KR102062415B1 - 멀티플렉싱된 가열된 어레이를 위한 전류 피크 분산 방식들 - Google Patents

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Abstract

반도체 프로세싱 장치에서 반도체 기판을 지지하는데 사용되는 기판 지지 어셈블리용 가열 플레이트를 동작시키는 방법에 관한 것으로서, 가열 플레이트는 전력 공급 라인들 및 전력 복귀 라인들 및 전력 공급 라인과 전력 복귀 라인의 매 쌍 간에 접속된 각각의 가열기 존을 포함한다. 이 방법은 가열기 존들에 대한 전류 펄스들을 시간적으로 분산시킴으로써 전력 공급 라인 및 전력 복귀 라인에 의해서 전달되는 최대 전류를 감소시킨다.

Description

멀티플렉싱된 가열된 어레이를 위한 전류 피크 분산 방식들{CURRENT PEAK SPREADING SCHEMES FOR MULTIPLEXED HEATED ARRAY}
각 연속하는 반도체 기술 세대에 있어서, 기판 직경들은 증가하고 트랜지스터 크기를 감소하는 경향이 있으며, 이로써 기판 프로세싱 시에 정확성 및 재현성의 매우 보다 높은 정도를 요구하고 있다. 실리콘 기판들과 같은 반도체 기판 재료들은 진공 챔버들을 사용하는 것을 포함하는 기법들에 의해서 프로세싱된다. 이러한 기법들은 전자 빔 증착과 같은 비플라즈마 애플리케이션들 및 스퍼터 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착 (PECVD), 레지스트 스트립, 및 플라즈마 에칭과 같은 플라즈마 애플리케이션들을 포함한다.
오늘날 입수가능한 플라즈마 프로세싱 시스템들은 증가된 정확도 및 재현성에 대한 증가하는 요구를 받고 있는 이러한 반도체 제조 툴들에 속한다. 플라즈마 프로세싱 시스템들에 하나의 계측사항은 증가된 균일성이며, 이는 반도체 기판 표면 상에서의 프로세스 결과들의 균일성 및 공칭적으로 동일한 입력 파라미터들을 사용하여서 프로세싱된 일련의 기판들의 프로세스 결과들의 균일성을 포함한다. 온-기판 균일성의 연속적인 개선이 바람직하다. 다른 것들 중에서도, 이는 개선된 균일성, 일정성 및 자가 진단을 갖는 플라즈마 챔버를 요구한다.
반도체 프로세싱 장치에서 반도체 기판을 지지하는데 사용되는 기판 지지 어셈블리용 가열 플레이트를 동작시키는 방법이 본 명세서에서 개시되며, 가열 플레이트는 제 1 전기적으로 절연성인 층, M 개의 전기적으로 도전성인 전력 공급 라인들, N 개의 전기적으로 도전성인 전력 복귀 라인들, 및 평면형 가열기 존들 (planar heater zones) 의 어레이를 포함하며, 평면형 가열기 존들 각각 Zij은 i 번째 전력 공급 라인 및 j 번째 전력 복귀 라인에 접속되며, 1 ≤ i ≤ M, 1 ≤ j ≤ N 이며 i 및 j는 정수이고, 평면형 가열기 존 Zij은 하나 이상의 가열기 요소들 및 다이오드를 포함하고, 다이오드가 j 번째 전력 복귀 라인으로부터 평면형 가열기 존 Zij을 통해서 i 번째 전력 공급 라인으로의 방향으로의 역방향 전류 흐름을 차단하도록 다이오드는 i 번째 전력 공급 라인과 j 번째 전력 복귀 라인 간에서 평면형 가열기 존 Zij에 직렬로 접속되며, 평면형 가열기 존들은 제 1 전기적으로 절연성인 층에 걸쳐서 수평으로 (laterally) 분포되며 반도체 기판에 대한 공간적 온도 프로파일을 튜닝하도록 동작가능하며, 2 개의 평면형 가열기 존들이 i 번째 전력 공급 라인과 j 번째 전력 복귀 라인의 동일한 쌍에 접속되지 않으며, 방법은, (a) 평면형 가열기 존 Zij이 기간 τij 동안에 전력 공급부에 의해서 전력을 공급받은 후에 그의 설정점 온도에 도달하도록, 평면형 가열기 존 Zij의 실제 온도 또는 추정 온도와 설정점 온도 간의 차에 기초하여서 평면형 가열기 존 Zij에 대한 τij 을 계산하는 단계; (b) 기간 Ti 동안에 i 번째 전력 공급 라인과 전력 공급부 간의 접속을 유지하는 단계; (c) τij 동안에 j 번째 전력 복귀 라인과 전기적 접지부 간의 접속을 유지함으로써, 기간 Ti 동안에 i 번째 전력 공급 라인에 접속된 평면형 가열기 존 Zij에 전력을 공급하는 단계; (d) 모든 기간들 τij 이 동시에 시작되지 않도록 모든 정수 값들 j에 대해서 단계 (c) 를 반복하는 단계로서, 1 ≤ j ≤ N인, 반복하는 단계; 및 (e) 모든 정수 값들 i에 대해서 단계 (c) 및 단계 (d) 를 반복하는 단계로서, 1 ≤ i ≤ M인, 반복하는 단계를 포함한다.
