TW201810495A - 用於電漿處理腔室中晶圓載體的先進溫度控制 - Google Patents

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Abstract

本案描述用於電漿處理腔室中晶圓載體的先進溫度控制系統和方法。在一個實例中，熱交換器提供溫度控制的熱流體給工件載體的流體通道以及接收來自流體通道的熱流體。比例閥在熱交換器和流體通道之間，以控制從熱交換器到流體通道的熱流體的流速。氣動閥亦在熱交換器和流體通道之間，亦控制來自熱交換器與流體通道的熱流體的流速。溫度控制器接收來自載體的熱感測器之量測的溫度並控制比例閥和氣動閥來回應該量測的溫度，以調整熱流體的流速。

Description

用於電漿處理腔室中晶圓載體的先進溫度控制
本申請案主張由Fernando M. Silveira等人於2016年5月5日提出申請的美國臨時專利申請案第62/332,237號發明名稱為「用於電漿處理腔室中晶圓載體的先進溫度控制」之優先權權益。
實施例係關於微電子製造工業，且更具體地係關於使用熱流體循環系統來控制處理腔室中晶圓載體或晶圓的溫度之熱控制系統。
微電子和微機械裝置通常部分地製造在矽或其他類型的晶圓上。完成後，將晶圓切成許多較小塊，且每個晶粒形成個別的裝置。晶圓經受許多不同的製程以形成裝置上的所有部件。對於許多製程，晶圓被固持在處理腔室內的卡盤、基座或其他載體上。一個此類腔室是電漿處理腔室，在電漿處理腔室內晶圓暴露於電漿以沉積或去除不同的材料。
在電漿處理腔室（如電漿蝕刻或電漿沉積腔室）中，晶圓和晶圓載體的溫度常是控制製程的有效性或速度的重要參數。例如，在製程配方期間，可以控制卡盤的溫度加熱或冷卻晶圓。在製程期間，可對特定設定點改變溫度以某種方式影響製程，如控制蝕刻速率。類似地，在製程配方期間，亦可控制噴頭或上電極或其他部件的溫度以影響處理。
更準確的溫度控制可為製程（如沉積和蝕刻）提供更精確的控制。隨著微電子特徵做得更小，使得晶粒和所得到的產品可以做得更小，在處理腔室中的製造期間需要更高的精度。此外，高功率電漿產生更多的熱且需要更有效率的冷卻。因此，溫度控制系統必須更準確且在更廣泛的範圍內操作，以支持許多不同的製程。
藉由將流體循環透過部件中的冷卻劑通道來冷卻處理腔室部件。藉由控制冷卻劑的溫度和透過部件的冷卻劑流量來控制冷卻量。在某些情況下，例如對於某些晶圓卡盤，亦使用熱流體（warm fluid）加熱卡盤及從而加熱晶圓。可驅動暖流體透過相同的冷卻劑通道或使用單獨的系統驅動。除了冷卻劑之外或代替冷卻劑，亦可使用電阻加熱器於晶圓卡盤中。
本案描述一種使用比例和氣動熱流體輸送控制系統的熱控制系統。在一個實例中，設備包括熱交換器，該熱交換器提供熱流體給工件載體的流體通道且接收來自流體通道的熱流體，該熱交換器控制提供給熱通道的熱流體的溫度，在工件處理期間，流體通道中的熱流體控制載體的溫度。比例閥在熱交換器和流體通道之間，以控制從熱交換器到流體通道的熱流體的流速。氣動閥亦在熱交換器和流體通道之間，亦控制來自熱交換器與流體通道的熱流體的流速。溫度控制器接收來自載體的熱感測器之量測的溫度並控制比例閥和氣動閥來回應該量測的溫度，以調整熱流體的流速。
本案描述使用封閉迴路控制和預測模型來控制晶圓載體溫度的熱控制系統。量測的溫度自第一熱區域的第一熱感測器與載體的第二熱區域的第二熱感測器所接收。將預測模型應用於兩個量測的溫度，以決定透過熱耦接至第一熱區域的載體的第一流體通道之第一流動速率及決定透過熱耦接至第二熱區域的載體的第二流體通道的第二流動速率。調制耦接第一流體通道的第一閥及調節耦接第二流體通道的第二閥以控制從熱交換器到相應流體通道的熱流體之流速。
本案所描述的系統可用於wFib（水介接箱）或為電子晶圓處理系統的任何其他類型的流體流量控制系統中。如本案所述的wFib與數位控制器一起透過連續或比例閥和數位或氣動閥的組合來提供溫度的連續數位控制。這些閥串聯連接於具有泵的熱交換器與靜電卡盤或其他晶圓支撐件之間。
可使用任何各式不同的製程（包括開放迴路、封閉迴路、預測或迭代製程）控制這些閥。儘管所述該系統主要用於針對半導體處理之具有靜電卡盤的電漿腔室中，但是可使用相同的技術來控制使用流體加熱或冷卻表面的半導體腔室中的任何表面溫度。
所描述的實施例可用封閉迴路溫度控制系統來操作。可在用於低流量模式控制的氣動閥上使用脈衝模式。如此克服了比例閥的遲滯性（hysteresis）。比例閥可用於通用控制以克服氣動閥的低可靠度。此所描述的系統具有較低的服務性成本（serviceability cost）。
可使用比例流體輸送系統或脈衝流體輸送系統來控制工件支撐件（如靜電卡盤（ESC）或真空卡盤）的溫度。比例閥為流動速率提供逐步的類比（analog）調整。脈衝閥快速循環流體閥打開與關閉，以根據閥打開的時間量產生平均流動速率。這些閥決定流到卡盤的流體的量。比例閥所允許的流動速率達到具有高偏壓RF功率的電漿製程之冷卻需求。對於較冷的製程或當需要較少的流量時，脈衝閥允許精確控制低流動速率。混合閥配置
圖1是用於在電漿124處理腔室中支撐工件106的靜電卡盤104之兩區域溫度控制系統102的圖。混合wFib（水介接盒）140設計成具有比例閥和氣動閥。可使用熱控制器130（如MIMO（多入多出）控制器或任何其他類型的控制器）來施用熱控制製程以控制閥及調節卡盤溫度或卡盤所承載的工件溫度。控制器130從卡盤104的多個探針112、114獲取溫度讀值作為反饋來控制卡盤的溫度及其溫度升降速率。
