KR101464936B1 - 플라즈마 프로세싱 장치를 위한 피드포워드 온도 제어 - Google Patents

플라즈마 프로세싱 장치를 위한 피드포워드 온도 제어 Download PDF

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Abstract

감소된 제어기 응답 시간 및 증가된 안정성을 이용하여 플라즈마 프로세싱 챔버 내의 온도를 제어하기 위한 방법 및 시스템이 제공된다. 온도 제어는 프로세싱 챔버 내로 입력된 플라즈마 전력으로부터 유도된 피드포워드 제어 신호에 적어도 부분적으로 기초한다. 플라즈마 전력에 기인할 수 있는 온도에서의 교란들을 보상하는 피드포워드 제어 신호는 측정된 온도와 원하는 온도 사이의 에러에 대응하는 피드백 제어 신호와 조합될 수 있다.

Description

플라즈마 프로세싱 장치를 위한 피드포워드 온도 제어{FEEDFORWARD TEMPERATURE CONTROL FOR PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 출원은, 2010년 1월 29일자 출원된 미국 가특허출원 제61/299,818호; 및 2010년 10월 15일자 출원된 미국 실용신안 특허출원 제12/905,624호를 우선권으로 주장하며, 이들은 모든 목적을 위해 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 플라즈마 프로세싱 설비에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 플라즈마 프로세싱 챔버를 이용하여 작업부재의 프로세싱 동안 온도를 제어하는 방법에 관한 것이다.
플라즈마 에칭 또는 플라즈마 증착 챔버와 같은 플라즈마 프로세싱 챔버에서, 챔버 컴포넌트의 온도는 종종 프로세스 동안 제어에 중요한 파라미터이다. 예를 들어, 통상적으로 척(chuck) 또는 받침대(pedestal)로 지칭되는 기판 홀더의 온도는, (예를 들어, 에칭률(etch rate)을 제어하기 위한) 프로세스 레시피(process recipe) 동안 다양하게 제어된 온도들(controlled temperatures)로 작업부재를 가열/냉각하도록 제어될 수 있다. 유사하게, 프로세싱에 영향을 끼치기 위해, 프로세스 레시피 동안 샤워헤드(showerhead)/상부 전극 또는 다른 컴포넌트의 온도가 또한 제어될 수 있다. 통상적으로, 히트 싱크 및/또는 히트 소스는 챔버 컴포넌트의 온도를 설정점(setpoint) 온도로 제어하기 위해 프로세싱 챔버에 커플링된다. 온도 제어되는 컴포넌트와 히트 싱크/소스 사이의 열전달의 피드백 제어를 위하여, PID(비례-적분-미분) 제어기와 같은 제어기가 채용된다. 충분히 큰 적분기(integrator)가 사용되지 않는 한, 간단한 피드백 제어에 의해 정상 상태(steady state) 에러들이 발생한다. 간단한 비례 제어에서, [비례 이득(proportional gain)이 무한하지 않는 한] 외부 교란(disturbance)의 존재시 항상 정상 상태 에러가 존재한다. 그러나, 큰 적분 제어의 사용은 큰 오버슛(overshoot)을 갖는 불량한 전이(transient)로 귀결되며, 긴 정착(settling) 시간을 요구한다. 설정점에 수렴하는데 오직 몇 초(few seconds)만을 요구하는 짧은 응답 시간들을 갖는 질량 흐름 제어기들(MFCs)과는 달리, 정전(electrostatic) 척 또는 샤워헤드 온도와 같은 챔버 컴포넌트 온도는, 척 등의 상당한 열 질량으로 인해 플라즈마 프로세스 동안 동요되었을 때 안정시키기 위하여 30초 또는 그 초과를 요구할 수 있다. 이에 따라, 교란에 대해 가장 신속하게 보상하기 위하여, 온도 제어를 더욱 불안정하게 하는 바람직하지 않은 부작용을 갖는 피드백 제어기에서 큰 적분기 값들이 사용될 수 있다.
또한, 점점 더 복잡해지는 필름 스택(stack)들을 수용하기 위하여, 많은 플라즈마 프로세스들이 작업부재를 동일한 프로세싱 챔버 내의 많은 순차적인 플라즈마 조건들에 노출시킨다. (분리되어 조정되는 시스템들에서가 아니라 단일의 제조 장치 내에서 수행되는) 이런 인시츄(in- situ) 레시피에서의 동작들은 넓은 범위에 걸친 온도 설정점들을 요구할 수 있으며, 이는 시스템 내에 비선형성(non-linearity)을 도입하여, 온도가 시스템의 극단적인 상태에 가까운 동안 발생하는 동요(perturbation) 또는 교란이 응답 시간을 과도하게 한다.
따라서, 동요되었을 때 작은 정상 상태 에러 및 개선된 전이 응답(transient response)을 제공하며 안정성을 개선시키는 플라즈마 프로세싱 챔버용 온도 제어 아키텍쳐(architecture)가 요망되고 있다.
플라즈마 프로세싱 장치에 의해 플라즈마 프로세스가 실행됨에 따라서 프로세스 또는 챔버 컴포넌트 온도를 제어하기 위한 방법 및 시스템이 본 명세서에 설명된다. 어떤 실시예들에서, 정상 상태 에러들을 유리하게 감소시키고 응답 시간을 개선시키기 위하여, 방법 및 시스템은 피드포워드 제어 알고리즘을 통합한다.
어떤 실시예들은, 프로세스 챔버에 커플링된 플라즈마 전원의 플라즈마 전력 열부하(heat load)에 기초하여 피드포워드 제어 신호를 이용하여 프로세스 챔버 내의 온도가 적어도 부분적으로 제어되는 방법을 포함한다. 특정 실시예들에서, 입력 플라즈마 전력 신호의 전달 함수(transfer function)는 전원에 의해 출력되는 플라즈마 전력에 의해 프로세스 챔버의 가열을 보상하기 위한 것이다. 이런 일 실시예에서, 프로세스 챔버에 입력된 플라즈마 전력으로 인한 온도 교란을 보상하기 위해, 프로세스 챔버와 상기 프로세스 챔버 외부의 히트 싱크/히트 소스 사이의 열전달이 플라즈마 전력 신호에 기초하여 제어된다. 다른 실시예에서, 온도 제어 방법은 측정된 바에 따른 온도와 원하는 온도 사이의 에러에 대응하기(counteract) 위한 피드백 제어 신호를 추가로 포함한다.
일 실시예에서, 플라즈마 전력 출력 제어 신호 입력(plasma power output control signal input)은 프로세싱 동안 작업부재를 지지하도록 구성된 척에 대한 제 1 바이어스(bias) 전력 입력을 포함하며, 피드포워드 제어 신호는 인가된 플라즈마 전력에 의한 척의 가열을 보상하기 위해 바이어스 전력 입력을 척 온도와 관련시키는 미리 정해진(predefined) 전달 함수를 활용한다. 다른 실시예에서, 플라즈마 전력 출력은 척에 입력된 제 2 바이어스 전력을 포함하며, 피드포워드 제어 신호는 인가된 플라즈마 전력에 의한 척의 가열을 보상하기 위해 제 1 바이어스 전력 및 제 2 바이어스 전력의 전체와 척 온도 사이에 미리 정해진 전달 함수를 활용한다.
실시예들은, 프로세싱 시스템에 의해 실행되었을 때, 프로세스 챔버에 커플링된 전원으로부터 출력된 전력에 기초하여 피드포워드 제어 신호를 이용하여, 프로세스 챔버 내의 온도를 프로세싱 시스템이 적어도 부분적으로 제어하게 하는 명령들을 저장하는 컴퓨터 판독가능한 매체들을 포함한다. 특정 실시예들에서, 컴퓨터 판독가능한 매체들은 플라즈마 전력 신호와 온도 사이에 전달 함수를 포함하며, 플라즈마 전력 출력에 의한 프로세스 챔버의 가열을 보상하기 위한 명령들을 추가로 포함한다. 이런 일 실시예에서, 컴퓨터 판독가능한 매체들은 프로세스 챔버와 상기 프로세스 챔버 외부의 히트 싱크 사이의 열전달을 제어하기 위한 명령들을 포함한다. 다른 실시예에서, 컴퓨터 판독가능한 매체들은 측정된 바에 따른 온도와 원하는 온도 사이의 에러에 대응하기 위한 피드백 제어 신호를 이용하여 온도를 제어하기 위한 명령들을 포함한다.