도 1은 평면형 가열기 존들의 어레이를 갖는 가열 플레이트가 포함된 기판 지지 어셈블리의 개략적 단면도로서, 기판 지지 어셈블리는 또한 정전 척 (ESC) 을 포함한다.
도 2는 기판 지지 어셈블리 내에 포함될 수 있는 가열 플레이트의 일 실시예 내의 가열기 존들의 어레이로의 전력 공급 라인과 전력 복귀 라인 간의 토폴러지 연결을 도시한다.
도 3은 본 명세서에서 기술된 기판 지지 어셈블리를 포함할 수 있는 예시적인 플라즈마 프로세싱 챔버의 개략도이다.
도 4는 가열 플레이트 내의 각 가열기 존을 제어하고 전력을 공급하도록 구성된, 일 실시예에 따른 제어기의 회로도이다.
도 5는 예시적인 가열 플레이트의 가열기 존들을 통한 전류의 자취들을 나타낸다.
기판 상에서 목표된 CD (critical dimension) 균일성을 달성하기 위해서 반도체 프로세싱 장치에서의 방사상 및 방위각적 기판 온도 제어의 요구 수준이 증가하고 있다. 온도의 심지어 소량의 원하지 않는 변화도 특히 CD가 반도체 제조 프로세스에서 100nm-아래로 다가감에 따라서 허용불가능한 정도로 CD에 영향을 준다.
기판 지지 어셈블리는 프로세싱 동안에, 기판을 지지하고, 기판 온도를 튜닝하고, 무선 주파수 전력을 공급하는 다양한 기능들을 위해서 구성될 수 있다. 기판 지지 어셈블리는 프로세싱 동안에 기판 지지 어셈블리 상으로 기판을 정전방식으로 클램핑하는데 유용한 정전 척 (ESC) 을 포함할 수 있다. ESC는 튜닝 가능한 ESC (T-ESC) 일 수 있다. T-ESC는 본 출원인에게 공동으로 양도된 미국 특허 제6,847,014호 및 제6,921,724호에 기술되며, 이 문헌들은 본 명세서에서 참조로서 인용된다. 이 기판 지지 어셈블리는 세라믹 기판 홀더, 유체 냉각형 히트 싱크 (이후부터는 냉각 플레이트로서 지칭됨) 및 단계별 방사상 온도 제어를 실현하는 복수의 동심 평면형 가열기 존들 (zones) 을 포함한다. 통상적으로, 냉각 플레이트는 -20 ℃ 내지 70 ℃, 예를 들어서 0℃ 내지 30 ℃ 에서 유지된다. 가열기들은 단열재 층을 사이에 두고 냉각 플레이트 상에 위치한다. 가열기들은 기판 지지 어셈블리의 지지 표면을 냉각 플레이트 온도보다 높은 온도인 약 0 ℃ 내지 80 ℃ 에서 유지할 수 있다. 복수의 평면형 가열기 존들 내의 가열 전력을 변화시킴으로써, 기판 지지 온도 프로파일이 중앙 고온, 중앙 저온과 균일 온도 간에서 변화될 수 있다. 또한, 평균 기판 지지 온도가 냉각 플레이트 온도보다 높은 온도인 약 0 ℃ 내지 80 ℃의 동작 범위 내에서 단계별로 변화될 수 있다. 소량의 방위각 온도 편차도, 반도체 기술 진보와 함께 CD가 감소함에 따라서, 계속적으로 상당한 문제를 낳고 있다.
온도 제어는 몇몇 이유로 인해서 용이한 작업이 아니다. 먼저, 히트 소스 및 히트 싱크의 위치, 매체의 이동, 재료 및 형상 등과 같은 다수의 요인들이 열 전달에 영향을 줄 수 있다. 둘째로, 열 전달은 동적 프로세스이다. 해당 시스템이 열 평형 상태에 있지 않으면, 열 전달이 발생하고 온도 프로파일 및 열 전달이 시간에 따라서 변할 것이다. 셋째로, 물론 플라즈마 처리 시에 존재하는 플라즈마와 같은 비평형 현상은 임의의 실제 플라즈마 처리 장치의 열 전달 거동의 이론적 예측을 불가능하지 않다면 매우 용이하지 않게 한다.
플라즈마 처리 장치 내의 기판 온도 프로파일은 플라즈마 밀도 프로파일, RF 전력 프로파일 및 척 내의 다양한 가열 요소들 및 냉각 요소들의 세부 구조와 같은 다수의 요인들에 의해서 영향을 받으며, 따라서 기판 온도 프로파일은 균일하지 않으며 작은 개수의 가열 또는 냉각 요소들을 사용하여서 제어하기 어렵다. 이러한 문제는 전체 기판에 걸친 처리 레이트 불균일성 및 기판 상의 디바이스 다이들의 CD 불균일성을 낳는다.