卡盤104具有上板108，上板108承載工件106（如矽晶圓或其他類型的基板）。上板由冷卻板110所支撐。在冷卻板（未圖示）下方有其他支撐件以移動與支撐工件，以及將氣體、電流和其他材料提供到上板和工件。在一些製造過程期間，熱126從電漿124施加到工件。工件亦可藉由處理腔室內的其他元件和部件（包括卡盤中的加熱器）加熱。熱至少部分透過工件傳導到上板和傳導到冷卻板。上板具有熱探針112、114以量測工件處或工件附近的溫度。
冷卻板110具有冷卻劑通道122，冷卻劑通道122接收入口通道116中的冷卻劑及透過輸出通道118釋放冷卻劑。為求簡化，箭頭表示單個入口和出口，然而，可以有多個獨立通道，每個通道具有入口和出口。如此允許冷卻板不同部分的溫度被獨立地控制。作為實例，卡盤的周邊傾向於比卡盤的中心更熱。單獨的周邊或外部流體通道允許更多的冷卻劑施加到卡盤的周邊。
儘管本說明書在電漿處理腔室的上下文中描述了ESC形式的工件載體，但是本說明書所述的ESC可用於各種不同的腔室中且可針對各種不同的製程使用。根據具體的實施方式，可使用不同的基板載體替代ESC。
本圖表示具有兩個獨立冷卻劑流動區域的兩個區域或兩個迴路（loop）系統。wFib 140具有來自熱交換器的單一流體輸入152和單一輸出154，但產生兩個單獨的流體輸出142、146到卡盤。這些可在wFib內獨立地控制並被饋送到卡盤中的獨立冷卻劑通道。流體自每個獨立通道回程，作為來自卡盤的兩個分開且獨立的回程線（return lines）144、148。兩個回程線可在離開卡盤後的任何點組合。在這個實例中，如圖2所示，在wFib內監控回程流動速率。為了獨立監控每個迴路，回程迴路維持分開，直到量測該等線。儘管所示有兩個迴路，但是所描述的系統可擴展到包括3、4、6個或更多個溫度控制區域。
熱交換器提供針對卡盤用於冷卻流體（cool）的源152和回程154。可使用第二熱交換器（未圖示）作為如圖4所示的熱源。熱交換器接收回程流體並將其冷卻至預定溫度或一調節量。熱交換器可以是恆溫控制的，或者可基於設計而以任何特定控制或不以任何特定控制來施加一固定量的冷卻。如下所述，循環透過卡盤104或任何其他工件載體的冷卻劑溫度部分地由所供應的冷流體（cold fluid）的溫度所控制以及亦由每個冷卻劑迴路中透過卡盤的流體的流動速率來控制。
溫度控制器130接收來自熱感測器112、114（如光學溫度探針）的溫度訊號，熱感測器112、114附接於處理腔室中的工件或附接於卡盤或載體122，以直接或間接地判定基板的溫度。基於此所接收到的溫度，控制器打開和關閉wFib 140中的閥並控制透過載體104冷卻劑通道122的流動速率。溫度控制器可產生閥控制訊號（如類比電壓、數位PWM（脈寬調制）訊號或氣動訊號）且將這些訊號提供給包含如圖2所示閥的wFib。控制器亦接收來自wFib的壓力、溫度和其他訊號。wFib控制閥打開或關閉從熱交換器到卡盤的通道。更高的流動速率允許流體從載體傳遞更多的熱。
圖2是圖1的wFib 140內的冷卻劑流體線的圖。為了簡單起見，wFib中可能有許多其他部件未表示於此。此外，控制器130可併入wFib中。儘管wFib被稱為水介接盒，但是冷卻劑通常不是水，而是具有較高沸點的其他材料，例如但不限於去離子水/乙二醇、氟化冷卻劑（如來自3M的Fluorinert®或來自Solvay Solexis, Inc.的Galden®）或任何其他合適的介電流體（如含有全氟化惰性聚醚的介電流體）。
比例閥可以連續調整流量。氣動閥可以用作切斷閥且可以作為用於PWM模式下流量控制的脈衝閥。如圖所示，熱交換器冷卻劑流體供應線152經供應作為到wFib 130的輸入。供應被提供到T型管（tee）176以將供應分為兩部份。這些部件用於將冷卻劑供應到wFib的兩個輸出142、146，以將冷卻劑供應到卡盤的兩個冷卻劑通道。此兩個線分別具有氣動閥166、168以及串聯耦接的比例閥162、164，使得每個氣動閥的輸出耦接相應比例閥的輸入。比例閥的輸出耦接相應的冷卻劑輸出線142、146。或者，閥的順序可以顛倒，使得比例閥直接耦接輸入以及氣動閥耦接輸出。
儘管所示兩個冷卻劑線來自T型管176，但是可藉由使用額外的T型管或藉由流體分配歧管來支援更多的冷卻劑線，流體分配歧管具有比所示T型管兩個線更多的輸出線。在歧管內亦可有壓力補償、調整和分配部件（未圖示），以分別控制從熱交換器輸入152供應到每個氣動閥的壓力量。
來自卡盤冷卻板的回程線144、148各自耦接相應的流量計170、172，流量計170、172可用於量測回程流體的壓力和流動速率。亦可量測溫度。控制器130可使用流量計和可選的溫度值來控制熱交換器和閥。在量測流量之後，回程流體結合於回程歧管174中，在這種情況下，簡單的T型管將流體返回到熱交換器回程線154。
在此實例中，流量控制閥162、164、166、168在熱交換器輸出和晶圓載體之間的供給側上。藉由替代將閥放置於晶圓載體與回到熱交換器的流體的回程輸入154之間的回程側上，可達到相同效果。作為另一替代實例，閥可放置在兩個位置中，或者氣動閥或比例閥中的一種類型可放置在晶圓載體的一側上而另一種類型的閥可放置在晶圓載體的另一側上。類似地，流量計可放置在晶圓載體的任一側上或系統中的另一位置處。在一些實施例中，流量計係在熱交換器處。在所示的實例中，流量計量測可與來自相應熱交換器的流量資料結合。
