TW202226320A - 使用應力分析控制電漿腔室元件的溫度分布輪廓 - Google Patents

Abstract

用於估計在製程期間處理腔室的一元件上的應力的一種系統包含：多個感測器，建構以在該製程期間於該元件的多個地點感測溫度；及一控制器，建構以：對該等溫度進行內插，以估計在整個該元件的溫度分佈；及估計在該製程期間在該元件上的該應力。估計在製程期間處理腔室的一元件上的應力的一種方法包含：在該製程期間於該元件的多個地點感測溫度；對該等溫度進行內插，以估計在整個該元件的溫度分佈；及估計在該製程期間在該元件上的該應力。

Description

使用應力分析控制電漿腔室元件的溫度分布輪廓

相關申請案的交互參照：本申請案主張西元2020年8月18日申請的美國臨時專利申請案第63/067,115號的優先權；在此藉由引用將該申請案全部揭露內容納入。

本揭露內容大致關於基板處理系統，且更特別關於使用應力分析控制電漿腔室元件的溫度分布輪廓。

在此提供的先前技術章節是為了概括地呈現本揭露內容的背景。在此先前技術章節中描述的當前列名的發明人的作品，以及在申請時不可以其他方式適格為先前技術的描述態樣，既不明示也不隱含承認為對抗本揭露內容的先前技術。

基板處理系統通常包括多個處理腔室（也稱為製程模組）以對基板（例如半導體晶圓）進行沉積、蝕刻、及其他處理。可以在基板上執行的製程的示例包括但不限於電漿增強化學氣相沉積（PECVD）、化學增強電漿氣相沉積（CEPVD）、濺射物理氣相沉積（PVD）、原子層沉積（ALD）、及電漿增強ALD（PEALD）。可以在基板上執行的製程的額外示例包括但不限於蝕刻（例如，化學蝕刻、電漿蝕刻、反應離子蝕刻等）和清潔製程。

在處理期間，基板係佈置在基板支撐總成上，例如佈置在基板處理系統的處理腔室中的台座或靜電卡盤（ESC）。一機器人通常以處理基板的順序將基板從一個處理腔室傳送到另一個處理腔室。 在沉積期間，包括一種或多種前體的氣體混合物係加以引入處理腔室，並且電漿係加以點燃以激活化學反應。在蝕刻期間，包括蝕刻氣體的氣體混合物係引入處理腔室，並且電漿係加以點燃以激活化學反應。藉由將清潔氣體供應到處理腔室中並點燃電漿來週期性地清潔處理腔室。

一種用於估計在製程期間處理腔室的一元件上的應力的系統，包含：多個感測器，建構以在該製程期間於該元件的多個地點感測溫度；及一控制器，建構以對該等溫度進行內插，以估計在整個該元件的溫度分佈，以及估計在該製程期間在該元件上的該應力。

在另一特徵中，該控制器係更建構以控制該製程的一參數，以限制在該製程期間在該元件上的該應力。

在另一特徵中，該控制器係更建構以：將該應力與一預定數值比較；及指示該應力何時大於或等於該預定數值。

在另一特徵中，該控制器係建構以將該元件上的一個以上地點處的該應力加以估計為該元件上的該等地點的位置之函數。

在另一特徵中，該控制器係建構以使用對該元件的熱輸入的一模型而基於該等溫度來估計溫度分佈。

在另一特徵中，該控制器係建構以使用曲線擬合來估計溫度分佈。

在另一特徵中，該控制器係建構以，藉由將該元件基於各別的熱負荷而劃分成多個熱區以及以該等熱負荷作為擬合參數而使用曲線擬合，估計溫度分佈。

在另一特徵中，該元件係在該製程期間受到加熱及冷卻，且基於多個熱區的各別熱負荷可劃分成該多個熱區；且該控制器係建構以使用以該等熱負荷作為擬合參數的曲線擬合來估計溫度分佈。

在另一特徵中，該等熱區的數量係加熱和冷卻源之數量的函數。

在另一特徵中，該等感測器的數量係與熱區的數量成比例。

在其他特徵中，該元件係軸對稱的；該等感測器係配置在該元件的半部分；及該控制器係建構以使用在該元件的該半部分上所配置的該等感測器而估計在整個該元件上的該應力。

在另一特徵中，該控制器係建構以使用具有基於該等感測器的數量所決定的維度之一矩陣而估計該應力。

在其他特徵中，該元件係該處理腔室的一介電窗，且該系統更包含：一線圈，配置在該介電窗之上，以在該處理腔室之中生成電漿；及一充氣部，配置在該介電窗之上，用以流動一冷卻劑。

在另一特徵中，該控制器係建構以將該介電窗上的一個以上地點處的該應力加以估計為該介電窗的半徑的函數。

在另一特徵中，該應力包含徑向應力及切向應力其中至少一者。

在其他特徵中，該系統更包含：一線圈驅動電路，建構以驅動該線圈；及一流體輸送系統，建構以將該冷卻劑供應至該充氣部；且，該控制器係建構以控制該線圈驅動電路及該流體輸送系統其中至少一者而在該製程期間限制該元件上的該應力。

在其他特徵中，該控制器係建構以將該元件基於各別熱負荷而劃分成多個熱區，並對以下者決定一次：基於該等溫度的一第一矩陣；基於該第一矩陣的分解的一第二矩陣；及基於估計該應力之該元件上的預設地點的一第三矩陣。該控制器係建構以在該製程期間週期性地重複以下者：使用該等感測器而量測該等熱區各者的溫度；使用該第二矩陣針對該等熱負荷決定一第四矩陣；基於該第三及第四矩陣而計算應力積分；及基於所計算的應力與一參考應力的比例，決定是否限制在該等預設地點任一者處的該元件上的該應力。

在又其他特徵中，一種估計在製程期間處理腔室的一元件上的應力的方法包含：在該製程期間於該元件的多個地點感測溫度；對該等溫度進行內插，以估計在整個該元件的溫度分佈；及估計在該製程期間在該元件上的該應力。

