用于加熱器的熱動態響應感測系統的制作方法
本發明涉及加熱器系統，并且具體地涉及這樣的加熱器系統，其能在操作期間將精確溫度分布輸送至加熱對象，以在例如用在半導體加工的卡盤或基座應用中補償熱損失和/或其它變化。
背景技術：
此部分的陳述僅提供與本發明相關的背景信息，可以不構成現有技術。
例如在半導體加工的領域中，卡盤或基座用于在加工期間保持基底(或晶片)并且為基底提供均勻的溫度分布。參照圖1，示出了用于靜電吸盤的支承組件10，其包括具有嵌入式電極14的靜電吸盤12和通過粘合層18粘結于靜電吸盤12的加熱板16，該粘合劑層通常是硅酮粘合劑。加熱器20固定于加熱板16，借助示例，該加熱器可以是蝕刻箔加熱器。此種加熱器組件再次通過通常是硅酮粘合劑的粘合層24粘結至冷卻板22。基底26設置在靜電吸盤12上，并且電極14連接于電壓源(未示出)，以使得產生靜電力，這將基底26保持就位。射頻(rf)或微波電源(未示出)可在圍繞支承組件10的等離子反應器腔室內偶聯于靜電吸盤12。因此，加熱器20提供所需的熱量以在各種腔室內等離子體半導體加工步驟期間、包括等離子體增強膜沉積或蝕刻期間維持基底26上的溫度。
在基底26的所有加工階段期間，嚴格地控制靜電吸盤12的溫度分布，以減小正在被蝕刻的基底26內的加工變化，同時縮短總體的加工時間。
技術實現要素：
在本發明的一種形式中，加熱器系統包括加熱器組件，該加熱器組件包括多個加熱區域。加熱器系統具有獲取加熱器組件的圖像的成像裝置。控制系統基于來自成像裝置的圖像來確定多個加熱區域內的變化。
在本發明的另一種形式中，加熱器系統包括具有多個加熱元件的加熱器組件。加熱器系統具有提供刺激的控制器，從而對加熱器組件的期望溫度造成干擾。控制系統與控制器通信，基于關于控制器的信息來控制加熱器組件，以維持加熱器組件上的期望溫度分布。
仍然在另一種形式中，加熱器系統包括限定內部壁的處理室。加熱器組件設置在內部壁上，并且加熱器組件限定加熱表面。加熱表面包括多個加熱區域和多個加熱元件。控制系統與加熱器組件通信，用以監測加熱表面和腔室的內部壁的溫度分布。控制系統監測加熱元件的電阻，以確定多個加熱區域的溫度分布。
進一步的適用范圍將從這里所提供的描述中變得顯而易見。應理解的是，說明書和特定示例的目的僅僅在于說明并不在于限制本發明的范圍。
附圖說明
為了更佳地理解本發明，現將參照附圖來描述借助示例給出的本發明各種形式，附圖中：
圖1是現有技術靜電吸盤的俯視側視圖；
圖2是加熱器的部分側視圖，該加熱器具有調諧層并且根據本發明的一種形式的原理來構造；
圖3是圖1的加熱器的另一種形式的分解側視圖，該加熱器具有調諧層或調諧加熱器并且根據本發明的原理來構造；
圖4是根據本發明原理的圖3所示加熱器的分解立體圖，示出了用于基部加熱器的示例性四個(4)區域和用于調諧加熱器的十八個(18)區域；
圖5是高清晰度加熱器系統的另一種形式的側視圖，該高清晰度加熱器系統具有補充調諧層并且根據本發明的原理來構造；
圖6是根據本發明的另一種形式彼此偏離的交替調諧層的分解立體圖；
圖7是根據本發明的一種形式嵌入到加熱器卡盤組件的層中的控制裝置的立體圖；
圖8是根據本發明原理構造的具有可獨立控制的加熱器元件的加熱器系統的立體圖；
圖9是沿著圖8的剖線9-9的剖視圖，示出了根據本發明原理構造的加熱器系統的通孔；
圖10是沿著圖8的剖線10-10的部分剖視圖，示出了根據本發明原理構造的加熱器系統的上基部；
圖11是沿著圖8的剖線11-11的部分剖視圖，示出了根據本發明原理構造的加熱器系統的下基部；
圖12是圖11的俯視圖，示出了根據本發明原理構造的下基部的錐形腔內的元件；
圖13是另一種形式的高清晰度加熱器系統的剖視圖，該高清晰度加熱器系統具有基部構件，該基部構件具有用于雙相流體的流體通道并且根據本發明的教導來構造；
圖14是根據本發明的另一種形式構造的多個支承元件的立體圖；
圖15是根據本發明的教導的支承元件的剖視圖；
圖16是根據本發明的教導的支承元件的放大平面圖；
圖17是根據本發明教導構造的散熱器的立體圖；
圖18是加熱器系統的示意圖，該加熱器系統具有加熱器組件和閉環式控制系統并且根據本發明的原理來構造；
圖19是加熱器系統的示意圖，該加熱器系統包括加熱器組件和閉環式控制系統并且根據本發明的原理來構造；
圖20是加熱器系統的示意圖，該加熱器系統包括加熱器組件和閉環式控制系統并且根據本發明的原理來構造；
圖21是根據本發明的原理控制加熱器組件的方法的流程圖；
圖22是根據本發明的原理控制加熱器組件的方法的流程圖；
圖23a和23b是根據本發明的原理校準加熱器組件的方法的流程圖；以及
圖24是加熱器系統的示意圖，該加熱器系統包括加熱器組件和控制系統并且根據本發明的原理來構造。
