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KR102269440B1 - 열시스템용 전력 변환기 - Google Patents

열시스템용 전력 변환기 Download PDF

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KR102269440B1
KR102269440B1 KR1020197001245A KR20197001245A KR102269440B1 KR 102269440 B1 KR102269440 B1 KR 102269440B1 KR 1020197001245 A KR1020197001245 A KR 1020197001245A KR 20197001245 A KR20197001245 A KR 20197001245A KR 102269440 B1 KR102269440 B1 KR 102269440B1
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KR
South Korea
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heater
voltage
controller
power
resistance
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KR1020197001245A
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스탠튼 에이치. 브레이트로우
존 렘크
제임스 헨지스
키스 네스
에릭 엘리스
윌리엄 볼링거
매튜 옌더
딘 알. 맥클러스키
Original Assignee
와틀로 일렉트릭 매뉴팩츄어링 컴파니
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Publication date
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Abstract

본 발명은 일반적으로 히터, 전력 스위치를 포함하는 전력 변환기 및 컨트롤러를 포함하는 시스템을 설명한다. 전력 변환기는 상기 히터와 연결되어 상기 히터에 조정 가능한 전압을 인가하도록 동작할 수 있다. 상기 컨트롤러는 상기 전력 스위치에 연결되어 상기 히터의 부하 전류 및 검출 전압 중의 적어도 하나에 의거하여 상기 전력 변환기의 전압 출력을 제어한다. 상기 컨트롤러는 상기 전력 스위치를 동작하여 상기 전력 변환기의 전압 출력을 조정하게 한다.

Description

열시스템용 전력 변환기
본 발명은 열시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 다양한 전력을 갖는 열시스템에 관한 것이다.
본 절에서의 진술들은 단지 본 발명과 관련된 배경 정보를 제공하는 것으로서, 종래 기술을 구성하지 않을 수 있다.
일반적으로 대좌 히터(pedestal heater)는 그 위에 놓여진 웨이퍼를 가열하기 위한 반도체 가공 공구이다. 대좌 히터는 가열판과 그 가열판 아래 배치된 지지 샤프트를 포함한다. 가열판은 세라믹 기판과 그 세라믹 기판 내에 매립되어 다수의 가열 구역을 규정하는 다수의 저항 발열체를 포함할 수 있다. 전형적으로 히터의 기동 중에 다수의 저항 발열체에는 동일한 전력이 동일한 램프 속도(ramp rate)로 인가된다.
저항 발열체에 동일한 전력이 인가됨에도 불구하고, 예를 들어 히트 싱크에 대한 가열 구역의 위치와 균일하지 못한 제조 과정에 기인한 가열 구역의 특성차 때문에 일부 저항 발열체들은 다른 발열체들보다 빨리 가열될 수 있다. 어떤 가열 구역이 인접한 가열 구역보다 빨리 가열될 때, 인접한 가열 구역간의 온도차는 인접한 가열 구역 사이 열팽창과 그에 따른 열응력을 다르게 만든다. 큰 열응력은 세라믹 기판에 열균열을 발생시킬 수 있다.
일 형태에서, 본 발명은 히터, 전력 스위치를 포함한 전력 변환기 및 컨트롤러를 포함하는 열시스템을 제공한다. 상기 전력 변환기는 상기 히터와 연결되어 상기 히터에 조정 가능한 전압을 인가하도록 동작할 수 있다. 상기 컨트롤러는 상기 전력 스위치에 연결되어 상기 히터의 전류 및 전압 중의 적어도 하나에 의거하여 상기 전력 변환기의 전압 출력을 제어한다. 상기 컨트롤러는 상기 전력 스위치를 동작하여 상기 전력 변환기의 전압 출력을 조정하도록 한다. 일 형태에서, 상기 컨트롤러는 상기 히터의 온도에 의거하여 상기 전력 변환기의 전압을 제어하는데, 여기서 온도는 상기 히터의 전압 및 전류에 의해 결정되는 상기 히터의 저항에 의거하여 결정된다.
다른 형태에서, 본 발명은 다수의 발열체를 갖는 히터, 다수의 전력 변환기 및 컨트롤러를 포함하는 열시스템을 제공한다. 각 전력 변환기는 전력 스위치를 포함하는 강하(step-down) 전압 변환기다. 주어진 전력 변환기는 상기 다수의 발열체 중에서 하나 이상의 발열체와 연결되며, 상기 전력 변환기는 각각의 하나 이상의 발열체에 조정 가능한 전압을 인가하도록 동작할 수 있다. 상기 컨트롤러는 상기 히터의 전류 및 전압 중의 적어도 하나에 의거하여 상기 전력 변환기의 전압 출력을 제어하도록 상기 전력 변환기의 전력 스위치에 연결된다. 상기 컨트롤러는 주어진 전력 스위치를 동작하여 각 전력 변환기의 전압 출력을 조정하게 한다.
