CN102187742B - 等离子体处理装置中的快速响应热控制的方法和设备 - Google Patents

等离子体处理装置中的快速响应热控制的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了等离子体处理装置中的快速响应热控制的方法和设备。这里提供了用于调节等离子体增强型制程腔室中的部件的温度的方法及设备。在一些实施例中，一种用于处理衬底的设备包括制程腔室以及用以提供RF能量以在该制程腔室中形成等离子体的RF源。部件设置于该制程腔室中以在形成该等离子体时由该等离子体加热。加热器被构造为加热该部件并且热交换器被构造为从该部件移除热量。冷却器经由具有设置于其中的打开/关闭流量控制阀的第一流动管道以及用来绕过该流量控制阀的旁路回路而耦接到该热交换器，其中该旁路回路具有设置于其中的流量比阀。

Description

等离子体处理装置中的快速响应热控制的方法和设备
技术领域
本发明的实施例主要涉及半导体制程并且涉及用于处理衬底的方法和设备。
背景技术
用于在衬底上制造半导体装置的一些制程利用等离子体处理腔室，其中喷淋头(例如)将可经点燃以形成等离子体的制程气体提供至处理腔室。然而，等离子体处理倾向于增加处理腔室内部的部件(诸如喷淋头)的温度。此外，对于高RF功率制程条件而言，等离子体加热及制程步骤持续时间的组合通常导致温度非期望地超越设定点。这种温度超越可能影响触发(strike)等离子体的能力、延迟起始半导体处理制作方法且使处理的质量劣化。
存在增加处理腔室部件的冷却能力以解决问题的一些方法，诸如设计新硬件以具有较好热导率，或改变空闲模式与处理模式之间的冷却剂温度。然而，此等设计归因于低效率和/或成本而是非期望的。举例而言，典型热交换器或冷却器的时间常数接近于典型制作方法时间。因此，除非提供大得多的加热器，否则在空闲模式期间仅仅降低冷却剂温度将不能够在恒定温度下加热工具。然而，由于大部分加热器嵌入工具主体中，所以此设计的实施将需要主要工具的重新设计。
因此，需要用于等离子体处理腔室的热控制的改良方法及设备。
发明内容
在本文中提供用于调节等离子体加强型处理腔室中的部件的温度的方法及设备。在一些实施例中，一种用于处理衬底的设备包括处理腔室以及提供RF能量以在处理腔室中形成等离子体的RF源。部件设置于处理腔室中以在形成等离子体时由等离子体加热。加热器被构造为加热该部件并且热交换器被构造为从该部件移除热量。冷却器经由具有设置于其中的打开/关闭流量控制阀的第一流动管道以及用来绕过流量控制阀的旁路回路而耦接到该热交换器，其中该旁路回路具有设置于其中的流量比阀。
在一些实施例中，一种在形成等离子体时由等离子体加热、由加热器加热及由流过热交换器的冷却剂流体冷却的处理腔室中的部件的温度的控制方法，包括在该部件需要第一冷却速率时，在第一流率下将冷却剂提供给热交换器；以及在该部件需要第二冷却速率时，在第二流率下将冷却剂提供给所述热交换器，其中第一流率和所述第二流率都是非零并且不相等的。经由具有设置于其中的打开/关闭流量控制阀的第一流动管道来提供第一冷却剂流量。提供第二冷却剂流体流量可以包括通过关闭流量控制阀并使冷却剂流过具有设置于其中的流量比阀的旁路回路而绕过第一流动管道以将第二流率设定为小于第一流率的速率。
附图说明
因此，可参照实施例详细理解本发明的上述特征结构的方式，即上文简要概述的本发明的更特定描述，一些实施例图示于附图中。然而，应注意，附图仅图示本发明的说明性实施例，且因此不被认为是其范畴的限制，因为本发明可以允许其它同等有效的实施例。
图1描绘根据本发明的一些实施例的制程腔室。
图2描绘根据本发明的一些实施例的说明性旁路套组。
图3至图4分别图示根据本发明的一些实施例的控制算法。
为了促进理解，在可能情况下已使用相同组件符号以指定为附图所共有的相同组件。附图未按比例绘制且为清楚起见可予以简化。预期一个实施例的组件及特征结构可有利地并入其它实施例中而无需进一步叙述。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种用于处理衬底的具有改良系统的设备(例如，制程腔室)，该改良系统用于调节该设备中部件的温度，否则该温度可能通过制程腔室中的等离子体的间歇存在而超越期望的温度设定点。该改良温度调节系统促进制程装置的有效使用而在制作方法之间不产生延迟并且同时最小化由于温度效应而引起的制程变化。
可用根据本文中提供的教导的设备，诸如可购自加利福尼亚圣克拉拉的Applied Materials，Inc.的DPS
Figure BPA00001348799000031
、ENABLER
Figure BPA00001348799000032
、ADVANTEDGETM或其它制程腔室来改进现有制程腔室。其它适合腔室包括其中需要调节暴露于等离子体的制程腔室部件的温度任何等离子体处理腔室。
图1描绘根据本发明的一些实施例的说明性衬底制程设备100。衬底制程设备100可包含制程腔室102，其限定内部处理体积104且具有耦接至其以用于从内部处理体积104移除过量制程气体、处理副产物或其类似物的排气系统120。制程腔室102通常包括衬底支撑件108，其设置于处理体积104下方以用于在处理期间支撑其上的衬底110；以及一个或多个气体入口，诸如设置于所期望位置(诸如与衬底支撑件108的支撑表面相对的位置)处的喷淋头114和/或喷嘴。
