(57)【要約】【課題】処理室内の圧力を制御する圧力制御バルブの機差を実質的に無くし、容易に同じプロセスを再現する。【解決手段】弁開度を検出するセンサ１５０と、センサが検出した弁開度、及び処理室内の真空圧力と真空圧力目標値との偏差に基づいて、弁開度を制御する弁開度制御信号を出力する第１制御回路１２２と、弁開度制御信号に基づいて、ピストンへの作動流体の供給を制御する電空制御信号を出力する第２制御回路１３１と、前記弁開度の上限が、物理的な全開よりも開度が小さい所定の全開となるように、第１制御回路もしくは第２制御回路を調整するスパン調整回路を有する。【選択図】図５
2020065019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理する処理室と、
前記処理室を排気する真空ポンプと、
前記処理室と前記真空ポンプとを接続する流路と、前記流路に形成されている弁座とを有するバルブボディと、
前記バルブボディに接続され、所定の軸方向に運動可能にピストンを収容するシリンダと、
前記ピストンに連結され、前記弁座への当接による前記流路の遮断、または弁開度に応じて前記弁座から離間される弁体と、
前記弁開度を検出するセンサと、
前記弁開度を制御する弁コントローラと、を備え、
前記弁コントローラは、
前記センサが検出した前記弁開度、及び前記処理室内の真空圧力と真空圧力目標値との偏差に基づいて、前記弁開度を制御する弁開度制御信号を出力する第１制御回路と、
前記弁開度制御信号に基づいて、前記ピストンへの作動流体の供給を制御する電空制御信号を出力する第２制御回路と、
前記弁開度の上限が物理的な全開よりも開度が小さい所定の全開となるように、前記第１制御回路もしくは前記第２制御回路を調整するスパン調整回路と、を有する基板処理装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記弁コントローラは、前記弁開度制御信号の下限値が、前記処理室の圧力によって変化する前記弁座のリーク開始位置に対応するように、前記弁開度制御信号の下限を調整するバイアス制御回路を有する基板処理装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記スパン調整回路は、前記弁コントローラが、前記弁開度を前記所定の全開とする指令を受けて前記所定の全開に対応する前記弁開度制御信号を生成するときに、前記弁体のオーバーシュート量及び前記弁開度が前記所定の全開に収束した状態での開度のそれぞれを、複数の制御パラメータを用いて調整するものであり、
前記制御パラメータは、前記指令を含む所定のプロセスレシピを前記基板処理装置で実行したときの前記処理室内の真空圧力のトレースに基づいて、機差を補償するように設定される基板処理装置。
【請求項４】
複数のウエハを所定の軸に沿って所定の間隔で配列した状態で保持する基板保持具と、
前記基板保持具の下方に配置される断熱部と、
前記基板保持具及び前記断熱部を収容する筒状の空間を形成する処理室と、
前記処理室内の前記複数のウエハの側端に向いて設けられた開口によって、前記処理室と流体連通するガス供給機構と、
前記処理室内の前記複数のウエハの側端に向いて設けられた排気口によって、前記処理室と流体連通するガス排出機構と、
真空圧力制御システムを介して前記ガス排出機構に連通し、前記処理室内の雰囲気を排出する真空ポンプと、を有し、
前記真空圧力制御システムは、真空弁と、前記真空弁の弁開度を検出するセンサと、前記真空弁を制御する弁コントローラを有し、
前記弁コントローラは、前記真空弁の物理的な全開よりも開度が小さい所定の全開に対応するように、前記真空弁の制御信号のスパンを調整する基板処理装置。
【請求項５】
請求項４に記載の基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
前記真空圧力制御システムが前記処理室内の真空圧力を一定に制御しながら、前記処理室内に原料ガスを供給する原料ガス供給工程と、
前記真空圧力制御システムが前記弁開度を前記所定の全開に制御しながら、前記処理室内を排気する原料ガス排気工程と、
前記真空圧力制御システムが前記処理室内の真空圧力を一定に制御しながら、前記処理室内に反応ガスを供給する反応ガス供給工程と、
前記真空圧力制御システムが前記弁開度を前記所定の全開に制御しながら、前記処理室内を排気する反応ガス排気工程と、を繰り返し行う半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、基板処理装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置（デバイス）の製造工程において、基板処理装置を用いて、基板を所定の温度及び雰囲気の下で処理し、薄膜の形成や改質等が行われる。例えば縦型基板処理装置では、所定枚数の基板を垂直方向に配列して基板保持具に保持し、基板保持具を処理室内に装入し、処理室の周囲に設置された炉ヒータによって基板を加熱した状態で処理室内に処理ガスを導入して、基板に対して薄膜形成処理等が行われる。
【０００３】
基板処理装置の処理室は、真空ポンプによって内部のガスが排気される。処理室と真空ポンプの間には、圧力制御バルブが設けられ、その開度を連続的に制御することで、処理室内を所定の圧力に保つことができるようになっている。以下に、基板処理装置の処理室などの真空容器の真空圧力制御に用いられる圧力制御バルブ、あるいは圧力制御システムについて開示する特許文献を例示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１６６１０１号公報
【特許文献２】国際公開第２００４／１０９４２０号
【特許文献３】特開２０１８−４５４３２号公報
【特許文献４】特開２００８−６９７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、成膜等の処理はしばしば、複数種のガスを巡回的に繰り返し供給し、それらのガスを基板上で化学的に反応させる方法によって行われる。その際、ガスを供給しながら処理室の圧力を一定に保つため、弁体のパッキンの潰し量の微妙な制御が必要になる場合がある。また異なるガスは処理室内で混ざり合うことなく速やかに排出されることが望ましく、新たなガスを供給する前に、最大の排気速度で（つまり圧力制御バルブを最大の開度にして）処理室内のガスを排気する工程が設けられうる。従って、成膜処理の間、処理室内の圧力は大きく変動し、また最大排気動作と定圧動作を切り替える際には、圧力変化レートを制限する定レート制御が必要になる場合がある。
【０００６】
このとき、搭載された圧力制御バルブの最大の開度に、装置ごとのばらつき（機差）があると、複数の装置で、同じ成膜処理を再現できないという問題がある。
【０００７】
本開示は、圧力制御バルブの機差を実質的に無くし、容易に同じプロセスを再現することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一実施態様である基板処理装置は、基板を処理する処理室と、処理室を排気する真空ポンプと、処理室と真空ポンプとを接続する流路と流路に形成されている弁座とを有するバルブボディと、バルブボディに接続され、所定の軸方向に運動可能にピストンを収容するシリンダと、ピストンに連結され、弁座への当接による流路の遮断、または弁開度に応じて弁座から離間される弁体と、弁開度を検出するセンサと、弁開度を制御する弁コントローラと、を備える。そして弁コントローラは、センサが検出した弁開度、及び処理室内の真空圧力と真空圧力目標値との偏差に基づいて、弁開度を制御する弁開度制御信号を出力する第１制御回路と、弁開度制御信号に基づいて、ピストンへの作動流体の供給を制御する電空制御信号を出力する第２制御回路と、弁開度の上限が、物理的な全開よりも開度が小さい所定の全開となるように、第１制御回路もしくは第２制御回路を調整するスパン調整回路と、を有する。