추가의 응용 영역은 여기서 제공하는 설명으로 명백해질 것이다. 본 설명과 특정 예들은 단지 예시의 목적이며 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아님을 이해하여야 한다.
본 발명을 잘 이해할 수 있도록, 이하에서는 첨부 도면을 참조하여 예로서 제공하는 본 발명의 다양한 형태를 설명할 것이다.
도 1은 본 발명의 교시에 따른 전기 열시스템의 블록도.
도 2는 본 발명의 교시에 따른 도 1의 전기 열시스템의 전력 변환기의 블록도.
도 3은 본 발명의 교시에 따른 도 2의 전력 변환기의 개략도.
도 4는 본 발명의 교시에 따른 입력 전압 파형의 전력 변환을 도시하는 개략도.
도 5A, 도 5B 및 도 5C는 본 발명의 교시에 따른 여러 전도 속도를 갖는 구동 신호의 파형을 도시하는 도.
도 6A, 도 6B 및 도 6C는 본 발명의 교시에 따른, 각각 도 5A, 도 5B 및 도 5C의 파형에 기초한 전력 변환기의 출력 전압의 파형을 도시하는 도.
도 7A, 도 7B 및 도 7C는 본 발명의 교시에 따른 여러 입력 조건에 의거한 전력 변환기의 여러 출력 전압의 파형을 도시하는 도.
여기서 설명하는 도면은 단지 예시를 위한 것으로서, 결코 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
이하의 설명은 사실상 단지 예시적인 것으로서, 본 발명, 출원 또는 용도를 한정하려는 것은 아니다. 도면 전반에 걸쳐서 대응하는 참조 번호는 유사 또는 대응 부분 및 특징을 지시한다는 것을 이해하여야 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 교시에 따라서 구성된 전기 열시스템(100)은 히터(102), 컨트롤러(즉, 컨트롤 모듈)(104) 및 전력 변환 시스템(106)을 포함한다. 컨트롤러(104)와 전력 변환 시스템(106)은 전원(108)으로부터 히터(102)에 공급되는 전력을 제어한다. 보다 구체적으로, 컨트롤러(104) 및 전력 변환 시스템(106)은 히터(102)에 공급되는 전력을 모니터하고 필요한 경우에는 조정하기 위한 제어 시스템으로서 동작한다. 이하에서 상세히 설명하는 바와 같이, 컨트롤러(104)는 히터(102)로부터 피이드백 데이터를 수신하여 히터(102)의 가열 구역 중의 임의의 구역에 공급되는 전력을 조정해야 하는지, 조정해야 한다면 전력 변환 시스템(106)에 신호를 전송하여 하나 이상의 전력 변환기가 히터(102)의 각 히터 구역에 제어된 전압을 출력함으로써 전력을 조정할 것인지를 결정한다.
본 발명의 한 형태에 있어서, 히터(102)는 가열판(110)과 상기 가열판(110)의 바닥면에 배치된 지지축(112)을 포함하는 대좌 히터(pedestal heater)다. 본 발명의 한 형태에 있어서 가열판(110)은 기판(111)과 상기 기판(111)에 매립된 다수의 저항 발열체(도시하지 않음)를 포함한다. 저항 발열체도 역시 본 발명의 범위 내에서 기판(111)의 적어도 일 면상에 배치될 수 있다. 기판(111)은 세라믹이나 알루미늄으로 만들어질 수 있다. 저항 발열체는 컨트롤러(104)에 의해 독립적으로 제어되며, 도면에서 점선으로 도시한 바와 같이 다수의 가열 구역(114)을 규정한다. 이들 가열 구역(114)들은 단지 예일 뿐 본 발명의 범위 내에서 어떤 구성도 가질 수 있음을 이해하여야 한다.
저항 발열체는 다양한 적절한 방법으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 한 형태에 있어서, 저항 발열체의 각각은 각각 제 1 전력핀과 제 2 전력핀에 연결되어 제 1 접합점 및 제 2 접합점을 규정한다. 제 1 및 제 2 전력핀은 가열판(110)으로부터 히터(102)의 지지 샤프트(112)를 통하여 컨트롤러(104)까지 연장되는 와이어에 연결된다. 제 1 및 제 2 전력핀은 히터(102)의 온도를 측정하기 위한 열전대 감지핀의 역할을 한다. 저항 발열체의 온도를 측정하기 위해 열전대로서 전력핀을 사용하는 것은 "온도 감지 전력핀을 갖는 저항성 히터(RESISTIVE HEATER WITH TEMPERATURE SENSING POWER PINS)"라는 제목으로 2015년, 5월 29일에 출원된 계류중의 출원인 미국 특허출원 번호 제 14/725,537호에 개시되어 있는데, 이 출원은 본 출원과 공동 소유의 것이며, 그 내용 전체를 참조함으로써 본 명세서에 인용한다. 일반적으로, 제 1 및 제 2 전력핀과 연결된 컨트롤러(104)는 제 1 및 제 2 접합점에서의 전압 변화를 측정하도록 구성된다. 보다 구체적으로, 컨트롤러(104)는 접합점에서의 미리볼트(mV) 변화를 측정하고 이 전압 변화를 이용하여 저항 발열체의 평균 온도를 계산한다. 일 형태에서, 컨트롤러(104)는 저항 발열체로의 전력 공급을 중단하지 않고 접합점에서의 전압 변화를 측정할 수 있다. 이는 예를 들어 AC입력전력 신호의 제로 크로싱(zero crossing)에서 측정치를 취함으로써 이루어질 수 있다. 다른 형태에서, 전력을 중단하고 컨트롤러(104)가 가열 모드에서 측정 모드로 전환되어 전압 변화를 측정한다. 평균 온도가 결정되면, 컨트롤러(104)는 다시 가열 모드로 전환된다.
