(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気された処理チャンバ内の圧力を制御する方法であって、
上記処理チャンバの所望の圧力レベルを反映する所望の圧力値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバを通る所望のガス流量を表す所望のガス流量値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバ内の圧力を制御するために使用されている絞り弁を、上記所望の圧力値及び上記所望のガス流量値の関数に対応する電子的に記憶されている絞り弁位置推定曲線におけるポイントを示す初期位置に、位置決めするステップと、
上記処理チャンバ内の測定対象の圧力を測定するステップと、
上記所望の圧力値と、測定された上記圧力である測定圧力のレベルとの間の差に等しい圧力誤差を計算するステップと、
Ｐmeasuredが上記測定圧力の値であり、Ｐsetが上記所望の圧力値である場合の式（Ｐmeasured−Ｐset）／Ｐsetによって決定する圧力誤差の割合の絶対値を、上記測定圧力のレベルと上記所望の圧力値に基づいて計算するステップと、
上記位置決めステップに続いて、上記所望の圧力値と上記測定圧力のレベルとの間の差に基づき、比例制御及び積分制御を使用して、少なくとも１回上記絞り弁を再位置決めするステップと、
を含み、
所定の時間の間、上記積分制御を遅延させ、上記圧力誤差の割合の絶対値が予め設定されたしきい値より降下した時間を、その所定の時間として確定する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
上記再位置決めステップは、微分制御の使用を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記しきい値は、0.25より小さいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記しきい値は、0.05より小さいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
排気された処理チャンバ内の圧力を制御する方法であって、
上記処理チャンバの所望の圧力レベルを反映する所望の圧力値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバを通る所望のガス流量を表す所望のガス流量値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバ内の圧力を制御するために使用されている絞り弁を、上記所望の圧力値及び上記所望のガス流量値の関数に対応する電子的に記憶されている絞り弁位置推定曲線におけるポイントを示す初期位置に、位置決めするステップと、
上記処理チャンバ内の測定対象の圧力を測定するステップと、
上記所望の圧力値と、測定された上記圧力である測定圧力のレベルとの間の差に等しい圧力誤差を計算するステップと、
上記チャンバの圧力を上記所望の圧力に安定化させるために必要な時間を推定するステップと、
上記位置決めステップに続いて、上記所望の圧力値と上記測定圧力のレベルとの間の差に基づき、比例制御及び積分制御を使用して、少なくとも１回上記絞り弁を再位置決めするステップと、
を含み、
所定の時間の間、上記積分制御を遅延させ、その所定の時間は推定した上記時間である推定時間と等しいことを特徴とする方法。
【請求項６】
上記推定時間は、ｔが上記推定時間、Ｐsetが上記所望の圧力値、Ｖchamberが上記処理チャンバの体積、Ｑsetが上記所望のガス流量値である式
0004382984.tif 000002
を使用することによって計算されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
上記推定時間を確定するステップを更に含み、そのステップは、
上記測定圧力を電子メモリ内に格納し、
上記測定圧力を測定した時間を電子メモリ内に格納すること
によって行われ、
上記推定時間は、
（ａ）上記測定圧力と上記測定圧力を測定した時間に基づいて、時間の変化に対する圧力の変化を計算し、
（ｂ）上記測定圧力を、上記時間の変化に対する圧力の変化によって除算する
ことによって計算されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】
排気された処理チャンバ内の圧力を制御する方法であって、
上記処理チャンバの所望の圧力レベルを反映する所望の圧力値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバを通る所望のガス流量を表す所望のガス流量値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバ内の圧力を制御するために使用されている絞り弁を、上記所望の圧力値及び上記所望のガス流量値の関数に対応する電子的に記憶されている絞り弁位置推定曲線におけるポイントを示す初期位置に、位置決めするステップと、
上記処理チャンバ内の測定対象の圧力を測定するステップと、
上記所望の圧力値と、測定された上記圧力である測定圧力のレベルとの間の差に等しい圧力誤差を計算するステップと、
上記位置決めステップに続いて、上記所望の圧力値と上記測定圧力のレベルとの間の差に基づき、比例制御及び積分制御を使用して、少なくとも１回上記絞り弁を再位置決めするステップと、
を含み、
所定の時間の間、上記積分制御を遅延させ、その所定の時間は、
上記測定圧力を電子メモリ内に格納するステップと、
上記測定圧力を測定した時間を電子メモリ内に格納するステップと、
上記測定圧力と上記測定圧力を測定した時間に基づいて、時間の変化に対する圧力の変化を計算するステップと、
上記時間の変化に対する圧力の変化を電子メモリ内に格納するステップと、
上記時間の変化に対する圧力の変化の最大絶対値を選択するステップと、
上記時間の変化に対する圧力の変化の絶対値が、上記最大絶対値の予め設定されたしきい値パーセンテージより降下した時間を、上記所定の時間として確定するステップによって設定されることを特徴とする方法。
【請求項９】
上記しきい値パーセンテージは、50パーセントより小さいことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
排気された処理チャンバ内の圧力を制御する方法であって、
上記処理チャンバの所望の圧力レベルを反映する所望の圧力値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバを通る所望のガス流量を表す所望のガス流量値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバ内の圧力を制御するために使用されている絞り弁を、上記所望の圧力値及び上記所望のガス流量値の関数に対応する電子的に記憶されている絞り弁位置推定曲線におけるポイントを示す初期位置に、位置決めするステップと、
上記処理チャンバ内の測定対象の圧力を測定するステップと、
上記所望の圧力値と、測定された上記圧力である測定圧力のレベルとの間の差に等しい圧力誤差を計算するステップと、
上記位置決めステップに続いて、上記所望の圧力値と上記測定圧力のレベルとの間の差に基づき、比例制御及び積分制御を使用して、少なくとも１回上記絞り弁を再位置決めするステップと、
を含み、
所定の時間の間、上記積分制御を遅延させ、さらに、上記位置決めステップは、
上記処理チャンバ内の圧力、及び上記処理チャンバ内へのガス流量からなる定義域と、上記絞り弁の位置からなる範囲を有する数学的関数に電子メモリからアクセスするステップと、
上記所望の流量値を上記所望の圧力値によって除算した値に等しいコンダクタンスを計算するステップと、
上記コンダクタンスを上記電子メモリからアクセスされた上記数学的関数の逆関数に印加することによって、上記数学的関数に従って上記絞り弁を位置決めするステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
上記位置決めステップの前に、50から150パーセントまでの範囲の割合によって上記コンダクタンスを除算することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
