一种温度控制器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求公元2010年5月27日提交的、名称为“COMPONENTTEMPERATURE CONTROL B Y COOLANT FLOW CONTROL ANDHEATER DUTY CYCLE CONTROL”的美国临时专利申请第61/349,073号，以及2011年3月3日提交的、名称为“COMPONENTTEMPERATURE CONTROL B Y COOLANT FLOW CONTROL ANDHEATER DUTY CYCLE CONTROL”的美国临时专利申请第13/040,149号的权益；这些申请通用地以引用的范式全部并入本文。

1)技术领域

本发明的实施例通常涉及等离子体处理设备，并且更具体地涉及在具有等离子体处理腔室的情况下、在处理工件期间控制温度的方法。

2)相关技术

在诸如等离子体蚀刻或等离子体沉积腔室等的等离子体处理腔室中，腔室组件的温度往往是工艺控制的重要参数。例如，基板支撑器(俗称夹盘或基座)的温度可以被控制为在工艺配方期间将工件加热/冷却至不同控制温度(例如，用以控制蚀刻速度)。同样地，在工艺配方期间，也可控制喷淋头/上电极或其他组件的温度而影响处理。传统地，散热器和/或热源耦合至处理腔室，以将腔室组件的温度控制在设定温度。通常，第一控制器(诸如比例积分微分(PID)控制器等)用来反馈控制温度受控组件与散热器之间的热传递，而第二控制器则用来反馈控制温度受控组件与热源之间的热传递。第一和第二控制器一般彼此隔离地操作，独立地执行它们自身的封闭回路控制算法，本质上提供了相互制衡的两个控制回路。通常，基于液体冷却液的冷却控制回路总是以额定冷却液流量(例如，约1加仑/分钟(GPM))操作，使冷却回路保持在受控稳态。因而，不允许冷却剂管线中的冷却液滞留在冷却回路内。

该传统控制配置的效力是各控制回路的控制力(control effort)需大致相同，以快速中和外部扰动，诸如来自驱动等离子体的射频(RF)产生器的废热输入等。随着该外部扰动变大，中和扰动的控制力也必须相应地增强。例如，散热器控制回路必须通过在极低温下操作和/或具有大热质量等来提供大型散热器。然而，在外部扰动很小期间，例如当等离子体处理系统处于闲置状态并且没有等离子体功率输入到系统时，冷却回路仍保持额定冷却剂流量，而大型散热器的冷却效力不能完全去除。相反，第二控制器甚至在闲置时经由施加大量热能(例如，3000瓦(W)或以上)来主动抵消冷却效力，以维持设定温度。除效率低外，传统控制配置的另一个效果是组件温度的上限受到大型散热器作用的限制。例如即使施加100％的加热功率，大型散热器仍把最大组件温度限制到小于若散热器作用进一步减小而可能的值。基于类似的原因，对于设定温度上升的瞬变响应也很慢。传统配置的最终结果是以受限处理温度范围和增加的瞬变响应时间操作的低效能系统。

描述了当等离子体处理设备进行等离子体处理时控制工艺或腔室组件温度的方法和系统。在一些实施例中，方法和系统协调处理腔室与散热器和热源之间的热传递。在特定实施例中，方法和系统协调冷却液流量控制与加热器占空比控制，以减少无外部扰动下维持设定温度所需的能量，同时仍达成快速控制响应中和外部扰动。

某些实施例包括以腔室管理水平、而非个别散热器或热源水平来控制处理腔室温度的方法。在其他实施例中，腔室管理水平控制至少部分基于指示腔室组件温度与设定温度之间的误差的反馈信号。组件温度低于设定温度时，响应于反馈信号，增加加热功率输入来加热腔室组件，并且可将处理腔室与处理腔室之外的散热器之间的冷却液流量减至零流率。

在实施例中，当腔室处于执行等离子体工艺配方的作用状态时，利用基于输入处理腔室的等离子体功率的前馈控制信号，进一步决定控制组件温度的冷却液流量和加热器功率中的一个或多个。在特定实施例中，输入等离子体功率信号的传递函数补偿功率源的等离子体功率输出对处理腔室组件的加热。在某些此类实施例中，冷却液流量和加热功率控制包括在等离子体工艺配方中的执行步骤的第一部分期间，应用第一增益值组，第一增益值组和等离子体输入功率与针对执行配方步骤的设定温度相关联。在执行配方步骤的第二部分期间，还可应用第二增益值组，第二增益值组与执行步骤和先前或后续等离子体工艺配方步骤之间的等离子体输入功率变化以及设定温度变化有关。

实施例包括存储指令的计算机可读取介质，当处理系统执行指令时，促使处理系统协调处理腔室与散热器和热源两者之间的热传递。在此实施例中，计算机可读取介质存储指令，该指令协调冷却液流量控制与加热器占空比控制，以减少无外部扰动下维持设定温度所需的能量，同时仍达成快速控制响应中和外部扰动。在特定实施例中，计算机可读取介质包括等离子体功率信号与组件温度之间的传递函数，且计算机可读取介质还包括用以补偿等离子体功率输出对处理腔室组件的加热的指令。

实施例包括等离子体处理腔室，诸如等离子体蚀刻或等离子体沉积系统等，这些等离子体处理腔室具有温度受控组件，该温度受控组件耦合至散热器/热源。温度受控组件可由冷却液回路耦合至散热器，该冷却液回路包括冷却液控制阀，该冷却液控制阀可完全停止到温度受控组件的冷却液流量。腔室还可包括温度控制器，以通过在包括零液体流量范围内改变冷却液流率而控制温度受控组件与散热器之间的热传递，该温度控制器耦合至冷却液控制阀。

等离子体功率源被耦合至处理腔室，以在布置在处理腔室中的工件的处理期间激发等离子体。温度控制器可利用反馈控制信号和/或前馈控制信号来协调温度受控组件与散热器和热源两者之间的热传递的控制，该前馈控制信号基于等离子体功率，该等离子体功率被输入腔室以补偿温度受控组件的等离子体加热。在此实施例中，温度受控组件包含工艺气体喷淋头，该喷淋头被配置为在等离子体处理期间输送工艺气体。

说明书的

技术实现要素：
部分已特别指出及清楚主张本发明的实施例。然而，本发明实施例的组织与操作方法、以及本发明实施例的目的、特征与优点在结合附图阅读参考上文的详细说明后，将变得更明显易懂，其中：