히터(102)는 다양한 적절한 방법으로 구성될 수 있으며, 두 개의 핀 저항 발열체에 한정되지 않는다. 예를 들어, 히터(104)는 컨트롤러(104)가 저항 변화를 이용하여 온도를 결정하는 "2선(two-wire)" 히터일 수 있다. 이런 2선 시스템은 미국 특허 제 7,196,295호에 개시되어 있는데, 이 특허는 본 출원과 공동 소유의 것으로서, 그 내용 전체를 참조함으로써 본 명세서에 인용한다. 2선 시스템에서 열시스템은 하나 이상의 파라미터(즉, 전력, 저항, 전압, 전류)를 제한하면서 다른 파라미터는 제어하는 맞춤형 피이드백 제어 시스템에서 전력, 저항, 전압 및 전류를 이용하는 제어와 히터 설계를 통합하는 적응형 열시스템이다. 컨트롤러(104)는 일정 시간에 걸쳐서 히터에 전달되는 전류, 전압 및 전력 중의 적어도 하나를 모니터하여 안정하고 연속적인 전류 및 전압 측정치를 획득하도록 구성된다. 이들 측정치들은 히터의 저항 그리고 그에 따라서 히터의 온도를 결정하는데 사용될 수 있다. 다른 방법으로서, 컨트롤러(104)는 개별 온도 및/또는 저항 센서(예를 들어, 별개의 열전대)에 연결될 수 있다.
전력 변환 시스템(106)은 다수의 전력 변환기(116)(도면에서 116i 내지 116n)를 포함한다. 하나 이상의 전력 변환기(116)가 히터(102)의 가열 구역의 발열체에 연결되어 전압을 발열체에 공급한다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 각 전력 변환기(116)는 전원(108)으로부터의 입력 전압(VIN)을 히터(102)의 발열체에 인가되는 출력 전압(VOUT)으로 조정하도록 동작할 수 있는데, 여기서 출력 전압은 입력 전압보다 낮거나 동일하다.
컨트롤러(104)는 마이크로프로세서 및 메모리를 포함하는 전자기기를 포함하며, 히터(102)의 저항 발열체에 인가되는 전력을 전력 변환 시스템(106)에 의해 제어하도록 구성된다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 컨트롤러(104)는 히터(102)로부터의 피이드백 데이터와 미리 저장된 제어 알고리즘 및/또는 프로세스에 기초하여 히터(102)에 인가되는 전압을 조정하도록 전력 변환 시스템(106)을 동작시킨다. 본 발명의 한 형태에 있어서, 전원(108)으로부터의 입력 전압은 미국 특허 제 7,257,464호 및 제 8,423,183호에 개시된 바와 같이 스케일링 팩터(scaling factor)를 이용하여 증감되는데, 이 특허들은 본 출원과 공동 소유의 것으로서, 그 내용 전체를 본 명세서에서 참조함으로써 인용한다. 입력 전압은 미리 설정된 사용자값에 의거하여 증감될 수 있다. 미리 설정된 사용자값은 최대 전압 출력 레벨 및 최대 전력 출력 레벨 중의 하나이거나, 일반적으로 전류, 전압 또는 와트수가 될 수 있다. 전류는 전압을 증감하고 히터에 전력을 제공함과 동시에 측정된다. 이 전압의 증감은 점차적인 증가, 또는 이 증가 중에 히터 특성을 검출하기 위한 증가 기능을 포함한다. 히터 특성은 낮은 히터 저항 및 히터 단락 중의 하나를 포함한다. 다른 형태에서, 컨트롤러(104)는 제어 알고리즘에 의거하여 입력 전압을 증감하기 위해 히터(102)의 저항을 결정한다.
