專利名稱：通過冷卻劑流量控制及加熱器任務(wù)周期控制的組件溫度控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例通常涉及等離子體處理設(shè)備，并且更具體地涉及在具有等離子體·處理腔室的情況下、在處理工件期間控制溫度的方法。2)相關(guān)技術(shù)在諸如等離子體蝕刻或等離子體沉積腔室等的等離子體處理腔室中，腔室組件的溫度往往是工藝控制的重要參數(shù)。例如，基板支撐器(俗稱夾盤或基座)的溫度可以被控制為在工藝配方期間將工件加熱/冷卻至不同控制溫度(例如，用以控制蝕刻速度)。同樣地，在工藝配方期間，也可控制噴淋頭/上電極或其他組件的溫度而影響處理。傳統(tǒng)地，散熱器和/或熱源耦合至處理腔室，以將腔室組件的溫度控制在設(shè)定溫度。通常，第一控制器(諸如比例積分微分(PID)控制器等)用來反饋控制溫度受控組件與散熱器之間的熱傳遞，而第二控制器則用來反饋控制溫度受控組件與熱源之間的熱傳遞。第一和第二控制器一般彼此隔離地操作，獨(dú)立地執(zhí)行它們自身的封閉回路控制算法，本質(zhì)上提供了相互制衡的兩個控制回路。通常，基于液體冷卻液的冷卻控制回路總是以額定冷卻液流量(例如，約I加侖/分鐘(GPM))操作，使冷卻回路保持在受控穩(wěn)態(tài)。因而，不允許冷卻劑管線中的冷卻液滯留在冷卻回路內(nèi)。該傳統(tǒng)控制配置的效力是各控制回路的控制力(control effort)需大致相同，以快速中和外部擾動，諸如來自驅(qū)動等離子體的射頻(RF)產(chǎn)生器的廢熱輸入等。隨著該外部擾動變大，中和擾動的控制力也必須相應(yīng)地增強(qiáng)。例如，散熱器控制回路必須通過在極低溫下操作和/或具有大熱質(zhì)量等來提供大型散熱器。然而，在外部擾動很小期間，例如當(dāng)?shù)入x子體處理系統(tǒng)處于閑置狀態(tài)并且沒有等離子體功率輸入到系統(tǒng)時(shí)，冷卻回路仍保持額定冷卻劑流量，而大型散熱器的冷卻效力不能完全去除。相反，第二控制器甚至在閑置時(shí)經(jīng)由施加大量熱能(例如，3000瓦(W)或以上)來主動抵消冷卻效力，以維持設(shè)定溫度。除效率低夕卜，傳統(tǒng)控制配置的另一個效果是組件溫度的上限受到大型散熱器作用的限制。例如即使施加100%的加熱功率，大型散熱器仍把最大組件溫度限制到小于若散熱器作用進(jìn)一步減小而可能的值。基于類似的原因，對于設(shè)定溫度上升的瞬變響應(yīng)也很慢。傳統(tǒng)配置的最終結(jié)果是以受限處理溫度范圍和增加的瞬變響應(yīng)時(shí)間操作的低效能系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
描述了當(dāng)?shù)入x子體處理設(shè)備進(jìn)行等離子體處理時(shí)控制工藝或腔室組件溫度的方法和系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，方法和系統(tǒng)協(xié)調(diào)處理腔室與散熱器和熱源之間的熱傳遞。在特定實(shí)施例中，方法和系統(tǒng)協(xié)調(diào)冷卻液流量控制與加熱器任務(wù)周期控制，以減少無外部擾動下維持設(shè)定溫度所需的能量，同時(shí)仍達(dá)成快速控制響應(yīng)中和外部擾動。某些實(shí)施例包括以腔室管理水平、而非個別散熱器或熱源水平來控制處理腔室溫度的方法。在其他實(shí)施例中，腔室管理水平控制至少部分基于指示腔室組件溫度與設(shè)定溫度之間的誤差的反饋信號。組件溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，響應(yīng)于反饋信號，增加加熱功率輸入來加熱腔室組件，并且可將處理腔室與處理腔室之外的散熱器之間的冷卻液流量減至零流率。在實(shí)施例中，當(dāng)腔室處于執(zhí)行等離子體工藝配方的作用狀態(tài)時(shí)，利用基于輸入處理腔室的等離子體功率的前饋控制信號，進(jìn)一步?jīng)Q定控制組件溫度的冷卻液流量和加熱器功率中的一個或多個。在特定實(shí)施例中，輸入等離子體功率信號的傳遞函數(shù)補(bǔ)償功率源的 等離子體功率輸出對處理腔室組件的加熱。在某些此類實(shí)施例中，冷卻液流量和加熱功率控制包括在等離子體工藝配方中的執(zhí)行步驟的第一部分期間，應(yīng)用第一增益值組，第一增益值組和等離子體輸入功率與針對執(zhí)行配方步驟的設(shè)定溫度相關(guān)聯(lián)。在執(zhí)行配方步驟的第二部分期間，還可應(yīng)用第二增益值組，第二增益值組與執(zhí)行步驟和先前或后續(xù)等離子體工藝配方步驟之間的等離子體輸入功率變化以及設(shè)定溫度變化有關(guān)。實(shí)施例包括存儲指令的計(jì)算機(jī)可讀取介質(zhì)，當(dāng)處理系統(tǒng)執(zhí)行指令時(shí)，促使處理系統(tǒng)協(xié)調(diào)處理腔室與散熱器和熱源兩者之間的熱傳遞。在此實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)可讀取介質(zhì)存儲指令，該指令協(xié)調(diào)冷卻液流量控制與加熱器任務(wù)周期控制，以減少無外部擾動下維持設(shè)定溫度所需的能量，同時(shí)仍達(dá)成快速控制響應(yīng)中和外部擾動。在特定實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)可讀取介質(zhì)包括等離子體功率信號與組件溫度之間的傳遞函數(shù)，且計(jì)算機(jī)可讀取介質(zhì)還包括用以補(bǔ)償?shù)入x子體功率輸出對處理腔室組件的加熱的指令。實(shí)施例包括等離子體處理腔室，諸如等離子體蝕刻或等離子體沉積系統(tǒng)等，這些等離子體處理腔室具有溫度受控組件，該溫度受控組件耦合至散熱器/熱源。溫度受控組件可由冷卻液回路耦合至散熱器，該冷卻液回路包括冷卻液控制閥，該冷卻液控制閥可完全停止到溫度受控組件的冷卻液流量。腔室還可包括溫度控制器，以通過在包括零液體流量范圍內(nèi)改變冷卻液流率而控制溫度受控組件與散熱器之間的熱傳遞，該溫度控制器耦合至冷卻液控制閥。等離子體功率源被耦合至處理腔室，以在布置在處理腔室中的工件的處理期間激發(fā)等離子體。溫度控制器可利用反饋控制信號和/或前饋控制信號來協(xié)調(diào)溫度受控組件與散熱器和熱源兩者之間的熱傳遞的控制，該前饋控制信號基于等離子體功率，該等離子體功率被輸入腔室以補(bǔ)償溫度受控組件的等離子體加熱。在此實(shí)施例中，溫度受控組件包含工藝氣體噴淋頭，該噴淋頭被配置為在等離子體處理期間輸送工藝氣體。


說明書的發(fā)明內(nèi)容部分已特別指出及清楚主張本發(fā)明的實(shí)施例。然而，本發(fā)明實(shí)施例的組織與操作方法、以及本發(fā)明實(shí)施例的目的、特征與優(yōu)點(diǎn)在結(jié)合附圖閱讀參考上文的詳細(xì)說明后，將變得更明顯易懂，其中圖I為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的溫度控制系統(tǒng)的框圖，溫度控制系統(tǒng)包括前饋與反饋控制組件，且溫度控制系統(tǒng)提供響應(yīng)于加熱及冷卻的協(xié)調(diào)控制力；圖2A圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的等離子體蝕刻系統(tǒng)的示意圖，等離子體蝕刻系統(tǒng)包括溫度控制器；圖2B圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的溫度控制鏈組件的框圖；圖3A為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、等離子體處理腔室在閑置狀態(tài)和作用狀態(tài)的控制回路配置的狀態(tài)圖；圖3B為圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、在閑置狀態(tài)之前和之后的作用狀態(tài)期間執(zhí)行的等離子體工藝配方中的特定區(qū)段的框圖；