온도 제어의 복잡한 성질로 인해서, 복수의 독립적으로 제어 가능한 평면형 가열기 존들을 기판 지지 어셈블리 내에 포함시켜서 반도체 처리 장치가 목표된 공간적 그리고 시간적 온도 프로파일을 능동적으로 생성 및 유지하게 하고 CD 균일성에 영향을 주는 다른 다양한 요소들을 보상하게 하는 것이 유리할 것이다.
복수의 독립적으로 제어 가능한 평면형 가열기 존들을 구비한, 반도체 처리 장치 내의 기판 지지 어셈블리용의 가열 플레이트는 본 출원인이 공동으로 소유하고 있는 미국 특허 공개 2011/0092072 및 2011/0143462에 기술되어 있으며, 이 문헌은 그 내용이 본 명세서에서 참조로서 인용된다. 이 가열 플레이트는 평면형 가열기 존들의 스케일가능한 멀티플렉싱 레이아웃 방식 및 전원 및 전력 복귀 라인을 포함한다. 평면형 가열기 존들의 전력을 튜닝함으로써, 처리 동안에 온도 프로파일은 방사상 및 방위각에 따라서 높은 정밀도로 성형될 수 있다. 이론적으로, 충분하게 작은 가열기 존들을 매우 많이 제공하면 다이별 분해능을 제공할 수 있다. 이러한 가열 플레이트는 주로 플라즈마 처리 장치에서 기술되었지만, 이러한 가열 플레이트는 또한 플라즈마를 사용하지 않는 다른 반도체 처리 장치에서도 사용될 수 있다. 예를 들어서, 가열 플레이트는 기판으로의 플라즈마 가열, 화학적 반응, 에지 효과 등에 의해서 유발된 불균일한 열적 플럭스를 보상하기 위해서 유용하다.
이러한 가열기 플레이트 내의 평면형 가열기 존들은 바람직하게는 예를 들어서 직사각형 그리드, 육각형 그리드, 폴형 어레이 (polar array), 동심 링들 또는 임의의 목표된 패턴과 같은 규정된 패턴으로 배열된다. 예를 들어서, 웨이퍼의 에지에서의 분해능을 증가시킬 필요가 있을 수 있다. 각 평면형 가열기 존은 임의의 적합한 크기를 가지며 하나 이상의 가열기 요소들을 가질 수 있다. 평면형 가열기 존이 2 개 이상의 가열기 요소들을 가지면, 평면형 가열기 존 내의 가열기 요소들은 함께 턴 오프 또는 턴 온된다. 전기적 접속 수를 최소화하기 위해서, 각 전력 공급 라인이 평면형 가열기 존들의 상이한 그룹에 접속되고 각 전력 복귀 라인도 평면형 가열기 존들의 상이한 그룹에 접속되며 각 평면형 가열기 존은 특정 전력 공급 라인에 접속된 그룹들 중 하나의 그룹 및 특정 전력 복귀 라인에 접속된 그룹들 중 하나의 그룹 내에 존재하도록 전력 공급 라인 및 전력 복귀 라인이 구성된다. 어떠한 2 개의 평면형 가열기 존들도 동일한 쌍의 전력 공급 라인 및 전력 복귀 라인에 접속되지 않는다. 따라서, 평면형 가열기 존은 이 특정 평면형 가열기 존이 접속된 한 쌍의 전력 공급 라인 및 전력 복귀 라인을 통해서 전류를 흐르게 함으로써 활성화될 수 있다. 가열기 요소들의 전력은 바람직하게는 20 W보다 작으며 보다 바람직하게는 5 내지 10 W이다. 가열기 요소들은 폴리이미드 가열기, 실리콘 고무 가열기, 마이카 가열기 (mica heater), 금속 가열기 (예들 들어서, W, Ni/Cr 합금, Mo 또는 Ta), 세라믹 가열기 (예를 들어서, WC), 반도체 가열기 또는 카본 가열기일 수 있다. 가열기 요소들은 스크린 인쇄된 가열기, 와이어 권선된 가열기 또는 에칭된 포일 가열기일 수 있다. 일 실시예에서, 각 평면형 가열기 존은 반도체 기판 상에 제조되는 4 개의 디바이스 다이들보다 크지 않거나 반도체 기판 상에 제조되는 2 개의 디바이스 다이들보다 크지 않거나 반도체 기판 상에 제조되는 1 개의 디바이스 다이들보다 크지 않거나 그 면적이 이 기판 상의 디바이스 다이들에 대응되게 16 내지 100 cm2이거나 1 내지 15 cm2이거나 2 내지 3 cm2일 수 있다. 가열기 요소들의 두께는 2 마이크로미터 내지 1 밀리미터, 바람직하게는 5 내지 80 마이크로미터 범위일 수 있다. 평면형 가열기 존들 및/또는 전력 공급 라인 및 전력 복귀 라인 간의 공간을 허용하도록, 평면형 가열기 존들의 총 면적은 기판 지지 어셈블리의 상부 표면의 면적의 90 %에 달할 수 있으며 예를 들어서 상부 표면의 면적의 50 내지 90 %일 수 있다. 전력 공급 라인들 또는 전력 복귀 라인들 (총괄하여서, 전력 라인들) 은 평면형 가열기 존들 간의 1 내지 10 mm의 갭 내에 배열되거나 전기 절연층들에 의해서 평면형 가열기 존들로부터 분리된 별도의 면들 내에 배열될 수 있다. 전력 공급 라인들 및 전력 복귀 라인들은 바람직하게는 큰 전류를 반송하고 줄 (Joule) 열을 저감시키도록 공간이 허용하는 한 폭이 넓을 수 있다. 전력 라인들이 평면형 가열기 존들과 동일한 면 내에 있는 일 실시예에서, 전력 라인들의 폭이 바람직하게는 0.3 mm 내지 2 mm이다. 전력 라인들이 평면형 가열기 존들과 상이한 면 내에 있는 다른 실시예에서, 전력 라인들의 폭은 평면형 가열기 존들과 동일한 크기를 가지며 예를 들어서 300 mm 척의 경우에 그 폭은 1 내지 2 인치이다. 전력 라인들의 재료는 가열기 요소들의 재료와 동일하거나 상이할 수 있다. 바람직하게는, 전력 라인들의 재료는 Cu, Al, W, Inconel® 또는 Mo와 같은 저 저항을 갖는 재료들이다.
