JP2012506128A - プラズマ処理装置内における高速応答熱制御のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

プラズマ強化型プロセスチャンバ内の部品の温度を調節するための方法及び装置が、本明細書内に提供される。いくつかの実施形態では、基板を処理するための装置は、プロセスチャンバと、プロセスチャンバ内でプラズマを形成するためにＲＦエネルギーを供給するＲＦ源を含む。プラズマが形成されたときに、プラズマによって加熱されるような部品が、プロセスチャンバ内に配置される。ヒーターは、部品を加熱するために構成され、熱交換器は、熱を部品から取り除くために構成される。チラーは、オン／オフ流量制御バルブを中に配置し、及び流量制御バルブを迂回させるバイパスループを有する第１フローコンジットを介して熱交換器に結合され、バイパスループは、流量比バルブを中に配置する。

Description

分野

本発明の実施形態は、概して、半導体処理及び基板を処理するための方法及び装置に関する。

背景

基板上に半導体デバイスを作るいくつかのプロセスは、（例えば）シャワーヘッドが処理チャンバにプラズマを形成するために点火されるかもしれないプロセスガスを供給するプラズマ処理チャンバを利用する。しかしながら、プラズマ処理は、処理チャンバ内部の部品（シャワーヘッド等）の温度を上げる傾向がある。更に、高いＲＦ電力プロセス条件のために、プラズマ加熱とプロセスステップの持続との組み合わせは、通常、温度が所望の設定値を望ましくないことにオーバーシュート（超過）する原因を作る。このような温度のオーバーシュートは、プラズマを打つ能力に影響を与え、半導体処理レシピを開始するのを遅らせ、処理の質を低下させる可能性がある。

この問題に対処するために、プロセスチャンバ部品の冷却能力を増大させるいくつかの方法があり、例えば、より良好な熱コンダクタンスを有する、又はアイドリングモードと処理モードの間でクーラントの温度を変える新たなハードウェアを設計する。しかしながら、そのような設計は、非効率及び／又はコスト高のため望まれない。例えば、典型的な熱交換器又はチラーの時定数は、典型的なレシピ時間に近い。従って、はるかにより大きなヒーターが提供されない限り、単にクーラントの温度を下げることでは、アイドリングモードの間に一定温度にツールを加熱することはできないであろう。しかしながら、そのような設計を実行することによって、ほとんどのヒーターがツール本体内に埋設されるので、主要なツールの再設計が必要とされるだろう。

従って、プラズマ処理チャンバ内の熱制御のための改善された方法及び装置に対する必要性がある。

概要

プラズマ強化型プロセスチャンバ内の部品の温度を調節するための方法及び装置が、本明細書内に提供される。いくつかの実施形態では、基板を処理するための装置は、プロセスチャンバと、プロセスチャンバ内でプラズマを形成するためにＲＦエネルギーを供給するＲＦ源を含む。プラズマが形成されたときに、プラズマによって加熱されるような部品が、プロセスチャンバ内に配置される。ヒーターは、部品を加熱するために構成され、熱交換器は、熱を部品から取り除くために構成される。チラーは、オン／オフ流量制御バルブを中に配置し、及び流量制御バルブを迂回させるバイパスループを有する第１フローコンジットを介して熱交換器に結合され、バイパスループは、流量比バルブを中に配置する。

いくつかの実施形態では、プラズマが形成されたときプラズマによって加熱される、ヒーターによって加熱される、及び熱交換器を通して冷却液の流れによって冷却される、プロセスチャンバ内の部品の温度を制御する方法は、部品が第１冷却速度を要求するとき、熱交換器にクーラントを第１流量で供給するステップと、部品が第２冷却速度を要求するとき、熱交換器にクーラントを第２流量で供給するステップを含み、第１流量及び第２流量は共にゼロではなく等しくもない。第１クーラントフローは、中にオン／オフ流量制御バルブを配置する第１フローコンジットを通して供給される。第２冷却液の流れを供給するステップは、流量制御バルブを閉じ、中に流量比バルブを配置したバイパスループを通してクーラントを流すことによって、第１フローコンジットを迂回させるステップを更に含み、これによって第２流量を第１流量よりも低い流量（レート）に設定できる。

本発明の上述した構成を詳細に理解することができるように、上記に簡単に要約した本発明のより具体的な説明を実施形態を参照して行う。実施形態のいくつかは添付図面に示されている。しかしながら、添付図面は本発明の例示的な実施形態を示しているに過ぎず、従ってこの範囲を制限されていると解釈されるべきではなく、本発明は他の等しく有効な実施形態を含み得ることに留意すべきである。

本発明のいくつかの実施形態に係るプロセスチャンバを示す。 本発明のいくつかの実施形態に係る例示的バイパスキットを示す。 〜 本発明のいくつかの実施形態に係る制御アルゴリズムを夫々示す。

理解を促進するために、図面に共通する同一の要素を示す際には可能な限り同一の参照番号を使用している。図面は、比例して描かれているわけではなく、明確にするために簡素化されているかもしれない。一実施形態の要素及び構成を更なる説明なしに他の実施形態に有益に組み込んでもよいと理解される。

詳細な説明

本発明の実施形態は、内部の部品の温度を調節するために改良されたシステムを有し、もしそうでなければプロセスチャンバ内でプラズマが断続的に存在することにより所望の温度設定値をオーバーシュートする可能性のある、基板を処理するための装置（例えば、プロセスチャンバ）を提供する。改良された温度調整システムは、レシピ間における遅れ無しにプロセス装置の効率的な使用を促進し、同時に温度効果によるプロセス変動を最小化する。

