控制热阵列的系统和方法

控制热阵列的系统和方法
【专利摘要】本发明提供了一种系统和方法。在一个方面，本系统和方法可以计算多个模式的各个模式的时间周期。本系统和方法可以通过相应时间周期的每个模式索引以根据所述模式将电力提供给多个热元件。在另一个方面，本系统和方法可以通过多个模式的每个模式顺序地索引，并将电力施加到索引模式，同时测量索引模式的热元件的电气特性。
【专利说明】控制热阵列的系统和方法
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求2011年8月30日提交的序列号为61/528，939和2012年4月19日提交的序列号为61/635，310的临时申请的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。本申请还涉及与本申请同时提交且共同转让的名称为“高清晰度加热器和操作方法(HighDefinition Heater and Method of Operation) ”、“加热器的高清晰度并行控制系统(High Definition Parallel Control Systems for Heaters)，，、“热阵列系统(ThermalArray System) ”、“热阵列系统(Thermal Array System) ”、“热阵列系统(Thermal ArraySystem) ”和“控制热阵列的系统和方法(System and Method for Controlling A ThermalArray) ”的共同待决申请，其全部内容以引用方式并入本文。
【背景技术】
[0002]本申请大体涉及控制热阵列的系统和方法。

【发明内容】

[0003]在克服相关技术的缺点以及其它限制中，本申请提供了控制热阵列的系统和方法。在一个方面，本系统和方法可以计算多个模式的各个模式的时间周期。本系统和方法可以通过相应时间周期的每个模式索引以根据模式将电力提供给多个热元件。在另一个方面,本系统和方法可以顺序通过多个模式的每个模式索引，并将电力施加到索引模式，同时测量索引模式的热元件的电气特性。
[0004]在参照附属于本说明书并且构成其一部分的附图和权利要求阅读以下说明后，对本领域的技术人员而言，本申请的其他目的、特征和优点将变得显而易见。
【专利附图】

【附图说明】
[0005]图1a是根据本发明的一种形式的原理构造出的具有调谐层的加热器的局部侧视图；
[0006]图1b是根据本发明的原理构造的具有调谐层或调谐器的另一种形式的加热器的分解侧视图；
[0007]图1c是一种加热器的透视分解图，根据本发明的原理，绘示了基底加热器的示例性四个(4)区域和调谐加热器的十八个(18)区域；
[0008]图1d是根据本发明的原理构造的具有补充调谐层的另一种形式的高清晰度加热器系统的侧视图；
[0009]图2是双向热阵列的示意图；
[0010]图3a是多并联的热阵列的示意图；
[0011]图3b是多并联且双向热阵列的示意图；
[0012]图4是多并联且双向热阵列的另一个示意图；
[0013]图5是具有可寻址开关的热阵列的示意图；[0014]图6A是绘示一种控制热阵列的方法的流程图；
[0015]图6B是绘示6A的控制方法的时序图；
[0016]图7A是绘示热阵列的另一种控制方法的流程图；
[0017]图7B是所述方法的一个例子所用的四节点拓扑；
[0018]图8是绘示一种用于测量热阵列的节点的电气特性的方法的流程图；
[0019]图9a是绘示一种用于校准热阵列的方法的流程图；
[0020]图9b是绘示一种用于计算热阵列的目标设定点的方法的流程图；
[0021]图10是一种控制器系统的一种实施方案的不意图。
【具体实施方式】
[0022]以下说明本质上仅仅是示例性的，并非用于限制本
【发明内容】
、应用或用途。例如，本发明的下列形式涉及半导体加工中使用的卡盘，并且在某些情况下，是静电卡盘。然而，应当理解的是，本文所提供的加热器和系统可用于各种应用，并且不限于半导体加工应用。
[0023]参照图la，本发明的一种形式是加热器50，其包括其中嵌入了至少一个加热器电路54的基底加热器层52。基底加热器层52中形成至少一个孔56(或导通孔)，用于将加热器电路54连接到电源(图未示)。基底加热器层52提供初级加热，而调谐加热器层60被配置成邻近加热器层52，如图所示，用于微调加热器50所提供的热分布。调谐层60包括嵌入其中的多个单独的加热元件62，其是独立控制的。至少一个孔64穿过调谐层60而形成，用于将所述多个单独的加热元件62连接到电源和控制器(图未示)。如进一步所示，路由层66配置在基底加热器层52和调谐层60之间，并限定内腔68。第一组电引线70将加热器电路54连接到电源，其延伸穿过加热器层孔56。第二组电引线72将多个加热元件62连接到电源，且除了基底加热器层52中的孔55之外，还延伸穿过路由层66的内腔68。应该理解的是，路由层66是可选的，且可在没有路由层66而只有基底加热器层52和调谐加热器层60的情况下使用加热器50。
[0024]在另一种形式中，可以可选地使用调谐层60来测量卡盘12中的温度，而不是提供热分布的微调。这种形式用于温度依赖性电阻电路的多个特定区域位置或离散的位置。这些温度传感器中的每一种可经由多路切换装置单独读取，其示例性形式在下文中更详细地说明，允许使用相对于测量每一个单独的传感器所需的信号线数目更多的传感器。温度传感反馈可为控制决策提供必要的信息，例如，以控制背面冷却气压的特定区域以调节从衬底26到卡盘12的热通量。也可使用相同的反馈来取代或增加安装在基底加热器50附近的温度传感器，以经由辅助冷却液热交换器来控制基底加热区域54的温度或平衡板冷却流体温度(图未示)。
[0025]在一种形式中，基底加热器层50和调谐加热器层60由封闭加热器电路54和调谐层加热元件62以聚酰亚胺材料形成，聚酰亚胺材料用于中温应用，一般在250°C以下。而且，聚酰亚胺材料可与材料掺杂，以增加热导率。