도 1 및 도 2는 2 개의 전기 절연 층들 (104A,104B) 내에 포함된 평면형 가열기 존들 (101) 의 어레이를 갖는 가열 플레이트의 일 실시예를 포함하는 기판 지지 어셈블리를 나타내고 있다. 전기 절연 층들은 폴리머 재료, 무기 재료, 실리콘 산화물과 같은 세라믹, 알루미나, 이트리아, 알루미늄 질화물 또는 다른 적합한 재료일 수 있다. 기판 지지 어셈블리는 (a) DC 전압을 사용하여서 기판을 세라믹 층 (103) 의 표면에 정전 방식으로 클램핑하도록 전극 (예를 들어서, 단극성 또는 쌍극성) 이 내장된 세라믹 층 (103) (정전 클램핑 층) 을 갖는 ESC, (b) 열적 장벽 층 (107), 및 (c) 냉각제 플로우를 위한 채널 (106) 을 포함하는 냉각 플레이트 (105) 를 더 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 평면형 가열기 존들 (101) 각각이 전력 공급 라인들 (201) 중 하나 및 전력 복귀 라인들 (202) 중 하나에 접속된다. 어떠한 2 개의 평면형 가열기 존들 (101) 도 동일한 쌍의 전력 공급 라인 (201) 및 전력 복귀 라인 (202) 을 공유하지 않는다. 적합한 전기적 스위칭 장치에 의해서, 한 쌍의 전력 공급 라인 (201) 및 전력 복귀 라인 (202) 을 전원 (미도시) 에 접속할 수 있으며, 이로써 이 한 쌍의 전력 라인들에 접속된 평면형 가열기 존만이 턴 온된다. 각 평면형 가열기 존의 시간 평균된 가열 전력은 시간 영역 멀티플렉싱함으로써 개별적으로 튜닝될 수 있다. 상이한 평면형 가열기 존들 (101) 간의 크로스토크를 방지하기 위해서, 다이오드 (250) 가 전력 복귀 라인 (202) 으로부터 평면형 가열기 존 (101) 을 통해서 전력 공급 라인 (201) 으로의 방향으로의 전류 흐름을 허용하지 않도록 다이오드 (250) 가 각 평면형 가열기 존 (101) 과 이에 접속된 전력 공급 라인 (201) 간에 직렬로 접속되거나 (도 2에 도시됨) 각 평면형 가열기 존 (101) 과 이에 접속된 전력 복귀 라인 (202) 간에 직렬로 접속된다 (미도시).
기판 지지 어셈블리는 기판 온도 및 따라서 플라즈마 에칭 프로세스가 기판으로부터의 디바이스 수율을 최대화하도록 각 디바이스 다이 위치에서 제어될 수 있도록 가열 플레이트의 각 평면형 가열기 존이 기판 상의 단일 디바이스 다이 또는 단일 디바이스 그룹과 동일한 크기를 갖거나 이보다 작은 크기를 갖는 가열 플레이트의 일 실시예를 포함할 수 있다. 이러한 가열기 플레이트의 스케일가능한 아키텍처는 최소 개수의 전력 공급 라인들, 전력 복귀 라인들 및 냉각 플레이트 내의 피드쓰루 (feedthrough) 를 사용하여서 다이별 기판 온도 제어를 위해서 필요한 다수의 평면형 가열기 존들 (통상적으로, 300 mm 직경 기판 상의 100 개보다 많은 다이들 및 따라서 100 개 이상의 가열기 존들) 을 용이하게 수용할 수 있으며, 이로써 기판 온도에 대한 교란 (disturbance), 제조 비용 및 기판 지지 어셈블리의 복잡성을 저감시킬 수 있다. 도시되지는 않았지만, 기판 지지 어셈블리는 기판을 상승시키는 리프트 핀들, 헬륨 백 냉각 (helium back cooling), 온도 피드백 신호들을 제공하기 위한 온도 센서들, 가열 전력 피드백 신호들을 제공하기 위한 전압 및 전류 센서, 가열기 및/또는 클램프 전극을 위한 전력 피드, 및/또는 RF 필터들과 같은 특징부들을 더 포함할 수 있다.
