CN1959932A - 在等离子体反应装置中以均匀温度冷却晶片支撑的方法 - Google Patents

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道格拉斯·H·伯恩斯
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Abstract

一种从RF耦合的等离子体反应装置中的工件支撑传热或者向其传热的方法包括将冷却剂放置于位于工件支撑内部的内部流通道中，并通过使冷却剂循环经过制冷环路而从冷却剂传热或者向冷却剂传热，在制冷环路中，工件支撑的内部流通道构成制冷环路的蒸发器。该方法还包括将蒸发器内部的冷却剂的热条件维持在这样一个范围内，其中工件支撑和冷却剂之间的热交换主要或完全是通过冷却剂的蒸发潜热进行的。

Description

在等离子体反应装置中以均匀温度冷却晶片支撑的方法
技术领域
本发明一般地涉及等离子体反应装置，更具体而言，本发明涉及在电容耦合的等离子体反应装置中以均匀温度冷却晶片支撑的方法。
背景技术
在电容耦合等离子体反应装置中，对离解的控制已经利用宽广的阻抗匹配空间在非常高的RF源功率和非常宽的室压强范围内实现。这种宽的工作范围至少可部分归因于通过具有以下特征的固定阻抗匹配短截线与RF功率源相匹配的头部电极的独特特征。首先，电极电容与在等离子体-电极谐振频率处的等离子体电抗相匹配。短截线谐振频率、等离子体-电极谐振频率和源频率在VHF频率处几乎匹配。通过多个特征获得了晶片上的高度均匀的蚀刻速率。这些特征包括对静电吸盘调节偏置功率馈送点阻抗以提供吸盘上径向均匀的RF阻抗等等，吸盘既充当RF偏置功率的施加器，又充当来自头部电极的VHF源功率的RF返回路径。该调节是由具有唯一选择的介电常数和长度的偏置馈送线周围的电介质套筒进行的。另一个特征是用于使阴极周边对抗边缘效应的电介质环处理工具箱。可以进一步提高处理或蚀刻速率分布均匀性的其他特征包括双区气体馈送、头部电极的曲线化和等离子体转向磁场。包括许多这些关键特征的等离子体反应装置提供了优于传统技术的蚀刻速率分布均匀性。
随着电路特征尺寸的快速缩小，对于蚀刻速率分布均匀性的需求是如此急迫以致于现在必须使晶片上的小的温度变化最小化或消除这种变化，同时附加条件是：被设计为满足最新的迫切需求的未来复杂的处理方法将需要灵敏和高度精确的随时间变化的晶片温度分布和/或RF热负载分布。这些变化必须被实现或补偿以获得最大的晶片上的温度均匀性。如何作到这一点而不会降低当前由反应装置提供的高度均匀的蚀刻速率分布是一个困难的问题。而且，这种高度精确和灵敏的温度控制或分布需要在晶片处有精确的温度传感。然而，在晶片附近引入温度探测器会产生寄生RF场，这会破坏馈送点阻抗电介质套筒和电介质环处理工具箱的精细效果，从而损害其目的。来源于没有控制的晶片处的温度不均匀性(其程度足以影响蚀刻化学处理)将会具有破坏均匀环境的相同的最终效果。
用于调整晶片支撑基座或静电吸盘的温度的传统冷却系统采用了制冷系统，该系统利用传统的热循环冷却制冷剂或冷却剂介质，并通过单独的液体传热介质在冷却剂和静电吸盘之间传热。冷却剂可以是去离子水与其他物质(如乙二醇和/或全氟聚醚)的混合物。该系统的一个问题在于，在高RF功率水平(高RF偏置功率或高RF源功率或这两者)处，这种冷却系统允许晶片温度在RF功率开启之后在稳定之前漂移(增大)一段明显的时间。这种温度漂移有两个阶段。在短暂的初始阶段中，当RF功率首先施加时静电吸盘处于环境(冷)温度，从而随着RF热负载缓慢地加热吸盘，要引入的第一晶片的温度快速向平衡爬升。这是不希望出现的，因为晶片温度在处理期间不可控地上升。即使在静电吸盘(ESC)已被RF热负载加热之后，晶片温度也会向上漂移并缓慢地接近平衡温度。这种漂移代表了晶片温度的缺少控制，并且降低了处理的性能。漂移是由传统冷却处理的低效率引起的。
另一个问题是由于两个原因不能执行两个温度水平之间的快速温度变化。首先，提供ESC和冷却剂之间的传热的传热流体具有热传播时间，该时间在在制冷环路中发起温度变化的时间和晶片实际经历温度变化的时间之间引入了明显的延迟。其次，在ESC底座的被冷却部分和ESC顶部处的晶片之间有热传播时间延迟，该时间延迟由ESC中材料的质量和热容确定。
一个最困难的问题是，在晶片上的高RF热负载需要通过被冷却的ESC的高传热速率的情况下，传热流体的温度在流经ESC内的流体通路时发生明显改变，从而ESC上的温度分布(因此，晶片上的温度分布)变得不均匀。这种不均匀性在较老的设计规则(较大的半导体电路特征尺寸)下还未表现出明显的问题，因为沿晶片直径的蚀刻速率均匀性在较早的(较大的)特征尺寸/设计规则时还不严格。然而，当前的特征尺寸需要由上述特征(例如，RF偏置馈送点阻抗调节、处理工具箱电介质边缘环)实现的极其均匀的ESC上的电场。然而，某些最新的等离子体蚀刻处理方法所需要的高RF热负载导致沿晶片直径产生温度不均匀性(由于ESC内的传热流体的可感知加热)，这种不均匀性破坏了晶片上的本来均匀的蚀刻速率分布。我们已经发现，在不限制施加到晶片的RF功率的情况下，这一问题无法避免。然而，随着蚀刻速率均匀性的需求在未来变得更加迫切，进一步减小RF功率限制以满足这些需求将产生更加严重的处理结果，该结果最终是不可接受的。因此，需要一种在高RF热负载的条件下提取来自晶片的热量而不会在ESC上或晶片上引入温度不均匀性的方式。
发明内容
一种从RF耦合的等离子体反应装置中的工件支撑传热或者向其传热的方法包括将冷却剂放置于位于工件支撑内部的内部流通道中，并通过使冷却剂循环经过制冷环路而从冷却剂传热或者向冷却剂传热，在制冷环路中，工件支撑的内部流通道构成制冷环路的蒸发器。该方法还包括将蒸发器内部的冷却剂的热条件维持在这样一个范围内，其中工件支撑和冷却剂之间的热交换主要或完全是通过冷却剂的蒸发潜热进行的。
在另一个方面，本发明包括一种在等离子体反应装置中处理工件的方法，所述等离子体反应装置具有用于将工件保持在反应室中的静电吸盘，所述方法包括：在工件背面和静电吸盘的顶面之间提供导热气体，控制静电吸盘的温度，定义期望工件温度，测量当前工件温度或与工件温度有关的温度，并将测量温度输入到代表静电吸盘的热模型中。该方法还包括从热模型中确定至少会减少测量温度和期望温度之间的差的导热气体的压强变化，并根据从热模型中确定的变化改变导热气体的压强。
附图说明
图1示出了实现本发明特征的电容耦合等离子体反应装置。
图2是图1的反应装置的RF偏置功率馈送电路的示意图。
图3是对应于图2的俯视图。
图4是图2的电路的同轴馈送部分的细节图。
图5示出了图1的反应装置中的第一电介质环处理工具箱。
图6示出了图1的反应装置中的第二电介质环处理工具箱。
图7示出了实现本发明的包括图1的反应装置的系统。
图8是温度与图7的蒸发器内部的冷却剂的焓之间的函数关系图，并且还示出了圆顶形的液相-气相边界。
图9是本发明的两相恒温冷却处理的流程框图。
图10示出了可利用本发明实现的示例性晶片温度-时间分布特性。
图11A和11B是根据用于领先于相应ESC温度变化使晶片温度陡降的处理，晶片温度和晶片背侧气体压强各自的同期定时图。
图12A和12B是根据用于在相应ESC温度变化完成后使晶片温度陡降的处理，晶片温度和晶片背侧气体压强各自的同期定时图。
图13示出了类似于图7的系统但是具有管理相应多个温区的多个温度控制环路的系统。
图14示出了安装在图7或图13的ESC中的本发明的光学温度传感器。
图15示出了图14的温度传感器的上部探测器。
图16示出了图14的温度传感器的下部探测器。
图17是示出了上部探测器和下部探测器是如何联结在ESC内的图14的一部分的放大图。
图18是对于三种不同处理的开始于等离子体点火的随时间的晶片温度行为的图。
图19是用于控制在等离子体点火时和略晚于等离子体点火后的晶片温度的本发明的处理图。
图20是随时间的晶片和ESC温度行为以及相应的随时间的背面气体压强分布特性的图。
图21是本发明的温度倾斜控制处理的图。
图22A和22B示出了在图21的处理的不同模式中随时间的晶片温度行为。
图23是用于执行图21的处理的晶片温度倾斜控制系统的示意性框图。
图24是用来执行本发明的某些实施例的ESC热模型的简化示意性框图。
图25是示出了由图24的热模型仿真的温度变化通过ESC传播的图。
图26示出了对应于一个查找表的3维表面，其中查找表表征了图24的热模型的一层。
图27示出了对于图24的热模型中的不同背侧气体压强对应于表征晶片-圆盘表面的查找表的多个3维表面。
图28是用于适应预定RF热负载变化的本发明的前馈处理的框图。
图29是示出了在图28的处理中温度变化通过ESC传播的图。
图30A、30B和30C分别示出了在补偿太晚、及时和太早的情况下，响应于补偿RF热负载变化的ESC温度变化的晶片温度行为。
图31A、31B和31C构成了用于实现预定温度变化的本发明的前馈处理的流程图。
图32A和32B是在前馈处理的第一模式中晶片温度、ESC温度(图32A)和背面气体压强(图32B)的同期定时图。
图33A和33B是在前馈处理的第二模式中晶片温度、ESC温度(图33A)和背面气体压强(图33B)的定时图。
图34A和34B是在图31A-31C的前馈处理的推测环路的操作期间晶片温度、ESC温度(图34A)和背面气体压强(图34B)的定时图。
图35A、35B和35C构成了对应于图31A-31C的处理但是适合于补偿晶片上RF热负载的预定变化的前馈处理的流程图。
图36是能够同时操作图31A-31C和35A-35C的前馈处理的控制系统的框图。
具体实施方式
参考图1，等离子体反应装置包括反应室100，反应室100具有在室底部用于支撑半导体晶片110的晶片支撑105。半导体环115包围晶片110。半导体环115通过电介质(石英)环120支撑在接地的室主体127上。室100在顶部被盘状的头部电极125限制，电极125通过电介质(石英)密封130以预定的间隙长度支撑在接地的室主体127上的晶片110上方。RF发生器150向电极125施加RF等离子体源功率。来自发生器150的RF功率耦合经过与发生器150匹配的同轴电缆162，并且进入到与电极125相连的同轴短截线135中。短截线135具有由其长度确定的谐振频率、特性阻抗，并且提供了电极125和50Ohm同轴电缆162或RF功率发生器150的50Ohm输出之间的阻抗匹配。室主体连接到RF发生器150的RF回路(RF地)。从头部电极125到RF地的RF路径受半导体环115、电介质环120和电介质密封130的电容的影响。晶片支撑105、晶片110和半导体环115为施加到电极125的RF功率提供了主RF返回路径。
当源功率频率、等离子体电极谐振频率和短截线谐振频率几乎匹配时，实现了大的阻抗匹配空间。优选地，三种频率彼此略有漂移，其中源功率频率为162MHz(对于300mm晶片最优)、电极-等离子体谐振频率略低于162MHz，短截线谐振频率略高于162MHz，从而获得有利地减少了系统Q的失谐效应。这种系统Q的减少使得反应装置的性能更不容易受到室内部条件变化的影响，从而整个处理更加稳定，并且可以在宽得多的处理窗口上执行。
电极电容与等离子体的负电容的大小匹配，并且所得到的电极-等离子体谐振频率和源功率频率至少接近匹配。对于典型的金属和电介质蚀刻处理条件(即，等离子体密度在109-1012离子/cc之间，2英寸间隙，电极直径在大约12英寸量级)，如果源功率频率是VHF频率，则可能实现匹配。