既存のプロセスチャンバ（カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．）から入手可能なＤＰＳ（商標名）、ＥＮＡＢＬＥＲ（商標名）、ＡＤＶＡＮＴＥＤＧＥ（商標名）、又は他のプロセスチャンバ等）が、本明細書内で提供される開示に係る装置にレトロフィットされるかもしれない。他の適当なチャンバは、プラズマに曝露されるプロセスチャンバの部品の温度調節が望まれるどんなプラズマ処理チャンバをも含む。

図１は、本発明のいくつかの実施形態に係る例示的基板処理装置１００を示す。基板処理装置１００は、内部処理容積１０４を画定し、過剰なプロセスガス又は処理副生成物等を内部処理容積１０４から取り除くために結合された排気システム１２０を有するプロセスチャンバ１０２を含んでもよい。一般に、プロセスチャンバ１０２は、処理容積の下方に配置され、処理の間、上に基板を支持する基板サポート１０８と、所望の場所に（例えば、基板サポート１０８の支持面と対向して）提供された１以上のガス入口（例えば、シャワーヘッド１１４及び／又はノズル）を含む。

いくつかの実施形態では、基板サポート１０８は、基板サポート１０８の表面上に基板１１０を保持又は支持する機構（静電チャック、真空チャック、基板保持クランプ、又はエッジリング等、図示せず）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、基板サポート１０８は、基板温度を制御するための機構（加熱及び／又は冷却装置等、図示せず）を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、基板サポート１０８は、基板表面近傍の化学種流束及び／又はイオンエネルギーを制御するための機構を含んでもよい。例えば、基板サポート１０８は、ＲＦバイアス電極１４０を含んでもよい。ＲＦバイアス電極１４０は、１以上の夫々のマッチングネットワーク（マッチングネットワーク１３６が図示される）を通して１以上のバイアス電源（１つのバイアス電源１３８が図示される）に結合されてもよい。１以上のバイアス電源は、約２ＭＨｚ又は約１３．５６ＭＨｚ又は約６０ＭＨｚの周波数で最大１２０００Ｗを生成可能であるかもしれない。いくつかの実施形態では、２つのバイアス電源が、約２ＭＨｚと約１３．５６ＭＨｚの周波数でＲＦバイアス電極１４０に夫々のマッチングネットワークを通してＲＦ電力を結合するために提供されてもよい。いくつかの実施形態では、３つのバイアス電源が、約２ＭＨｚ、約１３．５６ＭＨｚ、及び約６０ＭＨｚの周波数でＲＦバイアス電極１４０に夫々のマッチングネットワークを通してＲＦ電力を結合するために提供されてもよい。少なくとも１つのバイアス電源は、連続又はパルス電力を提供するかもしれない。いくつかの実施形態では、バイアス電源は、ＤＣ又はパルスＤＣ電源であるかもしれない。

基板１１０は、プロセスチャンバ１０２の壁内の開口１１２を通してプロセスチャンバ１０２に入るかもしれない。開口１１２は、スリットバルブ１１８、又は開口１１２を通してチャンバ内部へのアクセスを選択的に提供するための他の機構を介して選択的に密閉されてもよい。基板サポート１０８は、開口１１２を通ってチャンバ内へ及びチャンバ外へ基板を搬送するのに適した（図示されるような）下部位置と処理に適した１以上の上部位置の間で基板サポートの位置を制御するかもしれないリフト機構１３４に結合されてもよい。プロセス位置は、特定のプロセスステップのためにプロセスの均一性を最大化するように選択されてもよい。基板サポート１０８は、上部処理位置のうちの少なくとも１つにあるとき、開口１１２の上方に配置されてもよい。

１以上のガス入口（例えば、シャワーヘッド１１４）は、１以上のプロセスガスをプロセスチャンバ１０２内に供給するためのガス供給源１１６に結合されてもよい。シャワーヘッド１１４が図１に示されているが、追加の又は代替のガス入口（プロセスチャンバ１０２の天面内に又は側壁上に又はプロセスチャンバ１０２に望まれるようにガスを供給するのに適した他の位置（例えば、プロセスチャンバのベース又は基板サポート台の周辺部等）に配置されたノズル又は入口等）が提供されてもよい。

いくつかの実施形態では、図１に示されるように、基板処理装置１００は、プロセスチャンバ１０２の上部近傍の上部電極に供給される容量結合されたＲＦ電力を利用してもよい。他の実施形態は、誘導結合されたＲＦ電力及び他の適切な電極配置等を使用できる。例えば、上部電極は、適当な導体材料で作られた天面１４２又はシャワーヘッド１１４等のうちの１以上によって、少なくとも部分的に形成された導体であるかもしれない。１以上のＲＦ電源（１つのＲＦ電源１４８が図１に示される）が、１以上の夫々のマッチングネットワーク（マッチングネットワーク１４６が図１に示される）を通して上部電極に結合されるかもしれない。１以上のプラズマ源は、例えば、約６０ＭＨｚ及び／又は約１６２ＭＨｚの周波数で最大５０００Ｗを生成可能であるかもしれない。いくつかの実施形態では、２つのＲＦ電源が、約６０ＭＨｚ及び約１６２ＭＨｚの周波数でＲＦ電力を供給するために夫々のマッチングネットワークを通して上部電極に結合されるかもしれない。いくつかの実施形態では、２つのＲＦ電源が、約４０ＭＨｚと約１００ＭＨｚの周波数でＲＦ電力を供給するために夫々のマッチングネットワークを通して上部電極に結合されるかもしれない。

