(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気口チャンネルと、
４つの排気口チャンネルと、
４つの制御バルブであって、そのそれぞれが前記吸気口チャンネルから前記排気口チャンネルのうち対応する１つを通る流量を制御するように配置される４つの制御バルブと、
前記吸気口チャンネルから前記対応する排気口チャンネルを通る流量を制御することにより、
（ａ）第１の対の前記排気口チャンネルの第１の流量比と、
（ｂ）第２の対の前記排気口チャンネルの第２の流量比と、
（ｃ）前記第２の対の排気口チャンネルに対する前記第１の対の排気口チャンネルの第３の流量比と、
を制御する流量比制御システムと、
を備え、
前記第３の流量比は、少なくとも１対のバルブにそれぞれ印加される少なくとも１つのバイアス信号を生成することによって制御され、前記バイアス信号は、前記第３の流量比の所定の設定点と前記第３の流量比の計測値との関数であり、
前記流量比制御システムは、二重反対称最適制御モジュールを有することを特徴とする４チャンネルガス送出システム。
【請求項２】
それぞれが前記４つの排気口チャンネルを通る流量を検知するように配置される４つの流量センサをさらに有し、
３つの流量比全ての前記計測値は、前記流量センサによって検知された流量の関数であることを特徴とする請求項１に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項３】
前記流量比制御システムは、前記第２の対の排気口チャンネルに対する前記第１の対の排気口チャンネルの流量を前記第３の比率設定点の関数として制御するように構成された反対称フィードバック制御構成を有することを特徴とする請求項２に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項４】
前記流量比制御システムは、計測された前記第３の流量比を所定の設定点と等しく維持するように、前記第２の対の排気口チャンネルに対する前記第１の対の排気口チャンネルの前記第３の流量比を制御するフィードバック制御構成を有する、二重反対称最適制御モジュールを有することを特徴とする請求項１に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項５】
前記二重反対称最適制御モジュールは、ソフトウェアとして実装されることを特徴とする請求項４に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項６】
前記第３の流量比の設定点は、前記第１の対のフローチャンネルの流量比設定点の総和であることを特徴とする請求項１に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項７】
前記第１の流量比の設定点および前記第２の流量比の設定点は、各対のフローチャンネルそれぞれの流量比設定点の相対比率であることを特徴とする請求項１に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項８】
前記排気口チャンネルを通る流量を計測し、各排気口チャンネルを通る計測流量を表す流量計測信号を供給するために配置される４つの流量計をさらに有し、
各バルブは、前記流量計測信号のうち少なくとも１つに応答することを特徴とする請求項１に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項９】
３つの流量比全ての計測値は、前記４つの排気口チャンネルに関連付けられた前記流量計測信号の関数として決定されることを特徴とする請求項８に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項１０】
前記流量比制御システムは、前記排気口チャンネルを通る流量の前記第１、第２、および第３の流量比を維持するように、前記排気口チャンネルを通る質量流量の反対称最適制御を行うように構成された制御装置を含むことを特徴とする請求項１に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記バルブのそれぞれに対するバルブ制御信号を生成する３つの二重反対称最適（ＤＡＯ）制御モジュールを有し、前記バルブはそれぞれ対応するバルブ制御信号に応答することを特徴とする請求項１０に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項１２】
前記バイアス信号は、前記少なくとも１対のバルブに印加される前記バルブ制御信号に加えられることを特徴とする請求項１１に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項１３】
第２のバイアス信号は、前記他方の対のバルブに印加されるバルブ制御信号に加えられることを特徴とする請求項１２に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項１４】
前記バイアス信号の１つは、前記バルブのうち少なくとも１つを、許容可能な最大開放位置に維持するための最適バイアスであることを特徴とする請求項１３に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項１５】
前記バルブは常開のバルブであり、
前記１つのバイアス信号は許容可能な最小バルブ電流であることを特徴とする請求項１４に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項１６】
前記バルブは常閉のバルブであり、
前記１つのバイアス信号は、前記バルブを許容可能な最大開放位置に維持するために必要な、許容可能な最大バルブ電流であることを特徴とする請求項１４に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項１７】