以这种方式选择电极125的电容，然后使所得到的电极-等离子体谐振频率和源功率频率相匹配的优点在于，电极和等离子体的谐振接近源功率频率提供了更宽的阻抗匹配和更宽的处理窗口，从而提供了更强的对处理条件变化的抵抗力以及更大的性能稳定性。使短截线谐振频率与电极等离子体谐振频率相匹配使得短截线-电极界面处的反射最小。整个处理系统对于操作条件的变化(例如，等离子体阻抗的漂移)敏感性更低，因此更加稳定，并且实现了更大范围的处理适用性。
根据又一方面，通过使短截线谐振频率、电极等离子体谐振频率和等离子体源功率频率略微彼此漂移，来减少系统Q从而加宽处理窗口。使用较高的VHF源功率频率也相应减少了Q。减少系统Q加宽了系统的阻抗匹配空间，从而其性能不容易受到等离子体条件变化或制造偏差的偏离的影响。
用于均匀径向等离子体分布的偏置电路调谐：
继续参考图1，工件支撑阴极105包括支撑下绝缘层10的金属基底层05、下绝缘层10上的导电栅格层15和覆盖导电栅格层15的薄顶部绝缘层20。半导体工件或晶片110放置在顶部绝缘层20的顶部。RF偏置功率耦合到导电栅格层15以控制晶片110表面处的离子轰击能量。导电栅格15还可用于静电夹紧和松开晶片110，并且在这种情况下可以以公知方式连接到夹紧电压源。因此，导电栅格15不一定接地，并且可替换地可以根据传统的夹紧和松开操作具有浮动的电位或固定的DC电位。金属基底层05一般(但是不一定)连接到地，并且形成了由头部电极125辐射的VHF功率的返回路径的一部分。
RF偏置发生器40产生了HF频带(例如13.56MHz)中的功率。其RF偏置阻抗匹配元件45延伸通过工件支撑阴极105的细长导体25(下文中称为RF导体)耦合到导电栅格15。RF导体25与接地导体(如铝基底层05)绝缘。RF导体25具有与导电栅格15电接触的顶部终接或偏置功率馈送点25a。
图2是对应于图1的由VHF头部电极125组成的电路的示意图，其中通过工件支撑阴极105和电极105的元件施加RF偏置。图3是对应于图1的晶片110的平面的俯视图，其中RF导体25的终接或馈送点25a以隐藏(虚)线示出。由工件支撑阴极105提供的RF返回路径在晶片110的平面中由两个部分组成，即大约以馈送点25a为中心并且向外延伸的径向内部部分30和径向外部环形部分35。由两个部分30、35提供的RF返回路径是不同的，因此两个部分30、35对由头部电极125辐射的VHF功率表现出不同的阻抗。这种不同可能导致对VHF功率的阻抗沿晶片表面径向分布的不均匀性，从而导致在接近工件表面处有不均匀的等离子体离子密度的径向分布。
为了解决这一问题，电介质圆柱套筒50(在图2的放大图中示出)包围RF导体25。构成套筒50的材料的轴向长度和介电常数确定了RF导体25对VHF功率表现出的馈送点阻抗。在一个示例中，套筒50的长度和介电常数被选择为使得馈送点阻抗在VHF源功率频率(例如162MHz)处接近为0。由包围馈送点25a的外部区域35表现出的阻抗在162MHz外接近短路(主要由于导电栅格15的存在)。因此，在后一示例中，套筒50可以使得在源功率频率处的馈送点阻抗为接近于包围区域的阻抗的值。这里，包围馈送点的区域的阻抗主要由导电栅格15确定。结果，获得了更加均匀的阻抗径向分布，以实现VHF源功率的更加均匀的电容耦合。
套筒50可以包括附加特征，这些附加特征有利于前述改进VHF功率沉积，并同时解决独立问题，即提高由通过RF导体25施加到晶片110的RF偏置功率(例如为13.56MHz)产生的电场的均匀性。问题是如何调节VHF功率的径向分布以实现最大的等离子体离子密度的均匀性，同时调节沿晶片表面的HF偏置功率电场分布以实现最大的均匀性。
图4是对应于图1-3的放大图，其示出了套筒50如何被划分为三个部分，即顶部52、中部54和底部56。套筒顶部52的长度和介电常数被选择为专门使得HF偏置功率沉积最优化并被固定在该值，随后，余下的套筒部分54、56的长度和介电常数被选择为通过头部电极使得VHF源功率沉积最优化，同时保持HF偏置功率沉积最优。
用于增强等离子体均匀性的RF耦合环
通过选择性地增强从头部电极125到工件周边附近的等离子体的电容耦合，减少了中央较高的等离子体分布的不均匀性。图5对应于图1的放大图，其示出了环形RF耦合环的附加特征，环形RF耦合环放置在晶片支撑阴极105的外周边上，并与其电接触。如图5所示，顶部绝缘层20被可移动环80包围，可移动环80的顶面80a与晶片110的顶面共面。可移动环80可以由工艺兼容材料(例如硅)制成。可选地，可移动金属接地环85包围可移动环80，其顶面85a与可移动环80的顶面共面。沿着被接地环85的周边限制的晶片支撑阴极105的顶部提供了通常较平的表面，其与头部电极125的底部的通常较平的表面相互面对。结果，沿由头部电极125限制的整个处理区和晶片支撑阴极105之间的电容耦合通常是均匀的。为了克服在反应装置的中央较高的等离子体离子密度分布中固有的不均匀性，通过在可移动环80和接地环85上方放置RF耦合环90，来增强接近工件110的外部部分处的通过头部电极125进行的电容耦合。RF耦合环90可以是导体、半导体或电介质。如果耦合环90是电介质，则通过电介质材料的存在增强了到接近晶片周边的等离子体的电容耦合。如果RF耦合环90是导体，则其有效地缩短了电极到对电极的间隔，从而增强了接近晶片110的周边区域处的电容。从而，在处理区的任何位置处电极到对电极的间隔都是h1，除了在由RF耦合环90占据的周边，此处间隔为h1减去耦合环90的高度h2。增大的源功率的电容耦合增强了周边处的离子密度。离子密度的增大从RF耦合环90向内延伸，并且延伸通过工件110的周边部分。从而，工件110上方的等离子体离子密度在中央没有原来那么高，并且可以趋向于更加均匀，或者可能略微边缘更高。通过仔细选择RF耦合环90的高度(厚度)h2，可以使得该条件最优。
图6示出了图5的反应装置的修正，其中第二RF耦合吊顶环95附接到头部电极125的底面的周边，并且在第一RF耦合环90的上方。如果每个环90、95具有h3的厚度(高度)，则接近晶片周边的电极到对电极距离减少了h3的两倍，并且该区域中的电容被成比例地增强，如图5的反应装置中的一样。
利用RF耦合环90和电介质套筒50，提高了等离子体离子密度的分布均匀性。任何余下的不均匀性可以通过由等离子体分布控制器57(在图1中示出)控制的等离子体转向磁场来校正，控制器57管理驱动头部线圈60、65的DC电流源58、59。
可用于增强沿晶片110的直径的等离子体处理均匀性的另一种修正是将平坦电极表面125a改变为凸形弯曲的电极表面125b。弯曲程度可被选择为补偿可能存在于平坦电极表面125a中的不均匀等离子体离子密度径向分布。
高效温度控制装置：
图7是图1的晶片支撑基座105的放大图，其展现了基座105的内部结构。基座105实施为如图2所述的静电吸盘(ESC)，图7示出铝底座5包含用于PCHT介质的具有入口201和出口202的流通路200。内部流通路200构成了PCHT环路的热交换器，热交换器200包含在ESC底座5的内部。PCHT环路可以工作在两种模式之一，即冷却模式(其中热交换器200充当蒸发器)和加热模式(其中热交换器200充当冷凝器)。PCHT环路的余下元件在ESC 105的外部，并且包括(以PCHT介质流动方向的顺序，从出口202开始)累积器204、压缩器206(用于泵浦PCHT介质经过环路)和(用于冷却模式工作)冷凝器208以及具有可变孔尺寸的膨胀阀210，其所有元件的类型都是本领域中公知的。将热交换器200定位在ESC底座05内部的优点是消除了在现有技术的传热流体中固有的延迟和损耗。PCHT环路(即，热交换器200、累积器204、压缩器206、冷凝器208、膨胀阀210和将其耦合在一起的导管)包含传统类型的PCHT介质(其在PCHT工作在冷却模式中时充当制冷剂或冷却剂)，并且可以具有低电导率以避免与反应装置的RF特性相互干扰。累积器204通过存储液体防止了任何液体形式的PCHT介质到达压缩器206。通过适当地操作旁路阀214，将该液体转换为蒸气。
为了克服在处理期间的热漂移的问题，通过操作PCHT环路200、204、206、208、210来使PCHT环路的效率增大十倍(ten-fold)或更多，从而使热交换器内部的PCHT介质被划分为液相和气相。在入口201处的液相对气相比足够高以允许减小在出口202处的该比率。这保证了ESC底座05和热交换器(蒸发器)200内的PCHT介质(冷却剂)之间的所有(或几乎所有)传热的发生都可归因于PCHT介质的蒸发潜热。结果，PCHT环路的热流超过了单相冷却循环中的热流(超过了因子10)。该条件可通过减小从入口201到出口202的PCHT介质的液相对气相比率来加以满足，该比率是有限的，从而至少有非常少量的液体残留在出口202处(或出口202之前)。在冷却模式中，这要求PCHT环路的冷却容量不被晶片上的RF热负载超过。一种确保这一目的的方式是为PCHT环路提供最大冷却容量，其约为晶片上的最大预期热负载的两倍。在图1-7所示类型的反应装置的一种实现方式中，PCHT环路的最大冷却速率约在晶片上的最大预期热负载的三倍和四倍之间。晶片上的热负载约为晶片上施加的RF功率的30％。液相对气相比在入口201处约在40％和60％之间，在出口202处约为10％。
尽管主要参考冷却模式的操作描述了PCHT环路，但是其也可以用在希望升高ESC的温度的任何时刻的加热模式中(例如，以比仅用等离子体加热更快的速率)。对于加热模式中PCHT环路的操作，通过打开旁路阀212，使至少某些PCHT介质旁路过冷凝器206和膨胀阀210，以便允许过热的PCHT介质流到热交换器200。在这种情况下，热交换器200充当冷凝器而不是蒸发器。在该模式(加热模式)下，可以通过提供从冷凝器206的输出到压缩器208的输入的附加旁路(未示出)，来防止冷凝器206的过热。在加热模式中，热交换器200中的液相对气相比可以为0。
图8是示出热交换器200内部的PCHT介质的焓与温度的函数关系的相图。三相(液相、固相、气相)之间的温度-焓边界是液相-气相圆顶(dome)216，在圆顶216下面PCHT介质既以液相存在，又以气相存在。至圆顶216的较低的焓一侧，PCHT介质是过冷却(100％)的液相，而至圆顶216的较高的焓一侧，PCHT介质是过加热(100％)的气相。在圆顶的顶点是三相点，在该点处PCHT介质的所有三相同时存在。图7的PCHT环路的可控参数(即，由压缩器206建立的PCHT介质流率、膨胀阀210的孔尺寸和旁路阀212的开口尺寸，这将在后面描述)由本领域技术人员选择，从而热交换器200内部的PCHT介质的温度和焓保持在图8的相图的液相-气相圆顶216的下方或内部。热交换器200内部的压强被维持在恒定水平(假定希望得到恒定的ESC底座温度)，从而在理论上在冷却剂流经热交换器200时没有温度变化，如图8的完全水平的恒定压强线218a、218b所指示。(在实际中，在ESC入口和出口201、202之间有可忽略的温度差，在典型操作条件下约为5摄氏度或更低。)由于蒸发器200内部的PCHT介质从ESC底座5吸热，因此其内部能量U增大，导致其焓增大(其中焓是U+PV，P和V是蒸发器200内部的压强和体积)。为了满足如上定义的通过专门(或几乎专门)的蒸发潜热来进行两相传热的要求，PCHT介质的焓/温度坐标必须保持在图8的液相-气相圆顶216内部。从而，对于恒定压强，PCHT介质的焓/温度坐标遵循恒定压强线(例如线218a)，其以低焓值进入热交换器200(在图8中标为“入口”)，并以较高焓值退出(在图8中标为“出口”)，其中进入和退出的焓值都在液相-气相圆顶216的内部或其边界上。图8表明在较低的冷却剂温度处实现了较大的焓的增加(吸收热)。
对ESC和晶片上的不均匀问题的解决方法：