いくつかの実施形態では、図１に実例として示されるように、シャワーヘッド１１４は、温度制御機構を含んでもよく、これによってアイドリング及び処理モードの間、シャワーヘッド１１４の温度の制御を促進する。例えば、シャワーヘッド１１４は、電源１２２に結合される１以上のヒーター１０６（抵抗加熱要素等）を含んでもよい。１以上のヒーター１０６は、（図示されるような）埋設されたヒーターであってもよく、又は熱をシャワーヘッド１１４に提供するのに適したいかなる位置に配置されてもよい。シャワーヘッド１１４は、熱をシャワーヘッド１１４から取り除く（例えば、冷却する）ための熱交換器１２８を更に含んでもよい。その代わりに又はそれと組み合わせて、興味対象の部品（例えば、シャワーヘッド１１４）から熱を効果的に取り除くのに適したどの場所にでも、熱交換器１２８（及び／又は他の熱交換器）を配置可能である。例えば、熱交換器１２８は、熱が取り除かれる部品に隣接して、又は興味対象の部品から第２の部品を通って熱交換器１２８まで熱を伝達するのを促進するかもしれない良好な熱伝導率を有する第２の部品に隣接して配置されてもよい。

冷却液は、チラー１２６によって所望の温度又は温度範囲に維持されてもよい。冷却液は、チラー１２６から熱交換器１２８を通って循環する。いくつかの実施形態では、冷却液は、チラー１２６から熱交換器１２８を通ってフローバイパスキット１５０を経由して循環するかもしれない。フローバイパスキット１５０は、２つの異なるクーラントの流量、つまりＲＦ電力が印加されること無しに温度を維持する必要性を満たすためにアイドリングモードの間は低い流量、及びＲＦ電力が印加されるとき温度のオーバーシュートを削減するために処理の間は高い流量を、動的に提供するために構成され制御される。いくつかの実施形態では、以下で更に議論されるように、モデルの予測制御アルゴリズムが、フローバイパスキット１５０の運転を制御するために利用されるかもしれない。

フローバイパスキット１５０の例示的な実施形態が、図２に示される。いくつかの実施形態では、フローバイパスキット１５０は、チラー１２６を熱交換器１２８に結合する第１コンジット２０６内に配置される制御バルブ２０２、及び制御バルブ２０２の周りのバイパスループ２０８内に配置される流量比バルブ２０４を含む。制御バルブ２０２は、開位置にあるとき流れを通過可能にし、又は閉位置では流れが通過するのを妨げる制御可能なオン／オフバルブである。制御バルブ２０２は、手動又は自動のどんな適当なオン／オフバルブ（例えば、空圧バルブ又はソレノイドバルブ等）であってもよい。

流量比バルブ２０４は、制御バルブ２０２を通るクーラントの流量よりも所定の量だけ少ない（バルブの制御可能な位置に依存した）可変の流量を提供する。このように、制御バルブ２０２が開いている時には、クーラントの第１流量は、制御バルブ２０２を通るクーラントの流量によって、又は制御バルブ２０２及び流量比バルブ２０４を通るクーラントの流量の合計によって決定される。制御バルブ２０２が閉じている時には、クーラントの第２流量は、流量比バルブ２０４を通るクーラントの流量によって決定される。従って、制御バルブ２０２は、高い流量と低い流量の間での運転を制御し、流量比バルブ２０４は、高い流量と低い流量の間の流量比を決定する。

流量比バルブ２０４は、手動で又は自動で運転可能であり、インクリメンタルな位置バルブ（例えば、無限の位置セットをもつバルブ）及び有限位置バルブ（例えば、最大流量位置と最小流量位置の間のいずれかの点で位置決めが可能なバルブ）を含むどんな適当な可変位置バルブも可能である。適当な流量比バルブの例は、ニードルバルブ又はダイアフラムバルブ等を含む。

運転中、流量比バルブ２０４は、プラズマがオフである時、従ってより低い熱負荷が存在する時に要求される流量に一致する所望の流量を設定するために使用してもよい。制御バルブ２０２は、（例えば、開いた制御バルブ２０２を通る）高いクーラント流量と（例えば、制御バルブ２０２が閉じている時に、バイパスループ２０８を通る）低いクーラント流量の間を切り替えるために使用してもよい。クーラントのそのような高い及び低い流量は、プラズマが存在しない時（チャンバのアイドリング時等）のより低い熱負荷と、プラズマが存在する時（処理の間等）のより高い熱負荷に対応する冷却を供給するために選択されてもよい。基板処理装置１００がアイドリングモード（例えば、全電力の約１０〜約９０パーセントの間でヒーター１０６を動作させる）時に、シャワーヘッド１１４の温度を所望の設定値に維持可能なように、ヒーター１０６を構成してもよい。そのような構成では、ヒーターのＰＩＤ制御ループは、以下で議論されるように、熱交換器１２８、及び熱電対又は他の温度検出機構からのどんな読み取りノイズに対しても、シャワーヘッド温度の細かな制御を提供することができる。