前記流量比制御システムは、前記吸気口チャンネルから前記４つの排気口チャンネルを通る流量の相対比率を制御するよう構成され配置される２つの二重反対称最適（ＤＡＯ）制御モジュールと、前記２つのＤＡＯ制御モジュールの流量比を制御するよう構成され配置される仮想ＤＡＯ制御モジュールとを有することを特徴とする請求項１に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項１８】
前記仮想ＤＡＯ制御モジュールは、前記ＤＡＯ制御モジュールそれぞれに対するバイアス電流を、前記２つのＤＡＯ制御モジュールの流量比の関数として決定するよう構成され配置されることを特徴とする請求項１７に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項１９】
前記仮想ＤＡＯ制御モジュールの比率設定点は、名目上５０％に設定されることを特徴とする請求項１７に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項２０】
前記ＤＡＯ制御モジュールのうち一方の比率設定点はｒ１／（ｒ１＋ｒ２）に設定され、ｒ１およびｒ２は、前記一方のＤＡＯ制御モジュールの対応する前記排気口チャンネルを通る流量の、総流量に対する比率であることを特徴とする請求項１９に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項２１】
前記ＤＡＯ制御モジュールのうち他方の比率設定点はｒ４／（ｒ３＋ｒ４）に設定され、ｒ３およびｒ４は、前記他方のＤＡＯ制御モジュールの対応する前記排気口チャンネルを通る流量の、総流量に対する比率であることを特徴とする請求項１９に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項２２】
前記仮想ＤＡＯ制御モジュールの比率設定点はｒ１＋ｒ４に設定され、ｒ１およびｒ４は、前記一方のＤＡＯ制御モジュールの対応する前記排気口チャンネルを通る流量の、総流量に対する比率であることを特徴とする請求項１７に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項２３】
前記ＤＡＯ制御モジュールのうち一方の前記排気口チャンネルそれぞれを通る流量が名目上同じであるように、前記一方の前記ＤＡＯ制御モジュールの比率設定点は名目上５０％に設定されることを特徴とする請求項２２に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項２４】
前記一方のＤＡＯ制御モジュールの前記排気口チャンネルそれぞれを通る流量が名目上同じであるように、前記ＤＡＯ制御モジュールのうち他方の比率設定点は名目上５０％に設定されることを特徴とする請求項２２に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項２５】
前記仮想ＤＡＯ制御モジュールの比率設定点は、前記第１の対のフローチャンネルの流量比設定点の総和であることを特徴とする請求項１７に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項２６】
前記ＤＡＯ制御モジュールのうち一方の比率設定点は、前記第１の対のフローチャンネルの流量比設定点の相対比率であることを特徴とする請求項２５に記載の４チャンネルガス送出システム。
【請求項２７】
前記ＤＡＯ制御モジュールのうち他方の比率設定点は、前記第２の対のフローチャンネルの流量比設定点の相対比率であることを特徴とする請求項２５に記載の４チャンネルガス送出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１１年１０月４日に出願された米国特許出願第１３／２５２，３６３号の利益を主張するものであり、同出願は、２００２年１月４に出願された米国特許第６，７６６，２６０号、２００４年３月９日に出願された米国特許第７，０７２，７４３号、２００５年４月２１日に出願された米国特許第７，６２１，２９０号、および２００７年２月２０日に出願された米国特許第７，６７３，６４５号の関連出願である。ここに本明細書の一部を構成するものとして米国特許出願第１３／２５２，３６３号の内容を援用する。
【０００２】
本開示は、全体として、半導体処理装置に関し、詳細には、汚染のない正確に計量された量のプロセスガスを、１つまたはそれ以上のプロセスツールの少なくとも２つの場所へと、所定の比率で送出するための流量比コントローラに関する。さらに詳細には、本開示は、単一のガスボックスからのフローを、１つまたはそれ以上のプロセスツールの４つの場所に、反対称最適性能により所定の比率で分割するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
本明細書で使用する「ガス」という用語と「蒸気」という用語が異なると考えられる場合、「ガス」は「蒸気」を含むものとする。
【０００４】
半導体デバイスの製造では、多くの場合、真空チャンバ等のプロセスツールへの多種類のガスの送出を注意深く同期することと、正確に計測することが必要とされる。製造プロセスでは様々な方法が用いられており、多くの別個のプロセス工程が必要とされる。この工程として、例えば、半導体デバイスの清浄化、研磨、酸化、マスキング、エッチング、ドーピング、またはメタライジングが行われる。用いられる工程と、これらの工程の特定の順序および必要とされる材料は全て、特定のデバイスの製造に寄与する。
【０００５】
したがって、ウェハ製造設備は、一般に、化学蒸着、プラズマ蒸着、プラズマエッチング、スパッタリング、および他の同様のガス製造プロセスが実施される領域を含むように構成される。プロセスツールには、化学蒸着反応器、真空スパッタリング機、プラズマエッチング機、プラズマ化学蒸着チャンバ、または任意の他のデバイス、装置、もしくはシステムのいずれであっても、様々なプロセスガスが供給されなければならない。ツールには、汚染のない正確に計測した量の純粋なガスが供給されなければならない。
【０００６】
