TWI440086B - 將位於電容式耦合電漿反應器中的晶圓支撐件冷卻於一均勻溫度下之方法 - Google Patents

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Description

將位於電容式耦合電漿反應器中的晶圓支撐件冷卻於一均勻溫度下之方法
在電容式耦合電漿反應器中，解離控制已在很高的RF來源功率與很大的室壓範圍下提供寬廣的阻抗匹配空間而達成。如此寬的操作範圍部分歸因於上電極獨特的特徵，其中上電極藉由下列特點以固定之阻抗匹配短線匹配至RF電源。首先，電極電容以電漿-電極共振頻率匹配至電漿電抗。短線(stub)共振頻率、電漿-電極共振頻率和來源頻率幾乎相配於超高頻率(VHF)。利用一些特徵結構可得到均勻蝕刻整體晶圓的蝕刻率。除其他特徵外，此等特徵結構包括調整靜電吸座上之偏壓功率進點阻抗的裝置，其提供均勻放射的RF阻抗於整個吸座上，以做為RF偏壓功率施加器及用於上電極之VHF電源的RF回復器。調整裝置包括圍繞特定介電係數與長度之偏壓供應線的介電套管。另一特徵結構為用於陰極周圍的介電環處理套件，以對抗邊緣效應。其他進一步改善製程或蝕刻率分布均勻度的特徵結構包括雙氣體輸入區、上電極的彎曲部、及電漿操縱磁場。具有這些特徵結構的電漿反應器所提供之蝕刻率分布的均勻度將優於先前技術。
隨著電路特徵尺寸快速縮小，所需蝕刻率分布的均勻度亦隨之緊縮，以致晶圓上的溫度變化必須減至最低或消除；因而為滿足此迫切需求所構思的複雜製程條件將需要靈敏且精密的即時晶圓溫度曲線及/或RF加熱負載曲線。這些曲線變化必受到晶圓之最大溫度均勻度的影響。如何達成全部要求，又不會降低反應室所給予的高均勻度蝕刻率分布為目前所面臨的難題之一。再者，如此精確與靈敏的溫度控制需要正確地感測晶圓溫度。然而，晶圓附近的溫度探針會形成寄生RF場，導致進點阻抗介電套管和介電環處理套件的細微效力扭曲，因而喪失原本功能。缺乏控制所引起的不均勻晶圓溫度分布，若到了影響蝕刻劑的程度，最終可能會破壞其他的均勻環境。
習知用來調節晶圓支撐座或靜電吸座溫度的降溫系統是採用一冷卻系統，其透過個別的液態熱傳媒介使冷卻劑與靜電吸座間進行熱循環及熱傳，進而冷卻冷卻劑或冷卻媒介。冷卻劑可為去離子水與其他物質(例如乙二醇及/或全氟聚醚類)的混合物。此系統的問題之一在於，在高RF功率的情況下(高RF偏壓功率及/或高RF來源功率)，冷卻系統在提供RF功率之初至穩定前會引發晶圓溫度漂移(提高)。此溫度漂移(drift)有兩個階段。在短暫的初始階段中，初次施加RF功率時，靜電吸座為處於周遭溫度，因此當RF加熱負載緩緩加熱吸座時，引入的第一片晶圓的溫度將快速上升以達平衡。如此晶圓在製 程中將失控升溫。即使靜電吸座(ESC)已被RF加熱負載加熱，晶圓溫度仍持續緩慢上升直到達到平衡溫度。溫度會漂移表示晶圓溫度缺乏控制，且會惡化製程。此溫度漂移現象乃因傳統冷卻製程效力不足所致。
另一問題則是難以在二種不同溫度間快速轉變，原因有二。第一，提供ESC與冷卻劑之熱傳的熱傳流體具有熱傳時間，其會造成在冷卻循環開始形成溫度變化至晶圓實際感受到溫度變化之間有所延遲。第二，熱傳時間的延遲亦發生在ESC基底的冷卻部與ESC上的晶圓之間，延遲的時間長短取決於ESC材質的熱量與熱容。
最困難的問題之一在於，當高RF加熱負載施加於需透過冷卻之ESC快速傳遞熱量的晶圓上，而熱傳流體流經ESC的流道時，流體溫度會顯著改變，以致ESC的溫度分布不均勻(進而使晶圓的溫度分布不均勻)。對舊的設計規則而言(較大的半導體電路特徵尺寸)，晶圓蝕刻率的均勻度並不是那麼關鍵。然而，現今特徵尺寸已要求極均勻的ESC電場，其可利用上述特徵結構達成(如RF偏壓進點阻抗調整裝置、邊緣介電環處理套件)。近來電漿蝕刻製程條件所需的高RF加熱負載會引起整個晶圓溫度分布不均勻(因ESC中的熱傳流體會提供熱)，因而破壞晶圓蝕刻率分布的均勻度。若不限制施加至晶圓上的RF功率將無法避免此問題。但隨著蝕刻率分布均勻度的要求日益嚴苛，若為了滿足蝕刻率均勻度需求而減少RF功率，將使製程效果大打折扣，此為最不樂見的結 果。因此，需要一種在高RF加熱負載條件下移除晶圓熱量的方法，並且不會導致ESC或晶圓的溫度分布不均。
一種將熱傳出或傳入RF耦合式電漿反應器中的工作物件支撐件的方法，包括放置冷卻劑至工作物件支撐件中的內部流道、以及利用一冷卻迴路來循環冷卻劑，以將熱傳出或傳入冷卻劑，其中工作物件支撐件中的內部流道構成冷卻迴路的蒸發器。此方法更包括將蒸發器內冷卻劑的熱條件維持在一定範圍，其中工作物件支撐件與冷卻劑間的熱交換主要是透過冷卻劑的蒸發潛熱。
根據本發明之另一態樣，提出一種處理電漿反應器中的工作物件的方法，且電漿反應器具有一靜電吸座，用以支撐反應室內的工作物件；方法包括在壓力下提供導熱氣體至工作物件背面與靜電吸座頂面之間、控制靜電吸座的溫度、定義預定的工作物件溫度、測量目前的工作物件溫度或工作物件溫度相關的溫度、以及輸入測量溫度至代表靜電吸座的熱模式中。此方法更包括從熱模式判斷導熱氣體的壓力變化，用以至少減低測量溫度與預定溫度間的差異、以及根據熱模式所判斷的變化來改變導熱氣體的壓力。
參照第1圖，電漿反應器包括一反應室100，具有晶 圓支撐件(支撐陰極105)於反應室底部，用以支撐半導體晶圓110。半導體環115圍住晶圓110。半導體環115利用介電(石英)環120而支撐在接地之室體127上。反應室100上端被盤形上電極125包圍，其中上電極125藉由介電(石英)密封墊130而相距接地室體127上之晶圓110上方一預定間隙距離。RF產生器150提供RF電漿來源功率至電極125。產生器150的RF功率經由產生器150的共軸電纜162而耦接至電極125的共軸短線135。短線135具有與其長度相依的阻抗、共振頻率，且提供電極125與50歐姆(Ohm)之共軸電纜162或RF產生器150之50歐姆輸出端間的阻抗匹配。室體連接產生器150的RF回復器(RF地線)。從上電極125至RF地線的RF路徑受到半導體環115、介電環120和介電密封墊130之電容的影響。晶圓支撐陰極105、晶圓110和半導體環115提供了施加於電極125之RF功率主要的RF回復路徑。
當來源功率頻率、電漿-電極共振頻率和短線共振頻率幾乎相配時，可形成大的阻抗匹配空間。較佳地，三種頻率彼此為稍微偏移，其中來源功率頻率為162 MHz(最適合用於300毫米之晶圓)、電漿-電極共振頻率略低於162 MHz、短線共振頻率則略高於162 MHz，以達到去諧(de-tuning)效果，進而降低系統Q值。降低系統Q值 可使反應器性能較不受反應室內部條件的影響，且整個製程會變得較穩定、製程操作範圍較寬。
電極電容匹配至電漿負電容強度，而產生之電漿-電極共振頻率與來源功率頻率至少為幾乎相配。以典型的金屬與介電蝕刻製程條件為例(即電漿密度為109 -1012 離子數/cc、間隙為2英吋、電極直徑約為12英吋)，若來源功率頻率為超高頻率(VHF)，則可進行此匹配。
依此選擇電極125電容並匹配產生之電漿-電極共振頻率與來源功率頻率的好處之一為，接近來源功率頻率的電極與電漿共振造成了較寬的阻抗匹配及操作範圍，因而製程條件較不易變動且性能較穩定。匹配短線共振頻率與電漿-電極共振頻率可減少短線-電極介面的反射。整個製程系統不會對操作條件的變化(如電漿阻抗的偏移)太過敏感，因此具有較高的可靠度及較大的操作範圍。
根據另一實施態樣，藉著稍微偏移短線共振頻率、電漿-電極共振頻率和電漿來源功率頻率可降低系統Q值，而加大製程操作範圍。使用較高的VHF來源功率頻率亦可降低Q值。降低系統Q值可增加系統的阻抗匹配空間，故其性能不再容易受到電漿條件改變或製造容限偏差的影響。
調整偏壓電路以得均勻放射的電漿分布
繼續參照第1圖，工作物件支撐陰極105包括一支撐下絕緣層10的金屬底層5、一位於下絕緣層10上的導電網層15、以及一覆蓋導電網層15的薄、上絕緣層20。半導體工作物件或晶圓110置於上絕緣層20之上。RF偏壓功率耦接導電網層15，用以控制晶圓110表面的離子轟擊能量。導電網層15還可用來靜電吸住(chucking)及放開(de-chucking)晶圓110，此時導電網層15以熟知方式連接至吸壓源。導電網層15因此不需接地，且可依據傳統的吸住及放開操作而形成浮動電位或固定直流(DC)電位。金屬底層5一般為接地(但非必須)，並構成上電極125發射之VHF功率的部份回復路徑。
RF偏壓產生器40產生高頻(HF)帶(例如13.56 MHz)之功率。其RF偏壓阻抗匹配元件45透過延長的導體25(在此稱為RF導體)耦接至導電網層15，導體25延伸穿過工作物件支撐陰極105。RF導體25絕緣於接地導體，例如鋁底層5。RF導體25具有一頂端或偏壓功率供應點25a，其電氣接觸導電網層15。
第2圖為第1圖電路的示意圖，包括VHF上電極125、施加於工作物件支撐陰極105的RF偏壓、及陰極105的元件。第3圖為對應第1圖之晶圓110平面的上視圖， 具有虛線表示之RF導體25的供應點25a。工作物件支撐陰極105提供的RF回復路徑是由晶圓110平面的二個部分所組成，即放射狀核心部分30，置於供應點25a中央並向外延伸、和放射狀外環部分35。此二部分30、35提供不同的RF回復路徑，故二部分30、35對應上電極125發射之VHF功率有不同的阻抗。此差異會造成晶圓表面上對應VHF功率之阻抗的放射狀分布不均，因而導致工作物件表面附近的電漿離子密度的放射狀分布不均。
為解決上述問題，一圓柱形介電套管50(如第2圖所示)圍住RF導體25。套管50材料的軸長與介電常數決定了RF導體25相應VHF功率的供應點阻抗。在一實施例中，套管50的長度與介電常數乃選擇使VHF來源功率頻率(如162 MHz)下的供應點阻抗近乎為零。圍繞供應點25a之外環部份35相應162 MHz的阻抗幾乎為短路(主要是因為導電網層15的存在)。因此，套管50可使相應來源功率頻率的供應點阻抗更接近圍繞區域的阻抗。在此，圍繞供應點之區域的阻抗大小主要取決於導電網層15。藉此可得更均勻的放射狀阻抗分布，進而得到更均勻的VHF來源功率之電容耦合作用。
套管50可包括額外的特徵結構，以助於改善前述VHF功率寄存(deposition)、並同時解決另一問題，即改善例 如在13.56 MHz下RF導體25施加於晶圓110的RF偏壓功率所形成之電場的均勻度。其困難點在於如何調整VHF功率放射狀分布，以耦合電漿離子密度的最大均勻度，且同時調整晶圓表面上的HF偏壓功率電場分布，以獲得最大均勻度。
第4圖為放大對應的第1-3圖，其繪示套管50可分成三個部份：頂端區段52、中間區段54和底部區段56。套管頂端區段52的長度與介電常數可專門用來最佳化HF偏壓功率寄存，套管其他區段54、56則可藉由上電極來最佳化VHF來源功率寄存，而保留最佳化的HF偏壓功率寄存。
用於加強電漿均勻度的RF耦合環
中央較高的不均勻電漿分布可藉著選擇性增強上電極125電容耦合至工作物件邊緣附近的電漿來改善。第5圖為放大對應的第1圖，其中一環形RF耦合環放置在晶圓支撐陰極105上方並電氣接觸支撐陰極105的外緣。如第5圖所示，上絕緣層20被可移動之環狀物80包圍，其頂面80a共平面於晶圓110頂面。可移動之環狀物80可由製程相容之材料構成，例如矽。或者，可移動之金屬接地環85圍住可移動之環狀物80，其頂面85a共平面於可移動之環狀物80頂面。越過接地環85邊緣包圍 之晶圓支撐陰極105上方大體上為一平面，其面對上電極125底面。如此，上電極125與晶圓支撐陰極105所包圍之整個製程區域的電容耦合作用大體上是均勻的。為了克服反應器本質上中央即較高的不均勻電漿分布，可放置RF耦合環90至可移動之環狀物80和接地環85上方，以增強上電極125電容耦合至工作物件(晶圓110)外緣附近。RF耦合環90可為導體、半導體或介電質。若RF耦合環90為介電質，則利用介電材料來增強電容耦合至晶圓周圍附近的電漿。若RF耦合環90為導體，則其實際上會限縮電極至反電極(counterelectrode)的間距，因而增強晶圓100周圍附近的電容。因此，電極至反電極的間距在製程區域中皆為h1，除了RF耦合環90佔據的外圍外，其間距為h1減去耦合環90的高度h2。增強來源功率的電容耦合可提高邊緣的離子密度。離子密度從RF耦合環90向內增加，並且延伸越過晶圓110的周圍部分。是以晶圓110上的電漿離子密度中間分布不會那麼高，反而變得比較均勻，甚至是邊緣區域分布稍高。藉由適當選擇RF耦合環90的高度(厚度)h2可最佳化分布情形。