溫度控制器130控制閥162、164、166、168以達到透過卡盤所需的流動速率。比例閥162、164可透過電動氣動調節器來控制。這種調節器在受控且通常恆定的壓力下提供有CDA（壓縮乾燥空氣）。調節器調節輸入CDA以產生精確的氣動空氣壓力訊號以回應來自熱控制器的電控訊號。若提供無段類比訊號到調節器，則調節器可提供亦為無段變化的調節器空氣壓力。此經調節的氣壓控制壓力施加到壓力調節閥以打開及關閉閥的流體通道。
在一些實施例中，CDA被施加到調節器140的供氣電磁閥。隨著來自控制器的輸入控制電壓增加，電磁閥打開。透過供氣閥釋放的壓力由感測器所量測且被饋給到控制電路。調整供氣閥直到測得的壓力與控制訊號所指示的壓力對準（align）。提供排氣電磁閥以將調節器內的壓力釋放回CDA供應。
壓力調節閥提供比例流體控制以回應來自壓力調節器的控制壓力。如此允許透過每個冷卻劑流動線142、146流體流動之無段控制。相較於脈衝閥，此閥移動很少。這提供了更長的硬體壽命，及更少的維護。此外，對溫度變化的回應較平順。在電漿處理期間，在不連續流體關閉時間下使用可變流動速率，溫度回應更平順且降低了溫度振盪。
另一方面，在較低流動速率下，比例閥沒有提供精確的流量變化。當需要較低的流動速率時，氣動閥166、168可脈衝以增加流動速率控制的精度。
可在流體回程通道144、148中使用額外的閥（未圖示）提供透過每個通道的流動速率之額外控制。另外的分流閥178（bypass valve）可用於使流體流過熱交換器而不流過載體。當氣動或比例閥162、164、166、168關閉時，輸入的供應流體自流過wFib出口142、146阻斷。若wFib入口152和出口154之間的分流閥178打開，則所供應的流體繞過處理腔室直接流回回程線154。如此允許相應的熱交換器建立穩定的溫度且將流體的供應維持所需的溫度。可使用額外的閥來進一步控制流動方向。
圖3是控制閥和熱交換器溫度的圖。控制系統具有多個輸入302，多個輸入302可包括配方條件（其基於施加到工件的製程且包括功率、壓力等）、由各種溫度感測器探針（SP）量測的卡盤的內部和外部溫度、以及來自SP的卡盤內部與外部的溫度升降速率。
輸出310可包括靜電卡盤預期的內部和外部通道溫度、Tesc、卡盤的內部和外部通道流動速率及卡盤的內部和外部流溫度。
這些多個輸入302施用於MIMO控制器304，MIMO控制器304接著操作閥。這些輸入可以以各種不同方式中的任何一種來使用以決定如何操作閥。輸入、ESC溫度、各種SP值和配方條件及來自ESC 308的線316上的反饋一起取得以控制ESC溫度。在一些實施例中，亦可使用閥控制溫度升降速率或溫度變化的速率。在所示的實例中，控制器產生內部和外部通道閥百分比312，其決定用於氣動和比例閥的閥開啟百分比。將內部和外部閥百分比施用於wFib 306。控制器亦決定內部和外部通道流動速率314，其與在wFib處所量測的流動速率比較。流體接著循環透過ESC 308。來自ESC的輸出310以封閉迴路返回到控制器，以進一步決定新的閥百分比312和流動速率314。
在此實例中，ESC中有兩個分開的流體通道區域122。這些被指定為內部和外部。每個區域的流體的溫度和流速獨立於其他區域中的溫度和流速。基於此理由，有兩個獨立的流動供應線142、146，兩個獨立的流體回程線144、148，兩個獨立的感測器探針112、114和兩個獨立系列的閥162、166、164、168。每個區域被獨立地監控和控制，然而，可在MIMO控制器304中管理控制處理。儘管這些區域被稱為內部和外部，但它們可以在ESC中處於任何所需的相對物理位置。亦可藉由在ESC中提供額外的單獨冷卻劑通道與相關部件來增加更多區域。
溫度升降速率可用於提高ESC的可靠性，如接合壽命（bonding life time）。溫度升降速率控制亦有助於具有不同熱特性的不同處理腔室之間的製程匹配。對於溫度升降速率的控制亦有助於改善HARC（高深寬比接觸）蝕刻和其他需要高精度的製程之製程裕度（process window）。
在所示的實例中，閥百分比312施用於wFib，然而，這取決於閥的配置和控制系統。百分比可以是數位或類比控制訊號的形式，其由單獨的閥控制器接收，單獨的閥控制器接著將氣動或電訊號發送到相應的閥。閥控制器可位於wFib或其他位置中。wFib內或單獨機架（chassis）中的PLC（可程式化邏輯控制器）可用於控制比例閥和氣動閥。該等操作可經擴展以控制卡盤內的電阻加熱器，且亦控制如圖4所示的加熱流體供應。這些額外的熱系統為系統提供更多的溫度控制旋鈕（knob），其允許對於卡盤和工件溫度及其溫度升降速率有更好的控制。
圖4是用於電漿424處理腔室中靜電卡盤404的兩區域溫度控制系統402的圖。此系統具有雙冷卻器或熱交換器450、460，以使用卡盤的流體通道同時提供冷卻和加熱功能。雙冷卻器/熱交換器設備根據腔室溫度控制器430的要求提供熱或冷流體流動。
類似於圖1的實例，工件406附接於如ESC的載體404。在製造過程的某些階段期間，電漿424對工件施加熱。在此實例中的ESC具有帶有溫度感測器探針412、414的頂板408和帶有兩區域的冷卻劑通道的下冷卻板410，儘管可有更多個。冷卻劑通道具有耦接至wFib 440的流體輸出442、446的輸入線416。冷卻劑通道具有耦接至回程線444、448的輸出418，回程線444、448回到wFib。儘管在ESC上僅顯示用於兩個熱區域的兩個冷卻劑通道，但是在圖1的實例中可有更多個冷卻劑通道。
