TWI477202B - 用以控制電加熱器之方法及系統 - Google Patents

Description

用以控制電加熱器之方法及系統

本發明係有關用以控制電加熱器之方法及系統。

溫度控制在許多製程中是重要的，例如晶圓處理。通常，負載溫度必需控制在設定點的容限內，其代表使用者所定義之負載溫度的理想值。

一般而言，負載溫度可經由控制提供與電加熱器的電量而予控制。加熱器通常係經由選擇開啟及關閉自交流(AC)電源提供予使用例如固態繼電器(SSR)電路之加熱器的電力而予控制。援例，SSR可由脈寬調變(PWM)信號加以控制，該信號係由控制器提供予回應工作週期指令之SSR。

工作週期指令代表SSR必須開啟電源之所需的時間百分比，使得所需之電量於特定期間內供應予加熱器，以確保負載溫度處於設定點的容限內。為符合特定製程之所需容限，工作週期指令典型地需要具有某種程度的解析度(或精確度)。例如，容限可能要求工作週期指令具有0.1%的解析度。因此，例如所提供工作週期指令為65.8%符合所需容限，而僅指示為65%的工作週期則不符合所需的0.1%的解析度。

圖1A及1B中描繪以所需工作週期指令解析度控制加熱器的示範傳統方法。圖1A描繪控制加熱器135之示 範傳統方法的流程圖100。圖1B顯示用以完成圖1A之示範傳統方法之示範傳統系統的方塊圖120。

示範傳統方法始自步驟102，其中加法函數124接收設定點122(參照圖1B)。設定點122通常表示為溫度度數，其為攝氏溫度、絕對溫度或華氏溫度。在步驟104中，加法函數124比較可使用例如溫度感測器感測之負載溫度136與設定點122，並輸出溫度誤差，即負載溫度136與設定點122之間的差異。在步驟106中，控制器126考量設定點及溫度誤差，並產生工作週期指令，例如65.8235%。

接著，在步驟108中，硬體132以所需解析度例如0.1%而量化工作週期指令為量化的工作週期指令，例如65.8%。在步驟110中，依據量化的工作週期指令，硬體132判斷'開啟'AC週期的數量，即電源應開啟的AC週期的數量。由於所需解析度為0.1%，需要1000個AC週期以允許0.1%精度或1000個週期中一個的鑑別。在目前的範例中，脈寬調變(PWM)工作週期可為1000個AC週期中658個AC週期，其餘的AC週期則關閉。

在步驟112中，硬體132輸出脈寬調變(PWM)信號，即一連串週期性脈衝，以觸發固態繼電器134(SSR 134)而週期性地開啟確定數量的'開啟'AC週期，例如1000個AC週期中658個AC週期。658個"開啟"週期可暫時分佈於1000個AC週期中，以確保本範例之1000個週期中平順的電力輸送。

結果，在步驟114中，經由固態繼電器134控制AC電源以週期性地供應電力予加熱器135而提供確定數量的'開啟'AC週期，例如1000個AC週期中658個AC週期。

在步驟116中，測量負載溫度136並完成示範傳統方法之重複實施。隨後，回饋迴路138饋送負載溫度136進入加法函數124，以進行下一示範傳統方法之重複實施。

經由對於上述描述的理解，若需要解析度R，那麼示範傳統方法的實施將通常需要1/R個AC週期的時間間隔。該時間間隔代表更新工作週期指令的回應時間。通常，由於R遠小於1，時間間隔或回應時間代表多個AC週期。例如，若R=0.1%，回應將為1000個AC週期或16.67秒。

圖2描繪示範傳統方法的輸出信號，及圖1A及1B中所描繪的示範傳統系統。

信號210描繪經過一段時間之AC電源的AC線路電壓。通常，AC電源可具有60赫茲的AC頻率。因此，每一AC週期(標示為'p')代表約16.67微秒。

信號220描繪量化的工作週期指令。信號230顯示硬體132所產生的脈寬調變(PWM)，其做為固態繼電器電路134的輸入。固態繼電器電路134的輸出係顯示為信號240。