代表的なウェハ製造設備では、ガスは、配管または導管を介してガス送出システムに連結されたタンクに貯蔵される。このガス送出システムは、汚染のない正確に計測された量の純粋な不活性ガスまたは反応性ガスを、製造設備のタンクから、プロセスツールやチャンバに送出するためのガスボックスを含む。ガスボックスは、典型的には複数のガス流ラインを有し、ガス流ラインはそれぞれ流量計測ユニットを有する。この流量計測ユニットは、バルブ、圧力調整器および変換器、質量流量制御装置、フィルタまたは清浄器等を有してもよい。各ガスラインは、個別のガス供給源に連結するための固有の吸気口を有するが、全てのガス経路は、プロセスツールに連結するための、ガスボックスの単一の排気口につながっている。
【０００７】
場合によっては、ガスボックスの排気口で合流したプロセスガスを、単一のプロセスツールの複数の場所に、または複数のプロセスツールに送出できるように、分割または分配することが望ましい。このような場合には、ガスボックスの単一の排気口を、２次流路またはフローチャンネルを通して複数の場所に連結する。用途によっては、例えば安全上の理由などの理由で上流圧力を大気圧未満（例えば、１５ＰＳＩＡ未満）に維持する必要がある場合には、流量比コントローラを用いて、ガスボックスの排気口の１次フローを、予め選択された比率に従って、２次流路またはフローチャンネルに分割する。
【０００８】
米国特許第６，７６６，２６０号に示された種類の流量比コントローラシステムは、初期設定後、所望の分割比に合わせて安定化を行うが、流量の安定化に時間を要し、用途によっては満足のいくものではないことがある。さらに、流量比コントローラシステムのバルブ前後の圧力降下がきわめて大きくなることがある。また、２次流路のうちの１つの下流閉塞に対処するには、制御装置システムの制御性能が低い。さらに、２次流路でのバルブの固定位置を最初に決定するのが困難であるため、設定が困難である。さらに、２つの２次流路用いる現在の実施例について、高流量バルブを固定バルブとし、低流量バルブを流量比を制御する被制御バルブとする必要がある。
【０００９】
流量比コントローラシステムの用途のひとつは、「シャワーヘッド」へのガスの流量を制御することである。「シャワーヘッド」とは、半導体デバイスを製造するプロセスツールのプロセスチャンバに用いられる取付具であり、米国特許第７，０７２，７４３号に記載されているようなものである。各シャワーヘッド取付具には２つのガス排気口があり、一方は取付具中心（または内側の部分）に設けられた開口部で、他方は取付具外周（または外側の部分）に設けられた開口部である。シャワーヘッド取付具の外側部分にある開口部を通る流量は、チャンバ内で製造中のウェハの外側の部分または区域に影響を与え、内側部分にある開口部を通る流量は、製造中のウェハの内側の部分または区域に影響を与える。プロセス中のウェハにガスを均等に供給するためには、外側区域への流量が内側区域への流量より多いことが望ましい。このように、外側部分へのガスの流量に対する内側部分から供給されるガスの流量の比率を注意深く制御すると、ウェハに対してガスが均等に供給される。
【００１０】
改良された流量比コントローラシステムは、２チャンネル流量比コントローラシステムまたは二重反対称最適（Dual Antisymmetric Optimal：ＤＡＯ）流量比コントローラシステムと呼ばれ、本譲受人に譲渡された米国特許第７，６２１，２９０号に記載されている。同特許に記載されている実施例では、ＤＡＯアルゴリズムを用いて単一の質量流量を２つの流路に分割する。各流路は、流量計およびバルブを有する。流量比コントローラシステムの両バルブは、単一入力単一出力（Single Input, Single Output：ＳＩＳＯ）制御装置と、インバーターと、２つの線型飽和器とを有するＤＡＯ制御装置によって、比率フィードバックループを通して制御される。ＳＩＳＯ制御装置の出力は、２つのバルブに印加される前に分割され変更される。２つのバルブ制御コマンドは、２つの飽和限度の一方である許容可能な最大バルブコンダクタンス位置に対し、実際上反対称である。つまり、一方のバルブが、任意の時期に、許容可能な最大バルブコンダクタンス（開放）位置に保持されると同時に、他方のバルブが、流量比を維持するように能動的に制御される。これによって、ＤＡＯ流量比コントローラは、ガス流量に対する圧力降下を最小にすることに寄与する。ＤＡＯ流量比コントローラシステムの用途のひとつは、シャワーヘッド取付具の内側開口部および外側開口部の両方を通る総流量に対する、各開口部への流量の比率を制御することである。
【００１１】
現在のウェハ製造では、同一のウェハを、異なるチャンバで同一のプロセスを用いて同時に製造することができる。各チャンバに入るガスの順序と流量も同一であるため、プロセスの各工程において各チャンバに同じ比率のガスを送出するよう制御する単一のガスボックスを有する統合制御システムを使用することで、コストが削減される。単一のガスボックスを使用して２つのチャンバにガスを供給することで、コストが大幅に削減され、装置に必要な専有面積も少なくて済む。さらに、進歩によりウェハのサイズが大きくなっており、ウェハ全体に及ぶガスを適切に制御するためには、複数のシャワーヘッド取付具が必要になる。しかしながら、プロセスの各工程中に適切な流量比が維持されているか確認することは困難である。
【００１２】
３つ以上の流路を通るガスの流量比を制御する流量比コントローラシステムのひとつが、米国特許第７，６７３，６４５号に記載されている。この流量比コントローラは、マルチ反対称最適（Multiple Antisymmetric Optimal：ＭＡＯ）アルゴリズムを用いて、単一の質量流量を複数（３以上）の流路に分割する。各流路には、ターゲット流量比設定点を得るために、線型飽和器と組み合わせたＳＩＳＯフィードバック制御装置が設けられる。各バルブ制御コマンドは、他のバルブ制御コマンド全ての和に対して反対称であるので、ＭＡＯ制御アルゴリズムにより、任意の時期に少なくとも１つのバルブが許容可能な最大開放位置にあることが保証され、これによって、流量比設定点の所与の組の最大総バルブコンダクタンスに関して最適解が得られる。このアプローチは、各流路を通して圧力降下を最小となる優れた制御を提供し、また、ほとんどの用途に問題なく利用できる。しかしながら、例えば、２つのシャワーヘッド取付具への総流量に対して、当該２つの取付具の内側開口部への流量比が実質的に同じであり、当該２つの取付具の外側開口部への流量比が実質的に同じであることが望ましい場合、流路の制御関数は、流路を通る流量が変化するたびに必ずしも正確に同じ応答時間で定まるわけではなく、制御が不正確になる。
