KR20180016676A - 정전 척 시스템 및 그것의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 정전 척 시스템은, 복수의 행 배선들과 복수의 열 배선들에 각각 매트릭스 형태로 연결되는 복수의 저항체들을 갖는 제 1 히터, 상기 제 1 히터의 하부에 형성되며, 동심원 또는 나선형으로 히터 전극이 형성되는 제 2 히터, 상기 제 2 히터의 하부에 형성되며, 상기 제 1 히터 또는 상기 제 2 히터를 냉각시키는 칠러, 그리고 상기 제 1 히터, 상기 제 2 히터, 그리고 상기 칠러를 제어하며, 상기 제 1 히터의 복수의 행 배선들과 상기 복수의 열 배선들을 시분할 방식으로 스위칭하여 상기 복수의 저항체들을 가열하기 위한 전력 펄스와, 선택된 행 배선들에 연결된 저항체들의 실시간 저항값 또는 온도를 모니터링하기 위한 검출 펄스를 제공하는 제어 유닛을 포함한다.

Description

정전 척 시스템 및 그것의 제어 방법{ELECTROSTATIC CHUCK AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 반도체 제조 장비에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 미세 영역에 대한 실시간 온도 제어가 가능한 정전 척(Electrostatic Chuck) 시스템 및 그것의 제어 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 장비들은 일반적으로 웨이퍼(Wafer)가 수용되는 챔버(Chamber) 내에 장착된다. 반도체 제조 공정에서 웨이퍼를 고정하는 작업은 필수적이다. 웨이퍼를 고정하기 위하여 클램프를 이용하거나 압력 차이를 이용할 수도 있다. 최근에는 웨이퍼에 대해 균일한 열처리가 가능하며, 파티클의 발생을 최소화할 수 있는 정전기력(Electrostatic force)을 이용하는 정전 척(Electrostatic Chuck: 이하, ESC)의 사용이 증가하고 있다.
특히, 반도체 공정에서 웨이퍼 내의 온도 균일도 향상을 위해 웨이퍼의 온도 산포를 균일하게 유지하는 것이 중요한 이슈로 대두되고 있다. 이러한 온도 산포의 균일성을 위해 정전 척(ESC)에는 히터(Heater)와 칠러(Chiller)를 포함하고 있다. 정전 척(ESC)의 특성상 히터 어레이(Heater array)에 발열을 위한 매트릭스(Matrix) 구조의 저항체가 배열된다. 그리고 각 저항체들은 다이오드(Diode)를 사용하여 물리적으로 인접 저항과의 전력 간섭 또는 전력 커플링을 차단하고 있다. 하지만, 정전 척(ESC)의 양산시 히터 어레이는 고온에서 소결해야 하고, 고온의 소결 온도에서 다이오드와 같은 반도체 소자의 특성은 소멸 또는 변형되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 매트릭스 구조로 저항체가 배열되는 히터 어레이에서, 반도체 소자의 사용없이 스위칭에 따른 인접 저항 간의 전력 간섭을 고려한 히터 어레이의 제어 방법을 제공하기 위한 것이다. 더불어, 본 발명의 목적은 히터 어레이의 미세 영역에 온도 제어가 가능한 전력 공급 방법을 제공하는데 있다. 그리고 본 발명의 목적은 실시간으로 가변되는 저항 소자의 특성 변화를 검출하고, 검출 결과를 이용하여 실시간으로 온도 제어 또는 전력 제어가 가능한 정전 척 시스템 및 그것의 제어 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 정전 척 시스템은, 복수의 행 배선들과 복수의 열 배선들에 각각 매트릭스 형태로 연결되는 복수의 저항체들을 갖는 제 1 히터, 상기 제 1 히터의 하부에 형성되며, 동심원 또는 나선형으로 히터 전극이 형성되는 제 2 히터, 상기 제 2 히터의 하부에 형성되며, 상기 제 1 히터 또는 상기 제 2 히터를 냉각시키는 칠러, 그리고 상기 제 1 히터, 상기 제 2 히터, 그리고 상기 칠러를 제어하며, 상기 제 1 히터의 복수의 행 배선들과 상기 복수의 열 배선들을 시분할 방식으로 스위칭하여 상기 복수의 저항체들을 가열하기 위한 전력 펄스와, 선택된 행 배선들에 연결된 저항체들의 실시간 저항값 또는 온도를 모니터링하기 위한 검출 펄스를 제공하는 제어 유닛을 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 정류 소자를 구비하지 않는 매트릭스 구조의 복수의 저항체들을 포함하는 히터 어레이를 제어하는 방법은, 상기 복수의 저항체들 각각의 상호 전력 커플링을 고려하여, 상기 복수의 저항체들 각각의 발열을 위한 필요 전력을 공급하기 위한 복수의 행 스위치들 및 복수의 열 스위치의 듀티 타임을 계산하는 단계, 상기 듀티 타임에 기반하여 상기 복수의 행 스위치들 및 상기 복수의 열 스위치들을 순차적으로 턴온하여 전력 펄스를 상기 복수의 저항체들에 인가하는 단계, 상기 복수의 저항체들 각각에 검출 펄스를 인가하는 단계, 그리고 상기 검출 펄스를 참조하여 상기 복수의 저항체들 각각의 실시간 저항값 또는 상기 복수의 저항체들 각각의 실시간 온도를 추정하는 단계를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 정전 척 시스템은, 매트릭스 형태로 연결되는 복수의 저항체들을 갖는 마이크로 히터와 동심원 또는 나선형으로 히터 전극이 형성되는 매크로 히터를 포함하는 정전 척, 그리고 상기 마이크로 히터 또는 상기 매크로 히터에 가열 전력을 제공하도록 제어하는 제어 유닛을 포함하되, 상기 제어 유닛은 상기 복수의 저항체들 간의 상호 전력 커플링을 고려한 시분할 전력 펄스를 제공하며, 상기 복수의 저항체들 각각의 특성 변화를 검출하기 위한 검출 펄스를 제공하고, 상기 검출 펄스에 대한 응답을 참조하여 상기 전력 펄스의 펄스 폭을 업데이트한다.
이상과 같은 본 발명의 실시 예에 따르면, 반도체 소자의 사용없이 타깃 영역 또는 타깃 포인트의 온도를 미세하게 조정할 수 있는 매트릭스 구조의 히터 어레이를 포함하는 정전 척(ESC) 시스템 및 그것의 제어 방법이 제공될 수 있다. 더불어, 실시간으로 가변되는 저항체의 특성 변화를 검출하고, 검출 결과를 이용하여 실시간으로 온도 제어 및 전력 제어가 가능한 정전 척 시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 정전 척 시스템(100)의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 정전 척(110)의 구조를 간략히 보여주는 입체도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 히터(120)와 마이크로 구동부(150)의 조합을 보여주는 회로도이다.
도 4는 도 3의 스위치들(SW_A, SW_1)의 턴온 상태에서 발생하는 다양한 전류 경로를 보여주는 등가 회로이다.
도 5는 도 3의 히터 어레이(121)의 전력 커플링의 양을 고려한 스위치 제어 신호(SCS_R, SCS_C)의 듀티 타임과 전체 전력(Pon), 그리고 저항체들 각각의 소모 전력과의 관계를 예시적으로 보여주는 행렬식이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 저항체들에 인가되는 전력 펄스를 보여주는 파형도이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 그리고 도 7d는 히터 어레이(121)에 검출 펄스(DP)를 인가하는 방법을 예시적으로 보여주는 회로도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 히터(120)의 구동 방법을 간략히 보여주는 순서도이다.
도 9는 도 8의 S120 단계를 구체적으로 보여주는 순서도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 마이크로 히터(120)의 구동 방법을 보여주는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 마이크로 히터(120')와 마이크로 구동부(150)의 조합을 보여주는 회로도이다.
