TWI506670B - 使用以模型為基礎的控制處理基材的方法及設備 - Google Patents

使用以模型為基礎的控制處理基材的方法及設備 Download PDF

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Description

使用以模型為基礎的控制處理基材的方法及設備
本發明的實施例大體係關於在基材處理系統中處理基材的方法和設備。
基材處理系統包括具有處理容積的處理腔室，其中基材放置在基材支撐件上。一或更多製程氣體可流入處理容積，以處理基材。通常，在此類系統中係分別控制腔室壓力和製程氣體流量。例如，氣體流率可由流量控制器設定，例如質量流量控制器等。同樣地，壓力位準可由腔室的排氣閥設定，例如節流閥等。設定壓力位準以調節處理容積內的滯留時間作用後，接著可修改流率。此外，當在不同流率及/或腔室壓力下轉換製程時，可放慢基材處理，同時等待系統在第二流率及/或腔室壓力下穩定。
故本發明人提供改良方法和設備來處理基材。
本文提供利用以模型為基礎的壓力控制來處理基材的方法和設備。在一些實施例中，控制具處理容積的處理腔室的方法包括預先決定處理容積之壓力與排氣閥位置間隨製程參數變化的關係；將處理腔室設定成第一狀 態，第一狀態具有處理容積的第一壓力和第一製程參數值，其中排氣閥依據預定關係設為第一位置，以在第一值下產生處理容積的第一壓力；當處理腔室從第一狀態變成第二狀態時，第二狀態具有第二壓力和第二製程參數值，決定壓力控制輪廓，以控制處理容積的壓力，其中壓力控制輪廓由以模型為基礎的控制演算法決定，控制演算法使用第一壓力、第二壓力、第一值、第二值和第一位置做為輸入參數；以及藉由改變排氣閥位置，同時使處理腔室從第一狀態變成第二狀態，以應用壓力控制輪廓而控制處理容積的壓力。
在一些實施例中，提出控制處理腔室的方法，處理腔室具有處理容積和排氣閥，用以控制處理容積的壓力，方法包括將處理腔室設定成第一狀態，第一狀態具有處理容積的第一壓力和第一製程參數值，其中排氣閥依據處理容積之壓力與排氣閥位置間隨製程參數變化的預定關係設為第一位置，以在第一值下產生處理容積的第一壓力；以及藉由改變排氣閥位置，同時使處理腔室從第一狀態變成第二狀態，第二狀態具有第二壓力和第二製程參數值，以應用壓力控制輪廓來控制處理容積的壓力，其中壓力控制輪廓由以模型為基礎的控制演算法決定，控制演算法使用第一壓力、第二壓力、第一值、第二值和第一位置做為輸入參數。
在一些實施例中，用於處理半導體基材的系統包括具有處理容積的處理腔室；提供製程參數至處理容積的處 理源；設在處理容積與排放系統之排放容積間的排氣閥；以及耦接至處理腔室的控制器，其中控制器進一步包含具有儲存指令的電腦可讀取媒體，指令由控制器執行時，促使控制器進行上述控制處理腔室的方法實施例或下述控制處理腔室的其他和進一步方法實施例。
本發明的其他和進一步實施例將描述如下。
本文提供利用以模型為基礎的控制來處理基材的方法和設備。本發明的方法和設備實施例有利於提供較快的暫態回應，例如當腔室壓力因處理條件等改變而變化時，在新設定值下穩定腔室壓力。另外，本發明的方法和設備實施例有利於提供前饋控制，以助於預料基材處理系統的製程變化。前饋控制有利於如藉由縮短等待製程條件穩定所費時間，以促進更有效率的基材處理及/或更高產量。本發明提供的方法實施例亦可用作基材處理系統的標準化調整程序，以助於改善系統間的腔室匹配。
第1圖圖示根據本發明一些實施例的基材處理系統100。基材處理系統100可包括處理腔室102，處理腔室102具有處理容積104。基材支撐件106可設在處理容積104內，以於基材處理系統100處理期間支撐基材108。處理腔室102可為任何適於同時處理一個基材及/或多個基材的處理腔室。例如，處理腔室102可配置用於一或 更多化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、物理氣相沉積(PVD)、金屬化學氣相沉積(MCVD)、毯覆式深次微米化學氣相沉積(毯覆式DSM-CVD)或任何適合的電漿或非電漿致能或加強製程，例如蝕刻、沉積、清潔等。基材支撐件106可為任何適於配合任何適當構造之處理腔室102使用的基材支撐件。基材支撐件106可包括一或更多晶座、靜電夾具、加熱器、射頻(RF)電極、舉升銷組件等。
系統100可包括一或更多處理源，以提供一或更多製程參數至處理容積104。例如，製程參數可包括RF功率量級、製程氣體流率、腔室部件溫度、腔室溫度、腔室壓力、前線壓力、晶座背側壓力、製程氣體類型、製程氣體溫度、晶座溫度、晶座位置、基材加熱器功率位準、排氣閥加熱器功率位準、排氣閥加熱器溫度、排氣閥位置、製程配方步驟等。例如，一或更多製程可由處理源提供，例如一或更多流量裝置、一或更多射頻(RF)功率源、基材加熱器、排氣閥加熱器等。