플라즈마 처리 챔버가 동작하는 방식의 개략으로서, 도 3은 상부 샤워헤드 전극 (703) 및 기판 지지 어셈블리 (704) 가 배치된 챔버 (713) 를 포함하는 플라즈마 처리 챔버의 개략도이다. 기판 (712) 은 로딩 포트 (711) 를 통해서 기판 지지 어셈블리 (704) 상에 로딩된다. 가스 라인 (709) 은 프로세스 가스를 상부 샤워헤드 전극 (703) 으로 전달하여 이 전극 (703) 은 프로세스 가스를 챔버로 전달한다. 가스 소스 (708) (예를 들어서, 적합한 가스 혼합물을 공급하는 질량 유량 제어기) 가 가스 라인 (709) 에 연결된다. RF 전력 소스 (702) 가 상부 샤워헤드 전극 (703) 에 접속된다. 동작 시에, 챔버는 진공 펌프 (710) 에 의해서 배기되며 RF 전력이 상부 샤워헤드 전극 (703) 과 기판 지지 어셈블리 (704) 내의 하부 전극 간에서 용량 결합되어서 기판 (712) 과 상부 샤워헤드 전극 (703) 간의 공간에서 프로세스 가스를 플라즈마로 에너지화한다. 플라즈마는 기판 상의 층들 내로 디바이스 다이 피처들을 에칭하는데 사용될 수 있다. 기판 지지 어셈블리 (704) 는 그 내에 포함된 가열기를 가질 수 있다. 플라즈마 처리 챔버의 상세한 설계는 변할수 있지만, RF 전력은 기판 지지 어셈블리 (704) 를 통해서 플라즈마에 결합된다는 것은 이해되어야 한다. 플라즈마 프로세싱 챔버는 유도성 결합 (트랜스포머 결합), 헬리콘, 전자 사이클로트론 공진, 용량성 결합 (평행판) 과 같은, 플라즈마를 생성하기 위한 다양한 메카니즘에 의존할 수 있다. 예를 들어서, 고밀도 플라즈마는 트랜스포머 결합된 플라즈마 (TCPTM) 프로세싱 챔버 또는 전자 사이클로트론 공진 (ECR) 프로세싱 챔버에서 생성될 수 있다. RF 에너지가 챔버들 내로 유도적으로 결합되는 트랜스포머 결합된 플라즈마 프로세싱 챔버들이 이용가능하다. 또한, 플라즈마 프로세싱 장치는 무선 주파수 (RF) 바이어스된 기판 전극과 함께, 유도적으로 결합된 플라즈마 (ICP) 소스와 같은 고밀도 플라즈마 소스를 갖게 구성될 수 있다. 플라즈마 프로세싱 챔버는 상술된 실례들로 한정되지 않는다.
도 4는 목표된 온도 프로파일을 생성하기 위해서 가열 플레이트 내의 각 가열기 존 (101) 을 제어하고 전력을 공급하도록 구성된 제어기 (500) 의 회로도를 도시한다. 간략성을 위해서, 오직 4 개의 가열기 존들만이 도시된다. 이 제어기 (500) 는 임의의 개수의 가열기 존들로 동작할 수 있다.
제어기 (500) 는 모든 전력 복귀 라인들 (202) 에 접속된 멀티플렉서 (1000) 및 모든 전력 공급 라인들 (201) 에 접속된 멀티플렉서 (2000) 를 포함한다. 멀티플렉서 (2000) 는 다른 전력 공급 라인(들)과 독립적으로, 전기적으로 고립된 단자 또는 전력 공급부 (510) 에 각 전력 공급 라인 (201) 을 접속시킬 수 있다. 멀티플렉서 (1000) 는 다른 전력 복귀 라인(들)과 독립적으로, 전기적으로 고립된 단자 또는 전기적 접지부에 각 전력 복귀 라인 (202) 을 접속시킬 수 있다. 프로세서 (5000) (예를 들어서, 마이크로 제어기 유닛, 컴퓨터 등) 가 멀티플렉서들 (1000 및 2000) 을 제어한다. 가열기 존 (101) 은 오직 이 가열기 존 (101) 에 접속된 전력 공급 라인 (201) 이 전력 공급부 (510) 에 접속되고 이 가열기 존 (101) 에 접속된 전력 복귀 라인 (202) 이 전기적 접지부에 접속된 때에만 전력을 공급받는다.
제어기 (500) 는 각각의 위치들의 실제 온도를 판독하도록 구성된 하나 이상의 센서들을 더 포함한다. 각 가열기 존 (101) 의 위치들 및 온도 센서들의 위치들은 일치할 수 있거나 그러지 않을 수도 있다. 각 가열기 존 (101) 의 온도는 이론적 또는 경험적 모델에 기초한 내삽, 캘리브레이션 또는 실제 측정에 의해서 추정 또는 획득될 수 있다. 예를 들어서, 추정된 측정치는 캘리브레이션된 추정치, 예측 추정치 또는 모델링된 추정치에 기초할 수 있다.
