CN113574648A - 用于估计温度的静电卡盘加热器电阻测量 - Google Patents

用于估计温度的静电卡盘加热器电阻测量 Download PDF

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Abstract

一种控制器，其包含电压传感器，该电压传感器耦合至整合在静电卡盘中的加热器迹线，该电压传感器被配置成感测在该加热器迹线两端的电压差，其中该加热器迹线与加热器区域相关联。该控制器包含电流传感器，其耦合至该加热器迹线，并且被配置成感测该加热器迹线中的电流。该控制器包含电阻识别器，其被配置成基于该电压差和感测到的该电流来识别该加热器迹线的电阻。该控制器包含温度关联器，其被配置成基于该电阻以及该加热器迹线的相关函数来估计该加热器区域的温度。该相关函数使用该加热器迹线的电阻的温度系数。

Description

用于估计温度的静电卡盘加热器电阻测量
技术领域
本实施方案涉及用来处理例如半导体晶片的类的衬底的静电卡盘(ESC)、ESC可以用于在进行蚀刻或沉积处理的等离子体反应室中支撑半导体衬底。尤其是，本实施方案涉及在不使用位于ESC的加热器区域中的温度传感器的情况下，测量ESC的加热器区域内的加热器迹线的电阻，以估计加热器区域的温度。
背景技术
许多现代的半导体制造处理在等离子体处理模块中执行，其中当暴露于等离子体时，衬底保持在衬底保持器上。在等离子体处理操作期间对衬底的温度控制是可以影响处理操作结果的一个因素。为了在等离子体处理操作期间提供对衬底温度的控制，需要精确且可靠地测量衬底保持器的温度，以便推断保持在其上的衬底的温度。
这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的描述的各方面中描述的范围内的当前指定的发明人的工作既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。
就是在这种背景下，出现了本公开内容的实施方案。
发明内容
本实施方案涉及解决相关技术中发现的一或多个问题，并且具体地包含用于等离子体处理室的静电卡盘，其中，ESC包含在ESC的加热器区域中的加热器迹线，其中加热器迹线被配置用于通过加热器迹线的确定电阻来感测温度。下面描述本公开内容的几个发明实施方案。
本公开内容的实施方案包含一种控制器，其包含电压传感器，该电压传感器耦合至整合在静电卡盘中的加热器迹线，该电压传感器被配置成感测在该加热器迹线两端的电压差，其中该加热器迹线与加热器区域相关联。该控制器包含电流传感器，其耦合至该加热器迹线，并且被配置成感测该加热器迹线中的电流。该控制器包含电阻识别器，其被配置成基于该电压差和感测到的该电流来识别该加热器迹线的电阻。该控制器包含温度关联器，其被配置成基于该电阻以及该加热器迹线的相关函数来估计该加热器区域的温度。该相关函数使用该加热器迹线的电阻的温度系数。
本公开内容的其他实施方案包含配置成向用户提供信息的用户接口。可以在等离子体处理室外部的显示器中设置用户接口。该显示器被配置成显示与等离子体处理室的静电卡盘的第一加热器区域相关的信息。该信息包含与该第一加热器区域相关联的第一温度。第一温度由第一温度控制器确定，第一温度控制器被配置成感测在与第一加热器区域相关联的第一加热器迹线两端的电压差。第一温度控制器被配置成感测第一加热器迹线内的电流。第一温度控制器被配置成基于该电压差以及感测到的该电流来识别第一加热器迹线的电阻。第一温度控制器被配置成基于该电阻以及第一加热器迹线的相关函数来估计第一温度。
用户接口可以包含提供建议的警示，该建议包含待基于该信息而采取的至少一动作。具体而言，第一温度由第一温度控制器所确定，第一温度控制器被配置成感测在整合于第一加热器区域的第一加热器迹线两端的电压差；感测第一加热器迹线内的电流；基于该电压差以及感测到的该电流来识别第一加热器迹线的电阻；基于该电阻以及第一加热器迹线的相关函数来估计该第一温度。
本公开内容的实施方案包含用于等离子体处理室的静电卡盘(ESC)，其中，该ESC被配置成用于在处理期间支撑衬底。ESC包含第一加热器区域。该ESC包含具有整合于加热器区域中并且向该加热器区域提供热能的第一加热器迹线。该第一加热器迹线具有第一输入端和第一输出端。第一温度控制器被配置成估计第一加热器区域中的温度。该温度控制器被配置成感测在第一加热器迹线两端的电压差并且感测第一加热器迹线中的第一电流。第一温度控制器被配置成基于感测到的第一电压差以及感测到的第一电流来识别第一加热器迹线的第一电阻。第一温度控制器被配置成基于识别出的第一电阻以及第一加热器迹线的第一相关函数来估计第一加热器区域的第一温度，其中第一相关函数使用第一加热器迹线的电阻的第一温度系数。
本公开内容的其他实施方案包含一种控制等离子体处理室中的静电卡盘(ESC)温度的方法，该ESC包含加热器区域，该加热器区域具有整合于其中的加热器迹线。该加热器迹线具有输入端和输出端且被配置成提供热能至该加热器区域。该方法包含供应功率至该加热器迹线。该方法包含感测在该加热器迹线两端(该加热器迹线的该输入端与该输出端之间)的电压差。该方法包含感测该加热器迹线中的电流。该方法包含基于所感测到的该电压差和所感测到的该电流来识别该加热器迹线的电阻。该方法包含基于所识别出的该电阻以及该加热器迹线的相关函数来估计该加热器区域的温度，而不在该加热器区域中使用温度传感器，其中该相关函数使用该加热器迹线的电阻的温度系数。
本公开内容的还有的其他实施方式包含用于处理衬底的等离子体处理系统。该等离子体处理系统包含具有用于支撑衬底的静电卡盘(ESC)的反应器，其中该反应器被配置成接收工艺气体。该ESC包含加热器区域。该ESC还包含整合在加热器区域中的加热器迹线。该加热器迹线被配置成提供热能至加热器区域，且包含输入端和输出端。该等离子体处理系统包含耦合的温度控制器，其被配置成感测加热器迹线的输入端和输出端之间的电压差并且感测加热器迹线中的电流。温度控制器被配置成基于感测到的电压差以及感测到的电流来识别加热器迹线的电阻。温度控制器被配置成基于识别出的电阻以及加热器迹线的相关函数来估计加热器区域的温度，其中该相关函数使用加热器迹线的电阻的温度系数。
本领域技术人员通过阅读整个说明书及权利要求，将可理解这些以及其他优点。
附图说明
通过参照下文结合附图进行的描述，可最适当地理解实施方案：
图1说明根据本公开内容的一实施方案的衬底处理系统，其用于处理晶片以例如在其上形成膜。
图2根据本公开内容的一实施方案显示了用于处理半导体衬底的反应器的系统图，该反应器包含静电卡盘，该静电卡盘具有由一或多个加热器迹线加热的一或多个加热器区域，每一加热器迹线被配置成用于温度感测，其中加热器迹线由一或多个原位温度控制器进行控制。
图3A根据本公开内容的一实施方案显示了被配置作为静电卡盘的示例性衬底保持器的竖直截面图，该静电卡盘包含由一或多条加热器迹线加热的一或多个加热器区域，每条加热器迹线被配置成用于温度感测。
图3B根据本公开内容的一实施方案显示了加热系统，其被配置成用于向图3A的静电卡盘的特定加热器区域提供热能，其中温度控制器控制通过相应的加热器迹线所测量的加热器区域的温度，该加热器迹线也被配置成用于提供热能。
图3C根据本公开内容的一实施方案显示了图3B的温度控制器的功率控制器，其被配置成用于控制供应至加热器迹线的功率，以控制加热器区域的温度。
图4是根据本公开内容的一实施方案说明一种方法的流程图，该方法用于使用相应的加热器迹线来测量静电卡盘的温度区的温度，该加热器迹线被配置成用于温度感测并向加热器区域提供热能。
图5为根据本公开内容的一实施方案的加热器迹线的电阻和温度之间的相关函数的图，该加热器迹线被配置成用于向静电卡盘的加热器区域提供热能，其中，该相关函数使用加热器迹线的电阻的温度系数。
图6根据本公开内容的一实施方案显示了用于控制上述系统的控制模块。
具体实施方式
虽然以下详细描述为了说明的目的包含许多具体细节，但本领域技术人员应理解，以下细节的许多变化和修改都在本发明的范围内。因此，下文所述的本发明方面是在不对随后的权利要求的一般性造成任何损失且不施加限制的情况下加以阐述的。
一般来说，本公开内容的各种实施方案描述了通过对用于加热该加热器区域的相应加热器迹线的电阻测量以及使用该加热器迹线的电阻的温度系数的相关函数来确定静电卡盘(ESC)的相应加热器区域的近似温度的系统和方法。由于本公开内容的实施方案并不需要插入专用的温度探针和/或传感器至ESC的层的切口(本应为传感器专用位置)中，所以ESC本身可以比传统的ESC更薄。