図１に戻って、シャワーヘッド１１４の温度は、何らかの適当な方法で（例えば、温度検出装置によって）測定可能である。適当な温度検出装置は、例えば、熱電対、サーモパイル、サーミスタ、測温抵抗体（ＲＴＤ）、及び可撓性のある光ファイバ等を含む。温度検出装置は、コントローラ１６０又は他の適当なコントローラに結合され、これによってシャワーヘッド１１４（又は他の興味対象の部品）の温度制御用フィードバックループを提供してもよい。いくつかの実施形態では、温度は、シャワーヘッド１１４の表面上に配置された熱電対によって測定されてもよい。シャワーヘッド１１４の温度制御に関連するように本明細書内で議論されているが、本発明は、本明細書内で説明されるようなヒーター及びフローバイパスキットを備える冷却システムを組み込むことによって、どんな所望のチャンバ部品（例えば、静電チャック）の温度を制御するために有利に利用されてもよい。

基板処理装置１００は、基板処理装置１００の部品の運転を制御するコントローラ１６０を更に含む。例えば、コントローラは、プロセスチャンバ１０２の運転を制御し、これによって例えば、所望のプロセスレシピに従って基板を処理してもよい。そのような制御の一部は、基板処理装置１００の温度調節部品（ヒーター１１４、チラー１２６、及びフローバイパスキット１５０（及び／又は、本明細書内に提供される開示に従って温度が制御される他の何らかの部品）等）の制御である。

コントローラ１６０は、基板処理装置１００の様々な部品に結合され、中央演算処理装置（ＣＰＵ）１６４、メモリ１６２、及びＣＰＵ１６４のためのサポート回路１６６を含む。コントローラ１６０は、直接又は特定のプロセスチャンバと連結されたコンピュータ（又はコントローラ）及び／又はサポートシステム部品を経由して、基板処理装置１００を制御するかもしれない。コントローラ１６０は、様々なチャンバ及びサブプロセッサを制御するための工業環境で使用可能な汎用コンピュータプロセッサのどんな形態のうちの１つであってもよい。ＣＰＵ１６４のメモリ又はコンピュータ可読媒体１６２は、すぐに使用可能なメモリ（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、フロッピー（商標名）ディスク、ハードディスク、フラッシュ、又は、ローカル又はリモートのデジタル記憶装置の他の何らかの形態）のうちの１以上であってもよい。サポート回路１６６は、従来の方法でプロセッサを支援するためにＣＰＵ１６４に結合される。これらの回路は、キャッシュ、電源、クロック回路、入力／出力回路、及びサブシステム等を含む。本明細書内で説明されるような発明的方法は、本明細書内に説明された方法で基板処理装置１００の運転を制御するために実行される又は呼び出されるかもしれないソフトウェアルーチンとしてメモリ１６２内に格納されてもよい。ソフトウェアルーチンはまた、ＣＰＵ１６４によって制御されるハードウェアから離れて位置する第２のＣＰＵ（図示せず）によって格納され及び／又は実行されてもよい。

基板処理装置１００は、チャンバ内にある所望の部品の温度を所定の望まれる限界値内に制御しながら、望むように基板を処理するために制御されてもよい。例えば、上で開示された基板処理装置１００の温度調節部品は、所定の望まれる限界値内にシャワーヘッド１１４の温度を制御するために利用されてもよい。本明細書内ではシャワーヘッド１１４を参照して例示されているが、他のプロセスチャンバ部品が、本発明の実施形態に従って温度制御されてもよい。例えば、他の適当なチャンバ部品は、静電チャック又はバッフル等を含んでもよい。

基板処理装置１００内の部品の温度を制御するための１つの例示的方法３００が、図３に示される。方法３００は、上述のようなフローバイパスキット１５０の制御に関しており、これによって基板処理装置１００の処理サイクルの間における部品（例えば、シャワーヘッド１１４）の温度の制御を促進する。興味対象の部品は、部品に熱を供給するために部品の内部又は近傍に配置されるヒーターを有してもよい。ヒーターは、方法３００と連携して部品の温度を制御するために、別々のコントローラ及び／又は制御アルゴリズム（例えば、ＰＩＤループ）を更に有してもよい。理解を容易にするために、方法３００は、図１〜２に関連して説明される。

方法３００は、例示的に３０２から始まり、説明のために、プラズマがプロセスチャンバ１０２内で形成され、フローバイパスキット１５０の制御バルブ２０２は閉まっている（処理が始まり、チャンバがそれまでアイドリングモードにあった時に、起こるかもしれないような）ことを仮定する。方法３００は、部品（例えば、シャワーヘッド１１４）の温度が所定の上限温度よりも高いかどうかをコントローラ１６０が決定（判定）する３０４に進む。コントローラ１６０は、以下に従ってこの決定を行ってもよい。
１． Ｔ ＞ Ｔ_ＳＰ ＋ ｄＴ_ＵＬであるか？

ここで、Ｔは関係するチャンバ部品（例えば、上記の例ではシャワーヘッド１１４）の実際の温度であり、Ｔ_ＳＰは設定値又は目標温度であり、及びｄＴ_ＵＬは温度上限値に到達するための設定値からの所定の温度差である。シャワーヘッド１１４の実際の温度は、熱電対又は他の温度検出装置で測定されるとき、上限温度差（ｄＴ_ＵＬ）だけ設定値（Ｔ_ＳＰ）を超えていないとコントローラ１６０が決定するならば、処理は継続し、コントローラ１６０は、シャワーヘッド１１４の温度が高過ぎるかどうかを３０４でクエリーし（問い合わせ）続けるだろう。シャワーヘッド１１４の実際の温度が、少なくとも上限温度差（ｄＴ_ＵＬ）だけ設定値（Ｔ_ＳＰ）を超えているとコントローラ１６０が決定するならば、コントローラ１６０は３０６において、フローバイパスキット１５０の制御バルブ２０２を開け、これによって熱交換器１２８を通って流れるクーラントの流量を増大させ、これによってより多くの熱をシャワーヘッド１１４から取り除き、シャワーヘッドの温度を下げる。

