KR20010015662A - 일체식 베이크 및 냉각 플레이트 - Google Patents

일체식 베이크 및 냉각 플레이트 Download PDF

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KR20010015662A
KR20010015662A KR1020007003375A KR20007003375A KR20010015662A KR 20010015662 A KR20010015662 A KR 20010015662A KR 1020007003375 A KR1020007003375 A KR 1020007003375A KR 20007003375 A KR20007003375 A KR 20007003375A KR 20010015662 A KR20010015662 A KR 20010015662A
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후맨 보란디
아비 테프맨
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조셉 제이. 스위니
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Abstract

재료 기판에 적용된 일체식 베이크 및 냉각 열 사이클링을 제공하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 상기 장치는 나선형 배열을 취하고 있는 하나 이상의 유체 채널로 일체식 베이크 및 냉각 플레이트를 포함하는 모듈이다. 상기 유체 채널은 일체식 베이크 및 냉각 플레이틔 중심부 및 주변부 부근에 입구 및 출구를 갖는다. 부가적으로, 유체 채널은 채널 부분을 통해 마이크로 채널을 가질 수 있다. 모듈은 하나 이상의 열전기 장치, 기판이 직접 또는 간적적으로 놓여진 열 도전성 플레이트, 인쇄 회로 기판, 및 가변 전력 공급원을 포함한다. 일체식 베이크 및 냉각 플레이트, 열 도전성 플레이트 및 열전기 장치는 모두 서로 열 접촉하고 있다. 열전기 장치는 또한 가변 전력 공급원과 전기 접촉하고 있으며, 상부 플레이트, 바닥 플레이트, 상기 상부 및 바닥 플레이트 사이에 위치된 지지부, 및 전기 접촉을 발생하기 위해 바닥 플레이트 아래에 위치된 하나 이상의 구리 패드를 포함한다. 모듈은 나선형상의 유체 채널을 통해 상이한 온도의 유체를 유동시키고, 미리프로그램밍된 사이클에 따라 열전기 장치의 온도를 조절함으로써 기판을 베이킹하고 냉각시킨다.

Description

일체식 베이크 및 냉각 플레이트 {INTEGRATED BAKE AND CHILL PLATE}
반도체 제조 단계중에 약간의 단계는 웨이퍼 등의 반도체 기판 재료를 베이킹 하는 단계와, 계속적으로 이를 냉각시키는 단계를 필요로 한다. 예를 들어, 반도체 제조의 포토레지스트 처리 상태는 베이킹 및 냉각, 또는 열 사이클링을 필요로 한다. 본 발명에 따른 일체식 회로 분야에 적합한 고 품질의 웨이퍼를 생성하기 위해서는, 열 사이클링 중에 웨이퍼의 온도는 베이크 및 냉각 주기의 일시적인 온도 프로파일, 및 기판을 가로지른 온도의 균일도에 대해 정확하게 제어되어져야 한다.
웨이퍼를 베이킹하고 냉각하기 위한 종래의 방법은 먼저 30 초 내지 90초 사이의 시간동안 70℃ 내지 250℃ 사이의 온도에서 웨이퍼를 베이킹한다. 웨이퍼를 베이킹 한 후에, 웨이퍼는 0℃ 내지 30℃ 사이의 온도로 냉각되는 냉각 플레이트로 기계식으로 이동된다.
그러나, 전술한 방법에는 몇가지 단점을 갖는다. 첫째, 고온 플레이트와 냉각 플레이트 사이에서 공기를 통한 웨이퍼의 이동으로 웨이퍼는 베이크 및 냉각 사이클 증에 제어불가능한 온도 변동을 겪게 된다. 또한, 웨이퍼를 베이크 및 냉각 플레이트 사이로 이동하기 위해 요구되는 시간은 열 사이클 사이의 매우 짧은 열 변동 시간을 인식하지 못하게 한다. 결국, 고온 플레이트로부터 냉각 플레이트로의 기계식 이동으로 웨이퍼는 오염될 수 있으며, 그렇지 않은 경우에는 웨이퍼를 손상시킨다.
개별 베이크 및 냉각 플레이트의 단점을 극복하기 위한 시도가 있어 왔다. 한 장치는 고온 플레이트를 거꾸로 위치시켜 냉각 플레이트 바로 위로 위치시키는 것이다. 웨이퍼가 냉각 플레이트로부터 고온 플레이트로 직접 상향으로 단거리만을 이동함으로 인해, 상기 장치는 베이킹 단계로부터 냉각 단계까지의 변동중에 정상적으로 나타나는 제어불가능한 불균일한 온도 변동을 감소시킨다. 그럼에도 불구하고, 웨이퍼가 개별 베이크 및 냉각 플레이트 사이에서 이동됨으로 인해, 웨이퍼는 열 사이클링 중에 제어되지 않는 불균일한 온도 변동을 겪게 된다. 더욱이, 물리적인 이동은 짧은 열 변동 시간을 방해한다. 결국, 웨이퍼는 오염인자에 노출되게 되거나, 또는 고온 플레이트로부터 냉각 플레이트까지의 물리적인 이동중에 손상된다.