【００１３】
図１に、２つのシャワーヘッド取付具の内側開口部および外側開口部に同じ比率を供給するアプローチのひとつを示す。このハードウェアシステムは、２段に配置された３つの２チャンネル流量比コントローラユニット１０Ａ、１０Ｂ、および１０Ｃ（各ユニットの種類は米国特許第７，６２１，２９０号に記載されている）を有する。１段目は１つのユニット１０Ａを有する。ユニット１０Ａは、ガスボックスまたは他の供給源から流量Ｑｔの総流量を受け取り、最初に、ホスト制御装置１２によって設定される比率に従って、流量Ｑｔの総流量を流量ＱａおよびＱｂ（Ｑｔ＝Ｑａ＋Ｑｂ）の２つのフローに分割する。２段目は２つの制御装置ユニット１０Ｂおよび１０Ｃを有する。ユニット１０Ｂは、制御装置ユニット１０Ａから流量Ｑａの総流量を受け取り、ホスト制御装置１２によって設定される比率に従って、流量Ｑａの総流量を流量Ｑ１およびＱ２（Ｑａ＝Ｑ１＋Ｑ２）の２つのフローに分割する。同様に、ユニット１０Ｃは、制御装置ユニット１０Ａから流量Ｑｂの総流量を受け取り、ホスト制御装置１２によって設定される比率に従って、流量Ｑｂの総流量を流量Ｑ３およびＱ４（Ｑｂ＝Ｑ３＋Ｑ４）の２つのフローに分割する。この２段制御を利用して、Ｑａ＝Ｑｂ、Ｑ１＋Ｑ２＝Ｑ３＋Ｑ４、および比率Ｑ１／（Ｑ１＋Ｑ２）＝Ｑ３／（Ｑ３＋Ｑ４）となるように、２つのシャワーヘッド取付具（図示せず）へのガスの流量を両方とも同じ比率で制御する。これにより、各シャワーヘッド取付具の外側部分と内側部分への流量の比率が同じになる。各制御装置ユニット１０は、固有の制御装置１４を備える。制御装置１４は、ホスト制御装置１２によって指定されるプログラムされた比率を維持するように、流量センサ１８によって生成される対応するセンサ信号に応じてバルブ１６を制御する。このため、ホスト制御装置１２を用いて３つのハードウェアユニット１０を調整する必要がある。この構成はうまく機能する一方で、２段制御により各流路の圧力降下が増大し、最適なバルブコンダクタンスが低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第４，３６９，０３１号
【特許文献２】米国特許第５，４５３，１２４号
【特許文献３】米国特許第６，３３３，２７２号
【特許文献４】米国特許第６，４１８，９５４号
【特許文献５】米国特許第６，４１８，９９４号
【特許文献６】米国特許第６，７６６，２６０号
【特許文献７】米国特許第６，７９２，１６６号
【特許文献８】米国特許第６，９４１，９６５号
【特許文献９】米国特許第７，００７，７０７号
【特許文献１０】米国特許第７，０７２，７４３号
【特許文献１１】米国特許第７，１４３，７７４号
【特許文献１２】米国特許第７，３６０，５５１号（米国特許出願公開第２００６／０２７２７０３）
【特許文献１３】米国特許第７，３６０，５５１号
【特許文献１４】米国特許第７，４２４，８９４号
【特許文献１５】米国特許第７，６２１，２９０号
【特許文献１６】米国特許第７，６７３，６４５号
【特許文献１７】米国特許出願公開第２００２／００３８６６９号
【特許文献１８】米国特許出願公開第２００６／０２７２７０３号
【特許文献１９】米国特許出願公開第２００７／０２４０７７８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、反対称最適制御を用い、かつ４つの流路全ての応答時間を実質的に同じにすることで、各流路を通して圧力降下を最小にしつつ各流路に相対流量を送出する流量比コントローラシステムを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本明細書に記載する教示の一様態によれば、４チャンネルガス送出システムは、吸気口チャンネルと、４つの排気口チャンネルと、４つの流量センサと、４つの制御バルブとを有し、各バルブは、吸気口チャンネルから対応する１つの排気口チャンネルを通る流量を制御するように配置される。ガス送出システムは、流量比制御システムをさらに有し、流量比制御システムは、（ａ）第１の対の排気口チャンネルにおける第１の流量比、（ｂ）第２の対の排気口チャンネルにおける第２の流量比、および（ｃ）第２の対の排気口チャンネルに対する第１の対の排気口チャンネルにおける第３の流量比を制御するよう、吸気口チャンネルから対応する排気口チャンネルを通る流量を制御するように構成され、第３の流量比は、少なくとも１対のバルブにそれぞれ適用される少なくとも１つのバイアス信号を生成することよって制御され、バイアス信号は、第３の流量比の所定の設定点と第３の流量比の計測値との関数である。
【００１７】
本明細書に記載する教示の別の様態によれば、４チャンネルガス送出システムは、吸気口チャンネルと、４つの排気口チャンネルと、４つの制御バルブとを有する。各バルブは、吸気口チャンネルから対応する１つの排気口チャンネルを通る流量を制御するように配置される。このガス送出システムは、流量比制御システムをさらに有する。この流量比制御システムは、吸気口チャンネルから４つの排気口チャンネルを通る流量の相対比率を制御するよう、各制御バルブを制御するよう構成され配置される２つの二重反対称最適（Dual Antisymmetric Optimal：ＤＡＯ）制御モジュールと、２つのＤＡＯ制御モジュールの流量の比率を制御するよう構成され配置される仮想ＤＡＯ制御モジュールとを有する。
【００１８】
本明細書に記載する教示のさらに別の様態によれば、４チャンネルガス送出システムは、吸気口チャンネルから４つの排気口チャンネルを通る流量を制御するシステムであって、流量比制御システムを有し、流量比制御システムは、吸気口チャンネルから４つの排気口チャンネルを通る流量の相対比率を制御するように構成され配置される２つの二重反対称最適（Dual Antisymmetric Optimal：ＤＡＯ）制御モジュールと、２つのＤＡＯ制御モジュールを通る流量の比率の関数として、２つのＤＡＯ制御モジュールそれぞれに対するバイアス制御信号を生成するよう構成され配置されるバイアス制御信号生成器とを有する。