上記割合は、70から130パーセントまでの範囲を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
上記チャンバの圧力を上記所望の圧力に安定化させるために必要な時間を推定するステップを更に含み、
上記所定の時間は推定した上記時間と等しいことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
排気された処理チャンバ内の圧力を制御する方法であって、
上記処理チャンバの所望の圧力レベルを反映する所望の圧力値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバを通る所望のガス流量を表す所望のガス流量値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバ内の圧力を制御するために使用されている絞り弁を、上記所望の圧力値及び上記所望のガス流量値の関数に対応する電子的に記憶されている絞り弁位置推定曲線におけるポイントを示す初期位置に、位置決めするステップと、
上記処理チャンバ内の測定対象の圧力を測定するステップと、
上記所望の圧力値と、測定された上記圧力である測定圧力のレベルとの間の差に等しい圧力誤差を計算するステップと、
上記位置決めステップに続いて、上記所望の圧力値と上記測定圧力のレベルとの間の差に基づき、比例制御及び積分制御を使用して、少なくとも１回上記絞り弁を再位置決めするステップと、
を含み、
所定の時間の間、上記積分制御を遅延させ、さらに、上記位置決めステップは、
現在の上記弁の位置を検索するステップと、
標準圧力を、上記チャンバ内のガスの温度によって乗算し、上記チャンバの容積によって除算し、それを標準温度によって除算した値に等しい定数βを電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバ内の圧力、及び上記処理チャンバ内へのガス流量からなる定義域と、上記絞り弁の位置からなる範囲を有する数学的関数に電子メモリからアクセスするステップと、
上記処理チャンバ内の圧力及び温度を測定するステップと、
時間の変化に対する圧力の変化を計算するステップと、
上記弁の現在位置を上記電子メモリからアクセスされた上記数学的関数の逆関数に印加し、その結果に上記測定圧力を乗算することによって流出量を計算するステップと、
上記時間の変化に対する圧力の変化に定数βを乗算し、それに上記流出量を加算した値、即ち
Ｑineff＝｛（ｄＰ／ｄｔ）×β｝＋Ｑout
に等しいガスの実効流入量を計算するステップと、
上記実効流入量を上記測定圧力によって除算した値に等しいコンダクタンスを計算するステップと、
上記コンダクタンスを、上記電子メモリからアクセスされた上記数学的関数の逆関数に印加することによって、上記数学的関数に従って上記絞り弁を位置決めするステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
排気された処理チャンバ内の圧力を制御する方法であって、
上記処理チャンバの所望の圧力レベルを反映する所望の圧力値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバを通る所望のガス流量を表す所望のガス流量値を電子メモリから検索するステップと、
弁の現在の位置を検索するステップと、
標準圧力を、上記チャンバ内のガスの温度によって乗算し、上記チャンバの容積によって除算し、それを標準温度によって除算した値に等しい定数βを電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバ内の圧力、及び上記処理チャンバ内へのガス流量からなる定義域と、絞り弁の位置からなる範囲を有する数学的関数に電子メモリからアクセスするステップと、
上記処理チャンバ内の圧力を制御するために使用されている絞り弁を、上記所望の圧力値及び上記所望のガス流量値を上記数学的関数に投入することによって決定される初期位置に位置決めするステップと、
上記処理チャンバ内の圧力及び温度を測定するステップと、
時間の変化に対する圧力の変化、即ちｄＰ／ｄｔを計算するステップと、
上記弁の現在位置を上記電子メモリからアクセスされた上記数学的関数の逆関数に印加し、その結果に、測定された上記圧力である測定圧力を乗算することによってガスの流出量Ｑouteffを計算するステップと、
上記時間の変化に対する圧力の変化に定数βを乗算し、それに上記流出量を加算した値、即ちＱineff＝｛（ｄＰ／ｄｔ）×β｝＋Ｑoutに等しいガスのＱineff実効流入量を計算するステップと、
上記実効流入量を上記測定圧力によって除算した値に等しいコンダクタンスを計算するステップと、
上記コンダクタンスを、上記電子メモリからアクセスされた上記数学的関数の逆関数に印加することによって、上記数学的関数に従って上記絞り弁を位置決めするステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
排気された処理チャンバ内の圧力を制御する方法であって、
上記処理チャンバの所望の圧力レベルを反映する所望の圧力値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバを通る所望のガス流量を表す所望のガス流量値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバ内の圧力を制御するために使用されている絞り弁を、上記所望の圧力値及び上記所望のガス流量値に基づいて初期位置に位置決めするステップと、
上記処理チャンバ内の測定対象の圧力を測定するステップと、
上記所望の圧力と測定された上記圧力である測定圧力との間の差を計算するステップと、
上記測定圧力と上記測定圧力を測定した時間に基づいて、時間の変化に対する圧力の変化を計算するステップと、
上記時間の変化に対する圧力の変化を電子メモリ内に格納するステップと、
上記時間の変化に対する圧力の変化の最大絶対値を選択するステップと、
上記位置決めステップに続いて、上記所望の圧力と上記測定圧力との間の差に基づき、比例制御及び積分制御を使用して、上記絞り弁を再位置決めするステップと、
を含み、
上記時間の変化に対する圧力の変化の絶対値が上記選択された最大絶対値の予め設定されたしきい値のパーセンテージより小さくなるまで、上記積分制御を遅延させ、そのしきい値は、上記選択された最大絶対値の50パーセントより小さいことを特徴とする方法。
【請求項１７】
上記再位置決めステップは、微分制御の使用を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
制御された低圧環境の下で材料を処理する装置であって、
処理チャンバと、
上記処理チャンバと流体的に通じているガス導入システムと、
上記処理チャンバと流体的に通じていて、上記処理チャンバからガスを除去するように構成されている真空ポンプと、
上記処理チャンバと上記真空ポンプとの間に取付けられ、上記真空ポンプによって上記処理チャンバから除去されるガスの流量を調整するように位置決め可能な絞り弁と、
上記処理チャンバ内の圧力を制御するコントローラと、
を備え、
上記コントローラは、そのコントローラによって選択される複数の絞り位置へ上記絞り弁を位置決めすることによって上記圧力を制御するようになっており、
所望の圧力に基づき、上記絞り弁の第１の絞り位置は、上記コントローラによって事前に選択されており、
後続する上記絞り位置は、上記所望の圧力と処理チャンバ内で測定された圧力である測定圧力との間の差に基づき、比例制御及び積分制御を使用して上記コントローラによって選択され、
上記コントローラが、上記積分制御を所定の時間の間遅延させ、Ｐmeasuredが上記測定圧力の値であり、Ｐsetが上記所望の圧力値である場合の式（Ｐmeasured−Ｐset）／Ｐsetによって決定する圧力誤差の割合の絶対値が0.25より小さくなった時間を、上記所定の時間として確定することを特徴とする装置。
【請求項１９】
上記後続する絞り位置の選択は、微分制御を更に使用することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
圧力誤差の割合の絶対値が0.05より小さくなった時間を、上記所定の時間として確定することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
