(57)【要約】  加熱電力をパルス状にして印加し、冷却電力をパルス状にして印加することによって、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。一実施形態では、温度制御は、処理チャンバ内へのプラズマ電源入力から導か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。更なる実施形態では、温度制御された部品に結合された高温及び低温の各容器内の流体レベルは、２つの容器を結合するパッシブレベリングパイプによって部分的に維持されている。別の一実施形態では、デジタル熱伝導流体流量制御バルブは、良好な温度制御性能を提供することが見出された、加熱／冷却のデューティーサイクル値と、持続時間を有する比例周期に依存するパルス幅によって開かれる。
2013534695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理中にワークピースを支持するように構成されたチャックを含む処理チャンバと、
第１温度の第１熱伝導流体容器と、
第２温度の第２熱伝導流体容器と、
第１又は第２温度の熱伝導流体をチャックへと導くために第１及び第２熱伝導流体容器の両方をチャックに結合する第１供給ライン及び第１回収ラインと、
第１熱伝導流体容器を第１供給ラインと結合する第１バルブと、第２熱伝導流体容器を第１供給ラインと結合する第２バルブと、
重力によって熱伝導流体のレベルを等しくするために、第１熱伝導流体容器を第２熱伝導流体容器に結合するパッシブレベリングパイプを含むプラズマ処理装置。
【請求項２】
パッシブレベリングパイプは、第１及び第２熱伝導流体容器のそれぞれのドレインポイントに結合されている請求項１記載の装置。
【請求項３】
第３バルブが第１回収ラインを第１熱伝導流体容器に結合し、パッシブレベリングパイプは、第１バルブを介してチャックに供給された熱伝導流体の量と第３バルブを介してチャックから回収された熱伝導流体の量の間の不均衡を考慮することができる請求項１記載の装置。
【請求項４】
第１及び第２バルブはデジタルであり、装置は、全開状態と全閉状態の間で第１及び第２バルブのうちの少なくとも一方を駆動するパルス幅変調のデューティーサイクルを変調するためのコントローラを更に含み、第１及び第２バルブのうちの一方は、第１及び第２バルブの他方がオン状態にあるとき、オフ状態にあることができる請求項１記載の装置。
【請求項５】
コントローラは、パルス幅変調のデューティーサイクルを時間比例サイクルの割合として変調することができ、時間比例サイクルは、バルブの状態を変更するために必要な時間よりも長い大きさの２以上の命令である請求項４記載の装置。
【請求項６】
時間比例サイクルの継続時間は、チャックの熱時定数の半分未満である請求項５記載の装置。
【請求項７】
時間比例サイクルの継続時間は、４〜６秒である請求項６記載の装置。
【請求項８】
第１供給ラインは、時間比例サイクルの間に導かれた熱伝導流体の体積よりも小さい内部容積を有する請求項５記載の装置。
【請求項９】
第１熱伝導流体容器と第１バルブとの間のバイパス流路を更に含み、熱伝導流体は、１：０．８〜１：０．２の第１バルブ：バイパス比で、バイパス流路を介して第１熱伝導流体容器に回収される請求項１記載の装置。
【請求項１０】
プラズマに印加された全電力に少なくとも基づいて、全開状態と全閉状態の間で第１及び第２バルブのうちの少なくとも一方を駆動するパルス幅変調のデューティーサイクルを変調するためのコントローラを更に含み、全電力は、少なくとも約２ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの間で動作するＲＦ発生装置からの第１バイアス電力と、約２ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの間で動作するＲＦ発生装置からの第２バイアス電力の加重和である請求項１記載の装置。
【請求項１１】
プラズマ処理装置であって、
チャックを含む処理チャンバであって、チャックは、
処理中にワークピースピースが載置される作業面を提供するセラミックスパックと、
セラミックスパックの下の金属ベース内に配置された第１及び第２熱伝導流体チャンネルであって、第１熱伝導流体チャネルは作業面の外側ゾーンの下に配置され、第２熱伝導流体チャネルは作業面の内側ゾーンの下に配置されている第１及び第２熱伝導流体チャンネルを更に含む処理チャンバと、
金属ベースを通して配置され、セラミックスの作業面から５ｍｍ以下分離されている光ファイバー温度プローブと、
第１供給バルブを介して第１熱伝導流体チャネルに結合され、第２供給バルブを介して第２熱伝導流体チャネルに結合された第１温度の第１熱伝導流体容器と、
第３供給バルブを介して第２熱伝導流体チャネルに結合され、第４供給バルブを介して第２熱伝導流体チャネルに結合された第２温度の第２熱伝導流体容器を含むプラズマ処理装置。
【請求項１２】
セラミックスパックの厚さが４ｍｍ〜１０ｍｍであり、温度プローブは、セラミックスパックの全厚さによって、作業面から分離されている請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
セラミックスパックの厚さが２０ｍｍ〜３０ｍｍであり、温度プローブは、作業面の反対側のセラミックスパックの裏側に、作業面から３〜５ｍｍ以内になるように配置される請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
チャックを第１熱伝導流体容器に結合する第１供給ライン及び第１回収ラインを介して、チャックに第１温度の第１熱伝導流体を提供する工程と、
チャックを第２熱伝導流体容器に結合する第２供給ライン及び第２回収ラインを介して、チャックに第２温度の第２熱伝導流体を提供する工程と、
第１熱伝導流体容器を第１供給ラインと結合する第１バルブを制御し、第２熱伝導流体容器を第２供給ラインと結合する第２バルブを制御する工程と、
第１熱伝導流体容器を第２熱伝導流体容器に結合するパッシブレベリングパイプを通して第１又は第２熱伝導流体を流すことによって、第１熱伝導流体容器のレベルを第２熱伝導流体容器のレベルと等しくする工程を含むプラズマ処理装置でチャックの温度を制御する方法。
【請求項１５】