图1为根据本发明的实施例的温度控制系统的框图，温度控制系统包括前馈与反馈控制组件，且温度控制系统提供响应于加热及冷却的协调控制力；

图2A图示了根据本发明的实施例的等离子体蚀刻系统的示意图，等离子体蚀刻系统包括温度控制器；

图2B图示了根据本发明的实施例的温度控制链组件的框图；

图3A为根据本发明的实施例、等离子体处理腔室在闲置状态和作用状态的控制回路配置的状态图；

图3B为图示了根据本发明的实施例、在闲置状态之前和之后的作用状态期间执行的等离子体工艺配方中的特定区段的框图；

图3C为图示了根据本发明的实施例、图1所述控制系统脱机时的方法操作流程图；

图4A图示了根据本发明的实施例、在闲置状态期间利用图1所述控制系统控制组件温度的事件驱动控制算法；

图4B为图示了根据本发明的实施例、在作用状态期间利用图1所述控制系统控制组件温度的方法操作流程图；

图4C图示了根据本发明的实施例的增益组查表；

图4D图示了根据本发明的实施例、用于标识等离子体工艺配方中的两个步骤之间的设定温度变化的控制算法；

图4E图示了根据本发明的实施例、图4D的控制算法所用的增益组查表；以及

图5为根据本发明的实施例、结合到图3所示的等离子体蚀刻系统的示例计算机系统的框图。

在下面的详细说名字，将阐述众多具体细节，以提供对本发明实施例的更深入的了解。然而，本领域的技术人员将理解，也可以在没有这些具体细节的情况下实施其他实施例。在其他示例中，没有详细描述已知的方法、程序、组件和电路，以免让本发明变得晦涩难懂。以下详细描述的一些部分是以对计算机内存内的操作数据位或二进制数字信号的算法和符号表示呈现。这些算法描述和表示可以是在数据处理领域的技术人员用来将他们工作的实质传达给领域中的其他技术人员的技术。

算法或方法在这里通常视为导向预期结果的动作或操作的自洽序列。其包括物理量的实体操纵。通常(但未必)这些物理量采用能够被存储、传送、结合、比较和其他方式被操纵的电信号或磁信号的形式。有时方便起见，主要是基于常见用法，将这些信号称为位、量值、组件、符号、字符、术语、阶层、数字等。然而，应理解，这些和类似术语与适当的物理量相关联，且仅仅是适用于这些量的方便标记。

从下面的讨论可以清楚，除非特别指明，否则应理解整份说明书所使用的诸如“处理”、“运算”、“计算”、“决定”等术语，指的是计算机或运算系统或类似电子运算装置的动作和/或处理，该电子运算装置操纵和/或将运算系统的寄存器和/或内存内的被表示为物理量(诸如电子的等)的数据，转换成在运算系统的内存、寄存器或其他此类信息存储器、传输或显示设备内的类似地表示为物理量的其他数据。

本发明的实施例可包括用于进行本文所述操作的设备。设备可具体地构造为期望用途，或者设备可包含通用运算装置，该通用运算装置由存储在设备中的程序选择性启动或重构。此类程序可存储在存储介质上，诸如(但不限于)包括软盘、光盘、光盘只读存储器(CD-ROMs)、磁光盘、只读存储器(ROMs)、随机存取内存(RAMs)、电子可程序只读存储器(EPROMs)、电子可抹除可程序只读存储器(EEPROMs)、磁或光卡等任何磁盘类型，或任何其他适合存储电子指令且能耦合至运算装置的系统总线的介质类型。

术语“耦合”与“连接”和其派生词可在此用来描述组件间的结构关系。应理解，这些术语不希望用作同义词。相反，在特定实施例中，“连接”可用以指示两个或两个以上组件彼此直接物理或电气接触。“耦合”可用以指示两个或两个以上组件彼此直接或间接(二者间有其他插入组件)物理或电气接触，和/或两个或两个以上组件为互相合作或相互作用(例如，呈因果关系)。

本文所述控制工艺或腔室组件温度的方法和系统实施例提供了温度控制力(control effort)，该温度控制力包括冷却控制回路和加热控制回路，其中冷却液流量控制和加热器控制被协调以减少无外部扰动下维持设定温度同时仍实现对中和外部扰动的快速控制响应所需的能量。通常，等离子体处理腔室(模块)控制器提供高于传统的独立散热器/热源控制器的温度控制水平。腔室水平控制器执行温度控制算法，并将诸如反馈和/或前馈增益值等的控制参数传递到散热器/热源控制器的一个或多个，以实现对冷却液流量和加热器占空比的控制。

通过将反馈和/或前馈传递函数的控制运算移开自主温度控制面(例如，散热器或热源的离散PID控制器)，并移到等离子体处理系统的积分控制软件面(该积分控制软件面可计算反馈与前馈控制力)，则可更有效率地以协调的方式使用独立加热和冷却回路的离散温度控制器。离散温度控制器的一个或多个可仅作为控制致动器的驱动器(例如阀、电阻组件等)而手动操作，控制致动器在积分等离子体腔室控制软件面的指示下操作，控制软件面则执行实施图1所示的温度控制系统100的指令。然而，在替代实施例中，至少一个离散温度控制器被配置为以自动封闭回路模式操作，且至少一个离散温度控制器提供本文所述的与从积分控制软件面卸除的控制运算相关的反馈和前馈控制中的一者或两者。在其中一个离散温度控制器(例如，提供热源)是自动模式的实施例中，积分温度控制软件面可向以手动模式操作的第二离散温度控制器(例如，提供散热器)提供指示。在任一个实施方式中，在由积分温度控制软件面提供较高水平的温度控制的情况下，当没有外部温度扰动时(例如，在闲置期间)，冷却功率例如可以极大地减小。此外，在作用配方执行或闲置期间，例如基于设定温度的变化，瞬变响应时间可以减小。在某些实施例中，该效果通过以下方式实现，即完全停止到温度受控组件的冷却液流量，以大幅减少冷却功率，并且当反馈信号指示组件温度低于设定温度时，容许以相对较少量的加热功率中和组件温度误差。利用能够有条件地停止到腔室组件的冷却液流量的积分温度控制软件面，针对给定的加热功率也可以实现较高的组件设定温度。