這里描述的附圖僅僅用于說明目的，并不意圖以任何方式來限制本發明的范圍。
具體實施方式
以下的描述在性質上僅是示例性的，并非限制本發明、應用或者使用。例如，本發明的以下形式涉及用在半導體加工中的卡盤，并且在一些情形中涉及靜電吸盤。然而，應理解的是，這里提供的加熱器和系統可用在各種應用中，并不限制于半導體加工應用。
參照圖2，本發明的一種形式是加熱器50，該加熱器包括調諧層60和提供主要加熱的基部加熱器層52，該調諧層60為由加熱器50提供的熱分布提供精細調諧。基部加熱器層52包括嵌入在其中的至少一個加熱器電路54，以及通過基部加熱器層形成的至少一個孔56(或通孔)用以將加熱器電路54連接于電源(未示出)。調諧層60如圖所示設置在基部加熱器層52附近并且包括嵌入在其中的多個單獨的加熱元件62，這些加熱元件獨立地受控。穿過調諧層60形成至少一個孔64，用以將多個單獨的加熱元件62連接于電源和控制器(未示出)。如進一步所示，布線層66設置在基部加熱器層52和調諧層60之間并且限定內部空腔68。第一組電引線70將加熱器電路54連接于電源，并且延伸穿過加熱器層孔56。第二組電引線72將多個加熱元件62連接于電源，并且延伸穿過布線層66的內部空腔68。應理解的是，布線層66是可選的，并且加熱器50可在沒有布線層66而是僅僅具有基部加熱器層52和調諧加熱器層60的情形下使用。
在另一種形式中，調諧層60可以可選地用于測量卡盤12中的溫度，而不是提供熱分布的精細調諧。此種形式提供與溫度相關電阻電路的多個區域特定或離散的位置。每個溫度傳感器的都能經由多路復用切換裝置單獨地讀取，該多路復用切換裝置的示例性形式在下文進行更詳細地闡述，并且相比測量每個單獨的傳感器所需的信號線的數量，這允許能使用更多的傳感器。溫度感測反饋可為控制決策提供必要的信息，例如為了控制特定區域的背面冷卻氣體壓力，從而調節從基底26至卡盤12的熱通量。此種同一反饋也可用于更換或增加安裝在基部加熱器50附近的溫度傳感器，以經由輔助冷卻流體熱交換器來對基部加熱區域54的溫度控制或者平衡板冷卻流體溫度(未示出)。
在一種形式中，基部加熱器層52和調諧加熱器層60通過通常低于250℃的中間溫度應用的聚酰亞胺材料來封裝加熱器電路54和調諧層加熱元件62來形成。此外，聚酰亞胺材料可能摻雜有材料以增大熱導率。
在其它形式中，基部加熱器層52和/或調諧加熱器層60通過分層過程來形成，其中，通過使用與厚膜、薄膜、熱噴涂或溶膠-凝膠等等相關聯的工藝將材料施加或堆積在基底或另一層上而形成層。
在一種形式中，基部加熱電路54包括
采用雙線控制，本發明的各種形式包括通過了解或測量施加于熱阻抗調諧層60中的每個單獨元件的電壓和/或電流，對于層加熱元件62進行的基于溫度、功率和/或熱阻抗控制，該電壓和/或電流通過乘法和除法而轉換成電功率和電阻，在第一種情形中等同地對應于從每個元件輸出的熱通量，而在第二種情形中對應于與元件溫度的已知關系。這些可共同用于計算和監測每個元件上的熱阻抗負載，以允許操作者或控制系統檢測和補償區域中可能引起的特定的熱變化，這些熱變化可能由于腔室或卡盤中因使用或維護、加工誤差以及設備退化所引起的物理變化而引起，但并不局限于此。可替代地，可為熱阻抗調諧層60中的每個單獨受控的加熱元件分配與相同或不同特定溫度相對應的設定點電阻，然后修改或門控(gate)源自基底上對應區域至基部加熱器層52的熱通量，以在半導體加工期間控制基底溫度。
在一種形式中，加熱器50例如通過使用硅酮粘合劑或者甚至壓力敏感粘合劑粘結于卡盤51。因此，基部加熱器層52提供主要加熱，且調諧層60精細地調諧或調節加熱分布，以使得為卡盤51從而為基底(未示出)提供均勻或期望的溫度分布。
在本發明的另一種形式中，調諧層加熱元件62的熱膨脹系數(cte)與調諧加熱層基底60的cte匹配，以提高調諧層加熱元件62在暴露于應變負載時的熱敏感性。用于雙線控制的許多合適材料具有與電阻溫度裝置(rtd)相類似的特征，包括對于溫度和應變兩者的電阻敏感性。調諧層加熱元件62的cte與調諧加熱器層基底60相匹配減小實際加熱元件上的應變。并且隨著操作溫度升高，應變水平趨于增大，且cte匹配因此變為更重要的因素。在一種形式中，調諧層加熱元件62是具有大約15ppm/℃的cte的高純度鎳-鐵合金，且封圍該調諧層加熱元件的聚酰亞胺材料具有大約16ppm/℃的cte。在此種形式中，將調諧加熱器層60粘結于其它層的材料具有使得調諧加熱器層60從卡盤12的其它構件物理地解耦的彈性特征。應理解的是，也可采用具有可比較的cte的其它材料，同時仍落在本發明的范圍內。
