TWI756494B - 具有路由層之多區域台座加熱器 - Google Patents

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凱文 皮塔賽恩斯基
史丹頓Ｈ 布里特羅
穆罕默德 諾斯拉提
凱文 史密斯
布列塔尼 菲利浦斯
肯 艾姆斯
派翠克 馬格維奧
庫特 英格利
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美商瓦特洛威電子製造公司
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Abstract

本發明提供了一種支撐台座，其包括一支撐構件，該支撐構件包括一具有至少兩個區域的電阻層、一路由層、以及複數個導電通路。該電阻層與該路由層被設置在該支撐構件的不同平面上並藉由該等複數個通路被連接。該電阻層的該區域數量大於或等於耦合到該路由層之導線的數量。該路由層可包括延伸自該路由層之一中心區域的複數個支線部分。該支撐台座更可包括沿著與該路由層相同平面被設置的一第二電阻層。

Description

具有路由層之多區域台座加熱器 交互引用到相關的申請
本申請案主張於2017年11月21日申請標題為「多重區域陶瓷台座」之美國臨時申請案第62/589,023號的優先權及其利益，其完整內容合併於本文中以供參考。
發明領域
本發明一般係涉及半導體加工設備，更具體地說係涉及基板支撐台座，用於支撐諸如一晶圓的基板以及在其上加熱該基板。
發明背景
在本節中的陳述僅提供與本發明相關的背景資訊，可能不構成現有的技術。
一晶圓支撐總成，諸如一用於半導體加工之台座，被設置在一半導體加工室中，並且通常包括一晶圓支撐部分以及一被固定到該晶圓支撐部分之一中心區域的軸。該晶圓支撐部分可包括一電阻加熱元件用於產生熱量，以及電氣端子用於把該電阻加熱元件連接到一外部電源。該等電氣端子被設置在鄰近該晶圓支撐部分的該中心 區域並在該軸中延伸。該電阻加熱元件被設置在該晶圓支撐部分的該中心區域之外，並且通常在該中心軸區域附近由於有該等電氣端子的存在所以沒有電阻加熱元件。結果，通常會在該中心區域中產生一冷點，並因此該中心區域的尺寸要做得相對較小，以便減小該冷點面積。
然而，該中心區域之該減小的尺寸限制了可被設置在該等中心區域中電氣端子的數量，並因此限制了可被獨立控制之該等加熱區域的數量。由於把溫度感測裝置整合到一台座中的複雜性以及在軸區域附近之冷區域，傳統的晶圓支撐台座通常被組配成僅提供一或兩個加熱區域。由於在一半導體加工室中可能存在有各種因素會影響該晶圓支撐部分的一局部溫度，在有受限加熱區域的情況下，該晶圓支撐部分之一預定的整體加熱佈局無法被提供。
此外，該中心區域之該減小的尺寸也限制了溫度感測器的該數量，該溫度感測器可被使用來監控該晶圓支撐部分的溫度。該受限的溫度感測器數量會造成該晶圓支撐部分的溫度無法被精確地監控。因此，該晶圓支撐部分的該電阻加熱元件典型上係使用比率控制(即，開迴路)來操作。
發明概要
本發明提供了一種支撐台座，其包括一支撐構件，該支撐構件包括一具有至少兩個區域的電阻層、一路由層、以及複數個導電通路。該電阻層與該路由層被設 置在該支撐構件之不同的平面中，並由該等複數個通路予以連接。該電阻層之區域的該數量大於或等於耦合到該路由層之導線的一數量。
在一種形式中，該電阻層與該路由層被設置在垂直於該支撐構件的一平面中並且重疊，使得該電阻層延伸越過該支撐構件的一中心區域。
在另一種形式中，支撐構件包括具有相對表面的一主基板。該電阻層與該路由層被設置在該主基板的該等相對表面上，並且該等複數個導電通路延伸穿過該主基板。在這種形式中，該等複數個導電通路可以垂直於該等相對表面被設置。
在另一種形式中，該電阻層包括複數個電阻加熱元件，其限定了複數個加熱區域，而該路由層包括一中心部分與從該中心部分延伸的複數個支線部分。該等複數個支線部分被電氣連接到該等加熱區域，並且支線部分的該數量對應於該等電阻加熱元件的該數量。該支撐構件進一步可包括連接到該路由層之該中心部分的複數個電氣端子。
在又另一種形式中，該支撐構件包括限定一頂表面及一底表面的一主基板。該主基板更進一步限定了複數個通路孔口用於在其中接收導電通路；以及複數個向該底表面開口的盲凹槽。該等複數個通路孔口可以從該主基板的該頂表面延伸到該底表面，並且與該主基板的該等頂表面和底表面齊平。另外，可以提供插入該等盲凹槽中 的電氣端子。該路由層可包括複數個支線部分，每一個支線部分有一端連接到一對該等導電通路且另一端連接到一對電氣端子。該電氣端子可以與該主基板的該底表面齊平。
在又一種形式中，該支撐構件更包括一頂層、一主基板、以及一底層，其中該電阻層被設置在該頂層與該主基板之間，並且該路由層被設置在該主基板與該底層之間。
在另一種形式中，該支撐台座更包括沿著與該路由層所處相同平面被設置的一第二電阻層。在這種形式中，該路由層具有比該第二電阻層更高的電阻而且不是重疊該第二電阻層的一部分就是鄰接該第二電阻層。在另一種形式中，一過渡跡線沿著與該第二電阻層及該路由層相同的平面被設置，以及該過渡跡線的電阻小於或等於該第二電阻層的電阻。