第１及び第２バルブのうちの一方は、第１及び第２バルブの他方がオン状態にあるとき、オフ状態にあることができるように、全開状態と全閉状態の間で第１及び第２バルブのうちの少なくとも一方を駆動するパルス幅変調のデューティーサイクルを変調する工程を更に含む請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１０年６月８日に出願され、「プラズマ処理装置用パルス化冷却装置（ＰＵＬＳＥＤ−ＣＯＯＬＩＮＧ  ＣＨＩＬＬＥＲ  ＦＯＲ  ＰＬＡＳＭＡ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ）」と題される米国仮特許出願第６１／３５２，７７９号、及び２０１０年７月７日に出願され、「パルス状の熱伝導流体の流れを用いたプラズマ処理装置における温度制御（ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＩＮ  ＰＬＡＳＭＡ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＵＳＩＮＧ  ＰＵＬＳＥＤ  ＨＥＡＴ  ＴＲＡＮＳＦＥＲ  ＦＬＵＩＤ  ＦＬＯＷ）」と題される米国仮特許出願第６１／３６２，２３２号、及び２０１１年５月１９日に出願され、「パルス状の熱伝導流体の流れを用いたプラズマ処理装置における温度制御（ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＩＮ  ＰＬＡＳＭＡ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＵＳＩＮＧ  ＰＵＬＳＥＤ  ＨＥＡＴ  ＴＲＡＮＳＦＥＲ  ＦＬＵＩＤ  ＦＬＯＷ）」と題される米国特許出願第１３／１１１，３３４号の利益を主張し、これら全体の内容を参照として本明細書内に援用する。
【背景】
【０００２】
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ピースの処理中に温度を制御する方法に関する。
【０００３】
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所望の温度に維持する。ＰＩＤ（比例−積分−微分）コントローラなどのコントローラは、温度制御された部品とヒートシンク／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。十分に大きな積分器が使用されない限り、定常状態の誤差が、単純なフィードバック制御で発生する。単純な比例制御では、（比例ゲインが無限大でない限り）外乱の存在下で定常状態の誤差は常にある。しかしながら、大きな積分制御の使用によって、大きなオーバーシュートをもつ良くない過渡信号をもたらし、長い整定時間を必要とする設定値に収束するために、ほんの数秒しか必要としない短い応答時間を有するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）とは異なり、静電チャックやシャワーヘッドの温度等のチャンバ部品の温度は、チャックのかなりの熱質量等により、プラズマプロセス中の摂動時には、安定化するのに３０秒以上が必要となる場合がある。このように、最も迅速に外乱を補償するために、大きな積分器の値は、温度制御をより不安定にする望ましくない副作用を有するフィードバック制御において使用することができる。
【０００４】
更に、ますます複雑化する積層膜に対応するために、多くのプラズマプロセスは、同一処理チャンバ内で多くの連続プラズマ条件にワークピースを曝露させる。そのような（別々に調整されたシステムではなく、単一の製造装置内で行われる）インサイチュー（ｉｎ−ｓｉｔｕ）レシピでの操作は、広い範囲に及ぶ設定温度を必要とするかもしれない。
【０００５】
したがって、安定性を向上させ、摂動時の改善された過渡応答と小さな定常状態誤差を提供するプラズマ処理チャンバ用温度制御アーキテクチャが望まれている。
【概要】
【０００６】
加熱電力をパルス状にして印加し、冷却電力をパルス状にして印加することによって、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が記載されている。一実施形態では、温度制御は、処理チャンバ内へのプラズマ電源入力から導か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。更なる実施形態では、温度制御された部品に結合された高温（熱い）及び低温（冷たい）の各容器内の流体レベルは、２つの容器を結合するパッシブレベリングパイプによって部分的に維持されている。別の一実施形態では、デジタル熱伝導流体流量制御バルブは、良好な温度制御性能を提供することが見出された、加熱／冷却のデューティーサイクル値と、持続時間を有する比例サイクルに依存するパルス幅によって開かれる。他の実施形態では、温度制御されたチャック内のセラミックスパックの厚さは、１０ｍｍ未満に低減され、これによって比例サイクルの持続時間とよく一致している熱時定数を提供し、高速温度制御の応答時間を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
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。
【図１】本発明の一実施形態に係る、フィードフォワードとフィードバック制御要素の両方を含む温度制御システムを示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、処理システム内へのプラズマ電源入力と設定温度の両方を変化させた処理レシピ内での複数の工程に亘るチャック温度を示す。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る、ワークピース支持チャックに結合された熱伝導流体ベースのヒートソース及び熱伝導流体ベースのヒートシンクを含むプラズマエッチングシステムの概略図を示す。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係る、図３Ａのプラズマエッチングシステムで使用される熱伝導流体ベースのヒートソース／シンク用のバルブ及び配管回路図を示す。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態に係る、図３Ｂに示される熱伝導流体ベースのヒートソース／シンクで使用される高温熱伝導流体容器と低温熱伝導流体容器の間に伸びるパッシブ均一化ラインを示す。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態に係る、図３Ｂに示される配管回路図のバルブ３８５、３８６のデューティーサイクルを制御するために使用されるパルス幅変調における時間割合を示す。
【図３Ｅ】本発明の一実施形態に係る、図３Ｂに示される配管回路図のバルブ３８５、３８６を制御するために使用されるパルス幅変調における時間割合を示す。
【図３Ｆ】本発明の一実施形態に係る、図３Ａに示されるエッチシステムで使用される薄いパックを含むチャックアセンブリを示す。
【図３Ｇ】本発明の一実施形態に係る図３Ａに示されるエッチシステムで使用される厚いパックを含むチャックアセンブリを示す。
【図４】本発明の一実施形態に係る、図３に示されるプラズマエッチングシステムに組み込まれた例示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】
【０００８】
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。
【０００９】
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首尾一貫した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。
【００１０】