在一些实施例中，衬底支撑件108可以包括在衬底支撑件108的表面上保持或支撑衬底110的机构(未图示)，诸如静电卡盘、真空卡盘、衬底扣夹、边缘环或类似物。在一些实施例中，衬底支撑件108可以包括用于控制衬底温度的机构(诸如加热和/或冷却装置，未示出)。
在一些实施例中，衬底支撑件108可以包括用于控制最接近衬底表面处的物质通量和/或离子能量的机构。举例而言，衬底支撑件108可包括RF偏压电极140。RF偏压电极140可经由一个或多个各自的匹配网络(示为匹配网络136)耦接至一个或多个偏压功率源(示为一个偏压功率源138)。一个或多个偏压功率源可以能够在约2MHz，或约13.56MHz，或约60MHz的频率下产生高达12000W的功率。在一些实施例中，可提供两个偏压功率源以在约2MHz及约13.56MHz的频率下经由各自的匹配网络将RF功率耦接至RF偏压电极140。在一些实施例中，可提供三个偏压功率源以在约2MHz、约13.56MHz及约60MHz的频率下经由各自的匹配网络将RF功率耦接至RF偏压电极140。该至少一个偏压功率源可提供连续或脉冲功率。在一些实施例中，该偏压功率源可为DC源或脉冲DC源。
衬底110可经由制程腔室102的壁中的开口112进入制程腔室102。可经由流量阀118或用于经由开口112选择性地提供通向腔室的内部体积的其它机构来选择性地密封开口112。衬底支撑件108可以耦接到举升机构134，其可在适于经由开口112将衬底转移至腔室中且转移出腔室的下部位置(如图标)与适于处理的一个或多个上部位置之间控制衬底支撑件108的位置。可选择制程位置以最大化特定制程步骤的制程均匀性。当处于上部处理位置中的至少一处时，衬底支撑件108可设置于开口112上方。
一个或多个气体入口(例如，喷淋头114)可耦接至用于将一种或多种制程气体提供到制程腔室102中的气体供应器116。尽管在图1中展示了喷淋头114，但可提供额外或替代气体入口，诸如设置于制程腔室102的顶板中或侧壁上或适于视需要将气体提供到制程腔室102的其它位置(诸如制程腔室的基座、衬底支撑底座的周边或类似位置)处的喷嘴或入口。
在一些实施例中，且如图1中所示，衬底制程设备100可利用设置在最接近制程腔室102的上部部分的上部电极的电容性耦接的RF功率。其它实施例可使用电感性耦接的RF功率、其它适当电极位置及其类似物。举例而言，上部电极可以是至少部分地由适合导电材料制造的顶板142、喷淋头114或其类似物中的一者或多者形成的导体。一个或多个RF功率源(在图1中示为一个RF功率源148)可经由一个或多个各自的匹配网络(在图1中示为匹配网络146)耦接到上部电极。一个或多个等离子体源例如能够在约60MHz和/或约162MHz的频率下产生高达5000W的功率。在一些实施例中，两个RF功率源可经由各自的匹配网络耦接到上部电极以用于在约60MHz及约162MHz的频率下提供RF功率。在一些实施例中，两个RF功率源可经由各自的匹配网络耦接到上部电极以用于在约40MHz及约100MHz的频率下提供RF功率。
在一些实施例中，且如图1中说明性地描绘，喷淋头114可包括温度控制机构以有助于在空闲及处理模式期间控制喷淋头114的温度。举例而言，喷淋头114可包括耦接到功率源122的一个或多个加热器106(诸如电阻性加热组件)。一个或多个加热器106可以是嵌入式加热器(如所示)或可以设置于用于将热量提供给喷淋头114的任何适合位置中。喷淋头114可进一步包括用于从喷淋头114移除热量(例如，冷却)的热交换器128。替代地或以组合方式，热交换器128(和/或其它热交换器)可位于适于有效地从所关注部件(例如，喷淋头114)移除热的任何地方。举例而言，热交换器128可被放置在将从该部件移除热的部件附近，或者在具有良好导热性的第二部件的附近，该良好导热性可有助于经由第二部件将热从所关注部件转移到热交换器128。
冷却剂流体可由冷却器126维持在所要温度或温度范围下。使冷却剂流体从冷却器126经热交换器128而循环。在一些实施例中，经由流量旁路套组150使冷却剂流体从冷却器126经热交换器128而循环。该流量旁路套组150被构造并控制以动态地提供两个不同冷却剂流率——在空闲模式期间的低流率以满足维持温度而无需施加RF功率的需要；以及在处理期间的高流率以在正施加RF功率时减少温度超越。在一些实施例中，且如下文进一步论述的，模型预测控制算法可用以控制流量旁路套组150的操作。
在图2中描绘了流量旁路套组150的说明性实施例。在一些实施例中，流量旁路套组150包括设置于将冷却器126耦接到热交换器128的第一管道206中的控制阀202以及设置于围绕控制阀202的旁路回路208中的流量比阀204。控制阀202为可控制打开/关闭的阀，其允许在处于打开位置时从其流过，或在处于关闭位置时防止从其流过。控制阀202可为任何适合手动或自动的打开/关闭的阀，诸如气动阀、电磁阀或其类似物。
流量比阀204提供比穿过控制阀202的冷却剂的流率小预定量的可变流量(视阀的可控制位置而定)。因而，当控制阀202打开时，冷却剂的第一流率由冷却剂穿过控制阀202的流率或由冷却剂穿过控制阀202与流量比阀204的流率的总和来判定。当控制阀202关闭时，冷却剂的第二流率由冷却剂穿过流量比阀204的流率来判定。因此，控制阀202控制高流率与低流率之间的操作且流量比阀204判定高流率与低流率之间的流量比。
流量比阀204可手动或自动地操作并且可以是任何适合的可变位置阀，包括增量式位置阀(例如，具有有限位置集合的阀)及无限位置阀(例如，在最大流率位置与最小流率位置之间的任何点处可定位的阀)。适合流量比阀的示例包括针形阀、隔膜阀或其类似物。