图1为图示了根据本发明的实施例的温度控制系统100的框图，温度控制系统100包括前馈与反馈控制组件，用以响应加热和冷却扰动而协调加热和冷却控制力111、112。如图所示，系统100包括热源控制回路101和散热器控制回路102，控制回路101和控制回路102影响组件105的温度。热源控制回路101包括加热器390，且热源控制回路101可基于反馈控制信号108A来控制。由于市售温度控制器缺乏用于扰动补偿的前馈输入(例如，仅提供包括测量受控温度150和设定温度106的输入用于反馈控制)，因此在部分基于输入到等离子体处理腔室的等离子体功率来计算控制力的示例实施例中，控制系统100还经由积分控制软件面提供前馈控制信号107。因此，发送到加热器驱动器390B的控制信号109可以是反馈控制信号108A和前馈控制信号107的函数(例如，总和)，其中误差增益和功率增益分别应用于信号108A、107。

同样地，散热器控制回路102包括冷却液流量115，其中冷却液流量115可以基于反馈控制信号108B来控制。在部分基于输入到等离子体处理腔室的等离子体功率来运算控制力的示例实施例中，控制系统100还经由积分控制软件面提供前馈控制信号117。因此，发送到冷却液控制阀(一个或多个)120的控制信号119可以是反馈控制信号108B和前馈控制信号117的函数(例如，总和)，其中误差增益和功率增益分别应用于信号108B、117。

温度控制系统100包括至少一个前馈传递函数F_A(s)和/或F_B(s)，其把工件处理期间引入等离子体处理腔室的等离子体功率当作输入。在此实施例中，等离子体功率是到处理腔室的多个输入功率的加权和。例如，在一个实施例中，等离子体功率的加权和等于c1×P1+c2×P2+c3×P3，其中P1、P2和P3为偏压和/或源功率。权数c1、c2和c3可为任何实数且通常为正值，但在某些实施例中，组件加热实际上随源功率增加而减少，故源功率权数为负值。

输入到前馈线的等离子体功率可基于由诸如RF产生器、磁控管等的等离子体功率源输出的任何功率，其中等离子体功率源在温度受控系统组件上施加适当的热负载。前馈传递函数F_A(s)和/或F_B(s)提供与扰动传递函数D(s)符号相反的控制力，并且前馈传递函数F_A(s)和/或F_B(s)补偿由等离子体源功率热负载造成的扰动引起的受控温度150的升高。扰动传递函数D(s)使等离子体功率的热负载与等离子体处理腔室组件的受控温度150的上升相关，其中离子体处理腔室组件具有特定热时间常数τ。例如，在时间t时从0W增加至1000W的等离子体功率阶梯函数可由扰动传递函数D(s)映对成随时间上升的组件温度。前馈控制信号107、117与反馈传递函数G_1A(s)和/或G_1B(s)耦合，以提供反馈控制信号108来修正与受控温度150与设定温度106之间的差异对应的误差信号εε。

前馈控制信号107、117和设定温度106一起被输入到致动器传递函数G_2A(s)、G_2B(s)和热质量传递函数H(s)，以补偿扰动传递函数D(s)对输出受控温度150的影响。热质量传递函数H(s)包括散热器/热源和温度受控组件等的热容的函数。致动器传递函数G_2B(s)包括控制温度受控组件105与散热器(例如，冷却器)之间的热传递的致动器的函数和冷却剂流量的函数。所述实施例还包括控制温度受控组件105与热源(例如，加热元件390和加热器驱动器390B)之间的热传递的致动器的函数G_2A(s)。前馈传递函数F_A(s)(或F_B(s))可使用与传统的反馈控制系统相同的致动器实施，该反馈控制系统已适配到独立的封闭回路控制系统，诸如冷却液回路等。致动器可以本领域中常用的任何方式实施。对于示例冷却液回路实施例，致动器包括控制冷却液流量115的一个或多个阀(一个或多个)120，阀(一个或多个)120耦合在温度受控组件105与散热器(例如，冷却器377)之间。在另一个实施例中，另一个致动器包括一个或多个电阻加热元件驱动电源开关(例如390B)，其耦合至温度受控组件105。

图2A图示了根据本发明的实施例的等离子体蚀刻系统的示意图，该等离子体蚀刻系统包括温度控制器。等离子体蚀刻系统300可是本领域已知的任何类型的高性能蚀刻腔室，诸如(但不限于)位于美国加州的应用材料(Applied Materials)公司制造的EnablerTM、MxP+^TM、Super-E^TM、DPS II AdvantEdge^TM G3或腔室等。也可以同样地控制其他市售蚀刻腔室。虽然示例实施例是以等离子体蚀刻系统300为例说明，但还应注意，本文所述温度控制系统构造也适用其他等离子体处理系统(例如，等离子体沉积系统等)，这些等离子体处理系统施加热负载至温度受控组件上。

等离子体蚀刻系统300包括接地腔室305。基板310经由开口315装载并夹到夹盘320。基板310可为等离子体处理领域中传统上采用的任何工件，且本发明不限于此。等离子体蚀刻系统300包括温度受控的工艺气体喷淋头335。在所示示例实施例中，工艺气体喷淋头335包括多个区域364(中心)和365(边缘)，每一区域可单独地控制为设定温度106(图1)。其他实施例具有一个区域或者多于两个的区域。对于具有多于一个区域的实施例，这些实施例具有n个加热区域和m个冷却区域，且n不必等于m。例如，在所示实施例中，单个冷却回路(m＝1)通过两个加热区域(n＝2)。工艺气体从气源345经由质量流量控制器349、喷淋头335供应到腔室305的内部空间。腔室305由连接至大容量真空泵组355的排气阀351排空。

当等离子体功率施加至腔室305时，等离子体在基板310上方的处理区中形成。等离子体偏压功率325耦合到夹盘320(例如阴极)，以激发等离子体。等离子体偏压功率325通常具有介于约2兆赫(MHz)至60MHz之间的低频，且在特定实施例中为13.56MHz频带。在示例实施例中，等离子体蚀刻系统300包括在约2MHz频带下操作的第二等离子体偏压功率326，该等离子体偏压功率326和等离子体偏压功率325连接至相同的RF适配器327。等离子体源功率330经由适配器331耦合到等离子体产生元件而提供高频源功率，以感应或电容激发等离子体。等离子体源功率330的频率通常比等离子体偏压功率325高，诸如介于100MHz至180MHz之间，且在特定实施例中为162MHz频带。值得注意的是，由控制系统100控制温度的系统组件不限于喷淋头335或夹盘320，温度受控组件也不必直接将等离子体功率耦合到处理腔室中。例如，可以本文所述方式控制腔室内衬的温度，且温度控制喷淋头可以或可以不用作RF电极。

