KR102110268B1 - 열 시스템 - Google Patents

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KR102110268B1
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제이콥 린들리
칼 스완손
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와틀로 일렉트릭 매뉴팩츄어링 컴파니
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Abstract

열 시스템은, 다수의 저항기 회로(Rn)를 형성하는 복수의 저항기 회로를 포함한다. 열 시스템은 또한, 복수의 저항기 회로를 연결하고 다수의 노드(Nn)를 형성하는 복수의 노드를 갖는다. 복수의 전력 와이어는 복수의 노드 각각에 연결되고, 복수의 전력 와이어는 다수의 전력 와이어(Pn)를 형성한다. 복수의 신호 와이어가 복수의 노드 각각에 연결되어 저항기 회로 각각의 온도를 감지하며, 복수의 신호 와이어가 다수의 신호 와이어(Sn)를 형성한다. 전력 와이어(Pn)의 수와 신호 와이어(Sn)의 수는 노드의 수(Nn)와 같고, 저항기 회로(Rn)의 수는 노드의 수(Nn) 이상이다.

Description

열 시스템 {THERMAL SYSTEM}
본 개시내용은 히터 시스템 및 이 시스템과 관련된 제어 장치에 관한 것으로, 특히, 반도체 공정에 사용하기 위한 척(chuck) 또는 서셉터(susceptor)와 같은 그러한 응용들에서 열 손실 및/또는 다른 변동을 보상하기 위해 작동 중에 가열 목표에 정확한 온도 프로파일을 전달할 수 있는 히터 시스템에 관한 것이다.
이 섹션의 설명은 단지 본 개시내용과 관련된 배경 정보를 제공하며 종래 기술을 구성하지 않을 수 있다.
반도체 공정 분야에서, 예를 들어, 척 또는 서셉터는 기판(또는 웨이퍼)을 유지하고 공정 동안 기판에 균일한 온도 프로파일을 제공하는데 사용된다. 도 1을 참조하면, 정전 척을 위한 지지 조립체(10)가 예시되며, 이는 내장된 전극(14)을 갖는 정전 척(12) 및 전형적으로 실리콘 접착제인 접착제 층(18)을 통해 정전 척(12)에 접합되는 히터 플레이트 또는 타겟(16)을 포함한다. 히터(20)는 히터 플레이트 또는 타겟(16)에 고착된다. 이때 히터는, 일예로, 에칭된 포일(etched-foil) 히터일 수 있다. 이 히터 조립체는 다시 전형적으로 실리콘 접착제인 접착제 층(24)을 통해 냉각 플레이트(22)에 접합된다. 기판(26)은 정전 척(12) 상에 배치되고, 전극(14)은 기판(26)을 제위치에 유지하게 하는 정전력을 발생시키도록 전압원(voltage source)(도시되지 않음)에 연결된다. 무선 주파수(RF) 또는 마이크로파 전원(power source)(도시되지 않음)은 지지 조립체(10)를 둘러싸는 플라즈마 반응기 챔버 내의 정전 척(12)에 연결될 수 있다. 따라서, 히터(20)는 플라즈마 강화 막(plasma enhanced film) 증착 또는 에칭을 포함하는 다양한 챔버 내(in-chamber) 플라즈마 반도체 공정 단계들 동안 기판(26) 상에 온도를 유지하기 위해 필요한 열을 제공한다.
기판(26)의 모든 공정 단계 동안, 전체 공정 시간을 감소시키면서, 에칭되는 기판(26) 내의 공정 편차들을 감소시키기 위해서, 정전 척(12)의 온도 프로파일이 꼭맞게 제어되는 것이 중요하다. 기판 상의 온도 균일성을 개선하기 위한 개선된 디바이스 및 방법은 다른 응용들 중에서 반도체 공정 분야에서 지속적으로 요망되고 있다.
본 개시내용은 히터 시스템 및 이 시스템과 관련된 제어 장치에 관한 것으로, 특히, 반도체 공정에 사용하기 위한 척(chuck) 또는 서셉터(susceptor)와 같은 그러한 응용들에서 열 손실 및/또는 다른 변동을 보상하기 위해 작동 중에 가열 목표에 정확한 온도 프로파일을 전달할 수 있는 히터 시스템을 제공하는 것이다.
열 어레이 시스템(thermal array system)은 제 1 종단 단부(termination end) 및 제 2 종단 단부를 각각 갖는 복수의 저항기 회로(resistor circuit)를 포함하며, 여기서 복수의 저항기 회로는 다수의 저항기 회로(Rn)를 형성한다. 열 시스템은, 또한, 제 1 및 제 2 종단 단부들 각각에서 복수의 저항기 회로를 연결하는 복수의 노드를 가지며, 여기서 복수의 노드는 다수의 노드(Nn)를 형성한다. 복수의 전력 와이어는 복수의 노드 각각에 연결되어 복수의 저항기 회로에 전력을 제공하며, 여기서 복수의 전력 와이어는 다수의 전력 와이어(Pn)를 형성한다. 복수의 신호 와이어가 복수의 노드 각각에 연결되어 복수의 저항기 회로 각각의 온도를 감지하며, 여기서 복수의 신호 와이어가 다수의 신호 와이어(Sn)를 형성한다. 전력 와이어(Pn)의 수와 신호 와이어(Sn)의 수는 노드의 수(Nn)와 같고, 저항기 회로(Rn)의 수는 노드의 수(Nn) 이상이다.