【発明の効果】
【０００９】
圧力制御バルブの機差を実質的に無くし、容易に同じプロセスを再現することができる。
【００１０】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】基板処理装置の縦断面図である。
【図２】基板処理装置の主コントローラのブロック図である。
【図３】基板処理装置の真空圧力制御システム４３の概略構成図である。
【図４】ＡＰＣバルブ４２の真空弁の断面図である。
【図５】真空圧力コントロールモードにおける真空圧力制御システム４３のフィードバック制御系を示す図である。
【図６】フィードバック制御におけるＡＰＣバルブ４２のリフト量の時間応答の例を示す図である。
【図７】フィードバック制御におけるリフト量及び処理室２４の圧力の時間応答を示す図である。
【図８】半導体装置の製造方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態に係る基板処理装置、その装置で使用される真空圧力制御システム、及びその装置を用いた半導体装置の製造方法について、順に説明する。
【００１３】
〈基板処理装置の構成〉
図１に示すように、基板処理装置は、集積回路の製造工程における熱処理工程を実施する縦型熱処理装置（バッチ式縦型炉装置）１０として構成されている。
【００１４】
処理炉１２は第１加熱手段（加熱機構）としてのヒータユニット（以下、ヒータと称する）であるヒータ１４を有する。ヒータ１４は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース１６に支持されることにより垂直に据え付けられている。ヒータ１４は、後述するようにガスを熱で活性化（励起）させる活性化機構（励起部）としても機能する。
【００１５】
ヒータ１４の内側には、真空容器（処理容器）を構成する反応管１８が配設されている。反応管１８は、例えば石英（ＳｉＯ２）等の耐熱性材料からなり、上端が閉塞され、下端が開口した円筒形状に形成されている。下端の開口には、外周側に突出したフランジ部１８Ｃが形成されている。反応管１８のフランジ部１８Ｃは金属製で円筒形状のマニホールド２２によって支持されている。反応管１８の筒中空部は処理室２４を形成する。処理室２４は、基板としてのウエハＷを、後述するボート２６によって水平姿勢で反応管１８の管軸方向（つまり垂直方向）に多段に整列した状態で収容可能に構成されている。ボート２６によって保持されたウエハＷが収容される空間を処理領域と呼び、それより下方の空間を断熱領域と呼ぶ。
【００１６】
反応管１８の外壁には、内部にそれぞれ空間を有する供給バッファ２４Ａと排気バッファ２４Ｂとが、互いに対面する位置に形成されている。供給バッファ２４Ａと排気バッファ２４Ｂの突出した部分は、反応管１８の外壁を構成し、供給バッファ２４Ａ及び排気バッファ２４Ｂによって覆われた、反応管１８の円筒の一部は、それぞれ仕切り部１８Ａおよび仕切り部１８Ｂを構成する。言い換えれば、供給バッファ２４Ａの内部のガス供給空間は、反応管１８の外壁と仕切り部１８Ａにより画成される。一方、供給バッファ２４Ａの下端は、フランジ部１８Ｃによって閉塞される。そのため、排気バッファ２４Ｂのガス排気空間は、反応管１８の外壁と仕切り部１８Ｂとフランジ部１８Ｃにより画成される。
【００１７】
仕切り部１８Ａには、ウエハＷの間隔と同じ間隔で、処理室２４とガス供給空間とを流体連通させる横長スリット状のガス供給口３６Ａが、処理領域のウエハＷに対応して複数設けられている。
【００１８】
仕切り部１８Ｂには、ウエハＷの間隔と同じ間隔で、処理室２４とガス排気空間とを流体連通させる横長スリット状のガス排気口３６Ｂ（第１排気口）が、処理領域のウエハＷに対応して複数設けられている。一例として各ガス排気口３６Ｂは、対応するガス供給口３６Ａと同じ高さ位置に対面するように設けられうる。あるいは、単一のガス排気口３６Ｂが、処理領域の各ウエハＷを臨むように縦長に開口して設けられうる。
【００１９】
仕切り部１８Ｂのガス排気口３６Ｂの下方には、第２排気部（第２排気口）としての副排気口６２が形成されている。副排気口６２は、断熱領域内の位置、あるいは断熱部と対面する位置に形成されている。副排気口６２は横長の長方形状に形成され、その開口面積はガス排気口３６Ｂの一つのスリットの開口面積よりも大きく、ガス排気口３６Ｂの開口総面積よりも小さい。ガス排気口３６Ｂ及び副排気口６２は、処理室２４と排気バッファとを連通するように形成され、処理室２４内の断熱領域の雰囲気を排気する。断熱領域に副排気口６２を設けることにより、断熱部５４の周囲を流れたパージガスが処理領域に拡散することが抑制され、処理領域の処理ガスが希釈されることによる成膜均一性の悪化が抑制される。
【００２０】
ガス供給空間２４Ａ内には、ノズル２８が設けられうる。ノズル２８は、例えば石英等の耐熱性材料からなる。ノズル２８には、ガス供給管３０ａが接続されている。ガス供給管３０ａには、上流方向から順に、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３２ａおよび開閉弁であるバルブ３４ａが設けられている。ガス供給管３０ａのバルブ３４ａよりも下流側には、不活性ガスを供給するガス供給管３０ｂが接続されている。ガス供給管３０ｂには、上流方向から順に、ＭＦＣ３２ｂおよびバルブ３４ｂが設けられている。主に、ガス供給管３０ａ、ＭＦＣ３２ａ、バルブ３４ａにより、処理ガス供給系である処理ガス供給部が構成される。また、ガス供給管３０ｂ、ＭＦＣ３２ｂ、バルブ３４ｂにより、不活性ガス供給系である不活性ガス供給部が構成される。また、ガス供給管３０ｂ、ＭＦＣ３２ｂ、バルブ３４ｂを処理ガス供給部（処理ガス供給系）に含めて考えてもよい。ノズル２８が複数設けられる場合、処理ガス供給部や不活性ガス供給部もノズル２８に対応して複数設けられうる。
【００２１】
ノズル２８は、ガス供給空間２４Ａに、反応管１８の下部より上方に向かって、ウエハＷの配列に沿って設けられている。このときノズル２８は、ウエハＷの側方においてウエハＷの配列方向と平行となる。本例のノズル２８は、Ｌ字型に構成されており、その短い水平部はマニホールド２２の側壁を貫通するように設けられている。また、その長い垂直部は少なくともウエハ配列領域の全域に亘ってガスを供給するように、側面に複数のガス吐出孔２８Ａが形成されている。ガス吐出孔２８Ａは、ウエハＷの配置間隔と同じ間隔で、反応管１８の中心を向くようにそれぞれ開口させることができる。これによって、ガス吐出孔２８Ａからガス供給口３６Ａを通り抜ける直線的な経路で、個々のウエハＷに向けてガスを供給することができる。
【００２２】
排気バッファ２４Ｂの下端には、ガス排気空間に連通する排気ポート１９が設けられている。この排気ポート１９に処理室２４内の雰囲気を排気する排気管３８が接続される。また、排気管３８には、処理室２４内の圧力を検出する圧力検出器（圧力検出部）としての真空計４０および開閉弁としてのＡＰＣ（Auto Pressure Controller）バルブ４２を介して、真空排気装置としての真空ポンプ４４が接続されている。
【００２３】
ＡＰＣバルブ４２は、弁コントローラ４１によって開度が制御され、真空ポンプ４４を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室２４内の真空排気および真空排気停止を行うことができ、更に、真空ポンプ４４を作動させた状態で、真空計４０により検出された圧力情報に基づいて弁開度を調節することで、処理室２４内の圧力を目標値に保つことができるように構成されている。真空計４０、弁コントローラ４１、ＡＰＣバルブ４２により、真空圧力制御システム４３が構成される。
【００２４】
