KR20200087852A - 비아를 구비하지 않는 다중-구역 받침대 히터 - Google Patents

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KR20200087852A
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모함마드 노스라티
케빈 스미스
브리타니 필립스
켄 에임스
패트릭 마르가비오
커트 잉글리쉬
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Abstract

지지 받침대가 제공되며, 그 지지 받침대는, 제1 세트의 구역들을 한정하는 상단 저항성 레이어 및 제2 세트의 구역들을 한정하는 하단 저항성 레이어를 구비한 기판을 포함한다. 상기 제1 세트의 구역들 및 제2 세트의 구역들 중의 각 구역은 복수의 전기 단자들 중으로부터의 적어도 두 개의 전기 단자들에 결합되며, 그리고 상기 전기 단자들의 총 개수는 상기 제1 세트의 구역들 및 제2 세트의 구역들 전체보다 작거나 동일하다.

Description

비아를 구비하지 않는 다중-구역 받침대 히터
관련된 출원들에 대한 상호 참조
본원은 "Multi-Zone Ceramic Pedestal" 제목의 2017년 11월 21일에 출원된 미국 임시출원 No. 62/589,023에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 상기 출원의 내용들은 그 전체가 본원에 참고로서 편입된다.
기술분야
본 발명 개시는 일반적으로 반도체 프로세싱 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 웨이퍼와 같은 기판을 지지하고 가열하기 위한 기판 지지 받침대 (support pedestal)에 관한 것이다.
이 섹션에서의 진술들은 단지 본 발명 개시와 관련된 배경 정보를 제공할 뿐이며, 종래 기술을 구성하지 않을 수 있다.
반도체 프로세싱을 위한 받침대와 같은 웨이퍼 지지 어셈블리는 반도체 프로세싱 챔버 내에 배치되며 그리고 전형적으로 웨이퍼 지지부 및 그 웨이퍼 지지부의 중앙 영역에 고정되는 샤프트를 포함한다. 웨이퍼 지지부는 열을 생성하기 위한 저항성 가열 요소, 그리고 상기 저항성 가열 요소를 외부 전력 소스에 연결하기 위한 전기 터미네이션 (termination)들을 포함할 수 있다. 전기 터미네이션들은 웨이퍼 지지부의 중심 영역에 인접하게 배치되고 샤프트 내에서 연장된다. 상기 저항성 가열 요소는 상기 웨이퍼 지지부의 중앙 영역 외부에 배치되고, 그리고 대개는, 상기 중앙 샤프트 영역의 근처에는 전기 터미네이션들의 존재로 인해 저항성 가열 요소가 전혀 존재하지 않는다. 결과적으로, 보통은 상기 중앙 영역 내에 냉점 (cold spot)이 생성되며, 그래서 그 냉점의 면적을 감소시키기 위해 상기 중앙 영역의 크기는 비교적 작게 만들어진다.
그러나, 상기 중심 영역의 감소된 크기는 그 중심 영역에 배치될 수 있는 전기 터미네이션들의 수, 그리고 결과적으로 독립적으로 제어될 수 있는 가열 구역들의 수를 제한한다. 샤프트 영역에 근접한 받침대 및 냉 (cold) 영역에 온도 감지 디바이스를 통합하는 복잡성으로 인해, 종래의 웨이퍼 지지 받침대는 하나 또는 두 개의 가열 구역만을 제공하도록 보통 구성된다. 제한된 가열 구역들을 구비하여, 웨이퍼 지지부의 국지적인 온도에 영향을 주기 위해 반도체 프로세싱 챔버 내에 존재할 수 있는 다양한 팩터들로 인해서, 미리 정해진 가열 프로파일이 상기 웨이퍼 지지부 전역에서 제공될 수 없다.
더욱이, 상기 중앙 영역의 감소된 크기는 웨이퍼 지지부의 온도를 모니터하기 위해 사용될 수 있는 온도 센서들의 개수도 또한 제한한다. 제한된 개수의 온도 센서들은 상기 웨이퍼 지지부의 온도를 정밀하게 모니터하도록 할 수 없다. 그러므로, 웨이퍼 지지부의 저항성 가열 요소는 대개는 비율 제어 (즉, 개방 루프)를 사용하여 작동된다.
본 발명은 비아 (via)를 구비하지 않는 다중-구역 받침대 히터를 제공하려고 한다.
한 모습에서, 본 발명 개시는 지지 받침대를 제공하며, 그 상기 지지 받침대는, 제1 세트의 구역들을 한정하는 상단 저항성 레이어 및 제2 세트의 구역들을 한정하는 하단 저항성 레이어를 구비한 기판을 포함한다. 상기 제1 세트의 구역들 및 제2 세트의 구역들 중의 각 구역은 상이한 평면들 상에 있으며 복수의 전기 단자들 중으로부터의 적어도 두 개의 전기 단자들에 결합되며, 그리고 상기 전기 단자들의 총 개수는 상기 제1 세트의 구역들 및 제2 세트의 구역들 전체보다 작거나 동일하다.