실시예들은 히트 싱크/히트 소스에 커플링되는 온도 제어된 컴포넌트를 갖는, 플라즈마 에칭 또는 플라즈마 증착 시스템과 같은 플라즈마 프로세싱 챔버를 포함한다. 플라즈마 전원은 프로세스 챔버에 배치된 작업부재의 프로세싱 동안 프로세스 플라즈마를 에너자이징하기 위해 프로세싱 챔버에 커플링될 것이다. 온도 제어기는 온도 제어된 컴포넌트와 히트 싱크/히트 소스 사이의 열전달을 피드포워드 제어 신호에 의해 관리한다. 또한, 피드백 신호는 피드포워드 신호와 조합하여 채용될 수 있다. 특정 일 실시예에서, 온도 제어된 컴포넌트는 프로세싱 동안 작업부재를 지지하도록 구성된 척을 포함한다. 추가 실시예에서, 온도 제어된 컴포넌트의 플라즈마 가열을 보상하기 위해 피드포워드 제어 신호가 플라즈마 전원에 의해 출력된 플라즈마 전력에 기초할 수 있도록, 온도 제어기가 플라즈마 전원에 통신가능하게 커플링된다. 피드포워드 제어 신호가 온도 제어된 컴포넌트와 히트 싱크/히트 소스 사이의 온도 차이에 추가로 기초할 수 있도록, 온도 제어기는 히트 싱크/히트 소스(또는, 그 제어기)에 추가로 통신가능하게 커플링될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 명세서의 결론 부분에서 특별히 언급되고 명확하게 청구된다. 그러나, 그 목적, 특징, 및 장점과 함께, 조직 및 동작 방법 모두에 관한 본 발명의 실시예들은 첨부의 도면들과 함께 판독될 때 하기의 상세한 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라, 피드포워드 및 피드백 제어 엘리먼트들 모두를 포함하는 온도 제어 시스템을 예시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라, 도 1에 기재된 제어 시스템을 이용하여 플라즈마 프로세스 챔버 온도를 제어하기 위한 방법에서의 특정한 동작들을 예시하는 흐름도를 예시한다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라, 도 2에 예시된 방법을 실행하기 위한 온도 제어기를 포함하는 플라즈마 에칭 시스템의 개략도를 예시한다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따라, 도 3a의 플라즈마 에칭 시스템에 채용된 액체 히트 소스 및 히트 싱크를 위한 밸브 및 배관(plumbing)의 개략도를 예시한다.
도 3c는 본 발명의 실시예에 따라, 이득 그룹 대조표(gain group lookup table)를 예시한다.
도 3d는 본 발명의 실시예에 따라, 플라즈마 프로세스 레시피의 2개의 단계들 사이에서의 설정점 온도들의 변화들을 다루기 위한 제어 알고리즘을 예시한다.
도 3e는 본 발명의 실시예에 따라, 도 3d의 제어 알고리즘에 의해 채용된 이득 그룹을 위한 대조표를 예시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 3a에 도시된 플라즈마 에칭 시스템에 통합된 예시적인 컴퓨터 시스템의 블록도를 예시한다.
하기의 상세한 설명에 있어서, 본 발명의 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 많은 특정한 세부사항들이 설명된다. 그러나, 당업자라면 이들 구체적인 세부사항 없이 다른 실시예들이 실행될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 경우들에 있어서, 본 발명이 불명확해지지 않도록 널리 공지된 방법들, 절차들, 컴포넌트들, 및 회로들은 상세하게 설명되지 않았다. 후술하는 상세한 설명의 일부 부분들은 컴퓨터 메모리 내의 데이터 비트들 또는 이진(binary) 디지털 신호들에 대한 동작들의 상징적 표현들 및 알고리즘들과 관련하여 제공된다. 이들 알고리즘의 설명들 및 표현들은 이들의 작업의 본질을 다른 당업자에게 전달하기 위해 데이터 프로세싱 기술 분야의 당업자에 의해 사용되는 기술일 수 있다.
알고리즘 또는 방법은 여기서는 그리고 일반적으로는 원하는 결과로 유도하는 행동들 또는 동작들의 일관성 있는 시퀀스인 것으로 고려된다. 이들은 물리량(quantity)들의 물리적 조작들을 포함한다. 일반적으로, 필수적인 것은 아니지만, 이들 양들은 저장, 전달, 조합, 비교, 및 그렇지 않을 경우 조작될 수 있는 전기적 또는 자기적 신호들의 형태를 취한다. 때로는, 주로 통상적인 사용 때문에, 이들 신호들을 비트들, 값들, 엘리먼트들, 부호들, 특징들, 용어들, 레벨들, 숫자들 등으로서 지칭하는 것이 편리한 것으로 판명되었다. 그러나, 이들 및 유사한 용어들 모두는 적절한 물리량들과 연관될 것이며, 이러한 물리량들에 적용되는 단지 편리한 라벨(label)일 뿐임을 이해해야 한다.
특별히 다르게 언급하지 않는 한, 하기의 논의들로부터 명백한 바와 같이, 명세서 전반에 걸쳐서 "프로세싱(processing)", "연산(computing)", "계산(calculating)", "결정(determining)" 등과 같은 용어들을 활용하는 논의들은 컴퓨터 또는 연산 시스템, 또는 유사한 전자 연산 디바이스의 동작 및/또는 프로세스들을 지칭하며, 이들은 연산 시스템의 레지스터 및/또는 메모리 내의 물리적, 가령 전자적 양들로 표시된 데이터를 연산 시스템의 메모리들, 레지스터들 또는 다른 그러한 정보 저장, 전송(transmission) 또는 디스플레이 디바이스들 내의 물리량들로 유사하게 표시된 다른 데이터로 조작 및/또는 변환시키는 것으로 생각된다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 동작들을 수행하기 위한 장치들을 포함할 수 있다. 장치는 원하는 목적들을 위해 특정하게 구성될 수 있으며, 또는 디바이스에 저장되는 프로그램에 의해 선택적으로 작동되거나 또는 재구성되는 범용 연산 디바이스를 포함할 수 있다. 이러한 프로그램은 플로피 디스크들, 광학 디스크들, 컴팩트 디스크 판독 전용 메모리들(CD-ROMs), 자기-광학 디스크들, 판독전용 메모리들(ROMs), 랜덤 액세스 메모리들(RAMs), 전기적으로 프로그램가능한 판독전용 메모리들(EPROMs), 전기적으로 소거가능하고 그리고 프로그램가능한 판독전용 메모리들(EEPROMs), 자기 또는 광학 카드들을 포함하는 임의의 유형의 디스크(disk), 또는 전자적 명령들을 저장하기에 적합하고 연산 디바이스를 위한 시스템 버스(bus)에 커플링될 수 있는 임의의 다른 유형의 매체들과 같은(그러나, 이에 제한되지 않음) 저장 매체상에 저장될 수 있다.
컴포넌트들 사이의 구조적 관계들을 설명하기 위해 "커플링된(coupled)" 및 "접속된(connected)" 이라는 용어가 그 파생어들과 함께 본 명세서에 사용될 수 있다. 이들 용어들은 서로 유의어들로서 의도되지 않음을 이해해야만 한다. 오히려, 특정한 실시예들에서, 2개 또는 3개 이상의 엘리먼트들이 서로 직접적인 물리적 또는 전기적 접촉되어 있다는 것을 나타내기 위해, "접속된"이 사용될 수 있다. 2개 또는 3개 이상의 엘리먼트들이 서로 직접적인 또는 간접적인[그들 사이에 다른 개재(intervening) 엘리먼트를 갖는] 물리적 또는 전기적 접촉되어 있다는 것을 나타내기 위해, 및/또는 2개 또는 3개 이상의 엘리먼트들이 함께 협력하거나 또는 (예를 들어, 인과관계에서와 같이) 서로 상호작용하는 것을 나타내기 위해, "커플링된"이 사용될 수 있다.