現在參照圖3-5，示出了具有基部加熱器層和調諧層兩者(通常如上在圖2中闡述)的加熱器的一個示例性形式，總體由附圖標記80表示。加熱器80是高清晰度加熱器，其包括基板82、固定于基板82的基部加熱器84以及調諧加熱器90。基板82也稱為冷卻板，該冷卻板在一種形式中是厚度接近16mm的鋁板。基部加熱器84如圖所示在一種形式中使用彈性粘結層86固定于基板82，如圖所示。彈性粘結層可以是在美國專利6,073,577中公開的一種，該申請的全文以參照的方式納入本文。基底88設置在基部加熱器84的頂部上，并且根據本發明的一種形式該基底是厚度接近1mm的鋁材料。基底88設計成具有熱導率，以耗散來自基部加熱器84的所需量的功率。由于基部加熱器84具有相對較高的功率，而無需必要的熱導率，此種基部加熱器84將會在相鄰部件上留下“痕跡”標記(來自電阻電路跡線)，從而降低整體加熱器系統的性能。
調諧加熱器90設置在基底88的頂部上并且使用彈性粘結層94固定于卡盤92，如上所述。卡盤92在一種形式中是具有大約2.5mm的厚度的氧化鋁。應理解的是，這里闡述的材料和尺寸僅僅是示例性的，因此本發明并不限于這里所闡述的特定形式。此外，調諧加熱器90具有比基部加熱器84較低的功率，如上所述，基底88的功能在于耗散來自基部加熱器84的功率，以使得“見證(witness)”標記并不形成在調諧加熱器90上。
基部加熱器84和調諧加熱器90在圖4中更詳細地示出，其中，對于基部加熱器84示出示例性的四個(4)區域，并且對于調諧加熱器90示出十八個(18)區域。在一種形式中，高清晰度加熱器80適合于用于450mm的卡盤尺寸，然而，由于高清晰度加熱器80能夠高度定制熱分布而可用于較大或較小的卡盤尺寸。此外，高清晰度加熱器80可用在卡盤(穿過水平平面)的周界(由區域p示出)周圍或者沿著垂直方向(例如，圖3中的調諧層90’)，或者用在整個卡盤上或沿著卡盤的離散預定位置中、或者用在其它部件或部件組合的周界周圍，而非如這里所說明的用在堆疊/平面構造中。更進一步，高清晰度加熱器80可用在加工配套元件、腔室壁、蓋子、氣體管線以及噴頭中，半導體加工設備內的其它部件中。還應理解的是，這里所說明和描述的加熱器和控制系統可用在任何數量的應用中，并且由此示例性的半導體加熱器卡盤的應用不應被理解成限制本發明的范圍。
本發明還涉及，基部加熱器84和調諧加熱器90并不限制于加熱功能。應理解的是，這些構件中一個或多個的分別稱為“基部功能層”和“調諧層”，可替代地作為溫度傳感器層或其它功能構件，同時仍保持在本發明的范圍內。其它功能可借助示例包括收集諸如各種電氣特征之類的傳感器輸入的冷卻層或診斷層，等等。
如圖5所示，在卡盤12的頂表面上包括設有雙調諧能力的次級調諧層加熱器120。次級調諧層可替代地用作溫度感測層而非加熱層，同時仍保持在本發明的范圍內。因此，可采用任何數量的調諧層加熱器，而不應限制于這里所說明和描述的那些。
在另一種形式中，基部功能層可包括多個熱電元件，而非如上所述的基部加熱器84構造。這些熱電元件也可設置在區域中并且通常設置在基板或冷卻板82的頂部上或附近。
在另一種形式中，多個調諧層可用在“堆疊”的構造中或者垂直地構造，以使得單獨的電阻跡線偏離相對層上的相鄰電阻跡線，從而補償存在于跡線之間的間隙。例如，如圖6中所示，第一調諧層130偏離第二調諧層140，以使得調諧層140的跡線142與鄰近于第一調諧層130的跡線134之間的間隙132對準，反之亦然。在另一種形式中，可采用“棋盤”設計，以補償相鄰層之間的間隙或熱點。
參照圖7，閾值電壓切換電路嵌入到加熱器卡盤的主體中或者附接于該主體，且該閾值電壓切換電路在一種形式中包括分離的固態裝置并且可以封裝形式或者通常作為裸模部件嵌入，當超過整個電路上的電壓閾值時這些分離的固態裝置沿一個方向導電。在另一種形式中，控制元件嵌入在如上所述的粘結層86中。應理解的是，控制元件可嵌入在任何部件或組件內，同時仍保持在本發明的范圍內。可替代地，在本發明的一種形式中，單獨封裝硅控制裝置(asic)上的閾值電壓切換電路可嵌入到卡盤中或者附接于該卡盤。也可采用附加的控制裝置，以便在操作期間任何部件故障時提供冗余。
嵌入控制的一種示例性形式在圖8-12中說明。如圖所示，示出了此種可替代形式的加熱器系統，并且該加熱器系統通常由附圖標記200表示。加熱器系統200包括多個可獨立控制的加熱器元件202，它們的操作在下文更詳細地闡述，為了為加熱對象提供高度定制的溫度分布，例如為上文闡述的半導體加工中的基底提供均勻的溫度分布。上基部204設置在加熱器元件202附近，并且在一種形式中，加熱器元件202設置在上基部204上，例如粘結于上基部204的蝕刻箔或者沉積在上基部上的分層加熱器。上基部204限定多個錐形空腔206，這些錐形空腔與每個加熱器元件對準。此種形式的錐形空腔206如圖所示包括上壁208和錐形側壁210。上基部204進一步包括多個電源通孔212，以提供用于電源和控制管線的通道，如下文所述。