在操作中，流量比阀204可用以设定所要流率其对应于在等离子体断开时(且因此在较低热负荷存在时)所期望的流率。控制阀202可以用来在高冷却剂流率(例如，穿过打开的控制阀202)与低冷却剂流率(例如，在控制阀202关闭时穿过旁路回路208)之间切换。可选择冷却剂的这种高流率和低流率以提供在无等离子体存在时(诸如在腔室空闲时)对应于较低热负荷且在等离子体存在时(诸如在处理期间)对应于较高热负荷的冷却。加热器106可被构造为使其能够在衬底制程设备100处于空闲模式时，例如用加热器106在全功率的约10与约90百分比之间将喷淋头114的温度维持于所期望的设定点。在此构造中，如下文所论述，加热器PID控制回路可针对热交换器128及来自热电偶或其它温度传感机构的任何读取噪声而对喷淋头温度提供精密控制。
回到图1，可以以任何适合方式(诸如通过温度传感装置)测量喷淋头114的温度。适合的温度传感装置包括(例如)热电偶、热电堆、热敏电阻、电阻式温度探测器(RTD)、柔性光学纤维及其类似物。温度传感装置可耦接至控制器160，或其它适合控制器，以提供反馈回路来控制喷淋头114(或所关注的其它部件)的温度。在一些实施例中，该温度可由设置在喷淋头114的表面上的热电偶来测量。尽管在本文中论述涉及对喷淋头114的温度的控制，但本发明可用以通过将加热器和冷却系统与本文中所述的流量旁路套组结合来有利地控制任何所期望的腔室部件(例如，静电卡盘)的温度。
衬底制程设备100进一步包含用于控制衬底制程设备100的部件的操作的控制器160。举例而言，该控制器可以控制制程腔室102的操作，例如以根据所要制程制作方法来处理衬底。该控制的部分为对衬底制程设备100的温度调节部件(诸如加热器114、冷却器126及流量旁路套组150(和/或要根据本文中提供的教导来控制温度的任何其它部件))的控制。
控制器160耦接到衬底制程设备100的各种部件并且包含中央处理单元(CPU)164、存储器162及用于CPU 164的支持电路166。控制器160可直接或经由与特定制程腔室相关的计算机(或控制器)和/或支持系统部件来控制衬底制程设备100。控制器160可以是可在工业配置中用于控制各种腔室及子处理器的任何形式的通用计算机处理器中的一者。CPU 164的存储器或计算机可读媒体162可为容易得到的存储器中的一者或多者，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘、闪存或任何其它形式的数字储存器(本地或远程)。支持电路166耦接到CPU 164以用传统的方式支持处理器。这些电路包括高速缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路及子系统及其类似物。本文中所述的发明方法可储存于存储器162中作为可被执行或调用以用本文中所述的方式来控制衬底制程设备100的操作的软件程序。该软件程序也可由远离由CPU 164控制的硬件定位的第二CPU(未图示)储存和/或执行。
可控制衬底制程设备100以视需要处理衬底，同时将腔室内的所期望的部件的温度控制于预定所期望限度内。举例而言，上文所揭示的衬底制程设备100的温度调节部件可用以将喷淋头114的温度控制到预定期望的限度内。尽管在本文中参考喷淋头114来说明，但可根据本发明的实施例来温度控制其它制程腔室部件。举例而言，其它适合的腔室部件可以包括静电卡盘、隔板或其类似物。
在图3图描绘用于控制衬底制程设备100内的部件的温度的一个示范性方法300。方法300涉及控制上文所述的流量旁路套组150以有助于在衬底制程设备100的制程循环期间控制部件(例如，喷淋头114)的温度。所关注的部件可以具有设置在该部件中或邻近该部件的加热器以用于向该部件提供热量。该加热器可进一步具有独立控制器和/或控制算法(例如，PID回路)以用于结合方法300来控制部件的温度。为了易于理解，参照图1到图2来描述方法300。
方法300可说明性地以302开始，其中为了说明起见，假定在制程腔室102中形成等离子体并且关闭流量旁路套组150的控制阀202(如在处理开始且腔室先前处于空闲模式时可能发生的)。方法300进行至304，其中控制器160判定部件(例如，喷淋头114)的温度是否大于预定温度上限。控制器160可根据下式进行此判定：
1.是否T＞TSP+dTUL？
其中T为受关注的腔室部件(例如，上文实例中的喷淋头114)的实际温度，Tsp为设定点或目标温度，且dTUL为从设定点到达到温度上限的预定温差。若控制器160判定喷淋头114的实际温度(如由热电偶或其它温度传感装置所判定的)不从设定点(Tsp)超出上限温差(dTUL)，则处理继续且控制器160将在304继续查询喷淋头114的温度是否太高。若控制器160判定喷淋头114的实际温度从设定点(Tsp)至少超出上限温差(dTUL)，则在306，控制器160促使流量旁路套组150的控制阀202打开，以增加冷却剂流过热交换器128的流率，藉此自喷淋头114移除更多热且降低其温度。
接着，在308，控制器160判定部件(例如，喷淋头114)的温度是否小于预定温度下限。若例如由于冷却器温度的错误设定、等离子体处理的终止或类似情况而从喷淋头114移除太多热，则可能发生这种判定。控制器160可根据下式进行此判定：
2.是否T＜TSP-dTLL？