此外，本公开内容的实施方案提供了对ESC表面上的射频(RF)均匀性的改进，因为在ESC陶瓷中并没有如传统配置用于温度测量的ESC所要求的用于直接温度感测的切口、孔等等。
此外，由于不存在直接的温度传感器组件嵌入在ESC里的需求(即没有光纤传感器、带隙传感器等)，因此与先前的系统相比，本公开内容的实施方案的ESC加热控制系统可以更经济地制造并且节省大量成本。
此外，由于本公开内容的实施方案的ESC加热系统不需要像以前的加热系统中那样使用温度传感器，因此它们可以在高温下(例如高于摄氏150度的工作范围)操作而无需像以前那些用于直接感应ESC的加热器区域温度的温度传感器一样考虑加热限制(例如带隙传感器可以在最高摄氏150度下运行)。
此外，因为相比于对在RF热边界外的加热器区域的温度提供开放性回路控制的先前加热控制系统，因该系统的温度测量的准确性较差，本公开内容的实施方案提供了更准确的温度测量，所以对加热器迹线进行原位(例如在RF热边界内)闭回路控制是可能的。
此外，因为对用于加热ESC的加热器区域的加热器迹线的厚度并没有要求，当为了确定温度的目的而测量电压和电流，加热器迹线可以被制成任意地薄，并且仍然被配置成用于在本公开内容的实施方案中测量电压和电流，以确定加热器迹线的温度并且估计加热器区域的温度。
另外，相比于传统的具有有限数量的加热器区域的加热器系统，由于其需要空间温度传感器、且因ESC陶瓷的低热传导性而在加热器迹线与相应加热器区域之间的温度关联性的分辨率低，本发明的实施方案可以在将热能施加到ESC的多个加热器区域时提供进一步的处理控制，因为可以通过对那些加热器迹线的闭回路控制而将加热器迹线制造成任意地细，从而使ESC内配置的加热器区域(例如分布在整个ESC中的单独控制的竖直加热器迹线)的数量更多。
此外，本公开内容的实施方案被配置成用于提供对加热器区域温度的更精确测量，这是因为测量加热器区域内的加热器迹线的电阻而不是感测加热器区域的陶瓷的温度降低了传统温度感测系统所经历的区域之间的温度串扰或泄漏对测量的影响。
本公开内容的实施方案涉及等离子体处理模块，例如用于以下项目中的那些等离子体处理模块：等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转漂洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、斜角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及在半导体晶片制造和/或制造过程中可能关联或使用的任何其他半导体处理系统，以包含例如电镀、电蚀刻、电抛光、电化学机械抛光、沉积、湿式沉积以及通硅通孔(TSV)处理的处理。此外，本公开内容的实施方案不限于本文提供的示例，并且可以在采用不同配置、几何形状和等离子体产生技术(例如感应耦合系统、电容耦合系统、电子回旋共振系统、微波系统等)的不同等离子体处理系统中实践。等离子体处理系统和等离子体处理模块的示例在共同拥有的美国专利No.8,862,855、No.8,847,495和No.8,485,128以及美国专利申请序列No.15/369,110中公开，其全部内容通过引用而整体并入。重要的是，本公开内容的实施方案的等离子体处理模块包含被配置成用于支撑衬底的静电卡盘，其中，可以通过用于加热加热器区域的相应加热器迹线的电阻测量以及使用加热器迹线的电阻的温度系数的加热器迹线的相关函数来确定ESC中的相应加热器区域的近似温度。通过相应加热器迹线的电阻测量以及相应的相关函数所确定的加热器区域的温度可以应用于加热除了配置用于支撑衬底的加热元件之外的其他加热元件。例如，在其他实施方案中，加热元件可以包含喷头、ESC、支撑卡盘、基座、室部件或者可以安装在用于处理衬底的反应器、室、处理模块等中的其他结构或部件。
在整个说明书中，如本文所用的术语“衬底”是指本公开内容的实施方案中的半导体晶片。然而应该理解，在其他实施方案中，术语“衬底”可以指由蓝宝石、GaN、GaAs或SiC或其他衬底材料所形成的衬底，并且可以包含玻璃面板/衬底、金属箔、金属片、聚合物材料或类似物。而且，在各个实施方案中，本文所指的衬底可以在形式、形状和/或尺寸上变化。例如，在一些实施方案中，本文所指的衬底可以对应于200mm(毫米)的半导体晶片、300mm的半导体晶片或450mm的半导体晶片。另外，在一些实施方案中，本文所指的衬底可以对应于非圆形衬底，例如用于平面显示器的矩形衬底等，并且可以包含其他形状。
在对于多种实施方案有上述一般性理解的情况下，现将参考各种附图描述实施方案的示例性细节。一或更多附图中有类似编号的组件和/或部件意指通常具有相同配置和/或功能。此外，附图可能不是按比例绘制，而是意在说明及强调新的构思。显然，本发明的实施方案可在不具有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。另一方面，本文不再详细说明众所周知的处理操作，以避免不必要地使本发明的实施方案难以理解。
图1说明了反应器系统100，其可用于在衬底上沉积膜，例如在原子层沉积(ALD)处理中形成的那些膜。这些反应器可利用一个或更多个加热器，并可以在此示例性反应器中使用公共端子配置，以控制针对均匀性或定制设定的温度。更特别地，图1说明了用于处理晶片101的衬底处理系统100。所述系统包括具有下室部分102b和上室部分102a的室102。中心支柱160被配置为支撑基座140，在一实施方案中，所述支撑基座为供电电极。基座140经由匹配网络106电耦合至RF功率源104。通过控制模块110(例如，控制器)控制RF功率源104。控制模块110被配置为通过执行工艺输入和控制108来操作衬底处理系统100。工艺输入和控制108可包括工艺配方，例如功率水平、定时参数、工艺气体、晶片101的机械运动等，以例如在晶片101上方沉积或形成膜。
基座140包含静电卡盘(ESC)310，静电卡盘(ESC)310被配置成在暴露于产生等离子体的等离子体处理环境中时保持衬底101。本公开内容的实施方案提供了在反应器系统100内的等离子体处理操作期间对ESC310的一或多个加热器区域的确定和/或测量。具体而言，通过对用于加热加热器区域的相应加热器迹线的电阻测量以及使用加热器迹线的电阻温度系数的加热器迹线的相关函数来确定相应加热器区域的近似温度。
中心支柱160还包括升降销(未示出)，升降销的每一个都通过对应的升降销致动环120致动，所述升降销致动环120如通过升降销控制器122控制。升降销用于将晶片101从基座140举起，以使得末端执行器能拾取晶片101并在通过末端执行器放置之后降低晶片101。衬底处理系统100还包括连接至工艺气体114(例如设施的气体化学物质供应源)的气体供应歧管112。根据所执行的处理，控制模块110控制经由气体供应歧管112的工艺气体114的输送、室压力、从一或多个RF电源产生的RF功率、排放泵等。然后，所选择的气体流入喷头150，并分配在面向晶片101的喷头150面和放置于基座140上方的晶片101之间所限定的空间容积中。在ALD工艺中，气体可以是选择为用于吸收或与所吸收的反应物进行反应的反应物。
此外，气体可预混合或不预混合。可采用适当的阀门和质量流量控制机构来确保在工艺的沉积和等离子体处理阶段期间输送正确的气体。工艺气体经由出口离开室。真空泵(例如，一级或二级机械干式泵和/或涡轮分子泵)通过闭环控制式限流设备(例如节流阀或钟摆阀)将工艺气体抽出并在反应器内维持适当的低压。
还显示了围绕基座140的外区域的承载环175。承载环175配置为安置于承载环支撑区域上方，所述承载环支撑区域位于基座140中心中的晶片支撑区域往下的台阶。承载环175包括其圆盘结构的外边缘侧(例如，外半径)，以及其圆盘结构的晶片边缘侧(例如，内半径)，其最接近晶片101所在的位置。承载环175的晶片边缘侧包括多个接触支撑结构，其配置为当通过蜘蛛式叉180举起承载环175时举起晶片101。因此，承载环175与晶片101一起举起并且可旋转至例如多站系统中的另一站。在其他实施方案中，室为单站室。