マニホールド２２の下方には、マニホールド２２の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ４６が設けられている。シールキャップ４６は、金属によって円盤状に形成されている。シールキャップ４６の上面には、マニホールド２２の下端と当接するシール部材としてのＯリング４８が設けられている。また、シールキャップ４６の上面のうち、Ｏリング４８より内側領域にはシールキャップ４６を覆って保護するシールキャッププレート５０が設置されている。
【００２５】
シールキャップ４６は、マニホールド２２の下端に垂直方向下側から当接されるように構成されており、反応管１８の外部に垂直に設備された昇降機構としてのボートエレベータ５２によって垂直方向に昇降される。ボートエレベータ５２は、ボート２６すなわちウエハＷを、処理室２４内外に搬送する搬送装置（搬送機構）として機能する。
【００２６】
基板保持具としてのボート２６は、複数枚、例えば２５〜２００枚のウエハＷを、水平姿勢で、かつ、互いに中心を揃えた状態で垂直方向に整列させて多段に支持するように、すなわち、間隔を空けて配列させるように構成されている。ボート２６は、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料からなる。
【００２７】
ボート２６とシールキャップ４６の間には断熱部５４が設けられる。断熱部５４は、例えば円筒形状に形成され、あるいは円板状の断熱板が複数枚上下に配列されて、構成されうる。
【００２８】
反応管１８の外壁に沿って温度検出器としての温度検出部５６が設置されている。温度検出部５６により検出された温度情報に基づきヒータ１４への通電具合を調整することで、処理室２４内の温度が所望の温度分布となるように構成されている。
【００２９】
断熱部５４の下部には、円筒形状のボート２６を回転させる回転軸６０が固定されている。回転軸６０の下部であって、シールキャップ４６の処理室２４と反対側には、ボート２６を回転させる回転機構５８が設置されている。
【００３０】
回転機構５８は、上端が開口し、下端が閉塞した略円筒形状に形成されたハウジング５８Ａを備えている。ハウジング５８Ａには、ガス供給管３０ｃが接続されている。ガス供給管３０ｃには、上流方向から順に、ＭＦＣ３２ｃおよびバルブ３４ｃが設けられている。主に、ガス供給管３０ｃ、ＭＦＣ３２ｃ、バルブ３４ｃにより、断熱領域にパージガスを供給するパージガス供給系であるパージガス供給部が構成される。パージガス供給部は、断熱領域の下方位置から上方に向けてパージガスを供給するよう構成される。パージガスは、ガス供給管３０ｃからハウジング５８Ａ内、回転軸６０の周囲を介して断熱領域の底から上方に向けて供給される。
【００３１】
図２に示すように、基板処理装置の主コントローラ２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１２、ＲＡＭ（Random Access Memory）２１４、記憶装置２１６、Ｉ／Ｏポート２１８を備えたコンピュータとして構成されている。ＲＡＭ２１４、記憶装置２１６、Ｉ／Ｏポート２１８は、内部バス２２０を介して、ＣＰＵ２１２とデータ交換可能なように構成されている。主コントローラ２００には、例えばタッチパネル等として構成された入出力装置２２２や外部記憶装置２２４が接続されている。
【００３２】
記憶装置２１６は、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等で構成されている。記憶装置２１６内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラムや、後述する基板処理の手順や条件等が記載されたプロセスレシピ等が、読み出し可能に格納されている。プロセスレシピは、後述する基板処理工程における各手順を主コントローラ２００に実行させ、所定の結果を得ることが出来るように組み合わされたものであり、プログラムとして機能する。以下、このプロセスレシピや制御プログラム等を総称して、単に、プログラムともいう。本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、プロセスレシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。ＲＡＭ２１４は、ＣＰＵ２１２によって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域（ワークエリア）として構成されている。
【００３３】
Ｉ／Ｏポート２１８は、上述のＭＦＣ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ、バルブ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ、真空計４０、弁コントローラ４１、真空ポンプ４４、ヒータ１４、温度検出部５６、回転機構５８、ボートエレベータ５２等に接続されている。
【００３４】
ＣＰＵ２１２は、記憶装置２１６から制御プログラムを読み出して実行するとともに、入出力装置２２２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置２１６からプロセスレシピを読み出すように構成されている。ＣＰＵ２１２は、読み出したプロセスレシピの内容に沿うように、ＭＦＣ３２ａ，３２ｂ，３２ｃによる各種ガスの流量調整動作、バルブ３４ａ，３４ｂ，３４ｃの開閉動作、弁コントローラ４１によるＡＰＣバルブ４２の開閉および圧力調整動作、真空ポンプ４４の起動および停止、温度検出部５６に基づくヒータ１４の温度調整動作、回転機構５８によるボート２６の回転および回転速度調節動作、ボートエレベータ５２によるボート２６の昇降動作等を制御するように構成されている。
【００３５】
〈真空圧力制御システムの構成〉
図３は、真空圧力制御システム４３の概略構成図である。真空圧力制御システム４３は、実際の弁開度を位置センサで検出してフィードバック制御するタイプのもので、真空計４０、弁コントローラ４１、ＡＰＣバルブ４２を備える。
【００３６】
弁コントローラ４１は、インターフェース回路１２１、真空圧力制御回路１２２、シーケンス制御回路１２３、及び空気圧制御部１３０を備える。インターフェース回路１２１は、主コントローラ２００からの遠隔操作信号、または弁コントローラ４１のフロントパネルのボタンを介した現場入力による信号を、真空圧力制御回路１２２やシーケンス制御回路１２３などに適した信号に変換する。
【００３７】
真空圧力制御回路１２２は、処理室２４内の真空圧力に対するフィードバック制御を行う。シーケンス制御回路１２３は、インターフェース回路１２１から与えられた動作モードに従って、空気圧制御部１３０内の第１電磁弁１３４や第２電磁弁１３５を直接操作し、ＡＰＣバルブ４２の全閉や全開等の予め定められた動作をさせる。この動作モードは主に装置の待機時や緊急時または安全のために用いられる。
【００３８】
空気圧制御部１３０は、位置制御回路１３１、パルスドライブ回路１３２、時間開閉動作弁１３３、第１電磁弁１３４、第２電磁弁１３５を備える。位置制御回路１３１は、真空圧力制御回路１２２から与えられた弁開度指令値と、ＡＰＣバルブ４２に設けられたポテンショメータ４１８（位置検出手段の一例）からアンプ４１９を介して与えられた弁開度計測値とを比較して、ＡＰＣバルブ４２の弁の位置を制御するサーボ機構の一種であり、真空圧力制御回路１２２のフィードバック制御の内側で制御ループを構成する。このとき、空気圧制御部１３０の制御量である弁開度を、真空圧力制御回路１２２の制御量である処理室圧力と区別して内部制御量と呼ぶ。弁開度は、操作量又は制御量となりうるリフト量、シリンダ圧力、圧力合算値（後述）、その他の仮想的な指標をも含む概念である。パルスドライブ回路１３２は、位置制御回路１３１からの電空制御信号に基づいて、時間開閉動作弁１３３へパルス信号を送信する。
