KR102587632B1 - 플라즈마 처리 장치에서의 기판 지지부의 온도 제어 방법 및 온도 제어 장치 - Google Patents

플라즈마 처리 장치에서의 기판 지지부의 온도 제어 방법 및 온도 제어 장치 Download PDF

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Abstract

플라즈마 처리 장치에서의 기판 지지부의 온도 제어 방법에 있어서, 기판 지지부의 설정점 온도를 모니터링한다. 상기 설정점 온도의 변동 여부에 따라 정상 상태 제어 및 과도 상태 제어 중에서 어느 하나를 결정한다. 상기 정상 상태 제어에서, 상기 기판 지지부의 온도 제어 시 발생하는 외란에 기초하여 제1 피드포워드 제어 보상값을 결정한다. 상기 과도 상태 제어에서, 상기 설정점 온도 및 상기 기판 지지부의 검출 온도에 기초하여 제2 피드포워드 제어 보상값을 결정한다. 상기 제1 피드포워드 제어 보상값에 기초하여 정상 상태 제어를 수행한다. 상기 제2 피드포워드 제어 보상값에 기초하여 과도 상태 제어를 수행한다.

Description

플라즈마 처리 장치에서의 기판 지지부의 온도 제어 방법 및 온도 제어 장치{TEMPERATURE CONTROL METHOD AND APPARATUS FOR SUBSTRATE SUPPORT IN PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 처리 장치에서의 기판 지지부의 온도 제어 방법 및 온도 제어 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게, 본 발명은 플라즈마 처리 챔버 내의 기판 지지부의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 방법 및 이를 수행하기 위한 온도 제어 장치에 관한 것이다.
플라즈마 처리 챔버에서의 기판 지지부의 온도 피드백 제어는 시스템 제어기로부터 지령 온도(set temperature) 정보 및 온도 센서로부터의 상기 기판 지지부의 정전척(ESC)의 온도를 수신하고 PID 제어 방법을 사용하여 ESC 온도 제어를 진행할 수 있다. 그러나, 공정 진행 중에 발생하는 고주파(RF) 파워 외란, 후면 헬륨 가스 외란 등의 외란 억제 제어가 요구되고, 특히, 지령 온도 가변 시 고정된 PID 보상 값만을 사용할 경우 느린 제어 응답 특성을 갖게 되어 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 과제는 정상 상태에서 외란에 강인하고 과도 상태에서 우수한 제어 응답 특성을 제공하는 플라즈마 처리 장치에서의 기판 지지부의 온도 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 상술한 온도 제어 방법을 수행하기 위한 온도 제어 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 장치에서의 기판 지지부의 온도 제어 방법에 있어서, 기판 지지부의 설정점 온도를 모니터링한다. 상기 설정점 온도의 변동 여부에 따라 정상 상태 제어 및 과도 상태 제어 중에서 어느 하나를 결정한다. 상기 정상 상태 제어에서, 상기 기판 지지부의 온도 제어 시 발생하는 외란에 기초하여 제1 피드포워드 제어 보상값을 결정한다. 상기 과도 상태 제어에서, 상기 설정점 온도 및 상기 기판 지지부의 검출 온도에 기초하여 제2 피드포워드 제어 보상값을 결정한다. 상기 제1 피드포워드 제어 보상값에 기초하여 정상 상태 제어를 수행한다. 상기 제2 피드포워드 제어 보상값에 기초하여 과도 상태 제어를 수행한다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 장치에서의 기판 지지부의 온도 제어 방법에 있어서, 기 설정된 샘플링 구간별 설정점 온도의 차이값에 따라 정상 상태 제어 및 과도 상태 제어를 구분한다. 상기 정상 상태 제어에서 기판 지지부의 온도 제어 시 발생하는 외란에 기초하여 제1 피드포워드 제어 보상값을 생성한다. 상기 과도 상태 제어에서, 상기 설정점 온도 및 기판 지지부의 검출 온도에 기초하여 제2 피드포워드 제어 보상값을 생성한다. 상기 정상 상태 제어 및 상기 과도 상태 제어에 의해 생성된 제어 신호에 기초하여 상기 기판 지지부의 온도를 조정하기 위해 액추에이터를 제어한다.
상기 본 발명의 또 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 장치에서의 기판 지지부의 온도 제어 장치는 기 설정된 샘플링 구간별 설정점 온도의 차이값에 따라 정상 상태 제어 및 과도 상태 제어를 수행하기 위한 온도 제어기 및 상기 온도 제어기의 제어 파라미터들을 산출하고 제공하기 위한 시스템 제어기를 포함한다. 상기 온도 제어기는 상기 설정점 온도와 기판 지지부의 검출 온도 사이의 에러 신호에 기초하여 제어 신호를 생성하도록 구성된 PID 제어기 및 입력된 피드포워드 제어 파라미터 값에 기초하여 피드포워드 제어 보상값을 생성하기 위한 피드포워드 제어기를 포함한다. 상기 피드포워드 제어기는 상기 정상 상태 제어에서 상기 기판 지지부의 온도 제어 시 발생하는 외란에 기초하여 제1 피드포워드 제어 보상값을 생성하고 상기 과도 상태 제어에서, 상기 설정점 온도 및 기판 지지부의 검출 온도에 기초하여 제2 피드포워드 제어 보상값을 생성한다.