例如，一或更多流量裝置110可耦接至氣體入口116，以提供一或更多製程氣體至處理容積104。氣體入口116可為任何適合的一或更多入口，以依預定方式提供一或更多製程氣體至處理容積104(例如進入基材108上方的處理容積104區域、導向基材108、引導越過基材108的表面等)。例如，氣體入口116可為一或更多噴淋頭(如圖示)、氣體注入器、噴嘴等。雖然第1圖係圖示設在基 材支撐件106上方，但或者或此外，氣體入口116也可設在處理腔室102的側壁或底部或處理腔室內，例如鄰接基材支撐件106。一或更多流量裝置110可各自耦接至複數個氣源118的一或更多個氣源。例如，複數個氣源118可為氣體面板等的一部分，其中各流量裝置110控制製程氣體從對應氣源118到氣體入口116的流量。
一或更多RF功率源可用於提供RF功率至處理系統100的不同部分，例如處理容積104，以由製程氣體或一些其他流入處理容積104或流至基材支撐件106等的一或更多氣體形成電漿。例如，第1圖圖示第一RF功率源112A和第二RF功率源112B。第一和第二RF功率源112A、112B在此統稱一或更多RF功率源112或RF功率源112。每一RF功率源通常包括RF產生器和匹配電路，匹配電路用於匹配RF產生器與電漿的阻抗。一或更多RF功率源可耦接至基材處理系統100的不同元件。
第一RF功率源112A可用於促進由一或更多製程氣體形成電漿。在一些實施例中，第一RF功率源112A設置鄰近蓋子或處理腔室102的天花板。例如，第一RF功率源112A可配置以將RF能量耦合至處理腔室102內的一或更多製程氣體而形成電漿。在一些實施例中，如虛線113所示，第一RF功率源112A可耦接至電極，例如設在處理腔室102之天花板上方的一或更多感應線圈111。或者或此外，如虛線115所示，第一RF功率源112A可耦接至設在處理腔室天花板中或附近的電極，例如氣 體入口116的導電部。第一RF功率源112A亦可或或可耦接至其他適合部件，以於預定位置提供RF能量。儘管圖示單一RF源(例如112A)耦接至鄰近天花板的處理腔室102，但多個RF功率源當可從相同電極耦接至天花板或至不同電極。
第二RF功率源112B可耦接至基材支撐件106，以例如於處理時提供基材偏壓控制。類似上述，雖然圖示單一RF源耦接至基材支撐件106，但多個RF功率源也可從相同電極耦接至基材支撐件106或至不同電極。或者或此外，其他RF功率源112可耦接至處理腔室的其他部件，例如設在處理腔室側壁中或附近或其他預定位置的電極(未圖示)，以將RF能量耦合至處理腔室或處理腔室102內或流入處理腔室102的氣體。
一或更多流量裝置110各自可為質量流量裝置，例如質量流量控制器等。一或更多流量裝置110各自可包括感測器120和調節閥122。感測器120可包括一或更多壓力感測器或溫度感測器。如第1圖所示，感測器120和調節閥122直接耦接至控制器124。控制器124可為集中系統控制器，用以控制系統100的各部件，此將詳述於後。例如，操作時，感測器可提供控制器124指示製程氣體之一或更多壓力或溫度的訊號，以決定製程氣體流率，且控制器124可控制調節閥122而依需求調節流率。
此流量裝置110的設計不同於典型流量裝置。例如， 典型流量裝置(未圖示)(例如質量流量控制器)可包括連接機上位置控制器的感測器和調節閥，以提供流量感測器、調節閥與機上位置控制器間的局部封閉迴路控制。典型流量裝置的機上位置控制器控制流率的調整及最佳化，以回應出自系統控制器的訊號。不幸的是，此典型流量裝置的習知設計在機上位置控制器與系統控制器124間需要獨特的控制方式，此與製造商的規格、控制設定等有關。另外，基於中間控制器(即典型流量裝置的機上位置控制器)，回應系統控制器124的任何指令可能會變慢，此係因為訊號先中繼到中間控制器，中間控制器隨後再控制典型流量裝置的調整及最佳化(而非系統控制器124直接控制流量控制裝置110)。另外，缺少中間控制器有利於容許連續改變流量指令、在位置控制模式下，使用流量控制裝置110、容許系統控制器124有較快的更新速率等。然包括連接機上位置控制器的感測器和調節閥以提供流量感測器間的局部封閉迴路控制的典型流量裝置(未圖示)(例如質量流量控制器)亦可配合本文所述以模型為基礎的控制方法使用。
故在本發明實施例中及如第1圖所示，系統省略設置習知位置控制器，控制器124直接耦接至流量感測器120和調節閥122，以直接控制、調整/或最佳化各個一或更多流量裝置110。
控制器124可控制其他一或更多處理源，例如基材加熱器114、一或更多RF功率源112、排氣閥126(說明 於後)、排氣閥加熱器(未圖示)或任何其他適合處理源，以例如直接調整或最佳化一或更多腔室輸入源，而不經由不同腔室輸入源的任何中間控制裝置。如同上述一或更多流量裝置110，由控制器124直接控制各個一或更多處理源有助於更快暫態回應諸如溫度、壓力等腔室輸入變化。另外，由於使用集中系統控制器(即控制器124)，標準化控制方式可取代各自不同的一或更多處理源所用獨特控制方式而用於各個一或更多處理源。
系統100可進一步包括排氣閥126，排氣閥126設在處理容積104與排放系統130的排放容積128之間。排氣閥126可為任何適用基材處理系統的閥，例如閘閥、節流閥、蝶型閥、鐘擺閥等。排氣閥126耦接至馬達驅動器132，以控制排氣閥126的位置。例如，排氣閥126的位置改變會造成更多或更少暴露於較低壓區，例如排放容積128等。較低壓區可由耦接至排放區128或排放系統130的任何適合真空泵或類似泵抽裝置(未圖示)產生。
