專利名稱：用于等離子體處理設備的前饋溫度控制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例涉及等離子體處理設備，并且更具體地涉及在利用等離子體處理室處理工件期間控制溫度的方法。
背景技術：
在等離子體處理室(諸如等離子體蝕刻或等離子體沉積室)中，室組件的溫度通常是重要的參數以在處理期間進行控制。例如，襯底保持件(通常被稱作卡盤或底座)的溫度可以被控制來在處理方案(例如，控制蝕刻速率)期間將工件加熱/冷卻到各種受控溫度。類似地，噴灑頭/上電極或其他組件的溫度也可以在處理方案期間被控制以影響處理。傳統(tǒng)地，散熱器和/或熱源被耦合到處理室以將室組件的溫度控制到設定點溫度。諸如PID(比例積分微分)控制器的控制器被用于受到溫度控制的組件與散熱器/熱源之間的熱傳遞的反饋控制。利用簡單的反饋控制產生穩(wěn)定狀態(tài)誤差，除非使用足夠大的積分環(huán)節(jié)。在簡單的比例控制中，在存在外部干擾的狀態(tài)下總是存在穩(wěn)定狀態(tài)誤差(除非比例增益是無限的)。然而，使用大的積分控制導致具有大超調的不良瞬時狀態(tài)并且需要長的調節(jié)時間。與具有短響應時間從而僅需要數秒來收斂到設定點的質量流量控制器(MFC)不同，在等離子體處理期間，由于卡盤等的大的熱質量，室組件溫度(諸如靜電卡盤或噴灑頭溫度)在受擾動時可能需要30秒以上來穩(wěn)定。因此，為了最迅速地補償擾動，可以在反饋控制器中采用大的積分環(huán)節(jié)值，該反饋控制器具有使得溫度控制更不穩(wěn)定的不期望的副作用。此外，為了提供越來越復雜的膜堆疊部，許多等離子體工藝在相同處理室內將工件暴露到若干連續(xù)等離子體條件下。這種(在單個制造設備內而非在分別調整的系統(tǒng)中執(zhí)行的)原位方案中的操作可能需要跨越寬范圍的溫度設定點，這將非線性引入到系統(tǒng)中使得發(fā)生微擾(perturbation)或擾動，同時溫度在系統(tǒng)極限附近，產生無法忍受的響應時間。因此期望這樣一種用于等離子體處理室的溫度控制方案，其改善了穩(wěn)定性并且提供了改善的瞬時響應和小的穩(wěn)定狀態(tài)誤差。

發(fā)明內容
這里描述了由等離子體處理設備執(zhí)行的用于控制處理或室組件溫度的方法和系統(tǒng)。在特定實施例中，方法和系統(tǒng)結合了前饋控制算法，以有利地減小穩(wěn)定狀態(tài)誤差并改善響應時間。具體實施例包括一種方法，通過該方法，至少部分地利用前饋控制信號來控制處理室中的溫度，該前饋控制信號基于耦合到處理室中的等離子體功率源的等離子體功率熱負荷。在具體實施例中，輸入等離子體功率信號的傳遞函數被用來補償由功率源輸出的等離子體功率對處理時進行的加熱。在一個這種實施例中，基于等離子體功率信號來控制處理室與在處理室外部的散熱器/熱源之間的熱傳遞，以補償由向處理室的等離子體功率輸入導致的溫度的擾動。在另外的實施例中，溫度控制方法還包括反饋控制信號，以消除所測量的溫度與期望的溫度之間的誤差。在一個實施例中，等離子體功率輸出控制信號包括輸入到卡盤的第一偏壓功率，并且前饋控制信號利用將偏壓功率輸入與卡盤溫度相關聯的預先限定的傳遞函數來補償由所施加的等離子體功率對卡盤進行的加熱，該卡盤被構造為支撐工件。在另外的實施例中，等離子體功率輸出包括輸入到卡盤的第二偏壓功率，并且前饋控制信號利用第一和第二偏壓功率的總和與卡盤溫度之間的傳遞函數來補償由所施加的等離子體功率對卡盤進行的加熱。實施例包括計算機可讀介質，該計算機可讀介質存儲了指令，該指令在由處理系 統(tǒng)執(zhí)行時使得系統(tǒng)至少部分地利用前饋控制信號來控制處理室中的溫度，該前饋控制信號基于從耦合到處理室中的功率源輸出的功率。在具體實施例中，計算機可讀介質包括等離子體功率信號與溫度之間的傳遞函數，并且還包括用來補償由等離子體功率輸出進行的處理室的加熱。在一個這種實施例中，計算機可讀介質包括用于控制處理室與在處理室外部的散熱器之間的熱傳遞的指令。在另外的實施例中，計算機可讀介質包括利用反饋控制信號進行溫度控制的指令，以消除所測量的溫度與期望的溫度之間的誤差。實施例包括等離子體處理室(諸如等離子體蝕刻或等離子體沉積系統(tǒng))，等離子體處理室具有與散熱器/熱源耦合的受到溫度控制的組件。等離子體功率源被耦合到處理室，以在對布置于處理室中的工件進行處理的期間給等離子體供應能量。溫度控制器借助于前饋控制信號來管理受到溫度控制的組件與散熱器/熱源之間的熱傳遞。反饋信號也可以結合前饋信號來使用。在一個具體實施例中，受到溫度控制的組件包括被構造為在處理期間支撐工件的卡盤。在另外的實施例中，溫度控制器可通信地耦合到等離子體功率源，使得前饋控制信號可以基于由等離子體功率源輸出的等離子體功率，以補償受到溫度控制的組件的等離子體加熱。溫度控制器還可以與散熱器/熱源(或者其散熱器)可通信地耦合，使得前饋控制信號可以進一步基于受到溫度控制的組件與散熱器/熱源之間的溫度差。