한 변형에서, 상기 복수의 전기 단자들 중으로부터의 적어도 두 전기 단자들은 상기 상단 저항성 레이어 및 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나의 중앙 영역에 배치된다. 상기 복수의 전기 단자들은 터미네이션 패드들의 모습일 수 있다.
다른 변형에서, 상기 제1 세트의 구역들 및 제2 세트의 구역들 중 적어도 하나로부터의 적어도 두 구역들은 상기 복수의 전기 단자들 중의 동일한 전기 단자에 연결된다.
다른 변형에서, 상기 지지 받침대는 비아 (via)들 및/또는 어떤 라우팅 (routing) 레이어들도 포함하지 않는다.
또 다른 변형에서, 상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나는, 2-와이어 히터 구성, 상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나를 외부 전력 소스에 연결하기 위한 매트릭스 와이어링 구성, 그리고 상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나를 외부 전력 소스에 연결하기 위한 다중-병렬 와이어링 구성 중 하나 이상을 가진다.
또 다른 변형에서, 상기 지지 받침대는, 상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어의 상기 제1 세트의 구역들 및 상기 제2 세트의 구역들 중 각 구역으로의 전력을 조절하기 위한 복수의 전력 컨버터들을 구비한 제어 시스템을 더 포함한다.
다른 모습에서, 지지 받침대가 제공되며, 그 지지 받침대는, 제1 표면 및 그 제1 표면 맞은편의 제2 표면, 상기 기판의 제1 표면 상에 배치된 상단 저항성 레이어, 그리고 상기 기판의 제2 표면 상에 배치된 하단 저항성 레이어를 포함한다. 상기 상단 및 하단 저항성 레이어들 각각은 제1 세트의 구역들 및 제2 세트의 구역들 각각을 한정한다. 상기 제1 세트 및 제2 세트의 구역들 중 각 구역은 복수의 전기 단자들 중으로부터의 적어도 두 개의 전기 단자들에 결합되며, 그리고 상기 전기 단자들의 총 개수는 상기 제1 세트의 구역들 및 제2 세트의 구역들의 개수보다 작거나 동일하다.
한 변형에서, 상기 지지 받침대는 비아들 및/또는 어떤 라우팅 레이어들도 포함하지 않는다.
다른 변형에서, 상기 제1 세트의 구역들 및 제2 세트의 구역들 중 적어도 하나로부터의 적어도 두 구역들은 상기 복수의 전기 단자들 중의 동일한 전기 단자에 연결된다.
또 다른 변형에서, 상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나는, 2-와이어 히터 구성, 상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나를 외부 전력 소스에 연결하기 위한 매트릭스 와이어링 구성, 그리고 상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나를 외부 전력 소스에 연결하기 위한 다중-병렬 와이어링 구성 중 하나 이상을 가진다.
또 다른 변형에서, 상기 지지 받침대는, 상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어의 상기 제1 세트의 구역들 및 상기 제2 세트의 구역들 중 각 구역으로의 전력을 조절하기 위한 복수의 전력 컨버터들을 구비한 제어 시스템을 더 포함한다.
다른 변형에서, 상기 복수의 전기 단자들 중으로부터의 적어도 두 전기 단자들은 상기 제1 저항성 레이어 및 제2 저항성 레이어 중 적어도 하나의 중앙 영역에 배치된다.
또 다른 모습에서, 지지 부재가 제공되며, 그 지지 부재는, 적어도 두 개의 구역들을 가진 상단 저항성 레이어, 그리고 상기 상단 저항성 레이어의 평면과는 상이한 평면에 배치된 하단 저항성 레이어를 포함하며, 상기 하단 저항성 레이어는 적어도 두 개의 구역들을 가진다. 상기 상단 저항성 레이어 및 하단 저항성 레이어 사이에 주기판이 배치된다. 복수의 전기 단자들 중으로부터의 적어도 두 개의 전기 단자들은 상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나와 동일한 평면 상에 배치되며, 그리고 상기 상단 저항성 레이어 및 하단 저항성 레이어의 각 구역은 복수의 전기 단자들 중으로부터의 적어도 두 개의 전기 단자들에 결합되며, 그리고 상기 전기 단자들의 총 개수는 상기 상단 저항성 레이어 및 하단 저항성 레이어의 구역들의 전체 개수보다 작거나 동일하다.
한 변형에서, 상기 지지 받침대는 비아들 및/또는 어떤 라우팅 레이어들도 포함하지 않는다.
다른 변형에서, 상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나는, 2-와이어 히터 구성, 상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나를 외부 전력 소스에 연결하기 위한 매트릭스 와이어링 구성, 그리고 상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나를 외부 전력 소스에 연결하기 위한 다중-병렬 와이어링 구성 중 하나 이상을 구비한다.