将图7的蒸发器200内部的PCHT介质(下文中称为“冷却剂”)维持在图8的液相-气相圆顶内以确保通过蒸发潜热进行热提取几乎专门解决了在高的RF热负载下晶片上的温度不均匀问题。这是因为经由蒸发潜热进行的传热是恒稳过程。在PCHT环路的冷却模式中，在蒸发器200内部的冷却剂吸热时，其不改变温度。相反，其改变相，从液相变为气相。从而，蒸发器200内的所有冷却剂(ESC底座5内部的流体通路)处于均匀的温度，无论晶片上的RF热负载的大小如何。其优点是晶片温度分布大约与ESC上的电场分布一样均匀，从而即使在最高的RF热负载下，也维持了由上述电特征(例如，由多个电介质套筒和电介质边缘环处理工具箱实现的RF偏置馈送点阻抗调节)，在最有利的条件下实现的蚀刻速率均匀性，该结果迄今为止是无法获得的。该结果使图1-7的反应装置可用于当前设计规则(小特征尺寸)下的等离子体处理，并且可用于生成若干未来的设计规则(其中特征尺寸可能进一步收缩)，这是明显的优点。该优点与(上述)通过蒸发潜热进行的冷却的极高热容相组合，从而提供了比经由冷却剂质量热容进行的传统(可感知)传热约大一个数量级的热流率。
以前述方式进行的图7的反应装置的操作(其导致通过冷却剂的蒸发潜热进行传热)对应于图9中所示的方法。该方法中的第一步是通过将蒸发器200内部的冷却剂维持在某一温度和焓的范围内(在该范围内，传热是通过冷却剂的蒸发潜热(或从其减少)进行的)，来增强ESC温度的径向分布的均匀性或使之最优化。该步骤在图9的框170中示出。框170的步骤可以通过如下方式执行：将膨胀阀210的孔尺寸或开口尺寸的变化限制在某一范围内，该范围将蒸发器200中的冷却剂的温度和焓约束在图8的温度-焓图的液相-气相圆顶216的内部(图9的框171)。对于给定冷却剂和给定的冷却剂流率，很容易确定将冷却剂约束在图8的液相-气相圆顶216内部的膨胀阀的调节范围，并且该范围可例如预先编程到控制整个系统的微处理器中。框170的步骤也可以通过如下方式执行：将压缩器到蒸发器旁路流阀212调节在某一范围内，在该范围内，蒸发器200内部的冷却剂被维持在图8的液相-气相圆顶216内部(图9的框172)。旁路阀212的调节(在框172的步骤中)和膨胀阀210的调节(在框171的步骤中)可以组合进行以实现期望的结果。
一旦通过框170的步骤建立了通过蒸发器200中的蒸发潜热进行的传热，下一步就是控制ESC温度(图9的框173)。这可以通过如下方式来实现：将膨胀阀210调节在在框170的步骤中建立的范围内，直到达到期望的ESC温度为止(图9的框174)。或者，可以通过将压缩器到蒸发器旁路阀212调节在在框172的步骤中建立的范围内，来控制ESC温度。后一步骤对应于图9的框175。温度控制也可以通过一起执行框174和175的步骤来执行。
工作示例：
尽管膨胀阀210的可变孔尺寸是对冷却速率和晶片温度的主要控制因素，但是由压缩器到蒸发器旁路阀212提供了附加或替换的温度控制(如果期望的话还提供了晶片加热)。可以利用压缩器到累积器旁路阀214来确保累积器204中所有液体冷却剂到气相的完全转换。
尽管很容易选择合适的冷却剂、压缩器206的流率和满足前述条件的膨胀阀的孔尺寸，但是下面被提供作为实现了两相冷却的工作示例：
ESC入口温度：-10到+50摄氏度
ESC入口压强：160到200PSIG
ESC入口液相-气相比：40％-60％液体
ESC入口-出口最大温度差：5摄氏度
ESC入口-出口最大压强差：10PSI
ESC出口液相-气相比：10％液体
累积器出口温度：60到80摄氏度
累积器出口压强：25到35 PSIG
累积器出口液相-气相比：100％气体
压缩器流率：4gal/min
压缩器出口压强：260-270 PSIG
压缩器出口温度：80-100摄氏度
压缩器出口液相-气相比：100％气体
冷凝器出口温度：20-40摄氏度
冷凝器出口压强：250 PSIG
冷凝器液相-气相比：100％气体
膨胀阀出口液相-气相比：80％
在膨胀阀出口和ESC冷却剂入口201之间发生某些蒸发，这解释了从膨胀阀210到ESC入口201液相-气相比从80％减小到60％的原因。尽管优选地可能将热循环约束在图8的液相-气相圆顶216内(如上所述)，但是在超过该限制的漂移的情况下也可以实现本发明。具体而言，冷却剂的液相-气相比可以至少在蒸发器出口202处几乎达到0，或者可以在刚到达蒸发器出口202之前达到0，这种情况下可以发生少量的可感知热。在这种情况下，大量的传热仍然通过蒸发潜热发生，只有很少一部分通过可感知热发生，因此仍然实现了本发明的优点。
大范围温度反馈控制环路：
再次参考图1和7，在给定晶片110上的RF热负载的情况下，晶片温度可以利用温度反馈控制环路控制或保持在期望的温度处，温度反馈控制环路管理膨胀阀210和/或旁路阀212，尽管最简单的实现方式只控制膨胀阀210。在温度探测器处感知实际的温度，温度探测器可以是ESC绝缘层10中的温度探测器220、ESC底座05中的温度探测器221、ESC蒸发器入口201处的温度探测器222或ESC蒸发器出口202处的温度探测器223或这些探测器中的任何一个或全部的组合。为此，反馈控制环路处理器224响应于来自一个或多个温度探测器的一个或多个输入而管理膨胀阀210的孔开口尺寸。处理器224被提供以用户选择的期望温度值，该期望温度值可以存储在存储器或用户接口225中。简而言之，在每个连续处理循环期间，处理器224将由至少一个探测器(例如，由ESC绝缘层中的探测器220)测量的当前温度与期望温度值相比较。随后，处理器224计算作为期望温度值和测量温度值之间的差的误差值，并从误差中确定对旁路阀212或膨胀阀210的孔尺寸的校正，这可能减少误差。随后，处理器224使得阀的孔尺寸根据校正变化。在晶片处理的整个持续期间重复该循环以控制晶片温度。
灵敏晶片温度反馈控制环路：
在传统反应装置中，通过冷却静电吸盘或晶片支撑基座来冷却晶片以避免由于吸收RF功率而变得过热。晶片110和被冷却的ESC 105之间的热导率通过将一定压强的导热气体(如氦)喷射到晶片110的背面和ESC105的顶面之间的界面中而得以增强，这是本领域中公知的技术。为此，在ESC绝缘层20的顶面中形成有气体通道226，并且加压的氦供应装置228通过背面气体压强阀229耦合到内部ESC气体通道226。通过由夹紧电压源128施加到栅格电极15的DC夹紧电压，将晶片110向下静电夹紧到绝缘层20的顶面上。晶片110和ESC顶层20之间的热导率由夹紧电压和晶片背面上的导热气体(氦)压强确定。根据本发明，通过改变背面气体压强(通过控制阀229)来执行高度灵敏(快速)的晶片温度控制，以便将晶片温度调节到期望水平。随着背面气体压强的改变，晶片和ESC顶层20之间的热导率也改变，这改变了(a)由晶片110从施加到栅格电极15或耦合到等离子体的RF功率吸收的热和(b)从晶片导到被冷却的ESC的热之间的平衡。改变该平衡必定改变晶片温度。因此，管理背面气体压强的反馈控制环路可用于灵敏或高度响应性的晶片温度控制。晶片温度对背面气体压强的变化的响应是极为快速的(温度改变在一秒或更少的时间内达到均衡)。通过比较，改变ESC底座或晶片支撑基座105的温度并不导致晶片在分钟量级上(取决于ESC 105的热质量)达到新的(升高或降低的)均衡或稳定状态的晶片温度。因此，采用背面气体压强的温度调整系统提供了能够对晶片温度进行快速调节的灵敏温度控制。
图7示出了这种灵敏温度反馈控制系统，其中反馈控制环路处理器230管理背面气体压强阀229。ESC的温度传感器220、221、222或223中的一个(或多个)可以连接到处理器230的输入。用户接口或存储器231可以向处理器230提供用户选择的或期望的温度。在每个连续处理循环期间，处理器230计算作为当前温度测量结果(来自传感器220、221、222之一)和期望温度之间的差的误差信号。处理器230从该差中确定对背面气体压强阀的当前设置的校正(这趋向于减小温度误差)，并根据该校正改变阀的开口。例如，偏离高于期望温度的晶片温度将要求增大背面气体压强以增大对被冷却的ESC的热导率并调低晶片温度。在晶片温度偏离低于期望温度的情况下情形相反。从而，晶片温度可被控制并被立即设为某一温度范围内的新温度，该温度范围的下限对应于ESC的冷冻温度，上限由晶片上的RF热负载确定。例如，在缺少RF热负载的情况下不能增加晶片温度，并且晶片温度不能被冷却低于ESC的温度。如果该温度范围足够的话，则任何传统的技术都可用于将ESC维持在期望的冷冻温度以有利于灵敏温度反馈控制环路对背面气体压强的管理。
双温度反馈控制环路：
管理背面气体压强阀229的灵敏温度反馈控制环路和管理制冷膨胀阀210的大范围温度反馈控制环路可以在控制反馈控制环路处理器224、230两者的主处理器232的控制下以协同组合方式同时工作。
大范围温度反馈控制环路(包括由蒸发器200、压缩器206、冷凝器208和膨胀阀210组成的PCHT环路)通过改变静电吸盘105的温度来控制工件温度。温度范围仅由PCHT环路的热容量限制，因此可以将工件温度设为非常大的范围(例如，-10摄氏度到+150摄氏度)内的任何温度。然而，在特定时刻其可以影响工件温度的期望变化的速率受静电吸盘105的热质量的限制。例如，该速率是如此之低，以致于利用用于支撑300mm工件或硅晶片的静电吸盘，工件温度的10摄氏度的变化可能要求从制冷单元开始改变冷却剂的热条件以满足新的温度的时刻起经过分钟量级或更多的时间，直到工件温度最终达到新的温度。
相反地，在对工件温度进行期望的改变或校正时，灵敏温度反馈控制环路并不改变静电吸盘的温度(至少不直接改变)，而是仅仅改变工件和静电吸盘之间的热导率。工件温度响应于该变化的速率是极高的，这是因为其仅由背面气体压强可以改变的速率和工件的热质量限制。在典型系统中，背面气体压强在不足一秒内对阀229的移动作出响应。对于典型的300mm硅晶片，热质量是如此之低，以致于晶片(工件)温度在大约几秒或若干分之一秒内对背面气体压强的变化作出响应。因此，相对于大范围温度反馈控制环路实现工件温度的变化的时间刻度，灵敏反馈环路的工件温度响应是相当即时的。然而，灵敏反馈环路可以改变工件温度的范围非常有限：可以获得的最高工件温度由晶片上的RF热负载限制，而最低温度不能低于静电吸盘105的当前温度。然而，通过将灵敏和大范围温度控制环路组合在一起，每一种的优点补偿了另一种的限制，因为其组合提供了大的工件温度范围和非常快速的响应。
主处理器232可被编程，以利用大范围反馈控制环路(处理器224)实现大范围温度变化，而利用灵敏反馈控制环路(处理器230)实现快速但是较小范围的温度变化。图10是晶片温度行为随时间变化的一个示例的图。实线示出了长期温度行为，其中主处理器232利用处理器224通过大范围反馈控制环路实现晶片温度的缓慢大范围变化。虚线描述温度的快速扰动，其中主处理器232利用处理器230通过灵敏反馈控制环路实现晶片温度的快速但是小范围的变化。
由主处理器232提供的双环路控制可用于(几乎)即时地将晶片温度移动到新的期望水平，并且在ESC温度缓慢地改变到新的期望温度的同时保持该温度。这在图11A和11B中示出。图11A中的实线示出了晶片温度行为随时间的变化，其中晶片温度在时刻t1陡降到较低温度，并且保持在该值，此时PCHT环路(虚线)开始将ESC冷却到较低温度，该较低温度直到时刻t2才被ESC达到。晶片温度在时刻t1的快速变化和其随后的温度稳定性是由灵敏控制环路230实现的。灵敏控制环路处理器230在时刻t1接收到新的(较低的)期望晶片温度，并通过立即增大背面气体压强(图11B)作出响应以在时刻t1将晶片温度陡降到新的温度。同时，ESC温度开始降低，以在时刻t1将ESC驱动到(或略低于)新的温度，从而处理器224增大ESC的制冷冷却速率以驱动其温度下降。这迫使灵敏控制环路处理器230在时刻t1后减小背面气体压强以维持期望的晶片温度，直到ESC在时刻t2达到校正温度为止，在时刻t2后背面气体压强保持恒定。