在一進一步的形式中，該電阻層具有以下的一或多個：一雙線加熱器組配、一矩陣佈線組配用於把該電阻層連接到一外部電源、以及一多重並聯佈線組配用於把該電阻層連接到一外部電源。
本發明更提供一種支撐台座，其包括複數個電阻加熱元件，其限定了複數個加熱區域；一路由層，其包括一中心部分及從該中心部分延伸之複數個支線部分；一主基板，其被設置在該等複數個加熱區域與該路由層之間；以及複數個導電通路對，其延伸通過該主基板並被連接到該等複數個電阻加熱元件。每一個支線部分被連接到 相應的一對導電通路，並且加熱區的數量大於或等於耦合到該路由層之導線的數量。
在該等各種形式中，一控制系統可被提供，其包括複數個功率轉換器用於調整供給該電阻層的該等加熱元件的功率。
本發明更提供一種支撐台座，該支撐台座包括一基板，其具有一第一表面及一第二表面；一第一電阻層，其具有至少兩個區域並被設置在該基板的該第一表面上；一第二電阻層，其具有至少兩個區域並被設置在該基板的該第二表面上；以及一路由層，其被設置在與該第二電阻層相同的平面上。複數個導電通路把該路由層電氣耦合到該第一電阻層。該第一電阻層與該第二電阻層之至少一個的區域數量大於或等於耦合到該路由層之導線的數量。
根據本文所提供的描述，其他的適用領域將變得顯而易見。應被理解的是，該描述與具體的實例僅旨在用於說明的目的，並不旨在限制本發明的範圍。
10、206:支撐台座
12、120:支撐構件
14:管狀軸
15:中心區域
16、60、70:頂表面
18、62、72、134:底表面
20:電纜
22、122:頂層
24:層/電氣層/電阻層
26:主基板/基板
28、128、256:路由層
30、130:底層
32、140:導電通路
34、142:電氣端子
36:通路頭部
38:通路基座
40:頭部/放大頭部
42:圓柱形部分
44:管狀部分
46:底部/放大底部
48:切口
50:通路孔
52:上部
54:下部放大部分
56:插入孔
64:通路孔口
66:盲凹槽
68:對位孔
78:電阻加熱元件
80:中心部分
82:支線部分
90:容納空間
92:末端
98:穿孔
124:電阻層
126、254:主基板
132:頂表面/導電通路
136:第一溝槽
138:第二溝槽
150:導線
200:控制器
202:功率轉換器系統
204:功率轉換器
208:電源
232:驅動器電路
234:降壓轉換器
236:開關
238:感測器電路
252:第一電阻層/頂部加熱層/電阻層
258:第二電阻層/底部加熱層/加熱層
260:熱點
281:過渡跡線
282、286:第一跡線
284、288:第二跡線
從詳細的描述以及該等附圖，本發明將更全面地被理解，其中：圖1係根據本發明的教導所建構出之一支撐台座的一頂視圖；圖2係圖1該支撐台座的一側視圖；圖3係圖1和2該支撐台座之一支撐構件的一 分解圖；圖4係圖3支撐構件之一導電通路的一分解透視圖；圖5係圖3支撐構件之一電氣端子的一透視圖；圖6係圖3支撐構件之一主基板的一頂部透視圖；圖7係圖6該主基板的一底部透視圖；圖8係圖3支撐構件之一主基板及複數個導電通路的一頂部透視圖；圖9係圖8之A部分的一放大剖視圖，其展示出把一導電通路插入到該主基板的一通路孔中；圖10係形成在圖3支撐構件之一主基板上之一電阻層的一透視圖；圖11係圖3該支撐構件之一頂層與一主基板的一透視圖；圖12係一頂層與一主基板的一透視圖，它們被粘合在一起以形成一整體板；圖13係圖1支撐台座的一剖視圖；圖14係圖13之B部分的一放大剖視圖；圖15係圖14之C部分的一放大剖視圖；圖16係圖3該支撐構件的一部份剖視圖，其展示出插入在一主基板中的一導電通路與兩個電氣端子；圖17係圖16之D部分的一放大剖視圖； 圖18係圖3支撐構件的一示意圖，其圖示出在該電阻層、該導電通路、該路由層、該等電氣端子、以及電纜與一外部電源之間的連接；圖19和20係一支撐構件之一變型的示意圖，其中圖19展示出一主基板、一電阻層、以及一頂層的一頂部透視圖，而圖20展示出一主基板、一路由層、以及一底層的一底部透視圖；圖21係用於控制圖3該支撐台座之該電阻層的一種佈線結構的一示意圖；圖22根據本發明的教導係具有一功率轉換器系統之一控制系統的方塊圖；圖23根據本發明的教導係該功率轉換器系統之一功率轉換器的方塊圖；圖24A、24B、24C、以及24D根據本發明的教導圖示出基於不同的輸入條件該功率轉換器之不同的輸出電壓波形；圖25根據本發明的教導圖示出用於一厚路由層的一種兩層台座；圖26和27圖示出由一路由層所致使之一台座的一熱點；以及圖28根據本發明的教導圖示出一薄加熱層及厚路由層組配；在該等附圖之幾個視圖各處中，相應的參考號碼表示相應的部件。
較佳實施例之詳細說明
以下的說明本質上僅是示例性的，並不旨在限制本發明、應用或、用途。