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。
【００１１】
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、又は電子命令の非一時的な方法で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非一時的ストレージメディアに格納することができるが、これらに限定されない。
【００１２】
「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。
【００１３】
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、外乱伝達関数を補償するフィードフォワード制御信号を生成するフィードフォワード制御ラインを介して温度制御努力を提供する。より具体的には、フィードフォワード制御の伝達関数は、外乱伝達関数とは大きさが等しく反対符号であることが好ましく、これによって制御されている温度への外乱を中和する。更なる実施形態では、フィードフォワード制御信号は、フィードバック制御努力に追加され、これによってフィードバックループは、より低い制御努力を提供するために要求され、したがってフィードフォワード制御信号が存在しない場合に必要とされるよりも温度誤差補正のためのより低いフィードバックゲインを可能にする。より低いフィードバックゲインによって、従来のプラズマ処理システムに対して、改善された温度安定性及び改善された過渡応答（例えば、オーバーシュートが減少、立ち上がり時間の減少など）が達成される。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る、フィードフォワード（例えば、Ｆ（ｓ）１１５）及びフィードバック（例えば、Ｇ（ｓ）１２０）制御要素の両方を含むラプラス領域内の温度制御システム１００を示すブロック図である。市販の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、測定された制御温度１５０と設定温度１０６を含む入力を備えたフィードバック制御のみを提供している）ので、特定の実施形態は、フィードバック伝達関数Ｇ（ｓ）１２０の制御計算を自律温度制御プレーン（例えば、個別のＰＩＤコントローラ）から一掃して、フィードバック及びフィードフォワード制御努力の両方を計算する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１２５上に移すことによって、フィードフォワード制御を提供する。更に本明細書に記載されるように、個別の温度コントローラは、その後、温度制御システム１００を実装す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１２５の指示の下で動作する制御アクチュエータ（例えば、バルブ、抵抗素子等）のドライバとしてのみ利用することができる。しかしながら、代替の実施形態では、個別の温度コントローラは、統合化制御ソフトウェアプレーン１２５からオフロードされた関連する制御計算によって、本明細書に記載されたフィードフォワード制御を提供するように構成される。
【００１５】
図１に示されるように、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るプラズマ電力１０５を入力として取るフィードフォワード伝達関数Ｆ（ｓ）の１１５を含む。フィードフォワードラインへ入力されたプラズマ電力１０５は、温度制御されたシステム部品上でかなりの熱負荷がかかるプラズマ電源（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Ｆ（ｓ）１１５は、外乱伝達関数Ｄ（ｓ）１１０をエミュレートすることができ、また外乱伝達関数Ｄ（ｓ）１１０と符号が反対の制御努力を提供し、プラズマソース電力の熱負荷によって発生した外乱に起因する制御温度１５０の増加を補償するフィードフォワード制御信号ｕを出力することができる。外乱伝達関数Ｄ（ｓ）１１０は、プラズマ電力１０５の熱負荷を、特定の熱時定数τを有するプラズマ処理システムの制御温度１５０の上昇に結びつけている。例えば、図２に示されるプロセスレシピでは、プロセスレシピ工程「１」と「２」の間における７００Ｗから１２００Ｗまでのプラズマ電力のステップ関数の増加は、設定温度１０６（図２では２５℃）を維持するために、外部冷却努力によって中和することができる、時間をかけてのシステムの温度上昇に対する外乱伝達関数Ｄ（ｓ）１１０によってマッピングすることができる。
【００１６】
図１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、フィードバック伝達関数Ｇ（ｓ）１２０が、フィードバック制御信号ｖを提供するフィードバック制御ループと結合される。温度制御システム１００は、制御温度１５０と設定温度１０６の差に対応する誤差信号ｅの補正用に、フィードバック制御信号ｖを保持する。設定温度１０６と共にフィードフォワード制御信号ｕは、アクチュエータ伝達関数Ｇ２（ｓ）１３０及び熱質量伝達関数Ｈ（ｓ）１３５へ入力され、出力制御温度１５０上での外乱伝達関数Ｄ（ｓ）１１０の影響を補償する。アクチュエータ伝達関数Ｇ２（ｓ）１３０は、温度制御された部品とヒートシンクとの間の熱伝達を制御するアクチュエータの関数を含み、更に、温度制御された部品とヒートソースとの間の熱伝達を制御するアクチュエータの関数を含んでいてもよい。図１に示されるように、フィードバック制御のアクチュエータは、フィードフォワード制御用にも使用され、これによってフィードフォワード伝達関数Ｆ（ｓ）１１５の追加は、既にプラズマ処理チャンバに取り付けられているかもしれない従来のフィードバック制御システムと同一のアクチュエータによって実装することができる。アクチュエータは、当該技術分野において一般的に使用される任意の方法で実装することができる。例えば、一実施形態では、アクチュエータは、温度制御された部品とヒートシンク及び／又はヒートソースの間に結合された、１以上の熱伝導流体の流量を制御する１以上のバルブを含む。代替的な一実施形態では、アクチュエータは、温度制御された部品に結合された１以上の抵抗発熱体を含む。熱質量伝達関数Ｈ（ｓ）１３５は、ヒートシンク／ソースと温度制御された部品の熱容量の関数を含む。
【００１７】
したがって、図１に示される例示的な実施形態では、フィードフォワード伝達関数Ｆ（ｓ）１１５は以下の形式をとる。
【数１】
2013534695.tif 000003
【００１８】
図２は、本発明の実施形態に係る、処理システムへのプラズマ電源入力と設定温度の両方を変化させた単一の処理レシピの複数の連続する処理工程に亘るワークピース支持チャックの温度を示している。図示されるように、工程１と２の間において、処理システムへのプラズマ電源入力は、総バイアス電力７００Ｗから総バイアス電力１２００Ｗまで増加している。図１の制御システムによって、プラズマ電力がステップ関数であっても、チャックの内側温度ゾーンと外側温度ゾーンの両方で、２５℃の設定温度に維持される。処理レシピの工程３で更に示されるように、プロセスレシピのバランスを取るために設定温度が５０℃に上昇する工程の継続時間（例えば、約６０秒）の間、設定温度は３５℃まで上昇する。このように、図２は、単一プロセスレシピ内における幅広い設定温度範囲（２５℃）と、中間温度（３５℃）が短い継続時間のみ採用された高速の設定温度のランプレートを例示している。工程３の短い継続時間によって、プラズマ処理装置は、急速熱処理の付加的な機能を担い、これによってプラズマ処理の物理学が期待される方法（例えば、適切な堆積速度、適切なエッチング率など）で制御されていることを確認するために、高速温度応答時間が必要となる。