其中dTLL为从设定点到达到温度下限的预定温差。若控制器160判定喷淋头114的实际温度不比设定点(Tsp)低了下限温差(dTLL)，则处理继续且控制器160将在308继续查询喷淋头114的温度是否太低。若控制器160判定喷淋头114的实际温度至少比设定点(Tsp)低了下限温差(dTLL)，则在310，控制器160促使流量旁路套组150的控制阀202关闭，以减少冷却剂流过热交换器128的流率，藉此从喷淋头114移除较少热并且升高其温度。
可视需要经由许多处理循环(诸如在衬底之间、在单一衬底的多个处理步骤之间或类似情况)重复上文的方法。因而，方法300可如虚线312所示继续，其中控制器160在304再次查询部件(例如，喷淋头114)的温度是否大于预定温度上限。或者，在完成处理后，方法300可以在314结束。
上文的方法300响应于受监视的部件(例如，喷淋头114)的实际温度而控制流量旁路套组150。因而，上文的方法300为反应性方法。在本发明的一些实施例中，可以提供预测方法以有助于避免在部件的温度波动的加热或冷却侧上的温度超越。该预测方法可进一步包括与上文关于图3描述的相同的控制方法以有助于实际上从所期望设定点超出的所期望温差。
举例而言，图4描绘用于控制衬底制程设备100内的部件的温度的方法400。方法400涉及与类似上文所述的流量旁路套组150的控制。为了易于理解，参照图1-2来描述方法300。方法400可说明性地以402开始，其中为了说明起见，假定在制程腔室102中形成等离子体且关闭流量旁路套组150的控制阀202(如在处理开始且腔室先前处于空闲模式时可能发生的)。
方法400进行到404，其中控制器160判定部件(例如，喷淋头114)的温度是否大于预定温度上限。控制器160可以与上文参照图3在304相同的方式(例如，使用方程式1)进行此判定。具体言之，控制器可查询：
1.是否T＞TSP+dTUL？
如前所述，若控制器160判定喷淋头114的实际温度从设定点(Tsp)超出至少上限温差(dTUL)，则在410，控制器160促使流量旁路套组150的控制阀202打开，以增加冷却剂流过热交换器128的流率，藉此从喷淋头114移除更多热且降低其温度。
然而，若控制器160判定喷淋头114的实际温度没有从设定点(Tsp)超出上限温差(dTUL)，则该方法在406继续预测查询，其中控制器160查询传递至腔室的总RF功率是否大于预定上限。控制器160可根据下式进行此判定：
3.是否P＞PUL？
其中P为对应于传递至制程腔室的总RF功率的功率因子并且PUL为RF功率的预定上限。在一些实施例中，上限PUL可以对应于向所关注的部件提供足够的热量以需要增加的冷却负荷的最高功率因子。在一些实施例中，功率因子P可简单地为传递至制程腔室的总功率。举例而言，可将P定义为：
A.P＝∑Pi＝P1+P2+…+Pn
其中Pi为由特定源传递至制程腔室的RF功率。举例而言，P1+P2+…+Pn可对应于由一个或多个等离子体源(例如，RF功率源148)、一个或多个偏压源(例如，偏压功率源138)、耦接至腔室中的其它电极的其它RF源或其类似物所传递的功率。
在一些实施例中，功率因子P可为传递至制程腔室的总功率的加权组合。举例而言，可将P定义为：
B.P＝∑ωiPi＝ω1P1+ω2P2+…+ωnPn
其中ωi为传递至制程腔室的RF功率的特定源的加权因子。举例而言，ω1+ω2+…+ωn可对应于由一个或多个等离子体源(例如，RF功率源148)、一个或多个偏压源(例如，偏压功率源138)、耦接至腔室中的其它电极的其它RF源或其类似物所传递的功率。该加权因子说明了所关注的部件对于热负荷的不同贡献，并且根据RF功率的各自的源对于所关注的部件的热负荷的贡献，而可以是任何数(正数、负数或零)。
举例而言，当控制喷淋头114的温度时，耦接至喷淋头114的RF功率源的加权因子可以高于耦接至衬底支撑件108的RF偏压源的加权因子。在另一个实例中，当控制支撑底座108中的静电卡盘的温度时，耦接至喷淋头114的RF功率源的加权因子可以低于耦接至衬底支撑件108的RF偏压源的加权因子。可凭经验或经由建模来判定各种加权因子以及功率上限PUL的判定。如可自上文可见，方程式A仅仅为所有加权因子皆等于1的特殊状况。
若控制器160判定P低于向腔室的功率传递的期望上限(指示可持续或低热负荷到所关注的部件)，则该方法返回至404且重新进行。然而，若控制器160判定P大于向腔室的功率传递的期望上限(指示所关注的部件的不可持续或高热负荷)，则该方法继续至408，其中控制器160查询部件(例如，喷淋头114)的温度是否大于预定温度下限。控制器160可以与上文参照图3在308所述类似的方式进行此判定(温度超过温度下限的判定除外)。具体言之，控制器可查询：
4.是否T＞TSP-dTLL？
若控制器160判定喷淋头114的实际温度不超过温度下限(例如，设定点(Tsp)减去下限温差(dTLL))，则控制阀202保持关闭以防止进一步冷却部件，且该方法返回至404且再次通过查询而循环。
然而，若控制器160判定喷淋头114的实际温度超过温度下限(例如，设定点(Tsp)减去下限温差(dTLL))，则在410，控制器160促使流量旁路套组150的控制阀202打开，以增加冷却剂流过热交换器128的流率，由此从喷淋头114移除更多热且降低其温度。
一旦控制阀202被打开，穿过热交换器128的流量增加并且从喷淋头114移除热的速率也增加。因此，方法400在412继续，其中控制器160判定部件(例如，喷淋头114)的温度是否小于预定温度下限。控制器160可如上文参照图3在308所述的根据方程式2进行此判定。具体言之，控制器可查询：