參照圖1及圖2，根據本發明之教導所建構的一支撐台座10可被使用在一半導體加工處理室中，用於在其上支撐並加熱諸如一晶圓的一加熱目標。該支撐台座10包括一支撐構件12以及附接到該支撐構件12之一中心區域15的一管狀軸14。該支撐構件12包括用於支撐一基板的一頂表面16，諸如在其上有一晶圓(圖中未示出)，以及該管狀軸14被附接到其上的一底表面18。該支撐台座10更包括容納在該管狀軸14中的複數個電纜20，用於連接被嵌入在該支撐構件12中並被連接到一外部電源之至少一個電子或電氣元件/層24(如圖3所示)。取決於該應用，該電氣層24可以是一電阻加熱層、一溫度感測器、一用於一靜電吸盤(ESC)的電極、或一射頻(RF)天線、等等。雖然未在該圖中示出，該支撐構件12可任選地限定一用於接收一吹掃氣的氣體導管以及一真空導管以為該晶圓提供真空嵌位。
參照圖3，在一種形式中，該支撐構件12包括複數個層，它們被層壓以形成一整合的結構。該等複數個層包括一頂層22、一用於產生熱的電阻層24、一主基板26、一路由層28、以及可任選的一底層30，被依序地從上到下安置。該電阻層24與該路由層28被設置在該主基板26 的相對表面上，並被設置在不同的平面中。該電阻層24包括複數個電阻加熱元件78，其可獨立地控制並限定了複數個加熱區域。在圖3中展示出六個電阻加熱元件78以限定六個電阻加熱區域。任何數量的電阻加熱元件78可被使用而不脫離本發明的範圍。而且，也可以採用複數個基板26同時維持在本發明的範圍內。
應被理解的是，該支撐構件12不受限於這一特定的多層結構，且該支撐構件12更可包括另外的功能層(例如粘接層、介電層、感測層、以及保護層、等等)，同時仍然保持在本發明的範圍內。在一個實例中，該支撐構件12更包括一整合式射頻(RF)網格層，其被電氣連接到一接地端以補償由加工室所施加的RF等離子體或磁場。或者，該電阻層24及/或該路由層28係一RF網格層。通常，該RF網格層被使用作為天線以引導由該加工室所施加的RF等離子體或磁場通過接地端子並且屏蔽及保護加熱器和感測器裝置。
該支撐構件12更包括複數個導電通路32(在圖3中僅示出一個)以及複數個電氣端子34(在圖3中僅示出一個)被設置在一垂直於該支撐構件12的平面N中。該等複數個導電通路32延伸穿過該主基板26並連接被設置在該主基板26之相對側/表面上之該電阻層24與該路由層28。該等複數個電氣端子34被設置成鄰近該主基板26的該側/表面，其中該路由層28被設置來把該路由層28連接到該等電纜20，其被佈置在該中心區域15中並 進而被連接到一外部電源(圖中未示出)。
該路由層28可被組配成包括一中心部分80及複數個支線部分82，該等支線部分從該中心部分80以一實質徑向方向做延伸，用於接合相應的一對導電通路32，並因此接合一相應的電阻加熱元件78。在這種形式中，該路由層28的每一個支線部分82係一路由電路，用於把相應的一對電氣端子34連接到相應的一對導電通路32以控制該電阻層24之一相應的加熱區域。
圖3展示出該電阻層24，其包括六個獨立控制的電阻加熱元件78，並且該路由層28包括六個支線部分82。該電阻層24可以具有任何數量的電阻加熱元件78以及電阻加熱區域而不脫離本發明的範圍。該路由層28之該支線部分82的該數量和該導電通路32的該數量以及該等電氣端子34的該數量取決於該等電阻加熱元件78與該等加熱區域的該數量。在該電阻層24包括限定了(n)個加熱區域之(n)個電阻加熱元件78的情況下，(2n)個導電通路32以及(2n)個電氣端子34被提供用於把(n)個電阻加熱元件78連接到一外部電源，經由該路由層28的(n)個支線部分82，每一個支線部分82係一路由電路。
該電阻層24與該路由層28被設置在該主基板26的相對側(例如，該主基板26的頂表面60與底表面62，如在圖6和7中所示)，使得該電阻層24與該路由層28被定位垂直於該平面N，該平面垂直於該支撐構件12。在這種設置中，儘管該等電氣端子34被設置在該中 心區域15中，但路由層28重疊該電阻層24並允許該電阻層24延伸橫越該支撐構件12的該中心區域15，從而顯著地減少或消除在該中心區域15中的該等冷點。
該頂層22、該主基板26以及該底層30可以由陶瓷材料製成，諸如氮化鋁(AlN)，並且可以是以一種燒結或機器加工陶瓷板的形式。該等複數個導電通路32可以是一種單一導電針形式或可被形成為具有多重件形式。
參照圖4，在一種形式中，該等複數個導電通路32的每一個都包括一通路頭部36及一通路基座38。該通路頭部36包括一放大的頭部40與附接到該放大頭部40的一圓柱形部分42。該通路基座38包括一放大的底部46和連接到該放大底部46的一管狀部分44。該通路基座38限定了沿著其長度延伸的一通路孔50用於在其中接收該通路頭部36的該圓柱形部分42。該通路基座38的該放大底部46限定了一對切口48以有助於把該路由層28固定到該導電通路32。該導電通路32每一個包括一頂表面70與一底表面72。
參照圖5，該電氣端子34包括一上部52與一下部放大部分54。該電氣端子34可以是一種插座的形式，其限定一插入孔56用於接收一相應電纜20的一端子末端92(展示於圖14中)。