【００１９】
図２に示される実施形態では、システムの熱時定数は、約１０秒である遅延Ｄ１から明らかである。更に図示されるように、約１℃／秒の温度ランプレートが、時間Ｒ１に亘って実現されている。当業者に理解されるように、半導体技術で利用されるプラズマ処理システムの代表的な物理的サイズ（例えば、３００ｍｍのプラットフォーム）を有する機械システムで、このような短い遅延を達成することは自明ではなく、このような良好なパフォーマンスを可能にする構成を、ここで詳細に説明する。
【００２０】
図３Ａは、温度を制御された部品を含むプラズマエッチングシステム３００の概略断面図を示している。プラズマエッチングシステム３００は、当該技術分野で既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（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）社によって製造される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）チャンバが挙げられるが、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、本明細書内に記載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を与え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等）にも適応可能であることに更に留意すべきである。
【００２１】
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、温度制御された静電チャック３２０にクランプされる。基板３１０は、プラズマ処理技術分野で標準的に採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。特定の実施形態では、温度制御されたチャック３２０は、各ゾーンをゾーン間で同じ又は異なる設定温度１０６（図１）に独立して制御可能な複数のゾーンを含む。例示的な実施形態では、内側温度ゾーン３２２は、基板３１０の中心部の近傍にあり、外側温度ゾーン３２１は、基板３１０の外周部／端部の近傍にある。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に接続された排気バルブ３５１を通して排気される。
【００２２】
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。第１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、特定の一実施形態では、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に接続された約２ＭＨｚ帯で動作する第２プラズマバイアス電源３２６を含み、これによってデュアル周波数バイアス電力を供給する。デュアル周波数バイアス電源の一実施形態では、５００Ｗ〜１００００Ｗの総バイアス電力（Ｗｂ，ｔｏｔ）用の電力のうち、１３．５６ＭＨｚの発生器が５００Ｗ〜３０００Ｗの間で供給すると同時に、２ＭＨｚの発生器が０〜７０００Ｗの間で供給する。別のデュアル周波数バイアス電力の一実施形態では、１００Ｗ〜１００００Ｗの総バイアス電力（Ｗｂ，ｔｏｔ）用の電力のうち、６０ＭＨｚの発生器が１００Ｗ〜３０００Ｗの間で供給すると同時に、２ＭＨｚの発生器が０〜７０００Ｗの間で供給する。
【００２３】
プラズマソース電源３３０は、高周波ソース電源を供給してプラズマを励起するチャック３２０に対して陽極であることが可能なプラズマ生成要素３３５（例えば、シャワーヘッド）に整合器（図示せず）を介して結合されている。プラズマソース電源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、特定の一実施形態では、１６２ＭＨｚ帯である。特定の実施形態では、上部ソース電源は、１００Ｗ〜２０００Ｗの間で動作する。バイアス電源は、基板３１０のイオン衝撃を制御することによって、より直接的に基板３１０上のバイアス電圧に影響を与え、一方ソース電源は、より直接的にプラズマ密度に影響を与える。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、チャック３２０に限定されず、温度制御された部品は、プラズマ電力を処理チャンバに直接結合しなければならないわけでもない。例えば代替の実施形態では、プロセスガスがプラズマ処理チャンバ内に入力されるシャワーヘッドを、温度制御システム１００によって制御する。このようなシャワーヘッドの実施形態において、シャワーヘッドはＲＦ電力を供給してもしなくてもよい。
【００２４】
高いバイアス電力密度（ｋＷ／ワークピース領域）の実施形態（例えば、誘電体エッチングに適用可能な図２に示されるもの）では、ＲＦフィルタリングの問題のため、抵抗ヒーターを介してチャック３２０に加熱力を供給することには問題がある。システム３００に対しては、（例えば、図２の工程４で、チャック温度を５０℃まで上昇させるための）チャック加熱力は、熱伝導流体ループによって提供される。このような実施形態では、第１熱伝導流体ループはチャック３２０を冷却し、第２熱伝導流体ループはチャック３２０を加熱する。例示的な実施形態では、温度コントローラ３７５は、（統合化制御ソフトウェアプレーン１２５を介して）冷却装置３７７（ヒートシンク）及び熱交換器３７８（ヒートソース）に直接的又は間接的に結合される。温度コントローラ３７５は、冷却装置３７７又は熱交換器（ＨＴＸ）３７８の設定温度を取得することができる。冷却装置３７７の温度と設定温度１０６の間の差及び熱交換器３７８の温度と設定温度１０６の間の差は、プラズマ電力（例えば、全バイアス電力）と共に、フィードフォワード制御ラインに入力される。冷却装置３７７は、チャック３２０を冷却装置３７７と熱的に連結するクーラントループを介して、チャック３２０に冷却力を供給することができる。したがって、例示的な実施形態では、２つのクーラントループが採用されている。１つのクーラントループは、冷たい液体（例えば、設定温度−５℃のＧａｌｄｅｎ又はＦｌｕｏｒｉｎｅｒｔ等）を有し、もう１つのクーラントループは、高温の液体（例えば、設定温度５５℃のＧａｌｄｅｎ又はＦｌｕｏｒｉｎｅｒｔ等）を含む。このように、図１を再び参照すると、ρが負であるとき、冷却が必要とされ、バルブ３８５（図３Ａ）が開かれる。同様にρが正であるとき、加熱ループ用バルブ３８６が開かれる。好ましい実施形態では、任意の特定の時間において、加熱及び冷却バルブ３８５及び３８６の一方だけが開かれ、これによって任意時刻におけるチャック３２０への全流体の流れは、冷却装置３７７又はＨＴＸ３７８のいずれかから送られる。
