KR20130020802A - 냉각제 유동 제어 및 히터 듀티 사이클 제어에 의한 부품 온도 제어 - Google Patents

냉각제 유동 제어 및 히터 듀티 사이클 제어에 의한 부품 온도 제어 Download PDF

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Abstract

넓은 범위의 설정점 온도들 및 감소된 에너지 소모를 위해서 플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 온도들을 제어하기 위한 방법들 및 시스템들이 제공된다. 온도 제어는 플라즈마 프로세싱 모듈 제어기에 의해서 구현된 제어 알고리즘에 의해 냉각제 액체 루프와 히트 소스 사이에서 조정된다. 제어 알고리즘은, 실제 온도가 설정점 온도 미만이라는 것을 나타내는 피드백 신호에 응답하여, 온도 제어된 부품에 대한 냉각제 액체의 유동을 완전히 중단시킬 수 있다. 또한, 제어 알고리즘은 프로세스 레시피 실행 동안 프로세싱 챔버 내로의 플라즈마 전력 입력의 변화 또는 플라즈마 전력으로부터 유도된 피드포워드 제어 신호에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다.

Description

냉각제 유동 제어 및 히터 듀티 사이클 제어에 의한 부품 온도 제어{COMPONENT TEMPERATURE CONTROL BY COOLANT FLOW CONTROL AND HEATER DUTY CYCLE CONTROL}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 PCT출원은 2010년 5월 27일자로 출원되고 발명의 명칭이 "COMPONENT TEMPERATURE CONTROL BY COOLANT FLOW CONTROL AND HEATER DUTY CYCLE CONTROL"인 미국 가특허출원 제 61/349,073 호; 및 2011년 3월 3일자로 출원되고 발명의 명칭이 "COMPONENT TEMPERATURE CONTROL BY COOLANT FLOW CONTROL AND HEATER DUTY CYCLE CONTROL"인 미국 실용특허 출원 제 13/040,149 호에 대한 우선권을 주장하고, 상기 출원들은 전체로서 모든 목적을 위해서 인용에 의해 본원에 포함된다.
본 발명의 실시예들은, 일반적으로, 플라즈마 프로세싱 장비에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 플라즈마 프로세싱 챔버를 이용하여 가공물의 프로세싱 동안 온도들을 제어하는 방법에 관한 것이다.
플라즈마 에칭 또는 플라즈마 증착 챔버와 같은 플라즈마 프로세싱 챔버에서, 챔버 부품의 온도는 종종 프로세스 동안 제어하는데 중요한 파라미터이다. 예를 들어, 프로세스 레시피 동안 다양한 제어된 온도들로 가공물을 가열/냉각시키기 위해(예를 들어, 에칭 레이트(etch rate)를 제어하기 위해), 통상적으로 척(chuck) 또는 받침대(pedestal)로 지칭되는 기판 홀더의 온도가 제어될 수 있다. 유사하게, 샤워헤드/상부 전극 또는 다른 부품의 온도가 프로세스 레시피 동안 또한 제어되어 프로세싱에 영향을 줄 수 있다. 통상적으로, 히트 싱크(heat sink) 및/또는 히트 소스(heat source)가 프로세싱 챔버에 커플링되어 챔버 부품의 온도를 설정점 온도에서 제어한다. 전형적으로, 온도 제어된 부품과 히트 싱크 사이의 열 전달의 피드백 제어를 위해 PID(비례-적분-미분) 제어기와 같은 제 1 제어기가 채용되는 한편, 온도 제어된 부품과 히트 소스 사이의 열 전달의 피드백 제어를 위해 제 2 제어기가 채용된다. 일반적으로, 제 1 및 제 2 제어기들 각각은 그 자신의 폐쇄 루프 제어 알고리즘들을 독립적으로 다른 제어기와 분리하여 동작시켜, 본질적으로 서로 균형을 이루는(counter balance) 2개의 제어 루프들을 제공한다. 전형적으로, 액체 냉각제에 기초하는 냉각 제어 루프는, 냉각 루프에 대해 언제나 공칭(nominal) 냉각제 액체 유동(예를 들어, ~1GPM)으로 동작하여 제어된 정상 상태(controlled steady state)를 유지한다. 따라서, 냉각제 라인들 내의 냉각제 액체는 냉각제 루프 내에서 정체(stagnate)되는 것이 허용되지 않는다.
이러한 종래의 제어 구성의 효과(effect)는 플라즈마를 구동시키는 RF 발생기로부터의 폐기 열 에너지의 입력과 같은 외부 변동(disturbance)을 신속하게 상쇄시키기 위해, 각각의 제어 루프의 제어 노력(control effort)이 대략적으로 동일할 필요가 있다는 것이다. 이러한 외부 변동이 크게 일어나면, 그러한 변동을 상쇄시키기 위한 제어 노력은 그에 대응하여 크게 이루어져야 한다. 예를 들어, 히트 싱크 제어 루프는, 매우 낮은 온도에서 동작함으로써 및/또는 큰 열 질량(thermal mass)을 가짐으로써 등에 의해 큰 싱크(sink; 흡수)를 제공해야만 한다. 그러나, 외부 변동들이 훨씬 작은 시간들 동안, 예를 들어, 플라즈마 프로세싱 시스템이 유휴 상태(idle state)에 있고 시스템으로의 어떠한 플라즈마 전력 입력이 없을 때, 큰 히트 싱크의 냉각 효과가 완전히 제거될 수 없고, 여기서 냉각제 루프는 공칭 냉각제 유동을 유지한다. 그 대신에, 심지어 그러한 유휴 시간들 동안에도, 설정점 온도를 유지하기 위해서 상당한 양의 가열 에너지(예를 들어, 3000 W, 또는 그 초과)의 인가를 통해서 제 2 제어기에 의해서 냉각 효과가 능동적으로 상쇄(countered)된다. 이러한 비효율성에 더하여, 종래의 제어 구성의 다른 효과는, 부품 온도의 상한선이 큰 히트 싱크의 활동(activity)에 의해서 제한된다는 것이다. 예를 들어, 심지어 100% 가열 전력(heating power)의 인가를 통해서, 큰 히트 싱크의 효과는 히트 싱크 활동이 추가로 감소될 수 있는 경우에 가능할 것인 온도보다 더 낮은 값으로 최대 부품 온도를 제한한다. 유사한 이유로, 설정점 온도의 증가에 대한 순간적인 반응이 또한 느리다. 종래의 구성의 최종적인 결과는, 프로세싱 온도 범위가 제한된 그리고 순간적인 응답 시간들이 증가된, 에너지적으로 비효율적인 시스템 동작이다.
플라즈마 프로세스가 플라즈마 프로세싱 장치에 의해서 실행될 때 프로세스 또는 챔버 부품 온도를 제어하기 위한 방법들 및 시스템들이 본원에서 설명된다. 특정 실시예들에서, 그러한 방법들 및 시스템들은 프로세스 챔버와 히트 싱크 및 히트 소스 양자 모두 사이의 열 전달을 조정한다(coordinate). 특정 실시예에서, 방법들 및 시스템들은 냉각제 액체 유동 제어 및 히터 듀티 사이클 제어를 조정하여 외부 변동이 없는 경우에 설정점 온도를 유지하는데 요구되는 에너지의 양을 감소시키는 한편, 외부 변동을 상쇄시키기 위한 신속한 제어 응답을 여전히 달성한다.
특정 실시예들은 방법을 포함하는데, 이 방법에 의해서 프로세스 챔버 내의 온도가 개별적인 히트 싱크 또는 히트 소스의 레벨에서가 아니라 챔버 관리 레벨에서 제어된다. 추가적인 실시예들에서, 챔버 관리 레벨 제어는, 챔버 부품 온도와 설정점 온도 사이의 에러를 나타내는 피드백 신호에 적어도 부분적으로 기초한다. 부품 온도가 설정점 온도 미만일 때, 피드백 신호에 응답하여, 챔버 부품을 가열하기 위한 가열 전력 입력이 증가될 수 있고, 프로세스 챔버와 상기 프로세스 챔버 외부의 히트 싱크 사이의 냉각제 액체 유동이 제로(zero)의 유량(flow rate)으로 감소될 수 있다.
일 실시예에서, 부품 온도를 제어하는 히터 전력 및 냉각제 액체 유동 중 하나 또는 둘 이상은, 챔버가 플라즈마 프로세스 레시피를 실행하는 활성 상태에 있을 때, 프로세스 챔버로의 플라즈마 전력 입력에 기초하여 피드포워드(feedforward) 제어 신호에 따라 추가로 결정된다. 특정 실시예들에서, 입력 플라즈마 전력 신호의 전달 함수(transfer function)는 전력 소스에 의해 출력된 플라즈마 전력에 의해서 프로세스 챔버 부품의 가열을 보상하기 위한 것이다. 그러한 특정 실시예들에서, 냉각제 액체 유동 및 가열 전력 제어는 플라즈마 프로세스 레시피에서의 실행 단계의 제 1 부분 동안 제 1 그룹의 이득값들을 적용하는 것을 포함하고, 상기 제 1 그룹의 이득 값들은 실행 레시피 단계를 위해 플라즈마 입력 전력 및 설정점 온도와 연관된다. 제 2 그룹의 이득 값들은 실행 레시피 단계의 제 2 부분 동안 추가적으로 적용될 수 있고, 제 2 그룹의 이득 값들은 실행 단계와 선행 또는 후속 플라즈마 프로세스 레시피 단계 사이의 설정점 온도의 변화 및 플라즈마 입력 전력의 변화와 연관된다.
실시예들은, 프로세싱 시스템에 의해서 실행될 때, 프로세싱 시스템이 프로세스 챔버와 히트 싱크 및 히트 소스 양자 사이의 열 전달을 조정하게 하는 명령들을 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함한다. 하나의 그러한 실시예에서, 컴퓨터 판독가능 매체는, 외부 변동이 없을 때 설정점 온도를 유지하는데 요구되는 에너지의 양을 감소시키는 한편 외부 변동을 상쇄시키기 위한 신속한 제어 응답을 여전히 달성하기 위해서, 냉각제 액체 유동 제어 및 히터 듀티 사이클 제어를 조정하기 위한 명령들을 저장한다. 특정 실시예들에서, 컴퓨터 판독가능 매체는 플라즈마 전력 신호와 부품 온도 사이의 전달 함수를 포함하고, 플라즈마 전력 출력에 의한 프로세스 챔버 부품의 가열을 보상하기 위한 명령들을 더 포함한다.
실시예들은, 히트 싱크/히트 소스에 커플링될 온도 제어된 부품을 가지는 플라즈마 프로세싱 챔버, 예를 들어, 플라즈마 에칭 또는 플라즈마 증착 시스템을 포함한다. 온도 제어된 부품은 냉각제 액체 제어 밸브를 포함하는 냉각제 액체 루프에 의해서 히트 싱크에 커플링될 수 있으며, 상기 냉각제 액체 제어 밸브는 온도 제어된 부품으로의 냉각제 액체 유동을 완전히 중단한다. 챔버는, 제로 액체 유동을 포함하는 범위에 걸쳐서 냉각제 액체 유량을 변화시킴으로써 온도 제어된 부품과 히트 싱크 사이의 열 전달을 제어하기 위해서 냉각제 액체 제어 밸브에 커플링된 온도 제어기를 더 포함할 수 있다.