추가의 응용 분야는 본원에서 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 그 설명 및 특정 예들은 단지 예시의 목적들을 위한 것으로 의도된 것이며, 본 발명 개시 개시서의 범위를 제한하려고 의도된 것이 아니라는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 효과는 본 명세서의 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.
본 발명 개시는 상세한 설명 및 동반 도면들로부터 더 완전하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명 개시의 교시들에 따라 구축된 지지 받침대를 위에서 본 모습이다.
도 2는 도 1의 지지 받침대의 측면 모습이다.
도 3은 본 발명 교시에 따른 네 개의 터미네이션 와이어들을 구비한 6개-구역 히터를 도시한다.
도 4는 본 발명의 교시에 따른 기판의 중앙에 연결된 구역들의 말단들을 구비한 6개-구역 상단 저항성 가열 레이어를 도시한다.
도 5는 본 발명의 교시에 따른 기판의 중앙에 연결된 구역들의 말단들을 구비한 4개-구역 하단 저항성 가열 레이어를 도시한다.
도 6은 도 4 및 도 5의 상단 및 하단 저항성 가열 레이어들 각각을 위에서 본 모습을 도시한다.
도 7은 본 발명의 교시에 따른 기판의 중앙에서 터미네이션 패드들로의 와이어들의 연결을 도시한다.
도 8은 도 1 및 도 2의 지지 받침대의 저항성 레이어를 제어하기 위한 와이이렁 구조의 개략적인 도면이다.
도 9는 본 발명의 교시에 따른 전력 변환 시스템을 구비한 제어 시스템의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 교시에 따른 전력 변환 시스템의 전력 컨버터의 블록도이다.
도 11a, 11b, 11c, 및 11d는 본 발명 교시에 따른, 상이한 입력 환경들에 기반한 전력 컨버터의 상이한 출력 전압들의 파형들을 도시한다.
대응하는 참조 번호들은 상기 도면들의 여러 모습들 전체에 걸쳐 대응하는 부분들을 표시한다.
다음의 설명은 본질적으로 단지 예시적인 것이며 본 발명 개시, 응용 또는 사용을 제한하는 것을 의도하는 것이 아니다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명 개시의 교시에 따라 구축된 다중-구역 지지 받침대 (10)는 웨이퍼와 같은 가열 대상을 지지하고 가열하기 위해 반도체 프로세싱 챔버에서 사용될 수 있다. 상기 지지 받침대 (10)는 지지 부재 (12) 및 그 지지 부재 (12)의 중앙 영역 (15)에 부착된 관형 샤프트 (14)를 포함한다. 상기 지지 부재 (12)는 자신의 위에 웨이퍼 (도시되지 않음)와 같은 기판을 지지하기 위한 상단면 (16) 및 관형 샤프트 (14)가 부착되는 하단면 (18)을 포함한다. 상기 다중-구역 지지 받침대 (10)는 지지 부재 (12) 내에 내장된 적어도 하나의 전기 요소/레이어에 그리고 외부 전력 소스에 연결하기 위해 관형 샤프트 (14)에 수납된 복수의 전기 케이블들 (20)을 더 포함한다. 전기 레이어는 응용에 따라 저항성 가열 레이어, 온도 센서, 정전기 척 (electrostatic chuck, ESC)용 전극, 또는 RF (Radio Frequency) 안테나 등일 수 있다. 도면에서 보이지는 않지만, 상기 지지 부재 (12)는 퍼지 가스를 수용하기 위한 가스 도관 및 상기 웨이퍼에 진공 클램핑을 제공하기 위한 진공 도관을 옵션으로 한정할 수 있다.
상이한 레이어들 상에서 둘 보다 많은 히터들을 통합할 때에, 라우팅 레이어 및 비아 (via)들은 상기 받침대의 중앙/샤프트 영역에서 히터 회로들을 상호연결하고 터미네이트하기 위해 보통 사용된다. 그러나, 본 발명 개시의 상기 다중-구역 히터 받침대 (10)는 비아들이나 상호연결들 없이 다중 가열 구역들을 폐쇄 루프 제어와 통합하는 열 어레이 시스템을 활용한다. 상기 열 어레이 시스템은 히터 설계들을, 다른 신호를 제어하면서 자신 내의 전력, 저항 전압, 및 전력이라는 파라미터들 중 어느 하나 또는 모두를 제한하는 커스텀 가능한 피드백 제어 시스템 내 상기 전력, 저항 전압, 및 전력을 통합하는 제어들과 합체시킨다. 상기 열 어레이 시스템의 각 구역은 온도 센서들로서 또한 사용될 수 있는 저항성 가열 요소들을 포함하며 그리고 다중-병렬 회로들로서 배열되어 상기 시스템의 와이어들의 개수 및 복잡성을 줄이며, 이는 아래에서 더 상세하게 설명된다. 그런 열 어레이 시스템에 관한 추가의 정보는 "System and Method for Controlling a Thermal Array" 제목의 본 출원인의 미국 특허 No. 9,196,513 에 개시되며, 이 출원은 본원과 공동으로 소유되며 이 출원의 내용들을 그 전체가 본원에 참조로서 편입된다.
