JP2013536539A - クーラント流量の制御及びヒーターのデューティーサイクルの制御による部品温度制御 - Google Patents

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Abstract

広範囲の設定温度と低エネルギー消費のために、プラズマ処理チャンバ内の温度を制御するための方法及びシステム。温度制御は、プラズマ処理モジュールコントローラによって実行された制御アルゴリズムによって、クーラント液ループとヒートソースとの間で調整される。制御アルゴリズムは、実際の温度が設定温度を下回っていることを示すフィードバック信号に応答して、温度制御された部品へのクーラント液の流れを完全に停止することができる。制御アルゴリズムは更に、処理レシピの実行中に処理チャンバ内へのプラズマ電力又はプラズマ電源入力の変化から導出されたフィードフォワード制御信号に少なくとも部分的に基づいている。

Description

関連出願の相互参照
本ＰＣＴ出願は、２０１０年５月２７日に出願され、「クーラント流量の制御及びヒーターのデューティーサイクルの制御による部品温度制御」と題される米国仮特許出願第６１／３４９，０７３号、及び２０１１年３月３日に出願され、「クーラント流量の制御及びヒーターのデューティーサイクルの制御による部品温度制御」と題される米国特許出願第１３／０４０，１４９号の利益を主張し、すべての目的のためにその全体を参照として本明細書内に援用する。
背景
１）分野
本発明の実施形態は、概してプラズマ処理装置に関し、特に、プラズマ処理チャンバでワークピースの処理中に温度を制御する方法に関する。
２）関連技術の説明
プラズマ処理チャンバ（例えば、プラズマエッチング又はプラズマ蒸着チャンバ）内では、チャンバ部品の温度は、しばしば処理の間に制御すべき重要なパラメータである。例えば、基板ホルダー（一般にチャック又は台座と呼ばれる）の温度は、（例えば、エッチング速度を制御するために）処理レシピの間においてワークピースを様々な制御された温度に加熱／冷却するために制御することができる。同様に、シャワーヘッド／上部電極又は他の部品の温度も、処理に影響を与えるように処理レシピの間に制御することができる。従来、ヒートシンク及び／又はヒートソースは処理チャンバに結合され、チャンバ部品の温度を設定温度に制御する。通常、ＰＩＤ（比例−積分−微分）コントローラなどの第１コントローラは、温度制御された部品とヒートシンクの間の熱伝達のフィードバック制御のために使用され、一方、第２コントローラは、温度制御された部品とヒートソースの間の熱伝達のフィードバック制御のために使用される。第１及び第２の各コントローラは、一般的に他と分離して動作し、独自のクローズドループ制御アルゴリズムを独立して実行し、本質的に、互いに逆方向にバランスをとる２つの制御ループを提供する。一般的に、液体クーラントに基づく冷却制御ループは、常に冷却ループが制御された定常状態に留まるために、わずかのクーラント液流量（例えば、〜１ＧＰＭ）で動作する。このように、クーラントライン内のクーラント液は、クーラントループ内で停滞することはできない。
この従来の制御構成の効果としては、プラズマを駆動するＲＦ発生器からの廃熱エネルギーの入力などの外乱をすぐに中和するために、各制御ループの制御努力がほぼ同じである必要がある。この外乱が大きくなるように発生した場合、外乱を中和するための制御努力は、それに応答して大きくしなければならない。例えば、ヒートシンクの制御ループは、非常に低い温度で動作させる及び／又は大きな熱質量を持たせる等によって、大きなシンクを提供しなければならない。しかしながら、外乱がはるかに少ない時間帯、例えば、プラズマ処理システムがアイドル状態にあり、システムへのプラズマ電源入力がない時間帯は、クーラントループがわずかのクーラント流量を維持する上で、大きなヒートシンクの冷却効果を完全に除去することはできない。その代わりに、そのようなアイドル時間の間でさえ、設定温度を維持するために、かなりの量（例えば、３０００Ｗ以上）の加熱エネルギーを第２のコントローラに印加することによって、冷却効果は能動的に打ち消される。この非効率性に加えて、従来の制御構成の別の効果としては、部品の温度の上限が、大きなヒートシンクの活動によって制限されることである。例えば、１００％の加熱電力を印加しても、大型ヒートシンクの効果は、ヒートシンクの活動を更に低減させることができた場合に可能となる値よりも低い値に、最大部品温度を制限する。同様の理由により、設定温度の上昇に対する過渡応答も遅い。従来構成の最終的な結果は、処理温度範囲が制限され、過渡応答時間が増加したエネルギー効率の悪いシステムの運用となる。
概要
プラズマ処理がプラズマ処理装置によって実行されるときに、処理又はチャンバ部品の温度を制御するための方法及びシステムが、本明細書内で説明される。特定の実施形態では、方法及びシステムは、処理チャンバと、ヒートシンク及びヒートソースの両方との間の熱伝達を調整する。特定の実施形態では、方法及びシステムは、外乱を中和するために高速制御応答を依然として達成しながら、外乱のない状態で設定温度を維持するために必要なエネルギー量を減らすために、クーラント液の流量制御及びヒーターのデューティーサイクル制御を調整する。
特定の実施形態は、処理チャンバ内の温度を、個々のヒートシンク又はヒートソースのレベルではなく、チャンバの管理レベルで制御する方法を含む。更なる実施形態では、チャンバの管理レベルの制御は、チャンバ部品温度と設定温度との間の誤差を示すフィードバック信号に、少なくとも部分的に基づいている。部品温度が設定温度を下回ると、フィードバック信号に応答して、チャンバ部品を加熱する加熱電源入力を増加させることができ、処理チャンバと処理チャンバの外部にあるヒートシンクとの間のクーラント液流量を流量ゼロに減少させることができる。
一実施形態では、部品温度を制御するクーラント液流量及びヒーター電力のうちの１以上が、チャンバがプラズマ処理レシピを実行しているアクティブな状態にある場合に、処理チャンバへのプラズマの電源入力に基づいてフィードフォワード制御信号によって更に決定される。特定の実施形態では、入力プラズマ電源信号の伝達関数は、電源によるプラズマ出力によって処理チャンバ部品の加熱を補正することができる。このような特定の実施形態では、クーラント液流量及び加熱電力制御は、プラズマ処理レシピ内の実行工程の第１部分の間、実行しているレシピ工程に対してプラズマ入力電力と設定温度に関連するゲイン値の第１群を適用する工程を含む。実行しているレシピ工程の第２部分の間、実行している工程と前の又は次のプラズマ処理レシピ工程の間におけるプラズマ入力電力の変化と設定温度の変化に関連するゲイン値の第２群を更に適用することができる。
実施形態は、処理システムによって実行されるとき、処理チャンバと、ヒートシンク及びヒートソースの両方との間の熱伝達の調整を処理システムに引き起こす命令を格納するコンピュータ可読媒体を含む。そのような一実施形態では、コンピュータ可読媒体は、クーラント液の流量制御及びヒーターのデューティーサイクルの制御を調整する命令を格納し、これによって依然として外乱を中和するための高速制御応答を達成しながら、外乱のない状態で設定温度を維持するのに必要なエネルギー量を低減する。特定の実施形態では、コンピュータ可読媒体は、プラズマ電源信号と部品温度の間の伝達関数を含み、プラズマ電源出力によって処理チャンバ部品の発熱を補正する命令を更に含む。
実施形態は、ヒートシンク／ヒートソースに結合され、温度制御された部品を有するプラズマエッチング又はプラズマ蒸着システムなどのプラズマ処理チャンバを含む。温度制御された部品は、温度制御された部品へのクーラント液の流れを完全に停止するクーラント液制御弁を含むクーラント液ループによってヒートシンクに結合することができる。チャンバは、クーラント液制御弁に結合された温度コントローラを更に含み、ゼロ液体流量を含む範囲に亘るクーラント液流量を変化させることによって、温度制御された部品とヒートシンクの間の熱伝達を制御することができる。
プラズマ電源を処理チャンバに結合し、これによって処理チャンバ内に配置されたワークピースの処理中にプラズマを励起することができる。温度コントローラは、温度制御された部品と、ヒートシンク及びヒートソースとの間の熱伝達の制御を、チャンバへのプラズマ電源入力に基づくフィードバック制御信号及び／又はフィードフォワード制御信号によって調整し、これによって温度制御された部品のプラズマ加熱を補正することができる。そのような一実施形態では、温度制御された部品は、プラズマ処理中に処理ガスを供給するように構成された処理ガスシャワーヘッドを含む。
本発明の実施形態は、詳細に指摘され、明細書の結論部分において、特許請求の範囲を明確に定めている。しかしながら、機構及び操作方法の両方に関する本発明の実施形態、更にそれらの目的、構成、及び利点は、添付図面と共に読むとき、以下の詳細な説明を参照することによって、最も理解することができる。