2.是否T＜TSP-dTLL？
如前所述，若控制器160判定喷淋头114的实际温度比设定点(Tsp)低至少下限温差(dTLL)，则在418，控制器160促使流量旁路套组150的控制阀202关闭，以减少冷却剂流过热交换器128的流率，由此从喷淋头114移除较少热并且升高其温度。
然而，若控制器160判定喷淋头114的实际温度不比设定点(Tsp)低下限温差(dTLL)，则该方法继续在414预测性查询，其中控制器160查询传递到腔室的总RF功率是否低于预定下限。控制器160可根据下式进行此判定：
5.是否P＜PLL？
其中PLL为RF功率的预定下限。可以经验为主或经由模型化来判定下限PLL。在一些实施例中，下限PLL可对应于仍将足够热提供至所关注的部件的最低功率因子以使得不需要额外冷却负荷。可如上文关于406所论述来判定功率因子P。
若控制器160判定P大于向腔室的功率传递的所期望的下限(指示不可持续或高热负荷到所关注的部件)，则该方法返回至412并且重新进行查询。然而，若控制器160判定P小于向腔室的功率传递的所期望下限(指示可持续或低热负荷到所关注的部件)，则该方法继续至416，其中控制器160查询部件(例如，喷淋头114)的温度是否低于预定温度上限。控制器160可以与上文参照图3在304处所述类似的方式进行此判定(温度低于温度上限的判定除外)。具体言之，控制器可查询：
6.是否T＜TSP+dTUL？
若控制器160判定喷淋头114的实际温度超过温度上限(例如，设定点(Tsp)加上限温差(dTUL))，则控制阀202保持打开以防止进一步加热部件，且该方法返回至412并且再次经过查询循环。
然而，若控制器160判定喷淋头114的实际温度小于温度上限(例如，设定点(Tsp)加上限温差(dTUL))，则在418，控制器160促使流量旁路套组150的控制阀202关闭，以减少冷却剂流过热交换器128的流率，由此从喷淋头114移除较少热并且升高其温度。
可视需要通过许多处理循环(诸如在衬底之间、在单一衬底的多个处理步骤之间或类似情况)重复上文的方法。因而，方法400可如虚线420所示继续，其中控制器160在404再次查询部件(例如，喷淋头114)的温度是否大于预定温度上限。或者，在完成处理后，方法400即可在422结束。
在上文的方法中，参数dTUL及dTLL可以是可变的以通过控制器在处理期间关于喷淋头温度读取的反馈来反应性地控制流量旁路套组150。另外，可视需要对于不同制作方法调整上文的参数以及设备常数，诸如功率因子和加权因子。
因此，在本文中已提供用于处理衬底的、为等离子体加强型衬底制程设备中的部件提供改良温度调节的方法及设备。本发明的流量旁路套组提供使当前部件热控制范围扩大而无需改变对应于该部件的加热器的设计的低成本、容易的改进。通过在制程设备的空闲模式期间限制冷却剂流量，处于空闲的加热器输出可大大地减少且因此节省显著能量。本文中所揭示的预测控制方法进一步藉由防止温度超越而达成改良效能。
尽管上述内容针对本发明的实施例，但可在不脱离本发明的基本范畴的情况下设计本发明的其它及更多实施例，且本发明的范畴系由以下申请专利范围来确定。

Claims (15)

1.一种用于处理衬底的设备，其包括：
制程腔室；
RF源，其用于提供RF能量以在所述制程腔室中形成等离子体；
部件，其设置在所述制程腔室中以在形成所述等离子体时由所述等离子体加热；
加热器，其被构造为对所述部件进行加热；
热交换器，其被构造为从所述部件移除热量；以及
冷却器，其经由具有设置于其中的打开/关闭流量控制阀的第一流动管道以及绕过所述流量控制阀的旁路回路而耦接到所述热交换器，其中所述旁路回路具有设置于其中的流量比阀。
2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：
控制器，其用于使所述流量控制阀打开或关闭。
3.根据权利要求2所述的设备，其进一步包括温度测量装置，其用来指示所述部件的温度，并且其中，所述控制器根据以下控制参数操作：
如果T>Tsp+dTUL 打开流量控制阀 如果T<Tsp–dTLL 关闭流量控制阀
其中Tsp为目标温度设定点，dTUL为预定上限温差，且dTLL为预定下限温差。
4.根据权利要求2所述的设备，其进一步包括：
温度测量装置，其经定位以指示所述部件的温度；以及
向所述控制器中的输入，其指示引向形成所述等离子体的电极或这种电极的组的功率；
其中所述控制器基本根据以下控制参数操作：
如果∑ωiPi>PUL并且T>Tsp–dTLL 打开流量控制阀 如果∑ωiPi<PLL并且T<Tsp+dTUL 关闭流量控制阀
其中Tsp为所述目标温度，dTUL为预定上限温差，dTLL为预定下限温差，Pi为形成i=1至n个等离子体中一者的电极和/或这种电极的组的功率消耗，其中ωi为传递到所述制程腔室的i=1至n个RF功率源中的一者的加权因子，PUL为总和的功率消耗的预定上限，且PLL为总和的功率消耗的预定下限。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述控制器进一步根据以下控制参数控制所述控制阀：
若T>Tsp+dTUL 打开流量控制阀 若T<Tsp–dTLL 关闭流量控制阀
其中Tsp为所述目标温度，dTUL为预定上限温差，且dTLL为预定下限温差。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述部件是用于将气体注入所述制程腔室中的喷淋头或者是用于保持所述衬底的静电卡盘。