본 명세서에 설명된 프로세스 또는 챔버 컴포넌트 온도를 제어하기 위한 방법들 및 시스템들의 실시예들은, 교란 전달 함수를 보상하는 피드포워드 제어 신호를 생성하는 피드포워드 제어 라인을 통해서 온도 제어 노력을 제공한다. 보다 구체적으로, 제어되는 중인 온도에 대한 교란을 상쇄시키기 위해, 피드포워드 제어 전달 함수는 교란 전달 함수와 동일하고 그리고 반대인 것이 바람직하다. 다른 실시예들에서, 보다 적은 제어 노력을 제공하고 그에 따라 온도 에러 보정(correction)을 위해 피드포워드 제어 신호의 부재시 필요로되는 것보다 낮은 피드백 이득들을 가능하게 하기 위해 피드백 루프(loop)가 요구되도록, 피드포워드 제어 신호가 피드백 제어 노력에 추가된다. 보다 낮은 피드백 이득들로 인해, 종래의 플라즈마 프로세싱 시스템들에 대해 개선된 온도 안정성 및 개선된 과도 응답들(transient responses)(예를 들어, 감소된 오버슛, 감소된 상승 시간, 등)이 달성된다.
도1은 본 발명의 실시예에 따라, 피드포워드[예를 들어, F(s) 115] 및 피드백[예를 들어, G(s) 120] 제어 엘리먼트들 모두를 포함하는 라플라스(Laplace) 도메인(domain)에서의 온도 제어 시스템(100)을 예시하는 블록도이다. 상업적으로 입수가능한 온도 제어기들은 교란 보상을 위한 피드포워드 입력이 결여되어 있기 때문에 [예를 들면, 측정된 제어되는 온도(150) 및 설정점 온도(106)를 포함하는 입력들을 이용하여 오직 피드백 제어만을 제공], 특정 실시예들은 자율 온도 제어 플레인(autonomous temperature control plane)[예를 들어, 히트 싱크 또는 히트 소스의 이산(離散; discrete) PID 제어기]으로부터 벗어나 그리고 피드백 및 피드포워드 제어 노력들 모두를 연산하는 플라즈마 프로세싱 시스템의 집적된 제어 소프트웨어 플레인(125)상에서 피드백 전달 함수[G(s)(120)]를 위한 제어 연산(computation)들을 진행시킴으로써 피드포워드 제어를 제공한다. 여기에 추가로 설명되는 바와 같이, 그 후 단순히 온도 제어 시스템(100)을 실행(implement)하라는 명령을 수행하는 집적된 플라즈마 챔버 제어 소프트웨어 플레인(125)의 지시하에 동작하는 제어 작동기(예를 들어, 밸브들, 저항 엘리먼트들, 등)의 드라이버로서 이산 온도 제어기가 수동 모드에서 동작될 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예들에서, 집적된 제어 소프트웨어 플레인(125)으로부터 오프로딩된(off-loaded) 관련의 제어 연산들을 이용하여 여기에 설명된 피드포워드 제어를 제공하도록 이산 온도 제어기가 구성된다.
도1에 도시된 바와 같이, 온도 제어 시스템(100)은, 작업부재의 프로세싱 동안 플라즈마 프로세스 챔버 내로 도입되는 플라즈마 전력(105)을 입력으로서 취하는 피드포워드 전달 함수[F(s)(115)]를 포함한다. 피드포워드 라인 내로 입력된 플라즈마 전력(105)은, 온도 제어된 시스템 컴포넌트 상에 상당한 열부하를 두는 RF 발전기, 마그네트론(magnetron) 등과 같은 플라즈마 전원에 의해 출력된 임의의 전력에 기초할 수 있다. 이런 일 실시예에서, 플라즈마 전력(105)은 프로세싱 챔버로의 다수의 전력 입력들의 가중된 총합(weighted sum)으로서 모델링된다. 예를 들어, 플라즈마 전력의 가중된 총합은 c1*P1+c2*P2+c3*P3 와 동일하며, 여기서 상기 P1, P2, 및 P3 는 각각 바이어스 또는 소스 전력이다. 가중치(weight)(c1, c2, 및 c3)들은, 임의의 실수(real number)일 수 있으며, 그리고 특정 실시예들에서 증가된 소스 전력에 의해 컴포넌트 가열이 실제로 감소되는 경우, 소스 전력의 가중치가 음(negative)일지라도 가충지들(c1, c2 및 c3)은 전형적으로 양(positive)이다.
피드포워드 전달 함수[F(s)(115)]는 교란 전달 함수[D(s)(110)]를 모방(emulate)하고 피드포워드 제어 신호(u)를 출력할 것이어서, 교란 전달 함수[D(s)(110)]에 대한 사인(sign)과는 반대인 제어 노력을 제공하고, 플라즈마 소스 전력 열부하에 의해 유발되는 교란으로 인해 발생한 제어된 온도(150)의 증가를 보상한다. 교란 전달 함수[D(s)(110)]는 플라즈마 전력(105)의 열부하를, 특정한 열적(thermal) 시간 상수(τ)를 갖는 플라즈마 프로세싱 시스템의 제어되는 온도(150)의 상승과 관련시킨다. 예를 들어, 시간(t)에서 0W 로부터 1000W 로의 플라즈마 전력의 계단 함수(step function) 증가는, 교란 전달 함수[D(s)(110)]에 의해 시간 경과에 따른 시스템 온도 상승으로 맵핑(mapping)될 수 있다.
도시된 실시예에서, 피드포워드 제어 신호(u)는 피드백 전달 함수[G(s)(120)]가 피드백 제어 신호(ν)를 제공하는 피드백 제어 루프와 커플링된다. 제어된 온도(150)와 설정점 온도(106) 사이의 차이에 대응하는 에러 신호(e)의 보정을 위해, 온도 제어 시스템(100)은 피드백 제어 신호(ν)를 유지시킨다.
도1에 예시된 실시예에서, 출력 제어된(output controlled) 온도(150)에 대한 교란 전달 함수[D(s)(110)]의 영향을 보상하기 위해, 피드포워드 제어 신호(u)는 설정점 온도(106)와 함께, 작동기 전달 함수[G2(s)(130)] 및 열질량(thermal mass) 전달 함수[H(s)(135)]에 입력된다. 작동기 전달 함수[G2(s)(130)]는 온도 제어된 컴포넌트와 히트 싱크 사이의 열전달을 제어하는 작동기의 함수를 포함하며; 그리고 온도 제어되는 컴포넌트와 히트 소스 사이의 열전달을 제어하는 작동기의 함수를 추가로 포함할 수 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 프로세싱 챔버에 미리 설치될(fitted) 수 있는 종래의 피드백 제어 시스템과 동일한 작동기를 이용하여 피드포워드 전달 함수[F(s)(115)]의 추가(addition)가 실행될 수 있도록, 피드포워드 제어를 위해 피드백 제어의 작동기가 또한 활용된다. 작동기는 본 기술분야에 통상적으로 채용되는 임의의 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 작동기는 온도 제어된 컴포넌트와 히트 싱크/히트 소스 사이에 커플링된 유체 냉각제(들) 유량(flow rate)을 제어하는 하나 또는 둘 이상의 밸브들을 포함한다. 다른 실시예에서, 작동기는 온도 제어된 컴포넌트에 커플링된 하나 또는 둘 이상의 저항 가열 엘리먼트를 포함한다. 열질량 전달 함수[H(s)(135)]는 히트 싱크/소스 및 온도 제어된 컴포넌트 등의 열용량(heat capacity)의 함수를 포함한다.