本発明の実施形態に係る、フィードフォワード及びフィードバック制御要素の両方を含み、加熱及び冷却の両方に応答して調整制御努力を提供する温度制御システムを示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、温度コントローラを含むプラズマエッチングシステムの概略を示す。 本発明の一実施形態に係る、温度制御チェーン内の部品のブロック図を示す。 本発明の一実施形態に係る、プラズマ処理チャンバ内のアイドル状態とアクティブな状態の制御ループ構成を示す状態図である。 本発明の一実施形態に係る、アイドル状態の前後のアクティブ状態の間に実行されるプラズマ処理レシピ内の特定のセグメントを示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、図１に記載される制御システムをオフラインにするための方法における操作を説明するフロー図である。 本発明の一実施形態に係る、アイドル状態の間に図１に示した制御システムによって部品の温度を制御するためのイベント駆動型制御アルゴリズムを示す。 本発明の一実施形態に係る、アクティブ状態の間に図１に示した制御システムによって部品の温度を制御するための方法における操作を説明するフロー図である。 本発明の一実施形態に係る、ゲイン群のルックアップテーブルを示す。 本発明の一実施形態に係る、プラズマ処理レシピ内の２つの工程間の設定温度の変化に対処するための制御アルゴリズムを示す。 本発明の一実施形態に係る、図４Ｄの制御アルゴリズムで採用されるゲイン群用ルックアップテーブルを示す。 本発明の一実施形態に係る、図３に示すプラズマエッチングシステムに組み込まれている典型的なコンピュータシステムのブロック図を示す。
詳細な説明
以下の詳細な説明において、多数の具体的な詳細が、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために記載されている。しかしながら、他の実施形態がこれらの特定な詳細なしに実施できることを当業者は理解しているだろう。他の例では、周知の方法、手順、部品及び回路は、本発明を不明瞭にしないように詳細に説明されていない。以下の詳細な説明の一部は、コンピュータメモリ内でのデータビット又はバイナリデジタル信号の操作のアルゴリズム及び記号表記に関して示されている。これらのアルゴリズムの説明と表現は、データ処理分野の当業者が、彼らの作業の本質を他の当業者に伝えるために使用される技法であるかもしれない。
ここで、アルゴリズム又は方法は、概して、所望の結果をもたらすための行為又は操作の手順であると考えられる。これらは、物理量の物理的な操作を含む。通常これらの量は、格納、伝達、結合、比較、及びその他の操作が可能な電気的又は磁気的信号の形態を取るが、必ずしもそうであるとは限らない。これらの信号をビット、値、要素、記号、文字、用語、レベル、数値等として参照することは、主に一般的な用法上の理由から、いつでも便利であることが証明されている。しかしながら、これら及び類似の用語のすべては、適切な物理量と関連付けることができ、これらの量に適用された単なる便宜的なラベルに過ぎないことを理解すべきである。
特にそうでないことが述べられていない限り、以下の議論から明らかなように、明細書全体を通して、例えば、「処理」、「コンピューティング」、「計算」、「決定」などの用語を用いた議論は、コンピューティングシステムのレジスタ及び／又はメモリ内の物理量（電子的な量など）として表されるデータを、コンピューティングシステムのメモリ、レジスタ、又は他のそのような情報の記憶、伝達、又は表示装置内の物理量として同様に表される他のデータに操作及び／又は変換するコンピュータ又はコンピューティングシステム、又は同様の電子コンピューティングデバイスの動作及び／又は処理を指すことが理解される。
本発明の実施形態は、本明細書内の操作を実行するための装置を含むことができる。装置は、所望の目的のために特別に作ることができ、又はデバイス内に格納されたプログラムによって選択的に起動又は再構成される汎用コンピューティングデバイスを含むことができる。そのようなプログラムは、フロッピー（商標名）ディスク、光ディスク、コンパクトディスクリードオンリーメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光磁気ディスク、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、電気的プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的に消去可能なプログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、磁気又は光カード、又は電子命令の格納に適しており、コンピューティングデバイス用のシステムバスに結合可能な任意の他の形態のメディアを含む何らかの形態のディスクなどのストレージメディア内に格納することができるが、これらに限定されない。
「結合された」及び「接続された」といった用語及びこれらの派生語は、本明細書内では、部品間の構造的関係を記述するために用いることができる。これらの用語は互いに同義語として意図されていないことを理解すべきである。むしろ、特定の実施形態において、「接続された」は、２以上の要素が互いに直接物理的に又は電気的に接触していることを示すために用いることができる。「結合された」は、２以上の要素が互いに直接的又は（間に他の介在要素を有して）間接的に、物理的に又は電気的に接触していること、及び／又は２以上の要素が（例えば、因果関係のように）互いに協働又は相互作用することを示すために用いることができる。
本明細書内に記載される処理又はチャンバ部品温度を制御するための方法及びシステムの実施形態は、クーラント液流量制御及びヒーター制御が、依然として外乱を中和するための高速制御応答を達成しながら、外乱がない場合に設定温度を維持するのに必要なエネルギー量を減らすように調整される冷却制御ループと加熱制御ループの両方を含む温度制御努力を提供する。一般的に、プラズマ処理チャンバ（モジュール）コントローラは、従来の独立したヒートシンク／ヒートソースコントローラを超えた温度制御レベルを提供する。チャンバレベルコントローラは、温度制御アルゴリズムを実行し、クーラント液流量制御及びヒーターのデューティーサイクルの制御に影響するように、フィードバック及び／又はフィードフォワードゲイン値などの制御パラメータを１以上のヒートシンク／ヒートソースコントローラに通信する。
フィードバック及び／又はフィードフォワード伝達関数の制御演算を、自律温度制御プレーン（例えば、ヒートシンク又はヒートソースの個別のＰＩＤコントローラ）から離れて、フィードバックとフィードフォワードの制御努力の両方を演算可能なプラズマ処理システムの統合化制御ソフトウェアプレーン上に移動させることによって、別々の加熱及び冷却ループの個別の温度コントローラを連係してより効率的に使用することができる。１以上の個別の温度コントローラは、図１に示される温度制御システム１００を動作させる命令を実行する統合化プラズマチャンバ制御ソフトウェアプレーンの指示の下で動作する制御アクチュエータ（例えば、弁、抵抗要素等）の単なるドライバとしてマニュアルモードで操作することができる。しかしながら、代替の実施形態では、少なくとも１つの個別の温度コントローラは、自動クローズドループで動作し、統合化制御ソフトウェアプレーンからオフロードされた関連する制御演算によって、本明細書内で記載されているフィードバック及びフィードフォワード制御の一方又は両方を提供するように構成される。１つの個別の温度コントローラ（例えば、ヒートソースを提供するもの）が自動モードにある実施形態では、統合化温度制御ソフトウェアプレーンは、手動モードで動作している第２の個別の温度コントローラ（例えば、ヒートシンクを提供するもの）に指示を与えることができる。いずれの実施形態においても、統合化温度制御ソフトウェアプレーンによって提供されるより高レベルの温度制御によって、温度の外乱がないとき（例えば、アイドルタイムの間）、例えば冷却電力を大幅に低減することができる。また、例えばアクティブなレシピの実行時又はアイドルタイムの間、設定温度の変化に対する遷移応答時間を短縮することができる。この効果は、ある実施形態では、温度制御された部品へのクーラント液流量を完全に停止することによって達成され、これによって冷却電力を大幅に低減し、部品温度が設定温度を下回ることをフィードバック信号が示すとき、部品温度の誤差を中和するための加熱電力量を相対的により少なくすることができる。チャンバ部品へのクーラント液流量を状況に応答して停止することができる機能を提供する統合化制御ソフトウェアプレーンによって、ある加熱電力に対して、より高い部品設定温度を達成することもできる。