上記所定の時間は、上記チャンバの圧力が上記所望の圧力に安定化するために必要な時間と等しいことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
上記時間の変化に対する圧力の変化の絶対値が、上記時間の変化に対する圧力の変化の最大絶対値の50パーセントより降下した時間を、上記所定の時間として確定することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２３】
排気された処理チャンバ内の圧力を制御する方法であって、
上記処理チャンバの所望の圧力レベルを反映する所望の圧力値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバを通る所望のガス流量を表す所望のガス流量値を電子メモリから検索するステップと、
上記処理チャンバ内の圧力、及び上記処理チャンバ内へのガス流量からなる定義域と、絞り弁の位置からなる範囲を有する数学的関数に電子メモリからアクセスするステップと、
上記処理チャンバ内の圧力を測定するステップと、
上記所望の圧力値と測定された上記圧力である測定圧力のレベルとの間の差に等しい圧力誤差を計算するステップとを含み、
さらに、
（ａ）上記弁の現在位置の値を検索するステップと、
（ｂ）比例利得及び微分利得の少なくとも１つが０に等しくなく、積分利得が所定の時間の間、０に設定され、その所定の時間の後に、上記弁の現在位置を、電子メモリからアクセスされた数学的関数に印加し、その結果に定数を乗算することによって、上記積分利得を決定するような、上記比例利得、上記積分利得、及び上記微分利得を上記電子メモリから検索するステップと、
（ｃ）上記圧力誤差を、上記比例利得、上記積分利得、及び上記微分利得に印加することによって、上記弁の位置の比例補償、上記弁の位置の積分補償、及び上記弁の位置の微分補償をそれぞれ計算するステップと、
（ｄ）上記ステップ（ｃ）からの出力を合算して体積流量を表す値を生成するステップと、
（ｅ）上記体積流量値を圧力値によって除算して流量／圧力を表す商を求めるステップと、
（ｆ）上記商を、電子メモリからアクセスされた数学的関数の逆関数に印加して新しい弁位置を生成するステップと、
（ｇ）上記弁位置を上記新しい弁位置に再位置決めするステップと、
を繰り返すことによって、上記絞り弁を位置決めするステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】
上記圧力値は、上記所望の圧力であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
上記圧力値は、上記測定圧力であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
上記位置決めステップの前に、上記弁を、上記所望の圧力値及び上記所望のガス流量値の関数に対応する電子的に記憶されている絞り弁位置推定曲線におけるポイントを示す初期位置に設定するステップを更に含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
上記位置決めステップは、
Ｐmeasuredが上記測定圧力の値であり、Ｐsetが上記所望の圧力値である場合の式（Ｐmeasured−Ｐset）／Ｐsetによって決定する圧力誤差の割合の絶対値を、上記測定圧力レベルと上記所望の圧力の値に基づいて計算するステップを更に含み、
上記圧力誤差の割合の絶対値が予め設定されたしきい値より降下した時間を、上記所定の時間として確定することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
上記しきい値は、0.25より小さいことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
上記しきい値は、0.05より小さいことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
上記位置決めステップは、
上記チャンバの圧力を上記所望の圧力に安定化させるために必要な時間を推定するステップを更に含み、
上記所定の時間は推定した上記時間である推定時間と等しいことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３１】
上記推定時間は、ｔが上記推定時間、Ｐsetが上記所望の圧力値、Ｖchamberが上記処理チャンバの体積、Ｑsetが上記所望のガス流量値である式
0004382984.tif 000003
を使用することによって計算されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
上記測定圧力を電子メモリ内に格納するステップと、
上記測定圧力を測定した時間を電子メモリ内に格納するステップと、
を更に含み、
上記推定時間は、時間の変化に対する圧力の変化を計算し、上記測定圧力を、上記時間の変化に対する圧力の変化によって除算することによって計算されることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
上記測定圧力を電子メモリ内に格納するステップと、
上記測定圧力を測定した時間を電子メモリ内に格納するステップと、
時間の変化に対する圧力の変化を計算するステップと、
上記時間の変化に対する圧力の変化を電子メモリ内に格納するステップと、
上記時間の変化に対する圧力の変化の最大絶対値を選択するステップと、
を更に含み、
上記時間の変化に対する圧力の変化の絶対値が、上記最大絶対値の予め設定されたしきい値パーセンテージより降下した時間を、上記所定の時間として確定することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３４】
上記しきい値パーセンテージは、50パーセントより小さいことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願との相互参照）
本願は、本明細書がその全文を参照している1996年３月29日付米国特許出願第08/627,712号の部分継続である。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、半導体ウェーハ処理の分野に関し、詳述すれば、半導体ウェーハ処理装置の反応チャンバ内の圧力を制御する方法及び装置に関する。
【０００３】
（従来の技術）
現在、完全に自動化されたウェーハ処理システムが、商用に広く使用されている。これらのシステムにおいては、ウェーハはロボットによって、反応チャンバまたは処理チャンバ内へ、及び反応チャンバから輸送され、チャンバ内では制御された排気環境の下でいろいろな処理が遂行される。このようなウェーハ処理システムの１つの例は、Lam Research Corporation製のTCPTM 9400単一ウェーハプラズマエッチングシステムである。
【０００４】
プラズマエッチングの場合には、半導体ウェーハは、極めて低い圧力の下でウェーハをイオン化されたガス配合物（プラズマ）に曝すことによって、反応チャンバ内においてエッチングされる。典型的には、処理中の反応チャンバ内を１トルより低い圧力に維持することが必要である。処理レシピは、ガス流量、チャンバ圧力、ＲＦ電力、間隙の間隔、チャンバ温度、及びウェーハ温度を制御する一連のステップからなる。典型的には、予めプログラムされた処理レシピのセットが製造者から与えられる。操作員は、プログラムされたレシピを選択するか、または変更された、もしくはカストマイズされたレシピを使用することができる。
【０００５】