도 12는 도 11의 구조를 갖는 마이크로 히터(120)를 제어하기 위한 전력 펄스의 듀티 타임을 나타내는 행렬식을 보여준다.
도 13은 본 발명의 마이크로 히터(120")의 다른 실시 예를 보여주는 회로도이다.
도 14는 도 13의 구조의 마이크로 히터(120")에서의 독립적인 2개의 히터 어레이들을 보여주는 회로도이다.
도 15 및 도 16은 마이크로 히터(120a)의 저항 배열의 다른 예를 보여주는 도면들이다.
앞의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두 예시적이라는 것이 이해되어야 하며, 청구된 발명의 부가적인 설명이 제공되는 것으로 여겨져야 한다. 참조 부호들이 본 발명의 바람직한 실시 예들에 상세히 표시되어 있으며, 그것의 예들이 참조 도면들에 표시되어 있다. 가능한 어떤 경우에도, 동일한 참조 번호들이 동일한 또는 유사한 부분을 참조하기 위해서 설명 및 도면들에 사용된다. 본 발명은 다른 실시 예들을 통해 또한, 구현되거나 적용될 수 있을 것이다. 게다가, 상세한 설명은 본 발명의 범위, 기술적 사상 그리고 다른 목적으로부터 상당히 벗어나지 않고 관점 및 응용에 따라 수정되거나 변경될 수 있다.
이하에서는 정전 척(ESC)을 예로 들어, 본 발명의 기술적 특징 및 이점이 설명될 것이다. 하지만, 본 발명의 기술적 특징은 정전 척(ESC)뿐 아니라 미세한 온도 제어가 수반되어야 하는 다양한 기술 분야에서도 적용될 수 있음은 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 정전 척 시스템(100)의 구조를 보여주는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 정전 척 시스템(100)은 정전 척(110)과 제어 유닛(190)으로 크게 구분될 수 있다. 정전 척(110)은 마이크로 히터(120), 매크로 히터(130), 그리고 칠러(140)를 포함할 수 있다. 그리고 제어 유닛(190)은 마이크로 구동부(150), 매크로 구동부(160), 칠러 구동부(170), 그리고 컨트롤러(180)를 포함할 수 있다.
정전 척(110)의 상부에는 웨이퍼(101)가 고정된다. 예를 들면, 정전 척(110)에 인가되는 고압의 정전압에 의한 정전력(Eloectrostatic force)에 의해서 웨이퍼(101)가 정전 척(110)의 상부에 고착될 수 있다. 정전 척(110)은 마이크로 히터(120), 매크로 히터(130), 그리고 칠러(140)를 통해서 웨이퍼(101) 상의 영역들 간에 발생하는 온도 편차를 보상할 수 있다.
마이크로 히터(120)는 다이오나 트랜지스터와 같은 반도체 소자의 사용없이 타깃 포인트의 온도를 미세하게 조정할 수 있는 매트릭스 구조의 히터 어레이(121)를 포함할 수 있다. 즉, 인가 전력에 의해서 발열되는 복수의 저항체들이 행과 열 방향으로 배열될 수 있다. 마이크로 히터(120)의 선택한 행과 열의 교차점에 위치하는 저항체에 본 발명에 따른 듀티 타임(Duty Time) 또는 듀티비(Duty ratio)를 가지는 전력 펄스가 제공될 수 있다. 이러한 전력 펄스의 제공은 마이크로 구동부(150)를 통해서 이루어질 수 있다.
마이크로 히터(120)의 저항체들은 동일한 저항값을 갖도록 형성될 수 있다. 하지만, 제조 과정에서의 오차와 실시간 주변 환경에 따라, 마이크로 히터(120)의 저항체에는 특성 변화가 생길 수 있다. 이러한 특성 변화는 저항체의 저항값의 변화나 온도의 변화를 야기할 수 있다. 따라서, 마이크로 히터(120)의 저항체들에는 실시간 저항값이나 실시간 온도를 추정하기 위한 검출 펄스(Detect Pulse: 이하, DP)가 인가되고, 검출 펄스(DP)의 인가 결과를 컨트롤러(180)가 수신한다. 컨트롤러(180)는 검출 펄스(DP)를 통해서 마이크로 히터(120)를 구성하는 저항체들의 실시간 저항값이나 실시간 온도를 추정할 수 있다. 컨트롤러(180)는 추정된 실시간 저항값이나 실시간 온도를 참조하여 가열을 위한 전력 펄스의 듀티 타임(Duty Time)을 조정할 수 있다. 마이크로 히터(120)의 구조 및 구동 방법은 후술하는 도면을 통해서 상세히 설명될 것이다.
매크로 히터(130)는 마이크로 히터(120)에 비하여 상대적으로 넓은 영역의 온도를 제어하도록 구성된다. 또는, 매크로 히터(130)는 정전 척(110)의 기하적인 형태에 따른 히터 전극을 포함할 수 있다. 예를 들면, 매크로 히터(130)는 특정 포인트가 아닌 나선형 또는 동심원 형태의 히터 전극을 포함할 수 있다. 또는, 매크로 히터(130)는 마이크로 히터(130)보다 넓은 영역 단위를 가열하기 위한 어레이 형태의 히터 전극을 포함할 수 있다. 이하에서는 동심원 형태의 히터 전극을 가지는 매크로 히터(130)를 예로 들어 본 발명의 이점이 설명될 것이다. 즉, 매크로 히터(130)는 디스크 형태의 정전 척(110)에서 동심원 방향으로 형성되는 히터 전극들(131a, 131b, 133a, 133b)을 포함할 수 있다. 히터 전극들(131a, 131b)은 하나의 동심원(외측 동심원)을 형성하는 저항체의 단면을 나타낸다. 히터 전극들(133a, 133b)은 내측 동심원을 형성하는 저항체의 단면을 나타낸다. 동심원 형태의 히터 전극의 수는 반도체 공정의 종류나 적용되는 웨이퍼의 사이즈 등에 따라 달라질 수 있음은 잘 이해될 것이다.
칠러(140)는 고온으로 가열된 정전 척(110)의 냉각을 위해 제공된다. 정전 척(110)은 플라즈마를 이용하여 웨이퍼(101)를 처리하는 플라즈마 처리 장치에 사용될 수 있다. 이 경우 정전 척(110)이 설치되는 챔버의 내부가 고온 환경으로 조성되고, 고온의 플라즈마에 웨이퍼(101)가 노출될 경우 웨이퍼(101)에 이온 충격(Ion Bombardment)과 같은 손상이 가해질 수 있다. 웨이퍼(101)의 손상을 피하기 위해 그리고 균일한 플라즈마 처리를 위해 웨이퍼(101)를 냉각할 필요성이 있을 수 있다. 웨이퍼(101)의 냉각을 위해 칠러(140)에는 냉매(예를 들면, 냉각수)가 흐르는 채널들(141~146)이 형성될 수 있다. 일례로, 냉매는 물, 에틸렌글리콜, 실리콘오일, 액체 테플론, 물과 글리콜과의 혼합물을 포함할 수 있다. 채널들(141~146)은 냉매뿐 아니라 제공되는 전력에 따라 주변의 열을 흡수하는 냉각 소자로 구성될 수도 있음은 잘 이해될 것이다. 칠러(140)는 컨트롤러(180)의 제어에 따라 칠러 구동부(170)로부터 냉매나, 냉각 전력을 제공받을 수 있다.
상술한 정전 척(110)에 대한 냉각이나 가열은 마이크로 구동부(150), 매크로 구동부(160), 칠러 구동부(170), 그리고 컨트롤러(180)를 포함하는 제어 유닛(190)에 의해서 수행될 수 있다.