【００２５】
図３Ｂは、本発明の一実施形態に係る、図３Ａのプラズマエッチングシステムで採用された熱伝導流体ベースのヒートソース／シンク用のバルブ及び配管回路図を示している。更に図示されるように、一組の熱伝導流体供給ライン３８１及び３８２は、冷却装置３７７と、（処理中にワークピース３１０を載置するチャックの作業面の下の）チャック３２０に埋め込まれた熱伝導流体チャネルに、バルブ３８５（それぞれ、ＥＶ４及びＥＶ３）を介して結合されている。ライン３８１は、チャック作業面の第１の外側ゾーンの下に埋め込まれた熱伝導流体チャネルに結合され、ライン３８２は、チャック作業面の第２の内側ゾーンの下に埋め込まれた熱伝導流体チャネルに結合され、これによってデュアルゾーン冷却を促進する。同様に、ライン３８１と３８２はまた、チャック３２０をＨＴＸ３７８にバルブ３８６（それぞれ、ＥＶ２及びＥＶ１）を介して結合し、これによってデュアルゾーン加熱を促進する。回収ライン３８３は、内側及び外側ゾーンの熱伝導流体チャネルの各々の、冷却装置／ＨＴＸ、３７７／３７８への、リターンバルブＥＶ３及びＥＶ１を介した結合を完了する。
【００２６】
冷却装置３７７及びＨＴＸ３７８の各々は、熱エネルギーをシンク又はソースするために設定温度で動作可能な熱伝導流体容器（すなわち、タンク又は溶液槽）を含む。パッシブ（受動）レベリングパイプ３９９は、第１熱伝導流体容器を第２熱伝導流体容器に結合し、重力によって熱伝導流体のレベル（高さ）を均一化する。パッシブレベリングパイプ３９９は、任意の従来の導管（例えば、３／４インチのＩＤ  ｆｌｅｘｌｉｎｅ）であってもよい。重力供給均一化は有利であり、バルブ３８５と３８６（及び同様にリターンバルブＥＶ１とＥＶ３）は、冷却装置３７７内の熱伝導流体レベルが、もしそうでなければＨＴＸ３７８内の熱伝導流体レベルから時間と共に逸脱するように動作する。バルブ３８５、３８６のいずれか一方のみが、任意の時刻で開いており、各バルブは頻繁に循環させるようにパルス加熱／冷却が利用される場合は、これは特に問題である。リターンバルブＥＶ３又はＥＶ１が、それぞれバルブ３８５又は３８６と同位相で切り替えられる場合でも、動作中にバルブの作動速度のわずかな変動等が冷却装置３７７とＨＴＸ３７８の間の熱伝導流体の正味の移行をもたらす可能性があることが判明している。図３Ｃは更に、本発明の実施形態に係る、高温と低温の熱伝導流体容器間に延びるパッシブ均一化パイプ３９９を示している。図示されるように、冷却装置容器用の低レベルマーク３９１は、熱交換器容器の低レベルマーク３９２と平準化するようにプラットフォームで構成されている。冷却装置３７７及びＨＴＸ３７８がこのように配置されることによって、均一化パイプ３９９は、高温及び低温容器の排出ポートに取り付けることができる。
【００２７】
動作時には、高温及び低温クーラントループの各々は、チャック温度を制御するために流されるので、レベリングパイプ３９９は、冷却装置３７７及びヒーター３７８のそれぞれ低温及び高温容器へとチャック３２０から戻される流体量の違いを打ち消すように動作する。均一化パイプ３９９に沿ったアクティブなバルブコントロールが無いので、加熱及び／又は冷却された熱伝導流体の小束が、低温及び高温の供給及び回収間でのわずかなずれに応じて発生し、容器が等しいレベルに満たされるのを維持するように分配する。温度制御バルブの操作によって発生する流体移送は比較的小さいので、レベリングパイプ３９９は、ＨＸ（ＨＴＸ）及び／又は冷却装置３７７、３７８にはほとんど追加の負荷を与えない。
【００２８】
図３Ｂ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、パルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラ３８０に結合されている。バルブ３８５及び３８６がデジタルであり、更に１つだけが任意の時刻に開かれているように操作される実施形態では、チャック３２０の加熱及び冷却は、「パルス化（パルス状）」と呼ばれる。本明細書の他の箇所で更に説明されているように、バルブ３８５は、デューティーサイクルによって定義された時間の間、開いた状態に制御されているとき、冷却力のパルスが提供される。同様に、バルブ３８６は、デューティーサイクルによって定義された時間の間、開いている状態になるように制御されるとき、加熱力のパルスがチャック３２０に提供される。ＰＷＭコントローラ３８０は、一般的に入手可能であり、バルブがデジタルである（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バルブ３８５及び３８６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。代替的な実施形態では、ＰＷＭ機能をサポートし、デューティーサイクルの外部制御を提供するＰＩＤコントローラ（例えば、日本の山武（株）のアズビルから市販されているもののうちの１つを挙げることができるが、これに限定されない）を、本明細書に記載のフィードフォワード制御アルゴリズムを実施するために採用することができる。更に他の選択肢では、ＰＷＭ制御信号は、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、その信号はバルブ３８５、３８６をオン／オフの位置に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。温度コントローラ３７５が温度制御システム１００を実装している実施形態では、ＰＷＭコントローラ３８０は、デジタルバルブ３８５及び３８６のドライバとしてもっぱら利用されている。
【００２９】
隔離されたヒートソース／シンクに結合されたポンプに対して適度に低い圧力を維持するために、周期的に閉鎖するバルブ３８５及び３８６によって、熱伝導流体容器（すなわち、冷却装置３７７又はヒーター３７８）とバルブ３８５、３８６との間にバイパスが設けられている。バルブ３８５が閉じているとき、熱伝導流体はバイパス３８４を介して冷却装置３７７へと戻され、一方、バルブ３８６が閉じているとき、熱伝導流体はバイパス３８３を介してＨＴＸ３７８へと戻される。非常に大きなバイパスは、加熱力／冷却力を浪費する非効率的な動作の原因となり、一方、非常に小さなバイパスは、ポンプの負荷が高くなり過ぎる。チャック３２０への供給ラインの流れ（例えば、３８１と３８２のいずれか）は、チャック３２０を通る流れがバイパス（３８３又は３８４）を介してより大きくなるようにバイパスを使用して分割する必要があることが判明している。良好なパフォーマンスを提供する特定の実施形態では、チャック３２０への（バルブ３８５又は３８６のいずれかを介しての）流れの間の比率は、１：０．８〜１：０．２である。例えば、供給ライン３８１内の流れが約２．５ＧＰＭで、供給ライン３８２内の流れも２．５ＧＰＭの場合、バイパス３８４を通る流れは、約１ＧＰＭである。
【００３０】
