(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電力結合プラズマリアクタにおける被加工物支持体上の被加工物の温度を管理する方法であって、
前記被加工物支持体が、被加工物を支持する上面を有し、
前記被加工物支持体内に設けられている内部流路内に冷却剤を配置するステップと、
前記被加工物支持体の前記内部流路が冷却ループの蒸発器を構成する前記冷却ループを介して前記冷却剤を循環させることにより、前記冷却剤から、又は、前記冷却剤へ熱を伝達させるステップと、
前記冷却ループの膨張弁を制御することにより、所望の温度値に従って、前記被加工物支持体の温度を制御するステップと、
前記被加工物の裏側と、前記被加工物支持体の上面との間に、熱伝導性ガスを供給して、それらの間に裏側ガス圧力を設定するステップと、
前記熱伝導性ガスの前記裏側ガス圧力を変化させるステップとを備え、
前記被加工物支持体の温度を制御するステップが、
前記被加工物支持体又は前記被加工物支持体上の被加工物の測定した温度を受取る工程と、
前記測定した温度と前記所望の温度値との差を低減するように前記膨張弁の開口サイズを調整することにより、前記被加工物支持体の温度を変化させる工程とを有し、
前記裏側ガス圧力を変化させるステップでは、前記被加工物支持体の温度変化に応じて前記裏側ガス圧力を変化させることにより前記被加工物の温度を変化させて、その後、前記被加工物の温度を選択された温度に保持する、方法。
【請求項２】
前記開口サイズを調整するステップでは、前記被加工物支持体の熱量によって制限される第１の速度で、前記被加工物支持体の温度を変化させ、
前記裏側ガス圧力を変化させるステップでは、前記第１の速度よりも速い第２の速度で、前記被加工物の温度を変化させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記裏側ガス圧力を変化させるステップでは、前記被加工物の温度を、前記第２の速度で、初期温度から前記選択された温度へと移し、
前記被加工物が前記選択された温度に達した後に、前記被加工物の温度を前記選択された温度に保持するステップをさらに備え、
前記被加工物支持体の温度を変化させる工程では、前記被加工物支持体の温度を、前記第１の速度で前記所望の温度に移す、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記被加工物支持体の温度を変化させる工程では、前記被加工物支持体の温度を、前記被加工物の初期温度から前記所望の温度に移し、
前記裏側ガス圧力を変化させるステップでは、前記被加工物支持体が前記所望の温度に達するまで、前記被加工物の温度を前記初期温度に保持する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記裏側ガス圧力を変化させるステップでは、前記被加工物支持体の温度が前記所望の温度に達した後に、前記被加工物の温度を前記選択された温度に直ちに移すことを備える、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記選択した温度が、時間依存性のプロファイルに従い、それにより、前記裏側ガス圧力を変化させるステップでは、前記被加工物温度が前記時間依存性のプロファイルに従う、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
高周波電力結合プラズマリアクタにおける被加工物支持体上の被加工物の温度を管理する方法であって、
前記被加工物支持体が、被加工物を支持する上面を有し、
前記被加工物支持体内に設けられている内部流路内に冷却剤を配置するステップと、
前記被加工物支持体の前記内部流路が冷却ループの蒸発器を構成する前記冷却ループを介して前記冷却剤を循環させることにより、前記冷却剤から、又は、前記冷却剤へ熱を伝達させるステップと、
前記冷却ループの膨張弁を制御することにより、所望の温度値に従って、前記被加工物支持体の温度を制御するステップと、
前記被加工物の裏側と、前記被加工物支持体の上面との間に、熱伝導性ガスを供給して、それらの間に裏側ガス圧力を設定するステップと、
前記熱伝導性ガスの前記裏側ガス圧力を変化させるステップとを備え、
前記被加工物支持体の温度を制御するステップが、
前記被加工物支持体又は前記被加工物支持体上の被加工物の測定した温度を受取る工程と、
前記測定した温度と前記所望の温度値との差を低減するように、前記膨張弁の開口サイズを調整することにより、前記被加工物支持体の温度を変化させる工程とを有し、
前記裏側ガス圧力を変化させるステップでは、前記裏側ガス圧力を変化させることにより、前記被加工物の温度を、初期温度から選択された温度へと第１の時間内に移し、その後、前記被加工物の温度を前記選択された温度で保持し、
前記被加工物支持体の温度を変化させるステップでは、前記第１の時間よりも長い第２の時間にわたって、前記被加工物支持体の温度を第１の温度から第２の温度へと変化させ、
前記第１の時間における前記被加工物の温度変化と、前記第２の時間における前記被加工物支持体の温度変化とが同時に始まる、方法。
【請求項８】
高周波電力結合プラズマリアクタにおける被加工物支持体上の被加工物の温度を管理する方法であって、
前記被加工物支持体が、被加工物を支持する上面を有し、
前記被加工物支持体内に設けられている内部流路内に冷却剤を配置するステップと、
前記被加工物支持体の前記内部流路が冷却ループの蒸発器を構成する前記冷却ループを介して前記冷却剤を循環させることにより、前記冷却剤から、又は、前記冷却剤へ熱を伝達させるステップと、
前記冷却ループの膨張弁を制御することにより、所望の温度値に従って、前記被加工物支持体の温度を制御するステップと、
前記被加工物の裏側と、前記被加工物支持体の上面との間に、熱伝導性ガスを供給して、それらの間に裏側ガス圧力を設定するステップと、
前記熱伝導性ガスの前記裏側ガス圧力を変化させるステップとを備え、
前記被加工物支持体の温度を制御するステップが、
前記被加工物支持体又は前記被加工物支持体上の被加工物の測定した温度を受取る工程と、
前記測定した温度と、前記所望の温度値との差を低減するように、前記膨張弁の開口サイズを調整することにより、前記被加工物支持体の温度を変化させる工程とを有し、
前記開口サイズを調整するステップでは、前記被加工物支持体の熱量によって制限される第１の速度で、前記被加工物支持体の温度を変化させ、
前記裏側ガス圧力を変化させるステップでは、前記第１の速度よりも速い第２の速度で、前記被加工物の温度を変化させ、
前記裏側ガス圧力を変化させるステップでは、前記被加工物の温度を初期温度に保持すると共に、前記被加工物支持体の温度が、第１の温度から第２の温度に変化するのを待ち、その後、第１の時間内に、前記被加工物の温度を選択された温度に変化させ、前記被加工物の温度を前記選択された温度で保持し、
前記被加工物支持体の温度を変化させるステップでは、前記第１の時間よりも長い第２の時間にわたって、前記被加工物支持体の温度を前記第１の温度から前記第２の温度へと変化させ、その後、前記被加工物支持体の温度を前記第２の温度で保持し、
前記被加工物が前記選択された温度に到達する時と、前記被加工物支持体が前記第２の温度に到達する時とが同時である、方法。
【請求項９】
高周波電力結合プラズマリアクタにおける被加工物支持体上の被加工物の温度を管理する方法であって、
前記被加工物支持体が、被加工物を支持する上面を有し、
前記被加工物支持体内に設けられている内部流路内に冷却剤を配置するステップと、
前記被加工物支持体の前記内部流路が冷却ループの蒸発器を構成する前記冷却ループを介して前記冷却剤を循環させることにより、前記冷却剤から、又は、前記冷却剤へ熱を伝達させるステップと、
前記冷却ループの膨張弁を制御することにより、所望の温度値に従って、前記被加工物支持体の温度を制御するステップと、
前記被加工物の裏側と前記被加工物支持体の上面との間に、熱伝導性ガスを供給して、それらの間に裏側ガス圧力を設定するステップと、
前記熱伝導性ガスの前記裏側ガス圧力を変化させるステップと、
選択された被加工物温度を規定するステップと、
現在の被加工物温度又は前記被加工物温度に関連する温度を測定し、前記測定した温度を、前記被加工物支持体を表す熱モデルに入力するステップと、
前記測定した温度と前記選択された温度との差を少なくとも低減しうる前記熱伝導性ガスの圧力の変化を、前記熱モデルから判断するステップと、
前記熱モデルから判断された前記変化に従って、前記熱伝導性ガスの圧力を変化させるステップとを備える、方法。
【請求項１０】
前記蒸発器の膨張弁のオリフィスサイズを制御することによって、前記被加工物支持体の温度を制御させるステップをさらに備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
プラズマ点火時に始まり、
前記選択された被加工物温度を規定するステップが、
前記熱モデルに、前記リアクタにおける現在のプロセス条件を規定するデータを入力する工程と、
前記モデルから、前記被加工物が、前記プロセス条件の下で最終的に達する定常状態温度の予測を得て、前記予測した温度を前記選択された被加工物温度として規定する工程とを有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記測定した温度と前記選択された温度との差を少なくとも低減しうる前記蒸発器の温度変化を、前記熱モデルから判断するステップと、
前記熱モデルから判断した前記蒸発器の温度変化に従って、前記蒸発器の温度を変化させるステップと、
をさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記被加工物に対して次に予定された高周波電力熱負荷の変化を得るステップと、
前記モデルを用いて、前記次に予定された高周波電力熱負荷の変化を補正しうる前記被加工物支持体の温度変化を選定するステップと、
前記次に予定された高周波電力熱負荷の変化の時間の前に、前記被加工物支持体の温度を補正するステップと、
をさらに備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記被加工物支持体の温度変化に対抗する前記熱伝導性ガスの圧力を変化させることにより、前記次に予定された高周波電力熱負荷の変化の時刻まで、前記被加工物の温度を一定に保持するステップをさらに備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
第１の時間において被加工物の高周波電力熱負荷が発生する予定した変化を得るステップと、
所望の被加工物温度を維持するために、前記熱伝導ガスの前記裏側ガス圧を変化させることで、被加工物の高周波電力熱負荷における前記予定した変化を補正することが可能であるとする判断がなされた場合に、温度を含むプロセス条件に基づく熱モデルを用いて、前記熱伝導ガスの前記裏側ガス圧の前記変化を推定し、前記裏側ガス圧の前記変化の推定に従って、前記裏側ガス圧力を変化させるステップと、
前記熱伝導ガスの前記裏側ガス圧力を変化させることで、被加工物の高周波電力熱負荷における前記予定した変化の間、所望の被加工物温度を維持することができないとする判断がなされた場合に、前記熱モデルを用いて、所望の被加工物温度を維持するために、被加工物の高周波電力熱負荷における前記予定した変化を補正しうる前記蒸発器内の冷却剤の熱条件の変化を推定し、次に予定された変化の時間より前の時刻に、前記蒸発器内の冷却剤の熱条件の前記変化の推定に従って、前記蒸発器における前記熱条件を変化させるステップと、
をさらに備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
所望の被加工物温度の予定した変化を得るステップと、
前記予定した変化が所定の範囲内にあると判断された場合に、温度を含むプロセス条件に基づく熱モデルを用いて、所望の被加工物温度における前記予定した変化を生じうる前記熱伝導ガスの前記裏側ガス圧力の変化を推定し、前記裏側ガス圧力の前記変化の推定に従って、前記裏側ガス圧力を変化させるステップと、
前記予定した変化が所定の範囲内にないと判断された場合に、前記熱モデルを用いて、所望の被加工物温度の前記予定した変化を生じうる前記蒸発器内の冷却剤の熱条件の変化を推定し、次に予定された変化の時間より前の時刻に、前記蒸発器内の冷却剤の熱条件の前記変化の推定に従って、前記蒸発器における前記熱条件を変化させるステップと、
をさらに備える、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
[001]容量結合プラズマリアクタにおいて、分解に対する制御は、広いインピーダンス整合空間を用いて、広範囲のチャンバ圧力範囲に対して超高周波電源で達成されてきた。このような広い作動範囲は、以下の特徴を備える固定インピーダンス整合突出部によって該高周波電源に整合されたオーバーヘッド電極の固有の特徴に少なくとも部分的に起因する。第一に、該電極のキャパシタンスは、プラズマ電極の共振周波数で、該プラズマのリアクタンスに整合される。該突出部の共振周波数、該プラズマ電極の共振周波数及び該電源の周波数は、ＶＨＦ周波数にほぼ整合されている。ウェハ全域での極めて均一なエッチング速度は、多くの特徴によって実現される。それらの特徴は、とりわけ、高周波バイアス電力アプリケータとしての、及び該オーバーヘッド電極から該ＶＨＦ電源へのＲＦリターンとしての静電チャックの役割のために、該チャックの全域で半径方向に均一な高周波インピーダンスを提供する該静電チャック上のバイアス電力フィードポイントインピーダンスの調整を含む。この調整は、固有に選択された誘電定数及び長さからなるバイアス供給ラインの周りの誘電性スリーブによって行われる。別の特徴は、エッジ効果に対抗する陰極周辺のための誘電性リングプロセスキットである。プロセス又はエッチング速度分布均一性をさらに改善することができる他の特徴は、デュアルゾーンガス供給、該オーバーヘッド電極の曲げ、及びプラズマ・ステアリング磁界を含む。これらの重要な特徴の多くを含むプラズマリアクタは、従来技術にまさるエッチング速度分布均一性を提供できる。
【０００２】
[002]回路の形状の急速な縮小に伴って、エッチング速度の分布均一性に対する要求は、非常に厳しいため、最新の厳しい要求を満たすようにデザインされた将来の技術的に進んだプロセスレシピが、鋭敏でかつ高精度の時間変動ウェハ温度プロファイリング、及び／又は高周波熱負荷プロファイリングを必要とするのであれば、ウェハ全域での小さな温度変動は、最小化し又はなくさなければならない。このような変化は、ウェハ全域で均一な最高温度で実施され、そして補正されなければならない。現在、上記リアクタによって与えられる極めて均一なエッチング速度分布を悪化させることなく、全てを行うやり方は、困難な問題である。また、このような極めて正確かつ鋭敏な温度制御又はプロファイリングは、該ウェハにおける正確な温度検知を必要とする。しかし、該ウェハ近傍への温度プローブの導入は、上記フィードポイントインピーダンスの誘電性スリーブ及び上記誘電性リングプロセスキットの素晴らしい効果を歪める寄生高周波場を作り出し、目的をくつがえす可能性がある。制御不足から生じる該ウェハにおける温度の非均一性は、エッチングの化学反応に影響を与える範囲内においては、その他の均一な環境を歪めるという同様の根本的な影響を有することになる。
【０００３】
[003]上記ウェハ支持体ペデスタル又は静電チャックの温度を調節する従来の冷却システムは、従来の熱サイクルを用いて冷媒又は冷却剤媒体を冷却し、別々の液状熱媒体を介して、該冷却剤と該静電チャックとの間で熱を伝達する冷却システムを採用する。該冷却剤は、脱イオン水と、グリコール及び（又は）ペルフルオロポリエーテル等の他の物質との混合物であってもよい。このようなシステムに伴う一つの問題は、高い高周波電力レベル（高い高周波バイアス電力又は高い高周波電源又は両方）において、そのような冷却システムは、高周波電力の開始後、安定化する前に、かなりの期間、水温をドリフトさせる（上昇させる）ことを可能にするということである。このような温度ドリフトは、２つの段階を有する。短い初期段階においては、上記静電チャックは、高周波電力が最初に印加されたとき、周囲温度（低温度）であり、そのため、導入される最初のウェハの温度は、高周波熱負荷が該チャックをゆっくり加熱するにつれて、平衡に向かって上昇する。このことは、処理中に、該ウェハ温度が、抑えきれずに上昇するため、望ましくない。該静電チャック（ＥＳＣ）が該高周波熱負荷によって加熱された後でも、該ウェハ温度は、上方へドリフトし、また、ゆっくりと平衡温度に近づく。このようなドリフトは、ウェハ温度に対して制御不足を意味し、該プロセスを悪化させる。該ドリフトは、従来の冷却プロセスの効率の悪さによって引き起こされる。