下基部220鄰近于上基部204并且限定多個倒置錐形空腔222，該倒置錐形空腔與上基部204的錐形空腔206對準。倒置錐形空腔222類似地限定下壁224和錐形側壁226。下基部220進一步包括與上基部204的電源通孔212通信的多個電源通孔228，它們還用于電源和控制管線的通道。
如在圖14中最佳地示出的是，空腔206、222的形狀被構造成提供從加熱器元件202至冷卻板(在圖1中示作元件22)的有效熱傳遞，并且還減小空腔和它們的部件對于由加熱器元件202所提供的性能和溫度分布的熱沖擊。此外，空腔的“占用空間”在加熱器元件202附近較小，并且空腔在尺寸上逐漸地增大以引導圍繞空腔206的熱通量，并且隨后在尺寸上逐漸地減小以引導圍繞空腔222朝向冷卻板22的熱通量。應理解的是，通過本發明可提供用于空腔206和222的其它幾何形狀，因此錐形構造不應被理解成限制本發明的范圍。
如進一步示出的是，多對開關元件230和控制元件232設置在下基部220的倒置錐形空腔222內，并且與多個加熱器元件202通信。通常，開關元件230和控制元件232控制加熱器元件202的操作，從而為如上所述的半導體加工設備中的基底提供所需的溫度分布、并且在一種應用中提供均勻的溫度分布。更確切地說，并且在一種形式中，控制元件是微處理器。在另一種形式中，控制元件是根據如上所述的光柵升壓加熱器的電路。在一種形式中，控制元件232經由數字總線234通信，以控制加熱器元件202的溫度。
加熱器系統200進一步包括與每個控制元件232通信的多路復用器240，該多路復用器將合適的控制信號發送至每個加熱器元件202以獲得期望的溫度分布。在一種形式中，多路復用器240通過光學總線242與電源(未示出)通信。
此外，加熱器系統200還可包括設置在多個加熱器元件202附近的多個離散溫度傳感器250。在可替代的形式中，加熱器元件202包括具有足夠的電阻溫度系數的電阻材料，以使得電阻材料起到加熱器和溫度傳感器的雙重功能，如這里在本發明的其它形式中所闡述的。
在靜電吸盤應用中，加熱器系統200進一步包括rf過濾器260，該rf過濾器在一種形式中與數字總線262通信。
這里所闡述的任何系統的溫度校準可通過首先使用標準電阻計來測量調諧層的各個電阻來執行。在另一方面中，單獨地或者與上述方法附加地，調諧層加熱器元件62可保持在恒定溫度下，并且在正常操作中是脈沖式的但僅僅持續較短時間，隨后計算電阻并且將電阻設置到控制系統中。同時或多個溫度點的迭代技術將校準系統以進行控制。
現參照圖13，示出了加熱器系統的另一種形式，并且該加熱器系統通常的由設備300表示。在本發明的一種形式中是加熱器的設備300包括具有至少一個流體通道320的基部構件310。在此種形式中示出了多個流體通道320，并且通道320可在本發明的另一形式中進一步限定區域(例如上文所闡述的加熱器區域)。雙相流體325設置在流體通道320內，并且控制雙相流體325的壓力，以使得雙相流體325為基部構件310提供加熱。此種系統在例如美國專利7,178,353和7,415,835中，以及還在已公開的美國申請20100076611中更詳細地描述，這些申請的全部內容以參照的方式納入本文。通常，在這些系統中，加壓致冷劑被提供作為冷凝液體并且還可處于氣態下。冷凝液體膨脹為蒸汽混合物，并且添加氣態致冷劑以達到由其壓力所確定的目標溫度。因此，可通過氣體壓力調節極其快速地進行溫度調整。這種系統可通過高級熱科學公司()advancedthermalsciencescorporation提供并且可用于本發明的教導。如進一步示出的是，調諧層330固定于基部構件310并且包括多個區域335。此種調諧層330類似于上文闡述的調諧層和加熱器，并且為了清楚起見將不再詳細地描述。類似于上文闡述的形式，調諧層335具有比基部構件310較低的功率。并且如進一步所示出的是，部件340(以虛線示出)例如借助示例、卡盤、托軸架、晶片工作臺、基底支承件或者噴頭固定于調諧層330。正如此處所使用的，“部件”應被理解成是指直接地或間接地支承晶片以進行加工的任何構件或組件。
在一種形式中，調諧層330是加熱器，而在另一形式中，調諧層330是溫度傳感器，如上所述。此種調諧層330以及基部構件310可設計成具有足夠的tcr特征的材料，以使得它們起到加熱器和溫度傳感器的雙重功能。此外，次級調諧層(在圖5中示出)固定于部件340的頂部表面，并且還應理解的是，可采用起加熱器和/或溫度傳感器作用的任何數量調諧層，同時保持在本發明的范圍內。由于次級調諧層固定于部件340的頂部表面，當晶片位于部件340的頂部表面上時，晶片將會間接地或直接地被支承。