參照圖6和7，該主基板26包括一頂表面60、一底表面62、延伸穿過該主基板26的複數個通路孔口64用於接收該等複數個導電通路32、複數個開向該底表面 62的盲凹槽66用於接收該等複數個電氣端子34、以及複數個對位孔68。該等通路孔口64的數量對應於該等導電通路32的數量。該等盲凹槽66的數量對應於該等電氣端子34的數量。如在圖3中被清楚地展示出，該頂層22與該底層30也具有對應的對位孔68，該對位孔68與該主基板26的對位孔68對位，以便於當該頂層22、該主基板26、以及該底層30被粘合或燒結成為一個整體單元時這些層的對位。
參照圖8和9，該等複數個通路孔口64被組配成在其中接收該等複數個導電通路32，其中該等導電通路32的該等頂表面70和該等底表面72(更具體地說，該等通路頭部36的該等頂表面70和該等通路基座38的該等底表面72)分別與該主基板26的該頂表面60和該底表面62齊平。在圖8中展示出十二(12)個通路孔口64以接收十二(12)個導電通路32。該通路頭部36可以藉由任何傳統的固定方法被固定到該通路基座38上，傳統的固定方法包括但不侷限於螺紋連接、摩擦適配、熔融釬焊、以及燒結。有關於這種通路燒結的額外資訊已在本申請人同時提交標題為「使用在陶瓷支座中的雙用途通路」的共同審查申請案中被揭露，本發明共同擁有該申請案並且其內容通過引用併入本文。該等盲凹槽66、該等電氣端子34、以及該路由層28的該中心部分80被設置在該支撐構件12的該中心區域15中。
應被理解的是，雖然該等通路孔口64被展示出一直延伸穿過該主基板26(例如，從該頂表面60延伸 到該底表面62)，但是該等通路孔口64可以僅部分地延伸到該主基板26之中使得每一個通路孔口64僅向該主基板26的該頂表面60或該底表面62開孔，而仍然維持在本發明的範圍內。
參照圖10，該電阻層24被設置在該頂層22與該主基板26之間，並且可以藉由，例如，物理氣相沉積(PVD)、濺射、薄箔、或本領域之任何已知的方法來被形成在該主基板26的該頂表面60上。
參照圖11和12，在該主基板26的該頂表面60上形成該電阻層24之後，該頂層22可以藉由熱壓擴散接合來被結合到該主基板26的該頂表面60以封裝在其間的該電阻層24，並以產生一氮化鋁(AlN)單片結構。可選擇地，該底層30也可以在同一步驟中或在一不同的步驟中被粘接到該主基板26的該底表面62，其中該路由層28被設置在該主基板26與該底層30之間以把該頂部層22、該電阻層24、該主基板26、該路由層28、以及該底層30粘合在一起。類似地，該路由層28可以藉由PVD、濺射、薄箔、或任何其他傳統的方法在該主基板26的該底表面62上被形成。
參照圖13，該管狀軸14被連接到該支撐構件12並限定一容納空間90，該等複數個電纜20被設置在該容納空間中。
參照圖14至17，該等複數個盲凹槽66係從該主基板26的該底表面62被凹進，以在其中接收該等複數個電氣端子34。該底層30包括與該等複數個盲凹槽66對位 的複數個穿孔98。該等電纜20各自具有一末端92，該末端被插入穿過該底層30的該等穿孔98並進入到該等電氣端子34的該插入孔56中以建立在該等電纜20與該等電氣端子34的之間的電氣和物理連接，其中該等電氣端子34係被接收在該主基板26之該等盲凹槽66之中。應被理解的是，該等電纜20的該等末端92可以使用任何傳統方法被連接到該等電氣端子34，並不侷限於本文所揭露的方法。
參照圖18，該電阻層24包括複數個電阻加熱元件78並被設置在該路由層28的上方。該電阻層24和該路由層28被設置在該支撐構件12的不同平面中。因此，該電阻層24可以延伸橫跨該支撐構件12的該中心區域15以減少在該中心區域15中的冷點。以該電阻層24和該路由層28係在不同平面中的情況下，該等電阻加熱元件78各自藉由被設置在垂直於該支撐構件12之一N平面中相應的一對導電通路32被連接到該路由層28之一相應的支線部分82。該路由層28之該等支線部分82的每一個係一路由電路來把該電阻加熱元件78連接到被設置在該支撐構件12之該中心區域15中的一對電氣端子34。該等電氣端子34被連接到該等電纜20，其接下來被連接到一外部電源。
此外，在該電阻層24和該路由層28處於不同平面中的情況下，該電阻層24可被組配成與該路由層28重疊，從而導致會有更多的覆蓋區域可用於該電阻層24。就此而言，該支撐構件12可被組配成具有多個加熱區域，其具有分佈的瓦數進入該陶瓷基板。此外，藉由使用該等 電阻加熱元件78的該電阻變化，該具有多個加熱區域的電阻層24也可被使用作溫度感測器。因此，該支撐構件12的該佈線結構可被簡化，其將在下面做更詳細地描述。
參照圖19和20，其係根據本發明的教導所建構之一支撐構件的一種變型，其具有與圖3該支撐構件12類似的一結構，不同處為該主基板具有在其中用於接收該電阻層及該路由層的溝槽。作為一實例，該支撐構件可以藉由一種鑲嵌製造加工來形成。在一種鑲嵌加工中，該主基板包括一介電層，該介電層被圖案化以形成具有一金屬層形狀的一溝槽，然後在該溝槽中形成該金屬層。該鑲嵌加工與一光刻法相反，其中光刻法藉由使用一光致抗蝕劑圖案作為一遮罩首先在該主基板上形成該金屬圖案，然後在該金屬圖案周圍印刷或沉積一介電材料以形成一平面的表面。