次に３０８で、コントローラ１６０は、部品（例えば、シャワーヘッド１１４）の温度が所定の下限温度よりも低いかどうかを決定する。これは、例えばチラー温度の不正な設定又はプラズマ処理の休止等によって、過剰な熱がシャワーヘッド１１４から取り除かれるならば起こるかもしれない。コントローラ１６０は、以下に従ってこの決定を行ってもよい。
２． Ｔ ＜ Ｔ_ＳＰ − ｄＴ_ＬＬであるか？

ここで、ｄＴ_ＬＬは温度下限値に到達するための設定値からの所定の温度差である。シャワーヘッド１１４の実際の温度が、下限温度差（ｄＴ_ＬＬ）だけ設定値（Ｔ_ＳＰ）を下回っていないとコントローラ１６０が決定するならば、処理は継続し、コントローラ１６０は、シャワーヘッド１１４の温度が低過ぎるかどうかを３０８でクエリーし続けるだろう。シャワーヘッド１１４の実際の温度が、少なくとも下限温度差（ｄＴ_ＬＬ）だけ設定値（Ｔ_ＳＰ）を下回っているとコントローラ１６０が決定するならば、コントローラ１６０は３１０において、フローバイパスキット１５０の制御バルブ２０２を閉じ、これによって熱交換器１２８を通って流れるクーラントの流量を減少させ、これによってより少ない熱をシャワーヘッド１１４から取り除き、シャワーヘッドの温度を上げる。

上記の方法は、多くの処理サイクル（例えば、基板間又は単一基板の多重処理ステップ等）を通して、望まれるときに繰り返されてもよい。このように、方法３００は破線３１２で示されるように継続し、コントローラ１６０は３０４で再び、部品（例えば、シャワーヘッド１１４）の温度が所定の温度上限よりも高いかどうかのクエリーを行ってもよい。あるいはまた、処理を完了して、方法３００は３１４で終了してもよい。

上記の方法３００は、監視される部品（例えば、シャワーヘッド１１４）の実際の温度に応答して、フローバイパスキット１５０を制御する。このように、上記の方法３００は、応答性の方法である。本発明のいくつかの実施形態では、予測的な方法が提供され、これによって部品の温度変動の加熱側又は冷却側のいずれかにおける温度のオーバーシュートの回避を促進してもよい。予測的な方法は、図３に関連して上述されたものと同じ制御方法を更に含み、これによって所望の設定値からの所望の温度差を通過するのを促進してもよい。

例えば、図４は、基板処理装置１００内の部品の温度を制御するための方法４００を示す。方法４００は、上述したものと同様のフローバイパスキット１５０の制御に関する。理解を容易にするために、方法３００は、図１〜２に関して説明される。方法４００は、例示的に４０２から始まり、説明のために、プラズマがプロセスチャンバ１０２内で形成され、フローバイパスキット１５０の制御バルブ２０２は閉じている（処理が始まり、チャンバがそれまでアイドリングモードにあった時に、起こるかもしれないような）ことを仮定する。

方法４００は、部品（例えば、シャワーヘッド１１４）の温度が所定の上限温度よりも高いかどうかをコントローラ１６０が決定する４０４に進む。コントローラ１６０は、図３に関して３０４で上述したものと同じ方法で（例えば、式１を用いて）、この決定を行ってもよい。特に、コントローラは以下のようなクエリーを行うかもしれない。
１． Ｔ ＞ Ｔ_ＳＰ ＋ ｄＴ_ＵＬであるか？

前述のように、シャワーヘッド１１４の実際の温度が、少なくとも上限温度差（ｄＴ_ＵＬ）だけ設定値（Ｔ_ＳＰ）を超えているとコントローラ１６０が決定するならば、コントローラ１６０は４１０において、フローバイパスキット１５０の制御バルブ２０２を開け、これによって熱交換器１２８を通って流れるクーラントの流量を増大させ、これによってより多くの熱をシャワーヘッド１１４から取り除き、シャワーヘッドの温度を下げる。

しかしながら、シャワーヘッド１１４の実際の温度が、上限温度差（ｄＴ_ＵＬ）だけ設定値（Ｔ_ＳＰ）を超えていないとコントローラ１６０が決定するならば、チャンバへ送られる全ＲＦ電力が所定の上限値を超えているかどうかコントローラ１６０がクエリーする４０６で、方法は予測的クエリーを継続する。コントローラ１６０は、以下に従って、この決定を行ってもよい。
３． Ｐ ＞ Ｐ_ＵＬであるか？

ここで、Ｐはプロセスチャンバに送られる全ＲＦ電力に対応する力率であり、Ｐ_ＵＬはＲＦ電力の所定の上限値である。いくつかの実施形態では、上限値Ｐ_ＵＬは、冷却負荷の増加が要求されるような興味対象の部品に十分な熱を供給する最も高い力率に一致してもよい。いくつかの実施形態では、力率Ｐは、単にプロセスチャンバに送られる全電力であるかもしれない。例えば、Ｐは次のように定義されてもよい。
Ａ． Ｐ ＝ ΣＰ_ｉ ＝ Ｐ_１ ＋ Ｐ_２ ＋ ．．． ＋ Ｐ_ｎ