設備300還可采用圖2中示出的布線層66以容納多個電源線。還可將這里在全篇附圖中闡述的附加特征用于本發明的具有帶有流體通道320的基部構件310的形式，同時仍保持在本發明的范圍內。
現參照圖14-16，本發明的另一形式包括多個支承元件600，這些支承元件設置在調諧加熱器層和升壓加熱器層之間，以便在制造(在該形式中是加壓過程)期間提供所需的平整度。更確切地說，在本發明的此種形式中，支承元件600蝕刻到具有加熱器電路的銅層602中。如圖14中所示，相對較大空間存在于銅層602中的跡線之間，其有一些空隙有助于非扁平層壓件或者具有不良平整度的層壓件。通過提供支承元件600，提供附加的結構以改進平整度。并且如圖16中所示，支承元件600處于“分離”構造中，或者由兩個在它們之間具有開口610的部分602和604構成。這樣，允許粘合劑620(在圖15中示出)在每個支承元件600之間更均勻地流動。
如圖17中所示，示出了調諧加熱器700的另一種形式，其中，對應的多個散熱器710設置在每個元件720上，以提供在各個元件720上的溫度均勻性。散熱器710可以是各種材料，包括但不限于鋁、銅以及熱解石墨、包括pgs(熱解石墨片)。在一種形式中，散熱器710如圖所示是整體并且恒定厚度構造。然而，應理解的是，還可提供包括整體溝槽或導熱件730的其它構造，同時仍保持在本發明的范圍內。
這里闡述的每個調諧層/加熱器均由控制系統所控制，這些控制系統的各種形式在如下共同待授權的申請中更詳細地闡述：2012年8月30日提交的并且名稱為“用于控制熱陣列的系統和方法(systemandmethodforcontrollingathermalarray)”的美國申請13/598,985以及在2012年8月30日提交的并且名稱為“熱陣列系統(thermalarraysystem)”的美國申請13/598,995，上述申請與本申請共同地受讓并且它們的全文以參照的方式納入本文。通常，這些控制系統具有與調諧層通信的多組電源線以及與電源線并且與調諧層電通信的多個可尋址控制元件，這些控制元件對調諧層區域提供選擇性控制。控制元件借助示例可以是閾值電壓切換電路，該閾值電壓切換電路可以是半導體開關。閾值電壓切換電路可封裝在例如asic(專用集成電路)中。此外，控制元件可嵌入在諸如卡盤之類的部件內，如上所述。這些控制系統及其相關算法在上述共同待審的申請中進行了更詳細地描述和說明，因此為清楚起見并不包括在本文中。
參照圖18，加熱器系統800包括閉環式控制系統801和加熱器組件802。加熱器組件802包括基部加熱器層804和調諧加熱器層806。調諧加熱器層806限定多個加熱區域(zi)，其中多個加熱元件810設置在這些加熱區域中并且可獨立地受控。如前所述，基部加熱器層804為例如半導體處理室中的基底的加熱對象(未示出)提供主要加熱，而調諧加熱器層806為加熱器組件802的加熱表面812上的溫度分布提供精細調諧，以補償加熱器組件802中的變化。
變化通常存在于加熱器組件802中，導致加熱器組件802無法達到期望的溫度分布。這些變化可能由于制造偏差而在加熱器組件802中發生或者由于改變的操作條件而在環境中發生。更確切地說，變化可能由于基部加熱器層804中加熱元件803的變化、調諧加熱器層806的加熱元件810中的變化、將不同層粘結在一起以形成加熱器組件802的粘結層(未示出)中的變化或者所使用材料中的變化而在加熱器組件802中發生。
環境中的變化通常在加熱器操作期間發生并且可能動態地改變。這些變化可包括放置在加熱表面812上的新負載，或者在加熱表面812附近改變的空氣流。作為一個示例，當將冷凍漢堡包肉餅放置在加熱表面812上時，該冷凍漢堡包肉餅作為新的負載，導致加熱表面812上放置冷凍漢堡包肉餅的區域的溫度降低。因此，即使當將均勻的功率供給多個加熱區域(zi)中的多個加熱元件810時，仍無法實現均勻的加熱。作為另一示例，在半導體處理室中，可在操作期間將處理氣體噴射到加熱表面812附近，導致加熱表面812中的溫度差。作為另一示例，加熱表面812上的溫度差可通過加熱器組件802附近的固定裝置或安裝裝置所引起，所述固定裝置或安裝裝置構成散熱片吸收來自加熱器組件802的熱量。
根據本發明的一個形式的閉環式控制系統801，公開了為加熱器組件802提供考慮到這些變化的閉環式控制，而無論是否這些變化發生在加熱器組件802中還是在環境中。閉環式控制系統801包括成像裝置814、映射單元(mappingunit)816、計算單元818以及加熱器控制器820。