따라서, 본 발명은 반도체 제조에 이용되는 웨이퍼 등의 기판 재료의 열 사이클링을 위한 개선된 장치를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명은 별개의 베이크 또는 냉각 플레이트 사이에 기판을 이동시킬 필요를 없애고 전체 베이킹 및 냉각 사이클을 통해 기판 온도의 개선된 연속 제어를 제공하는 열 사이클링 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 특성 및 잇점은 첨부된 명세서 및 도면으로부터 보다 명백해질 것이다.
본 발명은 일반적으로 재료 기판에 일체식의 베이크 및 냉각 열 사이클링을 제공하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세히 설명하면, 반도체 웨이퍼 및 평면 패널 디스플레이 등의 재료 기판의 제어된 열 사이클링을 제공하기 위해 개선된 유체 채널 및 구조적 설계를 갖춘 일체식 베이크 및 냉각 열 사이클링 모듈(integrated bake and chill thermal cycling module)에 관한 것이다.
본 발명의 잇점, 특성, 및 설계는 첨부된 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다. 도면에서 동일한 부재에는 동일한 참조부호가 사용된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에서 유체 채널의 배열을 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에서 일체식 베이크 및 냉각 플레이트 내의 유체 채널 및 구멍의 배열을 도시한 평면도이다.
본 발명은 웨이퍼 등의 기판을 베이킹하고 냉각시키기 위한 단일 열 도전성 플레이트를 제공하는 것이다. 이러한 기판은 전체 베이킹 및 냉각 사이클 중에 이동되지 않음으로 인해, 본 발명은 개별 베이크 및 냉각 플레이트 사이에서 기판의 이동과 관련된 문제점을 방지한다. 본 발명의 또 다른 특성은 기판을 베이킹하고 냉각시키기 위해 보다 얇은 플레이트를 이용하는 것이다. 보다 얇은 플레이트는 낮은 열 중량으로 인해 이전에 이용된 비교적 두꺼운 플레이트와 비교하여 잇점을 제공한다는 것이다. 따라서, 보다 얇은 플레이트는 보다 효율적인 열 전달을 제공한다.
본 발명에 따른 일체식 베이크 및 냉각 플레이트는 장방형, 정방형, 삼각형, 원형 또는 다른 형상의 패턴에서 중심점으로부터 주변부까지 감겨져 있는 하나 이상의 유체 채널을 포함한다. 이러한 유체 채널은 미리지정된 온도의 열 도전성 유체가 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 주변부에서 도입되고 중심부에서 배출되거나 또는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 중심부에서 도입되고 주변부에서 배출되도록 한다. 이러한 설계는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 주변부 대 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 중심에서 상이한 열 전달을 보상하는, 상이한 유동 및 역류 유동을 용이하게 한다. 또한, 일체식 베이크 및 냉각 플레이트는 유체 채널 부분을 통해 마이크로채널을 포함한다. 마이크로채널은 유체 채널 내에 보다 큰 압력 강하를 제공하여 그 결과 열 도전성 유체의 속도를 증가시킨다. 보다 큰 속도는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트 내에 불균일한 열 전달 영역의 전개를 억제한다. 부가적으로, 마이크로 채널은 일체식 베이크 및 냉각 플레이트에 강성을 부가하여, 이로 인해 냉각 플레이트의 뒤틀림의 가능성을 감소시킨다.
냉각 플레이트 온도의 정확성 및 균일도를 개선시키기 위해서는, 본 발명은 열 도전성 플레이트와 열 접촉하는 하나 이상의 열전기 장치(TEDs:thermoelectric devices)를 더 포함한다. 열 도전성 플레이트를 가열시키기 위해 열전기 장치가 신속하고 정확하게 조절됨으로 인해, 플레이트의 온도 제어를 개선시키며 플레이트의 온도 변형 시간을 단축시킨다. 더욱이, 전술한 열전기 장치의 조절과는 별도로 열전기 장치의 배열은 발생할 수 있는 기판 온도의 공간 불균일성을 보상한다. 선택적으로, 이러한 독립적인 제어는 특정 처리 목적이 요구되는 경우, 고의적인 온도 불균일도를 제공할 수 있다.
본 발명은 개별적으로 손상된 열전기 장치의 교체가 용이한 설계를 포함한다. 열전기 장치는 열전기 장치의 중심에 위치된 구멍을 통해 스크류 또는 볼트 등의 접속기로 부착된다. 이러한 설계는 열전기 장치와 가변 전력 공급원 사이의 전기 접속, 및 열 도전성 플레이트 및 각각의 열전기 장치 사이의 열접속을 또한 개선시킨다.
본 발명은 웨이퍼 등의 기판을 베이킹하고 냉각시키기 위한 단일 열 도전성 플레이트를 제공한다. 기판이 전체 베이킹 및 냉각 사이클 중에 이동되지 않으므로, 본 발명은 개별 베이크 및 냉각 플레이트 사이에서의 기판의 이동과 관련된 문제점을 방지할 수 있다. 본 발명의 또 다른 특성은 기판의 베이킹 및 냉각을 위해 보다 얇은 플레이트를 이용하는 것이다. 보다 얇은 플레이트는 낮은 열 중량으로 인해 이전에 이용된 비교적 두꺼운 플레이트와 비교하여 잇점을 제공한다. 따라서, 보다 얇은 플레이트는 보다 효율적인 열 전달을 제공한다.