此外，原位加热器温度控制器200被配置成用于控制基座140的ESC310的一或多个加热器区域的温度。加热器区域用于在衬底处理期间精确控制ESC310的表面温度。可控的多个加热器区域提供了调节ESC310的温度迹线(例如径向迹线等)的能力，以补偿变动的环境情况(例如热损失情况、在不同处理步骤之间变化的传热情况等)。在一实施方案中，原位加热器温度控制器200可以在具有相应加热器区域的加热器迹线的闭回路配置中独立操作。在另一实施方案中，原位加热器温度控制器200可以在具有相应加热器区域的加热器迹线的闭回路配置中与控制器110结合操作。在实施方案中，原位温度控制器200位于室102中。在其它实施方案中，可以有多个温度控制器位于室102内部和外部，如下文所述。
图2显示了用于处理半导体衬底的反应器系统100的系统图，该反应器系统包含室102，其包含具有ESC310的基座140，其中ESC310包含由一或多个加热器迹线加热的一或多个加热器区域，且每一加热器迹线被配置成用于温度感测，根据本公开内容的一实施方案，其中加热器迹线由一或多个原位温度控制器所控制。图中显示了设置在基座140上方的半导体衬底101。喷头150用于供应被用于在室102中制造和产生等离子体的工艺气体。气体供应源114根据所执行的处理配方来供应一或多种气体。控制器110用于对反应器系统100的各个部件提供指令，所述部件包含例如气体供应源114、压力控制器、温度控制器和其他处理参数之类的设施。
此外，基座140的ESC310可以被配置有一或多个加热器区域，其中在一实施方案中，该加热器区域在处理过程中被一或多个原位温度控制器200可控制地加热。例如，一或多个原位温度控制器200被配置成用于控制ESC310的一或多个加热器区域的温度。原位温度控制器200位于RF热边界内，使得通过定位于室102内，每一原位温度控制器200均暴露于处理条件(例如提高的温度、压力等)下。在实施方案中，ESC310的一或多个加热器区域可以由一或多个原位温度控制器和/或控制器110控制。即，每一加热器区域可以由(1)一或多个原位温度控制器200独立地控制，(2)单独地由控制器110(即位于RF热边界之外)所控制，或由(3)一或多个原位温度控制器200和/或控制器110的组合所控制。出于多种原因，拥有多个能够控制一或多个加热器区域温度的温度控制器可能是有益的，其原因包含但不限于在控制器故障的情况下提供支持、通过将温度控制器放置在一或多个位置来进行精度控制、通过将不同的控制器分配给不同的加热器区域等来提高效率。
仅出于说明目的，ESC310可以配置有两个加热器区域，由加热器迹线R-in(例如电阻元件)加热的内部加热器区域以及由加热器迹线R-out(例如电阻元件)加热的外部加热器区域。加热器电源240A被配置成向布置在ESC310中的外部加热器区域供应功率。在实施方案中，原位温度控制器200、控制器110或其组合被耦合到加热器电源240A和加热器电源240B，以控制供应至加热器迹线R-in和加热器迹线R-out的功率，由此控制内部和外部加热器区域内的温度。例如，在一实施方案中，原位温度控制器200可以以闭回路配置而耦合到加热器电源240A和加热器电源240B，以控制内部和外部加热器区域内的温度。在另一实施方案中，控制器110可以以闭回路配置而耦合到加热器电源240A和加热器电源240B，以控制内部和外部加热器区域内的温度。在又一个实施方案中，原位温度控制器200和/或控制器110以闭回路配置耦合到加热器电源240A和加热器电源240B，以控制内部和外部加热器区域内的温度。为了清楚和简洁起见，描述了本说明书中的多个实施方案，其中ESC310的一或多个加热器区域由原位温度控制器200控制，但应当理解，在其他实施方案中，加热器区域可以由原位温度控制器200和/或控制器110单独或以各个组合方式来控制。
具体而言，原位控制器200的功能提供用于加热相应加热器区域的相应加热器迹线的电阻测量，其中电阻测量是通过一或多个电压测量和电流测量来确定的。接下来，相应加热器区域的近似温度是使用电阻测量和加热器迹线的相关函数来确定的，其中该相关函数使用加热器迹线的电阻的温度系数。在一闭回路配置中，可以使用该加热器区域所确定的近似温度来确定待供应至相应加热器区域的功率。例如，如果相应加热器区域的近似温度低于期望温度，那么就可以施加更多的功率至加热器迹线，以增加该加热器区域的温度。另一方面，如果相应加热器区域的近似温度高于期望温度，那么就可以施加较少的功率到加热器迹线，以降低该加热器区域的温度。具体而言，加热器电源240A可以耦合到内部加热器区域，而加热器电源240B可以单独地耦合到外部加热器区域。通常，加热器电源240A能够供给电压V-in到加热器迹线R-in中来影响内部加热器区域中温度的变化。类似地，加热器电源240B能够供给电压V-out到加热器迹线R-out，以影响外部加热器区域中的温度变化。
图3A显示了根据本公开内容的一实施方案的示例性衬底保持器的竖直截面图，该衬底保持器被配置成作为静电卡盘，其包含由一或多个加热器迹线加热的一或多个加热器区域，而每一加热器迹线被配置成用于温度感测。具体而言，该衬底保持器可以是ESC310或其他类型的衬底支撑构件。为了简洁和清楚起见，在说明书中将衬底保持器描述为静电卡盘。
ESC310可以是基座140的最上层。此外，ESC310可以包含底板、设置在底板上方的粘合层、以及设置在粘合层上方的陶瓷层，其中该粘合层将陶瓷层固定在底板上。为了简洁和清楚起见，并未显示底板、粘合层和陶瓷层。陶瓷层可以包含一或多个层。ESC310的顶表面可以包含被配置成在处理期间支撑衬底101的区域。
ESC310可以包含一个或多个耦合到钳位电压电源(未显示)的钳位电极(未显示)，以将被支撑的衬底夹持到ESC310上。在一些实施方案中，单一电极可以被配置成产生用于将衬底101保持在陶瓷层上的电场。在其他实施方案中，两个或更多个钳位电极可以被配置成在电极之间产生差分电压，然后产生用于将衬底101保持在陶瓷层上的电场。
如图所示，ESC310包含一个或多个加热器区域。例如，ESC310可包含多个加热器区域，例如加热器区域1(320-A)、加热器区域2(320-B)、一直到加热器区域N(320-N)，其中每一加热器区域均可被单独地控制(例如，一加热器区域可以独立于另一加热器区域而被控制)。在一实施方案中，这些加热器区域位于相同的水平面中。在另一实施方案中，这些加热器区域可以位于不同的水平面中，使得第一加热器区域和第二加热器区域可以位于不同的水平面中。每一加热器区域可以包含加热器迹线(例如电阻元件)，其电耦合到用于控制供应功率至相应加热器迹线(例如通过相应的加热器电源来供应功率-未显示)的控制器。每一加热器迹线可以整合在相应的加热器区域中或嵌入在相应的加热器区域中，并且被配置成提供热能至相应的加热器区域。例如，可以制造加热器迹线并使其形成于ESC310的陶瓷层内，以使加热器迹线设置在陶瓷层的内部。这样，由加热器迹线所产生的热能可以被传递到陶瓷层。每一加热器迹线均具有输入端和输出端。每一加热器迹线均可以由相应的原位温度控制器200控制。例如，相应的原位温度控制器200可以耦合在相应加热器迹线的输入端与加热器迹线的输出端之间。如前所述，控制器可以是原位温度控制器200、控制器110或其组合。例如，加热器区域1经由输入线路305A(例如耦合到加热器迹线1的输入端)和输出线路307A(例如耦合到加热器迹线1的输出端)来耦合到原位温度控制器A(200A)。即，原位温度控制器A(200A)耦合在加热器区域1(320-A)的加热器迹线1的输入端和输出端之间。而且，原位温度控制器B(200B)耦合在加热器区域2(320-B)的输入端(例如通过输入线路305B)和加热器迹线2的输出端(例如通过输出线路307B)之间。其他的加热器迹线也受到类似的控制，以包含耦合在加热器区域N(320-N)的加热器迹线N的输入端(例如通过输入线路305N)和输出端(例如通过输出线路307N)之间的原位温度控制器N(200N)。在实施方案中，一或多个原位温度控制器200可以用于控制一或多个加热器区域，使得每一加热器区域可以由相应的原位温度控制器200以一对一的关系进行控制，或者可以使原位温度控制器200的数量少于加热器区域的数量来进行处理，或者也可以使用一个原位温度控制器200来进行处理。