在本說明書的發(fā)明內容部分中具體指出并且清楚地主張了本發(fā)明的實施例。然而，必須在閱讀附圖時參照以下具體說明來更好地理解本發(fā)明的實施例，操作的組織和方法以及本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點，其中圖I是根據本發(fā)明的實施例的，示出了包括前饋和反饋控制元件的溫度控制系統(tǒng)的框圖；圖2示出了根據本發(fā)明的實施例的，在利用圖I中描述的控制系統(tǒng)來控制等離子體處理室的溫度的方法中的具體操作的流程圖；圖3A示出了根據本發(fā)明的實施例的，包括執(zhí)行在圖2中示出的方法的溫度控制器的等離子體蝕刻系統(tǒng)的示意圖3B示出了根據本發(fā)明的實施例的，用于用在圖3A的等離子體蝕刻系統(tǒng)中的流體熱源和散熱器的閥和管道的示意圖；圖3C示出了根據本發(fā)明的實施例的增益組查找表；圖3D示出了根據本發(fā)明的實施例的，用于解決在等離子體處理方案中的兩個步驟之間的設定點的改變的控制算法；圖3E示出了根據本發(fā)明的實施例的，由圖3D的控制算法使用的增益組的查找表；以及圖4示出了根據本發(fā)明的實施例的，結合到圖3A中描繪的等離子體蝕刻系統(tǒng)中的示意性計算機系統(tǒng)的框圖。
具體實施方式

在以下的具體描述中，提供了大量的具體細節(jié)，以提供本發(fā)明的實施例的透徹理解。然而，本領域技術人員將會理解可以在不具有其他細節(jié)的狀態(tài)下實施其他實施例。在其他情況中，已知的方法、過程、組件和電路沒有具體描述，以避免妨礙本發(fā)明。之后的具體描述的一些部分是關于操作在計算機存儲器內的數據位(bit)或二字節(jié)數字信號的算法和符號表示來提供的。這些算法描述和表示可以是由數據處理領域的技術人員用來將他們工作的實質內容傳授給本領域的其他技術人員。算法或方法在這里一般被認為是導致期望結果的動作或操作的前后一致的序列。它們包括物理量的物理運算。通常，但是非必要地，這些量具有能夠被存儲、傳送、結合、t匕較以及以其他方式運算的電或磁信號的形式。已經證明，原理上由于一般用途的原因，有時方便地將這些信號作為位、值、元素、符號、字母、項、等級或數字等。然而應當理解這些或類似的術語與合適的物理量相關并且僅是應用于這些物理量的方便的標記。如下文中明顯地，除非具體說明，可以理解在說明書全文中使用諸如“處理”、“運算”、“計算”、“確定”等的術語指的是計算機或計算系統(tǒng)(或者類似的電子計算裝置)的運算和/或處理，這些計算處理裝置操作在計算機系統(tǒng)的寄存器和/或存儲器內的被表示為物理(諸如電子學)量的數據，并且/或者將這些數據轉換為在計算系統(tǒng)的存儲器、寄存器或者諸如信息存儲、傳輸或顯示裝置的其他裝置內被類似地表示為物理量的其他數據。本發(fā)明的實施例包括用于在其中執(zhí)行操作的設備。該設備可以被特殊地構造為用于期望的目的，或者該設備可以包括被選擇性地激活或由存儲在裝置中的程序構造的通用計算裝置。這種程序可以被存儲在存儲介質上，例如但不局限于任何類型的盤，包括軟盤、光盤、緊湊型只讀盤(CD-ROM)、磁光盤、只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、電可編程只讀存儲器(EPROM)、電可擦寫和可編程只讀存儲器(EEPROM)、磁卡或光卡或者適合于存儲電子指令并且能夠被連接到用于計算裝置的系統(tǒng)總線的介質的其他類型。術語“耦合”和“連接”與它們的變體一同可以被用在這里描述組件之間的結構關系。應當理解這些術語不是為了彼此同義。相反，在具體實施例中，“連接”可以被用來表示兩個或更多個元件彼此直接物理或電氣接觸?！榜詈稀笨梢员挥脕肀硎緝蓚€或更多個元件彼此直接或間接地(在這些元件之間具有其他居間元件)物理或電氣接觸，并且/或者兩個或更多個元件彼此合作或相互作用(例如，如在因果關系(effect relationship)的情況中)。
這里描述的用于控制處理或室組件溫度的方法和系統(tǒng)的實施例經由前饋控制線提供了溫度控制效果，該前饋控制線產生對干擾傳遞函數進行補償的前饋控制信號。更具體地，前饋控制傳遞函數優(yōu)選地與干擾傳遞函數相等并反向，以抵消對被控溫度的干擾。在其他實施例中，前饋控制信號被增加到前饋控制效果，使得前饋環(huán)路被產生以提供更小的控制努力，并且因此相比于在不存在前饋控制信號的狀態(tài)中所需的前饋增益，允許用于溫度誤差校正的更小的前饋增益。利用更小的前饋增益，實現了相對于傳統(tǒng)等離子體處理系統(tǒng)改善的溫度穩(wěn)定性和改善的瞬時響應(例如，減小的超調，減小的上升時間等)。圖I是根據本發(fā)明的實施例的、包括前饋(例如，F(s) 115)和反饋(例如，G(S) 120)控制元件的溫度控制系統(tǒng)100在拉普拉斯域中的框圖。