JP7143226B2

JP7143226B2 - 熱システムのための電力コンバータ

Info

Publication number: JP7143226B2
Application number: JP2018565756A
Authority: JP
Inventors: ブレイトロウ、スタントン・エイチ; レムケ、ジョン; ヘントゲス、ジェイムス; ネス、ケイス; エリス、エリック; ボーリンガー、ウィリアム; イェンダー、マシュウ; マッククルスキー、ディーン・アール
Original assignee: ワットロー・エレクトリック・マニュファクチャリング・カンパニー
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2017-06-15
Publication date: 2022-09-28
Anticipated expiration: 2037-06-15
Also published as: US20200256899A1; US20170363663A1; TWI657712B; KR20220044878A; JP2019524047A; KR102383760B1; US20230021550A1; KR20190019152A; KR102269440B1; TW201806440A; EP3472858A1; CN109863584B; KR20230107913A; KR20210076215A; WO2017218791A1; EP3472858B1; US10690705B2; EP3813099A1; EP3813099B1; EP4099370A1

Description

本開示は、熱システムに関し、より具体的には様々な電力を持つ熱システムに関する。

このセクションの記載は、単に、本開示に関する背景情報を提供するものであり、先行技術を構成しない場合がある。

一般に、ペデスタルヒータは、その上に配置されたウェハを加熱するための半導体処理ツールである。ペデスタルヒータは、加熱板と、加熱板の下方に配置された支持シャフトとを含む。加熱板は、セラミック基板と、セラミック基板に埋め込まれて複数のヒーティングゾーンを画定する複数の抵抗発熱体とを含む場合がある。典型的には、ヒータのスタートアップ中に同じ変化率で同じ電力が複数の抵抗発熱体に印加される。

同じ電力が抵抗発熱体に印加されるにもかかわらず、例えばヒートシンクに対する加熱領域の位置、および、不均一な製造によって引き起こされるヒーティングゾーンの特性の違いにより、いくつかの抵抗発熱体は他の発熱体よりも速く加熱される場合がある。ヒーティングゾーンが隣接するヒーティングゾーンよりも速く加熱されると、隣接するヒーティングゾーン間の温度差が異なる熱膨張を引き起こし、その結果、隣接するヒーティングゾーン間に熱ストレスが生じる。著しい熱ストレスは、セラミック基板内に熱亀裂を発生させる場合がある。

ある形態において、本開示は、ヒータと、電力スイッチを含む電力コンバータと、コントローラとを含む熱システムを提供する。電力コンバータは、ヒータと連通しており、調整可能な電圧をヒータに印加するように動作可能である。コントローラは、電力スイッチと連通してヒータにおける電流および電圧の少なくとも一方に基づいて電力コンバータの電圧出力を制御する。コントローラは、電源スイッチを操作して電力コンバータの電圧出力を調整する。ある形態において、コントローラは、ヒータの温度に基づいて電力コンバータの電圧を制御し、温度は、ヒータの電圧および電流によって決定されるヒータの抵抗に基づいて決定される。

別の形態において、本開示は、複数の発熱体を持つヒータ、複数の電力コンバータ、およびコントローラを含む熱システムを提供する。各電力コンバータは、電力スイッチを含むステップダウン（降圧型）電圧コンバータである。所与の電力コンバータは、複数の発熱体のうちの１つまたは複数の発熱体と連通しており、電力コンバータは、調整可能な電圧をそれぞれの１つまたは複数の発熱体に印加するように動作可能である。コントローラは、電力コンバータの電力スイッチと連通しており、ヒータにおける電流および電圧の少なくとも一方に基づいて電力コンバータの電圧出力を制御する。コントローラは、それぞれの電力コンバータの電圧出力を調整するために所与の電力スイッチを操作する。

適用可能性のあるさらなる分野が本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。説明および特定の実施例は、例示の目的のみを意図しており、本開示の範囲を限定することを意図していないことを理解されたい。

本開示を十分に理解することができるように、添付の図面を参照しながら、例として与えられるその様々な形態が、本明細書で説明される。

図１は、本開示の教示に係る電気熱システムのブロック図である。

図２は、本開示の教示に係る図１の電気熱システムの電力コンバータのブロック図である。

図３は、本開示の教示に係る図２の電力コンバータの概略図である。

図４は、本開示の教示に係る入力電圧波形の電力変換を例示する概略図である。

図５Ａは、本開示の教示に係る異なる導電率を有するドライブ信号の波形を例示する。図５Ｂは、本開示の教示に係る異なる導電率を有するドライブ信号の波形を例示する。図５Ｃは、本開示の教示に係る異なる導電率を有するドライブ信号の波形を例示する。

図６Ａは、本開示の教示に係る図５Ａの波形に基づく電力コンバータの出力電圧の波形を例示する。図６Ｂは、本開示の教示に係る図５Ｂの波形に基づく電力コンバータの出力電圧の波形を例示する。図６Ｃは、本開示の教示に係る図５Ｃの波形に基づく電力コンバータの出力電圧の波形を例示する。