【００１９】
本明細書に記載する教示のさらに別の様態によれば、多チャンネルガス送出システムは、吸気口チャンネルから４つの排気口チャンネルを通る流量を制御するシステムであって、流量比制御システムを有し、流量比制御システムは、吸気口チャンネルから４つの排気口チャンネルを通る流量の相対比率を制御するよう構成され配置される２つの二重反対称最適（Dual Antisymmetric Optimal：ＤＡＯ）制御モジュールと、２つのＤＡＯ制御モジュールを通る流量の比率の関数として、２つのＤＡＯ制御モジュールそれぞれに対する制御信号を生成するよう構成され配置される信号生成器とを有する。
【００２０】
本明細書に記載する教示のさらに別の様態によれば、２つの二重反対称最適（Dual Antisymmetric Optimal：ＤＡＯ）制御モジュールを用いて、吸気口チャンネルから４つの排気口チャンネルを通る流量の相対比率を制御するように、４つの制御バルブを制御する方法であって、当該方法は、２つのＤＡＯ制御モジュールを通る流量の比率の関数として、２つのＤＡＯ制御モジュールそれぞれに対するバイアス制御信号を生成するステップを含む。
【００２１】
本明細書に記載する教示のさらに別の様態によれば、２つの二重反対称最適（Dual Antisymmetric Optimal：ＤＡＯ）制御モジュールを用いて、吸気口チャンネルから４つの排気口チャンネルを通る流量の相対比率を制御するように、４つの制御バルブを制御する方法が提供される。この方法は、２つのＤＡＯ制御モジュールを通る流量の比率の関数として、２つのＤＡＯ制御モジュールそれぞれに対するバイアス制御信号を生成するステップを含む。
【００２２】
上記の様態ならびに他の構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、および利点は、後述する例示の実施形態の詳細な説明、添付図面、および特許請求の範囲を検討することによって明らかになるであろう。
【００２３】
以下の図面は実施形態の例を開示するものであり、全ての実施例を説明するものではない。追加または代替として他の実施例を用いてもよい。スペースの節約、または、より効果的な図示のために、明白な詳細または不要な詳細は省略する場合がある。反対に、実施形態によっては、開示される詳細の全てを省略して実施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、４つの２次流路に対して流量比制御を行う流量比コントローラシステムに係る従来技術のアプローチを示すブロック図である。
【図２】図２は、本明細書に記載する教示を組み込んだガス送出システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図３】図３は、図２に示す種類のガス送出システムの一実施形態を詳細に示した概要図である。
【図４】図４は、図３の実施形態の２次流路うち２つを通る流量の比率を制御するための、好ましい二重反対称最適制御アルゴリズムの機能的ブロック図であり、図中、両バルブは同じバイアス電流で制御され、図示される２つのバルブの２つのバルブ制御コマンドは、許容可能な最大バルブコンダクタンスに対して実際上反対称である。
【図５】図５は、図４の実施形態の機能的ブロック図であり、図６および７に示され図６および７に関して説明される実施形態と関連して説明される、図３の実施形態を実施するために用いられるＤＡＯ制御モジュールの入力と出力を示す図である。
【図６】図６は、４つの２次フローチャンネルに対する流量比制御方法の一実施形態を示す、図３のシステムの機能的ブロック図である。
【図７】図７は、４つの２次フローチャンネルに対する流量比制御方法の第２の実施形態を示す、図３のシステムの機能的ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
例示の実施形態を以下に示す。追加または代替として他の実施形態を用いてもよい。スペースの節約、または、より効果的な説明のために、明白な詳細または不要な詳細は省略する場合がある。反対に、実施形態によっては、開示されている詳細の全てを省略して実施してもよい。
【００２６】
図２を参照すると、流量比コントローラ（Flow Ratio Controller：ＦＲＣ）システム２２は流量Ｑｔを受け取る。流量Ｑｔは１つ以上の供給源２０から供給される総流量であり、４つの２次フローチャンネル２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、および２４ｄに分割される必要がある。チャンネルのうち２つ、２４ａおよび２４ｂは、シャワーヘッド取付具２６ａなどの第１の取付具（または１対の取付具）に連結され、他の２つのチャンネル２４ｃおよび２４ｄは、シャワーヘッド取付具２６ｂなどの第２の取付具（または１対の取付具）に連結される。２つの取付具２６ａおよび２６ｂは、単一のチャンバに設けられても、別々のチャンバに設けられてもよい。ＦＲＣシステム２２は、流量比Ｑ１／（Ｑ１＋Ｑ２）と流量比Ｑ３／（Ｑ３＋Ｑ４）とを同じにし、かつ、流量比Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）と流量比Ｑ４／（Ｑ３＋Ｑ４）とを同じにするよう設計されることが好ましい。さらに、好ましい用途のひとつでは、許容可能な調節を行って、バルブの応答時間の差やチャンネルを通るフローの状態の差などの所定のシステム変数を調整することで、流量Ｑ１とＱ３が実質的に同じとなり、流量Ｑ２とＱ４が実質的に同じとなる。重要なのは、各流路の制御関数が、例えばＦＲＣシステム２２を通る初期流量によって生じる遷移などとして流路を通る流量が変化するたびに、実質的に同じ応答時間で定まることである。
【００２７】