本發明的成像裝置可以是紅外照相機814，但也可以是能夠持續地捕獲加熱器系統中的熱變化的熱像照相機或者攝像機。首先將功率提供給基部加熱器層804以升高加熱表面812的溫度。當變化存在于加熱器組件802內部或外部(即，環境中)時，加熱表面812并未達到均勻的溫度。不同加熱區域中的加熱表面812可發出不同水平的紅外輻射，該紅外輻射是加熱表面812的溫度的函數。紅外照相機814持續地捕獲來自多個加熱區域(zi)的紅外輻射并且因此產生多個熱圖像。該熱圖像各自限定多個像素，這些像素與調諧加熱器層806中的多個加熱區域(zi)相對應，并且表示不同加熱區域(zi)中的加熱表面812的溫度。當熱圖像的像素顏色偏離相鄰像素的顏色時，可以確定在加熱區域中存在與該特定像素相對應的變化。
熱圖像發送至映射單元816用于映射來確定存在此種變化的特定加熱區域(zi)。映射單元816包括關于熱圖像上多個像素和調諧加熱器層806中的多個加熱區域(zi)之間關系的信息。通過此種映射，可確定其中存在變化的特定加熱區域(zs)。
在識別特定加熱區域(zs)之后，關于特定加熱區域(zs)的熱圖像和信息發送至計算單元818，以計算特定加熱區域(zs)中的加熱表面812的實際溫度。計算單元818還計算特定加熱區域(zs)中的實際溫度和期望溫度之間的差異。將實際溫度和其中存在變化的特定加熱區域(zs)之間的溫度差異(δt)作為反饋發送至加熱器控制器820。因此，加熱器控制器820可對控制特定加熱區域(zs)中的加熱元件810和不存在變化的剩余加熱區域(zi)中的加熱元件810進行差異地控制。控制系統800為加熱器組件802提供閉環式反饋控制，以基于熱圖像并且根據期望的均勻或不均勻溫度分布來調節并且精細地調諧加熱器組件802。
參照圖19，加熱器系統850包括加熱器組件802和用于控制加熱器組件802的閉環式控制系統851，該加熱器組件包括基部加熱器層804和調諧加熱器層806。閉環式控制系統851包括攝像機852、處理單元854以及加熱器控制器856。攝像機802可識別系統的新負載、改變或刺激。例如，當將冷凍漢堡包肉餅854放置在加熱器組件802的加熱表面812上時，攝像機852獲取加熱表面812的圖像，顯示冷凍漢堡包肉餅854的位置。當攝像機852獲取加熱器組件802的圖像時，加熱器組件802可以處于激活(提供加熱)或非激活狀態(不提供加熱)。
這些圖像各自限定與調諧加熱器層806中的多個加熱區域(zi)相對應的多個像素。這些圖像發送至處理單元854以確定漢堡包肉餅854位于其中的特定加熱區域(zs)。關于特定加熱區域(zi)的信息作為反饋發送至加熱器控制器856，以指示僅僅需要激活特定加熱區域(zs)中的加熱元件810或者僅僅需要增大特定加熱區域(zs)的功率。由于漢堡包854位于不被激活或者接收較低功率的加熱元件810的外部，因而控制系統851可更有效地根據需求來管理加熱表面806上的熱量分布。
雖然在附圖中并未示出，但應理解的是，圖18的控制系統801和圖19的控制系統851可組合成單個閉環式控制系統，以使得加熱器組件802內部或者環境中的變化能由控制系統所識別和補償。
參照圖20，加熱器系統870包括加熱器組件802和用于控制加熱器組件802的閉環式控制系統871。加熱器組件802設置在包括氣體噴頭807的處理室805中，以將處理氣體提供至諸如晶片的加熱對象(未示出)。在該實施例中，加熱器組件802可采取靜電吸盤的形式來支承和加熱晶片。如圖所示，氣體噴頭807設置在加熱器組件802之上，以將處理氣體噴射到處理室805中。處理氣體的溫度不同于加熱表面812的溫度，該處理氣體會對于加熱表面812上的期望溫度分布造成干擾。為了補償此種干擾，閉環式控制系統871包括與氣體控制器811和氣體閥813電氣通信的計算單元874，以及加熱器控制器876。氣體控制器811控制進入處理室805的氣體噴射，并且存儲與所要噴射到處理室805中的氣體的類型、質量以及溫度相關的信息。氣體閥813控制氣體噴射的定時。與諸如氣體噴射的類型、質量、溫度以及定時之類的氣體噴射相關的信息發送至計算單元874，以計算和確定對于期望溫度分布的預期干擾。預期干擾發送至加熱器控制器876，反過來該加熱器控制器再響應于該預期干擾來激活或改變各個加熱元件810的功率。由于多個加熱區域(zi)中的加熱元件810可獨立地受控，因而控制系統871可基于預期干擾并且根據期望的溫度分布來更佳地控制加熱器組件802。因此，控制系統870為加熱器組件802提供閉環式控制，以抵消氣體噴射會導致的對于期望溫度分布的干擾。