도 1을 참조하면, 반도체 웨이퍼 또는 평면 패널 디스플레이 등의 기판(38)은 열 도전성 플레이트(30)와 열 접촉을 통해 베이킹되고 냉각된다. 열 접촉은 열 전달을 허용하기 위해 충분한 직접 열 접촉 또는 물리적인 근접을 포함한다. 열 접촉을 발생하기 위한 두가지 방법 즉, 기판을 도전성 플레이트로부터 대략 0.013-0.015 cm(0.05-0.06 inch)로 위치시키는 단계, 또는 기판을 도전성 플레이트에 대해 진공 라인, 정전기 클램프, 또는 중력으로 직접 고정시키는 단계를 포함하는 방법이 공지되어 있다. 본 발명이 물리적 근접 열 접촉을 이용한다 하더라도, 열 접촉의 공지된 방법중의 다른 방법이 이용될 수 있다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 열 도전성 플레이트(30)는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)과 열 접촉을 하기 위해 연장하는 바닥면으로부터 수직 연장부를 갖는다.
열 도전성 플레이트(30)는 바람직하게 0.3 또는 0.48 cm (1/8 또는 3/16 inch )두께의 알루미늄, 알루미늄 질화물, 또는 다른 적합한 세라믹 또는 금속 조각으로 제조된다. 보다 얇은 플레이트는 보다 얇은 플레이트의 낮은 열 중량으로 인해 이전에 이용된 비교적 두꺼운 플레이트와 비교하여 잇점을 제공하며, 보다 효율적인 열 전달을 제공한다. 열 도전성 플레이트(30)의 다른 측면 상에는 가열 가능한 열전기 장치(32) 배열이 위치된다. 열전기 장치(32)는 열 도전성 플레이트에 가해진 열의 양을 증가시키거나 감소시키기 위해 제어가능하다. 더욱이, 다수의 열전기 장치(32)가 이용되고 개별적으로 제어될 때, 도전성 플레이트(30) 및 기판(38)의 한 영역은 다른 영역으로부터 다른 방식으로 가열되거나 또는 냉각될 수 있다. 도전성 계면으로 작동하고 열 접촉을 증가시키기 위해 도전성 플레이트(30)와 열전기 장치(32) 사이에 열 그리스(thermal grease)가 위치될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 열전기 장치(32) 사이에는 공간이 존재하지 않는다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 열전기 장치 사이에 열 도전성 플레이트(30)의 수직 연장부가 열전기 장치 사이에 놓여져 있고 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)와 직접 접촉하도록 가변 공간을 갖는다.
열전기 장치(32) 층의 아래에는 열전기 장치(32) 및 열 도전성 플레이트(30)와 열 접촉하는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)가 놓여져 있다. 도 1에 도시된 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)가 수평면을 가로질러 장방형을 취하고 있으나, 냉각 플레이트(34)는 원형, 타원형, 또는 다른 형상을 취하고 있을 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)는 열 도전성 플레이트(30)의 수직 연장부를 수용하기 위해 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 상부면에 일체식으로 연결된 수용 리브를 가지며, 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34), 및 열 도전성 플레이트(30) 사이에 열 도전율을 개선시키고 도전성 플레이트(30)의 뒤틀림의 가능성을 감소시킨다. 바람직하게, 도전성 계면으로 작동하기 위해 열전기 장치(32)와 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34) 사이에 열 그리스가 위치된다.
바람직한 실시예에서, 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34) 아래에는 절연체 층(35)이 존재한다. 그리고 절연층(35)아래에는 인쇄 회로 기판(PCB:36)이 존재한다. 임의의 가변 전력원이 TEDs(32)에 연결될 수 있으나, 바람직한 실시예는 PCB(36)를 통해 TEDs(32)를 가변 전력 공급원에 연결시킨다. TEDs(32)는 PCB(36)에 의해 개별적으로 제어될 수 있다.
본 발명의 일체식 베이크 및 냉각 플레이트는 장방형, 정방형, 삼각형, 원형 또는 다른 기하학적 형상의 패턴 내에서 중심점으로부터 주변부까지 중심점 둘레로 감겨져 있는 하나 이상의 유체 채널을 포함하고 있다. 유체 채널은 미리지정된 온도의 열 도전성 유체가 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 주변부에서 도입되고 중심부에서 배출되거나, 또는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 중심부에서 도입되고 주변부에서 배출되도록 한다. 이러한 설계는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 주변부 대 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 중심부에서 상이한 열 전달을 보상하는 상이한 유동 및 역류 유동을 용이하게 한다. 또한, 일체식 베이크 및 냉각 플레이트는 유체 채널 부분을 통해 마이크로 채널을 포함할 수 있다. 마이크로 채널은 유체 채널 내에 보다 큰 압력 강하를 제공하며, 그 결과 열 도전성 유체의 속도를 증가시킨다. 보다 큰 속도는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트 내에 불균일한 열 전달의 개선을 억제한다. 부가적으로, 마이크로채널은 일체식 베이크 및 냉각 플레이트에 강성을 부가하여, 이로 인해 플레이트의 뒤틈림의 가능성을 감소시킨다.