따라서, 도1에 도시된 예시적인 실시예에 대해, 피드포워드 전달 함수[F(s)(115)]는 다음과 같은 형태를 취한다.
Figure 112012060048915-pct00001
여기서,
Figure 112012060048915-pct00002
이고,
Figure 112012060048915-pct00003
이다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따라서, 도1에 도시된 제어 시스템(100)을 이용하여 온도를 제어하기 위한 방법(200)의 특정한 동작들을 예시하는 흐름도를 예시한다. 도 3a는 본 발명의 다른 실시예에서 방법(200)에 의해 온도가 제어되는 컴포넌트를 포함하는 플라즈마 에칭 시스템(300)의 개략적인 횡단면도를 예시한다. 플라즈마 에칭 시스템(300)은 미국 캘리포니아 소재의 어플라이드 머티어리얼즈에 의해 제조된 Enabler™, MxP®, MxP+™, Super-E™, DPSⅡ AdvantEdge™G3, 또는 E-MAX® 챔버들과 같은(그러나, 이에 제한되지 않는) 당업계에 공지된 임의의 타입의 고성능 에칭 챔버일 수 있다. 상업적으로 입수가능한 다른 에칭 챔버들이 유사하게 제어될 수 있다. 예시적인 실시예들이 플라즈마 에칭 시스템(300)에 관하여 설명되지만, 여기에 설명된 온도 제어 시스템 아키텍쳐는 온도 제어된 컴포넌트 상에 열부하를 제공하는 다른 플라즈마 프로세싱 시스템들(예를 들어, 플라즈마 증착 시스템들, 등)에 대해 또한 적응될 수 있음을 추가로 유의해야 한다.
플라즈마 에칭 시스템(300)은 접지된 챔버(305)를 포함한다. 기판(310)은 개구(315)를 통해 로딩되며, 온도 제어된 정전 척(320)에 클램핑된다. 기판(310)은 플라즈마 프로세싱 기술에 통상적으로 채용되는 임의의 작업부재일 수 있으며, 본 발명은 이러한 관점에서 제한되지 않는다. 특정한 실시예들에서, 온도 제어된 척(320)은 복수의 영역들을 포함하며, 각각의 상기 영역은 설정점 온도(106)(도1)로 독립적으로 제어될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제 1 열영역(322)이 기판(310)의 중심에 인접하고, 제 2 열영역(321)이 기판(310)의 둘레/가장자리에 인접한다. 프로세스 가스들은 가스 소스(345)로부터 질량 흐름 제어기(349)를 통해 챔버(305)의 내부로 공급된다. 챔버(305)는 고용량 진공 펌프 스택(355)에 접속된 배기 밸브(351)를 통해 비워진다.
플라즈마 전력이 챔버(305)에 인가될 때, 기판(310) 위의 프로세싱 지역에서 플라즈마가 형성된다. 플라즈마를 에너자이징하기 위해 플라즈마 바이어스 전력(325)이 척(320)(예를 들어, 캐소드)에 커플링된다. 플라즈마 바이어스 전력(325)은 전형적으로 약 2 MHz 내지 60 MHz 의 낮은 주파수를 가지며, 특정한 실시예에서는 13.56 MHz 대역(band)에 있다. 예시적인 실시예에서, 플라즈마 에칭 시스템(300)은 플라즈마 바이어스 전력(325)과 동일한 RF 매치(match)(327)에 접속된 약 2 MHz 대역 주위에서 동작하는 제 2 플라즈마 바이어스 전력(326)을 포함한다. 고주파 소스 전력을 제공하여 플라즈마를 유도적으로 또는 용량적으로 에너자이징하기 위해, 플라즈마 소스 전력(330)이 매치(도시되지 않음)를 통해 플라즈마 발생 엘리먼트(335)에 커플링된다. 플라즈마 소스 전력(330)은 전형적으로, 100 내지 180 MHz 와 같은 플라즈마 바이어스 전력(325)보다 높은 주파수를 가지며, 특정한 실시예에서는 162 MHz 대역에 있지만, 반드시 그런 것은 아니다. 바이어스 전력은 기판(310)상의 바이어스 전압에 더욱 직접적으로 영향을 끼쳐 기판(310)의 이온 충격(ion bombardment)을 제어하는 반면에, 소스 전력은 기판(310)상의 바이어스와는 비교적 독립적으로 플라즈마 밀도에 더욱 직접적으로 영향을 끼친다. 명백히, 제어 시스템(100)에 의해 온도 제어될 시스템 컴포넌트는 척에도 제한되지 않으며 또한 온도 제어된 컴포넌트가 플라즈마 전력을 프로세스 챔버 내로 직접 커플링할 필요도 없다. 대안적인 실시예에서 예를 들어, 프로세스 가스가 통과하여 플라즈마 프로세스 챔버 내로 투입되는 샤워헤드는 온도 제어 시스템(100)을 이용하여 제어된다. 이런 샤워헤드 실시예들에 대해, 샤워헤드는 RF 전극으로서 기능할 수 있거나 또는 기능하지 않을 수 있다.
시스템 제어기(370)의 집적된 온도 제어 소프트웨어 플레인으로서의 온도 제어기(375)는 온도 제어 방법(200)을 수행할 것이며, 소프트웨어 또는 하드웨어, 또는 환경설정된(configured) 소프트웨어 및 하드웨어 모두의 조합일 수 있다. 온도 제어기(375)는 플라즈마 챔버(305) 외부의 히트 소스 및/또는 히트 싱크와 척(320) 사이의 열전달의 레이트에 영향을 끼치는 제어 신호들을 출력할 것이다. 도 2로 되돌아가서, 방법(200)은 대기 상태의 동작(operation)(201)에서 시작한다. 샘플 시간(Tcalc)의 경과에 의해, 동작(205)에서 현재의 제어된 온도(150)(도1)가 획득되고, 설정점 온도(106)가 획득되며, 그리고 플라즈마 전력(105)이 획득된다. 또한, 히트 싱크에 대한 온도 설정점도 획득될 수 있다. 도 3에 도시된 예시적인 실시예에서, 온도 제어기(375)는 척 온도 센서(376)로부터 제어된 온도 입력 신호를 수신한다. 온도 제어기(375)는 예를 들어 메모리(373)에 저장된 프로세스 레시피 파일로부터 척 설정점 온도를 획득하며, 온도 제어기(375)는 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같이 측정된 플라즈마 전력을 획득한다.
예시적인 실시예에서, 온도 제어기(375)가 냉각기(377)(히트 싱크) 및/또는 열교환기(HTX)(378)(히트 소스)에 직접적으로 또는 간접적으로[집적된 제어 소프트웨어 플레인(125)을 통해] 커플링됨으로써, 온도 제어기(375)가 냉각기(chiller)(377) 또는 열교환기(HTX)(378)의 온도 설정점을 획득할 수 있다. 이런 실시예들에서, 냉각기(377)의 온도와 설정점 온도(106) 사이의 차이[또는, 열교환기(378)의 온도와 설정점 온도(106) 사이의 차이, 또는 차이들 모두]는 플라즈마 전력과 함께 피드포워드 제어 라인 내로 입력된다. 냉각기(377)는 척(320)을 냉각기(377)와 열적으로 커플링하는 냉각제 루프를 통해, 척(320)에 냉각 전력을 제공할 것이다. 따라서, 예시적인 실시예에서, 2개의 냉각제 루프들이 채용된다. 하나의 냉각제 루프는 (예를 들어, -15℃ 의 온도 설정점에서)차가운 액체를 갖는 반면에, 다른 루프는 높은 온도(예를 들어, 60℃ 의 온도 설정점에서)에서 액체를 포함한다. 따라서, ρ가 음일 때, 냉각이 요구되고, 밸브(385)가 개방된다. 유사하게, ρ가 양일 때, 가열 루프를 위해 밸브(386)가 개방된다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 가열된 냉각제 루프 대신에, 전기 저항 히터가 척(320)에 매립될 수 있다.