프로세스 챔버 내에 배치된 가공물의 프로세싱 동안 플라즈마를 에너자이징하기 위해서 플라즈마 전력 소스가 프로세싱 챔버에 커플링될 것이다. 온도 제어기는, 온도 제어된 부품의 플라즈마 가열을 보상하기 위해서 챔버로의 플라즈마 전력 입력에 기초하여 피드백 제어 신호 및/또는 피드포워드 제어 신호에 의해, 온도 제어된 부품과 히트 싱크 및 히트 소스 양자 사이의 열 전달의 제어를 조정할 수 있다. 그러한 하나의 실시예에서, 온도 제어된 부품은 플라즈마 프로세싱 동안 프로세스 가스를 전달하도록 구성된 프로세스 가스 샤워헤드를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 명세서의 결론 부분에서 특히 강조되고 명확하게 청구된다. 그러나, 본 발명의 목적들, 특징들 및 장점들과 함께, 본 발명의 실시예들은, 조직 및 동작 방법 모두와 관련하여, 첨부 도면들과 함께 판독할 때 이하의 구체적인 설명에 대한 참조에 의해서 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따라서, 피드포워드 및 피드백 제어 엘리먼트들 모두를 포함하고 그리고 가열 및 냉각 모두에 응답하는 조정 제어 노력(coordinate control effort)을 제공하는 온도 제어 시스템을 도해하는 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따라서, 온도 제어기를 포함하는 플라즈마 에칭 시스템의 개략도를 도해한다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따라서, 온도 제어 체인 내의 부품들의 블록도를 도해한다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라서, 플라즈마 프로세싱 챔버의 유휴 상태 및 활성 상태에 대한 제어 루프 구성들을 도해하는 상태도이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따라서, 유휴 상태 전과 후의 활성 상태들 동안 실행된 플라즈마 프로세싱 레시피에서의 특별한 세그먼트들을 도해하는 블록도이다.
도 3c는 본 발명의 실시예에 따라서, 도 1 오프라인(offline)에 설명된 제어 시스템을 취하기 위한 방법의 동작들을 도해하는 흐름도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따라서, 유휴 상태 동안 도 1에 설명된 제어 시스템으로 부품 온도를 제어하기 위한 이벤트 구동되는(event driven) 제어 알고리즘을 도해한다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따라서, 활성 상태 동안 도 1에 설명된 제어 시스템으로 부품 온도를 제어하기 위한 방법에서의 동작들을 도해하는 흐름도이다.
도 4c는 본 발명의 실시예에 따라서, 이득 그룹 룩업 테이블을 도해한다.
도 4d는 본 발명의 실시예에 따라서, 플라즈마 프로세스 레시피의 2개의 단계들 사이의 설정점 온도들의 변화들을 어드레싱(addressing)하기 위한 제어 알고리즘을 도해한다.
도 4e는 본 발명의 실시예에 따라서, 도 4d의 제어 알고리즘에 의해서 채용된 이득 그룹에 대한 룩업 테이블을 도해한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라서, 도 3에 도시된 플라즈마 에칭 시스템에 통합된 예시적인 컴퓨터 시스템의 블록도를 도해한다.
이하의 상세한 설명에서, 본 발명의 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해서 많은 특정 세부사항들이 설명된다. 그러나, 이들 특정 세부사항들이 없이도 다른 실시예들이 실행될 수 있다는 것을 당업자들이 이해할 것이다. 다른 경우들에서, 본 발명을 불명확하게 하지 않도록, 주지의 방법들, 과정들, 부품들 및 회로들을 상세하게 설명하지 않았다. 하기되는 상세한 설명의 일부 부분들은, 컴퓨터 메모리 내의 데이터 비트들 또는 바이너리 디지털 신호들에 대한 동작들의 상징적 표현들(symbolic representations) 그리고 알고리즘에 관련하여 제공된다. 이들 알고리즘적인 설명들 및 표현들은 데이터 프로세싱 기술분야의 당업자가 다른 당업자에게 그들의 작업의 요지(substance)를 전달하기 위해서 사용하는 기술들일 수 있다.
일반적으로 본 명세서에서, 알고리즘 및 방법은 희망하는 결과로 유도하는 작업들(acts) 또는 동작들의 일관성 있는(self-consistent) 시퀀스인 것으로 간주된다. 이들은 물리량들(physical quantities)의 물리적 조작들을 포함한다. 비록 필수적인 것은 아니지만, 일반적으로, 이러한 물리량들은 저장, 전달, 조합, 비교, 및 그렇지 않으면 조작될 수 있는 전기적 또는 자기적 신호들의 형태를 취한다. 이러한 신호들을 비트들, 값들, 엘리먼트들, 심볼들, 특성들, 용어들, 레벨들 또는 개수들 등으로 지칭하는 것이 때때로, 그리고 주로, 통상적인 용법 때문에 편리한 것으로 입증되었다. 그러나, 이러한 용어들 그리고 유사한 용어들 모두는 적절한 물리량들과 관련되고, 이러한 물리량들에 적용된 단지 편리한 라벨들인 것으로 이해되어야 한다.
구체적으로 달리 언급되지 않는다면, 이하의 내용들로부터 명백한 바와 같이, 명세서 전체를 통해서 "프로세싱", "컴퓨팅", "계산", 또는 "결정" 등과 같은 용어들을 이용하는 내용들은, 컴퓨팅 시스템의 레지스터들 및/또는 메모리들 내의 물리적인, 예를 들어 전자적인 양들로서 표현된 데이터를 컴퓨팅 시스템의 메모리들, 레지스터들 또는 다른 그러한 정보 저장, 송신 또는 디스플레이 디바이스들 내의 물리량들로서 유사하게 표현된 다른 데이터로 조작 및/또는 변형하는, 컴퓨터 또는 컴퓨팅 시스템, 또는 유사한 전자적 컴퓨팅 디바이스의 작업 및/또는 프로세스들을 지칭한다는 것이 이해된다.
본 발명의 실시예들은 본 명세서에서의 동작들을 수행하기 위한 장치들을 포함할 수 있다. 장치는 희망하는 목적들을 위해 특별히 구성될 수 있고, 또는 디바이스 내에 저장된 프로그램에 의해서 선택적으로 활성화되거나 재구성(reconfigure)되는 범용 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있다. 그러한 프로그램은, 플로피 디스크들, 광학 디스크들, CD-ROMs(compact disc read only memories), 자기-광학 디스크들, 판독-전용 메모리들(ROMs), 랜덤 액세스 메모리들(RAMs), EPROMs(electrically programmable read only memories), EEPROMs(electrically erasable and programmable read only memories), 자기 또는 광학 카드들, 또는 전자적 명령들을 저장하기에 적합하고 그리고 컴퓨팅 디바이스용 시스템 버스에 커플링될 수 있는 임의의 다른 유형의 매체를 포함하는 임의 타입의 디스크(그러나, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니다)와 같은 저장 매체에 저장될 수 있다.
"커플링된" 및 "연결된"이라는 용어들은, 그 용어들의 파생어들과 함께, 부품들 사이의 구조적 관계들을 설명하기 위해서 본원에 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 서로에 대한 동의어들로서 의도된 것이 아님을 이해하여야 한다. 오히려, 특정 실시예들에서, "연결된"은 둘 또는 셋 이상의 엘리먼트들이 서로 물리적으로 또는 전기적으로 직접 접촉한다는 것을 나타내기 위해서 사용될 수 있다. "커플링된"은 둘 또는 셋 이상의 엘리먼트들이 서로 (그들 사이에 다른 개재 엘리먼트들과 함께) 물리적이나 전기적으로 직접적으로 또는 간접적으로 접촉하고 있고, 및/또는 (예를 들어, 인과 관계에서와 같이)둘 또는 셋 이상의 엘리먼트들이 서로 협력하거나 또는 서로 상호작용한다는 것을 나타내기 위해서 사용될 수 있다.
본원에 기재된 챔버 부품 온도 또는 프로세스를 제어하기 위한 방법들 및 시스템들의 실시예들은 냉각 제어 루프 및 가열 제어 루프 양자 모두를 포함하는 온도 제어 노력을 제공하고, 그러한 온도 제어 노력에서는 냉각제 액체 유동 제어 및 히터 제어가 조정되어 외부 변동이 없는 경우에 설정점 온도를 유지하는데 요구되는 에너지의 양을 감소시키는 한편, 외부 변동을 상쇄시키기 위한 신속한 제어 응답을 여전히 달성한다. 일반적으로, 플라즈마 프로세스 챔버(모듈) 제어기는 통상적인 독립적 히트 싱크/히트 소스 제어기들보다 상위의 온도 제어의 레벨을 제공한다. 챔버 레벨 제어기는 온도 제어 알고리즘을 실행하고 그리고 피드백 및/또는 피드포워드 이득 값들과 같은 제어 파라미터들을 하나 또는 둘 이상의 히트 싱크/히트 소스 제어기들로 통신하여 냉각제 액체 유동 제어 및 히터 듀티 사이클의 제어에 영향을 미친다.
그 후, 피드백 및/또는 피드포워드 전달 함수에 대한 제어 연산들을 자율적인(autonomous) 온도 제어 플레인(plane)(예를 들어, 히트 싱크 또는 히트 소스의 별도의 PID 제어기)으로부터 피드백 및 피드포워드 제어 노력들 모두를 연산할 수 있는 플라즈마 프로세싱 시스템의 통합형 제어 소프트웨어 플레인으로 이동시키는 것에 의해, 그 후 분리된(separate) 가열 및 냉각 루프들의 별도의(discrete) 온도 제어기들이 보다 효율적으로 조정되는 방식으로 활용될 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 별도의 온도 제어기들은 도 1에 도시된 온도 제어 시스템(100)을 구현하는 명령들을 실행하는 통합형 플라즈마 챔버 제어 소프트웨어 플레인의 지시하에서 동작하는 단지 제어 액츄에이터(예를 들어, 밸브들, 저항성 엘리먼트들 등)의 드라이버로서 수동 모드로 동작할 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예들에서, 적어도 하나의 별도의 온도 제어기는 자동 폐쇄 루프 모드에서 동작하도록 그리고 통합형 제어 소프트웨어 플레인으로부터 오프-로드된 연관된 제어 연산들을 본원에 기술된 피드백 및 피드포워드 제어 중 어느 하나 또는 양자 모두로 제공하도록 구성된다. (예를 들어, 히트 소스를 제공하는) 하나의 별도의 온도 제어기가 자동 모드에 있는 실시예들에 대해, 통합형 온도 제어 소프트웨어 플레인은 수동 모드로 동작하는 (예를 들어, 히트 싱크를 제공하는) 제 2의 별도의 온도 제어기로 명령들을 제공할 수 있다. 어느 하나의 구현에서, 통합형 온도 제어 소프트웨어 플레인에 의해서 제공된 온도 제어의 보다 더 높은 레벨을 통해서, 예를 들어, 외부 온도 변동이 없는 경우에 (예를 들어, 유휴 시간) 냉각 전력이 크게 감소될 수 있다. 또한, 예를 들어, 능동 레시피 실행 또는 유휴 시간 동안의 설정점 온도의 변화시에, 전이 응답 시간들이 감소될 수 있다. 이러한 효과는, 부품 온도가 설정점 온도 미만이라는 것을 피드백 신호가 나타낼 때, 비교적 적은 양들의 가열 전력이 부품 온도 에러를 상쇄시킬 수 있도록 허용하기 위해서 그리고 냉각 전력을 크게 감소시키기 위해 온도 제어된 부품으로의 냉각제 액체 유동을 완전히 중단시킴으로써 특정 실시예들에서 달성된다. 챔버 부품으로의 냉각제 액체 유동을 조건적으로(conditionally) 중단시킬 수 있는 능력을 제공하는 통합형 온도 제어 소프트웨어 플레인을 이용하면, 보다 더 높은 부품 설정점 온도들이 주어진 가열 전력에 대해서 달성될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따라, 가열 변동 및 냉각 변동들 모두에 대해서 응답하여 가열 및 냉각 제어 노력들(111, 112)을 조정하는(coordinating) 피드포워드 및 피드백 제어 엘리먼트들 모두를 포함하는 온도 제어 시스템(100)을 도해하는 블록도이다. 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 부품(105)의 온도에 영향을 미치는 히트 소스 제어 루프(101) 및 히트 싱크 제어 루프(102)를 포함한다. 히트 소스 제어 루프(101)는 피드백 제어 신호(108A)에 기초하여 제어될 수 있는 히터(390)를 포함한다. 플라즈마 프로세싱 챔버 내로의 플라즈마 전력 입력에 부분적으로 기초하여 제어 노력을 연산하는 예시적인 실시예들의 경우에, 제어 시스템(100)은 통합형 제어 소프트웨어 플레인을 통해서 피드포워드 제어 신호(107)를 추가로 제공하는데, 이는 상업적으로 이용가능한 온도 제어기들이 변동 보상을 위한 피드포워드 입력을 가지지 않기 때문이다(예를 들어, 그 대신에, 측정된 제어된 온도(150) 및 설정점 온도(106)를 포함하는 입력들을 가지는 피드백 제어만을 제공한다). 따라서, 히터 드라이버(390B)에 전송된 제어 신호(109)는, 신호(108) 및 신호(107)로 각각 적용된 에러 이득 및 전력 이득을 가지는 피드백 제어 신호(108A) 및 피드포워드 제어 신호(107) 모두의 함수(예를 들어, 합계)일 수 있다.