更具體地說，該支撐構件120包括從上到下依序安置的一頂層122、一電阻層124、一主基板126、一路由層128、以及一底層130。該主基板126具有相對的頂表面132及底表面134。該頂表面132限定一第一溝槽136，該第一溝槽136具有與該電阻層124的形狀相對應的一形狀，用於在其中接收該電阻層124。該主基板126的該底表面134限定了一第二溝槽138，該第二溝槽138具有與該路由層128的形狀相對應的一形狀，用於在其中接收該路由層128。藉由在該等第一及第二溝槽136及138之每一個中沉積一或多種金屬材料，該電阻層124和該路由層128 可分別被形成在該等第一和第二溝槽136、138之中。可替代地，該電阻層124和該路由層128可以是一金屬片的形式，該金屬片具有所欲的形狀/圖案並且放置在該第一溝槽136和該第二溝槽138中。應被理解的是複數個。
類似於圖3的該支撐構件12，該支撐構件120包括複數個導電通路140，其以一種沿著平行於該支撐構件120的一方向N的形式做延伸，並被設置在該等穿過該主基板126相對應的通路腔(圖中未示出)中。類似地，電氣端子142被形成在該主基板126的一底表面134處，以把該路由層128連接到該等電纜(在圖19和20中未示出)。
該頂層122、該主基板126、以及該底層130係由陶瓷材料製成，諸如氮化鋁(即，氧化鋁)。該頂層122、該主基板126、以及該底層130每一個都可以一是綠色環保陶瓷板，並且可被燒結在一起，諸如藉由熱壓，以形成一單片陶瓷基板，用以把該電阻層124及該路由層128封裝在其中。
可替代地，該頂層122、該主基板126、以及該底層130係機械加工的陶瓷板，並且可由任何傳統的粘合方法把它們粘合在一起，諸如熱粘合和擴散接合，而無需任何的燒結加工過程。可替代地，該頂層122、該主基板126、以及該底層130中之一或多個係處於綠色環保狀態中，而其他(一或多個)係一機械加工板。藉由熱壓擴散接合，該機械加工板可被粘合到該燒結結構用以形成包括綠色環保板及燒結擴散接合兩者的一混合結構。
在本發明的該等支撐構件12、120中，雖然未在該等圖中被特別地描述和展示出，但可在該頂層、該主基板、以及底層的該等表面上形成一或多個介電層以絕緣該電阻層及該路由層或便利於把該電阻層及該路由層粘合到該主基板，而不脫離本發明的範圍。該等複數個導電通路和電氣端子可被佈置成在垂直於該支撐構件的平面N中做延伸，或者以相對於該法線平面N的一角度延伸，只要在不同平面中之該電阻加熱層和該路由層可被連接並且該路由層可被正確地連接到該等電纜即可。
參照圖21，其描述了一控制系統，用於控制具有多重加熱區域之該電阻層24、124。該支撐構件12、120可被連接到一使用一種閉迴路控制的控制系統，該控制系統可藉由使用自適應熱系統(ATS)技術來控制所有的該等加熱區域而無需額外的感測器。該自適應熱系統把該加熱器設計與一控制系統相結合，以提供差異化的閉迴路控制，同時簡化系統整合。該電阻層24、124的該等電阻加熱元件78包括一具有相對高電阻溫度係數(TCR)的材料，諸如鉬、鈦、鎳，使得該電阻層24、124本身也可以被使用作為一感測器以基於該電阻加熱電路的電阻變化來提供溫度資訊。
換句話說，該等電阻加熱元件78的溫度係經由具有相對高電阻溫度係數之該電阻加熱元件的電阻變化來推斷。因此，不需要額外諸如熱電偶的溫度感測器，從而簡化了在該支撐台座10中的該佈線連接。使用電阻加 熱元件78而不使用熱電偶可以在多重加熱區域上提供更好的溫度反饋和閉迴路控制，以減少在較高的溫度下陶瓷的破損風險。這種「雙線」組配的各種形式會在下面做更詳細地描述。
此外，矩陣及多重並聯佈線拓撲與定製的控制演算法做整合。如圖21所示，該等電阻加熱元件78和用於把該等電阻加熱元件78連接到一外部電源的該等佈線被佈置成使得每對導線150具有一電阻加熱元件78被連接在它們之間。這種佈線佈置已在美國專利第9,123,755號標題為「用於控制熱陣列的系統和方法」及其相關的專利/申請案中進行了描述，這些專利/申請案被共同受讓給本申請案，其完整內容合併於本文中以供參考。該佈線佈置允許對所有的電阻加熱元件78同時進行功率控制和溫度感測，以在該支撐構件12、120之某些區域溫度變得太高並超一過臨界溫度時保護該支撐構件12、120的該陶瓷材料使之免於破裂。此外，該控制方案允許使用更少的佈線但具有更好的控制來實現該支撐台座10之更好的熱性能。例如，在一種形式中，可使用本文所描述之該佈線拓撲來連接的該加熱器數量等於n(n-1)/2，其中n係該導線數量。因此，加熱器/區域的該數量通常大於或等於導線的該數量。
在本發明的一種形式中，該電阻層24的該等電阻加熱元件78被使用來產生熱並用於檢測該元件的溫度。換句話說，該等電阻加熱元件78係「雙線」加熱元 件使得它們用作為加熱器和用作為溫度感測器，其中僅用兩根引線可操作地被連接到該加熱元件而不是四根(例如，兩根用於該加熱元件以及兩根用於一離散溫度感測器)。在美國專利第7,196,295號中揭露了這一種雙線能力，該專利被共同受讓給本申請案，其完整內容合併於本文中以供參考。