エッチング処理を開始させる場合、処理のために使用される選択されたガスが混合され、処理レシピに従う流量で反応チャンバ内に導入される。反応チャンバの上側部分内のコイルによってＲＦ電力が供給され、処理ガスをイオン化するように調整される。ＲＦ電力はウェーハにも供給され、ウェーハ上に直流バイアスを誘起させ、それによってウェーハのイオン衝撃の方向及びエネルギを制御するように調整される。エッチング処理中に、プラズマはウェーハ表面と化学的に反応し、マスクによってカバーされていない材料を除去する。プラズマ及びＲＦ電界は、完全に反応チャンバ内に含まれる。排気システムは反応チャンバからガスを絶えず除去し、それによって所望の圧力を維持する。典型的には、排気システムは、制御ゲート弁によって反応チャンバから分離されているターボポンプからなる。圧力コントローラは、反応チャンバ内のマノメーターからの圧力データを使用して制御ゲート弁の閉じ位置の程度を調整する。圧力コントローラは、ゲート弁を開閉してターボポンプから反応チャンバへ供給される真空を増減させる。このようにして圧力コントローラは、反応チャンバ内へのガス流量が１つの処理から次の処理へと変化しても、反応チャンバ内に所望の圧力を維持することを試みる。
【０００６】
圧力コントローラは、反応チャンバマノメーターからのデータと、レシピ内にプログラムされている設定点値とを比較する。もし処理ガス流量、または反応チャンバ内の所望圧力の何れかが、１つの処理から次の処理へ大きく変化すれば、圧力コントローラはゲート弁位置を適切に調整できなくなる恐れがある。例えば、もし次の処理ステップが遙かに高い流量でガスを導入することを要求すれば、ゲート弁は始めに過補償または補償不足になり、その結果ステップの始めに反応チャンバ内に不適切な圧力を発生させ得る。この問題を解消するために、現在入手可能なシステムは、新しいレシピを使用する度毎に学習手順を遂行する。学習手順は、新しいレシピ内の各処理ステップ毎に要求される適切なゲート弁位置の表を作成する。学習手順中にダミーウェーハがレシピの処理ステップに従って処理され、コントローラは各ステップ毎に要求されるゲート弁位置をノートする。
【０００７】
現在のシステムが抱えている１つの問題は、あるマシン上で新しい処理レシピが使用される度毎に新しい学習手順が要求されることである。従って、操作員が１つの処理ステップの設定点圧力またはガス流量を変化させることによってレシピを変更する場合には、必然的に、新しい表を導出する時間及び費用がかかる。新しいレシピで実験する場合に、新しい学習手順で運転することが特に時間を消費し得る。
【０００８】
現在のシステムに伴う別の問題は、もしガス供給弁または計器の何れかが不正確に合わされた、即ち較正されれば、学習手順からの結果が無効になることである。例えば、もし学習手順中にガス流入弁の１つが不正確に較正されれば、得られたゲート位置表も不正確になる。更に、表内の誤差は、幾つかのウェーハが不正確に処理されるまでは検出されることがない。
【０００９】
現在入手可能なシステムが抱えている別の問題は、ゲート弁自体の運動に関するものである。処理中に、エッチング処理により生成された破棄材料の若干量がゲート弁の表面に集まる。ゲート弁位置が変化すると、粒状物質が周囲環境内に解放される。動作圧力が極めて低いために、後方拡散によって粒子が上流に戻って反応チャンバへ入り、ウェーハの望ましくない汚染を発生させる恐れがある。
【００１０】
現在のシステムにおけるさらなる限界は、トランザクション時間または安定化時間が、ある場合には望ましくなく長くなり得ることである。トランザクションまたは安定化時間は、反応チャンバ内の圧力を、ある処理ステップのための圧力設定点に安定化させるのに要する時間である。詳述すれば、処理の始まりにおけるようにチャンバが比較的低圧で始動し、次のステップが80ミリトルのような比較的高圧を要求する場合、典型的には安定化時間は、設定点ガス流量に依存して20秒程度を要する。現在の技術では、チャンバ安定化は、次の処理が要求する設定点流量で処理ガスを反応チャンバ内に導入することによって達成されている。従って、次の処理ステップが比較的低い流量を要求し、チャンバ圧力を実質的に増加させなければならない場合には、安定化時間は望ましくなく長くなることが多い。
【００１１】
（発明の概要）
従って、本発明の目的は、処理中にゲート弁に要求される運動を最小にし、それによって反応チャンバ内に導入される粒状破棄材料の量を最小にすることによって、ウェーハ処理の分野における現在の圧力制御技術を改善することである。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、特定の処理ステップに関する設定点圧力またはガス流量が実質的に変化するか、または新しいレシピが使用される場合に、学習手順を遂行する必要性を排除することによって、ウェーハ処理の分野における現在の圧力制御技術を改善することである。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、先行ステップの設定点圧力よりも大幅に高いか、または低い設定点圧力を有する若干の処理ステップが要求する安定化、またはトランザクション時間を大幅に短縮させることによって、ウェーハ処理の分野における現在の圧力制御技術を改善することである。
【００１４】
これらの、及び他の目的を達成するために、本発明は、排気システム内にバラストガスを導入し、バラストガスの流量を処理チャンバ内で測定された圧力に従って調整することによって、処理チャンバ内の圧力を制御する方法及び装置を提供する。
【００１５】
また、これらの目的を達成するために、本発明は、特定の処理ステップの設定点圧力及び処理ガス流量が検索され、メモリ内に格納されているゲート弁位置推定曲線（チャンバ圧力、ガス流、及びゲート弁位置を相関させる）を参照することによってゲート弁位置を推定する方法及び装置を更に提供する。
【００１６】
また、これらの目的を達成するために、本発明は、始めに処理ガスを設定点流量よりも高い第１の所定の流量で処理チャンバ内に導入し、所定の時間が経過すると、または処理チャンバの圧力が設定点レベルに到達したことを感知すると、ガス導入流量を設定点レベルに再設定するようにした、処理チャンバ内の圧力を設定点レベルまで上昇させる方法及び装置を更に提供する。
【００１７】
また、これらの目的を達成するために、本発明は、特定の処理ステップの設定点圧力及び処理ガス流量が検索され、圧力を調整するために使用されるゲート弁を予備位置決めしておき、その後に、測定された圧力と設定点圧力との差に基づき、比例及び積分制御を使用してゲート弁を調整するようにした方法及び装置を更に提供する。しかしながら、所定点に到達するまでは積分制御は動作可能にならない。これは、積分器のワインドアップによってもたらされる所望圧力のオーバー／アンダーシューティングを防ぐ。
【００１８】
（実施の形態）
以下に、本発明の実施の形態を自動化された単一ウェーハ・プラズマエッチングシステムに関連して説明するが、当分野に精通していれば、以下に説明する方法及び構造は広範な応用に容易に適用可能であることは理解されよう。例えば、本発明は、他の型のウェーハ処理設備及び真空処理設備にも容易に適用可能である。添付図面においては、対応する構造に対しては同一の参照番号が付されていることに注目されたい。
【００１９】
本発明によるプラズマエッチングシステム１００を図１に示す。図１−２に、本発明をLam Research Corporation製のTCPTM 9400単一ウェーハプラズマエッチングシステムと共に使用する例を示してあることに注目されたい。当分野に精通していれば、以下の説明から、排気された環境で処理圧力の制御及び操作を必要とする如何なる適当な真空またはウェーハ処理設備と共に、本発明を容易に利用することができよう。
【００２０】
図１に示すように、エッチングシステム１００は、エッチングシステムのさまざまな処理及び特色を操作員が監視し、制御する操作員インタフェース及び制御パネル１０２を含んでいる。送出側及び受取側ウェーハインデクサー１０４は、エッチングシステム１００内の他の処理アセンブリへ、及びそれらからウェーハを送受する。TCPTM 9400の場合には、ウェーハはロボットによって、送出側インデクサーからエッチングシステムの左側に沿って入口ロードロック（図示してない）へ輸送される。ウェーハは入口ロードロックから反応チャンバ１０６内へ配置され、チャンバ内においてプラズマエッチング処理が行われる。図１には上側チャンバハウジング１０８、石英窓１１０、及びチャンバマノメーター１１２も示されている。処理済みのウェーハは出口ロードロック１１４へ入り、インデクサー１０４へ戻るように輸送される。図１には、ガスボックス１２０、プレナム１２２、ゲート弁１２４、及びターボポンプ１２６も示されており、これらに関しては全て後述する。
【００２１】