圖3C為圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、圖I所述控制系統(tǒng)脫機(jī)時(shí)的方法操作流程圖；圖4A圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、在閑置狀態(tài)期間利用圖I所述控制系統(tǒng)控制組件溫度的事件驅(qū)動控制算法；圖4B為圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、在作用狀態(tài)期間利用圖I所述控制系統(tǒng)控制組件溫度的方法操作流程圖；圖4C圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的增益組查表；圖4D圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、用于標(biāo)識等離子體工藝配方中的兩個步驟之間的設(shè)定溫度變化的控制算法；圖4E圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、圖4D的控制算法所用的增益組查表；以及圖5為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、結(jié)合到圖3所示的等離子體蝕刻系統(tǒng)的示例計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框圖。
具體實(shí)施例方式在下面的詳細(xì)說名字，將闡述眾多具體細(xì)節(jié)，以提供對本發(fā)明實(shí)施例的更深入的了解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，也可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施其他實(shí)施例。在其他示例中，沒有詳細(xì)描述已知的方法、程序、組件和電路，以免讓本發(fā)明變得晦澀難懂。以下詳細(xì)描述的一些部分是以對計(jì)算機(jī)內(nèi)存內(nèi)的操作數(shù)據(jù)位或二進(jìn)制數(shù)字信號的算法和符號表示呈現(xiàn)。這些算法描述和表示可以是在數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的技術(shù)人員用來將他們工作的實(shí)質(zhì)傳達(dá)給領(lǐng)域中的其他技術(shù)人員的技術(shù)。算法或方法在這里通常視為導(dǎo)向預(yù)期結(jié)果的動作或操作的自洽序列。其包括物理量的實(shí)體操縱。通常(但未必)這些物理量采用能夠被存儲、傳送、結(jié)合、比較和其他方式被操縱的電信號或磁信號的形式。有時(shí)方便起見，主要是基于常見用法，將這些信號稱為位、量值、組件、符號、字符、術(shù)語、階層、數(shù)字等。然而，應(yīng)理解，這些和類似術(shù)語與適當(dāng)?shù)奈锢砹肯嚓P(guān)聯(lián)，且僅僅是適用于這些量的方便標(biāo)記。從下面的討論可以清楚，除非特別指明，否則應(yīng)理解整份說明書所使用的諸如“處理”、“運(yùn)算”、“計(jì)算”、“決定”等術(shù)語，指的是計(jì)算機(jī)或運(yùn)算系統(tǒng)或類似電子運(yùn)算裝置的動作和/或處理，該電子運(yùn)算裝置操縱和/或?qū)⑦\(yùn)算系統(tǒng)的寄存器和/或內(nèi)存內(nèi)的被表示為物理量(諸如電子的等)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成在運(yùn)算系統(tǒng)的內(nèi)存、寄存器或其他此類信息存儲器、傳輸或顯示設(shè)備內(nèi)的類似地表示為物理量的其他數(shù)據(jù)。本發(fā)明的實(shí)施例可包括用于進(jìn)行本文所述操作的設(shè)備。設(shè)備可具體地構(gòu)造為期望用途，或者設(shè)備可包含通用運(yùn)算裝置，該通用運(yùn)算裝置由存儲在設(shè)備中的程序選擇性啟動或重構(gòu)。此類程序可存儲在存儲介質(zhì)上，諸如(但不限于)包括軟盤、光盤、光盤只讀存儲器(CD-ROMs)、磁光盤、只讀存儲器(ROMs)、隨機(jī)存取內(nèi)存(RAMs)、電子可程序只讀存儲器(EPROMs)、電子可抹除可程序只讀存儲器(EEPROMs)、磁或光卡等任何磁盤類型，或任何其他適合存儲電子指令且能耦合至運(yùn)算裝置的系統(tǒng)總線的介質(zhì)類型。術(shù)語“耦合”與“連接”和其派生詞可在此用來描述組件間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。應(yīng)理解，這些術(shù)語不希望用作同義詞。相反，在特定實(shí)施例中，“連接”可用以指示兩個或兩個以上組件彼此直接物理或電氣接觸?！榜詈稀笨捎靡灾甘緝蓚€或兩個以上組件彼此直接或間接(二者間有其他插入組件)物理或電氣接觸，和/或兩個或兩個以上組件為互相合作或相互作用(例如，呈因果關(guān)系)。本文所述控制工藝或腔室組件溫度的方法和系統(tǒng)實(shí)施例提供了溫度控制力 (control effort)，該溫度控制力包括冷卻控制回路和加熱控制回路，其中冷卻液流量控制和加熱器控制被協(xié)調(diào)以減少無外部擾動下維持設(shè)定溫度同時(shí)仍實(shí)現(xiàn)對中和外部擾動的快速控制響應(yīng)所需的能量。通常，等離子體處理腔室(模塊)控制器提供高于傳統(tǒng)的獨(dú)立散熱器/熱源控制器的溫度控制水平。腔室水平控制器執(zhí)行溫度控制算法，并將諸如反饋和/或前饋增益值等的控制參數(shù)傳遞到散熱器/熱源控制器的一個或多個，以實(shí)現(xiàn)對冷卻液流量和加熱器任務(wù)周期的控制。通過將反饋和/或前饋傳遞函數(shù)的控制運(yùn)算移開自主溫度控制面(例如，散熱器或熱源的離散PID控制器)，并移到等離子體處理系統(tǒng)的積分控制軟件面(該積分控制軟件面可計(jì)算反饋與前饋控制力)，則可更有效率地以協(xié)調(diào)的方式使用獨(dú)立加熱和冷卻回路的離散溫度控制器。離散溫度控制器的一個或多個可僅作為控制致動器的驅(qū)動器(例如閥、電阻組件等)而手動操作，控制致動器在積分等離子體腔室控制軟件面的指示下操作，控制軟件面則執(zhí)行實(shí)施圖I所示的溫度控制系統(tǒng)100的指令。然而，在替代實(shí)施例中，至少一個離散溫度控制器被配置為以自動封閉回路模式操作，且至少一個離散溫度控制器提供本文所述的與從積分控制軟件面卸除的控制運(yùn)算相關(guān)的反饋和前饋控制中的一者或兩者。在其中一個離散溫度控制器(例如，提供熱源)是自動模式的實(shí)施例中，積分溫度控制軟件面可向以手動模式操作的第二離散溫度控制器(例如，提供散熱器)提供指示。在任一個實(shí)施方式中，在由積分溫度控制軟件面提供較高水平的溫度控制的情況下，當(dāng)沒有外部溫度擾動時(shí)(例如，在閑置期間)，冷卻功率例如可以極大地減小。此外，在作用配方執(zhí)行或閑置期間，例如基于設(shè)定溫度的變化，瞬變響應(yīng)時(shí)間可以減小。在某些實(shí)施例中，該效果通過以下方式實(shí)現(xiàn)，即完全停止到溫度受控組件的冷卻液流量，以大幅減少冷卻功率，并且當(dāng)反饋信號指示組件溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，容許以相對較少量的加熱功率中和組件溫度誤差。利用能夠有條件地停止到腔室組件的冷卻液流量的積分溫度控制軟件面，針對給定的加熱功率也可以實(shí)現(xiàn)較高的組件設(shè)定溫度。圖I為圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的溫度控制系統(tǒng)100的框圖，溫度控制系統(tǒng)100包括前饋與反饋控制組件，用以響應(yīng)加熱和冷卻擾動而協(xié)調(diào)加熱和冷卻控制力111、112。如圖所示，系統(tǒng)100包括熱源控制回路101和散熱器控制回路102，控制回路101和控制回路102影響組件105的溫度。熱源控制回路101包括加熱器390，且熱源控制回路101可基于反饋控制信號108A來控制。由于市售溫度控制器缺乏用于擾動補(bǔ)償?shù)那梆佪斎?例如，僅提供包括測量受控溫度150和設(shè)定溫度106的輸入用于反饋控制)，因此在部分基于輸入到等離子體處理腔室的等離子體功率來計(jì)算控制力的示例實(shí)施例中，控制系統(tǒng)100還經(jīng)由積分控制軟件面提供前饋控制信號107。因此，發(fā)送到加熱器驅(qū)動器390B的控制信號109可以是反饋控制信號108A和前饋控制信號107的函數(shù)(例如，總和)，其中誤差增益和功率增益分別應(yīng)用于信號108A、107。同樣地，散熱器控制回路102包括冷卻液流量115，其中冷卻液流量115可以基于反饋控制信號108B來控制。在部分基于輸入到等離子體處理腔室的等離子體功率來運(yùn)算控制力的示例實(shí)施例中，控制系統(tǒng)100還經(jīng)由積分控制軟件面提供前饋控制信號117。因此，發(fā)送到冷卻液控制閥(一個或多個)120的控制信號119可以是反饋控制信號108B和前饋控制信號117的函數(shù)(例如，總和)，其中誤差增益和功率增益分別應(yīng)用于信號108B、117。