ここで、Ｐ_ｉはある特定の電源によってプロセスチャンバへ送られるＲＦ電力である。例えば、Ｐ_１ ＋ Ｐ_２ ＋ ．．． ＋ Ｐ_ｎは、１以上のプラズマ源（例えば、ＲＦ電源１４８）、１以上のバイアス源（例えば、バイアス電源１３８）、又はチャンバ内の他の電極に結合された他のＲＦ源等によって送られる電力と一致するかもしれない。
いくつかの実施形態では、力率Ｐは、プロセスチャンバに送られる全電力の重み付けされた組み合わせであるかもしれない。例えば、Ｐは次のように定義されてもよい。
Ｂ． Ｐ ＝ Σω_ｉＰ_ｉ ＝ ω_１Ｐ_１ ＋ ω_２Ｐ_２ ＋ ．．． ＋ ω_ｎＰ_ｎ

ここで、ω_ｉはプロセスチャンバに送られるＲＦ電力の特定の供給源のための重み係数である。例えば、ω_１Ｐ_１ ＋ ω_２Ｐ_２ ＋ ．．． ＋ ω_ｎＰ_ｎは、１以上のプラズマ源（例えば、ＲＦ電源１４８）、１以上のバイアス源（例えば、バイアス電源１３８）、又はチャンバ内の他の電極に結合された他のＲＦ源等によって送られる電力と一致するかもしれない。重み係数は、興味対象の部品の熱負荷への様々な寄与を説明し、ＲＦ電力の夫々の供給源に対して興味対象の部品の熱負荷への寄与に依存する正、負、又は０のいずれかの数であるかもしれない。

例えば、シャワーヘッド１１４の温度を制御する時、シャワーヘッド１１４に結合されたＲＦ電源のための重み係数は、基板サポート１０８に結合されたＲＦバイアス源の重み係数より高いかもしれない。別の一例において、サポート台１０８内の静電チャックの温度を制御する時、シャワーヘッド１１４に結合されたＲＦ電源のための重み係数は、基板サポート１０８に結合されたＲＦバイアス源の重み係数より低いかもしれない。上限電力Ｐ_ＵＬのみならず様々な重み係数の決定は、経験的に又はモデリングを通して決定されるかもしれない。上記から見られることができるように、式Ａはすべての重み係数が１に等しい単なる特殊な場合である。

コントローラ１６０は、Ｐが（持続可能な又は興味対象の部品に低い熱負荷を示す）チャンバへの電力伝送のための所望の上限値よりも低いことを決定するならば、方法は４０４に戻り、新規に進む。しかしながら、コントローラ１６０は、Ｐが（持続不可能な又は興味対象の部品に高い熱負荷を示す）チャンバへの電力伝送のための所望の上限値よりも高いことを決定するならば、方法は、部品（例えば、シャワーヘッド１１４）の温度が所定の下限温度よりも高いかどうかをコントローラ１６０がクエリーする４０８へと続く。図３に関して３０８で上述したのと同様の方法で（温度が下限温度を超えていることの決定である以外）、コントローラ１６０はこの決定を行ってもよい。特に、コントローラは以下のようなクエリーを行ってもよい。
４． Ｔ ＞ Ｔ_ＳＰ − ｄＴ_ＬＬ であるか？

コントローラ１６０は、シャワーヘッド１１４の実際の温度が下限温度（例えば、設定値（Ｔ_ＳＰ）−下限温度差（ｄＴ_ＬＬ））を超えていないと決定するならば、制御バルブ２０２は、部品の更なる冷却を防止するために閉じたままであり、方法は４０４に戻り、再びクエリーを通して循環する。

しかしながら、コントローラ１６０は、シャワーヘッド１１４の実際の温度が下限温度（例えば、設定値（Ｔ_ＳＰ）−下限温度差（ｄＴ_ＬＬ））を超えていると決定するならば、コントローラ１６０は、フローバイパスキット１５０の制御バルブ２０２を４１０で開き、これによって熱交換器１２８を通して流れるクーラントの流量を増加させ、これによってより多くの熱をシャワーヘッド１１４から取り除き、シャワーヘッドの温度を下げる。

制御バルブ２０２が開くと、熱交換器１２８を通る流量は増し、シャワーヘッド１１４から取り除かれる熱の割合も増す。従って、方法４００は、部品（例えば、シャワーヘッド１１４）の温度が所定の下限温度よりも低いかどうかをコントローラ１６０は決定する４１２へと継続する。図３に関して３０８において上で議論されたように、コントローラ１６０は式２に従ってこの決定を行ってもよい。特に、コントローラは以下のようなクエリーを行ってもよい。
２． Ｔ ＜ Ｔ_ＳＰ − ｄＴ_ＬＬ であるか？

前述のように、コントローラ１６０は、シャワーヘッド１１４の実際の温度が少なくとも下限温度差（ｄＴ_ＬＬ）だけ設定値（Ｔ_ＳＰ）を下回ると決定するならば、コントローラ１６０は、フローバイパスキット１５０の制御バルブ２０２を４１８で閉じ、これによって熱交換器１２８を通して流れるクーラントの流量を減少させ、これによってより少ない熱をシャワーヘッド１１４から取り除き、シャワーヘッドの温度を上げる。

しかしながら、コントローラ１６０は、シャワーヘッド１１４の実際の温度が下限温度差（ｄＴ_ＬＬ）ほど設定値（Ｔ_ＳＰ）よりも低くはないと決定するならば、方法はチャンバに送られる全ＲＦ電力が所定の下限値よりも低いかどうかをコントローラ１６０がクエリーする４１４における予測的クエリーへと続く。コントローラは、以下に従ってこの決定を行ってもよい。
５． Ｐ ＜ Ｐ_ＬＬ であるか？