【００３９】
時間開閉動作弁１３３は、図示しない給気側比例弁及び排気側比例弁を内蔵するものであって、パルスドライブ回路１３２からのパルス信号に応じて、給気側比例弁及び排気側比例弁を時間開閉動作させるものであり、第２電磁弁１３５と第１電磁弁１３４を介して、ＡＰＣバルブ４２の空気圧シリンダ内の空気圧力を調整するものである。尚、ＡＰＣバルブ４２と空気圧制御部１３０とを接続する配管には、圧力センサ１５０が接続され、ＡＰＣバルブ４２のシリンダ圧力を測定する。圧力センサ１５０は、圧力測定結果を弁コントローラ４１に出力する。
【００４０】
ＡＰＣバルブ４２に用いられる真空弁４２０は、エアオペレイトタイプの単動ポペット弁であり、処理室２４から真空ポンプ４４までの排気系のコンダクタンスを変化させるものである。図４に示されるように、真空弁４２０のバルブボディ４３０に接続されたシリンダ４２１にピストン４２２が摺動可能に装填されている。ピストン４２２は、外周面に装着されたパッキン４２３をシリンダ４２１の内壁に摺接させることにより、ピストン４２２の弁座側に操作室４２４を気密に形成している。操作室４２４は、シリンダ４２１に開設された操作ポート４２５に連通流路４２６を介して連通し、操作流体が給排気される。ピストン４２２は、シリンダ４２１のロッド保持部４２８に摺動可能に保持されたピストンロッド４２７を介して弁体４３６に連結され、弁体４３６と一体的に軸線方向（図中上下方向）に往復直線運動する。
【００４１】
弁体４３６は、バルブボディ４３０の弁室４３３に配置されている。弁室４３３は、処理室２４に繋がる第１ポート４３１と真空ポンプ４４に繋がる第２ポート４３２に連通し、第１ポート４３１と連通する開口部４３４の外周に沿って弁座４３５が平坦な面で形成されている。弁体４３６は、弁座４３５と対向する位置にアリ溝４３７が形成され、そのアリ溝４３７に弾性シール部材４３８が弾性変形可能に装着されている。弁体４３６は、圧縮ばね４３９（シール荷重付与手段の一例）により弁座方向に常時付勢され、弾性シール部材４３８を弁座４３５にシールさせるシール荷重を付与されている。ベローズ４４０は、弁室４３３に伸縮可能に配置されている。ベローズ４４０はピストンロッド４２７と同軸に配置され、一端が弁体４３６と接続し、第１ポート４３１から第２ポート４３２に至る流路から密閉された筒状空間を形成している。
【００４２】
真空弁４２０は、弁体４３６（弾性シール部材４３８）を弁座４３５に当接又は離間させることにより弁開閉動作を行う。弁体４３６が弁座４３５から離間する距離は、弁のリフト量として、操作室４２４に対する圧縮空気の供給と排気で操作することができる。弁体４３６が弁座４３５から離間する距離は、弁のリフト量として、ポテンショメータ４１８により計測されるものであり、ＡＰＣバルブ４２の弁開度に相当するものである。
【００４３】
本実施形態に係る真空圧力制御システム４３は、動作モードとして強制クローズモード（ＣＬＯＳＥ）と、真空圧力コントロールモード（ＰＲＥＳＳ）とを、弁コントローラ４１で選択して設定できる。
【００４４】
真空圧力制御システム４３は、強制クローズモード（ＣＬＯＳＥ）を弁コントローラ４１で選択すると、シーケンス制御回路１２３が、第１電磁弁１３４及び第２電磁弁１３５を図３に示すように動作させる。これにより、真空弁４２０の操作室４２４内には圧縮空気が供給されず、操作室４２４内は排気ラインと連通するので、操作室４２４内の空気圧が大気圧となり、真空弁４２０は遮断した状態となる。
【００４５】
一方、真空圧力制御システム４３は、真空圧力コントロールモード（ＰＲＥＳＳ）を弁コントローラ４１で選択すると、シーケンス制御回路１２３が、第１電磁弁１３４を動作させることによって、時間開閉動作弁１３３と真空弁４２０の操作室４２４とを連通させる。これにより、操作室４２４内の空気圧力が調整され、弁のリフト量が操作できる状態となる。
【００４６】
真空圧力コントロールモード（ＰＲＥＳＳ）を選択したとき、真空圧力制御回路１２２は、主コントローラ２００で指示された目標真空圧力値を目標値とするフィードバック制御を開始する。すなわち、図１において、真空計４０で処理室２４内の真空圧力値を計測し、それと目標真空圧力値との差（制御偏差）に応じて、ＡＰＣバルブ４２の弁のリフト量を操作し、排気系のコンダクタンスを変化させることによって、処理室２４内の真空圧力を目標真空圧力値に一定に保持する。
【００４７】
フィードバック制御は、ＰＩＤベースの制御によって実現でき、より好適には時定数やゲイン等のパラメータを所定の条件に応じて変更する。例えば、フィードバック制御の制御偏差が大きいときは、フィードバック制御の時定数を最小にしたり、ゲインを最大にしたりして、フィードバック制御の速応性が十分に確保される。一方、フィードバック制御の制御偏差が小さいときは、予め調整されたパラメータに段階的に移行するので、処理室２４内の真空圧力を安定した状態で維持することができる。
【００４８】
図５に示す真空圧力制御回路１２２のフィードバック制御のブロック図に基づいて具体的に説明する。真空計４０で計測された処理室２４内の真空圧力値を比例回路１０５、微分回路１０６により調整した値は、内部コマンド発生回路１１１が保持している目標真空圧力値と比較され、その差分（誤差信号）が比例回路１０２、微分回路１０３に入力される。積分回路１０４は、比例回路１０２、微分回路１０３の出力の合算を積分して得られる弁開度指令値を、０〜５Ｖの範囲の電圧として、位置制御回路１３１に出力する。５Ｖは、真空圧力コントロールモード（フィードバック制御下）におけるＡＰＣバルブ４２の全開（以下、電気的に定義される全開と呼ぶ）に対応する。なおこの全開位置は、機械的（物理的）に定義される、強制クローズモードにおける全開とは異なり、空気圧制御部１３０のサーボ制御を安定にするために、弁体はわずかに弁座側に寄っている。このときのリフト量は、リーク開始位置から約４２ｍｍである。以下、単に全開といった場合は、電気的に定義される全開を意味するものとする。
【００４９】
積分時間調整回路１０１は、積分回路１０４の時定数を決定する。例えば、真空計４０の計測値が、目標真空圧力値に対して離れているときは、内部演算回路により積分回路の積分時間が比較的小さくなるように動作する。これにより、積分回路１０４は、比較的大きなゲインをもつ増幅回路として機能させることができる。
【００５０】
すなわち、
（真空計４０の計測値）＞（目標真空圧力値）
となる場合は、積分回路１０４の最大値である５Ｖが、位置制御回路１３１に対して出力される。その結果、ＡＰＣバルブ４２は急速に開く方向に動作する。一方、
（真空計４０の計測値）＜（目標真空圧力値）
となる場合には、積分回路１０４の最小値である０Ｖが位置制御回路１３１に対して出力される。その結果、ＡＰＣバルブ４２は、急速に閉じる方向に動作する。
【００５１】
これらの動作により、ＡＰＣバルブ４２の弁開度は、目標真空圧力値にするための位置の近くまで、最短時間で到達できる。その後、目標真空圧力値にするための位置の近くまで到達したと判断した積分時間調整回路１０１は、その位置にて真空圧力を安定した状態で保持するため、予め調整された積分回路１０４の時定数に段階的に移行する動作を行う。段階的な移行は３段階以上でもよい。
【００５２】
内部コマンド発生回路１１１は、通常は、インターフェース回路１２１から与えられた目標圧力を保持してそのまま出力する。また、真空計４０からの処理室圧力を監視し、目標圧力との差が大きいために目標圧力変化速度を超える圧力変化が予期された場合や、フィードバック制御がオーバーシュートやハンチング等を起こして収束時間が長くなることが予期された場合に、目標圧力を変更する。つまり、目標圧力を階段状に変化させて、与えられた目標圧力に近づけていくような内部コマンドを順次発生する。なお段差を十分小さくし、目標圧力を実質的に連続的に変更してもよい。
