CN114724916A - 用于等离子体处理腔室中晶片载体的先进温度控制 - Google Patents

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Abstract

描述了用于等离子体处理腔室中晶片载体的先进温度控制系统和方法。在一个示例中，热交换器向工件载体的流体通道提供温度受控的热流体以及接收来自流体通道的热流体。比例阀在热交换器和流体通道之间，以控制从热交换器到流体通道的热流体的流速。气动阀也在热交换器和流体通道之间，也控制来自热交换器与流体通道的热流体的流速。温度控制器接收来自载体的热传感器的测得的温度并响应于测得的温度控制比例阀和气动阀，以调整热流体的流速。

Description

用于等离子体处理腔室中晶片载体的先进温度控制
本申请是申请日为2017年3月16日、申请号为“201780027652.6”、发明名称为“用于等离子体处理腔室中晶片载体的先进温度控制的设备和方法”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求由Fernando M.Silveira等人于2016年5月5日提交的题为为“用于等离子体处理腔室中晶片载体的先进温度控制”的美国临时专利申请第62/332,237号的优先权。
技术领域
实施例关于微电子制造工业，且更具体地关于使用热流体循环系统来控制处理腔室中晶片载体或晶片的温度的热控制系统。
背景技术
微电子和微机械装置通常部分地制造在硅或其他类型的晶片上。完成后，将晶片切成许多较小块，且每个晶粒形成单独的装置。晶片经受许多不同的工艺以形成装置上的所有部件。对于许多工艺，晶片被保持在处理腔室内的卡盘、基座或一些其他载体上。一个此类腔室是等离子体处理腔室，在等离子体处理腔室内晶片暴露于等离子体以沉积或去除不同的材料。
在等离子体处理腔室(如等离子体蚀刻腔室或等离子体沉积腔室)中，晶片和晶片载体的温度通常是控制工艺的有效性或速度的重要参数。例如，在工艺配方期间，可以控制卡盘的温度以加热或冷却晶片。在工艺期间，可对特定设定点改变温度来以某种方式影响工艺，如控制蚀刻速率。类似地，在工艺配方期间，也可以控制喷头或上电极或其他部件的温度以影响处理。
更准确的温度控制可为工艺(如沉积和蚀刻)提供更精确的控制。随着微电子特征做得更小，使得晶粒和所得到的产品可以做得更小，在处理腔室中的制造期间需要更高的精度。此外，高功率等离子体产生更多的热且需要更有效率的冷却。因此，温度控制系统必须更准确且在更广泛的范围内操作，以支持许多不同的工艺。
通过将流体循环流过部件中的冷却剂通道来冷却处理腔室部件。通过控制冷却剂的温度和流过部件的冷却剂流量来控制冷却量。在某些情况下，例如对于某些晶片卡盘，也使用暖流体(warm fluid)加热卡盘从而加热晶片。可通过相同的冷却剂通道或使用单独的系统来驱动暖流体。除了冷却剂之外或代替冷却剂，也可以在晶片卡盘中使用电阻加热器。
发明内容
描述了一种使用比例和气动热流体输送控制系统的热控制系统。在一个示例中，设备包括热交换器，该热交换器向工件载体的流体通道提供热流体且接收来自流体通道的热流体，该热交换器控制提供给热通道的热流体的温度，流体通道中的热流体用于在工件处理期间控制载体的温度。比例阀在热交换器和流体通道之间，以用于控制从热交换器到流体通道的热流体的流速。气动阀也在热交换器和流体通道之间，同样用于控制来自热交换器与流体通道的热流体的流速。温度控制器接收来自载体的热传感器的测得的温度并响应于该测得的温度控制比例阀和气动阀，以调整热流体的流速。
描述了一种使用封闭回路控制和预测模型来控制晶片载体的温度的热控制系统。从载体的第一热区域的第一热传感器与第二热区域的第二热传感器接收测得的温度。将预测模型应用于两个测得的温度，以确定流过载体的热耦接至第一热区域的第一流体通道的第一流动速率并且确定流过载体的热耦接至第二热区域的第二流体通道的第二流动速率。调节耦接至第一流体通道的第一阀并且调节耦接至第二流体通道的第二阀以控制从热交换器到相应流体通道的热流体的流速。
附图说明
在附图中以示例而非限制的方式说明本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的实施例的用于静电卡盘的两区域温度控制系统的图；
图2是根据本发明的实施例的水界面箱内的冷却剂流动线的图；
图3是根据本发明的实施例的控制水界面箱的阀和热交换器温度的图；
图4是根据本发明的实施例的用于静电卡盘的两区域温度控制系统的图；
图5是根据本发明的实施例的在不同阀百分比下流过水界面箱的比例阀的流动速率的图；
图6是根据本发明的实施例的基于模型的控制回路的工艺流程图，基于模型的控制回路可用于通过使用水界面箱来控制部件的温度；
图7是根据本发明实施例的包括卡盘组件的等离子体蚀刻系统的示意图。
具体实施方式