ここで、Ｐ_ＬＬはＲＦ電力の所定の下限値である。下限値Ｐ_ＬＬは、経験的に又はモデリングを通して決定されてもよい。いくつかの実施形態では、下限値Ｐ_ＬＬは、興味対象の部品に十分な熱を依然として提供する最も低い力率と一致し、これによって追加の冷却負荷を必要としないかもしれない。力率Ｐは、４０６に関して上で議論されたように決定されてもよい。

コントローラ１６０は、Ｐが（持続不可能な又は興味対象の部品に高い熱負荷を示す）チャンバへの電力伝送のための所望の下限値よりも高いことを決定するならば、方法は４１２に戻り、クエリーは新規に行われる。しかしながら、コントローラ１６０は、Ｐが（持続可能な又は興味対象の部品に低い熱負荷を示す）チャンバへの電力伝送のための所望の下限値よりも低いことを決定するならば、方法は、部品（例えば、シャワーヘッド１１４）の温度が所定の上限温度よりも低いかどうかコントローラ１６０がクエリーする４１６へと継続する。図３に関して３０４で上述したのと同様の方法で（温度が上限温度を下回ることの決定である以外）、コントローラ１６０はこの決定を行ってもよい。特に、コントローラは以下のようなクエリーを行ってもよい。
６． Ｔ ＜ Ｔ_ＳＰ − ｄＴ_ＵＬ であるか？

コントローラ１６０は、シャワーヘッド１１４の実際の温度が上限温度（例えば、設定値（Ｔ_ＳＰ）＋下限温度差（ｄＴ_ＵＬ））を超えていると決定するならば、制御バルブ２０２は、部品の更なる加熱を防止するために開いたままであり、方法は４１２に戻り、再びクエリーを通して循環する。

しかしながら、コントローラ１６０は、シャワーヘッド１１４の実際の温度が上限温度（例えば、設定値（Ｔ_ＳＰ）＋上限温度差（ｄＴ_ＵＬ））を下回ると決定するならば、コントローラ１６０は、フローバイパスキット１５０の制御バルブ２０２を４１８で閉じ、これによって熱交換器１２８を通して流れるクーラントの流量を減少させ、これによってより少ない熱をシャワーヘッド１１４から取り除き、シャワーヘッドの温度を上げる。

上記の方法は、多くの処理サイクル（例えば、基板間又は単一基板の多重処理ステップ等）を通して、望まれるときに繰り返されてもよい。このように、部品（例えば、シャワーヘッド１１４）の温度が所定の上限温度よりも高いかどうか、コントローラ１６０は４０４で再びクエリーし、方法４００は破線４２０で示されるように継続するかもしれない。あるいはまた、処理を完了して、方法４００は４２２で終了するかもしれない。

上記の方法において、パラメータｄＴ_ＵＬ及びｄＴ_ＬＬは、処理の間に読み取るシャワーヘッド温度に関してコントローラにフィードバックすることによってフローバイパスキット１５０をリアクティブ制御するための変数であるかもしれない。更に、上記のパラメータ及び機器定数（例えば、力率及び重み係数）は、異なるレシピ用に望まれるように調整されるかもしれない。

このように、プラズマ強化型基板処理装置内の部品に対して改善された温度調節を提供する、基板を処理するための方法及び装置が、本明細書内に提供された。本発明のフローバイパスキットは、低価格であり、現行部品の熱制御範囲をそのような部品に対応するヒーターの設計変更なしに広げる簡単なレトロフィットを提供する。処理装置のアイドリングモードの間にクーラントの流れを制限することによって、アイドリング時のヒーター出力は、大幅に削減され、従ってエネルギーをかなり省力化するかもしれない。更に本明細書内で開示された予測制御手法は、温度のオーバーシュートを防止することによって、性能の更なる向上を達成する。

上記は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の他の及び更なる実施形態は本発明の基本的範囲を逸脱することなく創作することができ、その範囲は以下の特許請求の範囲に基づいて定められる。

Claims (15)