히터 시스템은 가열 타겟과 가열 타겟에 고착된 히터를 포함한다. 히터는 복수의 저항기 회로(resistor circuit)를 가지며, 저항기 회로 각각은 제 1 종단 단부 및 제 2 종단 단부를 가지며, 복수의 저항기 회로는 다수의 저항기 회로(Rn)를 형성한다. 히터 시스템은, 또한, 제 1 및 제 2 종단 단부들 각각에서 복수의 저항기 회로를 연결하는 복수의 노드를 가지며, 여기서 복수의 노드는 다수의 노드(Nn)를 형성한다. 복수의 전력 와이어는 복수의 노드 각각에 연결되어 복수의 저항기 회로에 전력을 제공하며, 여기서 복수의 전력 와이어는 다수의 전력 와이어(Pn)를 형성한다. 복수의 신호 와이어가 복수의 노드 각각에 연결되어 복수의 저항기 회로 각각의 온도를 감지하며, 여기서 복수의 신호 와이어가 다수의 신호 와이어(Sn)를 형성한다. 전력 와이어(Pn)의 수와 신호 와이어(Sn)의 수는 노드의 수(Nn)와 같고, 저항기 회로(Rn)의 수는 노드의 수(Nn) 이상이다.
적용 가능성의 추가의 영역은 본원에 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명 및 특정 예는 단지 예시의 목적을 위해 의도된 것이지 본 개시내용의 범주를 제한하고자 하는 것이 아니다.
본 개시내용에 따르면, 히터 시스템 및 이 시스템과 관련된 제어 장치에 있어서, 특히, 반도체 공정에 사용하기 위한 척(chuck) 또는 서셉터(susceptor)와 같은 그러한 응용들에서 열 손실 및/또는 다른 변동을 보상하기 위해 작동 중에 가열 목표에 정확한 온도 프로파일을 전달할 수 있게 된다.
개시내용이 잘 이해될 수 있도록, 첨부된 도면을 참조로 예시로서 주어진 그의 다양한 형태가 이제 설명될 것이다.
도 1은, 종래 기술의 정전 척의 측면 입면도이다.
도 2a는, 튜닝 층을 가지며 본 개시내용의 일 형태의 원리에 따라 구성된 히터의 부분 측면도이다.
도 2b는, 튜닝 층 또는 튜닝 히터를 가지며 본 개시내용의 원리에 따라 구성된 다른 형태의 히터의 분해 측면도이다.
도 2c는, 본 개시내용의 원리에 따른 튜닝 히터용의 18 개의 존 및 베이스 히터용의 일예의 4 개의 존을 위한 예시적인 히터의 분해 사시도이다.
도 2d는, 보조 튜닝 층을 가지며 본 개시내용의 원리에 따라 구성되는 고정밀(high definition) 히터 시스템의 다른 형태의 측면도이다.
도 3은, 4 개의 노드를 갖는 본 개시내용의 원리에 따른 열 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 4는, 3 개의 노드를 갖는 본 개시내용의 원리에 따른 열 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 5는, 본 개시내용의 원리에 따라 제어 시스템에 연결된 도 2의 열 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 6은, 본 개시내용의 원리에 따라 제어 시스템에 연결된 도 3의 열 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 7은, 본 개시내용의 원리에 따라 하나 이상의 관심 영역에서 온도를 감지하기 위한 3 개의 노드와 보조 감지 와이어를 갖는 열 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 8은, 열 어레이를 제어하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 9는, 본 개시내용의 원리에 따라 도 3, 도 4, 및 도 7의 열 시스템을 제어하기 위한 제어 시스템을 예시하는 개략도이다.
본원에서 설명된 도면은 단지 예시 목적들일 뿐이며 본 개시내용의 범주를 어떠한 방식으로든 제한하고자 하는 것은 아니다.
다음의 설명은, 본질적으로 단지 예시적인 것이며, 본 개시내용, 응용 또는 용도를 제한하고자 하는 것은 아니다. 예를 들어, 본 개시내용의 다음 형태는 반도체 공정 및 일부 예에서, 정전 척에 사용하기 위한 척에 관한 것이다. 그러나, 본원에 제공된 히터 및 시스템은 다양한 응용에 사용될 수 있고 반도체 공정 응용에 제한되지 않는다는 것으로 이해되어야 한다. 도면 전체에 걸쳐, 대응하는 참조 번호는 동일하거나 대응하는 부분 및 특징을 나타낸다는 것이 이해되어야 한다.
도 2a를 참조하면, 본 개시내용의 일 형태는 적어도 하나의 히터 회로(54)가 내부에 내장된 베이스 히터 층(52)을 포함하는 히터(50)이다. 베이스 히터 층(52)은 히터 회로(54)를 전원 공급 장치(도시되지 않음)에 연결하기 위해 내부에 형성된 적어도 하나의 구멍(aperture)(56)(또는 통로)을 갖는다. 베이스 히터 층(52)은 1차 가열을 제공하는 한편, 도시된 바와 같이 베이스 히터 층(52)에 인접하게 배치된 튜닝 층(60)은 히터(50)에 의해 제공되는 열의 분배를 미세튜닝하는 기능을 한다. 튜닝 층(60)은 내부에 내장된 복수의 튜닝 층 가열 소자(62)를 포함하며, 이 요소는 독립적으로 제어된다. 적어도 하나의 구멍(64)이 튜닝 층(60)을 통해 형성되며, 이를 통해 복수의 튜닝 층 가열 소자(62)가 전원 공급장치 및 제어기(도시 생략)에 연결된다. 추가로 도시된 바와 같이, 라우팅 층(66)은 베이스 히터 층(52)과 튜닝 층(60) 사이에 배치되며, 내부 공동(68)을 형성한다. 제 1 세트의 전기 리드(70)는 전원 공급 장치에 히터 회로(54)를 연결하며, 이는 히터 층의 구멍(56)을 통해 연장된다. 제 2 세트의 전기 리드(72)는 복수의 튜닝 층 가열 소자(62)를 전원 공급 장치에 연결하고, 베이스 히터 층(52)의 구멍(55) 이외에도, 라우팅 층(66)의 내부 공동(68)을 통해 연장한다. 라우팅 층(66)은 선택 사항이며, 히터(50)는 라우팅 층(66) 없이 사용될 수 있고, 베이스 히터 층(52) 및 튜닝 층(60)만을 가질 수 있다.