도 3a에 도시된 예시적인 실시예에서, 온도 제어기(375)는 펄스 폭 변조(PWM) 제어기(380)에 추가로 커플링된다. 밸브들(385, 386)이 디지털이고 임의의 주어진 시간에 오직 하나만 개방되도록 추가로 동작하는 실시예에 대해, 척(320)의 가열 및 냉각은 "펄스형(pulsed)" 으로 지칭된다. 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 설명되는 바와 같이, 듀티 사이클에 의해 한정된 시간의 주기 동안 밸브(385)가 개방 상태로 제어될 때, 냉각 전력의 펄스가 제공된다. 유사하게, 듀티 사이클에 의해 한정된 시간의 주기 동안 밸브(386)가 개방 상태에 있는 것으로 제어될 때, 가열 전력의 펄스가 척(320)에 제공된다. 온도 제어기(375)에 의해 전송된 제어 신호들에 의존하는 듀티 사이클에서 이들 밸브가 디지털인(즉, 2진 상태들을 갖는; 완전히 개방되거나 또는 완전히 폐쇄되는) 실시예들에 대해, PWM 제어기(380)는 밸브들(385, 386)을 동작시키도록 구성가능하고 그리고 일반적으로 입수가능한 임의의 타입일 수 있다. 대안적으로, 여기에 설명되는 피드포워드 제어 알고리즘들을 구현하기 위해, 일본 소재의 야마타케 코포레이션(Yamatake Corp.)의 아즈빌(Azbil)로부터 상업적으로 입수가능한 것들 중 하나와 같은(그러나, 이에 제한되지 않는), 듀티 사이클들의 외부 제어를 제공하며 PWM 기능성을 지원하는 PID 제어기가 채용될 수 있다. 대안적으로, PWM 신호는 컴퓨터[예를 들어, 제어기(370)]의 디지털 출력 포트에 의해 발생될 수 있으며, 그 신호는 밸브를 온/오프 위치들로 제어하는 릴레이(relay)를 구동시키는데 사용될 수 있다. 방법(200)을 통해 온도 제어기(375)가 온도 제어 시스템(100)을 구현하는 실시예들에 대해, 디지털 밸브(385)의 드라이버로서 PWM 제어기(380)가 배타적으로 활용된다.
본 명세서에 설명된 모든 제어 방법들은, 본 명세서에 설명된 예시적인 디지털 밸브 구현예들의 아날로그 구현예로서 비례 밸브(proportional valve)(0 과 완전 흐름 사이에서 무한하게 가변적임)에 적용될 수 있음을 또한 유의해야 한다. 아날로그 밸브 실시예들에 대해, 아날로그 전압들/전류는 디지털 밸브 실시예들을 위한 듀티 사이클에 대한 대응부(counterpart)로서 완전 흐름(0 과 1 을 포함하는 0 과 1 사이)의 일부들을 나타낸다.
온도 제어기(375)는 집적된 제어 소프트웨어 플레인(125) 내에 포함될 필요가 없으며, 또는 상기 집적된 제어 소프트웨어 플레인(125)에 의해 제공될 필요가 없다(도1 참조). 특히, 그 대신에 온도 제어기(375)의 기능성이 이산 시스템으로서 제공될 수 있다. 예를 들어, 야마타케 코포레이션의 아즈빌로부터 상업적으로 입수가능한 것들과 같은(그러나 이에 제한되지 않는) PID 제어기들이, 플라즈마 전력 및 냉각기 온도와 같은 추가적인 피드포워드 입력들을 포함하도록 미래에 설계될 수 있을 것이다. 이산 시스템은, 이들 피드포워드 입력들에 기초하여 피드포워드 제어 노력을 결정하는 능력을 갖는 프로세서를 포함하도록 추가로 제조될 수 있다. 따라서, 온도 제어를 위해 여기에 설명된 모든 실시예들은 집적된 제어 소프트웨어 플레인(125)의 패싯(facet)으로서 또는 PWM 제어기(380)의 패싯으로서 온도 제어기(375)에 의해 제공될 수 있다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 도 3a의 플라즈마 에칭 시스템에 채용된 열전달 유체 기반(fluid-based) 히트 소스/싱크를 위한 밸브 및 배관의 개략도를 예시하고 있다. 추가로 도시된 바와 같이, 한 쌍의 열전달 유체 공급 라인들(381 및 382)은 밸브들(385)(각각 EV 4 및 EV 3)을 통해 [프로세싱 동안 작업부재(310)가 배치된 척의 작업 표면의 아래쪽의] 척(320)에 매립되는 열전달 유체 채널 및 냉각기(377)에 커플링된다. 라인(381)은 척 작업 표면의 제 1 외부영역의 아래쪽에 매립된 열전달 유체 채널에 커플링되는 반면에, 라인(382)은 이중 영역 냉각을 촉진시키기 위해 척 작업 표면의 제 2 내부영역의 아래쪽에 매립된 열전달 유체 채널에 커플링된다. 유사하게, 이중 영역 가열을 촉진시키기 위해, 또한 라인들(381, 382)은 밸브들(386)(각각 EV 2 및 EV 1)을 통해 척(320)을 HTX(378)에 커플링한다. 복귀 라인들(383 및 384)은 복귀 밸브들(387, 388)을 통해 냉각기/HTX(377, 378)로의 각각의 외부 및 내부 영역 열전달 유체 채널들의 커플링을 완성한다. 바람직한 실시예에서, 현재 시간에서(예를 들어, Tcalc 의 경과 후) 프로세스 챔버(305)내의 플라즈마를 에너자이징하는 측정된 포워드 RF 바이어스 전력(328)은, 플라즈마 열부하(예를 들어, 와트)로서 피드포워드 제어 라인 내로 입력된다. 또한, [예를 들어, 메모리(373)에 저장된 프로세스 레시피 파일로부터의] 플라즈마 전력 설정점 값들은 피드포워드 제어 라인으로의 입력으로서 활용될 수 있다. 미리 정해진 이러한 전력 설정점 값들은, 플라즈마 전력의 인가 이전에 또는 시스템 내로의 플라즈마 전력의 인가의 변화 이전에 전력 설정점에 대해 피드포워드 전달 함수[F(s)(115)]가 평가되게 할 수 있으며, 예상되는 제어 노력을 발생시킬 수 있다. 그러나, 온도 제어 시스템(100)이 충분히 빨리 반응할 수 있다고 가정하면, 현재 시간에 인가되는 플라즈마 전력의 더 높은 정확도를 위해 플라즈마 전력(105)은 측정된 전력 출력 신호에 바람직하게 커플링된다. 이런 실시예들에 대해서 조차도, 미래 시간에 대한 제어 노력 결정들은 레시피를 기반으로 하여(recipe-based) 유지될 것이다.
실시예에서, 플라즈마 전력(105)은 플라즈마 프로세싱 동안 작업부재를 지지하도록 구성된 척에 입력된 제 1 바이어스 전력을 포함한다. 예를 들어, 플라즈마 전력(105)은 플라즈마 바이어스 전력(325)(도 3)으로 설정될 수 있다. 플라즈마 프로세싱 시스템이 척에 복수의 바이어스 전력 입력들을 인가하는 실시예에 대해, 복수의 바이어스 전력의 (가중된) 총합은 온도 제어 시스템(100)에 플라즈마 전력(105)으로서 입력된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 예시적인 실시예에서, 플라즈마 바이어스 전력들(325 및 326)의 총합은 플라즈마 전력(105)으로서 입력된다. 플라즈마 전력(105)으로서 입력된 제 1 플라즈마 바이어스 전력 및/또는 제 2 플라즈마 바이어스 전력을 이용하여 교란 전달 함수[D(s)(110)]를 보상하기 위해, 피드포워드 전달 함수[F(s)(115)]는 [예를 들어, RF 매치(327)로부터 출력된 포워드 바이어스 전력(328)으로서 측정된]바이어스 전력 입력을 냉각 노력을 규정하는 피드포워드 제어 신호(u)와 관련시킨다.