雖然在附圖中并未示出，但應理解的是，閉環式控制系統870可與任何控制器電氣通信，該控制器具有與關于加熱器組件802的任何預期刺激或干擾的信息，否則會干擾期望溫度分布。當預期刺激發生時，閉環式控制系統870可相應地控制調諧加熱器層860中的多個加熱元件810。
參照圖21，示出了校準加熱器組件802以補償加熱器組件802中的變化的方法900。加熱器組件802包括基部加熱器層804和具有多個電阻加熱元件808的調諧加熱器層806。除了提供加熱表面812的溫度的可調諧性，多個加熱元件808也可用作多個傳感器來測量多個加熱區域(zi)的溫度并且診斷加熱器組件802的性能。將加熱元件用作加熱器和傳感器已在2007年3月27日公布的題為“雙線分層加熱器系統(two-wirelayeredheatersystem)”的美國專利號7,196,295中進行了描述，該申請的全部內容在此以參照的方式納入本文。
在步驟902中，預定功率水平提供給每個加熱區域808中的加熱元件810。在步驟904中，加熱器組件802被允許穩定并且維持在穩定的狀態中。當達到穩定的狀態時，在步驟906中調諧加熱器層806中多個加熱區域(zi)中的加熱元件810被斷開電源。在步驟908中，控制系統然后持續地記錄每個加熱區域的熱信息，例如每個加熱區域的溫度衰減率。由于加熱元件810也被用作傳感器，無需附加的傳感器來監測溫度衰減率。在步驟910中，分析多個加熱器區域中的溫度衰減率中的差異。
如前所述，由于非均勻材料特性和/或整個加熱器組件802上的非均勻粘結或者多個加熱元件810中的制造偏差，變化可能存在于加熱區域808中。這些變化可有助于根據穩態的溫度衰減率差異。通過分析溫度衰減率，特定加熱區域存在的變化可被識別。在識別特定加熱區域之后，在步驟912中可使用這些差異來補償或者預編程輸送至特定加熱區域的特定功率水平。因此，盡管有變化的存在，仍可實現期望的溫度分布。期望的溫度分布可以是均勻的溫度分布或者預定非均勻的溫度分布。
參照圖22，示出了一種原位校準加熱器組件802以補償環境中的變化的方法920。在步驟922中，加熱器組件802在預定均勻溫度下放置在環境腔室中。在步驟924中，加熱器組件802被允許浸泡在預定均勻溫度下。在步驟926中，記錄加熱元件810在多個加熱區域808中的電阻讀數。通過改變預定溫度重復步驟922至926。在步驟928中，電阻讀數用于在每個加熱區域中創建隨溫度而變的電阻的矩陣。在步驟930中，隨溫度而變的電阻可用于校準每個加熱區域中的加熱器組件802。
在該方法中，當加熱器組件802放置在環境腔室中時執行校準，其中環境中的變化會影響加熱器組件802的加熱表面812上的溫度分布。因此，該方法可在考慮到環境中的動態變化下校準加熱器系統。
除了環境中的動態變化以外，隨著時間的推移，加熱器組件802由于材料的降解而產生的變化可動態地影響期望的溫度分布。材料可在不同的加熱區域(zi)以不同的速率降解。方法920可用于測量和記錄每個加熱區域隨著時間推移的溫度響應，以使得加熱器組件802可重編程來補償每個加熱區域中的降解，從而隨著時間的推移提高系統的性能。
換言之，該方法920可監測加熱器組件802的組成部件和/或周圍環境中的變化如何影響加熱器組件802的期望溫度分布，并且提供控制算法的實時精細調諧。實時精細調諧可主動地預測和補償后續加工周期中類似的變化和/或刺激，并且實現原位調節。此外，所記錄的針對每個加熱區域的實際溫度信息可被捕獲并且用作對已達到期望溫度的確認或證明。例如，所記錄的針對每個加熱區域的實際信息可用于證明漢堡包或其它食品已經適當地烹飪從而能夠確保安全食用。
參照圖23a和23b，示出根了據本發明另一實施例的校準加熱器組件802的方法1000。在步驟1002中，方法1000首先將加熱器放置在環境腔室中并且激活該加熱器。在步驟1004中，記錄每個加熱區域(zi)在預期溫度范圍的電阻特征，以描繪針對每個加熱區域的電阻和溫度之間的關系。多個加熱區域(zi)中的加熱元件812由于制造偏差而具有不同的電阻溫度系數(tcr)，從而導致在升高溫度下多個加熱區域中的加熱元件的電阻差異。加熱元件812的隨溫度而變的電阻特征減小至針對每個區域的特定溫度的特定數據或電阻。
然后在步驟1006中，將加熱器組裝至部件以形成最終加熱器組件，例如粘結卡盤組件。在步驟1008中，將最終加熱器組件放置到環境腔室中并且激活。將最終加熱器組件加熱至多個溫度。在步驟1010中記錄每個加熱區域(zi)在預期溫度范圍的電阻特征以描繪每個加熱區域的電阻和溫度之間的關系。該步驟類似于步驟1004，除了加熱器與部件組裝以形成加熱器組件以外。在步驟1004中，當加熱器單獨設置時，每個加熱區域中的變化被捕獲。在加熱器組裝至另一部件之后，部件和/或加熱器和部件之間的粘結層會導致加熱區域(zi)中的變化。因此，步驟1010進一步確定作為整體的加熱器組件中的變化。