處理容積104的壓力可由一或更多壓力計監測。例如，第一壓力計134可用於測量處理容積104的第一壓力範圍。在一些實施例中，第一壓力範圍為約1至約10托耳。第二壓力計136可用於測量處理容積104的第二壓力範圍。第二壓力範圍可不同於第一壓力範圍，例如第一或第二壓力計之一可為高壓計，另一可為低壓計。在一些實施例中，第二壓力範圍為約10至約500托耳。 第一和第二壓力計134、136可為任何適合用於測量預定壓力範圍的壓力計，例如離子計、熱電耦計、電容計、應變計、皮冉尼(Pirani)計等。若有需求，亦可提供附加壓力計，以監測不同壓力範圍。相較於以單一壓力計用於大範圍壓力，提供為特定壓力範圍調整的多個壓力計有助於更精確控制處理系統。例如，可提供壓力計來監測排放容積128、晶座背側等。
如第1圖所示，第一和第二壓力計134、136可直接耦接至控制器124。同樣地，馬達驅動器132可直接耦接並受控於控制器124。如同上述一或更多流量裝置110，壓力計134、136和馬達驅動器132的構造不同於習知基材處理系統。例如，典型基材處理系統可包括一或更多中間控制器，用以監測壓力計的壓力讀值及操作馬達驅動器來控制排氣閥。例如，在典型基材處理系統中，壓力計耦接至壓力控制器，壓力控制器進一步耦接至位置控制器，以控制馬達驅動器而改變排氣閥位置。基於類似上述一或更多流量裝置110的理由，該等中間控制器(例如壓力控制器和位置控制器)將以控制器124代替。例如，除上述理由外，消除中間控制器還能施行以模型為基礎的複雜控制，該控制可用於計及較高位準的系統參數，例如流率等。
控制器124包含中央處理單元(CPU)138、CPU 138用記憶體140和支援電路142，並且協助控制系統100的部件和控制系統的方法，例如下述方法200。控制器 124可為任一類型的通用電腦處理器，通用電腦處理器可用於工業環境來控制各種腔室和子處理器。CPU 138的記憶體或電腦可讀取媒體140可為一或更多容易取得的記憶體，例如隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、軟碟、硬碟或任何其他類型的本端或遠端數位儲存器。支援電路142耦接至CPU 138，以藉由習知方式支援處理器。該等電路包括快取記憶體儲存器、電源、時脈電路、輸入/輸出電路和子系統等。如上所述，控制器124可包括用於直接控制流量裝置、馬達驅動器、RF功率源、基材加熱器、排氣閥加熱器、監測壓力計的電路及/或子系統和用於直接控制基材處理系統之各種部件的任何適合電路及/或子系統。記憶體140儲存軟體(來源或目的碼)，軟體經執行或調用而根據本發明所述實施例控制系統100的操作。
第2圖圖示根據本發明一些實施例，用以控制基材處理系統的方法200的流程圖。方法200係依據第1圖所示基材處理系統100的元件和第3圖所示指令流程圖描述。然方法200可根據本文提供的教示用於其他基材處理系統。例如，第3圖所示指令流程圖係說明示例性指令流程的例圖，用以調整排氣閥126的位置而控制腔室102的壓力。例如，指令流程圖的一些元件(例如系統模型302和壓力輪廓產生器304)可設於控制器124的記憶體140、或設於控制器124或處理系統100的其他控制器可接取的任何適合電腦可讀取媒體。
方法200始於步驟202：預先決定處理容積104之壓力與排氣閥126之位置間隨製程參數變化的關係。例如，如上所述，製程參數可為一或更多RF功率量級、製程氣體流率、腔室部件溫度等。
例如，預先決定處理容積104之壓力與排氣閥126之位置間關係可包括模型化隨製程參數變化通過排氣閥126的氣體流量，以決定預定關係。例如，預定關係可為排氣閥126用模型(例如系統模型302)，該模型具有一或更多腔室壓力(Pc )、腔室壓差(dPc /dt)、腔室溫度(Tc )、腔室容積(Vc )或諸如流率等製程參數做為輸入且具有排氣閥126的位置(θc )做為輸出。例如，腔室壓差近似於所有流入腔室容積(Vc )的流率總和與所有流出腔室容積(Vc )的流率總和差除以腔室容積(Vc )。系統模型302可為單一容積模型。例如，在單一容積模型中，系統中唯一可模型化的傳導性係排氣閥126的傳導性。例如，在單一容積模型中，附加部件的傳導性可歸併到排氣閥126的傳導性。
或者，系統模型302可為具有不同傳導性以分離各容積的多容積模型。例如，具分離容積的多容積模型可用於一或更多氣體管線、噴淋頭、處理腔室、前線、排氣閥等。各分離容積可模型化成管、孔等。例如，在近似多容積模型的真實系統中，很難測量真實系統之各容積的壓力。故無法計算通過各分離容積的氣體流率。為克服此問題，發明人假定採用系統動態模型來維持各分離 容積隨時間的估計值。例如，系統動態模型可採用流入各容積的當前流率和流出各容積的當前流率來估計當前壓差或各容積的壓力變化率。此當前壓差可用於在後繼時間步驟中，計算各分離容積的新壓力估計值。例如，在不能測量個別壓力的情況下，系統動態模型可就各分離容積提供壓力估計值至第3圖指令流程圖的一或更多系統模型302和壓力輪廓產生器304。