在另一特徵中，該方法更包含：控制該製程的一參數，以限制在該製程期間在該元件上的該應力。

在另一特徵中，該方法更包含：將該應力與一預定數值比較；及指示該應力何時大於或等於該預定數值。

在另一特徵中，該方法更包含：將該元件上的一個以上地點處的該應力加以估計為該元件上的該等地點的位置之函數。

在另一特徵中，該方法更包含：使用對該元件的熱輸入的一模型而基於該等溫度來估計溫度分佈。

在另一特徵中，該方法更包含：使用曲線擬合來估計溫度分佈。

在另一特徵中，該方法更包含：藉由將該元件基於各別的熱負荷而劃分成多個熱區以及以該等熱負荷作為擬合參數而使用曲線擬合，估計溫度分佈。

在其他特徵中，該元件係在該製程期間受到加熱及冷卻，且該方法更包含：基於多個熱區的各別熱負荷，將該元件劃分成該多個熱區；及使用以該等熱負荷作為擬合參數的曲線擬合來估計溫度分佈。

在另一特徵中，該方法更包含：將該等熱區的數量選擇為加熱和冷卻源之數量的函數。

在另一特徵中，該方法更包含：將用於感測該等溫度的感測器的數量選擇為與熱區的數量成比例。

在其他特徵中，該元件係軸對稱的，且該方法更包含：將用於感測該等溫度的感測器配置在該元件的半部分；及使用在該元件的該半部分上所配置的該等感測器而估計在整個該元件上的該應力。

在另一特徵中，該方法更包含：使用具有基於用於感測該等溫度的感測器的數量所決定的維度之一矩陣而估計該應力。

在其他特徵中，該元件係該處理腔室的一介電窗，且該系統更包含：配置一線圈在該介電窗之上，以在該處理腔室之中生成電漿；及配置一充氣部在該介電窗之上，用以流動一冷卻劑。

在另一特徵中，該方法更包含：將該介電窗上的一個以上地點處的該應力加以估計為該介電窗的半徑的函數。

在另一特徵中，該應力包含徑向應力及切向應力其中至少一者。

在另一特徵中，該方法更包含：控制該線圈的功率供應及對該充氣部的冷卻劑供應其中至少一者而在該製程期間限制該元件上的該應力。

在其他特徵中，該方法更包含：將該元件基於各別熱負荷而劃分成多個熱區，並對以下者決定一次：基於該等溫度的一第一矩陣；基於該第一矩陣的分解的一第二矩陣；及基於估計該應力之該元件上的預設地點的一第三矩陣。該方法更包含在該製程期間週期性地重複以下者：量測該等熱區各者的溫度；使用該第二矩陣針對該等熱負荷決定一第四矩陣；基於該第三及第四矩陣而計算應力積分；及基於所計算的應力與一參考應力的比例，決定是否限制在該等預設地點任一者處的該元件上的該應力。

本揭露內容的更多應用領域將從實施方式章節、申請專利範圍、及圖式中變得明顯。實施方式章節和特定示例僅用於說明的目的，並不旨在限制本揭露內容的範圍。

由不均勻加熱引起的熱應力可能損壞處理腔室中的脆性元件。例如，在導體蝕刻處理腔室中，由於不均勻加熱引起的熱應力，介電窗容易受到損壞。由於諸如帶電粒子撞擊和化學反應能量之熱輸入在處理腔室中不均勻地分布，因此在這些處理腔室中會出現不均勻加熱。在處理腔室中採用的冷卻也是不均勻的。

諸如介電窗的元件通常由溫度測量裝置保護。例如，使用由溫度測量裝置感測的溫度的某種組合，控制處理腔室的系統控制器可以關閉在製程模組中執行的製程。然而，元件通常不會由於溫度或溫度梯度而破裂，而是由於這些梯度引起的應力而破裂。

本揭露內容提供用於控制諸如介電窗之元件中的應力的系統和方法。在整個本揭露內容中，介電窗僅用作易受由於應力之損壞的元件的說明性示例，以描述用於控制應力的系統和方法。該系統和方法可用於控制承受類似應力的基板處理系統的任何元件中的應力。

例如，如下面詳細描述的圖1-3所顯示，介電窗是厚度遠小於其直徑的平坦環。介電窗僅在其外邊緣（周緣）處受到支撐，這使得介電窗容易受到其應力狀態的分析計算所影響。雖然這些計算在介電窗的實例中提供了方便和簡單的解決方案，但以下方法原則上適用於任何元件，無論其幾何形狀、成分、尺寸、及形狀，以及在基板處理系統中的安裝。

根據本揭露內容的系統使用由有限數量的溫度感測器提供的資訊來計算介電窗的近似應力狀態。對介電窗的熱輸入的模型係與感測器資料結合使用，以提供在整個介電窗之溫度分布的估計，其接著用以使用計算成本低的方法來計算應力。使用計算成本低的方法允許近乎即時地頻繁更新應力狀態，俾使系統控制器可以藉由改變製程設定點或藉由關閉製程而及時地修改對介電窗的熱輸入。這種方法的一個好處是它可以造成應力自身的限制。本揭露內容的這些和其他特徵在下面詳細描述。

本揭露內容係組織如下。 首先，參考圖1，顯示並描述了其中可以使用本揭露內容的系統和方法的基板處理系統的示例。之後，以介電窗為例，參考圖2說明控制應力的方法。隨後，參照圖3-5顯示並描述根據本揭露內容的用於控制應力的系統和方法的示例。

圖1顯示根據本揭露內容的使用電感耦合電漿來蝕刻諸如半導體晶圓的基板的基板處理系統10的示例。基板處理系統10包括一線圈驅動電路11。在一些示例中，線圈驅動電路11包括RF源12、脈衝電路14、及調諧電路（即匹配電路）13。脈衝電路14控制 由RF源12產生的RF信號的變壓器耦合電漿（TCP）包絡，並且在操作期間在1%與99%之間改變TCP包絡的佔空比。脈衝電路14和RF源12可為組合的或分開的。

調諧電路13可以直接連接到感應線圈16。雖然基板處理系統10使用單個線圈，但是一些基板處理系統可以使用多個線圈（例如，內線圈和外線圈）。調諧電路13將RF源12的輸出加以調諧到期望的頻率和/或期望相位，並且匹配感應線圈16的阻抗。