【０００４】
[004]別の問題は、２つの温度レベルの間の急速な温度変動を、２つの理由のために行うことができないということである。第一に、上記ＥＳＣと上記冷却剤との間の熱伝達を提供する熱伝達流体は、温度変化が冷却ループ内で始まる時間と、該ウェハが温度変化を実際に受ける時間との間に、著しい遅延をもたらす熱伝搬時間を有する。第二に、該ＥＳＣのベースの冷却された部分と、該ＥＳＣの上部における該ウェハとの間に、熱伝搬時間の遅延があり、この時間遅延は、該ＥＳＣの物質の質量及び熱容量によって決まる。
【０００５】
[005]最も難しい問題の一つは、上記冷却されたＥＳＣを介した高速の熱伝達を必要とする、該ウェハに対する高い高周波熱負荷の下では、上記熱伝達流体が該ＥＳＣ内の流路を通って流れる際に、上記熱伝達流体の温度が著しく変化し、その結果、該ＥＳＣの全域での（従って、該ウェハ全域での）温度分布は、非均一になるということである。該ウェハの直径にわたるエッチング速度の均一性は、初期の（より大きな）形状／デザインルールにおいては、それほど重要ではなかったため、このような非均一性は、昔のデザインルール（より大きな半導体回路の形状）の下では、重大な問題は起きなかった。しかし、現在の形状は、上述した特徴（例えば、高周波バイアスフィードポイントインピーダンスの調整、プロセスキット誘電性エッジリング）によって達成される、該ＥＳＣの全域での極度に均一な電界に影響する。しかし、一部の最新のプラズマエッチングプロセスレシピによって影響される高い高周波熱負荷は、（該ＥＳＣ内の熱伝達流体の理にかなった加熱により）該ウェハ全域でのその他の均一なエッチング速度分布を歪める、該ウェハの直径にわたる温度の非均一性を引き起こす。この問題は、該ウェハに印加される高周波電力を制限することなく、回避することができないと思われてきた。しかし、エッチング速度の均一性の要求が、将来、より厳しくなるにつれて、そのような要求を満たすための高周波電力の制限のさらなる低減は、より芳しくないプロセス結果を生じることになる。従って、該ＥＳＣの全域に、又は該ウェハの全域に、温度の非均一性を導入することなく、高い高周波熱負荷条件の下で、該ウェハから熱を取出す方法に対する必要性がある。
【発明の概要】
【０００６】
[006]高周波結合プラズマリアクタにおいて、被加工物支持体から、又は、該支持体へ、熱を伝達する方法は、該被加工物支持体の内部に設けられている内部流路内に、冷却剤を配置することと、該被加工物支持体の該内部流路が、上記冷却ループの蒸発器を構成する該冷却ループを介して、該冷却剤を循環させることにより、該冷却剤から、又は、該冷却剤へ熱を伝達させることとを含む。該方法はさらに、該被加工物支持体と該冷却剤との間の熱交換が、主に、又は、もっぱら、該冷却剤の気化熱によって行われる範囲内に、該蒸発器内の該冷却剤の熱条件を維持することを含む。
【０００７】
[007]別の態様においては、本発明は、プラズマリアクタのチャンバ内で被加工物を保持する静電チャックを有する該プラズマリアクタ内で、該被加工物を処理する方法であって、加圧下で、該被加工物の裏側と該静電チャックの上面との間に、熱伝導ガスを提供するステップと、該静電チャックの温度を制御するステップと、所望の被加工物温度を決めるステップと、現在の被加工物温度、又は、該被加工物温度に関連する温度を測定するステップと、該静電チャックを代表する熱モデルに該測定した温度を入力するステップとを含む。該方法はさらに、該測定した温度と該所望の温度との差を少なくとも低減する該熱伝導ガスの圧力の変化を、該熱モデルから判断するステップと、該熱モデルから判断された変化に基づいて、該熱伝導ガスの圧力を変化させるステップとを含む。
【発明の詳細な説明】
【０００８】
[0044]図１について説明すると、プラズマリアクタは、半導体ウェハ１１０を支持するリアクタチャンバ１００の底部にウェハ支持体１０５を有する該リアクタチャンバを含む。半導体リング１１５は、ウェハ１１０を囲んでいる。半導体リング１１５は、絶縁（石英）リング１２０によって、接地されたチャンバ本体１２７上に支持されている。チャンバ１００は、絶縁（石英）シール１３０により、接地されたチャンバ本体１２７上のウェハ１１０の上に、所定のギャップ長で支持されたディスク状オーバーヘッド電極１２５によって、該上部で境界をつけられている。高周波電源１５０は、プラズマ高周波電力を電極１２５に印加する。高周波電源１５０からの高周波電力は、高周波電源に整合された同軸ケーブル１６２を介して結合され、かつ電極１２５に接続された同軸突出部１３５内に結合される。突出部１３５は、特性インピーダンス、その長さによって決まる共振周波数を有し、また、電極１２５と、５０オームの同軸ケーブル１６２又は高周波電源１５０の５０オーム出力とのインピーダンス整合を提供できる。上記チャンバ本体は、高周波電源１５０のＲＦリターン（ＲＦ接地）に接続されている。オーバーヘッド電極１２５からＲＦ接地までのＲＦ経路は、半導体リング１１５、絶縁リング１２０及び絶縁シール１３０の影響を受ける。ウェハ支持体１０５、ウェハ１１０及び半導体リング１１５は、電極１２５に印加された高周波電力のための一次ＲＦリターン経路を提供する。
【０００９】
[0045]大きなインピーダンス整合空間は、電源周波数、プラズマ電極共振周波数及び突出部共振周波数がほぼ整合した場合に、実現される。好ましくは、３つの周波数は、該システムのＱを有利に低減するデチューニング効果を達成するために、電源周波数が（３００ｍｍウェハに対して最適化された）１６２ＭＨｚ、電極・プラズマ共振周波数が１６２ＭＨｚをわずかに下回り、突出部共振周波数が１６２ＭＨｚをわずかに上回っている状態で、たがいにわずかにオフセットされている。このようなシステムのＱの低減は、上記リアクタのパフォーマンスを、上記チャンバ内の状態の変化の影響を受けにくくするため、プロセス全体は、より安定的になり、かなり広いプロセスウィンドウに関して行うことができる。
【００１０】
[0046]上記電極のキャパシタンスは、プラズマの負のキャパシタンスの大きさに整合され、その結果として生じる該電極・プラズマ共振周波数及び電源周波数は、少なくともほぼ整合される。典型的な金属及び誘電性エッチングプロセス条件（すなわち、１０９〜１０１２イオン／ｃｃのプラズマ密度、２インチのギャップ及びおよそ１２インチ程度の電極径）の場合、該整合は、該電源周波数がＶＨＦ周波数である場合に可能である。
【００１１】
[0047]このようにして、電極１２５のキャパシタンスを選び、それによって生じる電極・プラズマ共振周波数と該電源周波数とを整合させることの利点は、該電源周波数近くでの該電極とプラズマとの共振が、幅広いインピーダンス整合及び幅広いプロセスウィンドウを提供でき、その結果として、プロセス条件の変化に対するかなりの免疫を提供し、従って、高いパフォーマンス安定性を提供する。上記突出部共振周波数を該電極プラズマ共振周波数に整合させることは、該突出部と電極との境界における反射を最小化する。処理システム全体は、作動条件、例えば、プラズマインピーダンスのシフトの変動に対して反応しにくくなり、そのため、幅広いプロセス適用性と共に、より大きな信頼性が与えられる。
【００１２】
[0048]さらなる態様によれば、上記システムのＱは、上記突出部共振周波数、上記電極プラズマ共振周波数及び上記プラズマ電源周波数を互いにわずかにオフセットさせることによって、上記プロセスウィンドウを広げるために低減される。より高いＶＨＦ電源周波数の使用は、該Ｑも比例して低下させる。システムのＱを低下させることは、該システムのインピーダンス整合空間を広げ、その結果、そのパフォーマンスは、プラズマ状態の変化又は製造公差からの逸脱の影響を、それほど受けやすくならない。
均一な径方向プラズマ分布に対するバイアス回路チューニング
[0049]図１についての参照を続けると、被加工物支持体陰極１０５は、下方絶縁層１０を支持する金属ベース層０５と、下方絶縁層１０を覆う導電性メッシュ層１５と、導電性メッシュ層１５を被覆する薄い上部絶縁層２０とを含む。半導体被加工物又はウェハ１１０は、上部絶縁層２０の上部に配置される。高周波バイアス電力は、ウェハ１１０の表面におけるイオン衝撃エネルギを制御するために、導電性メッシュ層１５に結合されている。導電性メッシュ１５は、ウェハ１１０を静電的につかみ、かつ離すことに用いることもでき、また、このような場合においては、周知の手段でチャッキング電圧源に接続することができる。そのため、導電性メッシュ１５は、必ずしも接地する必要はなく、また代替として、従来のチャッキング及びデチャッキング動作に従って、浮遊電位又は固定ＤＣ電位を有することも可能である。金属ベース層０５は、（必ずしもそうではないが）典型的には、アースに接続され、また、オーバーヘッド電極１２５によって放射されたＶＨＦ電力のためのリターン経路の一部を形成する。
【００１３】
[0050]高周波バイアス電源４０は、ＨＦ帯（例えば、１３．５６ＭＨｚ）で電力を発生させる。その高周波バイアスインピーダンス整合要素４５は、被加工物支持体陰極１０５の中を通って伸びる細長い導体２５（以後、高周波導体と呼ぶ）によって、導電性メッシュ１５に結合されている。高周波導体２５は、アルミニウムベース層０５等の接地された導体から絶縁されている。高周波導体２５は、導電性メッシュ１５と電気的に接触する上部終端部又はバイアス電力フィードポイント２５ａを有する。
【００１４】
[0051]図２は、ＶＨＦオーバーヘッド電極１２５、被加工物支持体陰極１０５を介して印加される高周波バイアス及び陰極１０５の要素からなる回路の図１に相当する概略図である。図３は、高周波導体２５の終端部又はフィードポイント２５ａを隠線（点線）で示した状態の、ウェハ１１０の面の図１に相当する平面図である。被加工物支持体陰極１０５によって提供される高周波リターン経路は、ウェハ１１０の面内の２つの部分、すなわち、フィードポイント２５ａが中心になっており、かつ該フィードポイントから外側に拡がっている径方向内側部分３０と、径方向外側環状部分３５とからなる。２つの部分３０、３５によって提供される該高周波リターン経路は異なっており、そのため、該２つの部分３０、３５は、オーバーヘッド電極１２５によって放射されたＶＨＦ電力に対して異なるインピーダンスを呈する。このような違いは、ＶＨＦ電力に対して、ウェハ表面全域でのインピーダンスの径方向分布の非均一性を引き起こして、該被加工物の表面近くでのプラズマイオン密度の不均一な径方向分布を生じさせる可能性がある。
【００１５】
[0052]この問題を解決するために、（図２の拡大図に示す）絶縁円筒形スリーブ５０が高周波導体２５を囲んでいる。スリーブ５０を構成する物質の軸方向長さ及び誘電定数は、高周波導体２５によって呈されるＶＨＦ電力へのフィードポイントインピーダンスを決める。一実施例において、スリーブ５０の長さ及び誘電定数は、ＶＨＦ電源周波数（例えば、１６２ＭＨｚ）で、該フィードポイントインピーダンスをほぼ０にするように選定される。フィードポイント２５ａを囲んでいる外側領域３５によって呈されるインピーダンスは、（主に、導電性メッシュ１５の存在により）１６２ＭＨｚにおいて、ほぼショートされている。そのため、後者の実施例においては、スリーブ５０は、電源周波数における該フィードポイントインピーダンスを、該周囲領域のインピーダンスに近い値にする可能性がある。ここで、該フィードポイントを囲む該領域のインピーダンスは、主に、導電性メッシュ１５によって決まる。その結果として、ＶＨＦ電源のより均一な容量性結合に対して、インピーダンスのより均一な径方向分布が実現される。
【００１６】
[0053]スリーブ５０は、ＶＨＦ電力の投入における上記の改善を容易にすると同時に、別々の問題、すなわち、高周波導体２５によってウェハ１１０に印加される高周波バイアス電力（例えば、１３．５６ＭＨｚで）によって作り出される電界の均一性を改善することを解決する追加的な特徴を含むことができる。該問題は、プラズマイオン密度の最大の均一性のために結合するＶＨＦ電力の径方向分布をどのように調整し、同時に、最大均一性に対して、該ウェハ表面全域でのＨＦバイアス電力電界分布をどのように調整するかということである。
【００１７】
[0054]図４は、スリーブ５０をどのように３つの部分、すなわち、上部５２、中間部５４及び底部５６に分割することができるかを示す、図１〜図３に対応する拡大図である。該スリーブの上部５２の長さ及び誘電定数は、ＨＦバイアス電力の投入を単独で最適化するように、選定及び固定され、残りのスリーブ部分５４、５６の長さ及び誘電定数は、該最適化されたＨＦバイアス電力の投入をそのままにした状態で、上記オーバーヘッド電極によってＶＨＦ電源の投入を最適化するように選定される。
プラズマ均一性を高める高周波結合リング
[0055]中央が高いプラズマ分布の非均一性は、オーバーヘッド電極１２５から上記被加工物近傍のプラズマへの容量性結合を選択的に強めることによって低減される。図５は、図１の拡大図に相当し、ウェハ支持体陰極１０５の外周部を覆って、かつ該外周部に電気的に接触して配置されている環状高周波結合リングの追加的な特徴を図示する。図５に示すように、上部絶縁層２０は、その上面８０ａが、ウェハ１１０の上面と同一平面になっている取外し可能なリング８０によって囲まれている。取外し可能リング８０は、例えば、シリコン等のプロセス適合性材料で形成することができる。場合によって、取外し可能金属接地リング８５が取外し可能リング８０を囲み、その上面８５ａは、取外し可能リング８０の上面と同一平面になっている。概して平面の表面が、接地リング８５の周縁部によって境界をつけられたウェハ支持体陰極１０５の上部全域に提供されており、オーバーヘッド電極１２５の底部の概して平面の表面に対向している。その結果として、オーバーヘッド電極１２５とウェハ支持体陰極１０５とによって境界をつけられた処理ゾーン全体における容量性結合は、概して均一である。上記リアクタの中央が高いプラズマイオン密度分布に固有の非均一性を克服するために、オーバーヘッド電極１２５による容量性結合は、高周波結合リング９０を、取外し可能リング８０を覆ってかつ接地リング８５を覆って配置することにより、被加工物１１０の外側部近くで強められる。高周波結合リング９０は、導体、半導体又は絶縁体であってもよい。結合リング９０が絶縁体である場合、該ウェハ周辺近くのプラズマに対する容量性結合は、該絶縁材料の存在によって強められる。高周波結合リング９０が導体である場合には、該導体は、該電極・対向電極間の間隔を実質的に狭め、それにより、ウェハ１１０の周辺領域近くのキャパシタンスを高める。それに伴って、該電極・対向電極間の間隔は、該間隔が、結合リング９０の高さｈ２によってｈ１から低減されている高周波結合リング９０によって占められている周辺部を除いて、該プロセスゾーン内のどこでもｈ１になる。電源の増加した容量性結合は、該周辺部におけるイオン密度を高める。イオン密度の増加は、高周波結合リング９０から内側へ及び、被加工物１１０の周辺部を越えて及ぶ。それに伴って、被加工物１１０上のプラズマイオン密度は、中央が高くなることがより少なくなり、また、よりほぼ均一になるか、又は、場合により、縁部でわずかに高くなる可能性がある。この状態は、高周波結合リング９０の高さ（厚さ）ｈ２の注意深い選定によって最適化される。
【００１８】
[0056]図６は、図５のリアクタの変更例を図示し、第２の高周波結合天井リング９５が、オーバーヘッド電極１２５の底部表面の周辺部に取付けられており、第１の高周波結合リング９０の上にある。各リング９０、９５がｈ３の高さを有する場合、上記ウェハ周辺部近くでの上記電極・対向電極間の間隔は、ｈ３の２倍だけ低減され、また、当該領域におけるキャパシタンスは、図５の該リアクタの場合と同様に、比例して高められる。
【００１９】
[0057]高周波結合リング９０及び絶縁スリーブ５０によって、プラズマイオン密度分布の均一性が改善される。残りのいかなる非均一性も、オーバーヘッドコイル６０、６５を駆動するＤＣ電流源５８、５９を管理する（図１に示す）プラズマ分布コントローラ５７によって制御されるプラズマ操縦磁界によって修正することができる。