系统被描述为可用于wFib(水界面箱)或电子晶片处理系统的任何其他类型的流体流量控制系统中。如本案所述的wFib与数字控制器一起通过连续或比例阀和数字或气动阀的组合来提供温度的连续数字控制。这些阀串联连接在具有泵的热交换器与静电卡盘或其他晶片支撑件之间。
可使用各式不同的工艺(包括开放回路、封闭回路、预测或迭代工艺)中的任何工艺来控制阀。尽管该系统被描述为主要用于针对半导体处理的具有静电卡盘的等离子体腔室中，但是可使用相同的技术来控制使用流体加热或冷却表面的半导体腔室中的任何表面温度。
所描述的实施例可用封闭回路温度控制系统来操作。可在用于低流量模式控制的气动阀上使用脉冲模式。这克服了比例阀的迟滞性(hysteresis)。比例阀可用于通用控制以克服气动阀的低可靠性。此所描述的系统具有较低的服务性成本(serviceabilitycost)。
可使用比例流体输送系统或脉冲流体输送系统来控制工件支撑件(如静电卡盘(ESC)或真空卡盘)的温度。比例阀为流动速率提供逐步的模拟(analog)调整。脉冲阀快速循环流体阀打开与关闭，以产生平均流动速率，该平均流动速率取决于阀打开的时间量。阀确定流到卡盘的流体的量。比例阀所允许的流动速率满足具有高偏压RF功率的等离子体工艺的冷却需求。对于较冷的工艺或当需要较少的流量时，脉冲阀允许精确控制低流动速率。
混合阀配置
图1是用于在等离子体124处理腔室中支撑工件106的静电卡盘104的两区域温度控制系统102的图。混合式wFib(水界面箱)140被设计成具有比例阀和气动阀。可使用热控制器130(如MIMO(多入多出)控制器或任何其他类型的控制器)来应用热控制工艺以控制阀并且调节卡盘温度或卡盘所承载的工件温度。控制器130从卡盘104的多个探针112、114获取温度读数作为反馈来控制卡盘的温度及其温度升降速率。
卡盘104具有上板108，上板108承载工件106(如硅晶片或其他类型的基板)。上板由冷却板110所支撑。在冷却板下方有其他支撑件(未示出)以移动与支撑工件，以及向上板和工件提供气体、电流和其他材料。在一些制造过程期间，热126从等离子体124施加到工件。工件亦可由处理腔室内的其他组件和部件(包括卡盘中的加热器)加热。热至少部分通过工件传导到上板和传导到冷却板。上板具有热探针112、114以测量工件处或工件附近的温度。
冷却板110具有冷却剂通道122，冷却剂通道122接收入口通道116中的冷却剂并通过输出通道118释放冷却剂。为了简化，箭头表示单个入口和出口，然而，可以有多个独立通道，每个通道具有入口和出口。这允许冷却板不同部分的温度被独立地控制。作为示例，卡盘的周边倾向于比卡盘的中心更热。单独的周边或外部流体通道允许更多的冷却剂被应用到卡盘的周边。
尽管本说明书在等离子体处理腔室的上下文中描述了ESC形式的工件载体，但是本文所述的ESC可用于各种不同的腔室中且可针对各种不同的工艺使用。根据具体的实施方式，可使用不同的基板载体替代ESC。
本图表示具有两个独立冷却剂流动区域的两个区域或两个回路(loop)系统。wFib140具有来自热交换器的单一流体输入152和单一输出154，但产生两个分开的流体输出142、146到卡盘。这些可在wFib内独立地控制并被馈送到卡盘中的独立冷却剂通道。流体自每个独立通道返回，作为来自卡盘的两个分开且独立的返回线144、148。两个返回线可在离开卡盘后的任何点组合。在这个示例中，如图2所示，在wFib内监控返回流动速率。为了独立监控每个回路，返回回路维持分开，直到这些线被测量为止。尽管示出了两个回路，但是所描述的系统可扩展到包括3、4、6个或更多个温度控制区域。
热交换器提供针对卡盘用于冷却流体的源152和返回154。可使用第二热交换器(未图示)作为如图4所示的热源。热交换器接收返回流体并将其冷却至预定温度或将其冷却调节量。热交换器可以是恒温控制的，或者可基于设计而以任何特定控制或不以任何特定控制来施加固定的冷却量。如下所述，循环通过卡盘104或任何其他工件载体的冷却剂温度部分地由所供应的冷却流体的温度所控制并且也由每个冷却剂回路中流过卡盘的流体的流动速率来控制。
温度控制器130接收来自热传感器112、114(如光学温度探针)的温度信号，热传感器112、114附接于处理腔室中的工件或附接于卡盘或载体122，以直接或间接地确定基板的温度。基于此所接收到的温度，控制器打开和关闭wFib 140中的阀并控制流过载体104冷却剂通道122的流动速率。温度控制器可产生阀控制信号(如模拟电压、数字PWM(脉宽调制)信号或气动信号)且将这些信号提供给包含如图2所示阀的wFib。控制器还从wFib接收压力、温度和其他信号。wFib控制阀打开或关闭从热交换器到卡盘的通道。更高的流动速率允许流体从载体传递更多的热。
图2是图1的wFib 140内的冷却剂流动线的图。为了简单起见，wFib中可能有许多其他部件未表示于此。此外，控制器130可并入wFib中。尽管wFib被称为水界面箱，但是冷却剂通常不是水，而是具有较高沸点的其他材料，例如但不限于去离子水/乙二醇、氟化冷却剂(如来自3M的
