[发明专利]一种温度控制器

说明书

本发明涉及通过冷却剂流量控制及加热器占空比控制的组件温度控制。公开了在等离子体处理腔室中控制温度的方法和系统，用于大范围设定温度及减少能量消耗。冷却液回路与热源之间的温度控制由控制算法协调，该控制算法由等离子体处理模块控制器实施。该控制算法可响应于指示实际温度低于设定温度的反馈信号，而完全停止冷却液流入温度受控组件。该控制算法还可在工艺配方执行期间至少部分基于前馈控制信号，该前馈控制信号源自输入到该处理腔室中的等离子体功率或等离子体功率变化。

本申请是申请日为2011年5月20日、申请号为201180025294.8、题为“通过冷却剂流量控制及加热器占空比控制的组件温度控制”的分案申请。

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 CONTROLB 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 YCOOLANT 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。