第6圖繪示第5圖反應器的變化例，其中第二RF耦合頂環95附加到上電極125底面周圍，且位於第一RF耦合環90之上。若環90、95的厚度(高度)各為h3，則電 極至反電極靠近晶圓周圍的距離為減去2×h3，而此區域的電容將如同第5圖的反應器為呈比例增加。
使用RF耦合環90與介電套管50可改善電漿離子密度分布的均勻度。其他不均勻的部分可由電漿引導磁場校正，電漿引導磁場受控於電漿分布控制器57(第1圖)，其控制驅動上頭線圈60、65的直流電源58、59。
另一用來加強晶圓110上之電漿製程均勻度的方法為將平坦的電極表面125a改為弧形的電極表面125b。其曲度可用來補償平坦電極表面125a上可能發生的不均勻之電漿離子密度放射狀分布。
高效率控溫裝置：
第7圖為第1圖晶圓支撐座(支撐陰極105)的放大圖，其繪示陰極105的內部結構。陰極105包含如第2及7圖所示之靜電吸座(ESC)，其中鋁底層5具有含入口201與出口202之流道200供相變化熱傳(PCHT)媒介之用。 內部流道200構成PCHT迴路的熱交換器，熱交換器200內設於ESC底層5。PCHT迴路可在二種模式下操作：冷卻模式(在此熱交換器200當作蒸發器)、和加熱模式(在此熱交換器200當作冷凝器)。PCHT迴路中的其他元件設於ESC陰極105外部，且沿PCHT媒介流動方向依序包括(從出口202算起)積聚器204、壓縮機206(用以透過 迴路抽吸PCHT媒介)、冷凝器208(用於冷卻模式)、以及具可變孔洞尺寸的擴張閥210，其皆為此領域所熟知的類型。將熱交換器200置於ESC底層5內的好處之一為先前技術中熱傳流體固有的延遲與損失性質可被排除。PCHT迴路(即熱交換器200、積聚器204、壓縮機206、冷凝器208、擴張閥210、和連接彼此的導管)包含傳統型式的PCHT媒介，以在冷卻模式時做為冷卻劑，並且具有低導電度以避免干擾反應器的RF特性。積聚器204因儲存液體，而可防止任一液態PCHT媒介進入壓縮機206。藉由適當操作分流閥214可將液體轉化成蒸氣。
為了解決製程的熱漂移問題，可操作PCHT迴路(熱交換器200、積聚器204、壓縮機206、冷凝器208、擴張閥210)來提高10倍以上的PCHT迴路效率，使熱交換器內的PCHT媒介分成液相與氣相。入口201處的液氣比為夠高，已足可降低其在出口202處的液氣比。如此ESC底層5與熱交換器200(蒸發器)之PCHT媒介(冷卻劑)間的所有熱傳(或幾乎全部)是透過PCHT媒介的蒸發潛熱。因此，PCHT迴路的熱流超過單相冷卻循環的熱流10倍之多。其達成方法可包括降低入口201至出口202的PCHT媒介之液氣比，至少使很少量的液體留在出口202上或前端。在冷卻模式下，PCHT迴路的冷卻容量不能超過晶圓的RF加熱負載。此確保方法之一為，提供之 PCHT迴路的最大冷卻容量約為最大預定加熱負載的兩倍。根據第1至7圖之反應器，PCHT迴路的最大冷卻率約為最大預定加熱負載的3-4倍。晶圓的加熱負載約為施加於晶圓之RF功率的30%。入口201處的液氣比約為40%至60%，而出口202處的液氣比約為10%。
雖然PCHT迴路的操作已以冷卻模式為例描述如上，但在預期提高ESC溫度的情況下(例如比單獨使用電漿加熱還要快速升溫)，其還可採用加熱模式。以加熱模式操作PCHT迴路時，分流閥212為打開讓部分PCHT媒介繞過壓縮機206和擴張閥210，使過熱的PCHT媒介流至熱交換器200。在此實施例中，熱交換器200乃當作冷凝器，而非蒸發器。在加熱模式下，可額外提供從冷凝器208之出口至壓縮機206之入口的分流管(未繪示)，以避免過度加熱壓縮機206。在加熱模式下，熱交換器200中的液氣比為0。
第8圖為熱交換器200內PCHT媒介之焓隨溫度變化的相圖。三相(液相、固相、氣相)之間的溫度-焓邊界(temperature-enthalpy boundary)為一液相-氣相圓頂216，其下表示PCHT媒介為液相與氣相共存。在圓頂216之焓值較低的一側，PCHT媒介為次冷卻(100%)液體，而在圓頂216之焓值較高的一側，PCHT媒介為過熱(100%)蒸氣。圓頂的頂點為三相點，在此三相PCHT媒介同時 存在。熟知此技藝者可選擇第7圖之PCHT迴路的控制參數(即壓縮機206設定的PCHT媒介流量、擴張閥210的孔洞大小、及分流閥212的開口尺寸，其將說明於下)，使熱交換器200內PCHT媒介的溫度與焓保持在第8圖相圖中的液相-氣相圓頂216內或下。熱交換器200內的壓力為維持一定，以提供固定的ESC底層溫度，如此當冷卻劑以完全水平的定壓線218a、218b(第8圖)流過熱交換器200時，溫度理論上不會改變。實施操作時，ESC的入口201與出口202間會有5℃以下的溫差，但此是可以忽略的。若蒸發器(熱交換器200)內的PCHT媒介吸收了ESC底層5的熱，則將增加其內能U，並提高其焓(其中焓等於U+PV，P、V分別代表蒸發器的壓力與體積)。為滿足上述全然(或近乎完全)透過蒸發潛熱來進行兩階段熱傳，PCHT媒介的焓與溫度座標必須落在第8圖的液相-氣相圓頂216內。故在定壓狀態下，PCHT媒介的焓與溫度座標會順著定壓線(如線218a)從低焓(第8圖標示的”入口”)進入熱交換器200，並從高焓(第8圖標示的”出口”)離開，且進、出的焓值均落在液相-氣相圓頂216內或邊界上。第8圖顯示在較低的冷卻溫度下可增加較多的焓(吸收熱)。
解決ESC與晶圓溫度分布不均的方法
維持第7圖蒸發器(熱交換器200)內的PCHT媒介(在此稱為”冷卻劑”)落在第8圖的液相-氣相圓頂內，以確保熱傳幾乎是透過蒸發潛熱，可解決在高RF加熱負載下晶圓溫度分布不均的問題。此乃因透過蒸發潛熱進行熱傳為一恆溫過程。PCHT迴路為冷卻模式時，蒸發器內的冷卻劑吸收熱之後，溫度並不會改變；反而是發生相變化(從液相變成氣相)。因此不論RF加熱負載至晶圓上的強度為何，所有在熱交換器200(ESC底層5中的流道)內的冷卻劑具有均一的溫度。如此，晶圓的溫度分布會像ESC的電場分布一樣均勻，因而即使在最大的RF加熱負載狀況下，仍可保持蝕刻率的均勻度，此均勻度是由前述最佳條件所達成(例如使用多個介電套管與邊緣介電環處理套件來調整RF偏壓進點阻抗)；此為迄今仍無法做到的特點。依此，第1至7圖之反應器適用於目前設計規則(小的特徵尺寸)及未來世代之設計規則(更微縮的特徵尺寸)的電漿製程；此為顯著的優點之一。加上前述透過蒸發潛熱可冷卻大量的熱，是以其熱流率約高於傳統透過冷卻劑質量進行(靈敏)熱傳之熱流率的10倍以上。
操作第7圖之反應器以透過蒸發潛熱進行熱傳的方法繪示於第9圖。此方法的第1步驟為維持蒸發器(熱交換器200)內的冷卻劑溫度與焓，使熱傳主要是透過冷卻劑的蒸發潛熱(或從蒸發潛熱扣除)，以增強或最佳化ESC 溫度放射狀分布的均勻度。此步驟繪示於第9圖的圖塊170。圖塊170的執行步驟包括限定擴張閥210的孔洞或開口為一定大小，以限制蒸發器內的冷卻劑溫度與焓落在第8圖之溫度-焓關係圖的液相-氣相圓頂216內(第9圖的圖塊171)。就特定的冷卻劑與冷卻劑流量而言，很容易決定出用來限制冷卻劑落在第8圖之液相-氣相圓頂216內的擴張閥尺寸，且可預先撰寫程式至控制整個系統的微處理器中。圖塊170的執行步驟還可包括在一定範圍內調節壓縮機與蒸發器間的分流閥212，使蒸發器(熱交換器200)內的冷卻劑保持在第8圖之液相-氣相圓頂216內(第9圖的圖塊172)。可同時調整分流閥212(第9圖的圖塊172)及擴張閥210(第9圖的圖塊171)，以達到預期結果。
完成圖塊170的步驟以透過蒸發器(熱交換器200)內的潛熱進行熱傳後，接下來為控制ESC的溫度(第9圖的圖塊173)。其執行步驟包括調節擴張閥210，使之範圍如圖塊170所建立的範圍，直到達成預定的ESC溫度(第9圖的圖塊174)。或者，ESC的溫度控制可藉由調節壓縮機與蒸發器間的分流閥212，使之範圍如圖塊172所建立的範圍。後者對應於第9圖的圖塊175。另外，亦可同時進行圖塊174、175的步驟來控制溫度。
操作實施例
雖然擴張閥210的可變孔洞大小主要是用來控制冷卻速度與晶圓溫度，但也可根據需求利用壓縮機與蒸發器間的分流閥212來進行其他溫度控制或加熱晶圓。使用壓縮機與積聚器間的分流閥214可確保積聚器204中的液相冷卻劑完全轉化成氣相。
藉由選擇適合的冷卻劑、壓縮機的流量及擴張閥的孔洞大小，可很快達成前述條件的需求；以下提出可進行兩階段冷卻步驟的實施例：
ESC入口溫度：-10℃至+50℃
ESC入口壓力：160-200磅/平方英寸(PSI)
ESC入口液氣比：40%-60%的液體
ESC入口/出口最大溫差：5℃
ESC入口/出口最大壓差：10 PSI
ESC出口液氣比：10%的液體
積聚器出口溫度：60℃至80℃
積聚器出口壓力：25-35 PSI
積聚器出口液氣比：100%的蒸氣
壓縮機流量：4加侖/分鐘
壓縮機出口壓力：260-270 PSI
壓縮機出口溫度：80℃至100℃
壓縮機出口液氣比：100%的蒸氣
冷凝器出口溫度：20℃至40℃
冷凝器出口壓力：250 PSI
冷凝器液氣比：100%的蒸氣
擴張閥出口液氣比：80%
部分蒸發會發生在擴張閥出口與ESC冷卻劑入口201之間，因此擴張閥210至ESC入口201的液氣比將由80%降為60%。雖然熱循環最好是在上述第8圖的液相-氣相圓頂216內進行，但本發明亦可超出此範圍實施。特別是，冷卻劑的液氣比在蒸發器出口202可近乎為0、或在蒸發器出口202正前端可近乎為0，如此會產生少量可察覺的加熱現象。在此實施例中，熱傳主要仍是透過蒸發潛熱進行，只有一小部分是透過察覺的加熱現象，故本發明之優勢仍在。
大範圍之溫度回饋控制迴路：
再次參照第1及7圖，在施加特定的RF加熱負載於晶圓110時，使用溫度回饋控制迴路可控制或維持晶圓溫度在預定範圍內，其中迴路控制擴張閥210及/或分流閥212，而最簡單的實施方式為僅控制擴張閥210。溫度探針感測實際溫度，其可為ESC絕緣層10中的溫度探針220、ESC底層5中的溫度探針221、ESC蒸發器入口201 處的溫度探針222或ESC蒸發器出口202處的溫度探針223、或其組合物。為達成此目的，回饋控制迴路處理器224控制擴張閥210的開口大小，以回應一或多個溫度探針的輸入值。處理器224設有使用者選定的預定溫度值，其儲存在記憶體或使用者介面225。簡言之，在每一回處理過程中，處理器224會比較探針(如ESC絕緣層中的溫度探針220)測得的目前溫度與預定溫度值。處理器224接著算出誤差值做為預定溫度值與測量溫度的差值，並依據誤差值決定出分流閥212或擴張閥210開口尺寸的修正量，以降低誤差。然後，處理器224根據此修正量來改變開口大小。在處理晶圓的整個過程中，重複上述流程以控制晶圓溫度。
靈敏的晶圓溫度回饋控制迴路：