예시적인 실시예들에 따르면, 기 설정된 샘플링 구간별 설정점 온도의 차이값에 따라 정상 상태 제어 및 과도 상태 제어를 나누어 기판 지지부의 온도를 제어할 수 있다. 이 때, 상기 정상 상태 제어 및 상기 과도 상태 제어에서 안티-와인드업이 적용된 PID 제어를 수행할 수 있다.
또한, 상기 정상 상태 제어에서는 외란의 영향을 최소화하기 위하여 피드포워드 제어 모델을 수행하고, 상기 과도 상태 제어에서는 원하는 제어 응답 특성을 얻기 위하여, PID 보상값 조정 및 피드포워드 제어 모델을 수행할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 기판 지지부의 온도 제어 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 3의 온도 제어 장치의 정상 상태 제어 모델을 나타내는 블록도이다.
도 5는 도 3의 온도 제어 장치의 과도 상태 제어 모델을 나타내는 블록도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 챔버에서의 기판 지지부의 온도 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 6의 온도 제어 방법에서의 피드포워드 온도 제어 모델을 수행하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 8은 도 6의 온도 제어 방법에서의 고도 상태 제어를 수행하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 9는 기판 지지부의 과도 상태에서의 온도 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 10은 기판 지지부의 정상 상태에서의 온도 변화를 나타내는 그래프들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 처리 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다. 도 3은 도 1의 기판 지지부의 온도 제어 장치를 나타내는 블록도이다. 도 4는 도 3의 온도 제어 장치의 정상 상태 제어 모델을 나타내는 블록도이다. 도 5는 도 3의 온도 제어 장치의 과도 상태 제어 모델을 나타내는 블록도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 플라즈마 처리 시스템(10)은 플라즈마 처리 장치(20)에서의 기판 지지부(30)의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 장치를 포함할 수 있다. 기판 지지부(30)의 상기 온도 제어 장치는 기판 지지부(30) 내의 히터(38)의 동작을 제어하기 위한 온도 제어기(100) 및 온도 제어기(100)의 제어 파라미터들을 산출하고 제공하기 위한 시스템 제어기(200)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 플라즈마 처리 장치(20)는 챔버(22), 하부 전극(34)을 갖는 기판 지지부(30), 상부 전극(42), 제1 파워 공급부(50) 및 제2 파워 공급부(60)를 포함할 수 있다. 또한, 플라즈마 처리 장치(20)는 가스 공급부(70) 및 배기부(80)를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 플라즈마 처리 장치(20)는 용량 결합형 플라즈마(CCP, capacitively coupled plasma) 챔버 내에 배치된 반도체 웨이퍼(W)와 같은 기판 상의 식각 대상막을 식각하기 위한 장치일 수 있다. 하지만, 상기 플라즈마 처리 장치에 의해 생성된 플라즈마는 용량 결합형 플라즈마에 제한되지는 않으며, 예를 들면, 유도 결합형 플라즈마, 마이크로웨이브형 플라즈마일 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 처리 장치는 반드시 식각 장치로 제한되지 않으며, 예를 들면, 증착 장치, 세정 장치 등으로 사용될 수 있다. 여기서, 상기 기판은 반도체 기판, 유리 기판 등을 포함할 수 있다.
챔버(22) 내부에는 상기 기판을 지지하기 위한 기판 지지부(30)가 배치될 수 있다. 예를 들면, 기판 지지부(30)는 웨이퍼(W)를 지지하기 위한 서셉터로서의 역할을 수행할 수 있다. 기판 지지부(30)는 상부에 웨이퍼(W)를 정전 흡착력으로 유지하기 위한 정전 전극을 갖는 정전척(32)을 포함할 수 있다.
기판 지지부(30)는 정전척(32)에 원판 형상의 하부 전극(34)을 포함할 수 있다. 정전척(32)은 구동부(도시되지 않음)에 의해 상하로 이동 가능하도록 설치될 수 있다. 기판 지지부(30)는 정전척(32) 둘레를 따라 웨이퍼(W)의 가장자리 영역을 지지하는 포커스 링(36)을 포함할 수 있다. 포커스 링(36)은 링 형상을 가질 수 있다.
챔버(22)의 측벽에는 웨이퍼(W)의 출입을 위한 게이트(도시되지 않음)가 설치될 수 있다. 상기 게이트를 통해 웨이퍼(W)가 상기 기판 스테이지 상으로 로딩 및 언로딩될 수 있다.
배기부(80)는 챔버(22)의 하부에 설치된 배기 포트(24)에 배기관을 통해 연결될 수 있다. 배기부(80)는 터보 분자 펌프와 같은 진공 펌프를 포함하여 챔버(22) 내부의 처리 공간을 원하는 진공도의 압력으로 조절할 수 있다. 또한, 챔버(22) 내에 발생된 공정 부산물들 및 잔여 공정 가스들을 배기 포트(24)를 통하여 배출될 수 있다.