因為可買到的溫度控制器缺乏用于干擾補償的前饋輸入(例如，僅提供了具有包括測量受控溫度150和設定點溫度160的輸入的反饋控制)，所以具體的實施例通過將用于反饋控制函數G(S) 120的控制計算移動離開自動溫度控制平面(例如，散熱器或熱源的離散PID控制器)并且移動到計算反饋和前饋控制效果二者的等離子體處理系統(tǒng)的集成控制軟件平面125上來提供前饋控制。如這里進一步討論的，離散溫度控制器之后可以僅以手動模式工作，因為控制致動器(例如，閥、電阻元件等)的驅動器在集成等離子室控制軟件平面125的指導下工作。然而，在 可選的實施例中，離散溫度控制器被構造為提供在這里與從集成控制軟件平面125的控制計算卸載相關聯地描述的前饋控制。如圖I所示，溫度控制系統(tǒng)100包括前饋傳遞函數F(S) 115，前饋傳遞函數F(S) 115在工件處理期間將引入到等離子體處理室中的等離子體功率105作為輸入。輸入到前饋線的等離子體功率105可以基于由等離子體功率源(諸如RF發(fā)生器、磁控管等)輸出的任何功率，該等離子體功率源將可感覺到的熱負荷置于受到溫度控制的系統(tǒng)組件上。在一個這種實施例中，等離子體功率105被建模為輸入到處理室的多個功率的加權總和。例如，等離子功率的加權總和等于cl*Pl+c2*P2+c3*P3，其中PU P2和P3都是偏壓或源功率。權重cl、c2和c3可以是任何實數，并且通常是正值，但是在某些實施例中，源功率的權重是負值，其中組件加熱實際上隨著源功率增加而減小。前饋傳遞函數F (S) 115是為了模擬干擾傳遞函數D (s) 110并且輸出前饋控制信號U，來提供在符號上與干擾傳遞函數D(S) 110相反的控制效果并且補償由于由等離子體源功率熱負荷所引起的干擾導致的受控溫度150的增加。干擾傳遞函數D(S)IlO將等離子體功率105的熱負荷與具有具體熱時間常數T的等離子體處理系統(tǒng)的受控溫度150的上升相關聯。例如，在時刻t處等離子功率從OW到1000W的階梯函數增加可以由干擾傳遞函數D(S) 110映射到隨時間的系統(tǒng)溫度上升。在圖示實施例中，前饋控制信號U被與前饋控制回路耦合，在前饋控制回路中反饋控制函數G(S) 120提供反饋控制信號V。溫度控制系統(tǒng)100保持反饋控制信號V，用于校正與受控溫度150和設定點溫度106之間的差相對應的誤差信號e。在圖I中示出的實施例中，前饋控制信號u與設定點溫度106 —同被輸入到致動器傳遞函數G2 (s) 130和熱質量傳遞函數H(S) 135，以補償干擾傳遞函數D (s) 110在輸出受控溫度150上的效果。致動器傳遞函數G2 (s) 130包括用于對受到溫度控制的組件與散熱器之間的熱傳遞進行控制的致動器的函數，并且還可以包括用于對受到溫度控制的組件與熱源之間的熱傳遞進行控制的致動器的函數。如圖I所示，反饋控制器的致動器也被用于前饋控制，使得可以利用與傳統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)(其可以被安裝到等離子體處理室)相同的致動器來實施前饋傳遞函數F(S) 115的加法。致動器可以以本領域中通常使用的任何方式實施。例如，在一個實施例中，致動器包括一個或多個閥，這些閥控制連接到受到溫度控制的組件與散熱器/熱源之間的一個或多個流體冷卻劑流速。在另外的實施例中，致動器包括連接到受到溫度控制的組件的一個或多個電阻加熱元件。熱質量傳遞函數H(S) 135包括散熱器/熱源和受到溫度控制的組件等的熱容量的函數。因此，對于圖I中描繪的示例性實施例，前饋傳遞函數F(s)115具有以下形式[。。33]印)=^^，其巾D(S) = ，并且
TH(S) = ^I。
s + —
T圖2示出了根據本發(fā)明的實施例的流程圖，其示出了在利用圖I中描繪的控制系統(tǒng)100控制溫度的方法200中的具體操作。圖3A示出了等離子體蝕刻系統(tǒng)300的截面示意圖，等離子體蝕刻系統(tǒng)300包括溫度由本發(fā)明的其他實施例中的方法200控制的組件。等離子體蝕刻系統(tǒng)300可以是本領域中已知的任何類型的高性能蝕刻室，例如但不局限于由美國加利福尼亞州(CA)的 Applied Materials, Inc.制造的Enabler 、MxP 、MxP+ 、Super-E 、DPS II AdvantEdge G3、或E-MAX 室。其他可以買到的蝕刻室可以被類似地控制。雖然在等離子體蝕刻系統(tǒng)300的背景中描述了示例性實施例，但是還應當注意到這里描述的溫度控制系統(tǒng)構造也適合于其他等離子體處理系統(tǒng)(例如，等離子體沉積系統(tǒng)等)，其他等離子體處理系統(tǒng)在受到溫度控制的組件上施加熱負荷。等離子體蝕刻系統(tǒng)300包括接地的室305。襯底310通過開口 315裝載并被夾持到受到溫度控制的靜電卡盤320。襯底310可以是通常用在等離子體處理領域中的任何工件并且本發(fā)明不局限于此。在具體實施例中，受到溫度控制的卡盤320包括多個區(qū)域，每個區(qū)域可以被獨立地控制到設定點溫度106(圖I)。在示例性實施例中，第一熱區(qū)域322接近襯底310的中央并且第二熱區(qū)域321接近襯底310的外圍/邊緣。