図２は、反応チャンバ１０６、ガス供給システム１２８、排気システム１３０、及び制御システム１３２の概要を示している。エッチング処理中、ウェーハは反応チャンバ１０６内の下側電極アセンブリ上に配置、またはクランプされる。保守中を除いて、制御されたウェーハエッチング環境を維持するために、反応チャンバ１０６は常に真空に維持される。排気システム１３０は、反応チャンバからガスを排気することによって、この真空を維持する。
【００２２】
ガス供給システム１２８は、ガスリング１３４を通して反応チャンバ１０６内へ処理ガスを導入する。ガスリング１３４は、下側電極アセンブリ及びウェーハの周りにリングに配列されている複数のガス出口からなる。ガス供給システム１２８は、制御システム１３２の制御下にある。ガス供給システム１２８は、手動遮断弁１３８、主遮断弁１４０、質量流コントローラ１４２、及びガス混合マニホルド１４４からなる複数のガス流路を介して反応チャンバへ処理ガスを供給する。図２には、４つの分離したガス流路が示されているが、一般的には、特定の応用の必要性に従って如何なる数のガス流路を使用しても差し支えない。ガス混合マニホルド１４４の場合、処理ガスは処理ガスライン１４６を通過し、ガスリング１３４を介して反応チャンバ１０６内へ入る。
【００２３】
制御システム１３２は、ガスパネルインタフェース１３６に指令して質量流コントローラ１４２を開閉させ、ガス混合マニホルド１４４へのガスの流れを調整する。現在使用可能なシステムによれば、設定点圧力の増加または減少を要求する２つのステップの間の安定化ステップまたはトランザクション中、制御システムは質量流コントローラに指令して、ガスの流れを単に次のステップが要求する流量に設定させるだけである。しかしながら、本発明によれば、圧力の増加を要求するステップに対する応答の速さは、ガス流入流量の強い関数である。従って、本発明の１つの代替実施の形態によれば、始めに質量流コントローラに、次のエッチングステップに要求され得る流量よりも遙かに大きい流量を指令させることによって、安定化時間またはトランザクション時間を有利に短縮させることができる。更に、安定化中のこの増加したガス流量が処理に及ぼす有害効果は最小になることを見出した。これは、安定化ステップ中にＲＦ電力を使用しないからである。
【００２４】
図３は、従来技術の方法による安定化またはトランザクション時間２００、及び本発明の方法による安定化またはトランザクション時間２０２の例を示している。図３の例では、反応チャンバは、40ＳＣＣＭの設定点流量で、僅か数ミリトルから、80ミリトルを要求する処理ステップまで上昇させる必要があるものとしている。曲線２００に示すように、従来の方法を使用すると、ガスは単に40ＳＣＣＭの設定点で導入され、安定化時間は約20秒である。本発明による方法及び装置の１つの代替実施の形態を使用すると、曲線２０２に示すように、安定化中の処理ガスは始めに320ＳＣＣＭの流量で導入され、安定化時間は約３秒しかかからない。安定化時間のこのような短縮は、スループットの実質的な増加につながる。
【００２５】
処理の要求、及び増加したスループットから得られる利益に依存して、他の導入流量を使用することができる。一般に、安定化時間と流量との積は、圧力の変化に正比例する。この関係を使用すれば、圧力を望ましく増加させる場合に、適切な流量を選択することによって安定化時間を短縮させることができる。
【００２６】
図４にブロック図で示す制御システム１３２は、ホストコンピュータ１８０、バス１８４、ガスパネルインタフェース１３６、及び圧力コントローラ１４２を含んでいる。ホストコンピュータ１８０は、メモリ１８２に接続されている。メモリ１８２は、典型的には、処理ステップの表の形状の処理レシピ、及び各処理ステップ毎の対応するチャンバ圧力、処理ガス流量、ＲＦ電力設定、間隙の間隔、及び温度設定を格納している。バス１８４は、典型的には、イーサネットのようなＬＡＮを介してホスト１８０と通信するVMEbusのような標準バスからなっている。ガスパネルインタフェース１３６は、典型的にはバス１８４上に存在するアナログライン及びＤＡ変換器及びＡＤ変換器を介して、バス１８４と通信する。ホスト１８０は、ガスパネルインタフェース１３６及びバス１８４を通して質量流コントローラ１４２へ、及びそれからの流量を設定し、流量設定を読むことができる。しかしながら、本発明によれば、質量流コントローラ１４２は、変換器１８８を介して圧力コントローラ１６０によっても制御可能である。圧力コントローラ１６０は、ＲＳ２３２接続等を介してバス１８４と通信する。圧力コントローラ１６０は、マノメーター１１２から圧力の読みを受信し、ゲート弁駆動モータ１６２を制御し、バラストガス質量流コントローラ１６４ａまたは１６４ｂ（詳細に関しては後述）を制御する。反応チャンバ内への処理ガスの増加した流入量は、圧力コントローラ１６０またはホスト１８０の何れかによって制御することができる。圧力コントローラ１６０が処理ガスの流入量を制御する場合、圧力コントローラ１６０は、流入量を高い流量に設定し、チャンバマノメーター１１２を通して反応チャンバ１０６内の圧力を監視する。反応チャンバ１０６内の圧力が次の処理ステップに必要な圧力のある範囲内に達すると、圧力コントローラ１６０は質量流コントローラ１４２を再設定してガスを次の処理ステップの設定点流量で導入させる。設定点流量へ流量を再設定するための適当なしきい値圧力は、設定点圧力への滑らかな惰走が得られるように、各特定の設備構成毎に選択すべきである。例えば、若干のマシンにおいては、圧力が設定点圧力の約10％以内に達した時に、流量を設定点流量に再設定すべきである。
【００２７】
代替として、ホスト１０８は、ガスパネルインタフェース１３６を介してガス流入流量を制御することができる。ホストから制御される場合には、処理ガスは時間ｔの間高い流量で導入され、この時間が過ぎると流量は設定点レベルに再設定される。流量を高レベルから設定点レベルへ変化させるための時間ｔは、ダミーウェーハを使用して１回運転し、設定点圧力に到達するのに要する時間を監視することによって、実験によって確立することができることを見出した。時間ｔは、チャンバの簡単なモデリングを通して確立されている次のような関係を使用することによって計算することもできる。
Ｐ＝αｍ*ｔ  →  ｔ＝Ｐ／ｍα
αの値は特定の設備構成に伴って変化し、Lam Research Corporation製の実験マシンのために約0.3の値を見出した。
【００２８】
以上のように、本発明の代替実施の形態によれば、処理ステップ変化中の安定化時間及びトランザクション時間は大幅に短縮され、それによって処理はより効率的になり、スループットが増加する。
【００２９】
図２を再度参照して、排気システム１３０の詳細を説明する。排気システム１３０は、反応チャンバ１０６内に真空を作る。排気システム１３０は、プレナム１２２、ゲート弁１２４、ターボポンプ１２６、及びバラストポートｉｉｉ及びｂｉを含んでいる。図２に示すように、プレナム１２２は反応チャンバ１０６に直接通じている。プレナム１２２とターボポンプ１２６との間にはゲート弁１２４が存在している。図示の弁１２４をゲート弁と称しているが、当分野に精通していれば、処理チャンバと真空ポンプとの間のガスの流れに絞り効果を呈する他の多くの代替型の弁を使用できることは理解されよう。弁は、例えば、蝶型弁、羽根型弁、ルーバー型弁、及びアイリス型弁を含む。
【００３０】
更に、排気システム１３０は、始めに反応チャンバ１０６を大気圧から約１ミリトルの粗真空圧力までポンプダウンするために使用されるバッキングポンプ（図示してない）をも含んでいる。制御システム１３２は、バッキングポンプがその低圧限界に達した時に、ターボポンプ１２６が圧力を低下させ続けるように各ポンプをチャンバに接続する隔離弁の開閉を調整する。バッキングポンプがその低圧限界までチャンバをポンプダウンすると、ターボポンプ１２６が係合してチャンバ圧力を１ミリトルより低く低下させる。
【００３１】