溫度調節系統具有熱流體熱交換器450，其具有用於熱或加熱流體的源輸出線452和回程輸入線454。此回程將流體饋送回熱交換器。熱交換器將流體加熱到預定溫度或將流體加熱一調節量並在壓力下將流體提供到供應線452。流體溫度可以是固定的，或者其可以基於控制訊號（如來自控制器430或另一個控制器的控制訊號）調節。類似地，系統具有用於第二熱交換器460用於冷卻或被冷卻的流體之源或輸出線462及回程線464。第二熱交換器460接收冷卻回程流體並將其冷卻至預定溫度或冷卻一調節量。如圖所示，第一和第二熱交換器可以是單一單元或兩個分開的裝置。根據具體實施例，熱交換器可被恆溫控制，或者熱交換器可用特定控制或不用特定控制來施用一固定量的加熱或冷卻。循環透過基板載體404的冷卻劑溫度部分地由所供應的熱452和冷462流體的溫度進行控制，且藉由流動速率與到達ESC 404的熱和冷流體的混合來控制。
熱流體供應被提供到三通閥（3-way valve）456，三通閥456打開或關閉來自熱交換器的熱流體流動。類似地，冷流體供應被提供到相同的三通閥，其打開或關閉來自第二熱交換器的冷流體的流動。允許透過此閥的流體被提供到晶圓載體供應線中的wFib 440，wFib 440以與圖1的wFib相同的方式使用串聯連接的氣動和比例閥調節流動送率。具有調節溫度的冷卻劑接著加熱或冷卻工件載體。有一個額外的選擇性三通閥466，其耦接到熱回程線454和冷回程線464。流體在回程線中從基板載體回程到此閥，且允許透過此閥而回程到流體所來之相應的熱交換器。三通閥在與兩個閥耦接的溫度控制器430的控制下操作。三通閥可包含於wFib中，或三通閥可在一些外部的機架或固定裝置中。
在一些實施例中，溫度控制器430決定流動速率和熱交換器以在基板載體流體通道中使用，用以加熱或冷卻熱流體。在一些實施例中，由冷的熱交換器（cold heat exchanger）提供的冷卻劑流體在約0℃下，及由熱熱交換器（hot heat exchanger）提供的冷卻劑流體在約55℃下。根據晶圓載體的當前溫度，將這些流體中的一個或其混合物輸送到流體通道。作為實例，載體溫度高於設定點，則使用來自冷的冷卻器（cold chiller）之流體。若溫度低於設定值，則使用來自熱的冷卻器（hot chiller）之流體。流體輸送系統將工件處的溫度控制在適當的溫度範圍內。流體輸送系統亦在電漿處理期間控制溫度斜坡上升及過衝（overshoot）。
可為兩個熱交換器提供回程路徑（未圖示），以允許加熱的流體繞過工件404及選擇性地繞過wFib 440而從熱供應452流動到熱回程454。圖2表示使用閥178打開的這種回程路徑之實例。可使用類似的冷卻流體回程閥來允許冷卻的流體從冷卻供應462直接流到冷卻回程464而不透過載體。當熱或冷供應由於三通閥456、466的設置而沒有供應到載體時，可使用熱與冷流體回程閥來允許流體流過相應的熱交換器而不流過載體。如此允許相應的熱交換器建立穩定的溫度並將流體的供應保持在所需的溫度下。
所描述的溫度調節系統允許流過基板載體中的通道之流體的溫度被控制在例如0℃至55℃的範圍內。工件載體可具有不止一個的熱流體通道，在這種情況下，可複製圖4的系統以支持每個額外的通道。因為可獨立地控制進入wFib的混合物和透過冷卻劑通道的流動速率，可使用單一的熱的熱交換器和單一的冷的熱交換器來提供流體到超過一個的通道。
圖5是在不同閥百分比下透過比例閥之流動速率的圖。第一上曲線504表示比例閥不同控制輸入對於水平軸上的時間。第一曲線的垂直軸表示施用於閥的PWM波形之工作週期，如右邊的刻度所示。圖中左端和右端所示較高的工作週期為關閉閥。如圖的中心附近所示的低工作週期允許閥更為開啟。
第二曲線502表示回應所施加的PWM訊號504之透過比例閥的流動速率。左邊流動速率的垂直刻度是從尺度底部處較低的流動速率到垂直刻度頂部處較高的流動速率。如圖所示，當首先打開閥且藉由降低PWM工作週期來慢慢增加流量時，有透過比例閥的低流量之區域506。在此區域中，閥對輸入訊號504不具有一致的線性且可重複性的回應。此區域506中的流動速率不穩定（erratic）。類似地，當閥從圖中心的高流動速率關閉到低流動速率時，閥關閉時閥具有區域508，在區域508內，閥的回應亦不是線性或可重複性的。在此實例中，流動速率突然下降到最小值且沒有恢復。在這些低流量區域506、508之外的同時，比例閥是規則的且對輸入訊號具有可預測的回應。
圖5的圖表示對比例閥的典型回應。為了克服此非線性回應，具有串聯的兩個閥的wFib可以以與傳統單一閥不同的方式操作。在實施例中，比例閥是用於較高流動速率的主要閥，且在線性區域內操作而不是在端低流量區域506、508中操作。為了達到低流動速率，比例閥關閉到仍具有可預測回應的低流動速率區域。接著藉由操作氣動閥來進一步降低流動速率。如此允許在低流動速率區域有高精確度。對於較高的流動速率，使用比例閥且完全不使用氣動閥。如此減少了氣動閥的磨耗，同時仍為流量提供精確的控制。控制方法
上述實施例包括閥控制器130、430。根據實施例，閥控制器可以以不同的方式控制閥。在一些實施例中，可使用MIMO（多入多出）基於模型的控制器。在晶圓處理期間，MIMO控制器可用於回應感測器探針（SP）溫度讀值，且接著控制溫度升降速率（斜坡下降與斜坡上升）。斜坡升降速率對於某些製程是重要的參數。作為實例，斜坡升降速率可能會影響某些製程中的接合可靠性。儘管所述系統主要用於針對半導體處理之具有靜電卡盤的電漿腔室中，但是可使用相同的技術來控制使用流體加熱或冷卻表面的半導體腔室中的任何表面溫度。
所描述的基於模型的MIMO系統可用於控制溫度升降速率以及管理區域到區域的串擾。當一個區域的溫度影響另一個區域的溫度時，例如由於熱流過包含流體通道的ESC的板，會發生區域到區域的串擾。除了靜電卡盤溫度模型之外，可藉由將基於模型的設計擴展到晶圓溫度模型來擴展控制軟體以控制晶圓溫度。如此一來，所描述的實施例可用於改善腔室內的總體溫度匹配、靜電卡盤的結合壽命和製程裕度。