一般而言，該控制系統，其與該等第一和第二引線進行通訊，被組配成測量在該等兩條引線之間在電壓中的變化。更具體地說，該控制系統測量跨越該等引線上的毫伏(mV)變化，然後使用在這些電壓中的變化來計算該電阻加熱元件的一平均溫度。在一種形式中，該控制系統可以測量在電壓中的變化而且不中斷對該電阻加熱元件的供電。例如，這可以藉由在一AC輸入電力信號的該零穿越點處讀取一讀數來實現。在另一種形式中，供電被中斷並且該控制系統從一加熱模式切換到一測量模式以測量在該電壓中的該等變化。一旦求出了該平均溫度，該控制系統就切換回該加熱模式。
即使相同的電源供應被施加到該等加熱元件，但該電阻層之不同的加熱元件可能不會以相同的速率進行加熱。這可能是由各種因素所引起的，諸如該等加熱元件與散熱器的相對位置以及在該等加熱區域中該製造的不一致性。當在相鄰加熱區域之間出現一顯著的溫差時，肇因於在該等相鄰加熱區域中之熱擴張中的顯著差異而引起的一種誘致熱機械應力可能會導致在該加熱板之該陶瓷 基板中的破裂。為了解決這個問題，在本發明的一種形式中，該控制系統包括一功率轉換系統，該功率轉換系統具有一或多個功率轉換器用於調節施加到該電阻層的該功率。
參照圖22，該控制系統包括一控制器200和一功率轉換器系統202，該功率轉換器系統202包括複數個功率轉換器204。一或多個功率轉換器204被連接到一支撐台座206之一電阻層的加熱元件。每一個功率轉換器204可操作來把來自該電源208的一輸入電壓(VIN)調節成要被施加到該等加熱元件的一輸出電壓(VOUT)，其中該輸出電壓小於或等於該輸入電壓。
參照圖23，一給定的功率轉換器204包括一驅動器電路232和具有一控制開關236的一降壓轉換器234，該控制開關236係一場效電晶體。該驅動器電路232基於來自該控制器200的一輸入信號來操作該控制開關236。
一般而言，該降壓轉換器234，作為一下降電壓轉換器，可操作來降低來自該電源208的該電壓。具體地說，來自該電源208的該AC電壓(例如，208 VAC)先被整流成為一DC電壓，然後由該降壓轉換器234所接收。基於該控制開關236的該操作，該降壓轉換器234降低該電壓並增加來自該電源208的該電流並把該等經調節的電壓和電流施加到各個加熱元件。該控制開關的該導通率控制該輸出電壓振幅，使得該控制開關的一低導通率輸出一低 振幅輸出電壓，以及該控制開關的一高導通率輸出一高振幅輸出電壓。為了減小電壓漣波，由電容器或電容器及電感器的一種組合所構成的濾波器被添加到該降壓轉換器234的該輸出及/或該輸入。有關於該電力轉換系統的額外資訊已在本申請人於2017年6月15日所提交審查中之美國專利第15/624,060號標題為「用於熱系統之功率轉換器」的申請案中被揭露，本申請案共同擁有該申請案，其完整內容合併於本文中以供參考。
該控制器200包括含有微處理器及記憶體的電子器件，並被組配成來控制由該功率轉換器系統202提供給該等電阻加熱元件的該功率。該控制器200操作該功率轉換器系統202以基於來自該台座之該等加熱元件的反饋資料及預先儲存的控制演算法及/或程序調整施加到該等加熱器元件上的該電壓。該反饋資訊包括電阻、負載電流、及/或電壓之至少一個。該負載電流及/或電壓可以由一感測器電路238來檢測。
在本發明的一種形式中，來自該電源208的一輸入電壓使用一縮放因子來被縮放，諸如在美國專利第7257464號和第8423193號所揭露的，該等專利被共同受讓給本申請案，其完整內容合併於本文中以供參考。該輸入電壓可以基於一預設的使用者值來被縮放。該預設的使用者值係最大電壓輸出準位和最大功率輸出準位之一，或者通常可以是電流、電壓、或瓦數。該電流測量係與縮放該電壓並向該加熱器供電同時進行。該縮放包括一種逐 漸上升，以在該上升期間檢測加熱器特性。
在本發明的又一種形式中，該控制器200基於來自該感測器電路238的資料，以及基於該加熱元件的操作狀態，諸如加熱器類型、開路加熱器、短路加熱器、啟動、預熱、穩態、及/或加熱器溫度，來決定一給定的功率轉換器204之該所欲的輸出電壓。在此實例中，該控制器被組配成操作該功率轉換器以基於該加熱器之該等加熱元件的溫度來調節電壓，使得來自一給定功率轉換器的功率與各個加熱元件的溫度變化相匹配。在另一種形式中，該控制器以一選定的工作週期切換該控制開關，其中該工作週期係基於該等加熱元件的一種操作模式來決定的。例如，圖24A至24D分別圖示出在一啟動模式、一預熱模式、一穩態模式、以及處於一干擾期間對一加熱器之一或多個加熱元件供電之一功率轉換器的輸出電壓波形。如圖所示，施加到該等加熱元件的該等電壓波形係不同的。該電壓根據該等加熱元件的該電阻、流經過該等加熱元件的該電流、以及該等加熱元件的該溫度來變化。在當該溫度相對較低時的啟動和預熱期間，該電壓具有一相對小的振幅，並因此該瓦數相對較低。在當該溫度相對較高時的穩定狀態及干擾/突波期間，該電壓的振幅被增加而導致較高的瓦數。有關於這種控制方案的額外資訊已在本申請人於2017年8月10日所提交審查中之美國專利第62/543,457號標題為「對加熱器控制功率之系統及方法」的申請案中被揭露，本申請案共同擁有該申請案，其完整內容合併於本 文中以供參考。