図７Ａは、本開示の教示に係る異なる入力条件に基づく電力コンバータの異なる出力電圧の波形を例示する。図７Ｂは、本開示の教示に係る異なる入力条件に基づく電力コンバータの異なる出力電圧の波形を例示する。図７Ｃは、本開示の教示に係る異なる入力条件に基づく電力コンバータの異なる出力電圧の波形を例示する。図７Ｄは、本開示の教示に係る異なる入力条件に基づく電力コンバータの異なる出力電圧の波形を例示する。

本明細書に記載されている図面は例示目的のみのためであり、決して本開示の範囲を限定することを意図しない。

詳細な説明

以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、適用、または用途を限定することを意図するものではない。図面全体を通して、対応する参照番号は、同様のまたは対応する部分および特徴を示すことを理解されたい。

図１を参照すると、本開示の教示にそって構成された熱システム１００は、ヒータ１０２、コントローラ１０４（すなわち制御モジュール）、および電力コンバータシステム１０６を含む。コントローラ１０４と電力コンバータシステム１０６は、電源１０８からヒータ１０２へ供給される電力を制御する。より詳細には、コントローラ１０４および電力コンバータシステム１０６は、ヒータ１０２に供給される電力を監視し、必要に応じて調整するための制御システムとして動作する。以下で詳細に説明すると、コントローラ１０４は、ヒータ１０２からフィードバックデータを受信して、ヒータ１０２のヒータゾーンのいずれかへの電力を調整するかどうかを決定し、調整する場合、電力コンバータシステム１０６に信号を送信することによって電力を調整し、１つまたは複数の電力コンバータは、加熱器１０２のそれぞれのヒータゾーンに制御された電圧を出力する。

本開示のある形態では、ヒータ１０２は、加熱板１１０と、加熱板１１０の底面に配置された支持シャフト１１２とを含むペデスタルヒータである。加熱板１１０は、本開示のる形態において、基板１１１と、基板１１１内に埋め込まれた複数の抵抗発熱体（図示せず）とを含む。抵抗発熱体は、また、本開示の範囲内に留まると同時に、基板１１１の少なくとも１つの表面上に配置されてもよい。基板１１１は、セラミックまたはアルミニウムで作られてもよい。抵抗発熱体は、コントローラ１０４によって独立して制御され、図中に点線で例示するように複数のヒーティングゾーン１１４を画定する。これらのヒーティングゾーン１１４は単に例示的なものであり、本開示の範囲内に留まると同時に、任意の構成をとることができることを理解されたい。

抵抗発熱体は、様々な適切な方法で構成することができる。例えば、本開示のある形態において、各抵抗発熱体のそれぞれは、第１の電力ピンおよび第２の電力ピンに接続され、それぞれ、第１の接合部および第２の接合部を画定する。第１および第２の電力ピンは、加熱板１１０からヒータ１０２の支持シャフト１１２を通ってコントローラ１０４まで延びるワイヤに接続される。第１および第２の電力ピンは、ヒータ１０２の温度を測定するための熱電対検出ピンとして機能する。熱電対として電力ピンを使用して抵抗発熱体の温度を測定することは、２０１５年５月２９日に出願され、「温度検出電力ピンを持つ抵抗ヒータ」と題された同時継続中の米国特許出願第１４／７２５，５３７号に開示されており、この出願は本出願と共通に所有され、その内容はその全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。概ね第１および第２の電力ピンと連通しているコントローラ１０４は、第１および第２の接合部における電圧の変化を測定するように構成されている。より具体的には、コントローラ１０４は、接合部におけるミリボルト（ｍＶ）の変化を測定し、次いでこれらの電圧の変化を使用して抵抗発熱体の平均温度を計算する。ある形態において、コントローラ１０４は、抵抗発熱体への電力を遮断することなく接合部における電圧の変化を測定してもよい。これは、例えば、ＡＣ入力電力信号のゼロ交差で読み取りを行うことによって達成され得る。別の形態において、電力は中断され、コントローラ１０４は電圧の変化を測定するために加熱モードから測定モードに切り替わる。平均温度が決定されると、コントローラ１０４は加熱モードに戻る。

ヒータ１０２は、様々な適切な方法で構成されてもよく、２ピン抵抗発熱体に限定されない。例えば、ヒータ１０４は、抵抗の変化が温度を決定するためにコントローラ１０２によって使用されることができるように、「２線式」ヒータでもよい。このような２線式システムは、本出願と共通に所有されている米国特許第７，１９６，２９５号に開示されており、その内容はその全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。２線式システムにおいて、熱システムは、ヒータ設計と、他を制御しながら１つまたは複数のパラメータ（すなわち、電力、抵抗、電圧、電流）を制限するカスタマイズ可能なフィードバック制御システムに電力、抵抗、電圧、および、電流を組み込む制御をマージする適応熱システムである。コントローラ１０４は、安定した連続的な電流および電圧の読み込みを得るために、ある期間にわたってヒータに供給される電流、電圧、および電力のうちの少なくとも１つを監視するように構成される。これらの読み込みは、抵抗、ひいてはヒータの温度を決定するために使用することができる。あるいは、コントローラ１０４は、個別の温度センサおよび／または抵抗センサ（例えば、別個の熱電対）に結合されてもよい。

