(57)【要約】  ｉを１からＮまでの整数としてｉ個の区域に管を介して接続可能なｉ個のラインを流れる流体フローを制御するシステムである。このシステムは、ｉ個のラインのそれぞれにおける少なくとも１つの弁と圧力トランスデューサと、弁を制御する制御装置と、区域圧力評価計とを含む。区域圧力評価計は圧力トランスデューサに接続されており、ｉ個の区域のそれぞれにおける評価された圧力を計算し、評価された圧力を制御装置に提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｉを１からＮまでの整数として、ｉ個の区域に管を介してそれぞれが接続可能なｉ個のラインを通過する流体フローを制御するシステムであって、
前記ｉ個のラインのそれぞれにおける少なくとも１つの弁と、
前記ｉ個のラインのそれぞれに動作的に接続された圧力トランスデューサと、
このシステムの特性を受け取る第１の入力手段と、
前記圧力トランスデューサと前記第１の入力手段とに接続されており、前記ｉ個のラインのそれぞれに対して、前記圧力トランスデューサからフロー・ラインｉにおける測定された圧力を受け取り、前記第１の入力手段からこのシステムの特性を受け取り、前記区域ｉの圧力評価を計算するようにプログラムされた区域圧力評価手段と、
前記ｉ個の区域のそれぞれに対する圧力設定点を受け取る第２の入力手段と、
前記ラインｉの弁と前記区域圧力評価手段と前記第２の入力手段とに接続されており、前記第２の入力手段から前記区域ｉに対する圧力設定点を受け取り、前記区域圧力評価手段から前記区域ｉの圧力評価を受け取り、前記区域ｉに対する圧力設定点と前記区域ｉの圧力評価とを比較し、前記評価が前記設定点と等しくない場合には、前記評価が前記設定点と等しくなるまで前記ラインｉの弁を動作させるようにプログラムされた制御手段と、
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、前記ｉ個のラインの入口に接続された圧力マニホルドを更に含むことを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、前記ｉ個のラインの出口に接続された真空マニホルドを更に含むことを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、前記ｉ個のラインのそれぞれの弁は、圧力源を前記ラインと接続する入口弁と、真空源を前記ラインと接続する出口弁とを含み、前記制御手段は、前記入口弁と前記出口弁とに接続されており、前記圧力評価が前記圧力設定点と等しくなるまで前記入口弁と前記出口弁とを動作させるようにプログラムされていることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項４記載のシステムにおいて、前記入口弁に接続された圧力源を更に含むことを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項５記載のシステムにおいて、前記圧力源を前記入口弁に接続する圧力マニホルドを更に含むことを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項４記載のシステムにおいて、前記出口弁に接続された真空源を更に含むことを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項７記載のシステムにおいて、前記真空源を前記出口弁に接続する真空マニホルドを更に含むことを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項８記載のシステムにおいて、前記真空マニホルドはベンチュリ管を含むことを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項１記載のシステムにおいて、前記ｉ個の区域は硬質の壁を有していることを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項１記載のシステムにおいて、前記ｉ個の区域は可撓性の壁を有していることを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１記載のシステムにおいて、前記ｉ個の区域は結合されていることを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１記載のシステムにおいて、前記ｉ個の区域は結合されていないことを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１記載のシステムにおいて、前記第１の入力手段はキーボードを含むことを特徴とするシステム。
【請求項１５】
ｉを１からＮまでの整数として、請求項１記載のシステムを含み、前記ｉ個のラインに管を介してそれぞれ接続されたｉ個の区域を更に含むことを特徴とする機械。
【請求項１６】
請求項１５記載の機械において、前記第２の入力手段に接続されておりこの機械の前記ｉ個の区域のそれぞれに対して前記圧力設定点を提供するようにプログラムされている機械制御手段を更に含んでいることを特徴とする機械。