図３を参照すると、流量比コントローラ３２は、４つの流路すなわちライン３５−１、３５−２、３５−３、および３５−４を有する。各流路は、センサ３７およびバルブ３８を有する。センサ３７は、各流路を通る質量流量を制御するように対応するバルブ３８を制御するために用いられる流量信号を生成する。このように、各流路のセンサ３７およびバルブ３８を一緒に用いて、各流路の出力質量流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を制御する。よって、流量比は以下のように定義される。    
ｒｍｉ＝Ｑi／Ｑｔ、ｉ＝１，２，３，４                  （１）
ここで、ｒｍｉは、総流量に対するライン３５−ｉの流量比であり、Ｑiは、ライン３５−ｉを通る流量であり、Ｑｔは、以下のように定義された全ての流路３５の総流量である。
Ｑｔ＝ΣＱi＝Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４                      （２）                
式１および式２によれば、全ての流量比の和は１に等しく、これは以下のように表現できる。
Σｒｍｉ＝ｒｍ１＋ｒｍ２＋ｒｍ３＋ｒｍ４＝１            （３）                
フローチャンネルｉの流量比設定点をｒｉとして定義すると、全ての流量比設定点の和も１に等しくなる。すなわち、以下のようになる。
Σｒｉ＝ｒ１＋ｒ２＋ｒ３＋ｒ４＝１                    （４）                
【００２８】
図３は、４チャンネルＦＲＣシステム３２を有するガス送出システムの一実施形態を示している。システム３２は、３０として示す１つ以上の供給源からガスまたはガス混合物を受け取り、システム３２の吸気口における総流量Ｑｔを定義する。システム３２は、各流量センサ３７によって検知された流量に応じて４つのバルブ３８全てを制御するよう構成された、専用ＦＲＣ制御装置３６を有する。システム３２は、図１で達成された流量の比率を１段階で提供するよう構成され、各流路の制御関数が、流路を通る流量が変化するたびに、実質的に同じ応答時間で定まる。これは、ユニット３２における一方の対のバルブを制御する第１のＤＡＯ制御モジュール、他方の対のバルブを制御する第２のＤＡＯ制御モジュール、および第１および第２のＤＡＯ制御モジュールにバイアス電流を供給する第３のＤＡＯ制御モジュールを採用することで達成される。制御装置３６は、２対のバルブの流量比を制御するＤＡＯ制御を行うために必要な機能（ソフトウェアによることが好ましい）を提供するよう構成される。
【００２９】
図４は、ＤＡＯ制御モジュールによって制御される各対のバルブを制御する反対称フィードバック制御構成の一実施形態を示す機能的ブロック図である。比率ｒ１＝Ｑ１／（Ｑ１＋Ｑ２）がｒ３＝Ｑ３／（Ｑ３＋Ｑ４）と実質的に同じになり、かつｒ２＝Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）がｒ４＝Ｑ４／（Ｑ３＋Ｑ４）と実質的に同じになるように、４０として示されるフィードバック制御構成を用いて、システム３２の対応する対のバルブを制御する。フィードバック制御システムは、専用ＦＲＣ制御装置３６（図３）でソフトウェアを走らせることによって作動することが好ましいが、他の形態で実施してもよい。このフィードバック制御構成は、ＤＡＯ制御モジュール４２を有する。モジュール４２は、流量比ｒｓｐについての設定点を表す信号を受け入れるための総和接合部４４への入力と、フィードバック構成において計測された流量比ｒｍを表す信号を受け入れるための別の入力とを有する。各ユニットの総和接合部４４は、設定点の比率ｒｓｐと計測比率の入力ｒｍとの間のエラー信号を計算し、このエラー信号を単一入力単一出力（Single Input, Single Output：ＳＩＳＯ）制御装置４６に供給する。ＳＩＳＯ制御装置４６は、例えばＰＩＤ制御装置であってもよい（他の種類の制御装置を用いることもできる）。制御装置４６の出力は、第１の総和接合部４８に接続するとともに、インバーター５０を通って第２の総和接合部５２に接続する。制御装置４６の出力は、制御電流Ｉｃである。制御電流Ｉｃは総和接合部４８に印加され、インバーター５０によって変換された後、総和接合部５２に印加される。一定のバイアス電流入力Ｉｏが、総和接合部４８において信号Ｉｃに加えられ、総和接合部５２において変換後の信号（−Ｉｃ）に加えられる。総和接合部４８および５２からの加算された信号は、それぞれ対応する線型飽和器（Linear SATurator：ＬＳＡＴ）５４および５６に印加される。線型飽和器５４および５６は、それぞれバルブ制御電流Ｉ１およびＩ２を供給するために接続されている。バルブ制御電流Ｉ１およびＩ２は、制御されている対のバルブであるバルブ５８および６０にそれぞれ印加される。バルブ５８を通る流量は、対応する流量センサ６２によって計測される。センサ６２の出力は、バルブ５８を通る流量Ｑ１を表す。同様に、バルブ６０を通る流量は、対応する流量センサ６４によって計測される。センサ６４の出力は、バルブ６０を通る流量Ｑ２を表す。２つの出力は比率計測ブロック６６に供給され、そこで比率Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）が計測される。この比率は、総和接合部４４へのフィードバック経路に供給される計測比率ｒｍを表す。この出力信号ｒｍは、制御フィードバック構成として、総和接合部４４において設定点ｒｓｐから差し引かれる。
【００３０】
４チャンネル流量比制御システム３２の少なくとも２つの実施形態をさらに説明することに関連して、二重反対称制御モジュールを、３つの入力と２つの出力を有する図５に示す種類のブロックと考えるべきである。３つの入力は、ユーザが予め決定する望ましい流量比である流量比設定点ｒｓｐ、流量センサで検知された出力流量によって計測された計測流量比ｒｍ、および最適バイアス電流を設定するための最適バイアス電流Ｉｏである。最適バイアス電流Ｉｏは、常開のバルブについては許容可能な最小バルブ電流であり、常閉のバルブについては、バルブを最大開放状態に維持するための許容可能な最大バルブ電流である。出力電流Ｉ１およびＩ２は、対応するバルブに印加されるバルブ制御電流である。