電力コンバータシステム１０６は、複数の電力コンバータ１１６（図中１１６１～１１６ｎ）を含む。１つまたは複数の電力コンバータ１１６が、発熱体に電圧を供給するために、加熱器１０２のヒーティングゾーンの発熱体に接続されている。以下でさらに説明されるように、各電力コンバータ１１６は、電源１０８からの入力電圧（ＶＩＮ）を、ヒータ１０２の発熱体に印加される出力電圧（ＶＯＵＴ）に調整するように動作可能であり、出力電圧は入力電圧以下である。

コントローラ１０４は、マイクロプロセッサおよびメモリを含む電子機器を含み、電力コンバータシステム１０６によってヒータ１０２の抵抗発熱体に供給される電力を制御するように構成される。さらに後述するように、コントローラ１０４は、電力コンバータシステム１０６を動作させて、ヒータ１０２からのフィードバックデータおよび予め記憶された制御アルゴリズムおよび／またはプロセスに基づいてヒータ１０２に印加される電圧を調整する。本開示のある形態では、電源１０８からの入力電圧は、本願と共通に譲渡されている米国特許第７，２５７，４６４号および第８，４２３，１９３号に開示されているようなスケーリング調整率を使用してスケーリングされ、その内容はその全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。入力電圧は、予め設定されたユーザ値に基づいて調整できる。予め設定されたユーザ値は、最大電圧出力レベルおよび最大電力出力レベルのうちの１つであり、または一般に、電流、電圧、またはワット数でもよい。電流は、電圧のスケーリングとヒータへの電力供給と同時に測定される。スケーリングは、ゆるやかな漸増（gradual ramp-up）または漸増機能（ramping function）を含み、漸増（ramp-up）中のヒータ特性を検出する。ヒータ特性は、低ヒータ抵抗およびヒータショートのうちの一方を含む。他の形態では、コントローラ１０４は、制御アルゴリズムに基づいて入力電圧をスケーリングするためにヒータ１０２の抵抗を決定する。

図２に示すように、システム１００は、例えば電力コンバータ１１６よりも低い電圧で動作するコントローラ１０４などの電子部品を含む。したがって、低電圧部品を高電圧から保護するために、システム１００は、高電圧部品から低電圧部品を絶縁する電子部品を含み、それでもコンポーネントは信号を交換することができる。例示の目的のために、破線２０３は、システム１００の高電圧部分からの低電圧部分の絶縁を表す。

所与の電力コンバータ１１６は、ドライバ回路２０２および電力スイッチとも呼ばれる場合がある制御スイッチ２０６（図では「ＳＷ」）を持つバック（buck）コンバータ２０４を含む。ドライバ回路２０２は、コントローラ１０４からの入力信号に基づいて制御スイッチ２０６を操作する。ドライバ回路２０２は、コントローラ１０４と連通し、電力コンバータ１１６からコントローラ１０４を絶縁するために、光アイソレータまたは変圧器などの電子機器を含む。

一般に、バックコンバータ２０４は、降圧型電圧コンバータとして、電源１０８の電圧を低下させるように動作可能である。特に、電源１０８からのＡＣ電圧（例えば、２０８ＶＡＣ）は、バックコンバータ２０４にその後受け取られる整流AＣ電圧信号に整流される。制御スイッチ２０６の操作に基づいて、バックコンバータ２０４は、電圧を減少させ、電源１０８からの電流を増加させ、調整された電圧および電流を、ヒータ１０２のそれぞれの発熱体２０７に印加する。電圧リップルを低減するために、キャパシタ、または、コンデンサとインダクタとの組み合わせで製造されるフィルタが、バックコンバータ２０４の出力および／または入力に追加される。

システム１００は、ヒータ１０２の性能を示す信号をコントローラ１０４に送信するセンサ回路２０８をさらに含む。センサ回路２０８は、システムの低電圧部と高電圧部との間で信号を伝送するための、絶縁型アナログデジタルコンバータ、光アイソレータ、または変圧器などの電子機器を含むとしてもよい。本開示のある形態では、センサ回路２０８は、電流検出抵抗器、電圧検出抵抗器、および制御スイッチ２０６が所定の状態にある場合に電流検出抵抗器をシャント（分流）して負荷電流を流すためのトランジスタを含む。電流検出抵抗器、電圧検出抵抗器、およびトランジスタは、電力コンバータ１１６のバックコンバータ２０４に結合されている。センサ回路２０８は、バックコンバータ２０４によって発熱体に印加される電流または電圧の少なくとも１つを測定し、データをフィードバックとしてコントローラ１０４に送信し、コントローラ１０４は、返しに、電力コンバータ１１６の所望の出力電圧を決定する。