【００５３】
スケール調整回路１０８は、積分回路１０４が出力する弁開度指令値にゲイン値Ｇを乗算して出力する。ゲイン値は通常１前後の値であり、これによって、弁開度指令値の変域（スケール、スパン）を変更でき、その結果電気的に定義される全開を調整することができる。
【００５４】
バイアス制御回路１１０は、スケール調整後の弁開度指令値に加算すべきバイアス（オフセット）値Ｂを算出して出力する。バイアス値Ｂは、弾性シール部材４３８がシール力を失うときの弁座位置（リーク開始位置）に対応する。オフセット値Ｂは実際には、測定したリーク開始位置に対して所定の潰し量（マージン）を加えた値として設定されうる。オフセットを加算された後の弁開度指令値は、その最小値がリーク開始位置に対応し、その最大値が電気的に定義される全開に対応するようになる。
【００５５】
バイアス制御回路１１０によるバイアス値Ｂの決定方法を説明する。リーク開始位置は、弾性シール部材４３８の状態の他、弁の差圧（処理室２４と真空ポンプ４４との圧力差）によっても変化する。ここでは、真空ポンプ４４の圧力は一定もしくは十分小さいと仮定して、処理室２４の圧力に依存するものとする。このとき、圧力センサ１５０が検出したシリンダ圧力に、真空計４０が検出した処理室圧力を加算した合算値は、リーク開始時に常に略一定となることが知られる。
【００５６】
第１の決定方法では、バイアス制御回路１１０は、積分回路１０４の出力を監視し、積分回路１０４の出力が０Ｖ（最低値）になっている間、次の処理を行う。すなわち、圧力センサ１５０の圧力と真空計４０の圧力の合算値を、予め記憶しているリーク開始基準圧力と比較し、誤差に応じてバイアス値Ｂを調整するネガティブフィードバック制御を行う。例えば現在のバイアス値Ｂを初期値として、誤差信号の積分を行う。これによりシリンダ圧力はリーク開始位置に対応するようになり、積分回路１０４の出力が非０に変わると直ちにリーク開始できるようになる。
【００５７】
第２の決定方法では、予め所定の処理室圧力（例えば１００Ｐａ）で実測したリーク開始基準位置と、リーク開始位置の処理室圧力への依存性（例えば比例定数あるいは折れ線近似テーブル）を記憶する。そして積分回路１０４の出力が最低値になっている間、或いは常時、処理室圧力に対応するリーク開始位置を算出し、バイアス値Ｂとして出力する。
【００５８】
上述したように、弁開度指令値の最小値がリーク開始位置に対応するようにバイアス値Ｂが動的に修正されると、バイアス値Ｂが加算された弁開度指令値の最大値も変化し、電気的に定義される全開の開度を揃えることが困難な原因の１つとなっていた。本例のスケール調整回路１０８は、バイアス値Ｂの変化に追従してゲイン値Ｇを更新する。
【００５９】
積分回路１０４の最大値（５Ｖ）をＶmax、弁開度指令値にバイアス値Ｂが加算されていない（バイアス値Ｂが０）の時におけるゲインを基準ゲインＧRefとすると、ゲイン値Ｇは以下で計算される。
Ｇ＝ＧRef（Ｖmax − Ｂ）／Ｖmax
基準ゲインＧRefは、例えば１であり、必要に応じて自己校正を行う。すなわち、ポテンショメータ４１８の出力は実際の弁開度（コンダクタンス）を示すものと信用して、真空圧力制御システム４３の初期動作時に積分回路１０４の出力を最大値（５Ｖ）、バイアス値Ｂを０とし、ポテンショメータ４１８の出力する開度が所望の（例えばリフト量４２ｍｍに相当する）基準での全開となるように、基準ゲインＧRefを調整する。なお、ポテンショメータ４１８の出力は振動している場合があるので、十分に平均化してから利用する。更には、実際の成膜プロセスにおけるＡＰＣバルブ４２の動作パターンにおける、操作量（リフト量、もしくは処理室圧力）の応答を測定し、そのトレースを標準となる応答と照合して、標準に近づくように修正することができる。
【００６０】
図６にフィードバック制御におけるＡＰＣバルブ４２のリフト量の時間応答の例を示す。このグラフでは、1.04，1.05，1.06の３つの基準ゲインＧRefについて、ＡＰＣバルブ４２を全閉から全開に動作させたときの、ポテンショメータ４１８の出力が示されている。リフト量は、１回オーバーシュートした後は、目標値に向かって単調に収束し、これら３つの挙動は目標値が異なる以外はほぼ同じである。このように、スケール調整回路１０８のゲイン（基準ゲインＧRef）によって、位置制御回路１３１の出力を調整し、第２制御回路の弁開度の上限を、物理的な全開よりも開度が小さい所定の全開とすることができる。
【００６１】
実際の成膜プロセスでは、ＡＰＣバルブ４２の開度のわずかな相違によって、処理室２４内での排気の流速や到達真空度が変化する。到達真空度への影響は、排気中にパージガスやバラストガスが供給される場合や、ガス供給のシーケンスが時間のパターンによって厳格に規定されている場合に、顕著となりうる。流速への影響は、処理室に処理ガスが充満した状態で急速にＡＰＣバルブ４２が全開となる場合であって、特に図６で示したオーバーシュートが生じている状況で、顕著となりうる。この結果、下記のような問題が少なくとも１つ生じうる。
【００６２】
第１に、全開のまま所定時間経過後の処理室内の残留ガスの濃度が相違してしまう。
【００６３】
第２に、全開に遷移する際に定レート制御を介在させたとしても、ゲイン等の相違はシステムの過渡応答特性の相違を引き起こすので、全開から定圧動作への遷移時点での処理室圧力もしくは弁開度が異なることとなり、定圧動作中に目標圧力に維持される時間や精度も相違してしまう。
【００６４】
第３に、排気流速の変化に伴ってレイノルズ数が変化し、ウエハＷ表面付近の渦や乱流の様態が変化し、パターニングされたトレンチやビアからの吸着ガスの脱出（表面からの脱離とクヌーセン拡散を伴う）の速さが変化する。この結果、成膜の品質に影響する。発明者らは窒化シリコン膜の堆積において、４２ｍｍのリフト量のレンジに対して、全開時のオーバーシュートに±０．４ｍｍの機差があると、組成（窒素の濃度）が変化することを確認した。
【００６５】
上記第３の問題は、空気圧制御部１３０のサーボ系の特性に強く依存するオーバーシュート量に機差がある場合、スケール調整回路１０８のゲイン調整だけでは、不完全かもしれないことを示唆している。空気圧制御部１３０の特性に機差を生じさせうる要因として、時間開閉動作弁１３３の不感帯がある。このため、図５に示すように、空気圧制御部１３０に、その特性を調整する手段としてオーバーシュート量調整器１３６を設けることができる。オーバーシュート量調整器１３６は、位置制御回路１３１のＰＩＤ制御の各パラメータを操作可能に構成される。また、位置制御回路１３１がパルスドライブ回路１３２へ与える時間開閉動作弁内の２つの弁の開閉時間を表す２つの信号を、整流化ランプ（ＲｅＬＵ：REctified Linear Unit）関数で発生させている場合に、その原点オフセットを操作可能に構成されうる。スケール調整回路１０８とオーバーシュート量調整器１３６とを含む、弁開度の上限を設定可能な手段を総称して、スパン調整回路と呼ぶことにする。オーバーシュート量調整器１３６は、位置制御回路１３１に常時一定のパラメータを設定するように構成され、あるいは、オーバーシュートが発生しうる時に特別の代用のパラメータを設定するように構成されうる。
【００６６】
図７にフィードバック制御における処理室圧力およびリフト量の時間応答の例を示す。このグラフでは、ＡＰＣバルブ４２を全閉（あるいは所定の定圧制御）から全開に切り替え、全開のまま所定量のガスを処理室に供給し続け、５０秒後に到達真空度に近い５０Ｐａの定圧制御に移行する動作をさせたときの、処理室のポテンショメータ４１８の出力が示されている。全開に切り替えた直後から、処理室圧力は指数関数的に滑らかに減少し、定圧制御への移行後もハンチング等は見受けられない。精密に分析すると、定圧制御への移行時における処理室圧力は、基準ゲインＧRefによってわずかに異なり、基準ゲインＧRefが大きいほど処理室圧力は低い。