도 2를 참조하면, 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)는 유체 채널(40A,40B) 및 유체 입구 및 유체 출구를 구비하고 있으며, 이를 통해 열 도전성 유체가 열 도전성 플레이트를 가열시키거나 냉각시키도록 유동된다. 플레이트(30)의 온도는 채널(40A,40B)을 통해 유동하는 유체의 온도에 의해 주로 결정된다. 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)는 대략 2.54-3.81 cm(1 내지 1.5 inch)의 두께를 가지며, 구리 또는 알루미늄으로 구성된 금속과 같은 비교적 높은 열 도전율을 갖는 재료로 구성된다. 구리는 바람직한 열 특성을 가지나, 알루미늄은 덜 비싸고 조작이 보다 간단하다. 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)는 상기 플레이트 내에 형성된 채널(40A,40B)을 구비한 하나의 고체 플레이트로 구성되거나, 또는 함께 가열되는 두개의 플레이트로 구성될 수 있다. 상기 플레이트는 플레이트 각각의 표면 상에 만입부가 형성되어 두개의 플레이트가 결합시 유체 채널(40A,40B)을 발생시킨다. 열 도전성 플레이트(30)의 온도는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)를 통해 유동하는 유체의 온도에 의해 주로 결정된다. 임의의 형태의 열 도전성 유체가 이용되나, 바람직한 유체는 저온수, 에틸렌 클리콜, 프로필렌 글리콜, 또는 FLUORINERTTM으로서, 미네소타 마이닝& 매뉴팩터링 코포레이션에 의해 제조된다. TEDs(32) 층은 열 도전성 플레이트(30)의 재선된 온도 제어를 제공하고 낮은 열 중량과 결합된 다른 유체 온도는 단일 플레이트(30)가 가열 및 냉각 목적에 이용되도록 한다.
도 2를 다시 참조하면, 채널(40A, 40B)은 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 중심부 및 주변부 부근에서 유체 입구 및 유체 출구를 갖추고 있다. 유체 입구 및 유체 출구는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트 또는 측면의 바닥면 상에 놓여져 있다. 바람직한 실시예에서, 유체 입구 및 유체 출구 둘레에는 집중된 열의 발생 위치를 방지하기 위한 측면 위에 놓여져 있으며, 중심부에서 바닥면 상에 놓여져 있다. 평행한 채널(40A,40B)은 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)의 중심부로부터 주변부까지 중심점 둘레로 점차적으로 연장됨에 따라 장방형의 나선형을 형성한다. 다른 나선 형상이 또한 적합하다. 이러한 설계는 유체 유동의 일부 상이한 패턴을 허용한다. 먼저, 유체는 일반적으로 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)의 주변부로부터 모든 채널의 중심부까지 유동하거나 또는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)의 중심부로부터 모든 채널의 주변부까지 유동한다. 부가적으로, 유체는 상이한 채널 내에서 반대 방향(역류)으로 유동될 수 있다. 이러한 유동의 선택사항은 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)의 온도가 변경될 수 있는 속도를 개선시키며, 신속한 가열 및 냉각을 허용하여, 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)을 가로지른 균일한 열 전달을 개선시킨다.
채널(40A,40B)은 또한 마이크로 채널(42)을 포함한다. 마이크로채널은 유체 채널을 통해 연장한다. 바람직하게, 마이크로채널(42)은 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)를 가로지른 열 전달 영역을 증가시키며, 뒤틀림을 감소시키기 위해 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)의 강성을 개선시키며, 그리고 보다 급속 가열 및 냉각, 그리고 총괄적으로 양호한 열 전달을 위해 채널을 통해 유체의 속도를 증가시킨다. 이상적으로, 마이크로채널은 유체 채널 내의 선택된 지점에서 불연속 상을 갖는다. 도시된 바람직한 실시예에서, 마이크로채널은 보다 균일한 열 전달을 위해 코너부에서 중단된다.
열 사이클링 모듈은 다중가변 피드백 제어기를 포함하는 피드백 제어 루프에 의해 바람직한 실시예에서 제어된다. 피드백 제어 루프는 기판의 온도 및 다양한 공정 변수를 스캐터로미터(scatterometer) 등의 공정 센서, 적외선(IR) 센서, 열전쌍 센서 등의 센서로 측정함으로써 열 사이클 중에 기판 온도를 조절한다. 센서는 기판의 특정 영역에서 특정 온도 및/또는 공정 변수를 감지하기 위해 위치될 수 있다. 예를 들어, 적외선 센서는 특정 기판 영역으로부터 적외선 복사를 탐지하기 위해 기판 위에 위치될 수 있다. 유사하게, 열전쌍 센서는 특정 기판 영역에서 기판 온도를 감지하기 위해 기판과 열접촉하여 위치될 수 있다. 열전쌍은 바람직하게 열 도전성 플레이트 내에 삽입된다. 기판 온도 및 공정 변수를 측정하기 위한 특정 기술이 공지되어 있다.
센서에 의해 전송된 전기 신호에 근거하여, 제어기 내의 마이크로프로세서는 TEDs 용 제어 신호를 계산하고 이를 TEDs(32) 및 제어기와 전기 접촉하는 가변 전력 공급원에 전송한다. 가변 전력 공급원은 마이크로프로세서로부터 수신된 제어 신호에 따라 TEDs를 통해 전유 유동을 변경시킨다. 마이크로프로세서는 계산하여 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)의 채널(40A,40B)을 통해 유체 유동을 제어하는 부가 제어 신호를 유체 공급원 및 밸브에 전송한다. 이때, 유체는 장시간의 주기에 걸쳐 전체 플레이트(30)의 온도를 대략 측정하기 위해 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)를 통해 유동하는 반면에, TEDs(32)는 특정 위치에서 플레이트의 온도의 국부적인 변동을 측정하며 단시간의 주기에 걸쳐 플레이트(30)의 온도를 측정한다.