溫度控制系統(tǒng)100包括至少一個前饋傳遞函數(shù)Fa(S)和/或Fb(S)，其把工件處理期間引入等離子體處理腔室的等離子體功率當(dāng)作輸入。在此實(shí)施例中，等離子體功率是到處理腔室的多個輸入功率的加權(quán)和。例如，在一個實(shí)施例中，等離子體功率的加權(quán)和等于clXPl+c2XP2+c3XP3，其中P1、P2和P3為偏壓和/或源功率。權(quán)數(shù)cl、c2和c3可為任何實(shí)數(shù)且通常為正值，但在某些實(shí)施例中，組件加熱實(shí)際上隨源功率增加而減少，故源功率權(quán)數(shù)為負(fù)值。輸入到前饋線的等離子體功率可基于由諸如RF產(chǎn)生器、磁控管等的等離子體功率源輸出的任何功率，其中等離子體功率源在溫度受控系統(tǒng)組件上施加適當(dāng)?shù)臒嶝?fù)載。前饋傳遞函數(shù)Fa(S)Fb(s)提供與擾動傳遞函數(shù)D(S)符號相反的控制力，并且前饋傳遞函數(shù)Fa(S)和/或匕(8)補(bǔ)償由等離子體源功率熱負(fù)載造成的擾動引起的受控溫度150的升高。擾動傳遞函數(shù)D(S)使等離子體功率的熱負(fù)載與等離子體處理腔室組件的受控溫度150的上升相關(guān)，其中離子體處理腔室組件具有特定熱時(shí)間常數(shù)τ。例如，在時(shí)間t時(shí)從OW增加至1000W的等離子體功率階梯函數(shù)可由擾動傳遞函數(shù)D(S)映對成隨時(shí)間上升的組件溫度。前饋控制信號107、117與反饋傳遞函數(shù)Gia(S)和/或Gib(S)耦合，以提供反饋控制信號108來修正與受控溫度150與設(shè)定溫度106之間的差異對應(yīng)的誤差信號ε ε。前饋控制信號107、117和設(shè)定溫度106 —起被輸入到致動器傳遞函數(shù)G2a(S)、G2b(S)和熱質(zhì)量傳遞函數(shù)H(S)，以補(bǔ)償擾動傳遞函數(shù)D(S)對輸出受控溫度150的影響。熱質(zhì)量傳遞函數(shù)H(S)包括散熱器/熱源和溫度受控組件等的熱容的函數(shù)。致動器傳遞函數(shù)G2b(S)包括控制溫度受控組件105與散熱器(例如，冷卻器)之間的熱傳遞的致動器的函數(shù)和冷卻劑流量的函數(shù)。所述實(shí)施例還包括控制溫度受控組件105與熱源(例如,加熱元件390和加熱器驅(qū)動器390Β)之間的熱傳遞的致動器的函數(shù)G2a(S)。前饋傳遞函數(shù)Fa(S)(或Fb(S))可使用與傳統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)相同的致動器實(shí)施，該反饋控制系統(tǒng)已適配到獨(dú)立的封閉回路控制系統(tǒng)，諸如冷卻液回路等。致動器可以本領(lǐng)域中常用的任何方式實(shí)施。對于示例冷卻液回路實(shí)施例，致動器包括控制冷卻液流量115的一個或多個閥(一個或多個)120，閥(一個或多個)120耦合在溫度受控組件105與散熱器(例如，冷卻器377)之間。在另一個實(shí)施例中，另一個致動器包括一個或多個電阻加熱元件驅(qū)動電源開關(guān)(例如390Β)，其耦合至溫度受控組件105。圖2A圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的等離子體蝕刻系統(tǒng)的示意圖，該等離子體蝕刻系統(tǒng)包括溫度控制器。等離子體蝕刻系統(tǒng)300可是本領(lǐng)域已知的任何類型的高性能蝕刻腔室，諸如(但不限于)位于美國加州的應(yīng)用材料(Applied Materials)公司制造的EnablerTM、MxP 、MxP+ 、Super-E 、DPS II AdvantEdge G3 或E-MAX 腔室等。也可以同樣地控制其他市售蝕刻腔室。雖然示例實(shí)施例是以等離子體蝕刻系統(tǒng)300為例說明，但還應(yīng)注意，本文所述溫度控制系統(tǒng)構(gòu)造也適用其他等離子體處理系統(tǒng)(例如，等離子體沉積系統(tǒng)等)，這些等離子體處理系統(tǒng)施加熱負(fù)載至溫度受控組件上。等離子體蝕刻系統(tǒng)300包括接地腔室305?；?10經(jīng)由開口 315裝載并夾到夾盤320?；?10可為等離子體處理領(lǐng)域中傳統(tǒng)上采用的任何工件，且本發(fā)明不限于此。等離子體蝕刻系統(tǒng)300包括溫度受控的工藝氣體噴淋頭335。在所示示例實(shí)施例中，工藝氣體噴淋頭335包括多個區(qū)域364 (中心)和365 (邊緣)，每一區(qū)域可單獨(dú)地控制為設(shè)定溫度106 (圖I)。其他實(shí)施例具有一個區(qū)域或者多于兩個的區(qū)域。對于具有多于一個區(qū)域的實(shí)施例，這些實(shí)施例具有η個加熱區(qū)域和m個冷卻區(qū)域,且η不必等于m。例如,在所示實(shí)施·例中，單個冷卻回路(m = I)通過兩個加熱區(qū)域(η = 2)。工藝氣體從氣源345經(jīng)由質(zhì)量流量控制器349、噴淋頭335供應(yīng)到腔室305的內(nèi)部空間。腔室305由連接至大容量真空泵組355的排氣閥351排空。當(dāng)?shù)入x子體功率施加至腔室305時(shí)，等離子體在基板310上方的處理區(qū)中形成。等離子體偏壓功率325耦合到夾盤320 (例如陰極)，以激發(fā)等離子體。等離子體偏壓功率325通常具有介于約2兆赫(MHz)至60MHz之間的低頻，且在特定實(shí)施例中為13. 56MHz頻帶。在示例實(shí)施例中，等離子體蝕刻系統(tǒng)300包括在約2MHz頻帶下操作的第二等離子體偏壓功率326，該等離子體偏壓功率326和等離子體偏壓功率325連接至相同的RF適配器327。等離子體源功率330經(jīng)由適配器331耦合到等離子體產(chǎn)生元件而提供高頻源功率，以感應(yīng)或電容激發(fā)等離子體。等離子體源功率330的頻率通常比等離子體偏壓功率325高，諸如介于IOOMHz至180MHz之間，且在特定實(shí)施例中為162MHz頻帶。值得注意的是，由控制系統(tǒng)100控制溫度的系統(tǒng)組件不限于噴淋頭335或夾盤320，溫度受控組件也不必直接將等離子體功率耦合到處理腔室中。例如，可以本文所述方式控制腔室內(nèi)襯的溫度，且溫度控制噴淋頭可以或可以不用作RF電極。在示例實(shí)施例中，作為系統(tǒng)控制器370的積分溫度控制軟件面，溫度控制器375用于執(zhí)行本文所述的溫度控制算法的至少一部分。因此，溫度控制器375可為軟件或硬件、或軟件和硬件的組合。溫度控制器375輸出控制信號，該控制信號影響噴淋頭335與熱源和/或散熱器之間的熱傳遞速度，該熱源和/或散熱器位于等離子體腔室305外。在示例實(shí)施例中，溫度控制器375直接或間接耦合至冷卻器377和加熱元件390。冷卻器377的溫度與設(shè)定溫度106之間的差異可以和等離子體功率一起輸入到前饋控制線。冷卻器377經(jīng)由冷卻回路376向噴淋頭335提供冷卻功率，該冷卻回路376將噴淋頭335和冷卻器377熱耦合。