圖3所述的多個輸入302可施用於具有基於模型的設計之MIMO控制器304、130、430。可將輸入ESC溫度、各種SP溫度值和配方條件與來自ESC 308的線316上的反饋一起採用，以控制ESC溫度及其溫度升降速率。控制器應用模型來產生內部和外部通道閥百分比312以及用於系統中總區域數的額外通道。
基於模型的判定仰賴系統部件的吸熱和傳熱特性的物理模型。這些部件可包括以下各者中的一或多個：卡盤、工件、流體、熱交換器、用於承載流體的管及透過製程配方的不同操作條件之冷卻通道。可以為兩個或兩個以上區域建立物理模型。對於在卡盤（或任何其他部件）中具有多個區域冷卻通道的系統，模型可考慮兩個或兩個以上區域之間的串擾。串擾考慮受不同冷卻劑通道影響的冷卻區域之間的熱傳遞。在一些實施例中，基於模型的控制器設計使用線性二次控制器或類似的優化控制器，其經設計用於處理串擾和控制溫度升降速率。
可使用溫度升降速率來改善ESC的可靠性，如結合壽命。溫度升降速率控制亦有助於具有不同熱特性的不同處理腔室之間的製程匹配。對於溫度升降速率的控制亦有助於改善HARC（高深寬比接觸）蝕刻和其他需要高精度的製程之製程裕度。
圖6是基於模型的控制迴路之處理流程圖，基於模型的控制迴路可用於控制處理腔室內部件的溫度。此製程可使用上述混合式雙閥系統或任何其他所需的流量控制系統。在處理開始前，可用經驗或理論的方式建立該模型。該模型可以是動態線性模型，其代表在不同條件下電漿腔室中的溫度受控部件的行為。使用預測模型，可預測部件（如上所示的ESC）的未來行為。如此允許控制溫度升降速率。使用處理配方作為輸入，可在溫度負載或所需的溫度設定點改變之前調整受控溫度。
框604表示使用該模型作為此實例中所述的常微分方程之線性預測控制系統的應用：ẋ =Ax +Bu ， 其中A 和B 是從該模型導出的矩陣。對於兩區域系統，該等矩陣為4×4矩陣。對於更多的區域，矩陣相應地被擴展。根據具體的實現方式可使用其他模型，及亦可使用非線性方程。
在此實例中，ẋ 是一個線性陣列或1x4矩陣，其針對兩區域系統定義為ẋ =[x1 , x2 , x3 , x4 ]。這可擴展到容納（accommodate）更多的區域。兩個不同的區域以相同的模型處理以容納該等區域的溫度之間之串擾。在ESC（靜電卡盤）的實例中，陣列中的變量可依以下值分配：x1 = ESC的內區域溫度x2 = ESC的外區域溫度x3 = ESC的內區域溫度升降速率x4 = ESC的外區域溫度升降速率u =[u1 , u2 ] 且表示用於調整每個區域的閥之控制輸出。在此實例中，調整所述為閥開啟的百分比或透過閥的總最大流量的百分比。具體值將取決於用於決定模型的值，但在此所述為：u1 =內區域閥百分比u2 =外區域閥百分比 在框606，每個u 的值可定為：u = -Kx +Kr r 其中K 和Kr 是反映控制器增益的常數。這些可基於學習而隨著時間變化且由每個u （即u1 、 u2 ）的模型初始決定。r 是溫度設定點，即，系統在ESC處試圖藉由調整上述u 所定義的值來達到的溫度。此實例中的設定點如下：r1 = ESC內區域溫度設定點r2 = ESC外區域溫度設定點r3 = ESC內區域溫度升降速率設定點r4 = ESC外區域溫度升降速率設定點
在框606的操作之後，已經決定了閥的預期調整，其將實現所需的溫度和溫度升降速率設定點。此過程可接著將u1 , u2 的這些值轉成閥致動，如開啟比例閥612的電控訊號或開啟氣動閥的氣動控制訊號614。框608表示如上所述的雙閥混合系統的操作之實例。適當的
針對每個區域的閥百分比u （即u1 、 u2 ）或針對i =1、 2實施操作，檢查ui -u0 。u0 代表比例閥百分比（如10%）的最小閾值。
若結果為正，即比例閥被設置為超過10％打開，則在612，相應的比例閥被設置為計算出來的值ui %。另一方面，若結果為負，即比例閥被設置為小於10％打開，則在614，比例閥設置為某些低值（如10％）且氣動脈衝施用於氣動閥。這可應用於首先將脈衝設定在pi %（通常為20%至80%之間，取決於閥的特性）的某些工作週期以及將比例閥設定於(ui /pi )%。如此允許比例閥將其餘的流量控制供應於脈衝閥的最佳操作範圍之上。
框608的操作可替代地描述如下。溫度控制器首先為每個熱區域決定總流動速率。接著將總流動速率與一閾值（如上定義為u0 ）比較。若總流動速率（如上述u1 或u2 所指示）高於閾值，則溫度控制器打開氣動閥並調節比例閥以獲得所需的流動速率。另一方面，若總流動速率低於閾值，則溫度控制器將比例閥關閉到一預定流動速率並調節氣動閥以獲得所需的總流動速率。在閥串聯的情況下，第一閥的限制與第二閥的限制相結合以獲得整體受限的流量。
在框616，所決定的閥控制值輸出到閥。如上面所提到的，在來自框606的單一閥系統的情況下，這些可以是直接的流量百分比u （即u1 、u2 ）或者對於多個閥系統（如在選擇性的框608中）控制可能更複雜。閥控制值可以以其他方式決定，取決於熱交換器和處理腔室部件（如ESC）之間的流量控制系統的具體實施方式，未圖示於框608。
除了控制透過閥的流量之外，輸入參數在618處被讀取，即當前區域溫度x1 、x2 。亦可使用溫度x1 、x2 的導數或溫度x1 、x2 的時間變化率來估計斜坡升降速率x3 、x4 。可以將這些值接著用作框604處的另一個調整循環的輸入。因此，圖6的控制過程是如圖6的回程迴路622所示的封閉迴路控制系統。