제어기 (500) 는 각 가열기 존 (101) 이 기간 τ 동안에 전력을 공급받는 후에 그의 설정점 온도에 도달하도록 각 가열기 존 (101) 의 설정점 온도와 획득된 또는 추정된 온도 간의 차에 기초하여서 각 가열기 존 (101) 에 대한 기간 τ 을 계산한다. 각 가열기 존 (101) 의 설정점 온도는 전체 가열 플레이트의 목표된 온도 프로파일에 의해서 결정된다. 이와 달리, 각 가열기 전력은 존별로 실시간 피드백에 기초한 모델 기반 방식으로 계산되거나 각 가열기 존에 대한 기간 τ 의 계산이 이전 또는 이후 기판 처리 프로세스들의 피드포워드 (feed forward) 효과를 고려하도록 이전 캘리브레이션으로부터 유도된 모델의 결과에 기초한 내삽된 방식으로 계산될 수 있다.
시간-도메인 멀티플렉싱 방식에서, 제어기 (500) 는, 제어기 (500) 가 각 가열기 존 (101) 에 대해서 계산된 τ 동안에 해당 전력 공급 라인 (201) 에 접속된 이 가열기 존 (101) 과 전기적 접지부 간의 접속을 유지하는 동안인 기간 T 동안에 전력 공급부 (510) 와 해당 전력 공급 라인 (201) 간의 접속을 한번 유지한다. 전력 공급부 (510) 가 일정한 DC 전압 V0 을 출력하고 가열기 존들 (101) 이 동일한 전기적 저항 R0을 갖는다면, 가열기 존 (101) 의 평균 가열 전력은 그의 τ/T 의 평균에 비례한다. 제어기 (500) 는 기간 T의 시작 시에 각 가열기 존 (101) 에 대한 기간 τ 을 시작하지만, 이는 기간 T의 시작 시에 해당 전력 공급 라인 (201) 에 의해서 전달된 총 전류에서의 피크로 이어진다. 유리하게는, 일 실시예에 따른 시간-도메인 멀티플렉싱 방식에서, 제어기는 해당 전력 공급 라인 (201) 이 기간 T 전반에 걸쳐서 전달하는 최대 총 전류를 감소시키도록, 기간 T에 걸쳐서 기간들 τ 의 시작점들을 시간적으로 분산시킬 수 있는데, 즉 모든 기간들 τ을 동시에 시작하지 않는다.
편이성을 위해서, M 개 (예를 들어서, 2 내지 100 개) 의 전력 공급 라인들, N 개 (예를 들어서, 2 내지 100 개) 의 전력 복귀 라인들 및 M*N 개의 가열기 존들을 갖는 예시적인 가열 플레이트로서, 가열기 존 Zij는 i 및 j (1 ≤ i ≤ M, 1 ≤ j ≤ N, i 및 j는 정수임) 의 매 쌍에 있어서 i 번째 전력 공급 라인과 j 번째 전력 복귀 라인에 접속되는, 가열기 플레이트가 실시예들에 따라서 시간-도메인 멀티플렉싱 방식들을 기술하는데 사용될 것이다. 가열기 존 Zij의 기간 τ 은 τij로서 지정된다. i 번째 전력 공급 라인의 기간 T는 Ti로 지정된다.
일 실시예에 따른 시간-도메인 멀티플렉싱 방식에서, 제어기는
Figure 112014109004250-pct00001
인 때에 기간 Ti 동안에 가열기 존들 Zi1 내지 ZiN 에 순차적으로 전력을 공급한다. 즉, i 번째 전력 공급 라인에 접속된 모든 가열기 존들 Zi1 내지 ZiN 중에서, 오직 1 개의 가열기 존만이 기간 Ti 동안의 임의의 소정의 기간에 전력을 공급받는다.
Figure 112014109004250-pct00002
인, 다른 실시예에 따른 시간-도메인 멀티플렉싱 방식에서, 제어기 (500) 는 i 번째 전력 공급 라인에 의해서 전달되는 최대 총 전류를 줄이기 위해서 Ti 내에서 τij 의 위치들을 결정하도록 다음과 같은 방법으르 사용할 수 있다. 편이상, αij 및 βij 는 기간 Ti 의 시작점에 대한 τij 의 시작 시점 및 종료 시점을 나타내며, 0 ≤αij ≤ βij ≤ Ti 가 된다. 제어기 (500) 는 다음과 같은 규칙들에 따라서 αij 및 βij 를 결정한다:
(i) αi1 = 0 ;
(ii) (αi(j+1) + τi(j+1)) ≤ Ti 이면, αi(j+1) = βij 이고 βi(j+1) = (αi(j+1) +τi(j+1)) ;
(iii) (αi(j+1) + τi(j+1)) > Ti 이면, τi(j+1)을 αi(j+1) 와 Ti 간의 일 기간 및 0 과 (αi(j+1) + τi(j+1) - Ti ) 간의 다른 기간으로 분할함,
여기서 j는 1 내지 (N-1) 까지 반복됨.