図３Ｄ及び図３Ｅは、本発明の実施形態に係る、図３Ｂに示されたバルブ及び配管回路図内のパルス幅変調の時間割合を示している。図３Ｄに示されるように、時間の基本単位である「比例サイクルタイム」は、デューティーサイクルの割合に対して利用され、固定公称オープンバルブ流体流量（例えば、２．５ＧＰＭ）とゼロのクローズドバルブ流体流量の間の熱伝導流体の流れをチャック３２０へ循環させることによって、デジタル値３８５、３８６を、アナログの加熱／冷却力の印加に近似させることができる。図３Ｄに示されるように、比例サイクルのうちでデジタルバルブが開の時間の割合は、デューティーサイクル（ＤＣ）と呼ばれている。２５％のＤＣの冷却では、バルブ３８５は、比例サイクルタイムのうちの２５％（例えば、１．２５秒）を開いた状態である。同様に、７５％のＤＣの加熱では、バルブ３８６は、比例サイクルタイムの７５％（例えば、３．７５秒）を開いた状態である。
【００３１】
図２に示される高速な温度応答時間及び良好な定常状態の制御を達成するために、比例サイクルタイムの継続時間は重要である。比例サイクルは、（本明細書の他の箇所で説明されているように、少なくとも部分的に、パックの厚さに依存している）チャック３２０の熱時定数よりも短い継続時間を有することができる。チャック３２０の熱時定数は、加熱／冷却電力をパルス状にして印加することによって被る可能性のある温度リップルを平滑化するのに役立つ。このように、非常に短い熱時定数は、制御システム１００によって応答時間が大幅に削減するが、非常に短い熱時定数は、パルス状の加熱／冷却電力の印加の結果として、作業面の温度リップルが現れるようになる。このようなリップルの大きさは数倍大きい可能性もあり、プロセス感度にもよるが、ワークピース処理時に不利になる場合もある。したがって、チャック３２０の熱時定数によく合致した比例サイクルタイムを定義することが重要である。特定の一実施形態では、比例サイクルの継続時間は、チャック３２０の熱時定数の半分と同じくらいの大きさであり、好ましくは実質的に半分よりも小さい。
【００３２】
最小比例サイクルの継続時間は、一般的にデジタルバルブ（例えば、バルブ３８５、３８６）が状態を切り替えることができる速度によって制限される。図３Ｅに図示されるように、デューティーサイクルのスケールは、バルブ３８６の制御に対してＤＣ最小値から１００（正）に拡張し、一方、デューティーサイクルのスケールは、バルブ３８５の制御に対してＤＣ最小値から−１００（負）に拡張する。このように、ＤＣ値に応じて、任意の時刻においてバルブ３８５及び３８６の一方のみを開き、最小ＤＣを下回る任意のＤＣ％に対しては、両方のバルブを「オフ」又は閉じた状態にする。最小ＤＣ％よりも短いすべてのＰＷＭ駆動パルスは、コントローラ３７５によって正確にゼロに切り捨てられる。比例サイクルの継続時間は、バルブの切り替え時間が比例サイクルのかなりの割合にならないように十分に大きく選択されるべきである。一実施形態では、時間比例サイクルは、周期を比例時間ですバルブの状態を変更するために必要な時間よりも長い１桁を超える大きさである。バルブ３８５と３８６が切り替わる速度が０．３５秒未満である好ましい実施形態では、比例サイクルの継続時間は、４〜６秒間（例えば、図３Ｄに示されるように５秒間）である。５秒間の比例サイクルの継続時間によって、バルブ切り替え時間は、デューティーサイクルの範囲の１０％未満を占め、バルブ切り替え時間が０．２５〜０．３５秒間の実施形態では、バルブ切り替え時間は、高温及び低温制御の各々において約５〜６％を占める。このように、チャック３２０の温度は、バルブ３８６が例えば６％の最小ＤＣで要求される前に、ある量をドリフトできる。非常に小さいデューティーサイクルは通常、アイドル期間中にのみ発生し、定常状態の温度制御のこのレベルが適切である。
【００３３】
比例サイクルの継続時間に影響を与える更なる検討は、ヒートシンク／ソースの温度に保持されていない熱伝導液のデッドボリュームを表す供給ライン３８１及び３８２の内部容積である。好ましいことに、バルブ３８５、３８６の間（又は、少なくとも容器３９６の間）の配管領域内のクーラント体積及びチャック３２０は、パルス継続時間の間に流れたクーラントの体積に対して大きくはない。例示的な一実施形態では、供給ライン３８１及び／又は３８２は、時間比例サイクル（例えば、１００％ＤＣ）の間に流れた熱伝導流体の体積よりも少ない内部容積を有する。供給ラインの体積は、長さと直径の両方の関数であるので、体積の低減は、比例サイクルの継続時間をチャック３２０の熱時定数の極限まで低減させることが可能な、より小さい直径のライン及び／又はより短い長さによって達成することができる。しかしながら、１／４インチＩＤ接続ラインは、不利なことに、十分なクーラント流量（例えば、１ガロン／分（ＧＰＭ）〜７ＧＰＭ）を生成するために非常に高い圧力を供給するポンプを必要とする。誘電体エッチングシステムに存在する高い熱負荷（例えば、Ｗｂ，ｔｏｔ〜７０００Ｋ）の下で十分な冷却力を提供するために、好ましいオープンバルブ流量は、２〜６ＧＰＭである。十分に低い流動抵抗を提供するために、ライン３８１及び／又は３８２の長さが約８フィート以下である少なくとも３／４インチＩＤの配管が、好ましい実施形態で利用されている。長いラインの方がしばしば設置がより楽であることを考慮に入れると、ライン３８１及び／又は３８２は、配管ＩＤが１／２インチまで縮小されるならば、１５フィートまで拡張することができる。そのような実施形態では、例示的な５秒間の比例サイクルの継続時間中に、約１リットルの熱伝導流体が流れる間に、デッドボリュームを１リットル未満に抑えることができる。
【００３４】
実施形態では、チャック３２０とシャワーヘッド３３５は、１．２５インチの固定ギャップ間隔を有する。図３Ｆ及び図３Ｇに更に示されるように、チャック３２０は、薄いセラミックスパック３２７又は厚いセラミックスパック３２８のいずれかを更に組み込むことができる。本明細書で用いる場合、「パック」は、ワークピース３１０を温度制御されたベース３２９から分離するセラミックス製スラブを指す。パックは、イオン衝撃に起因する熱流束を沈め、ＲＦ電力をワークピース３１０に容量結合し、更にワークピース３１０をチャック３２０に保持するクランプ力を提供する電極をカプセル化する。
【００３５】
図３Ｇに図示される厚いパックの実施形態では、静電チャック（ＥＳＣ）は、パック内に埋め込まれたＲＦ電力及びＤＣバイアスを供給された電極３３３を備えており、ベース３２９は接地されている。薄いパックの実施形態では、静電チャックは、パック内に埋め込まれた、ＤＣバイアスが供給されるがＲＦには浮いた電極３３４を備えており、ベース３２９はＲＦ電力が供給される。薄いパックの実施形態では、シャントキャパシタンスが大きいため、接地されたＥＳＣのベースは不利である。ＥＳＣ電極とワークピースを、ベース３２９の接地面から大きく離れた場所に配置することができるので、この問題は、厚いパックの実施形態にとっては一般的ではない。
【００３６】