1. プロセスチャンバと、
   前記プロセスチャンバ内でプラズマを形成するためにＲＦエネルギーを供給するＲＦ源と、
   前記プラズマが形成されたときに、前記プラズマによって加熱されるような、前記プロセスチャンバ内に配置される部品と、
   前記部品を加熱するために構成されるヒーターと、
   熱を前記部品から取り除くために構成される熱交換器と、
   オン／オフ流量制御バルブを中に配置し、及び前記流量制御バルブを迂回させるバイパスループを有する第１フローコンジットを経由して前記熱交換器に結合されるチラーを含み、前記バイパスループは流量比バルブを中に配置する、基板を処理するための装置。
2. 前記制御可能なバルブをオン又はオフするためのコントローラを更に含む請求項１記載の装置。
3. 前記部品の温度を示す温度測定装置を更に含み、前記コントローラは、以下の制御パラメータに従って動作し、
   Ｔ ＞ Ｔ_ｓｐ ＋ ｄＴ_ＵＬの場合、制御可能なバルブを開き、
   Ｔ ＜ Ｔ_ｓｐ − ｄＴ_ＬＬの場合、制御可能なバルブを閉じ、
   ここで、Ｔ_ｓｐは目標温度設定値であり、ｄＴ_ＵＬは所定の上方温度差であり、ｄＴ_ＬＬは所定の下方温度差である請求項２記載の装置。
4. 前記部品の温度を示すために配置された温度測定装置と、
   前記電力を前記プラズマへと向かわせ、電極又はそのような電極の群を形成する前記コントローラ内への入力を更に含み、
   前記コントローラは、実質的に以下の制御パラメータに従って動作し、
   Σω_ｉＰ_ｉ ＞ Ｐ_ＵＬ かつ Ｔ ＞ Ｔ_ｓｐ − ｄＴ_ＬＬの場合、制御可能なバルブを開き、
   Σω_ｉＰ_ｉ ＜ Ｐ_ＬＬ かつ Ｔ ＜ Ｔ_ｓｐ ＋ ｄＴ_ＵＬの場合、制御可能なバルブを閉じ、
   ここで、Ｔ_ｓｐは目標温度であり、ｄＴ_ＵＬは所定の上方温度差であり、ｄＴ_ＬＬは所定の下方温度差であり、Ｐ_ｉはｉ＝１からｎまでのプラズマ形成電極及び／又はそれらの群のうちの１つの電力消費量であり、ω_ｉは前記プロセスチャンバへ送られるＲＦ電力のｉ＝１からｎまでの供給源のうちの１つのための重み係数であり、Ｐ_ＵＬは合計された電力消費量のための所定の上限値であり、Ｐ_ＬＬは合計された電力消費量のための所定の下限値である請求項２記載の装置。
5. 前記コントローラは、以下の制御パラメータに従って前記制御バルブを更に制御し、
   Ｔ ＞ Ｔ_ｓｐ ＋ ｄＴ_ＵＬの場合、制御可能なバルブを開き、
   Ｔ ＜ Ｔ_ｓｐ − ｄＴ_ＬＬの場合、制御可能なバルブを閉じ、
   ここで、Ｔ_ｓｐは目標温度であり、ｄＴ_ＵＬは所定の上方温度差であり、ｄＴ_ＬＬは所定の下方温度差である請求項４記載の装置。
6. 前記部品は、前記プロセスチャンバ内にガスを注入するためのシャワーヘッド又は基板を保持するための静電チャックである請求項１記載の装置。
7. プラズマが形成されたときプラズマによって加熱される、ヒーターによって加熱される、及び熱交換器を通して冷却液の流れによって冷却される、プロセスチャンバ内の部品の温度を制御する方法であって、前記方法は、
   前記部品が第１冷却速度を要求するとき、前記熱交換器にクーラントを第１流量で供給するステップと、
   前記部品が第２冷却速度を要求するとき、前記熱交換器に前記クーラントを第２流量で供給するステップを含み、前記第１流量及び前記第２流量は共にゼロではなく等しくもない方法。
8. 前記第１クーラントフローは、中にオン／オフ流量制御バルブを配置する第１フローコンジットを通して供給され、前記第２冷却液の流れを供給するステップは、
   前記流量制御バルブを閉じ、中に流量比バルブを配置したバイパスループを通して前記クーラントを流すことによって、第１フローコンジットを迂回させるステップを更に含み、これによって前記第２流量を前記第１流量よりも低い流量に設定する方法。
9. 前記部品の温度が温度上限値よりも高いことを決定するステップと、
   前記制御バルブを開き、これによって前記クーラントを前記第１流量で供給するステップを更に含む請求項８記載の方法。
10. 前記部品の温度が温度下限値よりも低いことを決定するステップと、
    前記制御バルブを閉じ、これによって前記クーラントを前記第２流量で供給するステップを更に含む請求項８記載の方法。
11. 力率が所定の上限値よりも大きいことを決定するステップを更に含み、前記力率は、前記プロセスチャンバへ送られる全ＲＦ電力に一致し、
    前記方法は、前記部品の温度が温度下限値よりも高いことを決定するステップと、
    前記制御バルブを開き、これによって前記クーラントを前記第１流量で供給するステップを更に含む請求項８記載の方法。
12. 前記力率は、前記プロセスチャンバに結合されたすべてのＲＦ源に対する、重み係数と、前記プロセスチャンバに結合されたＲＦ源から印加された電力との積の合計に等しい請求項１１記載の方法。
13. 力率が所定の下限値よりも小さいことを決定するステップを更に含み、前記力率は、前記プロセスチャンバへ送られる全ＲＦ電力に一致し、
    前記方法は、前記部品の温度が温度上限値よりも低いことを決定するステップと、
    前記制御バルブを閉じ、これによって前記クーラントを前記第２流量で供給するステップを更に含む請求項８記載の方法。
14. 前記力率は、前記プロセスチャンバに結合されたすべてのＲＦ源に対する、重み係数と、前記プロセスチャンバに結合されたＲＦ源から印加された電力との積の合計に等しい請求項１３記載の方法。
15. 力率が所定の上限値よりも大きいことを決定するステップを更に含み、前記力率は、前記プロセスチャンバへ送られる全ＲＦ電力に一致し、
    前記方法は、前記部品の温度が温度下限値よりも高いことを決定するステップと、
    前記制御バルブを開き、これによって前記クーラントを前記第１流量で供給するステップと、
    前記力率が所定の下限値よりも低いことを決定するステップを更に含み、前記力率は、前記プロセスチャンバへ送られる全ＲＦ電力に一致し、
    前記方法は、前記部品の温度が温度上限値よりも低いことを決定するステップと、
    前記制御バルブを閉じ、これによって前記クーラントを前記第２流量で供給するステップを更に含む請求項８記載の方法。

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