図１は、加熱及び冷却の両方の外乱に応答して加熱及び冷却制御努力１１１、１１２を調整するフィードフォワード及びフィードバック制御要素の両方を含む、本発明の一実施形態に係る温度制御システム１００を示すブロック図である。図示されるように、システム１００は、部品１０５の温度に影響を与えるヒートソース制御ループ１０１とヒートシンク制御ループ１０２を含む。ヒートソース制御ループ１０１は、フィードバック制御信号１０８Ａに基づいて制御可能なヒーター３９０を含む。部分的にプラズマ電源入力に基づいてプラズマ処理チャンバ内への制御努力を計算する例示的実施形態では、商業的に購入可能な温度コントローラは外乱補正用のフィードフォワード入力を欠いている（例えばその代わりに、測定された制御温度１５０と設定温度１０６を含むフィードバック制御用の入力のみを備えている）ので、制御システム１００は、統合化制御ソフトウェアプレーンを介してフィードフォワード制御信号１０７を更に提供する。したがって、ヒータードライバ３９０Ｂに送信される制御信号１０９は、それぞれ信号１０８及び１０７に誤差ゲイン及び電力ゲインを適用したフィードバック制御信号１０８Ａ及びフィードフォワード制御信号１０７の両方の関数（例えば、合計）であることができる。
同様に、ヒートシンク制御ループ１０２は、フィードバック制御信号１０８Ｂに基づいて制御可能なクーラント液流量１１５を含む。プラズマ電源入力に部分的に基づいてプラズマ処理チャンバ内への制御努力を計算する例示的実施形態では、制御システム１００は、統合化制御ソフトウェアプレーンを介してフィードフォワード制御信号１１７を更に提供する。したがって、クーラント液制御弁１２０へ送信される制御信号１１９は、それぞれ信号１０８Ｂ及び１１７に誤差ゲイン及び電力ゲインを適用したフィードバック制御信号１０８Ｂ及びフィードフォワード制御信号１１７の両方の関数（例えば、合計）であることができる。
温度制御システム１００は、ワークピースの処理中にプラズマ処理チャンバ内に導入されたプラズマ電力を入力とする少なくとも１つのフィードフォワード伝達関数ＦＡ（ｓ）及び／又はＦＢ（ｓ）を含む。そのような一実施形態では、プラズマ電力は、処理チャンバへの多数の電源入力の重み付けされた合計である。例えば、一実施形態では、プラズマ電力の重み付けされた合計は、ｃ１＊Ｐ１＋ｃ２＊Ｐ２＋ｃ３＊Ｐ３に等しく、ここでＰ１、Ｐ２、Ｐ３はバイアス及び／又はソース電力である。重みｃ１、ｃ２、ｃ３は、任意の実数であることができ、通常正であるが、特定の実施形態では、ソース電力の重みは負であり、実際部品加熱はソース電力の増加に伴い減少する。
フィードフォワードライン内へのプラズマ電源入力は、温度制御されたシステム部品にかなりの熱負荷を掛けるプラズマ電源（例えば、ＲＦ発生器、マグネトロン等）による任意の出力に基づくことができる。フィードフォワード伝達関数ＦＡ（ｓ）及び／又はＦＢ（ｓ）は、外乱伝達関数Ｄ（ｓ）と逆符号の制御努力を提供し、プラズマ電源熱負荷に起因する外乱によって発生する制御温度１５０の増加を補正する。外乱伝達関数Ｄ（ｓ）は、特定の熱時定数τを有するプラズマ処理チャンバ部品の制御温度１５０の上昇にプラズマ電力の熱負荷を結びつける。例えば、時刻ｔで０Ｗから１０００Ｗまでのプラズマ電力における工程（ステップ）関数の増加は、全時間に亘る部品温度上昇に対して外乱伝達関数Ｄ（ｓ）によってマッピングすることができる。フィードフォワード制御信号１０７、１１７は、制御温度１５０と設定温度１０６の間の偏差に対応する誤差信号εεの補正のためにフィードバック制御信号１０８を提供するフィードバック伝達関数Ｇ１Ａ（ｓ）及び／又はＧ１Ｂ（ｓ）と結合される。
設定温度１０６と共にフィードフォワード制御信号１０７、１１７は、アクチュエータの伝達関数Ｇ１Ａ（ｓ）、Ｇ１Ｂ（ｓ）及び熱質量伝達関数Ｈ（ｓ）に入力され、出力制御温度１５０上で外乱伝達関数Ｄ（ｓ）の効果を補正する。熱質量伝達関数Ｈ（ｓ）は、ヒートシンク／ソース及び温度制御された部品等の熱容量の関数を含む。アクチュエータ伝達関数Ｇ２Ｂ（ｓ）は、温度制御された部品１０５とヒートシンク（例えば、冷却装置）の間の熱伝達を制御するアクチュエータの関数及びクーラントの流れの関数を含む。例示的実施形態は、温度制御された部品１０５とヒートソース（例えば、発熱体（ヒーター要素）３９０及びヒータードライバ３９０Ｂ）の間の熱伝達を制御するアクチュエータの関数（Ｇ２Ａ（ｓ））を更に含む。フィードフォワード伝達関数ＦＡ（ｓ）は（又はＦＢ（Ｓ））は、クーラント液ループなどの独立したクローズドループ制御システムにすでに取り付けられている可能性のある従来のフィードバック制御システムと同じアクチュエータで実行することができる。アクチュエータは、当技術分野で一般的に用いられる任意の方法で実行することができる。典型的なクーラント液ループの実施形態では、アクチュエータは、温度制御された部品１０５とヒートシンク（例えば、冷却装置３７７）との間に結合されたクーラント液流量１１５を制御する１以上の弁１２０を含む。更なる実施形態では、別のアクチュエータは、温度制御された部品１０５に結合された１以上の抵抗加熱素子駆動電源スイッチ（３９０Ｂ）を含む。
図２Ａは、本発明の一実施形態に係る、温度コントローラを含むプラズマエッチングシステムの概略図を示す。プラズマエッチングシステム３００は、当該分野で公知の高性能エッチングチャンバの任意のタイプが可能であり、例えば、米国カリフォルニア州のアプライドマテリアルズ社製のＥｎａｂｌｅｒ（商標名）、ＭｘＰ（商標名）、ＭｘＰ＋（商標名）、Ｓｕｐｅｒ−Ｅ（商標名）、ＤＰＳ ＩＩ ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ（商標名）Ｇ３、又はＥ−ＭＡＸ（商標名）チャンバが可能であるが、これらに限定されない。他の市販のエッチングチャンバは、同様に制御することができる。例示的な実施形態は、プラズマエッチングシステム３００の文脈で説明されているが、本明細書内で説明される温度制御システムのアーキテクチャは、温度制御された部品に熱負荷が存在する他のプラズマ処理システム（例えば、プラズマ蒸着システムなど）にも適応可能であることに更に留意すべきである。
プラズマエッチングシステム３００は、接地されたチャンバ３０５を含む。基板３１０は、開口部３１５を通してロードされ、チャック３２０にクランプされる。基板３１０は、プラズマ処理技術分野で従来から使用される任意のワークピースが可能であり、本発明はこの点において限定されない。プラズマエッチングシステム３００は、温度制御された処理ガスシャワーヘッド３３５を含む。図示の例示的な実施形態では、処理ガスシャワーヘッド３３５は、各ゾーンを設定温度１０６に独立して制御可能な複数のゾーン３６４（中央）と３６５（端部）を含む（図１）。他の実施形態は、１つのゾーン又は２より多いゾーンのいずれかを有する。複数のゾーンを有する実施形態では、ｎ個のヒーターゾーンとｍ個のクーラントゾーンがあり、ｎがｍに等しい必要はない。例えば、図示の実施形態では、単一の冷却ループ（ｍ＝１）が、２つのヒーターゾーン（ｎ＝２）を通過する。処理ガスは、ガス供給源３４５から、マスフローコントローラ３４９を通って、シャワーヘッド３３５を通って、チャンバ３０５の内部に供給される。チャンバ３０５は、大容量真空ポンプスタック３５５に接続された排気弁３５１を通して排気される。
プラズマ電源がチャンバ３０５に印加されると、プラズマが基板３１０の上方の処理領域内に形成される。プラズマバイアス電源３２５は、チャック３２０（例えば、カソード）に結合され、プラズマを励起する。プラズマバイアス電源３２５は、通常、約２ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの低周波数を有し、特定の実施形態では、１３．５６ＭＨｚ帯である。例示的な実施形態では、プラズマエッチングシステム３００は、プラズマバイアス電源３２５と同じＲＦ整合器３２７に接続される約２ＭＨｚ帯で動作する第２プラズマバイアス電源３２６を含む。プラズマ電源３３０は、整合器３３１を介してプラズマ生成要素に結合され、高周波電源を供給し、プラズマを誘導的に又は容量的に励起する。プラズマ電源３３０は、典型的には、プラズマバイアス電源３２５より高い周波数（例えば、１００〜１８０ＭＨｚ）を有し、特定の実施形態では、１６２ＭＨｚ帯である。特に、制御システム１００によって温度制御されるシステム部品は、シャワーヘッド３３５又はチャック３２０に限定されず、温度制御される部品は、処理チャンバ内にプラズマ電源を直接結合する必要もない。例えば、チャンバライナーは、本明細書内で説明される方法で温度制御可能であり、温度制御されたシャワーヘッドは、ＲＦ電極として機能してもよく、しなくてもよい。
例示的な実施形態では、システムコントローラ３７０の統合化温度制御ソフトウェアプレーンとしての温度コントローラ３７５は、本明細内で説明される温度制御アルゴリズムの少なくとも一部を実行することができる。このように、温度コントローラ３７５は、ソフトウェア又はハードウェア又はソフトウェアとハードウェア両方の組み合わせのいずれであってもよい。温度コントローラ３７５は、シャワーヘッド３３５と、ヒートソース及び／又はプラズマチャンバ３０５の外部のヒートシンクとの間の熱伝達率に影響を与える制御信号を出力することができる。例示的な実施形態では、温度コントローラ３７５は、冷却装置３７７と発熱体３９０に、直接的又は間接的に結合されている。冷却装置３７７の温度と設定温度１０６との間の差異を、プラズマ電力と共にフィードフォワード制御ラインに入力することができる。