如圖表220之範例所示，與信號220相關之量化的工作週期指令保持固定持續1000個AC週期之時間間隔或16.67秒，其中AC頻率為60赫茲。這是因為其需要1000 個AC週期以完成示範傳統方法的實施，此範例中所需解析度為0.1%。然而，更新工作週期指令之16.67秒的回應時間可能不利地過長，因而許多例如晶圓處理之製程無法接受，其具0.1%解析度或更細微解析度可能需要例如少於5秒之回應時間。

此外，習知技藝方法的實施通常包含"開"脈衝及"閉"脈衝之相同圖案，致使電力傳輸至加熱器之"開啟"週期或"關閉"週期之週期性地重複圖案。該週期性特別是由於其發生於相當長的時段，通常負面地影響基體處理，因其可導致與所需設定點較大的峰偏差，使其更難以獲得足夠緊密之一個接著一個晶圓的程序控制。

本內容不希望侷限本發明之範圍，其係相當於文中申請專利範圍。

本發明一實施例關於控制電漿處理系統中電加熱器之方法。本方法包括接收設定點溫度並比較設定點溫度與負載溫度，負載溫度代表最新測量之負載的測量溫度。本方法亦包括產生回應該比較之工作週期指令。本方法另包括使用累積工作週期誤差而更新工作週期指令，及量化至PWM(脈寬調變)信號的工作週期指令，該PWM信號包含複數個開脈衝及複數個關脈衝。本方法亦包括使用PWM信號以觸發固態繼電器(SSR)電路，藉以提供激勵電加熱器以回應PWM信號。此外，本方法包括附加代表PWM 信號之值予累積週期誤差估計。本方法進一步包括依據低於60赫茲AC週期之預設間隔而中斷固態繼電器電路。

以下本發明之詳細說明結合下列圖式將更詳細地描述本發明的該些及其他特徵。

現在將參照若干實施例及其圖式詳細描述本發明。在下列描述中，提出多項特定內容以便提供本發明的徹底理解。然而，對於熟悉本技藝之人士而言，顯然本發明可不需若干或全部的該些特定內容而加以體現。在其他狀況下，已知的處理步驟及/或結構未詳細描述，以免不必要地模糊本發明。

以下描述各式實施例包括方法及技術。應謹記的是本發明亦涵蓋製造的物件，其包括電腦可讀取媒體，其上記錄用以實施本技術之實施例的電腦可讀取指令。電腦可讀取媒體可包括用以儲存電腦可讀取碼之例如半導體、磁性、光學磁性、光學或其他形式的電腦可讀取媒體。此外，本發明亦涵蓋用以體現本發明之實施例的設備或系統。該設備可包括專用及/或可程控之電路，以實施本發明之實施例的有關作業。該設備的範例包括通用電腦及/或經適當程式設計的專用計算裝置，並可包括適於本發明之實施例的各式有關作業之電腦/計算裝置及專用/可程控電路之組合。

本發明的一或多個實施例包括控制加熱器的方法，以 驅動負載溫度至接近設定點。在一實施例中，設備包含電子電路以檢測AC電力線零跨越，其用於觸發計算控制迴路之數位信號處理(DSP)微處理器，該控制迴路之輸出為以0.1%或較佳解析度之百分比表示之所需加熱器電力。DSP微處理器於每一AC電力線1/2週期之開端執行均方偏差-差量類型的演算法，其結果係用以判斷AC週期是否開啟或關閉。過去實際工作週期的運算估計與所需輸出工作週期相比，且二者的差異係用以調整下一個1/2週期的輸出。其導致虛擬隨機脈衝序列輸出，其不包含可於加熱元件上產生不需要之小週期性熱'漣波'的重要週期性組件。