【請求項１７】
請求項１５記載の機械において、前記ｉ個の区域を含むＣＭＰキャリア・ヘッドを更に含むことを特徴とする機械。
【請求項１８】
請求項１７記載の機械において、前記キャリア・ヘッドの区域は少なくとも部分的には可撓的に弾力性を有するブラダによって形成されていることを特徴とする機械。
【請求項１９】
請求項１８記載の機械において、前記キャリア・ヘッドの区域は相互に圧迫を加えることを特徴とする機械。
【請求項２０】
請求項１記載のシステムにおいて、このシステムの特性は、前記ラインを前記区域ｉに接続する管に関連する定数（Ｃｔｕｂｅ，ｉ及びτｔｕｂｅ，ｉ）と、それぞれの区域ｉの体積（Ｖｚ，ｉ）と、ＳＴＰ条件の下にあるそれぞれの区域ｉの初期体積（Ｖｚ０，ｉ）と、体積拡張／縮小時定数（τｖ）と、区域ｉの膨張／縮小係数（γｉｉ）と、区域ｉと区域ｊとの間の結合係数（γｉｊ）と、を含むことを特徴とするシステム。
【請求項２１】
請求項２０記載のシステムにおいて、前記圧力評価手段は、前記区域ｉの圧力評価のｎ番目のサンプルである次のＰ（ｎ）ｚ，ｉΛ（ただし、ΛはＰの上に配置される）を計算するようにプログラムされており、
【数１】
2007528556.tif 000012
Ｐｂは測定された圧力であり、ｎは時間に依存し、
前記制御手段は、前記第２の入力手段から前記ｉ個の区域のそれぞれに対するｎ番目の圧力設定点を受け取り、前記区域圧力評価手段から前記ｉ個の区域のそれぞれに対する圧力評価のｎ番目のサンプルを受け取り、前記ｉ個の区域のそれぞれに対するｎ番目の圧力設定点と前記区域ｉの圧力評価のｎ番目のサンプルとを比較し、前記ｎ番目のサンプルが前記ｎ番目の設定点と等しくない場合には、前記サンプルが前記設定点と等しくなるまで前記弁を動作させるようにプログラムされていることを特徴とするシステム。
【請求項２２】
ｉを１からＮまでの整数として、ｉ個の区域に管を介してそれぞれが接続可能なｉ個のラインを通過する流体フローを制御する方法であって、
前記フロー・ラインにおける測定された圧力を受け取るステップと、
このシステムの特性を受け取るステップと、
このシステムの特性に基づいて前記区域ｉの圧力評価を計算するステップと、
前記ｉ個の区域のそれぞれに対する圧力設定点を受け取るステップと、
前記ｉ個の区域のそれぞれに対する圧力設定点と前記ｉ個の区域のそれぞれに対する圧力評価とを比較し、前記圧力評価が前記設定点と等しくない場合には、前記圧力評価が前記設定点と等しくなるまで前記フロー・ラインｉを流れるフローを修正するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２記載の方法において、前記ｉ個の区域は硬質の壁を有していることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２２記載の方法において、前記ｉ個の区域は可撓性の壁を有していることを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２２記載の方法において、前記ｉ個の区域は結合されていることを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２２記載の方法において、前記ｉ個の区域は結合されていないことを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２２記載の方法において、この方法の特性は、前記ラインを前記区域ｉに接続する管に関連する定数（Ｃｔｕｂｅ，ｉ及びτｔｕｂｅ，ｉ）と、それぞれの区域ｉの体積（Ｖｚ，ｉ）と、ＳＴＰ条件の下にあるそれぞれの区域の初期体積（Ｖｚ０，ｉ）と、体積膨張／縮小時定数（τｖ）と、区域ｉの膨張／縮小係数（γｉｉ）と、区域ｉと区域ｊとの間の結合係数（γｉｊ）と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２７記載の方法において、前記区域ｉの圧力評価のｎ番目のサンプルである次のＰ（ｎ）ｚ，ｉΛ（ただし、ΛはＰの上に配置される）を計算するようにプログラムされており、
【数２】
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ここで、Ｐｂは測定された圧力であり、ｎは時間に依存し、
前記ｉ個の区域のそれぞれに対するｎ番目の圧力設定点が受け取られ、前記ｉ個の区域のそれぞれに対するｎ番目の圧力設定点と前記区域ｉの圧力評価のｎ番目のサンプルとが比較され、前記ｎ番目のサンプルが前記ｎ番目の設定点と等しくない場合には、前記サンプルが前記設定点と等しくなるまで前記フロー・ラインを流れるフローが修正されることを特徴とする方法。
【請求項２９】
ｉを１からＮまでの整数として、ｉ個の区域にそれぞれが接続可能なｉ個のラインのそれぞれの中の対応する圧力を制御することによりｉ個の区域のそれぞれの中の圧力を制御するシステムであって、
それぞれのラインを流れる流体フローを制御するように接続された少なくとも１つの制御弁と、
それぞれのラインにおける圧力を測定するように接続された圧力トランスデューサと、