도 2를 참조하면, 전기 열시스템(100)은 예를 들어 전력 변환기(116)보다 낮은 전압에서 동작하는 컨트롤러(104) 같은 전자 부품을 포함한다. 따라서, 저전압 부품들을 고전압으로부터 보호하기 위해서 전기 열시스템(100)은 저전압 부품들을 고전압 부품들로부터 격리시키고 그 부품들이 여전히 신호를 교환할 수 있게 하는 전자 부품들을 포함한다. 설명을 위해서, 점선(202)은 전기 열시스템(100)의 저전압 부분이 고전압 부분으로부터 격리된 것을 나타낸다.
주어진 전력 변환기(116)는 구동회로(202)와 전력 스위치라고도 부를 수 있는 제어 스위치(206)(도면에서 "SW")를 갖는 벅 변환기(buck converter)(204)를 포함한다. 구동 회로(202)는 컨트롤러(104)로부터의 입력 신호에 의거하여 제어 스위치(206)를 동작시킨다. 구동 회로(202)는 컨트롤러(104)와 연결되어 컨트롤러(104)를 전력 변환기(116)로부터 격리하기 위한, 특히 광차단기(opto-isolator) 또는 변압기 같은 전자기기를 포함한다.
일반적으로, 강하 전압변환기로서의 벅 변환기(204)는 전원(108)의 전압을 낮추도록 동작할 수 있다. 특히, 전원(108)으로부터의 AC전압(예를 들어, 208 VAC)은 벅 변환기(204)가 수신하는 DC전압으로 정류된다. 제어 스위치(206)의 동작에 의거하여 벅 변환기(204)는 전원(108)으로부터의 전압을 낮추면서 전류를 증가시키고 조정된 전압 및 전류를 히터(102)의 각 발열체(207)에 인가한다. 전압 리플을 줄이기 위해서는 커패시터로 만들어지거나 또는 커패시터 및 인덕터의 조합으로 만들어진 필터가 벅 변환기(204)의 출력 및/또는 입력에 부가된다.
전기 열시스템(100)은 히터(102)의 성능을 나타내는 신호를 컨트롤러(104)에 전송하는 센서 회로(208)를 더 포함한다. 센서 회로(208)는 전기 열시스템의 저전압부와 고전압부 사이에서 신호를 전송하기 위한, 특히 격리된 아날로그-디지털 변환기, 광차단기(opto-isolator) 또는 변압기 같은 전자 기기를 포함할 수 있다. 본 발명의 한 형태에 있어서, 센서 회로(208)는 제어 스위치(206)가 소정 상태에 있을 때 전류 감지 저항을 단락시켜서 부하 전류를 운반하기 위해 전류 감지 저항, 전압 감지 저항 및 트랜지스터를 포함한다. 전류 감지 저항, 전압 감지 저항 및 트랜지스터는 전력 변환기(116)의 벅 변환기(204)에 연결된다. 센서 회로(208)는 벅 변환기(204)에 의해 발열체에 인가되는 전류 또는 전압 중의 적어도 하나를 측정하여 그 데이터를 피이드백으로서 컨트롤러(104)에 전송하며, 결국 컨트롤러는 전력 변환기(116)의 원하는 출력 전압을 결정한다.
도 3을 참조하면, 벅 변환기(302)를 갖는 전력 변환기(116)의 일 예의 개략도가 도시되어 있다. 벅 변환기(302)는 트랜지스터(304)(예를 들어, 전계효과 트랜지스터), 다이오드(306), 인덕터(308) 및 커패시터(310)를 포함한다. 트랜지스터(304)는 벅 변환기(302)를 통한 전류의 흐름을 제어하기 위한 스위치로서 동작할 수 있다. 일반적으로 트랜지스터는 제어 단자를 포함하며, 제어 단자에 인가된 전압에 의거하여 트랜지스터는 트랜지스터의 소스 영역과 드레인 영역 사이의 전도 채널을 통하여 전류가 흐르게 하는 폐스위치(closed switch) 또는 전도 채널을 통해 전류가 흐르지 않는 개스위치(open switch)로서 동작할 수 있다. N형 트랜지스터는 제어 단자에 전압이 인가되지 않을 때는 개스위치로서 기능하고 전압(예를 들어, 5V)이 인가될 때는 폐스위치로서 기능한다. 다른 방법으로서, P형 트랜지스터는 제어 단자에 전압이 인가될 때는 개스위치로서 기능하고, 제어 단자에 전압이 인가되지 않을 때는 폐스위치로서 기능한다. 트랜지스터(304)는 N형 트랜지스터로 도시되어 있지만, 이 트랜지스터(304)는 P형도 될 수 있다.