유사하게, 히트 싱크 제어 루프(102)는 피드백 제어 신호(108B)에 기초하여 제어될 수 있는 냉각제 액체 유동(115)을 포함한다. 플라즈마 프로세싱 챔버 내로의 플라즈마 전력 입력에 부분적으로 기초하여 제어 노력을 연산하는 예시적인 실시예들의 경우에, 제어 시스템(100)은 통합형 제어 소프트웨어 플레인을 통해서 피드포워드 제어 신호(117)를 추가적으로 제공한다. 따라서, 냉각제 액체 제어 밸브(들)(120)로 전송된 제어 신호(119)는 신호(108B) 및 신호(117)로 각각 적용된 에러 이득 및 전력 이득을 가지는 피드백 제어 신호(108B) 및 피드포워드 제어 신호(117) 모두의 함수(예를 들어, 합계)일 수 있다.
온도 제어 시스템(100)은 적어도 하나의 피드포워드 전달 함수(FA(s), 및/또는 FB(s))를 포함하고, 그러한 전달 함수는 가공물의 프로세싱 동안, 플라즈마 프로세스 챔버로 도입되는 플라즈마 전력을 입력으로서 취한다. 하나의 그러한 실시예에서, 플라즈마 전력은 프로세싱 챔버에 대한 복수의 전력 입력들의 가중된 합이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 플라즈마 전력의 가중된 합은 c1*P1 + c2*P2 + c3*P3과 같으며, 여기에서 P1, P2 및 P3은 바이어스 전력 및/또는 소스 전력들이다. 가중치들(c1, c2, 및 c3)은 임의의 실수일 수 있으며, 그리고 특정 실시예들에서 소스 전력의 가중치는 소스 전력의 증가와 함께 부품 가열이 실제로 감소되는 경우에 음이되지만, 전형적으로는 양이다.
피드포워드 라인으로의 플라즈마 전력 입력은, 상당한(appreciable) 열 부하를 온도 제어된 시스템 부품에 부과하는, RF 발생기, 마그네트론 등과 같은, 플라즈마 전력 소스에 의한 임의의 전력 출력에 기초할 수 있다. 피드포워드 전달 함수 FA(s) 및/또는 FB(s)는 신호가 반대인 제어 노력을 변동 전달 함수 D(s)에 제공할 것이며 그리고 플라즈마 소스 전력 열 부하에 의해서 야기된 변동으로부터 초래된 제어된 온도(150)의 증가를 보상한다. 변동 전달 함수 D(s)는 플라즈마 전력의 열 부하를 특별한 열적 시간 상수(τ)를 가지는 플라즈마 프로세싱 챔버 부품의 제어된 온도(150)의 상승과 관련시킨다. 예를 들어, 시간 t에서 0 W로부터 1000 W까지 플라즈마 전력의 계단 함수 증가는 변동 전달 함수 D(s)에 의해서 시간 경과에 따라 부품 온도 상승으로 맵핑될 수 있다. 피드포워드 제어 신호들(107, 117)은 제어된 온도(150)와 설정점 온도(106) 사이의 차이에 상응하는 에러 신호(εε)의 교정을 위한 피드백 제어 신호(108)를 제공하는 피드백 전달 함수 G1A(s) 및/또는 G1B(s)와 커플링된다.
출력 제어된 온도(150)에 미치는 변동 전달 함수 D(s)의 영향을 보상하기 위해서, 설정점 온도(106)와 함께, 피드포워드 제어 신호들(107, 117)이 액츄에이터 전달 함수 G1A(s), G1B(s) 및 열 질량 전달 함수 H(s)(thermal mass transfer function)로 입력된다. 열 질량 전달 함수 H(s)는 히트 싱크/히트 소스의 열 용량 및 온도 제어된 부품 등의 함수를 포함한다. 액츄에이터 전달 함수 G2B(s)는 온도 제어된 부품(105)과 히트 싱크(예를 들어, 냉각기(chiller)) 사이의 열 전달을 제어하는 액츄에이터의 함수 및 냉각제 유동의 함수를 포함한다. 도해된 실시예는 온도 제어된 부품(105)과 히트 소스(예를 들어, 히터 엘리먼트(390) 및 히터 드라이버(390B)) 사이의 열 전달을 제어하는 액츄에이터의 함수(G2A(s))를 더 포함한다. 피드포워드 전달 함수 FA(s)(또는 FB(s))는, 냉각제 액체 루프와 같은 독립적인 폐쇄 루프 제어 시스템으로 이미 피팅될(fitted) 수 있는 통상적인 피드백 제어 시스템과 같은 액츄에이터로 구현될 수 있다. 액츄에이터는 기술분야에서 일반적으로 채용되는 임의의 방식으로 구현될 수 있다. 예시적인 냉각제 액체 루프 실시예의 경우에, 액츄에이터는 온도 제어된 부품(105)과 히트 싱크(예를 들어, 냉각기(377)) 사이에 커플링된 냉각제 액체 유동(115)을 제어하는 하나 또는 둘 이상의 밸브(들)(120)을 포함한다. 추가적인 실시예에서, 다른 액츄에이터는 온도 제어된 부품(105)에 커플링된 하나 또는 둘 이상의 저항성 가열 엘리먼트 드라이브 전력 스위치들(390B)을 포함한다.
도 2a는, 본 발명의 실시예에 따른, 온도 제어기를 포함하는 플라즈마 에칭 시스템의 개략도를 도해한다. 플라즈마 에칭 시스템(300)은, 미국 캘리포니아 소재의 Applied Materials에 의해서 제조된 EnablerTM, MxP
Figure pct00001
, MxP+TM, Super-ETM, DPS II AdvantEdgeTM G3, 또는 E-MAX
Figure pct00002
챔버들과 같은 (그러나 이에 제한되지는 않음) 기술분야에 공지된 임의 타입의 고성능 에칭 챔버일 수 있다. 상업적으로 이용가능한 다른 에칭 챔버들이 유사하게 제어될 수 있다. 플라즈마 에칭 시스템(300)에 관하여 예시적인 실시예들이 설명되지만, 본원에 기술된 온도 제어 시스템 아키텍쳐는 또한 온도 제어된 부품에 열 부하를 제공하는 다른 플라즈마 프로세싱 시스템들(예를 들어, 플라즈마 증착 시스템들, 등)에 또한 적용가능함에 더욱 유의하여야 한다.
플라즈마 에칭 시스템(300)은 접지된 챔버(305)를 포함한다. 기판(310)은 개구(315)를 통해서 로딩되고 그리고 척(320)에 클램핑된다. 기판(310)은 플라즈마 프로세싱 기술분야에서 통상적으로 채용되는 임의의 가공물일 수 있고 그리고 본 발명은 이 점에 있어서 제한되지 않는다. 플라즈마 에칭 시스템(300)은 온도 제어된 프로세스 가스 샤워헤드(335)를 포함한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 프로세스 가스 샤워헤드(335)는 복수의 구역들((364)(중심) 및 (365)(엣지))을 포함하고, 각 구역은 설정점 온도(106)로 독립적으로 제어가능하다(도 1). 다른 실시예들은 하나의 구역 또는 둘 보다 많은 구역들을 가진다. 하나 보다 많은 구역을 가지는 실시예들의 경우에, n개의 히터 구역들 및 m개의 냉각제 구역들이 존재하며, 이때 n은 반드시 m과 같을 필요는 없다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 단일 냉각 루프(m=1)가 2개의 히터 구역들(n=2)을 통과한다. 프로세스 가스들이, 가스 소스(345)로부터 질량 유동 제어기(349)를 통해서, 샤워헤드(335)를 통해서 그리고 챔버(305)의 내부로 적용된다. 챔버(305)는 고용량 진공 펌프 스택(355)으로 연결된 배출(exhaust) 밸브(351)를 통해서 배기된다.
플라즈마 전력이 챔버(305)로 인가될 때, 플라즈마가 기판(310) 위의 프로세싱 영역 내에 형성된다. 플라즈마 바이어스 전력(325)이 척(320)(예를 들어, 캐소드)에 커플링되어 플라즈마를 에너자이징한다. 전형적으로, 플라즈마 바이어스 전력(325)은 약 2 MHz 내지 60 MHz의 저주파수를 가지고, 특정 실시예에서, 13.56 MHz 대역 내에 있다. 예시적인 실시예에서, 플라즈마 에칭 시스템(300)은 플라즈마 바이어스 전력(325)과 동일한 RF 매치(327)에 연결되고 약 2MHz 대역에서 동작하는 제 2 플라즈마 바이어스 전력(326)을 포함한다. 플라즈마 소스 전력(330)은 매치(331)를 통해서 플라즈마 발생 엘리먼트에 커플링되고, 그에 따라 플라즈마를 유도식으로 또는 용량식으로 에너자이징하기 위한 고주파 소스 전력을 제공한다. 전형적으로, 플라즈마 소스 전력(330)은 100 내지 180 MHz 사이와 같이 플라즈마 바이어스 전력(325)보다 더 높은 주파수를 가지고, 그리고 특정 실시예에서, 162 MHz 대역 내에 있다. 특히, 제어 시스템(100)에 의해서 온도 제어될 시스템 부품은 샤워헤드(335) 또는 척(320)으로 제한되지도 않고 또한 반드시 프로세스 챔버 내로 플라즈마 전력을 직접적으로 커플링시키는 온도 제어된 부품일 필요도 없다. 예를 들어, 챔버 라이너는 본원에 기술된 방식으로 온도 제어될 수 있고 그리고 온도 제어된 샤워헤드가 RF 전극으로서 작용할 수 있거나 또는 작용하지 않을 수 있다.