상부 전극(42)은 하부 전극(34)과 대향하도록 기판 지지부(30) 상부에 배치될 수 있다. 상부 전극(42)과 하부 전극(34) 사이의 챔버 공간은 플라즈마 발생 영역으로 사용될 수 있다. 상부 전극(42)은 기판 지지부(30) 상의 웨이퍼(W)를 향하는 면을 가질 수 있다.
상부 전극(42)은 챔버(22) 상부에서 절연 차폐 부재(도시되지 않음)에 의해 지지될 수 있다. 상부 전극(42)은 챔버(22) 내부로 가스를 공급하기 위한 샤워 헤드(40)의 일부로서 제공될 수 있다. 상부 전극(42)은 원형 형상의 전극 플레이트를 포함할 수 있다. 상부 전극(42)은 관통 형성되어 챔버(22) 내부로 가스를 공급하기 위한 복수 개의 분사 홀들(43)을 가질 수 있다.
구체적으로, 샤워 헤드(40)는 상부 전극(42)을 지지하며 상기 가스를 확산시켜 상부 전극(42)의 분사 홀들(43)을 통해 상기 가스를 분사시키기 위한 전극 지지 플레이트(44)를 포함할 수 있다. 전극 지지 플레이트(44)는 내부에 가스 확산실(45)을 포함하고, 가스 확산실(45)에는 분사 홀들(51)과 연통된 가스 통로들(47)이 형성될 수 있다. 상부 전극(42)은 전극 지지 플레이트(44)의 하부면에 탈착 가능하도록 설치될 수 있다. 전극 지지 플레이트(44)는 알루미늄과 같은 도전 물질을 포함하고, 수냉 구조를 가질 수 있다.
가스 공급부(70)는 가스 공급 엘리먼트들로서, 가스 공급원(72), 유량 제어기(74) 및 가스 공급관(76)을 포함할 수 있다. 가스 공급관(76)은 전극 지지 플레이트(44)의 가스 확산실(45)과 연결되고, 유량 제어기(74)는 가스 공급관(76)을 통하여 챔버(22) 내부로 유입되는 가스의 공급 유량을 제어할 수 있다. 예를 들면, 가스 공급원(72)은 복수 개의 가스 탱크들을 포함하고, 유량 제어기(74)는 상기 가스 탱크들에 각각 대응하는 복수 개의 질량 유량 제어기들(MFC, mass flow controller)을 포함할 수 있다. 상기 질량 유량 제어기들은 상기 가스들의 공급 유량들을 각각 독립적으로 제어할 수 있다.
제1 파워 공급부(50) 및 제2 파워 공급부(60)는 하부 전극(34) 및 상부 전극(52)에 고주파 파워를 인가하여 챔버(22) 내에 플라즈마(P)를 형성할 수 있다.
제2 파워 공급부(60)는 상부 RF 전원(62) 및 상부 RF 정합기(64)를 포함할 수 있다. 상부 RF 전원(62)은 고주파(RF) 신호를 발생시킬 수 있다. 상부 RF 정합기(64)는 상부 RF 전원(62)에서 발생된 RF 신호의 임피던스를 매칭하여 발생시킬 플라즈마를 제어할 수 있다.
제1 파워 공급부(50)는 하부 RF 전원(52) 및 하부 RF 정합기(54)를 포함할 수 있다. 하부 RF 전원(52)은 고주파(RF) 신호를 발생시킬 수 있다. 하부 RF 정합기(54)는 바이어스 RF의 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 하부 RF 전원(52)과 상부 RF 전원(62)는 시스템 제어기(200)의 동조기를 통하여 서로 동기화되거나 비동기화될 수 있다.
시스템 제어기(200)는 제1 파워 공급부(50) 및 제2 파워 공급부(60)에 연결되어 이들의 동작을 제어할 수 있다. 상기 시스템 제어기는 마이크로컴퓨터 및 각종 인터페이스를 포함하고, 외부 메모리 또는 내부 메모리에 저장되는 프로그램 및 레시피 정보에 따라 상기 플라즈마 처리 장치의 동작을 제어할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 플라즈마 처리 장치(20)는 기판 지지부(30)의 온도를 조절하기 위한 온도 조절부를 포함할 수 있다. 상기 온도 조절부는 히터(38) 및/또는 쿨러를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 온도 조절부는 정전척(32) 내부에 배치되어 정전척(32)의 온도를 조절하기 위한 히터(38) 및 히터(38)에 전력을 공급하기 위한 히터 전원 공급기(300)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 온도 조절부는 히터(38)와 히터 전원 공급기(300) 사이에 배치된 필터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
히터 전원 공급기(300)는 온도 제어기(100)에 의해 온-오프(ON-OFF)되는 스위치를 거쳐 전선을 통하여 히터(38)에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들면, 상기 스위치가 온(ON)되면, 히터 전원 공급기(300)로부터 정현파의 AC 전력이 히터(38)에 인가될 수 있다. 이 때, 상기 필터는 히터 전원 공급기(300)로부터의 정현파의 AC 성분을 통과시키고 하부 전력 공급부(40)로부터의 특정 펄스 성분을 차단시킴으로써, 히터 전원 공급기(300)를 보호할 수 있다. 예를 들면, 상기 필터는 인덕터, 커패시터 또는 저항으로 이루어진 고주파 차단 필터일 수 있다.