圖6的過程亦可被描述為在MIMO控制器、溫度控制器或系統的某些其他部件施行一系列操作。所量測的溫度皆是從載體的第一熱區域的第一熱感測器和第二熱區域的第二熱感測器接收。預測模型接著應用於兩個所量測的溫度，以決定透過載體的第一流體通道的第一流動速率及決定透過載體的第二流體通道的第二流動速率，第一流體通道熱耦接第一熱區域，第二流體通道熱耦接第二熱區域。使用這些已決定的流動速率，控制器調節耦接至第一流體通道的第一閥及調節耦接至第二流體通道的第二閥，以控制從熱交換器到相應流體通道的熱流體之流動速率。
此方法亦可使用斜坡升降速率。使用接收到的量測溫度來估計第一和第二熱區域的溫度升降速率。接著應用所估計的溫度升降速率來應用預測模型。腔室結構
圖7是根據本發明實施例之包括卡盤組件742的電漿蝕刻系統700之示意圖。電漿蝕刻系統700可以是任何類型的高效能蝕刻腔室。其他可商業取得的蝕刻腔室亦可類似地利用本案所述的卡盤組件。儘管電漿蝕刻系統700的上下文中所述示範實施例，但本案所述卡盤組件與溫度控制系統亦適用於用在施行任何電漿製造製程（如電漿沉積系統等）的其他處理系統。
參考圖7，電漿蝕刻系統700包括接地腔室705。處理氣體自氣源729供應，氣源729透過質量流量控制器749到腔室705內部而連接到腔室。腔室705經由排氣閥751抽空，排氣閥751連接到高容量真空泵堆疊755。當電漿功率施用於腔室705時，電漿形成在工件710之上的處理區域中。電漿偏壓功率725耦接入卡盤組件742以激發電漿。電漿偏壓功率725通常具有約2MHz至60MHz之間的低頻率，且可以是在如13.56MHz頻帶中。
在實例性實施例中，電漿蝕刻系統700包括在約2MHz頻帶上操作的第二電漿偏壓功率，其連接到RF匹配。第一電漿偏壓功率25亦耦接至RF匹配，且經由功率導管728亦耦接至下電極。電漿源功率730透過另一匹配（未圖示）耦接至電漿產生元件735，以提供高頻源功率以電感地或電容地激發電漿。電漿源功率730可具有比電漿偏壓功率725更高的頻率，如在100至180MHz之間，且可以如在162MHz頻帶中。
工件710透過開口715加載並夾持在腔室內的卡盤組件742。工件710（如半導體晶圓）可以是半導體處理領域中使用的任何晶圓、基板或其他材料，且本發明不受制於此方面。工件710設置在卡盤組件的介電層或圓盤745的頂表面上，介電層或圓盤745設置在卡盤組件的冷卻基座組件744上。夾電極（未圖示）嵌入於介電層中。它耦接至偏壓功率源779以提供靜電力來夾持工件710。在具體實施例中，卡盤組件742可包括兩個或兩個以上不同的流體通道區域，如內通道741和外通道。每個通道741可經獨立地控制到相同或不同的溫度設定點。
系統控制器770耦接至各種不同的系統以控制腔室中的製造製程。控制器770可包括溫度控制器775以執行溫度控制演算法（如溫度反饋控制）且控制器可以是軟體或硬體，亦可以是軟體和硬體的組合。系統控制器770亦包括中央處理單元772、記憶體773和輸入/輸出介面774。溫度控制器775輸出控制訊號，其影響卡盤組件742與熱源之間的熱傳遞速率，且（或）影響用於各種流體通道的電漿腔室705之外的散熱器。溫度控制器可耦接至一或多個溫度探針743，溫度探針743可以在基板載體中或基板載體上，耦接至流體供應線，或在任何其他所需的位置。
熱流體區域可包括具有分別的流量控制之分開的獨立控制的熱流體傳熱迴路，分別的流量控制係基於如上所述的區域特定的溫度反饋迴路來控制。在實例性實施例中，溫度控制器775耦接至第一熱交換器（HTX）/冷卻器777，且可根據具體實施方式進一步耦接至所需的第二HTX/加熱器778及更多的熱交換器（未圖示）。藉由如上所述的比例閥系統781、785控制透過卡盤組件742中的導管的熱傳遞流體或冷卻劑之流動速率。
溫度控制器775控制比例閥系統781、785以獨立地控制熱流體或傳熱流體流到每個不同流體通道的流動速率。溫度控制器亦可控制每個熱交換器使用的溫度設定點來冷卻或加熱熱流體。因此，每個熱交換器可將用於其各自冷卻劑通道的熱流體帶到不同的溫度之後再將其提供回給流體通道。
傳熱流體可以是液體，例如但不限於去離子水/乙二醇、氟化冷卻劑（如來自3M的Fluorinert®或來自Solvay Solexis, Inc.的Galden®）或任何其他合適的介電流體（如含有全氟化惰性聚醚的介電流體）。儘管本說明書在電漿處理腔室的上下文中描述了ESC，但是本說明書所述的ESC可用於各種不同的腔室中且可針對各種不同的製程使用。根據具體的實施方式，可使用不同的基板載體替代ESC。
在下面的描述中，闡述了許多細節，然而，對於發明所屬領域中具有通常知識者是顯而易見的，發明所屬領域中具有通常知識者可在沒有這些具體細節的情況下實施本發明。在一些情況下，習知的方法和裝置以框圖形式表示而不是詳細地表示，以避免混淆本發明。在整個說明書中對「一實施例」或「一個實施例」的引用意味著與該實施例結合描述的特定特徵、結構、功能或特性包含於本發明的至少一個實施例中。因此，整個說明書中各個地方的用語「在一實施例中」或「在一個實施例中」的出現不一定代表本發明的相同實施例。此外，特定特徵、結構、功能或特性可以以任何合適的方式與一或多個實施例結合。例如，第一實施例可與第二實施例在兩個實施例中相關聯的特定特徵、結構、功能或特性而不互斥的任何地方組合。