セラミックスパックの厚さは、チャック３２０の熱時定数に影響を及ぼし、したがって、図２に図示された遅延Ｄ１の大きさに影響を与える。薄いパックの一実施形態（図３Ｆ）では、セラミックスパック３２７の公称厚さＴ１は１０ｍｍ未満であり、より具体的には約５ｍｍである。厚いパックの一実施形態では、セラミックスパック３２８の公称厚さＴ２は１０ｍｍよりも大きく、より具体的には約２５ｍｍである。例えば、チャック３２０の熱時定数は、セラミックの厚さに応じて約５秒〜６０秒の間で変えることができる。特定の一実施形態では、公称５ｍｍのセラミックスの厚さを有する薄いパック３２７を備えたチャックは、約１０秒の時定数を有し、一方、公称２５ｍｍのセラミックスの厚さを有する厚いパック３２８を備えたチャックは、６０秒のオーダーの時定数を有する。薄いパックの実施形態の低い熱時定数は、図２に示されたタイプの（エッチング）プロセスレシピの連続工程での高速温度ランピングを可能にする。厚いパックの実施形態は、熱質量が大きいので、のかなり長い応答時間を有することが予想できる（例えば、図２のＤ１は、６０秒を超えるかもしれない）。約５秒の比例サイクル継続時間を有する実施形態では、薄いセラミックスパックの１０秒の熱時定数は、温度リップルを約１℃以下に低減する。このように、５秒の比例サイクル継続時間は、大幅に長いサイクル継続時間をもつ薄いパックの実施形態によく合致しており、チャック３２０の熱時定数に近付き過ぎる。厚いパックの実施形態の熱時定数は、非常により長くなるため、比例サイクル継続時間は、作業表面温度の顕著な温度リップルを発生させずに５秒を超えて増加する可能性がある。それにもかかわらず、望ましい厚いパックの実施形態では、５秒の比例サイクルが利用され、これによって制御システム１００によって実行されるアルゴリズムは、厚い又は薄いセラミックスパックが存在する場合にあまり依存しないように作られる。
【００３７】
図３Ｆ及び図３Ｇに更に示されるように、１以上の温度プローブ３７６が、独立した温度ゾーンの数に応じて、下部支持アセンブリ内に埋め込まれている。非金属製プローブは、ＲＦカップリング／フィルタリングの問題を回避するために好まれ、一実施形態では、フルオロ光ファイバー温度プローブが用いられる。マルチゾーン（例えば、デュアルゾーン）の実施形態では、２以上のこのようなプローブが、下部支持アセンブリに埋め込まれている。例えば、第１プローブ３７６をチャックの内側ゾーンの下に配置することができ、一方、第２プローブ３７６をチャックの外側のゾーンの下に配置することができる。温度プローブ３７６は、薄い又は厚いパックが採用されているかどうかに応じて、下部アセンブリ内に配置される。図３Ｆに示されるような薄いパックの一実施形態では、温度プローブの先端は、薄いセラミック層の裏側に接触して配置されている。このように、プローブの先端は、薄いセラミック層に埋め込まれておらず、プローブ３７６の先端は、ワークピース３１０が載置された作業面から約５ｍｍ隔てられている。図３Ｅに示される厚いパックの一実施形態では、温度プローブ３７６の先端は、ワークピース３１０が載置された作業面からＲ１が５ｍｍ未満となるように、厚いセラミック層内に埋め込まれている、又は凹みに配置されている。特定の一実施形態では、Ｒ１は作業面から約３ｍｍである。薄い又は厚いパックが採用されているかどうかに依存した方法で、下部アセンブリ内にプローブ先端を配置することによって、温度制御システム１００のハードウェア及び測定の校正の多くは、異なるセラミックスパック厚さを有するシステム間で保持することができる。したがって、セラミックスパックは、実行される処理等に基づいて、特定のシステムを再構成するように取り換えることができる。
【００３８】
図３Ａに戻って、温度コントローラ３７５は、温度制御アルゴリズムを実行することができ、ソフトウェア又はハードウェア、又は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、チャック３２０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。フィードフォワードの一実施形態では、サンプル時間Ｔｃａｌｃが経過すると、操作２０５で、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、プラズマ電力１０５が取得される。ヒートシンクの設定温度も取得することができる。図３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、チャック温度センサー３７６（例えば、光プローブ）からの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に格納されているプロセスレシピファイルからチャックの設定温度を取得し、温度コントローラ３７５は、（測定された、又はレシピファイルパラメータで設定されている）プラズマ電力を取得する。
【００３９】
温度コントローラ３７５は、統合化制御ソフトウェアプレーン１２５内に含まれる又は統合化制御ソフトウェアプレーン１２５によって提供される必要はない（図１参照）。具体的には、温度コントローラ３７５の機能性は、その代わりに個別のシステムとして提供することができる。ＰＩＤコントローラ（例えば、山武（株）のアズビルから市販されているものが挙げられるが、これらに限定されない）は、将来的には追加的なフィードフォワード入力（例えば、プラズマ電力及び冷却装置温度）を含むように設計されるかもしれない。個別のシステムは更に、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機能を有するプロセッサを含むように製造することができる。このように、温度制御用に本明細書に記載されたすべての実施形態は、統合化制御ソフトウェアプレーン１２５の一面（ファセット）又はＰＷＭコントローラ３８０の一面のいずれかとして、温度コントローラ３７５によって提供されることができる。
【００４０】
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フォワードＲＦバイアス電力３２８は、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に格納されたプロセスレシピファイルからの）プラズマ電力設定値もまた、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ができる。このような予め定義されている電力設定値は、プラズマ電力を印加する前に、又はシステム内へのプラズマ電力の印加を変更して、予期した制御努力を生成する前に、フィードフォワード伝達関数Ｆ（ｓ）１１５を評価可能にするかもしれない。しかしながら、温度制御システム１００が十分に迅速に反応できると仮定すると、プラズマ電力１０５は、現時点で印加されているプラズマ電力のより高い精度のために測定された電力出力信号に結合されるのが好ましい。このような実施形態でさえも、将来の時間に対する制御努力の決定は、レシピベースのままでいるだろう。
【００４１】