예시적인 실시예에서 바이어스 전력들의 총합이 플라즈마 전력(105)으로서 입력되었지만, 프로세스 챔버 내로 입력된 전체 플라즈마 전력에 기여하는 하나 또는 둘 이상의 전력 입력은 가중의 함수로서 플라즈마 전력(105)으로부터 배제될 수 있으며, 또는 오히려 음으로 가중될 수 있음을 유의해야 한다. 예를 들어, 도 3을 참조하여, 플라즈마 소스 전력(330)이 플라즈마 전력(105)으로부터 배제되며, 이 경우 제어 시스템(100)(도1)이 정전 척(320)의 온도를 제어할 것이다. 이러한 실시예에 대해, 플라즈마 전력(105)은 플라즈마 소스 전력(330)을 포함할 필요가 없으며, 또는 비교적 작은 가중 인자(weighting factor)를 갖는 플라즈마 소스 전력(330)을 포함하는데, 그 이유는 플라즈마 소스 전력(330)에 의해 척(320) 상에 놓인 열부하가 비교적 작기 때문이다. 그러나, 제어되는 온도가 프로세싱 챔버 내로 입력되는 모든 플라즈마 전력에 대해 상당한 의존성(dependence)을 갖는 대안적인 실시예들에서, 피드포워드 전달 함수[F(s)(115)]로부터 출력된 피드포워드 제어 신호(u)는 플라즈마 소스 전력(330)에 따라 보다 큰 가중 인자를 채용할 수 있다.
도 2로 되돌아가서, 동작(210)에서, 온도 에러 신호(ｅ), 피드포워드 제어 신호(u), 및 피드백 제어 신호(ν)는 [예를 들어, 메모리(373)에 저장된 온도 제어기(375)(도 3)의 예로서 방법(200)을 실행하는 CPU(372)에 의해] Tcalc마다 연산된다. 라플라스 도메인(domain)에서,
Figure 112012060048915-pct00004
이며,
여기서, u는 피드포워드 신호이고, F 는 피드포워드 전달 함수이며, p 는 플라즈마 전력이다. 도 3에 도시된 실시예에 대해, 피드포워드 제어 신호(u)는 이산 시간 도메인(discrete time domain)에서 아래와 같이 구현될 수 있다.
Figure 112012060048915-pct00005
여기서, P(t)는 현재의 Tcalc에서 입력된 플라즈마 전력(105)이고, TPWM 은 펄스폭 변조 제어기(380)의 시간 증분이다. 특정한 실시예에서, 피드포워드 제어 신호(u)는 현재 시간(예를 들어, Tcalc)에서 입력된 플라즈마 전력에 기초하여 간단히 β0P(t) 로서 연산된다.
추가 실시예에서, 미래 시간 주기들에서 요구될 플라즈마 전력이 (예를 들어, 프로세스 레시피 파일로부터)결정가능하기 때문에, 제어된 온도에 대한 냉각제 흐름의 효과로 래그(lag)를 보상하기 위해, 피드포워드 수식(expression)은 항들(terms)[θ1 P(t + TPWM ) +θ2 P(t + 2TPWM )]을 추가로 포함한다. 다른 실시예에서, 추가적인 냉각제 온도 의존 항[δc(TSP - Theat sink) +δh(TSP - Theat source)][여기서, TSP 는 제어되는 온도(150)임]이 피드포워드 제어 신호(u)에 추가되도록, 제어된 온도(150)를 달성하는데 요구된 열전달은 히트 싱크[예를 들어, 냉각기(377)] 설정점 온도 및/또는 히트 소스[예를 들어, 열교환기(378)] 설정점 온도에 의존한다. δc 및 δh의 각각은 설정점과 히트 싱크/히트 소스 사이의 온도 차이의 다항(polynomial) 함수로서 한정될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, δc = α0 + α1(TSP -Theat sink ) + α2(TSP -Theat sink )2 + α3(TSP -Theat sink )3 이며, δh 는 유사한 형태를 취한다. 또한, 전체 피드포워드 방정식은 온도 의존성에 대한 인자들, Ωhot 및 Ωcold를 가질 수 있으며, 그에 따라 최종(net) 피드포워드 제어 신호(u)는 다음이 된다.
Figure 112012060048915-pct00006
유사하게, 피드백 제어 신호(ν)는 라플라스 도메인에서 ν(t) = G(s)ε(s) 이며, 이산 시간 도메인에서 다음과 같이 구현될 수 있다.
Figure 112012060048915-pct00007
여기서, e(t) 는 Tcalc에서의 온도 에러 신호[제어된 온도(150)와 설정점 온도(106) 사이의 차이]이다. 특정한 실시예에서, 피드백 제어 신호(ν)는 간단히 λ0e(t) 로서 연산된다. Tcalc마다 동작(210)이 수행되지만, 제어 연산들은 시간들(t, t-TPWM, 등)에 대응하는 일부 더 낮은 주파수로 입력된 플라즈마 전력값들 및 입력 온도들을 사용하기 위한 것이다. u, ν, 플라즈마 전력(105)(P), 제어된 온도(150), 및 설정점 온도(106)의 파라미터들에 대한 값들은 데이터 어레이에 저장될 수 있으며, 그 후 t, t-TPWM의 이산 시간들에 대응하는 그 저장된 값들은 후속의 제어 계산들에 활용될 수 있다.
동작(215)에서, 제어 작동기 출력 신호(ρ)는 피드포워드 신호(u) 및 피드백 신호(ν)의 조합으로부터 결정되며, 그 후 동작(220)에서 작동기로 출력된다. 일 실시예에서, 상수 이득(constant gain)(Kν)이 피드포워드 제어 신호(u)에 적용되고, 상수 이득(Ku)이 피드포워드 제어 신호(ν)에 적용됨으로써, 제어 작동기 출력 신호(ρ)가 ρ(t) = Kνν - Kuu로서 계산된다. 이득들(Kν, Ku)은 조합된 피드포워드 및 피드백 제어 라인에 2개의 간단한 인자들로 액세스하도록 시스템 오퍼레이터에 간단한 인터페이스를 제공하며, 하나 또는 둘 이상의 변수들(variables)[키들(keys)]에 기초하여 온도 제어기(375)에 의해 결정된 이득값들의 그룹의 부분으로서 제공될 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 현재 레시피 단계에 대해 챔버(305) 내로 입력된 적어도 플라즈마 전력에 기초하여 데이터베이스 또는 대조표로부터 이득 그룹이 액세스된다. 도 3c에 도시된 다른 실시예에서, 플라즈마 입력 전력과 설정점 온도를 짝을 이루게 하는(paring) 키값과 관련된 이득값들의 제 1 그룹이, 제 1 레시피 실행단계를 위해 결정된다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 설정점 온도(486)는 제 1 키값이고, 플라즈마 전력 입력(485)은 제 2 키값이다. 시스템(100) 내의 다양한 제어 신호들에 대한 이득값들을 포함하는 이득 그룹들 1, 2, 3, 등(예를 들면, Kν, Ku)은 온도들(486), 플라즈마 전력 입력들(485), 또는 레시피 실행단계의 조건들에 대응하는 2개의 페어링(pairing)으로부터 결정될 수 있다. 그 후, 도 2를 참조하여 본 명세서의 다른곳에서 추가로 설명되는 바와 같이 특정한 이득 그룹에서 한정되는 이득들이 적용될 수 있다.