藉由使該功率轉換器系統202，該控制系統變化供給該等加熱元件的該功率，以使該等加熱元件有一精確且更安全的控制，並因此，該加熱器亦有一精確且更安全的控制。例如，可對一或多個加熱元件提供較低的功率以使峰值電流最小化，或者可以在該加熱的一早期階段以及在關閉期間提供較低的功率，以避免在該加熱板之該基板中產生熱裂縫。該控制器200控制該功率轉換器系統202以輸出不同的電壓，從而控制該等各別加熱區域的溫度。因此，該控制系統調節在不同區域之間的該等溫差，以在該台座的該整個加熱器中提供一致的溫度。
如上所述，該路由層28、128被組配成把該等電阻加熱元件78電氣耦合到該等電氣端子34、142，以對該等電阻加熱元件78供電。在一個理想的實現方式中，該路由層28、128盡可能地少散發出熱，以便不影響該支撐構件12、120的該熱分佈。然而，在一些實現方式中，該路由層28、128可能會產生熱因而產生沿著該路由層28、128之該表面的「熱點」，其會轉移到沿著該陶瓷台座的熱點。
例如，圖25圖示出一個兩層台座，其具有一第一電阻層252、一路由層256、以及一第二電阻層258。在這個實例中，該第一電阻層252係設置在一主基板254上的一頂部加熱層，而該第二電阻層258係設置在該主基板254之一底表面上的一底部加熱層。該頂部加熱層252 係一種六區域加熱器，具有四個外象限形狀區域、一中間墊圈形狀區域、以及一內部盤形狀區域。該底部加熱層258係具有四個外象限形狀區域的一種四區域加熱器。該路由層256在該主基板254的一中心區域與該底部加熱層258之間做延伸，並且與該底部加熱層258係處於同一平面中。該路由層256藉由通路被電氣耦合到該頂部加熱層252，並藉由電路跡線被電氣耦合到該底部加熱層258。使用上述的佈線拓撲，在一種形式中，該頂部加熱層252及/或該底部加熱層258的該區域數量大於或等於耦合到該路由層的該導線數量。
通常，用於一加熱層的該電路跡線是非常細的(例如，1-2毫米)，用以建立必要的電阻以產生該所需的瓦數。然而，對於該路由層256而言，由於由該路由層256所承載的該電流密度，該細跡線產生過多的熱，因此會在該熱分佈中產生一熱點。例如，參照圖26和27，具有一細路由層跡線之支撐構件其台座表面的一預期熱分佈包括由在區域1和2下方之該路由層所引起的一熱點260。
參照圖25和28，為了解決該熱點260和肇因該路由層256使得該台座表面上有溫度的變化，當該底部加熱層258的該厚度很薄時，該路由層256的厚度被增加。例如，在本發明的一種形式中，該路由層256係由兩層跡線(即，箔)所形成。具體而言，在圖28的(A)中，一第一跡線282以一第一厚度(例如，2mm)形成該底部加熱層258及該路由層256，以及具有一第二厚度(例如，5mm) 的一第二跡線284在形成該路由層256的區域處被層疊在該第一跡線282的頂部上。因此，該底部加熱層258具有一薄的厚度(例如，2mm)用以產生必要的熱量，並且該路由層256具有一厚的厚度(例如，7mm)以當電流流經過該路由層256時可顯著地減少或防止熱的產生。
在本發明的另一種形式中，該路由層256和該底部加熱層258係由兩條不同的跡線所形成，並具有一過渡跡線連接該加熱層258與該路由層256。具體地說，在圖28的(B)中，具有一第一厚度(例如，2毫米)的一第一跡線286形成該底部加熱層258，並且一具有大於該第一厚度之一第二厚度(例如，5毫米)的第二跡線288形成該路由層256。具有厚度大於或等於該第一厚度(例如，7毫米)的一過渡跡線281形成一過渡區，該過渡區電氣耦合該加熱層258與該路由層256。與在(A)中的該配置相似，該加熱層258具有一薄的厚度而該路由層256具有一厚的厚度。
本發明的該支撐台座10具有在綠色環保狀態中製造所有功能層並在一熱壓加工過程中結合所有功能層的優點。一些層可以處於一燒結狀態中並通過擴散接合來粘合。因此，該支撐構件12、120可以是綠色環保狀態和燒結結合的一種混合物。雙鑲嵌薄膜加工可被使用來形成該電阻層24、124、252以及該路由層28、128、256。該電阻層24、124、252與該路由層28、128、256被設置在不同的平面上，並且該等導電通路32、132與該等電氣端子34、142被使用來把該電阻層24、124、252與該路由 層28、128、256連接到該等電纜20，然後連接到一外部電源，從而簡化在該管狀軸14中該電阻層24、124、252對該等電纜20的該連接。有了該經簡化的端子連接，更多的加熱電路可被形成，因此可以在該支撐構件12、120中設置更多的加熱區域，而不用受到該加熱電路對該等電纜20之連接的限制。
雖然該支撐台座10已被描述來使用於半導體加工，但是應被理解的是，該支撐台座10可被修改成只有該支撐構件12而沒有該管狀軸14，而被使用來形成用於一般加熱目的加熱器。