介電窗24沿著處理腔室28的頂側佈置。處理腔室28包括基板支撐件（或台座）30以支撐基板34。基板支撐件30可以包括靜電卡盤（ESC）、或機械式卡盤、或其他類型的卡盤。基板支撐件30包括一底板32。底板32的頂表面上設置有一陶瓷板33。在陶瓷板33與底板32之間可以設置有一熱阻層36。在處理期間基板34係配置在陶瓷板33之上。多個加熱器35佈置在陶瓷板33中以在處理期間加熱基板34。例如，加熱器35包括嵌入陶瓷板33中的印刷跡線。

底板32還包括一冷卻系統38以冷卻基板支撐件30。冷卻系統38使用由流體輸送系統39供應的流體來冷卻基板支撐件30。另外，流體輸送系統39可以向佈置在介電窗24上的歧管供應流體（參見圖3）以冷卻介電窗24的部分，如下面參考圖3所示和描述的。

製程氣體係供應到處理腔室28，並且電漿40係藉由向感應線圈16提供RF功率而在處理腔室28內部產生。電漿40蝕刻基板34的暴露表面。RF源50、 脈衝電路51、及偏壓匹配電路52可用於在處理期間對基板支撐件30偏壓以控制離子能量。

氣體輸送系統56可用於向處理腔室28供應製程氣體混合物。氣體輸送系統56可包括製程與惰性氣體源57、諸如閥和質量流量控制器的氣體計量系統58、以及歧管59。氣體注入器63可以佈置在介電窗24的中心，且用於將氣體混合物從氣體輸送系統56注入處理腔室28。另外或替代地，氣體混合物可以從 處理腔室28的側面注入。

溫度控制器64可連接至加熱器35並可用於控制加熱器35以控制基板支撐件30和基板34的溫度。溫度控制器64可與流體輸送系統39通信以控制通過冷卻系統38的流體流動以冷卻基板支撐件30。另外，溫度控制器64可以控制通過佈置在介電窗24上方的歧管的流體流動，如以下參考圖3所解釋的。 介電窗24可以包括多個溫度感測器，如下面參考圖3所示和描述的，以感測介電窗24的多個區之中的溫度。溫度控制器64可以控制通過歧管的流體流動並且可以基於來自溫度感測器的反饋來控制在處理腔室28之中執行的蝕刻製程，如以下參考圖3所述。

排放系統65包括閥66和泵67以控制處理腔室28中的壓力及/或藉由驅淨或排空而從處理腔室28去除反應物。一控制器70（也稱為系統控制器）可用於控制蝕刻製程。控制器70控制基板處理系統10的元件。控制器70監控系統參數並控制氣體混合物的輸送；點燃、維持、和熄滅電漿；反應物的去除；冷卻流體的供應；等等。此外，控制器70可以控制線圈驅動電路11、RF源50、及偏壓匹配電路52等的各種態樣。用戶介面（UI）71允許操作員通過控制器70與基板處理系統10互動。

圖2顯示用於控制諸如介電窗之元件上的應力的系統200的示例。 系統200包括介電窗202（例如，圖1中所示的元件24）以及溫度感測器204-1和204-2（統稱為溫度感測器204）。控制器206（例如，圖1中所示的元件64、70）基於從溫度感測器204接收的輸入來監測介電窗202的溫度。

內部和外部線圈208-1、208-2（統稱為線圈208，類似於圖1中所示的元件16）佈置在介電窗202上。線圈驅動電路209（類似於圖1中所示的元件11）驅動線圈208。氣體注入器210（類似於圖1中所示的元件63）佈置在介電窗202的中心並且用於將氣體混合物注入處理腔室（例如，圖1中所示的元件28）。

為了控制介電窗202上的應力，不允許溫度感測器204-1的溫度升高到高於第一預定閾值。此外，如果在溫度感測器204-1與204-2所感測的溫度之間的差異超過第二預定閾值，則控制器206停止在處理腔室中執行的製程。系統200為介電窗202提供基本程度的應力控制並且在許多實際情況下提供不充分的保護。

在另一種方法中，還可以藉由啟發式地限制製程配方來執行應力控制。這種方法包括選擇產生應力的製程，並在裝配有相對大陣列的溫度感測器的介電窗的情況下運行它們。基於從該陣列的溫度感測器收集的資料計算介電窗的應力狀態。藉由運行許多測試，可以推導出可應用於限制製程設定的規則。然而，這種方法是費力的，因為該工具對於不同的製程具有許多可設定的製程變數。

替代地，根據本揭露內容的方法，直接應力計算的使用允許近乎即時地保護介電窗免受任何一組製程變數的損壞。一般而言，在介電窗徑向對稱的假設下，使用至少三個溫度感測器可以提供足夠準確的應力估計。如果要考慮溫度的方位角變化，可以使用額外的感測器。

圖3顯示根據本揭露內容的用於控制諸如介電窗的元件上的應力的系統250。系統250包括介電窗252（例如，圖1中所示的元件24）及溫度感測器254-1、254-2、254-3、及254-4（統稱為溫度感測器254）。 雖然顯示四個溫度感測器254，但是三個溫度感測器254就足夠了。

介電窗252係分割成多個徑向熱區（例如，四個熱區，顯示為Z1、Z2、Z3、及Z4）。例如，熱區通常可以基於介電窗252上方的線圈和充氣部（下面描述的元件258和262）的佈置，其分別引起介電窗252的加熱和冷卻。

由溫度感測器254所感測到的溫度代表介電窗252的各個熱區的溫度。雖然為了說明的目的顯示四個熱區和四個溫度感測器254，但在熱區與溫度感測器254之間的一對一對應不是必需的。例如，溫度感測器254的數量可以少於或多於熱區的數量。

控制器256（例如，圖1中所示的元件64、70）係基於從溫度感測器254接收的輸入來監控介電窗252的溫度。內部和外部線圈258-1、258-2（統稱為線圈258，類似於圖1所示的元件16）設置在介電窗252上。線圈驅動電路259（類似於圖1所示的元件11）驅動線圈258。控制器256控制線圈驅動電路259以基於來自溫度感測器254的輸入來控制提供給線圈258的功率。氣體注入器260（類似於圖1中所示的元件63）佈置在介電窗252的中心，並用於將氣體混合物注入到處理腔室（例如，圖1中所示的元件28）。