마이크로 구동부(150)는 컨트롤러(180)의 제어에 따라 마이크로 히터(120)에 본 발명의 실시 예에 따른 펄스 폭을 갖는 전력 펄스를 제공한다. 마이크로 구동부(150)는 컨트롤러(180)에 의해서 제공되는 듀티 타임(DT)을 갖는 전력 펄스를 히터 어레이(121)를 구성하는 저항체들 각각에 제공할 수 있다. 마이크로 구동부(150)는 히터 어레이(121)의 행과 열을 선택할 수 있는 스위치 유닛을 포함할 수 있다. 스위치 유닛을 구성하는 스위치들 각각의 스위칭 타임은 컨트롤러(180)에서 계산 또는 정의된 듀티 타임(DT)에 따라 결정될 것이다.
매크로 구동부(160)는 컨트롤러(180)의 제어에 따라 매크로 히터(130)의 온도를 조정한다. 매크로 구동부(160)는 마이크로 히터(120)보다 상대적으로 넓은 범위의 영역들에 대한 온도 조정을 수행한다. 예를 들면, 매크로 구동부(160)는 컨트롤러(160)의 제어에 따라 동심원 방향으로 형성되는 히터 전극들(131a, 131b, 133a, 133b)에 전력을 공급할 수 있다. 매크로 구동부(160)는 외측 동심원을 구성하는 히터 전극들(131a, 131b)과 내측 동심원을 구성하는 히터 전극들(133a, 133b)에 각각 다른 크기의 전력이 제공될 수 있다.
칠러 구동부(170)는 컨트롤러(180)의 제어에 따라 채널들(141~146)에 냉매(Refr)를 펌핑할 수 있다. 예를 들면, 칠러 구동부(170)는 챔버의 온도 평형 유지를 위해서 일정량의 냉매를 칠러(140)에 공급할 수 있다. 칠러 구동부(170)는 예를 들면 냉매와 같은 유체를 가압할 수 있는 펌프를 포함할 수 있다. 칠러(140)가 전기적 에너지에 의해서 주변의 열을 흡수하는 냉각 소자를 포함하는 경우, 칠러 구동부(170)는 컨트롤러(180)의 제어에 따라 인가 전력을 공급 또는 스위칭하도록 구성될 수 있다.
컨트롤러(180)는 정전 척(110)의 온도를 조정하기 위하여 마이크로 구동부(150), 매크로 구동부(160), 그리고 칠러 구동부(170)를 제어할 수 있다. 컨트롤러(180)는 반도체 제조 공정을 제어하는 관리 서버나 컴퓨터일 수 있다. 컨트롤러(180)는 정전 척(110)의 상태를 모니터링하고, 그 결과에 따라 마이크로 구동부(150), 매크로 구동부(160), 그리고 칠러 구동부(170) 등을 제어할 것이다. 더불어, 컨트롤러(180)는 검출 펄스(DP)에 대한 마이크로 히터(120)의 응답(RES)을 참조하여 히터 전극들의 실시간 저항값이나 온도를 모니터링할 수 있다. 그리고 컨트롤러(180)는 상술한 모니터링 결과를 이용하여 특정 영역의 온도나 히터 전극의 저항값을 보상하기 위한 동작을 수행할 수 있다.
컨트롤러(180)는 듀티 타임 테이블(182)과 온도/저항 추정기(184)를 포함할 수 있다. 듀티 타임 테이블(182)은 마이크로 히터(120)의 각 영역들에 할당된 저항체들에 인가되는 전력 펄스(PP)의 폭에 대한 정보인 듀티 타임(DT)을 저장한다. 듀티 타임 테이블(182)에는 마이크로 히터(120)의 각 저항체들 간의 간섭을 고려한 전력 펄스의 듀티 타임(DT)이 저장되고 주기적으로 업데이트될 수 있다. 그리고 온도/저항 추정기(184)는 검출 펄스(DP)에 대한 응답(RES)을 참조하여 마이크로 히터(120)의 실시간 저항값 또는 실시간 온도를 추정할 수 있다. 그리고 온도/저항 추정기(184)는 마이크로 히터(120)의 저항체들에 대한 실시간 저항값 또는 실시간 온도를 보상하기 위한 듀티 타임(DT)을 계산한다. 그리고 컨트롤러(180)는 계산된 듀티 타임으로 듀티 타임 테이블(182)을 업데이트할 수 있다. 이후에 마이크로 히터(120)에 제공되는 전력 펄스(PP)는 업데이트된 듀티 타임(DT)에 기반하여 생성될 것이다.
이상에서는 본 발명의 정전 척 시스템(100)은 반도체 소자를 구비하지 않은 마이크로 히터(120)를 포함할 수 있다. 더불어, 정전 척 시스템(100)은 히터 어레이(121)에 포함되는 저항체들의 저항체들 간의 전력 커플링을 고려한 전력 펄스를 제공할 수 있다. 더불어, 정전 척 시스템(100)은 히터 어레이(121)에 포함되는 저항체들의 저항값이나 실시간 온도를 모니터링하기 위한 검출 펄스(DP)를 제공할 수 있다. 그리고 정전 척 시스템(100)은 마이크로 구동부(150)가 공급하는 전력 펄스의 듀티 타임 정보를 검출 펄스(DP)에 대한 응답을 참조하여 주기적으로 업데이트할 수 있다. 이러한 구성을 통해서, 본 발명의 정전 척(110)에는 다이오드와 같은 반도체 소자나, 특정 지점의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(Temperature Sensor)를 구비하지 않아도 무방하다. 따라서, 본 발명의 기술을 적용하면, 높은 온도 제어 능력과 간소한 구성이 가능한 정전 척 시스템(100)이 제공될 수 있다.
도 2는 본 발명의 정전 척(110)의 구조를 간략히 보여주는 입체도이다. 도 2를 참조하면, 정전 척(110)은 마이크로 히터(120), 매크로 히터(130), 그리고 칠러(140)와 같은 복수 층의 디스크 형태의 구성들을 포함할 수 있다.
마이크로 히터(120)의 상부에는 정전압이 제공되어 웨이퍼(101, 도 1 참조)를 정전기력으로 흡착하기 위한 흡착 전극(미도시)을 더 포함할 수 있다. 흡착 전극과 마이크로 히터(120) 사이에는 전기적 분리를 위한 정전 유전체로 채워질 수 있다. 그리고 마이크로 히터(120)와 매크로 히터(130) 사이에도 전기적인 분리와 특정 열전도율을 가진 물질로 채워질 수 있다. 매크로 히터(130)와 칠러(140) 사이의 공간에도 본 발명의 목적에 부합하는 열전도도를 가진 물질들로 채워질 수 있다.
상술한 구조에서, 매크로 히터(130) 및 마이크로 히터(120)에 의해서 웨이퍼의 전 영역에 대한 고른 온도 분포를 제공할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 히터(120)의 특정 영역의 온도가 높아져, 전력 펄스(PP)가 거의 공급되지 않더라도 타깃 온도를 유지하기 어려운 경우에는 칠러(140)의 활성화에 의해서 온도 강하가 가능하다. 그리고 강하된 온도에 기반하여 매크로 히터(130) 및 마이크로 히터(120) 각각의 코어스 온도 제어(Coarse Temperature Control) 및 파인 온도 제어(Fine Temperature Control)을 통해서 동적인 온도 제어가 가능하다.