図３を参照すると、バックコンバータ３０２を持つ電力コンバータ１１６の例示的な概略図が示されている。バックコンバータ３０２は、トランジスタ３０４（例えば、電界効果トランジスタ）、ダイオード３０６、インダクタ３０８、およびキャパシタ３１０を含む。トランジスタ３０４は、バックコンバータ３０２を通る電流の流れを制御するためのスイッチとして動作可能である。概ね、トランジスタは制御端子を含み、制御端子に印加される電圧に基づいて、トランジスタは、トランジスタのソース領域とドレイン領域との間の導電性チャネルを通って電流を流すための閉スイッチとして動作することができ、または、導電チャネルに電流が流れない開スイッチとして動作することができる。Ｎ型トランジスタは、制御端子に電圧が印加されていないときは開スイッチとして機能し、電圧（例えば５Ｖ）が印加されているときは閉スイッチとして機能する。あるいは、Ｐ型トランジスタは、制御端子に電圧が印加されているときは開スイッチとして機能し、制御端子に電圧が印加されていないときは閉スイッチとして機能する。トランジスタ３０４は、Ｎ型トランジスタとして例示されているが、トランジスタ３０４はＰ型でもよい。

バックコンバータ３０２は、電源１０８に結合されている整流器３１２から整流された電圧を受け取り、発熱体に出力電圧を印加する。概ね、トランジスタ３０４が閉状態（すなわち閉スイッチ）にあるとき、バックコンバータ３０２は、コンバータ３０２を通る電流が増加し始めるように整流器３１２に電気的に結合される。反対の電圧が整流器３１２からの電圧を相殺するインダクタ３０８の端子間に発生し、それによって発熱体の端子間の正味電圧を減少させる。時間が経つと、電流の変化率は減少し始め、したがってインダクタ３０８の両端の電圧が減少し、発熱体の端子に印加される電圧が増加する。トランジスタ３０４が開状態（すなわち開スイッチ）にあるとき、バックコンバータ３０２は整流器３１２から電気的に切り離され、インダクタ３０８は放電し始め、インダクタ３０８の両端に電圧降下を生じさせ、電流源として動作する。具体的には、インダクタ３０８によって生成された磁界は、発熱体の端子を通って流れる電流を支える。

図３はまた、電流検出抵抗器３２０、漏れ検出抵抗器３２２、および漏れ検出抵抗器３２２をシャントするための電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）３２４を含むセンサ回路３１８の一例を示す。センサ回路３１８はコントローラ１０４と連通されており、例えば、位相電圧、および、バックコンバータ３０２に結合された１つまたは複数の発熱体に印加される電流の二乗平均平方根（ＲＭＳ）値を示すデータを提供する。

図４を参照すると、システム１００を介した電源からの入力信号の例示的な電力変換（コンバージョン）が示されている。ＡＣ電圧４０２は、受動整流器または能動整流器を介してリップルを持つ整流AＣ電圧信号４０６に変換される。ＤＣ電圧４０６は、コントローラ１０４によってスイッチ駆動（ドライブ）されているトランジスタによってバックコンバータに選択的に印加される。バックコンバータは、複数のパルス４０８の形態で電圧を出力する。ヒータ１０２からの情報とヒータ１０２の動作状態に基づいて、バックコンバータは、最大電圧（例えば２０８）と最小電圧（例えば０Ｖ）との間の可変電圧４１０を出力するように動作可能である。したがって、熱システム１００は、１つまたは複数の発熱体に印加される電圧が他の発熱体とは異なる場合があり得るように、発熱体に印加される電圧を独立して制御する。

トランジスタに印加される駆動信号のパルス幅は、バックコンバータの出力電圧を制御する。具体的には、出力電圧の振幅は、トランジスタの伝導率（すなわち、デューティサイクル）に依存する。伝導率が小さいほど、出力電圧の振幅は小さくなる。例えば、図５Ａ～図５Ｃは、異なる伝導率（例えば、５％、２５％、および５０％）におけるトランジスタの駆動波形を例示し、図６Ａ～図６Ｃは、図５Ａ～図５Ｃの駆動波形に基づくバックコンバータの予想出力電圧を例示する。５０％の伝導率を持つ変調された駆動信号がトランジスタに印加されると、バックコンバータは、５％の伝導率を持つ駆動信号と共に出力される電圧よりも大きい電圧を出力する。したがって、駆動信号のパルス幅を制御することによって、コントローラ１０４は、電力コンバータ１１６の出力電圧を制御し、したがって発熱体に印加される電圧を独立して制御する。

コントローラ１０４は、入力パラメータと集合的に呼ばれる、ヒータ１０２における温度、抵抗、電流、および／または電圧のうちの少なくとも１つに基づいて、所与の電力コンバータ１１６の所望の出力電圧を決定する。例えば、コントローラ１０４は、電力コンバータ１１６からの電力がヒータ１０２の発熱体の抵抗の変化に一致するように、電力コンバータ１１６を動作させてヒータ１０２の抵抗に基づいて入力電圧を調整するように構成される。別の例では、コントローラ１０４は、選択されたデューティサイクルで制御スイッチを切り替えて入力電圧を調整し、デューティサイクルはスケーリングファクタに正比例する。コントローラ１０４は、ヒータ１０２における負荷電流と検出された電圧とのうちの少なくとも一方、より具体的にはそれぞれの発熱体の温度に基づいてデューティサイクルを選択する。