傳統反應器是藉由冷卻靜電吸座或晶圓支撐座來冷卻晶圓，以避免晶圓因吸收RF功率而過熱。藉由注入導熱氣體(如氦氣)至晶圓110背面與ESC 105頂面之間，可提高晶圓110與冷卻之ESC 105彼此的導熱性；此乃此領域所熟知的技術。為達目的，氣體流道226形成在ESC絕緣層20頂面，而壓縮氦氣供應器228經由背面的氣體壓力閥229耦接至內部ESC氣體流道226。晶圓110利用箝位(clamp)電壓源128施加直流箝位電壓至電極網層 15而靜電夾在(clamped down)絕緣層20的頂面上。晶圓110與ESC絕緣層20間的導熱性取決於箝位電壓及晶圓背面上的導熱氣體(氦氣)壓力。本發明高靈敏度的(快速的)晶圓溫度控制是藉由改變背面氣體壓力(控制壓力閥229)來調節晶圓溫度至預定範圍。當背面氣體壓力改變時，晶圓110與ESC絕緣層20間的導熱性會隨之改變，因而改變了(a)晶圓吸收施加至電極網層15或耦接於電漿的RF功率後所產生的熱、和(b)晶圓傳至冷卻之ESC的熱，二者之間的平衡。要改變此平衡需改變晶圓溫度。因此，可採用控制背面氣體壓力的回饋控制迴路，以快速應答控制晶圓溫度。由晶圓溫度反應出背面氣體壓力變化的時間非常短(溫度改變至達到平衡為小於1秒)。經由比較，在一時片刻內(視ESC 105的熱量而定)，改變ESC底層或晶圓支撐座(陰極105)的溫度並不會導致晶圓達到新的平衡或穩態(提高或降低的晶圓溫度)。故使用背面氣體壓力的溫度調節系統具有靈敏的溫度控制，且可快速調整晶圓溫度。
第7圖繪示靈敏的溫度回饋控制系統，其中回饋控制迴路處理器230控制背面的氣體壓力閥229。一或多個ESC的溫度探針220、221、222或223可連接處理器230的輸入端。使用者介面或記憶體231提供使用者定義的溫度或預定溫度給處理器230。在每一回處理過程中， 處理器230算出誤差訊號做為目前溫度(由其中一個溫度探針220、221、222所測得)與預定溫度的差值。處理器230依據此差值決定出背面氣體壓力閥的設定修正量以降低溫度誤差，並根據修正量來改變閥的開口大小。例如，當晶圓溫度高於預定溫度時，需提高背面氣體壓力，以增加冷卻之ESC的導熱性，進而降低晶圓溫度。反之亦然。故實際上晶圓溫度是可以控制且立即設定為新的溫度範圍，其下限為ESC的冷卻溫度，上限則取決於晶圓上的RF加熱負載。例如，無RF加熱負載的情況不會提高晶圓溫度，而晶圓溫度不會被冷卻低於ESC的溫度。若溫度範圍夠廣，則任一習知技術均可用來維持ESC達到預定的冷卻溫度，以協助控制背面氣體壓力的靈敏之溫度回饋控制迴路。
溫度回饋控制雙迴路：
控制背面氣體壓力閥229的靈敏之溫度回饋控制迴路、和控制冷卻擴張閥210的大範圍之溫度回饋控制迴路可在主處理器232的控制下，一起被操作，其中主處理器232同時控制回饋控制迴路處理器224、230。
大範圍之溫度回饋控制迴路(含由蒸發器200、壓縮機206、冷凝器208和擴張閥210組成的PCHT迴路)藉由改變靜電吸座(支撐陰極105)的溫度而控制工作物件的 溫度。溫度範圍只受限於PCHT迴路的熱容量，因此可將工作物件溫度設定在非常大的範圍內(即-10℃至+150℃)。然工作物件溫度的改變速度受限於靜電吸座105的熱量。以支撐300毫米之工作物件或矽晶圓的靜電吸座為例，此改變速度很慢，以致冷卻單元開始改變冷卻劑的熱條件以符合新的溫度狀態、至工作物件溫度完全達到新溫度狀態，需耗時1分鐘以上，工作物件溫度才會改變10℃。
反之，為適當改變或修正工作物件溫度，靈敏之溫度回饋控制迴路將不改變靜電吸座的溫度(至少不直接改變)，而只改變工作物件與靜電吸座間的導熱性。由於工作物件溫度僅受限於背面氣體壓力變化的速度和工作物件的熱量，故其回應上述變化的速度非常快。在典型的系統中，背面氣體壓力回應壓力閥229動作的時間等級為秒。對典型的300毫米矽晶圓而言，因熱量很低，故晶圓(工作物件)溫度回應背面氣體壓力變化需時數秒或1秒以下。相對於大範圍溫度回饋控制迴路影響工作物件溫度變化的時間，靈敏之回饋控制迴路為即時應答工作物件的溫度。然而靈敏之回饋迴路可改變工作物件溫度的範圍非常有限：工作物件的最高溫受限於晶圓上的RF加熱負載量，而最低溫不能低於靜電吸座105當前的溫度。結合靈敏之回饋控制迴路及大範圍之溫度回饋控 制迴路可彌補彼此的不足，而可提供大範圍的工作物件溫度與快速的回應速度。
主處理器232可加以程式化，藉以使用大範圍溫度回饋控制迴路(處理器224)來產生大範圍的溫度變化，及使用靈敏之回饋控制迴路(處理器230)來產生快速且微小的溫度變化。第10圖繪示一實施例之晶圓溫度對應時間的曲線。實線表示長期的溫度變化，此時主處理器232利用具處理器224的大範圍溫度回饋控制迴路而產生緩慢但大規模的晶圓溫度變化。虛線表示溫度快速擾動，此時主處理器232利用具處理器230的靈敏之回饋控制迴路來產生快速且微小的溫度變化。
採用主處理器232的雙迴路控制幾乎可在ESC溫度緩緩達到新的預定溫度前，立即改變晶圓溫度至預定範圍，並且保持此溫度。參照第11A及11B圖。第11A圖的實線表示晶圓溫度隨時間的變化情形，其中晶圓溫度在時間t1時梯降至一低溫，且維持在此低溫；同時，PCHT迴路開始冷卻ESC，直到時間t2才達到此低溫(虛線)。靈敏之控制迴路處理器230可於時間t1時快速改變晶圓溫度並保持其溫度。靈敏之控制迴路處理器230接收新的預定晶圓溫度(時間t1的低溫)，且立刻回應、提高背面氣體壓力(第11B圖)，以於時間t1時梯降晶圓溫度至新的溫度。同時，ESC開始降溫以達時間t1時的新溫度 (或略低於此溫度)，處理器224則提高ESC的冷卻速度使ESC降溫。如此靈敏之控制迴路處理器230將被迫於時間t1後降低背面氣體壓力，以維持住預定的晶圓溫度，直到時間t2時ESC達到溫度，而背面氣體壓力在時間t2後為保持不變。
第12A及12B圖繪示當PCHT迴路緩慢調節新溫度時，ESC溫度如何延遲改變(使約50℃的ESC表面滯緩時間大於5秒)。第12A圖為溫度與時間的關係圖，而第12B圖為對應之背面氣體壓力與時間的關係圖。如第12A及12B圖所示，採用主處理器232的雙迴路控制可暫時保持晶圓溫度為初始溫度狀態(實線)；時間t1時，PCHT迴路開始緩慢但大規模改變ESC的溫度(第12A圖的虛線)。隨後，晶圓溫度梯降(step down)成ESC的新溫度。達成方法包括冷卻ESC、且於時間t1後持續降低背面氣體壓力。達到預定的ESC溫度後(時間t2)，靈敏之溫度控制迴路一次提高背面氣體壓力，藉以梯降晶圓溫度至ESC溫度。
多個溫度區： 大範圍溫度控制迴路：
ESC(支撐陰極)105可分成複數個放射狀區域，且不同的獨立回饋控制迴路可分別控制各區域的溫度。此特徵 結構的好處之一為，在處理晶圓110時，不同的放射狀區域可維持呈不同的溫度，如此可降低製程或蝕刻率分布的不均勻度。參照第13圖之實施例，ESC 105分成兩個控溫區，即放射狀內區234和放射狀外區236，且一獨立的控溫設備應用到各區234、236。在具有多個放射狀區域的實施例中，電極或ESC導電網層15較佳為分成複數個放射狀區域(例如同心的內區與外區15a、15b)。
鋁底層5的放射狀內區234具有含冷卻劑入口201a與冷卻劑出口202a的內區冷卻劑流道200a。內區冷卻劑流道200a構成內區PCHT迴路的內區蒸發器，蒸發器200a內設於ESC底層5的內區234。內區PCHT迴路的其他元件設於ESC陰極105外部，且沿冷卻劑流動方向依序包括(從冷卻劑出口202a算起)積聚器204a、壓縮機206a、冷凝器208a、以及具可變孔洞尺寸的擴張閥210a，其皆為此領域所熟知的類型。鋁底層5的放射狀外區236具有含冷卻劑入口201b與冷卻劑出口202b的外區冷卻劑流道200b。外區冷卻劑流道200b構成外區PCHT迴路的外區蒸發器，蒸發器200b內設於ESC底層5的外區236。外區PCHT迴路的其他元件設於ESC陰極105外部，且沿冷卻劑流動方向依序包括(從冷卻劑出口202b算起)積聚器204b、壓縮機206b、冷凝器208b、以及具可變孔洞尺寸的擴張閥210b，其皆為此領域所熟知的類 型。內區234的溫度由一或多個內區溫度探針感測：ESC絕緣層10之內區234中的溫度探針220a、ESC底層5之內區234中的溫度探針221a、ESC內區蒸發器入口201a處的溫度探針222a、或ESC內區蒸發器出口202a處的溫度探針223a。
內區回饋控制迴路處理器224a控制內區擴張閥210a的開口大小，以回應一或多個內區溫度探針的輸入值。內區處理器224a設有使用者選定的預定內區溫度值，其儲存在記憶體或使用者介面225a。在每一回處理過程中，內區處理器224a會比較至少一探針(如ESC絕緣層中的內區溫度探針220a)所測得的目前溫度與預定溫度值，藉以調節內區擴張閥210a的孔洞大小。外區回饋控制迴路處理器224b控制外區擴張閥210b的開口大小，以回應一或多個外區溫度探針的輸入值。外區處理器224b設有使用者選定的預定外區溫度值，其儲存在記憶體或使用者介面225b。在每一回處理過程中，外區處理器224b會比較至少一探針(如ESC絕緣層中的外區溫度探針220b)所測得的目前溫度與預定溫度值，藉以調節外區擴張閥210b的孔洞大小。
靈敏的溫度回饋控制迴路：
在溫度區234、236中，藉由注入導熱氣體(如氦氣)至 晶圓110背面與ESC 105頂面之間，可提高晶圓110與冷卻之ESC 105間的導熱性；此乃此領域所熟知的技術。在內溫度區234中，內區氣體流道226a形成在ESC絕緣層20頂面的內區234，而壓縮氦氣供應器228a經由背面的內區氣體壓力閥229a耦接至內區氣體流道226a。晶圓110利用箝位電壓源128a施加直流箝位電壓至電極網層15(即區15a、15b)而靜電夾在絕緣層20的頂面上。晶圓110與ESC絕緣層20間的導熱性取決於箝位電壓及晶圓背面上的導熱氣體(氦氣)壓力。高靈敏度的(快速的)晶圓溫度控制是藉由控制內溫度區234中的內區壓力閥229a以調節晶圓溫度至預定範圍。靈敏的內區回饋控制迴路處理器230a控制背面的內區氣體壓力閥229a。ESC內區234的一或多個內區溫度探針220a、221a、222a或223a可連接靈敏之內區處理器230a的輸入端。內區使用者介面或記憶體231a提供使用者定義的溫度或預定溫度給內區處理器230a。在每一回處理過程中，處理器230a感測誤差值做為目前溫度(溫度探針220a、221a、222a之一所測得)與預定溫度的差值，並依此改變內區氣體壓力閥229a的開口大小。
在外溫度區236中，外區氣體流道226b形成在ESC絕緣層20頂面的外區236，而壓縮氦氣供應器228b經由背面的外區氣體壓力閥229b耦接至外區氣體流道 226b。高靈敏度的(快速的)晶圓溫度控制是藉由控制外溫度區236中的外區壓力閥229b來調節晶圓溫度至預定範圍。靈敏的外區回饋控制迴路處理器230b控制背面的外區氣體壓力閥229b。ESC外區236的一或多個外區溫度探針220b、221b、222b或223b可連接靈敏之外區處理器230b的輸入端。外區使用者介面或記憶體231b提供使用者定義的溫度或預定溫度給外區處理器230b。在每一回處理過程中，處理器230b感測一誤差值做為目前溫度(由外區溫度探針220b、221b、222b之一所測得)與預定溫度的差值，並依此改變外區氣體壓力閥229b的開口大小。
結合上述第13圖之靈敏與大範圍的內、外區回饋控制迴路，可大範圍控制晶圓溫度的放射分布並快速回應之。
具有最小RF寄生或沒有RF寄生的溫度探針：