Figure BDA0003614055630000051
或来自Solvay Solexis,Inc.的
Figure BDA0003614055630000052
)或任何其他合适的介电流体(如含有全氟化惰性聚醚的介电流体)。
比例阀可以连续调整流量。气动阀可以用作切断阀且可以作为用于PWM模式下流量控制的脉冲阀。如图所示，热交换器冷却剂流体供应线152被供应为到wFib 130的输入。供应被提供到T型管(tee)176以将供应分为两部分。这些部分用于将冷却剂供应到wFib的两个输出142、146，以将冷却剂供应到卡盘的两个冷却剂通道。此两个线分别具有气动阀166、168以及串联耦接的比例阀162、164，使得每个气动阀的输出耦接相应的比例阀的输入。比例阀的输出耦接相应的冷却剂输出线142、146。或者，阀的顺序可以颠倒，使得比例阀直接耦接输入并且气动阀耦接输出。
尽管所示两个冷却剂线来自T型管176，但是可通过使用额外的T型管或通过流体分配歧管来支持更多的冷却剂线，流体分配歧管具有比所示T型管两个线更多的输出线。在歧管内也可以有压力补偿、调整和分配部件(未图示)，以分别控制从热交换器输入152供应到每个气动阀的压力量。
来自卡盘冷却板的返回线144、148各自耦接相应的流量计170、172，流量计170、172可用于测量返回流体的压力和流动速率。也可以测量温度。控制器130可使用流量计和可选的温度值来控制热交换器和阀。在测量流量之后，返回流体在返回歧管174中结合，在这种情况下，简单的T型管将流体返回到热交换器返回线154。
在此示例中，流量控制阀162、164、166、168在热交换器输出和晶片载体之间的供给侧上。通过替代地将阀放置于晶片载体与回到热交换器的流体的返回输入154之间的返回侧上，可达到相同效果。作为另一替代方式，阀可放置在两个位置中，或者气动阀或比例阀中的一种类型可放置在晶片载体的一侧上而另一种类型的阀可放置在晶片载体的另一侧上。类似地，流量计可放置在晶片载体的任一侧上或系统中的另一位置处。在一些实施例中，流量计是在热交换器处。在所示的示例中，流量计测量可与来自相应热交换器的流量数据结合。
温度控制器130控制阀162、164、166、168以达到流过卡盘的所需的流动速率。比例阀162、164可通过电动气动调节器来控制。这种调节器在受控且通常恒定的压力下提供有CDA(压缩干燥空气)。调节器调节输入CDA以产生精确的气动空气压力信号以响应来自热控制器的电控信号。若提供无段模拟信号到调节器，则调节器可提供也为无段变化的调节器空气压力。此经调节的气动控制压力施加到压力受调节的阀以打开及关闭阀的流体通道。
在一些实施例中，CDA被施加到调节器140的供气电磁阀。随着来自控制器的输入控制电压增加，电磁阀打开。通过供气阀释放的压力由传感器所测量且被馈送到控制电路。调整供气阀直到测得的压力与控制信号所指示的压力对准(align)。提供排气电磁阀以将调节器内的压力释放回CDA供应。
压力受调节的阀响应于来自压力调节器的控制压力提供比例流体控制。如此允许通过每个冷却剂流动线142、146的流体流动的无段控制。相较于脉冲阀，此阀移动很少。这提供了更少的维护下的更长的硬件寿命。此外，对温度变化的响应较平顺。在等离子体处理期间，在不连续流体关闭时间下使用可变流动速率，温度响应更平顺且降低了温度振荡。
另一方面，在较低流动速率下，比例阀没有提供精确的流量变化。当需要较低的流动速率时，气动阀166、168可脉冲以增加流动速率控制的精度。
可在流体返回通道144、148中使用额外的阀(未图示)提供流过每个通道的流动速率的额外控制。另外的分流阀178(bypass valve)可用于使流体流过热交换器而不流过载体。当气动或比例阀162、164、166、168关闭时，输入的供应流体自流过wFib出口142、146阻断。若wFib入口152和出口154之间的分流阀178打开，则所供应的流体改为绕过处理腔室直接流回返回线154。如此允许相应的热交换器建立稳定的温度且将流体的供应维持所需的温度。可使用额外的阀来进一步控制流动方向。
图3是控制阀和热交换器温度的图。控制系统具有多个输入302，多个输入302可包括配方条件(其基于施加到工件的工艺且包括功率、压力等)、由各种温度传感器探针(SP)测量的卡盘的内部和外部温度、以及来自SP的卡盘内部与外部的温度升降速率。
输出310可包括静电卡盘的预期的内部和外部通道温度(Tesc)、卡盘的内部和外部通道流动速率及卡盘的内部和外部流温度。
这些多个输入302施用于MIMO控制器304，MIMO控制器304接着操作阀。这些输入可以以各种不同方式中的任何一种来使用以确定如何操作阀。输入、ESC温度、各种SP值和配方条件及来自ESC 308的线316上的反馈一起取得以控制ESC温度。在一些实施例中，也可使用阀控制温度升降速率或温度变化的速率。在所示的示例中，控制器产生内部和外部通道阀百分比312，其确定用于气动和比例阀的阀开启百分比。将内部和外部阀百分比施用于wFib 306。控制器还确定内部和外部通道流动速率314，其与在wFib处所测量的流动速率比较。流体接着循环流过ESC 308。来自ESC的输出310以封闭回路返回到控制器，以进一步确定新的阀百分比312和流动速率314。