일반적으로, 본 발명에 따른 장치는 소정의 열 사이클의 미리지정된 공정 변수를 상술함으로써 이용된다. 예를 들어, 제어기는 기판을 30℃에서 작동시키고, 기판을 60초동안 80℃로 신속하게 상승시키며, 그 후 30초동안 10℃로 냉각시키며, 30℃로 되돌아와 사이클이 종료된다. 상기 실시예에서, 제어기는 유체 공급원을 각각 80℃, 30℃, 및 10℃의 온도로 설정한다. 초기에, 제어기는 밸브를 선택된 유동 형태(일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)의 중심부로부터 주변부까지, 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)의 주변부로부터 중심부까지, 또는 일부 유체가 중심부로부터 주변부까지 유동하고 나머지 유체가 주변부로부터 중심부까지 유동하도록 변동됨)에서 일체식 베이크 및 냉각 플레이트를 통해 유동하도록 30℃ 유체만을 허용하도록 밸브를 설정한다. 임의의 센서가 30℃ 이외의 온도를 나타내면, 이때 제어기는 적절한 플레이트 영역을 적절하게 가열 또는 냉각시키기 위해서는 제어 신호를 가변 전력 공급원에 전송한다. 이러한 방식으로, 플레이트(30), 및 기판(38)의 온도는 균일한 소정 온도에서 동적으로 유지된다.
시간 내에 상술된 지점에서, 제어기는 온도를 30℃에서 80℃로 상승시키기 위해 변환 상태를 개시한다. 상기 지점에서, 제어기는 밸브가 선택된 유동 패턴에서 일체식 회로 및 냉각 플레이트를 통해 유동하기 위해 80℃ 에서만 유체가 유동하도록 한다. 보다 신속한 온도 반응을 달성하기 위해서는, 제어기는 도전성 플레이트를 급속 가열시키기 위해 TEDs(32)를 통해 전류를 전송하는 가변 전력 공급원(36)에 제어 신호를 전송한다. 센서가 80℃ 부근의 온도를 나타내면, 변환 상태는 완료되며 제어기는 80℃의 균일한 온도가 30℃에서 유지될 때와 동일한 방식으로 피드백을 통해 유지된다.
기판을 60초 동안 베이킹 한 후에, 제어기는 온도를 80℃에서 10℃로 상승시키기 위해 제 2 변환 상태를 개시한다. 이러한 지점에서, 제어기는 밸브가 선택된 유동 패턴에서 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)를 통해 유동하기 위해 10℃ 에서만 유체가 유동하도록 한다. 제어기는 플레이트를 급속 냉각하기 위해 TEDs(32)를 통해 전류를 전송하는 가변 전력 공급원에 제어 신호를 전송한다. 센서가 10℃의 온도를 지시하게 되면, 제 2 변환 상태는 완료되며, 제어기는 10℃의 균일한 온도가 피드백을 통해 유지되는 냉각 상태를 개시한다.
냉각 상태가 완료된 이후에, 제어기는 온도를 10℃에서 30℃로 상승시키기 위해 전술한 변환 상태와 유사한 방식으로 제 3 변환 상태를 개시한다. 제 3 변환이 완료될 때, 열 사이클은 완료된다.
당업자들은 다른 형태의 상태의 수 및 변환 수를 포함하는 다수의 상이한 열 사이클을 싱행하기 위해 제어기를 프로그래밍시킬 수 있다. 부가적으로 제어기는 전술한 실시예 또는 임의의 변형예를 실행하기 위해 당업자드에 의해 프로그래밍될 수 있다.
플레이트 온도의 정확성 및 균일도를 개선하기 위해서, 본 발명은 열 도전성 플레이트와 열 접촉하는 하나 이상의 열전기 장치(TEDs)를 추가로 포함한다. 열전기 장치가 플레이트를 가열시키기 위해 신속하고 정확하게 조절됨으로 인해, 열전기 장치는 플레이트 온도의 제어를 개선시키며, 단축된 플레이트 온도 변환 시간을 제공한다. 더욱이, 상기 제어와는 별도로, 열 전기 장치의 배열은 발생할 수 있는 기판 온도의 공간 불균일도을 보상한다. 선택적으로, 이러한 독립 제어는 특정 처리 목적에 따라 필요하다면 고의적인 온도 불균일도를 제공한다.