图12A和12B的示例示出了在PCHT环路被允许缓慢调节到新的温度的同时，如何可以延迟ESC温度变化(以适应对约为50摄氏度的ESC表面的5秒的时间滞后)。图12A示出了温度行为随时间的变化，而图12B示出了相应的背面气体压强分布特性随时间的变化。如图12A和12B所示，由主处理器232提供的双环路控制可用于临时将晶片温度保持恒定(图12A的实线)在初始温度水平，同时在时刻t1开始，PCHT环路使ESC经过大的但是缓慢的温度漂移(图12A的虚线)。然后，晶片温度被允许陡降到新的ESC温度。这是通过冷却ESC同时在时刻t1开始一直减小背面气体压强而实现的。然后，在时刻t2达到期望的ESC温度后，灵敏温度控制环路陡升背面气体压强以将晶片温度陡降到ESC温度。多个温区：
大范围温度控制环路：
ESC 105可被划分为多个径向区，并且不同的独立反馈控制环路可以单独控制每区中的温度。该特征的优点是晶片110的不同径向区可以在处理期间保持在不同的温度，以便进一步减小处理或蚀刻速率分布不均匀性。在图13的示例中，ESC 105被划分为两个温度控制区，即径向内区234和径向外区236，并且为每区234、236提供单独的温度控制装置。在具有这种多个径向区的某些实施例中，优选地可以将ESC导电栅格或电极15划分为多个径向区(例如同心的内区15a和外区15b)。
铝底座05的径向内区234包含具有冷却剂入口201a和冷却剂出口202a的内区冷却剂流通路200a。内区冷却剂流通路200a构成了内区PCHT环路的内区蒸发器，蒸发器200a包含在ESC底座05的内区234内部。内区PCHT环路的剩余元件在ESC 105的外部，并且包括(以冷却剂流动方向的顺序，从冷却剂出口202a开始)累积器204a、压缩器206a、冷凝器208a和具有可变孔尺寸的膨胀阀210a，所有这些元件都是本领域中公知的类型。铝底座05的径向外区236包含具有冷却剂入口201b和冷却剂出口202b的外区冷却剂流通路200b。外区冷却剂流通路200b构成了外区PCHT环路的外区蒸发器，蒸发器200b包含在ESC底座05的外区236内部。外区PCHT环路的剩余元件在ESC 105的外部，并且包括(以冷却剂流动方向的顺序，从冷却剂出口202b开始)累积器204b、压缩器206b、冷凝器208b和具有可变孔尺寸的膨胀阀210b，所有这些元件都是本领域中公知的类型。内区234中的温度在下面的内区温度探测器中的一个或多个处感知：ESC绝缘层10的内区234中的探测器220a、ESC底座05的内区中的探测器221a、内区蒸发器入口201a处的探测器222a或内区蒸发器出口202a处的探测器223a。
内区反馈控制环路处理器224a响应于来自一个或多个内区温度探测器的一个或多个输入而管理内区膨胀阀210a的孔开口尺寸。内区处理器224a被提供以用户选择的期望内区温度值，该值可以存储在存储器或用户接口225a中。在每个连续处理循环期间，内区处理器224a将由至少一个探测器(例如ESC绝缘层中的探测器220a)测量的当前温度与期望温度值相比较，并据此校正内区膨胀阀210a的孔尺寸。外区反馈控制环路处理器224b响应于来自一个或多个外区温度探测器的一个或多个输入而管理外区膨胀阀210b的孔开口尺寸。外区处理器224b被提供以用户选择的期望外区温度值，该值可以存储在存储器或用户接口225b中。在每个连续处理循环期间，外区处理器224b将由至少一个探测器(例如ESC绝缘层中的探测器220b)测量的当前温度与期望温度值相比较，并据此校正外区膨胀阀210b的孔尺寸。
灵敏温度反馈控制环路：
在两个温区234和236中，晶片110和被冷却的ESC 105之间的热导率通过将一定压强的导热气体(如氦)喷射到晶片110的背面和ESC 105的顶面之间的界面中而得以增强，这是本领域中公知的技术。在内温区234中，在ESC绝缘层20的顶面的内区234中形成有内区气体通道226a，并且加压的氦供应装置228a通过内区背面气体压强阀229a耦合到内区气体通道226a。通过由夹紧电压源128施加到栅格电极15(即15a和15b)的DC夹紧电压，将晶片110向下静电夹紧到绝缘层20的顶面上。晶片110和ESC顶层20之间的热导率由夹紧电压和晶片背面上的导热气体(氦)压强确定。通过控制内区阀229a在内温区234中执行高度灵敏(快速)的晶片温度控制，以便将晶片温度调节到期望水平。内区灵敏反馈控制环路处理器230a管理内区背面气体压强阀229a。ESC内区234中的内区温度传感器220a、221a、222a或223a中的一个(或多个)可以连接到内区灵敏处理器230a的输入。内区用户接口或存储器231a可以向内区灵敏处理器230a提供用户选择的或期望的温度。在每个连续处理循环期间，处理器230a感知作为当前温度测量结果(来自内区传感器220a、221a、222a之一)和期望温度之间的差的误差，并据此改变内区背面气体阀229a的开口。
在外温区236中，在ESC绝缘层20的顶面的外区236中形成有外区气体通道226b，并且加压的氦供应装置228b通过外区背面气体压强阀229b耦合到外区气体通道226b。通过控制外区阀229b在外温区236中执行高度灵敏(快速)的晶片温度控制，以便将晶片温度调节到期望水平。外区灵敏反馈控制环路处理器230b管理外区背面气体压强阀229b。ESC外区236中的外区温度传感器220b、221b、222b或223b中的一个(或多个)可以连接到外区灵敏处理器230b的输入。外区用户接口或存储器231b可以向外区灵敏处理器230b提供用户选择的或期望的温度。在每个连续处理循环期间，处理器230b感知作为当前温度测量结果(来自外区传感器220b、221b、222b之一)和期望温度之间的差的误差，并据此改变外区背面气体阀229b的开口。
在上述参考图13组合灵敏和大范围内反馈控制环路和外反馈控制环路的情况下，可以在大范围上以灵敏响应控制晶片温度的径向分布特性。
具有最小RF寄生效应或不具有RF寄生效应的温度探测器：
图14示出了安装在图1的等离子体反应装置中的优选温度探测器238。探测器238由两个可分离的部分组成，即安装在ESC 105中的上部探测器239和安装在反应室中位于ESC 105下方并用于支撑ESC 105的一部分(即室主底座241)中的下部探测器240。上部探测器239在图15的放大图中示出，并位于高RF电位区域中(即，ESC绝缘层或圆盘10、20内部)。上部探测器239牢固地插入在与上部探测器239紧密适配的ESC105内的细长轴孔中，并且上部探测器239的尖端距离圆盘20的顶面非常近(例如，在3到3.5mm内)。(其优点是探测器239与晶片110足够近以使温度测量误差最小或消除该误差。)该ESC区域在处理期间具有非常高的电场电位，从而上部探测器239可能具有的任何电属性都对晶片上的等离子体处理有深刻的影响。因此，上部探测器239包括RF兼容性特征，其使得探测器239可能对电场或RF阻抗分布的任何影响最小或消除该影响。这种RF兼容性特征确保了探测器239不会扭曲或干扰ESC电场或RF阻抗分布，这种分布已经利用图2-4的反馈点阻抗调节和/或(例如)图5-6的电介质环处理工具箱的特征进行了仔细的调节。上部探测器239的RF兼容性特征包括在探测器239内完全没有任何导电材料、沿轴向方向的探测器方向(使得其对径向电场或RF阻抗分布的影响最小)以及其较小的直径，直径为室中等离子体的Debeye长度的若干分之一的量级。通过采用不导电的光学温度变换器242(例如磷光质材料)可以实现这些特征，该变换器242的黑体辐射光谱是其温度的公知函数。光学温度变换器242耦合到包含在薄的轴向上部探测器239内的长的薄光纤243。上部探测器239还包括包围光纤243并且优选地由浸有玻璃的塑料组成的不透明圆柱形电介质套筒244。光学温度变换器242被某种材料的电介质帽245盖住，该材料优选地与ESC圆盘10、20的电介质材料相同，在优选实施例中该材料是氮化铝。该后一特征确保了接触光学温度变换器242的材料(即帽245)的温度行为与要对其测量温度的材料(即，与晶片110直接接触的ESC圆盘层20)相同。
上部探测器239还包括安装板246，安装板246移动地紧固到ESC底座05的底面。安装板246支撑包含螺旋弹簧248的弹簧壳体247，螺旋弹簧248压缩在壳体247的肩部245和紧固到壳体247内的探测器套筒244的一部分的环形环249之间。在上部探测器239被插入到ESC 105中并按压ESC内的孔的顶端时，螺旋弹簧248被压缩以迫使探测器239的尖端与孔的顶端自对齐。
下部探测器240在图16的放大图中示出，并且包括被不透明的下部圆柱形套筒251包围的光纤250。由于下部探测器240低于接地的导电ESC底座05，因此其位于高RF电场的区域外部，因此不需要由不导电材料制成。事实上，下部圆柱形套筒251可以例如由铁制成。下部探测器240的顶端252紧密地容纳在上部探测器239的安装板246的孔253内。下部探测器240还包括安装板254，安装板254可移动地紧固到室壳体主底座241的底面。安装板254支撑包含螺旋弹簧256的弹簧壳体255，螺旋弹簧256压缩在壳体255的肩部257和紧固到壳体255内的下部探测器套筒251的一部分的环形环258。在下部探测器240的尖端252被插入到上部探测器安装板246的孔253中并且按压孔253的顶端时，螺旋弹簧256被压缩以迫使下部探测器240的尖端与孔253的顶端自对齐。所得到的下部探测器240与上部探测器239的自对齐如图17所示，图17示出了上部探测器光纤243和下部探测器光纤250的相对端几乎完全对齐。信号调整电路转换在下部探测器光纤250的底端处从光纤接收到的光，并将其转换为数字信号以供反馈控制环路处理器之一使用。尽管图14示出了其尖端接近ESC 105的顶部的单个温度探测器，但是另一个相同的探测器也可以放置在ESC的下部部分中，但是与第一探测器处于相同的径向位置。其他相同的探测器也可以放置在ESC内的不同径向(方位)位置处，但是与其他探测器处于同一高度(轴向位置)。从而，图13的不同温区234、236的温度探测器220a、220b各自可以是上述图13-16中的类型，并且位于同一轴向高度上的不同径向位置处。
尽管本发明的某些实施例被描述为包括不同的反馈控制环路处理器，但是这些处理器中的任何一个或全部也可以实现在单个公共处理器中，这单个公共处理器被编程以执行各个反馈控制环路处理器中每一个的功能。类似地，与不同控制环路相关联的其他资源(如双氦供应装置228a、228b)可以实现为具有单独控制的接口的单个供应装置或资源(例如，单个氦供应装置和双压强控制阀229a、229b)。而且，如果(例如)导电栅格电极15被划分为内电极15a和外电极15b(如上所述)，则公共的RF偏置功率源可用于向内栅格电极15a和外栅格电极15b施加不同水平的RF偏置功率。或者，分离的RF偏置功率发生器可用于实现分离的RF偏置功率水平。
利用背面气体压强进行工件温度变化：
如上所述，大范围温度控制环路通过调整静电吸盘105的温度来控制工件温度。因此，其具有可归因于静电吸盘的热质量的缓慢响应。传统的静电吸盘冷却系统的另一个问题是其效率太受限制，而不能避免在晶片温度已达到期望水平后发生向上温度漂移。这导致初始处理期间的工件温度漂移，当在反应装置空闲后处理“第一”晶片时该问题最为显著。该问题由图18的图中的标为260的曲线示出，图18示出了当在时刻t0开启等离子体功率时一般的晶片温度对时间响应。最初，晶片温度和ESC温度低于期望温度，并且被冷却的静电吸盘105的热质量使晶片温度的反应缓慢降低到晶片上的RF热负载。这使得晶片温度达到期望温度的时间从时刻t0延迟到时刻tb。该延迟一般在数十秒或一分钟或更多时间的量级。此后，传统的静电吸盘冷却装置限制了传热效率，从而使其不能补偿来自晶片上的RF热负载的热累积，因此晶片温度在时刻tb之后继续增加或漂移超过期望温度。这种温度的不受控制的变化降低了等离子体处理的控制。