現在市販されているシステムでは、反応チャンバ１０６内の圧力を制御するために、圧力コントローラ１６０はチャンバマノメーター１１２からの圧力データを使用してゲート弁１２４を開閉する。しかしながら、本発明の代替実施の形態によれば、バラストポートを通してバラストガスをターボポンプ内に導入することによって、反応チャンバ１０６内の圧力を制御できることを見出した。図２に示すバラストポート１５０ａ及びバラストポート１５０ｂは、バラストポートの２つの代替配置を示している。バラストポート１５０ａはゲート弁１２４の直ぐ上流に配置され、バラストポート１５０ｂはゲート弁１２４から下流に位置決めされていて、バラストガスを直接ターボポンプ１２６内に挿入する。一般的に言えば、バラストガスが反応チャンバ内へ後方拡散して処理を妨害する可能性を低下させるために、バラストポートは可能な限り遠い下流に配置することが好ましい。バラストポート１５０ｂの場合には、好ましくは、バラストガスはターボポンプの段の１つ内に直接導入し、それによって後方拡散の可能性を大きく低下させることができる。バラストガスとして、システム動作の他の目的または保守にも使用できる窒素のような天然ガスを使用することも好ましい。
【００３２】
バラストガスの流量は、好ましくは、制御システム１３２の指令の下に質量流コントローラによって制御される。質量流コントローラ１６４ａ及び１６４ｂはそれぞれ、バラストポート１５０ａ及び１５０ｂへのバラストガスの流量を制御する。図４に示すように、質量流コントローラ１６４ａ及び１６４ｂは、圧力コントローラ１６０によって制御される。
【００３３】
バラストポートを通してのバラストガスの導入は、圧力設定点変化中の応答の速さを増加させ、またゲート弁を運動させる代わりにチャンバ圧力を能動制御するために有利に使用することができる。動作中にバラストガスを導入することにより、チャンバ内の圧力を、動作圧力のかなりな範囲にわたって精密に制御し、ゲート弁位置を変化させる必要性を有利に減少させることができる。ゲート弁を幾つかの所定の固定位置に位置決めし、それによってバラストガスによる制御の範囲を反応チャンバ圧力の全動作範囲にわたって拡大させることができる。例えば、バラストガスを、例えば全開、2/3閉、全閉のような３つの異なる位置にゲート弁を位置決めすることと組合せて使用するLam Research Corporation製の若干のマシンで、排気システムのための十分な範囲のコンダクタンスが得られることが解った。
【００３４】
以上のように、バラストガスは、バラストポートを介してターボポンプ内へ直接、またはターボポンプの直ぐ上流へ導入することができ、それによって処理ガス流入流量の調整の必要性、またはターボポンプ速度の調整の必要性を無くし、従ってゲート弁の所要運動量を最小にしながら、反応チャンバの圧力を効果的に制御するようになる。ゲート弁の運動を最小にすることによって、導入される粒状物質の量、及び処理が粒子によって汚染される機会が大幅に減少する。
【００３５】
本発明の別の代替実施の形態によれば、所与の流量及び圧力設定点のためのゲートベースシートの位置を推定し、それによって、特定のステップのために設定点圧力または流量が変化した時に、または新しいレシピが使用された時に、複数のコンダクタンス曲線を使用することができる。図５に、これらのゲート弁推定曲線の例を示す。即ち、いろいろな流量についての曲線のファミリーが示されている。これらの曲線は、高い流量において収束する傾向がある（図５の場合には100ＳＣＣＭより高い流量で収束する傾向がある）ことが解った。
【００３６】
ゲート位置推定曲線を導出する好ましい方法は、以下の通りである。各流量毎に、ゲート弁位置のシーケンスをステップさせ、各位置毎に得られた圧力を測定する。流量を、測定した圧力によって除算した値が、そのゲート弁位置のコンダクタンスである。この手順を各流量毎に繰り返す。ゲート位置推定曲線群を１回導出すれば、それらはターボポンプまたはゲート弁にある激烈な変化が無ければ正確さを維持することが解った。従って、本発明によれば、これらの曲線は制御システムのメモリ内に恒久的に格納することができる。図４では、メモリ１９０が圧力コントローラ１６０の一部として示されており、好ましくはゲート位置推定曲線群を格納するために使用される。例えば、これらの曲線は、値のマトリックスまたはアレイの形状で、または実験的に導出された曲線に適合させた公式または関数の形状でメモリ１９０内に格納することができる。
【００３７】
現在入手可能なゲート弁及びコントローラは、典型的には、圧力制御モードまたは位置制御モードの何れかで動作する。圧力動作モードでは、コントローラはチャンバ内の圧力を監視し、ゲート弁の位置を調整することによって設定された圧力を維持することを試みる。一方、位置制御モードでは、コントローラは単にゲート弁を設定された位置に位置決めするだけである。本発明の代替実施の形態によれば、始めにゲート弁を位置制御モードで動作させ、システムを圧力設定点付近に持って行くのに適当な点まで弁を予備位置決めすべきである。位置コントローラは、メモリ内に格納されているゲート位置推定曲線から、予備位置決めする点を推定することができる。例えば、もし処理設定点が100ＳＣＣＭの流量で20ミリトル圧力であれば、圧力コントローラはメモリ内に格納されている曲線からゲート位置を推定する。図５の場合には、位置は約380である。圧力が設定点の小さいパーセンテージ以内に到達した時に、圧力コントローラが圧力制御モードに切り替わることが好ましい。例えば、若干のマシンにおいては、圧力が設定点圧力の５％以内に到達した時に圧力制御モードに切り替わり、設定点圧力までの滑らかな惰走を発生させる。
【００３８】
ゲート弁位置推定曲線は、バラストガスを使用して圧力を制御する時にも使用することができる。広範囲のコンダクタンスをカバーするために、ゲート弁は少数の予め選択された位置に設定することができる。ゲート弁位置推定曲線は、特定の処理ステップのために、どのゲート弁位置が最良であるのかを選択するために使用することができる。一般的に言えば、あるシステムにとって、反応チャンバ内の圧力を制御するためには、ある範囲のバラスト流量が最適である。バラストガス流量が、バラストガス流量の適当な範囲の中点付近にあるものとすれば、その流量に設定点流量を加算し、組合された流量を設定点圧力で除算するとコンダクタンス値が求められる。このコンダクタンス値は、ゲート弁位置推定曲線を使用する場合に、予め選択されたゲート弁位置が適切であることを表している。例えば、所与の構成のためのバラストガス流量の範囲が０−300ＳＣＣＭであり、処理ガス流量設定点が50ＳＣＣＭであり、チャンバ圧力設定点が15ミリトルであるものとしよう。バラストガスの範囲の中央の150ＳＣＣＭを設定点流量に加算し、それを圧力によって除算すると約13.3ＳＣＣＭ／ミリトルのコンダクタンスが得られる。図５の曲線を使用すると理想ゲート位置は約500であり、最も近い予め選択された位置を選択すべきである。全開、全閉、2/3閉の３つの予め選択されたゲート位置を使用する場合には、2/3閉の位置が選択されることになろう。
【００３９】
弁の閉じの関数としてシステムポンピング速度を表しているゲート弁位置曲線（ポンピング速度相関関数としても知られている）は、実際の処理状態を近似する状態の下で確立される。状態が実際の状態を近似しているのであるから、実際の処理状態の下で弁の位置決め及び圧力を制御するために使用する時には、弁位置曲線はある量の固有誤差を有している。曲線を“確立” するための状態と実際の処理状態との間に存在し得る差は、比熱、分子量、温度等の比を含んでいる。若干の処理の場合には、この固有誤差が圧力安定化時間に重大な影響を与えることはないが、他の処理においては、それが望ましくなく長い整定時間をもたらしかねない。１つの解決法は、多くの異なる状態の下で、多くの弁位置曲線を生成することである。代替としての、及びより好ましい解決法は、単一の相関曲線を使用し、圧力制御計画内に誤差を斟酌して、多くの相関曲線を確立する時間のかかるプロセスを大幅に減少させることである。
【００４０】
従って、本発明の別の代替実施の形態では、現在の流量設定点、及び圧力設定点の所定の割合（フラクション）に基づいて弁を予備位置決めするために、弁位置推定曲線を使用する。この割合は、オーバーシュートを呈することなく圧力の増加を要求する処理の設定点に向かって圧力を単調に増加させるように、またアンダーシュートを呈することなく圧力の低下を要求する処理ステップの設定点に向かって圧力を単調に低下させるように選択される。圧力設定点の所定の割合を使用することは、上述したようなゲート弁位置推定曲線内の固有誤差に起因する圧力のオーバーシュート／アンダーシュートを防ぐのに有利である。この所定の割合は、一般的には圧力設定点の約50乃至150％、好ましくは約70乃至130％の範囲であろう。100％より低い値は圧力設定点を増加させるようなステップに適用され、100％より大きい値は圧力設定点を低下させるようなステップに適用される。