【００６７】
一方、リフト量は、全開に切り替えた直後、図６と同様の軽いオーバーシュートを起こした後は、基準ゲインＧRefに応じた開度を安定に維持する。しかし定圧制御へ移行すると、移行のショックにより好ましくないハンチングが発生する。このハンチングは、定圧制御への移行時における処理室圧力と、定圧制御の目標圧力（５０Ｐａ）との差に敏感である。このハンチングは、リフト量による圧力の変化が少ない真空領域であるがために、リフト量を大きく振動させ、その結果、１０秒間の定圧制御の後の全閉又は定圧制御におけるリフト量の初期値をかく乱させうる。
【００６８】
このことから、スパン調整回路のゲイン等は、下記の方法によって校正される。
【００６９】
第１の校正方法では、主コントローラ２００は、図７のような排気動作パターンを含むレシピを反復するプロセスを実行している間、全開から定圧制御へ移行する直前、もしくは定圧制御の最後における処理室圧力を、複数回（例えば反復回数）測定して平均化する。そして、これを基準処理室圧力と比較し、測定値の方が高ければ、スケール調整回路１０８の基準ゲインＧRefをわずかに大きくなるよう修正し、逆に測定値の方が小さければ基準ゲインＧRefをわずかに小さくなるよう修正し、その結果を弁コントローラ４１に通知する。修正量は最急降下法やＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）基準、動的計画法、模擬アニーリング法、近傍探索法等のアルゴリズムにより決定されうる。近傍探索法は、修正され基準ゲインＧRefによって誤差が小さくなればその修正を採用し、誤差が大きくなればその修正を破棄し、次に試行では符号を反転させた修正量を用いるアルゴリズムである。
【００７０】
第２の校正方法では、弁コントローラ４１は、上述の定圧制御の期間を主コントローラ２００から通知されると、その期間におけるハンチングの回数、期間の最後において測定したリフト量もしくはシリンダ圧力、およびそれらの時間微分を記録し、平均化する。そして、これらを、基準回数、基準リフト量もしくは基準シリンダ圧力、基準微分リフト量もしくは基準微分シリンダ圧力とそれぞれ比較し、その結果に基づいてスケール調整回路１０８の基準ゲインＧRefを上記のようなアルゴリズムを用いてわずかに修正する。このとき、リフト量もしくはシリンダ圧力がその基準値に一致さえすれば、回数や微分値は不一致のままでもよい。
【００７１】
第３の校正方法では、主コントローラ２００は、所定のレシピを実行中に、全閉もしくは所定の圧力の定圧制御から全開へ移行した直後のリフト量のオーバーシュート量を、弁コントローラ４１に測定させ、それを複数記録して平均化する。そして、基準オーバーシュート量と比較し、その結果に基づいてオーバーシュート量調整器１３６のパラメータを上記のようなアルゴリズムを用いてわずかに修正する。第１から第３の校正方法は併用できる。
【００７２】
〈真空圧力制御システムの変形例１〉
真空圧力制御システム４３は、弁開度指令値を出力する積分回路１０４の出力に、ゲインＧを乗算してから、オフセット値Ｂを加算したが、逆でもよい。あるいは、ポテンショメータ４１８の出力にゲインを乗算してもよい。この場合、ゲインを変更すると、リーク開始位置に対応するバイアス値も変化するので、バイアス値の更新が必要となる。
【００７３】
〈真空圧力制御システムの変形例２〉
真空圧力制御システム４３は、弁開度指令値を出力する積分回路１０４の出力に、オフセット値ＢやゲインＧを施して、弁開度指令値のレンジを調整したが、積分回路１０４の出力の下限値や上限値を直接設定することによっても、同様の効果が得られる。下限値は、オフセット値Ｂと同じでよく、上限値は固定（５Ｖ）もしくはＧRefの校正方法と同様に定めることができる。
【００７４】
変形例２では、上限値は下限値とは独立に一意に設定できるので、オフセット値Ｂへ追従させる修正は不要である。ただし、弁開度指令値の最終的な値が、単一の積分回路によって決定される必要があり、ＰＩＤ制御の構成が限定される。
【００７５】
〈真空圧力制御システムの変形例３〉
真空圧力制御システム４３は、リフト量を操作量とする制御系として構成されていたが、特許文献３のように、シリンダ圧力を操作量とする制御系として構成してもよい。圧力センサ１５０の圧力と真空計４０の圧力の合算値は、弁開度とよく対応し、リフト量とはスケールが異なるだけで実質的に同じものを表している。すなわち、この圧力合算値を、弁開度指令値に一致させるような制御を行う。全開に相当する弁開度指令値（圧力合算値）は、その最大値が、所定の全開基準値と一致するようにゲイン又は積分上限値を設定することで、定めることができる。変形例３ではポテンショメータは不要となる。
【００７６】
〈基板処理装置を用いた基板処理方法〉
次に、基板処理装置１０を用い、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、基板上に膜を形成する処理（以下、成膜処理ともいう）のシーケンス例について説明する。ここでは、基板としてのウエハＷに対して、第１の処理ガス（原料ガス）と第２の処理ガス（反応ガス）とを交互に供給することで、ウエハＷ上に膜を形成する例について説明する。
【００７７】
以下、図８を参照して、原料ガスとしてヘキサクロロジシラン（Ｓｉ２Ｃｌ６、略称：ＨＣＤＳ）ガスを用い、反応ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）ガスを用い、ウエハＷ上にシリコンリッチなシリコン窒化膜（以下、ＳｉＮ膜ともいう）を形成する例について説明する。なお、以下の説明において、基板処理装置１０を構成する各部の動作は主コントローラ２００により制御される。
【００７８】
本実施形態における成膜処理では、処理室２４内のウエハＷに対してＨＣＤＳガスを供給する工程（Ｓ２０１）と、処理室２４内からＨＣＤＳガス（残留ガス）を除去する工程（Ｓ２０２）と、処理室２４内のウエハＷに対してＮＨ３ガスを供給する工程（Ｓ２０３）と、処理室２４内からＮＨ３ガス（残留ガス）を除去する工程（Ｓ２０４）と、を非同時に行うサイクルを所定回数（１回以上）行うことで、ウエハＷ上にＳｉＮ膜を形成する。
【００７９】
なお、本明細書において「ウエハ」という用語は、「ウエハそのもの（ベアウェハ）」の他、「ウエハとその表面に形成された所定の層や膜等との積層体（複合体）」を意味する。同様に「ウエハの表面」という用語は、「ウエハそのものの表面」を意味する場合や、「ウエハ上に形成された所定の層や膜等の表面、すなわち、積層体としてのウエハの最表面」を意味する場合がある。「基板」という用語の解釈も、「ウエハ」と同様である。
【００８０】
（Ｓ１０１：ウエハチャージおよびボートロード）
最初に、複数枚のウエハＷがボート２６に装填（ウエハチャージ）されると、ボート２６は、ボートエレベータ５２によって処理室２４内に搬入（ボートロード）される。このとき、シールキャップ４６は、Ｏリング４８を介してマニホールド２２の下端を気密に閉塞（シール）した状態となる。ウエハチャージする前のスタンバイの状態からマニホールド２２の下端が気密に閉塞されると、バルブ３４ｃを開き、処理室２４内断熱領域へのパージガスの供給を開始する。断熱領域の下方位置から上方に向けて供給されたパージガスは、断熱部５４および断熱部５４の周囲を含む（断熱領域）をパージして、副排気口６２から排気される。パージガスの断熱領域の下方から上方にむけての供給を維持し、断熱領域に面する側方に設けられた副排気口６２から排気することで、断熱部５４の周囲（断熱領域）に供給されたパージガスが成膜領域に拡散することが抑制される。なお、ウエハチャージする前のスタンバイの状態から、バルブ３４ｃを開とし、断熱部５４に対するパージガスの供給を開始しても良い。この場合、ウエハチャージ中に外部より巻き込まれるパーティクルが断熱部５４に付着することを防ぐことができる。