또한, 상기 온도 조절부는 기판 지지부(30)를 냉각시키기 위한 상기 쿨러로서의 기판 채널들을 통해 냉각제 흐름(압력 및 유량)을 조절하기 위한 냉각제 어셈블리(90)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 냉각제 어셈블리(90)는 냉각제 펌프 및 저장부를 포함할 수 있다. 냉각제 어셈블리(90)는 시스템 제어기(200)에 의해 상기 채널들을 통해 냉각제를 선택적으로 흘리도록 동작할 수 있다. 시스템 제어기(200)는 상기 냉각제의 유량 및 온도를 제어할 수 있다.
또한, 플라즈마 처리 장치(20)는 챔버(22) 내부의 온도를 검출하기 위한 챔버 온도 센서, 기판 지지부(30)의 온도를 검출하기 위한 정전척 온도 센서(400), 상기 가스 및 상기 냉각제의 온도를 검출하기 위한 온도 센서들, 공급된 RF 전압을 검출하기 위한 전압 센서, 상기 가스 및 상기 냉각제의 압력을 검출하기 위한 압력 센서 등을 포함할 수 있다. 상기 센서들로부터 검출 신호들은 인터페이스들을 통해 온도 제어기(100) 및 시스템 제어기(200)로 제공될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 기판 지지부(30)의 상기 온도 제어 장치는 기판 지지부(30)의 정상 상태 제어 및 과도 상태 제어를 수행할 수 있다. 기판 지지부(30)의 상기 온도 제어 장치는 ESC 온도 센서(400), 히터 전원 공급기(300), 외란 제어 모델, 히터 전원 공급기(300)의 동작을 제어하기 위한 온도 제어기(100) 및 온도 제어기(100)의 제어 파라미터들을 산출하고 제공하기 위한 시스템 제어기(200)를 포함할 수 있다. 시스템 제어기(200)와 별도로 도시되지만, 온도 제어기(100)는 시스템 제어기(200)의 일부로서 구현될 수 있다.
온도 제어기(100)는 제1 합산기(102), PID (proportional integral derivative) 제어기(110), 피드포워드(FF) 제어기(120) 및 제2 합산기(104)를 포함할 수 있다. PID 제어기(110)는 안티-와인드업(Anti-Windup) 제어기 기법이 적용된 제어기일 수 있다.
상기 외란 제어 모델은 외란 모델(또는 전달 함수)(500) 및 제3 합산기(106)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 외란 모델(500)은 RF 파워 외란 모델(510), 냉각제 외란 모델(512), 및 가스 외란 모델(514)을 포함할 수 있다. RF 파워 외란 모델(510)은 제1 파워 공급부(50) 또는 제2 파워 공급부(60)에 의해 생성된 RF 전력과 관련된 ESC 온도에 대한 외란을 나타낼 수 있다. 냉각제 외란 모델(512)은 냉각제(예를 들면, 헬륨)와 관련된 ESC 온도에 대한 외란을 나타낼 수 있다. 가스 외란 모델(514)은 공정 가스와 관련된 ESC 온도에 대한 외란을 나타낼 수 있다.
시스템 제어기(200)는 정상 상태 제어를 위한 제어 파라미터들을 결정하기 위한 정상 상태 제어부(210) 및 과도 상태 제어를 위한 제어 파라미터들을 결정하기 위한 과도 상태 제어부(220)를 포함할 수 있다.
정상 상태 제어부(210)는 제1 피드포워드 제어 파라미터 값을 산출하고 피드포워드(FF) 제어기(120)로 제공하기 위한 제1 정상 상태 제어 산출부(212) 및 PID 보상값을 산출하고 PID 제어기(110)로 제공하기 위한 제2 정상 상태 제어 산출부(214)를 포함할 수 있다.
과도 상태 제어부(220)는 제2 피드포워드 제어 파라미터 값을 산출하고 피드포워드(FF) 제어기(120)로 제공하기 위한 제1 과도 상태 제어 산출부(222), PID 보상값을 산출하고 PID 제어기(110)로 제공하기 위한 제2 과도 상태 제어 산출부(224), 및 설정점 온도를 결정하고 제1 합산기(102)로 제공하기 위한 입력부(226)를 포함할 수 있다.
시스템 제어기(200)의 입력부(226)(또는 온도 제어기(100))는 공정 레시피에 따라 기판 지지부(30)의 설정점 온도를 결정할 수 있다. 입력부(226)는 상기 설정점 온도를 제1 합산기(102)로 제공할 수 있다.
제1 합산기(102)는 실제 검출 온도와 상기 설정점 온도를 비교할 수 있다. 상기 설정점 온도와 실제 검출 온도의 차이값은 에러 신호롤 나타내는 에러를 제공할 수 있다. 상기 실제 검출 온도는 온도 센서(400)에 의해 검출된 온도이거나 추정된 온도일 수 있다.