それぞれの圧力トランスデューサに接続されており、前記ｉ個のラインのそれぞれに対して、前記圧力トランスデューサからフロー・ラインｉにおける測定された圧力を受け取り、前記区域ｉにおける評価された圧力を、このシステムの所定の特性と前記圧力トランスデューサによって提供された測定された圧力との関数として計算するようにプログラムされた区域圧力評価手段と、
対応するラインｉのそれぞれの弁と前記区域圧力評価手段とに接続されており、前記弁を動作させ、圧力設定点と前記区域圧力評価手段からの前記区域ｉの評価された圧力との関数として、前記対応するラインｉにおける流体フローを制御するようにプログラムされた制御手段と、
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項３０】
請求項２９記載のシステムを含む機械において、前記ｉ個のラインにそれぞれ接続されたｉ個の区域を更に含むことを特徴とする機械。
【請求項３１】
請求項３１記載の機械において、前記制御手段に接続されておりこの機械の前記ｉ個の区域のそれぞれに対して前記圧力設定点を提供するようにプログラムされている機械制御手段を更に含んでいることを特徴とする機械。
【請求項３２】
請求項３１記載の機械において、前記ｉ個の区域を含むＣＭＰキャリア・ヘッドを更に含むことを特徴とする機械。
【請求項３３】
請求項３２記載の機械において、前記キャリア・ヘッドの区域は少なくとも部分的には可撓的に弾力性を有するブラダによって形成されていることを特徴とする機械。
【請求項３４】
請求項３３記載の機械において、前記キャリア・ヘッドの区域は相互に圧迫を加えることを特徴とする機械。
【請求項３５】
ｉを１からＮまでの整数として、ｉ個の区域にそれぞれが接続可能なｉ個のフロー・ラインのそれぞれにおける対応する圧力を制御することによって、ｉ個の区域のそれぞれの中の圧力を制御する方法であって、
少なくとも１つの制御弁を有するそれぞれのラインを通過する流体フローを制御するステップと、
それぞれのラインにおける圧力を測定するステップと、
前記区域ｉの中の評価された圧力を、このシステムの所定の特性と対応するフロー・ラインｉにおける測定された圧力との関数として計算するステップと、
前記弁を動作させて、前記対応するフロー・ラインｉにおける流体フローを、設定点と前記区域ｉの中の評価された圧力との関数として制御するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは、圧力制御システムに関し、更に詳しくは、半導体処理装置において見られるような遠隔区域など、遠隔チャンバ又は区域を加圧及び真空化するシステム及び方法に関する。この場合の遠隔区域は、硬質又は可撓性の壁を有しており、結合されている又は結合されていない。
【背景技術】
【０００２】
多くの機械及び機器は、その機器の動作の間に加圧される又は真空化されるチャンバ又は区域（ゾーン、zone）を含む。この出願では、区域とは、包囲された体積と等しい意味である。遠隔区域は、可撓性の壁又は硬質の壁を有しており、相互に結合されている場合と結合されていない場合とがある。
【０００３】
様々な区域の間の結合には、区域の壁が可撓的であり一方の区域が膨張して別の区域を圧迫する時に生じる体積結合（volumetric coupling）が含まれる。区域ドリフトに接続された真空圧力により出口フローが変更され結果としてフローの変遷が生じる場合には、出口結合（outlet coupling）が生じる。マニホルドの中への著しく急激なフローが存在しその結果として同一の源によって与えられる他の区域すべてに影響を及ぼすライン圧力の低下（過渡現象）が生じるときには、入口結合が生じる。
【０００４】
化学的機械的研磨（ＣＭＰ）機械は、使用される間に加圧され真空化される区域を含む機械の例である。ＣＭＰとは、半導体製造プロセスの一部として、特にシリコン・ウエハなどの基板を平坦化する方法である。このような基板は、一般に、導電性、半導電性又は絶縁性の層をシーケンシャルに積層して、その後でそれらの層にエッチングを行い回路の形状を作成することによって形成される。一連の層がシーケンシャルに積層されエッチングされると、基板の外側又は最も上側の表面は、ますます非平坦になっていく。従って、そのような基板表面を周期的に平坦化する必要性が存在するのである。
【０００５】
平坦化方法は、典型的には、基板がＣＭＰ機械のキャリア又は研磨ヘッドの上に搭載されていることを要求する。基板の露出された表面は、キャリア・ヘッドの回転している研磨パッドに接触するように配置され、キャリア・ヘッドは、制御可能な圧力を基板に対して提供し、基板を研磨パッドに押し付ける。少なくとも１つの化学的に反応性の薬剤を含み場合によっては研磨用の粒子を含むスラリが、回転している研磨パッドの表面に供給される。
【０００６】