在一實施例中，電加熱器代表於基體之處理期間所使用的加熱器。在一實施例中，基體係使用電漿加強處理方法而於電漿處理室中處理。加熱的元件可代表基體本身，或可代表電漿處理室的組件。在實施例中，文中所揭露之步驟係使用電子電路加以實施，其可代表專用邏輯或可程控邏輯(例如功能由電腦可讀取指令掌控的處理器)。

在一實施例中，方法可包括依據預設時間間隔更新工作週期指令，以產生更新的工作週期指令。在一實施例中，時間間隔少於加熱器之AC電源的AC週期。例如，60赫茲AC信號之時間間隔可為AC週期的一半，或約為8.33微秒。因而，本方法可提供用於更新工作週期指令的回應時間，其夠短而用於控制大部分製程中的加熱器，該些製程包括上述半導體基體處理。

方法可進一步包括產生控制信號，例如脈寬調變(PWM)脈衝，其使用固態繼電器電路，例如從AC電源至加熱器之電力供應，以回應更新的工作週期而觸發。不同於習知技藝所產生者，依據本發明之實施例所產生之脈衝傾向於經過一段時間的虛擬隨機。同樣地，工作週期誤差，即更新的工作週期指令與理想的工作週期指令之間的差異，以及溫度誤差，即更新的負載溫度與設定點之間的差異，亦可為虛擬隨機，並可經過一段時間被抵銷及/或降低。

方法可進一步包括依據時間間隔而週期性地累積工作週期誤差至累積工作週期誤差中，並將累積工作週期誤差包括於更新的工作週期指令之計算中。一般而言，工作週期誤差可使用依據時間間隔而週期性地更新之溫度誤差資訊而予計算，該時間間隔例如為上述1/2個AC週期。由於工作週期誤差可為虛擬隨機，所以經過一段時間可被另一個抵銷。結果，本方法可導致低平均溫度誤差因而更精準的溫度控制。

此外，一或多個實施例可包括實施控制加熱器之方法的一或多個系統或裝置。該一或多個系統或裝置可包括處理單元、信號產生單元、溫度計、加法單元、計時器及計算裝置單元之至少之一(或上述組件的任一或全部之等效物件)，以執行該方法的一或多項步驟。

參考下列圖式及討論，將更佳理解本發明的特徵及優點。

圖3A描繪依據本發明之一或多個實施例之控制加熱器135之方法的流程圖300。圖3B描繪依據本發明之一或多個實施例之實施圖3A之方法之系統的方塊圖320。

方法始自步驟302，其中加法函數124接收設定點122。如同所討論的，設定點122通常表示為溫度度數，其為攝氏溫度、絕對溫度或華氏溫度。在步驟304中，加法函數124比較負載溫度136與設定點122，並輸出溫度誤差，即負載溫度136與設定點122之間的差異。負載溫度可使用適當轉換器測量負載的溫度而獲得，並可包括接觸或不接觸測量技術。接著，控制於步驟306中轉移。

在步驟306中，控制器326考量溫度誤差並產生工作週期指令，例如65.8235%。

在步驟308中，控制器326及硬體332之至少之一可使用複數個累積工作週期誤差更新工作週期指令，以產生更新的工作週期指令。更新的工作週期指令可依據控制器326及/或硬體332之解析度精度而保持工作週期指令的浮點解析度。為描繪範例，當累積工作週期包括進入具有0.1%浮點解析度的工作週期指令65.8235%時，可產生具相同浮點解析度之更新的工作週期指令65.8421%。更新的工作週期指令接著經由標示其優先性而量化為開啟/關閉值。

在步驟312中，硬體332產生觸發固態繼電器134的脈衝，以依據量化的開啟/關閉工作週期而開啟電力從AC電源至加熱器135。另一方面，依據更新之量化的工 作週期指令，硬體332並不產生脈衝使得固態繼電器134保持關閉。