이상에서는 서로 다른 제어 범위와 형태를 갖는 히터 전극을 포함하는 마이크로 히터(120) 그리고 매크로 히터(130)의 이중 히터와 칠러(140)를 포함하는 정전 척(110)이 설명되었다. 하지만, 정전 척(110)은 사용 목적에 따라서는 더 많은 수의 히터와 칠러가 구비될 수 있음은 잘 이해될 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 히터(120)와 마이크로 구동부(150)의 조합을 보여주는 회로도이다. 도 3을 참조하면, 복수의 저항체들이 행과 열로 배열되는 히터 어레이(121)와 행을 선택하기 위한 행 스위치(151), 열을 선택하기 위한 열 스위치(153), 그리고 전압 소스(155)가 도시되어 있다.
히터 어레이(121)는 4개의 행과 4개의 열에 배열(4×4 구조)되는 16개의 저항체들(RO~R15)이 구비되는 것으로 도시되어 있다. 본 발명의 히터 어레이(121)의 저항체들(RO~R15)은 다이오드와 같은 반도체 정류 소자를 포함하기 않는다. 따라서, 히터 어레이(121)는 상대적으로 용이한 제작과 균일한 물리적 특성을 가질 수 있다.
행 스위치(151)와 열 스위치(153)는 각각 히터 어레이(121)의 행과 열을 선택한다. 행 스위치(151)를 구성하는 스위치들(SW_A, SW_B, SW_C, SW_D)은 컨트롤러(180)에서 제공되는 제 1 스위치 제어 신호(SCS_R)에 의해서 제어된다. 열 스위치(153)를 구성하는 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)은 컨트롤러(180)에서 제공되는 제 2 스위치 제어 신호(SCS_C)에 의해서 제어된다.
행 스위치(151)와 열 스위치(153)에 의해서 전압 소스(155)는 복수의 저항체들과 연결될 수 있다. 예를 들면, 제 1 스위치 제어 신호(SCS_R)에 의해서 스위치(SW_A)가 턴온되고, 동시에 제 2 스위치 제어 신호(SCS_C)에 의해서 스위치(SW_1)가 턴온되는 경우를 가정하기로 하자.
저항체들(R0~R15) 각각에 다이오드와 같은 정류 소자가 연결된 경우에는 스위치(SW_A, SW_1)에 의해서 선택되는 저항체(R0)만이 전압 소스(155)에 연결되어 전력을 공급받을 것이다. 하지만, 정류 소자를 포함하지 않는 경우, 스위치(SW_A)와 스위치(SW_1) 사이에는 다양한 전류 경로가 형성된다. 그리고, 전류 경로가 형성되는 저항체들 각각에서 전력의 소모 또는 발열이 발생한다. 본 발명의 스위치 제어 신호들(SCS_R, SCS_C)은 이러한 전력 간섭을 보상하기 위한 펄스 형태로 제공될 것이다. 스위치 제어 신호들(SCS_R, SCS_C)의 생성 방법에 대해서는 후술하는 도면들을 사용하여 좀더 상세히 설명될 것이다.
도 4는 도 3의 스위치들(SW_A, SW_1)의 턴온 상태에서 발생하는 다양한 전류 경로를 보여주는 등가 회로이다. 도 4를 참조하면, 스위치들(SW_A, SW_1)의 턴온 시점에 각각의 저항체들(R0~R15)에 분배되는 전압의 크기가 계산될 수 있다. 그리고 저항체들(R0~R15) 각각에 분배되는 전압에 의해서 저항체들(R0~R15) 각각에 소모되는 전력의 크기가 계산될 수 있다.
스위치들(SW_A, SW_1)의 턴온 시점에서 저항체(R0)에 소모되는 전력은 [(V1-V8)2/R0]로 계산될 수 있다. 그리고 스위치(SW_A, SW_1)의 턴온 시점에서 저항체(R4)에서 소모되는 전력은 [(V2-V5)2/R4]로 계산될 수 있다. 저항체들(R0~R15) 양단에 대응하는 노드들의 전압(V1~V8)은 회로망 해석 이론에 따른 다양한 알고리즘에 의해서 계산될 수 있다. 이러한 저항체들(R0~R15) 각각에서 소모되는 전력은 히터 어레이(121)에 공급되는 전체 전력(Pon)에 대한 상대적인 크기로 표현될 수 있다.
여기서, 저항체들(R0~R15) 각각에 인가되는 전력은 열에너지로의 전환에 따라 줄열로 변환될 것이다. 그리고 발생하는 줄열에 의해서 저항체들(R0~R15) 각각에 대응하는 영역에 가열 작용이 일어난다. 따라서, 행 스위치(151)와 열 스위치(153)를 구성하는 스위치들의 턴온 시간의 제어를 통해서 저항체들(R0~R15) 각각에 대한 온도 제어가 가능함을 의미한다. 더불어, 행 스위치(151)와 열 스위치(153)의 조합에 따라 각각의 저항체들(R0~R15)에서 소모되는 전력을 안다면, 타깃 온도를 유지하기 위하여 행 스위치(151)와 열 스위치(153)의 턴온 시간의 크기를 계산할 수 있다.
본 발명에서는 행 스위치(151)와 열 스위치(153)의 모든 조합에 대해 저항체들(R0~R15) 각각에서 특정 온도를 유지하기 위한 소모 전력을 계산할 것이다. 그리고, 계산된 전력을 참조하여 각각의 행 스위치(151)와 열 스위치(153) 각각의 조합에 대응하는 턴온 시간을 제공하기 위한 스위치 제어 신호(SCS_R, SCS_C)가 제공될 수 있다. 이 경우, 스위치 제어 신호(SCS_R, SCS_C)의 펄스 폭에 대응하는 듀티 타임(Duty time) 설정을 통해서 전력 커플링을 고려한 전력 펄스가 인가될 수 있다.
도 5는 도 3의 히터 어레이(121)의 전력 커플링의 양을 고려한 스위치 제어 신호(SCS_R, SCS_C)의 듀티 타임과 전체 전력(Pon), 그리고 저항체들 각각의 소모 전력과의 관계를 예시적으로 보여주는 행렬식이다. 도 5를 참조하면, 행 스위치(151)와 열 스위치(153)의 모든 스위치들을 제어하기 위한 스위치 제어 신호(SCS_R, SCS_C)의 듀티 타임[D(a,1), D(a,2), …,D(d,4)]이 정의될 수 있다.
예를 들면, 도 4의 조건에서 저항체(R1)에서 소모되는 전력(P1)은 아래 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, K(1,1)은 각 행과 열의 저항체에서 소모되는 전력의 비율을 나타낼 수 있다. 더불어, 모든 저항체들(R0~R15) 각각에 소모되는 전력들(P2~P15)도 전체 전력(Pon)에 대한 상대적인 값으로 표현될 수 있다. 상술한 수학식 1에 기초하여 각 저항체별 가열을 위한 요구 전력에 따라 상호 전력 간섭을 고려한 스위치 제어 신호(SCS_R, SCS_C)의 듀티 타임이 계산될 수 있다. 이러한 행렬식은 반복 연산을 통해서 수행되어야 하므로, 컴퓨터의 계산에 의존해야 할 것이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 저항체들에 인가되는 전력 펄스를 보여주는 파형도이다. 도 6을 참조하면, 행 스위치들(SW_A, SW_B, SW_C, SW_D) 중 어느 하나가 턴온(Turn-on)되는 구간에서 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 도 5에서 계산된 듀티 타임에 따라 턴온(Turn-on)될 것이다. 더불어, 어느 하나의 행에 포함되는 저항체들에 전력 펄스들의 인가가 완료되면, 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4) 모두가 턴온되어 검출 펄스(DP)가 인가된다. 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.
T0 시점에서, 행 스위치(SW_A)와 열 스위치(SW_1)가 턴온된다. 그리고 행 스위치(SW_A)는 정의된 구간(ΔT) 동안 턴온 상태를 유지한다. 정의된 구간(ΔT)은 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 할당된 듀티 타임에 따라 순차적으로 턴온되고, 이후에 검출 펄스(DP)를 위해 동시에 턴온되는 구간을 포함한다.