在示例实施例中，作为系统控制器370的积分温度控制软件面，温度控制器375用于执行本文所述的温度控制算法的至少一部分。因此，温度控制器375可为软件或硬件、或软件和硬件的组合。温度控制器375输出控制信号，该控制信号影响喷淋头335与热源和/或散热器之间的热传递速度，该热源和/或散热器位于等离子体腔室305外。在示例实施例中，温度控制器375直接或间接耦合至冷却器377和加热元件390。冷却器377的温度与设定温度106之间的差异可以和等离子体功率一起输入到前馈控制线。

冷却器377经由冷却回路376向喷淋头335提供冷却功率，该冷却回路376将喷淋头335和冷却器377热耦合。在示例实施例中，采用了一个冷却回路376，该冷却回路376供冷的液体(例如，设定温度为-15℃的50％乙二醇)通过冷却剂通道(例如，从第一区域附近进入并从其他区域附近离开)，该冷却剂通道嵌入在喷淋头335的内部区域364和外部区域365中。与即使在低/无等离子体功率条件下也必须维持最小冷却剂流率(例如，0.8GPM)以免流体滞留的传统系统相比，能够具有如此低的冷却剂设定温度是本文所述的脉冲式冷却控制系统的优势。为确保抽出的热不超过在低/无等离子体功率条件下热源提供的热，最小冷却剂设定温度受到该非零最小流率的控制。然而，利用脉冲式冷却控制系统，由于冷却剂的占空比可设置为极低的百分比、在闲置控制下甚至为0％，因此冷却剂槽能以较低设定值操作而有较大的积储容积。

温度控制器375耦合至冷却液脉宽调制(PWM)驱动器380。冷却液PWM驱动器380可为任何常用类型，且PWM驱动器380可配置成根据有温度控制器发出的控制信号在占空比中控制阀(一个或多个阀)120，针对这些阀是数字阀的实施例(即，具有完全开启或完全关闭的二元状态)。例如，PWM信号可由计算机(例如，控制器370)的数字输出端口产生，且此信号可用来驱动将阀控制到打开/关闭位置的继电器。或者，如图2B进一步所示，加热器控制器391也可提供冷却液PWM驱动器380的至少部分功能性而不需两个独立PWM接口，该加热器控制器391支持PWM功能性并提供外部指令占空比驱动。在其他实施例中，可采用提供从0到最大流率间无级调整流率的模拟阀，且开阀位置受控于温度控制器375。

在图2A所示的示例实施例中，图1所示加热元件390包括第一和第二电阻加热元件378、379。可基于一个或多个温度传感器366和367(例如，内部、外部区域364、365各自的光学探针)独立驱动加热元件378、379。加热器驱动器390B例如可为固态继电器或半导体控制整流器(SCR)。加热器控制器391提供类似或代替冷却液PWM驱动器380的PWM功能性，以将温度控制器375和加热元件(一个或多个)378、379的一个或多个和/或冷却回路376接合。例如，可使用购自美国WatlowElectric Manufacturing公司或日本Azbil/Yamatake公司的套组作为加热器控制器391和/或冷却液PWM驱动器380。

参照图2B，在手动模式中，占空比控制指令由温度控制器375(例如，连续地)发送到加热器控制器391。加热器控制器391经由PWM驱动器393按指定占空比将方波输出至加热器驱动器390B。“手动模式”是指加热器控制器391处于开放回路，且温度控制器375将控制指令发送至加热器控制器391，以自动控制加热器功率。就模拟阀实施例而言，模拟信号可发送到加热器驱动器390B，加热器驱动器390B以适当的交流(AC)相位(例如零交叉)开启/关闭加热元件。在具有两个加热区域的示例实施例中，加热器控制器391的两个通道输出到组件378、379的加热器驱动器390B。在另一实施例中，加热器控制器391提供冷却液PWM驱动器380的功能性，加热器控制器391的一个或多个通道(例如，第三通道)则输出以操作冷却阀(一个或多个)120(例如，利用电子到气动转换器将阀(一个或多个)120切换为打开/关闭)。这样，当需要冷却时，可开启阀(一个或多个)120(例如，增加占空比)，且当需要加热时，可关闭阀(一个或多个)120(例如，减少占空比)并且驱动电阻加热元件378和/或379。如本文所述，“手动模式”可用于经由温度控制器375在工艺配方控制水平上在作用配方步骤期间控制组件温度。

在自动控制模式中，加热器控制器391经由PID392提供独立/封闭回路PID控制器的功能性，加热器控制器391基于直接接收(例如经由温度传感器366、367)的温度信息、设定温度(例如出自配方文件)并且还基于接收自温度控制器375的增益值来操作加热器。在实施例中，如本文所述，在闲置模式期间，自动控制使加热器390操作。然而，就加热器控制器391还使得温度控制器375和冷却回路阀(一个或多个)120相接合的实施例而言，无论加热器控制器391处于自动或手动控制模式，冷却剂占空比优选地由温度控制器375、而非加热器控制器391来决定。

值得注意的是，温度控制器375不需包含在系统控制器370的积分处理腔室控制软件面内或者由软件面提供。具体而言，温度控制器375的功能性可相反地设置为离散系统。例如，PID控制器(诸如可购自WatlowElectric Manufacturing公司或Yamatake公司的Azbil，但不以此为限)可设计成包括附加前馈输入，诸如等离子体功率等。离散系统还可制造成包括处理器，该处理器具有基于那些前馈输入来决定前馈控制力的能力。因此，本文所述所有温度控制实施例可由温度控制器375提供，温度控制器375当作积分处理腔室控制软件面的小面(facet)，或当作PWM驱动器380和/或加热器控制器391的组件。

在实施例中，为了在系统空闲时间(即，当腔室305内无等离子体处理)期间减少冷却功率，温度控制器375在闲置状态(例如，腔室未进行基板处理)和作用状态(例如，进行基板处理)时保持对冷却回路101的控制。图3A是图示了根据本发明的实施例的等离子体处理腔室的闲置状态311和作用状态321的控制回路配置的状态图。如图所示，虽然处于闲置状态311，系统仍以事件驱动模式操作，期间一旦发生互锁表中所定义的事件，即可触发互锁340。在一实施例中，冷却液流量基于图4A所示的互锁表中定义的组件105(例如喷淋头335)所对应的温度阈值来历决定。