處理氣體被從氣體源345經過質量流控制器349供應到室305的內部。室305經由與高性能真空泵疊堆355連接的抽氣閥351抽真空。在等離子功率被提供給室305時，等離子形成在襯底310上方的處理區(qū)域中。等離子體偏壓功率325被耦合到卡盤320 (例如，陰極)以給等離子體供應能量。等離子體偏壓功率325通常具有在約2MHz到60MHz之間的低頻率，并且在具體實施例中，在13. 56MHz波段中。在示例性實施例中，等離子體蝕刻系統(tǒng)300包括在約2MHz波段處工作的第二等離子體偏壓功率326,第二等尚子體偏壓功率326與等尚子體偏壓功率325連接到相同的RF匹配器327。等離子體源功率330通過匹配器(未示出)耦合到等離子體產生元件335，以提供高頻源功率來電感地或電容地給等離子體供應能量。等離子體蝕刻系統(tǒng)300通常(但是非必要地)具有比等離子體偏壓功率325更高的頻率，諸如在100與180MHz之間，并且在具體實施例中，在162MHz波段中。偏壓功率更直接地影響襯底310上的偏置電壓，從而控制襯底310的離子轟擊，同時與襯底310上的偏壓相對獨立地，源功率更直接地影響等離子體密度。注意，將由溫度控制系統(tǒng)100溫度控制的系統(tǒng)組件不局限于卡盤，或者受到溫度控制的組件也不需要將等離子體功率直接耦合到處理室中。在可選的實施例中，例如，噴灑頭由溫度控制系統(tǒng)100控制，處理氣體穿過該噴灑頭被輸入到等離子體處理室中。對于這種噴灑頭實施例，噴灑頭可以具有或者不具有RF電極的功能。溫度控制器375 (其作為系統(tǒng)控制器370的集成溫度控制軟件平面)執(zhí)行溫度控制方法200并且可以由軟件或硬件或者軟件和硬件二者的組合構成。溫度控制器375將輸出影響卡盤320與在等離子體室305外部的熱源和/或散熱器之間的熱傳遞速率的控制信號。參照圖2，方法200在操作201處以等待狀態(tài)開始。在經過采樣時間Tm1。之后，在操作205處獲得當前 受控溫度150 (圖I)、獲得設定點溫度106并且獲得等離子體功率105。也可以獲得用于散熱器的溫度設定點。在圖3中描繪的示例性實施示例中，溫度控制器375從卡盤溫度傳感器376接收受控溫度輸入信號。溫度控制器375從例如存儲在存儲器373中的處理方案文件獲得卡盤設定點溫度，并且溫度控制器375獲得如本文中別處描述的所測量的等尚子體功率。在示例性實施例中，溫度控制器375被直接地或間接地(經由集成控制軟件平面125)耦合到冷卻器377 (散熱器)和/或熱交換器(HTX) 378 (熱源)，使得溫度控制器375可以獲得冷卻器377或熱交換器(HTX) 378的溫度設定點。在這種實施例中，冷卻器377的溫度與設定點溫度106之間的差(或者熱交換器(HTX) 378的溫度與設定點溫度106之間的差，或者這兩個差)被與等離子體功率一同輸入到前饋控制線。冷卻器377經由將卡盤320與冷卻器377熱耦合的冷卻劑回路向卡盤320提供冷卻功率。因此，在示例性實施例中，采用兩個冷卻劑回路。一個冷卻劑回路具有冷的流體(例如，在_15°C的溫度設定點)而另一個回路容納更高溫度(例如，在60°C的溫度設定點)的流體。因此，在P為負時，需要冷卻并且閥385被打開。類似地，當P為正時，那么打開用于對回路進行加熱的閥386。然而，在可選實施例中，電阻加熱器可以被嵌入到卡盤320中來代替加熱冷卻劑回路。在圖3A中描繪的示例性實施例中，溫度控制器375還被耦合到脈沖寬度調制(PWM)控制器380。對于閥385和386是數字化的并且進一步被操作以使得在任何給定時刻僅打開一個閥的實施例，卡盤320的加熱和冷卻被稱作為“脈沖的”。如本文中別處所描述的，在閥385被控制到打開狀態(tài)持續(xù)由占空比限定的時間段時，提供冷卻功率的脈沖。類似地，在閥386被控制到打開狀態(tài)持續(xù)由占空比限定的時間段時，提供加熱功率的脈沖。PWM控制器380可以是通常能夠獲得的任何類型并且可以被構造為對于這樣的實施例操作閥385和386 :在該實施例中，根據由溫度控制器375發(fā)送的控制信號，這些閥是具有數字化的占空比(即，具有兩個狀態(tài)，完全打開或完全關閉)?；蛘?，支持PWM功能并且提供占空比的外部控制的PID控制器(例如但不局限于可以從日本的Yamatake Corp.的Azbil買到的那些中的一種)可以被用來實施這里描述的前饋控制算法?；蛘?，PWM信號可以由計算機(例如，控制器370)的數字輸出端口產生并且該信號可以被用來驅動將閥控制到打開/關閉位置的繼電器。對于溫度控制器375經由方法200實施溫度控制系統(tǒng)100的實施例中，PWM控制器380被專有地用作為數字閥385的驅動器。應當注意，這里描述的全部控制方法都可以被應用到比例閥(可以在0與完全流動之間無窮地改變)，作為這里描述的示例性數字閥實施方式的模擬實施方式。對于模擬閥實施例，模擬電壓/電流表示完全流動的比例(0至I之間，包括0和I)作為用于數字閥實施例的占空比的相似物。