또 다른 형태에서, 튜닝 층(60)이 열 분배의 미세 튜닝을 제공하기보다는, 교대로 사용되어 척(12) 내의 온도를 측정할 수 있다. 이 형태는 온도 의존 저항 회로의 복수의 영역별(area-specific) 또는 이산(離散)된 위치(discreet location)들에 대비할 수 있다. 이들 각각의 온도 센서는 멀티플렉싱 스위칭 배열체(multiplexing switching arrangement)를 통해 개별적으로 판독될 수 있어, 각각의 개별 센서를 측정하는데 필요한 신호 와이어의 수에 대해 실질적으로 더 많은 센서가 사용될 수 있다. 이는 미국 특허 출원 제 13/598,956 호(이는 본 출원과 양수인이 동일하며, 그 개시내용은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다)에 나타나 있다. 온도 감지 피드백은 제어 결정에 필요한 정보를 제공할 수 있으며, 예를 들어, 기판(26)으로부터 척(12)으로의 열 유속(heat flux)을 조절하기 위해, 이면(backside) 냉각 가스 압력의 특정 존을 제어하기 위한 필요한 정보를 제공할 수 있다. 이러한 동일한 피드백은, 또한, 보조 냉각 유체 열 교환기를 통해 히터 회로(54) 또는 밸런싱 플레이트 냉각 유체 온도(도시 생략)의 온도 제어를 위해 베이스 히터 층(52) 근처에 설치된 온도 센서를 대체하거나 증강시키는데 사용될 수 있다.
하나의 형태에서, 베이스 히터 층(52) 및 튜닝 층(60)은 매체 온도 적용을 위해 폴리이미드 재료로 히터 회로(54) 및 튜닝 층 가열 소자(62)를 둘러싸는 것으로 형성되는데, 일반적으로 이 온도는 250 ℃ 미만이다. 또한, 폴리이미드 재료에는 열 전도도를 증가시키기 위한 재료들이 도핑될 수 있다.
다른 형태에서, 베이스 히터 층(52) 및/또는 튜닝 층(60)은 적층(layered) 공정에 의해 형성되며, 여기서, 그 층은, 특히 후막(thick film), 박막(thin film), 열용사(thermal spraying) 또는 졸-겔(sol-gel)과 연관된 프로세스를 사용하여, 기판 또는 다른 층에 재료의 도포 또는 누적을 통해 형성된다.
일 형태에서, 히터 회로(54)는 인코넬®로 형성되고 튜닝 층 가열 소자(62)는 니켈 재료이다. 또 다른 형태에서, 튜닝 층 가열 소자(62)는, 히터로서 그리고 온도 센서로서 기능 모두를 수행하는, 즉 "2-와이어 제어(two-wire control)"라는 기능을 수행하는, 충분한 저항 온도 계수를 갖는 재료로 형성된다. 이러한 히터 및 그 재료는 미국 특허 번호 제 7,196,295 호 및 제 8,378,266 호에 개시되어 있으며, 이들은 본 출원과 양 수인이 동일하며, 이들의 개시내용은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
2-와이어 제어와 함께, 본 개시내용의 다양한 형태는 튜닝 층(60)에서 개별 요소 각각에 인가되며, 제 1 예에서, 이들 요소 각각으로부터 출력된 열 유속에 동일하게 그리고 제 2 예에서, 요소 온도에 대한 공지된 관계에 대응하는 곱셉 및 나눗셈을 통해 전력 및 저항으로 변환되는 전압 및/또는 전류의 지식 또는 측정을 통해 튜닝 층 가열 소자(62)에 대한 온도, 전력, 및/또는 열 임피던스 기반 제어를 포함한다. 이들을 함께 사용하여 각각의 요소 상의 열 임피던스 부하를 계산하고 모니터링하여 조작자 또는 제어 시스템이 사용 또는 유지 보수, 공정 오류 및 장비 성능저하로 인한 척 또는 챔버의 물리적 변화(그러나, 이것으로 제한하는 것은 아님) 또는 그로 인한 결과일 수 있는 영역-특정 열 변화를 감지하고 보상하게 할 수 있다. 대안으로, 열 임피던스 튜닝 층(60)에서 개별적으로 제어되는 가열 소자 각각은, 동일하거나 상이한 특정 온도에 대응하는 세트 포인트 저항을 할당받을 수 있으며, 이 온도는 그 다음에, 베이스 히터 층(52)을 통해 기판 상의 대응 영역으로부터 기원하는 열 유속을 수정하거나 개방하여 반도체 공정 동안 기판 온도를 제어한다.
일 형태에서, 히터(50)는 예를 들어, 실리콘 접착제 또는 심지어 감압 접착제(pressure sensitive adhesive)를 사용함으로써 척(51)에 접합된다. 따라서, 베이스 히터 층(52)은 1차 가열을 제공하고, 튜닝 층(60)은 균일하거나 또는 원하는 온도 프로파일이 척(51) 그리고 이에 따라 기판(도시되지 않음)에 제공되도록 가열 프로파일을 미세하게 튜닝 또는 조절한다.