PID 제어기(110)는 상기 에러 신호에 기초하여 제어 신호를 생성할 수 있다. 피드포워드(FF) 제어기(120)는 상기 제1 피드포워드 제어 파라미터 값을 이용하여 제1 피드포워드 제어 보상값을 생성하고 상기 제2 피드포워드 제어 파라미터 값을 이용하여 제2 피드포워드 제어 보상값을 생성할 수 있다.
제2 합산기(104)는 PID 제어기(110)에서 생성된 제어 신호와 피드포워드 제어기(120)에서 생성된 보상값들을 합산하여 수정된 제어 신호를 액추에이터로서의 히터 전원 공급기(300)에 제공할 수 있다. 히터 전원 공급기(300)는 상기 수정된 제어 신호에 기초하여 제어 또는 동작될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기판 지지부(30)의 상기 온도 제어 장치는 기판 지지부(30)의 정상 상태 제어를 수행할 수 있다. 구체적으로, 정상 상태 제어부(210)의 제1 정상 상태 제어 산출부(212)는 공정 레시피 및 로그 데이터, 그리고 챔버의 전달 함수 등에 기초하여 제1 피드포워드 제어 파라미터 값을 산출할 수 있다. 온도 제어기(100)의 피드포워드 제어기(120)는 상기 제1 피드포워드 제어 파라미터 값을 수신하고 상기 외란을 최소화할 수 있는 피드포워드 제어 보상값을 생성할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기판 지지부(30)의 상기 온도 제어 장치는 기판 지지부(30)의 과도 상태 제어를 수행할 수 있다. 구체적으로, 과도 상태 제어부(220)의 제1 과도 상태 제어부(222)는 설정점 온도(T설정) 정보와 검출 온도(T검출) 정보를 이용하여 제2 피드포워드 제어 파라미터 값을 산출할 수 있다. 과도 상태 제어부(220)의 제2 과도 상태 제어부(224)는 상기 설정점 온도(T설정) 정보와 상기 검출 온도(T검출) 정보를 이용하여 PID 보상값을 결정할 수 있다. 온도 제어기(100)의 피드포워드 제어기(120)는 상기 제2 피드포워드 제어 파라미터 값을 수신하고 피드포워드 제어 보상값을 생성할 수 있다. 온도 제어기(100)의 PID 제어기(110)는 상기 PID 보상값을 수신하고 피드백 제어 보상값을 생성할 수 있다. 상기 제2 피드포워드 제어 파라미터 값 및 상기 PID 보상값을 이용하여 과도 상태에서 빠른 제어 응답 특성을 가질 수 있다.
이하에서는, 상기 온도 제어 장치를 이용하여 플라즈마 챔버에서의 기판 지지부의 온도를 제어하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 챔버에서의 기판 지지부의 온도 제어 방법을 나타내는 순서도이다. 도 7은 도 6의 온도 제어 방법에서의 피드포워드 온도 제어 모델을 수행하는 방법을 나타내는 순서도이다. 도 8은 도 6의 온도 제어 방법에서의 고도 상태 제어를 수행하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 먼저, 설정점 온도(T설정)을 모니터링하고(S10), 정상 상태 제어 및 과도 상태 제어 중에서 어느 하나를 결정할 수 있다(S20). 예를 들면, 기 설정된 샘플링 구간별 설정점 온도의 차이값(Tdiff(k))을 산출할 수 있다.
이전 단계에서의 설정점 온도(T(k-1))와 현재 단계에서의 설정점 온도(T(k))가 같은 경우에는 정상 상태 제어(외란 억제 제어)를 진행하고(S30), 이전 단계에서의 설정점 온도(T(k-1))와 현재 단계에서의 설정점 온도(T(k))가 다를 경우에는 과도 상태 제어(가변 온도 제어)를 진행할 수 있다(S40).
이어서, 상기 정상 상태 제어 및 상기 과도 상태 제어를 포함한 온도 제어 방법에 따른 레시피가 완료되었는 지 여부를 판단하고(S50), 완료된 경우, 기본적인 PID 온도 제어를 수행할 수 있다(S60).
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 정상 상태 제어일 경우, 피드포워드 제어 모델을 수행할 수 있다. 먼저, 상기 레시피에 관련된 제어 파라미터가 존재하는 지 여부를 판단하고(S32), 존재하는 제어 파라미터를 이용하여 상기 온도 제어를 진행할 수 있다(S35).
상기 제어 파라미터가 존재하지 않을 경우, 초기 제어 파라미터를 설정하고 설정된 초기 제어 파라미터를 이용하여 상기 온도 제어를 진행할 수 있다(S34).
상기 온도 제어를 진행하는 동안, 공정 모니터링을 통해 제어 성능 지표(cost index)를 산출하고(S36), 이를 이용하여 제어 파라미터를 조정할 수 있다(S38). 공정이 종료된 후, 우수한 제어 성능 지표를 나타내는 제어 파라미터를 업데이트할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 과도 상태 제어일 경우, 피드백 제어 모델 및 피드포워드 제어 모델을 수행할 수 있다.