如圖所示，一個或多個充氣部262-1、262-2（統稱為充氣部262）佈置在介電窗252上。流體輸送系統264（例如，圖1中所示的元件39）使冷卻劑流通過充氣部262以冷卻介電窗252。控制器256控制流體輸送系統264以基於來自溫度感測器254的輸入而控制通過充氣部262的流體流動。

熱區的數量不是線圈258和充氣部262的數量的函數。例如，雖然未顯示，但即使單個線圈佈置在介電窗252上，也可以使用多個熱區。熱區可加以選擇以針對廣泛的製程獲得對溫度的最佳擬合（根據經驗確定）。熱區的選擇可以是但不必然與冷卻/加熱佈局有關。控制器256在用戶介面（UI）266（例如，圖1中所示的元件71）上提供應力指示，該用戶介面允許操作者基於應力指示經由控制器256操作基板處理系統（例如，圖1中所示的元件10）的元件。

成本和工程複雜性限制了可以用於測量介電窗252中的溫度分佈的溫度感測器254的數量。為了使用此有限的資料，控制器256對從溫度感測器254接收的資料進行內插，其可以直接或間接使用以估計介電窗252上的應力。

特別是，如下文詳細解釋的，基於來自有限數量的溫度感測器254的測量，控制器256針對整個介電窗252的溫度分佈提供作為介電窗252的半徑的函數的擬合。使用該擬合函數，控制器256使用簡單的積分確定該窗的應力狀態。

在使用中，控制器256實施該方法係藉由執行僅取決於介電窗252的物理佈局的一次性矩陣計算，隨後進行簡單的矩陣運算以計算介電窗252上的應力，其可週期性地重複。因此，控制器256可以以最小的計算工作量以短間隔（即，接近即時）計算介電窗252的應力狀態。

簡而言之，控制器256如下所述估計介電窗252上的應力。溫度感測器254感測在介電窗252上多個地點處的溫度。控制器256使用曲線擬合來內插溫度，如下文詳細解釋的。控制器256結合一模型而使用此等內插溫度，該模型估計在整個介電窗252上的空間溫度分佈，並將介電窗252上的應力（例如，壓應力或張應力）計算為介電窗252的徑向位置的函數。控制器256將計算的應力與參考應力進行比較，並基於該比較產生參數。控制器256基於此等參數而控制製程的一個或多個元件（例如，加熱、冷卻、對線圈的功率等）以限制介電窗252上的應力。

控制器256可以如下所述對由溫度感測器254所感測的溫度進行內插。控制器256可以使用各種選項來將介電窗252的測得溫度擬合到整個介電窗252上的潛在溫度分佈。這些選項分為兩類別。第一類別包括不假設潛在加熱模式的曲線擬合方法。這些方法的示例包括對通過測量點的曲線進行內插的樣條與多項式擬合。由於這些方法不涉及潛在加熱製程的額外知識，因此這些方法提供的擬合是可以通過測量資料點的簡單的平滑曲線，且擬合製程除了內插此資料外不添加任何內容。

第二類別包括假設一些熱負荷分佈的方法。如果傳入和來自介電窗252的熱輸入和輸出的特性是已知的，則這些方法可用於改進整個介電窗252的溫度估計。在一個示例中，溫度估計係基於假設熱負荷為以分段方式恆定（即，在介電窗252的多個區中），如圖3所示。如果控制器254可以每單位面積相對恆定的熱去除速率控制通過在此等徑向區中的充氣部262施加的冷卻，並且加熱在這些區係相對均勻或恆定，則該假設可為合理的。實際上，與第一類別的方法提供的簡單曲線擬合相比，該假設對測量的溫度分佈產生了更好的擬合。

該多個區的熱負荷Q1-Q4為擬合參數。擬合的參數可以與這些熱負荷的實際估計值進行比較，以提高擬合的信賴度。溫度感測器254的地點可加以最佳化以在大範圍的製程中提供介電窗252的潛在溫度分布輪廓的最佳估計。

控制器256使用一模型，其估計在整個介電窗252的空間應力分佈來計算介電窗252上的應力（例如，壓應力或張應力）。該模型係基於對介電窗252的熱輸入。控制器256可以基於使用以下任何方法執行的平面應變或平面應力分析來計算應力分佈。

例如，在第一種方法中，對應力的解析方程式的數值積分係加以執行。特別是，應力計算可以藉由分段積分加以化簡為一多項式形式。這允許徑向應力計算，其藉由使用矩陣計算在介電窗252的任何半徑處執行，該矩陣計算涉及維度與溫度感測器254的數量大約相同的矩陣。由於控制器256不需要進行積分，該方法具有相對低的計算負荷，這也是徑向應力計算速度快的一個原因。 因此，控制器254可以在一個製程期間多次執行徑向應力計算並且可以近乎即時地限制介電窗252上的應力。

在第二方法中，控制器256可以使用二維有限元素計算來計算介電窗252上的應力分佈。在第三方法中，控制器256可以使用依經驗預先計算的應力分佈的多維查找表，其由整個介電窗252上的溫度測量值的合適分箱化（binning）加以索引。

在估計介電窗252的應力狀態之後，控制器256估計用於限制介電窗252上的應力的參數。例如，控制器256可以生成計算的應力與參考應力的比例。 該比例可以指示介電窗252是否可能受到損壞。參考應力可能取決於計算的應力是壓應力還是張應力（陶瓷材料在受拉伸時會在低得多的應力下失效）而不同，或者可能取決於諸如介電窗252的元件的位置（例如，該元件可能包括局部加強或削弱該元件的特徵）。

基於用於限制應力的參數，控制器256可以以多種不同的方式響應。例如，如果參數指示一危險應力狀態，則可在用戶介面266上提供警告或警報，操作者可基於該警告或警報中止製程。或者，如果參數指示危險應力狀態，則控制器256可以藉由控制影響加熱和/或冷卻的子系統來限制諸如介電窗252的元件上的熱負荷。例如，控制器256可以控制線圈驅動電路259以控制提供給線圈258的功率，及/或控制流體輸送系統264以控制通過充氣部262的冷卻劑流動。