典型的なキャリア・ヘッドの内部チャンバ又は区域は、少なくとも部分的には、加圧されている区域の上に膨張し区域の内部の真空化によって生じる真空と接触する弾力性のブラダによって形成される。例えば、キャリア・ヘッドの中の区域への加圧は、基板を回転している研磨パッドに対して圧迫するのに用いることができ、他方で、区域の中に真空を生じさせることは、基板を研磨パッドとの間で転送する間に基板をキャリア・ヘッドに対して保持する吸引を提供するのに用いられる。それぞれの区域における圧力は、研磨パッドがキャリア・ヘッドによって保持されている基板に対して所望の力を加えるように制御することができる。
【０００７】
キャリア・ヘッドの遠隔区域の中の圧力を制御する気圧制御システムは、圧力トランスデューサと制御可能な弁とを有するフロー制御ラインを含む。気圧制御システムのフロー制御ラインは、例えば１メートル以上の比較的長い管を介して、キャリア・ヘッドの区域に接続することができる。気圧制御システムは、キャリア・ヘッドの区域を、少なくとも１つの真空源と少なくとも１つの圧力源とに接続する。気圧制御システムは、また、圧力トランスデューサから測定値を受け取りキャリア・ヘッドの遠隔区域を真空源に接続することによってキャリア・ヘッドに気圧によって動力を与えることを弁に命令するようにプログラムされたコンピュータに適切に接続されている。
【０００８】
従来技術による気圧制御システムに付随する問題点として、このシステムは、そのフロー制御ラインに配置されたトランスデューサによって測定された圧力にだけ依存するという点がある。その結果として、制御システムは、気圧制御システムにおける圧力はキャリア・ヘッドの遠隔的に接続された区域における圧力と同じであると仮定することになる。しかし、それは、明らかに正しくないのであって、局所的な圧力過渡状態が気圧制御システムに生じ、それによって、システムの性能の深刻な劣化が生じるのである。
【０００９】
従って、依然として望まれるのは、これに限定されることは意味しないが、ＣＭＰキャリア・ヘッドのチャンバなどの遠隔的に接続された区域を加圧及び真空化し、その区域に遠隔的に接続されたラインにおいてなされた圧力測定値を補償することに用いることができる改良型の圧力制御システム及び方法である。
【発明の開示】
【００１０】
本発明は、区域の数であるｉ＝１からＮまで変動する複数区域型のシステムのための任意の圧力制御ソリューションにおいて用いることができるモデル・ベースの圧力観測器を提供する。更に、これらの区域は、硬質又は可撓性の壁を有し、結合型又は非結合型である。
【００１１】
本発明のある実施例によると、ｉを１からＮまでの整数として、ｉ個の区域に管を介してそれぞれが接続可能なｉ個のラインを通過する流体フローを制御するシステムが提供される。このシステムは、前記ｉ個のラインのそれぞれにおける少なくとも１つの弁及び圧力トランスデューサと、前記弁を制御する制御手段と、前記ｉ個の区域における圧力を評価する区域圧力評価手段と、を含む。
【００１２】
前記区域圧力評価手段は、前記圧力トランスデューサと第１の入力手段とに接続されており、前記フロー・ラインにおける測定された圧力（Ｐｂ）を前記圧力トランスデューサから受け取り、前記第１の入力手段からは、前記ラインを前記区域に接続する管と関連する定数（Ｃｔｕｂｅ，ｉ及びτｔｕｂｅ，ｉ）と、それぞれの区域の体積（Ｖｚ，ｉ）と、ＳＴＰ条件の下にあるそれぞれの区域の初期体積（Ｖｚ０，ｉ）と、体積膨張／縮小時定数（τｖ）と、区域ｉの膨張／縮小係数（γｉｉ）と、区域ｉと区域ｊとの間の結合係数（γｉｊ）とを受け取り、前記区域ｉの評価された圧力のｎ番目のサンプルを計算する。ここで、ｎは時間に依存し、前記評価された圧力は後述する方程式に従って計算される。
【００１３】
制御手段は、前記ラインの弁と前記区域圧力評価手段と前記第２の入力手段とに接続されている。この制御手段は、前記第２の入力手段から前記ｉ個の区域のそれぞれに対するｎ番目の圧力設定点を受け取り、前記区域圧力評価手段から前記ｉ個の区域のそれぞれに対する評価された圧力のｎ番目のサンプルを受け取るようにプログラムされている。更に、この制御手段は、前記ｉ個の区域のそれぞれに対するｎ番目の圧力設定点と前記区域圧力評価のｎ番目のサンプルとを比較し、前記ｎ番目のサンプルが前記設定点と等しくない場合には、前記サンプルが前記設定点と等しくなるまで前記の弁を動作させるようにプログラムされている。
【００１４】
本発明のある側面によると、複数区域型のシステムのすべての区域は、単一の圧力源からの供給を受けて単一の真空排気口に排出され、これらの区域の体積は膨張及び収縮可能であり、区域の体積は相互作用を行う（相互に押し合う）。
【００１５】
本発明のこれ以外の側面及び効果として、このシステムは、限定を意味しないが、ＣＭＰキャリア・ヘッドのチャンバなど遠隔的に接続された複数の区域の加圧及び真空化に用いることができる。このシステムは、区域に遠隔的に接続されたラインにおいて測定された圧力測定値を補償し、複数区域型のシステムの加圧及び真空化に用いることができる。この場合、区域の壁は硬質であったり可撓性であったりしうるし、結合型の場合も非結合型の場合もある。
【００１６】