7.一种在制程腔室中控制部件的温度的方法，所述部件在等离子体形成时由所述等离子体加热、由加热器加热以及由冷却器提供流过热交换器的冷却剂流体冷却，其中所述冷却器经由具有设置于其中的打开/关闭流量控制阀的第一流动管道以及绕过所述流量控制阀的旁路回路而耦接到所述热交换器，其中所述旁路回路具有设置于其中的流量比阀，所述方法包括以下步骤：
在所述部件需要第一冷却速率时，在第一流率下将冷却剂提供给所述热交换器；以及
在所述部件需要第二冷却速率时，在第二流率下将所述冷却剂提供给所述热交换器，其中所述第一流率与所述第二流率都是非零并且不相等的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一流率经由所述第一流动管道提供，并且其中提供所述第二流率进一步包括：
通过关闭所述流量控制阀并使所述冷却剂流过所述旁路回路而绕过所述第一流动管道来将所述第二流率设定为小于所述第一流率的速率。
9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：
判定所述部件的温度大于温度上限；以及
打开所述控制阀以在所述第一流率下提供所述冷却剂。
10.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：
判定所述部件的温度小于温度下限；以及
关闭所述控制阀以在所述第二流率下提供所述冷却剂。
11.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：
判定功率因子大于预定上限，其中，所述功率因子对应于传递到所述制程腔室的总RF功率；
判定所述部件的温度大于温度下限；以及
打开所述控制阀以在所述第一流率下提供所述冷却剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，对于耦接到所述制程腔室的所有RF源，所述功率因子等于加权因子与从耦接到所述制程腔室的RF源所施加的功率的乘积的总和。
13.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：
判定功率因子小于预定下限，其中所述功率因子对应于传递到所述制程腔室的总RF功率；
判定所述部件的温度小于温度上限；以及
关闭所述控制阀以在所述第二流率下提供所述冷却剂。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，对于耦接到所述制程腔室的所有RF源，所述功率因子等于加权因子与从耦接到所述制程腔室的RF源所施加的所述功率的乘积的总和。
15.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：
判定功率因子大于预定上限，其中所述功率因子对应于传递到所述制程腔室的所述总RF功率；
判定所述部件的温度大于温度下限；
打开所述控制阀以在所述第一流率下提供所述冷却剂；
判定功率因子小于预定下限，其中所述功率因子对应于传递到所述制程腔室的所述总RF功率；
判定所述部件的温度小于温度上限；以及
关闭所述控制阀以在所述第二流率下提供所述冷却剂。
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Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011187758A (ja) * 2010-03-10 2011-09-22 Tokyo Electron Ltd 温度制御システム、温度制御方法、プラズマ処理装置及びコンピュータ記憶媒体
US9167721B2 (en) * 2011-11-29 2015-10-20 International Business Machines Corporation Direct facility coolant cooling of a rack-mounted heat exchanger
JP5942459B2 (ja) * 2012-02-14 2016-06-29 セイコーエプソン株式会社 ハンドラー、及び部品検査装置
JP5905735B2 (ja) * 2012-02-21 2016-04-20 東京エレクトロン株式会社 基板処理装置、基板処理方法及び基板温度の設定可能帯域の変更方法
US8901518B2 (en) 2012-07-26 2014-12-02 Applied Materials, Inc. Chambers with improved cooling devices
US10217615B2 (en) 2013-12-16 2019-02-26 Lam Research Corporation Plasma processing apparatus and component thereof including an optical fiber for determining a temperature thereof
KR102395029B1 (ko) * 2015-08-07 2022-05-09 세메스 주식회사 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법