在此示例中，ESC中有两个分开的流体通道区域122。这些被指定为内部和外部。每个区域的流体的温度和流速独立于其他区域中的温度和流速。基于此理由，有两个独立的流动供应线142、146，两个独立的流体返回线144、148，两个独立的传感器探针112、114和两个独立系列的阀162、166、164、168。每个区域被独立地监控和控制，然而，可在MIMO控制器304中管理控制处理。尽管这些区域被称为内部和外部，但它们可以在ESC中处于任何所需的相对物理位置。也可通过在ESC中提供额外的单独冷却剂通道与相关部件来增加更多区域。
温度升降速率可用于提高ESC的可靠性，如接合寿命(bonding life time)。温度升降速率控制也有助于具有不同热特性的不同处理腔室之间的工艺匹配。对于温度升降速率的控制也有助于改善HARC(高深宽比接触)蚀刻和其他需要高精度的工艺的工艺窗口(process window)。
在所示的示例中，阀百分比312应用于wFib，然而，这取决于阀的配置和控制系统。百分比可以是数字或模拟控制信号的形式，其由单独的阀控制器接收，单独的阀控制器接着将气动或电信号发送到相应的阀。阀控制器可位于wFib或其他位置中。wFib内或单独机架(chassis)中的PLC(可编程逻辑控制器)可用于控制比例阀和气动阀。该操作可被扩展以控制卡盘内的电阻加热器，且还控制如图4所示的加热流体供应。这些额外的热系统为系统提供更多的温度控制旋钮(knob)，其允许对于卡盘和工件温度及其温度升降速率有更好的控制。
图4是用于等离子体424处理腔室中静电卡盘404的两区域温度控制系统402的图。此系统具有双冷却器或热交换器450、460，以使用卡盘的流体通道同时提供冷却和加热功能。双冷却器/热交换器设备根据腔室温度控制器430的要求提供热或冷流体流动。
类似于图1的示例，工件406附接于如ESC的载体404。在制造过程的某些阶段期间，等离子体424对工件施加热。在此示例中的ESC具有带有温度传感器探针412、414的顶板408和带有两区域的冷却剂通道的下冷却板410，尽管可有更多个。冷却剂通道具有耦接至wFib440的流体输出442、446的输入线416。冷却剂通道具有耦接至返回线444、448的输出418，返回线444、448回到wFib。尽管在ESC上仅显示用于两个热区域的两个冷却剂通道，但是如在图1的示例中可有更多个冷却剂通道，可以有更多个冷却剂通道。
温度调节系统具有热流体热交换器450，其具有用于热或加热流体的源输出线452和返回输入线454。此返回将流体馈送回热交换器。热交换器将流体加热到预定温度或将流体加热调节量并在压力下将流体提供到供应线452。流体温度可以是固定的，或者其可以基于控制信号(如来自控制器430或另一个控制器的控制信号)调节。类似地，系统具有用于第二热交换器460的用于冷却或被冷却的流体的源或输出线462和返回线464。第二热交换器460接收冷却返回流体并将其冷却至预定温度或冷却调节量。如图所示，第一和第二热交换器可以是单一单元或两个分开的装置。根据具体实施例，热交换器可被恒温控制，或者热交换器可用特定控制或不用特定控制来施加固定量的加热或冷却。循环通过基板载体404的冷却剂的温度部分地由所供应的热452和冷462流体的温度进行控制，并且由流动速率与到达ESC 404的热流体和冷流体的混合来控制。
热流体供应被提供到三通阀(3-way valve)456，三通阀456打开或关闭来自热交换器的热流体流动。类似地，冷流体供应被提供到相同的三通阀，其打开或关闭来自第二热交换器的冷流体的流动。允许通过此阀的流体被提供到晶片载体供应线中的wFib 440，wFib 440以与图1的wFib相同的方式使用串联连接的气动和比例阀调节流动送率。具有经调节的温度的冷却剂接着加热或冷却工件载体。具有额外的选择性三通阀466，其耦接到热返回线454和冷返回线464。流体在返回线中从基板载体返回到此阀，且允许通过此阀而返回到流体所来的相应的热交换器。三通阀在与两个阀耦接的温度控制器430的控制下操作。三通阀可包含于wFib中，或三通阀可在一些外部的机架或固定装置中。
在一些实施例中，温度控制器430确定流动速率和热交换器以在基板载体流体通道中使用，用以加热或冷却热流体。在一些实施例中，由冷的热交换器(cold heatexchanger)提供的冷却剂流体在约0℃下，并且由热的热交换器(hot heat exchanger)提供的冷却剂流体在约55℃下。根据晶片载体的当前温度，将这些流体中的一个或其混合物输送到流体通道。作为示例，载体温度高于设定点，则使用来自冷的冷却器(cold chiller)的流体。若温度低于设定值，则使用来自热的冷却器(hot chiller)的流体。流体输送系统将工件处的温度控制在适当的温度范围内。流体输送系统也在等离子体处理期间控制温度倾斜上升及过冲(overshoot)。