在步驟336中，量化的工作週期接著被附加至累積高解析度工作週期估計。

在步驟314中，週期性地，依據時間間隔(例如上述1/2 AC週期)，更新的工作週期指令可視為過時，且可使用控制器326、硬體332及週期計時器333之其中之一中斷固態繼電器134。時間間隔可少於AC週期。在一實施例中，時間間隔可為AC週期的一半(1/2 AC週期)，即8.33微秒。另一方面，此方法可經由切斷三相AC電力信號之任一相位而予實施。因此，時間間隔可為1/3或1/6，即1/(相位數)或1/2/(相位數)。中斷期間係以奈秒計數，且相較於時間間隔可予忽略。

接著，在步驟316中，測量負載溫度136及完成方法之實施。接著，回饋迴路138饋送負載溫度136進入加法函數124，進行示範傳統方法的下一實施。方法之實施期間約為時間間隔，以週期性地更新工作週期指令，例如1/2個AC週期。假定為1/2個AC週期的時間間隔，更新的工作週期指令便每1/2個AC週期或約8.33微秒便由下一更新的工作週期指令取代--其係以累積工作週期指令誤差調整。結果，更新的工作週期指令及硬體332所提供用以控制固態繼電器134的脈衝因而可以120赫茲的頻率改變，並為經過一段時間的虛擬隨機(如圖4中所描繪的)。因此，負載溫度136及溫度誤差因而亦可為經過一段時間 的虛擬隨機(下列將參照圖5加以描述)。

圖4依據本發明之一或多個實施例描繪方法及圖3A與3B中所描繪之系統的輸出信號。

信號210描繪經過一段時間之AC電源的AC線路電壓。通常，AC電源可具有60赫茲的AC頻率。因此，每一AC週期(標示為'p')代表約16.67毫秒，且1/2個AC週期代表約8.33毫秒。

信號420描繪更新的工作週期指令。如信號420之範例中所示，更新的工作週期指令可每1/2個AC週期便改變，並為經過一段時間的虛擬隨機。因此，如信號430之範例中所示，硬體332所提供用以控制固態繼電器134的脈衝(如圖3中所示)可為經過一段時間的虛擬隨機。結果，如信號440之範例中所示，經由固態繼電器134，從AC電源到加熱器135之電力之供應亦可為經過一段時間的虛擬隨機。因此，如圖5中所描繪的，溫度誤差可為經過一段時間的虛擬隨機。

下列列表1依據本發明之實施例描繪虛擬碼實施。

圖5描繪圖1中所描繪示範傳統方法與依據圖3A及3B中所描繪本發明之一或多個實施例之方法產生之溫度誤差之間的比較。

圖表510之範例顯示設定點512保持在X℃直至Tsc，接著改變為(X-1)℃。在圖表520的範例中，溫度誤差522及524分別代表使用示範傳統方法(522)及依據本發明之一或多個實施例之方法(524)產生之溫度誤差，以驅動負載溫度至接近設定點512。

依據示範傳統方法，基於第一工作週期指令，溫度誤差522可保持固定在1℃直至T。T代表實施示範傳統方法之時段，例如約16.67秒或1000個AC週期，以便符合0.1%的工作週期解析度。接著，示範傳統方法可基於第二工作週期指令而進入下一實施。示範傳統方法可包括用於 更新工作週期指令的其餘步驟，以回應設定點512的改變。

因此，溫度誤差522可保持在-2℃直至設定點512改變之Tsc。在Tsc，示範傳統方法基於第三工作週期指令而展開新的實施，且溫度誤差522可改變為-1℃。溫度誤差522可保持在-1℃達時段T，直至Tsc+T。接著，示範傳統方法基於第四工作週期指令而進入下一實施，其可致使溫度誤差522改變為2℃，並保持2℃直至Tsc+2C。

反之，依據本發明之一或多個實施例之方法，工作週期指令更顯著地頻繁更新，例如120赫茲或每8.33毫秒。結果，溫度誤差524可為虛擬隨機。此外，由於工作週期誤差係累積的並於工作週期指令更新時包括在內，工作週期誤差可彼此抵銷。結果，溫度誤差524可較溫度誤差522具有較小的平均大小。