本発明のこれ以外の特徴及び効果は、本発明の実施例を例示的に示し説明している以下の詳細な説明を読めば、当業者であれば理解できるはずである。理解できるように、本発明は、本発明から離れることなく様々な明らかな点において修正が可能である。従って、添付の図面及び詳細な説明は、制限を意味せず、あくまで例示的な性質を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下の説明では添付の図面を参照するが、添付の図面において、同一の参照符号を有する要素は同じ要素を表している。
図１は、本発明に従って構築されたシステム１００の実施例を示しており、このシステム１００は、化学的機械的平坦化（ＣＭＰ）機械１０などの機械の遠隔的な区域Ｚｉに真空源３０と圧力源４０とを接続する気圧マニホルド１１０を制御する。ここで、ｉは１からＮまでの整数である。これら複数の区域Ｚｉは、硬質の又は可撓性の壁を有し、結合型又は非結合型である。
【００１８】
マニホルド１１０に加えて、図１のシステム１００は、区域圧力評価計１２０と制御装置１３０とを含む。区域圧力評価計１２０と制御装置１３０とは、共に、別個に提供される又は一体のユニットとして提供されるコンピュータを含む。例えば、本発明の区域圧力評価計１２０は、別個の装置として提供されることもあるし、既存の圧力制御システムに「アフターマーケット」部品として追加されることもあり、更に、新規に製造される圧力制御システムにおいて制御装置１３０と一体化して提供されることもありうる。
【００１９】
図２に示されているように、システム・マニホルド１１０は、フロー制御ラインｂｉを含む。ここでｉは１からＮまでの整数であり、遠隔区域Ｚｉの数と対応している。フロー制御ラインｂｉは、入口マニホルド「Ｌ」とベンチュリを有するマニホルド「ｍａｎ」との間に接続されていて、真空源３０と圧力源４０とを遠隔区域Ｚｉに接続する。それぞれのフロー制御ラインｂｉは、圧力源４０を遠隔区域Ｚｉに接続する入口弁１１２と、フロー制御ラインｂｉにおける圧力を測定する圧力トランスデューサ１１４と、遠隔区域Ｚｉを真空源３０に接続する出口弁１１６とを含む。
【００２０】
図１の区域圧力評価計１２０は、図２に示されているように、システム・マニホルド１１０のトランスデューサ１１４からの圧力測定値を受け取り、システム１００の物理パラメータを受け取るようにプログラムされている。これらの物理パラメータは、第１の入力装置１２２を介して、図１に示されているように、オペレータによって入力される。入力装置１２２は、例えば、キーボードとマウスとモニタとで構成される。区域圧力評価計１２０は、更に、これらの圧力測定値と物理パラメータとを用い、後で詳述するアルゴリズムを用いて、それぞれの区域Ｚｉに対する圧力評価を計算して提供する。
【００２１】
図１のシステム制御装置１３０は、図２に示されているように、区域圧力評価計１２０から区域圧力評価を受け取り、遠隔区域Ｚｉのそれぞれに対する圧力設定点を受け取り、これらの区域圧力評価と圧力設定点とを用いてシステム・マニホルド１１０の弁１１２及び１１６を制御する。圧力設定点は、第２の入力装置（又は、上述した第１の入力装置）を用いてオペレータによって入力されるが、図１に示されているように、処理機械１０の制御装置２０によって入力されることもある。
【００２２】
図２の実施例では、すべての区域Ｚｉは、単一の圧力源呼吸センサ３０からの供給を受け、単一の真空排気口３０に排出がなされている。遠隔区域Ｚｉは、膨張及び収縮可能な体積を有し、区域Ｚｉの体積は相互作用（相互に押し合う）をする。
【００２３】
本発明のシステムの使用例として、図３に、図１の気圧制御システム１００がＣＭＰ機械１０のキャリア・ヘッド１６のロータリ・ユニオンに接続された様子が示されている。キャリア・ヘッド１６は、それ自体の軸の周囲を独立に回転し、回転モータ１４をキャリア・ヘッド１６に接続するキャリア駆動シャフト１２を有している。駆動モータ１４の上にあるロータリ・ユニオン１８は、流体ラインＦｉを駆動シャフト１２のチャネルＣｉに結合している。なおここで、ｉは１からＮまでの整数であり、遠隔区域Ｚｉの数に対応する。そして、チャネルＣｉは、それぞれが、キャリア・ヘッド１６の中に含まれる遠隔区域Ｚｉに接続される。
【００２４】
明示的には示されていないが、キャリア・ヘッド１６の遠隔区域Ｚｉは、少なくとも部分的には、区域Ｚｉが加圧されると膨張し区域Ｚｉの内部に真空が形成されると収縮する弾力的なブラダによって形成されている。例えば、キャリア・ヘッド１６の中の１つの区域Ｚｉへの加圧は、基板を回転している研磨パッドに押し付けるのに用いられ、同じ区域Ｚｉの中の真空形成は、基板を研磨パッドとの間で移動させる間に基板をキャリア・ヘッド１６に対して保持する吸引を提供するのに用いられる。更に、それぞれの区域Ｚｉにおける圧力は、研磨パッドがキャリア・ヘッド１６によって保持された基板に所望の力を加えるように制御される。気圧制御システム１００は、ロータリ結合部１８から延長する流体ラインＦｉを真空源３０と圧力源４０とに接続する。システム１００の制御装置１３０は、制御可能な弁１１２及び１１６を動作させて、キャリア・ヘッド１６の遠隔区域Ｚｉを真空源３０と圧力源３０とに選択的に接続し、従って、キャリア・ヘッド１６に気圧的な動力を与える。
【００２５】