現在更詳細地解釋執行介電窗252的熱分析的方法。如參考圖1所描述的，提供給線圈258的RF功率導致電漿在介電窗252下方的製程空間中形成（例如，電漿40在圖1中的處理腔室28中形成），這導致對介電窗252的加熱。出於熱分析的目的，介電窗252可以被思考成厚度明顯小於直徑的薄板。在圖3所示的例子中，四個溫度感測器254係嵌入介電窗252中。為了曲線擬合的目的，介電窗252係視為具有如圖所示的四個徑向區，並且擬合係由控制器256使用假設在各區中有相對恆定的每單位面積淨熱負荷之模型來執行。

在四個溫度感測器254和四個熱負荷作為四個擬合參數的情況下，在介電窗252的半徑r處的溫度與熱負荷 Q _j 之間的關係由等式

加以給定，其中參數向量 A _j 取決於幾何形狀，即區邊界的地點和所欲溫度所在的半徑。

是內插函數，取決於用於內插溫度的方法。控制器256係使用等式

，其中i, j=1至 4，使用溫度感測器254的地點處的溫度數值，來確定熱負荷 Q _j 。對介電窗252的總功率為零之額外限制條件係用於找到額外的參數 T ₀ 。

給定該擬合曲線，控制器256可以藉由積分而決定熱應力。由於

的形式是已知的，因此可以對其進行分析積分，以找到各個應力分量的另一個線性等式。由於介電窗252的軸對稱結構，存在兩個主要應力分量：徑向分量σ _rr 和切向分量σ _θθ 。徑向分量係由方程式

給出。在B中的項以及常數C係由上述積分加以確定。

將

稱為

，我們有

，俾使

。參數

只需對 r的各個數值計算一次。接著，介電窗252的任何給定半徑處的應力的估計係按順序執行—在N個循環中，其中N是擬合中的區的數量。控制器256可以相對快速地（例如，在幾微秒或更短的時間內）執行該計算。

接著，控制器256接收溫度的測量值。控制器256使用上述等式來將應力的徑向分量σ _rr 確定為介電窗252的半徑的函數。控制器256評估在介電窗252的多個半徑處的應力的徑向分量以確定介電窗252的應力分布輪廓。應力分布輪廓的解析度係使得介電窗252上的最大應力可以評估達足夠的精確度而不會遺漏高應力區域。

可以進一步藉由增加未由前述使用的平面應變計算所計算的應力來校正結果。例如，介電窗252在製程期間處於大氣壓力負載下。 大氣壓力負載在介電窗252上產生相對恆定的應力，該應力從介電窗252的一個表面到另一個表面線性地變化。由於該應力的最大值在介電窗252的表面上，所以應力結果可以由該額外應力加以補償，並且兩條曲線可加以計算，每一條對應於介電窗252的各別表面。

針對應力分量二者以及對於介電窗252的兩個表面的結果係乘以一個因子以確定應力係介電窗252失效之一關注點的程度。在一個示例中，該因子可以是介電窗252上的最大可允許應力的倒數。或者是，該因子可以根據應力係對應於壓應力或張應力是正還是負而不同。

基於介電窗252的有限元素分析，假設介電窗252在介電窗252的一半徑處具有薄弱區域，則可以應用進一步校正以提高該半徑處的關注水平。 最後，計算最大關注數值。基於此最大數值，控制器256可以決定在UI 266上發出警告、關閉製程功率、或限制製程功率，以限制介電窗252上的應力。

因此，控制器256基於來自假設若干熱負荷分佈的有限數量的溫度感測器254的溫度測量值，針對介電窗252上的溫度分佈提供作為介電窗252的半徑的函數之擬合。使用擬合函數，控制器256使用積分確定窗的應力狀態。在實踐中，控制器256藉由執行一次僅取決於介電窗252的物理佈局的矩陣計算來實現該方法，隨後進行矩陣運算以計算介電窗252上的應力。因此，控制器256可以最小的計算工作量以短間隔（即，接近即時）計算介電窗252的應力狀態。這允許控制器256在製程期間近乎即時地確定介電窗252上的應力，這又允許控制器256控制製程參數以限制介電窗252上的應力。由於上述方法是跨製程的（process-agnostic）（即，與任何製程一起運作而無需任何特定於一製程的定制），控制器256可以獨立於製程而確定和限制介電窗252上的應力。

在一種實施方式中，控制器256計算溫度與應力矩陣一次。使用下-上（LU）分解，控制器256生成溫度矩陣的一個版本一次，然後該版本的溫度矩陣可用於獲得輸入溫度的任何向量的Q矩陣。對於大多數元件，控制器256可以針對需要應力計算的預設半徑來計算矩陣A一次。

在這些一次性確定之後，控制器256週期性地重複以下步驟：每個區測量一個溫度； 使用LU分解的溫度矩陣來確定Q矩陣；將A 矩陣應用於Q矩陣以計算應力積分；及從該應力積分計算徑向和環向（切向）應力σ _rr 和σ _θθ 。控制器256將這些應力與安全值（例如，預定閾值）進行比較以評估對介電窗252的危險並且基於所評估的危險啟動（例如，警告操作員）或執行（自動地，無需操作員干預）補救措施。

圖4A-4C顯示根據本揭露內容的用於控制諸如介電窗（例如，圖3中所示的元件252）的元件上的應力的方法300。圖4A顯示整體的方法300，而圖4B和4C更詳細地顯示方法300的一些步驟，如下所述。例如，圖3所示的控制器256可以執行方法300，且以下描述中的術語「控制」相關於圖3中所示的控制器256。

在圖4A中，在302處，控制接收由在元件的多個地點處的溫度感測器（例如，圖3中所示的元件254）所感測的溫度。在304，控制使用內插法（例如，使用上述參考圖3描述的曲線擬合方法）估計整個元件上的溫度分佈。下面參考圖4B更詳細地顯示和描述步驟304。在306，控制將元件上的應力估計為位置的函數（例如，作為圖3中所示的元件252的半徑的函數）。下面參考圖4C更詳細地顯示和描述步驟306。