본 발명은 개별적으로 손상된 열전기 장치의 교체를 용이하게 하는 설계를 구비하고 있다. 열전기 장치는 열전기 장치의 중심부에 위치된 구멍을 통해 스크류 또는 볼트 등의 접속기에 부착된다. 이러한 설계는 열전기 장치와 가변 전력 공급원 사이의 전기 접속 및 열 도전성 플레이트와 각각의 열전기 장치 사이의 열 접속부를 개선시킨다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예인 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)가 열전기 장치(32), PCB(36), 및 열 도전성 플레이트(30)와 열 접촉 및 전기 접촉하는 방식을 도시하고 있다. 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34) 및 절연층(35)은 PCB(36)와 접기 접속을 발생하기 의해 각각의 열전기 장치(32)용으로 두개의 구멍 또는 보어를 구비하고 있음이 도시되어 있다. 이러한 구멍은 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34), 및 절연층(35)을 통해 연장하며 구리 또는 다른 적합한 금속으로 제조된 지지부(51)를 수용하기에 적합하다. 바람직한 지지부(51)는 가변 전력 공급원에 의해 전력을 공급받은 PCB(36)에 용접되고 그 내부로 삽입되도록 바닥에서 소 직경을 갖는 단면을 갖춘 원통형 구조물을 갖는다. 지지부(51)에 용접가능하고 가변 전력 공급원과 전기 접속을 일으키는 임의의 재료가 PCB(36) 대신에 이용될 수 있다. 스프링 장전 핀(53)이 열전기 장치(32)와 PCB(36), 및 지지부(51) 사이에 전기 접속을 발생시키기 위해 지지부에 삽입된다. 열전기 장치(32)의 바닥면 상에 구리 패드(56)가 놓여져 있어, 열전기 장치(32)가 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)에 체결될 때, 패드(56)는 스프링 장전 핀(53)을 PCB(36)에 용접된 지지부(51)로 감압시킴으로서 전기 접속부를 발생시킨다.
열전기 장치(32)는 고 전기 도전율을 갖는 세라믹 또는 다른 적절한 절연 장치로 제조된 하부 플레이트(52A)및 상부 플레이트(52B)를 포함한다. 두개의 플레이트는 구리 지지 구조물(54) 또는 다른 적합한 금속에 의해 연결되며 도 5에 도시되어진 바와 같이 함께 용접된다. 구리 패드(56)가 하부 플레이트(52A)의 바닥에 부착되어 있다. 도 5에 도시된 열전기 장치 설계가 바람직한 설계이지만, 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34) 및 각각의 열전기 장치를 가변 전력원에 연결하기 위한 전기 접속 수단이 적합하게 적용되면 임의 형태의 열전기 장치가 이용될 수 있다.
도 3에 도시되어진 것처럼, 열전기 장치(32)는 바람직하게 각각의 열전기 장치(32)의 중심부 내의 구멍을 통해 스크류, 볼트, 또는 다른 접속기(58)로 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)에 체결된다. 접속기(58)를 수용하기 위해 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34) 상에 대응 수용 구멍이 존재한다. 바람직한 실시예에서, 지지를 용이하게 하고 수직 이동을 허용하기 위해 벨빌 와셔(Belleville washer)가 이용된다. 부가적으로, 열전기 장치는 열전기 장치(32) 위에 놓여져 있는 열 도전성 플레이트(30)에 의해 체결된다. 열 그리스는 열 도전성 플레이트와 열전기 장치 사이, 및 열전기 장치와 일체식 베이크 및 냉각 플레이트 사이의 도전성 계면을 개선시키기 위해 열전기 장치의 상부 및 바닥 상에 위치될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 열 도전성 플레이트(30)는 스크류, 볼트, 또는 다른 접속기(55)로 PCB(36)에 연결된다. 접속기(55)는 상부 플레이트를 체결하기 위해 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34) 내의 구멍을 통해 이동한다. 진동 및 열 충격을 처리하기 위해 두개의 벨빌 와셔(56)가 서로 마주하여 이용될 수 있다. 유사하게, PCB(36)는 스크류, 볼트, 또는 다른 접속기(57)로 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)에 연결될 수 있다. 또한, 바람직한 실시예에서, 열 충격 및 진동을 처리하기 위해 두개의 벨빌 와셔(59)가 다른 하나 위에 하나는 뒤집혀 놓여져 이용될 수 있다.
도 4는 바람직한 실시예에서 유체의 이동을 위해 채널(40A,40B) 뿐만 아니라 모든 장착 구멍 및 열전기 장치 지지 구멍의 위치 및 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 평면도를 도시하고 있다. 구멍(62)은 열 도전성 플레이트(30)용 장착 구멍 위치이며 구멍(63)은 PCB(36)용 장착 구멍 위치이다. 구멍(64)은 열전기 장치 지지부(51)의 위치이며 구멍(64)은 열전기 장치(32)를 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)에 체결하는 접속기(58)에 대한 위치이다. 구멍(65)은 PCB(36) 상에 위치될 때 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)를 안내하기 위해 기구 핀을 수용한다. 바람직한 실시예에서, 유체 채널(40A,40B)은 열전기 장치(32) 및 지지부(51)를 수용하고 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)가 두개의 플레이트로 구성되고 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34), 및 열전기 장치(32) 사이의 열 전달 영역을 최대화하는 경우 두개의 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 브레이징을 용이하게 하기 위해 그 사이에 충분한 공간을 갖는다. 일체식 베이크 및 냉각 플레이트(34)의 표면을 덮기 위해 열전기 장치(32)의 바람직한 수는 14 x 14 행렬 내에 배열된 196 열전기 장치(32) 또는 10 x 10 행열 내에 배열된 100 열전기 장치(32)이다.

Claims (26)

  1. 일체식 베이크 및 냉각 플레이트에 있어서,
    적어도 한 표면이 열 도전성 재료로 구성되는 상부 및 하부 표면, 및 상기 상부 및 하부 표면 사이에 놓여진 하나 이상의 유체 도전성 채널을 포함하며,
    상기 유체 도전성 채널은 제 1 및 제 2 단부를 갖추고 있으며, 상기 단부들은 상기 채널의 안팎으로 유체를 도전시키기 위해 유체 입구 또는 유체 출구를 구비하고 있으며,
    상기 채널은 상기 상부 및 하부면 사이에 위치되어 상기 채널 중의 한 단부가 상기 플레이트의 중심으로부터 상기 플레이트의 주변부에 위치된 상기 채널의 다른 단부까지 나선형 배열로 연장하는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트.