従来技術の気圧制御システムに付随する問題として、システムが、マニホルド１１０のフロー制御ラインｂｉの中に配置されたトランスデューサ１１４によって測定された圧力だけに依存するという点がある。しかし、フロー制御ラインｂｉにおけるトランスデューサ１１４は、これらのラインの中の圧力を測定するだけであり、キャリア・ヘッド１６の遠隔的に接続された区域Ｚｉにおける圧力は測定しない。その結果として、制御システム１３０は、フロー制御ラインｂｉの中の圧力はキャリア・ヘッド１６の遠隔的に接続された区域Ｚｉにおける圧力と同じであると仮定することになる。しかし、フロー制御ラインｂｉにおいて局所的な圧力の過渡現象が生じると、これは必ずしも正しくなく、システム性能の深刻な低下につながる可能性がある。
【００２６】
本発明は、新規で改良型の圧力制御システム１００を提供する。この圧力制御システム１００は、例えばＣＭＰキャリア・ヘッド１６などの半導体処理機器の遠隔的に接続された区域Ｚｉを加圧し真空化するのに用いることができる。ただし、これに限定されるわけではない。更に、この圧力制御システム１００は、区域Ｚｉに遠隔的に接続されたフロー制御ラインｂｉにおいて得られた圧力測定値を補償する。この新規で改良型の気圧制御システム１００は、区域Ｚｉの数がｉ＝１からｉ＝Ｎまで変動する複数区域型のシステムを加圧し真空化するのに用いることができる。更に、この新規で改良型の気圧制御システム１００は、硬質又は可撓性の壁を有し相互に結合された又は結合されていない遠隔的に接続された区域Ｚｉと共に用いることができる。
【００２７】
様々な区域Ｚｉの間の結合は、３つの態様で生じうる。区域における体積結合（volumetric coupling）は、体積の膨張／収縮及び体積間の相互作用に起因して生じる。この相互作用は、例えば、一方の区域が膨張し別の区域を圧迫することにより第２の区域の内部圧力を上昇させることによって生じる。この場合には、区域の壁は可撓的（そして、膨張及び収縮可能）である。
【００２８】
排気口における出口結合は、真空圧力レベルがドリフトし出口フローを変更させる場合に生じ、極端な場合には、結果的にフローが詰まった状態と詰まっていない状態との間で遷移する。これは、多くのフローがベンチュリ・ラインの中に投入されるベンチュリ・ポンプの場合に重要である。この場合には、区域の壁は、硬質でも可撓性でもありうる。
【００２９】
入口結合は、ある区域の設定点が十分に高く設定されていてそのマニホルドの中への著しいフローの流入があり、結果的にライン圧力が降下する場合（過渡現象）に生じる。このライン圧力の低下は、圧力源によって圧力を供給されている他のすべての区域に影響する。この場合も、区域の壁は、硬質でも可撓性でもありうる。
【００３０】
注意すべきであるが、ただ１つの区域と硬質の壁とを有するシステムは、「非結合型の単一区域システム」と考えられる。独立の入口によって供給され独立の排気口に排出がなされるそのような硬質区域は、多くの場合、「非結合型の複数区域システム」の例である。膨張及び収縮が可能な可撓性の壁を有する単一区域は、「結合型の単一区域システム」と考えられる。図１及び図２に図解されているシステム１００は、「結合型の複数区域システム」であり、その結合のレベルは、入口、出口及び体積結合に基づいて数量化がなされる。
【００３１】
区域圧力評価計１２０は、システム・マニホルド１１０におけるトランスデューサ１１４の圧力測定値とシステム１００の物理パラメータとモデル・ベースのアルゴリズムとを用いて区域Ｚｉの圧力を正確に評価することによって、区域Ｚｉのそれぞれにおける圧力を評価するのに用いられる。直接的な結果として、閉ループにおいて区域圧力評価計１２０を用い区域Ｚｉにおける圧力を制御する制御システム１００は、区域Ｚｉにおいて生じないシステム・マニホルド１１０における局所化された圧力過渡現象を克服し、従って、閉ループの制御性能を著しく向上させる。
【００３２】
更に、区域圧力評価計１２０は、高度な制御システムの中への一体化が容易であり、入口圧力／フローと出口圧力／フローと区域容積相互作用との静的及び／又は動的な結合を示す複数の区域Ｚｉを補償する。区域圧力評価計１２０は、遠隔区域Ｚｉのサイズに対していかなる制約も課さない。区域圧力評価計１２０は、また、可撓性の壁を有する区域だけでなく、固定／硬質の壁を揺する区域Ｚｉと共に用いることができる。区域圧力評価計１２０は、圧力設定点の異なる範囲に対して有効であり、高度な制御システムの中に一体化されると、一貫した過渡現象と定常現象とを保証する。
【００３３】
区域圧力評価計１２０を動作させるのに用いられるモデル・ベースのアルゴリズムは、システム・マニホルド１１０の力学と、遠隔区域Ｚｉの力学（dynamics）及び体積結合とに基づいている。
システム・マニホルド力学：
システム・マニホルド１１０のそれぞれのフロー・ラインｂｉの内部の有効圧力は、次の数式によって定義される。
【００３４】
【数３】
2007528556.tif 000003
【００３５】
ここで、Ｐｂ，ｉはｉ番目の区域に対する測定チャンバの中のトランスデューサ１１４によって測定された圧力であり、ＰＳＴＰは標準温度及び圧力（ＳＴＰ）状態における圧力であって、Ｑｉｎ，ｉは入力フローを意味し、Ｑｏ，ｉ及びＱｚ，ｉは出力フローを意味する。特に、Ｑｏ，ｉはｉ番目のフロー・ラインｂｉからベンチュリ・マニホルドへのフローであり、Ｑｚ，ｉはｉ番目の区域へのフローである。数式３では、Ｖｂ，ｉはｉ番目の区域に対するフロー・ラインｂｉの体積を意味する。