每一原位温度控制器200被配置成用于感测在相应加热器迹线两端的电压差和跨越相应加热器迹线的电流，以确定加热器迹线的测量电阻。所测量的电阻可以用于使用相关函数来确定由加热器迹线加热的相应加热器区域的近似温度。相关函数根据加热器迹线的电阻温度系数对温度与电阻之间的关系进行建立模型。以这种方式，一旦知道加热器迹线的电阻和相应的电阻温度系数，就可以确定相应加热器区域的近似温度。例如，原位温度控制器A(200A)被配置成用于感测在加热器区域1(320-A)的加热器迹线1的输入端处的电压以及在加热器迹线1的输出端处的电压，从而测量或计算加热器迹线1两端的电压差。此外，原位温度控制器A(200A)被配置成感测通过加热器迹线1的电流。该电流在整个加热器迹线1内应是一致的，并且可以在一或多个位置(例如线路307A上方)处测量。通过感测到的电压差和感测到的电流便可以确定电阻测量值。接着利用相应的相关函数而将该电阻测量值来确定相应的加热器区域的近似温度，如先前所描述的。
因此，无需使用嵌入在ESC310中的温度传感器就可以确定加热器区域的近似温度。具体而言，相应的原位温度控制器200被配置成用于确定相应加热器区域的近似温度，而不需使用嵌入到ESC310内的温度传感器。原位温度控制器被配置成用于探测和/或连接到提供电流以在包含相应加热器迹线的ESC310的加热器区域内产生热的电路，以便感测在加热器迹线两端的电压和/或电流。探测和/或连接可以在陶瓷层外部(例如使用引线路、连接至电路等)并且在RF热环境中进行。在其他实施方案中，电流感测、电压感测、电阻测量和/或确定以及温度测量和/或确定可以通过算法编程到原位温度控制器200中。
在一实施方案中，原位温度控制器(例如200A、200B...200N)位于RF边界330内，以使控制器位于室102的RF热环境中，例如暴露于处理室102的处理条件下。以此方式，本公开内容的实施方案提供用于在RF热环境内的原位电阻测量，且进一步提供对供应至相应加热器迹线的功率的原位控制。原位温度控制器200可以安装在ESC控制板上，该ESC控制板被配置成驱动加热器区域并提供与位于RF边界外部(例如RF冷环境)的用户接口(例如通过光纤布线以减少RF反馈)之间的通信。也就是说，原位温度控制器200可以被配置成控制供应至用于加热相应加热器区域的相应加热器迹线的功率。在一实施方案中，功率是使用脉宽调制(PWM)来供应。通过每一原位温度控制器200，控制板被配置成用于测量在相应加热器区域的每一加热器迹线两端的电压和电流，并计算ESC310的相应加热器区域的近似温度，如前所述。
图3B显示一加热系统，其被配置成用于提供热能至图3A的静电卡盘310的特定加热器区域，其中根据本公开内容的一实施方案，原位温度控制器200控制通过被配置成向加热器区域320提供热能的相应加热器迹线345所测量的加热器区域320的温度。具体而言，加热器迹线345包含输入端351和输出端352，其中加热器迹线345被耦合到电源240。例如，电源240通过线路305而供应功率到输入端351。电源240通过线路307而耦合到输出端352。此外，在一实施方案中，原位温度控制器200耦合在加热器迹线的输入端351和输出端352之间。例如，原位温度控制器200可以耦合到线路305和307以感测电压和/或电流。此外，原位温度控制器200耦合到电源240以传递控制信号。例如，加热器迹线345、原位温度控制器200、以及电源240可以以闭回路方式耦合，使得原位温度控制器200可以基于计算出的加热器区域320的温度以及加热器区域320的期望温度而用于控制待供应至加热器迹线345的功率。
具体而言，原位温度控制器200被配置成用于对加热器迹线345进行原位电阻测量，以确定ESC310的相应加热器区域320的近似温度。在一实施方案中，无需使用嵌入或位于相应加热器区域中的温度传感器来确定该近似温度。本公开内容的实施方案提供了电压、电流和/或电阻的测量，从而以比现有温度感测系统低得多的成本来确定在高操作温度下(例如超过摄氏150度)的近似温度。此外，由于在ESC的至少一层中不存在温度感测切口以及连接线路，因此本公开内容的实施方案的温度感测系统在ESC覆盖区上提供了改善的RF均匀性。
原位温度控制器200被配置成通过测量在加热器迹线345两端的电压来执行电压感测360。例如，在一实施方案中，原位温度控制器200可以耦合到加热器迹线345的输入端351来测量加热器迹线345的输入电压(V-in)。原位温度控制器200可以耦合到模拟加热器迹线的输入端351的节点355。此外，原位温度控制器200可以耦合到加热器迹线345的输出端352，以测量加热器迹线345的输出电压(V-out)。原位温度控制器200可以耦合到模拟输出端352的节点357。原位温度控制器200可以被配置成确定输入电压和输出电压之间的电压差。
此外，原位温度控制器200被配置成用于通过测量流过加热器迹线345的电流来执行电流感测370。例如，原位温度控制器200可耦合到输入线路305的任何节点356或355以测量电流I，该电流I也流经加热器迹线345。此外，原位温度控制器200可以耦合到输出线路307的任一节点357或358，以测量相同的电流I，该电流I也流经加热器迹线345。这样，原位温度控制器200可以配置成测量和/或感测在加热器迹线345两端的电压和电流，以计算ESC310的加热器区域320的近似温度，如下面进一步所描述。另外，功率控制器380被配置成基于所确定的加热器区域320的近似温度以及可能的加热器区域320的期望温度来确定向加热器迹线345供应什么功率，如下文所进一步描述的。例如，功率控制器380可以为电源240输送特定的电压电平以供应给加热器迹线345，或者可以为电源240输送递增的电压以沿着负向或正向来调节电压。由加热器迹线345产生的(如通过电源产生的)热能被传递至在ESC中的相应加热器区域。
图3C根据本公开内容的一实施方案显示了图3B的原位温度控制器200的功率控制器380，原位温度控制器200被配置成用于控制供应至加热器迹线345的功率，以控制加热器区域320的温度。如前所述，原位温度控制器200被配置成用于实时感测在加热器迹线345两端的电压差(Vhtr)，并且实时感测通过加热器迹线345的电流(Ihtr)。
另外，功率控制器380的电阻识别器365被配置成用于基于感测到的电压差和感测到的电流(例如实时地)来识别出加热器迹线345的电阻。具体而言，可以使用以下等式来计算加热器区域320的加热器迹线345的电阻(Rhtr)：
Rhtr＝Vhtr/Ihtr (1)
ESC 310的相应加热器区域320的近似温度395可以由温度相关器385通过基于识别出的电阻(Rhtr)和加热器迹线的电阻温度系数的相关函数来获得。在一实施方案中，相关函数为线性的。在其他实施方案中，相关函数是非线性的。在一实施方案中，在没有温度传感器嵌入或位于ESC310的加热器区域320中的情况下，确定了相应加热器区域320的近似温度395。如前所述，在一实施方案中，在ESC 310中并没有提供传感器以用于确定相应加热器区域的温度。具体而言，温度传感器、电压传感器和电流传感器在ESC 310内并没有提供、也没有嵌入在ESC 310内(例如在层的切口中)。电流和电压感测可以由位于ESC外部且在RF热环境内的原位温度控制器200来执行。例如，可以使用探针、连接等来感测电压和电流。此外，在一实施方案中，电压感测、电流感测、电阻测量和/或确定以及温度测量和/或确定可以通过算法编程到原位温度控制器200中。
具体而言，相应加热器迹线(例如迹线345)的相关函数基于几个参数，包含加热器迹线345在加热器迹线345的校准温度(T0)下的校准电阻(Rhtr@T0)以及加热器迹线345的电阻温度系数TCRhtr。在一实施方案中，校准测量可以在校准(预定义的)温度T0(例如大约是室温的摄氏20度)下确定。例如，可以在制造期间于工厂执行校准。也就是说，在已知温度T0下，可以测量和/或校准电阻(Rhtr@T0)。通常，电阻的温度系数TCRhtr定义了特定材料在每一度温度变化下的电阻变化。即，随着特定材料的温度变化，该材料的相关电阻也将变化，如同其相应的电阻温度系数所定义的。加热器迹线和/或嵌入在ESC中的加热器迹线的电阻温度系数可以是已知的(例如预定义的)和/或校准的，如下文所描述的。
在一些实施方案中，加热器迹线345包含作为电导体的钨。在其他实施方案中，加热器迹线345尤其可以包含用于导电的钼、钽、钨、钯、钌、铂、合金中的一或多种。在一实施方案中，用于加热器迹线345的材料具有约4.1×10-3(0.0041)的最小电阻温度系数。在另一实施方案中，用于加热器迹线345的材料具有约4.4×10-3(0.0044)的最小电阻温度系数。