[0026]在其他形式中，基底加热器层50和/或调谐加热器层60由分层工艺形成，其中所述层通过使用与厚膜、薄膜、热喷涂或溶胶凝胶等相关联的方法在衬底上或另一层上涂敷或积聚材料而形成。
[0027]在一种形式中，基底加热电路54由因科镍合金(Inconel?)形成，且调谐层加热元件62是镍材料。在又一种形式中，调谐层加热元件62由具有足够的电阻温度系数的材料形成，使得所述元件同时起加热器和温度传感器的作用，通常称作“双线控制”。这样的加热器及其材料在第7，196，295号美国专利和序列号为11/475，534的共同待决美国专利申请中公开，其与本申请共同转让，且其全部公开内容以引用方式并入本文。
[0028]在双线控制下，本发明的各种形式包括通过了解或测量施加给热阻抗调谐层60中的单独元件中的每一个，通过乘法和除法转换成电功率和电阻，在第一种情况下相等地对应于这些元件中的每一个的热通量输出，且在第二种情况下相等地对应于与元件温度的已知关系的电压和/或电流，基于温度、功率和/或热阻抗控制层加热元件62。可使用这些一起来计算并监测每一个元件上的热阻抗负载，以允许操作员或控制系统检测并补偿特定区域的热变化，所述热变化可能是因使用或维护、处理误差和设备降级导致室中或卡盘中发生物理变化而起，但并不限于此。可选地，在半导体加工过程中可为热阻抗调谐层60中的单独受控的加热元件中的每一个分配对应于相同或不同特定温度的设定点电阻，然后修改或闸控源自衬底上的对应区域直到基底加热器层52的热通量，以控制衬底温度。
[0029]在一种形式中，基底加热器50接合到卡盘51上，例如，通过使用有机硅粘合剂或甚至压敏粘合剂。因此，加热器层52提供初级加热，而调谐层60微调或调整加热分布曲线，使得均匀的或所需的温度曲线被提供给卡盘51，且因此提供给衬底(图未示)。
[0030]在本发明的另一种形式中，调谐层加热元件62的热膨胀系数(CTE)与调谐加热层衬底60的CTE匹配，以改良调谐层加热元件62在承受应力负载时的热敏性。许多适用于双线控制的材料展现出与电阻温度装置(RTD)相似的特性，包括对温度和应变的电阻敏感性。将调谐层加热元件62的CTE与调谐加热器层衬底60匹配减少了实际加热元件上的应力。并且，随着操作温度升高，应力水平往往也增加，且因此，CTE匹配变成十分重要的因素。在一种形式中，调谐层加热元件62是CTE约为15ppm/°C的高纯度镍铁合金，而包围它的聚酰亚胺材料的CTE约为16ppm/°C。在此形式中，将调谐加热器层60接合到其他层上的材料展现出弹性特性，其在物理上将调谐加热器层60与卡盘12的其他构件解耦。应理解的是，在依然处在本发明的范围内的情况下也可使用具有类似CTE的其他材料。
[0031]现在参照图lb-d，绘示出一种示例形式的加热器，其具有基底加热器层和调谐层(在上文的图1a中概述)，且总体由参考数字80来指示。加热器80包括基板82，(也称作冷却板)，其一种形式是厚度约为16mm的铝板。基底加热器84被固定到基板82上，一种形式是使用弹性接合层86，如图所示。弹性接合可能是第6，073，577号美国专利中所公开的弹性接合，其全部内容以引用方式并入本文。根据本发明的一种形式，衬底88配置在基底加热器84的顶部，且是厚度约为Imm的铝材。衬底88被设计成具有热导率，以消耗所需量的基底加热器84的功率。因为基底加热器84具有相对较高的功率，在无必需量的热导率的情况下，此基底加热器84将离开相邻部件上的“示位”标(由电阻电路的迹线)，从而降低整个加热器系统的性能。
[0032]调谐加热器90被配置在衬底88的顶部，并使用弹性接合层94固定在卡盘92上，如上所述。在一种形式中，卡盘92是厚度约为2.5mm的氧化铝材料。应当理解的是，本文所述的材料和尺寸仅仅是示例性的，且因此本发明并不限定于本文所述的特定形式。此外，与基底加热器84相比，调谐加热器90具有较低的功率，且如上所述，衬底88起消耗基底加热器84的功率的作用，使得“示位”标不会在调谐加热器90上形成。[0033]图1c更详细地显不基底加热器84和调谐加热器90,其中，显不了基底加热器84的示例性的四个(4)区域和调谐加热器90的十八个(18)区域。在一种形式中，加热器80适于与450mm的卡盘尺寸配合使用，但是，加热器80可以使用更大或更小尺寸的卡盘，因为其能高度定制热分布。此外，高清晰度加热器80可以围绕卡盘的外围，或在跨越卡盘的预定位置，而不是以图示的堆叠/平面结构使用。更进一步地，高清晰度加热器80可以在处理套件、室壁、盖、气体管线和喷头以及半导体加工设备内的其他部件中使用。还应当理解的是，本文中所示和所述的加热器和控制系统可以用于任何数目的应用，并且因此，示例性半导体加热器卡盘应用不应当被解读为限制本发明的范围。
[0034]本发明还考虑到，基底加热器84和调谐加热器90并不限于加热功能。应当理解的是，在依然处于本发明的范围内的情况下，这些构件中的一个或多个，分别被称为“基底功能层”和“调谐层”，在本发明目前披露的范围内可以可选地是温度传感器层或其它功能构件。
[0035]如图1d中所示，可提供双调谐能力，在卡盘12的上表面上纳入次级调谐层加热器99。在依然处于本发明的范围之内的情况下，次级调谐层可以可选地用作温度感测层，而不是加热层。因此，可使用任何数目的调谐层加热器，且不应该限于本文所示和所述的内容。
[0036]现在参照图2，提供一种热阵列系统100。系统100包括控制器110。控制器110可以是控制电路或基于控制器的微处理器。控制器110可被配置成接收传感器测量值并基于测量值来实施控制算法。在一些例子中，控制器可测量一或多个热阵列元件的电气特性。而且，控制器110可包括和/或控制多个开关，以基于测量值来确定有多少电力提供给阵列中的每一个热元件。
[0037]在一个例子中，电力通过由参考数字112、114、116表不的三相电力输入提供给阵列。输入电源可连接到整流器电路118，以提供正的直流(DC)电力线120和负DC电力线122。电力可通过六个电力节点分配给热阵列。控制器110可被配置成控制多个开关，使得正电力线120可被路由至六个电力节点中的任一个，且负电力线122也可被路由至所述多个电力节点中的任一个。