第14圖繪示裝設在第1圖反應器的溫度探針238之較佳實施例。溫度探針238由兩個部份組成，即上探針239，裝設於ESC 105、和下探針240，裝設於反應室下方用以支撐ESC 105的部分(即反應室主基底241)。上探針239放大顯示於第15圖，其處於高RF電位區(即圓盤或ESC絕緣層10、20內部)。上探針239固定插入ESC 105的長軸孔中，軸孔幾乎吻合上探針239大小，且上探針 239尖端非常靠近絕緣層20頂面(3毫米至3.5毫米以內)。探針239若夠接近晶圓110，則可減少或消除溫度測量的誤差。在製程進行時，ESC區域具有很高的電位，是以上探針239的電性將完全影響電漿處理晶圓的情形。上探針239因而包括RF兼容特性(compatibility feature)，用以減少或消除探針239對電場或RF阻抗分布的影響。RF兼容特性可確保探針239不會扭曲或擾亂已由第2至4圖之進點阻抗調整裝置及/或第5至6圖之介電環處理套件調整好的ESC電場或RF阻抗分布。上探針239的RF兼容特性包括探針239內完全沒有導電材料、探針為軸向定位以降低其對放射狀電場或RF阻抗分布的影響、以及其直徑符合反應室之電漿的Debeye長度等級。達成這些特性的方法包括採用非導電光學溫度換能器242(如磷光材料)，其黑體輻射光譜已知為溫度的函數。光學溫度換能器242耦接細軸上探針239內的細長光纖243。上探針239更包括不透明的圓柱形介電套管244，其圍住光纖243且較佳由摻雜玻璃的塑膠所構成。光學溫度換能器242被介電蓋罩245覆蓋，其材質較佳為與ESC絕緣層10、20的材料相同；在一較佳實施例中，材質為氮化鋁。如此可確保接觸光學溫度換能器242的材料溫度(如蓋罩245)同於待測材料的溫度(如直接接觸晶圓110的ESC絕緣層20)。
上探針239更包括架設板246，可移動固定至ESC底層5的底面。架設板246支撐具螺旋彈簧248的彈簧蓋247，彈簧248壓在彈簧蓋247的肩部245與固定於彈簧蓋247內部份探針套管244上的圓環249之間。當上探針239為插入ESC 105中，且壓在ESC的孔洞頂端時，壓縮螺旋彈簧248，使探針239尖端自我對準至孔洞頂端。
下探針240放大顯示於第16圖，其包括由不透明下圓柱形套管251圍繞的光纖250。由於下探針240位於接地之ESC導電底層5下方且處在高RF電場區域之外，因此其不需由非導電材料所組成。事實上，下圓柱形套管251的材料例如可為鋼。下探針240的頂端252緊密放在上探針239之架設板246的孔洞253內。下探針240更包括架設板254，可移動固定至反應室主基底241的底面。架設板254支撐具螺旋彈簧256的彈簧蓋255，彈簧256壓在彈簧蓋255的肩部257與固定於彈簧蓋255內部份下探針套管251上的圓環258之間。當下探針240為插入上探針架設板246的孔洞253中，且壓在孔洞253的頂端時，壓縮螺旋彈簧256，使下探針240尖端自我對準至孔洞253的頂端。完成自我對準的下探針240和上探針239繪示於第17圖，其中上探針光纖243與下探針光纖250的對端幾乎為完全對準。訊號調節電路將下 探針光纖250底端所接收的光線轉換成數位訊號供回饋控制迴路處理器使用。雖然第14圖繪示單一個溫度探針，其尖端靠近ESC 105頂面，然而其他相同的探針也可放置在ESC的下部，且與第一探針有相同的軸向位置。其他相同的探針還可放置在ESC不同方向的位置上，但與其餘的探針有相同的高度(軸向位置)。第13圖中不同溫度區234、236的溫度探針220a、220b可為上述第13至16圖中的任一類型，且以共軸高度放置在不同的方位。
儘管本發明特定實施例是使用不同的回饋控制迴路處理器，然其亦可採用單一個共用處理器來執行個別回饋控制迴路處理器的功能。同樣地，其他與不同控制迴路相關的資源(例如雙氦氣供應器228a、228b)也可採用單一個供應器或具個別控制介面的資源(例如使用單一個氦氣供應器和雙控制壓力閥229a、229b)。再者，若電極導電網層15為如前述分成內、外電極區15a、15b，則一共用的RF偏壓電源可用來供應不同大小的RF偏壓功率給內、外電極區15a、15b。或者，個別的RF偏壓功率產生器可分別提供不同大小的RF偏壓功率。
利用背面氣體壓力來升高工作物件的溫度
如上所述，大範圍溫度控制迴路是藉由調節靜電吸座 105的溫度來控制工作物件的溫度。其緩慢的回應速度可歸因於靜電吸座的熱量。傳統靜電吸座冷卻系統的另一問題為，其在晶圓達到預定溫度後避免溫度漂移的能力有限，以致開始處理工作物件時的溫度會漂移；此現象在反應器閒置一段時間後開始處理”第一片”晶圓時尤其明顯。此問題繪示於第18圖的曲線260，第18圖為電漿電源於時間t0開啟後，晶圓溫度與時間的典型關係圖。晶圓溫度與ESC溫度在開始時皆低於預定溫度，而冷卻之靜電吸座105的熱量會延緩晶圓溫度與晶圓上的RF加熱負載反應。如此晶圓溫度直到時間tb時才會達到預定溫度。延遲時間一般為數十秒至一分鐘、甚至更久。之後，因傳統靜電吸座冷卻設備有限的熱傳能力，而無法補償RF加熱負載所累積的熱量，導致在時間tb後，晶圓溫度仍持續升高或漂移超過預定溫度。此種失控的溫度變化會降低電漿製程的品質。
時間tb後溫度仍會漂移之問題(對應第18圖的曲線260)的解決方法為利用第7圖之具較佳效率的兩階段冷卻迴圈。如上所述，兩階段冷卻迴圈將蒸發器200設於靜電吸座105內以得到較快的回應速度。其主要更透過蒸發潛熱來進行蒸發器200的熱傳，因而可提高10倍以上的效率。增強效率的冷卻迴圈可防止晶圓溫度在達到預定溫度後仍繼續升高。改善過的晶圓溫度行為繪示於 第18圖的曲線262，其中晶圓溫度於時間t2達到預定溫度後即趨於平緩，隨後溫度僅些微或沒有漂移。然此解決方式仍造成晶圓溫度延遲達到預定值(時間t0至時間t2)。
晶圓溫度與預定溫度間之延遲現象(時間t0至時間t2)的解決方法為採用靈敏的回饋控制迴路處理器230。當開啟RF電源，且晶圓溫度為低於預定溫度時(時間t0)，伺服控制壓力閥229來減少(或關閉)背面氣體壓力，以降低晶圓-吸座的傳導性，進而降低靜電吸座105之熱量對晶圓110的冷卻作用。藉此，晶圓110被RF加熱負載快速加熱，而冷卻之吸座105僅有些微、甚至沒有作用；是以在時間t0時，溫度會如第18圖的曲線264般急速上升。如第18圖的曲線264所示，晶圓溫度在時間ta達到預定溫度，而時間t0與時間ta的差距非常小，僅為數秒或一秒以下。
晶圓達到預定溫度後，靈敏的控制迴路處理器230必須提高背面氣體壓力(藉由控制壓力閥229)，以增強靜電吸座105的冷卻作用，使晶圓在時間t0快速加熱時，溫度不會衝破預定溫度。為避免溫度漂移，可持續增加背面氣體壓力來維持預定溫度。背面氣體壓力的調整步驟必須正確且適時地進行。為達此目的，本發明一較佳實施例包括靜電吸座105的熱模式，用以模擬靜電吸座各 層在特定條件下的熱傳行為。如此可根據主要條件來預估維持預定晶圓溫度所需的最佳背面氣體壓力大小。第19圖為使用熱模式的控制程序。熱模式的一實施例將描述於下。主處理器232可加以程式化來反覆執行第19圖的步驟，以完成控制程序。
參照第19圖，此程序首先為輸入目前製程條件至熱模式中(圖塊270)。條件可包括晶圓上的RF加熱負載量(其可表示成整體施加RF功率的一部份)、蒸發器200上或附近的靜電吸座溫度、靜電吸座晶圓直流箝位電壓、和背面氣體壓力。接著從熱模式預估在目前製程條件下所形成的晶圓最後溫度或穩態溫度Tf(即第18圖中時間tb時的溫度)(圖塊271)。為達此目的，熱模式例如可產出一用來定義靜電吸座105溫度T沿軸向z之分布隨時間t變化的函數T(z,t)。或者，假如Tf不是預定溫度，則可修正初始條件，並重覆上述步驟，直到熱模式產生符合要求的預估值Tf。其次，熱模式找出背面氣體壓力(即壓力閥229的設定值)，以立即將晶圓溫度提升到預定的穩態溫度Tf(第19圖的圖塊272)。達成方法可包括改變輸入至模式的背面氣體壓力、及監測預定之晶圓穩態溫度的變化曲線，直到預估出預定溫度(此亦代表已判斷出最佳的背面氣體壓力值)。然後將背面氣體壓力設為最佳值(圖塊273)。若達成穩態(圖塊274)，則終止此程序。 否則，增加時間指標(圖塊275)，並返回進行圖塊272的步驟。
第20圖繪示晶圓110溫度對應時間的曲線276、靜電吸座105之頂面或絕緣層20對應時間的曲線277、及靜電吸座105之底面或底層5對應時間的曲線278。此外，曲線279表示達成曲線276之晶圓溫度變化所需的背面氣體壓力隨時間變化的情形。為便於比較，曲線280為背面氣體壓力未改變時的晶圓溫度變化情形，其中晶圓溫度需一段時間才達到預定的製程溫度。第20圖的曲線279顯示背面氣體壓力於點燃電漿時為急遽下降，同時晶圓溫度為急遽上升，且之後背面氣體壓力為緩慢增加，藉以補償曲線277中上升的靜電吸座105溫度。為得到第20圖的資料，可採用下列製程條件：施加100瓦的電漿RF來源功率(VHF)至上電極、施加4000瓦的電漿RF偏壓功率(HF)至ESC、反應室壓力為15托耳、ESC晶圓直流箝位電壓為400伏特、ESC蒸發器溫度為40℃、冷卻劑在最初500秒的流量為每分鐘3.75加侖。
第21圖繪示藉由提高背面氣體壓力(利用靈敏之控制迴路處理器230)來控制整個製程之晶圓溫度的方法。如此可保持晶圓溫度為固定的預定值，或符合使用者設定之製程條件所需的快速變化情形。第21圖的流程首先為定義出晶圓溫度在預定時間內的預定變化曲線(第21圖 的圖塊282)。從變化曲線決定出目前預定溫度(圖塊283a)，並輸入至熱模式(圖塊283b)。目前製程條件亦輸入至熱模式(圖塊284)，條件例如包括晶圓背面氣體壓力、目前晶圓溫度、晶圓上的RF加熱負載、ESC底層溫度、和靜電晶圓箝位電壓。熱模式接著取得晶圓背面氣體壓力的修正量，以將目前晶圓溫度改為使用者定義之變化情形的目前預定溫度(圖塊285a)。此修正量隨後應用到晶圓背面氣體壓力(圖塊285b)。將下一次取樣時間或處理週期加到目前時間值，且返回進行圖塊283a的步驟(圖塊287)。
以第21圖的方法使用背面氣體壓力與熱模式來控制晶圓溫度時，其溫度範圍介於不低於ESC蒸發器溫度的低溫與受限於晶圓上RF加熱負載的高溫之間。因此若使用者定義的溫度變化曲線超出此範圍，則搭配使用大範圍(冷卻)溫度控制迴路及靈敏之控制迴路處理器230。為此可同時執行圖塊285a、285b的步驟：利用熱模式取得ESC蒸發器(或底層)溫度的修正量，以將目前晶圓溫度改為使用者定義之變化情形的目前預定溫度(圖塊286a)。此修正量隨後例如藉由調節擴張閥210而應用到冷卻迴路(圖塊286b)。
使用熱模式的溫度控制雙迴路：
同時進行第21圖之圖塊285a、285b及圖塊286a、286b的步驟，可依溫度變化情形自動選擇最大效益的二控制迴路(處理器224控制的大範圍控制迴路、和處理器230控制的靈敏之控制迴路)。若預定溫度變化超出了靈敏之控制迴路的能力範圍，則可由大範圍溫度控制迴路主控。同樣地，若預定溫度的變化速度快到大範圍溫度控制迴路無法控制，則靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)可執行所需的溫度變化。
此概念繪示於第22A及22B圖。第22A圖為製程條件之一實施例所需之溫度與時間的關係圖。其包括緩慢但大規模的溫度變化(T1至T2)，且於Ta至Tb間有多次急遽的梯級變化。在頂端時(T3)，溫度變化是先沿著具負變速率的弧形，再順著另一具正變速率的弧形(在T4附近)。由於第21圖之圖塊285a、285b中控制背面氣體壓力的靈敏控制處理器230無法實行第22A圖中T1至T2的變化情形，因而由圖塊286a、286b的大範圍控制處理器224來實行這大範圍的變化。但大範圍控制處理器224不能實行第22A圖中Ta至Tb間的急遽梯級變化。故快速且微小的溫度變化是由圖塊285a、285b中靈敏的控制處理器230實行，此微小變化乃疊印(superimposed)在大範圍控制處理器224所實行的長期升溫上(T1至T2)。同樣地，緩慢變化的大範圍溫度控制迴路無法達成T3與 T4附近急遽變化的弧形路徑。靈敏之溫度控制迴路處理器230提供各弧形路徑所需的細微回應(第21圖的圖塊285a、285b)。如此對應於單一製程週期，若溫度變化是如同第22B圖在很短的時間內發生梯級變化，則靈敏之溫度控制處理器230可沿著第22A圖中預定溫度變化曲線的弧形路徑來產生梯級變化。一般而言，靈敏之控制處理器230實行第21圖之圖塊285a、285b所產生的微小變化是疊印在大範圍溫度控制處理器224實行第21圖之圖塊286a、286b所產生的長期溫度變化上。