행 스위치(SW_A)가 턴온된 상태에서, 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 특정 듀티 타임 [D(a,1), D(a,2), D(a,3), D(a,4)]에 대응하는 펄스 폭으로 시점들(T0, T1, T2, T3)에서 각각 턴온된 후 턴오프(Turn-off)된다. 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)의 턴온 시점에 전력 커플링을 고려하여 계산된 전력이 저항체들(R0~R15)에 공급될 것이다. 이후, 시점(T4)에서는 검출 펄스(DP)가 하나의 행 스위치(SW_A)와 모든 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 턴온된 상태에서 히터 어레이(121)에 제공된다. 이때, 각 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)에 흐르는 전류가 측정될 수 있다.
이어서, T5 시점에서 행 스위치(SW_B)와 열 스위치(SW_1)가 턴온된다. 행 스위치(SW_B)가 턴온 상태를 유지하는 구간 동안, 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 각각 할당된 듀티 타임 [D(b,1), D(b,2), D(b,3), D(b,4)]으로 시점들(T5, T6, T7, T8)에서 순차적으로 턴온된다. 그리고 이후에 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)은 시점(T9)에서 검출 펄스(DP)의 인가를 위해 동시에 턴온된다.
이러한 방식으로 각각의 행 스위치들(SW_C, SW_D)의 턴온 구간에서 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 각각 할당된 듀티 타임에 따라 턴온된다. 그리고 행 스위치들(SW_C, SW_D)의 턴온 구간에서 검출 펄스(DP)를 인가하기 위하여 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 동시에 턴온될 것이다. 이러한 방식으로 히터 어레이(121)에 대한 본 발명의 실시 예에 따른 듀티 타임을 갖는 전력 펄스의 공급이 가능하다. 더불어, 선택된 행에 대해서 동시에 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 턴온되는 시점에 검출 펄스가 인가되고, 그에 응답하는 전류나 전압 신호가 저장될 수 있다. 이때, 저장된 응답 신호는 선택된 행의 저항체들의 실시간 저항값 및 실시간 온도를 추정하는 데이터로 사용될 수 있다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 그리고 도 7d는 히터 어레이(121)에 검출 펄스(DP)를 인가하는 방법을 예시적으로 보여주는 회로도이다. 도 7a, 도 7b, 도 7c, 그리고 도 7d를 참조하면, 검출 펄스(DP)는 어느 하나의 행 스위치가 턴온되면, 열 스위치들이 모두 턴온되는 방식으로 인가될 수 있다.
도 7a를 참조하면, 행 스위치(SW_A)가 턴온된 상태에서 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 모두 턴온되는 도 6의 시점(T4)에서의 히터 어레이(121)의 스위칭 상태가 도시되어 있다. 행 스위치(SW_A)가 턴온된 상태에서 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 동시에 턴온되면, 각각의 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)에는 전류(Ia1, Ia2, Ia3, Ia4)가 각각 흐르게 된다. 이들 전류(Ia1, Ia2, Ia3, Ia4)는 결국 저항체들(RA1, RA2, RA3, RA4) 각각에 흐르는 전류에 해당한다. 그러면, 컨트롤러(180)에서는 이러한 전류의 크기를 측정하여 그 값을 저장할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 행 스위치(SW_B)가 턴온된 상태에서 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 모두 턴온되는 도 6의 시점(T9)에서의 히터 어레이(121)의 상태가 도시되어 있다. 행 스위치(SW_B)가 턴온된 상태에서 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 동시에 턴온되면, 각각의 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)에는 전류(Ib1, Ib2, Ib3, Ib4)가 각각 흐르게 된다. 이들 전류는 전류(Ib1, Ib2, Ib3, Ib4)는 저항체들(RB1, RB2, RB3, RB4) 각각에 흐르는 전류에 해당한다. 컨트롤러(180)는 이러한 전류의 크기를 측정하여 그 값을 저장할 수 있다.
도 7c는 저항체들(RC1, RC2, RC3, RC4)에 흐르는 전류(Ic1, Ic2, Ic3, Ic4)의 측정이 가능함을 보여준다. 더불어, 도 7d는 저항체들(RD1, RD2, RD3, RD4)에 흐르는 전류(Id1, Id2, Id3, Id4)의 측정이 가능함을 보여준다. 각각의 저항체들에 흐르는 전류는 인가 전압과의 관계를 사용하면, 실시간 저항값을 계산하는데 사용될 수 있다. 실제로, 전력 펄스의 인가시 히터 어레이(121)는 가열 온도, 챔버 내의 압력과 같은 다양한 주변 환경에 따라 가변될 수 있다. 이러한 실시간 저항값의 측정을 통해서 실시간으로 저항값의 보상이나 온도의 보상이 가능하다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 히터(120)의 구동 방법을 간략히 보여주는 순서도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 정전 척 시스템(100)은 히터 어레이(121)의 온도를 실시간으로 모니터링하고, 그 결과에 따라 각각의 스위치를 통해서 인가되는 전력 펄스의 듀티 타임을 재설정할 수 있다.
S110 단계에서, 컨트롤러(180, 도 1 참조)의 제어에 따라 매크로 히터(130)에 미리 정의된 크기의 전력이 인가될 것이다. 물론, 필요에 따라서는 칠러(140)에도 냉각을 위한 냉매가 공급될 수도 있다.
S120 단계에서, 컨트롤러(180)는 마이크로 히터(120)를 가열하기 위한 전력 펄스를 인가하도록 마이크로 구동부(150)를 제어할 것이다. 컨트롤러(180)는 마이크로 히터(120)에 공급되는 전력 펄스(PP)의 듀티 타임이 듀티 타임 테이블(182)에 저장된 디폴트 값 D(r,c)으로 제공되도록 마이크로 구동부(150)를 제어할 수 있다. 디폴트 값에 대응하는 듀티 타임 D(r,c)는 정전 척 시스템(100)의 제조 과정에서 결정된 값으로 제공될 수 있다. 컨트롤러(180)는 전력 펄스(PP)의 제공과 더불어, 저항체들의 실시간 저항값이나 실시간 온도를 추정하기 위한 검출 펄스(DP)를 인가할 것이다. 검출 펄스(DP)는 저항체의 가열을 위해 제공되는 전력 펄스(PP)가 제공된 이후에 인가될 수 있다. 하지만, 검출 펄스(DP)의 인가 시점은 상술한 예들에만 국한되지 않음은 잘 이해될 것이다.
S130 단계에서, 컨트롤러(180)는 검출 펄스(DP)에 의해서 각각의 저항체들에 대한 실시간 저항값을 추정한다. 예를 들면, 컨트롤러(180)는 검출 펄스(DP)에 의해서 샘플링된 전류값을 참조하여 히터 어레이(121)의 각 저항체들의 저항값을 계산할 수 있다. 즉, 검출 펄스(DP)에 의해서 인가된 전압의 크기와 그에 대응하는 저항체들에 흐르는 전류값을 이용하여 저항체들 각각에 대한 실시간 저항값을 추정할 수 있다.
S140 단계에서, 컨트롤러(180)는 검출 펄스(DP)를 사용하여 추정된 저항값의 크기를 참조하여 새롭게 듀티 타임을 조정할 수 있다. 컨트롤러(180)는 실시간으로 모니터링된 저항값을 기준으로 히터 어레이(121)에서 발생하는 전력 커플링을 보상하기 위한 도 5의 행렬식을 사용한 듀티 타임을 계산할 것이다. 그리고 계산된 듀티 타임은 듀티 타임 테이블(182)에 업데이트될 것이다.