【００４１】
本発明の別の代替実施の形態では、計算された実効流入量に基づいて弁を位置決めするために弁推定曲線が使用され、この実効流入量は、質量の保存のための方程式、格納されているポンピング速度相関、及び測定された圧力を組合せることによって決定される。この代替実施の形態においては、弁はどのような適当な初期位置にも位置決めされ、流量が安定化した後に、そのチャンバのための質量保存方程式
ｍin−mout＝Ｖ*ｄρmix／ｄｔ
を使用することによって、実効流入量が計算される。上式において、ｍinはチャンバ内への質量流量であり、moutはチャンバから出て行く質量流量であり、Ｖはチャンバ容積であり、ｄρmix／ｄｔはチャンバ内のガス密度の時間導関数である。質量流量を標準状態における密度及び体積流量で置換し、理想気体の法則を使用すると、質量保存の方程式は
（Ｍin／Ｍout）・Ｑin−Ｑout
＝（Ｖ・ＴSTP／ＰSTP・Ｔmix）・（ｄＰmix／ｄｔ）
に変形することができる。ここにＭは分子量であり、添字“mix”はチャンバ内のガスを表し、Ｐはガス圧力であり、Ｔはガス温度である。暗示的にｄＴmix／ｄｔ＝０及びＭmix＝Ｍoutであるものとしている。実効流入量Ｑineff＝Ｑin・Ｍin／Ｍout及びパラメータβ＝ＰSTP・Ｔmix／Ｖ・ＴSTPを定義することによって、上式は
Ｑineff−Ｑout＝β・ｄＰmix／ｄｔ
に簡易化される。パラメータβは、既知の、または推定したチャンバ容積、及び測定された、または推定したＴmixの値を使用して求めることができる。
【００４２】
図６を参照する。番号３００は、本発明の代替実施の形態による弁予備位置決め制御ループを表している。ボックス３０２は、ゲート弁位置推定曲線の逆関数を表している。ボックス３０２内へＱ／Ｐが入力されると、対応する弁位置θが生成される。ボックス３０４はゲート弁位置推定曲線を表していて、弁位置へ入力が印加されると対応するＱ／Ｐ値を発生する。ボックス３０８はβ（ｄＰ／ｄｔ）を出力する。本発明のこの代替実施の形態では、レシピまたはそれ以外から知られるＱset／Ｐsetがボックス３０２内へ入力され、ボックス３０２は逆ゲート弁位置推定曲線を使用して第１弁位置θfを出力する。θfは、ボックス３０４及び弁コントローラ３１０への入力である。弁コントローラ３１０は弁位置を相応に調整し、ボックス３０４はゲート弁位置推定曲線を使用してＱout／Ｐを出力する。但し、曲線が完全に正確であるものとすればＰ＝Ｐmeasuredである。ボックス３０６においてＱout／ＰにＰmeasuredが乗算される。このＰmeasuredは、Ｑoutを求めるためにマノメーター３１２から供給される。ボックス３１６において、Ｑoutがβ（ｄＰ／ｄｔ）に加算され、実効体積流入量Ｑineffが得られる。次いで、ボックス３１４においてＱineffはＰmeasuredによって除算され、出力Ｑineff／Ｐmeasuredがボックス３０２内へ入力される。ボックス３０２は、逆ゲート弁位置推定曲線を使用して、新しい弁位置θnewを出力する。次いでθnewは、弁コントローラ３１０を介して弁を位置決めするために使用される。この技術を使用すると、計算された実効流入量を使用して弁の位置決めが引き続き補正され、それによって曲線内の固有誤差に起因して発生し得る潜在的な圧力オーバーシュート／アンダーシュートが減少する。もし必要ならば、このループを繰り返すことができる。更に、制御ループは、処理チャンバ内の圧力を調整するためにそれ自体によって使用することも、または代替として、詳細を後述するように、制御を、比例、積分、及び／または微分制御のような異なる制御計画へ引渡す前に、予備位置決めステップとして使用することもできる。
【００４３】
以上のように、本発明によれば、メモリ内に格納されているゲート位置推定曲線を使用することにより、有利なことには、新しい処理レシピを使用する時に新しい学習手順を遂行する必要性が排除される。本発明は、流量及び圧力設定点情報を、格納されているポンピング速度相関と共に使用することによって、たとえレシピの変化が組み込まれていても、弁予備位置決めを容易に遂行することができる。これに対して従来の圧力制御計画は、レシピの各ステップ毎に学習したゲート弁位置をメモリ内に保管し、各ステップにおいて弁を予備位置決めするためにはこれらの学習した値を単に呼び戻すだけに頼ることが多い。この技術は、もし同じレシピが反復して運転されるのであれば、良好に動作する。しかしながらもしレシピが変更されるか、またはもし完全に新しいレシピが使用されれば、メモリ内に格納されている学習した値は、この新しいレシピには適切ではないかも知れない。従って、通常は各新しいレシピの開始時にダミーウェーハで運転してコントローラに適切な弁予備位置値を学習させ、全ての生産ウェーハを同一に処理できるようにしている。本発明によれば、これらのダミーウェーハ運転が排除され、従ってツール生産性が改善される。
【００４４】
本発明の好ましい代替実施の形態では、弁は先ず、上述した予備位置決め代替の１つに従って、または単に先行運転の位置に従って予備位置決めされる。弁が初期予備位置決めされてから、所定の状態に達するまでは比例（または、比例及び微分）制御が適用され、その後に積分制御も動作可能になる。始めに比例（または、比例及び微分）制御だけを適用することによって、オーバーシュート／アンダーシュートを伴わずに、また望ましくない弁運動を伴わずに、圧力は所望の設定点に接近させられる。続いて、積分制御が動作可能になり、設定点と実際の圧力との間の安定状態差が減少させられる。積分制御の開始を遅らせることによって、システムの非直線性及び高次の性質によって生ずる積分器ワインドアップまたは積分器オーバーシュートを原因とする圧力オーバーシュート／アンダーシュートが効果的に排除される。
【００４５】
１代替実施の形態では、弁は、先行運転に基づいて、または上述した位置決め代替から、始めに予備位置決めされる。予備位置決めに続いて、圧力誤差の絶対値、
｜（Ｐmeasured−Ｐset）／Ｐset｜
が約0.25に、そして好ましくは0.05に降下するまで、比例（または、比例及び微分）制御が適用され、その後に積分制御も動作可能になる。積分制御を動作可能にするためのこの圧力誤差基準は、特に弁が先行運転に基づいて予備位置決めされている場合には、極めて効果的に働く。
【００４６】
しかしながら、若干の場合には、弁予備位置決めと、比例（または、比例及び微分）制御との組合せでは、積分制御の開始をトリガするのに十分小さい圧力誤差を達成することはできない。これは、例えば、予備位置決めが極めて不正確なポンピング速度相関に基づいている場合には、時々発生する。この状況では、時間基準が満たされた後に積分器を動作可能にすることが有利である。この時間は、ｄＰ／ｄｔを測定することによって推定することができ、ｄＰ／ｄｔが一定であるものとすれば、設定点に到達するまでの時間は（ｄＰ／ｄｔ）-1(Ｐmeasured)である。設定点に到達するまでの時間を推定する別の方法は、
ｔ∝（Ｐsetpoint）×Ｖchamber／Ｑset
を使用することである。
【００４７】
補正されていないゲート弁位置推定曲線を、弁の予備位置決めに使用する場合には、格納されているポンピング速度相関内に不正確さが存在するかも知れないので、時間が積分制御を動作可能にするための良好な基準になる。このような積分器遅延時間の計算は、各処理ステップ毎に積分器遅延時間を最小にすることができるので、固定された積分器遅延を使用するより有利であり、ツールの生産性を増加させることができる。加えて、このような積分器遅延の計算は、操作員の介在を必要としないので、ユーザが各処理ステップ毎の積分器遅延時間を指定するより有利である。更に、最適積分器遅延時間を経験的に決定するのに、ダミーウェーハを用いる非生産性処理サイクルを必要としない。当分野に精通していれば、圧力設定点に達するまでに必要な時間を推定する他の方法が容易に理解されよう。
【００４８】