本開示のある形態では、コントローラ１０４は、コントローラ１０４が１つまたは複数の入力パラメータに基づいてヒータ１０２の動作状態を決定する状態モード制御を使用する。ヒータ１０２の動作状態は：ヒータ１０２に電力が供給されていないアイドルモード；電圧と電流を測定するために低電力が供給されているスタートアップモード；特定の抵抗設定値を通過するまで、低い増加速度（ramp rate）で電力が増加するソフトスタートモード；ヒータの材料に基づいて選択された増加速度で温度が上昇する速度（rate）モード；例えば、連続的な比例積分微分コントローラ（ＰＩＤ制御）を用いてヒータ１０２の温度が特定の設定値に制御される保持モード、を含む。これらの動作状態は単に例示であり、本開示の範囲内に留まりながら他のモードを含むことができる。

ヒータ１０２の動作モードに基づいて、コントローラ１０４は、それぞれの電力コンバータから発熱体に印加される入力電圧を調整することによって発熱体を独立して制御する。コントローラ１０４は、入力電圧を調整するように様々な方法で構成されることができ、（１）動作状態に従ってＰＩＤパラメータを修正すること；（２）自動（ユーザ入力なし）のモードを手動（コントローラによって受信されるユーザ入力）に変更すること、または、手動のモードを自動に変更すること；（３）手動のパーセント電力を設定すること；（４）設定値増（set point ramp）を開始すること；（５）積分をオフセットすること、積分をスケーリングすること、および／または温度に基づいて修正を行うことによって、ＰＩＤ制御の積分（保持項）を修正すること；（６）新しい動作状態に入ったときに電圧を変更するすること、を含むがこれらに限定されない。電圧を調整するためにコントローラ１０４によって使用される論理は、（１）スタートアップを検出すること；（２）プロセス温度が設定値に近いこと；（３）設定値からのプロセス温度の偏差；（４）設定値の変更；（５）プロセス温度を超えること；（６）プロセス温度を下回ること；（７）所定期間の経過；（８）到達すべき一般的なシステム読み取り値（例えば、電流、電圧、ワット数、抵抗、および／または電力のパーセント）、を含むがこれらに限定されない様々な適切な方法でトリガされることができる。熱システムは、複数の状態を含み、各状態は、動的システムにおいて最適な性能を提供するプログラム可能なステートマシンを生成するための固有の設定を持つ。各状態は、条件が満たされたときに入る次の状態を定義してもよい。

コントローラ１０４は、電力コンバータシステム１０６を動作させてヒータ１０２の発熱体に連続的な可変電圧を印加するように構成されている。可変電圧は、異なる振幅の電力を持つ。ヒータ１０２は、増加速度（ramp rate）を制御するために可変電圧を使用することによって熱亀裂（クラック）を受けにくく、したがって、可変電圧は、異なるヒーティングゾーン間の温度差を減少させるように動作可能である。そのような利点は、熱システムが２線式制御を利用するときにさらに実現される。

本開示のある形態では、コントローラ１０４は、ＰＩＤ状態をシステム状態に一致させるためのモデルベースの制御を提供するように構成される。増加速度（ramp-up rate）とヒータテストは、ヒータの動作状態に基づいている。ヒータ１０２に電力を供給するための典型的な制御方法は、特に抵抗発熱体が比較的高い熱抵抗係数（ＴＣＲ）を持つ材料で作られているときに、セラミック基板に亀裂を生じさせるという潜在的な問題を有する。ヒータのスタートアップ中、抵抗発熱体は、冷たいときに比較的低い抵抗を持ち、本開示のコントローラ１０４は、電力および電圧を制限することによって低抵抗の冷間始動を管理することができ、それによって突入電流を抑制することができる。それぞれのヒーティングゾーンの温度は、設定値まで増加し、それぞれのゾーンと他のゾーンとの間の温度差は、ヒータゾーンでの増加速度を調整することによって許容限界内に維持される。したがって、個々のヒーティングゾーンへの電力は釣り合ってもよい。抵抗発熱体の増加速度は、発熱体の動作状態に応じてコントローラによって制御および調整されてもよく、それによって様々なヒーティングゾーンにわたってより均一な加熱を達成する。

図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、および図７Ｄは、それぞれ、スタートアップモード、ウォームアップモード、定常状態モードの間に、および外乱において、ヒータの１つまたは複数の発熱体に電力を供給する電力コンバータの例示的な出力電圧波形を示す。図示されるように、発熱体に印加される電圧波形は異なる。電圧は、発熱体の抵抗、発熱体を流れる電流、および発熱体の温度に依存して異なる。温度が比較的低いスタートアップ時およびウォームアップ時には、電圧は、比較的小さい振幅を持ち、したがってワット数は比較的低い。温度が比較的高いときの定常状態および外乱／サージの間、電圧の振幅は増大し、その結果ワット数が高くなる。