第23圖為第7圖設備的變化例，其可執行第21圖的程序。在第23圖中，上述類型的熱模式288可用於第7圖的設備，且尤其可由下列任一處理器所存取：主控制處理器232、大範圍回饋控制迴路處理器224、及靈敏之回饋控制迴路處理器230。若靈敏之回饋控制迴路處理器230和大範圍回饋控制迴路處理器224皆要存取熱模式288，則處理器230、224較佳為透過主處理器232存取熱模式288，使主處理器232可依需求任意進行存取。熱模式輸入289接收對應目前製程條件的輸入值。根據輸入值，熱模式288將產生時間-空間-溫度分布的函數T(z,t)，用以預估穩態溫度或搜尋可達到預定溫度的控制設定。
當處理器230進行第19圖的程序時，其向模式288發 出模式輸入261的需求，以從T(z,t)得到電漿點燃一段時間後的穩態晶圓溫度，此穩態溫度定為預定溫度。另一方面，當處理器230進行第21圖的程序時，根據使用者定義之變化曲線而設定的目前預定溫度(如第22圖)為應用到模式輸入261。在任一情況下，處理器230從熱模式288之輸出263取得背面氣體壓力的修正量，以將晶圓溫度改變成預定溫度。處理器230的輸出265送出調整壓力閥229的指令。
第24圖為熱模式288之一實施例的略圖。此模式可分成對應晶圓110至蒸發器之熱路徑的各層。層290代表晶圓上的熱負載，其定義為熱流率。熱流率與施加至反應器的RF功率有關，熟知此技藝者可輕易判別之。後續各層被視為熱阻和熱容。熱阻為各層尺寸與其導熱性的函數。熱容為各層比熱、密度及尺寸的函數。層291被視為熱阻291a和熱容291b。層292表示晶圓110與ESC絕緣層20間的介面，且被視為可變熱阻292a(隨背面氣體壓力改變)和熱容292b。層293表示ESC絕緣層20，且被視為圓盤熱阻293a和熱容293b。層294表示絕緣層10與ESC底層5間的聯結或介面，且被視為熱阻294a和熱容294b。層295表示ESC底層5，且被視為基底熱阻295a和基底熱容295b。或者，模式288可將內部蒸發器200的冷卻動作視為散熱器296，其由熱流率所界 定。根據熟知此技藝者依測量數據事先建立的查表，可從擴張閥210的設定判定出此熱流率。
熱模式288必須設有主要的初始條件才能模擬ESC 105的熱傳情形。為此，模式288的輸入289將接收下列例如由控制處理器230提供的輸入值：背面氣體壓力(壓力閥229的設定)、ESC底層5的初始溫度、晶圓10或圓盤絕緣層20的初始溫度、當作晶圓RF加熱負載的熱源功率、及/或散熱器296的冷卻速度(功率)。
熱模式288接著可用來例如由處理器230詢問特殊資訊，如晶圓110之溫度隨時間的變化情形，以判斷或預估點燃電漿後的穩態溫度。此相應於第19圖的圖塊271。或者，熱模式288可用來搜尋最佳的背面氣體壓力(或壓力閥229設定)，以提高晶圓溫度至預定值。此相應於第19圖的圖塊272及/或第21圖的圖塊286。
或者，在完整版的熱模式288中，模式288在選定的時間內，可於每一段不連續的取樣時間t產出溫度沿z軸方向(即層291至層295的堆疊方向)的空間分布T(z)。此空間性溫度分布的收集對應為時間相關的空間性溫度分布T(z,t)。其時間變化定性繪示於第25圖，其顯示電漿點燃時晶圓之高溫區隨時間變化的過程，且隨著時間穩定朝向ESC底層5傳遞。熱模式對應不同的背面氣體壓力假設值可產生不同的溫度分布T(z,t)。使用如此完整 的資訊，無論是熱模式288、或是控制處理器230均可從不同之背面氣體壓力設定所得之溫度分布T(z,t)來找出理想的背面氣體壓力設定，用以提供晶圓或其他特定位置的穩態溫度。
第24圖的模式已參考採用熱傳公式的總電熱技術(lumped element technique)加以說明，其中各層的熱特性是從各層的尺寸與熱性質推斷而得。但熱回應則從一連串的查表推演而得，查表乃憑經驗從先前測量數據建立而成，用以定義出各層的回應(如各層的溫差)與時間和熱流率的關係。查表代表第26圖描繪的三維表面，其存在於三個垂直軸所定義的空間中，而垂直軸分別對應熱流率、時間和各層溫差。因此，一或多個查表或第26圖之表面型態可描繪出各層特性。然而，熱回應隨使用者控制之外部參數改變的層(例如熱阻可由背面氣體壓力控制的晶圓-ESC介面層292)比較複雜。特別是，每一組可能的外部參數設定會產生不同的查表或第26圖之表面型態。如第27圖所示，兩個表面或查表代表兩組壓力閥229控制之背面氣體壓力可能的設定。許多查表則代表一系列背面氣體壓力的熱行為。熟知此技藝者可輕易從測量數據得知特定反應器設計的查表。
參照第23圖，第24圖的熱模式288可搭配第13圖之具多個溫度區的反應器使用；如上述，背面氣體壓力為 各自控制與維持，而各區的冷卻劑蒸發器分別設有溫度感測器。若第24圖的熱模式288結合第13圖的多區反應器，則模式288可包括複數個熱模式288-1、288-2等，用以模擬靜電吸座105各溫度區的熱行為。各溫度區的靈敏之回饋溫度控制處理器與大範圍之回饋溫度控制處理器各自以上述第7圖之單一溫度區反應器的方式來使用各模式。故第19及21圖的處理器為個別且獨立應用至第13圖的每一個溫度區，各區的製程分別採用對應的熱模式288-1、288-2等。
前送(feed forward)溫度控制來補償預定的RF加熱負載變化：
某些電漿製程條件可能需要改變晶圓上的RF加熱負載來達到各步驟的不同效果，並且不改變晶圓溫度。然靜電吸座的熱量會延遲冷卻系統之溫度變化或冷卻速度對晶圓溫度的影響(例如1-2分鐘)。由於大範圍溫度控制迴路(使用蒸發器200)的回應很慢，導致其無法在晶圓溫度達到穩定前使晶圓溫度有效漂移來補償RF加熱負載劇烈的變化。另一方面，視初始RF加熱負載和ESC底層溫度而定，利用背面氣體壓力閥229來快速控制溫度的方法(如靈敏之溫度控制迴路)可能不能補償變化很大的RF加熱負載。特別是，當ESC底層溫度太高或初始 RF加熱負載太大時，僅控制背面氣體壓力閥229(“靈敏的溫度控制”)不足以補償急遽增加的RF加熱負載。反之，當ESC底層溫度太低或初始RF加熱負載太小時，靈敏的溫度控制不足以補償急遽減少的RF加熱負載。
根據本發明之一態樣，解決上述問題的方法包括(在熱模式288中)分析下一次RF加熱負載預定改變的時間與強度。熱模式288產出ESC底層溫度的修正量，用以補償RF加熱負載的變化，並保持一定的晶圓溫度。熱模式288預估溫度修正量從ESC 105傳導至晶圓110所需的時間。溫度控制處理器230根據預估的傳導時間事先改變ESC底層溫度，使ESC底層溫度在RF功率/RF加熱負載發生變化時即達晶圓溫度。
前送流程繪示於第28A圖，其大部份乃由大範圍之控制迴路及控制處理器230執行。首先，熱模式288設有目前製程條件，例如RF功率(RF加熱負載)、晶圓溫度、ESC底層溫度、背面氣體壓力等(第28A圖的圖塊300)。當目前電漿製程條件稍後需改變RF功率時，RF功率變化的時間與強度為輸入至熱模式288(第28A圖的圖塊301)。熱模式288接著模擬預定之RF功率變化對晶圓溫度的影響。然後搜尋熱模式288、找出可精確補償預定之RF功率變化的ESC底層溫度變化。達成方法包括改變熱模式288輸入289的ESC底層溫度，且監視此改變 對熱模式288所模擬之晶圓溫度的影響。選擇最適合補償RF加熱負載變化的ESC底層溫度變化(第28A圖的圖塊302)。另外，熱模式288可算出ESC底層5之溫度變化傳遞至晶圓110所需的時間(第28A圖的圖塊303)。其次，在預定之RF功率變化前先補償ESC底層溫度變化，提早的時間為補償之ESC底層溫度變化從底層傳導至晶圓所需的時間(第28A圖的圖塊304)。提早時間的步驟也可在圖塊302的模擬步驟進行。為控制在補償之ESC底層溫度變化從ESC底層5傳遞至晶圓110時的晶圓溫度漂移現象，靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)乃維持一定的晶圓溫度(第28A圖的圖塊305)。若補償之底層溫度變化造成ESC底層溫度在預定之RF功率變化前先行降低，則大範圍之溫度控制處理器224將自動降低背面氣體壓力，以減少晶圓的熱傳，並維持晶圓溫度不變。
由於在預定之RF功率變化前，已提早底層傳遞至晶圓所需的時間來補償ESC底層溫度的修正量(圖塊304)，因此靈敏之溫度控制處理器230可監控溫度漂移的情形，並仔細修正ESC底層溫度的變化。藉由反覆執行第28B圖的修正程序可改善效能。修正程序可包括同時監控多個沿z軸等距排列於ESC 105內的溫度感測器(如第7圖的溫度感測器220、221)，然此步驟亦可採用沿二軸 向等距排列的感測器。從這些即時的測量數據可推論出即時的溫度分布情形T(z)(第28B圖的圖塊306)。即時的溫度分布情形為輸入至熱模式288(第28B圖的圖塊307)。將圖塊307的即時溫度分布情形當作最新的”初始”條件，使熱模式288產生最新的時間相關之溫度分布情形T(z,t)。藉此，熱模式288可預估晶圓溫度在預定之RF功率變化時(tc)的行為(第28B圖的圖塊309)。根據這些結果來比較預估時間tc時之晶圓溫度(或平均值)和初始之晶圓溫度(第28B圖的圖塊310)，以判斷先前的修正動作是否過度修正時間tc時之晶圓溫度或不足。若修正不足(圖塊311)，則大範圍溫度控制迴路會減少補償ESC底層5的溫度變化；若修正過度(圖塊312)，則增加補償溫度變化。隨後，將時間值增加一處理週期(圖塊313)。到達時間tc時(RF功率預定變化的時間)(圖塊314的”是”分支)，則終止前送程序，且返回正常的溫度控制步驟(圖塊315)。否則進行圖塊314的”否”分支，使流程回到圖塊306的步驟。
第29圖為溫度分布與時間的關係圖，其中第28A及28B圖的前送程序藉由降低時間t0時的ESC底層溫度而回應時間tc時預定梯級上升的RF功率。在後續的時段中(t1、t2、t3等)，溫度沿著z軸朝晶圓面梯降傳導。時間tc時晶圓面達到最大的降溫，故此較佳實施例的修正 不會過度或不足。第30A至30C圖的時序圖同時表示修正過度或不足的影響。第30A圖繪示施加的RF功率為時間的函數，且在時間tc時，功率為梯級上升。第30B圖繪示晶圓溫度隨時間變化的情形，且ESC底層溫度太晚梯降或溫度變化不足。在上述任一實施例中，晶圓溫度在時間tc時開始上升超過預定溫度，且在明顯的漂移後才又回到預定溫度。第30C圖繪示晶圓溫度隨時間變化的情形，且ESC底層溫度太早梯降或溫度變化過大。在此實施例中，晶圓溫度在時間tc時開始下降，且在明顯的漂移後才又回到預定溫度。在一較佳實施例中，在RF功率於時間tc梯級上升時、之前或之後，晶圓溫度均保持不變。
控制溫度變化曲線的前送程序：
某些電漿製程條件可能需要改變電漿製程進行時的晶圓溫度來達到各步驟的不同效果。晶圓溫度改變時，製程條件可能會(或不會)維持晶圓上的加熱負載。然靜電吸座的熱量會延遲冷卻系統之溫度變化或冷卻速度對晶圓溫度的影響(例如1-2分鐘)。因大範圍溫度控制迴路(使用蒸發器200)的回應很慢，故其無法快速改變晶圓溫度來符合製程條件需求。另一方面，視初始RF加熱負載和ESC底層溫度而定，靈敏之溫度控制迴路(壓力閥 229、處理器230)可能不能大範圍改變晶圓溫度來符合製程條件需求。特別是，當ESC底層溫度太高或初始RF加熱負載太大時，靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)將無法大幅降低製程條件所需的晶圓溫度。反之，當ESC底層溫度太低或初始RF加熱負載太小時，靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)將無法大幅提高製程條件所需的晶圓溫度。