例如，在系統模型302中，排氣閥126可模型化成一或更多管、阻塞孔、非阻塞孔等。例如，排氣閥126可模型化成近似阻塞或非阻塞孔，其中氣體流率與閥位置和腔室壓力有關。或者，如有效面積模型(例如使氣體流率與腔室壓力相關者)可用作排氣閥126用模型。一旦選擇適合氣流通過排氣閥126的模型，即可憑經驗解得系統模型302，以決定一或更多未知參數。例如，一或更多未知參數可為處理腔室102的特殊幾何形狀、腔室容積、排氣閥隨閥角度變化的有效開放面積、閥偕同壓力的傳導性變化等所特有。第4圖流程圖說明憑經驗解得系統模型302或預先決定處理容積之壓力與排氣閥126之位置間關係的示例性方法。
第4圖圖示用於預先決定處理容積104之壓力與排氣閥126之位置間關係的示例性方法400的流程圖。例如，方法400始於選擇系統模型302，系統模型302包括上述排氣閥126用模型。在步驟402中，將排氣閥126設定成打開位置。例如，排氣閥126的打開位置可為排氣 閥126可及的全開位置或處理腔室102處理時採用的任何適合最大打開位置。例如，在一些實施例中，排氣閥的打開位置可設定使腔室102的基壓為約0.1托耳或以下。
在步驟404中，一旦設定打開位置且腔室壓力達穩定，即可將製程參數設為第一測試值。例如，第一測試值可為單一製程參數(例如流率)或一些製程參數(例如流率、溫度、RF功率等)，例如上列製程參數的適當組合物。例如，在一些實施例中，第一測試值可為第一製程氣體的第一流率。
例如，在步驟404中，可以穩態或暫態方式監測腔室壓力。例如，在穩態方式中，當排氣閥126處於打開位置時，容許腔室壓力在第一測試值(例如第一製程氣體的第一流率)下達穩定。接著，一旦條件達穩定，即記錄腔室壓力。穩態方式接著可進行到下述步驟406。例如，在暫態方式中，當閥126設為打開位置時，一旦腔室在基壓下達穩定，即將製程參數設為第一測試值，並監測腔室壓力一段第一時間，例如約15秒。第一時間終了時，可關閉製程參數(例如第一製程氣體按第一流率的流量)，及容許腔室在基壓下重新穩定，接著暫態方式可進行到下述步驟406。例如，在暫態方式中，可就各閥位置產生壓力回應曲線。
在步驟406中，迭代移動排氣閥126的位置，以從排氣閥126的打開位置經由複數個中間位置而至關閉位 置。處於各個複數個中間位置時，容許處理容積的壓力達穩定。可就第一測試值下的製程參數，記錄排氣閥126的各個複數個中間位置的對應壓力或壓力回應曲線。中間位置範圍不需終止於關閉位置。例如，排氣閥126可採用任何適合位置範圍，例如腔室操作期間常使用的位置等，以產生預定腔室條件。
在步驟408中，利用製程參數的複數個測試值，反覆進行步驟402-406。例如，一旦記錄處於複數個中間位置時隨複數個測試值變化的複數個對應壓力或壓力回應曲線，即可決定一或更多未知參數，以解得系統模型302。例如，可利用如非線性最佳化法等，憑經驗解得系統模型302。例如，採行穩態或暫態方式將排氣閥126模型化成孔時，需以非線性最佳化法解得系統模型302。或者，如相較於其他排氣閥126用模型，系統模型302採用排氣閥126用有效面積模型時，可減少未知參數數量，且可直接就未知參數解得系統模型302。故一旦如上述解得系統模型302，處理容積104之壓力與排氣閥126之位置間隨製程參數變化的預定關係(例如解得系統模型302)即可用於腔室製程。
預先決定處理容積104之壓力與排氣閥126之位置間關係的方法400僅為舉例說明，其他適合方法亦可採行。在任一或更多初始腔室設定、排定腔室維修、改變製程氣體種類、改變製程配方、定期或隨機改變系統部件等期間，可進行方法400或類似方法。
回溯第2圖，決定預定關係後，方法200可進行到步驟204，其中處理腔室102設定成第一狀態，第一狀態具有處理容積104的第一壓力和第一製程參數值。例如，為取得第一狀態，可依據預定關係將排氣閥126設為第一位置，以在第一製程參數值下產生處理容積的第一壓力。第一值可代表單一製程參數(例如流率)或許多製程參數(例如上述流率、溫度、RF功率量級等)。
在步驟206中，當處理腔室102從第一狀態設定成第二狀態時，決定壓力控制輪廓，以控制處理容積104的壓力，其中第二狀態具有第二壓力和第二製程參數值。在一些實施例中，第二壓力和第一壓力一樣，第二值不同於第一值。或者，在一些實施例中，第一和第二狀態的第一與第二壓力不同，第一與第二製程參數值不同。用於處理腔室之第一和第二狀態實施例的壓力控制輪廓實施例將說明如下。
例如，利用以模型為基礎的控制演算法(例如壓力控制產生器304)，可產生壓力控制輪廓，控制演算法使用第一壓力、第二壓力、第一值、第二值和第一位置做為輸入參數。第5圖流程圖圖示用以決定壓力控制輪廓的示例性方法500。方法500僅為舉例說明，其他產生壓力控制輪廓的方法亦可採行。
方法500始於步驟502：由預定關係決定排氣閥126的第二位置，當處理腔室102設為第二狀態時，預定關係將在第二製程參數值下產生處理容積104的第二壓 力。例如，產生處理容積104之第二壓力的第二位置很容易從如記憶體140取得，或可藉由輸入第二壓力和第二製程參數值當作系統模型302的輸入而運算而得，以由預定關係決定排氣閥126的第二位置。