벅 변환기(302)는 전원(108)에 연결된 정류기(312)로부터 정류된 전압을 수신하고, 출력 전압을 발열체에 인가한다. 일반적으로, 폐 상태(즉, 폐스위치)에 있을 때, 벅 변환기(302)는 정류기(312)에 전기적으로 연결되어 변환기(302)를 통하는 전류가 증가하기 시작한다. 반대 전압이 인덕터(308) 단자를 통해 발생하여 정류기(312)로부터의 전압을 상쇄시키며, 따라서 발열체의 단자를 통한 순전압(net voltage)을 감소시킨다. 시간 경과에 따라서 전류의 변화율이 감소하기 시작하며, 따라서 인덕터(308)를 통한 전압을 감소시키고 발열체의 단자에 인가되는 전압을 증가시킨다. 트랜지스터(304)가 개방 상태에 있을 때(즉, 개스위치), 벅 변환기(302)는 정류기(312)로부터 전기적으로 분리되고, 인덕터(308)는 방전하기 시작하여 인덕터를 통하여 전압 강하를 야기하며 전원으로서 동작한다. 구체적으로 인덕터(308)에 의해 발생한 자계는 발열체의 단자를 통해 흐르는 전류를 지원한다.
도 3은 또한 누전 감지 저항(322)을 단락시키기 위해 전류 감지 저항(320), 누전 감지 저항(322) 및 전계 효과 트랜지스터(FET)(324)를 포함한다. 센서 회로(318)는 컨트롤러(104)와 연결되며, 예를 들어 위상 전압과 벅 변환기(302)에 연결된 하나 이상의 발열체에 인가되는 전류의 평균제곱근(root mean square, RMS)값을 나타내는 데이터를 제공한다.
도 4를 참조하면, 전기 열시스템(100)을 통해서 전원으로부터의 입력 신호가 전력 변환되는 것이 도시되어 있다. AC전압(402)은 수동(passive) 또는 능동(active) 정류기에 의해 리플을 갖는 DC전압 신호(406)로 변환된다. DC전압(406)은 컨트롤러(104)에 의해 전환되는 트랜지스터에 의해 벅 변환기에 선택적으로 인가된다. 벅 변환기는 다수의 펄스(408) 형태로 전압을 출력한다. 히터(102)로부터의 정보 및 히터(102)의 동작 상태에 의거하여 벅 변환기는 최대 전압(예를 들어, 208V)과 최소 전압(예를 들어, 0V) 사이의 가변 전압(410)을 출력하도록 동작할 수 있다. 따라서, 전기 열시스템(100)은 발열체에 인가되는 전압을 독립적으로 제어하므로, 하나 이상의 발열체에 인가되는 전압은 다른 발열체와 다를 수 있다.
트랜지스터에 인가되는 구동 신호의 펄스폭은 벅 변환기의 출력 전압을 제어한다. 구체적으로, 출력 전압의 진폭은 트랜지스터의 전도 속도(즉, 듀티 사이클)에 의존한다. 전도 속도가 작아질수록 출력 전압의 진폭이 작아진다. 예를 들어, 도 5A 내지 도 5C는 여러 전도 속도(예를 들어, 5%, 25% 및 50%)에서 트랜지스터에 대한 구동 파형을 도시하고, 도 6A 내지 도 6C는 도 5A 내지 도 5C의 구동 파형에 의거한 벅 변환기의 예상 출력 전압을 도시한다. 전도 속도가 50%인 변조된 구동 신호가 트랜지스터에 인가될 때, 벅 변환기는 전도 속도가 5%인 구동 신호로 출력된 전압보다 큰 전압을 출력한다. 따라서, 구동 신호의 펄스폭을 제어함으로써 컨트롤러(104)는 전력 변환기(116)의 출력 전압을 제어하고, 따라서 발열체에 인가되는 전압을 독립적으로 제어한다.
컨트롤러(104)는 전체적으로 입력 파라미터라고 부르는 히터(102)에서의 온도, 저항, 전류 및/또는 전압 중의 적어도 하나에 의거하여 주어진 전력 변환기(116)의 원하는 출력 전압을 결정한다. 예를 들어, 컨트롤러(104)는 히터(102)의 저항에 의거하여 입력 전압을 조정하도록 전력 변환기(116)를 동작시켜서 전력 변환기(116)로부터의 전력이 히터(102)의 발열체의 저항 변화와 일치하도록 구성된다. 다른 예에서, 컨트롤러(104)는 선택된 듀티 사이클에서 제어 스위치를 전환하여 입력 전압을 조정하는데, 여기서 듀티 사이클은 스케일링 팩터(scaling factor)에 정비례한다. 컨트롤러(104)는 히터(102)의 부하 전류 및 검출된 전압 중의 적어도 하나, 또는 보다 구체적으로 각 발열체의 온도에 의거하여 듀티 사이클을 선택한다.