도 3을 참조하면, 네 개의 터미네이션 와이어들 (52a, 52b, 52c, 52d)을 구비한 6개-구역 히터 (50)의 구성이 도시되며, 여기에서 각 구역 (51a, 51b, 51c, 51d, 51e, 및 51f)은 저항으로서 표현된다. 보이는 것처럼, 주어진 구역 (51a, 51b, 51c, 51d, 51e, 51f)은, 다른 구역 (51a, 51b, 51c, 51d, 51e, 51f)과 공유한 와이어 (52a, 52b, 52c, 52d)에 연결된 자신의 말단들 (53) 중 적어도 하나를 구비한다. 이 구성을 이용하여, 어떤 구역의 말단들 (53)에 연결하기 위해 사용된 와이어들의 개수는 12부터 4까지만 감소한다. 또한, 이 구성은 상기 6개-구역 히터 (50)가 동일한 히터 평면 표면 내 중앙 영역에서 종결되는 것을 가능하게 하며, 그럼으로써 라우팅 레이어 및/또는 비아들을 필요로 하지 않게 한다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 다중-구역 받침대는 상단 저항성 레이어 (22), 메인 플레이트나 기판 (26), 하단 저항성 가열 레이어 (24), 및 터미네이션 패드들의 모습인 복수의 전기 단자들 (34')을 포함한다. 한 모습에서의 상기 기판 (26)은 세라믹 물질이다. 상기 상단 저항성 가열 레이어 (22)는 여섯 개의 가열 구역들을 구비하며, 이 가열 구역들은 네 개의 전기 단자들 (34')에 연결되며, 이것들은 상기 기판 (26)의 중앙에 위치한다. 상기 하단 저항성 가열 레이어 (24)는 네 개의 가열 구역들 및 상기 기판 (26)의 중앙에서 연결된 다섯 개의 전기 단자들 (34'')을 구비한다. 도 6은 상이한 구역들 및 상기 기판 (26)의 중앙에서의 연결을 도시하기 위해 상단 가열 레이어 (22) 및 하단 가열 레이어 (24) 둘 모두를 위에서 본 모습을 도시한다.
상기 히터의 저항성 물질은 특히 높은 TCR 코일 와이어들, 포일, 후막 (thick film) 또는 박막 물질들일 수 있다. 한 모습에서, 상기 히터들은 미드-세라믹 플레이트로 통합되며, 이는 녹색의, 부분적으로 또는 전체적으로 소결된 상태에 있을 수 있다. 이 히터 플레이트는 상단 및 하단 위를 공백으로 하고 확산 본딩이나 보조 핫 프레스 소결에 의해 완전하게 소결함으로써 밀봉될 수 있다. 한 모습에서, 상기 중앙 터미네이션 영역은 기계 가공되며, 그리고 핀들이 상기 전기 터미네이션에 연결되거나 납땜된다 (도 7). 언젠가, 중앙 샤프트가 상기 세라믹 플레이트 어셈블리에 묶이거나 소결된다. 상기 히터를 동작시키며 제어하기 위한 제어 시스템은 터미네이션 핀들에 의해 상기 세라믹 받침대와 통합되며, 이는 아래에서 더 상세하게 설명된다.
상기 다중-구역 히터 받침대 (10)는 상기 히터의 성능을 향상시키며 제조 프로세스를 단순화한다. 특히, 본 발명 개시의 다중-구역 세라믹 받침대는: (1) 라우팅 레이어들 그리고 상기 구역들을 터미네이션하기 위한 상호연결들 및 비아들에 대한 필요성을 없애고; (2) 상기 저항성 레이어가 온도를 판별하기 위해 또한 사용될 수 있기 때문에 각 구역이나 히터를 위한 분리된 감지 디바이스들에 대한 필요성을 배제하며; (3) 라우팅 레이어 및 비아들을 제거하여 제조하는 것을 간단하게 하며; (4) 열 어레이 시스템의 폐쇄 루프 알고리즘을 활용하여 세라믹 받침대의 성능을 향상시키며; (5) 라우팅 레이어들 및 상호연결에 대한 필요성이 제거되었기 때문에 세라믹 받침대의 신뢰성을 개선하며; (6) 상기 세라믹 받침대의 수명 기대치를 증가시키며; 그리고 (7) 상기 받침대의 가격을 줄인다.