可为两个热交换器提供返回路径(未图示)，以允许加热的流体绕过工件404及选择性地绕过wFib 440而从热供应452流动到热返回454。图2表示使用阀178打开的这种返回路径的示例。可使用类似的冷却流体返回阀来允许冷却的流体从冷却供应462直接流到冷却返回464而不通过载体。当热或冷供应由于三通阀456、466的设置而没有供应到载体时，可使用热与冷流体返回阀来允许流体流过相应的热交换器而不流过载体。如此允许相应的热交换器建立稳定的温度并将流体的供应保持在所需的温度下。
所描述的温度调节系统允许流过基板载体中的通道的流体的温度被控制在例如0℃至55℃的范围内。工件载体可具有不止一个的热流体通道，在这种情况下，可复制图4的系统以支持每个额外的通道。因为可独立地控制进入wFib的混合物和通过冷却剂通道的流动速率，可使用单一的热的热交换器和单一的冷的热交换器来提供流体到超过一个的通道。
图5是在不同阀百分比下通过比例阀的流动速率的图。第一上曲线504表示随水平轴的时间的比例阀的不同控制输入。第一曲线的垂直轴表示施加在阀的PWM波形的占空比，如右边的刻度所示。图中左端和右端所示较高的占空比为关闭阀。如图的中心附近所示的低占空比允许阀打开得更多。
第二曲线502表示响应所施加的PWM信号504的通过比例阀的流动速率。左边的流动速率的垂直刻度是从尺度底部处较低的流动速率到垂直刻度顶部处较高的流动速率。如图所示，当首先打开阀且通过降低PWM占空比来慢慢增加流量时，有通过比例阀的低流量的区域506。在此区域中，阀对输入信号504不具有一致的线性且可重复性的回应。此区域506中的流动速率不稳定(erratic)。类似地，当阀从图中心的高流动速率关闭到低流动速率时，阀关闭时阀具有区域508，在区域508内，阀的响应也不是线性或可重复性的。在此示例中，流动速率突然下降到最小值且没有恢复。在这些低流量区域506、508之外的同时，比例阀是规则的且对输入信号具有可预测的响应。
图5的图表示对比例阀的典型响应。为了克服此非线性响应，具有串联的两个阀的wFib可以以与传统单一阀不同的方式操作。在实施例中，比例阀是用于较高流动速率的主要阀，且在线性区域内操作而不是在端低流量区域506、508中操作。为了达到低流动速率，比例阀关闭到仍具有可预测响应的低流动速率区域。接着通过操作气动阀来进一步降低流动速率。如此允许在低流动速率区域有高精确度。对于较高的流动速率，使用比例阀且完全不使用气动阀。如此减少了气动阀的磨耗，同时仍为流量提供精确的控制。
控制方法
上述实施例包括阀控制器130、430。根据实施例，阀控制器可以以不同的方式控制阀。在一些实施例中，可使用MIMO(多入多出)基于模型的控制器。在晶片处理期间，MIMO控制器可用于响应传感器探针(SP)温度读数，且接着控制温度升降速率(倾斜下降与倾斜上升)。倾斜升降速率对于某些工艺是重要的参数。作为示例，倾斜升降速率可能会影响某些工艺中的接合可靠性。尽管系统被描述为主要用于针对半导体处理的具有静电卡盘的等离子体腔室中，但是可使用相同的技术来控制使用流体加热或冷却表面的半导体腔室中的任何表面温度。
所描述的基于模型的MIMO系统可用于控制温度升降速率以及管理区域到区域的串扰。当一个区域的温度影响另一个区域的温度时，例如由于热流过包含流体通道的ESC的板，会发生区域到区域的串扰。除了静电卡盘温度模型之外，可通过将基于模型的设计扩展到晶片温度模型来扩展控制软件以控制晶片温度。如此一来，所描述的实施例可用于改善腔室内的总体温度匹配、静电卡盘的结合寿命和工艺窗口。
图3所绘示的多个输入302可施加在具有基于模型的设计的MIMO控制器304、130、430。可将输入ESC温度、各种SP温度值和配方条件与来自ESC 308的线316上的反馈一起采用，以控制ESC温度及其温度升降速率。控制器应用模型来产生内部和外部通道阀百分比312以及用于系统中总区域数的额外通道。
基于模型的判定依赖系统部件的吸热和传热特性的物理模型。这些部件可包括以下中的一个或多个：卡盘、工件、流体、热交换器、用于承载流体的管及通过工艺配方的不同操作条件的冷却通道。可以为两个或两个以上区域建立物理模型。对于在卡盘(或任何其他部件)中具有多个区域冷却通道的系统，模型可考虑两个或两个以上区域之间的串扰。串扰考虑受不同冷却剂通道影响的冷却区域之间的热传递。在一些实施例中，基于模型的控制器设计使用线性二次控制器或类似的优化控制器，其经设计用于处理串扰和控制温度升降速率。
可使用温度升降速率来改善ESC的可靠性，如结合寿命。温度升降速率控制也有助于具有不同热特性的不同处理腔室之间的工艺匹配。对于温度升降速率的控制也有助于改善HARC(高深宽比接触)蚀刻和其他需要高精度的工艺的工艺窗口。