(예를 들어, 폴리머 증착을 제어하도록 돕는 것, 등) 레시피를 실행하는 단계들 사이에서 제어된 온도가 변화되는 실시예에서, 전이 특정 제어 파라미터들이 결정될 수 있으며, 그리고 온도 제어기(375)에 의해 통신될 수 있다. 도 3d는 본 발명의 실시예에 따라 플라즈마 프로세스 레시피로 실행된 2개의 연속적인 단계들 사이의 설정점 온도들의 변화들을 다루기 위한 전이 제어 구간(period)(494)을 예시한다. 레시피 단계(N)(301) 및 레시피 단계(N+1)(302)는 x 축을 따른 레시피 단계(492) 및 y 축을 따른 설정점 온도(491)로 예시된다. 도시된 예에서, 레시피 단계(N)(301) 중에 1000 W의 플라즈마 입력 전력이 인가되는 반면에, 설정점 온도는 30℃이다. 레시피 단계(N+1)(302)에 대해, 5000 W 의 플라즈마 전력이 50℃의 설정점 온도로 인가된다. 전이 제어 구간(494)의 지속기간이 설정점 온도의 변화 및/또는 플라즈마 전력의 변화에 의존하는 일 실시예에서, 설정점 온도의 변화의 백분율을 달성하는데 요구된 양의 시간동안 (예를 들어, 높은 이득값들을 규정하는) 전이 응답 이득 그룹이 적용된다. 예를 들어, 도 3d에서 전이 제어 구간(494)은 단계(N)(301)와 단계(N+1)(302) 사이의 온도에서, 또는 온도가 임계치(493)(48℃)에 도달할 때까지 20℃의 온도 상승의 90% 동안 발생한다. 따라서, 이득값들의 이러한 전이 그룹은 설정점 온도에 상당한 변화가 있을 때 더욱 긴 지속기간 동안 적용된다. 예를 들어, 단계들 사이의 플라즈마 전력의 상당한 변화들에 따라 전이 제어 구간(494)의 지속기간을 증가시키는 플라즈마 전력의 변화의 크기에 기초하여, 유사한 알고리즘이 적용될 수 있다. 대안적으로, 일정한(fixed) 시간 동안 전이 제어 파라미터들이 간단히 적용될 수 있다.
실시예에서, 전이 응답 이득 그룹들(예를 들어, Kν, Ku)은 플라즈마 입력 전력의 변화 또는 설정점 온도의 변화 중 적어도 하나와 관련되어 있으며, 그리고 플라즈마 입력 전력의 변화를 설정점 온도의 변화와 짝을 이루게 하는 키값과 추가로 관련될 수 있다. 예를 들어, 도 3e는 도 3d의 전이 제어 구간(494)에 의해 채용된 전이 이득 그룹에 대한 대조표를 예시하고 있다. 도 3e에 도시된 바와 같이, 전이 이득 그룹은 플라즈마 입력 전력(496)의 변화들 및 설정점 온도(495)의 변화들과 관련되어 있다. 따라서, 특정한 실시예들에서, 강화된 컴포넌트 온도 제어를 위해 프로세싱 시스템에 의해 실행된 레시피 파일의 세팅들에 기초하여 이득 그룹들 및 전이 이득 그룹들이 결정될 수 있다.
제어 작동기 출력 신호(ρ)의 값에 의존하여, 하나 또는 둘 이상의 히트 싱크와 히트 소스 사이의 열전달이 변조된다. 따라서, 제어 작동기 출력 신호(ρ)가 제 1 사인인(예를 들어, ρ< 0 ) 도 3a에서 , 냉각기(377)와 척(320) 사이의 열전달을 증가시키고 그에 따라 제어된 온도(150)를 감소시키는 듀티 사이클로 밸브들(385)을 구동시키기 위해, 그 후 PWM 제어기(380)에 의해 실행가능한 형태로 명령(command)이 제공될 수 있다. 제어 작동기 출력 신호(ρ)가 제 2 사인인 경우(예를 들어, ρ> 0 ), 열교환기(378)와 척(320) 사이의 열전달을 유도하여, 이에 의해, 제어된 온도(150)를 증가시키는 제 2 듀티 사이클로 밸브(386)들을 구동시키기 위해, 그 후 PWM 제어기(380)에 의해 실행가능한 형태로 명령이 제공될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 전력이 이전의 레벨로부터 감소되고(예를 들어, 턴 오프되고) 그 후 ρ가 더 큰 음수로부터 더 작은 음수로 변하는 상황에서, 밸브들(385)의 듀티 사이클의 감소로 인해 냉각기(377)로부터의 냉각제 흐름이 감소된다. 설정점 온도가 증가되는 반면에 전체 플라즈마 전력이 일정한 상황에서, ρ는 더 큰 음수로부터 더 작은 음수로 다시 변하고, 밸브들(385)의 듀티 사이클에서의 감소에 응답하여 냉각기(377)로부터의 냉각제 흐름이 감소된다. 만일, ρ가 양수로 변하면, 그 후 밸브들(386)의 듀티 사이클이 0으로부터 양수로 변하고, 이는 결국 열교환기(378)로부터 척(320)으로의 고온 냉각제의 흐름을 유발시킨다.
도 4는 본 명세서에 설명된 온도 제어 동작들을 수행하는데 활용될 수 있는 컴퓨터 시스템(500)의 예시적인 형태의 머신의 도식적인 표현을 예시한다. 일 실시예에서, 플라즈마 에칭 시스템(300) 내의 제어기(370)로서 컴퓨터 시스템(500)이 공급될 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 상기 머신은 로컬 영역 네트워크(LAN), 인트라넷, 엑스트라넷, 또는 인터넷에서 다른 머신들에 접속될 수 있다(예를 들어, 네트워킹될 수 있다). 이 머신은 클라이언트-서버 네트워크 환경에서 서버 또는 클라이언트 머신의 자격으로, 또는 피어-투-피어(또는 분산된) 네트워크 환경에서 피어 머신의 자격으로 동작할 수 있다. 이 머신은 개인용 컴퓨터(PC), 서버, 네트워크 라우터, 스위치 또는 브릿지(bridge), 또는 그 머신에 의해 취해지는 동작들을 특정하는 명령들의 세트를 (순차적으로 또는 다른 방식으로) 실행할 수 있는 임의의 머신일 수 있다. 추가로, 단일의 머신만 예시되지만, "머신" 이라는 용어는 여기에 논의된 하나 또는 둘 이상의 방법론들을 수행하기 위한 명령들의 세트(또는 다수의 세트들)를 개별적으로 또는 공동으로(jointly) 실행하는 머신들(예를 들어, 컴퓨터들)의 임의의 집단을 포함하도록 또한 간주되어야 한다.
예시적인 컴퓨터 시스템(500)은 프로세서(502), 주 메모리(504)[예를 들어, 판독전용 메모리(ROM), 플래시 메모리, 동기식 DRAM(SDRAM) 또는 램버스 DRAM(RDRAM)과 같은 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM), 등], 정적 메모리(506)[예를 들어, 플래시 메모리, 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM), 등], 및 부 메모리(518)(예를 들어, 데이터 저장 디바이스)를 포함하며, 이들은 버스(530)를 통해 서로 통신한다.
프로세서(502)는 마이크로프로세서, 중앙 처리 장치 등과 같은 하나 또는 둘 이상의 범용 프로세싱 디바이스들을 나타낸다. 프로세서(502)는 또한 주문형 집적회로(ASIC), 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA), 디지털 신호 프로세서(DSP), 네트워크 프로세서 등과 같은 하나 또는 둘 이상의 범용 또는 특수-목적 프로세싱 디바이스들일 수 있다. 프로세서(502)는 본 명세서의 다른곳에서 논의된 온도 제어 동작들을 수행하기 위한 프로세싱 로직(526)을 실행하도록 구성된다.
컴퓨터 시스템(500)은 네트워크 인터페이스 디바이스(508)를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(500)은 비디오 디스플레이 유닛(510)[예를 들어, 액정 디스플레이(LCD), 또는 음극선관(CRT)], 영숫자(alphanumeric) 입력 디바이스(512)(예를 들어, 키보드), 커서 제어 디바이스(514)(예를 들어, 마우스), 및 신호 발생 디바이스(516)(예를 들어, 스피커)를 포함할 수 있다.