由於經由上述可理解到，相較於示範傳統方法，本發明的一或多個實施例可導致控制溫度中顯著較低的平均誤差。此外，由於一或多個實施例的輸出信號可為虛擬隨機，誤差信號可為虛擬隨機並可包含非週期性組件，使得可有利地降低例如加熱元件上週期性熱漣波的風險或週期性製程錯誤。

此外，基於更新工作週期指令之顯著較短間隔，本發明之實施例可允許更動態的溫度控制。另，經由維持更新工作週期指令中浮點解析度，本發明之實施例可提供溫度控制中更細之精度。因而，本發明之實施例較示範傳統方 法可適於更多的製程。

雖然本發明已以許多實施例加以描述，但仍有修改、交換及等效實施例落於本發明的範圍內。侷限於文字而符合專利實施規則之摘要並非用於逐字解釋文中申請專利範圍。亦應注意的是，有許多其他方式實施本發明的方法及設備。因而希望下列申請專利範圍解譯為包括所有落於本發明之真正精神及範圍的修改、交換及等效實施例。

100、300‧‧‧流程圖

102、104、106、108、110、112、114、116、302、304、306、308、312、314、316、336‧‧‧步驟

120、320‧‧‧方塊圖

122、512‧‧‧設定點

124‧‧‧加法函數

126、326‧‧‧控制器

132、332‧‧‧硬體

134‧‧‧固態繼電器

135‧‧‧加熱器

136‧‧‧負載溫度

138‧‧‧回饋迴路

210、220、230、240、420、430、440‧‧‧信號

220、510、520‧‧‧圖表

333‧‧‧週期計時器

522、524‧‧‧溫度誤差

R‧‧‧解析度

本發明係以範例加以描述但不限於圖式，其中相同的代號係指類似的元件：圖1A描繪控制加熱器之示範傳統方法的流程圖；圖1B描繪實施圖1A之示範傳統方法之示範傳統系統的示範方塊圖。

圖2描繪圖1A及1B中所描繪之示範傳統方法及示範傳統系統之各式信號。

圖3A描繪依據本發明之一或多個實施例之控制加熱器的方法流程圖。

圖3B描繪實施圖3A之方法之系統的示範方塊圖。

圖4描繪依據本發明之一或多個實施例之圖3中所描繪之方法及系統的輸出信號。

圖5描繪圖1中所描繪之示範傳統方法與依據圖3中所描繪之本發明的一或多個實施例之方法所產生之溫度誤差之間的比較。

122‧‧‧設定點

124‧‧‧加法函數

134‧‧‧固態繼電器

135‧‧‧加熱器

136‧‧‧負載溫度

138‧‧‧回饋迴路

320‧‧‧方塊圖

326‧‧‧控制器

332‧‧‧硬體

333‧‧‧週期計時器

Claims (20)