먼저, 기 설정된 샘플링 구간별 설정점 온도의 차이값(Tdiff(k))을 산출하고(S42), 설정점 온도의 차이값(Tdiff(k))을 기 설정값과 비교할 수 있다(S43). 설정점 온도의 차이값(Tdiff(k))은 현재 단계에서의 설정점 온도(T(k))에서 이전 단계에서의 설정점 온도(T(k-1))를 차감하여 산출할 수 있다.
설정점 온도의 차이값(Tdiff(k))이 기 설정값보다 큰 경우에는 설정점 온도(T설정)와 검출 온도(T검출)의 차이값을 산출하고(S44), 산출된 차이값에 따라 PID 보상값을 결정할 수 있다(S46). 이 경우에 있어서, 과도 상태 제어부(220)의 제2 과도 상태 제어부(224)는 상기 설정점 온도(T설정) 정보와 상기 검출 온도(T검출) 정보를 이용하여 PID 보상값을 결정할 수 있다. 온도 제어기(100)의 PID 제어기(110)는 상기 PID 보상값을 수신하고 피드백 제어 보상값을 생성할 수 있다.
설정점 온도의 차이값(Tdiff(k))이 기 설정값보다 작은 경우에는 설정점 온도(T설정)와 검출 온도(T검출)의 차이값을 산출하고(S45), 산출된 차이값에 따라 피드포워드(FF) 제어 보상값을 결정할 수 있다(S46). 이 경우에 있어서, 과도 상태 제어부(220)의 제1 과도 상태 제어부(222)는 설정점 온도(T설정) 정보와 검출 온도(T검출) 정보를 이용하여 제2 피드포워드 제어 파라미터 값을 산출할 수 있다. 온도 제어기(100)의 피드포워드 제어기(120)는 상기 제2 피드포워드 제어 파라미터 값을 수신하고 피드포워드 제어 보상값을 생성할 수 있다.
따라서, 상기 제2 피드포워드 제어 파라미터 값 및 상기 PID 보상값을 이용하여 과도 상태에서 빠른 제어 응답 특성을 가질 수 있다.
도 9는 기판 지지부의 과도 상태에서의 온도 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 9를 참조하면, 비교예에 따른 그래프는 기본적인 PID 제어 모델을 적용한 경우의 과도 상태의 온도 변화를 나타내고, 실시예에 따른 그래프는 피드포워드 제어 모델을 적용한 경우의 과도 상태의 온도 변화를 나타내고 있다. 실시예에 따른 그래프는 과도 상태에서 피드포워드 제어 모델을 적용하여 개선된 안정화된 시간을 제공함을 알 수 있다.
기판 지지부의 ESC 가열 시스템은 응답 특성이 매우 느리기 때문에, 설정점 온도(T설정)가 변할 때 히터 전원 공급기의 출력을 변화시키면, 원하는 목표 온도를 달성하는 데 오랜 시간이 걸릴 수 있다. 원하는 시점에 실시예에 따른 피드포워드 제어 모델을 적용함으로써, ESC의 안정화된 응답 시간을 크게 감소시킬 수 있다.
도 10은 기판 지지부의 정상 상태에서의 온도 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 10을 참조하면, 비교예에 따른 그래프는 기본적인 PID 제어 모델을 적용한 경우의 정상 상태의 온도 변화를 나타내고, 제1 실시예에 따른 그래프는 피드포워드 제어 모델을 적용한 경우의 정상 상태의 온도 변화를 나타내고, 제2 실시예에 따른 그래프는 안티-와인드업(Anti-Windup)을 갖는 PID 제어 모델 및 피드포워드 제어 모델을 적용한 경우의 정상 상태의 온도 변화를 나타낸다. 제2 실시예에 따른 그래프는 정상 상태에서 안티-와인드업을 갖는 PID 제어 모델 및 피드포워드 제어 모델을 적용하여 개선된 안정화된 시간 및 개선된 오버슈트(overshoot)를 제공함을 알 수 있다.
플라즈마 처리 공정을 진행할 때, 정상 상태에서 RF 파워 외란, 냉각제(백사이드 헬륨 가스) 외란 등에 의해 ESC 온도 변동이 발생할 때, 피드포워드 제어 모델 및 안티-와인드업 제어 모델을 동시에 적용함으로써, 개선된 제어 성능을 제공할 수 있다.
이하에서는, 도 1의 플라즈마 처리 시스템을 이용하여 기판을 처리하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 먼저, 챔버(22) 내에 기판을 로딩한 후, 챔버(22) 내에 공정 가스를 공급할 수 있다.
예를 들면, 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(22) 내의 기판 지지부(30)의 정전척(32) 상에 로딩할 수 있다. 가스 공급관(76)으로부터 공정 가스(예를 들면, 식각 공정 가스)를 챔버(22) 내에 도입하고, 배기 포트(24)에 연결된 배기부를 통해 챔버(22) 내의 압력을 기 설정된 값으로 조정할 수 있다.