예시적인 실시예에서, 온도 제어기(370)의 통합형 온도 제어 소프트웨어 플레인으로서, 온도 제어기(375)가 본원에 기술된 온도 제어 알고리즘들의 적어도 일부를 실행할 것이다. 따라서, 온도 제어기(375)가 소프트웨어 또는 하드웨어 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합일 수 있다. 온도 제어기(375)는 플라즈마 챔버(305) 외부의 히트 소스 및/또는 히트 싱크와 샤워헤드(335) 사이의 열 전달 레이트(rate)에 영향을 미치는 제어 신호들을 출력할 것이다. 예시적인 실시예에서, 온도 제어기(375)는 냉각기(377) 및 히터 엘리먼트(390)로, 직접적으로 또는 간접적으로, 커플링된다. 냉각기(377)의 온도와 설정점 온도(106) 사이의 차이가 플라즈마 전력과 함께 피드포워드 제어 라인으로 입력될 수 있다.
냉각기(377)는 샤워헤드(335)를 냉각기(377)와 열적으로 커플링하는 냉각제 루프(376)를 통해서 샤워헤드(335)에 냉각 전력을 제공할 것이다. 예시적인 실시예에서, 하나의 냉각제 루프(376)가 채용되며, 그러한 루프는 샤워헤드(335)의 내측 구역(364) 및 외측 구역(365) 모두에 매립된 (예를 들어, 제 1 구역에 근접하여 유입되고 그리고 다른 구역에 근접하여 배출되는) 냉각제 채널을 통해서 저온(cool) 액체(예를 들어, -15 ℃의 설정점 온도에서의 50% 에틸렌 글리콜)를 통과시킨다. 그러한 낮은 냉각제 설정점 온도들을 가질 수 있는 능력은, 낮은 플라즈마 전력 조건/플라즈마 전력이 없는 조건들하에서도 유체 정체를 피하기 위해서 최소 냉각제 유량(예를 들어, 0.8GPM)을 유지해야만 하는 통상적인 시스템들에 대비하여 본원에 기술된 펄스형 냉각 제어 시스템의 장점이다. 낮은 플라즈마 전력 조건/플라즈마 전력이 없는 조건들하에서 히트 소스가 제공할 수 있는 것보다 더 많은 열이 추출되지 않도록 보장하기 위해서, 최소 냉각제 설정점 온도가 이러한 비-제로(non-zero) 최소 유량에 의해서 제한된다. 그러나, 펄스형 냉각 제어 시스템의 경우에, 냉각제의 듀티 사이클이 매우 낮은 퍼센티지로, 심지어는 유휴 제어하에서 0%로 설정될 수 있기 때문에, 싱크 용량 증대를 위해서 냉각제 싱크가 보다 낮은 설정점에서 동작하는 것이 가능하게 된다.
온도 제어기(375)는 냉각제 액체 펄스 폭 변조(PWM) 드라이버(380)에 커플링된다. 냉각제 액체 PWM 드라이버(380)는 온도 제어기(375)에 의해서 전송된 제어 신호들에 의존하는 듀티 사이클에서 해당 값들이 디지털이 되는(즉, 완전히 개방된 또는 완전히 폐쇄된 바이너리 상태들을 갖는) 실시예들을 위해서 밸브(들)(120)을 동작시키도록 구성될 수 있으며 일반적으로 이용가능한 임의의 유형일 수 있다. 예를 들어, PWM 신호는 컴퓨터(예를 들어, 제어기(370))의 디지털 출력 포트에 의해서 생성될 수 있고 그리고 그 신호는 밸브들을 온/오프 위치들로 제어하는 릴레이를 구동시키도록 이용될 수 있다. 대안적으로, 도 2b에 의해 더 도시된 바와 같이, 히터 제어기(391)는 PWM 기능성(functionality)을 지원하고 그리고 커맨드된 듀티 사이클의 외부 드라이브를 제공하며 그에 따라 또한 냉각제 액체 PWM 드라이버(380)의 기능성의 적어도 일부를 제공하고 그리고 2개의 분리된 PWM 인터페이스들이 필요 없게 한다. 또 다른 실시예들에서, 0 부터 최대 유량까지의 무한 가변 유량을 제공하는 아날로그 밸브들이 온도 제어기(375)에 의해서 제어되는 밸브 개방 위치들과 함께 활용된다.
도 2a에 도시된 예시적인 실시예의 경우에, 도 1에 도시된 히터 엘리먼트(390)는 제 1 및 제 2 전기 저항성 가열 엘리먼트들(378, 379)을 포함한다. 가열 엘리먼트들(378, 379)은 하나 또는 둘 이상의 온도 센서들(366 및 367)(예를 들어, 내측 구역(364) 및 외측 구역(365)의 각각의 내부의 광학적 프로브)에 기초하여 독립적으로 구동될 수 있다. 히터 드라이버(390B)는, 예를 들어, 솔리드 스테이트 릴레이(solid state relay) 또는 반도체 제어된 정류기(SCR)일 수 있다. 히터 제어기(391)는 온도 제어기(375)를 히터 엘리먼트(들)(378, 379) 및 냉각제 루프(376) 중 하나 또는 양자 모두와 인터페이싱하기 위해서 냉각제 액체 PWM 드라이버(380)와 유사한 또는 그러한 드라이버를 대체하는 PWM 기능성을 제공한다. 예를 들어, 미국에 소재하는 Watlow Electric Manufacturing Company 또는 일본에 소재하는 Azbil/Yamatake로부터 상업적으로 이용가능한 유닛들이 히터 제어기(391) 및/또는 냉각제 액체 PWM 드라이버(380)로서 채용될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 수동 모드에서, 듀티 사이클 제어 커맨드들이 온도 제어기(375)에 의해서 히터 제어기(391)로 (예를 들어, 직렬로(serially)) 전송된다. 히터 제어기(391)는, PWM 드라이버(393)를 통해서, 미리 정해진 듀티 사이클에서 구형파(square wave)를 히터 드라이버(390B)로 출력한다. "수동 모드"에 대한 언급은 히터 전력의 자동 제어를 위해 히터 제어기(391)에 제어 커맨드들을 전송하는 온도 제어기(375)를 가지는 개방 루프 내에 있는 히터 제어기(391)에 대한 것이다. 아날로그 실시예들의 경우에, 아날로그 신호가 히터 드라이버(390B)로 전송될 수 있고, 그러한 히터 드라이버는 적절한 AC 위상에서, 예를 들어 제로 크로싱(zero crossing)에서 히터 엘리먼트(들)을 턴온/턴오프할 것이다. 2개의 히터 구역들을 가지는 예시적인 실시예의 경우에, 히터 제어기(391)의 2개의 채널들이 엘리먼트들(378, 379)에 대한 히터 드라이버(390B)로 출력된다. 히터 제어기(391)가 또한 액체 냉각제 PWM 드라이버(380)의 기능성을 제공하는 추가적인 실시예에서, 히터 제어기(391)로부터의 하나 또는 둘 이상의 채널들(예를 들어, 제 3 채널)이 출력되어 냉각제 밸브(들)(120)을 동작시킨다(예를 들어, 공압식 트랜스듀서로의 전자장치를 통해서 밸브(들)(120)을 스위치 온/스위치 오프한다). 따라서, 냉각이 요구될 때, 밸브(들)(120)가 개방될 수 있고(예를 들어, 듀티 사이클 증가) 그리고 가열이 요구될 때, 밸브(들)(120)가 폐쇄될 수 있고(예를 들어, 듀티 사이클 감소) 그리고 저항성 가열 엘리먼트들(378 및/또는 379)이 구동될 수 있다. 본원의 다른 곳에서 기술된 바와 같이, 이러한 "수동 모드"는 온도 제어기(375)를 통한 프로세스 레시피 제어 레벨에서의 능동적인 레시피 단계 동안 부품 온도를 제어하기 위해서 활용될 수 있다.
자동 제어 모드에서, 히터 제어기(391)는 (예를 들어, 온도 센서들(366, 367)을 통해서) 직접적으로 수신된 온도 정보, (예를 들어, 레시피 파일로부터의) 설정점 온도에 기초하여, 그리고 추가적으로 온도 제어기(375)로부터 수신된 이득 값들에 기초하여 히터들을 동작시키는, PID(392)를 통한, 독립적인/폐쇄형 루프 PID 제어기의 기능성을 제공한다. 실시예에서, 자동 제어는, 본원의 다른 곳에서 기술된 바와 같이, 유휴 모드 동안 히터(390)를 동작시킨다. 그러나, 히터 제어기(391)가 자동 제어 모드에 있든지 또는 수동 제어 모드에 있든지, 히터 제어기(391)가 온도 제어기(375)를 냉각 루프 밸브(들)(120)와 추가적으로 인터페이싱시키는 실시예들의 경우에, 냉각제 듀티 사이클은 바람직하게 히터 제어기(391)에 의해서가 아닌 온도 제어기(375)에 의해서 결정된다.
특히, 온도 제어기(375)는 시스템 제어기(370)의 통합형 프로세스 챔버 제어 소프트웨어 플레인 내에 포함될 필요가 없고, 또는 통합형 프로세스 챔버 제어 소프트웨어 플레인에 의해서 제공될 필요가 없다. 구체적으로, 그 대신에 온도 제어기(375)의 기능성이 개별적인 시스템으로서 제공될 수 있다. 예를 들어, Watlow Electric Manufacturing Company 또는 Yamatake Corp의 Azbil로부터 상업적으로 이용가능한 것들과 같은 (그러나, 이들로 제한되는 것은 아님) PID 제어기들이 플라즈마 전력과 같은 부가적인 피드포워드 입력들을 포함하도록 디자인될 수 있다. 그러한 피드포워드 입력들에 기초하는 피드포워드 제어 노력을 결정할 수 있는 능력을 가지는 프로세서를 포함하도록 개별적인 시스템이 추가적으로 제조될 수 있다. 따라서, 온도 제어에 대해서 본원에서 기술된 모든 실시예들이 통합형 프로세스 챔버 제어 소프트웨어 플레인의 각면(facet)으로서 또는 PWM 드라이버(380) 및/또는 히터 제어기(391)의 부품으로서 온도 제어기(375)에 의해서 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 시스템 유휴 시간(즉, 챔버(305) 내에서 어떠한 플라즈마 프로세싱도 발생하지 않을 때) 동안 냉각 전력을 줄이기 위해서, 온도 제어기(375)는 유휴 상태(예를 들어, 챔버에 의해서 기판 프로세싱이 실행되지 않음) 및 활성 상태(즉, 기판 프로세싱이 실행됨) 모두 동안 냉각 루프(101)에 대한 제어를 유지한다. 도 3a는, 본 발명의 실시예에 따른, 플라즈마 프로세싱 챔버의 활성 상태(321) 및 유휴 상태(311)에 대한 제어 루프 구성들을 도해하는 상태도(300)이다. 도시된 바와 같이, 유휴 상태(311)에 있는 동안, 시스템은 이벤트 구동 모드(event driven mode)에서 동작하고, 그러한 모드 동안, 인터록 테이블에 정의된 이벤트들의 발생시에 인터록들(340)이 트리거될 수 있다. 일 실시예에서, 도 4a에 도해된 인터록 테이블에 정의된 부품(105)(예를 들어 샤워헤드(335))의 대응 온도 임계값들에 기초하여 냉각 액체 유동이 결정된다.