溫度控制器375不需要被容納在集成控制軟件平面125中或由集成控制軟件平面125提供(見圖I)。具體地，溫度控制器375的功能可以改為被提供為離散的系統(tǒng)。例如，PID控制器(例如但不局限于可以從Yamatake Corp.的Azbil買到的那些)可以在將來被設計為包括附加的前饋輸入，諸如等離子體功率和冷卻器溫度。離散系統(tǒng)還可以被制造為包括處理器，該處理器具有基于這些前饋輸入來確定前饋控制效果的能力。因此，這里對于溫度控制描述的全部實施例可以由溫度控制器375提供為集成控制軟件平面125的一方面或者PWM控制器380的一方面。圖3B示出了根據本發(fā)明的實施例的用于用在圖3A的等離子體蝕刻系統(tǒng)中的流體熱源和散熱器的閥和管道的示意圖。如進一步描繪的，一對熱傳遞流體供應管線381和382經由閥385 (分別經由EV 4和EV 3)連接到冷卻器377和嵌入到卡盤320中的熱傳遞流體通道(在卡盤的加工表面下方，在處理期間襯底310被放置在該加工表面上)。管線381被連接到嵌入卡盤加工表面的第一(外側)區(qū)域下方的熱傳遞流體通道，而管線382被連接到嵌入卡盤加工表面的第二(內側)區(qū)域下方的熱傳遞流體通道，以促進雙區(qū)域冷卻。類 似地，管線381和382也將卡盤320經由閥386 (分別經由EV2和EVl)連接到HTX 378，以促進雙區(qū)域加熱。返回管線383和384經由返回閥387和388完成將外側和內側區(qū)域熱傳遞流體通道中的每一者連接到冷卻器377/HTX 378。在優(yōu)選實施例中，所測量的前向RF偏壓功率328被輸入到前饋控制線來作為等離子體熱負荷(例如，瓦特)，該前向RF偏壓功率328在當前時刻(例如，在經過Teale之后)對處理室305中的等離子體供應能量。等離子體功率設定點值(例如，來自存儲于存儲器373中的處理方案文件)也可以被用作為向前饋控制線的輸入。這種預先設定的功率設定點值可以使得能夠在向系統(tǒng)中施加等離子體功率之前或者在向系統(tǒng)中的等離子體功率施加被改變之前對前饋傳遞函數F(S) 115針對功率設定點進行評價并且產生可以預料的控制效果。然而，假設溫度控制系統(tǒng)100可以足夠迅速地反應，等離子體功率105被優(yōu)選地耦合到所測量的功率輸出信號，使得在當前時刻施加的等離子體功率更精確。即使對于這種實施例，對于將來時刻的控制效果確定仍然是基于方案的。在實施例中，等離子體功率105包括輸入到卡盤的第一偏壓功率，該卡盤被構造為在等離子體處理期間支撐工件。例如，等離子體功率105可以被設置為等離子體偏壓功率325 (圖3)。對于等離子體處理系統(tǒng)向卡盤施加多個偏壓功率輸入的實施例，多個偏壓功率的(加權)總和被輸入到溫度控制系統(tǒng)100作為等離子體功率105。例如，在圖3中描繪的示例性實施例中，等離子體偏壓功率325和326的總和被作為等離子體功率105輸入。在第一和/或第二等離子體偏壓功率作為等離子體功率105輸入的狀態(tài)下，前饋傳遞函數F (s) 115將偏壓功率輸入(例如，作為從RF匹配器327輸出的前饋偏壓功率328而測量的偏壓功率輸入)與限定了冷卻效果的前饋控制信號u相關聯，以補償干擾傳遞函數D(S) 110。雖然在不例性實施例中偏壓功率的總和被作為等尚子體功率105輸入,但是應當注意對于輸入到處理室中的總等離子體功率做出貢獻的一個或多個功率輸入可以作為權重的函數或者甚至負加權而被從等離子體功率105排除。例如，參照圖3，在溫度控制系統(tǒng)100 (圖I)控制靜電卡盤320的溫度的情況下，等離子體源功率330被從等離子體功率105排除。對于這種實施例，等離子體功率105不需要包括等離子體源功率330，或者包括具有相對小加權因子的等離子體源功率330，因為由等離子體源功率330施加在卡盤320上的熱負荷相對較小。然而，在可選實施例中，在受到控制的溫度對于輸入到處理室的全部等離子體功率具有可評估的相關性的情況下，從前饋傳遞函數F(S) 115輸出的前饋控制信號u可以對于等離子體源功率330采用更大的加權因子。返回到圖2，在操作210處，在每個Teale處計算(例如，通過執(zhí)行方法200的CPU372，方法200作為存儲在存儲器373中的溫度控制器375 (圖3)的實例)溫度誤差信號e、前饋控制信號u和反饋控制信號V。在拉普拉斯域中，u(s) =F(s)p(s)其中，u是前饋信號，F是前饋傳遞函數，并且p是等離子體功率。對于圖3中描繪的實施例，前饋控制信號u可以在離散時域中實施為u (t) = P 0P (t) + ^ iP (t-TP麗)+ 3 2P (t-2TPWM) +a (t_TP麗)