一実施形態では、プラズマ電力１０５は、プラズマ処理中に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む。例えば、プラズマ電力１０５は、プラズマバイアス電力３２５（図３）に設定することができる。一実施形態では、プラズマ電力１０５は、プラズマ処理チャンバへの多数の電源入力の加重和である。例えば、プラズマ電力の加重和は、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。プラズマ処理システムが２ＭＨｚと１３．５６ＭＨｚのバイアス電源入力をチャックに又は２ＭＧｚと６０ＭＨｚのバイアス電源入力をチャックに印加する例では、ｃ１及びｃ２は、それぞれ１である。プラズマ電力１０５として第１及び／又は第２プラズマバイアス電源入力を用いた場合、フィードフォワード伝達関数Ｆ（ｓ）１１５は、（例えば、ＲＦ整合器３２７から出力された順バイアス電力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）１１０を補償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に結び付ける。
【００４２】
例示的な実施形態では、バイアス電力の加重和（Ｗｂ，ｔｏｔ）がプラズマ電力１０５として入力されている間、処理チャンバへの総プラズマ電源入力の１以上は、重み関数としてプラズマ電力１０５から除外してもよいことに留意すべきである。例えば、図３を参照すると、プラズマソース電源３３０は、プラズマ電力１０５から除外されており（すなわち、ｃ３＝０）、ここで、制御システム１００（図１）は、静電チャック３２０の温度を制御することができる。このような実施形態では、プラズマソース電源３３０によってチャック３２０上に配置された熱負荷は比較的小さいので、プラズマ電力１０５は、プラズマソース電源３３０を含む必要はない。しかしながら、制御すべき温度が処理チャンバ内への全てのプラズマ電源入力にかなり依存している代替的な実施形態では、フィードフォワード伝達関数Ｆ（ｓ）１１５から出力されたフィードフォワード制御信号ｕは、プラズマソース電源３３０に更に基づくことができる。
【００４３】
温度誤差信号ｅ、フィードフォワード制御信号ｕ、及びフィードバック制御信号ｖは、Ｔｃａｌｃ毎に（例えば、ＣＰＵ３７２によって）計算される。ラプラス領域では、
【数２】
2013534695.tif 000004
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３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。
【数３】
2013534695.tif 000005
ただし、Ｐ（ｔ）は現在のＴｃａｌｃにおけるプラズマ電力、ＴＰＷＭはＰＷＭコントローラ３８０の時間増分である。特定の一実施形態では、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。
【００４４】
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）＋δＣ（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。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。
【数４】
2013534695.tif 000006
【００４５】
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。
【数５】
2013534695.tif 000007
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２１０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１０５（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。
【００４６】
制御アクチュエータ出力信号ρは、フィードフォワード信号ｕと、フィードバック信号ｖの組み合わせから決定され、その後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がフィードフォワード制御信号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。ゲインＫｖ、Ｋｕは、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３において、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、ＰＷＭコントローラ３８０によって実行可能な形式で命令が提供され、これによって冷却装置３７７とチャック３２０との間の熱伝達を増加させるようにバルブ３８５を開き、制御温度１５０を低減させることができる。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、ＰＷＭコントローラ３８０によって命令が提供され、これによって冷却装置３７７とチャック３２０との間の熱伝達を低減させるようにバルブ３８５を開き、制御温度１５０を増加させることができる。
【００４７】
図４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ピース（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）、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、単一のマシンのみ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。
【００４８】
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）、及び二次メモリ５１８（例えば、データ記憶装置）を含み、これらはバス５３０を介して互いに通信する。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、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。
【００５２】
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、又はその他の非一時的記憶媒体など）を含む。
【００５３】
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。
【図１】
2013534695.tif 000008
【図２】
2013534695.tif 000009
【図３Ａ】
2013534695.tif 000010
【図３Ｂ】
2013534695.tif 000011
【図３Ｃ】
2013534695.tif 000012
【図３Ｄ】
2013534695.tif 000013
【図３Ｅ】
2013534695.tif 000014
【図３Ｆ】
2013534695.tif 000015
【図３Ｇ】
2013534695.tif 000016
【図４】
2013534695.tif 000017
【国際調査報告】
2013534695.tif 000018
2013534695.tif 000019