图4A图示了用于在闲置状态期间控制组件温度的事件驱动控制算法。如图所示，响应于指示腔室组件温度低于设定温度401(T_SP)的反馈信号，流入到温度受控组件(例如喷淋头335)的冷却液流量被设为第一占空比(IDLE DC0)，。在特定实施例中，如果温度低于阈值402(T_SP+ΔT1)，则该第一占空比(IDLE DCO)将冷却液流率降至零完全停止到组件的流入。一旦与阈值402、403、404相交，占空比根据温度上升或下降而改变到IDLE DC1、IDLE DC2、IDLE DC3等。因此，若设定温度在闲置状态311期间上升(例如在另一工艺的准备期间)，则停止冷却剂的流入，这样加热器功率(例如以自动模式操作)将更快产生效力并可以实现更高的设定温度。

在图3A所示特定实施例中，当系统从作用状态321进入闲置状态311时，加热器390将进入自动封闭回路模式314。在此实施例中，加热器控制器(例如图2B的PID392)试图根据需要通过驱动加热元件来实现设定温度106，而温度控制器375将针对阀(一个或多个)120的控制指令发送至PWM驱动器393，以利用反馈信号来关闭散热器控制回路102。又如图3A所示，当系统从闲置状态311进入作用状态321时，加热器390将进入手动模式316。在此实施例中，用于加热器功率和阀(一个或多个)120的占空比由温度控制器375决定，以利用反馈信号和/或前馈信号来关闭散热器控制回路102和热源控制回路101。然而，值得注意的是，无论是作用或闲置状态，控制器375优选地决定冷却液的占空比。

回溯图3A，当处于系统作用状态321时，系统以配方驱动模式操作，期间来自配方控制算法的冷却剂和加热器参数可基于时间或处理器周期来执行。图3B是图示了根据本发明的实施例、在闲置状态311之前和之后的作用状态321A和321B期间执行的等离子体工艺配方的特定区段的框图。处于作用状态321A时执行的等离子体工艺配方具有配方步骤N(301)和后续配方步骤N+1(302)，步骤N(301)和步骤N+1(302)例如可为连续等离子体工艺配方的最后两个等离子体蚀刻配方步骤，期间等离子体功率输入到等离子体腔室中。与采用诸如图4A所示的反馈控制算法等的闲置状态311不同，在配方步骤N(301)的执行期间，冷却剂和加热器控制参数至少部分地利用控制算法(诸如图4B利用前馈信号的图4B所示的控制算法等)决定。当等离子体处理系统随后执行配方步骤N+1(302)时，冷却剂和加热器控制参数同样由前馈控制算法(例如图4B)决定。在所示示例实施例中，配方步骤N(301)包括第一部分301A和第二部分301B，第一部分301A和第二部分301B在单个配方步骤N(301)内允许多个独立温度控制参数(例如，针对封闭回路操作的控制增益组或针对开放回路操作的占空比值)。第二部分301B可视为“先行”部分，且第二部分301B允许在配方步骤N(301)结束之前并且为其后配方步骤N+1(302)做准备而实施的温度控制参数的开放回路组。因此一旦进入配方步骤N(301)，第一部分301A的封闭回路增益组和第二部分301B的开放回路加热器和/或冷却剂流量占空比值(一个或多个)即可由数据库、查表等决定。此类查表可提供与特定等离子体功率输入相关的占空比值。

又如图3B所示，作用状态321可包括配方后步骤303，其中封闭或开放回路控制在等离子体功率不再输入至处理腔室(即，完成等离子体处理)之后继续进行。配方后步骤303继续进行封闭回路或开放回路温度控制一段延长的时间，并且配方后步骤303允许在工件从处理腔室卸载之前设定温度的变化。在配方后步骤303期间，基板传送期间并且直到下一个配方开始之前仍然维持最小冷却液流量阈值。同样地，作用状态321可包括在第一配方步骤308进行前的配方前步骤307，在第一配方步骤308中，工艺配方第一次引用等离子体功率。配方前步骤307容许封闭或开放回路控制进行一段延长的时间，并且配方前步骤307容许在处理腔室处理工件前设定温度的变化。

在作用状态321期间，可建立最小冷却液流量阈值，以确保冷却剂流量足以来实施后续配方步骤所需的快速温度控制响应。使冷却液流量维持在最小冷却液流量阈值以上，可避免若冷却液滞留则会造成的响应延迟。以设定90℃为例，最小占空比可为15-20％。在实施例中，最小冷却液流量阈值为设定温度106的函数，且设定温度越高，阈值越大。

在进入闲置状态温度控制模式(例如图4A)前，作用状态321与闲置状态311间的过渡时期为延迟时间309。若该延迟时间309为0秒，则系统将紧接在完成配方后进入闲置控制模式。否则致动器指令(例如，冷却剂流量和/或加热器功率占空比)将保持和配方后步骤303所应用的一样。在某些实施例中，处于闲置状态311时，冷却剂流量被完全关闭(即，占空比为0％)，以进一步减少加热器功率需求并且在封闭回路组件温度控制期间容许加热器控制器391仅弥补周围散热。

又如图3C所示，一旦切断加热器390的电源，温度控制即可利用方法350脱机进行。例如，在操作355中，当腔室脱机以进行维修时，温度控制器375自动将冷却液流率设成预定“关闭”值，以确保组件温度的受控斜降(ramp down)。受控“斜坡率(ramp rate)”可基于组件预定，例如，具有层压结构的喷淋头可能需要特定斜坡率，以免导致翘曲和应力诱发脱层。在操作355中，冷却液以关闭值流入，直到组件(例如，喷淋头内部、外部区域)的温度达到阈值温度、或者达到冷却液温度与组件温度间之阈值差异，随后即停止冷却液流率。例如，在冷却液温度为20℃，冷却液温度与喷淋头温度之间的阈值差异设成10℃且冷却液关闭占空比为15％的情况下，冷却剂将以15％的占空比流过喷淋头，直到喷淋头(内部或外部)的温度低于30℃(20+10)。一旦喷淋头低于30℃，即停止流入冷却液。