[0038]在所示实施方案中，电力节点被配置成两组节点。第一组节点包括电力节点136a、电力节点136b和电力节点136c。第二组包括电力节点138a、电力节点138b和电力节点138c。在所示实施方案中，热元件被配置成具有三组热元件的矩阵装置，且每一组含有六个热元件。然而，就本文所述的每一个实施方案而言，可使用更多或更少的节点，而且，热元件的数目可随着节点的数目对应地增加或减少。
[0039]第一组热元件160都连接到节点138a。同样，第二组热元件170都连接到电力节点138b，而第三组热元件180都连接到电力节点138c。热元件可以是加热元件。加热元件可由具有，例如，温度依赖性电阻的导电材料形成。更具体而言，热元件可以是具有电气特性(诸如，与温度相关的电阻、电容或电感)的加热元件，。但是热元件通常也可被归类为耗散元件，诸如，电阻元件。因此，本文所述的每一个实施方案的热元件可能具有上述特性中的任一个。
[0040]在每一组中，六个热元件被配置成成对的热元件。例如，在第一组160中，第一对热元件146a包括第一热元件164和第二热元件168。第一热元件164被配置成与第二热元件168电并联连接。而且，第一热元件164与单向电路162电串联连接。单向电路162可被配置成允许电流在一个方向上而不是在相反方向上流过热元件164。因此，单向电路162以最简单的形式被显示二极管。
[0041]第一单向电路162被示为具有连接到节点136a的阴极和通过热元件164连接到节点138a的阳极的二极管。以类似的方式，第二单向电路166被示为具有连接到节点136a的阳极和通过第二热元件168连接到节点138a的阴极的二极管，从而说明了与第二单向电路166相对的第一单向电路162的单向性。值得注意的是，二极管作为单向电路的实施方案可以只支持一伏电源，但是，可以设计各种其他的电路，包括，例如，使用硅控整流器(SCR)的电路，其支持更高的电源电压。下文将更详细地描述单向电路的这样的实施方案，但也可以与本文所述实施方案中的任一个结合使用。
[0042]以类似的方式，第二热元件168与第二单向电路166电串联连接，同样以最简单的形式示为二极管。第一热元件164和第一单向电路162与电力节点138a和电力节点136a之间的第二热元件168和第二单向电路166并联。因此，如果控制器110施加正电压到节点136a和负电压至节点138a，则电力将施加在第一对146a的第一热元件164和第二热元件168两端。如上所述，第一单向电路162被定向成在与第二单向电路166相反的方向上。因此，当正电压被施加到节点138a且负电压被施加到节点136a时，第一单向电路162允许电流流过第一热元件164,但是当正电压被提供给节点136a且负电压被提供给节点138a,阻止电流流过。相反，当正电压被施加到节点136a且负电压被施加到138a时，允许电流流过第二热元件168，然而，当极性切换时，通过第二单向电路166阻止电流流过第二热元件168。
[0043]此外，组内的每对热元件连接到第一组电力节点136a，136b，136c中的不同电力节点。因此，第一组160的第一对热元件146a连接在节点136a和节点138a之间。第二对热元件146b连接在电力节点136b和电力节点138a之间，而组160的第三对热元件146c连接在电力节点136c和电力节点138a之间。因此，控制器110可被配置成通过连接电力节点138a来选择元件组来供电或返回，然后该对热元件(146a，146b，146c)可通过分别连接节点136a，136b或136c之一来选择，以供电或返回。而且，控制器110可以基于节点138a和节点136a，136b和/或136c之间提供的电压的极性来选择向每对的第一元件或每对的第二元件供电。
[0044]以同一种方式，第二组热元件170连接在第二组节点的节点138b，和节点136a，136b和136c之间。因此，组170的第一对热元件146d可使用电力节点136a来选择，而组170的第二对146e和第三对热元件146f可以通过节点136b和136c来分别选择。
[0045]同样，第二组热元件180连接在第二组节点的节点138c和节点136a，136b和136c之间。组180的第一对热元件146g可以使用电力节点136a来选择，而组170的第二对热元件146h和第三对热元件146i可以分别通过节点136b和136c来选择。
[0046]对于所示实施方案，控制器110操纵多个开关以将正电力线120连接到第一组电力节点之一并将负电力线122连接到第二组电力节点，或者，可选择地，将正电力线120连接到第二组电力节点和将负电力线122连接到第一组电力节点。因此，控制器110提供控制信号124给第一极性控制开关140和第二极性控制开关142。第一极性控制开关140将第一组电力节点连接到正电源线120或负电源线122，而第二极性开关142将第二组电力节点连接到正电源线120或负电源线122。[0047]此外，控制器110提供控制信号126给第一组电力开关130，132，和134。开关130，132和134将开关140的输出(正电源线120或负电源线122)分别连接到第一节点136a，第二节点136b和第三节点136c。此外，控制器110提供控制信号128给第二组电力开关150，152和154。开关150，152和154将开关142的输出(正电源线120或负电源线122)分别连接到第一节点138a，第二节点138b和第三节点138c。
[0048]现在参照图3a，提供多并联热阵列系统200。系统200包括控制系统210。所述控制系统可包括微处理器、开关和类似于在整个申请中描述的用于实施本文所述逻辑的那些其它分立部件。热元件以多并联的方式被配置在电力节点对两端。对于所示实施方案，提供六个电力节点(212，214，216，218，220，222)。而且，每一个热元件连接在一对电力节点之间。更具体而言，每一个热元件连接在一对不同的电力节点之间。因此，每一个节点有一个热元件连接在每一个节点本身和每一个其他电力节点之间。