본 개시내용의 다른 형태에서, 튜닝 층 가열 소자(62)의 열 팽창 계수(CTE)는 변형 부하에 노출될 때 튜닝 층 가열 소자(62)의 열 민감도(thermal sensitivity)를 향상시키기 위해 튜닝 층(60) 기판의 CTE에 일치한다. 2-와이어 제어에 적합한 많은 재료는 온도 및 변형 모두에 대한 저항 민감도를 포함하여 저항 온도 디바이스(Resistor Temperature Device)(RTD)와 유사한 특성을 나타낸다. 튜닝 층 가열 소자(62)의 CTE를 튜닝 층(60) 기판에 일치시키는 것은, 실제 가열 소자의 변형을 감소시킨다. 그리고, 작동 온도가 증가함에 따라, 변형 레벨이 증가하는 경향이 있으므로 CTE 매칭은 요인이 더 많아지게 된다. 일 형태에서, 튜닝 층 가열 소자(62)는 대략 15 ppm/℃의 CTE를 갖는 고순도 니켈-철 합금이고, 이를 에워싸는 폴리이미드 재료는 대략 16 ppm/℃의 CTE를 갖는다. 이러한 형태에서, 튜닝 층(60)을 다른 층에 접합시키는 재료는 튜닝 층(60)을 척(51)의 다른 부재로부터 물리적으로 분리시키는 탄성 특성을 나타낸다. 비교 가능한 CTE를 갖는 다른 재료가 또한 본 개시내용의 범주 내에서 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이제, 도 2b 내지 도 2d를 참조하면, 베이스 히터 층 및 튜닝 층(일반적으로, 도 2a에서 상기 제시된 바와 같음) 양자 모두를 갖는 히터의 예시적인 일 형태가 예시되어 있고 일반적으로 참조 부호(80)로 표시되어 있다. 히터(80)는, 일 형태로서 두께가 대략 16 mm인 알루미늄 플레이트인, 베이스 플레이트 또는 타겟(82)(또한, 냉각 플레이트로 지칭됨)을 포함한다. 베이스 히터(84)는 도시된 바와 같이 탄성중합체 접합 층(86)을 사용하여 일 형태로 베이스 플레이트 또는 타겟(82)에 고착된다. 탄성중합체 접합은, 미국 특허 제 6,073,577 호(이는 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함됨)에서 개시된 것일 수 있다. 기판(88)은 베이스 히터(84)의 상부에 배치되고 본 개시내용의 일 형태에 따라 대략 1 mm 두께의 알루미늄 재료이다. 기판(88)은 베이스 히터(84)로부터 필요한 양의 전력을 소산시키기 위해 열 전도도를 갖도록 설계된다. 베이스 히터(84)가 필요한 양의 열 전도도없이 상대적으로 높은 전력을 갖기 때문에, 이 베이스 히터(84)는 인접한 구성요소 상에서 (저항성 회로 트레이스로부터) "감시(witness)" 마크를 남겨 이에 의해 전체 히터 시스템의 성능을 저하시킬 것이다.
튜닝 히터(90)는 기판(88)의 상부에 배치되고 상기 제시된 바와 같이 탄성중합체 접합 층(94)을 사용하여 척(92)에 고착된다. 일 형태의 척(92)은 대략 2.5 mm의 두께를 갖는 산화 알루미늄 재료이다. 본원에서 제시된 바와 같은 재료 및 치수는 단지 예시적인 것이며, 이에 따라서 본 개시내용은 본원에서 제시된 바와 같은 특정 형태로 제한되지 않는 것이 이해되어야 한다. 게다가, 튜닝 히터(90)는 베이스 히터(84)보다 낮은 전력을 가지며, 그리고 전술된 바와 같이, 기판(88)은 "감시(witness)" 마크가 튜닝 히터(90) 상에 형성되지 않도록 베이스 히터(84)로부터 전력을 소산시키도록 기능한다.
베이스 히터(84) 및 튜닝 히터(90)는 도 2c에서 보다 상세히 도시되며, 이 도면에서, 예시적인 4 개의 존이 베이스 히터(84)를 위해 도시되고 18 개의 존이 튜닝 히터(90)를 위해 도시된다. 하나의 형태에서, 히터(80)는 450 mm의 척 크기와 함께 사용하도록 적응되지만, 히터(80)는 열 분포를 고도로 맞추는 그의 능력 때문에 더 크거나 더 작은 척 크기로 사용될 수 있다. 게다가, 고정밀 히터(80)는 본원에서 예시된 바와 같이 적층식/평면식 구성 대신에, 척의 주변부 둘레에 또는 척을 가로지르는 미리 정해진 위치에 사용될 수 있다. 또한 여전히, 고정밀 히터(80)는 반도체 공정 장비 내의 다른 구성요소 중에서 프로세스 키트, 챔버 벽, 덮개, 가스 라인 및 샤워헤드에 사용될 수 있다. 또한, 본원에 예시되고 설명된 히터 및 제어 시스템은 수많은 응용들에서 사용될 수 있으며, 이에 따라, 예시적인 반도체 히터 척 응용이 본 개시내용의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다는 것이 이해되어야 한다.
본 개시내용은, 또한, 베이스 히터(84) 및 튜닝 히터(90)가 가열 기능으로 제한되지 않는다는 것을 고려한다. "베이스 기능 층" 및 "튜닝 층"으로 각각 지칭되는, 이들 부재들 중 하나 이상의 부재는 대안으로, 본 개시내용의 범주 내에서 유지되는 동안 온도 센서 층 또는 다른 기능 부재일 수 있음이 이해되어야 한다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 이중 튜닝 능력은 척(12)의 상부 표면 상에 2차 튜닝 층 히터(99)를 포함하면서 제공될 수 있다. 2차 튜닝 층은 본 개시내용의 범주 내에서 유지되는 동안 가열 층 대신에 온도 감지 층으로 교대로 사용될 수 있다. 이에 따라, 수많은 튜닝 층 히터가 사용될 수 있으며 본원에서 예시되고 설명된 것으로 제한되지 않아야 한다. 다음에서 제시된 바와 같은 열 어레이는, 본 개시내용의 범주 내에서 유지되는 동안 층상 또는 다른 구성이든지 간에, 단일 히터 또는 다중 히터와 함께 사용될 수 있음이 또한 이해되어야 한다.