由于用于特定加热器迹线的材料的已知或校准特性(例如具有已知电阻温度系数--TCRhtr)，ESC的相应加热器区域(即通过加热器迹线加热)的近似温度395(Tempzone)可以基于以下等式计算：
Rhtr＝Rhtr@T0*[1+TCRhtr*(Tempzone–T0)] (2)
因为加热器迹线的电阻(Rhtr)可以被测量，并且剩余的参数(校准温度下的校准电阻--Rhtr@T0以及电阻温度系数--TCRhtr)已知被预定义和/或校准，故可以确定加热器迹线的温度(Tempzone)，该温度可以估计作为相应加热器区域的温度395。加热器区域的近似温度395可以被定义为加热器区域的测量温度。具体而言，等式3始于等式2并解出加热器区域的实时近似温度395：
Tempzone＝(Rhtr/Rhtr@T0-1)/TCRhtr+T0 (3)
在一实施方案中，相关函数为线性的，其中相关函数将加热器迹线的电阻与加热器迹线的温度和/或由加热器迹线加热的相应加热器区域的近似温度关联在一起。也就是说，TCRhtr在适当的温度范围内是恒定的，因此，相关函数在该温度范围内将是线性的，其中相关函数的斜率为电阻的温度系数—TCRhtr。在一实施方案中，TCRhtr针对加热器迹线的材料进行校准(单独使用)。在这种情况下，加热器区域的温度响应近似于用于加热相应加热器区域的加热器迹线的温度响应。当假设加热器迹线的材料的电阻温度系数为线性时，就可以在加热器区域和加热器迹线两者的温度响应之间做出良好的估计。
在其他实施方案中，相关函数是非线性的。即，TCRhtr在适当的温度范围内并非恒定的。TCRhtr仍然可以定义相关函数在特定点的曲线斜率。在一实施方案中，将TCRhtr针对嵌入在ESC内的加热器迹线来校准。当相关函数为线性或非线性时可以执行校准，但是在相关函数为非线性时尤其有用，以获得更准确的温度计算。在这种情况下，可以针对嵌入在ESC内的加热器迹线在适当温度范围内校准相关函数。例如，可以执行对加热器区域的温度和加热器迹线的电阻的测量，以确定更准确的相关函数，其中，该相关函数定义了加热器迹线的校准电阻以及由加热器迹线加热的加热器区域的校准温度响应之间的关系。
可以提供加热器区域的近似温度395作为对功率控制器380的温度比较器387的输入。也可以提供加热器区域的期望温度390(例如如由工艺配方预定义的)作为对温度比较器387的输入。温度比较器387可以被配置成确定加热器区域的近似温度395与期望温度390之间的差。此外，功率选择器391可以被配置成分析该差并将加热器区域的近似温度395与期望温度390相匹配。例如，功率选择器391可以被配置成施加预定响应，以使这两个值相匹配。这样，功率选择器391便提供待在电源240处施加的响应作为输出399，从而控制了施加至加热器区域320的加热器迹线345的功率。该响应可以通过闭回路分析来确定。也就是说，原位温度控制器200的功率选择器391执行加热器区域320的近似温度395的闭回路分析，以控制由电源240供应至加热器迹线345的功率，使得近似温度395匹配加热器区域的期望温度390(例如在整个预定时间区段内)。
例如，功率选择器391可以提供待由电源240供应至加热器迹线345的电压电平(V-in)以作为输出399。在另一实施方案中，功率选择器391可以响应于加热器区域的近似温度395与期望温度390之间测量差的历史来执行迭代处理以变更由电源240供应的电压电平(V-in)，以便匹配在预定时间区段内的加热器区域的近似温度395与期望温度390。
图3B和3C的原位温度控制器200以及功率控制器380的逻辑部件显示出用于执行各个功能(例如电压感测、电流感测、电阻识别器、温度相关性、温度比较器、功率选择、功率控制等)的示例性配置。应当理解，原位温度控制器200和功率控制器380内描述的逻辑部件的功能可以在逻辑上以多种不同的配置来安排。例如，功率控制器380的一些功能可以分离出来而在原位温度控制器200内提供，反之亦然。
本公开内容的实施方案提供了一种用于静电卡盘的多区域加热系统。例如，可以使用相应的电阻元件来加热每一区域。在一实施方案中，双区域加热系统包含圆形加热区域，例如具有用于加热的加热器迹线R-in(例如电阻元件)的内部加热器区域以及具有用于加热的加热器迹线R-out(例如电阻元件)的外部区域。应当理解，双区域加热系统仅是一个示例，并且可以支持各种布局配置。例如，可以提供具有一或多个加热器区域的加热系统，例如包含内部区域、中间区域和外部区域的三个加热器区域系统。各系统之间的加热器区域的数量可以变化，以包含例如数量为1至5个的加热器区域，或包含数量为5至10个或5至15个、或大于5个的加热器区域或大于10个的加热器区域、或大于20个加热器区域、或大于50个加热器区域、或大于75个加热器区域、或大于100个加热器区域、或大于125个加热器区域。在还有的其他的示例中，可以以层来将加热器区域分组，其中一组多个加热器区域在一个水平层，并且至少一个其他层包含另一组的多个加热器区域。在其他实施方案中，加热器区域可以以多种构造来定向，例如饼形、圆形定向的加热圈、单个电阻元件的格栅、之字形电阻元件、单一电阻元件等。作为实施方案的说明，一些布局构造可以为多个区域提供电阻元件的连续圆形环。如先前所提到的，用于加热相应加热器区域的电阻元件和/或加热器迹线可以整合到限定基座的陶瓷内，之后在其上接收用于处理的衬底。
在一实施方案中，在ESC的一层中提供了多区域加热系统，其中，这些区域被布置在整个ESC的格栅中。格栅中的每一元件都可独立控制以提供热能。例如，该格栅可以配置成用于加热元件的14×14格栅，例如相应的加热器迹线和/或电阻元件。在一实施方案中，可以以一对一的关系提供加热器区域的数量，使得具有14×14个加热器区域。在另一实施方案中，提供一些加热元件以用于冗余，使得加热器区域的数量少于加热元件的数量。例如，可以存在由14×14个加热器元件(例如加热器迹线、电阻元件等)的格栅所支撑的12×12个加热器区域的配置。在其他实施方案中，加热元件的格栅图案可以是对称的、不对称的、整个格栅图案均匀分布的、整个格栅图案不均匀分布的、适合在ESC的轮廓内的各种形状等。所述的加热系统可以被提供在ESC的一层中，并且可以配置用于提供对整个ESC的热能的微调。
在另一实施方案中，加热系统可以分布在ESC的多个层上。例如，一层可用于微调提供给ESC的热能。热能的微调可以通过上述的用于多区域加热系统的格栅图案(例如，12×12格栅的加热元件、14×14格栅的加热元件等)来提供。加热系统可以包含另一层的一或多个加热区域，其被配置成提供施加到ESC的热能的粗调。例如，可以在整个ESC设置一或多个加热器区域的环，例如双加热器区域ESC(例如两个加热器区域)、三加热器区域ESC(例如三个加热器区域)或四加热器区域ESC(例如四个加热器区域)。
在一实施方案中，本公开内容的实施方案不受限于因为陶瓷的低热导率而在加热器迹线与该加热器区域的测量温度(例如通过温度传感器)之间的温度关联性的低分辨率。在传统的温度测量和加热系统中(例如使用直接温度传感器)，加热器迹线的厚度不能低于阈值(例如10mm)，因为上述的低分辨率温度关联性，低于该阈值的加热器迹线便无法准确地被测量。这也限制了具有精确温度感测(例如使用直接温度传感器)的传统加热系统中可以提供多少个加热器区域。另一方面，本公开内容的实施方案具有在加热器迹线和加热器区域的测量温度之间的高分辨率的温度关联性，这是因为对于具有低噪音的电压和电流测量具有高分辨率。以这种方式，本公开内容的实施方案可以提供具有大幅低于先前施加的10mm阈值的横截面的加热器迹线。此外，本公开内容的实施方案可以提供横截面宽度(例如横截面的水平宽度)小于10mm的加热器迹线并具有任意厚度。这是因为高分辨率的电压和电流测量具有较低的噪音，无论加热器迹线的厚度如何，都可以精确地测量电压和电流，并且可以更精确地测量相应加热器区域的近似温度。另外，本发明的实施方案可以在将热能施加到ESC的多个加热器区域时提供更进一步的处理控制，因为可以通过对那些加热器迹线的闭回路控制来任意地使加热器迹线变薄，由此增加配置于ESC中的加热器区域(例如分布在整个ESC中的独立控制的垂直加热器迹线)的数量。