【００２０】
[0058]ウェハ１１０の直径にわたるプラズマ処理均一性を高めるのに採用され得る別の変更例は、平面の電極表面１２５ａを凸状湾曲電極表面１２５ｂに変化させることである。湾曲の度合いは、平面の電極表面１２５ａに伴って存在し得る非均一なプラズマイオン密度の径方向分布を補正するように選択することができる。
高効率温度制御装置
[0059]図７は、図１のウェハ支持体ペデスタル１０５の拡大図であり、ペデスタル１０５の内部構造を明らかにするものである。ペデスタル１０５は、図２、図７で説明したように、静電チャック（ＥＳＣ）を具体化し、アルミニウムベース５が、入口２０１及び出口２０２と共に、ＰＣＨＴ媒体のための流路２００を収容することを示している。内部流路２００は、ＰＣＨＴループの熱交換器を構成し、熱交換器２００は、ＥＳＣベース５に対して内部に収容されている。該ＰＣＨＴループは、２つのモード、すなわち、（熱交換器２００が蒸発器として機能する）冷却モードと、（熱交換器２００が凝縮器として機能する）加熱モードのいずれかで作動することができる。該ＰＣＨＴループの残りの要素は、ＥＳＣ１０５の外部にあり、（出口２０２から始まるＰＣＨＴ媒体のフロー方向の順に）蓄圧器２０４と、（該ループを介して該ＰＣＨＴ媒体をポンピングする）圧縮器２０６と、（該冷却モードの動作のための）凝縮器２０８と、可変オリフィスサイズを有する膨張弁２１０とを含み、これらの全ては、周知のタイプからなる。熱交換器２００をＥＳＣベース０５内部に設けることの利点は、従来の熱伝達流体に固有の遅延及び損失が排除されるということである。該ＰＣＨＴループ（すなわち、熱交換器２００、蓄圧器２０４、圧縮器２０６、凝縮器２０８、膨張弁２１０及びこれらを一緒に結合する導管）には（該ＰＣＨＴが該冷却モードで作動するときに、冷媒又は冷却剤として機能する）従来のタイプのＰＣＨＴ媒体が収容されており、該リアクタの高周波特性に干渉することを回避する低い導電性を有することが可能である。蓄圧器２０４は、該液体を蓄えることにより、いかなる液状のＰＣＨＴ媒体も圧縮器２０６に達することを防ぐ。この液体は、バイパス弁２１４を適切に作動させることにより、蒸気に変換される。
【００２１】
[0060]処理中の熱ドリフトの問題を克服するために、上記ＰＣＨＴループの効率は、上記熱交換器内の該ＰＣＨＴ媒体が、液相と気相との間で分かれるように、ＰＣＨＴループ２００、２０４、２０６、２０８、２１０を作動させることにより、１０倍以上増加される。入口２０１における液体と気体との比は、出口２０２におけるこの比の低下を可能にするのに十分高い。このことは、熱交換器（蒸発器）２００内でのＥＳＣベース０５と該ＰＣＨＴ媒体（冷却剤）との間の全ての（又は、ほぼ全ての）熱伝達が、該ＰＣＨＴ媒体の気化熱への寄与によって生じることを保障する。その結果として、該ＰＣＨＴループ内の熱流量は、単相冷却サイクルにおける熱流量の１０倍を超える。この状態は、少なくとも極少量の液体が出口２０２（又は、その直前）に残るように十分に制限されている、入口２０１から出口２０２までの該ＣＰＨＴ媒体の液体と気体との比の低下に合わせることができる。上記冷却モードにおいて、このことは、該ＰＣＨＴループの冷却剤容量が、上記ウェハに対する高周波熱負荷によって超えられないことを要する。このことを確実にする一つの方途は、該ＰＣＨＴループに、該ウェハに対する最大予想熱負荷の約２倍である最大冷却容量を提供することである。図１〜図７に描いたタイプのリアクタの一つの実施において、該ＰＣＨＴループの最大冷却比は、該ウェハに対する最大予想熱負荷の約３〜４倍であった。該ウェハに対する熱負荷は、該ウェハに対する印加高周波電力の約３０％であった。液体と気体との比は、入口２０１において、約４０％〜６０％、出口２０２において、約１０％であった。
【００２２】
[0061]上記ＰＣＨＴループは、これまで、主に冷却モードの動作に関して説明してきたが、該ループは、（例えば、プラズマ加熱が単独で可能である場合よりも速い速度で）上記ＥＳＣの温度を上昇させることが望ましい場合には、加熱モードで採用することもできる。該加熱モードにおける該ＰＣＨＴループの動作の場合、凝縮器２０６及び膨張弁２１０は、過熱したＰＣＨＴ媒体を熱交換器２００へ流すことができるように、バイパス弁２１２を開くことにより、少なくとも一部の該ＰＣＨＴ媒体によってバイパスされる。この場合、熱交換器２００は、蒸発器というよりもむしろ凝縮器として機能する。このモード（該加熱モード）において、圧縮器２０６の過熱は、凝縮器２０６の出力から圧縮器２０８の入力までに追加的なバイパス（図示せず）を提供することによって防ぐことができる。該加熱モードにおいて、熱交換器２００内での液体と蒸気の比は、ゼロにしてもよい。
【００２３】
[0062]図８は、温度の関数としての、熱交換器２００内での上記ＰＣＨＴ媒体のエンタルピーを描いている相平衡状態図である。３つの相（液体、固体、気体）の間の温度−エンタルピー境界は、該ＰＣＨＴ媒体が、その下で液相及び気相の両方で存在する液体−気体ドーム２１６である。ドーム２１６の下方エンタルピー側では、該ＰＣＨＴ媒体は、サブクール（１００％）液相であり、一方、ドーム２１６の高いエンタルピー側では、該ＰＣＨＴ媒体は、過熱された（１００％）気体である。該ドームの頂点には、該ＰＣＨＴ媒体の３つの相全てが存在する三重点がある。図７の該ＰＣＨＴループの制御可能なパラメータ（すなわち、圧縮器２０６によって設定される該ＰＣＨＴ媒体の流量、膨張弁２１０のオリフィスサイズ及び後述するバイパス弁２１２の開口サイズ）は、熱交換器２００内の該ＰＣＨＴ媒体の温度及びエンタルピーが、図８の相平衡状態図の液体−気体ドーム２１６の下又は範囲内にとどまるように、当業者によって選定される。熱交換器２００内の圧力は、一定のＥＳＣベース温度が好ましいのであれば、一定のレベルに維持され、その結果、図８の一定圧力２１８ａ、２１８ｂの完全に水平なラインによって表されているように、冷却剤が熱交換器２００を通って流れる際に、理論的には、温度変化が生じない。（実際には、ＥＳＣの入口及び出口２０１、２０２にわたって、典型的な作動条件の下で、約５℃又はそれ以下のごくわずかの温度差がある。）蒸発器２００内の該ＰＣＨＴ媒体が、ＥＳＣベース５から熱を吸収する際、その内部エネルギＵが増加し、そのエンタルピーを増加させる（この場合、エンタルピーは、Ｕ＋ＰＶであり、Ｐ及びＶは、蒸発器２００内の圧力及び容積である）。先に定義したような気化熱を介した二相熱伝達のための要件を単独に（又は、ほぼ単独に）満たすためには、該ＰＣＨＴ媒体のエンタルピー／温度の座標が、図８の液体−気体ドーム２１６の内部にとどまらなければならない。それに伴って、一定圧力の場合、該ＰＣＨＴ媒体の温度／エンタルピー座標は、入口及び出口エンタルピーが、液体−気体ドーム２１６の境界の内部又は該境界上に位置する状態で、（図８に「入口」と明示する）低エンタルピーで熱交換器２００に入り、かつ（図８に「出口」と明示する）より高いエンタルピーで出て行く一定圧力のライン（例えば、ライン２１８ａ）をたどる。図８は、エンタルピーの大きな増加（吸収熱）が、低い冷却剤温度で達成されることを示している。
ＥＳＣ及びウェハにわたる非均一温度の問題に対する解決法
[0063]気化熱を介した熱除去を保障するために、図８の液体−気体ドーム内の図７の蒸発器２００内の上記ＰＣＨＴ媒体（以後、「冷却剤」と呼ぶ）を維持することは、高い高周波熱負荷の下での上記ウェハ全域での非均一な温度の問題をほとんど単独で解決する。これは、気化熱を介した熱伝達が、一定温度のプロセスであるためである。該ＰＣＨＴループの上記冷却モードにおいては、該ループが熱を吸収する際、蒸発器２００内の冷却剤は、温度を変化させない。その代わりに、該ループは、相を液体から気体に変化させる。従って、蒸発器２００を通る全ての冷却剤（該流体は、ＥＳＣベース５内を流れる）は、該ウェハに対する高周波熱負荷の大きさにかかわらず、均一な温度になる。この利点は、ウェハ温度分布が、該ＥＳＣ全域での電界分布と同様にほとんど均一であるため、本明細書で既に論じた電気的特徴（例えば、多数の絶縁スリーブ及び絶縁縁部リングプロセスキットによる高周波バイアスフィードポイントインピーダンス調整）による最も好ましい条件の下で達成されるエッチング速度の均一性は、最高の高周波熱負荷の下でも維持され、これまで達成されなかった結果であるということである。この結果は、図１〜図７の上記リアクタは、現在のデザインルール（小さな形状）の下でのプラズマ処理に対して、及び形状がさらにもっと小さくなる可能性がある何世代かの将来のデザインルールに対して有用になり、顕著な利点となる。この利点は、（先に論じた）気化熱を介した極度に高い容量の冷却と組み合わせられ、これにより、冷却剤の塊の熱容量を介した従来の（理にかなった）熱伝達よりも桁違いに大きい熱流量を提供できる。
【００２４】
[0064]上記冷却剤の気化熱を介した熱伝達をもたらす上記方法における図７の上記リアクタの動作は、図９に図示した方法に対応する。この方法における第１のステップは、蒸発器２００内にある冷却剤を、熱伝達が、その温度及びエンタルピーにおいて、該冷却剤の気化熱への寄与（又は該気化熱からの控除）を介したものである該温度及びエンタルピーの範囲内に維持することにより、上記ＥＳＣの温度の径方向分布の均一性を高める又は最適化することである。このステップは、図９のブロック３００に描いてある。ブロック３００のステップは、膨張弁２１０のオリフィス又は開口のサイズの変動を、蒸発器２００内の冷却剤の温度及びエンタルピーが、図８の温度−エンタルピーの図の液体−気体ドーム２１６の内側にあるように限定する範囲に制限することにより、行うことができる（図９のブロック３０２）。所定の冷却剤の場合、及び所定の冷却剤流量の場合、図８の液体−気体ドーム２１６内の冷却剤を限定する該膨張弁の調節範囲は、容易に決まり、また、例えば、上記システム全体を制御するマイクロプロセッサに予めプログラミングすることができる。ブロック３００のステップは、該圧縮器・蒸発器間のバイパスフロー弁２１２を、蒸発器２００内の該冷却剤が、図８の液体−気体ドーム２１６の内側に維持される範囲内に調整することによっても行うことができる。（ブロック３０４のステップにおける）バイパス弁２１２の調整及び（ブロック３０２のステップにおける）膨張弁２１０の調整は、所望の結果を達成するために組合わせてもよい。
【００２５】
[0065]ブロック３００のステップによって、一旦、蒸発器２００内での、気化熱を介した熱伝達が確立されると、次のステップは、上記ＥＳＣの温度を制御することである（図９のブロック３０６）。これは、所望のＥＳＣ温度に達するまで、膨張弁２１０を、ブロック３００のステップで設定された範囲内で調整することにより、遂行ことができる。代替として、該ＥＳＣ温度は、圧縮器・蒸発器間のバイパス弁２１２を、ブロック３０４のステップで設定された範囲内で調整することによって制御してもよい。この後者のステップは、図９のブロック３１０に相当する。また、温度制御は、ブロック３０８及びブロック３１０のステップを一緒に実行することによって、行うこともできる。
実施例
[0066]膨張弁２１０の可変オリフィスサイズは、冷却速度及びウェハ温度に対する一次的な制御であるが、追加的な又は代替の温度制御及び、必要に応じて、該ウェハの加熱が、圧縮器・蒸発器間バイパス弁２１２によって提供できる。蓄圧器２０４内での、全ての液体冷却剤の気相への完全な変換は、圧縮器・蓄圧器間のバイパス弁２１４を用いて、確実にすることができる。
【００２６】
[0067]適切な冷却剤の選択、圧縮器２０６による流量の選択、及び、上記の条件を満たす上記膨張弁のオリフィスサイズの選択は、容易になされるが、以下の事項を、二相冷却が達成される実施例として提供しておく。
【００２７】
ＥＳＣ入口温度：−１０〜＋５０℃
ＥＳＣ入口圧力：１６０〜２００ＰＳＩＧ
ＥＳＣ入口液体／気体比：４０％〜６０％液体
ＥＳＣ入口・出口最大温度差：５℃
ＥＳＣ入口・出口最大圧力差：１０ＰＳＩ
ＥＳＣ出口液体／気体比：１０％液体
蓄圧器出口温度：６０〜８０℃
蓄圧器出口圧力：２５〜３５ＰＳＩＧ
蓄圧器出口液体／気体比：１００％気体
圧縮器流量：４ガル／分
圧縮器出口圧力：２６０〜２７０ＰＳＩＧ
圧縮器出口温度：８０〜１００℃
圧縮器出口液体／気体比：１００％気体
凝縮器出口温度：２０〜４０℃
凝縮器出口圧力：２５０ＰＳＩＧ
凝縮器液体／気体比：１００％気体
膨張弁出口液体／気体比：８０％
[0068]一部の蒸発は、上記膨張弁出口とＥＳＣ冷却剤入口２０１との間で生じ、これは、膨張弁２１０からＥＳＣ入口２０１への液体／気体比の８０％から６０％への低下を意味する。熱サイクルを、（上述したように）図８の液体−気体ドーム２１６内に抑制することが好ましいが、本発明は、該制限を越えるある程度の逸脱によって実施してもよい。具体的には、上記冷却剤の液体／気体比は、上記蒸発器の出口２０２において、少なくともほぼゼロに達してもよく、又は、該蒸発器の出口２０２の直前で、ゼロに達してもよく、この場合、少量の理にかなった加熱が生じる可能性がある。このような場合においては、大部分の熱伝達が気化熱を介してやはり生じ、ごく一部が、理にかなった加熱を介して生じるため、それにもかかわらず本発明の利点が実現される。
広範囲の温度フィードバック制御ループ
[0069]再び図１及び図７を参照すると、上記ウェハの温度は、膨張弁２１０及びバイパス弁２１２のいずれか（又は両方）を管理する温度フィードバック制御ループを用いて、ウェハ１１０に対する所定の高周波熱負荷の下で、所望の温度に制御又は保持することができるが、最も単純な実施は、膨張弁２１０のみを制御する。実際の温度は、温度プローブで検知され、該温度プローブは、ＥＳＣ絶縁層１０内の温度プローブ２２０、ＥＳＣベース０５内の温度プローブ２２１、ＥＳＣ蒸発器入口２０１内の温度プローブ２２２又はＥＳＣ蒸発器出口２０２における温度プローブ２２３、あるいは、これらのプローブのうちのいずれか又は全ての組合せとすることができる。このために、フィードバック制御ループプロセッサ２２４は、それらの温度プローブのうちの１つ以上からの入力に応じて、膨張弁２１０のオリフィス開口サイズを管理する。プロセッサ２２４は、ユーザが選択した所望の温度値が与えられ、それは、記憶装置又はユーザインタフェース２２５に格納することができる。単純化した説明として、各連続する処理サイクルの間、プロセッサ２２４は、該プローブのうちの少なくとも１つによって（例えば、該ＥＳＣ絶縁層内のプローブ２２０によって）測定された現在の温度を、該所望の温度値と比較する。そして、プロセッサ２２４は、エラー値を、該所望の温度値と該測定した温度値との差として計算し、該エラーから、該エラーを低減する、バイパス弁２１２又は膨張弁２１０のいずれかのオリフィスサイズに対する修正を判断する。そして、プロセッサ２２４は、補正に従って変化させるために弁オリフィスサイズをもたらす。このサイクルは、該ウェハ温度を制御するウェハプロセスの全期間中に繰り返される。
鋭敏なウェハ温度フィードバック制御ループ
[0070]従来のリアクタにおいては、上記ウェハは、上記静電チャック又はウェハ支持体ペデスタルを冷却することにより、吸収した高周波電力による過熱を回避するように冷却される。ウェハ１１０と冷却されたＥＳＣ１０５との間の熱伝導性は、当分野において周知の技術である、ウェハ１１０の裏側とＥＳＣ１０５の上面との間の境界への（ヘリウム等の）熱伝導性ガスの加圧下での注入によって高められる。このために、ガス流路２２６が、ＥＳＣ絶縁層２０の上面に形成されており、また、加圧ヘリウム供給部２２８が、裏側ガス圧力弁２２９を介して内部ＥＳＣガス流路２２６に結合されている。ウェハ１１０は、格子電極１５へのクランプ電圧源１２８によって印加されるＤＣクランプ電圧によって、絶縁層２０の上面に静電的に押し付けられる。ウェハ１１０とＥＳＣ上部層２０との間の熱伝導性は、該クランプ電圧によって、及び該ウェハの裏側に対する熱伝導性ガス（ヘリウム）圧力によって決まる。高度に鋭敏な（素早い）ウェハ温度制御は、該ウェハ温度を所望のレベルに調整するように、（弁２２９を制御することにより）該裏側ガス圧力を変えることによって、本発明に従って行われる。該裏側ガス圧力が変化した際、該ウェハとＥＳＣ上部層２０との間の熱伝導性が変化し、これは、（ａ）ウェハ１１０により、格子電極１５に印加され、かつ該プラズマに結合された高周波電力から吸収された熱と、（ｂ）該ウェハから上記冷却されたＥＳＣに取り出された熱との間のバランスを変化させる。このバランスを変化させることは、該ウェハ温度を必ずしも変化させない。そのため、該裏側ガス圧力を管理するフィードバック制御ループは、該ウェハ温度の鋭敏な又は高度に敏感な制御に採用することができる。該裏側ガス圧力の変化に対する該ウェハ温度の応答性は、非常に速い（温度変化は、１秒以内に均衡に達する）。比較として、ＥＳＣ又はウェハ支持体ペデスタル１０５のベースの温度を変化させることは、該ウェハを、（ＥＳＣ１０５の熱量により）１分程度で、新たな（高められた又は低くなった）均衡又は定常状態のウェハ温度に達しない。そのため、該裏側ガス圧力を採用する温度調節システムは、ウェハ温度に対する素早い調整を実行可能な鋭敏な温度制御を提供できる。