雖然未在該等附圖中示出，但應被理解的是，其他的結構可被整合在該支撐台座10中，諸如靜電吸盤、冷卻通道、RF天線、以及電子/固態裝置。
應被注意的是，本發明並不侷限於所描述和展示出作為實例的該等各種形式。很多種修改已經被描述而且更多係為本領域習知技藝者之知識的一部分。在不脫離本發明和本專利保護範圍的情況下，這些和進一步的修改以及技術等同物之任何的替代可被添加到本說明書和附圖中。
12:支撐構件
22:頂層
24:層/電氣層/電阻層
26:主基板/基板
28:路由層
30:底層
32:導電通路
34:電氣端子
36:通路頭部
38:通路基座
68:對位孔
78:電阻加熱元件
80:中心部分
82:支線部分

Claims (19)

  1. 一種支撐台座，其包含有：一支撐構件，其界定一中心區域並包括一具有至少兩個區域的電阻層、一路由層、以及多個導電通路；以及多個電氣端子，其於該支撐構件的該中心區域中連接到該路由層且未延伸穿過該支撐構件有該電阻層設置所在的一表面；其中該電阻層與該路由層設置在該支撐構件的不同平面中並且由該等多個通路予以連接，其中該電阻層之區域的數量大於或等於耦合到該路由層之導線的數量，以及其中該支撐構件包括一具有相對表面的主基板，該電阻層與該路由層被設置在該主基板的該等相對表面上，並且該等多個導電通路延伸穿過該主基板。
  2. 如請求項1之支撐台座，其中該電阻層與該路由層被設置在垂直於該支撐構件的平面中並且重疊，使得該電阻層延伸跨越該支撐構件的一中心區域。
  3. 如請求項1之支撐台座，其中該等多個導電通路垂直於該等相對表面。
  4. 如請求項1之支撐台座，其中該電阻層包括界定了多個加熱區域的多個電阻加熱元件，該路由層包括一中心部分以及多個支線部分，該等多個支線部分延伸自該中心部分並被電氣連接到該等加熱區域，支線部分的數量對應於該等電阻加熱元件的數量。
  5. 如請求項4之支撐台座，其中該支撐構件更包含有多個連接到該路由層之該中心部分的電氣端子。
  6. 如請求項1之支撐台座，其中該支撐構件包括一界定一頂表面與一底表面的主基板，該主基板界定多個孔口用於在其中收納該等導電通路，以及多個開口向該底表面的盲凹槽。
  7. 如請求項6之支撐台座，其中該等多個導電通路從該主基板的該頂表面延伸到該底表面，並且與該主基板的該等頂及底表面齊平。
  8. 如請求項6之支撐台座，其更包含有多個被設置在該等盲凹槽內的電氣端子。
  9. 如請求項8之支撐台座，其中該路由層包括多個支線部分，每一個支線部分有一端被連接到該等多個導電通路中之一對以及另一端被連接到該等多個電氣端子中之一對。
  10. 如請求項8之支撐台座，其中該等多個電氣端子之至少一部分與該主基板的該底表面齊平。
  11. 如請求項1之支撐台座，其中該支撐構件更包括一頂層以及一底層，其中該電阻層設置在該頂層與該主基板之間，而且該路由層設置在該主基板與該底層之間。
  12. 如請求項1之支撐台座，其更包含有沿著與該路由層相同平面設置的一第二電阻層。
  13. 如請求項12之支撐台座，其中該路由層有比該第二電阻層更高的電阻並且重疊該第二電阻層的一部分。
  14. 如請求項12之支撐台座，其中該路由層有比該第二電阻層更高的電阻並且鄰接該第二電阻層。
  15. 如請求項12之支撐台座，其更包含有沿著與該第二電阻層及該路由層相同平面設置的一過渡跡線，其中該過渡跡線的電阻小於或等於該第二電阻層的電阻。
  16. 如請求項1之支撐台座，其中該電阻層具有以下項目中之一或多者：一雙線加熱器組態、用於把該電阻層連接到一外部電源之一矩陣佈線組態、以及用於把該電阻層連接到一外部電源之一多重並聯佈線組態。
  17. 一種支撐台座，其包含有：多個電阻加熱元件，其界定多個加熱區域；一路由層，其包括一中心部分和延伸自該中心部分的多個支線部分；一主基板，設置在該等多個電阻加熱元件與該路由層之間並界定一中心區域；多對導電通路，其延伸穿過該主基板且連接到該等多個電阻加熱元件；以及多個電氣端子，其於該中心區域中連接到該路由層之該中心部分且未延伸穿過該主基板有該等電阻加熱元件設置所在的一表面， 其中該等多個支線部分中的每一個支線連接到相對應的一對導電通路，其中加熱區域的數量大於或等於耦合到該路由層之導線的數量。
  18. 如請求項17之支撐台座，其更包含有一控制系統，該控制系統包括多個功率轉換器，用於調整供給該電阻層之該等加熱元件的功率。
  19. 一種支撐台座，其包含有：一基板，其具有一第一表面和一第二表面；一第一電阻層，其具有至少兩個區域並被設置在該基板的該第一表面上；一第二電阻層，其具有至少兩個區域並被設置在該基板的該第二表面上；一路由層，其被設置在與該第二電阻層相同的平面上；以及多個導電通路，其被調適成把該路由層電氣耦合到該第一電阻層；其中該第一電阻層與該第二電阻層中之至少一者的區域之數量大於或等於耦合到該路由層之導線的數量。
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