본 발명의 한 형태에 있어서, 컨트롤러(104)는 컨트롤러(104)가 입력 파라미터중의 하나 이상에 의거하여 히터(102)의 동작 상태를 결정하게 되는 상태 모드 제어를 이용한다. 히터(102)의 동작 상태는 히터(102)에 전력이 공급되지 않는 아이들 모드, 저전력이 공급되어 전압 및 전류를 측정하는 기동 모드, 특정 저항 설정점을 지날 때까지 전력이 낮은 램프 속도로 증가하는 소프트 기동 모드, 히터의 재료에 의거하여 선택된 램프 속도로 온도가 증가하는 비율 모드, 및 히터(102)의 온도가 예를 들어 연속 비례-적분-미분 컨트롤러(PID제어)를 이용하는 특정 설정점으로 제어되는 홀드 모드를 포함한다. 이들 동작 상태는 단지 예일 뿐, 본 발명의 범위 내에서 다른 모드를 포함할 수 있다.
히터(102)의 동작 모드에 의거하여, 컨트롤러(104)는 각 전력 변환기로부터 발열체에 인가되는 입력 전압을 조정함으로써 발열체를 독립적으로 제어한다. 컨트롤러(104)는 (1) 동작 상태에 따라서 PID 파라미터를 수정, (2) 모드를 자동(사용자 입력 없음)에서 수동(컨트롤러가 사용자 입력 수신)으로 변경하거나 모드를 수동에서 자동으로 변경, (3) 수동 퍼센트 전력 설정, (4) 설정점 램프를 기동, (5) 온도에 의거하여 PID제어의 정수(홀딩 기간)를 상쇄(offsetting)하고, 그 정수를 스케일링하고 그리고/또는 수정함으로써 정수를 수정, 및 (6) 새로운 동작 상태로 들어왔을 때 전압을 변경하는 것을 포함하는 다양한 입력 전압 조정 방법으로 구성될 수 있지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 전압을 조정하기 위해 컨트롤러(104)가 이용하는 로직은 (1) 기동의 검출, (2) 처리 온도의 설정점으로의 접근, (3) 처리 온도의 설정점으로부터의 일탈, (4) 설정점의 변경, (5) 처리 온도 초과, (6) 처리 온도 아래로 강하, (7)소정 기간의 경과, (8) 도달하여야 할 일반적인 시스템 측정치(예를 들어, 전류, 전압, 와트수, 저항 및/또는 전력 퍼센트를 포함한 다양한 적절한 방법으로 트리거될 수 있지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 열시스템은 다중 상태를 포함하는데, 여기서 각 상태는 동적 시스템의 최적 성능을 제공하는 프로그램 가능한 상태 기계를 생성하도록 독특한 설정치를 갖는다. 각 상태는 조건이 만족될 때 들어가게 되는 후속 상태를 규정할 수 있다.
컨트롤러(104)는 전력 변환 시스템(106)을 동작시켜서 연속적으로 변하는 전압을 히터(102)의 발열체에 인가하도록 구성된다. 이 가변 전압은 여러 전력 진폭을 갖는다. 히터(102)는 램프 속도를 제어하기 위해 가변 전압을 이용함으로써 열균열의 영향을 덜 받고, 따라서 가변 전압은 여러 가열 구역간의 온도차를 줄이도록 동작할 수 있다. 이런 이점들은 열시스템이 2선 제어를 이용할 때 더욱 실현된다.
본 발명의 한 형태에 있어서, 컨트롤러(104)는 PID상태를 시스템 상태와 일치시키는 모델 베이스 제어(model-based control)를 제공하도록 구성된다. 증가 속도 및 히터 테스트는 히터의 동작 상태에 따라서 이루어진다. 히터(102)에 전력을 공급하기 위한 전형적인 제어 방법은 특히 저항성 발열체가 비교적 높은 저항 열계수(thermal coefficient of resistance, TCR)를 갖는 재료로 만들어졌을 때 세라믹 기판에 균열을 일으킬 가능성을 갖는다. 히터의 기동 중에 저항성 발열체는 차가울 때 비교적 낮은 저항을 가지며, 본 발명의 컨트롤러(104)는 전력 및 전압을 제한함으로써 저저항 냉각 상태 기동을 운영하여 과다 전류를 억제할 수 있다. 각 가열 구역의 온도가 설정점까지 증가하였을 때, 히터 구역에서의 증가 속도를 조정함으로써 각 가열 구역과 다른 가열 구역 사이의 온도차가 허용 한계 내에서 유지된다. 따라서 각 가열 구역에 공급되는 전력이 균형을 이룰 수 있다. 저항성 발열체의 증가 속도는 발열체의 동작 상태에 따라서 컨트롤러에 의해 제어 및 조정되어 다양한 가열 구역 전반에 걸쳐 보다 균일한 가열을 이룰 수 있다.