  2. 제 1 항에 있어서, 다수의 열 도전성 채널을 더 포함하며, 상기 채널은 서로 평행하게 위치되며 한 단부에서 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 중심부로부터 다른 단부에서 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 주변부까지 나선형 배열로 연장하는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 상기 유체 도전성 채널은 상기 유체 도전성 채널 부분을 통해 연장하는 다수의 마이크로채널을 더 포함하는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트.
  4. 제 3항에 있어서, 다수의 유체 도전성 채널을 더 포함하며, 상기 채널은 서로 평행하게 위치되며 한 단부에서 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 중심부로부터 다른 단부에서 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 주변부까지 나선형 배열로 연장하는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트.
  5. 열 사이클링 모듈에 있어서,
    적어도 한 표면이 열 도전성 재료로 구성된 상부면 및 하부면, 및 상기 상부면과 하부면 사이에 놓여진 하나 이상의 유체 도전성 채널을 구비한 일체식 베이크 및 냉각 플레이트, 및
    상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트와 열 접촉하며 접속 수단에 의해 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트에 각각 제거가능하게 부착되어 있는 하나 이상의 열전기 장치를 포함하고 있으며,
    상기 유체 도전성 채널은 제 1 및 제 2 단부를 갖추고 있으며, 상기 단부는 상기 채널의 안팎으로 유체를 도전시키기 위해 유체 입구 또는 유체 출구를 구비하고 있으며,
    상기 채널은 상기 상부 및 하부면 사이에 위치되어 상기 채널 중의 한 단부가 상기 플레이트의 중심으로부터 상기 플레이트의 주변부에 위치된 상기 채널의 다른 단부까지 나선형 배열로 연장하는 열 사이클링 모듈.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 상기 유체 도전성 채널은 상기 유체 도전성 채널의 부분을 통해 연장하는 다수의 마이크로채널을 더 포함하는 열 사이클링 모듈.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트는 다수의 열 도전성 채널을 포함하며, 상기 채널은 서로 평행하게 위치되며 한 단부에서 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 중심부로부터 다른 단부에서 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 주변부까지 나선형 배열로 연장하는 열 사이클링 모듈.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 열전기 장치와 열 접촉하는 열 도전성 플레이트를 더 포함하는 열 사이클링 모듈.
  9. 제 8항에 있어서, 제 1 와셔, 제 2 와셔, 및 상부를 갖춘 접속 수단을 더 포함하며, 상기 접속 수단은 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트에 상기 열 도전성 플레이트를 제거가능하게 부착시키고, 상기 제 1 와셔는 상기 접속 수단 둘레와 그리고 상기 접속 수단 아래에 위치되며, 상기 제 2 와셔는 상기 접속 수단 둘레와 그리고 상기 제 1 와셔 및 상기 열 도전성 플레이트 사이에 위치되는 열 사이클링 모듈.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 열 도전성 플레이트는 바닥면 및 상기 열 도전성 플레이트의 상기 바닥면에 일체식으로 연결된 수직 연장부를 더 포함하며, 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트는 상부면 및 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 상기 상부면에 일체식으로 연결된 수직 리브를 더 포함하며, 상기 열 도전성 플레이트의 상기 수직 연장부는 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 상기 수직 리브와 열 접촉하는 열 사이클링 모듈.
  11. 제 6항에 있어서, 상기 열전기 장치와 열 접촉하는 열 도전성 플레이트를 더 포함하는 열 사이클링 모듈.
  12. 제 11항에 있어서, 제 1 와셔, 제 2 와셔, 및 상부를 갖춘 접속 수단을 더 포함하며, 상기 접속 수단은 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트에 상기 열 도전성 플레이트를 제거가능하게 부착시키고, 상기 제 1 와셔는 상기 접속 수단 둘레와 그리고 상기 접속 수단 아래에 위치되며, 상기 제 2 와셔는 상기 접속 수단 둘레와 그리고 상기 제 1 와셔 및 상기 열 도전성 플레이트 사이에 위치되는 열 사이클링 모듈.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 열 도전성 플레이트는 바닥면 및 상기 열 도전성 플레이트의 상기 바닥면에 일체식으로 연결된 수직 연장부를 더 포함하며, 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트는 상부면 및 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 상기 상부면에 일체식으로 연결된 수직 리브를 더 포함하며, 상기 열 도전성 플레이트의 상기 수직 연장부는 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 상기 수직 리브와 열 접촉하는 열 사이클링 모듈.
  14. 재료 기판을 베이킹하고 냉각시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 기판을 열 도전성 플레이와 열접촉하도록 위치시키는 단계와,
    상기 열 도전성 플레이트와 하나 이상의 열전기 장치 사이에 열을 교환하는 단계와,
    상기 열전기 장치와 일체식 베이크 및 냉각 플레이트 사이에 열을 교환하는 단계와,
    상이한 온도의 열 도전성 유체를 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트를 통해 나선형 배열로 유동시키는 단계와,
    소정의 공정 변수에 근거한 제어 신호를 계산하는 단계와,
    상기 계산된 제어 신호에 따라 전기 유동을 상기 열 전기 장치를 통해 변경시키는 단계와, 그리고
    상기 계산된 제어 신호에 따라 상기 유체의 유동을 변경시키는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 중심부로부터 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 주변부까지 나선형 배열로 유체가 유동하는 방법.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 주변부로부터 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 중심부까지 나선형 배열로 유체가 유동하는 방법.