CN106922071B (zh) * 2015-12-25 2019-10-01 中微半导体设备(上海)股份有限公司 一种用于等离子反应装置的喷淋头加热冷却装置及方法
US11837479B2 (en) * 2016-05-05 2023-12-05 Applied Materials, Inc. Advanced temperature control for wafer carrier in plasma processing chamber
US9958782B2 (en) * 2016-06-29 2018-05-01 Applied Materials, Inc. Apparatus for post exposure bake
KR102204229B1 (ko) * 2016-08-26 2021-01-15 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 저압 리프트 핀 캐비티 하드웨어
TWI829367B (zh) * 2017-11-16 2024-01-11 日商東京威力科創股份有限公司 電漿處理裝置、溫度控制方法及溫度控制程式
US11236422B2 (en) 2017-11-17 2022-02-01 Lam Research Corporation Multi zone substrate support for ALD film property correction and tunability
JP7008497B2 (ja) * 2017-12-22 2022-01-25 東京エレクトロン株式会社 基板処理装置および温度制御方法
JP2021521648A (ja) * 2018-04-17 2021-08-26 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ 加熱されるセラミック面板
US10633742B2 (en) 2018-05-07 2020-04-28 Lam Research Foundation Use of voltage and current measurements to control dual zone ceramic pedestals
JP7456951B2 (ja) 2018-07-05 2024-03-27 ラム リサーチ コーポレーション 基板処理システムにおける基板支持体の動的温度制御
US11183400B2 (en) 2018-08-08 2021-11-23 Lam Research Corporation Progressive heating of components of substrate processing systems using TCR element-based heaters
US10872747B2 (en) * 2018-08-08 2020-12-22 Lam Research Corporation Controlling showerhead heating via resistive thermal measurements
CN111238669B (zh) * 2018-11-29 2022-05-13 拓荆科技股份有限公司 用于半导体射频处理装置的温度测量方法
CN111383881B (zh) * 2018-12-27 2023-03-07 中微半导体设备(上海)股份有限公司 一种电容耦合等离子体处理器及其温度调节方法
CN114514594A (zh) * 2019-09-23 2022-05-17 朗姆研究公司 包含预热喷头的低温等离子体增强化学气相沉积处理
EP3843501B1 (en) * 2019-12-23 2022-10-19 Kanthal GmbH Methods and systems for cooling a heating element
CN113097097A (zh) * 2019-12-23 2021-07-09 中微半导体设备(上海)股份有限公司 等离子体刻蚀装置及其工作方法
WO2023043526A1 (en) * 2021-09-17 2023-03-23 Applied Materials, Inc. Energy efficiency improvement with continuous flow modulation in cluster tool
CN114151730B (zh) * 2021-12-13 2023-09-29 拓荆科技股份有限公司 提供气体切换的气体供应系统及气体切换的方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1961402A (zh) * 2004-05-28 2007-05-09 拉姆研究有限公司 具有响应多个rf频率的等离子体处理器

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US88547A (en) * 1869-04-06 Improvement in making artificial stone, and,in monolithic structures
US5673750A (en) * 1990-05-19 1997-10-07 Hitachi, Ltd. Vacuum processing method and apparatus