【００３１】
図６および７に、本明細書に記載する教示に従って構成される４チャンネル流量比コントローラシステムの２つの実施形態を示す。流量比制御を１段階で行うために、図６および７に示す実施形態では、二重反対称最適制御の利点を組み込むために、図４および５に関連して示した種類のＤＡＯモジュールを３つ利用する。ユニット制御装置３６は、物理的なハードウェアが不要であるという点で仮想的である二重反対称最適制御アルゴリズム（図６の仮想ＤＡＯモジュール１００および図７の仮想ＤＡＯモジュール１１０で示される）を有するように個別に構成される。その代わり、仮想ＤＡＯモジュールの２つの出力電流Ｉｏ１およびＩｏ２は、（１）ユーザが設定した設定点比率ｒｓｐ．０と、（２）２つのチャンネルの計測流量、例えば総流量Ｑｔ（センサ３７−１、３７−２、３７−３、および３７−４の全ての出力の和である関数）に対する、取付具の１つに設けられたセンサ３７−１および３７−２（図３）からの出力と、（３）最適バイアス電流Ｉｏ０との関数として、ユニット制御装置３６によって生成される。最適バイアス電流Ｉｏ０は、上述のように、常開のバルブを利用する場合は許容可能な最小バルブ電流であり、常閉のバルブを利用する場合は最大値をとる。Ｉｏ１およびＩｏ２の値は、好ましくは、ユニット制御装置３６で動作するソフトウェアにおいて決定される。この構成では、２つの電流Ｉｏ１およびＩｏ２は、図６の１０２と１０４および図７の１１２と１１４として示される物理分流器に、バイアス電流を供給する。これらの電流の１つは、上記の検討事項に従って決定される最適バイアス電流である。最適バイアス電流は、図６の１０２または１０４および図７の１１２または１１４として示される物理分流器に印加される。物理分流器は、最大開放状態の場合に最大流量が最小となるバルブ５８または６０を有する。このバルブが常開のバルブであれば、最適バイアス電流はゼロであり、このバルブが常閉のバルブであれば、最適バイアス電流は、そのバルブの最大バルブ制御電流である。図４に示すとおり、バイアス電流Ｉｏ１およびＩｏ２は、対応するＤＡＯ制御モジュール４２の総和接合部４８および５２に印加される。
【００３２】
図６に示す実施形態では、４チャンネル流量比コントローラシステム（図３に３２として示す）は、名目上５０％の流量が各チャンバや取付具に行き、仮想分流器の比率設定点がｒｓｐ．０＝５０％となるように、２つのチャンバや取付具に流量を均等に分配する。その後、各取付具の総流量に対する各取付具の一方の部分（例えば、シャワーヘッド取付具の外側部分）への流量の比率が各取付具で同じになるように、各流量を分配する。一般に、仮想分流器の比率設定点は、第１のチャンバまたは取付具に流れる第１の対のチャンネルの流量比設定点の和である。すなわち、以下のようになる。  
ｒｓｐ．０＝ｒ１＋ｒ２    （４）
【００３３】
図６に示すとおり、分流器１０２によって、（１）ｒ１／（ｒ１＋ｒ２）に等しい設定点比率ｒｓｐ．１１と、（２）Ｑ１／（Ｑ１＋Ｑ２）に等しい（流量センサ６２および６４からの）計測流量比ｒｍ．１１と、（３）仮想分流器１００からのバイアス電流Ｉｏ１との関数として、流量が分配される。同様に、分流器１０４によって、（１）ｒ４／（ｒ3＋ｒ４）に等しい設定点比率ｒｓｐ．１２と、（２）Ｑ４／（Ｑ３＋Ｑ４）に等しい（当該分流器の流量センサ６２および６４からの）計測流量比ｒｍ．１２と、（３）仮想分流器１００からのバイアス電流Ｉｏ２との関数として、流量が分配される。各物理分流器の出力は、各対のバルブ５８および６０を制御するための適切な駆動電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、およびＩ４を供給する。
【００３４】
図７に示す第２の実施形態は、仮想分流器１１０を有する４チャンネル流量比コントローラユニット（図３に３２として示す）である。仮想分流器１１０は、ユーザによって設定される比率設定点ｒｓｐ．０に従って、フローを受け取る取付具やチャンバに流量を分配する。例えば、（ａ）分流器１１２などによって制御される２つのシャワーヘッドの外側部分と、（ｂ）分流器１１４によって制御される２つのシャワーヘッドの内側部分とで流量が分配される場合、２つのバイアス電流出力Ｉｏ１およびＩｏ２は、（１）入力最適バイアス電流Ｉｏ０と、（２）２つの比率ｒ１とｒ４の和である比率に等しい設定点ｒｓｐ．０と、（３）計測流量比（Ｑ１＋Ｑ４）／Ｑｔに等しい計測比率ｒｍ０との関数である。分流器１１２は、２つの取付具またはチャンバの同じ部分に同じ流量を供給するものであるので、出力制御電流Ｉ１およびＩ４は、（１）設定点比率ｒｓｐ．１１（５０％に設定される）と、（２）計測流量比Ｑ１／（Ｑ１＋Ｑ４）に等しい計測比率ｒｍ．１１と、（３）仮想分流器１１０からのバイアス電流出力Ｉｏ１との関数である。同様に、分流器１１４は、２つの取付具またはチャンバの同じ部分に同じ流量を供給するものであるので、出力制御電流Ｉ２およびＩ３は、（１）設定点比率ｒｓｐ．１２（５０％に設定される）と、（２）計測流量比Ｑ２／（Ｑ２＋Ｑ３）に等しい計測比率ｒｍ．１２と、（３）仮想分流器１１０からのバイアス電流出力Ｉｏ２との関数である。各物理分流器の出力は、各対のバルブ５８および６０を制御するための適切な駆動電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、およびＩ４を供給する。
【００３５】
なお、各取付具の各部分への実流量は、各流路のフローの状態や構成部品の差異を考慮に入れて調整される。したがって、上記の例ではこれらの差異を考慮して、一方の取付具の外側部分への流量に比べ、他方の取付具の外側部分への流量が実際は総流量の５０％より多く、２つの分流器によって各取付具へと分割された流量が異なる場合がある。一般に、図７に示す分流器１１２の流量比設定点は、第１の対のフローチャンネルそれぞれの流量比設定点の相対比率である。すなわち、以下のようになる。
ｒｓｐ．１１＝ｒ１／（ｒ１＋ｒ４）    （５）
また、分流器１１４の流量比設定点は、第２の対のフローチャンネルそれぞれの流量比設定点の相対比率である。すなわち、以下のようになる。