图6是基于模型的控制回路的工艺流程图，基于模型的控制回路可用于通过使用冷却剂和至少一个控制阀控制处理腔室内部件的温度。此工艺可使用上述混合式双阀系统或任何其他所需的流量控制系统。在处理开始前，可用经验或理论的方式建立该模型。该模型可以是动态线性模型，其代表在不同条件下等离子体腔室中的温度控制部件的行为。使用预测模型，可预测部件(如上所示的ESC)的未来行为。如此允许控制温度升降速率。使用处理配方作为输入，可在温度负载或所需的温度设定点改变之前调整受控的温度。
框604表示使用该模型作为此示例中所述的常微分方程的线性预测控制系统的应用：
Figure BDA0003614055630000131
其中A和B是从该模型导出的矩阵。对于两区域系统，该矩阵为4×4矩阵。对于更多的区域，矩阵相应地被扩展。根据具体的实现方式可使用其他模型，并且也可以使用非线性方程。
在此示例中，
Figure BDA0003614055630000132
是一个线性阵列或1x4矩阵，其针对两区域系统定义为
Figure BDA0003614055630000133
这可扩展到适应(accommodate)更多的区域。两个不同的区域以相同的模型处理以适应该区域的温度之间的串扰。在ESC(静电卡盘)的示例中，阵列中的变量可依以下值分配：
x1＝ESC的内区域温度
x2＝ESC的外区域温度
x3＝ESC的内区域温度升降速率
x4＝ESC的外区域温度升降速率
u＝[u1,u2]且表示用于调整每个区域的阀的控制输出。在此示例中，调整被表示为阀开启的百分比或通过阀的总最大流量的百分比。具体值将取决于用于确定模型的值，但在此被表示为：
u1＝内区域阀百分比
u2＝外区域阀百分比
在框606，每个u的值可定为：
u＝-Kx+Krr
其中K和Kr是反映控制器增益的常数。这些可基于学习而随着时间变化并且由每个u(即u1、u2)的模型初始确定。r是温度设定点，即，系统在ESC处试图通过调整上述u所定义的值来达到的温度。此示例中的设定点如下：
r1＝ESC内区域温度设定点
r2＝ESC外区域温度设定点
r3＝ESC内区域温度升降速率设定点
r4＝ESC外区域温度升降速率设定点
在框606的操作之后，已经确定了阀的预期调整，其将实现所需的温度和温度升降速率设定点。此过程可接着将u1,u2的这些值转成阀致动，如开启比例阀的电控信号612或开启气动阀的气动控制信号614。框608表示如上所述的双阀混合系统的操作的示例。适当的
针对每个区域的阀百分比u(即u1、u2)或针对i＝1、2实施操作，检查ui-u0。u0代表比例阀百分比的最小阈值(如10％)。
若结果为正，即比例阀被设置为打开超过10％，则在612，相应的比例阀被设置为计算出来的值ui％。另一方面，若结果为负，即比例阀被设置为打开小于10％，则在614，比例阀设置为某些低值(如10％)且气动脉冲施加在气动阀。这可应用于首先将脉冲设定在pi％(通常为20％至80％之间，取决于阀的特性)的某些占空比并且其次将比例阀设定于(ui/pi)％。如此允许比例阀将其余的流量控制供应于脉冲阀的最佳操作范围之上。
框608的操作可替代地描述如下。温度控制器首先为每个热区域确定总流动速率。接着将总流动速率与阈值(如上定义为u0)比较。若总流动速率(如上述u1或u2所指示)高于阈值，则温度控制器打开气动阀并调节比例阀以获得所需的流动速率。另一方面，若总流动速率低于阈值，则温度控制器将比例阀关闭到预定流动速率并调节气动阀以获得所需的总流动速率。在阀串联的情况下，第一阀的限制与第二阀的限制相结合以获得整体受限的流量。
在框616，所确定的阀控制值输出到阀。如上面所提到的，在来自框606的单一阀系统的情况下，这些可以是直接的流量百分比u(即u1、u2)或者对于多个阀系统(如在选择性的框608中)控制可能更复杂。阀控制值可以以其他方式确定(框608中未示出)，取决于热交换器和处理腔室部件(如ESC)之间的流量控制系统的具体实施方式。
除了控制通过阀的流量之外，输入参数在618处被读取，即当前区域温度x1、x2。也可使用温度x1、x2的导数或温度x1、x2的时间变化率来估计升降速率x3、x4。可以将这些值接着用作框604处的另一个调整循环的输入。因此，图6的控制过程是如图6的返回回路622所示的封闭回路控制系统。
图6的过程也可被描述为在MIMO控制器、温度控制器或系统的某些其他部件施行一系列操作。测得的温度从载体的第一热区域的第一热传感器和第二热区域的第二热传感器两者接收。预测模型接着应用于两个测得的温度，以确定通过载体的第一流体通道的第一流动速率并且确定通过载体的第二流体通道的第二流动速率，其中第一流体通道热耦接第一热区域，第二流体通道热耦接第二热区域。使用这些已确定的流动速率，控制器调节耦接至第一流体通道的第一阀并且调节耦接至第二流体通道的第二阀，以控制从热交换器到相应流体通道的热流体的流动速率。
此方法也可使用升降速率。使用接收到的测得的温度来估计第一和第二热区域的温度升降速率。接着应用所估计的温度升降速率来应用预测模型。