より具体的には、スタートアップに関して、発熱体の抵抗は低く（例えば３オーム）、発熱体がフルライン電圧（例えば２０８Ｖ）を受けると、発熱体を流れる瞬間電流と結果として生じる電力は、非常に大きい（例えば、約６９Ａおよび１４，３５２Ｗ）。電力コンバータシステム１０６では、コントローラ１０４は、発熱体への入力電圧をはるかに低い電圧、例えば３Ｖに調整して電流および電力（例えば１Ａおよび３Ｗ）を制御する。その後、コントローラ１０４は、発熱体の抵抗およびフィードバック情報に基づいて印加される電圧を徐々に増加させてもよい。

一般に、同じ電力供給が発熱体に印加されても、ヒータの異なる発熱体は同じ速度で加熱されない場合がある。これは、ヒートシンクに対する発熱体の位置およびヒーティングゾーンにおける製造の不均一性などの様々な要因によって引き起こされる可能性がある。隣接するヒーティングゾーン間で大きな温度差が生じると、隣接するヒーティングゾーンにおける熱膨張の大きな差が加熱板のセラミック基板に亀裂を生じさせる可能性がある。本開示の電子熱システムは、発熱体したがってヒータの正確かつ安全な制御のために発熱体に様々な電力を供給するための１つまたは複数の電力コンバータを含む電力コンバータシステムを含む。例えば、少ない電力が、ピーク電流を最小にするために１つまたは複数の発熱体に供給されてもよく、または、加熱板の基板における熱亀裂を防止するために加熱の初期段階およびシャットダウン中に供給されてもよい。コントローラは、電力コンバータシステムを制御して異なる電圧を出力し、したがって個々のヒーティングゾーンの温度を制御する。したがって、本開示の電気熱システムは、異なるゾーン間の温度差を調整し、ヒータ全体にわたって均一な温度を提供する。

したがって、コントローラは、発熱体の温度および／または発熱体の動作状態に基づいて、個々の発熱体への可変電力供給を制御する。本開示のコントローラの可変電力制御方法は：１）ピーク電流および電圧の制御を可能にし；２）スタートアップ時に急いでではなく、最高設定値で供給される最大ワット数に対して電力低下をサイズ調整し；３）所望の電力を供給するために信号位相の使用を可能にし；４）スタートアップを定電圧で制御して短絡回路／短絡されたヒータ検出を可能にし；５）２線式制御に対して、正弦波伝導が連続的に安定しているため、温度測定値が大幅に安定し、それによってより詳細な診断が可能になり、６）力率（power factor）を１．０に設定する。

コントローラは、また、電流、電圧、ワット数、抵抗、ライン周波数などのヒータ特性を測定／制御することができる。コントローラは、個々のヒーティングゾーンの温度制御を提供し、加熱板にわたって均一な温度を提供して熱亀裂の発生を抑制するために異なるゾーン間の温度差を管理する。

電力コンバータシステムでは、コントローラは、電源からヒータへの電力供給を制御するように構成される。電源は、フェーズファイア制御を備えたＡＣ電源またはスイッチング装置を備えたＤＣ電源としてもよく、発熱体は、広範囲の抵抗を有する異なる材料で作られてもよい。例えば、モリブデンが発熱体を形成するために使用される場合、抵抗発熱体は、冷たいときに非常に低い抵抗を持ち、したがって比較的高い電流を引き込む。本開示の電力変換技術は、ウォームアップの低抵抗コールドフェーズ中に、より低い電圧を印加して電流を許容レベルに管理する。

さらに、コントローラは、ペデスタル構造および用途に基づいて、複数の補充および補足の検出方法を提供する。例えば、配置／スペースが許せば、熱電対またはＲＴＤ（抵抗温度検出器）などのデスクリート温度センサを使用することができる。本願と共通に譲渡されている米国特許第９，６２５，９２３号に開示されているような光学プラズマ蛍光検出は、高プラズマ用途に使用することができ、その内容はその全体が参照することにより本明細書に組み入まれる。上述したように、２線式センサが使用されてもよい。これらの温度センサは、また、本開示の範囲内に留まりながら、過熱制限、他の機能のために、使用されてもよい。