在步驟504中，當第二壓力大於第一壓力時，計算排氣閥126從關閉位置移到第二位置所需的第一時間。例如，當第二壓力大於第一壓力時，藉由在排氣閥126移到第二位置前，使排氣閥126移到關閉位置，可以較高速率從第一壓力預定增加至第二壓力。可由排氣閥126移動的速率和閥126從關閉位置移到第二位置的必要距離，計算第一時間。
或者，當第二壓力小於第一壓力時，計算排氣閥從打開位置移到第二位置所需的第二時間。例如，打開位置可為排氣閥126的全開位置。例如，藉由在排氣閥126移到第二位置前，使排氣閥126移到打開位置，可以較高速率從第一壓力預定下降至第二壓力。可由排氣閥126移動的速率和閥126從打開位置移到第二位置的必要距離，計算第二時間。
在步驟506中，計算觸發壓力。觸發壓力可為當第二壓力大於第一壓力時，排氣閥126開始從關閉位置移到第二位置的壓力。或者，觸發壓力可為當第二壓力小於第一壓力時，排氣閥126開始從打開位置移到第二位置的壓力。例如，藉由解答如Ptg =Pcmd -dPtg /dt(T/2)的方程式，其中Ptg 係觸發壓力，Pcmd 係第二壓力，dPtg /dt係觸 發壓力下的壓差，T係上述第一或第二時間，可決定觸發壓力。例如，藉由解得用於各觸發壓力估計值下之壓差的系統模型302，可決定觸發壓力下的壓差。可以任何適合方法解答觸發壓力方程式，例如非線性最佳化法等。
例如，尚未超過觸發壓力時，可利用觸發壓力下的一組初始條件和第二壓力下的一組最終條件，決定壓力與時間的第二關係。例如，決定第二關係可包括利用觸發壓力下的該組初始條件和第二壓力下的該組最終條件，解答多項式方程式。例如，多項式方程式可為壓力做為時間函數的二階多項式方程式。然其他較高階多項式方程式或其他類型的方程式亦可採用。
例如，尚未超過觸發壓力且第二壓力大於第一壓力時，觸發壓力下的該組初始條件可為時間(t)=0，壓力(P)=觸發壓力(Ptg )，壓差(dP/dt)=觸發壓力下的壓差(dPtg /dt)，該組最終條件可為t=於步驟504計算的第一時間，P=第二壓力，dP/dt=0。當第二壓力小於第一壓力時，類似組初始與最終條件可用於解答多項式方程式，其中該組最終條件可為t=於步驟504計算的第二時間，P=第二壓力，dP/dt=0。故解答多項式方程式後，即可決定尚未超過觸發壓力時，在第二壓力大於第一壓力或第二壓力小於第一壓力的任一情況下，觸發壓力與第二壓力間的壓力控制輪廓。
或者，已超過觸發壓力時，決定壓力控制輪廓可包括 計算排氣閥從第一位置移到第二位置所需的第三時間。例如，可由排氣閥126移動的速率和閥126從第一位置移到第二位置的必要距離，計算第三時間。例如，不像上述尚未超過觸發壓力的實施例，閥126可利用壓力控制輪廓，從第一位置直接移到第二位置。例如，尚未超過觸發壓力時，可決定打開或關閉位置與第二位置間的壓力控制輪廓。
已超過觸發壓力時，可利用第一壓力下的一組初始條件和第二壓力下的一組最終條件，決定壓力與時間的第二關係。例如，決定第二關係可包括利用第一壓力下的該組初始條件和第二壓力下的該組最終條件，解答多項式方程式。
例如，已超過觸發壓力時，第一壓力下的該組初始條件可為t=0，P=第一壓力，dP/dt=2(第二壓力-第一壓力)/第三時間，該組最終條件可為t=第三時間，P=第二壓力，dP/dt=0。故解答多項式方程式後，即可決定已超過觸發壓力時，在第二壓力大於第一壓力或第二壓力小於第一壓力的任一情況下，第一壓力與第二壓力間的壓力控制輪廓。
回溯第2圖，在步驟208中，藉由改變排氣閥126的位置，同時將處理腔室102從第一狀態設定成第二狀態，以應用上述決定的壓力控制輪廓而控制處理容積的壓力。例如，第6圖圖示根據本發明一些實施例，應用壓力控制輪廓的示例性方法600的流程圖。
例如，方法600可始於步驟602：尚未超過觸發壓力時，若第二壓力大於第一壓力，則將排氣閥126設為關閉位置，或若第二壓力小於第一壓力，則將排氣閥126設為打開位置。如上所述，關閉位置或打開位置可用於達成較高的壓力變化率。
在步驟604中，當第二壓力大於第一壓力且已達觸發壓力時，依據決定的第二關係(例如壓力控制輪廓)，使排氣閥126在第一時間內從關閉位置移到第二位置，或當第二壓力小於第一壓力且已達觸發壓力時，依據決定的第二-關係，使排氣閥126在第二時間內從打開位置移到第二位置。
例如，使排氣閥126在第一時間內從關閉位置移到第二位置可包括迭代移動排氣閥126，以從關閉位置經由複數個中間位置而至排氣閥126的第二位置。可使用對應中間壓力和對應中間壓差做為預定關係的輸入，以由預定關係決定各中間位置，其中對應中間壓力和對應中間壓差係利用在介於壓力已達觸發壓力之初始時間與第一時間之間的對應中間時間下的第二關係決定。
同樣地，使排氣閥126在第二時間內從打開位置移到第二位置可包括迭代移動排氣閥126，以從打開位置經由複數個中間位置而至排氣閥126的第二位置。可使用對應中間壓力和對應中間壓差做為預定關係的輸入，以由預定關係決定各中間位置，其中對應中間壓力和對應中間壓差係利用在介於壓力已達觸發壓力之初始時間與 第二時間之間的對應中間時間下的第二關係決定。