【００２８】
[0071]図７は、そのような鋭敏な温度フィードバック制御システムを図示し、フィードバック制御ループプロセッサ２３０は、裏側ガス圧力弁２２９を管理する。上記ＥＳＣ内の温度センサ２２０、２２１、２２２又は２２３のうちの１つ（又はそれ以上）は、プロセッサ２３０の入力に接続することができる。ユーザインタフェース又は記憶装置２３１は、ユーザが選択した又は所望の温度をプロセッサ２３０に提供することができる。各連続する処理サイクルの間、プロセッサ２３０は、エラー信号を、（センサ２２０、２２１、２２２のうちの１つからの）現在の温度測定値と所望の温度との差として計算する。プロセッサ２３０は、該差から、該温度誤差を低減するのに役立つ、該裏側ガス圧力弁の現在のセッティングに対する補正を判断し、該補正に従って該弁の開口を変化させる。例えば、該所望の温度を超えてはずれているウェハ温度は、該裏側ガス圧力を増加させて、該冷却されたＥＳＣに対する熱伝導性を増加させ、該ウェハ温度を下げることを要することになる。この逆も、ウェハ温度が該所望の温度を下回ってはずれている場合において、当てはまる。従って、該ウェハ温度は、その下限が該ＥＳＣのチルド温度に相当し、また、その上限が、該ウェハに対する高周波熱負荷によって決まる温度範囲内で、新たな温度に実質的に瞬時に制御及びセットすることができる。例えば、該ウェハ温度は、高周波熱負荷がない場合には増加させることができず、また、該ウェハ温度は、該ＥＳＣの温度以下には冷却することができない。この温度範囲が十分である場合には、従来のいかなる技術も、該ＥＳＣを所望のチルド温度に維持して、該裏側ガス圧力を制御する鋭敏な温度フィードバック制御ループを容易にするのに用いることができる。
二重温度フィードバック制御ループ
[0072]上記裏側ガス圧力弁２２９を管理する鋭敏な温度フィードバック制御ループ及び冷却膨張弁２１０を管理する広範囲の温度フィードバック制御ループは、両フィードバック制御ループプロセッサ２２４、２３０を制御するマスタプロセッサ２３２の制御の下で、協働連携して同時に作動させることができる。
【００２９】
[0073]（蒸発器２００、圧縮器２０６、凝縮器２０８及び膨張弁２１０からなる上記ＰＣＨＴループを伴う）広範囲の温度フィードバック制御ループは、静電チャック１０５の温度を変化させることにより、上記被加工物の温度を制御する。該温度範囲は、該ＰＣＨＴループの熱容量によってのみ限定され、そのため、該被加工物の温度を、非常に広い範囲内(例えば、−１０℃〜＋１５０℃)のどのような温度にもセットすることができる。しかし、特定の時期に、被加工物の温度の所望の変化を実施することができる速度は、静電チャック１０５の熱量によって制限される。この速度は、非常に遅いため、例えば、３００ｍｍの被加工物又はシリコンウェハを支持する静電チャックの場合、被加工物温度の１０℃の変化は、該被加工物の温度が、新たな温度に最終的に達するまで、該冷却ユニットが該冷却剤の熱条件を変え始めて、新たな温度に合わせる時間から、約１分以上を要する可能性がある。
【００３０】
[0074]対照的に、被加工物温度の所望の変化又は補正を実行する場合、上記鋭敏な温度フィードバック制御ループは、（少なくとも直接的には）上記静電チャックの温度を変化させず、単に、該被加工物と該静電チャックとの間の熱伝導性を変化させる。該被加工物の温度がそのような変化に応答する速度は、上記裏側ガス圧力をその速度で変えることができる該速度及び該被加工物の熱量のみによって制限されるため、非常に高い。該裏側ガス圧力は、典型的なシステムにおいて、瞬時に弁２２９の動きに感応する。典型的な３００ｍｍシリコンウェハの場合、該熱量は、非常に低いため、該ウェハ（被加工物）の温度は、数秒程度、又は、１秒の何分の一以内で該裏側ガス圧力の変化に感応する。そのため、上記広範囲の温度制御ループが被加工物の温度の変化を実施する時間尺度と比較して、鋭敏なフィードバックループの該被加工物温度の応答は、ほぼ瞬間的である。しかし、該鋭敏なフィードバックループが該被加工物温度を変化させることができる範囲は、非常に制限され、すなわち、実現することができる該被加工物の最高温度は、該ウェハに対する高周波熱負荷によって制限され、一方、最低温度は、静電チャック１０５の現在の温度以下にはすることができない。しかし、該鋭敏な温度制御ループと広範囲の温度制御ループとを組合わせる場合、該組合せは、広範囲の被加工物温度及び非常に速い応答を提供できるため、各々の利点が他方の制限を補う。
【００３１】
[0075]マスタプロセッサ２３２は、広範囲のフィードバック制御ループ（プロセッサ２２４）を用いて、大きな温度変化を実施し、また、鋭敏なフィードバック制御ループ（プロセッサ２３０）を用いて、素早いがより小さな温度変化を実施するように、プログラミングすることができる。図１０は、ウェハ温度の経時的反応の一実施例のグラフである。実線は、長期の温度反応を図示し、マスタプロセッサ２３２は、プロセッサ２２４を伴う広範囲のフィードバック制御ループを用いて、ウェハ温度の遅く大きな変化を実施する。点線は、温度の速い摂動を描き、マスタプロセッサ２３２は、プロセッサ２３０を伴う鋭敏なフィードバック制御ループを用いて、ウェハ温度の、速いが小さな変化を実施する。
【００３２】
[0076]マスタプロセッサ２３２によって与えられる上記二重ループ制御は、上記ＥＳＣ温度が、ゆっくりと新たな所望の温度に変化する間に、上記ウェハの温度を（ほぼ）瞬時に新たな所望レベルに移して、そこで保持するのに採用することができる。このことは、図１１Ａ及び図１１Ｂに図示されている。図１１Ａの実線は、ウェハ温度の経時的反応を描いており、該ウェハ温度は、時刻ｔ１に、低い温度に下がり、そこで保持され、その時刻において、上記ＰＣＨＴループ（点線）は、該ＥＳＣを、該ＥＳＣが時刻ｔ２まで達しない該低い温度に冷却し始める。時刻ｔ１におけるウェハ温度の速い変化及びその後の温度安定性は、鋭敏な制御ループ２３０によって遂行される。鋭敏な制御ループプロセッサ２３０は、時刻ｔ１において、新たな（低い）所望のウェハ温度を受取り、上記裏側ガス圧力を直ちに増加させて（図１１Ｂ）、時刻ｔ１において、該ウェハ温度を該新たな温度に下げることによって感応する。その間に、該ＥＳＣ温度は、時刻ｔ１において、該ＥＳＣを該新たな温度に（又はそれよりわずかに低い温度に）するために低下し始め、その結果、プロセッサ２２４は、該ＥＳＣの温度を下げるために、該ＥＳＣの冷却速度を上げる。このことは、該裏側ガス圧力が、その後、一定になる時刻ｔ２において、該ＥＳＣが正確な温度に達するまで、該所望のウェハ温度を維持するように、時刻ｔ１の後、鋭敏な制御ループプロセッサ２３０に、該裏側ガス圧力を減少させる。
【００３３】
[0077]図１２Ａ及び図１２Ｂの実施例は、上記ＥＳＣの温度変化をどのようにして遅らせることができるか、及び（５秒以上の約５０度の該ＥＳＣ表面に対するタイムラグに適応させるために）上記ＰＣＨＴループを、新たな温度にゆっくり調整できるようになっているかを図示する。図１２Ａは、経時的温度反応を描いており、図１２Ｂは、それに相当する経時的な裏側ガス圧力プロファイルを描いている。図１２Ａ及び図１２Ｂに図示するように、マスタプロセッサ２３２によって与えられる上記二重ループ制御は、該ウェハ温度を初期の温度レベルで一定に（図１２Ａの実線）一時的に保持すると共に、時刻ｔ１で始動させて、該ＰＣＨＴループが、大きいが遅い温度軌跡（図１２Ａの点線）を介して該ＥＳＣを取り扱うのに採用することができる。その結果、該ウェハ温度は、新たなＥＳＣ温度に下げることができる。これは、該ＥＳＣを冷却すると共に、時刻ｔ１において、該裏側ガス圧力を絶え間なく減少させることによって遂行される。そして、時刻ｔ２において、所望のＥＳＣ温度に達した後、該鋭敏な温度制御ループは、該裏側ガス圧力を上げて、該ウェハ温度を該ＥＳＣ温度に下げる。
多数の温度ゾーン
広範囲の温度制御ループ：
[0078]ＥＳＣ１０５は、複数の径方向ゾーンに分割することができ、異なる独立したフィードバック制御ループは、各ゾーンにおける温度を別々に制御することができる。この特徴の利点は、プロセス又はエッチング速度の分布の非均一性をさらに低減するように、処理中に、ウェハ１１０の異なる径方向ゾーンを異なる温度に維持することができるということである。図１３の実施例において、ＥＳＣ１０５は、２つの温度制御ゾーン、すなわち、径方向内側ゾーン２３４と、径方向外側ゾーン２３６とに分割されており、各ゾーン２３４、２３６に対して、別々の温度制御装置が提供されている。このような複数の径方向ゾーンを有するいくつかの実施形態においては、該ＥＳＣの導電性メッシュ又は電極１５を（例えば、同心の内側及び外側ゾーン１５ａ、１５ｂ等の）複数の径方向ゾーンに分割することが好ましい可能性がある。
【００３４】
[0079]アルミニウムベース０５の径方向内側ゾーン２３４は、冷却剤入口２０１ａ及び冷却剤出口２０２ａを有する内側ゾーン冷却剤流路２００ａを収容する。内側ゾーン冷却剤流路２００ａは、内側ゾーンＰＣＨＴループの内側ゾーン蒸発器を構成し、蒸発器２００ａは、ＥＳＣベース０５の内側ゾーン２３４内に収容されている。該内側ゾーンＰＣＨＴループの残りの構成要素は、ＥＳＣ１０５の外部にあり、また、（冷却剤出口２０２ａから始まる冷却剤のフロー方向の順に）蓄圧器２０４ａ、圧縮器２０６ａ、凝縮器２０８ａ、及び可変オリフィスサイズを有する膨張弁２１０ａを含み、それら全ては、当分野において周知のタイプのものである。アルミニウムベース０５の径方向外側ゾーン２３６は、冷却剤入口２０１ｂ及び冷却剤出口２０２ｂを有する外側ゾーン冷却剤流路２００ｂを収容する。外側ゾーン冷却剤流路２００ｂは、外側ゾーンＰＣＨＴループの外側ゾーン蒸発器を構成し、蒸発器２００ｂは、ＥＳＣベース０５の外側ゾーン２３６内に収容されている。該外側ゾーンＰＣＨＴループの残りの構成要素は、ＥＳＣ１０５の外部にあり、また、(冷却剤出口２０２ｂから始まる冷却剤のフロー方向の順に)蓄圧器２０４ｂ、圧縮器２０６ｂ、凝縮器２０８ｂ、及び可変オリフィスサイズを有する膨張弁２１０ｂを含み、これら全ては、当分野において周知のタイプのものである。内側ゾーン２３４内の温度は、次の内側ゾーン温度プローブ、すなわち、ＥＳＣ絶縁層１０の内側ゾーン２３４内のプローブ２２０ａ、ＥＳＣベース０５の該内側ゾーン内のプローブ２２１ａ、内側ゾーン蒸発器入口２０１ａにおけるプローブ２２２ａ、又は、内側ゾーン蒸発器出口２０２ａにおけるプローブ２２３ａのうちの１つ以上で検知される。
【００３５】
[0080]内側ゾーンフィードバック制御ループプロセッサ２２４ａは、１つ以上の上記内側ゾーン温度プローブからの入力に感応して、内側ゾーン膨張弁２１０ａの上記オリフィス開口サイズを管理する。内側ゾーンプロセッサ２２４ａには、ユーザが選択した所望の内側ゾーン温度値が与えられ、該温度値は、記憶装置又はユーザインタフェース２２５ａに格納することができる。各連続する処理サイクルの間、内側ゾーンプロセッサ２２４ａは、上記プローブのうちの少なくとも１つ（例えば、上記ＥＳＣ絶縁層内のプローブ２２０ａ）によって測定された現在の温度を、所望の温度値と比較し、それに応じて、内側ゾーン膨張弁２１０ａのオリフィスサイズを修正する。外側ゾーンフィードバック制御ループプロセッサ２２４ｂは、１つ以上の該外側ゾーン温度プローブからの入力（ｉｎｐｕｔ  ｏｒ  ｉｎｐｕｔｓ）に感応して、外側ゾーン膨張弁２１０ｂのオリフィス開口サイズを管理する。外側ゾーンプロセッサ２２４ｂには、ユーザが選択した所望の外側ゾーン温度値が与えられ、該温度値は、記憶装置又はユーザインタフェース２２５ｂに格納することができる。各連続する処理サイクルの間、外側ゾーンプロセッサ２２４ｂは、該プローブのうちの少なくとも１つ（例えば、該ＥＳＣ絶縁層内の外側ゾーンプローブ２２０ｂ）によって測定された現在の温度を所望の温度値と比較し、それに応じて、外側ゾーン膨張弁２１０ｂのオリフィスサイズを修正する。
鋭敏な温度フィードバック制御ループ
[0081]両温度ゾーン２３４及び２３６において、当分野において周知である技術では、ウェハ１１０と冷却されたＥＳＣ１０５との間の熱伝導性は、加圧下での、ウェハ１１０の裏側と、ＥＳＣ１０５の上面との境界への（ヘリウム等の）熱伝導性ガスの注入によって高められる。内側温度ゾーン２３４には、内側ゾーンガス流路２２６ａがＥＳＣ絶縁層２０の上面の内側ゾーン２３４内に形成されており、そして、加圧ヘリウム供給部２２８ａは、内側ゾーンの裏側ガス圧力弁２２９ａを介して、内側ゾーンガス流路２２６ａに結合される。ウェハ１１０は、格子電極１５（すなわち、１５ａ及び１５ｂ）へのクランプ電圧源１２８によって印加されるＤＣクランプ電圧によって、絶縁層２０の上面に静電的に押し付けられる。ウェハ１１０とＥＳＣ上部層２０との間の熱伝導性は、該クランプ電圧により、及び、該ウェハの裏側に対する該熱伝導性ガス（ヘリウム）の圧力により決まる。高度に鋭敏な（速い）ウェハ温度制御は、該ウェハ温度を所望レベルに調整するように、内側ゾーン弁２２９ａを制御することにより、内側温度ゾーン２３４内で行われる。内側ゾーンの鋭敏なフィードバック制御ループプロセッサ２３０ａは、内側ゾーンの裏側ガス圧力弁２２９ａを管理する。ＥＳＣ内側ゾーン２３４内の内側ゾーン温度センサ２２０ａ、２２１ａ、２２２ａ又は２２３ａのうちの１つ（又はそれ以上）は、内側ゾーン用の鋭敏なプロセッサ２３０ａの入力に接続することができる。内側ゾーンユーザインタフェース又は記憶装置２３１ａは、ユーザが選択した又は所望の温度を内側ゾーン用の鋭敏なプロセッサ２３０ａに提供してもよい。各連続する処理サイクルの間、プロセッサ２３０ａは、エラーを、（内側ゾーンセンサ２２０ａ、２２１ａ、２２２ａのうちの１つからの）現在の温度と、該所望の温度との差として検知し、それに応じて、内側ゾーンの裏側ガス弁２２９ａの開口を変化させる。
【００３６】
[0082]外側温度ゾーン２３６には、外側ゾーンガス流路２２６ｂが、ＥＳＣ絶縁層２０の上面の外側ゾーン２３６内に形成されており、加圧ヘリウム供給部２２８ｂが、外側ゾーンの裏側ガス圧力弁２２９ｂを介して外側ゾーンガス流路２２６ｂに結合されている。高度に鋭敏な（速い）ウェハ温度制御は、該ウェハ温度を所望レベルに調整するように、外側ゾーン弁２２９ｂを制御することにより、外側温度ゾーン２３６内で行われる。外側ゾーンの鋭敏なフィードバック制御ループプロセッサ２３０ｂは、外側ゾーンの裏側ガス圧力弁２２９ｂを管理する。ＥＳＣ外側ゾーン２３６内の外側ゾーン温度センサ２２０ｂ、２２１ｂ、２２２ｂ又は２２３ｂのうちの１つ（又はそれ以上）は、外側ゾーン用の鋭敏なプロセッサ２３０ｂの入力に接続することができる。外側ゾーン用ユーザインタフェース又は記憶装置２３１ｂは、ユーザが選択した又は所望の温度を内側ゾーン用の鋭敏なプロセッサ２３０ｂに提供することができる。各連続する処理サイクルの間、プロセッサ２３０ｂは、エラーを、（外側ゾーンセンサ２２０ｂ、２２１ｂ、２２２ｂのうちの１つからの）現在の温度の測定値と、該所望の温度との差として検知し、それに応じて、外側ゾーン裏側ガス弁２２９ｂの開口を変化させる。
【００３７】
[0083]図１３に関して先に説明した鋭敏で広範囲の内側及び外側のフィードバック制御ループの組合せを用いて、上記ウェハ温度の径方向プロファイルは、鋭敏な応答で広範囲に制御することができる。
最小限の高周波寄生を伴う、又は高周波寄生を伴わない温度プローブ