图4为根据本公开内容的一实施方案的流程图400，其显示了一种使用整合在ESC中的相应加热器迹线来控制静电卡盘的加热器区域的温度的方法，该加热器迹线被配置成用于温度感测并向加热器区域提供热能。流程图400的方法可以应用在图1和2的一或多个等离子体处理模块100以及图3A-3C所述的系统。
在步骤410处，本方法包含从电源供应功率至加热器迹线。加热器迹线可以整合在用于等离子体处理室的ESC的加热器区域中。加热器迹线被配置成用于提供热能至加热器区域。加热器迹线可以具有耦合到该电源的输入端和输出端，如先前所描述的。供应至加热器迹线的功率由温度控制器所控制，例如用于提供加热器迹线的电阻的原位(例如在RF热环境中)测量并将该电阻与相应加热器区域的近似温度相关联的温度控制器。
在420处，本方法包含实时感测加热器迹线的输入端和输出端之间的电压差。具体而言，温度控制器被配置成用于感测加热器迹线的输入端处的输入电压，并且感测加热器迹线的输出端处的输出电压，如先前所述。以这种方式，可以通过温度控制器确定加热器区域内的在加热器迹线两端的电压降。在一实施方案中，电压和电流的感测在等离子体处理室的RF热环境内执行。
在430处，本方法包含在加热器迹线中实时感测电流。具体而言，温度控制器被配置成用于感测通过加热器迹线的电流，如前所述。因为在包含加热器迹线的整个电路中的电流应该是相等的，所以可以在电路内多个节点中的任一节点处感测电流。例如，可以在加热器迹线的输入端或输出端、或者在感测电压的位置处感测电流。其他位置可用于发送电流。在一实施方案中，在等离子体处理室的RF热环境内执行电流的感测。
在440处，本方法包含基于感测到的电压差和感测到的电流来实时地识别加热器迹线的电阻。具体而言，温度控制器被配置成用于识别电阻，如前所述。在一实施方案中，通过电路的电压(V)、电流(I)和电阻(R)的关系来确定电阻：V＝I*R。
在450处，本方法包含基于所识别的电阻和加热器迹线的相关函数来估计加热器区域的温度。具体来说，在一实施方案中，加热器区域的近似温度的确定不在ESC的加热器区域中使用温度传感器(例如嵌入在ESC的层中的温度传感器)，如前所述。相关函数使用加热器迹线的电阻的温度系数。在实施方案中，如前所述，相关函数可以是线性的或非线性的。
在一些实施方案中，相关函数可以是线性的，其中电阻的温度系数在适当的范围(例如操作范围)内是恒定的。相关函数是针对特定的加热器迹线所定义的，尤其是针对嵌入在ESC中的加热器迹线。图5提供了相关函数500的图示，其中，相关函数定义了加热器迹线的电阻与温度之间的线性相关和/或关系，其中该加热器迹线被配置成用于向静电卡盘的加热器区域提供热能。相关函数500使用加热器迹线的电阻的温度系数(TCRhtr)，其中，相关函数的斜率大约是加热器迹线和/或嵌入在ESC中的加热器迹线的电阻的温度系数(TCRhtr)。在一实施方案中，将相关函数500校准到加热器迹线。例如，可以在ESC的制造和/或生产期间在工厂执行校准。具体而言，对于给定的材料，电阻的温度系数(TCRhtr)是已知的。即，相关函数500中的线的斜率是已知的。校准为给定的校准温度(例如摄氏20度)和校准电阻(Rhtr@tQ)提供合适的线相交点。以这种方式，可以为特定的加热器迹线和/或嵌入在ESC的加热器区域内的加热器迹线定义相关函数。
在其他实施方案中，相关函数可以是非线性的。可以针对加热器迹线本身或针对嵌入在ESC中的加热器迹线在合适的操作温度范围内校准相关函数。例如，可以执行对加热器区域的温度和加热器迹线的电阻的测量，以确定非线性相关函数，如前所述，其中该相关函数定义了加热器迹线的校准电阻与由加热器迹线加热的加热器区域的校准温度响应之间的关系。
在一实施方案中，通过温度控制器对加热器区域的近似温度与加热器区域的期望温度执行闭回路分析。在一实施方案中，闭回路分析是在RF热环境中原位执行。以这种方式，可以如前所述般地使用闭回路分析来控制供应至加热器迹线的功率。例如，温度控制器可以迭代地改变供应至加热器迹线的功率，以在一段时间内使加热器区域的近似温度与期望温度匹配。在另一实施方案中，温度控制器可以提供通过对加热器区域的测量出的近似温度的预定义的响应而定义的电压输入。在一实施方案中，供应至加热器迹线的功率利用脉宽调制(PWM)来控制。在一实施方案中，如前所述，对加热器迹线提供原位功率控制，其中该闭回路分析是在等离子体处理室的RF热环境内执行。
在另一实施方案中，用户接口被配置成向用户提供信息。可以在等离子体处理室外部的显示器内提供用户接口。可以在用户接口中提供信息，其中该信息包含用于等离子体处理室的静电卡盘的第一加热器区域的第一温度，该静电卡盘被配置成用于支撑衬底。用户接口可以包含提供建议的警示，该建议包含待基于该信息而采取的至少一个动作。具体而言，第一温度由第一温度控制器所确定，该第一温度控制器被配置成：感测在整合于第一加热器区域的第一加热器迹线两端(例如在第一加热器迹线的输入端和输出端之间)的电压差；感测第一加热器迹线内的电流；基于感测到的该电压差以及该电流来识别第一加热器迹线的电阻；基于该电阻以及第一加热器迹线的相关函数来估计该第一温度。
在一些实施方案中，警示包含第一加热器区域的期望温度与第一温度之间的差，其中该差超过阈值。
在其他实施方案中，用户接口包含静电卡盘的第二加热器区域的第二温度。该第二温度由第二温度控制器确定，第二温度控制器被配置成：感测在整合于第二加热器区域的第二加热器迹线两端(例如在第二加热器迹线的输入端和输出端之间)的电压差；感测第二加热器迹线内的电流；基于该电压差以及在第二加热器迹线内感测到的该电流来识别第二加热器迹线的电阻；基于该电阻以及第二加热器迹线的相关函数来估计第二温度。在又一实施方案中，第一加热器区域和第二加热器区域位于不同的水平面上。
在一实施方案中，第一温度控制器被配置成对供应至第一加热器迹线的功率提供原位控制，使得第一温度控制器位于等离子体处理室的RF热环境内。具体而言，第一温度控制器对估计出的温度执行闭回路分析，以控制供应至第一加热器迹线的功率，使得估计出的第一温度与期望温度匹配。
A1)在一实施方案中，公开了一种用于处理衬底的等离子体处理系统。该等离子体处理系统包含反应器，其包含用于支撑衬底的静电卡盘(ESC)，该反应器被配置成用于接收工艺气体。该等离子体处理系统包含该ESC的加热器区域。该等离子体处理系统包含整合在该加热器区域的加热器迹线。加热器迹线被配置成用于提供热能至加热器区域。加热器迹线具有输入端和输出端。且等离子体处理系统包含温度控制器，其被配置成：感测在加热器迹线两端的电压差以及感测加热器迹线内的电流；基于感测到的该电压差以及该电流来识别加热器迹线的电阻；以及基于识别出的该电阻以及加热器迹线的相关函数来估计加热器区域的温度。其中该相关函数使用加热器迹线的电阻的温度系数。
A2)根据A1的等离子体处理系统，其中该相关函数是线性的或非线性的。
A3)根据A1)的等离子体处理系统，其中该温度控制器对加热器迹线的近似温度执行闭回路分析，以控制供应至加热器迹线的功率，使得近似温度与加热器区域的期望温度匹配。
A4)根据A1)的等离子体处理系统，其中该温度控制器被配置成用于对供应至加热器迹线的功率提供原位控制，使得温度控制器位于等离子体处理室的RF热环境内。
A5)根据A1)的等离子体处理系统，其中该温度控制器在不使用加热器区域中的温度传感器的情况下估计加热器区域的温度。
B1)一种用于处理衬底的等离子体处理系统。该等离子体处理系统包含用于等离子体处理室的静电卡盘(ESC)的第一加热器区域，其中该ESC被配置成用于在处理期间支撑衬底。ESC包含整合在加热器区域中的第一加热器迹线，该第一加热器迹线被配置成用于向第一加热器区域提供热能，该第一加热器迹线具有第一输入端和第一输出端。等离子体处理系统包含第一温度控制器，其被配置成用于感测在第一加热器迹线两端的第一电压差并且感测第一加热器迹线中的第一电流。该第一温度控制器被配置成用于基于感测到的第一电压差和感测到的第一电流来识别第一加热器迹线的第一电阻。该第一温度控制器被配置成用于基于所识别出的第一电阻和第一加热器迹线的第一相关函数来估计第一加热器区域的第一温度，其中第一相关函数使用第一加热器迹线的电阻的第一温度系数。
B2)根据B1)的等离子体处理系统，其中该第一相关函数限定了温度和电阻的线性相关，并且具有的斜率大约是第一加热器迹线的电阻的温度系数。
B3)根据B1)的等离子体处理系统，其中该第一相关函数限定了温度和电阻的非线性相关。