或者，已超過觸發壓力時，依據上述決定的第二關係，使排氣閥126在第三時間內從第一位置移到第二位置。
例如，使排氣閥126在第三時間內從第一位置移到第二位置可包括迭代移動排氣閥126，以從第一位置經由複數個中間位置而至排氣閥126的第二位置。可使用對應中間壓力和對應中間壓差做為預定關係的輸入，以由預定關係決定各中間位置，其中對應中間壓力和對應中間壓差係利用在介於排氣閥處於第一位置之初始時間與第三時間之間的對應中間時間下的第二關係決定。
操作時，可利用第3圖所示示例性指令流程圖實行方法600的實施例。例如，可如上述利用壓力輪廓產生器304來決定壓力輪廓。已達觸發壓力或已超過觸發壓力時，壓力輪廓產生器304可輸出在各中間時間的指令壓力(Pcmd )和壓差(Pcmd /dt)，Pcmd 和Pcmd /dt可用作系統模型302的輸入。系統模型302(即預定關係)使用Pcmd 與Pcmd /dt和製程參數做為輸入，以決定排氣閥126的指令位置(θcmd )。指令位置(θcmd )可輸入到馬達驅動器132，使排氣閥126的位置變成介於關閉、打開或第一位置與第二位置間的中間位置。測量排氣閥126處於中間位置時的腔室102的壓力，並與指令壓力(Pcmd )相比。若測量壓力與指令壓力差未落在預定容限位準內，則可利用標準比例-積分-微分(PID)控制方案306，調整指令壓力(Pcmd )及/或排氣閥126的指令位置(θcmd )，以 達預定容限位準。操作持續迭代進行，直到在第一、第二或第三時間內抵達第二位置為止。
或者，在一些實施例中，第二壓力等於第一壓力，製程參數的第一值不同於第二值。故在此實施例中，指令壓力為恆定，壓差為零，即壓力控制輪廓係平坦的。在壓力控制輪廓呈平坦的實施例中，可利用預定關係(即系統模型302)，控制排氣閥126從第一位置移到第二位置。另外，排氣閥126需從第一位置移到第二位置，以於製程參數的第一值變成第二值時，維持處理容積104的恆定壓力。例如，當壓力為恆定且在第一與第二狀態間第一值不同於製程參數的第二值時，移動排氣閥126可包括迭代移動排氣閥126，以從第一位置經由複數個中間位置而至排氣閥126的第二位置。使用恆定壓力和製程參數的對應中間值做為預定關係的輸入，以由預定關係決定各中間位置。對應中間值可介於製程參數的第一值與第二值之間。或者，第一值和第一位置可在不透過複數個中間值逐步改變的情況下，快速變成第二值和第二位置。
也可採行決定及應用壓力控制輪廓的方法600的替代方法。例如，替代方法可以排氣閥126可達最大速度或加速度為基礎。例如，替代方法可依可達最大腔室壓力變化率的原理運作，達成最大腔室壓力變化率的方式為使排氣閥126以最大速度或加速度朝打開或關閉位置(視第一與第二壓力的相對值而定)移動，接著將排氣 閥126移回第二位置，使排氣閥126大約在達第二壓力的確切時刻抵達第二位置。例如，若第一壓力變成第二壓力期間，排氣閥126抵達全開或關閉位置，則在移到第二位置前，排氣閥126應盡量長久保持處於打開或關閉位置。例如，此替代方法可能需要上述系統動態模型，以模擬對系統100的回應。例如，此替代方法可能需要迭代方式來決定壓力控制輪廓。例如，可假定閥移動輪廓，及利用系統動態模型，模擬產生的壓力回應。可依據就一或更多迭代產生的壓力回應，精製閥移動輪廓，直到達成預定壓力回應為止。可線上或離線進行此替代方法。例如，視計算複雜度而定，此可能需要一或更多秒完成，可離線進行此決定壓力輪廓的替代方法。
故本文提供利用以模型為基礎的控制來處理基材的方法和設備。本發明的方法和設備實施例有利於提供較快的暫態回應，例如當腔室壓力因處理條件等改變而變化時，在新設定值下穩定腔室壓力。另外，本發明的方法和設備有助於預料基材處理系統的製程變化。預料或前饋控制有利於促進更有效率的基材處理及/或更高產量。本發明的方法有助於改善系統間的腔室匹配。
雖然以上係針對本發明實施例說明，但在不脫離本發明基本範圍的情況下，當可策劃本發明的其他和進一步實施例。
100‧‧‧基材處理系統
102‧‧‧處理腔室
104‧‧‧處理容積
106‧‧‧支撐件
108‧‧‧基材
110‧‧‧流量裝置
111‧‧‧感應線圈
112A-B‧‧‧RF功率源
113、115‧‧‧虛線
114‧‧‧基材加熱器
116‧‧‧入口
118‧‧‧氣源
120‧‧‧感測器
122‧‧‧調節閥
124‧‧‧控制器
126‧‧‧排氣閥
128‧‧‧排放容積
130‧‧‧排放系統
132‧‧‧馬達驅動器
134、136‧‧‧壓力計
138‧‧‧中央處理單元
140‧‧‧記憶體
142‧‧‧支援電路
200‧‧‧方法
202、204、206、208‧‧‧步驟
302‧‧‧系統模型
304‧‧‧壓力輪廓產生器
306‧‧‧PID控制方案
400、500、600‧‧‧方法
402、404、406、408、502、504、506、602、604‧‧‧步驟