따라서, 상기 상단 저항성 레이어 (22) 및 하단 저항성 레이어 (24) 각각은, 독립적으로 제어 가능하며 복수의 가열 구역들을 한정하는 복수의 저항성 가열 요소들 (28)을 포함한다. 어떤 개수의 저항성 가열 요소들 (28)/구역들도 본 발명 개시의 범위로부터 벗어나지 않으면서 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본원과 동시에 출원되었으며 본원과 공동으로 양도된 "MULTI-ZONE PEDESTAL HEATER HAVING A ROUTING LAYER" 제목의 공동 계속중인 출원에서 개시된 다양한 구축 기술들 및 받침대 구성은 본 발명 개시의 범위 내에서 유지되면서 통합될 수 있다.
상기 다중-구역 받침대는, 상단 및 하단 저항성 레이어들 (22/24) 그리고 추가의 레이어들 (예를 들면, 특히 본딩 레이어, 유전체 레이어, 감지 레이어, 및 보호 레이어와 같은 기능성 레이어들)을 가진 본원에서 개시된 이런 특정 구조로 한정되지 않으며, 둘 (2)보다 많은 다수의 저항성 레이어들에 추가하여 본 발명 개시의 범위 내에 여전히 남아있으면서 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 일 예에서, 상기 지지 부재 (12)는 통합된 라디오 주파수 (RF) 그리드 어레이를 더 포함할 수 있으며, 이는 프로세싱 챔버에 의해 부과된 자기장들이나 RF 플라즈마에 대해 보상하기 위해 그라운드 단자에 전기적으로 연결된다. 대안으로, 상기 상단 및/또는 하단 저항성 레이어 (22, 24)는 RF 그리드 레이어이다. 일반적으로, RF 그리드 레이어는 상기 프로세싱 챔버에 의해 부과된 RF 플라즈마나 자기장들을 그라운드 단자를 통해서 향하게 하기 위해 그리고 히터 및 센서 디바이스들을 차폐하고 보호하기 위해 안테나로서 사용된다.
도 8을 참조하여, 다수의 가열 구역들을 구비한 상단 및 하단 저항성 레이어들 (22, 24)을 제어하기 위한 제어 시스템이 설명된다. 상기 지지 부재 (12)는 추가적인 센서들 없이 상기 가열 구역들을 제어하기 위해 적응적 열 시스템 (Adaptive Thermal System, ATS) 기술을 사용하여 폐쇄 루프 제어를 사용하여 제어 시스템에 연결될 수 있다. 상기 적응적 열 시스템은 히터 설계를 제어 시스템과 결합하여 구별된 폐쇄 루프 제어를 제공하여 시스템 통합을 단순화한다. 상기 상단 및 하단 저항성 레이어들 (24, 24)의 저항성 가열 요소들 (28)은 몰리브덴, 티타늄, 니켈과 같은 비교적 높은 저항 온도 계수 (temperature coefficient of resistance, TCR)를 가지는 물질을 포함하여, 상기 상단 및 하단 저항성 레이어들 (24, 24) 각각이 저항성 가열 회로들의 저항 변화에 기반하여 온도 정보를 제공하는 센서로서 사용될 수 있도록 한다.
다른 말로 하면, 상기 저항성 가열 요소들 (28)의 온도는 비교적 높은 저항 온도 계수를 가지는 저항성 가열 요소 (28)의 저항 변화를 통해 추론된다. 그러므로, 서모커플 (thermocouple)들과 같은 추가 온도 센서들이 필요하지 않으며, 그로 인해, 상기 지지 받침대 (10)의 와이어링 연결이 단순화된다. 서모커플이 아니라 저항성 가열 요소들 (28)을 사용하여, 다수의 가열 구역들 상에 더 양호한 온도 피드백 및 폐쇄 루프 제어를 제공할 수 있어서 고온에서 세라믹 파손 위험을 줄이게 한다. 이 "2-와이어 (two-wire)" 구성의 다양한 모습들이 아래에 아주 더 상세하게 설명된다.
추가로, 매트릭스 및 다중-병렬 와이어링 토폴로지들은 커스텀 제어 알고리즘들과 통합된다. 도 8에서 보이는 것처럼, 저항성 가열 요소들 (28) 및 그 저항성 가열 요소들 (28)을 외부 전력 소스에 연결하기 위한 와이어링은 와이어들 (60)의 모든 쌍이 그 와이어들 사이에 연결된 저항성 가열 요소 (28)를 갖도록 배열된다. 이러한 와이어링 배열은 "System and Method for Controlling a Thermal Array" 제목의 본 출원인의 미국 특허 No. 9,123,755 및 관련 특허들/출원들에서 설명되며, 이들은 본 출원과 공통으로 양도되며 그리고 이들의 내용은 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다. 상기 와이어링 배열은 상기 지지 부재 (12)의 특정 영역들에서의 온도가 너무 높아져서 임계 온도를 초과할 때에 그 지지 부재 (12)의 세라믹 물질들이 파손되는 것을 방지하기 위해 상기 저항성 가열 요소들 (28) 모두의 동시 전력 제어 및 온도 감지를 가능하게 한다. 추가로, 상기 제어 방식은 상기 다중-구역 지지 받침대 (10)의 더 양호한 열 성능을 달성하기 위해 더 양호한 제어를 구비한 더 적은 개수의 와이어링들 사용을 가능하게 한다. 예를 들면, 한 모습에서, 본원에서 기술된 와이어링 토폴로지들을 사용하여 연결될 수 있는 히터들의 수는 n (n-1)/2와 동일하며, 여기서 n은 와이어들의 개수이다. 따라서, 히터들/구역들의 개수는 일반적으로 와이어들 (60)의 개수보다 많거나 같다.