冷却装置３７７は、シャワーヘッド３３５を冷却装置３７７に熱的に結合するクーラントループ３７６を介してシャワーヘッド３３５に冷却力を提供することができる。例示的な実施形態では、シャワーヘッド３３５の内側ゾーン３６４及び外側ゾーン３６５の両方に埋設されたクーラントチャンネルを介して冷たい液体（例えば、設定温度−１５℃の５０％のエチレングリコール）を通過させる（例えば、第１ゾーンに近接して入力し、他のゾーンに近接して出力する）１つのクーラントループ３７６が採用される。このような低いクーラント設定温度を有する機能は、プラズマ電力の低い／無い条件下での流体の停滞を避けるために、最小クーラント流量（例えば、０．８ＧＰＭ）を維持しなければならない従来のシステムに対して本明細書に記載のパルス冷却制御システムの利点である。ヒートソースがプラズマ電力の低い／無い条件下で供給できないのと同様に熱が抽出されないことを確かめるために、最低クーラント設定温度は、このゼロでない最小流量によって制限される。しかしながら、パルス冷却制御システムでは、クーラントのデューティーサイクルを非常に低い割合に設定することができ、アイドル状態の制御下では０％さえ設定できるので、クーラントシンクはシンク容量の増加に対してより低い設定値で動作することができる。
温度コントローラ３７５は、クーラント液パルス幅変調（ＰＷＭ）ドライバ３８０に結合されている。クーラント液ＰＷＭドライバ３８０は、一般的に入手可能であり、弁がデジタルである（つまり、完全に開いているか、完全に閉じているかのバイナリ状態を有する）実施形態において、温度コントローラ３７５によって送信される制御信号に応じたデューティーサイクルで弁１２０を動作させるように設定可能な任意のタイプのものが可能である。例えば、ＰＷＭ信号は、コンピュータ（例えば、コントローラ３７０）のデジタル出力ポートによって生成することができ、その信号はオン／オフの位置に弁を制御するリレーを駆動するために使用することができる。あるいはまた、図２Ｂで更に図示されるように、ＰＷＭ機能をサポートし、デューティーサイクルの外部命令駆動を提供するヒーターコントローラ３９１は、これによって、クーラント液ＰＷＭドライバ３８０の機能の少なくとも一部も提供し、２つの別々のＰＷＭインターフェイスの必要性を無くす。更に別の実施形態では、０から最大流量まで無限な可変流量を提供するアナログ弁は、温度コントローラ３７５によって弁の開位置を制御することによって利用される。
図２Ａに示された例示的実施形態では、図１に示される発熱体３９０は、第１及び第２の電気抵抗発熱体３７８、３７９を含む。発熱体３７８、３７９は、１つ以上の温度センサ３６６と３６７（例えば、内側及び外側ゾーン３６４、３６５のそれぞれの光プローブ）に基づいて独立して駆動することができる。ヒータードライバ３９０Ｂは、例えば、ソリッドステートリレー又は半導体制御整流子（ＳＣＲ）が可能である。ヒーターコントローラ３９１は、クーラント液ＰＷＭドライバ３８０と類似した、又はこれに代わるＰＷＭ機能を提供し、発熱体３７８、３７９とクーラントループ３７６のいずれか又は両方と、温度コントローラ３７５を結びつける。例えば、米国のワトローエレクトリックマニュファクチャリングカンパニー又は日本のアズビル／山武から市販されているユニットは、ヒーターコントローラ３９１及び／又はクーラント液ＰＷＭドライバ３８０として用いることができる。
図２Ｂを参照すると、手動モードでは、デューティーサイクル制御命令は、温度コントローラ３７５によってヒーターコントローラ３９１に（例えば、連続して）送信される。ヒーターコントローラ３９１は、ＰＷＭドライバ３９３を介してヒータードライバ３９０Ｂに、所定のデューティーサイクルで方形波を出力する。「手動モード」への参照は、ヒーター電力の自動制御用のヒーターコントローラ３９１に制御命令を送信する温度コントローラ３７５によるオープンループのヒーターコントローラ３９１に関する。アナログの実施形態では、適切なＡＣ相（例えば、ゼロ交差）で、発熱体をオン／オフするヒータードライバ３９０Ｂに、アナログ信号を送信することができる。２つのヒーターゾーンを備えた例示的な実施形態では、ヒーターコントローラ３９１の２つのチャンネルは、発熱体３７８、３７９用ヒータードライバ３９０Ｂに出力される。ヒーターコントローラ３９１が液体クーラントＰＷＭドライバ３８０の機能も提供する更に別の実施形態では、ヒーターコントローラ３９１からの１以上のチャンネル（例えば、第３チャンネル）は、クーラント弁１２０を動作させる（例えば、電子空気圧変換器を介して弁１２０をオン／オフする）ように出力される。このように、冷却が必要な場合は、弁１２０を開く（例えば、デューティーサイクルを増加させる）ことができ、加熱が必要な場合は、弁１２０を閉じて（例えば、デューティーサイクルを減少させて）、抵抗発熱体３７８及び／又は３７９を駆動させることができる。本明細書内の他の箇所に記載されているように、この「手動モード」は、処理レシピの制御レベルでアクティブなレシピ工程の間に、温度コントローラ３７５を介して部品の温度を制御するために利用することができる。
自動制御モードでは、ヒーターコントローラ３９１は、（例えば、温度センサ３６６、３６７を介して）直接受信した温度情報、（例えば、レシピファイルからの）設定温度に基づいて、更に温度コントローラ３７５から受信したゲイン値に基づいて、ＰＩＤ３９２を介してヒーターを動作させる独立した／クローズドループＰＩＤコントローラの機能を提供する。一実施形態では、本明細書内の他の箇所に記載されているように、自動制御は、アイドルモード時にヒーター３９０を動作させる。しかしながら、ヒーターコントローラ３９１が温度コントローラ３７５をクーラントループ弁１２０と更に結合する実施形態では、ヒーターコントローラ３９１が自動制御モードであろうとも、手動制御モードであろうとも、クーラントデューティーサイクルは、ヒーターコントローラ３９１ではなく、温度コントローラ３７５によって決定されるのが好ましい。
特に、温度コントローラ３７５は、システムコントローラ３７０の統合化処理チャンバ制御ソフトウェアプレーン内に含まれる、又は統合化処理チャンバ制御ソフトウェアプレーンによって提供される必要はない。具体的には、温度コントローラ３７５の機能は、その代わりに離散システムとして提供可能である。例えば、ワトローエレクトリックマニュファクチャリングカンパニー又は山武（株）のアズビルから市販されているものなどを挙げられるがそれらに限定されないＰＩＤコントローラは、プラズマ電源などの追加のフィードフォワード入力を含むように設計されている場合がある。離散システムは、更に、フィードフォワード入力に基づいてフィードフォワード制御努力を決定する能力を有するプロセッサを含むように製造される場合がある。このように、温度制御用に本明細書内に記載されるすべての実施形態は、統合化処理チャンバ制御ソフトウェアプレーンのファセットとして、又は、ＰＷＭドライバ３８０及び／又はヒーターコントローラ３９１の部品のいずれかとして、温度コントローラ３７５によって提供することができる。
一実施形態では、システムのアイドル時間（すなわち、処理チャンバ３０５内でプラズマ処理が行われていない場合）の冷却力を低減するためには、温度コントローラ３７５は、アイドル状態（例えば、チャンバによって基板処理が実行されていない状態）と、アクティブ状態（例えば、基板処理が実行されている状態）の両方の間、冷却ループ１０１の制御を維持する。図３Ａは、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理チャンバのアイドル状態３１１及びアクティブ状態３２１に対する制御ループ構成を示す状態図３００である。図示されるように、アイドル状態３１１にある間、インターロック３４０がインターロックテーブルで定義されているイベントが発生したときにトリガー可能なイベント駆動型モードで、システムは動作する。一実施形態では、クーラント液流量は、図４Ａに示されるインターロックテーブルで定義された部品１０５（例えば、シャワーヘッド３３５）の対応する温度閾値に基づいて決定される。
図４Ａは、アイドル状態の間に、部品温度を制御するためのイベント駆動型制御アルゴリズムを示している。図示されるように、チャンバ部品温度が設定温度４０１（ＴＳＰ）を下回っていることを示すフィードバック信号に応答して、温度制御された部品（例えば、シャワーヘッド３３５）へのクーラント液流量は、第１デューティーサイクル（ＩＤＬＥ ＤＣ０）に設定される。特定の実施形態では、この第１デューティーサイクルＩＤＬＥ ＤＣ０は、温度が閾値４０２を下回る（ＴＳＰ＋ΔＴ１）の場合、クーラント液流量をゼロに低減して、部品への流れを完全に停止する。閾値４０２、４０３及び４０４を横切ると、デューティーサイクルは、温度の上昇又は下降に応じて、ＩＤＬＥ ＤＣ１、ＤＣ２、ＤＣ３などに変更される。このように、設定温度がアイドル状態３１１の間に上昇した場合（例えば、別の処理の準備のために）、クーラントの流れは停止され、（例えば、自動モードで動作する）ヒーター電力はより速い効果を有し、より高い設定温度を達成することができる。