S150 단계에서, 컨트롤러(180)는 업데이트된 듀티 타임에 따른 전력 펄스(DP)를 히터 어레이(121)에 제공할 것이다. 컨트롤러(180)는 업데이트된 듀티 타임 D(r,c)에 따라 히터 어레이(121)의 행 스위치(151), 열 스위치(153)를 제어하여 전력 펄스를 제공할 것이다. 그리고 컨트롤러(180)는 또한 전력 펄스(PP)의 제공과 더불어, 저항체들의 실시간 저항값이나 실시간 온도를 추정하기 위한 검출 펄스(DP)를 인가할 것이다.
S160 단계에서, 컨트롤러(180)는 정전 척 시스템(100)의 온도 제어 동작의 종료가 필요한지 판단한다. 예를 들면, 컨트롤러(180)는 웨이퍼(101)에 대한 반도체 제조 공정이 완료되었는지, 또는 관리자에 의해서 제조 공정의 중지 요청이 있는지 판단할 것이다. 만일, 반도체의 제조 공정이 종료된 것이 아닌 것으로 판단되면(No 방향), 절차는 S130 단계로 이동한다. 하지만, 공정의 중단이나 완료에 대응하는 요청이 발생하면(Yes 방향), 정전 척 시스템(100)에 대한 온도 제어 동작은 종료될 것이다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 히터(120)와 매크로 히터(130)의 이중 구조 히터와 칠러(140)를 포함하는 정전 척(110)의 제어 방법이 기술되었다. 고온과 고압에 노출되는 정전 척(110)의 특성상, 정교하게 계산된 전력 펄스가 인가되더라도 저항체들의 저항 변화에 의해서 각 영역에서의 타깃 온도는 실시간으로 제어되기 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 전력 펄스(PP)의 인가후에 저항체들에 대한 실시간 저항치를 추정하기 위한 검출 펄스가 제공된다. 검출 펄스를 통해서 각각의 저항체들에 대한 실시간 저항의 변화가 계산되고, 그 결과를 이용하여 전력 펄스의 듀티 타임이 업데이트될 수 있다.
도 9는 도 8의 S120 단계의 구체적인 절차를 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 9를 참조하면, 각 행들 단위로 저항체를 가열하기 위한 파워 펄스(PP)와 실시간 저항값을 추정하기 위한 검출 펄스(DP)가 인가될 수 있다.
S122 단계에서, 마이크로 히터(120)의 선택된 행의 행 스위치들(SW_A, SW_B, SW_C, SW_D) 중 어느 하나가 턴온된다. 그리고 열 스위치(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)가 디폴트 값 D(r,c)에 대응하는 듀티 타임에 따라 순차적으로 턴온될 것이다.
S124 단계에서, 선택된 행에 대응하는 저항체들에 대한 실시간 저항값을 추정하기 위한 검출 펄스(DP)가 인가된다. 검출 펄스(DP)는 행 스위치들(SW_A, SW_B, SW_C, SW_D) 중 어느 하나가 턴온된 상태에서, 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 동시에 턴온됨으로써 인가될 수 있다. 그러면, 컨트롤러(180)는 검출 펄스(DP)에 의해서 선택된 행의 저항체들에 흐르는 전류값을 측정하고 저장할 수 있다.
S126 단계에서, 컨트롤러(180)는 전력 펄스(PP)와 검출 펄스(DP)가 인가된 행이 마지막 행인지 판단한다. 만일, 현재 전력 펄스(PP)와 검출 펄스(DP)가 인가된 행이 히터 어레이(121)의 마지막 행인 경우(Yes 방향), S120 단계는 종료될 것이다. 하지만, 현재 전력 펄스(PP)와 검출 펄스(DP)가 인가될 행이 남아 있는 경우(No 방향), 절차는 S128 단계로 이동한다.
S128 단계에서, 컨트롤러(180)는 히터 어레이(121)의 행을 변경한다. 즉, 컨트롤러(180)는 S122 단계에서 턴온된 행 스위치로부터 위치를 변경하여 다른 행으로 이동할 것이다. 이후, S122 단계에서 변경된 위치의 행 스위치가 턴온되고, 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 순차적으로 턴온되면서 전력 펄스(PP)가 인가될 것이다. 더불어, S124 단계에서는 변경된 행의 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)이 동시에 턴온되면서 검출 펄스(DP)가 인가될 것이다.
이상에서는 S120 단계의 세부적인 절차를 구체적으로 설명하였다. 하지만, S120 단계의 세부 절차는 S150 단계에서도 동일하게 적용될 수 있음은 잘 이해될 것이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 마이크로 히터(120)의 구동 방법을 보여주는 순서도이다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 정전 척 시스템(100)은 히터 어레이(121)의 각 영역에 대한 온도를 온도 센서를 사용하지 않고 실시간으로 모니터링할 수 있다. 그리고 실시간으로 모니터링된 온도를 참조하여 스위치를 통해서 인가되는 전력 펄스의 듀티 타임을 재설정할 수 있다.
S210 단계에서, 컨트롤러(180, 도 1 참조)의 제어에 따라 매크로 히터(130)에 의한 가열이 진행될 것이다. 더불어, 필요에 따라서는 칠러(140)에도 냉각을 위한 냉매가 공급될 수도 있다.
S220 단계에서, 컨트롤러(180)는 마이크로 히터(120)를 가열하기 위한 전력 펄스를 인가하도록 마이크로 구동부(150)를 제어할 것이다. 컨트롤러(180)는 마이크로 히터(120)에 디폴트 값 D(r,c)의 듀티 타임을 갖는 전력 펄스(PP)를 제공하도록 마이크로 구동부(150)를 제어할 수 있다. 디폴트 값에 대응하는 듀티 타임 D(r,c)는 정전 척 시스템(100)의 제조 과정에서 결정된 값으로 제공될 수 있다. 컨트롤러(180)는 저항체들의 가열을 위한 전력 펄스(PP)의 인가 후에, 저항체들의 실시간 온도를 추정하기 위한 검출 펄스(DP)를 인가할 것이다.
S230 단계에서, 컨트롤러(180)는 검출 펄스(DP)에 의해서 각각의 저항체들에 대한 저항값의 변동을 계산한다. 이를 위해, 컨트롤러(180)는 검출 펄스(DP)에 의해서 각 저항체들로부터 샘플링된 전류값을 참조하여 각 저항체들의 현재 저항값을 계산할 수 있다. 그리고 컨트롤러(180)는 저항체들 각각의 현재 저항값과 이전 저항값의 차를 계산한다. 저항체들 각각의 이전 저항값은 미리 정의된 디폴트 저항값이거나, 이전의 검출 펄스(DP)를 사용하여 검출된 저항값일 수 있다.
S240 단계에서, 컨트롤러(180)는 저항체들 각각의 변동된 저항값을 이용하여 저항체들 각각의 영역에 대응하는 온도를 추정한다. 저항체들 각각의 온도 추정은 저항체를 구성하는 물질의 온도와 저항값 사이에 관계를 이용하여 수행된다. 예를 들면, 저항값의 변화에 대한 온도의 변화량이 계산될 수 있다. 예를 들면, 컨트롤러(180)는 어느 하나의 저항체의 저항값 변동값(예를 들면, 0.02Ω)에 저항값의 변화에 대한 온도 변화율(℃/Ω)을 곱하는 방식으로 저항체의 현재 온도를 추정할 수 있다. 이러한 온도 추정을 위해 저항체들 각각에 대한 저항값의 변화에 대한 온도 변화율(℃/Ω)과 같은 물질 특성 파라미터가 컨트롤러(180)에 제공되어야 할 것이다.