[0049]因此，热元件230连接在节点212和节点222之间，热元件232连接在节点212和节点220之间，热元件234连接在节点212和节点218之间，热元件236连接在节点212和节点216之间，且热元件238连接在节点212和节点214之间。因此，节点212通过热元件(230，232，234，236，或 238)连接到其他节点 214，216，218，220 和 222 中的每一个。
[0050]同样，热元件240连接在节点214和节点222之间，热元件242连接在节点214和节点220之间，热元件244连接在节点214和节点218之间，且热元件246连接在节点214和节点216之间。值得注意的是，连接在节点214和节点212之间的热元件已经被识别为热元件238。此外，每一个其他对元件之间的连接由连接在节点216和节点222之间的热元件250，连接在节点216和节点220之间的热元件252，连接在节点216和节点218之间的热元件254，连接在节点218和节点222之间的热元件260，连接在节点218和节点220之间的热元件262，和连接在节点220和节点222之间的热元件270提供。
[0051 ] 控制器210被配置成将电源连接、回路连接或开路提供给每一个节点。此外，应该认识到，多并联拓扑显著不同于图2中所提供的矩阵拓扑。多并联拓扑提供热元件网络相对于加热用电分布以及理解用于热感测的所有元件的相互作用整体考虑。例如，如果电源被提供给节点212且回路连接提供给节点222，则主电源路径将会通过热元件230。然而，次级路径将经过网络内的其他元件中的每一个回到节点222而存在。因此，当控制器210提供电力，并返回到节点的任一配置时，必须考虑电力被提供给主路径的热元件，以及，电力通过次级路径被提供给所有其它元件。根据具有不同特性(无论是设计、环境影响，或制造公差)的每一个热元件，这个任务可能更加复杂。
[0052]对于此拓扑，控制方案可利用六条(6)电线和十五个元件(15)，而不使用具有SCR、二极管和上文所述的其他元件的开关电路。对此控制方案而言，与电线有关的元件的最大数目为E =? (Nx (N-1))。虽然可对每一根电线连续供电，对任一节点组合施加独立电压，但是此系统可能难以控制。根据本发明的这种形式，电线被选择性地连接到电源、回路或开路，在指定时间段上使用这些组合的序列，以产生所需的平均热分布。例如，一个组合可能是将A和B连接到电源，将C和D连接到回路，以及使E和F是开路；另一个组合可能是将A和C连接到电源，将D连接到回路，以及使B、E和F是开路。然后，这些组合或模式，在不同的时间段依序应用于调谐层加热元件，例如，在第一时刻h应用第一模式，在第二时刻t2应用第二模式，以此类推，使得所产生的时序序列在调谐层加热器中产生所需的平均热分布。在一种形式中，使用远短于加热器的热时间常数的时序序列时间间隔，使得加热器中的温度纹波保持在足够低的水平。在给定的六条电线例子中，N条电线有301个可能的非冗余模式，其中非冗余模式使至少一个元件中产生电力，但并不会使系统中相同的元件产生与另一模式相同的电力。若与开路相关联的模式被删除，则对N条电线而言，非冗余模式(mode)的数目为Modes = 2N_Ll。因此，对于相同的六条电线，十五元件系统，有31个非冗余非零(空)模式。对于六节点，十五元件系统而言，所产生的模式矩阵[PxM]为(15x301)或(15乘31)，且需要矩阵等式[PE] = [PxM].[Modes]的解，其中Pe是元件的电力(热通量)输出的向量。在开路下，多并联模式的数目=(3Ν-2Ν+1-1)/2(非冗余)。若使用的是全开路包容性矩阵，则[PxM]矩阵是不确定的，且可能是病态的，并产生模式向量，其由于必须在给定的时间窗中产生的模式的数目而高度容易出错且难以实施。而且，一个解并不是对所有所需电力向量都是可行的。通过选择基于矩阵条件选定的模式子集，可以降低复杂性和误差。一种用于评估选择的模式子集的矩阵条件的方法是对[PxM]矩阵的子集执行奇异值分解，将子集彼此比较，并选择具有最大与最小非零奇异值的最小比率的集合。只有非负模式可以使用，因为电力仅可添加到系统中，所以，此矩阵子集[PxMk]可用于求解非负最
小平方问题minModes[PxMR].[Modes]-[PE]22其中Modes≥O。检验解的余数得到解误差的测
量值。有限数目的这些解将接近准确，但是随着电线和元件数目增加，系统变得更加受限，且对每一个元件而言，与低误差无关的电力解的范围缩小。但应注意的是，提出的方法是用于对元件进行电力控制，且因为拓扑不确定，具有低TCR的稳定的电阻元件将产生最低误差的解，但是这并不排除使用高TCR元件或使用独立的温度传感平面，使此系统处于温度控制下。
[0053]现在参照图3b，提供多并联且双向的热阵列系统300。热阵列系统300包括控制系统310。控制系统310可包括微处理器、开关和类似于在整个申请中描述的用于实施本文所述逻辑的那些的其它分立部件。如图2中一样，热元件以多并联的方式被配置在电力节点对两端。因为是双向的，节点数目相同，所以两倍数目的热元件能够受到控制。对于所示实施例，六个电力节点(312，314，316，318，320，222)。而且，每对热元件连接在一对电力节点之间，其中所述热元件对中的每一个热元件具有不同的极性。更具体而言，每对热元件连接在一对不同的电力节点之间。因此，有一对热元件连接在每一个节点本身和每一个其他电力节点之间，其中每对中的热元件由电源的不同极性激活。
[0054]因此，热元件对350连接在节点312和节点322之间。热元件对350包括第一热元件332和第二热元件334。第一热元件332被配置成与第二热元件334电并联连接。而且，第一热元件332与单向电路330电串联连接。单向电路330可被配置成允许电流在一个方向而在相反的方向上不流过热元件332。因此，单向电路330以最简单的形式被示为二极管。