在示例實(shí)施例中，采用了一個冷卻回路376，該冷卻回路376供冷的液體(例如，設(shè)定溫度為_15°C的50%乙二醇)通過冷卻劑通道(例如，從第一區(qū)域附近進(jìn)入并從其他區(qū)域附近離開)，該冷卻劑通道嵌入在噴淋頭335的內(nèi)部區(qū)域364和外部區(qū)域365中。與即使在低/無等離子體功率條件下也必須維持最小冷卻劑流率(例如，O.8GPM)以免流體滯留的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，能夠具有如此低的冷卻劑設(shè)定溫度是本文所述的脈沖式冷卻控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。為確保抽出的熱不超過在低/無等離子體功率條件下熱源提供的熱，最小冷卻劑設(shè)定溫度受到該非零最小流率的控制。然而，利用脈沖式冷卻控制系統(tǒng)，由于冷卻劑的任務(wù)周期可設(shè)置為極低的百分比、在閑置控制下甚至為0%，因此冷卻劑槽能以較低設(shè)定值操作而有較大的積儲容積。溫度控制器375耦合至冷卻液脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動器380。冷卻液PWM驅(qū)動器380可為任何常用類型，且PWM驅(qū)動器380可配置成根據(jù)有溫度控制器發(fā)出的控制信號在任務(wù)周期中控制閥(一個或多個閥)120，針對這些閥是數(shù)字閥的實(shí)施例(即，具有完全開啟或完全關(guān)閉的二元狀態(tài))。例如，PWM信號可由計(jì)算機(jī)(例如，控制器370)的數(shù)字輸出端口產(chǎn)生，且此信號可用來驅(qū)動將閥控制到打開/關(guān)閉位置的繼電器?；蛘?，如圖2B進(jìn)一步所示，力口熱器控制器391也可提供冷卻液PWM驅(qū)動器380的至少部分功能性而不需兩個獨(dú)立PWM接口，該加熱器控制器391支持PWM功能性并提供外部指令任務(wù)周期驅(qū)動。在其他實(shí)施例中，可采用提供從O到最大流率間無級調(diào)整流率的模擬閥，且開閥位置受控于溫度控制器375。在圖2A所示的示例實(shí)施例中，圖I所示加熱元件390包括第一和第二電阻加熱元·件378、379?？苫谝粋€或多個溫度傳感器366和367 (例如，內(nèi)部、外部區(qū)域364、365各自的光學(xué)探針)獨(dú)立驅(qū)動加熱元件378、379。加熱器驅(qū)動器390B例如可為固態(tài)繼電器或半導(dǎo)體控制整流器(SCR)。加熱器控制器391提供類似或代替冷卻液PWM驅(qū)動器380的PWM功能性，以將溫度控制器375和加熱元件(一個或多個)378、379的一個或多個和/或冷卻回路376接合。例如，可使用購自美國WatlowElectric Manufacturing公司或日本Azbil/Yamatake公司的套組作為加熱器控制器391和/或冷卻液PWM驅(qū)動器380。參照圖2B，在手動模式中，任務(wù)周期控制指令由溫度控制器375 (例如，連續(xù)地)發(fā)送到加熱器控制器391。加熱器控制器391經(jīng)由PWM驅(qū)動器393按指定任務(wù)周期將方波輸出至加熱器驅(qū)動器390B。“手動模式”是指加熱器控制器391處于開放回路，且溫度控制器375將控制指令發(fā)送至加熱器控制器391，以自動控制加熱器功率。就模擬閥實(shí)施例而言，模擬信號可發(fā)送到加熱器驅(qū)動器390B，加熱器驅(qū)動器390B以適當(dāng)?shù)慕涣?AC)相位(例如零交叉)開啟/關(guān)閉加熱元件。在具有兩個加熱區(qū)域的示例實(shí)施例中，加熱器控制器391的兩個通道輸出到組件378、379的加熱器驅(qū)動器390B。在另一實(shí)施例中，加熱器控制器391提供冷卻液PWM驅(qū)動器380的功能性，加熱器控制器391的一個或多個通道(例如，第三通道)則輸出以操作冷卻閥(一個或多個)120(例如，利用電子到氣動轉(zhuǎn)換器將閥(一個或多個)120切換為打開/關(guān)閉)。這樣，當(dāng)需要冷卻時(shí)，可開啟閥(一個或多個)120 (例如，增加任務(wù)周期)，且當(dāng)需要加熱時(shí)，可關(guān)閉閥(一個或多個)120(例如，減少任務(wù)周期)并且驅(qū)動電阻加熱元件378和/或379。如本文所述，“手動模式”可用于經(jīng)由溫度控制器375在工藝配方控制水平上在作用配方步驟期間控制組件溫度。在自動控制模式中，加熱器控制器391經(jīng)由PID392提供獨(dú)立/封閉回路PID控制器的功能性，加熱器控制器391基于直接接收(例如經(jīng)由溫度傳感器366、367)的溫度信息、設(shè)定溫度(例如出自配方文件)并且還基于接收自溫度控制器375的增益值來操作加熱器。在實(shí)施例中，如本文所述，在閑置模式期間，自動控制使加熱器390操作。然而，就加熱器控制器391還使得溫度控制器375和冷卻回路閥(一個或多個)120相接合的實(shí)施例而言，無論加熱器控制器391處于自動或手動控制模式，冷卻劑任務(wù)周期優(yōu)選地由溫度控制器375、而非加熱器控制器391來決定。值得注意的是，溫度控制器375不需包含在系統(tǒng)控制器370的積分處理腔室控制軟件面內(nèi)或者由軟件面提供。具體而言，溫度控制器375的功能性可相反地設(shè)置為離散系統(tǒng)。例如，PID控制器(諸如可購自WatlowElectric Manufacturing公司或Yamatake公司的Azbil，但不以此為限)可設(shè)計(jì)成包括附加前饋輸入，諸如等離子體功率等。離散系統(tǒng)還可制造成包括處理器，該處理器具有基于那些前饋輸入來決定前饋控制力的能力。因此，本文所述所有溫度控制實(shí)施例可由溫度控制器375提供，溫度控制器375當(dāng)作積分處理腔室控制軟件面的小面(f acet)，或當(dāng)作PWM驅(qū)動器380和/或加熱器控制器391的組件。在實(shí)施例中，為了在系統(tǒng)空閑時(shí)間(即，當(dāng)腔室305內(nèi)無等離子體處理)期間減少冷卻功率，溫度控制器375在閑置狀態(tài)(例如，腔室未進(jìn)行基板處理)和作用狀態(tài)(例如，進(jìn)行基板處理)時(shí)保持對冷卻回路101的控制。圖3A是圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的等離子體處理腔室的閑置狀態(tài)311和作用狀態(tài)321的控制回路配置的狀態(tài)圖。如圖所示，雖然處于閑置狀態(tài)311，系統(tǒng)仍以事件驅(qū)動模式操作，期間一旦發(fā)生互鎖表中所定義的事件，SP可觸發(fā)互鎖340。在一實(shí)施例中，冷卻液流量基于圖4A所示的互鎖表中定義的組件105(例如噴淋頭335)所對應(yīng)的溫度閾值來歷決定。圖4A圖示了用于在閑置狀態(tài)期間控制組件溫度的事件驅(qū)動控制算法。如圖所示，響應(yīng)于指示腔室組件溫度低于設(shè)定溫度401 (Tsp)的反饋信號，流入到溫度受控組件(例如噴淋頭335)的冷卻液流量被設(shè)為第一任務(wù)周期(IDLE DC0)，。在特定實(shí)施例中，如果溫度低于閾值402 (Tsp+Λ Tl)，則該第一任務(wù)周期(IDLE DC0)將冷卻液流率降至零完全停止到組件的流入。一旦與閾值402、403、404相交，任務(wù)周期根據(jù)溫度上升或下降而改變到IDLEDCU IDLE DC2、IDLE DC3等。因此，若設(shè)定溫度在閑置狀態(tài)311期間上升(例如在另一工藝的準(zhǔn)備期間)，則停止冷卻劑的流入，這樣加熱器功率(例如以自動模式操作)將更快產(chǎn)生效力并可以實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)定溫度。在圖3A所示特定實(shí)施例中，當(dāng)系統(tǒng)從作用狀態(tài)321進(jìn)入閑置狀態(tài)311時(shí)，加熱器390將進(jìn)入自動封閉回路模式314。