除非上下文另有明確指出，否則如在本發明說明書和所附申請專利範圍中所使用的單數形式「一（a/an）」和「該」亦意欲包括複數形式。亦將理解到，本文所用的術語「且（或）」是指且包括相關列出的項目中的一或多個之任何和所有可能的組合。
術語「耦接」和「連接」及其衍生詞在本說明書中可用於描述部件之間的功能或結構關係。應當理解到，這些術語不是作為彼此的同義詞。反之，在特定實施例中，「連接」可用於表示兩個或兩個以上元件彼此直接物理、光學或電接觸。「耦接」可用於表示兩個或兩個以上元件彼此直接或間接的（在它們之間具有其他中間元件）物理、光學或電接觸，且（或）表示兩個或兩個以上元件彼此合作或相互作用（如在因果關係中）。
本文所用術語「之上」、「之下」、「之間」和「在……上」是指一個部件或材料層相對於其他組件或層的相對位置，其中這些物理關係值得注意。例如，在材料層的上下文中，設置在另一層之上或之下的一個層可與另一層直接接觸或者可具有一或多個中間層。此外，設置在兩層之間的一個層可與兩層直接接觸，或者可具有一或多個中間層。相比之下，「在」第二層「上」的第一層與該第二層直接接觸。在部件組件的上下文中將做出類似的區別。
應當理解，上述描述意欲說明性而不是限制性。例如，儘管圖示中的流程圖表示了由本發明的某些實施例施行的特定操作順序，但是應當理解，此類順序並非必要（如替代實施例可以以不同的順序施行操作、組合某些操作、重疊某些操作等）。此外，發明所屬領域具有通常知識者在閱讀和理解上述描述之後，許多其他實施例將對其彰顯。儘管本發明已經參考具體示範性實施例而得以描述，但將認識到本發明不限於所描述的實施例，而是可以在所附專利申請範圍的精神和範圍內進行修改和變更來實施。因此，本發明的範圍應參照所附專利申請範圍以及該等專利申請範圍所請求權利之等效物的全部範圍來決定。
102‧‧‧兩區域溫度控制系統
104‧‧‧靜電卡盤
106‧‧‧支撐工件
108‧‧‧上板
110‧‧‧冷卻板
112‧‧‧探針
114‧‧‧探針
116‧‧‧入口通道
118‧‧‧輸出通道
122‧‧‧冷卻劑通道
124‧‧‧電漿
126‧‧‧熱
130‧‧‧控制器
140‧‧‧wFib（水介接盒）
142‧‧‧流體輸出
144‧‧‧回程線
146‧‧‧流體輸出
148‧‧‧回程線
152‧‧‧wFib入口
154‧‧‧wFib出口
162‧‧‧流量控制閥
164‧‧‧流量控制閥
166‧‧‧流量控制閥
168‧‧‧流量控制閥
170‧‧‧流量計
172‧‧‧流量計
174‧‧‧回程歧管
176‧‧‧T型管
178‧‧‧分流閥
302‧‧‧輸入
304‧‧‧MIMO控制器
306‧‧‧wFib
308‧‧‧ESC
310‧‧‧輸出
312‧‧‧閥百分比
314‧‧‧流動速率
316‧‧‧線
404‧‧‧載體
406‧‧‧工件
408‧‧‧頂板
410‧‧‧下冷卻板
412‧‧‧溫度感測器探針
414‧‧‧溫度感測器探針
416‧‧‧輸入線
418‧‧‧輸出
424‧‧‧電漿
430‧‧‧控制器
440‧‧‧wFib
442‧‧‧流體輸出
444‧‧‧回程線
446‧‧‧流體輸出
448‧‧‧回程線
450‧‧‧熱交換器
452‧‧‧供應線
454‧‧‧回程輸入線
456‧‧‧三通閥
460‧‧‧第二熱交換器
462‧‧‧冷卻供應
464‧‧‧回程線
466‧‧‧三通閥
502‧‧‧第二曲線
504‧‧‧輸入訊號
506‧‧‧區域
508‧‧‧區域
604‧‧‧框
606‧‧‧框
608‧‧‧框
610‧‧‧框
612‧‧‧框
614‧‧‧框
616‧‧‧框
618‧‧‧框
622‧‧‧回程迴路
700‧‧‧電漿蝕刻系統
705‧‧‧腔室
710‧‧‧工件
715‧‧‧開口
725‧‧‧電漿偏壓功率
728‧‧‧功率導管
729‧‧‧氣源
730‧‧‧開口
735‧‧‧電漿產生元件
741‧‧‧內通道
742‧‧‧卡盤組件
743‧‧‧溫度探針
744‧‧‧冷卻基座組件
745‧‧‧圓盤
749‧‧‧質量流量控制器
751‧‧‧排氣閥
755‧‧‧高容量真空泵堆疊
770‧‧‧系統控制器
772‧‧‧中央處理單元
773‧‧‧記憶體
774‧‧‧輸入/輸出介面
775‧‧‧溫度控制器
777‧‧‧第一熱交換器（HTX）/冷卻器
778‧‧‧第二HTX/加熱器
779‧‧‧偏壓功率源
781‧‧‧比例閥系統
785‧‧‧比例閥系統
在附圖中以實例而非限制的方式說明本發明的實施例，其中：
圖1是根據本發明實施例的用於靜電卡盤的兩區域溫度控制系統的圖；
圖2是根據本發明的實施例之水介接箱內的冷卻劑流體線的圖；
圖3是根據本發明的實施例之控制水介接箱的閥和熱交換器溫度的圖；
圖4是根據本發明的實施例之用於靜電卡盤的兩區域溫度控制系統的圖；
圖5是根據本發明的實施例之在不同閥百分比下透過水介接箱的比例閥之流動速率的圖；
圖6是根據本發明實施例之基於模型的控制迴路之處理流程圖，基於模型的控制迴路可用於使用水介接箱來控制部件的溫度；
圖7是根據本發明實施例之包括卡盤組件的電漿蝕刻系統之示意圖。
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Claims (20)

  1. 一種設備，包括： 一熱交換器，該熱交換器提供一熱流體給一工件載體的一流體通道且接收來自該流體通道的該熱流體，該熱交換器控制提供給該熱通道的該熱流體的溫度，在工件處理期間，該流體通道中的該熱流體控制該載體的溫度； 一比例閥，該比例閥係在該熱交換器和該流體通道之間，以控制從該熱交換器到該流體通道的熱流體的流速； 一氣動閥，該氣動閥係在該熱交換器和該流體通道之間，亦控制來自該熱交換器與該流體通道的熱流體的流速；及 一溫度控制器，該溫度控制器接收來自該載體的一熱感測器之一量測的溫度並控制該比例閥和該氣動閥來回應該量測的溫度，以調整該熱流體的流速。