+ a 2U (t-2TPWM) + a 3u (t_3TPWM) + 其中，P(t)是在當前Teal。輸入的等離子體功率105，而Tpwm是脈沖寬度調制控制器380的時間增量。在具體實施例中，前饋控制信號u被基于在當前時刻(例如，Tcalc)的等離子體功率輸入簡單地計算為pja)。在另外的實施例中，因為在將來時間段中要求的等離子體功率是可以確定的(例如，通過處理方案文件)，前饋表達式進一步包括項0 iP (t+TpJ + 0 2P (t+2TPJ以補償冷卻劑流動對于受控溫度的影響的延遲。在另外的實施例中，實現受控溫度150所需的熱傳遞取決于散熱器(例如，冷卻器377)設定點溫度和/或熱源(例如，熱交換器378)設定點溫度，使得附加冷卻劑溫度附屬項S。(Tsp-Tsttffi) + Sh(Tsp-Taijl)被增加到前饋控制信號U，其中Tsp是受控溫度150。S。和Sh的每一者都可以被限定為設定點與散熱器/熱源之間的溫度差的多項式函數。例如，在一個實施例中，S c~a0+a1 (Tsp-T) +a2 (Tsp-T)2+a3(Tsp-T散《 )3，而Sh具有類似形式。整個前饋表達式也可以具有用于溫度依賴性的因子和Q&使得凈前饋控制信號u變?yōu)閡 (t) — Q 熱(Tsp-T 熱源)Q 冷(Tsp-T 散熱器){ ^ 0P ⑴ + I^1P (t-Tpwm) + 運 2P (t~2TPWM)+ …a a (t-Tpwm) + a 2u (t_2TPWM)+ a 3u (t-3TPWM) +0 :P (t+TPWM) + 0 2P (t+2TPWM) +8 c(Tsp-T散熱器)+ 6 h(Tsp-T熱源)} 類似地，前饋控制信號v在拉普拉斯域中為v(t) =G(S) e (s)并且可以在離散時域中實施為V (t) = A oe (t) + A (t-TPWM) + A 2P (t-2TPWM) +H1V (t-Tpwm)+ rI 2 v (t-2TPWM) + n 3 v (t-3TPWM) + 其中，e(t)是在Teale處的溫度誤差信號(受控溫度150和設定點溫度106之間的差)。在具體實施例中，前饋控制信號V被簡單地計算為x^a)。在每個tm1。執(zhí)行操作210的同時，控制計算使用在與時刻t、t-TPWM等相對應的一些更低頻率處輸入的輸入溫度和等離子體功率值。用于參數u、v、等離子體功率150 (P)、受控溫度150和設定點溫度106的值可以被存儲在數據陣列中，并且這些與離散時刻t、t-TPWM相對應的存儲的值之后可以被用在隨后的控制計算中。在操作215處，控制致動器輸出信號P由前饋信號u和反饋信號V的組合來確定，并且之后在操作220處輸出到致動器。在一個實施例中，恒定增益Kv被施加到前饋控制信號u并且恒定增益Ku被施加到前饋控制信號V，使得控制致動器輸出信號P被計算為P (t) =Kvv-Kuu。增益KV、KU為系統(tǒng)操作者提供簡單的接口來訪問兩個簡單的因子中的結合的前饋和反饋控制線，并且增益Kv、Ku可以被設置為基于一個或多個變量(鍵(key))由溫度控制器375確定的增益值的組的一部分。在一個這種實施例中，對于當前方案步驟，至少基于輸入到室305中的等離子體功率輸入來從數據庫或查找表獲得增益組。在另一個實施例中，如圖3C所示，對于第一執(zhí)行方案步驟確定與等離子輸入功率和設定點溫度的鍵值對相關的第一組增益值。如圖3C所示，設定點溫度486是第一鍵值并且等離子體功率輸入485是第二鍵值。包括用于系統(tǒng)100中的各種控制信號的增益值(例如，Kv、Ku)的增益組
1、2、3等可以從溫度486、等離子體功率輸入485或與執(zhí)行方案步驟的條件相對應的兩者的對來確定。如在本文中的別處進一步參照圖2描述的，之后可以施加在具體增益組中限定 的增益。在受控溫度在執(zhí)行方案的步驟之間改變(例如，以幫助控制聚合物沉積等)的實施例中，可以由溫度控制器375確定和傳送瞬時具體控制參數。圖3D示出了根據本發(fā)明的實施例的、用于解決在等離子體處理方案中執(zhí)行的兩個連續(xù)步驟之間設定點溫度的改變的瞬時控制時間段494。方案步驟N(301)和方案步驟N+l(302)由沿著x軸的方案步驟492和沿著y軸的設定點溫度491示出。在圖示示例中，在方案步驟N(301)期間施加1000W的等離子體輸出功率，同時設定點溫度為30°C。對于方案步驟N+1 (302)，在50°C的設定點溫度的狀態(tài)下施加5000W的等離子體功率。在瞬時控制時間段494的持續(xù)時間由設定點溫度的改變和/或等離子體功率的改變來確定的一個實施例中，對于實現設定點溫度改變某百分比所需的時間量施加瞬時響應增益組(例如，限定高增益值)。作為示例，在圖4D中，瞬時控制時間段494發(fā)生在步驟N(301)與步驟N+l(302)之間的20°C的溫度上升的90%內，或者，直到溫度到達閾值493(48°C )為止。如此，對于在存在設定點溫度的更大改變時更長的持續(xù)時間施加該瞬時的增益組?？梢曰诘入x子體功率的改變的大小來應用類似的算法，例如隨著步驟之間的等離子體功率的更大改變而增加瞬時控制時間段494的持續(xù)時間?；蛘?，可以簡單地對于固定的時間施加瞬時控制參數。在實施例中，瞬時響應增益組(例如，KV、KU)與等離子體輸出功率的改變或設定點溫度的改變中的至少一者相關聯，并且還可以與將等離子體輸入功率的改變與設定點溫度的改變配對的鍵值相關聯。