【００８１】
（Ｓ１０２：圧力調整および温度調整）
処理室２４内、すなわち、ウエハＷが存在する空間が所定の圧力（真空度）となるように、真空ポンプ４４によって真空排気（減圧排気）される。この際、処理室２４内の圧力は、真空計４０で測定され、この測定された圧力情報に基づきＡＰＣバルブ４２が、フィードバック制御される。真空ポンプ４４は、少なくともウエハＷに対する処理が終了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。
【００８２】
また、処理室２４内のウエハＷが所定の温度となるように、ヒータ１４によって処理室２４内が加熱される。この際、処理室２４内が所定の温度分布となるように、温度検出部５６が検出した温度情報に基づきヒータ１４への通電具合がフィードバック制御される。ヒータ１４による処理室２４内の加熱は、少なくともウエハＷに対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。
【００８３】
また、回転機構５８によるボート２６およびウエハＷの回転を開始する。回転機構５８により、回転軸６０を介してボート２６が回転されることで、ウエハＷが回転される。回転機構５８によるボート２６およびウエハＷの回転は、少なくとも、ウエハＷに対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。
【００８４】
（Ｓ１０３：成膜処理）
処理室２４内の温度が予め設定された処理温度に安定すると、次の４つのステップ、すなわち、ステップＳ２０１、Ｓ２０２、Ｓ２０３及びＳ２０４を順次実行する。
【００８５】
（Ｓ２０１：原料ガス供給）
このステップでは、処理室２４内のウエハＷに対し、ＨＣＤＳガスを供給し、ウエハＷの最表面上に、第１の層として、例えば１原子層未満から数原子層の厚さのシリコン（Ｓｉ）含有層を形成する。
【００８６】
バルブ３４ａを開き、ガス供給管３０ａ内へＨＣＤＳガスを流す。ＨＣＤＳガスは、ＭＦＣ３２ａにより流量調整され、ノズル２８のガス吐出孔２８Ａ、ガス供給空間２４Ａ、ガス供給口３６Ａを介して処理室２４内の処理領域へ供給され、ガス排気口３６Ｂ、排気バッファを介して排気管３８から排気される。また同時にバルブ３４ｂを開き、ガス供給管３０ｂ内へＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスは、ＭＦＣ３２ｂにより流量調整され、ノズル２８のガス吐出孔２８Ａ、ガス供給空間２４Ａ、ガス供給口３６Ａを介してＨＣＤＳガスと一緒に処理室２４内の処理領域へ供給され、ガス排気口３６Ｂ、排気バッファを介して排気管３８から排気される。このとき、真空圧力制御システム４３は、第１圧力を目標圧力とする定圧制御を行う。ただしステップＳ２０１の初期では、目標圧力に比べ処理室圧力がかなり低いため、ＡＰＣバルブ４２は全閉となり、末期においても、全閉もしくは僅かに開いている程度である。
【００８７】
（Ｓ２０２：原料ガス排気）
第１の層が形成された後、バルブ３４ａを閉じ、ＨＣＤＳガスの供給を停止するとともに、目標圧力を０とする定圧制御（つまり全開制御）を行う。これにより、処理室２４内を真空排気し、処理室２４内に残留する未反応もしくは第１の層の形成に寄与した後のＨＣＤＳガスを処理室２４内から排出する。このとき、バルブ３４ｂを開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２４内への供給を維持する。Ｎ２ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室２４内に残留するガスを処理室２４内から排出する効果を高めることができる。到達真空度のばらつきが膜質に影響する場合は、目標圧力を到達可能な所定の値（例えば５０Ｐａ）に設定することができ、目標圧力は図７で示したように途中で５０Ｐａに変更してもよい。
【００８８】
（Ｓ２０３：反応ガス供給）
ステップＳ２０２が終了した後、処理室２４内のウエハＷ、すなわち、ウエハＷ上に形成された第１の層に対してＮＨ３ガスを供給する。熱で活性化されたＮＨ３ガスは、ステップＳ２０１でウエハＷ上に形成された第１の層（Ｓｉ含有層）の少なくとも一部と反応し、ＳｉおよびＮを含む第２の層（シリコン窒化層）へと変化（改質）させる。
【００８９】
このステップでは、バルブ３４ａ，３４ｂの開閉制御を、ステップＳ２０１におけるバルブ３４ａ，３４ｂの開閉制御と同様の手順で行う。ＮＨ３ガスは、ＭＦＣ３２ａにより流量調整され、ノズル２８のガス吐出孔２８Ａ、ガス供給空間２４Ａ、ガス供給口３６Ａを介して処理室２４内の処理領域へ供給され、ガス排気口３６Ｂ、排気バッファを介して排気管３８から排気される。このとき、真空圧力制御システム４３は、第２圧力を目標圧力とする定圧制御を行う。ただしステップ２の初期では、ＡＰＣバルブ４２は全閉となる。
【００９０】
（Ｓ２０４：反応ガス排気）
第２の層が形成された後、バルブ３４ａを閉じ、ＮＨ３ガスの供給を停止するとともに、目標圧力を０とする定圧制御（つまり全開制御）を行う。これにより、処理室２４内を真空排気し、処理室２４内に残留する未反応もしくは第２の層の形成に寄与した後のＮＨ３ガスを処理室２４内から排出する。このとき、ステップＳ２０２と同様に、所定量のＮ２ガスをパージガスとして処理室２４内へ供給することができる。
【００９１】
（Ｓ２０５：所定回数実施）
上述したＳ２０１からＳ２０４のステップを時間的にオーバーラップさせることなく順次行うサイクルを所定回数（ｎ回）行うことにより、ウエハＷ上に、所定組成および所定膜厚のＳｉＮ膜を形成することができる。ステップＳ２０１やＳ２０３で形成される第１及び第２の層の厚さは、必ずしも自己限定的ではないため、安定した膜質を得るためには、ガスに曝露される間のガス濃度や時間は、高い再現性でもって精密に制御される必要がある。なお、反復されるサイクル内で、Ｓ２０１とＳ２０２、またはＳ２０３とＳ２０４を、更に複数回反復して実施してもよい。
【００９２】
（Ｓ１０４：ボートアンロードおよびウエハディスチャージ）
処理室２４内の雰囲気が不活性ガスに置換され（不活性ガス置換）、処理室２４内の圧力が常圧に復帰されると、ボートエレベータ５２によりシールキャップ４６が下降され、マニホールド２２の下端が開口される。そして、処理済のウエハＷが、ボート２６に支持された状態で、マニホールド２２の下端から反応管１８の外部に搬出される（ボートアンロード）。処理済のウエハＷは、ボート２６より取出される（ウエハディスチャージ）。
【００９３】
本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。当業者は、上述の実施形態を、減圧下で膜を形成する処理に広く適用することができ、更に酸化処理、拡散処理、アニール処理、エッチング処理等へも適用できるであろう。処理ガスは、３種類以上の原料ガスや反応ガスを組み合わせて用いることができる。
【００９４】
〈本開示の好ましい態様〉
以下に、付記として本開示の好ましい態様を記す。
【００９５】
（付記１）
処理室と真空ポンプとの間に接続され、作動流体によって弁開度を操作して前記処理室内の真空圧力を制御する真空圧力制御システムであって、
前記処理室と前記真空ポンプとを接続する流路と、前記流路に形成されている弁座とを有するバルブボディと、
前記バルブボディに接続され、所定の軸方向に運動可能にピストンを収容するシリンダと、
前記ピストンに連結され、前記弁座への当接による前記流路の遮断、または前記弁開度に応じて前記弁座から離間される弁体と、
前記弁開度を検出するセンサと、