[0084]図１４は、図１のプラズマリアクタに設けられた好ましい温度プローブ２３８を描いている。プローブ２３８は、２つの別々の部分、すなわち、ＥＳＣ１０５内に設けられた上方プローブ２３９と、ＥＳＣ１０５の下で、該ＥＳＣを支持するリアクタチャンバの一部、すなわち、チャンバホストベース２４１に設けられた下方プローブ２４０とからなる。上方プローブ２３９は、図１５の拡大図に描いており、高い高周波電位のエリア内（すなわち、ＥＳＣ絶縁層又はパック１０、２０内）に位置している。上方プローブ２３９は、上方プローブ２３９が密接に収まる、ＥＳＣ１０５内の細長い軸方向穴内にしっかりと挿入されており、上方プローブ２３９の先端は、パック２０の上面に近接して（例えば、３〜３．５ｍｍ以内に）位置している。（この利点は、プローブ２３９が、温度測定エラーを最小化するか又はなくすために、ウェハ１１０に十分に近接しているということである。）該ＥＳＣのこのエリアは、上方プローブ２３９が有する可能性があるどのような電気的特性も、該ウェハに対するプラズマ処理に大きな効果を生ずるように、処理中に、非常に高い電位を有する。そのため、上方プローブ２３９は、プローブ２３９が、該電界に対して、又は、高周波インピーダンス分布に関して別に有する可能性があるどのような影響も最小化するか又はなくす高周波適合性という特徴を含む。このような高周波適合性という特徴は、プローブ２３９が、（例えば）図２〜図４のフィードポイントインピーダンス調整に関する特徴、及び図５、図６の絶縁リングプロセスキットの特徴を用いて注意深く調整されているＥＳＣ電界又は高周波インピーダンス分布をゆがめない、又は、乱さないことを確実にする。上方プローブ２３９の高周波適合性という特徴は、プローブ２３９内のいかなる導電性物質、（径方向の電界又は高周波インピーダンス分布に対するその影響を最小化するための）該軸方向における該プローブの方向、及び該チャンバ内のプラズマのデバイ長の何分の一程度であるその小さな直径の完全な不在を含む。これらの特徴は、その黒体放射スペクトルが、その温度の周知の関数である電気的に非導電性の光学温度トランスデューサ２４２（例えば、蛍光物質）を採用することにより、可能になる。光学温度トランスデューサ２４２は、薄い軸方向上方プローブ２３９内に収容されている長く薄い光ファイバ２４３に結合されている。上方プローブ２３９はさらに、光ファイバ２４３を囲んでおり、かつ好ましくは、ガラス含浸プラスチックからなる不透明の円筒形絶縁スリーブ２４４を含む。光学温度トランスデューサ２４２には、好ましい実施形態において、窒化アルミニウムである、ＥＳＣパック１０、２０の誘電物質と好ましくは同一である物質からなる絶縁性キャップ２４５が被せられている。この後者の特徴は、光学温度トランスデューサ２４２に接触する物質（すなわち、キャップ２４５）の温度反応が、その温度が測定される物質（すなわち、ウェハ１１０に直接接触しているＥＳＣパック層２０）と同一であることを確実にする。
【００３８】
[0085]上方プローブ２３９はさらに、ＥＳＣベース０５の底面に、取外し可能に固定されている取付けプレート２４６を含む。取付けプレート２４６は、ハウジング２４７の肩部２４５と、ハウジング２４７内に位置するプローブスリーブ２４４の一部に固定された環状リング２４９との間で圧縮されたコイルスプリング２４８が収納されているスプリングハウジング２４７を支持する。上方プローブ２３９がＥＳＣ１０５内に挿入されて、該ＥＳＣ内の穴の上端部を押圧するのにつれて、コイルスプリング２４８が圧縮されて、プローブ２３９の先端を、該穴の上端部にセルフアライメントさせる。
【００３９】
[0086]下方プローブ２４０は、図１６の拡大図に示されており、不透明の下方円筒形スリーブ２５１によって囲まれている光ファイバ２５０を含む。下方プローブ２４０は、接地された導電性ＥＳＣベース０５より下にあるため、該プローブは、高い高周波電界のエリアの外に設けられており、そのため、非導電性物質で形成する必要はない。実際には、下方円筒形スリーブ２５１は、例えば、鋼鉄で形成してもよい。下方プローブ２４０の上端部２５２は、上方プローブ２３９の取付けプレート２４６の穴２５３内に密に受け入れられている。下方プローブ２４０はさらに、チャンバハウジングホストベース２４１の底面に、取外し可能に固定されている取付けプレート２５４を含む。取付けプレート２５４は、ハウジング２５５の肩部２５７と、ハウジング２５５内に位置している下方プローブスリーブ２５１の一部に固定された環状リング２５８との間で圧縮されたコイルスプリング２５６が収容されているスプリングハウジング２５５を支持する。下方プローブ２４０の先端２５２が上方プローブ取付けプレート２４６の穴２５３内に挿入されて、穴２５３の上端部を押圧するのにつれて、コイルスプリング２５６が圧縮されて、下方プローブ２４０の該先端を、穴２５３の上端部にセルフアライメントさせる。その結果生じる上方プローブ２３９に対する下方プローブ２４０のセルフアライメントが図１７に図示されており、該図は、上方プローブの光ファイバ２４３と下方プローブの光ファイバ２５０との対向端部が、ほぼ完全なアライメントになっていることを示す。信号調整回路は、下方プローブファイバ２５０の底部で該光ファイバから受取った光を変換し、それを上記フィードバック制御ループプロセッサのうちの１つによる使用のためにディジタル信号に変換する。図１４は、その先端がＥＳＣ１０５の上部近くに位置する単一の温度プローブを描いているが、別の同一のプローブを、該ＥＳＣの下方部分の第１のプローブと同じ径方向ロケーションに配置してもよい。他の同一のプローブを、該ＥＳＣ内の異なる径方向（方位角）ロケーションで、他のプローブと同じ高さ（軸方向位置）に配置してもよい。従って、図１３の異なる温度ゾーン２３４、２３６の温度プローブ２２０ａ、２２０ｂは、それぞれ、図１３〜図１６で説明したタイプとすることができ、共通の軸方向高さで、異なる径方向位置に設けられる。
【００４０】
[0087]本発明のある実施形態を、異なるフィードバック制御ループプロセッサを含むものとして説明してきたが、そのようなプロセッサのいずれか又は全ては、個別のフィードバック制御ループプロセッサの各々の機能を実行するようにプログラムされた単一の共通のプロセッサに実装してもよい。同様に、二重ヘリウム供給部２２８ａ、２２８ｂ等の、異なる制御ループに関連する他のリソースは、（例えば、単一のヘリウム供給部及び二重圧力制御弁２２９ａ、２２９ｂ等の）別々に制御されるインタフェースを伴う単一の供給部又はリソースによって実施してもよい。また、（例えば）導電性メッシュ電極１５が、この明細書において、最初の方で示唆したように、内側及び外側電極１５ａ及び１５ｂに分割されている場合には、異なるレベルの高周波バイアス電力を内側及び外側メッシュ電極１５ａ、１５ｂに印加するのに、共通の高周波バイアス電源を採用してもよい。代替として、別々の高周波バイアス電源を、該別々の高周波バイアス電力レベルを実現するのに採用してもよい。
裏側ガス圧力を用いた被加工物の温度ランピング
[0088]この明細書において先に説明したように、広範囲の温度制御ループは、静電チャック１０５の温度を調節することにより、被加工物温度を制御する。そのため、該制御ループは、該静電チャックの熱量に起因する遅い応答性を有する。従来の静電チャック冷却システムに伴う別の問題は、その効率が、限定されすぎていて、上記ウェハの温度が所望のレベルに達した後の、上方への温度ドリフトを回避することができないということである。このことは、初期の処理中の被加工物の温度ドリフトにつながり、これは、該リアクタがアイドリングされた後の「最初の」ウェハを処理するときに、最も顕著になる。この問題は、プラズマパワーが時刻ｔ０にターンオンされたときの典型的なウェハ温度の反応を描いている図１８のグラフに符号２６０で明示する曲線によって図示される。最初は、該ウェハ温度及び該ＥＳＣ温度は、上記所望の温度より低く、冷却された静電チャック１０５の熱量は、該ウェハに対する高周波熱負荷に対する該ウェハ温度の反応を遅らせる。このことは、該ウェハ温度が、時刻ｔ０から時刻ｔｂまでに該所望の温度に達するのを遅延させる。この遅延は、典型的には、約数十秒又は１分以上である。この後、従来の静電チャック冷却装置は、熱伝達効率が制限されているため、該装置は、該ウェハに対する高周波熱負荷からの蓄熱を補正することができず、その結果、該ウェハ温度は、時刻ｔｂの後、該所望の温度以上に増加又はドリフトし続ける。このような温度の制御されていない変化は、該プラズマプロセスの制御を悪化させる。
【００４１】
[0089]（図１８の曲線２６０に相当する）時刻ｔｂ後の温度ドリフトの問題は、図７の二相冷却ループの優れた有効性によって解決される。この明細書で既に論じたように、該二相冷却ループは、その蒸発器２００を静電チャック１０５内に設けることにより、改善された応答性を達成する。その有効性は、主に気化熱を介して、蒸発器２００内で熱伝達を行うことにより、さらに大幅に向上する。この改善された有効性は、該冷却ループが、該所望の温度に達した後に該ウェハ温度が上昇することを止めることを可能にする。この改善されたウェハ温度反応は、図１８の曲線２６２によって描いており、該ウェハ温度は、時刻ｔ２において該所望の温度に達した後に安定し、その後は、ドリフトがほとんどなく、又は、ドリフトは全くない。この解決策は、それでもなお、該所望レベルに達する該ウェハ温度に（時刻ｔ０から時刻ｔ２までの）かなりの遅延を残している。
【００４２】
[0090]上記ウェハ温度を上記所望の温度にする際の（時刻ｔ０から時刻ｔ２までの）遅延の問題は、鋭敏なフィードバック制御ループプロセッサ２３０を採用することによって解決される。高周波電力が最初にターンオンされて、該ウェハ温度が（時刻ｔ０において）該所望の温度よりも低くなると、弁２２９は、ウェハ・チャック間の伝導性を低下させ、それに伴って、ウェハ１１０に対する静電チャック１０５の冷却効果及び熱量を低減するために、上記裏側ガス圧力を低減（又は、ターンオフ）するようにサーボ制御される。このことは、ウェハ１１０を、冷却されたチャック１０５からの妨害をほとんど又は全く伴わない上記高周波熱負荷によって急速に加熱できるようにし、図１８の符号２６４で明示する曲線によって指し示されているように、時刻ｔ０で始まる急激な温度上昇をもたらす。図１８の符号２６４で明示する曲線が示すように、該ウェハ温度は、時刻ｔａで所望の温度に達し、時刻ｔ０から時刻ｔａまでの時間遅延は極端に短く、例えば、ほんの数秒程度か又は１秒の何分の一かである。
【００４３】
[0091]上記ウェハが上記所望の温度に達すると、鋭敏な制御ループプロセッサ２３０は、時刻ｔ０で始まるウェハ加熱の急速な増加が該所望の温度をオーバーシュートしないように、静電チャック１０５の冷却効果を増加させるために（弁２２９を制御することにより）上記裏側ガス圧力を増加させなければならない。温度ドリフトに対抗するために、該裏側ガス圧力を連続的に増加させて該所望ウェハ温度を維持することができる。裏側ガス圧力におけるこれら全ての調整は、的確かつ適時に行わなければならない。このことを遂行するために、本発明の好ましい実施形態は、所定の条件下の間で、静電チャック１０５の様々な層を介した熱伝達をシミュレートする該静電チャック１０５の熱モデルを含む。この特徴は、一般的な条件を考慮して該所望の温度を実現し、該所望の温度を保持するための最適な裏側ガス圧力を予測する。図１９は、熱モデルを採用する制御プロセスの１サイクルを描いている。該熱モデルの実施例は後述する。マスタプロセッサ２３２は、図１９のサイクルを繰り返して、該制御プロセスを行うようにプログラムすることができる。
【００４４】
[0092]図１９について参照すると、上記サイクルは、現在のプロセス条件を上記熱モデルに入力することで始まる（ブロック２７０）。それらの条件は、（印加した総高周波電力の所定の何分の一で表すことができる）上記ウェハに対する高周波熱負荷、蒸発器２００における、又は該蒸発器近傍での上記静電チャックの温度、該静電チャックのウェハクランプＤＣ電圧、及び上記裏側ガス圧力を含んでもよい。次のステップ（ブロック２７１）は、該熱モデルから、現在のプロセス条件の下で生じた該ウェハの最終的な又は定常状態の温度Ｔｆ（すなわち、図１８の時刻ｔｂで達する温度）の予測を得ることである。例えば、このことを行うために、該熱モデルは、静電チャック１０５を介した軸方向ｚに沿った、温度Ｔの分布の時間ｔに伴う漸進的変化を規定する関数Ｔ（ｚ，ｔ）を生成してもよい。１つの可能な選択肢として、Ｔｆが上記所望の温度ではない場合には、初期条件を変更して、該熱モデルが満足できるＴｆの予測を生ずるまで、上記ステップを繰り返してもよい。その結果、該熱モデルは、該ウェハ温度を予測した定常状態温度Ｔｆまで速やかに上げる裏側ガス圧力（すなわち、弁２２９のセッティング）を見つけ出すのに用いられる（図１９のブロック２７２）。このことは、該モデルに入力される該裏側ガス圧力の値を変えて、最適な裏側ガス圧力値が見つかったことを指し示す、該所望の温度が予測されるまで、予測された定常状態のウェハ温度の変化をモニタリングすることにより、遂行することができる。その結果、該裏側ガス圧力は、このようにして特定された該最適な値にセットされる（ブロック２７３）。既に定常状態に達している場合には（ブロック２７４）、上記プロセスは、停止される。そうでない場合には、タイムインデックスが増分され（ブロック２７５）、該プロセスサイクルがブロック２７２のステップに戻る。
【００４５】
[0093]図２０は、ウェハ１１０（符号２７６で示す曲線）、静電チャック１０５の上面又はパック層２０（符号２７７で示す曲線）、静電チャック１０５の底部又はベース５（符号２７８で示す曲線）の経時的な温度反応を描いているグラフである。加えて、符号２７９で明示する曲線は、曲線２７６のウェハ温度ステップ反応を達成するのに要する上記裏側ガス圧力の同じ時間尺度に対する反応を描いている。比較のため、符号２８０で明示する曲線は、裏側ガス圧力のどのような変化もない場合の該ウェハの問題のある温度反応を描き、この場合、該ウェハ温度は、まず、該ウェハプロセスのかなりの部分の間に、所望のプロセス温度に非常にゆっくりと達する。図２０の曲線２７９は、ウェハ温度の同時の急激な上昇を提供するプラズマ点火時の裏側ガス圧力の初期の急激な低下と、曲線２７７に対応する静電チャック１０５の上昇する温度を補正する、裏側ガス圧力のその後のゆっくりとした増加を描いている。図２０によって表されたデータを得る際には、次のプロセス条件が存在する。すなわち、１００Ｗのプラズマ高周波（ＶＨＦ）ソースパワーを上記オーバーヘッド天井電極に印加し、４０００Ｗのプラズマ高周波（ＨＦ）バイアスパワーが上記ＥＳＣに印加し、上記チャンバ圧力は１５トールであり、該ＥＳＣのウェハクランプＤＣ電圧は、４００Ｖであり、該ＥＳＣの蒸発器温度は、４０℃であり、上記冷却剤の流量は、最初の５００秒の間、３．７５ガロン／分であった。
【００４６】
[0094]図２１は、（鋭敏な制御ループプロセッサ２３０による）裏側ガス圧力ランピングが、上記ウェハプロセス全体の間に、どのようにウェハ温度を制御することができるかを図示する。該ランピングは、これを、該ウェハ温度を一定の所望の温度に維持するように行い、あるいは代替として、ユーザのプロセスレシピで指定することができる急速に変化するウェハ温度プロファイルに正確に追従するように行うことができる。図２１のプロセスにおいて、第１のステップは、該ウェハ温度の所望の時間展開の所望のウェハ温度プロファイルを規定することである（図２１のブロック２８２）。現時点の該所望の温度は、該プロファイルから決まり(ブロック２８３ａ)、上記熱モデルに入力される（ブロック２８３ｂ）。また、例えば、ウェハの裏側ガス圧力、現在のウェハ温度、該ウェハに対する高周波熱負荷、ＥＳＣベース温度及び静電ウェハクランプ力等の現在のプロセス条件も、該熱モデルに入力される（ブロック２８４）。その結果、該熱モデルは、現在のウェハ温度を、ユーザが規定したプロファイルから得られた所望の現在の温度値に移す、該ウェハ裏側ガス圧力に対する修正を得るのに用いられる（ブロック２８５ａ）。そして、この修正は、該ウェハ裏側ガス圧力に対してなされる（ブロック２８５ｂ）。現時点の値は、次のサンプル時間又はプロセッササイクル時間に増分され、該プロセスサイクルは、ブロック２８３ａのステップに戻る（ブロック２８７）。
【００４７】