도 3을 참조하면, 도 2a 내지 도 2d에서 설명된 바와 같은 열 어레이 시스템에서 사용하기 위한 열 시스템(100)이 도시되어 있다. 열 시스템(100)은 6 개의 저항기 회로(102, 104, 106, 108, 110, 및 112)를 포함한다. 게다가, 열 시스템(100)은 4 개의 노드(114, 116, 118 및 120)를 포함한다. 저항기 회로(102, 104, 106, 110, 및 112) 각각은 저항성 가열 소자(resistive heating element)를 가질 수 있다. 저항성 가열 소자는 층상 가열 소자, 에칭된 포일 요소, 또는 와이어 권취 요소로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
6 개의 저항기 회로(102, 104, 106, 108, 110, 및 112) 각각은 저항기 회로(102, 104, 106, 108, 110, 및 112) 각각의 대향 단부에 2 개의 종단 단부를 갖는다. 보다 구체적으로, 저항기 회로(102)는 종단 단부(122 및 124)를 갖는다. 저항기 회로(104)는 종단 단부(126 및 128)를 갖는다. 저항기 회로(106)는 종단 단부(130 및 132)를 갖는다. 저항기 회로(108)는 종단 단부(134 및 136)를 갖는다. 저항기 회로(110)는 종단 단부(138 및 140)를 갖는다. 마지막으로, 저항기 회로(112)는 종단 단부(142, 144)를 갖는다.
이 예에서, 저항기 회로(102)의 종단 단부(124), 저항기 회로(110)의 종단 단부(138), 및 저항기 회로(104)의 종단 단부(128)는 노드(114)에 연결된다. 저항기 회로(102)의 종단 단부(122), 저항기 회로(112)의 종단 단부(144), 및 저항기 회로(108)의 종단 단부(136)는 노드(122)에 연결된다. 저항기 회로(106)의 종단 단부(132), 저항기 회로(110)의 종단 단부(140), 및 저항기 회로(108)의 종단 단부(134)는 노드(118)에 연결된다. 마지막으로, 저항기 회로(102)의 종단 단부(122), 저항기 회로(112)의 종단 단부(144), 및 저항기 회로(108)의 종단 단부(136)는 노드(120)에 연결된다.
노드(114, 116, 118, 120) 각각은 그로부터 돌출되는 2개의 와이어를 갖는다. 와이어들 중 하나는, 노드에 전압을 제공하는 전력 와이어인 한편, 다른 와이어는 저항기 회로(102, 104, 106, 108, 110, 및 112)에 걸친 저항을 나타내는 신호를 수신하기 위한 신호 와이어이다. 회로(102, 104, 106, 108, 110, 및 112)에 걸친 저항은, 저항기 회로 각각의 온도를 판정하는데 사용될 수 있다. 신호 와이어는 백금 재료로 만들어질 수 있다.
여기서, 노드(114)는 전력 와이어(146) 및 그로부터 돌출하는 신호 와이어(148)를 갖는다. 노드(116)는 전력 와이어(150) 및 그로부터 돌출하는 신호 와이어(152)를 갖는다. 노드(118)는 그로부터 돌출하는 신호 와이어(156) 내에 전력 와이어(154)를 갖는다. 마지막으로, 노드(126)는 전력 와이어(158) 및 그로부터 돌출하는 신호 와이어(160)를 갖는다. 이들 와이어 모두는 이 설명에서 후술될 제어 시스템에 연결될 수 있다.
전력 와이어(146, 150, 154, 및 158)에 선택적으로 전력 또는 접지 신호를 제공함으로써, 저항기 회로(102, 104, 106, 108, 110 및 112) 각각을 통해 전류가 전달될 수 있고, 이에 의해 전류가 저항기 회로(102, 104, 106, 108, 110, 및 112)를 통해 통과할 때 열을 생성한다.
하기 표 1은, 노드(114, 116, 118, 및 120) 각각의 전력 라인(146, 150, 154, 및 158)에 제공된 전력 또는 접지 신호의 각각의 조합을 예시한다. 표 1에 도시된 바와 같이, 열 회로(heating circuit)가 열 어레이 시스템 가열을 제공하는 것을 제어하는 유연성이 존재한다.
Figure 112019081336027-pat00001
도 4를 참조하면, 열 시스템(200)의 다른 예가 도시되어 있다. 열 시스템(200)은 저항기 회로(202, 204, 및 206)를 포함한다. 이전과 마찬가지로, 저항기 회로 각각은 저항기 회로의 양 단부에 위치된 2개의 종단 단부를 갖는다. 보다 구체적으로, 저항기 회로(202)는 종단 단부(208 및 210)를 가지며, 저항기 회로(204)는 종단 단부(212 및 214)를 가지는 한편, 저항기 회로(206)는 종단 단부(216 및 218)를 갖는다.
시스템(200)은 노드(220, 222, 및 224)를 포함한다. 노드(220)에는 저항기 회로(202 및 206)의 종단 단부(208 및 218)가 각각 연결된다. 노드(222)에는 저항기 회로(202 및 204)의 종단 단부(210 및 212)가 각각 연결된다. 마지막으로, 노드(224)에는 저항기 회로(204 및 206)의 종단 단부(214 및 216)가 각각 연결된다. 도 3에서 설명된 예와 같이, 노드(220, 222, 및 224) 각각은 그로부터 돌출하는 2 개의 와이어를 가지며, 이는 제어 시스템에 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 노드(220)는 전력 와이어(226) 및 그로부터 돌출하는 신호 와이어(228)를 갖는다. 노드(222)는 전력 와이어(230) 및 그로부터 돌출하는 신호 와이어(232)를 갖는다. 마지막으로, 노드(224)는 전력 와이어(234) 및 그로부터 돌출하는 신호 와이어(236)를 갖는다.
이렇게 하여, 제어 시스템은 전력 와이어(226, 230, 및 234) 각각에 전력 또는 접지 신호를 선택적인 방식으로 제공할 수 있다. 유사하게, 제어 시스템은 신호 와이어(228, 232, 236)을 사용함으로써 노드(220, 222 및 224) 사이의 저항을 선택적으로 측정함으로써 저항기 회로(202, 204, 및/또는 206) 중 임의의 저항기 회로 사이의 저항을 측정할 수 있다. 전술된 바와 같이, 저항기 회로(202, 204, 및 206)에 걸친 저항을 측정하는 것은 저항기 회로(202, 204, 및/또는 206)의 온도를 판정하는데 유용하다.