S250 단계에서, 컨트롤러(180)는 저항체들 각각에 대한 현재 온도를 참조하여 정전 척(110)의 온도 조정을 위한 파라미터 조정을 수행할 수 있다. 검출된 현재 온도에 따라 컨트롤러(180)는 마이크로 히터(120)의 구동을 위한 전력 펄스의 듀티 타임을 새롭게 계산할 수 있다. 또는, 컨트롤러(180)는 마이크로 히터(120), 매크로 히터(130), 그리고 칠러(140)들 중 적어도 하나의 파라미터 설정을 변경하여 정전 척(110)의 특정 영역들에 대한 온도 보상값을 생성할 수 있다.
S260 단계에서, 컨트롤러(180)는 온도 보상을 위해 설정된 파라미터를 적용하여 마이크로 히터(120), 매크로 히터(130), 그리고 칠러(140)들 중 적어도 하나를 구동할 수 있다.
S270 단계에서, 컨트롤러(180)는 정전 척 시스템(100)에 의한 제조 공정의 완료나 공정의 중지 요청이 존재하는지 판단할 수 있다. 만일, 제조 공정이 진행중이거나 제조 공정의 중지 요청이 존재하지 않는다면(No 방향), 절차는 S230으로 복귀할 것이다. 하지만, 제조 공정의 종료나 중지 요청이 발생한 경우, 정전 척 시스템(100)의 온도 조정 동작은 종료된다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 마이크로 히터(120')와 마이크로 구동부(150)의 조합을 보여주는 회로도이다. 도 11을 참조하면, 복수의 저항체들이 행과 열로 배열되는 히터 어레이(121')와 행을 선택하기 위한 행 스위치(151), 열을 선택하기 위한 열 스위치(153), 그리고 전압 소스(155)가 도시되어 있다.
히터 어레이(121')는 3개의 행과 3개의 열에 배열(3×3 구조)되는 9개의 저항체들(RO~R8)이 구비되는 것으로 도시되어 있다. 본 발명의 히터 어레이(121')의 저항체들(RO~R8)은 다이오드와 같은 반도체 정류 소자를 포함하기 않는다. 그리고 행 스위치(151)와 열 스위치(153), 전압 소스(155)는 3개의 행과 3개의 열로 배열되는 저항체들(RO~R8)을 선택하기 위한 구조이다. 저항체들의 수를 제외하면, 히터 어레이(121')는 도 3의 히터 어레이(121)와 동일하다. 따라서, 히터 어레이(121')에 대한 구체적인 동작 방법은 생략하기로 한다.
도 12는 도 11의 구조를 갖는 마이크로 히터(120)를 제어하기 위한 전력 펄스의 듀티 타임을 나타내는 행렬식을 보여준다. 도 12를 참조하면, 3개의 행과 3개의 열에 배열(3×3 구조)되는 9개의 저항체들(RO~R8)를 갖는 히터 어레이(121')에 제공되는 전력 펄스(PP)의 듀티 타임이 정의될 수 있다. 도 12의 행렬식은 9개의 저항체들(RO~R8)의 저항치가 동일한 값으로 가정한 경우에 해당한다. 하지만, 9개의 저항체들(RO~R8)이 동일하지 않은 경우에도 본 발명의 행렬식이 계산될 수 있음은 잘 이해될 것이다.
도시된 바와 같이, 열 스위치(153)의 턴온 시간에 대응하는 듀티 타임 [D(a,1), D(a,2), D(a,3), D(b,1), D(b,2), D(b,3), D(c,1), D(c,2), D(c,3)]는 전체 전력(Pon)과 각 저항체별 요구 전력[P(a,1), P(a,2), P(a,3), P(b,1), P(b,2), P(b,3), P(c,1), P(c,2), P(c,3)]의 함수로 나타낼 수 있다. 각 저항체들의 저항값이 동일한 경우에는 아래 수학식들에 의해서 행렬식의 계산이 가능하다. 하지만, 각 저항체들의 저항값이 다른 경우, 행렬식은 반복 연산을 통해서 최종 수렴값으로 결정될 수 있다.
여기서, K1과 K2는 아래 수학식 2 및 수학식 3으로 정의될 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, n은 행 또는 열의 수를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 마이크로 히터(120")의 다른 실시 예를 보여주는 회로도이다. 도 13을 참조하면, 마이크로 히터(120")는 더욱 세분화된 제어 구조로 확장될 수 있다.
마이크로 히터(120")는 동심원들(127, 128)을 경계로 독립적인 히터 어레이로 관리될 수 있다. 즉, 마이크로 히터(120")는 동심원들(127, 128)의 사이에 위치하는 저항체들과 동심원(127)의 내부 및 동심원(128)의 외부에 위치하는 저항체들을 구분하여 제어할 수 있다. 이러한 구분은 매크로 히터(130)와의 상호 연관된 온도 제어에 유리하다. 그리고 이러한 구조는 마이크로 히터(120")의 온도 제어 단위를 더욱 세분화해야 하는 경우에도 유리하다. 상술한 도 13에서, 마이크로 히터(120")는 저항체들이 배치되는 위치가 동심원들(127, 128)의 기하 구조에 따라 결정되는 것으로 도시되었다. 하지만, 저항체들은 마이크로 히터(120")의 기하 구조에 의존하지 않고, 임의로 배치될 수 있음을 잘 이해될 것이다. 이러한 예는 후술하는 도 15 및 도 16을 통해서 예시적으로 설명될 것이다.
도 14는 도 13의 구조의 마이크로 히터(120")에서의 독립적인 2개의 히터 어레이들을 보여주는 회로도이다. 도 14를 참조하면, 마이크로 히터(120")는 제 1 히터 어레이(121a)와 제 2 히터 어레이(121b)로 분리되어 관리될 수 있다. 즉, 마이크로 히터(120")에 대한 온도를 보다 세분하여 관리하기 위해 더 많은 수의 저항체를 장착하도록 구성될 수 있다. 그리고 증가된 수의 저항체들을 관리하기 위하여 복수의 어레이 단위로 구분하여 제어할 수 있을 것이다. 제 1 히터 어레이(121a)와 제 2 히터 어레이(121b)는 앞서 도 3에서 설명된 4개의 행과 4개의 열을 갖는 히터 어레이(121)에 대응한다. 따라서, 제 1 히터 어레이(121a)와 제 2 히터 어레이(121b) 각각 대한 전력 커플링을 고려한 제어는 앞서 설명된 듀티 타임 계산 방식에 따라 수행될 수 있다.
또는, 제 1 히터 어레이(121a)와 제 2 히터 어레이(121b)는 각각 상호 독립적으로 제어될 수 있다. 즉, 제 1 히터 어레이(121a)에 대한 전력 펄스(PP) 및 검출 펄스(DP)는 제 2 히터 어레이(121b)에 공급되는 전력 펄스(PP) 및 검출 펄스(DP)와는 별도로 제공할 수 있다. 이러한 마이크로 히터(120")의 어레이 분할은 매크로 히터(130)에 의한 영향을 고려하여 수행될 수 있다. 동심원 방향으로 히터 전극이 형성되는 매크로 히터(130)에 의한 영향을 고려하여, 제 1 히터 어레이(121a)와 제 2 히터 어레이(121b)를 서로 다른 레벨의 전압이나 전력 소스를 사용하여 구동할 수도 있을 것이다.
이상에서 히터 어레이가 4개의 행과 4개의 열을 갖는 구조(4×4 구조), 3개의 행과 3개의 열을 갖는 구조(3×3 구조)를 예로 들어 본 발명의 이점이 설명되었으나 본 발명은 여기에 국한되지 않는다. 다양한 수의 행과 열로 저항체들이 배열되는 히터 어레이가 구성될 수 있다. 이러한 히터 어레이의 전력 커플링을 고려한 듀티 타임 행렬은 컴퓨터를 활용한 행렬 연산을 통해서 도출될 수 있을 것이다.