根據本發明之一態樣，解決上述問題的方法包括(在熱模式288中)分析製程條件所需之下一次晶圓溫度變化的時間與強度。若溫度變化超出了靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)(背面氣體壓力控制)的能力範圍，則可由大範圍控制迴路(處理器230、擴張閥210)(冷卻控制)來達成預定的溫度變化。在此實施例中，熱模式288產出ESC底層溫度的修正量，用以形成預定的溫度變化。熱模式288預估溫度修正量從ESC 105傳導至晶圓110所需的時間。溫度控制處理器224根據預估的傳導時間事先改變ESC底層溫度，使ESC底層溫度在晶圓溫度預定發生變化時即達晶圓面。恰在此之前，靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)(使用背面氣體壓力)維持住晶圓溫度，直到晶圓溫度預定改變。
若靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)(使用背面氣體壓力)本身即可造成預定的晶圓溫度變化，則靈 敏之控制迴路(壓力閥229、處理器230)用來在預定時間內產生預定的變化；在此，大範圍控制迴路(處理器230、擴張閥210)可維持或改變ESC溫度，以預備改變晶圓溫度。
前送程序繪示於第31A、、31B及31C圖的流程圖(以下合稱為第31圖)，其可由第7圖使用第24-26圖之熱模式的處理器230執行。首先，時間t0設為製程起始時間(第31圖的圖塊320)。開始電漿處理晶圓、且將初始製程條件參數(反應室壓力、來源與偏壓功率、晶圓溫度等)設於反應室後，檢視製程條件以找出下一次預定的晶圓溫度變化及預定改變的時間t1(第31圖的圖塊322)。判斷靈敏之控制迴路(壓力閥229、處理器230)是否能形成預定的晶圓溫度變化(圖塊324)。判斷方法包括判定當溫度提高時，晶圓上的RF加熱負載是否夠大(圖塊324a)、或判定當溫度下降時，ESC溫度是否夠低(圖塊324b)。若預定溫度變化超出了靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)的能力範圍(圖塊324a、324b的”否”分支)，則可使用大範圍控制迴路(處理器224、擴張閥210)。首先，從熱模式288產出ESC底層溫度的修正量，用以形成預定的晶圓溫度變化(圖塊326)。此修正量始於足以產生預定溫度變化之時(藉由伺服控制擴張閥210)，以在預定時間t1內從ESC 105傳遞到晶圓(圖塊 328)。同時在時間t1前，靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)保持晶圓溫度為初始溫度(圖塊330)。為達此目的，靈敏之溫度控制處理器230伺服控制背面氣體壓力閥229來改變晶圓至ESC介面的導熱性，進而補償ESC溫度變化。時間t1時，靈敏之控制迴路處理器230使晶圓溫度隨ESC溫度變化，因而產生預定的晶圓溫度變化(圖塊332)。增加目前時間值使之大於t1(圖塊334)，並返回進行圖塊322的步驟。
再次參照圖塊324，若靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)能產生預定的晶圓溫度變化(圖塊324a、324b的”是”分支)，則進行圖塊336的步驟，其中靈敏之溫度控制處理器230一直到時間t1時才藉由伺服控制擴張閥210來產生預定的晶圓溫度變化。而在時間t1之前為進行一先行(look-ahead)步驟(圖塊338)，其主要目的為適時預備晶圓溫度大幅改變時的ESC溫度，使ESC 105延遲導熱。此步驟可減少(或消除)ESC溫度變化未及時滿足預定之大範圍晶圓溫度變化的可能性，以延遲ESC蒸發器200傳熱至晶圓110。在第31B圖之圖塊338的先行步驟中，掃瞄時間t1以外的製程條件，以找出下一次的晶圓溫度變化及預定改變的時間t2。判斷靈敏之控制迴路(壓力閥229、處理器230)是否能形成下一次的溫度變化。判斷方法包括判定當溫度提高時，晶圓 上的RF加熱負載是否夠大(圖塊338a)、或判定當溫度下降時，ESC溫度是否夠低(圖塊338b)。若靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)能產生預定的晶圓溫度變化(圖塊338a、338b的”是”分支)，則藉由伺服控制背面氣體壓力閥229來產生預定的晶圓溫度變化(圖塊339)。增加目前時間值使之大於t1(圖塊340)，並返回進行圖塊322的步驟。若靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)不能產生預定的晶圓溫度變化(圖塊338的”否”分支)，則須由大範圍控制迴路(供應器228、擴張閥210、熱交換器200等)來改變ESC溫度，以形成預定的溫度變化。為達此目的，熱模式288決定出將產生預定晶圓溫度變化之ESC底層溫度的修正量(圖塊342)，此修正量是在目前時間或稍後足以延遲ESC 105導熱之時藉由伺服控制擴張閥210而得(圖塊344)，以在預定時間t2內達成預定變化。期間，靈敏之溫度控制處理器230為用來調節晶圓溫度(第31C圖的圖塊346)，調節方法如下。目前時間至時間t1時，依需求改變背面氣體壓力，以於ESC溫度改變時，晶圓溫度仍維持不變(圖塊346a)。時間t1時，梯級改變背面氣體壓力，使晶圓溫度依時間t1之製程條件預定的方式變化(圖塊346b)。時間t1至時間t2時，改變背面氣體壓力來補償ESC溫度變化，並保持晶圓溫度恆為新的溫度(圖塊346c)。時間t2 時，靈敏之溫度控制處理器230停止其作用，且維持一定的晶圓溫度，以依時間t2預定之變化來利用新的ESC溫度改變晶圓溫度(藉由增加背面氣體壓力來提高導熱性)(圖塊346d)。接著，增加目前時間值使之大於t2(圖塊348)，並返回進行圖塊322的步驟。反覆進行上述流程直到完成製程條件。
在第31圖的程序中，依據製程條件相繼設定的溫度變化，圖塊324將判斷靈敏之控制迴路(壓力閥229、處理器230)(使用背面氣體壓力)是否能如上述獨自形成預定的晶圓溫度變化。若答案一直為”是”(至少多次連續的溫度變化為”是”)，則ESC底層溫度可視為固定，只有背面氣體壓力閥229為連續改變。此相應於反覆執行第31圖的”是”分支圖塊324a或324b。其結果繪示於第32A及32B圖，其中如第32A圖的虛線所示，ESC底層溫度乃維持不變(例如固定設定第7圖之擴張閥210)，而背面氣體壓力為伺服控制(第32B圖)，以順應製程條件相繼設定的溫度變化。對應之晶圓溫度變化(第32A圖的實線)與背面氣體壓力變化(第32B圖)相反；一般而言，ESC當作RF加熱負載的散熱器。但假使晶圓溫度太高或RF加熱負載太小，則ESC 105當作熱源。第32A及32B圖相當於本發明之簡單實施例，其中ESC底層溫度為固定不變，晶圓背面氣體壓力則依製程條件需求改變。此實 施例可應用到任一耦接ESC 105的冷卻裝置，例如本發明第7圖之恆溫冷卻迴路、或習知冷卻設備。
第33A及33B圖繪示底層與晶圓溫度、及背面氣體壓力隨時間變化的情形，其中圖塊324判定靈敏之控制迴路(壓力閥229、處理器230)不能產生預定的晶圓溫度變化。在此實施例中，大範圍控制迴路(供應器228、擴張閥210、熱交換器200等)在圖塊328預定產生變化前，先改變ESC底層溫度。藉以如第33A圖之虛線般來改變ESC底層溫度(即晶圓溫度預定改變前先降低底層溫度)。同時，在圖塊330的步驟中，靈敏之控制迴路(壓力閥229、處理器230)在預定改變的時間前為維持一定的晶圓溫度(第33A圖的實線)。如第33B圖所示，此可藉由改變(降低)背面氣體壓力而補償ESC底層溫度變化。改變的同時，背面氣體壓力為梯級上升，使晶圓順應最新的ESC溫度變化。
第34A及34B圖繪示第31圖中圖塊338-346之先行迴路的操作情形。時間t0時，圖塊338判定，即使靈敏之控制迴路可形成時間t1時的預定晶圓溫度變化，其仍無法產生時間t2時的預定溫度變化。因此，第7圖之大範圍控制迴路(供應器228、擴張閥210、熱交換器200等)是用來產生預定的晶圓溫度變化。再者，在此實施例中，預定的ESC底層溫度變化必須立即發生，以於時間t2 前完全傳遞到晶圓。故時間t0時會改變擴張閥210的位置，使ESC溫度開始產生變化(例如降溫)，如第34A圖的虛線所示。第34A圖顯示靠近晶圓的ESC溫度恰在時間t2前達到預定溫度，此溫度並視為新的溫度。根據第31圖的圖塊346a，時間t0至時間t1時，背面氣體壓力(第34B圖)會下降以保持晶圓溫度不變。根據第31圖的圖塊346b，時間t0時，背面氣體壓力為梯級改變以形成時間t1時的預定晶圓溫度變化。根據第31圖的圖塊346c，時間t1至時間t2時，藉由改變背面氣體壓力來補償ESC溫度變化對晶圓的作用，以維持晶圓溫度為新的溫度。最後，在時間t2時，背面氣體壓力為恢復成高導熱效果，使新的ESC溫度能產生時間t2時的預定晶圓溫度變化。
同時使用靈敏之溫度控制迴路與大範圍之溫度控制迴路來控制前送溫度，以補償預定的RF加熱負載變化：
雖然上述第31圖是用來產生預定的晶圓溫度變化，但其亦可應用於抵消預定的晶圓上RF加熱負載變化。此程序將參照第35圖說明於下。首先，圖塊420為將時間t0設為製程起始時間。接著圖塊422從製程條件的溫度曲線中找出下一次預定的晶圓上RF加熱負載變化及預定改變的時間t1。在圖塊424中，判斷靈敏之控制迴路(壓力閥229、處理器230)是否能抵消RF加熱負載變化，以 維持一定的晶圓溫度。判斷方法包括判定當RF加熱負載增加時，ESC底層溫度是否夠低(圖塊424a)、以及判定當RF加熱負載減少時，目前RF加熱負載是否夠高或RF加熱負載變化是否夠大(圖塊424b)。
若靈敏之溫度控制迴路被判定不能滿足RF加熱負載變化(圖塊424a或424b的”否”分支)，則必須採用控制ESC溫度的大範圍控制迴路(處理器224、擴張閥210、熱交換器200等)。因此下一步驟為從熱模式288產出ESC底層溫度的修正量，用以抵消RF加熱負載變化，並保持晶圓溫度不變(圖塊426)。藉由控制冷卻迴路擴張閥210可修正ESC底層溫度，使溫度變化在預定改變的時間t1內適時傳遞到晶圓(圖塊428)。同時在時間t1前，靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)在ESC溫度改變時仍保持晶圓溫度為初始溫度(圖塊430)。
時間t1時(RF加熱負載預定發生變化)，靈敏之控制迴路處理器230改變ESC溫度，而抵消RF加熱負載變化(圖塊432)。增加目前時間值使之大於t1(圖塊434)，並返回進行圖塊422的步驟。
若圖塊424判斷靈敏之控制迴路(壓力閥229、處理器230)能滿足RF加熱負載變化(圖塊438a或438b的”是”分支)，則於時間t1時，靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)藉由改變背面氣體壓力來產生RF加熱 負載變化(圖塊436)。同時在時間t1前，此程序考慮了製程條件中RF功率隨時間變化的情形，而得到下一次預定的RF加熱負載變化及預定改變的時間t2，並且判斷靈敏之控制迴路(壓力閥229、處理器230)是否能抵消下一次的RF加熱負載變化。判斷方法與圖塊424的方法相同。若判定結果為是(圖塊438的”是”分支)，則不需進行任何步驟；增加目前時間值使之大於t1(圖塊440)，並返回進行圖塊422的步驟。