[0095]上記裏側ガス圧力は、ウェハ温度を制御するための、図２１に描いている方途で上記熱モデルと共に用いることができるが、該ガス圧力は、上記ＥＳＣの蒸発器温度ほど低くない低温によって規定され、かつ該ウェハに対する高周波熱負荷によって制限される高温によって規定される狭い温度範囲に限定される。そのため、ユーザが指定した温度プロファイルが、この範囲を超える変化を要する場合には、広範囲の（冷却）温度制御ループが、鋭敏な制御ループプロセッサ２３０と共に用いられる。このため、次のステップは、ブロック２８５ａ及び２８５ｂのステップを用いて同時に行われる。すなわち、該熱モデルは、現在のウェハ温度を、ユーザが規定したプロファイルから得られた所望の現在の温度値へ移す、該ＥＳＣの蒸発器（又は、ベース）温度に対する修正を得るのに用いられる（ブロック２８６ａ）。そして、この補正は、例えば、膨張弁２１０を調整することにより、該冷却ループに対してなされる。
熱モデルを用いた二重ループ温度制御
[0096]図２１のブロック２８５ａ、２８５ｂ及び２８６ａ、２８６ｂのステップを同時に実行することにより、２つの制御ループ（プロセッサ２２４によって管理される広範囲の制御ループ、及びプロセッサ２３０によって管理される鋭敏な制御ループ）のそれぞれの利点が、実行される温度変化による最大の効果のために自動的に選択される。従って、次の所望の温度の変化が、該鋭敏な制御ループの能力を超える非常に大きな温度変化である場合には、該広範囲の温度制御ループの効果が支配することになる。同様に、次の所望の温度範囲が、広範囲の温度制御ループ２２９、２３０にとって速すぎる非常に素早い温度変化である場合には、該広範囲の温度制御ループでも応答することができないが、鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０は、必要な温度変化を実施する。
【００４８】
[0097]このコンセプトを、図２２Ａ及び図２２Ｂの実施例に描いている。図２２Ａは、プロセスレシピに要する温度・時間プロファイルの実施例を図示する。該図は、ＴａとＴｂとの間の一連の鋭いステップによって断続的になっている、温度Ｔ１から温度Ｔ２への多数の非常にゆっくりとした広範囲の温度上昇を含む。ピーク（Ｔ３）において、温度変化は、正の変化率を有する（温度Ｔ４周辺の）別の弧が後に続く負の変化率を有する弧に沿っている。図２２Ａの温度スケールは、図２１のステップ２８５ａ、２８５ｂの場合のような裏側ガス圧力を用いた鋭敏な制御プロセッサ２３０は、Ｔ１からＴ２へ変化させないようになっているため、この大きな変化は、ステップ２８６ａ、２８６ｂにおいて、広範囲の制御プロセッサ２２４によってなされる。しかし、図２１のタイムスケールは、広範囲の制御プロセッサ２２４が、ＴａとＴｂとの間で鋭いステップを実施することができないようになっている。それらの鋭いステップによって表された小さな逸脱は、ステップ２８５ａ、２８５ｂにおいて、鋭敏な制御プロセッサ２３０によってなされ、その小さな変化は、広範囲の制御プロセッサ２２４によってなされるＴ１からＴ２への長期間の温度上昇時に付加されている。同様に、Ｔ３及びＴ４周辺の温度プロファイルの鋭い円弧状経路は、該ゆっくり動く広範囲の温度制御ループによってエミュレートすることができない。鋭敏な温度制御ループプロセッサ２３０は、該温度プロファイルにおいて、そのようなアーチ状経路をエミュレートするのに必要な（図２１のステップ２８５ａ、２８５ｂにおいて）繊細な応答を提供できる。その際、単一のプロセスサイクルの時間周期に相当する鋭敏な温度制御プロセッサ２３０の時間分解能は、階段形状を有する図２２Ｂの対応部分に指し示すように、それらの変化が短い時間周期の間に生じる場合、図２２Ａの所望の温度のプロファイルの該アーチ状経路をたどる際に、階段効果を生み出すことができる。その結果、一般的に、図２１のブロック２８５ａ、２８５ｂのステップを行う際に、鋭敏な制御プロセッサ２３０によって実施される非常に小さな変化又は修正が、図２１のブロック２８６ａ、２８６ｂのステップを行う際に広範囲の温度制御プロセッサ２２４によってなされる長期間の大きな温度変化時に付加される。
【００４９】
[0098]図２３は、図２１のプロセスを実行可能な、図７の装置の変更例を描いている。図２３において、先に参照したようなタイプの熱モデル２８８は、図７の装置に利用しやすく、特に、以下のプロセッサ、すなわち、マスタ制御プロセッサ２３２、広範囲のフィードバック制御ループプロセッサ２２４及び鋭敏なフィードバック制御ループプロセッサ２３０のうちのいずれか１つ又は全てによって利用される。鋭敏な制御ループプロセッサ２３０及び広範囲の制御ループプロセッサ２２４の両方が熱モデル２８８を利用する場合には、鋭敏な制御ループプロセッサ２３０及び広範囲の制御ループプロセッサ２２４は、好ましくは、マスタプロセッサ２３２が、必要になる可能性がある何らかの仲裁を実行することができるように、マスタプロセッサ２３２を介して熱モデル２８８を利用する。現在のプロセス条件に対応する入力は、該熱モデルの入力２８９で受取られる。それらの入力に基づいて、熱モデル２８８は、定常状態温度を予測するのに活用できる、又は、例えば、所望の温度を達成できる温度制御設定のために探すことができる時間発展空間温度分布Ｔ（ｚ，ｔ）を生成する。
【００５０】
[0099]プロセッサ２３０が図１９のプロセスを実行しているときに、該プロセッサは、モデル２８８のためのモデル入力２６１において、プラズマ点火後の任意の時期に到達する定常状態のウェハ温度をＴ（ｚ，ｔ）から得る要求を行い、この定常状態温度は、ターゲット温度として規定される。一方、プロセッサ２３０が図２１のプロセスを実行しているときに、（例えば、図２２の）ユーザプロファイルに従って、現時点での所望の温度がモデル入力２６１に加えられる。どちらの場合においても、プロセッサ２３０は、熱モデル２８８の出力２６３から、該ウェハ温度を該所望の温度に移す上記裏側ガス圧力に対する補正を得る。圧力弁２２９に対する対応するコマンドは、プロセッサ２３０の出力２６５で送られる。
【００５１】
[00100]図２４は、熱モデル２８８の一つの可能性がある実施形態の単純化した概略ブロック図である。該モデルは、ウェハ１１０と蒸発器２００との間の熱経路に対応する複数の層に分割されている。層２９０は、該ウェハに対する熱負荷を表し、熱流量として指定されている。この熱流量は、上記リアクタに印加された高周波電力の関数であり、当業者によって容易に決めることができる。後に続く層は、熱抵抗及び熱容量として表されている。熱抵抗は、該層及びその熱抵抗性又は熱伝導性の大きさの関数である。熱容量は、該層の特定の熱、密度及び大きさからなる関数である。層２９１は、ウェハ１１０を、熱抵抗２９１ａ及び熱容量２９１ｂとして表す。層２９２は、ウェハ１１０と、ＥＳＣパック２０の上面との間の境界を、８上記裏側ガス圧力に伴って変化する）可変熱抵抗２９２ａ及び熱容量２９２ｂとして表す。層２９３は、ＥＳＣパック１０、２０を、パック熱抵抗２９３ａ及び熱容量２９３ｂとして表す。層２９４は、パック１０とＥＳＣベース５との間の接合部又は境界を、熱抵抗２９４ａ及び熱容量２９４ｂとして表す。層２９５は、ＥＳＣベース５を、ベース熱抵抗２９５ａ及びベース熱容量２９５ｂとして表す。必要に応じて、モデル２８８は、内部蒸発器２００の冷却動作を、熱流量によって指定されるヒートシンク２９６として表すことができる。この熱流量は、測定データから、当業者によって既に構成されているルックアップテーブルに基づいて、膨張弁２１０の設定から決めることができる。
【００５２】
[00101]熱モデル２８８は、ＥＳＣ１０５を通る熱量をシミュレートするために、必須の初期条件を備えていなければならない。このため、モデル２８８の入力２８９は、一つの実施例において、制御プロセッサ２３０によって供給することができる次の入力、すなわち、（弁２２９の設定からの）上記裏側ガス圧力、ＥＳＣベース５の初期温度、ウェハ１１０又はパック２０の初期温度、該ウェハの高周波熱負荷を表す熱源２９０のパワー、及び（必要に応じて）ヒートシンク２９６の冷却速度（パワー）を受取る。
【００５３】
[00102]その結果、熱モデル２８８は、（例えば）プラズマ点火後の定常状態温度を決める又は予測するための時間の関数としてのウェハ１１０における温度等の特定の情報に対して（例えば、プロセッサ２３０によって）質問することができる。このことは、図１９のブロック２７１のステップに相当する。あるいは、熱モデル２８８は、該ウェハ温度を所望値に上げる最良の裏側ガス圧力（又は、弁２２９の設定）を探してもよい。この後者の特徴は、図１９のブロック２７２のステップに、及び／又は図２１のブロック２８６のステップに相当する。
【００５４】
[00103]代替として、熱モデル２８８のロバストバージョンにおいては、モデル２８８は、選択された時間範囲内で、各個別のプロセッサのサンプル時間に対して、Ｚ軸に沿った（すなわち、層２９１が層２９５を通る場合、該スタックに沿って）該温度の空間分布Ｔ（Ｚ）を作成してもよい。空間温度分布のこの収集は、時間依存性の温度分布Ｔ（Ｚ，ｔ）に相当する。その時間展開は、図２５に定性的に描かれており、プラズマ点火時に該ウェハに位置し、かつＥＳＣベース５に向かって経時的に確実に伝わる高温ゾーンの経時的進展を示す。該熱モデルは、異なる仮定の裏側ガス圧力値に対して、異なる温度分布Ｔ（Ｚ，ｔ）を作成することができる。このようなロバスト情報を用いて、熱モデル２８８又は制御プロセッサ２３０は、該ウェハ（又は、他の特定の位置）において、所望の定常状態温度を提供できる理想的な裏側ガス圧力設定のための異なる裏側ガス圧力設定に対して得られる異なる分布Ｔ（Ｚ，ｔ）を探すことができる。
【００５５】
[00104]図２４のモデルを、各層の熱特性が、該層の大きさ及び熱特性から推測される熱伝達式を採用する集中素子技術を参照して説明してきた。しかし、その熱応答性は、該層の応答性（例えば、該層全域での）温度差）を時間及び熱流量の両方の関数として規定する、それまでの測定データから経験的に構成されたルックアップテーブルのセットによって特徴付けることができる。そのようなルックアップテーブルは、該層全域での熱流量、時間及び温度差に相当する３つの直交する軸によって画成された空間内に位置する図２６に描かれた３次元面を表す。従って、各層は、図２６に示したタイプの１つ（又は、それ以上）のルックアップテーブルによって特徴付けることができる。しかし、その熱応答性を、その熱抵抗が上記裏側ガス圧力によって制御される該ウェハ／ＥＳＣ境界層２９２等のユーザが制御可能な外部パラメータによって変えることができる層は、より複雑である。具体的には、該外部パラメータの各可能な設定は、図２６に図示したタイプの異なるルックアップテーブル又は面を生成する。図２７に示すように、２つの面又はルックアップテーブルは、弁２２９による該裏側ガス圧力の多数の可能な設定のうちの２つに対する温度反応を表す。多数のこのようなルックアップテーブルは、裏側ガス圧力値の範囲に対する熱反応を表すことになる。当業者は、測定データから、特定のリアクタデザインのためのそのようなルックアップテーブルを容易に生成することができる。
【００５６】
[00105]再び図２３について説明すると、図２４の熱モデル２８８は、図１３の多数の温度ゾーンリアクタと共に用いることができ、独立した裏側ガス圧力の多数の温度ゾーンが維持され、独立した冷却蒸発器は、この明細書で上述したように、各ゾーンには、温度センサからなる独立したセットが提供されている。図２４の熱モデル２８８を図１３のマルチゾーンリアクタと組合わせた場合、モデル２８８は、静電チャック１０５の異なる熱反応をシミュレートする複数の熱モデル２８８−１、２８８−２等で構成することができる。それぞれのモデルは、図７の単一の温度ゾーンリアクタに関して先に説明したような方途で、各温度ゾーンの上記鋭敏なフィードバック温度制御プロセッサ及び広範囲のフィードバック温度制御プロセッサによって採用される。それに伴って、図１９及び図２１のプロセスは、図１３の各温度ゾーンに対して個別にかつ独立して行われ、各ゾーンにおける該プロセスは、熱モデル２８８−１、２８８−２等のうちの１つに相当するものを用いる。
予定した高周波熱負荷変化を補正するフィードフォワード温度制御
[00106]いくつかのプラズマプロセスレシピは、上記ウェハ温度を変化させることなく、該プロセスにおける異なるステップで、異なるプロセス効果を達成するために、該ウェハに対する高周波熱負荷を変化させることを要する可能性がある。この問題とは、上記静電チャックの熱量が、上記冷却システムの温度又は冷却速度の変化と、ウェハ温度に対して結果として生じる効果との間に、大きな（例えば、１〜２分の）遅延を与えることである。従って、（蒸発器２００を用いた）上記広範囲の温度制御ループは、安定性を取り戻す前に、ウェハ温度の著しいドリフトを可能にすることなく、該ウェハに対する高周波熱負荷の急激な変化を補正することができないそのような遅い応答性を有する。一方、初期の高周波熱負荷及びＥＳＣベース温度により、裏側ガス圧力弁２２９を介した鋭敏な温度制御（例えば、上記鋭敏な温度制御ループ）は、該ウェハに対する高周波熱負荷の大きな変化を補正することができない可能性がある。具体的には、該ＥＳＣベース温度が高すぎるか、又は、初期の高周波熱負荷が大きすぎる場合には、裏側ガス圧力弁２２９のみを制御すること（「鋭敏な温度制御」）は、高周波熱負荷の急激な大きな増加を補正するのに十分でない可能性がある。逆に、ＥＳＣベース温度が低すぎるか、又は、初期の高周波熱負荷が不十分である場合には、鋭敏な温度制御は、高周波熱負荷の急激な大きな低下を補正するのに十分でない可能性がある。
【００５７】
[00107]これらの問題は、（熱モデル２８８において）高周波熱負荷の次に予定された変化の大きさ及び時間を分析することにより、本発明の一つの態様に従って解決される。熱モデル２８８は、該高周波熱負荷の変化を最も補正し、かつ一定のウェハ温度を維持しそうなＥＳＣベース温度の修正を生じる。該熱モデルは、ＥＳＣ１０５を伝って、ウェハ１１０に達するこの温度補正に要する時間の量を予測する。温度コントローラ２２８は、該ＥＳＣベースの温度シフトが、高周波電力レベル／高周波熱負荷の予定した変化の時間に、該ウェハに及ぶように、（予測した伝播時間に基づいて）ＥＳＣベース温度の推奨変化を十分に早く実施する。
【００５８】
[00108]このフィードフォワード特徴を図２８Ａに図示し、該特徴は、上記広範囲の制御ループ及びそのプロセッサ２３０によって、ほとんどの部分に対して行うことができる。まず、熱モデル２８８には、高周波電力（高周波ウェハ熱負荷）ウェハ温度、ＥＳＣベース温度、裏側ガス圧力等の現在のプロセス条件が与えられる（図２８Ａのブロック３００）。現在のプラズマ処理レシピが、後になされる高周波電力レベルの変化を要求した場合、この高周波電力変化の大きさ及び時間が熱モデル２８８に入力される（図２８Ａのブロック３０１）。そして、熱モデル２８８は、高周波電力のこの計画した変化に関するウェハ温度に対する効果をシミュレートする。熱モデル２８８は、該高周波電力レベルの計画した変化を正確に補正するＥＳＣベース温度の変化を探す。これは、（熱モデル２８８への入力２８９において）該ＥＳＣベース温度を変えて、モデル２８８によってシミュレートされたウェハ温度反応に対する変化する効果を観測することによって遂行される。高周波熱負荷の変化を最も良く補正する該ＥＳＣベース温度の変化が選定される（図２８Ａのブロック３０２）。また、熱モデル２８８は、ウェハ１１０に及ぶためのＥＳＣベース５における温度変化に必要な経過時間を計算し、又は知らせることができる（図２８Ａのブロック３０３）。そして、ＥＳＣベース温度の変化を補正することが、補正するベース温度変化のベース・ウェハ間の経過時間と等しいリードタイムだけ、該計画した高周波電力の変化の時間より前になされる。（このタイミングの先行は、ブロック３０２のステップのシミュレーションに含めてもよい。）補正するＥＳＣベース温度の変化がＥＳＣベース５からウェハ１１０に伝播する期間中に、ウェハ温度のドリフトを防止するために、鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０は、一定のウェハ温度を維持する（図２８Ａのブロック３０５）。例えば、補正するベース温度変化が、計画した高周波電力レベルの変化の前に、ＥＳＣパック温度の時期尚早の降下を引き起こした場合には、上記裏側ガス圧力は、該ウェハからの熱伝導性を低下させて、この期間中に、該ウェハ温度を一定に保持するために、鋭敏な温度制御プロセッサ２３０によって自動的に低下されることになる。
【００５９】