이어서, 기판 지지부(30)의 하부 전극(34)에 고주파 파워를 인가하여 챔버(22) 내에 플라즈마를 형성하고, 상부 전극(42)에 고주파 파워를 인가하여 전자 빔을 형성하여, 웨이퍼(W) 상의 식각 대상막에 식각 공정을 수행할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 플라즈마 식각 공정 중에 기판 지지부(30)의 온도를 설정점 온도(T설정)로 제어할 수 있다.
먼저, 설정점 온도(T설정)을 모니터링하고, 정상 상태 제어 및 과도 상태 제어 중에서 어느 하나를 결정할 수 있다. 예를 들면, 기 설정된 샘플링 구간별 설정점 온도의 차이값(Tdiff(k))을 산출할 수 있다.
이전 단계에서의 설정점 온도(T(k-1))와 현재 단계에서의 설정점 온도(T(k))가 같은 경우에는 정상 상태 제어(외란 억제 제어)를 진행하고, 이전 단계에서의 설정점 온도(T(k-1))와 현재 단계에서의 설정점 온도(T(k))가 다를 경우에는 과도 상태 제어(가변 온도 제어)를 진행할 수 있다.
상기 정상 상태 제어에 있어서, 공정 레시피 및 로그 데이터, 그리고 챔버의 전달 함수 등에 기초하여 제1 피드포워드 제어 파라미터 값을 산출하고, 외란을 최소화할 수 있는 피드포워드 제어 보상값을 생성할 수 있다. 상기 외란은 플라즈마 식각 시스템 내에서 상기 기판 지지부의 온도에 영향을 줄 수 있다. 여기서, 상기 외란은 RF 파워 외란, 냉각제 외란, 및 가스 외란 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 정상 상태 제어에 있어서, 안티-와인드업 제어 기법이 적용된 PID 제어가 수행될 수 있다.
상기 과도 상태 제어에 있어서, 먼저, 기 설정된 샘플링 구간별 설정점 온도의 차이값(Tdiff(k))을 산출하고, 설정점 온도의 차이값(Tdiff(k))을 기 설정값과 비교할 수 있다. 설정점 온도의 차이값(Tdiff(k))은 현재 단계에서의 설정점 온도(T(k))에서 이전 단계에서의 설정점 온도(T(k-1))를 차감하여 산출할 수 있다.
설정점 온도의 차이값(Tdiff(k))이 기 설정값보다 큰 경우에는 설정점 온도(T설정)와 검출 온도(T검출)의 차이값을 산출하고, 상기 산출된 차이값에 따라 PID 보상값을 결정할 수 있다. 이 경우에 있어서, 과도 상태 제어부(220)의 제2 과도 상태 제어부(224)는 상기 설정점 온도(T설정) 정보와 상기 검출 온도(T검출) 정보를 이용하여 PID 보상값을 결정할 수 있다. 온도 제어기(100)의 PID 제어기(110)는 상기 PID 보상값을 수신하고 피드백 제어 보상값을 생성할 수 있다.
설정점 온도의 차이값(Tdiff(k))이 기 설정값보다 작은 경우에는 설정점 온도(T설정)와 검출 온도(T검출)의 차이값을 산출하고, 산출된 차이값에 따라 피드포워드(FF) 제어 보상값을 결정할 수 있다. 이 경우에 있어서, 과도 상태 제어부(220)의 제1 과도 상태 제어부(222)는 설정점 온도(T설정) 정보와 검출 온도(T검출) 정보를 이용하여 제2 피드포워드 제어 파라미터 값을 산출할 수 있다. 온도 제어기(100)의 피드포워드 제어기(120)는 상기 제2 피드포워드 제어 파라미터 값을 수신하고 피드포워드 제어 보상값을 생성할 수 있다.
따라서, 상기 제2 피드포워드 제어 파라미터 값 및 상기 PID 보상값을 이용하여 과도 상태에서 빠른 제어 응답 특성을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 기 설정된 샘플링 구간별 설정점 온도의 차이값에 따라 정상 상태 제어 및 과도 상태 제어를 나누어 기판 지지부의 온도를 제어할 수 있다. 이 때, 상기 정상 상태 제어 및 상기 과도 상태 제어에서 안티-와인드업이 적용된 PID 제어를 수행할 수 있다.
또한, 상기 정상 상태 제어에서는 외란의 영향을 최소화하기 위하여 피드포워드 제어 모델을 수행하고, 상기 과도 상태 제어에서는 원하는 제어 응답 특성을 얻기 위하여, PID 보상값 조정 및 피드포워드 제어 모델을 수행할 수 있다.