在时刻tb后温度漂移的问题(对应于图18的曲线260)由图7的两相制冷环路的较高效率解决。如上所述，两相制冷环路通过将其蒸发器200定位在静电吸盘105内部，实现了提高的响应。通过主要利用蒸发潜热在蒸发器200中执行传热，其效率的大小进一步提高了一个量级。该提高的效率使得制冷环路能够在达到期望温度后阻止晶片温度的增加。该改进的晶片温度行为由图18的曲线262示出，其中晶片温度在于时刻t2达到期望温度后变平，并且此后具有很小的温度漂移或不具有温度漂移。但是，该解决方法在晶片温度达到期望水平时产生了明显的延迟(从时刻t0到时刻t2)。
在使晶片温度达到期望温度时有延迟(即，从时刻t0到时刻t2)的问题通过采用灵敏反馈控制环路处理器230来加以解决。当首先开启RF功率并且晶片温度低于期望温度时(在时刻t0)，修正阀229以便减小(或关闭)背面气体压强，从而减小晶片到吸盘的电导，进而减小冷却效应和晶片110上静电吸盘105的热质量。这允许晶片110被RF热负载快速加热，且来自被冷却的吸盘105的反面影响很小或几乎没有，这产生了在时刻t0开始的温度的陡升，如图18的标记为264的曲线所示。如图18的标记为264的曲线所示，晶片温度在时刻ta达到期望温度，从时刻t0到时刻ta的时间延迟极短，例如在只有几秒或若干分之一秒的量级。
在晶片达到期望温度时，灵敏控制环路处理器230必须增大背面气体压强(通过控制阀229)以增大静电吸盘105的冷却效应，从而在时刻t0开始的晶片热量的快速增加不会超过期望温度之上。为了抵消温度漂移，背面气体压强可以连续增大以维持期望的晶片温度。所有这些对背面气体压强的调节必须准确和及时地进行。为了实现这一目的，本发明的优选实施例包括静电吸盘105的热模型，该模型仿真了在给定条件下通过静电吸盘的各层之间的传热。该特征预测了最优背面气体压强，以在考虑到主要条件的情况下获得并保持期望晶片温度。图19示出了采用热模型的控制处理的一个循环。热模型的示例将在该说明书的后续部分中描述。主处理器232可被编程以反复重复图19的循环从而执行控制处理。
参考图19，该循环开始于将当前处理条件输入到热模型中(框270)。这些条件可以包括晶片上的RF热负载(其可以表达为施加的总RF功率的预定部分)、蒸发器200处或附近的静电吸盘温度、静电吸盘晶片夹紧DC电压和背面气体压强。下一步(框271)是从热模型获得在当前处理条件下产生的晶片的最终或稳定状态温度Tf(即，在图18的时刻tb达到的温度)的预测。例如，为了实现这一目的，热模型可以生成函数T(z，t)，函数T(z，t)定义了温度T沿经过静电吸盘105的轴向方向z的分布随时间t的演变。作为一种可能的选项，如果Tf不是期望温度，则可以修正初始条件，并且重复前述步骤直到热模型产生了满意的Tf的预测。然后，热模型被用于找到将会立即使晶片温度前进到预测的稳定状态温度Tf的背面气体压强(即，阀229的设置)(图19的框272)。这可以通过改变输入到模型中的背面气体压强值并监视预测的稳定状态晶片温度的变化直到预测了期望温度为止(表明已经找到了最优背面气体压强值)来实现。然后，背面气体压强被设为这样识别出的最优值(框273)。如果已经达到稳定状态(框274)，则处理停止。否则，时间因子递增(框275)，并且处理循环回到框272的步骤。
图20示出了晶片110、静电吸盘105的顶面或圆盘层20、静电吸盘105的底部或底座5的温度行为随时间的变化(分别是标记为276、277、278的曲线)。另外，标记为279的曲线示出了实现曲线276的晶片温度台阶行为所需的背面气体压强随同一时间刻度的行为变化。为了比较目的，标记为280的曲线示出了在缺少背面气体压强的任何变化的情况下晶片的有问题的温度行为，其中在晶片处理的重要部分期间，晶片温度初始非常缓慢地达到期望的处理温度。图20的曲线279示出了在等离子体点火时的背面气体压强的初始陡降(该点火提供了晶片温度的同时陡升)，以及其后背面气体压强的缓慢增大(以补偿对应于曲线277的静电吸盘105的上升的温度)。在获得由图20表示的数据时，存在下面的处理条件：100W的等离子体RF(VHF)源功率被施加到头部吊顶电极，4000W的等离子体RF(HF)偏置功率被施加到ESC，室压强是15Torr，ESC晶片夹紧DC电压是400V，ESC蒸发器温度是40摄氏度，冷却剂流率是在第一500秒内为3.75加仑每分。
图21示出了背面气体压强倾斜(通过灵敏控制环路处理器230进行)是如何可以控制整个晶片处理期间的晶片温度的。其目的是将晶片温度维持在恒定的期望温度，或者精确地遵循可以在用户的处理方法中指定的快速变化的晶片温度分布特性。在图21的处理中，第一步是定义晶片温度的期望时间演变的期望晶片温度特性(图21的框282)。从分布特性中确定当前时刻的期望温度(框283a)，并输入到热模型中(框283b)。当前处理条件也被输入到热模型中(框284)，例如晶片背面气体压强、当前晶片温度、晶片上的RF热负载、ESC底座温度和静电晶片夹紧力。随后，热模型被用于获得对晶片背面气体压强的校正(框285a)，该校正将使当前晶片温度移动到从用户定义的分布特性中获得的当前期望温度值。然后对晶片背面气体压强执行该校正(框285b)。当前时间值被增加为下一采样时刻或处理器循环时刻，并且处理循环回到框283a的步骤(框287)。
尽管在图21描述的方式中背面气体压强可用于热模型以控制晶片温度，但是其被限制在由低温和高温限定的很窄的温度范围内，其中低温不低于ESC蒸发器温度，高温由晶片上的RF热负载限制。因此，如果用户指定的温度分布特性需要超过该范围的变化，则大范围(制冷)温度控制环路与灵敏控制环路处理器230结合使用。为此，与框285a和285b的步骤同时执行以下步骤：使用热模型来获得对ESC蒸发器(或底座)温度的校正(框286a)，该校正将使当前晶片温度移动到从用户定义的分布特性中获得的当前期望温度值。然后例如通过调节膨胀阀210来对制冷环路执行该校正(框286b)。
使用热模型的双环路温度控制：
通过同时执行图21的框285a、285b和286a、286b的步骤，取决于要进行改变的温度而自动选择两个控制环路(由处理器234管理的大范围控制环路和由处理器230管理的灵敏控制环路)的相应优点，以实现最大的效应。从而，如果下一期望温度变化是超过灵敏控制环路的能力非常大的温度变化，则大范围温度控制环路的效应将占据主导。类似地，如果下一期望温度范围是非常快速的温度变化，这种变化对于大范围温度控制环路229、230来说太快，则大范围温度控制环路甚至无法作出响应，而灵敏温度控制环路229、230实现了所需的温度变化。
这一概念在图22A和22B的示例中描述。图22A示出了处理方法所需的温度-时间分布特性的示例。其包括温度的多次缓慢但非常大的上升(从温度T1到温度T2)，该上升由Ta和Tb之间插入一系列尖锐台阶。在峰值处(T3)，温度改变沿着具有负变化速率的圆弧接着是具有正变化速率的另一圆弧(在温度T4附近)。图22A的温度刻度使得利用在图21的步骤285a、285b中的背面气体压强，灵敏控制处理器230不能从T1变化到T2，因此该大的变化由大范围控制处理器224在步骤286a、286b中作出。然而，图21的时间刻度使得大范围控制处理器224不能实现Ta和Tb之间的尖锐台阶。由这些尖锐台阶代表的小的偏离是由灵敏控制处理器230在285a、285b的步骤中作出的，这些小的变化叠加在由大范围控制处理器224作出的从T1到T2的长期温度上升上。类似地，T3和T4附近的温度分布特性的尖锐圆弧路径不能通过缓慢地移动大范围温度控制环路来仿真。灵敏温度控制环路处理器230提供仿真温度分布特性中的这些弧形路径所需的精细响应(在图21的步骤285a、285b中)。为此，对应于单个处理循环的时间段的灵敏温度控制处理器230的时间分辨率可以在描绘图22A的期望温度分布特性的弧形路径时产生一种阶梯效应(如果这些变化发生在较小时间段上)，如具有阶梯外观的图22B的相应部分中所指示。通常，由灵敏控制处理器230在执行图21的框285a、285b的步骤时实现的校正或小的精细变化被叠加在由大范围温度控制处理器224在执行图21的框286a、286b的步骤时作出的长期的大的温度变化上。
图23示出了能够执行图21的处理的图7的装置的修正。在图23中，上述类型的热模型288可由图7的装置访问，并且具体而言由以下处理器中的任何一个或全部访问：主控制处理器232、大范围反馈控制环路处理器224和灵敏反馈控制环路处理器230。如果灵敏和大范围控制环路处理器230、224都要访问热模型288，则灵敏和大范围控制环路处理器230、224优选地通过主处理器232访问热模型288，从而使得主处理器232能够执行可能必需的任何仲裁。对应于当前处理条件的输入在热模型的输入289处接收。基于这些输入，热模型299生成随时间演变的空间温度分布T(z，t)，T(z，t)可例如用于预测稳定状态温度或被搜索以查找可能导致实现期望温度的温度控制设置。
如果处理器230正在执行图19的处理，则其在模型288的模型输入261处请求从T(z，t)获得在等离子体点火后经过某段时间达到的稳定状态晶片温度，并且该稳定状态温度被定义为目标温度。另一方面，如果处理器230正在执行图21的处理，则根据(例如图22的)用户分布特性的当前时刻的期望温度被施加到模型输入261。在任何一种情况下，处理器230都从热模型288的输出263获得对背面气体压强的校正，该校正将会使晶片温度更接近于期望温度。到压强阀229的相应命令在处理器230的输出265处发送。
图24是热模型288的一个可能实施例的简化示意性框图。模型被划分为对应于晶片110和蒸发器200之间的热路径的多层。层290代表晶片上的热负载，并且被指定为热流率。该热流率是施加到反应装置的RF功率的函数，并且可以由本领域技术人员容易地确定。后续层被表示为热阻和热容。热阻是层的维度及其热阻率或热导率的函数。热容是层的比热、密度和维度的函数。层291将晶片110表示为热阻291a和热容291b。层292将晶片110和ESC圆盘20的顶面之间的界面表示为可变热阻292a(其随背面气体压强改变)和热容292b。层293将ESC圆盘10、20表示为圆盘热阻293a和热容293b。层294将圆盘10和ESC底座5之间的键合或界面表示为热阻294a和热容294b。层295将ESC底座5表示为底座热阻295a和底座热容295b。可选地，模型288可以将内部蒸发器200的冷却动作表示为由热流率指定的热沉296。该热流率可基于查找表从膨胀阀210的设置中确定，该查找表由本领域技术人员根据测量数据预先构造。
热模型288必须被提供以必要的初始条件以仿真通过ESC 105的热流。为此，模型288的输入289接收以下输入，在一个示例中，这些输入可由控制处理器230提供：背面气体压强(根据阀229的设置)、ESC底座5的初始温度、晶片110或圆盘20的初始温度、代表晶片RF热负载的热源290的功率以及(可选的)热沉296的冷却速率(功率)。
随后可以查询热模型288(例如通过处理器230)以查找特定信息，如作为时间的函数的晶片110处的温度，以确定或预测在等离子体点火后的稳定状态温度(这仅是示例)。这对应于图19的框271的步骤。或者，可以搜索热模型288以查找使晶片温度倾斜到期望值的最佳背面气体压强(或阀229的设置)。该后一特征对应于图19的框272的步骤和/或图21的框286的步骤。