[0055]第一单向电路330被示为具有连接到节点312的阴极和通过热元件332连接到节点314的阳极的二极管。以类似的方式，第二单向电路336被示为具有连接到节点314的阴极和通过第二热元件334连接到节点312的阳极的二极管，从而说明了与第二单向电路336相对的第一单向电路330的单向性。
[0056]因此，当正电压被施加到节点322且负电压被施加到节点312时，第一单向电路330允许电流流过第一热元件332，但是当正电压被提供给节点312且负电压被提供给节点322时，阻止电流流过。相反，当正电压被施加到节点312且负电压被施加到322时，允许电流流过第二热元件334，然而，当极性切换时，通过第二单向电路336阻止电流流过第二热元件334。
[0057]热元件对352连接在节点312和节点320之间，热元件对354连接在节点312和节点318之间，热元件对356连接在节点312和节点316之间，且热元件对358连接在节点312和节点314之间。因此，节点312通过热元件对(350，352，354，356或358)连接到其他节点314，316，318，320和322中的每一个。同样，热元件对360连接在节点314和节点322之间，热元件对362连接在节点314和节点320之间，热元件对364连接在节点314和节点318之间，且热元件对366连接在节点314和节点316之间。值得注意的是，节点314和节点312之间的连接已经通过热元件对358识别。
[0058]此外，每一个其他元件对之间的连接由连接在节点316和节点322之间的热元件对370，连接在节点316和节点320之间的热元件对372，连接在节点316和节点318之间的热元件对374，连接在节点318和节点322之间的热元件对380，连接在节点318和节点320之间的热元件对382，以及连接在节点320和节点322之间的热元件对390提供。
[0059]控制器310被配置成将电源连接、回路连接或开路提供给每一个节点。如上所述，多并联拓扑提供热元件网络相对于加热用电分布以及理解用于热感测的所有元件的相互作用整体考虑。例如，如果电源被提供给节点312且回路连接提供给节点322，则主电源路径将会通过热元件350。然而，次级路径将经过网络内的其他元件中的每一个回到节点322而存在。因此，当控制器310提供电力，并返回到节点的任一配置时，必须考虑电力被提供给主路径的热元件，以及，电力通过次级路径被提供给所有其它元件。
[0060]现在参照图4，提供双向且多并联的热元件系统的另一种实施方案。系统400包括控制器410，其控制多个电力节点。对于所示实施方案，控制器410控制六个电力节点412，414，416，418，420和422。如前文所讨论的，每一个节点通过热元件连接到其它节点中的每一个。而且，在双向情况下，每一个元件通过两个热元件连接到每一个其他元件，其中所述热元件之一以第一极性连接该对节点且所述第二热元件以相反极性连接该对元件。
[0061 ] 在系统400中，每一个单向电路430被示为包括SCR432、二极管436和齐纳二极管434的元件组合。单向元件430与每一个热元件电串联连接,例如,热元件438。如图所示，热元件438和单向电路430在节点414和节点412之间电串联连接。如果正电源电压被提供给节点414且回复被提供给节点412，则将会允许电流流过热元件438和SCR432。热元件438连接在节点414和SCR432的阳极之间。SCR432的阳极连接到热元件438和二极管436的阳极。二极管436的阴极连接到齐纳二极管434的阴极。而且，齐纳二极管434的阳极连接到SCR432的源极和节点412。
[0062]当有到SCR的栅极电流时，SCR432触发。当电流在二极管436所在方向上流动并超过齐纳二极管434的电压间隙时，SCR接收栅极电流。但是，SCR的栅极电流可以通过装置的另一个配置来触发。而且，触发可能是除了电气以外的手段，例如，光学或磁性。一旦SCR被激活并传导电流，它就不会关闭，直到电流停止为止。虽然显示此配置只是出于示例目的，但是应当注意，也可使用附加的单向配置。例如，附加元件可与SCR和二极管结合使用，例如，提供阻尼器以防止意外触发SCR。[0063]因此，每一个节点，例如，节点414和节点412之间提供包括热元件和单向电路的热配置，诸如440，。而且，在双向配置中，两个相反极性的热敏配置可连接在所述多个电力节点的每对节点之间。例如，热敏配置440连接在节点414和节点412之间，但与单向电路430极性相反。可见，SCR433的阴极连接到节点414，而SCR432的阴极连接到节点412。因此，每一个将仅在相反极性的条件下传导。
[0064]在控制器410内，每一个节点可连接到一对开关，如参考数字492所示。一对开关可以是晶体管，例如，半桥式配置的场效应晶体管(FET)。第一晶体管490可以是被激活时，将节点412连接到回复电压的低控制开关，而第二晶体管491可以是被激活时，将节点412连接到电源电压的高控制开关。第一晶体管490可以具有连接到所述多个节点之一的漏极和通过分流器498连接到负电压线的源极。另一个晶体管491可具有连接到节点412的源极和连接到正电压节点的漏极。而且，第一晶体管490和第二晶体管491可各具有连接到实施控制逻辑的控制电路或微处理器的栅极。还应当注意，控制系统切换装置(例如，半桥式配置)可以应用于任何本文采用的拓扑。
[0065]每一个其他节点也具有相应的一对晶体管。具体而言，节点414连接到晶体管对493，节点416连接到晶体管对494，节点418连接到晶体管对495，节点420连接到晶体管对496，且节点422连接到晶体管对497。虽然控制电路410可以独立地提供回路、电源或开路给所述节点中的每一个的组合，但是至少一个节点将连接到电源电压且至少一个节点将连接到回路。电源、回路(例如，接地)以及开路条件的各种组合可提供给所述节点。每一个组合是用于为热元件阵列供电的可能模式。