在308，控制確定指示元件的應力狀態的參數（例如，計算的應力與參考應力的比例，如以上參考圖3所述）。在310，控制基於應力狀態而確定元件是否可能發生損壞。如果基於應力狀態不太可能對元件發生損壞，則控制返回到302。在312，如果基於應力狀態可能對元件發生損壞，則控制修改（自動地或藉由對操作員發警告）一個或多個製程參數（例如，控制一個或多個子系統，例如圖3中所示的元件259、264，引起元件的加熱和/或冷卻），並且控制係返回到302。

圖4B更詳細地顯示方法300的步驟304。在350，控制將元件劃分成多個熱區。例如，如上面參考圖3所解釋的，該等熱區可以基於引起元件的加熱和冷卻之加熱源和冷卻源的佈置來指定。在352，控制假設在該等熱區中的若干熱負荷分佈。在354，基於熱區中的熱負荷分佈的假設，控制使用曲線擬合（例如，使用以上參考圖3描述的曲線擬合方法）對感測的溫度進行內插。在356，控制使用內插和擬合的資料結合基於熱負荷的實際估計所生成的模型來估計在整個元件的溫度分佈。

圖4C更詳細地顯示方法300的步驟306。 在360，為了從在步驟304中確定的溫度分佈計算應力分佈，控制使用分段積分將應力計算化簡為一多項式形式，如上面參考圖3所解釋的。在362，控制藉由矩陣計算來計算元件的任何位置處（例如，圖3中所示的元件252的任何半徑處）的應力，該矩陣計算涉及維度取決於所使用的溫度感測器的數量的矩陣。該製程以上參考圖3詳細描述，且為簡潔起見此處不再贅述。

圖5顯示使用系統250和方法300接近即時地計算元件上的應力的方法400。實質上，方法400顯示實現方法300的示例。方法400說明，方法300的計算，由於上述用於估計溫度和應力分佈的方法（即用於估計溫度分佈的內插和曲線擬合，以及用於估計應力分佈的數值積分），可以相對快地執行，使得元件上的應力可以接近即時地加以評估和限制。例如，圖3所示的控制器256可以執行方法400，且以下描述中的術語「控制」關於是圖3所示的控制器256。

在402，控制計算溫度和應力矩陣。 在404，控制使用LU分解來生成一分解的溫度矩陣。在406，控制針對需要應力估計的預設位置（例如，圖3中所示的元件252的選定半徑）而計算A矩陣。控制只執行一次這些步驟。亦即，取決於關於溫度感測器254的幾何資訊如何存儲，控制僅在每次重新設計處理腔室時或至多在重新啟動（通電）處理腔室時執行這些步驟一次。例如，可以簡單地存儲該分解的矩陣，其對於具有四個溫度感測器254的系統僅具有13個獨立元素。

在408，控制對由各個加熱器區的溫度感測器所測量的溫度進行感測。在410，控制係使用來自步驟404的分解溫度矩陣來確定Q矩陣。在412，控制將來自步驟406的A矩陣應用於Q矩陣以計算應力積分。在414，控制從應力積分計算元件的徑向和環向（切向）應力。

在416，控制基於徑向和環向應力確定元件是否可能受到損壞。例如，控制將應力與安全數值或閾值進行比較，以確定元件是否有因為應力而損壞的危險。如果元件不太可能受應力損壞，則控制返回到 408。在418，如果元件可能受應力損壞，則控制啟動補救措施，並且控制返回到408。

由於上述原因，步驟408至414可以相對快地執行。因此，可以週期地或頻繁地重複這些步驟，以接近即時地評估和限制元件上的應力。此外，如上所述，方法400是跨製程的（即，可以對任何製程執行而不需要對每個製程的定制化）。

前述說明本質上僅為說明性的，且無意圖限制此揭露內容、其應用、或使用。此揭露內容的廣泛教示可以各種形式實現。因此，雖然此揭露內容包含特定的範例，由於其他的修改在研讀圖式、說明書、及以下申請專利範圍後將顯而易見，此揭露內容的真實範圍不僅限於此。

應理解的是，在方法內的一個以上步驟，在不改變本揭露內容的原理的情況下，可以不同順序（或同時地）執行。此外，雖然各實施例在以上描述成具有特定特徵，就本揭露內容任一實施例所述的那些特徵其中任何一或多者，可實施在其他實施例任一者的特徵之中或與其他實施例任一者的特徵結合，縱使那個結合未明確描述。換言之，所述實施例為非互斥的，且一個以上實施例彼此的置換係在此揭露內容的範圍內。

元件之間（例如，模組、電路元件、半導體層等之間）空間的、及功能的關係係使用各種用語而描述，包含「連接」、「接合」、「耦接」、「相鄰」、「旁邊」、「在頂部上」、「之上」、「之下」、以及「設置」。除非明確地描述成係「直接」的，否則當在以上揭露內容中描述第一及第二元件之間的關係時，該關係可為在第一及第二元件之間沒有其他中間元件存在的直接關係，也可為在第一及第二元件之間存在一或更多中間元件（空間上、或功能上）的間接關係。當在此使用，用語「A、B和C其中至少一者」應解釋為使用非互斥邏輯或（OR）的邏輯（A 或 B 或 C），且不應解釋為代表「A之至少一者、B之至少一者、及C之至少一者」。

在一些實施方式中，控制器為系統的一部分，其可為前述範例之一部分。此種系統可包含半導體處理設備，其包括：一個以上處理機台、一個以上腔室、用以處理的一個以上平台、及/或特定處理元件（例如台座、氣流系統等）。這些系統可與電子設備整合，以在半導體晶圓或基板的處理之前、期間、及之後，控制它們的操作。該等電子設備可稱為「控制器」，其可控制一個以上系統的各種元件或子部件。

根據處理要求及/或系統的類型，可將控制器加以編程，以控制此處揭露之任何製程，包括處理氣體的輸送、溫度設定（例如加熱及/或冷卻）、壓力設定、真空設定、功率設定、射頻（RF）產生器設定、RF匹配電路設定、頻率設定、流率設定、流體輸送設定、定位與操作設定、進出機台及其他傳送機台及/或與特定系統連接或介接的負載鎖室之晶圓傳送。

廣泛而言，可將控制器定義為具有接收指令、發送指令、控制操作、允許清潔操作、允許終點量測等之各種積體電路、邏輯、記憶體、及/或軟體的電子設備。該積體電路可包含儲存程式指令的韌體形式之晶片、數位信號處理器（DSP）、定義為特殊應用積體電路（ASIC）之晶片、及/或執行程式指令（例如軟體）之一或更多的微處理器或微控制器。