도 4a는 유휴 상태 동안 부품 온도 제어를 위한 이벤트 구동 제어 알고리즘을 도해한다. 도시된 바와 같이, 챔버 부품 온도가 설정점 온도(401)(TSP) 미만이라는 것을 나타내는 피드백 신호에 응답하여, 온도 제어된 부품(예를 들어, 샤워헤드(335)) 내로의 냉각제 액체 유동이 제 1 듀티 사이클(IDLE DCO)로 설정된다. 특정 실시예에서, 온도가 임계값(402)(TSP + delta T1) 미만이라면, 이러한 제 1 듀티 사이클 IDLE DCO은 냉각제 액체 유량을 제로로 감소시켜 부품으로의 유동을 완전히 중단시킨다. 임계값들(402, 403 및 404)을 교차할 때, 온도 상승 또는 강하에 따라서, 듀티 사이클이 IDLE DC1, DC2, DC3, 등으로 변화된다. 이에 따라, 만약 설정점 온도가 유휴 상태(311) 동안(예를 들어, 다른 프로세스를 위한 준비 시에) 상승된다면, 냉각제 유동이 중단되고 그리고 (예를 들어, 자동 모드에서 동작하는) 히터 전력이 보다 더 빠른 효과를 가지며 그리고 보다 더 높은 설정점 온도들이 달성될 수 있다.
도 3a에 도시된 특정 실시예에서, 시스템이 활성 상태(321)로부터 유휴 상태(311)로 이동할 때, 히터(390)가 자동, 폐쇄 루프 모드(314)로 배치된다. 그러한 실시예의 경우에, 히터 제어기(예를 들어, 도 2b의 PID(392))는, 온도 제어기(375)가 밸브(들)(120)에 대한 제어 명령들을 PWM 드라이버(393)로 전송하여 피드백 신호로 히트 싱크 제어 루프(102)를 폐쇄하는 동안, 필요에 따라 가열 엘리먼트들을 구동시킴으로써 설정점 온도(106)를 달성하고자 한다. 도 3a에 추가적으로 도시된 바와 같이, 시스템이 유휴 상태(311)로부터 활성 상태(321)로 이동할 때, 히터(390)가 수동 모드로 배치된다. 그러한 실시예의 경우에, 히트 싱크 제어 루프(102) 및 히트 소스 제어 루프(101) 모두를 피드백 및/또는 피드포워드 신호로 폐쇄하기 위해서, 히터 전력 및 밸브(들)(120) 모두에 대한 듀티 사이클들이 온도 제어기(375)에 의해서 결정된다. 그러나, 특히, 활성 상태 또는 유휴 상태에서, 제어기(375)는 바람직하게 액체 냉각제에 대한 듀티 사이클을 결정한다.
도 3a를 참조하면, 시스템 활성 상태(321)에 있을 때, 시스템은 레시피 구동 모드로 동작하고, 이 모드 동안 레시피 제어 알고리즘으로부터의 냉각제 및 히터 파라미터들이 시간 또는 프로세서 사이클 기반으로 실행될 수 있다. 도 3b는, 본 발명의 실시예에 따라서, 유휴 상태(311) 전에 그리고 후에 활성 상태들(321A 및 321B) 동안 실행된 플라즈마 프로세싱 레시피에서의 특정 세그먼트들을 도해하는 블록도이다. 활성 상태(321A)에서, 플라즈마 프로세스 레시피 실행은 레시피 단계 N(301) 및 후속 레시피 단계 N+1(302)를 가지며, 이 단계들은, 예를 들어, 플라즈마 전력이 플라즈마 챔버 내로 입력되는 연속적인 플라즈마 프로세스 레시피의 적어도 2 개의 플라즈마 에칭 레시피들의 단계들일 수 있다. 도 4a에 도시된 것과 같은 피드백 제어 알고리즘을 채용하는 유휴 상태(311)와 달리, 레시피 단계 N(301)의 실행 동안, 냉각제 및 히터 제어 파라미터들은, 피드포워드 신호를 이용하는, 도 4b에 도시된 것과 같은, 제어 알고리즘을 적어도 부분적으로 이용하여 결정된다. 레시피 단계 N+1(302)가 플라즈마 프로세싱 시스템에 의해서 후속하여 실행될 때, 냉각제 및 히터 제어 파라미터들은 피드포워드 제어 알고리즘에 의해서 유사하게 결정된다(예를 들어 도 4b). 도해된 예시적인 실시예에서, 레시피 단계 N(301)는 단일 레시피 단계 N(301) 내에서 복수의 독립적인 온도 제어 파라미터들(예를 들어, 폐쇄 루프 동작에 대한 제어 이득 그룹들 또는 개방 루프 동작에 대한 듀티 사이클 값들)을 허용하는 제 1 부분(301A) 및 제 2 부분(301B)을 포함한다. 제 2 부분(301B)은, 후속 레시피 단계 N+1(302)에 대한 준비 시에 레시피 단계 N(301)의 지속시간이 종료하기 전에 온도 제어 파라미터들의 개방 루프 세트가 구현될 수 있게 하는 "룩-어헤드(look-ahead)" 부분으로 간주될 수 있다. 그에 따라, 레시피 단계 N(301)로 들어갈 때, 제 1 부분(301A)에 대한 폐쇄 루프 이득 그룹 및 제 2 부분(301B)에 대한 개방 루프 히터 및/또는 냉각제 유동 듀티 사이클 값(들)이 데이터베이스, 또는 룩업 테이블 등으로부터 결정될 수 있다. 그러한 룩업 테이블들은 특별한 플라즈마 입력 전력들과 연관된 듀티 사이클 값들을 제공할 수 있다.
도 3b에 추가적으로 도시된 바와 같이, 활성 상태(321)는, 플라즈마 전력이 프로세싱 챔버 내로 더 이상 입력되지 않는(즉, 플라즈마 프로세싱 완료됨) 이후에 폐쇄 또는 개방 루프 제어가 계속되는 포스트-레시피(post-recipe) 단계(303)를 포함할 수 있다. 포스트-레시피 단계(303)는 연장된 기간의 시간 동안 폐쇄 또는 개방 루프 온도 제어를 계속하고 그리고 가공물이 프로세싱 챔버로부터 언로딩되기 전에 설정점 온도의 변화를 허용할 수 있다. 포스트-레시피 단계(303) 동안, 최소 냉각제 유체 유동 임계값은 다음 레시피가 시작할 때까지 기판 이송 동안 유지된다. 유사하게, 활성 상태(321)는, 플라즈마 전력이 프로세스 레시피에서 제 1 시간 동안 도입되는 제 1 레시피 단계(308)의 수행에 앞서서 프리(pre)-레시피 단계(307)를 포함할 수 있다. 프리-레시피 단계(307)는, 가공물이 프로세싱 챔버 내에서 프로세싱되기에 앞서서 설정점 온도의 변화를 허용할 수 있는 연장된 기간의 시간 동안의 폐쇄 또는 개방 루프 제어를 허용한다.
활성 상태(321) 동안, 후속 레시피 단계들에서 요구될 수 있는 바에 따라 신속한 온도 제어 응답을 위한 냉각제 유동이 충분히 많은 것을 보장하기 위해서, 최소 냉각제 유체 유동 임계값이 확립될 수 있다. 냉각제 유체 유동이 최소 냉각제 유체 유동 임계값 위에서 유지되는 상태에서, 응답 지연을 회피할 수 있을 것이며, 그렇지 않으면 냉각제 유체가 정체하는 경우에 응답 지연이 초래될 수 있을 것이다. 예를 들어, 90 ℃ 설정점의 경우에, 최소 듀티 사이클은 15-20%일 수 있다. 일 실시예에서, 최소 냉각제 유체 유동 임계값은 보다 더 높은 온도 설정점에 대해 더 높은 임계값을 가지는 설정점 온도(106)의 함수이다.
활성 상태(321)와 유휴 상태(311) 사이의 전이를 디마킹(demarking)하는 것은, 유휴 상태 온도 제어 모드(예를 들어, 도 4a)에 진입하기 전의 지연 시간(309)이다. 만약 이러한 지연 시간(309)이 0초라면, 시스템은 레시피 종료 직후에 유휴 제어 모드로 진행한다. 그렇지 않으면, 액츄에이터 커맨드들(예를 들어, 냉각제 유동 및/또는 히터 전력 듀티 사이클들)이 포스트 레시피 단계(303) 동안 적용되었던 것과 동일하게 유지된다. 특정 실시예들에서, 유휴 상태(311)에 있는 동안, 냉각제 유동이 완전히 셧오프되어(즉, 0%의 듀티 사이클) 히터 전력 요건들을 추가적으로 감소시키고 그리고 히터 제어기(391)로 하여금 폐쇄 루프 부품 온도 제어 동안 주변 히트 싱킹(ambient heat sinking)만을 오프셋시킬 수 있도록 한다.
도 3c에 추가적으로 도시된 바와 같이, 히터(390)의 전력 다운(powering down) 시에, 방법(350)을 통해서 온도 제어가 자동적으로 오프라인으로 취해질 수 있다. 예를 들어, 챔버가 서비스하기 위해 오프라인으로 취해질 때, 부품 온도의 제어된 램프 다운을 보장하기 위해서 동작(355)에서 온도 제어기(375)는 냉각제 유체 유량을 미리 결정된 "셧오프(shutoff)" 값으로 자동으로 설정한다. 제어된 램프 레이트(controlled ramp rate)는 부품에 기초하여 미리 결정될 수 있으며, 예를 들어, 라미네이트된 구조를 가지는 샤워헤드는 와핑(warping) 및 응력-유도형 디라미네이션을 피하기 위해 소정의 레이트를 요구할 수 있다. 동작(355)에서, 냉각제 유체는 부품(예를 들어, 내측 또는 외측 샤워헤드 구역)의 온도가 임계값 온도에 도달할 때까지 또는 냉각제 유체 온도와 부품 온도 사이의 임계값 차이에 도달할 때까지 셧오프 값에서 유동하고, 이때 냉각제 유체 유량이 중단된다. 예를 들면, 냉각제 유체 온도가 20 ℃인 경우, 냉각제 유체 온도와 샤워헤드 온도 사이의 임계값 차이는 10 ℃로 설정되고, 그리고 냉각제 유체 셧오프 듀티 사이클은 15%이며, 샤워헤드(내측 또는 외측)의 온도가 30 ℃(20+10) 미만일 때까지 냉각제는 15% 듀티 사이클로 샤워헤드를 통해서 유동할 것이다. 샤워헤드가 30℃ 미만이 되면, 냉각제 유체 유동이 중단된다.
도 3a를 다시 참조하면, 실시예들에서, 적어도 피드포워드 제어 신호 이득 및 피드백 제어 신호 이득을 포함하는 이득 값들의 그룹이 현재의 레시피 단계 동안 챔버(305) 내로의 적어도 플라즈마 전력 입력에 기초하여 온도 제어기(375)에 의해서 결정된다. 그러한 일 실시예에서, 플라즈마 입력 전력과 설정점 온도의 키이 값 페어링과 연관된 제 1 그룹의 이득 값들이 실행중인 레시피 단계(301)의 제 1 부분(301A) 동안 결정된다. 본 발명의 실시예에 따라, 도 4c는 이득 그룹 룩업 테이블(lookup table)을 도해한다. 도시된 바와 같이, 설정점 온도(486)는 제 1 키이 값이고 플라즈마 전력 입력(485)은 제 2 키이 값이다. 시스템(100) 내의 여러 가지 제어 신호들에 대한 이득 값들을 포함하는 이득 그룹들(1, 2, 3 등)이 온도들(486), 플라즈마 전력 입력들(485) 또는 실행중인 레시피 단계의 조건들에 대응하는 두 개의 페어링으로부터 결정될 수 있다. 그 후, 이득 그룹은 도 4b를 참조하여 본원의 다른 부분에서 추가적으로 설명되는 바와 같이 적용될 수 있다.