反之，若若靈敏之控制迴路被判定不能滿足預定時間t2時的RF加熱負載變化(圖塊438的”否”分支)，則必須採用控制ESC溫度的大範圍之溫度控制迴路。因此下一步驟為從熱模式288產出ESC底層溫度的修正量，用以抵消下一次的RF加熱負載變化(即預定在時間t2時的變化)，並保持晶圓溫度不變(圖塊442)。大範圍控制迴路(處理器224、擴張閥210、熱交換器200等)修正ESC底層溫度，使溫度變化在下一次晶圓溫度預定改變的時間內(t2)適時傳遞到晶圓(圖塊444)。期間，靈敏之溫度控制迴路(壓力閥229、處理器230)調節晶圓溫度以回應ESC溫度變化(圖塊446)。其調節方法如下：時間t1之前，維持一定的晶圓溫度(即改變背面氣體壓力來補償ESC溫度變化)(圖塊446a)；時間t1時，補償RF加熱負載預定在時間t1時的變化(即梯級改變背面氣體壓力)(圖塊 446b)；時間t1至時間t2時，維持一定的晶圓溫度(即改變背面氣體壓力來補償ESC溫度變化)(圖塊446c)；時間t2時，利用ESC溫度變化來抵消RF加熱負載預定在時間t2時的變化(即藉由增加背面氣體壓力來提高晶圓與ESC間的導熱性)(圖塊446d)。然後，增加目前時間值使之大於t2(圖塊448)，並返回進行圖塊422的步驟。
同時控制預定的RF加熱負載變化及晶圓溫度變化：
某些應用同時需要特定的晶圓溫度隨時間的變化情形(例如第32A圖中的實線)及複雜的RF功率(或晶圓加熱負載)隨時間的變化情形(其改變方式可能完全不同於溫度改變的方式)。換言之，當調節預定的RF加熱負載變化時，需採用複雜的晶圓溫度時序圖。達成方法包括使用主處理器來調停或疊印(superimpose)二前送迴路發送到大範圍控制迴路處理器224(控制第7圖的擴張閥210)及靈敏之控制迴路處理器230(控制第7圖的背面氣體壓力閥229)中不同的控制指令，以同時操作第28A-28B圖的RF加熱負載前送迴路和第31圖的溫度變化前送迴路。其結合方式將參照第36圖說明於下。
第36圖為根據主處理器232發送之反應器溫度測量資料來同時使用第28及31圖的前送處理器。在第36圖中，RF加熱負載前送處理器350(對應第28圖)設有製程 條件所需之RF功率或加熱負載變化的時程351。溫度變化前送處理器352(對應第31圖)設有製程條件所需之晶圓溫度變化的時程353。如此可同時產生調節冷卻迴路擴張閥210的指令及調節背面氣體壓力閥229的指令。主處理器232結合這些指令，並經由大範圍控制迴路處理器224及靈敏之控制迴路處理器230而分別發送到擴張閥210及背面氣體壓力閥229。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
5‧‧‧底層
10、20‧‧‧絕緣層
15‧‧‧導電網層
15a、15b‧‧‧區
25‧‧‧導體
25a‧‧‧供應點
30、35‧‧‧部分
40、150‧‧‧產生器
45‧‧‧匹配元件
50‧‧‧套管
52、54、56‧‧‧區段
57‧‧‧控制器
58、59‧‧‧電源
60、65‧‧‧上頭線圈
80‧‧‧環狀物
80a、85a‧‧‧頂面
85‧‧‧接地環
90、95‧‧‧環
100‧‧‧反應室
105‧‧‧陰極
110‧‧‧晶圓
115‧‧‧半導體環
120‧‧‧介電環
125‧‧‧電極
125a、125b‧‧‧表面
127‧‧‧室體
128、128a‧‧‧電壓源
130‧‧‧密封墊
135‧‧‧短線
162‧‧‧電纜
170、171、172、173、174、175‧‧‧圖塊
200‧‧‧流道/熱交換器
200a、200b‧‧‧流道/蒸發器
201、201a、201b‧‧‧入口
202、202a、202b‧‧‧出口
204、204a、204b‧‧‧積聚器
206、206a、206b‧‧‧壓縮機
208、208a、208b‧‧‧冷凝器
210、210a、210b‧‧‧擴張閥
212、214‧‧‧分流閥
216‧‧‧圓頂
218a、218b‧‧‧線
220、220a、220b、221、221a、221b、222、222a、222b、223、223a、223b、238、239、240‧‧‧探針
224、224a、224b、230、230a、230b、232‧‧‧處理器
225、225a、225b‧‧‧使用者介面
226、226a、226b‧‧‧流道
228、228a、228b‧‧‧供應器
229、229a、229b‧‧‧壓力閥
231、231a、231b‧‧‧記憶體
234、236‧‧‧區
241‧‧‧基底
242‧‧‧換能器
243、250‧‧‧光纖
244、251‧‧‧套管
245‧‧‧蓋罩/肩部
246、254‧‧‧架設板
247、255‧‧‧蓋
248、256‧‧‧彈簧
249、258‧‧‧圓環
252‧‧‧頂端
253‧‧‧孔洞
257‧‧‧肩部
260、262、264、276、277、278、279、280‧‧‧曲線
261、289‧‧‧輸入
263、265‧‧‧輸出
270、271、272、273、274、275、282、283a、283b、284、285a、285b、286a、286b、287‧‧‧圖塊
288‧‧‧模式
290、291、292、293、294、295‧‧‧層
291a、292a、293a、294a、295a‧‧‧熱阻
291b、292b、293b、294b、295b‧‧‧熱容
296‧‧‧散熱器
300、301、302、303、304、305、306、307、308、309、310、311、312、313、314、315、320、322、324、324a、324b、326、328、330、332、334、336、338、340、342、 344、346、346a、346b、346c、346d、348‧‧‧圖塊
350、352‧‧‧處理器
351、353‧‧‧時程
420、422、424、424a、424b、426、428、430、432、434、436、438、440、442、444、446、446a、446b、446c、446d、448‧‧‧圖塊
第1圖繪示本發明實施例之電容式耦合電漿反應器。
第2圖為第1圖反應器之RF偏壓功率供應電路的示意圖。
第3圖為對應第2圖的上視圖。
第4圖為第2圖電路之共軸供應部分的詳細示圖。
第5圖繪示第1圖反應器中的第一介電環處理套件。
第6圖繪示第1圖反應器中的第二介電環處理套件。
第7圖繪示本發明實施例之具有第1圖反應器的系統。
第8圖為第7圖蒸發器內冷卻劑之焓與溫度的關係圖，其進一步繪示圓頂形液相-氣相邊界。
第9圖繪示本發明實施例之兩階段恆溫冷卻製程的流程圖。
第10圖繪示根據本發明實施例之晶圓溫度對應時間的曲線。
第11A及11B圖分別為晶圓溫度及晶圓背面氣體壓力的時序圖，其在對應的ESC溫度變化之前先梯降晶圓溫度。
第12A及12B圖分別為晶圓溫度及晶圓背面氣體壓力的時序圖，其在對應的ESC溫度變化完之後梯降晶圓溫度。
第13圖繪示的系統類似第7圖，但其尚包括多個控溫迴路，分別用來控制多個溫度區。
第14圖繪示裝設於第7圖或第13圖之ESC中的光學溫度感測器。
第15圖繪示第14圖之溫度感測器的上探針。
第16圖繪示第14圖之溫度感測器的下探針。
第17圖為第14圖的局部放大示意圖，其顯示上探針與下探針一起結合在ESC內。
第18圖為三種不同製程於點燃電漿後，晶圓溫度對應時間的曲線。
第19圖為根據本發明實施例在點燃電漿後，即刻控制晶圓溫度的流程圖。
第20圖為晶圓與ESC溫度對應時間的曲線、及相應之背面氣體壓力對應時間的曲線。
第21圖為根據本發明之升溫控制程序的流程圖。
第22A及22B圖為根據第21圖之程序在不同模式下，晶圓溫度隨時間變化的情形。
第23圖為用於執行第21圖程序之晶圓升溫控制系統的示意圖。
第24圖為用於本發明特定實施例之ESC熱模式的簡化示圖。
第25圖繪示第24圖熱模式模擬之ESC的溫度變化情形。
第26圖為對應一查表的3D表面，此查表描繪第24圖熱模式中的一層。
第27圖為多個對應查表的3D表面，其中查表描繪第24圖熱模式中不同背面氣體壓力下的晶圓-圓盤介面。
第28圖為本發明之前送程序的流程圖，用以提供預定的RF加熱負載變化。
第29圖繪示在第28圖程序中ESC的溫度變化情形。
第30A、30B及30C圖分別繪示晶圓溫度回應ESC溫度變化的情形，用以延後、即時及提早補償RF加熱負載變化。
第31A、31B及31C圖構成本發明之前送程序的流程圖，用以達成預定的溫度變化。
第32A及32B圖為在前送程序的第一模式下，晶圓溫度、ESC溫度(第32A圖)及背面氣體壓力(第32B圖)的時序圖。
第33A及33B圖為在前送程序的第二模式下，晶圓溫度、ESC溫度(第33A圖)及背面氣體壓力(第33B圖)的時序圖。
第34A及34B圖為在操作第31A-31C圖前送程序之先行迴路的過程中，晶圓溫度、ESC溫度(第34A圖)及背面氣體壓力(第34B圖)的時序圖。
第35A、35B及35C圖構成對應第31A-31C圖之前送程序的流程圖，用以補償晶圓上預定的RF加熱負載變化。
第36圖為控制系統的示意圖，其能同時操作第31A-31C圖的前送程序和第35A-35C圖的前送程序。
5‧‧‧底層
10、20‧‧‧絕緣層
15‧‧‧導電網層
25‧‧‧導體
25a‧‧‧供應點
40、150‧‧‧產生器
45‧‧‧匹配元件
57‧‧‧控制器
58、59‧‧‧電源
60、65‧‧‧上頭線圈
100‧‧‧反應室
105‧‧‧陰極
110‧‧‧晶圓
115‧‧‧半導體環
120‧‧‧介電環
125‧‧‧電極
125a、125b‧‧‧表面
127‧‧‧室體
130‧‧‧密封墊
135‧‧‧短線
162‧‧‧電纜
200‧‧‧流道/熱交換器
204‧‧‧積聚器
206‧‧‧壓縮機
208‧‧‧冷凝器
210‧‧‧擴張閥

Claims (42)

  1. 一種控制一工作物件之溫度的方法，該工作物件位在一RF耦合式電漿反應器中的一工作物件支撐件上，該方法至少包含以下步驟：放置一冷卻劑至該工作物件支撐件中的一內部流道；利用一冷卻迴路來循環該冷卻劑，以將一熱量傳出或傳入該冷卻劑，其中該工作物件支撐件中的該內部流道可構成該冷卻迴路的一蒸發器；以及將該蒸發器內之該冷卻劑的熱條件維持在一定範圍，在該範圍內該工作物件支撐件與該冷卻劑間的一熱交換主要是或唯一透過該冷卻劑的一蒸發潛熱。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之維持該些熱條件的步驟是避免或盡量減少該蒸發器內之該冷卻劑的溫度不均，以保持該工作物件支撐件的一溫度分布至少近乎均勻。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之維持該些熱條件的步驟包含將該蒸發器內之該冷卻劑的溫度與焓維持在一定範圍，在該範圍內該冷卻劑同時以氣相和液相存在。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之維持該些熱條件的步驟是依據該工作物件支撐件與該冷卻劑間的一熱流率使該蒸發器內之該冷卻劑產生一液氣比差。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該蒸發器之一入口附近的該冷卻劑之一液氣比為約40%至80%，而該蒸發器之一出口附近的該冷卻劑之一液氣比不超過約10%。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該冷卻劑當自該蒸發器排出時之一液氣比為一最小值或接近零。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該冷卻迴路沿該冷卻劑流經該冷卻迴路的方向依序包含該蒸發器、一積聚器、一壓縮機、一冷凝器、一擴張閥、以及受控於一分流閥的一壓縮機至蒸發器分流道，且其中維持該些熱條件的步驟包含：控制該擴張閥和該分流閥，藉以透過該冷卻劑的該蒸發潛熱來進行熱傳。