在此實(shí)施例中，加熱器控制器(例如圖2B的PID392)試圖根據(jù)需要通過驅(qū)動加熱元件來實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度106，而溫度控制器375將針對閥(一個或多個)120的控制指令發(fā)送至PWM驅(qū)動器393，以利用反饋信號來關(guān)閉散熱器控制回路102。又如圖3A所示，當(dāng)系統(tǒng)從閑置狀態(tài)311進(jìn)入作用狀態(tài)321時(shí)，加熱器390將進(jìn)入手動模式316。在此實(shí)施例中，用于加熱器功率和閥(一個或多個)120的任務(wù)周期由溫度控制器375決定，以利用反饋信號和/或前饋信號來關(guān)閉散熱器控制回路102和熱源控制回路101。然而，值得注意的是，無論是作用或閑置狀態(tài)，控制器375優(yōu)選地決定冷卻液的任務(wù)周期?；厮輬D3A，當(dāng)處于系統(tǒng)作用狀態(tài)321時(shí)，系統(tǒng)以配方驅(qū)動模式操作，期間來自配方控制算法的冷卻劑和加熱器參數(shù)可基于時(shí)間或處理器周期來執(zhí)行。圖3B是圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、在閑置狀態(tài)311之前和之后的作用狀態(tài)32IA和32IB期間執(zhí)行的等離子體工藝配方的特定區(qū)段的框圖。處于作用狀態(tài)321A時(shí)執(zhí)行的等離子體工藝配方具有配方步驟N (301)和后續(xù)配方步驟N+1 (302)，步驟N (301)和步驟N+l(302)例如可為連續(xù)等離子體工藝配方的最后兩個等離子體蝕刻配方步驟，期間等離子體功率輸入到等離子體腔室中。與采用諸如圖4A所示的反饋控制算法等的閑置狀態(tài)311不同，在配方步驟N(301)的執(zhí)行期間，冷卻劑和加熱器控制參數(shù)至少部分地利用控制算法(諸如圖4B利用前饋信號的圖4B所示的控制算法等)決定。當(dāng)?shù)入x子體處理系統(tǒng)隨后執(zhí)行配方步驟N+1 (302)時(shí)，冷卻劑和加熱器控制參數(shù)同樣由前饋控制算法(例如圖4B)決定。在所示示例實(shí)施例中，配方步驟N(301)包括第一部分301A和第二部分301B，第一部分301A和第二部分301B在單個配方步驟N(301)內(nèi)允許多個獨(dú)立溫度控制參數(shù)(例如，針對封閉回路操作的控制增益組或針對開放回路操作的任務(wù)周期值)。第二部分301B可視為“先行”部分，且第二部分301B允許在配方步驟N(301)結(jié)束之前并且為其后配方步驟N+1 (302)做準(zhǔn)備而實(shí)施的溫度控制參數(shù)的開放回路組。因此一旦進(jìn)入配方步驟N(301)，第一部分301A的封閉回路增益組和第二部分301B的開放回路加熱器和/或冷卻劑流量任務(wù)周期值(一個或多個)即可由數(shù)據(jù)庫、查表等決定。此類查表可提供與特定等離子體功率輸入相關(guān)的任務(wù)周期值。又如圖3B所示，作用狀態(tài)321可包括配方后步驟303，其中封閉或開放回路控制在等離子體功率不再輸入至處理腔室(即，完成等離子體處理)之后繼續(xù)進(jìn)行。配方后步驟303繼續(xù)進(jìn)行封閉回路或開放回路溫度控制一段延長的時(shí)間，并且配方后步驟303允許在工件從處理腔室卸載之前設(shè)定溫度的變化。在配方后步驟303期間，基板傳送期間并且直到下一個配方開始之前仍然維持最小冷卻液流量閾值。同樣地，作用狀態(tài)321可包括在·第一配方步驟308進(jìn)行前的配方前步驟307，在第一配方步驟308中，工藝配方第一次引用等離子體功率。配方前步驟307容許封閉或開放回路控制進(jìn)行一段延長的時(shí)間，并且配方前步驟307容許在處理腔室處理工件前設(shè)定溫度的變化。在作用狀態(tài)321期間，可建立最小冷卻液流量閾值，以確保冷卻劑流量足以來實(shí)施后續(xù)配方步驟所需的快速溫度控制響應(yīng)。使冷卻液流量維持在最小冷卻液流量閾值以上，可避免若冷卻液滯留則會造成的響應(yīng)延遲。以設(shè)定90°C為例，最小任務(wù)周期可為15-20%.在實(shí)施例中，最小冷卻液流量閾值為設(shè)定溫度106的函數(shù)，且設(shè)定溫度越高，閾值越大。在進(jìn)入閑置狀態(tài)溫度控制模式(例如圖4A)前，作用狀態(tài)321與閑置狀態(tài)311間的過渡時(shí)期為延遲時(shí)間309。若該延遲時(shí)間309為O秒，則系統(tǒng)將緊接在完成配方后進(jìn)入閑置控制模式。否則致動器指令(例如，冷卻劑流量和/或加熱器功率任務(wù)周期)將保持和配方后步驟303所應(yīng)用的一樣。在某些實(shí)施例中，處于閑置狀態(tài)311時(shí)，冷卻劑流量被完全關(guān)閉(即，任務(wù)周期為0% )，以進(jìn)一步減少加熱器功率需求并且在封閉回路組件溫度控制期間容許加熱器控制器391僅彌補(bǔ)周圍散熱。又如圖3C所示，一旦切斷加熱器390的電源，溫度控制即可利用方法350脫機(jī)進(jìn)行。例如，在操作355中，當(dāng)腔室脫機(jī)以進(jìn)行維修時(shí)，溫度控制器375自動將冷卻液流率設(shè)成預(yù)定“關(guān)閉”值，以確保組件溫度的受控斜降(ramp down)。受控“斜坡率(ramp rate)”可基于組件預(yù)定，例如，具有層壓結(jié)構(gòu)的噴淋頭可能需要特定斜坡率，以免導(dǎo)致翹曲和應(yīng)力誘發(fā)脫層。在操作355中，冷卻液以關(guān)閉值流入，直到組件(例如，噴淋頭內(nèi)部、外部區(qū)域)的溫度達(dá)到閾值溫度、或者達(dá)到冷卻液溫度與組件溫度間之閾值差異，隨后即停止冷卻液流率。例如，在冷卻液溫度為20°C，冷卻液溫度與噴淋頭溫度之間的閾值差異設(shè)成10°C且冷卻液關(guān)閉任務(wù)周期為15%的情況下，冷卻劑將以15%的任務(wù)周期流過噴淋頭，直到噴淋頭(內(nèi)部或外部)的溫度低于30°C (20+10)。一旦噴淋頭低于30°C，即停止流入冷卻液?；厮輬D3A，在實(shí)施例中，包括至少一前饋控制信號增益和一反饋控制信號增益的一組增益值通過溫度控制器375至少基于針對當(dāng)前配方步驟輸入到腔室305的等離子體功率來決定。在此實(shí)施例中，就執(zhí)行配方步驟301的第一部分301A，決定與等離子體輸入功率和設(shè)定溫度配對關(guān)鍵值相關(guān)的第一組增益值。圖4C圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的增益組查表。如圖所示，設(shè)定溫度486為第一關(guān)鍵值，等離子體功率輸入485為第二關(guān)鍵值。包含針對系統(tǒng)100中的各種控制信號的增益值的增益組1、2、3等，可從溫度486、等離子體功率輸入485或?qū)?yīng)于執(zhí)行配方步驟的條件的這兩者的配對值決定。接著可以如參考圖4B在本文的其他部分描述的那樣應(yīng)用增益組。為更快速地轉(zhuǎn)變到后續(xù)配方步驟N+1 (302)，可以在開始配方步驟N (301)之后，針對冷卻劑控制閥(一個或多個)120和加熱器390中的一者或兩者決定執(zhí)行配方步驟的第二部分301B的任務(wù)周期值。。如此，在配方步驟N(301)的第二部分301B期間，熱源控制回路101和散熱器控制回路102中的一者或兩者可進(jìn)入開放回路控制模式。雖然第二部分301B的持續(xù)時(shí)間可為固定時(shí)間，但在另一實(shí)施例中，第二部分301B的持續(xù)時(shí)間取決于在當(dāng)前執(zhí)行的配方步驟N(301)與后續(xù)執(zhí)行的配方步驟N+1 (302)之間發(fā)生的設(shè)定溫度變化和/或等離子體功率變化。