[00109]補正するＥＳＣベース温度修正は、ベース・ウェハ間の経過時間に相当するリードタイムだけ、計画した高周波電力レベルの変化前に、ブロック３０４のステップで良好に実行されるため、広範囲の温度制御プロセッサ２３０が、補正する温度ドリフトの伝播を監視し、該ベース温度の変化に対して多くの細かい補正をなす機会がある。従って、図２８Ｂに図示する繰り返し補正サイクルを行うことにより、パフォーマンスが改善される。この補正サイクルは、（２つ以上の、軸方向に一定間隔で離間したセンサをこのステップで採用することができるが）図７の温度センサ２２０、２２１等のＥＳＣ１０５内にＺ軸に沿った軸方向位置に一定間隔で配置された複数の温度センサを同時にモニタリングすることを含む。このような多数の同時発生する測定によって、瞬間的な温度プロファイルＴ（Ｚ）を推定することができる（図２８Ｂのブロック３０６）。この瞬間的な温度分布は、熱モデル２８８に入力される（図２８Ｂのブロック３０７）。ブロック３０７のステップの該瞬間的な温度分布を更新された「初期」条件として用いて、熱モデル２８８は、時間展開の温度プロファイルＴ（Ｚ，ｔ）の新たな更新されたバージョンを生成する。このことから、熱モデル２８８は、予定した高周波電力レベル変化の時間（ｔｃ）周辺の該ウェハ温度の反応を予測することができる（図２８Ａのブロック３０９）。これらの結果を用いて、時刻ｔｃで予測したウェハ温度（又は、その平均）を初期温度と比較して（図２８Ｂのブロック３１０）、以前にとられた補正動作が、時刻ｔｃにおいて、又は該時刻の直後に、該ウェハ温度の過度の補正又は補正不足を引き起こすかどうかを判断する。補正不足が予測される場合には（ブロック３１１）、上記広範囲の温度制御ループがＥＳＣベース５における補正温度変化を減少させ、また、過度の補正が予測される場合には（ブロック３１２）、該補正温度変化が増加される。その後、時刻が１サイクル時間だけ増分される（ブロック３１３）。該時刻がｔｃ、すなわち、高周波電力の予定した変化のための時刻に達すると（ブロック３１４のＹＥＳ分岐）、上記フィードフォワードプロセスが停止されて、該ウェハの通常の制御が再開される（ブロック３１５）。そうでない場合には（ブロック３１４のＮＯ分岐）、該プロセスサイクルは、ブロック３０６のステップに戻る。
【００６０】
[00110]図２９は、図２８Ａ及び図２８Ｂのフィードフォワード特徴が、時刻ｔ０において、上記ＥＳＣベース温度を低下させることにより、将来の時刻ｔｃにおける印加高周波電力の計画した増大に対応する空間温度分布の時間展開を描くグラフである。連続する時刻（ｔ１、ｔ２、ｔ３等）において、温度の減少がＺ軸方向の該ウェハ面に伝播する。最大の温度下降は、時刻ｔｃにおいて、該ウェハ面に達し、その結果、この理想的な実施例においては、過度の補正又は補正不足はない。図３０Ａ〜図３０Ｃの同時刻のプロットは、過度の補正及び補正不足の影響を描いている。図３０は、印加高周波電力を時間の関数として描き、電力の増大は、時刻ｔｃで発生する。図３０Ｂは、経時的なウェハ温度反応を描き、ＥＳＣベース温度の補正減少は、かなり遅く始まり、又は、不十分な温度変化を伴って始まる。どちらの場合においても、該ウェハ温度は、時刻ｔｃにおいて、所望の温度以上に上昇し始め、著しく逸脱した後に初めて、所望レベルに向かって戻り始める。図３０Ｃは、経時的なウェハ温度反応を描き、ＥＳＣベース温度の補正低下は、かなり早く始まり、又は、過度の温度変化を伴って始まる。このような場合、該ウェハ温度は、時刻ｔｃにおいて、降下し始め、著しく逸脱した後に初めて所望レベルに向かって戻り始める。理想のケースにおいては、該ウェハ温度は、時刻ｔｃにおける高周波電力の増大の前、間及び後に、一定のままである。
温度プロファイリングのためのフィードフォワード制御
[00111]いくつかのプラズマプロセスレシピは、該プロセスにおける異なるステップにおいて、異なるプロセス効果を実現するために、プラズマ処理中に、ウェハ温度を変化させることを必要とする可能性がある。そのような変化に伴って、該プロセスレシピは、該ウェハに対する高周波熱負荷を変化させないでもよい（又は、変化させてもよい）。この問題は、上記静電チャックの熱量が、上記冷却システムの温度又は冷却速度と、ウェハ温度に関する結果として生じる影響との間に、大きな（例えば、１〜２分の）遅延を与えることである。従って、（蒸発器２００を用いる）上記広範囲の温度制御ループは、該プロセスレシピによって必要とされる急激なウェハ温度の変化を実行することができないこのような遅い応答性を有する。一方、初期の高周波熱負荷及びＥＳＣベース温度により、鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０は、該プロセスレシピによって必要とされるかもしれないウェハ温度の極端に大きな変化を実行できない可能性がある。具体的には、該ＥＳＣベース温度が高すぎるか、又は、初期の高周波熱負荷が大きすぎる場合には、鋭敏な制御ループ２２９、２３０は、該プロセスレシピによって必要とされるウェハ温度の大きな低下を実行できない可能性がある。逆に、ＥＳＣベース温度が低すぎるか、又は、該初期の高周波熱負荷が不十分である場合には、鋭敏な制御ループ２２９、２３０は、該プロセスレシピによって必要とされるウェハ温度の大きな上昇を実行できない可能性がある。
【００６１】
[00112]これらの問題は、（熱モデル２８８において）該プロセスレシピによって要求されるウェハ温度の次に予定された変化の大きさ及び時刻を分析することにより、本発明の一つの態様に従って解決される。該温度変化が、鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０（上記裏側ガス圧力制御）の能力を超える場合には、広範囲の制御ループ２２４、２１０（上記冷却制御）が、所望の温度変化を実施するのに用いられる。この場合、熱モデル２８８は、所望のウェハ温度変化を最も実施しそうなＥＳＣベース温度変化をもたらす。該熱モデルは、この温度補正がＥＳＣ１０５を介してウェハ１１０に及ぶのに要する時間量を予測する。温度コントローラ２２４は、該ＥＳＣベースの温度シフトが、ウェハ温度の予定した変化の時刻に該ウェハに及ぶように、（予測した伝播時間に基づいて）ＥＳＣベース温度の推奨変化を十分に早く実施する。この直前に、（裏側ガス圧力を用いた）鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０は、ウェハ温度の変化の予定した時間まで、該ウェハ温度を一定に維持する。
【００６２】
[00113]しかし、鋭敏な温度制御２２９、２３０（裏側ガス圧力）が、それ自体だけで、所望のウェハ温度変化を実行することが可能である場合には、鋭敏な制御ループ２２９、２３０は、上記予定した時間に該変化を実行することを要求され、この場合、広範囲の制御ループ２２４、２１０は、後のウェハ温度変化に備えて、該ＥＳＣ温度を一定にしておくか、又は、該ＥＳＣ温度を変化させることができる。
【００６３】
[00114]このフィードフォワード特徴は、図３１Ａ、図３１Ｂ及び図３１Ｃ（以後、まとめて図３１と呼ぶ）のブロックフロー図に図示されており、図２４〜図２６の熱モデルを用いて、図７のマスタプロセッサ２３２によって行うことができる。まず、時刻の値ｔ０がプロセススタート時間にセットされる（図３１のブロック３２０）。上記ウェハのプラズマ処理が始まり、初期のプロセスレシピパラメータ（チャンバ圧力、ソース及びバイアス電力、ウェハ温度等）が上記リアクタに設定されると、該プロセスレシピは、ウェハ温度の次に予定された変化及びその予定した時刻ｔ１を見つけ出すように検査される（図３１のブロック３２２）。鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０が、計画したウェハ温度変化を実施可能であるか否かの判断がなされる（ブロック３２４）。この判断は、該変化が温度上昇である場合に、該ウェハに対する高周波熱負荷が十分高いか否かを判断すること（ブロック３２４ａ）、又は、該変化が温度低下である場合に、該ＥＳＣ温度が十分低いか否かを判断すること（ブロック３２４ｂ）を必然的に伴うことができる。計画した温度変化が、鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０の現在の能力を超える場合には（ブロック３２４ａ又は３２４ｂのＮＯ分岐）、広範囲の温度制御ループ２２４、２１０が用いられる。まず、熱モデル２８８は、ウェハ温度の所望の変化を最も引き起こしそうなＥＳＣベース温度の変化を見つけ出すように問われる（ブロック３２６）。ＥＳＣ１０５を介して伝播し、予定した時刻ｔ１までに該ウェハに及ぶ所望の温度変化に対して十分な時刻に始まるこの変化は、（膨張弁２１０をサーボ制御することにより）なされる（ブロック３２８）。それまでの間、時刻ｔ１までは、鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０は、該ウェハ温度を初期温度に維持するように命令される（ブロック３３０）。これを行うため、鋭敏な温度制御プロセッサ２３０は、該ＥＳＣ温度を補正するように、裏側ガス圧力弁２２９をサーボ制御（して、該ウェハ・ＥＳＣ間の境界の熱伝導性を変化させる）する。その結果、時刻ｔ１において、鋭敏な制御ループプロセッサ２３０は、所望のウェハ温度の変化を実施するように、該ウェハ温度がＥＳＣ温度の変化に追従できるように命令される（ブロック３３２）。現在の時刻は、時刻ｔ１を越えて進められ（ブロック３３４）、該プロセスサイクルは、ブロック３２２のステップに戻る。
【００６４】
[00115]次に、ブロック３２４のステップについて説明すると、鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０が、所望のウェハ温度の変化を実行可能であることが分かった場合には（ブロック３２４ａ又は３２４ｂのＹＥＳ分岐）、該プロセスは、ブロック３３６のステップに進み、鋭敏な温度制御プロセッサ２３０は、時刻ｔ１まで待機し、その後、（裏側ガス圧力弁２２９をサーボ制御することにより）所望のウェハ温度変化を実行するように命令される。しかし、時刻ｔ１の前に、ＥＳＣ１０５を介した熱伝播遅延を可能にするために、その主な目的が、ウェハ温度の非常に大きな予定した変動のための該ＥＳＣ温度の適時の準備を確実にすることである先行するステップ（ブロック３３８）が実行される。このステップは、対応するＥＳＣ温度の変化を要するウェハ温度の予定した大きな変動が、ＥＳＣ蒸発器２００からウェハ１１０への熱伝播遅延を可能にするように、時間内に対処されない可能性を最小化する（又は、なくす）。図３１Ｂのブロック３３８の先行ステップにおいて、該プロセスレシピは、ウェハ温度の次の変化と、その予定発生時刻ｔ２とを見つけ出すように、時刻ｔ１を越えて細かく調べられる。鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０が、この次の変化を実行可能か否かの判断がなされる。この判断は、該変化が温度上昇である場合に（ブロック３３８ａ）、該ウェハに対する高周波熱負荷が十分に高いか否かを判断すること、又は、該変化が温度低下である場合に（ブロック３３８ｂ）、該ＥＳＣ温度が十分に低いか否かを判断することを必然的に伴うことができる。鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０が、所望のウェハ温度変化を実行可能であると判断された場合には（ブロック３３８ａ又は３３８ｂのＹＥＳ分岐）、該変化は、裏側ガス圧力弁２２９をサーボ制御して、該所望の温度変化を実施することにより実施される（ブロック３３９）。現在の時刻は、ｔ１を越えて進められ（ブロック３４０）、該プロセスサイクルは、ブロック３２２のステップに戻る。しかし、鋭敏な温度制御ループ２２、２３０が、所望のウェハ温度変化を実行可能でないと判断された場合には（ブロック３３８のＮＯ分岐）、該ＥＳＣ温度は、広範囲の温度制御ループ２２８、２１０、２００等により、該所望の温度変化を実施するように変化させなければならない。このため、熱モデル２８８は、ウェハ温度の所望の変化をもたらすことになるＥＳＣベース温度の変化を決めるのに用いられ（ブロック３４２）、この変化は、予定した時刻ｔ２までに必要な変化を実行するために、現在の時刻、又は、それでもなお、ＥＳＣ１０５を介した熱伝播遅延を可能にする十分に早い後の時刻のいずれかに（ブロック３４４）、膨張弁２１０をサーボ制御することにより実行される。この間に、鋭敏な温度制御プロセッサ２３０は、次のように該ウェハ温度を調節するように命令される（図３１Ｃのブロック３４６）。すなわち、現在の時刻から時刻ｔ１まで、ＥＳＣ温度のいかなる変化に対しても、該ウェハ温度を一定に保持することが必要である場合、上記裏側ガス圧力が変わる（ブロック３４６ａ）。時刻ｔ１において、該裏側ガス圧力は、時刻ｔ１に対して該プロセスレシピで予定された該ウェハ温度を変化させるよ��に増減される（ブロック３４６ｂ）。時刻ｔ１から時刻ｔ２までは、該裏側ガス圧力は、ＥＳＣ温度の変化を補正し、かつ該ウェハ温度を新たな温度で一定に保持するように変動される（ブロック３４６ｃ）。時刻ｔ２において、鋭敏な温度制御プロセッサ２３０は、該ウェハ温度を一定に保持するその試みをやめて、（該裏側ガス圧力を増加させて熱伝導性を増加させることにより）新たなＥＳＣ温度が、時刻ｔ２に予定された変化に従って、該ウェハ温度をドライブできるようにする（ブロック３４６ｄ）。そして、現在の時刻が時刻ｔ２を越えて進められ（ブロック３４８）、該プロセスサイクルは、ブロック３２２のステップに戻る。該プロセスは、該プロセスレシピが終了するまで、このようにして続行する。
【００６５】
[00116]図３１のプロセスにおいて、上記プロセスレシピで指定された各連続的な温度変化を用いて、ブロック３２４のステップは、（裏側ガス圧力を用いる）鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０が単独で、上述したように、所望のウェハ温度変化を実行可能であるか否かを判断する。（少なくとも、多数の連続的温度変化に対して）その答えが常に「イエス」である場合には、上記ＥＳＣベース温度は、一定の役割に所属させることができ、実行された変化のみが、裏側ガス圧力弁２２９の連続的変化である。このことは、連続的な繰り返しの間に、ブロック３２４ａ又は３２４ｂのＹＥＳ分岐に進む図３１のプロセスのケースに相当する。その結果を図３２Ａ及び図３２Ｂに図示し、該ＥＳＣベース温度は、（例えば、図７の膨張弁２１０を一定の設定にすることにより）図３２Ａの点線で指し示すように、一定のレベルのままであり、一方、該裏側ガス圧力（図３２Ｂ）は、該プロセスレシピによって指定された該ウェハ温度の連続的変化に追従するようにサーボ制御される。対応するウェハ温度の反応（図３２Ａの実線）は、該ＥＳＣが、該ウェハに対する高周波熱負荷のためのヒートシンクとして機能する一般的なケースにおいては、該裏側ガス圧力の反応（図３２Ｂ）の逆のようになる。（所要のウェハ温度が高過ぎて、又は、該高周波熱負荷が低過ぎるため、ＥＳＣ１０５が熱源として採用される特別でかつ稀なケースがある。）そのため、図３２Ａ及び図３２Ｂは、該ＥＳＣベース温度が一定レベルに保持されると共に、該ウェハの裏側ガス圧力が、該プロセスレシピによって要求されるように変動される本発明の単純なモードに相当する。このモードは、本発明の図７の定温冷却ループ等の、ＥＳＣ１０５に結合された何らかの冷却デバイス、又は(代替として)、従来の冷却装置を用いて実施することができる。
【００６６】
[00117]図３３Ａ及び図３３Ｂは、ステップ３２４が、鋭敏な制御ループ２２９、２３０がウェハ温度の所要の変化を実行できないことが分かったケースに対するベース及びウェハ温度の反応と、裏側ガス圧力プロファイルとを図示する。この場合、広範囲の制御ループ２２８、２１０、２００等は、ブロック３２８のステップにおける変化の予定時刻の前に、該ＥＳＣベース温度を変化させ始める。このことは、図３３Ａに点線で図示するように、該ＥＳＣベース温度を変化させる（すなわち、ウェハ温度の低下である次の温度変化の場合においては、降下する）。同じ時刻に、ブロック３３０のステップにおいては、鋭敏な制御ループ２２９、２３０は、該変化の予定時刻まで、該ウェハ温度を一定に保持する（図３３Ａの実線）。このことは、図３３Ｂに図示するように、裏側ガス圧力の対応する変化（低下）に伴って、該ＥＳＣベース温度をオフセットすることによってなされる。該変化のときに、該裏側ガス圧力は、該ウェハがＥＳＣ温度の最新の変化に追従できるように上昇される。
【００６７】
