項１に記載の支持ペデスタル。
4. 該メイン基板の該相互に反対側の表面は、上面および底面であり、該メイン基板は、その中に該導電ビアを受け入れるための複数のビア開口と、該底面に開口する複数の盲凹部とを画定している、請求項１に記載の支持ペデスタル。
5. 該複数の導電ビアが、前記メイン基板の該上面から該底面まで延在し、該メイン基板の該上面および該底面と面一とされている、請求項４に記載の支持ペデスタル。
6. 該複数の電気端子が該複数の盲凹部内に配置されている、請求項４に記載の支持ペデスタル。
7. 該経路層は、複数のアーム部分を含み、各アーム部分は該複数の導電ビアの一対に接続される一端と、該複数の電気端子の一対に接続される他端とを有する、請求項６に記載の支持ペデスタル。
8. 該複数の電気端子の少なくとも一部は、該メイン基板の該底面と面一である、請求項６に記載の支持ペデスタル。
9. 該支持部材は、上層および下層をさらに含み、該抵抗層は、該上層と該メイン基板との間に配置され、該経路層は該メイン基板と該下層との間に配置されている、請求項１に記載の支持ペデスタル。
10. 該経路層と同じ平面に沿って配置された第２の抵抗層をさらに含み、該経路層は、該第２の抵抗層よりも低い抵抗を有し、該第２の抵抗層の一部とオーバーラップする、請求項１に記載の支持ペデスタル。
11. 該経路層は、該第２の抵抗層よりも低い抵抗を有し、該第２の抵抗層に当接するようにされている、請求項１０に記載の支持ペデスタル。
12. 該第２の抵抗層および該経路層と同じ平面に沿って配置された遷移トレースをさらに含み、該遷移トレースの抵抗は、該第２の抵抗層の抵抗以下である、請求項１０に記載の支持ペデスタル。
13. 該抵抗層が２線式ヒーター構成、該抵抗層を外部電源に接続するためのマトリクス配線構成、および該抵抗層を外部電源に接続するための複数並列配線構成のうちの１つ以上を有する、請求項１に記載の支持ペデスタル。
14. 該抵抗層の該複数の加熱領域への電力を調整するための複数の電力変換器を含む制御システムをさらに備える、請求項１に記載の支持ペデスタル。
    

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