在組件105的溫度在執(zhí)行配方的各步驟之間改變(例如，以幫助控制聚合物沉積)的實(shí)施例中，具體的瞬變控制參數(shù)可由溫度控制器375決定和傳遞。圖4D圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、用于標(biāo)識等離子體工藝配方中兩個步驟之間的設(shè)定溫度變化的瞬變控制時(shí)期494。配方步驟N(301)和配方步驟N+1 (302)利用沿x軸的配方步驟492和沿y軸的設(shè)定溫度491來圖示。在所示示例中，配方步驟N(301)施加1000W的等離子體輸入功率，且設(shè)定溫度為30°C。針對配方步驟N+1 (302)，施加5000W的等離子體功率，且設(shè)定溫度為50°C。在瞬變控制時(shí)期494的持續(xù)時(shí)間取決于設(shè)定溫度變化和/或等離子體功率變化的實(shí)施例中，瞬變響應(yīng)增益組(例如，定義大增益值)在實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度變化的百分比所需的時(shí)間內(nèi)應(yīng)用。例如在圖4D的示例中，瞬變控制時(shí)期494在步驟N(301)與步驟N+1 (302)間達(dá)溫度上升20°C的90%時(shí)、或直到溫度達(dá)閾值493(48°C)時(shí)出現(xiàn)。這樣，當(dāng)設(shè)定溫度變化較大時(shí)，該瞬變增益值組應(yīng)用較長的持續(xù)時(shí)間?？苫诘入x子體功率變化的大小應(yīng)用類似算法，例如以隨著各步驟間等離子體功率變化的增大而延長瞬變控制時(shí)期494的持續(xù)時(shí)間?；蛘撸瑑H針對固定時(shí)間應(yīng)用瞬變控制參數(shù)。在實(shí)施例中，瞬變響應(yīng)增益組系與等離子體輸入功率變化或設(shè)定溫度變化中的至少一者相關(guān)聯(lián)，瞬變響應(yīng)增益組可進(jìn)一步與等離子體輸入功率變化與設(shè)定溫度變化配對的關(guān)鍵值相關(guān)聯(lián)。例如，圖4E圖示了圖4D中的控制瞬變控制時(shí)期494所用的瞬變增益組查表。如圖4E所示，增益組與等離子體輸入功率496的變化和設(shè)定溫度495的變化相關(guān)聯(lián)。在其他實(shí)施例中，也可決定閑置狀態(tài)311的加熱器增益組并加以利用。例如，增益組處于閑置狀態(tài)311時(shí)可以如上述加熱器控制器391為自動模式的作用狀態(tài)321 (例如第一配方步驟部分301A期間)由圖4C所示查表決定。把等離子體功率(在閑置狀態(tài)311期間將為零)與設(shè)定溫度配對，以決定針對給定閑置狀態(tài)311的增益組。圖4B是圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、在作用狀態(tài)期間利用圖I所示控制系統(tǒng)控制組件溫度的方法操作流程圖。方法450始于操作451 :決定增益組和任何“先行”細(xì)節(jié)(部分301B的持續(xù)時(shí)間、冷卻液流量閥(一個或多個)120的任務(wù)周期值、內(nèi)部和/或外部電阻加熱元件378、379的任務(wù)周期)。，隨著在操作455中取樣時(shí)間Teale的推移，在操作460中取得當(dāng)前的受控溫度150 (圖I)、取得設(shè)定溫度106，并且取得等離子體輸入功率。也可取得散熱器的設(shè)定溫度。在圖2所示的示例實(shí)施例中，溫度控制器375接收來自內(nèi)部和外部區(qū)域364、365的噴淋頭傳感器的受控溫度輸入信號。溫度控制器375從例如存儲在內(nèi)存373的工藝配方文件取得設(shè)定溫度，且如本文所述，溫度控制器375取得設(shè)定或測量等離子體功率。在優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)前(例如，在Teal。過去后)于處理腔室305中激發(fā)等離子體的測量正向偏壓功率328被輸入到前饋控制線作為等離子體熱負(fù)載(例如，瓦)。等離子體功率設(shè)定值(例如，來自存儲在內(nèi)存373的工藝配方文件)也可輸入到前饋控制線。該預(yù)定的功率設(shè)定值能使前饋傳遞函數(shù)Fa(S)和/或匕(8)在施加等離子體功率前或輸入系統(tǒng)的等離子體功率改變前，求得功率設(shè)定值并且產(chǎn)生預(yù)先控制力。然而，假設(shè)溫度控制系統(tǒng)100反應(yīng)足夠快，則等離子體功率輸入優(yōu)選地耦合到測量功率輸出信號，以提高當(dāng)前所施加的等離子體功率的準(zhǔn)確性。即便在此實(shí)施例中，未來時(shí)間(例如配方步驟N+l(302))的控制力決定仍以配方為基礎(chǔ)。在實(shí)施例中，等離子體功率輸入包括到腔室305的第一偏壓功率輸入。例如，等離 子體功率輸入可設(shè)成等于等尚子體偏壓功率325 (圖2A)。就等尚子體處理系統(tǒng)施加多個偏壓功率輸入至腔室的實(shí)施例而言，多個偏壓功率的總和輸入到溫度控制系統(tǒng)100。例如，在圖2A所示的示例實(shí)施例中，輸入了等離子體偏壓功率325、326的加權(quán)和。以第一和/或第二等離子體偏壓功率等作為等離子體功率輸入，前饋傳遞函數(shù)？4(8)和/或匕(8)將偏壓功率輸入(例如，測量為從RF適配器327輸出的正向偏壓功率328)與限定冷卻力的前饋控制信號u相關(guān)，以補(bǔ)償擾動傳遞函數(shù)D (s)。雖然在此示例實(shí)施例中，等離子體功率輸入P(S)為偏壓功率的總和，但應(yīng)注意前饋控制信號u的決定可排除等離子體功率源的一個或多個。例如，參照圖2A，由于施加在噴淋頭335 (或夾盤320)上的熱負(fù)載相對較小，因此可將高頻等離子體源功率330排除在夕卜。然而，在替代實(shí)施例中，受控溫度對到處理腔室的所有等離子體功率輸入具有相當(dāng)?shù)囊蕾囆?，因此前饋傳遞函數(shù)Fa(S)和/或匕(8)輸出的前饋控制信號u可進(jìn)一步基于等離子體源功率330。例如，可應(yīng)用如本文所述功率加權(quán)函數(shù)，諸如clXPl+c2XP2+c3XP3等?；厮輬D4B，在操作465中，在每個時(shí)間Teale處，計(jì)算前饋控制信號U、溫度誤差信號ε (T-Tsp)、反饋控制信號V和先行任務(wù)周期(例如，通過中央處理單元(CPU) 372作為溫度控制器375的示例，來執(zhí)行存儲在內(nèi)存373中的方法450)。在圖2A所示的具有內(nèi)部和外部噴淋頭區(qū)域364、365的示例實(shí)施例中，分別計(jì)算各區(qū)域的前饋控制信號U、溫度誤差信號ε、反饋控制信號V和先行任務(wù)周期。在拉普拉斯域中u(s) =F(s)p(s),其中u為前饋信號,F為前饋傳遞函數(shù),P為等離子體功率。就圖2Α所示實(shí)施例而言，前饋控制信號u可用于離散時(shí)域而變成u ⑴=β 0P (t) + ^1P (t-Tpwm) + β 2P (t-2TPWM) +. . . a jU (t_TPWM) + a 2u (t_2TPWM) + a 3u (t-3TPWM) +...其中P(t)為當(dāng)前Teal。的等離子體功率輸入，Tpwm SPWM驅(qū)動器380、393的時(shí)間增量。在特定實(shí)施例中，前饋控制信號u基于當(dāng)前(例如，Tcalc)的等離子體功率輸入運(yùn)算而簡化成hpa)。
在另一實(shí)施例中，由于未來時(shí)期所需的等離子體功率(例如，來自工藝配方文件)是可決定的，因此前饋表達(dá)式還可包括該項(xiàng)[Θ iP (t+TpJ + Θ 2p (t+2TPJ ]，以補(bǔ)償冷卻劑流量對受控溫度的影響滯延。在又一實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)受控溫度150所需的熱傳遞取決于散熱器(例如，冷卻器377)設(shè)定溫度和/或熱源(例如，熱交換器378’)設(shè)定溫度，使得附加冷卻劑溫度附屬項(xiàng)S JTsp-Tkss)+ δ ,(Tsp-Tiyi)被加入到前饋控制信號U，其中Tsp為受控溫度150。δ。和6,分別可定義為設(shè)定值與散熱器/熱源之間的溫度差異的多項(xiàng)式函數(shù)。例如，在實(shí)施例中，δ。= a Ja1 (Tsp-Tjft 熱器 Ha2CTsp-Tjft 熱器)2+a3 (Tsp-Tkss)3I Sh 具有相似格式。整個前饋方程式也可具有溫度依賴因子Ω ^和Ω &使得凈前饋控制信號u將變成u (t) — Ω 熱(Tsp-T 熱源)Ω 冷(Tsp-T 散熱器){ β o ⑴ + β iP (t_TPWM) + β 2P (t~2TPWM) +.