도 7A, 도 7B, 도 7C 및 도 7D는 각각 기동 모드, 워밍업 모드, 정상 상태 모드 및 장애 중에 히터의 하나 이상의 발열체에 전력을 제공하는 전력 변환기의 출력 전압 파형을 도시한다. 도시한 바와 같이, 발열체에 인가되는 전압 파형은 서로 다르다. 전압은 발열체의 저항, 발열체를 통해 흐르는 전류 및 발열체의 온도에 따라서 변한다. 기동 및 워밍업 모드 중에 온도가 비교적 낮을 때, 전압은 비교적 작은 진폭을 가지며, 따라서 와트수가 비교적 낮다. 정상 상태 모드 및 장애/급격한 변화 중에 온도가 비교적 높을 때, 전압의 진폭이 증가되어 와트수가 높아진다.
보다 구체적으로, 기동에서는 발열체의 저항이 낮으며(예를 들어, 3 오옴), 발열체가 전체 라인 전압(full-line voltage)(예를 들어, 208V)를 수신하는 경우에는 발열체를 통해 흐르는 순간적인 전류 및 그 결과로서의 전력이 상당히 크다(예를 들어, 대략 69A 및 14,352W). 전력 변환 시스템(106)에 의해 컨트롤러(104)는 발열체에 가해지는 입력 전압을 훨씬 낮은 전압, 예를 들어 3V로 조정하여 전류 및 전력을 제어한다(예를 들어, 1A 및 3W). 그리고 컨트롤러(104)는 발열체의 저항 및 피이드백 정보에 의거하여 인가 전압을 점차 증가시킬 수 있다.
일반적으로, 동일한 전력 공급이 발열체들에 인가되더라도 히터의 여러 발열체들은 동일한 속도로 가열되지 않을 수 있다. 이는 히트 싱크에 대한 발열체의 위치 및 가열 구역에서의 제조 불균일 같은 다양한 요인에 의해 야기될 수 있다. 인접한 가열 구역 사이에 상당한 온도차가 발생할 때, 인접한 가열 구역에서의 큰 열팽창 차이는 가열판의 세라믹 기판에 균열을 일으킬 수 있다. 본 발명의 전기 열시스템은 발열체 그리고 히터의 정확하고 보다 안전한 제어를 위해 발열체에 가변 전력을 제공하기 위한 하나 이상의 전력 변환기를 포함하는 전력 변환 시스템을 포함한다. 예를 들어, 보다 낮은 전력이 피크 전류를 최소화하기 위해 하나 이상의 발열체에 공급되거나, 가열판의 기판에서의 균열을 방지하기 위해 가열 초기 단계에서 그리고 작동 정지 중에 제공될 수 있다. 컨트롤러는 전력 변환 시스템을 제어하여 여러 전압을 출력하게 하며, 따라서 각 가열 구역의 온도를 제어한다. 따라서, 본 발명의 전기 열시스템은 여러 가열 구역 사이의 온도차를 조정하여 히터 전반에 걸쳐서 균일한 온도를 제공한다.
따라서, 컨트롤러는 발열체의 온도 및/또는 발열체의 동작 상태에 의거하여 각 발열체에 대한 가변적인 전력 공급을 제어한다. 본 발명의 컨트롤러의 가변적인 전력 제어 방법은, 1) 피크 전류 및 전압을 제어할 수 있게 하고, 2) 최고 설정점에서 전달되는 최대 와트수에 대하여 전력 강하의 크기를 조정하고 과도한 상태의 기동시에는 조정하지 않으며, 3) 원하는 전력을 전달하도록 신호 위상을 이용할 수 있게 하며, 4) 저전압에서 기동을 제어하여 단락 회로/단락된 히터를 검출할 수 있게 하며, 5) 2선 제어에 있어서 연속적으로 안정한 정현곡선 형태의 전도에 의해 온도 측정이 훨씬 더 안정하게 되어 보다 상세한 진단을 가능하게 하며, 6) 1.0에서 역률(power factor)을 설정할 수 있다.
컨트롤러는 또한 전류, 전압, 와트수, 저항, 회선 주파수(line frequency) 같은 히터 특성들을 측정/제어할 수 있다. 가열판 전반에 걸쳐서 균일한 온도를 제공하여 열균열의 발생을 방지하기 위해 컨트롤러는 각 가열 구역들의 온도를 제어하고 여러 가열 구역 사이의 온도차를 관리한다.
전력 변환 시스템에 의해, 컨트롤러는 전원으로부터 히터로의 전력 공급을 제어하도록 구성된다. 전원은 위상 제어(phase fire control)를 갖춘 AC전원 또는 스위칭 장치를 구비한 DC전원일 수 있으며, 발열체는 광범위한 저항을 갖는 여러 재료로 만들어질 수 있다.
예를 들어, 발열체를 형성하는데 몰리브덴이 사용되었을 때, 저항성 발열체는 차가운 상태에서 매우 낮은 저항을 가지며, 따라서 비교적 높은 전류를 끌어낸다. 본 발명의 전력 변환기술은 워밍업 과정의 저저항 냉각 단계 중에 보다 낮은 전압을 인가하여 전류를 적정 레벨로 관리한다.