더불어, 본 발명의 히터 어레이에 대한 가열 방법과 실시간 저항 변화 또는 실시간 온도 변화를 모니터링하는 방법은 정전 척 시스템(100, 도 1 참조)의 구동 방법에만 국한되지 않을 것이다. 특정 평면을 복수의 영역으로 분할하여 높은 정확도로 온도를 관리하는 모든 장비들에 본 발명의 기술이 적용될 수 있음은 잘 이해될 것이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 마이크로 히터(120")의 저항체 배열 방법의 다른 예를 보여주는 도면이다. 도 15 및 도 16을 참조하면, 마이크로 히터(120a)의 저항체는 어레이 구조의 기하적 구조와는 독립적으로 구성될 수 있다.
마이크로 히터(120a)의 저항체들은 비록 스위치에 의해서 어레이 형태로 제어되지만, 동심원 형태로 배열될 수 있다. 예를 들면, 행을 선택하기 위한 행 스위치(151), 열을 선택하기 위한 열 스위치(153)에 의해서 선택되는 저항체들의 위치는 동심원 방향으로 다양한 방식으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 행 스위치(SW_a)와 열 스위치들(SW_1, SW_2, SW_3, SW_4)에 대응하는 저항체들(1a, 2a, 3a, 4a)은 마이크로 히터(120a)의 좌측 상측 동심원들의 일부에 배치될 수 있다. 여기서, 저항체들의 배치는 목적에 따라 다양한 형태로 마이크로 히터(120a) 상에 맵핑될 수 있을 것이다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 복수의 행 배선들과 복수의 열 배선들에 각각 매트릭스 형태로 연결되는 복수의 저항체들을 갖는 제 1 히터;
    상기 제 1 히터의 하부에 형성되며, 동심원 또는 나선형으로 히터 전극이 형성되는 제 2 히터;
    상기 제 2 히터의 하부에 형성되며, 상기 제 1 히터 또는 상기 제 2 히터를 냉각시키는 칠러; 그리고
    상기 제 1 히터, 상기 제 2 히터, 그리고 상기 칠러를 제어하며, 상기 제 1 히터의 복수의 행 배선들과 상기 복수의 열 배선들을 시분할 방식으로 스위칭하여 상기 복수의 저항체들을 가열하기 위한 전력 펄스와, 선택된 행 배선들에 연결된 저항체들의 실시간 저항값 또는 온도를 모니터링하기 위한 검출 펄스를 제공하는 제어 유닛을 포함하는 정전 척 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은:
    상기 제 1 히터에 공급할 전력을 제공하는 전원;
    상기 전원을 상기 복수의 행 배선들 각각에 스위칭하는 복수의 행 스위치들;
    상기 전원을 상기 복수의 열 배선들 각각에 스위칭하는 복수의 열 스위치들;그리고
    상기 복수의 행 스위치들과 상기 복수의 열 스위치들을 시분할 방식으로 제어하는 스위치 제어 신호를 생성하는 컨트롤러를 포함하되,
    상기 스위치 제어 신호는 상기 복수의 저항체들 간에 발생하는 전력 커플링을 참조하여 생성되는 상기 복수의 행 스위치들과 상기 복수의 열 스위치들의 턴온 시간을 정의하는 듀티 타임(Duty time) 정보에 따라 생성되는 정전 척 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 전력 커플링을 고려하여 상기 복수의 저항체들 각각에 소요되는 전력을 계산하고, 상기 소요 전력을 상기 복수의 저항체들 각각에 공급하기 위한 듀티 타임을 결정하는 정전 척 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 복수의 행 스위치들과 상기 복수의 열 스위치들 각각에 대한 상기 듀티 타임 정보를 저장하는 듀티 타임 테이블을 포함하는 정전 척 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 검출 펄스에 응답하여 상기 복수의 저항체들 각각이 출력하는 응답을 참조하여 상기 복수의 저항체들 각각의 실시간 저항값 또는 실시간 온도를 계산하는 추정기를 포함하는 정전 척 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 추정기는, 상기 복수의 저항체들 각각으로부터 제공되는 검출 전류를 참조하여 상기 저항체들의 상기 실시간 저항값을 계산하는 정전 척 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 추정기는, 상기 저항체들 각각의 저항 변화를 참조하여 상기 듀티 타임 정보를 조정하는 정전 척 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 추정기는 상기 저항체들 각각의 저항 변화 및 상기 저항체들 각각의 온도와 저항 특성을 참조하여 상기 실시간 온도를 계산하는 정전 척 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 추정기는 상기 실시간 온도를 참조하여 상기 제 1 히터, 상기 제 2 히터, 그리고 상기 칠러 중 적어도 하나를 제어하는 정전 척 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 저항체들 각각은 반도체 정류 소자를 포함하지 않는 정전 척 시스템.
  11. 반도체 정류 소자를 구비하지 않는 매트릭스 구조의 복수의 저항체들을 포함하는 히터 어레이를 제어하는 방법에 있어서:
    상기 복수의 저항체들 각각의 상호 전력 커플링을 고려하여, 상기 복수의 저항체들 각각의 발열을 위한 필요 전력을 공급하기 위한 복수의 행 스위치들 및 복수의 열 스위치의 듀티 타임을 계산하는 단계;
    상기 듀티 타임에 기반하여 상기 복수의 행 스위치들 및 상기 복수의 열 스위치들을 순차적으로 턴온하여 전력 펄스를 상기 복수의 저항체들에 인가하는 단계;
    상기 복수의 저항체들 각각에 검출 펄스를 인가하는 단계; 그리고
    상기 검출 펄스를 참조하여 상기 복수의 저항체들 각각의 실시간 저항값 또는 상기 복수의 저항체들 각각의 실시간 온도를 추정하는 단계를 포함하는 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 검출 펄스는 복수의 행 스위치들 중 어느 하나의 행 스위치의 턴온 상태에서, 상기 복수의 열 스위치들을 동시에 턴온하여 선택된 열의 저항체들에 제공되는 제어 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 저항체들 각각의 상기 실시간 저항값 또는 상기 실시간 온도를 참조하여 상기 듀티 타임을 조정하는 단계를 더 포함하는 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 조정된 듀티 타임에 대응하는 전력 펄스를 상기 복수의 저항체들에 인가하는 단계를 더 포함하는 제어 방법.
  15. 매트릭스 형태로 연결되는 복수의 저항체들을 갖는 마이크로 히터와 동심원 또는 나선형으로 히터 전극이 형성되는 매크로 히터를 포함하는 정전 척; 그리고
    상기 마이크로 히터 또는 상기 매크로 히터에 가열 전력을 제공하도록 제어하는 제어 유닛을 포함하되,
    상기 제어 유닛은 상기 복수의 저항체들 간의 상호 전력 커플링을 고려한 시분할 전력 펄스를 제공하며, 상기 복수의 저항체들 각각의 특성 변화를 검출하기 위한 검출 펄스를 제공하고, 상기 검출 펄스에 대한 응답을 참조하여 상기 전력 펄스의 펄스 폭을 업데이트하는 정전 척 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 복수의 저항체들 각각을 타깃 온도로 가열하기 위한 상기 시분할 전력 펄스의 듀티 타임을 제공하는 정전 척 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 듀티 타임에 따라 상기 복수의 저항체들의 행과 열을 전원과 스위칭하는 정전 척 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 검출 펄스의 응답을 참조하여 상기 복수의 저항체들 각각의 실시간 저항 또는 실시간 온도를 추정하는 정전 척 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 추정된 실시간 저항 또는 상기 실시간 온도를 참조하여 상기 듀티 타임을 업데이트하는 정전 척 시스템.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 저항체들 각각은 반도체 정류 소자를 구비하지 않는 정전 척 시스템.
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