[00118]図３４Ａ及び図３４Ｂは、図３１のブロック３３８〜ブロック３４６の先行ループの作用を描いている。時刻ｔ０において、ブロック３３８のステップは、上記鋭敏な温度制御ループが（時刻ｔ１に対して予定された）次のウェハ温度の変化を実行可能であっても、時刻ｔ２に対して予定された後に続く変化を実行できないことを見いだす。そのため、所望のウェハ温度変化を実施するために、図７の広範囲の温度制御ループ２２４、２１０、２００等を用いる決定を実行する。また、この実施例においては、時刻ｔ２までに該ウェハに及ぶ全ての影響のために、ＥＳＣベース温度の所要の変化が直ちに始まらなければならないことが分かっている。そのため、膨張弁２１０の位置の所要の変化が時刻ｔ０でなされ、その結果、該ＥＳＣ温度は、図３４Ａの点線で指し示すように、変化し始める（例えば、この実施例においては、低下する）。図３４Ａは、（該ウェハの近くで測定した）該ＥＳＣ温度が、時刻ｔ２の直前に所要レベルに達し、そのため、その後、新たな温度に保持されることを示している。しかし、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、該裏側ガス圧力（図３４Ｂ）は、図３１のステップ３４６ａに従って、該ウェハ温度を一定に保持するために低下する。時刻ｔ１において、該裏側ガス圧力は、図３１のブロック３４６ｂのステップに従って、時刻ｔ１に対して予定された該ウェハ温度の変化を達成するために、異なるレベルに移される。時刻ｔ１から時刻ｔ２まで、該ウェハ温度は、図３１のブロック３４６ｃのステップに従って、該変化するＥＳＣ温度の該ウェハにおける影響をオフセットするように該裏側ガス圧力を変えることにより、この新たなレベルに保持される。そして、時刻ｔ２において、該裏側ガス圧力は、該新たなＥＳＣ温度が、時刻ｔ２に対して予定された該ウェハ温度の変化をもたらすことができるように、高い熱伝導性レベルに戻される。
鋭敏な温度制御ループ及び広範囲の温度制御ループの両方を用いて、予定した高周波熱負荷変化を補正するフィードフォワード温度制御
[00119]図３１のフィードフォワードプロセスは、ウェハ温度の予定した変化を行うものとして説明したが、該プロセスは、該ウェハに対する高周波熱負荷の予定した変化に対抗するように変更してもよい。このようなプロセスを図３５に図示し、これから説明する。第１のステップであるブロック４２０は、現在の時刻ｔ０をプロセススタート時間として規定する。次のステップであるブロック４２２は、該プロセスレシピの温度プロファイルから、その予定された発生時刻（時刻ｔ１）に該ウェハに対する高周波熱負荷の次の変化を判断する。ブロック４２４のステップにおいては、鋭敏な制御ループ２２９、２３０が、該高周波熱負荷に対抗してウェハ温度を一定に維持することが可能か否かが判断される。これを行うため、次の判断、すなわち、該変化が高周波熱負荷の変化であるか否か、該変化が、現在のＥＳＣベース温度が十分に低いか否か（ブロック４２４ａ）、該変化が高周波熱負荷の低下であるか否か、現在の高周波熱負荷が十分に高いか否か、又は、変化した高周波熱負荷が十分に高いか否か（ブロック４２４ｂ）の判断がなされる。
【００６８】
[00120]上記鋭敏な温度制御ループが高周波熱負荷の変化に対処することが可能でないことが分かった場合には（ブロック４２４ａ又は４２４ｂのＮＯ分岐）、該ＥＳＣ温度を制御する広範囲の温度制御ループ２２４、２１０、２００等を代わりに用いなければならない。そのため、次のステップ（ブロック４２６）は、熱モデル２８８から、該変化に対抗し、かつ該ウェハ温度を一定に保つのに必要なＥＳＣベース温度の変化を判断することである。そして、ＥＳＣベース温度のこの変化は、時刻ｔ１、すなわち、予定した発生時間までに、又は、発生時間の前に該ウェハに及ぶように、該温度変化に対して時間内に（冷却ループ膨張弁２１０を制御することにより）実行される（ブロック４２８）。その間に、時刻ｔ１までは、鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０が、該ウェハを、ＥＳＣ温度に抗して、その現在の温度に保持するのに用いられる（ブロック４３０）。
【００６９】
[00121]時刻ｔ１、すなわち、上記高周波熱負荷変化の予定した時刻において、鋭敏な温度制御ループプロセッサ２３０は、該変化したＥＳＣ温度が高周波熱負荷変化に対抗できるようにする（ブロック４３２）。そして、タイムインデックス（現在の時刻）が時刻ｔ１を越えて進められ（ブロック４３４）、該プロセスループがブロック４２２のステップに戻る。
【００７０】
[00122]ブロック４２４のステップが、鋭敏な制御ループ２２９、２３０が高周波熱負荷の変化に対処することが可能であると判断した場合には（ブロック４３８ａ又は４３８ｂのＹＥＳ分岐）、後に、時刻ｔ１において、鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０が、高周波熱負荷の変化に対処するために、上記裏側ガス圧力を変化させる（ブロック４３６）。その間、時刻ｔ１の前に、該プロセスは（該プロセスレシピの高周波電力の時間プロファイルにおいて）次の（例えば、第２の）高周波熱負荷の予定した変化及びその予定した発生時間を見越して、鋭敏な制御ループ２２９、２３０がこの次の高周波熱負荷変化に対抗することが可能であるか否かを判断する（ブロック４３８）。この判断は、ブロック４２４のステップをほとんど同じ方途で行われる。該判断が肯定の場合には（ブロック４３８のＹＥＳ分岐）実行されず、時間が時刻ｔ１を越えて進められ（ブロック４４０）、該プロセスループは、ブロック４２２のステップに戻る。
【００７１】
[00123]そうではなく、鋭敏な制御ループ２２９、２３０が、時刻ｔ２に予定された高周波熱負荷の変化に対処できないことが分かった場合には（ブロック４３８のＮＯ分岐）、ＥＳＣ温度を制御する上記広範囲の温度制御ループを代わりに用いなければならない。そのため、次のステップにおいて、熱モデル２８８は、次の高周波熱負荷変化（すなわち、時刻ｔ２に予定された変化）に対抗して、該ウェハ温度を一定に保持するのに必要なＥＳＣベース温度の変化を判断するのに用いられる（ブロック４４２）。そして、ＥＳＣベース温度のこの変化は、ウェハ温度の次の変化の予定した時刻（時刻ｔ２）までに、又は該時間の前に該ウェハに及ぶように、該温度変化に対して時間内に、広範囲の制御ループ２２４、２１０、２００等によって実行される（ブロック４４４）。この時間の間、鋭敏な温度制御ループ２２９、２３０は、変化するＥＳＣ温度に抗して該ウェハ温度を調節する（ブロック４４６）。それは、次のように、すなわち、時刻ｔ１までは、該ウェハ温度を一定に保持し（すなわち、裏側ガス圧力の変化によって、ＥＳＣ温度の変化をマスクし）（ブロック４４６ａ）、時刻ｔ１においては、時刻ｔ１に予定した高周波熱負荷変化を補正し（すなわち、該裏側ガス圧力を新たなレベルに進め）（ブロック４４６ｂ）、時刻ｔ１の後、及び時刻ｔ２までは、該ウェハ温度を一定に保持する（すなわち、裏側ガス圧力の変化によって、ＥＳＣ温度の変化をマスクし）（ブロック４４６ｃ）、時刻ｔ２においては、ＥＳＣ温度の変化が、時刻ｔ２に予定された高周波熱負荷変化に対抗できるように（すなわち、該裏側ガス圧力を増加させることにより、ウェハ・ＥＳＣ間の熱伝導性を増加させるように）（ブロック４４６ｄ）行われる。その後、現在のタイムインデックスが時刻ｔ２を越えて進められ（ブロック４４８）、該プロセスループがブロック４２２のステップに戻る。
高周波熱負荷の予定した変化及びウェハ温度の同時制御
[00124]いくつかの用途においては、（図３２Ａの実線の複雑なプロファイル等の）上記プロセスレシピによって指定された一定の経時的ウェハ温度プロファイル、及び該温度プロファイルと完全に異なるように変動する可能性がある、経時的な複雑な高周波電力（又は、ウェハ熱負荷）プロファイルに同時に適応することが必要になる可能性がある。換言すれば、複雑なウェハ温度の時間プロファイルは、該ウェハに対する高周波熱負荷の予定した揺れに適応しながら実施しなければならない可能性がある。これは、（図７の膨張弁２１０を管理する）広範囲の制御ループプロセッサ２２４に対応する２つのフィードフォワードループからの異なる制御コマンド、及び（図７の裏側ガス圧力弁２２９を管理する）鋭敏な制御ループプロセッサ２３０に対応する２つのフィードフォワードループからの異なる制御コマンドを仲裁する又は重ね合わせる上記マスタプロセッサを用いて、図２８Ａ、図２８Ｂの高周波熱負荷フィードフォワードループと図３１の温度プロファイルフィードフォワードループとを一緒に作動させることによって、達成することができる。このような組合せは、以下に論じる図３６に描かれている。
【００７２】
[00125]図３６において、（図２８及び図３１の）２つのフィードフォワードプロセスは、マスタプロセッサ２３２によって転送される上記リアクタからの温度測定値に基づいて、同時に実施される。図３６において、（図２８に対応する）高周波熱負荷フィードフォワードプロセス３５０は、上記プロセスレシピによって指定された高周波電力又は熱負荷の変化の予定３５１を備えている。（図３１に対応する）温度プロファイルフィードフォワードプロセス３５２は、該プロセスレシピによって指定されたウェハ温度変化の予定３５３を備えている。このことは、冷却ループ膨張弁２１０に対する調整のための同時コマンドと、裏側ガス圧力弁２２９に対する調整のための同時コマンドとを生成させる。マスタプロセッサ２３２は、これらの同時コマンドを組合わせて、該コマンドをそれぞれ、広範囲の制御プロセッサ２２４及び鋭敏な制御プロセッサ２３０を介して、膨張弁２１０及び裏側ガス圧力弁２２９へ転送する。
【００７３】
[00126]本発明を、好ましい実施形態への特定の言及によって詳細に説明してきたが、本発明の変形例及び変更例を、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなくなされることは、理解される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の特徴を具体化する容量結合プラズマリアクタを図示する。
【図２】図１のリアクタの高周波バイアス供給回路の概略図である。
【図３】図２に相当する平面図である。
【図４】図２の回路の同軸供給部の詳細図である。
【図５】図１のリアクタ内の第１の誘電性リングプロセスキットを図示する。
【図６】図１のリアクタ内の第２の誘電性リングプロセスキットを図示する。
【図７】本発明を具体化する図１のリアクタを含むシステムを図示する。
【図８】図７の蒸発器内の冷却剤のエンタルピーの関数としての温度の、及びドーム状液相境界をさらに描いているグラフである。
【図９】本発明の２段階定温冷却プロセスのブロックフロー図である。
【図１０】本発明を用いて実現することができる例示的なウェハ温度−時間のプロファイルを描いている。
【図１１Ａ】相当するＥＳＣの温度変化に先立って、ウェハ温度を下げるプロセスに従う、ウェハ温度の同時期に起こるタイミング図である。
【図１１Ｂ】相当するＥＳＣの温度変化に先立って、ウェハ温度を下げるプロセスに従う、ウェハの裏側のガス圧力の同時期に起こるタイミング図である。
【図１２Ａ】対応するＥＳＣの温度変化の終了後に、ウェハ温度を下げるプロセスに従う、ウェハ温度の同時期に起こるタイミング図である。
【図１２Ｂ】対応するＥＳＣの温度変化の終了後に、ウェハ温度を下げるプロセスに従う、ウェハの裏側のガス圧力の同時期に起こるタイミング図である。
【図１３】図７のシステムと同様であるが、多数のそれぞれの温度ゾーンを管理する多数の温度制御ループを有するシステムを図示する。
【図１４】図７又は図１３のＥＳＣに図示したような、本発明の光温度センサを図示する。
【図１５】図１４の温度センサの上部プローブを図示する。
【図１６】図１４の温度センサの下方プローブを図示する。
【図１７】ＥＳＣ内で、上方及び下方プローブがどのように合わさるかを示す、図１４の部分の拡大図である。
【図１８】３つの異なるプロセスの場合の、プラズマ点火を起点とする時間に対するウェハ温度の反応のグラフである。
【図１９】プラズマ点火時及び点火直後にウェハ温度を制御する、本発明のプロセスの図である。
【図２０】時間に対するウェハ及びＥＳＣの温度の反応、及び時間に対する対応する裏側ガス圧力プロファイルのグラフである。
【図２１】本発明の温度ランピング制御プロセスの図である。
【図２２Ａ】図２１のプロセスの異なるモードにおける、時間に対するウェハ温度の反応を図示する。
【図２２Ｂ】図２１のプロセスの異なるモードにおける、時間に対するウェハ温度の反応を示す。
【図２３】図２１のプロセスを行うウェハ温度ランピング制御プロセスの概略ブロック図である。
【図２４】本発明のある実施形態を行う際に採用するＥＳＣの熱モデルの単純化した概略ブロック図である。
【図２５】図２４の熱モデルによってシミュレートされた、ＥＳＣを介した温度変化の伝搬を描いているグラフである。
【図２６】図２４の熱モデルの１つの層を特徴とするルックアップテーブルに相当する３次元面を描いている。
【図２７】図２４の熱モデルにおける異なる裏側ガス圧力に対する、ウェハとパックとの境界を特徴とするルックアップテーブルに相当する複数の３次元面を描いている。
【図２８】指定した高周波熱負荷変化に適応する、本発明のフィードフォワードプロセスのブロック図である。
【図２９】図２８のプロセスにおいて、ＥＳＣを介した温度変化の伝搬を描いているグラフである。
【図３０Ａ】補正が遅い場合の、高周波熱負荷変化を補正する、ＥＳＣの温度変化に感応するウェハ温度の反応を描いている。
【図３０Ｂ】補正が予定通りである場合の、高周波熱負荷変化を補正する、ＥＳＣの温度変化に対応するウェハ温度の反応を示す。
【図３０Ｃ】補正が早い場合の、高周波熱負荷変化を補正する、ＥＳＣの温度変化に対応するウェハ温度の反応を示す。
【図３１Ａ】指定した温度変化を実施する、本発明のフィードフォワードプロセスのフロー図を構成する図である。
【図３１Ｂ】指定した温度変化を実施する、本発明のフィードフォワードプロセスのフロー図を構成する図である。
【図３１Ｃ】指定した温度変化を実施する、本発明のフィードフォワードプロセスのフロー図を構成する図である。
【図３２Ａ】フィードフォワードプロセスの第１のモードにおける、ウェハ温度、ＥＳＣ温度の同時タイムチャートである。
【図３２Ｂ】フィードフォワードプロセスの第１のモードにおける、裏側ガス圧力の同時タイムチャートである。
【図３３Ａ】フィードフォワードプロセスの第２のモードにおける、ウェハ温度、ＥＳＣ温度のタイムチャートである。
【図３３Ｂ】フィードフォワードプロセスの第１のモードにおける、裏側ガス圧力のタイムチャートである。
【図３４Ａ】図３１Ａ〜図１３Ｃのフィードフォワードプロセスの先行ループの動作中の、ウェハ温度、ＥＳＣ温度のタイムチャートである。
【図３４Ｂ】図３１Ａ〜図１３Ｃのフィードフォワードプロセスの先行ループの動作中の、裏側ガス圧力のタイムチャートである。
【図３５Ａ】図３１Ａ〜図３１Ｃのフロー図に相当するが、ウェハ上の高周波熱負荷の指定した変化を補正するように適合されたフィードフォワードプロセスのフロー図を構成する図である。
【図３５Ｂ】図３１Ａ〜図３１Ｃのフロー図に相当するが、ウェハ上の高周波熱負荷の指定した変化を補正するように適合されたフィードフォワードプロセスのフロー図を構成する図である。
【図３５Ｃ】図３１Ａ〜図３１Ｃのフロー図に対応するが、ウェハ上の高周波熱負荷の指定した変化を補正するように適応されたフィードフォワードプロセスのフロー図を構成する図である。
【図３６】図３１Ａ〜図３１Ｃ及び図３５Ａ〜図３５Ｃの両方のフィードフォワードプロセスを作動させることが可能な制御システムのブロック図である。
【符号の説明】
【００７５】
１００…リアクタチャンバ、１０５…ウェハ支持体、１１０…ウェハ、１２５…オーバーヘッド電極、１５０…高周波電源、２２４…広範囲の温度フィードバック制御ループプロセッサ、２３０…鋭敏な範囲が限定された温度フィードバック制御ループプロセッサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３５Ｃ】
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【図３６】
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