하기 표 2는, 각각, 노드(220, 222, 224)에 대한 전력 라인(226, 230, 234)에 제공되는 전력 또는 접지 신호의 각각의 조합을 예시한다. 표 2에 도시된 바와 같이, 열 회로(heating circuit)가 열 어레이 시스템을 가열하는 것을 제공하는 것을 제어하는 유연성이 존재한다.
Figure 112019081336027-pat00002
노드 및 저항기 회로의 다수의 상이한 조합 중 어느 하나가 활용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 전술된 바와 같이, 도 3 및 도 4에 주어진 예는 단지 2 가지 유형의 예이며, 다수의 상이한 노드 및/또는 저항기 회로 중 어느 하나를 포함하는 다수의 상이한 구성 중 어느 하나일 수 있다.
일반적으로, 복수의 저항기 회로는 다수의 저항기 회로(Rn)를 형성한다. 복수의 노드는 다수의 노드(Nn)를 형성한다. 복수의 전력 와이어는 복수의 노드 각각에 연결되어 복수의 저항기 회로에 전력을 제공하며, 여기서 복수의 전력 와이어는 다수의 전력 와이어(Pn)를 형성한다. 복수의 신호 와이어는 복수의 저항기 회로 각각의 온도를 감지하기 위해 복수의 노드 각각에 연결된다. 복수의 신호 와이어는 다수의 신호 와이어(Sn)를 형성한다. 전력 와이어(Pn)의 수와 신호 와이어(Sn)의 수는 노드의 수(Nn)와 같고, 저항기 회로(Rn)의 수는 노드의 수(Nn) 이상이다.
도 5를 참조하면, 도 3의 열 시스템(100)이 제어 시스템(300)에 결합된 것으로 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 제어 시스템(300)은 메모리(304)와 통신하는 프로세서(302)를 갖는다. 메모리(304)는 다수의 상이한 기능들 중 어느 하나의 기능을 수행하도록 프로세서(302)를 구성하는 명령을 포함할 수 있다.
이들 기능은 열 시스템(100)의 전력 라인(146, 150, 154, 및/또는 158)에 전력을 제공하거나 신호 라인(148, 152, 156 및/또는 160)을 측정하는 것을 포함할 수 있다. 제어 시스템은, 또한, 신호 와이어에 연결된 감지 소자를 포함할 수 있으며, 여기서, 감지 소자는 열전대(thermocouple) 또는 저항 온도 검출기(resistance temperature detector)이다.
이 예에서, 전력 라인들(146, 150, 154, 및 158)뿐만 아니라 신호 라인들(148, 152, 156, 및 160)은 제어 시스템(300)에 직접 연결되고 그리고 따라서 전력 또는 측정 신호들을 수용하기 위해 제어 시스템(300)의 프로세서(302)와 통신한다. 물론, 프로세서(302)를 구성하는 명령은 프로세서 내에 또는 원격 저장 위치에 저장될 수 있고 반드시 메모리(304)에 저장되는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다.
도 6를 참조하면, 도 4의 열 시스템(200)이 제어 시스템(400)에 결합된 것으로 도시되어 있다. 제어 시스템(300)과 마찬가지로, 제어 시스템(400)은 프로세서(402)뿐만 아니라 프로세서(402)와 통신하는 메모리(404)를 포함한다. 메모리(404)는, 열 시스템(200)의 전력 라인(226, 230 및 234)에 전력을 제공하는 것을 포함하는 다수의 상이한 기능 중 어느 하나를 프로세서가 수행하도록 구성하기 위한 명령을 포함할 수 있다. 게다가, 명령은 열 시스템(200)의 신호 와이어(228, 232 및 236)에 걸친 측정을 수행하도록 프로세서를 구성할 수 있다. 물론, 프로세서(402)를 구성하는 명령은 프로세서 내에 또는 원격 저장 위치에 저장될 수 있고 반드시 메모리(404)에 저장되는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다.
도 7를 참조하면, 열 시스템(500)의 다른 예가 도시되어 있다. 여기서, 열 시스템(500)은 도 4의 열 시스템(200)과 유사하다. 그러나, 열 시스템(500)은 추가의 보조 신호 와이어를 포함하는데, 이는 이후의 단락에서 설명될 것이다. 열 시스템(200)과 마찬가지로, 열 시스템(500)은 저항기 회로(502, 504 및 506)를 포함한다. 이전과 마찬가지로, 저항기 회로 각각은 저항기 회로의 양 단부에 위치된 2개의 종단 단부를 갖는다. 보다 구체적으로, 저항기 회로(502)는 종단 단부(508 및 510)를 가지며, 저항기 회로(504)는 종단 단부(512 및 514)를 가지는 한편, 저항기 회로(506)는 종단 단부(516 및 518)를 갖는다.
시스템(500)은 노드(520, 522, 및 524)를 포함한다. 노드(520)에는 저항 회로(502 및 506)의 종단 단부(508 및 518)가 각각 연결된다. 노드(522)에는 저항기 회로(502 및 504)의 종단 단부(510 및 512)가 각각 연결된다. 마지막으로, 노드(524)에는 저항기 회로(504 및 506)의 종단 단부(514 및 516)가 각각 연결된다. 도 4에서 설명된 실시예와 같이, 노드(520, 522, 524) 각각은 그로부터 돌출하는 2 개의 와이어를 갖는다. 보다 구체적으로, 노드(520)는 전력 와이어(526) 및 그로부터 돌출하는 신호 와이어(528)를 갖는다. 노드(522)는 전력 와이어(530) 및 그로부터 돌출하는 신호 와이어(532)를 갖는다. 마지막으로, 노드(524)는 전력 와이어(534) 및 그로부터 돌출하는 신호 와이어(536)를 갖는다.