前記センサが検出した前記弁開度、及び前記処理室内の真空圧力と真空圧力目標値との偏差に基づいて、前記弁開度を制御する弁開度制御信号を出力する第１制御回路と、
前記弁開度制御信号に基づいて、前記ピストンへの作動流体の供給を制御する電空制御信号を出力する第２制御回路と、を有し、
前記第１制御回路は、前記弁開度制御信号の上限値が、物理的な全開よりも開度が小さい所定の全開に対応するように、前記弁開度制御信号のゲインを調整するスケール調整回路を有する。
【００９６】
（付記２）
付記１記載の真空圧力制御システムは、好ましくは、
前記スケール調整回路は基準ゲインを保持し、前記弁開度制御信号のゲインは、前記基準ゲインを前記弁開度制御信号のオフセットの変化に応じて調整することで算出される。
【００９７】
（付記３）
付記１記載の真空圧力制御システムは、好ましくは、
前記センサは、弁体のリフト量を検出するポテンショメータであり、
前記ゲインは、前記弁開度制御信号の出力を最大、且つバイアスを０としたときに、前記センサの出力する開度が前記所定の全開に対応するように調整される。
【００９８】
（付記４）
付記１記載の真空圧力制御システムは、好ましくは、
ウエハの成膜プロセスにおいて、定圧制御と全開制御とを含む動作パターンと同じ動作パターンで、前記弁開度または前記処理室内の真空圧力の応答を測定し、それを標準となる応答と照合して、前記標準に近づくように前記ゲインを修正する。
【符号の説明】
【００９９】
１０：基板処理装置、１２：処理炉、１４：ヒータ、１６：ヒータベース、１８：反応管、１８Ａ，１８Ｂ：仕切り部、１８Ｃ：フランジ部、１９：排気ポート、２２：マニホールド、２４：処理室、２４Ａ：供給バッファ、２４Ｂ：排気バッファ、２８：ノズル、３０：ガス供給管、３２：マスフローコントローラ、３４：バルブ、３６Ａ：ガス供給口、３６Ｂ：ガス排気口、３８：排気管、４０：真空計、４１：弁コントローラ、４２：ＡＰＣバルブ、４３：真空圧力制御システム、４４：真空ポンプ、５４：断熱部、６２：副排気口、１２１：インターフェース回路、１２２：真空圧力制御回路、１２３：シーケンス制御回路、１３０：空気圧制御部、１３１：位置制御回路、１５０：圧力センサ、２００：主コントローラ、４２０：真空弁。
【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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【手続補正書】
【提出日】令和2年2月6日(2020.2.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理する処理室と、
前記処理室を排気する真空ポンプと、
前記処理室と前記真空ポンプとを接続する流路と、前記流路に形成されている弁座とを有するバルブボディと、
前記バルブボディに接続され、所定の軸方向に運動可能にピストンを収容するシリンダと、
前記ピストンに連結され、前記弁座への当接による前記流路の遮断、または弁開度に応じて前記弁座から離間される弁体と、
前記弁開度を検出するセンサと、
前記弁開度を制御する弁コントローラと、を備え、
前記弁コントローラは、
前記センサが検出した前記弁開度、及び前記処理室内の真空圧力と真空圧力目標値との偏差に基づいて、前記弁開度を制御する弁開度制御信号を出力する第１制御回路と、
前記弁開度制御信号に基づいて、前記ピストンへの作動流体の供給を制御する電空制御信号を出力する第２制御回路と、
前記弁開度の上限が、物理的な全開よりも開度が小さい所定の全開となるように、前記第１制御回路もしくは第２制御回路を調整するスパン調整回路と、を有する基板処理装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記弁コントローラは、前記弁開度制御信号の下限値が、前記処理室の圧力によって変化する前記弁座のリーク開始位置に対応するように、前記弁開度制御信号の下限を調整するバイアス制御回路を有する基板処理装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記スパン調整回路は、前記弁コントローラが、前記所定の全開に対応する弁開度制御信号を生成するときに、前記弁開度が前記所定の全開に収束した状態での開度を、複数の制御パラメータを用いて調整するものであり、
前記制御パラメータは、前記弁開度を前記所定の全開に収束させる指令を含む所定のプロセスレシピを前記基板処理装置で実行したときの前記処理室内の真空圧力のトレースに基づいて、機差を補償するように設定される基板処理装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記スパン調整回路は、前記第２制御回路のＰＩＤ制御の各パラメータ若しくは不感帯を操作可能に構成されたオーバーシュート量調整器を含む基板処理装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記処理室に収容され、複数のウエハを所定の軸に沿って所定の間隔で配列した状態で保持する基板保持具と、
前記処理室に収容され、前記基板保持具の下方に配置される断熱部と、
前記処理室内の前記複数のウエハの側端に向いて設けられた開口によって、前記処理室と流体連通するガス供給機構と、
前記処理室内の前記複数のウエハの側端に向いて設けられた排気口によって、前記処理室と流体連通するガス排出機構と、
前記バルブボディと、前記シリンダと、前記弁体と、前記センサと、前記弁コントローラとを有する真空圧力制御システムと、を更に備える基板処理装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記第１制御回路は基準ゲインを保持し、前記弁開度制御信号のゲインは、前記基準ゲインを前記弁開度制御信号のオフセットの変化に応じて調整することで算出される基板処理装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記センサは、前記弁体のリフト量を検出するポテンショメータであり、
前記弁開度制御信号のゲインは、前記弁開度制御信号の出力を最大、且つ前記弁開度制御信号の下限を０としたときに、前記センサの出力する開度が前記所定の全開に対応するように調整される基板処理装置。
【請求項８】
請求項１において、
ウエハの成膜プロセスにおいて、定圧制御と全開制御とを含む動作パターンと同じ動作パターンで、前記弁開度または前記処理室内の真空圧力の応答を測定し、それを標準となる応答と照合して、前記標準に近づくように前記弁開度制御信号のゲインを修正する基板処理装置。
【請求項９】
請求項２において、
前記弁体を前記弁座方向に常時付勢する圧縮ばねを更に備え、
前記バイアス制御回路は、前記第１制御回路が前記弁開度をゼロにする制御をしている間、前記シリンダの圧力を測定する圧力センサの圧力と前記処理室の圧力を測定する真空計の圧力の合算値を、予め記憶しているリーク開始基準圧力と比較し、誤差信号の積分を行うことで、前記弁開度制御信号の下限を修正する基板処理装置。
【請求項１０】
請求項５に記載の基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
前記真空圧力制御システムが前記処理室内の真空圧力を一定に制御しながら、前記処理室内に原料ガスを供給する原料ガス供給工程と、
前記真空圧力制御システムが前記弁開度を前記所定の全開に制御しながら、前記処理室内を排気する原料ガス排気工程と、
前記真空圧力制御システムが前記処理室内の真空圧力を一定に制御しながら、前記処理室内に反応ガスを供給する反応ガス供給工程と、
前記真空圧力制御システムが前記弁開度を前記所定の全開に制御しながら、前記処理室内を排気する反応ガス排気工程と、を繰り返し行う半導体装置の製造方法。