후속 레시피 단계 N+1 (302)로의 보다 신속한 전이를 제공하기 위해서, 실행중인 레시피 단계의 제 2 부분(301B) 동안 듀티 사이클 값들이 레시피 단계 N (301)의 개시시에 냉각제 제어 밸브(들)(120) 및 히터(390) 중 어느 하나 또는 양자 모두에 대해서 결정될 수 있다. 따라서, 히트 소스 제어 루프(101) 및 히트 싱크 제어 루프(102) 중 하나 또는 양자 모두가 레시피 단계 N (301)의 제 2 부분(301B) 동안 개방 루프 제어 모드들로 배치될 수 있다. 제 2 부분(301B)의 지속시간이 일정한(fixed) 시간일 수 있는 반면, 추가적인 실시예에서, 제 2 부분(301B)의 지속시간은 현재 실행되는 레시피 단계 N (301)와 후속하여 실행될 레시피 단계 N+1 (302) 사이에서 발생할 플라즈마 전력의 변화 및/또는 설정점 온도의 변화에 의존한다.
부품(105)의 온도들이 (예를 들어, 제어 폴리머 증착을 돕기 위해) 실행중인 레시피의 단계들 사이에서 변화되는 실시예에서, 일시적인 특정 제어 파라미터들이 온도 제어기(375)에 의해서 결정되고 그리고 통신될 수 있다. 도 4d는, 본 발명의 실시예에 따라서, 플라즈마 프로세스 레시피 내의 두 단계들 사이의 설정점 온도들의 변화들을 어드레싱하기 위한 일시적인 제어 기간(494)을 도해한다. 레시피 단계 N (301)와 레시피 단계 N+1 (302)는 x-축을 따른 레시피 단계(492) 및 y-축을 따른 설정점 온도(491)로 도해되어 있다. 도시된 예에서, 1000 W의 플라즈마 입력 전력이 레시피 단계 N(301) 동안 인가되는 한편 설정점 온도는 30 ℃가 된다. 레시피 단계 N+1 (302)의 경우에, 5000 W의 플라즈마 전력이 50 ℃의 설정점 온도와 함께 인가된다. 일시적인 제어 기간(494)의 지속시간(duration)이 설정점 온도의 변화 및/또는 플라즈마 전력의 변화에 의존하는 일 실시예에서, (예를 들어, 높은 이득 값들을 정의하는) 일시적인 응답 이득 그룹이 설정점 온도 변화의 퍼센티지를 달성하는데 요구되는 시간의 양 동안 적용된다. 예를 들어, 도 4d에서, 일시적인 제어 기간(494)은 단계 N(301)와 단계 N+1(302) 사이의 온도의 20℃ 상승의 90% 동안, 또는 온도가 임계값(493)(48 ℃)에 도달할 때까지 발생한다. 따라서, 이러한 이득 값들의 일시적 그룹은 설정점 온도의 보다 큰 변화가 있을 때 더 긴 지속시간 동안 적용된다. 예를 들어, 단계들 사이에 플라즈마 전력의 보다 큰 변화들을 갖는 일시적 제어 기간(494)의 지속시간을 증가시키는 플라즈마 전력의 변화의 크기에 기초하여, 유사한 알고리즘이 적용될 수 있다. 대안적으로, 일시적인 제어 파라미터들이 일정한 시간 동안 단순히 적용될 수 있다.
실시예에서, 일시적 응답 이득 그룹들은 플라즈마 입력 전력의 변화 또는 설정점 온도의 변화 중 적어도 하나와 연관되고 그리고 플라즈마 입력 전력의 변화를 설정점 온도의 변화와 페어링하는 키이 값과 추가적으로 연관될 수 있다. 예를 들어, 도 4e는 도 4d에서 일시적 제어 기간(494)에 의해서 채용된 일시적 이득 그룹에 대한 룩업 테이블을 도해한다. 도 4e에 도시된 바와 같이, 이득 그룹은 플라즈마 입력 전력(496)의 변화들 및 설정점 온도(495)의 변화들과 연관된다.
추가적인 실시예들에서, 히터 이득 그룹들이 또한 유휴 상태(311)에 대해서 결정될 수 있고 그리고 유휴 상태(311)에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 이득 그룹은 히터 제어기(391)가 자동 모드에 있을 때 (예를 들어, 제 1 레시피 단계 부분(301A) 동안) 활성 상태(321)에 대해서 설명된 바와 같이 유휴 상태(311) 동안 도 4c에 도해된 룩업 테이블로부터 결정될 수 있다. 유휴 상태(311) 동안 제로일 플라즈마 전력은 주어진 유휴 상태(311)에 대한 이득 그룹을 결정하기 위해서 설정점 온도와 페어링된다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따라, 활성 상태 동안 도 1에 기술된 제어 시스템으로 부품 온도를 제어하기 위한 방법에서의 동작들을 도해하는 흐름도이다. 이 방법(450)은 임의의 "룩-어헤드(look-ahead)" 세부사항들(301B의 지속시간, 냉각제 액체 유동 밸브(들)(120)에 대한 듀티 사이클 값들, 내측 및 외측 저항성 히터 엘리먼트들(378, 379) 중 하나 또는 양자 모두에 대한 듀티 사이클들)뿐만 아니라 이득 그룹의 결정으로 동작(451)에서 시작된다. 동작(455)에서의 샘플 시간(Tcalc)의 경과로, 동작(460)에서, 전류 제어된 온도(150)(도 1)가 획득되고, 설정점 온도(106)가 획득되며, 그리고 플라즈마 입력 전력이 획득된다. 히트 싱크에 대한 설정점 온도가 또한 획득될 수 있다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 온도 제어기(375)는 내측 및 외측 구역들(364, 365)에 대한 샤워헤드 센서들로부터 제어된 온도 입력 신호를 수신한다. 온도 제어기(375)는, 예를 들어 메모리(373)에 저장된, 프로세스 레시피 파일로부터 설정점 온도를 획득하고, 그리고 온도 제어기(375)는 본원의 다른 곳에서 설명된 바와 같이 설정점 또는 측정된 플라즈마 전력을 획득한다.
바람직한 실시예에서, 현재 시간(예를 들어, Tcalc 의 경과 후)에서 프로세스 챔버(305) 내에서 플라즈마를 에너자이징하는 측정된 포워드 바이어스 전력(328)이 플라즈마 열 부하(예를 들어, Watts)로서 피드포워드 제어 라인 내로 입력된다. (예를 들어, 메모리(373) 내에 저장된 프로세스 레시피 파일로부터의) 플라즈마 전력 설정점 값들이 또한 피드포워드 제어 라인에 대한 입력으로서 또한 이용될 수 있다. 미리 정의된, 그러한 전력 설정점 값들은, 플라즈마 전력의 인가에 앞서서 또는 시스템 내로의 플라즈마 전력의 인가의 변화에 앞서서 피드포워드 전달 함수FA(s) 및/또는 FB(s)가 전력 설정점에 대해 평가될 수 있게 할 수 있으며 그리고 예상 제어 노력을 생성할 수 있다. 그러나, 온도 제어 시스템(100)이 충분히 신속하게 반응할 수 있다고 가정하면, 현재 시간에 인가되는 플라즈마 전력의 보다 큰 정확도를 위해서 플라즈마 전력 입력은 측정된 전력 출력 신호에 바람직하게 커플링된다. 그러한 실시예들의 경우에도, 앞으로의 시간(예를 들어, 레시피 단계 N+1 (302))에 대한 제어 노력 결정들은 레시피-기반으로 유지될 것이다.
실시예에서, 플라즈마 전력 입력은 챔버(305)에 대한 제 1 바이어스 전력 입력을 포함한다. 예를 들어, 플라즈마 전력 입력은 플라즈마 바이어스 전력(325)(도 2a)과 동일하게 설정될 수 있다. 플라즈마 프로세싱 시스템이 챔버로 복수의 바이어스 전력 입력들을 적용하는 실시예들의 경우에, 복수의 바이어스 전력들의 합이 온도 제어 시스템(100)으로 입력된다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 예시적인 실시예에서, 플라즈마 바이어스 전력들(325 및 326)의 가중된 합계가 입력된다. 플라즈마 전력 입력으로서 제 1 및/또는 제 2, 등등의 플라즈마 바이어스 전력들을 이용하여, 피드포워드 전달 함수FA(s), 및/또는 FB(s)는 바이어스 전력 입력(예를 들어, RF 매치(327)로부터 출력된 포워드 바이어스 전력(328)으로서 측정됨)을 변동 전달 함수 D(s)를 보상하기 위한 냉각 노력을 정의하는 피드포워드 제어 신호(u)에 관련시킨다.
비록 예시적인 실시예에서 플라즈마 전력 입력 p(s)이 바이어스 전력들의 합일지라도, 피드포워드 제어 신호(u)의 결정은 하나 또는 둘 이상의 플라즈마 전력 소스를 배제할 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 예를 들어, 도 2a를 참조하면, 고주파 플라즈마 소스 전력(330)이 배제될 수 있는데, 이는 샤워헤드(335)(또는 척(320))에 부과되는 열 부하가 비교적 작기 때문이다. 그러나, 제어될 온도가 프로세싱 챔버 내로의 모든 플라즈마 전력 입력에 대한 상당한 의존을 가지는 대안적인 실시예들에서, 피드포워드 전달 함수FA(s), 및/또는 FB(s)로부터 출력된 피드포워드 제어 신호(u)가 플라즈마 소스 전력(330)에 추가로 기초할 수 있다. 예를 들어, 본원의 다른 곳에서 설명된 바와 같이, c1*P1 + c2*P2 + c3*P3과 같은 전력 가중 함수가 적용될 수 있다.
도 4b로 되돌아가면, 동작(465)에서, 피드포워드 제어 신호(u), 온도 에러 신호 (ε(T-Tsp)), 피드백 제어 신호(v), 및 룩-어헤드 듀티 사이클들이 (예를 들어, 온도 제어기(375)의 경우로서 메모리(373) 내에 저장된 방법(450)을 실행하는 CPU(372)에 의해서) 매 Tcalc마다 연산된다. 내측 및 외측 샤워헤드 구역들(364, 365) 모두를 가지는 도 2a에 도시된 예시적인 실시예의 경우에, 피드포워드 제어 신호(u), 온도 에러 신호(ε), 피드백 제어 신호(v), 및 룩-어헤드 듀티 사이클의 각각이 각 구역에 대해서 연산된다.
라플라스 도메인에서
u(s) = F(s) p(s)이고,
여기서, u는 피드포워드 신호이고, F는 피드포워드 전달 함수이며, 그리고 p는 플라즈마 전력이다. 도 2a에 도시된 실시예의 경우에, 피드포워드 제어 신호(u)가 다음과 같이 개별적인 시간 도메인에서 실행될 수 있을 것이며:
Figure pct00003
여기서,
Figure pct00004
는 현재 Tcalc에서의 플라즈마 전력 입력이고, 그리고 여기서 TPWM는 PWM 드라이버(380, 393)의 시간 증분이다. 특정 실시예에서, 피드포워드 제어 신호(u)는, 단순히
Figure pct00005
가 현재 시간(예를 들어, Tcalc)에서 플라즈마 전력 입력에 기초하게 되는 것으로 연산된다.