或者，在热模型288的健全版本中，模型288可以在选定的时间窗口内，对于每个离散的处理器采样时刻t产生沿Z轴(即，层291到295的层叠的方向)的温度的空间分布T(Z)。这一空间温度分布的收集对应于依赖于时间的空间温度分布T(Z，t)。其时间演变在图25中定性地示出，表明了高温区随时间的进展，高温区在等离子体点火时位于晶片处，并且随时间稳定地向ESC底座5传播。热模型可以对于不同的假定背面气体压强值产生不同的温度分布T(Z，t)。利用这种健全信息，热模型288或控制处理器230可以搜索对于不同背面气体压强设置获得的不同的分布T(Z，t)，以查找提供了晶片处(或其他指定位置处)的期望稳定状态温度的理想背面气体压强设置。
已经参考采用传热方程的集总元件技术描述了图24的模型，在传热方程中，从每层的维度和热属性推断出每层的热特性。然而，热响应可以从一组查找表中表征，这组查找表从现有的测量数据中经验地构造，该测量数据定义了作为时间和热流率两者的函数的层响应(例如，层上的温差)。这种查找表代表了在图26中示出的三维表面，该表面位于由对应于热流率、时间和层上的温差的三个正交轴限定的空间中。这样，每层可以由一个(或多个)查找表或在图26中示出的一类表面来表征。然而，其热响应可由用户可控的外部参数改变的层(如其热阻由背面气体压强控制的晶片-ESC界面层292)更加复杂。具体而言，外部参数的每种可能设置生成了不同的查找表或图26中所示的一类表面。如图27所示，两个表面或查找表代表由阀229进行的背面气体压强的许多可能设置中的两种的温度行为。许多这样的查找表将代表一个背面压强值范围内的热行为。本领域技术人员对于特定的反应装置设计，可以根据测量数据容易地生成这种查找表。
再次参考图23，图24的热模型288可以用于图13的多温区反应装置，该装置维护了独立的背面气体压强控制下的多个温区，并且独立的冷却剂蒸发器具有独立的每区中的温度传感器组，如上所述。如果图24的热模型288与图13的多区反应装置相组合，则模型288可以由多个热模型288-1、288-2等组成，这多个热模型仿真静电吸盘105的多个相应温区的不同热行为。每个相应的模型被每个温区中的灵敏和大范围反馈温度控制处理器以上述针对图7的单个温区反应装置所述的方式采用。从而，对于图13的每个温区，个别地、独立地执行图19和21的处理，并且每区中的处理使用热模型288-1、288-2等中的相应一个。
用于补偿预定RF热负载变化的前馈温度控制：
某些等离子体处理方法可能需要改变晶片上的RF热负载以在处理中的不同步骤实现不同的处理效果，而不改变晶片温度。问题在于静电吸盘的热质量给冷却系统的温度或冷却速率的改变和因此对晶片温度的影响之间施加了大的(例如，1到2分钟的)延迟。从而，大范围温度控制环路(使用蒸发器200)具有如此缓慢的响应，以致于其在不允许晶片温度重新获得稳定之前产生明显的漂移的情况下不能补偿晶片上的RF热负载的突变。另一方面，取决于初始RF热负载和ESC底座温度，通过背面气体压强阀229进行的灵敏温度控制(例如，灵敏温度控制环路)可能不能补偿晶片上RF热负载的大的变化。具体而言，如果ESC底座温度太高或初始RF热负载太大，则只控制背面气体压强阀229(“灵敏温度控制”)可能不足以补偿RF热负载的突然性的大的增大。相反，如果ESC底座温度太低或初始RF热负载不足，则灵敏温度控制可能不足以补偿RF热负载的突然性的大的减小。
根据本发明的一方面，通过分析(在热模型288中)RF热负载的下一次预定变化的大小和时间，解决了这些问题。热模型288产生ESC底座温度的校正，其最可能补偿RF热负载的变化并维持恒定的晶片温度。热模型预测该温度校正传播经过ESC 105并到达晶片110所花费的时间量。温度控制器228足够早地(基于所预测的传播时间)实现所推荐的ESC底座温度的变化，从而使ESC底座的温度漂移在RF功率水平/RF热负载的预定变化时到达晶片。
该前馈特征在图28A中示出，并且大部分可以由大范围控制环路和其处理器230执行。首先，热模型288被提供以当前处理条件，如RF功率(RF晶片热负载)、晶片温度、ESC底座温度、背面气体压强等等(图28A的框300)。如果当前的等离子体处理方法要求在某个后续时刻进行RF功率水平的变化，则该RF功率变化的大小和时间被输入到热模型288(图28A的框301)。随后，热模型288仿真该计划的RF功率变化对晶片温度的影响。搜索热模型288以查找将精确补偿RF功率水平的计划变化的ESC底座温度的变化。这是通过改变(在到热模型288的输入289处)ESC底座温度并观察由模型288仿真的对晶片温度行为的改变影响来实现的。选择最佳补偿RF热负载的变化的ESC底座温度(图28A的框302)。另外，热模型288可以计算或指示ESC底座5的温度变化到达晶片110所需的过渡时间(图28A的框303)。然后，补偿ESC底座温度的变化，该步骤是在计划的RF功率变化的时刻提前定货交付时间(leadtime)执行的，该定货交付时间等于补偿底座温度变化的底座到晶片过渡时间(图28A的框304)。(该时刻的提前可被包括在框302的步骤的仿真中。)为了在ESC底座温度的补偿变化从ESC底座5传播到晶片110的时段期间避免晶片温度的漂移，灵敏温度控制环路229、230维持恒定的晶片温度(图28A的框305)。例如，如果补偿的底座温度变化使得ESC圆盘温度在RF功率水平的计划变化之前过早下降，则背面气体压强将被灵敏温度控制处理器230自动减小以减小来自晶片的热传导，从而保持该时段期间的晶片温度恒定。
因为在计划的RF功率水平变化提前某一对应于底座到晶片过渡时间的定货交付时间的时刻在框304的步骤中执行了补偿ESC底座温度的校正，所以大范围温度控制处理器230有机会监视补偿温度漂移的传播，并对底座温度的变化进行多次的精细校正。因此，通过执行图28B中所示的反复校正循环提高了性能。该校正循环可包括同时监视沿ESC 105内部的Z轴呈轴对齐方式周期性放置的多个温度传感器，如图7的温度传感器220、221(尽管在该步中也可以采用多于两个轴向对齐的周期间隔的传感器)。从这些多个同时的测量结果中，可以导出即时温度分布特性T(Z)(图28B的框306)。该即时温度分布被输入到热模型288(图28B的框307)。利用框307的步骤的即时温度分布作为更新后的“初始”条件，热模型288生成随时间演变的温度分布特性T(Z，t)的新更新的版本。由此，热模型288可以预测在预定RF功率水平变化的时刻(tc)周围晶片温度的行为(图28B的框309)。利用这些结果，将时刻tc的预测晶片温度(或其平均值)与初始晶片温度相比较以确定早先采取的校正动作将会导致晶片温度在时刻tc或略晚于时刻tc是过校正还是欠校正。如果预测到欠校正(框311)，则大范围温度控制环路减小ESC底座5处的补偿温度变化，而如果预测到过校正(框312)，则增大补偿温度变化。其后时间增加一个循环时间(框313)。如果时间已到达tc，即RF功率预定变化的时刻(框314的“是”分支)，则中断前馈处理，并且重新恢复正常的晶片温度控制(框315)。否则(框314的“否”分支)，处理循环回到框306的步骤。
图29示出了空间温度分布的时间演变，其中图28A和28B的前馈特征通过在时刻t0减小ESC底座温度来对计划的所施加的RF功率在未来时刻tc的陡升作出响应。在连续时刻(t1、t2、t3等)，温度的陡降沿Z轴的方向向晶片表面传播。最大温度凹陷区在时刻tc到达晶片表面，从而在该理想化的示例中没有过校正或欠校正。图30A到30C的同期时间图示出了过校正和欠校正的效果。图30示出了施加的RF功率与时间的函数关系，其中在时刻tc发生功率的陡升。图30B示出了随时间的晶片温度行为，其中ESC底座温度的校正性陡降采取的太迟或者温度变化不足量。在任何一种情况下，晶片温度在时刻tc开始爬升到期望温度之上，并且仅在作出明显偏离后才开始向期望水平返回。图30C示出了随时间的晶片温度行为，其中ESC底座温度的校正性陡降采取的太早或者温度变化过量。在这种情况下，晶片温度在时刻tc开始下降，并且仅在作出明显偏离后才开始向期望水平返回。在理想情况下，晶片温度在时刻tc的RF功率陡升的之前、期间和之后都保持恒定。
用于温度分布特性的前馈控制：
某些等离子体处理方法可能需要在等离子体处理期间改变晶片温度以在处理中的不同步骤处实现不同的处理效果。利用这种改变，处理方法可能使(也可能不使)晶片上的RF热负载保持不变。问题在于静电吸盘的热质量给冷却系统的温度或冷却速率的变化和因此对晶片温度的影响之间施加了大的(例如，1到2分钟的)延迟。从而，大范围温度控制环路(使用蒸发器200)具有如此缓慢的响应，以致于其可能不能按处理方法所要求进行突然性的晶片温度变化。另一方面，取决于初始RF热负载和ESC底座温度，灵敏温度控制环路229、230可能不能进行可能为处理方法所需的极大的晶片温度变化。具体而言，如果ESC底座温度太高或初始RF热负载太大，则灵敏控制环路229、230可能不能执行处理方法所需的晶片温度的较大降低。相反地，如果ESC底座温度太低或初始RF热负载不足量，则灵敏控制环路229、230可能不能执行处理方法所需的晶片温度的较大升高。
根据本发明的一方面，通过分析(在热模型288中)处理方法所要求的晶片温度的下一次预定变化的大小和时间，解决了这些问题。如果温度变化超过了灵敏温度控制环路229、230(背面气体压强控制)的能力，则采用大范围控制环路224、210(制冷控制)来实现期望的温度变化。在这种情况下，热模型288产生最可能实现期望的晶片温度变化的ESC底座温度。热模型预测该温度校正传播经过ESC 105并到达晶片110所花费的时间量。温度控制器224足够早地(基于所预测的传播时间)实现所推荐的ESC底座温度的变化，从而使ESC底座的温度漂移在晶片温度的预定变化时到达晶片。就在这之前，灵敏温度控制环路229、230(使用背面气体压强)维持晶片温度恒定，直到晶片温度变化的预定时刻为止。
然而，如果灵敏温度控制229、230(背面气体压强)自身能够进行期望的晶片温度变化，则灵敏控制环路229、230被要求在预定时刻执行变化，在这种情况下，大范围控制环路224、210可以保持ESC温度恒定，或者预先改变ESC温度以用于随后的晶片温度变化。
该前馈特征在图31A、31B和31C(下文中统称为图31)的流程框图中示出，并且可以由图7的主处理器232利用图24-26的热模型来执行。首先，时间值t0被设为处理开始时刻(图31的框320)。随着晶片的等离子体处理开始，并且在反应装置中建立初始处理方法参数(室压强、源和偏置功率、晶片温度等)，处理方法被检查以找到晶片温度的下一次预定变化及其预定时刻t1(图31的框322)。确定灵敏温度控制环路229、230是否能够实现计划的晶片温度变化(框324)。该确定可包括在变化是温度升高的情况下确定晶片上的RF热负载是否足够高(框324a)，或者在变化是温度降低的情况下确定ESC温度是否足够低(框324b)。如果计划的温度变化超过了灵敏温度控制环路229、230的当前能力(框324a或324b的“否”分支)，则使用大范围温度控制环路224、210。首先，查询热模型288以找到最有可能产生期望的晶片温度变化的ESC底座温度的变化(框326)。该变化(通过伺服膨胀阀210)开始于某一时刻，该时刻足够使期望的温度变化传播经过ESC 105并在预定时刻t1到达晶片(框328)。同时，直到时刻t1为止，灵敏温度控制环路229、230被命令将晶片温度维持在初始温度(框330)。为此，灵敏温度控制处理器230伺服背面气体压强阀229(以改变晶片-ESC界面的热导)以便补偿ESC温度的变化。然后，在时刻t1，灵敏温度控制处理器230被命令允许晶片温度跟随ESC温度的变化以便实现期望的晶片温度变化(框332)。使当前时刻前进超过时刻t1(框334)，并且处理循环回到框322的步骤。