図３Ａに図示される特定の実施形態では、システムがアクティブ状態３２１からアイドル状態に３１１を移行すると、ヒーター３９０は、自動クローズドループモード３１４に入れられる。このような実施形態では、温度コントローラ３７５がフィードバック信号によってヒートシンク制御ループ１０２を閉じるように、弁１２０用の制御命令をＰＷＭドライバ３９３へ送信しながら、必要に応じて、ヒーターコントローラ（例えば、図２ＢのＰＩＤ ３９２）は、発熱体を駆動することによって、設定温度１０６を達成しようする。更に図３に示されるように、システムがアイドル状態３１１からアクティブ状態３２１に移行すると、ヒーター３９０は手動モードに入れられる。このような実施形態では、ヒーター電源と弁１２０の両方のデューティーサイクルが、フィードバック及び／又はフィードフォワード信号によって、ヒートシンク制御ループ１０２及びヒートソース制御ループ１０１の両方を閉じるように、温度コントローラ３７５によって決定される。しかしながら、特に、アクティブ又はアイドル状態のいずれかにおいて、コントローラ３７５は液体クーラントのデューティーサイクルを決定するのが好ましい。
図３Ａに戻って、システムのアクティブ状態３２１において、レシピ制御アルゴリズムからのクーラント及びヒーターパラメータが時間又はプロセッササイクル毎に実行可能なレシピ駆動モードでシステムは動作する。図３Ｂは、本発明の一実施形態に係る、アイドル状態３１１の前後のアクティブ状態３２１Ａ及び３２１Ｂの間に実行されるプラズマ処理レシピ内の特定のセグメントを示すブロック図である。アクティブ状態３２１Ａでは、実行中のプラズマ処理レシピは、レシピ工程Ｎ（３０１）とその後のレシピ工程Ｎ＋１（３０２）を有し、これらは例えば、プラズマ電源がプラズマチャンバに入力される連続的なプラズマ処理レシピの最後の２つのプラズマエッチングレシピ工程であることが可能である。例えば、図４Ａに示されるフィードバック制御アルゴリズムを用いるアイドル状態３１１とは異なり、レシピ工程Ｎ（３０１）の実行中、クーラント及びヒーター制御パラメータは、フィードフォワード信号を利用した制御アルゴリズム（例えば、図４Ｂに図示されるもの）によって、少なくとも部分的に決定される。レシピ工程Ｎ＋１（３０２）が続いてプラズマ処理システムによって実行されると、クーラント及びヒーター制御パラメータは、同様にフィードフォワード制御アルゴリズム（例えば、図４Ｂ）によって決定される。図示の例示的な実施形態では、レシピ工程Ｎ（３０１）は、複数の独立した温度制御パラメータ（例えば、クローズドループ動作用の制御ゲイン群又はオープンループ動作用のデューティーサイクル値）を許容する第１部分３０１Ａ及び第２部分３０１Ｂを単一のレシピ工程Ｎ（３０１）内に含む。第２部分３０１Ｂは、後続のレシピ工程Ｎ＋１（３０２）に備えてレシピ工程Ｎ（３０１）の期間が終了する前に実行される温度制御パラメータのオープンループセットを許容する「先読み」部分と考えることができる。したがって、レシピ工程Ｎ（３０１）に入ると、第１部分３０１Ａ用のクローズドループゲイン群と、第２部分３０１Ｂ用のオープンループヒーター及び／又はクーラント流量デューティーサイクル値が、データベース又はルックアップテーブル等から決定されることができる。このようなルックアップテーブルは、特定のプラズマ入力電力に関連するデューティーサイクル値を提供可能である。
更に図３Ｂに示されるように、アクティブ状態３２１は、プラズマ電源が処理チャンバにもはや入力されない（すなわち、プラズマ処理が完了した）後、クローズド又はオープンループ制御を継続するレシピ後工程３０３を含むことができる。レシピ後工程３０３は、クローズドループ又はオープンループ制御のいずれかを延長時間の間継続し、ワークピースが処理チャンバからアンロードされる前に設定温度の変更を可能にする。レシピ後工程３０３の間、次のレシピが開始されるまでの基板搬送時に、最小クーラント流体流量閾値は維持される。同様に、アクティブ状態３２１は、プラズマ電源が処理レシピ内に初めて導入される第１レシピ工程３０８を実行する前に、レシピ前工程３０７を含むことができる。レシピ前工程３０７は、ワークピースが処理チャンバ内で処理される前に、設定温度の変更を可能にする延長時間の間、クローズド又はオープンループ制御を可能にする。
アクティブ状態３２１の間に、最小クーラント流体流量閾値は、後続のレシピ工程で必要となる場合があるので、高速温度制御応答のためにクーラント流量が十分高いことを確認するために定めることができる。最小クーラント流体流量閾値を超えるようにクーラント流体流量を維持することによって、もしそうでなければクーラント流体の停滞を引き起こす可能性のある応答遅延を回避できる。例えば、９０℃の設定値に対して、最小デューティーサイクルは１５〜２０％が可能である。一実施形態では、最小クーラント流体流量閾値は、より高い温度設定値に対してより高い閾値をもつ設定温度１０６の関数である。
アイドル状態の温度制御モード（例えば、図４Ａ）に入る前に、アクティブ状態３２１とアイドル状態３１１との間の遷移を画定するのは、遅延時間３０９である。この遅延時間３０９が０秒である場合、システムはレシピを終えた直後にアイドル制御モードに入る。それ以外の場合は、アクチュエータ命令（例えば、クーラント流量及び／又はヒーター電力のデューティーサイクル）は、レシピ後工程３０３の間に適用されたものと同じままである。ある特定の実施形態では、アイドル状態３１１にありながら、クーラント流量を完全に遮断し（すなわち、０％のデューティーサイクルとし）、更にヒーターの電力要件を低減し、ヒーターコントローラ３９１が、クローズドループ部品温度制御の間に周囲のヒートシンキング（放熱）のみをオフセットできるようにする。
更に、図３Ｃに示されるように、ヒーター３９０の電源を切る際に、温度制御は、方法３５０を介して自動的にオフラインにすることができる。例えば、チャンバが修理のためにオフラインにされている場合、温度コントローラ３７５は、操作３５５で自動的にクーラント流体流量を所定の「遮断」値に設定し、これによって部品温度の制御された下降を確実にする。制御されたランプレート（下降速度）は、部品に基づいて予め決定することができ、例えば、積層構造を有するシャワーヘッドは、反り及び応力に起因する剥離を避けるために特定の速度が必要な場合がある。操作３５５では、部品（例えば、内側又は外側のシャワーヘッドゾーン）の温度が、閾値温度に達するまで、又はクーラント流体温度と部品温度の間の閾値の差に達するまで、クーラント流体流量を停止させる遮断弁を冷却液は流れる。例えば、クーラント流体温度が２０℃で、クーラント流体温度とシャワーヘッド温度の間の閾値の差が１０℃に設定され、クーラント流体遮断デューティーサイクルが１５％である場合、クーラントは、（内側又は外側の）シャワーヘッドの温度が３０℃（２０＋１０）を下回るまで、１５％のデューティーサイクルでシャワーヘッドを通って流れる。シャワーヘッドが３０℃を下回ると、クーラント流体の流れは停止される。
図３Ａに戻って参照すると、実施形態では、少なくともフィードフォワード制御信号のゲインとフィードバック制御信号のゲインを含むゲイン値の群は、現在のレシピ工程におけるチャンバ３０５内へのプラズマ電源入力に少なくとも基づいて、温度コントローラ３７５によって決定される。そのような一実施形態では、プラズマ入力電力と設定温度とのキー値のペアに関連するゲイン値の第１群は、実行中のレシピ工程３０１の第１部分３０１Ａにおいて決定される。図４Ｃは、本発明の一実施形態に係る、ゲイン群のルックアップテーブルを示している。図示されるように、設定温度４８６が第１キー値であり、プラズマ電源入力４８５が第２キー値である。群１、２、３を得るために、システム１００内の各種制御信号に対するゲイン値を含むゲイン群１、２、３等は、温度４８６、プラズマ電源入力４８５、又は実行中のレシピ工程の条件に対応する二つのペアから決定することができる。そのため、図４Ｂを参照して本明細書内の別の箇所で更に記載されているように、ゲイン群を適用することが可能である。
後続のレシピ工程Ｎ＋１（３０２）へのより高速な遷移を提供するために、実行中のレシピ工程の第２部分３０１Ｂ用のデューティーサイクル値は、レシピ工程Ｎ（３０１）を開始する際のクーラント制御弁１２０とヒーター３９０のうちのいずれか一方又は両方に対して決定することができる。このように、ヒートソース制御ループ１０１とヒートシンク制御ループ１０２のいずれか一方又は両方は、レシピ工程Ｎ（３０１）の第２部分３０１Ｂの間にオープンループの制御モードに入れられることができる。第２部分３０１Ｂの継続時間は、一定の時間であることができるが、更なる一実施形態では、第２部分３０１Ｂの継続時間は、設定温度の変化及び／又は現在実行中のレシピ工程Ｎ（３０１）と続いて実行されるレシピ工程Ｎ＋１（３０２）との間で起こり得るプラズマ電力の変化に依存している。