추가적인 실시예에서, 장래의 시간 기간들에 요청될 플라즈마 전력이 (예를 들어, 프로세스 레시피 파일로부터) 결정가능하기 때문에, 피드포워드 식은 제어된 온도에 대한 냉각제 유동의 효과에서의 래그(lag)를 보상하기 위해서
Figure pct00006
항을 더 포함한다. 다른 실시예에서, 제어된 온도(150)를 달성하기 위해서 요구되는 열 전달은 히트 싱크(예를 들어, 냉각기(377)) 설정점 온도 및/또는 히트 소스(예를 들어, 열 교환기(378)) 설정점 온도에 의존하며, 그에 따라 부가적인 냉각제 온도 의존 항
Figure pct00007
Figure pct00008
이 피드포워드 제어 신호(u)에 부가되며, 여기서 TSP는 제어된 온도(150)이다. δc 및 δh 각각은 설정점과 히트 싱크/히트 소스 사이의 온도 차이의 다항식 함수로서 규정될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서,
Figure pct00009
Figure pct00010
이고, 여기서 δh 는 유사한 형태를 취한다. 전체 피드포워드 방정식은 또한 온도 의존도(Ωhot 및 Ωcold)에 대한 인자들을 가질 수 있으며, 그에 따라 순수(net) 피드포워드 제어 신호(u)는 다음이 된다:
Figure pct00011
유사하게, 피드백 제어 신호(v)는 라플라스 도메인에서 v(t) = G(s)ε(s) 이고 그리고 별도의 시간 도메인에서 구현될 수 있다:
Figure pct00012
여기서, ε(t)는 Tcalc에서의 온도 에러 신호(제어된 온도(150)와 설정점 온도(106) 사이의 차이)이다. 특정 실시예에서, 피드백 제어 신호(v)는 단순히
Figure pct00013
로서 연산된다. 동작(465)이 모든 Tcalc에서 수행되는 한편, 제어 연산들은 시간들(t, t-TPWM, 등)에 상응하는 일부 더 낮은 주파수에서 입력된 플라즈마 전력 값들 및 입력 온도들을 이용할 것이다. u, v, 플라즈마 전력(P), 제어된 온도(150), 및 설정점 온도(106)의 파라미터들에 대한 값들이 데이터 어레이 내에 저장될 수 있고, 그리고 그 후 t, t-TPWM의 별도의 시간들에 대응하는 그들 저장된 값들이 후속 제어 계산들에서 이용될 수 있다.
룩-어헤드 개방 루프 제어를 제공하기 위해서 제 2 부분(301B)을 채용하는 레시피 단계들의 경우에, 본원의 다른 곳에서 설명된 바와 같이, 룩-어헤드 듀티 사이클이 룩업 테이블, 데이터 베이스 등으로부터 결정된다. 동작(470)에서, 제어 액츄에이터 출력 신호(ρ)(예를 들어, 듀티 사이클)가 히터(390) 및 냉각제 유동 냉각제 액체 유동 밸브(들)(120) 각각에 대해서 결정되고 그리고 이어서 동작(475)에서 액츄에이터로 출력된다.
일 실시예에서, 일정한 이득(Kv)(예를 들어, 도 4c의 이득 그룹을 구성하는 이득들 중 하나)이 피드포워드 제어 신호(u)로 적용되고 그리고 일정한 이득(Ku)이 피드백 제어 신호(v)로 적용되어, 그에 따라 제어 액츄에이터 출력 신호(ρ)가
Figure pct00014
로서 계산된다. Kv, Ku를 포함하는 이득 그룹들은 히트 소스 제어 루프(101) 및 히트 싱크 제어 루프(102)의 각각에 대한 2개의 단순한 인자들 내의 조합된 피드포워드 및 피드백 제어 라인에 액세스(access)하기 위한 단순한 인터페이스를 시스템 작업자들에게 제공한다. 제어 액츄에이터 출력 신호(ρ)의 값에 따라, 히트 싱크와 히트 소스 중 하나 또는 둘 이상의 사이의 열 전달이 변조된다. 도 2a의 예시적인 실시예에서, 그에 따라, 제어 액츄에이터 출력 신호(ρ)가 제 1 사인인 경우에(예를 들어, ρ< 0), 히터(390)가 저항성 가열 엘리먼트(378 및/또는 379)의 듀티 사이클을 감소시키는 동안, 밸브(들)(120)의 듀티 사이클을 증가시키기 위해서 그리고 냉각기(377)와 샤워헤드(335) 사이의 열 전달을 증가시키기 위해서, 제어된 온도(150)가 PWM 드라이버(380 또는 393)에 의해서 실행가능한 형태로 온도 제어기(375)에 의해서 제공된 커맨드를 통해서 감소될 수 있다. 이러한 상황은 플라즈마 전력이 온이거나 또는 설정점 온도가 감소된 레시피 단계의 경우에 전형적일 것이다.
제어 액츄에이터 출력 신호(ρ)가 제 2 사인인 경우(예를 들어, ρ> 0), 저항성 가열 엘리먼트(378 및/또는 379)의 듀티 사이클이 증가되는 동안, 밸브(들)(120)의 듀티 사이클을 줄이기 위해서 및 냉각기(377)와 샤워헤드(335) 사이의 열전달을 줄이기 위해서, 제어된 온도(150)가 PWM 드라이버(380) 또는 PWM 드라이버(393)에 의해서 실행가능한 형태로 온도 제어기(375)에 의해서 제공된 커맨드를 통해서 증가될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 전력이 (예를 들어, 턴 오프된) 이전의 레벨로부터 감소되는 경우에 또는 전체 플라즈마 전력이 일정한 동안 설정점 온도가 감소되는 경우에, ρ는 보다 더 큰 음수로부터 더 작은 음수로 변화되고, 이어서 밸브(들)(120)의 듀티 사이클을 감소시킴으로써 냉각기(377)로부터의 냉각제 유동이 감소된다. 특정 실시예들에서, 챔버 부품을 가열하기 위한 가열 전력 입력이 증가되는 동안, 프로세스 챔버와 프로세스 챔버 외부의 히트 싱크 사이의 냉각제 액체 유동이 피드백 신호(v)에 응답하여 제로의 유량으로 감소된다. 따라서, 특정 실시예들에서, 유휴 상태(311) 또는 활성 상태(321) 동안 설정점 온도 미만인 부품 온도에 응답하여 온도 제어된 부품(예를 들어, 샤워헤드(335))으로의 냉각제 유체의 완전한 중단이 발생할 수 있다. 활성 상태(321) 동안, 이러한 능력은 보다 신속한 일시적인 응답 시간들 및 보다 높은 가능한 동작 온도들을 허용하는 한편, 유휴 상태(311)에서 보다 적은 히터 전력이 낭비된다. 다른 실시예들에서, 본원의 다른 곳에서 설명되는 바와 같이, 비-제로 값으로 냉각제 유체를 제한하는 최소 냉각제 유체 유동 임계값으로 유휴 상태(311) 동안만 설정점 온도 미만인 부품 온도에 응답하여, 온도 제어된 부품(예를 들어, 샤워헤드(335))로의 냉각제 유체의 완전한 중단이 발생한다.
도 2a에 도시된 예시적인 실시예의 경우에, 내측 및 외측 구역들(364 및 365)의 존재는 단일 냉각제 루프(376)를 공통적으로 구비하는 2개의 구역들에 의해서 복잡해진다. 특정 실시예에서, 제어 액츄에이터 제어 신호(ρ)가 모든 히터 구역들에 대해서 독립적으로 계산되는 상태에서, 제어 액츄에이터 커맨드 결정은, 제 1 구역(예를 들어, 내측 구역(364))에 대한 연산이 제 2 구역(예를 들어, 외측 구역(365))에 대해서 연산된 것과 다른 냉각제 유체 듀티 사이클을 결정하는, 조건들을 핸들링하기 위한 로직을 포함할 수 있다. 예를 들어, 냉각제 액체 유동 및 히터 전력들 및/또는 Boolean OR로서 조합된 분리된 구역들에 대한 조건들의 각각에 대해서 결정된 듀티 사이클들에서의 차이들에 대해서 임계값들이 확립될 수 있으며, 그에 따라 하나의 구역이 가열을 요구하는 경우에도 냉각제 유동 듀티 사이클이 비-제로 유동 값으로 디폴트될 수 있다. 도 2a에 도시된 예시적인 실시예에서, 만약, ρinner 및 ρouter > 0이라면, 냉각제 듀티 사이클이 비-제로이고 그리고 히터 듀티 사이클들 = 0이다. 만약, ρinner > 0 이고 ρouter < 0이라면, 내측을 냉각시키고 외측을 가열한다(냉각제는 내측 및 외측 구역들(364, 365) 사이에 공유된 공통 냉각 루프를 가지는 예시적인 실시예의 경우에 양 구역들을 통해 유동할 것이다). 만약, ρinner < 0 이고 ρouter > 0이라면, 내측 구역(364)이 가열되고 외측 구역(365)이 냉각된다 (냉각제는 내측 및 외측 구역들(364, 365) 사이에 공유된 공통 냉각 루프를 가지는 예시적인 실시예의 경우에 양 구역들을 통해 유동할 것이다). 만약, ρinner < 0이고 ρouter < 0이라면, 내측 및 외측 구역들(364, 365)이 가열된다 (냉각제 유체 유동 듀티 사이클 = 0).
특정 실시예에서, 제어 액츄에이터 제어 신호(ρ)가 모든 히터 구역들에 대해서 독립적으로 계산되는 상태에서 모든 히터 구역들(예를 들어, 내측 및 외측 구역들(364, 365))을 통과하는 냉각제 액체의 듀티 사이클이 히터 구역들 사이의 최대 듀티 사이클, 히터 구역들 사이의 최소 듀티 사이클, 내측 구역(364)의 듀티 사이클, 및 외측 구역(365)의 듀티 사이클의 함수로서 결정된다. 예를 들어, 냉각제 액체 듀티 사이클이 다음과 같이 결정될 수 있을 것이며:
Figure pct00015
여기서, CoolantGain은 ρ를 증폭 또는 약화시키기 위한 인자(factor)이고, 그리고 dutycycleinner, dutycycleoutter, dutycyclemax, 및 dutycyclemin은 특정한 구역에 대한 히터 전력에 기초하여 냉각제 듀티 사이클에 대한 교정 인자들이다.
따라서, 특정 상황들 하에서, (예를 들어, 구역들(364 및 365)이 다르게 변동하는 경우 또는 상당히 다른 설정점 온도들(106)을 가지는 경우에) 가열 전력 및 냉각제 유체 유동 모두가 비-제로일 수 있다. 예를 들어, 내측 구역(364)(제 1 구역)이 보다 높은 설정점 온도에 도달하기 위해 가열을 필요로 하는 한편, 외측 구역(365)(제 2 구역)이 보다 낮은 설정점 온도에 도달하기 위해서 냉각되어야 하는 경우에, 냉각제 유동은 제 1 구역을 유동하는 냉각제를 극복하기 위해서 내측 구역(364)으로 여분의(extra) 가열이 적용되는 상태에서 냉각을 요구하는 외측 구역(365)에 기초할 것이다. 따라서, 이러한 내측 및 외측 구역 히터 듀티 사이클들이 다음과 같이 결정될 수 있을 것이며,
Figure pct00016
여기서, HeaterGain은 특별한 히터 구역에 대해 ρ를 증폭 또는 약화시키기 위한 인자이다.