【００３６】
ベンチュリ・マニホルド「ｍａｎ」への出力フローは、次の数式によって表すことができる。
【００３７】
【数４】
2007528556.tif 000004
【００３８】
ここで、ｄｏｒｉｆｉｃｅ，ｉはベンチュリ・マニホルドに供給する測定フロー・ラインｂｉにおける固定オリフィスの直径であり、Ｐｍａｎは真空ポンプ３０に接続されたベンチュリ・マニホルドにおける圧力を意味する。注意すべきであるが、オリフィスを流れるフローは、固定されたオリフィスにおける圧力差に応じて、詰まる場合も詰まらない場合もある。
区域力学及び体積結合：
それぞれの区域へのフローは、次の力学方程式によって記述することができる（ナビエ・ストークス（Navier-Stokes）方程式から導かれる）。
【００３９】
【数５】
2007528556.tif 000005
【００４０】
ここで、Ｑｚ，ｉ及びＰｚ，ｉはｉ番目の区域への入口フローとｉ番目の区域における圧力とをそれぞれ表し、Ｃｔｕｂｅ，ｉ及びτｔｕｂｅ，ｉは測定フロー・ラインｂから区域Ｚｉへの管と関連する定数である。
【００４１】
それぞれの区域Ｚｉの中の圧力力学は、次の数式によって記述することができる。
【００４２】
【数６】
2007528556.tif 000006
【００４３】
ここで、それぞれの区域Ｚｉの体積はＶｚ，ｉによって表され、複数の区域Ｚｉの間の結合に起因する動的な体積相互作用は、次のように数学的に記述することができる。
【００４４】
【数７】
2007528556.tif 000007
【００４５】
ここで、Ｖｚ０，ｉは標準温度及び圧力（ＳＴＰ）条件の下でのそれぞれの区域の初期体積であり、τｖは体積膨張／収縮時定数であり、γｉｉは膨張／収縮係数であり、γｉｊは区域ｉと区域ｊとの間の結合係数である。注意すべきであるが、質量／慣性効果は無視できると仮定する（従って、加速度項は存在しない）。
区域圧力評価計：
制御の目的は、遠隔区域Ｚｉの中の圧力を調整することである。しかし、圧力トランスデューサ１１４は、システム・マニホルド１１０のフロー・ラインｂの中に囲われている（区域Ｚｉとは逆である）。図１に示されるように、システム・マニホルド１１０は、長い管Ｆｉによって遠隔区域Ｚｉから隔てられている。
【００４６】
１つの解決策は、上述の区域フロー方程式（数式５）を、次のような離散形式に書き直すことである。
【００４７】
【数８】
2007528556.tif 000008
【００４８】
ここで、Ｑ（ｎ）ｚ，ｉΛ（実際の数式ではΛはＱの真上に書かれているが、ここでは、入力の都合上、後に書かれている）は、ｉ番目の区域へのフロー評価のｎ番目のサンプルである。なお、Ｐｂはフロー・ライン圧力トランスデューサ１１４によって測定された圧力である。
【００４９】
数式７による表現の離散的な解は、次のように得られる。
【００５０】
【数９】
2007528556.tif 000009
【００５１】
ここで、Ｖ（ｎ）ｚ，ｉΛ（実際の数式ではΛはＶの真上に書かれているが、ここでは、入力の都合上、後に書かれている）は、ｉ番目の区域への体積評価のｎ番目のサンプルである。以上の数式６、８及び９に基づいて、区域圧力評価計１２０のアルゴリズムは、次のように構成される。
【００５２】
【数１０】
2007528556.tif 000010
【００５３】
ここで、Ｐ（ｎ）ｚ，ｉΛ（実際の数式ではΛはＰの真上に書かれているが、ここでは、入力の都合上、後に書かれている）は、ｉ番目の区域への圧力評価のｎ番目のサンプルである。Ｑ（ｎ）ｚ，ｉΛ（実際の数式ではΛはＱの真上に書かれているが、ここでは、入力の都合上、後に書かれている）は、数式８において定義されたフロー評価から得られるが、あるいは、直接的なフロー測定値Ｑｚが得られるときにはＱｚによって代替することができる。Ｖ（ｎ）ｚ，ｉΛ（実際の数式ではΛはＶの真上に書かれているが、ここでは、入力の都合上、後に書かれている）は数式９から得られる。
【００５４】
構成上の理由から体積の膨張を示さず従って体積結合を示さない固定された体積（すなわち、硬質の壁）の場合には、１からＮまでの任意の整数ｉ及びｊに対して、γｉｊ＝０である。その結果、数式７の表現はＶｚ，ｉ＝Ｖｚ０，ｉであり、任意のｎに対してＶ（ｎ）ｚ，ｉΛ（実際の数式ではΛはＶの真上に書かれているが、ここでは、入力の都合上、後に書かれている）＝Ｖｚ０，ｉである。従って、数式１０から、硬質の壁を有し固定された体積を有するＰ（ｎ）ｚ，ｉΛ（実際の数式ではΛはＰの真上に書かれているが、ここでは、入力の都合上、後に書かれている）は、次のように書き直すことができる。
【００５５】
【数１１】
2007528556.tif 000011
【００５６】
注意すべきであるが、評価計方程式の離散的な実現は陽（explicit）の場合も陰(implicit)の場合もあり、この離散的な実現が周知の安定条件を満足する限りは、システムの性能に認識可能な影響を及ぼすことはない。