1. 一種在電漿處理系統中用於控制電加熱器的方法，包含：a)接收一設定點溫度；b)比較該設定點溫度與負載溫度，該負載溫度代表最近測量之負載的測量溫度；c)產生回應該比較之工作週期指令；d)在步驟c)之後，使用累積工作週期誤差更新工作週期指令；e)在步驟d)之後，量化該工作週期指令為脈寬調變PWM信號，該PWM信號包含複數個開脈衝(on脈衝)及複數個關脈衝(off脈衝)；f)使用該PWM信號以觸發固態繼電器SSR電路，藉以提供激勵該電加熱器以回應該PWM信號；g)依據低於60Hz交流週期的預設間隔而中斷該SSR電路；及h)在步驟g)之後，累積一工作週期誤差至該累積工作週期誤差中，該工作週期誤差係介於該更新步驟之後的該工作週期指令與一理想工作週期指令之間的差異，其中該步驟a)至h)係重複實施。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含於實施另一組步驟a)至h)之前，附加代表該PWM信號之值至該累積週期誤差。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該預設間隔代 表該60Hz交流週期的1/2。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該預設間隔代表該60Hz交流週期的1/3及該60Hz交流週期的1/6之一。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該負載代表電漿處理室中配置的結構。
6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該結構代表於該電漿處理室中處理的基體。
7. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該結構代表該電漿處理室之組件。
8. 一種電腦儲存媒體，包含用於儲存控制電漿處理系統中電加熱器之電腦可讀取碼之程式儲存媒體，該電腦儲存媒體包含：用於接收設定點溫度的電腦可讀取碼；用於比較該設定點溫度與負載溫度的電腦可讀取碼，該負載溫度代表最近測量之負載的測量溫度；用於產生回應該比較之工作週期指令的電腦可讀取碼；用於在該產生之後使用累積工作週期誤差更新工作週期指令的電腦可讀取碼；用於在該更新之後累積一工作週期誤差至該累積工作週期誤差中的電腦可讀取碼，該工作週期誤差係介於該更新之後的該工作週期指令與一理想工作週期指令之間的差異； 用於在該更新之後量化該工作週期指令為脈寬調變PWM信號的電腦可讀取碼，該PWM信號包含複數個開脈衝及複數個關脈衝，其中該PWM信號係用以觸發固態繼電器SSR電路，藉以激勵該電加熱器以回應該PWM信號；及用於依據低於60Hz交流週期的預設間隔而中斷該SSR電路的電腦可讀取碼。
9. 如申請專利範圍第8項之電腦儲存媒體，進一步包含用於附加代表該PWM信號之值至該累積週期誤差的電腦儲存媒體。
10. 如申請專利範圍第8項之電腦儲存媒體，其中該預設間隔代表該60Hz交流週期的1/2。
11. 如申請專利範圍第8項之電腦儲存媒體，其中該預設間隔代表該60Hz交流週期的1/3及該60Hz交流週期的1/6之一。
12. 如申請專利範圍第8項之電腦儲存媒體，其中該負載代表電漿處理室中配置的結構。
13. 如申請專利範圍第12項之電腦儲存媒體，其中該結構代表於該電漿處理室中處理的基體。
14. 如申請專利範圍第12項之電腦儲存媒體，其中該結構代表該電漿處理室之組件。
15. 一種控制電漿處理系統中電加熱器的電子系統，包含：用於接收設定點溫度的一邏輯電路； 用於比較該設定點溫度與負載溫度的一邏輯電路，該負載溫度代表最近測量之負載的測量溫度；用於產生回應該比較之工作週期指令的一邏輯電路；用於在該產生之後使用累積工作週期誤差更新工作週期指令的一邏輯電路；用於在該更新之後累積一工作週期誤差至該累積工作週期誤差中的一邏輯電路，該工作週期誤差係介於該更新之後的該工作週期指令與一理想工作週期指令之間的差異；用於量化該工作週期指令為脈寬調變PWM信號的一邏輯電路，該PWM信號包含複數個開脈衝及複數個關脈衝，其中該PWM信號係用以觸發固態繼電器SSR電路，藉以提供激勵該電加熱器以回應該PWM信號；用於附加代表該PWM信號之值至該累積週期誤差估計的一邏輯電路；及用於依據低於60Hz交流週期的預設間隔而中斷該SSR電路的一邏輯電路。
16. 如申請專利範圍第15項之電子系統，其中該預設間隔代表該60Hz交流週期的1/2。
17. 如申請專利範圍第15項之電子系統，其中該預設間隔代表該60Hz交流週期的1/3及該60Hz交流週期的1/6之一。
18. 如申請專利範圍第15項之電子系統，其中該負載代表電漿處理室中配置的結構。
19. 如申請專利範圍第18項之電子系統，其中該結構代表於該電漿處理室中處理的基體。
20. 如申請專利範圍第18項之電子系統，其中該結構代表該電漿處理室之組件。