本開示の説明は、本質的に例示にすぎず、したがって、本開示の本質から逸脱しない変形は、本開示の範囲内であることが意図されている。そのような変形は、本開示の精神および範囲からの逸脱と見なされるべきではない。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
ヒータと、
電力スイッチを含み、前記ヒータと連通しており、前記ヒータに調整可能な電圧を印加するように動作可能な電力コンバータと、
前記電力スイッチと連通し、前記ヒータにおける電流と電圧とのうちの少なくとも一方に基づいて前記電力コンバータの電圧出力を制御し、前記電力コンバータの前記電圧出力を調整するように前記電力スイッチを動作させるコントローラと、
を具備する、熱システム。
［２］
前記電力コンバータは、前記電力スイッチを含むバックコンバータを含む、［１］の熱システム。
［３］
前記コントローラは、マイクロプロセッサを持つ電子機器をさらに含む、［１］の熱システム。
［４］
前記電力スイッチは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である、［１］の熱システム。
［５］
前記コントローラは、１つまたは複数の制限に基づいて、前記ヒータへの入力電圧をスケーリングする、［１］の熱システム。
［６］
前記１つまたは複数の制限は、電圧、電流、ワット値のうちの少なくとも１つを含む検出されたパラメータ値を含む、［５］の熱システム。
［７］
前記コントローラは、フルライン電圧よりも小さい値に、前記ヒータへの入力電圧をスケーリングする、［１］の熱システム。
［８］
前記コントローラは、設定された最小値と設定された最大値との間に前記ヒータへの入力電圧をスケーリングする、［１］の熱システム。
［９］
前記コントローラは、制御アルゴリズムに基づいて前記ヒータへの入力電圧をスケーリングする、［１］の熱システム。
［１０］
前記コントローラは、前記ヒータの前記電流および前記電圧に基づいて抵抗を決定し、前記抵抗に基づいて前記入力電圧をスケーリングする、［９］の熱システム。
［１１］
前記コントローラは、前記ヒータへの入力電圧をスケーリングして、前記ヒータに印加される電圧の量を制限する、［１］の熱システム。
［１２］
複数のヒータと複数の電力コンバータとをさらに具備し、前記複数のヒータのそれぞれは、１つまたは複数の前記電力コンバータによって制御される、［１］の熱システム。
［１３］
前記コントローラは、前記ヒータの診断を実行するために前記ヒータの抵抗を決定する、［１］の熱システム。
［１４］
前記コントローラは、前記電力コンバータからの電力が前記ヒータの抵抗の変化に比例するように、前記ヒータの前記抵抗に基づいて電圧を調整するために前記電力コンバータを動作させる、［１］の熱システム。
［１５］
前記コントローラは、選択されたデューティサイクルで前記電力スイッチを切り替え、前記デューティサイクルは、スケーリングファクタに正比例する、［１］の熱システム。
［１６］
前記コントローラは、前記ヒータの温度を決定し、前記ヒータの前記温度に基づく選択されたデューティサイクルで前記電力スイッチを切り替える、［１］の熱システム。
［１７］
前記コントローラは、前記ヒータの所望の電力に基づいて電圧を変化させる、［１］の熱システム。
［１８］
前記コントローラは、前記電圧と前記電流とに基づいて前記ヒータの抵抗を計算し、前記抵抗に基づいて前記ヒータの温度を決定し、さらに、前記コントローラは、前記ヒータの温度に基づいて前記電力コンバータの前記電圧出力を制御する、［１］の熱システム。
［１９］
複数の発熱体を持つヒータと、
複数の電力コンバータと、
コントローラと、
を具備し、
各電力コンバータは、電力スイッチを含むステップダウン電圧コンバータであり、所与の電力コンバータは、前記複数の発熱体のうちの１つまたは複数の発熱体と連通しており、前記電力コンバータは、調整可能な電圧をそれぞれの前記１つまたは複数の発熱体に印加するように動作可能であり、
前記コントローラは、前記電力コンバータの前記電力スイッチと連通しており、前記ヒータにおける電流、電圧、抵抗のうちの少なくとも１つに基づいて前記電力コンバータの前記電圧出力を制御し、前記コントローラは、それぞれの前記電力コンバータの前記電圧出力を調整するために所与の電力スイッチを操作する、
熱システム。
［２０］
前記コントローラは、前記ヒータの前記抵抗に基づいて前記ヒータの温度を決定し、前記電力スイッチからの漏れ電流を補償するように前記温度を調整する、［１９］の熱システム。
［２１］
前記ヒータの前記電流と前記電圧とのうちの少なくとも１つを検出するための前記コントローラと連通しているセンサをさらに具備する、［１９］の熱システム。
［２２］
前記コントローラは、前記抵抗に基づいて前記ヒータの温度を決定し、前記コントローラは、前記ヒータの前記温度に基づいて１つまたは複数の前記電力コンバータの前記電圧出力を制御する、［１９］の熱システム。