추가적으로, 컨트롤러는 또한 대좌(pedestal) 구조 및 응용에 따라서 다양한 보충적 및 보완적 감지 방법을 제공한다. 예를 들어, 배치/공간이 허용되는 경우 열전대 또는 RTD(저항온도검출기) 같은 개별적인 온도 센서가 사용될 수 있다. 미국 특허 제 9,625,923호에 개시된 것 같은 고플라즈마 응용(high plasma application)에는 광형광 감지(Optical fluorescent sensing)를 이용할 수 있는데, 이 특허는 본 출원과 공동 소유의 것으로서, 그 내용 전체를 참조함으로써 본 명세서에서 인용한다. 앞에서 설명한 바와 같은 2선 센서도 이용할 수 있다. 이들 온도 센서들은 또한 본 발명의 범위 내에서 다른 기능 중에서도 과열 제한용으로도 사용할 수 있다.
본 발명의 설명은 사실상 단지 예시적인 것일 뿐이므로 본 발명의 요지로부터 일탈하지 않는 변형들은 본 발명의 범위 내에 있는 것이다. 이런 변형들은 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어난 것으로 간주해서는 안 된다.

Claims (22)

  1. 열 방출을 위해서 그리고 센서로서 작동하는 저항 발열체를 포함하는 히터; 및 전력변환기, 센서회로 및 컨트롤러를 포함하는 컨트롤 시스템;을 포함하고,
    상기 전력 변환기는, 강하 전압 변환기로서, 전력 스위치를 포함하고, 상기 히터와 전기적으로 연결되어 조정 가능한 출력 전압을 상기 저항 발열체에 인가하도록 작동될 수 있으며,
    상기 센서 회로는 상기 저항 발열체의 전압과 전류 중 적어도 하나를 측정하도록 구성되며,
    상기 컨트롤러는, 상기 전력 변환기 및 센서 회로에 연결되며, 입력 파라미터와 원하는 설정점에 의거하여 상기 저항 발열체 인가되는 출력 전압을 결정하도록 구성되는, 열 시스템에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 전력 변환기의 스위치를 작동하여 그 출력 전압을 상기 저항 발열체에 인가하도록 구성되며, 상기 입력 파라미터는 상기 저항 발열체의 온도를 포함하며, 이 온도는 상기 전력과 전류 중 적어도 하나에 의거하여 결정되고, 상기 원하는 설정점은 히터의 작동 상태를 기반으로 하는, 열 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력 변환기는 상기 전력 스위치를 포함하는 벅 변환기(buck converter)를 포함하는, 열 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 마이크로프로세서를 갖는 전자기기를 더 포함하는, 열 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 하나 이상의 한계(limits)에 의거하여 상기 히터에 대한 입력 전압을 증감하도록 구성된, 열 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 한계는 전압, 전류, 및 와트수(wattage) 중 적어도 하나를 포함하는 감지된 파라미터 값을 포함하는, 열 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 전류 및 전압 중 적어도 하나에 의거하여 상기 저항 발열체의 저항을 결정하고, 그 저항에 의거하여 상기 히터에 대한 입력 전압을 증감하도록 구성된, 열 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 히터에 인가되는 전압의 양을 제한하기 위해 히터에 가해지는 입력 전압을 증감하도록 구성된, 열 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 다수의 히터와 다수의 전력 변환기를 더 포함하고, 상기 다수의 히터들 각각은 상기 다수의 전력 변환기들 중 하나 이상의 전력 변환기에 의해 제어되도록 구성된, 열 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 전압 및 전류 중 적어도 하나에 의거하여 상기 저항 발열체의 저항을 결정하고, 그 저항에 의거하여 상기 히터에 대한 진단을 실행하도록 구성된, 열 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 전력 변환기를 작동하여, 전력 변환기의 전력이 상기 히터의 저항 변화에 비례하도록, 상기 히터의 저항에 의거하여 상기 출력 전압을 조정하도록 구성된, 열 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 선택된 듀티 사이클에서 상기 전력 스위치를 전환하도록 구성되고, 상기 듀티 사이클은 스케일링 팩터(scaling factor)에 정비례하는, 열 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 전압 및 전류 중 적어도 어느 하나에 의거하여 상기 히터의 온도를 결정하도록, 그리고 상기 히터의 그 온도에 의거하여 선택된 듀티 사이클에서 전력 스위치를 전환하도록 구성된, 열 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 원하는 설정점은 상기 히터에 인가된 원하는 전력을 포함하는, 열 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 센서회로는 저항 발열체의 전압과 전류를 측정하도록 구성되고,
    상기 컨트롤러는 그 전압과 전류에 의거하여 상기 히터의 저항을 계산하도록, 그리고 그 저항에 의거하여 상기 히터의 온도를 결정하도록 구성되고, 또한,
    상기 컨트롤러는 상기 히터의 그 온도에 의거하여 상기 출력 전압을 결정하도록 구성된, 열 시스템.
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