圖3E例如示出了用于由圖3D中的瞬時控制時間段494采用的瞬時增益組的查找表。如圖3E所示，瞬時增益組與等離子體輸入功率496的改變和設定點溫度495的改變相關聯。因此，在具體實施例中，增益組和瞬時增益組基于由處理系統(tǒng)為了增強組件溫度控制而執(zhí)行的方案文件中的設置來確定。根據控制致動器輸出信號P的值，對一個或多個散熱器或熱源之間的熱傳遞進行調節(jié)。因此，在圖3A中，在控制致動器輸出信號P具有第一符號(例如，P <0)的狀態(tài)下，可以以能夠由PWM控制器380執(zhí)行的形式提供命令，以在增加冷卻器377與卡盤320之間的熱傳遞的占空比下驅動閥385并由此降低受控溫度150。在控制致動器輸出信號P具有第二符號信號(例如，P >0)的狀態(tài)下，可以以能夠由PWM控制器380執(zhí)行的形式提供命令，以在第二占空比下驅動閥386，以引起熱交換器378與卡盤320之間的熱傳遞并由此提高受控溫度150。例如，在對于等離子體功率從之前的水平(例如，關閉)減小的方案步驟之后P從更加負的數字改變到不那么負的數字的情況中，來自冷卻器377的冷卻劑流動由于數字閥385的占空比的減小而增加。在設定點溫度增加同時總等離子體功率恒定的情況中，P再次從更加負的數字改變到不那么負的數字并且來自冷卻器377的冷卻劑流動響應于數字閥385的占空比的減小而減小。如果P改變到正的數字，那么閥386的占空比從O改變到正的數字，這轉而使得熱的冷卻劑從熱交換器378流動到卡盤320。圖4示出了具有可以被用來執(zhí)行這里描述的溫度控制操作的計算機系統(tǒng)500的示例性形式的機器的示意圖。在一個實施例中，計算機系統(tǒng)500可以被設置為等離子體蝕刻系統(tǒng)300中的系統(tǒng)控制器370。在可選實施例中，該機器可以被連接(網絡連接)到局域網(LAN)、內部網絡、外部網絡或因特網中的其他機器。該機器可以在客戶端-服務器網絡環(huán)境中的服務器或客戶端機器的能力內工作，或者作為點對點(或者分布的)網絡環(huán)境中的點機器。該機器可以是個人計算機(PC)、服務器、網絡路由器、交換機或網橋，或者能夠執(zhí)行規(guī)定由該機器進行的具體動作的一組指令(連續(xù)的或以其他方式)的任何機器。此外，雖然僅示出了單個機器，術語“機器”應當也被認為包括機器(例如，計算機)的任何集合，該集合獨立地或聯合地執(zhí)行指令組(或多個組)來進行這里討論的任意一個或多個方法。
示例性計算機系統(tǒng)500包括處理器502、主存儲器504 (例如，只讀存儲器(ROM))、閃存存儲器、諸如同步DRAM (SDRAM)或Rambus DRAM (RDRAM)的動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)、靜態(tài)存儲器506 (例如，閃存存儲器、靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)等)以及副存儲器518 (例如，數據存儲裝置)，它們經由總線530彼此通信。處理器502表示一個或多個通用處理裝置，諸如微處理器、中央處理單元等。處理器502可以是一個或多個通用或專用處理裝置，諸如專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)、數字信號處理器(DSP)、網絡處理器等。處理器502被構造為執(zhí)行用于進行如這里討論的溫度控制操作的處理邏輯526。計算機系統(tǒng)500還可以包括網絡接口裝置508。計算機系統(tǒng)500也可以包括視頻顯示單元510 (例如液晶顯示器(LCD)或陰極射線管(CRT))、文字數字輸入裝置512 (例如鍵盤)、光標控制裝置514 (例如，鼠標)和信號產生裝置516 (例如揚聲器)。副存儲器518可以包括機器可存取存儲介質(或者更具體地，計算機可讀存儲介質)531，在機器可存取存儲介質上存儲了表達這里描述的任意一個或多個溫度控制算法的一組或多組指令(例如，軟件522)。軟件522在由計算機系統(tǒng)500、主存儲器504和處理器502 (它們也構成機器可讀存儲介質)執(zhí)行期間也可以完全地或者至少部分地位于主存儲器504內以及/或者位于處理器502內。軟件522還可以通過網絡520經由網絡接口裝置508發(fā)送或接收。機器可存取存儲介質531還可以被用來存儲由處理系統(tǒng)執(zhí)行的指令組，以使得系統(tǒng)執(zhí)行這里描述的任意一個或多個溫度控制算法。根據在這里別處描述的本發(fā)明，本發(fā)明的實施例還可以被設置為計算機程序產品或軟件，計算機程序產品或軟件可以包括存儲有指令的計算機可讀介質，該指令可以被用來對計算機系統(tǒng)(或者其他電子裝置)編程來根據本文其他地方描述的本發(fā)明控制等離子體處理室溫度。機器可讀介質包括以由能夠由機器(例如計算機)讀取的形式存儲或發(fā)送信息的任何機器。例如，機器可讀(例如，計算機可讀)介質包括機器(例如，計算機)可讀存儲介質，例如，只讀存儲器(“ROM”)、隨機存取存儲器(“RAM”)、磁盤存儲介質、光學存儲介質和閃存存儲器裝置等。