  17. 제 14항에 있어서, 일부 유체는 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 주변부로부터 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 중심부까지 나선형 배열로 유동하며, 나머지 유체는 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 중심부로부터 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 주변부까지 나선형 배열로 유동하는 방법.
  18. 열전기 장치에 있어서,
    상부면 및 하부면을 갖는 상부 플레이트,
    상부면 및 하부면을 갖는 바닥 플레이트,
    상기 상부 플레이트의 하부면 및 상기 바닥 플레이트의 상부면과 열 접촉하며 그 사이에 놓여져 있는 지지부와, 그리고
    상기 바닥 플레이트의 하부면과 열접촉하며 그 아래에 위치된 하나 이상의 전기 도전성 패드를 포함하며,
    상기 상부 플레이트, 상기 바닥 플레이트, 및 상기 지지부는 접속 수단을 허용하기 위해 관통하는 통로를 형성하는 열전기 장치.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 상부 플레이트 및 상부 바닥 플레이트는 세라믹 재료로 구성되는 열전기 장치.
  20. 제 18항에 있어서, 상기 지지부는 구리 재료로 구성되는 열전기 장치.
  21. 제 18항에 있어서, 상기 패드는 구리 재료로 구성되는 열전기 장치.
  22. 재료 기판을 베이킹하고 냉각시키기 위한 열 사이클링 모듈에 있어서,
    적어도 한 표면이 열 도전성 재료로 구성된 상부면 및 하부면, 상기 상부면과 상기 하부면 사이에 위치된 하나 이상의 유체 도전성 채널을 갖는 일체식 베이크 및 냉각 플레이트,
    상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트와 열접촉하며 접속 수단에 의해 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트에 각각 제거가능하게 부착된 하나 이상의 열전기 장치,
    상기 열전기 장치와 열접촉하는 열 도전성 플레이트, 및
    상기 열전기 장치와 전기 접촉하는 가변 전력 공급원을 포함하며,
    상기 유체 도전성 채널은 제 1 및 제 2 단부를 갖추고 있으며, 상기 단부는 상기 채널의 안팎으로 유체를 도전시키기 위해 유체 입구 또는 유체 출구를 구비하고 있으며,
    상기 유체 도전성 채널은 관통 연장하는 다수의 마이크로 채널을 갖추고 있으며,
    상기 유체 도전성 채널은 상기 상부 및 하부면 사이에 위치되어, 상기 채널의 한 단부가 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 중심부로부터 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 주변부에 위치된 상기 채널의 다른 단부까지 나선형 배열로 연장하며,
    상기 열전기 장치는 상부면 및 하부면을 갖는 상부 플레이트, 상부면 및 하부면을 갖는 바닥 플레이트, 상기 상부 플레이트의 하부면과 상기 바닥 플레이트의 상부면과 열접촉하며 그 사이에 놓여진 지지부, 및 상기 바닥 플레이트의 하부면과 열접촉하며 그 아래에 위치된 하나 이상의 전기 도전성 패드를 갖추고 있으며,
    상기 상부 플레이트, 상기 바닥 플레이트, 및 상기 지지부는 접속 수단을 허용하기 위해 관통하는 통로를 형성하는 열 사이클링 모듈.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 가변 전력 공급원 및 열전기 장치와 전기 접촉하는 인쇄 회로 기판을 더 포함하는 열 사이클링 모듈.
  24. 제 24항에 있어서, 상부를 갖춘 접속 수단, 제 1 와셔, 및 제 2 와셔를 더 포함하며, 상기 접속 수단은 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트에 상기 인쇄 회로 기판을 제거가능하게 부착시키고, 상기 제 1 와셔는 상기 접속 수단 둘레와 그리고 상기 접속 수단 상부 아래에 위치되며, 상기 제 2 와셔는 상기 접속 수단 둘레와 그리고 상기 제 1 와셔와 인쇄 회로 기판 사이에 위치되는 열 사이클링 모듈.
  25. 제 22항에 있어서, 제 1 와셔, 제 2 와셔, 및 상부를 갖춘 접속 수단을 더 포함하며, 접속 수단은 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트에 상기 열 도전성 플레이트를 제거가능하게 부착시키고, 상기 제 1 와셔는 상기 접속 수단 둘레와 그리고 상기 접속 수단 상부 아래에 위치되며, 상기 제 2 와셔는 상기 접속 수단 둘레와 그리고 상기 제 1 와셔와 상기 열 도전성 플레이트 사이에 위치되는 열 사이클링 모듈.
  26. 제 22항에 있어서, 상기 열 도전성 플레이트는 바닥면 및 상기 열 도전성 플레이트의 상기 바닥면에 일체식으로 연결된 수직 연장부를 더 포함하며, 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트는 상부면 및 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 상기 상부면에 일체식으로 연결된 수직 리브를 더 포함하며, 상기 열 도전성 플레이트의 상기 수직 연장부는 상기 일체식 베이크 및 냉각 플레이트의 상기 수직 리브와 열 접촉하는 열 사이클링 모듈.
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