ｒｓｐ．１２＝ｒ２／（ｒ２＋ｒ３）    （６）
【００３６】
また、図６および７の構成は、ユニット制御装置３６が３つの二重反対称最適制御モジュール（図６の１００または図７の１１０として示される１つの仮想分流器、および図６の１０２と１０４または図７の１１２と１１４として示される２つの物理分流器）を動作させるよう構成されることにより、二重反対称最適制御の利点を利用している。仮想分流器１００または１１０は、図１の上流分流器１０Ａと同様の機能をもつが、図１の１０Ａと比べて、物理的なハードウェアが不要であるという点で仮想的である。その代わり、仮想ＤＡＯモジュール１００または１１０の２つの出力電流Ｉｏ１およびＩｏ２は、（１）ユーザが設定した設定点比率ｒｓｐ．０と、（２）対応するチャンネルの計測流量比と、（３）最適バイアス電流Ｉｏ０との関数として、ユニット制御装置３６に生成される。最適バイアス電流Ｉｏ０は、上述のように、常開のバルブを利用する場合はゼロであり、常閉のバルブを利用する場合は最大値をとる。このように、Ｉｏ１およびＩｏ２の値は、ユニット制御装置３６のＤＡＯアルゴリズムによって決定できる。この構成では、仮想ＤＡＯモジュールからの２つの出力電流Ｉｏ１およびＩｏ２は、図６の１０２と１０４または図７の１１２と１１４として示される物理分流器に、バイアス電流を供給する。これらの電流の１つは、上記の検討事項に従って決定された最適バイアス電流である。最適バイアス電流は、図６の１０２もしくは１０４または図７の１１２もしくは１１４として示される分流器に印加される。分流器は、最大開放状態の場合に許容可能なコンダクタンスが最大であるバルブ５８もしくは６０を有する。このバルブが常開のバルブであれば、最適バイアス電流はゼロであり、バルブが常閉のバルブであれば、最適バイアス電流は最大バルブ制御電流である。図４に示すとおり、バイアス電流Ｉｏ１およびＩｏ２は、対応するＤＡＯ制御モジュール４２の総和接合部４８および５２に印加される。したがって、図６および７のそれぞれにおいて、ＤＡＯ構成における全てのＳＩＳＯ制御装置の出力が、各ユニットのバルブに印加される前に分配されかつ変更される。一方の分流器（図６の１０２または１０４および図７の１１２または１１４）に印加されるバルブ制御コマンドは、他方の分流器に印加されるバルブ制御コマンドに関して、実際上反対称である。これら２つのバルブコマンドが、２つの飽和限度の一方である許容可能な最大バルブコンダクタンス位置でそれぞれの線型飽和器を通過するので、一方のユニットの２つのバルブが、任意の時期に、許容可能な最大バルブコンダクタンス位置に保持されると同時に、他方のユニットが、実際の流量比を維持するように能動的に制御されるという正味の効果が得られる。したがって、反対称最適制御アルゴリズムにより、任意の時期に、許容可能な最大総バルブコンダクタンスが得られる。上述したように、総バルブコンダクタンスが最大であると、比率、流量、および上流圧力についての整定時間が短くなり、流量比コントローラの前後の圧力降下が小さくなる。このように、反対称最適制御アルゴリズムにより、流量比コントローラの制御性能が大幅に向上する。
【００３７】
４チャンネルガス送出システムとして実施形態を説明してきたが、本明細書中に説明した原理は、少なくとも２つのＤＡＯ制御モジュールを採用するいかなる多チャンネルガス送出システムにも当てはまる。
【００３８】
上述の構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、および利点は単なる例示であり、そのいずれも、またそれらに関するいずれの議論も、いかなる方法においても保護の範囲を限定するものではない。他にも多くの実施形態が想定される。そのような実施形態には、構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、および利点がより少なかったり多かったり、異なったりする実施例が含まれる。また、構成要素やステップが、異なる方法で配置されたり順序づけられたりする実施例も含まれる。
【００３９】
特に明記しないかぎり、本明細書および添付する特許請求の範囲に記載する全ての計測値、値、定格、位置、大きさなどの仕様はおおよそのものであり、厳密なものではない。これらの仕様は、その仕様が関連する機能に適合し、また、その仕様が関連する技術分野において慣例的なものと適合する合理的な範囲を有するものとする。
【００４０】
本開示には、引用した全ての論文、特許、特許出願、およびその他の出版物を援用する。
【００４１】
「〜のための手段」という語句は、請求項において使用される場合、記載された対応する構造および材料、ならびにそれらと均等なものを包含するものとし、また、そのように解釈されるべきである。同様に、「〜のためのステップ」という語句は、請求項において使用される場合、記載された対応する行為、およびそれらと均等なことを包含するものとし、また、そのように解釈されるべきである。請求項にこれらの語句がない場合、その請求項は、対応する構造、材料、もしくは行為のいずれか、またはそれらと均等なものに限定されないものとし、また、限定されるように解釈されるべきではない。
【００４２】
述べられた内容または示された内容はいずれも、特許請求の範囲に記載されているかどうかにかかわらず、いかなる構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、利点、またはそれと均等なものを公共の用に供するものではなく、また、供するものと解釈されるべきではない。
【００４３】
保護の範囲は、添付する特許請求の範囲によってのみ限定される。その範囲は、本明細書および付随する出願経過に照らして解釈されたとき、特許請求の範囲において使用される文言の通常の意味と一致するかぎり広く、かつ構造的および機能的に均等なものを全て包含するものとし、また、そのように解釈されるべきである。
【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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