腔室结构
图7是根据本发明实施例的包括卡盘组件742的等离子体蚀刻系统700的示意图。等离子体蚀刻系统700可以是任何类型的高性能蚀刻腔室。其他可商业取得的蚀刻腔室也可类似地利用本文所述的卡盘组件。尽管在等离子体蚀刻系统700的上下文中描述了示例性实施例，但本文所述卡盘组件与温度控制系统也适用于用来执行任何等离子体制造工艺(如等离子体沉积系统等)的其他处理系统。
参考图7，等离子体蚀刻系统700包括接地腔室705。处理气体自气源729供应到腔室705内部，气源729通过质量流量控制器749连接到腔室。腔室705经由排气阀751抽空，排气阀751连接到高容量真空泵堆栈755。当等离子体功率施加在腔室705时，等离子体形成在工件710之上的处理区域中。等离子体偏压功率725耦接入卡盘组件742以激发等离子体。等离子体偏压功率725通常具有约2MHz至60MHz之间的低频率，且可以是在如13.56MHz频带中。
在示例性实施例中，等离子体蚀刻系统700包括在约2MHz频带上操作的第二等离子体偏压功率，其连接到RF匹配。第一等离子体偏压功率25也耦接至RF匹配，且还经由功率导管728耦接至下电极。等离子体源功率730通过另一匹配(未图示)耦接至等离子体产生元件735，以提供高频源功率以电感地或电容地激发等离子体。等离子体源功率730可具有比等离子体偏压功率725更高的频率，如在100至180MHz之间，并且可以例如在162MHz频带中。
工件710通过开口715装载并夹持在腔室内的卡盘组件742。工件710(如半导体晶片)可以是半导体处理领域中使用的任何晶片、基板或其他材料，且本发明不受制于此方面。工件710设置在卡盘组件的介电层或圆盘745的顶表面上，介电层或圆盘745设置在卡盘组件的冷却基座组件744上。夹持电极(未图示)嵌入于介电层中。它耦接至偏压功率源779以提供静电力来夹持工件710。在具体实施例中，卡盘组件742可包括两个或两个以上不同的流体通道区域，如内通道741和外通道。每个通道741可以能够被独立地控制到相同或不同的温度设定点。
系统控制器770耦接至各种不同的系统以控制腔室中的制造工艺。控制器770可以包括温度控制器775以执行温度控制算法(如温度反馈控制)且控制器可以是软件或硬件，也可以是软件和硬件的组合。系统控制器770还包括中央处理单元772、存储器773和输入/输出接口774。温度控制器775输出控制信号，其影响卡盘组件742与热源之间的热传递速率，和/或影响用于各种流体通道的等离子体腔室705之外的散热器。温度控制器可耦接至一个或多个温度探针743，温度探针743可以在基板载体中或基板载体上，耦接至流体供应线，或在任何其他所需的位置。
热流体区域可包括具有分开的流量控制的分开的独立受控的热流体传热回路，分开的流量控制是基于如上所述的区域特定的温度反馈回路来控制。在示例性实施例中，温度控制器775耦接至第一热交换器(HTX)/冷却器777，且可根据具体实施方式进一步耦接至所需的第二HTX/加热器778及更多的热交换器(未图示)。通过如上所述的比例阀系统781、785控制通过卡盘组件742中的导管的热传递流体或冷却剂的流动速率。
温度控制器775控制比例阀系统781、785以独立地控制流到不同流体通道中的每一个的热流体或传热流体的流动速率。温度控制器也可控制每个热交换器使用的温度设定点来冷却或加热热流体。因此，每个热交换器可将用于其各自冷却剂通道的热流体带到不同的温度之后再将其提供回给流体通道。
传热流体可以是液体，例如但不限于去离子水/乙二醇、氟化冷却剂(如来自3M的
Figure BDA0003614055630000171
或来自Solvay Solexis,Inc.的
Figure BDA0003614055630000172
)或任何其他合适的介电流体(如含有全氟化惰性聚醚的介电流体)。尽管本说明书在等离子体处理腔室的上下文中描述了ESC，但是本说明书所述的ESC可用于各种不同的腔室中且可针对各种不同的工艺使用。根据具体的实施方式，可使用不同的基板载体替代ESC。
在下面的描述中，阐述了许多细节，然而，对于本领域技术人员是显而易见的，本领域技术人员可在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在一些情况下，众所周知的方法和装置以框图形式表示而不是详细地表示，以避免混淆本发明。在整个说明书中对“实施例”或“一个实施例”的引用意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构、功能或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，整个说明书中各个地方的用语“在实施例中”或“在一个实施例中”的出现不一定代表本发明的相同实施例。此外，特定特征、结构、功能或特性可以以任何合适的方式与一个或多个实施例结合。例如，第一实施例可与第二实施例在两个实施例中的特定特征、结构、功能或特性相关联而不互斥的任何地方组合。