回溯图3A，在实施例中，包括至少一前馈控制信号增益和一反馈控制信号增益的一组增益值通过温度控制器375至少基于针对当前配方步骤输入到腔室305的等离子体功率来决定。在此实施例中，就执行配方步骤301的第一部分301A，决定与等离子体输入功率和设定温度配对关键值相关的第一组增益值。图4C图示了根据本发明的实施例的增益组查表。如图所示，设定温度486为第一关键值，等离子体功率输入485为第二关键值。包含针对系统100中的各种控制信号的增益值的增益组1、2、3等，可从温度486、等离子体功率输入485或对应于执行配方步骤的条件的这两者的配对值决定。接着可以如参考图4B在本文的其他部分描述的那样应用增益组。

为更快速地转变到后续配方步骤N+1(302)，可以在开始配方步骤N(301)之后，针对冷却剂控制阀(一个或多个)120和加热器390中的一者或两者决定执行配方步骤的第二部分301B的占空比值。如此，在配方步骤N(301)的第二部分301B期间，热源控制回路101和散热器控制回路102中的一者或两者可进入开放回路控制模式。虽然第二部分301B的持续时间可为固定时间，但在另一实施例中，第二部分301B的持续时间取决于在当前执行的配方步骤N(301)与后续执行的配方步骤N+1(302)之间发生的设定温度变化和/或等离子体功率变化。

在组件105的温度在执行配方的各步骤之间改变(例如，以帮助控制聚合物沉积)的实施例中，具体的瞬变控制参数可由温度控制器375决定和传递。图4D图示了根据本发明的实施例、用于标识等离子体工艺配方中两个步骤之间的设定温度变化的瞬变控制时期494。配方步骤N(301)和配方步骤N+1(302)利用沿x轴的配方步骤492和沿y轴的设定温度491来图示。在所示示例中，配方步骤N(301)施加1000W的等离子体输入功率，且设定温度为30℃。针对配方步骤N+1(302)，施加5000W的等离子体功率，且设定温度为50℃。在瞬变控制时期494的持续时间取决于设定温度变化和/或等离子体功率变化的实施例中，瞬变响应增益组(例如，定义大增益值)在实现设定温度变化的百分比所需的时间内应用。例如在图4D的示例中，瞬变控制时期494在步骤N(301)与步骤N+1(302)间达温度上升20℃的90％时、或直到温度达阈值493(48℃)时出现。这样，当设定温度变化较大时，该瞬变增益值组应用较长的持续时间。可基于等离子体功率变化的大小应用类似算法，例如以随着各步骤间等离子体功率变化的增大而延长瞬变控制时期494的持续时间。或者，仅针对固定时间应用瞬变控制参数。

在实施例中，瞬变响应增益组系与等离子体输入功率变化或设定温度变化中的至少一者相关联，瞬变响应增益组可进一步与等离子体输入功率变化与设定温度变化配对的关键值相关联。例如，图4E图示了图4D中的控制瞬变控制时期494所用的瞬变增益组查表。如图4E所示，增益组与等离子体输入功率496的变化和设定温度495的变化相关联。

在其他实施例中，也可决定闲置状态311的加热器增益组并加以利用。例如，增益组处于闲置状态311时可以如上述加热器控制器391为自动模式的作用状态321(例如第一配方步骤部分301A期间)由图4C所示查表决定。把等离子体功率(在闲置状态311期间将为零)与设定温度配对，以决定针对给定闲置状态311的增益组。

图4B是图示了根据本发明的实施例、在作用状态期间利用图1所示控制系统控制组件温度的方法操作流程图。方法450始于操作451：决定增益组和任何“先行”细节(部分301B的持续时间、冷却液流量阀(一个或多个)120的占空比值、内部和/或外部电阻加热元件378、379的占空比)。，随着在操作455中取样时间T_calc的推移，在操作460中取得当前的受控温度150(图1)、取得设定温度106，并且取得等离子体输入功率。也可取得散热器的设定温度。在图2所示的示例实施例中，温度控制器375接收来自内部和外部区域364、365的喷淋头传感器的受控温度输入信号。温度控制器375从例如存储在内存373的工艺配方文件取得设定温度，且如本文所述，温度控制器375取得设定或测量等离子体功率。

在优选实施例中，当前(例如，在T_calc过去后)于处理腔室305中激发等离子体的测量正向偏压功率328被输入到前馈控制线作为等离子体热负载(例如，瓦)。等离子体功率设定值(例如，来自存储在内存373的工艺配方文件)也可输入到前馈控制线。该预定的功率设定值能使前馈传递函数F_A(s)和/或F_B(s)在施加等离子体功率前或输入系统的等离子体功率改变前，求得功率设定值并且产生预先控制力。然而，假设温度控制系统100反应足够快，则等离子体功率输入优选地耦合到测量功率输出信号，以提高当前所施加的等离子体功率的准确性。即便在此实施例中，未来时间(例如配方步骤N+1(302))的控制力决定仍以配方为基础。

在实施例中，等离子体功率输入包括到腔室305的第一偏压功率输入。例如，等离子体功率输入可设成等于等离子体偏压功率325(图2A)。就等离子体处理系统施加多个偏压功率输入至腔室的实施例而言，多个偏压功率的总和输入到温度控制系统100。例如，在图2A所示的示例实施例中，输入了等离子体偏压功率325、326的加权和。以第一和/或第二等离子体偏压功率等作为等离子体功率输入，前馈传递函数F_A(s)和/或F_B(s)将偏压功率输入(例如，测量为从RF适配器327输出的正向偏压功率328)与限定冷却力的前馈控制信号u相关，以补偿扰动传递函数D(s)。

虽然在此示例实施例中，等离子体功率输入p(s)为偏压功率的总和，但应注意前馈控制信号u的决定可排除等离子体功率源的一个或多个。例如，参照图2A，由于施加在喷淋头335(或夹盘320)上的热负载相对较小，因此可将高频等离子体源功率330排除在外。然而，在替代实施例中，受控温度对到处理腔室的所有等离子体功率输入具有相当的依赖性，因此前馈传递函数F_A(s)和/或F_B(s)输出的前馈控制信号u可进一步基于等离子体源功率330。例如，可应用如本文所述功率加权函数，诸如c1×P1+c2×P2+c3×P3等。

回溯图4B，在操作465中，在每个时间T_calc处，计算前馈控制信号u、温度误差信号ε(T-T_SP)、反馈控制信号v和先行占空比(例如，通过中央处理单元(CPU)372作为温度控制器375的示例，来执行存储在内存373中的方法450)。在图2A所示的具有内部和外部喷淋头区域364、365的示例实施例中，分别计算各区域的前馈控制信号u、温度误差信号ε、反馈控制信号v和先行占空比。

在拉普拉斯域中：

u(s)＝F(s)p(s)，

其中u为前馈信号，F为前馈传递函数，p为等离子体功率。就图2A所示实施例而言，前馈控制信号u可用于离散时域而变成：

u(t)＝β₀P(t)+β₁P(t-T_PWM)+β₂P(t-2T_PWM)+...α₁u(t-T_PWM)+α₂u(t-2T_PWM)+α₃u(t-3T_PWM)+...