따라서, i 번째 전력 공급 라인에 의해서 전달되는 최대 총 전류 Ii는,
Figure 112014109004250-pct00003
의 조건을 만족시키며,
여기서 "
Figure 112014109004250-pct00004
" 는 실링 함수 (ceiling function) 이며, 즉 이는 모든 저항들이 동일하고 최소 정수는 x보다 작지 않음을 가정한다. 그러나, 전압 V는 부하가 증가하면 줄어들며 (sag), 가열기들은 정확하게 동일한 면적을 가지지 않으며 이 경우에 V 및 R은 각 가열기 존에 대해서 동일하지 않으며 위 등식은 V0/R0가 괄호 내에 있도록 수정되어야 한다.
도 5는 i 번째 전력 공급 라인에 접속된 6 개의 가열기 존들 Zi1 내지 Zi6 을 갖는 예시적인 가열 플레이트에 대한 상기 방식을 적용한 결과를 도시한다. 전류 자취는 Zi1, Zi2, Zi3, Zi4, Zi5, Zi6 를 통한 전류 및 i 번째 전력 공급 라인에 의해서 전달된 총 전류 Ii를 시간의 함수로서 도시한다. Ti 동안의 임의의 소정의 시간에, Ii는 많아야 3V0/R0 이다.
다른 실시예에 따른 시간-도메인 멀티플렉싱 방식에서, 제어기 (500) 는 하나 이상의 τij 을 일 기간 Ti 으로부터 다른 기간 Ti 으로 이동시킨다.
또 다른 실시예에 따른 시간-도메인 멀티플렉싱 방식에서, 제어기 (500) 는,
Figure 112014109004250-pct00005
이 만족되도록 각 Ti 을 조절하고, 가열기 존들 Zi1 내지 ZiN 중 오직 하나만이 Ti 동안의 임의의 소정의 시간에 전력을 공급받고 이로써 전체 Ti 에서 Ii=V0/R0 이 되도록 Ti 동안 이러한 가열기 존들 Zi1 내지 ZiN 에 순차적으로 전력을 공급한다. 이 방식은 기간들 τij 이 상대적으로 짧은, 즉 가열기 존들 Zij 의 실제 온도와 설정점 온도 간의 차가 작은 애플리케이션들에서 특히 적합한데, 그 이유는 Ti 를
Figure 112014109004250-pct00006
으로 감소시키는 것은 가열기 존들 Zij에 대한 온도 편차를 줄이기 때문이다.
전력 공급 라인들에 의해서 전달되는 최대 전류를 줄이는 것의 이점들은 보다 작은 전력 공급부, 전력 공급 라인의 보다 작은 풋프린트, 및 전력 공급 라인들에 의해서 전달된 전류들에 의해서 생성된 보다 낮은 자계들을 포함한다.
또한, 기술된 방식들은, 제어기 (500) 가 각 가열기 존 (101) 에 대해서 계산된 τ 동안에 해당 전력 공급 라인 (201) 에 접속된 이 가열기 존 (101) 과 전력 공급부 (510) 간의 접속을 유지하는 동안인 기간 T 동안에 제어기 (550) 가 전기적 접지부와 해당 전력 복귀 라인 (202) 간의 접속을 한번 유지하도록 수정될 수도 있다.
검출가능한 온도 변화를 방지하기 위해서, 바람직하게는 각 가열기 존이 빈번하게 (적어도 1 Hz로) 어드레싱되도록 스위칭 주파수 및 전체 멀티플렉싱 방식이 충분하게 신속하다.
가열 플레이트 내의 각 가열기 존을 제어하고 전력을 공급하도록 구성된 제어기 및 가열기 존들의 어레이를 갖는 가열 플레이트를 위한 시간-도메인 멀티플렉싱 방식들이 그의 특정 실시예들을 참조하여서 세부적으로 기술되었지만, 다양한 변경 및 수정이 첨부된 청구항의 범위 내에서 이루어지고 그의 균등범위도 채용될 수 있다는 것은 본 기술 분야의 당업자에게 자명하다.