[0066]对于每种模式或节点状态的组合，电流将流过分流器498，并且可以由控制电路410来测量。而且，微处理器可以测量分流器两端的电压，或通过分流器的电流，以确定热元件阵列的电气特性，诸如，网络电阻。例如，网络电阻可用于控制每种模式被应用的时间量，或用于修改其他电路参数，诸如，输入电压、占空比、电流或其它电气特性。
[0067]现在参照图5，提供具有可寻址开关的热阵列系统500。控制器510可连接到正节点514和负节点516。电源512连接在正节点514和负节点516之间。每一个热元件在正节点514和负节点516之间与可寻址开关电串联连接。
[0068]每一个可寻址开关可以是分立元件，包括，例如，晶体管，比较器和SCR或集成器件，例如，微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)，或专用集成电路(ASIC)的电路。信号可通过正节点514和/或负节点516提供给可寻址开关524。例如，电力信号可被频率调制、幅度调制、占空比调制，或者包括提供表示当前要被激活的开关的标识(identity)的开关标识的载波信号。此外，各种命令，例如，接通(switch on)、关断(switch off),或校准命令，可以通过相同的通信介质来提供。在一个例子中，三个标识符可以被传达给所有的可寻址开关，允许控制27个可寻址开关，且因此，独立激活或停用27个热元件。每一个热元件522和可寻址开关524形成连接在负节点516和正节点514之间的可寻址模块520。每一个可寻址开关可以从电力线接收电力和消息(communication),且因此,也可以分别连接到第一节点514和/或第二节点516。
[0069]可寻址模块中的每一个可以具有唯一的ID，并根据每一个标识符可被分成各组。例如，所有的第一行中的可寻址模块(520，530，532，534，536，538，540，542和544)可以具有第一标识符或标识符xl。同样地，所有的第二行中的可寻址模块(546,548,550,552,554，556，558，560，562)可以具有标识符x2，而第三行中的模块(564，566，568，570，572，574，576，578，580)具有标识符x3。以同样的方式，前三列582的可寻址模块(520，530，532，546，548，550，564，566，568)可以具有标识符zl。同时，第二个三列584可以具有标识符z2，而第三个三列586可以具有标识符z3。同样，为了为组内的每一个模块定址，每一个可寻址模块都有每个组内的唯一的I标识符。例如，在组526中，可寻址模块534具有标识符yl，可寻址模块536具有标识符y2，且可寻址模块538具有标识符y3。
[0070]现在参照图6A，提供了一种用于控制热元件阵列的方法600。所述方法从框610开始。在框612中，控制器计算阵列的每一个热元件的设定点。举例而言，电阻设定点可以为每个热元件而设置，使得针对此元件测量出的电阻可被用作触发器来停止向此元件提供电力。在框614中，算出每个热元件的时间窗口。时间窗口可以是所分配的用于为特定的热元件供电的时间。但是，如果热元件电阻高于设定点，则控制器可在时间窗口的剩余部分上保持休眠状态或可直接移动到下一个窗口以为下一个热元件供电。然而，可能希望每一个热元件有最小等待时间，使得电力不经常提供给系统以实现测量目的，因此加热元件超过了加热应用所必需的。
[0071]在框616中，控制器确定是否已经到达了当前热元件的时间窗口的末端。如果已经达到了当前元件的时间窗口的末端，则所述方法沿着线620到框622。在框622中，控制器递增到阵列中的下一个热元件，并进行到框616，在此过程继续。如果还未到达时间窗口的末端，则所述方法沿着线618到框624。在框624中，控制器可以同时向热元件提供电力和测量热元件的电气特性。在框626中，控制器基于所测量的特性来确定热元件是否已经超过了热元件设定点。如果已经超过了设定点，则所述方法可以等待直到时间窗口是完整的为止，或者在一定的延迟之后，继续沿着线628到框622。在框622中，热元件被递增到下一个热元件并且过程前进到框616。如果基于所测量的特性，热元件还没有超过设定点，则过程沿着线630到框616，在此过程继续。
[0072]现在参考图6B,提供了不出方法600的一个场景的时序图。在第一时间窗口 650中考虑第一元件。所述第一元件的电阻由线654来表示。再次，应当注意，热元件的电阻可以与热元件的温度相关联。第一热元件的设定点由线652来表示。随着电力被施加给热元件，热元件的温度在第一时间窗口 650期间升高。然而，第一热元件的温度太低，且在第一时间窗口 650流逝之前并不能达到设定点652。
[0073]在第二时间窗口 656中，控制器向第二元件提供电力以测量电阻658。在这种情况下，温度，且因此，电阻658刚好高于元件设定点660。因为电阻太高，所以确定元件过热。因此，第二热元件在第二时间窗口 656的剩余部分上被立即关闭。控制器可在第二时间窗口 656的剩余部分上保持休眠状态，或可在预定义的时间延迟后，进入第三时间窗口 662。
[0074]在第三时间窗口 662中，第三元件被供电并被监控。第三元件664的电阻开始时低于第三兀件666的设定点。当有电力提供给第三兀件时，电阻增大，由线664来表不,直到电阻达到在点668处表示的第三元件666的设定点为止。当在时间窗口结束之前达到设定点时，元件被关闭，且控制器可在第三时间窗口 662的剩余部分里保持休眠状态。如果，在此例子中，只有三个热元件，则第一时间窗口可以重复，由附图标记670来表示。在此，再一次，第一兀件的电阻672开始时低于第一兀件设定点674。然而,从时间窗口 650的最后一个起点开始，第一兀件已经加温。因此，第一兀件的电阻672最终在时间窗口 670结束之前在点676处达到第一设定点674。第一元件已保留了部分来自其最后一次激活的能量，所施加的电力足以在时间窗口 670结束之前到达设定点并关闭。因此，控制器可在时间窗口 670的其余部分内或在预定义的时间延迟之后保持休眠状态，预定义的时间延迟直接导致第二元件的时间窗口产生。然后，各种时间窗口将基于每一个热元件和环境影响的条件重复。