部品１０５の温度が、（例えば、制御ポリマーの堆積を助長するために）実行中のレシピの工程間で変更される一実施形態では、過渡的（一時的）な特定の制御パラメータが決定可能であり、温度コントローラ３７５によって通信される。図４Ｄは、本発明の一実施形態に係る、プラズマ処理レシピ内の２つの工程間の設定値温度の変化に対処するための過渡制御期間４９４を示している。レシピ工程Ｎ（３０１）とレシピ工程Ｎ＋１（３０２）は、ｘ軸に沿ってレシピ工程４９２及びｙ軸に沿って設定温度４９１で図示されている。図示の例では、１０００Ｗのプラズマ入力電力が、レシピ工程Ｎ（３０１）の間に印加され、設定温度は３０℃である。レシピ工程Ｎ＋１（３０２）では、５０００Ｗのプラズマ電力が、５０℃の設定温度と共に印加される。過渡制御期間４９４の継続時間が設定温度の変化及び／又はプラズマ電力の変化に依存している一実施形態では、（例えば、高ゲインの値を定義する）過渡応答のゲイン群が、設定温度の変化の割合を達成するのに必要な時間量適用される。例えば、図４Ｄでは、過渡制御期間４９４は、工程Ｎ（３０１）と工程Ｎ＋１（３０２）の間の２０℃の温度上昇の９０％に対して、又は温度が閾値４９３（４８℃）に達するまで起こる。このように、このゲイン値の過渡的な群は、設定温度により大きな変化があるときに、より長い期間適用される。類似のアルゴリズム（例えば、工程間のプラズマ電力のより大きな変化によって過渡制御期間４９４の継続時間を増加させるアルゴリズム）を、プラズマ電力の変化の大きさに基づいて適用してもよい。あるいはまた、過渡制御パラメータは、単に一定の時間に適用してもよい。
一実施形態では、過渡応答のゲイン群は、プラズマ入力電力の変化又は設定温度の変化のうちの少なくとも１つに関連しており、プラズマ入力電力の変化を設定温度の変化とペアにするキー値に更に関連している。例えば、図４Ｅは、図４Ｄの過渡制御周期４９４の制御によって使用される過渡ゲイン群用のルックアップテーブルを示している。図４Ｅに示されるように、ゲイン群は、プラズマ入力電力４９６の変化と設定温度４９５の変化に関連している。
更なる実施形態では、ヒーターのゲイン群がアイドル状態３１１用に決定され、アイドル状態３１１で利用される場合もある。例えば、ヒーターコントローラ３９１が自動モードにあるとき（例えば、第１レシピ工程の部分３０１Ａの間）のアクティブ状態３２１に対して説明したように、アイドル状態３１１の間、図４Ｃに示されるルックアップテーブルからゲイン群を決定することができる。アイドル状態３１１の間にゼロになるプラズマ電力は設定温度とペアになっており、あるアイドル状態３１１用のゲイン群を決定する。
図４Ｂは、本発明の一実施形態に係る、アクティブ状態の間に、図１で示された制御システムによって、部品温度を制御するための方法における操作を示すフロー図である。方法４５０は、ゲイン群の決定と共に、任意の「先読み」の詳細（３０１Ｂの継続時間、クーラント液流量弁１２０用のデューティーサイクル値、内側及び外側の抵抗発熱体３７８、３７９のいずれか一方又は両方のデューティーサイクル）の決定を行う操作４５１で始まる。操作４５５でのサンプル時間Ｔｃａｌｃの経過とともに、現在の制御温度１５０（図１）が取得され、設定温度１０６が取得され、操作４６０でプラズマ入力電力が取得される。ヒートシンクの設定温度も取得できる。図２に示される例示的な実施形態では、温度コントローラ３７５は、内側及び外側ゾーン３６４、３６５用のシャワーヘッドセンサーから制御温度入力信号を受信する。温度コントローラ３７５は、例えば、メモリ３７３に格納されている処理レシピファイルから設定温度を取得し、温度コントローラ３７５は、本明細書内の他の箇所に記載されているように、設定又は測定されたプラズマ電力を取得する。
好ましい一実施形態では、現時点（例えば、Ｔｃａｌｃの経過後）において、処理チャンバ３０５内にプラズマを励起させる測定された順方向バイアス電力３２８が、プラズマの熱負荷（例えば、ワット）として、フィードフォワード制御ラインに入力される。（例えば、メモリ３７３に格納された処理レシピファイルからの）プラズマ電力設定値を、フィードフォワード制御ラインへの入力として利用することもできる。前もって定義されているこのような電力設定値によって、フィードフォワード伝達関数ＦＡ（ｓ）及び／又はＦＢ（ｓ）は、システム内へのプラズマ電力の印加又はプラズマ電力の印加の変更に先立って、電力設定値に対して評価可能となり、予測制御努力を生成可能となる。しかしながら、温度制御システム１００は十分に迅速に反応することができると仮定すると、プラズマ電源入力は、現時点で印加されているプラズマ電力よりも高い精度の測定出力信号に結合されていることが好ましい。更にこのような実施形態では、将来の時間（例えば、レシピ工程Ｎ＋１（３０２））に対する制御努力の決定は、レシピベースのままである。
一実施形態では、プラズマ電源入力は、チャンバ３０５への第１バイアス電源入力を含む。例えば、プラズマ電源入力は、プラズマバイアス電源３２５（図２Ａ）と等しく設定可能である。プラズマ処理システムがチャンバに複数のバイアス電源入力を印加する実施形態では、複数のバイアス電源の合計が、温度制御システム１００に入力される。例えば、図２Ａに示される例示的な実施形態では、プラズマバイアス電源３２５と３２６の加重和が入力される。プラズマ電源入力として第１及び／又は第２等のプラズマバイアス電源を用いることによって、フィードフォワード伝達関数ＦＡ（ｓ）、及び／又はＦＢ（ｓ）は、（例えば、ＲＦ整合器３２７から出力された順方向バイアス電力３２８として測定された）バイアス電源入力を、外乱伝達関数Ｄ（ｓ）を補正するための冷却努力を定義するフィードフォワード制御信号ｕへと結びつける。
例示的な実施形態では、プラズマ電源入力Ｐ（ｓ）はバイアス電力の合計であるが、フィードフォワード制御信号ｕの決定は、１以上のプラズマ電源を除外することができることに留意すべきである。例えば、図２Ａを参照して、シャワーヘッド３３５（又はチャック３２０）に配置される熱負荷は比較的小さいので、高周波プラズマ電源３３０を除外することができる。しかしながら、制御される温度が処理チャンバ内への全プラズマ電源入力にかなり依存している代替実施形態では、フィードフォワード伝達関数ＦＡ（ｓ）及び／又はＦＢ（ｓ）から出力されるフィードフォワード制御信号ｕは、更にプラズマ電源３３０に基づく場合がある。例えば、本明細書内の他の箇所に記載されているように、ｃ１＊Ｐ１＋ｃ２＊Ｐ２＋ｃ３＊Ｐ３などの電力重み関数を適用することができる。
図４Ｂに戻って、操作４６５では、フィードフォワード制御信号ｕ、温度誤差信号ε（Ｔ−ＴＳＰ）、フィードバック制御信号ｖ、及び先読みのデューティーサイクルが、（例えば、メモリ３７３に格納されている温度コントローラ３７５のインスタンスとして方法４５０を実行しているＣＰＵ３７２によって）Ｔｃａｌｃ毎に計算される。内側及び外側のシャワーヘッドゾーン３６４、３６５の両方を有する図２Ａに示される例示的な実施形態では、フィードフォワード制御信号ｕ、温度誤差信号ε、フィードバック制御信号ｖ、及び先読みのデューティーサイクルのそれぞれは、各ゾーンに対して計算される。
ラプラス領域では、
ただし、ｕはフィードフォワード信号、Ｆはフィードフォワード伝達関数、ｐはプラズマ電力である。図２Ａに示される実施形態では、フィードフォワード制御信号ｕは離散時間領域で次のように実装可能である。
ただし、Ｐ（ｔ）は現在のＴｃａｌｃにおけるプラズマ電源入力、ＴＰＷＭはＰＷＭドライバ３８０、３９３の時間増分である。特定の実施形態では、フィードフォワード制御信号ｕは、単に現在の時刻（例えば、Ｔｃａｌｃ）でのプラズマ電源入力に基づいているβ０Ｐ（ｔ）として計算される。
更なる一実施形態では、将来の時間期間内で要求されるプラズマ電力は、（例えば、処理レシピファイルから）決定できるので、フィードフォワードの式には、制御温度でのクーラントの流れの効果の中で遅れを補正するように、θ１Ｐ（ｔ＋ＴＰＷＭ）＋θ２Ｐ（ｔ＋２ＴＰＷＭ）の項が更に含まれる。別の一実施形態では、制御温度１５０を達成するために必要な熱伝達は、ヒートシンク（例えば、冷却装置３７７）の設定温度及び／又はヒートソース（例えば、熱交換器３７８）の設定温度に依存しているので、追加のクーラント温度依存項δＣ（ＴＳＰ−Ｔｈｅａｔ ｓｉｎｋ）＋δｈ（ＴＳＰ−Ｔｈｅａｔ ｓｏｕｒｃｅ）がフィードフォワード制御信号ｕに追加され、ここでＴＳＰは制御温度１５０である。δＣとδｈのそれぞれは、設定値とヒートシンク／ヒートソースとの間の温度差の多項式関数として定義することができる。例えば、一実施形態では、δＣ＝ａ０＋ａ１（ＴＳＰ−Ｔｈｅａｔ ｓｉｎｋ）＋ａ２（ＴＳＰ−Ｔｈｅａｔ ｓｉｎｋ）２＋ａ３（ＴＳＰ−Ｔｈｅａｔ ｓｉｎｋ）３、δｈも同様の形式である。全体のフィードフォワード式は、温度依存係数Ωｈｏｔ及びΩｃｏｌｄを有することもでき、最終的なフィードフォワード制御信号ｕは以下のようになる。
同様に、フィードバック制御信号ｖは、ラプラス領域で、ｖ（ｔ）＝ Ｇ（ｓ）ε（ｓ）であり、離散時間領域では次のように実装可能である。
ただし、ε（ｔ）は、Ｔｃａｌｃでの温度誤差信号（制御温度１５０と設定温度１０６との間の差）である。特定の実施形態では、フィードバック制御信号ｖは、単にλ０ｅ（ｔ）として計算される。操作４６５が、Ｔｃａｌｃ毎に実行される間に、制御計算は、時刻ｔ、ｔ−ＴＰＷＭ等に対応する、ある低い周波数で入力される入力温度及びプラズマ電力値を使用することができる。ｕ、ｖ、プラズマ電力（Ｐ）、制御温度１５０、及び設定温度１０６のパラメータの値は、データ配列に格納することができ、ｔ、ｔ−ＴＰＷＭの離散時間に対応するこれらの保存された値は、その後、後続の制御計算で利用することができる。