在步驟1012中，關于每個加熱區域的特征和數據被更新并且用作校準數據，和基于校準數據生成查詢表。在步驟1014中，相應地校準最終加熱器組件以補償加熱器組件中的變化。
接下來，在步驟1016中，使用校準數據來將最終加熱器組件激活至預定溫度。考慮到加熱區域中的變化，多個加熱區域(zi)中的多個加熱元件可以被不同地供電。然后在步驟1018中，使最終加熱器組件在穩定狀態條件下穩定。
接下來，在步驟1020中將最終加熱器組件的電源關閉并且記錄每個加熱區域隨著時間推移溫度的衰減率。在步驟1022中，溫度衰減率被用于更新查詢表。不同加熱區域中的溫度衰減率差異表示組件的實際熱響應和建模預期之間的差異。步驟1020可在多個溫度下重復。然后，在步驟1024中校準加熱器組件。
接下來，將在步驟1026中使用的最終加熱器組件放置在腔室或機器中。在步驟1028中，來自步驟1024的數據用于對組件供電至每個加熱區域的已知均勻溫度。所有加熱區域維持在期望溫度下所需的必要功率水平和預期功率水平之間的任何差異表示該特定腔室組件的各種熱動態屬性，并且該信息被捕獲用于最終系統組件的精細調諧和校準。
在步驟1030中，可引入各種系統刺激，例如氣體噴射、晶片引入等等，以描繪它們對于每個加熱區域的溫度的相應影響。在步驟1032中，所有此種信息經評估并且用于創建用于系統的實際使用中的各種查詢表和控制算法。在步驟1034中，系統在每個溫度周期期間持續地監測每個加熱區域的加熱和冷卻速率，以尋求與預期熱響應速率的差異。
該方法的優點在于：允許加熱器組件能經校準來補償隨著時間推移其自身的偏移。可選地是，當預期結果并不匹配實際熱響應結果時，可提供主動式警報。可確定故障模式并將其存儲在加熱器控制器中。這些故障模式可在后續周期中用于確定加熱器組件是否正常地運行。例如在圖18和19中描述的紅外照相機和攝像機可用于幫助監測和預測加熱器組件的性能。加熱器控制器可生成在過程中達到的實際溫度的文件或驗證信息，以確保良好的產品。操作者輸入根據測試由系統生產的產品產生的數據，以允許控制系統能補償或進一步精細調諧系統性能，從而提高由系統在將來所產生的產品或產量。該數據可用于在加熱器制造過程步驟中做出相應的調節和改進。
參照圖24，根據本發明另一實施例的加熱器系統1100包括具有內壁1104的半導體處理室1102，設置在內壁1104上的加熱器組件802以及控制系統801。本實施例中的加熱器組件802和控制系統801類似于在圖18中描述的那些，且因此使用類似的附圖標記并且為了清楚起見這里省略對其的詳細描述。
在本實施例中，加熱器組件802設置在半導體處理室1102的內壁1104上，以使得加熱器組件802的加熱表面812構成半導體處理室1102的內表面。加熱器組件802用于通過監測加熱表面812的溫度分布確定半導體處理室1102的內表面中的變化。
如前所述，調諧加熱器層806中的多個加熱元件810可具有相對較高的電阻溫度系數(tcr)，以使得加熱元件810既能用作加熱器又可用作傳感器。換言之，每個加熱元件810均隨著溫度的改變線性改變，無論是正比例地或反比例改變。通過監測每個加熱元件810的電阻，可確定每個加熱區域(zi)的溫度。
處理氣體通常噴射到半導體處理室1102中用于加工晶片(未示出)。處理氣體可能沉積或聚積在處理室1102的內表面上，導致顆粒生成、不穩定過程、晶片污染、產量損失和低產出。為了避免這些問題，需要周期性地清潔處理室1102。加熱器組件802可用于確定清潔何時完成。
當內表面未被完整地清潔時，不期望的沉積物和顆粒仍留在內表面(即，加熱表面812)的一些區域中，導致多個加熱區域(zi)中的變化。因此，包括紅外照相機814來捕獲加熱表面812的熱圖像的控制系統801可確定多個加熱區域(zi)中是否存在變化。變化的存在提供對于一些不期望的沉積和顆粒仍留在內表面812上的跡象。因此，控制系統801可通過使用加熱器組件802來確定內表面812的清潔從而確定處理室1102的清潔是否完成。此外，該系統可記錄清潔時間以便提供對于處理室1102的停工時間和預防性維護安排的精確預測。
應注意的是，本發明并不限于所描述的實施例并且作為示例來說明。已描述各種各樣的修改，并且更多修改是本領域技術人員的專業知識的一部分。這些和進一步修改以及通過技術等同物的任何替代可添加至說明書和附圖，而不會脫離本發明和本專利的保護范圍。
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