[0075]控制方法显示三个正TCR调谐层加热元件在各种热条件下的性能。尽管可以使用其他实施方案，例如，负TCR加热元件，但是在这种情况下，设定点将会从较高的电阻水平接近。控制的方法是通过计算在时间窗口内分配给每一个元件的电阻来实现的，所述电阻利用当元件被通电时所获得的电压和/或电流信息来分配。应当认识到，只要电力分别由已知的电压或电流源来提供，元件电阻就可以通过只测量电流或电压来推断。使加热元件通电增加其温度，且因此，当其被有源供电时，其电阻增大。利用先前获得的校准信息，将采样且有源电阻与加热元件的先前分配的设定点进行比较。只要电阻保持低于所分配的设定点，元件就保持通电，直到所分配的时间窗口结束为止；或者，如果元件电阻大于或高于其目标设定点电阻，则元件被立即关闭并在分配的时间窗口的剩余部分内保持关闭。每一个元件按顺序进入主动状态，然后循环重新开始，并不断重复。
[0076]时间窗口不必是固定的持续时间。系统消耗每一个元件中的足够的能量，使得第一次测量所需的最小“接通持续时间(On-time) ”没有贡献比在元件再次进入有源状态之前可由系统消散更多的能量，且在最大“接通持续时间”过程中提供足够的能量就足够了，使得控制系统的每一个元件的平均温度可升高以在其活动窗口内承担控制。当调谐层中的所有加热元件在其分配的时间窗口内一贯地达到其个别设定点时，实现稳态控制。控制的效率是通过选择调谐加热器层的最小设定点范围、充足的供电、很短的时间窗口持续时间、快速采样和最小所需元件数目来实现的。
[0077]现在参照图7a，提供了另一种用于控制热阵列的方法。所述方法开始于框710，其中，算出每个模式的电阻设定点，以及每一个热元件的电力命令。在框712中，确定每个模式的时间段。在框714中，模式被设置为第一模式或初始模式。在框716中，控制器将当前模式应用于加热器阵列。在框718中，控制器等待继续供电的时间段结束，如所述模式所定义的。在框720中，模式被递增。在框722中，控制器确定当前模式是否是序列的最后一个模式。如果当前模式不大于序列中的模式总数，所述方法沿着线724到框716，在此应用当前模式，且所述方法继续。
[0078]再次参照框722，如果当前模式大于序列中的模式总数，则所述方法沿着线726到框728。在框728中，控制器确定系统是否需要确定热元件的温度，例如，通过测量热元件的特性。控制系统可以基于各种算法(包括序列的预定数目)、基于时间周期或者基于识别出的环境特性来测量热特性。如果确实需要测量温度，则所述方法沿着线734到框736，其中温度按照本申请中别处所述那般确定。接着，所述方法沿着线738到框732。另外，如果不需要在框728中测量温度，则所述方法沿着线730进行到框732。在框732中，控制器等待直到所分配的序列时间已经过去了。可能对系统重要的是等待所分配的序列时间，否则，附加的热量可能比预期更快地添加到系统中，这可能会危及算法的稳定性。然后，所述方法前进到框740。
[0079]在框740中，控制器基于测量确定电力命令是否发生了变化。因此，算法，诸如PID算法，基于由控制器在框736中执行的测量值来调整电力命令，如框742中所示。在框742中，算法可确定调整后的电力命令，并向框740提供电力命令已经改变的信息。如果电力命令在框740中已经发生了改变，则所述方法沿着线746到框712，其中每个模式的时间周期被重新计算。然后所述方法继续。如果系统特性没有改变，则所述方法沿着线744到框714，其中控制系统重置为第一模式，所述方法继续进行。
[0080]提供了一种具有四个节点750以及六个热元件752的系统的一个具体的例子，如图7b中所示。多并联阵列可由连接到多个加热器的η线电源接口组成，使得每个可能配对的控制线之间连接单个加热器。可以很容易地解释，可以以这种方式连接的加热器的数目等于 η (η-1) /2。
[0081]关于图7b所讨论的设计假设一种归一化的系统，其中，加热器电阻均为I欧姆，且控制线在I伏特，O伏特下驱动，或者是开路(高阻抗)。然而，所述系统可以使用这里所提出的方程式来缩放至具有其它电压和电阻的系统。
[0082]在一种实施方案中，所述方法将控制分为两个部分，S卩，一个恒定部分和一个偏差部分，其中，所有加热器的恒定部分是相同的，且所有加热器的偏差部分是相同的且对称的。可以在控制中提供更大灵活性的其它控制分区是可能的。例如，可将系统划分为两个不同的恒定部分和一个偏差部分，允许两个不同的控制区域处于不同的平均功率电平下。并且，可将系统划分为一个恒定部分和两个偏差部分，以在加热器的子集中达到更大的控制范围。注意，无论如何划分，仍可能应用控制向量，其中可以违反对c的约束条件，且即使不能保证稳定控制，控制也是可能的。
[0083]在所述方法的一种实施方案中，保持不同组的控制常数且在它们之间动态切换以使系统行为能更好地与不同的操作条件匹配可能是有利的。
[0084]可以为所述系统构造模式表。可计算用于每个电源和加热器，用于电力应用到阵列的每个唯一组合的功率。这些值可以存储在模式(mode)表中。
[0085]以下是4节点系统的模式表。“nan”所在位置指示开路线路。例如，Mode#ll接地连接在Vl和V4 (产生零功率)，电源连接在V3 (产生2.67瓦特)，且V2为开路。
【权利要求】