전술한 플라즈마 처리 시스템 및 방법을 이용하여 형성된 반도체 소자는 컴퓨팅 시스템과 같은 다양한 형태의 시스템들에 사용될 수 있다. 상기 반도체 소자는 fin FET, DRAM, VNAND 등을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 개인휴대단말기, 태블릿, 휴대폰, 디지털 음악 재생기 등에 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 플라즈마 처리 시스템 20: 플라즈마 처리 장치
22: 챔버 30: 기판 지지부
32: 정전척 34: 하부 전극
36: 포커스 링 38: 히터
40: 샤워 헤드 42: 상부 전극
44: 전극 지지 플레이트 45: 가스 확산실
50: 제1 파워 공급부 60: 제2 파워 공급부
70: 가스 공급부 80: 배기부
90: 냉각제 어셈블리 100: 온도 제어기
110: PID 제어기 120: 피드포워드 제어기
200: 시스템 제어기 210: 정상 상태 제어부
212: 제1 정상 상태 제어 산출부 214: 제2 정상 상태 제어 산출부
220: 과도 상태 제어부 222: 제1 과도 상태 제어 산출부
224: 제2 과도 상태 제어 산출부 226: 입력부
300: 히터 전원 공급기 400: 온도 센서 챔버
500: 외란 모델

Claims (10)

  1. 챔버, 상기 챔버 내에서 기판을 지지하기 위한 기판 지지부 및 상기 기판 지지부의 온도를 조절하기 위한 히터에 전원을 공급하기 위한 히터 전원 공급기를 포함하는 플라즈마 처리 장치를 제공하고;
    상기 기판 지지부 상에 기판을 로딩하고;
    상기 챔버 내에 플라즈마를 형성하여 상기 기판 상에 플라즈마 처리 공정을 수행하고;
    상기 플라즈마 처리 공정 중에 공정 레시피에 따라 결정된 상기 기판 지지부의 설정점 온도를 모니터링하고;
    상기 설정점 온도의 변동 여부에 따라 정상 상태 제어 및 과도 상태 제어 중에서 어느 하나를 결정하여 진행하고;
    상기 정상 상태 제어에서, 상기 기판 지지부의 온도 제어 시 발생하는 외란에 기초하여 제1 피드포워드 제어 보상값을 결정하고;
    상기 과도 상태 제어에서, 상기 설정점 온도 및 상기 기판 지지부의 검출 온도에 기초하여 제2 피드포워드 제어 보상값을 결정하고;
    상기 제1 피드포워드 제어 보상값에 기초하여 정상 상태 제어를 수행하고; 그리고
    상기 제2 피드포워드 제어 보상값에 기초하여 과도 상태 제어를 수행하는 것을 포함하고,
    상기 설정점 온도의 변동 여부에 따라 상기 정상 상태 제어 및 상기 과도 상태 제어 중에서 어느 하나를 결정하여 진행하는 것은,
    기 설정된 샘플링 구간별 이전 단계에서의 설정점 온도와 현재 단계에서의 설정점 온도가 같은 경우에는 상기 정상 상태 제어를 진행하고; 그리고
    이전 단계에서의 설정점 온도와 현재 단계에서의 설정점 온도가 다를 경우에는 과도 상태 제어를 진행하는 것을 포함하고,
    상기 정상 상태 제어 및 상기 과도 상태 제어를 수행하는 것은 상기 정상 상태 제어 및 상기 과도 상태 제어에 의해 각각 생성된 제어 신호를 상기 히터 전원 공급기에 제공하는 것을 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 외란은 RF 파워 외란, 냉각 유체 외란 또는 가스 외란을 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 피드포워드 제어 보상값은 결정하는 것은 공정 레시피 및 챔버 전달 함수 정보를 이용하여 산출하는 것을 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 과도 상태 제어에서, 상기 설정점 온도 및 상기 기판 지지부의 검출 온도에 기초하여 PID 보상값을 결정하는 것을 더 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제2 피드포워드 제어 보상값 및 상기 PID 보상값을 결정하는 것은
    기 설정된 구간별 이전 단계에서의 설정점 온도와 현재 단계에서의 설정점 온도 사이의 온도 차이를 산출하고;
    상기 온도 차이가 기 설정된 값보다 클 경우 상기 설정점 온도와 상기 기판 지지부의 상기 검출 온도의 차이값에 기초하여 상기 PID 보상값을 산출하고; 그리고
    상기 온도 차이가 기 설정된 값보다 작은 경우 상기 설정점 온도와 상기 기판 지지부의 상기 검출 온도의 차이값에 기초하여 상기 제2 피드포워드 제어 보상값을 산출하는 것을 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 과도 상태 제어는 안티-와인드업 PID 제어를 수행하는 것을 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 정상 상태 제어는 안티-와인드업 PID 제어를 수행하는 것을 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 피드포워드 제어 보상값을 결정하는 것은
    시스템 제어기에서 제1 피드포워드 제어 파라미터 값을 산출하고; 그리고
    온도 제어기에서 상기 제1 피드포워드 제어 파라미터 값을 수신하여 상기 제1 피드포워드 제어 보상값을 생성하는 것을 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 피드포워드 제어 보상값을 결정하는 것은
    시스템 제어기에서 제2 피드포워드 제어 파라미터 값을 산출하고; 그리고
    온도 제어기에서 상기 제2 피드포워드 제어 파라미터 값을 수신하여 상기 제2 피드포워드 제어 보상값을 생성하는 것을 포함하는 플라즈마 처리 방법.

  10. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2003081648A1 (fr) * 2002-03-22 2003-10-02 Nikon Corporation Dispositif d'exposition, procede d'exposition, et procede de fabrication du dispositif

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