除非上下文另有明确指出，否则如在本发明说明书和所附权利要求中所使用的单数形式“一(a/an)”和“该”也旨在包括复数形式。也将理解到，本文所用的术语“和/或”是指且包括相关列出的项目中的一个或多个的任何和所有可能的组合。
术语“耦接”和“连接”及其衍生词在本说明书中可用于描述部件之间的功能或结构关系。应当理解到，这些术语不是作为彼此的同义词。反之，在特定实施例中，“连接”可用于表示两个或两个以上组件彼此直接物理、光学或电接触。“耦接”可用于表示两个或两个以上组件彼此直接或间接的(在它们之间具有其他中间组件)物理、光学或电接触，和/或表示两个或两个以上组件彼此合作或相互作用(如在因果关系中)。
本文所用术语“之上”、“之下”、“之间”和“在……上”是指一个部件或材料层相对于其他组件或层的相对位置，其中这些物理关系值得注意。例如，在材料层的上下文中，设置在另一层之上或之下的一个层可与另一层直接接触或者可具有一个或多个中间层。此外，设置在两层之间的一个层可与两层直接接触，或者可具有一个或多个中间层。相比之下，“在”第二层“上”的第一层与该第二层直接接触。在部件组件的上下文中将做出类似的区别。
应当理解，上述描述旨在说明性而不是限制性。例如，尽管图示中的流程图表示了由本发明的某些实施例施行的特定操作顺序，但是应当理解，此类顺序并非必要(如替代实施例可以以不同的顺序执行操作、组合某些操作、重叠某些操作等)。此外，本领域技术人员在阅读和理解上述描述之后，许多其他实施例将对其显而易见。尽管本发明已经参考具体示例性实施例而得以描述，但将认识到本发明不限于所描述的实施例，而是可以在所附权利要求的精神和范围内进行修改和变更来实施。因此，本发明的范围应参照所附权利要求以及权利要求所请求权利的等效物的全部范围来确定。

Claims (8)

1.一种工件处理系统，包括：
等离子体腔室；
等离子体源，用于在所述等离子体腔室中产生含有气体离子的等离子体；
工件固持器，所述工件固持器在所述腔室中以在等离子体处理期间固持工件且控制所述工件的温度，所述工件固持器具有第一流体通道和第二流体通道；
第一流动线，所述第一流动线耦接到所述工件固持器的所述第一流体通道，所述第一流动线包括第一供应流动线和第一返回流动线，所述第一返回流动线耦接到仅单一返回歧管；
第二流动线，所述第二流动线耦接到所述工件固持器的所述第二流体通道，所述第二流动线包括第二供应流动线和第二返回流动线，所述第二返回流动线耦接到仅所述单一返回歧管，其中所述第一返回流动线和所述第二返回流动线的输出的全部被输入到所述单一返回歧管，并且其中所述第一返回流动线和所述第二返回流动线的所述输出的所述全部与所述第一供应流动线和所述第二供应流动线的输出的全部相同；
第一比例阀，所述第一比例阀耦接到所述第一供应流动线，所述第一比例阀在所述单一返回歧管和所述工件固持器之间，并且所述第一比例阀用于在打开位置和关闭位置之间为流动速率提供逐步调整；
第二比例阀，所述第二比例阀耦接到所述第二供应流动线，所述第二比例阀在所述单一返回气管和所述工件固持器之间，并且所述第二比例阀用于在打开位置和关闭位置之间为流动速率提供逐步调整；
第一流量计，所述第一流量计在所述第一比例阀和所述单一返回歧管之间，所述第一流量计与所述第一比例阀串联；以及
第二流量计，所述第二流量计在所述第二比例阀和所述单一返回歧管之间，所述第二流量计与所述第二比例阀串联。
2.如权利要求1所述的工件处理系统，其中所述第一流量计和所述第二流量计在所述工件固持器和所述单一返回歧管之间。
3.如权利要求1所述的工件处理系统，进一步包括：
热交换器，所述热交换器耦接到所述第一流动线和所述第二流动线。
4.如权利要求1所述的工件处理系统，其中所述第一比例阀包括第一压力受调节的阀并且所述第二比例阀包括第二压力受调节的阀。
5.如权利要求4所述的工件处理系统，进一步包括：
第一压力调节器，所述第一压力调节器耦接到所述第一压力受调节的阀以控制所述第一压力受调节的阀；以及
第二压力调节器，所述第二压力调节器耦接到所述第二压力受调节的阀以控制所述第二压力受调节的阀。
6.如权利要求1所述的工件处理系统，进一步包括：
第一气动阀，所述第一气动阀在所述单一返回歧管和所述第一比例阀之间，其中所述第一气动阀是在打开状态和关闭状态之间循环的第一数字或脉冲阀；
第二气动阀，所述第二气动阀在所述单一返回歧管和所述第二比例阀之间，其中所述第二气动阀是在打开状态和关闭状态之间循环的第二数字或脉冲阀。
7.如权利要求1所述的工件处理系统，进一步包括：
温度控制器，用于从所述工件固持器的热传感器接收测得的温度并且响应于所述测得的温度控制所述第一比例阀和所述第二比例阀以调整热流体的所述流动速率。
8.如权利要求1所述的工件处理系统，其中所述热流体包括聚醚。
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