도 5는, 본원에 기술된 온도 제어 동작들을 수행하기 위해 이용될 수 있는 컴퓨터 시스템(500)의 예시적인 형태의 머신의 도해적인 설명을 도해한다. 일 실시예에서, 컴퓨터 시스템(500)은 플라즈마 에칭 시스템(300)에서의 제어기(370)로서 공급될 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 머신은 근거리 네트워크(LAN), 인트라넷, 엑스트라넷, 또는 인터넷으로 다른 머신들에 접속(예를 들어, 네트워킹)될 수 있다. 머신은 클라이언트-서버 네트워크 환경에서 서버 또는 클라이언트 머신으로서 또는 피어-투-피어(또는 분산된) 네트워크 환경의 피어 머신으로서 동작할 수 있다. 머신은 개인용 컴퓨터(PC), 태블릿 PC, 셋-탑 박스(STB), 개인용 디지털 보조기(PDA), 셀룰러 전화, 웹 기기(web appliance), 서버, 네트워크 라우터, 스위치 또는 브릿지(bridge), 또는 그 머신에 의하여 취해질 동작들을 특정하는 명령들의 세트를 (순차적으로 또는 다른 방식으로) 실행할 수 있는 임의의 머신일 수 있다. 추가적으로, 단일 머신만이 도해되지만, "머신" 이라는 용어는 또한 본 명세서에 기술된 방법론들 중 임의의 하나 또는 둘 이상을 수행하기 위하여 명령들의 세트(또는 복수의 세트들)를 개별적으로 또는 공동으로 실행하는 머신들(예를 들어, 컴퓨터들)의 임의의 집단을 포함하도록 받아들여질 수 있을 것이다.
예시적인 컴퓨터 시스템(500)은 버스(530)를 통해 서로 통신하는 프로세서(502), 주 메모리(504)(예를 들어, 판독 전용 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 이차 메모리(518)(예를 들어, 데이터 저장 디바이스)를 포함한다.
프로세서(502)는 마이크로프로세서, 또는 중앙 처리 장치, 등과 같은 하나 또는 둘 이상의 범용 프로세싱 디바이스들을 나타낸다. 보다 구체적으로, 프로세서(502)는 CISC(complex instruction set computing) 마이크로프로세서, RISC(reduced instruction set computing) 마이크로프로세서, VLIW(very long instruction word) 마이크로프로세서, 다른 명령 세트들을 구현하는 프로세서, 또는 명령 세트들의 조합을 실행하는 프로세서들일 수 있다. 프로세서(502)는 또한 주문형 집적회로(ASIC), 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA), 디지털 신호 프로세서(DSP), 또는 네트워크 프로세서 등과 같은 하나 또는 둘 이상의 특수-목적용 프로세싱 디바이스들일 수 있다. 프로세서(502)는 본원의 다른 곳에서 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. 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 생성 디바이스(516)(예를 들어, 스피커)를 또한 포함할 수 있다.
이차 메모리(518)는 본 명세서에 기술된 온도 제어 알고리즘들 중 임의의 하나 또는 둘 이상을 실시하는 하나 또는 둘 이상의 명령들의 세트들(예를 들어, 소프트웨어(522))이 저장되는 머신-액세스가능 저장 매체(또는 구체적으로 비-일시적인(non-transitory) 컴퓨터-판독가능 저장 매체(531))를 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템(500)에 의한 소프트웨어의 실행 동안, 소프트웨어(522)는 또한 주 메모리(504) 내에 및/또는 프로세서(502) 내에 완전히 또는 적어도 부분적으로 상주할 수 있으며, 주 메모리(504) 및 프로세서(502)는 또한 머신-판독가능 저장 매체를 구성한다. 소프트웨어(522)는 네트워크 인터페이스 디바이스(508)를 경유하여 네트워크(520)에 걸쳐서 추가로 송신되거나 수신될 수 있다.
머신-액세스가능 저장 매체(531)는 프로세싱 시스템에 의한 실행을 위한 그리고 시스템으로 하여금 본원에 기술된 온도 제어 알고리즘들 중 임의의 하나 또는 둘 이상을 수행하게 하는 명령들의 세트를 저장하기 위해서 추가적으로 이용될 수 있다. 본 발명의 실시예들은, 명령들이 저장된 머신-판독가능 매체를 포함할 수 있는, 본원의 다른 곳에 기술된 바와 같이 본 발명에 따라 플라즈마 프로세싱 챔버 온도를 제어하기 위한 컴퓨터 시스템(또는 다른 전자 디바이스들)을 프로그래밍하기 위해서 이용될 수 있는, 컴퓨터 프로그램 제품, 또는 소프트웨어로서 추가적으로 제공될 수 있다. 머신-판독가능 매체는 머신(예를 들어, 컴퓨터)에 의하여 판독가능한 형태로 정보를 저장 또는 송신하기 위한 임의의 메커니즘을 포함한다. 예를 들어, 머신-판독가능(예를 들어, 컴퓨터-판독가능) 매체는 머신(예를 들어, 컴퓨터) 판독가능 저장 매체(예를 들어, 판독-전용 메모리("ROM"), 랜덤 액세스 메모리("RAM")), 자기 디스크 저장 매체, 광학적 저장 매체, 및 플래시 메모리 디바이스들 등을 포함한다.
상기 기술 내용은 제한적인 것이 아니며 설명을 위한 것으로 의도되었다는 것이 이해되어야 한다. 많은 다른 실시예들은 당업자가 상기 상세한 설명을 판독 및 이해할 때 그 당업자들에게 명백할 것이다. 특정의 예시적인 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 기술된 실시예들에 제한되지 않으며, 첨부된 청구항들의 사상 및 범위 내에서 변형 및 변경을 통해 실행될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 따라서, 상세한 설명 및 도면들은 제한적인 의미가 아니라 설명적인 의미로 간주될 것이다. 그에 따라, 본 발명의 범위는, 첨부된 청구항들을 참조하여, 그러한 청구항들이 권리를 부여하는 동등물들의 전체 범위와 함께 결정되어야만 한다.

Claims (15)

  1. 플라즈마 프로세스 챔버 부품 온도를 제어하기 위한 방법으로서:
    상기 챔버 부품 온도가 설정점 온도 미만이라는 것을 나타내는 피드백 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 피드백 신호에 응답하여 프로세스 챔버와 상기 프로세스 챔버 외부의 히트 싱크 사이의 냉각제 액체 유동을 제로 유량으로 감소시키는 단계를 포함하는, 플라즈마 프로세스 챔버 부품 온도를 제어하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버가 플라즈마 프로세스 레시피를 실행하는 활성 상태(active state)에 있을 때 상기 프로세스 챔버로의 플라즈마 전력 입력을 결정하는 단계; 및
    입력된 상기 플라즈마 전력에 기초하여 피드포워드 제어 신호에 의해 냉각제 액체 유동을 제어하는 단계를 더 포함하는, 플라즈마 프로세스 챔버 부품 온도를 제어하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    입력된 상기 플라즈마 전력에 기초하여 상기 피드포워드 제어 신호에 의해 챔버 부품에 대한 가열 전력 입력을 제어하는 단계를 더 포함하는, 플라즈마 프로세스 챔버 부품 온도를 제어하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각제 액체 유동을 제어하는 단계 및 상기 가열 전력 입력을 제어하는 단계는 상기 플라즈마 프로세스 레시피에서 실행 단계의 제 1 부분 동안 제 1 그룹의 이득 값들을 적용하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제 1 그룹의 이득 값들은 상기 실행 레시피 단계를 위해 상기 설정점 온도와 플라즈마 입력 전력을 페어링하는 키이 값(key value)과 연관되며, 상기 이득 값 그룹은 적어도 피드포워드 제어 신호 이득 및 피드백 제어 신호 이득을 포함하는, 플라즈마 프로세스 챔버 부품 온도를 제어하기 위한 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉각제 액체 유동을 제어하는 단계 및 상기 가열 전력 입력을 제어하는 단계는 상기 실행 레시피 단계의 제 2 부분 동안 일시적인 이득 값들의 그룹을 적용하는 단계를 더 포함하고,
    상기 일시적인 이득 값들의 그룹은 상기 실행 단계와 후속하는 플라즈마 프로세스 레시피 단계 사이의 설정점 온도의 변화 및 상기 플라즈마 입력 전력의 변화를 페어링하는 키이 값과 연관되는, 플라즈마 프로세스 챔버 부품 온도를 제어하기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 일시적인 이득 값들의 그룹은 상기 챔버 부품 온도 및 상기 설정점 온도의 변화에 의존하는 지속시간 동안 적용되는, 플라즈마 프로세스 챔버 부품 온도를 제어하기 위한 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉각제 액체 유동을 제어하는 단계 및 상기 가열 전력 입력을 제어하는 단계는 상기 실행 레시피 단계의 제 2 부분 동안 룩업 테이블로부터 냉각제 액체 유동 듀티 사이클 또는 상기 가열 전력 입력을 결정하는 단계를 더 포함하는, 플라즈마 프로세스 챔버 부품 온도를 제어하기 위한 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 챔버가 유휴 상태에 있을 때 임계값 레벨을 크로싱하는 부품 온도에 응답하여 룩업 테이블 값에 기초하여 액체 냉각제 유량을 설정하는 단계를 더 포함하는, 플라즈마 프로세스 챔버 부품 온도를 제어하기 위한 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 플라즈마 전력은 가공물을 지지하도록 구성된 척에 대한 제 1 바이어스 전력 입력을 포함하고,
    상기 피드포워드 제어 신호는 상기 바이어스 전력 입력과 상기 챔버 부품 온도 사이의 전달 함수를 포함하는, 플라즈마 프로세스 챔버 부품 온도를 제어하기 위한 방법.
  10. 플라즈마 프로세싱 장치로서:
    프로세스 챔버 내에 배치된 가공물의 프로세싱 동안 플라즈마를 에너자이징하기 위해 상기 프로세스 챔버에 커플링된 플라즈마 전력 소스;
    냉각제 액체 루프에 의해 히트 싱크에 커플링된 온도 제어된 부품을 포함하는 프로세스 챔버 ― 상기 냉각제 액체 루프는 상기 온도 제어된 부품으로의 상기 냉각제 액체 유동을 완전히 중단하는 냉각제 액체 제어 밸브를 포함함 ―; 및
    제로 액체 유동을 포함하는 범위에 걸쳐 냉각제 액체 유량을 변화시킴으로써 상기 히트 싱크와 상기 온도 제어된 부품 사이의 열 전달을 제어하기 위해 상기 냉각제 액체 제어 밸브에 커플링된 온도 제어기를 포함하는, 플라즈마 프로세싱 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 온도 제어기는 상기 냉각제 액체 제어 밸브의 제어를 위한 피드포워드 제어 라인을 포함하고,
    상기 온도 제어기는 상기 플라즈마 전력 소스에 소통가능하게 커플링되고,
    피드포워드 제어 신호는 플라즈마 전력 입력에 기초하여 플라즈마를 에너자이징하는, 플라즈마 프로세싱 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 온도 제어된 부품이 히트 소스에 추가로 커플링되고,
    상기 온도 제어기는 상기 히트 소스와 상기 온도 제어된 부품 사이의 열 전달의 제어를 위해 상기 냉각제 액체 유동을 조정(coordinate)하기 위한 것인, 플라즈마 프로세싱 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 온도 제어기에 소통가능하게 커플링된 히터 제어기를 더 포함하고,
    상기 히터 제어기는, 상기 온도 제어기로부터 수신된 커맨드들에 응답하여 가열 전력 및 냉각 전력 모두를 제어하기 위해 저항성 가열 엘리먼트 드라이버 및 상기 냉각제 액체 제어 밸브에 커플링되는, 플라즈마 프로세싱 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 온도 제어기는 상기 플라즈마 전력 소스에 소통가능하게 커플링되고,
    상기 피드포워드 제어 신호는 상기 플라즈마 전력 소스로부터 획득된 플라즈마 전력 입력에 기초하는, 플라즈마 프로세싱 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 피드포워드 제어 신호는 상기 온도 제어된 부품의 플라즈마 가열을 보상하기 위한 것인, 플라즈마 프로세싱 장치.
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