  2. 如請求項1所述之設備，其中該比例閥包括一壓力調節閥，該設備進一步包括一壓力調節器，該壓力調節器耦接該壓力調節閥以控制該壓力調節閥，該壓力調節器耦接該溫度控制器以接收到該壓力調節器的一無段類比電壓訊號，以控制到該壓力調節閥的一流體壓力來控制該壓力調節閥。
  3. 如請求項1所述之設備，其中該氣動閥包括一電啟動的膜片，以接收來自該溫度控制器的一脈寬調制數位訊號，以控制該膜片的致動以控制透過該閥的流量。
  4. 如請求項1所述之設備，其中該溫度控制器耦接該載體的多個熱感測器以控制該比例閥和該氣動閥。
  5. 如請求項4所述之設備，其中該溫度控制器使用一基於模型的製程，該基於模型的製程包括工件配方條件和溫度升降速率以控制該工件處的溫度升降速率。
  6. 如請求項1所述之設備，其中該溫度控制器打開該氣動閥且當該冷卻劑流動速率增加時，僅使用該比例閥來調節該比例閥。
  7. 如請求項6所述之設備，其中該溫度控制器決定一總流動速率，且若該總流動速率高於一閾值，則該溫度控制器打開該氣動閥並調節該比例閥以獲得該所需的流動速率，及若該總流動速率低於該閾值，則該溫度控制器將該比例閥關閉到一預定流動速率並調節該氣動閥以獲得該所需的流動速率。
  8. 如請求項1所述之設備，其中該比例閥和該氣動閥串聯連接，使得該等閥中的一個閥之輸出耦接該等閥中的另一個閥之輸入。
  9. 如請求項1所述之設備，進一步包括耦接該流體通道的一壓力感測器和一流量計，及其中該溫度控制器控制該比例閥和該氣動閥以回應該壓力感測器和該流體通道。
  10. 如請求項1所述之設備，進一步包括一第二熱交換器與一混合閥，該第二熱交換器提供一第二熱流體給該流體通道，該混合閥決定來自該第一熱交換器的加熱流體或來自該第二熱交換器的冷卻流體是否流向該比例閥。
  11. 如請求項10所述之設備，其中該第一熱流體和該第二熱流體包括聚醚。
  12. 如請求項1所述之設備，其中該載體包括複數個不同的獨立冷卻通道，以承載一熱流體以傳遞來自該載體的熱，每個流體通道包含一相應的供應和回程（return），及其中該設備包括一比例閥和一氣動閥，以控制熱流體流入每個供應的流速。
  13. 一種工件處理系統，包括： 一電漿腔室； 一電漿源，該電漿源在該電漿腔室中產生一含有氣體離子的電漿； 一工件固持器，該工件固持器在該腔室內中以在電漿處理期間固持該工件且控制該工件的溫度，該工件固持器具有一流體通道和一溫度感測器； 一熱交換器，該熱交換器提供一熱流體給該工件固持器的該流體通道且接收來自該流體通道的該熱流體，在基板處理期間，該流體通道中的該熱流體控制該載體的溫度； 一比例閥，該比例閥控制從該熱交換器到該流體通道的熱流體的流速； 一氣動閥，該氣動閥係在該熱交換器和該流體通道之間，亦控制來自該熱交換器與該流體通道的熱流體的流速；及 一溫度控制器，該溫度控制器接收來自該載體的一熱感測器之一量測的溫度並控制該比例閥和該氣動閥來回應該量測的溫度，以調整該熱流體的流速。
  14. 如請求項13所述之系統，其中該比例閥包括一壓力調節閥，該設備進一步包括一壓力調節器，該壓力調節器耦接該壓力調節閥以控制該壓力調節閥，該壓力調節器耦接該溫度控制器以接收到該壓力調節器的一無段類比電壓訊號，以控制到該壓力調節閥的一流體壓力來控制該壓力調節閥。
  15. 如請求項13所述之系統，進一步包括耦接該流體通道的一壓力感測器和一流量計，及其中該溫度控制器控制該比例閥和該氣動閥以回應該壓力感測器和該流量計。
  16. 一種用於處理一工件的方法，包括以下步驟： 在一電漿腔室中產生一含有氣體離子的電漿； 將該電漿施用於一工件固持器上的一工件；及 使用一熱交換器提供一熱流體給一第一熱流體通道與一第二熱流體通道及接收來自該等流體通道的該熱流體來調節透過一第一熱區域中的該第一熱流體通道與該工件固持器的一第二熱區域中的該第二熱流體通道之該工件的溫度，在基板處理期間，該等流體通道中的該熱流體使用耦接至該第一流體通道的一第一閥與該第二流體通道中的一第二閥來控制從該熱交換器到該等對應的流體通道的熱流體的流速及一溫度控制器接收來自用於該第一熱區域的一第一熱感測器與該第二熱區域的一第二熱感測器之一量測的溫度並藉由施用一預測模型以調整該熱流體的流速來控制該第一閥與該第二閥以回應該量測的溫度來控制該等對應的第一與第二熱區域中的該工件載體的溫度。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該預測模型包括該第一熱區域和該第二熱區域之間的串擾（cross talk），及其中控制該流速的步驟包括以下步驟：同時使用該第一熱感測器溫度和該第二熱感測器溫度來控制透過每個閥的流速。
  18. 如請求項16所述之方法，其中該預測模型包括用於該第一熱區域和該第二熱區域的預測溫度升降速率，及其中控制該流速的步驟包括以下步驟：調節透過每個閥的流速以實現一溫度升降速率設定點。
  19. 如請求項16所述之方法，其中該預測模型使用該工件載體的該吸熱和傳熱特性的一物理模型。
  20. 如請求項16所述之方法，進一步包括以下步驟：接收來自一壓力感測器的一流體壓力與來自該流體通道中的一流量計的一流體流動速率以及該溫度控制器控制該比例閥以回應該壓力感測器和該流體通道。
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