· α iu (t_TPWM) + ct 2u (t~2TPWM) + α 3u (t~3TPWM) +. . . ^1P (t+TPWM) + Θ 2P (t+2TPWM) + δ c (Tsp-T 散熱
器)+ δ h(TSP-T熱源)}。同樣地，反饋控制信號V在拉普拉斯域中為V (t) =G(S) ε (S)，且反饋控制信號V·可用于離散時(shí)域而變成V (t) = λ 0e (t) + λ 盧(t_TPWM) + λ 2e (t_2TPWM)+· · · n ^ (t-TPWM) + n 2v (t-2TPWM) + n 3v (t-3TPWM)+...其中ε (t)為Teale時(shí)的溫度誤差信號(受控溫度150與設(shè)定溫度106之間的差異)。在特定實(shí)施例中，反饋控制信號V被運(yùn)算簡化成λ#α)。盡管操作465是針對每個時(shí)間TMl。進(jìn)行的，但控制運(yùn)算使用在對應(yīng)于時(shí)間t、t-TPWM等的較低頻率處的輸入溫度和等離子體功率值輸入。U、V參數(shù)、等離子體功率)P)、控制溫度150和設(shè)定溫度106的值可存儲在數(shù)據(jù)數(shù)組中，對應(yīng)于離散時(shí)間t、t-TPWM的這些存儲值接著可用于后續(xù)控制計(jì)算。如本文所述，對采用第二部分301B以提供先行開放回路控制的配方步驟而言，先行任務(wù)周期從查表、數(shù)據(jù)庫等決定。在操作470中，針對加熱器390和冷卻液流量閥(一個或多個)120的每個決定控制致動器輸出信號P (例如，任務(wù)周期)，然后在操作475中，將信號P輸出到致動器。在一個實(shí)施例中，恒定增益Kv(例如，組成圖4C增益組的增益之一)應(yīng)用到前饋控制信號U，恒定增益Ku應(yīng)用到反饋控制信號V，使得控制致動器輸出信號P可計(jì)算為P (t)=Kvv-Kuu。包含Kv、Ku的增益組為系統(tǒng)操作員提供簡易接口，以利用熱源控制回路101和散熱器控制回路102各自的兩個簡單因子來訪問組合的前饋和反饋控制線。取決于控制致動器輸出信號P的值，調(diào)節(jié)散熱器的一個或多個和熱源之間的熱傳遞。在圖2Α的示例實(shí)施例中，若控制致動器輸出信號P具有第一符號(例如P < O),則受控溫度150可以利用由溫度控制器375以可由PWM驅(qū)動器380或393執(zhí)行方式提供的指令而降低，以增加閥(一個或多個)120的任務(wù)周期并且增進(jìn)冷卻器377與噴淋頭335之間的熱傳遞，同時(shí)使加熱器390減少電阻加熱元件378和/或379的任務(wù)周期。這種情形對于其中等離子體功率打開或設(shè)定溫度已經(jīng)降低的配方步驟來說是常見的。若控制致動器輸出信號P具有第二符號(例如P > O)，則受控溫度150可以利用由溫度控制器375以可由PWM驅(qū)動器380或PWM驅(qū)動器393執(zhí)行的形式提供的指令而升高，以降低閥(一個或多個)120的任務(wù)周期并且減少冷卻器377與噴淋頭335之間的熱傳遞，同時(shí)增加電阻加熱元件378和/或379的任務(wù)周期。例如，在其中等離子體功率比先前的水平低(例如關(guān)閉)、或者設(shè)定溫度降低但總等離子體功率不變的情況下，P從較負(fù)的數(shù)值變成較不負(fù)的數(shù)值，則可降低閥(一個或多個)120的任務(wù)周期，以減少冷卻器377的冷卻劑流量。在特定實(shí)施例中，提高加熱功率輸入以加熱腔室組件時(shí)，可響應(yīng)于反饋信號V，將處理腔室與處理腔室外部的散熱器之間的冷卻液流量減至零流率。因此，在一些實(shí)施例中，在閑置狀態(tài)311或作用狀態(tài)321期間，響應(yīng)于組件溫度低于設(shè)定溫度，可能發(fā)生完全停止到溫度受控組件(例如，噴淋頭335)的冷卻液流量。在作用狀態(tài)321期間，該能力允許提高比在閑置狀態(tài)期間更快的瞬變響應(yīng)時(shí)間和更高的可能操作溫度，并且浪費(fèi)更好的加熱器功率。如本文所述，在其他實(shí)施例中，響應(yīng)于組件溫度低于設(shè)定溫度，僅在閑置狀態(tài)311時(shí)完全停止到溫度受控組件(例如，噴淋頭335)的冷卻液流量，且以最小冷卻液流量閾值使冷卻液限制在非零值。在圖2A所示的示例實(shí)施例中，內(nèi)部和外部區(qū)域364、365的存在因兩個區(qū)域具有共同的單個冷卻回路376而變得復(fù)雜。在針對全部加熱器區(qū)域單獨(dú)計(jì)算控制致動器控制信號P的特定實(shí)施例中，控制致動器指令決定可包括邏輯，以處理其中針對第一區(qū)域(例如，內(nèi)部區(qū)域364)的計(jì)算確定了不同于第二區(qū)域(例如，外部區(qū)域365)的冷卻液任務(wù)周期的情況。例如，可針對為冷卻液流量和加熱器功率的各個而確定的任務(wù)周期的差異和/或被組合為布爾或(Boolean OR)的各個區(qū)域的條件而建立閾值，使得即使某一區(qū)域需要加熱，冷卻劑流量任務(wù)周期也可默認(rèn)為非零流量值。在圖2A所示的示例實(shí)施例中,若P ^^和P 部> 0，則冷卻劑任務(wù)周期為非零值，并且加熱器任務(wù)周期=O。若P _> O且P 0，則冷卻內(nèi)部而加熱外部(在內(nèi)部和外部區(qū)域364、365共享共同冷卻回路的示例實(shí)施例中，冷卻劑將流過兩個區(qū)域)。若P且P #@>0，則加熱內(nèi)部區(qū)域364而冷卻外部區(qū)域365(在內(nèi)部與外部區(qū)域364、365共享共同冷卻回路的示例實(shí)施例中，冷卻劑將流過兩個區(qū)域)。若P 部<0且P外部< 0，則加熱內(nèi)部與外部區(qū)域364、365(冷卻液流量任務(wù)周期=O)。在針對所有加熱區(qū)域而單獨(dú)計(jì)算得到的控制致動器控制信號P的特定實(shí)施例中，通過所有加熱區(qū)域(例如，內(nèi)部和外部區(qū)域364、365)的冷卻液任務(wù)周期被確定為加熱區(qū)域之間的最大任務(wù)周期、加熱區(qū)域之間的最小任務(wù)周期、內(nèi)部區(qū)域364的任務(wù)周期和外部區(qū)域365的任務(wù)周期的函數(shù)。例如，冷卻液任務(wù)周期可表示成冷卻增益X絕對值I (任務(wù)周期內(nèi)部X P內(nèi)部+任務(wù)周期外部X P外部+任務(wù)周期最大X最大值(P內(nèi)部，P外部)+任務(wù)周期υ、X最小值(P _，P ^)) I，其中冷卻增益為放大或減弱P的因子，任務(wù)周期任務(wù)周期MP、任務(wù)周期》±和任務(wù)周期U、為針對特定區(qū)域的加熱功率的冷卻劑任務(wù)周期相關(guān)因子。因此，在某些情況下，加熱功率和冷卻液流量可為非零值(例如，在區(qū)域364、365被不同擾動或有明顯不同的設(shè)定溫度106的情況)。例如，當(dāng)內(nèi)部區(qū)域364(第一區(qū)域)需加熱到較高設(shè)定值而外部區(qū)域365 (第二區(qū)域)需冷卻至較低設(shè)定溫度時(shí)，冷卻劑流量可以基于需冷卻的外部區(qū)域365，對內(nèi)部區(qū)域364額外加熱來克服冷卻劑流過第一區(qū)域的影響。這樣，內(nèi)部與外部區(qū)域加熱器任務(wù)周期可表示成加熱器任務(wù)周期_ =加熱增益_ X絕對值I P _ I ;以及加熱器任務(wù)周期外部=加熱增￡fL外部X絕對值I P外部I X校正系數(shù)2外部X P內(nèi)部+校正系數(shù)Imp X P 校正系數(shù)其中加熱增益為針對特定加熱區(qū)域放大或減弱P的因子。圖5為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)500的示例機(jī)器形式的方塊示意圖，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)500可用于進(jìn)行本文所述溫度控制操作。在一個實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)500可提供作為等離子體蝕刻系統(tǒng)300的控制器370。在替代實(shí)施例中，機(jī)器可連接(例如，網(wǎng)絡(luò)連接)至局域網(wǎng)(LAN)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)外部網(wǎng)絡(luò)或因特網(wǎng)中的其他機(jī)器。機(jī)器可以作為主從網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的服務(wù)器或客戶機(jī)操作、或當(dāng)作點(diǎn)對點(diǎn)(或分布式)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的同位機(jī)器。機(jī)器可為個人計(jì)算機(jī)(PC)、平板個人計(jì)算機(jī)、機(jī)頂盒(STB)、個人數(shù)字助理(PDA)、手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)路由器、交換機(jī)或網(wǎng)橋、或任何能(循序或按其他方式)執(zhí)行指令集的機(jī)器，其中指令集指定該機(jī)器執(zhí)行的動作。另外，雖然僅圖示了單個機(jī)器，但術(shù)語“機(jī)器”也應(yīng)視為包括任何機(jī)器(例如，計(jì)算機(jī))的集合，這些機(jī)器單獨(dú)的或共同執(zhí)行一組(或多組)指令，以進(jìn)行本文所述的方法中的任意一個或多個。示例計(jì)算機(jī)系統(tǒng)500包括處理器502、主存儲器504 (例如，只讀存儲器(ROM)、閃存、諸如同步DRAM (SDRAM)或Rambus DRAM (RDRAM)等動態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(DRAM))、靜態(tài)存儲器506(例如，閃存、靜態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(SRAM)等)、以及第二存儲器518(例如，數(shù)據(jù)存儲設(shè)備)，處理器502、存儲器504、506、518經(jīng)由總線530互相通信連接。處理器502代表一個或多個通用處理裝置，諸如微處理器、中央處理單元等。