이렇게 하여, 제어 시스템은 시스템(200)에 대해 상기 표에 도시된 바와 같이 전력 와이어(526, 530 및 534) 각각에 전력 또는 접지 신호를 선택적인 방식으로 제공할 수 있다. 유사하게, 제어 시스템은 신호 와이어(528, 532, 536)을 사용함으로써 노드(520, 522 및 524) 사이의 저항을 선택적으로 측정함으로써 저항기 회로(502, 504, 및/또는 506) 중 임의의 저항기 회로 사이의 저항을 측정할 수 있다. 전술된 바와 같이, 저항기 회로(502, 504, 및 506)에 걸친 저항을 측정하는 것은 저항기 회로(502, 504, 및/또는 506)의 온도를 판정하는데 유용하다.
그러나, 시스템(500)은 또한, 저항기 회로(502)에 연결된 보조 신호 와이어(538)를 포함할 수 있다. 보조 신호 와이어(538)는 본 명세서에 설명된 제어 시스템에 연결될 수 있으며, 관심 존(540)에서 저항, 그리고 따라서 온도의 측정을 허용할 것이다. 추가로 또는 대안으로, 하나 또는 그 초과의 보조 신호 와이어는 다수의 상이한 관심 존 중 어느 하나의 관심 존의 온도를 모니터링하기 위해 임의의 저항기 회로에 연결될 수 있다. 예를 들어, 시스템(500)은 또한, 저항기 회로(506)에 연결된 보조 신호 와이어(542 및 544)를 포함할 수 있다. 이들 보조 신호 와이어(542 및 544)는 노드(520 및 524) 사이에 있는 관심 존(546)에서의 온도 측정을 허용하는 제어 시스템에 연결될 수 있다.
이렇게 하여, 다수의 상이한 보조 와이어 중 어느 하나의 보조 와이어가, 다수의 관심 존의 온도를 모니터링하는 것을 허용하도록 저항기 회로에 연결될 수 있다. 또한, 하나 이상의 보조 와이어의 사용은 도 3에 도시된 예와 같이 본원에서 설명된 임의의 예에서 사용될 수 있다.
이제, 도 8을 참조하면, 열 시스템을 제어하기 위한 방법(600)이 제공된다. 이 방법(600)은 설명된 임의의 열 어레이 시스템을 제어하여 활용될 수 있으며 설명된 임의의 제어 시스템에 의해 실행될 수 있다. 이 방법은 블록(610)에서 시작한다. 블록(612)에서, 제어기는 어레이의 각 저항기 회로에 대한 세트 포 포인트를 계산한다. 예를 들어, 그 저항기 회로에 대해 측정된 저항이 그 저항기 회로에 전력을 제공하는 것을 중단시키는 트리거로서 사용될 수 있도록 저항기 회로 각각에 대해 저항 세트 포인트가 설정될 수 있다. 블록(614)에서, 저항기 회로 각각에 대한 시간 윈도우가 계산된다. 시간 윈도우는 특정 저항기 회로에 전력을 공급하도록 할당된 시간일 수 있다. 비록, 저항기 회로 저항(resistor circuit resistance)이 세트 포인트를 초과한다면, 제어기는 나머지 시간 윈도우 동안 휴면 상태로(dormant) 남아 있거나 다음 윈도우로 직접 이동하여 다음 저항기 회로에 전력을 공급할 수 있다. 그러나, 측정 목적들을 위해 전력이 시스템에 지속적으로 제공되지 않도록 저항기 회로 각각에 대한 최소 대기 시간을 갖는 것이 바람직할 수 있으며, 이에 의해 가열 응용에 필요한 것 이상의 요소를 가열한다.
블록(616)에서, 제어기는 시간 윈도우의 종료가 현재 저항기 회로에 도달하였는지의 여부를 판정한다. 시간 윈도우의 종료가 현재 저항기 회로에 도달하였다면, 방법은 블록(622)으로 라인(620)을 따른다. 블록(622)에서, 제어기는 어레이 내의 다음 저항기 회로로 증가하고 프로세스가 계속되는 블록(616)으로 진행한다. 시간 윈도우의 종료에 도달하지 않았다면, 방법은 블록(624)으로 라인(618)을 따른다. 블록(624)에서, 제어기는, 동시에, 저항기 회로에 전력을 제공하고 저항기 회로의 전기적 특성을 측정할 수 있다. 블록(626)에서, 제어기는 저항기 회로가 측정된 특성에 기초하여 저항기 회로 세트 포인트를 초과했는지의 여부를 판정한다. 세트 포인트가 초과되었다면, 방법은 타이밍 윈도우가 완료될 때까지 대기하거나, 약간의 지연 후에, 라인(628)을 따라 블록(622)으로 진행할 수 있다. 블록(622)에서, 저항기 회로는 다음 저항기 회로로 증가되고 프로세스는 블록(616)으로 진행한다. 저항기 회로가 측정된 특성에 기초하여 세트 포인트를 초과하지 않았다면, 프로세스는 프로세스가 계속되는 블록(616)으로 라인(630)을 따른다.
설명된 제어기, 제어 시스템 또는 엔진들 중 어느 하나가 하나 이상의 컴퓨터 시스템에서 구현될 수 있다. 하나의 예시적인 시스템이 도 9에 제공된다. 컴퓨터 시스템(700)은 상기 논의된 방법에서 설명된 것과 같은 명령을 실행하기 위한 프로세서(710)를 포함한다. 명령은, 예를 들어, 메모리(712) 또는 저장 장치(714), 예컨대 디스크 드라이브, CD 또는 DVD와 같은 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다. 컴퓨터는 디스플레이 디바이스(718), 예를 들어, 컴퓨터 모니터 상에 텍스트 또는 그래픽 디스플레이를 발생시키기 위해서 명령에 응답하는 디스플레이 제어기(716)를 포함할 수 있다. 게다가, 프로세서(710)는 네트워크 제어기(720)와 통신하여, 다른 시스템, 예를 들어 다른 범용 컴퓨터 시스템에 데이터 또는 명령을 통신할 수 있다. 네트워크 제어기(720)는 근거리 통신망, 광역 통신망, 인터넷 또는 다른 보편적으로 사용되는 네트워크 토폴로지를 포함하는 다양한 네트워크 토폴로지를 통해 정보를 처리하거나 원격 액세스를 제공하기 위해 이더넷 또는 다른 공지된 프로토콜을 통해 통신할 수 있다.