본 발명 개시의 한 모습에서, 상단 저항성 레이어 (22) 및 하단 저항성 레이어 (24) 중 적어도 하나의 저항성 가열 요소들 (28)은 열을 생성하고 상기 요소의 온도를 탐지하기 위해 사용된다. 다른 말로 하면, 상기 저항성 가열 요소들 (28)은 "2-와이어" 가열 요소들이어서, 이들은 히터들로서 기능하고 그리고 4개 (예를 들면, 상기 가열 요소를 위한 2개 그리고 개별 온도 센서들을 위한 2개)가 아니라 상기 가열 요소에 작동적으로 연결된 단 2개의 리드 와이어만을 구비한 온도 센서들로서 기능한다. 이러한 2-와이어 능력은 예를 들면 본원과 공동으로 양도되고 그 전체가 본원에 참조로서 편입된 미국 특허 No. 7,196,295에 개시된다.
일반적으로, 제1 리드 와이어 및 제2 리드 와이어와 통신하는 제어 시스템은 상기 2개의 리드 와이어들 사이에서의 전압에서의 변화들을 측정하도록 구성된다. 더 상세하게는, 상기 제어 시스템은 상기 리드 와이어들 양단의 밀리 볼트 (mV) 변화들을 측정하며 그리고 상기 저항성 가열 요소 (28)의 평균 온도를 계산하기 위해 전압에서의 이 변화들을 그 후에 사용한다. 한 모습에서, 상기 제어 시스템은 상기 저항성 가열 요소 (28)로의 전력을 차단하지 않으면서 전압에서의 변화들을 측정할 수 있다. 이것은, 예를 들면, AC 입력 전력 신호의 제로 크로싱에서의 판독값을 취함으로써 달성될 수 있다. 다른 모습에서, 전력이 차단되면 상기 제어 시스템은 전압에서의 변화드을 측정하기 위해 가열 모드로부터 측정 모드로 스위치한다. 일단 평균 온도가 결정되면, 상기 제어 시스템은 가열 모드로 거꾸로 스위치한다.
심지어 동일한 파워 서플라이가 상기 가열 요소들 (28)에 인가되더라도 상기 상단 및/또는 하단 저항성 레이어들 (22, 24)의 상이한 가열 요소들 (28)은 동일한 속도로 가열되지 않을 수 있다. 이는 히트 싱크들에 대한 가열 요소들의 상대적 위치들 및 가열 구역들에서의 제조 불균일함과 같은 다양한 팩터들에 의해 초래될 수 있다. 인접한 가열 구역들 사이에서 상당한 온도 차이가 발생할 때에, 그 인접한 가열 구역들 내 열 팽창에서의 상당한 차이로 인해 유도된 열역학적 응력은 가열 플레이트의 세라믹 기판에 균열의 결과를 가져올 수 있다. 이러한 염려를 해결하기 위해, 본 발명 개시의 한 모습에서, 상기 제어 시스템은 상기 저항성 레이어에 인가된 전력을 조절하기 위한 하나 이상의 전력 컨버터들을 갖는 전력 변환 시스템을 포함한다.
도 9를 참조하면, 상기 제어 시스템은 제어기 (200) 및 복수의 전력 컨버터들 (204)을 포함하는 전력 변환 시스템 (202)을 포함한다. 하나 이상의 전력 컨버터들 (204)은 지지 받침대 (206)의 저항성 레이어의 가열 요소들에 연결된다. 각각의 전력 컨버터 (204)는 전력 소스 (208)으로부터의 입력 전압 (VIN)을, 상기 가열 요소들에 인가된 출력 전압 (VOUT))으로 조절하도록 동작할 수 있으며, 여기에서 상기 출력 전압은 상기 입력 전압과 작거나 같다.
도 10을 참조하면, 주어진 전력 컨버터 (204)는 구동기 회로 (232) 및 전계 효과 트랜지스터인 제어 스위치 (236)를 구비한 버크 (buck) 컨버터 (234)를 포함한다. 상기 구동기 회로 (232)는 제어기 (200)로부터의 입력 신호에 기반하여 제어 스위치 (236)를 작동시킨다.