為讓本發明的上述概要特徵更明顯易懂，可配合參考實施例說明，部分實施例乃圖示在附圖。然應注意所附圖式僅說明本發明典型實施例，故不宜視為限定本發明範圍，因為本發明可接納其他等效實施例。
第1圖圖示根據本發明一些實施例的基材處理系統。
第2圖圖示根據本發明一些實施例，用以控制處理腔室的方法流程圖。
第3圖圖示根據本發明一些實施例的控制流程圖。
第4圖圖示根據本發明一些實施例，用於決定處理容積之壓力與排氣閥位置間關係的方法流程圖。
第5圖圖示根據本發明一些實施例，用於決定壓力控制輪廓的方法流程圖。
第6圖圖示根據本發明一些實施例，應用壓力控制輪廓的方法流程圖。
為助於瞭解，盡可能以相同的元件符號代表各圖中共同的相似元件。圖式並未按比例繪製，且為清楚說明而予以簡化。應理解某一實施例的元件和特徵結構當可有益地併入其他實施例，在此不另外詳述。
200‧‧‧方法
202、204、206、208‧‧‧步驟

Claims (21)

  1. 一種控制具一處理容積的一處理腔室的方法，該方法包含以下步驟：預先決定該處理容積之一壓力與一排氣閥之一位置間隨一製程參數變化的一關係，該排氣閥設置在該處理容積與一排氣系統之間；將該處理腔室設定成一第一狀態，該第一狀態具有該處理容積的一第一壓力和該製程參數的一第一值，其中該排氣閥依據該預定關係設為一第一位置，以在該第一值下產生該處理容積的該第一壓力；當該處理腔室從該第一狀態變成一第二狀態時，該第二狀態具有一第二壓力和該製程參數的一第二值，決定一壓力控制輪廓，以控制該處理容積的該壓力，其中該壓力控制輪廓由一以模型為基礎的控制演算法決定，該控制演算法使用該第一壓力、該第二壓力、該第一值、該第二值和該第一位置做為多個輸入參數；以及藉由改變該排氣閥的該位置，同時使該處理腔室從該第一狀態變成該第二狀態，以應用該壓力控制輪廓而控制該處理容積的該壓力。
  2. 如請求項1所述之方法，其中決定該壓力控制輪廓之步驟進一步包含以下步驟：由該預定關係決定該排氣閥的一第二位置，當該處理腔 室設定成該第二狀態時，該第二位置將在該製程參數的該第二值下產生該處理容積的該第二壓力。
  3. 如請求項2所述之方法，其中決定該壓力控制輪廓之步驟進一步包含以下步驟：當該第二壓力大於該第一壓力時，計算該排氣閥從一關閉位置移到該第二位置所需的一第一時間；或者當該第二壓力小於該第一壓力時，計算該排氣閥從一打開位置移到該第二位置所需的一第二時間，其中該打開位置係該排氣閥的一全開位置。
  4. 如請求項3所述之方法，其中決定該壓力控制輪廓之步驟進一步包含以下步驟：計算一觸發壓力，其中該觸發壓力係當該第二壓力大於該第一壓力時，該排氣閥開始從該關閉位置移到該第二位置而於該第一時間內抵達該第二位置的一壓力，或者當該第二壓力小於該第一壓力時，該排氣閥開始從該打開位置移到該第二位置而於該第二時間內抵達該第二位置的一壓力。
  5. 如請求項4所述之方法，其中尚未超過該觸發壓力時，決定該壓力控制輪廓之步驟進一步包含以下步驟：利用該觸發壓力下的一組初始條件和該第二壓力下的一組最終條件，決定壓力與時間的一第二關係。
  6. 如請求項5所述之方法，其中決定該第二關係之步驟進一步包含以下步驟：利用該觸發壓力下的該組初始條件和該第二壓力下的該組最終條件，解答一多項式方程式。
  7. 如請求項5所述之方法，其中應用該壓力控制輪廓之步驟進一步包含以下步驟：當該第二壓力大於該第一壓力時，將該排氣閥設為該關閉位置；或者當該第二壓力小於該第一壓力時，將該排氣閥設為該打開位置。
  8. 如請求項7所述之方法，其中應用該壓力控制輪廓之步驟進一步包含以下步驟：當該第二壓力大於該第一壓力且已達該觸發壓力時，依據決定的該第二關係，使該排氣閥在該第一時間內從該關閉位置移到該第二位置；或者當該第二壓力小於該第一壓力且已達該觸發壓力時，依據決定的該第二關係，使該排氣閥在該第二時間內從該打開位置移到該第二位置。
  9. 如請求項8所述之方法，其中當該第二壓力大於該第一壓力且已達該觸發壓力時，使該排氣閥在該第一時間 內從該關閉位置移到該第二位置之步驟進一步包含以下步驟：迭代移動該排氣閥，以從該關閉位置經由複數個中間位置而至該排氣閥的該第二位置，其中使用一對應中間壓力和一對應中間壓差做為該預定關係的多個輸入，以由該預定關係決定各中間位置，該對應中間壓力和該對應中間壓差係利用在介於該壓力已達該觸發壓力之一初始時間與該第一時間之間的一對應中間時間下的該第二關係決定；以及其中當該第二壓力小於該第一壓力且已達該觸發壓力時，使該排氣閥在該第二時間內從該打開位置移到該第二位置之步驟進一步包含以下步驟：迭代移動該排氣閥，以從該打開位置經由複數個中間位置而至該排氣閥的該第二位置，其中使用一對應中間壓力和一對應中間壓差做為該預定關係的多個輸入，以由該預定關係決定各中間位置，該對應中間壓力和該對應中間壓差係利用在介於該壓力已達該觸發壓力之一初始時間與該第二時間之間的一對應中間時間下的該第二關係決定。
  10. 如請求項4所述之方法，其中已超過該觸發壓力時，決定該壓力控制輪廓之步驟進一步包含以下步驟：計算該排氣閥從該第一位置移到該第二位置所需的一第三時間；以及 利用該第一壓力下的一組初始條件和該第二壓力下的一組最終條件，決定壓力與時間的一第二關係。