其中P(t)为当前T_calc的等离子体功率输入，T_PWM为PWM驱动器380、393的时间增量。在特定实施例中，前馈控制信号u基于当前(例如，T_calc)的等离子体功率输入运算而简化成β₀P(t)。

在另一实施例中，由于未来时期所需的等离子体功率(例如，来自工艺配方文件)是可决定的，因此前馈表达式还可包括该项[θ₁P(t+T_PWM)+θ₂P(t+2T_PWM)]，以补偿冷却剂流量对受控温度的影响滞延。在又一实施例中，实现受控温度150所需的热传递取决于散热器(例如，冷却器377)设定温度和/或热源(例如，热交换器378’)设定温度，使得附加冷却剂温度附属项δ_c(T_SP-T_散热器)+δ_h(T_SP-T_热源)被加入到前馈控制信号u，其中T_SP为受控温度150。δ_c和δ_h分别可定义为设定值与散热器/热源之间的温度差异的多项式函数。例如，在实施例中，δ_c＝a₀+a₁(T_SP-T_散热器)+a₂(T_SP-T_散热器)²+a₃(T_SP-T_散热器)³，且δ_h具有相似格式。整个前馈方程式也可具有温度依赖因子Ω_热和Ω_冷，使得净前馈控制信号u将变成：

u(t)＝Ω_热(T_SP-T_热源)Ω_冷(T_SP-T_散热器){β₀P(t)+β₁P(t-T_PWM)+β₂P(t-2T_PWM)+...α₁u(t-T_PWM)+α₂u(t-2T_PWM)+α₃u(t-3T_PWM)+...θ₁P(t+T_PWM)+θ₂P(t+2T_PWM)+δ_c(T_SP-T_散热器)+δ_h(T_SP-T_热源)}。

同样地，反馈控制信号v在拉普拉斯域中为v(t)＝G(s)ε(s)，且反馈控制信号v可用于离散时域而变成：

v(t)＝λ₀e(t)+λ₁e(t-T_PWM)+λ₂e(t-2T_PWM)+...η₁v(t-T_PWM)+η₂v(t-2T_PWM)+η₃v(t-3TPWM)+...

其中ε(t)为T_calc时的温度误差信号(受控温度150与设定温度106之间的差异)。在特定实施例中，反馈控制信号v被运算简化成λ₀e(t)。尽管操作465是针对每个时间T_calc进行的，但控制运算使用在对应于时间t、t-T_PWM等的较低频率处的输入温度和等离子体功率值输入。u、v参数、等离子体功率)P)、控制温度150和设定温度106的值可存储在数据数组中，对应于离散时间t、t-T_PWM的这些存储值接着可用于后续控制计算。

如本文所述，对采用第二部分301B以提供先行开放回路控制的配方步骤而言，先行占空比从查表、数据库等决定。在操作470中，针对加热器390和冷却液流量阀(一个或多个)120的每个决定控制致动器输出信号ρ(例如，占空比)，然后在操作475中，将信号ρ输出到致动器。

在一个实施例中，恒定增益K_v(例如，组成图4C增益组的增益之一)应用到前馈控制信号u，恒定增益K_u应用到反馈控制信号v，使得控制致动器输出信号ρ可计算为：ρ(t)＝K_vv-K_uu。包含K_v、K_u的增益组为系统操作员提供简易接口，以利用热源控制回路101和散热器控制回路102各自的两个简单因子来访问组合的前馈和反馈控制线。取决于控制致动器输出信号ρ的值，调节散热器的一个或多个和热源之间的热传递。在图2A的示例实施例中，若控制致动器输出信号ρ具有第一符号(例如ρ＜0)，则受控温度150可以利用由温度控制器375以可由PWM驱动器380或393执行方式提供的指令而降低，以增加阀(一个或多个)120的占空比并且增进冷却器377与喷淋头335之间的热传递，同时使加热器390减少电阻加热元件378和/或379的占空比。这种情形对于其中等离子体功率打开或设定温度已经降低的配方步骤来说是常见的。若控制致动器输出信号ρ具有第二符号(例如ρ＞0)，则受控温度150可以利用由温度控制器375以可由PWM驱动器380或PWM驱动器393执行的形式提供的指令而升高，以降低阀(一个或多个)120的占空比并且减少冷却器377与喷淋头335之间的热传递，同时增加电阻加热元件378和/或379的占空比。例如，在其中等离子体功率比先前的水平低(例如关闭)、或者设定温度降低但总等离子体功率不变的情况下，ρ从较负的数值变成较不负的数值，则可降低阀(一个或多个)120的占空比，以减少冷却器377的冷却剂流量。在特定实施例中，提高加热功率输入以加热腔室组件时，可响应于反馈信号v，将处理腔室与处理腔室外部的散热器之间的冷却液流量减至零流率。因此，在一些实施例中，在闲置状态311或作用状态321期间，响应于组件温度低于设定温度，可能发生完全停止到温度受控组件(例如，喷淋头335)的冷却液流量。在作用状态321期间，该能力允许提高比在闲置状态期间更快的瞬变响应时间和更高的可能操作温度，并且浪费更好的加热器功率。如本文所述，在其他实施例中，响应于组件温度低于设定温度，仅在闲置状态311时完全停止到温度受控组件(例如，喷淋头335)的冷却液流量，且以最小冷却液流量阈值使冷却液限制在非零值。