现在返回到框324的步骤，如果灵敏温度控制环路229、230被发现能够进行期望的晶片温度变化(框324a或324b的“是”分支)，则处理进行到框336的步骤，其中灵敏温度控制处理器230被命令等待直到时刻t1，然后进行期望的晶片温度变化(通过伺服背面气体压强阀229)。然而，在时刻t1之前，执行推测步骤(框338)，其主要目的是对于晶片温度的非常大的预定摆动确保及时准备好ESC温度，以便允许经过ESC 105的热传播延迟。该步骤使得要求ESC温度相应变化的晶片温度的大的预定摆动没有被及时解决以便允许从ESC蒸发器200到晶片110的热传播延迟的可能性最小(或消除了这种可能性)。在图31B的框338的推测步骤中，处理方法被在时刻t1前扫描以找到晶片温度的下一次变化及其发生的预定时刻t2。确定灵敏温度控制环路229、230是否能够进行该下一次变化。该确定可包括在变化是温度升高的情况下确定晶片上的RF热负载是否足够高(框338a)，或者在变化是温度降低的情况下确定ESC温度是否足够低(框338b)。如果确定灵敏温度控制环路229、230能够进行期望的晶片温度变化(框338a或338b的“是”分支)，则通过伺服背面气体压强阀229来实现变化以实现期望的温度变化(框339)。使当前时刻前进超过t1(框340)，并且处理循环回到框322的步骤。然而，如果确定灵敏温度控制环路229、230不能进行期望的晶片温度变化(框338的“否”分支)，则ESC温度必须被大范围温度控制环路228、210、200等改变，以实现期望的温度变化。为此，热模型288被用于确定将产生期望的晶片温度变化的ESC底座温度的变化(框342)，并且该变化是通过在当前时刻或某一后续时刻伺服膨胀阀210来执行的，该后续时刻足够早以允许经过ESC 105的热传播延迟(框344)从而实现预定时刻t2所需的变化。在间歇期间，灵敏温度控制处理器230被命令按如下方式调整晶片温度(图31C的框346)：从当前时刻直到时刻t1，按需要改变背面气体压强以使晶片温度对ESC温度的任何变化保持恒定(框346a)。在时刻t1，背面气体压强陡变以使晶片温度在时刻t1按处理方法中规定的变化(框346b)。从时刻t1直到时刻t2，改变背面气体压强以补偿ESC温度的变化，并使晶片温度保持恒定在新的温度(框346c)。在时刻t2，灵敏温度控制处理器230停止其保持晶片温度恒定的努力，并允许(通过增大背面气体压强以增加热导)新的ESC温度根据时刻t2规定的变化驱动晶片温度(框346d)。然后，使当前时刻前进超过时刻t2(框348)，并且处理循环回到框322的步骤。处理以这种方式继续，直到处理方法完成。
在图31的处理中，在处理方法中指定每个连续的温度变化，并且框324的步骤确定灵敏温度控制环路229、230(使用背面气体压强)自身是否能够进行期望的晶片温度变化，如上所述。如果答案总是“是”(至少对一定数目的连续温度变化)，则ESC底座温度可被归于恒定角色，并且进行的只有这些变化是背面气体压强阀229的连续变化。这对应于图31的处理中的连续反复地采取框324a或324b的“是”分支的情形。该结果在图32A和32B中示出，其中ESC底座温度保持在由图32A的虚线指示的恒定水平(例如，通过使图7的膨胀阀210保持在恒定设置)，而背面气体压强(图32B)处于伺服状态以跟随由处理方法指定的晶片温度的连续变化。在ESC充当晶片上的RF热负载的热沉的通常情况下，相应的晶片温度行为(图32A的实线)表现得与背面气体压强行为(图32B)相反。(有一种特殊的但是少有的情形，其中所需的晶片温度是如此之高，或者RF热负载是如此之低以至于ESC 105被用作热源。)因此，图32A和32B对应于本发明的简单模式，其中ESC底座温度被保持在恒定水平，而晶片背面气体压强按处理方法需要的改变。该模式可以利用耦合到ESC 105的任何冷却设备实现，如本发明的图7的恒温制冷环路或传统的现有技术的制冷装置。
图33A和33B示出了在步骤324发现灵敏控制环路229、230不能进行需要的晶片温度变化的情况下，底座和晶片温度行为以及背面气体压强分布特性。在这种情况下，大范围控制环路228、210、200等在框328的步骤中在预定时刻变化之前开始改变ESC底座温度。这使得ESC底座温度改变(即，在晶片温度降低的即将到来的温度变化的情况下是下降)，如图33A中的虚线所示。同时，在框330的步骤中，灵敏控制环路229、230保持晶片温度恒定，直到规定的变化时刻(图33A的实线)。这是通过利用背面气体压强的相应变化(减小)来使ESC底座温度变化偏移而实现的，如图33B所示。在变化时，使背面气体压强陡升以使得晶片能够跟随ESC温度的最新变化。
图34A和34B示出了图31的框338-346的推测环路的操作。在时刻t0，框338的步骤发现，即使灵敏温度控制环路可以进行下一次晶片温度变化(在时刻t1预定的变化)，其也不能进行后续的在时刻t2预定的变化。因此，判断使用图7的大范围温度控制环路224、210、200等来实现期望的晶片温度变化。而且，在该示例中，发现所需的ESC底座温度的变化必须立即开始以便使其完全的效果在时刻t2到达晶片。因此，在时刻t0进行膨胀阀210的所需位置的变化，从而使ESC温度开始改变(例如在该示例中是降低)，如图34A的虚线所示。图34A示出了ESC温度(在晶片附近处测量)刚好在时刻t2之前达到所需水平，因此其后被保持在该新的温度。然而，根据图31的步骤346a，从时刻t0到时刻t1，背面气体压强(图34B)减小以保持晶片温度恒定。根据图31的框346b的步骤，在时刻t1背面气体压强陡变到不同水平以实现在时刻t1预定的晶片温度变化。根据图31的框346c的步骤，从时刻t1到时刻t2，通过改变背面气体压强使晶片温度保持在该新的水平，以弥补改变ESC温度对晶片的影响。最终，在时刻t2，背面气体压强被恢复到高的热导水平，以允许新的ESC温度带来在时刻t2预定的晶片温度变化。
使用灵敏和大范围温度控制环路两者来补偿预定RF热负载变化的前馈温度控制：
尽管图31的前馈处理被描述为执行晶片温度的预定变化，但是其也可被修正为抵消晶片上RF热负载的预定变化。这种处理在图35中示出，现在加以描述。第一步(框420)定义当前时刻t0为处理开始时刻。下一步(框422)从处理方法的温度分布特性中确定在其规定的发生时刻(时刻t1)时即将到来的晶片上RF热负载的变化。在框424的步骤中，确定灵敏控制环路229、230是否能够抵消RF热负载的变化以保持晶片温度恒定。为此，可以进行下面的确定：变化是否是RF热负载的增大，当前的ESC底座温度是否足够低(框424a)；变化是否是RF热负载的减小，当前的RF热负载是否足够高，或者变化后的RF热负载是否足够高(框424b)。
如果发现灵敏温度环路不能满足RF热负载的变化(框424a或424b的“否”分支)，则必须替代使用控制ESC温度的大范围温度控制环路224、210、200等。因此，下一步(框426)是从热模型288中确定抵消RF热负载的变化并保持晶片温度恒定所需的ESC底座温度的变化。然后及时执行该ESC底座温度的变化(通过控制制冷环路膨胀阀210)，以使温度变化在时刻t1或时刻t1之前到达晶片，时刻t1是规定的发生时刻(框428)。同时，直到时刻t1为止，使用灵敏温度控制环路229、230来针对ESC温度的变化将晶片保持在其当前温度下(框430)。
在时刻t1，RF热负载改变的预定时刻，灵敏温度控制环路处理器230允许变化后的ESC温度抵消RF热负载的变化(框432)。然后使时间因子(当前时刻)前进超过时刻t1(框434)，并且处理循环回到框422的步骤。
如果框424的步骤确定灵敏控制环路229、230能够满足RF热负载的变化(框438a或438b的“是”分支)，则随后，在时刻t1，灵敏温度控制环路229、230改变背面气体压强以满足RF热负载的变化(框436)。同时，在时刻t1之前，处理推测(在处理方法的RF功率时间分布特性中)下一次(例如第二次)RF热负载的预定变化及其发生的预定时刻(时刻t2)，并确定灵敏控制环路229、230是否能够抵消该下一次的RF热负载变化(框438)。该确定以非常类同于框424的步骤的方式执行。如果确定是肯定的(框438的“是”分支)，则不采取动作，并且使时间前进超过当前时刻t1(框440)，且处理循环回框422的步骤。
否则，如果发现灵敏控制环路229、230不能满足在时刻t2预定的RF热负载的变化(框438的“否”分支)，则必须替代使用控制ESC温度的大范围温度控制环路。因此，在下一步中，热模型288被用于确定抵消下一次RF热负载变化(即，在时刻t2预定的变化)以保持晶片温度恒定所需的ESC底座温度的变化(框442)。然后利用大范围控制环路224、210、200及时执行该ESC底座温度的变化，以使温度变化在晶片温度的下一次变化的预定时刻(时刻t2)或在时刻t2之前到达晶片(框444)。在该时间期间，灵敏温度控制环路229、230针对改变的ESC温度调整晶片温度(框446)。其这样进行操作：保持晶片温度恒定直到时刻t1(即，利用背面气体压强变化掩蔽ESC温度的变化)(框446a)；在时刻t1，补偿在时刻t1预定的RF热负载的变化(使背面气体压强陡变到新的水平)(框446b)；在时刻t1后保持晶片温度恒定直到时刻t2(即，利用背面气体压强变化掩蔽ESC温度的变化)(框446c)；在时刻t2，允许ESC温度的变化抵消在时刻t2预定的RF热负载的变化(即，通过增大背面气体压强来增加晶片-ESC热导)(框446d)。其后，使当前时间因子前进超过时刻t2(框448)，并处理循环回到框422的步骤。
RF热负载和晶片温度的预定变化的同时控制：
在某些应用中，可能有必要同时适应由处理方法指定的某种晶片温度随时间的分布特性(如图32A的实线的复杂分布特性)以及复杂的RF功率(或晶片热负载)随时间的分布特性，后一分布特性可能以完全不同于温度分布特性的方式变化。换句话说，复杂的晶片温度时间分布特性可能必须在适应晶片上的RF热负载的预定摆动的情况下实现。这可以通过以下方式实现：使用主处理器仲裁或叠加从两个前馈环路到大范围控制环路处理器224(管理图7的膨胀阀210)的不同控制命令以及从两个前馈环路到灵敏控制环路处理器230(管理图7的背面气体压强阀229)的不同控制命令，同时操作图28A-B的RF热负载前馈环路和图31的温度分布特性前馈环路。这种组合在下述的图36中示出。
在图36中，(图28和31的)两个前馈处理是基于从反应装置前进通过主处理器232馈送的温度测量结果实现的。在图36中，RF热负载前馈处理350(对应于图28)被提供以由处理方法指定的RF功率或热负载的变化安排351。温度分布特性前馈处理352(对应于图31)被提供以由处理方法指定的晶片温度变化的安排353。这产生了用于调节制冷环路膨胀阀210的同时命令和用于调节背面气体压强阀229的同时命令。主处理器232组合这些同时命令，并分别通过大范围控制处理器224和灵敏控制处理器230将其转发到膨胀阀210和背面气体压强阀229。
尽管通过参考优选实施例详细描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的真实精神和范围的前提下，可以进行变化和修改。

Claims (42)

1.一种管理RF耦合的等离子体反应装置中的工件支撑上的工件温度的方法，包括：