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，更包含以下步驟：依據一預定溫度值藉由控制該擴張閥來控制該工作物件支撐件的一溫度。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中上述之控制該工作物件支撐件的該溫度的步驟包含：接收該工作物件支撐件的一測量溫度或該工作物件支撐件上之一工作物件的一測量溫度；以及調節該擴張閥的一開口大小來改變該工作物件支撐件的該溫度，以減低該測量溫度與該預定溫度值間的一差異。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該工作物件支撐件具有一頂面，用以支撐一工作物件，且該方法更包含以下步驟：提供一導熱氣體至該工作物件的一背面與該工作物件支撐件的該頂面之間，以於其間形成一背面氣體壓力；以及改變該導熱氣體的該背面氣體壓力。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中：調節該擴張閥的該開口大小的步驟是以一第一速度(rate)來改變該工作物件支撐件的該溫度，其中該第一速度受限於該工作物件支撐件的一熱量；以及改變該背面氣體壓力的步驟是以一第二速度來改變該工作物件支撐件的該溫度，其中該第二速度快於該第一速 度。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該第一速度相應於一數十秒的時間延遲，而該第二速度相應於一數秒或小於一秒的時間延遲。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之方法，更包含以下步驟：執行上述之改變該背面氣體壓力的步驟，以當該工作物件支撐件的該溫度改變時，在該工作物件支撐件的該溫度繼續改變該工作物件前，維持該工作物件的一溫度為一預定溫度。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中：上述之改變該工作物件的該溫度的步驟包含以該第二速度將該工作物件的該溫度從一先前溫度改為該預定溫度，且該方法更包含以下步驟：在該工作物件達到該預定溫度後，維持一晶圓處於或約為該預定溫度；以及執行上述之改變該工作物件支撐件的該溫度的步驟，使該工作物件支撐件的該溫度以該第一速度變成該預定溫度。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中： 在上述之改變該工作物件的該溫度的步驟之前，保持該工作物件的該溫度為一初始溫度，直到該工作物件支撐件的該溫度達到一對應該預定溫度的新溫度；以及執行上述之改變該工作物件支撐件的該溫度的步驟，使該工作物件支撐件的該溫度從接近該初始溫度變成一接近該預定溫度的新溫度。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中上述之改變該工作物件的該溫度的步驟包含在該工作物件支撐件的該溫度達到對應該預定溫度的一溫度後，立即將該工作物件的該溫度改為該預定溫度。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中：執行上述之改變該背面氣體壓力的步驟，以在一短時間內將該工作物件的該溫度從一初始溫度改為一預定溫度，然後維持該預定溫度；以及執行上述之改變該工作物件支撐件的該溫度的步驟，以在一長時間內產生該工作物件支撐件的一相應溫度變化，其中該長時間大於該短時間，且該長時間和該短時間為同時開始。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中： 在等待該工作物件支撐件的該溫度從接近一初始溫度變成接近一新溫度的同時，執行上述之改變該背面氣體壓力的步驟以維持該工作物件的該溫度為該初始溫度，然後在一短時間內將該工作物件的該溫度改為該新溫度；以及執行上述之改變該工作物件支撐件的該溫度的步驟，以在一長時間內將該工作物件支撐件的該溫度從接近該初始溫度改為接近該新溫度，其中該長時間大於該短時間。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該預定溫度順應一時間相關(time-dependent)之曲線，藉以執行上述之改變該背面氣體壓力的步驟以使該工作物件的該溫度順應該時間相關之曲線。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中該時間相關之曲線對應於以下任一者：(a)暴跳函數(ramp function)及(b)方波函數。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含以下步驟：提供一導熱氣體至該工作物件的一背面與該工作物件支撐件的該頂面之間，以於其間形成一背面氣體壓力；定義一預定工作物件溫度；測量一目前工作物件溫度或與該工作物件溫度相關的 一溫度，且輸入該測量溫度至一代表該工作物件支撐件的熱模式；從該熱模式定義出該導熱氣體的一壓力變化，用以至少減低該測量溫度與該預定溫度間的一差異；以及根據該熱模式所定義的該壓力變化來改變該導熱氣體的壓力。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之方法，更包含以下步驟：控制該蒸發器之一擴張閥的一開口大小，以控制該工作物件支撐件的一溫度。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中上述之方法始於點燃一電漿，且上述之定義該預定工作物件溫度的步驟包含：輸入一定義該反應器之一目前製程條件的一資料至該熱模式中；以及從該熱模式取得該工作物件在該目前製程條件下最終將達到的一預估穩態溫度，並將該預估穩態溫度設為該預定工作物件溫度。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之方法，更包含以下步驟：從該熱模式決定與該蒸發器內之該冷卻劑相關的一熱 參數的變化，用以至少減低該測量溫度與該預定溫度間的一差異；以及根據該熱模式所決定的該熱參數變化來改變該蒸發器內之該冷卻劑的該熱參數。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中與該冷卻劑相關的該熱參數為至少鄰近或接近該蒸發器之該工作物件支撐件上的一位置之一溫度。
  26. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中與該冷卻劑相關的該熱參數為該冷卻劑的一溫度。
  27. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中與該冷卻劑相關的該熱參數為該蒸發器內的一壓力。
  28. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該熱參數為該擴張閥的一開口大小。
  29. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含以下步驟：輸入該反應器之一目前製程條件至該熱模式中，用以預備該熱模式。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之方法，其中該些目前製 程條件包含該工作物件支撐件的一取樣溫度分布，且該方法更包含以下步驟：由複數個溫度感測器所感測得之測量數據取得該溫度分布，該些溫度感測器是沿著該蒸發器至該工作物件的一軸向排列在該工作物件支撐件內。
  31. 如申請專利範圍第10項所述之方法，更包含以下步驟：取得該工作物件上下一次預定之RF加熱負載變化，並使用該熱模式預估該蒸發器內之該冷卻劑的一熱條件變化，用以補償該下一次預定之RF加熱負載變化，而使該溫度幾乎保持不變；以及利用該工作物件支撐件提早進行一熱傳延遲，以在該下一次預定之RF加熱負載變化前，改變該蒸發器內之該冷卻劑的一熱條件。
  32. 如申請專利範圍第31項所述之方法，更包含以下步驟：改變該導熱氣體的一壓力來抵銷一靜電吸座之一溫度變化，以在該下一次預定之RF加熱負載變化前，維持該工作物件的一溫度不變。
  33. 如申請專利範圍第10項所述之方法，更包含以下步驟：取得一(a)工作物件RF加熱負載的變化或(b)預定之工作物件溫度的變化； 當面對該變化時，若該導熱氣體的一壓力變化足以(a)維持或(b)產生一預定工作物件溫度，則使用基於包括溫度的一製程條件的該熱模式來預估該壓力變化，然後相應地改變該壓力；以及否則，使用該熱模式來預估該蒸發器內之該冷卻劑的一熱條件變化，以當面對該變化時，維持或產生一預定工作物件溫度，然後利用該工作物件支撐件提早進行一熱傳延遲，以在下一次預定之RF加熱負載變化前，改變該蒸發器的一熱條件。
  34. 如申請專利範圍第10項所述之方法，更包含以下步驟：改變該導熱氣體的一壓力以在該工作物件處抵銷該工作物件支撐件之一溫度變化，以在下一次預定變化前，維持該工作物件的一溫度不變。
  35. 一種處理一電漿反應器中的一工作物件的方法，且該電漿反應器具有一靜電吸座，用以支撐一反應室內的一工作物件，該方法至少包含以下步驟：保持一冷卻劑以一液相-氣相混合狀態流過該靜電吸座內的一蒸發器；測量與該工作物件相關的一目前溫度，且輸入該測量溫度至一代表該靜電吸座的一熱模式中； 進行一靈敏之溫度控制，以從該熱模式判斷一導熱氣體的一壓力變化，而至少減低該測量溫度與一預定溫度間的差異，並產生該壓力變化；以及進行一大範圍之溫度控制，以從該熱模式決定與該蒸發器內之該冷卻劑相關的一熱參數變化而至少減低該測量溫度與該預定溫度間的差異，並進行該熱參數變化。
  36. 如申請專利範圍第35項所述之方法，其中該蒸發器的一熱傳行為是透過該冷卻劑的一蒸發潛熱，使該靜電吸座之一工作物件支撐面的一溫度幾乎維持不變。
  37. 如申請專利範圍第35項所述之方法，其中與該冷卻劑相關的該熱參數為至少鄰近或接近該蒸發器之該靜電吸座的一位置之一溫度。
  38. 如申請專利範圍第35項所述之方法，其中與該冷卻劑相關的該熱參數為該冷卻劑的一溫度。
  39. 如申請專利範圍第35項所述之方法，其中與該冷卻劑相關的該熱參數為該蒸發器內的一壓力。
  40. 一種處理一電漿反應器中的一工作物件的方法，且該電漿反應器具有一靜電吸座，用以支撐一反應室內的一工 作物件，該方法至少包含以下步驟：利用一冷卻迴路來循環一冷卻劑，該冷卻迴路包括一內區蒸發器與一外區蒸發器，分別位於該靜電吸座的一內區與一外區，且以一導熱氣體加壓該工作物件至該靜電吸座之一介面的一內區與一外區；感測該反應室的數個條件，該等條件包括該工作物件附近的一內區溫度與一外區溫度；取得該工作物件上下一次預定之RF加熱負載變化，並使用一熱模式分別預估該內區蒸發器與該外區蒸發器內之該冷卻劑的一熱條件變化，以藉由補償該下一次預定之RF加熱負載變化，而使該靜電吸座的該內區與該外區的一測量溫度幾乎保持不變；以及利用該靜電吸座提早進行一熱傳延遲，以在該下一次預定之RF加熱負載變化前，分別改變該內區蒸發器與該外區蒸發器內之該冷卻劑的一熱條件。
  41. 如申請專利範圍第40項所述之方法，更包含以下步驟：改變該介面之該內區與該外區的該導熱氣體之一壓力來抵銷該靜電吸座之一溫度變化，以在該下一次預定之RF加熱負載變化前，維持該工作物件的一溫度不變。
  42. 如申請專利範圍第41項所述之方法，更包含以下步驟： 維持該內區蒸發器與該外區蒸發器內之該冷卻劑同時存在液相和氣相，並透過一蒸發潛熱來促進熱交換，以提高該靜電吸座之一溫度分布的均勻度。
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