Claims (10)

  1. 반도체 프로세싱 장치에서 반도체 기판을 지지하는데 사용되는 기판 지지 어셈블리용 가열 플레이트를 동작시키는 방법으로서,
    상기 가열 플레이트는 제 1 전기적으로 절연성인 층, M 개의 전기적으로 도전성인 전력 공급 라인들, N 개의 전기적으로 도전성인 전력 복귀 라인들, 및 평면형 가열기 존들 (planar heater zones) 의 어레이를 포함하며,
    상기 평면형 가열기 존들 각각 Zij은 i 번째 전력 공급 라인 및 j 번째 전력 복귀 라인에 접속되며, 1 ≤ i ≤ M, 1 ≤ j ≤ N 이며 i 및 j는 정수이고,
    상기 평면형 가열기 존 Zij은 하나 이상의 가열기 요소들 및 다이오드를 포함하고, 상기 다이오드가 상기 j 번째 전력 복귀 라인으로부터 상기 평면형 가열기 존 Zij을 통해서 상기 i 번째 전력 공급 라인으로의 방향으로의 역방향 전류 흐름을 차단하도록 상기 다이오드는 상기 i 번째 전력 공급 라인과 상기 j 번째 전력 복귀 라인 간에서 상기 평면형 가열기 존 Zij에 직렬로 접속되며,
    상기 평면형 가열기 존들은 상기 제 1 전기적으로 절연성인 층에 걸쳐서 수평으로 (laterally) 분포되며 상기 반도체 기판에 대한 공간적 온도 프로파일을 튜닝하도록 동작가능하며,
    2 개의 평면형 가열기 존들이 i 번째 전력 공급 라인과 j 번째 전력 복귀 라인의 동일한 쌍에 접속되지 않으며,
    상기 방법은,
    (a) 상기 평면형 가열기 존들의 어레이의 평면형 가열기 존 Zij이 기간 τij 동안에 전력 공급부에 의해서 전력을 공급받은 후에 그의 설정점 온도에 도달하도록, 상기 평면형 가열기 존 Zij의 실제 온도 또는 추정 온도와 설정점 온도 간의 차에 기초하여서 상기 평면형 가열기 존 Zij에 대한 상기 기간 τij 을 계산하는 단계;
    (b) 기간 Ti 동안에 상기 i 번째 전력 공급 라인과 상기 전력 공급부 간의 접속을 유지하는 단계;
    (c) 상기 기간 τij 동안에 상기 j 번째 전력 복귀 라인과 전기적 접지부 간의 접속을 유지함으로써, 상기 기간 Ti 동안에 상기 i 번째 전력 공급 라인에 접속된 상기 평면형 가열기 존 Zij에 전력을 공급하는 단계;
    (d) 모든 기간들 τij 이 동시에 시작되지 않도록 모든 정수 값들 j에 대해서 단계 (c) 를 반복하는 단계로서, 1 ≤ j ≤ N인, 상기 반복하는 단계; 및
    (e) 모든 정수 값들 i에 대해서 단계 (c) 및 단계 (d) 를 반복하는 단계로서, 1 ≤ i ≤ M인, 상기 반복하는 단계를 포함하는, 가열 플레이트 동작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    N은 2 내지 100 내에 포함되는 정수이며,
    M은 2 내지 100 내에 포함되는 정수인, 가열 플레이트 동작 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    Figure 112014109004250-pct00007
    이며,
    상기 단계 (d) 는 상기 평면형 가열기 존들 Zij 중 하나만이 Ti 동안의 임의의 미리 정해진 시간에 전력을 공급받도록 상기 i 번째 전력 공급 라인에 접속된 각 평면형 가열기 존 Zij에 순차적으로 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는, 가열 플레이트 동작 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    Figure 112018033346215-pct00008
    이며,
    상기 기간 τij 는 상기 기간 Ti 의 시작점에 대하여 시점 αij 에서 시작하고 시점 βij 에서 종료되며,
    상기 단계 (d) 에서, 상기 αij 및 βij 는 하기 규칙들에 따라서 결정되는, 가열 플레이트 동작 방법:
    (i) αi1 = 0 ;
    (ii) (αi(j+1) + τi(j+1)) ≤ Ti 이면, αi(j+1) = βij 이고 βi(j+1) = (αi(j+1) +τi(j+1)) 이고; 그리고
    (iii) (αi(j+1) + τi(j+1)) > Ti 이면, τi(j+1)을 αi(j+1) 와 Ti 간의 일 기간 및 0 과 (αi(j+1) + τi(j+1) - Ti ) 간의 다른 기간으로 분할함.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (d) 는 하나 이상의 기간들 τij 을 일 기간 Ti 으로부터 다음 기간 Ti 으로 이동시키는 단계를 더 포함하는, 가열 플레이트 동작 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (c) 는
    Figure 112018033346215-pct00009
    이도록 Ti를 조절하는 단계를 더 포함하며,
    상기 단계 (d) 는 상기 평면형 가열기 존들 Zij 중 하나만이 Ti 동안의 임의의 미리 정해진 시간에 전력을 공급받도록 상기 i 번째 전력 공급 라인에 접속된 각 평면형 가열기 존 Zij 에 순차적으로 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는, 가열 플레이트 동작 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 평면형 가열기 존 Zij 의 추정 온도는 상기 평면형 가열기 존 Zij 의 실시간 피드백에 기초한 모델 기반 방식으로 계산되는, 가열 플레이트 동작 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 평면형 가열기 존 Zij 의 추정 온도는 이전에 측정된 캘브레이션 데이터 (calibration data) 에 기초하여 계산되는, 가열 플레이트 동작 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 평면형 가열기 존 Zij 의 추정 온도는, 해당 평면형 가열기 존 Zij 에 대한 상기 기간 τij 의 계산이 이전의 기판 처리 프로세스들의 피드포워드 효과들 (feed forward effects) 을 고려하도록 선행 캘리브레이션들로부터 유도된 모델의 결과에 기초하여서 내삽 방식으로 (in an interpolated fashion) 계산되는, 가열 플레이트 동작 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 평면형 가열기 존 Zij 의 추정 온도는, 해당 평면형 가열기 존 Zij 에 대한 상기 기간 τij 의 계산이 이후의 기판 처리 프로세스들의 피드포워드 효과들을 고려하도록 선행 캘리브레이션들로부터 유도된 모델의 결과에 기초하여서 내삽 방식으로 계산되는, 가열 플레이트 동작 방법.
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