程式指令可為以各種個別設定（或程式檔案）之形式與控制器通訊的指令，其定義用以在半導體晶圓上、或針對半導體晶圓、或對系統執行特定製程的操作參數。在一些實施例中，該操作參數可為由製程工程師所定義之配方的部分，以在一或更多的層、材料、金屬、氧化物、矽、二氧化矽、表面、電路、及/或晶圓之晶元的製造期間，完成一或更多的處理步驟。

在一些實施方式中，控制器可為電腦的部分或連接至電腦，該電腦係與系統整合、連接至系統、或以其他方式網路連接至系統、或上述之組合。舉例而言，控制器係可位於「雲端」、或為晶圓廠主機電腦系統的全部或部分，其可允許晶圓處理之遠端存取。該電腦能達成對該系統之遠端存取，以監視製造操作之目前進展、查看過去製造操作之歷史、查看來自多個製造操作之趨勢或效能指標，來改變目前處理之參數，以設定處理步驟來接續目前的處理、或開始新的製程。

在一些範例中，遠端電腦（例如伺服器）可透過網路提供製程配方至系統，該網路可包含區域網路或網際網路。該遠端電腦可包含可達成參數及/或設定之輸入或編程的用戶介面，該等參數或設定接著自該遠端電腦傳送至該系統。在一些範例中，控制器接收資料形式之指令，在一或更多的操作期間，其針對待執行的處理步驟之每一者而指定參數。應瞭解，該等參數可特定於待執行之製程的類型、及配置控制器所介接或控制的機台類型。

因此，如上所述，控制器可為分散式，例如藉由包含一或更多獨立的控制器，其透過網路連接在一起並朝共同的目標而作業，例如此處所述之製程及控制。用於此類用途的分散式控制器的範例可為腔室上之一或更多的積體電路，該積體電路與位於遠端（例如為平台等級、或為遠端電腦的部分）之一或更多的積體電路通訊，其結合以控制腔室上的製程。

在沒有限制的情況下，例示性系統可包含電漿蝕刻腔室或模組、沉積腔室或模組、旋轉清洗腔室或模組、金屬鍍覆腔室或模組、清潔腔室或模組、斜邊蝕刻腔室或模組、物理氣相沉積（PVD）腔室或模組、化學氣相沉積（CVD）腔室或模組、原子層沉積（ALD）腔室或模組、原子層蝕刻（ALE）腔室或模組、離子植入腔室或模組、軌道腔室或模組、及可與半導體晶圓之製造及/或生產有關或用於其中的任何其他半導體處理系統。

如上所述，依據待由機台執行之一個以上製程步驟，控制器可與下列一或多者通訊：其他機台電路或模組、其他機台元件、叢集機台、其他機台介面、相鄰機台、鄰近機台、遍及工廠的機台、主電腦、另一控制器、或將晶圓之容器帶往或帶離半導體製造工廠中的機台位置及/或裝載埠的用於材料傳送之機台。

10:基板處理系統 11:線圈驅動電路 12:RF源 13:調諧電路 14:脈衝電路 16:感應線圈 24:介電窗 28:處理腔室 30:基板支撐件（或台座） 32:底板 33:陶瓷板 34:基板 35:加熱器 36:熱阻層 38:冷卻系統 39:流體輸送系統 40:電漿 50:RF源 51:脈衝電路 52:偏壓匹配電路 56:氣體輸送系統 57:製程與惰性氣體源 58:氣體計量系統 59:歧管 63:氣體注入器 64:溫度控制器 65:排放系統 66:閥 67:泵 70:控制器 71:用戶介面（UI） 200:系統 202:介電窗 204-1,204-2:溫度感測器 208-1,208-2:線圈 209:線圈驅動電路 210:氣體注入器 250:系統 252:介電窗 254-1,254-2,254-3,254-4:溫度感測器 256:控制器 258-1,258-2:線圈 259:線圈驅動電路 260:氣體注入器 262-1,262-2:充氣部 264:流體輸送系統 266:用戶介面（UI）

本揭露內容將從實施方式章節及圖式得到更充分的理解，其中：

圖1顯示根據本揭露內容的基板處理系統的示例；

圖2顯示用於控制諸如介電窗之處理腔室的元件上的應力的系統；

圖3顯示根據本揭露內容的用於控制諸如介電窗的處理腔室的元件上的應力的系統；

圖4A-4C顯示根據本揭露內容的控制諸如介電窗之處理腔室的元件上的應力的方法；及

圖5顯示根據本揭露內容實現圖4A-4C的方法的例示。

在圖式中，參考符號可重複使用以辨識類似及/或相同的元件。

250:系統

252:介電窗

254-1,254-2,254-3,254-4:溫度感測器

256:控制器

258-1,258-2:線圈

259:線圈驅動電路

260:氣體注入器

262-1,262-2:充氣部

264:流體輸送系統

266:用戶介面(UI)

Claims (34)