부 메모리(518)는 본 명세서에 설명된 임의의 하나 또는 둘 이상의 온도 제어 알고리즘들을 채용하는 명령들[예를 들어, 소프트웨어(522)]의 하나 또는 둘 이상의 세트들이 저장되는 머신-액세스가능한 저장 매체(또는 더욱 구체적으로는 컴퓨터-판독가능한 저장 매체)(531)를 포함할 수 있다. 또한, 소프트웨어(522)는 컴퓨터 시스템(500)에 의한 그 실행 동안 주 메모리(504) 내에 및/또는 프로세서(502) 내에 완전히 또는 적어도 부분적으로 상주할 수 있으며, 또한 주 메모리(504) 및 프로세서(502)는 머신-판독가능한 저장 매체들을 구성한다. 소프트웨어(522)는 네트워크 인터페이스 디바이스(508)에 의하여 네트워크(520)를 통해 추가로 송신되거나 또는 수신될 수 있다.
머신-액세스가능한 저장 매체(531)는, 시스템으로 하여금 본 명세서에 설명된 임의의 하나 또는 둘 이상의 온도 제어 알고리즘들을 수행하게 하고 프로세싱 시스템에 의한 실행을 위해 명령들의 세트를 저장하는데 추가로 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 명령들이 그에 저장된 머신-판독가능한 매체를 포함할 수 있는 컴퓨터 프로그램 제품, 또는 소프트웨어로서 추가로 제공될 수 있으며, 이는 본 명세서의 다른곳에서 설명되는 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마 프로세싱 챔버 온도를 제어하기 위해 컴퓨터 시스템(또는 다른 전자 디바이스들)을 프로그래밍하는데 사용될 수 있다. 머신-판독가능 저장 매체는 머신(예를 들어, 컴퓨터)에 의해 판독가능한 형태로 정보를 저장 또는 송신하기 위한 임의의 메커니즘을 포함한다. 예를 들어, 머신-판독가능(예를 들어, 컴퓨터-판독가능) 매체는 머신(예를 들어, 컴퓨터) 판독가능한 저장 매체[예를 들어, 판독 전용 메모리("ROM"), 랜덤 액세스 메모리("RAM"), 자기 디스크 저장 매체들, 광학 저장 매체들, 및 플래시 메모리 디바이스들 등]를 포함한다.
전술한 설명은 제한적이지 않고 예시적인 것으로 의도됨을 이해해야 한다. 다수의 다른 실시예들은 상기 설명을 읽고 이해할 때 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명이 특정한 예시적인 실시예들을 참조하여 설명될지라도 본 발명은 설명된 실시예들에 제한되지 않으며, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주 내에서 수정 및 변경되어 실행될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면들은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 의미로 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 이러한 청구범위에 부여되는 등가물의 전체 범위와 함께 첨부된 청구범위를 참조하여 결정되어야 한다.

Claims (15)

  1. 작업부재(workpiece)의 플라즈마 프로세싱 동안 프로세스 온도를 제어하기 위한 방법으로서:
    상기 작업부재 상에서 상기 플라즈마 프로세싱을 수행하는 프로세스 챔버에 입력되는 플라즈마 전력을 결정하는 단계;
    상기 플라즈마 전력에 기초하여 제어 신호를 생성하도록 피드백 신호와 피드포워드 신호를 합산하는 단계; 및
    상기 제어 신호로 상기 프로세스 챔버 내의 온도를 제어하는 단계를 포함하는, 프로세스 온도 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    피드포워드 제어 신호는 외부 히트 싱크의 온도와 제어되는 중인 온도의 설정점 사이의 차이에 추가로 기초하며,
    상기 온도를 제어하는 단계는 상기 피드포워드 제어 신호에 추가된 피드백 제어 신호를 이용하여, 측정된 온도와 상기 온도 설정점 사이의 에러를 보상하는 단계를 추가로 포함하는, 프로세스 온도 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 전력은 상기 작업부재를 지지하도록 구성된 척에 입력된 제 1 바이어스 전력을 포함하고, 상기 피드포워드 제어 신호는 입력된 총 바이어스 전력과 상기 척 온도 사이의 전달 함수를 포함하는, 프로세스 온도 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 플라즈마 전력은 상기 척에 입력된 제 2 바이어스 전력을 포함하고,
    상기 피드포워드 제어 신호는 상기 제 1 바이어스 전력 및 상기 제 2 바이어스 전력의 총합과 상기 척 온도 사이의 전달 함수를 포함하는, 프로세스 온도 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도를 제어하는 단계는 적어도 부분적으로 상기 피드포워드 제어 신호에 기초하여 상기 프로세스 챔버와 상기 프로세스 챔버 외부의 히트 싱크 사이의 냉각제 유체 흐름을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 프로세스 온도 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 온도를 제어하는 단계는:
    냉각제 유체 흐름을 제어하고, 상기 피드포워드 제어 신호에 추가된 피드백 제어 신호에 기초하여 척에 커플링된 히트 소스를 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 프로세스 온도 제어 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 냉각제 유체 흐름을 제어하는 단계는 냉각제 유체가 통과하여 흐르는 밸브를 완전 개방 및 완전 폐쇄하기 위해 펄스 폭 변조 듀티 사이클을 변조하는 단계를 추가로 포함하는, 프로세스 온도 제어 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 전력의 열부하는 상기 프로세스 챔버에 입력된 소스 전력을 포함하고, 상기 피드포워드 제어 신호는 입력된 상기 소스 전력과 프로세스 챔버 온도 사이의 전달 함수를 포함하는, 프로세스 온도 제어 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 프로세싱은 박막 에칭 및 박막 증착으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 프로세스 온도 제어 방법.
  10. 프로세싱 시스템에 의해 실행될 때 상기 프로세싱 시스템으로 하여금 제 1 항에 기재된 프로세스 온도 제어 방법을 수행하게 하는 명령들이 저장된, 컴퓨터 판독가능한 매체.
  11. 온도 제어기로서:
    상기 온도 제어기에 의해 설정점 온도로 제어되는 컴포넌트를 갖는 플라즈마 프로세싱 챔버에 입력된 플라즈마 전력의 표시를 수용하는 피드포워드 입력;
    상기 플라즈마 전력의 피드포워드 입력에 기초하여 제어 노력을 발생시키는 피드포워드 부분을 갖는 온도 제어 알고리즘을 실행하는 프로세서; 및
    상기 온도 제어 알고리즘으로부터 상기 프로세서에 의해 발생된 작동기 신호를 제공하는 작동기 출력을 포함하며,
    상기 작동기 신호는 상기 컴포넌트의 온도에 대한 상기 플라즈마 전력의 효과를 감소시키는, 온도 제어기.
  12. 플라즈마 프로세싱 장치로서:
    히크 싱크에 커플링되는 온도 제어된 컴포넌트를 포함하는 프로세스 챔버;
    상기 프로세스 챔버 내에 배치된 작업부재의 프로세싱 동안 플라즈마를 에너자이징(energize)하기 위해 상기 프로세스 챔버에 커플링된 플라즈마 전원; 및
    제 11항에 기재된 온도 제어기를 포함하는, 플라즈마 프로세싱 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 온도 제어된 컴포넌트는 프로세싱 동안 상기 작업부재를 지지하도록 구성된 척 또는 상기 프로세스 챔버에 프로세스 가스를 공급하도록 구성된 샤워헤드를 포함하는, 플라즈마 프로세싱 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 온도 제어기는 상기 플라즈마 전원에 통신가능하게 커플링되며,
    피드포워드 제어 신호는 상기 플라즈마 전원으로부터 획득된 플라즈마 전력 입력에 기초하는, 플라즈마 프로세싱 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 온도 제어된 컴포넌트에 대한 온도 설정점 및 상기 플라즈마 전력 입력에 기초하여 이득 그룹을 결정함으로써 피드포워드 제어 신호가 상기 온도 제어된 컴포넌트의 플라즈마 가열을 보상할 것이며, 상기 이득 그룹은 피드포워드 제어 라인에 적용된 이득값을 포함하는, 플라즈마 프로세싱 장치.
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