  11. 如請求項10所述之方法，其中應用該壓力控制輪廓之步驟進一步包含以下步驟：已超過該觸發壓力時，依據決定的該第二關係，使該排氣閥在該第三時間內從該第一位置移到該第二位置。
  12. 如請求項11所述之方法，其中使該排氣閥在該第三時間內從該第一位置移到該第二位置之步驟進一步包含以下步驟：迭代移動該排氣閥，以從該第一位置經由複數個中間位置而至該排氣閥的該第二位置，其中使用一對應中間壓力和一對應中間壓差做為該預定關係的多個輸入，以由該預定關係決定各中間位置，該對應中間壓力和該對應中間壓差係利用在介於該排氣閥處於該第一位置之一初始時間與該第三時間之間的一對應中間時間下的該第二關係決定。
  13. 如請求項2所述之方法，其中該第二壓力等於該第一壓力，該製程參數的該第二值不同於該第一值，且應用該壓力控制輪廓之步驟進一步包含以下步驟：使該排氣閥從該第一位置移到該第二位置，同時維持一恆定壓力，該恆定壓力等於該第一壓力與該第二壓力， 其中使該排氣閥從該第一位置移到該第二位置之步驟進一步包含以下步驟：迭代移動該排氣閥，以從該第一位置經由複數個中間位置而至該排氣閥的該第二位置，其中使用該恆定壓力和該製程參數的一對應中間值做為該預定關係的多個輸入，以由該預定關係決定各中間位置，該製程參數的該對應中間值介於該製程參數的該第一值與該第二值之間。
  14. 如請求項1所述之方法，其中預先決定該處理容積之該壓力與該排氣閥之該位置間的該關係之步驟進一步包含以下步驟：模型化隨該製程參數變化通過該排氣閥的氣體流量，以決定該預定關係。
  15. 如請求項14所述之方法，其中模型化通過該排氣閥的氣體流量進一步之步驟包含以下步驟：(a)將該排氣閥設為一打開位置；(b)將該製程參數設定成一第一測試值；(c)迭代移動該排氣閥，以從該打開位置經由複數個中間位置而至該排氣閥的該關閉位置，以及記錄該排氣閥的各該複數個中間位置的一對應壓力，同時將該製程參數維持在該第一測試值；以及(d)利用該製程參數的複數個測試值，反覆進行(a)-(c)。
  16. 一種控制一處理腔室的方法，該處理腔室具有一處理容積和一排氣閥，用以控制該處理容積的一壓力，該排氣閥設置在該處理容積與一排氣系統之間，該方法包含以下步驟：將該處理腔室設定成一第一狀態，該第一狀態具有該處理容積的一第一壓力和一製程參數的一第一值，其中該排氣閥依據該處理容積之一壓力與該排氣閥之一位置間隨該製程參數變化的一預定關係設為一第一位置，以在該第一值下產生該處理容積的該第一壓力；以及藉由改變該排氣閥的該位置，同時使該處理腔室從該第一狀態變成一第二狀態，該第二狀態具有一第二壓力和該製程參數的一第二值，以應用一壓力控制輪廓來控制該處理容積的該壓力，其中該壓力控制輪廓由一以模型為基礎的控制演算法決定，該控制演算法使用該第一壓力、該第二壓力、該第一值、該第二值和該第一位置做為多個輸入參數。
  17. 一種用於處理半導體基材的系統，包含：一處理腔室，該處理腔室具有一處理容積；一處理源，用以提供一製程參數至該處理容積；一排氣閥，該排氣閥設在該處理容積與一排放系統的一排放容積之間；以及一控制器，該控制器耦接至該處理腔室，其中該控制器 進一步包含具有多個儲存指令的一電腦可讀取媒體，該等指令由該控制器執行時，促使該控制器進行控制該處理腔室的一方法，該方法包含：預先決定該處理容積之一壓力與該排氣閥之一位置間隨該製程參數變化的一關係；將該處理腔室設定成一第一狀態，該第一狀態具有該處理容積的一第一壓力和該製程參數的一第一值，其中該排氣閥依據該預定關係設為一第一位置，以在該第一值下產生該處理容積的該第一壓力；當該處理腔室從該第一狀態變成一第二狀態時，該第二狀態具有一第二壓力和該製程參數的一第二值，決定一壓力控制輪廓，以控制該處理容積的該壓力，其中該壓力控制輪廓由一以模型為基礎的控制演算法決定，該控制演算法使用該第一壓力、該第二壓力、該第一值、該第二值和該第一位置做為多個輸入參數；以及藉由改變該排氣閥的該位置，同時使該處理腔室從該第一狀態變成該第二狀態，以應用該壓力控制輪廓而控制該處理容積的該壓力。
  18. 如請求項17所述之系統，其中該處理源包含一質量流量裝置，該質量流量裝置進一步包含：一感測器；以及一調節閥，其中該感測器和該質量流量裝置的該調節閥直接耦接至該控制器。
  19. 如請求項17所述之系統，進一步包含：一第一壓力計，用以測量該處理容積的一第一壓力範圍；以及一第二壓力計，用以測量該處理容積的一第二壓力範圍，其中該第一壓力計和該第二壓力計直接耦接至該控制器且受控於該控制器。
  20. 如請求項17所述之系統，進一步包含：一馬達驅動器，用以改變該排氣閥的一位置，其中該馬達驅動器直接耦接至該控制器且受控於該控制器。
  21. 如請求項1所述之方法，其中該預定關係是用於該排氣閥一模型，該模型具有(a)一或更多腔室壓力、腔室壓差、腔室溫度、腔室容積或製程參數做為該模型的輸入，及(b)該排氣閥的一位置做為該模型的一輸出。
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