将冷却剂放置于位于所述工件支撑内部的内部流通道中；
通过使所述冷却剂循环经过制冷环路而从所述冷却剂传热或者向所述冷却剂传热，在所述制冷环路中，所述工件支撑的所述内部流通道构成所述制冷环路的蒸发器；以及
将所述蒸发器内部的冷却剂的热条件维持在这样一个范围内，其中所述工件支撑和所述冷却剂之间的热交换主要或完全是通过所述冷却剂的蒸发潜热进行的。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述维持热条件的步骤防止了所述蒸发器内部的冷却剂的温度不均匀性或使该不均匀性最小，从而至少在所述工件支撑上维持了几乎均匀的温度分布。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述维持热条件的步骤包括将所述蒸发器内部的冷却剂的温度和焓维持在这样一个范围内，其中所述冷却剂同时以其气相和液相形式存在。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述维持热条件的步骤根据所述工件支撑和所述冷却剂之间的热流率的沿所述蒸发器产生了所述冷却剂的液相-气相比的差。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述蒸发器入口附近的冷却剂的液相-气相比在约40％和80％之间，而所述蒸发器出口附近的冷却剂的液相-气相比不超过约10％。
6.如权利要求4所述的方法，其中在离开所述蒸发器时所述冷却剂的液相-气相比最小或几乎为0。
7.如权利要求1所述的方法，其中按所述冷却剂流经所述制冷环路的顺序，所述制冷环路包括所述蒸发器、累积器、压缩器、冷凝器和膨胀阀以及由旁路阀管理的压缩器到蒸发器旁路通道，并且其中所述维持热条件的步骤包括：
控制所述膨胀阀和所述旁路阀以便通过所述冷却剂的蒸发潜热来实现传热。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：
通过控制所述膨胀阀根据期望温度值来控制所述工件支撑的温度。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述控制工件支撑的温度的步骤包括：
接收所述工件支撑或所述工件支撑上的工件的测量温度；以及
通过调节所述膨胀阀的开口尺寸以便减少所述测量温度值和所述期望温度值之间的差，来改变所述工件支撑的温度。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述工件支撑具有用于支撑工件的顶面，所述方法还包括：
在所述工件的背面和所述工件支撑的顶面之间供应导热气体，以在其间建立背面气体压强；
改变所述导热气体的背面气体压强。
11.如权利要求10所述的方法，其中：
所述调节所述开口尺寸的步骤以由所述工件支撑的热质量限制的第一速率改变所述工件支撑的温度；
所述改变背面气体压强的步骤以比所述第一速率快的第二速率改变所述工件的温度。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述第一速率对应于数十秒量级的时间延迟，而所述第二速率对应于小于几秒或几分之一秒的时间延迟。
13.如权利要求10所述的方法，还包括：通过进行改变背面气体压强以使所述工件支撑的温度变化重叠所述工件的变化，将所述工件温度保持在选定温度处，同时改变所述工件支撑的温度。
14.如权利要求13所述的方法，其中：
所述改变工件温度的步骤包括使所述工件温度以所述第二速率从前一温度移至所述期望温度，所述方法还包括在所述工件达到所述期望温度后，将所述晶片温度保持在所述期望温度处或其附近；
执行所述改变所述工件支撑的温度的步骤以便使所述工件支撑的温度以所述第一速率向所述期望温度移动。
15.如权利要求13所述的方法，其中：
通过执行将所述工件温度保持在初始温度的步骤，直到所述工件支撑的温度达到对应于所述期望温度的新的温度，进行改变所述工件温度的步骤；
执行所述改变所述工件支撑的温度的步骤以便使所述工件支撑的温度从所述初始温度附近移至所述期望温度附近的新的温度。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述改变工件温度的步骤包括在所述工件支撑的温度达到对应于所述期望温度的温度后，立即使所述工件温度移至所述期望温度。
17.如权利要求10所述的方法，其中：
执行所述改变背面气体压强的步骤以便在短时间间隔内使所述工件温度从初始温度移至期望温度，其后保持该温度；
执行所述改变所述工件支撑温度的步骤以便在比所述短时间间隔更大的长时间间隔内对所述工件支撑温度作出相应变化，所述长时间间隔和所述短时间间隔同时开始。
18.如权利要求11所述的方法，其中：
执行所述改变背面气体压强的步骤以便将所述工件温度保持在初始温度，同时等待所述工件支撑温度从所述初始温度附近改变至新的温度附近，其后在短时间间隔内将所述工件温度改变至所述新的温度；
执行所述改变所述工件支撑温度的步骤以便在比所述短时间间隔更大的长时间间隔内使所述工件支撑温度从所述初始温度附近改变至所述新的温度附近。
19.如权利要求13所述的方法，其中所述选定温度遵循依赖于时间的分布特性，从而执行所述改变所述背面气体压强的步骤以便使所述工件温度遵循所述依赖于时间的分布特性。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述依赖于时间的分布特性对应于(a)倾斜函数、(b)方波函数中的任何一个。
21.如权利要求1所述的方法，还包括：
在所述工件背面和所述工件支撑的顶面之间提供导热气体，以在其间建立背面气体压强；
定义期望工件温度；
测量当前工件温度或与所述工件温度有关的温度，并将测量温度输入到代表所述工件支撑的热模型中；
从所述热模型中确定所述导热气体的压强变化，所述压强变化至少会减少所述测量温度和所述期望温度之间的差；以及
根据从所述热模型中确定的所述变化改变所述导热气体的压强。
22.如权利要求21所述的方法，还包括通过控制所述蒸发器的膨胀阀的孔尺寸来控制所述工件支撑的温度。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述方法在等离子体点火后开始，并且所述定义期望工件温度的步骤包括：
将定义所述反应装置中的当前处理条件的数据输入到所述热模型中；以及
从所述模型中获得对所述工件在这些处理条件下最终将达到的稳定状态温度的预测，并将所述预测的温度定义为所述期望工件温度。
24.如权利要求22所述的方法，还包括：
从所述热模型中确定与所述蒸发器中的冷却剂有关的热参数的变化，这种变化至少会减少所述测量温度和所述期望温度之间的差；以及
根据从所述热模型中确定的所述变化改变所述蒸发器中的所述冷却剂的所述热参数。
25.如权利要求24所述的方法，其中与所述冷却剂有关的所述热参数是所述工件支撑中至少在所述蒸发器附近或最接近所述蒸发器的位置的温度。
26.如权利要求24所述的方法，其中与所述冷却剂有关的所述热参数是所述冷却剂的温度。
27.如权利要求24所述的方法，其中与所述冷却剂有关的所述热参数是所述蒸发器内部的压强。
28.如权利要求24所述的方法，其中所述热参数是所述膨胀阀的开口尺寸。
29.如权利要求1所述的方法，还包括通过将所述反应装置中的现有处理条件输入到所述热模型中来准备所述热模型。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述现有处理条件包括通过所述工件支撑的温度的采样分布，所述方法还包括通过从沿蒸发器到工件轴分布在所述工件支撑内的多个温度传感器感测温度，来获得所述温度分布。
31.如权利要求10所述的方法，还包括：
获得所述工件上的RF热负载的下一次预定变化，并利用所述模型来估计所述蒸发器中的冷却剂的热条件的变化，这种变化将通过补偿所述RF热负载的下一次预定变化来保持所述温度接近恒定；
在领先于所述下一次预定变化的时间某一与经过所述工件支撑的热传播延迟有关的时间，对所述蒸发器中的冷却剂的热条件进行改变。
32.如权利要求31所述的方法，还包括通过对所述导热气体的压强进行抵消了所述吸盘中的温度变化的变化，保持所述工件的温度恒定，直到所述下一次预定变化的时间。
33.如权利要求10所述的方法，还包括：
获得(a)工件RF热负载、(b)期望工件温度之一的预定变化；
如果所述导热气体的压强变化足以(a)维持或(b)建立针对所述变化的期望工件温度，则利用基于包括温度在内的处理条件的所述热模型来估计所述压强的变化，并据此改变所述压强；以及
否则，利用所述热模型来估计将维持或建立针对所述变化的期望工件温度的所述蒸发器中的冷却剂的热条件的变化，并据此改变所述蒸发器中的所述热条件，改变时刻在领先于所述下一次预定变化的时间某一与经过所述静电吸盘的热传播延迟有关的时间。
34.如权利要求10所述的方法，还包括：
通过对所述导热气体的压强进行抵消了所述工件处的所述工件支撑的温度变化的变化，保持所述工件的温度恒定，直到所述下一次预定变化的时间。
35.一种在等离子体反应装置中处理工件的方法，所述等离子体反应装置具有用于将工件保持在反应室中的静电吸盘，所述方法包括：
将流经所述静电吸盘内部的蒸发器的冷却剂维持在液相-气相的混合相形式；
测量与所述工件有关的当前温度，并将所述测量温度输入到代表所述静电吸盘的热模型中；
通过从所述热模型中确定所述导热气体的压强变化并影响所述变化来执行灵敏温度控制，这种变化至少会减少所述测量温度和期望温度之间的差；以及
通过从所述热模型中确定与所述蒸发器中的冷却剂有关的热参数的变化并影响所述变化来执行大范围温度控制，这种变化至少会减少所述测量温度和所述期望温度之间的差。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述蒸发器的传热是通过所述冷却剂的蒸发潜热进行的，以便在所述静电吸盘的工件支撑表面上维持接近恒定的温度。
37.如权利要求35所述的方法，其中与所述冷却剂有关的所述热参数是所述静电吸盘中至少在所述蒸发器附近或最接近所述蒸发器的位置的温度。
38.如权利要求35所述的方法，其中与所述冷却剂有关的所述热参数是所述冷却剂的温度。
39.如权利要求35所述的方法，其中与所述冷却剂有关的所述热参数是所述蒸发器内部的压强。
40.一种在等离子体反应装置中处理工件的方法，所述等离子体反应装置具有用于支撑反应室内的工件的静电吸盘，所述方法包括：
使冷却剂循环经过包括分别在所述静电吸盘的内区和外区内部的内区蒸发器和外区蒸发器的制冷环路，同时利用导热气体对工件-吸盘界面的内区和外区加压；
感测所述室内的条件，所述条件包括所述工件附近的内区温度和外区温度；
获得所述工件上的RF热负载的下一次预定变化，并利用热模型来分别估计所述内区蒸发器和外区蒸发器中的冷却剂的热条件的相应变化，这种变化会通过补偿RF热负载的下一次预定变化来保持分别在所述静电吸盘内区和外区中测得的温度接近恒定；以及
在领先于所述下一次预定变化的时间某一与经过所述静电吸盘的热传播延迟有关的时间，对所述内区蒸发器和外区蒸发器中的冷却剂的热条件进行所述相应变化。
41.如权利要求40所述的方法，还包括通过对所述界面处的所述内区和外区中的所述导热气体的界面压强进行抵消了所述吸盘的温度变化的变化，来保持所述工件温度恒定，直到下一次预定变化的时间。
42.如权利要求41所述的方法，还包括通过将所述内区蒸发器和外区蒸发器内部的所述冷却剂维持在液相和气相两相以便促进通过蒸发潜热进行的热交换，来增大所述吸盘上的温度分布的均匀性。
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