在图2A所示的示例实施例中，内部和外部区域364、365的存在因两个区域具有共同的单个冷却回路376而变得复杂。在针对全部加热器区域单独计算控制致动器控制信号ρ的特定实施例中，控制致动器指令决定可包括逻辑，以处理其中针对第一区域(例如，内部区域364)的计算确定了不同于第二区域(例如，外部区域365)的冷却液占空比的情况。例如，可针对为冷却液流量和加热器功率的各个而确定的占空比的差异和/或被组合为布尔或(Boolean OR)的各个区域的条件而建立阈值，使得即使某一区域需要加热，冷却剂流量占空比也可默认为非零流量值。在图2A所示的示例实施例中，若ρ_内部和ρ_外部＞0，则冷却剂占空比为非零值，并且加热器占空比＝0。若ρ_内部＞0且ρ_外部＜0，则冷却内部而加热外部(在内部和外部区域364、365共享共同冷却回路的示例实施例中，冷却剂将流过两个区域)。若ρ_内部＜0且ρ_外部＞0，则加热内部区域364而冷却外部区域365(在内部与外部区域364、365共享共同冷却回路的示例实施例中，冷却剂将流过两个区域)。若ρ_内部＜0且ρ_外部＜0，则加热内部与外部区域364、365(冷却液流量占空比＝0)。

在针对所有加热区域而单独计算得到的控制致动器控制信号ρ的特定实施例中，通过所有加热区域(例如，内部和外部区域364、365)的冷却液占空比被确定为加热区域之间的最大占空比、加热区域之间的最小占空比、内部区域364的占空比和外部区域365的占空比的函数。例如，冷却液占空比可表示成：冷却增益×绝对值|(占空比_内部×ρ_内部+占空比_外部×ρ_外部+占空比_最大×最大值(ρ_内部，ρ_外部)+占空比_最小×最小值(ρ_内部，ρ_外部))|，其中冷却增益为放大或减弱ρ的因子，占空比_内部、占空比_外部、占空比_最大和占空比_最小为针对特定区域的加热功率的冷却剂占空比相关因子。

因此，在某些情况下，加热功率和冷却液流量可为非零值(例如，在区域364、365被不同扰动或有明显不同的设定温度106的情况)。例如，当内部区域364(第一区域)需加热到较高设定值而外部区域365(第二区域)需冷却至较低设定温度时，冷却剂流量可以基于需冷却的外部区域365，对内部区域364额外加热来克服冷却剂流过第一区域的影响。这样，内部与外部区域加热器占空比可表示成：

加热器占空比_内部＝加热增益_内部×绝对值|ρ_内部|；以及

加热器占空比_外部＝加热增益_外部×绝对值|ρ_外部|×校正系数2_外部×ρ_内部²+校正系数1_外部×ρ_内部+校正系数0_外部，其中加热增益为针对特定加热区域放大或减弱ρ的因子。

图5为计算机系统500的示例机器形式的方块示意图，计算机系统500可用于进行本文所述温度控制操作。在一个实施例中，计算机系统500可提供作为等离子体蚀刻系统300的控制器370。在替代实施例中，机器可连接(例如，网络连接)至局域网(LAN)、企业内部网络、企业外部网络或因特网中的其他机器。机器可以作为主从网络环境中的服务器或客户机操作、或当作点对点(或分布式)网络环境中的同位机器。机器可为个人计算机(PC)、平板个人计算机、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、手机、网络设备、服务器、网络路由器、交换机或网桥、或任何能(循序或按其他方式)执行指令集的机器，其中指令集指定该机器执行的动作。另外，虽然仅图示了单个机器，但术语“机器”也应视为包括任何机器(例如，计算机)的集合，这些机器单独的或共同执行一组(或多组)指令，以进行本文所述的方法中的任意一个或多个。

示例计算机系统500包括处理器502、主存储器504(例如，只读存储器(ROM)、闪存、诸如同步DRAM(SDRAM)或Rambus DRAM(RDRAM)等动态随机存取内存(DRAM))、静态存储器506(例如，闪存、静态随机存取内存(SRAM)等)、以及第二存储器518(例如，数据存储设备)，处理器502、存储器504、506、518经由总线530互相通信连接。

处理器502代表一个或多个通用处理装置，诸如微处理器、中央处理单元等。更具体而言，处理器502可为复杂指令集运算(CISC)微处理器、精简指令集运算(RISC)微处理器、超长指令字集(VLIW)微处理器、实施其他指令集的处理器、或实施指令集组合的处理器。处理器502也可为一个或多个专用处理设备，诸如专用集成电路(ASIC)、场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、网络处理器等。处理器502经配置以执行处理逻辑526，以进行本文所述温度控制操作。

计算机系统500还可包括网络接口设备508。计算机系统500还可包括视频显示单元510(例如，液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT))、字母数字输入设备512(例如，键盘)、光标控制设备514(例如，鼠标)、以及信号产生设备516(例如，扬声器)。

第二存储器518可包括机器可存取存储介质531(或更具体而言为非暂时性计算机可读取存储介质)，机器可存取存储介质531存储实现本文所述的任一或多个温度控制算法的一个或多个组指令(例如，软件522)。软件522也可完全或至少部分常驻在主存储器504和/或处理器502内(在由计算机系统500执行软件522期间)，主存储器504和处理器502也构成机器可读取存储介质。软件522还可经由网络接口设备508在网络520上传送或接收。

机器可存取存储介质531还可用于存储指令集，处理系统执行该指令集，并且该指令集促使系统进行本文所述任一或多个温度控制算法。本发明的实施例还可作为计算机程序产品或软件提供，该计算机程序产品或软件可包括存储指令的机器可读取介质，指令可用于程序化计算机系统(或其他电子设备)，以根据本发明所述，控制等离子体处理腔室温度。机器可读取介质包括任何存储或传送机器(例如，计算机)可读取格式信息的机构。例如，机器可读取(例如，计算机可读取)介质包括机器(例如，计算机)可读取存储介质，例如只读存储器(“ROM”)、随机存取内存(“RAM”)、磁盘存储介质、光存储介质和快闪记忆装置等。

应理解以上叙述仅为举例说明、而无限定意图。本领域的技术人员在阅读及了解本文后将能明白许多其他实施例。虽然已经参考具体的示例实施例描述了本发明，但所述实施例并非用以限定本发明，并且本发明在不脱离后附申请专利范围的精神和范围情况下可以修改和变更。因此，说明书和附图应视为说明之用、而非限定之意。因此，本发明的保护范围应该参考后附权利要求书来确定，并且涵盖该权利要求书所有权利的全部等同物。