B4)根据B1)的等离子体处理系统，其中该第一相关函数是针对整合在ESC的第一加热器区域中的第一加热器迹线定义的。
B5)根据B1)的等离子体处理系统，其中第一温度控制器在不使用第一加热器区域中的温度传感器的情况下来估计第一加热器区域的第一温度。
B6)根据B1)的等离子体处理系统，其中该第一温度控制器对该第一加热器区域的估计出的第一温度执行闭回路分析，以控制供应至该第一加热器迹线的功率，使得该估计的第一温度匹配第一加热器区域的期望温度。
B7)根据B6)的等离子体处理系统，其中第一温度控制器使用脉冲宽度调制来控制功率。
B8)根据B6)的等离子体处理系统，其中该第一温度控制器被配置成对提供至该第一加热器迹线的功率提供原位控制，使得第一温度控制器位于等离子体处理室的RF热环境内。
B9)根据B1)的等离子体处理系统，其包含第二加热器区域以及整合在ESC的第二加热器区域中的第二加热器迹线。第二加热器迹线被配置成向第二加热器区域提供热能，第二加热器迹线具有第二输入端和第二输出端。该等离子体处理系统包含第二温度控制器，其被配置成：感测在第二加热器迹线两端的第二电压差并且感测第二加热器迹线中的第二电流；基于感测到的第二电压差以及感测到的第二电流来识别第二加热器迹线的第二电阻；并且基于所识别出的第二电阻和第二加热器迹线的第二相关函数来估计第二加热器区域的第二温度，其中第二相关函数使用第二加热器迹线的电阻的第二温度系数。
B10)根据B9)的等离子体处理系统，其中第一加热器区域和第二加热器区域在不同的水平面上。
B11)根据B1)的等离子体处理系统，其中第一加热器迹线的横截面的水平宽度小于10mm。
图6显示了用于控制上述系统的控制模块600。在一实施方案中，图1的控制模块110和/或图2的200可能包含控制模块600的一些示例性部件。例如，控制模块600可以包含处理器、存储器和一个或多个接口。控制模块600可以用于部分基于所感测的值控制系统中的设备。仅举例而言，控制模块600可基于所感测的值和其他控制参数控制阀602、过滤器加热器604、泵606、加热器区域320以及其他设备608中的一个或多个。仅举例而言，控制模块600从压力计610、流量计612和/或其它传感器616接收所感测的值。控制模块600也可以用来在膜的前体传送和沉积过程中控制工艺条件。控制模块600典型地将包括一个或多个存储设备和一个或多个处理器。
控制模块600可控制前体传送系统和沉积装置的活动。控制模块600执行计算机程序，计算机程序包括用于控制工艺时序、输送系统温度、以及跨过滤器的压差、阀位、气体的混合、室压力、室温度、衬底温度、RF功率水平、衬底卡盘或基座位置、以及特定工艺的其它参数的成组的指令。控制模块600还可以监测压力差，并自动将气相前体传送从一个或多个路径切换到一个或多个其它的路径。在一些实施方案中，可以使用存储在与控制模块600相关联的存储器设备的其它计算机程序。
控制模块600可以被配置成感测电压、感测电流、确定电阻、确定加热器区域的温度、以及基于所感测到的电压和电流来控制输送到加热器区域320的功率。具体而言，控制模块600可以被配置成确定ESC中的相应加热器区域的近似温度，其中该近似温度可以通过用于加热加热器区域的相应加热器迹线的电阻测量(例如通过感测电压和电流来确定)以及通过使用加热器迹线的电阻温度系数的加热器迹线的相关函数来确定。控制模块600可以被配置成针对期望温度来分析近似温度，并且指定要施加到加热器迹线的电压以作为响应。
典型地，将存在与控制模块600相关联的用户界面。用户界面可以包括显示器618(例如，装置和/或工艺条件的显示屏和/或图形软件显示)，以及用户输入设备620，如定点设备、键盘、触摸屏、麦克风等。
用于控制前体的传送、沉积和工艺序列中的其它处理的计算机程序可以用例如任何以下常规的计算机可读编程语言写入：汇编语言、C、C++、Pascal、Fortran或其它。编译的对象代码或脚本由处理器执行以执行在程序中识别的任务。
控制模块参数涉及工艺条件，诸如例如，过滤器的压力差、工艺气体组成和流速、温度、压力、等离子体条件(如RF功率水平和低频RF频率)、冷却气体压力、以及室壁温度。
系统软件可以以许多不同的方式设计或配置。例如，各种室部件子程序或控制对象可以被写入以控制进行本发明的沉积工艺所必需的室部件的操作。用于此目的的程序或程序段的示例包括衬底定位代码、工艺气体控制代码、压力控制代码、加热器控制代码和等离子体控制代码。
衬底定位程序可包括用于控制室部件的程序代码，室部件用于将衬底加载到基座或卡盘上并控制衬底和室的其他部件(例如气体入口和/或靶)之间的间距。工艺气体控制程序可包括用于控制气体组成和流速以及任选地用于在沉积之前使气体流入室以稳定室中的压力的代码。过滤器监控程序包括比较测得的一个或多个差值与预定的一个或多个值的代码和/或用于切换路径的代码。压力控制程序可以包括用于通过调节例如在室的排气系统中的节流阀来控制室中的压力的代码。加热器控制程序可包括用于控制通向加热单元的电流的代码，加热单元用于加热前体传送系统内的部件、衬底和/或系统的其它部分。替代地，加热器控制程序可控制传热气体(例如氦)到衬底卡盘的传送。
在沉积期间可被监测的传感器的示例包括，但不限于，质量流量控制模块，诸如压力计610之类的压力传感器、位于传送系统、基座或卡盘内的热电偶。经适当编程的反馈和控制算法可以与来自这些传感器的数据一起使用来维持所需的工艺条件。前述内容描述了本发明的实施方案在单室或多室半导体处理工具中的实施。
在一些实现方式中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述示例的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定处理部件(衬底基座、气体流系统等)。这些系统可以与用于在半导体晶片或衬底的处理之前、期间和之后控制它们的操作的电子器件集成。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种部件或子部件。根据处理要求和/或系统类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何处理，包括工艺气体的输送、温度设置(例如加热和/或冷却)、压力设置、真空设置、功率设置、射频(RF)产生器设置、RF匹配电路设置、频率设置、流率设置、流体输送设置、位置和操作设置、衬底转移进出工具和其他转移工具和/或与具体系统连接或通过接口连接的装载锁。
概括地说，控制器可以定义为电子器件，电子器件具有接收指令、发出指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片、和/或一个或多个微处理器、或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式发送到控制器的指令，定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体衬底或系统执行特定处理的操作参数。在一些实施方式中，操作参数可以是由工艺工程师定义的配方的一部分，该处理被设计成在一或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或晶片的管芯的制造期间完成一个或多个处理步骤。
在一些实现方式中，控制器可以是与系统集成、耦合到系统、以其它方式联网到系统或其组合的计算机的一部分或耦合到该计算机。例如，控制器可以在“云”中或是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，其可以允许对衬底处理的远程访问。计算机可以实现对系统的远程访问以监视制造操作的当前进展、检查过去制造操作的历史、检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数、设置处理步骤以跟随当前的处理、或者开始新的处理。在一些示例中，远程计算机(例如服务器)可以通过网络(其可以包括本地网络或因特网)向系统提供处理配方。远程计算机可以包括使得能够输入或编程参数和/或设置的用户界面，然后将该参数和/或设置从远程计算机发送到系统。