Claims

抵抗発熱体を具備するヒータと、
ステップダウン電圧コンバータであり電力スイッチを含み、前記ヒータと電気的に結合されており前記抵抗発熱体に対して調整可能な出力電圧を印加するように動作可能な電力コンバータと、
前記抵抗発熱体の電圧と電流とのうちの少なくとも一方を測定するように構成されるセンサ回路と、
前記電力コンバータおよび前記センサ回路と接続され、入力パラメータと所望の設定値とに基づいて前記抵抗発熱体に印加される前記出力電圧を決定するように構成されるコントローラと、
を具備し、
前記コントローラは、前記抵抗発熱体に前記出力電圧を印加するために前記電力コンバータの前記電力スイッチを動作するように構成され、
前記入力パラメータは、前記電圧と前記電流とのうちの少なくとも一方に基づいて決定される前記抵抗発熱体の温度を含み、
前記所望の設定値は、前記ヒータの動作状態に基づいている、
熱システム。
前記電力コンバータは、前記電力スイッチを含むバックコンバータを含む、請求項１の熱システム。
前記コントローラは、マイクロプロセッサを持つ電子機器をさらに含む、請求項１の熱システム。
前記電力スイッチは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である、請求項１の熱システム。
前記コントローラは、１つまたは複数の制限に基づいて、前記ヒータへの入力電圧をスケールするように構成される、請求項１の熱システム。
前記１つまたは複数の制限は、電圧、電流、ワット値のうちの少なくとも１つを含む検出されたパラメータ値を含む、請求項５の熱システム。
前記コントローラは、フルライン電圧よりも小さい値に、前記ヒータへの入力電圧をスケールするように構成される、請求項１の熱システム。
前記コントローラは、設定された最小値と設定された最大値との間に前記ヒータへの入力電圧をスケールするように構成される、請求項１の熱システム。
前記コントローラは、制御アルゴリズムに基づいて前記ヒータへの入力電圧をスケールするように構成される、請求項１の熱システム。
前記コントローラは、前記電圧と前記電流とのうちの少なくとも一方に基づいて前記抵抗発熱体の抵抗を決定し、前記抵抗に基づいて前記入力電圧をスケールするように構成される、請求項９の熱システム。
前記コントローラは、前記ヒータに印加される電圧の量を制限するために、前記ヒータへの入力電圧をスケールするように構成される、請求項１の熱システム。
複数の前記ヒータと複数の前記電力コンバータとをさらに具備し、前記複数のヒータのそれぞれは、前記複数の電力コンバータのうちの１つまたは複数の電力コンバータによって制御される、請求項１の熱システム。
前記コントローラは、前記電圧と前記電流とのうちの少なくとも一方に基づいて前記抵抗発熱体の抵抗を決定し、前記抵抗に基づいて前記ヒータの診断を実行するように構成される、請求項１の熱システム。
前記コントローラは、前記電力コンバータからの電力が前記ヒータの抵抗の変化に比例するように、前記ヒータの前記抵抗に基づいて前記出力電圧を調整するために前記電力コンバータを動作するように構成される、請求項１の熱システム。
前記コントローラは、選択されたデューティサイクルで前記電力スイッチを切り替えるように構成され、前記デューティサイクルは、スケーリングファクタに正比例する、請求項１の熱システム。
前記コントローラは、前記電圧と前記電流とのうちの少なくとも一方に基づいて前記ヒータの温度を決定し、前記ヒータの前記温度に基づく選択されたデューティサイクルで前記電力スイッチを切り替えるように構成される、請求項１の熱システム。
前記所望の設定値は、前記ヒータに印加させるための所望の電力を含む、請求項１の熱システム。
前記センサ回路は、前記抵抗発熱体の前記電圧と前記電流とを測定するように構成され、前記コントローラは、前記電圧と前記電流とに基づいて前記ヒータの抵抗を計算し、前記抵抗に基づいて前記ヒータの温度を決定するように構成され、さらに、前記コントローラは、前記ヒータの前記温度に基づいて前記出力電圧を決定するように構成される、請求項１の熱システム。
複数の抵抗発熱体を持つヒータと、
制御システムと、
を具備し、
前記制御システムは、
複数の電力コンバータと、
複数のセンサ回路と、
前記複数の電力コンバータと前記複数のセンサ回路とに接続されるコントローラと、
を具備し、
前記複数の電力コンバータのそれぞれは、電力スイッチを含むステップダウン電圧コンバータであり、前記複数の電力コンバータのうちの所与の電力コンバータは、前記複数の抵抗発熱体のうちの１つまたは複数の抵抗発熱体と電気的に結合されており、前記所与の電力コンバータは、前記１つまたは複数の抵抗発熱体に対して調整可能な出力電圧を印加するように動作可能であり、
前記複数のセンサ回路のそれぞれは、電流検出抵抗器を含み、前記複数のセンサ回路のうちの所与のセンサ回路は、前記所与の電力コンバータと前記複数の抵抗発熱体のうちの前記１つまたは複数の抵抗発熱体との間に電気的に結合され、前記所与のセンサ回路は、前記複数の抵抗発熱体のうちの前記１つまたは複数の抵抗発熱体の電圧と電流とのうちの少なくとも一方を測定するように構成され、
前記所与の電力コンバータに対して、前記コントローラは、入力パラメータと所望の設定値とに基づいて前記１つまたは複数の抵抗発熱体に印加される前記出力電圧を決定し、前記１つまたは複数の抵抗発熱体に前記出力電圧を印加するために前記所与の電力コンバータの前記電力スイッチを動作するように構成され、前記入力パラメータは、前記所与のセンサ回路によって測定される前記電圧と前記電流とのうちの少なくとも一方に基づいて決定される前記１つまたは複数の抵抗発熱体の温度を含み、前記所望の設定値は、前記ヒータの動作状態に基づいている、
熱システム。
前記コントローラは、前記複数の抵抗発熱体の抵抗に基づいて前記ヒータの温度を決定し、前記電力スイッチからの漏れ電流を補償するように前記温度を調整するように構成される、請求項１９の熱システム。
前記コントローラは、前記複数の抵抗発熱体の抵抗に基づいて前記ヒータの温度を決定するように構成され、前記コントローラは、前記ヒータの前記温度に基づいて、前記複数の電力コンバータのうちの１つまたは複数の前記電力コンバータの前記出力電圧を制御するように構成される、請求項１９の熱システム。