先読みオープンループ制御を提供するために第２部分３０１Ｂを採用したレシピ工程では、本明細書内の他の箇所に記載されているように、先読みデューティーサイクルが、ルックアップテーブル、データベース等から決定される。操作４７０では、制御アクチュエータ出力信号ｐ（例えば、デューティーサイクル）が、ヒーター３９０及びクーラント液流量弁１２０の各々に対して決定され、その後、操作４７５で、アクチュエータに出力される。
一実施形態では、定数ゲインＫｖ（例えば、図４Ｃのゲイン群を構成するゲインのいずれか）がフィードフォワード制御信号ｕに適用され、定数ゲインＫｕがフィードバック制御信号ｖに適用され、これによって制御アクチュエータ出力信号ρは、ρ（ｔ）＝Ｋｖｖ−Ｋｕｕとして計算される。Ｋｖ、Ｋｕを含むゲイン群は、ヒートソース制御ループ１０１及びヒートシンク制御ループ１０２のそれぞれに対して２つの単純な係数によって結合されたフィードフォワード・フィードバック制御ラインにアクセスするための単純なインターフェイスをシステムオペレータに提供する。制御アクチュエータ出力信号ρの値に応じて、ヒートシンクとヒートソースのうちの１以上の間の熱伝達が調節される。したがって、図２Ａの例示的な実施形態では、制御アクチュエータ出力信号ρが第１符号（例えば、ρ＜０）である場合には、ヒーター３９０が抵抗発熱体３７８及び／又は３７９のデューティーサイクルを低減させながら、弁１２０のデューティーサイクルを増加させ、冷却装置３７７とシャワーヘッド３３５との間の熱伝達を増加させるように、ＰＷＭドライバ３８０又は３９３によって実行可能な形で、温度コントローラ３７５によって提供された命令を介して制御温度１５０を低減可能である。このような状況は、プラズマ電源がオンになっているか、設定温度が低減されたレシピ工程において典型的であろう。
制御アクチュエータ出力信号ρが第２符号（例えば、ρ＞０）である場合には、抵抗発熱体３７８及び／又は３７９のデューティーサイクルを増加させながら、弁１２０のデューティーサイクルを減少させ、冷却装置３７７とシャワーヘッド３３５との間の熱伝達を減少させるように、ＰＷＭドライバ３８０又はＰＷＭドライバ３９３によって実行可能な形で、温度コントローラ３７５によって提供された命令を介して制御温度１５０を増加可能である。例えば、プラズマ電力が以前のレベルから低減される（例えば、オフにする）レシピ工程、又は総プラズマ電力を一定にしながら設定温度を低下させるレシピ工程では、ρは負のより大きな数から負のより小さな数まで変化し、その後、冷却装置３７７からクーラントの流れが、弁１２０のデューティーサイクルを減少させることによって低減される。特定の実施形態では、チャンバ部品を加熱する加熱電源入力が増加している間、処理チャンバと処理チャンバの外部のヒートシンクとの間のクーラント液流量は、フィードバック信号ｖに応答してゼロ流量まで低減される。このように、特定の実施形態では、温度制御された部品（例えば、シャワーヘッド３３５）へのクーラント流体の完全な停止が、アイドル状態３１１又はアクティブ状態３２１のいずれかの間に、設定温度を下回っている部品温度に応答して発生する可能性がある。アクティブ状態３２１の間、この機能はより高速過渡応答時間及びより高い可能動作温度を可能し、一方、アイドル状態３１１では、浪費されるヒーター電力をより少なくすることができる。他の実施形態では、温度制御された部品（例えば、シャワーヘッド３３５）へのクーラント流体の完全な停止は、本明細書内の他の箇所に記載されているように、最小クーラント流体流量閾値がクーラント流体をゼロ以外の値に制限しているアイドル状態３１１でのみ、部品温度が設定温度を下回ったのに応答して起こる。
図２Ａに示される例示的な実施形態では、内側及び外側ゾーン３６４及び３６５の存在は、共通の単一クーラントループ３７６を有する２つのゾーンによって複雑になっている。特定の実施形態では、すべてのヒーターゾーンに対して独立して計算された制御アクチュエータ制御信号ρによって、制御アクチュエータ命令の決定は、第１ゾーン（例えば、内側ゾーン３６４）の計算が、第２ゾーン（例えば、外側ゾーン３６５）に対して計算されたものとは異なるクーラント流体のデューティーサイクルを決定する条件を処理するロジックを含むことができる。例えば、閾値は、クーラント液流量及びヒーター電力及び／又はブーリアンＯＲとして結合された別々のゾーンに対する条件の各々に対して決定されたデューティーサイクルの差に対して定めることができ、これによって、たとえ１つのゾーンが加熱を必要としても、クーラント流量デューティーサイクルはゼロではない流量値をデフォルトに設定する。図２Ａに示された例示的な実施形態では、ρｉｎｎｅｒ及びρｏｕｔｅｒ＞０ならば、クーラントデューティーサイクルはゼロではなく、ヒーターデューティーサイクルはゼロである。ρｉｎｎｅｒ＞０及びρｏｕｔｅｒ＜０ならば、内側を冷却し、外側を加熱する（内側ゾーン３６４と外側ゾーン３６５の間で共用される共通の冷却ループを備えた例示的実施形態の両方のゾーンをクーラントは通って流れるだろう。）ρｉｎｎｅｒ＜０及びρｏｕｔｅｒ＞０ならば、内側ゾーン３６４を加熱し、外側ゾーン３６５を冷却する（内側ゾーン３６４と外側ゾーン３６５の間で共用される共通の冷却ループを備えた例示的実施形態の両方のゾーンをクーラントは通って流れるだろう。）ρｉｎｎｅｒ＜０及びρｏｕｔｅｒ＜０ならば、内側ゾーン３６４及び外側ゾーン３６５は、加熱される（クーラント流体流量デューティーサイクル＝０）。
特定の一実施形態では、すべてのヒーターゾーンに対して独立して計算された制御アクチュエータ制御信号ρによって、すべてのヒーターゾーン（例えば、内側ゾーン３６４と外側ゾーン３６５）を通過するクーラント液のデューティーサイクルは、ヒーターゾーン間の最大デューティーサイクルと、ヒーターゾーン間の最小デューティーサイクルと、内側ゾーン３６４のデューティーサイクルと、外側ゾーン３６５のデューティーサイクルの関数として決定される。例えば、クーラント液デューティーサイクルは、ＣｏｏｌａｎｔＧａｉｎ＊ａｂｓ（ｄｕｔｙｃｙｃｌｅｉｎｎｅｒ＊ρｉｎｎｅｒ＋ｄｕｔｙｃｙｃｌｅｏｕｔｅｒ＊ρｏｕｔｅｒ＋ ｄｕｔｙｃｙｃｌｅｍａｘ＊ｍａｘ（ρｉｎｎｅｒ，ρｏｕｔｅｒ）＋ｄｕｔｙｃｙｃｌｅｍｉｎ＊ｍｉｎ（ρｉｎｎｅｒ，ρｏｕｔｅｒ））、ただし、ＣｏｏｌａｎｔＧａｉｎは、ρを増幅又は減衰させるための因子であり、ｄｕｔｙｃｙｃｌｅｉｎｎｅｒと、ｄｕｔｙｃｙｃｌｅｏｕｔｅｒと、ｄｕｔｙｃｙｃｌｅｍａｘと、ｄｕｔｙｃｙｃｌｅｍｉｎは、特定のゾーンのヒーター電力に基づくクーラントデューティーサイクル用の補正係数として決めることができる。
したがって、加熱電力とクーラント流体流量の両方がゼロでないことは、特定の状況下で起こり得る（例えば、ゾーン３６４と３６５が、異なる外乱を受けている又は大きく異なる設定温度１０６を有している場合）。例えば、内側ゾーン３６４（第１ゾーン）がより高い設定温度に達するために加熱を必要とし、同時に外側ゾーン３６５（第２ゾーン）がより低い設定温度に達するために冷却を必要とする場合、クーラント流量は冷却を必要とする外側ゾーン３６５に基づき、第１ゾーンを流れるクーラントに打ち克つために内側ゾーン３６４には余分な加熱を印加するだろう。このように、内側及び外側ゾーンのヒーターデューティーサイクルは、次のように決定することができる。
ただし、ＨｅａｔｅｒＧａｉｎは、特定のヒーターゾーンのρを増幅又は減衰させる因子である。
図５は、本明細書に記載の温度制御操作を実行するために利用可能なコンピュータシステム５００の例示的形態におけるマシンの図式表現を示している。一実施形態では、コンピュータシステム５００は、プラズマエッチングシステム３００内のコントローラ３７０として設定することができる。代替の実施形態では、マシンは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、イントラネット、エクストラネット、又はインターネット上の他のマシンに接続（例えば、ネットワーク接続）することができる。マシンは、クライアントサーバネットワーク環境でのサーバ又はクライアントマシンの機能で動作する、又はピアツーピア（又は分散）ネットワーク環境におけるピアマシンとして動作可能である。マシンは、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットＰＣ、セットトップボックス（ＳＴＢ）、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、携帯電話、ウェブアプライアンス、サーバ、ネットワークルータ、スイッチ又はブリッジ、又はそのマシンで実行するアクションを特定する（シーケンシャル又は他の）命令セットを実行することができる任意のマシンが可能である。更に、単一のマシンが図示されているが、用語「マシン」は、本明細書内で説明された任意の１以上の方法論を実行するための１つの（又は複数の）命令セットを個別又は共同で実行するマシン（例えば、コンピュータ）の任意の集合体をも含むものとしてとらえるべきである。