1. 一種估計應力的系統，用於估計在製程期間處理腔室的一元件上的應力，該系統包含： 多個感測器，建構以在該製程期間於該元件的多個地點感測溫度；及 一控制器，建構以： 對該等溫度進行內插，以估計在整個該元件的溫度分佈；及 估計在該製程期間在該元件上的該應力。
2. 如請求項1所述之估計應力的系統，其中該控制器係更建構以控制該製程的一參數，以限制在該製程期間在該元件上的該應力。
3. 如請求項1所述之估計應力的系統，其中該控制器係更建構以： 將該應力與一預定數值比較；及 指示該應力何時大於或等於該預定數值。
4. 如請求項1所述之估計應力的系統，其中該控制器係建構以將該元件上的一個以上地點處的該應力加以估計為該元件上的該等地點的位置之函數。
5. 如請求項1所述之估計應力的系統，其中該控制器係建構以使用對該元件的熱輸入的一模型而基於該等溫度來估計溫度分佈。
6. 如請求項1所述之估計應力的系統，其中該控制器係建構以使用曲線擬合來估計溫度分佈。
7. 如請求項1所述之估計應力的系統，其中該控制器係建構以，藉由將該元件基於各別的熱負荷而劃分成多個熱區以及以該等熱負荷作為擬合參數而使用曲線擬合，估計溫度分佈。
8. 如請求項1所述之估計應力的系統，其中： 該元件係在該製程期間受到加熱及冷卻，且基於多個熱區的各別熱負荷可劃分成該多個熱區；且 該控制器係建構以使用以該等熱負荷作為擬合參數的曲線擬合來估計溫度分佈。
9. 如請求項8所述之估計應力的系統，其中該等熱區的數量係加熱和冷卻源之數量的函數。
10. 如請求項8所述之估計應力的系統，其中該等感測器的數量係與熱區的數量成比例。
11. 如請求項1所述之估計應力的系統，其中： 該元件係軸對稱的； 該等感測器係配置在該元件的半部分；及 該控制器係建構以使用在該元件的該半部分上所配置的該等感測器而估計在整個該元件上的該應力。
12. 如請求項1所述之估計應力的系統，其中該控制器係建構以使用具有基於該等感測器的數量所決定的維度之一矩陣而估計該應力。
13. 如請求項1所述之估計應力的系統，其中該元件係該處理腔室的一介電窗，該系統更包含： 一線圈，配置在該介電窗之上，以在該處理腔室之中生成電漿；及 一充氣部，配置在該介電窗之上，用以流動一冷卻劑。
14. 如請求項13所述之估計應力的系統，其中該控制器係建構以將該介電窗上的一個以上地點處的該應力加以估計為該介電窗的半徑的函數。
15. 如請求項13所述之估計應力的系統，其中該應力包含徑向應力及切向應力其中至少一者。
16. 如請求項13所述之估計應力的系統，更包含： 一線圈驅動電路，建構以驅動該線圈；及 一流體輸送系統，建構以將該冷卻劑供應至該充氣部， 其中，該控制器係建構以控制該線圈驅動電路及該流體輸送系統其中至少一者而在該製程期間限制該元件上的該應力。
17. 如請求項1所述之估計應力的系統，其中： 該控制器係建構以將該元件基於各別熱負荷而劃分成多個熱區，並對以下者決定一次： 基於該等溫度的一第一矩陣； 基於該第一矩陣的分解的一第二矩陣；及 基於估計該應力之該元件上的預設地點的一第三矩陣；及 該控制器係建構以在該製程期間週期性地重複以下者： 使用該等感測器而量測該等熱區各者的溫度； 使用該第二矩陣針對該等熱負荷決定一第四矩陣； 基於該第三及第四矩陣而計算應力積分；及 基於所計算的應力與一參考應力的比例，決定是否限制在該等預設地點任一者處的該元件上的該應力。
18. 一種估計應力的方法，估計在製程期間處理腔室的一元件上的應力，該方法包含： 在該製程期間於該元件的多個地點感測溫度； 對該等溫度進行內插，以估計在整個該元件的溫度分佈；及 估計在該製程期間在該元件上的該應力。
19. 如請求項18所述之估計應力的方法，更包含控制該製程的一參數，以限制在該製程期間在該元件上的該應力。
20. 如請求項18所述之估計應力的方法，更包含： 將該應力與一預定數值比較；及 指示該應力何時大於或等於該預定數值。
21. 如請求項18所述之估計應力的方法，更包含：將該元件上的一個以上地點處的該應力加以估計為該元件上的該等地點的位置之函數。
22. 如請求項18所述之估計應力的方法，更包含：使用對該元件的熱輸入的一模型而基於該等溫度來估計溫度分佈。
23. 如請求項18所述之估計應力的方法，更包含：使用曲線擬合來估計溫度分佈。
24. 如請求項18所述之估計應力的方法，更包含：藉由將該元件基於各別的熱負荷而劃分成多個熱區以及以該等熱負荷作為擬合參數而使用曲線擬合，估計溫度分佈。
25. 如請求項18所述之估計應力的方法，其中該元件係在該製程期間受到加熱及冷卻，該方法更包含： 基於多個熱區的各別熱負荷，將該元件劃分成該多個熱區；及 使用以該等熱負荷作為擬合參數的曲線擬合來估計溫度分佈。
26. 如請求項25所述之估計應力的方法，更包含：將該等熱區的數量選擇為加熱和冷卻源之數量的函數。
27. 如請求項25所述之估計應力的方法，更包含：將用於感測該等溫度的感測器的數量選擇為與熱區的數量成比例。
28. 如請求項18所述之估計應力的方法，其中該元件係軸對稱的，該方法更包含： 將用於感測該等溫度的感測器配置在該元件的半部分之上；及 使用在該元件的該半部分上所配置的該等感測器而估計在整個該元件上的該應力。
29. 如請求項18所述之估計應力的方法，更包含：使用具有基於用於感測該等溫度的感測器的數量所決定的維度之一矩陣而估計該應力。
30. 如請求項18所述之估計應力的方法，其中該元件係該處理腔室的一介電窗，該系統更包含： 配置一線圈在該介電窗之上，以在該處理腔室之中生成電漿；及 配置一充氣部在該介電窗之上，用以流動一冷卻劑。
31. 如請求項30所述之估計應力的方法，更包含將該介電窗上的一個以上地點處的該應力加以估計為該介電窗的半徑的函數。
32. 如請求項30所述之估計應力的方法，其中該應力包含徑向應力及切向應力其中至少一者。
33. 如請求項30所述之估計應力的方法，更包含：控制對該線圈的功率供應及對該充氣部的冷卻劑供應其中至少一者而在該製程期間限制該元件上的該應力。
34. 如請求項28所述之估計應力的方法，更包含： 將該元件基於各別熱負荷而劃分成多個熱區，並對以下者決定一次： 基於該等溫度的一第一矩陣； 基於該第一矩陣的分解的一第二矩陣；及 基於估計該應力之該元件上的預設地點的一第三矩陣；及 在該製程期間週期性地重複以下者： 量測該等熱區各者的溫度； 使用該第二矩陣針對該等熱負荷決定一第四矩陣； 基於該第三及第四矩陣而計算應力積分；及 基於所計算的應力與一參考應力的比例，決定是否限制在該等預設地點任一者處的該元件上的該應力。

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