당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 상기 설명은 본 발명의 원리의 구현의 예시를 의미한다. 이 설명은, 하기 청구범위에 정의된 바와 같이, 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 본 발명이 수정, 변형 및 변경에 영향을 받기 쉽다는 점에서 본 발명의 범주 또는 응용을 제한하고자 하는 것은 아니다.

Claims (14)

  1. 열 시스템으로서,
    각각 제 1 종단 단부 및 제 2 종단 단부를 가지는 복수의 가열 저항기 회로의 어레이;
    상기 제 1 및 제 2 종단 단부들 각각에서 상기 복수의 가열 저항기 회로의 어레이와 연결되는 복수의 노드;
    상기 복수의 가열 저항기 회로의 어레이에 전력을 제공하는 복수의 전력 와이어; 및
    상기 복수의 전력 와이어와 구별되어 별개로 구비되고, 상기 복수의 가열 저항기 회로 각각의 온도를 감지하는 복수의 신호 와이어;를 포함하고,
    상기 복수의 노드 각각은 상기 복수의 전력 와이어 중 하나의 전력 와이어 및 상기 복수의 신호 와이어 중 하나의 신호 와이어에 연결되는 것을 특징으로 하는, 열 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 전력 와이어에 연결되고, 상기 전력 와이어를 통하여 상기 복수의 가열 저항기 회로 중 적어도 하나에 전력을 제공하도록 구성된, 제어 시스템; 을 더 포함하는, 열 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 전력 와이어를 통하여 상기 복수의 노드에 전력 또는 접지 신호를 선택적으로 인가하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 열 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 복수의 신호 와이어에 결합되고, 상기 신호 와이어를 통하여 상기 가열 저항기 회로 각각의 저항을 측정하며, 상기 측정된 저항을 기반으로 상기 가열 저항기 회로 각각의 온도를 계산하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 열 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 보조 신호 와이어를 더 포함하고, 상기 제 1 보조 신호 와이어는 상기 가열 저항기 회로의 상기 제 1 및 제 2 종단 단부들 사이의 위치에서 상기 가열 저항기 회로에 연결되어 상기 제 1 보조 신호 와이어와 신호 와이어 사이의 상기 가열 저항기 회로의 일부분의 온도를 감지하는 것을 특징으로 하는, 열 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제 2 보조 신호 와이어를 더 포함하고, 상기 제 2 보조 신호 와이어는 상기 가열 저항기 회로의 상기 제 1 및 제 2 종단 단부들 사이의 위치에서 상기 가열 저항기 회로에 연결되어 상기 제 1 보조 신호 와이어와 상기 제 2 보조 신호 와이어 사이의 상기 가열 저항기 회로의 일부분의 온도를 감지하는 것을 특징으로 하는, 열 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 저항기 회로의 수는 상기 전력 와이어의 수와 같거나 크며, 상기 신호 와이어의 수와 같거나 큰 것을 특징으로 하는, 열 시스템.
  8. 열 시스템으로서,
    각각 제 1 종단 단부 및 제 2 종단 단부를 가지는 복수의 가열 저항기 회로의 어레이;
    상기 제 1 및 제 2 종단 단부들 각각에서 상기 복수의 가열 저항기 회로의 어레이와 연결되는 복수의 노드;
    상기 복수의 가열 저항기 회로의 어레이에 전력을 제공하는 복수의 전력 와이어;
    상기 복수의 전력 와이어와 구별되어 별개로 구비되고, 상기 복수의 가열 저항기 회로 각각의 온도를 감지하는 복수의 신호 와이어; 및
    상기 복수의 전력 와이어 및 상기 신호 와이어에 연결된 제어 시스템;을 포함하고,
    상기 복수의 노드 각각은 상기 복수의 신호 와이어 중 하나의 신호 와이어에 연결되고,
    상기 제어 시스템은 상기 전력 와이어를 통하여 상기 복수의 노드에 전력을 제공하고 상기 신호 와이어를 통하여 상기 가열 저항기 회로의 온도를 감지하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 열 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 가열 저항기 회로 각각에 대한 세트 포인트를 설정하며, 상기 세트 포인트를 기반으로 상기 가열 저항기 회로의 전력을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 열 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 신호 와이어를 통하여 상기 가열 저항기 회로 각각의 저항을 측정하며, 상기 측정된 저항을 기반으로 상기 가열 저항기 회로 각각의 온도를 계산하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 열 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 가열 저항기 회로 각각에 대한 저항 세트 포인트를 설정하며, 상기 저항 세트 포인트를 기반으로 상기 가열 저항기 회로의 전력을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 열 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 가열 저항기 회로 각각에 대한 시간 윈도우를 설정하며, 상기 시간 윈도우는 상기 가열 저항기 회로에 전력을 공급하도록 할당된 시간인 것을 특징으로 하는, 열 시스템.
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가열 타겟에 고착된 히터; 및
    상기 히터에 인접하게 배치된 적어도 하나의 튜닝 층; 을 더 포함하고,
    상기 히터 및 상기 적어도 하나의 튜닝 층은 상기 복수의 가열 저항기 회로 중 적어도 하나의 가열 저항기 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열 시스템.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 전력 와이어의 수 및 상기 신호 와이어의 수는 상기 노드의 수와 같으며,
    상기 가열 저항기 회로의 수는 상기 노드의 수와 같거나 큰 것을 특징으로 하는, 열 시스템.
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