例示的なコンピュータシステム５００は、プロセッサ５０２、メインメモリ５０４（例えば、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）（例えば、シンクロナスＤＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ）又はラムバスＤＲＡＭ（ＲＤＲＡＭ）等））、スタティックメモリ５０６（例えば、フラッシュメモリ、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）等）、及びバス５３０を介して互いに通信する二次メモリ５１８（例えば、データ記憶装置）を含む。
プロセッサ５０２は、１以上の汎用処理装置（例えば、マイクロプロセッサ又は中央演算処理装置等）を表す。より具体的には、プロセッサ５０２は、複合命令セットコンピューティング（ＣＩＳＣ）マイクロプロセッサ、縮小命令セットコンピューティング（ＲＩＳＣ）マイクロプロセッサ、超長命令語（ＶＬＴＷ）マイクロプロセッサ、他の命令セットを実装するプロセッサ、又は命令セットの組み合わせを実装するプロセッサが可能である。プロセッサ５０２はまた、１以上の特殊目的用処理装置（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、ネットワークプロセッサ等）であってもよい。プロセッサ５０２は、本明細書内の他の箇所で説明された温度制御操作を実行するための処理ロジック５２６を実行するように構成される。
コンピュータシステム５００は、ネットワークインターフェイス機器５０８を更に含むことができる。コンピュータシステム５００はまた、ビデオディスプレイユニット５１０（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又はブラウン管（ＣＲＴ））、英数字入力装置５１２（例えば、キーボード）、カーソル制御装置５１４（例えば、マウス）、及び信号発生装置５１６（例えば、スピーカー）を含むこともできる。
二次メモリ５１８は、本明細書に記載の温度制御アルゴリズムのうちの任意の１以上を具現化する１以上の命令セット（例えば、ソフトウェア５２２）が格納されている、マシンにアクセス可能な記憶媒体（又はより具体的には、持続性コンピュータ可読記憶媒体）５３１を含むことができる。ソフトウェア５２２は、コンピュータシステム５００によって実行される間、メインメモリ５０４内及び／又はプロセッサ５０２内に完全に又は少なくとも部分的に常駐させることもでき、メインメモリ５０４及び／又はプロセッサ５０２もまた、マシン可読記憶媒体を構成する。ソフトウェア５２２は更に、ネットワークインターフェイスデバイス５０８を介してネットワーク５２０経由で送信又は受信することができる。
マシンにアクセス可能な記憶媒体５３１は、処理システムによって実行され、本明細書に記載の温度制御アルゴリズムのいずれか１以上をシステムに実行させる命令セットを格納するために更に使用することができる。本発明の実施形態は、本明細書内の他の箇所に記載されているように、本発明に係るプラズマ処理チャンバの温度を制御するコンピュータシステム（又は他の電子デバイス）をプログラムするために使用可能な命令を内部に格納するマシン可読媒体を含むことができるコンピュータプログラム製品又はソフトウェアとして更に提供することができる。マシン可読媒体は、マシン（例えば、コンピュータ）によって読み取り可能な形式で情報を格納又は伝送するための任意の機構を含む。例えば、マシン可読（例えば、コンピュータ可読）媒体は、マシン（例えば、コンピュータ）可読記憶媒体（例えば、リードオンリーメモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、磁気ディスク記憶媒体、光記憶媒体、フラッシュメモリデバイスなど）を含む。
上記の説明は、限定的なものではなく、例示的であることを意図していることを理解すべきである。上記の説明を読んで理解すれば、他の多くの実施形態が当業者には明らかであろう。本発明は、特定の例示的な実施形態を参照して説明されているが、本発明は上記実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲内における修正及び変更とともに実施することができることが理解されるであろう。したがって、明細書及び図面は、限定的な意味ではなく、例示的の意味であると見なすべきである。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照し、そのような特許請求の範囲に与えられた権利に相当するものの全範囲とともに決定されるべきである。

Claims (15)

  1. チャンバ部品温度が設定温度を下回っていることを示すフィードバック信号を生成する工程と、
    フィードバック信号に応答して、処理チャンバと、処理チャンバの外部のヒートシンクの間のクーラント液流量を流量ゼロに低減する工程を含む、プラズマ処理チャンバ部品の温度を制御する方法。
  2. チャンバがプラズマ処理レシピを実行するアクティブ状態にあるとき、処理チャンバへのプラズマ電源入力を決定する工程と、
    入力されたプラズマ電源に基づくフィードバック制御信号によってクーラント液流量を制御する工程を更に含む請求項１記載の方法。
  3. 入力されたプラズマ電力に基づくフィードフォワード制御信号によって、チャンバ部品への加熱電源入力を制御する工程を更に含む請求項２記載の方法。
  4. クーラント液流量及び加熱電源入力を制御する工程は、プラズマ処理レシピ内の実行工程の第１部分の間、実行中のレシピ工程に対してプラズマ入力電力と設定温度とのキー値のペアに関連するゲイン値の第１群を適用する工程を更に含み、ゲイン値群は、少なくともフィードフォワード制御信号のゲインと、フィードバック制御信号のゲインを含む請求項３記載の方法。
  5. クーラント液流量及び加熱電源入力を制御する工程は、実行しているレシピ工程の第２部分の間、実行している工程と次のプラズマ処理レシピ工程の間におけるプラズマ入力電力の変化と設定温度の変化とのキー値のペアに関連する過渡的なゲイン値の群を適用する工程を更に含む請求項４記載の方法。
  6. 過渡的なゲイン値の群は、チャンバ部品の温度と設定温度の変化に依存する期間に対して適用される請求項５記載の方法。
  7. クーラント液流量及び加熱電源入力を制御する工程は、実行しているレシピ工程の第２部分の間、クーラント液流量デューティーサイクル又は加熱電源入力をルックアップテーブルから決定する工程を更に含む請求項４記載の方法。
  8. チャンバがアイドル状態にあるときに、閾値レベルを越えた部品温度に応答して、ルックアップテーブルの値に基づいて、液体クーラント流量を設定する工程を更に含む請求項２記載の方法。
  9. プラズマ電源は、ワークピースを支持するように構成されたチャックへの第１バイアス電源入力を含み、フィードフォワード制御信号は、バイアス電源入力とチャンバ部品温度の間の伝達関数を含む請求項５記載の方法。
  10. 処理チャンバ内に配置されたワークピースの処理中にプラズマを励起するために、処理チャンバに結合されたプラズマ電源と、
    温度制御された部品へのクーラント液流量を完全に停止するクーラント液制御弁を含むクーラント液ループによってヒートシンクに結合された温度制御された部品を含む処理チャンバと、
    ゼロの液体流量を含む範囲に亘ってクーラント液流量を変化させることによって、温度制御された部品とヒートシンク間の熱伝達を制御するためのクーラント液制御弁に結合された温度コントローラを含むプラズマ処理装置。
  11. 温度コントローラは、クーラント液制御弁の制御用のフィードフォワード制御ラインを含み、温度コントローラは、プラズマ電源に通信可能に結合され、フィードフォワード制御信号は、プラズマを励起するためのプラズマ電源入力に基づく請求項１０記載の装置。
  12. 温度制御された部品は、ヒートソースに更に結合され、温度コントローラは、クーラント液流量によってヒートソースと温度制御された部品間の熱伝達の制御を調節することができる請求項１０記載の装置。
  13. 温度コントローラに通信可能に結合された加熱コントローラを更に含み、加熱コントローラは、抵抗加熱素子ドライバとクーラント液制御弁に結合され、温度コントローラから受信した命令に応答して加熱電力及び冷却電力の両方を制御する請求項１２記載の装置。
  14. 温度コントローラは、プラズマ電源に通信可能に結合され、フィードフォワード制御信号は、プラズマ電源から取得したプラズマ電源入力に基づいている請求項１０記載の装置。
  15. フィードフォワード制御信号は、温度制御された部品のプラズマ加熱を補正することができる請求項１４記載の装置。
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