應當注意，以上描述是示意性的，并且不是限制性的。在閱讀并理解以上描述之后，本領域技術人員能夠想到許多其他實施例。雖然已經參照具體示例性實施例描述了本發(fā)明，但是將會認識到本發(fā)明不局限于這里描述的實施例，而是可以被實施為具有權利要求的精神和范圍內的修改和替換。因此，說明書和附圖被認為是示意性的含義而非限制性的含義。因此，本發(fā)明的范圍應當參照權利 要求以及該權利要求的等價物地全部范圍確定。
權利要求
1.一種用于在工件的等離子處理期間控制處理溫度的方法，包括 確定輸入到處理室的等離子體功率，所述處理室在所述工件上執(zhí)行等離子體處理；以及 基于輸入的等離子體功率，利用前饋控制信號控制在所述處理室中的溫度。
2.根據權利要求I所述的方法，其中，所述前饋控制信號還基于外部散熱器的溫度與被控制的溫度的設定點之間的差，并且其中溫度控制還包括利用被增加到所述前饋控制信號的反饋控制信號來補償所測量的溫度與溫度設定點之間的誤差。
3.根據權利要求I所述的方法，其中，所述等離子體功率包括輸入到卡盤的第一偏壓功率并且所述前饋控制信號包括偏壓功率輸入與卡盤溫度之間的傳遞函數，所述卡盤被構造為支撐所述工件。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述等離子體功率包括輸入到所述卡盤的第二偏壓功率，并且其中所述前饋控制信號包括所述第一偏壓功率和所述第二偏壓功率的總和與卡盤溫度之間的傳遞函數。
5.根據權利要求I所述的方法，其中，控制所述溫度的步驟還包括 至少部分地基于所述前饋控制信號來控制在所述處理室與在所述處理室外部的散熱器之間的冷卻劑流體流動。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，控制所述溫度的步驟還包括 基于增加到所述前饋控制信號的反饋控制信號，控制冷卻劑流動并且控制與所述卡盤耦合的熱源。
7.根據權利要求5所述的方法，其中，控制冷卻劑流體流動還包括對脈沖寬度調制占空比進行調制，以完全打開以及完全關閉所述冷卻劑流體流動通過的閥。
8.根據權利要求I所述的方法，其中，等離子體功率熱負荷包括向所述處理室的源功率輸入，并且其中所述前饋控制信號包括所述源功率輸入與處理室溫度之間的傳遞函數。
9.根據權利要求I所述的方法，其中，所述等離子體處理是從由以下處理構成的組中選擇的薄膜蝕刻和薄膜沉積。
10.一種計算機可讀介質，在所述計算機可讀介質上存儲有指令，所述指令在由處理系統(tǒng)執(zhí)行時使得所述系統(tǒng)執(zhí)行權利要求I的方法。
11.一種溫度控制器，包括 前饋輸入，其接收輸入到等離子體處理室的等離子體功率的指示，所述等離子體處理室具有由所述溫度控制器控制到設定點溫度的組件； 處理器，其執(zhí)行溫度控制算法，所述溫度控制算法具有基于等離子體功率前饋輸入產生控制效果的前饋部分；以及 致動器輸出，其提供由所述處理器通過所述溫度控制算法產生的致動器信號，所述致動器信號用于減小所述等離子體功率對于所述組件的溫度的影響。
12.—種等離子體處理設備，包括 處理室，其包括與散熱器耦合的受到溫度控制的組件； 等離子體功率源，其耦合到所述處理室，以在對布置于所述處理室中的工件進行處理 的期間給等離子體供應能量；以及 根據權利要求11所述的溫度控制器。
13.根據權利要求12所述的設備，其中，所述受到溫度控制的組件包括卡盤或者噴灑頭，所述卡盤被構造為在處理期間支撐所述工件，所述噴灑頭被構造為將處理氣體供應給所述處理室。
14.根據權利要求12所述的設備，其中，所述溫度控制器被可通信地耦合到所述等離子體功率源，并且其中前饋控制信號基于從所述等離子體功率源獲得的等離子體功率輸入。
15.根據權利要求12所述的設備，其中，前饋控制信號被用來通過基于等離子體功率輸入和用于所述受到溫度控制的組件的溫度設定點確定增益組，來補償所述受到溫度控制的組件的等離子體加熱，所述增益組包括施加到所述前饋控制線的增益值。
全文摘要
用于利用減小的控制器響應時間和增加的穩(wěn)定性來控制等離子體處理室中的溫度的方法和設備。溫度控制至少部分地基于從進入等離子體處理室的等離子體功率輸入得到的前饋控制信號。對于歸因于等離子體功率的溫度干擾進行補償的前饋控制信號可以與消除所測量的溫度與期望溫度之間的誤差的反饋控制信號結合。
文檔編號H05H1/46GK102742365SQ201080062730
公開日2012年10月17日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權日2010年1月29日
發(fā)明者亞莎斯維尼·帕特, 卡爾蒂克·拉馬斯瓦米, 巴德·L·梅斯, 張春雷, 漢密第·諾巴卡施, 沃特·R·梅麗, 沙恩·C·尼維爾, 瑟喬伊·弗庫達·秀吉, 科坦·馬哈德斯瓦拉薩瓦米, 蒂娜·瓊, 費納多·M·斯李維亞, 達·D·源, 道格拉斯·A·小布什伯格 申請人:應用材料公司