別の代替実施の形態では、積分制御を動作可能にするための基準は、測定された圧力の時間導関数に基づいている。詳述すれば、積分制御は、ｄＰ／ｄｔの絶対値が、現在のレシピステップまたは設定点状態において記録されたｄＰ／ｄｔの最大値の50％より降下した後に限って動作可能にされる。この実施の形態は、ｄＰ／ｄｔの測定、及び時間に伴うｄＰ／ｄｔの予測される特性変化に頼っている。図７は、200ＳＣＣＭの一定流量において０から40ミリトルまで、それから20ミリトルまで圧力設定点を変化させた時に、圧力及びｄＰ／ｄｔが辿る特性時間トレースである。この例では、圧力設定点が０から40ミリトルまで増加した時、圧力は単調に増加し、次いで新しい設定点まで平らになり、オーバーシュートは最小である。ｄＰ／ｄｔの測定された値は、始めは増加し、ピークに達し、次いで測定された圧力が設定点に接近するにつれて減少する。ｄＰ／ｄｔ内のピークは、典型的には、測定された圧力が初期及び最終圧力の中点付近にある時に発生する。設定点が40から20ミリトルへ変化する時も、ｄＰ／ｄｔの符号が反転することを除いて、同じような傾向が観測される。
【００４９】
本発明の別の好ましい代替実施の形態では、総合システムの非直線性を減少させるために、打消し補償の新しい適用を使用する。図８ａは、普通の、従来技術のＰＩＤ圧力制御システム公式化技術のブロック図であって、明瞭化のために弁予備位置決めロジックは省略してある。普通のＰＩＤ圧力制御システム公式化技術では、圧力誤差がＰＩＤ補償ブロックへ入力され、このブロックが生成するアクチュエータ信号がシステムへ送られる。次いでシステム応答（この場合には、圧力）が測定され、フィードバックされて圧力設定点と比較され、システム誤差が決定される。この普通の公式化技術では、弁アクチュエータ及び圧力測定デバイスは、指数時間応答を有する一次システムとして容易にモデル化される。しかしながら、この普通の公式化技術では、弁／チャンバシステムが非直線性であるので、標準制御理論を使用して完全システムを数学的にモデル化することは困難である。この普通の公式化技術では、弁／チャンバシステムは実効的に、非線形（流出）ゲート弁位置推定関数及びチャンバの積分器のような性質（即ち、チャンバ内の圧力は、チャンバのガス流入及び流出の流量の差の時間積分によって決定される）の畳込みからなる。
【００５０】
従って、本発明の代替の好ましい実施の形態では、図８ｂに示すように、ゲート弁位置推定曲線の逆関数Ｆ-1をモデル内に導入し、弁／チャンバシステムの非直線性を実質的に打消す。図８ｂに示すこの代替の好ましい実施の形態では、圧力誤差がＰＩＤ補償ブロックへ入力される。ＰＩＤ補償の出力は、実効的に体積流量命令Ｑであり、単位は標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）である。次いでＱは、単位がミリトルの圧力（圧力設定点または測定された圧力の何れか）によって除算され、Ｑ／Ｐの商が計算される。この商は逆ゲート弁位置推定曲線Ｆ-1へ入力されて新しい弁位置命令が決定され、この命令は弁コントローラへ入力される。印加されると、この新しい弁位置は、例えばゲート弁位置推定曲線Ｆとして数学的にモデル化されているシステムポンピング速度を通して、チャンバ流出量を設定する。この公式化技術では、逆ゲート弁位置推定曲線はシステム利得として動作するが、より重要なことには、弁／チャンバシステムの非直線性を実質的に打消すように働く。（制御理論の観点からは、ブロック図内の連続するブロックは乗算されて行く。Ｆ-1とＦの積は名目的には１であるが、実際には、格納されているいろいろな状態におけるポンピング速度相関曲線と、実際のポンピング速度相関曲線との間に固有の差があることから、これらの積は正確に１ではない。Ｆ-1とＦの積を形成することは、制御理論において打消し補償として知られている技術を特定的に実現したものである。Edward Doebelin, Dynamic Analysis and Feedback Contorol 254 (1962)を参照されたい。）この公式化技術を用いると、制御を最適化するために標準制御理論を使用してシステムを解析することができる。
【００５１】
以上のようにこの代替の好ましい実施の形態では、弁は、先行運転に基づいて、または上述した予備位置決め代替から、始めに予備位置決めされる。予備位置決めに続いて、所定の状態に到達するまで比例（または、比例及び微分）制御が適用され、その後に積分制御が動作可能にされる。これは、この代替の好ましい実施の形態では、逆ゲート弁位置推定曲線を適用して弁／チャンバシステムの非直線性を実質的に打消すことを除いて、上述した先行実施の形態と同様である。弁を予備位置決めすることが好ましいのであるが、当分野に精通していれば、比例、積分、及び／または微分制御は、どのような組合せでも、逆ゲート弁位置曲線に結合されて上述したように弁／チャンバシステムの非直線性を打消し、また予備位置決めを行って、または行わないでチャンバ内の圧力を制御することができる。一般的に言えば、ＰＩＤ公式化技術においては、比例、積分、及び微分制御に最適の利得を適用するためには、積分及び微分制御は経験的に決定される。例えば、ジーグラー・ニコルス計画（G. F. Franklin, J. D. Powel & A. Eamami-Naeini, Feedback Control of Dynamic Systems 103-106 (1986)）では、最適利得は、反応速度及びシステム応答の遅れに関係付けることができる。選択された利得は、通常は定数であるか、またはシステムに関係付けられているあるパラメータを用いてスケジュールされる。この代替の好ましい実施の形態では、実験的に、弁位置で積分利得をスケジュールすることによって最適圧力制御が達成されることが解った。この利得は、Ｆをゲート弁位置推定曲線として、Ｋi＝（定数）（Ｆ（θactual））によって表される。比例利得Ｋp及び微分利得Ｋdは定数であることも、または流量でスケジュールすることもできる。200ｍｍウェーハ処理チャンバのためのＫp及びＫdの典型的な値は１程度であり、一般にＫdはＫpのある割合（例えば、0.1）に設定される。
【００５２】
上述した本発明の代替の好ましい実施の形態は比例及び積分制御を使用しているが、当分野に精通していれば、本発明の範囲を越えることなく、弁の予備位置決めの後に何時でも、比例及び積分制御に加えて微分制御も使用できることは容易に理解されよう。更に、ＰＩＤ制御の前に値を予備位置決めする幾つかの方法を説明した。当分野に精通していれば、本発明の範囲を越えることなく、ＰＩＤ制御の前に弁を予備位置決めする他の多くの方法を使用できることは容易に理解されよう。
【００５３】
以上に本発明の好ましい実施の形態を説明したが、これらの説明は単に例示に過ぎず、本発明を限定する意図でなされたものではない。例えば、真空プラズマウェーハ処理設備を例に使用して本発明を説明したが、本発明は他の型のウェーハ処理設備、並びに他の型の真空処理設備にも適用可能である。以上から、当分野に精通していれば、本発明は、排気されたチャンバ内の低い、ほぼ真空の圧力を取扱い、精密に制御する必要がある他の型の設備にも等しく適用できることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるウェーハ処理マシンの主要アセンブリの若干を示す右側面図である。
【図２】  本発明によるウェーハ処理マシンのガス供給システム、反応チャンバ、及び排気システムの概要図である。
【図３】  従来技術及び本発明による方法の下での安定化時間の例を示すグラフである。
【図４】  本発明による制御システムの若干の成分、及びこれらの成分間のいろいろな相互接続を示すブロック図である。
【図５】  本発明によるゲート弁位置推定曲線の例を示すグラフである。
【図６】  本発明による代替圧力制御計画を示す流れ図である。
【図７】  圧力設定点の変化に追随する圧力及びｄＰ／ｄｔの特性時間トレースを示す図である。
【図８ａ】  普通の、従来技術のＰＩＤ制御公式化技術のブロック図である。
【図８ｂ】  本発明の代替実施の形態によるＰＩＤ制御公式化技術のブロック図である。
【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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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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