制御アルゴリズム：
区域圧力評価計１２０の性能を有効にするためには、数式８、９及び１０において定義された計算は区域圧力評価計１２０の中にプログラムされた制御アルゴリズムの中に一体化され、以下の実験が図１に示されたシステム１００と、従来技術に従って構築されたシステム（つまり、区域圧力評価計１２０を含まない）とを用いて実行された。図４から図７を参照すると、図１の評価計ベースの制御装置１００によるライン「Ｘ」によって表された定常状態の性能は、体積及び圧力の設定点の範囲において、評価計ベースの制御装置１００は無視できる発振しか生じておらず、はるかに小さな定常状態オフセットしか生じていないという点において、従来技術に従って構築されたシステムによるライン「Ｙ」によって表された定常状態の性能よりもはるかに優れている。
【００５７】
Ｎ２（窒素）に対する長さが１．２ｍで内径が４ｍｍの管によってそれぞれの測定チャンバに接続された遠隔区域Ｚｉに対するシステム・パラメータの例を次に示す。
ＰＳＴＰ＝１４．７ｐｓｉａ                ＳＴＰ条件での圧力
ρＳＴＰ＝１．１６ｋｇ／ｍ３              ＳＴＰ条件での密度
γ＝１．４                              比熱
ＴＩ＝３００度Ｋ                        動作温度
Ｒ＝２９７Ｊ／ｋｇ−Ｋ                  理想気体定数
μ＝１．７７ｘ１０−４ｐｏｉｓｅ        粘度係数
Ｃｔｕｂｅ＝（ほぼ）６５４００ｋｇ／ｃｃ  管パラメータ
τｔｕｂｅ＝（ほぼ）３ｍｓ                管時定数
制御装置１３０は、ＣＭＰ機械１０のように、ラインｂｉの弁１１２及び１１６と区域圧力評価計１２０と第２の入力装置とに接続されている。一般に、制御装置１３０は、第２の入力装置２０からｉ個の区域のそれぞれに対するｎ番目の圧力設定点を受け取り、区域圧力評価計１２０からｉ個の区域のそれぞれに対する区域圧力評価のｎ番目のサンプルを受け取り、ｉ個の区域のそれぞれに対するｎ番目の圧力設定点と区域圧力評価のｎ番目のサンプルとを比較して、サンプルが設定点と等しくない場合には、サンプルが設定点と等しくなるまで、弁１１２及び１１６を動作させる。
【００５８】
以上のように、本発明は、例えばＣＭＰキャリア・ヘッドなどの半導体処理装置の遠隔的に接続された体積の加圧及び真空化に使用することができる新規で改良型の気圧制御システム１００を提供する。ただし、この用途に限定はされない。そして、本発明によるシステム１００は、体積に遠隔的に接続されたチャンバの中で得られた圧力測定値を補償する。更に、本発明による気圧制御システム１００は、体積又は区域の数がｉ＝１からｉ＝Ｎまで変動する複数体積型のシステムを加圧し真空化するのに用いることができる。更に、この新規で改良型の気圧制御システム１００は、硬質又は可撓性の壁を有し相互に結合された又は結合されていない遠隔的に接続された区域Ｚｉと共に用いることができる。
【００５９】
理解すべきであるが、本発明は、ＣＭＰ機械と共に又はその一部として用いることができる気圧制御システム１００に関するものである。しかし、本発明による気圧制御システム１００は、ＣＭＰ機械と共に又はその一部としての使用には限定されず、ＣＭＰ機械以外の気圧制御される機械の遠隔的な区域と共に用いることができる。
【００６０】
この明細書に記載された実施例は限定ではなく例示の目的で提供されており、様々な修正、組合せ及び代替を、冒頭の特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に従って構築され、真空源と圧力源とを、化学的機械的平坦化（ＣＭＰ）機械などの機械の遠隔的な区域に接続する気圧制御システムを制御するシステム及び方法の実施例を示す図である。
【図２】図１のシステムのマニホルドの実施例を示しており、この例では相互に結合された複数の遠隔区域に真空及び圧力源を接続するフロー制御ラインを含んでいる。
【図３】ロータリ・ユニオンを介して図１の気圧制御システムに接続された遠隔区域を含むＣＭＰ機械の一例の部分的に断面を示した側面図である。
【図４】図１の気圧制御システムと従来技術による気圧制御システムとに関し、様々な体積及び圧力に対する圧力応答時間を図解するグラフである。
【図５】図１の気圧制御システムと従来技術による気圧制御システムとに関し、様々な体積及び圧力に対する圧力応答時間を図解するグラフである。
【図６】図１の気圧制御システムと従来技術による気圧制御システムとに関し、様々な体積及び圧力に対する圧力応答時間を図解するグラフである。
【図７】図１の気圧制御システムと従来技術による気圧制御システムとに関し、様々な体積及び圧力に対する圧力応答時間を図解するグラフである。
【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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【国際調査報告】
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