1.一种热系统包括: 多个热元件； 控制系统，其具有多个电力节点，其中，每个热元件连接在所述多个电力节点之间，所述控制系统经配置以计算多个模式的每个模式的时间周期，通过相应时间周期的每个模式索引以根据模式将电力提供给所述多个热元件。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制系统经配置以通过每个模式索引来测量所述模式的热元件的电气特性，并基于所测得的电气特性重新计算每个模式的时间周期。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，计算目标设定点包括测量所述热元件的基线电阻。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，计算所述目标设定点包括计算:每一个热元件的基于基线电阻的目标电阻、温度变化，以及电阻温度系数TCR。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，计算所述目标设定点包括将每个模式的所述目标电阻转化为目标电压或目标电流。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个热元件的第一热元件和第二热元件连接在第一节点和第二节点之间，通过相对于所述第二节点的所述第一节点的第一极性，激活所述第一热元件并停 用所述第二热元件，通过相对于所述第二节点的所述第一节点的第二极性，停用所述第一热元件并激活所述第二热元件。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个热元件中的热元件连接在每对电力节点之间。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制系统经配置以选择性地将激活电压、回复电压和开路状态施加至所述每个电力节点。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制系统经配置为限定多个控制模式，每个控制模式经配置以给所述多个热元件的至少一个热元件供电。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制系统经配置以根据每个热元件的功率命令来确定时间周期以激活每个模式，所述模式将驱动每个热元件到预定义的电阻设定点。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热元件是耗散元件。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述热元件是电阻元件。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述热元件是由具有温度依赖性电阻的导电材料构成。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述控制系统经配置以测量所述电阻元件的电阻来计算所述电阻元件的温度。
15.—种加热器,包括: 基板； 基底加热器，其固定到所述基板； 衬底，其固定到所述基底加热器； 调谐加热器，其固定到所述衬底，所述调谐加热器包括多个加热器元件； 卡盘，其固定到所述调谐加热器；和控制系统， 其具有多个电力节点，其中，每个加热器元件连接在所述多个电力节点之间，所述控制系统经配置以计算多个模式的每个模式的时间周期，通过对应时间周期的每个模式索引以根据所述模式将电力提供给所述多个加热器元件。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制系统经配置为通过每个模式索引来测量所述模式的加热器元件的电气特性，基于每个模式的所测量的电气特性来重新计算时间期间。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述多个加热器元件的第一加热元件和第二加热元件连接在第一节点和第二节点之间，通过相对于所述第二节点的所述第一节点的第一极性，激活所述第一加热器元件并停用所述第二加热器元件，通过相对于所述第二节点的所述第一节点的第二极性，停用所述第一加热器元件并激活所述第二加热器元件。
18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述多个加热器元件中的加热器元件连接在每对电力节点之间。
19.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制系统经配置以选择性地将激活电压、回复电压、开路状态施加至所述每个电力节点。
20.一种用于控制热阵列的方法，所述方法包括: 计算多个模式中的每个模式的时间周期；和 通过相应的时间周期的每个模式索引以根据所述模式将电力提供给所述多个热元件来驱动每个热元件至设定点； 通过每个模式索引以测量所述模式的电气特性； 根据每一模式的所测量的电气特性来重新计算每个模式的时间周期。
21.一种用于控制热阵列的方法，所述方法包括: 通过多个模式的每个模式顺序地索引； 将电力施加至索引模式，同时测量所述索引模式的热元件的电气特性。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括:基于所测量的电气特性来计算元件的温度和热通量中的至少一个。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步，其中，所述电气特性是提供给所述元件的功率。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括:如果温度和热通量中的至少一个改变阈值量，则触发一个提醒。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括基于温度和热通量中的至少一个来改变工艺参数。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述向所述热元件提供功率包括提供低的平均功率。
【文档编号】H01L21/67GK103959897SQ201280052551
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年8月30日 优先权日:2011年8月30日
【发明者】菲利普·S·施密特, 卡尔·T·斯汪森, 约翰·F·莱姆克 申请人:沃特洛电气制造公司