일반적으로, 스텝-다운 전압 컨버터로서의 버크 컨버터 (234)는 전력 소스 (208)로부터의 전압을 감소시키도록 동작할 수 있다. 특히, 상기 전력 소스 (208) (예를 들어, 208 VAC)로부터의 AC 전압은 나중에 버크 컨버터 (234)에 의해 수신되는 DC 전압으로 정류된다. 제어 스위치 (236)의 동작에 기반하여, 상기 버크 컨버터 (234)는 전압을 감소시키고 상기 전력 소스 (208)으로부터의 전류를 증가시키며 그리고 그 조절된 전압 및 전류를 각자의 가열 요소들에 인가한다. 상기 제어 스위치의 전도율은 상기 출력 전압의 진폭을 제어하여, 그 제어 스위치의 낮은 전도율이 낮은 진폭 출력 전압을 출력하도록 하며 그리고 그 제어 스위치의 높은 전도율은 높은 진폭 출력 전압을 출력하도록 한다. 전압 리플을 줄이기 위해, 커패시터들로 만들어진 필터들 또는 커패시터와 인덕터들의 조합으로 만들어진 필터들이 상기 버크 컨버터 (234)의 출력 및/또는 입력에 추가된다. 상기 전력 변환 시스템에 관한 추가의 정보는, "Power Converter for a Thermal System" 제목의 2017년 6월 15일에 출원된 본 출원인의 동시 계속중인 미국 출원 일련번호 15/624,060호에 개시되며, 이 출원은 본 출원과 공통으로 소유되며, 그리고 이 출원의 내용은 그 전체가 본원에 참조로서 편입된다.
상기 제어기 (200)는 마이크로 프로세서 및 메모리를 구비한 전자 장치를 포함하고, 상기 전력 변환 시스템 (202)에 의해 상기 저항성 가열 요소들에 공급되는 전력을 제어하도록 구성된다. 상기 제어기 (200)는 상기 받침대의 가열 요소들로부터의 피드백 데이터 및 미리 저장된 제어 알고리즘들 및/또는 프로세스들에 기반하여 상기 히터 요소들에 인가된 전압을 조절하기 위해 상기 전력 변환 시스템 (202)을 작동시킨다. 상기 피드백 정보는 저항성, 부하 전류 및/또는 전압 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 부하 전류 및/또는 전압은 센서 회로 (238)에 의해 탐지될 수 있다.
본 발명 개시의 한 모습에서, 상기 전력 소스 (208)로부터의 입력 전압은, 본 출원과 공동으로 양도되고 그 전체 내용이 본원에 참조로서 편입되는 미국 특허 No. 7,257,464 및 No. 8,423,193에 개시된 것과 같은 스케일링 팩터를 사용하여 크기 조절된다. 상기 입력 전압은 미리 세팅된 사용자 값에 기반하여 크기 조절될 수 있다. 상기 미리 세팅된 사용자 값은 최대 전압 출력 레벨 및 최대 전력 출력 레벨 중 하나이며 또는 일반적으로 전류, 전압 또는 전력량 (wattage)일 수 있다. 상기 전류는 전압을 크기 조절하고 히터에 전력을 제공하는 것과 동시에 측정된다. 상기 크기 조절은 램프-업 (ramp-up) 동안에 히터 특성을 탐지하기 위한 점진적 램프-업을 포함한다.
본 발명 개시의 하나 이상의 모습에서, 상기 제어기 (200)는 주어진 전력 컨버터 (204)의 원하는 출력 전압을, 상기 센서 회로 (238)로부터의 데이터에 기반하여, 그리고 히터 유형, 개방 히터 (open heater), 단락 히터 (shorted heater), 시동, 예열 (warm-up), 정상 상태 (stead-state) 및/또는 히터 온도와 같은 상기 가열 요소의 작동 상태에 기반하여 결정한다. 이 예에서, 상기 제어기는 상기 히터의 가열 요소들의 온도에 기반하여 전압을 조절하기 위해 전력 컨버터들을 작동시키도록 구성되어, 주어진 전력 컨버터로부터의 전력이 각자의 가열 요소들의 온도에서의 변화와 일치하도록 한다. 다른 모습에서, 상기 제어기는 선택된 듀티 사이클에서 상기 제어 스위치를 스위치하며, 여기에서 상기 듀티 사이클은 가열 요소들의 작동 모드에 기반하여 정해된다. 예를 들면, 도 11a 내지 도 11d는 각각 시동 모드, 예열 모드, 정상 상태 모드 및 교란 (disturbance) 동안에 히터의 하나 이상의 가열 요소들에게 전력을 제공하는 전력 컨버터의 출력 전압 파형들을 도시한다. 도시되었듯이, 상기 가열 요소들에 인가된 전압 파형들은 상이하다. 전압은 상기 가열 요소들의 저항, 상기 가열 요소들을 통해 흐르는 전류 및 상기 가열 요소들의 온도에 종속하여 변한다. 온도가 상대적으로 낮은 때인 시동 및 예열 동안에, 전압은 상대적으로 작은 진폭을 가지며, 그래서 전력량은 상대적으로 낮다. 온도가 상대적으로 높을 때인 정상 상태 및 교란/서지 (surge) 동안에, 전압의 진폭이 증가하여 전력량이 많아지는 결과를 가져온다. 이러한 제어 방식에 관한 추가 정보는 "System and Method for Controlling Power to a Heater" 제목의 2017년 8월 10일에 출원된 본 출원인의 동시 계속중인 미국 임시 출원 No. 62/543,457에 개시되어 있으며, 이 출원은 본 출원과 공동으로 소유되고, 그 내용 전체가 본원에 참조로서 편입된다.