US5478429A (en) * 1993-01-20 1995-12-26 Tokyo Electron Limited Plasma process apparatus
US5900103A (en) 1994-04-20 1999-05-04 Tokyo Electron Limited Plasma treatment method and apparatus
US5948283A (en) * 1996-06-28 1999-09-07 Lam Research Corporation Method and apparatus for enhancing outcome uniformity of direct-plasma processes
US5994209A (en) * 1996-11-13 1999-11-30 Applied Materials, Inc. Methods and apparatus for forming ultra-shallow doped regions using doped silicon oxide films
US6019848A (en) * 1996-11-13 2000-02-01 Applied Materials, Inc. Lid assembly for high temperature processing chamber
US5935340A (en) * 1996-11-13 1999-08-10 Applied Materials, Inc. Method and apparatus for gettering fluorine from chamber material surfaces
US6026896A (en) * 1997-04-10 2000-02-22 Applied Materials, Inc. Temperature control system for semiconductor processing facilities
US5997649A (en) * 1998-04-09 1999-12-07 Tokyo Electron Limited Stacked showerhead assembly for delivering gases and RF power to a reaction chamber
JP3317940B2 (ja) 1999-10-22 2002-08-26 九州日本電気株式会社 プラズマｃｖｄ装置用クリーニング装置
US6717115B1 (en) * 2000-04-25 2004-04-06 Teradyne, Inc. Semiconductor handler for rapid testing
JP2007512715A (ja) * 2003-11-26 2007-05-17 テンプトロニック コーポレイション 熱制御式チャックにおける電気的ノイズを低減する装置および方法
US7178353B2 (en) 2004-02-19 2007-02-20 Advanced Thermal Sciences Corp. Thermal control system and method
US8317968B2 (en) 2004-04-30 2012-11-27 Lam Research Corporation Apparatus including gas distribution member supplying process gas and radio frequency (RF) power for plasma processing
KR101144018B1 (ko) * 2004-05-28 2012-05-09 램 리써치 코포레이션 복수 ｒｆ 주파수에 반응하는 전극을 갖는 플라즈마 처리기
US20060027169A1 (en) * 2004-08-06 2006-02-09 Tokyo Electron Limited Method and system for substrate temperature profile control
US20060213763A1 (en) * 2005-03-25 2006-09-28 Tokyo Electron Limited Temperature control method and apparatus, and plasma processing apparatus
JP4579025B2 (ja) * 2005-03-25 2010-11-10 東京エレクトロン株式会社 温度調整方法，温度調整装置，プラズマ処理装置
US20070091541A1 (en) 2005-10-20 2007-04-26 Applied Materials, Inc. Method of processing a workpiece in a plasma reactor using feed forward thermal control

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1961402A (zh) * 2004-05-28 2007-05-09 拉姆研究有限公司 具有响应多个rf频率的等离子体处理器

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