更具體而言，處理器502可為復(fù)雜指令集運(yùn)算(CISC)微處理器、精簡指令集運(yùn)算(RISC)微處理·器、超長指令字集(VLIW)微處理器、實(shí)施其他指令集的處理器、或?qū)嵤┲噶罴M合的處理器。處理器502也可為一個或多個專用處理設(shè)備，諸如專用集成電路(ASIC)、場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號處理器(DSP)、網(wǎng)絡(luò)處理器等。處理器502經(jīng)配置以執(zhí)行處理邏輯526，以進(jìn)行本文所述溫度控制操作。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)500還可包括網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備508。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)500還可包括視頻顯示單元510 (例如，液晶顯示器(LCD)或陰極射線管(CRT))、字母數(shù)字輸入設(shè)備512 (例如，鍵盤)、光標(biāo)控制設(shè)備514 (例如，鼠標(biāo))、以及信號產(chǎn)生設(shè)備516 (例如,揚(yáng)聲器)。第二存儲器518可包括機(jī)器可存取存儲介質(zhì)531 (或更具體而言為非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀取存儲介質(zhì))，機(jī)器可存取存儲介質(zhì)531存儲實(shí)現(xiàn)本文所述的任一或多個溫度控制算法的一個或多個組指令(例如，軟件522)。軟件522也可完全或至少部分常駐在主存儲器504和/或處理器502內(nèi)(在由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)500執(zhí)行軟件522期間)，主存儲器504和處理器502也構(gòu)成機(jī)器可讀取存儲介質(zhì)。軟件522還可經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備508在網(wǎng)絡(luò)520上傳送或接收。機(jī)器可存取存儲介質(zhì)531還可用于存儲指令集，處理系統(tǒng)執(zhí)行該指令集，并且該指令集促使系統(tǒng)進(jìn)行本文所述任一或多個溫度控制算法。本發(fā)明的實(shí)施例還可作為計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品或軟件提供，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品或軟件可包括存儲指令的機(jī)器可讀取介質(zhì)，指令可用于程序化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(或其他電子設(shè)備)，以根據(jù)本發(fā)明所述，控制等離子體處理腔室溫度。機(jī)器可讀取介質(zhì)包括任何存儲或傳送機(jī)器(例如，計(jì)算機(jī))可讀取格式信息的機(jī)構(gòu)。例如，機(jī)器可讀取(例如，計(jì)算機(jī)可讀取)介質(zhì)包括機(jī)器(例如，計(jì)算機(jī))可讀取存儲介質(zhì)，例如只讀存儲器(“ROM”)、隨機(jī)存取內(nèi)存(“RAM”)、磁盤存儲介質(zhì)、光存儲介質(zhì)和快閃記憶裝置等。應(yīng)理解以上敘述僅為舉例說明、而無限定意圖。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀及了解本文后將能明白許多其他實(shí)施例。雖然已經(jīng)參考具體的示例實(shí)施例描述了本發(fā)明，但所述實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明，并且本發(fā)明在不脫離后附申請專利范圍的精神和范圍情況下可以修改和變更。因此，說明書和附圖應(yīng)視為說明之用、而非限定之意。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該參考后附權(quán)利要求書來確定，并且涵蓋該權(quán)利要求書 所有權(quán)利的全部等同物。
權(quán)利要求
1.一種用于控制等離子體處理腔室組件溫度的方法，所述方法包含以下步驟 產(chǎn)生反饋信號，所述反饋信號指示腔室組件溫度低于設(shè)定溫度；以及 響應(yīng)于所述反饋信號，將所述處理腔室與散熱器之間的冷卻液流量減至零流率，其中所述散熱器在所述處理腔室外部。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，還包括以下步驟 當(dāng)所述處理腔室處于執(zhí)行等離子體工藝配方的作用狀態(tài)時(shí)，決定輸入到所述處理腔室的等離子功率；以及 利用基于所輸入的等離子體功率的前饋控制信號控制所述冷卻液流量。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括以下步驟 利用基于所輸入的等離子體功率的前饋控制信號，控制輸入到所述腔室組件的加熱功率。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中控制所述冷卻液流量和所述加熱功率輸入的步驟還包括以下步驟在所述等離子體工藝配方中的執(zhí)行步驟的第一部分期間，應(yīng)用第一增益值組，所述第一增益值組與等離子體輸入功率和執(zhí)行配方步驟的所述設(shè)定溫度配對的關(guān)鍵值相關(guān)聯(lián)，其中增益值組至少包括前饋控制信號增益和反饋控制信號增益。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中控制所述冷卻液流量和所述加熱功率輸入的步驟還包括以下步驟在執(zhí)行配方步驟的第二部分期間，應(yīng)用瞬變增益值組，所述瞬變增益值組與執(zhí)行步驟和后續(xù)等離子體工藝配方步驟之間的等離子體輸入功率的變化以及設(shè)定溫度的變化配對的關(guān)鍵值有關(guān)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述瞬變增益值組取決于所述腔室組件溫度和所述設(shè)定溫度的變化應(yīng)用一段持續(xù)時(shí)間。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其中控制所述冷卻液流量和所述加熱功率輸入的步驟還包括以下步驟在執(zhí)行配方步驟的第二部分期間，由查表決定冷卻液流量任務(wù)周期或加熱功率輸入。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括以下步驟 當(dāng)所述腔室處于閑置狀態(tài)時(shí)，響應(yīng)于所述組件溫度越過閾級，基于查表值設(shè)定冷卻液流率。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述等離子體功率包括輸入到夾盤的第一偏壓功率，所述夾盤被配置成支撐工件，并且其中所述前饋控制信號包括在所述偏壓功率輸入和腔室組件溫度之間的傳遞函數(shù)。
10.一種等離子體處理設(shè)備，包含 等離子體功率源，所述等離子體功率源耦合至處理腔室，以在布置在所述處理腔室中的工件的處理期間激發(fā)等離子體； 所述處理腔室，所述處理腔室包括溫度受控組件，所述溫度受控組件通過冷卻液回路耦合至散熱器，所述冷卻液回路包括冷卻液控制閥，所述冷卻液控制閥完全停止到所述溫度受控組件的冷卻液流量；以及 溫度控制器，所述溫度控制器耦合至所述冷卻液控制閥，以通過在包括零液體流量的范圍內(nèi)改變所述冷卻液的流率，控制所述溫度受控組件與所述散熱器之間的熱傳遞。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述溫度控制器包括前饋控制線，所述前饋控制線用于控制所述冷卻液控制閥，其中所述溫度控制器通信地耦合至所述等離子體功率源，并且其中前饋控制信號基于輸入來激發(fā)等離子體的等離子體功率。
12.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述溫度受控組件還耦合至熱源，并且其中所述溫度控制器協(xié)調(diào)所述冷卻液的流量和所述熱源與所述溫度受控組件之間的熱傳遞。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，還包括加熱器控制器，所述加熱器控制器通信地耦合至所述溫度控制器，其中所述加熱器控制器耦合至電阻加熱元件驅(qū)動器和所述冷卻液控制閥，以響應(yīng)于從所述溫度控制器接收的指令而控制加熱功率和冷卻功率。
14.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述溫度控制器通信地耦合至所述等離子體功率源，并且其中所述前饋控制信號基于從所述等離子體功率源的獲取的等離子體功率輸入。
15.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述前饋控制信號用于補(bǔ)償所述溫度受控組件的等離子體加熱。
全文摘要
公開了在等離子體處理腔室中控制溫度的方法和系統(tǒng)，用于大范圍設(shè)定溫度及減少能量消耗。冷卻液回路與熱源之間的溫度控制由控制算法協(xié)調(diào)，該控制算法由等離子體處理模塊控制器實(shí)施。該控制算法可響應(yīng)于指示實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度的反饋信號，而完全停止冷卻液流入溫度受控組件。該控制算法還可在工藝配方執(zhí)行期間至少部分基于前饋控制信號，該前饋控制信號源自輸入到該處理腔室中的等離子體功率或等離子體功率變化。
文檔編號H01L21/3065GK102907181SQ201180025294
公開日2013年1月30日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者科坦·馬哈德斯瓦拉薩瓦米, 卡爾蒂克·拉馬斯瓦米, 布賴恩·廖, 塞吉奧·秀吉, 達(dá)·D·源, 漢密第·諾巴卡施, 大衛(wèi)·帕拉加斯維勒 申請人:應(yīng)用材料公司