상기 전력 변환 시스템 (202)을 구비함으로써, 상기 제어 시스템은 상기 가열 요소들에 대한 정밀하며 더 안전한 제어, 그래서 상기 히터에 대한 정밀하며 더 안전한 제어를 위해 상기 가열 요소들로의 전력을 변하게 한다. 예를 들면, 피크 전류를 최소화하기 위해 하나 이상의 가열 요소들에 더 낮은 전력이 공급될 수 있으며, 또는 상기 가열 플레이트의 기판에서 열 균열을 방지하기 위해 가열의 초기 단계에서 그리고 작업 중지 동안에 더 낮은 전력이 제공될 수 있다. 상기 제어기 (200)는 상이한 전압들을 출력하도록 상기 전력 변환 시스템 (202)을 제어하고, 그러므로 개별 가열 구역들의 온도를 제어한다. 따라서, 상기 제어 시스템은 상이한 구역들 사이의 온도 차이들을 조절하여 상기 받침대의 히터 전체에 걸쳐 균일한 온도를 제공한다.
본 발명 개시는 예들로서 기술되고 예시된 다양한 모습들로 한정되지 않는다는 것에 유의해야 한다. 아주 많은 다양한 수정들이 설명되었으며 그리고 더 많은 내용은 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자의 지식의 일부이다. 이러한 그리고 추가의 수정들 그리고 기술적인 등가들에 의한 대체는 본 발명 개시 및 본 특허의 보호 범위를 벗어나지 않으면서 상기 설명 및 도면들에 추가될 수 있다.

Claims (15)

  1. 지지 받침대로서, 상기 지지 받침대는:
    제1 세트의 구역들을 한정하는 상단 저항성 레이어 및 제2 세트의 구역들을 한정하는 하단 저항성 레이어를 구비한 기판을 포함하며,
    상기 제1 세트의 구역들 및 제2 세트의 구역들 중의 각 구역은 복수의 전기 단자들 중으로부터의 적어도 두 개의 전기 단자들에 결합되며, 그리고 상기 전기 단자들의 총 개수는 상기 제1 세트의 구역들 및 제2 세트의 구역들 전체보다 작거나 동일한, 지지 받침대.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지 받침대는 어떤 비아 (via)들도 포함하지 않는, 지지 받침대.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지 받침대는 어떤 라우팅 (routing) 레이어들도 포함하지 않는, 지지 받침대.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전기 단자들 중으로부터의 적어도 두 전기 단자들은 상기 제1 저항성 레이어 및 제2 저항성 레이어 중 적어도 하나의 중앙 영역에 배치된, 지지 받침대.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전기 단자들은 터미네이션 패드들인, 지지 받침대.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세트의 구역들 및 제2 세트의 구역들 중 적어도 하나로부터의 적어도 두 구역들은 상기 복수의 전기 단자들 중의 동일한 전기 단자에 연결된, 지지 받침대.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나는 2-와이어 히터 구성을 가진, 지지 받침대.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나는,
    상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나를 외부 전력 소스에 연결하기 위한 매트릭스 와이어링 구성, 그리고
    상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나를 외부 전력 소스에 연결하기 위한 다중-병렬 와이어링 구성을 가지는, 지지 받침대.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어의 상기 제1 세트의 구역들 및 상기 제2 세트의 구역들 중 각 구역으로의 전력을 조절하기 위한 복수의 전력 컨버터들을 구비한 제어 시스템을 더 포함하는, 지지 받침대.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 상단 저항성 레이어는 상기 기판의 제1 표면 상에 배치되며 그리고 상기 하단 저항성 레이어는 상기 제1 표면에 맞은편인 상기 기판의 제2 표면 상에 배치되는, 지지 받침대.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전기 단자들로부터의 적어도 두 전기 단자들은 상기 상단 저항성 레이어 및 상기 하단 저항성 레이어 중 적어도 하나와 동일한 평면 상에 배치된, 지지 받침대.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 상단 저항성 레이어는 여섯 개의 구역들 및 네 개의 전기 단자들을 구비하며 그리고 상기 하단 저항성 레이어는 네 개의 구역들 및 다섯 개의 전기 단자들을 구비한, 지지 받침대.
  13. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 추가의 기능성 레이어를 더 포함하는, 지지 받침대.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가의 기능성 레이어는 RF 그리드 레이어인, 지지 받침대.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전기 단자들은 상기 기판의 중앙에 배치된, 지지 받침대.
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