在一些示例中，控制器接收数据形式的指令，其指定在一个或多个操作期间要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以特定于要执行的处理的类型和工具的类型，控制器被配置为与该工具接口或控制该工具。因此，如上所述，控制器可以是例如通过包括联网在一起并朝着共同目的(例如本文所述的处理和控制)工作的一个或多个分立的控制器而呈分布式。用于这种目的的分布式控制器的示例是在与远程(例如在平台级或作为远程计算机的一部分)的一个或多个集成电路通信的室上的一个或多个集成电路，其组合以控制在室上的处理。
示例系统可以包括但不限于等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转漂洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及可以与半导体晶片的制造和/或制备相关联或用于半导体晶片的制造和/或制备的任何其它半导体处理系统。
如上所述，根据将由工具执行的一个或多个处理步骤，控制器可以与一个或多个其他工具电路或模块、其它工具部件、群集工具、其他工具接口、相邻工具、邻近工具、位于整个工厂中的工具、主计算机、另一控制器、或在将晶片容器往返半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口运输的材料运输中使用的工具通信。
实施方案的前面的描述是为了说明和描述目的而提供。其用意不是要彻底详述或限制本发明。特定实施方案的单个的元件或特征一般并不受限于该特定实施方案，而是即使未具体示出或描述，其在适用情况下是可以互换且可用于选定的实施方案中。这同样可以以各种方式变化。这样的变化不被视为背离本发明，并且所有这样的修改也包含在本发明的范围内。
虽然前述的实施方案已为了清楚理解的目的而相当详细地进行了描述，但应明白，某些改变与修改可在随附的权利要求的范围内实施。因此，本实施方案应视为说明性的而非限制性的，且这些实施方案不应受限于本文中所提供的细节，而是可在其权利要求的范围及等同方案内进行修改。

Claims (29)

1.一种控制器，其包含：
电压传感器，其耦合至整合在静电卡盘中的加热器迹线，所述电压传感器被配置成感测在所述加热器迹线两端的电压差，其中所述加热器迹线与加热器区域相关联；
电流传感器，其耦合至所述加热器迹线，并且被配置成感测所述加热器迹线中的电流；
电阻识别器，其被配置成基于所述电压差和感测到的所述电流来识别所述加热器迹线的电阻；以及
温度关联器，其被配置成基于所述电阻以及所述加热器迹线的相关函数来估计所述加热器区域的温度，
其中所述相关函数使用所述加热器迹线的电阻的温度系数。
2.根据权利要求1所述的控制器，其还包含：
温度比较器，其被配置成比较所估计出的所述温度与所述加热器区域相关联的期望温度。
3.根据权利要求2所述的控制器，其还包含：
功率控制器，其被配置成基于所估计出的所述温度与所述期望温度之间的比较结果来调节供应至所述加热器迹线的功率。
4.根据权利要求3所述的控制器，
其中所述功率控制器利用脉宽调制来调节所述功率。
5.根据权利要求3所述的控制器，
其中所述控制器位于等离子体处理室的RF热环境内，以及
其中所述控制器被用于提供对供应至所述加热器迹线的所述功率的原位调节。
6.根据权利要求3所述的控制器，
其中所述功率控制器执行对所述估计出的温度的闭回路分析，以调节供应至所述加热器迹线的所述功率，以使所估计出的所述温度与所述期望温度相匹配。
7.根据权利要求1所述的控制器，其中所述温度关联器在不使用温度传感器的情况下来估计所述温度。
8.一种用户接口，其包含：
显示器，其被配置成显示与等离子体处理室的静电卡盘的第一加热器区域相关的信息；
其中所述信息包含与所述第一加热器区域相关联的第一温度；
其中所述第一温度由第一温度控制器所确定，所述第一温度控制器被配置成：
感测在与所述第一加热器区域相关联的第一加热器迹线两端的电压差；
感测所述第一加热器迹线内的电流；
基于所述电压差以及感测到的所述电流来识别所述第一加热器迹线的电阻；以及
基于所述电阻以及所述第一加热器迹线的相关函数来估计所述第一温度。
9.根据权利要求8所述的用户接口，其进一步包含：
被配置成基于所述第一温度来触发警示的逻辑。
10.根据权利要求9所述的用户接口，
其中所述警示包含建议，所述建议提供待基于所述信息而采取的至少一个动作。
11.根据权利要求9所述的用户接口，其中当所述第一加热器区域的期望温度与所述第一温度之间的差超过阈值时，触发所述警示。
12.根据权利要求8所述的用户接口，
其中所述信息包含与所述静电卡盘的第二加热器区域相关联的第二温度。
13.根据权利要求12所述的用户接口，其中所述第二温度由第二温度控制器所确定，所述第二温度控制器被配置成：
感测在与所述第二加热器区域相关联的第二加热器迹线两端的电压差；
感测所述第二加热器迹线中的电流；
基于所述第二加热器迹线内的所述电压差以及在所述第二加热器迹线内感测到的所述电流来识别所述第二加热器迹线的电阻；以及
基于所述电阻以及所述第二加热器迹线的相关函数来估计所述第二加热器区域的所述第二温度。
14.根据权利要求12所述的用户接口，其中所述第一加热器区域与所述第二加热器区域处于不同的水平面上。
15.根据权利要求8所述的用户接口，其中所述第一温度控制器进一步被配置成比较所述第一温度和与所述第一加热器区域相关联的期望温度。
16.根据权利要求15所述的用户接口，
其中所述第一温度控制器被进一步配置成基于所述第一温度与所述期望温度之间的比较结果来调节供应至所述第一加热器迹线的功率。
17.根据权利要求8所述的用户接口，
其中所述第一温度控制器位于所述等离子体处理室的RF热环境内，
其中所述第一温度控制器被配置成提供对供应至所述第一加热器迹线的所述功率的原位调节。
18.根据权利要求11所述的用户接口，
其中所述第一温度控制器执行对所述第一温度的闭回路分析，以调节供应至所述第一加热器迹线的功率，使得所述第一温度与所述期望温度相匹配。
19.一种控制等离子体处理室中的静电卡盘(ESC)温度的方法，所述ESC包含加热器区域，所述加热器区域具有整合于其中的加热器迹线，所述加热器迹线具有输入端和输出端且被配置成提供热能至所述加热器区域，所述方法包含：
供应功率至所述加热器迹线；
感测所述加热器迹线的所述输入端与所述输出端之间的电压差；
感测所述加热器迹线中的电流；
基于所感测到的所述电压差和所感测到的所述电流来识别所述加热器迹线的电阻；以及
基于所识别出的所述电阻以及所述加热器迹线的相关函数来估计所述加热器区域的温度，而不在所述加热器区域中使用温度传感器，其中所述相关函数使用所述加热器迹线的电阻的温度系数。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含：
比较所估计出的所述加热器区域的所述温度和与所述加热器区域相关联的期望温度。
21.根据权利要求20所述的方法，其进一步包含：
当所估计出的所述温度和与所述加热器区域相关联的所述期望温度之间的比较结果超过阈值时，产生警示。
22.根据权利要求20所述的方法，其进一步包含：
显示所估计出的所述温度和与所述加热器区域相关联的所述期望温度之间的比较结果。
23.根据权利要求20所述的方法，其进一步包含：
基于所估计出的所述温度和与所述加热器区域相关联的所述期望温度之间的比较结果来调节供应至所述加热器迹线的所述功率。
24.根据权利要求20所述的方法，其进一步包含：
其中对供应至所述加热器迹线的所述功率进行调节，使得所估计出的所述温度和与所述加热器区域相关联的所述期望温度相匹配。
25.根据权利要求20所述的方法，其进一步包含：
执行对所述加热器区域的所估计出的所述温度以及与所述加热器区域相关联的所述期望温度的闭回路分析；以及
基于所述闭回路分析而利用脉宽调制来调节供应至所述加热器迹线的功率。
26.根据权利要求25所述的方法，其进一步包含：
通过在所述等离子体处理室的RF热环境内执行所述闭回路分析来提供对供应至所述加热器迹线的所述功率的原位控制。
27.根据权利要求20所述的方法，其中所述相关函数限定温度与电阻的线性相关，且具有约为所述加热器迹线的电阻的所述温度系数的斜率。
28.根据权利要求20所述的方法，其中所述相关函数限定温度与电阻的非线性相关。
29.根据权利要求20所述的方法，其中针对整合在所述加热器区域中的所述加热器迹线来限定所述相关函数。
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